JP5521686B2 - アンテナ装置及び無線通信デバイス - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置及び無線通信デバイス、特にＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに用いられるアンテナ装置及び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（放射体）とを備えている。

金属板に近接配置しても動作可能なＲＦＩＤタグとして、特許文献１に記載されている金属対応タグが知られている。この金属対応タグは、平板状の誘電体部材にループアンテナ導体を巻き付け、該ループアンテナ導体の一部分に形成したギャップ部分にＲＦＩＤチップを搭載している。また、ループアンテナ導体のチップ搭載面とは反対面側にもギャップが形成されている。この金属対応タグは、金属板に貼着されると、誘電体部材の裏面の導体と金属板との容量結合を介してループアンテナ導体及び金属板の両者に高周波信号電流が流れる。

しかしながら、前記金属対応タグにおいては、誘電体部材の裏面の導体と金属板とが容量結合しているため、その容量値が変動すると、つまり、タグと金属板との距離がばらつくと、インピーダンスが変化してしまうという問題点を有している。従って、金属板が近接した状態でないと動作しない。

特開２００７−２７２２６４号公報

そこで、本発明の目的は、金属部材が近接している場合及び近接していない場合にあっても放射素子として機能するＲＦＩＤシステムに好適なアンテナ装置及び無線通信デバイスを提供することにある。

本発明の第１の形態であるアンテナ装置は、
誘電体素体と、該誘電体素体に設けたループ状に電気的に結合されたループ状放射導体と、を備え、
前記ループ状放射導体は、前記誘電体素体の表面側に設けられた第１及び第２表面側導体と、前記誘電体素体の裏面側に設けられた第１及び第２裏面側導体と、第１表面側導体及び第１裏面側導体を接続する第１層間接続導体と、第２表面側導体及び第２裏面側導体を接続する第２層間接続導体と、第１及び第２裏面側導体に対してそれぞれ所定間隔を介して配置された中立導体と、で形成されており、
前記中立導体は第１表面側導体と対向する第１対向領域及び第２表面側導体と対向する第２対向領域を有すること、
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、高周波信号を処理する無線ＩＣ素子と、該無線ＩＣ素子に結合された前記アンテナ装置とを備えたことを特徴とする。

前記アンテナ装置において、高周波信号電流はループ状放射導体を流れようとする。金属部材が近接している場合、この金属部材を信号電流経路として高周波信号電流が第１及び第２表面側導体、第１及び第２層間接続導体、第１及び第２裏面側導体に流れ、金属部材から磁界エネルギーが外部に放射され、かつ、金属部材で受け取った磁界エネルギーが第１及び第２表面側導体、第１及び第２層間接続導体、第１及び第２裏面側導体に流れる。一方、金属部材が近接していない場合、第１及び第２表面側導体と中立導体とが第１及び第２対向領域で容量結合し、高周波信号電流は第１及び第２表面側導体と中立導体とを信号電流経路として流れるとともに、第１及び第２表面側導体、第１及び第２層間接続導体、第１及び第２裏面側導体にも流れる。ループ状放射導体は、第１及び第２表面電極と中立導体とでインピーダンスの整合をとって、ダイポール型放射素子として機能する。

本発明によれば、金属部材が近接している場合及び近接していない場合にあっても放射素子として機能し、金属部材との距離に影響されることなく、通信が可能になる。

第１実施例であるアンテナ装置を備えた無線通信デバイスを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。 第１実施例であるアンテナ装置の動作説明図であり、（Ａ）は金属板が近接している場合を示し、（Ｂ）は金属板は近接していない場合を示す。 無線ＩＣ素子としての無線ＩＣチップを示す斜視図である。 無線ＩＣ素子として給電回路基板上に前記無線ＩＣチップを搭載した状態を示す斜視図である。 給電回路の一例を示す等価回路図である。 前記給電回路基板の積層構造を示す平面図である。 第２実施例であるアンテナ装置を構成するループ状放射導体を示す斜視図である。 第３実施例であるアンテナ装置を備えた無線通信デバイスを示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は金属板が近接している場合の動作説明図、（Ｃ）は金属板が近接していない場合の動作説明図である。

