JP3941353B2 - Ｉｃタグ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非接触式ＩＣカード及びタグについて、特に、タグのアンテナコイルで構成される共振回路の共振周波数の最適化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非接触式ＩＣタグ用のアンテナコイルは従来、銅線を円周上に巻いた巻線コイル式が主流であった。また、その他、回路基板（ガラスエポキシ、紙フェノール等）に銅又はアルミニウムのエッチング加工によりアンテナ形成したもの、又は、プラスチックフィルムの表裏面にアンテナコイルをプリントして、両面のアンテナコイルをスルーホールを介して接続されるものもある。
【０００３】
従来の共振周波数の調節は、巻線コイル式においてはアンテナコイルの巻数の増減によって行っていた。回路基板やプラスチックフィルムにおいては、アンテナコイルの巻数や線幅、線間の距離を増減させることによって行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の巻線アンテナコイルの場合、共振周波数を調節するにはコイルの巻数を変えることによってインダクタンスを調整する方法が取られている。しかし、コイル１ターンの増減のみでは共振周波数の変化量が大きくなることがあり、微調整することはできない。また、アンテナコイルは、同一円周上にコイルを巻く方式である為、アンテナ形成後の静電容量の容量調整ができなかった。
【０００５】
また、基板に銅又はアルミニウムのエッチング加工によるアンテナを形成したものにおいてもアンテナコイルのパターン仕様によって既に静電容量が決まってしまい、エッチング加工後の調整は技術的に不可能であった。
【０００６】
ここで、非接触式ＩＣカード及びタグの最適な共振周波数の帯域が広い場合は共振周波数の微調整は不要であるが、帯域が狭い場合はそれを外れると通信特性に悪影響を及ぼしてしまう。特に通信距離が最適値に比較して２０％乃至５０％に低下急激に低下してしまう。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みて考案されたもので、その目的とするところは、搭載されるＩＣに整合する共振周波数で共振するアンテナコイルを備える非接触式ＩＣタグを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、絶縁基板と、この絶縁基板の表面に設けられるアンテナコイルと、絶縁基板の表面に設けられアンテナコイルに電気的に接続する集積回路を有する半導体チップと、絶縁基板の裏面上にこの基板を挟んでアンテナコイルと対向するように設けられる導電体とを有するＩＣタグであることである。ここで、「絶縁基板」とは、プラスチックフィルムや材料として樹脂やセラミックスを用いた薄い板のことである。「導電体」としては、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などの金属が好ましいが導電性があれば化合物や有機物でもよい。
【０００９】
このことにより、アンテナコイルと導電体を対向電極とするコンデンサが形成できる。このコンデンサはアンテナコイルと共振回路を構成するので、コンデンサの静電容量を変えるべく導電体の大きさを変えることで共振回路の共振周波数を容易に変えることができる。そして、集積回路の所望の周波数にこの共振周波数を一致させることができるので、非接触式ＩＣタグの通信距離を大きくすることができる。
【００１０】
本発明の特徴は、第１のプラスチックフィルムの表面に配置されたアンテナコイルと、このアンテナコイルに接続された集積回路と、アンテナコイルと集積回路を覆う第２のプラスチックフィルム又はシートとで構成されるＩＣタグにおいて、導電体がアンテナコイルの内周のラインから外周のラインにかけての第１のプラスチックフィルムの裏面に配置されることによっても同様の効果が得られる。ここで、「フィルム又はシート」とは、薄膜又は厚膜のことである。「内周のラインから外周のラインにかけて」とは、アンテナコイルとして複数巻きされた電線の１巻毎すべてにの意味である。
【００１１】
