JP2014232904A

JP2014232904A - Antenna device and radio communication device

Info

Publication number: JP2014232904A
Application number: JP2013111467A
Authority: JP
Inventors: 真貴中村; Masaki Nakamura; 渡辺　光弘; Mitsuhiro Watanabe; 光弘渡辺; 三木　裕彦; Hirohiko Miki; 裕彦三木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: JP6183688B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a suitable configuration for the extension of a communication distance and the low profile of a radio communication device, in an antenna device for short-range radio communication.SOLUTION: A chip antenna includes a planar spiral coil and a main substrate having a larger ground electrode than the planar spiral antenna. The ground electrode includes a notch on the end side thereof. The chip antenna is mounted on the main substrate in such a manner that a part of the chip antenna overlaps with the ground electrode in a plan view, and a vacant core part of the planar spiral coil overlaps with at least a part of the notch. An area of the notch overlapping with the vacant core part is 50% or more of the area of the vacant core part.

Description

本発明は、携帯電話等の無線通信装置に用いられる、電磁誘導を利用した近距離無線通信用のアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device for short-range wireless communication using electromagnetic induction, which is used in a wireless communication device such as a mobile phone.

１３．５６ＭＨｚの通信周波数帯を利用した近距離通信規格：ＮＦＣ（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）に代表されるＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）が、ICカードや携帯電話等を用いた個体の識別・認証、電子決済等に採用されてきている。 Near field communication standard using 13.56 MHz communication frequency band: RFID (Radio Frequency Identification) represented by NFC (Near Field Communication) is used for identification and authentication of individuals using IC cards, mobile phones, etc., electronic payment Has been adopted.

上記のような近距離無線通信では、通信を行うリーダ／ライタ、携帯電話等の無線通信装置内にアンテナコイルが設けられ、アンテナコイル同士が電磁誘導で結合することによって通信が行われる。携帯型の無線通信装置は、構成する部品を実装できる空間が限られており、アンテナコイルには小型化が要求される一方、十分な通信可能距離を確保できることが必要である。 In the short-range wireless communication as described above, an antenna coil is provided in a wireless communication device such as a reader / writer or a mobile phone that performs communication, and communication is performed by coupling the antenna coils by electromagnetic induction. A portable wireless communication device has a limited space in which components can be mounted, and the antenna coil is required to be downsized, while being able to ensure a sufficient communicable distance.

かかる要求に対して、特許文献１では、通信可能最大距離を広げることを目的として以下の構成のアンテナ装置が提案されている。特許文献１に開示されたアンテナ装置は、ループ状または渦巻き状のコイル導体と、導体開口部と該導体開口部と外縁との間を連接するスリット部が設けられた導体層を備える。前記導体層は前記コイル導体よりも通信相手側のアンテナに近接する側に、前記コイル導体と前記導体層とが重なるように配置される。かかる構成は、導体層の周囲に流れる誘導電流によって発生する磁界を利用して通信距離を拡大することを目的としている。 In response to such a request, Patent Document 1 proposes an antenna apparatus having the following configuration for the purpose of extending the maximum communicable distance. The antenna device disclosed in Patent Document 1 includes a conductor layer provided with a loop-shaped or spiral coil conductor, a conductor opening, and a slit that connects the conductor opening and the outer edge. The conductor layer is arranged on the side closer to the antenna on the communication counterpart side than the coil conductor so that the coil conductor and the conductor layer overlap. This configuration is intended to increase the communication distance by using a magnetic field generated by an induced current flowing around the conductor layer.

国際公開第２０１０／１２２６８５号International Publication No. 2010/122585

特許文献１に開示された上記構成は、通信距離を広げる手段の一つを提供するものである。しかしながら、コイル導体と重なるように導体層が配置されるため、携帯電話、スマートフォン等の無線通信機器の低背化には不利である。また、かかる導体層を無線通信機器の筐体側に形成する場合には、コイル導体と導体層とを高精度で、かつ近接して配置することは困難である。かかる点はコイル導体と導体層との電磁界結合を利用するうえで不利であると言える。 The above-described configuration disclosed in Patent Document 1 provides one means for extending the communication distance. However, since the conductor layer is arranged so as to overlap with the coil conductor, it is disadvantageous for reducing the height of a wireless communication device such as a mobile phone or a smartphone. Further, when such a conductor layer is formed on the housing side of the wireless communication device, it is difficult to dispose the coil conductor and the conductor layer close to each other with high accuracy. Such a point can be said to be disadvantageous in using the electromagnetic coupling between the coil conductor and the conductor layer.

これらの点に鑑み、本発明は、近距離無線通信用のアンテナ装置において、通信距離の拡大と無線通信装置の低背化に好適な構成を提供することを目的とする。 In view of these points, an object of the present invention is to provide a configuration suitable for increasing the communication distance and reducing the height of a wireless communication device in an antenna device for short-range wireless communication.

本発明のアンテナ装置は、平面スパイラルコイルを有するチップアンテナと、前記平面スパイラルコイルよりも大きいグランド電極を有する主基板とを備えるアンテナ装置であって、前記グランド電極は端辺に切欠き部を有し、前記チップアンテナは、平面視で、その一部が前記グランド電極に重なるとともに、前記平面スパイラルコイルの空芯部が前記切欠き部の少なくとも一部と重なるように、前記主基板に実装され、前記空芯部と重なる前記切欠き部の面積が、前記空芯部の面積の５０％以上であることを特徴とする。主基板に形成されたグランド電極を利用したかかる構成によれば、アンテナ装置を低背に維持しつつ、通信距離の拡大を図ることができる。 The antenna device of the present invention is an antenna device including a chip antenna having a planar spiral coil and a main substrate having a ground electrode larger than the planar spiral coil, and the ground electrode has a notch at an end. The chip antenna is mounted on the main board so that a part of the chip antenna overlaps the ground electrode in plan view and an air core part of the planar spiral coil overlaps at least a part of the notch part. The area of the notch that overlaps with the air core is 50% or more of the area of the air core. According to such a configuration using the ground electrode formed on the main substrate, the communication distance can be increased while the antenna device is kept low.

