CN101404354B - 用于无触点通信装置的天线基板和无触点通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于无触点通信装置的天线基板和无触点通信装置，其中，用于无触点通信装置的天线基板包括支撑基板和设置在支撑基板上或内部的天线线圈。天线线圈具有第一开口和辅助线圈。辅助线圈具有开口面积比第一开口小的第二开口。辅助线圈与天线线圈绝缘并隔离，且经排列以便当从与支撑基板的表面垂直的方向观察时，第二开口与第一开口的一部分相对。

Description

用于无触点通信装置的天线基板和无触点通信装置

相关申请的交叉参考

本申请要求于2007年10月3日向日本专利局提交的日本专利申请号2007-260154的优选权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种设置有彼此绝缘并隔离的两个线圈的用于无触点通信(non-contact communication，也称非接触通信)装置的天线基板。

背景技术

在感应器耦合型的短程无线通信中，通过使两个天线线圈彼此靠近以在这些两个天线线圈之间建立磁耦合来执行无触点通信。然而，当在这些天线线圈中的任一个的背面上排列金属物时，由于这两个天线线圈彼此更加靠近，所以金属物变得更加靠近另一个天线线圈。因此，由于在金属物的表面上产生了涡电流，所以会逐渐降低另一个天线线圈的有效天线电感。不管这两个天线线圈是否彼此靠近，都会使通信特性明显劣化，或者无触点通信装置可能无法通信。

因此，通常已采取在金属物与天线线圈的背面之间设置厚磁片以减少金属物中所产生的涡电流的措施(例如，参见日本未审查专利申请公开2006-285709)。

发明内容

然而，磁片通常很昂贵，从而引起设备的成本增加。另外，厚磁片的插入导致设备总厚度的增加。

需要体重一种能够在不使用任何磁片的情况下通过抑制由于天线间的距离带来的天线特性波动以能够在紧密排列天线线圈之间进行稳定的无触点通信的用于无触点通信装置的天线基板和无触点通信装置。

根据本发明的一个实施例，存在包括支撑基板和天线线圈的用于无触点通信装置的天线基板。天线线圈被设置在支撑基板上或内部并且具有第一开口和开口面积比第一开口小的的辅助线圈。辅助线圈与天线线圈绝缘并隔离，并且经排列以便当从与支撑基板的表面垂直的方向观察时，第二开口与第一开口的一部分相对。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种包括天线基板和驱动电路的无触点通信装置。天线基板包括支撑基板和天线线圈。天线线圈被设置在支撑基板上或内部并且具有第一开口和开口面积比第一开口小的辅助线圈。辅助线圈与天线线圈绝缘并且隔离，并且经排列以便当从与支撑基板的表面垂直的方向观察时，第二开口与第一开口的一部分相对。驱动电路向天线线圈施加预定信号。

在根据本发明实施例的用于无触点通信装置的天线基板和无触点通信装置中，具有开口面积比天线线圈的开口小的开口的辅助线圈与天线线圈绝缘并隔离，并且经排列以便当从与支撑基板的表面垂直的方向观察时，第二开口与第一开口的一部分相对。因此，当将预定信号施加给天线线圈时，能够减少从天线线圈产生的流到辅助线圈的第二开口中的磁场的总量。这样能够减少天线线圈与辅助线圈之间的磁耦合，从而可以抑制天线线圈与第三线圈之间的可通信距离的缩短。通过适当调整天线线圈的谐振频率和辅助线圈的谐振频率，例如，当在支撑基板的背面上排列金属物并将天线线圈紧密排列在支撑基板的表面上，同时将电信号和传输信号施加给天线线圈时，通过增加由于辅助线圈的影响带来的第三天线线圈的有效自感，可以抵消由于金属物的影响带来的第三天线线圈的有效自感的减少量。

因此，在根据本发明实施例的用于无触点通信装置的天线基板和无触点通信装置中，具有开口面积比天线线圈的开口小的开口的辅助线圈与天线线圈绝缘并隔离，并且经排列以便当从与支撑基板的表面垂直的方向观察时，第二开口与第一开口的一部分相对。因此，通过适当调整天线线圈和辅助线圈的各个谐振频率，可以在不使用任何磁片的情况下抑制由于天线之间的距离带来的天线特性的波动。因此，可以执行和紧密排列的天线线圈的稳定的无触点通信。

本发明的以上发明内容并非用于描述本发明的每个所示的实施例或每一实施方式。以下附图和实施方式将更具体地示出这些实施例。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施例的无触点通信装置的表面配置的平面图；

