JP5152395B2 - アンテナ、アンテナ装置及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＦ−ＩＤ、すなわちＩＣカードやＩＣタグなどの無線通信媒体との通信を行うアンテナ、アンテナ装置及び通信装置に関するものである。

近年、携帯電話などの携帯端末にＲＦ−ＩＤ用無線タグを内蔵したものや、非接触型ＩＣカードやＩＣタグを読み取る機能を搭載したものが普及している。そして、（特許文献１）のようにアンテナのコイル軸が基板に対して垂直であるアンテナ装置が多く用いられている。

特許第４３２５６２１号公報

しかしながら、（特許文献１）のようにコイル軸が基板に対して垂直である構造では、後に詳細に説明するが、例えば非接触型ＩＣカードを基板に対して平行にし、アンテナ装置の真上に位置すると情報を読み取ることができるが、基板に対して垂直にし、アンテナ装置の真横にすると読み取ることができない。すなわち、基板である金属体に対してコイル軸が垂直であると、ループ上アンテナのほぼ真上では磁力線が一方向に流れる。その結果、非接触型ＩＣカードには一方向の磁力線が働き、非接触型ＩＣカードに電流が発生して、携帯端末と非接触型ＩＣカードとが通信を行う。しかしながら、ループ上アンテナのほぼ直横では、アンテナ側から外側に向かう磁力線と、外側からアンテナ側へ向かう磁力線とが発生する。従って、アンテナのほぼ直横に金属体に対してほぼ垂直に非接触型ＩＣカードを位置させると、非接触型ＩＣカードに対して両方向の磁力線が働いて打ち消しあう。その結果、非接触型ＩＣカードに電流を発生させることができず、携帯端末と非接触型ＩＣカードとが通信を行うことができない。

そこで、本発明は、上記の問題に鑑み、非接触型ＩＣカードなどの通信対象が金属体に対して平行または垂直に位置しても、良好に通信をすることができるアンテナ、これを備えたアンテナ装置及びそのアンテナ装置を備えた通信装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、金属体の一端部およびその一端部を含む面に接触せずに近接して配置されるアンテナであって、前記アンテナは、コアと、このコアに導体を巻回してなるコイル部と、を備え、前記アンテナの前記コイル部の開口面を前記金属体の前記面に対して略垂直とし、前記アンテナの一端部と前記金属体の一端部とが揃う位置を基点とし、該基点から所定距離ｄの範囲内で、前記アンテナの一端部を前記金属体の一端部より前記コイル部のコイル軸方向の内外に配置することにより、少なくとも前記アンテナの一部が前記金属体の一端部およびその一端部を含む面に前記金属体の前記面に垂直な方向において重なって配置され、通信時の前記アンテナから離れる方向の磁力線と前記
アンテナへ向う方向の磁力線との境界軸を前記金属体から離れる方向へ傾かせることを特徴とするアンテナとした。

本発明によれば、非接触型ＩＣカードなどの通信対象がアンテナ装置のほぼ真上に位置する、またはアンテナのほぼ真横に位置しても、良好に通信をすることができるアンテナ、これを備えたアンテナ装置及びそのアンテナ装置を備えた通信装置を提供することがで
きる。

本発明の実施例におけるアンテナの概念図 本発明の実施例におけるアンテナ装置の概念図 図２に示すアンテナ装置から発生する磁力線を示す概念図 従来例におけるアンテナ装置の概念図 本発明の他の実施例におけるアンテナ装置の概念図 図５に示すアンテナ装置から発生する磁力線を示す概念図 距離Ｄと磁界の軸Ｘの角度αとの関係を示す図 距離ｄと磁界の軸Ｘの角度αとの関係を示す図 携帯端末を分解した場合の斜視図

