JP2015149405A - アンテナ装置、非接触電力伝送用アンテナユニット、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、大電力伝送、薄型化が要求されるアンテナ装置においてアンテナ装置の薄型化を図ることを目的とする。【解決手段】本発明は、スパイラルコイル２と、該スパイラルコイル２を支持する一つ以上の磁性層５、及び回路基板７を有するアンテナ装置１において、上記磁性層５の上記スパイラルコイル内周側から外周にかけて切欠き部９を設け、切欠き部９に、スパイラルコイル２の引出線と接続するための端子部８と、外部電気経路と接続するための接続端子１０とを設けた上記回路基板７が設置され、スパイラルコイル内周側の引出線３ａが回路基板７の内周側の端子部８ａに接続され、スパイラルコイル外周側の引出線３ｂが回路基板７の外周側の端子部８ｂに接合されていることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばアンテナ装置等に係り、特に、スパイラルコイルと、該スパイラルコイルを支持する一つ以上の磁性層、及び回路基板を有するアンテナ装置に関し、スパイラルコイル内周側からの引出線が回路基板の内周側の接続端子部に接続され、スパイラルコイル外周側からの引出線が回路基板の外周側の接続端子部に接合されているアンテナ装置、非接触電力伝送用アンテナユニット、及び電子機器に関する。

近年の無線通信機器においては、電話通信用アンテナ、ＧＰＳ（Global Positioning System）用アンテナ、無線ＬＡＮ（Local Area Network）／ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）用アンテナ、さらにはＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）といった複数のＲＦアンテナが搭載されている。これらに加えて、非接触充電の導入に伴って、電力伝送用のアンテナコイルも搭載されるようになってきている。

非接触充電方式で用いられる電力伝送方式としては、電磁誘導方式、電波受信方式、磁気共鳴方式等が挙げられる。これらは、いずれも一次側コイルと二次側コイル間の電磁誘導や磁気共鳴を利用したものであり、上述したＲＦＩＤも電磁誘導を利用している。

これらのアンテナは、アンテナ単体で目的の周波数において最大の特性が得られるように設計されていても、実際に電子機器に実装されると、目的の特性を得ることは困難である。それは、アンテナ周辺の磁界成分が周辺に位置する金属等と干渉（結合）し、アンテナコイルのインダクタンスが実質的に減少するために、共振周波数がシフトしてしまうことによる。また、アンテナコイルのインダクタンスの実質的減少によって、受信感度が低下してしまうことによる。

これらの対策としては、アンテナコイルとその周辺に存在する金属との間に磁気シールド材を挿入して、アンテナコイルから発生した磁束を磁気シールド材に集めることによって、金属による干渉を低減させている。また、このような磁気シールド材をアンテナコイルの近傍に配することにより、アンテナコイルのインダクタンス、及び通信時のアンテナ間の磁気的結合の良好さを表す結合係数を増加させている。

ところで、モバイル用途向けのアンテナ装置では、薄い機器内に収納するためにアンテナ装置を薄くすることが嘱望されている。特にスパイラルコイルを使ったアンテナ装置では、外部との接続のためにコイル内周側からコイル端部の線材を引き出す場合、コイル本体を交差する必要があり、そのためコイルを用いたアンテナ装置の厚さは、コイルの線径の２倍の厚さに上述の磁気シールド材の厚さを加えたものとなる。

ここで、特許文献１では、アンテナ装置の厚さを薄くするために、図４（ａ），（ｂ）に示されるように、磁束収束用の防磁シート（ここでは磁性層１０５として説明する）にスリット１０６を設け、この部分にスパイラルコイル１０２の内周側からの引出線１０３ａを通すことでアンテナ装置の厚さを薄くする方法が記載されている。この場合、アンテナ装置の厚さはスパイラルコイルの厚さの２倍か、スパイラルコイル１０２と磁性層１０５と接着層１０４の総和のどちらか厚い方になる。

このアンテナ装置を非接触給電用として用いる場合、送電電力を大きくするとコイルの抵抗によるジュール熱が発生し、アンテナ装置の温度が上昇する。これを低減するためにコイルの線径を大きくして（線材の断面積を大きくして）、コイルの発熱を抑えることが必要になる。更に、非接触給電の標準規格の一つである"Ｑｉ規格"では５Ｗまでの電力伝送が規定されているが、１５Ｗまで対応する準備が進められており、今後、コイルの線径を大きくして発熱を抑えることが重要になっていく。

