JP5429182B2 - 無線ｉｃデバイス - Google Patents

Description

本発明は、無線ＩＣと放射板とを含んで構成される無線ＩＣデバイス、特に、ＨＦ帯周波数を用いて通信を行うＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに用いられる無線ＩＣデバイスに関する。

近年、物品の管理システムとして、誘導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ＩＣタグ（以下、無線ＩＣデバイスとも称する）とを電磁界を利用した非接触方式で通信し、所定の情報を伝達するＲＦＩＤシステムが開発されている。

このＲＦＩＤシステムに用いられる無線ＩＣタグは、所定の無線信号を処理する無線ＩＣチップと、無線信号の送受信を行う放射板とを備えており、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。

特許文献１に記載の無線ＩＣタグは、多層構造のアンテナパターンとＩＣチップとで構成されている。アンテナパターンは渦巻き状の電極を複数層に形成し、該電極で発生するインダクタンスと、電極間容量及びＩＣチップの容量とで共振回路を構成している。そして、この共振回路の共振周波数が、通信周波数、例えば、１３．５６ＭＨｚになるように設定し、アンテナパターンを介してリーダライタと通信を行う。

しかしながら、前記無線ＩＣタグでは、次の問題点を有している。アンテナパターンは保護膜で覆われているものの、外部に露出した状態になっているため、アンテナパターンで発生する磁界が外部へ漏れ、タグを取り付ける物品の誘電率や形状などの影響によりアンテナパターンのインダクタンス値が変化し、それに伴う共振周波数の変化によって通信不良が発生する。

外部への磁界の漏れを防止し、かつ、インダクタンス値を大きくするためにアンテナパターンをフェライトなどの磁性体内に配置することが考えられるが、アンテナパターンを完全に磁性体内に配置すると、磁界が磁性体内部に閉じ込められて通信が不能になる。

特開２００７−１０２３４８号公報

そこで、本発明の目的は、外部からの影響で共振周波数が変化するおそれがなく、かつ、リーダライタとの確実な通信を図ることのできる無線ＩＣデバイスを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の一形態である無線ＩＣデバイスは、
所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、
前記無線ＩＣと結合された、インダクタンス素子を含む給電回路を有した給電回路基板と、
少なくとも二つの近接する開放端を有する放射電極と、
を備え、
前記給電回路基板は磁性材料を含んで形成された磁性体を含んでおり、
前記インダクタンス素子は前記磁性体の内部に設けられ、かつ、該インダクタンス素子で発生する磁界が前記磁性体の内部に閉じ込められており、
前記放射電極は前記磁性体の表面に直接的に設けられていて、前記給電回路と前記磁性体を介して電磁界結合していること、
を特徴とする。

前記無線ＩＣデバイスにおいては、給電回路を介して無線ＩＣと放射電極とが結合してＨＦ帯周波数を用いてリーダライタと無線通信を行う。インダクタンス素子は磁性材料を含んで形成した給電回路基板内に設けられているため、インダクタンス値が大きくなり、かつ、外部からの影響で共振周波数が変化するおそれはない。給電回路が磁性体内に配置されると磁界が閉じ込められてしまうが、給電回路は給電回路基板（磁性体）の表面に直接的に設けた放射電極と前記磁性体を介して電磁界結合しているため、少なくとも二つの近接する開放端を有する放射電極には給電回路の共振周波数での電流が流れ、放射電極を通じて給電回路の共振周波数での無線通信が可能となる。

本発明に係る無線ＩＣデバイスによれば、給電回路に含まれるインダクタンス素子が磁性体内に設けられているため、インダクタンス値が大きくなり、かつ、外部からの影響で共振周波数などが変化するおそれはなく、放射電極を介してリーダライタと確実に通信を行うことができる。

実施例１である無線ＩＣデバイスを示す斜視図である。 実施例１である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は下面図である。 給電回路の等価回路図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）それぞれ放射電極の変形例を示す給電回路基板の下面図である。 実施例２である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は下面図である。 実施例３である無線ＩＣデバイスを示す断面図である。 給電回路基板の分解平面図である。 インダクタンス素子の周囲に発生する磁界を示す説明図である。 実施例４である無線ＩＣデバイスを示す説明図である。 実施例５である無線ＩＣデバイスを示す説明図である。

以下、本発明に係る無線ＩＣデバイスの実施例を添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（実施例１、図１〜図３参照）
実施例１である無線ＩＣデバイスは、図１に示すように、所定の無線信号を処理する無線ＩＣチップ５と、該無線ＩＣチップ５と結合され、インダクタンス素子Ｌを含む給電回路２０（詳細は図７を参照して後述する）を有する給電回路基板１０と、該給電回路基板１０の下面に給電回路２０と電磁界結合するように設けられ、二つの近接する開放端３０ａ，３０ｂを有する放射電極３０と、を備えている。

