JP2019004292A - デュアルｉｃカード - Google Patents

Abstract

【課題】平面コイルを用いつつ、より高い効率でＩＣモジュールとアンテナコイルとを電磁結合する。
【解決手段】デュアルＩＣカードは、接触端子部と、非接触端子部を構成する接続コイルと、接触型通信機能および非接触型通信機能を有するＩＣチップ３４とを有するＩＣモジュール３０と、接続コイルと電磁結合するための結合用コイル１８と、非接触型通信を行うために結合用コイルに接続された主コイルとを有するアンテナを含み、ＩＣモジュールを収容する凹部が形成された板状のカード本体とを備え、カード本体は基板１２を有し、結合用コイルは、基板の第一面１２ａに設けられた第一コイル５１と、基板において、第一面と反対側の第二面１２ｂに設けられた第二コイル５２とを有し、第二コイル５２の素線幅Ｗ１は、第一コイル５１の素線幅Ｗ２と、第一コイル５１の素線間ピッチＰ１との和の整数倍である。
【選択図】図３

Description

本発明は、接触型通信と非接触型通信が可能なデュアルＩＣカードに関する。

接触型通信機能および非接触型通信機能を有するデュアルＩＣカードは、使用者の用途に応じて通信形態を使い分けられるため、様々な用途に用いられてきている。近年、デュアルＩＣカードでは、アンテナを備えたＩＣモジュールを絶縁性の接着剤などにより接合し、カード本体に埋め込まれたアンテナとの間で電磁結合により電力供給と通信が可能なカード構成が用いられている。このようにデュアルＩＣカードを構成することで、ＩＣモジュールとカード本体との電気的な接続が不安定になるのを抑制することができる。これは、ＩＣモジュールとカード本体とをはんだなどの導電性の接続部材で直接接続した場合には、デュアルＩＣカードを曲げたり、経年劣化により接続部材が劣化したりしたときに接続部材が破損する恐れがあるためである。

このようにＩＣモジュールとカード本体とが電磁結合により電気的に接続されたデュアルＩＣカードとしては、例えば特許文献１から３に記載されたものが知られている。
デュアルＩＣカード用のＩＣモジュールは、接触用外部機器との接触インターフェース用の端子（接触端子部）が表面に形成されており、裏面にトランス結合（電磁結合）用の接続コイルが形成されている。
カード本体は、シート状の樹脂（基板）の第一の面にプリントコイルで形成した結合コイルとアンテナコイル（主コイル）とを持つアンテナ基板を樹脂封止したものである。結合コイルは、シート状の樹脂の厚さ方向に見たときに、ＩＣモジュールのＩＣチップの外側を囲うように巻回されている。
カード本体の結合コイルが接続コイルとトランス結合し、アンテナコイルがリーダライタなどの非接触用外部機器との間で電力供給と通信が可能となっている。

デュアルＩＣカードは、クレジットなどの大量のデータ交換や決算業務の交信のような確実性と安全性が求められる用途では接触型通信が用いられる。一方で、入退室のゲート管理などのような認証が主たる交信内容であり、交信データ量が少量の用途では非接触型通信が用いられる。

デュアルＩＣカードは、厚みの制限があるため、結合コイルとして、平面コイルが用いられることが多い。結合度を高めるために平面コイルの巻き数を増やすと、増やしたループは順次ループの径方向外側に増加していくため、結合度を高めにくいという問題がある。

この問題に対して、特許文献４では、結合コイルを基板において第一面と反対側の第二面上にも設けることにより、結合コイルの一部を基板の厚さ方向に積み重ねて、結合度を高めやすくしている。

国際公開第９９／２６１９５号 国際公開第９８／１５９１６号 国際公開第９６／３５１９０号 特願２０１５−７８９９号公報

平面コイルの形成は、基材の両面に金属層が形成されたシートに対して、金属層を所定のパターンにエッチングすることにより行われるのが一般的である。
詳細は後述するが、発明者らは、基材に形成された金属層の厚みが異なる場合において特許文献４に記載の発明に更なる改善点を見出し、本発明を完成させた。

本発明は、結合コイルとして平面コイルを用いつつ、より高い効率でＩＣモジュールとアンテナコイルとを電磁結合することができるデュアルＩＣカードを提供することを目的とする。

