JPWO2006049068A1 - アンテナ装置およびそれを用いた無線通信システム - Google Patents

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Abstract

基体と、基体の裏面に設けられた接地導体と、基体の表面に設けられた一部をくり抜いた放射導体と、放射導体のくり抜き部分に設けられた接地端子と、接地導体と接地端子に接続された導体と、放射導体に接続されている給電端子とを備え、接地端子と給電端子をＩＣチップに接続したアンテナ装置を提供する。このようにして、ＩＣチップによる給電が可能で、金属板上で十分に動作するアンテナ装置を実現できる。さらに、このアンテナ装置を用いた無線通信システムを提供する。

Description

本発明は無線通信システムに用いられるアンテナ装置に関する。
無線通信システムの一例であるＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、電波を利用した認証技術の総称であり、最近では電波による非接触通信とＩＣチップを利用した認証の組合せが主流となっている。具体的には、タグやラベル状に加工されたＩＣチップ付きアンテナを人や物に付与し、そこに記憶された情報をリーダライタと呼ばれる装置で読み取ることで、物体認識や個人認証を行うものである。
このＲＦＩＤに使用されるタグ用アンテナの例が、特開２００４−１０４３４４号公報に開示されている。図９を用いて従来のダイポールアンテナについて説明する。図９のダイポールアンテナは、誘電体シート１００と放射エレメント１０１とＩＣチップ１０２で構成され、ＩＣチップ１０２によって放射エレメント１０１に電力が供給されている。
しかしながら、金属板上にタグを貼付し通信を行おうとした場合、タグ用アンテナが金属板の影響により十分に機能しないという課題があった。具体的には、図１０のようにダイポールアンテナに金属板１０３を近づけた場合には、放射エレメント１０１に流れる電流に対して金属板１０３を介して逆相の電流が発生する。そのため、この電流同士が遠方界にて打ち消し合ってしまうので、放射エレメント１０１からの放射が妨げられ特性が劣化するという課題になる。
本発明は、基体と、基体の裏面に設けられた接地導体と、基体の表面に設けられ一部をくり抜いた放射導体と、放射導体のくり抜き部分に設けられた接地端子と、接地導体と接地端子に接続された導体と、放射導体に接続されている給電端子とを備え、接地端子と給電端子をＩＣチップで接続したアンテナ装置を提供する。この構成により、アンテナ装置表面にＩＣチップを実装することが容易となり、ＩＣチップによる給電が可能となる。さらに、基体の裏面に接地導体があることで、金属板上にアンテナ装置を貼付した場合においても、金属板の影響を受けにくくなり、特性劣化を抑制することが可能となる。その結果、金属板上でも十分に動作するアンテナ装置を得ることができる。
さらに、本発明は上記アンテナ装置を金属上に配置して使用する無線通信システムを提供する。
図１Ａは本発明の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図１Ｂは図１Ａに示すＩＣチップ実装部の拡大図である。 図２Ａは本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図２Ｂは図２Ａに示すＩＣチップ実装部の拡大図である。 図３は本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図４Ａは本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図４Ｂは本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図５は本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図６Ａは本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図６Ｂは本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図７は本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図８Ａは本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図８Ｂは本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図である。 図９は従来のアンテナ装置の構成図である。 図１０は従来のアンテナ装置の動作原理を説明する図である。
符号の説明
１ アンテナ装置
２ 基体
３ 接地導体
４ 放射導体
５ 接地端子
６ 導体
７ 給電端子
