(57)【要約】【課題】アンテナエレメントからカバー表面までの距離が長くても有効通信領域が広い磁界型アンテナ装置を提供する。【解決手段】磁界型アンテナエレメントである第１アンテナエレメント２０と、第１アンテナエレメント２０を保護するカバー４０と、第１アンテナエレメント２０に接続されたインピーダンス整合部３０とを備え、第１アンテナエレメント２０からカバー４０の表面４１までの距離が３ｍｍ以上であり、所定の共振周波数において、通信不可領域８０の最大厚みが、３ｍｍ以上であって第１アンテナエレメント２０からカバー４０の表面４１までの距離以下となるＱ値に、インピーダンス整合部３０の整合素子定数が調整されている。【選択図】図１
2015149620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界型アンテナエレメントである第１アンテナエレメント（２０、１２０）と、
通信相手機器が対向可能に露出している対向面（４１、２４１）を備え、前記第１アンテナエレメントを保護するカバー（４０、１４０、２４０）と、
前記第１アンテナエレメントに接続されたインピーダンス整合部（３０）とを備え、
前記第１アンテナエレメントから前記対向面までの距離が３ｍｍ以上であり、
所定の共振周波数において、通信不可領域（８０、１８０、２８０）の最大厚みが、３ｍｍ以上、かつ、前記第１アンテナエレメントから前記カバーの対向面までの距離以下となるＱ値に、前記インピーダンス整合部の整合素子定数が調整されていることを特徴とする磁界型アンテナ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１アンテナエレメントの中心における前記対向面と前記第１アンテナエレメントとの間の距離よりも、前記第１アンテナエレメントの端における前記対向面と前記第１アンテナエレメントとの間の距離が短いことを特徴とする磁界型アンテナ装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記カバーは凸曲面になっていることを特徴とする磁界型アンテナ装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記凸曲面の頂部が、前記第１アンテナエレメントの中心軸線上にあることを特徴とする磁界型アンテナ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、
前記第１アンテナエレメントに対して前記カバーとは反対側に磁性体シートが配置されていることを特徴とする磁界型アンテナ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁界型アンテナ装置と、
前記第１アンテナエレメントと同じ形状、同じ大きさの第２アンテナエレメントを備えている電磁誘導式通信機とを含むことを特徴とする電磁誘導式通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界型アンテナ装置、および、この磁界型アンテナ装置を備える電磁誘導式通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁界型アンテナ装置は、別の磁界型アンテナ装置と対向した状態で通信を行うが、磁界型アンテナ装置間で通信が行える距離は短い。たとえば、特許文献１に記載されているように、ＮＦＣ（Near Field Communication）では通信距離が１０ｃｍ以下である。また、３ｃｍ程度のこともある。
【０００３】
このように通信距離が短いことから、アンテナエレメントからアンテナエレメントを保護するカバーの表面までの距離、すなわち、アンテナエレメントから通信相手機器と対向する対向面までの距離が長いと、有効通信領域が狭くなってしまう。
【０００４】
そのため、磁界型アンテナ装置は、アンテナエレメントからアンテナエレメントを保護するカバーの表面までの距離が短い。たとえば、タグ型の磁界型アンテナ装置の場合にはカバーの厚さは数１００μｍ程度であり、リーダライタの場合でも２−３ｍｍである。
【０００５】
磁界型アンテナ装置には、アンテナエレメント近傍に通信不可領域が発生することがある。Ｑ値が大きいほど、最大通信距離は長くなるが、通信不可領域が大きくなる。換言すれば、Ｑ値が小さいと、最大通信距離は短くなってしまうが、通信不可領域を小さくすることができる。
【０００６】
