JP5267463B2 - 無線ｉｃデバイス及び無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線ＩＣデバイス、特に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに用いられる無線ＩＣデバイス及び無線通信システムに関する。

従来、物品の管理システムとして、誘導電磁界を発生するリーダライタと物品や容器などに付された所定の情報を記憶したＩＣチップ（ＩＣタグ、無線ＩＣチップとも称する）とを非接触方式で通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが開発されている。ＩＣチップはアンテナ、即ち、放射板と接続されることによりリーダライタとの通信が可能になり、ＩＣチップを搭載するためのタグアンテナとしては、従来、特許文献１に記載されているものが知られている。

このタグアンテナは、ダイポールアンテナの両端部に線路幅の広い部分が形成され、その中央部の給電部にＬＳＩチップが搭載されることによりＲＦＩＤシステムとして機能する。そして、その給電部を取り囲むようにインダクタンス部が設けられ、該インダクタンス部によりＬＳＩチップとダイポールアンテナとのインピーダンスを整合している。

しかし、前記タグアンテナにおいては、インダクタンス部のみによりＬＳＩチップとダイポールアンテナとのインピーダンス整合を行っているため、インピーダンス整合が可能な周波数範囲が狭く、異なるインピーダンスを有するＬＳＩチップに対応できなかったり、インダクタンス部の製造ばらつきなどにより送受信できる信号の周波数がばらつき、ＲＦＩＤシステムとして動作しないという問題点があった。

また、特許文献１では、ダイポールアンテナの両端にダイポール部の線路幅よりも広い領域を形成することによりダイポールアンテナを小型化しているが、アンテナが小型になるため、信号の放射特性が悪くなり、所望の放射利得が得られる周波数範囲も狭くなるという問題点があった。

一方、本発明者は、この種のＩＣチップでは遠距離での通信と近距離での通信を使い分けることも必要であることに着目した。通常は遠距離での通信で情報を交換するが、特定の情報は近距離でのみ交換できることが好ましい場合があることによる。例えば、ＩＣチップの製造段階において、近接して配置された複数のＩＣチップに対してＩＤを付与したり、特性を検査する場合には、近接する他のＩＣチップと区別して特定のＩＣチップとのみリーダライタと近距離でのみ通信することが必要となる。

特許文献２には、ＵＨＦ帯周波数により通信するアンテナと、該アンテナのインピーダンスを調整するマッチング回路とを備えたＲＦＩＤタグを検査する際、前記マッチング回路にリーダライタのアンテナコイルを対向させ、該アンテナコイルから発信させた磁束により、ＲＦＩＤタグの制御回路を動作させてＲＦＩＤタグを検査することが記載されている。

しかし、このＲＦＩＤタグにおいて、マッチング回路部分の大きさはＩＣのインピーダンスによってほぼ決まり、磁束の交差する部分の面積を広くすることができず、ＲＦＩＤタグの制御回路を動作できる距離が短いという問題点があった。

なお、特許文献３には、ＩＣチップが実装された基板と他の電気回路の導電接続部とを強固に導通接続するインターポーザが記載されている。
特開２００６−２９５８７９号公報 特開２００７−７９６８７号公報 特開２００３−１６８７６０号公報

そこで、本発明の第１の目的は、無線ＩＣと放射板とのインピーダンス整合可能な周波数帯を広くし、かつ、所望の放射特性を広帯域に得られる無線ＩＣデバイスを提供することにある。

本発明の第２の目的は、簡単な製作工程で前記第１の目的を達成できる無線ＩＣデバイスを提供することにある。

本発明の第３の目的は、遠距離及び近距離での通信が可能であって、特に小さいエネルギーで近距離での通信が可能な無線ＩＣデバイス及び無線通信システムを提供することにある。

本発明の第１の形態である無線ＩＣデバイスは、
無線ＩＣと、
前記無線ＩＣと結合され、少なくとも一対の端部を有する環状電極と、
前記環状電極と結合するダイポール型の放射板と、
を備え、
前記環状電極の単体での共振周波数が前記放射板の単体での共振周波数よりも低く、
前記環状電極と前記放射板とは主に磁界を介して結合されていること、
を特徴とする。

前記第１の形態である無線ＩＣデバイスは、前記無線ＩＣと結合され、基材の少なくとも一方主面及び／又は基材の内部に形成した配線電極を有するインターポーザを備えていてもよく、この場合、前記配線電極は前記環状電極及び前記放射板の少なくともいずれか一方と結合している。

さらに、前記第１の形態である無線ＩＣデバイスは、前記無線ＩＣと結合され、インダクタンス素子を含んで所定の共振周波数を有する共振回路からなる給電回路を備えていてもよく、この場合、前記環状電極は前記一対の端部において前記給電回路と電磁界結合している。

本発明の第２の形態である無線ＩＣデバイスは、
無線ＩＣと、
前記無線ＩＣと結合され、少なくとも一対の端部を有する磁界用放射板と、
前記磁界用放射板と結合する電界用放射板と、
を備え、
前記磁界用放射板の単体での共振周波数が前記電界用放射板の単体での共振周波数よりも低く、
前記電界用放射板と前記放射板とは主に磁界を介して結合されていること、
を特徴とする。

前記第２の形態である無線ＩＣデバイスは、前記無線ＩＣと結合され、基材の少なくとも一方主面及び／又は基材の内部に形成した配線電極を有するインターポーザを備えていてもよく、この場合、前記配線電極は前記磁界用放射板及び前記電界用放射板の少なくともいずれか一方と結合している。

さらに、前記第２の形態である無線ＩＣデバイスは、前記無線ＩＣと結合され、インダクタンス素子を含んで所定の共振周波数を有する共振回路からなる給電回路を備えていてもよく、この場合、前記磁界用放射板は前記一対の端部において前記給電回路と電磁界結合している。

