KR20120043021A

KR20120043021A - 안테나 장치 및 통신 장치

Info

Publication number: KR20120043021A
Application number: KR1020127004867A
Authority: KR
Inventors: 가츠히사 오리하라; 사토루 스기타; 노리오 사이토; 마사요시 간노
Original assignee: 소니 케미카루 앤드 인포메이션 디바이스 가부시키가이샤
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2012-05-03
Also published as: TW201126813A; EP2461425A1; CN102549842A; JP5216920B2; CN102549842B; TWI524596B; US20120200167A1; WO2011013662A1; EP2461425A4; JPWO2011013662A1

Abstract

온도가 변화되어도 공진 주파수를 대략 일정하게 유지함으로써 안정적으로 통신을 행할 수 있는 안테나 장치를 제공한다.
본 발명은 리더 라이터 (2) 로부터 발신되는 자계를 받는 안테나 코일 (11a) 과, 콘덴서 (11b) 를 갖는 안테나 회로 (11) 와, 안테나 코일 (11a) 과 중첩되는 위치에 형성되고, 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스를 변화시키는 자성 시트 (12) 를 구비하고, 콘덴서 (11b) 는 온도 변화에 의해 용량이 변화되는 온도 특성을 갖고, 자성 시트 (12) 는 사용 온도 영역의 온도 변화에 수반하는 콘덴서 (11b) 의 용량 변화와 역특성으로 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스를 변화시켜, 사용 온도 영역에서 안테나 회로 (11) 의 공진 주파수를 리더 라이터 (2) 의 발진 주파수와 대략 일치시키는 온도 특성의 자성 재료로 이루어진다.

Description

안테나 장치 및 통신 장치{ANTENNA DEVICE AND COMMUNICATION DEVICE}

본 발명은 자계를 발신하는 발신기와의 사이에 발생되는 전자 유도에 의해 통신 가능 상태가 되는 안테나 장치, 및 이 안테나 장치가 장착된 통신 장치에 관한 것이다.

본 출원은 일본에서 2009년 7월 28일에 출원된 일본 특허출원번호 특원 2009-175751 을 기초로 하여 우선권을 주장하는 것으로서, 이들 출원을 참조함으로써 본 출원에 원용된다.

최근, 전자 유도에 의해 신호를 수수하는 비접촉 통신 기술이 확립되어, 교통계 승차권이나 전자 화폐로서 이용이 확대되고 있다. 또, 이와 같은 비접촉 통신 기능은 휴대 전화기에도 탑재되는 경향이어서, 향후 더욱 발전할 것으로 기대되고 있다. 전자 유도에 의한 근접 통신뿐만 아니라 물류에 있어서는 수 m 의 거리를 두고 읽고 쓰기가 가능한 IC 태그도 상품화되고 있다. 또, 이와 같은 비접촉 통신 기술은 비접촉으로 통신을 가능하게 할 뿐만 아니라, 나아가 전력 전송도 동시에 할 수 있기 때문에, 자체적으로는 전지 등의 전원을 갖지 않는 IC 카드에도 실장이 가능하다.

이와 같은 비접촉 통신이 적용된 통신 시스템에서는, 리더 라이터와 비접촉 데이터 캐리어 사이에서 비접촉 통신과 전력 전송을 행하기 위해 루프 안테나에 공진용 콘덴서를 접속하고, 루프 안테나와 공진용 콘덴서의 상수 LC 로 정해지는 공진 주파수를 시스템의 규정 주파수에 맞춤으로써 리더 라이터와 비접촉 데이터 캐리어의 안정된 통신을 행하여 통신 거리를 최대로 하고 있다.

그러나 루프 안테나와 공진용 콘덴서의 LC 상수는 몇 가지의 변동 요인을 갖고 있어 상정된 값으로 반드시 되지는 않는다. 예를 들어, 비접촉 데이터 캐리어에서는 저비용을 위하여 루프 안테나는 구리박 패턴으로 만들어져 있고 패턴 폭의 차이 등에 의해 L 의 값은 변화된다. 또 마찬가지로 저비용화를 위하여 공진용 콘덴서도 안테나 기판의 구리박을 전극으로 기판의 수지를 유전체로 구성하고 있어 구리박의 폭, 길이, 간격에 따라서 용량치가 변화된다. 나아가 최종적으로 IC 카드로서 사용하기 위해서 안테나 기판의 상하를 보호 필름으로 라미네이트하지만, 이 보호 필름의 영향에 의해 콘덴서의 용량이 변화되기 때문에 라미네이트 후의 주파수 시프트를 예측하여 예상 조정으로서 구리박 패턴의 커트에 의해 전극 면적을 조정하여 공진용 콘덴서의 용량치를 조정하고 있다.

