TW200933986A - Antenna substrate for non-contact communication apparatus and non-contact communication apparatus - Google Patents

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200933986 九、發明說明 對相關申請案之交互參考： 本申請案主張在日本專利局於2 007年10月3日所提 出申請之日本專利申請案第2007-260154號之優先權。 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關非接觸式通訊設備用天線基板，其係設 有兩個互相絕緣且彼此隔離之線圈。 【先前技術】 在電感器耦合類型的短距離無線通訊中，非接觸式通 訊係藉由使兩個天線線圈互相接近來予以實施，以便建立 這兩個天線線圈之間的磁耦合。然而，當金屬物質係配置 於這兩個天線線圈之任何一個天線線圈的背面上時，當使 兩個天線線圈互相更接近時，金屬物質變得更接近另一個 天線線圈。因此，另一個天線線圈之有效天線感應由於在 金屬物質之表面上所產生的渦電流（eddy current)而逐漸降 低。不管這兩個天線線圈是否位於彼此接近，可能會使通 訊特性相當程度地劣化，或者非接觸式通訊設備可能無法 通訊。 因此，在金屬物質與天線線圈的背面之間設置厚的磁 性薄片以減少金屬物質中所產生之渦電流的措施通常已經 被採用（舉例來說，見日本未經審定之專利申請公開第 2006-285709 號）° 200933986 【發明內容】 然而，磁性薄片通常係昂貴的，其致使裝置的成本增 加。此外’厚的磁性薄片之插入導致裝置之整體厚度的增 加。 希望提供非接觸式通訊設備用天線基板及非接觸式通 訊設備，其藉由抑制由於天線間之距離所造成之天線特性 的擾動，以致使能夠和緊密配置的天線線圈之穩定的非接 觸式通訊，而無需使用任何磁性薄片。 依據本發明的一個實施例，提供有非接觸式通訊設備 用天線基板，其包含支撐基板和天線線圈。該天線線圈係 設置在該支撐基板上或者在該支撐基板的內部中，且具有 第一開口和輔助線圈，該輔助線圈具有比該第一開口之開 口面積更小的開口面積。該輔助線圈係和該天線線圈相絕 緣及隔離，且被配置而使得當從與該支撐基板之表面正交 的方向來觀看時，該第二開口係與該第一開口的一部分相 對向。 依據本發明的另一個實施例，提供有非接觸式通訊設 備，其包含天線基板及驅動電路。該天線基板包含支撐基 板和天線線圈，該天線線圏係設置在該支撐基板上或者在 該支撐基板的內部中，且具有第一開口和輔助線圈，該輔 助線圈具有比該第一開口之開口面積更小的開口面積。該 輔助線圏係和該天線線圈相絕緣及隔離’且被配置而使得 當從與該支撐基板之表面正交的方向來觀看時’該第二開 -5- 200933986 口係與該第一開口的一部分相對向。該驅動電路將預定的 訊號施加於該天線線圈。 在依據本發明實施例之非接觸式通訊設備用天線基板 及非接觸式通訊設備中，具有具有比該天線線圈之開口更 小的開口面積之開口的該輔助線圈係和該天線線圈相絕緣 及隔離，且被配置而使得當從與該支撐基板之表面正交的 方向來觀看時，該第二開口係與該第一開口的一部分相對 向。因此，當該預定的訊號被施加於該天線線圈時，其能 夠減少從該天線線圈所產生之磁場流入該輔助線圈之該第