また、本発明の第３の形態である無線通信システムは、前記各種の無線ＩＣデバイスと、該無線ＩＣデバイスと通信を行うリーダライタとを備えた無線通信システムであって、前記リーダライタは環状電極からなる磁界用放射板を備えていること、を特徴とする。

前記無線ＩＣデバイスにおいては、所定の共振周波数を有する共振回路からなる給電回路により、リーダライタとの通信に使用する信号の周波数を実質的に決定することができる。この給電回路を、使用する無線ＩＣや放射板のインピーダンスに合わせて設計することにより、種々のインピーダンスに対応することができる。また、給電回路とダイポール型の放射板とに結合するように環状電極を配置することにより、環状電極から放射板へ伝達される信号の損失を小さくすることができ、信号の放射特性が向上する。

また、前記第１の形態である無線ＩＣデバイスのように、給電回路を有する給電回路基板を省略し、放射板に共振回路機能を持たせてもよい。さらに、無線ＩＣと環状電極との間にインターポーザを介在させてもよい。

また、前記第２の形態である無線ＩＣデバイスにおいては、磁界用放射板によって近距離での通信が可能となり、電界用放射板によって遠距離での通信が可能である。インピーダンスの整合を共振回路で行えば、磁界用放射板はインピーダンスのマッチングとは関係なく比較的自由に設計できるので、磁束が交差する面積を広く取ることができる。その結果、小さなエネルギーでリーダライタと近距離での通信が可能になる。

本発明によれば、環状電極を備えたことにより所望の放射特性を広帯域に得ることができる。また、磁界用放射板によって近距離での通信が可能となり、電界用放射板による遠距離での通信と併用することにより、近距離及び遠距離での通信を使い分けることができる。磁界用放射板はインピーダンスのマッチングとは関係なく磁束が交差する面積を広く取ることができるので、小さなエネルギーでリーダライタと近距離での通信が可能になる。

また、給電回路に含まれる共振回路を用いれば、無線ＩＣと放射板とのインピーダンス整合可能な周波数帯域を広くすることができる。さらに、無線ＩＣと環状電極との間にインターポーザを介在させれば、微小な無線ＩＣを実装したインターポーザを簡単な工程で環状電極に実装することができる。

以下、本発明に係る無線ＩＣデバイス及び無線通信システム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、部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施例、図１〜図５参照）
図１に本発明の第１実施例である無線ＩＣデバイス２Ａを示す。この無線ＩＣデバイス２Ａは、所定周波数の送受信信号を処理する無線ＩＣチップ５と、該無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０とからなる電磁結合モジュール１、及び、ＰＥＴフィルムなどの基材２０上に形成した放射板１５と環状電極２５にて構成されている。

なお、図１（Ａ）は電磁結合モジュール１を搭載した状態での無線ＩＣデバイスを示し、図１（Ｂ）は電磁結合モジュール１を搭載していない状態での放射板１５と環状電極２５を示している。図１（Ｃ）は放射板１５と環状電極２５との接続部２７の変形例を示している。

放射板１５は、電磁結合モジュール１の両側に延在するように配置され、いわゆるダイポール型の形状とされている。環状電極２５は一対の端部２６ａ，２６ｂが幅広に形成されており、この幅広な端部２６ａ，２６ｂに電磁結合モジュール１が搭載される。そして、環状電極２５の一部は放射板１５と接続部２７を介して電気的に導通するように接続されている。なお、放射板１５は、環状電極２５を含めてアルミ箔、銅箔などの導電材からなる金属薄板を基材２０上に貼着してパターニングしたり、あるいは、基材２０上にＡｌ、Ｃｕ、Ａｇなどの導電性ペーストを塗布したり、めっき処理により設けた膜をパターニングすることにより形成される。

給電回路基板１０は、図２に等価回路として示すように、互いに異なるインダクタンス値を有し、かつ、互いに逆相で磁気結合（相互インダクタンスＭで示す）されているインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を含む共振回路・整合回路を有する給電回路１１（詳細は図５を参照して以下に説明する）を備えている。

無線ＩＣチップ５は、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、必要な情報がメモリされており、裏面に図示しない一対の入出力端子電極及び一対の実装用端子電極が設けられている。図３に示すように、入出力端子電極は給電回路基板１０上に形成した給電端子電極４２ａ，４２ｂに、実装用端子電極は実装電極４３ａ，４３ｂに金属バンプなどを介して電気的に接続されている。

給電回路１１に含まれるインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２は逆相で磁気結合して無線ＩＣチップ５が処理する周波数に共振し、かつ、環状電極２５の端部２６ａ，２６ｂと電磁界結合している。また、給電回路１１は無線ＩＣチップ５のインピーダンス（通常５０Ω）と放射板１５のインピーダンス（空間のインピーダンス３７７Ω）とのマッチングを図っている。

従って、給電回路１１は、無線ＩＣチップ５から発信された所定の周波数を有する送信信号を環状電極２５を介して放射板１５に伝達し、かつ、放射板１５で受信して環状電極２５を経由した信号から所定の周波数を有する受信信号を選択し、無線ＩＣチップ５に供給する。それゆえ、この無線ＩＣデバイス２Ａは、放射板１５で受信した信号によって無線ＩＣチップ５が動作され、該無線ＩＣチップ５からの応答信号が放射板１５から外部に放射される。