また、前記アンテナ装置において、前記空芯部と重なる前記切欠き部の面積が、前記空芯部の面積の８７〜９８％であることが好ましい。 In the antenna device, it is preferable that an area of the notch overlapping the air core is 87 to 98% of an area of the air core.

さらに、前記アンテナ装置において、前記チップアンテナは、前記平面スパイラルコイルの、前記主基板側とは反対側にフェライト基板を有することが好ましい。 Furthermore, in the antenna device, it is preferable that the chip antenna has a ferrite substrate on a side opposite to the main substrate side of the planar spiral coil.

さらに、前記アンテナ装置において、前記切欠き部は、前記端辺の両端から離間した位置に設けられていることが好ましい。 Furthermore, in the antenna device, it is preferable that the notch is provided at a position separated from both ends of the end side.

また、本発明の無線通信装置は、前記いずれかのアンテナ装置と、前記アンテナ装置を収容する筐体とを有することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a wireless communication device including any one of the antenna devices and a housing that houses the antenna device.

本発明によれば、近距離無線通信用のアンテナ装置において、通信距離の拡大と無線通信装置の低背化に好適な構成を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the antenna apparatus for near field communication, the structure suitable for expansion of a communication distance and the shortening of a wireless communication apparatus can be provided.

本発明に係るアンテナ装置の実施形態を示す図である。It is a figure showing an embodiment of an antenna device concerning the present invention. 本発明に係るアンテナ装置の実施形態に用いるチップアンテナの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the chip antenna used for embodiment of the antenna apparatus which concerns on this invention. チップアンテナの平面スパイラルコイルと主基板に設けた切欠き部の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the planar spiral coil of a chip antenna, and the notch part provided in the main board | substrate. 本発明に係るアンテナ装置の実施形態に用いるチップアンテナの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the chip antenna used for embodiment of the antenna apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るアンテナ装置の実施形態に用いるチップアンテナの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the chip antenna used for embodiment of the antenna apparatus which concerns on this invention. チップアンテナの平面スパイラルコイルと主基板に設けた切欠き部の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the planar spiral coil of a chip antenna, and the notch part provided in the main board | substrate. 無線通信装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a radio | wireless communication apparatus.

本願発明のアンテナ装置は、平面スパイラルコイルを有するチップアンテナと、前記平面スパイラルコイルよりも大きいグランド電極を有する主基板とを備えるアンテナ装置に係る。本願発明のアンテナ装置では、さらに、前記グランド電極は端辺に切欠き部を有し、前記チップアンテナは、平面視で、その一部が前記グランド電極に重なるとともに、前記平面スパイラルコイルの空芯部が前記切欠き部の少なくとも一部と重なるように、前記主基板に実装され、前記空芯部と重なる前記切欠き部の面積が、前記空芯部の面積の５０％以上である。 The antenna device according to the present invention relates to an antenna device including a chip antenna having a planar spiral coil and a main substrate having a ground electrode larger than the planar spiral coil. In the antenna device according to the present invention, the ground electrode further has a notch at an end, and the chip antenna partially overlaps the ground electrode in plan view, and the air core of the planar spiral coil An area of the notch portion that is mounted on the main substrate and overlaps the air core portion is 50% or more of the area of the air core portion so that the portion overlaps at least a part of the notch portion.

本願発明は、上記構成を採用することによって、主基板に設けられているグランド電極をブースターアンテナとして利用することを可能とし、通信距離の拡大と無線通信装置の低背化に好適なアンテナ装置が実現される。以下、本願発明に係るアンテナ装置等の実施形態について図を用いて具体的に説明するが、本願発明はこれに限定されるものではない。 By adopting the above configuration, the present invention makes it possible to use the ground electrode provided on the main board as a booster antenna, and an antenna device suitable for increasing the communication distance and reducing the height of the wireless communication device is provided. Realized. Hereinafter, embodiments of the antenna device and the like according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited thereto.

本願発明に係るアンテナ装置は、ＮＦＣ等の近距離無線通信を行う携帯電話等各種無線通信装置に組み込まれて使用される。ここではスマートフォンに適用する場合を例としてアンテナ装置について説明する。図１（ａ）は本願発明に係るアンテナ装置の実施形態を示す斜視図であり、図１（ｂ）はその分解斜視図である。図１のｚ方向上側に通信相手の装置のアンテナが配置されている。アンテナ装置１００は、平面スパイラルコイルを有するチップアンテナ１と、前記平面スパイラルコイルよりも大きいグランド電極３を有する主基板２とを備える。図１に示す主基板は主面が矩形であるが、主基板２の形状はこれを限定するものではない。例えば、主基板の一部に切欠きを有する形状も適用できる。なお、本願において、矩形は、長方形の他、正方形も含むものとする。 The antenna device according to the present invention is used by being incorporated in various wireless communication devices such as mobile phones that perform short-range wireless communication such as NFC. Here, the antenna device will be described by taking as an example the case of application to a smartphone. FIG. 1A is a perspective view showing an embodiment of an antenna device according to the present invention, and FIG. 1B is an exploded perspective view thereof. The antenna of the communication partner apparatus is arranged on the upper side in the z direction in FIG. The antenna device 100 includes a chip antenna 1 having a planar spiral coil and a main substrate 2 having a ground electrode 3 larger than the planar spiral coil. The main substrate shown in FIG. 1 has a rectangular main surface, but the shape of the main substrate 2 is not limited thereto. For example, a shape having a notch in a part of the main substrate is also applicable. In the present application, the rectangle includes a square as well as a rectangle.

