CN115000690A - 天线装置和具备其的天线模块 - Google Patents

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CN115000690A
CN115000690A CN202210202523.9A CN202210202523A CN115000690A CN 115000690 A CN115000690 A CN 115000690A CN 202210202523 A CN202210202523 A CN 202210202523A CN 115000690 A CN115000690 A CN 115000690A
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coil
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coil pattern
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capacitor
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梶木屋翔磨
松岛正树
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Abstract

本发明提供天线装置和具备其的天线模块，其所需空间小且部件个数少。天线装置(1)包括基材(2)和设置于基材(2)的表面(2a)的线圈图案(CP1)、线圈图案(CP2)及电容器(C2)。线圈图案(CP2)与线圈图案(CP1)相比开口面积小，且配置于与线圈图案(CP1)的开口区域重叠的位置，线圈图案(CP2)与电容器(C2)连接而构成闭合电路，由此，能够提供所需空间小且部件个数少的天线装置。

Description

天线装置和具备其的天线模块
技术领域
本发明涉及天线装置和具备其的天线模块。
背景技术
已知有在一个近距离无线通信标准中存在NFC(Near Field Communication(近场通信))，经由天线线圈无线地进行通信的方式。为了在无线通信中扩大通信距离，在专利文献1中，提出有在RFIC标签与RFIC读写器之间配置增益天线。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4358242号公报
发明内容
但是，专利文献1中公开的增益天线因为与RFIC读写器相距6mm左右地配置，所以存在所需空间大这样的问题。另外，专利文献1中公开的增益天线因为在线圈图案连接有电容器，所以还存在部件个数增加这样的问题。
因此，本发明的目的在于，提供所需空间小且部件个数少的天线装置和具备其的天线模块。
本发明的一个实施方式的天线装置，包括：基材；和设置于基材的表面的第1线圈图案、第2线圈图案及第1电容器，第1线圈图案与第2线圈图案相比开口面积小，且配置于与第2线圈图案的开口区域重叠的位置，第1和第2线圈图案的一方与第1电容器连接而构成闭合电路。
根据本发明，能够提供所需空间小且部件个数少的天线装置和具备其的天线模块。
附图说明
图1是用于说明一个实施方式的天线装置1的结构的概略截面图。
图2是表示形成于基材2的表面2a的导体图案的形状的概略俯视图。
图3是表示形成于基材2的表面2b的导体图案的形状的概略俯视图。
图4是表示线圈图案CP1与线圈图案CP2的耦合系数k和通信距离的关系的图。
图5是表示共振频率f1与通信距离的关系的图。
图6是表示共振频率f2与通信距离的关系的图。
图7是表示第一变形例的天线装置中形成于基材2的表面2a的导体图案的形状的概略俯视图。
图8是表示第一变形例的天线装置中形成于基材2的表面2b的导体图案的形状的概略俯视图。
图9是表示第二变形例的天线装置中形成于基材2的表面2a的导体图案的形状的概略俯视图。
图10是表示第二变形例的天线装置中形成于基材2的表面2b的导体图案的形状的概略俯视图。
