アンテナ装置、通信装置
【課題】電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化を図りつつ、良好な通信特性を実現可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】携帯電話機130に組み込まれ、リーダライタ120から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナモジュール1aにおいて、携帯電話機130の筐体131内部のリーダライタ120に対向した金属板133aの端部133bと筐体131の内周壁131aとの隙間132に、金属板133aの外周部を囲まないようにして巻回され、リーダライタ120と誘導結合されるアンテナコイル11aを備える。
【解決手段】携帯電話機130に組み込まれ、リーダライタ120から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナモジュール1aにおいて、携帯電話機130の筐体131内部のリーダライタ120に対向した金属板133aの端部133bと筐体131の内周壁131aとの隙間132に、金属板133aの外周部を囲まないようにして巻回され、リーダライタ120と誘導結合されるアンテナコイル11aを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置、及び、通信装置に関する。
【背景技術】
【0002】
携帯電話機などの電子機器において、近距離非接触通信の機能を搭載するため、RFID(Radio Frequency Identification)用のアンテナモジュールが用いられている。
【0003】
このアンテナモジュールは、リーダライタなどの発信器に搭載されたアンテナコイルと誘導結合を利用して通信を行っている。すなわち、このアンテナモジュールは、リーダライタからの磁界をアンテナコイルが受けることによって、それを電力に変換して通信処理部として機能するICを駆動させることができる。
【0004】
アンテナモジュールは、確実に通信を行うため、リーダライタからのある値以上の磁束をアンテナコイルで受ける必要がある。そのために、従来例に係るアンテナモジュールでは、携帯電話機の筐体にループコイルを設け、このコイルでリーダライタからの磁束を受けている。
【0005】
たとえば、特許文献1には、携帯端末装置に内蔵するループアンテナの特性を向上する方法として、内蔵バッテリーの周囲に可撓性ケーブルやフラットケーブルを配置する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2005−303541号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記特許文献1に記載の発明は、筐体内の隙間にアンテナを配置するため、その形状を一定にすることが困難となり、インダクタンスの変化量が大きくなるため、共振周波数の変動が大きいという問題があった。
【0008】
特に、可撓性ケーブルでアンテナを形成した場合は、上記特許文献1に記載の発明は、配線間の分布容量を調整することが困難なため、共振周波数の調整に多大な工数が必要となるという問題があった。
【0009】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化を図りつつ、良好な通信特性を実現可能なアンテナ装置、及び、通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上述した課題を解決するため、本発明は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置において、電子機器の筐体内部の発信器に対向した導電体の端部と筐体の内周壁との隙間に、導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、発信器と誘導結合されるアンテナコイルを備える。
【0011】
また、本発明は、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置において、電子機器の筐体内部の発信器に対向した導電体の端部と筐体の内周壁との隙間に、導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、発信器と誘導結合されるアンテナコイルと、アンテナコイルに流れる電流により駆動し、発信器との間で通信を行う通信処理部とを備える。
【発明の効果】
【0012】
本発明は、アンテナコイルが、電子機器の筐体内部の発信器に対向した導電体の端部と筐体の内周壁との隙間に、導電体の外周部を囲まないようにして巻回されているので、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化を図ることができる。さらに、本発明は、発信器に対向した導電体の磁気特性を利用して、良好な通信特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明が適用されたアンテナモジュールが組み込まれた無線通信システムの構成について説明するための図である。
【図2】図2(A)は、本発明が適用されたアンテナ装置の配置について説明するための斜視図である。図2(B)は、本発明が適用されたアンテナ装置の配置について説明するための断面図である。
【図3】本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための図である。
【図4】図4(A)は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための斜視図である。図4(B)は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための断面図である。
【図5】図5(A)は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための斜視図である。図5(B)は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための断面図である。
【図6】本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための斜視図である。
【図7】金属板とアンテナ基板との相対的な位置関係について説明するための図である。
【図8】金属板とアンテナ基板との相対的な位置関係を変化させたときの、第1の実施例に係るアンテナコイルの結合係数を示す図である。
【図9】金属板とアンテナ基板との相対的な位置関係を変化させたときの、第1の実施例に係るアンテナコイルのQ値を示す図である。
【図10】リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θを変化させた構造について説明するための図である。
【図11】リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θを変化させたときのアンテナコイルの結合係数について説明するための図である。
【図12】リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θを変化させたときのアンテナコイルの結合係数について説明するための図である。
【図13】本発明が適用された第2の実施例に係る通信装置について説明するための図である。
【図14】金属板に重畳した磁性シートの端部と、アンテナコイルとの相対的な位置を変化させたときの、アンテナコイルの結合特性について説明するための図である。
【図15】図15(A)及び図15(B)は、アンテナコイルの寸法に応じた通信特性の変化について説明するための図である。
【図16】図16(A)及び図16(B)は、アンテナコイルの寸法に応じた通信特性の変化について説明するための図である。
【図17】図17(A)、図17(B)及び図17(C)は、アンテナコイルのy軸方向の幅に対するx軸方向の幅の比を変化させたときの結合係数の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
【0015】
本発明が適用された通信装置は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる装置であって、例えば図1に示すようなRFID(Radio Frequency Identification)用の無線通信システム100に組み込まれて使用される。
【0016】
無線通信システム100は、通信装置1と、通信装置1に対するアクセスを行うリーダライタ120とからなる。ここで、通信装置1とリーダライタ120とは、三次元直交座標系xyzのxy平面において互いに対向するように配置されているものとする。
【0017】
リーダライタ120は、xy平面において互いに対向する通信装置1に対して、z軸方向に磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、通信装置1に向けて磁界を発信するアンテナ121と、アンテナ121を介して誘導結合された通信装置1と通信を行う制御基板122とを備える。
【0018】
すなわち、リーダライタ120は、アンテナ121と電気的に接続された制御基板122が配設されている。この制御基板122には、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、通信装置1から受信されたデータに基づいて、各種の処理を実行する。例えば、制御回路は、通信装置1に対してデータを送信する場合、データを符号化し、符号化したデータに基づいて、所定の周波数(例えば、13.56MHz)の搬送波を変調し、変調した変調信号を増幅し、増幅した変調信号でアンテナ121を駆動する。また、制御回路は、通信装置1からデータを読み出す場合、アンテナ121で受信されたデータの変調信号を増幅し、増幅したデータの変調信号を復調し、復調したデータを復号する。なお、制御回路では、一般的なリーダライタで用いられる符号化方式及び変調方式が用いられ、例えば、マンチェスタ符号化方式やASK(Amplitude Shift Keying)変調方式が用いられている。
【0019】
