CN112018498B - 天线装置以及具备其的ic卡 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有天线线圈和耦合线圈的天线装置，能够抑制天线线圈和耦合线圈的电阻成分，并且扩大通信距离。本发明的天线装置具备：形成于基板(30)的表面(31)的天线线圈(AC)和耦合线圈(CC1)；不与天线线圈(AC)连接而形成于基板(30)的表面(32)的升压线圈(BC)；以及连接于升压线圈(BC)的谐振用电容器(RC)，升压线圈(BC)的匝数比天线线圈(AC)的匝数多。由此，能够在不增加天线线圈(AC)的匝数的情况下，扩大通信距离。此外，由于升压线圈(BC)的匝数比天线线圈(AC)的匝数多，因此能够确保足够的通信距离。

Description

天线装置以及具备其的IC卡
技术领域
本发明涉及一种天线装置以及具备其的IC卡，特别地，涉及一种具有与IC模块电磁场耦合的耦合线圈和与读卡器电磁场耦合的天线线圈的天线装置以及具备其的IC卡。
背景技术
近年来，具有IC模块的IC卡已被广泛使用。例如，在专利文献1和2中公开了一种IC卡，其具备了与IC模块电磁场耦合的耦合线圈和与读卡器电磁场耦合的天线线圈。由于专利文献1和2所公开的IC卡具备与IC模块电磁场耦合的耦合线圈，因此能够在不直接连接天线线圈和IC模块的情况下，进行向IC模块的供电和信号的发送和接收。
在此，为了扩大IC卡和读卡器的通信距离，可以使天线线圈的匝数增加。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-149536号公报
专利文献2：日本特开2008-67057号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在除了天线线圈之外还具备耦合线圈的IC卡中，由于天线线圈的电阻成分和耦合线圈的电阻成分两者都存在，因此当使天线线圈的匝数增加时，电阻成分会有进一步增大的风险。因此，在具备天线线圈和耦合线圈的IC卡中，不容易既抑制天线线圈和耦合线圈的电阻成分，又扩大通信距离。
因此，本发明的目的在于，在具有天线线圈和耦合线圈的天线装置和具备其的IC卡中，抑制天线线圈和耦合线圈的电阻成分，并且扩大通信距离。
用于解决技术问题的技术手段
根据本发明的天线装置，其特征在于，是一种具备基板和形成于基板的表面的导体图案的天线装置，导体图案包含：螺旋状或环状的天线线圈；连接于天线线圈并且直径比天线线圈小的螺旋状或环状的耦合线圈；以及不与天线线圈连接，并且至少一部分经由基板而与天线线圈重叠的螺旋状的升压线圈，进一步具备连接于升压线圈的谐振用电容器，升压线圈的匝数比天线线圈的匝数多。
根据本发明，由于设置有不与天线线圈连接而与天线线圈电磁场耦合的升压线圈，因此能够在不增加天线线圈的匝数的情况下，扩大通信距离。此外，由于升压线圈的匝数比天线线圈的匝数多，因此能够确保足够的通信距离。
在本发明中，可以为：基板为矩形，天线线圈沿基板的边形成于一个表面，升压线圈沿基板的边形成于另一个表面。由此，能够充分地确保天线线圈和升压线圈的内径区域。
在本发明中，可以为：耦合线圈设置于与天线线圈和升压线圈的内径区域重叠的位置，并且，向基板的一个短边侧偏移配置。由此，能够使天线线圈和升压线圈的内径区域重叠，并且，在向基板的一个短边侧偏移的位置配置IC模块。
在本发明中，可以为：谐振用电容器由导体图案构成，并且，向基板的另一个短边侧偏移配置。由此，能够防止耦合线圈和谐振用电容器的相互干扰。
