JPWO2011013661A1

JPWO2011013661A1 - アンテナ装置の製造方法

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Publication number: JPWO2011013661A1
Application number: JP2011524789A
Authority: JP
Inventors: 折原　勝久; 勝久折原; 悟杉田; 憲男斉藤; 管野　正喜; 正喜管野
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2013-01-07
Anticipated expiration: 2030-07-27
Also published as: TWI459632B; CN102549841A; KR20120043020A; WO2011013661A1; US8745855B2; EP2461424A4; JP5216919B2; CN102549841B; EP2461424B1; EP2461424A1; TW201138206A; US20120204414A1

Abstract

製造後にアンテナモジュールの回路特性の変動要因による周波数ずれを補正範囲内に調整可能とし、安定して通信を行うことが可能なアンテナ装置の製造方法を提供する。本発明は、リーダライタ（２）から発信される磁界を受けるアンテナコイル（１１ａ）と、アンテナコイル（１１ａ）と電気的に接続されたコンデンサ（１１ｂ）とを有するアンテナ回路（１１）を、アンテナ回路（１１）の共振周波数がリーダライタ（２）の発振周波数よりも低くなるようにして、作成する第１のステップＳ１１と、アンテナコイル（１１ａ）に、アンテナコイル（１１ａ）と重畳する位置に形成されアンテナコイル（１１ａ）のインダクタンスを変化させる磁性シート（１２）を、アンテナコイル（１１ａ）と磁性シート（１２）との離間距離に応じて、アンテナ回路（１１）の共振周波数が発振周波数と一致するようにインダクタンスを変化させる膜厚の接着剤（１４）を介して、貼着する第２のステップとを有する。

Description

本発明は、磁界を発信する発信器との間で発生する電磁誘導により通信可能状態となるアンテナ装置の製造方法に関する。
本出願は、日本国において２００９年７月２８日に出願された日本特許出願番号特願２００９−１７５７５０を基礎として優先権を主張するものであり、これらの出願を参照することにより、本出願に援用される。

近年、電磁誘導により信号を授受する非接触通信技術が確立し、交通系乗車券や電子マネーとして利用が拡大している。また、このような非接触通信機能は携帯電話機にも搭載される傾向にあり、今後益々発展するものと期待されている。電磁誘導による近接通信のみでなく物流においては数ｍの距離を隔てて読み書きが可能なＩＣタグも商品化されている。また、このような非接触通信技術は非接触で通信を可能にするだけでなく、さらに電力伝送も同時にできるため、自らは電池などの電源を持たないＩＣカードにも実装が可能である。
このような非接触通信が適用された通信システムでは、リーダライタと非接触データキャリアとの間で非接触の通信と電力伝送を行うためループアンテナに共振用コンデンサを接続し、ループアンテナと共振用コンデンサの定数ＬＣで決まる共振周波数をシステムの規定周波数に合わせることでリーダライタと非接触データキャリアの安定な通信を行い通信距離を最大にしている。
しかしながらループアンテナと共振用コンデンサのＬＣの定数はいくつかの変動要因を持っており必ずしも想定した値にはならない。例えば非接触データキャリアでは低コストのためにループアンテナは銅箔パターンで作られておりパターン幅のずれなどによりＬの値は変化する。また同じく低コスト化のために共振用コンデンサもアンテナ基板の銅箔を電極として基板の樹脂を誘電体として構成されており、銅箔の幅、長さ、間隔によって容量値が変化する。さらに最終的にＩＣカードとして使用するためにアンテナ基板の上下を保護フィルムによりラミネートするが、この保護フィルムの影響によりコンデンサの容量が変化するためラミネート後の周波数シフトを見越して見込み調整として銅箔パターンのカットにより電極面積を調整し共振用コンデンサの容量値を調整している。
上述したような各種要因により共振周波数がずれて通信が不安定になったり、通信距離が短くなってしまう。このような問題に対して、特許文献１には、リーダライタから出力された磁束を受けるアンテナコイルと、その磁束の変化を効率よく電圧に変換する共振回路を有するアンテナモジュールにおいて、通信の安定性を得るために、可変容量コンデンサの容量を調整することによって、共振周波数を調整する方法が提案されている。