助線圈之間的磁耦合，藉此，使介於該天線與該第三線圈 之間的可通訊距離縮短能夠被抑制。藉由適當地調整該天 線線圈的共振頻率和該輔助線圈的共振頻率，舉例來說， 當該金屬物質係配置於該支撐基板的背面上且該天線線圈 係緊密地配置於該支撐基板的表面上，而同時將電力和傳 輸訊號施加於該天線線圈時，能夠藉由增加由於該輔助線 圏之影響所造成之該第三天線線圈的有效自感，以抵消由 於該金屬物質之影響所造成之該第三天線線圈的有效自感 的減少量。 因此，依據本發明實施例之非接觸式通訊設備用天線 基板及非接觸式通訊設備，具有具有比該天線線圈之開口 更小的開口面積之開口的該輔助線圈係和該天線線圈相絕 緣及隔離，且被配置而使得當從與該支撐基板之表面正交 的方向來觀看時，該第二開口係與該第一開口的一部分相 -6- 200933986 對向。因此，藉由適當地調整該天線線圈和該輔助線圈之 各自的共振頻率，由於天線間之距離所造成之天線特性的 擾動能夠被抑制，而無需使用任何磁性薄片。由於此之結 果，能夠實施和緊密配置的天線線圈之穩定的非接觸式通 訊。 本發明之上面的槪述並非意欲說明本發明之各個所例 舉出之實施例或每一個實施，接下來的圖形和詳細說明更 加特別地例示這些實施例。 【實施方式】 在下文中，將參照伴隨之圖形來詳細說明本發明之實 施例。 現在將說明依據本發明實施例之非接觸式通訊設備1 。圖1顯示依據本實施例之非接觸式通訊設備1的上方表 面組態。圖2A顯示從所附加之箭號的方向觀看，沿著圖 Ο 1 之直線A-A所取出之非接觸式通訊設備1的剖面組態， 圖2B顯示從所附加之箭號的方向觀看，沿著圖1之直線 B-B所取出之非接觸式通訊設備1的剖面組態。 非接觸式通訊設備1包含天線基板10上之積體電路 (1C)晶片20和電容元件30，積體電路（1C)晶片20和電容 元件30係形成於天線基板10 (非接觸式通訊設備用天線 基板）上。其例子包含和卡式天線裝置一起使用之讀寫器 (reader/writer)。 天線基板10包含在支撐基板11上或在支撐基板11 200933986 的內部之天線線圈12和輔助線圈13。雖然圖1例舉天線 線圈12係配置於支撐基板U的其中—面上，且輔助線圈 13係配置於支撐基板11的另一面上，但是這兩個線圈可 以是彼此絕緣及隔離，且被配置於支撐基板11的共同面 上。 支撐基板11係形成自由聚酯、賽璐凡（cellophane)、 PET、聚醯亞胺所組成之可撓性膜；由玻璃樹脂等所組成 之電子基板；或諸如紙之絕緣材料。支撐基板11支撐天 線線圈12和輔助線圈13，並且它們係彼此互相物理性地 絕緣及隔離。 天線線圈12，舉例來說，爲一藉由纏繞由諸如銅或 鋁所做的金屬材料預定數目的圈數所形成之扁平線圈，開 口 12A係形成在繞線的內部，構成天線線圈12之繞線的 兩端係連接至1C晶片20，而電力和傳輸訊號係自繞線的 兩端而被供應至天線線圈。 輔助線圈13爲一具有，舉例來說，約10 nH到lOOy Η的電感器，更明確地說，爲一藉由纏繞由諸如銅或鋁所 做的金屬材料預定數目的圈數所形成之扁平線圈，開口 13Α係形成在繞線的內部。輔助線圈13係與天線線圈12 分開地設置，且係和天線線圈12絕緣及隔離。 構成輔助線圈13之繞線的兩端係連接至電容元件30 ，輔助線圈13和電容元件30構成共振器。電容元件30 不需要一直被連接至輔助線圈13，由構成輔助線圈13之 繞線所產生的寄生電容可以被使用來代替電容元件30，輔 -8- 200933986 助線圈1 3之纏繞方向可以和天線線圈1 2之纏繞方向相同 或相反。 輔助線圈13係配置而使得當從與支撐基板11之表面 正交的方向來觀看時，開口 13A係和開口 12A的一部分 相對向。最好是，其中開口 12A和開口 13A彼此對向之 區域（對向區域14)的面積比上開口 13A之開口面積的比値 實質上爲50%，其原因係如下。