WO2013179866A1

WO2013179866A1 - アンテナ装置及び無線通信装置

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Publication number: WO2013179866A1
Application number: PCT/JP2013/063016
Authority: WO
Inventors: 信人椿; 加藤　登
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2014-11-28
Also published as: US9905926B2; JPWO2013179866A1; CN103782446A; US20140198011A1; CN106299706A; CN106299706B; JP5660254B2; US9515382B2; US20170047655A1; CN103782446B

Description

アンテナ装置及び無線通信装置

　本発明は、アンテナ装置、例えば、ＮＦＣ（Near Field Communication）などの非接触通信システムで用いられるアンテナ装置及び該アンテナ装置を備えた無線通信装置に関する。

　近年、携帯端末などには１３．５６ＭＨｚ帯の非接触通信システムで使用されるアンテナ装置が内蔵されている。この種のアンテナ装置は、良好な通信距離を得るために、大きなコイルアンテナを必要としており、該コイルアンテナは比較的大きなスペースが得られる端末ケースの内側に貼り付けられている。そして、ＲＦ信号を処理する給電回路（ＲＦＩＣチップ）とコイルアンテナとはコネクタやピンを介して直流的に接続されている。

　しかし、前述の直流的な接続方式であると、接触面の粗さ、酸化、接点圧によって接触抵抗がばらつくという問題点を有しており、振動や落下による衝撃などで接触不良が生じるなど、信頼性の点で問題点を有している。

　そこで、特許文献１，２では、基板上に実装したＲＦＩＣチップに対して基板上の配線で導通させた送受信用アンテナと、例えば端末ケースの内側に設けた共振アンテナとを電磁界結合させて動作させることが提案されている。これによれば、前記問題点を解消できるうえに、送受信用アンテナは共振アンテナとのみ結合させればよいため、そのサイズを小さくすることができる。

　しかしながら、ブースタコイルアンテナと給電コイルアンテナの距離がばらつくと、両者の電磁界結合の大きさが変化するため、共振周波数が所望の値からずれることによる通信特性の劣化が問題となる。また、給電コイルアンテナから放射される磁界の全てが閉ループを形成することはなく、両アンテナの結合を大きくすることはできず、しかも、所望の動作周波数を得るために結合度を調整することも困難である。

特開２００８－３０６６８９号公報特許第４３２５６２１号公報

　本発明の目的は、給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの結合度の調整が容易であり、特に結合度を大きくできるアンテナ装置及び無線通信装置を提供することにある。

　本発明の第１の形態であるアンテナ装置は、
　給電コイルアンテナと、
　前記給電コイルアンテナと電磁界結合するように配置されたブースタコイルアンテナと、
　を備えたアンテナ装置において、
　前記給電コイルアンテナは、磁性体と該磁性体の周囲に巻回したコイル導体とからなる複数のコイル部からなり、
　前記複数のコイル部は、同相に接続されており、それぞれ、前記コイル導体の巻回軸がほぼ同じ方向に配置されるとともに、前記コイル導体の開口部の少なくとも一部が対向するように互いに近接して配置されていること、
　を特徴とする。

　本発明の第２の形態である無線通信装置は、
　給電回路と、
　前記給電回路に接続された給電コイルアンテナと、
　前記給電コイルアンテナと電磁界結合するように配置されたブースタコイルアンテナと、
　を備えた無線通信装置において、
　前記給電コイルアンテナは、磁性体と該磁性体の周囲に巻回したコイル導体とからなる複数のコイル部からなり、
　前記複数のコイル部は、同相に接続されており、それぞれ、前記コイル導体の巻回軸がほぼ同じ方向に配置されるとともに、前記コイル導体の開口部の少なくとも一部が対向するように互いに近接して配置されていること、
　を特徴とする。

