JP5510560B2 - 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）システムに用いられる無線通信デバイスに関する。
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（無線通信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とを備えている。
この種のＲＦＩＤタグに用いられるアンテナとして、特許文献１，２，３に記載されているようなダイポール型アンテナが知られている。ダイポール型アンテナは、比較的大きな通信距離を確保できるものの、サイズが大きくなるという問題点を有している。近年では、「通信距離は多少短くても、ＲＦＩＤタグのサイズを小さくしたい」という要望があり、従来のダイポール型アンテナではこの要望に応えることは困難であった。
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、ダイポール型アンテナとして機能する二つの放射素子を備え、サイズの小さな無線通信デバイスを提供することにある。
本発明の第１の形態である無線通信デバイスは、
ダイポール型アンテナとして機能する第１放射素子及び第２放射素子と、前記第１放射素子及び前記第２放射素子のそれぞれに結合された給電回路と、前記給電回路を設けた給電基板と、を備え、
前記第１放射素子は前記給電基板に設けられており、
前記第２放射素子は前記給電基板とは別の基材に設けられていること、
を特徴とする。
本発明の第２の形態である無線通信デバイスは、
ダイポール型アンテナとして機能する第１放射素子及び第２放射素子と、前記第１放射素子及び前記第２放射素子のそれぞれに結合された給電回路と、前記給電回路を設けた給電基板と、を備え、
前記第１放射素子は前記給電基板に設けられており、
前記給電基板には前記第２放射素子と結合する給電端子を有していること、
を特徴とする。
第１及び第２の形態である無線通信デバイスにおいて、第１放射素子及び第２放射素子はそれぞれ給電回路が結合されていることでダイポール型アンテナとして機能し、必要な通信距離が確保される。第１放射素子は給電回路を設けた給電基板に設けられており、小さなサイズである。第２放射素子は給電基板とは別の基材に設けられており（第１の形態）、あるいは、給電基板の給電端子が第２放射素子と結合していることから（第２の形態）、第２放射素子は例えばマザーボードなど広い面積を有する他の基材に比較的大きなサイズで設けることができる。それゆえ、給電回路及び第１放射素子を含む給電基板からなる無線通信デバイスの本体部分は小さなサイズで構成されることになる。
本発明によれば、ダイポール型アンテナとして機能する第１放射素子及び第２放射素子のうち第２放射素子を無線通信デバイスとは分離して設けるため、無線通信デバイス自体が小サイズとなる。
第１実施例である無線通信デバイスを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は機能を示すブロック図、（Ｃ）は等価回路図である。 前記第１実施例である無線通信デバイスを示し、（Ａ）は表側から見た斜視図、（Ｂ）は裏側から見た斜視図である。 前記第１実施例である無線通信デバイスの分解斜視図である。 第２実施例である無線通信デバイスを示し、（Ａ）は機能ブロック図、（Ｂ）は等価回路図である。 第３実施例である無線通信デバイスの等価回路図である。 第４実施例である無線通信デバイスの分解斜視図である。 第５実施例である無線通信デバイスの断面図である。 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。
第１実施例である無線通信デバイス１Ａ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、第１放射素子１１及び第２放射素子１２と、給電回路として機能する無線ＩＣチップ２０と、整合回路３０とで構成されている。第１放射素子１１と整合回路３０は給電基板４０に内蔵されており、無線ＩＣチップ２０は給電基板４０上に搭載されている。無線ＩＣチップ２０は、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２０は第１放射素子１１と結合しているとともに、整合回路３０を介して第２放射素子１２と結合している。
整合回路３０は、図１（Ｃ）に示すように、インダクタＬ１とコンデンサＣ１とからなる並列共振回路を構成しており、無線ＩＣチップ２０と第２放射素子１２とのインピーダンスマッチングを図るためのものである。なお、無線ＩＣチップ２０と第１放射素子１１との間に互いのインピーダンスマッチングを図るための整合回路が設けられていてもよい。
第１放射素子１１は、図１（Ｃ）に示すように、インダクタＬ２とコンデンサＣ２とインダクタＬ３とからなる直列共振回路を構成している。第２放射素子１２は前記給電基板４０とは別の基材、例えば、携帯電話に組み込まれるプリント配線板６０上に比較的広い面積で長尺状に設けられている。第２放射素子１２はその一端が以下に説明する給電基板４０の裏面に設けた給電端子５０（図３参照）とはんだなどにより接続されている。
給電基板４０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４１ａの表面には接続電極４２ａ〜４２ｄが形成され、第２層４１ｂの表面にはコイルパターン４３，４４と該コイルパターン４４の端部に接続されたコンデンサパターン４５が形成され、第３層４１ｃの表面にはコンデンサパターン４６，４７が形成されている。さらに、第４層４１ｄの表面にはコンデンサパターン４８とコイルパターン４９が形成され、第４層４１ｄの裏面には給電端子５０とＮＣ端子５１が形成されている。