主基板２は、制御回路、電源回路、各種機能素子・部品等が実装される、多層の回路パターンから成る無線通信装置のメインボードであり、その各層には通常大面積のグランド電極が形成されている。図１には、主基板の一方の主面全体に渡って矩形のグランド電極が形成されている例を示しているが、グランド電極の形状や形成範囲はこれに限定されるものではない。例えば、主基板２の縁に沿ってグランド電極の非形成部を設けてもよいし、実装する素子等に応じてグランド電極の非形成部を設けてもよい。但し、平面スパイラルコイルの占有面積よりも大きく、所定の切欠き部を設けるに十分な大きさを備えている必要がある。なお、主基板２に実装されるチップアンテナの周辺は前記チップアンテナよりも高背な回路部品が実装されないことが好ましく、前記切欠き部の裏面側も低抵抗率な金属体等が設置されないことが好ましい。 The main board 2 is a main board of a wireless communication device having a multilayer circuit pattern on which a control circuit, a power supply circuit, various functional elements and components are mounted, and a ground electrode having a large area is usually formed on each layer. ing. Although FIG. 1 shows an example in which a rectangular ground electrode is formed over the entire main surface of one of the main substrates, the shape and formation range of the ground electrode are not limited to this. For example, a non-formation part of the ground electrode may be provided along the edge of the main substrate 2, or a non-formation part of the ground electrode may be provided according to an element to be mounted. However, the area needs to be larger than the area occupied by the planar spiral coil and large enough to provide the predetermined notch. In addition, it is preferable that a circuit component that is taller than the chip antenna is not mounted on the periphery of the chip antenna mounted on the main board 2, and a low-resistivity metal body or the like is not installed on the back side of the notch portion. Is preferred.

図２には、チップアンテナ１の具体例を示す。図２（ａ）は、図１に示す板状のチップアンテナ１を板面の法線方向（ｚ方向）から見た図であり、図２（ｂ）は、前記法線方向に垂直な方向（ｙ方向）から見た断面図である。図２（ａ）に示すチップアンテナは、ＰＣＢ（Printed Circuit Board）で構成した例である。絶縁基材５上にアンテナコイルとして平面スパイラルコイル６が形成され、該平面スパイラルコイル６の両端は一対の端子８に接続されている。なお、平面スパイラルコイル６の内側の巻端と端子８とは、スルーホールを用いた裏面側への配線を介して接続されている。平面スパイラルコイル６の内側は、空芯部７である。平面スパイラルコイル６が配置された面を主基板２側にして、チップアンテナ１を主基板２に実装する。平面スパイラルコイルは、ソレノイドコイルに比べてグランド電極に近接させやすいため、グランド電極との間の誘導結合が高められる、低背化しやすい等の利点がある。 FIG. 2 shows a specific example of the chip antenna 1. 2A is a view of the plate-like chip antenna 1 shown in FIG. 1 as viewed from the normal direction (z direction) of the plate surface, and FIG. 2B is a direction perpendicular to the normal direction. It is sectional drawing seen from (y direction). The chip antenna shown in FIG. 2A is an example configured with a PCB (Printed Circuit Board). A planar spiral coil 6 is formed as an antenna coil on the insulating substrate 5, and both ends of the planar spiral coil 6 are connected to a pair of terminals 8. Note that the inner winding end of the planar spiral coil 6 and the terminal 8 are connected via a wiring to the back side using a through hole. Inside the planar spiral coil 6 is an air core part 7. The chip antenna 1 is mounted on the main substrate 2 with the surface on which the planar spiral coil 6 is disposed facing the main substrate 2 side. Since the planar spiral coil is easier to be brought closer to the ground electrode than the solenoid coil, there are advantages such that the inductive coupling with the ground electrode is enhanced and the height is easily reduced.

本願発明においては、図１に示すようにグランド電極３は端辺に矩形の切欠き部４、すなわちグランド電極の非形成部を有する。図１に示す実施形態では、切欠き部４は、矩形のグランド電極３の二つの端辺が交差する部分、すなわち角の部分に形成されており、二辺側でグランド電極３に囲まれている。 In the present invention, as shown in FIG. 1, the ground electrode 3 has a rectangular notch 4 at the end, that is, a portion where the ground electrode is not formed. In the embodiment shown in FIG. 1, the notch 4 is formed at a portion where two ends of the rectangular ground electrode 3 intersect, that is, at a corner, and is surrounded by the ground electrode 3 on two sides. Yes.

チップアンテナ１は、平面視で（ｚ方向から見て）、平面スパイラルコイル６の巻回部の一部が前記グランド電極３に重なるとともに、平面スパイラルコイル６の空芯部７が切欠き部４の少なくとも一部と重なるように、主基板２に実装されている。ここで、図３を用いて、本願発明に係るアンテナ装置の構成を採用することで発揮される効果について説明する。図３は図１の構成のうち、グランド電極３と平面スパイラルコイル６のみを取り出して、その配置を示したものである。また、便宜上、グランド電極はチップアンテナを実装する端辺側の一部のみを示した。なお、平面スパイラルコイルに関しては、コイル巻回部を模式的に平面スパイラルコイル６’として示してある。 The chip antenna 1 has a winding portion of the planar spiral coil 6 that partially overlaps the ground electrode 3 in a plan view (viewed from the z direction), and an air core portion 7 of the planar spiral coil 6 is notched portion 4. Is mounted on the main board 2 so as to overlap at least a part of the main board 2. Here, the effect exhibited by adopting the configuration of the antenna device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows only the ground electrode 3 and the planar spiral coil 6 extracted from the configuration shown in FIG. For convenience, only a part of the ground electrode on the side of the end side on which the chip antenna is mounted is shown. Regarding the planar spiral coil, the coil winding portion is schematically shown as a planar spiral coil 6 '.