請求項１に記載の発明は、金属体の一端部およびその一端部を含む面に接触せずに近接して配置されるアンテナであって、前記アンテナは、コアと、このコアに導体を巻回してなるコイル部と、を備え、前記アンテナの前記コイル部の開口面を前記金属体の前記面に対して略垂直とし、前記アンテナの一端部と前記金属体の一端部とが揃う位置を基点とし、該基点から所定距離ｄの範囲内で、前記アンテナの一端部を前記金属体の一端部より前記コイル部のコイル軸方向の内外に配置することにより、少なくとも前記アンテナの一部が前記金属体の一端部およびその一端部を含む面に前記金属体の前記面に垂直な方向において重なって配置され、通信時の前記アンテナから離れる方向の磁力線と前記アンテナへ向う方向の磁力線との境界軸を前記金属体から離れる方向へ傾かせることを特徴とするアンテナであって、非接触型ＩＣカードなどの通信対象がアンテナのほぼ真上に位置する、またはアンテナのほぼ真横に位置しても、良好に通信をすることができるアンテナを提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載のアンテナと、金属体と、を備えたことを特徴とするアンテナ装置であって、非接触型ＩＣカードなどの通信対象が金属体に対して平行でありアンテナ装置のほぼ真上に位置する、または金属体に対して垂直でありアンテナ装置のほぼ真横に位置しても、良好に通信をすることができるアンテナ装置を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２記載のアンテナ装置を備え、前記金属体は前記アンテナに接続された基板であることを特徴とする通信装置であって、非接触型ＩＣカードなどの通信対象が金属体に対して平行でありアンテナ装置のほぼ真上に位置する、または金属体に対して垂直でありアンテナ装置のほぼ真横に位置しても、良好に通信をすることができる通信装置を提供することができる。また、基板を金属体として併用することで、通信装置の小型化が可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例におけるアンテナの概念図である。図２は、本発明の実施例におけるアンテナ装置の概念図である。

アンテナ装置は、アンテナ入出力用端子４（あるいは５）からもう片方のアンテナ入出
力用端子５（あるいは４）までの電流が流れる経路を提供する。このアンテナ入出力端子４、５を含む経路で囲まれた面をアンテナ装置の開口面と定義する。またアンテナ装置に含まれるアンテナ１が電流によって生じる磁界、あるいは外界からの磁界によって生じた電流によって信号の送受を行うものと定義する。また、アンテナ１の線路で囲まれた面（コア３の断面）をアンテナ１の開口面と定義する。

つまり、本実施例では、アンテナ装置によって、例えばＲＦＩＤ（１３．５６ＭＨｚ）の電波を送受信できるように調整してある。

本実施例では、アンテナ装置を構成する線路の途中にコイル部２が巻回されているコア３とともに１ヶ所挿入されており、アンテナ１を構成する。

また、コイル部２は、アンテナ入出力用端子４、５に対向する位置に挿入されている。これにより、コイル部２とアンテナ入出力用端子４、５をつないでアンテナ装置を形成する際に自由に形成することができる。ただし、対向する位置に限定されるものではない。

更に、コイル部２のコイル軸をＡとすると、コイル部２の配置は、コイル軸Ａが、アンテナ装置の開口面に垂直であり、かつ、アンテナ１の線路のコイル部２が挿入された前後の部分を流れる電流の向き（Ｃの方向）に垂直になっている。

なお、本実施例ではコイル軸ＡはＣ方向に対して垂直となっているが、平行となっていなければよい。

また、本実施例では、コイル部２は、距離Ｄを隔てて配置された金属体６の端面Ｂに垂直となるように配置されている。距離Ｄは０ｍｍから∞まで考えられるが、後述するように、いずれの場合もアンテナ装置として良好な通信性能を有する。なお、図２においては、距離Ｄは４ｍｍである。

また、コア３には、磁性体を用いることでコイル部２を通過する磁束を増やすことができ、金属体６が近接した場合の通信性能がよくなるので好ましいが、磁性体に限らずセラミックや樹脂などで構成されていてもかまわない。なお、本実施例においてはフェライトコアであり、サイズは８×２０×０．２ｍｍである。

また、コイル部２の導体の巻回数を本実施例では約６．５ターンである。コア３の金属体に面する面に巻回されている導体の本数（コア３の金属体に面する面において、コア３に導体を巻回す際に導体が面上に巻かれる本数）がコア３の金属体に面する面と反対側の面に巻回されている導体の本数より少なくしている。

このように構成することで、少ない巻回数で効率のよいアンテナ装置にすることができる。

なお、図２においては、直方体のコア３の長手方向をアンテナ装置のループ上に配置したが、短辺方向を配置してもよく、所望する特性や、搭載するスペースに合わせてコイル部２とコア３の形状は自由に選ぶことができる。