상기 서술한 각종 요인에 의해 공진 주파수가 어긋나서 통신이 불안정해지거나 통신 거리가 짧아져 버린다. 이와 같은 문제에 대해, 특허문헌 1 에는 리더 라이터로부터 출력된 자속을 받는 안테나 코일과, 그 자속의 변화를 효율적으로 전압으로 변환하는 공진 회로를 갖는 안테나 모듈에 있어서, 통신의 안정성을 얻기 위해, 가변 용량 콘덴서의 용량을 조정함으로써 공진 주파수를 조정하는 방법이 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 2009－111483호

상기 서술한 바와 같이, 특허문헌 1 에 기재된 안테나에서는, 가변 용량 콘덴서의 용량을 조정함으로써 공진 주파수를 조정할 수 있다. 그러나, 가변 용량 콘덴서는 온도 변화에 따라 용량이 변화되는 온도 특성이 있다. 이 때문에, 가변 용량 콘덴서가 장착된 공진 회로에서는 공진 주파수를 정확하게 조정하였다고 해도, 온도 변화에 의해 공진 주파수가 변화되어 버린다는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로서, 온도가 변화되어도 공진 주파수를 대략 일정하게 유지함으로써 안정적으로 통신을 행할 수 있는 안테나 장치, 및 이 안테나 장치가 장착된 통신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 서술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 관련된 안테나 장치는, 발신기로부터 소정 발진 주파수로 발신되는 자계를 받는 안테나 코일과, 안테나 코일과 전기적으로 접속된 콘덴서를 갖고, 발신기와 유도 결합되어 통신 가능해지는 공진 회로와, 안테나 코일과 중첩되는 위치에 형성되고, 안테나 코일의 인덕턴스를 변화시키는 자성 시트를 구비하고, 콘덴서는, 온도 변화에 의해 용량이 변화되는 온도 특성을 갖고, 자성 시트는, 사용 온도 영역의 온도 변화에 수반하는 콘덴서의 용량 변화와 역특성으로 안테나 코일의 인덕턴스를 변화시켜, 사용 온도 영역에서 공진 회로의 공진 주파수를 발진 주파수와 대략 일치시키는 온도 특성의 자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 통신 장치는, 발신기로부터 소정 발진 주파수로 발신되는 자계를 받는 안테나 코일과, 안테나 코일과 전기적으로 접속된 콘덴서를 갖고, 발신기와 유도 결합되어 통신 가능해지는 공진 회로와, 안테나 코일과 중첩되는 위치에 형성되고, 안테나 코일의 인덕턴스를 변화시키는 자성 시트와, 공진 회로에 흐르는 전류에 의해 구동되고, 발신기와의 사이에서 통신을 행하는 통신 처리부를 구비하고, 콘덴서는, 온도 변화에 의해 용량이 변화되는 온도 특성을 갖고, 자성 시트는, 사용 온도 영역의 온도 변화에 수반하는 콘덴서의 용량 변화와 역특성으로 안테나 코일의 인덕턴스를 변화시켜, 사용 온도 영역에서 공진 회로의 공진 주파수를 발진 주파수와 대략 일치시키는 온도 특성의 자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 사용 온도 영역의 온도 변화에 수반하는 콘덴서의 용량 변화와 역특성으로 안테나 코일의 인덕턴스를 변화시켜, 사용 온도 영역에서 공진 회로의 공진 주파수를 발진 주파수와 대략 일치시키는 온도 특성을 갖는 자성 시트를 안테나 코일에 중첩되도록 형성한다. 이와 같이 하여, 본 발명은, 온도 변화에 따른 콘덴서의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를, 자성 시트의 온도 특성에 따른 안테나 코일의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시킴으로써, 미리 설정된 사용 온도 영역에서 온도가 변화되어도 공진 주파수를 대략 일정하게 유지하여 안정적으로 통신을 행할 수 있다.

도 1 은 무선 통신 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 무선 통신 시스템에 관련된 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 은 상온 (20 ℃) 의 용량을 기준치로 하여 온도 변화에 의한 콘덴서의 용량 변화를 나타내는 도면이다.
도 4 는 온도 변화에 따른 안테나 코일의 인덕턴스 변화에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5 는 온도를 변화시켰을 때의, 안테나 코일의 인덕턴스 L 에 대응하는 자성 시트의 복소 비투자율의 실부 μ' 의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6 은 안테나 코일 (11a) 과 자성 시트 (12) 로 이루어지는 적층체의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7 은 휴대 전화기 등에 장착되는 안테나 모듈의 안테나 코일의 구체적인 치수에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 8 은 적층 세라믹 콘덴서의 온도 특성을 나타내는 도면이다.
도 9 는 안테나 회로에 이용되고 있는 안테나 코일의 인덕턴스 온도 특성을 나타내는 도면이다.
도 10 은 안테나 회로의 공진 주파수의 온도 특성을 나타내는 도면이다.
도 11 은 사용 온도 영역인 0 ℃ 내지 60 ℃ 의 범위에 있어서, 도 10 의 각 라인 A, B, C 에 대응하는 안테나 회로의 주파수 편차를 나타내는 도면이다.

이하에서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시형태에만 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변경할 수 있는 것은 물론이다.

<전체 구성>

본 발명이 적용된 안테나 모듈은, 전자파를 발신하는 발신기와의 사이에서 발생되는 전자 유도에 의해 통신 가능 상태가 되는 안테나 장치로서, 예를 들어 도 1 에 나타내는 RFID (Radio Frequency Identification) 용의 무선 통신 시스템 (100) 에 장착되어 사용된다.

무선 통신 시스템 (100) 은, 본 발명이 적용된 안테나 모듈 (1) 과, 안테나 모듈 (1) 에 대한 액세스를 행하는 리더 라이터 (2) 로 이루어진다.

