JP2009509440A - 平面全方向性アンテナ及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

本発明のアンテナ（３７）は第１の巻線を支持する平らな基板（１１）を備え、第１の巻線の軸は基板（１１）の面に対して平行な位置に配置される。また、前記アンテナは、その軸が基板（１１）の面に対して平行な位置に配置され且つ基板の面に対して平行な位置に配置される高透磁率材料からなる薄層の周囲に巻回される少なくとも１つの第２の巻線も備えている。その軸が第１および第２の巻線に対して垂直で且つ更なる薄層（３１）の周囲に巻回される第３の巻線（３０）を設けることができる。前記更なる薄層（３１）は、基板（１１）の面に対して平行な位置に配置されるとともに、高透磁率材料から形成される。

Description

本発明は、平らな基板の表面上に形成される第１の平らなコイルを備え、第１のコイルが基板の面に対して垂直な軸を有するとともに、基板の面に対して平行な軸を有する第２のコイルを備える平面アンテナに関する。

また、本発明は、１つのそのようなアンテナの形成方法に関する。

この種の平面アンテナは、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグまたはトランスポンダを製造するために一般に使用される。これらのＲＦＩＤタグは、遠く離れたリーダからくる磁気波を捕捉するように形成される平面アンテナに接続されたチップを備えている。ＲＦＩＤタグの動作のために必要なエネルギは、捕捉される磁気波によって或いはアクティブタグ用の内部バッテリセルによって供給することができる。

現在の平面アンテナは、基板上にある例えば螺旋状の導電トラックの平らな巻線によって形成されるコイルにより構成される。コイルの軸が基板の面に対して垂直なこの種のアンテナは、基板の面と直交する方向の磁気波成分に対してのみ感度が良い。

アンテナによって捕捉される磁気波が数メートル離れて位置されるリーダから発生する場合、アンテナに対する磁気波の入射は多くの場合に無作為である。アンテナは基板の面と直交する方向の磁気波成分のみに対して感度があるため、基板によって支持されるコイルの面内に含まれる磁気波成分は捕捉されない。

したがって、リーダのレベルでの所定の放射出力において、アンテナの受信の質は、ＲＦＩＤタグの動作を無作為にするその指向性によって決まる。ＲＦＩＤタグの方向性に依存しない信頼できる読み取り距離を保証するため、ＲＦＩＤタグは、どちらかと言えば立方体の体積を占める平らでないアンテナを有していなければならず、この体積の各方向でコイルが必要とされ、そのため、多数の用途で制約される。

文献ＧＢ２３４９０４７は、励起磁場を発するために３つの別個のコイルが磁性材料からなる同じ平らな基板の周囲に巻回されたアンテナを備える磁気タグリーダについて記載している。３つのコイルは、互いに対して垂直な軸を有している。

そのようなアンテナは、低出力磁気波を満足に受信することができない。

本発明の目的は、任意の入射磁気波の全ての成分に対して感度が良く且つ低出力磁気波を受信できるようにする平面アンテナを提案することによってこれらの欠点を克服することである。

この目的は、添付の請求項に係るアンテナによって達成される。特に、本発明は、平らな基板の表面上に形成される第１の平らなコイルを備え、第１のコイルが基板の面に対して垂直な軸を有するとともに、基板の面に対して平行な軸を有する第２のコイルを備える平面アンテナであって、第２のコイルが、基板の前記表面上に堆積される磁性薄層の周囲に巻回される平面アンテナを提供する。

第１および第２のコイルのそれぞれの折り返し体積は、他のコイルの存在によって「阻まれる」ことがなく、それにより、遮蔽効果を防止することができる。

本発明の他の特徴によれば、第２のコイルは、高い透磁率を有する材料、すなわち、５００よりも大きい比透磁率を有する材料からなる薄層の周囲に巻回される。

第２のコイルは、基板の面に対して平行な磁気波の少なくとも１つの成分に対して感度が良い。高透磁率材料の存在により、折り返し断面が小さい第２のコイルを、それに近接する磁気波の磁力線をチャネリングして一点に集めることで設けることができる。

