JP5884888B2 - Ｈｆ帯無線通信デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、ＨＦ帯無線通信デバイス、特に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに用いられるＨＦ帯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不接触方式で通信し、所定の情報を伝達するＲＦＩＤシステムが実用化されている。ＲＦＩＤタグは、所定の情報を記憶しており、所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、高周波信号の送受信を行うアンテナとを備えている。
特許文献１には、無線信号を処理する無線ＩＣと、該無線ＩＣを実装した給電回路基板と、コイル状のアンテナパターンとを備えたＨＦ帯のＲＦＩＤタグ（無線通信デバイス）が記載されている。このデバイスにおいては、無線ＩＣに結合したループ状電極が給電回路基板に設けられており、ループ状電極のみでは通信距離が小さいが、該ループ状電極がアンテナパターンと磁界を介して結合することにより、アンテナパターンを共振ブースタとして利用することで、大きな通信距離を得ている。
前記無線通信デバイスでは、給電回路基板の共振回路とコイル状アンテナパターンの共振回路との磁界結合を利用しているため、電力ロスが発生しやすい。また、デバイスとしての共振周波数の安定化については、ループ状電極とアンテナパターンとを高精度に配置する必要がある。両者の配置関係によって結合度が変化する可能性があることによる。
国際公開第２０１１／１０８３４１号
本発明の目的は、必要な通信距離を確保できると共に、電力ロスが少なく、共振周波数の安定化を図ることのできるＨＦ帯無線通信デバイスを提供することにある。
本発明の一形態であるＨＦ帯無線通信デバイスは、
第１入出力端子および第２入出力端子を備え、無線信号を処理する無線ＩＣと、
前記無線ＩＣの前記第１入出力端子に接続された第１インダクタパターンを備え、下面に前記第１入出力端子に前記第１インダクタパターンを介して接続された第１電極と前記第２入出力端子に接続された第２電極とを有する第１基板と、
一端が前記第１電極、他端が前記第２電極にそれぞれ接続された第２インダクタパターンを有する第２基板と、
容量と、
を備えたＨＦ帯無線通信デバイスであって、
直列接続されている第１のインダクタパターンと第２のインダクタパターンとに対して前記容量が並列接続される事により、共振回路が構成されており、
前記第１インダクタパターンは、そのＬ値が前記第２インダクタパターンのＬ値よりも大きく、かつ、前記共振回路の共振周波数は第１インダクタパターンのＬ値が支配的であると共に、前記ＨＦ帯無線通信デバイスの共振周波数であり、
前記第２インダクタパターンは、その巻径が前記第１インダクタパターンの巻径よりも大きく、かつ、第２インダクタパターンが主たる放射素子として機能すること、
を特徴とする。
前記ＨＦ帯無線通信デバイスにおいては、第１及び第２インダクタパターンと無線ＩＣの容量とで共振周波数が決められる。無線ＩＣに接続された第１インダクタパターンと主たる放射素子として機能する第２インダクタパターンとは直列に接続されているため、電力のロスが少なくなる。デバイスの共振周波数は、第１インダクタパターンのＬ値が支配的であって安定化する。また、第２インダクタパターンはその巻径が大きいため通信距離が大きくなる。
本発明によれば、必要な通信距離を確保できると共に、電力ロスが少なく、共振周波数の安定化を図ることができる。
第１実施例である無線通信デバイスを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は模式的な断面図である。 （Ａ），（Ｂ）ともに前記無線通信デバイスの等価回路図である。 前記無線通信デバイスを構成する第１及び第２インダクタパターンを示す平面図である。 前記無線通信デバイスを搭載したプリント配線板を示す斜視図である。 第２実施例である無線通信デバイスを示す斜視図である。
以下、本発明に係るＨＦ帯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〜図３参照）
第１実施例である無線通信デバイス１は、ＨＦ帯ＲＦＩＤシステムを構成するものであり、図１及び図２に示すように、無線信号を処理する無線ＩＣ１０と、無線ＩＣ１０に接続された第１インダクタパターン２１を有する第１基板２０と、第１インダクタパターン２１に直列接続された第２インダクタパターン３１を有する第２基板３０と、を備えている。
