JP2005165703A - 非接触識別媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 共振回路を有するＲＦＩＤにおいて、ＩＣ端子間容量の製造バラツキが共振周波数に直接影響し、電力の受信効率および通信距離に直接影響を与える。このバラツキを補正する工程を無くし、製造コストを下げるとともに、効率よく電力を受信する。
【解決手段】 ＩＣ３の端子間容量が、共振周波数へ影響が少なくなるように、アンテナコイル１の中間タップ２からコンデンサ５を直列に介してＩＣ３に接続する。
あるいは、コンデンサ５を分割し、コンデンサ５を直列に介してＩＣに接続する。
【選択図】 図３

Description

非接触ＩＣカードや無線タグなどの非接触識別媒体に関する。

情報を電子回路に記憶し非接触で情報通信を行う非接触ＩＣカードや無線タグなどの非接触識別媒体（以下本明細書ではＲＦＩＤ（ＲＡＤＩＯ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＩＤＥＮＴＩＦＩＣＡＴＩＯＮ）を用いる）の内、電池を有しないＲＦＩＤは通信を行う外部機器のアンテナから放射される特定の周波数の電磁界を搬送波としてアンテナコイルで受信し、アンテナコイルに接続されるＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）内で直流電力に変換しＩＣ自身に使用される。該ＩＣは外部機器のアンテナとＲＦＩＤのアンテナコイルを介して外部機器との通信を行う。

特許文献１は、導電体パターンで構成するコイルを基板上に配置し、その導電体パターンコイルに対向して導電体を形成することでチップコンデンサ等の個別部品を用いることなく伝送効率に係わるコイル面積の低下のないコンデンサを基板上に形成し、非接触ＩＣカードの信頼性を高める技術を開示する。

特許文献２は、カード基板の製造時に決定されるコイルのインダクタンス、ＩＣチップの持つ端子間の容量ばらつきによってそれぞれ異なる回路の共振周波数を、連結した構成のコンデンサの連結部を切断することにより、コンデンサの静電容量を調整して、回路の同調補正を行う技術を開示する。

特許文献３は、電線または導体パターンで形成されたコイルに中間タップを設け、コイルの両端間にコンデンサを接続し、コイルの一端と中間タップとの間に負荷回路を接続することにより、コイルの巻数を増やして多くの電力を得て、中間タップの設定によってコイルを含む共振回路の出力インピーダンスと負荷回路の入力インピーダンスとを整合させ、負荷回路へ効率良く電力を伝送する技術を開示する。

特許文献４は、コイルと直列に接続した２個のコンデンサと、２個のコンデンサ間とコイルの間にＩＣを接続して構成されるインピーダンス整合回路により、アンテナ部のインピーダンスとＩＣのインピーダンスを整合させて、アンテナ部からＩＣへの電力伝送効率を最大にし、交信距離をさらに伸ばす技術を開示する。

近年ＲＦＩＤへの期待が高まり、より便利に使うために外部機器とＲＦＩＤ間の通信距離をできるだけ伸ばすことが要求されている。
外部機器とＲＦＩＤ間の通信距離を伸ばす手段としては、効率よく電力を受信するために、図１に示すように、ＲＦＩＤのアンテナコイルに並列にコンデンサを接続し、搬送波の周波数に合わせた共振回路を形成し、ＩＣを該コンデンサに並列に接続する技術がある。アンテナコイル１の両端に並列共振用のコンデンサ２が接続され、該コンデンサ２と並列にＩＣ３の端子間キャパシタンス３Ａが接続される。共振周波数は該コンデンサ２のキャパシタンスと該ＩＣ３の端子間キャパシタンス３Ａを加算したものと該アンテナコイル１のインダクタンスとで決まる。該コンデンサ２としてはＲＦＩＤ基材である極薄い誘電体の両面メタライズパターンによって形成される。あるいは個別部品として取り付けられる。

アンテナコイル１のインダクタンス及び両面メタライズパターンによって形成されるコンデンサ２、あるいは個別部品としてのキャパシタンスは製造上一定の精度を保てるが、該ＩＣ３のアンテナコイルとの接続端キャパシタンス及びＩＣチップ自体のキャパシタンス３Ａは製造上の各種要因により２０％から３０％程度のばらつきを生ぜざるを得ない。このばらつきは共振周波数に直接影響し、電力の受信効率および通信距離に直接影響を与える。

