JP4893135B2 - 磁性体アンテナおよびアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信用の磁性体アンテナと前記磁性体アンテナを備えたアンテナ装置に関する。

近年、電磁誘導を利用した非接触型通信の利用が拡大している。この非接触型通信においては、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、これらを実現するものとしてアンテナコイルが広く用いられている。

特許文献１には磁性体コアにコイル導体が形成されたフレキシブル基板を実装することによって構成された磁性体アンテナが開示されている。図６は特許文献１に記載された発明の構造を示す斜視図である。磁性体コア５０２にコイル導体が形成された１枚のフレキシブル基板５０３が実装されている。そして、図７は特許文献１に記載された発明における実装前のフレキシブル基板５０３の主面を示す平面図である。特許文献１においてはフレキシブル基板５０３が２箇所の折り曲げ線で折り曲げられ、これによって形成された各面が磁性体コアの主面と側面に接着される。このようにフレキシブル基板５０３を実装することによって、磁性体コアには第一のコイル部５０４ａと第二のコイル部５０４ｂが形成される。ここで、コイル導体とはフレキシブル基板に形成された線路を指し、コイル部とは渦巻き形状を形成するコイル導体の集合体を意味する。
特開２００３−２２９１２号公報

ところが、特許文献１に記載される発明の構成によると、磁性体コアの側面に形成されたコイル導体によって側面の開口面積が小さくなる。図６において、側面５０８にはコイル部５０４ｂを構成するコイル導体が形成されており、側面５０８の面積に対する開口面の面積の比率が小さい。電磁誘導による誘導起電力を大きくするために、コイル導体の巻き数を増やすと開口面の面積はさらに小さくなる。図８はリーダ・ライタから生じた磁束が磁性体アンテナを通過するときの様子を示す図である。リーダ・ライタ６００の上に図８の如く磁性体アンテナ５０１を配した場合、リーダ・ライタ６００から生じた磁束６０１の一部が磁性体アンテナ５０１の内部へ進入し、磁束は図８のような経路を採る。この磁束の流れが阻害された場合、磁性体コアの空間への放射効率、すなわち磁性体コアに入力された磁束に対する放射される磁束の割合が低下し、磁性体コアが捕える磁束が減少する。特許文献１に記載された発明では、側面５０８に形成されたコイル導体がリーダ・ライタからの磁束の流れを阻害する。それによって、リーダ・ライタから生じた磁束のうち磁性体コア５０２が捕える磁束が減少し、リーダ・ライタと通信することができなかったり通信感度が悪化するという問題があった。

本発明は、磁束の流れを阻害しない形に磁性体アンテナを形成することによって、磁性体アンテナは磁束を捕捉しやすい構造となることに着目した。そして、磁束の流れを確保し放射効率を向上させることによって、磁性体コアが捕える磁束を増加させ、高感度の通信を可能とする磁性体アンテナを提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために本願発明は以下のように構成する。

請求項１に係る発明の磁性体アンテナは、磁性体コアと、表面に渦巻き状のコイル導体が形成されたフレキシブル基板と、を備え、前記フレキシブル基板には一部に切欠部が設けられ、前記切欠部に前記磁性体コアの端部が挿入され、前記フレキシブル基板が前記磁性体コアの主面に沿って折り曲げられることによって実装されており、前記磁性体コアの主面において、前記コイル導体が形成されているコイル部と形成されていない非コイル部が存在することを特徴とする。この構成によると、磁性体コアの端部が切欠部を介してフレキシブル基板を貫通するため、磁性体コアの側面にコイル導体が形成されず、側面全体が非コイル部となる。そのため磁性体アンテナの放射効率が劣化せず、磁性体コアが捕える磁束が増加することによって、高感度な非接触通信が実現できる。

請求項２に係る発明の磁性体アンテナは、請求項１に記載の磁性体アンテナにおいて、前記切欠部が前記渦巻き状のコイル導体の中心付近に設けられていることを特徴とする。フレキシブル基板を磁性体コアに実装すると、磁性体コアがフレキシブル基板上のコイル導体の中心付近を貫通するので、磁性体コアを中心とするコイル部が形成されることとなる。このように構成することによって、磁性体コアに形成されたコイル部のコイル軸に磁束が通り、電磁誘導による誘導起電力を大きくすることができ、通信感度を向上させることができる。

