JP4957724B2 - アンテナ及び無線ｉｃデバイス - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ及び無線ＩＣデバイス、特に、電磁波を高い利得で送受できるアンテナ、及び、ＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)システムに用いられる無線ＩＣチップを有する無線ＩＣデバイスに関する。

一般に、電磁波は、電界成分と磁界成分とが直交した状態で進行する波であり、両者のエネルギーは同等であることが知られている。そして、従来のダイポール型アンテナは専ら電磁波の電界成分を送受するものであり、従来のループ型アンテナは専ら電磁波の磁界成分を送受するものであった。即ち、従来のアンテナは、電界成分あるいは磁界成分のいずれか一方のエネルギーを送受するものであり、利得の点からこれ以上の向上は期待できない。

一方、近年では、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チップを搭載した無線ＩＣデバイスとしては、従来、特許文献１に記載されているものが知られている。

この無線ＩＣデバイスは、ＩＣチップの裏面に配置された第１のアンテナコイルを、モジュール基板上に配置された第２のアンテナコイルと対向させて磁界結合させることにより、ＩＣチップと第２のアンテナコイルとの間で信号の送受信を行っている。モジュール基板上には第２のアンテナコイルの外側にさらに第３のアンテナコイルが配置され、リーダライタとはこの第３のアンテナコイルにて信号を送受信している。

しかしながら、前記無線ＩＣデバイスにおいては、ＩＣチップの裏面に配置した第１のアンテナコイルとモジュール基板上に配置した第２のアンテナコイルとを結合させるには、両者の間を２０μｍ以下になるように制御する必要があり、かつ、両者が平面視で正確に重なるように、ＩＣチップをモジュール基板上に精度よく実装する必要がある。通常の設備では所望の特性が得られないおそれがあり、ＩＣチップを微小な間隔で精度よく実装するには高性能なアンテナコイルの薄膜製造装置やＩＣチップの実装装置が必要になり、製造コストが上昇するという問題点を有している。

また、リーダライタと信号を送受信する第３のアンテナコイルは、その長さにより動作周波数が決まるため、周波数が低いばあいにはデバイス自体が大型化するという問題点をも有している。
特開２０００−３１１２２６号公報

そこで、本発明の第１の目的は、電磁波を効率的に送受信でき、従来のアンテナよりも大きな利得を獲得できるアンテナを提供することにある。

さらに、本発明の第２の目的は、組立てが容易で、所望の放射特性や指向性を得ることのできる、ＲＦＩＤシステムに好適な無線ＩＣデバイスを提供することにある。

第１の発明は、給電端子と共振回路とを備えたアンテナであって、
前記共振回路は少なくともキャパシタンス素子とインダクタンス素子とで構成され、
前記キャパシタンス素子と電磁界結合する第１放射素子と、前記インダクタンス素子と電磁界結合する第２放射素子と、を備えたこと、
を特徴とする。

第１の発明に係るアンテナにおいては、キャパシタンス素子と電磁界結合する第１放射素子及びインダクタンス素子と電磁界結合する第２放射素子を設けることにより、電磁波を効率的に送受信でき、アンテナ利得が向上する。

その理由は、種々であると考えられる。即ち、（１）一つのアンテナで電磁波の電界エネルギーと磁界エネルギーを同時に送受信することが可能となり、電磁波の伝送効率が向上すること。（２）第１放射素子にはキャパシタンス素子から電磁界結合により給電し、第２放射素子にはインダクタンス素子から電磁界結合により給電することで、二つの放射素子の全体が自由空間のインピーダンス（３７７Ω）にほぼ完全にマッチングし、電磁波の伝送効率が向上することによる。

第１の発明に係るアンテナにおいて、共振回路を内蔵したアンテナ基板を備えていることが好ましい。アンテナ基板の第１主面に給電端子が配置され、第２主面に第１及び第２放射素子が配置されていてもよい。また、キャパシタンス素子とインダクタンス素子とをアンテナ基板に並置された状態で内蔵すれば、第１及び第２放射素子との電磁界結合を効率的に行うことができる。

第１放射素子と第２放射素子とは互いに直交するように配置されていてもよく、あるいは、互いに平行に配置されていてもよい。また、第１放射素子と第２放射素子とがキャパシタンス素子を介して接続されていてもよい。あるいは、第１放射素子又は第２放射素子がほぼ円形状をなし、その端部が第２放射素子又は第１放射素子に直接接続されていてもよい。

