JP2018182691A - アンテナモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースでありながら、設置面積に対して磁性体の体積を最大限増やしたチップアンテナ及びアンテナモジュールを得る。【解決手段】底面にのみ凹部を有する磁性体製のコアを用意し、その表面に直接アンテナパターンを設け、チップアンテナを得る。アンテナパターンの始端と終端はともに底面に設けられ、アンテナパターンの途中は、始端を平面的に迂回する。このチップアンテナを、上面に電子部品が載置されている基板の上に、該電子部品に蓋をするように被せ、チップアンテナの底面を介して基板の上面に載置することにより、アンテナモジュールを得る。【選択図】図６

Description

本発明は電波を送受信するアンテナモジュールに関する。

ＩＣ付タグ等のＩＣ機能付き製品の普及にともない、ＮＦＣのチップアンテナ、アンテナモジュールが多々開発されている。

特に、携帯電話、パソコン等の分野においては、製品の小型化・薄型化にともない、ＮＦＣ用アンテナ・アンテナモジュールの小型化・薄型化が望まれている。

このような要望に対し、本発明者らは特許文献１に示す、電子部品を内包できる図１０に示すような開口４１を有するコア４２を用意し、それに図１１に示すように導線４３を巻きつけてなるチップアンテナ４４及びそれを基板４５に載置して電子部品４６を内包したアンテナモジュール４７を発明・出願した。

特開２０１６−５９０３５号公報

しかしながら、特許文献１では、導線をコアに巻きつけるため、アンテナを設置できる設置面積に対して、その導線の太さの分だけコアの水平断面での面積（以下、「水平断面積」という。）の占有率が減ってしまい、高特性のアンテナを得ることができないという問題があった。また、導線が側面方向にむき出しになっていると、実装する際、特に実装用の機械を使用する際、摘む部分がないので、非磁性体・非導体等の電波に干渉しない材質のケース（図示なし）で導線を保護し、摘む部分を確保する必要があった。そのため、ケースの分、コアの水平断面積が更に減少する。また、アンテナを受信側として用いる場合、外部電源なしで用いることも多いため、少しでも無駄なく電波を拾って電気信号に変換する必要があり、導線表面の厚さ数μｍの絶縁コーティングや角付近の浮き、水平方向に二重・三重に巻いた場合の外側の導線とコアとのわずかな隙間、水平方向の二重・三重に加えて縦方向に二段・三段に積み重ねて巻いた場合の上段外側の導線とコアとの隙間、導線（ワイヤ導線）の巻乱れ等によって生じるロスさえもなくしたいという要望があった。特に、ワイヤ導線の巻乱れは、ワイヤ導線の位置が固定されずに性能のバラつきを発生させる原因にもなる。

したがって、本発明は、設置面積に対する磁性体の水平断面積を増やし、磁性体の体積を増やすことによりアンテナ性能を向上させ（第一の目的）、導線と磁性体とを可能な限り密着させることにより、導線によるロスをなくしてさらにアンテナ性能を向上させること（第二の目的）を目的とする。

前記二つの目的を達成すべく、本発明者らが鋭意開発を行った結果、以下のような構造とすることによって達成できることが分かった。

すなわち、電子部品を上面に実装する基板に底面を介して載置される、柱状の磁性体製のコアと、前記コアの表面に直接設けられたアンテナパターンとを備え、前記コアには、電子部品を収納すべく、前記底面側のみに開放された凹部が設けられていることを特徴とするチップアンテナとすることにより、設置面積に対する磁性体の水平断面積を増やし、磁性体の体積を増やすことができ、アンテナ性能を高めることができる。

さらに、前記アンテナパターンが、前記コアの上面から側面を通り底面に渡って設けられているチップアンテナとすることにより、アンテナの設置面積を最大限有効に使用できる。

さらに、前記アンテナパターンは、その始端と終端とをともに前記コアの底面に有するチップアンテナとすることにより、アンテナパターンを基板に直接固定できる。なお、本発明において、「始端」は、アンテナパターンのうち内周側の端部を意味し、「終端」は、アンテナパターンのうち外周側の端部を意味する。

