JP6879576B2 - ブースターアンテナ、ブースターアンテナ搭載形の通信用ｉｃユニット、及び導体付きブースターアンテナ搭載形の通信用ｉｃユニット - Google Patents

Description

本発明は、導体に取り付けた場合に高い通信性能を発揮するブースターアンテナ、ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット、及び導体付きブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットを提供することを目的とする。

近年、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）が利用されている。
ＲＦＩＤシステムで使用するＲＦタグにはアンテナ及びＩＣチップが格納されており、リーダ・ライタのアンテナから送信された搬送波をＲＦタグのアンテナで受信し、ＩＣチップに記録されている識別データ等を反射波に乗せてリーダ・ライタへ返送することで非接触で交信する仕組みになっている。

従来のＲＦタグ用のアンテナとして例えば二次元の一層の渦巻状のタイプが知られている。しかし、パターンサイズを小さくして高インダクタンスを実現することが難しいため、回路設計が難しいという問題または、ＩＣチップに搭載して小型化するのが難しいという問題があった。
そこで、本願発明者は、コイルを形成した基板を積層すると共に磁界の発生方向が同一方向になるように各コイルを直列接続したアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットを開発した（特許文献１及び２）。
このＩＣユニットによれば、積層した複数のコイルを一体的に作動させることができるので、高インダクタンスを実現でき、回路設計及び小型化が容易になる。

特許第４７１３６２１号公報 特許第４１０６６７３号公報

ところが、上記従来技術では以下のような問題がある。
すなわち、通信距離が短いためリーダ・ライタをＩＣユニットの近傍まで近づける必要があるという問題がある。
また、ＩＣユニットを導体（金属物等）に近づけると共振周波数がずれてしまい通信に支障が出るという問題または、ＩＣユニットを取り付けた面の裏側の面に電波を照射した場合には通信できないという問題がある。

本発明は、このような問題を考慮して、導体に取り付けた場合に高い通信性能を発揮するブースターアンテナ、ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット、及び導体付きブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットを提供することを目的とする。

本発明のブースターアンテナは、基材の上面側に取り付けられる上面側導体、基材の下面側に取り付けられる下面側導体、基材の内部又は側面に取り付けられて上面側導体の端部と下面側導体の端部とを電気的に接続する接続用導体によって形成される１ターン未満のコイルと、基材の上面側にアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットを設置するための設置部とを備えることを特徴とする。
また、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットが、磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主アンテナ部と、当該主アンテナ部と接続されるＩＣチップとを少なくとも備えており、１ターン未満のコイルが副アンテナ部を構成しており、主アンテナ部の磁束の発生方向と副アンテナ部の磁束の発生方向が一致するように主アンテナ部と副アンテナ部が電磁結合されることを特徴とする。
また、１ターン未満のコイルの両端部に周波数調整用コンデンサが接続されていることを特徴とする。
また、平面視した場合に、上面側導体と下面側導体とが重ならないように取り付けられていることを特徴とする。
また、基材が多層プリント基板であり、接続用導体が当該多層プリント基板の各層を貫通するスルーホール内を通って上面側導体と下面側導体とを電気的に接続することを特徴とする。

本発明のブースターアンテナの使用方法は、上記ブースターアンテナの使用方法において、下面側導体と導体とを電気的に接触接続させることを特徴とする。
本発明のブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットは、上記ブースターアンテナと、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットとを備えており、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットが、磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主アンテナ部と、当該主アンテナ部と接続されるＩＣチップとを少なくとも備えており、１ターン未満のコイルが副アンテナ部を構成しており、主アンテナ部と副アンテナ部とが電磁結合されることを特徴とする。