アンテナコイルである平面スパイラルコイル６’に高周波電力が給電されると、平面スパイラルコイル６’の導体の周囲に誘導磁界が発生する。平面スパイラルコイル６’に近接してグランド電極３が配置されているため、グランド電極にはかかる電磁誘導によって誘導電流が流れる。このときグランド電極３には平面スパイラル６’の形状・位置に合わせて切欠き部４が設けられているので、図中の点線矢印のように、誘導電流は切欠き部４に沿った部分も含めてグランド電極３の周縁を流れる。その結果、グランド電極３の周縁を流れる誘導電流によりグランド電極から磁界が発生し、グランド電極がブースターアンテナとして機能して、通信距離が拡大する。 When high frequency power is supplied to the planar spiral coil 6 ′, which is an antenna coil, an induced magnetic field is generated around the conductor of the planar spiral coil 6 ′. Since the ground electrode 3 is disposed in the vicinity of the planar spiral coil 6 ′, an induced current flows through the ground electrode due to the electromagnetic induction. At this time, the ground electrode 3 is provided with a notch portion 4 in accordance with the shape and position of the planar spiral 6 ′, so that the induced current also flows along the notch portion 4 as indicated by the dotted arrow in the figure. Including the periphery of the ground electrode 3. As a result, a magnetic field is generated from the ground electrode by the induced current flowing around the periphery of the ground electrode 3, and the ground electrode functions as a booster antenna, thereby extending the communication distance.

また、図１に示アンテナ装置においてグランド電極が果たすブースター機能を別の導体部材で代替しようとすると、その厚さ分だけ低背化に不利になる。本願発明では、もともと主基板２に形成されているグランド電極３をブースターアンテナとして利用するため、低背化を阻害する部品の数の増加が抑えられる。したがって、図１等に示す上記構成を採用することによって、通信距離の拡大と無線通信装置の低背化の両立を実現することができる。 Further, if the booster function performed by the ground electrode in the antenna device shown in FIG. 1 is replaced with another conductor member, it is disadvantageous for the reduction in height by the thickness. In the present invention, since the ground electrode 3 originally formed on the main substrate 2 is used as a booster antenna, an increase in the number of parts that hinders the reduction in height can be suppressed. Therefore, by adopting the above-described configuration shown in FIG. 1 and the like, it is possible to realize both expansion of the communication distance and reduction in the height of the wireless communication device.

上述のように、チップアンテナは、平面視で（ｚ方向から見て）平面スパイラルコイルの空芯部が切欠き部の少なくとも一部と重なるように、主基板に実装されていればよいが、グランド電極が空芯部を覆う面積が多くなりすぎると、逆にロスが大きくなる。そこで、通信距離の拡大効果が得られるように、平面スパイラルコイルの空芯部と重なる切欠き部の面積が空芯部の面積の５０％以上になるようにチップアンテナを配置する。 As described above, the chip antenna may be mounted on the main substrate so that the air core part of the planar spiral coil overlaps at least a part of the notch part in a plan view (as viewed from the z direction) If the area where the ground electrode covers the air core portion becomes too large, the loss increases. Therefore, the chip antenna is arranged so that the area of the notch that overlaps the air core part of the planar spiral coil is 50% or more of the area of the air core part so that the communication distance can be expanded.

一方、平面スパイラルコイルの空芯部と重なる切欠き部の面積は、空芯部の面積に対して１００％が上限となるが、切欠き部自体が空芯部よりもさらに大きい場合もこれに含まれる。但し、チップアンテナとグランド電極が全く重ならないと、平面スパイラルコイルとグランド電極との誘導結合が弱まり、通信距離拡大の効果を得ることが困難になる。したがって、チップアンテナの一部がグランド電極に重なることが必要である。かかる観点からは、平面スパイラルコイルの巻回部の少なくとも一部がグランド電極と重なることがより好ましい。なお、平面視で、チップアンテナ等とグランド電極の端辺が一致する場合も、上記重なる場合に含めることとする。通信距離拡大の効果をよりいっそう高めるためには、空芯部と重なる切欠き部の面積が空芯部の面積の８５％以上かつ１００未満であることがより好ましく、８７〜９８％であることがさらに好ましい。 On the other hand, the upper limit of the area of the notch that overlaps the air core part of the planar spiral coil is 100% of the area of the air core part, but this is also the case when the notch part itself is larger than the air core part. included. However, if the chip antenna and the ground electrode do not overlap at all, the inductive coupling between the planar spiral coil and the ground electrode is weakened, making it difficult to obtain the effect of increasing the communication distance. Therefore, it is necessary that a part of the chip antenna overlaps the ground electrode. From this viewpoint, it is more preferable that at least a part of the winding portion of the planar spiral coil overlaps with the ground electrode. It should be noted that the case where the chip antenna or the like coincides with the end of the ground electrode in a plan view is also included in the case of overlapping. In order to further enhance the effect of expanding the communication distance, the area of the notch overlapping the air core is more preferably 85% or more and less than 100 of the area of the air core, and is 87 to 98%. Is more preferable.

切欠き部の形状はこれを特に限定するものではないが、通信距離拡大の観点からは、平面スパイラルコイルの形状に倣った形状であることが好ましい。例えば、平面スパイラルコイルが矩形であれば、切欠き部も矩形として、平面スパイラルコイルの空芯部の辺と、それに近接する切欠き部の辺とが平行になっていることが好ましい。矩形の場合は、二辺または三辺において誘導電流を効率よく高められる。切欠き部の形状は、チップアンテナの形状との整合性の観点からは、矩形のように、切欠きの奥側の幅が、開口側の幅よりも大きくならない形状が好ましい。 The shape of the notch is not particularly limited, but it is preferably a shape that follows the shape of the planar spiral coil from the viewpoint of increasing the communication distance. For example, if the planar spiral coil is rectangular, it is preferable that the cutout portion is also rectangular and the side of the air core portion of the planar spiral coil is parallel to the side of the cutout portion adjacent thereto. In the case of a rectangle, the induced current can be efficiently increased on two or three sides. From the viewpoint of consistency with the shape of the chip antenna, the shape of the notch is preferably a shape such that the width on the back side of the notch is not larger than the width on the opening side, such as a rectangle.