請求項３に係る発明の磁性体アンテナは、請求項１または２に記載の磁性体アンテナにおいて、前記コイル部は巻回方向が互いに逆となっている第一のコイル部と第二のコイル部に分割して形成され、前記第一のコイル部と第二のコイル部の間に前記非コイル部が設けられていることを特徴とする。この構成によって、非コイル部から磁性体コアの両側面へと流れる磁束を捕捉できるため、電磁誘導による誘導起電力を向上させることができ、良好な通信を行うことができる。

請求項４に係る発明の磁性体アンテナは、請求項３に記載の磁性体アンテナにおいて、前記フレキシブル基板が二枚用いられ、前記二枚のフレキシブル基板の各々に設けられた前記切欠部に前記磁性体コアの両端が挿入され実装されることによって前記第一のコイル部と第二のコイル部が形成されていることを特徴とする。この構成によって、磁性体コアの両側面において磁性体コアの空間への放射効率が劣化しないため、磁性体コアが捕捉できる磁束が増加し、より高感度な通信が可能となる。

請求項５に係る発明の磁性体アンテナは、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性体アンテナにおいて、磁性体コアは、端部を除く側面の一部にくびれ部が形成され、該くびれ部に前記切欠部が位置するように前記フレキシブル基板が挿入されていることを特徴とする。この構成によって、フレキシブル基板を磁性体コアに実装した状態においても、フレキシブル基板の磁性体コアからの突出部分が生じず、磁性体アンテナが小型化する。

請求項６に係る発明のアンテナ装置は、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁性体アンテナと、磁性体アンテナが設置される回路基板と、を備えることを特徴とする。この構成によって、工法が容易でかつ外部の磁束に対して高感度なアンテナ装置を実現することができる。

請求項７に係る発明のアンテナ装置は、請求項６に記載のアンテナ装置において、前記コイル導体と、前記回路基板の主面に形成された導体とが接続されることによって、前記第一のコイル部と第二のコイル部が接続されることを特徴とする。回路基板主面に導体を形成することによって、前記第一のコイル部と第二のコイル部とを接続することが容易になる。

本発明の磁性体アンテナによれば、次のような効果を得ることができる。

磁性体コアの主面にコイル導体が形成されない非コイル部が設けられているため、磁性体コアの主面が捕える磁束が増加し、磁性体コアの側面にコイル導体が形成されないため、磁性体アンテナの放射効率が劣化意しない。これによって電磁誘導を引き起こす磁束が増加し、高感度な非接触通信が実現できる。

第一の実施形態

第一の実施形態に係る磁性体アンテナについて、図１及び図２を参照しながら、以下に説明する。図１はフレキシブル基板実装後の磁性体アンテナの構造を示す図である。（Ａ）は斜視図である。（Ｂ）は（Ａ）の透視図である。図２はフレキシブル基板の構造を示す斜視図である。なお、図２はフレキシブル基板の構造が明確になるように寸法を拡大して描いている。

図１に示される磁性体アンテナ１において、コイル導体が形成されたフレキシブル基板３が２枚用いられ、それぞれが直方体状の磁性体コア２の両端に実装されている。フレキシブル基板３に設けられた切欠部に磁性体コア２が端部から挿入されているため、フレキシブル基板３が挿入される方向の磁性体コア２の側面８ａ，８ｂには、コイル導体は形成されていない。また、磁性体コア２の端部と挿入されたフレキシブル基板との間には磁性体コアが露出しているギャップｄが設けられている。さらに、磁性体コア２の主面には渦巻き状の第一のコイル部４ａと第二のコイル部４ｂが形成され、両者の間はコイル導体が形成されていない非コイル部５となっている。