通信装置1は、例えばリーダライタ120とxy平面において対向するように配置される携帯電話機130の筐体131の内部に組み込まれ、誘導結合されたリーダライタ120との間で通信可能となるアンテナコイル11aが実装されたアンテナ基板11を有するアンテナモジュール1aと、アンテナコイル11aに流れる電流により駆動し、リーダライタ120との間で通信を行う通信処理部12とを備える。
【0020】
なお、通信処理部12は、アンテナコイル11aではなく、後述するような通信装置1が組み込まれた携帯電話機130のバッテリパック133や外部電源などの電力供給部からの電力によって駆動してもよい。
【0021】
アンテナ基板11には、例えばフレキシブルフラットケーブルなどの可撓性の導線をパターンニング処理などをすることによって形成されるアンテナコイル11aと、アンテナコイル11aと通信処理部12とを電気的に接続する端子部11bとが実装されている。
【0022】
アンテナコイル11aは、リーダライタ120から発信される磁界を受けると、リーダライタ120と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受信して、端子部11bを介して受信信号を通信処理部12に供給する。
【0023】
通信処理部12は、アンテナコイル11aに流れる電流により駆動し、リーダライタ120との間で通信を行う。具体的に、通信処理部12は、受信された変調信号を復調し、復調したデータを復号して、復号したデータを、当該通信処理部12が有する内部メモリに書き込む。また、通信処理部12は、リーダライタ120に送信するデータを内部メモリから読み出し、読み出したデータを符号化し、符号化したデータに基づいて搬送波を変調し、誘導結合によって磁気的に結合されたアンテナコイル11aを介して変調された電波をリーダライタ120に送信する。
【0024】
<第1の実施例>
以上のような構成からなる無線通信システム100において、以下では、まず、第1の実施例として、アンテナモジュール1aの構成について説明する。
【0025】
第1の実施例に係るアンテナモジュール1aのアンテナコイル11aは、携帯電話機130などの電子機器に組み込んだ際に当該電子機器の小型化を図りつつ、リーダライタ120との間で良好な通信特性を実現する観点から、例えば、図2(A)に示すような三次元直交座標系xyzのxy平面上であって、携帯電話機130の筐体131内部に設けられたバッテリパック133と、筐体131の内周壁131aとの隙間132に配置される。
【0026】
なお、第1の実施例に係るアンテナモジュールは、上記のようにバッテリパック133と筐体131の内周壁131aとの隙間132だけでなく、例えば集積回路基板などの筐体131内部に配置された導電体と筐体の内周壁との隙間に設けるようにしてもよい。本実施例では、アンテナモジュールが、便宜上、板状の導電体として、図2(B)に示すようなバッテリパック133の金属筐体であるリーダライタ120に対向した金属板133aの端部133bと、筐体131の内周壁131aとの間に配置されているものとして説明する。
【0027】
ここで、図2(B)の断面図で示すように、携帯電話機130に配置されたバッテリパック133の金属筐体である金属板133aは、電気を比較的よく流すので、外部から交流磁界が加わると渦電流が発生し、磁界を跳ね返してしまう。このような外部から交流磁界が加わるときの磁界分布を調べると、リーダライタ120と対向したバッテリパック133の金属板133aの端部133bの磁界が強いという特性を有する。
【0028】
このような携帯電話機130の筐体131内部の磁界強度の特性を利用して良好な通信特性を実現するため、アンテナモジュール1aのアンテナコイル11aは、例えば図3に示すように、z軸と平行なアンテナコイル11aの中心軸111が、金属板133aの端部133bと筐体131の内周壁131aとの隙間132を通過し、さらに、コイル線が、隙間132に巻回されたものを用いることができる。
【0029】
また、z軸と平行なアンテナコイル11aの中心軸111が隙間132を通過し、この隙間132に巻回されたアンテナコイルを有するアンテナモジュール1b、1cとして、例えば図4(A)、図5(A)に示すようなアンテナ基板11の中心部分11cに磁性シート13が差し込まれた構造のものを用いるようにしてもよい。
【0030】
ここで、図4(A)に示すアンテナモジュール1bは、図4(B)に示すように、金属板133aの端部133b側では磁性シート13がアンテナコイル11aよりもリーダライタ120側に位置するように配置され、筐体131の内周壁131a側ではアンテナコイル11aが磁性シート13よりもリーダライタ120側に位置するように配置されるように、磁性シート13が、アンテナ基板11上に形成されたアンテナコイル11aの中心部分11cに差し込まれたものである。
【0031】
また、図5(A)に示すアンテナモジュール1cは、図5(B)に示すように、金属板133aの端部133b側ではアンテナコイル11aが磁性シート13よりもリーダライタ120側に位置するように配置され、筐体131の内周壁131a側では磁性シート13がアンテナコイル11aよりもリーダライタ120側に位置するように配置されるように、磁性シート13が、アンテナ基板11上に形成されたアンテナコイル11aの中心部分11cに差し込まれたものである。
【0032】
さらに、アンテナコイル11aは金属板133aの外周を囲まないようにして巻回されていればよい。換言すれば、アンテナコイル11aの中心軸が隙間132を通過するようにして、コイル線が巻回されていればよい。例えば、図6に示すような、隙間132に配置されたアンテナ基板11のxz平面で規定される断面を囲み、巻回方向が内周壁131aと平行になるようにして巻回されたアンテナコイル11aを有するアンテナモジュール1dを用いるようにしてもよい。
【0033】
第1の実施例では、上記のようなアンテナ構造の異なる4種類のアンテナモジュールのうち、アンテナモジュール1bの通信特性を用いて評価する。これは、アンテナモジュール1bが、他のアンテナモジュール1a、1c、1dと比較して、金属板133aの端部133bの周囲に生じる磁界を効率よくアンテナコイル11aに引き込ませることができるように磁性シート13が配置されているからである。
【0034】
まず、性能評価としては、図7に示すようにして、金属板133aとリーダライタ120とを対向させて、金属板133aとアンテナ基板11との相対的な位置関係を変化させたときの通信特性について評価する。
【0035】
具体的な評価条件としては、次のようにした。すなわち、リーダライタ120のアンテナ121は、xy軸方向で規定される外形が66mm×100mmの2巻コイルとした。また、金属板133aはxyz軸方向で規定される寸法が100mm×50mm×0.3mmのステンレスとした。アンテナモジュール1bのアンテナコイル11aは、xy軸方向で規定される外形が40mm×10mmとした構造で、4巻のコイルである。さらに、z軸方向で規定される、金属板133aの表面からアンテナコイル11aの表面までの距離は1mmとした。
【0036】
ここで、金属板133aとアンテナ基板11との相対的な位置関係を示す値として、次のaを用いた。すなわち、aは、金属板133aの中心部分133cから、アンテナ基板11の内周壁131a側の端部11dまでのy軸方向で規定される距離である。
【0037】
以上のような条件の下、aの値を15mmから40mmまで変化させたときの、アンテナコイル11aの結合係数の変化を図8に、Q値の変化を図9にそれぞれ示す。
【0038】
ここで、金属板133aの幅が50mmであるので、aの値が25mmのとき、金属板133aの端部133bと、アンテナコイル11aの内周壁131a側の端部11dが一致する。また、アンテナコイル11aの幅が10mmであるので、aの値が35mmのとき、アンテナコイル11aの金属板133a側の端部11eが、金属板133aの端部133bと一致する。
【0039】
図8に示すように、aの値が30mmの場合、アンテナ基板11の中心部分11cと、金属板133aの端部133bとが略一致する場合に、結合係数が最も高く、aの値が30mmから離れるのに伴って減少する。また、aの値が25mm、35mmの場合には、結合係数がほぼ同一の特性を示す。このようにアンテナコイル11aを金属板133aの端部133bの近傍に配置すると結合係数が高いのは、金属板133aの端部133b周辺で磁束密度が高いからである。また、金属板133aは、リーダライタ120から発信される磁界を受けて渦電流が発生するが、中心部分133cに比べて端部133bの方が磁界の強さが大きく、リーダライタ120から受けた磁気的なエネルギーを効率よくアンテナコイル11a側に伝えることができるからである。
【0040】
また、aの値が、25mmより小さくなるように変化させた場合と35mmより大きくなるように変化させた場合とを比較すると、両方とも結合係数が減少するが、35mm以上の場合の方がaの値の変化に対して、結合係数の減少幅が小さい。例えば、aの値が22mm、38mmの場合を比較すると、aの値が38mmの方が20%程度結合係数が高い。また、aの値が20mm、40mmの場合を比較すると、aの値が40mmの方が40%程度結合係数が高い。
【0041】
また、図9に示すように、アンテナコイル11aが金属板133aと離れるのに伴ってQ値が単調に増加し、特に、aの値が35mmよりも大きくなると、すなわちアンテナコイル11aが金属板133aと重畳しなくなると、急激にQ値が増加する。
【0042】
これは、アンテナコイル11aが金属板133aと離れる方が、アンテナコイル11aに流れる電流で発生する磁界を金属板133aが受けて熱エネルギーに変換されることが抑制され、その結果として、アンテナコイル11aの抵抗値が見かけ上小さくなるからである。
【0043】
上記の性能評価から、単に結合係数を高くするには、アンテナ基板11の中心部分11cと、金属板133aの端部133bとが略一致すればよいが、良好な通信特性を得るには、高い結合係数と高いQ値を両立することを要する。したがって、アンテナコイル11aは、金属板133aの近傍であって、かつ、金属板133aと重畳しない位置に配置されることが、高い結合係数と高いQ値を両立する点から特に好ましく、結果として良好な通信特性を得ることができる。
【0044】