本発明の特徴は、導電体の第１のプラスチックフィルムと接する面積が、アンテナコイルと集積回路に応じて異なることにより一層効果的である。ここで、「アンテナコイルと集積回路に応じて」とは、アンテナコイルと集積回路が決まると、接する面積の大きさも１つに決まることを意味している。すなわち、例えば、異なるアンテナコイルを用いると、そのコイルでタグの通信距離が最大になる面積が別に存在し、その面積にまた設定可能であることを意味している。このことにより、コイルや集積回路の種類が変わった場合はもちろん、それぞれの製造上のばらつきが存在する場合でも、タグにおいて最大の通信距離を提供することはできる。
【００１２】
本発明の特徴は、アンテナコイル及び導電体が、導電性ペーストを用いて印刷されたことにより一層効果的である。このことにより、容易にアンテナコイル及び導電体が形成できる。そして、導電体の面積を増やしたいときでも、印刷を複数回実施することにより容易に面積を増やすことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率の異なる部分が含まれるのはもちろんである。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る非接触式ＩＣタグの上面方向からの透視図である。本発明の実施の形態に係る非接触式ＩＣタグにおいては、プラスチックフィルム１の表面にアンテナコイル２がプリントされており、フィルム１の裏面にはアンテナコイル２の最外周から最内周までをカバー（クロス）して対向するようにパターンコンデンサの電極３が所定の位置にプリントされている。プラスチックフィルム１の表面にはアンテナコイル２の端部に電気的に接続された集積回路（ＩＣ）が設けられた半導体チップ４が設けられている。プラスチックフィルム又はシートからなるラミネート部材６は、フィルム１、コイル２とＩＣチップ４を上方から覆っている。同様のラミネート部材９は、フィルム１とパターンコンデンサの電極３を下方から覆っている。
【００１５】
図１（ｂ）は、パターンコンデンサの電極３を配置した部位のＩＣタグの拡大図である。パターンコンデンサの電極３は、アンテナコイル２とフィルム１を介して対向する結合部分と、複数の結合部分を電気的に接続する接続部分とで構成される。図１（ｂ）の電極３は、３つの結合部分と２つの接続部分を有している。結合部分は、後述するように、コイル２の電線の長さ方向と平行な方向の長さであるパターンコンデンサ電極の長さｄ１、ｄ２、ｄ３と、コイル２の電線の幅方向と平行な方向の長さであるパターンコンデンサ電極の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３とで規定される。電極の長さｄ１、ｄ２、ｄ３の和は、パターンコンデンサの容量と相関関係があると考えられ、長さｄ１、ｄ２、ｄ３をそれぞれ調節することによって所望のパターンコンデンサの容量が得られる。電極の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、パターンコンデンサ電極３のコイル２との結合効率を高め、また、電極３のコイル２とを対向して配置する際の合わせずれによるパターンコンデンサの容量の変動を小さくするため、コイル２の電線の線幅より太く、好ましくは２倍以上に太くしている。
【００１６】
図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る非接触式ＩＣで、図２のＡ−Ｂ方向の断面図である。パターンコンデンサＣ１は、フィルム１と、フィルム１の上に配置されたアンテナコイル２１と、フィルム１の下にコイル２１に対向して配置されたパターンコンデンサ電極３１とで構成される。同様に、パターンコンデンサＣ２は、フィルム１とアンテナコイル２２とパターンコンデンサ電極３２とで構成され、パターンコンデンサＣ３は、フィルム１とアンテナコイル２３とパターンコンデンサ電極３３とで構成される。コンデンサＣ１、Ｃ２及びＣ３の静電容量Ｃは、アンテナコイル２とパターンコンデンサ電極３の対向する面積Ｓと、フィルム１の厚さｔと、フィルム１の材質による比誘電率εｒで決定される。このことは、静電容量Ｃが、式１で表されることより明らかである。ここで、εは真空中の誘電率である。
【００１７】
Ｃ＝ε×εｒ×Ｓ／ｔ ・・・・式１