本発明では主アンテナ部と副アンテナ部を共にコイルで構成し、導体に設置する副エレメントのコイル形状を１ターン未満とする。そして、主アンテナ部と副アンテナ部を両者の磁束の発生方向が一致するように接続することで導体全体をアンテナとして機能させる。
ＩＣユニットから離れた位置からリーダ・ライタの搬送波を送信した場合、搬送波がＩＣユニットまで届かない場合がある。しかし、本発明では導体がアンテナとして機能するため、搬送波が導体の一部まで届きさえすれば、搬送波は導体を伝わり副アンテナ部及び主アンテナ部まで至り、ＩＣチップにおいて電源電圧が生成され、通信回路等を動作させることができる。
また、本発明ではＩＣユニットを取り付けた面の裏側の面に電波を照射した場合にも、表側の面に電波を照射した場合とほぼ同品質で通信できる。
このように、本発明のブースターアンテナ、ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット、及び導体付きブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットは導体に取り付けた場合に高い通信性能を発揮することができる。
なお、本発明において「導体」とは一般的な意味と同様に「電気の伝導率が比較的大きな物質の総称」（広辞苑）であり、例えば金属、炭素繊維、人体、動物の体、草木、水、地面などが挙げられるが、必ずしもこれらに限定されない。

また、本発明では複数のコイルを直列接続することで主アンテナ部を構成するので小型化が可能になる。
また、１ターン未満のコイルの両端部に周波数調整用コンデンサを接続することによっても小型化が可能になる。
また、平面視した場合に上面側導体と下面側導体とが重ならないように両者を基材に取り付けることにすれば、平面視した場合に１ターン未満のコイルのコイルがＣ字状になる。これにより下面側導体を導体に対して電気的に接触接続させない場合であっても、基材の上面に対して直交する方向からの搬送波に対してブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット単独で送受信が可能になる。
また、基材を多層プリント基板として各層を貫通するスルーホールに接続用導体を通すことにすれば、接続用導体が基材の表面に露出しないので破損の可能性が少なくなり、耐久性を向上させることができる。

ブースターアンテナを示す斜視図（ａ）、ブースターアンテナを平面視した場合の透視図（ｂ）、延長部を取り付けた状態を示すブースターアンテナの斜視図（ｃ）及びブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットを示す斜視図（ｄ） アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットの構造を示す斜視図 ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットを導体に設置した状態を示す斜視図 ブースターアンテナの他の構成例を示す斜視図（ａ）及び右側面図（ｂ） ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットの等価回路図

本発明のブースターアンテナ、ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット、及び導体付きブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットの実施の形態について図面を用いて説明する。
図１に示すようにブースターアンテナ１は基材１０、１ターン未満のコイル２０、設置部３０、周波数調整用コンデンサ４０から概略構成される。

基材１０としては一般的に使用される例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂を含む任意の絶縁性のプラスチック樹脂の他、セラミックス、マイカ、ガラスなどの絶縁板、絶縁フィルム、絶縁シート、絶縁膜等を使用することができる。絶縁性、小型化、耐高温性の観点ではセラミックスが適している。基材１０として多層プリント基板を使用してもよい。
なお、基材１０の寸法及び形状は特に限定されないが、本実施の形態では外形寸法が縦２ｍｍ×横５ｍｍ×高さ２ｍｍ程度の直方体形状とする。すなわち、縦５ｍｍ以下×横５ｍｍ以下×高さ２ｍｍ以下の直方体形状であることが好ましい。

１ターン未満のコイル２０は上面側導体２１、下面側導体２２及び接続用導体２３によって形成される。１ターン未満のコイル２０は金属を含む任意の導電性材料から成り、基材１０に対してメッキ、印刷、エッチング、蒸着等の手法によって形成することができる。あるいは、金属の薄板を切り抜いて１ターン未満のコイル２０を形成してもよい。詳しい説明は後述するが１ターン未満のコイル２０が副アンテナ部６３を構成することになる。
上面側導体２１は基材１０の上面側に取り付けられる部材である。本実施の形態の上面側導体２１は基材１０上面の後方全体から右側で屈曲して前方に至るほぼＬ字状になっている。
下面側導体２２は基材１０の下面側に取り付けられる部材である。本実施の形態の下面側導体２２は基材１０下面の前方全体に取り付けられており、これにより図１（ｂ）に示すように上方から平面視した場合に上面側導体２１と下面側導体２２とが重ならないように形成することが好ましい。なお、上面側導体２１と下面側導体２２とが一部重なっていてもよい。
接続用導体２３は上面側導体２１の端部と下面側導体２２とを電気的に接続するための部材である。本実施の形態では基材１０の側面（前面）の右側に取り付けられる。
このように、上面側導体２１と下面側導体２２の一方の端部同士を接続用導体２３で接続することで、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように上面側導体２１と下面側導体２２の他方の端部間は開放部２４となる。また、設置部３０全体として１ターン未満のコイル２０を形成している。
設置部３０はアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット５０を設置するための箇所であり、基材１０の上面側に設けられる。本実施の形態では上面側導体２１の屈曲箇所の上方に設置部３０を設けてある。

