CN103858276A - 天线元件以及天线模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线元件以及天线模块。天线元件（101）以如下层叠体作为基体，该层叠体是通过对具有第1主面和第2主面的磁性体层(11)、设置于磁性体层(11)的第1主面上的第1非磁性体层(12)、以及设置于磁性体层(11)的第2主面上的第2非磁性体层(22)进行层叠而得到的，该天线元件（101）具有：天线线圈(30)，该天线线圈(30)由设置于第1非磁性体层(21)上的第1线圈图案(31)和设置于第2非磁性体层(21)上的第2线圈图案(32)构成；以及电容芯片(41)，该电容芯片(41)与该天线线圈(30)相连接，且安装于第2非磁性体层(22)一侧。由此，即使是小型的，也能够得到可通行最长距离较大、且具有稳定的天线特性的天线元件(101)。

Description

天线元件以及天线模块
技术领域
本发明涉及将对磁性体层和非磁性体层进行层叠并形成为一体后得到的层叠体作为基体的天线元件、以及将该天线元件作为基板且与RFIC芯片形成为一体的天线模块。
背景技术
作为物品的识别和管理系统，已知有读写器与RFID（Radio FrequencyIdentification：射频识别）标签以非接触方式进行通信从而在读写器与RFID标签之间进行信息传输的RFID系统。在该RFID系统中，在RFID标签和读写器之间发送接收规定的信息。
在以13.56MHz频带为代表的HF频带的RFID系统中，公知的是将线圈图案用作为辐射元件的天线元件(天线线圈)。该天线线圈如专利文献1中所揭示的那样，具有形成于柔性基材表面的平面线圈、以及粘贴于柔性基材背面的磁性体片材。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2010-263486号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，对于专利文献1所示的天线线圈，若为了增大通信距离而增大线圈直径，则天线尺寸也会变大，并且在不同的情况下会导致沿着线圈图案的中心轴产生无效点(null point)。另外，因为该天线线圈需要将磁性体片材粘贴到柔性基材上，所以在粘贴时，在柔性基材和磁性体片材之间有可能会出现微小的间隙。由此，会导致天线线圈的天线特性发生变化。而且，该天线线圈的结构仅仅是将作为单独构件的柔性基材和磁性体片材进行粘贴，基材、片材的材料有时会使天线线圈发生翘曲或弯曲。
本发明是鉴于上述情况而设计的，其目的在于提供一种天线元件以及天线模块，即使是小型的天线元件以及天线模块，也能够具有较大的通信距离和优异的天线特性，并且形状较为稳定。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的天线元件包括层叠体，该层叠体通过对具有第1主面和第2主面的磁性体层、设置于所述磁性体层的第1主面上的第1非磁性体层、以及设置于所述磁性体层的第2主面上的第2非磁性体层进行层叠并形成为一体而得到，在所述第1非磁性体层上设有天线线圈，该天线线圈包括在所述层叠体的层叠方向上层叠多个线圈图案而得到的第1线圈图案。
另外，本发明的天线模块具有：层叠体，该层叠体通过对具有第1主面和第2主面的磁性体层、设置于所述磁性体层的第1主面上的第1非磁性体层、以及设置于所述磁性体层的第2主面上的第2非磁性体层进行层叠并形成为一体而得到；天线线圈，该天线线圈包括设置在所述第1非磁性体层上且通过在所述层叠体的层叠方向上层叠多个线圈图案而得到的第1线圈图案；以及RFIC芯片，该RFIC芯片与所述天线线圈相连接，且安装于所述第2非磁性体层一侧。
发明效果
根据本发明，能够得到即使小型也具有较长的可通信最长距离、优异的天线特性、且形状较为稳定的天线元件及天线模块。
附图说明
图1(A)是第1实施方式的天线模块201的简要剖视图，图1(B)是其简要俯视图。