無線ＩＣ１０は、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含む半導体集積回路素子であり、必要な情報がメモリされている。無線ＩＣ１０はその裏面に設けた一対の入出力用端子電極（図示せず）が第１インダクタパターン２１の一端及び第２インダクタパターン３１の一端に接続されている（図２参照）。また、無線ＩＣ１０は樹脂材１５によって第１基板２０上で封止されている。
第１インダクタパターン２１は、図３に示す導体パターン２２ａ，２２ｂを約２０層に積層したコイルとして形成されている。第２インダクタパターン３１は第２基板３０の表面及び裏面に１層ずつ形成した導体パターン３２，３３にてコイルとして形成されている。第１インダクタパターン２１はそのＬ値が第２インダクタパターン３１のＬ値よりも大きく、例えば、第１インダクタパターン２１のＬ値は１．３２μＨ、第２インダクタパターン３１のＬ値は０．１２μＨである。第１及び第２インダクタパターン２１，３２と無線ＩＣ１０の容量とで共振回路を構成し、その共振周波数は第１インダクタパターン２１のＬ値が支配的である。
無線ＩＣ１０と第１及び第２インダクタパターン３１，３２で形成される共振回路において、容量Ｃは無線ＩＣ１０に導体パターンとして内蔵されていてもよく（図２（Ｂ）参照）、あるいは、図示しないチップ部品として第１基板２０に外付けされていてもよい。容量Ｃを無線ＩＣ１０に内蔵する場合には、無線通信デバイス１自体が小型化され、導体パターンは微細加工が可能であるので、公差の小さい容量Ｃを形成できる。一方、容量Ｃをチップ部品として外付けする場合には、容量Ｃの変更が容易であり、特に大きな容量を付加することができる。
第２インダクタパターン３１（３２，３３）は、その巻径が第１インダクタパターン２１（２２ａ，２２ｂ）の巻径よりも大きく、それゆえ、第２インダクタパターン３１が主たる放射素子として機能することになる。
ここで、第１及び第２インダクタパターン２１，３１について図３を参照して説明する。第１基板２０は、各種導体を形成した複数のシート２５ａ〜２５ｅを積層し、圧着、焼成してなるリジッドな基板である。シート２５ａ〜２５ｅは、誘電体、磁性体のいずれであってもよく、例えば、ＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミックス）を好適に用いることができ、フェライトを素材としてもよい。各種導体は導電性ペーストを所定形状に塗布することによって形成されるが、種々の素材、工法を用いて形成することができる。なお、以下に説明する第２基板３０に形成される導体も同様の素材、工法で形成することができる。
シート２５ａにはその上面に電極２６ａ〜２６ｄが形成され、かつ、ビアホール導体２７ａ，２７ｂが下面に貫通して形成されている。シート２５ｂにはその上面に導体パターン２３が形成され、かつ、ビアホール導体２７ａ，２７ｃが下面に貫通して形成されている。シート２５ｃ，２５ｄは、第１インダクタパターン２１の必要な巻数（層数）に相当する枚数が用意され、その上面に導体パターン２２ａ，２２ｂが形成され、かつ、ビアホール導体２７ｃ，２７ｄ，２７ｅが下面に貫通して形成されている。シート２５ｅにはその下面に電極２４ａ，２４ｂが形成され、かつ、ビアホール導体２７ｃ，２７ｅが上面に貫通して形成されている。
第２基板３０は、誘電体、磁性体のいずれであってもよく、フレキシブルな基板であることが好ましい。例えば、１層のポリイミド樹脂からなるフレキシブルなフィルムを好適に用いることができる。この第２基板３０の上面には導体パターン３２及び電極３４が形成され、かつ、ビアホール導体３６ａ，３６ｂが下面に貫通して形成されている。導体パターン３２の両端は電極３２ａ，３２ｂとされている。第２基板３０の下面には導体パターン３３が形成され、該導体パターン３３の両端は電極３３ａ，３３ｂとされている。
前記第１及び第２基板２０，３０は、第１基板２０の下面に形成した電極２４ａ，２４ｂを第２基板３０の上面に形成した電極３２ａ，３４に半田などで接続して一体化される。
第１基板２０にあっては、前記シート２５ａ〜２５ｅを積層することにより、導体パターン２２ａ，２２ｂがビアホール導体２７ｄ，２７ｅを介してコイル状に接続されて第１インダクタパターン２１が形成される。また、第２基板３０にあっては、導体パターン３２，３３がビアホール導体３６ｂを介してコイル状に接続されて第２インダクタパターン３１が形成される。
第１インダクタパターン２１にあっては、シート２５ｃ上に形成された導体パターン２２ａの一端がビアホール導体２７ａを介して最上面の電極２６ａに接続され、該電極２６ａは無線ＩＣ１０の入出力端子の一方に半田などを介して接続される。第１インダクタパターン２１の他端（シート２５ｄ上の導体パターン２２ｂの一端）は、ビアホール導体２７ｅを介してシート２５ｅの下面に形成された電極２４ａに接続され、該電極２４ａは半田などを介して第２インダクタパターン３１の一端（導体パターン３２の電極３２ａ）に接続される。第２インダクタパターン３１の他端（導体パターン３３の電極３３ａ）はビアホール導体３６ａを介して電極３４に接続され、該電極３４は半田などを介してシート２５ｅの下面に形成された電極２４ｂに接続される。