前記各層４１ａ〜４１ｄを積層することにより、接続電極４２ａは、ビアホール導体５２ａを介してコイルパターン４３の一端に接続されるとともに、ビアホール導体５２ｂを介してコンデンサパターン４６に接続される。接続電極４２ｂは、ビアホール導体５２ｃを介してコイルパターン４４の一端に接続される。また、コイルパターン４３の他端はビアホール導体５２ｄ，５２ｅを介してコンデンサパターン４８に接続される。コンデンサパターン４７はビアホール導体５２ｆを介してコイルパターン４９の一端に接続される。コンデンサパターン４８はビアホール導体５２ｇを介して給電端子５０に接続される。ＮＣ端子５１はコイルパターン４９と対向しているのみであり、コイルパターン４９の端部は開放されている。
コイルパターン４３はインダクタＬ１を形成し、コイルパターン４４はインダクタＬ２を形成し、コイルパターン４９はインダクタＬ３を形成している。対向するコンデンサパターン４６，４８はコンデンサＣ１を形成し、対向するコンデンサパターン４５，４７はコンデンサＣ２を形成している。
なお、給電基板４０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、樹脂材であってもよい。給電基板４０をセラミック材で形成する場合は、各層に設けられる導体パターンは導電性ペーストを印刷することによって形成することができる。給電基板４０を樹脂材で形成する場合は、導体パターンは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、本第１実施例において、給電基板４０は多層基板であって、第１放射素子１１と整合回路３０とが給電基板４０に内蔵されている。但し、前記コイルパターンの全てが給電基板４０に内蔵されている必要はない。
無線ＩＣチップ２０は、高周波信号を電位差として受け取るための入出力電極２１ａ，２１ｂ（図１（Ｂ）参照）を有している。この入出力電極２１ａ，２１ｂは給電基板４０上に設けた接続電極４２ａ，４２ｂにはんだバンプなどによって接続され、一方の入出力電極２１ａが第１放射素子１１（インダクタＬ２）と接続され、他方の入出力電極２１ｂが整合回路３０（インダクタＬ１とコンデンサＣ１及び給電端子５０）を介して第２放射素子１２に接続される。
本無線通信デバイス１Ａにおいては、第１放射素子１１及び第２放射素子１２が無線ＩＣチップ２０に接続されてダイポール型アンテナとして機能する。ＲＦＩＤシステムのリーダライタとは、距離が離れているときには、主に第２放射素子１２を用いて高周波信号の送受信が行われる。距離が近いときには、主に第１放射素子１１を利用して高周波信号の送受信が行われる。
第１放射素子１１は給電基板４０に内蔵され、第２放射素子１２は給電基板４０とは別体のプリント配線板６０に設けているので、無線通信デバイス１Ａの実際的なサイズは給電基板４０のサイズで済み、小型化が達成される。また、給電基板４０は第２放射素子１２上に搭載されることになるが、給電端子５０を第２放射素子１２に接続するだけであるので（１箇所接続）、搭載位置精度が緩和される。
（第２実施例、図４参照）
第２実施例である無線通信デバイス１Ｂは、図４に示すように、無線ＩＣチップ２０の入出力電極２１ａ，２１ｂを整合回路３０に接続したものである。整合回路３０は、前記第１実施例で示したインダクタＬ１とコンデンサＣ１に加えてインダクタＬ４を有している。無線ＩＣチップ２０の一方の入出力電極２１ａはインダクタＬ４，Ｌ２の接続点に接続され、他方の入出力電極２１ｂはインダクタＬ４と並列共振回路（インダクタＬ１とコンデンサＣ１）との接続点に接続されている。
本第２実施例の他の構成は前記第１実施例と同様であり、その作用効果も第１実施例で説明したとおりである。整合回路３０に付加したインダクタＬ４は第１放射素子１１と第２放射素子１２との結合度を調整するための素子として機能する。
（第３実施例、図５参照）
第３実施例である無線通信デバイス１Ｃは、図５に示すように、整合回路３０の構成を変更したものである。整合回路３０は、インダクタＬ５とコンデンサＣ３とからなる直列共振回路、及び、インダクタＬ６とコンデンサＣ４とからなる直列共振回路を備え、二つの共振回路はインダクタＬ７にて接続されている。インダクタＬ５，Ｌ６は、互いに逆向きに巻回されて隣接して配置され、互いに電磁界結合している。さらに、第１放射素子１１と給電端子５０との間には前記第２実施例で示した結合度調整用のインダクタＬ４が接続されている。
無線ＩＣチップ２０の一方の入出力電極２１ａはインダクタＬ６の一端に接続され、他方の入出力電極２１ｂはインダクタＬ５の一端に接続されている。また、コンデンサＣ４とインダクタＬ４の接続点が第１放射素子１１（インダクタＬ２）と接続され、コンデンサＣ３とインダクタＬ４の接続点が給電端子５０を介して第２放射素子１２と接続されている。
本第３実施例の他の構成は前記第１実施例と同様であり、その作用効果も第１実施例で説明したとおりである。整合回路３０においては、二つの直列共振回路の持つ互いに異なる共振周波数で第１及び第２放射素子１１，１２が動作するので、通信帯域が広帯域化する。また、インダクタＬ４が第１放射素子１１と第２放射素子１２との結合度を調整する点は前記第２実施例と同様である。インダクタＬ７は給電端子から見たインピーダンスをマッチングさせる。
（第４実施例、図６参照）
