JP4561932B2 - 無線ｉｃデバイス - Google Patents

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Description

この発明は、電磁波により非接触でデータ通信を行うＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)システムに適用する無線ＩＣデバイスに関するものである。
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に付された所定の情報を記憶した無線ＩＣデバイスとで非接触通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが利用されている。
図１はその特許文献１に示されている、ＩＣタグ用アンテナにＩＣタグラベルを装着した非接触ＩＣタグ（ＲＦＩＤタグ）の例を示す図である。
この非接触ＩＣタグＴ０は、誘電体基板８４の片面に、左右一対の主アンテナ素子８１，８１と、補助アンテナ素子８２と、左右一対の整合部８３，８３とが形成されてなる。
主アンテナ素子８１，８１は、導体線がメアンダライン状に形成されたメアンダ型アンテナであって、誘電体基板８４に左右対称に配置されている。主アンテナ素子８１，８１は誘電体基板８４の両端エリアを占有していて、これら左右一対の主アンテナ素子８１，８１間に補助アンテナ素子８２が配置されている。
整合部８３，８３はメアンダライン状に形成された導体線（インダクタ）である。整合部８３，８３の各一端部はそれぞれ主アンテナ素子８１，８１の内側端部に接続されていて、この整合部８３，８３の各他端部に無線ＩＣチップ８６が搭載されている。
特開２００５−２４４７７８号公報
ところが、特許文献１の非接触ＩＣタグには次のような問題点がある。
（ａ）整合部が主アンテナと同一基板上に隣接して形成されているため、無線タグのサイズが大きくなる。
（ｂ）誘電率の高い物品にタグを貼付すると、物品の誘電率の影響を受けて整合回路部分の周波数特性が変化し、タグの周波数特性が大きく変化してしまう。また、タグを貼付する物品やタグの表面に保護膜等を被覆した場合にも整合部のインピーダンスがずれるため、無線タグの使用状態に合わせて設計する必要がある。
（ｃ）主アンテナ素子の設計自由度を上げるために補助アンテナを使用しているので、タグのサイズが大きくなる。また、整合設計が整合部のみで行われないため、設計パラメータが増えて設計が複雑化する。
（ｄ）主アンテナおよび整合部を配置した大きな基板の小さな実装電極にＩＣチップを実装する必要があるため高精度な実装機が必要になり、さらに、実装位置合わせに時間を要することにより作製時間が長くなるのでタグのコストが高くなる。
（ｅ）主アンテナとＩＣチップとが直流的に導通するように接続されているため、主アンテナから静電気が流入した場合に無線ＩＣチップが破壊されるおそれがある。
そこで、この発明の目的は、全体のサイズを縮小化するとともに設計を容易にし、且つ低コスト化を図った無線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）無線ＩＣチップと、放射電極を有する放射板と、無線ＩＣチップと放射電極との間のインピーダンス整合をとる整合回路を有する機能基板とを備える。機能基板は、前記放射電極と結合する外部結合電極を有する。整合回路は、機能基板内に構成されたインダクタンス素子および／またはキャパシタンス素子を含む。無線ＩＣチップと機能基板との接続部から無線ＩＣチップ側を見たインピーダンスのリアクタンス成分と、無線ＩＣチップと機能基板との接続部から放射電極側を見たインピーダンスのリアクタンス成分とが共役の関係になるように整合回路を定める。
（２）前記外部結合電極は前記放射電極と電磁界結合するものとする。
（３）前記機能基板は、電極パターンを形成した誘電体層を積層した多層基板で構成する。
（４）前記放射電極は長尺状であり、前記外部結合電極は、前記機能基板を区分する２つの領域をそれぞれ占有する第１・第２の外部結合電極からなり、放射電極の２つの端部を第１・第２の外部結合電極にそれぞれ結合させる。
（５）放射電極は両端部が互いに対向するループ状をなし、その両端部のうち一方端部に前記第１の外部結合電極を結合させ、他方端部に前記第２の外部結合電極を結合させる。
（６）前記放射電極の２つの端部近傍同士を接続する整合用電極と、前記放射電極の２つの端部から前記整合用電極に接続される部分とで補助整合回路部を構成する。
（７）前記インダクタンス素子はループ形状をなし、前記ループ形状の巻回軸は前記放射電極の形成領域と交わるように形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
（８）前記外部結合電極は、前記放射電極と対向して当該放射電極と容量結合する容量結合電極とする。