特開２００９−１１１４８３号公報

ループアンテナと共振用コンデンサのＬＣの定数はいくつかの変動要因を持っており必ずしも想定した値にはならないため、特許文献１による共振周波数の調整方法を用いても、製造されたアンテナモジュールの回路特性の変動要因による周波数ずれを適正範囲内に調整することが困難な場合があった。例えば強誘電体を使った低電圧で容量が可変する可変コンデンサでは、誘電体膜厚や電極面積の変動による容量ばらつきが大きいという問題がある。
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、製造後にアンテナモジュールの回路特性の変動要因による周波数ずれを補正範囲内に調整可能とし、安定して通信を行うことが可能なアンテナ装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための手段として、本発明は、発信器から所定の発振周波数で発信される磁界を受けて、発信器と誘導結合されて通信可能となるアンテナ装置の製造方法において、発信器から発信される磁界を受けるアンテナコイルと、アンテナコイルと電気的に接続された可変容量コンデンサとを有する共振回路を、共振回路の共振周波数が発振周波数よりも低くなるようにして、作成する第１のステップと、アンテナコイルに、アンテナコイルと重畳する位置に形成されアンテナコイルのインダクタンスを変化させる磁性シートを、アンテナコイルと磁性シートとの離間距離に応じて、共振回路の共振周波数が発振周波数と一致するようにインダクタンスを変化させる膜厚の絶縁材料を介して、貼着する第２のステップとを有する。
本発明は、アンテナコイルと磁性シートとの離間距離に応じてアンテナコイルのインダクタンスが変化する特性を利用して、アンテナコイルと磁性シートとを貼着したときの共振回路の共振周波数が、発信器の発振周波数と一致するように調整する。このため、本発明は、製造後にアンテナモジュールの回路特性の変動要因による周波数ずれを補正範囲内に調整することができ、安定して通信を行うことが可能なアンテナ装置を製造することができる。

