WO2010021217A1 - 無線ｉｃデバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

　小型・薄型化を損なうことなく、金属、水分、塩分などを含む物品に添付しても非接触型のＲＦＩＤシステムとして機能する無線ＩＣデバイス及びその製造方法を得る。 　所定の無線信号を処理する無線ＩＣチップ（１０）と、無線ＩＣチップ（１０）を搭載した給電回路基板（２０）と、無線ＩＣチップ（１０）と給電回路基板（２０）を介して結合されたループ状電極（３０）と、ループ状電極（３０）に結合された第１電極板（５０）及び第２電極板（６０）とからなる無線ＩＣデバイス。ループ状電極（３０）は第１電極板（５０）と第２電極板（６０）との間に挟まれており、そのループ面が第１及び第２電極板（５０），（６０）に対して垂直に又は傾斜するように配置されている。第１電極板（５０）及び第２電極板（６０）のうち少なくとも第１電極板（５０）が無線信号の送受信に用いられる。

Description

無線ＩＣデバイス及びその製造方法

　本発明は、無線ＩＣデバイス、特に、非接触型のＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに用いられる無線ＩＣデバイス及びその製造方法に関する。

　近年、物品を管理するための情報を電子的に記憶することができ、所定の無線信号を処理する無線ＩＣチップと、この無線ＩＣチップとリーダライタとの間で無線信号の送受信を行うアンテナとを備えた無線ＩＣデバイスが、その多様な可能性から注目を集めている。このような無線ＩＣデバイスを用いたシステムは、一般的にはＲＦＩＤシステムと呼ばれ、無線ＩＣデバイス（カード、タグ、インレットなどの形態をとる）とこれに対して読み書きを行うリーダライタとの組み合わせによって、様々な場面で個体認証やデータの送受信に利用可能である。

　ところで、このような非接触型のＲＦＩＤシステムにおいては、無線ＩＣデバイスを添付する対象物である物品が、金属、水分、塩分などを含むものである場合、物品に渦電流が生じ、その渦電流による影響でアンテナが正常に動作しない場合がある。即ち、物品にアンテナを平面的に貼付すると、周波数によっても異なるが特に高周波帯で動作する無線ＩＣデバイスでは前記渦電流で電磁波が吸収されてしまうため、情報の送受信が不良又は不可能になることがある。

　そこで、例えばＨＦ帯で動作する無線ＩＣデバイスでは、アンテナと物品との間に磁性部材を配置する手法が提案されている（例えば、特許文献１，２，３参照）。あるいは、ＵＨＦ帯で動作する無線ＩＣデバイスでは、アンテナを物品から離間して配置する手法が提案されている（特許文献４，５参照）。

　しかしながら、無線ＩＣデバイスは小型・薄型であることが多様な用途に適用するために要求されており、アンテナと物品との間に磁性部材を配置したり、アンテナを物品から離間して配置すると、小型・薄型化に十分に対応できない。

特開２００４－３０４３７０号公報 特開２００５－３４０７５９号公報 特開２００６－１３９７６号公報 特開２００７－１７２３６９号公報 特開２００７－１７２５２７号公報

　そこで、本発明の目的は、小型・薄型化を損なうことなく、金属、水分、塩分などを含む物品に添付しても非接触型のＲＦＩＤシステムとして機能する無線ＩＣデバイス及びその製造方法を提供することにある。

　前記目的を達成するため、本発明の第１の形態である無線ＩＣデバイスは、
　所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、
　前記無線ＩＣと結合されたループ状電極と、
　前記ループ状電極に結合された第１電極板及び第２電極板と、
　を備え、
　前記ループ状電極は前記第１電極板と前記第２電極板との間に挟まれており、
　前記ループ状電極は、そのループ面が、前記第１電極板及び第２電極板に対して垂直に又は傾斜するように配置されており、
　前記第１電極板及び前記第２電極板のうち少なくとも第１電極板が前記無線信号の送受信に用いられること、
　を特徴とする。

