JP4835696B2 - 電磁結合モジュール付き容器 - Google Patents

Description

本発明は、電磁結合モジュール付き容器、特に、ＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)システムに用いられる無線ＩＣチップを有する電磁結合モジュール付き容器に関する。

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。例えば、特許文献１には、包装容器であるダンボールの側面あるいは上面などの外表面上に、アンテナ部とＩＣチップを互いに電気的に導通状態で搭載した物品が記載されている。

しかしながら、アンテナ部やＩＣチップを包装容器の外表面に取り付けた場合、梱包、輸送、保管などの際に、他の物品が当接するとその衝撃でＩＣチップが破損するといった問題点を有していた。また、アンテナ部とＩＣチップとは電気的に導通状態で重ね合わせて配置する必要があり、重ね合わせがずれると信号の送受信に支障を生じるので、重ね合わせに高精度を要求されるという問題点を有していた。さらに、アンテナ部の信号放射面にＩＣチップが配置されるため、ＩＣチップが信号の放射特性を乱すといった問題点も有していた。
特開２００３−６７７１１号公報

そこで、本発明の目的は、無線ＩＣチップが外部からの衝撃や環境の変化に強く、放射体と電磁結合モジュールとの組立てが容易で、放射特性が良好である、ＲＦＩＤシステムに好適な電磁結合モジュール付き容器を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る電磁結合モジュール付き容器は、無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップが搭載されており、インダクタンス素子を含み所定の共振周波数を有する共振回路を含む給電回路が内部に設けられた給電回路基板とからなる電磁結合モジュールと、
前記給電回路基板と電磁界結合する放射体と、
を備えた電磁結合モジュール付き容器であって、
前記電磁結合モジュールは容器の内側面に取り付けられており、
前記放射体は前記容器の外側面に取り付けられており、前記共振回路から電磁界結合を介して供給された送信信号を放射する、及び／又は、受け取った受信信号を電磁界結合を介して前記共振回路に供給すること、
を特徴とする。

本発明に係る電磁結合モジュール付き容器において、無線ＩＣチップと給電回路基板とで電磁結合モジュールが構成され、該電磁結合モジュールと放射体とは電磁界結合するように配置されている。電磁結合モジュールと放射体とが電気的に直接接続することなく電磁界結合していることから、電磁結合モジュールを容器の内側面に取り付け、放射体を容器の外側面に取り付けても動作する。また、電磁結合モジュールを放射体に対して高い精度で組み合わせる必要はなく、取付け工程が大幅に簡略化される。

そして、放射体を外側に設けることで、リーダライタとの高周波信号の送受信が良好となり、動作距離が長くなり、動作信頼性が向上する。一方、電磁結合モジュールは容器の内側面に取り付けられているため、外部からの衝撃に影響されることがなく、湿気や温度などの環境変化による無線ＩＣチップへの影響も小さくなる。

また、放射体から放射する送信信号の周波数及び無線ＩＣチップに供給する受信信号の周波数は、給電回路基板における共振回路の共振周波数で実質的に決まり、放射体は種々の形状を採用でき、かつ、安定した周波数特性が得られる。

さらに、放射体の前面に電磁結合モジュールが配置されることはないので、信号の放射特性が乱れることはなく、通信障害が発生しにくくなる。仮に、放射体が破損若しくは脱落したとしても、容器自体が放射体として機能するので、放射特性が多少悪化するものの、ＲＦＩＤシステムとしての機能が停止してしまうおそれはない。この点、容器が誘電体であることが好ましい。ここで誘電体とは誘電率が１以上のものをいう。電磁結合モジュールの入出力部の特性インピーダンスと誘電体界面付近の特性インピーダンスを合わせることで誘電体内に電磁波が入力され、誘電体が電磁放射体として機能する。容器は、紙、ダンボール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、セロファン、ポリエチレンテレフタレートなどであってもよい。