８ ＩＣチップ
本発明の実施の形態の一例について図面を参照しながら説明する。なお、図面は模式図であり、各位置を寸法的に正しく示すものではない。また、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。
（実施の形態）
図１Ａに本発明のアンテナ装置１の構成を示す。アンテナ装置１は、基体２と、基体２の裏面に設けられた接地導体３と、基体２の表面に設けられ一部をくり抜いた放射導体４と、放射導体４のくり抜き部分に設けられた接地端子５と、接地端子５と接地導体３に接続された導体６と、放射導体４に接続されている給電端子７とから構成されている。導体６は接地導体３と接地端子５を電気的に接続するものであり、例えばスルーホールなどで形成されている。
接地端子５と給電端子７との間にはＩＣチップ８が実装される。図１Ｂに示すように、例えばワイヤーボンディングなどによって、ＩＣチップ８の接地電極８ａ、８ｂが接地端子５へ、接地電極８ｃ、８ｄが給電端子７へそれぞれ接続される。このようにして、放射導体４へ電力が供給される。ＩＣチップ８と実装部とを保護するために、ＩＣチップ８の外周部分を樹脂製の誘電体など覆うことが好ましい。また、図２Ａに示すように、接地端子５と給電端子７との間に凹部１５を形成し、凹部１５内にＩＣチップ８を埋め込んでもよい。このようにして、図２Ｂのように放射導体４上の突起物となるＩＣチップ８を基体２内に収納することができるため、平坦なアンテナ装置１を得ることができる。さらに、ＩＣチップ８のみを基体２内に収納することで、アンテナ特性に寄与する接地導体３と放射導体４との間の距離を変える必要がないので、特性の良いアンテナ装置１が実現できる。一般的にアンテナは、放射導体４の長さによって共振周波数が決定される。本発明のアンテナ装置１においては、放射導体４の長さが約λ／２の時に動作するモードを利用している。なお、ここでλは共振周波数における波長を表している。放射導体４の幅は共振周波数への寄与は小さいが、幅が広いほど電波が放射しやすい構成となるため、放射導体４の幅を広くすることが望ましい。また、本構成のアンテナ装置１は、接地導体３と放射導体４の間に発生する磁流を利用して動作している。接地導体３を金属板上に配置した場合には接地導体３のサイズが変化したように作用するため、アンテナ特性に対する影響は少ない。さらに、放射導体４側に指向性を持たせることが可能となるため、通信エリアを限定しやすい特徴を持っている。
図３に示すように、放射導体４と給電端子７の間にスリット１６を設けると、給電端子７と放射導体４間に等価的にインダクタンス素子が装荷されることになるため、スリット部分が整合回路として動作することになる。そのため、チップ部品を用いることなくＩＣチップ８とのインピーダンス整合が可能となり、効率よく放射導体に電力を供給することができるので、特性の良いアンテナ装置を得ることが可能となる。なお、スリット幅としては０．５ｍｍ程度あればよい。
また、図４Ａ、４Ｂに示すように、基体２の表面に放射導体４とは絶縁状態にある無給電導体９を配置することにより、放射導体４と無給電導体９との間に電磁界結合が発生するため、広帯域化を図ることが可能となる。さらに、無給電導体９を反射器として動作させることにより、指向性制御が可能となる。
接地導体３と放射導体４とは対向配置されているため、アンテナ装置１はコンデンサと等価的な働きをする。そのため、基体２を高誘電率の材料で形成してしまうと、接地導体３と放射導体４との間のＱ値（共振回路におけるＱ値）が増大し、帯域幅の減少や指向性の劣化を招いてしまう。そのため基体２には低誘電率の材料を用いるか、図５のように基体２にキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）１０を設けることが望ましい。キャビティ１０により基体２の実効誘電率が低下するため、特性の劣化を抑制することが可能となる。
また、基体２を可撓性のある材料で形成することにより、曲面形状の金属板にも貼付することができるため、例えば車のボンネットなどにも取付けし易いアンテナ装置１を得ることができる。金属材料の例としては鉄板以外にアルミ板や銅板でも同様な効果が得られる。なお、可撓性のある材料とは、折り曲げて破壊しない柔軟性材料であればよい。さらに、高周波領域における損失が少ない材料が好ましい。例えば、ふっ素樹脂等が好ましい。