このように、本実施例に係るアンテナモジュール1b及びアンテナモジュール1a、1c、1dは、アンテナコイル11aが、金属板133aの外周部を囲まないようにして、隙間132に巻回されているので、携帯電話機130などの電子機器に組み込んだ際に筐体131の小型化を図ることができる。さらに、本実施例に係るアンテナモジュール1b及びアンテナモジュール1a、1c、1dは、リーダライタ120に対向した金属板133aによる磁気特性を利用して、良好な通信特性を実現することができる。
【0045】
<変形例>
また、本実施例に係るアンテナモジュール1a、1b、1c、1dのうち、アンテナモジュール1b、1c、1dについては、図10に示すように、アンテナ基板11の、金属板133a側の端部11eを中心軸として、リーダライタ120と対向する面xyに対して傾斜させて配置することで、隙間132のスペースを効率よく利用しつつ、良好な通信特性を実現することができる。なお、図10では、金属板133aがリーダライタ120からの磁界を跳ね返さないようにするため、金属板133aと重畳するように磁性シート134が設けられている。また、金属板133a側の端部11eを中心軸として、リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度をθとして定義する。
【0046】
次に、傾斜角度θを変化させたときのアンテナコイル11aの通信特性について評価する。
【0047】
評価条件として、次のようにした。すなわち、リーダライタ120のアンテナ121は外形66mm×100mmの2巻コイルとした。金属板133aは、xyz軸方向で規定される外形が、60mm×45mm×5mmのアルミニウム板とした。アンテナコイル11aはxy軸方向で規定される外形が40mm×5mm、中心部分11cに磁性シート13が差し込まれた構造で、4巻のコイルを用いた。さらに、z軸方向で規定される、金属板133aの表面からアンテナコイル11aの端部11eまでの距離は1mmとした。また、y軸方向で規定される、金属板133aの端部133bからアンテナコイル11aの端部11eまでの距離は2.5mmとした。
【0048】
上記のような評価条件の下、アンテナ基板11の形状を一定とした場合「幅:一定」と、アンテナコイル11aの端部11dから他方の端部11eまでの幅を傾斜角度θに応じて1/cosθとなるように変化させた場合「幅:1/cosθ」の結合係数について図11に示す。
【0049】
この図11に示すように、傾斜角度θを0度から傾けることで結合係数の改善が見られる。また、「幅:一定」では、25〜30度の角度で特性が最も高くなる。
【0050】
また、「幅:1/cosθ」では、傾斜角度θが大きくなるのに伴って、アンテナコイル11aの幅が大きくなるため、結合係数が高くなる。このため、アンテナコイル11aは、アンテナ基板11を傾斜角度θで傾けたときに、隙間132に収納可能な範囲内で、アンテナコイル11aの幅をできるだけ大きくすることが好ましい。例えば、筺体131の内部構造においてZY面で規定される隙間132の領域が略正方形であるものとすると、θが45度程度の角度が、隙間132のスペースを有効活用する観点から特に適している。
【0051】
次に、上記の評価条件において、アンテナ基板11の形状を一定とし、さらに、アンテナコイル11aの構造について、アンテナモジュール1b、1c、1dのものを用いたときの結合係数の特性について図12に示す。
【0052】
図12に示すように、アンテナモジュール1bに係るアンテナコイル11aが、25〜30度の角度で特性が最も高くなるのに対して、アンテナモジュール1c、1dに係るアンテナコイル11aでは、45度以上傾けたときに特性が最も高くなる。
【0053】
したがって、アンテナモジュール1b、1c、1dについて傾斜角度θを大きくすることで、結合係数が高くなる角度条件があるものの、薄型化の観点から、z軸方向で規定される隙間132の厚みが制限されている場合には、特にアンテナモジュール1bが隙間132のスペースを有効活用する観点から適している。
【0054】
このようにして、アンテナモジュール1b、1c、1dは、アンテナ基板11の、金属板133a側の端部11eを中心軸として、リーダライタ120と対向する面xyに対して傾斜させて配置することで、隙間132のスペースを効率よく利用しつつ、良好な通信特性を実現することができる。そして、薄型化の観点から、z軸方向で規定される隙間132の厚みが制限されている場合には、特にアンテナモジュール1bが隙間132のスペースを有効活用しつつ、良好な通信特性を実現することができる。
【0055】
<第2の実施例>
次に、本発明が適用された第2の実施例に係る通信装置について説明する。この通信装置は、上述した第1の実施例に係るアンテナモジュール1a、1b、1c、1dを組み込んだ電子機器である。本実施例では、図13に示すような携帯電話機230を用いて具体的に説明する。
【0056】
すなわち、携帯電話機230は、図13(A)に示すように、上述した携帯電話機130と同様に、筐体131内部に、バッテリパック133と、アンテナモジュール1a、1b、1c、1dのうち何れか一のアンテナモジュールとを備える。ここで、携帯電話機230は、効率よくアンテナモジュール1a、1b、1c、1dのアンテナコイル11aに引き込ませるため、バッテリパック133のリーダライタ120と対向する金属板133aと重畳するように磁性シート234が設けられている。この磁性シート234は、リーダライタ120からの磁界を金属板133aが跳ね返すのを防止するため、上述したように金属板133aと重畳するが、更に、アンテナコイル11aに磁界を効率よく引き込ませるため、図13(B)に示すように、アンテナコイル11a側の端部234aが、リーダライタ120と対向するアンテナコイル11aのリーダライタ120と対向する面と重畳しないように、アンテナコイル11a側に延伸している。
【0057】
ここで、磁性シート234を、アンテナコイル11aのリーダライタ120と対向する面と重畳させないようにする理由は、仮に重畳させると、アンテナコイル11aが受ける磁界が抑制されてしまうので、好ましくないからである。
【0058】
なお、図13(B)では、携帯電話機230に組み込まれるアンテナモジュール1a、1b、1c、1dのうち、アンテナモジュール1bに係るアンテナコイル11aの中心部分11cに磁性シート13が差し込まれた構造を示している。
【0059】
次に、金属板133aに重畳した磁性シート234の端部234aと、アンテナコイル11aとの相対的な位置を変化させたときの、アンテナコイル11aの通信特性について評価する。
【0060】
具体的な評価条件としては、次のようにした。すなわち、リーダライタ120のアンテナ121はxy軸方向で規定される外形が66mm×100mmの2巻コイルとした。また、金属板133aは、60mm×45mm×5mmのアルミニウム板とした。アンテナコイル11aはxy軸方向で規定される外形が40mm×5mm、中心部分11cに磁性シート13が差し込まれた構造で、4巻のコイルである。さらに、z軸方向で規定される、金属板133aの表面からアンテナコイル11aの端部11eまでの距離は1mmとした。また、y軸方向で規定される、金属板133aの端部133bからアンテナコイル11aの端部11eまでの距離は2.5mmとした。また、金属板133aに厚さが0.1mmの磁性シート234を貼り付け、y軸で規定される幅方向のサイズを変化させて、その結合係数を求めた。結合係数を図14に示す。ここで、図14では、金属板133aの中心部分133cから磁性シート234の端部234aまでのy軸方向で規定される幅bを15mm〜25mmまで変化させたときの、結合係数の変化を示している。
【0061】
ここで、金属板133aのy軸方向の幅が45mmであるため、bの値が22.5mmのとき、磁性シート234の端部234aが、金属板133aの端部133bと一致する。また、bの値が25mmのとき、磁性シート234の端部234aが、アンテナコイル11aの端部11eと磁性シート13の端部13aとにそれぞれ一致する。
【0062】
図14に示すように、bの値が22.5mmから25mmまで変化すると、この変化に応じて、アンテナコイル11aの結合係数が急激に高くなる。
【0063】
これは、金属板133aと平行に流れる磁界を、端部133b付近で発散させることなく、磁性シート234を介して、アンテナコイル11aに引き込ませることができるからである。
【0064】
このようにして、携帯電話機230は、アンテナコイル11a側の端部234aが、リーダライタ120と対向するアンテナコイル11aの面と重畳しないように、アンテナコイル11a側に延伸しているので、アンテナコイル11aに効率よく磁界を引き込ませることができ、結果として良好な通信特性を実現できる。
【0065】
<第3の実施例>
上述したように、本発明が適用されたアンテナモジュールのアンテナコイル11aは、金属板133aの近傍であって、かつ、金属板133aと重畳しない位置に配置されることが、高い結合係数と高いQ値を両立する点から好ましい。
【0066】
ここで、リーダライタ120との間で13.56MHzの発信周波数を用いた磁界によって誘導結合する場合において、図15(A)に示すように、筐体131の内周壁131aと、アンテナコイル11aの金属板133aの端部133bとの間、すなわち隙間132のy軸方向で規定される幅をd[mm]とする。この幅d[mm]を変化させるとともに、例えば、アンテナコイル11aのxy平面で規定される面積を300[mm2]に固定し、隙間132の幅d[mm]と略一致するようにアンテナコイル11aのy軸方向の幅をd−1[mm]として変化させると、図15(B)に示すように結合係数が変化する。なお、図15(B)では、便宜上、アンテナモジュール1bのアンテナコイル11aを用いて評価を行っている。
【0067】
この図15(B)の結果から明らかなように、幅d[mm]、すなわち隙間132の幅とともにアンテナコイル11aの幅が大きくなるのに伴って結合係数が増加し、幅d[mm]が略8.00〜略14.00mmのとき、ピークを略10.00mmとして結合係数が大きくなる。また、幅d[mm]が略8.00〜略10.00mmの範囲で結合係数が大きくなるが、略10.00mmより大きくしても通信特性の向上がほぼ飽和する。このような特性は、筐体131の周囲、具体的には隙間132の磁力密度が、比較的外周壁131b側が大きいからである。
【0068】