磁性体コア２に実装するフレキシブル基板３は、長方形の主面と所定の厚みを有するものであり、ポリイミドフィルムやガラスエポキシフィルムといった樹脂フィルムなどの折り曲げ可能な単一の電気絶縁フィルムが用いられている。図２に示すように、中央部には切欠部６が設けられており、切欠部６はフレキシブル基板３の端部を除く一部を切り欠くことによって形成し、フレキシブル基板３を実装する磁性体コア２の断面を包含し得る大きさと形状を有する。さらに、切欠部６を囲むようにコイル導体が形成され、コイル導体は３ターンのループからなる第一のコイル部４ａを構成している。すなわち、コイル導体によって形成される第一のコイル部４ａの中心に切欠部が位置している。コイル導体はスクリーン印刷方式によりフレキシブル基板３の表面に線路をプリントすることによって形成可能である。コイル導体の端部は端子７ａ，７ｂを有し、一方端子は図示しない入出力端子に接続され、他方端子は第二のコイル部のコイル導体の端部に接続するための導体（図示しない）に接続されることとなっている。同様に端部に端子７ｃ，７ｄを有する第二のコイル部４ｂが形成されたフレキシブル基板３を用意する。尤もフレキシブル基板３は２枚に限られるものではなく、複数のフレキシブル基板を重ねて装着することも可能である。また、上記説明においては切欠部６を囲むようにコイル導体を形成したが、コイル導体の位置や形状はこの形態に限られるものではない。さらに、コイル部は単一のループであっても複数のループから成っていても構わない。

第一の実施形態に係る磁性体アンテナ１は、磁性体コア２の側面８ａ，８ｂをフレキシブル基板３の切欠部６に挿入した後、フレキシブル基板３が磁性体コア２の主面に沿うように、２箇所の折り曲げ線でフレキシブル基板３を折り曲げる。これによって接したフレキシブル基板３と磁性体コア２の面同士を、接着剤や粘着テープ等で張り合わせることによって形成する。

このようにして構成される第一の実施形態に係る磁性体アンテナ１は、磁性体コア２の主面に非コイル部が設けられているため、外部からの磁束を磁性体コア２の主面で捕えることができる。特に、磁性体アンテナを携帯端末に搭載する場合、磁性体アンテナの主面は携帯端末の基板の主面に対して平行に設置される。また、外部のリーダ・ライタとの間で非接触通信を行う際、携帯端末のユーザーは通常、基板に対して平行に設計されている携帯端末の主面をリーダ・ライタにかざす。そのため、磁性体アンテナの主面においてリーダ・ライタと通信できることが要求される。図１に示される磁性体アンテナ１は、磁性体コア２の主面に非コイル部５が設けられており、上述の要請に応えている。

主面に進入した磁束は曲げられて、第一のコイル部４ａと第二のコイル部４ｂの方向へ進む。コイル導体が形成されているフレキシブル基板３が磁性体コア２の端部から挿入されているため、磁性体コア２の側面８ａ，８ｂにはコイル導体が形成されない。この構成によって、磁性体コア２の両端において磁気抵抗が下がり、第一のコイル部４ａと第二のコイル部４ｂに進入した磁束は磁性体コア２の側面８ａ，８ｂへ導かれる。このように主面から側面へ磁束の進路が形成されることによって磁性体アンテナ１の放射効率が向上する。一方、外部からの磁束は磁性体アンテナ１の側面８ａ，８ｂからも進入する。進入した磁束は第一のコイル部４ａと第二のコイル部４ｂを通過した後、磁性体アンテナ１の主面に設けられた非コイル部５から放射される。このように側面から進入する磁束も増加する。主面から進入する磁束と側面から進入する磁束とは進行方向が異なるため磁束同士がベクトルの足し算により打ち消し合うが、通常主面から進入する磁束が側面から進入する磁束よりも非常に多くなるため、磁性体アンテナ１に進入し電磁誘導を引き起こす磁束は相対的に多くなる。したがって、高感度な通信が可能となる。