第２の発明に係る無線ＩＣデバイスは、
送受信信号を処理する無線ＩＣチップと、
共振回路を構成するインダクタンス素子用電極とキャパシタンス素子用電極とを平面透視で異なる位置に形成した給電回路基板と、
前記インダクタンス素子用電極と対向して配置した第１の放射板と、
前記キャパシタンス素子用電極と対向して配置した第２の放射板と、
を備え、
前記無線ＩＣチップを前記給電回路基板上に搭載して電磁結合モジュールを構成し、
前記第１及び第２の放射板で受信された信号によって前記無線ＩＣチップが動作され、該無線ＩＣチップからの応答信号が第１及び第２の放射板から外部に放射されること、
を特徴とする。

第２の発明に係る無線ＩＣデバイスにおいては、第１の放射板がインダクタンス素子と磁界結合し、第２の放射板がキャパシタンス素子と電界結合し、アンテナとして機能するため、第１及び／又は第２の放射板の形状や位置に応じて所望の放射特性や指向性を得ることができる。特に、容量による電界結合は磁界結合よりも信号エネルギーの受渡し効率が高いため、放射特性を向上させることができる。しかも、インダクタンス素子及びキャパシタンス素子において別々に第１及び第２の放射板との結合状態を設定でき、放射特性の設計自由度が向上する。

また、給電回路基板に設けた共振回路により高周波信号の共振周波数が決定されるため、放射板の形状やサイズをそれほど大きく設定する必要はなく、かつ、任意に設定することができ、小型の無線ＩＣデバイスを得ることができる。しかも、給電回路基板と第１及び第２の放射板とが電気的に直接接続することなく電磁界結合していることから、電磁結合モジュールを放射板上に設ける以外に近接して設けても動作し、電磁結合モジュールを放射板に対して高い精度で組み合わせる必要はなく、取付け工程が大幅に簡略化される。

第２の発明に係る無線ＩＣデバイスにおいて、第２の放射板は第１の放射板よりも大きな面積を有していてもよい。第２の放射板はキャパシタンス素子と容量によって電界結合しているため、その放射特性は第２の放射板内での位相の変化に依存することはなく、第２の放射板の形状は自由に設定でき、その面積を大きくすることにより、放射特性が向上する。

また、第１の放射板は共振周波数の１／２波長の整数倍の線路長を有していることが好ましい。インダクタンス素子と結合している第１の放射板はその内部を伝搬する高周波信号の周波数の１／２波長の長さに設定することで、良好な放射特性を得ることができる。このため、第１の放射板の線路長を１／２波長の整数倍に設定することにより放射特性が向上する。

第１及び第２の放射板はそれらの長手方向が同じ向きに配置されていてもよい。送受信信号を同じ向きへ指向性を持たせることができる。また、第１又は第２の放射板の少なくともいずれか一方は長手方向の途中で分岐されていてもよい。あるいは、第１又は第２の放射板の少なくともいずれか一方はその根本部で所定の角度に分岐されていてもよい。放射板を分岐させることで、送受信信号の指向性を改善でき、かつ、無線ＩＣデバイスを立体物の角部に貼着した際の放射特性を改善できる。

給電回路基板はセラミックや樹脂などからなる多層基板で構成されていてもよく、あるいは、ＰＥＴフィルムなどのフレキシブルな基板で構成されていてもよい。多層基板やフレキシブル基板で構成すれば、インダクタンス素子やキャパシタンス素子を高精度に内蔵可能であり、配線電極の形成の自由度が向上する。特に、フレキシブル基板であれば、無線ＩＣデバイスの低背化が可能になり、かつ、曲面形状などの放射板にも貼着可能である。

なお、無線ＩＣチップは、本無線ＩＣデバイスが取り付けられる物品に関する各種情報がメモリされている以外に、情報が書き換え可能であってもよく、ＲＦＩＤシステム以外の情報処理機能を有していてもよい。

第１の発明によれば、電磁波の電界成分及び磁界成分を効率よく送受信でき、利得が向上したアンテナを得ることができる。

第２の発明によれば、アンテナとして機能する第１及び第２の放射板が給電回路基板と電磁界結合するため、第１及び／又は第２の放射板の形状や位置に応じて所望の放射特性や指向性を得ることができ、インダクタンス素子及びキャパシタンス素子において別々に第１及び第２の放射板との結合状態を設定でき、放射特性の設計自由度が向上する。第１及び第２の放射板の形状やサイズをそれほど大きく設定する必要はなく、かつ、任意に設定することができ、小型の無線ＩＣデバイスを得ることができる。しかも、電磁結合モジュールを第１及び第２の放射板上に設ける以外に近接して設けても動作し、電磁結合モジュールを第１及び第２の放射板に対して高い精度で組み合わせる必要はなく、取付け工程が大幅に簡略化される。

