JP5354137B1 - 無線ｉｃデバイス - Google Patents

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Abstract

無線ＩＣデバイスにおいて、広い周波数帯域を小型の給電回路基板で実現すること。
無線ＩＣ素子（５０）と、複数の基材層を積層してなる積層体（３２）からなり、無線ＩＣ素子（５０）に接続された給電回路（３３）を含む給電回路基板（３１）と、給電回路（３３）に接続された放射素子と、を備えた無線ＩＣデバイス。給電回路（３３）は、無線ＩＣ素子（５０）に対して直列接続された第１コイル素子（Ｌ１）と、無線ＩＣ素子（５０）に対して並列接続された第２コイル素子（Ｌ２）とを含んでいる。第１コイル素子（Ｌ１）及び第２コイル素子（Ｌ２）は、各コイル素子（Ｌ１），（Ｌ２）の巻回軸がほぼ同軸上に位置するように、かつ、各コイル素子（Ｌ１），（Ｌ２）に生じる磁界の向きが逆向きになるように、巻回、配置されている。

Description

本発明は、無線ＩＣデバイス、特にＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに用いられる無線ＩＣデバイスに関する。
近年、物品の情報管理システムとして、誘導磁界を発生するリーダライタと、物品に付されたＲＦＩＤタグ（無線ＩＣデバイスとも称する）とを電磁界を利用した非接触方式で通信し、所定の情報を伝達するＲＦＩＤシステムが実用化されている。このＲＦＩＤタグは、所定の情報を記憶し、所定の無線信号を処理する無線ＩＣチップと、高周波信号の送受信を行うアンテナ（放射素子）とを備え、管理対象となる種々の物品（あるいはその包装材）に貼着して使用される。
ＲＦＩＤシステムとしては、代表的には、１３ＭＨｚ帯を利用したＨＦ帯ＲＦＩＤシステム、９００ＭＨｚ帯を利用したＵＨＦ帯ＲＦＩＤシステムが知られている。特に、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤシステムは、通信距離が比較的長く（通信エリアが比較的広く）、複数のタグを一括して読み書き可能であることから、物品管理のシステムとして有望視されている。
ＵＨＦ帯ＲＦＩＤシステムに用いられる無線ＩＣデバイスとして、例えば、特許文献１，２には、無線ＩＣ素子（無線ＩＣチップ）とアンテナ素子との間に、給電回路基板を介在させたものが記載されている。これらの無線ＩＣデバイスでは、給電回路基板に設けた給電回路にて送受信信号の周波数が実質的に決まるため、アンテナ素子（放射板）のサイズやその周囲面積に大きく影響されることなく、安定した高周波特性を容易に実現することができる。
しかしながら、前記無線ＩＣデバイスにおいて、周波数帯域を広帯域化しようとすると、給電回路が複雑化し、いくつかのコイル素子やコンデンサ素子を組み込まざるを得ず、これらの素子間のアイソレーションを確保する必要を生じるため、給電回路基板が大型化するという問題点を有している。
特許第４０６９９５８号公報 特許第４５６１９３２号公報
本発明の目的は、広い周波数帯域を小型の給電回路基板で実現できる無線ＩＣデバイスを提供することにある。
本発明の一形態である無線ＩＣデバイスは、
無線ＩＣ素子と、
複数の基材層を積層してなる積層体からなり、前記無線ＩＣ素子に接続された給電回路を含む給電回路基板と、
前記給電回路に接続された放射素子と、
を備えた無線ＩＣデバイスであって、
前記給電回路は、前記無線ＩＣ素子に対して直列接続された第１コイル素子と、前記無線ＩＣ素子に対して並列接続された第２コイル素子とを含み、
前記第１コイル素子及び前記第２コイル素子は、各コイル素子の巻回軸がほぼ同軸上に位置するように、かつ、各コイル素子に生じる磁界の向きが逆向きになるように、巻回、配置されていること、
を特徴とする。
