接近型天線和無線通信機的製作方法

2023-05-04 02:02:11 2

專利名稱：接近型天線和無線通信機的製作方法
技術領域：
本發明涉及接近型天線和搭載有該接近型天線的無線通信機。
背景技術：
近年來，便攜電話等小型無線設備的高性能化非常驚人，與非接觸型IC卡(例如，
依據NFC(Near Field Communication :近場通信)標準的IC卡。具體而言為MIFARE(注
冊商標)或Felica(註冊商標)等)對應的小型無線設備也已經上市。在這種小型無線設
備中，搭載有MHz頻帶的頻率上的非接觸通信用天線(以下稱作接近型天線)。 作為接近型天線，一般使用在印刷基板上通過蝕刻加工而形成的幾匝螺旋線圈
(例如參照專利文獻1)。設為幾匝是因為在少於幾匝的匝數時不能得到充分的通信特性。
另外，還公知有在小型無線設備的殼體內面巻繞幾次金屬絲而作為接近型天線的例子，但
是存在形狀容易變形、天線特性容易產生波動和通信距離變短的情況等。 轉變話題而言，作為諧振器的一種結構，公知有稱作交叉指型耦合的結構。該結構
鄰近排列一對板狀的諧振器，使各個開放端(信號供給端)和短路端彼此相對，具有以下特
徵以諧振器單體的諧振頻率為中心，分離為高低(以下將該分離的狀態稱作混合諧振模
式)。在交叉指型耦合諧振器中，通過將較低的諧振頻率設為工作頻率，與在單體中進行使
用的情況相比能夠減短各諧振器的長度，並且能夠得到良好的平衡特性。此外，導體損耗也
變少。在專利文獻2的
段
段中，詳細說明了以上情況。 專利文獻1 :日本特開2005-93867號公報 專利文獻2 :日本特開2007-60618號公報 但是，伴隨小型無線設備的高性能化，使用部件件數也日益增大。在這種狀況下， 例如，上述接近型天線為縱向40mm、橫向30mm、3匝的布線寬度為4mm時，作為小型無線設備 的搭載部件，佔用面積極大，從而縮小了其他部件的設置場所。不僅如此，還具有以下問題 僅僅是附近(特別是線圈導體的正下方)存在金屬制的部件，就能導致接近型天線的天線 特性惡化，接近型天線成為部件布置上的難題。

發明內容
由此，本發明的一個目的在於，提供一種與以往相比能夠較寬確保其他部件的設 置場所的接近型天線和搭載有該接近型天線的無線通信機。 用於達到上述目的的本發明的接近型天線的特徵在於，具有第1環形天線，其從 信號端朝向接地端沿水平面內的預定方向巻繞而成；以及第2環形天線，其從信號端朝向 接地端沿水平面內的所述預定方向的反方向巻繞而成，在垂直方向上並列設置所述第1環 形天線和所述第2環形天線。 根據本發明，能夠用1匝的布線寬度得到螺旋線圈幾匝的特性。由此，與以往相比 能夠較寬確保其他部件的設置場所。 此外，在上述接近型天線中，也可以還具有基板，該基板由絕緣性材料構成，所述第1環形天線形成在所述基板的一個面上，所述第2環形天線形成在所述基板的另一個面 上。由此，能夠使用基板的兩面，在垂直方向上並列設置第l環形天線和第2環形天線。
此外，在上述接近型天線中，也可以是所述基板具有第1至第3焊盤電極，它們形 成在所述一個面上；第4至第6焊盤電極，它們形成在所述另一個面上；第l通孔導體，其 連接所述第1焊盤電極和所述第4焊盤電極；第2通孔導體，其連接所述第2焊盤電極和所 述第5焊盤電極；以及第3通孔導體，其連接所述第3焊盤電極和所述第6焊盤電極，所述 第1焊盤電極與所述第1環形天線的信號端連接，所述第2焊盤電極與所述第1環形天線 的接地端連接，所述第5焊盤電極與所述第2環形天線的接地端連接，所述第6焊盤電極與 所述第2環形天線的信號端連接。由此，能夠將基板的兩面設為對稱結構，因此容易進行在 通信機內設置接近型天線時的設計。 此外，本發明的無線通信機的特徵在於，搭載上述各接近型天線。 根據本發明，可提供與以往相比能夠較寬確保其他部件的設置場所的接近型天線。


