JP2009044715A - 無線ｉｃデバイス及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】専用のアンテナを設けることなく、小型化を達成できるとともに放射板（電極）の利得が良好な無線ＩＣデバイス及び電子機器を得る。
【解決手段】プリント配線回路基板２０上に設けたグランド電極２１にループ状電極３１を設け、該ループ状電極３１に送受信信号を処理する無線ＩＣチップ５又は電磁結合モジュール１を結合させた無線ＩＣデバイス。グランド電極２１がループ状電極３１を介して無線ＩＣチップ５又は電磁結合モジュール１と結合し、高周波信号を送受信する。グランド電極２１の共振経路の一端位置Ａから他端位置Ｃにわたる約１／４から約３／４の領域にループ状電極３１が配置されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、無線ＩＣデバイス、特に、ＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)システムに用いられる無線ＩＣチップを有する無線ＩＣデバイス及び該無線ＩＣデバイスを備えた電子機器に関する。

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や容器などに付された所定の情報を記憶したＩＣチップ（ＩＣタグ、無線ＩＣチップとも称する）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。

特許文献１には、ＩＣチップとプリント配線回路基板内に形成されたアンテナとを備えたＲＦＩＤタグが記載されている。このＲＦＩＤタグでは、プリント配線回路基板内のアンテナと該基板の主面上に実装したＩＣチップとを電気的に導通状態で接続している。そして、アンテナをプリント配線回路基板内に配置することにより、ＲＦＩＤタグを小型化している。

しかしながら、このＲＦＩＤタグでは、専用のアンテナを設けているため、アンテナ作製工程が必要でコストが上昇し、かつ、設置スペースも必要で大型化する。また、ＩＣチップを変更するとアンテナ形状なども変更する必要がある。
特表平１１−５１５０９４号公報

そこで、本発明の目的は、専用のアンテナを設けることなく、小型化を達成できるとともにアンテナとして機能する放射板（電極）の利得が良好な無線ＩＣデバイス及び該無線ＩＣデバイスを備えた電子機器を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１形態である無線ＩＣデバイスは、
送受信信号を処理する無線ＩＣチップと、
前記無線ＩＣチップを実装した回路基板と、
前記回路基板に形成された電極と、
前記無線ＩＣチップと結合されるとともに、前記電極と結合するように前記回路基板に形成されたループ状電極と、
を備え、
前記電極の共振経路の一端から他端にわたる約１／４から約３／４の領域に前記ループ状電極が配置されていること、
を特徴とする。

本発明の第２形態である無線ＩＣデバイスは、
送受信信号を処理する無線ＩＣと、インダクタンス素子を含み、該インダクタンス素子が前記無線ＩＣと結合されている給電回路基板とで構成された電磁結合モジュールと、
前記電磁結合モジュールを実装した回路基板と、
前記回路基板に形成された電極と、
前記給電回路基板と結合されるとともに、前記電極と結合するように前記回路基板に形成されたループ状電極と、
を備え、
前記電極の共振経路の一端から他端にわたる約１／４から約３／４の領域に前記ループ状電極が配置されていること、
を特徴とする。

前記無線ＩＣデバイスにおいては、無線ＩＣチップ又は給電回路基板と例えばグランド電極などの回路基板に形成された電極とがループ状電極を介して結合され、回路基板に形成された電極が無線ＩＣ（チップ）の放射板（アンテナ）として機能する。即ち、前記電極で受信された信号によってループ状電極を介して無線ＩＣ（チップ）が動作され、該無線ＩＣ（チップ）からの応答信号がループ状電極を介して前記電極から外部に放射される。従って、必ずしも専用のアンテナを作製する必要がなく、それを設置するスペースも必要としない。また、ループ状電極にて無線ＩＣ（チップ）と前記電極とのインピーダンスを整合させることができ、必ずしも別途整合部を設ける必要がなく、無線ＩＣ（チップ）と前記電極との信号伝達効率が向上する。

ところで、放射板（アンテナ）はその形状で決まる共振経路に起因する共振周波数を持ち、この共振周波数は放射板（電極）の両端部を共振端とする特定の値となる。この共振周波数がＲＦＩＤシステムの使用周波数近辺にあるとき利得が高く、無線ＩＣデバイスとしての特性が良好となる。基本波の共振時における電力（電位×電流）分布において電力が大きくなる領域は、共振経路の一端から他端にわたる約１／４から約３／４の領域であり、この領域にループ状電極を配置することにより給電効率が高く、利得が良好となる。

また、アンテナとして機能する電極にスリット及び／又は切欠きを形成することにより、共振経路が規定されるとともに電極の共振周波数が調整される。グランド電極をアンテナとして利用すると、該電極のサイズは概ね回路基板のサイズによって決められる。この場合、電極の共振周波数がＲＦＩＤシステムでの使用周波数とずれてしまい、アンテナとしての利得が低下するおそれがある。前記無線ＩＣデバイスにあっては、アンテナとして機能させる電極にスリット及び／又は切欠きを形成することによって共振モードを任意に設定することができ、電極がＲＦＩＤシステムの使用周波数に近付いた好ましい共振周波数に調整され、利得が向上する。