また、環状電極２５は、端部２６ａから端部２６ｂまでの所定の長さを有し、この電気長に相当する所定の共振周波数を有している。また、放射板１５も同様にその電気長に相当する所定の共振周波数を有している。環状電極２５の共振周波数をｆ１、放射板１５の共振周波数をｆ２としたとき、ｆ１がｆ２よりも低い共振周波数となるように設計する。即ち、環状電極２５と放射板１５とをそれぞれ単体でみたとき、環状電極２５の電気長を放射板１５の電気長と同じかそれより長く設計する。さらに、環状電極２５と放射板１５とは、接続部２７を介して電気的に導通するように接続されている。より望ましくは、環状電極２５に流れる電流及び放射板１５に流れる電流が最大となる点を接続部とする。これにより、電磁結合モジュール１から送信された信号は、環状電極２５内を伝播し、直接放射板１５に伝達され、両者の電流が最大となる点を接続点とすることにより両者の結合をより強くすることができ、信号の伝達効率を向上させることができる。

そして、環状電極２５からは、その信号の一部が無線ＩＣデバイス２Ａの外部に磁界として放射され、かつ、放射板１５からも信号が外部に電界として放射される。このとき、環状電極２５の共振周波数ｆ１を放射板１５の共振周波数ｆ２よりも低い周波数になるように設計することにより、無線ＩＣデバイスとしての放射特性を広帯域化することができる。

図４は第１実施例である無線ＩＣデバイス２Ａの放射利得の周波数特性を示している。図４から明らかなように、環状電極２５と放射板１５とが結合している状態での環状電極２５による共振周波数と、放射板１５による共振周波数との間の周波数帯域１００ＭＨｚという広帯域にわたって１．５ｄＢ以上の高い放射利得が得られていることが分かる。なお、図４におけるマーカ１とマーカ２は、それぞれＵＨＦ帯のＲＦＩＤの上限と下限の使用周波数を示している。

さらに、無線ＩＣデバイス２Ａが送受信する信号の周波数をｆ０としたとき、ｆ０がマーカ１の周波数ｆ１'とマーカ２の周波数ｆ２'との間になるように設定することにより、所定の信号周波数ｆ０において十分な放射利得を得ることができる。また、環状電極２５及び放射板１５の製造上のばらつきにより周波数ｆ１'，ｆ２'が多少変動したとしても、二つの周波数ｆ１'，ｆ２'間では無線ＩＣデバイスとして問題なく動作させることができるため、無線ＩＣデバイスとしての信頼性が向上する。

ところで、環状電極２５と放射板１５とは接続部２７を介して接続されているため、環状電極２５と放射板１５とが結合することにより放射板１５の共振周波数ｆ２が単体での設計値よりも低くなる。このため、環状電極２５の単体での共振周波数ｆ１は、放射板１５の共振周波数ｆ２よりも低くなるように設計することが好ましい。それにより、無線ＩＣデバイス２Ａに前記周波数ｆ１'，ｆ２'の帯域内において十分な放射特性を持たせることができる。また、環状電極２５の単体での共振周波数ｆ１は、給電回路１１の有する共振回路の共振周波数よりも高く設計することが好ましい。前述のように、環状電極２５が放射板１５と結合することにより環状電極２５の共振周波数ｆ１が低くなる。そのため、環状電極２５の単体での共振周波数ｆ１を共振回路の共振周波数ｆ０よりも高く設計しておくことにより、無線ＩＣデバイス２Ａが動作している際、つまり、環状電極２５と放射板１５とが結合している状態では、共振周波数ｆ０を前記周波数ｆ１'，ｆ２'の帯域内に設定することができ、高い放射利得を有した状態で安定した通信を行うことができる。なお、放射板１５の共振周波数ｆ２は、信号の波長λに対して、λ／２未満であることが好ましい。

以上のように、無線ＩＣデバイス２Ａにあっては、給電回路基板１０に設けた給電回路１１で信号の共振周波数を設定するため、無線ＩＣデバイス２Ａを種々の物品に取り付けてもそのままで動作し、放射特性の変動が抑制され、個別の物品ごとに放射板１５などの設計変更をする必要がなくなる。そして、放射板１５から放射する送信信号の周波数及び無線ＩＣチップ５に供給する受信信号の周波数は、給電回路基板１０における給電回路１１の共振周波数に実質的に相当する。給電回路基板１０において送受信信号の周波数が決まるため、放射板１５及び環状電極２５の形状やサイズ、配置関係などによらず、例えば、無線ＩＣデバイス２Ａを丸めたり、誘電体で挟んだりしても、周波数特性が変化することなく、安定した周波数特性が得られる。

ここで、接続部２７における環状電極２５と放射板１５との結合度について説明する。この結合度は接続部２７における幅Ｗ及び間隔Ｌ（図１（Ｂ）参照）が影響する。幅Ｗ及び間隔Ｌが大きくなると結合度は小さくなる。

また、接続部２７は、図１（Ｃ）に示すように、２箇所で分岐していてもよい。この場合、幅Ｗ'が大きくなると結合度は大きくなり、間隔Ｌ'が大きくなると結合度は小さくなる。

ここで、給電回路基板１０の構成について図５を参照して説明する。給電回路基板１０は、誘電体あるいは磁性体からなるセラミックシート４１ａ〜４１ｈを積層、圧着、焼成したものである。最上層のシート４１ａには、給電端子電極４２ａ，４２ｂ、実装電極４３ａ，４３ｂ、ビアホール導体４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂが形成されている。２層目〜８層目のシート４１ｂ〜４１ｈには、それぞれ、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を構成する配線電極４６ａ，４６ｂが形成され、必要に応じてビアホール導体４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂが形成されている。

以上のシート４１ａ〜４１ｈを積層することにより、配線電極４６ａがビアホール導体４７ａにて螺旋状に接続されたインダクタンス素子Ｌ１が形成され、配線電極４６ｂがビアホール導体４７ｂにて螺旋状に接続されたインダクタンス素子Ｌ２が形成される。また、配線電極４６ａ，４６ｂの線間にキャパシタンスが形成される。

