JP2009260758A - 無線ｉｃデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】小型・低コスト化を図り、小型化した際の実装要求精度の問題を解消し、特性ばらつきが少なく安定性に優れた無線ＩＣデバイスを構成する。
【解決手段】無線ＩＣデバイス１０１は、無線ＩＣ部及び給電回路を備えた基板５０と、この基板５０を搭載する放射板６０とによって構成されている。基板５０には、メモリ１１、信号処理回路１２、整合回路４１、及び基板側結合線路４２がそれぞれ形成されている。このうちメモリ１１及び信号処理回路１２によって無線ＩＣ部が構成され、例えば有機半導体材料を用いた半導体回路によってメモリ１１及び信号処理回路１２が構成される。基板５０に形成されている整合回路４１と基板側結合線路４２とによる給電回路によって信号処理回路１２とのインピーダンス整合をとるとともに共振周波数および帯域幅を定める。
【選択図】図３

Description

この発明は、近接電磁界により非接触で通信を行うＲＦ−ＩＤのような無線ＩＣデバイスに関するものである。

ＲＦ−ＩＤとして用いられる非接触型ＩＣカードが特許文献１に開示されている。
図１は、特許文献１に示されている無線ＩＣカード３４の断面図である。

この図１に示すように、表面に第１のアンテナコイル２２を形成したＩＣチップ２３を用い、モジュール基板３０の上面に上記第１のアンテナコイル２２と結合する第２のアンテナコイル３１及びこの第２のアンテナコイル３１から引き出されて放射電極として作用する第３のアンテナコイル３２が形成されている。このモジュール基板３０に対して上記ＩＣチップ２３をフェースダウン実装し、モジュール基板３０及びＩＣチップ２３の上面には接着封止樹脂３３を介してラミネートフィルム３３が貼着されることによって無線ＩＣカード３４が構成されている。
特開２０００−３１１２２６号公報

近年の小型化・低コスト化の要請を受けて、前記ＩＣチップはますます小型になってきている。しかし特許文献１に示されている構造の無線ＩＣデバイスでは、ＩＣチップ２３は、そのＩＣチップ２３に形成した第１のアンテナコイル２２とモジュール基板３０側の第２のアンテナコイル３１との結合が所定の結合状態となるように、ＩＣチップ２３をモジュール基板３０から離間して配置する必要がある。そのため、ＩＣカードの厚みが厚くなる。

また、ＩＣチップが小型になるほど、第１のアンテナコイル２２及び第２のアンテナコイル３１のパターンが細かくなり、それに合わせてＩＣチップ２３とモジュール基板３０との間隔は例えば２０μｍと非常に狭くなり高精度なものとなる。しかもその実装精度によってアンテナ特性が変動するので、安定した特性を得るために高い実装精度が要求され、製造コストが嵩むという問題がある。

また、特許文献１に示されている構造の無線ＩＣデバイスでは、第３のアンテナコイル３２のアンテナ長は例えばλ／２等であり、第３のアンテナコイル３２によってアンテナの共振周波数（中心周波数）やその帯域幅等のアンテナ特性が定まるので、第３のアンテナコイルには設計上の制約がともなう。

そこで、この発明の目的は、小型・低コスト化を図り、小型化した際の実装要求精度の問題を解消し、特性ばらつきが少なく安定性に優れた無線ＩＣデバイスを提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明の無線ＩＣデバイスは次のように構成する。
（１）メモリ及び信号処理回路を含み無線信号処理を行う無線ＩＣ部と、前記無線ＩＣ部に結合する、少なくとも１つのインダクタンス素子を含む共振回路及び／又は整合回路を有する給電回路部と、を有する基板と、
給電回路部に電磁界結合し、前記給電回路部から供給される送信信号を放射する、及び／又は外部からの無線信号を受けて受信信号を前記給電回路部へ供給する放射用電極を備えた放射板と、
を備えたものとする。