図１の従来（典型的には特許文献１）の構成におけるＩＣチップの端子間キャパシタンスの製造ばらつき（偏差）と共振周波数の変化量（偏差）の一例を図２に示す。図２の例では、ＩＣチップのキャパシタンスが製造ばらつきにより±３０％変化した場合、共振周波数は±１０％程度の影響を受ける。従い、このような構成であると、アンテナコイルおよび共振キャパシタンスと並列に接続されているために、ＩＣチップのアンテナコイル接続用端子間キャパシタンスと共振コンデンサのキャパシタンスの和が共振周波数を決定し、ＩＣチップの端子間キャパシタンスの製造ばらつきが直接、共振周波数に影響をうける。

ＩＣのアンテナコイル接続用端子間のキャパシタンス及びＩＣチップ自体のキャパシタンスはＩＣ製作上、接続工程上の各種要因でばらつきが生じるため、共振周波数を正確に合わせるためには、特許文献２のようにメタライズパターンで形成されるコンデンサのトリミングかＩＣ内のコンデンサ形成回路部分のトリミングのどちらかの方法によるトリミング行程が必然となり多大な作業時間と経費が生じていた。
また、該ＩＣの端子間レジスタンスによりアンテナ共振回路のＱが低下し、受信電圧も十分でなく通信可能距離も伸びなかった。

特開平１１−３０６３０３号公報

特開平１１−３５３４４０号公報 特開２０００−２７８１７２号公報 特開２００１−１８８８９０号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、共振周波数に対して、安価且つ簡便にＩＣチップのアンテナコイルとの接続端キャパシタンス及びＩＣチップ自体のキャパシタンス等のアンテナコイル接続用端子間キャパシタンスのばらつきによる電力の受信効率および通信距離へ影響を最小減にすることを目的とする。
さらに、ＩＣの端子間レジスタンスによりアンテナ共振回路のＱ低下による通信可能距離も低下を防ぐことも目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
中間タップの設けられたアンテナコイルと、前記アンテナコイルの両端に接続された第１のコンデンサと、前記アンテナコイルの中間タップに端子の一方が接続された第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサの他方の端子と前記アンテナコイルの両端のいずれか一方とに接続されたＩＣチップとを備えることを特徴とする非接触識別媒体である。

この構成によれば、ＩＣチップの端子間キャパシタンスは、直列に接続されたコンデンサにより共振周波数への影響は小さくなり、中間タップに接続されることによりさらに小さくなる。したがって、端子間キャパシタンスの製造ばらつきの影響が大幅に軽減されて調整用のトリミングも不要となる。また、直列に接続されたコンデンサによりＩＣチップの端子間キャパシタンスが大きくても、全体の共振キャパシタンスは等価的に小さくできるので、アンテナコイルの巻き数を増やすなど、インダクタンスを大きくすることができ、誘起電力も大きくできる。

本発明によれば、ＩＣの端子間キャパシタンスの製造差異による共振周波数のずれへの影響を大幅に低減でき、安価なＲＦＩＤを提供できる。そして、アンテナコイルの共振回路のＱを高くすることができ、通信距離を伸ばすことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図３は本発明の実施の一例として非接触ＩＣカードに適用した場合の回路構成を示す図である。例えば、搬送波周波数は１３．５６ＭＨｚである。アンテナコイル１は、巻き数が１０ターン程度で３ターン程度の位置に中間タップを設ける。その中間タップにコンデンサ５を直列に介してＩＣチップ３を接続する。
ＩＣチップの端子間キャパシタンス３Ａは、コンデンサ５との直列接続されるため、コイル側から見た等価的なキャパシタンスは、

となる。ここで、Ｃｉｎは端子間キャパシタンス３Ａで、Ｃｓは直列に接続されたコンデンサ５のキャパシタンスである。
この等価キャパシタンスの数１からも、Ｃｉｎ単独の場合より、本発明のＣｉｎの共振周波数への寄与は小さくなることが分かる。そして、コイルの中間タップに接続されるため、端子間キャパシタンスの製造ばらつきの共振周波数への影響は、さらに小さくなる。また、上記等価キャパシタンスの式から、Ｃｓ＜＜Ｃｉｎとすれば、Ｃｉｎのばらつきの影響低減効果はさらに大きくなることが分かり、この場合、共振周波数の調整のためのトリミングは不要となる。

また、前述のごとく、共振周波数は搬送波周波数１３．５６ＭＨｚ近辺に合わせた場合、従来構成では、ＩＣチップ３の端子間キャパシタンスＣｉｎ３Ａが大きい場合には、コイルのインダクタンスは小さくせざるを得なかったが、本発明の構成によれば、ＩＣチップ３にコンデンサ５を直列接続することにより、等価的な共振キャパシタンスは、数１からも分かるように、Ｃｉｎより小さくできるために、アンテナコイル１の共振インダクタンスを大きくでき、巻き数を増加できるので、アンテナコイルによる受信電力も大きくでき、通信距離も長くできる。