以下、本発明に係るアンテナ装置及び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、図１及び図２参照）
第１実施例であるアンテナ装置１０Ａ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、無線ＩＣ素子５０を備えた無線通信デバイスとして構成されている。アンテナ装置１０Ａは、直方体形状をなす誘電体素体２０と、ループ状放射導体３０と、中立導体３５とで構成されている。無線ＩＣ素子５０は、高周波信号を処理するもので、その詳細は図３〜図６を参照して以下に詳述する。誘電体素体２０は、エポキシなどの熱硬化性樹脂やポリイミドなどの熱可塑性樹脂、あるいは、ＬＴＣＣなどのセラミックからなり（磁性体であってもよい）、単層基板あるいは多層基板として構成されている。

ループ状放射導体３０は、誘電体素体２０の表面に設けられた第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと、誘電体素体２０の裏面に設けられた第１及び第２裏面側導体３３ａ，３３ｂと、第１表面側導体３１ａ及び第１裏面側導体３３ａを接続する第１層間接続導体３４ａと、第２表面側導体３１ｂ及び第２裏面側導体３３ｂを接続する第２層間接続導体３４ｂとで構成されている。誘電体素体２０の表面上であって第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂの互いの対向する端部には給電端子３２ａ，３２ｂが形成されている。また、第１及び第２層間接続導体３４ａ，３４ｂは誘電体素体２０の両端面に設けられている。

裏面側導体は第１及び第２スリット３６ａ，３６ｂによって中立導体３５を間に配置した第１裏面側導体３３ａと第２裏面側導体３３ｂとに分割されている。中立導体３５は、ループ状放射導体３０から独立して形成され、第１表面側導体３１ａと対向する第１対向領域４０ａ、及び、第２表面側導体３１ｂと対向する第２対向領域４０ｂを有している。

前記各種導体は、銅やアルミなどの金属箔からなる薄膜導体パターンとして形成されたもの、あるいは、銀や銅などの粉末を含む導電性ペーストからなる厚膜導体パターンとして形成されたものである。

誘電体素体２０の表面には、無線ＩＣ素子５０が給電端子３２ａ，３２ｂに結合されている。この結合は電磁界結合あるいは半田バンプなどによる電気的な直接結合（ＤＣ接続）である。

以上の構成からなるアンテナ装置１０Ａは、図２（Ａ）に示すように、基板４５の表面に設けた金属板４６に絶縁性接着剤４７を介して貼着された場合と、図２（Ｂ）に示すように基板４５の表面に金属板を介することなく絶縁性接着剤４７を介して貼着された場合とで異なる動作で高周波信号の送受信を行う。

即ち、金属板４６が近接している場合、無線ＩＣ素子５０から所定の高周波信号が伝達されると、図２（Ａ）に点線で示すように、ループ状放射導体３０とループ状放射導体３０と結合した金属板４６の表面に沿って高周波信号電流が流れる。ループ状放射導体３０の周回面であるループ面は金属板４６に対して垂直に配置されている。これにより、金属板４６の表面に対して磁界が形成されるので、アンテナ装置１０Ａを金属板４６に貼着してもアンテナとして機能させることができる。第１及び第２裏面側導体３３ａ，３３ｂの端部では接着剤４７を介して容量で金属板４６と結合している。高周波信号電流はこの容量結合を介して金属板４６を電流経路として流れる。ループ状放射導体３０は磁界アンテナとして作用し、金属板４６から磁界エネルギーが外部に放射される。これにて、金属板４６を介してリーダライタとの通信が可能となる。ＲＦＩＤシステムのリーダライタから放射されて金属板４６で受信された高周波信号はループ状放射導体３０を介して無線ＩＣ素子５０に供給され、無線ＩＣ素子５０が動作する。一方、無線ＩＣ素子５０からの応答信号はループ状放射導体３０を介して金属板４６に伝達されてリーダライタに放射される。

前記ループ状放射導体３０は、無線ＩＣ素子５０と金属板４６とを結合させるインピーダンスの整合回路として機能する。ループ状放射導体３０はその電気長などを調整することで、インピーダンスの整合をとることができる。

