JP5605251B2 - 無線ｉｃデバイス - Google Patents

Description

本発明は、無線ＩＣデバイス、特に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムにおいてリーダライタと交信する無線ＩＣデバイスに関する。

物品の管理システムとして、リーダライタとＲＦＩＤタグ（無線ＩＣデバイスとも称する）とを非接触方式で通信し、リーダライタとＲＦＩＤタグとの間で情報を伝達するＲＦＩＤシステムが知られている。ＲＦＩＤタグは、無線信号を処理するための無線ＩＣチップと、無線信号を送受するためのアンテナとで構成され、ＲＦＩＤタグのアンテナとリーダライタのアンテナとの間で、磁界や電界を介して、所定の情報が高周波信号として送受される。

ＲＦＩＤタグのアンテナとしては、特許文献１，２，３に記載されているように、ダイポール型アンテナが一般的に用いられている。ダイポール型アンテナは、主に電界を利用して信号を送受するため、単体では通信距離が大きくなるが、比誘電率や導電率の大きな物体が近接すると、放射特性が変化しやすいという問題点を有している。

また、特許文献４には、アンテナと無線ＩＣチップとの間に共振回路を有する給電回路基板を設け、共振回路の共振周波数が送受信信号の周波数に相当するように構成された無線ＩＣデバイスが記載されている。この無線ＩＣデバイスにおいて、給電回路基板には共振回路を構成するコイルパターンが含まれており、該コイルパターンは無線ＩＣチップからアンテナに高周波信号を伝達し、及び、アンテナから無線ＩＣチップに高周波信号を伝達するための素子としてのみ機能している。

特開２００４−１０４３４４号公報 特表２００９−５２４３６３号公報 国際公開第２００７−０１３１６８号 国際公開第２００７−０８３５７４号

そこで、本発明の目的は、磁界を利用した高周波信号の送受信及び電界を利用した高周波信号の送受信を使い分け、通信障害の発生を解消できる無線ＩＣデバイスを提供することにある。

本発明の一形態である無線ＩＣデバイスは、
高周波信号を処理する無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップと結合するコイルパターンを有する給電基板とを備え、
前記給電基板は母基材への搭載面である一方主面と該一方主面と対向する他方主面とを有し、前記無線ＩＣチップは前記一方主面側に設けられ、前記コイルパターンは前記他方主面側に設けられ、前記一方主面には前記コイルパターンと結合する端子電極が設けられており、
前記コイルパターンは、磁界を放射する放射素子として機能するとともに、前記端子電極に金属材が近接した場合には前記無線ＩＣチップに対する給電回路及び／又は整合回路として機能すること、
を特徴とする。

前記無線ＩＣデバイスにおいて、無線ＩＣチップと結合するコイルパターンは給電基板の他方主面側に設けられてＲＦＩＤシステムのリーダライタのアンテナと対向するように配置される。このコイルパターンは、通常、磁界を放射する放射素子として機能し、リーダライタのアンテナと磁界を利用して近距離で高周波信号を送受信する。一方、端子電極に金属材が近接すると、該端子電極と金属材とが結合し、前記コイルパターンは無線ＩＣチップに対する給電回路及び／又は整合回路として機能する。この場合、金属材が電界を放射する放射素子として機能し、リーダライタのアンテナと電界を利用して比較的遠距離で高周波信号を送受信する。

本発明によれば、リーダライタのアンテナと磁界を利用した高周波信号の送受信及び電界を利用した高周波信号の送受信を使い分けることができ、通信障害の発生を解消できる。

一実施例である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は積層状態での断面図、（Ｂ）は積層構造を分解して示す断面図である。 前記無線ＩＣデバイスにおけるコイルパターンを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は等価回路図である。 前記無線ＩＣデバイスの動作を示し、（Ａ）は磁界発生状態を示す説明図、（Ｂ）は電磁界発生状態を示す説明図である。 金属材の各種形状を示す平面図である。 前記無線ＩＣデバイスとリーダライタのアンテナとの通信状態を示す説明図である。 前記リーダライタのアンテナを示す斜視図である。

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、各図において同じ部品、部分には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。また、それぞれの断面図にあっては図示の煩雑さを避けるためにハッチングは省略している。

一実施例である無線ＩＣデバイス１は、リーダライタのアンテナとの間で、ＵＨＦ帯又はＳＨＦ帯の高周波信号の送受信を行うためのものであり、図１（Ａ）に示すように、高周波信号を処理する無線ＩＣチップ１０と、該無線ＩＣチップ１０と結合するコイルパターン２５を有する給電基板２０とを備えている。

