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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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--Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spulenbauteil und insbesondere ein Spulenbauteil, das als Antennenspule fungiert, wenn es mit einer Kommunikationsschaltung verbunden ist, sowie eine drahtlose Kommunikationsschaltung, die ein solches Spulenbauteil verwendet.
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--Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Spulenbauteil, das als Antennenspule funktioniert, wenn es mit einer Kommunikationsschaltung verbunden ist, wird in
JP 2015-220719A beschrieben, die in
8 ein Verfahren zur Bildung einer magnetischen Schicht durch direktes Auftragen von Paste, die magnetische Teilchen enthält, auf ein Spulenmuster offenbart.
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Das in
JP 2015-220719A beschriebene Spulenmuster hat jedoch ein hohes Seitenverhältnis (Verhältnis der Dicke des Spulenmusters zu seiner Breite), was es für die Magnetischen Teilchen schwierig macht, zwischen radial benachbarte Windungen des Spulenmusters einzudringen. Um das Eindringen der magnetischen Teilchen zu erleichtern, werden vorzugsweise kugelförmige magnetische Teilchen verwendet, die durch ein in
JP 2013-140880A beschriebenes Zerstäubungsverfahren hergestellt werden; es ist jedoch schwierig, die Permeabilität der magnetischen Schicht mit den kugelförmigen magnetischen Teilchen zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, in einem Spulenbauteil mit einer Struktur, in der ein Spulenmuster mit einer magnetischen Schicht bedeckt ist, die Permeabilität der magnetischen Schicht zu erhöhen.
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Ein Spulenbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Substrat; ein Spulenmuster, das auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist; und eine magnetische Schicht, die ein Verbundmaterial umfasst, das durch Dispergieren magnetischer Teilchen in Harz erhalten wird und auf der einen Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, um das Spulenmuster zu bedecken. Das Spulenmuster hat eine flache Form, bei der die Dicke kleiner ist als die radiale Breite. Jedes der magnetischen Teilchen hat eine flache Form, bei der die Dicke in einer Richtung senkrecht zu der einen Oberfläche des Substrats kleiner ist als der Durchmesser in einer Richtung parallel zu der einen Oberfläche des Substrats, und einige der magnetischen Teilchen befinden sich innerhalb des Höhenbereichs des Spulenmusters in Bezug auf die eine Oberfläche des Substrats.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung haben die magnetischen Teilchen jeweils eine flache Form und sind in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet, wodurch die Permeabilität der magnetischen Schicht erhöht wird. Außerdem hat das Spulenmuster ebenfalls eine flache Form, so dass die magnetischen Teilchen auf radial beiden Seiten des Spulenmusters angeordnet werden können, was es ermöglicht, hochwertige magnetische Eigenschaften zu erhalten.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann der radiale Querschnitt des Spulenmusters so abgeschrägt sein, dass die Breite mit zunehmender Höhenposition in Bezug auf die eine Oberfläche des Substrats kleiner wird. Daraus folgt, dass die magnetischen Teilchen schräg entlang des abgeschrägten Teils angeordnet sind, so dass die Richtung eines vom Spulenmuster erzeugten Magnetfeldes und die Orientierungsrichtung der magnetischen Teilchen aufeinander ausgerichtet werden können. In diesem Fall kann der durchschnittliche Durchmesser der Magnetischen Teilchen 1/5 oder mehr und das Zehnfache oder weniger der radialen Breite des abgeschrägten Teils betragen. Dadurch lassen sich die Richtung des Magnetfelds und die Orientierungsrichtung der magnetischen Teilchen leichter ausrichten.
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In der vorliegenden Erfindung kann der durchschnittliche Durchmesser der magnetischen Teilchen 30 µm oder mehr betragen, und die Breite des Spulenmusters kann das 1-Fache oder mehr und das 10-Fache oder weniger des durchschnittlichen Durchmessers der magnetischen Teilchen betragen. Dadurch kann die Permeabilität der magnetischen Schicht ausreichend erhöht und durch die magnetischen Teilchen eine Kapazität zwischen den Windungen des Spulenmusters verringert werden. Folglich, wenn eine Kommunikationsschaltung, die Signale von 10 MHz oder mehr liefert, an das Spulenmuster angeschlossen wird, um eine drahtlose Kommunikationsschaltung zu bilden, ist es möglich, eine Reduzierung der Eigenresonanzfrequenz zu verhindern.