シート４１ｂ上の配線電極４６ａの端部４６ａ−１はビアホール導体４５ａを介して給電端子電極４２ａに接続され、シート４１ｈ上の配線電極４６ａの端部４６ａ−２はビアホール導体４８ａ，４５ｂを介して給電端子電極４２ｂに接続される。シート４１ｂ上の配線電極４６ｂの端部４６ｂ−１はビアホール導体４４ｂを介して給電端子電極４２ｂに接続され、シート４１ｈ上の配線電極４６ｂの端部４６ｂ−２はビアホール導体４８ｂ，４４ａを介して給電端子電極４２ａに接続される。

以上の給電回路１１において、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ逆方向に巻かれているため、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２で発生する磁界が相殺される。磁界が相殺されるため、所望のインダクタンス値を得るためには配線電極４６ａ，４６ｂをある程度長くする必要がある。これにてＱ値が低くなるので共振特性の急峻性がなくなり、共振周波数付近で広帯域化することになる。

インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２は、給電回路基板１０を平面透視したときに、左右の異なる位置に形成されている。また、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２で発生する磁界はそれぞれ逆向きになる。これにて、給電回路１１を環状電極２５の端部２６ａ，２６ｂに結合させたとき、端部２６ａ，２６ｂには逆向きの電流が励起され、環状電極２５にて放射板１５へ信号を送受信することができる。

なお、前記環状電極２５は本第１実施例のように矩形状ではなく、楕円形状など種々の形状であってもよい。この点は以下に説明する他の実施例においても同様である。

（第２実施例、図６参照）
図６に本発明の第２実施例である無線ＩＣデバイス２Ｂを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｂは、無線ＩＣチップ５と給電回路基板１０とからなる電磁結合モジュール１、環状電極２５、放射板１５を備えている点は前記第１実施例と同様である。異なるのは、放射板１５の端部１６ａ，１６ｂを環状電極２５の側方に沿って折り曲げている点である。

本第２実施例においては、放射板１５の端部１６ａ，１６ｂを環状電極２５側に折り曲げることにより、無線ＩＣデバイス２Ｂを小型化できる。さらに、放射板１５の端部１６ａ，１６ｂを所定の方向に向けることにより、所定の方向への指向性を向上することができる。また、端部１６ａ，１６ｂを含む折曲げ部分が環状電極２５に近接して配置されるので、副次的な電磁界結合が発生し、環状電極２５と放射板１５との結合をさらに強くすることができ、無線ＩＣデバイスの放射利得の向上や放射特性のさらなる広帯域化を図ることができる。

（第３実施例、図７参照）
図７に本発明の第３実施例である無線ＩＣデバイス２Ｃを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｃは、放射板１５の端部を幅広部１７ａ，１７ｂとしたものである。他の構成は前記第１及び第２実施例と同様であり、その作用効果も第１及び第２実施例と同様である。

（第４実施例、図８参照）
図８に本発明の第４実施例である無線ＩＣデバイス２Ｄを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｄは、放射板１５の幅広部１７ａ，１７ｂに空隙１８ａ，１８ｂを形成したものである。他の構成は前記第１及び第３実施例と同様であり、その作用効果も第１及び第３実施例と同様である。特に、本第４実施例では、幅広部１７ａ，１７ｂに空隙１８ａ，１８ｂを設けることにより、放射板１５の共振周波数を低くすることができ、放射板１５の全体的な長さを短くでき、無線ＩＣデバイスの放射特性を向上させながら、小型化を図ることができる。

（第５実施例、図９参照）
図９に本発明の第５実施例である無線ＩＣデバイス２Ｅを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｅは、環状電極２５の端部２６ａ，２６ｂを環状電極２５の内側に向けて折り曲げたものである。他の構成は前記第１及び第３実施例と同様であり、その作用効果も第１及び第３実施例と同様である。特に、本第５実施例では、端部２６ａ，２６ｂを環状電極２５の内側に向けて配置したため、端部２６ａ，２６ｂを含む折曲げ部分とそれに隣接する環状電極２５の線路部分とで容量が発生する。この容量と環状電極２５の長さにより環状電極２５の共振周波数を設計することができ、環状電極２５の全体的な長さを短くでき、無線ＩＣデバイスの小型化を図ることができる。また、環状電極２５の設計自由度が向上する。

（第６実施例、図１０参照）
図１０に本発明の第６実施例である無線ＩＣデバイス２Ｆを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｆは、環状電極２５と放射板１５とを前記接続部２７を介することなく絶縁して配置したものである。即ち、環状電極２５はその一部が放射板１５に平行状態で近接しており、近接部分が結合部２８として電磁界結合されることにより信号の受け渡しが行われる。

つまり、電磁結合モジュール１から発信された信号は環状電極２５内を伝播し、環状電極２５の周囲にその信号による磁界が発生する。環状電極２５に発生した磁界が結合部２８において放射板１５と結合することにより、信号の受け渡しが行われる。そして、結合部２８における環状電極２５と放射板１５との間隔や結合部２８の長さを変えることにより、その結合度を変更することができる。また、放射板１５と環状電極２５とが電気的に絶縁されて配置されているため、放射板１５から流入する静電気などが結合部２８において遮断され、無線ＩＣチップ５の静電気による破壊を防ぐこともできる。

なお、本第６実施例における他の構成は前記第１及び第３実施例と同様であり、その作用効果も基本的には前述のとおりである。

（第７実施例、図１１〜図１３参照）
図１１に本発明の第７実施例である無線ＩＣデバイス２Ｇを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｇは、前記第１実施例で示した電磁結合モジュール１及び基材２０上に形成した磁界用放射板５０と電界用放射板６０にて構成されている。