图2是用于说明第1实施方式的天线模块201中的磁场分布的图。
图3是第1实施方式的天线模块201的等效电路图。
图4是第2实施方式的天线模块202的简要剖视图。
图5是用于说明第2实施方式的天线模块202中的磁场分布的图。
图6(A)是第3实施方式的天线模块203的简要剖视图，图6(B)是其简要仰视图。
具体实施方式
下面，基于各个实施方式，对本发明的天线元件以及天线模块进行说明。
<第1实施方式>
第1实施方式的天线元件是利用了13.56MHz频带的HF频带RFID系统中RFID标签一侧的天线元件，本实施方式的天线模块是应用于该RFID系统中的RFID标签。
图1（A）是第1实施方式所涉及的天线模块201的结构的简要剖视图、图1（B）是其简要俯视图。
如图1所示，天线元件101将如下的层叠体作为基体，该层叠体通过对具有第1主面(图中的上表面)和第2主面(图中的下表面)的磁性体层11、设置于该磁性体层11的第1主面上的第1非磁性体层21、以及设置于该磁性体层11的第2主面上的第2非磁性体层22进行层叠并形成为一体后得到。即，天线元件101的基体具有以磁性体层11作为芯层，且在该磁性体11的第1主面和第2主面分别层叠厚度相同的第1非磁性体层21和第2非磁性体层22，由此得到层叠结构。
再者，关于“层叠并形成为一体”，若各层为例如陶瓷层，则是指同时对这些陶瓷层进行烧制(Co-Fire)来得到，若各层为树脂层，则是指对这些树脂层一并进行层叠和压接。尤其优选不通过粘接剂来将这些层形成为一体，使得在磁性体层和非磁性体层之间不具有明确的边界(在磁性体层和非磁性体层的边界面上，各层的结构材料有一部分互相扩散的状态)。由此，因为对磁性体层11和非磁性体层21、22进行层叠并形成为一体，且在磁性体层11的两个主面上设置非磁性体层21、22，因此，即使磁性体层11和非磁性体层21、22的材料(尤其是热膨胀系数)不同，在各层的界面上很难产生间隙，且很难发生翘曲和膨胀。因而，其特性很难发生变化，能够得到形状较为稳定的天线元件101。
优选磁性体层11、第1非磁性体层21和第2非磁性体层22分别由低温烧结陶瓷材料构成，且通过同时烧制来进行层叠并形成为一体。优选用低温烧结型的磁性铁氧体陶瓷材料来构成磁性体层11，由低温烧结型的非磁性铁氧体陶瓷材料来构成非磁性体层21、22。由此，若用实际上具有相同结晶结构(尖晶石型结构)的陶瓷材料来构成磁性体层11和非磁性体层21、22，则能够抑制在各层的界面上产生裂纹或脱层。非磁性体层21、22是导磁率远小于磁性体层11的材料即可，相对导磁率并不一定要为1。优选磁性体层11的相对导磁率为100以上，优选非磁性体层21、22的相对导磁率在1～10的范围内。
上述层叠体之中，在第1非磁性体层21上设置有第1线圈图案31，该第1线圈图案31通过层叠多个线圈图案而得到。即，第1非磁性体层21通过层叠多层设置有线圈图案的非磁性层并形成为一体而得到。由于第1线圈图案31是通过层叠多层线圈图案并形成为一体而得到的层叠型的线圈图案，因此，在其轴向上磁场分布较大，能够增大该方向上的可通信距离。
在上述层叠体之中，在第2非磁性体层22上也设置有第2线圈图案32，该第2线圈图案32通过层叠多层线圈图案而得到，第2非磁性体层22也是通过层叠多层设置有线圈图案的非磁性层并形成为一体而得到。第1线圈图案31和第2线圈图案32是串联连接，因此，天线线圈由第1线圈图案31和第2线圈图案32来构成。由于这些线圈图案分别具有沿着磁性体层11和非磁性体层21、22的层叠方向的线圈轴，也就是说，天线线圈具有与磁性体层11的主面几乎平行的线圈开口，因此，能够进一步增大各个线圈图案的轴向上的通信距离。
由于这些线圈图案在高频频带中的导体损耗较小，因此，优选以银或铜为主要成分的相对电阻较小的金属材料来构成这些线圈图案。若用低温烧结陶瓷材料来构成各个层，且将以银或铜为主要成分的导电性糊剂印刷到低温烧结陶瓷生片上来构成线圈图案，则能够利用导体电阻较小的线圈图案来构成Q值较高的天线线圈。
