(57)【要約】【課題】高インダクタンスを確保しつつ、小型化および軽量化を実現し、さらに組み立てを容易にすることができるアンテナ装置およびその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の一形態に係るアンテナ装置１００は、空芯部１１を有する空芯コイル１０と、中空部２１を有し、前記空芯コイルの空芯部１１内に配置された磁気コア２０と、前記磁気コア２０の中空部２１内に連通する貫通穴３１を有し、前記空芯コイル１１に対向して設けられた磁気シールド３０とを具備する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空芯部を有する空芯コイルと、
中空部を有し、前記空芯コイルの空芯部内に配置された磁気コアと、
前記磁気コアの中空部内に連通する貫通穴を有し、前記空芯コイルに対向して設けられた磁気シールドと
を具備するアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置であって、
前記空芯部、前記中空部、前記貫通穴が同心状になるように、前記空芯コイル、前記磁気コアおよび前記磁気シールドが互いに配置される
アンテナ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアンテナ装置であって、
前記磁気コアの中空部は、貫通穴または凹部である
アンテナ装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記磁気コアの外径が、3mm以上10mm以下であり、
前記磁気コアの中空部の内径が、1mm以上8mm以下である
アンテナ装置。
【請求項５】
請求項１から４のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記磁気シールドは、金属磁性材料または酸化物磁性材料を含み、
前記磁気コアは、金属磁性材料または酸化物磁性材料を含む
アンテナ装置。
【請求項６】
請求項１から５のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記磁気シールドと、前記空芯コイルおよび前記磁気コアとの間に配置された接着層
をさらに具備するアンテナ装置。
【請求項７】
請求項１から６のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
前記接着層は、接着性樹脂、接着性の両面テープ、または接着性を有する磁性シートである
アンテナ装置。
【請求項８】
空芯部を有する空芯コイルと、
中空部を有し、前記空芯コイルの空芯部内に配置された磁気コアと、
前記磁気コアの中空部内に連通する貫通穴を有し、前記空芯コイルに対向して設けられた磁気シールドとを有するアンテナ装置
を具備する電子機器。
【請求項９】
プレートと前記プレート上の突起部とを有する治具の前記プレートに近い側から、磁気シールドと、空芯部内に磁気コアが配置された空芯コイルとが配置されるように、前記プレート上に、前記磁気シールド、前記磁気コア、および前記空芯コイルを載置する工程と、
前記載置の工程後、前記磁気シールド、前記磁気コア、および前記空芯コイルを、プレート上で加圧する工程とを具備し、
前記載置の工程は、前記磁気シールドに設けられた貫通穴と、前記磁気コアに設けられた中空部とを、前記治具の前記突起部に係合させる工程を含む
アンテナ装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のアンテナ装置の製造方法であって、
前記載置の工程は、前記空芯コイルと前記磁気シールドとの間に、接着層を配置する工程を含む
アンテナ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば交通乗車券や電子マネー等の非接触ＩＣ（Integrated Circuit）カードを利用した非接触通信システムの普及が著しい。非接触通信システムに用いられるアンテナは、ＬＣ共振を利用しているため一定のインダクタンスを有することが必要とされる。アンテナを、例えばスマートフォン等の携帯型の電子機器に搭載する場合、アンテナの形状を、その電子機器に搭載されるバッテリーと同等の大きさのほぼ長方形に設計することで、インダクタンスを上げることができる。
【０００３】
一般に、高インダクタンスの小型のコイルを実現するため、細い線径のワイヤを用い、巻き数を上げることが考えられる。図１は従来構造の非接触給電アンテナを示す斜視図である。
【０００４】