리더 라이터 (2) 는 안테나 모듈 (1) 에 대해 자계를 발신하는 발신기로서 기능하고, 구체적으로는 안테나 모듈 (1) 을 향해 자계를 발신하는 안테나 (2a) 와, 안테나 (2a) 를 개재하여 유도 결합된 안테나 모듈 (1) 과 통신하는 제어 기판 (2b) 을 구비한다.

즉, 리더 라이터 (2) 에는 안테나 (2a) 와 전기적으로 접속된 제어 기판 (2b) 이 배치 형성되어 있다. 이 제어 기판 (2b) 에는 1 또는 복수의 집적 회로 칩 등의 전자 부품으로 이루어지는 제어 회로가 실장되어 있다. 이 제어 회로는 안테나 모듈 (1) 로부터 수신된 데이터에 기초하여 각종 처리를 실행한다. 예를 들어, 제어 회로는, 안테나 모듈 (1) 에 데이터를 기록하는 경우, 데이터를 부호화하고, 부호화된 데이터에 기초하여, 소정 주파수 (예를 들어, 13.56 ㎒) 의 반송파를 변조하고, 변조된 변조 신호를 증폭하고, 증폭된 변조 신호로 안테나 (2a) 를 구동한다. 또, 제어 회로는 안테나 모듈 (1) 로부터 데이터를 판독하는 경우, 안테나 (2a) 에서 수신된 데이터의 변조 신호를 증폭하고, 증폭된 데이터의 변조 신호를 복조하고, 복조된 데이터를 복호한다. 또한, 제어 회로에서는, 일반적인 리더 라이터에서 사용되는 부호화 방식 및 변조 방식이 사용되고, 예를 들어 맨체스터 부호화 방식이나 ASK (Amplitude Shift Keying) 변조 방식이 사용되고 있다.

전자 기기의 케이싱 (3) 내부에 장착되는 안테나 모듈 (1) 은, 유도 결합된 리더 라이터 (2) 와의 사이에서 통신이 가능해지는 안테나 코일 (11a) 이 실장된 안테나 회로 (11) 와, 자계를 안테나 코일 (11a) 에 인입하기 위해 안테나 코일 (11a) 과 중첩되는 위치에 형성된 자성 시트 (12) 와, 안테나 회로 (11) 에 흐르는 전류에 의해 구동되어 리더 라이터 (2) 와의 사이에서 통신을 행하는 통신 처리부 (13) 를 구비한다.

안테나 회로 (11) 는, 본 발명에 관련된 공진 회로에 상당하는 회로로서, 안테나 코일 (11a) 과, 안테나 코일 (11a) 과 전기적으로 접속된 콘덴서 (11b) 를 구비한다.

안테나 회로 (11) 는, 리더 라이터 (2) 로부터 발신되는 자계를 안테나 코일 (11a) 에서 받으면, 리더 라이터 (2) 와 유도 결합에 의해 자기적으로 결합되고, 변조된 전자파를 수신하여 수신 신호를 통신 처리부 (13) 에 공급한다.

자성 시트 (12) 는 리더 라이터 (2) 로부터 발신되는 자계를 안테나 코일 (11a) 에 인입하기 위해, 안테나 코일 (11a) 과 중첩되는 위치에 형성되고, 당해 자성 시트 (12) 가 없는 경우에 비해, 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스가 증가하도록 변화시킨다. 구체적으로, 자성 시트 (12) 는 휴대형 전자 기기의 케이싱 (3) 내부에 형성된 금속 부품이 리더 라이터 (2) 로부터 발신되는 자계를 되돌려보내거나, 와전류가 발생하는 것을 억제하기 위해, 자계가 방사되어 오는 방향의 반대 측에 첩부된 구조를 취한다.

통신 처리부 (13) 는 전기적으로 접속된 안테나 회로 (11) 에 흐르는 전류에 의해 구동되고, 리더 라이터 (2) 와의 사이에서 통신을 행한다. 구체적으로, 통신 처리부 (13) 는 수신된 변조 신호를 복조하고, 복조된 데이터를 복호하고, 복호된 데이터를 후술하는 메모리 (133) 에 기록한다. 또, 통신 처리부 (13) 는 리더 라이터 (2) 에 송신하는 데이터를 메모리 (133) 로부터 판독하고, 판독된 데이터를 부호화하고, 부호화된 데이터에 기초하여 반송파를 변조하고, 유도 결합에 의해 자기적으로 결합된 안테나 회로 (11) 를 개재하여 변조된 전파를 리더 라이터 (2) 에 송신한다.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 무선 통신 시스템 (100) 에 있어서, 안테나 모듈 (1) 의 안테나 회로 (11) 의 구체적인 회로 구성에 대해, 도 2 를 참조하여 설명한다.

상기 서술한 바와 같이, 안테나 회로 (11) 는 안테나 코일 (11a) 과, 콘덴서 (11b) 를 구비한다.

안테나 코일 (11a) 은 예를 들어 직사각 형상으로 형성되어 있고, 리더 라이터 (2) 의 안테나 (2a) 로부터 방사된 자속 중에서, 안테나 코일 (11a) 과 쇄교하는 자속의 변화에 따라 역기전력을 발생시킨다.

