JP6566181B1 - Composite antenna element - Google Patents
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Abstract
複合アンテナ素子(101)は、磁性体部(11,12)と非磁性体部(10)とを含む複数の絶縁体層が積層されてなる積層体(1)と、磁性体部(11,12)内には形成されずに少なくとも一部が非磁性体部(10)内に形成されたアンテナコイル(2)と、磁性体部(11)に形成された第1コイル(31)および第2コイル(32)と、を備える。アンテナコイル(2)の巻回軸は複数の絶縁体層の積層方向に平行であり、複数の絶縁体層の積層方向から視て、第1コイル(31)と第2コイル(32)の外周の全てがアンテナコイル(2)のコイル開口内に配置される。The composite antenna element (101) includes a laminate (1) formed by laminating a plurality of insulator layers including a magnetic part (11, 12) and a non-magnetic part (10), and a magnetic part (11, 11). 12) An antenna coil (2) formed at least in part in the non-magnetic body portion (10) without being formed in the inside, and a first coil (31) and a first coil formed in the magnetic body portion (11). Two coils (32). The winding axis of the antenna coil (2) is parallel to the stacking direction of the plurality of insulator layers, and the outer periphery of the first coil (31) and the second coil (32) when viewed from the stacking direction of the plurality of insulator layers. Are arranged in the coil opening of the antenna coil (2).
Description
本発明は、アンテナコイルとその他のコイルとを備える複合アンテナ素子に関する。 The present invention relates to a composite antenna element including an antenna coil and other coils.
特許文献1には、アンテナコイルと、このアンテナコイルとは別のコイルを備えた積層型コイル素子が示されている。具体的には、直方体状の積層磁性体の外周を巻回する矩形ヘリカル状のアンテナコイルと、このアンテナコイルの内部に位置する、アンテナコイルとは別のコイル(以下、「小径コイル」という。)と、を備え、アンテナコイルと小径コイルそれぞれの巻回軸が直交している構造が示されている。
また、特許文献2には、磁性体層と非磁性体層とを含む積層体を備え、磁性体層に第1インダクタ素子および第2インダクタ素子が形成され、非磁性体層にアンテナコイルが形成された、無線通信モジュールが示されている。具体的には、上記アンテナコイルは、磁性体層と非磁性体層との積層方向を巻回軸とする矩形ヘリカル状を成し、第1インダクタンス素子および第2インダクタンス素子もが記積層方向を巻回軸とする構造が示されている。
特許文献1に記載の積層コイル素子では、アンテナコイルの巻回軸が、積層される絶縁体層の面に沿う方向に対して平行であるため、つまり横巻きコイル構造であるため、主に、絶縁体層による積層体の側面から磁束が出入りする。一般に、絶縁体層による積層体の側面積は積層体の平面積より小さいので、横巻コイル構造のアンテナコイルはコイル開口が狭くて、通信特性の向上が難しい。
In the laminated coil element described in
一方、特許文献2に記載の無線通信モジュールのように、アンテナコイルの巻回軸を、絶縁体層の積層方向に対して平行にすると、つまり縦巻きコイル構造にすると、アンテナコイルとそれとは別のコイルの巻回軸とが平行に配置されることになり、アンテナコイルと小径コイルとが不要結合してしまう。この不要結合は、アンテナコイルにとっては通信に寄与しない結合であるので、アンテナコイルの放射効率が低下し、通信性能に悪影響を及ぼすことがある。
On the other hand, when the winding axis of the antenna coil is made parallel to the stacking direction of the insulator layers as in the wireless communication module described in
そこで、本発明の目的は、アンテナコイルのコイル開口を広くして通信性能を維持し、且つアンテナコイルと小径コイルとの不要結合を抑制した、複合アンテナ素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a composite antenna element that maintains the communication performance by widening the coil opening of the antenna coil and suppresses unnecessary coupling between the antenna coil and the small-diameter coil.
(1)本発明の複合アンテナ素子は、複数の絶縁体層が積層されることで形成された、第1磁性体部および非磁性体部を有する積層体と、非磁性体部に形成されたアンテナコイルと、第1磁性体部に形成された第1コイルと、を備える。そして、複数の絶縁体層の積層方向において、アンテナコイルと第1コイルとの間に第1磁性体部の磁性体層が存在し、アンテナコイルの巻回軸は前記積層方向に平行であり、前記積層方向から視て、第1コイルの外周の全てがアンテナコイルのコイル開口内に配置される。 (1) The composite antenna element of the present invention is formed by laminating a plurality of insulator layers and having a first magnetic body portion and a nonmagnetic body portion, and a nonmagnetic body portion. An antenna coil and a first coil formed on the first magnetic body portion are provided. And in the laminating direction of the plurality of insulator layers, there is a magnetic layer of the first magnetic part between the antenna coil and the first coil, and the winding axis of the antenna coil is parallel to the laminating direction, As viewed from the stacking direction, the entire outer periphery of the first coil is disposed in the coil opening of the antenna coil.
上記構成によれば、次のような作用効果を奏する。 According to the said structure, there exist the following effects.
(a)いわゆる縦巻きコイル構造であるため、主に、絶縁体層による積層体の平面から磁束が出入りする。つまり、アンテナコイルのコイル開口が広いため、アンテナコイルの放射効率が高く、通信性能の高いアンテナコイルとして使用できる。 (A) Since it has a so-called vertical coil structure, the magnetic flux mainly enters and exits from the plane of the laminate formed by the insulator layer. That is, since the antenna coil has a wide coil opening, the antenna coil has high radiation efficiency and can be used as an antenna coil with high communication performance.
(b)アンテナコイルが磁性体部に形成されていないので、アンテナコイル導体の各部を局所的に周回する磁束(マイナーループ)が生じ難く、アンテナコイル外方への磁束の拡がりが大きくなって、通信性能が維持される。 (B) Since the antenna coil is not formed in the magnetic body portion, magnetic flux (minor loop) that circulates locally around each portion of the antenna coil conductor is less likely to occur, and the spread of the magnetic flux to the outside of the antenna coil is increased. Communication performance is maintained.