（９）前記容量結合電極は前記放射板に対向する前記機能基板の面に形成され、前記放射電極は前記機能基板に対向する面に形成され、前記容量結合電極と前記放射電極とが対向した状態で、放射板に機能基板を貼着した構造とする。
（１０）前記機能基板の外部結合電極は、機能基板の前記放射板に対向する面以外の面にまで延出形成したものとする。
（１１）前記外部結合電極は、前記放射電極と磁界結合するループをなすものとする。
（１２）前記インダクタンス素子のうち少なくとも一つは２本の異なる線状電極をそれぞれ隣接させた二重の螺旋形状をなし、それらの一端同士を電気的に接続する。
（１３）前記放射電極は、前記機能基板の前記インダクタンス素子と電磁界結合するループをなすものとする。
（１４）前記整合回路は、前記機能基板内に構成された素子と前記機能基板上に実装された素子とで構成する。
（１５）前記無線ＩＣチップ、前記機能基板、または前記放射板の少なくとも一つを保護膜で覆う。
この発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）小型の機能基板上に無線ＩＣチップを搭載することになるので従来のＩＣ実装機等が使用でき、実装コストを低減できる。また、使用する無線ＩＣチップを入出力インピーダンスの異なるものに変更し、ＲＦＩＤの周波数特性が変わっても、機能基板内の整合回路の設計を変更するだけでよく、設計コストを大幅に低減できる。
（２）無線ＩＣチップおよび機能基板が放射電極から直流的に絶縁されるので、無線ＩＣチップおよび機能基板が静電破壊されることなく、静電気に対する耐性を高めることができる。
（３）多層基板内にインダクタンス素子および／またはキャパシタンス素子を内蔵させることにより、インダクタンス値やキャパシタンス値が安定し、保護膜や取り付け物品などの外部要因によるインピーダンス変化が小さくなる。そのため、取り付ける物品の誘電率に応じた設計変更も不要となる。
（４）機能基板を区分する２つの領域をそれぞれ占有する第１・第２の外部結合電極を設け、長尺状の放射電極の２つの端部が第１・第２の外部結合電極にそれぞれ対向することによって放射電極への給電を容易に行うことができる。
（５）放射電極は両端部が互いに対向するループ状をなし、その両端部で機能回路の外部結合電極と結合することにより、磁界による通信が行え、取り付け物品の誘電率の影響を殆ど受けることがなく、さらに安定した特性が得られる。
（６）放射電極の２つの端部近傍同士を接続する整合用電極と、放射電極の２つの端部から整合用電極に接続される部分とで補助整合回路部を構成することによって、機能基板と放射電極との間で二重にインピーダンスマッチングを行うことになり、広い周波数帯域で整合状態となり広い周波数帯域で高利得が得られる。
（７）前記インダクタンス素子がループ形状をなし、このループ形状の巻回軸が前記放射電極の形成領域と交わるように形成されていることによって、インダクタンス素子には、その巻回軸に平行な方向で放射電極に対して垂直な方向に磁界が発生する。また、放射電極は基材上に形成された平面電極であるので、その電極の周囲に磁界が発生する。そのため、機能基板で発生する磁界ループと放射電極で発生する磁界ループとは鎖交し、インダクタンス素子と放射電極との結合をより強くできる。
（８）機能基板に設ける外部結合電極を、放射電極と容量結合する容量結合電極とすることによって、外部結合電極と放射電極との結合を強くすることができる。また、外部結合電極および放射電極の形状は単純化でき、低コストに構成できる。
（９）放射板に対向する機能基板の面に容量結合電極が形成され、機能基板に対向する面に放射電極が形成され、容量結合電極と放射電極とが対向した状態で、放射板に機能基板が貼着された構造とすることにより、容量結合電極と放射電極とのギャップが小さくなって、そのギャップに生じる容量が大きくなり、容量結合電極と放射電極との結合を強くすることができる。
（１０）機能基板の外部結合電極が機能基板の放射板に対向する面以外の面にまで延出形成することにより、半田等の導電性接合材で接合した場合の接合強度を高めて、耐衝撃性を高めることができる。
（１１）外部結合電極が放射電極と磁界結合するループをなすものとすることにより、機能基板搭載時にその方向性を無くすことができる。また、機能基板と放射板とを接合する接合材の誘電率の影響を少なくすることができる。
（１２）前記インダクタンス素子のうち少なくとも一つは２本の異なる線状電極をそれぞれ隣接させた二重の螺旋形状とすることにより、線路長の違いによりそれぞれ異なる共振周波数を持つことができ、無線ＩＣデバイスとしての使用周波数帯域を広くすることができる。
（１３）前記放射電極が機能基板のインダクタンス素子と電磁界結合するループをなすことにより、磁界結合を強くすることができるとともに、短い範囲内に必要なインダクタンス成分を確保できるので、全体に小型化できる。また、放射電極のループ状部分と機能基板側のループ状外部結合電極とが磁界結合するので、放射板に対する機能基板の実装の方向性を無くすことができどの向きに実装しても所定の特性が得られる