磁界用放射板５０は一対の端部５１ａ，５１ｂを有する環状電極によって構成され、端部５１ａ，５１ｂが給電回路基板１０の給電回路１１（図２参照）と電磁界結合している。電界用放射板６０は、基部６１ａ、折曲げ部６１ｂ、幅広端部６２ａ，６２ｂを有するダイポール型の形状をなし、接続部５７にて磁界用放射板５０と電気的に導通している。換言すれば、磁界用放射板５０は電界用放射板６０の一部に形成されている。なお、放射板５０，６０が電気的に絶縁状態で近接し、電磁界結合していてもよい（第６実施例、図１０参照）。

電界用放射板６０は前記放射板１５と同様にリーダライタと遠距離での通信に用いられる。磁界用放射板５０はリーダライタとの近距離での通信を可能とする。この近距離通信のために、リーダライタは図１２に示す環状電極からなる磁界用放射板７０を備えている。この磁界用放射板７０は無線ＩＣデバイス２Ｇの磁界用放射板５０と平面視でほぼ同じサイズである。磁界用放射板７０からは図１２に矢印で示す磁界が近接した場に発生し、磁界用放射板５０でも同様の磁界が近接した場に発生する。図１３に示すように、放射板５０，７０を重ね合わすことで両者が近接した位置で磁界的に結合し、近距離での通信が行われる。

放射板５０，６０と無線ＩＣチップ５とのインピーダンスの整合は給電回路１１の共振回路で行われ、磁界用放射板５０はインピーダンスのマッチングとは関係なく比較的自由に設計でき、磁束が交差する面積を広く取ることができる。その結果、小さなエネルギーでリーダライタと近距離での通信が可能になる。そして、無線ＩＣデバイス２Ｇが磁界用放射板５０と電界用放射板６０とを備えることにより、リーダライタと遠距離及び近距離での通信が可能になり、無線ＩＣデバイス２Ｇの用途が拡大する。また、磁界用放射板５０と電界用放射板６０はそれぞれ磁界と電界の放射であるために干渉が少なく、独立して設計することができる。

特に、無線ＩＣデバイス２Ｇの製造段階において、近接して配置された複数の無線ＩＣデバイス２Ｇに対してＩＤを付与したり、特性を検査する場合には、磁界用放射板５０及びリーダライタの磁界用放射板７０を使用することにより、近接する他の無線ＩＣデバイス２Ｇと区別して特定の無線ＩＣデバイス２Ｇとのみリーダライタと近距離で通信することができる。

（第８実施例、図１４参照）
図１４に本発明の第８実施例である無線ＩＣデバイス２Ｈを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｈは、プリント配線基板８０に設けたグランド電極８１を電界用放射板として利用したものである。グランド電極８１に空隙８２を形成し、端部８３ａ，８３ｂに電磁結合モジュール１を結合させている。従って、空隙８２の周囲（一点鎖線で示す領域８４）が磁界用放射板として機能する。また、グランド電極８１のいま一つの空隙８５に形成されている電極８６は配線パターンであり、スルーホールを介して図示しない内部素子と接続されている。

本第８実施例の作用効果は前記第７実施例と同様であり、特に、放射板としてグランド電極８１を利用しているために別途放射板を形成する必要がない。また、プリント配線基板８０を内蔵した機器（例えば、携帯電話）の製造工程において本無線ＩＣデバイス２Ｈに個別のＩＤを書き込むことにより、工程管理や履歴管理などに用いることができる。

（第９実施例、図１５参照）
図１５に本発明の第９実施例である無線ＩＣデバイス２Ｉを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｉは、基材９０のほぼ全面に設けた電極９１を電界用放射板として利用したものである。電極９１に空隙９２を形成し、端部９３ａ，９３ｂに電磁結合モジュール１を結合させている。従って、空隙９２の周囲（一点鎖線で示す領域９４）が磁界用放射板として機能する。

（第１０実施例、図１６及び図１７参照）
図１６及び図１７に本発明の第１０実施例である無線ＩＣデバイス２Ｊを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｊは、環状電極２５の一対の端部２６ａ，２６ｂ上に無線ＩＣチップ５を導電性接合剤６を介して実装したもので、環状電極２５とダイポール型の放射板１５とが結合している。換言すれば、本第１０実施例は前記第３実施例において給電回路基板１０を省略し、環状電極２５にインピーダンス整合回路（共振回路）としての機能を持たせており、給電回路を省略しているが、無線信号の送受信を支障なく行うことができる。

なお、環状電極２５の一対の端部２６ａ，２６ｂは、本実施例においてはダイポール型の放射板１５との接続部２７から最も離れた位置に配置しているが、端部２６ａ，２６ｂをダイポール型の放射板１５に近接して配置しても構わない。

（第１１実施例、図１８及び図１９参照）
図１８及び図１９に本発明の第１１実施例である無線ＩＣデバイス２Ｋを示す。この無線ＩＣデバイス２Ｋは、環状電極２５の一対の端部２６ａ，２６ｂ上にインターポーザ７を介して無線ＩＣチップ５を実装したもので、環状電極２５とダイポール型の放射板１５とが結合している。インターポーザ７は、ＰＥＴフィルムなどからなる基材８の表面に配線電極９ａ，９ｂが形成されており、配線電極９ａ，９ｂが環状電極２５の端部２６ａ，２６ｂと対向して結合するように貼着し、配線電極９ａ，９ｂと端部２６ａ，２６ｂとは容量結合している。そして、配線電極９ａ，９ｂ上に導電性接合剤６を介して無線ＩＣチップ５が実装されている。