特開２００８−２１０８６１号公報 特開２００７−２８１３１５号公報

しかしながら、上記特許文献１の手法では、スパイラルコイル１０２の線径が磁性層１０５と接着層１０４の厚みの和を上回るようになると、上記アンテナ装置の厚さは上記線径の２倍に決まってしまうので、アンテナ装置の厚さを抑えることができない。

すなわち、特許文献１は、防磁シートにコイルが接合された防磁シート付きコイルであって、防磁シートにはスリットが形成され、そこにコイルの内周側から引き出した線材が収容されるものであるが、コイルの線径が防磁シートの厚さより大きくなると、線径の２倍より薄くすることができない。

尚、特許文献２は、絶縁層上に形成した平面スパイラル線路のスパイラル中心側の一端を絶縁層上に形成した引き出し線路に接続し積層したコイル部品が開示されており、このコイル部品は、電極パターンを形成したポリイミド等の薄シートを貼り合わせて積層した多層フレキシブル基板により作成してもよいとの記載もある。しかしながら、同文献２に開示されたコイル部品は、非接触給電アンテナとは異なる態様のコイル部品であって、薄型化を目的とするものではない。

そこで、本発明は、大電力伝送、薄型化が要求されるアンテナ装置等において、当該アンテナ装置自体の薄型化を図ることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係るアンテナ装置は、スパイラルコイルと、該スパイラルコイルを支持する一つ以上の磁性層、及び回路基板を有するアンテナ装置において、上記磁性層の上記スパイラルコイル内周側から外周にかけて切欠き部を設け、上記切欠き部に、上記スパイラルコイルの引出線と接続するための端子部と、外部電気経路と接続するための接続端子とを設けた上記回路基板が設置され、上記スパイラルコイル内周側の引出線が上記回路基板の内周側の端子部に接続され、上記スパイラルコイル外周側の引出線が上記回路基板の外周側の端子部に接合されていることを特徴とする。

本発明に係るアンテナ装置、非接触電力伝送用アンテナユニット、及び電子機器によれば、磁気シールド層に切り欠き部を設け、その部分にスパイラルコイルを構成する線材よりも薄い回路基板を設置して、それを介してスパイラルコイルの内周側からの信号を外部に取り出すので、アンテナ装置自体を薄型化することができる。

（ａ）は本発明が適用された第１の実施形態に係るアンテナ装置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。 図１（ａ），（ｂ）に示した本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の作製方法を示す説明図である。 （ａ）は本発明が適用された第２の実施形態に係るアンテナ装置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。 （ａ）は従来発明の実施の形態に係るアンテナ装置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡＡ'線における断面図である。

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。

（第１の実施形態）

＜アンテナ装置の構成＞
図１（ａ）には本発明が適用された第１の実施形態に係るアンテナ装置を示す平面図を示し、図１（ｂ）には図１（ａ）の斜視図を示し、アンテナ装置の構成を説明する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、アンテナ装置１は、導線を渦巻状に巻回して形成されたスパイラルコイル２（同図では簡略化して大きな１ターンコイルで描いている）と、磁性層５と、回路基板７と、を有している。

この磁性層５には、切欠き部９が形成されており、この切欠き部９に回路基板７が設置され、接着層４を介して、スパイラルコイル２が、磁性層５と回路基板７とからなる複合基板上に接合される。この切欠き部９は、磁性層５の端部まで伸ばして形成する必要はなく、回路基板７を設置するのに必要な部分にのみ形成すればよい。また、切欠き部９は磁性層５の一部が残る形で堀込まれた溝状の形状としてもよい。

回路基板７にはスパイラルコイル２を構成する導線の引出部３ａ，３ｂを接続する端子部８ａ，８ｂと、外部回路と接続するための接続端子部１０、及びそれらを電気的に接続する回路パターンが形成されている。スパイラルコイル２の内周側の引出線３ａはスパイラルコイル２の内周側で回路基板７の端子部８ａに接続され、そしてスパイラルコイル２の外周側の引出線３ｂはスパイラルコイル２の外周側で回路基板７の端子部８ｂに接続される。接続端子部１０に不図示の整流回路等を接続することによって、非接触充電回路の二次側回路を構成する。

回路基板７は、誘電体基板の片面あるいは両面に導電材の回路パターンが形成されたものであり、リジッド基板、柔軟性に富むフレキ基板、あるいは両者の複合体であるリジット・フレキ基板が用いられる。

片面フレキ基板では導体厚３５μｍとしても厚さを０．０７〜０．０８ｍｍ程度に抑えることができるので、磁性層５の厚みが上記引出線３ａの厚みよりも小さい場合、スパイラルコイル２の内周側から引出線３ａを外周側に引き出すよりも、回路基板７を使用して外周側に引き出す方がアンテナ装置の厚みを薄くすることができる。

