JP4277753B2 - アンテナ用チップコイルおよびチップコイル型アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ用チップコイルおよびチップコイル型アンテナ、特に、非接触ＩＣカード用リーダライタなどに組み込まれて使用されるアンテナ用チップコイルおよびチップコイル型アンテナに関する。

従来より、磁界結合を利用して非接触で通信を行うＩＣカード用リーダライタが知られている。ＩＣカード用リーダライタには、例えば、特許文献１に記載されたコイル型の送受信アンテナが組み込まれている。このコイル型送受信アンテナは、図２０に示すように、アンテナ用コイル１０５とこのアンテナ用コイル１０５を実装する回路基板１３０とで構成されている。

アンテナ用コイル１０５は磁性体コア１１０と巻線１２０とで構成されている。磁性体コア１１０は平板状であり、その上面には外周辺に沿って環状溝１１１が形成されている。このため、磁性体コア１１０の中央部には、相対的に直方体状の軸柱１１２が突出している。

巻線１２０は軸柱１１２を芯にしてその周囲に複数回巻回され、環状溝１１１の中に収容されている。巻線１２０の終端部１２１，１２２は、環状溝１１１から外部へ導出され、図示しない送受信回路に接続される。

アンテナ用コイル１０５は、回路基板１３０の略中央部に設置される。回路基板１３０の下面には、図示していないが、広面積のアースパターンが形成されている。

しかしながら、従来のアンテナ用コイル１０５では、軸柱１１２の開放上面から上方に指向する磁束密度が低く、通信時におけるＩＣカードとの距離が短いという問題点を有していた。磁束密度を高くしてアンテナ効率を向上させるには、巻線１２０のターン数を増加させることで対処可能であるが、これではコイル１０５自体が大型化するため、好ましい対処法ではない。

また、磁性体コア１１０の上面に凹凸があるため、アンテナ用コイル１０５を回路基板１３０に実装する際に、実装機の吸引ノズルがアンテナ用コイル１０５の上面を確実に吸着できないという不具合も有していた。
特開平８−２７９７１４号公報

そこで、本発明の目的は、巻線の大型化を招来することなく、コイルの上方に指向する磁束密度を高くしてアンテナ効率の向上を図ることのできるアンテナ用チップコイルおよびそれを用いたチップコイル型アンテナを提供することにある。

さらに、本発明の目的は、前記目的に加えて、回路基板に実装される際に、実装機の吸引ノズルによる吸着を確実に行うことができる小型のアンテナ用チップコイルおよびそれを用いたチップコイル型アンテナを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係るアンテナ用チップコイルは、下鍔部と該下鍔部に対して垂直に設けられた胴部とからなる磁性体コアと、該磁性体コアの胴部に巻回された巻線とからなるアンテナ用チップコイルにおいて、前記巻線の高さが前記磁性体コアの胴部の高さよりも高いことを特徴とする。

以上の構成により、コイル軸を中心として上方に指向する磁束が発生し、巻線の高さが胴部の高さよりも高く設定されていることにより、コイル軸上で上方に指向する磁束密度が高くなる。また、磁性体コアの下鍔部の形状により水平方向の指向性も制御される。

換言すれば、本発明に係るアンテナ用チップコイルは、巻線の高さは従来のチップコイルの巻線の高さと同じであっても、磁性体コアの胴部の高さを低くすることで、巻線の大型化を招来することなく、コイルの上方に指向する磁束密度が高くなり、アンテナ効率が向上する。

本発明に係るアンテナ用チップコイルにおいて、磁性体コアの胴部の高さは巻線の高さの９０％以上であって１００％未満であることが好ましく、９３．３〜９６．７％であることがより好ましい。

さらに、磁性体コアの胴部の開放上面と巻線の上面とを被覆する非磁性材を備え、該非磁性材上面が平面状であることが好ましい。非磁性材の上面を平面状にすることにより、アンテナ用チップコイルを回路基板に実装する際に、実装機の吸引ノズルによる吸着性が向上するとともに、吸引ノズルによる吸着時に巻線の巻乱れが発生するのが防止される。

また、磁性体コアの胴部の外周面に、開放上面の面積が下鍔部と接合している部分の面積より小さくなるようにテーパを設けてもよい。これにより、胴部の開放上面から上方に指向する磁束の指向性がより一層強くなる。

