JP2011066759A - アンテナ装置、及び、通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全体で薄型化を図りつつ通信特性の向上が可能なアンテナ装置を組み込んだ通信装置を提供する。
【解決手段】リーダーライター２から発信される磁界を受けて、リーダーライター２と誘導結合されて通信可能となるアンテナコイル１１ａを有する共振回路１１１と、絶縁基板１１３を介してアンテナコイル１１ａと重畳する位置に配置され、外形状がアンテナコイル１１ａと略同一であるブースターコイル１１ｃを有する共振回路１１２と、共振回路１１１に流れる電流により駆動し、リーダーライター２との間で通信を行う通信処理部１３とを備え、共振回路１１１、１１２は、その共振周波数が、発信器の発振周波数と一致し、ブースターコイル１１ｃの巻数は、アンテナコイル１１ａの巻数以上である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発信器から発信される磁界を受けて、当該発信器と誘導結合されて通信可能となるアンテナ装置、及び、このアンテナ装置を組み込んだ通信装置に関する。

携帯電話機などの携帯型電子機器に組み込まれるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）用のアンテナモジュールは、トランスとしての誘導結合を利用して、リーダーライターと通信を行っている。換言すれば、このアンテナモジュールは、リーダーライターからの磁界をアンテナコイルで受けて電力に変換することで、その電力を使って通信処理回路を動かしている。このときに、アンテナモジュールは、アンテナコイルで受け取る電力を最大にし、さらにモジュール内で処理した負荷変調を効率よくリーダーライタに戻すため、リーダーライターのアンテナとの誘導結合が強いことが必要となる。さらに、リーダーライターから発信される信号の周波数に共振させることで、効率よく電力を受け取っている。この電力の受け取りを最大にするためには、コイル間の磁気的結合が強いことと、アンテナの抵抗が低いこと、すなわち、アンテナコイルのＱ値が高いことが必要となる。

通信距離を長くすることを目的として、搬送波の周波数に共振しているコイルを、アンテナモジュール内に組み込む発明が提案されている。

例えば、特許文献１に記載された発明では、ブースターコイルをリーダーライタとカードアンテナの間もしくは同一面上に配置し、ブースターコイルがアンテナコイルより大きいことを想定している。

特開２００５−３２３０１９号公報

上述した特許文献１に記載された発明は、通信距離の長距離化が大きく期待できるが、特に、小型化を要求されている携帯型電子機器内に実装する場合には、大きなブースターアンテナコイルは適さない。確かに、通信特性を改善するためにはブースターコイルが効果的ではあるが、アンテナコイルに比べて大きなブースターコイルを使う必要があり、携帯型電子機器内部に実装する場合、その用途が限られてくる。

また、アンテナ間における通信感度を高くするために、コイルの巻数を増やすことと、アンテナコイルに磁界を引き込む役割を果たす磁性シートを活用して、相互インダクタンスを大きくすることが試みられている。

しかし、磁気結合を強くする目的でコイルの巻数を増やすと、コイルの抵抗が高くなり、最適な巻数以上に効率を上げることが次の理由から難しい。

まず、磁気的な結合はコイルの巻数を増やして自己インダクタンスを大きくすれば大きくなる。そこでアンテナコイル巻数を増やしていくと、この結合は大きくなっていくが、コイル抵抗が増えてしまう。ＲＦＩＤ用の無線通信システムでは、例えばリーダーライターの発生する搬送波の１３．５６ＭＨｚに併せてカード側のコイルを共振させることで電力を効率よく受け取っている。１３．５６ＭＨｚの周波数では、コイルを形成する導線では表皮効果により、表面の１７ミクロン相当の部分にしか電流が流れない。そこで、巻数を増やすことで増えてしまうコイル抵抗を減らすには、コイルの断面積を広くしても限界がある。また、近接効果により、隣のコイルから漏れてくる磁界によりさらに表皮が薄くされてしまい、許容される寸法でコイル断面積、スペーシングを設計してもコイル抵抗を低減することは実質上難しい。そのため、コイルの巻数はある最適な値で設計せざるを得なくなる。結果として、単にコイルの巻数を増加させるだけでは、通信距離を改善することが難しい。