図１は、無線通信システムの全体構成を示す図である。図２は、無線通信システムに係る回路構成を示す図である。強誘電体からなる可変容量コンデンサにおいて、ＤＣバイアス電圧に応じた特性変化を示す図である。図４Ａは、磁性シートを貼り付けたアンテナコイルの斜視図であり、図４Ｂは、断面図である。図５は、アンテナコイルと磁性シートとの離間距離に応じたインダクタンスの変化について説明するための図である。図６Ａ及び図６Ｂは、アンテナコイルと磁性シートとの離間距離に応じてアンテナコイルのインダクタンスが変化する特性を利用したアンテナモジュールの製造方法について説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
＜全体構成＞
本発明が適用されたアンテナモジュールは、電磁波を発信する発信器との間で発生する電磁誘導により通信可能状態となるアンテナ装置であって、例えば図１に示すようなＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）用の無線通信システム１００に組み込まれて使用される。
無線通信システム１００は、本発明が適用されたアンテナモジュール１と、アンテナモジュール１に対するアクセスを行うリーダライタ２とからなる。
リーダライタ２は、アンテナモジュール１に対して磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、アンテナモジュール１に向けて磁界を発信するアンテナ２ａと、アンテナ２ａを介して誘導結合されたアンテナモジュール１と通信を行う制御基板２ｂとを備える。
すなわち、リーダライタ２は、アンテナ２ａと電気的に接続された制御基板２ｂが配設されている。この制御基板２ｂには、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、アンテナモジュール１から受信されたデータに基づいて、各種の処理を実行する。例えば、制御回路は、アンテナモジュール１にデータを書き込む場合、データを符号化し、符号化したデータに基づいて、所定の周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の搬送波を変調し、変調した変調信号を増幅し、増幅した変調信号でアンテナ２ａを駆動する。また、制御回路は、アンテナモジュール１からデータを読み出す場合、アンテナ２ａで受信されたデータの変調信号を増幅し、増幅したデータの変調信号を復調し、復調したデータを復号する。なお、制御回路では、一般的なリーダライタで用いられる符号化方式及び変調方式が用いられ、例えば、マンチェスタ符号化方式やＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調方式が用いられている。
電子機器の筐体３内部に組み込まれるアンテナモジュール１は、誘導結合されたリーダライタ２との間で通信可能となるアンテナコイル１１ａが実装されたアンテナ回路１１と、磁界をアンテナコイル１１ａに引き込むためアンテナコイル１１ａと重畳する位置に形成された磁性シート１２と、アンテナ回路１１に流れる電流により駆動してリーダライタ２との間で通信を行う通信処理部１３とを備える。
アンテナ回路１１は、本発明に係る共振回路に相当する回路であって、アンテナコイル１１ａと、アンテナコイル１１ａと電気的に接続されたコンデンサ１１ｂとを備える。
アンテナ回路１１は、リーダライタ２から発信される磁界をアンテナコイル１１ａで受けると、リーダライタ２と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受信して、受信信号を通信処理部１３に供給する。
磁性シート１２は、リーダライタ２から発信される磁界をアンテナコイル１１ａに引き込むため、アンテナコイル１１ａと重畳する位置に形成され、当該磁性シート１２がない場合に比べて、アンテナコイル１１ａのインダクタンスが増加するように変化させる。具体的に、磁性シート１２は、携帯型電子機器の筐体３内部に設けられた金属部品がリーダライタ２から発信される磁界を跳ね返したり、渦電流が発生するのを抑制するために、磁界が放射されてくる方向の反対側に貼り付けた構造をとる。
通信処理部１３は、電気的に接続されたアンテナ回路１１に流れる電流により駆動し、リーダライタ２との間で通信を行う。具体的に、通信処理部１３は、受信された変調信号を復調し、復調したデータを復号して、復号したデータを、後述するメモリ１３３に書き込む。また、通信処理部１３は、リーダライタ２に送信するデータをメモリ１３３から読み出し、読み出したデータを符号化し、符号化したデータに基づいて搬送波を変調し、誘導結合によって磁気的に結合されたアンテナ回路１１を介して変調された電波をリーダライタ２に送信する。
以上のような構成からなる無線通信システム１００において、アンテナモジュール１のアンテナ回路１１の具体的な回路構成について、図２を参照して説明する。
上述したように、アンテナ回路１１は、アンテナコイル１１ａと、コンデンサ１１ｂとを備える。
アンテナコイル１１ａは、例えば矩形状に形成されており、リーダライタ２のアンテナ２ａより放射された磁束のうち、アンテナコイル１１ａと鎖交する磁束の変化に応じて逆起電力を発生させる。
コンデンサ１１ｂは、通信処理部１３から出力される制御電圧によって容量を調整可能なコンデンサであって、例えば、バリキャップと呼ばれる可変容量ダイオードや、耐圧特性に優れた強誘電材料からなる可変容量のコンデンサである。
アンテナ回路１１は、アンテナコイル１１ａとコンデンサ１１ｂとが電気的に接続され、共振回路を構成しており、コンデンサ１１ｂの容量が可変されることで、アンテナコイル１１ａ及びコンデンサ１１ｂを含む共振回路の共振周波数が調整される。
