JP4775442B2 - 電磁結合モジュール付き物品 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁結合モジュール付き物品、特に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに用いられる無線ＩＣデバイス用の電磁結合モジュールを備えた物品に関する。
近年、物品の管理システムとして、誘導電磁界を発生するリーダライタと、物品に付され、所定の情報を記憶した無線タグ（以下、無線ＩＣデバイスと称する）とを非接触方式で通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが開発されている。
このＲＦＩＤシステムに使用される無線ＩＣデバイスとしては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。このデバイスは、必要な情報を記録した無線ＩＣチップと、アンテナとの整合をとるための整合回路、ケースなどの部品から構成されている。これらの部品は樹脂や金属などで作製されているため、デバイスが付された物品が廃棄されるときにデバイスも同時に廃棄されることになり、環境破壊、汚染の原因となっている。また、飲食物の包装や容器に貼り付けられたデバイスが飲食物に混入して誤飲してしまうと、人体に悪影響を与えるおそれを有している。
特開２００２−６３５５７号公報
そこで、本発明の目的は、環境や人体への悪影響を極力防止することのできる、無線ＩＣデバイスに用いられる電磁結合モジュール付き物品を提供することにある。
以上の目的を達成するため、本発明に係る電磁結合モジュール付き物品は、
無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップと接続され、インダクタンス素子を含む給電回路を設けた給電回路基板とを備えた、無線ＩＣデバイスに用いられる電磁結合モジュールと、
前記電磁結合モジュールが取り付けられており、該電磁結合モジュールの前記給電回路から電磁結合を介して供給された送信信号を放射する、及び／又は、受け取った受信信号を電磁結合を介して前記給電回路に供給する放射板と、
を備え、
前記無線ＩＣチップと前記給電回路基板の少なくともいずれか一方を生分解性プラスチックにより形成したこと、
を特徴とする。
前記生分解性プラスチックは、植物由来の脂肪族系プラスチック、天然物系プラスチック及び微生物系プラスチックのいずれかを用いることができる。これらの生分解性プラスチックは廃棄されても自然に還元されて環境破壊、汚染を引き起こすことがなく、また、誤飲しても人体への悪影響のおそれはない。
本発明に係る電磁結合モジュールにおいて、前記給電回路基板は複数の生分解性プラスチック層を積層してなる多層基板であってもよく、あるいは、生分解性プラスチックの単層基板であってもよい。インダクタンス素子は、多層基板にあってはその表面及び／又は内部に形成され、単層基板にあってはその表面に形成される。また、これらの基板はリジッドであってもフレキシブルであってもよい。フレキシブルであれば物品への取付けが容易になる。
また、前記放射板は、物品そのものが本来有している金属物であってもよく、飲食物又は薬品を内容物とする包装材又は容器であってもよい。
本発明によれば、無線ＩＣチップと給電回路基板の少なくともいずれか一方を生分解性プラスチックにより形成したため、環境破壊、汚染を引き起こすこと及び誤飲した場合の人体への悪影響のおそれを極力防止することができる。
以下、本発明に係る電磁結合モジュール付き物品の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施例において共通する部品、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
（第１実施例、図１〜４参照）
第１実施例である電磁結合モジュール１Ａは、図１及び図２に示すように、モノポールタイプの放射板２０を備えた無線ＩＣデバイスを構成するもので、無線ＩＣチップ５と、上面に無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０とで構成され、給電回路基板１０は放射板２０上に接着層１８にて貼着されている。無線ＩＣチップ５は、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路を含み、必要な情報がメモリされており、給電回路基板１０に内蔵された給電回路１６と電気的に接続されている。