本発明の１つの進展によれば、アンテナは、第１および第２のコイルの軸に対して垂直な軸を有し且つ基板の面に対して平行な高透磁率材料からなる更なる磁性薄層の周囲に巻回される第３のコイルを備える。この選択的な実施形態において、各薄層を構成する材料は、対応するコイルの軸に対して平行な磁化率が最も大きい軸を備えていることが好ましい。このとき、各コイルは、前記コイルの軸に沿って磁気波の成分を捕捉するように形成される。３つのコイルの軸が互いに対して垂直であるため、平面アンテナは、入射磁気波を、基板に接続された垂直ベースの３つの成分へと分解する。

本発明に係るアンテナの形成方法は、
第１のコイルを構成する金属化トラックを基板上に堆積させるステップと、
第２のコイルの下側金属化トラックを堆積させるステップと、
高透磁率材料からなる薄層を基板の面に対して平行に堆積させるステップと、
前記薄層上およびその周囲に、第２のコイルの上側金属化トラックと、第２のコイルの上側金属化トラックと下側金属化トラックとを接続する側部金属化トラックとをそれぞれ形成するステップと、
を含むことが好ましい。

他の利点および特徴は、単なる非限定的な例として与えられ且つ添付図面に示される本発明の特定の実施形態の以下の説明から更に明確に分かるようになる。添付図面において、図１〜図５は、本発明に係る平面アンテナの形成方法の一例の様々なステップを平面図で示している。

図１に示される実施形態では、例えばプラスチック、段ボール、または、紙などの任意の材料から形成できる平らな基板１１の表面上に第１のコイル１０が形成される。第１のコイル１０は、ここでは長方形状を成す２つの略同軸な巻回部を有する螺旋状に巻かれた導電トラックの平らな巻線によって形成される。第１のコイル１０は、例えばシルクスクリーン印刷された銅を用いて、あるいは、導電インクの堆積によって形成される。直交ベクトルベース（／ｘ，／ｙ，／ｚ）は、／ｘおよび／ｙが第１のコイル１０の対称軸と平行になり且つ／ｚが基板１１の面に対して垂直となるように規定される。／ｘ，／ｙ，／ｚは、それぞれベクトルｘ，ｙ，ｚを表す。第１のコイル１０の軸、すなわち、第１のコイルの巻回中心となる軸は／ｚと平行である。したがって、第１のコイル１０は、実際には、遠く離れて配置されるリーダ（図示せず）によって発せられる入射磁気波の／ｚに沿う成分に対してのみ感度がある。

図１において、第１のコイル１０は、絶縁保護層（図示せず）によって分離される２つの重ね合わされたメタライゼーションレベルによって得られる。２つの巻回部は、２つの端部間において下側レベルに形成される。第１のコイル１０の巻回部の外側端部は、第１のコイル１０の第１の接続パッド１５を構成する。第１のコイル１０の巻回部の他方の内側端部１２は、ビア（図示せず）によって、上側メタライゼーションレベルに形成された金属化セグメント１３に対して接続される。セグメント１３は、電気的な接触を何ら伴うことなく、下側レベルに配置される第１のコイル１０の巻回部と重なり合う。セグメント１３の先端は、第１の接続パッド１５の近傍に配置される第１のコイル１０の第２の接続パッド１４を形成する。

図２に示されるように、上側メタライゼーションレベルには、第２のコイル１８（図３）の下側金属化トラック１６，１７が堆積される。第２のコイル１８の下側金属化トラック１６，１７は、互いに平行に近接しており、／ｙと平行な第１のコイル１０の対称軸に沿って第１のコイル１０の巻回部間で延びている。１６ａ，１６ｂおよび１７ａ，１７ｂの参照符号がそれぞれ付された接続パッドは、下側金属化トラック１６，１７の端部に配置されている。上側メタライゼーションレベルにおいて、第１の金属化接続トラック１９は、第１のコイル１０の巻回部の内側端部１２を、接続パッド１７ａに近接して配置された接続パッド２０に対して接続する。図２において、トラック１９は略Ｌ字形状である。第２の金属化接続トラック２１は、接続パッド１６ａを、第１のコイル１０の接続パッド１４に近接して配置された接続パッド２２に対して接続する。