この構成により、給電回路部が、アンテナに要求される主要な機能のうち、中心周波数と帯域幅の設定、及び無線ＩＣとの整合を行うので、放射板側の放射用電極は単に給電回路部と結合して、必要な利得に応じた大きさを備えていればよく、基板側の給電回路と放射板側の放射用電極との結合部に高い実装精度が要求されない。

一方、無線ＩＣ部と給電回路部との接続は、実装に依らず、その両者を基板上に形成することになるので、インピーダンス整合等をばらつきなく高精度に行うことができる。

さらに、放射用電極によって信号の共振周波数が実質的に決まるわけではないので、種々の形状や放射板と結合させても無線ＩＣデバイスとして機能させることができる。

（２）前記無線ＩＣ部及び前記給電回路部は前記基板の一方の主面に形成されたものとする。

この構成により、一つの基板に対して無線ＩＣ部及び給電回路部を容易に形成でき、実質的に同時に構成でき、別の基板に対する両者の実装（搭載）が不要となり、低コスト化が図れる。また、基板に対して無線ＩＣチップおよび給電回路用基板を積層配置する必要がないので、全体に低背化できる。

（３）前記放射板から放射される信号の周波数は前記給電回路部の自己共振周波数に実質的に等しいものとする。

この構成により、アンテナの機能のうち、アンテナの共振周波数（中心周波数）とその帯域幅は給電回路部によって定まるので、放射用電極は、その長さや形状等について制約を受けず、組み込み先の構造やサイズに応じた設計が容易となる。

（４）前記給電回路部は、インダクタンス値の異なる複数のインダクタンス素子又は互いに結合して複数の極を形成する複数のインダクタンス素子を備えたものとする。

このことにより、複数の共振周波数特性を持たせることができ、無線ＩＣデバイスの使用周波数帯域を広帯域化できる。

（５）前記無線ＩＣ部及び前記給電回路部は、半導体回路及び導体線路が印刷法により形成されたものとする。

これにより、無線ＩＣ部及び給電回路部の占有面積は小さくなり、これを有機半導体を用いる所謂プリンテッドエレクトロニクスで形成してもコストが嵩むことはない。また、所定の利得を得るための放射用電極は、高精度が要求されないので、低精度・低コストな印刷法により形成できる。そのため全体に低コスト化が図れる。

しかも、放射板だけでなく無線ＩＣ部及び給電回路部を含む全体がフレキシブルに構成でき、組み込み先の装置の構造や構造体の形状に応じて組み込み実装の自由度が高まる。

また、単結晶半導体チップを用いないことにより、リサイクル性が高まり、燃焼後も残渣が生じない。

（６）前記無線ＩＣ部及び前記給電回路部が形成された、前記基板の一方の主面に保護膜が形成されたものとする。

特に前記給電回路部の表面が保護されることで、前記給電回路内部のインダクタの値の安定化が図れ、放射板との安定した結合が可能になる、という効果を奏する。

この発明によれば、基板側の給電回路と放射板側の放射用電極との結合部に高い実装精度が要求されない。また、無線ＩＣ部と放射用電極とのインピーダンス整合をばらつきなく高精度に行うことができる。さらに給電回路部によって信号の共振周波数が定まるので、広帯域で動作する無線ＩＣデバイスが構成できる。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る無線ＩＣデバイスについて図２・図３を参照して説明する。
図２は無線ＩＣデバイスの概略外観図であり、図２（Ａ）は上面図、図２（Ｂ）は正面図である。

この無線ＩＣデバイス１０１は、無線ＩＣ部１０及び給電回路部４０を備えた基板５０と、この基板５０を搭載する放射板６０とによって構成されている。

基板５０は、所謂プリンテッドエレクトロニクスで製造されるものであり、有機半導体回路及び微細な配線パターンがフレキシブルな樹脂フィルム上に高精度に印刷形成されたものである。一方の放射板６０は、フレキシブルな樹脂フィルム又はリジッドな樹脂基材に所定の放射用電極が形成されたものである。