給電回路基板１０は、多層基板に給電回路１６を内蔵したもので、給電回路１６は所定の周波数を有する送信信号を放射板２０に供給するための回路、及び／又は、放射板２０で受けた信号から所定の周波数を有する受信信号を選択し、無線ＩＣチップ５に供給するための回路として機能し、送受信信号の周波数で共振する共振回路を備えている。
即ち、給電回路基板１０に内蔵された給電回路１６は、図２及び図３に示すように、インダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子ＣとでＬＣ直列共振回路からなり、インダクタンス素子Ｌを構成するコイル状電極は、その巻回軸が放射板２０と垂直に形成され、給電回路１６は放射板２０と主として磁気的に結合している。
給電回路基板１０は、詳しくは、図４の分解斜視図に示すように、以下に詳述する生分解性プラスチックからなるシート３１Ａ〜３１Ｆを積層、接着、圧着したもので、接続用電極３２とビアホール導体３３ａを形成したシート３１Ａ、キャパシタ電極３４ａとビアホール導体３３ｂを形成したシート３１Ｂ、キャパシタ電極３４ｂとビアホール導体３３ｃ，３３ｂを形成したシート３１Ｃ、コ字状電極３５ａとビアホール導体３３ｄ，３３ｂを形成したシート３１Ｄ（１枚もしくは複数枚）、コ字状電極３５ｂとビアホール導体３３ｅ，３３ｂを形成したシート３１Ｅ（１枚もしくは複数枚）、コ字状電極３５ｃを形成したシート３１Ｆからなる。
以上のシート３１Ａ〜３１Ｆを積層することにより、ヘリカルの巻回軸が放射板２０と垂直なインダクタンス素子Ｌに対して直列にキャパシタンス素子Ｃが接続されたＬＣ直列共振回路からなる給電回路１６が得られる。キャパシタ電極３４ａはビアホール導体３３ａを介して接続用電極３２に接続され、さらに半田バンプ６を介して無線ＩＣチップ５と接続され、インダクタンス素子Ｌの一端はビアホール導体３３ｂを介して接続用電極３２に接続され、さらに半田バンプ６を介して無線ＩＣチップ５と接続される。
給電回路１６を構成する素子のうち、コイル状電極であるインダクタンス素子Ｌから、磁界を介して、放射板２０に送信信号を給電し、また、放射板２０からの受信信号は、磁界を介して、インダクタンス素子Ｌに給電される。
放射板２０は、磁性体膜あるいはアルミ箔や銅箔などの非磁性体膜からなる長尺体、即ち、両端開放型の金属体であり、フレキシブルな樹脂フィルム２１上に形成されている。この樹脂フィルム２１により無線ＩＣデバイスは日用品、食料品など種々の物品に付され、物流などの管理に用いられる。なお、物品に使用されているアルミニウムなどの金属体自体を放射板として利用することもできる。
即ち、この無線ＩＣデバイスは、図示しないリーダライタから放射される高周波信号（例えば、ＵＨＦ周波数帯）を放射板２０で受信し、放射板２０と主として磁気的に結合している給電回路１６（インダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子ＣからなるＬＣ直列共振回路）を共振させ、所定の周波数帯の受信信号のみを無線ＩＣチップ５に供給する。一方、この受信信号から所定のエネルギーを取り出し、このエネルギーを駆動源として無線ＩＣチップ５にメモリされている情報を、給電回路１６にて所定の周波数に整合させた後、給電回路１６のインダクタンス素子Ｌから、磁界結合を介して放射板２０に送信信号を伝え、放射板２０からリーダライタに送信、転送する。
ここで、給電回路基板１０を構成する生分解性プラスチックについて説明する。生分解性プラスチックとは、自然に分解するプラスチックであり、植物由来の脂肪族系プラスチック、天然物系プラスチック及び微生物系プラスチックが知られている。植物由来の脂肪族系プラスチックは、原料が植物系であって、ポリ乳酸が代表的なものである。天然物系プラスチックは、澱粉に化学合成系ＢＤＰ（生分解性プラスチック）を混ぜて物性を改良したもので、イタリアノバモント社製ＭａｔｅｒＢｉ、日本コーンスターチ社製コンポールの使用が可能である。微生物系プラスチックは、微生物に餌（澱粉、炭水化物など）を与え、菌体内に生分解性ポリマーを生成させ、分離精製したものであり、近年は遺伝子組み換え技術に依拠して植物細胞内に生成させることも行われている。