콘덴서 (11b) 는 통신 처리부 (13) 로부터 출력되는 제어 전압에 의해 용량을 조정할 수 있는 콘덴서로서, 예를 들어 배리어블 커패시턴스 다이오드라고 하는 가변 용량 다이오드나, 내압 특성이 우수한 강유전 재료로 이루어지는 가변 용량의 콘덴서이다.

안테나 회로 (11) 는 안테나 코일 (11a) 과 콘덴서 (11b) 가 전기적으로 접속되어 공진 회로를 구성하고 있고, 콘덴서 (11b) 의 용량이 가변됨으로써, 안테나 코일 (11a) 및 콘덴서 (11b) 를 포함하는 공진 회로의 공진 주파수가 조정된다.

통신 처리부 (13) 는 변복조 회로 (131) 와, CPU (132) 와, 메모리 (133) 를 구비한 마이크로 컴퓨터에 의해 구성되어 있다.

변복조 회로 (131) 는 안테나 회로 (11) 로부터 리더 라이터 (2) 에 송출하는 데이터를 캐리어에 중첩시킨 변조파를 생성하는 변조 처리를 행한다. 또, 변복조 회로 (131) 는, 리더 라이터 (2) 로부터 출력된 변조파로부터 데이터를 추출하는 복조 처리를 행한다.

CPU (132) 는 메모리 (133) 에 기억된 제어 전압 정보를 판독하여, 제어 전압 V 를 콘덴서 (11b) 에 인가하여 콘덴서 (11b) 의 용량을 조정함으로써, 제조시의 소자의 오차나 편차에서 기인하는 공진 주파수의 어긋남을 보정한다.

메모리 (133) 에는, 안테나 회로 (11) 의 공진 주파수와 리더 라이터 (2) 가 자계를 발진하는 발진 주파수의 어긋남을 고려하여, 안테나 회로 (11) 의 공진 주파수가 리더 라이터 (2) 의 발진 주파수와 일치하도록 콘덴서 (11b) 의 용량을 제어하는 제어 전압 정보가 기억되어 있다.

상기 구성을 갖는 안테나 모듈 (1) 과 통신하는 리더 라이터 (2) 에서는, 안테나 (2a) 가 안테나 코일 (21) 과 콘덴서 (22) 를 구비하고, 제어 기판 (2b) 이 변복조 회로 (23) 와 CPU (24) 와 메모리 (25) 를 구비한다.

안테나 코일 (21) 은 예를 들어 직사각 형상으로 형성되어 있고, 안테나 모듈 (1) 측의 안테나 코일 (11a) 과 자기적으로 결합함으로써, 커맨드나 기록 데이터 등의 각종 데이터를 송수신하고, 추가로 안테나 모듈 (1) 에서 사용하는 전력을 공급한다.

콘덴서 (22) 는 안테나 코일 (21) 과 접속되어 공진 회로를 구성하고 있다. 변복조 회로 (23) 는, 리더 라이터 (2) 로부터 안테나 모듈 (1) 에 송출하는 데이터를 캐리어에 중첩시킨 변조파를 생성하기 위한 변조 처리를 행한다. 또, 변복조 회로 (23) 는, 안테나 모듈 (1) 로부터 송출된 변조파로부터 데이터를 추출하는 복조 처리를 행한다.

CPU (24) 는 메모리 (25) 로부터 판독한 데이터를 안테나 모듈 (1) 에 송출하도록 변복조 회로 (23) 를 제어하고, 또, 변복조 회로 (23) 에서 복조된 데이터를 메모리 (25) 에 기록하는 처리를 행한다.

이상과 같이 하여, 안테나 모듈 (1) 의 안테나 회로 (11) 는, 통신 처리부 (13) 에 의해 제어되는 제어 전압에 의해, 안테나 회로 (11) 의 콘덴서 (11b) 의 용량을 조절함으로써, 안테나 회로 (11) 의 공진 주파수를, 리더 라이터 (2) 의 발진 주파수와 일치시켜 안정적인 통신을 실현할 수 있도록 하고 있다.

<온도 보상>

안테나 회로 (11) 는, 가령 동일한 제어 전압을 콘덴서 (11b) 에 인가해도, 온도 변화에 의해 콘덴서 (11b) 의 용량이 변화되어 버리기 때문에, 온도 변화에 수반하여 공진 주파수가 어긋나 버린다.

도 3 은 상온 (20 ℃) 의 용량을 기준치로 하여 온도 변화에 의한 콘덴서의 용량 변화를 나타내는 도면이다.

가변 용량 다이오드는, 도 3 의 라인 X 에 나타내는 바와 같이, 온도 상승에 수반하여 용량이 단조 증가한다. 이 때문에, 가변 용량 다이오드를 공진용 콘덴서로서 사용한 공진 회로에서는, 온도 상승에 수반하여 공진 주파수가 낮아져 버린다.

