JP4949188B2 - コイルアンテナ及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明はコイルアンテナに係り、より詳しくは、簡単な構造によりそのインダクタンスの微調整が可能なコイルアンテナ、及び該コイルアンテナを備えた電子機器に関する。

近年、携帯電話などのモバイル端末に取り付けられている電子マネー等のＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）技術は、１３．５６ＭＨｚで電磁誘導を用いてデータ読み取り機との通信を行う技術である。このシステムでは、大量の情報を記憶可能なＩＣチップと、このＩＣチップに電気的に接続され、情報の送受信を行なう平面状の導電性被膜からなるアンテナを、プラスチック製の基材などに実装したＩＣカードなどが用いられている。
このＩＣカードを読み取り器に対して所定距離近付けると、読み取り器の発する所定周波数の電波をアンテナで受信し、この電波に応じて、ＩＣチップの記憶情報がアンテナを介して読み取り器へ送信される。また、読み取り器からの更新情報もアンテナを介してＩＣチップへ送信され、ＩＣチップの記憶情報の更新がされるようになっている。
これには、主に以下の２つの基本原理が利用されている。
１：コイルを用いた電磁誘導。
２：コイルとコンデンサの並列接続回路による共振を１３．５６ＭＨｚで生じさせる。
この回路構成は、コイルとコンデンサを並列接続した回路にＩＣが接続された構造であるが、実製品上においては、コイルのインダクタンスやコンデンサのキャパシタンスのばらつきにより共振周波数がずれることがある。この共振周波数のずれを解決する手段としては、コイルのインダクタンスもしくはコンデンサのキャパシタンスを微調整することが挙げられる。

コイルのインダクタンスを微調整する手段として、例えば特許文献１には、コイルの投影面側のいずれかに磁性体を配置したモジュールに関する記載がある。これはコイル内に磁性体を配置することでインダクタンスを上昇させ、Ｑ（Quality factor）を大きくする狙いがある。
また、特許文献２では、コイルの位置をカードの厚さ方向でコントロールすることによって共振周波数を制御することが記載されている。これは読み取り機とカードに実装されたコイルとの間で生じる電磁誘導（相互誘導）において、相互インダクタンスの影響を一定にする狙いがある。
また、その両方の特徴を取り入れた提案（特許文献３参照）もなされている。

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、部品点数が増加するために、小型化が図れない虞があった。
また特許文献２に記載の方法においては、データ読み取り機との距離を調整するものであるため、小型化に関しては難があり、また、コイルとデータ読み取り機との位置関係によるところが大きいため、大きな効果が見込まれない虞があった。

小型化を図ったコイルアンテナとして、特許文献４が知られている。具体的には、図３に示すように、導体１０３に絶縁被覆を施してなる絶縁電線１０２が複数本集合された集合電線１０１であって、集合された前記絶縁電線１０２は両端部同士の互いに異なる前記導体が結線されて環状をなし、前記結線された導体１０３同士が一連の電気的導通をなしている集合電線を用いたコイルアンテナ１００についての記載がなされている。これは、コイルアンテナ１００の小型化や設計自由度を向上させる狙いがある。

しかしながら、特許文献４に記載のコイルアンテナ１００においては、形状を一定に作製した場合であっても、通常は±２％程度のインダクタンスのばらつきを生じる虞がある。けれども、このような構成のコイルアンテナにおいては、インダクタンスの調整を行うことができない。仮に、配線工程で製造時の配線長のばらつき等により、共振周波数が実際の設計値からずれた場合、アンテナ回路を形成した後に共振点を使用周波数に合わせこむことが困難であった。
特開平０６−３４４６９２号公報 特開２００４−１２６８１９号公報 特開２００４−２２７０４６号公報 特開２００６−１９１１９４号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、部品点数の増加をまねくことなく、簡単な構造で、かつ、インダクタンスの微調整も可能なコイルアンテナを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のコイルアンテナは、導体に樹脂を被覆してなる絶縁線が複数本、外被で覆われてなる集合電線と、前記集合電線の両端において前記絶縁線の各端部がそれぞれ電気的に接続される端子部を一面に備えた基板とを少なくとも備え、前記絶縁線は、前記集合電線の外被から露呈されてそれぞれ分岐され、混線することなく独立されて前記端子部と電気的に各々接続されており、前記絶縁線が露呈された位置から前記基板の一辺との間では前記絶縁線は前記基板に支持されておらず、前記基板の一面の上方から見て各前記絶縁線の間にはそれぞれ開口部が存在し、前記集合電線から前記絶縁線を分岐させる度合を変えることにより、前記開口部の面積が調整可能であり、前記絶縁線の長手方向が、互いに並列して配置されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載のコイルアンテナは、請求項１において、前記端子部が、互いに平行に配されていることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載のコイルアンテナは、請求項２において、前記絶縁線が露呈された位置から、前記基板の一辺までの長さが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の電子機器は、請求項３１乃至３のいずれか一項に記載のコイルアンテナを搭載したことを特徴とする。