図３を参照すると、その後、上側メタライゼーションレベルに、基板１１の面と平行に磁性薄層２３が堆積される。材料の比透磁率は、少なくとも１００に等しく、好ましくは５００を越える。薄層２３は、第１のコイル１０の巻回部の中心部において接続パッド１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ間で延びている。

再び図３を参照すると、薄層２３上には、トラック１６，１７と平行に第２のコイル１８の上側金属化トラック２４，２５が形成される。薄層２３の周囲には、上側金属化トラック２４を接続パッド１７ａ，１６ｂに対して接続するために基板１１の面に対して垂直に側部金属化トラック（図示せず）が形成される。薄層２３の周囲には、上側金属化トラック２５を接続パッド１７ｂ，２０に対して接続するために他の側部金属化トラック（図示せず）も形成される。

下側金属化トラック１６，１７、上側金属化トラック２４，２５、および、側部金属化トラックは、協働して、薄層２３の周囲に巻回される第２のコイル１８の２つの巻回部を形成する。第２のコイル１８の軸、すなわち、第２のコイルの巻回中心となる軸は／ｘと平行である。したがって、第２のコイル１８は、入射磁気波の／ｘに沿う成分に対して本質的に感度がある。

図４を参照すると、その後、基板１１上には、薄層２３および第２のコイル１８を覆うように電気絶縁層２６が堆積される。第１のコイル１０の接続パッド１４，１５および第２のコイル１８の接続パッド２２だけが覆われない。

その後、絶縁層２６上には第３のコイル３０（図５）の下側金属化トラック２７，２８，２９が堆積される。第３のコイル３０の下側金属化トラック２７，２８，２９は、互いに平行に近接しており、／ｘと平行な第１のコイル１０の対称軸に沿って延びている。２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂおよび２９ａ，２９ｂの参照符号がそれぞれ付された接続パッドは、下側金属化トラック２７，２８，２９の端部に配置されている。

図５を参照すると、その後、絶縁層２６上には、基板１１の面と平行に高透磁率材料からなる更なる薄層３１が堆積される。材料の比透磁率は好ましくは１０００である。更なる薄層３１は、下側金属化トラック２７，２８，２９の接続パッド間で延びている。

その後、更なる薄層３１上に、第３のコイル３０の上側金属化トラック３２，３３，３４が形成される。更なる薄層３１の周囲には、金属化トラック３２の端部を第１のコイル１０の接続パッド１５および接続パッド２７ａのそれぞれに対して接続するために基板１１の面に対して垂直に側部金属化トラック（図示せず）が形成される。更なる薄層３１の周囲には、金属化トラック３３の端部を接続パッド２７ｂ，２８ａに対して接続し、また、金属化トラック３４の端部を接続パッド２８ｂ，２９ａに対して接続する他の側部金属化トラック（図示せず）がそれぞれ形成される。同時に、接続パッド２９ｂから下側メタライゼーション２９を延ばすように金属化セグメント３５が堆積される。金属化セグメント３５の先端は、第３のコイル３０の接続パッド３６を形成する。図５において、トラック３３，３４はトラック２７〜２９に対して略平行であり、一方、トラック３２は、パッド１５に対する接続を容易にするために僅かに傾けられている。

下側金属化トラック２７，２８，２９、上側金属化トラック３２，３３，３４、および、側部金属化トラックは、協働して、更なる薄層３１の周囲に巻回される第３のコイル３０の３つの巻回部を形成する。第３のコイル３０の軸、すなわち、第３のコイルの巻回中心となる軸は／ｙと平行である。したがって、第３のコイル３０は、入射磁気波の／ｙに沿う成分に対して本質的に感度がある。

高透磁率材料からなる薄層２３，３１の存在により、第２のコイル１８および第３のコイル３０の小さな折り返し断面を、それに近接する磁気波の磁力線をチャネリングして一点に集めることで補償することができる。この現象を強めて方向付けるため、最も大きい磁化率が／ｘと平行に方向付けられるように薄層２３の磁性材料が堆積されるとともに、最も大きい磁化率の軸が／ｙと平行に方向付けられる状態で更なる薄層３１の磁性材料が堆積されることが好ましい。これを行なうために、堆積が行なわれるときには、適切に方向付けられた磁場が印加されなければならない。