　本発明の第２の形態である無線ＩＣデバイスの製造方法は、
　所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、
　前記無線ＩＣと結合されたループ状電極と、
　前記ループ状電極に結合された第１電極板及び第２電極板と、
　を備え、
　前記ループ状電極は前記第１電極板と前記第２電極板との間に挟まれており、
　前記ループ状電極は、そのループ面が、前記第１電極板及び第２電極板に対して垂直に又は傾斜するように配置されており、
　前記第１電極板及び前記第２電極板のうち少なくとも第１電極板が前記無線信号の送受信に用いられる、
　無線ＩＣデバイスの製造方法であって、
　１枚の金属板に前記第１電極板と前記ループ状電極とをパターニングする工程と、
　前記ループ状電極を前記第１電極板に対して垂直に又は傾斜するように折り曲げる工程と、
　を備えたことを特徴とする。

　前記無線ＩＣデバイスにおいて、無線ＩＣと結合されたループ状電極は、第１電極板及び第２電極板に挟まれ、かつ、そのループ面が、第１電極板及び第２電極板に対して垂直に又は傾斜するように配置されているため、ループ面を通過する磁場は、第１電極板及び第２電極板に対してほぼ平行に形成される磁界を、第１電極板及び第２電極板に電磁結合する磁界を形成する。そして、無線ＩＣはループ状電極を介して第１電極板及び第２電極板にエネルギーのロスが少なく結合される。そして、第１電極板が主に無線信号の送受信に用いられ、第２電極板は主に他の物品からの、あるいは他の物品への障害の遮蔽板として、特に第２電極板が第１電極板よりも広い面積である場合に放射板としても機能し、この場合には利得が大きくなるとともに指向性が改善される。それゆえ、本無線ＩＣデバイスを金属、水分、塩分などを含む物品に添付しても、第２電極板を物品側に向けて配置すれば、非接触型のＲＦＩＤシステムとして機能する。

　本発明によれば、無線ＩＣと第１電極板及び第２電極板とをループ状電極を介して結合し、該ループ状電極は第１電極板及び第２電極板との間に挟まれ、そのループ面が第１電極板及び第２電極板に対して垂直に又は傾斜するように配置されているため、無線ＩＣデバイスは小型・薄型化を維持し、金属、水分、塩分などを含む物品に添付しても非接触型のＲＦＩＤシステムとして機能することになる。

第１実施例である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図。 第１実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す正面図 第１実施例である無線ＩＣデバイスの等価回路図。 第１実施例である無線ＩＣデバイスの給電回路基板を示す断面図。 第１実施例である無線ＩＣデバイスの給電回路基板の積層構造を示す分解平面図。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの動作原理を示す説明図。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの動作原理を示す他の説明図。 第１実施例である無線ＩＣデバイスの利得特性を示すグラフ。 ループ状電極の形成工程を示す平面図。 ループ状電極の形成工程を示す斜視図。 第２実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す正面図。 第２実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す説明図。 第３実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す正面図。 第４実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す正面図。 第５実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す正面図。 第６実施例である無線ＩＣデバイスを示す正面図。 第６実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す正面図。 第７実施例である無線ＩＣデバイスの要部を示す正面図。

　以下に、本発明に係る無線ＩＣデバイス及びその製造方法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１０参照）
　第１実施例である無線ＩＣデバイスは、図１に示すように、所定周波数の送受信信号を処理する無線ＩＣチップ１０（図４参照）を搭載した給電回路基板２０と、給電回路基板２０を介して無線ＩＣチップ１０と結合されたループ状電極３０と、該ループ状電極３０に結合された第１電極板５０及び第２電極板６０とから構成されている。

　ループ状電極３０は、図２に示すように、第１電極板５０及び第２電極板６０との間に挟まれており、そのループ面が第１電極板５０及び第２電極板６０に対して垂直になるように（または傾斜するように）配置されている。第１電極板５０及び第２電極板６０は、金属材であれば鉄、アルミニウムなど、磁性体又は非磁性体のいずれであってもよい。また、第１電極板５０及び第２電極板６０の間にはループ状電極３０や給電回路基板２０を含めて樹脂材５５が充填されている。図１では、第２電極板６０は第１電極板５０よりも広い面積に描かれているが、第１電極板５０と同じ大きさの面積を有していてもよい。