ただし、短辺方向を配置した場合には、コア３の短辺方向にコイル部２を巻き回して形成することはいうまでもない。

また、磁界強度は巻回数が増えるに伴い増加する。しかし、増加率を考えると、巻回数が整数から半周分増えるときに大きく増える。

ただし、巻回数は限定されるものではなく、巻回数は図２に図示している約６．５ターンより多くても少なくてもかまわない。

なお、巻回数を整数倍より約０．５ターン増やす、または減らすことは、コイル部２の両端（アンテナ装置との接続部）がコア３を挟んで両サイドにできるため、アンテナ装置に挿入しやすくなる。

つまり、通常のループアンテナの直線部分を置き換えるような形で挿入することができるため、挿入しやすくなる。

また、コイル部２の巻き方については、右巻きでも左巻きでもよく、配置する位置に応じて適宜選択することができる。

また、コイル部２とアンテナ装置の導体との接続は、はんだやコネクタによる接続など、通常利用される接続方法を使用できる。あるいは、コイル部２とアンテナ装置は１本の繋がった導体で形成してもかまわない。アンテナ入出力用端子４、５は、一般的に知られているように整合回路及びＩＣの入出力端子に接続されるものとし、接続方法はピンやバネによる接触やはんだ付け、コネクタによる接続など通常利用される接続方法を用いることができる。

次に、図３を用いてアンテナ装置が発生させる磁界について説明する。図３は図２に示すアンテナ装置から発生する磁力線を示す概念図である。また、図４は比較のため、従来例におけるアンテナ装置の概念図を示す。図５は、本発明の他の実施例におけるアンテナ装置の概念図である。図６は図５に示すアンテナ装置から発生する磁力線を示す概念図である。図７は、距離Ｄと磁界の軸Ｘの角度αとの関係を示す図、図８は距離ｄと磁界の軸Ｘの角度αとの関係を示す図である。

図３に示すように、本実施例におけるアンテナ装置は、コイル部２を備えるアンテナ１と、アンテナ１に近接して配置された金属体６とを備え、アンテナ１のコイル部２の開口部は金属体６に対して垂直であり、アンテナ１を金属体６の端部に配置することを特徴とする。なお、金属体６の端部とは、アンテナ１の端部が金属体６の最外端部よりも突出する場合及び、アンテナ１の端部が金属体６の最外端部よりも内側に位置する場合の双方を含み、好ましくは、後述するアンテナ１の端部と金属体６の端部との距離ｄが約−８ｍｍ〜＋８ｍｍであることを示す。

対して従来のアンテナ装置は、図４に示すように、アンテナ１０１の開口部が金属板６に対して平行である。アンテナ入出力端子へ入った信号によりアンテナ１０１に電流が流れる。アンテナ１０１から発生する磁力線が領域Ａにおいてはアンテナから離れる方向に一方向である。その結果、領域Ａに位置する例えば非接触型ＩＣカードには一方向の磁力線が働き、非接触型ＩＣカードに電流が発生して、携帯端末と非接触型ＩＣカードとが通信を行う。しかしながら、領域Ｂにおいてはアンテナから離れる方向とアンテナへ向かう方向という、逆向きの二方向に磁力線が伸びるため、お互いに打ち消しあってしまう。従って、領域Ｂ、すなわちアンテナのほぼ直横に金属体に対してほぼ垂直に非接触型ＩＣカードを位置させると、非接触型ＩＣカードに対して両方向の磁力線が働いて打ち消しあう。その結果、非接触型ＩＣカードに電流を発生させることができず、携帯端末と非接触型ＩＣカードとが通信を行うことができない。

しかしながら、本願は、コイル部２を備えるアンテナ１と、アンテナ１に近接して配置された金属体６とを備え、アンテナ１のコイル部２の開口部は金属体６に対して垂直であ
り、アンテナ１のコイル部２の長手方向が金属体６の最端部に平行であり、端部に配置するため、例えば非接触型ＩＣカードを領域Ａだけでなく領域Ｂに位置させても、良好な通信を行うことができる。