第２形態である無線ＩＣデバイスにおいては、例えば無線ＩＣチップなどの無線ＩＣとループ状電極との間に給電回路基板が介在されている。この給電回路基板はインダクタンス素子を有する共振回路及び／又は整合回路を含むもので、共振回路及び／又は整合回路によって使用周波数が実質的に設定され、ＲＦＩＤシステムの使用周波数に応じて無線ＩＣを変更した場合、共振回路及び／又は整合回路の設計を変更するだけでよく、放射板（電極）の形状やサイズ、配置、あるいは、ループ状電極と電極又は給電回路基板との結合状態まで変更する必要はない。また、共振回路及び／又は整合回路は無線ＩＣと電極とのインピーダンス整合機能をも備えることができ、無線ＩＣと電極との信号伝達効率を向上させることができる。

なお、無線ＩＣ（チップ）は、本無線ＩＣデバイスが取り付けられる物品に関する各種情報がメモリされている以外に、情報が書き換え可能であってもよく、ＲＦＩＤシステム以外の情報処理機能を有していてもよい。

本発明によれば、回路基板に既設の電極をアンテナとして利用することができ、必ずしも別部品としてアンテナを配置する必要がなくなり、無線ＩＣデバイスないし該デバイスを搭載した機器を小型化することができる。しかも、アンテナとして機能する電極の給電点を共振による電力の比較的高い領域に配置しているため、利得が良好である。

以下、本発明に係る無線ＩＣデバイス及び電子機器の実施例について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、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１の基本形態、図１及び図２参照）
図１に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第１の基本形態を示す。この第１の基本形態は、プリント配線回路基板２０上にループ状電極２２をグランド電極２１とは別体に設け、該ループ状電極２２に所定周波数の送受信信号を処理する無線ＩＣチップ５を結合させたものである。グランド電極２１及びループ状電極２２は、それぞれ回路基板２０の主面上に導体ペーストの塗布や、回路基板２０上に設けた金属箔をエッチングすることなどで設けられている。

無線ＩＣチップ５は、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、必要な情報がメモリされており、図２に示すように、裏面に入出力端子電極６，６及び実装用端子電極７，７が設けられている。入出力端子電極６，６がループ状電極２２の両端に設けた接続用電極２２ａ，２２ｂに金属バンプ８にて電気的に接続されている。また、回路基板２０上には一対の接続用電極２２ｃ，２２ｄが設けられ、無線ＩＣチップ５の端子電極７，７がこの接続用電極２２ｃ，２２ｄに金属バンプ８を介して電気的に接続されている。

ループ状電極２２はグランド電極２１のエッジ部２１ａに対して平行に近接して設けられ、この両者は電界により結合している。即ち、ループ状電極２２をグランド電極２１のエッジ部２１ａに近接させることで、ループ状電極２２から直交方向にループ状の磁界Ｈ（図１（Ａ）の点線参照）が発生し、その磁界Ｈがグランド電極２１に対して直交方向に交わることによってグランド電極２１のエッジ部２１ａにループ状の電界Ｅ（図１（Ａ）の一点鎖線参照）が励振される。このループ状電界Ｅによりさらにループ状磁界Ｈが誘起されることにより、ループ状電界Ｅとループ状磁界Ｈとがグランド電極２１の全面に広がっていき、高周波信号を空中に放射する。このようにグランド電極２１とループ状電極２２とを近接して、かつ、絶縁状態で配置することによって、両者を確実に電磁界結合させることができ、放射特性が向上する。

以上のごとくループ状電極２２がグランド電極２１と電磁界により結合することにより、リーダライタから放射されてグランド電極２１で受信された高周波信号がループ状電極２２を介して無線ＩＣチップ５に供給され、無線ＩＣチップ５が動作する。一方、無線ＩＣチップ５からの応答信号がループ状電極２２を介してグランド電極２１に伝達され、グランド電極２１からリーダライタに放射される。

グランド電極２１は本無線ＩＣデバイスが収容される電子機器のプリント配線回路基板２０に既設のものを利用してもよい。あるいは、電子機器に搭載されている他の電子部品のグランド電極として使用されるものであってもよい。従って、この無線ＩＣデバイスにおいては、専用のアンテナを作製する必要がなく、それを設置するスペースも必要としない。しかも、グランド電極２１は大きなサイズで形成されているため、放射利得が向上する。

また、ループ状電極２２は、その長さ、電極幅及びグランド電極２１との間隔などを調整することで、無線ＩＣチップ５とグランド電極２１とのインピーダンスの整合をとることができる。さらに、回路基板２０は複数の誘電体層又は磁性体層を積層してなる多層基板であってもよい。このような多層基板であれば、ループ状電極２２やグランド電極２１を多層の回路基板２０の複数の層に配置し、周知のビアホール導体を用いて電気的に導通状態を形成してもよい。また、ループ状電極２２やグランド電極２１を回路基板２０の裏面に形成し、回路基板２０の表面に搭載した無線ＩＣチップ５とループ状電極２２とをビアホール導体で結合させてもよい。