本発明に係るアンテナの構成を模式的に示す斜視図である。 本発明に係るアンテナの第１実施例を示す斜視図である。 第１実施例のアンテナ基板に内蔵されている共振回路の等価回路図である。 前記アンテナ基板を示す分解斜視図である。 本発明に係るアンテナの第２実施例を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナの第３実施例を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナの第４実施例を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナの第５実施例を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナの第６実施例を示す斜視図である。 第６実施例のアンテナ基板を示す分解斜視図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第１実施例を示す平面図である。 給電回路基板の共振回路を示す等価回路図である。 給電回路基板を示す分解斜視図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第２実施例を示す平面図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第３実施例を示す斜視図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第４実施例を示す斜視図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第５実施例を示す斜視図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第６実施例を示す平面図である。 本発明に係る無線ＩＣデバイスの第７実施例を示す平面図である。 第７実施例である無線ＩＣデバイスを容器に貼着した状態を示す斜視図である。 給電回路基板の第１変形例を示す平面図である。 給電回路基板の第２変形例を示す平面図である。 給電回路基板の第３変形例を示す平面図である。 給電回路基板の第４変形例を示す平面図である。

以下に、本発明に係るアンテナ及び無線ＩＣ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、アンテナ及び無線ＩＣデバイスの各実施例を示すそれぞれの図において、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。

（本発明に係るアンテナの模式的構造、図１参照）
図１に本発明に係るアンテナ１を模式的に示す。このアンテナ１は、アンテナ基板１０にキャパシタンス素子Ｃとインダクタンス素子Ｌを内蔵してＬＣ共振回路を構成し、キャパシタンス素子Ｃと第１放射板２１とが電磁界結合し、インダクタンス素子Ｌと第２放射板２２とが電磁界結合している。

（アンテナの第１実施例、図２〜図４参照）
第１実施例であるアンテナ１Ａは、外観斜視図である図２に示すように、共振回路を内蔵したアンテナ基板１０に第１放射板２１及び第２放射板２２を互いに直交方向に設けたものである。このアンテナ１Ａは、携帯電話などの基板に表面実装することのできる小型のアンテナとして用いることができ、あるいは、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに用いられる無線ＩＣチップ５０（図４参照）を搭載することで、無線ＩＣデバイスとしても用いることができる。この点は、以下に説明する第２〜第６実施例も同様である。

アンテナ基板１０には、図３に等価回路として示すように、互いに磁気結合（符号Ｍ参照）するインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２及びキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２を備えている。インダクタンス素子Ｌ１はその一端がキャパシタンス素子Ｃ１を介して給電端子５に接続されるとともに、キャパシタンス素子Ｃ２を介してインダクタンス素子Ｌ２の一端に接続されている。また、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２はその他端がそれぞれ給電端子６に接続されている。即ち、この共振回路は、インダクタンス素子Ｌ１とキャパシタンス素子Ｃ１とからなるＬＣ直列共振回路と、インダクタンス素子Ｌ２とキャパシタンス素子Ｃ２とからなるＬＣ直列共振回路を含んで構成されている。

図３に示した回路構成からなるアンテナ基板１０は、図４にその一例として示す積層構造にて構成されている。この積層構造は、誘電体からなるセラミックシート３１ａ〜３１ｉを積層、圧着、焼成したものである。即ち、シート３１ａには、給電端子５，６とグランド端子７，８とビアホール導体３２ａ，３２ｂが形成されている。シート３１ｂには、キャパシタ電極３３と導体パターン３７ａとビアホール導体３２ｃが形成されている。シート３１ｃには、キャパシタ電極３４とそれから延在された導体パターン３４ａとビアホール導体３２ｄが形成されている。

さらに、シート３１ｄには、導体パターン３６ａ，３７ｆとビアホール導体３２ｅ，３２ｆ，３２ｇが形成されている。シート３１ｅには、導体パターン３６ｂ，３７ｅとビアホール導体３２ｈ，３２ｉが形成されている。シート３１ｆには、キャパシタ電極３５と導体パターン３６ｃ，３７ｄとビアホール導体３２ｊ，３２ｋが形成されている。シート３１ｇには、導体パターン３６ｄ，３７ｃとビアホール導体３２ｌ，３２ｍが形成されている。シート３１ｈには導体パターン３６ｅ，３７ｂが形成されている。シート３１ｉには電極パターン３８，３９が形成されている。

以上のシート３１ａ〜３１ｉを積層することにより、導体パターン３６ａ〜３６ｅがビアホール導体３２ｇ，３２ｉ，３２ｋ，３２ｍを介して接続され、インダクタンス素子Ｌ１が形成される。また、導体パターン３７ｂ〜３７ｆがビアホール導体３２ｌ，３２ｊ，３２ｈ，３２ｆを介して接続され、インダクタンス素子Ｌ２が形成される。キャパシタンス素子Ｃ１は電極３３，３４にて形成され、キャパシタンス素子Ｃ２は電極３４，３５にて形成される。