無線ＩＣチップ１０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おり、情報の書換えも可能である周知のもので、図示しない一対の入出力端子を備えている。

給電基板２０は母基材４０（図３参照）への搭載面である一方主面２０ａと該一方主面２０ａと対向する他方主面２０ｂとを有し、無線ＩＣチップ１０は一方主面２０ａ側に設けられ、コイルパターン２５は他方主面２０ｂ側に設けられ、一方主面２０ａにはコイルパターン２５と結合する端子電極３１，３２が設けられている。即ち、無線ＩＣチップ１０は積層体（給電基板２０）の一方主面２０ａ側に内蔵されており、コイルパターン２５は積層体（給電基板２０）の他方主面２０ｂ側に内蔵されている。なお、図１（Ａ）と図１（Ｂ）とは上下方向が逆に描かれており、図１（Ａ）は実装状態を示し、図１（Ｂ）は給電基板２０の製造時（積層時）の状態を示している。

給電基板２０は、複数のシート２１（２１ａ〜２１ｈ）を積層してなる積層体にて構成されており、シート２１は誘電体層又は磁性体層からなる。誘電体としては、ポリイミドや液晶ポリマなどの熱可塑性樹脂であってもよく、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic）材料からなるセラミックであってもよい。磁性体としては、フェライトなどの磁性体粉末を樹脂中に分散させたものや各種セラミックを用いることができる。

コイルパターン２５は、図２に示すように、各シート２１上に形成したループ状導体２６（２６ａ〜２６ｄ），２７（２７ａ〜２７ｄ）を積層し、かつ、層間導体（ビアホール導体）にて螺旋状に接続してなり、ループ状導体２６にてインダクタＬ１が構成され、ループ状導体２７にてインダクタＬ２が構成されている。各インダクタＬ１，Ｌ２の端部はループ状導体２８からなるインダクタＬ３にて接続されている。インダクタＬ１，Ｌ２は比較的小径の開口を有するもので、給電基板２０に並設されている。インダクタＬ３は比較的大きな開口で引き回されている。

本実施例において、コイルパターン２５は中心軸が異なる二つのインダクタＬ１，Ｌ２とそれらを接続するインダクタＬ３にて構成され、それぞれのループ状導体は流れる電流の向きが同方向となるように、即ち、各ループ状導体２６，２７に流れる電流によって生じる誘導磁界の向きが同方向となるように配置され、互いに隣接配置されたインダクタＬ１，Ｌ２は互いに磁気結合している。

シート２１上に形成するそれぞれの導体２６，２７は、シート２１が樹脂材であれば銅箔などの金属箔を用いることができ、シート２１がセラミック材であれば銀や銅を主成分とする導電性ペーストを印刷、焼成して形成することができる。

インダクタＬ１，Ｌ２の一端は、端子２９，３０とされ、かつ、端子電極３１，３２に接続されている。端子２９，３０は前記無線ＩＣチップ１０の入出力端子に電気的に接続されている。端子電極３１，３２は積層体（給電基板２０）の一方主面２０ａに露出した状態で設けられている。

以上の構成からなる無線ＩＣデバイス１は、図３（Ａ）に示すように、母基材４０の表面に絶縁性接着剤４１を介して、給電基板２０の一方主面２０ａを母基材４０に向けて貼着される。母基材４０は非導電性であり、この場合、コイルパターン２５からは流れる電流によって磁界Ｈが発生する。リーダライタのアンテナを無線ＩＣデバイス１に近接させることによって、該アンテナから放射された所定周波数（例えば、ＵＨＦ帯、ＨＦ帯）の信号に基づく磁束がコイルパターン２５を貫通することにより、コイルパターン２５に電流が流れる。この電流が無線ＩＣチップ１０に供給されて無線ＩＣチップ１０を動作させる。一方、無線ＩＣチップ１０からの応答信号がコイルパターン２５から磁界Ｈとして放射され、リーダライタで読み取られる。即ち、コイルパターン２５は磁界を放射する放射素子として機能する。

即ち、無線ＩＣデバイス１は、金属材が近接していない場合には、コイルパターン２５が磁界放射素子として機能する。なお、給電基板２０が母基材４０に設けた電極（図示せず）に導電性の接着剤にて貼着された場合であっても、該電極が大面積の金属パターンに接続されていなければ、コイルパターン２５が磁界放射素子として機能する。

