JP3971700B2 - アンテナ及びリーダー／ライター装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板にループパターンを形成してなるアンテナ、およびこれを用いた非接触ＩＣカードのリーダー／ライター装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、データ処理の効率化やデータ管理の利便性やセキュリティの確保を図る上でＩＣチップを搭載したＩＣカードが普及しつつある。ＩＣカードには、カードの外部接続端子とホスト装置側の端子と接続してデータの送受信を行う接触型と、ＩＣカードとリーダー／ライター装置とに各々備えたコイルアンテナ間で無線方式でデータの送受信を行う非接触型とがある。非接触型のＩＣカードは、独自の電源を持たず、ＩＣ回路の起動電力をＩＣカードとリーダー／ライター装置との間で電磁誘導により生ずる誘導起電力によって供給するように構成されているものである。
【０００３】
図８に、非接触型のリーダー／ライター装置の概略構成を示す。１はリーダー／ライター装置であり、ＩＣカード５との間で電磁誘導によりデータを送受信するアンテナ装置３と、アンテナ装置３を通じてデータの送信／受信を行うデータ送信部６およびデータ受信部７と、ホスト装置８側の命令に応じてデータ送信部６又はデータ受信部７の動作を制御する制御部９とを備えている。
なお、アンテナ装置３のアンテナには、ワイヤをコイル状に巻回して形成したもの、樹脂基板等の基板に導体パターンをコイル状に形成したものが使用されている。
【０００４】
ＩＣカードとリーダー／ライター装置との通信距離を長くするためにはアンテナに大きな電流を流す必要があり、したがって直流抵抗値の小さなアンテナが有効である。アンテナの直流抵抗値を小さくする方法としては、アンテナに使用する導体パターン幅を太くすること、基板に同形状の導体パターンを多層に積層して形成し、層間で導体パターンを電気的に接続する等の方法がある。図９は、基板１２に導体パターン１４を積層して形成したアンテナ１０の例を示す。導体パターン１４は各層で同形のループ状に形成され、スルーホール１６を介して層間で電気的に接続されている。１８は給電部に接続される端子部である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示すアンテナ１０は、導体パターン１４の幅を広く形成すること、導体パターン１４を複数層に積層することによって導体部の直流抵抗成分を低減させることが可能となっている。
しかしながら、層間で導体パターン１４を電気的に接続するためのスルーホール１６を設けたことによって、スルーホール１６が高周波領域で等価的に寄生容量として作用し、信号の応答特性を劣化させること、また、スルーホール１６の近傍でうず電流が生じやすくなり、うず電流がアンテナから放射される電界強度を抑制するように作用すること、導体パターン１４の電気的導通の確実性を向上させるためスルーホール１６を多数個設けるとインピーダンスの増加につながり、インダクタンスとして作用しなくなるおそれがあるといった課題がある。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、基板にループ状に形成した導体パターンの直流抵抗成分を低減させ、通信特性を向上させたアンテナおよびこれを用いた非接触ＩＣカードのリーダー／ライター装置を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、平面形状が１ターンのループ状となる導体パターンが、少なくとも２層、電気的に絶縁されて基板に積層して設けられたアンテナであって、前記導体パターンの内周縁に沿って、前記基板を厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられ、該貫通孔の内周側面に導通パターンが形成され、該導通パターンを介して、前記基板に形成された導体パターンが層間で電気的に接続されていることを特徴とする。導体パターンは同一の１ターンのループパターンに形成される。導通パターンは貫通孔の内周側面の少なくとも一部に設けられ、これによって導体パターンが層間で電気的に接続される。なお、導体パターンは、平面形状で円形に形成されることに限定されるものではなく、四角形、八角形、十二角形等の多角形状に形成される場合を含む意である。
【０００８】
また、前記導体パターンの外周縁に沿ってスリット状の貫通孔が設けられ、該導体パターンの外周縁に沿って設けられた貫通孔の内周側面に、前記導体パターンを層間で電気的に接続する導通パターンが形成されていることを特徴とする。
また、前記基板が、前記導体パターンに合わせて平面形状がループ状に形成され、前記基板の外周側面に前記導体パターンを層間で電気的に接続する導通パターンが形成されていることを特徴とする。
また、前記導通パターンが、前記導体パターンの周方向の全長にわたって設けられていることにより、導体パターンの電気的接続が確実になされ、アンテナの直流抵抗成分を効果的に低減させることができる。
また、前記導体パターンが基板の両表面に設けられていること、前記導体パターンが基板の内層に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