磁界型アンテナ装置は、通信相手機器と接触した状態で通信する場合も多いことから、通信可能距離を長くすることよりも、カバーの表面を通信不可領域が超えないようにすることが重要である。そのため、従来、磁界型アンテナ装置は通信不可領域を小さくするように設計されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−５９２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
車両のエンブレムをアンテナエレメントのカバーとして用いる等、従来よりも厚いカバーの場合、カバーの厚みにより、有効通信領域が狭くなってしまうという問題がある。たとえば、最大通信距離が３ｃｍ程度であるのに、カバーの厚さが１ｃｍあると、有効通信領域は、最大厚さが２ｃｍの領域となってしまう。もちろん、カバー自体は薄くても、カバー表面とアンテナエレメントとの間に空間があることで、アンテナエレメントからカバー表面までの距離が長い場合にも、カバーが厚い場合と同様に、有効通信領域が狭くなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、アンテナエレメントからカバー表面までの距離が長くても有効通信領域が広い磁界型アンテナ装置、および、電磁誘導式通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、発明の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明は、磁界型アンテナエレメントである第１アンテナエレメント（２０、１２０）と、通信相手機器が対向可能に露出している対向面（４１、２４１）を備え、第１アンテナエレメントを保護するカバー（４０、１４０、２４０）と、第１アンテナエレメントに接続されたインピーダンス整合部（３０）とを備え、第１アンテナエレメントから対向面までの距離が３ｍｍ以上であり、所定の共振周波数において、通信不可領域（８０、１８０、２８０）の最大厚みが、３ｍｍ以上、かつ、第１アンテナエレメントからカバーの対向面までの距離以下となるＱ値に、インピーダンス整合部の整合素子定数が調整されていることを特徴とする磁界型アンテナ装置である。
【００１２】
Ｑ値を高くすると、最大通信距離を長くすることができる。しかし、同時に、通信不可領域も大きくなってしまう。しかし、本発明では、第１アンテナエレメントからカバーの対向面までの距離が３ｍｍ以上と長い。また、第１アンテナエレメントからカバーの対向面までには、通信相手機器は位置することができない。
【００１３】
そこで、本発明では、所定の共振周波数において通信不可領域の最大厚みが、３ｍｍ以上、かつ、第１アンテナエレメントからカバーの対向面までの距離以下となるＱ値とする。通信不可領域の最大厚みが３ｍｍ以上となるＱ値、すなわち、従来よりも通信不可領域の最大厚みが厚くなるＱ値であることから、従来よりも最大通信距離が長い。また、通信不可領域の最大厚みが、第１アンテナエレメントからカバーの対向面までの距離以下となるＱ値である。したがって、最小通信距離は、カバーの影響を受けない。以上のように、本発明は、最大通信距離を長くすることができ、かつ、最小通信距離がカバーの影響を受けないことから、有効通信領域が広くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の磁界型アンテナ装置１の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】通信相手機器の一例であるカードタグ９０の構成図である。
【図４】第２実施形態の磁界型アンテナ装置１００の平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】第３実施形態の磁界型アンテナ装置２００の断面図である。
【図７】半楕円柱型のカバーを示す図である。
【図８】角錐台形型のカバーを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。第１実施形態の磁界型アンテナ装置（以下、単にアンテナ装置）１は、図１に示すように、基板１０、第１アンテナエレメント２０、インピーダンス整合部（以下、整合部）３０、カバー４０を備える。また、アンテナ装置１は、図示しない制御部、変調部、復調部などを備える。これら制御部、変調部、復調部は、たとえば、ＩＣチップの形態で基板１０に実装される。
【００１６】