图2A和图2B是示出了图1的无触点通信装置的横截面配置的示图；

图3是用于阐述当向图1中的天线线圈提供电源和传输信号时产生的磁场的概念图解；

图4是图1中的无触点通信装置和相对卡的透视图；

图5A和图5B分别是图1中的无触点通信装置和相对卡的电路图及其等效电路图；

图6是根据实施例的无触点通信装置相对于天线间距离的有效自感的特征图；

图7是实施例中的无触点通信装置和相对卡相对于天线间的距离的有效自感的特征图；以及

图8是实施例中的相对卡相对于天线间的距离的有效自感的特征图。

具体实施方式

以下，将参考附图详细描述本发明的实施例。

现将描述根据本发明实施例的无触点通信装置1。图1示出了本实施例的无触点通信装置1的上表面配置。图2A示出了从附加箭头的方向观察到的沿图1中的线A-A得到的无触点通信装置1的横截面配置。图2B示出了从附加箭头的方向观察到的沿图1中的线B-B到的的无触点通信装置1的横截面配置。

无触点通信装置1包括形成在天线基板10(用于无触点通信装置的天线基板)上的集成电路(IC)芯片20和天线基板10上的电容元件30。其实例包括与卡型天线设备一起使用的读出器/写入器。

天线基板10包括在支撑基板11上或在支撑基板11内部的天线线圈12和辅助线圈13。尽管图1示出了其中在支撑基板11的一个表面上排列天线线圈12并且在支撑基板11的另一个表面上排列辅助线圈13的实例，但是这两个线圈可以彼此绝缘并隔离并排列在支撑基板的同一个表面上。

支撑基板11由聚酯、玻璃纸、PET、聚酰亚胺等构成的柔软薄膜、玻璃环氧树脂等构成的电子基板、或诸如纸的绝缘材料形成。支撑基板11支撑天线线圈12和辅助线圈13，并且且天线线圈12和辅助线圈13彼此物理上隔离并电绝缘。

例如，天线线圈12是通过将诸如铜或铝的金属材料制成的线卷绕预定数目的圈形成的平面线圈。在经卷绕的线内形成开口12A。将构成天线线圈12的线的两端连接到IC芯片20，从这两端将电源和传输信号提供给天线线圈12。

例如，辅助线圈13是具有约10nH～100μH的感应器，更特定地，通过将诸如铜或铝的金属材料制成的线卷绕预定数目的圈形成的平面线圈。在经卷绕的线内形成开口13A。与天线12无关地提供辅助线圈13，且辅助线圈13与天线线圈12绝缘并隔离。

将构成辅助线圈13的线的两端连接到电容元件30。辅助线圈13和电容元件30构成谐振器。将电容元件30无需始终连接至辅助线圈13。可以使用构成辅助线圈13的线所产生的寄生电容来替代电容元件30。辅助线圈13的卷绕方向可以与天线线圈12的卷绕方向一致或相反。

辅助线圈13经排列以便当从与支撑基板11的表面垂直的方向观察时，开口13A与开口12A的一部分相对。优选地，开口12A与开口13A彼此相对的区域(相对区域14)的面积与开口13A的开口面积的比大体上为50％。如此的原因如下。即，如图3所示，例如，在开口12A与天线线圈12的外部之间，当将电源和传输信号提供给天线线圈12时，从天线线圈12产生的载波(交变磁场)处于相反方向。在交变磁场中，通过开口12A的交变磁场和通过天线线圈12外部的交变磁场与通过辅助线圈13的开口13A的交变磁场的量大体上相同。在减少天线线圈12与辅助线圈13之间的磁耦合方面，这是最有效的配置。因此，提供辅助线圈13抑制了天线线圈12与稍后所述的天线线圈112之间的可通信距离的减小。

如图4中的简化形式所示，无触点通信装置1与卡型天线设备(相对卡100)通常成对使用。无触点通信装置1经排列为与通过在支撑基板100中提供天线线圈112和IC芯片113形成的相对卡100的天线线圈112相隔预定距离D。由通过从无触点通信装置1的天线线圈12产生的电磁波(交变磁场)的电磁感应来向相对卡100提供电源，并在载波上叠加经调制的数据信号以执行数据的读出/写入。在图4中，为了简单，省略了天线线圈12、辅助线圈13和天线线圈112的具体配置。

例如，在无触点通信装置1与相对卡100之间的数据传输/接收期间所用的通信频率为13.56MHz，且此通信频率中的磁场强度需要足够高以允许在与无触点通信装置1相隔预定距离D的位置处进行通信。因此，相对卡100侧的谐振频率优选地等于或约等于通该信频率。将无触点通信装置1侧的谐振频率(特定地，天线线圈12的谐振频率)预先设定为等于或约等于通信频率。

然而，相对卡100侧的谐振频率由于外部环境的影响而容易变化。在本实施例中，假定将金属物配置为紧密接触天线线圈12的背面(例如，在放置构成天线线圈12的背面上的读出器/写入器的外壳的金属的情况下)，采取措施以降低由于金属物带来的影响。

