JP5321236B2 - 磁性体アンテナ及びアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、外部機器と電磁界信号を介して通信するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム等に用いられる磁性体アンテナおよびアンテナ装置に関するものである。

近年、利用が拡大しているＲＦＩＤシステムにおいては、携帯電話等の携帯電子機器とリーダ・ライタの各々に情報通信用のアンテナを搭載し、互いにデータを交信している。このうち携帯電子機器に搭載されるアンテナには特に、高性能、低価格、小型化の要請が強く、これらを実現しようとするものとして、磁性体コアを備えた磁性体アンテナが特許文献１に開示されている。

図１は特許文献１に示されている磁性体アンテナの斜視図である。このアンテナ１０は、磁芯部材（磁性体コア）１２と、一連の第１導体（コイル導体）１３により渦巻き部１３ａが一方の主面に形成された単一の電気絶縁フィルム（フレキシブル基板）１４とを備える。電気絶縁フィルム１４の他方の主面には第２導体１５が形成されていて、この第２導体１５の端部と第１導体１３の端部とがＩＣチップ１６に接続されている。

また、渦巻き状のコイル導体が形成された基材を折り返し、磁性体コアの一辺を囲むように形成した磁性体アンテナが特許文献２に開示されている。
特許文献２に示されているような磁性体アンテナを、金属板などの磁束を通さない導体板に近接配置すると、前記導体面に対して垂直方向から入射した磁束が磁性体コアの左右の端部から放射されるようになる。図２はその様子を示す図である。図２（Ａ）は、磁性体アンテナ１００と導体板３１とからなるアンテナ装置の上面図、図２（Ｂ）は磁性体アンテナ１００の正面図、図２（Ｃ）は磁性体アンテナ１００の右側面図である。

矩形渦巻き状のコイル導体２４が形成されたフレキシブル基板２３が矩形板状の磁性体コア２２の表面に巻き付けられている。

ここで、リーダ・ライタのアンテナは図２（Ｂ）における上方に有る。
図２（Ａ）・図２（Ｂ）において破線で磁束の経路を示すとおり、導体板３１に対して垂直方向から入射した磁束が左右の磁性体コア２２の端部から放射されるようになる。この際、コイル内を磁束が通るため、起電力が発生する。

特開２００３−０２２９１２号公報 特開２００５−０３３４６１号公報

特許文献１の磁性体アンテナは、フレキシブル基板を中央で折り曲げて磁性体を挟み込む構造であるので、基本的に、磁性体コアの面に対して平行な方向からの磁束に対して結合させるものである。そのため、磁性体コアの面に垂直な方向からの磁束はコイル導体のループ面を一方から他方へ貫通することにならず、非常に弱い結合しか得られない。

特許文献２の構成では、図２において磁束ＭＦＡは結合に寄与しないにもかかわらず、コイル導体部に磁性体コアが覆っているため、結合に寄与しない自己インダクタンスが増加し、結合が弱くなるという問題がある。

そこで、この発明の目的は、磁性体コアの面に垂直な向きの磁束に対して強く結合でき、磁束の放射効率を高めた、高感度な磁性体アンテナおよびアンテナ装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明の磁性体アンテナは次のように構成する。
（１）コイル導体が形成されたフレキシブル基板が磁性体コアの表面に沿って巻き付けられた磁性体アンテナにおいて、
前記磁性体コアは、単一または複数の磁性体コアであって、全体の概形が矩形板状であり、
前記コイル導体は、互いに平行な第１・第２のコイル導体部を備え、概形状が矩形で巻回中心部をコイル導体開口部とする渦巻き状に形成され、
前記フレキシブル基板は、前記コイル導体開口部の中心から第１のコイル導体部側にずれた位置を通り前記コイル導体部に平行な折り曲げラインで前記磁性体コアの第１主面から第２主面へ折り曲げられ、
前記磁性体コアは、前記第２のコイル導体部の少なくとも一部を覆わない。

この構成により、結合に寄与しないコイル導体部の自己インダクタンスが減り、相手側アンテナとの結合度が向上する。また、結合に寄与しないコイル導体部での損失が減り、通信性能が改善される。そのため、磁束の放射効率が高まり、アンテナの感度が高まって、通信可能な距離が延びる。

（２）前記コイル導体は、前記第１・第２のコイル導体部に直交する第３・第４のコイル導体部を備え、
前記磁性体コアは、前記第３・第４のコイル導体部の一方または両方を覆う。