也就是說’當電力和傳輸 φ 訊號被供應至天線線圈12時，自天線線圈12所產生之載 波（交變磁場）係定向於相反的方向上，舉例來說’在開口 12A與天線線圈12的外部之間，如圖3所示。在交變磁 場中，通過開口 12A之交變磁場和通過天線線圈12的外 部之交變磁場通過輔助線圈13的開口 13A實質上相同的 量，此爲減少天線線圈12與輔助線圈13間之磁耦合的最 有效組態。因此，輔助線圈13的提供抑制天線線圈12與 稍後敘述之天線線圈112間之可通訊距離的減少。 Q 如同在圖4的簡化形式中所示，非接觸式通訊設備1 通常和卡式天線裝置（對向之卡100)—起成對使用。非接 觸式通訊設備1，舉例來說，係配置而與對向之卡100的 天線線圈112間隔開一段預定距離D，而對向之卡100係 藉由設置天線線圈112和1C晶片113於支撐基板1〇〇 (110)中所構成的。對向之卡100係藉由透過自非接觸式通 訊設備1的天線線圈12所產生之電磁波（交變磁場）的電磁 感應而被供應電力，並且經調變之資料訊號係疊加於載波 上，以實施資料的讀/寫。在圖4中，爲了簡單起見，天 -9- 200933986 線線圏12、輔助線圈13和天線線圈112的特定組態被省 略。 在介於非接觸式通訊設備1與對向之卡100間之資料 的發送/接收期間所使用之通訊頻率，舉例來說，爲13.56 MHz，並且在此通訊頻率中之磁場強度需要是高到足以能 夠通訊於與非接觸式通訊設備1分開一段預定距離D的位 置處。因此，對向之卡1〇〇側的共振頻率最好等於該通訊 頻率或者在該通訊頻率的附近。非接觸式通訊設備1側之 共振頻率（明確地說，天線線圈12之共振頻率）被預設爲該 通訊頻率或者在該通訊頻率的附近。 然而，對向之卡100側的共振頻率由於外部環境的影 響而很容易改變。在本實施例中，假設金屬物質係設置而 緊密地接觸天線線圈12之背面（舉例來說，在構成讀寫器 之外殼的金屬係位於天線線圈12之背面上的情況中），採 取減少由於該金屬物質所造成之影響的措施。 一般而言，在不具有輔助線圈之已知類型的非接觸式 通訊設備中，當金屬物質係設置而緊密地接觸非接觸式通 訊設備之天線線圈的背面時’使金屬物質隨著使天線線圈 12和天線線圈112互相接近而接近天線線圈112。因此， 在金屬物質的影響之下’在該通訊頻率中，天線線圈112 之有效自感被降低，並且天線線圈112之共振偏移至高頻 側中。結果，在已知類型的非接觸式通訊設備中，不管天 線線圈12和天線線圈112是否互相緊密的接近，通訊特 性可能會相當程度地劣化’或者非接觸式通訊設備可能無 -10- 200933986 法通訊。 另一方面，在本實施例中，藉由設置輔助線圈13於 非接觸式通訊設備1中，當金屬物質係設置於支撐基板 之背面上，且天線線圈112係配置在支撐基板10之表面 的附近時，而同時將電力和傳輸訊號施加於天線線圈112 ，藉由增加由於輔助線圈13之影響所造成之天線線圈112 的有效自感，以抵消由於金屬物質3之影響所造成之在天 線線圈112的有效自感方面的減少量。 下面爲經由使用輔助線圈13，藉由增加由於輔助線圈 13之影響所造成之天線線圈112的有效自感，以抵消由於 金屬物質之影響所造成之在天線線圈112的有效自感應方 面的減少量之特定措施。 圖5A顯示輔助線圈13、電容元件30及天線線圈112 之電路，圖5B顯示圖5A之電路的等效電路。在圖5A及 5B中，川爲天線線圈112的自感，L2爲輔助線圈13的自 感，且C2爲電容元件30的電容。當輔助線圈13的寄生 電容被使用來代替電容元件30時，L2爲寄生電容的自感 〇 從圖5B，當自天線線圈112側所觀看時之輔助線圈 13、電容元件30及天線線圈112的有效阻抗（亦即，天線 線圏112之有效阻抗）Z能夠以下面的等式（1)來予以表示 -11 - 200933986 z ML2-M)+1^ + …(】）

