特開 2024-135657 アンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024135657

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】アンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 1/38 20060101AFI20240927BHJP

   H01P 5/18 20060101ALI20240927BHJP

   H01Q 19/10 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H01Q1/38

H01P5/18 F

H01Q19/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023046450

(22)【出願日】2023-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】水野 健太朗

(72)【発明者】

【氏名】嶋田 英人

(72)【発明者】

【氏名】林 宏明

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 淳一

【テーマコード（参考）】

5J020

5J046

【Ｆターム（参考）】

5J020AA03

5J020BA06

5J020BC08

5J020BC09

5J020BC10

5J020BC13

5J046AB06

5J046AB07

5J046AB11

5J046AB13

(57)【要約】

【課題】電気的に絶縁した状態で回路基板間において安定した通信を実現可能なアンテナ装置を提案する。
【解決手段】アンテナ装置は、第１回路基板と、第１回路基板に対向するように配置されている第２回路基板と、第１回路基板の主面のうち第２回路基板に対向する側の主面上に設けられている送信アンテナと、第１回路基板の主面のうち送信アンテナが設けられた主面とは反対側の主面上に設けられている反射板と、第２回路基板の主面のうち第１回路基板に対向する側の主面上に設けられている受信アンテナと、を備えている。送信アンテナと受信アンテナは、第１回路基板と第２回路基板の間で対向するように配置されている。送信アンテナと受信アンテナの間の距離は、送信アンテナから放射される電波の波長の１／４以下である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１回路基板と、
前記第１回路基板に対向するように配置されている第２回路基板と、
前記第１回路基板の主面のうち前記第２回路基板に対向する側の主面上に設けられている送信アンテナと、
前記第１回路基板の主面のうち前記送信アンテナが設けられた主面とは反対側の主面上に設けられている反射板であって、前記送信アンテナに対向するように配置されている、反射板と、
前記第２回路基板の主面のうち前記第１回路基板に対向する側の主面上に設けられている受信アンテナと、を備えており、
前記送信アンテナと前記受信アンテナは、前記第１回路基板と前記第２回路基板の間で対向するように配置されており、
前記送信アンテナと前記受信アンテナの間の距離は、前記送信アンテナから放射される電波の波長の１／４以下である、アンテナ装置。

【請求項2】

前記第２回路基板の主面のうち前記受信アンテナが設けられた主面とは反対側の主面上に設けられている遮蔽板であって、前記受信アンテナに対向するように配置されている、遮蔽板、をさらに備えている、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項3】

前記第１回路基板と前記第２回路基板を収容する筐体、をさらに備えている、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項4】

前記送信アンテナは、相互に離れて配置されている複数の送信アンテナユニットを有しており、
前記受信アンテナは、相互に離れて配置されている複数の受信アンテナユニットを有しており、
前記複数の送信アンテナユニットと前記複数の受信アンテナユニットは、対応する前記送信アンテナユニットと前記受信アンテナユニットの組み合わせが前記第１回路基板と前記第２回路基板の間で対向するように配置されている、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項5】

前記第１回路基板に設けられている第１ＧＮＤ板であって、前記複数の送信アンテナユニットの各々の間に配置されている、第１ＧＮＤ板と、
前記第２回路基板に設けられている第２ＧＮＤ板であって、前記複数の受信アンテナユニットの各々の間に配置されている、第２ＧＮＤ板と、をさらに備えている、請求項４に記載のアンテナ装置。

【請求項6】

前記送信アンテナは、モノポール型、スパイラル型、ループ型、パッチ型又はダイポール型のアンテナである、請求項１～５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、アンテナ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、回路基板上にアンテナが設けられたアンテナ装置の一例が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－２３５１９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電気的に絶縁した状態で回路基板間において通信したいことがある。このような場合には、一般的に絶縁トランス、フォトカプラ等の絶縁素子が利用される。本発明者らは、絶縁素子に代えてアンテナの利用を検討した。本明細書は、電気的に絶縁した状態で回路基板間において安定した通信を実現可能なアンテナ装置を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示するアンテナ装置の一実施形態は、第１回路基板と、前記第１回路基板に対向するように配置されている第２回路基板と、前記第１回路基板の主面のうち前記第２回路基板に対向する側の主面上に設けられている送信アンテナと、前記第１回路基板の主面のうち前記送信アンテナが設けられた主面とは反対側の主面上に設けられている反射板であって、前記送信アンテナに対向するように配置されている、反射板と、前記第２回路基板の主面のうち前記第１回路基板に対向する側の主面上に設けられている受信アンテナと、を備えていてもよい。前記送信アンテナと前記受信アンテナは、前記第１回路基板と前記第２回路基板の間で対向するように配置されていてもよい。前記送信アンテナと前記受信アンテナの間の距離は、前記送信アンテナから放射される電波の波長の１／４以下であってもよい。