通信処理部１３は、変復調回路１３１と、ＣＰＵ１３２と、メモリ１３３とを備えたマイクロコンピュータにより構成されている。
変復調回路１３１は、アンテナ回路１１からリーダライタ２へ送出するデータをキャリアに重畳させた変調波を生成する変調処理を行う。また、変復調回路１３１は、リーダライタ２から出力された変調波からデータを抽出する復調処理を行う。
ＣＰＵ１３２は、メモリ１３３に記憶された制御電圧情報を読み出して、制御電圧Ｖをコンデンサ１１ｂに印加してコンデンサ１１ｂの容量を調整することで、製造時の素子の誤差やバラツキに起因した共振周波数のズレを補正する。
メモリ１３３には、アンテナ回路１１の共振周波数と、リーダライタ２が磁界を発振する発振周波数とのズレを考慮して、アンテナ回路１１の共振周波数が、リーダライタ２の発振周波数と一致するようにコンデンサ１１ｂの容量を制御する制御電圧情報が記憶されている。
上記の構成を有するアンテナモジュール１と通信を行うリーダライタ２では、アンテナ２ａが、アンテナコイル２１とコンデンサ２２とを備え、制御基板２ｂが、変復調回路２３とＣＰＵ２４とメモリ２５とを備える。
アンテナコイル２１は、例えば矩形状に形成されており、アンテナモジュール１側のアンテナコイル１１ａと磁気的に結合することで、コマンドや書込みデータなどの各種データを送受信し、さらにアンテナモジュール１で使用する電力を供給する。
コンデンサ２２は、アンテナコイル２１と接続されて共振回路を構成している。変復調回路２３は、リーダライタ２からアンテナモジュール１へ送出するデータをキャリアに重畳させた変調波を生成するための変調処理を行う。また、変復調回路２３は、アンテナモジュール１から送出された変調波からデータを抽出する復調処理を行う。
ＣＰＵ２４は、メモリ２５から読み出したデータをアンテナモジュール１に送出するように変復調回路２３を制御し、また、変復調回路２３で復調されたデータをメモリ２５に書き込む処理を行う。
以上のようにして、アンテナモジュール１のアンテナ回路１１は、通信処理部１３によって制御される制御電圧により、アンテナ回路１１のコンデンサ１１ｂの容量を調節することによって、アンテナ回路１１の共振周波数を、リーダライタ２の発振周波数と一致させて、安定した通信を実現できるようにしている。
＜共振周波数の調整＞
アンテナ回路１１は、制御電圧を印加してコンデンサ１１ｂの容量を調整したとしても、製造されたアンテナモジュールの回路特性の変動要因による周波数ずれにより、適正範囲内に調整することが困難な場合がある。
例えば、強誘電体からなる可変容量コンデンサは、図３に示すように、制御電圧としてＤＣバイアス電圧を印加すると、電圧値の上昇に伴って単調に容量が減少する。すなわち、強誘電体からなる可変容量コンデンサを有する共振回路では、共振周波数が高くなるように調節することはできるが、共振周波数が低くなるように調整することはできない。このため、もともと製造時の変動要因により、共振周波数が高周波側にずれていたときは、適正範囲内に調整することが困難な場合がある。多くの場合は制御電圧の半分を印加したときにリーダライタの発振周波数に一致することが望ましく、その分制御電圧が０Ｖでは周波数は低めに調整される。
ここで、アンテナコイルのインダクタンスは、コイルの外形、巻き数、線間ピッチ等で決定されるが、比透磁率の高い材料をアンテナコイルに貼り付けた場合はその材料の比透磁率、形状、厚み、アンテナコイルと磁性シートとの離間距離等でも変化する。比透磁率、形状、厚みは設計的に決定されるパラメータであるので後から変更することができないが、アンテナコイルと磁性シートとの離間距離に関しては、貼り付け時の調整で変化させることが可能である。
そこで、上記のようなアンテナコイルと磁性シートとの離間距離に応じてアンテナコイルのインダクタンスが変化する特性を利用して、本実施形態に係る製造方法では、アンテナコイル１１ａに磁性シート１２を貼着したときのアンテナ回路１１の共振周波数が、リーダライタ２の発振周波数と一致するように調整可能なアンテナモジュール１を製造する。アンテナモジュール１の具体的な製造方法に先立ち、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離に応じてアンテナコイルのインダクタンスが変化する特性について説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、絶縁材料として接着剤１４を介して磁性シート１２を貼り付けたアンテナコイル１１ａの斜視図と断面図である。
図４Ａに示すように、アンテナコイル１１ａは、例えばプリント基板上に次のようにして実装されるものである。すなわち、アンテナコイル１１ａは、ポリイミド、液晶ポリマー、テフロン（登録商標）等の可撓性を有する材料からなる誘電層１１３の両面を導電層１１１、１１２で被覆したフレキシブルプリント基板の導電体１１１にパターンニング処理を施すとともに導電体１１２をグランドとしたものが用いられる。なお、アンテナコイル１１ａが実装されるプリント基板としては、上述したフレキシブルプリント基板以外にも、例えば、エポキシ樹脂などの可塑性を有する材料を用いたリジット基板を用いるようにしてもよいが、相対的に誘電率を抑えることができるという観点から、フレキシブルプリント基板を用いることが好ましい。
また、磁性シート１２は、接着剤１４を介して、アンテナコイル１１ａのグランドとして機能する導電体１１２と貼着される。
ここで、磁性シート１２として、具体的に次のような組成からなるフェライトシートを用いたときの、アンテナコイルと磁性シートとの離間距離ｄをμｍ単位で変化させたときのアンテナコイルのインダクタンスの変化を図５に示す。
