JP4867830B2 - 無線ｉｃデバイス - Google Patents

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デバイスおよびその製造方法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ＲＦＩＤタグとで非接触通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが利用されている（特許文献１参照）。

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ＲＦＩＤ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おり、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。

各整合部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

しかし、特許文献１の非接触ＩＣタグには以下のような問題点がある。
（ａ）ＩＣチップと主アンテナ（整合部）とは電気的に導通しなければならないので、ＩＣチップの実装電極側を主アンテナ側に向けるように揃える必要がある。そのため、ＩＣチップの実装上の自由度が低い。

（ｂ）また、そのために高い実装精度が要求され、高価な実装機が必要になり、また実装に時間が掛かるので、コスト高になる。

（ｃ）ＩＣチップがむき出しになり、ＲＦＩＤタグとしての機械的強度や耐環境性が悪い。

そこで、この発明の目的は、製造が容易で安定した特性を有する無線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、
基材に放射電極を形成してなる放射板と、
前記放射電極と電磁界結合する外部結合電極、および前記無線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給電回路基板と、
を備えた無線ＩＣデバイスであって、
前記無線ＩＣチップと前記給電回路基板とからなる電磁結合モジュールを前記放射板上に配置した状態で、前記電磁結合モジュールの第１・第２主面のいずれの主面を前記放射板側にしても、前記外部結合電極と前記放射電極との電磁結合量がほぼ等しくなるように、前記給電回路基板での前記外部結合電極の位置または形状を定めたことを特徴としている。

（２）前記給電回路基板内には例えば共振回路を備える。
（３）前記外部結合電極は、例えば前記給電回路基板内で当該給電回路基板の第１・第２主面の近傍にそれぞれ配置され、前記放射電極と容量結合する平板電極とする。

（４）前記給電回路基板の第１・第２主面の近傍にそれぞれ配置された前記外部結合電極同士は例えばビアホールを介して接続する。

（５）前記外部結合電極は、例えば前記放射電極と電磁界結合するインダクタ電極である。

（６）前記無線ＩＣチップと前記給電回路基板は、その両方または一方を保護膜で覆ってもよい。

（７）前記給電回路基板の第１の主面に凹部を備え、当該凹部に前記無線ＩＣチップを配置してもよい。

（８）前記放射電極は、例えば前記基材の表面に形成し、前記電磁結合モジュールを前記基材の内部に配置する。

（９）前記放射電極は前記基材の両面に形成してもよい。

（１０）前記放射板は、例えば第１・第２の少なくとも２つの放射板からなり、当該２つの放射板の間に前記電磁結合モジュールを配置する。

（１１）前記電磁結合モジュールを囲むように前記２つの放射板同士を貼り合わせてもよい。

（１２）前記給電回路基板は、例えば電極パターンを形成した複数の誘電体層を積層した多層基板で構成する。

（１３）前記電磁結合モジュールの第１・第２主面に方向識別用の表示を形成してもよい。

この発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）電磁結合モジュールの上下面が反転してもＲＦＩＤタグとして作用し、且つ放射特性を同特性にできる。したがって、無線ＩＣデバイスを物品に取り付ける際に、方向性を無くすことができ、無線ＩＣデバイスの供給テープなどへの装着時も含めて取り扱いが容易になり、トータルに低コスト化できる。

（２）前記給電回路基板内に共振回路を設けることによって、周波数の選択性が高まり、自己共振周波数により無線ＩＣデバイスの動作周波数をほぼ決定することができる。それにともない、ＲＦＩＤシステムで用いる周波数の信号のエネルギーの授受（送受信）を高効率のもとで行うことができる。また、放射体の形状やサイズを考慮して最適な共振周波数に設定することができ、これにより無線ＩＣデバイスの放射特性を向上させることができる。

（３）給電回路基板の第１・第２主面の近傍に、放射電極と容量結合する平板電極を設けることにより、無線ＩＣデバイスの第１・第２主面のいずれの面が放射板に向いても高い放射特性を得ることができる。また、放射電極と無線ＩＣチップとを電気的に絶縁して配置することができ、無線ＩＣチップ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。