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Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, in einem Spulenbauteil mit einer Struktur, in der das Spulenmuster mit der magnetischen Schicht bedeckt ist, die Permeabilität der magnetischen Schicht zu erhöhen.
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Figurenliste
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Die obigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, in denen:
- 1 ist eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung zur Erläuterung des Aufbaus eines Spulenbauteils 1 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 ist eine schematische Draufsicht auf das Spulenbauteil 1;
- 3 ist eine schematische Ansicht einer drahtlosen Kommunikationsschaltung 10, die das Spulenbauteil 1 und eine Kommunikationsschaltung 11 enthält;
- 4 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 2;
- 5A und 5B sind schematische Ansichten zur Erläuterung der Form eines in einer magnetischen Schicht 4 enthaltenen magnetischen Teilchens 4a, wobei 5A eine schematische Draufsicht ist und 5B eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 5A ist;
- 6 ist eine schematische Ansicht des magnetischen Teilchens 4a mit einer elliptischen, ebenen Form;
- 7A und 7B sind schematische Ansichten zur Erläuterung der Ausrichtung der magnetischen Teilchen 4a in der magnetischen Schicht 4 und zeigen die Zustände vor bzw. nach der Magnetfeldausrichtung; und
- 8A und 8B sind schematische Ansichten, die jeweils zur Erklärung einer parasitären Kapazität zwischen benachbarten Windungen eines Spulenmusters 3 verwendet werden, wobei 8A einen Fall veranschaulicht, in dem das Seitenverhältnis des Spulenmusters 3 1 oder mehr beträgt, und 8B einen Fall veranschaulicht, in dem das Seitenverhältnis des Spulenmusters 3 weniger als 1 beträgt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung zur Erläuterung des Aufbaus eines Spulenbauteils 1 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine schematische Draufsicht auf das Spulenbauteil 1.
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Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfasst das Spulenbauteil 1 gemäß dieses Ausführungsbeispiels ein Substrat 2 aus einem isolierenden Harzmaterial wie PET-Harz, ein flaches spiralförmiges Spulenmuster 3 aus Kupfer (Cu), das auf einer Oberfläche 2a des Substrats 2 ausgebildet ist, und eine magnetische Schicht 4, die auf der Oberfläche 2a des Substrats 2 ausgebildet ist, um das Spulenmuster 3 zu bedecken. In dem in den 1 und 2 dargestellten Beispiel beträgt die Anzahl der Windungen des Spulenmusters 3 sechs, ist aber nicht darauf beschränkt, sondern kann auch eine sein. Die äußeren und inneren peripheren Enden des Spulenmusters 3 sind jeweils mit den Anschlusselektroden 5 und 6, die auf der anderen Oberfläche 2b des Substrats 2 ausgebildet sind, durch jeweils im Substrat 2 ausgebildete Durchgangslöcher 2c und 2d verbunden. Das Spulenmuster 3 kann durch Galvanisieren gebildet werden.
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Die magnetische Schicht 4 fungiert als magnetischer Pfad für ein vom Spulenmuster 3 erzeugtes Magnetfeld und muss daher eine hohe Permeabilität aufweisen. Die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete magnetische Schicht 4 besteht aus einem Verbundmaterial, das durch Dispergieren von magnetischen Teilchen in Harz erhalten wird, und wird gebildet, indem nach der Bildung des Spulenmusters 3 auf der Oberfläche 2a des Substrats 2 das obige Verbundmaterial direkt auf die Oberfläche 2a des Substrats 2 aufgebracht wird, um das Spulenmuster 3 zu bedecken. Auf diese Weise wird kein nichtmagnetisches Material (z. B. ein Film) außer Harz, das die magnetische Schicht 4 bildet, nicht zwischen dem Spulenmuster 3 und der magnetischen Schicht 4 eingefügt, und ein Teil der magnetischen Schicht 4 ist zwischen den benachbarten Windungen des Spulenmusters 3 gefüllt. Dadurch ist es möglich, höhere magnetische Eigenschaften zu erzielen, als wenn die magnetische Schicht 4 auf dem Spulenmuster 3 durch einen Film oder dergleichen gebildet ist. Ob die magnetische Schicht 4 direkt auf die Oberfläche 2a des Substrats 2 aufgebracht wurde, lässt sich erkennen basierend darauf, ob sich zwischen dem Spulenmuster 3 und der magnetischen Schicht 4 ein anderes Element, z. B. ein Film, befindet und ob ein Teil der magnetischen Schicht 4 innerhalb des Höhenbereichs des Spulenmusters 3 in Bezug auf die Oberfläche 2a des Substrats 2 gefüllt ist. Wenn die magnetische Schicht 4 direkt aufgebracht ist, sind das Spulenmuster 3 und die magnetischen Teilchen nahe zueinander gebracht und sie berühren sich teilweise.
