JP6041061B2 - 無線通信用デバイス及び該デバイスを備えた物品 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信用デバイス、例えば、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムなどの非接触通信システムでの通信が可能な無線通信用デバイス及び該デバイスを備えた物品に関する。

従来、非接触通信システムで使用されるＩＣタグとして特許文献１に記載のものが知られている。この種のＩＣタグでは、アンテナとＩＣモジュールが直結しているため、アンテナのインピーダンスをＩＣモジュールのインピーダンスの複素共役に合わせる必要がある。それゆえ、非接触ＩＣタグのアンテナ設計は、異なるＩＣごとに、あるいは、異なるアンテナ形状ごとに行う必要があり、通常、５０Ωで構成されている測定系で評価するために設計上の難易度が非常に高いという問題点を有している。

特開２００４−１２６７５０号公報

本発明の目的は、周波数特性の変動が少なく、アンテナ設計上の難易度を低めることができ、また、複数のデバイスを重ねても通信が可能な無線通信用デバイス及び該デバイスを備えた物品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用デバイスは、
ＨＦ帯を通信周波数帯とする無線通信用デバイスであって、
相手側機器と無線通信を行うためのループ部と、該ループ部に対して並列に接続された並列インダクタと、該並列インダクタの両端にそれぞれ接続された二つの端子を有する無線ＩＣ素子と、を備え、
前記ループ部と前記並列インダクタの電流経路は閉じており、
少なくとも前記並列インダクタと前記無線ＩＣ素子とにより所定の共振周波数を有する共振回路が構成されており、
前記ループ部において前記相手側機器との無線通信により生じた渦電流が前記並列インダクタの両端の電位差として前記無線ＩＣ素子に供給されること、
を特徴とする。

本発明の第２の形態である物品は、前記無線通信用デバイスと前記ループ部の近傍に配置された金属体とを備えたことを特徴とする。

前記無線通信用デバイスにおいては、ループ部と並列インダクタの電流経路は閉じているので、ループ部には相手方機器からの磁界信号を打ち消す方向の渦電流が流れる。つまり、相手方機器から放射された高周波信号（例えば、１３．５６ＭＨｚのＨＦ帯信号）をループ部で受信すると、該ループ部に渦電流が発生し、並列インダクタの両端の電位差によって無線ＩＣ素子が動作する。そして、少なくとも並列インダクタと無線ＩＣ素子とにより共振周波数を調整する共振回路と、ループ部とが回路機能的に分割されている。これにて、周囲の環境などによりループ部のアンテナ特性が変化してもデバイスとしての周波数特性は変動しにくく、かつ、ループ部に金属板が近接しても通信が可能となる。

さらに、ループ部のインダクタンス値は共振周波数に影響を与えないので、ループ部の電気長に関係なくループ部（アンテナ）の大きさや形状などの設計が容易になる。また、ループ部は通信周波数が異なる他の通信システムとの共用が可能である。ループ部のインダクタンス値が変化しても共振周波数がほとんど変化しないので、複数のデバイスを近接配置してもそれぞれのデバイスが他のデバイスに影響されることなく通信が可能である。

本発明によれば、周波数特性の変動が少なく、アンテナ設計上の難易度を低めることができ、また、複数のデバイスを重ねても通信が可能である。

無線通信用デバイスの基本回路を示す等価回路図であり、（Ａ）は第１例、（Ｂ）は第２例、（Ｃ）は第３例、（Ｄ）は第４例を示す。 無線通信用デバイスの第４例を示す斜視図である。 前記第４例を示す断面図である。 前記第４例の積層構造を分解して示す平面図である。 無線通信用デバイスの動作を模式的に示す説明図である。 無線通信用デバイスの特性を示すグラフである。 無線通信用デバイスを備えた物品（歩数計）を示し、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は内部構造を模式的に示す斜視図である。 無線通信用デバイスと携帯端末との通信状態を示す説明図である。 無線通信用デバイスを備えた物品（パソコン）を示す説明図である。

以下、本発明に係る無線通信用デバイス及び該デバイスを備えた物品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。