本発明は、接触型外部機器と接触するための接触端子部と、電磁結合による非接触端子部を構成する接続コイルと、接触型通信機能および非接触型通信機能を有するＩＣチップとを有するＩＣモジュールと、前記ＩＣモジュールの前記接続コイルと電磁結合するための結合用コイルと、非接触型外部機器との非接触型通信を行うために前記結合用コイルに接続された主コイルと、を有するアンテナを含み、前記ＩＣモジュールを収容する凹部が形成された板状のカード本体とを備え、前記カード本体は基板を有し、前記結合用コイルは、前記基板の第一面に設けられた第一平面コイルと、前記基板において、前記第一面と反対側の第二面に設けられた第二平面コイルとを有し、前記第二平面コイルの素線幅は、前記第一平面コイルの素線幅と、前記第一平面コイルの素線間ピッチとの和の整数倍であるデュアルＩＣカードである。

前記第一平面コイルの素線の厚みは、前記第二コイルの素線の厚みよりも大きく、前記主コイルが、前記基板の第一面に設けられてもよい。
前記第二平面コイルの巻き数は、０．５以上２．０以下であってもよい。

本発明のデュアルＩＣカードは、結合コイルとして平面コイルを用いつつ、より高い効率でＩＣモジュールとアンテナコイルとを電磁結合することができる。

本発明の一実施形態のデュアルＩＣカードを模式的に示す側面の断面図である。 同デュアルＩＣカードのカード本体の一部を透過させた平面図である。 図１中のＡ部拡大図である。 第二コイルの巻き数とＩＣモジュールへのエネルギー伝達量との関係を検討したシミュレーション結果を示すグラフである。 同デュアルＩＣカードの原理を説明するための等価回路図である。 コイル形成位置がずれた場合の第一コイルと第二コイルとの位置関係を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るデュアルＩＣカードを、図１から図６を参照しながら説明する。
図１および図２に示すように、デュアルＩＣカード１は、凹部１１が形成された板状のカード本体１０と、この凹部１１に収容されたＩＣモジュール３０とを備えている。
なお、図１はデュアルＩＣカード１を模式的に示す断面図であり、後述するアンテナ１３の巻き数を簡略化して示している。図２では、カード本体１０におけるアンテナ１３および容量性素子１４を示し、基板１２を透過させてその外形のみ示している。後述する裏面コイル５２には、ハッチングを付して示している。

カード本体１０は、基板１２と、基板１２に設けられたアンテナ１３と、アンテナ１３に接続（電気的に接続）された容量性素子１４と、基板１２、アンテナ１３、および容量性素子１４を封止するカード基材１５とを有している。
基板１２は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの絶縁性を有する材料を用いて、平面視で矩形状に形成されている（図２参照。）。
基板１２の短辺１２ｃ側には、基板１２の厚さ方向Ｄに貫通する収容孔１２ｄが形成されている。収容孔１２ｄは、平面視で基板１２の短辺や長辺に平行な辺を有する矩形状に形成されている。基板１２の厚さは、例えば１５〜５０μｍ（マイクロメートル）である。

アンテナ１３は、ＩＣモジュール３０の後述する接続コイル３１と電磁結合するための結合用コイル１８と、結合用コイル１８に接続されてリーダライタなどの非接触型外部機器との非接触型通信を行う主コイル１９とを有する。結合用コイル１８は、図２における領域Ｒ１内に配されており、主コイル１９は領域Ｒ１に隣合う領域Ｒ２内に配されている。収容孔１２ｄに対する基板１２の長辺１２ｅ側には、エンボスが形成可能なエンボス領域Ｒ３がＩＣカードの規格（Ｘ ６３０２−１：２００５（ＩＳＯ／ＩＥＣ ７８１１−１：２００２））に基づいて設定されている。

結合用コイル１８は、層状の導体からなる平面コイルを有する。結合用コイル１８は、図２および図３に示すように、基板１２の凹部１１の開口１１ａ（図１参照）側となる第一面１２ａ上に設けられた第一コイル（第一平面コイル）５１と、基板１２の厚さ方向両側の面のうち、第一面１２ａと反対側の第二面１２ｂ上に設けられた第二コイル（第二平面コイル）５２とを有する。第一コイル５１と第二コイル５２とは、図２に示す基板１２の平面視において、少なくとも一部が重なるように配置されている。
第一コイル５１は、基材の面方向に広がる螺旋状に形成され、厚さ方向Ｄに見たときに、ＩＣモジュール３０、すなわち凹部１１の周りに５回巻回されている。第一コイル５１と接続されてエンボス領域Ｒ３に延びる素線５１ａの幅は、第一コイル５１の幅よりも広い。
第一コイル５１の最も内側に配された素線５１ｂの端部には、素線５１ｂよりも幅が広く略円形状に形成された端子部２０が設けられている。この端子部２０は、第一面１２ａ上に形成されている。

