JP5370616B2 - 無線通信デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信デバイス、特に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムにおいてリーダライタと交信する無線通信デバイスに関する。
物品の管理システムとして、リーダライタとＲＦＩＤタグ（無線ＩＣデバイスとも称する）とを非接触方式で通信し、リーダライタとＲＦＩＤタグとの間で情報を伝達するＲＦＩＤシステムが知られている。ＲＦＩＤタグは、無線信号を処理するための無線ＩＣチップと、無線信号を送受するためのアンテナとで構成され、ＲＦＩＤタグのアンテナとリーダライタのアンテナとの間で、磁界や電界を介して、所定の情報が高周波信号として送受される。
ＲＦＩＤタグのアンテナとしては、特許文献１，２，３に記載されているように、ダイポール型アンテナが一般的に用いられている。ダイポール型アンテナは、主に電界を利用して信号を送受するため、単体では通信距離が大きくなるが、比誘電率や導電率の大きな物体が近接すると、放射特性が変化しやすいという問題点を有している。
特開２００４−１０４３４４号公報 特表２００９−５２４３６３号公報 国際公開第２００７／０１３１６８号
そこで、本発明の目的は、周囲の環境に大きく依存せず、安定した通信特性を持つ無線通信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通信デバイスは、
高周波信号を処理する無線ＩＣチップと、
コイル導体、平面導体、及び前記無線ＩＣチップと接続された所定の共振周波数を有する整合回路を備えた給電基板と、
を備え、
前記コイル導体及び前記平面導体は、前記整合回路にそれぞれ接続されており、
単体では前記平面導体がグランドとして機能し、前記コイル導体が放射素子として機能するモノポール型アンテナとして動作し、
前記平面導体に導電体が近接した場合には前記平面導体が該導電体と結合して、前記平面導体及び前記導電体が第１の放射素子、前記コイル導体が第２の放射素子となってダイポール型アンテナとして動作すること、
を特徴とする。
前記無線通信デバイスは単体であるときは、無線ＩＣチップと結合する整合回路に接続されている平面導体がグランドとして機能し、整合回路に接続されているコイル導体がアンテナ素子として機能するモノポール型アンテナのようにふるまい、通信相手側のアンテナと高周波信号を送受信する。一方、平面導体に金属材などの導電体が近接すると、該平面導体と導電体とが結合し、平面導体と導電体とが第１の放射素子、コイル導体が第２の放射素子として機能するダイポール型アンテナのようにふるまい、通信相手側のアンテナと高周波信号を送受信する。
本発明に係る無線通信デバイスは、近接配置される導電体の有無によってモノポール型アンテナ又はダイポール型アンテナのようにふるまうため、周囲の環境に大きく依存せず、安定した通信特性を発揮する。
一実施例である無線通信デバイスを示す概略構成図である。 前記無線通信デバイスの等価回路図である。 前記無線通信デバイスを構成する給電基板の分解斜視図である。 前記無線通信デバイスの第１の動作態様を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は動作説明図、（Ｃ）は動作時の等価回路図である。 前記無線通信デバイスの第２の動作態様を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は動作説明図、（Ｃ）は動作時の等価回路図である。 前記無線通信デバイスの実装例を示す斜視図である。
以下、本発明に係る無線通信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。
一実施例である無線通信デバイス１は、ＵＨＦ帯のＲＦＩＤシステムに用いられるものであり、図１に示すように、給電回路として機能する無線ＩＣチップ５０と、該無線ＩＣチップ５０と結合された所定の共振周波数を有する整合回路２０とコイル導体３１及び平面導体３５を備えた給電基板１０と、を備えている。コイル導体３１及び前記平面導体３５は整合回路２０に電気的に並列に接続されている。コイル導体３１は一端が整合回路２０の第１接続部Ｐ１に接続されており、他端は開放されている。平面導体３５は給電基板１０の底面側に比較的広い面積で形成され、整合回路２０の第２接続部Ｐ２に接続されている。なお、図１において、整合回路２０は簡略して図示している。
無線ＩＣチップ５０は、給電基板１０上に搭載され、高周波信号を処理する機能を有し、シリコン半導体集積回路チップとして構成されており、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いる。この無線ＩＣチップ５０は、一対の入出力端子を有しており、これらは平衡端子で構成されている。