（基本回路構成、図１参照）
無線通信用デバイスの第１例〜第４例を図１（Ａ）〜（Ｄ）に示す。これらの無線通信用デバイスは、１３．５６ＭＨｚ帯を通信周波数帯とするＨＦ帯ＲＦＩＤシステム用のデバイスである。第１例である無線通信デバイス１は、渦電流の発生により相手方機器（例えば、ＨＦ帯ＲＦＩＤシステムのリーダライタ）と無線通信を行うためのループ部１０と、ループ部１０に対して並列に接続された並列インダクタＬ１と、並列インダクタＬ１に接続された送受信信号を処理する無線ＩＣ素子３０と、を備えている。さらに、ループ部１０の両端と無線ＩＣ素子３０の入出力部との間に、直列インダクタＬ２，Ｌ３がそれぞれ接続されている。無線ＩＣ素子３０の入出力部にはキャパシタＣ１が並列に接続されている。

インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３とキャパシタＣ１は無線ＩＣ素子３０に対する給電回路２０であり、この給電回路２０と無線ＩＣ素子３０が持つ内部キャパシタ成分とにより所定の周波数を有する共振回路２１を構成している。なお、共振回路２１には無線ＩＣ素子３０に含まれるキャパシタ成分が含まれる。ここで、並列インダクタＬ１の両端をポートＰ１，Ｐ２と称し、無線ＩＣ素子３０の入出力部をポートＰ３，Ｐ４と称する。

第２例は、図１（Ｂ）に示すように、前記インダクタＬ３を省略して直列インダクタＬ２のみを設けたものである。これにて、共振回路２１の小型化が可能になる。第３例は、図１（Ｃ）に示すように、キャパシタＣ２，Ｃ３を並列インダクタＬ１と無線ＩＣ素子３０の入出力部との間にそれぞれ設けたものである。このように、キャパシタＣ２，Ｃ３を設けることにより、ループ部１０を他の通信システムのアンテナと共用した場合であっても、他の通信システムの信号を除去できる。第４例は、図１（Ｄ）に示すように、キャパシタＣ１に対していま一つのキャパシタＣ１’を並列に設けたものである。キャパシタＣ１’はキャパシタＣ１のキャパシタンス値を補正するために配置されている。

ループ部１０は、様々な形状、大きさのものを使用することができる。１ターンの導体パターンから構成してもよい。ループ部１０は、図５に示すように、基板３５上に設けた複数ターンの導体パターンから構成してもよい。あるいは、ループ部１０は１ターン又は複数ターンのワイヤから構成してもよい。ループ部１０を１ターンで構成すると、並列インダクタＬ１との接続に際して配線を両面に回り込ませたり、ループ部１０の端部をブリッジ配線実装する必要がなく、実装構造が簡単になるので特に好ましい。

以上の回路構成からなる第４例である無線通信用デバイス１は、図２及び図３に示すように、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３を内蔵した磁性体層５０ａと非磁性体層５０ｂからなる基板５０上に無線ＩＣ素子３０とチップタイプのキャパシタＣ１，Ｃ１’を搭載し、樹脂６０で封止されている。

（基板の構成、図４参照）
以下に、基板５０に内蔵されたインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３などを構成する電極や導体パターンを図４を参照して説明する。図４は非磁性体及び磁性体からなるシート５１ａ〜５１ｑを基板５０の上面側（図３参照）から見た状態で示している。

シート５１ａには表面側電極５２ａ〜５２ｄ、５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂとビアホール導体６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂが形成されている。シート５１ｂには中継パターン５５ａ，５５ｂとビアホール導体６５ａ，６５ｂが形成されている。シート５１ｃ〜５１ｊには導体パターン５６ａ，５６ｂとビアホール導体６６ａ，６６ｂが形成されている。シート５１ｋには中継パターン５７ａ，５７ｂとビアホール導体６６ａ，６６ｂ，６７ａが形成されている。シート５１ｌ〜５１ｏには導体パターン５８とビアホール導体６６ａ，６６ｂ，６７ｂが形成されている。シート５１ｐには導体パターン５８とビアホール導体６６ａ，６６ｂが形成されている。シート５１ｑには裏面側電極５９ａ，５９ｂとビアホール導体６６ａ，６６ｂが形成されている。

複数の導体パターン５８は、それぞれビアホール導体６７ｂを介してコイル状に接続され、並列インダクタＬ１を構成している。複数の導体パターン５６ａは、それぞれビアホール導体６６ａを介してコイル状に接続され、インダクタＬ２を構成している。複数の導体パターン５６ｂは、それぞれビアホール導体６６ｂを介してコイル状に接続され、インダクタＬ３を構成している。