【0006】

上記アンテナ装置によると、前記送信アンテナと前記受信アンテナの間の領域は、準静電界が支配的な概ね近傍界の領域となる。近傍界における近距離通信では、波動の干渉が抑えられる。このため、前記送信アンテナと前記受信アンテナは、特に周囲の他の通信アンテナの影響が抑制されて安定した通信が可能である。さらに、前記反射板が設けられていることにより、前記送信アンテナの容量成分の増量効果によって共振周波数が小さくなり、前記送信アンテナを小型にすることができる。また、前記反射板が設けられていることにより、前記送信アンテナから放射する電磁界の一部が前記反射板によって遮蔽されるため、周辺の他のアンテナや回路に対する電磁界結合による影響を低減することができる。これらの結果、上記アンテナ装置は、電気的に絶縁した状態で前記第１回路基板と前記第２回路基板の間において安定した通信、アンテナの小型化及び周辺回路への電磁界影響抑止を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】アンテナ装置の一実施形態の断面図を模式的に示す図である。

【図2】図１のアンテナ装置が備える第１回路基板の平面図であって、第１回路基板の主面のうち送信アンテナが設けられている主面を平面とする平面図である。

【図3】アンテナ装置の他の一実施形態の断面図を模式的に示す図である。

【図4】図３のアンテナ装置が備える第１回路基板の平面図であって、第１回路基板の主面のうち送信アンテナが設けられている主面を平面とする平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１に示されるように、アンテナ装置１は、金属製の筐体３０内に収容された第１回路基板１０及び第２回路基板２０を備えている。このようなアンテナ装置１は、特に限定されるものではないが、例えば電力や電圧を変換する回路システムに用いられてもよい。

【0009】

第１回路基板１０及び第２回路基板２０の各々は、平板状の形態を有しており、任意の材質の基板で構成され得る。第１回路基板１０及び第２回路基板２０の各々は、特に限定されるものではないが、例えばガラス繊維とエポキシ樹脂の複合材料で構成された回路基板（即ち、ＦＲ-４）であってもよい。第１回路基板１０及び第２回路基板２０の各々の厚みは、任意の厚みに設定することができる。第１回路基板１０及び第２回路基板２０の各々の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば０．８ｍｍであってもよい。第１回路基板１０と第２回路基板２０は、筐体３０内で平行に並んでおり、相互に対向するように配置されている。詳細は後述するが、第１回路基板１０と第２回路基板２０は、例えば数ｍｍ～数１０ｍｍの間隔を置いて相互に対向するように配置されていてもよい。第１回路基板１０と第２回路基板２０の間は空気層である。第１回路基板１０及び第２回路基板２０の各々には各種の電子回路（図示省略）が搭載されており、第１回路基板１０に搭載される電子回路と第２回路基板２０に搭載される電子回路は異なる動作電圧で動くように構成されている。このため、第１回路基板１０の電子回路と第２回路基板２０の電子回路の間において安全に通信を行うために、アンテナ装置１が設けられている。

【0010】

図１及び図２に示されるように、第１回路基板１０の主面のうち第２回路基板２０に対向する側の主面上に送信アンテナ１２が設けられている。送信アンテナ１２は、例えば印刷技術又はエッチング技術を利用して、第１回路基板１０の主面上に金属膜を成膜することで形成されている。送信アンテナ１２は、特に限定されるものではないが、例えば銅又はアルミニウムを成膜して形成されてもよい。送信アンテナ１２は、給電部１４が接続される給電点１２ａから開放端１２ｂまで伸びており、ミアンダパターンを有するモノポール型のアンテナで構成されている。このため、送信アンテナ１２の給電点１２ａ側には、鏡像効果を発揮するためのＧＮＤ板１６が設けられている。給電部１４は、送信回路（図示省略）に接続されている。なお、送信アンテナ１２は、モノポール型のアンテナに代えて、スパイラル型、ループ型、パッチ型又はダイポール型などのアンテナで構成されていてもよい。また、送信アンテナ１２は、このようなパターンアンテナに代えて、第１回路基板１０の主面上に搭載されるチップアンテナであってもよい。