また、磁性体コアの下鍔部と胴部を異なる材料で構成し、下鍔部を構成する材料の複素比透磁率の虚数部が、使用周波数帯において、胴部を構成する材料の複素比透磁率の虚数部より低くなるように設定してもよい。磁束の上方への指向性に直接関与しない下鍔部に低損失の材料を用いることで、磁束の指向性を劣化させることなく、アンテナ効率を上昇させることができる。

さらに、磁性体コアの下鍔部を、下鍔部の主面に対して平行な方向に磁化容易軸を配設した異方性磁性体、特に六方晶フェライト材料から構成してもよい。磁気異方性を示す材料であれば、磁化容易軸を下鍔部の主面に対して平行な方向に配設することで、下鍔部の底面から下側に突き抜ける漏れ磁束がＮｉ−Ｚｎ系などのフェライトに比べて少なくなり、アンテナ効率が上昇する。

一方、本発明に係るチップコイル型アンテナは、前述の特徴を有するアンテナ用チップコイルと、巻線の終端部が電気的に接続された電極部とを備えている。以上の構成により、小型でかつアンテナ効率の良好なチップコイル型アンテナが得られる。また、実装機によるアンテナ用チップコイルの自動実装が可能となる。

本発明に係るチップコイル型アンテナにおいては、アンテナ用チップコイルを複数個近接して配置し、各アンテナ用チップコイルで発生する磁束が同一極性になるように各アンテナ用チップコイルを電気的に接続することが好ましい。これにより、アンテナ用チップコイルのそれぞれに流れる電流によって発生する磁束が隣り合うアンテナ用チップコイル間部分で相殺され、等価的に一つの大型コイルに近い磁束分布が得られる。従って、ＩＣカードとの通信距離をより長くすることができる。

本発明に係るアンテナ用チップコイルによれば、従来と同じ高さの巻線であっても、コイルの上方に指向する磁束密度が高くなるため、ＩＣカードとの通信距離を長くできる。この結果、大型化を招来することなくアンテナ効率のよいチップコイル型アンテナを得ることができる。

以下、本発明に係るアンテナ用チップコイルおよびチップコイル型アンテナの実施例について添付図面を参照して説明する。

［第１実施例、図１〜図９］
図１はチップコイル型アンテナ１の外観斜視図であり、図２はその垂直断面図である。チップコイル型アンテナ１は、縦巻タイプのチップコイル５を備えている。チップコイル５は、下鍔部５１ａと胴部５１ｂとからなる磁性体コア５１と、胴部５１ｂに巻回された巻線５２と、上面が平面状の非磁性材５３とで構成されている。

磁性体コア５１の胴部５１ｂは底部が下鍔部５１ａに接合し、かつ、下鍔部５１ａに対して垂直に設けられている。つまり、チップコイル５は、胴部５１ｂの開放上面５１ｂａを上側にして、磁束φを上方に開放する開磁路タイプのコイルであり、アンテナコイルとして機能する。

巻線５２は一般に銅線材にポリウレタンなどの絶縁被膜を施したものである。巻線５２の両終端部５２ａは、下鍔部５１ａの底面から側面に渡って形成されている電極６に熱圧着などの方法により電気的に接続されている。また、巻線５２の高さは磁性体コア５１の胴部５１ｂの高さよりも若干高く設定されており、この点の作用効果については後述する。

さらに、胴部５１ｂの開放上面５１ｂａと巻線５２の上面を被覆するように非磁性材５３が形成されている。非磁性材５３の上面を平面状にする理由は、図３に示すように、チップコイル型アンテナ１を回路基板１６に実装する際に、実装機の吸引ノズルによる吸着を確実に行えるようにするとともに、吸引ノズルによる吸着時に巻線５２の巻乱れが発生するのを防止するためである。この非磁性材５３は、例えば、巻線５２が巻回された磁性体コア５１を、胴部５１ｂの開放上面５１ｂａ側から樹脂浴に浸漬して巻線５２の上部および胴部５１ｂの上部に樹脂を付与した後、樹脂浴から引き揚げ、光または熱などにより樹脂を硬化させることにより形成される。なお、この際に、樹脂が巻線５２の外周面にも形成されるように、樹脂浴への浸漬を行ってもよい。また、非磁性材５３は、板状部材を貼着することにより形成されてもよい。