第１実施形態の基板１０は、図１に示すように平面視形状が矩形であり、また、図２に示すように平板状である。なお、図１は、図２のＩ矢視図である。
【００１７】
第１アンテナエレメント２０は、銅箔などの金属箔によりパターンが形成されている。この第１アンテナエレメント２０の形状は、矩形形状の基板１０に合わせ、矩形形状に基板１０の一方の面上を周回するループ形状である。ループ形状であるので、第１アンテナエレメント２０は、電磁誘導式の磁界型アンテナエレメントである。
【００１８】
整合部３０は、コンデンサ、コイルを備える周知の構成であり、第１アンテナエレメント２０に接続されている。この整合部３０の素子定数は、アンテナ装置１の共振周波数が、１３．５６ＭＨｚなどの予め定められた周波数になるとともに、通信可能領域７０および通信不可領域８０を、所望の領域とできるＱ値となるように調整されている。通信可能領域７０、通信不可領域８０については後述する。
【００１９】
カバー４０は、この実施形態では車両のリアエンブレムであり、図２における上側の面である表面４１に、車両のマークあるいは車両メーカーのマークが表されている。これらのマークは、凹凸形状により表されることもあり、また、印刷等により一つの面に表されることもある。この表面４１は請求項の対向面であり、車両外面に露出している。アンテナ装置１が通信相手機器との間で通信を行う際は、この表面４１に、通信相手機器が対向する。
【００２０】
カバー４０は、樹脂製であり、形状は、図１に示すように、平面視で楕円形状であり、図２に示すように平板形状である。また、カバー４０としてリアエンブレムを利用しているため、カバー４０の厚さは一般的なＮＦＣアンテナにおけるカバーよりも厚い。ここでは、カバー４０の厚さは１ｃｍであるとする。
【００２１】
アンテナ装置１は、図２に示す固定部５０に固定される。車両のリアエンブレムをカバー４０としている本実施形態では、固定部５０は、車両ボデーの後面の一部が周囲よりも凹んだ形状となっていることにより形成される。なお、凹んだ形状により固定部５０が構成されているのは一例である。固定部５０はアンテナ装置１が固定できればよく、必ずしも周囲に対して凹んでいる必要はない。この固定部５０の底面５１との間にクリアランス６０が形成されるようにして、アンテナ装置１は、固定部５０に図示しないボルト等により固定される。
【００２２】
図２には、通信可能領域７０および通信不可領域８０も示している。通信可能領域７０および通信不可領域８０は、いずれも、第１アンテナエレメント２０の中心軸線Ｃの部分が最大厚みとなる凸形状の空間である。
【００２３】
なお、第１アンテナエレメント２０がパターンアンテナである本実施形態において、中心軸線Ｃとは、第１アンテナエレメント２０を含む平面に垂直であり、かつ、その平面において、ループ状である第１アンテナエレメント２０によって囲われた部分の中心を通る線を意味する。また、通信可能領域７０や通信不可領域８０の最大厚みは、第１アンテナエレメント２０の通信可能領域７０あるいは通信不可領域８０側の面から、通信可能領域７０や通信不可領域８０の頂点までの長さである。
【００２４】
通信可能領域７０、通信不可領域８０は、実際に通信相手機器をその領域に位置させて通信ができるか否かを確認することにより定まる。通信相手機器の一例として、図３に示すカード型タグ９０を用いている。通信相手機器の他の例としては、ＮＦＣアンテナを内蔵したスマートフォンがある。
【００２５】
図３に示しているカード型タグ９０は通信相手機器である電磁誘導式通信機の一例であり、カバーを除去した状態で示している。このカード型タグ９０は、第２アンテナエレメント９２、ＩＣチップ９４を備える。第２アンテナエレメント９２は、アンテナ装置１が備える第１アンテナエレメント２０と同じ形状、同じ大きさである。なお、ここでの「同じ」は、厳密な意味での同じではなく、実質的に同じという意味である。
【００２６】
ＩＣチップ９４は、インピーダンス整合部、変調部、復調部、制御部などの機能を備えている。いずれも磁界型のアンテナエレメントである第１、第２アンテナエレメント２０、９２を備えるカード型タグ９０とアンテナ装置１により電磁誘導式通信システムが構成される。
【００２７】
説明を図２に戻す。図２には、比較として、一般的なＮＦＣアンテナにおける通信可能領域７０ａ、通信不可領域８０ａも示している。一般的なＮＦＣアンテナにおける通信可能領域７０ａと、本実施形態の通信可能領域７０を比較すると、本実施形態の通信可能領域７０の方が大きいことが分かる。よって、本実施形態のアンテナ装置１は、一般的なＮＦＣアンテナよりも最大通信距離が長い。