（４）前記給電回路基板の第１・第２主面の近傍の外部結合電極同士を、ビアホールを介して接続することにより、整合回路から見た２つの外部結合電極を等価的に同じ電極として扱うことができ、整合回路の設計が容易となり、且つ第１・第２主面のいずれの面が放射板に向いても同特性の無線ＩＣデバイスが得られる。

（５）外部結合電極を、放射電極と電磁界結合するインダクタ電極とすることによって、結合部がループ形状になるため、搭載方向の違いによる結合度の差が小さくなる。また、保護膜や接着剤などによる導電率の変化の影響を受けにくくなる。さらに、放射電極が誘導性である場合にインピーダンス整合がとりやすくなる。

（６）無線ＩＣチップと給電回路基板は、その両方または一方を保護膜で覆うことによって電磁結合モジュールの機械的強度および耐環境性を向上させることができる。

（７）給電回路基板の第１の主面に凹部を備え、当該凹部に無線ＩＣチップを配置することによって電磁結合モジュールの機械的強度や耐環境性が向上する。

（８）放射電極を基材の表面に形成し、電磁結合モジュールを放射板の基材の内部に配置することによって電磁結合モジュールの機械的強度や耐環境性が向上する。

（９）放射電極を基材の両面に形成することによって、ＲＦＩＤタグとしての放射特性を向上させることができる。また、一方の面の放射電極と他方の面の放射電極とを異なる方向に配置すれば指向性を制御することも可能となる。

（１０）２つの放射板の間に電磁結合モジュールを配置する場合も、ＲＦＩＤタグとしての放射特性を向上させることができる。また、一方の面の放射電極と他方の面の放射電極とを異なる方向に配置すれば指向性を制御することが可能となる。

（１１）電磁結合モジュールを囲むように２つの放射板同士を貼り合わせることによって、機械的強度と耐環境性が向上する。また平板部分が一層となり、取り扱いが容易となる。

（１２）給電回路基板を、電極パターンを形成した誘電体層を積層してなる多層基板で構成することにより、電磁結合モジュールを小型化でき、多様な物品に適用できる。

（１３）電磁結合モジュールの両主面に方向識別用の表示（マーク）を形成することにより、表裏どちら向きに実装しても電磁結合モジュールの左右端を識別することが可能となる。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る無線ＩＣデバイスの構成を図２・図３を参照して説明する。
図２は２つの無線ＩＣデバイスの構成を示す断面図である。図２において符号１は電磁結合モジュールであり、給電回路基板４および無線ＩＣチップ５を備えている。

放射板２は基材２０に対して２つの放射電極２１，２２を形成してなる。電磁結合モジュール１は、その外部結合電極で放射電極２１，２２と電界結合（容量結合）するように放射板２に対して貼着している。図２（Ａ）の例では、第２外部結合電極４３，４４が放射電極２１，２２の内側の端部付近に近接するように電磁結合モジュール１を放射板２に取り付けている。また図２（Ｂ）の例では、第１外部結合電極４２，４１が放射電極２１，２２の内側の端部付近に近接するように電磁結合モジュール１を放射板２に取り付けている。

上記放射電極２１，２２は電磁結合モジュール１の取り付け位置から互いに遠ざかる方向に延びる線路パターンからなり、基本的にダイポールアンテナとして作用する。

このように放射板２に対して電磁結合モジュール１の第１・第２主面のいずれの主面を向けて取り付けても、放射電極との結合量がほぼ等しくなるように給電回路基板４内の第２外部結合電極４３，４４の位置と、保護膜６の厚み寸法および誘電率を定めている。

給電回路基板４内にはインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３からなる整合回路４０を設けている。この整合回路４０は無線ＩＣチップ５と放射電極２１，２２との間のインピーダンス整合をとる。また、整合回路４０は共振回路の機能を兼ねていてもよい。例えばＵＨＦ帯などの周波数になるようにインダクタンス値を調整することにより、無線ＩＣデバイスとしての動作周波数に合わせることができる。