また、幅d[mm]は、8.00mm未満であっても良好な通信特性を実現することができる。例えば、図16(A)に示すように、アンテナ基板11の、金属板133a側の端部11eを中心軸として、リーダライタ120と対向する面xyに対して傾斜させて配置する。このとき、リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θを0°、30°、45°とし、隙間132のy軸方向で規定される幅をd[mm]を変化させると、図16(B)に示すように結合係数が変化する。なお、アンテナコイル11aの形状は、端部11d、11eが、それぞれ筐体131の内周壁131aと、アンテナコイル11aの金属板133aの端部133bと一致するように形状を変化させている。
【0069】
このような条件の下、図16(B)から明らかなように、傾斜角度θが大きくなるのに伴って、d[mm]の値がより小さい、すなわち隙間132がより狭い場合に、結合係数が最適になる。
【0070】
この結果から明らかなように、幅d[mm]は、8.00mm未満であってもアンテナ基板11を傾けることで良好な通信特性を実現することができる。
【0071】
上述した図15(B)及び図16(B)の結果から明らかなように、第3の実施例において、アンテナコイル11aは、金属板133a側の端部11eが、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略14.00mm以下のとき比較的高い結合係数を実現し、小スペース化を実現しつつ、良好な特性を実現することができる。さらに好ましくは、金属板133a側の端部11eが、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略10.00mm以下のとき特に高い結合係数を実現し、小スペース化を実現しつつ、良好な特性を実現することができる。
【0072】
よって、携帯電話機130に組み込まれるアンテナ基板11の基板面のサイズが制限されている場合、アンテナコイル11aは、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略14.00mm以下、より好ましくは、略10.00mm以下の位置となる条件を満たして、x軸方向で規定される幅を規定することが、次の評価結果から好ましい。
【0073】
性能評価としては、上述した図7に示すようにして、金属板133aの近傍に配置したアンテナ基板11とリーダライタ120とを対向させた。また、リーダライタ120のアンテナ121は、xy軸方向で規定される外形が66mm×100mmの2巻コイルとした。また、金属板133aはxyz軸方向で規定される寸法が100mm×50mm×0.3mmのステンレスとした。アンテナモジュール1bのアンテナコイル11aは、アンテナ基板11の内周壁131a側の端部11dの位置を筐体131の内周壁131aの位置にほぼ固定した状態で、xy軸方向で規定される外形をそれぞれ300mm2、400mm2、500mm2とし、4巻のコイルである。さらに、z軸方向で規定される、金属板133aの表面からアンテナコイル11aの表面までの距離は1mmとした。なお、リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θは0°とした。
【0074】
このような条件の下、アンテナコイル11aのy軸方向の幅に対するx軸方向の幅の比(以下、縦横比という。)を変化させたときの結合係数の変化を図17に示す。
【0075】
図17(A)は、xy軸方向で規定される外形を300mm2とし、図17(B)は、xy軸方向で規定される外形を400mm2とし、図17(C)は、xy軸方向で規定される外形を500mm2としている。
【0076】
図17(A)では、縦横比が3より大きくなると結合係数の上昇が飽和し、図17(B)では、縦横比が4より大きくなると結合係数の上昇が飽和し、図17(C)では、縦横比が5より大きくなると結合係数の上昇が飽和する。すなわち、アンテナコイル11aは、y軸方向の幅が略10.00mmより幅広にしても結合係数の上昇が飽和していることを示している。
【0077】
この結果から見ても明らかなように、アンテナコイル11aは、金属板133a側の端部11eが、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略14.00mm以下、より好ましくは、略10.00mm以下の位置となるように配置されることで、小スペース化を実現しつつ良好な特性を実現することができる。このように、通信特性の改善を図るため、アンテナコイル11aのxy軸方向で規定される面積を広げるには、金属板133a側の端部11eが、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略10.00mm以下の位置となる条件を満たした状態で、x軸方向に幅を広げた方が好ましい。
【0078】
さらに、隙間132のy軸方向の幅が8.00mm以下に制限されている場合には、この幅の狭さに応じて、アンテナ基板11の傾斜角度θを大きくすることで、良好な通信特性を実現することができる。
【0079】
以上のように、第3の実施例に係るアンテナコイル11aでは、特に、単位面積あたりの特性を高めることが可能となり、小型で実装の制約が少なくなると共にコスト競争力の高いアンテナモジュールを実現することができる。
【符号の説明】
【0080】
1 通信装置、1a、1b、1c、1d アンテナモジュール、11 アンテナ基板、11a アンテナコイル、11b 端子部、11c 中心部分、11d、11e、13a、113b、133b、234a 端部、111 中心軸、12 通信処理部、13、134、234 磁性シート、100 無線通信システム、120 リーダライタ、121 アンテナ、122 制御基板、130、230 携帯電話機、131 筐体、131a 内周壁、131b 外周壁、132 隙間、133 バッテリパック、133a 金属板、133c 中心部分
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置、及び、通信装置に関する。
【背景技術】
【0002】
携帯電話機などの電子機器において、近距離非接触通信の機能を搭載するため、RFID(Radio Frequency Identification)用のアンテナモジュールが用いられている。
【0003】
このアンテナモジュールは、リーダライタなどの発信器に搭載されたアンテナコイルと誘導結合を利用して通信を行っている。すなわち、このアンテナモジュールは、リーダライタからの磁界をアンテナコイルが受けることによって、それを電力に変換して通信処理部として機能するICを駆動させることができる。
【0004】
アンテナモジュールは、確実に通信を行うため、リーダライタからのある値以上の磁束をアンテナコイルで受ける必要がある。そのために、従来例に係るアンテナモジュールでは、携帯電話機の筐体にループコイルを設け、このコイルでリーダライタからの磁束を受けている。
【0005】
たとえば、特許文献1には、携帯端末装置に内蔵するループアンテナの特性を向上する方法として、内蔵バッテリーの周囲に可撓性ケーブルやフラットケーブルを配置する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2005−303541号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記特許文献1に記載の発明は、筐体内の隙間にアンテナを配置するため、その形状を一定にすることが困難となり、インダクタンスの変化量が大きくなるため、共振周波数の変動が大きいという問題があった。
【0008】
特に、可撓性ケーブルでアンテナを形成した場合は、上記特許文献1に記載の発明は、配線間の分布容量を調整することが困難なため、共振周波数の調整に多大な工数が必要となるという問題があった。
【0009】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化を図りつつ、良好な通信特性を実現可能なアンテナ装置、及び、通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上述した課題を解決するため、本発明は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置において、電子機器の筐体内部の発信器に対向した導電体の端部と筐体の内周壁との隙間に、導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、発信器と誘導結合されるアンテナコイルを備える。
【0011】
また、本発明は、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置において、電子機器の筐体内部の発信器に対向した導電体の端部と筐体の内周壁との隙間に、導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、発信器と誘導結合されるアンテナコイルと、アンテナコイルに流れる電流により駆動し、発信器との間で通信を行う通信処理部とを備える。
【発明の効果】
【0012】
本発明は、アンテナコイルが、電子機器の筐体内部の発信器に対向した導電体の端部と筐体の内周壁との隙間に、導電体の外周部を囲まないようにして巻回されているので、電子機器に組み込んだ際に電子機器の筐体の小型化を図ることができる。さらに、本発明は、発信器に対向した導電体の磁気特性を利用して、良好な通信特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明が適用されたアンテナモジュールが組み込まれた無線通信システムの構成について説明するための図である。
【図2】図2(A)は、本発明が適用されたアンテナ装置の配置について説明するための斜視図である。図2(B)は、本発明が適用されたアンテナ装置の配置について説明するための断面図である。
【図3】本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための図である。
【図4】図4(A)は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための斜視図である。図4(B)は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための断面図である。