これにより、結合に寄与する磁束の経路となる面の磁性体コアの面積が増えるため、相手側アンテナとの結合度が向上する。

（３）前記コイル導体は、前記折り曲げラインで折り曲げられた状態で前記磁性体コアの中心方向に向かう傾斜方向に延びる部分を備える。

これにより、導体板に近接する面の結合に寄与しない磁束の抜ける面積は小さく、結合に寄与する磁束の抜ける面積は大きくなるため、結合度が向上する。

（４）前記磁性体コアは、前記コイル導体開口部で分離された形状である。
これにより、磁性体コア及び磁性体アンテナの体積が減る。磁性体アンテナの中央部であるコイル導体開口部は通信相手側アンテナを通る磁束がほとんど存在しないため、特性劣化は小さい。

（５）また、この発明のアンテナ装置は、以上のいずれかに記載の磁性体アンテナと、当該磁性体アンテナに近接する、面状に広がる導体板（例えば基板やＬＣＤシールド板）と、を備えて構成する。

これにより、磁性体コアの或る側面から他の側面へ透過する磁束が生じて、コイル導体のループ内をこの磁束も過ぎることになるので、実効的なアンテナの開口が広がり、高感度なアンテナ装置が構成できる。

この発明によれば、結合に寄与しないコイル導体部の自己インダクタンスが減り、相手側アンテナとの結合度が向上する。また、結合に寄与しないコイル導体部での損失が減り、通信性能が改善される。そのため、磁束の放射効率が高まり、アンテナの感度が高まって、通信可能な距離が延びる。

特許文献１に示されている磁性体アンテナの斜視図である。 特許文献２に示されている磁性体アンテナを、磁束を通さない導体板に近接配置した状態を示す三面図である。 図３（Ａ）は第１の実施形態に係る磁性体アンテナ１０１の上面図、図３（Ｂ）は磁性体アンテナ１０１の下面図、図３（Ｃ）は磁性体アンテナ１０１の右側面図である。図３（Ｄ）は、磁性体アンテナ１０１に用いるフレキシブル基板２３の展開図である。 図４（Ａ）は磁性体アンテナ１０１と導体板３１とからなるアンテナ装置２０１の上面図、図４（Ｂ）はアンテナ装置２０１の正面図、図４（Ｃ）はアンテナ装置２０１の右側面図である。 図５（Ａ）は第２の実施形態に係る磁性体アンテナ１０２の上面図、図５（Ｂ）は磁性体アンテナ１０２の下面図、図５（Ｃ）は磁性体アンテナ１０２の右側面図である。 図６（Ａ）は第３の実施形態に係る磁性体アンテナ１０３の上面図、図６（Ｂ）は磁性体アンテナ１０３の下面図、図６（Ｃ）は磁性体アンテナ１０３の右側面図である。 図７（Ａ）は第４の実施形態に係る磁性体アンテナ１０４の上面図、図７（Ｂ）は磁性体アンテナ１０４の下面図、図７（Ｃ）は磁性体アンテナ１０４の右側面図である。 図８（Ａ）は第５の実施形態に係る磁性体アンテナ１０５の上面図、図８（Ｂ）は磁性体アンテナ１０５の下面図、図８（Ｃ）は磁性体アンテナ１０５の右側面図である。

《第１の実施形態》
図３（Ａ）は第１の実施形態に係る磁性体アンテナ１０１の上面図、図３（Ｂ）は磁性体アンテナ１０１の下面図（導体板に近接する側の面を見た図）、図３（Ｃ）は磁性体アンテナ１０１の右側面図である。また、図３（Ｄ）は、磁性体アンテナ１０１に用いるフレキシブル基板２３の展開図である。

図３（Ａ），図３（Ｂ），図３（Ｃ），図３（Ｄ）に示すように、磁性体アンテナ１０１は、コイル導体２４が形成されたフレキシブル基板２３と、磁性体コア２２とを備えている。フレキシブル基板２３には渦巻状のコイル導体２４が形成されていて、コイル導体２４の巻回中心部をコイル導体開口部ＣＷとして形成されている。すなわち、このコイル導体開口部ＣＷを取り囲むように渦巻状のコイル導体２４が形成されている。コイル導体２４の両端には接続部２５が形成されている。

前記コイル導体２４は、互いに平行な第１のコイル導体部Ａ１及び第２のコイル導体部Ａ２を備えている。また、第１のコイル導体部Ａ１及び第２のコイル導体部Ａ２に直交する第３のコイル導体部Ａ３及び第４のコイル導体部Ａ４を備えている。

図３（Ｄ）中の２本の二点鎖線は、フレキシブル基板２３の折り曲げラインである。この折り曲げラインでフレキシブル基板２３が折り曲げられた状態で、このフレキシブル基板２３で磁性体コア２２の上面（第１主面）、一つの側面、及び下面（第２主面）の一部を包むように、フレキシブル基板２３が配置される。折り曲げラインは、コイル導体開口部ＣＷの中心から第１のコイル導体部Ａ１側にずれた位置を通り、第１のコイル導体部Ａ１に平行である。