図３は電磁結合モジュール１の内部の構成を示す分解斜視図である。電磁結合モジュール１は多層基板からなる給電回路基板４、無線ＩＣチップ５、および保護膜６から構成している。

給電回路基板４は、それぞれに電極パターンを形成した複数の誘電体層を積層してなる多層基板であり、最上層の誘電体層４１Ａには無線ＩＣチップ実装用ランド３５ａ〜３５ｄおよび第１外部結合電極４１，４２を形成している。誘電体層４１Ｂにはインダクタ電極４５ａ，４６ａ，４７ａを形成している。誘電体層４１Ｃにはインダクタ電極４５ｂ，４６ｂ，４７ｂを形成している。誘電体層４１Ｄにはインダクタ電極４５ｃ，４６ｃ，４７ｃを形成している。誘電体層４１Ｅにはインダクタ電極４５ｄ，４６ｄ，４７ｄを形成している。誘電体層４１Ｆにはインダクタ電極４５ｅ，４６ｅ，４７ｅを形成している。さらに誘電体層４１Ｇには第２外部結合電極４３，４４を形成している。各誘電体層の電極同士は図３に示すようにビアホールを介して接続している。

なお、保護膜６の表面には電磁結合モジュールの左右の向きを判別するための方向識別マーク６１を形成している。また、誘電体層４１Ｇの裏面にも、電磁結合モジュールの左右の向きを判別するための、方向識別マーク６１と同様の方向識別マーク６２を形成している。この例では無線ＩＣデバイスの左右で放射パターンなどに特性差があって、それを考慮してこの無線ＩＣデバイスを物品に実装する際、電磁結合モジュールの左右方向を識別するために利用する。

上記インダクタ電極４５ａ〜４５ｅによってインダクタＬ１を構成している。またインダクタ電極４６ａ〜４６ｅによってインダクタＬ２を構成している。さらにインダクタ電極４７ａ〜４７ｅによってインダクタＬ３を構成している。これらのインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３による整合回路は図２に示したとおりである。

上記各誘電体層は誘電体セラミックであり、それらを積層し一体焼成することによってセラミック多層基板を構成する。セラミック以外に液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の樹脂材料を用いることもできる。

給電回路基板４上に前記無線ＩＣチップ５を搭載してなる無線ＩＣデバイス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）を放射電極２１，２２で受信し、給電回路基板４内の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、放射電極２１，２２に伝え、該放射電極２１，２２からリーダライタに送信・転送する。

給電回路基板４においては、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３とその浮遊容量とで構成される共振回路にて共振周波数が決定される。放射電極２１，２２から放射される信号の周波数は、共振回路の自己共振周波数によって実質的に決まる。

《第２の実施形態》
図４は第２の実施形態に係る無線ＩＣデバイスで用いる電磁結合モジュールの主要部の断面図である。図２に示した例では給電回路基板に第１・第２の外部結合電極を設けたが、図４に示す例では給電回路基板４の内部に一組の外部結合電極５１，５２のみを形成している。この外部結合電極５１，５２の位置は、電磁結合モジュール１１の第１・第２のいずれの主面を放射板に向けて取り付けても放射電極との結合量がほぼ等しくなるように定めている。

放射板の放射電極と外部結合電極５１，５２との間に生じるキャパシタンスが小さくなる分、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３からなる整合回路４０の回路定数は異なるが基本的な構成は第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デバイスの主要部の断面図である。この例では給電回路基板４の内部にヘリカル状の外部結合電極４８を構成し、その外部結合電極４８と無線ＩＣチップ５との間に、インダクタＬ１，Ｌ３およびキャパシタＣ１からなる整合回路５０を設けている。

図５では矩形ヘリカル上の外部結合電極４８の断面が現れている。この外部結合電極４８の一端は、整合回路５０のインダクタＬ１とキャパシタＣ１との接続点に接続し、外部結合電極４８の他端は、整合回路５０のインダクタＬ３とキャパシタＣ１との接続点に接続している。