在本发明中，可以为：导体图案还包含相对于天线线圈串联或并联连接的匹配用电容器，匹配用电容器设置于与天线线圈和升压线圈的内径区域重叠的位置，并且，向基板的一个短边侧偏移配置。由此，能够将匹配用电容器配置于耦合线圈的附近。
根据本发明的IC卡，其特征在于，具备上述的天线装置、与天线装置重叠的金属板、配置于天线装置和金属板之间的磁性薄片、以及与耦合线圈电磁场耦合的IC模块。
根据本发明，能够不受金属板阻碍，而与读卡器之间进行通信。
在本发明中，可以为：金属板具有第一开口部，IC模块配置于第一开口部，磁性薄片在与IC模块重叠的位置具有第二开口部，耦合线圈和IC模块经由第二开口部而电磁场耦合。由此，能够不受磁性薄片阻碍，而使耦合线圈和IC模块电磁场耦合。
在本发明中，可以为：耦合线圈的内径区域在俯视时整体与第二开口部重叠，耦合线圈的线圈区域在俯视时整体与第二开口部重叠。由此，能够充分地提高耦合线圈与IC模块的耦合度。
在本发明中，可以为：耦合线圈形成于基板的表面中的、与面向磁性薄片的面为相反侧的面。由此，在磁性薄片中形成第二开口部的过程中，不会对耦合线圈造成损坏。
发明的效果
如上所述，根据本发明，在具有天线线圈和耦合线圈的天线装置和具备其的IC卡中，能够抑制天线线圈和耦合线圈的电阻成分，并且扩大通信距离。
附图说明
图1是示出根据本发明的优选实施方式的IC卡1的外观的大致立体图。
图2是从背面b侧观察到的IC卡1的大致立体图。
图3是IC卡1的大致分解立体图。
图4是示出形成于基板30的一个表面31的导体图案的图案形状的大致俯视图。
图5是从一个表面31侧观察到的形成于基板30的另一个表面32的导体图案的图案形状的大致透视俯视图。
图6是示出将形成于基板30的一个表面31的导体图案和形成于基板30的另一个表面32的导体图案重叠的状态的大致透视俯视图。
图7是从背面侧观察到的IC模块50的大致立体图。
图8是用于说明耦合线圈CC1、CC2与开口部11、21的优选关系的图，其中图8的(a)是俯视图，图8的(b)是截面图，图8的(c)是根据变形例的截面图。
图9是IC卡1的等效电路图。
符号说明
1 IC卡
4 读卡器
10 金属板
11、21 开口部
20 磁性薄片
30 基板
31 基板的一个表面
32 基板的另一个表面
40 覆盖层
50 IC模块
51 模块基板
52 IC芯片
60、64 外周端
61、63、65、67～69 连接节点
62、66 内周端
71～74 连接模式
81 线圈区域
82 内径区域
a IC卡的正面
b IC卡的背面
AC 天线线圈
ANT1 主天线
ANT2 辅助天线
BC 升压线圈
C1 输入电容
CC1、CC2 耦合线圈
E 端子电极
MC 匹配用电容
P1～P4 电容器电极图案
RC 谐振用电容器
T1～T5 通孔导体
具体实施方式
在下文中，参考附图，对本发明的优选实施方式进行详细地说明。
图1是示出根据本发明的优选实施方式的IC卡1的外观的大致立体图。
如图1所示，根据本实施方式的IC卡1是以x方向为长边方向、以y方向为短边方向、以z方向为厚度方向的板状体，并且具有构成xy面的正面a和背面b。在IC卡1内置有后述的IC模块，并且IC模块的端子电极E露出于IC卡1的正面a。IC卡1可以通过使背面b面对读卡器4来进行通信。
图2是从背面b侧观察到的IC卡1的大致透视立体图，图3是IC卡1的大致分解立体图。
如图2和图3所示，根据本实施方式的IC卡1具有从正面a侧朝向背面b侧依次层叠有金属板10、磁性薄片20、基板30和覆盖层40的构造。金属板10由不锈钢或钛等的金属材料构成，其一个表面构成IC卡1的正面a。在金属板10设置有开口部11，并且在开口部11的内部配置有IC模块50。