　前記アンテナ装置においては、給電コイルアンテナが複数のコイル部によって形成されており、複数のコイル部の配置関係などによって給電コイルアンテナの共振周波数を調整することができる。特に、複数のコイル部の間にも磁束が進入することになり、給電コイルアンテナから内周部分に放射された磁束が閉ループを形成し、給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの結合度が大きくなり、ひいては通信特性が向上する。

　本発明によれば、給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの結合度の調整が容易になり、特に結合度を大きくすることができ、通信特性が向上する。

一実施例であるアンテナ装置の要部を示す分解斜視図である。（Ａ），（Ｂ）ともに前記アンテナ装置の等価回路図である。給電コイルアンテナの第１例を示す斜視図である。前記アンテナ装置において給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの電磁界結合を示す説明図である。（Ａ）～（Ｆ）はそれぞれ給電コイルアンテナの種々の配置形態を示す説明図である。（Ａ）は給電コイルアンテナの前記第１例の利点を示す平面図、（Ｂ）は給電コイルアンテナの比較例を示す平面図である。給電コイルアンテナの第２例を示す斜視図である。給電コイルアンテナの第３例を示し、（Ａ）は配置形態を示す説明図、（Ｂ）は給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの電磁界結合を示す説明図である。給電コイルアンテナの第４例を示し、（Ａ）は配置形態を示す説明図、（Ｂ）は給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの電磁界結合を示す説明図である。給電コイルアンテナの第５例を示す説明図である。給電コイルアンテナの第６例とブースタコイルアンテナとの電磁界結合を示す説明図である。給電コイルアンテナの第７例とブースタコイルアンテナとの電磁界結合を示す説明図である。（Ａ）は磁性体層の作用を示す説明図であり、（Ｂ）は比較例の説明図である。

　以下、本発明に係るアンテナ装置及び無線通信装置の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

　一実施例であるアンテナ装置は、図１に示すように、回路基板（プリント配線板１０）上に給電コイルアンテナ１５（コイル部１５Ａ，１５Ｂからなる）を配置するとともに、絶縁体層２１の下面及び上面にコイル導体２２，２３を設けたブースタコイルアンテナ２０を形成し、給電コイルアンテナ１５をブースタコイルアンテナ２０の周回辺の一部に近接配置したものである。ブースタコイルアンテナ２０とプリント配線板１０との間には磁性体層２５が介在されている。ブースタコイルアンテナ２０は、ＨＦ帯の高周波信号の送受信が可能な放射素子として機能する。

　このアンテナ装置は、図２（Ａ）に示す等価回路を有している。給電コイルアンテナ１５（コイル部１５Ａ，１５Ｂ）は給電回路（ＲＦＩＣチップ３０）に接続されており、並列共振回路を構成するインダクタ成分Ｌ１（コイル部１５Ａ，１５Ｂの合成インダクタ成分）と、容量成分Ｃ１とからなる。共振周波数は主に容量成分Ｃ１によって調整される。一方、ブースタコイルアンテナ２０はコイル導体２２，２３によるインダクタ成分Ｌ２，Ｌ３と線間容量成分Ｃ２，Ｃ３とからなる直列共振回路を構成している。そして、給電コイルアンテナ１５（インダクタ成分Ｌ１）とブースタコイルアンテナ２０（インダクタ成分Ｌ２，Ｌ３）とは互いに電磁界結合（符号Ｍで示す）している。

　給電回路は、ＲＦＩＣチップ３０にて構成されており、メモリー回路やロジック回路を有しており、ベアチップＩＣとして構成されていてもよく、パッケージＩＣとして構成されていてもよい。

　給電コイルアンテナ１５は、図３に示すように、磁性体コア１６Ａ，１６Ｂと該磁性体コア１６Ａ，１６Ｂの周囲に巻回したコイル導体１７Ａ，１７Ｂとからなる第１コイル部１５Ａ及び第２コイル部１５Ｂから構成されている。給電コイルアンテナ１５はプリント配線板１０上に搭載されており、コイル導体１７Ａ，１７Ｂはプリント配線板１０上に形成した導体を介して直列又は並列に接続されている（図２（Ａ），（Ｂ）参照）。第１及び第２のコイル部１５Ａ，１５Ｂは同相に接続されており、コイル導体１７Ａ，１７Ｂの巻回軸１８Ａ，１８Ｂがほぼ同じ方向に配置されるとともに、コイル導体１７Ａ，１７Ｂの開口部がギャップＧを介して互いに近接して対向している。