また、本実施形態においては、磁性体コア２の端部とフレキシブル基板３との間に磁性体コア２が露出しているギャップｄが設けられている。この構成によって、磁性体コア２の端部の磁気抵抗がより小さくなるため、磁性体アンテナ１の集磁効果が向上して、より多くの磁束を捕えることができる。

さらに、本実施形態においては、第一のコイル部４ａの端部に設けられた端子７ａと第二のコイル部４ｂの端部に設けられた端子７ｃとが、例えば磁性体アンテナ１を実装する回路基板上に形成された接続導体により接続されることが好ましい。このような接続方法をとることによって、第一のコイル部４ａと第二のコイル部４ｂとが一つのコイルを構成する。第一のコイル部４ａと第二のコイル部４ｂの間にある非コイル部５に磁束が進入し、各コイル部４ａ，４ｂのコイル軸を磁束が通過すると、第一のコイル部４ａにおいては端子７ａから端子７ｂの方向へ電流が流れ、第二のコイル部においては端子７ｄから端子７ｃの方向へ電流が流れる。そのため、端子７ａと端子７ｂが接続されても第一のコイル部４ａと第二のコイル部４ｂに生じた電流が互いにキャンセルされることはない。すなわち、端子７ａと端子７ｂを接続することによって第一のコイル部４ａと第二のコイル部４ｂとは巻回方向が互いに逆となるため、第一のコイル部４ａと第二のコイル部４ｂを逆方向の磁束が通過しても同一方向の電流が生じることとなり、電流が互いにキャンセルされることはない。なお、本実施形態においては、各コイル部４ａ，４ｂの端部に形成された端子に関して、端子７ａと端子７ｃは接続導体に接続され、端子７ｂと端子７ｄは入出力端子に接続される構造としたが、本発明はこの実施形態に限られるものではない。例えば、端子７ａと端子７ｄ、端子７ｂと端子７ｃをそれぞれ接続導体によって接続し、それら接続導体をそれぞれ入出力端子として並列回路を構成することも可能である。

第二の実施形態

第二の実施形態に係る磁性体アンテナについて、図３および図４参照しながら説明する。図３フレキシブル基板実装後の磁性体アンテナの構造を示す図である。（Ａ）は斜視図である。（Ｂ）は（Ａ）の透視図である。図４はフレキシブル基板の主面の構造を示す斜視図である。

図３において、第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂが形成された一枚のフレキシブル基板１３が磁性体コア１２に実装されている。第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂとが並ぶ方向にある磁性体コア１２の側面１８ａ，１８ｂにはコイル導体が形成されていない。また、前記側面１８ａ，１８ｂとフレキシブル基板１３との間には磁性体コア１２が露出しているギャップｄが形成されている。第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂとはフレキシブル基板１３上に形成された接続導体によって接続されている。磁性体コア１２の主面における第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂとの間は、コイル導体が形成されない非コイル部１５となっている。

図４に示すように、磁性体コア１２に実装されるフレキシブル基板１３は両端に２箇所の切欠部１６ａ，１６ｂが設けられている。各切欠部１６ａ，１６ｂは磁性体コア１２の断面を包含し得る大きさと形状を有する。また、各切欠部１６ａ，１６ｂの周囲には第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂが形成されており、第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂの端部には、入出力端子に接続するための端子１７ａ，１７ｂが設けられている。本実施形態においては第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂとはフレキシブル基板１３上にて接続され、同一コイル軸に対する巻回方向が逆になっている。

磁性体コア１２へのフレキシブル基板１３の実装は以下のように行われる。第一のコイル部１４ａの中心にある切欠部１６ａに磁性体コア１２を端部から挿入し、磁性体コア１２の一方主面に沿うように折り曲げる。続いてフレキシブル基板１３を反対側面の方向にスライドさせ、第二のコイル部１４ｂの中心にある切欠部１６ｂに磁性体コア１２を前記端部と対向する端部から挿入して、前記主面に沿うように折り曲げる。再びフレキシブル基板１３をスライドさせ、磁性体コア１２の主面にフレキシブル基板１３が沿う位置で固定する。最後に、磁性体コア１２の他方主面に沿うようにフレキシブル基板１３を折り曲げて接着させる。