この種の生分解性プラスチックにより給電回路基板１０を形成することで、電磁結合モジュール１Ａが物品とともに廃棄されたりしても、環境への悪影響を少なくすることができる。また、食品や薬品を内容物とする包装材又は容器に電磁結合モジュール１Ａを貼り付けた場合、該電磁結合モジュール１Ａが放射板２０から剥がれて食品に混入し、誤飲したとしても、人体に及ぼす悪影響が少ない。無線ＩＣチップ５の基板も生分解性プラスチックで形成することができ、この場合は自然や人体への悪影響をより一層排除できる。
なお、給電回路１６を構成するインダクタンス素子やキャパシタンス素子などは、誤飲しても人体に影響のない銀など低温で硬化する導電ペーストにて形成することが好ましい。
また、給電回路１６と放射板２０との結合は、磁界を介しての結合が主であるが、電界を介しての結合が存在していてもよい（電磁界結合）。
さらに、給電回路基板１０はリジッドであってもフレキシブルであってもよい。リジッドであれば製造時の取扱いが容易であるし、フレキシブルであれば無線ＩＣデバイスの物品への取付けが容易になる。
なお、第１実施例において（他の実施例でも同様であるが）、共振回路は無線ＩＣチップ５のインピーダンスと放射板２０のインピーダンスを整合させるためのマッチング回路を兼ねていてもよい。あるいは、給電回路基板１０は、インダクタンス素子やキャパシタンス素子で構成された、共振回路とは別に設けられたマッチング回路をさらに備えていてもよい。共振回路にマッチング回路の機能をも付加しようとすると、共振回路の設計が複雑になる傾向がある。共振回路とは別にマッチング回路を設ければ、共振回路、マッチング回路をそれぞれ独立して設計できる。
（基板の作製、図５参照）
前記給電回路基板１０は、図５に示すように、１単位の給電回路をマトリックス状に配置した親基板１０'を作製し、その後、点線で示すように親基板１０'を切り分け、１単位の給電回路基板１０とする。このように、量産工程においては、広い面積の親基板から個々の回路基板を切り出す作製方法は、以下に説明する他の実施例においても同様である。
（第２実施例、図６〜図８参照）
第２実施例である電磁結合モジュール１Ｂは、図６に示す等価回路を備え、給電回路１６は互いに同相で磁気結合されているインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を備え、インダクタンス素子Ｌ１はキャパシタンス素子Ｃ１ａ，Ｃ１ｂを介して無線ＩＣチップ５と接続され、かつ、キャパシタンス素子Ｃ２ａ，Ｃ２ｂを介してインダクタンス素子Ｌ２と並列に接続されている。換言すれば、給電回路１６は、インダクタンス素子Ｌ１とキャパシタンス素子Ｃ１ａ，Ｃ１ｂとからなるＬＣ直列共振回路と、インダクタンス素子Ｌ２とキャパシタンス素子Ｃ２ａ，Ｃ２ｂとからなるＬＣ直列共振回路を含んで構成されており、各ＬＣ直列共振回路は図６に示す相互インダクタンスＭによって結合されている。そして、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２の双方が放射板２０と磁気的に結合している。
給電回路基板１００は、詳しくは、図７の分解斜視図に示すように、前述した生分解性プラスチックからなるシート８１Ａ〜８１Ｈを積層、接着、圧着した積層体で、無地のシート８１Ａ、環状電極８２ａ，８２ｂとビアホール導体８３ａ，８３ｂ，８４ａ，８４ｂを形成したシート８１Ｂ、環状電極８２ａ，８２ｂとビアホール導体８３ｃ，８４ｃ，８３ｅ，８４ｅを形成したシート８１Ｃ、環状電極８２ａ，８２ｂとビアホール導体８３ｄ，８４ｄ，８３ｅ，８４ｅを形成したシート８１Ｄ、キャパシタ電極８５ａ，８５ｂとビアホール導体８３ｅを形成したシート８１Ｅ、キャパシタ電極８６ａ，８６ｂを形成したシート８１Ｆ、無地のシート８１Ｇ、裏面にキャパシタ電極８７ａ，８７ｂを形成したシート８１Ｈからなる。
以上のシート８１Ａ〜８１Ｈを積層することにより、環状電極８２ａがビアホール導体８３ｂ，８３ｃを介して接続されてインダクタンス素子Ｌ１が形成され、環状電極８２ｂがビアホール導体８４ｂ，８４ｃを介して接続されてインダクタンス素子Ｌ２が形成される。キャパシタ電極８６ａ，８７ａにてキャパシタンス素子Ｃ１ａが形成され、キャパシタ電極８６ａはビアホール導体８３ｅを介してインダクタンス素子Ｌ１の一端に接続されている。キャパシタ電極８６ｂ，８７ｂにてキャパシタンス素子Ｃ１ｂが形成され、キャパシタ電極８６ｂはビアホール導体８３ｄを介してインダクタンス素子Ｌ１の他端に接続されている。さらに、キャパシタ電極８５ａ，８６ａにてキャパシタンス素子Ｃ２ａが形成され、キャパシタ電極８５ａはビアホール導体８４ｅを介してインダクタンス素子Ｌ２の一端に接続されている。キャパシタ電極８５ｂ，８６ｂにてキャパシタンス素子Ｃ２ｂが形成され、キャパシタ電極８５ｂはビアホール導体８４ｄを介してインダクタンス素子Ｌ２の他端に接続されている。