【図5】図5(A)は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための斜視図である。図5(B)は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための断面図である。
【図6】本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構造について説明するための斜視図である。
【図7】金属板とアンテナ基板との相対的な位置関係について説明するための図である。
【図8】金属板とアンテナ基板との相対的な位置関係を変化させたときの、第1の実施例に係るアンテナコイルの結合係数を示す図である。
【図9】金属板とアンテナ基板との相対的な位置関係を変化させたときの、第1の実施例に係るアンテナコイルのQ値を示す図である。
【図10】リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θを変化させた構造について説明するための図である。
【図11】リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θを変化させたときのアンテナコイルの結合係数について説明するための図である。
【図12】リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θを変化させたときのアンテナコイルの結合係数について説明するための図である。
【図13】本発明が適用された第2の実施例に係る通信装置について説明するための図である。
【図14】金属板に重畳した磁性シートの端部と、アンテナコイルとの相対的な位置を変化させたときの、アンテナコイルの結合特性について説明するための図である。
【図15】図15(A)及び図15(B)は、アンテナコイルの寸法に応じた通信特性の変化について説明するための図である。
【図16】図16(A)及び図16(B)は、アンテナコイルの寸法に応じた通信特性の変化について説明するための図である。
【図17】図17(A)、図17(B)及び図17(C)は、アンテナコイルのy軸方向の幅に対するx軸方向の幅の比を変化させたときの結合係数の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
【0015】
本発明が適用された通信装置は、電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる装置であって、例えば図1に示すようなRFID(Radio Frequency Identification)用の無線通信システム100に組み込まれて使用される。
【0016】
無線通信システム100は、通信装置1と、通信装置1に対するアクセスを行うリーダライタ120とからなる。ここで、通信装置1とリーダライタ120とは、三次元直交座標系xyzのxy平面において互いに対向するように配置されているものとする。
【0017】
リーダライタ120は、xy平面において互いに対向する通信装置1に対して、z軸方向に磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、通信装置1に向けて磁界を発信するアンテナ121と、アンテナ121を介して誘導結合された通信装置1と通信を行う制御基板122とを備える。
【0018】
すなわち、リーダライタ120は、アンテナ121と電気的に接続された制御基板122が配設されている。この制御基板122には、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、通信装置1から受信されたデータに基づいて、各種の処理を実行する。例えば、制御回路は、通信装置1に対してデータを送信する場合、データを符号化し、符号化したデータに基づいて、所定の周波数(例えば、13.56MHz)の搬送波を変調し、変調した変調信号を増幅し、増幅した変調信号でアンテナ121を駆動する。また、制御回路は、通信装置1からデータを読み出す場合、アンテナ121で受信されたデータの変調信号を増幅し、増幅したデータの変調信号を復調し、復調したデータを復号する。なお、制御回路では、一般的なリーダライタで用いられる符号化方式及び変調方式が用いられ、例えば、マンチェスタ符号化方式やASK(Amplitude Shift Keying)変調方式が用いられている。
【0019】
通信装置1は、例えばリーダライタ120とxy平面において対向するように配置される携帯電話機130の筐体131の内部に組み込まれ、誘導結合されたリーダライタ120との間で通信可能となるアンテナコイル11aが実装されたアンテナ基板11を有するアンテナモジュール1aと、アンテナコイル11aに流れる電流により駆動し、リーダライタ120との間で通信を行う通信処理部12とを備える。
【0020】
なお、通信処理部12は、アンテナコイル11aではなく、後述するような通信装置1が組み込まれた携帯電話機130のバッテリパック133や外部電源などの電力供給部からの電力によって駆動してもよい。
【0021】
アンテナ基板11には、例えばフレキシブルフラットケーブルなどの可撓性の導線をパターンニング処理などをすることによって形成されるアンテナコイル11aと、アンテナコイル11aと通信処理部12とを電気的に接続する端子部11bとが実装されている。
【0022】
アンテナコイル11aは、リーダライタ120から発信される磁界を受けると、リーダライタ120と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受信して、端子部11bを介して受信信号を通信処理部12に供給する。
【0023】
通信処理部12は、アンテナコイル11aに流れる電流により駆動し、リーダライタ120との間で通信を行う。具体的に、通信処理部12は、受信された変調信号を復調し、復調したデータを復号して、復号したデータを、当該通信処理部12が有する内部メモリに書き込む。また、通信処理部12は、リーダライタ120に送信するデータを内部メモリから読み出し、読み出したデータを符号化し、符号化したデータに基づいて搬送波を変調し、誘導結合によって磁気的に結合されたアンテナコイル11aを介して変調された電波をリーダライタ120に送信する。
【0024】
<第1の実施例>
以上のような構成からなる無線通信システム100において、以下では、まず、第1の実施例として、アンテナモジュール1aの構成について説明する。
【0025】
第1の実施例に係るアンテナモジュール1aのアンテナコイル11aは、携帯電話機130などの電子機器に組み込んだ際に当該電子機器の小型化を図りつつ、リーダライタ120との間で良好な通信特性を実現する観点から、例えば、図2(A)に示すような三次元直交座標系xyzのxy平面上であって、携帯電話機130の筐体131内部に設けられたバッテリパック133と、筐体131の内周壁131aとの隙間132に配置される。
【0026】
なお、第1の実施例に係るアンテナモジュールは、上記のようにバッテリパック133と筐体131の内周壁131aとの隙間132だけでなく、例えば集積回路基板などの筐体131内部に配置された導電体と筐体の内周壁との隙間に設けるようにしてもよい。本実施例では、アンテナモジュールが、便宜上、板状の導電体として、図2(B)に示すようなバッテリパック133の金属筐体であるリーダライタ120に対向した金属板133aの端部133bと、筐体131の内周壁131aとの間に配置されているものとして説明する。
【0027】
ここで、図2(B)の断面図で示すように、携帯電話機130に配置されたバッテリパック133の金属筐体である金属板133aは、電気を比較的よく流すので、外部から交流磁界が加わると渦電流が発生し、磁界を跳ね返してしまう。このような外部から交流磁界が加わるときの磁界分布を調べると、リーダライタ120と対向したバッテリパック133の金属板133aの端部133bの磁界が強いという特性を有する。
【0028】
このような携帯電話機130の筐体131内部の磁界強度の特性を利用して良好な通信特性を実現するため、アンテナモジュール1aのアンテナコイル11aは、例えば図3に示すように、z軸と平行なアンテナコイル11aの中心軸111が、金属板133aの端部133bと筐体131の内周壁131aとの隙間132を通過し、さらに、コイル線が、隙間132に巻回されたものを用いることができる。
【0029】
また、z軸と平行なアンテナコイル11aの中心軸111が隙間132を通過し、この隙間132に巻回されたアンテナコイルを有するアンテナモジュール1b、1cとして、例えば図4(A)、図5(A)に示すようなアンテナ基板11の中心部分11cに磁性シート13が差し込まれた構造のものを用いるようにしてもよい。
【0030】
ここで、図4(A)に示すアンテナモジュール1bは、図4(B)に示すように、金属板133aの端部133b側では磁性シート13がアンテナコイル11aよりもリーダライタ120側に位置するように配置され、筐体131の内周壁131a側ではアンテナコイル11aが磁性シート13よりもリーダライタ120側に位置するように配置されるように、磁性シート13が、アンテナ基板11上に形成されたアンテナコイル11aの中心部分11cに差し込まれたものである。
【0031】
また、図5(A)に示すアンテナモジュール1cは、図5(B)に示すように、金属板133aの端部133b側ではアンテナコイル11aが磁性シート13よりもリーダライタ120側に位置するように配置され、筐体131の内周壁131a側では磁性シート13がアンテナコイル11aよりもリーダライタ120側に位置するように配置されるように、磁性シート13が、アンテナ基板11上に形成されたアンテナコイル11aの中心部分11cに差し込まれたものである。
【0032】
さらに、アンテナコイル11aは金属板133aの外周を囲まないようにして巻回されていればよい。換言すれば、アンテナコイル11aの中心軸が隙間132を通過するようにして、コイル線が巻回されていればよい。例えば、図6に示すような、隙間132に配置されたアンテナ基板11のxz平面で規定される断面を囲み、巻回方向が内周壁131aと平行になるようにして巻回されたアンテナコイル11aを有するアンテナモジュール1dを用いるようにしてもよい。
【0033】