【0011】

第１回路基板１０の主面のうち送信アンテナ１２が設けられた主面とは反対側の主面上に導電性の反射板１８が設けられている。反射板１８はフローティングの状態であってもよいし、ＧＮＤ板１６又は図示省略の端子（例えば、周囲にある他のアンテナや回路のＧＮＤなどの電気的な端子）に接続されていてもよい。反射板１８は、例えば印刷技術又はエッチング技術を利用して、第１回路基板１０の主面上に金属膜を成膜することで形成されている。反射板１８は、特に限定されるものではないが、例えば銅又はアルミニウムを成膜して形成されてもよい。反射板１８は、送信アンテナ１２に対向するように配置されている。より具体的には、反射板１８は、第１回路基板１０を平面視したときに、矩形状の形態を有しており、送信アンテナ１２の形成範囲の全体を含むように配置されている。

【0012】

第２回路基板２０の主面のうち第１回路基板１０に対向する側の主面上に受信アンテナ２２が設けられている。受信アンテナ２２は、第１回路基板１０に設けられている送信アンテナ１２と同一構造のアンテナであってもよい。即ち、受信アンテナ２２は、例えばミアンダパターンを有するモノポール型のアンテナで構成されており、受信アンテナ２２の給電点１２ａ側には鏡像効果を発揮するためのＧＮＤ板２６が設けられていてもよい。なお、受信アンテナ２２は、送信アンテナ１２とは異なる構造のアンテナであってもよい。第１回路基板１０の送信アンテナ１２と第２回路基板２０の受信アンテナ２２は、第１回路基板１０と第２回路基板２０の間で対向するように配置されている。受信アンテナ２２は、受信回路（図示省略）に接続されている。

【0013】

第２回路基板２０の主面のうち受信アンテナ２２が設けられた主面とは反対側の主面上に導電性の遮蔽板２８が設けられている。遮蔽板２８はフローティングの状態であってもよいし、ＧＮＤ板２６又は図示省略の端子（例えば、周囲にある他のアンテナや回路のＧＮＤなどの電気的な端子）に接続されていてもよい。遮蔽板２８は、例えば印刷技術又はエッチング技術を利用して、第２回路基板２０の主面上に金属膜を成膜することで形成されている。遮蔽板２８は、特に限定されるものではないが、例えば銅又はアルミニウムを成膜して形成されてもよい。遮蔽板２８は、受信アンテナ２２に対向するように配置されている。より具体的には、遮蔽板２８は、第２回路基板２０を平面視したときに、矩形状の形態を有しており、受信アンテナ２２の形成範囲の全体を含むように配置されている。

【0014】

第１回路基板１０の送信アンテナ１２と第２回路基板２０の受信アンテナ２２は、ＧＨｚオーダーの周波数である電波を利用して通信を行うように構成されている。上記したように、第１回路基板１０と第２回路基板２０の間の距離、即ち、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の間の距離Ｄ１は、例えば数ｍｍ～数１０ｍｍである。具体的には、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の間の距離Ｄ１は、送信アンテナ１２から放射される通信用の電波の波長（λ）の１／４以下であり、より好ましくはλ／（２π）以下である。

【0015】

送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の間の距離Ｄ１がこのような近距離に設定されていると、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の間の領域は、準静電界が支配的な概ね近傍界の領域となる。モノポール型である送信アンテナ１２は、電界を放射する放射源である。このため、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２は、送信アンテナ１２から放射される電界を利用して通信を行うことができる。

【0016】

アンテナ装置１では、送信アンテナ１２に対応して反射板１８が設けられている。このような反射板１８が設けられていると、送信アンテナ１２から反射板１８の向きに放射された電波が反射板１８を超えて放射されることが抑制される。この結果、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の間の通信において混信及び雑音成分が低減される。

【0017】

一方、送信アンテナ１２から反射板１８の向きに放射された電波は、反射板１８で位相が反転して受信アンテナ２２側に伝搬する。送信アンテナ１２からの距離が遠い遠方界では、送信アンテナ１２から直接放射される電波の位相と反射板１８で反射した電波の位相の差が約１８０度となることから、波動の干渉が発生し、電波の強度が弱くなる。しかしながら、アンテナ装置１では、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２が、準静電界が支配的な近傍界となる近距離に配置されている。このため、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の間の通信では、波動の干渉及びヌル点が発生しない。また、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の間の距離Ｄ１が短いので、送信アンテナ１２から放射される電界は受信アンテナ２２に対して指向性を有している。したがって、アンテナ装置１は、電気的に絶縁した状態で第１回路基板１０の電子回路と第２回路基板２０の電子回路の間において安定した通信を行うことができる。