また、磁性シートをアンテナモジュールに組み込むことも、今後のアンテナの薄型化の要求に対応するには磁性材料の磁気特性の改善では大きな効果は期待できない状況である。例えば、携帯電話機にアンテナモジュールを実装する場合に問題が発生する。携帯電話機内は電気を流す金属や基板がある。リーダーライターからの１３．５６ＭＨｚの高周波信号が携帯電話機に入ると、その金属部分に渦電流が発生し、それにより磁界がはじき返されてしまうため通信距離が著しく短くなる。これを防ぐためにアンテナモジュールと金属との間に磁性シートを用いる。この磁性シートが金属の渦電流を遮断し、リーダーライターからの信号をはじき返さずにアンテナコイルに導く役目をする。この磁性シートの透磁率が高ければリーダーライターとアンテナコイルとの間の磁気的結合が強くなるので、通信距離を長くすることができる。しかし、リーダーライターとアンテナコイルとの間はほとんどが空気であり、その一部に透磁率が高いシートがあっても、大きな効果は期待できない。さらに、最近は携帯電話機は薄型化の傾向にあり、この磁性シートも薄くすることが求められており、磁性シートの磁気特性を高めても通信距離を長くすることはかなり難しい。以上のように、今後のアンテナ小型化の要求に対し、設計での対応が非常に難しくなっている。

このような実情に鑑みて提案されたものであり、本発明は、全体で薄型化を図りつつ通信特性の向上が可能なアンテナ装置、及び、このアンテナ装置を組み込んだ通信装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係るアンテナ装置は、発信器から発信される磁界を受けて、発信器と誘導結合されて通信可能となる第１のコイルを有する第１の共振回路と、絶縁基板を介して第１のコイルと重畳する位置に配置され、外形状が第１のコイルと略同一である第２のコイルを有する第２の共振回路とを備え、第１の共振回路及び上記第２の共振回路は、その共振周波数が、発信器の発振周波数と一致し、第２のコイルの巻数は、第１のコイルの巻数以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る通信装置は、発信器から発信される磁界を受けて、発信器と誘導結合されて通信可能となる第１のコイルを有する第１の共振回路と、絶縁基板を介して第１のコイルと重畳する位置に配置され、外形状が第１のコイルと略同一である第２のコイルを有する第２の共振回路と、第１の共振回路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、第１の共振回路及び第２の共振回路は、その共振周波数が、発信器の発振周波数と一致し、第２のコイルの巻数は、第１のコイルの巻数以上であることを特徴とする。

本発明は、第１のコイルと重畳する位置に、第１のコイルと外形状が略同一で、第１のコイルの巻数以上の巻数の第２のコイルを設け、第１のコイルと第２のコイルとの間で作用する相互インダクタンスを利用して、第１のコイルの通信特性の向上を図ることで、全体の薄型化を図りつつ良好な通信特性を実現することができる。

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を示す図である。 アンテナ基板の積層構造について説明するための図である。 アンテナコイルａｎｔの巻数を４に固定した状態で、ブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数を１から６まで変化させた各アンテナモジュールの構成を示す図である。 ブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数に応じたＱ値の変化を示す図である。 アンテナコイルａｎｔとブースターコイルｂｏｏｓｔとの巻数が同数となるように構成された実施例Ａの通信特性について説明するための図である。 アンテナコイルａｎｔとブースターコイルｂｏｏｓｔの積層状態を変化させたときの通信特性について説明するための図である。

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。

本発明が適用されたアンテナモジュールは、電磁波を発信する発信器との間で発生する電磁誘導により通信可能状態となるアンテナ装置であって、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。

無線通信システム１００は、本発明が適用されたアンテナモジュール１と、アンテナモジュール１に対するアクセスを行うリーダーライター２とからなる。

リーダーライター２は、アンテナモジュール１に対して磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、アンテナモジュール１に向けて磁界を発信するアンテナ２ａと、アンテナ２ａを介して誘導結合されたアンテナモジュール１と通信を行う制御基板２ｂとを備える。

すなわち、リーダーライター２は、アンテナ２ａと電気的に接続された制御基板２ｂが配設されている。この制御基板２ｂ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、アンテナモジュール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、アンテナモジュール１にデータを書き込む場合、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２ａを駆動する。また、制御回路は、アンテナモジュール１からデータを読み出す場合、アンテナ２ａ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、一般的なリーダーライター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。

電子機器の筐体３ａ内部に組み込まれるアンテナモジュール１は、誘導結合されたリーダーライター２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と、磁界をアンテナコイル１１ａに引き込むためアンテナコイル１１ａと重畳する位置に形成された磁性シート１２と、アンテナコイル１１ａに流れる電流により駆動してリーダーライター２との間で通信を行う通信処理部１３とを備える。