第1の実施例では、上記のようなアンテナ構造の異なる4種類のアンテナモジュールのうち、アンテナモジュール1bの通信特性を用いて評価する。これは、アンテナモジュール1bが、他のアンテナモジュール1a、1c、1dと比較して、金属板133aの端部133bの周囲に生じる磁界を効率よくアンテナコイル11aに引き込ませることができるように磁性シート13が配置されているからである。
【0034】
まず、性能評価としては、図7に示すようにして、金属板133aとリーダライタ120とを対向させて、金属板133aとアンテナ基板11との相対的な位置関係を変化させたときの通信特性について評価する。
【0035】
具体的な評価条件としては、次のようにした。すなわち、リーダライタ120のアンテナ121は、xy軸方向で規定される外形が66mm×100mmの2巻コイルとした。また、金属板133aはxyz軸方向で規定される寸法が100mm×50mm×0.3mmのステンレスとした。アンテナモジュール1bのアンテナコイル11aは、xy軸方向で規定される外形が40mm×10mmとした構造で、4巻のコイルである。さらに、z軸方向で規定される、金属板133aの表面からアンテナコイル11aの表面までの距離は1mmとした。
【0036】
ここで、金属板133aとアンテナ基板11との相対的な位置関係を示す値として、次のaを用いた。すなわち、aは、金属板133aの中心部分133cから、アンテナ基板11の内周壁131a側の端部11dまでのy軸方向で規定される距離である。
【0037】
以上のような条件の下、aの値を15mmから40mmまで変化させたときの、アンテナコイル11aの結合係数の変化を図8に、Q値の変化を図9にそれぞれ示す。
【0038】
ここで、金属板133aの幅が50mmであるので、aの値が25mmのとき、金属板133aの端部133bと、アンテナコイル11aの内周壁131a側の端部11dが一致する。また、アンテナコイル11aの幅が10mmであるので、aの値が35mmのとき、アンテナコイル11aの金属板133a側の端部11eが、金属板133aの端部133bと一致する。
【0039】
図8に示すように、aの値が30mmの場合、アンテナ基板11の中心部分11cと、金属板133aの端部133bとが略一致する場合に、結合係数が最も高く、aの値が30mmから離れるのに伴って減少する。また、aの値が25mm、35mmの場合には、結合係数がほぼ同一の特性を示す。このようにアンテナコイル11aを金属板133aの端部133bの近傍に配置すると結合係数が高いのは、金属板133aの端部133b周辺で磁束密度が高いからである。また、金属板133aは、リーダライタ120から発信される磁界を受けて渦電流が発生するが、中心部分133cに比べて端部133bの方が磁界の強さが大きく、リーダライタ120から受けた磁気的なエネルギーを効率よくアンテナコイル11a側に伝えることができるからである。
【0040】
また、aの値が、25mmより小さくなるように変化させた場合と35mmより大きくなるように変化させた場合とを比較すると、両方とも結合係数が減少するが、35mm以上の場合の方がaの値の変化に対して、結合係数の減少幅が小さい。例えば、aの値が22mm、38mmの場合を比較すると、aの値が38mmの方が20%程度結合係数が高い。また、aの値が20mm、40mmの場合を比較すると、aの値が40mmの方が40%程度結合係数が高い。
【0041】
また、図9に示すように、アンテナコイル11aが金属板133aと離れるのに伴ってQ値が単調に増加し、特に、aの値が35mmよりも大きくなると、すなわちアンテナコイル11aが金属板133aと重畳しなくなると、急激にQ値が増加する。
【0042】
これは、アンテナコイル11aが金属板133aと離れる方が、アンテナコイル11aに流れる電流で発生する磁界を金属板133aが受けて熱エネルギーに変換されることが抑制され、その結果として、アンテナコイル11aの抵抗値が見かけ上小さくなるからである。
【0043】
上記の性能評価から、単に結合係数を高くするには、アンテナ基板11の中心部分11cと、金属板133aの端部133bとが略一致すればよいが、良好な通信特性を得るには、高い結合係数と高いQ値を両立することを要する。したがって、アンテナコイル11aは、金属板133aの近傍であって、かつ、金属板133aと重畳しない位置に配置されることが、高い結合係数と高いQ値を両立する点から特に好ましく、結果として良好な通信特性を得ることができる。
【0044】
このように、本実施例に係るアンテナモジュール1b及びアンテナモジュール1a、1c、1dは、アンテナコイル11aが、金属板133aの外周部を囲まないようにして、隙間132に巻回されているので、携帯電話機130などの電子機器に組み込んだ際に筐体131の小型化を図ることができる。さらに、本実施例に係るアンテナモジュール1b及びアンテナモジュール1a、1c、1dは、リーダライタ120に対向した金属板133aによる磁気特性を利用して、良好な通信特性を実現することができる。
【0045】
<変形例>
また、本実施例に係るアンテナモジュール1a、1b、1c、1dのうち、アンテナモジュール1b、1c、1dについては、図10に示すように、アンテナ基板11の、金属板133a側の端部11eを中心軸として、リーダライタ120と対向する面xyに対して傾斜させて配置することで、隙間132のスペースを効率よく利用しつつ、良好な通信特性を実現することができる。なお、図10では、金属板133aがリーダライタ120からの磁界を跳ね返さないようにするため、金属板133aと重畳するように磁性シート134が設けられている。また、金属板133a側の端部11eを中心軸として、リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度をθとして定義する。
【0046】
次に、傾斜角度θを変化させたときのアンテナコイル11aの通信特性について評価する。
【0047】
評価条件として、次のようにした。すなわち、リーダライタ120のアンテナ121は外形66mm×100mmの2巻コイルとした。金属板133aは、xyz軸方向で規定される外形が、60mm×45mm×5mmのアルミニウム板とした。アンテナコイル11aはxy軸方向で規定される外形が40mm×5mm、中心部分11cに磁性シート13が差し込まれた構造で、4巻のコイルを用いた。さらに、z軸方向で規定される、金属板133aの表面からアンテナコイル11aの端部11eまでの距離は1mmとした。また、y軸方向で規定される、金属板133aの端部133bからアンテナコイル11aの端部11eまでの距離は2.5mmとした。
【0048】
上記のような評価条件の下、アンテナ基板11の形状を一定とした場合「幅:一定」と、アンテナコイル11aの端部11dから他方の端部11eまでの幅を傾斜角度θに応じて1/cosθとなるように変化させた場合「幅:1/cosθ」の結合係数について図11に示す。
【0049】
この図11に示すように、傾斜角度θを0度から傾けることで結合係数の改善が見られる。また、「幅:一定」では、25〜30度の角度で特性が最も高くなる。
【0050】
また、「幅:1/cosθ」では、傾斜角度θが大きくなるのに伴って、アンテナコイル11aの幅が大きくなるため、結合係数が高くなる。このため、アンテナコイル11aは、アンテナ基板11を傾斜角度θで傾けたときに、隙間132に収納可能な範囲内で、アンテナコイル11aの幅をできるだけ大きくすることが好ましい。例えば、筺体131の内部構造においてZY面で規定される隙間132の領域が略正方形であるものとすると、θが45度程度の角度が、隙間132のスペースを有効活用する観点から特に適している。
【0051】
次に、上記の評価条件において、アンテナ基板11の形状を一定とし、さらに、アンテナコイル11aの構造について、アンテナモジュール1b、1c、1dのものを用いたときの結合係数の特性について図12に示す。
【0052】
図12に示すように、アンテナモジュール1bに係るアンテナコイル11aが、25〜30度の角度で特性が最も高くなるのに対して、アンテナモジュール1c、1dに係るアンテナコイル11aでは、45度以上傾けたときに特性が最も高くなる。
【0053】
したがって、アンテナモジュール1b、1c、1dについて傾斜角度θを大きくすることで、結合係数が高くなる角度条件があるものの、薄型化の観点から、z軸方向で規定される隙間132の厚みが制限されている場合には、特にアンテナモジュール1bが隙間132のスペースを有効活用する観点から適している。
【0054】
このようにして、アンテナモジュール1b、1c、1dは、アンテナ基板11の、金属板133a側の端部11eを中心軸として、リーダライタ120と対向する面xyに対して傾斜させて配置することで、隙間132のスペースを効率よく利用しつつ、良好な通信特性を実現することができる。そして、薄型化の観点から、z軸方向で規定される隙間132の厚みが制限されている場合には、特にアンテナモジュール1bが隙間132のスペースを有効活用しつつ、良好な通信特性を実現することができる。
【0055】
<第2の実施例>
次に、本発明が適用された第2の実施例に係る通信装置について説明する。この通信装置は、上述した第1の実施例に係るアンテナモジュール1a、1b、1c、1dを組み込んだ電子機器である。本実施例では、図13に示すような携帯電話機230を用いて具体的に説明する。
【0056】
すなわち、携帯電話機230は、図13(A)に示すように、上述した携帯電話機130と同様に、筐体131内部に、バッテリパック133と、アンテナモジュール1a、1b、1c、1dのうち何れか一のアンテナモジュールとを備える。ここで、携帯電話機230は、効率よくアンテナモジュール1a、1b、1c、1dのアンテナコイル11aに引き込ませるため、バッテリパック133のリーダライタ120と対向する金属板133aと重畳するように磁性シート234が設けられている。この磁性シート234は、リーダライタ120からの磁界を金属板133aが跳ね返すのを防止するため、上述したように金属板133aと重畳するが、更に、アンテナコイル11aに磁界を効率よく引き込ませるため、図13(B)に示すように、アンテナコイル11a側の端部234aが、リーダライタ120と対向するアンテナコイル11aのリーダライタ120と対向する面と重畳しないように、アンテナコイル11a側に延伸している。
【0057】
ここで、磁性シート234を、アンテナコイル11aのリーダライタ120と対向する面と重畳させないようにする理由は、仮に重畳させると、アンテナコイル11aが受ける磁界が抑制されてしまうので、好ましくないからである。