（１４）前記整合回路を機能基板内に構成された素子と機能基板上に実装された素子とで構成することにより、機能基板上にインダクタンス値の大きなチップインダクタやキャパシタンス値の大きなチップコンデンサを実装して機能基板内の素子値を小さくすることで、機能基板のサイズを小さくすることができる。
（１５）無線ＩＣチップ、機能基板、または放射板の少なくとも一つを覆う保護膜を備えることにより、耐環境性を高めることができ、環境による特性変動も抑えられる。
特許文献１に示されている無線ＩＣデバイスの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの断面図および主要部の平面図である。 同無線ＩＣデバイスの機能基板を構成する多層基板の分解斜視図である。 無線ＩＣチップを搭載した状態での機能基板の透視斜視図である。 同無線ＩＣデバイスの等価回路図である。 第２の実施形態に係る無線ＩＣデバイスで用いる放射板上の放射電極の形状を示す平面図である。 第３の実施形態に係る無線ＩＣデバイスで用いる放射板上の放射電極の形状を示す平面図である。 第４の実施形態に係る幾つかの無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。 第４の実施形態に係るさらに別の幾つかの無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。 第５の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。 第６の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。 第６の実施形態に係る別の無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。 第７の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。 第８の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。 同無線ＩＣデバイスの放射板上の放射電極の構成および機能基板側のループ状外部結合電極の形状を示す図である。 同無線ＩＣデバイスのインピーダンス回路図である。 第９の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。 同無線ＩＣデバイスのインピーダンス回路図である。 第１０の実施形態に係る無線ＩＣデバイスで用いる電磁結合モジュールの平面図である。
《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５を参照して説明する。
図２（Ａ）は第１の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図、図２（Ｂ）はその主要部の平面図である。
図２（Ａ）に示すように、無線ＩＣデバイス３００は、無線ＩＣチップ１、機能基板２０、および放射板３０によって構成している。無線ＩＣチップ１はＲＦＩＤタグとしての信号処理を行う回路を備えた半導体チップである。
放射板３０は、ＰＥＴフィルム等を基材３１とし、この基材３１の上面に放射電極３２ａ，３２ｂを形成したものである。
機能基板２０は多層基板２１で構成していて、その多層基板２１の上面に無線ＩＣチップ１を実装するための実装電極２２ａ，２２ｂ等を設けている。また多層基板２１の内部には、放射電極３２ａ，３２ｂとの間で容量結合する容量結合電極２４ａ，２４ｂを設けている。この容量結合電極２４ａ，２４ｂは機能基板２０の外部結合電極である。また、この容量結合電極２４ａ，２４ｂを含んで、無線ＩＣチップ１と放射板３０の放射電極３２ａ，３２ｂとの間でインピーダンス整合を行う整合回路２３を設けている。
この機能基板２０は、容量結合電極２４ａ，２４ｂが放射電極３２ａ，３２ｂの内側の端部にそれぞれ対向するように接着剤４０を介して放射板３０に載置している。
無線ＩＣチップ１の実装面には半田もしくはＡｕなどによるバンプを形成していて、機能基板２０の実装電極２２ａ，２２ｂ等の部分に実装した状態で無線ＩＣチップ１と機能基板２０との間にアンダーフィルが充填されるようにしている。
図２（Ｂ）は放射板３０の上面に形成した放射電極３２ａ，３２ｂの形成領域部分の平面図である。但し、無線ＩＣチップ１およびその実装電極２２ａ，２２ｂ等は省略している。図２（Ｂ）に示すように機能基板２０の容量結合電極２４ａ，２４ｂは機能基板２０を区分する２つの領域を占有するように形成している。放射電極３２ａ，３２ｂは長尺状であり、２つの容量結合電極２４ａ，２４ｂが放射電極３２ａ，３２ｂの内側の端部にそれぞれ対向するように、放射板３０上に機能基板２０を配置している。