あるいは、スパイラル状の導体（コイル）を、非磁性基板と軟磁性体シートとで挟み、かつ、軟磁性体シートの材料をその導体の中心部に充填するように構成されたコイルもある（例えば、特許文献１の要約、明細書段落［００１８］、図１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平11-16756号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年では、携帯型の中でも、特にウェアラブル用途への非接触通信システムの導入が図られるようになり、さらなる小型化が求められるようになってきているが、一定のインダクタンスも維持する必要がある。
【０００７】
ところが、特許文献１のコイルでは、軟磁性体シートの厚さ分、アンテナの厚さが厚くなり、小型化に反する。また、このコイルの製造過程（組み立て）において、軟磁性体シートと非磁性基板とでコイルを挟むとき、コイルの位置を視認しづらいという欠点がある。
【０００８】
本発明の目的は、高インダクタンスを確保しつつ、小型化および軽量化を実現し、さらに組み立てを容易にすることができるアンテナ装置、また、その製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るアンテナ装置は、空芯コイルと、磁気コアと、磁気シールドを具備する。
前記空芯コイルは、空芯部を有する。
前記磁気コアは、中空部を有し、前記空芯コイルの空芯部内に配置される。
前記磁気シールドは、前記磁気コアの中空部内に連通する貫通穴を有し、前記空芯コイルに対向して設けられる。
【００１０】
磁気コアに中空部が設けられていても、インダクタンスの低下への寄与度は小さい。したがって、高インダクタンスを確保しつつ、小型化および軽量化のアンテナ装置を実現できる。また、磁気シールドが貫通穴を有するので、その貫通穴を介して、磁気コアおよび空芯コイルに係合する突起部を有する治具を用いることにより、空芯コイル、磁気コアおよび磁気シールドの位置合わせを容易にできる。すなわち、アンテナ装置の組み立てが容易となる。
【００１１】
前記空芯部、前記中空部、前記貫通穴が同心状になるように、前記空芯コイル、前記磁気コアおよび前記磁気シールドが互いに配置されていてもよい。
【００１２】
前記磁気コアの中空部は、貫通穴または凹部であってもよい。
【００１３】
前記磁気コアの外径が、3mm以上10mm以下であり、前記磁気コアの中空部の内径が、1mm以上8mm以下であってもよい。
【００１４】
前記磁気シールドは、金属磁性材料または酸化物磁性材料を含み、前記磁気コアは、金属磁性材料または酸化物磁性材料を含んでいてもよい。
【００１５】
前記アンテナ装置は、前記磁気シールドと、前記空芯コイルおよび前記磁気コアとの間に配置された接着層をさらに具備してもよい。
【００１６】
前記接着層は、接着性樹脂、接着性の両面テープ、または接着性を有する磁性シートであってもよい。
【００１７】
本発明の一形態に係る電子機器は、上記アンテナ装置を備える。
【００１８】
本発明の一形態に係る、アンテナ装置の製造方法は、プレートと前記プレート上の突起部とを有する治具の前記プレートに近い側から、磁気シールドと、空芯部内に磁気コアが配置された空芯コイルとが配置されるように、前記プレート上に、前記磁気シールド、前記磁気コア、および前記空芯コイルを載置する工程を具備する。
前記載置の工程後、前記磁気シールド、前記磁気コア、および前記空芯コイルが、プレート上で加圧される。
前記載置の工程は、前記磁気シールドに設けられた貫通穴と、前記磁気コアに設けられた中空部とを、前記治具の前記突起部に係合させる工程を含む。
【００１９】
治具を用いることにより、空芯コイル、磁気コアおよび磁気シールドの位置合わせが容易となる。すなわち、アンテナ装置の組み立てが容易となる。
【００２０】
前記載置の工程は、前記空芯コイルと前記磁気シールドとの間に、接着層を配置する工程を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
以上、本発明によれば、高インダクタンスを確保しつつ、小型化および軽量化を実現し、さらに組み立てを容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明に係る実施形態に係るアンテナ装置の技術を理解するための参考例に係るアンテナ装置を示す斜視図である。
【図２】図２Ａは、図１におけるＡ−Ａ'線断面図である。図２Ｂは、別の参考例として、３層に構成されたコイルを備えるアンテナ装置を示す断面図である。図２Ｃは、さらに別の参考例として、３層のコイルの内部（空芯部）に磁気コアが配置されたアンテナ装置を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置を示す斜視図である。
【図４】図４は、図３に示すアンテナ装置の断面図である。
【図５】図５は、アンテナ装置の組み立て方法を説明するための図である。
