(57)【要約】【課題】アンテナと導体との近接配置を、安価に、導体面積の削減をすることなく実現するアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置は、電磁誘導結合によって通信または電力伝送を行うアンテナと、アンテナに近接して配置される導体板とを有する。導体板は電磁バンドギャップ構造を有し、電磁バンドギャップ構造は、アンテナにより送信または受信されるＲＦ磁界の周波数帯に電磁バンドギャップを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁誘導結合によって通信または電力伝送を行うアンテナと、
前記アンテナに近接して配置される導体板と、を備えるアンテナ装置であって、
前記導体板は電磁バンドギャップ構造を有し、
前記電磁バンドギャップ構造は、前記アンテナにより送信または受信されるＲＦ磁界の周波数帯に電磁バンドギャップを有することを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記アンテナの少なくとも一部の導体は、前記電磁バンドギャップ構造を有する前記導体板の面と平行な面に配置されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記アンテナの少なくとも一部の導体は、前記電磁バンドギャップ構造を有する前記導体板の面と同じ面に配置されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記アンテナと接続され、前記周波数帯を有する前記ＲＦ磁界により近距離無線通信を実行する通信回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記導体板は、前記通信回路のグランドとして機能することを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記通信回路が、前記導体板と対向するように配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記アンテナと接続され、前記アンテナを介して取得された、外部装置から供給される前記周波数帯を有する前記ＲＦ磁界を元に電力を生成する電力回路を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記アンテナと接続され、外部装置による電力の生成のために、前記アンテナから前記周波数帯を有する前記ＲＦ磁界を出力する電力回路を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置と、
前記アンテナに接続され、前記アンテナから得られる前記周波数帯の前記ＲＦ磁界を処理する回路とを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
前記回路は、前記アンテナを用いて前記周波数帯を有する前記ＲＦ磁界により近距離無線通信を実行する通信回路と、前記周波数帯を有する前記ＲＦ磁界を用いた無線電力伝送を前記アンテナを介して行う電力回路と、の少なくとも何れかを含むことを特徴とする請求項９に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置および該アンテナ装置を備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォンや家電を中心に、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれる近距離無線通信が利用され始めている。ＮＦＣ端末には、ループ型やスパイラル型などの磁界アンテナが具備されており、アンテナ間を電磁誘導結合することで通信が行われる。
【０００３】
ＮＦＣでは、ポーリングを発行する側の端末（リーダライタ）と、ポーリングに応答する側の端末（タグ）との間で通信が行われる。代表的な動作としては、リーダライタがＲＦ磁界を発生し、タグはリーダライタが発生したＲＦ磁界、または内部電源から通信動作に必要な電力を得て、リーダライタと通信する。
【０００４】
スマートフォンなどの携帯端末では特に、サイズ・デザイン等の制約により、筐体等の導体に近接してアンテナが配置される場合がある。磁界アンテナと導体とを近接配置する場合、ＲＦ磁界の多くが導体を鎖交するため、ＲＦ磁界と同一周波数の誘導電流が導体表面に生じる。この誘導電流はＲＦ磁界を相殺する反磁界を生み、結果、ＲＦ磁界が弱まることとなり、通信距離の劣化、通信不能等の問題が生じる。つまり、磁界アンテナと導体とを近接配置すると、アンテナ・導体間で電磁誘導結合が生じ、アンテナ特性が劣化してしまう。