前記無線ＩＣデバイスにおいて、第１コイル素子及び第２コイル素子とが互いの巻回軸がほぼ同軸上に位置するように、かつ、各コイル素子に生じる磁界の向きが逆向きになるように、巻回、配置されているため、各コイル素子の結合が良好であり、複数の共振点が生じて広い周波数帯にて高周波信号の送受信が可能であり、かつ、素子数が少ないので給電回路基板が小型化し、ひいては無線ＩＣデバイス自体も小型化する。
本発明によれば、広い周波数帯域を小型の給電回路基板で実現できる。
第１実施例である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は給電モジュールを取り去った状態での平面図である 前記無線ＩＣデバイスを構成する給電回路基板の内部構成を示す概略図である。 前記無線ＩＣデバイスの等価回路図である。 前記給電回路基板の積層構造を分解して示す平面図である。 前記無線ＩＣデバイスの周波数に対する通信距離を示すグラフである。 第２実施例である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は給電モジュールを取り去った状態での平面図である。 第２実施例である無線ＩＣデバイスのインピーダンス特性を示すスミスチャート図である。
以下、本発明に係る無線ＩＣデバイスの実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、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実施例、図１〜図５参照）
第１実施例である無線ＩＣデバイス１Ａは、ＵＨＦ帯の通信に用いられるものであり、図１に示すように、可撓性を有する長方形状をなす基材シート１０と、該基材シート１０の表面に設けられた放射素子２０（二つの放射部２１Ａ，２１Ｂとそれぞれの接続部２２Ａ，２２Ｂとからなる）と、該放射素子２０に接続された給電モジュール３０と、を備えており、いわゆるＲＦＩＤタグとして構成されている。
基材シート１０は、例えば、耐熱性や耐薬品性を有することが好ましく、ポリイミドやＰＥＴなどの熱可塑性樹脂材を好適に使用することができる。放射素子２０は、基材シート１０上に該シート１０のほぼ全面に設けられた銀、銅、アルミニウムなどを主成分とする金属膜によって可撓性を有するように形成されている。放射素子２０は長辺方向の中央部分でギャップを介して二つの放射部２１Ａ，２１Ｂに分割されており、放射部２１Ａ，２１Ｂが対向するギャップに臨んで接続部２２Ａ，２２Ｂがそれぞれ設けられている。給電モジュール３０はこのギャップを跨ぐように半田などの導電性接合材３９によって接続部２２Ａ，２２Ｂに接合されている。即ち、放射素子２０はダイポール型の放射素子として機能する。なお、放射素子２０は、接続部２２Ａ，２２Ｂを除いて、図示しないレジスト層（例えばポリイミド樹脂）によって被覆されていてもよい。
給電モジュール３０は、給電回路基板３１と無線ＩＣ素子（無線ＩＣチップ５０）とで構成されている。無線ＩＣチップ５０は、メモリ回路、クロック回路、ロジック回路などを備え、ＲＦ信号を処理する集積回路素子であり、図２に示すように、差動型の入出力電極５１Ａ，５１Ｂを有している。無線ＩＣチップ５０は、シリコンなどの半導体基板をベースとして形成されている。なお、無線ＩＣ素子としてはベアチップＩＣであってもよく、パッケージＩＣであってもよい。
給電回路基板３１には以下に説明する給電回路３３が内蔵されており、放射素子２０の端部、即ち、給電部である接続部２２Ａ，２２Ｂとの結合は半田などの導電性接合材３９によって電気的に直接結合（ＤＣ接続）されている。詳しくは、給電モジュール３０は、給電回路基板３１上に無線ＩＣチップ５０を搭載し、かつ、無線ＩＣチップ５０を樹脂材５５にて封止したものである。