図４は、実施例１の構成でさらに、ＩＣチップに並列にコンデンサ６を付加したものである。これにより、ＩＣチップ３の端子間キャパシタンス３Ａが直列コンデンサ５より小さい場合もコンデンサ６のキャパシタンスをコンデンサ５のキャパシタンスより大きくしておけば、ＩＣチップ３の製造ばらつきによる共振周波数への影響を確実に減少させることができる。さらに、全体の共振キャパシタンスも小さくでき、コイルのインダクタンスを大きくでき、従い誘起電力も大きくできる。

図４の構成で、第２のコンデンサ５のキャパシタンスを、ＩＣチップのキャパシタンス３Ａと第３のコンデンサ６のキャパシタンスの和よりも小さくすることによっても、上述の実施例１と同様の効果はある。

図５は本発明の他の実施の一例として非接触ＩＣカードに適用した場合の回路構成を示す図である。例えば、搬送波周波数１３．５６ＭＨｚである。図５に示すように、アンテナコイル１と、コンデンサ２と、ICチップ３とを有し、ＩＣチップ３とアンテナコイル１をコンデンサ７を介して直列に接続する。
コイルからみた等価キャパシタンスは、

となる。ここで、コンデンサ７のキャパシタンスＣ１を、ＩＣチップの端子間キャパシタンスＣｉｎ３Ａより小さくしている。
このようにすることにより、共振周波数は該アンテナコイル１のインダクタンスと第１のコンデンサ７のキャパシタンスＣ１が支配的に作用し、ＩＣチップ３の端子間キャパシタンス３Ａの製造ばらつきの共振周波数への影響が大幅に軽減され、トリミング等の調整は不要になる。
図１０は図５で示した本発明の実施例３のＩＣカード状のＲＦＩＤの実装図である。

図１０において、基材４は極く薄い１／５０ｍｍ厚のポリイミド材を使用し、該基材４裏面のメタライズパターンによりアンテナコイル１を形成している。これは図５のコイル１に対応している。また、該基材４両面のメタライズパターンにより共振用コンデンサ７を形成しており、このコンデンサは図５のコンデンサ７に対応している。該アンテナコイル１の外周端はＩＣチップ３の一方の端子と接続される。ＩＣチップの他方の端子は、コンデンサ７の裏面側に接続される。該アンテナコイル１の内周端はコンデンサ７の表面に接続される。

図６は上記の実施例３の構成において、ＩＣチップ３に並列に接続する第２のコンデンサ８を有し、該第１のコンデンサ７のキャパシタンスＣ１を、ＩＣチップ３の端子間キャパシタンスＣｉｎ３Ａと第２のコンデンサ８のキャパシタンスＣ２‘の和よりも小さくしている。
このような構成にすることにより、ＩＣチップ３の接続端子間のキャパシタンスＣｉｎ３Ａが比較的小さい場合も前記の大小関係を確実に保つことができ、ＩＣチップの端子間キャパシタンス３Ａの製造ばらつきの影響を確実に軽減できる。また、共振周波数やコイルのインダクタンスも自由に選択できるようになる。
ＩＣチップのキャパシタンスが製造ばらつきにより±３０％変化した場合の、本発明の図６に示す構成における共振周波数の変化量（偏差）の一例を図７に示す。図７から分かるようにように、本発明によれば、ＩＣチップのキャパシタンスが±３０％変化しても、共振周波数への影響は±１％程度と大幅に軽減される。

また、本発明によれば、製造ばらつきの影響が大幅に軽減できるだけでなく、該ＩＣ３の端子間レジスタンスによるアンテナ共振回路のＱ低下も改善され、受信電圧も大きくなり通信可能距離も大幅に伸びる。
受信電圧はコンデンサのキャパシタンス比Ｃ２／Ｃ１で変わる。ここで、Ｃ２はＩＣチップ３の接続端子間のキャパシタンスＣｉｎ３Ａと並列に接続されたコンデンサ８のキャパシタンスＣ２‘の和である。Ｃ１は直列に接続されたコンデンサ７のキャパシタンスである。
図８、図９にコンデンサのキャパシタンス比を変えた時の受信できる電圧Ｖ２（Ｖ）の一例を示す。この例から分かるようにその比Ｃ２／Ｃ１は１以上あることが望ましい。
図１１は、図６で示した本発明の実施例４のＩＣカード状のＲＦＩＤの実装図である。

