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JP2010028351A - ブースターアンテナ及び非接触情報媒体 - Google Patents

ブースターアンテナ及び非接触情報媒体 Download PDF

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JP2010028351A
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chip
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JP2008185947A
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Masakazu Sato
正和 佐藤
Takuya Aizawa
卓也 相沢
Satoru Nakao
知 中尾
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Fujikura Ltd
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Fujikura Ltd
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Abstract

【課題】従来のブースターアンテナのように、チップコンデンサ等のチップ部品を必要とせず、それゆえ、薄型化が可能であり、しかも、チップコンデンサ等のチップ部品に起因する接続不良等の不具合が生じる虞のないブースターアンテナ及び非接触情報媒体を提供する。
【解決手段】本発明のブースターアンテナは、両面プリント基板1の上面1aにアンテナコイル2を、下面1bにアンテナコイル3を、それぞれ形成し、これらアンテナコイル2、3の両端部同士をスルーホールビア4、5により電気的に接続した。このように、配線幅や配線長等を調整する構造とすることで、チップコンデンサ等の実装部品を不要とすることができる。
【選択図】図3

Description

本発明は、ブースターアンテナ及び非接触情報媒体に関し、更に詳しくは、電磁波を用いてリーダライタ装置とオンチップ型アンテナとが無線通信を行う際に、その通信距離を拡大することが可能なブースターアンテナに関するものである。
近年、ICチップと無線通信用のアンテナコイルを有し、このアンテナコイルにより信号の送受信を行う半導体モジュール(ICモジュール)が提案されている。
この半導体モジュールは、RF−ID(Radio Frequency IDentification systems)と称される無線認証システムで、ICチップによる高い情報処理能力を有し、また、非接触で信号の読み取りや書き込みを行うことができる。このため、近年では、アクセスコントロール、電子マネー、各種偽造防止システム、物流システム等の分野で普及が進んでいる。
このような半導体モジュールは、一般にICチップが実装された絶縁基板上の同一面内に、リーダライタ装置から発信される電波を受信し、この電波から電磁誘導により動作電力を得るための外付けタイプの渦巻状アンテナコイルが形成されたもので、形状により、カード型、タグ型、コイン型等に分類される。カード型としては、非接触ICカードがよく知られている。
このように、従来の半導体モジュールでは、アンテナコイルとICチップが別体であったために、例えば、非接触ICカードを実装するときには、アンテナコイルとICチップを電気的に接続する必要があった。しかし、微小なICチップの端子とアンテナコイルとの接続が技術的困難性を伴う上に、特に、可撓性のあるカードを用いた場合には、接続点に応力が集中し、断線の原因になっていた。
そこで、上記の問題点を解決するために、また、さらなる半導体モジュールの小型化、低価格化を図るために、電極が設けられたICチップ上の同一面内かつ直上に、半導体プロセスを用いてアンテナコイルを形成したオンチップ型アンテナが提案されている(特許文献1)。
このオンチップ型アンテナは、リーダライタ装置との間の電磁誘導結合により動作するタイプのアンテナである。
ところで、このオンチップ型アンテナでは、アンテナの開口面積に対応してアンテナの通信距離が決定されるために、ICチップ上のような微小面積に形成した場合、その通信距離が非常に短く、したがって、接触するような極めて近接した距離、あるいは高々1〜2mmの極めて短い距離でなければ、データの送受信や読み取りができないという問題点があり、その結果、用途が通信距離が短い場合に限定されてしまい、普及も停滞していた。
そこで、オンチップ型アンテナの通信距離を向上させたブースターアンテナが提案されている(特許文献2)。
このブースターアンテナは、基板上にアンテナコイルが形成されたもので、ICモジュールが外部装置と非接触で通信を行う際に用いられるものである。このブースターアンテナは、アンテナコイル上にオンチップ型アンテナを載せることで、電磁誘導を利用して外部のリーダライタ装置と非接触で通信することができ、しかも、電気接点が不要、オンチップ型アンテナの通信距離が長いという特徴を有する。
特許第3347138号公報 特開2000−137779号公報
ところで、特許文献2のブースターアンテナでは、その共振周波数をICモジュールの使用周波数に合わせる必要があるためにチップコンデンサを搭載しているが、チップコンデンサを搭載するとブースターアンテナ全体の厚みが厚くなってしまい、さらには、チップコンデンサを搭載することにより製造コストが増大し、またさらに、チップコンデンサの接続不良等の不具合が生じる虞がある等の問題点があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、従来のブースターアンテナのように、チップコンデンサ等のチップ部品を必要とせず、それゆえ、薄型化が可能であり、しかも、チップコンデンサ等のチップ部品に起因する接続不良等の不具合が生じる虞のないブースターアンテナ、及び、このブースターアンテナを用いた非接触情報媒体を提供することを目的とする。