最下層の電極５９ａ（ポートＰ１）は、ビアホール導体６６ａ及び中継パターン５７ａを介して、さらにビアホール導体６７ａを介してシート５１ｌ上の導体パターン５８の端部（インダクタＬ１の一端）に接続されている。最下層の電極５９ｂ（ポートＰ２）は、ビアホール導体６６ｂを介してシート５１ｐ上の導体パターン５８の端部（インダクタＬ１の他端）に接続されている。

インダクタＬ２を構成するシート５１ｊ上の導体パターン５６ａは、ビアホール導体６６ａ、中継パターン５７ａ及びビアホール導体６６ａを介して裏面側電極５９ａに接続されている。インダクタＬ３を構成するシート５１ｊ上の導体パターン５６ｂは、ビアホール導体６６ｂ、中継パターン５７ｂ及びビアホール導体６６ｂを介して裏面側電極５９ｂに接続されている。

最上層の電極５２ａ（ポートＰ３）は、ビアホール導体６２ａ、中継パターン５５ａ及びビアホール導体６５ａを介してシート５１ｃ上の導体パターン５６ａの端部（インダクタＬ２の一端）に接続されている。最上層の電極５２ｂ（ポートＰ４）は、ビアホール導体６２ｂ、中継パターン５５ｂ及びビアホール導体６５ｂを介してシート５１ｃ上の導体パターン５６ｂの端部（インダクタＬ３の一端）に接続されている。シート５１ｊ上の導体パターン５６ａの端部（インダクタＬ２の他端）は、ビアホール導体６６ａを介して裏面側電極５９ａに接続されている。シート５１ｊ上の導体パターン５６ｂの端部（インダクタＬ３の他端）は、ビアホール導体６６ｂを介して裏面側電極５９ｂに接続されている。

また、最上層の電極５３ａは、ビアホール導体６３ａ、中継パターン５５ａ及びビアホール導体６５ａを介して、最上層の電極５２ａ及び導体パターン５６ａの端部（インダクタＬ２の一端）に接続されている。最上層の電極５３ｂは、ビアホール導体６３ｂ、中継パターン５５ｂ及びビアホール導体６５ｂを介して、最上層の電極５２ｂ及び導体パターン５６ｂの端部（インダクタＬ３の一端）に接続されている。最上層の電極５４ａは、ビアホール導体６４ａ、中継パターン５５ａ及びビアホール導体６５ａを介して、最上層の電極５２ａ及び導体パターン５６ａの端部（インダクタＬ２の一端）に接続されている。最上層の電極５４ｂは、ビアホール導体６４ｂ、中継パターン５５ｂ及びビアホール導体６５ｂを介して、最上層の電極５２ｂ及び導体パターン５６ｂの端部（インダクタＬ３の一端）に接続されている。

最上層のシート５１ａ上において、電極５２ａ，５２ｂ（ポートＰ３，Ｐ４）には前記無線ＩＣ素子３０の入出力端子がはんだバンプなどにて接続される。電極５３ａ，５３ｂ間にはキャパシタＣ１が接続され、電極５４ａ，５４ｂ間にはキャパシタＣ１’が接続される。

（通信動作、図５参照）
前記無線通信用デバイス１においては、ループ部１０と並列インダクタＬ１の電流経路は閉じているので、つまり、信号電流はループ部１０とインダクタＬ１とで形成されるループを周回するので、ループ部１０には相手方機器（ＲＦＩＤシステムのリーダライタ）からの磁界信号を打ち消す方向の渦電流が流れる。つまり、図５に示すように、リーダライタ１００から放射された高周波信号Ｅ（例えば、１３．５６ＭＨｚのＨＦ帯信号）をループ部１０で受信すると、ループ部１０に渦電流Ｉが発生し、並列インダクタＬ１の両端の電位差によって無線ＩＣ素子３０が動作する。そして、少なくとも並列インダクタＬ１と無線ＩＣ素子３０とにより共振周波数を調整する共振回路２１と、ループ部１０とが回路機能的に分割されている。つまり、ループ部１０は、単に渦電流を生じさせるための機能部であり、インダクタＬ１と無線ＩＣ素子３０とによる共振回路は、ループ部１０に生じた渦電流のうち所定の通信周波数を持った信号電流を分離・選択するための機能部である。これにて、周囲の環境などによりループ部１０のアンテナ特性が変化してもデバイスとしての周波数特性は変動しにくく、複数の無線通信用デバイスが重ねられていても、あるいは、ループ部１０に金属板が近接しても通信が可能となる。