【図６】図６は、アンテナ装置のインダクタンスの変動を検証した結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
１．参考例
【００２４】
図１は、後述する本発明に係る実施形態に係るアンテナ装置１００の技術を理解するための、参考例に係るアンテナ装置を示す斜視図である。このアンテナ装置２００では、上でも述べたように、アンテナのコイル１０Ａの形状が、図１に示すように、例えばスマートフォン等の電子機器に搭載されるバッテリーと同等の大きさのほぼ長方形に設計されている。これにより、インダクタンスを上げることができる。
【００２５】
図２Ａは、図１におけるＡ−Ａ'線断面図である。アンテナ装置２００は、板状の磁気シールド１３に、コイル１０Ａが、その磁気シールド１３の主面１３ａに沿って巻回されて設けられている。例えばコイル１０Ａの巻数は１２Ｔとされる。
【００２６】
図２Ｂは、別の参考例として、軸方向（図中、上下方向）に沿って３層に構成されたコイル１０Ｂを備えるアンテナ装置の断面を示す。この構造により、12T×3=36Tの巻数を有するコイル１０Ｂを実現することができる。
【００２７】
図２Ｃは、さらに別の参考例として、図２Ｂに示した３層のコイル１０Ｃの内部（空芯部）に磁気コア１５が配置されたアンテナ装置の断面を示す。これにより、同一巻数であってもインダクタンスおよび磁束密度を向上させることができる。
【００２８】
図２Ｃに示したアンテナ装置では、コイル１０Ｃ、磁気コア１５、磁気シールド１３の各部品の位置合わせ精度が重要となる。
【００２９】
２．本発明に係る実施形態
【００３０】
２．１）アンテナ装置の構成
【００３１】
図３は、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置を示す斜視図である。図４は、図３に示すアンテナ装置１００の断面図である。アンテナ装置１００は、空芯コイル１０、磁気コア２０、接着層４０、および磁気シールド３０を備える。
【００３２】
空芯コイル１０、磁気コア２０、接着層４０、および磁気シールド３０は、円板状としているが、正方形、長方形、楕円形などの形状としてもよい。
【００３３】
空芯コイル１０の空芯部１１には、中空部２１を有する磁気コア２０が配置されている。空芯コイル１０は、軸方向（図４において上下方向）に、導線が複数層で巻回されるように構成されている。
【００３４】
磁気シールド３０は、接着層４０を介して、空芯コイル１０に対向して設けられている。磁気シールド３０は、磁気コア２０の中空部２１内に連通する貫通穴３１を有する。
【００３５】
磁気コア２０の中空部２１は、例えば、軸方向にこの磁気コア２０を貫通する貫通穴で構成される。
【００３６】
図４に示すように、空芯コイル１０の空芯部１１、磁気コア２０の中空部２１、および磁気シールド３０の貫通穴３１は、実質的に同心状になるように、これら空芯コイル１０、磁気コア２０および磁気シールド３０が互いに配置されている。
【００３７】
空芯コイル１０の厚さが薄い場合は、磁気コア２０も薄いため、磁気特性への寄与が少ない。しかし、空芯コイル１０の厚さが増えてくると、磁気コア２０による磁気特性への寄与が大きくなっていく。例えばコイルの層数が増えてくると、磁気コア２０の厚さが大きくなり、透磁率の高い磁路部が形成されるので、アンテナ装置１００の磁気抵抗が小さくなる。
【００３８】
空芯コイル１０の空芯部１１の外形、磁気コア２０の中空部２１の外形、磁気シールド３０の貫通穴３１の外形は、例えば円形である。また、接着層４０の穴４１も円形である。
【００３９】
２．２）アンテナ装置を構成する各部材の材料
【００４０】
磁気シールド３０は、主に、金属磁性材料または酸化物磁性材料で構成される。金属磁性材料として、Fe系、Co系、Ni系、Fe-Ni系、Fe-Co系、Fe-Al系、Fe-Si系、Fe-Si-Al系、Fe-Ni-Si-Al系の、結晶質または微結晶質金属磁性体が用いられる。あるいは、Fe-Si-B系、Fe-Si-B-Cr系、Co-Si-B系、Co-Zr系、Co-Nb系、または、Co-Ta系等のアモルファス金属磁性体が用いられる。
【００４１】
酸化物磁性材料としては、Mn-Zn、Ni-Zn系のスピネルフェライト、バリウムフェライト等の六方晶フェライトが用いられる。
【００４２】
あるいは、磁気シールド３０の材料は、上記金属磁性粉および／または酸化物磁性粉と、樹脂とを混合し成形した磁性樹脂成型体であってもよい。この磁性樹脂成型体は、熱伝導性や粒子充填性等を向上させるためのフィラーを含むことができる。磁性粉としては、粒径が数μm〜200μmの球状、または細長（葉巻型）、あるいは扁平（円盤型）の回転楕円体形状のものが用いられる。磁気飽和を軽減する場合は、その寸法比（長径/短径）が７以下の粉末を用いるのがよい。この場合、単体の磁性粉のみならず、粉径、材質、寸法比の異なる粉末を混合して用いてもよい。この磁性樹脂成型体は、上記混合物を、ＰＥＴ等に塗布して温風乾燥させることや、高圧成形（圧粉成形）等により作製する。