図１（ｄ）に示すように、周波数調整用コンデンサ４０は１ターン未満のコイル２０の両端部に接続されている。具体的には下面側導体２２の端部から基材１０の側面を通って上面に至る延長部２５（図１（ｃ））が形成されている。そして、周波数調整用コンデンサ４０の一方を上面側導体２１に接続し、他方を延長部２５に接続することで周波数調整用コンデンサ４０が１ターン未満のコイル２０の両端部に接続されることになる。周波数調整用コンデンサ４０の機能については後述する。

図２に示すようにアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット５０は主アンテナ部６０とＩＣチップ７０とを少なくとも備えている。図１（ｄ）に示すように上記ブースターアンテナ１と、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット５０とによってブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット２を構成している。
主アンテナ部６０は磁束の発生方向が一致するように複数のコイル６１が直列接続されている。
具体的には、主アンテナ部６０は積層した基板６２の裏面（下面）にコイル６１を備えている。基板６２の枚数は適宜調節可能であるが、本実施の形態では３枚使用している。
本実施の形態における基板６２は、上述した最上層の基板６２に、中間層の基板６２、最下層の基板６２を積層して構成される。基板６２を積層するには、接着剤を用いる方法、基板６２に含まれる樹脂の融着など公知の方法によって行うことができる。
中間層の基板６２と最上層の基板６２との間には、最上層のコイル６１が形成され、中間層の基板６２と最下層の基板６２との間には、中間層のコイル６１が形成される。
基板６２としては一般的に使用される例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂を含む任意の絶縁性のプラスチック樹脂の他、セラミックス、マイカ、ガラスなどの絶縁板、絶縁フィルム、絶縁シート、絶縁膜等を使用することができる。絶縁性、小型化、耐高温性の観点ではセラミックスが適している。
なお、基板３１の寸法及び形状は特に限定されない。例えば、基板３１の形状は正方形、長方形などの矩形状、円形、楕円形などとすることができる。基板３１の一辺（または最大外形）の寸法は０．５ｍｍ以上とすることができ、１ｍｍ以上が好ましい。また、基板３１の一辺（または最大外形）の寸法は８ｍｍ以下とすることができ、６ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が最も好ましい。本実施の形態では平面外形寸法が５ｍｍ×５ｍｍ以下とする。また、各基板３１の間に必要に応じて絶縁膜を配置してもよい。
なお、基板６２の寸法及び形状は特に限定されない。また、各基板６２の間に必要に応じて絶縁膜を配置してもよい。

コイル６１は平面内で渦巻状のいわゆる平面コイルである。
最上層のコイル６１は、その外周端が最上層の基板６２の接続点６２ａ（貫通穴）を介してＩＣチップ７０の一方のライン７１に接続される。当該外周端から渦巻状に反時計回りとなり、内周端が中間層の基板６２の接続点６２ａを介して中間層のコイル６１の内周端に接続される。
中間層のコイル６１は、その内周端から渦巻状に反時計回りとなり、外周端が中間層及び最上層の基板６２の接続点６２ａを介して他方のライン７１に接続される。

上述のとおり各コイル６１は共通の電流による磁束の発生方向が同一方向となるように直列接続されている。なお、各コイル６１の数、形成面積、ターン数は、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット５０の所要インダクタンスに応じて任意に設定することができる。例えば、最上層および中間層のコイル６１の巻き数は２以上とするのがよく、３あるいは４以上とすることができる。また、各コイル６１の巻き方向及び接続形態は、各コイル６１からの磁界の発生方向が同一方向である限り、図示以外の任意の形態であってもよい。また、本実施の形態ではコイル６１を基板６２の裏面（下面）に形成するものとしたが、基板６２の表面（上面）に形成してもよい。
コイル６１は金属を含む任意の導電性材料から成り、基板６２に対してメッキ、印刷、エッチング、蒸着等の手法によって形成することができる。