磁性体コア２２の図中Ｌｃで示す寸法は、折り曲げラインから第２のコイル導体部Ａ２の端部までの寸法Ｌｂより短く、磁性体コア２２は第２のコイル導体部Ａ２を覆わない。

図４（Ａ）は、磁性体アンテナ１０１と導体板３１とからなるアンテナ装置２０１の上面図、図４（Ｂ）はアンテナ装置２０１の正面図、図４（Ｃ）はアンテナ装置２０１の右側面図である。

この例では、導体板３１は電子機器の回路基板である。磁性体アンテナ１０１を回路基板へ実装する際に、回路基板側に設けられたスプリングプローブ等を介して前記接続部２５を回路基板へ電気的に接続する。

コイル導体開口部ＣＷから入り、磁性体コア２２の側部へ抜ける磁束は、通信相手側アンテナとの結合に寄与する。一方、コイル導体開口部ＣＷ以外から入り、磁性体コア２２の側部へ抜ける磁束ＭＦＡは結合に寄与しない。この結合に寄与しない磁束が通る位置である第２のコイル導体部Ａ２には磁性体コア２２が覆っていないので、この第２のコイル導体部による自己インダクタンスが減り、結合度が向上する。また、結合に寄与しない第２のコイル導体部Ａ２での損失が減り、通信性能が向上する。

《第２の実施形態》
図５（Ａ）は第２の実施形態に係る磁性体アンテナ１０２の上面図、図５（Ｂ）は磁性体アンテナ１０２の下面図（導体板に近接する側の面を見た図）、図５（Ｃ）は磁性体アンテナ１０２の右側面図である。

第１の実施形態で図３に示した磁性体アンテナ１０１と異なるのは、磁性体コア２２の形状である。図５では、磁性体アンテナ１０２のみを示しているが、この磁性体アンテナ１０２を、第１の実施形態で図４に示した磁性体アンテナ１０１と置換する。すなわち、磁性体アンテナ１０２は、図４に示したアンテナ装置と同様に、下面が導体板３１に対面するように配置される。

図５に示す例では、前記磁性体コア２２は、第２のコイル導体部Ａ２と第３のコイル導体部Ａ３とが重なる位置Ａ２３、及び第２のコイル導体部Ａ２と第４のコイル導体部Ａ４とが重なる位置Ａ２４にも磁性体コア２２が覆うように、磁性体コア２２の形状が定められている。

この構成により、結合に寄与する磁束の経路となる面の磁性体コアの面積が増えるため、相手側アンテナとの結合度が向上する。

なお、前記位置Ａ２３，Ａ２４のうちいずれか一方に磁性体コアが覆い、他方には覆わないように磁性体コア２２の形状を定めてもよい。

《第３の実施形態》
図６（Ａ）は第３の実施形態に係る磁性体アンテナ１０３の上面図、図６（Ｂ）は磁性体アンテナ１０３の下面図（導体板に近接する側の面を見た図）、図６（Ｃ）は磁性体アンテナ１０３の右側面図である。

第１の実施形態で図３に示した磁性体アンテナ１０１と異なるのは、磁性体コア２２の形状である。図６では、磁性体アンテナ１０３のみを示しているが、この磁性体アンテナ１０３を、第１の実施形態で図４に示した磁性体アンテナ１０１と置換する。すなわち、磁性体アンテナ１０３は、図４に示したアンテナ装置と同様に、下面が導体板３１に対面するように配置される。

図６に示す例では、前記磁性体コア２２は、第３のコイル導体部Ａ３及び第４のコイル導体部Ａ４のほぼ全てを覆い、且つ第２のコイル導体部Ａ２のほぼ全てを覆わないように、磁性体コア２２の形状を定めている。

この構成により、結合に寄与する磁束の経路となる面の磁性体コアの面積が増えるため、相手側アンテナとの結合度が向上する。

《第４の実施形態》
図７（Ａ）は第４の実施形態に係る磁性体アンテナ１０４の上面図、図７（Ｂ）は磁性体アンテナ１０４の下面図（導体板に近接する側の面を見た図）、図７（Ｃ）は磁性体アンテナ１０４の右側面図である。

第２の実施形態で図５に示した磁性体アンテナ１０２と異なるのは、フレキシブル基板２３に形成されたコイル導体２４の形状である。図７では、磁性体アンテナ１０４のみを示しているが、この磁性体アンテナ１０４を、第１の実施形態で図４に示した磁性体アンテナ１０４と置換する。すなわち、磁性体アンテナ１０４は、図４に示したアンテナ装置と同様に、下面が導体板３１に対面するように配置される。

