超低外形低频天线
阅读说明：本技术 超低外形低频天线 (Ultra-low profile low frequency antenna ) 是由 C·卡尼特卡韦萨 F·E·纳瓦罗佩雷斯 J·罗德里格斯 S·科沃斯雷耶斯 A·罗哈斯奎瓦斯 于 2020-02-20 设计创作，主要内容包括：所公开的是一种包括磁芯(10)的超低外形低频天线,该磁芯在相互正交的三个交叉轴向上具有线圈绕组通道,三个交叉轴向限定出X轴(X)、Y轴(Y)和Z轴(Z),线圈绕组通道容纳相应的X线圈(DX)、Y线圈(DY)和Z线圈(DZ)。Z线圈绕组通道(12Z)绕Z轴(Z)环绕磁芯(10),提供被限制在两个平行表面之间的局部凹槽(40)。磁芯(10)在Z轴(Z)上的厚度小于1.2mm。每个局部凹槽(40)在Z轴(Z)上的宽度等于或小于0.4mm且其在垂直于Z轴(Z)的径向方向上的深度至少为其宽度的两倍。Z线圈(DZ)在所述凹槽(40)内部卷绕且从凹槽深度的1/3径向地延伸至2/3。Z线圈的外边缘与凹槽(40)的入口保持一定距离。(Disclosed is an ultra low profile low frequency antenna comprising a core (10) having coil winding channels in three mutually orthogonal cross axes defining an X-axis (X), a Y-axis (Y) and a Z-axis (Z), the coil winding channels housing respective X-coils (DX), Y-coils (DY) and Z-coils (DZ). A Z-coil winding channel (12Z) surrounds the core (10) about the Z-axis (Z), providing a localized groove (40) confined between two parallel surfaces. The thickness of the magnetic core (10) in the Z axis (Z) is less than 1.2 mm. Each partial groove (40) has a width in the Z axis (Z) equal to or less than 0.4mm and a depth in a radial direction perpendicular to the Z axis (Z) of at least twice its width. A Z coil (DZ) is wound inside the groove (40) and extends radially from 1/3 at the groove depth to 2/3. The outer edge of the Z-coil is kept at a distance from the entrance of the groove (40).)
技术领域
本发明涉及一种超低外形三轴式低频天线，其尺寸非常小而能够被集成在移动电话、例如智能手机中。
本申请中“超低外形(ultra-low-profile，超薄型)”这一表述应被理解成具有处在小于1.6mm且优选地小于1.4mm范围内的极低厚度的薄天线，其特别适于被包含在移动电话中。作为所述三轴式天线，其可确保同时地从任何方向接收信号和/或向所有方向传输信号。这种天线包括磁芯，该磁芯在三个相互正交的交叉轴向上具有线圈绕线通道，这些线圈绕组通道容纳环绕磁芯的(导电线的)三个正交线圈。