圖1是示出本發明的優選實施方式的接近型天線的概觀的概略立體圖。 圖2(a)和圖2(b)分別是從表面和背面觀察本發明的優選實施方式的接近型天線
而得到的平面圖。 圖3是示出與本發明的優選實施方式的接近型天線的連接關係的示意圖。
圖4(a)是具有彼此交叉指型耦合的諧振器的天線的平面圖。圖4(b)是示出在將 圖4(a)所示的天線的工作頻率設為諧振頻率^時，流過各諧振器的電流和在各諧振器中 產生的電場E的分布的圖。圖4(c)是示出在將圖4(a)所示的天線的工作頻率設為諧振頻 率f2時，流過各諧振器的電流和在各諧振器中產生的電場E的分布的圖。圖4(d)、圖4(e) 都是沿圖4(a)的A-A'線的剖視圖。在圖4(d)中，示出在將圖4(a)所示的天線的工作頻 率設為諧振頻率4時，在各諧振器的周圍產生的磁場H的分布。在圖4(e)中，示出在將圖 4(a)所示的天線的工作頻率設為諧振頻率f2時，在各諧振器的周圍產生的磁場H的分布。
圖5(a)是示出使用本發明的優選實施方式的接近型天線的小型無線通信機的電 路結構的圖。圖5(b)是示出不將接近型天線的各布線圖案的另一端與接地連接時的小型 無線通信機的電路結構的例子的圖。 圖6是示出本發明的優選實施方式的比較例1的接近型天線的概觀的概略立體 圖。 圖7是示出用於確認本發明的優選實施方式的接近型天線的效果的仿真結構的 圖。 圖8是用對數頻率示出仿真得到的"電力輸送效率"的曲線圖。圖8(a)示出包括
工作頻率的比較寬的頻帶，圖8(b)僅示出工作頻率附近的比較窄的頻帶。 圖9(a)是示出本發明的優選實施方式的實施例2的接近型天線的概觀的概略立
體圖。圖9(b)是示出本發明的優選實施方式的比較例2的接近型天線的概觀的概略立體圖。 圖10是示出用於確認本發明的優選實施方式的接近型天線的效果的實驗結構的圖。
圖11是示出使用本發明的優選實施方式的變形例的包括匹配電路的接近型天線 的小型無線通信機的電路結構的圖。
標號說明 10 :接近型天線；11 :基板；lla :凸起；llv :開口部；12、13 :布線圖案；20 22、 30 32 :焊盤電極；40 42 :通孔導體；50 :通信電路主體部；51 :濾波器；52 :匹配電路； 60 :磁片；61 :金屬片；62、63 :讀寫器；64 :匹配電路；65 :通信電路；PL1、PL2 :信號線。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發明的優選實施方式進行詳細說明。 圖1是示出本實施方式的接近型天線10的概觀的概略立體圖。此夕卜，圖2(a)和 圖2(b)分別是從表面和背面觀察接近型天線10而得到的平面圖。此外，圖3是示出與接 近型天線10的連接關係的示意圖。 如圖1和圖2所示，接近型天線10具有具有凸緣狀的凸起lla的大體環狀的基 板11、形成在基板11的表面上的大體環狀的布線圖案12 (第1環形天線)、形成在基板11 的背面上的大體環狀的布線圖案13 (第2環形天線)、形成在凸起lla的表面上的焊盤電極 20 22 (第1至第3焊盤電極)、形成在凸起lla的背面上的焊盤電極30 32 (第4至第 6焊盤電極)和形成在凸起lla上的通孔導體40 42 (第1至第3通孔導體)。
此外，不是必須具有凸緣狀的凸起lla。即，形成焊盤電極的場所不一定是凸起 lla，還可能在例如基板11的環狀部分上形成焊盤電極。 基板11由玻璃環氧樹脂、聚醯亞胺、聚乙烯、芳綸、酚醛紙、環氧紙、聚酯和陶瓷等 絕緣性材料構成。除凸起lla外的基板ll的外形成為長方形。此外，基板ll的中央(用 布線圖案12和13包圍的部分)成為中空的開口部llv。 布線圖案12、13，焊盤電極20 22、30 32以及通孔導體40 42由鋁、銅、銀、 鎳和金等導體材料構成。如後所述，布線圖案12、13構成1匝的環形天線，因此布線圖案 12、 13的導體寬度與布線寬度相等。 從基板11的表面側觀察，布線圖案12構成從一端12a朝向另一端12b在水平面 內沿逆時針方向巻繞的l匝的環形天線(第l環形天線)。兩端12a、12b分別與焊盤電極 20、21連接。此外，從基板11的表面側觀察，布線圖案13構成從一端13a朝向另一端13b 在水平面內沿順時針方向巻繞的l匝的環形天線(第2環形天線)。兩端13a、13b分別與 焊盤電極32、31連接。焊盤電極20和30、焊盤電極21和31、焊盤電極22和32分別設置 在基板11的表背的相互對應的位置上，分別通過通孔導體40 42連接。