給電回路基板３１は、複数の基材層（図４参照）を積層してなる積層体３２からなり、図２及び図３に示す給電回路３３を内蔵している。給電回路３３は、無線ＩＣチップ５０に対して直列接続された第１コイル素子Ｌ１と、無線ＩＣチップ５０に対して並列接続された第２コイル素子Ｌ２とを含んでいる。第１コイル素子Ｌ１の一端は電極３４Ａに接続され、該電極３４Ａは無線ＩＣチップ５０の入出力電極５１Ａに半田などの導電性接合材５２を介して接合されている。第１コイル素子Ｌ１の他端はコンデンサ素子Ｃ１を介して入出力電極３５Ａに接続され、該入出力電極３５Ａは前記放射部２１Ａの接続部２２Ａに導電性接合材３９を介して接続される。
第２コイル素子Ｌ２の一端は前記第１コイル素子Ｌ１の他端及びコンデンサ素子Ｃ１に接続されている。第２コイル素子Ｌ２の他端は電極３４Ｂに接続され、該電極３４Ｂは無線ＩＣチップ５０の入出力電極５１Ｂに導電性接合材５２を介して接合されている。さらに、第２コイル素子Ｌ２の他端はコンデンサ素子Ｃ２を介して入出力電極３５Ｂに接続され、該入出力電極３５Ｂは前記放射部２１Ｂの接続部２２Ｂに導電性接合材３９を介して接続される。換言すると、第１コイル素子Ｌ１は差動信号線路に対して直列的に接続されており、第２コイル素子Ｌ２は差動信号線路間に設けられている。
第１コイル素子Ｌ１及び第２コイル素子Ｌ２は、各コイル素子Ｌ１，Ｌ２の巻回軸がほぼ同軸上に位置するように、かつ、各コイル素子Ｌ１，Ｌ２に生じる磁界Ｍ１，Ｍ２の向きが互いに逆向きになるように、巻回、配置されている。詳しくは、各コイル素子Ｌ１，Ｌ２はその巻回軸が積層体３２の積層方向に沿うように積層体３２の内部に配置されている。つまり、図２に示すように、第１コイル素子Ｌ１にて電流ａで発生する磁界Ｍ１の方向と第２コイル素子Ｌ２にて電流ｂで発生する磁界Ｍ２の方向とが互いに向かい合っている。そして、第１コイル素子Ｌ１及び第２コイル素子Ｌ２は、符号Ｍで示すように磁気結合し、コンデンサ素子Ｃ１，Ｃ２とで共振回路を形成している。この共振回路は無線ＩＣチップ５０と放射素子２０とのインピーダンス整合回路としても機能する。
第１コイル素子Ｌ１は、無線ＩＣチップ５０側の直列のインダクタンス成分であり、このインダクタンス成分は、主にインピーダンスチャート上における虚数軸方向にインピーダンスを移動させるという機能を有している。一方、第２コイル素子Ｌ２は、放射素子２０側の直列のインダクタンス成分であり、放射素子２０の二つの接続部２２Ａ，２２Ｂを跨ぐように設けられ、主にアドミタンスチャート上における虚数軸上にインピーダンスを移動させるという機能を有する。以上のように、２種類のコイル素子にそれぞれ上記のような役割を持たせることで、インピーダンスを効率よくマッチングさせることができる。
ここで、給電回路基板３１（積層体３２）の積層構造について図４を参照して説明する。積層体３２は誘電体あるいは磁性体からなる基材層４１ａ〜４１ｌを積層、圧着、焼成したものである。但し、積層体３２を構成する基材層はセラミックに限定されるものではなく、例えば、液晶ポリマなどのような熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂のような樹脂であってもよい。
基材層４１ａ〜４１ｌは基材層４１ａが最下層となり、基材層４１ｌが最上層となるように積層される。基材層４１ａにはその裏面に入出力電極３５Ａ，３５Ｂが形成され、かつ、ビアホール導体６１ａ，６１ｂが形成されている。基材層４１ｂ，４１ｃ，４１ｄにはその表面にコンデンサ電極４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂが形成され、かつ、ビアホール導体６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂが形成されている。基材層４１ｅにはビアホール導体６３ａ，６３ｂが形成されている。基材層４１ｆ〜４１ｋにはその表面に導体線路４５Ａ〜４５Ｆが形成され、かつ、ビアホール導体６３ａ〜６３ｈが形成されている。基材層４１ｌにはその表面に入出力電極３４Ａ，３４Ｂ、実装電極３４Ｃ，３４Ｄが形成され、かつ、ビアホール導体６３ｇ，６３ｈが形成されている。