本実施形態において、第二コイル５２は、図２に示す厚さ方向Ｄに見たときに、ＩＣモジュール３０を全周にわたり１回だけ取巻くように形成されている。第二コイル５２の素線５２ａの第一の端部であって、結合用コイル１８の端子部２０と厚さ方向Ｄに重なる位置には、素線５２ａよりも幅が広く略円形状に形成された端子部５３が設けられている。第一コイル５１の端子部２０と第二コイル５２の端子部５３とは、公知のクリンピング加工などにより電気的に接続されている。容量性素子１４は、結合用コイル１８と主コイル１９との間に直列に接続されている。
なお、図１においてＩＣモジュール３０を取巻くように形成されている第二コイル５２は、ＩＣモジュール３０の外側に形成されているが、ＩＣモジュール３０と重なるように形成してもよい。

図３に示すように、第一面１２ａ上に形成された第一コイル５１の素線５１ｂと、第二コイル５２の素線５２ａとは、厚さが異なっており、素線５１ｂの方が厚い。このため、素線５１ｂの幅と素線５２ａの幅を同一にすると、第一コイル５１と第二コイル５２とで電気抵抗が異なってしまう。これを解消するため、本実施形態では、第二コイルを構成する素線５２ａの幅Ｗ１を、第一コイル５１を構成する素線５１ｂの幅Ｗ２よりも大きくしている。
具体的には、幅Ｗ１は、幅Ｗ２と、素線５１ｂ間のピッチＰ１との和に等しく設定されている。幅Ｗ１とピッチＰ１とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

主コイル１９は、図２に示すように、螺旋状に形成されて領域Ｒ２内で３回巻回されている。エンボス領域Ｒ３において、主コイル１９を構成する素線１９ａの幅は、エンボス領域Ｒ３以外で主コイル１９を構成する素線１９ｂの幅よりも広い。素線１９ａの幅および前述の素線５１ａの幅を広くすることで、エンボス領域Ｒ３にエンボスが形成されたときに素線１９ａ、５１ａが断線するのを防ぐことができる。
主コイル１９のうち最も外側に配された素線１９ａの端部に、第一コイル５１のうち最も外側に配された素線５１ａの端部が接続されている。
素線１９ｂ、５１ｂは特に限定はしないが、例えば線幅約０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度、間隔約０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度で形成することができる。また、エンボス領域Ｒ３における素線１９ａ、５１ａは、例えば線幅約１ｍｍ〜１５ｍｍ、間隔約０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度で形成することができる。

容量性素子１４は、図１および図２に示すように、基板１２の第一面１２ａに設けられた電極板１４ａと、基板１２の第二面１２ｂに設けられた電極板１４ｂとを有している。電極板１４ａ、１４ｂは、基板１２を挟んで対向するように配置されている。
電極板１４ａは、主コイル１９のうち最も内側に配された素線１９ｂの端部に接続されている。
電極板１４ｂには、第二面１２ｂに設けられた接続配線２１が接続されている。この接続配線２１は、第二コイル５２の素線５２ａの第二の端部に接続されている。
アンテナ１３、容量性素子１４および接続配線２１は、例えば、厚さ方向の両面に金属層が形成された基板１２に、一般的なグラビア印刷によって所定のパターンのレジストを塗工し、その後金属層の一部をエッチングにより除去することで形成することができる。

カード基材１５は、非晶質ポリエステルなどのポリエステル系材料、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）などの塩化ビニル系材料、ポリカーボネート系材料、ＰＥＴ−Ｇ（ポリエチレンテレフタレート共重合体）などの絶縁性を有する材料を用いて、平面視で矩形状に形成されている（図２参照。）。
前述の凹部１１は、図１に示すように、カード基材１５に形成されている。凹部１１は、カード基材１５の側面に形成された第一の収容部２４と、第一の収容部２４の底面に形成された第一の収容部２４よりも小径の第二の収容部２５とを有している。第一の収容部２４のカード基材１５の側面側の開口が、前述の開口１１ａとなっている。
なお、基板１２、アンテナ１３、および容量性素子１４を一対のカード基材間に挟み込み、熱圧によるラミネートあるいは接着剤で一対のカード基材同士を一体化する。その後でカード個片形状に打ち抜くことで、カード本体を形成してもよい。

