JP6028391B2

JP6028391B2 - コイルアンテナおよび通信端末装置

Info

Publication number: JP6028391B2
Application number: JP2012118426A
Authority: JP
Inventors: 浩和矢崎
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: JP2013247436A

Description

本発明は、磁性体コアに形成されたコイル導体を備えるコイルアンテナ、およびこれを備えた通信端末装置に関する。

上記コイルアンテナでは、通信相手側で生じた磁界がコイルを鎖交すると、該コイル両端に誘導起電力が生じる。上記通信端末装置は、この誘導起電力に重畳されているデータを再生し、これによって通信相手側からのデータを受信する。また、コイルアンテナでは、コイルに電流を流すと、コイルの周辺には磁界が発生する。通信端末装置は、この磁界を用いて通信相手にデータを送信する。従来、この種のコイルアンテナとしては、例えば、下記特許文献１〜３に記載のものがある。

特開２００３−１１０３４０号公報特開２００３−２８３２３１号公報特開２００７−１９８９１号公報

上記コイルアンテナを小型化する場合、例えば、コイルの線幅を狭くしたり、磁性体コアに高透磁率の材料を用いたりすることが考えられる。しかしながら、コイル線幅を狭くすると、コイルの抵抗値が大きくなる。また、磁性体コアに高透磁率の材料を用いると、透磁率の増加に伴い材料損が増加する。これらに起因して、アンテナ特性が劣化するという問題点があった。

それゆえに、本発明の目的は、小型化可能で、良好なアンテナ特性を得ることが可能なコイルアンテナ、およびこれを備えた通信端末装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一局面は、ＶＨＦ帯以下の周波数で用いられるコイルアンテナであって、磁性体コアと、前記磁性体コアの外周面に巻回するように形成された第一コイル導体と、前記第一コイル導体の一方端に自身の一方端が接続され、かつ該第一コイル導体と同一方向に巻回するように形成された第二コイル導体と、を備え、前記第一コイル導体は、給電回路に接続される他方端を有し、前記第二コイル導体は、給電回路に接続される他方端を有し、前記第二コイル導体の少なくとも一部は前記磁性体コアの内部に形成されている。

また、上記コイルアンテナは、例えば通信端末装置に搭載される。

上記局面によれば、小型化可能で、良好なアンテナ特性を得ることが可能なコイルアンテナ、およびこれを備えた通信端末装置を提供することが可能となる。

第一実施形態に係るコイルアンテナを示す分解斜視図である。図１の線Ａ−Ａ’に沿う縦断面を矢印Ｂの方向から見たコイルアンテナ（但し、絶縁体層等の図示は省略）を示す模式図である。複数の磁性体層からなる磁性体コアを示す斜視図である。図１のコイルアンテナを備えた通信端末装置を示す模式図である。図４のブースターアンテナの詳細な構成を示す模式図である。図４のブースターアンテナと、給電回路との等価回路を示す図である。（ａ），（ｂ）は、図４のブースターアンテナの磁性体シート材の有無による効果を示す模式図である。（ａ）〜（ｃ）は、図４のブースターアンテナの代替例を示す模式図である。第一変形例に係るコイルアンテナを示す分解斜視図である。第二変形例に係るコイルアンテナを示す縦断面図である。第三変形例に係るコイルアンテナを示す縦断面図である。

（はじめに）
以下、本発明の各実施形態に係るコイルアンテナの説明に先立ち、各図に示すＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を定義する。Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸は、コイルアンテナの左右方向（横方向）、前後方向（縦方向）および上下方向（高さ方向または厚さ方向）を示す。

（第一実施形態の構成）
図１および図２において、コイルアンテナは、磁性体コア１と、第一コイル導体２と、第二コイル導体３と、第三コイル導体４と、絶縁体層５と、第一外部電極６ａと、第二外部電極６ｂと、第一ビア電極７ａと、第二ビア電極７ｂと、を備えている。

磁性体コア１は、所定の透磁率μ_h（例えば、１００以上）を有する磁性材料からなる。このような磁性材料としては、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライトがある。この磁性体コア１は、略直方体形状を有する。この横サイズ、縦サイズおよび高さは、例えば、約２．０〜３．０ｍｍ、約３．２〜６．０ｍｍ、および約０．７〜１．０ｍｍである。また、磁性体コア１は、巻回軸Ａｔに略平行な周面Ｆｓと、該巻回軸Ａｔと直交する前端面および後端面と、からなる。なお、図１において、巻回軸Ａｔは、線Ａ−Ａ’と同じ一点鎖線を用いて示されている。