さらに、前記アンテナパターンが１周以上巻かれており、前記コアの底面において前記始端より内側方向に迂回する迂回路を有することにより、始端を引き出すためにアンテナパターン同士を立体的に交差させるための絶縁体が不要になる。

前記迂回路が、前記コアの底面に直接設けられ、前記底面において前記始端を前記コアの内側方向に平面的に迂回しているチップアンテナとすることにより、チップアンテナの製造上の煩雑さがなくなる。

さらに、前記アンテナパターンのうち、前記コアの上面に設けられる部分は、前記上面を縦横それぞれで３等分した９等分のうち、中心部を除いた部分にのみ設けられているチップアンテナとすることにより、アンテナの性能を効率的に高めることができる。

さらに、前記アンテナパターンの太さが０．３〜０．７ｍｍとすることにより、巻き数とＬ値を調整しやすくなる。

さらに、前記アンテナパターンの、隣接するパターン同士の間隔が、０．１〜０．４ｍｍとすることにより、アンテナパターンを中心付近に近づけないようにすることができる。

また、本発明者らは、基板と、前記基板の上面に載置された電子部品と、前記基板の上面に底面を介して載置された磁性体製のコアと、前記コアの表面に直接設けられたアンテナパターンとを備え、前記コアには、前記底面側のみに開放された凹部が設けられ、前記凹部に前記電子部品を収納していることを特徴とするアンテナモジュールとすることにより、ノイズに強いアンテナモジュールが得られることを見出した。

前記アンテナパターンが、前記コアの上面から側面を通り底面に渡って設けられているアンテナモジュールとすることよりアンテナの設置面積を最大限有効に使用できる。

さらに、前記アンテナパターンの始端と終端とが、前記コアの底面に設けられているアンテナモジュールとすることにより、アンテナパターンを基板に直接固定できる。

さらに、前記アンテナパターンが１周以上巻かれており、前記コアの底面において前記始端より内側方向に迂回する迂回路を有するアンテナモジュールとすることにより、アンテナパターン同士がショートしない。

さらに、前記迂回路が、前記コアの底面に直接設けられ、前記底面において前記始端を前記コアの内側方向に平面的に迂回しているアンテナモジュールとすることにより、アンテナパターン同士を始端及び終端を引き出すためにアンテナパターンに絶縁処理を施して立体的に交差させる必要がなくなる。

さらに、前記迂回路が、前記基板に設けられているアンテナモジュールとすることにより、コアの上面のアンテナパターンの周回数を増やしても、迂回路を作成することができる。

さらに、前記アンテナパターンのうち、前記コアの上面に設けられる部分は、前記上面を縦横それぞれで３等分した９等分のうち、中心部を除いた部分にのみ設けられているアンテナモジュールとすることにより、アンテナの性能を効率的に高めることができる。

さらに、前記アンテナパターンの太さが０．３〜０．７ｍｍとすることにより、巻き数とＬ値を調整しやすくなる。

さらに、前記アンテナパターンの、隣接するパターン同士の間隔が、０．１〜０．４ｍｍとすることにより、アンテナパターンを中心付近に近づけないようにすることができる。

さらに、前記基板が、その側端面から所定長さのスリットを有するアンテナモジュールとすることにより、取り付ける製品が熱や外力等で変形しても、アンテナモジュールが壊れにくくなる。

さらに、前記基板と前記コアとの間に隙間を有するアンテナモジュールとすることにより、基板とコアとをはんだ付けしたとき及びアンテナモジュールを製品にはんだ付けしたとき、コア内部の空気の熱膨張による変形や破損を防ぐことができる。

本発明によると、設置面積を変えることなく、磁性体の体積を増やし、さらに導線と磁性体とを可能な限り密着させたことにより、アンテナ及びそれを用いたアンテナモジュールの性能を向上させるという効果がある。