如圖3所示，在使用接近型天線10時，一端12a(焊盤電極20)和一端13a(焊盤電 極22)與一對信號線PL1、PL2連接。並且，另一端12b、13b(焊盤電極21)均與接地連接。 列舉信號線PL1、 PL2的具體例子時，能夠列舉在依據NFC(Near Field Communication :近 場通信)標準的IC卡中使用的信號線，更具體而言，在差動傳輸方式(差動方式)中使用 的信號線。此時，接近型天線10可搭載在IC卡或具有IC卡功能的便攜電話等小型無線通 信機上。 如圖3所示，根據以上那樣的結構，布線圖案12的兩端12a、12b分別構成開放端
5(信號供給端)和短路端，布線圖案13的兩端13a、13b分別構成開放端(信號供給端)和 短路端。此外，布線圖案12的開放端和布線圖案13的短路端，布線圖案13的開放端和布 線圖案12的短路端分別相對。S卩，接近型天線10具有與上述的交叉指型耦合諧振器相當 的結構。 此處，針對交叉指型耦合進行詳細說明。 圖4(a)是具有彼此交叉指型耦合的諧振器12、13的天線10的平面圖。圖4(b) 是示出在將天線10的工作頻率設為諧振頻率&時，流過諧振器12、13的電流ipi2和在諧 振器12、13中產生的電場E的分布的圖。圖4(c)是示出在將天線10的工作頻率設為諧振 頻率^時，流過諧振器12、 13的電流ip^和在諧振器12、 13中產生的電場E的分布的圖。 圖4(d)、圖4(e)都是沿圖4(a)的A-A'線的剖視圖。在圖4(d)中，示出在將天線10的工 作頻率設為諧振頻率fl時，在諧振器12、 13的周圍產生的磁場H的分布。另一方面，在圖 4(e)中，示出在將天線10的工作頻率設為諧振頻率f2時，在諧振器12、 13的周圍產生的磁 場H的分布。在圖4(d)、圖4(e)中，還示出了電流ip^的方向。 如圖4(a)所示，天線10具有以下的結構鄰近排列一對諧振器12、13，使各個開 放端(信號供給端)和短路端彼此相對。天線10的諧振頻率^、f2以諧振器單體中的諧振 頻率f。為中心，向高低(諧振頻率fpf》分別分離頻率間隔D，耦合的程度越強，諧振頻率 f" f2越從諧振頻率f。偏離。即，諧振頻率f。和^以及諧振頻率f。和f2的頻率間隔D變 長。 諧振器越短諧振器單體中的諧振頻率f。越高，但是在天線10中，能夠得到更低頻 帶的諧振頻率f2。由此，通過將諧振頻率f2設為工作頻率，與在單體中進行使用的情況相 比能夠減短諧振器12、 13的長度。 而且，將諧振頻率f2設為工作頻率還有其他的優點。在將諧振頻率f2設為工作頻 率時，如圖4(c)所示，流過諧振器12、13的電流i"i2成為相同方向的電流，並且，在諧振器 12和諧振器13中左右對稱的位置上電場E的相位彼此差異180° 。 S卩，反相激勵電磁波， 因此在將諧振頻率f2設為工作頻率的情況下，能夠在平衡特性優異的狀態下傳輸在差動傳 輸方式(差動方式)中使用的平衡信號。即，構成為發送從一對信號線PL1、PL2輸入的平 衡信號來作為電磁波的發送天線，或者構成為從一對信號線PL1、PL2輸出在天線10中接收 到的電磁波來作為平衡信號的接收天線。 此外，如圖4(e)所示，對於在諧振器12、13的周圍產生的磁場H的分布，在將諧振 器12、13視為一個導體的情況下，產生的分布相等。這意味著導體厚度虛擬變厚，由此，導 體損耗變少。 與此相對，在將諧振頻率^設為工作頻率的情況下，不能得到以上的優點。即，在 將諧振頻率^設為工作頻率的情況下，如圖4(b)所示，流過諧振器12、13的電流t、 i2彼 此成為反方向的電流，並且，在諧振器12和諧振器13中電場E的相位變成相同。S卩，同相 激勵電磁波，因此在差動傳輸方式(差動方式)中使用的平衡信號的平衡特性惡化。此外， 如圖4(d)所示，磁場H在諧振器12和諧振器13中彼此抵消，因此電損耗變大。
