無線ICデバイス
【課題】小型・低コスト化を図り、小型化した際の実装要求精度の問題を解消し、特性ばらつきが少なく安定性に優れた無線ICデバイスを構成する。
【解決手段】無線ICデバイス101は、無線IC部及び給電回路を備えた基板50と、この基板50を搭載する放射板60とによって構成されている。基板50には、メモリ11、信号処理回路12、整合回路41、及び基板側結合線路42がそれぞれ形成されている。このうちメモリ11及び信号処理回路12によって無線IC部が構成され、例えば有機半導体材料を用いた半導体回路によってメモリ11及び信号処理回路12が構成される。基板50に形成されている整合回路41と基板側結合線路42とによる給電回路によって信号処理回路12とのインピーダンス整合をとるとともに共振周波数および帯域幅を定める。
【解決手段】無線ICデバイス101は、無線IC部及び給電回路を備えた基板50と、この基板50を搭載する放射板60とによって構成されている。基板50には、メモリ11、信号処理回路12、整合回路41、及び基板側結合線路42がそれぞれ形成されている。このうちメモリ11及び信号処理回路12によって無線IC部が構成され、例えば有機半導体材料を用いた半導体回路によってメモリ11及び信号処理回路12が構成される。基板50に形成されている整合回路41と基板側結合線路42とによる給電回路によって信号処理回路12とのインピーダンス整合をとるとともに共振周波数および帯域幅を定める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、近接電磁界により非接触で通信を行うRF−IDのような無線ICデバイスに関するものである。
【背景技術】
【0002】
RF−IDとして用いられる非接触型ICカードが特許文献1に開示されている。
図1は、特許文献1に示されている無線ICカード34の断面図である。
【0003】
この図1に示すように、表面に第1のアンテナコイル22を形成したICチップ23を用い、モジュール基板30の上面に上記第1のアンテナコイル22と結合する第2のアンテナコイル31及びこの第2のアンテナコイル31から引き出されて放射電極として作用する第3のアンテナコイル32が形成されている。このモジュール基板30に対して上記ICチップ23をフェースダウン実装し、モジュール基板30及びICチップ23の上面には接着封止樹脂33を介してラミネートフィルム33が貼着されることによって無線ICカード34が構成されている。
【特許文献1】特開2000−311226号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年の小型化・低コスト化の要請を受けて、前記ICチップはますます小型になってきている。しかし特許文献1に示されている構造の無線ICデバイスでは、ICチップ23は、そのICチップ23に形成した第1のアンテナコイル22とモジュール基板30側の第2のアンテナコイル31との結合が所定の結合状態となるように、ICチップ23をモジュール基板30から離間して配置する必要がある。そのため、ICカードの厚みが厚くなる。
【0005】
また、ICチップが小型になるほど、第1のアンテナコイル22及び第2のアンテナコイル31のパターンが細かくなり、それに合わせてICチップ23とモジュール基板30との間隔は例えば20μmと非常に狭くなり高精度なものとなる。しかもその実装精度によってアンテナ特性が変動するので、安定した特性を得るために高い実装精度が要求され、製造コストが嵩むという問題がある。
【0006】
また、特許文献1に示されている構造の無線ICデバイスでは、第3のアンテナコイル32のアンテナ長は例えばλ/2等であり、第3のアンテナコイル32によってアンテナの共振周波数(中心周波数)やその帯域幅等のアンテナ特性が定まるので、第3のアンテナコイルには設計上の制約がともなう。
【0007】
そこで、この発明の目的は、小型・低コスト化を図り、小型化した際の実装要求精度の問題を解消し、特性ばらつきが少なく安定性に優れた無線ICデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記課題を解決するために、この発明の無線ICデバイスは次のように構成する。
(1)メモリ及び信号処理回路を含み無線信号処理を行う無線IC部と、前記無線IC部に結合する、少なくとも1つのインダクタンス素子を含む共振回路及び/又は整合回路を有する給電回路部と、を有する基板と、
給電回路部に電磁界結合し、前記給電回路部から供給される送信信号を放射する、及び/又は外部からの無線信号を受けて受信信号を前記給電回路部へ供給する放射用電極を備えた放射板と、
を備えたものとする。
【0009】
この構成により、給電回路部が、アンテナに要求される主要な機能のうち、中心周波数と帯域幅の設定、及び無線ICとの整合を行うので、放射板側の放射用電極は単に給電回路部と結合して、必要な利得に応じた大きさを備えていればよく、基板側の給電回路と放射板側の放射用電極との結合部に高い実装精度が要求されない。
【0010】
一方、無線IC部と給電回路部との接続は、実装に依らず、その両者を基板上に形成することになるので、インピーダンス整合等をばらつきなく高精度に行うことができる。
【0011】
さらに、放射用電極によって信号の共振周波数が実質的に決まるわけではないので、種々の形状や放射板と結合させても無線ICデバイスとして機能させることができる。
【0012】
(2)前記無線IC部及び前記給電回路部は前記基板の一方の主面に形成されたものとする。
【0013】
この構成により、一つの基板に対して無線IC部及び給電回路部を容易に形成でき、実質的に同時に構成でき、別の基板に対する両者の実装(搭載)が不要となり、低コスト化が図れる。また、基板に対して無線ICチップおよび給電回路用基板を積層配置する必要がないので、全体に低背化できる。
【0014】
(3)前記放射板から放射される信号の周波数は前記給電回路部の自己共振周波数に実質的に等しいものとする。
【0015】
この構成により、アンテナの機能のうち、アンテナの共振周波数(中心周波数)とその帯域幅は給電回路部によって定まるので、放射用電極は、その長さや形状等について制約を受けず、組み込み先の構造やサイズに応じた設計が容易となる。
【0016】
