JP4325506B2

JP4325506B2 - 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

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Publication number: JP4325506B2
Application number: JP2004235037A
Authority: JP
Inventors: 秀幸三原; 公一山口; 哲也森長; 英一前田; 茂雄佐々木
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-08-13
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-08-12
Also published as: JP2005094747A

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１８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。

ところで、この種のアンテナ用コイルにあっては、磁束の指向性を劣化させることなく、磁束の放射効率（アンテナ効率）を向上させることが要求されている。しかし、特許文献１ではこの点について特に対策は講じられていない。
特開平８−２７９７１４号公報

そこで、本発明の目的は、磁束の指向性を劣化させることなく磁束の放射効率（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。

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、
（ａ）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、前記胴部に巻回された巻線とを備えたアンテナ用チップコイルであって、
（ｂ）前記下鍔部と前記胴部と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。

以上の構成により、磁性体コアの胴部の開放上面から主として上方に（垂直方向に）指向する磁束が発生する。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。そして、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ため、換言すれば、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、磁束の放射効率が向上する。

また、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、磁束の放射効率の向上したアンテナ効率の良好なアンテナ用チップコイルを備えたチップコイル型アンテナが得られる。

さらに、本発明に係るチップコイル型アンテナは、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している。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は、磁性体コアの胴部の開放上面から上方向に指向する磁束の指向性が優れており、かつ、その磁束の指向性を劣化させることなく磁束の放射効率（アンテナ効率）を向上させることができ、小型のアンテナ用チップコイルであっても、ＩＣカードとの通信距離を長くできる。

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。

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は、図６に示すように、巻線５２の高さＨ２を胴部５１ｂの高さＨ１よりも高くするとよい。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ができるが、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９は、巻線５２の高さＨ２を徐々に高くしたときの磁束密度分布図である。図中の符号Ａで表示した曲線は、回路基板１６の表面から上方に６．５ｍｍの位置での磁束密度分布を示す。同様に、符号Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、それぞれ回路基板１６の表面から上方に７．５ｍｍ、８．５ｍｍ、９．５ｍｍ、１０．５ｍｍの位置での磁束密度分布を表示している。

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、巻線５２の高さＨ２が５．５ｍｍのときの巻線５２の巻回数は１０ターンとし、高さＨ２が６．０ｍｍのときの巻線５２'の巻回数は１０．９ターンとし、高さＨ２が６．５ｍｍのときの巻線５２''の巻回数は１１．８ターンとした。

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。

以下の表１に、下鍔部５１ａに低損失磁性体を使用した本発明例の実験条件を示し、比較のために従来例の実験条件を併せて示す。この実験結果によれば、従来例ではＱ値が５４８であったのに対して、本発明例ではＱ値が５９３であり、従来例に対して約１．１倍であった。但し、ここでのＱ値は巻線５２自身の損失を考慮していない数値である。

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１０および図１１］
図１０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１１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１２］
図１２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１３および図１４］
図１３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１４は、チップコイル型アンテナ１Ｄの磁束密度分布である。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。図６にチップコイル５の詳細な寸法が記載されている。図６の一点鎖線がテーパ状の外周面５１ｂｂを表示している。

［第６実施例、図１５および図１６］
図１５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１６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１７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。

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磁性体コアの高さと巻線の高さの関係を示す一部拡大断面図。磁束密度分布を示すグラフ。磁束密度分布を示すグラフ。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。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。他の実施例を示す斜視図。図１６に示したチップコイル型アンテナ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
５２，５２'，５２''…巻線

Claims

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、前記胴部に巻回された巻線とを備えたアンテナ用チップコイルであって、
前記下鍔部と前記胴部と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、
を特徴とするアンテナ用チップコイル。
請求項１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。
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２に記載のチップコイル型アンテナ。