【0018】

なお、送信アンテナ１２と反射板１８の間の距離、即ち、第１回路基板１０の厚みをλ／４とすることで、送信アンテナ１２から直接放射される電波の位相と反射板１８で反射した電波の位相の差が約３６０度となり、遠方界における波動の干渉は抑えられるかもしれない。しかしながら、このような構成を採用すると、第１回路基板１０の厚みが大きくなってしまう。一方、アンテナ装置１では、送信アンテナ１２と反射板１８の間の距離、即ち、第１回路基板１０の厚みをλ／４にする必要がない。第１回路基板１０の厚みをλ／４よりも薄くすることができる。このため、アンテナ装置１は、小型化に有利な構造を有している。

【0019】

また、アンテナ装置１では、反射板１８が送信アンテナ１２の形成範囲よりも大きく形成されているので、反射板１８とは反対方向に送信アンテナ１２から放射される電磁界の遠方界成分は減衰し、近傍界成分が主となる。このため、アンテナ装置１は、近距離通信に適した構造を備えている。なお、反射板１８が送信アンテナ１２の形成範囲よりも小さく形成されていても、送信アンテナ１２の容量成分の増量効果はあるため、より低い共振周波数にすることができる。また、反射板１８が送信アンテナ１２の形成範囲よりも小さく形成されていても、反射板１８がＧＮＤに接続されているので、遠方界の電磁界を抑制する効果を発揮することができる。

【0020】

また、アンテナ装置１では、受信アンテナ２２に対応して遮蔽板２８が設けられている。送信アンテナ１２から球状に放射された電波の一部は、第１回路基板１０と第２回路基板２０の間から抜けて伝搬し、筐体３０の内側面で反射することがある。筐体３０の内側面で反射した電波が受信アンテナ２２に入力すると、混信及び雑音成分の原因となってしまう。遮蔽板２８は、筐体の内側面で反射して受信アンテナ２２に向かう電波を遮蔽することができる。これにより、アンテナ装置１は、安定した通信を行うことができる。

【0021】

アンテナ装置１では、ＧＮＤ板１６，２６がアンテナ１２，２２の一方側のみに設けられている。この例に代えて、ＧＮＤ板１６，２６がアンテナ１２，２２の周囲を囲むように設けられていてもよい。送信アンテナ１２から放射された電波の一部が第１回路基板１０と第２回路基板２０の間から抜けて伝搬するのを抑えることができる。

【0022】

上記実施形態では、第１回路基板１０に１つの送信アンテナ１２が設けられており、第２回路基板２０に１つの受信アンテナ２２が設けられていた。この例に代えて、図３及び図４に示すアンテナ装置２のように、図１及び図２に示す送信アンテナ１２を１つのユニットとする複数の送信アンテナユニットが第１回路基板１０に設けられていてもよく、図１及び図２に示す受信アンテナ２２を１つのユニットとする複数の受信アンテナユニットが第２回路基板２０に設けられていてもよい。この例では、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の各々が２つのユニットで構成されているが、さらに多くのユニットを有していてもよい。

【0023】

複数の送信アンテナ１２と複数の受信アンテナ２２は、対応する送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の組み合わせが第１回路基板１０と第２回路基板２０の間で対向するように配置されている。アンテナ装置２では、対応する送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の組み合わせの間で独立して通信を行うことができる。

【0024】

また、アンテナ装置２では、第１回路基板１０に設けられている第１ＧＮＤ板１６が、複数の送信アンテナ１２の各々の周囲を囲むように設けられている。同様に、アンテナ装置２では、第２回路基板２０に設けられている第２ＧＮＤ板２６が、複数の受信アンテナ２２の各々の周囲を囲むように設けられている。

【0025】

１つの送信アンテナ１２から放射される電波は、球状に広がって伝搬する。このため、１つの送信アンテナ１２から放射される電波は、対応する受信アンテナ２２だけでなく、隣接する受信アンテナ２２に向かっても伝搬する。しかしながら、アンテナ装置２では、複数の送信アンテナ１２の各々の間に第１ＧＮＤ板１６が設けられており、複数の受信アンテナ２２の各々の間に第２ＧＮＤ板２６が設けられている。このようなＧＮＤ板１６，２６は、１つの送信アンテナ１２から非対応の（即ち、１つの送信アンテナ１２の通信相手である１つの受信アンテナ２２に隣接する）受信アンテナ２２に向けて伝搬する電波（電磁界）を吸収する機能を有する。これにより、アンテナ装置２では、混信及び雑音成分を低減することができるので、対応する送信アンテナ１２と受信アンテナ２２の組み合わせの間において安定した通信を行うことができる。