以上の基材層４１a〜４１ｌを積層することにより前記給電回路３３が構成される。即ち、電極３５Ａ，３５Ｂはビアホール導体６１ａ，６１ｂを介してそれぞれコンデンサ電極４２Ａ，４２Ｂと接続される。コンデンサ電極４２Ａ，４２Ｂはビアホール導体６２ａ，６２ｂを介してそれぞれコンデンサ電極４４Ａ，４４Ｂと接続される。コンデンサ電極４４Ａ，４４Ｂはビアホール導体６３ａ，６３ｂを介してそれぞれ導体線路４５Ａの一端及び他端に接続される。コンデンサ電極４３Ａ，４３Ｂはビアホール導体６３ａ，６３ｂを介してそれぞれ導体線路４５Ａの一端及び他端に接続される。
導体線路４５Ａの一端はビアホール導体６３ａを介して導体線路４５Ｂの一端に接続され、該導体線路４５Ｂの他端はビアホール導体６３ｄを介して導体線路４５Ｃの一端に接続される。導体線路４５Ａの他端はビアホール導体６３ｃを介して導体線路４５Ｆの一端に接続され、該導体線路４５Ｆの他端はビアホール導体６３ｈを介して入出力電極３４Ｂに接続される。導体線路４５Ｃ，４５Ｄ，４５Ｅはそれぞれビアホール導体６３ｅ，６３ｆを介して螺旋状に接続される。導体線路４５Ｅの他端はビアホール導体６３ｇを介して入出力電極３４Ａに接続される。
以上の接続態様にて、コンデンサ電極４２Ａ，４３Ａ，４４Ａによってコンデンサ素子Ｃ１が構成され、コンデンサ電極４２Ｂ，４３Ｂ，４３Ｃによってコンデンサ素子Ｃ２が構成される。また、導体線路４５Ｃ，４５Ｄ，４５Ｅによって第１コイル素子Ｌ１が構成され、導体線路４５Ａによって第２コイル素子Ｌ２が構成される。
無線ＩＣデバイス１Ａにおいては、無線ＩＣチップ５０から所定の高周波信号が給電回路３３を介して放射素子２０に伝達されると、そのまま放射素子２０から外部に放射される。放射素子２０が外部からの高周波を受信した場合も、同様に、給電回路３３を介して無線ＩＣチップ５０に電力が供給される。これにて、無線ＩＣチップ５０と図示しないリーダライタとが交信することになる。
無線ＩＣデバイス１Ａにおいて、第１コイル素子Ｌ１及び第２コイル素子Ｌ２とが互いの巻回軸がほぼ同軸上に位置するように、かつ、各コイル素子Ｌ１，Ｌ２に生じる磁界Ｍ１，Ｍ２の向きが逆向きになるように、巻回、配置されているため、各コイル素子Ｌ１，Ｌ２の結合が良好であり、複数の共振点が生じて広い周波数帯にて高周波信号の送受信が可能であり、かつ、素子数が少ないので給電回路基板３１が小型化し、ひいては無線ＩＣデバイス１Ａ自体も小型化する。
前記給電回路基板３１を用いた無線ＩＣデバイス１Ａにおいて、周波数に対する通信距離を図５に示す。図５において通信距離は最長距離を１とした比で示している。実際の距離は放射素子２０の利得に応じて異なってくる。また、放射素子２０と無線ＩＣチップ５０とのインピーダンスがマッチングする領域が大きくとれており、二つの共振点Ｘ，Ｙ（図５参照）が発生する。
給電回路３３において、第１コイル素子Ｌ１はインピーダンス整合用のインダクタンス素子として主に機能しており、第２コイル素子Ｌ２は給電回路３３を構成するインダクタンス素子として主に機能している。無線ＩＣチップ５０の虚部のインピーダンスが負の方向に大きく、放射素子２０の虚部のインピーダンスが正の方向に大きいため、第１コイル素子Ｌ１のインダクタンス値は第２コイル素子Ｌ２のインダクタンス値よりも大きいことが好ましい。また、両者のインダクタンス値の比Ｌ１：Ｌ２は、３：１〜４：１であることがより好ましい。
（第２実施例、図６及び図７参照）