【０００５】
上記課題を解決する方法として、磁性体を用いる方法や、導体形状を工夫する方法が提案されている。例えば特許文献１では、アンテナと導体との間に磁性体を配置することで、アンテナと導体との干渉を軽減し、アンテナ特性の劣化を抑制する方法について開示されている。また特許文献２では、導体に１つ以上の切り込みを設け、誘導電流の流れを変えることで、反磁界を抑え、アンテナ特性の劣化を抑制する方法が開示されている。
【０００６】
一方で近年、メタマテリアルと呼ばれる人工材料の研究が盛んに行われている。メタマテリアルとは、自然界には存在し得ない振る舞いをする人工材料であり、誘電率、透磁率の両方が「負」となる左手系と呼ばれる特性や、誘電率、透磁率のいずれか一方が「負」となる電磁バンドギャップと呼ばれる特性を示す。特許文献３では、電磁バンドギャップを、電磁波を同相反射する磁気壁として作用させ、その作用を利用してアンテナと導体との近接配置を実現する方法について提案している（例えば特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１０８９６６号公報
【特許文献２】特開２００９−００４８５７号公報
【特許文献３】特開２０１１−２１７０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の方法は、磁性体の材料コストがかかり、また磁性体をアンテナに取り付けるための加工費も発生するため、安価には実現できないという課題がある。一方、特許文献２の方法は、磁性体を使用しない分、安価に実現できるが、筺体等の導体に切り込みを設ける必要があるため、導体面積の削減に伴うＥＭＣや放熱問題、メカ的な強度劣化といった問題が生じる。また特許文献３は、主に高周波帯の電磁波を用いて通信する電界アンテナには有効であるが、誘導電流の影響を考慮したものでないため、主に低周波帯の電磁誘導を用いて通信する磁界アンテナには有効でない。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、アンテナと導体との近接配置を実現するアンテナ装置を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明の一態様によるアンテナ装置は以下の構成を備える。すなわち、
電磁誘導結合によって通信または電力伝送を行うアンテナと、
前記アンテナに近接して配置される導体板と、を備えるアンテナ装置であって、
前記導体板は電磁バンドギャップ構造を有し、
前記電磁バンドギャップ構造は、前記アンテナにより送信または受信されるＲＦ磁界の周波数帯に電磁バンドギャップを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アンテナと導体との近接配置を実現するアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第一実施形態に係るアンテナ装置の上面図。
【図２】第一実施形態に係るアンテナ装置の側面図。
【図３】電磁バンドギャップと磁気壁の原理を説明する図。
【図４】第一実施形態に係るアンテナ装置の変形例を示す図。
【図５】第二実施形態に係るアンテナ装置の上面図。
【図６】第二実施形態に係るアンテナ装置の側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態のいくつかを説明する。
【００１４】
＜第一実施形態＞
図１は本実施形態に係るアンテナ装置１の上面図、図２はアンテナ装置１の側面図である。なお、本実施形態におけるアンテナ装置は、ＮＦＣ端末に適用されるアンテナを想定して説明するが、本実施形態のアンテナ装置の適用がＮＦＣ端末に限定されるものではない。すなわち、電磁誘導結合によって通信または電力伝送を行うアンテナを具備したアンテナ装置であれば、本発明は適用が可能である。
【００１５】
アンテナ装置１において、磁界アンテナ１０は、外部装置との間で、たとえばＮＦＣ規格で規定される、近距離無線通信を実施するためのＲＦ磁界を送信、または受信する。また磁界アンテナ１０は、ＮＦＣ規格で規定される通信を実行するための通信回路であるＮＦＣ通信制御ＩＣ（以下、ＮＦＣチップ）に接続される。なお図１において磁界アンテナ１０はスパイラル型であるが、これに限らず、ループ型やヘリカル型であっても良い。
【００１６】