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Wie in 3 dargestellt, ist das so konfigurierte Spulenbauteil 1 mit einer Kommunikationsschaltung 11 verbunden, um eine drahtlose Kommunikationsschaltung 10 zu bilden. Ein Paar von Anschlusselektroden, die in der Kommunikationsschaltung 11 vorgesehen sind, sind jeweils mit den Anschlusselektroden 5 und 6 des Spulenbauteils 1 verbunden. Die Kommunikationsschaltung 11 liefert ein Signal mit einer Frequenz von 10 MHz oder mehr an das Spulenmuster 3, damit das Spulenmuster 3 als Antennenspule der drahtlosen Kommunikationsschaltung 10 fungiert. Wenn dem Spulenmuster 3 beispielsweise ein Signal mit einer Frequenz von 13,56 MHz zugeführt wird, kann das Spulenmuster 3 als Antennenspule für Nahfeldkommunikation (NFC) verwendet werden.
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 2.
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Wie in 4 dargestellt, hat der radiale Querschnitt des Spulenmusters 3 eine flache Form, bei der die Dicke H kleiner ist als die Breite W1. Die Breite W1 bezeichnet die Abmessung eines Teils des Spulenmusters 3, der die Oberfläche 2a des Substrats 2 berührt. Wie im radialen Querschnitt des Spulenmusters 3 von 4 dargestellt, sind die oberen Ecken abgeschrägt, so dass die Breite mit zunehmender Höhenposition in Bezug auf die Oberfläche 2a des Substrats 2 kleiner wird. Somit ist eine Breite W2 des flachen Teils der oberen Oberfläche des Spulenmusters 3 kleiner als die Breite W1 des Teils, der die Oberfläche 2a des Substrats 2 berührt. Eine radiale Breite a des abgeschrägten Teils ist (W1-W2)/2. Obwohl die Größe des Spulenmusters 3 nicht besonders begrenzt ist, ist die Breite W1 des Spulenmusters 3 etwa 0,15 mm bis 2 mm, ist die Dicke H etwa 10 µm bis 70 µm, ist die Breite a des abgeschrägten Teils etwa 20 µm bis 70 µm, und ist ein Abstand S zwischen radial benachbarten Windungen des Spulenmusters 3 etwa 0,1 mm bis 0,25 mm. Die Breite a des abgeschrägten Teils kann durch bei der Herstellung des Spulenmusters 3 eingestellte Beschichtungsbedingungen gesteuert werden.
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Je größer die Dicke H des Spulenmusters 3 ist, desto kleiner wird der Gleichstromwiderstand. Wenn die Frequenz eines im Spulenmuster 3 fließenden Signals jedoch gleich oder größer als 10 MHz ist, fließt Strom aufgrund des Skineffekts nur entlang der Oberflächenschicht des Spulenmusters 3, so dass etwa 10 µm bis 70 µm für die Dicke H des Spulenmusters 3 ausreichen. Insbesondere wenn die Frequenz eines im Spulenmuster 3 fließenden Signals 13,56 MHz ist, sind etwa 20 µm für die Dicke H ausreichend, und sind etwa 30 µm unter Berücksichtigung von Fertigungsschwankungen optimal.
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5A und 5B sind schematische Ansichten zur Erläuterung der Form eines in der magnetischen Schicht 4 enthaltenen magnetischen Teilchens 4a. 5A ist eine schematische Draufsicht, und 5B ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 5A.