次に、図１に示すアンテナ装置に用いるチップアンテナの他の実施形態について図４を参照しつつ説明する。図４は、図２（ｂ）と同様、板状のチップアンテナの板面の法線方向に垂直な方向から見た断面図である。図４に示すチップアンテナは、図２に示すチップアンテナの構成に加えて、さらに、フェライト基板９を有する。フェライト基板９の主面の形状は絶縁基材５の主面の形状と同じであり、かかる主面同士を合わせてフェライト基板９と絶縁基材５が貼り合わされている。フェライト基板には集磁効果があるため、磁束の広がりを制御することができる。フェライト基板９を平面スパイラルコイル６の主基板２側に配置して用いることもできるが、平面スパイラルコイル６の主基板側とは反対の上面側、すなわち通信相手の装置側にフェライト基板９を有する構成を採用することで、通信距離拡大の効果がいっそう大きくなる。 Next, another embodiment of a chip antenna used in the antenna device shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view seen from the direction perpendicular to the normal direction of the plate surface of the plate-like chip antenna, as in FIG. The chip antenna shown in FIG. 4 has a ferrite substrate 9 in addition to the configuration of the chip antenna shown in FIG. The shape of the main surface of the ferrite substrate 9 is the same as the shape of the main surface of the insulating base material 5, and the ferrite substrate 9 and the insulating base material 5 are bonded together by aligning the main surfaces. Since the ferrite substrate has a magnetic flux collecting effect, the spread of the magnetic flux can be controlled. The ferrite substrate 9 can be used by being arranged on the main substrate 2 side of the planar spiral coil 6, but the ferrite substrate 9 is provided on the upper surface side opposite to the main substrate side of the planar spiral coil 6, that is, on the communication partner device side. By adopting the configuration, the effect of expanding the communication distance is further increased.

フェライト基板を上面側に配置する構成は、平面スパイラルコイルをグランド電極に近接配置するうえでも有効である。フェライト基板を主基板側に配置する場合でも、平面スパイラルコイルとグランド電極を面間隔で１.０ｍｍ以下に近接させることも可能であるが、上面側に配置する場合には、両者を０.５ｍｍ以下に近接させることが容易になる。 The configuration in which the ferrite substrate is arranged on the upper surface side is also effective in arranging the planar spiral coil close to the ground electrode. Even when the ferrite substrate is arranged on the main substrate side, the plane spiral coil and the ground electrode can be close to 1.0 mm or less with a surface interval, but when arranged on the upper surface side, both are 0.5 mm. It becomes easy to make it close to the following.

なお、前記集磁効果を発揮する集磁板はフェライト基板に限定するものではなく、フェライト粉末等の磁性粉末を樹脂に混合したシート、Fe-Si系合金、Fe基やCo基のアモルファス系合金、超微結晶軟磁性合金などの磁性合金を用いることも出来る。但し、高抵抗率の観点からはフェライト基板が好ましい。フェライト基板の材質等はこれを特に限定するものではない。各種フェライト焼結体を用いることができるが、中でもNi系フェライト焼結体が抵抗率も高く好適である。また、ＮＦＣの動作周波数である１３．５６ＭＨｚにおいて１００〜１０００の透磁率を示すものがより好ましい。また、フェライト基板９の主面の形状、大きさも、これを限定するものではない。但し、高い集磁効果を発揮するためには平面スパイラルコイルの外形寸法以上であることが好ましい。一方、フェライト基板９の主面を、絶縁基材の主面と同じか、小さい形状にしておくと、チッピング等の可能性を下げることができる。また、必要に応じて切欠きやアールを設けてもよい。 The magnetic flux collecting plate that exhibits the magnetic flux collecting effect is not limited to a ferrite substrate, but a sheet in which a magnetic powder such as ferrite powder is mixed with a resin, an Fe-Si alloy, an Fe-based or Co-based amorphous alloy. Also, a magnetic alloy such as a microcrystalline soft magnetic alloy can be used. However, a ferrite substrate is preferable from the viewpoint of high resistivity. The material of the ferrite substrate is not particularly limited. Various ferrite sintered bodies can be used. Among them, a Ni-based ferrite sintered body is preferable because of its high resistivity. Moreover, what shows the magnetic permeability of 100-1000 in 13.56 MHz which is the operating frequency of NFC is more preferable. Further, the shape and size of the main surface of the ferrite substrate 9 are not limited thereto. However, in order to exhibit a high magnetic flux collecting effect, it is preferable that the outer dimensions of the planar spiral coil be equal to or larger. On the other hand, if the main surface of the ferrite substrate 9 is the same as or smaller than the main surface of the insulating base material, the possibility of chipping and the like can be reduced. Moreover, you may provide a notch and a round if needed.

次にチップアンテナの平面スパイラルコイルについてさらに説明する。チップアンテナ１は、絶縁基材としてセラミック基板を用いて構成することもできるが、ＰＣＢのような樹脂基板を用いて構成した方がコストの観点から好ましい。また、図２に示すチップアンテナは、ＰＣＢの片面だけに平面スパイラルコイルを構成した例であるが、ＰＣＢの両面に平面スパイラルコイルを形成し、それらをスルーホールで接続して、一つのアンテナコイルを構成してもよい。かかる構成はアンテナの実効断面積を高める上で好ましい。図５にその具体例を示す。 Next, the planar spiral coil of the chip antenna will be further described. The chip antenna 1 can be configured using a ceramic substrate as an insulating base material, but it is preferable to configure it using a resin substrate such as PCB from the viewpoint of cost. The chip antenna shown in FIG. 2 is an example in which a planar spiral coil is configured on only one side of the PCB, but a planar spiral coil is formed on both sides of the PCB and connected by through holes to form one antenna coil. May be configured. Such a configuration is preferable for increasing the effective area of the antenna. A specific example is shown in FIG.

図５（ａ）はＰＣＢで構成したチップアンテナの実装面側のプリントコイルパターンを示し、図５（ｂ）は上面側のプリントコイルパターンを示す。実装面の四隅には矩形の端子パターンが形成されている。このうち隣り合う一対の端子１０は給電用の端子であり、他の一対の端子１１は実装強度を高めるためのダミー端子である。 FIG. 5A shows a printed coil pattern on the mounting surface side of a chip antenna made of PCB, and FIG. 5B shows a printed coil pattern on the upper surface side. Rectangular terminal patterns are formed at the four corners of the mounting surface. Among these, a pair of adjacent terminals 10 are terminals for feeding, and the other pair of terminals 11 are dummy terminals for increasing the mounting strength.

