JP2015002479A - 共振アンテナ及びアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振アンテナにおいて、基板上に形成された平面状コイルパターンに対してコンデンサ素子を容易かつ確実に接続できるようにすること。【解決手段】一端及び他端を有するコイル素子と、該コイル素子の一端及び他端との間に接続されたコンデンサ素子２５と、を備えた共振アンテナ。コイル素子２１は、基板５２上に形成された平面状コイルパターン２１Ａによって構成されている。コンデンサ素子２５は、長尺状のフレキシブルな部材であって、互いに対向する第１面及び第２面を有する基材シート２６と、基材シート２６の第１面に設けた第１コンデンサ電極２７と、基材シート２６の第２面に設けた第２コンデンサ電極２８とを有し、第１コンデンサ電極２７及び第２コンデンサ電極２８は、コンデンサ素子２５自体を少なくとも１回折り返した状態で、コイル素子２１の一端２２ａ及び他端２２ｂにそれぞれに接続されている。【選択図】図４

Description

本発明は、共振アンテナ及びアンテナ装置、例えば、ＮＦＣ（Near Field Communication）などの非接触通信システムで用いられる共振アンテナ及びアンテナ装置に関する。

近年、携帯端末などには、ＮＦＣに代表される１３．５６ＭＨｚ帯の非接触通信システムで使用されるアンテナ装置が内蔵されている。この種のアンテナ装置としては、特許文献１に記載されているように、コイル導体とコンデンサとからなる共振アンテナを給電回路（無線ＩＣチップ）に接続した給電コイルと磁界結合させたものが知られている。

一方、樹脂材からなる基板上への導体パターンの形成方法として、ＬＤＳ（Laser Direct Structuring）技術が知られている。ＬＤＳ技術とは、特許文献２，３に記載されているように、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などをベースポリマーとして、これにフィラーを混ぜ合わせたものを所定形状の基板に成形し、この成形品にレーザを照射することでレーザ照射部のみにメッキを析出させて所定形状の導体パターンを形成する技術である。

ＬＤＳ技術は樹脂筺体の表面に導体パターンを安価かつ容易に実現できることから、前記共振アンテナをＬＤＳ技術を用いて製造することが考えられる。前記共振アンテナを構成するコイル導体は、樹脂筺体にＬＤＳ技術で導体パターンとして容易に描画可能である。しかし、ＬＤＳ技術は導体パターンを積層化するのが難しく、コンデンサパターンを樹脂筺体に描画することは困難である。チップコンデンサを樹脂筺体に実装することが考えられるが、コイル導体との絶縁が必要であり、樹脂筺体が撓んだり曲がったりすると、チップコンデンサが脱落してしまうおそれがある。

国際公開第２０１２／１７３０８０号 国際公開第２０１１／１５２５３８号 特表２０１２−５２５０６５号公報

本発明の目的は、基板上に形成された平面状コイルパターンに対してコンデンサ素子を容易かつ確実に接続できるようにした共振アンテナ及びアンテナ装置を提供することにある。

本発明の第１の形態である共振アンテナは、
一端及び他端を有するコイル素子と、該コイル素子の前記一端及び前記他端との間に接続されたコンデンサ素子と、を備え、
前記コイル素子は、基板上に形成された平面状コイルパターンによって構成されており、
前記コンデンサ素子は、長尺状のフレキシブルな部材であって、互いに対向する第１面及び第２面を有する基材シートと、該基材シートの第１面に設けた第１コンデンサ電極と、該基材シートの第２面に設けた第２コンデンサ電極とを有し、
前記コンデンサ素子の第１コンデンサ電極及び第２コンデンサ電極は、コンデンサ素子自体を少なくとも１回折り返した状態で、前記コイル素子の一端及び他端にそれぞれに接続されていること、
を特徴とする。

本発明の第２の形態であるアンテナ装置は、
高周波信号を処理する無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップに接続された給電コイルと、コイル素子及びコンデンサ素子を含む共振アンテナと、を備え、
前記給電コイルと前記コイル素子とは磁界を介して結合されており、
前記コイル素子は、基板上に形成された一端及び他端を有する平面状コイルパターンによって構成されており、
前記コンデンサ素子は、前記コイル素子の前記一端及び前記他端との間に接続されており、かつ、長尺状のフレキシブルな部材であって、互いに対向する第１面及び第２面を有する基材シートと、該基材シートの第１面に設けた第１コンデンサ電極と、該基材シートの第２面に設けた第２コンデンサ電極とを有し、
前記コンデンサ素子の第１コンデンサ電極及び第２コンデンサ電極は、コンデンサ素子自体を少なくとも１回折り返した状態で、前記コイル素子の一端及び他端にそれぞれに接続されていること、
を特徴とする。