一方、図３（Ｂ）に示すように、母基材４０の表面に金属材４２が設けられおり、前記端子電極３１，３２が金属材４２と導電性接着剤を介して電気的に接続されている場合、コイルパターン２５に流れる電流は端子電極３１，３２から金属材４２に供給され、電界Ｅ１が誘起され、この電界Ｅ１によって磁界Ｈが誘起され、さらに電界Ｅ２が誘起されるという連鎖により、金属材４２の全面に電磁界分布が広がるとともに電界が外部に放射される。電界の放射は比較的遠距離に届くので、電界を利用したリーダライタとの通信は前記磁界を利用した通信よりも遠距離で可能となる。

このように、端子電極３１，３２に金属材４２を近接させた場合、コイルパターン２５は、金属材４２と無線ＩＣチップ１０とを結合させる媒体となり、無線ＩＣチップ１０に対する給電回路及び／又は整合回路として機能する。なお、金属材４２は、放射素子として設けた金属パターンであってもよく、あるいは、グランド導体として機能する金属パターンであってもよい。

ところで、金属材４２は種々の平面形状を採用することが可能であり、図４にその例を示す。図４（Ａ）は一対のダイポール型とした金属材４２を示す。図４（Ｂ）は一対の四角形状とした金属材４２を示す。図４（Ｃ）は広い面積の金属材４２に開口部４３とスリット４４を形成し、スリット４４の対向部分に給電基板２０を設けたものを示す。

図５には、コイルパターン２５を磁界放射素子として機能させてリーダライタと通信する場合を示している。リーダライタは、エポキシ樹脂などの硬質材からなる支持部材５１の表面にループアンテナ５２を設けたアンテナヘッド５０を備えている。このループアンテナ５２は、図６に示すように、両端を給電部５２ａ，５２ｂとした１ターンのループ状導体にて形成されており、給電部５２ａ，５２ｂは同軸ケーブル５５を介してリーダライタの図示しない情報処理回路に接続されている。アンテナヘッド５０は同軸ケーブル５５を介して把持部６０に取り付けられ、人の手で把持しながら使用可能なペン型ヘッドとして構成されている。なお、ループアンテナ５２と同軸ケーブル５５との間には、キャパシタンス素子とインダクタンス素子からなる整合回路を設けることが好ましい。

アンテナヘッド５０を無線ＩＣデバイス１に数ｍｍから数ｃｍ程度に近接させた状態で、ループアンテナ５２から生じる磁界とコイルパターン２５から生じる磁界とが鎖交し、ループアンテナ５２とコイルパターン２５との間で高周波信号が相互に伝達される。このような磁界を利用した通信においては、コイルパターン２５とほぼ同じサイズ（インダクタＬ１，Ｌ２を合わせたサイズ）のループアンテナ５２を用いることが好ましい。また、ループアンテナ５２の導体幅はコイルパターン２５の導体幅よりも大きいことが、磁界を集中して鎖交させることができるので好ましい。ループアンテナ５２の導体幅が大きければ、磁界がループ面と平行な方向に広がるので、コイルパターン２５との相対位置が多少ずれても磁界の鎖交状態を維持でき、通信エリアが広くなる。

また、コイルパターン２５を給電基板２０の他方主面２０ｂ側に設けて母基材４０の表面からできるだけ距離を離し、コイルパターン２５を導体幅を細くした積層（螺旋）構造とすることで、磁界がコイル面と垂直な方向に放射するように磁界を絞ることができる。これにて、母基材４０が金属材であっても、母基材４０とコイルパターン２５との間に生じる容量が小さくなるので、共振周波数への影響を小さくできる。さらに、ＵＨＦ帯、ＨＦ帯よりも高い周波数帯の高周波を利用する場合であっても、母基材４０に予め搭載されている他の実装部品や母基材４０に設けられている各種配線パターンなどの金属材の影響を受けにくくなる。また、無線ＩＣデバイス１に対してループアンテナ５２を例えば２ｍｍ以下の至近距離に近付けると、ループアンテナ５２とコイルパターン２５とが磁界結合に加えて容量的にも結合するので、高周波信号の電力が極めて小さくても無線通信が可能になる。

前述のように、インダクタＬ１，Ｌ２において、それぞれのループ状導体２６，２７を電流の向きが同方向となるように配置すると、各ループ状導体２６，２７に生じた電流が打ち消し合うことはなく、高周波信号のエネルギー伝達効率が高くなる。その結果、リーダライタのアンテナとの通信距離が長くなる。また、コイルパターン２５を積層構造としてインダクタＬ１，Ｌ２の巻回軸を平面視で重なる位置に配置すると、各インダクタＬ１，Ｌ２の開口面積の和を大きくすることができ、その結果、磁束密度が高くなるため、通信距離が長くなる。