無線ＩＣチップ５は、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、必要な情報がメモリされている。無線ＩＣチップ５の下面には図示しない一対の入出力端子電極及び実装用端子電極が設けられ、入出力端子電極は給電回路基板１０上の給電端子電極１５ａ，１５ｂに、実装用端子電極は実装電極１５ｃ，１５ｄにはんだなどを介して電気的に接続されている。給電端子電極１５ａ，１５ｂは給電回路基板１０に内蔵されている給電回路２０と電気的に接続されている。

給電回路基板１０は、フェライトなどの磁性材料を含んで形成され、給電回路２０は磁性体に内蔵されている。図３の等価回路に示すように、給電回路２０はインダクタンス素子Ｌを備え、インダクタンス素子Ｌの一端は給電端子電極１５ａに接続され、他端は給電端子電極１５ｂに接続されている。

放射電極３０は、図２（Ｂ）に示すように、給電回路基板１０の下面に、切欠かれた開放端３０ａ，３０ｂを有する環状電極として形成されている。そして、この放射電極３０は給電回路基板１０内に形成した給電回路２０（環状電極２３）と平面視で重なるように配置され（図８参照）、放射電極３０と給電回路２０とは電磁界結合する。

以上の構成からなる実施例１の無線ＩＣデバイスにおいて、給電回路２０はインダクタンス素子Ｌによるインダクタンスとその電極間容量によってＨＦ帯での所定の共振周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ付近）を有している。この給電回路２０を介して無線ＩＣチップ５と放射電極３０とが結合してリーダライタと無線通信を行う。

給電回路２０は磁性材料を含んで形成した給電回路基板１０内に設けられているため、インダクタンス値が大きくなるので基板１０を小型化でき、かつ、外部からの影響で共振周波数が変化するおそれはない。空中の比誘電率１に対して、給電回路基板１０の比誘電率は例えば７０である。それゆえ、給電回路２０が磁性体内に配置されると磁界が閉じ込められてしまう。しかし、給電回路２０は給電回路基板１０の上面に設けた放射電極３０と電磁界結合しているため、二つの近接する開放端３０ａ，３０ｂを有する放射電極３０には給電回路２０の共振周波数での往復電流が流れ、放射電極３０の周囲に磁界が励起される。この磁界により給電回路２０の共振周波数での無線通信が可能となる。

即ち、給電回路２０が磁性体内に設けられているため、外部からの影響で共振周波数などが変化するおそれはなく、かつ、給電回路２０と電磁界結合するように磁性体の表面に配置した放射電極３０を介してリーダライタと確実に通信を行うことができる。

また、給電回路２０と放射電極３０とは電磁界結合しており、直接電気的に接続されていないため、放射電極３０から静電気（低周波ノイズ）が無線ＩＣチップ５に加わることがなく、無線ＩＣチップ５が静電気の侵入から保護される。

ところで、放射電極３０から磁界を発生させるために、放射電極３０の共振周波数は給電回路２０の共振周波数よりも高いことが好ましい。放射電極３０の共振周波数は、給電回路基板１０の比誘電率、比透磁率、放射電極３０の長さ、及び、放射電極３０の形状に伴う電極間の浮遊容量で主に決定される。また、無線ＩＣチップ５は放射電極３０の内側に配置されることが好ましい。環状の放射電極３０の中央部分は磁界が弱く、無線ＩＣチップ５（特に、端子電極１５ａ〜１５ｄ）が磁界の放射の障害となることが緩和される。

（放射電極の変形例、図４参照）
放射電極３０は、少なくとも二つの開放端を有する少なくとも１本の電極を折り曲げた形状であれば、種々の形状であってもよい。図２（Ｂ）に示したように、略Ｃ字形状であってもよく、あるいは、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、開放端３０ａ，３０ｂが重なっていてもよい。あるいは、図４（Ｃ）に示すように、４分割されて開放端３０ａ〜３０ｈを有していてもよい。また、４本の直線形状であってもよい。

（実施例２、図５参照）
実施例２である無線ＩＣデバイスは、図５に示すように、給電回路基板１０の下面に設けた放射電極３０に加えて、給電回路基板１０の上面にいま一つの放射電極３１（開放端３１ａ，３１ｂを有している）を設けたものである。基板１０の上下面に放射電極３０，３１を設ければ磁界の放射量が増大し、利得が向上する。

（実施例３、図６参照）
実施例３である無線ＩＣデバイスは、図６に示すように、磁性材料からなる給電回路基板１０の下面に設けた放射電極３０を非磁性材料層１１にて被覆したものである。図５（Ａ）に示した給電回路基板１０の上面に設けた放射電極３１も封止樹脂などの非磁性材料層にて被覆してもよい。放射電極３０を非磁性材料層で被覆すれば、放射電極３０の酸化や腐食が防止され、信頼性が向上する。