本発明の請求項1に係るブースターアンテナは、電磁波を用いてリーダライタ装置と無線通信を行うためのブースターアンテナであって、基板の両面各々に形成された導体からなる一対のアンテナコイルの両端部を前記基板を貫通するスルーホールビアにより接続してなることを特徴とする。
本発明の請求項2に係るブースターアンテナは、請求項1記載のブースターアンテナにおいて、前記基板は、両面プリント基板であることを特徴とする。
本発明の請求項3に係るブースターアンテナは、請求項1または2記載のブースターアンテナにおいて、前記一対のアンテナコイルは、所望の共振周波数に合わせるように、各々のパターン幅、パターン間隔及び巻き数のうち1つまたは2つ以上が調整されていることを特徴とする。
本発明の請求項4に係る非接触情報媒体は、請求項1、2または3記載のブースターアンテナと、前記ブースターアンテナに非接触かつ近接して設けられ、電磁波を用いてリーダライタ装置と無線通信を行うオンチップ型アンテナとを備え、前記ブースターアンテナは、前記オンチップ型アンテナと電磁誘導結合することにより、該オンチップ型アンテナの通信距離を拡大したことを特徴とする。
本発明の請求項5に係る非接触情報媒体は、請求項4記載の非接触情報媒体において、前記ブースターアンテナの共振周波数は前記オンチップ型アンテナの共振周波数と一致していることを特徴とする。
本発明の請求項6に係る非接触情報媒体は、請求項4または5記載の非接触情報媒体において、前記ブースターアンテナのパターン幅、パターン間隔及び巻き数のうち1つまたは2つ以上を調整することにより、前記ブースターアンテナの共振周波数と前記オンチップ型アンテナの共振周波数とを一致させたことを特徴とする。
本発明の請求項7に係る非接触情報媒体は、請求項4、5または6記載の非接触情報媒体において、前記オンチップ型アンテナは、ICチップと一体化されていることを特徴とする。
本発明のブースターアンテナによれば、基板の両面各々に形成された導体からなる一対のアンテナコイルの両端部を前記基板を貫通するスルーホールビアにより接続したので、従来のブースターアンテナでは必要とされたチップコンデンサ等のチップ部品も不要である。
したがって、ブースターアンテナ自体の厚みを薄くすることができ、薄型化を図ることができる。
また、チップコンデンサ等のチップ部品が不要であるから、これらのチップ部品に起因する接続不良等の不具合が生じる虞もない。
本発明の非接触情報媒体によれば、本発明のブースターアンテナと、前記ブースターアンテナに非接触かつ近接して設けられ、リーダライタ装置と電磁誘導を用いて無線通信を行うオンチップ型アンテナとを備え、前記ブースターアンテナを前記オンチップ型アンテナと電磁誘導結合したので、従来のオンチップ型アンテナの特徴を生かしつつ、このオンチップ型アンテナの通信距離を拡大することができる。
したがって、比較的長い距離であってもデータの送受信や読み取りを行うことができ、非接触情報媒体自体の用途を拡大することができる。
本発明のブースターアンテナ及び非接触情報媒体を実施するための最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
図1は、本発明の一実施形態のブースターアンテナを示す上面図、図2は同下面図、図3は図1のA−A線に沿う断面図であり、電磁波を用いてリーダライタ(R/W)装置と無線通信を行うためのアンテナである。なお、これらの図においては、発明の特徴を分かりやすくするために、各要素の大きさを実際のものとは異なったものとしている。
図において、1はガラスエポキシ基板(FR4)等の両面プリント基板、2は両面プリント基板1の上面1aの銅箔等からなる導体を所望のパターンにエッチング加工してなるアンテナコイル、3は両面プリント基板1の下面1bの銅箔等からなる導体を所望のパターンにエッチング加工してなるアンテナコイル、4、5は両面プリント基板1を厚み方向に貫通する円柱状の導電体からなるスルーホールビアである。
両面プリント基板1は、ガラスエポキシ基板(FR4)等の絶縁基板の両面に、電解めっき、スパッタリング、蒸着等により銅、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル等の金属薄膜が形成された、あるいは上記の絶縁基板の両面に金属箔が形成された矩形状のもので、この絶縁基板としては、上記のガラスエポキシ基板(FR4)の他、アルミナ基板やガラス基板等のセラミックス基板、硬質プラスチックの両面に金属箔が貼着されたプラスチック配線基板等が好適に用いられる。
この両面プリント基板1の形状の一例を挙げると、縦の長さが3mm〜30mm、横の長さが3mm〜30mm、厚みが0.1mm〜3mmである。
アンテナコイル2、3は、両面プリント基板1に形成された銅、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル等の金属薄膜あるいは金属箔を所望のパターン、例えば渦巻き状にエッチング加工したもので、その周縁部に位置する端部同士はスルーホールビア4により電気的に接続され、また、これらアンテナコイル2、3の中心部に位置する端部同士はスルーホールビア5により電気的に接続されている。
これらアンテナコイル2、3は、例えば、UHF帯(952〜956MHz)等に共振周波数を合わせるように、パターン幅同士を、あるいは、パターン幅とパターン間隔同士を、さらにはパターン幅、パターン間隔及び巻き数同士を、というように、これらアンテナコイル2、3各々のパターン幅、パターン間隔及び巻き数のうち1つまたは2つ以上が調整されている。一例を挙げると、このブースターアンテナに非接触かつ近接して別途設けられるUHF帯(952〜956MHz)に共振周波数を有するオンチップ型アンテナの共振周波数に一致するように調整される。
これらアンテナコイル2、3の厚み、すなわち導体の厚みは、10μm〜50μmである。
また、例えば、アンテナコイル2のパターン幅は、300μm、パターン間隔は100μm、巻き数は3.5巻、外径は3.3mm等である。
また、例えば、アンテナコイル3のパターン幅は、300μm、パターン間隔は100μm、巻き数は4.5巻、外径は4.1mm等である。
なお、両面プリント基板1の両面におけるアンテナコイル2、3のパターン形状は、互いに異なっていてもよく、また、同一であってもよい。