さらに、ループ部１０のインダクタンス値は共振周波数に実質的に影響を与えないので、ループ部１０の電気長に関係なくループ部１０（アンテナ）の大きさや形状などの設計が容易になる。また、ループ部１０は通信周波数が異なる他の通信システムとの共用が可能である。特に、ワイヤレス充電のように、インダクタンス値が大きいアンテナとの共用に効果がある。ループ部１０のインダクタンス値が変化しても共振回路２１の共振周波数がほとんど変化しないので、複数のデバイスを近接配置しても、例えば、複数の無線通信用デバイス１（ループ部１０）を０．５〜１．０ｍｍ程度に近接させても、それぞれのデバイスが他のデバイスに影響されることなく通信が可能である。

図３に示すように、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３を磁性体層５０ａで覆うと、それぞれのインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３が外部からの影響を受けにくくなり、動作特性が安定する。特に、ループ部１０に並列に接続されたインダクタＬ１を複数の磁性体層を積層してなる積層体に内蔵することにより、インダクタＬ１を閉磁路構造とすることができる。よって、インダクタＬ１のインダクタンス値が外部環境に影響されにくくなり、Ｌ値ひいては共振周波数特性を安定化させることができる。また、インダクタＬ１とインダクタＬ２，Ｌ３との間に非磁性体層５０ｂを介在させると、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３それぞれの磁気飽和を、それぞれのインダクタンス値を大きくすることなく抑制することができる。

本実施例の無線通信用デバイスは、リーダライタからの電波をエネルギー源として動作するパッシブタイプであり、電池を内蔵する必要はない。勿論、アクティブタイプに利用しても構わない。

無線ＩＣ素子に格納されている情報は、該素子の負荷を変動させることによりアンテナに到来した電波を反射させ、この反射波に前記情報を載せてリーダライタに返信する。

具体的には、本無線通信用デバイス１においては、無線ＩＣ素子３０の負荷（インピーダンス）を変えることでループ部１０に流れる渦電流を変化させ、ループ部１０に生じる磁束を変動させることで、リーダライタに高周波信号を送信する。例えば、無線ＩＣ素子３０の負荷が０Ωになると、ループ部１０の両端の負荷が小さくなり、ループ部１０に流れる渦電流が増加する。渦電流が増加することにより、リーダライタからの電波がより打ち消される。逆に、無線ＩＣ素子３０の負荷が無限大になると、ループ部１０の両端の負荷が大きくなり、ループ部１０に流れる渦電流が減少する。渦電流が減少することにより、リーダライタからの電波は打ち消される量が減少する。

（特性の変動、図６参照）
ここで、無線通信用デバイスのリターンロス特性を図６を参照して説明する。このリターンロス特性は、図１（Ａ）に示した無線通信用デバイス１において、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３のインダクタンス値をそれぞれ４７０ｎＨ、２７０ｎＨ、２７０ｎＨとし、キャパシタＣ１のキャパシタンス値を１００ｐＦとしたものでシミュレートした。ループ部１０のインダクタンス値は、８００ｎＨ、１４００ｎＨ、２００ｎＨの３種類に分けて検証した。

図６から明らかなように、ループ部１０のインダクタンス値が１４００ｎＨの場合（曲線Ｘ１参照）の共振周波数が比較的低く、８００ｎＨの場合（曲線Ｘ２参照）の共振周波数が比較的高い。換言すれば、ループ部１０のインダクタンス値が８００〜１４００ｎＨの間に設定されていれば、それらの共振周波数の変動幅は±３００ｋＨｚの範囲に収まることになる。ちなみに、共振周波数変動幅の許容値は概ね１ＭＨz以内である。

ループ部１０と並列インダクタＬ１とのインダクタンス値の比を考察すると、（８００／４７０）≒１．７であり、（１４００／４７０）≒３である。つまり、ループ部１０のインダクタンス値が並列インダクタＬ１のインダクタンス値の１．７倍以上であることが好ましく、この場合、共振周波数は±３００ｋＨｚしか変動しない。

なお、ループ部１０のインダクタンス値が２００ｎＨの場合（曲線Ｘ３参照）の共振周波数はかなり高い帯域に変動してしまう。

（使用例、図７〜図９参照）
無線通信用デバイス１は１ターンの導体パターンからなるループ部１０を備えていれば、ループ部１０の近傍に金属体が近接配置されていてもリーダライタなどとの通信が可能である。そこで、種々の物品に無線通信用デバイス１を内蔵することができる。

