WO2010131683A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

　通信特性を維持しつつ、全体で薄型化が図られたアンテナ装置を提供する。本発明は、リーダライタ（２）から発信される磁界を受けて、リーダライタ（２）と誘導結合されて通信可能となるアンテナコイル（１１ａ）が、絶縁層（１１２）の表面に実装されたアンテナ基板（１１）と、アンテナ基板（１１）のアンテナコイル（１１ａ）が実装されていない絶縁層（１１２）の面（１１２ａ）に、接着層（１３）を介して接着され、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）に引き込む磁性シート（１２）とを含んで構成されている。

Description

アンテナ装置

　本発明は、発信器から発信される磁界を受けて、当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に関する。
　本出願は、日本国において２００９年５月１２日に出願された日本特許出願番号特願２００９－１１５３８９、及び日本国において２００９年６月２９日に出願された日本特許出願番号特願２００９－１５３６３０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。

　ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）用のアンテナモジュールとして、次のような数種類のものが従来から用いられている。第１に、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）やリジット基板を用いてコイルパターンを平面上に作成したアンテナモジュールがある。第２に、丸線を巻き線にしてコイルを作成したアンテナモジュールがある。第３に、ＦＰＣやＦＦＣ(Flexible Flat Cable)などをハーネスにして、そのハーネスをリング状にしてコイルを形成したアンテナモジュールがある。
　上述したアンテナモジュールは、部品の配置、形状を考慮した設計により、適宜選択されて、電子機器に組み込まれて使用されている。
　電子機器内にアンテナモジュールを配置する場合、電子機器の金属製筐体や内部部品に使用されている金属の影響を受けないようにするため、透磁率が比較的高く、損失係数が小さいフェライト製の磁性シートをアンテナの周辺に取り付けている（特許文献１）。
　このようにして、磁気特性が良好なフェライト製の磁性シートは、アンテナモジュールに重畳するように配置することによって、磁界がアンテナモジュールの周囲に配置されている金属内に入り渦電流となって熱に変わることを防ぐ。また、フェライト製の磁性シートは、良好な通信性能が得られるように、形状や組合せ等の最適化が行われている。また、携帯電話機などの携帯型電子機器の薄型化が進む中で、アンテナモジュールは、フェライト製の磁性シートと貼り合わされた状態で、できるだけ薄くなるようにすることが望まれる。

特開２００６－３１０８１２号公報

　上述したように、アンテナをＦＰＣなどの可撓性のある電子材料で平面形状にして作成したアンテナ基板に、電子機器内での渦電流や熱の発生を防止する目的で、フェライト製などの磁性シートが取り付けられる場合がある。
　アンテナを寸法的観点から薄くするには、フェライト構成層、粘着構成層そしてＦＰＣ層各々を薄くすることによって対応できるが、通信特性の観点では、金属筐体の影響を受けるため、アンテナパターンと磁性シート間の距離ができるだけ離れていることが好ましい。例えば、図８Ａに示すように、アンテナパターン４０１と磁性シート４０２を接着させるＡＤＨ層４０３の厚みを変数ｄ［μｍ］として変化させた場合、図８Ｂに示すように、ｄが小さいほど通信可能距離が小さくなってしまう。これは、アンテナパターンと磁性シート間に形成されるＡＤＨ層の厚みを薄くするとアンテナ抵抗が上昇し通信性能を劣化するからである。このように、単に各部材を薄くすると通信特性が劣化してしまうという問題があった。
　そこで、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、通信特性を維持しつつ、全体で薄型化が図られたアンテナ装置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、本発明は、発信器から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コイルが、絶縁層の表面に実装されたアンテナ基板と、アンテナ基板のアンテナコイルが実装されていない絶縁層の面に、接着層を介して接着され、発信器から発信される磁界をアンテナコイルに引き込む磁性シートとを含んで構成される。
　本発明は、アンテナ基板のアンテナコイルが実装されていない絶縁層の面に、接着層を介して、磁性シートが接着されているので、アンテナコイル－磁性シート間を離間する部材として、アンテナコイルが表面実装される絶縁部を用いることができ、全体の薄型化を図りつつ良好な通信特性を実現することができる。