（第２の基本形態、図３参照）
図３に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第２の基本形態を示す。この第２の基本形態は、プリント配線回路基板２０上に設けたグランド電極２１の一側辺に開口部２１ｂを形成することにより該開口部２１ｂの周囲にループ状電極３１を設けたもので、接続用電極３１ａ，３１ｂが無線ＩＣチップ５の入出力端子電極６，６（図２参照）と金属バンプ８を介して電気的に接続されている。また、回路基板２０の表面に形成した接続用電極３１ｃ，３１ｄが無線ＩＣチップ５の実装用端子電極７，７と金属バンプ８を介して電気的に接続されている。

第２の基本形態において、ループ状電極３１はグランド電極２１と電気的に導通状態で結合し、このループ状電極３１が介在することで無線ＩＣチップ５とグランド電極２１とが結合する。第２の基本形態の動作は前記第１の基本形態と同様であり、その作用効果も第１の基本形態で説明したとおりである。

なお、ループ状電極３１は以下に詳述するように種々の形状を採用することができる。また、グランド電極２１やループ状電極３１を回路基板２０の内部や裏面に形成してもよいことは勿論である。

（第３の基本形態、図４参照）
図４に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第３の基本形態を示す。この第３の基本形態は、無線ＩＣチップ５を給電回路基板１０に搭載して電磁結合モジュール１を構成し、該電磁結合モジュール１をプリント配線回路基板２０に設けたループ状電極３５に電気的に接続したものである。ループ状電極３５は、前記第１の基本形態で示したループ状電極２２（図１参照）と同様に、回路基板２０の表面に設けたグランド電極２１に近接して配置され、グランド電極２１と磁界により結合している。

無線ＩＣチップ５は、図２に示した入出力端子電極６，６が給電回路基板１０の表面に設けた電極１２ａ，１２ｂ（図６及び図７参照）に金属バンプ８を介して電気的に接続され、実装用端子電極７，７が電極１２ｃ，１２ｄに金属バンプ８を介して電気的に接続されている。さらに、給電回路基板１０の表面と無線ＩＣチップ５の裏面との間には両者の接合強度を向上させる効果も有する保護膜９が設けられている。

給電回路基板１０は、インダクタンス素子を有する共振回路（図４では省略）を内蔵したもので、裏面には外部電極１９ａ，１９ｂ（図６及び図７参照）が設けられ、表面には接続用電極１２ａ〜１２ｄ（図６及び図７参照）が形成されている。外部電極１９ａ，１９ｂは基板１０に内蔵された共振回路と電磁界結合し、ループ状電極３５の接続用電極３５ａ，３５ｂとは図示しない導電性接着剤を介して電気的に導通状態で接続されている。なお、この電気的な接続には半田などを用いてもよく、また、難燃性の導電性接着剤を使用しても構わない。

さらに、外部電極１９ａ，１９ｂと接続用電極３５ａ，３５ｂとは絶縁性の接着剤で接続しても構わない。また、絶縁性接着剤も難燃性のものを用いてもよい。難燃性の接着剤を使用することにより、電子機器の故障などによりプリント配線回路基板２０が燃えたとしても、無線ＩＣチップ５や電磁結合モジュール１が消失することはない。また、電子機器が炎上した場合でもプリント配線回路基板２０上に電磁結合モジュール１が接着された状態で残すことができる。プリント配線回路基板２０及びその上の電極は、炎上時の熱により変形等するが、電磁結合モジュール１内の共振回路で信号の周波数を決定しているため、回路基板やその上の電極が変形したとしても無線ＩＣデバイスとしての機能を失うことはなく、炎上した後でもその電子機器を認識することができる。

即ち、給電回路基板１０には所定の共振周波数を有する共振回路が内蔵されており、無線ＩＣチップ５から発信された所定の周波数を有する送信信号を外部電極１９ａ，１９ｂ及びループ状電極３５を介してグランド電極２１に伝達し、かつ、グランド電極２１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。それゆえ、この無線ＩＣデバイスは、グランド電極２１で受信された信号によって無線ＩＣチップ５が動作され、該無線ＩＣチップ５からの応答信号がグランド電極２１から外部に放射される。

前記電磁結合モジュール１にあっては、給電回路基板１０の裏面に設けた外部電極１９ａ，１９ｂが、基板１０に内蔵された共振回路と電磁界結合するとともに、アンテナとして機能するグランド電極２１と電界結合しているループ状電極３５と電気的に導通している。電磁結合モジュール１としては比較的サイズの大きいアンテナ素子を別部品として搭載する必要はなく、小型に構成できる。しかも、給電回路基板１０も小型化されているので、無線ＩＣチップ５はこのような小型の給電回路基板１０に搭載すればよく、従来から広く使用されているＩＣ実装機などを用いることができ、実装コストが低減する。また、使用周波数帯を変更するに際しては、共振回路の設計を変更するだけでよい。

なお、給電回路基板１０内に形成される素子としては、インダクタンス素子のみでもよい。インダクタンス素子は無線ＩＣチップ５と放射板（グランド電極２１）とのインピーダンス整合機能を有している。