アンテナ基板１１には、リーダーライター２から発信される磁界の方向Ｚに対して直交する２次元直交平面Ｘ−Ｙに配置したアンテナコイル１１ａと、アンテナコイル１１ａと電気的に接続されたコンデンサ１１ｂとからなる第１の共振回路１１１が実装されている。

第１の共振回路１１１は、通信処理部１３と電気的に接続されており、リーダーライター２から発信される磁界をアンテナコイル１１ａで受けると、リーダーライター２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、受信信号を通信処理部１３に供給する。ここで、受信信号の信号レベルをできるだけ高くするために、第１の共振回路１１１は、その共振周波数がリーダーライター２の発振周波数と一致するような電気特性を有する素子により構成される。

また、アンテナ基板１１には、リーダーライター２から発信される磁界の方向Ｚに対して直交する２次元直交平面Ｘ−Ｙに配置したブースターコイル１１ｃと、ブースターコイル１１ｃと電気的に接続されたコンデンサ１１ｄとからなる第２の共振回路１１２が実装されている。

第２の共振回路１１２は、リーダーライター２から発信される磁界をブースターコイル１１ｃで受けると、リーダーライター２と誘導結合によって磁気的に結合される回路である。ここで、できるだけリーダーライター２との誘導結合を強くするために、第２の共振回路１１２は、その共振周波数がリーダーライター２の発振周波数と一致するような電気特性を有する素子により構成されている。

このような構成からなるアンテナ基板１１は、図２に示すように、アンテナコイル１１ａとブースターコイル１１ｃとが、互いに電気的に絶縁された状態で、リーダーライター２から発信される磁界の方向Ｚに、絶縁基板１１３を介して互いに重畳した位置に配置されている。特に、本実施形態におけるアンテナ基板１１は、小型化を実現する観点から、アンテナコイル１１ａとブースターコイル１１ｃとが完全一致する位置で重畳することが望ましい。また、アンテナコイル１１ａとブースターコイル１１ｃとは、外周形状が略同一となるように、かつ、磁気的に相互インダクタンスが作用するように、絶縁基板１１３の上に実装されている。

また、アンテナ基板１１においては、ブースターコイル１１ｃを構成する導線の線幅を、アンテナコイル１１ａを構成する導線の線幅と略同一とすることで、各コイルの電気特性を、巻数をパラメータとして比較することが可能であり、回路特性を容易に調整する観点から、特に好ましい。

磁性シート１２は、リーダーライター２から発信される磁界をアンテナコイル１１ａに引き込むため、アンテナコイル１１ａと重畳する位置に形成される。磁性シート１２は、携帯型電子機器のＳＵＳ板３ｂの内部に設けられた金属部品がリーダーライター２から発信される磁界を跳ね返したり、渦電流が発生するのを抑制する。このような機能を果たすため、磁性シート１２は、磁界が放射されてくる方向の反対側に、接着層１１４を介してアンテナ基板１１と貼り合わされた構造をとる。

通信処理部１３は、電気的に接続された第１の共振回路１１１に流れる電流により駆動し、リーダーライター２との間で通信を行う。具体的に、通信処理部１３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、復号したデータをメモリに書き込む。また、通信処理部１３は、リーダーライター２に送信するデータを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第１の共振回路１１１を介して変調された電波をリーダーライター２に送信する。

以上のような構成からなるアンテナモジュール１では、全体の薄型化を図りつつアンテナコイル１１ａとブースターコイル１１ｃとの間で作用する相互インダクタンスを利用して、第１の共振回路１１１の通信特性の向上を図る観点から、第２の共振回路１１２におけるブースターコイル１１ｃの巻数が、第１の共振回路１１１におけるアンテナコイル１１ａの巻数以上となるようにして設計される。

次に、アンテナコイルの巻数に応じたアンテナモジュールに係る通信特性の変化について説明する。

具体例として、図３（Ａ）から図３（Ｆ）に示すように、アンテナコイルａｎｔの巻数を４に固定した状態で、ブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数を１から６まで変化させたときの通信特性の変化について、下記の表１を用いて評価する。ここで、リーダーライターから発信される磁界の方向をＺとして、コイルが配置される面をＸ−Ｙ直交座標平面とする。

表１では、左端から右端に、ブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数、各素子の抵抗値、各素子のインダクタンス、各素子の結合係数、及び、通信特性の評価指標としてＱ値を示している。ここで、各素子の抵抗値及びインダクタンスは、リーダーライター２から発信される磁界の発振周波数である１３．５６ＭＨｚのときの値である。