(4)前記給電回路部は、インダクタンス値の異なる複数のインダクタンス素子又は互いに結合して複数の極を形成する複数のインダクタンス素子を備えたものとする。
【0017】
このことにより、複数の共振周波数特性を持たせることができ、無線ICデバイスの使用周波数帯域を広帯域化できる。
【0018】
(5)前記無線IC部及び前記給電回路部は、半導体回路及び導体線路が印刷法により形成されたものとする。
【0019】
これにより、無線IC部及び給電回路部の占有面積は小さくなり、これを有機半導体を用いる所謂プリンテッドエレクトロニクスで形成してもコストが嵩むことはない。また、所定の利得を得るための放射用電極は、高精度が要求されないので、低精度・低コストな印刷法により形成できる。そのため全体に低コスト化が図れる。
【0020】
しかも、放射板だけでなく無線IC部及び給電回路部を含む全体がフレキシブルに構成でき、組み込み先の装置の構造や構造体の形状に応じて組み込み実装の自由度が高まる。
【0021】
また、単結晶半導体チップを用いないことにより、リサイクル性が高まり、燃焼後も残渣が生じない。
【0022】
(6)前記無線IC部及び前記給電回路部が形成された、前記基板の一方の主面に保護膜が形成されたものとする。
【0023】
特に前記給電回路部の表面が保護されることで、前記給電回路内部のインダクタの値の安定化が図れ、放射板との安定した結合が可能になる、という効果を奏する。
【発明の効果】
【0024】
この発明によれば、基板側の給電回路と放射板側の放射用電極との結合部に高い実装精度が要求されない。また、無線IC部と放射用電極とのインピーダンス整合をばらつきなく高精度に行うことができる。さらに給電回路部によって信号の共振周波数が定まるので、広帯域で動作する無線ICデバイスが構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
《第1の実施形態》
第1の実施形態に係る無線ICデバイスについて図2・図3を参照して説明する。
図2は無線ICデバイスの概略外観図であり、図2(A)は上面図、図2(B)は正面図である。
【0026】
この無線ICデバイス101は、無線IC部10及び給電回路部40を備えた基板50と、この基板50を搭載する放射板60とによって構成されている。
【0027】
基板50は、所謂プリンテッドエレクトロニクスで製造されるものであり、有機半導体回路及び微細な配線パターンがフレキシブルな樹脂フィルム上に高精度に印刷形成されたものである。一方の放射板60は、フレキシブルな樹脂フィルム又はリジッドな樹脂基材に所定の放射用電極が形成されたものである。
【0028】
前記基板50に形成されている給電回路部40と放射板60に形成されている放射用電極とが結合することによって全体が無線ICデバイス101として作用する。
【0029】
図3は、第1の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。基板50にはメモリ11、信号処理回路12、整合回路41、及び基板側結合線路42がそれぞれ形成されている。このうちメモリ11及び信号処理回路12が、図2に示した無線IC部10に相当し、有機半導体材料を用いた半導体回路によってメモリ11及び信号処理回路12が構成されている。メモリ11には例えばRF−IDタグの情報が書き込まれ、信号処理回路12はリーダライタとの通信及びメモリ11に対する読み書き制御を行う。
【0030】
図3において整合回路41及び基板側結合線路42が、図2に示した給電回路部40に相当する。整合回路41は信号処理回路12と基板側結合線路42とのインピーダンス整合を図るために設けていて、例えばUHF(915MHz)において信号処理回路12のインピーダンスZが35Ω−j200Ωである場合、給電回路部40のインピーダンスがその共役関係のインピーダンスすなわち35Ω+j200Ωとなるように整合回路41のインダクタンス値を定める。
【0031】
基板側結合線路42はループ状をなし、後に述べる放射板側結合線路71と結合する。整合回路41は基板側結合線路42と信号処理回路12との間に形成されて、信号処理回路12と基板側結合線路42とのインピーダンス整合を行う。この例では平衡給電回路の一方の線路に、線路を迂回させて線路長を長くしたインダクタンス素子を配置している。この整合回路41と基板側結合線路42とによる給電回路部40は共振回路も構成していて、中心周波数及び帯域幅を決定する。すなわち、給電回路部40は、その自己共振周波数で共振するが、その共振周波数をRF−IDタグで利用される周波数に略等しくしている。
【0032】
放射板60には放射板側結合線路71及びそれに接続された放射用電極72a,72bが形成されている。放射板60に対して基板50が実装(搭載)される際に、基板側結合線路42と放射板側結合線路71とが互いに対向するように配置される。図中の平行な4本の破線はそのことを表している。
【0033】
放射板60に基板50が実装された状態で、基板側結合線路42と放射板側結合線路71とが電磁界結合する。これによって、整合回路41を介して放射用電極72が信号処理回路12に接続されることになる。
【0034】
基板50の厚み寸法は例えば5mm×5mm×0.1mmであり、極めて薄いので、基板側結合線路42及び放射板側結合線路71のループ長は比較的短くても両者を強く結合させることができる。したがって基板50は放射板60に対して非常に小面積に構成することができ、所謂プリンテッドエレクトロニクスにより製造する際に、薄型化・低コスト化が図れる。
【0035】
一方、放射板60は必要な利得を得るための面積(放射用電極72の電極長)があればよく、高いパターン形成精度は要求されないので、通常の印刷方法で低コストに製造できる。しかもアンテナの主要な4つの機能である(1)中心周波数、(2)帯域幅、(3)信号処理回路との整合、(4)利得のうち、(4)の利得は放射板側の主にサイズで定まり、残る3つの機能は基板50側で決定されるので、放射板60と基板50との実装精度が低くても、アンテナの利得以外の主要な特性は変化せず、特性の安定した無線ICデバイスが得られる。
【0036】