　磁性体コア１６Ａ，１６Ｂは通常フェライトからなる。コイル導体１７Ａ，１７Ｂは導電性材料からフォトリソ法などで薄膜形成したもの、あるいは、導電性ペーストを用いて厚膜形成したもの、さらには、導線を巻回したものや、コイル電極を形成した複数の磁性体シートを積層し、各磁性体シートのコイル電極をビアホール導体で接続してスパイラル状にしたものであってもよい。また、ブースタコイルアンテナ２０のコイル導体２２，２３は絶縁体層２１上に導電性材料からフォトリソ法などで薄膜形成したものであるが、これに限定するものではない。

　前記アンテナ装置においては、給電コイルアンテナ１５が第１及び第２コイル部１５Ａ，１５Ｂによって形成されており、図４に示すように、給電コイルアンテナ１５から放射される磁束φ１は、ブースタコイルアンテナ２０のコイル導体２２，２３を周回する閉ループを形成し、アンテナ１５，２０を電磁界結合する。さらに、内側を周回する磁束φ２も第１及び第２コイル部１５Ａ，１５Ｂの間のギャップＧに進入することになり閉ループを形成する。給電コイルアンテナ１５が単一構成であると、前記磁束φ２は漏れ磁束となってしまうが、本無線通信装置においては、磁束φ２も閉ループを形成するため、給電コイルアンテナ１５とブースタコイルアンテナ２０との結合度が大きくなり、ひいては通信特性が向上する。

　また、給電コイルアンテナ１５を複数に分割することによって直流重畳特性が向上し、給電コイルアンテナ１５に流れる電流の大きさによるインダクタンス値の変動量を小さくすることができる。また、給電コイルアンテナ１５は、良好な通信特性を得るにはサイズを大きくすることが必要となるが、磁性体コアは比較的脆い焼結体であるため、サイズを大きくするには限界がある。本実施例では、第１及び第２コイル部１５Ａ，１５Ｂに分割することにより、磁性体コア１６Ａ，１６Ｂをそれぞれ小サイズとして割れなどの不具合を防止できるとともに、良好な通信特性を得ることができる。

　また、給電コイルアンテナ１５は、ブースタコイルアンテナ２０のコイル導体２２，２３の巻回軸方向から平面視したとき、第１及び第２コイル部１５Ａ，１５Ｂがブースタコイルアンテナ２０の周回辺の一部（即ち、コイル導体２２，２３の一辺）に少なくとも一部が重なるように近接配置されている。これにて、アンテナ１５，２０の結合度が良好なものとなる。

　さらに、第１及び第２コイル部１５Ａ，１５Ｂの配置関係などによって給電コイルアンテナ１５の共振周波数を調整することができる。つまり、第１及び第２コイル部１５Ａ，１５Ｂの配置関係に応じてトータルのインダクタンス値を変更することができる。以下に、図５（Ａ）～（Ｆ）を参照して給電コイルアンテナ１５の種々の配置形態を示す。

　図５（Ａ）は、図３に示した第１例の配置形態であり、磁性体コア１６Ａ，１６Ｂは同じサイズであるとともに、コイル導体１７Ａ，１７Ｂの巻数も同じであり、巻回軸１８Ａ，１８Ｂが同軸上に配置されている。図５（Ｂ）に示す第２の配置形態では、磁性体コア１６Ａ，１６Ｂは同じサイズであるとともに、コイル導体１７Ａ，１７Ｂの巻数も同じであり、巻回軸１８Ａ，１８Ｂがそれぞれ異なる軸上に段違いに配置されている。図５（Ｃ）に示す第３の配置形態では、磁性体コア１６Ａ，１６Ｂは同じサイズであるとともに、コイル導体１７Ａ，１７Ｂの巻数も同じであり、巻回軸１８Ａに対して巻回軸１８Ｂが傾斜した状態で配置されている。