無線ＩＣチップ５は給電回路基板４の上面に搭載し、無線ＩＣチップ５の周囲および給電回路基板４の上面に保護膜６を被覆している。外部結合電極４８の給電回路基板４の底面からの位置（高さ）と保護膜６の上面からの距離はほぼ等しくしている。

図６は図５に示した電磁結合モジュール１２を放射板に取り付けた状態および放射電極のパターンの例を示す図である。放射電極２５ａ，２５ｂは長尺状をなし、この２つの放射電極２５ａ，２５ｂ同士をループ状の放射電極２５ｃで接続している。図中破線Ｂで囲んだ部分が電磁結合モジュール１２の載置位置であり、電磁結合モジュール１２の外部結合電極４８と放射電極２５ｃとが磁界結合する。

図６（Ａ）に示した状態で、基材２０および放射電極２５からなる放射板に電磁結合モジュール１２を裏返して取り付けても外部結合電極４８と放射電極２５ｃとの磁界結合の結合量はほぼ等しい。

《第４の実施形態》
図７は第４の実施形態に係る２つの無線ＩＣデバイスの主要部の断面図である。
図７（Ａ）の例では、給電回路基板４の上面に凹部を形成し、その凹部内に無線ＩＣチップ５を実装し、凹部を保護膜６で覆っている。給電回路基板４の内部には図２に示したものと同様に整合回路４０を設けるとともに第１外部結合電極４１，４２および第２外部結合電極４３，４４を設けて電磁結合モジュール１３を構成している。

また図７（Ｂ）の例では、給電回路基板４の内部に整合回路４０、第１外部結合電極４１，４２、および第２外部結合電極４３，４４とともに無線ＩＣチップ５を設けて電磁結合モジュール１４を構成している。

なお、図７（Ｂ）の構造の場合、無線ＩＣチップ５の直上の面にも第１外部結合電極４１，４２を形成できるため、放射電極との間の容量を大きくすることができる。

いずれの構成でも電磁結合モジュールの厚み寸法を小さくでき、これらの電磁結合モジュールを放射板同士の間に配置したり、放射板内に配置したりする際に電磁結合モジュール取り付け位置の膨らみを抑えることができる。

《第５の実施形態》
図８は第５の実施形態に係る２つの無線ＩＣデバイスの構成を示す断面図である。
図８（Ａ）の例では、基材２０の内部に電磁結合モジュール１を配置し、基材２０の上面に形成した放射電極２１，２２と電磁結合モジュール１の外部結合電極とが電界結合するように互いの位置関係を定めている。

図８（Ｂ）の例では基材２０の上面に放射電極２１，２２、下面に放射電極２３，２４をそれぞれ形成し、この基材２０の内部に電磁結合モジュール１を配置している。放射電極２１，２２，２３，２４は電磁結合モジュール１の外部結合電極とそれぞれ電界結合して放射電極として作用する。そのため、ＲＦＩＤタグとしての放射特性を向上させることができる。放射電極２１〜２４は基材２０を挟んで平行に配置してもよく、また異なった方向に延びるように形成してもよい。このことにより放射電極の指向性パターンを設定することもできる。

《第６の実施形態》
図９（Ａ）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、図９（Ｂ）はその基材に形成した放射パターンの例を示す図である。

図９（Ａ）に示すように、基材２０の上面には放射電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃを形成し、下面には放射電極２５ａ，２５ｂ，２５ｃを形成している。電磁結合モジュール１２は基材２０の内部に配置し、電磁結合モジュール１２の外部結合電極４８とループ状放射電極２５ｃ，２６ｃとが磁界結合するようにそれらの位置関係を定めている。電磁結合モジュール１２の構成は図５に示したものと同様である。

基材２０の両面に形成した放射電極２５，２６は、それぞれの長尺状をなす部分（２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂを、基材２０を挟んで平行に形成してもよく、異なった方向に延びるように形成してもよい。これにより指向性パターンを設定することもできる。