周面Ｆｓは、上面Ｆ１１と、左側面Ｆ１２と、下面Ｆ１３と、右側面Ｆ１４とからなる。上面Ｆ１１および下面Ｆ１３は、ＸＹ平面と略平行であり、上下方向に対向する。また、左側面Ｆ１２および右側面Ｆ１４は、ＹＺ平面と略平行で、左右方向に対向する。

上記磁性体コア１は、積層することなく最初から上記サイズのブロック体として作製されても構わないが、図３に示すように、複数の磁性体層１ａを積層することで作製されても構わない。なお、図３では、便宜上、二個の磁性体層にのみ、参照符号１ａが付けられている。また、各磁性体層１ａの厚さは互いに同一でも良いし、そうでなくとも構わない。複数の磁性体層１ａで構成することにより、磁性体コア１の高さを簡単に調整でき、さらには、脆さを抑えることが出来る。なお、図３では、磁性体コア１以外の構成要素の図示は省略されている。

コイル導体２〜４は、導電材料（例えば銀）からなり、巻回軸Ａｔの周りを同一方向に巻回するように磁性体コア１に形成される。コイル導体２〜４により、一個のヘリカルコイルが形成される。図１の例では、第一、第二および第三コイル導体２，３，４のターン数は二である。

第一コイル導体２は、磁性体コア１の周面Ｆｓ上で前端部分に形成される。第二コイル導体３は、第一コイル導体２と第三コイル導体４との間（換言すると磁性体コア１の前後方向に沿う中間部分）に形成される。また、第二コイル導体３は、第一コイル導体２および第三コイル導体４とは異なり、磁性体コア１の内部に形成される。第三コイル導体４は、磁性体コア１の周面Ｆｓ上で後端部分に形成される。

第一コイル導体２の各ターンは導体パターン２ａ〜２ｄからなる。導体パターン２ａは、側面Ｆ１２の上辺および下辺の間に、導体パターン２ｃは、側面Ｆ１４の上辺および下辺の間に形成される。また、導体パターン２ｂは、各面Ｆ１１の左辺および右辺の間に形成され、導体パターン２ｄは、各面Ｆ１３の左辺および右辺の間に形成される。

導体パターン２ａの一方端は、基本的に、一ターン直前の導体パターン２ｄの他方端と接続されるが、最前端のターンに関しては、例外的に、第一ビア電極７ａと接続される。また、導体パターン２ａの他方端は、同一ターンの導体パターン２ｂの一方端と接続される。

導体パターン２ｂの一方端は、同一ターンの導体パターン２ａの他方端に、導体パターン２ｂの他方端は、同一ターンの導体パターン２ｃの一方端に接続される。導体パターン２ｃの他方端は、同一ターンの導体パターン２ｄの一方端に接続される。導体パターン２ｄの他方端は、基本的に、一ターン直後の導体パターン２ａの一方端と接続されるが、最後端ターンのものに関しては、後述の導体パターン３ａの一方端と接続される。

第二コイル導体３の各ターンは導体パターン３ａ〜３ｄからなる。各導体パターン３ａ，３ｃはＺ軸と略平行に、各導体パターン３ｂ，３ｄはＸ軸と略平行に形成される。各導体パターン３ａ〜３ｄの詳細な接続については、導体パターン２ａ〜２ｄの接続の説明（上記）と図１から明らかであり、かつ発明の要部ではないため、それらの説明を省略する。

第三コイル導体４の各ターンは導体パターン４ａ〜４ｄからなる。各導体パターン４ａ，４ｃは、各側面Ｆ１２，Ｆ１４の上辺および下辺の間に、また、各導体パターン４ｂ，４ｄは、各面Ｆ１１，Ｆ１３の左辺および右辺の間に形成される。各導体パターン４ａ〜４ｄの詳細な接続については、導体パターン２ａ〜２ｄの接続の説明（上記）と図１とから明らかであり、かつ発明の要部ではないため、それらの説明を省略する。

なお、図１には、図示の都合上、一ターン分の導体パターンにしか参照符号は付与されていない。

絶縁体層５は、絶縁材料からなり、少なくとも、接合面Ｆ３１と、背面Ｆ３２とを有する。接合面Ｆ３１には、コイル導体２〜４が形成された磁性体コア１が積層される。背面Ｆ３２は接合面Ｆ３１と上下方向に対向し、該背面Ｆ３２の前端部分および後端部分には、第一外部電極６ａおよび第二外部電極６ｂが形成される。