基板30是由PET等的绝缘性树脂材料构成的薄膜，并且通过在其两面形成有导体图案来构成天线装置。对基板30的厚度没有特别限制，但是可以为20～30μm的程度。
图4是示出形成于基板30的一个表面31的导体图案的图案形状的大致俯视图。另外，图5是从一个表面31侧观察到的形成于基板30的另一个表面32的导体图案的图案形状的大致透视俯视图。此外，图6是示出将形成于基板30的一个表面31的导体图案和形成于基板30的另一个表面32的导体图案重叠的状态的大致透视俯视图。
如图4所示，设置于基板30的一个表面31的导体图案包含天线线圈AC、耦合线圈CC1、电容器电极图案P1、P3、以及连接图案71、74。天线线圈AC是具有沿矩形的基板30的边螺旋状地卷绕有例如4匝的结构的环状天线。如此，由于沿矩形的基板30的边设置有天线线圈AC，因此基板30的大部分构成天线线圈AC的内径区域。然而，天线线圈AC的匝数不是必须为多匝，也可以是由一匝构成的环状。另一方面，耦合线圈CC1是设置于天线线圈AC的内径区域的直径较小的线圈，且具有螺旋状地卷绕有例如5匝的结构。然而，耦合线圈CC1不是必须为多匝，也可以是由一匝构成的环状。
并且，天线线圈AC的内周端与耦合线圈CC1的外周端经由连接图案71而短路。在连接图案71连接有电容器电极图案P1。另外，天线线圈AC的外周端60经由贯通基板30而设置的通孔导体T1，而与设置于基板30的另一个表面32的连接节点61连接。另一方面，耦合线圈CC1的内周端62经由贯通基板30而设置的通孔导体T2，而与设置于基板30的另一个表面32的连接节点63连接。如图5所示，连接节点61和连接节点63经由连接图案72而短路。连接图案72在俯视时连接于设置于与电容器电极图案P1重叠的位置的电容器电极图案P2。
根据这一结构，天线线圈AC和耦合线圈CC1串联连接，并且在其连接部分插入有由电容器电极图案P1、P2构成的匹配用电容器MC。如此，天线线圈AC和耦合线圈CC1不具备用于进行直流连接的外部端子，而是直流方面完全闭合的电路。
如图5所示，设置于基板30的另一个表面32的导体图案包含升压线圈BC、电容器电极图案P2、P4、以及连接图案72、73。升压线圈BC具有沿矩形的基板30的边螺旋状地卷绕有例如8匝的结构。如此，由于沿基板30的边设置有升压线圈BC，因此基板30的大部分构成升压线圈BC的内径区域。并且，由于升压线圈BC和天线线圈AC以在俯视时互相重叠的方式设置，因此两者电磁场耦合。
并且，升压线圈BC的外周端64经由贯通基板30而设置的通孔导体T3，而连接于设置于基板30的一个表面31的连接节点65。另外，升压线圈BC的内周端66经由贯通基板30而设置的通孔导体T4，而连接于设置于基板30的一个表面31的连接节点67。连接节点67连接于电容器电极图案P3。在基板30的另一个表面32，在与电容器电极图案P3重叠的位置设置有电容器电极图案P4，并且由电容器电极图案P3、P4构成为谐振用电容器RC。并且，电容器电极图案P4经由连接图案73而连接于连接节点68。连接节点68经由贯通基板30而设置的通孔导体T5，而连接于设置于基板30的一个表面31的连接节点69。连接节点65和连接节点69经由连接图案74而短路。
根据这一结构，升压线圈BC和谐振用电容器RC串联连接而成。如此，升压线圈BC不具备用于进行直流连接的外部端子，而是直流方面完全闭合的电路。