【００２８】
周知のように、通信可能領域７０を大きくするには、Ｑ値を高くすればよい。なお、Ｑ値はωＬ／Ｒで与えられ、Ｑ値は整合部３０の整合素子定数を変化させることにより調整できる。また、第１アンテナエレメント２０の巻き数を増やしたり、第１アンテナエレメント２０の長さを伸ばしたりすることで、Ｑ値を高くすることもできる。
【００２９】
Ｑ値を高くすると通信可能領域７０を大きくすることができるが、通信相手機器が近づいた場合のアンテナ間の結合が強くなるので、インピーダンス変化が大きくなる。また、Ｑ値が高いほど、小さな共振周波数のずれで通信ができなくなる。このことから、Ｑ値を高くすると、通信可能領域７０が大きくなるだけではなく、通信不可領域８０も大きくなってしまう。
【００３０】
本実施形態では、通信不可領域８０の最大厚みが、カバー４０の厚みよりもわずかに短い長さとなるようにＱ値を調整している。したがって、一般的なＮＦＣアンテナの通信不可領域８０ａに比べて本実施形態の通信不可領域８０は大きいが、カバー４０が厚いため、通信不可領域８０はカバー４０の外には形成されていない。
【００３１】
＜第１実施形態の効果＞
第１実施形態のアンテナ装置１は、カバー４０の厚みが１ｃｍになっており、第１アンテナエレメント２０からカバー４０の表面４１までの距離が、一般的なＮＦＣアンテナよりも長い。また、第１アンテナエレメント２０からカバー４０の表面４１までには、通信相手機器は位置することができない。
【００３２】
このカバー４０の厚みを活用し、第１実施形態では、整合部３０の素子定数を調整して、従来よりも通信不可領域８０が大きくなってしまうような高いＱ値としている。Ｑ値を高くしているので、図２に示すように、通信可能領域７０を大きくすることができる。すなわち、最大通信距離を長くすることができる。
【００３３】
また、通信不可領域８０が大きくなってしまっているが、通信不可領域８０の最大厚みは、カバー４０の厚みよりもわずかに小さい。したがって、最小通信距離は、カバー４０の影響を受けない。
【００３４】
つまり、第１実施形態のアンテナ装置１は、最大通信距離を長くすることができ、かつ、最小通信距離がカバー４０の影響を受けない。よって、通信相手機器が位置することができ、このアンテナ装置１と通信をすることができる通信領域である有効通信領域が広くなる。
【００３５】
また、カード型タグ９０は、アンテナ装置１が備える第１アンテナエレメント２０と同じ形状、同じ大きさの第２アンテナエレメント９２を備える。このように、アンテナエレメント２０、９２の形状、大きさを揃えることでＱ値を高くしやすくなる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態を説明する。なお、この第２実施形態以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用することができる。
【００３７】
図４に示すように、第２実施形態のアンテナ装置１００は、基板１１０の平面形状がカバー４０の平面形状と同じ楕円形状である。第１アンテナエレメント１２０は、基板１１０の形状に合わせて、楕円形に周回しているループアンテナである。
【００３８】
楕円形状であるエンブレム、すなわちカバー１４０に合わせて、基板１１０を楕円形状としていることから、第１アンテナエレメント１２０もカバー１４０の形状に合わせて楕円形状とすることができる。したがって、カバー１４０の平面形状に対する第１アンテナエレメント１２０の大きさを相対的に大きくすることができる。
【００３９】
そのため、図５に示すように、通信可能領域１７０、通信不可領域１８０のカバー１４０に対する大きさも、大きくなる。なお、第２実施形態でも、共振周波数において、通信不可領域１８０の最大厚みが、カバー１４０の厚みよりもわずかに短い長さとなるようにＱ値を調整している。
【００４０】
＜第３実施形態＞
図６に示すように、第３実施形態のアンテナ装置２００は、第２実施形態のカバー１４０に代えて、それとは形状の異なるカバー２４０を備えている。カバー２４０は、裏面２４２は平面であるが、表面２４１は、凸曲面の一つである球冠形状、すなわち、球面を平面で切り取った部分球面形状である。また、カバー２４０の最大厚みは、第１、第２実施形態のカバー４０、１４０と同じ１ｃｍとする。
【００４１】