金属板４６が近接していない場合、図２（Ｂ）に示すように、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと中立導体３５とが第１及び第２対向領域４０ａ，４０ｂ（図１（Ｂ）参照）で比較的大きな容量Ｃ１，Ｃ２で結合する。この場合、高周波信号電流は、一点鎖線で示すように、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと中立導体３５とを容量Ｃ１，Ｃ２を介して流れる。また、高周波信号電流は、点線で示すように、ループ状放射導体３０、即ち、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂから第１及び第２層間接続導体３４ａ，３４ｂを通じて第１及び第２裏面側導体３３ａ，３３ｂに流れる。このとき、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと中立導体３５とで構成されるループから高周波信号の一部が外部に磁界として放射され、かつ、ループ状放射導体３０（３１ａ，３１ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）がダイポール型放射素子として作用し、高周波信号が外部に電界として放射される。

この場合は、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと、これに結合した中立導体３５とが、インピーダンスの整合回路として機能する。中立導体３５の電気長や、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと中立導体３５との距離などを調整することで、無線ＩＣ素子５０とループ状放射導体３０とのインピーダンスの整合をとることができる。そして、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと中立導体３５とでインピーダンスの整合をとることで、ループ状放射導体３０がダイポール型放射素子として機能する。

なお、ループ状放射導体３０は電気長に相当する所定の共振周波数を有し、ダイポール型放射素子も同様にその電気長に相当する所定の共振周波数を有している。

（無線ＩＣ素子、図３〜図６参照）
無線ＩＣ素子５０は、図３に示すように、高周波信号を処理する無線ＩＣチップ５１であってもよく、あるいは、図４に示すように、無線ＩＣチップ５１と所定の共振周波数を有する共振回路を含んだ給電回路基板６５とで構成されていてもよい。

図３に示す無線ＩＣチップ５１は、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。無線ＩＣチップ５１は、その裏面に入出力用端子電極５２，５２及び実装用端子電極５３，５３が設けられている。入出力用端子電極５２，５２は前記第１実施例で示した給電端子３２ａ，３２ｂと金属バンプなどを介して電気的に接続される。なお、金属バンプの材料としては、Ａｕ、はんだなどを用いることができる。

図４に示すように、無線ＩＣチップ５１と給電回路基板６５とで無線ＩＣ素子５０を構成する場合、給電回路基板６５には種々の給電回路（共振回路／整合回路を含む）を設けることができる。例えば、図５に等価回路として示すように、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（相互インダクタンスＭで示す）されているインダクタンス素子Ｌ１、Ｌ２を含む給電回路６６であってもよい。給電回路６６は、所定の共振周波数を有するとともに、無線ＩＣチップ５１のインピーダンスと金属板４６とのインピーダンスマッチングを図っている。なお、無線ＩＣチップ５１と給電回路６６とは、電気的に接続（ＤＣ接続）されていてもよいし、電磁界を介して結合されていてもよい。

給電回路６６は、無線ＩＣチップ５１から発信された所定の周波数を有する高周波信号を前記ループ状放射導体３０に伝達し、かつ、受信した高周波信号をループ状放射導体３０を介して無線ＩＣチップ５１に供給する。給電回路６６が所定の共振周波数を有するので、インピーダンスマッチングが図りやすくなり、インピーダンスの整合回路、即ち、ループ状放射導体３０や第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと中立導体３５の電気長を短くすることができる。

次に、給電回路基板６５の構成について説明する。図３及び図４に示すように、無線ＩＣチップ５１の入出力用端子電極５２は、給電回路基板６５上に形成した給電端子電極１４２ａ、１４２ｂに、実装用端子電極５３は、実装端子電極１４３ａ、１４３ｂに金属バンプなどを介して接続される。

給電回路基板６５は、図６に示すように、誘電体あるいは磁性体からなるセラミックシート１４１ａ〜１４１ｈを積層、圧着、焼成したものである。但し、給電回路基板６５を構成する絶縁層はセラミックシート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シートであってもよい。最上層のシート１４１ａには、給電端子電極１４２ａ，１４２ｂ、実装端子電極１４３ａ，１４３ｂ、ビアホール導体１４４ａ，１４４ｂ，１４５ａ，１４５ｂが形成されている。２層目〜８層目のシート１４１ｂ〜１４１ｈ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１４６ａ，１４６ｂが形成され、必要に応じてビアホール導体１４７ａ，１４７ｂ，１４８ａ，１４８ｂが形成されている。