（給電回路の構成、図７参照）
次に、給電回路基板１０の構成、特に、内蔵された給電回路２０（インダクタンス素子Ｌ）の具体例について図７を参照して説明する。この給電回路基板１０は図５に示した基板１０の下面及び上面に放射電極３０，３１を設けたものとして説明する。

給電回路基板１０は、上面から磁性体（フェライト）シート２１ａ〜２１ｋを積層し、下面に非磁性体（例えば、比透磁率１のフェライト）シート２１ｌを積層したものである。１層目のシート２１ａには、端子電極１５ａ〜１５ｄ、ビアホール導体２２ａ，２２ｂ及び放射電極３１が形成されている。２層目〜１０層目のシート２１ｂ〜２１ｊには、環状電極２３及びビアホール導体２２ｂ，２４が形成されている。１１層目のシート２１ｋには環状電極２３が形成されている。１２層目（最下層）のシート２１ｌには、放射電極３０が形成されている。

前記シート２１ａ〜２１ｌを積層することにより、環状電極２３がビアホール導体２４を介して螺旋状に接続されてインダクタンス素子Ｌを構成する。このインダクタンス素子Ｌの一端はビアホール導体２２ａを介して端子電極１５ａに接続され、他端はビアホール導体２２ｂを介して端子電極１５ｂに接続される。

（磁界の発生状態、図８参照）
以上の構成からなるインダクタンス素子Ｌの周囲には、給電回路基板１０の断面図である図８に示す磁界φが発生する。放射電極３０，３１はこの磁界の強い場所に配置すれば、給電回路２０との電磁界結合が強くなる。即ち、放射電極３０，３１は給電回路２０（環状電極２３）と平面視で重なるように配置することが好ましい。また、基板１０の上下面の縁部に配置すると、電波が空中に放射されやすくなる。

（実施例４，５、図９及び図１０参照）
実施例４，５である無線ＩＣデバイスは、前記放射電極３０，３１に加えて放射板３５，３６をそれぞれ設けたものである。

図９に示す無線ＩＣデバイスは、図２に示した給電回路基板１０に設けた放射電極３０に対応した放射板３５を設けたものである。放射板３５には放射電極３０の開放端３０ａ，３０ｂに対応する溝部３５ａが形成されており、この溝部３５ａから磁界が放射される。

図１０に示す無線ＩＣデバイスは、図４（Ｃ）に示した給電回路基板１０に設けた放射電極３０に対応した放射板３６を設けたものである。放射板３６には放射電極３０の開放端３０ａ〜３０ｈに対応する溝部３６ａ，３６ｂ，３６ｃが形成されている。この溝部３６ａ，３６ｂ，３６ｃから磁界が放射される。

（他の実施例）
なお、本発明に係る無線ＩＣデバイス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。

特に、無線ＩＣは、無線ＩＣチップ５として給電回路基板１０上に実装される以外に、給電回路基板１０に内蔵されていてもよい。また、給電回路２０と同じ工法により給電回路２０と一体に形成されてもよい。

以上のように、本発明は、無線ＩＣデバイスに有用であり、特に、外部からの影響で共振周波数が変化するおそれがなく、かつ、リーダライタとの確実な通信が可能である点で優れている。

５…無線ＩＣチップ
１０…給電回路基板
１１…非磁性材料層
２０…給電回路
３０，３１…放射電極
３０ａ〜３０ｈ…開放端
３５，３６…放射板
Ｌ…インダクタンス素子

Claims (9)

1. 所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、
   前記無線ＩＣと結合された、インダクタンス素子を含む給電回路を有した給電回路基板と、
   少なくとも二つの近接する開放端を有する放射電極と、
   を備え、
   前記給電回路基板は磁性材料を含んで形成された磁性体を含んでおり、
   前記インダクタンス素子は前記磁性体の内部に設けられ、かつ、該インダクタンス素子で発生する磁界が前記磁性体の内部に閉じ込められており、
   前記放射電極は前記磁性体の表面に直接的に設けられていて、前記給電回路と前記磁性体を介して電磁界結合していること、
   を特徴とする無線ＩＣデバイス。
2. 前記放射電極は前記給電回路基板の対向する二つの主面上に配置されていること、を特徴とする請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
3. 前記放射電極は切欠かれた開放端を有する環状電極として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に記載の無線ＩＣデバイス。
4. 前記放射電極は前記給電回路基板内に形成した前記給電回路と平面視で重なるように配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
5. 前記放射電極は前記給電回路基板の主面上であって該主面の縁部に配置されていること、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無線ＩＣデバイス。
6. 前記放射電極は非磁性材料層にて被覆されていること、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無線ＩＣデバイス。
7. 前記放射電極の共振周波数は前記給電回路の共振周波数よりも高いこと、を特徴とする請求項１ないし請求項６に記載の無線ＩＣデバイス。
8. 前記無線ＩＣは前記放射電極の内側に配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
9. 前記放射電極と電磁界結合する放射板を備えたこと、を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。

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