また、非接触型ＩＣカードとの間でデータの送受信を行うアンテナを備えたアンテナ装置と、該アンテナ装置を通じてデータの送信／受信を行うデータ送信部及びデータ受信部と、ホスト装置の命令に応じてデータ送信部又はデータ受信部の動作を制御する制御部とを備えたリーダー／ライター装置であって、前記アンテナ装置が、前記アンテナを備えていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面と共に詳細に説明する。
図１は本発明に係るアンテナ１０の一実施形態の構成を示す。本実施形態のアンテナ１０は基板に１ターンのループ状に導体パターン１４を形成したものであり、基板１２の両面に同形のループ状に導体パターン１４を設けるとともに、導体パターン１４の内周縁に沿って基板１２に円形に貫通孔２０を貫通させて設け、貫通孔２０の内周側面で導体パターン１４が設けられている周方向の全長にわたって基板１２の両面に形成されている導体パターン１４を電気的に導通させる導通パターン２２を設けたことを特徴とする。
【００１１】
図１では、導通パターン２２が所定の厚さに形成され、導通パターン２２の端面が導体パターン１４に接続していることを示す。
図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。基板１２の中央部に貫通孔２０が形成され、貫通孔２０の内周側面に形成された導通パターン２２によって基板１２の両面に形成された導体パターン１４が電気的に接続されている。なお、１３は基板１２の表面に被覆された銅箔である。銅箔１３は、本実施形態のアンテナ１０の製造工程上、基板１２の表面に所定のパターンで導体パターン１４を形成するために用いられている。
【００１２】
図３は、図１、２に示すアンテナ１０の製造方法を示す。図３(a)は、基板１２の両面に銅箔１３を被着した両面銅張り基板である。図３(b)はこの両面銅張り基板に、ドリル加工等により貫通孔２０を形成した状態を示す。貫通孔２０はループ状に形成する導体パターン１４の内周縁の位置に合わせて、円形に両面銅張り基板を孔あけ加工して形成する。なお、導体パターン１４は平面形状で円形に形成する場合に限らず、八角形、十二角形等の多角形状に形成することも可能であり、これらの場合には貫通孔２０は多角形状に形成する。
図３(c)は、導体パターン１４と導通パターン２２を形成するため、図３(b)の状態でまず無電解銅めっきを施して、貫通孔２０の内周面と銅箔１３の表面に無電解銅めっき層２４を形成し、さらに無電解銅めっき層２４をめっき給電層とする電解銅めっきを施して、貫通孔２０の内周面と基板１２の表面に電解銅めっき層２６を形成した状態を示す。
【００１３】
図３(d)は、基板１２の表面に所定のパターンに導体パターン１４を形成するため、感光性レジストにより基板１２の表面および貫通孔２０の内面を被覆した後、感光性レジストを露光および現像して、基板１２の表面および貫通孔２０の内周面を被覆している導体層のうち、導体パターン１４および導通パターン２２として残す部位のみを被覆するレジストパターン２８を形成した状態である。レジストパターン２８は図１に示す端子部１８を形成する部分については被覆し、導通パターン２２の終端部間２３については露出するように設けられる。
【００１４】
図３(e)はレジストパターン２８をマスクとしてエッチングすることにより、基板１２の表面に露出する導体層が除去された状態を示し、図３(f)は、レジストパターン２８を溶解して除去することによって、基板１２の両面に導体パターン１４が形成され、貫通孔２０の内周側面に被着する導通パターン２２により、基板１２の両面の導体パターン１４が電気的に接続された状態を示す。
図３(f)は、基板１２の両表面にループパターンが形成された図２に示すアンテナである。貫通孔２０の内周側面の導体層は無電解銅めっき層２４と電解銅めっき層２６とからなり、基板１２の両表面の導体層は、銅箔１３、無電解銅めっき層２４、電解銅めっき層２６とからなる。
【００１５】
本実施形態のアンテナ１０は、基板１２の両面に幅広にループパターンが形成されていること、基板１２の両面に形成された導体パターン１４が導体パターン１４の内周面の全長にわたって導通パターン２２によって電気的に導通されていることから、基板１２の両面の導体パターン１４相互の電気的導通が良好になされ、アンテナの直流抵抗成分を好適に低減させることが可能になる。また、ループパターンに沿って導通パターン２２が設けられていることから、導体パターン１４をスルーホールによって接続した際にうず電流が生じるといった問題が解消され、アンテナの電気的特性を良好にすることができるという利点がある。
【００１６】
図４は、基板１２の両面に同一形状に形成した導体パターン１４ａ、１４ｂを積層して形成したアンテナの例である。１４ａが内層の導体パターンであり、１４ｂが外層の導体パターンである。内層の導体パターン１４ａは両面銅張り基板に貫通孔を形成した後、銅箔１３を所定のループパターンにエッチングして形成することができ、外層の導体パターン１４ｂは内層の導体パターン１４ａを形成した後、絶縁フィルムをラミネートして絶縁層３０を形成した後、図３における方法と同様に、無電解銅めっきおよび電解銅めっきを施し、貫通孔２０の内周壁面と基板１２の両表面に導体層を形成し、所定のループパターンに導体層をエッチングすることによって、内層の導体パターン１４ａと外層の導体パターン１４ｂを導通パターン２２によってすべて導通した状態のアンテナとすることができる。