前記基板５０に形成されている給電回路部４０と放射板６０に形成されている放射用電極とが結合することによって全体が無線ＩＣデバイス１０１として作用する。

図３は、第１の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの分解斜視図である。基板５０にはメモリ１１、信号処理回路１２、整合回路４１、及び基板側結合線路４２がそれぞれ形成されている。このうちメモリ１１及び信号処理回路１２が、図２に示した無線ＩＣ部１０に相当し、有機半導体材料を用いた半導体回路によってメモリ１１及び信号処理回路１２が構成されている。メモリ１１には例えばＲＦ−ＩＤタグの情報が書き込まれ、信号処理回路１２はリーダライタとの通信及びメモリ１１に対する読み書き制御を行う。

図３において整合回路４１及び基板側結合線路４２が、図２に示した給電回路部４０に相当する。整合回路４１は信号処理回路１２と基板側結合線路４２とのインピーダンス整合を図るために設けていて、例えばＵＨＦ（９１５ＭＨｚ）において信号処理回路１２のインピーダンスＺが３５Ω−ｊ２００Ωである場合、給電回路部４０のインピーダンスがその共役関係のインピーダンスすなわち３５Ω＋ｊ２００Ωとなるように整合回路４１のインダクタンス値を定める。

基板側結合線路４２はループ状をなし、後に述べる放射板側結合線路７１と結合する。整合回路４１は基板側結合線路４２と信号処理回路１２との間に形成されて、信号処理回路１２と基板側結合線路４２とのインピーダンス整合を行う。この例では平衡給電回路の一方の線路に、線路を迂回させて線路長を長くしたインダクタンス素子を配置している。この整合回路４１と基板側結合線路４２とによる給電回路部４０は共振回路も構成していて、中心周波数及び帯域幅を決定する。すなわち、給電回路部４０は、その自己共振周波数で共振するが、その共振周波数をＲＦ−ＩＤタグで利用される周波数に略等しくしている。

放射板６０には放射板側結合線路７１及びそれに接続された放射用電極７２ａ，７２ｂが形成されている。放射板６０に対して基板５０が実装（搭載）される際に、基板側結合線路４２と放射板側結合線路７１とが互いに対向するように配置される。図中の平行な４本の破線はそのことを表している。

放射板６０に基板５０が実装された状態で、基板側結合線路４２と放射板側結合線路７１とが電磁界結合する。これによって、整合回路４１を介して放射用電極７２が信号処理回路１２に接続されることになる。

基板５０の厚み寸法は例えば５ｍｍ×５ｍｍ×０．１ｍｍであり、極めて薄いので、基板側結合線路４２及び放射板側結合線路７１のループ長は比較的短くても両者を強く結合させることができる。したがって基板５０は放射板６０に対して非常に小面積に構成することができ、所謂プリンテッドエレクトロニクスにより製造する際に、薄型化・低コスト化が図れる。

一方、放射板６０は必要な利得を得るための面積（放射用電極７２の電極長）があればよく、高いパターン形成精度は要求されないので、通常の印刷方法で低コストに製造できる。しかもアンテナの主要な４つの機能である（１）中心周波数、（２）帯域幅、（３）信号処理回路との整合、（４）利得のうち、（４）の利得は放射板側の主にサイズで定まり、残る３つの機能は基板５０側で決定されるので、放射板６０と基板５０との実装精度が低くても、アンテナの利得以外の主要な特性は変化せず、特性の安定した無線ＩＣデバイスが得られる。

基板５０の、メモリ１１、信号処理回路１２、整合回路４１、及び基板側結合線路４２が形成された面には所定誘電率・所定厚みの保護膜が形成されている。これにより整合回路４１及び基板側結合線路４２のインダクタの値の安定化が図れ、放射板との安定した結合が可能になる。

また、従来技術のように、無線ＩＣを直接（給電回路を介さずに）放射用電極に結合させた場合と異なり、給電回路部４０と放射板６０（放射用電極７２ａ，７２ｂ）とは電磁結合により結合するので、放射板のインピーダンスの変動の影響を受けにくくなり、特性の安定した無線ＩＣデバイスが得られる。