低频通常是指处在30kHz至300kHz范围内的无线电频率。
因此，本发明提供一种天线，其被特别设计成小尺寸，以使得厚度小至足以允许其被集成在智能手机中，且能够承受移动电话的要求，例如抗弯曲性。
可以理解的是，所提出的天线也可被集成在其它便携式设备中，例如扩展平板式电脑、卡片钥匙等，在这类便携式设备中厚度是相关的设计参数并且限制了其中元件的集成。
背景技术
在现有技术中已知许多三轴式天线，并且许多不同的文献均面临减少天线高度的问题，这些文献公开的解决方案针对RFID无钥匙进入系统，该RFID无钥匙进入系统具有被组装到钥匙扣中的PCB内的3D天线，且甚至涉及卡式钥匙扣中的3D感应解决方案；然而迄今为止，尚无已知的用于智能手机的单片(单芯)天线满足为集成在移动电话中所必须的灵敏度、超低外形、有限的面积和灵活性的要求。
US7042411公开了一种小型三轴式天线线圈，其被用在无线电控制的无钥匙进入系统的接收器或类似元件中。这种天线具有低外形，在此情况下使用具有扁平鼓式形状的磁芯以及被固定至该芯下表面的基座，磁芯周围具有三个正交的线圈绕组通道。在此示例中，磁芯通过包括周边凹部来成形，该周边凹部限定用于周边Z线圈的线圈绕组通道。这种凹部极难通过模制在超低外形磁芯中产生，这是因为所述小型芯的制造需要复杂的模具，该模具至少有四个独立的活动部件，且这种尺寸的磁芯可能会在脱模操作期间破裂。上述凹部不能被机加工，这是因为磁芯在所述机加工期间也会破裂。
文献US2013033408A1描述了一种类似于前述文献中所描述的天线的扁平三轴式天线。在US2013033408A1中，磁芯是通过附接两个独立的芯构件来获得的，其中一个芯构件既扁又薄，并且这两个芯构件借助绕线架来固定，该绕线架包括一环形部分，该环形部分的功能是用作设置Z轴线圈的空间。
在这一解决方案中，线圈或绕组是环绕所述多层磁芯被卷绕的，并且磁芯的两个构件均需要包括用于环绕磁芯的X绕组和Y绕组的凹口。在Z绕组与X绕组或Y绕组重叠的区域中，所述凹口防止磁芯靠近Z绕组，因此减小了磁芯面向Z绕组的表面，并因此产生有限的Z绕组灵敏度。
此外在US2013033408A1中，磁芯的每个独立的扁平磁性构件包括位于每个角上的悬臂区域，磁芯的一个构件的所述悬臂区域与磁芯的另一构件的悬臂区域间隔开，从而在它们之间限定出Z线圈绕组通道。磁芯的两个构件附接至彼此并被X绕组和Y绕组所环绕，因此所述悬臂区域之间在Z轴方向上的距离小于X绕组和Y绕组在Z轴方向上的高度，导致Z绕组在Z轴方向上具有的高度有限，且因此进一步降低了Z绕组灵敏度。
电装公司(Denso)文献JP4007332要求保护一种集成式低外形天线；然而，这种类型的天线不是用于低频(LF)的单片天线，且其提出的解决方案虽然是低外形，但在其它维度上被扩展了。
此外，本领域已知有大量无钥匙进入系统和用于无钥匙进入系统的天线，例如US2017320465；US2017291579；US2017282858；JP2017123547。同样，针对无钥匙进入系统中的钥匙扣已描述了三轴式单片天线的具体发明(如普莱默公司(PREMO)专利EP2911244；WO2013EP03888；WO2017076959；ES2460368)。
三轴式单片天线的其它解决方案已例如被TDK、Epcos、Sumida、Toko和Neosid等公司投放市场。
然而直到现在，尚无已知的解决方案在经受弯曲测试并具有Z轴上超过50mV/Amv的最小灵敏度的条件下，解决了将天线集成到智能手机中的挑战(外形低于1.65mm，面积小于14×14mm)。