本第２実施例の作用効果は基本的に前記第１実施例と同様であり、生分解性プラスチックにより給電回路基板１００及び／又は無線ＩＣチップ５を形成することで、環境や人体への悪影響を少なくすることができる。また、この電磁結合モジュール１Ｂは、図示しないリーダライタから放射される高周波信号（例えば、２〜３０ＭＨｚ周波数帯、あるいは、ＵＨＦ周波数帯）を放射板２０で受信し、放射板２０と主として磁気的に結合している給電回路１６（インダクタンス素子Ｌ１とキャパシタンス素子Ｃ１ａ，Ｃ１ｂからなるＬＣ直列共振回路及びインダクタンス素子Ｌ２とキャパシタンス素子Ｃ２ａ，Ｃ２ｂからなるＬＣ直列共振回路）を共振させ、所定の周波数帯の受信信号のみを無線ＩＣチップ５に供給する。一方、この受信信号から所定のエネルギーを取り出し、このエネルギーを駆動源として無線ＩＣチップ５にメモリされている情報を、給電回路１６にて所定の周波数に整合させた後、給電回路１６のインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２から磁界結合を介して放射板２０に送信信号を伝え、放射板２０からリーダライタに送信、転送する。
特に、本第２実施例では、図８に示すように、反射特性における帯域幅Ｘ（−５ｄＢの帯域幅）が１５０ＭＨｚ以上の非常に広い周波数帯域を実現している。これは、給電回路１６を互いに高い結合度をもって磁気結合するインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を含む複数のＬＣ共振回路にて多段化して構成したことに起因する。また、無線ＩＣチップ５の後段にキャパシタンス素子Ｃ１ａ，Ｃ１ｂが挿入されているため、耐サージ性能が向上する。
さらに、本第２実施例では、広帯域化が実現されているため、整合回路を含む給電回路基板１００を生分解性プラスチックのような温度特性の悪い材料で作製したとしても、温度による共振周波数の変化を吸収することができる。
（第３実施例、図９及び図１０参照）
第３実施例である電磁結合モジュール１Ｃは、給電回路基板１１０を前述した生分解性プラスチックからなる単層基板で構成したものであり、その等価回路は図１０に示すとおりである。即ち、給電回路１６はインダクタンス素子Ｌの両端にキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２が接続されたＬＣ直列共振回路にて構成されている。給電回路基板１１０の表面にはキャパシタ電極１１１ａ，１１１ｂが形成され、裏面にはキャパシタ電極１１２ａ，１１２ｂとスパイラル状電極１１３が形成されている。キャパシタ電極１１１ａ，１１２ａにてキャパシタンス素子Ｃ１が形成され、キャパシタ電極１１１ｂ，１１２ｂにてキャパシタンス素子Ｃ２が形成される。
本第３実施例の作用効果は基本的に前記第１及び第２実施例と同様であり、生分解性プラスチックにより給電回路基板１１０及び／又は無線ＩＣチップ５を形成することで、環境や人体への悪影響を少なくすることができる。また、この電磁結合モジュール１Ｃは、図示しないリーダライタから放射される高周波信号（例えば、ＵＨＦ周波数帯）を放射板２０で受信し、放射板２０と主として磁気的に結合している給電回路１６（インダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２からなるＬＣ直列共振回路）を共振させ、所定の周波数帯の受信信号のみを無線ＩＣチップ５に供給する。一方、この受信信号から所定のエネルギーを取り出し、このエネルギーを駆動源として無線ＩＣチップ５にメモリされている情報を、給電回路１６にて所定の周波数に整合させた後、給電回路１６のインダクタンス素子Ｌから、磁界結合を介して放射板２０に送信信号を伝え、放射板２０からリーダライタに送信、転送する。
（第４実施例、図１１参照）
第４実施例は、図１１に示すように、医薬品のパッケージ４４０，４４５のアルミフィルム４４１，４４６を放射板として利用している。パッケージ４４０は顆粒状医薬用であり、パッケージ４４５はタブレット状医薬用である。電磁結合モジュール１Ａ（１Ｂ，１Ｃであってもよい）は、給電回路がアルミフィルム４４１，４４６と電磁結合し、ＲＦＩＤシステムのリーダライタと交信する。本第４実施例において、電磁結合モジュール１Ａは物流管理に使用される以外に、正規／不正医薬の識別をパッケージ単位で可能としている。