また、無線ＩＣデバイス１０１を曲げても、図３に示した基板側結合線路４２と放射板側結合線路７１との結合状態はほとんど変化せず、アンテナ特性は変わらない。

さらに、基板側結合線路４２と放射板側結合線路７１との間は直流的には絶縁されるので、静電気に対する耐性が高まる。

その上、メモリ１１及び信号処理回路１２を有機半導体による回路で構成した場合に、無線ＩＣデバイス１０１全体がほとんど有機物で構成されることになるので、リサイクルが容易となり、またそのまま焼却も可能となる。

《第２の実施形態》
図４は、第２の実施形態に係る無線ＩＣデバイス１０２の分解斜視図である。基板５１にメモリ１１、信号処理回路１２、整合回路４１、と共に基板側結合電極４３ａ，４３ｂを形成している。また、放射板６１には放射用電極７２ａ，７２ｂと共に放射板側結合電極７３ａ，７３ｂを形成している。そして、放射板側結合電極７３ａ，７３ｂと基板側結合電極４３ａ，４３ｂとが互いに対向するように、放射板６１に対して基板５１が実装（搭載）される。

これにより、基板側結合電極４３ａ，４３ｂと放射板側結合電極７３ａ，７３ｂとは容量結合する。

基板５１の厚み寸法は例えば５ｍｍ×４ｍｍ×０．０５ｍｍであり、基板側結合電極４３ａ，４３ｂの面積が小さくても、信号処理回路１２は放射板側結合電極７３ａ，７３ｂを介する放射用電極７２ａ，７２ｂとの結合を十分に確保できる。したがって基板５１は単一で且つ極めて小さく構成でき、一方の放射板６１は単に必要な利得を得るのに必要な大きさの放射用電極７２ａ，７２ｂを形成すればよい。
第２の実施形態によるその他の効果は第１の実施形態の場合と同様である。

《第３の実施形態》
図５は第３の実施形態に係る無線ＩＣデバイス１０３の分解斜視図である。基板５２にはメモリ１１、信号処理回路１２、整合回路４１と共に基板側接続電極４４ａ，４４ｂが形成されている。一方、放射板６２には放射用電極７２ａ，７２ｂと共に放射板側接続電極７４ａ，７４ｂが形成されている。基板５２は放射板６２に対して、基板側接続電極４４ａ，４４ｂが放射板側接続電極７４ａ，７４ｂに直接導通するように、基板側接続電極４４ａ，４４ｂはビアとして形成されている。したがって基板５２を放射板６２に対して実装した際、信号処理回路１２は整合回路４１を介して放射用電極７２ａ，７２ｂに直接接続されることになる。

《第４の実施形態》
図６は第４の実施形態に係る無線ＩＣデバイス１０４の分解斜視図である。
基板５３にはメモリ１１、信号処理回路１２、基板側結合線路４５，４６、整合回路４１、及び基板側接続電極４４ａ，４４ｂが形成されている。また放射板６２には放射用電極７２ａ，７２ｂと共に放射板側接続電極７４ａ，７４ｂがそれぞれ形成されている。

基板側結合線路４６はループ状をなす基板側結合線路４５の内部にループ状をなすように形成されていて、この２つの基板側結合線路４５，４６が電磁界結合する。
このように信号処理回路１２と整合回路４１との間で線路を電磁気的に結合させてもよい。

基板側接続電極４４ａ，４４ｂと放射板側接続電極７４ａ，７４ｂは、第３の実施形態の場合と同様に直接接続される。
このように基板側接続電極４４ａ，４４ｂと放射板側接続電極７４ａ，７４ｂとが直接接続される場合でも、基板側結合線路４５−４６の間は直流的には絶縁されるので、静電気に対する耐性が高まる。