図１１において、基材４は極く薄い１／５０ｍｍ厚のポリーミド材を使用し、該基材４裏面のメタライズパターンにより図６で示したアンテナコイル１を形成している。また、該基材４両面のメタライズパターンにより第１のコンデンサ７および第２のコンデンサ８を形成している。これらは、図６で示したコンデンサ７およびコンデンサ８に対応している。該アンテナコイル１の外周端はＩＣチップ３の一方の端子と第２のコンデンサ８の表面側に接続される。ＩＣチップ３の他方の端子は第２のコンデンサ８および第１のコンデンサ７の裏面へ接続される。そして第１のコンデンサ７の表面はアンテナコイル１の内周端に接続される。
なお、図８、図９に示した共振周波数と受信電圧の特性は、図６の実施例４の構成のものであるが、この特性は、ＩＣチップの入力端子に直列にコンデンサを接続して構成する場合、基本的な傾向は共通するものであり、実施例１〜３も同様の傾向を有する。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基き具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、以上の実施例では共振周波数は搬送波周波数１３．５６ＭＨｚを想定したが、本発明の構成は搬送波周波数に制約を受けるものではなく、種々の搬送波周波数への適用可能である。
本発明は、非接触ＩＣカードおよび携帯端末、携帯電話等に搭載されて、電子乗車券、入場券、各種チケット、証明書、などに利用可能である。また、ＲＦＩＤのタグとして流通系にも利用可能である。

従来技術の基本回路構成図。 従来技術のＩＣチップ入力端子容量と共振周波数の関係。 本発明の第１の実施例の回路構成図。 本発明の第２の実施例の回路構成図。 本発明の第３の実施例の回路構成図。 本発明の第４の実施例の回路構成図。 本発明のＩＣチップ入力端子容量と共振周波数の関係。 本発明の共振周波数と受信電圧を示す図。 本発明のコンデンサのキャパシタンス比と受信電圧を示す図。 本発明の第３の実施例のＩＣカード実装図。 本発明の第４の実施例のＩＣカード実装図。

符号の説明

１…アンテナコイル、 ２，２Ａ〜２Ｈ…共振コンデンサ、３…ＩＣチップ，３Ａ…ＩＣチップ端子間キャパシタンス， ４…基材、 ５，６，７，８…コンデンサ。

Claims (9)

1. 中間タップの設けられたアンテナコイルと、
   前記アンテナコイルの両端に接続された第１のコンデンサと、
   前記アンテナコイルの中間タップに端子の一方が接続された第２のコンデンサと、
   前記第２のコンデンサの他方の端子と前記アンテナコイルの両端のいずれか一方とに接続されたＩＣチップとを備えることを特徴とする非接触識別媒体。
2. 請求項１に記載の非接触識別媒体であって、
   第３のコンデンサを有し、
   前記第３のコンデンサは、前記ＩＣチップに並列に接続されることを特徴とする非接触識別媒体。
3. 請求項１に記載の非接触識別媒体であって、
   前記第２のコンデンサのキャパシタンスが、前記ＩＣチップの端子間キャパシタンスが小さいことを特徴とする非接触識別媒体。
4. 請求項２に記載の非接触識別媒体であって、
   前記第２のコンデンサのキャパシタンスが、並列接続された前記ＩＣチップの端子間キャパシタンスと前記第３のコンデンサのキャパシタンスの和より小さいことを特徴とする非接触識別媒体。
5. アンテナコイルと、
   第１のコンデンサと、
   ＩＣチップとを有し、
   前記ＩＣチップとアンテナコイルを第１のコンデンサを介して直列に接続し、前記第１のコンデンサのキャパシタンスが、ＩＣチップの端子間キャパシタンスより小さいことを特徴とする非接触識別媒体。
6. 請求項５に記載の非接触識別媒体において、
   前記ＩＣチップに並列に接続する第２のコンデンサを有し、
   前記第１のコンデンサのキャパシタンスが、ＩＣチップの端子間キャパシタンスと第２のコンデンサのキャパシタンスの和よりも小さいことを特徴とする非接触識別媒体。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の非接触識別媒体であって、
   さらに基材を有し、
   前記アンテナコイルは、前記基材に形成されたメタライズパターンであり、
   いずれの前記コンデンサも、前記基材に形成された両面メタライズパターンであることを特徴とする非接触識別媒体。
8. 前記非接触識別媒体はＩＣカードであることを特徴とする請求項１から６に記載の非接触識別媒体。
9. 前記非接触識別媒体は携帯端末であることを特徴とする請求項１から６に記載の非接触識別媒体。
   

Images