符号的说明
1 天线装置
2 基材
2a、2b 基材的表面
3 金属部件
4 磁性体
5 IC模块
10、20、30、40、50、60 导体图案
11、21、31、41、51、61、71 外周端
12、22、32、42、52、62、72 内周端
13、15、23、33、34、36、38、43、53、56、57、64、73、75 通孔导体
14、35、37、74、76 连接图案
19、29 角部
24、25、44、45、54、55、63、65 电容器电极图案
C1～C3 电容器
CP1～CP2 线圈图案
E1～E4 端子电极。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明本发明的优选的实施方式。
图1是用于说明一个实施方式的天线装置1的结构的略截面图。
如图1所示，一个实施方式的天线装置1包括由PET薄膜等构成的基材2、设置于基材2的表面2a的线圈图案CP1、CP2、与基材2重叠的金属部件3、和配置于基材2与金属部件3之间的磁性体4。线圈图案CP1是与IC模块连接的天线线圈。线圈图案CP2是用于通过与天线线圈耦合而扩大通信距离的增益天线(Booster Antenna)。
图2是表示形成于基材2的表面2a的导体图案的形状的概略俯视图。此外，图3是表示形成于基材2的表面2b的导体图案的形状的概略俯视图，表示从基材2的表面2a侧看时的状态、即透过基材2看时的状态。
如图2所示，在基材2的表面2a，形成有呈螺旋状卷绕3匝而成的导体图案10和呈螺旋状卷绕5匝而成的导体图案20。导体图案10构成线圈图案CP1，导体图案20构成线圈图案CP2。即，在图2和图3所示的例子中，线圈图案CP2比线圈图案CP1匝数多。导体图案10、20从作为线圈轴的z轴方向看均为大致矩形，在导体图案10的开口区域(内径区域)配置有导体图案20。即，导体图案20与导体图案10相比开口面积小，且配置于与导体图案10的开口区域重叠的位置。这样，导体图案10以从作为线圈轴的z轴方向看环绕导体图案20的外侧的方式构成，导体图案20收敛于导体图案10的开口区域内。在图2和图3所示的例子中，线圈图案CP1是第2线圈图案的一个例子，线圈图案CP2是第1线圈图案的一个例子。
导体图案10的外周端11与端子电极E1连接。导体图案10的内周端12与贯通基材2的通孔导体13连接。通孔导体13经由形成于基材2的表面2b的连接图案14与贯通基材2的通孔导体15连接。通孔导体15与形成于基材2的表面2a的端子电极E2连接。由此，螺旋状的导体图案10的一端和另一端分别与端子电极E1、E2连接。端子电极E1、E2与共振频率调整用的电容器C1连接，并且与IC模块5连接。由此，由本实施方式的天线装置1和IC模块5构成天线模块，由IC模块5收发的信号供给到线圈图案CP1。线圈图案CP1和电容器C1构成共振电路。在图2中，电容器C1与线圈图案CP1并联连接，但也可以取代之或者在此基础上，将电容器C1与线圈图案CP1串联连接。
导体图案20的外周端21与贯通基材2的通孔导体23连接。导体图案20的内周端22与电容器电极图案24连接。通孔导体23与形成于基材2的表面2b的电容器电极图案25连接。电容器电极图案24、25通过隔着基材2相对而构成电容器C2。线圈图案CP2和电容器C2构成另一共振电路。与线圈图案CP1不同，线圈图案CP2不具有用于与外部连接的端子电极，而仅与电容器C2连接。即，由形成于基材2的表面2a、2b的导体图案完成，构成直流上完全闭合的闭合电路。线圈图案CP2通过与线圈图案CP1耦合，作为用于扩大通信距离的增益天线发挥作用。在图2和图3所示的例子中，电容器C2是第1电容器的一个例子。