本発明に用いる磁性体製コアを示す底面側からの斜視図。 本発明に係るチップアンテナを示す上面側からの斜視図。 本発明に係るチップアンテナを示す底面側からの斜視図。 本発明に用いる基板を示す斜視図。 本発明に用いる基板の別の実施形態を示す斜視図。 本発明に係るアンテナモジュールの組立斜視図。 本発明に係るアンテナモジュールを示す斜視図。 本発明に用いるチップアンテナの別の実施形態を示す底面側からの斜視図。 本発明に用いる基板の別の実施形態を示す斜視図。 従来のアンテナモジュール用コアを示す底面側斜視図。 従来のアンテナモジュールを示す組立斜視図。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において参照する各図の形状は、公的な形状寸法を説明するうえでの概念図又は概略図であり、寸法比率等は実際の寸法比率とは必ずしも一致しない。つまり、本発明は、図面における寸法比率に限定されるものではない。

本発明に係るチップアンテナ・アンテナモジュールの製造工程は、コアを製造する「コア製造工程」、コアにアンテナパターンを設けチップアンテナを得る「パターン製造工程」、チップアンテナを載せる基板を準備する「基板準備工程」、チップアンテナと基板とを合体させてアンテナモジュールにする「モジュール組立工程」に分かれる。

「コア製造工程」
まず、フェライト（Ｎｉ−Ｚｎ、Ｍｎ−Ｚｎ）、鉄粉、圧粉、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系等の磁性体粉をプレス成型して焼成し、図１に示すコア１を得る。コア１は、底面２に凹部３を有する。凹部３は、一体成型して焼成すると手間が省けるので好ましいが、磁性体を略直方体に焼成した後に凹部３をくり抜いたり、複数のパーツを製造して一体化させたりしてもよい。凹部３が底面にのみ解放されていることによって、コアの上面及び側面の磁界が均等になり、全ての方向に対して均等に信号の送受信を行うことが可能になる。凹部３は、後述する電子部品を収納するための必要十分な大きさであることが好ましい。凹部３を平面方向に広くしすぎると、底面のアンテナパターンが形成できなくなり、また、後述の基板接続部の面積が小さくなって基板への接着強度が低下する。凹部３を深くしすぎると、磁性体の量が少なくなり、アンテナの性能が低下する。なお、「略直方体」は、直方体から、角や辺にＣ面をつけて面取りをする、Ｒをつけて丸める等の軽微な形状変更を含むものとする。

「パターン製造工程」
次に、図２、図３に示すように、得られたコア１の表面に直接、アンテナパターン４と基板接続部５とを設ける。コア１の上面６に導体金属、特に好ましくは、Ａｇ、Ａｇ＋Ｐｄ、Ａｇ＋Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属ペーストを、アンテナパターン４ａの形状に印刷し、乾燥させる。アンテナパターン４ａは、その端部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが、側面８との境界となる辺９上にまで設けられる。上面６に印刷するアンテナパターン４ａは、ループアンテナの一部であり、必要となるアンテナの性能に応じて、周回数を決定するが、１周以上とするのが好ましく、特に後述する迂回路をコア１の底面２に設けることを考慮すると、２〜５周とするのが好ましい。

このアンテナパターン４ａは、上面を縦横それぞれ３等分で９分割したとき、中央部分に入らないようにするのが好ましい。アンテナパターン４ａが中央部分に入ると、本発明のチップアンテナ又はアンテナモジュールを搭載する基板や製品（最終製品）を製造する際、吸着式の組立機械（マウンター）で部品を吸着したとき、アンテナパターン４ａを傷つけて特性が変化したり断線して使用できなくなってしまうおそれがある。また、アンテナパターン４ａを中央部分にまで印刷しても、中心軸に近すぎるため、ほとんどＬ値の向上に関与しない。そのため、中央部分を避けるのが好ましい。また、アンテナパターン４ａの太さを０．３〜０．７ｍｍ、パターン同士の間隔を０．１〜０．４ｍｍにすると、上記中央部分に印刷しなくてもＬ値を向上できるため好ましい。