磁性層５には、Ｆｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、センダスト、パーマロイ、アモルファス等の金属磁性体や、ＭｎＺｎ系フェライト、ＮｉＺｎ系フェライト、あるいは、上記磁性材からなる磁性粒子に結合剤としての樹脂を加えて作製した磁性樹脂材や、磁性粒子に少量のバインダーを加えて圧縮成型して作製する圧粉成型材料を用いることができる。これらの磁性体は単独あるいは混合して用いることができる。また、磁性層５は上記の材料からなる複数の磁性層を組み合わせた複合構造、あるいは積層構造として用いてもよい。

一方、スパイラルコイル２を形成する導線は、５Ｗ程度の充電出力容量の場合であって、１００〜２００ｋＨｚ程度の周波数で用いられるときには、０．２０ｍｍ〜０．４５ｍｍの径のＣｕ又はＣｕを主成分とする合金からなる単線を用いることが好ましい。あるいは、導線の表皮効果を低減させるために、上述の単線よりも細い細線を複数本束ねた並行線、編線を用いてもよく、厚みの薄い平角線又は扁平線を用いて１層、又は２層のα巻としてもよい。

接着層４は、スパイラルコイル２を磁性層５及び回路基板７からなる複合基板上に接合するために用いるもので、粘着性を有するものであればいずれでもよい。たとえばＰＥＴ等の薄いシートの両面に粘着層を形成した両面粘着テープを用いることもでき、更に、樹脂に磁性粉末を混合して作製した磁性樹脂シートを用いることもできる。磁性樹脂シートを用いた場合は、接着層４の部分も磁性体として作用するので磁気シールド性を更に高めることができる。この場合、磁性樹脂シートを厚く作製し、スパイラルコイル２を埋め込むようにして用いると、更に接着性、磁気シールド性を上げることができ、またスパイラルコイル２で発生する熱を逃がし易くする効果が期待できる。

図１では接着層４に、後の工程で引出部３ａ，３ｂと回路基板７上の配線との接続を阻害しないように、それらの接続位置に対応する部分に開口部６ａ，６ｂを設けている。

このように、第１の実施形態では、図１（ａ），（ｂ）に示したが、非接触充電用のスパイラルコイル２の裏側に、当該コイル内側からコイル外側にかけて２本の導体パターンが形成された回路基板７を配置し、当該コイル２の内周側と外周側の端部をそれぞれ導体パターンに接続して、アンテナモジュールを作製する。回路基板７上の導体パターンによって厚さを抑えた反面、断面積減少による導通抵抗の増加が懸念される場合には、パターン幅を大きくすることで対処可能となっている。

＜アンテナ装置の製造方法＞

次に、図２を参照して、先に図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したアンテナ装置を作製する手順の一例について説明する。ここでは、図１（ａ），（ｂ）も適宜参照する。

まず磁性層５のシートを用意する。このシートは、磁束をスパイラルコイル２の周辺に収束させるもので、一般的にスパイラルコイル２よりも大きなものを用いる。磁性層５には回路基板７を設置するために、回路基板７と略同形状の切欠き部９を設ける。

次に、この切欠き部９に回路基板７を挿入する。この後、接着層４を、磁性層５と回路基板７からなる複合基板（複合体）の一面に貼り付ける。接着層４には、端子部８ａ，８ｂに対応した開口部６ａ，６ｂが設けられている。これは、後にスパイラルコイル２からの引出部３ａ，３ｂと回路基板７に形成された導体パターン、即ち端子部８ａ，８ｂとの半田等による接続を可能にするために設けたものである。

最後にスパイラルコイル２を接着層４の表面に張り付けて加圧し、引出部３ａ，３ｂを回路基板７上の所定の導体パターン位置（図１（ａ）の端子部８ａ，８ｂ）に半田付けして完成させることができる。接着層４として磁性樹脂層を用いる場合は、加圧と同時に加熱処理も行い樹脂を硬化させることで接合を強固なものにする。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、磁性層５に切欠き部９が形成されており、当該切欠き部９に回路基板７が実装され、回路基板７上の導体パターンによりスパイラルコイル２の内周側の引出部３ａをコイル外周（外部）へと導くことができるので、積層による層厚化を防ぐことができ、スパイラルコイル２の径と磁性層５、更には接着層４の総和に総厚を抑えることができるので、アンテナモジュール自体を薄型化することが可能となる。

