JP2017175214A - アンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器 - Google Patents

Abstract

【課題】軟磁性金属粉を含む複合磁性シートを用いたアンテナ装置の通信距離を伸ばす。【解決手段】基板２０に形成された平面コイルパターン３０と、平面コイルパターン３０から見て基板２０とは反対側に位置し、バインダ樹脂に軟磁性金属粉を混合してなる複合磁性シート４０とを備える。複合磁性シート４０は、平面コイルパターン３０に対して所定の距離Ｌ１を保つよう支持されている。本発明によれば、平面コイルパターン３０と軟磁性金属粉との接触が確実に防止される。しかも、平面コイルパターン３０が複合磁性シート４０と基板２０との間に位置する構成であることから、基板２０を上面側から支持する場合であっても、支持部材５０と平面コイルパターン３０との接触を防止することができる。これにより、本発明によるアンテナ装置を近距離無線通信に用いれば、通信距離を伸ばすことが可能となる。【選択図】図２

Description

本発明はアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器に関し、特に、近距離無線通信（Near Field Communication）用として好適なアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器に関するものである。

近年、スマートフォン等の携帯無線機器にはＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification：電波による個体識別）システムが搭載されており、そのための通信手段としてリーダ・ライタ等と近距離無線通信を行うためのアンテナ装置が搭載されている。この種のアンテナ装置としては、例えば特許文献１に記載されたアンテナ装置が知られている。

特許文献１に記載されたアンテナ装置は、バインダ樹脂に軟磁性金属粉を混合してなる複合磁性シート上にアンテナ基板を設けた構成を有している。これにより、アンテナ基板と良導体である回路基板との間に複合磁性シートが介在する構成となるため、回路基板の影響によるアンテナ特性の低下を抑制することができる。

特開２００６−１３９７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のアンテナ装置は、アンテナ基板と複合磁性シートが接していることから、アンテナ基板に形成された平面コイルパターンと複合磁性シートに含まれる軟磁性金属粉が接触する可能性がある。

このような問題を解決するためには、アンテナ基板と複合磁性シートを離間させる必要があるが、この場合には、アンテナ基板をどのように支持するかが問題となる。つまり、アンテナ基板と複合磁性シートを離間させる場合、アンテナ基板を上面側（つまり、複合磁性シートの反対側）から支持する必要があり、アンテナ基板の上面側に平面コイルパターンが形成されている場合には、アンテナ基板の支持部材が平面コイルパターンと接するおそれが生じる。また、平面コイルパターンが支持部材と接しない場合であっても、両者が近接することによってアンテナ特性が変化するおそれが生じる。

したがって、本発明の目的は、平面コイルパターンと軟磁性金属粉又は支持部材との接触を防止するとともに、両者の近接によるアンテナ特性の低下が防止されたアンテナ装置及びこれを備える携帯無線機器を提供することである。

本発明によるアンテナ装置は、基板上に形成された平面コイルパターンと、前記平面コイルパターンから見て前記基板とは反対側に位置し、バインダ樹脂に軟磁性金属粉を混合してなる複合磁性シートと、を備え、前記複合磁性シートは、前記平面コイルパターンに対して所定の距離を保つよう支持されていることを特徴とする。

また、本発明による携帯無線機器は、上記のアンテナ装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複合磁性シートが平面コイルパターンから離間して設けられていることから、平面コイルパターンと軟磁性金属粉との接触が確実に防止される。しかも、平面コイルパターンが複合磁性シートと基板との間に位置する構成であることから、基板を上面側から支持する場合であっても、支持部材と平面コイルパターンとの接触を防止することができる。これにより、本発明によるアンテナ装置を例えば１３．５６ＭＨｚの周波数で送受信を行う近距離無線通信に用いれば、リーダ・ライタ等との間で良好な通信特性を得ることが可能となる。

本発明によるアンテナ装置は、前記平面コイルパターンと前記複合磁性シートの間に設けられ、前記平面コイルパターンと前記複合磁性シートの距離を前記所定の距離に保つスペーサ層をさらに備えることが好ましい。これによれば、スペーサ層によって平面コイルパターンと複合磁性シートとの距離を確実に保つことが可能となる。