また、絶縁体層５において第一外部電極６ａの上方には、背面Ｆ３２から接合面Ｆ３１へと貫くスルーホールが形成され、該スルーホールには第一ビア電極７ａが形成される。同様に、第一絶縁体層５において第二外部電極６ｂの上方にもスルーホールが形成され、該スルーホールには第二ビア電極７ｂが形成される。第一ビア電極７ａには第一コイル導体２の一方端が接続され、第二ビア電極７ｂには第三コイル導体４の他方端が接続される。

（第一実施形態の製法）
次に、上記コイルアンテナの製法の一例について説明する。この製法は、磁性体コア１が磁性体層１ａの積層体からなる場合のものであり、下記（１）〜（６）の工程からなる。
（１）例えば、焼結後に所望の透磁率μ_hが得られるように、仮焼粉がバインダや可塑剤等と共にボールミルで混合される。これにより得られたスラリーは、ドクターブレード法等により、焼結時に所定サイズになるように成形加工され、磁性体コア１の基礎となる第一シート材が得られる。

（２）上記（１）で得られた第一シート材には、レーザや打ち抜きプレスを利用して、Ｚ軸に平行な各導体パターン（例えば導体パターン２ａ）用のスルーホールが形成され、それらスルーホール内に電極ペーストが充填される。さらに、必要な第一シート材の表面には電極ペーストがスクリーン印刷等され、その結果、Ｘ軸に平行な導体パターン（例えば導体パターン２ｂ）が形成される。このような第一シート材は、所望枚数積層される。

（３）また、絶縁体層５を作製するために、仮焼粉が、バインダや可塑剤等と共にボールミルで混合される。その結果得られたスラリーは、ドクターブレード法等により成形加工され、その結果、絶縁体層５の基礎となる第二シート材が得られる。

（４）上記（３）で得られた第二シート材には、上記第一および第二ビア電極７ａ，７ｂ用のスルーホールが形成される。このスルーホールには電極ペーストが充填され、上記第一および第二ビア電極７ａ，７ｂが形成される。また、焼結後に所望の厚さとなるように、第一および第二ビア電極７ａ，７ｂが形成された第二シート材は逐次圧着される。これにより、絶縁体層５が作製される。

（５）以上の絶縁体層５および磁性体コア１は、まとめて加圧接着させて、例えば９００℃、２時間の条件で焼成された後、ダイシングされる。その結果、上記のコイルアンテナが得られる。

（第一実施形態の作用・効果）
上記のコイルアンテナは、１３．５６ＭＨｚ帯のＮＦＣ(Near Field Communication)に対応した通信端末装置に使用される。ここで、図４には、筐体カバー９１を開けた時の通信端末装置９の筐体９２に収容された各種部品や各種部材が示されている。この通信端末装置９は、典型的には携帯電話であり、筐体９２の内部に、例えば、プリント配線板９３と、コイルアンテナ９４と、ＩＣチップ９５と、ブースターアンテナ９６と、を備えている。なお、筐体９２の内部には、上述以外にも、バッテリーパック、カメラ、ＵＨＦ帯アンテナ、各種回路素子が高密度に実装・配置されているが、これらについては本発明の要部では無いので、説明を省略する。

コイルアンテナ９４は、図１および図２を参照して説明したものと同様であり、図４、図５に示すように、ＩＣチップ９５とともに、プリント配線板９３に実装される。また、図６の等価回路に示すように、コイルアンテナ９４の両端にＩＣチップ９５が接続され、ＩＣチップ９５と並列にコンデンサ９７が接続される。これらコイルアンテナ９４、ＩＣチップ９５およびコンデンサ９７は給電回路９８を構成する。ここで、コイルアンテナ９４のインダクタンス値をＬ１、コンデンサ９５ａの容量値をＣ１とすると、給電回路の共振周波数は、Ｌ１、Ｃ１により決まる。なお、図６には、コイルアンテナ９４の抵抗成分Ｒ１が示される。また、必要に応じて、コイルアンテナ９４とＩＣチップ９５の間には整合回路が接続される場合もある。

また、ブースターアンテナ９６は、筐体９２を筐体カバー９１で閉じた時にコイルアンテナ９４の上方に配置されるように筐体カバー９１に取り付けられている。このブースターアンテナ９６は、図７の例では、平面的なスパイラルコイル等であり、コイルアンテナ９４の通信距離を伸ばすために設けられる。ブースターアンテナ９６の開口サイズ（横サイズ×縦サイズ）は、コイルアンテナ９４の開口サイズ（横サイズ×高さ）よりも大きい。