（第４の基本形態、図５参照）
図５に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第４の基本形態を示す。この第４の基本形態は、プリント配線回路基板２０上に設けたグランド電極２１の一側辺に開口部２１ｂを形成することにより該開口部２１ｂの周囲にループ状電極３６を設け、かつ、無線ＩＣチップ５を給電回路基板１０に搭載した電磁結合モジュール１をループ状電極３６に電気的に接続したものである。ループ状電極３６は、接続用電極３６ａ，３６ｂが給電回路基板１０の裏面に設けた外部電極１９ａ，１９ｂと図示しない導電性接着剤を介して電気的に導通状態で接続されている。なお、第４の基本形態における給電回路基板１０の構成、作用は前記第３の基本形態と同様であり、ループ状電極３６の作用は前記第２の基本形態で示したループ状電極３１と同様である。

（共振回路の第１例、図６参照）
給電回路基板１０に内蔵された共振回路の第１例を図６に示す。この給電回路基板１０は、誘電体からなるセラミックシート１１Ａ〜１１Ｈを積層、圧着、焼成したもので、シート１１Ａには接続用電極１２ａ，１２ｂと電極１２ｃ，１２ｄとビアホール導体１３ａ，１３ｂが形成され、シート１１Ｂにはキャパシタ電極１８ａと導体パターン１５ａ，１５ｂとビアホール導体１３ｃ〜１３ｅが形成され、シート１１Ｃにはキャパシタ電極１８ｂとビアホール導体１３ｄ〜１３ｆが形成されている。さらに、シート１１Ｄには導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｅ，１３ｆ，１４ａ，１４ｂ，１４ｄが形成され、シート１１Ｅには導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｅ，１３ｆ，１４ａ，１４ｃ，１４ｅが形成され、シート１１Ｆにはキャパシタ電極１７と導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｅ，１３ｆ，１４ｆ，１４ｇが形成され、シート１１Ｇには導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｅ，１３ｆ，１４ｆ，１４ｇが形成され、シート１１Ｈには導体パターン１６ａ，１６ｂとビアホール導体１３ｆが形成されている。

以上のシート１１Ａ〜１１Ｈを積層することにより、ビアホール導体１４ｃ，１４ｄ，１４ｇで螺旋状に接続された導体パターン１６ａにてインダクタンス素子Ｌ１が構成され、ビアホール導体１４ｂ，１４ｅ，１４ｆで螺旋状に接続された導体パターン１６ｂにてインダクタンス素子Ｌ２が構成され、キャパシタ電極１８ａ，１８ｂにてキャパシタンス素子Ｃ１が構成され、キャパシタ電極１８ｂ，１７にてキャパシタンス素子Ｃ２が構成される。

インダクタンス素子Ｌ１の一端はビアホール導体１３ｄ、導体パターン１５ａ、ビアホール導体１３ｃを介してキャパシタ電極１８ｂに接続され、インダクタンス素子Ｌ２の一端はビアホール導体１４ａを介してキャパシタ電極１７に接続される。また、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２の他端は、シート１１Ｈ上で一つにまとめられ、ビアホール導体１３ｅ、導体パターン１５ｂ、ビアホール導体１３ａを介して接続用電極１２ａに接続されている。さらに、キャパシタ電極１８ａはビアホール導体１３ｂを介して接続用電極１２ｂに電気的に接続されている。

そして、接続用電極１２ａ，１２ｂが金属バンプ８を介して無線ＩＣチップ５の端子電極６，６と電気的に接続される。電極１２ｃ，１２ｄは無線ＩＣチップ５の端子電極７，７に接続される。

また、給電回路基板１０の裏面には外部電極１９ａ，１９ｂが導体ペーストの塗布などで設けられ、外部電極１９ａはインダクタンス素子Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）と磁界により結合し、外部電極１９ｂはビアホール導体１３ｆを介してキャパシタ電極１８ｂに電気的に接続される。外部電極１９ａ，１９ｂはループ状電極３５又は３６の接続用電極３５ａ，３５ｂ又は３６ａ，３６ｂに電気的に接続されることは前述のとおりである。

なお、この共振回路において、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２は２本の導体パターン１６ａ，１６ｂを並列に配置した構造としている。２本の導体パターン１６ａ，１６ｂはそれぞれ線路長が異なっており、異なる共振周波数とすることができ、無線ＩＣデバイスを広帯域化できる。

なお、各セラミックシート１１Ａ〜１１Ｈは磁性体のセラミック材料からなるシートであってもよく、給電回路基板１０は従来から用いられているシート積層法、厚膜印刷法などの多層基板の製作工程により容易に得ることができる。

また、前記シート１１Ａ〜１１Ｈを、例えば、ポリイミドや液晶ポリマなどの誘電体からなるフレキシブルなシートとして形成し、該シート上に厚膜形成法などで電極や導体を形成し、それらのシートを積層して熱圧着などで積層体とし、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２やキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２を内蔵させてもよい。

前記給電回路基板１０において、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２とキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２とは平面透視で異なる位置に設けられ、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２により外部電極１９ａと磁界的に結合し、外部電極１９ｂはキャパシタンス素子Ｃ１を構成する一方の電極となっている。