このようにして無線ＩＣチップは機能基板２０を介して放射電極３２ａ，３２ｂに給電することにより、放射電極３２ａ，３２ｂはダイポールアンテナとして作用する。
上記無線ＩＣチップ１、機能基板２０、および放射板３０によって無線ＩＣデバイス３００を組み立てる手順としては幾つかあるが、無線ＩＣチップ１を機能基板２０に実装したものを先ず電磁結合モジュールとして構成し、この電磁結合モジュールを放射板３０に実装する方法がよい。比較的小さな機能基板２０に対する無線ＩＣチップ１の実装には通常の半導体チップの実装方法が適用できる。また、電磁結合モジュールの状態であれば、比較的大きな放射板３０に対してそれを接着剤４０を介して容易に取り付けられる。
図３は上記機能基板２０を構成する多層基板２１の分解斜視図である。但し、この例では無線ＩＣチップ１を含めて示している。多層基板２１は誘電体層２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇからなり、誘電体層２１ａには無線ＩＣチップ１を実装するための実装電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを形成している。誘電体層２１ｂ〜２１ｆにはインダクタ電極２３ａ〜２３ｅを形成している。また誘電体層２１ｂ〜２１ｄにはインダクタ電極２３ｆ〜２３ｈを形成している。また誘電体層２１ｇには容量結合電極２４ａ，２４ｂを形成している。そして、各誘電体層の層間は図に示すようにビアホールを介して接続している。
図４は無線ＩＣチップ１を搭載した状態での機能基板２０の透視斜視図である。機能基板２０を構成する多層基板内には上記インダクタ電極２３ａ〜２３ｅによるインダクタとインダクタ電極２３ｆ〜２３ｈによるインダクタとを構成している。
図５は上記無線ＩＣチップ、機能基板、および放射板の等価回路図である。図５に示すように機能基板内の整合回路２３は放射板、キャパシタＣ１，Ｃ２、およびインダクタＬ１，Ｌ２で構成している。ここでインダクタＬ１は図３・図４に示したインダクタ電極２３ａ〜２３ｅによるインダクタ、インダクタＬ２はインダクタ電極２３ｆ〜２３ｈによるインダクタである。またキャパシタＣ１，Ｃ２は図２に示した容量結合電極２４ａ，２４ｂと放射電極３２ａ，３２ｂとの間に構成されるキャパシタである。
無線ＩＣチップと機能基板との接続部から無線ＩＣチップ側を見たインピーダンスはＲIC＋ｊＸICである。また機能基板と放射板との接続部から放射板の放射電極を見たインピーダンスはＲant＋ｊＸantである。機能基板の整合回路２３は、例えばＵＨＦ帯などの周波数範囲内もしくはその近傍で無線ＩＣチップと機能基板との接続部から放射板（放射電極）を見たインピーダンスをＲ１＋ｊＸ１とした場合に、ＸICとＸ１とが共役の関係、すなわちＸ１ ＝ −ＸICになるように回路定数を定めている。
これにより機能基板の整合回路２３は無線ＩＣチップと放射板（放射電極）とのインピーダンスマッチングを行う。もちろんＲIC＝Ｒ１の関係になれば、すなわちＲIC＋ｊＸICとＲ１＋ｊＸ１とが複素共役の関係になれば完全にインピーダンスマッチングすることになるが、実数部を等しく（ＲIC＝Ｒ１）にすることは現実には困難であるため、少なくともリアクタンス成分を共役関係とする。このインピーダンス整合には実数部より虚数部成分の整合性が重要である。
このように第１の実施形態によれば、無線ＩＣチップ１を機能基板２０に実装してなる電磁結合モジュールの容量結合電極２４ａ，２４ｂを、放射電極３２ａ，３２ｂを形成した放射板３０に対して離間して実装した構造であるので、上記電磁結合モジュールと放射電極３２ａ，３２ｂとは直流的に絶縁状態でありＥＳＤ（electro-static discharge;静電気放電）特性に優れる。
また、無線ＩＣチップ１と放射板３０との間に配置される、多層基板２１からなる機能基板２０内に整合回路２３を構成したため、すなわち放射板側にインピーダンス整合回路を設ける必要がないので、放射板３０への放射電極３２ａ，３２ｂの形成面積を小さくできる。そのため全体に小型化できる。
また、整合回路２３を多層基板２１の内部に構成したので、この無線ＩＣデバイス３００を誘電率の高い物体に貼着しても整合回路の特性変化が小さく、無線ＩＣデバイスの周波数特性の変化が小さい。そのため貼着すべき物品ごとに無線ＩＣデバイスの設計を行うといったことが不要となる。さらに、多層基板を用いて整合回路２３を構成したので、一面のパターンでは形成困難な複雑な整合回路を構成でき、インピーダンスの整合性を高めて高利得な無線ＩＣデバイスが構成できる。
《第２の実施形態》