図６では省略している第１アンテナエレメント１２０の中心軸線Ｃがこの表面２４１の頂部を通るように、第１アンテナエレメント１２０は配置されている。
【００４２】
また、共振周波数において、通信不可領域２８０が、カバー２４０から出ないようにしつつ、できるだけカバー２４０の表面２４１に近い位置まで形成されるように、Ｑ値が調整されている。
【００４３】
通信不可領域２８０は、第１アンテナエレメント１２０の中心軸線Ｃにおいて最大厚みとなり、中心軸線Ｃから離れるほど薄くなる。第３実施形態では、カバー２４０も第１アンテナエレメント１２０の中心軸線Ｃにおいて最大厚みとなり、中心軸線Ｃから離れるほど薄くなる。よって、図６に示すように、カバー２４０の端側においても、通信不可領域２８０はカバー２４０の表面２４１の近くまで形成されている。換言すれば、カバー２４０の端側においても、通信可能領域２７０であるが、カバー２４０により制限されて通信相手機器が位置することができない領域が少ない。その結果、有効通信領域を、実施形態２よりも広くすることができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００４５】
＜変形例１＞
たとえば、前述の実施形態では、アンテナエレメント２０、１２０はパターンアンテナであったが、銅線を巻いて形成するアンテナエレメントでもよい。
【００４６】
＜変形例２−５＞
また、カバー４０、１４０、２４０の形状は前述の実施形態に開示のものに限られず、図７に示す半楕円柱型（変形例２）、図８に示す角錐台形型（変形例３）など、種々の形状とすることができる。また、カバー４０、１４０、２４０としてフロントエンブレムを用いてもよく（変形例３）、また、エンブレム以外のものを用いてもよい（変形例４）。また、カバーは必ずしも中実である必要はなく、空間を隔てて第１アンテナエレメント２０、１２０を覆うものでもよい（変形例５）。
【００４７】
＜変形例６＞
また、前述の実施形態では、通信不可領域８０、１８０、２８０は、カバー４０、１４０、２０４の表面に近い位置まで形成されていたが、必ずしもこれに限られない。従来の通信不可領域の最大厚みはせいぜい３ｍｍであるので、これよりも最大厚みが厚くなる通信不可領域であれば、従来よりも、有効通信領域を広くすることができる。ただし、通信不可領域の最大厚みが厚いほど、それに伴い有効通信領域を大きくすることができる。したがって、通信不可領域の最大厚みを４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、６ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。
【００４８】
＜変形例７＞
前述の実施形態において、第１アンテナエレメント２０、１２０の背面、すなわち、第１アンテナエレメント２０、１２０に対してカバー４０、１４０、２４０とは反対側の面にフェライトシートなどの磁性体シートを配置してＱ値を調整してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１：アンテナ装置、      １０：基板、      ２０：第１アンテナエレメント、      ３０：整合部、      ４０：カバー、      ４１：表面、      ５０：固定部、      ５１：底面、      ６０：クリアランス、      ７０：通信可能領域、      ８０：通信不可領域、      ９０：カード型タグ（通信相手機器）、      ９２：第２アンテナエレメント、      ９４：ＩＣチップ、      １００：アンテナ装置、      １１０：基板、      １２０：第１アンテナエレメント、      １４０：カバー、      １７０：通信可能領域、      １８０：通信不可領域、      ２００：アンテナ装置、      ２４０：カバー、      ２４１：表面、      ２４２：裏面、      ２７０：通信可能領域、      ２８０：通信不可領域、      Ｃ：中心軸線
【図１】
2015149620.tif 000003
【図２】
2015149620.tif 000004
【図３】
2015149620.tif 000005
【図４】
2015149620.tif 000006
【図５】
2015149620.tif 000007
【図６】
2015149620.tif 000008
【図７】
2015149620.tif 000009
【図８】
2015149620.tif 000010