JP5454581B2 - アンテナ、その製造方法及び無線icデバイス - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナ、特に、UHF帯で主として用いられるアンテナ、その製造方法、及び、該アンテナを備えた無線ICデバイスに関する。
従来、物品の管理システムとして、電磁波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無線IC(ICタグ、無線ICデバイスなどと称する)とを非接触方式で通信し、情報を伝達するRFID(Radio Frequency Identification)システムが開発されている。無線ICはアンテナと結合されることによりリーダライタとの通信が可能になる。
特許文献1には、プラスチック基材の一面に直線状の半波長ダイポール型アンテナを有し、左右の1/4波長アンテナの間にICチップが電気的に接続されている非接触ICタグが開示されている。このアンテナはプラスチック基材に形成した金属層をエッチングにより所定のパターンとしている。
しなしながら、PET(ポリエチレンテレフタレート)などのプラスチック基材は高温で変形してしまい、また、エッチング法では廃液が環境汚染を引き起こすといった問題点を有している。
特開2007−311955号公報
そこで、本発明の目的は、簡単な構成からなり、簡単な工程で製造でき、かつ、良好な耐熱性を有するアンテナ、その製造方法及び無線ICデバイスを提供することにある。
本発明の第1の形態であるアンテナは、
第1の給電部と、
ループ状に折り返され、折り返し部分へ向かう導線が前記第1の給電部に接続された第1の放射部と、
第2の給電部と、
ループ状に折り返され、折り返し部分へ向かう導線が前記第2の給電部に接続された第2の放射部と、
前記第1の放射部の折り返された導線と前記第2の放射部の折り返された導線との間に接続されたインピーダンス整合部と、
を有する導線からなり、
前記第1の放射部において折り返し部分へ向かう導線と折り返された導線とが前記第1の給電部の近傍で互いに近接して電磁結合されており、かつ、前記第2の放射部において折り返し部分へ向かう導線と折り返された導線とが前記第2の給電部の近傍で互いに近接して電磁結合されていること、
を特徴とする。
本発明の第2の形態であるアンテナの製造方法は、
1本の導線を用意する工程と、
前記導線の一端部である第1の給電部及び他端部である第2の給電部を起点として該導線をループ状に折り返された第1及び第2の放射部を形成する工程と、
前記第1の放射部の折り返された導線と前記第2の放射部の折り返された導線との間に接続されたインピーダンス整合部を形成する工程と、
を備え、
前記第1及び第2の放射部を形成する工程において、折り返し部分へ向かう導線と折り返された導線とをそれぞれ前記第1及び第2の給電部の近傍で互いに近接させること、
を特徴とする。
本発明の第3の形態である無線ICデバイスは、
一端部に第1の給電部及び他端部に第2の給電部を有する1本の導線がループ状に折り返された第1及び第2の放射部と、該第1の放射部の折り返された導線と第2の放射部の折り返された導線との間に接続されたインピーダンス整合部とからなり、第1及び第2の放射部において折り返し部分へ向かう導線と折り返された導線がそれぞれ第1及び第2の給電部の近傍で互いに近接して電磁結合しているアンテナと、
無線ICチップ又は無線ICと結合された給電回路を有する給電回路基板と、
を備え、
前記無線ICチップ又は前記給電回路は前記アンテナの第1及び第2の給電部と結合していること、
を特徴とする。
前記アンテナ及び前記無線ICデバイスにおいて、第1及び第2の放射部を形成する導線が互いに近接することで導線間に電磁結合が生じ、信号がショートパスする。これにて、第1及び第2の給電部から同一方向に信号が流れて放射される(アンテナとして機能する)。第1及び第2の放射部は導線からループ状に形成された簡単な構成からなり、紙などの基材上の所定箇所に部分的に接着することで容易に製造できる。また、基材にプラスチックフィルムなどを使用しなくてもよいので、耐熱性が良好である。
また、前記アンテナの製造方法においては、例えば、縫付け機で導線をワイヤリングしていく要領でループ状の放射部を有するアンテナを形成できる。
本発明によれば、簡単な構成からなり、ワイヤリングなどの簡単な工程で製造でき、かつ、良好な耐熱性を有するアンテナ及び無線ICデバイスを得ることができる。