线圈图案CP2与线圈图案CP1线圈轴方向相同，且配置于线圈图案CP1的开口区域，因此与线圈图案CP1耦合。线圈图案CP1与线圈图案CP2的耦合系数能够主要通过导体图案10、20的布局来调整。在图2所示的例子中，因为以使得导体图案10、20中沿y方向延伸的区间相互接近，两者间的x方向上的距离成为最小限度的方式来设计，所以在该区间两者的耦合度变高。与此相对，关于导体图案10、20中沿x方向延伸的区间，相互分离，充分确保两者间的y方向上的距离，因此该区间的两者的耦合度变小。即，导体图案10以从作为线圈轴的z轴方向看具有导体图案10与导体图案20之间的距离相对较大的区间(沿y方向延伸的区间)和较小的区间(沿x方向延伸的区间)的方式配置。这样，通过使导体图案10、20的一部分区间接近并使其它区间分离，能够调整线圈图案CP1与线圈图案CP2的耦合系数。
此外，电容器C2以使得电容器电极图案24、25与导体图案20之间的距离比导体图案20的相邻的图案的间隔大的方式配置。由此，能够抑制线圈图案CP2产生的磁场受到电容器C2的影响。
图4是表示线圈图案CP1与线圈图案CP2的耦合系数k和通信距离的关系的图，表示基于NFC的无线通信频率为13.56MHz的情况。
如图4所示，通信距离在线圈图案CP1与线圈图案CP2的耦合系数k为约0.18时最大。考虑到这一点，优选以线圈图案CP1与线圈图案CP2的耦合系数k成为0.15以上0.22以下的方式进行设计，更优选以成为0.17以上0.19以下的方式进行设计。当耦合系数k为0.15以上0.22以下时，能够确保大的通信距离，当耦合系数k为0.17以上0.19以下时，能够确保更大的通信距离。
此外，如图2所示，关于位于外侧且构成线圈图案CP1的导体图案10，角部19平缓地弯曲，而关于位于内侧且构成线圈图案CP2的导体图案20，角部29大致折弯成直角。即，导体图案20的角部29与导体图案10的角部19相比曲率半径较小。由此，关于位于外侧的导体图案10，角部19的电场集中被缓和。此外，关于位于内侧的导体图案20，通过将角部29设为大致直角，能够最大限度地确保开口区域的面积。
再有，因为线圈图案CP1与IC模块5相连接，所以优选电阻值尽量低。与此相对，线圈图案CP2构成与外部的电路不连接的闭合电路，所以与线圈图案CP1相比容许一定程度的电阻值。考虑到这一点，在本实施方式中，将线圈图案CP1的图案宽度W1设计得比线圈图案CP2的图案宽度W2宽。
此外，在令由线圈图案CP1和电容器C1构成的共振电路的共振频率为f1，令由线圈图案CP2和电容器C2构成的共振电路的共振频率为f2的情况下，以使得共振频率f1与共振频率f2成为相互不同的频率的方式来设计。具体而言，以由共振频率f1和共振频率f2夹着基于NFC的无线通信频率的方式，设计成均与无线通信频率不同的频率。即，如果基于NFC的无线通信频率为13.56MHz，则共振频率f1、f2的一方小于13.56MHz，共振频率f1、f2的另一方超过13.56MHz。此处，基于NFC的无线通信频率为13.56MHz的情况下，优选共振频率f1、f2之差为3MHz以上。此处，共振频率f1、f2是指在正下方存在金属部件3和磁性体4的情况下的共振频率。
图5是表示共振频率f1与通信距离的关系的图，图6是表示共振频率f2与通信距离的关系的图。均表示基于NFC的无线通信频率为13.56MHz的情况。
如图5所示，通过由线圈图案CP1和电容器C1构成的共振电路的共振频率f1相较于为作为无线通信频率的13.56MHz的情况，稍低地设计来使得通信距离变大，通过令共振频率f1为13.43MHz来使得通信距离成为最大。此外，如图6所示，通过由线圈图案CP2和电容器C2构成的共振电路的共振频率f2相较于作为无线通信频率的13.56MHz高3MHz以上来使得通信距离变大。在图5和图6所示的例子中，当共振频率f1、f2之差小于3MHz时，更换共振频率f1与共振频率f2。在这种情况下，由线圈图案CP1和电容器C1构成的共振电路与由线圈图案CP2和电容器C2构成的共振电路不匹配，通信距离显著下降。
如以上说明的那样，本实施方式的天线装置1因为线圈图案CP1和线圈图案CP2均设置于基材2的表面2a，所以能够降低z方向上的厚度，并且因为线圈图案CP1与线圈图案CP2在z方向上不重叠，所以还能够抑制两者间的杂散电容。而且，构成电容器C2的电容器电极图案24、25也形成于基材2的表背面，所以还能够削减部件个数。