ブースターアンテナ９６において、図５の右側に示すように、絶縁シート材７５ａの表面および裏面に、互いに逆巻きに巻回された第一平面コイル導体７５ｂおよび第二平面コイル導体７５ｃが形成される。また、絶縁シート材７５ａの下面には磁性体シート材７５ｄが貼り付けられる。この磁性体シート材７５ｄが無い場合、図７（ａ）に示すように、第一平面コイル導体７５ｂ等からの磁束（一点鎖線の矢印で示す）がプリント配線板９３上の電子部品にぶつかり、その特性を劣化させる。それに対し、磁性体シート材７５ｄがあると、図７（ｂ）に示すように、磁束が磁性体シート材７５ｄの内部を通過し電子部品に干渉しないので、電子部品の特性劣化を防止することができる。

また、第一平面コイル導体７５ｂおよび第二平面コイル導体７５ｃの間には線間容量が生じており、図６の等価回路に示すように、第一平面コイル導体７５ｂおよび第二平面コイル導体７５ｃは、コンデンサ７５ｅ，７５ｆを介して接続されるに等しい。ここで、第一平面コイル導体７５ｂのインダクタンス値をＬ２、第二平面コイル導体７５ｃのインダクタンス値をＬ３、コンデンサ７５ｅの容量値をＣ２、コンデンサ７５ｆの容量値をＣ３とする。この場合、ブースターアンテナ９６の共振周波数は、Ｌ２、Ｌ３、Ｃ２，Ｃ３により決まる。

このような通信端末装置９において、図６に示すように、ＩＣチップ９５からコイルアンテナ９４に電流Ｉが与えられる。この電流Ｉは通信相手への送信データで変調した高周波信号である。この電流Ｉは、まず、図２に示すように、コイル導体２，３，４の順に流れる。これにより、図２中の一点鎖線で示すように、各導体パターンの周りに磁界が発生し、これらの合成磁界が磁性体コア１の周囲に形成される。

ここで、コイル導体２，４は周面Ｆｓ上に巻回され露出しているので、これらで生じる磁界は磁性体コア１内に閉じこもらず、外部に放射される。換言すると、磁界は開磁路を形成する。この開磁路により、図２中の二点鎖線で示す磁力線は空間に分布する。これによって、コイルアンテナの特性は良好になる。より具体的には、必要な通信距離を確保しやすくなる。それに対し、コイル導体３は磁性体コア１の内部に巻回されるため、該コイル導体３で生じる磁界は閉磁路を形成する。この磁界は、大きなインダクタンス値の取得に寄与する。以上説明したように、コイルアンテナ９４によれば、小型化可能で、良好なアンテナ特性を得ることが可能となる。

また、逆に、通信相手側で発生した磁界がコイルアンテナ９４を貫くと、該コイルアンテナ９４の両端（外部電極６ａ，６ｂの間）には誘導起電力が生じる。ＩＣチップ９５は、この誘導起電力、つまり通信相手からの高周波信号を受信し、データを再生する。データ再生時、コイルアンテナ９４が大きなインダクタンス値を有していると、誘導起電力も大きくすることができるので好ましい。

（付記）
上記実施形態において、ブースターアンテナ９６は、二個の第一平面コイル導体７５ｂおよび第二平面コイル導体７５ｃと、これらの線間容量とを用いて共振するように構成されていた。しかし、これに限らず、ブースターアンテナ９６は、以下に示すものでも構わない。

図８（ａ）のように、ブースターアンテナ９６は、一個の平面コイル導体７５ｇの両端にコンデンサ素子７５ｈを接続したものでも構わない。また、図８（ｂ）のように、ブースターアンテナ９６は、図５に示す第一平面コイル導体７５ｂ上に、第二絶縁シート材７５ｉを貼り付け、その上に第三平面コイル導体７５ｊを形成したものでも構わない。なお、平面コイル導体の層数はいくつであっても構わない。また、図８（ｃ）のように、ブースターアンテナ９６を筐体９２の内部に設けるのではなく、ＭＩＤ法等を用いて、筐体カバー９１の表面および裏面に平面コイル導体７５ｋ，７５ｌを一つずつ描画して、ブースターアンテナ９６を実現しても構わない。