本発明のコイルアンテナは、導体に樹脂を被覆してなる絶縁線が複数本、外被で覆われてなる集合電線と、前記集合電線の両端部において前記絶縁線の各端部がそれぞれ電気的に接続される端子部を一面に備えた基板とを少なくとも備え、前記絶縁線は、前記集合電線の外被から露呈されてそれぞれ分岐され、混線することなく独立されて前記端子部と電気的に各々接続されており、前記絶縁線が露呈された位置から前記基板の一辺との間では前記絶縁線は前記基板に支持されておらず、前記基板の一面の上方から見て各前記絶縁線の間にはそれぞれ開口部が存在する。
かかる構成によれば、絶縁線の間に存在する個々の開口部の大きさが所望の値となるように制御して設けることが可能となる。ゆえに、コイルアンテナのインダクタンスを、この開口部の大きさを制御することにより、変化させることができる。よって、コイルアンテナのインダクタンスに仮にばらつきがあったとしても、微調整することが可能である。従って、本発明によれば、絶縁線の開口部の面積を制御してインダクタンスを調整することで、ＬＣ共振回路における共振周波数の微調整を簡便に行うことが可能となるので、コイルアンテナの良品率の向上が図れる。
また、このようにインダクタンスの微調整には他の部品等を必要としないため、部品点数が増加することがない。よって、コストが増加することなく、コイルアンテナの小型化が図れ、ひいては、該コイルアンテナを搭載した電子機器等の小型化をも図ることが可能である。

以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

図１は、本発明のコイルアンテナの一例を模式的に示した図であり、図１（ａ）は、コイルアンテナの平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）における集合電線の長手方向におけるＭ−Ｍ断面図である。
本発明のコイルアンテナ１０は、導体４に樹脂３を被覆してなる絶縁線５が複数本、外被６で覆われてなる集合電線７と、集合電線７の両端部において絶縁線５の各端部がそれぞれ電気的に接続される端子部２を一面１ｆに備えた基板１とを少なくとも備え、絶縁線５は、集合電線７の外被６から露呈されてそれぞれ分岐され、混線することなく独立されて端子部２と電気的に各々接続されている。絶縁線５が露呈された位置（７Ａ，７ａ）から基板１の一辺（１Ａ，１ａ）との間では絶縁線５は基板１に支持されておらず、基板１の一面１ｆの上方から見て各絶縁線５の間にはそれぞれ開口部９が存在する。
以下、それぞれについて説明する。

基板１は、少なくともその他面に絶縁線５の一端５Ａ，５Ｂ及び５Ｃと、他の絶縁線５の他端５ａ，５ｂ及び５ｃとを電気的に接続し、接続された絶縁線５が一連をなし、かつ環状のコイルとなるような配線パターン（図示略）が形成されている。該配線パターンの両端部は、基板１の一面１ｆに配した端子部２と電気的に接続している。
また、基板１の形状としては、平面であってもよいし、曲面であってもよい。また、図１に示したような板状の四角形に限定されるものではなく、凹凸部を有する多角形や湾曲部等を有したもの等であってもよい。
また、基板１には、本発明のコイルアンテナ１０を電子機器に実装した際に、他の基板等と電気的に接続する接点５１や、チップコンデンサ５２等が配されている。