＜第一变形例＞
图7和图8是用于说明第一变形例的天线装置的结构的概略俯视图，图7表示形成于基材2的表面2a的导体图案的形状，图8表示形成于基材2的表面2b的导体图案的形状。图8表示从基材2的表面2a侧看时的状态、即透过基材2看时的状态。
如图7所示，在基材2的表面2a形成有呈螺旋状卷绕3匝而成的导体图案30和呈螺旋状卷绕3匝而成的导体图案40。导体图案30构成线圈图案CP1，导体图案40构成线圈图案CP2。导体图案30、40从作为线圈轴的z轴方向看均为大致矩形，在导体图案40的开口区域(内径区域)配置有导体图案30。即，导体图案30与导体图案40相比开口面积小，且配置于与导体图案40的开口区域重叠的位置。这样，导体图案40以从作为线圈轴的z轴方向看环绕导体图案30的外侧的方式构成，导体图案30收敛于导体图案40的开口区域内。在图7和图8所示的例子中，线圈图案CP1是第1线圈图案的一个例子，线圈图案CP2是第2线圈图案的一个例子。
导体图案30的外周端31与贯通基材2的通孔导体33连接。导体图案30的内周端32与贯通基材2的通孔导体34连接。通孔导体33经由形成于基材2的表面2b的连接图案35与贯通基材2的通孔导体36连接。通孔导体36与形成于基材2的表面2a的端子电极E3连接。通孔导体34经由形成于基材2的表面2b的连接图案37与贯通基材2的通孔导体38连接。通孔导体38与形成于基材2的表面2a的端子电极E4连接。由此，螺旋状的导体图案30的一端和另一端分别与端子电极E3、E4连接。端子电极E3、E4与共振频率调整用的电容器C1连接，并且与IC模块5连接。由此，由第一变形例的天线装置和IC模块5构成天线模块。
导体图案40的外周端41与贯通基材2的通孔导体43连接。导体图案40的内周端42与电容器电极图案44连接。通孔导体43与形成于基材2的表面2b的电容器电极图案45连接。电容器电极图案44、45通过隔着基材2相对而构成电容器C2。线圈图案CP2和电容器C2构成闭合电路，作为用于扩大通信距离的增益天线发挥作用。图7和图8所示的例子中，电容器C2是第1电容器的一个例子。
也可以如第一变形例例示的那样，作为增益天线发挥作用的线圈图案CP2配置于外侧，在其开口区域，配置与IC模块5连接且作为天线线圈发挥作用的线圈图案CP1。另外，在第一变形例中，线圈图案CP1的图案宽度与线圈图案CP2的图案宽度相同，但优选与IC模块5连接的线圈图案CP1的图案宽度比构成与外部的电路不连接的闭合电路的线圈图案CP2的图案宽度宽。由此，能够将与IC模块5连接的线圈图案CP1的电阻值抑制为较低。
＜第二变形例＞
图9和图10是用于说明第二变形例的天线装置的结构的概略俯视图，图9表示于形成基材2的表面2a的导体图案的形状，图10表示形成于基材2的表面2b的导体图案的形状。图10表示从基材2的表面2a侧看时的状态、即透过基材2看时的状态。
如图9所示，在基材2的表面2a，形成有呈螺旋状卷绕5匝而成的导体图案50和呈螺旋状卷绕7匝而成的导体图案60。导体图案50构成线圈图案CP1，导体图案60构成线圈图案CP2。即，在图9和图10所示的例子中，线圈图案CP2比线圈图案CP1匝数多。导体图案50、60从作为线圈轴的z轴方向看时均为大致矩形，在导体图案50的开口区域(内径区域)配置有导体图案60。即，导体图案60与导体图案50相比开口面积小，且配置于与导体图案50的开口区域重叠的位置。这样，导体图案50以从作为线圈轴的z轴方向看环绕导体图案60的外侧的方式构成，导体图案60收敛于导体图案50的开口区域内。在图9和图10所示的例子中，线圈图案CP1是第2线圈图案的一个例子，线圈图案CP2是第1线圈图案的一个例子。
导体图案50的外周端51与贯通基材2的通孔导体53连接。导体图案50的内周端52与电容器电极图案54连接。通孔导体53与形成于基材2的表面2b的电容器电极图案55连接。电容器电极图案54、55通过隔着基材2相对而构成电容器C3。