本発明において、前記所定の距離は２０μｍ以上であることが好ましい。これによれば、平面コイルパターンと軟磁性金属粉との間の浮遊容量が低減することから、浮遊容量によるインダクタンスの上昇が抑えられる結果、通信距離を伸ばすことが可能となる。

本発明において、前記軟磁性金属粉は、表面が絶縁コーティングされていることが好ましい。これによれば、複合磁性シートの体積抵抗が高まることから、アンテナ装置のインダクタンスをより高めることが可能となる。この場合、前記所定の距離は１０μｍ以上であることが好ましい。これによれば、平面コイルパターンと軟磁性金属粉との間の浮遊容量が低減することから、通信距離を伸ばすことが可能となる。また、前記軟磁性金属粉は、扁平形状を有していることが好ましい。これによれば、より高い磁気特性を得ることが可能となる。

本発明において、前記複合磁性シートから見て前記平面コイルパターンとは反対側に金属パターンが配置されていても構わない。このような場合であっても、平面コイルパターンと金属パターンとの間に複合磁性シートが介在することから、金属パターンによるアンテナ特性の低下が抑制される。ここで、前記金属パターンは携帯無線機器に内蔵されるバッテリーパックの一部であっても構わない。

この場合、前記所定の距離は、前記複合磁性シートと前記金属パターンとの距離以下であることが好ましい。これによれば、複合磁性シートの磁路としての効果を十分に発揮することができる。

このように、本発明によれば、平面コイルパターンと軟磁性金属粉又は支持部材との接触を防止するとともに、良好なアンテナ特性を確保することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置１０の構成を示す平面図である。 図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図３は、扁平形状を有する軟磁性金属粉４１の外観を示す模式図である。 図４は、表面が絶縁コーティングされた軟磁性金属粉４１の断面図である。 図５は、複合磁性シート４０を支持する第１の方法を説明するための断面図である。 図６は、複合磁性シート４０を支持する第２の方法を説明するための断面図である。 図７は、複合磁性シート４０を支持する第３の方法を説明するための断面図である。 図８は、実施例１の結果を示すグラフである。 図９は、実施例２の結果を示すグラフである。 図１０は、実施例３の結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置１０の構成を示す平面図である。また、図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態によるアンテナ装置１０は、基板２０と、基板２０の表面２１に形成された平面コイルパターン３０と、平面コイルパターン３０から離間して設けられた複合磁性シート４０とを備える。

基板２０は例えばＰＥＴ樹脂からなるフレキシブル基板であり、特に限定されるものではないが、その平面サイズは例えば４０×５０ｍｍ程度、厚さは約３０μｍ程度である。基板２０はｘｙ平面を構成する表面２１及び裏面２２を有し、平面コイルパターン３０は主に基板２０の表面２１側に形成されている。基板２０の裏面２２は、所定の支持体５０に固定されている。支持体５０は、例えば、本実施形態によるアンテナ装置１０を内蔵する携帯無線機器の筐体である。この場合、携帯無線機器の筐体の内表面に基板２０が貼り付けられることになる。

平面コイルパターン３０は、基板２０に形成されたスパイラル状の導体からなる。図１に示す例では、平面コイルパターン３０の外形が矩形であり、ターン数が３ターンであるが、本発明がこれに限定されるものではない。平面コイルパターン３０はめっきにより形成しても構わないし、あらかじめ基板２０表面２１の全面に形成された金属層をエッチング（パターニング）することにより形成しても構わない。

図１に示すように、平面コイルパターン３０の内周端は端子３１に接続され、平面コイルパターン３０の外周端は端子３２に接続される。特に、平面コイルパターン３０の内周端は、スパイラル導体を横切るブリッジ部３３を経由して端子３１に接続されている。図１に示す例では、ブリッジ部３３が基板２０の裏面２２に形成されており、ブリッジ部３３の両端は、基板２０を貫通して設けられたスルーホール導体３４を介して、基板２０の表面２１に形成された導体パターンに接続されている。但し、ブリッジ部３３を基板２０の裏面２２に形成することは必須でなく、平面コイルパターン３０を覆う絶縁層上に形成しても構わない。