従って、給電回路基板１０上に前記無線ＩＣチップ５を搭載した電磁結合モジュール１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）をグランド電極２１で受信し、ループ状電極３５又は３６を介して外部電極１９ａ，１９ｂと磁界結合及び電界結合している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、共振回路にて所定の周波数に整合させた後、外部電極１９ａ，１９ｂ及びループ状電極３５又は３６を介してグランド電極２１に伝え、該グランド電極２１からリーダライタに送信、転送する。

給電回路基板１０においては、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２とキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２で構成された共振回路にて共振周波数特性が決定される。グランド電極２１から放射される信号の共振周波数は、共振回路の自己共振周波数によって実質的に決まる。

ところで、共振回路は無線ＩＣチップ５のインピーダンスとグランド電極２１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る。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備えていてもよい（この意味で、共振回路を整合回路とも称する）。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。なお、前記ループ状電極３５，３６はインピーダンス整合機能や共振回路としての機能を備えていてもよい。その場合、ループ状電極の形状や放射板となるグランド電極のサイズなども考慮して給電回路基板１０内の共振回路（整合回路）の設計を行うことにより、放射特性を向上させることができる。

（共振回路の第２例、図７参照）
給電回路基板７０に設けた共振回路の第２例を、図７に示す。この給電回路基板７０は、フレキシブルなＰＥＴフィルムなどからなり、基板７０上に、インダクタ素子Ｌを構成する螺旋形状の導体パターン７２と、キャパシタンス素子Ｃを構成するキャパシタ電極７３とを形成したものである。導体パターン７２及びキャパシタ電極７３から引き出された電極１２ａ，１２ｂは無線ＩＣチップ５の端子電極６，６と電気的に接続される。また、基板７０上に形成された電極１２ｃ，１２ｄは無線ＩＣチップ５の端子電極７，７に電気的に接続される。

給電回路基板７０ではインダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子Ｃとで共振回路を構成し、それぞれに対向する前記電極３５ａ，３５ｂ又は前記電極３６ａ，３６ｂとの間で磁界結合及び電界結合し、所定周波数の高周波信号を送受信する点は前記第１例と同様である。特に、第２例では給電回路基板７０がフレキシブルなフィルムから構成されているため、電磁結合モジュール１が低背化される。また、インダクタンス素子Ｌに関しては、導体パターン７２の線幅や線間隔を変更することでインダクタンス値を変更し、共振周波数を微調整することができる。

なお、本第２例においても、インダクタンス素子Ｌは２本の導体パターン７２を螺旋形状に配置し、螺旋中心部において２本の導体パターン７２を接続している。これらの２本の導体パターン７２はそれぞれ異なるインダクタンス値Ｌ１，Ｌ２を有しており、それぞれの共振周波数を異なる値に設定することができ、前記第１例と同様に無線ＩＣデバイスの使用周波数帯を広帯域化することができる。

（電磁結合モジュールの他の例）
電磁結合モジュールとしては、給電回路基板上に無線ＩＣチップを搭載したもの以外に、無線ＩＣの機能を給電回路基板に含めて無線ＩＣと給電回路とを一つの基板に形成してもよい。これにより、無線ＩＣデバイスを小型化、低背化することができる。

（第１実施例、図８〜図１１参照）
以下に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第１実施例〜第８実施例を説明する。これらの実施例は、前記第２及び第４の基本形態（図３及び図５参照）で説明したように、グランド電極に形成した開口部によってループ状電極を形成したものである。

第１実施例である無線ＩＣデバイスは、図８及び図９に示すように、プリント配線回路基板２０上に設けたグランド電極２１の一側辺に開口部２１ｂを形成することにより該開口部２１ｂの周囲にループ状電極３１を設けたもので、接続用電極３１ａ，３１ｂが無線ＩＣチップ５又は電磁結合モジュール１と結合されている。

アンテナとして機能するグランド電極２１は両端部２１ｃが共振端となる共振モードで共振する。共振経路は電極２１の形状で決まり、共振経路の長さに起因する特定の共振周波数となる。この共振周波数がＲＦＩＤシステムの使用周波数近辺にあるとき利得が高く、無線ＩＣデバイスとしての特性が良好となる。

基本波の共振時における電圧と電流の分布は図１０に示す特性を有し、電力（電位×電流）分布は図１１に示す特性を有する。図１０及び図１１において、横軸は図８に示すように共振経路の一端位置Ａから中央位置Ｂを経て他端位置Ｃまでの長さを示している。共振経路において電力が大きくなる領域は、共振経路の一端位置Ａから他端位置Ｃにわたる約１／４から約３／４の領域Ｘであり、電力が最大になるのは中央位置Ｂである。

詳しくは、図１１に示すように、電力は中央位置Ｂを１とすると、共振経路（横軸方向に）の１／４及び３／４の位置で０．５であり、１／８及び７／８の位置で０．１５であり、０及び１の位置で０になる。このため、給電効率を考慮すると、電力が０．５以上で動作させるためには、給電点となるループ状電極３１の配置点を共振経路の一端から他端にわたる約１／４から約３／４の領域Ｘに配置することが望ましい。

従って、給電点（ループ状電極３１の配置点）をこの領域Ｘに配置することにより、給電効率が良好になり、アンテナとして好ましい利得を得ることができる。本第１実施例では、給電点を電力の最も大きい中央位置Ｂに配置している。