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Wie in 5A und 5B dargestellt, hat das in der magnetischen Schicht 4 enthaltene magnetische Teilchen 4a eine flache Scheibenform. In der magnetischen Schicht 4 ist eine große Anzahl von magnetischen Teilchen 4a enthalten, die folglich in Größe und Form variieren. Der durchschnittliche Durchmesser R der magnetischen Teilchen 4a ist etwa 20 µm bis 70 µm, und ihre durchschnittliche Dicke T ist etwa 0,5 µm bis 2 µm. Zur Bestimmung des durchschnittlichen Durchmessers R und der durchschnittlichen Dicke T wird der Querschnitt einer Probe der magnetischen Schicht 4 mit einem REM betrachtet, und die Dicken und Durchmesser der magnetischen Teilchen 4a in einem vorbestimmten Bereich werden gemessen und gemittelt. Die Dicke oder der Durchmesser bei einer kumulativen Häufigkeit von 50 % kann als die durchschnittliche Dicke oder der durchschnittliche Durchmesser definiert werden. Wie in 6 dargestellt, kann das magnetische Teilchen 4a eine elliptische Ebene haben. In diesem Fall ist die Hauptachse R1 etwa 20 µm bis 70 µm, und das Verhältnis (R1/R2) zwischen der Hauptachse R1 und der Nebenachse R2 ist etwa 1 bis 1,5.
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7A und 7B sind schematische Ansichten zur Erläuterung der Ausrichtung der magnetischen Teilchen 4a in der magnetischen Schicht 4 und veranschaulichen die Zustände vor bzw. nach Magnetfeldausrichtung.
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Die magnetische Schicht 4 ist aus einem Verbundmaterial gefertigt, das durch Dispergieren der magnetischen Teilchen 4a in Harz 4b als Bindemittel erhalten ist. Wie in 7A dargestellt, ist die Ausrichtung der magnetischen Teilchen 4a in einem Zustand vor Durchführung einer Magnetfeldausrichtung nahezu zufällig. Wenn in diesem Zustand ein starkes externes Magnetfeld ϕ1 angelegt wird, werden die magnetischen Teilchen 4a in einer Richtung entlang des externen Magnetfeldes ϕ1 ausgerichtet. Folglich, wenn das externe Magnetfeld ϕ1 in einer Richtung entlang der Oberfläche 2a des Substrats 2 angelegt ist, sind fast alle magnetischen Teilchen 4a horizontal ausgerichtet, d. h., so dass die Dickenrichtung der magnetischen Teilchen 4a mit der z-Richtung zusammenfällt, wie in 7B dargestellt. Dementsprechend hat die magnetische Schicht 4 eine höhere Permeabilität in der horizontalen Richtung (Richtung der xy-Ebene) als in der Dickenrichtung (z-Richtung), was zu einer Anisotropie der Permeabilität führt. Um die Permeabilität in der horizontalen Richtung der magnetischen Schicht 4 ausreichend zu erhöhen, haben die magnetischen Teilchen 4a vorzugsweise einen mittleren Durchmesser R von 30 µm oder mehr.
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Andererseits sind die magnetischen Teilchen 4a in einem Bereich, in dem das Spulenmuster 3 und die magnetischen Teilchen 4a sich gegenseitig stören, nicht horizontal, sondern schräg entlang des abgeschrägten Teils ausgerichtet. In diesem Bereich breitet sich jedoch ein vom Spulenmuster 3 erzeugtes Magnetfeld ϕ2 ebenfalls schräg aus, so dass die effektive Permeabilität zunimmt. Das heißt, die magnetischen Teilchen 4a sind in einem Bereich (Bereich oberhalb des Spulenmusters 3), in dem das Magnetfeld ϕ2 horizontal verläuft, im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, während die magnetischen Teilchen 4a in einem Bereich (in der Nähe der Ecke des Spulenmusters 3), in dem das Magnetfeld ϕ2 schräg verläuft, schräg ausgerichtet sind, so dass der größte Teil des Magnetfeldes ϕ2 die magnetischen Teilchen 4a passiert, während die Menge an Magnetfeldanteilen, die das Harz 4b passieren, abnimmt. Um die Ausrichtung der magnetischen Teilchen 4a, die in der Nähe der Ecke des Spulenmusters 3 positioniert sind, nahe an die Ausrichtung des Magnetfelds ϕ2 zu bringen, ist der durchschnittliche Durchmesser R (oder R1) der magnetischen Teilchen 4a vorzugsweise auf 1/5 oder mehr und das 10-fache oder weniger der radialen Breite a des abgeschrägten Teils eingestellt.