　図５（Ｄ）に示す第４の配置形態では、磁性体コア１６Ａ，１６Ｂは同じ外径寸法であるとともに、コイル導体１７Ａ，１７Ｂの巻数も同じであるが、磁性体コア１６Ｂの端部がテーパ状に形成されている。また、巻回軸１８Ａ，１８Ｂは同軸上に配置されている。この第４の配置形態では磁性体コア１６Ｂの端部をテーパ状に細くすることにより、無線通信装置の筺体の丸くなった角部との干渉を避けることができる。

　図５（Ｅ）に示す第５の配置形態では、磁性体コア１６Ｂは磁性体コア１６Ａよりも外形寸法が小さく、コイル導体１７Ａ，１７Ｂの巻数は同じであり、かつ、巻回軸１８Ａ，１８Ｂが同軸上に配置されている。図５（Ｆ）に示す第６の配置形態では、磁性体コア１６Ａ，１６Ｂは同じサイズであるが、コイル導体１７Ｂの巻数がコイル導体１７Ａの巻数よりも少なく、かつ、巻回軸１８Ａ，１８Ｂが同軸上に配置されている。

　近年、携帯端末などでは小型化／高密度実装化によってアンテナ装置の搭載スペースを確保することが困難な状況にあるが、本実施例のごとく、第１及び第２コイル部１５Ａ，１５Ｂに分割することにより、搭載スペースを有効に活用できる。例えば、図６（Ａ）に示すように、プリント配線板１０上の縁部に凸部１１と凹部１２が形成されている場合、本実施例であれば凹部１２を迂回して凸部１１に第１及び第２コイル部１５Ａ，１５Ｂを配置することができる。仮に、単一の給電コイルアンテナ１５を用いるのであれば、図６（Ｂ）に示すように、給電コイルアンテナ１５を一方の凸部１１に設けることになるので、磁性体コア１６にコイル導体１７を線幅やピッチを細かくして巻回する対策が必要となる。しかし、これでは給電コイルアンテナ１５のインダクタンス値が小さくなったり、放射特性が劣化し、結果的に通信特性が劣化する。

　次に、給電コイルアンテナ１５の第２例について図７を参照して説明する。この給電コイルアンテナ１５は、磁性体コア１６を単一物としたもので、コイル導体１７Ａ，１７Ｂの巻回部分は同じ外径寸法からなるとともに、間に切欠き（ギャップＧ）が形成されている。なお、切欠き（ギャップＧ）に誘電体などが充填されていてもよい。図４に示したように、ギャップＧによって内側の磁束φ２が閉ループを形成する点は、前記第１例と同様である。

　給電コイルアンテナ１５の第３例について図８を参照して説明する。この給電コイルアンテナ１５は、図８（Ａ）に示すように、第１及び第２のコイル部１５Ａ，１５Ｂの間に第３のコイル部１５Ｃを設けたものである。本第３例においても、コイル導体１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃは直列又は並列にかつ同相に接続され、巻回軸１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃはほぼ同じ方向に配置されている。コイル導体１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの開口部はギャップＧを介して互いに近接して対向している。

　この給電コイルアンテナ１５は、平面視で、第１のコイル部１５Ａの端部をコイル導体２２，２３の内側部に近接して配置するとともに、第２のコイル部１５Ｂの端部をコイル導体２２，２３の外側部に近接して配置している。これにて、図８（Ｂ）に示すように、第２のコイル部１５Ｂの端部から放射される磁束φ１がコイル導体２２，２３に直上を通って第１のコイル部１５Ａの端部に回り込んで閉ループを形成する。さらに、第３のコイル部１５Ｃの端部から放射された漏れ磁束φ２がコイル導体２２，２３の直上を通って第３のコイル部１５Ｃに戻って閉ループを形成する。これにて、給電コイルアンテナ１５とブースタコイルアンテナ２０との結合度が大きくなり、ひいては通信特性が向上する。