すなわち、アンテナ入出力端子４、５へ入った信号によりアンテナ１に電流が流れる。アンテナ１の開口部は金属体６に対して垂直であるため、領域Ｂではアンテナ１から発生する磁力線がアンテナ１から離れる方向に一方向である。その結果、領域Ｂに位置する例えば非接触型ＩＣカードには一方向の磁力線が働き、非接触型ＩＣカードに電流が発生して、本実施例のアンテナ装置を搭載する携帯端末などと非接触型ＩＣカードとが通信を行うことができる。

また、領域Ａにおいても、磁力線がアンテナ１から離れる方向もしくはアンテナ１に向かう方向のいずれか一方向である。それは、アンテナ１から発生する磁界８が、金属体６付近では減衰することにより、磁界８の軸Ｘが金属体６に対して垂直ではなく傾くからである。なお、磁界８の軸Ｘとはアンテナ１から離れる方向の磁力線とアンテナ１へ向かう方向の磁力線の境を結んだ直線である。従って、磁界８の軸Ｘ付近に例えば非接触型ＩＣカードを位置させると、図４の領域Ｂのようにアンテナから離れる方向とアンテナへ向かう方向の磁力線の双方が例えば非接触型ＩＣカードに働く。その結果、お互いに打ち消しあってしまうため、実施例のアンテナ装置を搭載する携帯端末などと通信することができない。

次に、なぜ磁界８の軸Ｘが金属体６に対して傾くかについて説明する。すなわち、金属体６面に誘起された渦電流が金属体６面に垂直な方向の磁界を生み出す。そのため、アンテナ１から発生する磁界と、金属体６面に誘起された渦電流から発生する磁界とが合成され、その結果、アンテナ１から発生する磁界８は金属体６付近では垂直方向に変化し、磁界８の軸Ｘが金属体６とは離れる側に傾く。

また、アンテナ１は金属体６の端部に配置されるため、アンテナ１の金属体６側（図３における右側）の磁界を減衰し、アンテナ１の金属体６から離れる側（図３における左側）の磁界を相対的に強めることができる。その結果、磁界８の軸Ｘを金属体６に対して傾けることができる。本実施例の構成では、磁界８の軸Ｘの角度αは、金属体６に対して４０〜８５度程度となり傾いている。すなわち、アンテナ１が金属体６の端部に配置されなければ、金属体６面上の渦電流による金属体６面に垂直な方向の磁界は小さくなり、磁界８の軸Ｘは金属体６に対してほぼ垂直のままである。その場合、領域Ｂでは通信可能であっても、領域Ａでは通信することができない。

また、図７に示すようにアンテナ１と金属体６との距離Ｄは０ｍｍ〜８ｍｍであるのが好ましい。図７では、アンテナ１の端部と金属体６の端部との距離ｄは０ｍｍである。特に、０ｍｍ〜４ｍｍである場合は磁界８の軸Ｘの角度αを５５度〜８０度と大きく傾けることができる。また、８ｍｍ〜１２ｍｍであっても、８５度程度に傾けることができる。これは、アンテナ１と金属体６とが離れすぎると、金属体６の影響が小さくなり金属体６が磁界８の軸Ｘを傾ける力が薄れてしまうからである。また、通信距離は金属体６の大きさにも影響され、金属体６が大きく、アンテナを搭載する辺が長いほど通信距離は延びる。

また、図３〜６においては、アンテナ１の端部と金属体６の端部が揃うように配置され、アンテナ１の端部と金属体６の端部との距離ｄは０ｍｍである。しかしながら、図８に示すようにアンテナ１の端部が金属体６の最外端部よりも突出してもよい。図８では、アンテナ１と金属体６との距離Ｄは４ｍｍであり、アンテナ１の端部が金属体６の最外端部よりも突出したとき距離ｄはプラスである。アンテナ１の端部が金属体６の端部よりも突
出することで、金属体の真上（領域Ａ側）の磁界８が強くなる。しかしながら、アンテナ１の端部が金属体６の端部よりも突出しすぎると金属体６が磁界８の軸Ｘを傾ける力が薄れてしまう。従って、ｄ＝２ｍｍのとき最も角度αが傾き、７０度となっている。ただし、８ｍｍ突出させても角度αは８５度と傾かせることができる。