さらに、無線ＩＣチップ１０及びコイルパターン２５のそれぞれのインピーダンスの虚数部が、使用周波数で共役の関係になるように構成されていることが好ましく、インピーダンスの実部が一致していることが好ましい。この調整はコイルパターン２５の巻き数、線間容量を適宜調整すればよい。場合によっては別途、インダクタンス素子、キャパシタンス素子を設けることでも調整できる。これらの素子は給電基板２０に内蔵してもよいし、給電基板２０に搭載してもよい。コイルパターン２５においては、インダクタンス成分と線間に形成されるキャパシタンス成分とにより共振周波数を持つ。この共振周波数が使用周波数付近にあることが好ましい。特に、コイルパターン２５として、本実施例で示したように複数のインダクタＬ１，Ｌ２が磁気結合していると、使用周波数帯が広帯域化する。

リーダライタのアンテナとしては、図６に示した１ターンではなく、多ターンに巻回されていてもよい。アンテナ５２は前述のようにループ状の単層導体によって形成されていることが好ましいが、ループ状導体を複数層積層したものであっても構わない。アンテナ５２を積層構造とする場合、コイルパターン２５の積層方向の厚みよりも薄いことが好ましい。また、磁界を利用した近距離での通信を目的とした場合、ループアンテナ５２の占める面積は、コイルパターン２５の占める面積の０．２〜６倍であることが好ましい。０．２倍を下回ると高周波信号の送受信に支障を生じることがある。６倍を超えるとループアンテナ５２の磁束が集中しにくくなり、ループアンテナ５２をコイルパターン２５へ近接させても送受信できない領域、即ち、ヌル点が生じることがあり、さらに、たとえループアンテナ５２をコイルパターン２５に近接させても容量結合が寄与しにくくなる。

給電基板２０に関しては、誘電体層で構成する場合、比誘電率εｒが３〜５の材料、さらには６以上の高い比誘電率を有する材料を用いることが好ましい。比誘電率の高い材料を用いれば、無線ＩＣデバイス１の動作の安定性を図ることができる。即ち、コイルパターン２５の線間容量はパターン間の材質によって決まるため、母基材４０を構成する材料の比誘電率の影響が少なくなり、浮遊容量の変動が生じなくなる。また、コイル状導体２６，２７のインダクタンス値の変化も少なくなり、それゆえ、共振周波数の変化が少なく、使用環境に拘わりなく通信距離が安定することになる。

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。

例えば、端子電極と金属材との結合、コイルパターンと無線ＩＣチップとの結合、コイルパターンと端子電極との結合は、直接的な電気結合（電気接続）以外にも、磁界結合、電界結合又は電磁界結合のいずれであってもよい。

以上のように、本発明は、無線ＩＣデバイスに有用であり、リーダライタのアンテナと磁界を利用した高周波信号の送受信及び電界を利用した高周波信号の送受信を使い分けることができ、通信障害の発生を解消できる点で優れている。

１…無線ＩＣデバイス
１０…無線ＩＣチップ
２０…給電基板
２０ａ…一方主面
２０ｂ…他方主面
２５…コイルパターン
２６，２７…ループ状導体
３１，３２…端子電極
４０…母基材
４２…金属材

Claims (5)

1. 高周波信号を処理する無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップと結合するコイルパターンを有する給電基板とを備え、
   前記給電基板は母基材への搭載面である一方主面と該一方主面と対向する他方主面とを有し、前記無線ＩＣチップは前記一方主面側に設けられ、前記コイルパターンは前記他方主面側に設けられ、前記一方主面には前記コイルパターンと結合する端子電極が設けられており、
   前記コイルパターンは、磁界を放射する放射素子として機能するとともに、前記端子電極に金属材が近接した場合には前記無線ＩＣチップに対する給電回路及び／又は整合回路として機能すること、
   を特徴とする無線ＩＣデバイス。
2. 前記端子電極は、前記金属材が近接した場合には、該金属材と直接的な電気結合、磁界結合、電界結合又は電磁界結合のいずれかで結合すること、を特徴とする請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
3. 前記給電基板は複数の誘電体層又は磁性体層を積層してなる積層体にて構成されており、
   前記無線ＩＣチップ及び前記コイルパターンは前記積層体に内蔵されていること、
   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. 前記無線ＩＣチップは前記積層体の前記一方主面側に内蔵されており、前記コイルパターンは前記積層体の前記他方主面側に内蔵されていること、を特徴とする請求項３に記載の無線ＩＣデバイス。
5. 前記コイルパターンは複数のループ状導体を積層して螺旋状に接続してなる積層型コイルパターンであること、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無線ＩＣデバイス。

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