O 從等式（1)中能夠看出，藉由設置輔助線圈13和電容 元件30所造成之在天線線圈112之有效感應方面的增加 量ΔΙ-對應於等式（1)之右方的第一項，如同由下面的等 式（2)所示：

AL a w2M2C2 1-w2C2L2 …（2) 在此情況下，增加量Δ L α的數値大小可能較佳爲至少 是正的；然而，由於金屬物質的影響，該數値大小等於或 實質上等於在天線線圈112之有效感應中的減少量ΔΙ^係 較佳的，如同在下面的等式（3)中所示： Ο

Ar w2M2C2 AL„ «--—i- β \-w2C2L2 讓f〇爲由輔助線圈13和電容元件30所建構之共振器 的共振頻率，fo能夠以下面的等式（4)來予以表示：

2^C2Z2

然後，藉由修改等式（4)，C2L2能夠以下面的等式（5) 來予以表示： -12- 200933986

藉由取代等式（5)，增加量△ La能夠以下面的等式（6) 來予以表示：

⑹ 其中，f爲天線線圈12的共振頻率（通訊頻率）。 等式（6)顯示，當共振頻率f〇小於共振頻率f時’增 加量△1^變成負的，因而無法抵消減少量’且當共 振頻率fQ大於共振頻率f時，增加量ALa變成正的。因 此，藉由適當地調整增加量△!-’能夠藉由該減少量 a來抵消減少量ALi。 因而，在本實施例的非接觸式通訊設備1中’輔助線 圈13和天線線圈12相絕緣且隔離，並且具有具有小於天 線線圈12之開口 12A之開口面積的開口面積之開口 13A 的輔助線圈13係配置，而使得當從與支撐基板11之表面 正交的方向來觀看時，開口 13A係與開口 12A的一部分 相對向。因此，當預定的訊號被施加於天線線圈12時’ 能夠使由天線線圈12所產生之磁場流入輔助線圈13之開 口 13A中的總量減少。這讓天線線圈12與輔助線圈13之 間的磁耦合能夠減少，因而抑制在天線線圈1 2與天線線 圈112間之可通訊距離上的減少。 在本實施例中’特別是當對向區域14之面積（對向面 -13- 200933986 積）比上開口 13A之開口面積的比値實質上爲50%時，介 於天線線圈1 2與輔助線圈1 3間之少許的磁耦合或者沒有 任何磁耦合發生，因而消除了介於天線線圈12與天線線 圈112間之可通訊距離變短的可能性。 此外，在本實施例中，由輔助線圈13和電容元件30 所建構之共振器的共振頻率被組構成大於天線線圈12的 共振頻率。因此，舉例來說，當金屬物質係設置於支撐基 0 板10之背面上，且天線線圈112係配置在支撐基板10之 正面的附近時，而同時將電力和傳輸訊號施加於天線線圈 112,藉由增加由於輔助線圈13之影響所造成之天線線圈 112的有效自感之增加量△!-，以抵消由於金屬物質之影 響所造成之在天線線圏112的有效自感方面的減少量Δ。 變成可能。 因此，本實施例使具有緊密配置之天線線圏112的非 接觸式通訊，而沒有使用任何磁性薄片成爲可能。或者說 Q ，如果使用磁性薄片，則磁性薄片的厚度能夠被習知之磁 性薄片的厚度更加減少。 實例 上面實施例之非接觸式通訊設備1的實例將被說明於 下。 在此例中，天線線圈12的電感被設定爲約1.2y Η， 對向之卡100之天線線圈112的電感被設定爲約1.2/ζΗ。 因此，天線線圈12和112的共振頻率（通訊頻率）被設定爲 -14- 200933986 約13.56 MHz，輔助線圈13的電感被設定爲約ι.6/ζΗ， 且電容元件30的電感被設定爲約82 pF。因此，由輔助線 圈13和電容元件30所建構之共振器的共振頻率f()被設定 爲14 MHz (>13.56 MHz)。對向區域14之面積（對向面積 )比上開口 13A之開口面積的比値實質上爲50%。 圖6顯示當天線間之距離D改變時之非接觸式通訊設 備1的感應，圖7顯示當天線間之距離D改變時之天線線 圈12與天線線圈112間的耦合係數，圖8顯示當天線間 之距離D改變時之天線線圈112的有效感應。 從圖6中能夠看出，不論輔助線圈13的存在與否， 非接觸式通訊設備1的感應幾乎保持不變，甚至是當天線 間之距離D改變時。從圖7中能夠看出，在有輔助線圈 13的設置與沒有輔助線圈13的設置之間，介於天線線圈 12與天線線圈112之間的耦合係數有少許改變或者沒有任 何改變。因此，輔助線圈13的設置既未造成耦合特性劣 化，亦未造成介於天線線圈12與天線線圈H2間之可通 訊距離的減少。 從圖8中能夠看出，在天線間之距離D不大於30 mm 的鄰近區域中，輔助線圈13的設置使天線線圈112的有 效感應相當程度地增加，而當天線間之距離D不大於30 mm時，這和天線線圈112的有效感應並沒有顯著的差異 。也就是說，輔助線圈13的設置消除了將會使通訊特性 相當程度地劣化和將會致使通訊裝置在天線間之距離D不 大於30 mm的鄰近區域中不能操作的可能性。 -15- 200933986 雖然在此已經顯示及說明本發明的一些實施例，但是 將可了解到，許多改變及修正可被做成於其中，而沒有違 離本發明的精神或範疇。 【圖式簡單說明】 圖1係顯示依據本發明實施例之非接觸式通訊設備之 表面組態的平面圖； @ 圖2A及2B係顯示圖1所示之非接觸式通訊設備之 剖面組態的視圖； 圖3係用以解說在圖1中當電力和傳輸訊號被供應至 天線線圈時之電場的槪念性舉例說明。 圖4係圖1中之非接觸式通訊設備和對向之卡的立體 視圖； 圖5A及5B係分別顯示圖1中之非接觸式通訊設備 和對向之卡的電路圖及其等效電路圖； ξ) 圖6係依據一實施例之非接觸式通訊設備相對於天線 間之距離的有效自感之特性圖； 圖7係依據該實施例之非接觸式通訊設備和對向之卡 相對於天線間之距離的有效自感之特性圖；及 圖8係依據該實施例之對向之卡相對於天線間之距離 的有效自感之特性圖。 【主要元件符號說明】 1:非接觸式通訊設備 -16- 200933986 I 〇:天線基板 II :支撐基板 1 2 :天線線圈 1 3 :輔助線圈 1 2 A :開口 1 3 A :開口 20 :積體電路（1C)晶片 3 0 :電容元件 1 〇〇 :對向之卡 1 10 :支撐基板 1 1 2 :天線線圈 113 :積體電路（1C)晶片 1 4 :對向區域