ここで、フェライトシートは、主成分として、Ｆｅ_２Ｏ_３を４９．３ｍｏｌ％、ＺｎＯを１２．５ｍｏｌ％、ＮｉＯを２８．９ｍｏｌ％、及び、ＣｕＯを９．２ｍｏｌ％とし、添加元素として、Ｓｂ_２Ｏ_３を１．１０ｍｏｌ％、ＣｏＯを０．１ｍｏｌ％としたものを用いた。
図５に示すように、アンテナコイル１１ａのインダクタンスは、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離ｄに応じて単調減少する。なお、図５では、１３．５６［ＭＨｚ］でのインダクタンスの変化を示しているが、他の周波数帯域においてもアンテナコイルと磁性シートとの離間距離が大きくなるのに伴って、アンテナコイルのインダクタンスが単調減少する傾向にあることは明らかである。
次に、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離に応じてアンテナコイル１１ａのインダクタンスが変化する特性を利用したアンテナモジュール１の製造方法について、図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。
まず、第１の製造方法を図６Ａを参照して説明する。
ステップＳ１１において、アンテナ回路１１の共振周波数が、リーダライタ２の発振周波数、例えば１３．５６［ＭＨｚ］よりも低くなるように、アンテナコイル１１ａとコンデンサ１１ｂとの特性を設定して作成する。
ステップＳ１２において、定められた制御電圧を可変容量に印加しながら、ステップＳ１１により作成したアンテナ回路１１の共振周波数の実測値を測定する。
ステップＳ１３において、ステップＳ１２により測定した共振周波数の実測値と、リーダライタ２の発振周波数のずれに基づいて、アンテナ回路１１の共振周波数が発振周波数と一致するような膜厚の絶縁性の接着剤を介して、アンテナコイル１１ａに磁性シート１２を貼着する。
このようにして、第１の製造方法では、ステップＳ１３により所定の膜厚の絶縁材料を介してアンテナコイルと磁性シートとを貼着したときの共振回路の共振周波数が、リーダライタ２の発振周波数と一致するように調整されたアンテナモジュール１を製造することができる。特に、第１の製造方法では、後述する第２の製造方法に比べて、共振周波数の測定工程が一度で済むため、製造工程の短縮化を実現することができる。
次に、第２の製造方法を図６Ｂを参照して説明する。
ステップＳ２１において、アンテナ回路１１の共振周波数が発振周波数、例えば１３．５６［ＭＨｚ］よりも低くなるように、アンテナコイル１１ａとコンデンサ１１ｂとの特性を設定して作成する。
ステップＳ２２において、定められた制御電圧を可変容量に印加しながら、ステップＳ２１により作成したアンテナ回路１１の共振周波数の実測値を測定する。
ステップＳ２３において、ステップＳ２２により測定されたアンテナ回路１１の共振周波数の実測値が、リーダライタ２の発振周波数と一致するか否かを判断して、一致しているときステップＳ２５に進み、一致していないときステップＳ２４に進む。
ステップＳ２４において、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離が所定の単位距離間隔で大きくなるように、熱硬化又はＵＶ硬化の接着剤を、アンテナコイル１１ａ又は磁性シート１２に塗布して張り合わせて、ステップＳ２３に戻る。なお、接着剤は、後段のステップＳ２５による硬化処理で硬化する接着剤であれば、上記のものに限定されない。
ステップＳ２５において、ステップＳ２４によりアンテナコイル１１ａと磁性シート１２との間に形成された接着剤の層を硬化させるため、加熱処理又はＵＶ照射を行う。
このようにして、第２の製造方法では、アンテナ回路の共振周波数を測定しながら、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離を変化させ、最適な離間距離の位置で接着剤を硬化させ形状を保持する。この結果、第２の製造方法では、リーダライタ２の発振周波数と一致するように調整されたアンテナモジュール１を製造することができる。
特に、第２の製造方法では、前述した第１の製造方法に比べて、共振周波数の測定をしながら離間距離を変化させるので、より精度良くリーダライタ２の発振周波数と一致するように調整されたアンテナモジュール１を製造することができる。
以上のようにして、本実施形態に係る製造方法では、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離に応じてアンテナコイル１１ａのインダクタンスが変化する特性を利用して、アンテナコイル１１ａに磁性シート１２を貼着したときのアンテナ回路１１の共振周波数が、リーダライタ２の発振周波数と一致するように調整する。このため、本実施形態に係る製造方法では、製造後にアンテナ回路１１の回路特性の変動要因による周波数ずれを補正範囲内に調整することができ、安定して通信を行うことが可能なアンテナモジュール１を製造することができる。
具体的には、本実施形態に係る製造方法では、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離を制御することによって共振周波数を適正値に制御可能となるとともに、コンデンサ１１ｂが可変容量である場合は可変容量による調整範囲を適正にするため、初期の共振周波数を一定量オフセットさせることが可能となり、設計自由度を維持しつつ、高性能のアンテナモジュールを製造することができる。
なお、上述した実施形態では、印加電圧によって容量が調整される強誘電体からなるコンデンサを用いて説明したが、比較的小容量のコンデンサの接続をスイッチング動作により切り換えて合成容量で調整するような可変容量コンデンサを用いても、製造後にアンテナモジュールの回路特性の変動要因による周波数ずれを補正範囲内に調整することができ、安定して通信を行うことが可能なアンテナモジュールを製造することができる。