(c)第1コイルが磁性体部に形成されているため、コイル開口が小さくても所定のインダクタンスを有するコイルを形成できる。そのため、アンテナコイルと第1コイルとの不要結合は抑制される。 (C) Since the first coil is formed in the magnetic part, a coil having a predetermined inductance can be formed even if the coil opening is small. Therefore, unnecessary coupling between the antenna coil and the first coil is suppressed.
(d)第1コイルは複数の絶縁体層の積層方向から視て、第1コイルの外周がアンテナコイルのコイル開口内に収まることでも、アンテナコイルと第1コイルとの不要結合が抑制される。 (D) When the first coil is viewed from the stacking direction of the plurality of insulator layers, unnecessary coupling between the antenna coil and the first coil is suppressed even when the outer periphery of the first coil is within the coil opening of the antenna coil. .
(e)第1磁性体部の存在により、アンテナコイルのコイル開口を通る磁束経路の実効透磁率が高くなって、その分、アンテナコイルの巻回数を少なくできる。このことにより、アンテナコイルのQ値が高まり、複合アンテナ素子が小形化される。 (E) Due to the presence of the first magnetic body portion, the effective magnetic permeability of the magnetic flux path passing through the coil opening of the antenna coil increases, and the number of turns of the antenna coil can be reduced accordingly. As a result, the Q value of the antenna coil is increased and the composite antenna element is miniaturized.
(2)複数の絶縁体層の積層方向から視て、第1コイルと積層体の側面との最小距離は第1磁性体部の厚みより大きいことが好ましい。この構造によれば、アンテナコイルと第1コイルとの不要結合は更に抑制される。 (2) It is preferable that the minimum distance between the first coil and the side surface of the multilayer body is larger than the thickness of the first magnetic body portion when viewed from the stacking direction of the plurality of insulator layers. According to this structure, unnecessary coupling between the antenna coil and the first coil is further suppressed.
(3)前記積層体はさらに、第2磁性体部を含み、前記積層方向において、非磁性体部は第1磁性体部と第2磁性体部との間に位置することが好ましい。この構造によれば、アンテナコイルのコイル開口を通る磁束経路の実効透磁率が高くなって、その分、アンテナコイルの巻回数を少なくできる。このことにより、アンテナコイルのQ値が高まり、複合アンテナ素子が小形化される。 (3) Preferably, the stacked body further includes a second magnetic body portion, and the nonmagnetic body portion is located between the first magnetic body portion and the second magnetic body portion in the stacking direction. According to this structure, the effective magnetic permeability of the magnetic flux path passing through the coil opening of the antenna coil is increased, and the number of turns of the antenna coil can be reduced correspondingly. As a result, the Q value of the antenna coil is increased and the composite antenna element is miniaturized.
(4)第1磁性体部に形成された第2コイルを備え、前記積層方向においてアンテナコイルと第2コイルとの間に第1磁性体部の磁性体層が存在し、前記積層方向から視て、第2コイルの外周の全てがアンテナコイルのコイル開口内に配置されていてもよい。この構造によれば、アンテナコイルと第1コイルおよび第2コイルを備える複合アンテナ素子が構成される。 (4) A second coil formed on the first magnetic body portion is provided, and the magnetic body layer of the first magnetic body portion exists between the antenna coil and the second coil in the stacking direction, and is viewed from the stacking direction. And all the outer periphery of the 2nd coil may be arrange | positioned in the coil opening of an antenna coil. According to this structure, a composite antenna element including an antenna coil, a first coil, and a second coil is configured.
(5)第2磁性体部に形成された第2コイルを備え、前記積層方向においてアンテナコイルと第2コイルとの間に第2磁性体部の磁性体層が存在し、前記積層方向から視て、第2コイルの外周の全てがアンテナコイルのコイル開口内に配置されていてもよい。この構造によれば、第1コイルと第2コイルとの不要結合が抑制され、第1コイルと第2コイルとを互いに独立した小径コイルとして使用できる。 (5) A second coil formed on the second magnetic body portion is provided, the magnetic body layer of the second magnetic body portion exists between the antenna coil and the second coil in the stacking direction, and is viewed from the stacking direction. And all the outer periphery of the 2nd coil may be arrange | positioned in the coil opening of an antenna coil. According to this structure, unnecessary coupling between the first coil and the second coil is suppressed, and the first coil and the second coil can be used as independent small-diameter coils.
(6)第1コイルはインピーダンス整合回路の少なくとも一部である。この構成によれば、外部にインピーダンス整合回路が不要となる。または、インピーダンス整合のために多くの素子を設けなくてもよくなり、複合アンテナ素子を用いる回路全体の構成が簡素化される。 (6) The first coil is at least a part of the impedance matching circuit. According to this configuration, an impedance matching circuit is not required outside. Alternatively, it is not necessary to provide many elements for impedance matching, and the configuration of the entire circuit using the composite antenna element is simplified.
(7)第1コイルはフィルタの少なくとも一部である。この構成によれば、外部にフィルタ回路が不要となる。または、フィルタ回路の形成のために多くの素子を設けなくてもよくなり、複合アンテナ素子を用いる回路全体の構成が簡素化される。 (7) The first coil is at least a part of the filter. This configuration eliminates the need for an external filter circuit. Alternatively, it is not necessary to provide many elements for forming the filter circuit, and the configuration of the entire circuit using the composite antenna element is simplified.
本発明によれば、アンテナコイルのコイル開口が広くて通信性能が維持され、且つアンテナコイルと小径コイルとの不要結合が抑制された、複合アンテナ素子が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the composite antenna element with which the coil opening of the antenna coil was wide, communication performance was maintained, and the unnecessary coupling | bonding of an antenna coil and a small diameter coil was suppressed is obtained.
以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上複数の実施形態に分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。各実施形態の説明において、共通の事柄についての重複する記述は省略し、特に異なる点について説明する。また、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。 Hereinafter, several specific examples will be given with reference to the drawings to show a plurality of modes for carrying out the present invention. In each figure, the same reference numerals are assigned to the same portions. In consideration of ease of understanding or understanding of the main points, the embodiments are divided into a plurality of embodiments for convenience. However, partial replacement or combination of the configurations shown in different embodiments is possible. In the description of each embodiment, overlapping descriptions of common matters are omitted, and particularly different points will be described. In addition, the same function and effect by the same configuration will not be sequentially described for each embodiment.