第２実施例である無線ＩＣデバイス１Ｂは、図６に示すように、放射素子２０の二つの放射部２１Ａ，２１Ｂをミアンダ形状としたものであり、他の構成は前記第１実施例と同様である。その作用効果も第１実施例と同様である。
この無線ＩＣデバイス１Ｂの周波数に対する通信距離は図５とほぼ同様の特性を示し、放射部２１Ａ，２１Ｂをミアンダ形状とすることにより利得が向上するので、通信距離は若干長くなる。さらに、インピーダンス特性を図７に示す。図７においてＡ部分が８６０ＭＨｚでの特性、Ｂ部分が９６０ＭＨｚでの特性である。Ｃ部分が環状となっていることから分かるように、放射素子２０と無線ＩＣチップ５０とのインピーダンスがマッチングする領域が大きくとれている。
インピーダンス（虚部）としては、無線ＩＣチップ５０が−１５０〜−２５０Ωであり、放射素子２０が５０〜４００Ωである。
（他の実施例）
なお、本発明に係る無線ＩＣデバイス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、基材シートや放射素子の材質、形状やサイズは用途に応じて適宜選択すればよい。また、放射素子の形状は任意であり、ループ状であってもよい。
また、無線ＩＣデバイスは物品に取り付けるタグとしてだけでなく、リーダライタとして使用することも可能であり、ＲＦＩＤシステム以外の無線通信システムで利用することもできる。あるいは、無線ＩＣチップは、給電回路基板上に実装される以外に、他の基板に実装されてもよい。
放射素子は、専用に設けられる以外に、プリント配線板に設けられたグランド導体を利用して構成してもよく、この場合プリント配線板が無線ＩＣデバイスの本体となる。また、給電回路基板は無線ＩＣチップの再配線層として、いわゆる半導体プロセスによって形成されるものであってもよい。
以上のように、本発明は、無線ＩＣデバイスに有用であり、特に、広い周波数帯域を小型の給電回路基板で実現できる点で優れている。
１Ａ，１Ｂ…無線ＩＣデバイス
２０…放射素子
３０…給電モジュール
３１…給電回路基板
３２…積層体
３３…給電回路
４１ａ〜４１ｌ…基材層
５０…無線ＩＣチップ
Ｌ１，Ｌ２…コイル素子
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ素子

Claims (3)

  1. 無線ＩＣ素子と、
    複数の基材層を積層してなる積層体からなり、前記無線ＩＣ素子に接続された給電回路を含む給電回路基板と、
    前記給電回路に接続された放射素子と、
    を備えた無線ＩＣデバイスであって、
    前記給電回路は、前記無線ＩＣ素子に対して直列接続された第１コイル素子と、前記無線ＩＣ素子に対して並列接続された第２コイル素子とを含み、
    前記第１コイル素子及び前記第２コイル素子は、各コイル素子の巻回軸がほぼ同軸上に位置するように、かつ、各コイル素子に生じる磁界の向きが逆向きになるように、巻回、配置されていること、
    を特徴とする無線ＩＣデバイス。
  2. 前記第１コイル素子及び前記第２コイル素子は、各コイル素子の巻回軸が前記基材層の積層方向に沿うように前記積層体の内部に配置されていること、を特徴とする請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
  3. 前記給電回路は、前記第２コイル素子の両端部と前記放射素子との間にそれぞれ接続された第１コンデンサ素子及び第２コンデンサ素子を含み、
    前記第２コイル素子と前記第１及び第２コンデンサ素子とで共振回路が構成されていること、
    を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線ＩＣデバイス。
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