すなわち、「１Ｔ」〜「６Ｔ」は、それぞれブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数が「１」〜「６」でことを示す。

Ｒａｎｔは、アンテナコイルａｎｔの抵抗値を示す。Ｒｂｏｏｓｔは、ブースターコイルｂｏｏｓｔの抵抗値を示す。Ｒｒｗは、リーダーライター側のアンテナコイルの抵抗値を示す。

Ｌａｎｔは、アンテナコイルａｎｔの自己インダクタンス値を示す。Ｍａｎｔ−ｂｏｏｓｔは、アンテナコイルａｎｔとブースターコイルｂｏｏｓｔとの間の相互インダクタンス値を示す。Ｌｂｏｏｓｔは、ブースターコイルｂｏｏｓｔの自己インダクタンス値を示す。Ｍａｎｔ−ｒｗは、アンテナコイルａｎｔとリーダーライター側のアンテナコイルとの間の相互インダクタンス値を示す。Ｍｂｏｏｓｔ−ｒｗは、ブースターコイルｂｏｏｓｔとリーダーライター側のアンテナコイルとの間の相互インダクタンス値を示す。Ｌｒｗは、リーダーライター側のアンテナコイルの自己インダクタンス値を示す。Ｋａｎｔ−ｂｏｏｓｔは、アンテナコイルａｎｔとブースターコイルｂｏｏｓｔとにおける結合係数を示す。Ｋａｎｔ−ｒｗは、アンテナコイルａｎｔとリーダーライター側のアンテナコイルとにおける結合係数を示す。Ｋｂｏｏｓｔ−ｒｗは、ブースターコイルとリーダーライター側のアンテナコイルにおける結合係数を示す。

Ｑ値は、通信特性の評価指標として下記の（１）式により算出される値であり、その値が大きいほど通信特性が良いことを示す。

Ｑ＝ω×（Ｌａｎｔ＋Ｌｂｏｏｓｔ）／Ｒａｎｔ ・・・ （１）
次に、ブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数に応じたＱ値の変化を図４に示す。図４に示すように、ブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数が１から４に増加するのに伴って、Ｑ値は、７０から１１５程度まで増加する。そして、ブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数がアンテナコイルａｎｔの巻数と一致するときにＱ値は最大値である１１５程度となり、ブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数がアンテナコイルａｎｔの巻数より大きくなると、Ｑ値は緩やかに減少して１００程度に収束する。

次に、本実施形態に係るアンテナモジュール１の具体例として、アンテナコイルａｎｔとブースターコイルｂｏｏｓｔとの巻数が同数となるように構成された実施例Ａを用いて、通信特性について評価する。比較対象として次のような比較例Ａ、Ｂを用いる。

比較例Ａは、アンテナコイルａｎｔのみでブースターコイルｂｏｏｓｔがアンテナ基板に実装されていないものである。比較例Ｂは、ブースターコイルｂｏｏｓｔの巻数がアンテナコイルａｎｔの巻数未満となる巻数、具体的には、巻数が４のアンテナコイルａｎｔに対して、巻数が１のブースターコイルｂｏｏｓｔを用いて構成されたものである。

なお、実施例Ａ、比較例Ａ、Ｂに係るアンテナモジュールには、それぞれアンテナ基板に対して磁性シートが貼着されており、携帯電話機内などに組み込まれることを想定して、磁性シートが接着されたアンテナ基板の面を基準として約２ｍｍ離間した位置にＳＵＳ板を配置し、図５に示すように通信特性について評価した。

図５（Ａ）は、アンテナコイルａｎｔの巻数を変化させたときの、実施例Ａ、比較例Ａ、ＢのＱ値の変化を示す図である。図５（Ｂ）は、アンテナコイルａｎｔの巻数を変化させたときの、実施例Ａ、比較例Ａ、Ｂの通信特性として、リーダーライターとの通信状態でアンテナモジュールから戻される信号レベルＶｒｗの変化を示す図である。

図５の結果から明らかなように、実施例Ａに係るアンテナモジュールは、比較例Ａ、Ｂと比べてＱ値が大きく、より良好な通信特性が実現できる。

次に、アンテナ基板上において、アンテナコイルａｎｔとブースターコイルｂｏｏｓｔの積層状態を変化させたときの通信特性について下記の表２に示す。

表２においては、「アンテナ」の欄にアンテナコイルの巻数を示し、「ブースター」の欄にブースターコイルの巻数を示す。「正」とは、リーダーライター側にアンテナコイルが実装されたアンテナ基板の面を臨ませるようにしたものである。これに対して、「逆」とは、リーダーライター側にブースターコイルが実装されたアンテナ基板の面を臨ませるようにしたものである。「Ｑ」は、各条件に対応するＱ値を示す。