図６は第２の実施形態に係る無線ＩＣデバイスにおける放射板上面の主要部の電極パターンを示す平面図である。放射板の上面には長尺状の放射電極３２ａ，３２ｂを形成するとともに、それらの内側の端部から所定距離離れた部分同士を接続する整合用電極３４を形成している。
放射電極３２ａ，３２ｂの内側の端部付近には、図２（Ｂ）に示した場合と同様に機能基板の容量結合電極２４ａ，２４ｂが対向するように機能基板２０を実装する。なお、機能基板の上面に搭載する無線ＩＣチップについては図示を省略している。
２つの放射電極３２ａ，３２ｂの内側の端部から整合用電極３４までの部分と整合用電極３４とによって補助整合回路部３５を構成している。このように２つの放射電極３２ａ，３２ｂの所定部分同士を整合用電極３４で接続することによって、無線ＩＣチップは機能基板２０を介してダイポールアンテナにタップ給電を行うことになる。このタップ給電を行う部分で補助整合回路部３５が機能基板２０と放射電極３２ａ，３２ｂとの間で二重にインピーダンスマッチングを行うことになり、広い周波数帯域で整合状態となり広い周波数帯域で高利得が得られる。すなわちタップ給電を行う部分で補助整合回路部３５が形成されるが、面積の都合上、放射板上に大きなインダクタは形成できない。また、キャパシタや配線がクロスオーバーするような回路を形成することも困難である。しかし機能基板を使用すれば、インダクタの形成や、容量およびクロスオーバー配線なども形成することができ、上述したとおり広い周波数帯域で整合状態となり広い周波数帯域で高利得が得られる。
《第３の実施形態》
図７は第３の実施形態に係る無線ＩＣデバイスにおける放射板上面の主要部の電極パターンを示す平面図である。放射板の上面にはループ状放射電極３６を形成している。このループ状放射電極３６は、その両端部を互いに対向するとともに所定の領域を周回するように形成している。このループ状放射電極３６の互いに対向する両端部に機能基板２０の容量結合電極２４ａ，２４ｂが対向するように機能基板２０を実装する。
機能基板２０に無線ＩＣチップを搭載してモジュールを構成している点、および機能基板２０の構成については第１・第２の実施形態と同様である。
このようにして無線ＩＣチップは機能基板２０を介して放射電極３２ａ，３２ｂに給電を行うことにより、放射電極３２ａ，３２ｂは磁界アンテナとして作用し、無線ＩＣデバイスのリーダライタアンテナとの間で磁界での通信が可能となる。
《第４の実施形態》
図８・図９は第４の実施形態に係る幾つかの無線ＩＣデバイスの構成を示す断面図である。これらの図において放射板３０および無線ＩＣチップ１の構成については第１〜第３の実施形態の場合と同様である。この第４の実施形態では機能基板に構成する整合回路の幾つかの例について示すものである。
図８（Ａ）の例では、機能基板１２０にインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３および容量結合電極２４ａ，２４ｂによって整合回路を構成している。図５に示した例では実装電極２２ｂとキャパシタＣ２との間をスルー接続していたが、この整合回路によれば、そのスルー接続部分にインダクタＬ３を設けているので、インダクタＬ１〜Ｌ３のそれぞれのインダクタンス値を小さくすることができ、多層基板内へのインダクタの構成が容易になる。
図８（Ｂ）の例では、機能基板１２１にインダクタＬ１，Ｌ３および容量結合電極２４ａ，２４ｂによって整合回路を構成している。この例では容量結合電極２４ａ−２４ｂ間のシャントのインダクタを設けていないので、微小なインピーダンス変換を容易に行うことができる。すなわち上記シャントのインダクタは、そのインダクタンス値が小さいとインピーダンス整合回路のインピーダンスを大きく変えてしまうが、この例ではシャントのインダクタがないのでその問題が生じない。
図８（Ｃ）の例では、機能基板１２２にインダクタＬ３および容量結合電極２４ａ，２４ｂによって整合回路を構成している。この例では単一のインダクタＬ３を設けるだけであるので構成が容易である。
図８（Ｄ）の例では、機能基板１２３にインダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ３１，Ｌ３２および容量結合電極２４ａ，２４ｂによって整合回路を構成している。この例ではインダクタＬ１２，Ｌ３２を付加しているので、その分、放射電極３２ａ，３２ｂのインダクタンス値を小さくすることができ、放射電極の小型化が図れる。
図９（Ａ）の例では、機能基板１２４にインダクタＬ２１，Ｌ３１，Ｌ３２および容量結合電極２４ａ，２４ｂによって整合回路を構成している。この例では図８（Ｄ）に示したインダクタＬ１１，Ｌ１２を省略した構造であるので図８（Ｄ）に示した特徴を有しながらインダクタの数を減らした分、容易に構成できるようになる。
図９（Ｂ）の例では、機能基板１２５にインダクタＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３２および容量結合電極２４ａ，２４ｂによって整合回路を構成している。この例では図９（Ａ）に示したインダクタＬ３１の位置を変えたものであり、図９（Ａ）と同様の効果を有しながら多層基板内での配線が容易になる。