또, 재료 1 의 강유전체로 이루어지는 가변 용량 콘덴서는, 도 3 의 라인 A 에 나타내는 바와 같이, 20 ℃ 이하에서는 온도 상승에 수반하여 용량이 증가하고, 20 ℃ 이상에서는 온도 상승에 수반하여 용량이 감소한다. 이 때문에, 재료 1 의 강유전체로 이루어지는 가변 용량 콘덴서가 장착된 공진 회로에서는, 온도 변화에 대해, 20 ℃ 을 극대치로 하여 「위로 볼록」이 되도록 공진 주파수가 변화되어 버린다.

또, 재료 2 의 강유전체로 이루어지는 가변 용량 콘덴서는, 도 3 의 라인 B 에 나타내는 바와 같이, 온도 상승에 수반하여 용량이 단조 감소한다. 이 때문에, 재료 2 의 강유전체로 이루어지는 가변 용량 콘덴서가 장착된 공진 회로에서는, 온도 상승에 수반하여 공진 주파수가 높아져 버린다.

온도 변화에 따른 콘덴서의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를, 안테나 코일의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시키기 위해, 안테나 모듈 (1) 은, 자성 시트의 온도 특성에 따라 안테나 코일의 인덕턴스가 변화되는 특성을 이용한 것이다.

여기서, 재료 1 의 강유전체로 이루어지는 가변 용량 콘덴서의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화는, 도 4 의 라인 A 에 나타내는 바와 같은 온도 특성을 갖는 안테나 코일 A 의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시킬 수 있다.

또, 재료 2 의 강유전체로 이루어지는 가변 용량 콘덴서의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화는, 도 4 의 라인 B 에 나타내는 바와 같은 온도 특성을 갖는 안테나 코일 B 의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시킬 수 있다.

이와 같이 하여, 공진 주파수의 어긋남을 상쇄할 수 있는 것은, 안테나 코일의 인덕턴스 L 과 콘덴서의 용량 C 로부터, 공진 주파수 f 가 하기 식에 의해 도출되기 때문이다.

안테나 코일 자체는, 도선으로 구성되어 있기 때문에, 도 4 에 나타내는 온도 특성을 실현하기 어렵지만, 본원 발명자는, 안테나 코일에 중첩되도록 형성하는 자성 시트의 온도 특성에 기인하여 안테나 코일의 인덕턴스가 변화되는 특성에 주목하여, 도 4 에 나타내는 온도 특성을 실현하는 것을 알아냈다.

구체적으로, 자성 시트의 자성 재료로서 적용되는 페라이트는, 퀴리 온도 이상이 되면 자기 특성이 없어지지만, 퀴리 온도 이하에서는 개개의 자성 재료의 특성, 그 함유율을 조정함으로써 온도에 대한 자기 특성을 조절할 수 있다.

도 5 는 온도를 변화시켰을 때의, 안테나 코일의 인덕턴스 L 에 대응하는 자성 시트의 복소 비투자율의 실부 μ' 의 변화를 나타내는 도면이다.

예를 들어, 상기 안테나 코일 A 와 같은 온도 특성은, 도 5 의 라인 A 에 나타내는 자기 특성을 갖는 페라이트 A 로 이루어지는 자성 시트를 안테나 코일 A 에 접합함으로써 실현 가능하다.

또, 상기 안테나 코일 B 와 같은 온도 특성은, 도 5 의 라인 B 에 나타내는 자기 특성을 갖는 페라이트 B 로 이루어지는 자성 시트를 안테나 코일 B 에 접합함으로써 실현 가능하다.

이와 같이 하여, 본 실시형태에 관련된 안테나 회로 (11) 는, 온도 변화에 따른 콘덴서 (11b) 의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를, 자성 시트 (12) 의 온도 특성에 따른 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시킨다.

자성 시트 (12) 의 온도 특성을 조절하는 것만으로는, 어떠한 온도 대역에서도 콘덴서 (11b) 의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를, 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시키기 어렵다. 따라서, 미리 안테나 모듈 (1) 이 리더 라이터 (2) 와 통신 가능한 사용을 보장하는 사용 온도 영역을 설정하고, 이 사용 온도 영역에서 온도가 변화되어도 공진 주파수를 대략 일정하게 유지하도록 자성 시트 (12) 의 온도 특성을 설계할 필요가 있다.

이와 같이 하여, 본 실시형태에 관련된 안테나 회로 (11) 는, 자성 시트 (12) 의 온도 특성에 따라 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스가 변화되는 것을 이용하고, 미리 설정된 사용 온도 영역에서 온도가 변화되어도 공진 주파수를 대략 일정하게 유지하여 안정적으로 통신을 행할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관련된 안테나 회로 (11) 는, 온도 변화에 따른 콘덴서의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를, 자성 시트의 온도 특성에 따른 안테나 코일의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시킬 수 있으면, 어떠한 온도 특성의 것을 사용해도 된다.

즉, 온도 상승에 따라 콘덴서의 용량이 단조 증가하면, 이 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를 상쇄하도록 인덕턴스가 단조 감소되는 안테나 코일을 이용하면 된다. 또, 온도 상승에 따라 콘덴서의 용량이 「위로 볼록」으로 변화되면, 이 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를 상쇄하도록 인덕턴스가 「아래에 볼록」으로 변화되는 안테나 코일을 이용하면 된다.