以降に示す各実施形態において、複合アンテナ素子が備えるアンテナコイルは、磁束を放射するアンテナである。このアンテナは、通信相手アンテナとの磁界結合を利用する近傍界通信のために用いられるアンテナであり、例えばNFC(Near field communication)やRFID(radio frequency identifier)等の通信に利用される。通信には例えばHF帯、特に13.56MHzまたは13.56MHz近傍の周波数で用いられる。アンテナコイルの大きさは使用する周波数における波長λに比べて十分に小さい。実施形態で示すアンテナコイルの導体パターンを伸ばしたときの導体パターンの長さはλ/10以下である。なお、ここでいう波長とは、アンテナが形成される基材の誘電性や透磁性による波長短縮効果を考慮した実効的な波長のことを指す。アンテナコイルの両端は、使用周波数帯(HF帯、特に13.56MHz近傍)を操作する給電回路に接続される。よって、アンテナコイルには、導体パターンに沿って、つまり電流の流れる方向において、ほぼ一様な大きさの電流が流れ、アンテナコイルの導体パターンの長さが波長と同程度以下のときのような、導体パターンに沿った電流分布はない。 In each embodiment described below, the antenna coil included in the composite antenna element is an antenna that radiates magnetic flux. This antenna is an antenna used for near-field communication using magnetic field coupling with a communication partner antenna, and is used for communication such as NFC (Near field communication) and RFID (radio frequency identifier). For communication, for example, it is used in the HF band, particularly at a frequency near 13.56 MHz or 13.56 MHz. The size of the antenna coil is sufficiently smaller than the wavelength λ at the frequency used. The length of the conductor pattern when the conductor pattern of the antenna coil shown in the embodiment is extended is λ / 10 or less. In addition, the wavelength here refers to the effective wavelength in consideration of the wavelength shortening effect by the dielectric property and permeability of the base material on which the antenna is formed. Both ends of the antenna coil are connected to a power feeding circuit that operates the used frequency band (HF band, particularly near 13.56 MHz). Therefore, an almost uniform current flows through the antenna coil along the conductor pattern, that is, in the direction in which the current flows, and the length of the conductor pattern of the antenna coil is less than or equal to the wavelength. There is no current distribution along the conductor pattern.
《第1の実施形態》
図1(A)は第1の実施形態に係る複合アンテナ素子101の斜視図である。図1(B)は複合アンテナ素子101の平面図である。この複合アンテナ素子101は、複数の絶縁体層が積層されてなる積層体1と、この積層体1内に形成されたアンテナコイル2、第1コイル31および第2コイル32を備える。図1(A)では、図の煩雑化を避けるため、第1コイル31、第2コイル32の図示は省略している。第1コイル31および第2コイル32はいずれも「小径コイル」ということができる。これら小径コイルのコイル径は、アンテナコイル2のコイル径よりも小さい。<< First Embodiment >>
FIG. 1A is a perspective view of the
図2は、複合アンテナ素子101の各絶縁体層に形成されている導体パターンを示す図である。図1に示した積層体1は、図2に示す絶縁体層S1〜S14が積層されたものである。絶縁体層S1は最下層の絶縁体層であり、絶縁体層S14は最上層の絶縁体層である。各導体パターンは絶縁体層の下面に形成されている。図2は各絶縁体層の下面図である。
FIG. 2 is a diagram showing conductor patterns formed on each insulator layer of the
図2において丸パターンはビア導体であり、二点鎖線は、隣接層の導体パターンとビア導体との接続関係または隣接層のビア導体同士の接続関係を表している。 In FIG. 2, the circle pattern is a via conductor, and the two-dot chain line represents a connection relationship between the conductor pattern of the adjacent layer and the via conductor or a connection relationship between the via conductors in the adjacent layer.
図2において、絶縁体層S1,S4〜S11,S14はいずれも非磁性体層である。また、絶縁体層S2,S3,S12,S13はいずれも磁性体層である。絶縁体層S2,S3は第1磁性体部11に相当し、絶縁体層S12,S13は第2磁性体部12に相当する。
In FIG. 2, all of the insulator layers S1, S4 to S11, S14 are nonmagnetic layers. Insulator layers S2, S3, S12, and S13 are all magnetic layers. The insulator layers S2 and S3 correspond to the first
このように、上記複数の絶縁体層は、非磁性体部10、第1磁性体部11、および第2磁性体部12を含む。アンテナコイル2は第1磁性体部11や第2磁性体部12には形成されず、非磁性体部10に形成されている。
As described above, the plurality of insulator layers include the
非磁性体部10を構成する絶縁体層S1,S4〜S11,S14は、積層圧着前は非磁性体の絶縁性シート、例えば、非磁性体フェライト等のセラミックグリーンシート、である。また、第1磁性体部11を構成する絶縁体層S2,S3と、第2磁性体部12を構成する絶縁体層S12,S13は、いずれも積層圧着前は磁性体の絶縁性シート、例えば磁性体フェライト等のセラミックグリーンシート、である。セラミックグリーンシートの場合は、積層圧着工程が焼成工程である。すなわち、絶縁体層S1,S4〜S11,S14を積層し、焼成することで、非磁性フェライトの非磁性体部10や磁性体フェライトの第1磁性体部11および第2磁性体部12が形成される。
The insulator layers S1, S4 to S11, S14 constituting the
本発明における「非磁性体部」とは、磁性体部よりも透磁率が低い部分のことであり、必ずしも非磁性体材料により構成されていなくてもよい。非磁性体部10は、比透磁率が1を超え、磁性体部11,12の比透磁率よりも低い磁性体により構成されていてもよい。
The “non-magnetic part” in the present invention is a part having a lower magnetic permeability than that of the magnetic part, and is not necessarily composed of a non-magnetic material. The
図3は、図1中のX−X線における複合アンテナ素子101の縦断面図である。図4は、図1中のY−Y線における複合アンテナ素子101の縦断面図である。図3、図4において、最下層は図2に示した絶縁体層S1に対応し、最上層は図2に示した絶縁体層S14に対応する。図2に示した順に、絶縁体層S1〜S14を積層し、積層圧着させることで、図3、図4に示す積層体1が形成される。
3 is a longitudinal sectional view of the
本実施形態において「Z軸方向」は、絶縁体層S1〜S14の積層方向であり、「X軸方向」は絶縁体層S1〜S14の面に沿った方向のうち長手方向であり、「Y軸方向」は絶縁体層S1〜S14の面に沿った方向のうち短手方向である。 In the present embodiment, the “Z-axis direction” is the stacking direction of the insulator layers S1 to S14, the “X-axis direction” is the longitudinal direction of the directions along the surfaces of the insulator layers S1 to S14, and “Y “Axial direction” is the short direction of the directions along the surfaces of the insulator layers S1 to S14.