基板50の、メモリ11、信号処理回路12、整合回路41、及び基板側結合線路42が形成された面には所定誘電率・所定厚みの保護膜が形成されている。これにより整合回路41及び基板側結合線路42のインダクタの値の安定化が図れ、放射板との安定した結合が可能になる。
【0037】
また、従来技術のように、無線ICを直接(給電回路を介さずに)放射用電極に結合させた場合と異なり、給電回路部40と放射板60(放射用電極72a,72b)とは電磁結合により結合するので、放射板のインピーダンスの変動の影響を受けにくくなり、特性の安定した無線ICデバイスが得られる。
【0038】
また、無線ICデバイス101を曲げても、図3に示した基板側結合線路42と放射板側結合線路71との結合状態はほとんど変化せず、アンテナ特性は変わらない。
【0039】
さらに、基板側結合線路42と放射板側結合線路71との間は直流的には絶縁されるので、静電気に対する耐性が高まる。
【0040】
その上、メモリ11及び信号処理回路12を有機半導体による回路で構成した場合に、無線ICデバイス101全体がほとんど有機物で構成されることになるので、リサイクルが容易となり、またそのまま焼却も可能となる。
【0041】
《第2の実施形態》
図4は、第2の実施形態に係る無線ICデバイス102の分解斜視図である。基板51にメモリ11、信号処理回路12、整合回路41、と共に基板側結合電極43a,43bを形成している。また、放射板61には放射用電極72a,72bと共に放射板側結合電極73a,73bを形成している。そして、放射板側結合電極73a,73bと基板側結合電極43a,43bとが互いに対向するように、放射板61に対して基板51が実装(搭載)される。
【0042】
これにより、基板側結合電極43a,43bと放射板側結合電極73a,73bとは容量結合する。
【0043】
基板51の厚み寸法は例えば5mm×4mm×0.05mmであり、基板側結合電極43a,43bの面積が小さくても、信号処理回路12は放射板側結合電極73a,73bを介する放射用電極72a,72bとの結合を十分に確保できる。したがって基板51は単一で且つ極めて小さく構成でき、一方の放射板61は単に必要な利得を得るのに必要な大きさの放射用電極72a,72bを形成すればよい。
第2の実施形態によるその他の効果は第1の実施形態の場合と同様である。
【0044】
《第3の実施形態》
図5は第3の実施形態に係る無線ICデバイス103の分解斜視図である。基板52にはメモリ11、信号処理回路12、整合回路41と共に基板側接続電極44a,44bが形成されている。一方、放射板62には放射用電極72a,72bと共に放射板側接続電極74a,74bが形成されている。基板52は放射板62に対して、基板側接続電極44a,44bが放射板側接続電極74a,74bに直接導通するように、基板側接続電極44a,44bはビアとして形成されている。したがって基板52を放射板62に対して実装した際、信号処理回路12は整合回路41を介して放射用電極72a,72bに直接接続されることになる。
【0045】
《第4の実施形態》
図6は第4の実施形態に係る無線ICデバイス104の分解斜視図である。
基板53にはメモリ11、信号処理回路12、基板側結合線路45,46、整合回路41、及び基板側接続電極44a,44bが形成されている。また放射板62には放射用電極72a,72bと共に放射板側接続電極74a,74bがそれぞれ形成されている。
【0046】
基板側結合線路46はループ状をなす基板側結合線路45の内部にループ状をなすように形成されていて、この2つの基板側結合線路45,46が電磁界結合する。
このように信号処理回路12と整合回路41との間で線路を電磁気的に結合させてもよい。
【0047】
基板側接続電極44a,44bと放射板側接続電極74a,74bは、第3の実施形態の場合と同様に直接接続される。
このように基板側接続電極44a,44bと放射板側接続電極74a,74bとが直接接続される場合でも、基板側結合線路45−46の間は直流的には絶縁されるので、静電気に対する耐性が高まる。
【0048】
また、基板53上で配線がつながっていないため、基板53上に印刷するパターンの位置の自由度が増す。
【0049】
《第5の実施形態》
図7は第5の実施形態に係る無線ICデバイス105の分解斜視図である。
基板54にはメモリ11、信号処理回路12、基板側結合電極47a,47b,48a,48b、整合回路41及び基板側接続電極44a,44bが形成されている。放射板62には放射用電極72a,72bと共に放射板側接続電極74a,74bがそれぞれ形成されている。
【0050】
基板側結合電極(47a,47b)と(48a,48b)とは容量結合する。基板側接続電極44a,44bと放射板側接続電極74a,74bは、第3の実施形態の場合と同様に直接接続される。
【0051】
このように信号処理回路12と整合回路41との間で線路を容量結合させても、第4の実施形態の場合と同様に静電気に対する耐性が高まり、基板53上に印刷するパターンの位置の自由度が増す。
【0052】
《第6の実施形態》
図8は第6の実施形態に係る無線ICデバイス106の分解斜視図である。
基板55には2層の回路パターンを備えていて、上層には、メモリ11、信号処理回路12及び基板側結合線路42が形成されている。また下層には基板側結合線路49、整合回路41及び基板側結合電極43a,43bがそれぞれ形成されている。基板側結合線路42−49は基板51の誘電体層を介して電磁気的に結合される。
【0053】
放射板63には放射用電極72a,72bと共に放射板側結合電極73a,73bが形成されている。基板55は基板側結合電極43a,43bが放射板側結合電極73a,73bと対向するように実装される。したがって信号処理回路12は基板側結合線路42,49による電磁界結合部、整合回路41及び基板側結合電極43a,43b及び放射板側結合電極73a,73bによる容量結合部を介して放射用電極72a,72bと接続されることになる。
【0054】
なお、図8の例では、基板55の2つの層のパターンを図面上明確に表すために、基板55を実際の比率より厚く描いている。
【0055】
《第7の実施形態》
図9は第7の実施形態に係る無線ICデバイス107の分解斜視図である。基板56には2層の回路パターンを備えていて、上層にはメモリ11、及び下層の配線に電気的に接続する基板側接続電極44c,44dが形成されている。下層には信号処理回路12、整合回路41、及び基板側接続電極44a,44bが形成されている。