《第７の実施形態》
図１０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１０（Ａ）の例では、基材２０に放射電極２１，２２を形成してなる放射板２と、基材３０に放射電極３１，３２を形成してなる放射板３と、を用い、この２つの放射板２，３の間に電磁結合モジュール１を配置し、放射板２の放射電極２１，２２および放射板３の放射電極３１，３２と電磁結合モジュール１の外部結合電極とがそれぞれ結合するようにそれらの位置関係を定めている。電磁結合モジュール１の構成は図２に示したものと同様である。

図１０（Ｂ）の例は、図１０（Ａ）に示した２つの放射板２，３同士を、電磁結合モジュール１を囲むように電磁結合モジュール１の近傍で互いに貼り合わせたものである。この構造によれば機械的強度と耐環境性が向上する。また平板部分が一層となり、取り扱いが容易となる。

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デバイスの主要部の断面図である。 同無線ＩＣデバイスの電磁結合モジュールの構成を示す分解斜視図である。 第２の実施形態に係る無線ＩＣデバイスに用いる電磁結合モジュールの主要部の断面図である。 第３の実施形態に係る無線ＩＣデバイスに用いる電磁結合モジュールの主要部の断面図である。 同無線ＩＣデバイスの主要部の断面図、および放射板上の放射電極の形状を示す平面図である。 第４の実施形態に係る無線ＩＣデバイスに用いる電磁結合モジュール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、および放射板上の放射電極の形状を示す平面図である。 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。

符号の説明

１，１１，１２，１３，１４−電磁結合モジュール
２，３−放射板
４−給電回路基板
５−無線ＩＣチップ
６−保護膜
２０，３０−基材
２１，２２，２３，２４，２５−放射電極
４０，５０−整合回路
４１，４２−第１外部結合電極
４３，４４−第２外部結合電極
４５，４６，４７−インダクタ電極
４８，５１，５２−外部結合電極
６１，６２−方向識別マーク

Claims (13)

1. 無線ＩＣチップと、
   基材に放射電極を形成してなる放射板と、
   前記放射電極と電磁界結合する外部結合電極、および前記無線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給電回路基板と、
   を備えた無線ＩＣデバイスであって、
   前記無線ＩＣチップと前記給電回路基板とからなる電磁結合モジュールを前記放射板上に配置した状態で、前記電磁結合モジュールの第１・第２主面のいずれの主面を前記放射板側にしても、前記外部結合電極と前記放射電極との電磁結合量がほぼ等しくなるように、前記給電回路基板での前記外部結合電極の位置または形状を定めた無線ＩＣデバイス。
2. 前記給電回路基板内に共振回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
3. 前記外部結合電極は前記放射電極と容量結合する平板電極であり、当該外部結合電極を前記給電回路基板内で当該給電回路基板の第１・第２主面の近傍にそれぞれ配置した請求項１または２に記載の無線ＩＣデバイス。
4. 前記給電回路基板の第１・第２主面の近傍にそれぞれ配置された前記外部結合電極同士を接続した請求項３に記載の無線ＩＣデバイス。
5. 前記外部結合電極は、前記給電回路基板内に配置され、前記放射電極と電磁界結合するインダクタ電極である、請求項１または２に記載の無線ＩＣデバイス。
6. 前記無線ＩＣチップと前記給電回路基板の両方または一方を保護膜で覆った請求項１〜５のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
7. 前記給電回路基板の第１の主面に凹部を備え、当該凹部に前記無線ＩＣチップを配置した請求項１〜５のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
8. 前記放射電極を前記基材の表面に形成し、前記電磁結合モジュールを前記基材の内部に配置した請求項１〜７のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
9. 前記放射電極を前記基材の両面に形成した請求項８に記載の無線ＩＣデバイス。
10. 前記放射板は第１・第２の少なくとも２つの放射板からなり、当該２つの放射板の間に前記電磁結合モジュールを配置した請求項１〜７のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
11. 前記電磁結合モジュールを囲むように前記２つの放射板同士を貼り合わせた請求項１０に記載の無線ＩＣデバイス。
12. 前記給電回路基板は、電極パターンを形成した複数の誘電体層を積層した多層基板で構成した請求項１〜１１のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
13. 前記電磁結合モジュールの第１・第２主面に方向識別用の表示を形成したことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。

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