以下、積層圧着前の絶縁性シートの状態を前提として説明するが、各アンテナコイル導体パターンの配置関係および接続関係は積層圧着後も変わらない。図2に表れているように、絶縁体層S4〜S11にアンテナコイル導体パターン2a〜2hがそれぞれ形成されている。アンテナコイル導体パターン2a〜2hはビア導体を介して順次層間接続されている。これらアンテナコイル導体パターン2a〜2hとビア導体とによって、矩形ヘリカル状のアンテナコイル2が構成されている。アンテナコイル2の両端は端子電極43,46にそれぞれ接続されている。このアンテナコイル2の巻回軸は複数の絶縁体層の積層方向に平行(Z軸方向)である。
Hereinafter, although the description will be made on the premise of the state of the insulating sheet before the lamination pressure bonding, the arrangement relationship and the connection relationship of each antenna coil conductor pattern do not change even after the lamination pressure bonding. As shown in FIG. 2, antenna
図2に表れているように、絶縁体層S2,S3に第1コイル導体パターン31a,31bがそれぞれ形成されている。第1コイル導体パターン31a,31bはビア導体を介して層間接続されている。これら第1コイル導体パターン31a,31bと層間接続導体とによって第1コイル(図1(B)に示す第1コイル31)が構成されている。この第1コイル31の両端は端子電極41,42にそれぞれ接続されている。
As shown in FIG. 2, first
また、絶縁体層S2,S3に第2コイル導体パターン32a,32bがそれぞれ形成されている。第2コイル導体パターン32a,32bはビア導体を介して層間接続されている。これら第2コイル導体パターン32a,32bと層間接続導体とによって第2コイル(図1(B)に示す第2コイル32)が構成されている。この第2コイル32の両端は端子電極44,45にそれぞれ接続されている。
Further, second
第1コイル31の巻回軸、第2コイル32の巻回軸は、いずれも複数の絶縁体層の積層方向に平行(Z軸方向)である。
The winding axis of the
以下、積層圧着後の積層体について説明する。図3、図4に示すように、複数の絶縁体層の積層方向に視て(以降、「平面視で」という。)、アンテナコイル2の内周縁からアンテナコイル2の内周方向への第1コイル31の外周縁までの間隔をCで表すと、C>0である。同様に、アンテナコイル2の内周縁からアンテナコイル2の内周方向への第2コイル32の外周縁までの間隔をCで表すと、C>0である。つまり、図1(B)にも表れているように、平面視で、第1コイル31および第2コイル32の外周はアンテナコイル2の主たるコイル開口内に配置されている。
Hereinafter, the laminated body after lamination pressure bonding will be described. As shown in FIG. 3 and FIG. 4, when viewed in the stacking direction of the plurality of insulator layers (hereinafter referred to as “plan view”), the first from the inner periphery of the
また、図3、図4に示すように、第1磁性体部11の厚みをT、積層体1の側面から第1コイル31までの、平面視での距離をRで表すと、R>Tの関係にある。同様に、積層体1の側面から第2コイル32までの、平面視での距離をRで表すと、R>Tの関係にある。このことにより、アンテナコイル2と第1コイル31との結合係数、およびアンテナコイル2と第2コイル32との結合係数は小さなものとなる。
3 and 4, when the thickness of the first
なお、図3、図4において、積層体1の側面から第1コイル31までの、平面視での距離をRで表したが、総合的には、第1コイル31および第2コイル32と、積層体1の側面との、平面視での最小距離をRで表したとき、R>Tの関係にある。このことは以降の別の実施形態についても同様である。
3 and 4, the distance in plan view from the side surface of the
図3、図4において破線の矢印はアンテナコイル2のコイル開口を通る磁束を代表的に表した曲線である。この図3、図4に表れているように、アンテナコイル2のコイル開口を通る磁束は、アンテナコイル2の内周縁と第1コイル31の外周縁との間、およびアンテナコイル2の内周縁と第2コイル32の外周縁との間を主に通過する。つまり、アンテナコイル2のコイル開口を通過する磁束は第1コイル31のコイル開口や第2コイル32のコイル開口を殆ど通過しない。したがって、アンテナコイル2と第1コイル31とは殆ど磁界結合せず、アンテナコイル2と第2コイル32とは殆ど磁界結合しない。
3 and FIG. 4, a broken-line arrow is a curve representatively representing the magnetic flux passing through the coil opening of the
なお、第1コイル31および第2コイル32のコイル開口の大部分は、平面視で、端子電極41〜46と重なっている。つまり、第1コイル31および第2コイル32のコイル開口の大部分は、端子電極41〜46で覆われている。そのため、第1コイル31および第2コイル32のコイル開口を通り、かつアンテナコイル2のコイル開口を通る磁束は殆ど生じない。
Note that most of the coil openings of the
ここで、比較例の複合アンテナ素子の縦断面図を図13に示す。図13において破線の矢印はアンテナコイル2および第1コイル51のコイル開口を通る磁束を代表的に表した曲線である。この比較例では、第1コイル51の形成位置が、図4に示した第1コイル31の形成位置とは異なる。この比較例の複合アンテナ素子においては、R<T且つC<0である。この比較例の複合アンテナ素子では、アンテナコイル2のコイル開口を通る磁束は第1コイル51のコイル開口をも多く通る。つまり、アンテナコイル2と第1コイル51との結合係数は大きい。これに対し、本実施形態の複合アンテナ素子101では、図3、図4に示したとおり、アンテナコイル2のコイル開口を通る磁束は、アンテナコイル2の内周縁と第1コイル31の外周縁との間を通るので、アンテナコイル2と第1コイル31との結合係数は小さい。同様に、アンテナコイル2のコイル開口を通る磁束は、アンテナコイル2の内周縁と第2コイル32の外周縁との間を通るので、アンテナコイル2と第2コイル32との結合係数も小さい。
Here, the longitudinal cross-sectional view of the composite antenna element of a comparative example is shown in FIG. In FIG. 13, the broken arrow is a curve representatively representing the magnetic flux passing through the coil openings of the
なお、第1磁性体部11の厚みTを厚くして、第1コイル31、第2コイル32とアンテナコイル2との距離を大きくすれば、アンテナコイル2と第1コイル31との結合係数、およびアンテナコイル2と第2コイル32との結合係数はそれぞれ小さなものとなるが、複合アンテナ素子全体に大型化してしまう。
If the thickness T of the first
本実施形態ではC>0とすることにより、上述の結合係数が抑制される。そのうえで、R>Tであると上記結合係数は更に抑制される。 In this embodiment, by setting C> 0, the above coupling coefficient is suppressed. In addition, if R> T, the coupling coefficient is further suppressed.