端子部２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２ａ，２ｂ，２ｃ）は、絶縁線５の一端（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）と他端（５ａ，５ｂ，５ｃ）と、基板１に形成された配線パターンとをそれぞれ電気的に接続するものである。端子部２に接続される絶縁線５は、その樹脂３は除去され、露呈した導体４が各端子部２とそれぞれ電気的に接続する。端子部２と導体４との接着が不十分であると、絶縁線５の開口部９の面積を変えてインダクタンスを調節した際に、安定して調節を行うことができないので、端子部２と導体４とは、半田により接続することが好ましい。

また、各端子部２は、絶縁線５の長手方向が並列して配するように基板上に設けることが好ましい。特に、基板上において各絶縁線が平行となることで、絶縁線５分岐して接続した際に、安定して再現良く絶縁線５同士の開口部９の面積を調節することが可能となる。また、各端子部２はそれぞれが平行して基板１上に配することが好ましく、基板１が図１に示すように四角形であった場合、基板１の一辺（１Ａ，１ａ）に対して並列して配することがより好ましい。

絶縁線５は、導体４の周囲を絶縁性の樹脂３で覆われてなるものである。
導体４は、例えば軟銅線からなり、その表面をメッキ処理したものであってもよい。また、導体４の直径は例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。図１（ｂ）では、導体４はその断面形状が円形なものを示しているが、その断面形状は特に限定されるものではなく、例えば平角導体等の多角形であってもよい。
導体４を覆う樹脂３は、例えば、エナメル、ＵＶ樹脂、ポリエチレン樹脂等の絶縁性の樹脂が挙げられ、その厚さは例えば８μｍ以上である。各絶縁線５を覆う樹脂３ごとに、色素等を塗布しておくと、絶縁線５をそれぞれ別の端部と電気的に接続する際、容易に目的の絶縁線５を選んで接続することが可能となるために好ましい。

絶縁線５が端子部２と接続するため、その両端部は基板１上においてその樹脂３が除去され、導体４が露呈している。また、外被６に覆われて集合電線７をなす複数の絶縁線５は、基板１から離間した位置（７Ａ，７ａ）においてその外被６が除去されて絶縁線５が露呈し、その後分岐している。分岐したそれぞれの絶縁線５は、混線することなく空間的に独立して各端子部２と接続される。また、露呈して分岐した各絶縁線５の間には開口部９（９Ａ，９Ｂ，９ａ，９ｂ）が配している。この開口部９（９Ａ，９Ｂ，９ａ，９ｂ）の面積を調節することにより、磁束密度が変化し、コイルアンテナのインダクタンスを微調整することが可能となる。

開口部９の面積は、絶縁線５の一端（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）側に配する開口部９（９Ａ，９Ｂ）の面積と、絶縁線５の他端側（５ａ，５ｂ，５ｃ）に配する開口部９（９ａ，９ｂ）の面積とで同程度であってもよいし、異なっていてもよい。また、それぞれの開口部９Ａ，９Ｂ，９ａ及び９ｂの面積が異なっていてもよい。一端側に配する開口部９（９Ａ，９Ｂ）と他端側に配する開口部９（９ａ，９ｂ）の面積を変える、または、それぞれの開口部９（９Ａ，９Ｂ，９ａ，９ｂ）の面積を変えることで、より詳細にインダクタンスの調節を行うことが可能である。
また、導体４の材質や直径、断面形状、及び／または導体４を覆う樹脂３の厚さや材質等を変えることで、インダクタンスを調整することも可能である。

集合電線７は、図１（ｂ）に示すように、複数の絶縁線５を外被６により一括被覆したものである。
外被６としては、柔軟性を有し、かつ、通常用いられる絶縁性の樹脂であれば、特に限定されるものではなく、例えば、ポリ塩化ビニル等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
集合電線７は、複数の絶縁線５を単に集合させて外被６により一括被覆したものであってもよいし、複数の絶縁線５を螺旋状に撚り合わせ、一括被覆したものであってもよい。
集合電線７は、例えば軟銅線よりなる導体４を樹脂３で被覆して絶縁線５とし、この絶縁線５を複数、樹脂よりなる外被６を用いて被覆したものである。そのため、高いフレキシブル性を有する。従って、集合電線７を容易に屈曲あるいは湾曲させて基材に取り付けることが可能なため、実装する電子機器等に合わせて設計自由度高く適用することが可能である。特に、複数の絶縁線５を撚り合わせて外被６で覆うことは、集合電線７の屈曲等に対し、よりフレキシブルで、かつ強度を増加させることが可能であるために好ましい。
なお、図示例では絶縁線５を３本用いて集合電線７としたが、絶縁線５の本数は特にこれに限定されるわけではなく、適用する電子機器や、必要とされるインダクタンス等を考慮し、適宜変更して用いることが可能である。