本実施の形態において放射導体４は一定の幅を持つように構成したが、図６Ａに示すように中央部分の幅が狭く、開放端部分の幅が広いような構成にしてもよい。放射導体の幅が異なる部分でインピーダンスが変化し電気長の調整が可能となるため、放射導体４の小型化を図ることが可能となる。さらに図６Ｂのように中央部分をメアンダライン状にしたり、または螺旋状にすることでも同様な効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態において放射導体４は一定の高さを持つように、つまり平面状に構成した。さらに、図７に示すように、基体２の表面に段差を設け、接地端子５と給電端子７を含むＩＣチップ８の実装部分と放射導体４の一部を段差部分に形成してもよい。段差部分に沿って放射導体４が形成されるため指向性制御が可能となり、さらに放射に寄与する放射導体４の開放端部分と接地導体３の距離は最大活用できるため、特性の良いアンテナ装置１を得ることができる。また、この段差部分を誘電体１１でモールドすることで、ＩＣチップ８や実装部分を保護することができる。
さらに、図８Ａに示すように接地導体３の表面全体に絶縁体層１２を設けてもよい。絶縁体層１２を介してアンテナ装置１を金属上に配置することで放射導体４からだけでなく接地導体３からも電波の放射を得ることができるため、通信特性の向上を図ることができる。また図８Ｂのように接地導体３の両端部分にのみ絶縁体層１２を設けても同様の効果が得られる。例えばこの絶縁体層１２に粘着性のある材料を使用すれば、金属などへの貼付も容易となり利便性の向上を図ることができる。絶縁体層の材料としては、ＡＢＳ樹脂やＦＲ４基板などを用いることができる。
本発明は、アンテナ装置表面にＩＣチップを実装することが容易となり、さらに金属板上にアンテナ装置を貼付した場合においても金属板の影響を受けにくいアンテナ装置を提供することができる。
【書類名】明細書
【発明の名称】アンテナ装置およびそれを用いた無線通信システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線通信システムに用いられるアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムの一例であるＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、電波を利用した認証技術の総称であり、最近では電波による非接触通信とＩＣチップを利用した認証の組合せが主流となっている。具体的には、タグやラベル状に加工されたＩＣチップ付きアンテナを人や物に付与し、そこに記憶された情報をリーダライタと呼ばれる装置で読み取ることで、物体認識や個人認証を行うものである。
【０００３】
このＲＦＩＤに使用されるタグ用アンテナの例が、特開２００４−１０４３４４号公報に開示されている。図９を用いて従来のダイポールアンテナについて説明する。図９のダイポールアンテナは、誘電体シート１００と放射エレメント１０１とＩＣチップ１０２で構成され、ＩＣチップ１０２によって放射エレメント１０１に電力が供給されている。
【０００４】
しかしながら、金属板上にタグを貼付し通信を行おうとした場合、タグ用アンテナが金属板の影響により十分に機能しないという課題があった。具体的には、図１０のようにダイポールアンテナに金属板１０３を近づけた場合には、放射エレメント１０１に流れる電流に対して金属板１０３を介して逆相の電流が発生する。そのため、この電流同士が遠方界にて打ち消し合ってしまうので、放射エレメント１０１からの放射が妨げられ特性が劣化するという課題になる。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、基体と、基体の裏面に設けられた接地導体と、基体の表面に設けられ一部をくり抜いた放射導体と、放射導体のくり抜き部分に設けられた接地端子と、接地導体と接地端子に接続された導体と、放射導体に接続されている給電端子とを備え、接地端子と給電端子をＩＣチップで接続したアンテナ装置を提供する。この構成により、アンテナ装置表面にＩＣチップを実装することが容易となり、ＩＣチップによる給電が可能となる。さらに、基体の裏面に接地導体があることで、金属板上にアンテナ装置を貼付した場合においても、金属板の影響を受けにくくなり、特性劣化を抑制することが可能となる。その結果、金属板上でも十分に動作するアンテナ装置を得ることができる。
【０００６】
さらに、本発明は上記アンテナ装置を金属上に配置して使用する無線通信システムを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、アンテナ装置表面にＩＣチップを実装することが容易となり、さらに金属板上にアンテナ装置を貼付した場合においても金属板の影響を受けにくいアンテナ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施の形態の一例について図面を参照しながら説明する。なお、図面は模式図であり、各位置を寸法的に正しく示すものではない。また、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。
【０００９】
（実施の形態）