ＩＣモジュール３０は、図１に示すように、シート状のモジュール基材３３と、モジュール基材３３の第一の面に設けられたＩＣチップ３４および接続コイル３１と、モジュール基材３３の第二の面に設けられた複数の接触端子（接触端子部）３５とを備えている。ＩＣモジュール３０は、さらにＩＣ樹脂封止部３６を備えていてもよい。
モジュール基材３３は、ガラスエポキシやＰＥＴなどの材料を用いて、平面視で矩形状に形成されている。モジュール基材３３の厚さは、例えば５０〜２００μｍである。
ＩＣチップ３４は、接触型通信機能および非接触型通信機能を有する公知の構成のものを用いることができる。
接続コイル３１は、ＩＣチップ３４とＩＣ樹脂封止部３６を囲うように螺旋状に形成されている。接続コイル３１は、銅箔やアルミニウム箔をエッチングでパターン化することで形成され、厚さは、例えば５〜５０μｍである。接続コイル３１は、カード本体１０の結合用コイル１８との電磁結合による非接触端子部を構成する。

複数の接触端子３５は、モジュール基材３３の第二の面に例えば銅箔をラミネートすることで、所定のパターンに形成されている。銅箔における外部に露出する部分には、厚さ０．５〜３μｍのニッケル層をメッキにより設けてもよく、さらにこのニッケル膜上に厚さ０．０１〜０．３μｍの金層をメッキにより設けてもよい。
各接触端子３５は、現金自動預け払い機などの接触型外部機器と接触するためのものである。接触端子３５は、ＩＣチップ３４に内蔵された不図示の素子などと接続されている。
ＩＣチップ３４と接続コイル３１とは不図示のワイヤにより接続されていて、ＩＣチップ３４、接続コイル３１およびワイヤにより、閉回路が構成される。
モジュール基材３３の第二の面に複数の接触端子を厚さ５０〜２００μｍのリードフレームで形成し、モジュール基材３３の第一の面に接続コイルを銅線により形成してもよい。

樹脂封止部３６は、例えば、公知のエポキシ樹脂などで形成することができる。樹脂封止部３６を備えることで、ＩＣチップ３４を保護したり、ワイヤの断線を防いだりすることができる。

第二コイル５２の巻き数及び長さは、結合用コイル１８と接続コイル３１との結合度、および抵抗損失に影響する。発明者らは、上記のように構成された第二コイル５２の最適な態様を検討する中で、結合用コイル１８と接続コイル３１との結合を効率的に強化することができる第二コイル５２の巻き数の範囲を見出した。

図４は、第二コイル５２の巻き数と、ＩＣモジュール３０へのエネルギー伝達量との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。図５に示すように、第二コイル５２が存在しない（巻き数ゼロ）ときのエネルギー伝達量１００に対し、巻き数１の第二コイル５２を設けることにより、エネルギー伝達量を４％上昇させることができる。

さらに、発明者らの検討では、エネルギー伝達量の向上効果は、第二コイル５２の巻き数が整数でない場合でも発揮されることが分かった。図４に示す結果では、第二コイルの巻き数を０．５以上２．０以下とすることにより、エネルギー伝達量を２％程度上昇させることができることが示された。結合用コイルを形成する場合、その巻き数は整数とされることがこの分野での常識であり、上述した第二コイルを平面コイルで形成する場合の好適な巻き数の範囲は、非常に新しい知見と言える。一方、巻き数を２より大きくすると、エネルギー伝達量の向上効果は失われていくことが示された。

次に、以上のように構成されたデュアルＩＣカード１の作用について説明する。図５は、本デュアルＩＣカード１の原理を説明するための等価回路図である。
リーダライタ（非接触型外部機器）Ｄ１０の送受信回路Ｄ１１で発生された不図示の高周波信号により、送受信コイルＤ１２に高周波磁界が誘起される。この高周波磁界は、磁気エネルギーとして空間に放射される。

このときデュアルＩＣカード１がこの高周波磁界中に位置すると、高周波磁界により、デュアルＩＣカード１のアンテナ１３および容量性素子１４で構成する並列共振回路に電流が流れる。このとき、結合用コイル１８においては、第一コイル５１から第二コイル５２へ、あるいはその逆の第二コイル５２から第一コイル５１へ電流が流れる。したがって、第一面１２ａ側から見たときの第一コイル５１の電流の流れと、第二面１２ｂ側から見たときの第二コイル５１の電流の流れとは、正反対になっている。
主コイル１９と容量性素子１４の共振回路で受信した信号は、結合用コイル１８に伝達される。その後、結合用コイル１８と接続コイル３１との電磁結合によってＩＣチップ３４に信号が伝達される。