インターポーザ７は無線ＩＣチップ５と環状電極２５とを接続する機能を有し、給電回路としての機能を備えていない。この点で本第１１実施例は、給電回路基板１０を省略した前記第１０実施例と同様である。第１０実施例のように、無線ＩＣチップ５を直接的に基材２０上に自動実装することは、無線ＩＣチップ５が微小部品であるだけに困難である。しかし、無線ＩＣチップ５をインターポーザ７上に自動実装することは大きさがそれほど違わない部品どうしを実装するので、比較的容易に自動実装することができる。無線ＩＣチップ５を実装した比較的大きなサイズのインターポーザ７を基材２０上に貼着すればよく、この貼着には厳しい精度は要求されない。それゆえ、本第１１実施例は第１０実施例と比べて、製作が容易である。

なお、本実施例においてインターポーザ７は環状電極２５の端部２６ａ，２６ｂに結合するように配置しているが、環状電極２５と放射板１５の端部である幅広部１７ａ,１７ｂとが近接している部分などに配置しても構わない。両者に同時に結合させることにより無線ＩＣデバイスとしての放射特性を向上させることができる。また、インターポーザ７の配線電極９ａ，９ｂと環状電極２５の端部２６ａ，２６ｂは容量結合だけでなく、磁界結合させてもよく、さらに、導電性接着剤で導通接続させても構わない。

（電界用放射板と磁界用放射板との近接配置）
ところで、前記第７、第８及び第９実施例では、電界用放射板と磁界用放射板とを備えた無線ＩＣデバイスとして説明したが、第１〜第６実施例及び第１０、第１１実施例においても、ダイポール型の放射板１５が電界用放射板として機能するのみならず、環状電極２５が磁界用放射板として機能する。この場合、電界用放射板で発生する電界と磁界用放射板で発生する磁界とが直交するように両者を配置することができる。

従来は電界用放射板と磁界用放射板とを近接配置することはできなかった。その理由は、二つの放射板の中心軸がずれたり、電界と磁界が互いに直交することができず、相互に干渉し合うためであった。しかし、前記それぞれの実施例では、磁界用放射板として環状電極を使用し、その周囲に発生する磁界を利用して通信を行っている。磁界用放射ではその電極面の上面、下面、上辺及び下辺方向に電界が放射状に発生する。前記実施例では環状電極で発生する磁界の接線方向に電界が放射されるため、磁界と電界とが直交し、両者が結合しない。それゆえ、電界用放射板と磁界用放射板とを近接配置することができ、放射特性のよい無線ＩＣデバイスとすることができる。

なお、磁界用放射板と電界用放射板と隣接している部分では、磁界用放射板の周囲に発生した磁界が電界用放射板の縁端部に結合し、電界用放射板と磁界用放射板とが磁界結合する。電界用放射板は磁界結合するが、放射される信号の大部分が電界であるため、電界用放射板として機能する。

（リーダライタの放射板、図２０参照）
図２０に前記第７、第８、第９実施例である無線ＩＣデバイス２Ｇ，２Ｈ，２Ｉと組み合わせて（第１〜第６実施例及び第１０、第１１実施例とも組み合わせることが可能である）無線通信システムを構成するリーダライタの放射板を示す。この放射板は、図１２に示した磁界用放射板７０と、ダイポール型の電界用放射板７５とを備えている。電界用放射板７５の端部７６はリーダライタのポート１に接続され、磁界用放射板７０の端部７１はリーダライタのポート２に接続されている。

このリーダライタはポート１，２を切り替えて信号を送受信することにより、無線ＩＣデバイスが磁界用放射板又は電界用放射板のいずれで動作したのか判別できる機能を備えている。それゆえ、この無線通信システムでは、無線ＩＣデバイスが近接した位置にあるのか、遠方にあるのかを検出でき、それに対応した情報を交換することが可能である。

（無線通信システムの一実施例、図２１参照）
図２１に本発明に係る無線通信システムの一実施例を示す。この無線通信システムは、磁界用放射板と電界用放射板（例えば、図１６に示した放射板７０，７５）を備えたリーダライタ１００をドア１１０の近辺に配置し、室内要員が携帯するセキュリティカード１１５には前記無線ＩＣデバイスのいずれかが形成されている。

リーダライタ１００及び無線ＩＣデバイスのそれぞれの電界用放射板を使用して通信することにより、室内に入っている要員のセキュリティカード１１５に内蔵された無線ＩＣデバイスと情報を交換する。また、リーダライタ１００にセキュリティカード１１５を近接させることにより、それぞれの磁界用放射板を使用して通信し、ドア１１０を自動的に開けるように制御する。即ち、一つのリーダライタ１００によって、ドア１１０の開閉にセキュリティカード１１５を携帯する要員の意思を反映でき、かつ、室内にいる要員の情報を把握することができる。

（実施例のまとめ）
前記無線ＩＣデバイスにおいて、給電回路は給電回路基板に形成されており、無線ＩＣと給電回路基板とで電磁結合モジュールを構成していてもよい。

環状電極の単体での共振周波数は共振回路の共振周波数よりも高く、かつ、放射板の単体での共振周波数よりも低いことが好ましい。さらに、環状電極と放射板とが結合している状態において放射板にて送受信される信号の周波数は、環状電極の共振周波数よりも高く、かつ、放射板の共振周波数よりも低いことが好ましい。環状電極の共振周波数を放射板の共振周波数よりも低くすることにより、信号の放射特性を広帯域化することができる。また、送受信される信号の周波数が環状電極と放射板の共振周波数の間になるように環状電極と放射板を設計すればよく、信号の使用周波数が異なる世界各国のＲＦＩＤシステムに対応可能である。

環状電極の周囲に発生した磁界とダイポール型の放射板の周囲に発生した電界とが直交するように、環状電極と放射板とを配置してもよい。

また、環状電極は放射板と電気的に導通していてもよい。これにて、環状電極と放射板の結合をより強くすることができ、環状電極と放射板との間の信号の伝達効率を向上させることができ、良好な放射特性を得ることができる。一方、環状電極をその一部が放射板に近接して配置することで、さらに良好な放射特性を得ることができる。