前記電極２４ｂはビアホール導体２７ｃを介してシート２５ｂ上に形成された導体パターン２３に接続され、該導体パターン２３はビアホール導体２７ｂを介して最上面の電極２６ｂに接続され、該電極２６ｂは無線ＩＣ１０の入出力端子の他方に半田などを介して接続される。なお、シート２５ａ上の電極２６ｃ，２６ｄは無線ＩＣ１０を第１基板２０上に固定するためのダミー用電極である。
第２基板３０上に第１基板２０を搭載し、さらに第１基板２０上に無線ＩＣ１０を搭載することにより、図２に示した等価回路を備えたＨＦ帯無線通信デバイス１が形成される。この無線通信デバイス１においては、第１及び第２インダクタパターン２１，３１と無線ＩＣ１０の容量とで共振周波数が決められる。それゆえ、ＲＦＩＤシステムのリーダライタから放射されて第２インダクタパターン３１で受信された高周波信号が第１インダクタパターン２１を介して無線ＩＣ１０に供給され、無線ＩＣ１０が動作する。一方、無線ＩＣ１０からの応答信号が第１インダクタパターン２１を介して第２インダクタパターン３１に伝達されてリーダライタに放射される。
この無線通信デバイス１において、無線ＩＣ１０に接続された第１インダクタパターン２１と主たる放射素子として機能する第２インダクタパターン３１とは直列に接続されているため、電力のロスが少なくなる。無線通信デバイス１の共振周波数は、第１インダクタパターン２１のＬ値が支配的であって安定化する。また、第２インダクタパターン３１はその巻径が大きいため通信距離が大きくなる。
ちなみに、第１インダクタパターン２１の巻回方向は図３に矢印ｘで示す方向であり、第２インダクタパターンは３１の巻回方向も矢印ｘで示す方向である。つまり、第１及び第２インダクタパターン２１，３１は磁界が同相に結合しており、それぞれのＬ値（パターン２１のＬ値（Ｌ１）は１．３２μＨ、パターン３１のＬ値（Ｌ２）は０．１２μＨ）を加えた値（Ｌ１＋Ｌ２）が合成Ｌ値となる。なお、第１及び第２インダクタパターン２１，３１は逆相に接続されていてもよく、その場合の合成Ｌ値は（Ｌ１−Ｌ２）となる。
本無線通信デバイス１にあっては、共振周波数を支配する第１インダクタンスパターン２１を設けた第１基板２０と、主たる放射素子として機能する第２インダクタパターン３１を設けた第２基板３０とを別体の基板で構成したため、無線通信デバイス１をその電気特性を最適化しつつ小型で安価に製造できる。
特に、共振周波数を支配する第１インダクタパターン２１を設けた第１基板２０をリジッドな基板としているため、デバイス１に曲げ応力が作用したり、他の物品が近傍に配置されたりしても、共振周波数が変動しにくく、安定した周波数特性を確保することができる。また、第２基板３０をフレキシブルな基板（樹脂フィルム）としているため、第２基板３０を比較的大きなサイズとすることが容易であり、このことは第２インダクタパターン３１の巻径を大きくして放射利得（大きな通信距離）を確保することができ、さらに、各種物品へのデバイス１の貼り付け性が向上する。ちなみに、第１基板２０のサイズは１．７ｍｍ×１．２ｍｍ、厚さ０．６７５ｍｍであり、第２基板３０のサイズは２．８ｍｍ×２．４ｍｍ、厚さ０．５ｍｍである。
本無線通信デバイス１において、第１インダクタパターン２１のＬ値（Ｌ１）を第２インダクタパターン３１のＬ値（Ｌ２）に対して一定以上大きくすることで、無線通信デバイス１全体のＬ値に対して、第１インダクタパターン２１のＬ値（Ｌ１）が支配的になり、第２インダクタパターン３１の設計自由度が高くなる。即ち、第１インダクタパターン２１により共振回路に求められるＬ値を調整することができるので、実質的にＬ値を制限されることなく所望の放射特性に合わせて第２インダクタパターン３１の形状を設計することができる。
（無線通信デバイスの実装形態、図４参照）
図４に前記無線通信デバイス１を搭載したプリント配線板４０を示す。このプリント配線板４０は、携帯電話などの移動体通信端末に搭載されるもので、無線通信デバイス１はプリント配線板４０の隅部に実装されている。プリント配線板４０には、それ以外に、スイッチングモジュール４１、ＩＣ４２、チップ抵抗やチップコンデンサなどの素子４３が実装されている。
プリント配線板４０に無線通信デバイス１を実装することにより、ＨＦ帯の無線通信を利用してプリント配線板４０を製作する際の工程管理を行うことができる。また、このプリント配線板４０を無線通信デバイス１を実装したまま携帯電話などに搭載することにより、携帯電話などの履歴管理に使用することができる。携帯電話などの移動体通信端末以外にも、無線通信デバイス１を衣料品や装飾品などに貼り付けることにより、それらの物品の在庫管理や真贋判定に使用することができる。つまり、本無線通信デバイス１の用途は様々である。