ところで、図１を参照して説明すると、ループ状電極２２はグランド電極２１をアンテナとして機能させるために用いており、ループ状電極２２もインピーダンス変換の機能を有している。具体的には、ループ状電極２２はその接続用電極２２ａ，２２ｂの間でループ形状に起因するインピーダンスを有している。そして、電極２２ａ，２２ｂと結合される無線ＩＣチップ５又は給電回路基板１０から送信される信号に相当する電流はループ形状に沿って流れる。

接続用電極２２ａ，２２ｂにおけるインピーダンス（Ｚ）は実数部（Ｒ）と虚数部（Ｘ）の和で表され、ループ状電極２２の形状が小さくなると電流経路長も短くなるため、ループ状電極２２で発生する抵抗（Ｒ）も小さくなる。電流経路長が短くなると、その電流により発生するインダクタンス（Ｌ）によるインピーダンス（Ｘ＝ωＬ）も小さくなる。携帯電話などの機器の小型化などでループ状電極２２の配置スペースが小さくなった場合、ループ状電極２２のインピーダンスが小さくなりすぎてしまい、無線ＩＣチップや給電（共振／整合）回路とのインピーダンスの差が大きくなり、無線ＩＣチップ５や給電回路から放射板へ十分な電力の伝達ができなくなるという問題が発生する。

この問題を解決するためには、ループ状電極２２のインピーダンス（Ｚ）を大きくする必要があり、実数部（Ｒ）又は虚数部（Ｘ）を大きくする必要がある。本第１実施例ではこのような問題をも解決するようにした。即ち、ループ状電極３１の内側に環状の整合電極３２を配置した。この整合電極３２によってループ状電極３１の電流経路が長くなり、抵抗（Ｒ）が大きくなるとともに実数部（Ｒ）が大きくなり、結果的にインピーダンス（Ｚ）を大きくすることができる。なお、図９に示す整合電極３２の形状は、一例であり、開口部２１ｂの形状や大きさなどに合わせてミアンダ状などに変更しても構わない。

（第２実施例、図１２参照）
第２実施例である無線ＩＣデバイスは、図１２に示すように、プリント配線回路基板２０上に設けたグランド電極２１に切欠き２７を形成することで略Ｌ字形状としたものである。共振経路は切欠き２７によって規定され、給電点（ループ状電極３１の配置点）は利得が高くなる一端位置Ａから他端位置Ｃにわたる１／４から３／４の領域に配置されている。

本第２実施例において、グランド電極２１に設けた切欠き２７は、グランド電極２１の共振周波数を調整する機能を有している。切欠き２７や以下に説明するスリット２３ａ，２３ｂ，２３ｃが形成されていない場合、グランド電極２１は両端部２１ｃが共振端となる共振モードで共振する（図８参照）。グランド電極２１のサイズは概ね回路基板２０のサイズによって予め決められているため、両端部２１ｃを共振端とする共振モードでの共振周波数がＲＦＩＤシステムでの使用周波数と合致しない場合があり、この場合利得が低下してしまう。切欠き２７やスリット２３ａ，２３ｂ，２３ｃを形成することにより、共振モードが図１２に示すように長くなり、共振周波数が低くなるように調整され、ＲＦＩＤシステムの使用周波数に近付けることができる。これにて、利得が向上する。

なお、グランド電極２１に切欠きやスリットを形成することで、共振モードを短くすることも可能であり、この場合には共振周波数が高く調整されることになる。また、回路基板２０自体がグランド電極２１に沿ったＬ字形状であってもよい。

（第３実施例、図１３参照）
第３実施例である無線ＩＣデバイスは、図１３に示すように、プリント配線回路基板２０上に設けたグランド電極２１にスリット２３ａを形成したものである。共振経路はスリット２３ａによって規定され、給電点（ループ状電極３１の配置点）は利得が高くなる一端位置Ａから他端位置Ｃにわたる１／４から３／４の領域に配置されている。また、スリット２３ａは、前記切欠き２７と同様に、グランド電極２１の共振周波数を調整する機能を有している。

なお、スリット２３ａや前記切欠き２７の形状によっては、複数の共振モード（共振周波数）を得ることもできる。グランド電極２１が複数の共振周波数を持つと使用周波数帯域が広くなる。

（第４実施例、図１４参照）
第４実施例である無線ＩＣデバイスは、図１４に示すように、スリット２３ｃに回路配線２６を配置したプリント配線回路基板２０において、グランド電極２１にループ状電極３１を配置した部分と回路配線２６を配置した部分とを仕切るようにスリット２３ｂを形成したものである。共振経路はスリット２３ｂによって規定され、給電点（ループ状電極３１の配置点）は利得が高くなる一端位置Ａから他端位置Ｃにわたる１／４から３／４の領域に配置されている。また、スリット２３ｂはグランド電極の共振周波数を調整する機能を有している。回路配線２６の全てがグランド電極２１に囲まれているため、これらの回路部分の電気的安定性が向上する。

（第５実施例、図１５参照）
第５実施例である無線ＩＣデバイスは、図１５に示すように、スリット２３ｃに回路配線２６を配置したプリント配線回路基板２０において、給電点（ループ状電極３１の配置点）を最も利得が高くなる中央位置Ｂに配置したものである。