アンテナ装置１は、磁界アンテナ１０に近接して配置された導体板としての導体１１を有し、導体１１は電磁バンドギャップ構造１００を有する。電磁バンドギャップ構造１００は、導体１１、パッチ導体１２、接続導体１３、誘電層１４を含み、少なくともＲＦ磁界の周波数帯に電磁バンドギャップを有する。図１、図２に示すような、パッチ導体１２と接続導体１３を有する単位セル構造１０１を周期的に２次元配置した構造はマッシュルーム構造と呼ばれ、電磁バンドギャップを持つ代表的な構造の一つとして知られている。また、本実施形態では、磁界アンテナ１０の少なくとも一部の導体が、電磁バンドギャップ構造１００を有する導体１１の面と平行な面であって、導体１１と対向する面に配置されている。
【００１７】
次に、電磁バンドギャップの原理について図３（ａ）を用いて説明する。マッシュルーム構造は、図３（ａ）に示すように、隣接するパッチ導体間にて直列キャパシタＣＬが、接続導体にて並列インダクタＬＬが形成され、これらが左手系の要素となる。またパッチ導体にて直列インダクタＬＲが、パッチ導体と導体層間にて並列キャパシタＣＲが形成される。そして、並列共振周波数ωsh（＝１／ｓｑｒｔ（ＬＬ×ＣＲ））と直列共振周波数ωse（＝１／ｓｑｒｔ（ＬＲ×ＣＬ））との間が電磁バンドギャップとなる。理論的には電磁バンドギャップの周波数帯で、電流の伝搬を遮断することができる。
【００１８】
またマッシュルーム構造は、図３（ｂ）に示すように、直列キャパシタＣＬと、セルの間で形成されるＬとの共振周波数ωm（＝１／ｓｑｒｔ（Ｌ×ＣＬ））にて入射される電磁波を同相反射する磁気壁としても作用する。
【００１９】
上記説明から明らかなように、同じ構造体であっても電磁バンドギャップとなる周波数と磁気壁となる周波数は異なる。磁界アンテナにおいて、導体が近接配置された際にアンテナの特性が劣化する要因は導体表面上に生じる誘導電流の存在である。つまり磁界アンテナの場合は、電磁波を同相反射する磁気壁の特性ではなく、電流の伝搬を遮断する電磁バンドギャップの特性を利用する方が有効である。
【００２０】
電磁バンドギャップ構造１００は、ＲＦ磁界の周波数帯に電磁バンドギャップを有する。たとえば、ＮＦＣにおいてＲＦ磁界の周波数は１３．５６ＭＨｚであるため、電磁バンドギャップ構造１００は１３．５６ＭＨｚを含む周波数帯に電磁バンドギャップを有するように構成される。より具体的には、電磁バンドギャップ構造１００は、並列共振周波数ωsh＜１３．５６ＭＨｚ、直列共振周波数ωse＞１３．５６ＭＨｚ、もしくは並列共振周波数ωsh＞１３．５６ＭＨｚ、直列共振周波数ωse＜１３．５６ＭＨｚの特性を有する。
【００２１】
以上の電磁バンドギャップ構造１００を導体１１に形成することで、導体１１の表面上に生じる誘導電流の伝搬を抑制することができる。つまり、磁界アンテナ１０のアンテナ特性の劣化を抑制しつつ、磁界アンテナ１０と導体１１との近接配置を実現することができる。
【００２２】
また、マッシュルーム構造のような電磁バンドギャップ構造は、プリント基板上に形成でき、磁性体を使用する従来技術と比較して安価に実現できる。また導体に切れ込みを設ける必要もないため、導体面積が削減されない。それにより導体面積の削減に伴うＥＭＣや放熱問題、メカ的な強度劣化といった問題は生じない。
【００２３】
なお本実施形態においてアンテナ装置はＮＦＣ端末としたが、これに限らず、例えばワイヤレス電力伝送システムなど磁界アンテナを使用するシステムであれば本実施形態の構成を適用可能である。電力伝送を行う場合には、上述した通信回路に代えて、あるいはそれに加えて、取得したＲＦ磁界から電力を生成する、または、電力をＲＦ磁界を用いて伝送するための電力回路が設けられる。さらに、本実施形態において電磁バンドギャップ構造は、マッシュルーム構造としたが、これに限らず、電磁バンドギャップを持つ構造であればどのような構造であっても構わない。
【００２４】
また本実施形態では、上から磁界アンテナ１０、パッチ導体１２、誘電層１４、導体１１と配置したが、これに限らず、例えば図４（ａ）に示すように、磁界アンテナ１０、導体１１、誘電層１４、パッチ導体１２と配置してもよい。また図４（ｂ）に示すよう、導体１１上ではなく、導体１１の直下に電磁バンドギャップ構造１００を形成する構成であっても良い（この際、１５は導体である）。なお、この場合、単位セル構造１０１が、導体１１、導体１５、パッチ導体１２、および接続導体１３を有するものとして、上述したＲＦ磁界の周波数帯に電磁バンドギャップを有するように電磁バンドギャップ構造が設計されることになる。また、図４（ｂ）において、導体１１と誘電層１４の間を同じ誘電層または異なる誘電層で満たしてもよい。
【００２５】