図1〜図4に示した例では、アンテナコイル2の巻回軸が複数の絶縁体層S1〜S14の積層方向であるZ軸方向となるように、各層のアンテナコイル導体パターン2a〜2hを形成したが、アンテナコイル2の巻回軸は複数の絶縁体層の積層方向に平行であればよい。ここで「平行」とは、数学的な意味での平行ではなく、概ね平行であればよい。アンテナコイル2の巻回軸と複数の絶縁体層の積層方向とは、例えば0度から30度の範囲内であればよい。
In the example shown in FIGS. 1 to 4, the antenna
図5は、複合アンテナ素子101およびそれに接続される回路の回路図である。破線で囲んだ部分が複合アンテナ素子101に相当する。図5において、インダクタL2はアンテナコイル2を回路記号で表したものである。また、インダクタL31は第1コイル31により構成されるインダクタ、インダクタL32は第2コイル32により構成されるインダクタである。インダクタL31,L32のインダクタンスは0.1μH〜1.0μH程度であり、例えば0.16μHである。
FIG. 5 is a circuit diagram of the
キャパシタC2a,C2bの直列回路とアンテナコイル(インダクタL2)との並列回路によって共振回路RCが構成されている。そして、RFIC9とアンテナコイル(インダクタL2)との間にインピーダンス整合回路MCが接続されている。
A resonant circuit RC is configured by a parallel circuit of a series circuit of capacitors C2a and C2b and an antenna coil (inductor L2). An impedance matching circuit MC is connected between the
アンテナコイル2(インダクタL2)は通信相手側のアンテナコイルと磁界結合する。上記共振回路RCの共振周波数は、通信周波数帯または当該通信周波数帯の近傍にある。例えば13.56MHz帯などのHF帯である。HF帯であれば、図3、図4に示した第1磁性体部11、第2磁性体部12が磁性体フェライトであっても、損失係数が小さいので、磁性体部11,12を備えることによる、アンテナコイル2のQ値の向上効果が高い。
The antenna coil 2 (inductor L2) is magnetically coupled to the antenna coil on the communication partner side. The resonance frequency of the resonance circuit RC is in the communication frequency band or in the vicinity of the communication frequency band. For example, the HF band such as the 13.56 MHz band. In the case of the HF band, even if the first
インピーダンス整合回路MCは、信号ラインにシリーズ接続されたインダクタL31,L32と、グランドに対してシャント接続されたキャパシタC0a,C0bと、信号ラインにシリーズ接続されたキャパシタC1a,C1bと、グランドに対してシャント接続されたキャパシタC2a,C2bと、によって構成されている。 The impedance matching circuit MC includes inductors L31 and L32 connected in series to the signal line, capacitors C0a and C0b connected shunt to the ground, capacitors C1a and C1b connected in series to the signal line, and the ground. The capacitors C2a and C2b are shunt-connected.
また、インダクタL31,L32とキャパシタC0a,C0bはLC型ローパスフィルタを構成している。このローパスフィルタの遮断周波数は、通信周波数帯が13.56MHzである場合、17MHz以上29MHz以下の周波数帯内の周波数である。つまり、通信周波数帯より高い不要周波数帯の信号(雑音)を抑制する。 The inductors L31 and L32 and the capacitors C0a and C0b constitute an LC type low-pass filter. The cut-off frequency of the low-pass filter is a frequency within a frequency band of 17 MHz or more and 29 MHz or less when the communication frequency band is 13.56 MHz. That is, a signal (noise) in an unnecessary frequency band higher than the communication frequency band is suppressed.
キャパシタC2a,C2bはインピーダンス整合回路MCの一部でもある。上記インダクタL31,L32はEMC(Electro-Magnetic Compatibility:電磁両立性)対応用のフィルタとしても作用する。 The capacitors C2a and C2b are also part of the impedance matching circuit MC. The inductors L31 and L32 also function as a filter for EMC (Electro-Magnetic Compatibility).