【0026】

なお、上記例では、複数の送信アンテナ１２と同一面内に第１ＧＮＤ板１６が設けられていた。非対応の受信アンテナ２２に向かう（電磁界）を吸収するための第１ＧＮＤ板１６、即ち、隣り合う送信アンテナ１２の間に位置する第１ＧＮＤ板１６の部分は、複数の送信アンテナ１２とは異なる面に設けられていてもよい。例えば、隣り合う送信アンテナ１２の間に位置する第１ＧＮＤ板１６の部分は、第１回路基板１０内に埋設されていてもよく、複数の送信アンテナ１２が設けられている主面とは反対側の主面に設けられていてもよい。このような場合も、上記と同様に、非対応の受信アンテナ２２に向かう（電磁界）を吸収する機能を発揮することができる。第２ＧＮＤ板２６も同様であり、隣り合う受信アンテナ２２の間に位置する第２ＧＮＤ板２６の部分は、複数の受信アンテナ２２とは異なる面に設けられていてもよい。

【0027】

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

【0028】

（特徴１）
第１回路基板と、
前記第１回路基板に対向するように配置されている第２回路基板と、
前記第１回路基板の主面のうち前記第２回路基板に対向する側の主面上に設けられている送信アンテナと、
前記第１回路基板の主面のうち前記送信アンテナが設けられた主面とは反対側の主面上に設けられている反射板であって、前記送信アンテナに対向するように配置されている、反射板と、
前記第２回路基板の主面のうち前記第１回路基板に対向する側の主面上に設けられている受信アンテナと、を備えており、
前記送信アンテナと前記受信アンテナは、前記第１回路基板と前記第２回路基板の間で対向するように配置されており、
前記送信アンテナと前記受信アンテナの間の距離は、前記送信アンテナから放射される電波の波長の１／４以下である、アンテナ装置。

【0029】

（特徴２）
前記第２回路基板の主面のうち前記受信アンテナが設けられた主面とは反対側の主面上に設けられている遮蔽板であって、前記受信アンテナに対向するように配置されている、遮蔽板、をさらに備えている、特徴１に記載のアンテナ装置。

【0030】

（特徴３）
前記第１回路基板と前記第２回路基板を収容する筐体、をさらに備えている、特徴１又は２に記載のアンテナ装置。

【0031】

（特徴４）
前記送信アンテナは、相互に離れて配置されている複数の送信アンテナユニットを有しており、
前記受信アンテナは、相互に離れて配置されている複数の受信アンテナユニットを有しており、
前記複数の送信アンテナユニットと前記複数の受信アンテナユニットは、対応する前記送信アンテナユニットと前記受信アンテナユニットの組み合わせが前記第１回路基板と前記第２回路基板の間で対向するように配置されている、特徴１～３のいずれか１つに記載のアンテナ装置。

【0032】

（特徴５）
前記第１回路基板に設けられている第１ＧＮＤ板であって、前記複数の送信アンテナユニットの各々の間に配置されている、第１ＧＮＤ板と、
前記第２回路基板に設けられている第２ＧＮＤ板であって、前記複数の受信アンテナユニットの各々の間に配置されている、第２ＧＮＤ板と、をさらに備えている、特徴４に記載のアンテナ装置。

【0033】

（特徴６）
前記送信アンテナは、モノポール型、スパイラル型、ループ型、パッチ型又はダイポール型のアンテナである、特徴１～５のいずれか１つに記載のアンテナ装置。

【0034】

（特徴７）
前記反射板が導電性である、特徴１に記載のアンテナ装置。

【0035】

（特徴８）
前記反射板が、フローティングである、又は、グランドに接続されている、特徴７に記載のアンテナ装置。

【0036】

（特徴９）
前記遮蔽板が導電性である、特徴２に記載のアンテナ装置。

【0037】

（特徴１０）
前記遮蔽板が、フローティングである、又は、グランドに接続されている、特徴９に記載のアンテナ装置。

【0038】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0039】

１，２：アンテナ装置、 １０：第１回路基板、 １２：送信アンテナ、 １６：第１ＧＮＤ板、 １８：反射板、 ２０：第２回路基板、 ２２：受信アンテナ、 ２６：第２ＧＮＤ板、 ２８：遮蔽板、 ３０：筐体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】