通常，在不具有辅助线圈的已知类型的非触点通信装置中，当将金属物配置为紧密接触非触点通信装置的天线线圈的背面时，由于使天线线圈12与天线线圈112彼此靠近，从而使金属物靠近天线线圈112。因此，在金属物的影响下，降低了通信频率中天线线圈112的有效自感，且天线线圈112的谐振被转移到高频侧。因此，在已知类型的无触点通信装置中，不管天线线圈12和天线线圈112是否位于彼此靠近，都可能会使通信特性显著劣化，或者无触点通信装置可能不能通信。

另一方面，在本实施例中，通过在无触点通信装置1中设置辅助线圈13，当在支撑基板10的背面上设置金属物并将天线线圈112排列为靠近支撑基板10的表面同时向天线线圈112施加电源和传输信号时，通过增加由辅助线圈13的影响带来的天线线圈112的有效自感来抵消由金属物3的影响带来的天线线圈112的有效自感的减少量。

以下是通过使用辅助线圈13通过增加由于辅助线圈13的影响带来的天线线圈112的有效自感来抵消由于金属物的影响带来的天线线圈112的有效自感的减少量的具体措施。

图5A示出了辅助线圈13、电容元件30和天线线圈112的电路。图5B示出了图5A的电路的等效电路。在图5A和5B中，L₁是天线线圈112的自感，L₂是辅助线圈13的自感，以及C₂是电容元件30的电容。当使用辅助线圈13的寄生电容来替代电容元件30时，L₂是寄生电容的自感。

从图5B看出，当从天线线圈112侧观察时，辅助线圈13、电容元件30和天线线圈112的有效电阻Z可以由以下等式(1)来表达：

$Z=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{jw}(L_2-M)+\frac{1}{\mathrm{jw}{C}_2}}+\frac{1}{\mathrm{jwM}}}+\mathrm{jW}(L_1-M)$

$=\frac{\mathrm{jwM}\{1-w^2{C}_2(L_2-M)\}}{1-w^2{C}_2{L}_2}+\mathrm{jw}(L_1-M)$

$=\mathrm{jw}(\frac{w^2{C}_2{L}_2}{1-w^2{C}_2{L}_2}+L_1)\·\·\·\left(1\right)$

从等式(1)可以看出，通过设置辅助线圈13和电容元件30带来的天线线圈112的有效电感的增加量ΔL_α对应于等式(1)的右侧的第一项，如以下等式(2)所示：

${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\α}}=\frac{w^2{M}^2{C}_2}{1-w^2{C}_2{L}_2}\·\·\·\left(2\right)$

在此情况下，增加量ΔL_α的幅度至少为正较好；然而，优选地，该幅度等于或大体上等于由于金属物的影响带来的天线线圈112的有效电感的减少量ΔL_β，如以下等式(3)所示：

${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\β}}\≈\frac{w^2{M}^2{C}_2}{1-w^2{C}_2{L}_2}\·\·\·\left(3\right)$

假设f₀为由辅助线圈13和电容元件30构成的谐振器的谐振频率，则f₀可由以下等式(4)表达：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{C_2{L}_2}}\·\·\·\left(4\right)$

随后，通过修改等式(4)，C₂L₂可以由以下等式(5)表达：

$C_2{L}_2=\frac{1}{{\left({2\mathrm{\πf}}_0\right)}^2}=\frac{1}{{w_0}^2}\·\·\·\left(5\right)$

通过将等式(5)代入等式(3)中的C₂L₂，增加量ΔL_α可以由以下等式(6)表达：

${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\α}}=\frac{w^2{M}^2{C}_2}{1-{\left(\frac{w}{w_0}\right)}^2}=\frac{w^2{M}^2{C}_2}{1-{\left(\frac{f}{f_0}\right)}^2}\·\·\·\left(6\right)$

其中，f是天线线圈12的谐振频率(通信频率)。

等式(6)示出了当谐振频率f₀小于谐振频率f时增加量ΔL_α变为负，从而未能抵消减少量ΔL_β，而当谐振频率f₀大于谐振频率f时，增加量ΔL_α变为正。因此，通过适当调整增加量ΔL_α，可以通过减少了量ΔL_α来抵消减少量ΔL_β。

因此，在本实施例的无触点通信装置中，辅助线圈13与天线线圈12绝缘并隔离，且具有开口面积比天线线圈12的开口12A小的开口13A的辅助线圈13经排列，以便当从与支撑基板11的表面垂直的方向观察时，开口13A与第一开口12A的一部分相对。因此，当将预定信号施加给天线线圈12时，能够减少从天线线圈12产生流到辅助线圈13的开口13A中的磁场的总量。这能够减少天线线圈12与辅助线圈13之间的磁耦合，从而抑制了天线线圈12与天线线圈112之间的可通信距离的减小。