本第５実施例では、回路配線２６を配置したスリット２３ｃが、共振経路を規定し、かつ、共振周波数を調整する機能を果たしている。小型のグランド電極２１であっても低い共振周波数に調整することができ、共振周波数を調整するための専用のスリットや切欠きを形成する必要がない。

（第６実施例、図１６参照）
本第６実施例である無線ＩＣデバイスは、図１６に示すように、前記第５実施例と基本的には同様の構成からなり、共振経路をより長く形成したものである。給電点（ループ状電極３１の配置点）は利得が高くなる一端位置Ａから他端位置Ｃにわたる１／４から３／４の領域に配置されている。

（第７実施例、図１７参照）
第７実施例である無線ＩＣデバイスは、図１７に示すように、プリント配線回路基板２０を多層基板とし、その表面に設けたグランド電極２１の端部と内部層に形成した電極２４とをビアホール導体２５にて電気的に接続したものである。給電点（ループ状電極３１の配置点）は利得が高くなる一端位置Ａから他端位置Ｃにわたる１／４から３／４の領域に配置されている。

本第７実施例においても良好な利得を得ることができ、さらに、回路基板２０の複数の層を利用して共振モードを設定するため、共振周波数の調整自由度が高くなり、複雑な共振モードを設計することが可能である。

（第８実施例、図１８参照）
第８実施例である無線ＩＣデバイスは、図１８に示すように、プリント配線回路基板２０に実装された金属部材とグランド電極２１とを導通状態としたものである。詳しくは、回路基板２０に搭載したパワーアンプなどの電子部品の金属ケース２８とグランド電極２１の他端とが電気的に接続されている。また、グランド電極２１の一端には、共振経路を長くするためにスリット２３ａが形成されている。給電点（ループ状電極３１の配置点）は利得が高くなる一端位置Ａから他端位置Ｃにわたる１／４から３／４の領域に配置されている。

本第８実施例では、電極２１の一端位置Ａと金属ケース２８の端部（他端位置Ｃ）とを共振端とする共振モードが形成される。なお、グランド電極２１の一端は、前記第７実施例に示したように、他の層に形成した電極２４と電気的に接続されていてもよい。

（他の共振モード、図１９参照）
グランド電極２１が図１９に示すように３倍波の共振モードでは、給電効率を考慮すると、ループ状電極３１を共振経路の一端位置Ａから他端位置Ｃにわたる約１／１２から約３／１２、約５／１２から約７／１２及び約９／１２から約１１／１２のいずれかの領域に配置することが望ましい。

（ループ状電極の各種形状、図２０〜図２５参照）
ループ状電極は図９に示した形状以外の種々の形状とすることができる。そのような形状を以下に説明する。勿論、ここに示す以外の形状であってもよい。

図２０に示すループ状電極３１は、比較的短い整合電極３２を形成したものである。図２１及び図２２に示すループ状電極３１は、整合電極３２を比較的長く形成したもので、前記第１実施例で説明したように、インピーダンス（Ｚ）を大きくすることができる。

図２３に示すループ状電極３１は、開口部２１ｂを比較的大きくしたものである。

図２４に示すループ状電極３１はその内側にミアンダ状の整合電極３２を配置したものであり、インピーダンス（Ｚ）を大きくすることができる。

図２５に示すループ状電極３３は、周囲をグランド電極２１に囲まれた開口部２１ｅに形成され、ミアンダ状の整合電極３４を有し、整合電極３４の端部である接続用電極３４ａ，３４ｂに無線ＩＣチップ５又は電磁結合モジュール１が結合される。このループ状電極３３は、第１の基本形態（図１参照）で示したループ状電極２２と同様に、グランド電極２１と電界により結合する。

（電子機器、図２６及び図２７参照）
次に、本発明に係る電子機器の一実施例として携帯電話を説明する。図２６に示す携帯電話８０は、複数の周波数に対応しており、地上波デジタル信号、ＧＰＳ信号、ＷｉＦｉ信号、ＣＤＭＡやＧＳＭなどの通信用信号が入力される。

筐体８１内には、図２７に示すように、プリント配線回路基板２０が設置されている。このプリント配線回路基板２０には、無線通信用回路９０と電磁結合モジュール１とが配置されている。無線通信用回路９０は、ＩＣ９１と回路基板２０に内蔵されたバラン９２とＢＰＦ９３とコンデンサ９４とで構成されている。無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０は、プリント配線回路基板２０上に設けたグランド電極２１と結合しているループ状電極上に搭載され、無線ＩＣデバイスを構成している。

（他の実施例）
なお、本発明に係る無線ＩＣデバイス及び電子機器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、高周波信号を送受信するための電極は、グランド電極だけではなく、回路基板に設けられている種々の電極を使用することができる。また、共振回路は様々な構成のものを採用できる。前記実施例に示した外部電極や給電回路基板の材料はあくまで例示であり、必要な特性を有する材料であれば、任意のものを使用することができる。