　給電コイルアンテナ１５の第４例について図９を参照して説明する。この給電コイルアンテナ１５は、図９（Ａ）に示すように、図３に示したアンテナ１５と同様に第１及び第２のコイル部１５Ａ，１５Ｂからなり、ギャップＧを若干大きく取っている。この給電コイルアンテナ１５も、平面視で、第１のコイル部１５Ａの端部をコイル導体２２，２３の内側部に近接して配置するとともに、第２のコイル部１５Ｂの端部をコイル導体２２，２３の外側部に近接して配置している。これにて、図９（Ｂ）に示すように、第２のコイル部１５Ｂの端部から放射される磁束φ１がコイル導体２２，２３に直上を通って第１のコイル部１５Ａの端部に回り込んで閉ループを形成する。さらに、第２のコイル部１５Ｂの端部から放射された漏れ磁束φ２がコイル導体２２，２３の直上を通って第２のコイル部１５Ｂに戻って閉ループを形成する。これにて、給電コイルアンテナ１５とブースタコイルアンテナ２０との結合度が大きくなり、ひいては通信特性が向上する。

　給電コイルアンテナ１５の第５例について図１０を参照して説明する。この給電コイルアンテナ１５は、第１及び第２のコイル部１５Ａ，１５Ｂのコイル導体１７Ａ，１７Ｂの間にインダクタ１９を配置したものである。これにて、給電コイルアンテナ１５のインダクタンスを大きくすることができる。インダクタ１９に関しては、例えば、チップタイプのインダクタであってもよく、基板上にミアンダ状あるいはコイル状の導体パターンで形成してもよい。

　給電コイルアンテナ１５の第６例について図１１を参照して説明する。この給電コイルアンテナ１５は、第１コイル部１５Ａを比較的小径とし、第２コイル部１５Ｂを比較的大径としたものである。第２のコイル部１５Ｂの端部から放射される磁束φ１がコイル導体２２，２３に直上を通って第１のコイル部１５Ａの端部に回り込んで閉ループを形成する。さらに、第２のコイル部１５Ｂの端部から放射された漏れ磁束φ２がコイル導体２２，２３の直上を通って第２のコイル部１５Ｂに戻って閉ループを形成する。これにて、給電コイルアンテナ１５とブースタコイルアンテナ２０との結合度が大きくなり、ひいては通信特性が向上する。また、コイル部１５Ａ，１５Ｂを通過する磁束に傾斜した指向性（矢印Ｙ参照）を持たせることができる。

　給電コイルアンテナ１５の第７例について図１２を参照して説明する。この給電コイルアンテナ１５は、第１及び第２コイル部１５Ａ，１５Ｂの間に比較的小径の第３のコイル部１５Ｃを設けたものである。第２のコイル部１５Ｂの端部から放射される磁束φ１がコイル導体２２，２３に直上を通って第１のコイル部１５Ａの端部に回り込んで閉ループを形成する。さらに、第２のコイル部１５Ｂの端部から放射された漏れ磁束φ２がコイル導体２２，２３の直上を通って第２のコイル部１５Ｂに戻って閉ループを形成する。これにて、給電コイルアンテナ１５とブースタコイルアンテナ２０との結合度が大きくなり、ひいては通信特性が向上する。また、コイル部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを通過する磁束に湾曲した指向性（矢印Ｙ参照）を持たせることができる。

　ところで、本アンテナ装置においては、給電コイルアンテナ１５とブースタコイルアンテナ２０との間に磁性体層２５が配置されており、ここで磁性体層２５の作用について図１３を参照して説明する。磁性体層２５としてはフェライトを好適に用いることができる。