交叉指型耦合具有以上那樣的特性，因此在接近型天線10中，通過將較低的諧振 頻率f2用作工作頻率，與在單體中進行使用的情況相比，能夠縮短各布線圖案的長度，並且 能夠實現良好的平衡特性和較少的導體損耗。
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此外，為了獲得上述效果，接近型天線10的各布線圖案的另一端12b、13b必須與 接地連接。以下詳細進行說明。 圖5(a)是示出使用接近型天線10的小型無線通信機的電路結構的圖。如該圖所 示，在小型無線通信機上搭載有非接觸型IC卡的主體部50。主體部50具有端子Txl、Tx2， 分別與上述信號線PL1、PL2連接。在信號線PL1、PL2上設置有濾波器51和匹配電路52。
如圖5(a)所示，濾波器51按照各信號線具有LC濾波器，構成LC濾波器的電容設 置在各信號線和接地之間。此外，匹配電路52也按照各信號線具有由兩個電容構成的匹配 電路，分別設置在一個電容與接地之間。此外，如上所述，接近型天線10的各布線圖案的另 一端12b、13b均與接地連接。可以看出通過設為這樣的電路結構，從電路側觀察，布線圖案 12和布線圖案13作為各個天線發揮作用。由此，各布線圖案12、13交叉指型耦合，以各布 線圖案單體中的諧振頻率為中心，將諧振頻率分離為高低。並且由此，如上所述，與在單體 中進行使用的情況相比，能夠縮短各布線圖案的長度，並且能夠實現良好的平衡特性和較 少的導體損耗。 如圖5(b)所示，在接近型天線10的各布線圖案的另一端12b、13b不與接地連接
的情況下，可以看出，從電路側觀察，布線圖案12和布線圖案13作為一個天線發揮作用。由
此，在這種電路結構中，各布線圖案12、 13不交叉指型耦合，不能得到上述效果。 根據以上所說明的接近型天線IO，接近型天線10通過具有與交叉指型耦合相當
的結構，與以往相比能夠縮短布線圖案12、13的長度，並且能夠實現良好的平衡特性和較
少的導體損耗。具體而言，能夠用1匝的布線寬度得到螺旋線圈幾匝的特性。 以下，示出仿真和實驗的結果，並且針對上述效果更具體進行說明。此外，在仿真
中，使用以下說明的實施例1和比較例l，在實驗中，使用以下說明的實施例2和比較例2。 首先，針對仿真進行說明。 圖1和圖2示出實施例1的接近型天線10。在該接近型天線10中，將基板11的 高度hl設為大約40mm，將寬度wl設為大約30mm。此外，將布線圖案12、 13的導體寬度w3 設為大約1.0mm。由此，布線寬度也為大約l.Omm。此外，將構成布線圖案12、 13的銅箔的 厚度設為35ym。此外，將基板ll的空白部分的寬度設為大約O. lmm。由此，基板ll的開 口部llv的大小成為高度h2為大約37. 6mm，寬度w2為大約27. 6mm。 圖6是示出比較例1的接近型天線100的概觀的概略立體圖。該接近型天線100 具有環狀的基板101、和形成在基板101的表面上的螺旋線圈102。螺旋線圈102的兩端 102a、102b與一對信號線(未圖示)連接。基板101的大小與接近型天線IO相同，為大約 40mmX大約30mm，將螺旋線圈102的導體寬度設為大約1. 3mm。此外，將構成螺旋線圈102 的銅箔的厚度設為35 ii m。此外，將螺旋線圈102的線間距離和基板101的空白部分的寬度 設為大約O. lmm。螺旋線圈102有3匝，因此布線寬度比接近型天線IO寬，包括導體間的空 白而成為4. 3mm。此外，基板101的開口部101v的大小為大約31. 4mmX大約21. 4mm。