また、アンテナ１の端部が金属体６の最外端部よりも内側に位置してもよい。このとき、図８では距離ｄはマイナスで示す。アンテナ１の端部の位置が金属体６の最外端部よりも内側すぎると、図３の左側の磁界８（領域Ｂ側に向かう磁界８）も減衰され、全体の磁界８が弱まってしまう上、磁界が減衰されるので磁界８の軸Ｘは金属体６に対して垂直に近づいてしまう。従って、ｄ＝０ｍｍのとき角度αは７８度であり、ｄ＝−８ｍｍのとき角度αは８５度である。

以上のことから、アンテナ１を、金属体６の端部に位置することにより、金属体６に流れる電流を最大限活用することができる。また、角度αが８５度程度であれば本発明の効果は得られ、好ましくは８０度以下であるとよい。

次に、図２に示す本実施例のアンテナ装置と図４に示す従来のアンテナ装置との領域Ａ、Ｂに向かう方向おける通信距離を比較した結果を（表１）及び（表２）を使って説明する。

本実験において、図２に示す本実施例のアンテナ装置は、コア３はフェライトコアであり、サイズが８×２６×０．４ｍｍである。コイル部２は６．５ターンであり、金属体６とアンテナ１との距離Ｄは４ｍｍである。また、図４に示す従来のアンテナ装置は、コア３はフェライトコアであり、サイズが１５×２５×０．４ｍｍである。コイル部２は２ターンであり、金属体６とアンテナ１との距離Ｄは４ｍｍである。

（表１）は図２及び図４に示すアンテナ装置の通信相手が非接触型ＩＣカードの場合であり、（表２）は通信相手がリーダライター装置の場合である

（表１）、（表２）から明らかなとおり、図２に示す本実施例のアンテナ装置は図４に示す従来のアンテナ装置に比較して、領域Ｂにて良好な通信をすることができる。また、領域Ａにおいても良好な通信をすることができるのは明らかである。

なお、図２はアンテナ装置と金属体６とはある程度の隙間を持って配置されているが、携帯端末などに配置する場合、その隙間が確保できない場合があり、その場合、アンテナ装置と金属体６は近接配置され、図５のようになる。図５は、本発明の他の実施例におけるアンテナ装置の概念図である。図６は図５に示すアンテナ装置から発生する磁力線を示す概念図である。図５、図６において金属体６とアンテナ１との距離Ｄは０ｍｍである。この場合も図２、３の場合と同様、金属体６面に誘起された渦電流がアンテナ１の搬送波と逆向きの磁界を生み出す。そのため、アンテナ１から発生する磁界と、金属体６面に誘起された渦電流から発生する磁界とが打ち消しあう。その結果、アンテナ１から発生する磁界８は金属体６付近では減衰し、相対的に金属体６とは離れる側（図６における領域Ｂに近い側）の磁界８が強まるため、磁界８の軸Ｘが金属体６とは離れる側に傾く。

また、アンテナ１は金属体６の端部に配置されるため、アンテナ１の金属体６側（図６における右側）の磁界を減衰し、アンテナ１の金属体６から離れる側（図６における左側）の磁界を相対的に強めることができる。その結果、磁界８の軸Ｘを金属体６に対して傾けることができるので、例えば非接触型ＩＣカードを領域Ａ及び領域Ｂのどちらに位置させても、良好な通信を行うことができる。

なお、金属体６は例えば携帯端末内の基板となるが、他の金属体、例えばバッテリーや液晶表示パネルなどであってもかまわない。

また、アンテナ装置を構成する導体は、被覆銅線などで構成されてもよいが、金属体６上に形成された電極パターンなどでもかまわない。コイル部２と磁性体コア３も金属体６上に実装されている構成としてもよい。図示していないが、アンテナ装置のループ内側の空いているスペースには、他の部品、例えばカメラモジュールやスピーカー、ＲＦモジュール、他周波用のアンテナなどを実装することができる。