一端が端子１０に接続されたプリント配線１２は、矩形の絶縁基材の外周縁に沿って巻回されて平面スパイラルコイルが構成されている。端子１０および１１が配置された四隅では、プリント配線１２は端子１０および１１の形状に倣って屈曲し、平面スパイラルコイルの外周側に不要な空間が形成されることを回避している。プリント配線１２の他端はスルーホール１３に接続され、該スルーホール１３を介して上面のプリント配線１４に接続されている。上面のプリント配線１４も絶縁基材の外周縁に沿って巻回されて平面スパイラルコイルが構成されている。プリント配線１４はスルーホール１５を介して実装面の端子１０に接続されている。上記構成によって、低背かつ、実効断面積が大きいチップアンテナが実現される。しかも、チップアンテナの実装強度の向上も可能となっている。なお、図５に示す平面スパイラルコイルのように、実装面側と上面側でプリントコイルパターンが異なっている場合は、空芯部の面積としては小さい方のプリントコイルパターンの面積を用いる。 The printed wiring 12 having one end connected to the terminal 10 is wound along the outer peripheral edge of a rectangular insulating base material to form a planar spiral coil. At the four corners where the terminals 10 and 11 are arranged, the printed wiring 12 is bent following the shape of the terminals 10 and 11 to avoid the formation of an unnecessary space on the outer peripheral side of the planar spiral coil. The other end of the printed wiring 12 is connected to the through hole 13 and is connected to the printed wiring 14 on the upper surface through the through hole 13. The printed wiring 14 on the upper surface is also wound along the outer peripheral edge of the insulating base material to form a planar spiral coil. The printed wiring 14 is connected to the terminal 10 on the mounting surface through the through hole 15. With the above configuration, a chip antenna having a low profile and a large effective area can be realized. In addition, the mounting strength of the chip antenna can be improved. When the printed coil pattern is different between the mounting surface side and the upper surface side as in the flat spiral coil shown in FIG. 5, the area of the smaller printed coil pattern is used as the area of the air core part.

図５に示すチップアンテナは、それ単体で用いることもできるし、図４に示した実施形態と同様にフェライト基板を重ねたチップアンテナを構成することもできる。これらのチップアンテナの構成は、本願発明に係るアンテナ装置に限らず、他のアンテナ装置や無線通信装置にも広く適用可能なものである。 The chip antenna shown in FIG. 5 can be used alone, or a chip antenna in which a ferrite substrate is overlaid can be configured as in the embodiment shown in FIG. The configuration of these chip antennas is not limited to the antenna device according to the present invention, but can be widely applied to other antenna devices and wireless communication devices.

次に、切欠き部の形成位置を変えた、アンテナ装置の他の実施形態について図５を参照しつつ説明する。図６に示す実施形態では、切欠き部１７は、矩形のグランド電極１６の一つの端辺にのみ係る。すなわち、切欠き部は、端辺の両端から離間した位置に設けられており、三辺側がグランド電極１６に囲まれている。なお、図３と同様に、平面スパイラルコイルは、巻回部のみを図示してある。 Next, another embodiment of the antenna device in which the formation position of the notch is changed will be described with reference to FIG. In the embodiment shown in FIG. 6, the notch 17 relates only to one end side of the rectangular ground electrode 16. That is, the notch is provided at a position separated from both ends of the end side, and the three sides are surrounded by the ground electrode 16. As in FIG. 3, the planar spiral coil shows only the winding part.

平面スパイラルコイル１８に高周波電力が給電されると、切欠き部１７に沿った部分も含めたグランド電極１６の周縁に誘導電流（図中の点線矢印）が流れる点は、図３に示した実施形態と同様である。しかしながら、矩形の平面スパイラルコイルの三辺に沿って三方にグランド電極があるため、図３に示す実施形態よりも、誘導結合が強く、より多くの誘導電流が流れる。その結果、通信距離をさらに拡大することが可能となる。図６の実施形態では、切欠き部１７は端辺の中央に設けられているが、端辺の両端の一方側に偏った位置に設けることもできる。 When high frequency power is supplied to the planar spiral coil 18, an induced current (dotted arrow in the drawing) flows along the periphery of the ground electrode 16 including the portion along the notch 17. It is the same as the form. However, since there are ground electrodes in three directions along the three sides of the rectangular planar spiral coil, inductive coupling is stronger than in the embodiment shown in FIG. 3, and more induced current flows. As a result, the communication distance can be further increased. In the embodiment of FIG. 6, the notch 17 is provided at the center of the end side, but can also be provided at a position biased to one side of both ends of the end side.

上記アンテナ装置を適用する無線通信装置としては、例えば、携帯電話、スマートフォン、ＩＣカード、ＩＣタグ等である。スマートフォンを例として、図７を参照しつつ、無線通信装置の構成について説明する。図７（ａ）は無線通信装置の矩形の主面の法線方向（ｚ方向）から見た図である。主基板１９と、該主基板１９に実装されたチップアンテナ２０とを有するアンテナ装置が筐体２１に収容されて無線通信装置２００が構成される。無線通信装置２００の内部に収容されるアンテナ装置に係る前記部分は点線で示してあり、それ以外の構成の図示は省略してある。筐体２１の構成はこれを特に限定するものではなく、樹脂、金属等を筐体に用いることができる。但し、筐体に金属を用いる場合は、金属部分がチップアンテナと重ならないようにすることが好ましい。 Examples of the wireless communication device to which the antenna device is applied include a mobile phone, a smartphone, an IC card, and an IC tag. The configuration of the wireless communication device will be described using a smartphone as an example with reference to FIG. FIG. 7A is a diagram when viewed from the normal direction (z direction) of the rectangular main surface of the wireless communication device. An antenna device having a main board 19 and a chip antenna 20 mounted on the main board 19 is accommodated in a housing 21 to constitute a radio communication device 200. The part related to the antenna device accommodated in the wireless communication device 200 is indicated by a dotted line, and the other components are not shown. The configuration of the casing 21 is not particularly limited, and resin, metal, or the like can be used for the casing. However, when metal is used for the housing, it is preferable that the metal portion does not overlap the chip antenna.