ＩＣチップ７０は主アンテナ部６０と接続されるものであり、本実施の形態では最上層の基板６２の上面に配置される。ＩＣチップ７０はリーダ・ライタから送信される搬送波の一部を整流し、動作するために必要な電源電圧を生成する。そして、生成した電源電圧によってＩＣチップ７０内の制御用の論理回路等が格納されたメモリ、及びリーダ・ライタとのデータの送受信を行うための通信回路等を動作させる。
ＩＣチップ７０の側面から２本のライン７１を引き出している。なお、図１（ｄ）及び図３では最上層の基板６２の表面及びＩＣチップ７０を保護層で覆った状態を示している。
主アンテナ部６０はアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット５０の構成部品として設置部３０に設置されている。そして、主アンテナ部６０の磁束の発生方向と副アンテナ部６３（１ターン未満のコイル２０）の磁束の発生方向が一致するように主アンテナ部６０と副アンテナ部６３が電磁結合される。
また、図３に示すように副アンテナ部６３を構成する下面側導体２２は導体１００と電気的に接触接続される。つまり、ブースターアンテナ１の下面側を導体１００に接触させることで下面側導体２２が導体１００に電気的に接続され、これにより副アンテナ部６３（１ターン未満のコイル２０）が導体１００に電気的に接続されることになる。
このように主アンテナ部６０と副アンテナ部６３とを両者の磁束の発生方向が一致するように接続し、更に副アンテナ部６３を導体１００に接続することで導体１００全体をアンテナとして利用することができる。

なお、上記実施の形態では接続用導体２３が基材１０の側面に取り付けられるものとしたが、基材１０の内部に取り付けられることにしてもよい。
例えば図４（ａ）に示すように、基材１０を多層プリント基板６４とし、各層を貫通するスルーホール８０に接続用導体２３を通すことにすれば、接続用導体２３が基材１０の表面に露出しないので破損の可能性が少なくなり、耐久性を向上させることができる。
或いは図４（ｂ）に示すように、接続用導体２３を基材１０上面の後方から基材１０下面の前方まで基材１０の内部を斜め方向にのばすことにより、接続用導体２３を基材１０の側面に取り付ける場合と比較して１ターン未満のコイル２０の全長が長くなる。これにより通信性能をより高めることができる。

図５は本実施の形態のブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット２の等価回路図である。主アンテナ部６０と副アンテナ部６３は、ＩＣチップ７０内の等価容量、１ターン未満のコイル２０の開放部２４の間隙を含む等価容量及び周波数調整用コンデンサ４０によって共振回路を構成している。周波数調整用コンデンサ４０を用いることでブースターアンテナ１の寸法（主に左右方向の長さ）を短くすることができる。なお、ブースターアンテナ１が周波数調整用コンデンサ４０を備えないことにしてもよい。
この共振回路の共振周波数ｆ［Ｈｚ］は、式（１）により与えられる。共振周波数ｆの値は、読取装置から送信される電波の周波数帯域に含まれるように設定される。

Ｌ：１ターン未満のコイル２０のインダクタンス、Ｃ：周波数調整用コンデンサ４０の静電容量、εＣ：ブースターアンテナ１の基材１０（誘電体）における導体間の電気容量。
ここで、インダクタンスはコイル６１の巻数に比例する。主アンテナ部６０を構成するコイル６１の総巻数をｎ（但し、ｎ≫１）とした条件下では、主アンテナ部６０と副アンテナ部６３とを電磁的に接合させる前と後とでインダクタンスの変化はごく僅かである。つまり、主アンテナ部６０のｎターンから見た副アンテナ部６３の１ターン未満は、１ターン未満／ｎターンとなるため導体１００に取り付けた場合のインピーダンスの変化を少なくすることができ、また、１ターン未満からｎターン側を見れば導体１００から変換電磁界はｎ倍されるため効率よく電磁波を取り込むことができる。したがって、ＩＣチップ７０と主アンテナ部６０との間で共役整合を取っておけば、主アンテナ部６０と副アンテナ部６３とを電磁的に接合した後でも充分な通信性能を維持できる。