前記コンデンサ素子は、長尺状のフレキシブルな部材であるため、コイルパターンが形成された基板上にブリッジ状に実装することができ、形成されたパターンからなるコイル素子とフレキシブルなコンデンサ素子とで共振アンテナが構成される。基板が撓んだり曲がったりしても、コンデンサ素子はフレキシブルであるため、脱落するおそれはない。

本発明によれば、基板上に形成された平面状コイルパターンに対してコンデンサ素子を容易かつ確実に接続できる。

一実施例であるアンテナ装置を示す等価回路図である。 前記アンテナ装置を備えた携帯電話機の概略構成を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は裏蓋の内側面を示す平面図である。 前記アンテナ装置に使用されるコンデンサ素子を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は容量発生の説明図、（Ｃ）は等価回路図である。 前記コンデンサ素子の第１の取付け状態を示す斜視図である。 前記コンデンサ素子の第１の取付け状態を示す断面図である。 前記コンデンサ素子の第２の取付け状態を示す断面図である。 前記コンデンサ素子の第３の取付け状態を示す平面図である。 コンデンサ素子の他の例における取付け状態を示す断面図である。

以下、本発明に係る共振アンテナ及びアンテナ装置の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示すように、一実施例であるアンテナ装置１は、ＨＦ帯のＮＦＣやＲＦＩＤシステムなどに使用されるものであって、給電回路１０と、該給電回路１０に接続された給電コイル１５と、共振アンテナ２０と、を備えている。給電コイル１５はコンデンサ素子１６とで所定の共振周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）を有する並列共振回路を構成している。

共振アンテナ２０は、一端及び他端を有するコイル素子２１と、該コイル素子２１の一端及び他端に接続されたコンデンサ素子２５と、を備え、所定の共振周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）を有する並列共振回路を構成している。共振アンテナ２０と給電コイル１５とは磁界結合（矢印Ｍ参照）されている。コイル素子２１は、給電コイル１５に比べてその外形寸法が大きく構成されており、共振アンテナ２０と通信相手側のアンテナとを誘導磁界を介して結合させるためのアンテナ素子として機能する。

このアンテナ装置１は、例えば、図２に示す携帯端末５０に内蔵される。本実施例で携帯端末５０はスマートフォンであるが、タブレット型端末やノート型ＰＣ端末であってもよい。携帯端末５０の筺体は本体５１と裏蓋５２とで構成され、本体５１に設けたプリント配線板５５に無線ＩＣチップ１０と給電コイル１５とコンデンサ素子１６（図２では図示しない）が実装されている。

給電回路１０は、高周波信号の処理回路であって、ＲＦ回路、メモリ回路、ロジック回路などを有する半導体集積回路であり、シリコン半導体素子やＧａＡｓ半導体素子による無線ＩＣチップとして構成されている。この無線ＩＣチップは、ベアチップＩＣとして構成されていてもよく、パッケージＩＣとして構成されていてもよい。給電コイル１５は、本実施例では、磁性体コアの表面にコイルパターンを形成したものを示すが、この形態に限定するものではない。

共振アンテナ２０を構成するコイル素子２１は携帯端末５０の裏蓋５２の内側面にＬＤＳ技術によってコイルパターン２１Ａ（図２（Ｂ）参照）として形成されている。コイルパターン２１Ａは裏蓋５２の法線方向に巻回軸を有した一層の多ターン巻平面コイルである。即ち、裏蓋５２はＬＣＰやＰＢＴなどのベースポリマーに無機フィラーを混ぜた樹脂成形品からなる。この樹脂成形品の内側面にレーザを照射することで、被照射部分を粗くし、この部分にＮｉなどのメッキ膜を選択的に析出させることで、コイル素子２１（コイルパターン２１Ａ）を平面状にパターンニングする。なお、コイルパターン２１ＡはＬＤＳ技術に限ることなく、フォトリソグラフィー法などの薄膜技術や導電性ペーストの印刷技術を用いて形成することもできる。コイルパターン２１Ａの一端には幅広の一端ランド部２２ａが形成されており、他端には幅広の他端ランド部２２ｂが形成されている。