図１は、本発明が適用されたアンテナモジュールが組み込まれた無線通信システムの構成を示す図である。 図２は、本発明が適用されたアンテナモジュールに係る構成について説明するための断面図である。 図３は、比較例に係るアンテナモジュールに係る構成について説明するための断面図である。 図４は、アンテナコイル－磁性シート間の間隔に応じた通信特性の変化について説明するための図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、アンテナモジュールの具体的な寸法を示す図である。 図６は、通信距離を測定する測定条件について説明するための図である。 図７は、リーダライタとアンテナモジュールの間で誘導結合しているときの通信特性について説明するための図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、アンテナパターンと磁性シートとの間の間隔に応じた通信特性の変化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。
　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基板１１と、磁界をアンテナコイル１１ａに引き込むためアンテナ基板１１と重畳する位置に形成された磁性シート１２とを備える。また、アンテナモジュール１が組み込まれる電子機器内部には、アンテナコイル１１ａに流れる電流により、リーダライタ２との間で通信を行う通信処理部４が組み込まれている。
　アンテナ基板１１には、例えばフレキシブルフラットケーブルなどの可撓性の導線をパターンニング処理などをすることによって形成されるアンテナコイル１１ａと、アンテナコイル１１ａと通信処理部４とを電気的に接続する端子部１１ｂとが実装されている。
　アンテナコイル１１ａは、リーダライタ２から発信される磁界を受けると、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、端子部１１ｂを介して受信信号を通信処理部４に供給する。
　磁性シート１２は、アンテナ基板１１と重畳する位置に形成され、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。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、渦電流を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４は、アンテナコイル１１ａ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４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、当該通信処理部４が有する内部メモリに書き込む。また、通信処理部４は、リーダライタ２に送信するデータを内部メモリから読み出し、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コイル１１ａ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、以下では、アンテナモジュール１の構成に注目して説明する。
　本実施形態に係るアンテナモジュール１では、モジュール全体の薄型化を図りつつ良好な通信特性を実現する観点から、図２に示すような構成となっている。
　すなわち、アンテナ基板１１は、上下両面から導線と接続可能なダブルアクセス型の配線板であり、具体的には、図２に示すように、ポリイミドからなる絶縁層１１２の表面に、導電性が高いＣｕ等からなる導電性金属層１１１、導電性金属層１１１を被覆するＡｕ／Ｎｉなどの耐腐食性を有する耐腐食性金属層１１３が順に積層されたものである。このような構成からなるアンテナ基板１１では、導電性金属層１１１、耐腐食性金属層１１３に対して、パターンニング処理等を施すことで、絶縁層１１２の表面に上述したアンテナコイル１１ａが実装される。
　磁性シート１２は、例えばフェライト板などの、損失係数が小さくアンテナコイル１１ａに磁界を効率よく引き込むことが可能な磁性材料からなり、アンテナ基板１１のアンテナコイル１１ａが実装されていない絶縁層１１２の面１１２ａに、ＡＤＨなどの絶縁性の接着層１３を介して接着されている。