図１Ａに本発明のアンテナ装置１の構成を示す。アンテナ装置１は、基体２と、基体２の裏面に設けられた接地導体３と、基体２の表面に設けられ一部をくり抜いた放射導体４と、放射導体４のくり抜き部分に設けられた接地端子５と、接地端子５と接地導体３に接続された導体６と、放射導体４に接続されている給電端子７とから構成されている。導体６は接地導体３と接地端子５を電気的に接続するものであり、例えばスルーホールなどで形成されている。
【００１０】
接地端子５と給電端子７との間にはＩＣチップ８が実装される。図１Ｂに示すように、例えばワイヤーボンディングなどによって、ＩＣチップ８の接地電極８ａ、８ｂが接地端子５へ、接地電極８ｃ、８ｄが給電端子７へそれぞれ接続される。このようにして、放射導体４へ電力が供給される。ＩＣチップ８と実装部とを保護するために、ＩＣチップ８の外周部分を樹脂製の誘電体など覆うことが好ましい。また、図２Ａに示すように、接地端子５と給電端子７との間に凹部１５を形成し、凹部１５内にＩＣチップ８を埋め込んでもよい。このようにして、図２Ｂのように放射導体４上の突起物となるＩＣチップ８を基体２内に収納することができるため、平坦なアンテナ装置１を得ることができる。さらに、ＩＣチップ８のみを基体２内に収納することで、アンテナ特性に寄与する接地導体３と放射導体４との間の距離を変える必要がないので、特性の良いアンテナ装置１が実現できる。一般的にアンテナは、放射導体４の長さによって共振周波数が決定される。本発明のアンテナ装置１においては、放射導体４の長さが約λ／２の時に動作するモードを利用している。なお、ここでλは共振周波数における波長を表している。放射導体４の幅は共振周波数への寄与は小さいが、幅が広いほど電波が放射しやすい構成となるため、放射導体４の幅を広くすることが望ましい。また、本構成のアンテナ装置１は、接地導体３と放射導体４の間に発生する磁流を利用して動作している。接地導体３を金属板上に配置した場合には接地導体３のサイズが変化したように作用するため、アンテナ特性に対する影響は少ない。さらに、放射導体４側に指向性を持たせることが可能となるため、通信エリアを限定しやすい特徴を持っている。
【００１１】
図３に示すように、放射導体４と給電端子７の間にスリット１６を設けると、給電端子７と放射導体４間に等価的にインダクタンス素子が装荷されることになるため、スリット部分が整合回路として動作することになる。そのため、チップ部品を用いることなくＩＣチップ８とのインピーダンス整合が可能となり、効率よく放射導体に電力を供給することができるので、特性の良いアンテナ装置を得ることが可能となる。なお、スリット幅としては０．５ｍｍ程度あればよい。
【００１２】
また、図４Ａ、４Ｂに示すように、基体２の表面に放射導体４とは絶縁状態にある無給電導体９を配置することにより、放射導体４と無給電導体９との間に電磁界結合が発生するため、広帯域化を図ることが可能となる。さらに、無給電導体９を反射器として動作させることにより、指向性制御が可能となる。
【００１３】
接地導体３と放射導体４とは対向配置されているため、アンテナ装置１はコンデンサと等価的な働きをする。そのため、基体２を高誘電率の材料で形成してしまうと、接地導体３と放射導体４との間のＱ値（共振回路におけるＱ値）が増大し、帯域幅の減少や指向性の劣化を招いてしまう。そのため基体２には低誘電率の材料を用いるか、図５のように基体２にキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）１０を設けることが望ましい。キャビティ１０により基体２の実効誘電率が低下するため、特性の劣化を抑制することが可能となる。
【００１４】
また、基体２を可撓性のある材料で形成することにより、曲面形状の金属板にも貼付することができるため、例えば車のボンネットなどにも取付けし易いアンテナ装置１を得ることができる。金属材料の例としては鉄板以外にアルミ板や銅板でも同様な効果が得られる。なお、可撓性のある材料とは、折り曲げて破壊しない柔軟性材料であればよい。さらに、高周波領域における損失が少ない材料が好ましい。例えば、ふっ素樹脂等が好ましい。
【００１５】
本実施の形態において放射導体４は一定の幅を持つように構成したが、図６Ａに示すように中央部分の幅が狭く、開放端部分の幅が広いような構成にしてもよい。放射導体の幅が異なる部分でインピーダンスが変化し電気長の調整が可能となるため、放射導体４の小型化を図ることが可能となる。さらに図６Ｂのように中央部分をメアンダライン状にしたり、または螺旋状にすることでも同様な効果を得ることができる。
【００１６】
さらに、本実施の形態において放射導体４は一定の高さを持つように、つまり平面状に構成した。さらに、図７に示すように、基体２の表面に段差を設け、接地端子５と給電端子７を含むＩＣチップ８の実装部分と放射導体４の一部を段差部分に形成してもよい。段差部分に沿って放射導体４が形成されるため指向性制御が可能となり、さらに放射に寄与する放射導体４の開放端部分と接地導体３の距離は最大活用できるため、特性の良いアンテナ装置１を得ることができる。また、この段差部分を誘電体１１でモールドすることで、ＩＣチップ８や実装部分を保護することができる。