Claims

発信器から所定の発振周波数で発信される磁界を受けて、該発信器と誘導結合されて通信可能となるアンテナ装置の製造方法において、
上記発信器から発信される磁界を受けるアンテナコイルと、該アンテナコイルと電気的に接続された可変容量コンデンサとを有する共振回路を、該共振回路の共振周波数が上記発振周波数よりも低くなるようにして、作成する第１のステップと、
上記アンテナコイルに、該アンテナコイルと重畳する位置に形成され該アンテナコイルのインダクタンスを変化させる磁性シートを、該アンテナコイルと該磁性シートとの離間距離に応じて、上記共振回路の共振周波数が上記発振周波数と一致するようにインダクタンスを変化させる膜厚の絶縁材料を介して、貼着する第２のステップとを有するアンテナ装置の製造方法。
上記第２のステップでは、
上記第１のステップにより作成された共振回路の共振周波数を測定し、上記計測結果に基づいて、該共振回路の共振周波数を発振周波数に一致させる膜厚の絶縁材料を介して、上記アンテナコイルに上記磁性シートを貼着することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置の製造方法。
上記第２のステップでは、
上記絶縁材料として、所定の硬化処理により硬化する接着剤を介して、上記アンテナコイルと上記磁性シートとを張り合わせて、上記共振回路の共振周波数を測定しながら上記離間距離を変化させ、該共振回路の共振周波数が上記発振周波数となったときに該接着剤を硬化させて、該アンテナコイルと該磁性シートとを貼着させることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置の製造方法。
上記第１のステップでは、温度上昇に伴って、容量が単調減少する強誘電材料からなるコンデンサを用いて、上記共振回路を作成する請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置の製造方法。