第1线圈图案31和第2线圈图案32通过设置于磁性体层11中的过孔导体进行连接。利用第1线圈图案31、第2线圈图案32和过孔导体33来构成天线线圈30。由此，由于将连接线圈图案31、32的过孔导体33设置于磁性体层中，因此，该过孔导体本身起到电感元件的作用，有助于提高天线线圈30的电感值。因而，即使是小型的，也能够构成Q值较高的天线线圈。
另外，将构成第1线圈图案31的多个线圈图案之中的一个线圈图案设置在磁性体层11和第1非磁性体层21的界面上。同样地，将构成第2线圈图案32的多个线圈图案之中的一个线圈图案也设置在磁性体层11和第2非磁性体层22的界面上。因此，由各个线圈图案所产生的磁场如图2中的虚线所示，产生了在厚度方向上通过磁性体层而形成的磁场、以及沿着磁性体层和非磁性体层的界面而形成的磁场。若磁场这样分布，则很难生成沿着线圈图案的卷绕轴的无效点。另外，因为以相对于磁性体层11对称的方式来配置第1线圈图案31和第2线圈图案32，因此，如图2所示，第1主面方向(上侧方向)的磁场分布和第2主面方向(下侧方向)的磁场分布也几乎对称。
在上述层叠体之中，在第2非磁性体层22的表面(图中的下侧)上安装有电容芯片41和RFIC芯片42。即，在第2非磁性体层22的表面上设置有用于安装各个芯片器件的表面电极，各个芯片器件通过焊锡等导电性接合构件51被安装到该表面电极上。这些芯片器件被环氧树脂等密封树脂层60所覆盖。由此，由于具备与天线线圈30相连接的RFIC芯片42，从而构成作为RFID标签起作用的天线模块201。
如图3所示，天线模块201的RFIC芯片42具有2个输入输出端子P1和P2。这些输入输出端子构成平衡端子。在端子P1、P2和天线元件101之间，插入由电感元件L1、L2和电容元件C1所构成的滤波电路43。该滤波电路43是为了抑制由RFIC芯片42所产生的高频成分而设置的。
在本实施方式中，构成滤波电路43的电感元件L1、L2、电容元件C1与RFIC芯片42、电容芯片41相同，都构成为芯片器件，且安装在第2非磁性体层22的表面。
由此，根据本实施方式，即使为小型，也能够得到尤其是层叠方向上的可通信最长距离较大、且很难产生无效点、具有稳定的高频特性的天线元件。尤其因为作为基底的基体具有将磁性体层夹入非磁性体层之间的层叠结构，因此，形状尤为稳定。
<第2实施方式>
图4是表示第2实施方式所涉及的天线模块202的结构的简要剖视图。
第2实施方式的天线元件102以及天线模块202基本上与第1实施方式的天线元件101以及天线模块201相同，但是如图4所示，第1非磁性体层21的厚度比第2非磁性体层22的厚度更厚，构成设置于第1非磁性体层21上的第1线圈图案31的线圈图案的层叠数量大于构成设置于第2非磁性体层22上的第2线圈图案32的线圈图案的层叠数量。即，第1线圈图案31和第2线圈图案32相对于磁性体层为非对称。第1线圈图案31、第2线圈图案32中都不包括设置于磁性体层和非磁性体层的界面上的线圈图案。
因此，如图5所示，由该天线模块202所形成的磁场方向在磁性体层和非磁性体层的界面上发生变化，磁力线沿着磁性体层和非磁性体层的界面而通过。其上侧方向上的磁场分布变得大于下侧方向上的磁场分布。即，能够使上侧方向上的可通信最长距离大于下侧方向上的可通行最长距离，能够使天线元件具有指向性。
<第3实施方式>
图6是表示第3实施方式所涉及的天线模块203的结构的简要剖视图。
第3实施方式的天线元件103和天线模块203基本上与第1实施方式的天线元件101和天线模块201相同，但是如图6所示，在第2非磁性体层22上未设置第2线圈图案。取而代之的是，在第2非磁性体层22的表面上设置表层图案34，该表层图案34用于将第1线圈图案31连接至RFIC芯片42和电容芯片41。该表层图案34的第1端连接至第1线圈图案31的第1端，该表层图案34的第2端连接至电容芯片41的第1端。电容芯片41的第2端连接至第1线圈图案31的第2端。从层叠方向进行观察时(俯视时)，对表层图案34进行布图以使其与第1线圈图案31相重叠。因此，可将表层图案34视为第2线圈图案。关于构成滤波电路的电感芯片和电容芯片，在图中省略。