平面コイルパターン３０の端子３１，３２は、携帯無線機器に内蔵された図示しないＲＦ回路に接続される。これにより、本実施形態によるアンテナ装置１０は、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数で送受信を行う近距離無線通信に用いることができる。

複合磁性シート４０は、平面コイルパターン３０から見て基板２０とは反対側に位置し、平面コイルパターン３０に対してｚ方向に所定の距離Ｌ１を保っている。

複合磁性シート４０から見て平面コイルパターン３０の反対側には、金属パターン６０が配置されている。金属パターン６０は、例えば携帯無線機器のバッテリーパックであり、アンテナ装置１０の近傍にこのような大面積の金属パターン６０が存在すると、渦電流損によってインダクタンスが大きく低下する。しかしながら、平面コイルパターン３０と金属パターン６０との間に複合磁性シート４０を介在させれば、複合磁性シート４０が磁路として機能することから、高いインダクタンスを確保することができ、これによりアンテナ特性の向上を図ることができる。

複合磁性シート４０は、バインダ樹脂に軟磁性金属粉が混合されたシートからなる。軟磁性金属粉としては、磁性ステンレス（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ系合金）、センダスト等のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ（−Ｃｕ−Ｎｂ）系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｍｏ−Ｎｉ−Ｆｅやアモルファス合金などを用いることができる。特に、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金を用いれば、より高い磁気特性を得ることが可能となる。

軟磁性金属粉の形状については特に限定されないが、扁平形状を有していることが好ましく、アスペクト比が５以上であることがより好ましい。図３は、扁平形状を有する軟磁性金属粉４１の外観を示す模式図である。図３に示すように、扁平形状を有する軟磁性金属粉４１は、ｘｙ方向に扁平していることが好ましく、この場合、複合磁性シート４０を通る磁束の主な方向であるｘｙ方向に高い透磁率を得ることができる。扁平形状を有する軟磁性金属粉４１のメディアン径は、２５〜５０μｍ程度であることが好ましい。

複合磁性シート４０に含まれるバインダ樹脂としては、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ニトリルーブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴムなどを用いることができる。加工性を考慮すれば、ポリウレタン樹脂を用いることが最も好ましい。

軟磁性金属粉４１は、断面図である図４に示すように、その表面が絶縁膜４２によって絶縁コーティングされていることが好ましい。軟磁性金属粉４１の表面が絶縁コーティングされている場合、複合磁性シート４０の体積抵抗が高まることから、インダクタンスを高めることが可能となる。絶縁コーティングは、リン酸またはリン酸塩によって軟磁性金属粉４１を化学処理することによって形成することが可能である。

このように、本実施形態においては、複合磁性シート４０に軟磁性金属粉４１が含まれていることから、高い透磁率を得ることが可能となる。その反面、軟磁性金属粉４１は導体であることから、平面コイルパターン３０と接触させるとショート不良が発生するおそれが生じる。また、平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０が接触していなくても、両者が非常に近接している場合、平面コイルパターン３０と軟磁性金属粉４１との間の浮遊容量によってインピーダンスが高くなり、その結果、通信距離が短くなってしまう。

この点に着目し、本実施形態においては、平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０を互いに離間して支持することにより、両者間に発生する浮遊容量を低減している。離間させる距離Ｌ１は、軟磁性金属粉４１の表面が絶縁コーティングされている場合には１０μｍ以上とすることが好ましく、軟磁性金属粉４１の表面が絶縁コーティングされていない場合には２０μｍ以上とすることが好ましい。これは、軟磁性金属粉４１の表面が絶縁コーティングされている場合には、距離Ｌ１を１０μｍ以上とすることにより浮遊容量の影響が実質的になくなるからであり、軟磁性金属粉４１の表面が絶縁コーティングされていない場合には、距離Ｌ１を２０μｍ以上とすることにより浮遊容量の影響が実質的になくなるからである。いずれの場合も、それ以上距離Ｌ１を離間させても浮遊容量を低減させる効果はみられない。この点を考慮すれば、軟磁性金属粉４１の表面が絶縁コーティングされている場合には、距離Ｌ１を１０μｍ以上、４０μｍ以下とすることが好ましく、低背化の観点も考慮すれば、距離Ｌ１を１０μｍ以上、２５μｍ以下とすることがより好ましい。また、軟磁性金属粉４１の表面が絶縁コーティングされていない場合には、距離Ｌ１を２０μｍ以上、５０μｍ以下とすることが好ましく、低背化の観点も考慮すれば、距離Ｌ１を２０μｍ以上、３５μｍ以下とすることがより好ましい。