以上のシート１４１ａ〜１４１ｈを積層することにより、配線電極１４６ａがビアホール導体１４７ａ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１４６ｂがビアホール導体１４７ｂ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１４６ａ，１４６ｂの線間にキャパシタンスが形成される。

シート１４１ｂ上の配線電極１４６ａの端部１４６ａ−１はビアホール導体１４５ａを介して給電端子電極１４２ａに接続され、シート１４１ｈ上の配線電極１４６ａの端部１４６ａ−２はビアホール導体１４８ａ，１４５ｂを介して給電端子電極１４２ｂに接続される。シート１４１ｂ上の配線電極１４６ｂの端部１４６ｂ−１はビアホール導体１４４ｂを介して給電端子電極１４２ｂに接続され、シート１４１ｈ上の配線電極１４６ｂの端部１４６ｂ−２はビアホール導体１４８ｂ，１４４ａを介して給電端子電極１４２ａに接続される。

以上の給電回路６６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１４６ａ，１４６ｂ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６５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６６をループ状放射導体３０に結合させたとき、ループ状放射導体３０には逆向きの電流が励起され、金属板４６に電流を発生させることができ、その電流による電位差で金属板４６を放射素子（アンテナ）として動作させることができる。

給電回路基板６５に共振／整合回路を内蔵することにより、外部の物品の影響による特性変動を抑えることができ、通信品質の劣化を防ぐことができる。また、無線ＩＣ素子５０を構成する無線ＩＣチップ５１を給電回路基板６５の厚み方向の中央側に向けて配置すれば、無線ＩＣチップ５１の破壊を防ぐことができ、無線ＩＣ素子５０としての機械的強度を向上させることができる。

（第２実施例、図７参照）
第２実施例であるアンテナ装置１０Ｂは、図７に示すように、誘電体素体２０に設けたビアホール導体又はスルーホール導体にて第１及び第２層間接続導体３４ａ，３４ｂ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。従って、本第２実施例の作用効果は第１実施例と同様である。そして、ビアホール導体又はスルーホール導体は通常のプリント配線基板を製作するのと同じ工程で容易に形成することができる。

（第３実施例、図８参照）
第３実施例であるアンテナ装置１０Ｃは、図８（Ａ）に示すように、中立導体３５を誘電体素体２０の内層に設けたものであり、他の構成は前記第１実施例と同様である。本第３実施例においても、第１実施例と同様の作用効果を奏する。特に、本第３実施例では、中立導体３５を誘電体素体２０の内層に設けたため、容量Ｃ１，Ｃ２を大きくすることができる。逆に、中立導体３５の面積を小さくすることができる。また、中立導体３５を裏面側導体３３ａ，３３ｂとは異なる層に配置するため、中立導体３５のサイズを比較的自由に設定することができる。

即ち、金属板４６が近接している場合、無線ＩＣ素子５０から所定の高周波信号が伝達されると、図８（Ｂ）に点線で示すように、ループ状放射導体３０及びループ状放射導体３０と結合した金属板４６の表面に沿って高周波信号電流が流れる。ループ状放射導体３０の周回面であるループ面は金属板４６に対して垂直に配置されている。第１及び第２裏面側導体３３ａ，３３ｂの端部では接着剤４７を介して金属板４６と容量で結合している。高周波信号電流はこの容量結合を介して金属板４６を電流経路として流れる。ループ状放射導体３０は磁界アンテナとして作用し、金属板４６から磁界エネルギーが外部に放射される。これにて、金属板４６を介してリーダライタとの通信が可能となる。ＲＦＩＤシステムのリーダライタから放射されて金属板４６で受信された高周波信号はループ状放射導体３０を介して無線ＩＣ素子５０に供給され、無線ＩＣ素子５０が動作する。一方、無線ＩＣ素子５０からの応答信号はループ状放射導体３０を介して金属板４６に伝達されてリーダライタに放射される。なお、ループ状放射導体３０が、無線ＩＣ素子５０と金属板４６とのインピーダンスの整合回路として機能することも実施例１と同様である。