図９（Ｃ）の例では、機能基板１２６にキャパシタＣ１１，Ｃ３１、インダクタＬ２２，Ｌ２３および容量結合電極２４ａ，２４ｂによって整合回路を構成している。この例では直列に接続したキャパシタＣ１１，Ｃ３１を含む整合回路とすることよって、インピーダンスが容量性の放射電極（アンテナ）と、インピーダンスが容量性の無線ＩＣチップ１との間で広い周波数範囲に亘ってインピーダンスマッチングを取ることができる。
図９（Ｄ）の例では、機能基板１２７にインダクタＬ２２，Ｌ２３、キャパシタＣ３１および容量結合電極２４ａ，２４ｂによって整合回路を構成している。この例では図９（Ｃ）に示したキャパシタＣ１１，Ｃ３１を１つのキャパシタＣ３１にまとめたものであるので、図９（Ｃ）と同様の効果を有しながら、多層基板内でのパターン形成が容易となる。
上記機能基板１２０〜１２７に示した整合回路のいずれも、無線ＩＣチップと機能基板との接続部から無線ＩＣチップ側を見たインピーダンスのリアクタンス成分と、無線ＩＣチップと機能基板との接続部から放射電極側を見たインピーダンスのリアクタンス成分が共役の関係となるように回路定数を定めている。このように整合回路は少なくとも１つのインダクタンス素子を含み、必要に応じて少なくとも１つのキャパシタンス素子を設ける。
《第５の実施形態》
図１０は第５の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。
図１０に示すように、機能基板２０の上面に無線ＩＣチップ１を搭載し、この機能基板２０の上面で無線ＩＣチップ１の全体を樹脂４１で覆うとともにその上面を平坦にしている。その他の構成は第１の実施形態で示したものと同様である。
このように機能基板２０に対して無線ＩＣチップ１を搭載した電磁結合モジュールを放射板３０に実装する際に電磁結合モジュールの吸引チャッキングが容易となる。また無線ＩＣチップ１が樹脂４１の内部に埋設されることになり、無線ＩＣチップ１の耐環境性が高まる。
なお、無線ＩＣチップ１以外に、機能基板２０または放射板３０に保護膜を形成してもよい。さらに、これらの全体に保護膜を形成してもよい。このことは他の実施形態についても同様である。
《第６の実施形態》
図１１および図１２は第６の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。
図１１に示す例では、機能基板１２８を多層基板２１で構成するとともに、多層基板２１の下面に露出するように容量結合電極２２４ａ，２２４ｂを形成している。
この容量結合電極２２４ａ，２２４ｂは３２ａ，３２ｂの内側の端部に対して絶縁性接着剤４０を介して近接した状態で対向することになり、その間に大きなキャパシタンスを生じさせることができる。
図１２に示す例では、機能基板１２９の下面から側面にかけて外部結合電極２２５ａ，２２５ｂを形成している。そして放射板３０の放射電極３２ａ，３２ｂに対して半田等の導電性接合材４２を介して接合している。
この構成により機能基板１２９の外部結合電極２２５ａ，２２５ｂと放射板３０の放射電極３２ａ，３２ｂとを直接導通させることができる。また半田付けの接合面積を稼ぐことによって機械的な強度を増すことができる。
《第７の実施形態》
図１３は第７の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。図１３において機能基板２２０は多層基板で構成し、その内部に電極によるインダクタおよび容量結合電極を構成するとともに、上面に個別部品であるチップインダクタ５１を搭載している。この機能基板２２０の内部の電極による素子と外部のチップ部品による素子とによって整合回路を構成している。
このような構成によって、機能基板上にインダクタンス値の大きなチップインダクタやキャパシタンス値の大きなチップコンデンサを実装して機能基板内の素子値を小さくすることで、機能基板のサイズを小さくすることができる。
《第８の実施形態》
第８の実施形態に係る無線ＩＣデバイスについて図１４〜図１６を参照して説明する。
図１４はその無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。放射板１３０は基材３１の上面に放射電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃを形成している。機能基板２２１の内部にはループ状外部結合電極２２６を構成していて、このループ状外部結合電極２２６が放射電極３２ｃと磁界結合するように、機能基板２２１と無線ＩＣチップ１からなる電磁結合モジュールを放射板１３０に実装している。