図７に示す例では、コイル導体２４は、折り曲げラインでフレキシブル基板２３が折り曲げられた状態で磁性体コア２２の中心方向に向かう傾斜方向に延びる傾斜部Ｓを備える。そのため、このコイル導体２４の傾斜部Ｓに隣接して三角状に開いた磁束の放射部Ｔが生じる。

磁束を通さない導体板に対して、磁性体アンテナ１０４の下面（図７（Ｂ）に示した面）が対面するように配置されると、導体板に対して垂直方向からの磁束がコイル導体開口部ＣＷから入射して磁性体コア２２の左右の端部から抜けるだけでなく三角状に開いた磁束の放射部Ｔも抜ける。

この構成により、磁性体コア２２の主面に対して垂直に透過する磁束が、渦巻き状を成すコイル導体２４のループ内を過ぎることになり、通信相手側アンテナと強く結合する。
そのため、磁束の放射効率が高まり、アンテナの感度が高まって、通信可能な距離が延びる。

《第５の実施形態》
図８は第５の実施形態に係る磁性体アンテナ１０５の上面図、図８（Ｂ）は磁性体アンテナ１０５の下面図（導体板に近接する側の面を見た図）、図８（Ｃ）は磁性体アンテナ１０５の右側面図である。

第４の実施形態で図７に示した磁性体アンテナ１０４と異なるのは、磁性体コアが二つの磁性体コア２２Ａ，２２Ｂに分離されていることである。この二つの磁性体コア２２Ａ，２２Ｂの配置部全体の概形は矩形板状である。図８では、磁性体アンテナ１０５のみを示しているが、この磁性体アンテナ１０５を、第１の実施形態で図４に示した磁性体アンテナ１０１と置換する。すなわち、磁性体アンテナ１０５は、図４に示したアンテナ装置と同様に、下面が導体板３１に対面するように配置される。

これにより、磁性体コア及び磁性体アンテナの体積が減る。磁性体アンテナの中央部であるコイル導体開口部ＣＷには通信相手側アンテナを通る磁束がほとんど存在しないため、磁性体コアを分離したことによる特性劣化は小さい。

なお、各実施形態では、フレキシブル基板を２本の折り曲げラインで９０度に折り曲げて磁性体コアの三面を包むように配置したが、フレキシブル基板は９０度に折り曲げる必要はなく、湾曲させて磁性体コアに巻き付けるように配置してもよい。

また、各実施形態では磁性体アンテナとそれに近接する導体板とでアンテナ装置を構成する例を示したが、前記導体板は面状に広がる導体を有する板材であればよく、回路基板以外にバッテリーパックやＬＣＤのシールド板等であってもよい。

Ａ１〜Ａ４…コイル導体部
ＣＷ…コイル導体開口部
ＭＦＡ…磁束
Ｓ…傾斜部
Ｔ…磁束放射部
２２…磁性体コア
２２Ａ，２２Ｂ…磁性体コア
２３…フレキシブル基板
２４…コイル導体
２５…接続部
３１…導体板
１００〜１０５…磁性体アンテナ
２０１…アンテナ装置

Claims (5)

1. コイル導体が形成されたフレキシブル基板が磁性体コアの表面に沿って巻き付けられた磁性体アンテナにおいて、
   前記磁性体コアは、単一または複数の磁性体コアであって、全体の概形が矩形板状であり、
   前記コイル導体は、互いに平行な第１・第２のコイル導体部を備え、概形状が矩形で巻回中心部をコイル導体開口部とする渦巻き状に形成され、
   前記フレキシブル基板は、前記コイル導体開口部の中心から第１のコイル導体部側にずれた位置を通り、前記第１のコイル導体部に平行な折り曲げラインで、前記磁性体コアの第１主面から第２主面へ折り曲げられ、
   前記磁性体コアは、前記第２のコイル導体部の少なくとも一部を覆わない、磁性体アンテナ。
2. 前記コイル導体は、前記第１・第２のコイル導体部に直交する第３・第４のコイル導体部を備え、
   前記磁性体コアは、前記第３・第４のコイル導体部の一方または両方を覆う、請求項１に記載の磁性体アンテナ。
3. 前記コイル導体は、前記折り曲げラインに直交する方向に延び、前記折り曲げラインで折り曲げられた状態で前記磁性体コアの中心方向に向かう傾斜方向に延びる部分を備えた、請求項１または２に記載の磁性体アンテナ。
4. 前記磁性体コアは、前記コイル導体開口部で分離されたまたは除去された形状である、請求項１〜３のいずれかに記載の磁性体アンテナ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の磁性体アンテナと、当該磁性体アンテナの前記磁性体コアの第２主面側に近接する、面状に広がる導体板と、を備えるアンテナ装置。

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