【００４３】
上記材料からなる複数の磁性体を組み合わせた複合構造または積層構造としてもよい。
【００４４】
磁気コア２０も、磁気シールド３０と同様な材料（金属磁性材料または酸化物磁性材料）が用いられる。磁気コア２０の材料として、シート状、薄帯状の材料を用いる場合、ゼンマイばねのように丸めて形成してもよい。
【００４５】
磁気シールド３０および磁気コア２０の両方が、金属磁性材料であってもよいし、あるいは酸化物磁性材料であってもよい。あるいは、磁気シールド３０が金属磁性材料であり、磁気コア２０が酸化物磁性材料であってもよいし、もしくは、それぞれその逆であってもよい。
【００４６】
接着層４０としては、例えば粘着性（接着性）の両面テープが用いられる。あるいは、塗布された接着性の樹脂が用いられる。あるいは、磁性粉と樹脂とを混合した熱硬化性の接着性を有する磁性シートを用いることができる。
【００４７】
２．３）アンテナ装置の製造方法（組み立て方法）
【００４８】
以下に説明する組み立て方法は、作業者が手作業で行うようにしてもよいし、ロボットによりオートメーション化されるようにしてもよい。
【００４９】
図５は、アンテナ装置１００の組み立て方法を説明するための図である。アンテナの作製には、治具５０が用いられる。治具５０は、プレート５１と、プレート５１の上面から一方向に突出した突起部５３とを有する。
【００５０】
突起部５３は、アンテナ装置１００を構成する各部材（ここでは例えば磁気シールド３０、磁気コア２０および接着層４０）の位置を規制する。突起部５３の外径は、磁気シールド３０の貫通穴３１、磁気コア２０の中空部２１、および接着層４０の穴４１と大きさとほぼ同等である。突起部５３の高さは、アンテナ装置１００の厚さより高い。突起部５３は、ポゴピンのように、軸方向に押すと高さが低くなるように構成されていることが望ましい。
【００５１】
磁気シールド３０の貫通穴３１、接着層４０の穴４１、および磁気コア２０の中空部２１を、治具５０の突起部５３に係合させるように、磁気シールド３０、接着層４０、磁気コア２０、および空芯コイル１０を、この順序でプレート５１上に載置する。予め、磁気コア２０が、空芯コイル１０の空芯部１１内に組み込まれた後、各部材がプレート５１上に載置されるようにしてもよい。
【００５２】
プレート５１上に各部材を載置後、空芯コイル１０（および磁気コア２０）を、プレート５１上で上から加圧することにより、アンテナ装置１００が完成する。突起部５３がポゴピンである場合、加圧時に高さが低くなる（引っ込む）ので、空芯コイル１０と磁気コア２０を確実に押し付けることができ、これらを、接着層４０を介して磁気シールド３０に接着することができる。
【００５３】
空芯コイル１０と磁気コア２０については、厚さが大きく違うと、薄い方の部材には押圧力がかかりにくくなる。したがって、空芯コイル１０と磁気コア２０の厚さは、実質的に同等に設計することが好ましい。
【００５４】
以上のように、本実施形態に係る組み立て方法によれば、突起部５３を有する治具５０を用いることにより、各部材の位置合わせが容易となる。また、その位置合わせの精度も高い。
【００５５】
すなわち、本実施形態に係るアンテナ装置１００によれば、磁気コア２０に中空部２１が設けられていても、インダクタンスの低下への寄与度は小さいので、高インダクタンスを確保しつつ、小型化および軽量化のアンテナ装置１００を実現できる。その上、上記のように、組み立て時の位置合わせを容易かつ高精度に行うことができる。
【００５６】
上記の組み立て方法では、接着層４０として、両面テープを使用した形態を示した。しかし、接着層４０として、熱硬化性の樹脂、熱硬化性のシートを用いる場合、接着時または接着後に、熱がアンテナ装置１００に加えられる。上記加圧時に熱を加える熱圧着を行うようにしてもよい。
【００５７】
３．アンテナ装置のインダクタンスの変動の検証
【００５８】
本発明者は、本発明の効果を検証するために、アンテナ装置１００の電磁界シミュレーションを行った。シミュレータとして、アンシス社のMaxwellが用いられた。図３、４に示した実施形態に係るアンテナ装置１００の構造を解析モデルとされた。各比較例および各実施例に共通する各部材のサイズおよび特性は、以下の通りである。なお、ここでの透磁率は比透磁率で表している。
【００５９】
磁気シールド３０の外径：10mm
磁気シールド３０の厚さ：0.4mm
磁気シールド３０の透磁率：29
磁気コア２０の外径：5mm
空芯コイル１０の線径：0.25mm
空芯コイル１０の巻数：24T（1層8T×3層）
接着層４０（磁性を有する接着シート）の外径：10mm
接着層４０（磁性を有する接着シート）の厚さ：0.05mm