（他の実施例）
なお、本発明に係る電磁結合モジュール付き物品は、前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
例えば、給電回路基板の構成や給電回路の回路構成は任意であり、また、電磁結合モジュールは市場に流通するあらゆる物品に取り付けることができる。
以上のように、本発明は、電磁結合モジュール付き物品に有用であり、特に、環境や人体への悪影響を防止できる点で優れている。
第１実施例である電磁結合モジュールを備えた無線ＩＣデバイスを示す斜視図である。 第１実施例である電磁結合モジュールを備えた無線ＩＣデバイスを示す断面図である。 第１実施例である電磁結合モジュールの等価回路図である。 第１実施例である電磁結合モジュールを構成する給電回路基板を示す分解斜視図である。 前記給電回路基板の製造工程途中を示す斜視図である。 第２実施例である電磁結合モジュールの等価回路図である。 第２実施例である電磁結合モジュールを構成する給電回路基板を示す分解斜視図である。 第２実施例である電磁結合モジュールの反射特性を示すグラフである。 第３実施例である電磁結合モジュールを示す分解斜視図である。 第３実施例である電磁結合モジュールの等価回路図である。 第４実施例である電磁結合モジュール付き物品を示す斜視図である。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…電磁結合モジュール
５…無線ＩＣチップ
１０，１００，１１０…給電回路基板
２０…放射板
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２…インダクタンス素子
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２…キャパシタンス素子
４４０，４４５…医薬品パッケージ
４４１，４４６…アルミフィルム

Claims (7)

  1. 無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップと接続され、インダクタンス素子を含む給電回路を設けた給電回路基板とを備えた、無線ＩＣデバイスに用いられる電磁結合モジュールと、
    前記電磁結合モジュールが取り付けられており、該電磁結合モジュールの前記給電回路から電磁結合を介して供給された送信信号を放射する、及び／又は、受け取った受信信号を電磁結合を介して前記給電回路に供給する放射板と、
    を備え、
    前記無線ＩＣチップと前記給電回路基板の少なくともいずれか一方を生分解性プラスチックにより形成したこと、
    を特徴とする電磁結合モジュール付き物品。
  2. 前記生分解性プラスチックは、植物由来の脂肪族系プラスチック、天然物系プラスチック及び微生物系プラスチックのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電磁結合モジュール付き物品。
  3. 前記給電回路基板は複数の生分解性プラスチック層を積層してなる多層基板であり、
    前記インダクタンス素子は前記多層基板の表面及び／又は内部に形成されていること、
    を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁結合モジュール付き物品。
  4. 前記給電回路基板は生分解性プラスチックの単層基板であり、
    前記インダクタンス素子は前記単層基板の表面に形成されていること、
    を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁結合モジュール付き物品。
  5. 前記給電回路基板はフレキシブルであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電磁結合モジュール付き物品。
  6. 前記放射板は物品そのものが本来有している金属物であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電磁結合モジュール付き物品。
  7. 前記放射板は、飲食物又は薬品を内容物とする包装材又は容器であることを特徴とする請求項６に記載の電磁結合モジュール付き物品。
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