その後、側面のアンテナパターン４ｂを、前記端部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄから、底面２との境界となる辺１０上の端部７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈまで印刷し、乾燥させる。更にその後、底面２に、基板接続部５と底面のアンテナパターン４ｃとを印刷し、乾燥させる。基板接続部は、底面２の四隅それぞれに設ける。アンテナパターン４ｃは、前記端部７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈから延びており、端部７ｅはアンテナパターン４の終端１１に、端部７ｇは始端１２のパターンとつながっており、端部ｆと端部ｈとは、始端１２を底面２において平面的に迂回して接続され、迂回路１３を形成する。平面的な迂回路１３とすることによって、アンテナパターンの始端１２、迂回路１３を含むループ、終端１１の全部が、直接磁性体の表面に設けられることとなる。３面とも印刷と乾燥を行った後、焼成してコア１の表面に定着させると、チップアンテナ１４が得られる。なお、本発明中、アンテナパターンは外周側の端部を終端、内周側の端部を始端として解釈する。

「基板準備工程」
次に、チップアンテナ１４を搭載するための、図４に示す基板２１を用意する。基板２１（２１ａ）は、平面視でコアよりも大きい。基板２１は、その上面に、電子部品２２を搭載するための部品用電極（図示なし）と、チップアンテナ固定用のコア接続部と、アンテナパターンの始端１２と終端１１とにそれぞれ接続するための始端接続部２３、終端接続部２４を有している。また、裏面及び側面には、（図示しないが）製品に搭載する際に使用する、信号用電極、電源用電極、グランド用電極、固定用のダミー電極等が、用途に応じて適宜設けられる。電子部品２２を搭載する場所は、基板２１の中央付近の、コア１の凹部３に対応している。また、始端接続部２３と終端接続部２４は、チップアンテナ１４の底面に設けられた始端１２と終端１１に対応した位置にそれぞれ設けられている。コア接続部２５は、チップアンテナ１４の底面に設けられた基板接続部に対応した位置に設けられる。また、基板２１は、図５に示すように、その側端面２６から所定長さのスリット２７を有している基板２１ｂを用いると、後述のモジュール組立工程や、基板２１ｂを製品にはんだ付けする際、はんだ付けの熱による基板の変形によって基板２１ｂが破損しなくなるため好ましい。

「モジュール組立工程」
基板２１の始端接続部２３、終端接続部２４、コア接続部２５にクリームはんだ（図示しない）を載せ、それらにチップアンテナ１４の始端１２、終端１１、基板接続部５をそれぞれ対応させて、図６に示すように、電子部品２２に蓋を被せるようにして載置し、加熱してクリームはんだを融かしてはんだ付けを行う。このとき、コア接続部２５と基板接続部５とが融けたはんだの表面張力によって自動的に位置調整されるため、大きなズレは生じない。以上により、図７に示すアンテナモジュール２８が得られる。

得られたアンテナモジュール２８は、設置面積に対して最大限、磁性体製のコアを大きくしたこと及び磁性体製のコア１の表面に直接アンテナパターン４が設けられていることにより、受信した電波を効率よく信号に変換及び／又は送信すべくアンテナモジュール２８に送られた信号を効率よく電波に変換することができるという、優れた効果を発揮する。また、磁性体製のコア１の内部に電子部品２２を有するため、電子部品２２が発するノイズをコア１が吸収し、特にアンテナモジュール２８を発信側に用いた場合、電子部品２２が発するノイズが、アンテナモジュール２８の外部に漏れ出さなくなるという、優れた効果を発揮する。

さらに、本発明のチップアンテナ又はアンテナモジュールを、アンテナ機能を必要とする製品（最終製品）に使用する際の特徴について説明する。本発明に係るチップアンテナは、その凹部に電子部品を収納できるため、本発明のアンテナモジュールに用いる基板を介さずに、最終製品の基板上に搭載された電子部品を覆うようにして搭載することができる。また、アンテナモジュールは、その内部に電子部品を収納している。そのため、通常は信号処理用の電子部品とアンテナとを別々に搭載し、その分スペースが必要となっていたが、本発明では部品を一体化したことにより、最終製品におけるアンテナの特性を落とすことなく、省スペース化することが可能になる。