　また、アンテナモジュール１は、アンテナ基板１１のアンテナコイル１１ａが実装されていない絶縁層１１２の面１１２ａの側に、アンテナコイル１１ａと電気的に接続される端子部１１ｂが設けられている。アンテナモジュール１は、端子部１１ｂを介して、アンテナコイル１１ａと通信処理部４とが電気的に接続される。具体的には、端子部１１ｂは、導電性が高いＡｕ／Ｎｉから形成されている。
　以上のような構成からなるアンテナモジュール１は、アンテナ基板１１のアンテナコイル１１ａが実装されていない絶縁層１１２の面１１２ａに、接着層１３を介して、磁性シート１２が接着されている。したがって、アンテナモジュール１では、接着層１３と絶縁層１１２とが、アンテナコイル１１ａ－磁性シート１２間を離間するための厚みｄで定義される部材として機能する。このようにして、アンテナモジュール１は、アンテナコイル１１ａ－磁性シート１２間を離間するための厚みｄで定義される部材として、アンテナコイル１１ａが表面実装される絶縁層１１２を用いることができるので、全体の薄型化を図りつつ良好な通信特性を実現することができる。
　特に、リーダライタ２側から発信される磁界の影響を受けないようにするため、アンテナ基板１１が接着された磁性シートの内側に通信処理部４を配置して、通信処理部４とアンテナコイル１１ａとを電気的に接続するため磁性シート１２側に端子部１１ｂを設ける場合、アンテナモジュール１は、図３に示すような比較例に係るシングルアクセス型の配線板を用いたアンテナモジュール２００に比べて全体の薄型化を図ることができる。
　すなわち、アンテナモジュール２００は、図３に示すように、片面のみから導線と接続可能なシングルアクセス配線板２１０と、接着層２２０を介して、磁性シート２３０とを接着させたものである。シングルアクセス配線板２１０は、ポリイミドからなる絶縁層２１１の表面に、導電性が高いＣｕからなる導電性金属層２１２、導電性金属層２１１を被覆する絶縁部材からなるレジスト層２１３が順に積層されたものである。なお、レジスト層２１３には、エッチング処理により開口され、導電性金属層２１２と電気的に接続可能なＡｕ／Ｎｉからなる端子部２１３ａが形成されている。このアンテナモジュール２００では、磁性シート２３０側からアンテナモジュール２００の導電性金属層２１２と通信処理部との接続を確保するため、磁性シート２３０の面を基準として、接着層２２０、レジスト層２１３、導電性金属層２１２、絶縁層２１１という順に積層され、レジスト層２１３に端子部２１３ａが設けられた構造となっている。アンテナモジュール２００では、接着層２２０とレジスト層２１３とが、アンテナコイル１１ａ－磁性シート２３０間を離間するための厚みｄで定義される部材として機能する。
　以上のような構成からなるアンテナモジュール２００は、本実施形態に係るアンテナモジュール１と異なり、絶縁層２１１が、アンテナコイル１１ａ－磁性シート２３０間を離間するための厚みｄで定義される部材として機能しないため、全体として厚くなってしまう。したがって、アンテナコイル－磁性シート間の間隔を同一の条件にした場合、アンテナモジュール１は、アンテナモジュール２００に比べて、モジュール全体としての薄型化を図ることができる。
　また、アンテナモジュール１は、アンテナモジュール２００と異なり、絶縁層１１２の表面に実装されたアンテナコイル１１ａには、絶縁材料を用いたレジスト処理が施されていないが、電子機器等に組み込まれる際には、リーダライタ２と通信を行う観点から、筐体３からアンテナコイル１１ａまでの空間に電子回路等の導電部材が配置されないので、モジュール全体の薄型化を図りつつ、アンテナコイル１１ａとして機能させることができる。
　特に、本願の発明者らは、下記の実施例に基づき、アンテナコイル－磁性シート間の間隔が５０［μｍ］乃至５５［μｍ］の範囲内で離間するように配置することで、アンテナモジュール１が、アンテナモジュール２００に比べて、モジュール全体としての薄型化、良好な通信特性を実現することを見出した。
実施例
　＜アンテナコイル－磁性シート間に応じた通信特性の変化＞
　アンテナコイル－磁性シート間の間隔に応じた通信特性の変化について、図４を参照して説明する。図４は、アンテナモジュール１において、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２の間の距離を２０～１４０［μｍ］まで変化させたときの、下記の（１）式で算出されるＱ値の変化を示す図である。