また、環状電極と放射板とを同一の基材上に形成してもよい。これにて、両者を同一の工程で製造することができる。

また、放射板の両端部に該放射板の長手方向の中央部分の線幅よりも広い幅広部を設けてもよく、該幅広部に空隙を設けてもよい。放射板の両端部に幅広部を設けることにより、放射板の長さを短くすることができ、無線ＩＣデバイスが小型化する。

あるいは、環状電極の一対の端部を該環状電極の内側に向けて配置してもよい。これにて、環状電極が部分的に近接して配置されるため、隣接する電極間で容量が発生し、その容量成分と環状電極のインダクタンス成分とで環状電極の共振周波数を設計することができる。それゆえ、環状電極を短くして無線ＩＣデバイスを小型化することができる。

前記無線ＩＣデバイスにおいて、放射板にて送受信される信号の周波数は、共振回路の共振周波数によって実質的に決定される。それゆえ、環状電極や放射板の形状、サイズなどを自由に設計することができる。

さらに、給電回路基板はセラミック又は樹脂からなる多層基板であってもよい。特に、給電回路を構成するインダクタンス素子が基板に内蔵されることで、給電回路が基板外部の影響を受けにくくなり、放射特性の変動を抑制できる。

前記放射板は電界用放射板として機能し、前記環状電極は磁界用放射板として機能する。リーダライタに環状電極からなる磁界用放射板を設け、該磁界用放射板を無線ＩＣデバイスの磁界用放射板（環状電極）に近接させることで、無線ＩＣに内蔵されている制御回路を動作させることができる。前記無線ＩＣデバイスにおいてインピーダンスの整合は共振回路で行われ、磁界用放射板はインピーダンスのマッチングとは関係なく比較的自由に設計できるので、磁束が交差する面積を広く取ることができる。その結果、小さなエネルギーでリーダライタと近距離での通信が可能になる。無線ＩＣデバイスが磁界用放射板と電界用放射板とを備えることにより、リーダライタと遠距離及び近距離での通信が可能になり、無線ＩＣデバイスの用途が拡大する。

なお、前記第１〜第６実施例、第１０実施例及び第１１実施例における環状電極２５は前記第７実施例に示した磁界用放射板５０としても機能する。従って磁界用放射板５０に関する説明は環状電極２５に対しても妥当する。

（他の実施例）
なお、本発明に係る無線ＩＣデバイス及び無線通信システム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、前記実施例に示した放射板や基材の材料はあくまで例示である、必要な特性を有する材料であれば、任意のものを使用することができる。また、無線ＩＣチップを平面電極に接続するのに、金属バンプ以外の処理を用いてもよい。

さらに、無線ＩＣは給電回路基板内の素子として作製しても構わない。給電回路基板内に無線ＩＣ部を形成することにより、無線ＩＣ部と給電回路との接続部における寄生成分をなくすことができ、無線ＩＣデバイスの特性を向上させることができる。また、無線ＩＣデバイスの低背化も可能である。

また、各実施例において、環状電極や放射板は左右対称に形成したものを示したが、左右対称ではなく、それぞれの環状電極は異なる位置で放射板と接続ないし結合していてもよい。

以上のように、本発明は、無線ＩＣデバイス及び無線通信システムに有用であり、特に、無線ＩＣと放射板とのインピーダンス整合可能な周波数帯を広くし、かつ、所望の放射特性を広帯域に得られる点で優れている。

第１実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第１実施例である無線ＩＣデバイスの給電回路を示す等価回路図。 第１実施例である無線ＩＣデバイスを構成する給電回路基板上に無線ＩＣチップを搭載した状態を示す斜視図。 第１実施例である無線ＩＣデバイスの放射利得の周波数特性を示すグラフ。 第１実施例である無線ＩＣデバイスを構成する給電回路基板の積層構造を示す平面図。 第２実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第３実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第４実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第５実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第６実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第７実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 リーダライタの放射板の第１例を示す平面図。 第７実施例である無線ＩＣデバイスに前記リーダライタの放射板を重ねた状態を示す平面図。 第８実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第９実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第１０実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第１０実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す断面図。 第１１実施例である無線ＩＣデバイスを示す平面図。 第１１実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す断面図。 リーダライタの放射板の第２例を示す平面図。 本発明に係る無線通信システムの一実施例を示す説明図。

１…電磁結合モジュール
２Ａ〜２Ｋ…無線ＩＣデバイス
５…無線ＩＣチップ
７…インターポーザ
８…基材
９ａ，９ｂ…配線電極
１０…給電回路基板
１１…給電回路
１５…放射板
１６ａ，１６ｂ…端部
１７ａ，１７ｂ…幅広部
１８ａ，１８ｂ…空隙
２０…基材
２５…環状電極
２６ａ，２６ｂ…端部
２７…接続部
２８…結合部
５０…磁界用放射板
６０…電界用放射板
７０…リーダライタの磁界用放射板
７５…リーダライタの電界用放射板
１００…リーダライタ
１１５…セキュリティカード
Ｌ１，Ｌ２…インダクタンス素子

Claims (32)