図１５は、図１４に示した放射板１３０の上面に形成した放射電極と機能基板２２１に形成したループ状外部結合電極の平面図である。放射電極３２ａ，３２ｂは長尺状をなし、この２つの放射電極３２ａ，３２ｂ同士をループ状の放射電極３２ｃで接続している。機能基板側のループ状外部結合電極２２６はループ状の放射電極３２ｃとほぼ同じサイズで複数回巻回した螺旋状に形成している。
このようにインダクタンス素子であるループ状外部結合電極２２６はループ形状（複数周回の螺旋形状）をなし、このループ形状の巻回軸が放射電極３２ｃの形成領域と交わるように形成されていることによって、ループ状外部結合電極２２６には、その巻回軸に平行な方向で放射電極に対して垂直な方向に磁界が発生する。また、放射電極３２ｃの周囲（内外）に磁界が発生する。そのため、機能基板２２１で発生する磁界ループと放射電極３２ｃで発生する磁界ループとが鎖交し、ループ状外部結合電極２２６と放射電極３２ｃとの結合をより強くできる。
なお、図１４・図１５に示した例では、ループ状の放射電極３２ｃを設けたが、ループを成さず、例えばダイポール状の電極であっても、上記ループ状外部結合電極２２６の磁束が放射電極の周囲を通って磁界結合するので、ループ状の放射電極の場合と同様に強く結合させることができる。
また、図１４・図１５に示した例では、螺旋状のループ状外部結合電極２２６を設けたが、この結合電極は必ずしも螺旋状である必要はなく、ほぼ１周回のループ状であってもよい。
図１６は上記無線ＩＣチップ、機能基板、および放射板のインピーダンス回路図である。図１６（Ａ）において放射板側のインダクタＬａは放射電極３２ｃ部分のインダクタである。また機能基板側のインダクタＬｂはループ状外部結合電極２２６によるインダクタである。無線ＩＣチップ１の一方の端子にはさらに直列にインダクタＬｃを接続している。
図１６（Ａ）に示した磁界結合するインダクタＬａ−Ｌｂ間の相互インダクタンスをＭで表すと、図１６（Ｂ）のような回路に変形できる。この図１６（Ｂ）に示した回路でＸICとＸ１とが共役の関係となるように、図１６（Ａ）のインダクタＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを定める。
このようにして放射電極３２ｃのインダクタも含めて整合回路とすることによって、放射電極３２ａ，３２ｂによるアンテナと無線ＩＣチップとの間のインピーダンスマッチングをとることができる。
この第８の実施形態によれば、放射板側の放射電極３２ｃおよび機能基板側のループ状外部結合電極２２６が共にループ状であるので、機能基板２２１と無線ＩＣチップ１によるモジュールの、放射板１３０に対する実装の方向性の影響が小さい。すなわちどの向きに実装しても所定の特性が得られる。
《第９の実施形態》
図１７は第９の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。この例では機能基板２２２に、放射板１３０のループ状の放射電極３２ｃと磁界結合する二重螺旋外部結合電極２２７を構成している。
この二重螺旋外部結合電極２２７は、２本の異なる線状電極をそれぞれ隣接させるとともに二重の螺旋形状をなし、それらの一端同士を電気的に接続したものである。放射板１３０上の放射電極のパターンは図１５に示したものと同様である。
図１８は、図１７に示した無線ＩＣデバイスのインピーダンス回路図である。機能基板内のインダクタＬｂ１，Ｌｂ２は二重螺旋外部結合電極２２７によるインダクタである。またキャパシタＣａ，Ｃｂはいずれも機能基板２２２の多層基板内に構成したキャパシタである。放射板のインダクタＬａはループ状の放射電極３２ｃによるインダクタである。このインダクタＬａは二重螺旋外部結合電極によるインダクタＬｂ１，Ｌｂ２と磁界結合する。
無線ＩＣチップと機能基板との接続部から無線ＩＣチップ側を見たインピーダンスのリアクタンス成分ＸICと無線ＩＣチップと機能基板との接続部から放射電極（３２ａ，３２ｂ）側を見たインピーダンスのリアクタンス成分Ｘ１とが共役となるように機能基板内の整合回路の回路要素の定数を定めている。
このように外部結合電極を二重螺旋形状とすることによって放射電極との結合度が高めることができ、また二重螺旋外部結合電極の２つの線路の線路長の違いにより、それぞれ異なる共振周波数を持たせることができ、無線ＩＣデバイスとしての使用周波数帯域を広くすることができる。
《第１０の実施形態》
図１９は第１０の実施形態に係る無線ＩＣデバイスで用いる機能基板の構成を示す平面図である。この例では機能基板２２３の上面にのみ電極パターンを形成している。図に示すように機能基板２２３の上面に二重螺旋外部結合電極２２８を形成するとともに、その内側の両端部を無線ＩＣチップ１の実装電極２２ａ，２２ｂとして形成している。また実装電極２２ａ，２２ｂの近傍に他の実装電極２２ｃ，２２ｄを形成している。これらの実装電極２２ａ〜２２ｄに無線ＩＣチップ１を実装することによって電磁結合モジュールを構成する。