在第3实施方式中，第1线圈图案31和RFIC芯片42通过设置于磁性体层11中的过孔导体33进行连接。即，除了将该过孔导体33本身作为电感元件起作用而有助于增大天线线圈的电感值以外，该过孔导体33还构成为滤波电路的电感元件的一部分。
＜其他实施方式＞
上面，基于具体的几个实施方式来说明了本发明，但是本发明并不限于上述实施方式。
例如本发明的天线元件并不仅限于RFID标签的天线元件，也可以是应用于例如读写器的天线元件，也不仅限于RFID系统用的天线元件，也可以是以NFC(Near Field Communication：近场通信)系统为首的应用于LF频带或HF频带或UHF频带等的其他通信系统用的天线元件。
第1线圈图案和第2线圈图案可以串联连接，也可以并联连接。若为并联连接，则直流电阻(DCR)下降，天线线圈的Q值提高。这些线圈图案的一部分可以设置于磁性体层。除了这些线圈图案，还可以包括其他的天线图案。
虽然优选将用于构成天线元件的电容芯片、或用于构成滤波电路的电容芯片安装在第2非磁性体层一侧的表面上，但是也可以作为电容图案而组装到第2非磁性体层的内侧。用于构成滤波电路的各个电感元件可以作为电感芯片而分别安装到第2非磁性体层一侧的表面，但是也可以作为线圈图案而内置于磁性体层。尤其在内置于磁性体层的情况下，隔着磁性体的线圈图案的磁场耦合变强，线圈的自感变大，能够对其尺寸实现小型化。
另外，过孔导体作为层间连接导体起作用，除了将导电性材料填充到过孔导体用孔中而得到的一类过孔导体以外，也可以是对贯通孔的内侧周围进行镀膜而得到的一类过孔导体(通孔导体)。
工业上的实用性
本发明的天线元件及天线模块适用于RFID系统用的天线元件及天线模块，尤其适用于HF频带RFID系统用的天线元件及天线模块。
标号说明
11 磁性体层
21 第1非磁性体层
22 第2非磁性体层
30 天线线圈
31 第1线圈图案
32 第2线圈图案
33 过孔导体
34 表层图案
41 电容芯片
42 RFID芯片
43 滤波电路
51 导电性接合构件
60 密封树脂层
101～103 天线元件
201～203 天线模块

Claims (7)

1.一种天线元件，其特征在于，
包括层叠体，该层叠体通过对具有第1主面和第2主面的磁性体层、设置于所述磁性体层的第1主面上的第1非磁性体层、以及设置于所述磁性体层的第2主面上的第2非磁性体层进行层叠并形成为一体而得到，
在所述第1非磁性体层上设有天线线圈，该天线线圈包括在所述层叠体的层叠方向上层叠多个线圈图案而得到的第1线圈图案。
2.如权利要求1所述的天线元件，其特征在于，
所述天线线圈在所述第2非磁性体层上具有第2线圈图案。
3.如权利要求1或2所述的天线元件，其特征在于，
所述第1线圈图案和所述第2线圈图案相对于所述磁性体层为非对称。
4.如权利要求1至3中任一项中所述的天线元件，其特征在于，
包括电容器，该电容器与所述天线线圈相连接，且设置于所述第2非磁性体层的表面或内层。
5.如权利要求1至4中任一项中所述的天线元件，其特征在于，
所述磁性体层、所述第1非磁性体层以及所述第2非磁性体层分别由低温烧结陶瓷材料构成，且通过同时烧制来进行层叠并形成为一体。
6.一种天线模块，其特征在于，具有：
层叠体，该层叠体通过对具有第1主面和第2主面的磁性体层、设置于所述磁性体层的第1主面上的第1非磁性体层、以及设置于所述磁性体层的第2主面上的第2非磁性体层进行层叠并形成为一体而得到；
天线线圈，该天线线圈设置在所述第1非磁性体层上，包括在所述层叠体的层叠方向上层叠多个线圈图案而得到的第1线圈图案；以及
RFIC芯片，该RFIC芯片与所述天线线圈相连接，且安装于所述第2非磁性体层一侧。
7.如权利要求6所述的天线模块，其特征在于，
所述第1线圈图案和所述RFIC芯片通过设置于所述磁性体层中的过孔导体来连接。
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