図７（ｂ）は無線通信装置を、側面方向（矩形の主面の法線方向に垂直な方向）から見た図であり、通信相手であるリーダ／ライタの配置も併せて示してある。図７（ａ）と同様、無線通信装置の内部に収容されるアンテナ装置に係る部分は点線で示してある。主基板２１の図面下側にはディスプレイ（図示せず）が配置され、チップアンテナ２０はその反対側（図面上側）に実装されている。アンテナコイル２４を備えたリーダ／ライタ２５と、無線通信装置２００が、コイル同士が対向するように配置される。図７（ｂ）に示すチップアンテナ２０は、図４に示す構成と同様に、平面スパイラルコイルを形成した絶縁基材２２の主基板１９側とは反対側に、フェライト基板２３を有する。すなわち、フェライト基板は平面スパイラルコイルよりも通信相手側に配置されるため、リーダ／ライタからの信号磁束、グランド電極から発生するブースト磁束の両方に対し、集磁効果を発揮する。その結果、通信距離のさらなる拡大に寄与する。 FIG. 7B is a view of the wireless communication device viewed from the side surface direction (a direction perpendicular to the normal direction of the rectangular main surface), and also shows the arrangement of the reader / writer as the communication partner. As in FIG. 7A, a portion related to the antenna device housed in the wireless communication device is indicated by a dotted line. A display (not shown) is disposed on the lower side of the main substrate 21 in the drawing, and the chip antenna 20 is mounted on the opposite side (upper side in the drawing). The reader / writer 25 including the antenna coil 24 and the wireless communication device 200 are arranged so that the coils face each other. The chip antenna 20 shown in FIG. 7B has a ferrite substrate 23 on the side opposite to the main substrate 19 side of the insulating base material 22 on which the planar spiral coil is formed, similarly to the configuration shown in FIG. That is, since the ferrite substrate is arranged on the communication counterpart side with respect to the planar spiral coil, it exhibits a magnetic flux collecting effect on both the signal magnetic flux from the reader / writer and the boost magnetic flux generated from the ground electrode. As a result, it contributes to further expansion of the communication distance.

図１および図３のように角の部分に切欠き部を設けたグランド電極を有する主基板を用いて、切欠き部の大きさと通信距離との関係を評価した。主基板であるＰＣＢに切欠き部を除き全面ベタでグランド電極が形成されており、その外形は５０ｍｍ×１００ｍｍとした。切欠き部は正方形とし、各辺の長さを７.０〜１４.０ｍｍまで変えた主基板を用意した。 The relationship between the size of the notch and the communication distance was evaluated using a main substrate having a ground electrode provided with a notch at the corner as shown in FIGS. A ground electrode is formed on the entire surface of the PCB, which is a main substrate, except for the notch, and its outer shape is 50 mm × 100 mm. A main substrate was prepared in which the notch was square and the length of each side was changed from 7.0 to 14.0 mm.

また、チップアンテナは、ＰＣＢの両面に構成した平面スパイラルコイルとフェライト基板とを用いて構成した。フェライト焼結体にはＮｉ系フェライト焼結体（日立金属株式会社製ＮＬ４５Ｓ）を用いた。フェライト基板を平面スパイラルコイルの主基板側に配置する場合（主基板側配置）と、その反対側に配置する場合（上方配置）の二通りの構成で準備した。チップアンテナに構成された平面スパイラルコイルの形態は図５と同様である。ＰＣＢおよびフェライト基板の外形寸法はともに１４.０ｍｍ×１４.０ｍｍ、厚さはそれぞれ０.３ｍｍ、０.８ｍｍであり、接着剤も含めた全体厚さは１.３ｍｍであった。平面スパイラルコイルは両面全体で８ターンで、コイルの巻回部の外形寸法が１３.０ｍｍ×１３.０ｍｍ、内形寸法が１２.０ｍｍ×１２.０ｍｍである。平面スパイラルコイルの概形は正方形であるが、四隅に屈曲部分があるため、空芯部の実質的な面積は１２８.０ｍｍ^２であった。なお、上記主基板側配置の場合、主基板の主面の法線方向における平面スパイラルコイルとグランド電極との距離は０.２ｍｍであった。 The chip antenna was constructed using a planar spiral coil and a ferrite substrate constructed on both sides of the PCB. A Ni-based ferrite sintered body (NL45S manufactured by Hitachi Metals, Ltd.) was used as the ferrite sintered body. The ferrite substrate was prepared in two configurations: a case where the ferrite substrate is arranged on the main substrate side of the planar spiral coil (main substrate side arrangement) and a case where the ferrite substrate is arranged on the opposite side (upward arrangement). The form of the planar spiral coil configured in the chip antenna is the same as that in FIG. The external dimensions of the PCB and the ferrite substrate were 14.0 mm × 14.0 mm, the thicknesses were 0.3 mm and 0.8 mm, respectively, and the total thickness including the adhesive was 1.3 mm. The planar spiral coil has 8 turns on both sides, the outer dimensions of the coil winding part are 13.0 mm × 13.0 mm, and the inner dimensions are 12.0 mm × 12.0 mm. The general shape of the planar spiral coil is square, but there are bent portions at the four corners, so the substantial area of the air core portion was 128.0 mm ² . In the case of the arrangement on the main substrate side, the distance between the planar spiral coil and the ground electrode in the normal direction of the main surface of the main substrate was 0.2 mm.