圖7是示出本仿真的結構的圖。如該圖所示，假定在各接近型天線的基板的背面 側，依次貼上磁片60和金屬片61。這虛擬再現了小型無線通信機內的環境。此外，使市場 有售的RFID讀寫器62與接近型天線10、 100露出的表面接近，在該狀態下向RFID讀寫器 62輸入電力時，使用Anasoft公司的電磁場分析軟體HFSS仿真了傳遞到接近型天線10、 100的電力量。具體而言，仿真了出現在接近型天線10的焊盤電極20、22之間的電力、和
7出現在接近型天線100的一端102a與另一端102b之間的電力。將由此得到的電力值稱作
"電力輸送效率(還稱作電力輸送特性或S21值)"，值越大意味著傳導越多電力。 此外，作為設置在RFID讀寫器62側的天線，使用與接近型天線100相同的螺旋線
圈，其大小為大約104mmX大約67mm。這實際上模擬了用於檢票機的天線。進行了使各天
線的中心軸一致的狀態的仿真。 圖8(a)、圖8(b)是用對數頻率示出本仿真得到的"電力輸送效率"的曲線圖。圖 8(a)示出包括工作頻率&(= 13.56MHz)的比較寬的頻帶，圖8 (b)僅示出工作頻率&附 近的比較窄的頻帶。如該圖所示，在接近型天線IO和接近型天線100中，包括工作頻率& 下的"電力輸送效率"，得到了大致相同的結果。該結果示出通過1匝的布線寬度的接近型 天線IO，能夠得到與螺旋線圈3匝的布線寬度的接近型天線100相同的特性。
接著，對實驗進行說明。 圖9(a)是示出實施例2的接近型天線10的概觀的概略立體圖。雖然未示出背 面，但是與圖2(b)所示的接近型天線10同樣地，形成了布線圖案13等。在該接近型天線 10中，將基板11設為大約35mm見方的正方形。此外，將布線圖案12、13的導體寬度設為 大約1.0mm。由此，布線寬度也為大約l.Omm。此外，將構成布線圖案12、 13的銅箔的厚度 設為35ym。此外，將基板ll的空白部分的寬度設為大約O. lmm。由此，基板ll的開口部 llv的大小為大約32. 6mm見方。 圖9 (b)是示出比較例2的接近型天線100的概觀的概略立體圖。該比較例的接近 型天線100也具有環狀的基板101、和形成在基板101的表面上的螺旋線圈102。螺旋線圈 102的兩端102a、102b與一對信號線(未圖示)連接。將基板101的大小和螺旋線圈102 的導體寬度設為與接近型天線10的大小和寬度相同。即，將基板101的大小設為大約35mm 見方，將螺旋線圈102的導體寬度設為大約1. Omm。此外，將構成螺旋線圈102的銅箔的厚 度設為35iim。此外，將螺旋線圈102的線間距離和基板101的空白部分的寬度設為大約 0. 5mm。螺旋線圈102有4匝，因此布線寬度比接近型天線10寬，包括導體間的空白而成為 6. 5mm。此外，基板101的開口部101v的大小成為大約22mm見方。 圖IO是示出本實驗的結構的圖。如該圖所示，使市場有售的RFID讀寫器63與接 近型天線10、100接近，在該狀態下從RFID讀寫器63輸出了讀取信號。通信電路65經由 匹配電路64安裝在接近型天線10、100上，能夠檢測在接近型天線10、 100中接收到的上述 讀取信號。 此外，作為設置在RFID讀寫器63側的天線，使用與接近型天線IOO相同的螺旋線 圈，其大小為大約54mmX大約35mm。此外，將接近型天線10、 100和RFID讀寫器63側的天 線都設為空芯(沒有金屬等的周圍環境的狀態)，在使各天線的中心軸一致的狀態下進行 了實驗。 以上那樣的實驗的結果是，接近型天線10、100的最大可通信距離分別為56mm、 52mm。因此，能夠理解通過1匝的布線寬度的接近型天線10，能夠得到與螺旋線圈4匝的布 線寬度的接近型天線100同等以上的特性。 如以上說明的那樣，根據接近型天線IO，能夠用1匝的布線寬度得到螺旋線圈幾 匝的特性。由此，與以往相比能夠較寬確保其他部件的設置場所(基板11的開口部llv)。 此外，布線所佔的面積較小，因此背面金屬的影響也變少。