【0056】
放射板62には放射用電極72a,72bと共に放射板側接続電極74a,74bが形成されている。
このようにしてメモリ11と信号処理回路12を別の層に形成してもよい。
【0057】
《第8の実施形態》
図10は第8の実施形態に係る無線ICデバイス108の分解斜視図である。
基板57には3つのパターン形成層を備えていて、最上層にはメモリ11、及び中間層との間で導通を図る基板側接続電極44c,44dが形成されている。中間層には信号処理回路12及び基板側結合線路42が形成されている。最下層には基板側結合線路49、整合回路41、及び基板側接続電極44a,44bが形成されている。
【0058】
前記基板側結合線路42−49は互いに対向して電磁気的に結合し直流的には絶縁状態を保つ。これにより、信号処理回路12及びメモリ11の静電破壊を防止する。
このように、信号処理回路12と整合回路41とを別の層に形成してもよい。
【0059】
《第9の実施形態》
第9の実施形態では給電回路の各種構成例を、図11を基に説明する。図2〜図10の各図に示した無線ICデバイスでは、無線IC部10の信号処理回路12は平衡給電型とし、給電回路部40の整合回路41は平衡線路の一方の線路にインダクタを設けた。この構成の等価回路は図11(A)のように表すことができる。すなわち、給電回路部40と放射板60とは電磁気的に結合する。
【0060】
第1〜第8の実施形態では、給電回路部40が無線IC部10と整合する整合回路を構成するとともにアンテナの中心周波数及び帯域幅を決定する共振回路も兼ねていたが、給電回路部40は、共振回路の機能または整合回路の機能のいずれかを備えるものであってもよい。
【0061】
給電回路と放射板の構成としては、上記の例以外に図11(B)〜(F)に示すような形式を採ることもできる。
図11(B)の例では、放射板161と給電部141とが電磁界結合し、放射板162と給電部142とが容量結合する。
【0062】
図11(C)の例では、インダクタL1,L2,L3によって平衡回路の整合回路が構成され、放射板163,164と給電部とが容量結合する。
【0063】
図11(D)の例では、互いに逆向きにM結合するインダクタL1,L2を備え、放射板165,166とインダクタL1,L2とが電磁界結合する。このようにインダクタL1,L2はそれぞれのキャパシタンス成分とともに二つの共振回路を構成し、互いに結合することによって広いリターンロスの帯域幅が得られる。すなわちアンテナの周波数帯域が広帯域化される。
【0064】
図11(E)の例では、互いに磁界を弱め合う向きにM結合するインダクタL1,L2を備え、放射板167とインダクタL2とが電磁界結合する。この場合も、結合する二つの共振回路によって広いリターンロスの帯域幅が得られる。
【0065】
図11(F)の例では、(E)の構成に対してさらにキャパシタC1,C2を設けている。これによって、リターンロス特性に、分離された二つの極が生じ、その分、広いリターンロスの帯域幅が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0066】
【図1】特許文献1に示されている無線ICカードの断面図である。
【図2】無線ICデバイスの概略外観図であり、図2(A)は上面図、図2(B)は正面図である。
【図3】第1の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図4】第2の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図5】第3の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図6】第4の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図7】第5の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図8】第6の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図9】第7の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図10】第8の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図11】第9の実施形態に係る無線ICデバイスにおける給電回路の各種構成例を示す等価回路図である。
【符号の説明】
【0067】
10…無線IC部
11…メモリ
12…信号処理回路
40…給電回路
41…整合回路
42…基板側結合線路
42,45,46,49…基板側結合線路
43,47,48…基板側結合電極
44…基板側接続電極
50〜57…基板
60〜62…放射板
71…放射板側結合線路
72…放射用電極
73…放射板側結合電極
74…放射板側接続電極
101〜108…ICデバイス
141,142…給電部
161〜167…放射板
C1,C2…キャパシタ
L1,L2,L3…インダクタ
【技術分野】
【0001】
この発明は、近接電磁界により非接触で通信を行うRF−IDのような無線ICデバイスに関するものである。
【背景技術】
【0002】
RF−IDとして用いられる非接触型ICカードが特許文献1に開示されている。
図1は、特許文献1に示されている無線ICカード34の断面図である。
【0003】
この図1に示すように、表面に第1のアンテナコイル22を形成したICチップ23を用い、モジュール基板30の上面に上記第1のアンテナコイル22と結合する第2のアンテナコイル31及びこの第2のアンテナコイル31から引き出されて放射電極として作用する第3のアンテナコイル32が形成されている。このモジュール基板30に対して上記ICチップ23をフェースダウン実装し、モジュール基板30及びICチップ23の上面には接着封止樹脂33を介してラミネートフィルム33が貼着されることによって無線ICカード34が構成されている。