以上のような構成によっても、高感度な通信を可能とすることができる。すなわち、磁性体アンテナ１１の主面に設けられた非コイル部１５に進入した磁束は、磁性体コア１２の形状に沿って進行方向を曲げられ、第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂを通過する。非コイル部１５は十分な大きさに設計されているため、主面で多くの磁束を捕えることができる。第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂを通過した磁束は、磁性体コア１２の側面１８ａ，１８ｂから放射される。側面１８ａ，１８ｂにはコイル導体が形成されておらず、また、側面１８ａ，１８ｂとフレキシブル基板１３との間には磁性体コア１２が露出しているギャップｄが設けられているため、磁束の放射効率は劣化しない。そのため、磁性体アンテナ１１における電磁誘導に寄与する磁束が多くなり、それによって引き起こされる電流は大きくなる。したがって、高感度な通信が可能となる。

なお、フレキシブル基板１３の主面におけるコイル導体が形成されない非コイル部１５は、リーダ・ライタからの磁束が進入しやすいように面積が大きいほうが好ましい。そのため、第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂを接続するコイル導体はフレキシブル基板の端部付近に形成されることが望まれる。本実施形態においては、リーダ・ライタにかざされるアンテナコイル１１の主面において、第一のコイル部１４ａと第二のコイル部１４ｂとが接続される構造としたが、リーダ・ライタにかざされる主面と対向する主面において接続されていても良い。

また、第二の実施形態においては、回路基板に接続導体を形成して、接続導体の端部と第一、第二のコイル部の端部に設けられた端子とを接続する必要がなくなるため、工程数を削減することができる。

第三の実施形態

第三の実施形態に係るアンテナ装置の構造について、図５を参照しながら説明する。図５は第三の実施形態に係るアンテナ装置の構造を示す図である。（Ａ）は斜視図である。（Ｂ）は（Ａ）の透視図である。

図５において、回路基板１１０に磁性体アンテナ１０１が実装されたアンテナ装置１００の構成が示されている。磁性体アンテナ１０１は磁性体コア１０２にフレキシブル基板１０３が２枚実装されることによって構成され、第一のコイル部１０４ａと第二のコイル部１０４ｂを有し、第一のコイル部１０４ａと第二のコイル部１０４ｂの間はコイル導体が形成されない非コイル部１０５となっている。磁性体コア１０２には２箇所のくびれ部１１１が形成されており、くびれ部１１１の内側に位置する磁性体コア１０２の表面にフレキシブル基板１０３が接着されている。そのため、第一のコイル部１０４ａと第二のコイル部１０４ｂとが並ぶ方向にある磁性体コアの側面、および前記側面とくびれ部の間にはコイル導体が形成されてない。くびれ部は磁性体コアの側面から直方体状の磁性体コアを削り取ることによって形成してもよいし、くびれ部を有する形状に成形されたものを焼結させて形成されてもよい。また、第三の実施形態には第一の実施形態と同様のフレキシブル基板１０３が用いられる。フレキシブル基板上に形成される第一のコイル部１０４ａの端部には端子１０７ａ，１０７ｂが、第二のコイル部１０４ｂの端部には端子１０７ｃ，１０７ｄが設けられる。このうち、端子１０７ｂと端子１０７ｄは入出力端子に接続され、端子１０７ａと端子１０７ｃは回路基板１１０上に形成された接続導体１１２に接続され、これによって第一のコイル部１０４ａと第二のコイル部１０４ｂが一つのコイルを構成する。

フレキシブル基板１０３の磁性体コア１０２への実装は以下のように行われる。フレキシブル基板１０３に設けられた切欠部に磁性体コア１０２を側面方向から挿入し、くびれ部１１１まで到達したらフレキシブル基板１０３を90度回転させる。このときくびれ部１１１の断面は切欠部に納まる。その後、フレキシブル基板を２箇所の折り曲げ線で折り曲げ、磁性体コア１０２に接着させる。