此处，耦合线圈CC1配置于与金属板10的开口部11重叠的位置，以与IC模块50重叠。由于金属板10的开口部11向基板30的-x方向，即，一个短边侧偏移配置，因此耦合线圈CC1也同样地偏移地配置。由于由电容器电极图案P1、P2构成的匹配用电容器MC也配置于耦合线圈CC1的附近，因此向基板30的一个短边侧偏移配置。相对于此，由电容器电极图案P3、P4构成的谐振用电容器RC向基板30的+x方向上，即，偏移向另一个短边侧而配置。由此，当将谐振用电容器RC配置于远离耦合线圈CC1或匹配用电容器MC的位置，则能够防止两者间的相互干扰。
如图3所示，磁性薄片20配置于金属板10和基板30之间。作为磁性薄片20的材料，没有特别限定，只要是导磁率高的材料即可，但是也可以是由铁氧体或金属磁性体等构成的块体，也可以是由混合了树脂材料与铁氧体粉或金属磁性体粉的复合磁性材料构成的材料。磁性薄片20的平面尺寸略大于天线线圈AC和升压线圈BC的外形，由此，发挥作为与天线线圈AC和升压线圈BC交链的磁通的磁路的功能。由于根据本实施方式的IC卡1具备由金属材料构成的金属板10，因此将金属板10和基板30本身保持重叠时，难以进行通信，但是能够通过使磁性薄片20介于两者间来通信。
另外，在磁性薄片20中，在与耦合线圈CC1重叠的位置设置有开口部21。由此，耦合线圈CC1和IC模块50不经由磁性薄片20而直接相对。
图7是从背面侧观察到的IC模块50的大致立体图。
如图7所示，IC模块50具备模块基板51以及安装或内置于其的IC芯片52，并且在模块基板51的背面侧形成有耦合线圈CC2。在模块基板51的表面侧，形成有图1所示的端子电极E。耦合线圈CC2的内径尺寸和外径尺寸与设置于基板30的耦合线圈CC1的内径尺寸和外径尺寸大致相同，并且由此当将两者重叠时，产生电磁场耦合。由此，能够经由耦合线圈CC1、CC2而交流地连接两者，而不使用端子电极来直接连接IC模块50和天线线圈AC。
图8是用于说明耦合线圈CC1、CC2与开口部11、21的优选关系的图，其中图8的(a)是俯视图，图8的(b)是截面图，图8的(c)是根据变形例的截面图。
在图8中，符号81表示耦合线圈CC1、CC2的线圈区域，即，位于最外周匝与最内周匝之间，形成有导体图案的区域，符号82表示耦合线圈CC1、CC2的内径区域，即，最内周匝所包围的区域。并且，在图8所示的例子中，在俯视时，内径区域82和线圈区域81的整体与开口部21重叠。由此，由于可以得到在耦合线圈CC1的内径区域82和线圈区域81、以及耦合线圈CC2的内径区域82和线圈区域81之间，完全不介有磁性薄片20的构造，因此耦合线圈CC2与耦合线圈CC2之间的电磁场耦合不会被磁性薄片20阻碍。
然而，在本发明中，不是必需为线圈区域81的整体与开口部21重叠，也可以是磁性薄片20的一部分与线圈区域81重叠。即使在该情况下，为了充分地确保耦合线圈CC1和耦合线圈CC2之间的耦合度，优选内径区域82的整体与开口部21重叠。另外，在图8所示的例子中，金属板10的开口部11比磁性薄片20的开口部21大，但是这一点不是必须的，也可以是磁性薄片20的开口部21比金属板10的开口部11大，两者的尺寸也可以是相同的。
另外，在本实施方式中，如图8的(b)所示，耦合线圈CC1形成于基板30的一个表面31，即，与磁性薄片20相对的表面32为相反侧的面，但是相反地，如图8的(c)所示的变形例，可以将耦合线圈CC1形成于基板30的另一个表面32，即，与磁性薄片20面对的面。根据前者，即使在通过在基板30的另一个表面32涂布复合磁性材料之后，部分地去除复合磁性材料来形成开口部21的情况下，也不会在部分地去除复合磁性材料的工序中对耦合线圈CC1造成损坏。即使在该情况下，图5所示的连接图案72在去除复合磁性材料的工序中暴露，当由此造成损坏问题的情况下，可以将连接图案72的导体宽度设计成比耦合线圈CC1等的其它的图案的导体宽度宽。另一方面，根据后者，由于耦合线圈CC1与耦合线圈CC2之间的距离进一步接近，因此能够进一步提高耦合度。