이와 같이, 본 실시형태에 관련된 안테나 회로 (11) 는, 온도 변화에 따라, 콘덴서의 용량과 안테나 코일의 인덕턴스가 서로 역특성을 갖고 있으면 되는데, 공진 주파수를 대략 일정하게 유지하는 설계를 용이하게 실현하는 관점에서, 특히, 다음의 구체예로 나타내는 바와 같이 온도 변화에 따라 단조롭게 변화되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

먼저, 콘덴서 (11b) 는 사용 온도 영역에서의 온도 변화에 의해 용량이 단조 변화되는 온도 특성을 갖는 것으로 한다.

이와 같은 온도 특성을 갖는 콘덴서 (11b) 에 대해, 자성 시트 (12) 는 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스를, 하기 식의 조건을 만족하도록 변화시키는 온도 특성을 갖는 재료로 한다.

여기서, L1, L2 는 각각, 사용 온도 영역의 상한치 및 하한치에 있어서의 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스이다. 또, C1, C2 는 각각, 사용 온도 영역의 상한치 및 하한치에 있어서의 콘덴서 (11b) 의 용량이다.

이와 같이 하여, 안테나 회로 (11) 는, 콘덴서 (11b) 의 용량과 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스가, 미리 설정된 사용 온도 영역에서 각각 역특성으로 동일한 변화율로 단조 변화되도록 함으로써, 용이하게 공진 주파수를 대략 일정하게 유지할 수 있다.

또, 콘덴서 (11b) 의 용량과 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스가, 사용 온도 영역에서 각각 역특성으로 단조 변화되어도, 상이한 변화율로 변화되는 경우에는, 콘덴서 (11b) 의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를, 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시키기 곤란하다.

이와 같은 경우에는, 안테나 코일 (11a) 과 자성 시트 (12) 의 이간 거리를 조절함으로써, 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스 변화율을 조정하고, 콘덴서 (11b) 의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시킬 수 있다.

도 6 은 안테나 코일 (11a) 과 자성 시트 (12) 로 이루어지는 적층체의 구조를 나타내는 도면이다.

도 6 에 나타내는 바와 같이, 안테나 코일 (11a) 은, 예를 들어 폴리이미드, 액정 폴리머, 테플론 (등록 상표) 등의 가요성을 갖는 플렉시블 프린트 기판 등으로 이루어지는 프린트 기판 (14) 에 실장되어 있다. 프린트 기판 (14) 은, ADH 등의 접착층 (15) 을 개재하여 자성 시트 (12) 가 접합되어 있다. 이와 같은 적층 구조에 의해, 안테나 코일 (11a) 과 자성 시트 (12) 의 이간 거리는, 접착층 (15) 의 막두께에 의해 조정 가능하다. 즉, 프린트 기판 (14) 의 막두께 a 와 접착층 (15) 의 막두께 b 의 합계치가, 안테나 코일 (11a) 과 자성 시트 (12) 의 이간 거리가 된다.

여기서, 안테나 코일 (11a) 과 자성 시트 (12) 의 이간 거리가 커지면, 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스가 단조롭게 감소되는 경향이 있다. 따라서, 온도 변화에 의한 콘덴서 (11b) 의 용량 변화율에 대해, 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스 변화율이 크면, 안테나 코일 (11a) 과 자성 시트 (12) 의 이간 거리를 길게 하도록 조절함으로써, 사용 온도 영역에서 각각 역특성으로 동일한 변화율로 단조 변화시킬 수 있고, 용이하게 공진 주파수를 대략 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 프린트 기판 (14) 으로는, 상기 서술한 플렉시블 프린트 기판 이외에도, 예를 들어 에폭시 수지 등의 가소성을 갖는 리지드 기판을 사용하도록 해도 되나, 상대적으로 유전율을 억제할 수 있다는 관점에서, 플렉시블 프린트 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 안테나 모듈 (1) 은, 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스가, 사용 온도 영역에서의 콘덴서 (11b) 의 용량 변화와 역특성으로 변화시키고, 사용 온도 영역에서 공진 회로의 공진 주파수를 발진 주파수와 대략 일치시키는 온도 특성을 갖는 자성 시트 (12) 를, 안테나 코일 (11a) 에 중첩하도록 형성되어 있다. 이와 같이 하여, 안테나 모듈 (1) 은, 온도 변화에 따른 콘덴서 (11b) 의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를, 자성 시트 (12) 의 온도 특성에 따른 안테나 코일 (11a) 의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시킴으로써, 미리 설정된 사용 온도 영역에서 온도가 변화되어도 공진 주파수를 대략 일정하게 유지하여 안정적으로 통신을 행할 수 있다.

휴대 전화기 등에 장착되는 안테나 모듈의 구체예로서, 도 7 에 나타내는 바와 같은, 외형상이 42.4 [㎜]×25.6 [㎜] 이고, 폭이 0.3 [㎜] 인 도선이 0.2 [㎜] 의 스페이스 폭이고, 권선수 4 로 감겨진 안테나를 사용하여 설명한다. 이와 같은 안테나 코일의 인덕턴스는 2 [μH] 이고, 13.56 ㎒ 에서 공진하는 데 필요한 콘덴서의 용량은 약 69 [μF] 이다. 이와 같은 안테나 모듈에 있어서, 사용 온도 영역에서 콘덴서의 용량이 10 % 변화되었을 경우, 아무런 온도 보상을 하지 않으면, 주파수 편차는 약 700 [㎑] 에 이르러 정상적인 통신을 실현할 수 없다.