【特許文献1】特開2000−311226号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年の小型化・低コスト化の要請を受けて、前記ICチップはますます小型になってきている。しかし特許文献1に示されている構造の無線ICデバイスでは、ICチップ23は、そのICチップ23に形成した第1のアンテナコイル22とモジュール基板30側の第2のアンテナコイル31との結合が所定の結合状態となるように、ICチップ23をモジュール基板30から離間して配置する必要がある。そのため、ICカードの厚みが厚くなる。
【0005】
また、ICチップが小型になるほど、第1のアンテナコイル22及び第2のアンテナコイル31のパターンが細かくなり、それに合わせてICチップ23とモジュール基板30との間隔は例えば20μmと非常に狭くなり高精度なものとなる。しかもその実装精度によってアンテナ特性が変動するので、安定した特性を得るために高い実装精度が要求され、製造コストが嵩むという問題がある。
【0006】
また、特許文献1に示されている構造の無線ICデバイスでは、第3のアンテナコイル32のアンテナ長は例えばλ/2等であり、第3のアンテナコイル32によってアンテナの共振周波数(中心周波数)やその帯域幅等のアンテナ特性が定まるので、第3のアンテナコイルには設計上の制約がともなう。
【0007】
そこで、この発明の目的は、小型・低コスト化を図り、小型化した際の実装要求精度の問題を解消し、特性ばらつきが少なく安定性に優れた無線ICデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記課題を解決するために、この発明の無線ICデバイスは次のように構成する。
(1)メモリ及び信号処理回路を含み無線信号処理を行う無線IC部と、前記無線IC部に結合する、少なくとも1つのインダクタンス素子を含む共振回路及び/又は整合回路を有する給電回路部と、を有する基板と、
給電回路部に電磁界結合し、前記給電回路部から供給される送信信号を放射する、及び/又は外部からの無線信号を受けて受信信号を前記給電回路部へ供給する放射用電極を備えた放射板と、
を備えたものとする。
【0009】
この構成により、給電回路部が、アンテナに要求される主要な機能のうち、中心周波数と帯域幅の設定、及び無線ICとの整合を行うので、放射板側の放射用電極は単に給電回路部と結合して、必要な利得に応じた大きさを備えていればよく、基板側の給電回路と放射板側の放射用電極との結合部に高い実装精度が要求されない。
【0010】
一方、無線IC部と給電回路部との接続は、実装に依らず、その両者を基板上に形成することになるので、インピーダンス整合等をばらつきなく高精度に行うことができる。
【0011】
さらに、放射用電極によって信号の共振周波数が実質的に決まるわけではないので、種々の形状や放射板と結合させても無線ICデバイスとして機能させることができる。
【0012】
(2)前記無線IC部及び前記給電回路部は前記基板の一方の主面に形成されたものとする。
【0013】
この構成により、一つの基板に対して無線IC部及び給電回路部を容易に形成でき、実質的に同時に構成でき、別の基板に対する両者の実装(搭載)が不要となり、低コスト化が図れる。また、基板に対して無線ICチップおよび給電回路用基板を積層配置する必要がないので、全体に低背化できる。
【0014】
(3)前記放射板から放射される信号の周波数は前記給電回路部の自己共振周波数に実質的に等しいものとする。
【0015】
この構成により、アンテナの機能のうち、アンテナの共振周波数(中心周波数)とその帯域幅は給電回路部によって定まるので、放射用電極は、その長さや形状等について制約を受けず、組み込み先の構造やサイズに応じた設計が容易となる。
【0016】
(4)前記給電回路部は、インダクタンス値の異なる複数のインダクタンス素子又は互いに結合して複数の極を形成する複数のインダクタンス素子を備えたものとする。
【0017】
このことにより、複数の共振周波数特性を持たせることができ、無線ICデバイスの使用周波数帯域を広帯域化できる。
【0018】
(5)前記無線IC部及び前記給電回路部は、半導体回路及び導体線路が印刷法により形成されたものとする。
【0019】
これにより、無線IC部及び給電回路部の占有面積は小さくなり、これを有機半導体を用いる所謂プリンテッドエレクトロニクスで形成してもコストが嵩むことはない。また、所定の利得を得るための放射用電極は、高精度が要求されないので、低精度・低コストな印刷法により形成できる。そのため全体に低コスト化が図れる。
【0020】
しかも、放射板だけでなく無線IC部及び給電回路部を含む全体がフレキシブルに構成でき、組み込み先の装置の構造や構造体の形状に応じて組み込み実装の自由度が高まる。
【0021】
また、単結晶半導体チップを用いないことにより、リサイクル性が高まり、燃焼後も残渣が生じない。
【0022】
(6)前記無線IC部及び前記給電回路部が形成された、前記基板の一方の主面に保護膜が形成されたものとする。
【0023】
特に前記給電回路部の表面が保護されることで、前記給電回路内部のインダクタの値の安定化が図れ、放射板との安定した結合が可能になる、という効果を奏する。
【発明の効果】
【0024】
この発明によれば、基板側の給電回路と放射板側の放射用電極との結合部に高い実装精度が要求されない。また、無線IC部と放射用電極とのインピーダンス整合をばらつきなく高精度に行うことができる。さらに給電回路部によって信号の共振周波数が定まるので、広帯域で動作する無線ICデバイスが構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
《第1の実施形態》
第1の実施形態に係る無線ICデバイスについて図2・図3を参照して説明する。
図2は無線ICデバイスの概略外観図であり、図2(A)は上面図、図2(B)は正面図である。
【0026】
この無線ICデバイス101は、無線IC部10及び給電回路部40を備えた基板50と、この基板50を搭載する放射板60とによって構成されている。
【0027】
基板50は、所謂プリンテッドエレクトロニクスで製造されるものであり、有機半導体回路及び微細な配線パターンがフレキシブルな樹脂フィルム上に高精度に印刷形成されたものである。一方の放射板60は、フレキシブルな樹脂フィルム又はリジッドな樹脂基材に所定の放射用電極が形成されたものである。
【0028】