また、上記実施形態において、磁界アンテナ１０を介して近距離無線通信または無線電力伝送が行われることを記載したが、これら通信や電力伝送を磁界アンテナ１０を兼用して用いる構成としてもよい。この場合、通信と電力伝送とでＲＦ磁界の周波数が異なる場合には、それら周波数を含む電磁バンドギャップが得られるように電磁バンドギャップ構造１００を構成してもよい。
【００２６】
＜第二実施形態＞
第一実施形態では、磁界アンテナと導体とが異なる平面上に配置されるアンテナ装置について説明した。第二実施形態では、磁界アンテナが導体板の面と略同一平面上、且つ導体板を囲むように配置されるアンテナ装置について説明する。
【００２７】
図５は第二実施形態で説明するアンテナ装置２の上面図であり、図６はその側面図である。なお、第二実施形態におけるアンテナ装置２もＮＦＣ端末を想定して説明するが、第一実施形態と同様、これに限らず、他の通信方式のシステムにも適用可能である。
【００２８】
磁界アンテナ２０は、外部装置との間で、ＮＦＣ規格で規定される通信を実施するためのＲＦ磁界を送信、または受信する。電磁バンドギャップ構造２００は、導体２１、パッチ導体２２、接続導体２３、誘電層２４から構成され、少なくともＲＦ磁界の周波数帯に電磁バンドギャップを有する。図５、図６に示されるように、磁界アンテナ２０は導体２１のふちに形成される。本実施形態では、導体２１は磁界アンテナ２０の内側に形成され、導体２１と磁界アンテナ２０は同一平面上に形成される。
【００２９】
ＮＦＣチップ２５は、外部装置との間で、たとえばＮＦＣ規格により規定される近距離無線通信を実施するための通信処理を行う通信回路である。ＮＦＣチップ２５は、図示のように、電磁バンドギャップ構造２００の存在しない点線２０１内（導体２１中央部）の領域に設置され、磁界アンテナ２０と接続される。導体２１はＮＦＣチップ２５のグランドとしても機能する。以上のようにアンテナ装置２は、ＮＦＣチップ２５が搭載される回路基板を囲むように磁界アンテナ２０を配置する構成となっている。
【００３０】
このような構成は、磁界アンテナ内部のスペースを有効利用できるため、磁界アンテナの外側（例えば横）に回路基板を設ける構成と比較して、基板面積を小さくできるというメリットがある。しかしながら、磁界アンテナと導体（回路基板のグランド等）との間で電磁誘導結合を生じやすい構成であるため、アンテナ特性が劣化しやすい。
【００３１】
導体表面上に生じる誘導電流は、鎖交する磁界が強い部分に、多く流れる。つまりアンテナ装置２において、磁界アンテナ２０に近い導体２１のふちに沿って誘導電流が流れることとなる。第二実施形態では、上述したように導体２１のふちに電磁バンドギャップ構造２００が形成されている。そのため、導体２１のふちに生じる誘導電流の伝搬を効果的に抑制し、アンテナ特性の劣化を抑制することができる。
【００３２】
なお導体２１に搭載される部品はＮＦＣチップに限られるものではない。例えば、第一実施形態で説明したような、外部から供給されるＲＦ磁界から電力を生成する、または、電力を外部へ供給するためのＲＦ磁界を磁界アンテナ２０を介して出力するための電力回路が別途搭載されても良い。或いは、そのような電力回路が、通信回路であるＮＦＣチップとともに搭載されてもよい。また、通信回路や電力回路の代わりに、またはこれらに加えて、別基板と接続するためのコネクタが搭載されていても良い。
【００３３】
また本実施形態において磁界アンテナ２０と導体２１とが同一平面上に形成される構成について説明したが、これに限らず、例えば磁界アンテナ２０とパッチ導体２２とが同一平面上に形成される構成であっても構わない。この場合、図６において、誘電層２４のパッチ導体２２の側に磁界アンテナ２０が配置されることになる。
【００３４】
以上説明したように、上記各実施形態によれば、磁界アンテナに近接配置された導体上に電磁バンドギャップ構造を形成することにより、導体に発生する誘導電流が抑制される。そのため、磁界アンテナと導体との近接配置を実現するアンテナ装置を、導体面積を削減することなく、安価に提供することができる。また、たとえば携帯電話やＰＤＡなどの各種通信機器や電子機器に上記実施形態の磁界アンテナと回路の構成を適用すれば、安価で、ＮＦＣ通信や無線電力伝送などにおけるアンテナ性能が良好な電子機器を提供することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  アンテナ装置
１０  磁界アンテナ
１１  導体
１２  パッチ導体
１３  接続導体
１４  誘電層
１００  電磁バンドギャップ構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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