以上に説明したコイルアンテナ１０は、集合電線７から露呈した絶縁線５同士の開口部９（９Ａ，９Ｂ，９ａ，９ｂ）の大きさ（基板１の一面１ｆの上方から見た面積）を変えることによって、インダクタンスを調整することが可能となる。この開口部９の面積は、集合電線７から絶縁線３を分岐させる度合いを変えることで容易に調節することができるため、必要に応じてインダクタンスの調節を簡便に行うことが可能である。従って、コイルアンテナ１０のインダクタンスのばらつきを抑制して所望の範囲内とし、安定したインダクタンスを備えたコイルアンテナ１０を得ることが可能となる。

集合電線７の外被６から露呈した絶縁線５の長さは、長すぎると、分岐した絶縁線５の領域が不安定となり、絶縁線５を分岐した状態を維持することが困難となる。また、絶縁線５が露呈した部位が短すぎても、絶縁線５同士の開口部９を調整することが困難となる。従って、図１（ａ）に示す、集合電線７の外被６から絶縁線５が露呈した位置（７Ａ，７ａ）から、基板１の一辺（１Ａ，１ａ）までの長さ（ＬＡ，Ｌａ）は、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは５ｍｍ以上７ｍｍ以下である。また、ＬＡとＬａの長さは同じでもよく、異なっていてもよい。

本発明のコイルアンテナ１０は、インダクタンスの微調整が部品点数の増加なく行え、小型化、低コスト化が図れることから、携帯電話やＲＦＩＤ等の電子機器に搭載することが可能である。

本発明のコイルアンテナ１０を搭載した電子機器は、そのインダクタンスの微調整が可能であることから、仮にインダクタンスが規格値から外れた場合であっても、そのインダクタンスを調整し、規格内に収めることが可能である。従って、インダクタンスの微調整により、不良数を減らすことが可能である。また、インダクタンスを微調整することで、ＬＣ共振回路における共振周波数の微調整が簡便に行え、信頼性の向上した電子機器を得ることが可能となる。
また、本発明のコイルアンテナ１０は、設計自由度が高く、小型化を図れるため、該コイルアンテナを搭載した電子機器の小型化を図ることが可能である。

本発明のコイルアンテナ１０を電子機器等に搭載した後は、該コイルアンテナ１０の外径は変化しないことが好ましい。コイルアンテナの外径が変化すると、集合電線７から露呈して分岐した絶縁線５同士の開口部９面積に影響を与え、インダクタンスが変化してしまう虞がある。よって、本発明のコイルアンテナ１０を電子機器に搭載する際は、筺体にあらかじめ形成された取り付け溝等にはめ込み、固定することが好ましい。取り付け溝としては、特に限定されるものではなく、例えば、Ｕ字溝やＶ字溝等を用いることができる。

導体の周囲に絶縁性の樹脂を配したφ０．３ｍｍの絶縁線を３本撚り合わせ、外被で一括被覆して、φ０．９ｍｍの外径を有する集合電線を作製した。その後、集合電線をなす３本の絶縁線を外被から５ｍｍ露呈させた後、絶縁線が環状のコイルをなすように、それぞれの絶縁線の各両端部を、基板に配した端子部に半田を用いて接続してコイルアンテナを形成した。
また、基板に絶縁線を接続した後、絶縁線同士の開口部の面積を変えたコイルアンテナを複数形成し、これらコイルアンテナの開口部における面積の減少分及びインダクタンスを測定した。その結果を図２に示す。
なお、開口部９の面積はケーブルの外被端（集合電線７の外被６から絶縁線５が露呈した位置７Ａあるいは７ａ）と基板端（基板の１辺１Ａあるいは１ａ）を基準とし、その間にある開口部９Ａ及び９Ｂあるいは９ａ及び９ｂを示す（図１参照）。この開口部９の面積を画像処理装置を用いて算出し、その値をＳ１とした。また、この状態でインダクタンスをＬＣＲメーターを用いて測定し、その値をＬ１とした。なお、開口部９の面積は、撮影機等を用いて算出してもよい。
次に、全体の形状を損なうことなく意図的に開口部９の面積が狭くなるように加工し、この際の面積（Ｓ２）及びインダクタンス（Ｌ２）を測定した。このとき、ΔＳ＝Ｓ１−Ｓ２は開口部面積の減少分を表し、ΔＬ＝Ｌ２−Ｌ１は開口部面積を減少させたときのインダクタンス増分を表している。このΔＳとΔＬとを用いて作製したグラフが図２である。