したがって、前述した方法によって得ることができる本発明に係る平面アンテナ３７は表面を有する平らな基板１１を備え、前記表面には、基板１１の面に対して垂直な軸を有する第１の平らなコイル１０と、基板１１の面と平行な軸を有し且つ第１のコイル１０が形成される基板１１の表面上に堆積された高透磁率材料からなる薄層２３の周囲に巻回される第２のコイル１８とが形成される。本発明のこれらの必須の特徴を与える平面アンテナ３７の製造を可能にする任意の他の方法を考えることもできる。第２のコイル１８の下側金属化トラック１６，１７は、例えば、金属化セグメント１３と同時に或いはその後のステップにおいて形成することができる。他の実施形態において、第２のコイル１８は、当該第２のコイル１８の折り返し面を増大させるように第１のコイル１０と重なり合うことができる。その後、第２のコイル１８の下側金属化トラック１６，１７の堆積前に第１のコイル１０上に電気絶縁層が堆積される。

前述した平面アンテナ３７は、第１および第２のコイル１０，１８の軸に対して垂直な軸を有し且つ基板１１の面と平行な高透磁率材料からなる更なる薄層３１の周囲に巻回される第３のコイル３０を更に備えている。第３のコイル３０は、上記製造方法によって或いは任意の適切な製造方法によって形成することができる。

各コイル１０，１８，３０は、その軸に沿って入射磁気波の成分を捕捉するように形成されている。３つのコイル１０，１８，３０の軸が互いに対して垂直であるため、３つのコイル１０，１８，３０を備える平面アンテナ３７は、入射磁気波を、基板１１に関連付けられた垂直ベース（／ｘ，／ｙ，／ｚ）の３つの成分へと分解する。このようにして全方向性平面アンテナ３７が得られる。前述した製造方法を用いると、３つのコイル１０，１８，３０が直列に接続されるとともに、接続パッド２２，３６間で信号が測定される。他の実施形態では、平面アンテナ３７の３つのコイル１０，１８，３０を並列に接続できる。

高透磁率材料は、焼結フェライトまたは鉄窒化ハフニウム（ＦｅＨｆＮ）であることが好ましい。前者の材料は、約１０ミクロン〜数ミリメートルの様々な厚さを有する任意のタイプの基板上に堆積できるという利点を与える。その動作周波数は約３００ＭＨｚに限られる。後者の材料は、低い導電率を確保するためにナノメートルＦｅＨｆ層と窒化物被膜とを交互に有する非常に薄い層（約１ミクロン）の状態で堆積可能である。その動作周波数は約１ＧＨｚに制限され、また、その比透磁率は約９００に限られる。

また、第２および第３のコイル１８，３０の金属化トラックは、任意の適当なタイプからなることができ、例えば、シルクスクリーン印刷された銅または導電インクからなるトラックによって形成することができる。コイル１８，３０は、３つのコイル１０，１８，３０の相互インピーダンスがゼロとなるように第１のコイル１０の対称軸に沿って延びることが好ましい。

本発明に係る平面アンテナ３７が第３のコイル３０を備えていない場合には、第２のコイル１８が／ｘおよび／ｙに沿って入射磁気波の成分を捕捉することが好ましい。その結果、第２のコイル１８がその周囲に巻回される薄層２３の磁性材料は、最も大きい磁化率の軸が基板１１の面内で全方向性を有することなく堆積される。

また、コイル１８，３０の重ね合わせの順序は、用途にしたがって変わり得る。

本発明に係る平面アンテナ３７は、３つのコイル間で遮蔽効果が起こる場合がある文献ＧＢ２３４９０４７に記載されるアンテナとは異なり、満足のいく品質結果を与える。確かに、この文献の図２２に示されるアンテナの各コイル１１０，１１１，１２２においては、考慮されるコイルにより輪郭付けられる折り返し体積または表面が、遮蔽効果によって入射磁気波の透過を制限する他のコイルによって「満たされる」。これに対して、本発明では、第２および第３のコイル１８，３０の動作（送信及び／又は受信）に対する第１のコイル１０の影響は皆無である。これは、これらのコイル１８，３０の巻回部によって輪郭付けられるそれぞれの折り返し体積が第１のコイル１０の面よりも上側に位置されているからである。