【００１７】
図５は基板１２にループ状に導体パターン１４を形成したアンテナ１０の他の実施形態を示す。
本実施形態のアンテナ１０は導体パターン１４の内周縁と外周縁に沿って各々基板１２を厚さ方向に貫通する貫通孔２０ａ、２０ｂを設け、貫通孔２０ａの内周側面と貫通孔２０ｂの内周側面のそれぞれに、基板１２の両面に形成された導体パターン１４を電気的に接続する導通パターン２２ａ、２２ｂを設けたことを特徴とする。
【００１８】
導体パターン１４の内周側に設ける貫通孔２０ａは上述した実施形態でのアンテナ１０と同様に、導体パターン１４の内周縁に沿って円形に基板１２を抜き落として形成し、導体パターン１４の外周側に設ける貫通孔２０ｂは導体パターン１４の外周縁に沿ってスリット状に基板１２を抜き落として形成する。導体パターン１４の外周側部分を抜き落とすと導体パターン１４を支持している部位が不安定になるから、実施形態では貫通孔２０ｂの周方向の中途に複数のリブ３２を設けて、リブ３２によって導体パターン１４を吊持するようにしている。
【００１９】
貫通孔２０ａ、２０ｂの内周側面に設ける導通パターン２２ａ、２２ｂは前述した第１の実施形態の場合と同様に基板１２の周側面を被覆するように設け、これによって基板１２の両面に形成された導体パターン１４が電気的に接続されるようにしている。
本実施形態のアンテナ１０では、導体パターン１４の外周側に設けた貫通孔２０ｂの周側面にも導通パターン２２ｂを設けたことによって基板１２の両面に形成された導体パターン１４の電気的導通がさらに確実になされ、ループパターンの直流抵抗成分をさらに低減させることができている。
【００２０】
なお、導体パターン１４の外周側に設けた貫通孔２０ｂについては、導体パターン１４に接する内面と同様に、導体パターン１４と対向する内面部分にも導通パターン２２ｃを設け、さらにリブ３２の内面にも導通パターン２２ｄを設けることによって、基板１２の両面に設けた導体パターン１４の電気的導通をさらに確実にするとともに、導通パターン２２ｃをアンテナのループパターンとしても寄与できるようにしている。これによって、ループパターンの直流抵抗成分をさらに低減させることが可能となっている。
【００２１】
図６は、図５に示す基板１２からループ状に形成された導体パターン１４に対応する部位を切り離して、単独のリング状のアンテナ１０に形成した例である。図５に示すリブ３２を導体パターン１４の外周側の周側面の位置で切り離し、端子部１８の基部位置で切断することによって、図６に示すアンテナ１０を形成することができる。なお、図６に示すアンテナ１０では、リブ３２を切り離した部位については、導通パターン２２ｂは被着していない。
【００２２】
図７は、図６のＡ−Ａ’線断面図を示す。基板１２の両面に導体パターン１４が形成されていること、導体パターン１４の内側の貫通孔２０の内周側面に導通パターン２２ａが形成されていること、導体パターン１４の外周側面に導通パターン２２ｂが形成されていることを示す。導通パターン２２ａ、２２ｂは基板１２の両面に形成されている導体パターン１４、１４を電気的に接続する。これによって、前述したアンテナ１０と同様に、基板１２の両面に形成された導体パターン１４の電気的導通が確実になされ、ループパターンの直流抵抗成分を低減させることができる。
【００２３】
上述した各実施形態のアンテナ１０において、貫通孔２０の内周側面に形成した導通パターン２２、導体パターン１４の内周側および外周側に設けた導通パターン２２ａ、２２ｂ等は、たとえば電気めっきによって形成することができ、厚さは３０μｍ程度に設ければよい。
一般に導体を流れる高周波電流は導体の表面に集中して流れる（表皮効果）。表皮の厚さδは周波数と導体によって異なる。たとえば、周波数を１０ＭＨｚ、導体を銅（導電率５．８×１０⁷(Ｓ／ｍ）、比透磁率０．９９９９９１）とすると、表皮の厚さδ＝２０．９μｍとなる。すなわち、この場合は２０μｍ程度の厚さの表皮に電流が集中することになる。
【００２４】
したがって、導通パターン２２、２２ａ、２２ｂの厚さを３０μｍ程度とすることによって十分な特性を備えたアンテナとして提供することが可能となる。なお、上記各実施形態のアンテナ１０では一般的な配線基板の製造に用いられている、銅箔１３の厚さが１８μｍの両面銅張り基板を使用している。したがって、導体パターン１４についても１０ＭＨｚ程度の周波数の信号通信に十分な厚さの導体層として形成されている。
【００２５】
なお、基板１２にループ状に導体パターン１４を形成する方法として、前述した実施形態においては、いわゆるサブトラクティブ法による製造方法を示したが、アンテナ１０の製造方法はこの方法に限定されるものではなく、たとえば、アディティブ法といった配線基板の製造工程において一般的に使用されている方法を利用することもできる。
本発明に係るアンテナは、基板に所定のパターンで配線パターンを形成する配線基板の製造方法とまったく同様の方法によって導体パターン１４を形成するものであり、いろいろな製造技術が開発されている配線基板の製造方法をそのまま利用することが可能である。