【００１７】
さらに、図８Ａに示すように接地導体３の表面全体に絶縁体層１２を設けてもよい。絶縁体層１２を介してアンテナ装置１を金属上に配置することで放射導体４からだけでなく接地導体３からも電波の放射を得ることができるため、通信特性の向上を図ることができる。また図８Ｂのように接地導体３の両端部分にのみ絶縁体層１２を設けても同様の効果が得られる。例えばこの絶縁体層１２に粘着性のある材料を使用すれば、金属などへの貼付も容易となり利便性の向上を図ることができる。絶縁体層の材料としては、ＡＢＳ樹脂やＦＲ４基板などを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明は、アンテナ装置表面にＩＣチップを実装することが容易となり、さらに金属板上にアンテナ装置を貼付した場合においても金属板の影響を受けにくいアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図１Ｂ】図１Ａに示すＩＣチップ実装部の拡大図
【図２Ａ】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図２Ｂ】図２Ａに示すＩＣチップ実装部の拡大図
【図３】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図４Ａ】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図４Ｂ】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図５】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図６Ａ】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図６Ｂ】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図７】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図８Ａ】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図８Ｂ】本発明の別の一実施の形態を示すアンテナ装置の斜視図
【図９】従来のアンテナ装置の構成図
【図１０】従来のアンテナ装置の動作原理を説明する図
【符号の説明】
【００２０】
１ アンテナ装置
２ 基体
３ 接地導体
４ 放射導体
５ 接地端子
６ 導体
７ 給電端子
８ ＩＣチップ

Claims (13)

  1. 基体と、
    前記基体の裏面に設けられた接地導体と、
    前記基体の表面に設けられ、くり抜き部分を持つ放射導体と、
    前記放射導体のくり抜き部分に設けられた接地端子と、
    前記接地導体と前記接地端子とに接続された導体と、
    前記放射導体に接続されている給電端子と、
    を有し、前記接地端子と前記給電端子とをＩＣチップに接続したアンテナ装置。
  2. 前記放射導体と前記給電端子との間にスリットを有する請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記放射導体の中央部分と開放端部分の幅が異なる請求項１に記載のアンテナ装置。
  4. 前記放射導体の中央部分をメアンダ状に形成し、開放端部分は平面構成とした請求項１に記載のアンテナ装置。
  5. 前記放射導体の中央部分を螺旋状に形成し、開放端部分は平面構成とした請求項１に記載のアンテナ装置。
  6. 前記接地端子と前記給電端子との間に凹部を形成し、前記凹部内に前記ＩＣチップを埋め込んだ請求項１に記載のアンテナ装置。
  7. 前記基体の表面に段差部分を設け、前記接地端子と前記給電端子とを含む前記ＩＣチップ実装部分と前記放射導体の一部を前記段差部分に形成した請求項１に記載のアンテナ装置。
  8. 前記段差部分を誘電体でモールドした請求項７に記載のアンテナ装置。
  9. 前記基体内部にキャビティを設けた請求項１に記載のアンテナ装置。
  10. 前記基体の表面に、前記放射導体とは非接触の無給電導体を配置した請求項１に記載のアンテナ装置。
  11. 前記基体を可撓性材料で形成した請求項１に記載のアンテナ装置。
  12. 前記接地導体の表面の全体と一部分のうちのいずれか一方に絶縁体層を設けた請求項１に記載のアンテナ装置。
  13. 請求項１から１２のいずれか一つに記載のアンテナ装置を金属上に配置した無線通信システム。
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