　給電回路基板２０は所定の共振周波数で動作する共振回路を含む（インピーダンス整合回路を含んでいてもよい）給電回路２１を有している。この給電回路２１は、図３に示すように、コイル状の二つのインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を備え、該インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２はループ状電極３０の両端結合部３１，３２と電磁界的に結合している。ループ状電極３０は、第１部分３０ａ、第２部分３０ｂ、第３部分３０ｃを有し、第３部分３０ｃの中央部である結合部３３において第１電極板５０と電気的に結合（ＤＣ直結）し、第１部分３０ａにおいて第２電極板６０と電磁界結合している。

　無線ＩＣチップ１０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。入出力端子電極は給電回路基板２０上に形成した給電端子電極４２ａ，４２ｂ（図４及び図５参照）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。また、給電回路基板２０はインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２がループ状電極３０の両端結合部３１，３２にそれぞれ対向するように樹脂接着剤５６にて貼着されている。

　給電回路２１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広帯域化され、無線ＩＣチップ１０が処理する周波数に共振し、かつ、ループ状電極３０と電磁界結合している。また、給電回路２１は無線ＩＣチップ１０のインピーダンス（通常５０Ω）と第１電極板５０及び第２電極板６０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２１は、無線ＩＣチップ１０から発信された所定の周波数を有する送信信号を第１電極板５０（及び第２電極板６０）に伝達し、かつ、第１電極板５０（及び第２電極板６０）で受信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１０に供給する。それゆえ、この無線ＩＣデバイスは、第１電極板５０（及び第２電極板６０）で受信した信号によって無線ＩＣチップ１０が動作され、該無線ＩＣチップ１０からの応答信号が第１電極板５０（及び第２電極板６０）から外部に放射される。

　ここで、本無線ＩＣデバイスの動作原理について図６及び図７を参照して説明する。図６は、ループ状電極３０によって生じる電磁界分布（磁界Ｈ、電界Ｅ）を概略的に示している。ループ状電極３０は第１電極板５０に対して垂直に配置されているため、磁界Ｈは第１電極板５０の表面に対して平行に発生し、第１電極板５０の表面に対してほぼ垂直に電界Ｅを誘起し、この電界Ｅのループによってさらに磁界Ｈのループを誘起し、その連鎖により電磁界分布が広がる。

　また、図７に示すように、リーダライタからの高周波信号（磁界Ｈ１）により、第１電極板５０の表面全体に渦電流Ｊが発生し、この渦電流Ｊにより第１電極板５０の表面に垂直な方向に磁界Ｈ２が発生する。そして、ループ状電極３０は磁界Ｈ２と結合する。

　このように、第１電極板５０が主に無線信号の送受信に用いられ、第１電極板５０と容量結合している第２電極板６０は主に他の物品からの障害の遮蔽板として機能する。それゆえ、本無線ＩＣデバイスを金属、水分、塩分などを含む物品に添付しても、第２電極板６０を物品側に向けて配置すれば、非接触型のＲＦＩＤシステムとして機能する。そして、第２電極板６０は第１電極板５０よりも広い面積である場合に放射板としても機能し、この場合には利得が大きくなるとともに指向性が改善される。ループ状電極３０は１０ｍｍ以下さらには１ｍｍ以下の高さに形成することができ、無線ＩＣデバイスの小型・薄型化を損なうことはない。なお、第２電極板６０が円筒状である場合、放射される信号の指向性はほぼ円形になり、第２電極板６０側からでも信号の送受が可能になる。

　本第１実施例において、給電回路基板２０は以下の機能を有している。給電回路基板２０に設けた給電回路２１で信号の共振周波数を設定するため、本無線ＩＣデバイス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、個別の物品ごとに第１電極板５０及び第２電極板６０などの設計変更をする必要がなくなる。そして、第１電極板５０（及び第２電極板６０）から放射する送信信号の周波数及び無線ＩＣチップ１０に供給する受信信号の周波数は、給電回路基板２０における給電回路２１の共振周波数に実質的に相当することになり、安定した周波数特性が得られる。

　ここで、給電回路基板２０の構成について図５を参照して説明する。給電回路基板２０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２１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２０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２１をループ状電極３０の両端結合部３１，３２に結合させたとき、結合部３１，３２には逆向きの電流が励起され、ループ状電極３０を介して信号を送受信することができる。なお、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を結合部３１，３２に電気的に接続させてもよい。