第1実施例である無線ICデバイスを示す平面図。 第1実施例である無線ICデバイスを構成する導線を示す斜視図。 第1実施例である無線ICデバイスを構成する無線ICチップを示す斜視図。 第1実施例の変形例である無線ICデバイスを示す平面図。 第2実施例である無線ICデバイスを構成する無線ICチップと給電回路基板を示す斜視図。 図5に示す給電回路基板の積層構造を示す平面図。 第3実施例である無線ICデバイスを示す平面図。 第4実施例である無線ICデバイスを構成するアンテナを示す平面図。 第5実施例である無線ICデバイスを構成するアンテナを示す平面図。 第4及び第5実施例である無線ICデバイスを構成する給電回路基板の積層構造を示す平面図。
以下、本発明に係るアンテナ、その製造方法及び無線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、各図面において、同じ部材、部分には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。
(第1実施例、図1及び図2参照)
第1実施例である無線ICデバイスは、図1に示すように、紙製の基材10の表面に形成したアンテナ20Aと、該アンテナ20Aと結合している無線ICチップ30とで構成されている。
アンテナ20Aは、一端部に第1の給電部21及び他端部に第2の給電部22を有する1本の導線20がループ状に折り返された第1の放射部23及び第2の放射部24からなり、第1及び第2の放射部23,24において折り返し部分へ向かう導線20と折り返された導線20はそれぞれ第1及び第2の給電部21,22の近傍で互いに近接している。さらに、導線20は近接部分25,26から折り曲げられて略矩形のループを形成し、このループ部分が無線ICチップ30とのインピーダンス整合部27とされている。導線20は、図2に示すように、Cuからなるコア20aを絶縁膜20bで覆ったもので、近接部分25,26では絶縁膜20bを介して電磁界結合している。
無線ICチップ30は、従来から知られているように、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、図3に示すように、一対の入出力用端子電極31a,31bが設けられている。そして、前記アンテナ20Aの給電部21,22がそれぞれの入出力用端子電極31a,31bに電気的に接続されている。
以上の構成からなるアンテナ20Aにおいては、放射部23,24を形成する導線20が近接部分25,26で互いに近接することで導線20間に電磁結合が生じ、信号がショートパスする。これにて、無線ICチップ30から供給された信号は給電部21,22から矢印Aで示すように同一方向に流れて放射される。また、矢印Aとは逆方向に入力された信号は、近接部分25,26で結合されて給電部21,22から無線ICチップ30に供給される。
放射部23,24の線路長、即ち、給電部21,22から折り返し部までの長さは、それぞれ使用波長λに対してλ/4であるときに、利得が最大となる。また、インピーダンス整合部27はその線路長に応じたインピーダンスを有し、無線ICチップ30と放射部23,24とのインピーダンスの整合を図っている。
無線ICデバイスとしての動作は、RFIDの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)を放射部23,24で受信し、所定の周波数の受信信号を給電部21,22を介して無線ICチップ30に供給する。無線ICチップ30は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メモリされている情報を読み出し、給電部21、22を介して送信信号として放射部23,24から放射し、リーダライタに送信する。即ち、放射部23,24はダイポールアンテナとして機能し、UHF帯に最適である。
ここで、前記無線ICデバイスの製造方法について説明する。まず、粘着剤を塗布した紙基材10の表面に無線ICチップ30をその端子電極31a,31bを上に向けて配置し、一方の端子電極31aに第1の給電部21をはんだ付けする。次に、ワイヤリングを行う装置として従来から使用されている縫付け機で導線20を所定のループ形状に引き回してワイヤリングする。最後に、第2の給電部22を他方の端子電極31bにはんだ付けする。これにて、図1に示す形状のアンテナ20Aが形成されることになる。このようなワイヤリングには、導線20としては、図2に示したようにコア20aの表面が絶縁膜20bで被覆されている直径50〜300μm程度の銅線を用いることが好ましい。表面が絶縁膜20bで被覆されていることで、酸化等を防ぐことができ、耐環境性を向上させることができる。また、銅線を用いることで、はんだ付けが容易になり、はんだで接続することによって接続が強固となり、接続信頼性が向上する。