また、基板５３上で配線がつながっていないため、基板５３上に印刷するパターンの位置の自由度が増す。

《第５の実施形態》
図７は第５の実施形態に係る無線ＩＣデバイス１０５の分解斜視図である。
基板５４にはメモリ１１、信号処理回路１２、基板側結合電極４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ、整合回路４１及び基板側接続電極４４ａ，４４ｂが形成されている。放射板６２には放射用電極７２ａ，７２ｂと共に放射板側接続電極７４ａ，７４ｂがそれぞれ形成されている。

基板側結合電極（４７ａ，４７ｂ）と（４８ａ，４８ｂ）とは容量結合する。基板側接続電極４４ａ，４４ｂと放射板側接続電極７４ａ，７４ｂは、第３の実施形態の場合と同様に直接接続される。

このように信号処理回路１２と整合回路４１との間で線路を容量結合させても、第４の実施形態の場合と同様に静電気に対する耐性が高まり、基板５３上に印刷するパターンの位置の自由度が増す。

《第６の実施形態》
図８は第６の実施形態に係る無線ＩＣデバイス１０６の分解斜視図である。
基板５５には２層の回路パターンを備えていて、上層には、メモリ１１、信号処理回路１２及び基板側結合線路４２が形成されている。また下層には基板側結合線路４９、整合回路４１及び基板側結合電極４３ａ，４３ｂがそれぞれ形成されている。基板側結合線路４２−４９は基板５１の誘電体層を介して電磁気的に結合される。

放射板６３には放射用電極７２ａ，７２ｂと共に放射板側結合電極７３ａ，７３ｂが形成されている。基板５５は基板側結合電極４３ａ，４３ｂが放射板側結合電極７３ａ，７３ｂと対向するように実装される。したがって信号処理回路１２は基板側結合線路４２，４９による電磁界結合部、整合回路４１及び基板側結合電極４３ａ，４３ｂ及び放射板側結合電極７３ａ，７３ｂによる容量結合部を介して放射用電極７２ａ，７２ｂと接続されることになる。

なお、図８の例では、基板５５の２つの層のパターンを図面上明確に表すために、基板５５を実際の比率より厚く描いている。

《第７の実施形態》
図９は第７の実施形態に係る無線ＩＣデバイス１０７の分解斜視図である。基板５６には２層の回路パターンを備えていて、上層にはメモリ１１、及び下層の配線に電気的に接続する基板側接続電極４４ｃ，４４ｄが形成されている。下層には信号処理回路１２、整合回路４１、及び基板側接続電極４４ａ，４４ｂが形成されている。

放射板６２には放射用電極７２ａ，７２ｂと共に放射板側接続電極７４ａ，７４ｂが形成されている。
このようにしてメモリ１１と信号処理回路１２を別の層に形成してもよい。

《第８の実施形態》
図１０は第８の実施形態に係る無線ＩＣデバイス１０８の分解斜視図である。
基板５７には３つのパターン形成層を備えていて、最上層にはメモリ１１、及び中間層との間で導通を図る基板側接続電極４４ｃ，４４ｄが形成されている。中間層には信号処理回路１２及び基板側結合線路４２が形成されている。最下層には基板側結合線路４９、整合回路４１、及び基板側接続電極４４ａ，４４ｂが形成されている。

前記基板側結合線路４２−４９は互いに対向して電磁気的に結合し直流的には絶縁状態を保つ。これにより、信号処理回路１２及びメモリ１１の静電破壊を防止する。
このように、信号処理回路１２と整合回路４１とを別の層に形成してもよい。

《第９の実施形態》
第９の実施形態では給電回路の各種構成例を、図１１を基に説明する。図２〜図１０の各図に示した無線ＩＣデバイスでは、無線ＩＣ部１０の信号処理回路１２は平衡給電型とし、給電回路部４０の整合回路４１は平衡線路の一方の線路にインダクタを設けた。この構成の等価回路は図１１（Ａ）のように表すことができる。すなわち、給電回路部４０と放射板６０とは電磁気的に結合する。

第１〜第８の実施形態では、給電回路部４０が無線ＩＣ部１０と整合する整合回路を構成するとともにアンテナの中心周波数及び帯域幅を決定する共振回路も兼ねていたが、給電回路部４０は、共振回路の機能または整合回路の機能のいずれかを備えるものであってもよい。