　なお、給電回路基板２０は、セラミック又は樹脂からなる多層基板であってもよく、あるいは、ポリイミドや液晶ポリマなどの誘電体からなるフレキシブルなシートを積層した基板であってもよい。特に、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２が給電回路基板２０に内蔵されることで、給電回路２１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。

　なお、本第１実施例である無線ＩＣデバイスにおいて、前記給電回路基板２０は必ずしも必要なものではなく、無線ＩＣチップ１０が直接にループ状電極３０の結合部３１，３２に結合されていてもよい。

　図８に本無線ＩＣデバイスにおいてループ状電極３０によって得られる利得特性を示す。図８のデータは、以下の仕様によって得られた。第２電極板６０は３０×３０ｍｍ、厚さ３ｍｍである。第１電極板５０は横幅Ｃが８５ｍｍ、縦幅Ｄが４５ｍｍ、厚さ１００μｍである。ループ状電極３０の第３部分３０ｃと第１電極板５０との隙間Ｆは３００μｍ、第２部分３０ｂの長さＧは２．２ｍｍ、第１部分３０ａと第２電極板６０との隙間Ｋは１００μｍである。ループ状電極３０の幅Ｍは２００μｍである。

　図８から明らかなように、無線ＩＣデバイスは、マーカ１及びマーカ２の共振点を有し、マーカ１はループ状電極３０の共振点であり、マーカ２は第１電極板５０の共振点である。マーカ１の共振点は、結合部３３の寸法Ａ及び第１電極板５０との間隔Ｂによって可変である。寸法Ａが大きくなると低周波数側にシフトし、間隔Ｂが大きくなると高周波数側にシフトする。マーカ２の共振点は、第１電極板５０の横幅Ｃ及び縦幅Ｄによって可変である。横幅Ｃが大きくなると低周波数側にシフトし、縦幅Ｄが大きくなると高周波数側にシフトする。

　次に、無線ＩＣデバイスの製造方法の一例について説明する。まず、厚さ１５～１５０μｍ程度の金属薄板５０（フープ材と称されるリン青銅を好適に用いることができ、アルミニウムなどであってもよい）を、図９に示すように、打ち抜き加工、エッチング加工などでパターニングし、ループ状電極３０を形成する。次に、ループ状電極３０の両端結合部３１，３２に無線ＩＣチップ１０を単体で、あるいは、無線ＩＣチップ１０を搭載した給電回路基板２０を実装（接着）する。

　次に、図１０に示すように、ループ状電極３０を第１電極板５０に対して垂直に又は傾斜するように折り曲げる。そして、ループ状電極３０を無線ＩＣチップ１０、給電回路基板２０を含めて樹脂材５５で被覆する。ループ状電極３０を発砲スチロール板に差し込むようにしてもよい。その後、背面側に第２電極板６０を貼り付ける。

　（第２実施例、図１１及び図１２参照）
　第２実施例である無線ＩＣデバイスは、図１１及び図１２に示すように、前記第１実施例に対して給電回路基板２０を省略し、無線ＩＣチップ１０を単体でループ状電極３０の両端結合部３１，３２に電気的に結合させたものである。他の構成は第１実施例と同様である。本第２実施例の作用効果は第１実施例と基本的に同様であり、特に、ループ状電極３０がインダクタンスマッチング素子としても機能する。なお、無線ＩＣチップ１０はループ状電極３０に電磁界的に結合させてもよい。

　（第３実施例、図１３参照）
　第３実施例である無線ＩＣデバイスは、図１３に示すように、ループ状電極３０の結合部３３を第１電極板５０に対して直結することなく電磁界的に結合させたものである。他の構成は前記第１実施例と同様であり、作用効果も第１実施例と同様である。

　（第４実施例、図１４参照）
　第４実施例である無線ＩＣデバイスは、図１４に示すように、ループ状電極３０の第３部分３０ｃをミアンダ形状としたものである。他の構成は前記第１実施例と同様であり、作用効果も第１実施例と同様である。特に、ループ状電極３０をコンパクトに形成することができる。