このように、第1コイル31、第2コイル32をアンテナコイル2のインピーダンス整合回路の一部として使用することにより、インピーダンス整合のための素子数が削減され、複合アンテナ素子を用いる回路全体の構成が簡素化される。また、第1コイル31、第2コイル32を周波数フィルタの一部として使用することにより、周波数フィルタを設けるための素子数が削減され、複合アンテナ素子を用いる回路全体の構成が簡素化される。さらに、第1コイル31、第2コイル32をEMC対応用フィルタとして使用することにより、EMC対応用フィルタを設けるための素子数が削減され、複合アンテナ素子を用いる回路全体の構成が簡素化される。
Thus, by using the
また、第1コイル31、第2コイル32を磁性体部に形成し、アンテナコイル2を非磁性体部に形成し、積層方向において、アンテナコイル2と第1コイル31との間、およびアンテナコイル2と第2コイル32との間に第1磁性体部11の磁性体層が存在することで、すなわち、第1コイル31、第2コイル32を閉磁路構造とし、アンテナコイル2を開磁路構造とすることで、アンテナコイル2のアンテナとしての性能を損なうことなく、第1コイル31、第2コイル32とアンテナコイル2との間の不要結合を抑制することができる。
Further, the
また、アンテナコイル2のコイル開口の端面に第1コイル31、第2コイル32を含む第1磁性体部11を配置することで、通信相手側から発生する磁界の集磁効果が高まる。また、アンテナコイル2の巻回数を少なくできるので、アンテナコイル2のQ値が高まる。
Further, by arranging the first
なお、第1コイル31、第2コイル32等の小径コイルでインピーダンス整合回路の全部を構成してもよい。同様に、第1コイル31、第2コイル32等の小径コイルでフィルタの全部を構成してもよい。
Note that the entire impedance matching circuit may be composed of small-diameter coils such as the
上述のとおり、第1コイル31および第2コイル32はアンテナコイル2と殆ど不要結合しないので、アンテナコイル2は第1コイル31および第2コイル32の影響を受けず、アンテナコイル2の放射効率が低下することも殆どない。また、第1コイル31、第2コイル32を含むインピーダンス整合回路MCの特性がアンテナコイル2の影響を受けることも殆どない。
As described above, since the
図5では、RFICの入出力がダブルエンド型(平衡型)である場合の例について示したが、シングルエンド型(不平衡型)であってもよい。図6はその例を示す。この例では、キャパシタC2とアンテナコイル(インダクタL2)との並列回路によって共振回路RCが構成されている。また、インピーダンス整合回路MCは、信号ラインにシリーズ接続されたインダクタL31と、グランドに対してシャント接続されたキャパシタC0と、信号ラインにシリーズ接続されたキャパシタC1と、グランドに対してシャント接続されたキャパシタC2とによって構成されている。 Although FIG. 5 shows an example in which the input / output of the RFIC is a double end type (balanced type), it may be a single end type (unbalanced type). FIG. 6 shows an example. In this example, a resonant circuit RC is configured by a parallel circuit of a capacitor C2 and an antenna coil (inductor L2). In addition, the impedance matching circuit MC is shunt-connected to the inductor L31 series-connected to the signal line, the capacitor C0 shunt-connected to the ground, the capacitor C1 series-connected to the signal line, and the ground. It is comprised by the capacitor C2.
なお、本実施形態によれば、非磁性体部10を互いに挟むように第1磁性体部11および第2磁性体部12を備えることにより、非磁性体部10と磁性体部11,12との線膨張係数の違いによる反りが防止される。また、積層体1の最外層が非磁性体部10であるので、積層体外面の機械的強度が高い。
In addition, according to this embodiment, by providing the 1st
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、第1の実施形態で示した複合アンテナ素子101を用いたアンテナ装置と、そのアンテナ装置と通信相手側アンテナとの関係について示す。<< Second Embodiment >>
In the second embodiment, an antenna device using the
図7は、第2の実施形態のアンテナ装置301と通信相手アンテナ500との位置関係を示す斜視図である。また、図8はアンテナ装置301と通信相手アンテナ500との結合の仕方について示す図である。
FIG. 7 is a perspective view showing the positional relationship between the
アンテナ装置301は、電子機器に設けられている。この電子機器は例えばスマートフォンやフィーチャーフォン等の携帯電話端末、スマートウォッチやスマートグラス等のウェアラブル端末、ノートPCやタブレットPC等の携帯PC、カメラ、ゲーム機、玩具等の情報機器、ICタグ、SDカード、SIMカード、ICカード等の情報媒体等、様々な電子機器を指す。
The
アンテナ装置301は、面状導体111が形成された基板110と、この基板110に実装された複合アンテナ素子101とで構成されている。面状導体111には、一部に導体開口OPと、この導体開口OPと外縁とを連接するスリットSLとが形成されている。スリットSLには、このスリットSLを跨ぐようにキャパシタC10が接続されている。
The
通信相手アンテナ500は平面内に複数ターン巻回されたコイル状のアンテナである。
The
図8において、複合アンテナ素子101のアンテナコイル2と面状導体111とは結合係数k12で結合し、面状導体111と通信相手アンテナ500とは結合係数k23で結合する。更に、アンテナコイル2と通信相手アンテナ500とは結合係数k13で結合する。
In FIG. 8, the
複合アンテナ素子101のアンテナ性能と第1コイル31および第2コイル32のインダクタ性能は次のとおりである。ここで、図1に示した複合アンテナ素子101の各部の寸法は次のとおりである。
The antenna performance of the
L:3.2mm
W:2.5mm
H:0.8mm
〈アンテナ性能〉
____________________________
k12 k23 k13
____________________________
アンテナコイルのみ 0.32 0.030 0.010
小径コイル有り 0.32 0.030 0.010
____________________________
〈小径コイルのインダクタ性能〉
_________________________________
インダクタンス[μH] Q値 インダクタ間結合係数
_________________________________
小径コイル 0.16 30 0.000
_________________________________
このように、小径コイル(第1コイル31、第2コイル32)の存在によるアンテナ性能の劣化は無い。また、第1コイル31および第2コイル32は使用可能なインダクタンスおよびQ値が得られ、第1コイル31と第2コイル32との不要結合も実質的に無い。L: 3.2mm
W: 2.5mm
H: 0.8mm
<Antenna performance>
__________________________
k12 k23 k13
__________________________
Only antenna coil 0.32 0.030 0.010
With small diameter coil 0.32 0.030 0.010
__________________________
<Inductor performance of small diameter coil>
___________________________________________
Inductance [μH] Q value Inductor coupling coefficient ______________________________
Small diameter coil 0.16 30 0.000
___________________________________________
Thus, there is no deterioration of the antenna performance due to the presence of the small diameter coils (the
図9は、図7に示したアンテナ装置301と通信相手アンテナ500とで構成される回路の回路図である。図9において、インダクタL111は面状導体111の導体開口OP周囲の導体部分で構成されるインダクタンスに相当する。このインダクタL111とキャパシタC10とで共振回路が構成されている。インダクタL500は通信相手アンテナ500をインダクタの回路記号で表したものである。また、図9において、符号Mは結合を表している。
FIG. 9 is a circuit diagram of a circuit including the
本実施形態において、複合アンテナ素子101が備える第1コイル31および第2コイル32は、平面視でアンテナコイル2のコイル開口内に配置されているので、第1コイル31および第2コイル32は、面状導体111の導体開口OPの内周縁から離れている。そのため、第1コイル31および第2コイル32とインダクタL111との不要結合は殆ど生じない。