导体图案60的外周端61与电容器电极图案63连接。导体图案60的内周端62与贯通基材2的通孔导体64连接。通孔导体64与形成于基材2的表面2b的电容器电极图案65连接。电容器电极图案63、65通过隔着基材2相对而构成电容器C2。线圈图案CP2和电容器C2构成闭合电路，作为用于扩大通信距离的增益天线发挥作用。在图9和图10所示的例子中，电容器C2是第1电容器的一个例子。
再有，在基材2的表面2b，在导体图案50的开口区域内、即导体图案60的开口区域外的位置，设置有线圈图案CP3。线圈图案CP3遍及多匝地呈螺旋状卷绕，其外周端71与贯通基材2的通孔导体56连接，其内周端72与贯通基材2的通孔导体73连接。通孔导体73经由形成于基材2的表面2a的连接图案74与贯通基材2的通孔导体75连接。通孔导体75经由形成于基材2的表面2b的连接图案76与贯通基材2的通孔导体57连接。
通孔导体56、57与构成线圈图案CP1的导体图案50的规定的匝(在图9所示的例子中自内周侧起第2匝)的分断位置分别连接。由此，导体图案50的规定的匝会经由线圈图案CP3。线圈图案CP3与未图示的IC模块电磁场耦合。即，在本例中，线圈图案CP1与IC模块不是直接连接，而是经由线圈图案CP3电磁场耦合。由此，由第二变形例的天线装置和未图示的IC模块构成天线模块。
也可以如第二变形例例示的那样，设置与线圈图案CP1连接的线圈图案CP3，并经由线圈图案CP3与IC模块电磁场耦合。此外，也可以如第二变形例例示的那样，将与线圈图案CP1连接的电容器C1形成于基材2。由此，能够更加削减部件个数。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围进行各种变更，它们当然也包含于本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，将线圈图案CP1和线圈图案CP2均形成于基材2的表面2a，但也可以将一方形成于基材2的表面2a，将另一方形成于基材2的表面2b。此外，也可以将线圈图案CP1与线圈图案CP2形成于相互不同的基材的表面。
在本发明所涉及的技术中包含以下的结构例，但并不限定于此。
本发明的天线装置，包括：基材；和设置于基材的表面的第1线圈图案、第2线圈图案及第1电容器，第1线圈图案与第2线圈图案相比开口面积小，且配置于与第2线圈图案的开口区域重叠的位置，第1和第2线圈图案的一方与第1电容器连接而构成闭合电路。
由此，能够缩短第1线圈图案与第2线圈图案的距离，因此能够缩小所需空间。此外，因为第1电容器设置于基材的表面，所以部件个数也减少。
第1和第2线圈图案也可以均设置于基材的一个表面。由此，所需空间更加缩小，并且部件个数进一步削减。
第1线圈图案也可以以从第1线圈图案的线圈轴方向看，具有第1线圈图案与第2线圈图案之间的距离相对较大的区间和较小的区间的方式配置。由此，能够调整第1线圈图案与第2线圈图案的耦合系数。
也可以是第1电容器由隔着基材相对的电极图案构成，电极图案与第1和第2线圈图案的一方之间的距离比第1和第2线圈图案的一方的相邻的图案的间隔大。由此，能够抑制第1和第2线圈图案的一方产生的磁场受到第1电容器的影响。
第1线圈图案与第2线圈图案的耦合系数既可以为0.15以上0.22以下，也可以为0.17以上0.19以下。由此，能够扩大通信距离。
也可以是本发明的天线装置还包括与第1和第2线圈图案的另一方连接的第2电容器，第1和第2线圈图案的一方和第1电容器构成第1共振电路，第1和第2线圈图案的另一方和第2电容器构成第2共振电路，第1共振电路的共振频率与第2共振电路的共振频率之差为3MHz以上。由此，能够扩大通信距离。在这种情况下，既可以使得第1共振电路的共振频率与第2共振电路的共振频率均与无线通信中使用的频率不同，也可以将无线通信中使用的频率设定在第1共振电路的共振频率与第2共振电路的共振频率之间。由此，能够进一步扩大通信距离。
也可以是第1和第2线圈图案从轴方向看时均为大致矩形，第1线圈图案的角部与第2线圈图案的角部相比曲率半径小。由此，能够缓和第2线圈图案的电场集中，并且能够扩大第1线圈图案的开口面积。