【0058】
なお、図13(B)では、携帯電話機230に組み込まれるアンテナモジュール1a、1b、1c、1dのうち、アンテナモジュール1bに係るアンテナコイル11aの中心部分11cに磁性シート13が差し込まれた構造を示している。
【0059】
次に、金属板133aに重畳した磁性シート234の端部234aと、アンテナコイル11aとの相対的な位置を変化させたときの、アンテナコイル11aの通信特性について評価する。
【0060】
具体的な評価条件としては、次のようにした。すなわち、リーダライタ120のアンテナ121はxy軸方向で規定される外形が66mm×100mmの2巻コイルとした。また、金属板133aは、60mm×45mm×5mmのアルミニウム板とした。アンテナコイル11aはxy軸方向で規定される外形が40mm×5mm、中心部分11cに磁性シート13が差し込まれた構造で、4巻のコイルである。さらに、z軸方向で規定される、金属板133aの表面からアンテナコイル11aの端部11eまでの距離は1mmとした。また、y軸方向で規定される、金属板133aの端部133bからアンテナコイル11aの端部11eまでの距離は2.5mmとした。また、金属板133aに厚さが0.1mmの磁性シート234を貼り付け、y軸で規定される幅方向のサイズを変化させて、その結合係数を求めた。結合係数を図14に示す。ここで、図14では、金属板133aの中心部分133cから磁性シート234の端部234aまでのy軸方向で規定される幅bを15mm〜25mmまで変化させたときの、結合係数の変化を示している。
【0061】
ここで、金属板133aのy軸方向の幅が45mmであるため、bの値が22.5mmのとき、磁性シート234の端部234aが、金属板133aの端部133bと一致する。また、bの値が25mmのとき、磁性シート234の端部234aが、アンテナコイル11aの端部11eと磁性シート13の端部13aとにそれぞれ一致する。
【0062】
図14に示すように、bの値が22.5mmから25mmまで変化すると、この変化に応じて、アンテナコイル11aの結合係数が急激に高くなる。
【0063】
これは、金属板133aと平行に流れる磁界を、端部133b付近で発散させることなく、磁性シート234を介して、アンテナコイル11aに引き込ませることができるからである。
【0064】
このようにして、携帯電話機230は、アンテナコイル11a側の端部234aが、リーダライタ120と対向するアンテナコイル11aの面と重畳しないように、アンテナコイル11a側に延伸しているので、アンテナコイル11aに効率よく磁界を引き込ませることができ、結果として良好な通信特性を実現できる。
【0065】
<第3の実施例>
上述したように、本発明が適用されたアンテナモジュールのアンテナコイル11aは、金属板133aの近傍であって、かつ、金属板133aと重畳しない位置に配置されることが、高い結合係数と高いQ値を両立する点から好ましい。
【0066】
ここで、リーダライタ120との間で13.56MHzの発信周波数を用いた磁界によって誘導結合する場合において、図15(A)に示すように、筐体131の内周壁131aと、アンテナコイル11aの金属板133aの端部133bとの間、すなわち隙間132のy軸方向で規定される幅をd[mm]とする。この幅d[mm]を変化させるとともに、例えば、アンテナコイル11aのxy平面で規定される面積を300[mm2]に固定し、隙間132の幅d[mm]と略一致するようにアンテナコイル11aのy軸方向の幅をd−1[mm]として変化させると、図15(B)に示すように結合係数が変化する。なお、図15(B)では、便宜上、アンテナモジュール1bのアンテナコイル11aを用いて評価を行っている。
【0067】
この図15(B)の結果から明らかなように、幅d[mm]、すなわち隙間132の幅とともにアンテナコイル11aの幅が大きくなるのに伴って結合係数が増加し、幅d[mm]が略8.00〜略14.00mmのとき、ピークを略10.00mmとして結合係数が大きくなる。また、幅d[mm]が略8.00〜略10.00mmの範囲で結合係数が大きくなるが、略10.00mmより大きくしても通信特性の向上がほぼ飽和する。このような特性は、筐体131の周囲、具体的には隙間132の磁力密度が、比較的外周壁131b側が大きいからである。
【0068】
また、幅d[mm]は、8.00mm未満であっても良好な通信特性を実現することができる。例えば、図16(A)に示すように、アンテナ基板11の、金属板133a側の端部11eを中心軸として、リーダライタ120と対向する面xyに対して傾斜させて配置する。このとき、リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θを0°、30°、45°とし、隙間132のy軸方向で規定される幅をd[mm]を変化させると、図16(B)に示すように結合係数が変化する。なお、アンテナコイル11aの形状は、端部11d、11eが、それぞれ筐体131の内周壁131aと、アンテナコイル11aの金属板133aの端部133bと一致するように形状を変化させている。
【0069】
このような条件の下、図16(B)から明らかなように、傾斜角度θが大きくなるのに伴って、d[mm]の値がより小さい、すなわち隙間132がより狭い場合に、結合係数が最適になる。
【0070】
この結果から明らかなように、幅d[mm]は、8.00mm未満であってもアンテナ基板11を傾けることで良好な通信特性を実現することができる。
【0071】
上述した図15(B)及び図16(B)の結果から明らかなように、第3の実施例において、アンテナコイル11aは、金属板133a側の端部11eが、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略14.00mm以下のとき比較的高い結合係数を実現し、小スペース化を実現しつつ、良好な特性を実現することができる。さらに好ましくは、金属板133a側の端部11eが、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略10.00mm以下のとき特に高い結合係数を実現し、小スペース化を実現しつつ、良好な特性を実現することができる。
【0072】
よって、携帯電話機130に組み込まれるアンテナ基板11の基板面のサイズが制限されている場合、アンテナコイル11aは、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略14.00mm以下、より好ましくは、略10.00mm以下の位置となる条件を満たして、x軸方向で規定される幅を規定することが、次の評価結果から好ましい。
【0073】
性能評価としては、上述した図7に示すようにして、金属板133aの近傍に配置したアンテナ基板11とリーダライタ120とを対向させた。また、リーダライタ120のアンテナ121は、xy軸方向で規定される外形が66mm×100mmの2巻コイルとした。また、金属板133aはxyz軸方向で規定される寸法が100mm×50mm×0.3mmのステンレスとした。アンテナモジュール1bのアンテナコイル11aは、アンテナ基板11の内周壁131a側の端部11dの位置を筐体131の内周壁131aの位置にほぼ固定した状態で、xy軸方向で規定される外形をそれぞれ300mm2、400mm2、500mm2とし、4巻のコイルである。さらに、z軸方向で規定される、金属板133aの表面からアンテナコイル11aの表面までの距離は1mmとした。なお、リーダライタ120と対向する面xyに対してアンテナ基板11を傾斜する角度θは0°とした。
【0074】
このような条件の下、アンテナコイル11aのy軸方向の幅に対するx軸方向の幅の比(以下、縦横比という。)を変化させたときの結合係数の変化を図17に示す。
【0075】
図17(A)は、xy軸方向で規定される外形を300mm2とし、図17(B)は、xy軸方向で規定される外形を400mm2とし、図17(C)は、xy軸方向で規定される外形を500mm2としている。
【0076】
図17(A)では、縦横比が3より大きくなると結合係数の上昇が飽和し、図17(B)では、縦横比が4より大きくなると結合係数の上昇が飽和し、図17(C)では、縦横比が5より大きくなると結合係数の上昇が飽和する。すなわち、アンテナコイル11aは、y軸方向の幅が略10.00mmより幅広にしても結合係数の上昇が飽和していることを示している。
【0077】
この結果から見ても明らかなように、アンテナコイル11aは、金属板133a側の端部11eが、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略14.00mm以下、より好ましくは、略10.00mm以下の位置となるように配置されることで、小スペース化を実現しつつ良好な特性を実現することができる。このように、通信特性の改善を図るため、アンテナコイル11aのxy軸方向で規定される面積を広げるには、金属板133a側の端部11eが、筐体131の内周壁131aを基準として内周壁131aに対する垂直なy軸方向に略10.00mm以下の位置となる条件を満たした状態で、x軸方向に幅を広げた方が好ましい。
【0078】
さらに、隙間132のy軸方向の幅が8.00mm以下に制限されている場合には、この幅の狭さに応じて、アンテナ基板11の傾斜角度θを大きくすることで、良好な通信特性を実現することができる。
【0079】
以上のように、第3の実施例に係るアンテナコイル11aでは、特に、単位面積あたりの特性を高めることが可能となり、小型で実装の制約が少なくなると共にコスト競争力の高いアンテナモジュールを実現することができる。
【符号の説明】
【0080】
1 通信装置、1a、1b、1c、1d アンテナモジュール、11 アンテナ基板、11a アンテナコイル、11b 端子部、11c 中心部分、11d、11e、13a、113b、133b、234a 端部、111 中心軸、12 通信処理部、13、134、234 磁性シート、100 無線通信システム、120 リーダライタ、121 アンテナ、122 制御基板、130、230 携帯電話機、131 筐体、131a 内周壁、131b 外周壁、132 隙間、133 バッテリパック、133a 金属板、133c 中心部分
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置において、