上述非常严格的机械约束使得Z轴的灵敏度非常有限。为了使Z灵敏度最大化，现有技术包括具有空气线圈或扁平无芯线圈的低外形LF天线，这些天线在面积方面非常宽。当整体可用面积受限时，Z磁感无法在空气中感应出最小电压，所以需要相对高的有效磁导率。
市场上存在用于卡式无钥匙进入钥匙扣的低外形解决方案，它们大多数使用分立的低外形部件，典型地是用于X轴和Y轴的两个相同的低外形天线，且其为扁平无芯线圈或为以铁氧体鼓式芯制成的小型低外形Z轴线圈。这些解决方案无一适合被集成到智能手机中。即使利用低外形纳米结晶芯或非晶(amorphous，无定形)芯(类似Hitachi Metals所提供的芯)，也没有达到总表面目标。
其它已知的文献是，Z绕组被卷绕，而不将所述Z绕组包括在单片磁芯的周边凹部中，但此解决方案不能提供超过50mV/Amv的Z绕组的良好灵敏度。
因此，以上引用的文献和其它类似文献均未提供一种解决方案，该解决方案可以被小型化，以提供具有Z绕组中具有良好灵敏度的超低外形天线。
专利申请EP1738280公开了一种提供用于集成在移动电话中的超低外形三轴式LF天线的解决方案，其中，小型磁芯用线圈在三个交叉轴向上被卷绕在绕组凹槽中，并且其中，天线还包括第一软磁片，第一软磁片垂直于Z轴(Z)并附接至磁芯的四个角部突起的平坦面，所述平坦面垂直于Z轴(Z)，并且X绕组线圈(DX)和Y绕组线圈(DY)被所述第一软磁片部分地覆盖，第一软磁片在X轴方向和Y轴方向上具有覆盖Z绕组线圈DZ的尺寸，从而为Z绕组(DZ)提供了限制边缘，使得获得Z绕组线圈(DZ)的灵敏度提高且天线在Z轴(Z)方向上的厚度减小。
本发明提供另一种基于非常小的扁平鼓状形状磁芯的替代结构，以及一种超低外形低频天线的制造方法，包括所述小型磁芯的制造。
发明内容
根据本发明的第一方面，本发明涉及一种用于集成在移动电话中、例如集成在智能手机中的超低外形三轴式低频天线。
如前所述，在移动电话中包含三轴式低频天线，需要减小天线的厚度同时保持其性能并且不增加天线的其它尺寸。还必须提高天线的抗弯曲性。
所提出的超低外形三轴式低频天线包括(如本领域已知的)：
扁平磁芯，由软磁非导电材料制成，在三个交叉轴向上具有线圈绕组通道，三个交叉轴向限定出相互正交的X轴(X)、Y轴(Y)和Z轴(Z)，其中：
磁芯包括平坦的中心区域和绕所述中心区域彼此间隔开的四个角部突起，所述角部突起在其之间限定绕X轴(X)环绕中心区域的X线圈绕组通道，以及绕Y轴(Y)环绕中心区域的Y线圈绕组通道，其中，X线圈绕组通道和Y线圈绕组通道处于不同高度；
Z线圈绕组通道绕Z轴(Z)环绕磁芯，所述Z线圈绕组通道由一不连续凹槽限定，该不连续凹槽被限制在垂直于Z轴(Z)的两个平行表面之间，从而例如提供一矩形横截面，所述不连续凹槽包括四个局部凹槽，每个局部凹槽被包含在多个角部突起之一中，X线圈绕组通道、Y线圈绕组通道及Z线圈绕组通道是相互正交的；
X线圈(DX)绕所述X轴(X)被卷绕为包含在所述X线圈绕组通道内部，Y线圈(DY)绕所述Y轴(Y)被卷绕为包含在所述Y线圈绕组通道内部，且Z线圈(DZ)绕所述Z轴线(Z)被卷绕为包含在所述Z线圈绕组通道内部，其中，这些线圈中的每个包括导电线；以及
X线圈(DX)、Y线圈(DY)以及Z线圈(DZ)由导线制成，且各自具有连接至相应的电连接端子的导线入口和导线出口。
这种多个线圈环绕磁芯的相互正交的线圈绕组通道的设置确定了：当电磁场穿过上述的X、Y和Z线圈(DX、DY、DZ)时，根据法拉第定律，每根线末端之间会产生电位。
专业人员将会意识到，当电流通过上述X线圈、Y线圈和Z线圈循环时，所述结构也将产生电磁场，其电磁场矢量与每个绕组的轴线同轴。
上述特征提供了一种三轴式天线，该天线可被优化用于信号的低频范围、优选地在30kHz至300kHz的范围内。