　図１３は無線通信装置（具体的には、携帯端末）の概略内部構成を示し、プリント配線板１０には給電コイルアンテナ１５以外にも種々の電子部品３１やＩＣ３２が実装されている。仮に、磁性体層２５が配置されていないと、図１３（Ｂ）に示すように、ブースタコイルアンテナ２０を通過する磁束φ３が電子部品３１やＩＣ３２に衝突する。これに対して、磁性体層２５を配置することにより、図１３（Ａ）に示すように、磁束φ３が磁性体層２５に引き込まれて電子部品３１やＩＣ３２との干渉が大きく回避され、通信特性が向上する。

　（他の実施例）
　なお、本発明に係るアンテナ装置及び無線通信装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

　特に、給電コイルアンテナやブースタコイルアンテナの細部の構成、形状などは任意である。また、本発明は、ＨＦ帯のＮＦＣ用の無線通信装置に限定されるものではなく、ＵＨＦ帯など他の周波数帯や、他の通信システムにも利用できる。

　以上のように、本発明は、アンテナ装置及び無線通信装置に有用であり、特に、給電コイルアンテナとブースタコイルアンテナとの結合度の調整が容易であり、結合度を大きくできる点で優れている。

　１０…プリント配線板
　１５…給電コイルアンテナ
　１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ…コイル部
　１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ…磁性体コア
　１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ…コイル導体
　１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ…巻回軸
　２０…ブースタコイルアンテナ
　２５…磁性体層
　３０…給電回路（ＲＦＩＣチップ）

Claims

　給電コイルアンテナと、
　前記給電コイルアンテナと電磁界結合するように配置されたブースタコイルアンテナと、
　を備えたアンテナ装置において、
　前記給電コイルアンテナは、磁性体と該磁性体の周囲に巻回したコイル導体とからなる複数のコイル部からなり、
　前記複数のコイル部は、同相に接続されており、それぞれ、前記コイル導体の巻回軸がほぼ同じ方向に配置されるとともに、前記コイル導体の開口部の少なくとも一部が対向するように互いに近接して配置されていること、
　を特徴とするアンテナ装置。
　前記複数のコイル部を構成する前記コイル導体は、直列又は並列に接続されていること、を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
　前記複数のコイル部を構成する前記磁性体は、第１及び第２のコイル部ごとに独立して配置されていること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
　前記複数のコイル部は、前記コイル導体の巻回軸が同軸上に配置されていること、を特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
　前記複数のコイル部は、前記コイル導体の巻回軸がそれぞれ異なる軸上に配置されていること、を特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
　前記複数のコイル部を構成する前記磁性体は、それぞれ前記コイル導体を巻回する外形寸法が異なっていること、を特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
　前記複数のコイル部を構成する前記磁性体は、第１及び第２のコイル部に共通した単一物からなり、第１及び第２のコイル部のそれぞれの開口部を部分的に分離する切欠きを有すること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
　前記コイル導体は、第１及び第２のコイル部ごとに巻回数が異なっていること、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のアンテナ装置。
　前記給電コイルアンテナと前記ブースタコイルアンテナとの間に磁性体層が配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のアンテナ装置。
　前記ブースタコイルアンテナの巻回軸方向から平面視したとき、前記複数のコイル部は前記ブースタコイルアンテナの周回辺の一箇所に近接して配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のアンテナ装置。
　給電回路と、
　前記給電回路に接続された給電コイルアンテナと、
　前記給電コイルアンテナと電磁界結合するように配置されたブースタコイルアンテナと、
　を備えた無線通信装置において、
　前記給電コイルアンテナは、磁性体と該磁性体の周囲に巻回したコイル導体とからなる複数のコイル部からなり、
　前記複数のコイル部は、同相に接続されており、それぞれ、前記コイル導体の巻回軸がほぼ同じ方向に配置されるとともに、前記コイル導体の開口部の少なくとも一部が対向するように互いに近接して配置されていること、
　を特徴とする無線通信装置。