（第２の実施形態）

図３（ａ）には本発明が適用された第２の実施形態に係るアンテナ装置を示す平面図を示し、図３（ｂ）には図３（ａ）の斜視図を示し、アンテナ装置の構成を説明する。ここでは、図１と同種の構成については、同一符号を用いて、重複した説明は省略し、特徴的な部分を中心に説明を進める。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、アンテナ装置２０は、磁性層５と接着層４、スパイラルコイル２、回路基板１１を有する。そして、アンテナ装置２０では、回路基板１１としてフレキケーブルを用いており、外部素子との接続を容易にするためにケーブル長を磁性層５から外側に長く延長している。この例では、更に回路基板１１にセンシング用の素子１３が設置される。センシングデバイスは、例えばアンテナ装置の温度上昇をモニタリングするためのサーミスタ等の感温素子や、磁界強度をモニタリングするためのホール素子等である。但し、これに限定されない。

回路基板１１にはスパイラルコイル２を構成する導線の引出部３ａ，３ｂを接続する端子部１２ａ，１２ｂと、外部回路と接続するための接続端子部１４、及びそれらを電気的に接続する回路パターンが形成されている。スパイラルコイル２の内周側の引出線３ａはスパイラルコイル２の内周側で回路基板１１の端子部１２ａに接続され、そしてスパイラルコイル２の外周側の引出線３ｂはスパイラルコイル２の外周側で回路基板１１の端子部１２ｂに接続される。接続端子部１４に不図示の整流回路等を接続することによって、非接触充電回路の二次側回路を構成する。

なお、図３では接着層４に、後の工程で引出部３ａと回路基板７上の配線との接続を阻害しないように、それらの接続位置に対応する部分に開口部６ｃを設けている。

このように、第２の実施形態では、引き出し線を形成する回路基板１１をモジュールの外に延長している。この基板をフレキシブルプリント基板で形成することで、機器筺体における実装性に優れると共に、可動部分において繰り返し曲げに有利な構造となる。

以上説明したように、本発明の第２の実施形態によれば、磁性層５に切欠き部９が形成されており、当該切欠き部９に回路基板１１が実装され、回路基板１１上の導体パターンによりスパイラルコイル２の内周側の引出部３ａをコイル外周へと導くことができるので、積層による層厚化を防ぐことができ、スパイラルコイル２の径と磁性層５、更には接着層４の総和に総厚を抑えることができるので、アンテナモジュール自体を薄型化することが可能となる。更には、センシングデバイスの実装の自由度を高めたアンテナモジュールを提供することが可能となる。

以上、本発明の第１及び第２の実施形態に係るアンテナ装置では、磁性層、即ち磁気シールド層に切欠きを設け、その部分にスパイラルコイルを構成する線材よりも薄い回路基板を設置して、当該回路基板を介してスパイラルコイルの内周側からの信号を外部に取り出すので、アンテナ装置を薄型化することができる。

以上、本発明の第１及び第２の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されることなく、その主旨を逸脱しない範囲で種々の改良・変更が可能であることは勿論である。例えば、本実施形態に係るアンテナ装置は、スマートフォン等の電子機器への適用が可能である。

１，２０ アンテナ装置
２ スパイラルコイル
３ａ，３ｂ 引出部
４ 接着層
５ 磁性層
６ａ，６ｂ，６ｃ 開口部
７，１１ 回路基板
８ａ，８ｂ，１２ａ，１２ｂ 端子部
９ 切欠き部
１３ 素子
１０，１４ 接続端子部

Claims (6)

1. スパイラルコイルと、該スパイラルコイルを支持する一つ以上の磁性層、及び回路基板を有するアンテナ装置において、上記磁性層の上記スパイラルコイル内周側から外周にかけて切欠き部を設け、
   上記切欠き部に、上記スパイラルコイルの引出線と接続するための端子部と、外部電気経路と接続するための接続端子とを設けた上記回路基板が設置され、
   上記スパイラルコイル内周側の引出線が上記回路基板の内周側の端子部に接続され、上記スパイラルコイル外周側の引出線が上記回路基板の外周側の端子部に接合されていること
   を特徴とするアンテナ装置。
2. 上記スパイラルコイルと上記磁性層が、磁性粉を含有する磁性樹脂層で接着されていること
   を特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 上記磁性層が磁性粉を含む磁性樹脂層、あるいは圧粉成形体であること
   を特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
4. 上記回路基板にセンシング素子が設置されていること
   を特徴とする請求項１乃至３記載のアンテナ装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置を含むこと
   を特徴とする非接触電力伝送用アンテナユニット。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置を含むこと
   を特徴とする電子機器。