チップコイル型アンテナ１を上面に実装した回路基板１６は、例えば、図４に示すように、非接触ＩＣカード用リーダライタ３１に組み込まれる。なお、図示していないが、回路基板１６の上面には、チップコイル型アンテナ１の他に、送受信回路なども設けられている。また、回路基板１６の下面には、広面積のグランド電極が設けられている。

回路基板１６は絶縁性ケース３５の内底に貼り付けられている。図５はこうして得られたＩＣカード用リーダライタ３１の電気回路ブロック図である。

以上の構成からなるチップコイル型アンテナ１は、磁性体コア５１の胴部５１ｂの開放上面から主として上方に（垂直方向に）指向する磁束φの指向性が優れているので、小型であってもＩＣカード２０との通信距離を長くできる。一方、胴部５１ｂの底部から出た磁束φは主として、下鍔部５１ａを通って下鍔部側面へ抜ける。従って、チップコイル型アンテナ１は、発生した磁束φが回路基板１６の下面に設けられている広面積のグランド電極に渦電流を発生させにくい構造となっている。

ここで、磁性体コア５１の胴部５１ｂの開放上面５１ｂａから上方向に指向する磁束φの指向性をより一層強くするために、図６に示すように、巻線５２の高さＨ１を胴部５１ｂの高さＨ２よりも高くした。このとき、胴部５１ｂの開放上面５１ｂａと巻線５２の上面との間に段差ｈが形成されるが、例えば、開放上面５１ｂａの非磁性材５３の厚みを厚くすることで、非磁性材５３の上面の平坦性は確保される。

図７〜図１１は、巻線５２の高さＨ１に対して（３．０ｍｍに固定）、胴部２の高さＨ２を徐々に低くしたときのコイル軸上での磁束密度を示している。図中横軸はコイル最上部Ｚ（図６参照）からの高さを示し、縦軸は磁束密度を示している。

図７において特性曲線Ａは胴部５１ｂの高さＨ２を２．９ｍｍ（段差ｈ＝０．１ｍｍ）としたときの磁束密度を示す。図８において特性曲線Ｂは胴部５１ｂの高さＨ２を２．８ｍｍ（段差ｈ＝０．２ｍｍ）としたときの磁束密度を示す。図９において特性曲線Ｃは胴部５１ｂの高さＨ２を２．７ｍｍ（段差ｈ＝０．３ｍｍ）としたときの磁束密度を示す。図１０において特性曲線Ｄは胴部５１ｂの高さＨ２を２．６ｍｍ（段差ｈ＝０．４ｍｍ）としたときの磁束密度を示す。図１１において特性曲線Ｅは胴部５１ｂの高さＨ２を２．５ｍｍ（段差ｈ＝０．５ｍｍ）としたときの磁束密度を示す。

また、図７〜図１１においては、それぞれ比較のために、Ｈ１＝Ｈ２（段差ｈ＝０）のときの磁束密度を点線の特性曲線Ｆで示す。

このとき、チップコイル５のインダクタンスは全て０．９４４μＨであり、磁性体コア５１の比透磁率は１６００とし、巻線５２には１．０Ａの電流を流した。さらに、高さＨ２が３．０ｍｍの巻線５２の巻回数は１０ターンとした。

前記図７〜図１１から明らかなように、巻線５２の高さＨ１に対して胴部５１ｂの高さＨ２を低くしていくことで、巻線５２の軸上で上方に指向する磁束密度が高くなり、アンテナ効率が向上していることが分かる。ただし、胴部５１ｂの高さＨ２が２．６ｍｍ（図１０参照）あるいは２．５ｍｍ（図１１参照）程度に低くなると、コイル最上部Ｚ近傍での磁束密度が大きいものの、少し離れた位置での磁束密度は、段差ｈ＝０の場合と同等か、むしろ低下してしまう。