图9是根据本实施方式的IC卡1的等效电路图。
如图9所示，在本实施方式中，天线线圈AC的一端与耦合线圈CC1的一端连接，天线线圈AC的另一端与耦合线圈CC1的另一端连接，并且通过在这些连接点连接有匹配用电容器MC，从而构成了主天线ANT1。主天线ANT1中所包含的耦合线圈CC1与IC模块50中所包含的耦合线圈CC2电磁场耦合。耦合线圈CC2并联连接于输入电容器C1，输入电容器C1的一端连接于IC芯片52的输入端子。
此外，主天线ANT1中所包含的天线线圈AC不仅进行与图1所示的读卡器4之间的通信，还与升压线圈BC电磁场耦合。升压线圈BC和谐振用电容器RC构成辅助天线ANT2。由此，由于根据本实施方式的IC卡1通过主天线ANT1和辅助天线ANT2来与读卡器4通信，因此可以扩大通信距离。
此外，作为扩大通信距离的方法，可以想到不使用升压线圈BC，而是进一步增加天线线圈AC的匝数的方法，当增加天线线圈AC的匝数时，由于天线线圈AC的电阻成分增加，因此损耗变大。特别地，在本实施方式中，由于天线线圈AC和耦合线圈CC1串联连接，并且加算了两个线圈的电阻成分被相加，因此难以抑制由电阻成分造成的损耗，难以增加天线线圈AC的匝数。
相对于此，在本实施方式中，由于没有增加天线线圈AC的匝数,而是使用了与天线线圈AC电磁场耦合的升压线圈BC，因此可以不增加电阻成分而扩大通信距离。此外，在本实施方式中，由于升压线圈BC的匝数比天线线圈AC的匝数多，因此可以将天线线圈AC的电阻成分抑制得较小，并且能够提高使用了升压线圈BC的辅助天线ANT2的特性。
如上所述，由于根据本实施方式和的IC卡1在构成天线装置的基板30和金属板10之间设置有磁性薄片20，因此能够在不受金属板10阻碍的情况下从背面b侧与读卡器4进行无线通信。另外，由于在与耦合线圈CC1、CC2重叠的位置处，开口部21设置于磁性薄片20，因此耦合线圈CC1和耦合线圈CC2的电磁场耦合也没有被磁性薄片20阻碍。此外，由于根据本实施方式的IC卡1具备与天线线圈AC电磁场耦合的升压线圈BC，因此能够抑制天线线圈AC的电阻成分，并且确保足够的通信距离。
在上文中，虽然对本发明的优选实施方式进行了说明，但是本发明不限于上述实施方式，并且可以在不脱离本发明的要旨的情况下进行各种变更，不用说，这些也包含于本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，通过形成于基板30的两面的电容器电极图案来形成匹配用电容器MC或谐振用电容器RC，但是也可以为这些中的一方或双方为芯片型电容器部件。

Claims (13)

1.一种IC卡，其特征在于，
具备：
具备基板和形成于所述基板的表面的导体图案的天线装置；
与所述天线装置重叠的金属板；
配置于所述天线装置和所述金属板之间的磁性薄片；以及
与耦合线圈电磁场耦合的IC模块，
所述导体图案包含：
螺旋状或环状的天线线圈；
连接于所述天线线圈并且直径比所述天线线圈小的螺旋状或环状的耦合线圈；以及
不与所述天线线圈连接，并且至少一部分经由所述基板而与所述天线线圈重叠的螺旋状的升压线圈，
所述天线线圈形成于所述基板的一个表面，
所述升压线圈形成于所述基板的另一个表面，
所述天线装置进一步具备连接于所述升压线圈的谐振用电容器，