前記基板50に形成されている給電回路部40と放射板60に形成されている放射用電極とが結合することによって全体が無線ICデバイス101として作用する。
【0029】
図3は、第1の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。基板50にはメモリ11、信号処理回路12、整合回路41、及び基板側結合線路42がそれぞれ形成されている。このうちメモリ11及び信号処理回路12が、図2に示した無線IC部10に相当し、有機半導体材料を用いた半導体回路によってメモリ11及び信号処理回路12が構成されている。メモリ11には例えばRF−IDタグの情報が書き込まれ、信号処理回路12はリーダライタとの通信及びメモリ11に対する読み書き制御を行う。
【0030】
図3において整合回路41及び基板側結合線路42が、図2に示した給電回路部40に相当する。整合回路41は信号処理回路12と基板側結合線路42とのインピーダンス整合を図るために設けていて、例えばUHF(915MHz)において信号処理回路12のインピーダンスZが35Ω−j200Ωである場合、給電回路部40のインピーダンスがその共役関係のインピーダンスすなわち35Ω+j200Ωとなるように整合回路41のインダクタンス値を定める。
【0031】
基板側結合線路42はループ状をなし、後に述べる放射板側結合線路71と結合する。整合回路41は基板側結合線路42と信号処理回路12との間に形成されて、信号処理回路12と基板側結合線路42とのインピーダンス整合を行う。この例では平衡給電回路の一方の線路に、線路を迂回させて線路長を長くしたインダクタンス素子を配置している。この整合回路41と基板側結合線路42とによる給電回路部40は共振回路も構成していて、中心周波数及び帯域幅を決定する。すなわち、給電回路部40は、その自己共振周波数で共振するが、その共振周波数をRF−IDタグで利用される周波数に略等しくしている。
【0032】
放射板60には放射板側結合線路71及びそれに接続された放射用電極72a,72bが形成されている。放射板60に対して基板50が実装(搭載)される際に、基板側結合線路42と放射板側結合線路71とが互いに対向するように配置される。図中の平行な4本の破線はそのことを表している。
【0033】
放射板60に基板50が実装された状態で、基板側結合線路42と放射板側結合線路71とが電磁界結合する。これによって、整合回路41を介して放射用電極72が信号処理回路12に接続されることになる。
【0034】
基板50の厚み寸法は例えば5mm×5mm×0.1mmであり、極めて薄いので、基板側結合線路42及び放射板側結合線路71のループ長は比較的短くても両者を強く結合させることができる。したがって基板50は放射板60に対して非常に小面積に構成することができ、所謂プリンテッドエレクトロニクスにより製造する際に、薄型化・低コスト化が図れる。
【0035】
一方、放射板60は必要な利得を得るための面積(放射用電極72の電極長)があればよく、高いパターン形成精度は要求されないので、通常の印刷方法で低コストに製造できる。しかもアンテナの主要な4つの機能である(1)中心周波数、(2)帯域幅、(3)信号処理回路との整合、(4)利得のうち、(4)の利得は放射板側の主にサイズで定まり、残る3つの機能は基板50側で決定されるので、放射板60と基板50との実装精度が低くても、アンテナの利得以外の主要な特性は変化せず、特性の安定した無線ICデバイスが得られる。
【0036】
基板50の、メモリ11、信号処理回路12、整合回路41、及び基板側結合線路42が形成された面には所定誘電率・所定厚みの保護膜が形成されている。これにより整合回路41及び基板側結合線路42のインダクタの値の安定化が図れ、放射板との安定した結合が可能になる。
【0037】
また、従来技術のように、無線ICを直接(給電回路を介さずに)放射用電極に結合させた場合と異なり、給電回路部40と放射板60(放射用電極72a,72b)とは電磁結合により結合するので、放射板のインピーダンスの変動の影響を受けにくくなり、特性の安定した無線ICデバイスが得られる。
【0038】
また、無線ICデバイス101を曲げても、図3に示した基板側結合線路42と放射板側結合線路71との結合状態はほとんど変化せず、アンテナ特性は変わらない。
【0039】
さらに、基板側結合線路42と放射板側結合線路71との間は直流的には絶縁されるので、静電気に対する耐性が高まる。
【0040】
その上、メモリ11及び信号処理回路12を有機半導体による回路で構成した場合に、無線ICデバイス101全体がほとんど有機物で構成されることになるので、リサイクルが容易となり、またそのまま焼却も可能となる。
【0041】
《第2の実施形態》
図4は、第2の実施形態に係る無線ICデバイス102の分解斜視図である。基板51にメモリ11、信号処理回路12、整合回路41、と共に基板側結合電極43a,43bを形成している。また、放射板61には放射用電極72a,72bと共に放射板側結合電極73a,73bを形成している。そして、放射板側結合電極73a,73bと基板側結合電極43a,43bとが互いに対向するように、放射板61に対して基板51が実装(搭載)される。
【0042】
これにより、基板側結合電極43a,43bと放射板側結合電極73a,73bとは容量結合する。
【0043】
基板51の厚み寸法は例えば5mm×4mm×0.05mmであり、基板側結合電極43a,43bの面積が小さくても、信号処理回路12は放射板側結合電極73a,73bを介する放射用電極72a,72bとの結合を十分に確保できる。したがって基板51は単一で且つ極めて小さく構成でき、一方の放射板61は単に必要な利得を得るのに必要な大きさの放射用電極72a,72bを形成すればよい。
第2の実施形態によるその他の効果は第1の実施形態の場合と同様である。
【0044】
《第3の実施形態》
図5は第3の実施形態に係る無線ICデバイス103の分解斜視図である。基板52にはメモリ11、信号処理回路12、整合回路41と共に基板側接続電極44a,44bが形成されている。一方、放射板62には放射用電極72a,72bと共に放射板側接続電極74a,74bが形成されている。基板52は放射板62に対して、基板側接続電極44a,44bが放射板側接続電極74a,74bに直接導通するように、基板側接続電極44a,44bはビアとして形成されている。したがって基板52を放射板62に対して実装した際、信号処理回路12は整合回路41を介して放射用電極72a,72bに直接接続されることになる。