1. 無線ＩＣと、
   前記無線ＩＣと結合され、少なくとも一対の端部を有する環状電極と、
   前記環状電極と結合するダイポール型の放射板と、
   を備え、
   前記環状電極の単体での共振周波数が前記放射板の単体での共振周波数よりも低く、
   前記環状電極と前記放射板とは主に磁界を介して結合されていること、
   を特徴とする無線ＩＣデバイス。
2. 前記無線ＩＣと結合され、基材の少なくとも一方主面及び／又は基材の内部に形成した配線電極を有するインターポーザを備え、
   前記配線電極は前記環状電極及び前記放射板の少なくともいずれか一方と結合していること、
   を特徴とする請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
3. 前記無線ＩＣと結合され、インダクタンス素子を含んで所定の共振周波数を有する共振回路からなる給電回路を備え、
   前記環状電極は前記一対の端部において前記給電回路と電磁界結合していること、
   を特徴とする請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
4. 前記給電回路は給電回路基板に形成されており、
   前記無線ＩＣと前記給電回路基板とで電磁結合モジュールを構成していること、
   を特徴とする請求項３に記載の無線ＩＣデバイス。
5. 前記環状電極の単体での共振周波数は前記共振回路の共振周波数よりも高いこと、を特徴とする請求項３又は請求項４に記載の無線ＩＣデバイス。
6. 前記環状電極と前記放射板とが結合している状態において前記放射板にて送受信される信号の周波数は、前記環状電極の共振周波数よりも高く、かつ、前記放射板の共振周波数よりも低いこと、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
7. 前記環状電極の周囲に発生した磁界と前記放射板の周囲に発生した電界とが直交するように、前記環状電極と前記放射板とを配置したこと、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
8. 前記環状電極は前記放射板と電気的に導通していることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
9. 前記環状電極はその一部が前記放射板に近接していることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
10. 前記環状電極と前記放射板とを同一の基材上に形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
11. 前記放射板の両端部に該放射板の長手方向の中央部分の線幅よりも広い幅広部を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
12. 前記幅広部に空隙を設けたことを特徴とする請求項１１に記載の無線ＩＣデバイス。
13. 前記環状電極の前記一対の端部を該環状電極の内側に向けて配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
14. 前記放射板にて送受信される信号の周波数は、前記共振回路の共振周波数によって実質的に決定されること、を特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
15. 前記給電回路基板はセラミック又は樹脂からなる多層基板であることを特徴とする請求項４に記載の無線ＩＣデバイス。
16. 無線ＩＣと、
    前記無線ＩＣと結合され、少なくとも一対の端部を有する磁界用放射板と、
    前記磁界用放射板と結合する電界用放射板と、
    を備え、
    前記磁界用放射板の単体での共振周波数が前記電界用放射板の単体での共振周波数よりも低く、
    前記電界用放射板と前記放射板とは主に磁界を介して結合されていること、
    いこと、
    を特徴とする無線ＩＣデバイス。
17. 前記無線ＩＣと結合され、基材の少なくとも一方主面及び／又は基材の内部に形成した配線電極を有するインターポーザを備え、
    前記配線電極は前記磁界用放射板及び前記電界用放射板の少なくともいずれか一方と結合していること、
    を特徴とする請求項１６に記載の無線ＩＣデバイス。
18. 前記無線ＩＣと結合され、インダクタンス素子を含んで所定の共振周波数を有する共振回路からなる給電回路を備え、
    前記磁界用放射板は前記一対の端部において前記給電回路と電磁界結合していること、
    を特徴とする請求項１６に記載の無線ＩＣデバイス。
19. 前記給電回路は給電回路基板に形成されており、
    前記無線ＩＣと前記給電回路基板とで電磁結合モジュールを構成していること、
    を特徴とする請求項１８に記載の無線ＩＣデバイス。
20. 前記磁界用放射板は環状電極によって構成され、前記電界用放射板はダイポール型の放射板によって構成されていること、を特徴とする請求項１６ないし請求項１９のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
21. 前記磁界用放射板の単体での共振周波数は前記共振回路の共振周波数よりも高いこと、を特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の無線ＩＣデバイス。
22. 前記磁界用放射板と前記電界用放射板とが結合している状態において前記電界用放射板にて送受信される信号の周波数は、前記磁界用放射板の共振周波数よりも高く、かつ、前記電界用放射板の共振周波数よりも低いこと、を特徴とする請求項１６ないし請求項２１のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
23. 前記磁界用放射板の周囲に発生した磁界と前記電界用放射板の周囲に発生した電界とが直交するように、前記磁界用放射板と前記電界用放射板とを配置したこと、を特徴とする請求項１６ないし請求項２２のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
24. 前記磁界用放射板は前記電界用放射板と電気的に導通していることを特徴とする請求項１６ないし請求項２３のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
25. 前記磁界用放射板はその一部が前記電界用放射板に近接していることを特徴とする請求項１６ないし請求項２４のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
26. 前記磁界用放射板と前記電界用放射板とを同一の基材上に形成したことを特徴とする請求項１６ないし請求項２５のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
27. 前記電界用放射板の両端部に該電界用放射板の長手方向の中央部分の線幅よりも広い幅広部を設けたことを特徴とする請求項１６ないし請求項２６のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
28. 前記幅広部に空隙を設けたことを特徴とする請求項２７に記載の無線ＩＣデバイス。
29. 前記磁界用放射板の前記一対の端部を該磁界用放射板の内側に向けて配置したことを特徴とする請求項１６ないし請求項２８のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
30. 前記電界用放射板にて送受信される信号の周波数は、前記共振回路の共振周波数によって実質的に決定されること、を特徴とする請求項１８、請求項１９又は請求項２１に記載の無線ＩＣデバイス。
31. 前記給電回路基板はセラミック又は樹脂からなる多層基板であることを特徴とする請求項１９に記載の無線ＩＣデバイス。
32. 請求項１ないし請求項３１のいずれかに記載の無線ＩＣデバイスと、該無線ＩＣデバイスと通信を行うリーダライタとを備えた無線通信システムであって、
    前記リーダライタは環状電極からなる磁界用放射板を備えていること、
    を特徴とする無線通信システム。

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