이에 대하여, 본 실시형태에 관련된 안테나 모듈 (1) 은, 통상적인 통신에서 문제가 없을 정도의 주파수 편차, 예를 들어 사용 온도 영역에서 콘덴서의 용량 변화로 환산하여 1 % 정도의 주파수 편차인 약 70 [㎑] 로 억제하도록 자성 시트 (12) 의 온도 특성을 설계할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같은 온도 보상은, 공진 회로의 환경 온도를 온도 센서에 의해 검출하고, 검출 결과에 따라 콘덴서에 인가하는 제어 전압을 제어하는 것도 가능하지만, 본 실시형태에 관련된 안테나 모듈 (1) 은, 이와 같은 온도 센서를 사용하지 않아도 온도 보상할 수 있기 때문에, 비용이나 장치 규모를 억제하는 관점에서 유리하다.

실시예 1

이하에서는, 실제의 안테나 회로에서 사용되는 회로 소자를 사용하여, 상기 서술한 본 실시형태의 안테나 모듈의 통신 특성에 대해 설명한다.

구체적으로, 하기의 실시예에서는, 20 ℃ 부근에서의 안테나 회로의 공진 주파수를, 리더 라이터의 발진 주파수인 13.56 [㎒] 에 맞추고, 사용 온도 영역인 0 ℃?60 ℃ 에서의 공진 주파수의 편차에 대해 평가하였다.

먼저, 도 8 에 나타내는 바와 같은 온도 특성을 갖는 적층 세라믹 콘덴서를, 안테나 회로의 공진용 콘덴서로서 사용하였다. 이 적층 세라믹 콘덴서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이 이른바 가변 용량 콘덴서의 1 종으로서, －55 ℃?85 ℃ 의 온도 범위에서 변화량 dc/c 가 ±5 % 의 편차가 있다.

또한, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 가변 용량 콘덴서는 －55 ℃?85 ℃ 의 온도 범위에 있어서 「위로 볼록」이 되도록 용량이 변화되지만, 사용 온도 영역인 0 ℃?60 ℃ 에서는 용량이 단조 감소된다. 그래서, 상기 서술한 역특성을 용이하게 실현하는 관점에서, 안테나 회로에 사용하는 안테나 코일로는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 사용 온도 영역인 0 ℃?60 ℃ 에서 인덕턴스 값이 단조 감소되는 온도 특성이 있는 것을 사용하였다.

도 9 의 라인 A 는 자성 시트가 적층되어 있지 않은 안테나 코일의 인덕턴스 온도 특성이다.

또, 도 9 의 라인 B 는 메탈계 자성 시트를 적층한 안테나 코일의 인덕턴스 온도 특성이다. 메탈계 자성 시트로서 FeSiCr 계의 자성 시트를 사용하였다.

또, 도 9 의 라인 C 는 공진 주파수를 대략 일정하게 유지하도록 설계된 온도 특성을 갖는 페라이트제의 자성 시트를 적층한 안테나 코일의 인덕턴스 온도 특성이다. 페라이트제의 자성 시트로서 NiZn 계의 자성 시트를 사용하였다.

도 9 에 나타내는 바와 같이, 안테나 코일 단체 (單體), 및, 메탈계의 자성 시트를 적층한 안테나 코일에서는, 온도 변화에 의해 인덕턴스 변화가 비교적 작다. 이에 비하여, 페라이트제의 자성 시트를 적층한 안테나 코일은, 미리 설정된 사용 온도 영역인 0 ℃ 내지 60 ℃ 의 범위 내에서, 편차가 약 3.3 % 로 인덕턴스가 변화된다.

다음으로, 도 8 에 나타낸 온도 특성을 갖는 콘덴서와, 도 9 에 나타내는 온도 특성을 갖는 각 안테나 코일을 조합한 안테나 회로의 공진 주파수의 온도 특성을 계산에 의해 구하였다.

도 10 은 각 안테나 코일을 갖는 안테나 회로의 공진 주파수의 온도 특성을 나타내는 도면이다.

도 10 의 라인 A 는 자성 시트가 적층되어 있지 않은 안테나 코일을 갖는 안테나 회로의 공진 주파수의 온도 특성이다. 또, 도 10 의 라인 B 는 메탈계 자성 시트를 적층한 안테나 코일을 갖는 안테나 회로의 공진 주파수의 온도 특성이다. 또, 도 10 의 라인 C 는 공진 주파수를 대략 일정하게 유지하도록 설계된 페라이트제의 자성 시트를 적층한 안테나 코일의 인덕턴스 온도 특성이다.

도 10 에 나타내는 바와 같이, 라인 A, B 에 대응하는 안테나 회로는, 30 ℃ 를 초과한 부근에서부터 급격히 공진 주파수가 높게 변화되어 버렸다. 또한, 온도 상승에 수반하여 콘덴서의 온도 특성이, 용량이 작아지는 방향으로 변화되는 점에서, 라인 A, B 에 대응하는 안테나 회로의 공진 주파수는 사용 온도 영역의 하한치인 0 ℃ 에 있어서, 미리 라인 C 에 대응하는 안테나 회로의 공진 주파수에 비해 작아지도록 설계하였다.