距離Ｌ１の上限については特に限定されるものではないが、距離Ｌ１が大きい場合、平面コイルパターン３０と金属パターン６０との距離についても大きくなる結果、金属パターン６０がアンテナ特性に与える影響自体が少なくなる。一方で、距離Ｌ１が大きすぎると、複合磁性シート４０の磁路としての役割が低減する。これらの点を考慮すれば、距離Ｌ１の上限は特に限定されないものの、複合磁性シート４０と金属パターン６０との距離Ｌ２以下とすることが望ましいと言える。

図５は、複合磁性シート４０を支持する第１の方法を説明するための断面図である。

図５に示す例では、平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０との間にスペーサ層７１が設けられており、このスペーサ層７１によって平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０の距離Ｌ１が保たれている。この場合、スペーサ層７１の厚みを調整することによって、平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０の距離Ｌ１を確実に調整することができるという利点を有する。したがって、軟磁性金属粉４１の表面が絶縁コーティングされている場合には厚みが１０μｍ以上のスペーサ層７１を用い、軟磁性金属粉４１の表面が絶縁コーティングされていない場合には厚みが２０μｍ以上のスペーサ層７１を用いることによって、高いアンテナ特性を得ることが可能となる。スペーサ層７１の材料としては、絶縁性の材料であれば特に限定されない。例えば、スペーサ層７１として絶縁樹脂を用い、接着剤によって平面コイルパターン３０及び複合磁性シート４０に接着しても構わないし、接着剤自体がスペーサ層７１を構成しても構わない。

図６は、複合磁性シート４０を支持する第２の方法を説明するための断面図である。

図６に示す例では、複合磁性シート４０が接着剤７２を介して金属パターン６０に固定されている。この場合、支持体５０と金属パターン６０との位置関係が固定されていれば、接着剤７２の厚みを調整することによって、平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０の距離Ｌ１を調整することができる。本例は、平面コイルパターン３０の表面がスペーサ層７１など他の部材によって覆われないことから、平面コイルパターン３０の近傍に他の部材が存在することによる磁気特性の変化を防止することができる。

図７は、複合磁性シート４０を支持する第３の方法を説明するための断面図である。

図７に示す例では、複合磁性シート４０が接着剤７２によって金属パターン６０に固定されているとともに、平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０との間にスペーサ層７１が設けられている。この例では、平面コイルパターン３０及び複合磁性シート４０がいずれも金属パターン６０に固定されることから、基板２０を支持する支持体５０が不要となる。

以上が本実施形態によるアンテナ装置１０の構成である。このように、本実施形態によるアンテナ装置１０は、複合磁性シート４０に軟磁性金属粉が含まれていることから、高い透磁率を得ることができ、アンテナ特性が高められる。しかも、複合磁性シート４０と平面コイルパターン３０が互いに離間して配置されていることから、平面コイルパターン３０と軟磁性金属粉の接触が防止されるとともに、浮遊容量によるインピーダンスの増加も抑制される。さらに、平面コイルパターン３０が基板２０と複合磁性シート４０に挟まれるように配置されることから、平面コイルパターン３０が他の部材と接触或いは近接することによるアンテナ特性の変化も生じない。

以上により、本実施形態によるアンテナ装置１０を１３．５６ＭＨｚの周波数で送受信を行う近距離無線通信に用いた場合、従来よりも長い通信距離を確保することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