また、本チップアンテナ及びアンテナモジュールは、磁性体製のコアが単体で所定の剛性を有するため、フェライトシートのように小さな力では壊れない。そのため、チップアンテナ又はアンテナモジュールを最終製品に設置する際、ケースや筐体側にアンテナの設置面を確保したり、所定の強度を持たせたりする等の特別な設計を施す必要がなくなり、最終製品及びその外形の設計を自由に行うことができるため、アンテナの性能を維持しつつ、チップアンテナ・アンテナモジュールだけでなく最終製品をも小型化・薄型化することができる。

本発明のチップアンテナ及びアンテナモジュールの特徴について、さらに説明する。アンテナに生じる誘導起電力Ｖすなわち、受信した電波によって発生する電圧は、磁性体の水平断面積Ｓと磁束Φとの積、Ｖ＝Ｓ×Φによって定められ、また、ＶとＬ値とは比例関係にある。従来のように導線をコアに巻きつけてアンテナを形成すると、その導線の分、コアの水平断面積を減らして巻きつけるスペースを確保する必要があったため、誘導起電力が低くなる。すなわち、電波から効率よく電気信号に変換できていないことになる。しかし、本発明では、コアの上面にアンテナパターンを直接印刷して設けるため、上述のスペースが不要になり、設置面積に対する磁性体の水平断面積を増やすことができる。これにより、磁性体の体積・設置面積に対する水平断面積が大きくなるため、Ｌ値を向上させることができる。

また、ビオ・サバールの法則によると、磁束密度Ｂは距離に反比例し、遠くなるほど小さくなる。そして、上述の磁束Φは、磁束密度Ｂと磁性体の水平断面積Ｓとの積、Φ＝Ｂ×Ｓによって定められる。従来の導線とコアでは、導線の導体とコアとの間に厚さ数μｍの絶縁コーティングが存在したり、角付近で浮いたりして導体部分と磁性体との間に距離ができてしまうため、磁束密度は小さくなっていた。しかし、本発明ではコアに直接印刷を行うため、導体部分と磁性体との距離は０となり全く生じない。磁束密度が最大になる部分で磁性体と接するため、チップアンテナ・アンテナモジュールを送信側として用いた場合、信号を効率よく磁束・電波へと変換することができる。

以上、本発明の詳細について、実施例を示しながら説明してきたが、ここで示したのは本発明の具体的な実施形態であり、その技術思想を踏まえた上で、発明の効果を著しく損なわない程度において、前記実施形態の一部を変更して実施することが可能であることが理解されるべきである。例えば、（１）アンテナパターンをペーストの印刷ではなく、蒸着やスパッタリングの後にエッチングして目的のパターンを作製することができる。（２）アンテナパターンのループ周回数を整数でなく、２．５周、３．２５周等のように小数に調整し、始端とは別の辺から底面側に延ばして基板と接続する。（３）コアと基板の形状を、平面視で円形とすることができる。（４）コアに設けるアンテナの周回数を多くし、図８に示すように、コア１の底面２に迂回路用端部３０だけを設けておき、図９に示すように、対応する基板２１ｄに基板側迂回路３１と基板側迂回路端部３２とを作成する。迂回路端部３０と基板側迂回路端部３２とをはんだ付けして、アンテナパターンを完成させる。このとき、基板側迂回路３１は、基板２１ｄの表面に露出させずに、基板内部に設けておいてもよい。また、迂回路と基板側迂回路とを、両方とも設けることもできる。