また、コイル部２の開口部に平行なアンテナ１の端面と金属体６の端部とが一直線上に揃っていることで、製造しやすいアンテナ装置とすることができる。

また、コイル部２の開口部に平行なアンテナ１の端面が金属体６の端部から突出していることで、金属体の真横（領域Ｂ側）の磁界８が強くなる。

また、アンテナ１と金属体６が接触して配置されることで、磁界８の軸Ｘの角度αをもっとも小さくすることができる。

また、コイル部２は、金属体６の端部に位置するように配置されており、これにより、金属体６に流れる電流を最大限活用することができる。また、コイル部２のコイルの巻き方向が金属体６の端部に平行であることで、金属体６の端部に多く流れる電流をコイル部２が効率よく拾うことができ、アンテナ装置の特性を良好にすることができる。

次に、本発明のアンテナ装置を通信装置である携帯端末に搭載する場合について、詳細に説明する。図９は、本発明の実施例における携帯端末を分解した場合の斜視図である。

携帯端末２０は液晶パネル２１、操作用のボタン２２、筐体２５と筐体２６、その中に収められる基板２３、バッテリー２４などで構成されている。

なお、上記説明した金属体６は、図９においては基板２３となるが、金属体として、筐体２６の内面に金属を形成してもよい（筐体２６とコイル部２との間に金属膜を設けてもよい）。このように、基板２３を金属体６として併用することで、通信装置の小型化が可能となる。

本発明のアンテナ装置及びコイル部２、コア３、アンテナ入出力用端子４、５は筐体２６内側の形成されている。アンテナ装置の線路、アンテナ入出力用端子４、５は板金や金属箔テープ、あるいは印刷などによって形成され、コイル部２は粘着テープによる貼り付けやビスによる固定などで筐体２６の所定の場所に取り付ける。アンテナ装置の線路とコイル部２の接続は、コネクタや圧着などの接触接続、あるいは、はんだ付けや溶接などによって行われ、アンテナ入出力用端子４、５とＩＣの接続はピンによる接触やコネクタ接続、導線のはんだ付けなどが考えられる。

なお、図９においては、基板２３にアンテナ装置の線路、及びアンテナ入出力用端子４、５を備え、筐体２６に設けられたコイル部２にピンにより接続され、アンテナ装置が形成されている。

筐体２６と基板２３の間にできる空間にはＲＦ−ＩＤ用ＩＣや整合回路、他周波用アンテナ、カメラユニット、スピーカー、ＲＦモジュールなどの部品が配置され、これらの部品とアンテナ装置及びコイル部２、コア３が接していても離れていても良好な通信ができる。

また、上述したようにアンテナ装置を形成する際の自由度が高いので、基板２３上に形成するアンテナ装置の線路は、基板２３に配置されているチップなどを避けて配置することができる。

なお、本実施例では筐体２６の平坦な部分に配置しているが、筐体２６の局面に沿って配置することも可能である。

本発明によれば、アンテナとアンテナを搭載する筐体にある金属体との距離によらず、アンテナの通信特性を維持することができるため、携帯電話などの様々な電子機器のアンテナとして有用である。

１ アンテナ
２ コイル部
３ コア
４、５ アンテナ入出力用端子
６ 金属体
８ 磁界
２０ 携帯端末
２１ 液晶パネル
２２ ボタン
２３ 基板
２４ バッテリー
２５、２６ 筐体

Claims (3)

1. 金属体の一端部およびその一端部を含む面に接触せずに近接して配置されるアンテナであって、
   前記アンテナは、コアと、このコアに導体を巻回してなるコイル部と、を備え、
   前記アンテナの前記コイル部の開口面を前記金属体の前記面に対して略垂直とし、
   前記アンテナの一端部と前記金属体の一端部とが揃う位置を基点とし、該基点から所定距離ｄの範囲内で、前記アンテナの一端部を前記金属体の一端部より前記コイル部のコイル軸方向の内外に配置することにより、少なくとも前記アンテナの一部が前記金属体の一端部およびその一端部を含む面に前記金属体の前記面に垂直な方向において重なって配置され、通信時の前記アンテナから離れる方向の磁力線と前記アンテナへ向う方向の磁力線との境界軸を前記金属体から離れる方向へ傾かせることを特徴とするアンテナ。
2. 請求項１記載のアンテナと、金属体と、を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２のアンテナ装置を備え、
   前記金属体は前記アンテナに接続された基板であることを特徴とする通信装置。

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