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In diesem Ausführungsbeispiel hat das magnetische Teilchen 4a eine flache Form, so dass es für die magnetischen Teilchen 4a schwierig wird, zwischen benachbarte Windungen des Spulenmusters 3 einzudringen, wenn das Seitenverhältnis des Spulenmusters 3 hoch ist. In diesem Ausführungsbeispiel hat jedoch das Spulenmuster 3 selbst eine flache Form und somit ein Seitenverhältnis von weniger als 1, vorzugsweise von 0,2 bis 0,05, wodurch die magnetischen Teilchen 4a mit einer flachen Form leicht zwischen benachbarte Windungen des Spulenmusters 3 eindringen können. Mit anderen Worten, einige der magnetischen Teilchen 4a sind zuverlässig innerhalb des Höhenbereichs des Spulenmusters 3 in Bezug auf die Oberfläche 2a des Substrats 2 angeordnet.
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Wenn die Frequenz eines im Spulenmuster 3 fließenden Signals 10 MHz oder mehr beträgt, beeinflusst eine parasitäre Kapazität zwischen den Windungen des Spulenmusters 3 die Eigenresonanzfrequenz erheblich, so dass es notwendig ist, die parasitäre Kapazität zwischen den Windungen des Spulenmusters 3 so weit wie möglich zu reduzieren. Auch in dieser Hinsicht kann in diesem Ausführungsbeispiel die parasitäre Kapazität verringert werden, da das Spulenmuster 3 eine flache Form hat. Das heißt, wie in 8A dargestellt, wenn das Seitenverhältnis des Spulenmusters 3 1 oder mehr ist, werden elektrische Kraftlinien E1, die in horizontaler Richtung verlaufen, zwischen benachbarten Windungen des Spulenmusters 3 erzeugt, so dass eine große parasitäre Kapazität in diesem Abschnitt erzeugt wird. Wenn jedoch, wie in 8B dargestellt, das Seitenverhältnis des Spulenmusters 3 auf weniger als 1 reduziert wird, wird die gegenüberliegende Fläche zwischen radial benachbarten Windungen des Spulenmusters 3 reduziert, um die elektrischen Kraftlinien E1 zu verringern. Somit kann die parasitäre Kapazität zwischen den Windungen des Spulenmusters 3 reduziert werden, selbst wenn der Abstand S zwischen radial benachbarten Windungen des Spulenmusters 3 vergleichsweise klein ist.
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Um die parasitäre Kapazität zwischen benachbarten Windungen des Spulenmusters 3 weiter zu verringern, ist die Breite W1 des Spulenmusters 3 vorzugsweise zusätzlich zu einer Verringerung des Seitenverhältnisses des Spulenmusters 3 auf weniger als 1 verringert. Dies liegt daran, dass in diesem Ausführungsbeispiel die magnetischen Teilchen 4a, die die magnetische Schicht 4 bilden, in horizontaler Richtung ausgerichtet sind, so dass, wenn die Breite W1 des Spulenmusters 3 groß ist, elektrische Kraftlinien E2, die die oberen Oberflächen der Windungen des Spulenmusters 3 durch die magnetischen Teilchen 4a verbinden, nicht ignoriert werden können. Wie oben beschrieben, haben die magnetischen Teilchen 4a vorzugsweise einen mittleren Durchmesser R von 30 µm oder mehr, um die Permeabilität der magnetischen Schicht 4 ausreichend zu erhöhen. In Anbetracht dessen ist die Breite W1 des Spulenmusters 3 vorzugsweise auf das 1-fache oder mehr und das 10-fache oder weniger des Durchmessers R der magnetischen Teilchen 4a eingestellt. Zum Beispiel ist der durchschnittliche Durchmesser R (oder R1) der magnetischen Teilchen 4a 30 µm, die Breite W des Spulenmusters 3 ist vorzugsweise auf 300 µm oder weniger eingestellt.
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Wie oben beschrieben, kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Spulenbauteil bereitgestellt werden, das für eine Antennenspule zum Senden und Empfangen von Signalen von 10 MHz oder mehr geeignet ist.
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Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern modifiziert und verändert werden kann, ohne vom Umfang und Geist der Offenbarung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2015220719 A [0002, 0003]
- JP 2013140880 A [0003]