また、これらアンテナコイル2、3の巻き方向は、これらアンテナコイル2、3全体を一方向から見た場合に、同一方向であってもよく、互いに逆方向であってもよい。
スルーホールビア4、5は、アンテナコイル2、3と同一の導電性材料であることが好ましく、例えば、銅、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル等の金属が好ましい。スルーホールビア4、5は、両面プリント基板1にNCドリル等を用いて所定形状のスルーホールを形成した後、このスルーホール内に無電解めっきにより導電性材料を充填することで形成することができる。
次に、このブースターアンテナの製造方法について説明する。
まず、ガラスエポキシ基板(FR4)等の両面プリント基板1を用意し、この両面プリント基板1のスルーホールビア4、5を形成すべき位置に、NCドリル等を用いて所定形状のスルーホールを形成し、次いで、無電解めっきにより、これらスルーホール内に銅、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル等の金属を充填し、スルーホールビア4、5を形成する。
次いで、この両面プリント基板1の上面1aにスピンコート法等によりフォトレジストを均一に塗布し、このフォトレジスト層上に、形成すべきアンテナコイル2のパターンが形成されたマスクを載置し、このマスクの上方から所定の波長の光、例えば紫外線を照射してフォトレジスト層を露光し、アンテナコイル2のパターンに対応する部分を硬化させる。
次いで、露光されたフォトレジスト層を現像して、このフォトレジスト層の露光部分以外の部分を除去する。これにより、このフォトレジスト層のうちアンテナコイル2のパターンに対応する部分のみが残ることとなる。
次いで、この両面プリント基板1の下面1bにスピンコート法等によりフォトレジストを均一に塗布し、このフォトレジスト層上に、形成すべきアンテナコイル3のパターンが形成されたマスクを載置し、このマスクの上方から所定の波長の光、例えば紫外線を照射してフォトレジスト層を露光し、アンテナコイル3のパターンに対応する部分を硬化させる。
次いで、露光されたフォトレジスト層を現像して、このフォトレジスト層の露光部分以外の部分を除去する。これにより、このフォトレジスト層のうちアンテナコイル3のパターンに対応する部分のみが残ることとなる。
次いで、このフォトレジスト層がパターニングされた両面プリント基板1をエッチング液に浸漬させ、このパターニングされたフォトレジスト層をマスクとして、両面プリント基板1の上面1a及び下面1bの金属薄膜あるいは金属箔をエッチングし、これらの金属薄膜あるいは金属箔のうちアンテナコイル2、3のパターンに対応する部分を除いて除去する。
これにより、両面プリント基板1の上面1aにアンテナコイル2が、下面1bにアンテナコイル3が、それぞれ形成される。また、これらアンテナコイル2、3は、その両端部同士がスルーホールビア4、5により電気的に接続した構造となっている。
このようにして、ブースターアンテナを製造することができる。
このブースターアンテナでは、アンテナコイル2、3の中央部に磁束が集中することにより、この中央部が磁界の強さが最も強い位置となる。したがって、この中央部が最も通信距離が向上することとなる。
図4は、本実施形態のブースターアンテナに、電磁波を用いてリーダライタ(R/W)装置と無線通信を行うオンチップ型アンテナを搭載した非接触ICモジュール(非接触情報媒体)を示す斜視図であり、図において、11は本実施形態のブースターアンテナ、12はブースターアンテナ11のアンテナコイル2の中央部の空間部に設けられICチップと一体化されたオンチップ型アンテナである。
この非接触ICモジュールは、外部装置であるリーダライタ(R/W)装置(図示略)と、電磁波を用いて情報交換を行うとともに、このリーダライタ(R/W)装置から発信された電磁波から電磁誘導により動作電力を得るもので、非接触ICカード、非接触ICタグ等が挙げられる。
この非接触ICモジュールでは、ブースターアンテナ11のアンテナコイル2、3のパターン幅、パターン間隔、巻き数及び外径を調整し、しかも、磁束が集中するアンテナコイル2の中央部の空間部にオンチップ型アンテナ12を搭載し、さらに、ブースターアンテナ11のアンテナコイル2、3の共振周波数と、オンチップ型アンテナ12の共振周波数とを一致させたので、ブースターアンテナ11がオンチップ型アンテナ12と電磁誘導結合することにより、オンチップ型アンテナ12の通信距離が拡大したものとなる。
これにより、比較的長い距離であってもデータの送受信や読み取りを行うことが可能になり、非接触ICモジュール自体の用途の拡大を図ることが可能である。
以上説明したように、本実施形態のブースターアンテナによれば、両面プリント基板1にアンテナコイル2、3を形成し、これらアンテナコイル2、3の両端部同士をスルーホールビア4、5により接続したので、チップコンデンサ等のチップ部品を必要とせず、アンテナコイル2、3間の容量にて使用周波数での共振を行うことができる。したがって、ブースターアンテナ自体の厚みを薄くすることができ、薄型化を図ることができる。
また、チップコンデンサ等のチップ部品が不要であるから、これらのチップ部品に起因する接続不良等の不具合が生じる虞もない。
また、非接触ICモジュールによれば、ブースターアンテナ11に、ICチップと一体化されたオンチップ型アンテナ12を搭載したので、ブースターアンテナ11をオンチップ型アンテナ12と電磁誘導結合させることで、オンチップ型アンテナ12の通信距離を拡大することができる。
したがって、比較的長い距離であってもデータの送受信や読み取りを行うことができ、非接触ICモジュール自体の用途を拡大することができる。
本発明の一実施形態のブースターアンテナを示す上面図である。 本発明の一実施形態のブースターアンテナを示す下面図である。 図1のA−A線に沿う断面図である。 本発明の一実施形態の非接触ICモジュールを示す斜視図である。
符号の説明
1…両面プリント基板、1a…上面、1b…下面、2、3…アンテナコイル、4、5…スルーホールビア、11…ブースターアンテナ、12…オンチップ型アンテナ。