放射板側の放射電極の構成は図１５に示したものと同様であり、図１９に示した電磁結合モジュールを図１５に示したようにループ状の放射電極３２ｃに対向するように配置する。これにより二重螺旋外部結合電極２２８はループ状の放射電極に電磁結合する。このようにして多層基板を用いることなくインピーダンス整合回路を構成することもできる。
なお、以上に示した各実施形態では各種の典型的な例について示したが、各実施形態の構成を組み合わせて、本発明の特許請求の範囲の各請求項に記載の無線ＩＣデバイスを構成することもできる。

Claims (15)

  1. 無線ＩＣチップと、
    放射電極を有する放射板と、
    前記無線ＩＣチップと前記放射電極との間のインピーダンス整合をとる整合回路を有する機能基板とを備え、
    前記機能基板は前記放射電極と結合する外部結合電極を有し、
    前記整合回路は、前記機能基板内に構成されたインダクタンス素子および／またはキャパシタンス素子を含み、
    前記無線ＩＣチップと前記機能基板との接続部から前記無線ＩＣチップ側を見たインピーダンスのリアクタンス成分と、前記無線ＩＣチップと前記機能基板との接続部から前記放射電極側を見たインピーダンスのリアクタンス成分とが共役の関係になるように前記整合回路を定めた無線ＩＣデバイス。
  2. 前記外部結合電極は前記放射電極と電磁界結合する、請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
  3. 前記機能基板は、電極パターンを形成した誘電体層を積層した多層基板で構成した請求項１または２に記載の無線ＩＣデバイス。
  4. 前記放射電極は長尺状であり、前記外部結合電極は、前記機能基板を区分する２つの領域をそれぞれ占有する第１・第２の外部結合電極からなり、前記放射電極の２つの端部が前記第１・第２の外部結合電極にそれぞれ結合する請求項１〜３のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
  5. 放射電極は両端部が互いに対向するループ状をなし、その両端部のうち一方端部に前記第１の外部結合電極が結合し、他方端部に前記第２の外部結合電極が結合する請求項１〜３のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
  6. 前記放射電極の２つの端部近傍同士を接続する整合用電極と、前記放射電極の２つの端部から前記整合用電極に接続される部分とで補助整合回路部を構成する、請求項１〜５のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
  7. 前記インダクタンス素子はループ形状をなし、前記ループ形状の巻回軸は前記放射電極の形成領域と交わるように形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
  8. 前記外部結合電極は、前記放射電極と対向して当該放射電極と容量結合する容量結合電極である請求項１〜７のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
  9. 前記容量結合電極は前記放射板に対向する前記機能基板の面に形成され、前記放射電極は前記機能基板に対向する面に形成され、前記容量結合電極と前記放射電極とが対向した状態で、前記放射板に前記機能基板を貼着した請求項８に記載の無線ＩＣデバイス。
  10. 前記機能基板の外部結合電極は、前記機能基板の前記放射板に対向する面以外の面にまで延出形成されている請求項８に記載の無線ＩＣデバイス。
  11. 前記外部結合電極は、前記放射電極と磁界結合するループをなす請求項１〜３のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
  12. 前記インダクタンス素子のうち少なくとも一つは２本の異なる線状電極をそれぞれ隣接させた二重の螺旋形状をなし、それらの一端同士が電気的に接続されている請求項１１に記載の無線ＩＣデバイス。
  13. 前記放射電極は、前記機能基板の前記インダクタンス素子と電磁界結合するループをなす請求項１１または１２に記載の無線ＩＣデバイス。
  14. 前記整合回路は、前記機能基板内に構成された素子と前記機能基板上に実装された素子とで構成されている請求項１〜１３のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
  15. 前記無線ＩＣチップ、前記機能基板、または前記放射板の少なくとも一つを覆う保護膜を備えた請求項１〜１４のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
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