【００２６】
上述した方法によって製作したアンテナ１０は図８に示すと同様に、リーダー／ライター装置のアンテナ装置３に組み込むことによって、非接触方式のＩＣカードのデータの送受信に好適に利用できるリーダー／ライター装置として提供することが可能となる。
また、本実施形態のアンテナ１０はＩＣカードのリーダー／ライター装置に限らずデータ等の送受信に利用するアンテナとして好適に利用することが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係るアンテナは、導体パターンの内周縁に沿って開口させて設けた貫通孔の内周側面に導通パターンを被着して形成したことによって導体パターンが層間で確実にかつ容易に電気的に接続され、ループパターンの直流抵抗成分を低減させることができるとともに、導通パターンを介して導体パターンを電気的に接続することにより、うず電流等の発生を防止して、通信特性のすぐれたアンテナとして提供することができる。また、これらのアンテナは配線基板の製造方法を適用して製造することができ、高精度にかつ容易に製造することができる。また、これらのアンテナを搭載したリーダー／ライター装置は、非接触型のＩＣカードのリーダー／ライター装置として好適に使用することができる等の著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアンテナの一実施形態の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示すアンテナのＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】アンテナの製造方法を示す説明図である。
【図４】導体パターンを積層した構成を有するアンテナの断面図である。
【図５】アンテナの他の実施形態の構成を示す平面図である。
【図６】アンテナのさらに他の実施形態の構成を示す平面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ’線断面図である。
【図８】リーダー／ライター装置のブロック図である。
【図９】スルーホールにより導体パターンを電気的に接続したアンテナの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
３ アンテナ装置
５ ＩＣカード
６ データ送信部
７ データ受信部
１０ アンテナ
１２ 基板
１３ 銅箔
１４ 導体パターン
１６ スルーホール
１８ 端子部
２０ 貫通孔
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 導通パターン
２４ 無電解銅めっき層
２６ 電解銅めっき層
２８ レジストパターン
３０ 絶縁層
３２ リブ

Claims (7)

1. 平面形状が１ターンのループ状となる導体パターンが、少なくとも２層、電気的に絶縁されて基板に積層して設けられたアンテナであって、
   前記導体パターンの内周縁に沿って、前記基板を厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられ、
   該貫通孔の内周側面に導通パターンが形成され、該導通パターンを介して、前記基板に形成された導体パターンが層間で電気的に接続されていることを特徴とするアンテナ。
2. 前記導体パターンの外周縁に沿ってスリット状の貫通孔が設けられ、該導体パターンの外周縁に沿って設けられた貫通孔の内周側面に、前記導体パターンを層間で電気的に接続する導通パターンが形成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. 前記基板が、前記導体パターンに合わせて平面形状がループ状に形成され、前記基板の外周側面に前記導体パターンを層間で電気的に接続する導通パターンが形成されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
4. 前記導通パターンが、前記導体パターンの周方向の全長にわたって設けられていることを特徴とする請求項１、２または３記載のアンテナ。
5. 導体パターンが基板の両表面に設けられていることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のアンテナ。
6. 導体パターンが基板の内層に設けられていることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のアンテナ。
7. 非接触型ＩＣカードとの間でデータの送受信を行うアンテナを備えたアンテナ装置と、
   該アンテナ装置を通じてデータの送信／受信を行うデータ送信部及びデータ受信部と、
   ホスト装置の命令に応じてデータ送信部又はデータ受信部の動作を制御する制御部とを備えたリーダー／ライター装置であって、
   前記アンテナ装置が、請求項１〜６のいずれか一項記載のアンテナを備えていることを特徴とするリーダー／ライター装置

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