本発明に係る電磁結合モジュール付き容器において、放射体は容器の外側面上に接着層を介して取り付けられていてもよく、あるいは、容器の外側面上に直接形成されていてもよい。金属粒子を含む導電性樹脂ペーストを容器の外側面に塗布すれば、放射体を強固に容器に付着させることができる。この場合、容器が紙製であれば、放射体と容器との密着強度が大きく、にじみなども発生しない。放射体は金属膜又は金属箔であってもよい。

なお、無線ＩＣチップは、電磁結合モジュールが取り付けられた容器の内容物の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、無線ＩＣチップが外部からの衝撃や環境の変化に強く、放射体と電磁結合モジュールとの結合に高精度を要求されることなく、組立てが容易であり、放射特性が良好で、安定した周波数特性を得ることができる。

本発明に係る電磁結合モジュール付き容器の第１実施例を示す断面図である。 本発明に係る電磁結合モジュール付き容器の第２実施例を示す断面図である。 放射体の第１例を示す概略斜視図である。 放射体の第２例を示す概略斜視図である。 放射体の第３例を示す概略斜視図である。 電磁結合モジュールを示す断面図である。 電磁結合モジュールの等価回路図である。 給電回路基板を示す分解斜視図である。 （Ａ），（Ｂ）ともに無線ＩＣチップと給電回路基板との接続状態を示す斜視図である。

以下、本発明に係る電磁結合モジュール付き容器の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各種電磁結合モジュール及び各種物品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及び第２実施例、図１〜図５参照）
図１に電磁結合モジュール付き容器の第１実施例を示す。この容器２０は、容器本体２１の内側面に、無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０からなる電磁結合モジュール１（後に詳述する）を接着層１８を介して貼着し、容器本体２１の外側面に電磁結合モジュール１と対向するように放射体２５を取り付けたものである。容器本体２１は、紙、ダンボール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、セロファン、ポリエチレンテレフタレートなどからなる箱状、袋状、ボトル状など様々な形状を有しており、その厚みは１０ｍｍ以下である。

放射体２５は、樹脂フィルム２６上にアルミ箔、銅箔、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇなどの金属めっき膜を設けたもので、容器本体２１に対して接着層２７を介して貼着されている。樹脂フィルム２６としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエステルなどを使用することができる。

図２に電磁結合モジュール付き容器の第２実施例を示す。この容器２０は、容器本体２１の外側面に放射体２５を直接形成した点で前記第１実施例と異なり、他の構成は第１実施例と同様である。ここで、放射体２５は導電性樹脂ペーストを容器本体２１の外側面上に塗布し、乾燥／硬化させたものである。例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの金属粒子を５０〜９０重量％、残りをエポキシ系樹脂、ＢＣ／ＢＣＡなどの溶剤からなる導電性樹脂ペーストをフレキソ、スクリーン印刷、ディスペンサなどで塗布して放射体２５とする。あるいは、Ａｇ、Ｃｕなどの金属粒子を２０〜５０重量％、残りをセルロース樹脂、ＢＣＡなどの溶剤からなる低粘度の導電性樹脂ペーストをインクジェット法で塗布して放射体２５とする。

前記放射体２５は、図３に示すように直線状であってもよく、図４に示すように広い面積を有するものであってもよい。あるいは、図５に示すように、少なくとも電磁結合モジュール１と対向する部分をメッシュ状としたものであってもよい。なお図３ないし図５は、放射体２５の形状を例示するものであり、放射体２５と電磁結合モジュール１との間に配置された容器本体２１を省略した概略図である。

容器本体２１への電磁結合モジュール１や放射体２５の取付けは、容器２０の製造工程途中で行ってもよく、あるいは、容器２０として完成した後に行ってもよい。

前記第１及び第２実施例において、電磁結合モジュール１及び放射体２５は容器本体２１の平面上に貼着されるため、強く接合する。特に、放射体２５は極めて薄いため、容器本体２１の外側面に突出することはなく、他の物体との接触で容易に離脱するおそれはない。