整合回路２０は、図２に示すように、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２とキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２とを含んでいる。インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２は無線ＩＣチップ５０に対して電気的に並列に接続されている。即ち、整合回路２０は一対の平衡端子間に挿入されている。インダクタンス素子Ｌ１にはキャパシタンス素子Ｃ１が直列に接続されて第１直列共振回路が形成されている。インダクタンス素子Ｌ２にはキャパシタンス素子Ｃ２が直列に接続されて第２直列共振回路が形成されている。
即ち、整合回路２０は前記第１及び第２直列共振回路にて決まる所定の共振周波数を持っている。そして、第１直列共振回路のキャパシタンス素子Ｃ１には平面導体３５が接続され、第２直列共振回路のキャパシタンス素子Ｃ２にはコイル導体３１が接続されている。インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２は、互いに逆相に巻回されて閉磁路が形成され、高い結合度にて磁気結合Ｍしている。また、第１及び第２直列共振回路を構成するキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２の間には、磁気結合Ｍの結合値を調整するためのインダクタンス素子Ｌ３が挿入されている。
給電基板１０は、図３に示すように、複数の誘電体層又は磁性体層を積層してなる多層基板として構成されている。第１層１１ａの表面には接続電極１８ａ〜１８ｄが形成され、第２層１１ｂの表面にはコイルパターン１２ａ，１３ａ，３１ａが形成され、第３層１１ｃの表面にはコイルパターン１２ｂ，１３ｂ，３１ｂが形成されている。さらに、第４層１１ｄの表面にはキャパシタパターン１４ａ，１５ａとコイルパターン３１ｃが形成され、第５層１１ｅの表面にはキャパシタパターン１４ｂ，１５ｂとミアンダ状パターン１６とコイルパターン３１ｄが形成されている。第６層１１ｆの表面には平面導体３５が形成されている。
なお、本実施例において、第１層１１ａ〜第５層１１ｅは誘電体層であり、第６層１１ｆのみは磁性体層とされている。
前記各層１１ａ〜１１ｆを積層することにより、コイルパターン１２ａ，１２ｂはビアホール導体１７ｂを介して接続されてインダクタンス素子Ｌ１を形成し、コイルパターン１３ａ，１３ｂはビアホール導体１７ｅを介して接続されてインダクタンス素子Ｌ２を形成する。キャパシタパターン１４ａ，１４ｂと１５ａ，１５ｂは互いに対向してキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２を形成する。コイルパターン３１ａ〜３１ｄはビアホール導体３２ａ〜３２ｃを介して螺旋状に接続されて積層型のコイル導体３１を形成する。
ミアンダ状パターン１６は、インダクタンス素子Ｌ３を形成し、一端はキャパシタパターン１４ｂに接続され、他端はキャパシタパターン１５ｂに接続されるとともにコイルパターン３１ｄの端部に接続される。接続電極１８ａは、ビアホール導体１７ａを介してインダクタンス素子Ｌ１（コイルパターン１２ａ）の一端に接続される。接続電極１８ｂは、ビアホール導体１７ｄを介してインダクタンス素子Ｌ２（コイルパターン１３ａ）の一端に接続される。さらに、インダクタンス素子Ｌ１（コイルパターン１２ｂ）の他端はビアホール導体１７ｃを介してキャパシタパターン１４ａに接続される。インダクタンス素子Ｌ２（コイルパターン１３ｂ）の他端はビアホール導体１７ｆを介してキャパシタパターン１５ａに接続される。さらに、キャパシタパターン１４ｂはビアホール導体３６を介して平面導体３５に接続される。
なお、給電基板１０を構成する誘電体層又は磁性体層としては各種セラミック材を用いることができ、ポリイミドや液晶ポリマなどの樹脂材であってもよい。給電基板１０をセラミック材で形成する場合、各層に設けられる導体パターンは比抵抗が小さく、高周波特性を向上させることができる銀や銅などの低融点材料を主成分とする導電性ペーストを用いることが好ましい。給電基板１０を樹脂材で形成する場合、各導体パターンは銀や銅などの金属箔や金属膜からエッチングなどによって形成することができる。
即ち、本実施例において、給電基板１０は多層基板であって、整合回路２０は給電基板１０に内蔵されている。但し、前記素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｃ１，Ｃ２の全てが給電基板１０に内蔵されている必要はない。
無線ＩＣチップ５０は、高周波信号を電位差として受け取るための一対の入出力電極５１ａ，５１ｂ（図１参照）を有している。この入出力電極５１ａ，５１ｂは給電基板１０上に設けた接続電極１８ａ，１８ｂにはんだバンプ５２などによって接続される。