図５に示した構造を有するアンテナ装置１０を作製し、スペーサ層７１の厚みを種々に変化させることによって通信距離がどのように変化するか実際に測定した。平面コイルパターン３０の平面サイズは４０×３０ｍｍ、導体の厚さは３５μｍであり、ターン数は４ターンである。複合磁性シート４０としては、ポリウレタン樹脂に軟磁性金属粉としてＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉を混合したものを使用した。但し、実施例１では、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉の表面に絶縁コーティングは施さなかった。スペーサ層７１の材料はＰＥＴ樹脂である。また、複合磁性シート４０と金属パターン６０の距離Ｌ２については、スペーサ層７１の厚み（＝Ｌ１）にかかわらず１０μｍとした。

このような条件下において、リーダ・ライタとの距離を徐々に変化させながら１３．５６ＭＨｚの周波数で通信を行い、正常に通信を行うことができる最大距離、つまり通信距離を計測した。結果を図８に示す。

図８に示すように、スペーサ層７１の厚み、つまり、平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０の距離Ｌ１が１５μｍ以下の領域では通信距離が３０ｍｍであったが、距離Ｌ１が２０μｍ以上になると通信距離が顕著に拡大し、３５ｍｍ以上となった。その効果は、距離Ｌ１が２５μｍ以上になると飽和し、距離Ｌ１をそれ以上大きくしても通信距離に変化は見られなかった。

表面に絶縁コーティングを施したＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉を用いた他は、実施例１と同様の条件で通信距離を計測した。結果を図９に示す。

図９に示すように、スペーサ層７１の厚み、つまり、平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０の距離Ｌ１が５μｍ以下の領域では通信距離が３７ｍｍであったが、距離Ｌ１が１０μｍ以上になると通信距離が顕著に拡大し、４０ｍｍとなった。但し、距離Ｌ１を５００μｍまで広げると、通信距離は３８ｍｍに低下した。これは、平面コイルパターン３０と複合磁性シート４０が離れすぎた結果、平面コイルパターン３０のインダクタンスが低下したことが原因であると考えられる。

表面に絶縁コーティングがされていないＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉を有する複合磁性シートと、表面に絶縁コーティングが施されたＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉を有する複合磁性シートの体積抵抗を測定した。Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉に対する絶縁コーティングは、リン酸処理によって行った。バインダ樹脂としてはポリウレタン樹脂を用い、厚さは１００μｍとした。結果を図１０に示す。

図１０に示すように、絶縁コーティングがされていないＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉を有する複合磁性シート（リン酸処理なし）よりも、絶縁コーティングが施されたＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉を有する複合磁性シート（リン酸処理あり）の方が高い体積抵抗が得られ、且つ、ピークとなる周波数も低いことが確認された。

１０ アンテナ装置
２０ 基板
２１ 基板の表面
２２ 基板の裏面
３０ 平面コイルパターン
３１，３２ 端子
３３ ブリッジ部
３４ スルーホール導体
４０ 複合磁性シート
４１ 軟磁性金属粉
４２ 絶縁膜
５０ 支持体
６０ 金属パターン
７１ スペーサ層
７２ 接着剤

Claims (11)

1. 基板上に形成された平面コイルパターンと、
   前記平面コイルパターンから見て前記基板とは反対側に位置し、バインダ樹脂に軟磁性金属粉を混合してなる複合磁性シートと、を備え、
   前記複合磁性シートは、前記平面コイルパターンに対して所定の距離を保つよう支持されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記平面コイルパターンと前記複合磁性シートの間に設けられ、前記平面コイルパターンと前記複合磁性シートの距離を前記所定の距離に保つスペーサ層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記所定の距離は２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記軟磁性金属粉は、表面が絶縁コーティングされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
5. 前記所定の距離は１０μｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記軟磁性金属粉は、扁平形状を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載のアンテナ装置。
7. 前記複合磁性シートから見て前記平面コイルパターンとは反対側に金属パターンが配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
8. 前記金属パターンはバッテリーパックの一部であることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ装置。
9. 前記所定の距離は、前記複合磁性シートと前記金属パターンとの距離以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載のアンテナ装置。
10. １３．５６ＭＨｚの周波数で送受信を行う近距離無線通信に用いられることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のアンテナ装置を備える携帯無線機器。