从这种已知的磁芯结构以及其上线圈的正交设置出发，本发明提出了一系列改进，以实现设计天线以最小化其尺寸、特别是最小化其高度并允许将其有效集成到智能手机内的上述目的。
为此目的，根据本发明：
-磁芯在所述Z轴(Z)方向上的厚度小于1.2mm且优选地小于1mm；
-每个不连续凹槽窄且深，每个不连续凹槽在所述Z轴(Z)方向上的宽度等于或小于0.4mm(优选地0.3mm)，且每个不连续凹槽在垂直于Z轴(Z)方向的径向方向上的深度至少为其宽度的两倍；以及
所述Z线圈(DZ)插入窄且深的所述凹槽中地被卷绕在所述Z线圈绕组通道内部，且从所述凹槽的深度的三分之一径向地延伸至三分之二，且在所述Z线圈绕组通道中卷绕的Z线圈的外边缘与凹槽的入口保持一距离，以使得线圈绕组通道的平行表面以悬臂方式延伸超出所述外边缘，故因关于Z轴(Z)的横截面扩大而有助于增大Z线圈的灵敏度。
在一实施例中，所述Z线圈的内边缘与所述X线圈和Y线圈保持一定距离。
在一特定实施例中，所述构造、或本文中描述的额外构造提供具有超过50mV/Amv的灵敏度的Z绕组。
与本发明中引用的US7042411和US2013033408所公开的解决方案相反，并没有使用附接至磁芯的基座或绕线架；因此电连接端子直接被附接至所述角部突起的平坦表面。通过这种方式，天线在高度方面的厚度甚至得到进一步减少。
在一实施例中，天线通过电绝缘树脂涂覆来封装，从而提供了涂覆厚度介于0.2mm与0.3mm之间的壳体。只有连接端子将部分地不被所述电绝缘材料覆盖。连接端子可相对电绝缘材料被折叠，从而限定与天线的壳体重叠的连接端子。
用于X线圈、Y线圈和Z线圈的导线可为耐温高达220℃的绝缘高耐热线(这是为下面将要描述的制造方法所需要的)，且直径可处于0.020mm-0.040mm之间的范围内。
磁芯在X轴和Y轴方向上的延伸优选地等于或小于140mm2。作为优选或特定实施例，这一尺寸为10.60mm×11.60mm。
天线在Z轴方向上的厚度优选地等于或小于1.4mm，即小于1.6mm，其是可被包含在常规移动电话中的元件的最大厚度。
优选地，磁芯是高密度铁氧体芯。甚至更优选地，磁芯是镍锌合金或锰锌合金制成的铁氧体芯。
在第二方面中，本发明涉及一种超低外形低频天线的制造方法，用以制造前述本发明第一方面的三轴式天线。如本领域已知的，此方法包括：
通过以下步骤获得磁芯：
在模具中对软磁非导电材料的非晶粉末进行压制，以使扁平鼓状磁芯成形，该磁芯包括平坦的中心区域和绕所述中心区域彼此间隔开的四个角部突起，所述角部突起在其之间限定出绕所述X轴(X)环绕所述中心区域的X线圈绕组通道，以及绕所述Y轴(Y)环绕所述中心区域的Y线圈绕组通道；
通过对压制后的扁平磁芯的切割或锯割工艺产生绕Z轴(Z)环绕磁芯的Z线圈绕组通道，所述Z线圈绕组通道由被限制在芯的上下两个表面之间的一不连续凹槽所限定，且该不连续凹槽包括四个不连续凹槽，每个不连续凹槽被包含在角部突起之一中；
烘箱烧结磁芯以使其产生结晶、收缩和硬化；
设置X线圈(DX)绕所述X轴(X)被卷绕为包含在所述X线圈绕组通道内部，Y线圈(DY)绕所述Y轴(Y)被卷绕为包含在所述Y线圈绕组通道内部，且Z线圈(DZ)绕所述Z轴(Z)被卷绕为包含在所述Z线圈绕组通道内部；以及
将所述X线圈、Y线圈和Z线圈中的每个的导线入口和导线出口连接至相应的连接端子。
不同于本领域中已知的提议，在本提议的方法中，为了获得具有前述尺寸和构造的磁芯，四个不连续凹槽中的每个都切入磁芯内并且在烘箱烧结工艺之前，在与Z轴(Z)重合的径向剖面中具有梯形横截面，所述梯形横截面是在锯割工艺期间由楔形锯产生的，并且所述梯形横截面被限定为在结晶、收缩和硬化之后变成矩形横截面(Z线圈绕组通道的横截面)。