Claims (7)

  1. 電磁波を用いてリーダライタ装置と無線通信を行うためのブースターアンテナであって、
    基板の両面各々に形成された導体からなる一対のアンテナコイルの両端部を前記基板を貫通するスルーホールビアにより接続してなることを特徴とするブースターアンテナ。
  2. 前記基板は、両面プリント基板であることを特徴とする請求項1記載のブースターアンテナ。
  3. 前記一対のアンテナコイルは、所望の共振周波数に合わせるように、各々のパターン幅、パターン間隔及び巻き数のうち1つまたは2つ以上が調整されていることを特徴とする請求項1または2記載のブースターアンテナ。
  4. 請求項1、2または3記載のブースターアンテナと、
    前記ブースターアンテナに非接触かつ近接して設けられ、電磁波を用いてリーダライタ装置と無線通信を行うオンチップ型アンテナとを備え、
    前記ブースターアンテナは、前記オンチップ型アンテナと電磁誘導結合することにより、該オンチップ型アンテナの通信距離を拡大したことを特徴とする非接触情報媒体。
  5. 前記ブースターアンテナの共振周波数は前記オンチップ型アンテナの共振周波数と一致していることを特徴とする請求項4記載の非接触情報媒体。
  6. 前記ブースターアンテナのパターン幅、パターン間隔及び巻き数のうち1つまたは2つ以上を調整することにより、前記ブースターアンテナの共振周波数と前記オンチップ型アンテナの共振周波数とを一致させたことを特徴とする請求項4または5記載の非接触情報媒体。
  7. 前記オンチップ型アンテナは、ICチップと一体化されていることを特徴とする請求項4、5または6記載の非接触情報媒体。
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