図２より、絶縁線同士の開口部の面積が変わると、インダクタンスが増減することが観察された。また、絶縁線同士の開口部の面積が減少するほど、インダクタンスが増加することが観察された。更に、絶縁線同士の開口部の面積とインダクタンスの変化量は図２中、Ｐで示した線分で表すように、線形である関係が見られた。特に、絶縁線間の開口部における面積減少分が１．５５ｍｍ^２から３．４５ｍｍ^２の範囲にある場合、図２中、Ｑ及びＲで示す点線の範囲内にインダクタンスの増減が含まれることが観察された。 なお、図２中、Ｑ及びＲで示す線分の傾きはＰで示す線分と同じである。
また、絶縁線同士の開口部の面積を調整することで得られるインダクタンスの変化量は、最大で０．０１μＨ程度であった。
ＬＣ共振回路において、キャパシタを微調整することなく用いれば、コイルに要求される特性はインダクタンス±１％であり、具体的には、適用する製品にもよるが、例えば１．６０±０．０２μＨである。
このことから、インダクタンスの微調整を実施することで、例えば規格値に無い製品のインダクタンスをコントロールし、規格内に収めることが可能となる。よって、本発明では、アンテナをなす集合電線の半田付け部分の端末処理において、絶縁線同士の開口部の面積を調整することでインダクタンスを微調整でき、これにより不良数をも減らすことが可能となる。

本発明は、携帯電話の電子マネー等に代表されるＲＦＩＤ技術に関する情報の読み書きに使用されるコイルアンテナに適用することが可能である。本発明によれば、コイルアンテナのインダクタンスの微調整を簡便に行うことができ、インダクタ及びキャパシタを用いたＬＣ共振回路における共振周波数を微調整することが可能である。

本発明のコイルアンテナの一例を模式的に示した平面図である。 集合電線の開口部における絶縁線同士の開口部の面積を増減した際の、インダクタンスの変化を示した図である。 従来のコイルアンテナの一例を模式的に示した図である。

符号の説明

１ 基板、１Ａ，１ａ 基板の一辺、１ｆ 基板の一面、２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２ａ，２ｂ，２ｃ）端子部、３ 樹脂、４ 導体、５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５ａ，５ｂ，５ｃ）絶縁線、６ 外被、７ 集合電線、９（９Ａ，９Ｂ，９ａ，９ｂ）開口部、１０ コイルアンテナ、５１ 接点、５２ ＩＣパッド。

Claims (4)

1. 導体に樹脂を被覆してなる絶縁線が複数本、外被で覆われてなる集合電線と、前記集合電線の両端において前記絶縁線の各端部がそれぞれ電気的に接続される端子部を一面に備えた基板とを少なくとも備え、前記絶縁線は、前記集合電線の外被から露呈されてそれぞれ分岐され、混線することなく独立されて前記端子部と電気的に各々接続されており、
   前記絶縁線が露呈された位置から前記基板の一辺までの間においては、前記絶縁線は前記基板に支持されておらず、前記基板の一面の上方から見て各前記絶縁線の間にはそれぞれ開口部が存在し、前記集合電線から前記絶縁線を分岐させる度合を変えることにより、前記開口部の面積が調整可能であり、前記絶縁線の長手方向が、互いに並列して配置されていることを特徴とするコイルアンテナ。
2. 前記端子部が、互いに平行に配されていることを特徴とする請求項１に記載のコイルアンテナ。
3. 前記絶縁線が露呈された位置から、前記基板の一辺までの長さが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のコイルアンテナ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のコイルアンテナを搭載したことを特徴とする電子機器。

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