在一实施例中，所述X线圈、Y线圈和Z线圈(由耐温高达220℃且直径为0.020mm-0.040mm的绝缘高耐热线制成)中的每个的导线入口和导线出口通过激光焊接工艺连接至相应的连接端子。
此外，作为制造方法的最后一个步骤，芯与线圈的组件可被嵌入树脂壳体且通过烘箱中回流焊工艺连接至PCB。出于这一原因，用于线圈的导电线必须能够承受高达200℃的温度(即使它们是短期的)。
本发明的其它特征会在实施例的以下详细描述中展现。
附图说明
由以下参照附图对于实施例所作的应被视为说明性而非限制性的详细描述，将会更充分地理解前述和其它的优点和特征，附图中：
图1示出本发明的低外形天线的第一立体图。
图2为磁芯的第二立体图，其示出相对置的较大面。
图3和图4示出磁芯与提供连接端子的引线框架的关联，图4示出芯在引线框架的容纳空间中的最终设置。
图5是立体图，示出由引线框架设置延伸片，来提供与磁芯相关的连接端子。
图6是立体图，其与图5等效，但包括绕X线圈绕组通道卷绕的第一X线圈。
图7是立体图，其与图5等效，但包括分别绕X线圈绕组通道和Y线圈绕组通道卷绕的X线圈和Y线圈两者。
图8示出另一立体图，其与图5至图7等效，但此情况下，X线圈，Y线圈和Z线圈三者分别绕X线圈绕组通道、Y线圈绕组通道和Z线圈绕组通道来卷绕。
图9是与图8相同的附图，但是从底部看，示出了引线框架的延伸片(由此将形成连接端子)的布局。
图10示出芯与延伸片的组件，芯被环氧树脂层所覆盖，而图11是等效图，但是从顶部看。
图12与图10等效，但其中延伸片被切割从而提供了8个连接端子。
图13是与图12等效的附图，但是其中连接端子相对由环氧树脂涂覆所提供的壳体本体被折叠。
具体实施方式
由以下参照附图对于实施例所作的应被视为说明性而非限制性的详细描述，将会更充分地理解前述和其它的优点和特征，其中：
图1和图2示出所提出的超低外形天线的磁芯10，该磁芯由软磁非导电材料制成，软磁非导电材料例如为镍锌合金制成的或锰锌合金制成的铁氧体，芯10在三个相互正交的交叉轴向上具有线圈绕组通道12X、12Y和12Z。
磁芯10包括中心区域12和四个角部突起11，这四个角部突起绕所述中心区域12彼此间隔开。角部突起11在它们之间限定出：X线圈绕组通道12X，其绕X轴X环绕中心区域12；Y线圈绕组通道12Y，其绕Y轴Y环绕芯的中心区域12；以及Z线圈绕组通道12Z，其绕Z轴Z环绕磁芯10，X线圈绕组通道12X、Y线圈绕组通道12Y以及Z线圈绕组通道12Z相互正交。
Z线圈绕组通道12Z由一不连续凹槽限定，该不连续凹槽被限制在芯10的两个平行的上表面和下表面之间，以提供矩形横截面，这两个平行的上表面和下表面垂直于Z轴Z，该不连续凹槽包括四个局部凹槽40，每个局部凹槽被包含在角部突起11之一中。
如图6、图7和图8所示，X线圈DX绕X轴X被卷绕为包含在X线圈绕组通道12X内部，Y线圈DY绕Y轴Y被卷绕为包含在所述Y线圈绕组通道12Y内部，且Z线圈DZ绕所述Z轴Z被卷绕为包含在所述Z线圈绕组通道12Z内部。
X线圈DX、Y线圈DY以及Z线圈DZ由导线制成，并且各自具有连接至相应连接端子30的导线入口和导线出口。
根据本发明的指导，实现的是以下特殊特征：
首先，磁芯10在Z轴Z方向上的厚度小于1.2mm且优选地等于或小于1mm。
每个局部凹槽40窄且深，每个局部凹槽40在Z轴Z方向上的宽度等于或小于0.4mm，且优选地大约0.3mm，并且每个局部凹槽40在垂直于Z轴Z方向的径向方向上的深度至少为该局部凹槽的宽度的两倍。
同样，Z线圈DZ在所述Z线圈绕组通道12Z内部被卷绕为插入所述窄且深的凹槽40中，且从凹槽40的深度的1/3径向地延伸至2/3。在Z线圈绕组通道12Z中卷绕的Z线圈的外边缘与凹槽40的入口保持一定距离(见图8和图9)，使得上述平行表面以悬臂方式延伸超出所述外边缘。