金属板４６が近接していない場合、図８（Ｃ）に示すように、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと中立導体３５とが第１及び第２対向領域４０ａ，４０ｂで比較的大きな容量Ｃ１，Ｃ２で結合する。この場合、高周波信号電流は、一点鎖線で示すように、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと中立導体３５とを容量Ｃ１，Ｃ２を介して流れる。また、高周波信号電流は、点線で示すように、ループ状放射導体３０、即ち、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂから第１及び第２層間接続導体３４ａ，３４ｂを通じて第１及び第２裏面側導体３３ａ，３３ｂに流れる。このとき、第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと中立導体３５とで構成されるループからは高周波信号の一部が外部に磁界として放射され、かつ、ループ状放射導体３０（導体３１ａ，３１ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）がダイポール型放射素子として作用し、高周波信号が外部に電界として放射される。第１及び第２表面側導体３１ａ，３１ｂと、これに結合する中立導体３５とが、無線ＩＣ素子５０とループ状放射導体３０とのインピーダンスの整合回路として機能することで、ループ状放射導体３０がダイポール型放射素子として機能することも実施例１と同様である。

（他の実施例）
なお、本発明に係るアンテナ装置及び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、ループ状放射導体の細部の構造、形状は任意である。また、例えば、アンテナ装置と金属板と近接させる場合、アンテナ装置を金属板に絶縁性接着剤を介して貼着したが、導電性接着剤を介して貼着してもよい。この場合は、ループ状放射導体は金属板と直接結合（ＤＣ接続）することになる。

以上のように、本発明は、アンテナ装置及び無線通信デバイスに有用であり、特に、金属部材が近接している場合及び近接していない場合にあっても放射素子として機能する点で優れている。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…アンテナ装置
２０…誘電体素体
３０…ループ状放射導体
３１ａ，３１ｂ…表面側導体
３２ａ，３２ｂ…給電端子
３３ａ，３３ｂ…裏面側導体
３４ａ，３４ｂ…層間接続導体
３５…中立導体
３６ａ，３６ｂ…スリット部
４０ａ，４０ｂ…対向領域
５０…無線ＩＣ素子
５１…無線ＩＣチップ
６５…給電回路基板
６６…給電回路

Claims (7)

1. 誘電体素体と、該誘電体素体に設けたループ状に電気的に結合されたループ状放射導体と、を備え、
   前記ループ状放射導体は、前記誘電体素体の表面側に設けられた第１及び第２表面側導体と、前記誘電体素体の裏面側に設けられた第１及び第２裏面側導体と、第１表面側導体及び第１裏面側導体を接続する第１層間接続導体と、第２表面側導体及び第２裏面側導体を接続する第２層間接続導体と、第１及び第２裏面側導体に対してそれぞれ所定間隔を介して配置された中立導体と、で形成されており、
   前記中立導体は第１表面側導体と対向する第１対向領域及び第２表面側導体と対向する第２対向領域を有すること、
   を特徴とするアンテナ装置。
2. 前記誘電体素体は直方体形状であること、を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記中立導体は、前記誘電体素体の内層に設けられていること、を特徴する請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 第１及び第２層間接続導体は前記誘電体素体に設けられたビアホール導体又はスルーホール導体からなること、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アンテナ装置。
5. 高周波信号を処理する無線ＩＣ素子と、前記無線ＩＣ素子に結合されたアンテナ装置とを備え、
   前記アンテナ装置は、
   誘電体素体と、該誘電体素体に設けたループ状に電気的に結合されたループ状放射導体と、を備え、
   前記ループ状放射導体は、前記誘電体素体の表面側に設けられた第１及び第２表面側導体と、前記誘電体素体の裏面側に設けられた第１及び第２裏面側導体と、第１表面側導体及び第１裏面側導体を接続する第１層間接続導体と、第２表面側導体及び第２裏面側導体を接続する第２層間接続導体と、第１及び第２裏面側導体に対してそれぞれ所定間隔を介して配置された中立導体と、で形成されており、
   前記中立導体は第１表面側導体と対向する第１対向領域及び第２表面側導体と対向する第２対向領域を有すること、
   を特徴とする無線通信デバイス。
6. 前記無線ＩＣ素子は、高周波信号を処理する無線ＩＣチップであること、を特徴とする請求項５に記載の無線通信デバイス。
7. 前記無線ＩＣ素子は、高周波信号を処理する無線ＩＣチップと、所定の共振周波数を有する給電回路を含んだ給電回路基板とで構成されていること、を特徴とする請求項５に記載の無線通信デバイス。

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