特に、容器本体２１が紙などのダンボールであれば、電磁結合モジュール１や放射体２５との接合信頼性が高い。なぜなら、紙は表面に微小な凹凸を有し、接着剤に対するアンカー効果が得られるからである。また、第２実施例のように、放射体２５を低粘度の導電性樹脂ペーストの塗布によって形成する場合、この種のペーストは紙に吸水されるので、にじみやはじきが生じることはない。

（電磁結合モジュール、図６〜図９参照）
電磁結合モジュール１は、図６に示すように、無線ＩＣチップ５と、該無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０とで構成されている。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、給電回路基板１０に内蔵された共振回路１６と半田バンプ６を介して電気的に接続されている。この電磁結合モジュール１と放射体２５とは、以下に説明するように、容器本体２１や接着層２７を介して電磁界結合する。

共振回路１６は、所定の周波数を有する送信信号を放射体２５に供給するための回路、及び／又は、放射体２５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に供給するための回路であり、所定の周波数で共振する。共振回路１６は、図６及び図７に示すように、ヘリカル型のインダクタンス素子Ｌ及びキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２からなる集中定数型のＬＣ直列共振回路にて構成されている。

詳しくは、図８に示すように、給電回路基板１０は誘電体からなるセラミックシート１１Ａ〜１１Ｇを積層、圧着、焼成したもので、接続用電極１２とビアホール導体１３ａを形成したシート１１Ａ、キャパシタ電極１４ａを形成したシート１１Ｂ、キャパシタ電極１４ｂとビアホール導体１３ｂを形成したシート１１Ｃ、ビアホール導体１３ｃを形成したシート１１Ｄ、導体パターン１５ａとビアホール導体１３ｄを形成したシート１１Ｅ、ビアホール導体１３ｅを形成したシート１１Ｆ（１枚もしくは複数枚）、導体パターン１５ｂを形成したシート１１Ｇからなる。なお、各セラミックシート１１Ａ〜１１Ｇ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。

以上のシート１１Ａ〜１１Ｇを積層することにより、ヘリカルの巻回軸が放射体２５と平行なインダクタンス素子Ｌと、該インダクタンス素子Ｌの両端にキャパシタ電極１４ｂが接続され、かつ、キャパシタ電極１４ａがビアホール導体１３ａを介して接続用電極１２に接続されたキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２が形成される。そして、基板側電極パターンである接続用電極１２が半田バンプ６を介して無線ＩＣチップ５の端子（図９参照）と電気的に接続される。

即ち、共振回路１６を構成する素子のうち、コイル状電極パターンであるインダクタンス素子Ｌから、磁界を介して、放射体２５に送信信号を給電し、また、放射体２５からの受信信号は、磁界を介して、インダクタンス素子Ｌに給電される。そのため、給電回路基板１０において、共振回路１６を構成するインダクタンス素子Ｌ、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２のうち、インダクタンス素子Ｌが放射体２５に近くなるようにレイアウトすることが望ましい。

図９に無線ＩＣチップ５と給電回路基板１０との接続形態を示す。図９（Ａ）は無線ＩＣチップ５の裏面及び給電回路基板１０の表面に、それぞれ、一対のアンテナ（バランス）端子７ａ，１７ａを設けたものである。図９（Ｂ）は他の接続形態を示し、無線ＩＣチップ５の裏面及び給電回路基板１０の表面に、それぞれ、一対のアンテナ（バランス）端子７ａ，１７ａに加えて、グランド端子７ｂ，１７ｂを設けたものである。但し、給電回路基板１０のグランド端子１７ｂは終端しており、給電回路基板１０の他の素子に接続されているわけではない。

図７に電磁結合モジュール１の等価回路を示す。この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）を放射体２５で受信し、放射体２５と主として磁気的に結合している共振回路１６（インダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２からなるＬＣ直列共振回路）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１６にて所定の周波数に整合させた後、インダクタンス素子Ｌから、磁界結合を介して放射体２５に送信信号を伝え、放射体２５からリーダライタに送信、転送する。