在本实施例中，尤其是当相对区域14的面积(相对面积)与开口13A的开口面积的比大体上为50％时，在天线线圈12与辅助线圈13之间几乎没有或没有出现磁耦合，从而消除了天线线圈12与天线线圈112之间的可通信距离变短的可能性。

另外，在本实施例中，由辅助线圈13和电容元件30构成的谐振器的谐振频率经配置为大于天线线圈12的谐振频率。因此，例如，当在支撑基板10的背面上布置金属物并将天线线圈112排列为靠近支撑基板10的前面同时向天线线圈112施加电源和传输信号时，能够通过由于辅助线圈13的影响带来的天线线圈112的有效自感的增加量ΔL_α来抵消由于金属物的影响带来的天线线圈112的有效自感的减少量ΔL_β。

因此，本发明能够在不使用任何磁片的情况下在具有紧密排列的天线线圈112之间进行无触点通信。可选地，如果使用磁片，那么可以将磁片的厚度减少为小于常规磁片的厚度。

实例

以下将描述上述实施例的无触点通信装置1的实例。

在该实例中，将天线线圈12的电感设为约1.2μH。将相对卡100的天线线圈112的电感设为约1.2μH。因此，将天线线圈12和天线线圈112的谐振频率(通信频率)设为约13.56MHz。将辅助线圈13的电感设为约1.6μH，并将电容元件30的电容设为82pF。因此，将由辅助线圈13和电容元件30构成的谐振器的谐振频率设为约14MHz(>13.56MHz)。相对区域14的面积(相对面积)与开口13A的开口面积的比大体上为50％。

图6示出了当改变天线之间的距离D时无触点通信装置1的电感。图7示出了当改变天线之间的距离D时天线线圈12与天线线圈112之间的耦合系数。图8示出了当改变天线之间的距离D时天线线圈112的有效电感。

从图6可以看出，不管是否存在辅助线圈13，即使在改变天线之间的距离D时无触点通信装置1的电感都几乎保持不变。从图7可以看出，在设置辅助线圈13与不设置辅助线圈13之间，天线线圈12与天线线圈112之间的耦合系数几乎没有或没有改变。因此，设置辅助线圈13既不会导致耦合特性劣化，也不会减小天线线圈12与天线线圈112之间的可通信距离。

从图8可以看出，在天线之间的距离D不大于30mm的近似区域中，设置线圈13显著增加了天线线圈112的有效电感，此电感与当天线之间的距离D大于30mm时天线线圈112的有效电感没有明显区别。即，设置辅助线圈13消除了在天线之间的距离D不大于30mm的近似区域中通信特性明显劣化以及通信设备无法正常工作的可能性。

尽管本文已示出并描述了本发明的某些实施例，但是应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以进行各种修改和变化。

Claims (5)

1.一种用于无触点通信装置的天线基板，所述天线基板包括：

支撑基板；以及

天线线圈，设置在所述支撑基板上或内部，具有第一开口，

辅助线圈，所述辅助线圈具有开口面积比所述第一开口小的第二开口，

其中，所述辅助线圈与所述天线线圈绝缘并隔离，并且经排列使得当从与所述支撑基板的表面垂直的方向观察时，所述第二开口的一部分与所述第一开口的一部分相对，以及

其中，所述辅助线圈具有比所述天线线圈的谐振频率大的谐振频率。

2.根据权利要求1所述的用于无触点通信装置的天线基板，其中：

当将预定信号施加给所述天线线圈，同时在所述支撑基板的一个表面上排列金属物而在所述支撑基板的另一个表面上紧密排列第三天线线圈时，所述辅助线圈具有通过增加由所述辅助线圈的影响带来的所述第三天线线圈的有效自感来抵消由所述金属物的影响带来的所述第三天线线圈的所述有效自感的减少量的电感和电容。

3.根据权利要求1所述的用于无触点通信装置的天线基板，其中，所述第一开口和所述第二开口之间的相对面积与所述第二开口的开口面积的比为50％。

4.根据权利要求1所述的用于无触点通信装置的天线基板，其中，所述辅助线圈电连接至电容元件，并且所述辅助线圈和所述电容元件构成谐振电路。

5.一种无触点通信装置，包括：

天线基板；以及

驱动电路，

其中，所述天线基板包括：

支撑基板；

天线线圈，设置在所述支撑基板上或内部，具有第一开口，以及

辅助线圈，所述辅助线圈具有开口面积比所述第一开口小的第二开口，

其中，所述辅助线圈与所述天线线圈绝缘并隔离，并且经排列使得当从与所述支撑基板的表面垂直的方向观察时，所述第二开口的一部分与所述第一开口的一部分相对，其中，所述辅助线圈具有比所述天线线圈的谐振频率大的谐振频率，以及

其中，所述驱动电路向所述天线线圈施加预定信号。

Images