前記無線ICデバイスにおいて、アンテナ20Aは導線20からループ状に形成された簡単な構成からなり、紙などの基材10上の所定箇所に部分的に接着することで容易に製造できる。また、基材10としてプラスチックフィルムなどを使用しなくてもよいので、耐熱性が良好である。縫付け機で導線20をワイヤリングしていく要領でループ状の放射部23,24を有するアンテナ20Aを容易に形成することができる。
また、放射部23,24は大きなループとすることによりアンテナ利得を大きくすることができ、この点では図1に示すような略台形状とすることが有利になる。
なお、前記第1実施例において、インピーダンス整合部27は必ずしも必要ではなく、省略してしてもよい。整合部27を省略する場合、導線20の端部はインピーダンスを高くした形状でつないでおくことが好ましい。
(変形例、図4参照)
前記第1実施例における導線20からなるアンテナ20Aは、図4に示すように、放射部23,24の折り返し部が部分的に切断されていてもよく、高周波信号の送受信が可能である。この場合には、紙基材10の表面に導線20をワイヤリングした後に、あるいは、ワイヤリングしつつ折り返し部を部分的にカットすればよい。
(第2実施例、図5及び図6参照)
第2実施例である無線ICデバイスは、図5に示すように、無線ICチップ50と前記第1実施例で示したアンテナ20Aとの間に、給電回路基板40を介在させたものである。このように、給電回路基板40とそれに搭載された無線ICチップ50を一体物として電磁結合モジュールとも称する。
給電回路基板40は、以下に図6を参照して説明するように給電回路を内蔵したもので、この給電回路がアンテナ20Aの給電部21,22と結合(電磁界結合)するとともに、無線ICチップ50の入出力用端子電極51a,51bとも結合する。なお、本第2実施例で用いられる無線ICチップ50には実装用端子電極52a,52bも設けられている。
給電回路は、図6に示すように、互いに異なるインダクタンス値を有し、かつ、互いに逆相で磁気結合されているインダクタンス素子L1,L2を含む共振回路・整合回路を有している。そして、無線ICチップ50は、入出力用端子電極51a,51bが給電回路基板40上に形成した給電端子電極42a,42bに、実装用端子電極52a,52bが実装電極43a,43bに金属バンプなどを介して電気的に接続されている。
給電回路に含まれるインダクタンス素子L1,L2は逆相で磁気結合して無線ICチップ50が処理する周波数に共振し、かつ、前記アンテナ20Aの給電部21,22とそれぞれ電磁界結合している。また、給電回路は無線ICチップ50のインピーダンスと放射部23,24のインピーダンスとのマッチングを図っている。
従って、給電回路は、無線ICチップ50から発信された所定の周波数を有する送信信号をアンテナ20Aに伝達し、かつ、アンテナ20Aで受信し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50に供給する。それゆえ、この無線ICデバイスは、アンテナ20Aで受信した信号によって無線ICチップ50が動作され、該無線ICチップ50からの応答信号がアンテナ20Aから外部に放射される。
以上のごとく、本第2実施例にあっては、給電回路基板40に設けた給電回路で信号の周波数を設定するため、本無線ICデバイスを種々の物品に取り付けてもそのままで動作し、放射特性の変動が抑制され、個別の物品ごとにアンテナ20Aなどの設計変更をする必要がなくなる。そして、アンテナ20Aから放射する送信信号の周波数及び無線ICチップ50に供給する受信信号の周波数は、給電回路基板40における給電回路の共振周波数で実質的に決定され、信号の最大利得は、給電回路のサイズ、形状、給電回路とアンテナ20Aとの距離及び媒質の少なくとも一つで実質的に決定される。給電回路基板40において送受信信号の周波数が決まるため、アンテナ20Aの形状やサイズ、配置関係などによらず、例えば、無線ICデバイスを丸めたり、誘電体で挟んだりしても、周波数特性が変化することがなく、安定した周波数特性が得られる。