また、コイル２１とコイル２２を電極として線間容量Ｃ４が構成され、コイル２２とコイル２３を電極として線間容量Ｃ５が構成される。パターンコンデンサＣ１、Ｃ２とＣ３とコイル２の線間容量Ｃ４とＣ５によってＩＣチップ４の接続端子からアンテナコイル２側を見たインピーダンスの等価回路は図２（ｂ）のように表される。アンテナコイル２のインダクタンスＬとコイル２の直流抵抗Ｒｄｃとが直列に接続され、パターンコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３は互いに直列接続され全体でコイル２に並列接続される。線間容量Ｃ４、Ｃ５がコイル２に並列接続され、コンデンサＣ１、Ｃ２及びＣ３を形成するプラスチックフィルム１の誘電体損失を表す抵抗Ｒもコイル２に並列接続されている。ここで、コンデンサＣ１、Ｃ２及びＣ３はプラスチックフィルム１の厚さが薄いほど静電容量が大きくなる。また、アンテナコイル２と対向するパターンコンデンサの電極３の面積が小さいほど小さな値となる。また、誘電体損失を表す抵抗Ｒは、小さいほど損失が少ないので性能の良いコイルが得られる。
【００１８】
コンデンサＣ１、Ｃ２及びＣ３は直列接続、線間容量Ｃ４とＣ５は並列接続であるから、合成の静電容量Ｃ０は、式２のように求められる。ここで、Ｃ１乃至５は、対応するコンデンサＣ１乃至５の静電容量値である。
【００１９】
Ｃ０＝Ｃ１×Ｃ２×Ｃ３／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）＋Ｃ４＋Ｃ５・・・式２
線間容量Ｃ４とＣ５は対向する面積が小さいため、容量値Ｃ４とＣ５も小さい。従って合成容量Ｃ０の値はほとんどが容量値Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３すなわちアンテナコイル２と対向するパターンアンテナ電極３の面積Ｓ及びプラスチックフィルム１の比誘電率εｒで決まる。面積Ｓは、図１（ｂ）の長さｄ１と幅Ｗ１の積と、長さｄ２と幅Ｗ２の積と、長さｄ３と幅Ｗ３の積との和で基本的には表される。だだ、詳細には、面積Ｓを算出する際に用いる幅Ｗ１乃至３の値は、電極３１、３２、３３と、コイル２の電線２１、２２、２３との位置関係により補正する必要がある。このことは、合成容量Ｃ０を変化させるために面積Ｓを変化させるためには補正を考慮する必要がない長さｄ１乃至３を変化させることが好ましいことを意味する。このことにより、合成容量Ｃ０のばらつきが低減でき、高い再現性が得られると考えられる。
【００２０】
アンテナコイル２の共振周波数ｆ０は式３により求められる。
【００２１】
ｆ０＝１／（２×π×（Ｌ×Ｃ０）^１／２） ・・・式３
これより共振周波数ｆ０はコイル２のインダクタンスＬと、合成容量Ｃ０の値に依存することが分かる。インダクタンスＬは固定値であるので、合成容量Ｃ０の値が増加すれば共振周波数ｆ０は低下し、合成容量Ｃ０の値が減少すれば共振周波数ｆ０の値が上昇する。
【００２２】
以上のことから、共振周波数ｆ０を最適化するために変化させるためには合成容量Ｃ０の値を増減させればよく、合成容量Ｃ０の値を増減させるためにはパターンコンデンサＣ１乃至３の容量値を増減させればよく、コンデンサＣ１乃至３の容量値を増減させる為にはパターンコンデンサ電極の長さｄ１乃至３を増減させればよい。すなわち、アンテナコイル２と対向するアンテナ裏面に形成したパターンコンデンサの電極３の面積を可変できるようにし、（アンテナ）コイル２形成後に、パターンコンデンサの電極３の面積を変化させ静電容量Ｃ０を変化させる。
【００２３】
図３は、本発明の実施の形態に係る非接触式ＩＣタグの通信距離ｆの共振周波数ｆ０依存性を示すグラフである。アンテナコイル２にＩＣチップ４を接続し、タグ（カード）化して測定している。通信距離ｈは共振周波数ｆ０が１４ＭＨｚから１５ＭＨｚにおいて最大となる。これより共振周波数ｆ０の狙いを１４．５ＭＨｚ近傍に設定すれば、後は合成容量Ｃ０の微調整により最大通信距離が得られる最適な共振周波数ｆ０に調整する事ができる。
【００２４】
図４は、本発明の実施の形態に係る非接触式ＩＣの製造過程を説明するための図である。
【００２５】
（１）まず、プラスチックフィルム１の両面にアルミニウム（Ａｌ）箔を接着する。表面の箔をアンテナコイル２のパターンに、裏面の箔をパターンコンデンサの電極３の形状に各々エッチングする。なお、両面に箔を接着しエッチングする代わりに、コイル２と電極３のパターンに導電性ペーストを用いて直接印刷してもよい。
【００２６】
（２）アンテナコイル２の終端をＩＣチップ４の接続端に接続する。まず、アンテナコイル２の終端とその付近に上に、接続材料として異方導電フィルム８を接着する。コイル２の終端の直上にＩＣチップ４の接続端が配置されるようにフィルム８の上にＩＣチップ４を接着する。
【００２７】