【0045】
《第4の実施形態》
図6は第4の実施形態に係る無線ICデバイス104の分解斜視図である。
基板53にはメモリ11、信号処理回路12、基板側結合線路45,46、整合回路41、及び基板側接続電極44a,44bが形成されている。また放射板62には放射用電極72a,72bと共に放射板側接続電極74a,74bがそれぞれ形成されている。
【0046】
基板側結合線路46はループ状をなす基板側結合線路45の内部にループ状をなすように形成されていて、この2つの基板側結合線路45,46が電磁界結合する。
このように信号処理回路12と整合回路41との間で線路を電磁気的に結合させてもよい。
【0047】
基板側接続電極44a,44bと放射板側接続電極74a,74bは、第3の実施形態の場合と同様に直接接続される。
このように基板側接続電極44a,44bと放射板側接続電極74a,74bとが直接接続される場合でも、基板側結合線路45−46の間は直流的には絶縁されるので、静電気に対する耐性が高まる。
【0048】
また、基板53上で配線がつながっていないため、基板53上に印刷するパターンの位置の自由度が増す。
【0049】
《第5の実施形態》
図7は第5の実施形態に係る無線ICデバイス105の分解斜視図である。
基板54にはメモリ11、信号処理回路12、基板側結合電極47a,47b,48a,48b、整合回路41及び基板側接続電極44a,44bが形成されている。放射板62には放射用電極72a,72bと共に放射板側接続電極74a,74bがそれぞれ形成されている。
【0050】
基板側結合電極(47a,47b)と(48a,48b)とは容量結合する。基板側接続電極44a,44bと放射板側接続電極74a,74bは、第3の実施形態の場合と同様に直接接続される。
【0051】
このように信号処理回路12と整合回路41との間で線路を容量結合させても、第4の実施形態の場合と同様に静電気に対する耐性が高まり、基板53上に印刷するパターンの位置の自由度が増す。
【0052】
《第6の実施形態》
図8は第6の実施形態に係る無線ICデバイス106の分解斜視図である。
基板55には2層の回路パターンを備えていて、上層には、メモリ11、信号処理回路12及び基板側結合線路42が形成されている。また下層には基板側結合線路49、整合回路41及び基板側結合電極43a,43bがそれぞれ形成されている。基板側結合線路42−49は基板51の誘電体層を介して電磁気的に結合される。
【0053】
放射板63には放射用電極72a,72bと共に放射板側結合電極73a,73bが形成されている。基板55は基板側結合電極43a,43bが放射板側結合電極73a,73bと対向するように実装される。したがって信号処理回路12は基板側結合線路42,49による電磁界結合部、整合回路41及び基板側結合電極43a,43b及び放射板側結合電極73a,73bによる容量結合部を介して放射用電極72a,72bと接続されることになる。
【0054】
なお、図8の例では、基板55の2つの層のパターンを図面上明確に表すために、基板55を実際の比率より厚く描いている。
【0055】
《第7の実施形態》
図9は第7の実施形態に係る無線ICデバイス107の分解斜視図である。基板56には2層の回路パターンを備えていて、上層にはメモリ11、及び下層の配線に電気的に接続する基板側接続電極44c,44dが形成されている。下層には信号処理回路12、整合回路41、及び基板側接続電極44a,44bが形成されている。
【0056】
放射板62には放射用電極72a,72bと共に放射板側接続電極74a,74bが形成されている。
このようにしてメモリ11と信号処理回路12を別の層に形成してもよい。
【0057】
《第8の実施形態》
図10は第8の実施形態に係る無線ICデバイス108の分解斜視図である。
基板57には3つのパターン形成層を備えていて、最上層にはメモリ11、及び中間層との間で導通を図る基板側接続電極44c,44dが形成されている。中間層には信号処理回路12及び基板側結合線路42が形成されている。最下層には基板側結合線路49、整合回路41、及び基板側接続電極44a,44bが形成されている。
【0058】
前記基板側結合線路42−49は互いに対向して電磁気的に結合し直流的には絶縁状態を保つ。これにより、信号処理回路12及びメモリ11の静電破壊を防止する。
このように、信号処理回路12と整合回路41とを別の層に形成してもよい。
【0059】
《第9の実施形態》
第9の実施形態では給電回路の各種構成例を、図11を基に説明する。図2〜図10の各図に示した無線ICデバイスでは、無線IC部10の信号処理回路12は平衡給電型とし、給電回路部40の整合回路41は平衡線路の一方の線路にインダクタを設けた。この構成の等価回路は図11(A)のように表すことができる。すなわち、給電回路部40と放射板60とは電磁気的に結合する。
【0060】
第1〜第8の実施形態では、給電回路部40が無線IC部10と整合する整合回路を構成するとともにアンテナの中心周波数及び帯域幅を決定する共振回路も兼ねていたが、給電回路部40は、共振回路の機能または整合回路の機能のいずれかを備えるものであってもよい。
【0061】
給電回路と放射板の構成としては、上記の例以外に図11(B)〜(F)に示すような形式を採ることもできる。
図11(B)の例では、放射板161と給電部141とが電磁界結合し、放射板162と給電部142とが容量結合する。
【0062】
図11(C)の例では、インダクタL1,L2,L3によって平衡回路の整合回路が構成され、放射板163,164と給電部とが容量結合する。
【0063】
図11(D)の例では、互いに逆向きにM結合するインダクタL1,L2を備え、放射板165,166とインダクタL1,L2とが電磁界結合する。このようにインダクタL1,L2はそれぞれのキャパシタンス成分とともに二つの共振回路を構成し、互いに結合することによって広いリターンロスの帯域幅が得られる。すなわちアンテナの周波数帯域が広帯域化される。
【0064】