上記電子機器の筐体内部の上記発信器に対向した導電体の端部と該筐体の内周壁との隙間に、該導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、該発信器と誘導結合されるアンテナコイルを備えるアンテナ装置。
【請求項2】
上記アンテナコイルは、上記導電体側の端部を中心軸として、上記発信器と対向する面に対して傾斜させて配置されていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
【請求項3】
上記アンテナコイルに上記発信器から発信される磁界を引き込む磁性シートを更に備え、
上記アンテナコイルは、プリント基板上の信号線を用いて形成され、
上記磁性シートが、上記プリント基板上に形成された上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれることで、上記発信器と対向する筐体面の中心側では該磁性シートが上記アンテナコイルよりも上記発信器側に位置する配置条件と、該筐体面の外周側では該アンテナコイルが該磁性シートよりも該発信器側に位置する配置条件との両方の配置条件を満たすようにして、該アンテナコイルと該磁性シートとが互いに重畳されていることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。
【請求項4】
上記発信器は、発信周波数が13.56MHzの磁界を発信し、
上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略14.00mm以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
【請求項5】
上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略10.00mm以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項4記載のアンテナ装置。
【請求項6】
発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置において、
上記電子機器の筐体内部の上記発信器に対向した導電体の端部と該筐体の内周壁との隙間に、該導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、該発信器と誘導結合されるアンテナコイルと、
上記アンテナコイルに流れる電流により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備える通信装置。
【請求項7】
上記発信器と対向した上記導電体の表面を覆う第2の磁性シートを備え、
上記第2の磁性シートは、上記アンテナコイル側の端部が、上記発信器と対向する該アンテナコイルの面と重畳しないように、該アンテナコイル側に延伸していることを特徴とする請求項6記載の通信装置。
【請求項8】
上記アンテナコイルに上記発信器から発信される磁界を引き込む第1の磁性シートを更に備えることを特徴とする請求項7記載の通信装置。
【請求項9】
上記第2の磁性シートは、上記アンテナコイル側の端部の位置が、上記第1磁性シートの上記導電体の側の端部の位置と略一致するように、該アンテナコイル側に延伸していることを特徴とする請求項8記載の通信装置。
【請求項10】
上記発信器は、発信周波数が13.56MHzの磁界を発信し、
上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略14.00mm以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項6記載の通信装置。
【請求項11】
上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略10.00mm以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項10記載の通信装置。
【請求項12】
発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置において、
電力供給部と、
上記電子機器の筐体内部の上記発信器に対向した導電体の端部と該筐体の内周壁との隙間に、該導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、該発信器と誘導結合されるアンテナコイルと、
上記バッテリから供給される電力により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備える通信装置。
【請求項1】
電子機器に組み込まれ、発信器から発信される磁界を受けて通信可能となるアンテナ装置において、
上記電子機器の筐体内部の上記発信器に対向した導電体の端部と該筐体の内周壁との隙間に、該導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、該発信器と誘導結合されるアンテナコイルを備えるアンテナ装置。
【請求項2】
上記アンテナコイルは、上記導電体側の端部を中心軸として、上記発信器と対向する面に対して傾斜させて配置されていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
【請求項3】
上記アンテナコイルに上記発信器から発信される磁界を引き込む磁性シートを更に備え、
上記アンテナコイルは、プリント基板上の信号線を用いて形成され、
上記磁性シートが、上記プリント基板上に形成された上記アンテナコイルの中心部分に差し込まれることで、上記発信器と対向する筐体面の中心側では該磁性シートが上記アンテナコイルよりも上記発信器側に位置する配置条件と、該筐体面の外周側では該アンテナコイルが該磁性シートよりも該発信器側に位置する配置条件との両方の配置条件を満たすようにして、該アンテナコイルと該磁性シートとが互いに重畳されていることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。
【請求項4】
上記発信器は、発信周波数が13.56MHzの磁界を発信し、
上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略14.00mm以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
【請求項5】
上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略10.00mm以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項4記載のアンテナ装置。
【請求項6】
発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置において、
上記電子機器の筐体内部の上記発信器に対向した導電体の端部と該筐体の内周壁との隙間に、該導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、該発信器と誘導結合されるアンテナコイルと、
上記アンテナコイルに流れる電流により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備える通信装置。
【請求項7】
上記発信器と対向した上記導電体の表面を覆う第2の磁性シートを備え、
上記第2の磁性シートは、上記アンテナコイル側の端部が、上記発信器と対向する該アンテナコイルの面と重畳しないように、該アンテナコイル側に延伸していることを特徴とする請求項6記載の通信装置。
【請求項8】
上記アンテナコイルに上記発信器から発信される磁界を引き込む第1の磁性シートを更に備えることを特徴とする請求項7記載の通信装置。
【請求項9】
上記第2の磁性シートは、上記アンテナコイル側の端部の位置が、上記第1磁性シートの上記導電体の側の端部の位置と略一致するように、該アンテナコイル側に延伸していることを特徴とする請求項8記載の通信装置。
【請求項10】
上記発信器は、発信周波数が13.56MHzの磁界を発信し、
上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略14.00mm以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項6記載の通信装置。
【請求項11】
上記アンテナコイルは、該アンテナコイルにおける上記導電体側の端部が、上記筐体の内周部を基準として該内周部に対する垂直方向に略10.00mm以下の位置となるように配置されていることを特徴とする請求項10記載の通信装置。
【請求項12】
発信器から発信される磁界を受けて通信可能となる通信装置において、
電力供給部と、
上記電子機器の筐体内部の上記発信器に対向した導電体の端部と該筐体の内周壁との隙間に、該導電体の外周部を囲まないようにして巻回され、該発信器と誘導結合されるアンテナコイルと、
上記バッテリから供給される電力により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備える通信装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【公開番号】特開2012−217133(P2012−217133A)
【公開日】平成24年11月8日(2012.11.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−260630(P2011−260630)
【出願日】平成23年11月29日(2011.11.29)
【出願人】(000108410)ソニーケミカル&インフォメーションデバイス株式会社 (595)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年11月8日(2012.11.8)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年11月29日(2011.11.29)
【出願人】(000108410)ソニーケミカル&インフォメーションデバイス株式会社 (595)
【Fターム(参考)】
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