第１のコイル１０の動作に対する第２および第３のコイル１８，３０の影響を減らすために、コイル１８，３０の巻数が非常に少なく、前記巻回部同士が互いに非常に近接され、それにより、基板１１と平行な面内においてコイル１８，３０によって占められる表面が第１のコイル１０によって輪郭付けられる表面よりもかなり小さくなっている。このため、第２および第３のコイル１８は、最大で数個の巻回部を備え、好ましくは、図３に示されるように第２のコイル１８に関して２個、図５に示されるように第３のコイル３０に関して３個の巻回部を備えている。

本発明に係る平面アンテナの形成方法の一例の様々なステップを平面図で示している。 本発明に係る平面アンテナの形成方法の一例の様々なステップを平面図で示している。 本発明に係る平面アンテナの形成方法の一例の様々なステップを平面図で示している。 本発明に係る平面アンテナの形成方法の一例の様々なステップを平面図で示している。 本発明に係る平面アンテナの形成方法の一例の様々なステップを平面図で示している。

Claims (10)

1. 平らな基板（１１）の表面上に形成され前記基板（１１）の面に対して垂直な軸を有するる第１の平らなコイル（１０）と、前記基板（１１）の面に対して平行な軸を有する第２のコイル（１８）と、を備える平面アンテナ（３７）において、
   前記第２のコイル（１８）は、前記基板（１１）の前記表面上に堆積される磁性薄層（２３）の周囲に巻回されることを特徴とする平面アンテナ（３７）。
2. 前記薄層（２３）は、５００よりも大きい比透磁率を有する高透磁率材料を備えている請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記第１および第２のコイル（１０）、（１８）の軸に対して垂直な軸を有し且つ前記基板（１１）の面に対して平行な更なる磁性薄層（３１）の周囲に巻回される第３のコイル（３０）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 前記更なる薄層（３１）は、５００よりも大きい比透磁率を有する高透磁率材料を備えている請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記第２のコイル（１８）と前記第３のコイル（３０）との間に電気絶縁層（２６）が配置されることを特徴とする請求項３または４のいずれか一項に記載のアンテナ。
6. 前記第２のコイル（１８）および前記第３のコイル（３０）が前記第１のコイル（１０）の対称軸に沿って延びていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のアンテナ。
7. 前記高透磁率材料は、対応するコイル（１８，３０）の軸に対して平行な磁化率が最も大きい軸を備えていることを特徴とする請求項２および４のいずれか一項に記載のアンテナ。
8. 前記第２および第３のコイル（１８，３０）はそれぞれ、前記第１のコイル（１０）によって輪郭付けられる表面よりもかなり小さい表面を、前記基板（１１）の面に対して平行な面内で覆っていることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のアンテナを形成する方法であって、
   前記第１のコイル（１０）を形成する金属化トラックを前記基板（１１）上に堆積させるステップと、
   前記第２のコイル（１８）の下側金属化トラック（１６，１７）を堆積させるステップと、
   高透磁率材料からなる薄層（２３）を前記基板（１１）の面に対して平行に堆積させるステップと、
   −前記薄層（２３）上およびその周囲に、前記第２のコイル（１８）の上側金属化トラック（２４，２５）と、前記第２のコイル（１８）の上側金属化トラック（２４，２５）と下側金属化トラック（１６，１７）とを接続する側部金属化トラックとをそれぞれ形成するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
10. 前記薄層（２３）および前記第２のコイル（１８）を覆う電気絶縁層（２６）を堆積させるステップと、
    前記電気絶縁層（２６）上に、前記第３のコイル（３０）の下側金属化トラック（２７，２８，２９）を堆積させるステップと、
    高透磁率材料からなる前記更なる薄層（３１）を基板（１１）の面に対して平行に堆積させるステップと、
    前記更なる薄層（３１）上およびその周囲に、前記第３のコイル（３０）の上側金属化トラック（３２，３３，３４）と、前記第３のコイル（３０）の上側金属化トラック（３２，３３，３４）と下側金属化トラック（２７，２８，２９）とを接続する側部金属化トラックとをそれぞれ形成するステップと、
    を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の形成方法。

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