如同在图8和图9中也可看到的，所述Z线圈的内边缘与所述X线圈和Y线圈保持一定距离。
用于线圈的导线是绝缘高耐热线，其最高可承受220℃且直径被包含在0.020mm-0.040mm之间的范围内。
如同在图1和图2可看到的，位于芯10的较大面之一中的中心区域之一包括凹部，该凹部限定X线圈绕组通道12X，而另一相对置的中心区域(见图2)是平坦的。这样允许磁芯被制造而没有在该中心部分中破裂的风险，这是因为该中心部分具有大约0.60mm的总厚度。考虑到绝缘导线的小直径以及X线圈和Y线圈各自在宽度上的发展，可以避免芯的较大面之一中没有用于X线圈的凹部，这是因为叠置卷绕的线圈DX和线圈DY不会导致过度膨胀。
如图5至图9所示，连接端子30直接被附接至所述角部突起的平坦表面。
图3和图4示出芯10如何附接至引线框架50，该引线框架已被切出一些延伸片51，连接端子30将由这些延伸片通过切割来获得。
芯10与其线圈DX、DY和DZ通过绝缘树脂涂覆60来封装，该绝缘树脂涂覆的涂覆厚度介于0.2mm与0.3mm之间。这可在图10至图13中看到。
图12和图13示出连接端子30相对电绝缘材料被折叠，限定出与天线的壳体60的下凹部分61重叠的连接端子。
本发明的第二方面涉及一种超低外形低频天线的制造方法，该方法根据已知工序包括：
通过以下步骤获得磁芯：
在模具中对软磁非导电材料的非晶粉末进行压制，以使所述磁芯10成形，所述磁芯包括平坦的中心区域12和绕所述中心区域12彼此间隔开的四个角部突起11，所述角部突起11在其之间限定出绕所述X轴X环绕所述中心区域12的X线圈绕组通道12X，以及绕所述Y轴Y环绕所述中心区域12的Y线圈绕组通道12Y；
通过切割或锯割工艺产生绕Z轴Z环绕磁芯10的Z线圈绕组通道12Z，所述Z线圈绕组通道12Z由被限制在芯10的上下两个表面之间的不连续凹槽所限定，所述不连续凹槽包括四个局部凹槽40，每个局部凹槽被包含在角部突起11之一中；
烘箱烧结磁芯10使其产生结晶、收缩和硬化；
设置X线圈DX绕所述X轴X被卷绕为包含在所述X线圈绕组通道12X内部，Y线圈DY绕所述Y轴Y被卷绕为包含在所述Y线圈绕组通道12Y内部，且Z线圈DZ绕所述Z轴Z被卷绕为包含在所述Z线圈绕组通道12Z内部；以及
将所述X线圈、Y线圈和Z线圈中的每个的导线入口和导线出口连接至相应的连接端子30。
根据本发明且主要为了制造具有前述尺寸和构造的磁芯的目的，在进行烘箱烧结工艺之前，磁芯10的四个局部凹槽40中的每个被切割成在与Z轴Z重合的径向剖面中具有梯形横截面，所述梯形横截面是在锯割工艺期间由楔形锯产生的，所述梯形横截面被限定为在结晶、收缩和硬化之后，由于烘箱烧结工艺而最终呈矩形横截面的形状。
]此外，所述X线圈DX、Y线圈DY和Z线圈DZ中的每个的导线入口和导线出口至相应的连接端子30的连接可通过激光焊接工艺执行。
作为最后的步骤，芯10与线圈DX、DY和DZ的组件可被嵌入树脂壳体60中且通过烘箱中的回流焊工艺连接至PCB(未示出)。
本发明的超低外形三轴式天线经过特别设计，用于将其集成在智能手机中，特别是作为无钥匙系统运行。因此，集成了所提出的天线的移动电话(或其它便携式计算机设备)还将包括被安装在其中的软件应用程序，以提供用户界面，用于控制所提出的超低外形三轴式低频天线的运行。
应理解的是，本发明的一个实施例的各个部分可以与其它实施例中描述的部分自由地组合，即使所述组合没有被明确描述，只要这种组合没有危害即可。
本发明的范围由所附权利要求组限定。
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