ここで、給電回路基板40の構成について図6を参照して説明する。給電回路基板40は、誘電体あるいは磁性体からなるセラミックシート41a〜41hを積層、圧着、焼成したものである。最上層のシート41aには、給電端子電極42a,42b、実装電極43a,43b、ビアホール導体44a,44b,45a,45bが形成されている。2層目〜8層目のシート41b〜41hには、それぞれ、インダクタンス素子L1,L2を構成する配線電極46a,46bが形成され、必要に応じてビアホール導体47a,47b,48a,48bが形成されている。
以上のシート41a〜41hを積層することにより、配線電極46aがビアホール導体47aにて螺旋状に接続されたインダクタンス素子L1が形成され、配線電極46bがビアホール導体47bにて螺旋状に接続されたインダクタンス素子L2が形成される。また、配線電極46a,46bの線間にキャパシタンスが形成される。
シート41b上の配線電極46aの端部46a−1はビアホール導体45aを介して給電端子電極42aに接続され、シート41h上の配線電極46aの端部46a−2はビアホール導体48a,45bを介して給電端子電極42bに接続される。シート41b上の配線電極46bの端部46b−1はビアホール導体44bを介して給電端子電極42bに接続され、シート41h上の配線電極46bの端部46b−2はビアホール導体48b,44aを介して給電端子電極42aに接続される。
以上の給電回路において、インダクタンス素子L1,L2はそれぞれ逆方向に巻かれているため、インダクタンス素子L1,L2で発生する磁界が相殺される。磁界が相殺されるため、所望のインダクタンス値を得るためには配線電極46a,46bをある程度長くする必要がある。これにてQ値が低くなるので共振特性の急峻性がなくなり、共振周波数付近で広帯域化することになる。
インダクタンス素子L1,L2は、給電回路基板40を平面透視したときに、左右の異なる位置に形成されている。また、インダクタンス素子L1,L2で発生する磁界はそれぞれ逆向きになる。これにて、給電回路をループ状のアンテナ20Aの給電部21,22に結合させたとき、給電部21,22には逆向きの電流が励起され、ループ状のアンテナ20Aで信号を送受信することができる。
給電回路基板40を磁性体材料から形成し、磁性体内にインダクタンス素子L1,L2を形成することにより、大きなインダクタンス値を得ることができる。しかも、磁性体シートの加工ばらつきや透磁率のばらつきが生じても、無線ICチップ50とのインピーダンスのばらつきを吸収できる。磁性体の透磁率μは5〜70程度が好ましい。
また、二つのインダクタンス素子L1,L2のインダクタンス値を実質的に同じ値に設定することで、各インダクタンス素子L1,L2で発生する磁界の大きさを等しくすることができる。これにより、二つのインダクタンス素子L1,L2での磁界の相殺量を同じにすることができ、共振周波数付近での広帯域化が可能になる。
なお、給電回路基板40は、セラミック又は樹脂からなる多層基板であってもよく、あるいは、ポリイミドや液晶ポリマなどの誘電体からなるフレキシブルなシートを積層した基板であってもよい。特に、インダクタンス素子L1,L2が給電回路基板40に内蔵されることで、給電回路が基板外部の影響を受けにくくなり、放射特性の変動を抑制できる。
なお、給電回路基板40はアンテナ20Aの給電部21,22上に貼着されている必要はなく、給電部21,22に近接して配置されていてもよい。また、電磁結合モジュールとしては、無線ICチップ50と給電回路基板40とが別体に構成したもの以外に、一つの基板に一体的に形成されたもの、即ち、給電回路を有する無線ICであってもよい。アンテナ20Aにおいてインピーダンス整合部27を省略してもよいことは前記第1実施例と同様である。
(第3実施例、図7参照)
第3実施例である無線ICデバイスは、図7に示すように、アンテナ20Bの放射部23,24をミアンダ状に折り曲げて形成したものであり、他の構成は前記第1実施例と同様である。ミアンダ状の放射部23,24の線路長、即ち、給電部から折り返し部までの長さは、それぞれ使用波長λに対してλ/4である。本第3実施例の作用及び効果は第1実施例と同様である。なお、無線ICチップ30に代えて、第2実施例に示した無線ICチップ50と給電回路基板40とからなる電磁結合モジュールを用いてもよい。
(第4実施例及び第5実施例、図8〜図10参照)
第4実施例である無線ICデバイスは、図8に示すアンテナ20Cを備えたものである。このアンテナ20Cは、一端部にインダクタンスとして機能するコイル状の給電部21を有する1本の導線20がループ状に折り返された放射部23からなり、該放射部23において折り返し部分へ向かう導線20と折り返された導線20は給電部21の近傍で互いに近接している。近接部分25を経た導線20の他端部は給電部21の端部に電気的に接続されている。