本無線通信デバイス１は第２基板３０がフレキシブルであるので、物品の平面のみならず曲面にも貼着することができる。貼着は両面テープなどの非導電性の接着剤を使用することになる。無線通信デバイス１を金属面に貼り付ける場合は、金属面とデバイス１との間にフェライトなどの磁性体を介在させることが好ましい。あるいは、貼り付け部分の金属材を除去しておくことが好ましい。
（第２実施例、図５参照）
第２実施例である無線通信デバイス２は、図５に示すように、無線ＩＣ１０と第１基板２０の構成は前記第１実施例と同様であるが、第２基板５０を比較的大きな面積とし、この第２基板５０上にほぼ同面積で設けた導体パターン５１の一部を第２インダクタパターン５３としたもので、第２インダクタパターン５３は１層で形成されている。なお、第２基板５０はリジッド又はフレキシブルのいずれであってもよい。
即ち、導体パターン５１に開口部５２を形成し、該開口部５２に形成したインダクタパターン５３ａ，５３ｂと開口部５２の縁部を第２インダクタパターン５３としたもので、インダクタパターン５３ａ，５３ｂの先端部は電極５４ａ，５４ｂとされている。この電極５４ａ，５４ｂに第１基板２０の電極２４ａ，２４ｂ（図３参照）が半田などで接続される。
本第２実施例において、リーダライタとの通信時には、導体パターン５１には矢印ｘで示す電流が流れ、主に開口部５２の縁部を流れる電流が第１実施例における第２インダクタパターン３１に流れる電流に相当し、第１インダクタパターン２１と第２インダクタパターン５３とが同相で結合する。従って、本無線通信デバイス２の動作や作用効果は、前記第１実施例である無線通信デバイス１と基本的に同様である。
なお、本第２実施例において、第２基板５０としては携帯電話などの移動体通信端末に搭載されているプリント配線板を利用し、導体パターン５１としては該プリント配線板に設けられているグランド導体を利用することができる。導体パターン５１としては、グランド導体以外に、シールドケースや金属カバー、バッテリーカバー、シャーシなどの金属部品を利用することもできる。
（他の実施例）
なお、本発明に係るＨＦ帯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。
例えば、第１インダクタパターンと第２インダクタパターンとは必ずしも同軸上で巻回されている必要はなく、それぞれの巻回軸がずれていてもよい。さらに、第１インダクタパターンと第２インダクタパターンとが平面視で重なることなく配置されており、それぞれの磁界が結合されていない場合であってもよい。また、前記実施例で具体的に示したインダクタのＬ値や基板のサイズはあくまで例示である。
以上のように、本発明は、ＨＦ帯無線通信デバイスに有用であり、特に、必要な通信距離を確保できるとともに、電力ロスが少なく、共振周波数が安定する点で優れている。
１，２…無線通信デバイス
１０…無線ＩＣ
２０…第１基板
２１…第１インダクタパターン
３０、５０…第２基板
３１，５３…第２インダクタパターン

Claims (3)

  1. 第１入出力端子および第２入出力端子を備え、無線信号を処理する無線ＩＣと、
    前記無線ＩＣの前記第１入出力端子に接続された第１インダクタパターンを備え、下面に前記第１入出力端子に前記第１インダクタパターンを介して接続された第１電極と前記第２入出力端子に接続された第２電極とを有する第１基板と、
    一端が前記第１電極、他端が前記第２電極にそれぞれ接続された第２インダクタパターンを有する第２基板と、
    容量と、
    を備えたＨＦ帯無線通信デバイスであって、
    直列接続されている第１のインダクタパターンと第２のインダクタパターンとに対して前記容量が並列接続される事により、共振回路が構成されており、
    前記第１インダクタパターンは、そのＬ値が前記第２インダクタパターンのＬ値よりも大きく、かつ、前記共振回路の共振周波数は第１インダクタパターンのＬ値が支配的であると共に、前記ＨＦ帯無線通信デバイスの共振周波数であり、
    前記第２インダクタパターンは、その巻径が前記第１インダクタパターンの巻径よりも大きく、かつ、第２インダクタパターンが主たる放射素子として機能すること、
    を特徴とするＨＦ帯無線通信デバイス。
  2. 前記第１インダクタパターンと前記第２インダクタパターンとは磁気的に同相で結合していること、を特徴とする請求項１に記載のＨＦ帯無線通信デバイス。
  3. 前記第１基板はリジッド基板であり、前記第２基板はフレキシブル基板であること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＨＦ帯無線通信デバイス。
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