所述升压线圈的匝数比所述天线线圈的匝数多，
所述金属板具有第一开口部，
所述IC模块配置于所述第一开口部，
所述磁性薄片在与所述IC模块重叠的位置具有第二开口部，
所述耦合线圈和所述IC模块经由所述第二开口部而电磁场耦合。
2.根据权利要求1所述的IC卡，其特征在于，
所述基板为矩形，
所述天线线圈沿所述基板的边形成于所述一个表面，
所述升压线圈沿所述基板的所述边形成于所述另一个表面。
3.根据权利要求2所述的IC卡，其特征在于，
所述耦合线圈设置于与所述天线线圈和所述升压线圈的内径区域重叠的位置，并且，向所述基板的一个短边侧偏移配置。
4.根据权利要求3所述的IC卡，其特征在于，
所述谐振用电容器由所述导体图案构成，并且，向所述基板的另一个短边侧偏移配置。
5.根据权利要求3或4所述的IC卡，其特征在于，
所述导体图案还包含相对于所述天线线圈串联或并联连接的匹配用电容器，
所述匹配用电容器设置于与所述天线线圈和所述升压线圈的内径区域重叠的位置，并且，向所述基板的所述一个短边侧偏移配置。
6.根据权利要求1所述的IC卡，其特征在于，
所述耦合线圈的内径区域的整体在俯视时与所述第二开口部重叠。
7.根据权利要求6所述的IC卡，其特征在于，
所述耦合线圈的线圈区域的整体在俯视时与所述第二开口部重叠。
8.根据权利要求1、6、7中任一项所述的IC卡，其特征在于，
所述耦合线圈形成于所述基板的表面中的、与面向所述磁性薄片的面为相反侧的面。
9.一种天线装置，其特征在于，
具备：
基板，其具有互相相对的第一面和第二面；
第一线圈图案，形成于所述基板的所述第一面；
第二线圈图案，以被所述第一线圈图案包围的方式形成于所述基板的所述第一面；
第三线圈图案，以与所述第一线圈图案重叠的方式形成于所述基板的所述第二面；以及
第一连接图案，形成于所述基板的所述第一面并且连接于所述第一线圈图案的内周端和所述第二线圈图案的外周端之间，
所述第三线圈图案与所述第一线圈图案和所述第二线圈图案隔离，
所述天线装置进一步具备：
金属板，其具有第一开口；
磁性薄片，配置于所述基板和所述金属板之间，并具有与所述第一开口重叠的第二开口；
IC模块，其具有第四线圈图案，
所述IC模块以所述第二线圈图案和所述第四线圈图案通过所述第二开口彼此电磁场耦合的方式配置于所述第一开口内。
10.如权利要求9所述的天线装置，其特征在于，
进一步具备：
第一通孔导体，贯通所述基板并连接于所述第一线圈图案的外周端；
第二通孔导体，贯通所述基板并连接于所述第二线圈图案的内周端；
第二连接图案，形成于所述基板的所述第二面并且连接于所述第一通孔导体和所述第二通孔导体之间。
11.如权利要求10所述的天线装置，其特征在于，
进一步具备：
第一电容器电极图案，形成于所述基板的所述第一面并连接于所述第一连接图案；以及
第二电容器电极图案，形成于所述基板的所述第二面并连接于所述第二连接图案，
所述第二电容器电极图案与所述第一电容器电极图案重叠。
12.如权利要求11所述的天线装置，其特征在于，
进一步具备：
第三电容器电极图案，形成于所述基板的所述第一面；以及
第四电容器电极图案，以与所述第三电容器电极图案重叠的方式形成于所述基板的所述第二面，
所述第三电容器电极图案和所述第四电容器电极图案连接于所述第三线圈图案。
13.如权利要求12所述的天线装置，其特征在于，
所述第三电容器电极图案连接于所述第三线圈图案的内周端，
所述第四电容器电极图案连接于所述第三线圈图案的外周端。
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