　Ｑ＝ωＬ／Ｒ　・・・（１）
　ここで、ω［ｒａｄ／ｓ］はアンテナコイル１１ａの角周波数であり、Ｌ［μＨ］はアンテナコイル１１ａのインダクタンス値であり、Ｒ［Ω］はアンテナコイル１１ａの抵抗値である。Ｑ値は、通信特性を評価する指標であって、この値が大きいほど通信感度が良く、最大通信可能距離が大きくなることを示す。
　また、図４において、アンテナコイル１１ａを構成する導電性金属層は、膜厚が３５［μｍ］であり、μ”＝１、５、１０は、それぞれフェライト製の磁性シート１２の複素比透磁率の虚数部である。
　図４では、アンテナコイル－磁性シート間の間隔が５０［μｍ］より近づけると、Ｑが大きく劣化することを示している。すなわち、この間隔を狭くしてアンテナモジュール全厚を薄くすることは特性劣化を招くことを示唆している。これに対して、アンテナコイル－磁性シート間の間隔を５０～５５［μｍ］よりも厚くするとＱ値は上がり、図４に示すように１００［μｍ］程度以上で安定するが、薄型化の観点から好ましくない。
　したがって、モジュール全体としての薄型化、良好な通信特性を実現する観点から、アンテナコイル－磁性シート間の間隔を５０乃至５５［μｍ］の範囲内で変化させることを制約条件として、下記のようなアンテナモジュールを具体的に作成した。
　＜アンテナモジュールの設計条件＞
　以下では、図５Ａ及び図５Ｂに示すようなアンテナ基板１０１を用いてアンテナモジュールを作成するものとする。
　すなわち、アンテナ基板１０１は、図５Ａに示すように、外形形状が３６［ｍｍ］×２９［ｍｍ］、厚さが０．０９［ｍｍ］であって、次のようなアンテナコイル１０２と、端子部１０３とが実装される。また、アンテナコイル１０２は、幅が０．３１［ｍｍ］の導線が、隣接する導線間で０．１２［ｍｍ］のスペース、すなわち、パターンピッチが０．４２［ｍｍ］で、巻き線数が４となるように巻回される。
　磁性シート１０４は、アンテナコイル１０２の外形形状と一致するように配置されるものであって、図５Ｂに示すように、その形状が、３６［ｍｍ］×２９［ｍｍ］の略矩形である。また、磁性シートは、発振周波数が１３．５６ＭＨｚの磁界における比複素透磁率が次の値のフェライト板を用いるものとする。すなわち、フェライト板は、比複素透磁率の実数部μ’が１１９、虚数部μ”が１．３３のものを用いるものとする。
　上述した設計条件に従い、それぞれモジュール全体の厚みが同程度となるようにして、実施例としてアンテナモジュール１に対応するアンテナモジュールＡと、比較例としてアンテナモジュール２００に対応するアンテナモジュールＢを次のように作成した。
　＜アンテナモジュールＡ＞
　アンテナモジュールＡは、次のようなダブルアクセス型の配線板を用いたものである。すなわち、膜厚が２５μｍのポリイミドからなる絶縁層の表面に、膜厚が５０μｍのＣｕからなる導電性金属層が積層されたものである。アンテナモジュールＡは、アンテナコイル－磁性シート間の間隔が５５［μｍ］となるように接着層の厚みを調整して、アンテナ基板の絶縁層と磁性シートを接着させたものである。
　＜アンテナモジュールＢ＞
　アンテナモジュールＢは、次のようなシングルアクセス型の配線板を用いたものである。すなわち、膜厚が２５μｍのポリイミドからなる絶縁層の表面に、膜厚が３５μｍのＣｕからなる導電性金属層、膜厚が１５μｍからなるレジスト層が順に積層されたものである。アンテナモジュールＢは、アンテナコイル－磁性シート間の間隔が５０［μｍ］となるように接着層の厚みを調整して、アンテナ基板のレジスト層と磁性シートを接着させたものである。
　＜評価＞
　上述したアンテナモジュールＡ、Ｂについて、形状と通信特性とを、下記の表１を用いて評価した。ここで、「ＦＰＣ」とは、アンテナ基板の全厚であり、「間隔」とは、アンテナコイル－磁性シート間の間隔であり、「Ｔｏｔａｌ」とはモジュール全体の全厚であり、「最大通信可能距離」とは、発振周波数が１３．５６［ＭＨｚ］において、リーダライタとアンテナモジュール間で通信可能な最大距離を示す値であり、この値が大きいほど通信特性が良い。具体的に、「最大通信可能距離」は、図６に示すように、ソニー株式会社製の型名ＲＣ-Ｓ４４０Ｃの非接触ＩＣカードリーダ／ライタ３０１を用いて、アンテナ基板３０２ａを有するアンテナモジュール３０２の磁性シート３０２ｂ側に２ｍｍ離れた位置に、擬似的な電子基板として５０×１００［ｍｍ］のステンレス板３０３を設置した条件下で測定したものである。