【００６０】
解析では、磁気コア２０の内径および透磁率を変えて、100kHzでのインダクタンスの変動を検証した。図６は、この解析結果をまとめた表である。この表では、磁気コア２０を持たないアンテナ装置のインダクタンスを基準（0%）として、その変動を%で表している。
【００６１】
表において、比較例に係るアンテナ装置は、Ａ、Ｂ、Ｆ、Ｊで示す。比較例Ｂ、Ｆ、Ｊの磁気コアは中空部を持たず、その形状はソリッドな円板形状に設定された。
【００６２】
実施例Ｃ、Ｄ、Ｅの磁気コアの内径（中空部２１の径。以下同じ）は、それぞれ、1.5mm、3mm、4mmである。実施例Ｇ、Ｈ、Ｉの磁気コアの内径も同様に、それぞれ、1.5mm、3mm、4mmである。実施例Ｋ、Ｌの磁気コアの内径は、それぞれ、1.5mm、3mmである。
【００６３】
磁気コアの外径は、典型的には5mmであるが、例えば3mm以上10mm以下であってもよく、より好ましくは、4mm以上7mm以下である。その場合、磁気コアの内径は、1mm以上8mm以下であればよく、より好ましくは、内径は1.5mm以上5mm以下である。
【００６４】
また、比較例Ｂ、実施例Ｃ、Ｄ、Ｅの磁気コアの透磁率は、それぞれ10である。比較例Ｆ、実施例Ｇ、Ｈ、Ｉの磁気コアの透磁率は、それぞれ29である。比較例Ｊ、実施例Ｋ、Ｌの磁気コアの透磁率は、それぞれ100である。
【００６５】
表から、磁気コアの透磁率が高いほど、インダクタンスが高くなることがわかる。比較例Ａのインダクタンスに対し、比較例Ｂ、Ｆ、Ｊ、実施例Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｋ、Ｌのインダクタンスは、20%以上高い。
【００６６】
実施例Ｅ、Ｉでは、磁気コアの内径が大きすぎると、インダクタンスの上昇は抑えられる。これは、磁路の断面積が減少するからであると説明できる。実施例Ｄ、Ｈ、Ｌのように、磁気コアの内径が3mm程度ならば、インダクタンスの減少は軽微である。
【００６７】
したがって、磁気シールド３０、磁気コア２０、接着層４０のそれぞれの中央部に穴が設けられていても、磁気特性への影響は限定的であると言える。
【００６８】
一方、比較例Ｂ、Ｆ、Ｊでは、20%以上のインダクタンスの上昇が確認できるが、磁気コアが中空部を有していないため、上記組み立て方法でも説明したように、アンテナ装置を容易に組み立てることができない。
【００６９】
よって、本実施形態に係るアンテナ装置１００では、磁気コア２０に中空部２１が設けられ、また、磁気シールド３０にも、その中空部２１に連通する貫通穴３１が設けられることが、大きな特徴事項と言える。これにより、小型、軽量、高インダクタンスであり、かつ、組み立て容易なアンテナ装置１００を実現することができる。
【００７０】
４．その他変形例
【００７１】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
【００７２】
例えば、空芯コイル１０の空芯部１１、磁気コア２０の中空部２１、接着層４０の穴４１、磁気シールド３０の貫通穴３１のそれぞれの外形は、円形の他、楕円や多角形であってもよい。基本的には、空芯コイル１０、磁気コア２０、および磁気シールド３０の外形に応じて、それら空芯部１１、中空部２１、穴４１、および貫通穴３１の外形も決定される。もちろん、それら各部材の外形と、空芯部１１、中空部２１、貫通穴３１等の形状とが異なっていてもよい。
【００７３】
上記実施形態では、磁気コア２０の中空部２１は、軸方向に貫通する穴であったが、貫通しない凹部等であってもよい。磁気コア２０の中空部２１が凹部であっても、例えばプレート５１の突起部５３はその凹部に係合することができれば、上記実施形態と同様に、組み立て容易性を高めることができる。当該凹部が複数設けられ、治具の突起部もそれに合わせて複数設けられていてもよい。
【００７４】
上記実施形態に係るアンテナ装置１００は、例えば、スマートフォン、タブレットデバイス、ウェアラブルデバイス等の電子機器に搭載され得る。
【００７５】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１０…空芯コイル
１１…空芯部
２０…磁気コア
２１…中空部
３０…磁気シールド
３１…貫通穴
４０…接着層
４１…穴
５０…治具
５１…プレート
５３…突起部
１００…アンテナ装置
【図１】
2017175408.tif 000003
【図２】
2017175408.tif 000004
【図３】
2017175408.tif 000005
【図４】
2017175408.tif 000006
【図５】
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【図６】
2017175408.tif 000008