In the present embodiment, since the
本実施形態では、主にNFC等の磁界結合を利用した通信システムにおけるアンテナ装置および電子機器について説明したが、本実施形態に示すアンテナ装置および電子機器は、磁界結合を利用した非接触電力伝送システム(電磁誘導方式、磁界共鳴方式)にも同様に適用できる。例えば、上述の実施形態におけるアンテナ装置は、HF帯、特に6.78MHzまたは6.78MHz近傍の周波数で使用される磁界共鳴方式の非接触電力伝送システムの受電装置の受電アンテナ装置としてや、送電装置の送電アンテナ装置として適用できる。この場合、アンテナ装置のコイルアンテナが有するコイル導体の両端は、使用周波数帯(HF帯、特に6.78MHz近傍)を操作する受電回路や送電回路に接続される。その場合でも、アンテナ装置は受電アンテナ装置や送電アンテナ装置として機能する。受電回路には、例えば、受電コイルアンテナからの電力を負荷(二次電池等)に供給するために、整流回路、平滑回路、DC/DCコンバータ等が含まれ、これらの回路が受電コイルアンテナと負荷との間に縦続接続される。また、送電回路には商用電源から送電コイルアンテナに電力を供給するために、整流回路、平滑回路、DC/ACインバータとして機能するスイッチ回路等が含まれ、これらの回路が商用電源と送電コイルアンテナとの間に縦続接続される。 In the present embodiment, the antenna device and the electronic device in the communication system mainly using magnetic field coupling such as NFC have been described. However, the antenna device and the electronic device shown in this embodiment are a non-contact power transmission system using magnetic field coupling. The same applies to (electromagnetic induction method, magnetic field resonance method). For example, the antenna device in the above-described embodiment is used as a power receiving antenna device of a power receiving device of a magnetic resonance type non-contact power transmission system used in the HF band, particularly in the vicinity of 6.78 MHz or 6.78 MHz. It can be applied as an antenna device. In this case, both ends of the coil conductor included in the coil antenna of the antenna device are connected to a power reception circuit or a power transmission circuit that operates a used frequency band (HF band, particularly around 6.78 MHz). Even in that case, the antenna device functions as a power receiving antenna device or a power transmitting antenna device. The power receiving circuit includes, for example, a rectifier circuit, a smoothing circuit, a DC / DC converter, and the like to supply power from the power receiving coil antenna to a load (secondary battery or the like). These circuits are connected to the power receiving coil antenna. Cascaded between load. In addition, the power transmission circuit includes a rectifier circuit, a smoothing circuit, a switch circuit that functions as a DC / AC inverter, and the like for supplying power from the commercial power source to the power transmission coil antenna. Are connected in cascade.
《第3の実施形態》
第3の実施形態では、第1コイルと第2コイルの位置が第1の実施形態で示した複合アンテナ素子101とは異なる複合アンテナ素子103について示す。<< Third Embodiment >>
In the third embodiment, a
図10は第3の実施形態に係る複合アンテナ素子103の各絶縁体層に形成されている導体パターンを示す図である。図11、図12はいずれも複合アンテナ素子103の縦断面図である。図11、図12は第1の実施形態で示した図3、図4に対応する位置での断面図である。
FIG. 10 is a diagram showing conductor patterns formed on each insulator layer of the
図10において、絶縁体層S1は最下層の絶縁体層であり、絶縁体層S14は最上層の絶縁体層である。各導体パターンは絶縁体層の下面に形成されている。図10は各絶縁体層の下面図である。 In FIG. 10, the insulator layer S1 is the lowermost insulator layer, and the insulator layer S14 is the uppermost insulator layer. Each conductor pattern is formed on the lower surface of the insulator layer. FIG. 10 is a bottom view of each insulator layer.
図10において丸パターンはビア導体であり、二点鎖線は、隣接層の導体パターンとビア導体との接続関係または隣接層のビア導体同士の接続関係を表している。 In FIG. 10, a round pattern is a via conductor, and a two-dot chain line represents a connection relationship between the conductor pattern of the adjacent layer and the via conductor or a connection relationship between the via conductors in the adjacent layer.
図10において、絶縁体層S1,S4〜S11,S14はいずれも非磁性体層である。絶縁体層S2,S3,S12,S13はいずれも磁性体層である。絶縁体層S2,S3は、図11、図12に示す第1磁性体部11に相当し、絶縁体層S12,S13は、図11、図12に示す第2磁性体部12に相当する。
In FIG. 10, the insulator layers S1, S4 to S11, S14 are all nonmagnetic layers. The insulator layers S2, S3, S12, and S13 are all magnetic layers. The insulator layers S2 and S3 correspond to the first
第1の実施形態とは異なり、第2コイル導体パターン32a,32bは絶縁体層S12,S13にそれぞれ形成されている。
Unlike the first embodiment, the second
アンテナコイル2の内周縁からアンテナコイル2の内周方向への第1コイル31の外周縁までの間隔をCで表すと、C>0である。同様に、アンテナコイル2の内周縁からアンテナコイル2の内周方向への第2コイル32の外周縁までの間隔をCで表すと、C>0である。
When the distance from the inner peripheral edge of the
また、第1磁性体部11の厚みをT、積層体1の側面から第1コイル31までの、平面視での距離をRで表すと、R>Tの関係にある。同様に、積層体1の側面から第2コイル32までの、平面視での距離をRで表すと、R>Tの関係にある。
Further, when the thickness of the first
本実施形態においても、アンテナコイル2と第1コイル31との結合係数、およびアンテナコイル2と第2コイル32との結合係数は小さい。
Also in this embodiment, the coupling coefficient between the
特に、本実施形態では、第1コイル31が第1磁性体部11に形成され、第2コイル32が第2磁性体部12に形成されているので、第1コイル31と第2コイル32とが離れて、第1コイルと第2コイルとの不要結合が抑制される。
In particular, in the present embodiment, since the
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。 Finally, the description of the above embodiment is illustrative in all respects and not restrictive. Modifications and changes can be made as appropriate by those skilled in the art.