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Claims (1)

1. 200933986 十、申請專利範圍 種非接觸式通訊設備用天線基板，該天線基板包 括： 支撐基板；及 X線線圈’該天線線圈係設置在該支撐基板上或者在 該支撐基板的內部中，且具有第一開口和輔助線圈，該輔 助線圈具有第二開口，該第二開口具有比該第—開口之開 φ 口面積更小的開口面積， 其中’該輔助線圈係和該天線線圈相絕緣及隔離，且 被配置而使得當從與該支撐基板之表面正交的方向來觀看 時’該第二開口係與該第一開口的一部分相對向。 2·如申請專利範圍第1項之非接觸式通訊設備用天線 基板，其中，該輔助線圈具有大於該天線線圈之共振頻率 的共振頻率。 3. 如申請專利範圍第1項之非接觸式通訊設備用天線 ❹ 基板，其中： 當預定訊號被施加於該天線線圈，而同時金屬物質係 配置於該支撐基板的其中一面上，且第三天線線圈係緊密 地配置於該支撐基板的另一面上時，該輔助線圈具有電感 及電容，以藉由增加由於該輔助線圈之影響所造成之該第 三天線線圈的有效自感來抵消由該金屬物質之影響所造成 之在該第三天線線圈之有效自感上的減少量。 4. 如申請專利範圍第1項之非接觸式通訊設備用天線 基板，其中，介於該第一開口與該第二開口間之對向面積 -18- 200933986 比上該第二開口之開口面積的比値實質 5 .如申請專利範圍第1項之非接觸 基板，其中，該輔助線圈係電連接至電 線圈和該電容構成一共振電路。 6.—種非接觸式通訊設備’包括： 天線基板；及 驅動電路， 其中，該天線基板包含： 支撐基板；及 天線線圏，該天線線圈係設置 者在該支撐基板的內部中，且具有第一 該輔助線圏具有第二開口，該第二開口 之開口面積更小的開口面積， 其中，該輔助線圈係和該天線 ，且被配置而使得當從與該支撐基板之 觀看時，該第二開口係與該第一開口的 及 其中，該驅動電路將預定的訊號施: 1:爲 5 0%。 式通訊設備用天線 容元件，且該輔助 在該支撐基板上或 開口和輔助線圈， 具有比該第一開口 線圈相絕緣及隔離 表面正交的方向來 一部分相對向，以 口於該天線線圈。 19 -