이에 비해, 도 10 의 라인 C 에 대응하는 안테나 회로는, 사용 온도 영역의 하한치인 0 ℃ 에서 공진 주파수를 13.65 [㎒] 근처로 하기 때문에 약 20 ℃ 에서 공진 주파수를 13.56 [㎒] 에 맞춤으로써, 결과적으로 30 ℃ 를 하한치 피크로 하여 공진 주파수가 낮아지지만, 그 구배가 다른 안테나 회로의 공진 주파수와 비교하여 완만하게 되어 있다. 이 결과, 라인 C 에 대응하는 안테나 회로는 사용 온도 영역인 0 ℃ 내지 60 ℃ 의 범위에서, 공진 주파수의 편차를 약 0.1 [㎒] 로 억제할 수 있었다.

도 11 은 사용 온도 영역인 0 ℃ 내지 60 ℃ 의 범위에서, 도 10 의 각 라인 A, B, C 에 대응하는 안테나 회로의 공진 주파수의 편차를 퍼센트 표시한 것이다. 이 도 11 에서 봐도 분명한 바와 같이, 라인 C 에 대응하는 안테나 회로는 사용 온도 영역에서 공진 주파수의 편차를 ±10 % 정도로 할 수 있고, 다른 안테나 회로에 비해 공진 주파수를 대략 일정하게 유지할 수 있었다.

이 실시예에서 봐도 분명한 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 안테나 모듈은, 온도 변화에 따른 콘덴서의 용량 변화에 의한 공진 주파수의 변화를, 안테나 코일의 인덕턴스 변화에 의해 상쇄시킴으로써, 미리 설정된 사용 온도 영역에서 온도가 변화되어도 공진 주파수를 대략 일정하게 유지하여 안정적으로 통신을 행할 수 있었다.

Claims

발신기로부터 소정 발진 주파수로 발신되는 자계를 받는 안테나 코일과, 상기 안테나 코일과 전기적으로 접속된 콘덴서를 갖고, 상기 발신기와 유도 결합되어 통신 가능해지는 공진 회로와,
상기 안테나 코일과 중첩되는 위치에 형성되고, 상기 안테나 코일의 인덕턴스를 변화시키는 자성 시트를 구비하고,
상기 콘덴서는 온도 변화에 의해 용량이 변화되는 온도 특성을 갖고,
상기 자성 시트는 사용 온도 영역의 온도 변화에 수반하는 상기 콘덴서의 용량 변화와 역특성으로 상기 안테나 코일의 인덕턴스를 변화시켜, 상기 사용 온도 영역에서 상기 공진 회로의 공진 주파수를 상기 발진 주파수와 대략 일치시키는 온도 특성의 자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 콘덴서는 상기 사용 온도 영역에서의 온도 변화에 수반하여 용량이 단조 변화되는 온도 특성을 갖고,
상기 자성 시트는 상기 안테나 코일의 인덕턴스를, 하기 식의 조건을 만족하도록 변화시키는 온도 특성의 자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.

단, L1, L2 는 각각, 상기 사용 온도 영역의 상한치 및 하한치에 있어서의 상기 안테나 코일의 인덕턴스이고, C1, C2 는 각각, 상기 사용 온도 영역의 상한치 및 하한치에 있어서의 상기 콘덴서의 용량이다.
제 2 항에 있어서,
상기 콘덴서는 온도 상승에 수반하여 용량이 단조 감소되는 강유전 재료로 이루어지고,
상기 자성 시트는, 상기 안테나 코일의 인덕턴스를, 상기 사용 온도 영역에서의 온도 상승에 수반하여 단조 증가시켜, 상기 사용 온도 영역에서 상기 공진 회로의 공진 주파수를 상기 발진 주파수와 대략 일치시키는 온도 특성의 자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성 시트는, 복수 종류의 자성 재료로 이루어지는 페라이트이고, 각 자성 재료의 함유율을 조정함으로써, 상기 사용 온도 영역에서 상기 공진 회로의 공진 주파수를 상기 발진 주파수와 대략 일치시키는 온도 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
발신기로부터 소정 발진 주파수로 발신되는 자계를 받는 안테나 코일과, 상기 안테나 코일과 전기적으로 접속된 콘덴서를 갖고, 상기 발신기와 유도 결합되어 통신 가능해지는 공진 회로와,
상기 안테나 코일과 중첩되는 위치에 형성되고, 상기 안테나 코일의 인덕턴스를 변화시키는 자성 시트와,
상기 공진 회로에 흐르는 전류에 의해 구동되고, 상기 발신기와의 사이에서 통신을 행하는 통신 처리부를 구비하고,
상기 콘덴서는 온도 변화에 의해 용량이 변화되는 온도 특성을 갖고,
상기 자성 시트는 사용 온도 영역의 온도 변화에 수반하는 상기 콘덴서의 용량 변화와 역특성으로 상기 안테나 코일의 인덕턴스를 변화시켜, 상기 사용 온도 영역에서 상기 공진 회로의 공진 주파수를 상기 발진 주파수와 대략 일치시키는 온도 특성의 자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 통신 장치.