無線ＩＣチップを給電回路基板に実装するのに、金属バンプ以外の処理を用いてもよい。また、無線ＩＣチップの電極と給電回路基板の接続用電極との間に誘電体を配置して該両電極を容量結合しても構わない。さらに、無線ＩＣチップとループ状電極と、あるいは、給電回路基板とループ状電極とを容量結合しても構わない。また、無線ＩＣチップを樹脂などで保護しても構わない。これにより無線ＩＣチップの耐環境性を向上させることができる。さらに、その樹脂として難燃性の樹脂を使用しても構わない。難燃性の樹脂を使用することにより無線ＩＣデバイスを搭載したプリント配線回路基板及び電子機器が炎上した後でも無線ＩＣデバイスとして機能させることができる。

また、無線ＩＣデバイスが実装される機器は、携帯電話などの無線通信機器に限らず、グランド電極などを有する回路基板を備えた種々の機器（例えば、テレビや冷蔵庫などの家電製品）であってもよい。

無線ＩＣデバイスの第１の基本形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 無線ＩＣチップを示す斜視図である。 無線ＩＣデバイスの第２の基本形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 無線ＩＣデバイスの第３の基本形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 無線ＩＣデバイスの第４の基本形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 共振回路の第１例を内蔵した給電回路基板を示す分解斜視図である。 共振回路の第２例を設けた給電回路基板を示す平面図である。 無線ＩＣデバイスの第１実施例を示す平面図である。 第１実施例の要部を示す拡大平面図である。 基本波の共振時における電圧と電流の分布を示すグラフである。 基本波の共振時における電力の変化を示すグラフである。 無線ＩＣデバイスの第２実施例を示す平面図である。 無線ＩＣデバイスの第３実施例を示す平面図である。 無線ＩＣデバイスの第４実施例を示す平面図である。 無線ＩＣデバイスの第５実施例を示す平面図である。 無線ＩＣデバイスの第６実施例を示す平面図である。 無線ＩＣデバイスの第７実施例を示す平面図である。 無線ＩＣデバイスの第８実施例を示す平面図である。 ３倍波の共振時における電圧と電流の分布を示すグラフである。 ループ状電極の他の例を示す平面図である。 ループ状電極の他の例を示す平面図である。 ループ状電極の他の例を示す平面図である。 ループ状電極の他の例を示す平面図である。 ループ状電極の他の例を示す平面図である。 ループ状電極の他の例を示す平面図である。 本発明に係る電子機器の一実施例である携帯電話を示す斜視図である。 前記携帯電話に内蔵されているプリント配線回路基板を示す説明図である。

符号の説明

１…電磁結合モジュール
５…無線ＩＣチップ
１０…給電回路基板
２０…プリント配線回路基板
２１…グランド電極
２１ｂ，２１ｅ…開口部
２２，３１，３３，３５，３６…ループ状電極
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…スリット
２４…電極
２７…切欠き
２８…金属ケース
３２，３４…整合電極

Claims (15)

1. 送受信信号を処理する無線ＩＣチップと、
   前記無線ＩＣチップを実装した回路基板と、
   前記回路基板に形成された電極と、
   前記無線ＩＣチップと結合されるとともに、前記電極と結合するように前記回路基板に形成されたループ状電極と、
   を備え、
   前記電極の共振経路の一端から他端にわたる約１／４から約３／４の領域に前記ループ状電極が配置されていること、
   を特徴とする無線ＩＣデバイス。
2. 送受信信号を処理する無線ＩＣと、インダクタンス素子を含み、該インダクタンス素子が前記無線ＩＣと結合されている給電回路基板とで構成された電磁結合モジュールと、
   前記電磁結合モジュールを実装した回路基板と、
   前記回路基板に形成された電極と、
   前記給電回路基板と結合されるとともに、前記電極と結合するように前記回路基板に形成されたループ状電極と、
   を備え、
   前記電極の共振経路の一端から他端にわたる約１／４から約３／４の領域に前記ループ状電極が配置されていること、
   を特徴とする無線ＩＣデバイス。
3. 前記電極はグランド電極であ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. 前記ループ状電極がインピーダンス整合機能を備え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. 前記ループ状電極と前記回路基板に形成された電極とが互いに絶縁状態で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. 前記ループ状電極と前記回路基板に形成された電極とが互いに電気的に導通状態で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。
7. 前記ループ状電極は前記電極に形成された開口部の周囲に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
8. 前記ループ状電極の内側に整合電極を有することを特徴とする請求項７に記載の無線ＩＣデバイス。
9. 前記電極にその共振経路を規定するためのスリット及び／又は切欠きが形成されていることを特徴とする請求１ないし請求項８のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
10. 前記スリット及び／又は切欠きによって前記電極の共振周波数が調整されることを特徴とする請求項９に記載の無線ＩＣデバイス。
11. 前記回路基板は複数の誘電体層又は磁性体層を積層してなる多層基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
12. 前記電極は前記回路基板の複数の層に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の無線ＩＣデバイス。
13. 前記スリット及び／又は切欠きに回路配線が配置されていることを特徴とする請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
14. 前記回路基板に実装された金属部材が前記電極と導通状態にあることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
15. 請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の無線ＩＣデバイスを備えたことを特徴とする電子機器。

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