本発明によると、ＮＦＣアンテナ、フェリカアンテナなどの近距離無線通信の分野に幅広く利用することができる。

１：コア
２：底面
３：凹部
４、４ａ、４ｂ、４ｃ：アンテナパターン
５：基板接続部
６：上面
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ：端部
８：側面
９：辺
１０：辺
１１：終端
１２：始端
１３：迂回路
１４：チップアンテナ
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｄ：基板
２２：電子部品
２３：始端接続部
２４：終端接続部
２５：コア接続部
２６：側端面
２７：スリット
２８：アンテナモジュール
３０：迂回路用端部
３１：基板側迂回路
３２：基板側迂回路端部
４１：開口
４２：コア
４３：導線
４４：チップアンテナ
４５：基板
４６：電子部品
４７：アンテナモジュール

Claims (19)

1. 電子部品を上面に実装する基板に底面を介して載置される、柱状の磁性体製のコアと、前記コアの表面に直接設けられたアンテナパターンとを備え、
   前記コアには、電子部品を収納すべく、前記底面側のみに開放された凹部が設けられていることを特徴とするチップアンテナ。
2. 前記アンテナパターンが、前記コアの上面から側面を通り底面に渡って設けられている請求項１に記載のチップアンテナ。
3. 前記アンテナパターンは、その始端と終端とをともに前記コアの底面に有する請求項１に記載のチップアンテナ。
4. 前記アンテナパターンが１周以上巻かれており、前記アンテナパターンの途中に、前記コアの底面において前記始端より内側方向に迂回する迂回路を有する請求項３に記載のチップアンテナ。
5. 前記迂回路が、前記コアの底面に直接設けられ、前記底面において前記始端を前記コアの内側方向に平面的に迂回している請求項４に記載のチップアンテナ
6. 前記アンテナパターンのうち、前記コアの上面に設けられる部分は、前記上面を縦横それぞれで３等分した９等分のうち、中心部を除いた部分にのみ設けられている請求項１に記載のチップアンテナ。
7. 前記アンテナパターンが、０．３〜０．７ｍｍの幅を有する請求項１に記載のチップアンテナ。
8. 前記アンテナパターンは、前記コアの上面において隣接するパターン同士で０．１〜０．４ｍｍの間隔にて設けられている請求項１に記載のチップアンテナ。
9. 基板と、前記基板の上面に載置された電子部品と、前記基板の上面に底面を介して載置された磁性体製のコアと、前記コアの表面に直接設けられたアンテナパターンとを備え、
   前記コアには、前記底面側のみに開放された凹部が設けられ、前記凹部に前記電子部品を収納していることを特徴とするアンテナモジュール。
10. 前記アンテナパターンが、前記コアの上面から側面を通り底面に渡って設けられている請求項９に記載のアンテナモジュール。
11. 前記アンテナパターンは、その始端と終端とをともに前記コアの底面に有する請求項９に記載のアンテナモジュール。
12. 前記アンテナパターンが１周以上巻かれており、前記アンテナパターンの途中に、前記コアの底面において前記始端より内側方向に迂回する迂回路を有する請求項１１に記載のアンテナモジュール。
13. 前記迂回路が、前記コアの底面に直接設けられ、前記底面において前記始端を前記コアの内側方向に平面的に迂回している請求項１２に記載のアンテナモジュール。
14. 前記迂回路が、前記基板に設けられている請求項１２の記載のアンテナモジュール。
15. 前記アンテナパターンのうち、前記コアの上面に設けられる部分は、前記上面を縦横それぞれで３等分した９等分のうち、中心部を除いた部分にのみ設けられている請求項９に記載のアンテナモジュール。
16. 前記アンテナパターンの太さが０．３〜０．７ｍｍである請求項９に記載のアンテナモジュール。
17. 前記アンテナパターンの、隣接するパターン同士の間隔が、０．１〜０．４ｍｍである請求項９に記載のアンテナモジュール。
18. 前記基板が、その側端面から所定長さのスリットを有する請求項９に記載のアンテナモジュール。
19. 前記基板と前記コアとの間に隙間を有する請求項９に記載のアンテナモジュール。
    
    

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