此外，本发明的天线模块，包括：上述的天线装置；配置于与天线装置重叠的位置的金属部件；配置于天线装置与金属部件之间的磁性体；和经由第1和第2线圈图案的另一方进行收发的IC模块。由此，能够提供小型而部件个数少的天线模块。
第1和第2线圈图案的另一方也可以与IC模块连接。由此，能够简化结构。在这种情况下，第1和第2线圈图案的另一方也可以与第1和第2线圈图案的一方相比图案宽度大。由此，能够降低与IC模块连接的第1和第2线圈图案的另一方的电阻值。
也可以是本发明的天线模块还包括与第1和第2线圈图案的另一方连接的第3线圈图案，第3线圈图案与IC模块电磁场耦合。由此，能够排除端子电极。

Claims (14)

1.一种天线装置，其特征在于，
包括：
基材；和
第1线圈图案、第2线圈图案及第1电容器，设置于所述基材的表面，
所述第1线圈图案与所述第2线圈图案相比开口面积小，且配置于与所述第2线圈图案的开口区域重叠的位置，
所述第1和第2线圈图案的一方与所述第1电容器连接而构成闭合电路。
2.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，
所述第1和第2线圈图案均设置于所述基材的一个表面。
3.如权利要求1或2所述的天线装置，其特征在于，
所述第1线圈图案以从所述第1线圈图案的线圈轴方向看，具有所述第1线圈图案与所述第2线圈图案之间的距离相对较大的区间和较小的区间的方式配置。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述第1电容器由隔着所述基材相对的电极图案构成，
所述电极图案与所述第1和第2线圈图案的所述一方之间的距离比所述第1和第2线圈图案的所述一方的相邻的图案的间隔大。
5.如权利要求1～4中的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述第1线圈图案与所述第2线圈图案的耦合系数为0.15以上0.22以下。
6.如权利要求5所述的天线装置，其特征在于，
所述第1线圈图案与所述第2线圈图案的耦合系数为0.17以上0.19以下。
7.如权利要求1～6中的任一项所述的天线装置，其特征在于，
还包括与所述第1和第2线圈图案的另一方连接的第2电容器，
所述第1和第2线圈图案的所述一方和所述第1电容器构成第1共振电路，
所述第1和第2线圈图案的所述另一方和所述第2电容器构成第2共振电路，
所述第1共振电路的共振频率与所述第2共振电路的共振频率之差为3MHz以上。
8.如权利要求7所述的天线装置，其特征在于，
所述第1共振电路的共振频率和所述第2共振电路的共振频率均与无线通信中使用的频率不同。
9.如权利要求8所述的天线装置，其特征在于，
所述无线通信中使用的频率设定于所述第1共振电路的共振频率与所述第2共振电路的共振频率之间。
10.如权利要求1～9中的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述第1和第2线圈图案从轴方向看均为大致矩形，
所述第1线圈图案的角部与所述第2线圈图案的角部相比曲率半径小。
11.一种天线模块，其特征在于，
包括：
权利要求1～10中的任一项所述的天线装置；
配置于与所述天线装置重叠的位置的金属部件；
配置于所述天线装置与所述金属部件之间的磁性体；和
经由所述第1和第2线圈图案的另一方进行收发的IC模块。
12.如权利要求11所述的天线模块，其特征在于，
所述第1和第2线圈图案的所述另一方与所述IC模块连接。
13.如权利要求12所述的天线模块，其特征在于，
所述第1和第2线圈图案的所述另一方与所述第1和第2线圈图案的所述一方相比图案宽度大。
14.如权利要求11所述的天线模块，其特征在于，
还包括与所述第1和第2线圈图案的所述另一方连接的第3线圈图案，
所述第3线圈图案与所述IC模块电磁场耦合。
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