本発明において、基材１０が「基材」に相当し、上面側導体２１が「第１面側導体」に相当し、下面側導体２２が「第２面側導体」に相当し、接続用導体２３が「接続用導体」に相当し、１ターン未満のコイル部２０が「１ターン未満のコイル部」に相当し、設置部３０が「設置部」に相当し、ブースターアンテナ１が「ブースターアンテナ」に相当し、延長部２５が「延長部」に相当し、周波数調整用コンデンサ４０が「周波数調整用コンデンサ」に相当し、多層プリント基板６４が「多層プリント基板」に相当し、
スルーホール８０が「スルーホール」に相当し、ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット２が「ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット」に相当し、主アンテナ部６０が「主アンテナ部」に相当し、ＩＣチップ７０が「ＩＣチップ」に相当し、導体１００が「導体」に相当する。

本発明は、導体に取り付けた場合に高い通信性能を発揮するブースターアンテナ、ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット、及び導体付きブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットであり、産業上の利用可能性を有する。

１ ブースターアンテナ
２ ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット
１０ 基材
２０ １ターン未満のコイル
２１ 上面側導体
２２ 下面側導体
２３ 接続用導体
２４ 開放部
２５ 延長部
３０ 設置部
４０ 周波数調整用コンデンサ
５０ アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット
６０ 主アンテナ部
６１ コイル
６２ 基板
６２ａ 接続点
６３ 副アンテナ部
６４ 多層プリント基板
７０ ＩＣチップ
７１ ライン
８０ スルーホール
１００ 導体

Claims (7)

1. 基材の一面側に取り付けられる第１面側導体と、
   前記基材の前記一面側に対向する他面側に取り付けられる第２面側導体と、
   前記基材の内部、または前記一面側および前記他面側に連通する面に取り付けられる接続用導体と、を含み、
   前記接続用導体が、前記第１面側導体の端部と、前記第２面側導体の端部とを電気的に接続することによって１ターン未満のコイルが形成され、
   前記基材の前記第１面側導体側にアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットが設置され、
   前記他面側から前記一面側へ向けて前記第２面側導体から延長された延長部と、
   前記第１面側導体との間に周波数調整用コンデンサが接続されている、ブースターアンテナ。
2. 前記一面側から前記他面側へ向かって、平面視した場合に、前記第１面側導体と前記第２面側導体とが重ならないように取り付けられている、請求項１に記載のブースターアンテナ。
3. 前記基材が多層プリント基板からなり、
   前記接続用導体は、当該多層プリント基板の各層を貫通するスルーホール内を通って形成され、前記第１面側導体と前記第２面側導体とを電気的に接続する、請求項１または２に記載のブースターアンテナ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のブースターアンテナと、
   前記ブースターアンテナの前記第２面側導体と電気的に接触接続させた導体とを含む、導体付きブースターアンテナ。
5. 基材の一面側に取り付けられる第１面側導体と、
   前記基材の前記一面側に対向する他面側に取り付けられる第２面側導体と、
   前記基材の内部、または前記一面側および前記他面側に連通する面に取り付けられる接続用導体と、を含み、
   前記接続用導体が、前記第１面側導体の端部と、前記第２面側導体の端部とを電気的に接続することによって１ターン未満のコイルが形成され、
   前記他面側から前記一面側へ向けて前記第２面側導体から延長された延長部と、
   前記第１面側導体との間に周波数調整用コンデンサが接続されている、ブースターアンテナと、
   前記基材の前記第１面側導体側に設置されるアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットと、を含み、
   前記アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットは、磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主アンテナ部と、
   当該主アンテナ部と接続されるＩＣチップと、を少なくとも備えており、
   前記１ターン未満のコイルが副アンテナ部を構成しており、
   前記主アンテナ部の磁束の発生方向と、前記副アンテナ部の磁束の発生方向とが一致するように前記主アンテナ部と前記副アンテナ部とが電磁結合される、ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
6. 前記基材が多層プリント基板からなり、
   前記接続用導体は、当該多層プリント基板の各層を貫通するスルーホール内を通って形成され、前記第１面側導体と前記第２面側導体とを電気的に接続する、請求項５記載のブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
7. 請求項５または６に記載のブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットと、
   前記ブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットの前記第２面側導体と電気的に接触接続させた導体とを含む、導体付きブースターアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。

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