本無線通信デバイス１は、図４に示すように、プリント配線板６０上に搭載して使用され、グランド板や金属筺体などの導電体が近くに配置されていない場合は、無線ＩＣチップ５０と結合する整合回路２０に接続されている平面導体３５がグランドとして機能し、整合回路２０に接続されているコイル導体３１が放射素子として機能するモノポール型アンテナとしてふるまい、図示しないリーダライタのアンテナと電磁界（主に磁界）を利用して比較的近距離（１０ｃｍ以下）で高周波信号を送受信する。
一方、図５に示すように、プリント配線板６０上にグランド板などの導電体６１が設けられていると、つまり、平面導体３５にグランド板や金属筺体などの導電体６１が近接すると、該平面導体３５と導電体６１とが容量を介して結合し、平面導体３５と導電体６１とが第１の放射素子、コイル導体３１が第２の放射素子として機能するダイポール型アンテナのようにふるまい、図示しないリーダライタのアンテナと電磁界（主に磁界）を利用して比較的遠距離（３０ｃｍ以上）で高周波信号を送受信する。
前記実施例では無線通信デバイス１をプリント配線板６０に実装する形態で説明した。無線通信デバイス１はそれ以外に種々の物品あるいは物品の包装体に実装することができる。図６では、無線通信デバイス１を食品の包装袋７０に実装した形態を示している。包装袋７０は全面にアルミを蒸着したものであり、無線通信デバイス１は継ぎ目部７１であって導電体であるアルミ蒸着膜７２の縁部に貼着されている。
なお、本発明に係る無線通信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、整合回路は種々の回路素子で構成することができ、前記実施例で示したインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２やキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２による回路構成に限定するものではない。また、整合回路と無線ＩＣチップとの結合とは、磁界結合、容量結合、電界結合、電磁界結合又は直流結合のいずれかであればよい。平面導体３５と導電体６１との結合も、容量結合以外に磁界結合、電界結合、電磁界結合又は直流結合のいずれであってもよい。
また、無線ＩＣチップは給電基板の表面に搭載されている以外に、給電基板に内蔵（給電基板に形成したキャビティに収納）されていてもよく、あるいは、給電基板以外の他の基板に搭載されていてもよい。
以上のように、本発明は、無線通信デバイスに有用であり、特に、周囲の環境に大きく依存せず、安定した通信特性を発揮する点で優れている。
１…無線通信デバイス
１０…給電基板
２０…整合回路
３１…コイル導体
３５…平面導体
５０…無線ＩＣチップ
６１…導電体
Ｌ１，Ｌ２…インダクタンス素子

Claims (5)

  1. 高周波信号を処理する無線ＩＣチップと、
    コイル導体、平面導体、及び前記無線ＩＣチップと接続された所定の共振周波数を有する整合回路を備えた給電基板と、
    を備え、
    前記コイル導体及び前記平面導体は、前記整合回路にそれぞれ接続されており、
    単体では前記平面導体がグランドとして機能し、前記コイル導体が放射素子として機能するモノポール型アンテナとして動作し、
    前記平面導体に導電体が近接した場合には前記平面導体が該導電体と結合して、前記平面導体及び前記導電体が第１の放射素子、前記コイル導体が第２の放射素子となってダイポール型アンテナとして動作すること、
    を特徴とする無線通信デバイス。
  2. 前記平面導体は前記導電体と容量を介して結合すること、を特徴とする請求項１に記載の無線通信デバイス。
  3. 前記整合回路は第１インダクタンス素子及び第２インダクタンス素子を含み、前記第１及び第２インダクタンス素子は前記無線ＩＣチップに電気的に並列に接続されかつ互いに磁気結合していること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線通信デバイス。
  4. 前記給電基板は複数の誘電体層又は磁性体層を積層してなる積層体にて構成されており、前記整合回路は前記積層体に内蔵されていること、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無線通信デバイス。
  5. 前記コイル導体は複数のループ状導体を積層して螺旋状に接続してなる積層型コイルパターンであること、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無線通信デバイス。
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