図示はしないが、デュアルＩＣカード１が現金自動預け払い機などの接触型外部機器との間で電力供給と通信を行う場合には、現金自動預け払い機に設けられた端子をデュアルＩＣカード１の接触端子３５に接触させる。そして、現金自動預け払い機の制御部とＩＣチップ３４との間で電力供給および通信を行う。

本実施形態のデュアルＩＣカード１によれば、結合用コイル１８は基板１２の第一面１２ａ上に設けられた第一コイル５１と、第二面１２ｂ上に設けられた第二コイル５２とを有し、第二コイルの素線幅Ｗ１は、第一コイル５１の素線幅Ｗ２と素線間ピッチＰ１との和、すなわち、素線幅Ｗ２と素線間ピッチＰ１との和の１倍と等しくなっている。
したがって、第一コイル５１および第二コイル５２を形成する際に、両者の形成位置が、レジスト塗工やエッチングの公差範囲内で素線の幅方向にずれたとしても、図６に示すように、基材の厚さ方向において第一コイル５１と第二コイル５２とが重なる領域の面積は、素線５１ｂ１本分であり、実質的に変化しない。したがって、第一コイル５１および第二コイル５２の形成個体差に起因する結合用コイル１８の電気的特性（インダクタンス）のバラつきが抑えられる。その結果、結合用コイル１８と接続コイル３１との電磁結合の態様を安定させることができる。

また、第二コイル５２の素線幅Ｗ１が第一コイル５１の素線幅Ｗ２よりも大きいため、第一コイルと第二コイルとで素線の厚さが異なっていても、第一コイルと第二コイルとの断面積を略同一にすることができる。その結果、基材の両面に異なる厚さの金属層が形成された汎用の材料を用いて、電気的特性の安定したアンテナを安価に形成することができる。さらに、第一コイル側の素線を厚くすることで、同じ側に形成される主コイルの断線を好適に防止することができる。

本実施形態において、第一コイル５１に囲まれた領域の面積と第二コイル５２に囲まれた領域の面積とは、同一であってもよいし、一方が他方より大きくてもよい。同一である場合は、結合用コイルと接続コイルとの電磁結合をより確実に行うことができる。一方を他方より大きくする場合、小さい方の面積を、収容孔１２ｄの面積に、上述したレジスト塗工やエッチングの公差を加味した値とすることで、結合用コイルの形成位置が内側にずれた場合でも、収容孔の形成加工時に結合用コイルが損傷することを防ぐことができる。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。

例えば、上述の実施形態では、第二コイルの素線の幅が、第一コイルの素線の幅と第一コイルの素線間ピッチとの和に等しい例を説明したが、これに代えて、第二コイルの素線の幅を、第一コイルの素線の幅と第一コイルの素線間ピッチとの和の２倍或いは３倍等の他の整数倍にしてもよい。

１ デュアルＩＣカード
１０ カード本体
１１ 凹部
１１ａ 開口
１２ 基板
１２ａ 第一の面
１２ｂ 第二面
１３ アンテナ
１８ 結合用コイル
１９ 主コイル
３０ ＩＣモジュール
３１ 接続コイル
３４ ＩＣチップ
３５ 接触端子（接触端子部）
５１ 第一コイル（第一平面コイル）
５１ａ、５１ｂ、５２ａ 素線
５２ 第二コイル（第二平面コイル）
Ｄ 厚さ方向

Claims (3)

1. 接触型外部機器と接触するための接触端子部と、電磁結合による非接触端子部を構成する接続コイルと、接触型通信機能および非接触型通信機能を有するＩＣチップと、を有するＩＣモジュールと、
   前記ＩＣモジュールの前記接続コイルと電磁結合するための結合用コイルと、非接触型外部機器との非接触型通信を行うために前記結合用コイルに接続された主コイルと、を有するアンテナを含み、前記ＩＣモジュールを収容する凹部が形成された板状のカード本体と、
   を備え、
   前記カード本体は基板を有し、
   前記結合用コイルは、
   前記基板の第一面に設けられた第一平面コイルと、
   前記基板において、前記第一面と反対側の第二面に設けられた第二平面コイルと、を有し、
   前記第二平面コイルの素線幅は、前記第一平面コイルの素線幅と、前記第一平面コイルの素線間ピッチとの和の整数倍である、
   デュアルＩＣカード。
2. 前記第一平面コイルの素線の厚みは、前記第二平面コイルの素線の厚みよりも大きく、
   前記主コイルが、前記基板の第一面に設けられている、
   請求項１に記載のデュアルＩＣカード。
3. 前記第二平面コイルの巻き数は、０．５以上２．０以下である、請求項１に記載のデュアルＩＣカード。

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