図７に無線通信用デバイス１を内蔵した活動量計（歩数計７０）を示す。歩数計７０に代表される活動量計は、人体に装着して日々の運動量や消費カロリーなどを計測する健康グッズであり、近年はブレスレット型など軽量のものに人気がある。歩数計７０からＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＷ−ＬＡＮなどの無線通信でパソコンやスマートフォンに計測データを転送してデータをチェックするためには、機器同士のペアリング（機器認証機能）が必要となる。但し、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などでペアリングを行うのは煩雑である。

そこで、歩数計７０などの物品に、１ターンのループ状金属体（金属製ワイヤ１０Ａ）をループ部として利用して無線通信用デバイス１を内蔵させればよい。携帯端末などは無線通信用デバイス１と通信することにより、歩数計７０を個体識別することができるのでペアリングが容易になる。仮に、歩数計７０に金属体が配置されており、該金属体がワイヤ１０Ａに近接する場合であっても通信が可能であることは勿論である。

さらに、図８に示すように、Ｉ²Ｃ機能付きのＲＦＩＤシステムなどを利用した無線ＩＣ素子３０を歩数計７０に内蔵されているマイクロコンピュータ７５に接続すれば、ペアリングのみならず、マイクロコンピュータ７５に格納されているデータ（歩数や消費カロリーなど）をループ部１０（ワイヤ１０Ａ）を介してスマートフォン８０に転送することが可能になる。

図９に示すパソコン９０には、金属製筺体の底面に、従来のバーコードに代えて、ループ部１０を備えた無線通信用デバイス１が備えられている。これにて、パソコン９０を無線通信用デバイス１を用いて管理することが可能になり、また、パソコン９０のマイクロコンピュータを無線ＩＣ素子３０に接続することで、パソコン９０とホストコンピュータとのペアリングやデータの交換が可能になる。

（他の実施例）
なお、本発明に係る無線通信用デバイス及び物品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、ループ部を構成する導体パターンやワイヤの細部の構成、形状などは任意である。また、歩数計やパソコン以外に種々の物品に幅広く無線通信用デバイスを内蔵させることができる。

以上のように、本発明は、無線通信用デバイスに有用であり、特に、周波数特性の変動が少なく、アンテナ設計上の難易度を低めることができ、また、複数のデバイスを重ねても通信が可能である点で優れている。

１…無線通信用デバイス
１０，１０Ａ〜１０Ｄ…ループ状アンテナ
２０…給電回路
２１…共振回路
３０…無線ＩＣ素子
５０…基板
Ｌ１…並列インダクタ
７０…歩数計
９０…パソコン

Claims (6)

1. ＨＦ帯を通信周波数帯とする無線通信用デバイスであって、
   相手側機器と無線通信を行うためのループ部と、該ループ部に対して並列に接続された並列インダクタと、該並列インダクタの両端にそれぞれ接続された二つの端子を有する無線ＩＣ素子と、を備え、
   前記ループ部と前記並列インダクタの電流経路は閉じており、
   少なくとも前記並列インダクタと前記無線ＩＣ素子とにより所定の共振周波数を有する共振回路が構成されており、
   前記ループ部において前記相手側機器との無線通信により生じた渦電流が前記並列インダクタの両端の電位差として前記無線ＩＣ素子に供給されること、
   を特徴とする無線通信用デバイス。
2. 前記ループ部のインダクタンス値が前記並列インダクタのインダクタンス値の１．７倍以上であること、を特徴とする請求項１に記載の無線通信用デバイス。
3. 前記並列インダクタは磁性体で覆われていること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線通信用デバイス。
4. 前記ループ部は１ターン又は複数ターンの導体パターンからなること、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無線通信用デバイス。
5. 前記ループ部は１ターン又は複数ターンのワイヤからなること、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無線通信用デバイス。
6. 無線通信用デバイスと金属体とを備えた物品であって、
   前記無線通信用デバイスは、
   ＨＦ帯を通信周波数帯とする無線通信用デバイスであって、
   相手側機器と無線通信を行うためのループ部と、該ループ部に対して並列に接続された並列インダクタと、該並列インダクタの両端にそれぞれ接続された二つの端子を有する無線ＩＣ素子と、を備え、
   前記ループ部と前記並列インダクタの電流経路は閉じており、
   少なくとも前記並列インダクタと前記無線ＩＣ素子とにより所定の共振周波数を有する共振回路が構成されており、
   前記ループ部において前記相手側機器との無線通信により生じた渦電流が前記並列インダクタの両端の電位差として前記無線ＩＣ素子に供給され、
   前記金属体は前記ループ部の近傍に配置されていること、
   を特徴とする物品。