コンデンサ素子２５は、図３（Ａ）に示すように、長尺状のフレキシブルな部材であって、互いに対向する第１面及び第２面を有する誘電体からなる基材シート２６と、該基材シート２６の第１面のほぼ全面に設けた第１コンデンサ電極２７と、第２面のほぼ全面に設けた第２コンデンサ電極２８とからなる。例えば、第１コンデンサ電極２７の一端及び第２コンデンサ電極２８の一端を端子部２７ａ，２８ａとすることで、図３（Ｂ）に示すように、大きな容量部が形成される。特に、高周波的には図３（Ｃ）に示すように、複数のインダクタとキャパシタを有した、低ＥＳＬのコンデンサ素子となり、例えば、端子部２７ａから端子部２８ａへ矢印ａ方向に電流が流れる。

基材シート２６は、例えば、液晶ポリマーやポリイミドのような熱可塑性樹脂から形成されている。コンデンサ電極２７，２８は、例えば、銅やアルミニウムなどの金属箔から形成されている。

コンデンサ素子２５は、好ましくは、広い面積の基材シート２６（マザーシート）の表裏面のそれぞれに全面的にコンデンサ電極２７，２８をラミネートしたものから作製される。例えば、両主面にＣｕ箔を有した両面Ｃｕ箔貼りシートを用意し、各主面のＣｕ箔をパターニングし、これをカットすることにより１単位のコンデンサ素子２５が得られる。このようなコンデンサ素子２５は、図２に示すように、裏蓋５２の内側面において、コイル素子２１の一端ランド部２２ａ及び他端ランド部２２ｂにパターン部２１Ａ’を跨いだ状態で接続され、かつ、プリント配線板５５上に取り付けたピン５６によって、折り曲げ形状が保持されている。

以下に、前記コンデンサ素子２５の取付け状態を説明する。図４及び図５は第１の取付け状態を示し、コンデンサ素子２５の一端を蛇腹状に３回折返してコンデンサ電極２７の一端２７ａをランド部２２ａに導電性接着剤２４を介して接続し、コンデンサ素子２５の他端を蛇腹状に２回折り返してコンデンサ電極２８の他端２８ａをランド部２２ｂに導電性接着剤２４を介して接続している。

これにて、同一平面上のランド部２２ａ，２２ｂに、基材シート２６の表裏面に配置されたコンデンサ電極２７，２８のそれぞれが接続されることになる。即ち、１０ｐＦ以上（例えば、３０ｐＦ）の容量値の大きなコンデンサ素子をコイル導体をブリッジさせた状態で、基板に取り付けることができ、例えば、１３．５６ＭＨｚ付近に共振点を持つアンテナ共振回路を構成することができる。このような取り付け状態とするには、コンデンサ素子２５の一端は（２ｎ＋１）回折り返され、他端は２ｎ回折り返されることが必要となる。但し、ｎは０又は正の整数である。

図６にコンデンサ素子２５の第２の取付け状態を示す。ここでは、コンデンサ素子２５の一端を１回折返してコンデンサ電極２７の一端２７ａをランド部２２ａに導電性接着剤２４を介して接続し、コンデンサ素子２５の他端は折り返すことなく、コンデンサ電極２８の他端２８ａをランド部２２ｂに導電性接着剤２４を介して接続している。裏蓋５２の内側面にはコイル素子２１（コイルパターン２１Ａ）を被覆する絶縁性保護材としてのレジスト層６１が設けられている。

さらに、コンデンサ素子２５の一端で折り返した部分は両面テープ３１で接着されており、折返し形状が保持されている。この折返し部分はレジスト層６１上に両面テープ３２を介して接着されている。なお、コンデンサ素子２５が弾性を持っている場合、両面テープ３２やピン５６のような形状保持部材が必要となるが、コンデンサ素子２５自体が形状保持性を有している場合、形状保持部材は必ずしも必要ではない。また、コンデンサ素子２５の他端部もレジスト層６１上に両面テープ３３を介して接着されている。

また、コンデンサ素子２５は、図７に示すように、中央部分で１回折り返した状態で取り付けることも可能である。この場合、同一平面上に配置されたランド部２２ａ，２２ｂに対しては、コンデンサ電極２７の一端がランド部２２ａに接続され、コンデンサ電極２８の他端がランド部２２ｂに接続される。