（第一変形例）
上記実施形態では、前後方向で対称な指向性を得るため、第一コイル導体２および第三コイル導体４は第二コイル導体３を挟んで前後方向に互いに対称に形成されていた。しかし、対称な指向性が要求されない場合、図９に示すように、第三コイル導体４は省略されても構わない。

（第二変形例）
また、磁性体コア１が３に示すような積層構造を有する場合には、図１０に示すように、積層方向Ｎからの平面視した時に、コイル導体において互いに隣り合うターンの導体パターン１０１は重なり合わせることが好ましい。これにより、各導体パターンの線幅を広くすることが可能となるため、導体損を小さくすることが可能となる。なお、図１０では、磁性体コア１および導体パターン１０１以外の構成要素の図示は省略されている。

（第三変形例）
上記実施形態では、導体パターン３ａ〜３ｄの全てが磁性体コア１の内部に形成されるとして説明した。しかし、これに限らず、導体パターン３ａ〜３ｄの一部が周面Ｆｓ上に形成されていても構わない。例えば、図１１に示すように、導体パターン３ａだけが周面Ｆｓ（具体的には上面Ｆ１１）上に形成され、残りの導体パターンが磁性体コア１の内部に形成されても構わない。

本発明に係るアンテナ装置は、小型化可能で、良好なアンテナ特性を得ることが可能であり、ＮＦＣ（Near Field Communication）やＦｅｌｉＣａ等で使用される通信端末装置、または小型ラジオ等、主にＶＨＦ帯以下の周波数で用いられる小型ラジオに好適である。

１磁性体コア
１ａ磁性体層
２第一コイル導体
３第二コイル導体
４第三コイル導体
５絶縁体層
６ａ第一外部電極
６ｂ第二外部電極
７ａ第一ビア電極
７ｂ第二ビア電極
９通信端末装置
９１筐体カバー
９２筐体
９３プリント配線板
９４コイルアンテナ
９５ＩＣチップ
９６ブースターアンテナ
９７コンデンサ
９８給電回路

Claims

ＶＨＦ帯以下の周波数で用いられるコイルアンテナであって、
磁性体コアと、
前記磁性体コアの外周面に巻回するように形成された第一コイル導体と、
前記第一コイル導体の一方端に自身の一方端が接続され、かつ該第一コイル導体と同一方向に巻回するように形成された第二コイル導体と、を備え、
前記第一コイル導体は、給電回路に接続される他方端を有し、
前記第二コイル導体は、給電回路に接続される他方端を有し、
前記第二コイル導体の少なくとも一部は前記磁性体コアの内部に形成されている、コイルアンテナ。
前記第二コイル導体と接続され、かつ前記第一コイル導体と同一方向に巻回するように前記磁性体コアの外周面に形成された第三コイル導体を、さらに備え、
前記第二コイル導体は、前記第二コイル導体の巻回方向において、前記第一コイル導体と前記第三コイル導体との間に位置する、請求項１に記載のコイルアンテナ。
前記第二コイル導体の全てが前記磁性体コアの内部に形成されている、請求項１または２に記載のコイルアンテナ。
前記磁性体コアは、複数の磁性体層を所定の積層方向に積層した積層体であり、
前記第一コイル導体および／または前記第二コイル導体は、複数ターン分の導体パターンからなり、
前記積層方向からの平面視した時に、前記第一コイル導体および／または前記第二コイル導体において互いに隣り合うターンの導体パターンは重なり合っている、請求項１〜３のいずれかに記載のコイルアンテナ。
ＶＨＦ帯以下の周波数で用いられる通信端末装置であって、
送信データで変調した高周波信号を生成し、または受信高周波信号からデータを再生する集積回路と、
前記集積回路で生成された高周波信号が与えられ、または空間からの受信高周波信号を集積回路に出力するコイルアンテナと、を備え、
前記コイルアンテナは、
磁性体コアと、
前記磁性体コアの外周面に巻回するように形成された第一コイル導体と、
前記第一コイル導体の一方端に自身の一方端が接続され、かつ該第一コイル導体と同一方向に巻回するように形成された第二コイル導体と、を備え、
前記第一コイル導体は、給電回路に接続される他方端を有し、
前記第二コイル導体は、給電回路に接続される他方端を有し、
前記第二コイル導体の少なくとも一部は前記磁性体コアの内部に形成されている、通信端末装置。
前記コイルアンテナと磁界結合可能に配置され、平面コイルからなるブースターアンテナを、さらに備える請求項５に記載の通信端末装置。