従って、胴部５１ｂの高さＨ２は巻線５２の高さＨ１の９０％以上であって１００％未満であることが好ましく、９３．３〜９６．７％であることがより好ましい。

また、磁束φの指向性を劣化させることなく、磁束φの放射効率（アンテナ効率）を上昇させるためには、磁性体コア５１の下鍔部５１ａと胴部５１ｂをそれぞれ異なる材料で作製する。そして、下鍔部５１ａを構成する材料の複素比透磁率の虚数部が、チップコイル型アンテナ１の使用周波数帯において、胴部５１ｂを構成する材料の複素比透磁率の虚数部より低くなるように設定する。つまり、磁束φの上方への指向性に直接関与しない下鍔部５１ａに低損失の材料を用いる。例えば、ＩＣカード用リーダライタに用いる場合であれば、１３．５６ＭＨｚ帯において、下鍔部５１ａを構成する材料の複素比透磁率の虚数部が、胴部５１ｂを構成する材料の複素比透磁率の虚数部より低くなるように、材料の選定を行えばよい。

さらに、別のアンテナ効率を上昇させる方法として、磁性体コア５１の下鍔部５１ａを、下鍔部５１ａの主面に対して平行な方向に磁化容易軸を配設した異方性磁性体（例えば、六方晶フェライト材料）で作製する方法がある。六方晶フェライト材料は磁気異方性を示すため、磁化容易軸を下鍔部５１ａの主面に対して平行な方向に配設することで、下鍔部５１ａの底面から下側に突き抜ける漏れ磁束がＮｉ−Ｚｎ系などのフェライトに比べて少なくなる。従って、漏れ磁束が回路基板１６の下面に設けられている広面積のグランド電極に達しにくくなり、グランド電極での渦電流損が少なくなる。これにより、磁束φの放射効率が劣化せず、ＩＣカード２０との通信距離を長くすることができる。

［第２実施例および第３実施例、図１２および図１３］
図１２に示すチップコイル型アンテナ１Ａは、円板状の下鍔部５１ａを有した磁性体コア５１を備えている。また、図１３に示すチップコイル型アンテナ１Ｂは、角柱状の胴部５１ｂを有した磁性体コア５１を備えている。これらのチップコイル５は、下鍔部５１ａに電極が形成されておらず、巻線５２の終端部５２ａは外部へ導出され、回路基板に設けた電極にはんだ付けされる。

［第４実施例、図１４］
図１４に示すチップコイル型アンテナ１Ｃは、非磁性ケース６１で磁性体コア５１の胴部５１ｂの開放上面と巻線５２の上面を被覆している。非磁性ケース６１の上面は平坦である。

［第５実施例、図１６および図１７］
図１５に示すチップコイル型アンテナ１Ｄは、磁性体コア５１の胴部５１ｂにおいて、開放上面５１ｂａの面積が、下鍔部５１ａと接合している底面の面積より小さくなるように、胴部５１ｂの外周面５１ｂｂにテーパを設けている。これにより、磁性体コア５１の胴部５１ｂの開放上面５１ｂａから上方向に指向する磁束φの指向性をより一層強くすることができる。

図１６は、前記チップコイル型アンテナ１Ｄの磁束密度分布である。図１６において、横軸は巻線５２の中心軸からの距離を示している。特性曲線Ｇ１は回路基板１６の表面からの高さＨ３（図６参照）が６．５ｍｍの位置での磁束密度分布を示す。同様に、特性曲線Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５は、それぞれ、回路基板１６の表面からの高さＨ３が７．５ｍｍ、８．５ｍｍ、９．５ｍｍ，１０．５ｍｍの位置での磁束密度分布を示している。

このとき、チップコイル５のインダクタンスは０．９４４μＨであり、磁性体コア５１の比透磁率は１６００とし、巻線５２には１．０Ａの電流を流した。巻線５２の巻回数は１２．１ターンとした。

［第６実施例、図１７および図１８］
図１７に示すように、チップコイル型アンテナ８０は複数個（４個）のチップコイル５を回路基板１６上に軸対称形に設けたものである。各チップコイル５は電気的に直列接続でもよいし、並列接続でもよいが、各チップコイル５によって発生する磁束が同一極性になるようにする。

これにより、チップコイル５のそれぞれに流れる電流によって発生する磁束が隣り合うチップコイル５間部分で相殺され、等価的に一つの大型コイルに近い磁束分布が得られる。従って、ＩＣカード２０との通信距離を長くすることができる。さらにこのとき、図１８に示すように、チップコイル５を一旦、磁性体基板８５に取り付け、これを回路基板１６に取り付けて配線すると、磁束の相殺がより確実になるので一層顕著な効果が得られる。この結果、チップコイル型アンテナ８０とＩＣカード２０との通信距離を拡大させることができる。