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此外，在接近型天線10中，能夠使用基板11的兩面，在垂直方向上並列設置布線 圖案12和布線圖案13。由此，即使各為1匝，布線寬度也為1匝即可。 此外，將基板11的兩面設為對稱結構，因此容易進行在通信機內設置接近型天線 IO時的設計。 以上，針對本發明的優選實施方式進行了說明，但是本發明絲毫不限於這樣的實 施方式，本發明在不脫離其主旨的範圍內，當然可以利用各種形式進行實施。
例如，在上述實施方式中，在基板11上設置了開口部llv，但是即使不設置開口部 llv，作為接近型天線10的天線特性也不會變化。由此，在依據其他部件的具體的設置形式 和形狀等為不必要的情況下，也可以不設置開口部llv。 此外，匹配電路52的具體電路結構不限於圖5(a)所示的電路結構。在圖11中，示 出了包括另外一個例子的匹配電路52的小型無線通信機的電路結構。將該例子與圖5(a) 所示的例子進行比較時，間插在信號線中的電容、和連接在信號線與接地之間的電容的位 置關係相反。即，在圖5(a)的例子中，前一個電容靠近接近型天線10配置，但是在圖11的 例子中，後一個電容靠近接近型天線10配置。由此，在匹配電路52中能夠採用各種電路結 構。
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權利要求
一種接近型天線，其特徵在於，該接近型天線具有第1環形天線，其從信號端朝向接地端沿水平面內的預定方向卷繞而成；以及第2環形天線，其從信號端朝向接地端沿水平面內的所述預定方向的反方向卷繞而成，在垂直方向上並列設置所述第1環形天線和所述第2環形天線。
2. 根據權利要求l所述的接近型天線，其特徵在於， 該接近型天線還具有基板，該基板由絕緣性材料構成，所述第1環形天線形成在所述基板的一個面上，所述第2環形天線形成在所述基板的 另一個面上。
3. 根據權利要求2所述的接近型天線，其特徵在於， 所述基板具有第1至第3焊盤電極，它們形成在所述一個面上；第4至第6焊盤電極，它們形成在所述另一個面上；第1通孔導體，其連接所述第1焊盤電極和所述第4焊盤電極；第2通孔導體，其連接所述第2焊盤電極和所述第5焊盤電極；以及 第3通孔導體，其連接所述第3焊盤電極和所述第6焊盤電極， 所述第1焊盤電極與所述第1環形天線的信號端連接， 所述第2焊盤電極與所述第1環形天線的接地端連接， 所述第5焊盤電極與所述第2環形天線的接地端連接， 所述第6焊盤電極與所述第2環形天線的信號端連接。
4. 一種無線通信機，其特徵在於，該無線通信機搭載有權利要求1至3中的任意一項所 述的接近型天線。
全文摘要
本發明提供一種與以往相比能夠較寬確保其他部件的設置場所的接近型天線。接近型天線(10)的特徵在於具有布線圖案(12)，其從信號端(12a)朝向接地端(12b)沿水平面內的預定方向卷繞而成；以及布線圖案(13)，其從信號端(13a)朝向接地端(13b)沿水平面內的上述預定方向的反方向卷繞而成，在垂直方向上並列設置布線圖案(12)和布線圖案(13)。由此，能夠用1匝的布線寬度得到螺旋線圈幾匝的特性，因此與以往相比能夠較寬確保其他部件的設置場所。
文檔編號H01Q7/00GK101794933SQ20101011581
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月1日 優先權日2009年1月30日
發明者松浦利典, 福永達也, 米田貞春 申請人:Tdk株式會社