以上のようにアンテナ装置１００を構成することによっても、磁性体アンテナ１０１の主面には非コイル部１０５が設けられているため、リーダ・ライタからの磁束を磁性体コア１０２の主面で捕えることができる。また、磁性体コア１０２の側面および側面とくびれ部１１１の間にコイル導体が形成されていないため、磁性体アンテナ１０１の端部における磁気抵抗が低下し、主面に進入した磁束の放射効率が劣化しない。したがって、高感度な通信を可能とすることができる。

また、本実施形態においては、磁性体コア１０２にくびれ部１１１を設け、くびれ部１１１の内側に位置する磁性体コア１０２の表面にフレキシブル基板１０３を接着させることによって、フレキシブル基板１０３の幅が磁性体コア１０２の幅より大きくならないため、磁性体アンテナ１０１が小型化される。なお、本実施形態においてはフレキシブル基板１０３をくびれ部１１１の内側に位置する磁性体コア１０２の表面に接着させる構造としたが、くびれ部１１１の外側に位置する磁性体コアの表面に接着させても良い。ただし、外側に接着させる場合には、端部の磁気抵抗を低下させるために、磁性体コア１０２の側面とフレキシブル基板１０３との間に磁性体コア１０２が露出しているギャップが設けられていることが好ましい。

なお、本発明は以上の第一から第三の実施形態に限定されるものではない。たとえば、第一から第三の実施形態においては磁性体コアに第一のコイル部と第二のコイル部を形成する構成としたが、磁性体コアの主面に非コイル部が設けられている限り、一つのコイル部しか設けられていなくても良い。

第一の実施形態に係る磁性体アンテナの構造を示す図である。（Ａ）は斜視図である。（Ｂ）は（Ａ）の透視図である。 第一の実施形態に係るフレキシブル基板の構造を示す斜視図である。 第二の実施形態に係る磁性体アンテナの構造を示す図である。（Ａ）は斜視図である。（Ｂ）は（Ａ）の透視図である。 第二の実施形態に係るフレキシブル基板の構造を示す斜視図である。 第三の実施形態に係るアンテナ装置の構造を示す図である。（Ａ）斜視図である。（Ｂ）（Ａ）の透視図である。 従来例に示した発明の構造を示す斜視図である。 従来例に示した発明におけるフレキシブル基板の構造を示す平面図である。 リーダ・ライタから生じる磁束の流れを示す図である。

符号の説明

１ 磁性体アンテナ
２ 磁性体コア
３ フレキシブル基板
４ａ 第一のコイル部
４ｂ 第二のコイル部
５ 非コイル部
６ 切欠部

Claims (7)

1. 磁性体コアと、表面に渦巻き状のコイル導体が形成されたフレキシブル基板と、を備え、
   前記フレキシブル基板には一部に切欠部が設けられ、前記切欠部に前記磁性体コアの端部が挿入され、前記フレキシブル基板が前記磁性体コアの主面に沿って折り曲げられることによって実装されており、
   前記磁性体コアの主面において、前記コイル導体が形成されているコイル部と形成されていない非コイル部が存在することを特徴とする磁性体アンテナ。
2. 前記切欠部は前記渦巻き状のコイル導体の中心付近に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁性体アンテナ。
3. 前記コイル部は巻回方向が互いに逆となっている第一のコイル部と第二のコイル部に分割して形成され、前記第一のコイル部と第二のコイル部の間に前記非コイル部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁性体アンテナ。
4. 前記フレキシブル基板が二枚用いられ、前記二枚のフレキシブル基板の各々に設けられた前記切欠部に前記磁性体コアの両端がそれぞれ挿入され実装されることによって前記第一のコイル部と第二のコイル部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の磁性体アンテナ。
5. 前記磁性体コアは、端部を除く側面の一部にくびれ部が形成され、該くびれ部に前記切欠部が位置するように前記フレキシブル基板が挿入されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性体アンテナ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の磁性体アンテナと、前記磁性体アンテナが設置される回路基板と、を備えるアンテナ装置。
7. 前記コイル導体と、前記回路基板の主面に形成された導体とが接続されることによって、前記第一のコイル部と第二のコイル部が接続されることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。