図11(E)の例では、互いに磁界を弱め合う向きにM結合するインダクタL1,L2を備え、放射板167とインダクタL2とが電磁界結合する。この場合も、結合する二つの共振回路によって広いリターンロスの帯域幅が得られる。
【0065】
図11(F)の例では、(E)の構成に対してさらにキャパシタC1,C2を設けている。これによって、リターンロス特性に、分離された二つの極が生じ、その分、広いリターンロスの帯域幅が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0066】
【図1】特許文献1に示されている無線ICカードの断面図である。
【図2】無線ICデバイスの概略外観図であり、図2(A)は上面図、図2(B)は正面図である。
【図3】第1の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図4】第2の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図5】第3の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図6】第4の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図7】第5の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図8】第6の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図9】第7の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図10】第8の実施形態に係る無線ICデバイスの分解斜視図である。
【図11】第9の実施形態に係る無線ICデバイスにおける給電回路の各種構成例を示す等価回路図である。
【符号の説明】
【0067】
10…無線IC部
11…メモリ
12…信号処理回路
40…給電回路
41…整合回路
42…基板側結合線路
42,45,46,49…基板側結合線路
43,47,48…基板側結合電極
44…基板側接続電極
50〜57…基板
60〜62…放射板
71…放射板側結合線路
72…放射用電極
73…放射板側結合電極
74…放射板側接続電極
101〜108…ICデバイス
141,142…給電部
161〜167…放射板
C1,C2…キャパシタ
L1,L2,L3…インダクタ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
メモリ及び信号処理回路を含み無線信号処理を行う無線IC部と、前記無線IC部に結合する、少なくとも1つのインダクタンス素子を含む共振回路及び/又は整合回路を有する給電回路部と、を有する基板と、
給電回路部に電磁界結合し、前記給電回路部から供給される送信信号を放射する、及び/又は外部からの無線信号を受けて受信信号を前記給電回路部へ供給する放射用電極を備えた放射板と、
を備えた無線ICデバイス。
【請求項2】
前記無線IC部及び前記給電回路部が前記基板の一方の主面に形成された、請求項1に記載の無線ICデバイス。
【請求項3】
前記放射板から放射される信号の周波数は前記給電回路部の自己共振周波数に実質的に等しい、請求項1または2に記載の無線ICデバイス。
【請求項4】
前記給電回路部は、インダクタンス値の異なる複数のインダクタンス素子又は互いに結合して複数の極を形成する複数のインダクタンス素子を備えた、請求項1〜3のいずれかに記載の無線ICデバイス。
【請求項5】
前記無線IC部及び前記給電回路部は、半導体回路及び導体線路が印刷法により形成されたものである請求項1〜4のいずれかに記載の無線ICデバイス。
【請求項6】
前記無線IC部及び前記給電回路部が形成された、前記基板の一方の主面に保護膜が形成された請求項1〜5のいずれかに記載の無線ICデバイス。
【請求項1】
メモリ及び信号処理回路を含み無線信号処理を行う無線IC部と、前記無線IC部に結合する、少なくとも1つのインダクタンス素子を含む共振回路及び/又は整合回路を有する給電回路部と、を有する基板と、
給電回路部に電磁界結合し、前記給電回路部から供給される送信信号を放射する、及び/又は外部からの無線信号を受けて受信信号を前記給電回路部へ供給する放射用電極を備えた放射板と、
を備えた無線ICデバイス。
【請求項2】
前記無線IC部及び前記給電回路部が前記基板の一方の主面に形成された、請求項1に記載の無線ICデバイス。
【請求項3】
前記放射板から放射される信号の周波数は前記給電回路部の自己共振周波数に実質的に等しい、請求項1または2に記載の無線ICデバイス。
【請求項4】
前記給電回路部は、インダクタンス値の異なる複数のインダクタンス素子又は互いに結合して複数の極を形成する複数のインダクタンス素子を備えた、請求項1〜3のいずれかに記載の無線ICデバイス。
【請求項5】
前記無線IC部及び前記給電回路部は、半導体回路及び導体線路が印刷法により形成されたものである請求項1〜4のいずれかに記載の無線ICデバイス。
【請求項6】
前記無線IC部及び前記給電回路部が形成された、前記基板の一方の主面に保護膜が形成された請求項1〜5のいずれかに記載の無線ICデバイス。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2009−260758(P2009−260758A)
【公開日】平成21年11月5日(2009.11.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−108515(P2008−108515)
【出願日】平成20年4月18日(2008.4.18)
【出願人】(000006231)株式会社村田製作所 (3,635)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年11月5日(2009.11.5)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年4月18日(2008.4.18)
【出願人】(000006231)株式会社村田製作所 (3,635)
【Fターム(参考)】
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