第5実施例である無線ICデバイスは、第9図に示すアンテナ20Dを備えたものである。このアンテナ20Dは、一端部にインダクタンスとして機能するコイル状の給電部21を有する1本の導線20がループ状に折り返された第1の放射部23及び該第1の放射部23から延在されてループ状に折り返された第2の放射部24からなり、該放射部23,24において折り返し部分へ向かう導線20と折り返された導線20は給電部21の近傍で互いに近接している(近接部分を符号25,26で示す)。近接部分26を経た導線20の他端部は給電部21の端部に電気的に接続されている。
以上の構成からなるアンテナ20C,20Dのそれぞれに対しては、前記無線ICチップ50を搭載した給電回路基板140(図10参照)に内蔵した給電回路が結合される。この給電回路の一例について図10を参照して説明する。給電回路基板140は、それぞれ電極を形成した複数枚のシート141a〜141gを積層したもので、各シート141a〜141gはセラミック製あるいは樹脂製である。
シート141aには電極142a〜142dとビアホール導体143a,143bが形成されている。シート141b〜141fには電極144とビアホール導体143c,143dが形成されている。シート141gには電極144が形成されている。
各シート141a〜141gを積層することにより、それぞれの電極144がビアホール導体143dを介して電気的に接続され、インダクタンス素子L3が形成される。インダクタンス素子L3の一端(シート141b上の電極144の一端144a)はビアホール導体143bを介してシート141a上の電極142bに接続される。インダクタンス素子L3の他端(シート141g上の電極144の一端144b)はビアホール導体143c,143aを介してシート141a上の電極142aに接続される。インダクタンス素子L3はそれ自身のインダクタンスと電極144の線間容量とで所定の共振周波数で共振する。
シート141a上の電極142a,142bはそれぞれ無線ICチップ50の入出力用端子電極51a,51bに接続される。シート141a上の電極142c,142dは無線ICチップ50の実装用端子電極52a,52bに接続される。また、インダクタンス素子L3は前記アンテナ20C,20Dの給電部21と結合する。即ち、インダクタンス素子L3を有する給電回路基板140を給電部21上に配置すると、給電部21に、インダクタンス素子L3の磁界を打ち消す方向に渦電流が励起され、この渦電流が放射部23,24に伝達される。給電部21がコイル状であるので、磁界の通り道ができ、インダクタンス素子L3の磁界を保つことができる。なお、図10では、コイル状の給電部21に対して垂直方向のコイル軸を有するインダクタンス素子L3を示したが、平行方向のコイル軸を有するインダクタンス素子であれば、給電部21と磁気的に結合する。
無線ICチップ50を搭載した給電回路基板140と結合されたアンテナ20C,20Dは、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)を放射部23,24で受信し、コイル状の給電部21と磁気的に結合している給電回路を共振させ、所定の周波数の受信信号のみを無線ICチップ50に供給する。無線ICチップ50は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メモリされている情報を読み出し、給電回路にて所定の周波数に整合させた後、給電部21を介して送信信号として放射部23,24から放射し、リーダライタに送信する。
アンテナ20C,20Dにおいては、放射部23,24を形成する導線20が近接部分25,26で互いに近接することで導線20間に電磁結合が生じ、信号がショートパスする点は前記アンテナ20Aと同様であり、その作用、効果は第1実施例で説明したとおりである。
ところで、本第4実施例及び第5実施例において、コイル状をなす給電部21の共振周波数は給電回路基板140に含まれる共振回路の共振周波数よりも高く設定されていることが好ましい。アンテナ単体で見れば、その共振周波数が共振回路の共振周波数と近接すると通信距離が長くなる。しかし、他の無線ICデバイスと近接したり、人間の手などの誘電体が近接した場合の通信障害を考慮すると、給電部21の共振周波数は高周波側に設定することが好ましい。