　（第５実施例、図１５参照）
　第５実施例である無線ＩＣデバイスは、図１５に示すように、ループ状電極３０の結合部３３を２箇所で第１電極板５０に電気的に結合させたものである。他の構成は前記第１実施例と同様であり、作用効果も第１実施例と同様である。特に、結合力が大きくなり、寸法Ａによって結合量を調整することができる。寸法Ａが大きくなると、図８に示したマーカ１の共振点は低周波数側にシフトする。

　（第６実施例、図１６及び図１７参照）
　第６実施例である無線ＩＣデバイスは、図１６及び図１７に示すように、無線ＩＣデバイスが添付される金属物品の一部を第２電極板６０として用いたものである。他の構成は前記第１実施例と同様であり、作用効果も第１実施例と同様である。ここで、金属物品とは、例えば、鉄鋼板、自動車のドア、ボディ、ナンバープレートなどであり、プリント配線基板の電極であってもよく、極めて幅広い概念である。即ち、本発明の「無線ＩＣデバイス」は、放射板になる電極板と無線ＩＣとからなるモジュールに限られるものではなく、物品そのものを含むものであってもよい。

　（第７実施例、図１８参照）
　第７実施例である無線ＩＣデバイスは、図１８に示すように、ループ状電極３０の両端結合部３１，３２にミアンダ形状のインピーダンス整合部３４を形成したもので、第１部分３０ａ及び第２部分３０ｂがループ面として機能する。他の構成は前記第１実施例と同様であり、作用効果も第１実施例と同様である。

　（他の実施例）
　なお、本発明に係る無線ＩＣデバイス及びその製造方法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できることは勿論である。

　以上のように、本発明は、無線ＩＣデバイス及びその製造方法に有用であり、特に、小型・薄型化を損なうことなく、金属、水分、塩分などを含む物品に添付しても非接触型のＲＦＩＤシステムとして機能する点で優れている。

　１０…無線ＩＣチップ
　２０…給電回路基板
　２１…給電回路
　３０…ループ状電極
　５０…第１電極板
　６０…第２電極板
　Ｌ１～Ｌ２…インダクタンス素子
                                                                                

Claims (7)

1. 　所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、
   　前記無線ＩＣと結合されたループ状電極と、
   　前記ループ状電極に結合された第１電極板及び第２電極板と、
   　を備え、
   　前記ループ状電極は前記第１電極板と前記第２電極板との間に挟まれており、
   　前記ループ状電極は、そのループ面が、前記第１電極板及び第２電極板に対して垂直に又は傾斜するように配置されており、
   　前記第１電極板及び前記第２電極板のうち少なくとも第１電極板が前記無線信号の送受信に用いられること、
   　を特徴とする無線ＩＣデバイス。
2. 　前記ループ状電極と前記第１電極板とが電気的に結合されており、前記ループ状電極と前記第２電極板とが電磁界的に結合されていること、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と前記ループ状電極との間に、所定の共振周波数で動作する共振回路を含む給電回路を有する給電回路基板が設けられていること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線ＩＣデバイス。
4. 　前記給電回路はインダクタンス素子を含み、前記給電回路基板と前記ループ状電極とは前記インダクタンス素子を介して電磁界的に結合されていること、を特徴とする請求項３に記載の無線ＩＣデバイス。
5. 　前記ループ状電極は、その少なくとも一部が、前記第１電極板及び前記第２電極板に対して垂直に又は傾斜するように配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
6. 　金属物品の一部が前記第２電極板として用いられている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. 　所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、
   　前記無線ＩＣと結合されたループ状電極と、
   　前記ループ状電極に結合された第１電極板及び第２電極板と、
   　を備え、
   　前記ループ状電極は前記第１電極板と前記第２電極板との間に挟まれており、
   　前記ループ状電極は、そのループ面が、前記第１電極板及び第２電極板に対して垂直に又は傾斜するように配置されており、
   　前記第１電極板及び前記第２電極板のうち少なくとも第１電極板が前記無線信号の送受信に用いられる、
   　無線ＩＣデバイスの製造方法であって、
   　１枚の金属板に前記第１電極板と前記ループ状電極とをパターニングする工程と、
   　前記ループ状電極を前記第１電極板に対して垂直に又は傾斜するように折り曲げる工程と、
   　を備えたことを特徴とする無線ＩＣデバイスの製造方法。
    

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