［他の実施例］
なお、本発明に係るアンテナ用チップコイルおよびチップコイル型アンテナ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。

例えば、巻線５２にはポリウレタンで被覆された軟銅線などを用いるのが一般的であるが、図１９に示すようなシート状の平板巻線５２を予め巻回し、これを磁性体コア５１の胴部５１ｂに嵌め込む構造であってもよい。また、胴部５１ｂは円柱状に限らず角柱状や楕円柱状などであってもよい。

本発明に係るチップコイル型アンテナの第１実施例を示す斜視図。 図１に示したチップコイル型アンテナの垂直断面図。 図１に示したチップコイル型アンテナを回路基板に実装した状態を示す斜視図。 図１に示したチップコイル型アンテナを組み込んだＩＣカード用リーダライタの概略構成図。 図４に示したＩＣカード用リーダライタの電気回路ブロック図。 図１に示したチップコイル型アンテナの巻線の高さと磁性体コアの胴部の高さとの関係を示す一部拡大断面図。 コイル軸上での磁束密度を示すグラフ。 コイル軸上での磁束密度を示すグラフ。 コイル軸上での磁束密度を示すグラフ。 コイル軸上での磁束密度を示すグラフ。 コイル軸上での磁束密度を示すグラフ。 本発明に係るチップコイル型アンテナの第２実施例を示す斜視図。 本発明に係るチップコイル型アンテナの第３実施例を示す斜視図。 本発明に係るチップコイル型アンテナの第４実施例を示す断面図。 本発明に係るチップコイル型アンテナの第５実施例を示す断面図。 第５実施例での磁束密度分布を示すグラフ。 本発明に係るチップコイル型アンテナの第６実施例を示す斜視図。 第６実施例の変形例を示す斜視図。 巻線の変形例を示す斜視図。 従来のコイル型アンテナを示す斜視図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，８０…チップコイル型アンテナ
５…チップコイル
６…電極
５１…磁性体コア
５１ａ…下鍔部
５１ｂ…胴部
５１ｂａ…開放上面
５１ｂｂ…外周面
５２…巻線
５３…非磁性材
６１…非磁性ケース
Ｈ１…巻線の高さ
Ｈ２…磁性体コアの胴部の高さ

Claims (9)

1. 下鍔部と該下鍔部に対して垂直に設けられた胴部とからなる磁性体コアと、該磁性体コアの胴部に巻回された巻線とからなるアンテナ用チップコイルにおいて、
   前記巻線の高さが前記磁性体コアの胴部の高さよりも高いこと、
   を特徴とするアンテナ用チップコイル。
2. 前記磁性体コアの胴部の高さは前記巻線の高さの９０％以上であって１００％未満であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ用チップコイル。
3. 前記磁性体コアの胴部の開放上面と前記巻線の上面とを被覆する非磁性材を備え、該非磁性材上面が平面状であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のアンテナ用チップコイル。
4. 前記磁性体コアの胴部の外周面は、該胴部の開放上面の面積が下鍔部と接合している部分の面積より小さくなるように、テーパが形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアンテナ用チップコイル。
5. 前記磁性体コアの下鍔部と胴部が異なる材料からなり、下鍔部を構成する材料の複素比透磁率の虚数部が、使用周波数帯において、胴部を構成する材料の複素比透磁率の虚数部より低いことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアンテナ用チップコイル。
6. 前記磁性体コアの下鍔部が、下鍔部の主面に対して平行な方向に磁化容易軸を配設した異方性磁性体からなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のアンテナ用チップコイル。
7. 前記異方性磁性体は六方晶フェライト材料からなることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ用チップコイル。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載されたアンテナ用チップコイルと、前記巻線の終端部が電気的に接続された電極部とを備えたことを特徴とするチップコイル型アンテナ。
9. 前記アンテナ用チップコイルが複数個近接して配置され、各アンテナ用チップコイルで発生する磁束が同一極性になるように各アンテナ用チップコイルが電気的に接続されていることを特徴とする請求項８に記載のチップコイル型アンテナ。

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