なお、共振回路１６と放射体２５との結合は、磁界を介しての結合が主であるが、電界を介しての結合が存在していてもよい。本発明において、「電磁界結合」とは、電界及び／又は磁界を介しての結合を意味する。

前記共振回路１６においては、インダクタンス素子Ｌ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が決定される。放射体２５から放射される信号の共振周波数は、共振回路１６の自己共振周波数によって実質的に決まる。従って、放射体２５はどのような形状のものであっても使用することができ、電磁結合モジュール１の放射体２５に対する相対的な位置は任意である。従って、電磁結合モジュール１の貼着位置をそれほど高精度に管理する必要はない。

また、放射体２５の前面に電磁結合モジュール１が配置されることはないので、信号の放射特性が乱れることはなく、通信障害が発生しにくくなる。仮に、放射体２５が破損若しくは脱落したとしても、誘電体からなる容器本体２１が放射体として機能するので、放射特性が多少悪化するものの、ＲＦＩＤシステムとしての機能が停止してしまうおそれはない。

さらに、インダクタンス素子Ｌを構成するコイル状電極パターンは、その巻回軸が放射体２５と平行に形成されているため、中心周波数が変動しないという利点を有している。また、無線ＩＣチップ５の後段に、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２が挿入されているため、この素子Ｃ１，Ｃ２で低周波数のサージをカットすることができ、無線ＩＣチップ５をサージから保護できる。

ところで、共振回路１６は無線ＩＣチップ５のインピーダンスと放射体２５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。共振回路１６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１６の設計が複雑になる傾向がある。共振回路１６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。

（他の実施例）
なお、本発明に係る電磁結合モジュール付き容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。

特に、電磁結合モジュールを取り付ける容器は前記実施例に示した箱形状のものに限定することはなく、様々な種類の容器に取り付けることが可能である。電磁結合モジュールと放射体とは必ずしも対向配置されている必要はない。また、給電回路基板の内部構成の細部、放射体の細部形状は任意であり、給電回路基板をフレキシブルな材料で形成してもよい。さらに、無線ＩＣチップを給電回路基板上に接続するのに、半田バンプ以外の処理を用いてもよい。

以上のように、本発明は、電磁結合モジュール付き容器に有用であり、特に、無線ＩＣチップが外部からの衝撃や環境の変化に強く、放射体と電磁結合モジュールとの組立てが容易で、放射特性が良好である点で優れている。

Claims (8)

1. 無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップが搭載されており、インダクタンス素子を含み所定の共振周波数を有する共振回路を含む給電回路が内部に設けられた給電回路基板とからなる電磁結合モジュールと、
   前記給電回路基板と電磁界結合する放射体と、
   を備えた電磁結合モジュール付き容器であって、
   前記電磁結合モジュールは容器の内側面に取り付けられており、
   前記放射体は前記容器の外側面に取り付けられており、前記共振回路から電磁界結合を介して供給された送信信号を放射する、及び／又は、受け取った受信信号を電磁界結合を介して前記共振回路に供給すること、
   を特徴とする電磁結合モジュール付き容器。
2. 前記放射体は、前記容器の外側面上に接着層を介して取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の電磁結合モジュール付き容器。
3. 前記放射体は、前記容器の外側面上に直接形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁結合モジュール付き容器。
4. 前記電磁結合モジュール及び前記放射体を設けた容器部分が誘電体であ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電磁結合モジュール付き容器。
5. 前記誘電体は、紙、ダンボール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、セロファン又はポリエチレンテレフタレートであることを特徴とする請求項４に記載の電磁結合モジュール付き容器。
6. 前記放射体を設けた容器部分が紙であ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電磁結合モジュール付き容器。
7. 前記放射体は、樹脂フィルム上に設けた金属膜又は金属箔であ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電磁結合モジュール付き容器。
8. 前記金属膜は金属粒子を含む導電性樹脂ペーストからなるものであることを特徴とする請求項７に記載の電磁結合モジュール付き容器。

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