チップアンテナと、非接触データ通信に必要な信号処理回路および情報を格納したＮＦＣ信号制御用ＩＣとを、インピーダンス整合を図るための平衡型整合回路を介して接続した。主基板とチップアンテナを用いたアンテナ装置に対向するように、リーダ／ライタのアンテナを配置し、前記制御ＩＣによってＩＳＯ１４４４３ＴｙｐｅＡの条件でチップアンテナを動作させて通信距離を評価した。主基板を伴わないチップアンテナ単体の場合の通信距離を基準として、通信距離の変化率を評価した。結果を表１に示す。 The chip antenna was connected to a signal processing circuit necessary for contactless data communication and an NFC signal control IC storing information via a balanced matching circuit for impedance matching. The reader / writer antenna was placed so as to face the antenna device using the main substrate and the chip antenna, and the communication distance was evaluated by operating the chip antenna under the condition of ISO 14443 Type A by the control IC. The rate of change in communication distance was evaluated based on the communication distance in the case of a single chip antenna without a main substrate. The results are shown in Table 1.

表１においてマイナスの通信距離変化率は、グランド電極によるロスの方が大きいことを示し、プラスの通信距離変化率はグランド電極によるブースター効果が得られていることを示す。表１に示すように、フェライト基板の配置にかかわらず、空芯部の面積に対する、空芯部と重なる切欠き部の面積の比率が５０％以上になると通信距離拡大の効果が得られた。特に、８７〜９８％の範囲の面積比において、特に通信距離拡大の効果が大きいことがわかる。かかる範囲を満たすＮｏ５、６、１４、１５のアンテナ装置では、平面視でグランド電極の端辺がわずかに（空芯部の対辺距離の４.２〜７.５％）空芯部内にはみ出している状態であり、かかる状態で特に通信距離拡大の効果が大きくなることがわかる。 In Table 1, a negative communication distance change rate indicates that the loss due to the ground electrode is larger, and a positive communication distance change rate indicates that the booster effect due to the ground electrode is obtained. As shown in Table 1, regardless of the arrangement of the ferrite substrate, the effect of expanding the communication distance was obtained when the ratio of the area of the notch overlapping the air core to the area of the air core was 50% or more. In particular, it can be seen that the effect of expanding the communication distance is particularly large at an area ratio in the range of 87 to 98%. In the antenna devices No.5, 6, 14, and 15 satisfying such a range, the edge of the ground electrode slightly protrudes (4.2 to 7.5% of the distance between opposite sides of the air core portion) in a plan view. It can be seen that the effect of extending the communication distance is particularly large in such a state.

また、表１の結果からは、グランド電極が設けられた主基板側ではなく、上方側にフェライト基板を配置した方が通信距離拡大の効果が大きいことがわかる。 Further, from the results in Table 1, it can be seen that the effect of extending the communication distance is greater when the ferrite substrate is arranged on the upper side rather than on the main substrate side where the ground electrode is provided.

次に、切欠き部を図３のようにグランド電極の角に配置した場合と、図６のようにグランド電極の端辺の両端から離間した中央位置に配置した場合とで、上記実施例と同様にして通信距離の評価を行った。チップアンテナの平面スパイラルコイルの空芯部の寸法は１２.０ｍｍ×１２.０ｍｍとし、切欠き部の寸法は１０.０ｍｍ×１２.０ｍｍとした。また、フェライト基板は上方配置とした。結果を表２に示す。 Next, in the case where the notch is arranged at the corner of the ground electrode as shown in FIG. 3 and in the case where it is arranged at the center position separated from both ends of the end of the ground electrode as shown in FIG. Similarly, the communication distance was evaluated. The dimension of the air core part of the planar spiral coil of the chip antenna was 12.0 mm × 12.0 mm, and the dimension of the notch part was 10.0 mm × 12.0 mm. Further, the ferrite substrate was arranged upward. The results are shown in Table 2.

表２に示すように、切欠き部をグランド電極の端辺の両端から離間した位置に配置することによって、角に配置する場合に比べて通信距離はさらに拡大されることがわかった。 As shown in Table 2, it was found that the communication distance can be further expanded by arranging the notch at a position separated from both ends of the end of the ground electrode as compared with the case where the notch is arranged at the corner.

１：チップアンテナ
２：主基板
３：グランド電極
４：切欠き部
５：絶縁基材
６：平面スパイラルコイル
７：空芯部
８：端子
９：フェライト基板
１０：端子
１１：端子
１２：プリント配線
１３：スルーホール
１４：プリント配線
１５：スルーホール
１６：グランド電極
１７：切欠き部
１８：平面スパイラルコイル（巻回部）
１９：主基板
２０：チップアンテナ
２１：筐体
２２：絶縁基材
２３：フェライト基板
２４：アンテナコイル
２５：リーダ／ライタ
１００：アンテナ装置
２００：無線通信装置
1: Chip antenna 2: Main board 3: Ground electrode 4: Notch part 5: Insulating substrate 6: Planar spiral coil 7: Air core part 8: Terminal 9: Ferrite substrate 10: Terminal 11: Terminal 12: Printed wiring 13 : Through hole 14: Printed wiring 15: Through hole 16: Ground electrode 17: Notch 18: Planar spiral coil (winding part)
19: Main substrate 20: Chip antenna 21: Housing 22: Insulating base material 23: Ferrite substrate 24: Antenna coil 25: Reader / writer 100: Antenna device 200: Wireless communication device

Claims

A chip antenna having a planar spiral coil;
An antenna device comprising a main substrate having a ground electrode larger than the planar spiral coil,
The ground electrode has a notch on an end side,
The chip antenna is mounted on the main substrate so that a part of the chip antenna overlaps the ground electrode in plan view, and an air core part of the planar spiral coil overlaps at least a part of the notch part,
The antenna device, wherein an area of the notch that overlaps the air core is 50% or more of an area of the air core.

2. The antenna device according to claim 1, wherein an area of the cutout portion overlapping the air core portion is 87% to 98% of an area of the air core portion.

The antenna device according to claim 1, wherein the chip antenna includes a ferrite substrate on a side of the planar spiral coil opposite to the main substrate side.

The antenna device according to any one of claims 1 to 3, wherein the notch is provided at a position separated from both ends of the end side.

A wireless communication device comprising: the antenna device according to claim 1; and a housing that houses the antenna device.