　上記の表１に示すように、アンテナモジュールＡは、アンテナモジュールＢと比べて、アンテナ基板とモジュール全体の全厚が同様であるが、アンテナコイル－磁性シート間の間隔をできるだけ大きくすることができ、この結果、３［ｍｍ］程度遠くまで通信することができた。
　次に、図７を参照して、リーダライタとの間で誘導結合しているときの通信特性について説明する。ここで、横軸には、通信に用いられる磁界の周波数を示し、縦軸には、周波数に応じた最大通信可能距離を示している。なお、リーダライタから発信される磁界の周波数は、上述したように１３．５６ＭＨｚであるが、誘導結合により通信が行われているときには、１３．５６ＭＨｚよりも高い周波数の磁界の成分まで用いて通信が行われる。
　図７から明らかなように、アンテナモジュールＡは、アンテナモジュールＢに比べて、計測対象となった全ての周波数帯域において特性上高く、通信感度が良い。
　また、下記の表２に、アンテナモジュールＡ、Ｂについて、インダクタンス値Ｌ、抵抗値Ｒ、Ｑ値を示す。

　上記の表２から明らかなように、アンテナモジュールＡは、アンテナモジュールＢに比べて、導電性金属層の厚みを厚くすることによって、アンテナコイルの抵抗値を下げることができ、結果としてアンテナモジュール全体の全厚が同じで、Ｑ値で示されるように通信性能が向上したものとなった。
　以上の結果から明らかなように、本実施の形態に係るアンテナモジュールは、アンテナコイル－磁性シート間の間隔が５０［μｍ］乃至５５［μｍ］の範囲内で離間するように配置する条件下において、モジュール全体としての薄型化、良好な通信特性を実現することができた。このようにして、モジュール全体としての薄型化、良好な通信特性を実現できるのは、アンテナコイル－磁性シートを離間する部材として、アンテナコイルが表面実装される絶縁部を用いることができるからである。

Claims (6)

1. 発信器から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コイルが、絶縁層の表面に実装されたアンテナ基板と、
   　上記アンテナ基板のアンテナコイルが実装されていない絶縁層の面に、接着層を介して接着され、上記発信器から発信される磁界を上記アンテナコイルに引き込む磁性シートとを含んで構成されるアンテナ装置。
2. 上記アンテナ基板のアンテナコイルが実装されていない絶縁層の面には、該アンテナコイルと電気的に接続される端子部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 上記発信器から発信される磁界の発信周波数は、１３．５６［ＭＨｚ］であり、
   　上記アンテナ基板に実装されたアンテナコイルと上記磁性シートとは、５０［μｍ］乃至５５［μｍ］の範囲内で離間するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
4. 上記絶縁層は、ポリイミドからなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のアンテナ装置。
5. 上記絶縁層に設けられた端子部は、Ａｕ／Ｎｉから形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のアンテナ装置。
6. 上記絶縁層の表面に実装されたアンテナコイルには、絶縁材料を用いたレジスト処理が施されていないことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のアンテナ装置。

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