図８にいま一つのコンデンサ素子２５を示す。このコンデンサ素子２５は、コンデンサ電極２７，２８の表面に絶縁性保護材としてのレジスト層３５，３６を設けたものである。各コンデンサ電極２７，２８は各レジスト層３５，３６にて覆われているので、コンデンサ電極２７，２８がコイル導体２１Ａ’に近接したとしても、共振回路の電気特性が大きく変わることがない。コンデンサ電極２７，２８の端部はそれぞれレジスト層３５，３６の一部が取り除かれていることにより、各端子部が形成されており、各端子部はコイル素子２１のランド部２２ａ，２２ｂに導電性接着剤２４を介して接続されている。コンデンサ素子２５の両端部を蛇腹状に折り返すことは図５に示した取付け状態と同様である。

さらに、この取付け状態にあっては、裏蓋５２の内側面にもコイル素子２１（コイルパターン２１Ａ）を被覆する絶縁性保護材としてのレジスト層６１を設けている。これらのレジスト層３５，３６，６１は、金属材の耐腐食性向上に寄与するとともに、コンデンサ電極２７，２８とコイルパターン２１Ａとの絶縁性を確実なものとしている。

（他の実施例）
なお、本発明に係る共振アンテナ及びアンテナ装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

特に、給電コイルや共振アンテナのコイル素子の細部の構成、形状などは任意である。また、本発明は、ＨＦ帯のＮＦＣ用の無線通信装置に限定されるものではなく、ＵＨＦ帯など他の周波数帯や、他の通信システムにも利用できる。

また、コンデンサ電極の端子部とコイル導体の端部との接続は、導電性接着剤による接続だけでなく、はんだによる接続であってもよく、あるいは、ＳＭＤコネクタなどを利用したコネクタ接続であってもよい。

以上のように、本発明は、共振アンテナ及びアンテナ装置に有用であり、特に、基板上に形成された平面状コイルパターンに対してコンデンサ素子を容易かつ確実に接続できる点で優れている。

１…アンテナ装置
１０…給電回路（無線ＩＣチップ）
１５…給電コイル
２０…共振アンテナ
２１…コイル素子
２１Ａ…コイルパターン
２２ａ，２２ｂ…ランド部
２５…コンデンサ素子
２６…基材シート
２７，２８…コンデンサ電極
５０…携帯端末
５２…裏蓋
５５…プリント配線板

Claims (5)

1. 一端及び他端を有するコイル素子と、該コイル素子の前記一端及び前記他端との間に接続されたコンデンサ素子と、を備え、
   前記コイル素子は、基板上に形成された平面状コイルパターンによって構成されており、
   前記コンデンサ素子は、長尺状のフレキシブルな部材であって、互いに対向する第１面及び第２面を有する基材シートと、該基材シートの第１面に設けた第１コンデンサ電極と、該基材シートの第２面に設けた第２コンデンサ電極とを有し、
   前記コンデンサ素子の第１コンデンサ電極及び第２コンデンサ電極は、コンデンサ素子自体を少なくとも１回折り返した状態で、前記コイル素子の一端及び他端にそれぞれに接続されていること、
   を特徴とする共振アンテナ。
2. 前記基板は樹脂筺体であり、前記平面状コイルパターンは、該樹脂筺体の表面にＬＤＳ技術を用いて描画されたものであること、を特徴とする請求項１に記載の共振アンテナ。
3. 前記コンデンサ素子は、その一端が（２ｎ＋１）回折り返されており、その他端が２ｎ回折り返されていること、但しｎは０又は正の整数であること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の共振アンテナ。
4. 前記コンデンサ素子は、その中央部で折り返されていること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の共振アンテナ。
5. 高周波信号を処理する無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップに接続された給電コイルと、コイル素子及びコンデンサ素子を含む共振アンテナと、を備え、
   前記給電コイルと前記コイル素子とは磁界を介して結合されており、
   前記コイル素子は、基板上に形成された一端及び他端を有する平面状コイルパターンによって構成されており、
   前記コンデンサ素子は、前記コイル素子の前記一端及び前記他端との間に接続されており、かつ、長尺状のフレキシブルな部材であって、互いに対向する第１面及び第２面を有する基材シートと、該基材シートの第１面に設けた第１コンデンサ電極と、該基材シートの第２面に設けた第２コンデンサ電極とを有し、
   前記コンデンサ素子の第１コンデンサ電極及び第２コンデンサ電極は、コンデンサ素子自体を少なくとも１回折り返した状態で、前記コイル素子の一端及び他端にそれぞれに接続されていること、
   を特徴とするアンテナ装置。

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