図６は、コイルの巻数を変化させたときのＱ値の変化を表した図である。図６に示すように、「正」の配置、すなわち、リーダーライター側にアンテナコイルが実装されたアンテナ基板の面を臨ませることで、特に良好な通信特性を実現することができる。

以上の結果から明らかなように、本実施形態に係るアンテナモジュール１は、第２の共振回路１１２におけるブースターコイル１１ｃの巻数が、第１の共振回路１１１におけるアンテナコイル１１ａの巻数以上となるように構成されることで良好な通信特性を実現することができる。特に、本実施形態に係るアンテナモジュール１は、第２の共振回路１１２におけるブースターコイル１１ｃの巻数が、第１の共振回路１１１におけるアンテナコイル１１ａの巻数と一致するように構成されることで良好な通信特性を実現することができる。また、本実施形態に係るアンテナモジュール１は、アンテナコイル１１ａが実装されたアンテナ基板の面を、リーダーライター２側に臨ませることで、特に良好な通信特性を実現することができる。

ここで、単に良好な通信特性を実現する観点では、ブースターコイルの開口面積をアンテナコイルの開口面積よりも大きくすることが望ましいが、アンテナモジュールの小型化を実現するという観点では、アンテナコイルとブースターコイルとの外形状を略同一にすることが好ましいという物理的な制約がある。

このような制約下において、本実施形態に係るアンテナモジュール１は、アンテナコイル１１ａと外形状が略同一で、アンテナコイル１１ａの巻数以上の巻数のブースターコイル１１ｃをアンテナ基板に設け、アンテナコイル１１ａとブースターコイル１１ｃとの間で作用する相互インダクタンスを利用して、アンテナコイル１１ａの通信特性の向上を図ることで、全体の薄型化を図りつつ良好な通信特性を実現することができる。

また、本実施形態に係るアンテナモジュール１は、アンテナコイル１１ａと外形状が略同一で、アンテナコイル１１ａの巻数以上の巻数のブースターコイル１１ｃを設ければ、全体の薄型化を図りつつ良好な通信特性を実現することができるが、特にアンテナコイル１１ａが実装されたアンテナ基板１１の面をリーダーライター２側に臨ませるように配置することで、より良好な通信特性が実現される。

１ アンテナモジュール、２ リーダーライター、２ａ アンテナ、２ｂ 制御基板、３ａ 筐体、３ｂ ＳＵＳ板、１１ アンテナ基板、１１ａ アンテナコイル、１１ｂ コンデンサ、１１ｃ ブースターコイル、１１ｄ コンデンサ、１２ 磁性シート、１３ 通信処理部、１００ 無線通信システム、１１１ 共振回路、１１２ 共振回路、１１３ 絶縁基板、１１４ 接着層

Claims (4)

1. 発信器から発信される磁界を受けて、該発信器と誘導結合されて通信可能となる第１のコイルを有する第１の共振回路と、
   絶縁基板を介して上記第１のコイルと重畳する位置に配置され、外形状が該第１のコイルと略同一である第２のコイルを有する第２の共振回路とを備え、
   上記第１の共振回路及び上記第２の共振回路は、その共振周波数が、上記発信器の発振周波数と一致し、
   上記第２のコイルの巻数は、上記第１のコイルの巻数以上であることを特徴とするアンテナ装置。
2. 上記第２のコイルの巻数は、上記第１のコイルの巻数と略同一であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 上記第２のコイルを構成する導線の線幅は、上記第１のコイルを構成する導線の線幅と略同一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. 発信器から発信される磁界を受けて、該発信器と誘導結合されて通信可能となる第１のコイルを有する第１の共振回路と、
   絶縁基板を介して上記第１のコイルと重畳する位置に配置され、外形状が該第１のコイルと略同一である第２のコイルを有する第２の共振回路と、
   上記第１の共振回路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、
   上記第１の共振回路及び上記第２の共振回路は、その共振周波数が、上記発信器の発振周波数と一致し、
   上記第２のコイルの巻数は、上記第１のコイルの巻数以上であることを特徴とする通信装置。

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