また、給電部21は給電回路基板140から放射される磁場の直下に配置され、給電回路基板140内のインダクタンス素子L3は給電部21と同方向に電流が流れるようにスパイラル状に形成されているため、より効率的にエネルギーを伝達することができる。
無線ICチップ50と給電回路基板140とは電気的に接続されているが、給電回路基板140とアンテナ20C,20Dとは絶縁性の接着剤で接合するだけでよい。接合の向きも任意であり、配置の精度はそれほど高いものではない。
(他の実施例)
なお、本発明に係るアンテナ、その製造方法及び無線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できることは勿論である。
以上のように、本発明は、RFIDシステムに用いるアンテナ、その製造方法及び無線ICデバイスに有用であり、特に、簡単な構成からなり、簡単な工程で製造でき、かつ、良好な耐熱性を有する点で優れている。
10…基材
20…導線
20A,20B,20C,20D…アンテナ
21,22…給電部
23,24…放射部
25,26…近接部分
27…インピーダンス整合部
30,50…無線ICチップ
40,140…給電回路基板

Claims (9)

  1. 第1の給電部と、
    ループ状に折り返され、折り返し部分へ向かう導線が前記第1の給電部に接続された第1の放射部と、
    第2の給電部と、
    ループ状に折り返され、折り返し部分へ向かう導線が前記第2の給電部に接続された第2の放射部と、
    前記第1の放射部の折り返された導線と前記第2の放射部の折り返された導線との間に接続されたインピーダンス整合部と、
    を有する導線からなり、
    前記第1の放射部において折り返し部分へ向かう導線と折り返された導線とが前記第1の給電部の近傍で互いに近接して電磁結合されており、かつ、前記第2の放射部において折り返し部分へ向かう導線と折り返された導線とが前記第2の給電部の近傍で互いに近接して電磁結合されていること、
    を特徴とするアンテナ。
  2. 前記第1及び第2の放射部はそれぞれ略台形状であること、を特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
  3. 前記導線は表面が絶縁膜で被覆されていること、を特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアンテナ。
  4. 前記導線は銅線であること、を特徴とする請求項3に記載のアンテナ。
  5. 1本の導線を用意する工程と、
    前記導線の一端部である第1の給電部及び他端部である第2の給電部を起点として該導線をループ状に折り返された第1及び第2の放射部を形成する工程と、
    前記第1の放射部の折り返された導線と前記第2の放射部の折り返された導線との間に接続されたインピーダンス整合部を形成する工程と、
    を備え、
    前記第1及び第2の放射部を形成する工程において、折り返し部分へ向かう導線と折り返された導線とをそれぞれ前記第1及び第2の給電部の近傍で互いに近接させること、
    を特徴とするアンテナの製造方法。
  6. 一端部に第1の給電部及び他端部に第2の給電部を有する1本の導線がループ状に折り返された第1及び第2の放射部と、該第1の放射部の折り返された導線と第2の放射部の折り返された導線との間に接続されたインピーダンス整合部とからなり、第1及び第2の放射部において折り返し部分へ向かう導線と折り返された導線がそれぞれ第1及び第2の給電部の近傍で互いに近接して電磁結合しているアンテナと、
    無線ICチップ又は無線ICと結合された給電回路を有する給電回路基板と、
    を備え、
    前記無線ICチップ又は前記給電回路は前記アンテナの第1及び第2の給電部と結合していること、
    を特徴とする無線ICデバイス。
  7. 前記第1及び第2の放射部はそれぞれ略台形状であること、を特徴とする請求項6に記載の無線ICデバイス。
  8. 前記給電回路は共振回路を含み、該共振回路の共振周波数は前記第1及び第2の放射部の送受信信号の周波数を実質的に決定していること、を特徴とする請求項6又は請求項7に記載の無線ICデバイス。
  9. 前記第1及び第2の給電部と無線ICチップ又は給電回路基板とは、はんだで接続されていること、を特徴とする請求項6ないし請求項8のいずれかに記載の無線ICデバイス。
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