第４実施例である無線通信デバイス１Ｄは、図６に示すように、給電端子５０を給電基板４０の最下層に内蔵し、給電基板４０の裏面を第２放射素子１２上に接着することにより、給電端子５０と第２放射素子１２と容量Ｃ５で結合させたものである。給電端子５０は給電基板４０の第５層４１ｅの表面に形成されている。図６に示す給電基板４０の他の構成は図３と同様である。
本第４実施例は、整合回路３０と第２放射素子１２との結合を容量Ｃ５で行う以外は前記第１実施例と同様の構成を備えている。従って、第４実施例の作用効果は基本的には第１実施例と同様であり、特に、容量Ｃ５によって対サージ性能が向上する。
（第５実施例、図７参照）
第５実施例である無線通信デバイス１Ｅは、図７に示すように、無線ＩＣチップ２０を多層に構成した給電基板４０の中段部に配置し、上段部に第１放射素子１１を配置し、下段部に整合回路３０を配置したものである。無線通信デバイス１Ｅはプリント配線板６０に対して接着剤層６２によって貼着されている。等価回路としては図１（Ｃ）に示した第１実施例と同様である。従って本第５実施例の作用効果は第１実施例と基本的に同様である。特に、第５実施例では、第１放射素子１１が給電基板４０の表面側に配置されるため、リーダライタのアンテナを無線通信デバイス１Ｅに近接させたときの通信性能が向上する。また、整合回路３０と第１放射素子１１との間に無線ＩＣチップ２０が介在していることにより、整合回路３０と第１放射素子１１とのアイソレーション性が向上する。なお、図７の断面図では煩雑さを避けるためにハッチングの図示を省略している。電極５１については実装用であり、なくてもＲＦＩＤタグとして機能する。この場合、電極（給電端子）５０を大きくすることも可能で、実装位置精度が緩和される。
（実装例、図８参照）
前記各実施例では無線通信デバイス１Ａ〜１Ｅ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８では、無線通信デバイス１Ａ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１Ａは継ぎ目部７１であってアルミ蒸着膜７２（第２放射素子として機能する）の縁部に貼着されている。
（他の実施例）
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、第１放射素子や整合回路は種々の回路素子で構成することができ、各実施例で示したインダクタやコンデンサによる回路構成に限定するものではない。第２放射素子に関しても、ミアンダ状、コイル状など様々な形状で形成することができる。また、第１放射素子及び第２放射素子と無線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。
無線ＩＣチップは２組のダイポール型アンテナに対応可能なように、四つの入出力電極を有しているものであってもよい。また、給電基板は、単体として独立した基板の形態をとってもよいし、無線ＩＣチップの実装面に設けた端子をプリント配線板のランドに接続するための再配線層を基板として兼用したものであってもよい。
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、無線通信デバイスを小型化できる点で優れている。
１Ａ〜１Ｅ…無線通信デバイス
１１…第１放射素子
１２…第２放射素子
２０…無線ＩＣチップ（給電回路）
３０…整合回路
４０…給電基板
５０…給電端子
６０…プリント配線板（基材）

Claims (7)

  1. ダイポール型アンテナとして機能する第１放射素子及び第２放射素子と、前記第１放射素子及び前記第２放射素子のそれぞれに結合された給電回路と、前記給電回路を設けた給電基板と、を備え、
    前記第１放射素子は前記給電基板に設けられており、
    前記第２放射素子は前記給電基板とは別の基材に設けられていること、
    を特徴とする無線通信デバイス。
  2. ダイポール型アンテナとして機能する第１放射素子及び第２放射素子と、前記第１放射素子及び前記第２放射素子のそれぞれに結合された給電回路と、前記給電回路を設けた給電基板と、を備え、
    前記第１放射素子は前記給電基板に設けられており、
    前記給電基板には前記第２放射素子と結合する給電端子を有していること、
    を特徴とする無線通信デバイス。
  3. 前記給電回路と前記第２放射素子との間に、前記給電基板に設けた整合回路が接続されていること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線通信デバイス。
  4. 前記給電基板は多層基板であって、前記第１放射素子はコイルパターンを含み、該コイルパターンの少なくとも一部が前記多層基板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. 前記給電回路は、高周波信号を処理する無線ＩＣチップとして構成されていること、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。
  6. 前記給電基板の中段部に前記給電回路が配置され、上段部に前記第１放射素子が配置され、下段部に前記整合回路が配置されていること、を特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の無線通信デバイス。
  7. 前記第１放射素子及び前記第２放射素子と前記給電回路との結合とは、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無線通信デバイス。
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