（３）一方、パターンコンデンサ電極３においてはパターンの長さｄ１乃至３が約１０ｍｍで、パターンの厚みが９μｍ（表面のアンテナコイル２のパターンの厚みと同一）で、パターンの幅Ｗ１乃至３は表面に形成されたアンテナコイル２のパターンのライン幅以上のパターンをライン毎に各々形成する。各々のパターンコンデンサの電極３の間隔は約１ｍｍ幅のラインにて接続する。よって、パターンコンデンサは物理的に閉ループとならない。
【００２８】
なお、上記コイル２のライン毎に形成されたパターンコンデンサの電極３は各々細い（約１ｍｍ幅）ラインで接続されているため、回路形成後であってもカッター等で容易に切り離すことが可能である。また、電極３は、パターン形成後であってもカッター等で容易に切り離し長さｄ１乃至３を調節することが可能である。
【００２９】
（４）最後に、プラスチックフィルム１を接着剤付きポリエチレンテレフタレート（PET）フィルム６、９により張り合わし、ラミネータにより成形後、所定の形状に打ち抜く。
【００３０】
このように、平面上に構成されたアンテナ形成後であっても、微妙な静電容量の調整が別途可能なため、共振周波数を最適値に調整でき、この結果、通信特性の良いＩＣタグを提供することができる。そして、この調節の際には、フィルム１の表面に設けられるコイル２やＩＣチップ４の調整が不要で、唯一裏面に設けられる電極３のみの調節なので、調整中にコイル２やＩＣチップ４を破損する心配がない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、搭載されるＩＣに整合する共振周波数で共振するアンテナコイルを備える非接触式ＩＣタグを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る非接触式ＩＣタグの上面方向からの透視図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係る非接触式ＩＣタグの断面図と等価回路図である。
【図３】 本発明の実施の形態に係る非接触式ＩＣタグの通信距離の共振周波数依存性を示すグラフである。
【図４】 本発明の実施の形態に係る非接触式ＩＣタグの製造過程を説明するための図である。
【符号の説明】
１ プラスチックフィルム
２、２１、２２、２３ アンテナコイル
３、３１、３２、３３ パターンコンデンサ電極
４ 集積回路（ＩＣ）チップ
６、９ 接着剤付きＰＥＴフィルム
８ 異方導電フィルム
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ パターンコンデンサ
Ｃ４、Ｃ５ 線間容量
Ｌ アンテナコイルのインダクタンス
Ｒｄｃ アンテナコイルの直流抵抗
Ｒ パターンコンデンサを形成するプラスチックフィルムの誘電体損失を表す抵抗
ｄ１、ｄ２、ｄ３ パターンコンデンサ電極の長さ
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ パターンコンデンサ電極の幅

Claims (4)

1. 電源を内蔵せず、外部からの電磁エネルギーの供給を受けて動作する非接触式ＩＣタグであって、
   絶縁基板と、
   前記基板の表面に設けられるアンテナコイルと、
   前記基板の表面に設けられ、前記コイルに電気的に接続する集積回路を有する半導体チップと、
   前記基板の裏面上に、前記基板を挟んで前記コイルと対向するように設けられる導電体とを有することを特徴とするＩＣタグ。
2. 電源を内蔵せず、外部からの電磁エネルギーの供給を受けて動作する非接触式ＩＣタグであって、
   第１のプラスチックフィルムの表面に配置されたアンテナコイルと、前記コイルに接続された集積回路と、前記コイルと前記集積回路を覆う第２のプラスチックフィルム又はシートとで構成されるＩＣタグにおいて、
   導電体が、前記コイルの内周のラインから外周のラインにかけての前記第１のフィルムの裏面に配置されることを特徴とするＩＣタグ。
3. 前記導電体の前記第１のフィルムと接する面積が、前記コイルと前記集積回路に応じて異なることを特徴とする請求項２に記載のＩＣタグ。
4. 前記コイル及び前記導電体が、導電性ペーストを用いて印刷されたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のＩＣタグ。

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