例えば、各実施形態では、アンテナコイル2を構成する、各層のアンテナコイル導体パターンのコイル開口は二つの層を除いて同じとしたが、各層のアンテナコイル導体パターンのコイル開口は一定でなくてもよい。「アンテナコイル2の主たるコイル開口」は、アンテナコイル2を構成する、各層のアンテナコイル導体パターンのコイル開口の統計値から定まる。例えば、コイル開口の最大値、最小値、平均値(重心)、中央値、最頻値のいずれかに決定すればよい。
For example, in each embodiment, the coil opening of the antenna coil conductor pattern of each layer constituting the
また例えば、各実施形態では小径コイルとして第1コイル31と第2コイル32を備えた複合アンテナ素子の例を示したが、小径コイルは1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。
For example, in each embodiment, although the example of the composite antenna element provided with the
また、図2、図3、図4では、非磁性体部10を互いに挟むように第1磁性体部11および第2磁性体部12を備えた例を示したが、第2磁性体部12を設けない構造であってもよい。
2, 3, and 4, the example in which the first
また、端子電極41〜46は、積層体1の第2磁性体部12側の外面に形成してもよい。つまり、積層体1の第2磁性体部12側を実装面としてもよい。
Further, the
また、複合アンテナ素子にチップ部品を搭載または内蔵して、アンテナコイルと他の回路とを含むモジュールを構成してもよい。 Further, a module including an antenna coil and another circuit may be configured by mounting or incorporating a chip component in the composite antenna element.
また、第1コイル31や第2コイル32のような小径コイルはアンテナコイルと他のコイルとの接続部におけるインピーダンス整合回路のインダクタとして用いることに限らない。例えば、アンテナコイルのインダクタンス調整用のインダクタとして用いることもできる。また例えば、上記他の回路の一部を構成するようにしてもよい。
Further, the small-diameter coil such as the
C0,C0a,C0b…キャパシタ
C10…キャパシタ
C1,C1a,C1b…キャパシタ
C2,C2a,C2b…キャパシタ
L111…インダクタ
L2…インダクタ
L31,L32…インダクタ
L500…インダクタ
MC…インピーダンス整合回路
OP…導体開口
RC…共振回路
S1〜S14…絶縁体層
SL…スリット
1…積層体
2…アンテナコイル
2a〜2h…アンテナコイル導体パターン
9…RFIC
10…非磁性体部
11…第1磁性体部
12…第2磁性体部
31…第1コイル(小径コイル)
31a,31b…第1コイル導体パターン
32…第2コイル(小径コイル)
32a,32b…第2コイル導体パターン
41〜46…端子電極
51…第1コイル
101,103…複合アンテナ素子
110…基板
111…面状導体
301…アンテナ装置
500…通信相手アンテナC0, C0a, C0b ... Capacitor C10 ... Capacitors C1, C1a, C1b ... Capacitors C2, C2a, C2b ... Capacitor L111 ... Inductor L2 ... Inductor L31, L32 ... Inductor L500 ... Inductor MC ... Impedance matching circuit OP ... Conductor opening RC ... Resonance Circuits S1 to S14 ... Insulator layer SL ...
DESCRIPTION OF
31a, 31b ... 1st
32a, 32b ... second coil conductor patterns 41-46 ...
Claims (7)
前記非磁性体部に形成されたアンテナコイルと、
前記第1磁性体部に形成された第1コイルと、を備え、
前記複数の絶縁体層の積層方向において、前記アンテナコイルと前記第1コイルとの間に前記第1磁性体部の磁性体層が存在し、
前記アンテナコイルの巻回軸は前記積層方向に平行であり、
前記積層方向から視て、前記第1コイルの外周の全てが前記アンテナコイルのコイル開口内に配置される、
ことを特徴とする、複合アンテナ素子。A laminated body having a first magnetic body part and a non-magnetic body part formed by laminating a plurality of insulator layers;
An antenna coil formed on the non-magnetic member;
A first coil formed on the first magnetic body portion,
In the stacking direction of the plurality of insulator layers, a magnetic layer of the first magnetic body portion exists between the antenna coil and the first coil,
The winding axis of the antenna coil is parallel to the stacking direction,
When viewed from the stacking direction, the entire outer periphery of the first coil is disposed in the coil opening of the antenna coil.
A composite antenna element characterized by the above.
請求項1に記載の複合アンテナ素子。When viewed from the stacking direction, the minimum distance between the first coil and the side surface of the stacked body is larger than the thickness of the first magnetic body portion.
The composite antenna element according to claim 1.
前記積層方向において、前記非磁性体部は前記第1磁性体部と前記第2磁性体部との間に位置する、
請求項1または2に記載の複合アンテナ素子。The laminated body further includes a second magnetic part,
In the stacking direction, the non-magnetic body portion is located between the first magnetic body portion and the second magnetic body portion.
The composite antenna element according to claim 1 or 2.
前記積層方向において前記アンテナコイルと前記第2コイルとの間に前記第1磁性体部の磁性体層が存在し、
前記積層方向から視て、前記第2コイルの外周の全てが前記アンテナコイルのコイル開口内に配置される、
請求項1から3のいずれかに記載の複合アンテナ素子。A second coil formed on the first magnetic body;
A magnetic layer of the first magnetic part is present between the antenna coil and the second coil in the stacking direction;
When viewed from the stacking direction, the entire outer periphery of the second coil is disposed in the coil opening of the antenna coil.
The composite antenna element according to claim 1.
前記積層方向において前記アンテナコイルと前記第2コイルとの間に前記第2磁性体部が存在し、
前記積層方向から視て、前記第2コイルの外周の全てが前記アンテナコイルのコイル開口内に配置される、
請求項3に記載の複合アンテナ素子。A second coil formed on the second magnetic body portion;
The second magnetic body portion exists between the antenna coil and the second coil in the stacking direction;
When viewed from the stacking direction, the entire outer periphery of the second coil is disposed in the coil opening of the antenna coil.
The composite antenna element according to claim 3.
請求項1から5のいずれかに記載の複合アンテナ素子。The first coil is at least part of an impedance matching circuit;
The composite antenna element according to claim 1.
請求項1から5のいずれかに記載の複合アンテナ素子。The first coil is at least part of a filter circuit;
The composite antenna element according to claim 1.
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