給電回路と放射板の構成としては、上記の例以外に図１１（Ｂ）〜（Ｆ）に示すような形式を採ることもできる。
図１１（Ｂ）の例では、放射板１６１と給電部１４１とが電磁界結合し、放射板１６２と給電部１４２とが容量結合する。

図１１（Ｃ）の例では、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３によって平衡回路の整合回路が構成され、放射板１６３，１６４と給電部とが容量結合する。

図１１（Ｄ）の例では、互いに逆向きにＭ結合するインダクタＬ１，Ｌ２を備え、放射板１６５，１６６とインダクタＬ１，Ｌ２とが電磁界結合する。このようにインダクタＬ１，Ｌ２はそれぞれのキャパシタンス成分とともに二つの共振回路を構成し、互いに結合することによって広いリターンロスの帯域幅が得られる。すなわちアンテナの周波数帯域が広帯域化される。

図１１（Ｅ）の例では、互いに磁界を弱め合う向きにＭ結合するインダクタＬ１，Ｌ２を備え、放射板１６７とインダクタＬ２とが電磁界結合する。この場合も、結合する二つの共振回路によって広いリターンロスの帯域幅が得られる。

図１１（Ｆ）の例では、（Ｅ）の構成に対してさらにキャパシタＣ１，Ｃ２を設けている。これによって、リターンロス特性に、分離された二つの極が生じ、その分、広いリターンロスの帯域幅が得られる。

特許文献１に示されている無線ＩＣカードの断面図である。 無線ＩＣデバイスの概略外観図であり、図２（Ａ）は上面図、図２（Ｂ）は正面図である。 第１の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの分解斜視図である。 第２の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの分解斜視図である。 第３の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの分解斜視図である。 第４の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの分解斜視図である。 第５の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの分解斜視図である。 第６の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの分解斜視図である。 第７の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの分解斜視図である。 第８の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの分解斜視図である。 第９の実施形態に係る無線ＩＣデバイスにおける給電回路の各種構成例を示す等価回路図である。

符号の説明

１０…無線ＩＣ部
１１…メモリ
１２…信号処理回路
４０…給電回路
４１…整合回路
４２…基板側結合線路
４２，４５，４６，４９…基板側結合線路
４３，４７，４８…基板側結合電極
４４…基板側接続電極
５０〜５７…基板
６０〜６２…放射板
７１…放射板側結合線路
７２…放射用電極
７３…放射板側結合電極
７４…放射板側接続電極
１０１〜１０８…ＩＣデバイス
１４１，１４２…給電部
１６１〜１６７…放射板
Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…インダクタ

Claims (6)

1. メモリ及び信号処理回路を含み無線信号処理を行う無線ＩＣ部と、前記無線ＩＣ部に結合する、少なくとも１つのインダクタンス素子を含む共振回路及び／又は整合回路を有する給電回路部と、を有する基板と、
   給電回路部に電磁界結合し、前記給電回路部から供給される送信信号を放射する、及び／又は外部からの無線信号を受けて受信信号を前記給電回路部へ供給する放射用電極を備えた放射板と、
   を備えた無線ＩＣデバイス。
2. 前記無線ＩＣ部及び前記給電回路部が前記基板の一方の主面に形成された、請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
3. 前記放射板から放射される信号の周波数は前記給電回路部の自己共振周波数に実質的に等しい、請求項１または２に記載の無線ＩＣデバイス。
4. 前記給電回路部は、インダクタンス値の異なる複数のインダクタンス素子又は互いに結合して複数の極を形成する複数のインダクタンス素子を備えた、請求項１〜３のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
5. 前記無線ＩＣ部及び前記給電回路部は、半導体回路及び導体線路が印刷法により形成されたものである請求項１〜４のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
6. 前記無線ＩＣ部及び前記給電回路部が形成された、前記基板の一方の主面に保護膜が形成された請求項１〜５のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。

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