インダクタンス素子Ｌ１はその一端がビアホール導体３２ｄ、導体パターン３４ａを介してキャパシタ電極３４に接続されている。インダクタンス素子Ｌ２はその一端がビアホール導体３２ｅを介してキャパシタ電極３５に接続されている。そして、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２の他端はビアホール導体３２ｃ、導体パターン３７ａ、ビアホール導体３２ｂを介して給電端子６に接続している。また、キャパシタ電極３３はビアホール導体３２ａを介して給電端子５に接続している。

以上の構成からなるアンテナ１Ａに対しては、アンテナ基板１０の底面に配置された電極パターン３８に第１放射板２１が接続され、電極パターン３９に第２放射板２２が接続される。電極パターン３８は前記キャパシタ電極３４と各シート３１ｃ〜３１ｈを貫通するビアホール導体３２ｎを介して接続されている。

第１及び第２放射板２１，２２はアルミ箔や銅箔などの非磁性体からなり、ＰＥＴなどの絶縁性のフレキシブルな樹脂フィルム（図示せず）に保持されている。

このアンテナ１Ａにおいて、互いに磁気的に結合しているインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を含むＬＣ直列共振回路が共振し、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２と第１放射板２１とが電磁界結合し、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２と第２放射板２２とが電磁界結合している。

アンテナ１Ａの平均利得は＋２．５ｄＢｉで、最大利得は＋５ｄＢｉであって、この数値は、従来型アンテナの平均利得が−０．７ｄＢｉで、最大利得が＋１．７ｄＢｉであることと比較すると、大幅に向上している。

また、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２がキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２を介して結合することで、給電端子５，６に接続される機器（例えば、無線ＩＣチップ５０）のインピーダンス（通常５０Ω）と空間のインピーダンス（３７７Ω）とのマッチング回路として機能する。

隣接するインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２の結合係数ｋは、ｋ²＝Ｍ²／（Ｌ１×Ｌ２）で表され、０．１以上が好ましく、本第１実施例においては、約０．７６である。また、ＬＣ共振回路をインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２とキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２からなる集中定数型共振回路として構成しているため、５ＧＨｚ以下の低い周波数帯域において共振回路を容易に設計でき、放射板２１，２２などからの影響を受けにくくなる。

なお、共振回路を分布定数型共振回路で構成すれば、インダクタンス素子をストリップラインなどで形成するため、特に５ＧＨｚ以上の高周波帯域になると共振回路の設計が容易になる。

（アンテナの第２実施例、図５参照）
第２実施例であるアンテナ１Ｂは、外観斜視図である図５に示すように、前記第１実施例で示したアンテナ基板１０に第１放射板２１及び第２放射板２２を互いに平行方向に設けたものである。アンテナ基板１０の構成は図４に示したのと同様である。

このアンテナ１Ｂは前記第１実施例であるアンテナ１Ａと同様に、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２と第１放射板２１とが電磁界結合し、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２と第２放射板２２とが電磁界結合し、利得が向上する。さらに、平行に配置した放射板２１，２２間に生じる浮遊容量によって直列共振回路が形成され（放射板２１，２２間は静電結合している）、第２放射板２２から磁界が作る電界エネルギーが静電容量を介して第１放射板２１へと伝播し、電界エネルギーとして放出される。この相乗効果により、利得はさらに向上する。

第１放射板２１の幅寸法を０．７２５ｍｍ、長さを１２０ｍｍとし、第２放射板２２の幅寸法を１．４２５ｍｍ、長さを１６０ｍｍとし、両者の間隔を１．４ｍｍとした。この場合、アンテナ１Ｂの平均利得は＋９．８ｄＢｉで、最大利得は＋１２．７ｄＢｉであった。

（アンテナの第３実施例、図６参照）
第３実施例であるアンテナ１Ｃは、外観斜視図である図６に示すように、前記第１実施例で示したアンテナ基板１０に設けた第１放射板２１及び第２放射板２２を互いに矩形形状に折り曲げて両端部をチップタイプのキャパシタ４１に接続して容量結合したものである。放射板２１，２２が容量結合されていることにより、第２実施例である前記アンテナ１Ｂと同様に利得が向上する。また、第２実施例よりも小型化を図ることができる。

（アンテナの第４実施例、図７参照）
第４実施例であるアンテナ１Ｄは、外観斜視図である図７に示すように、前記第１実施例で示したアンテナ基板１０に設けた第１放射板２１及び第２放射板２２を互いに矩形形状に折り曲げて両端部に設けた幅広のキャパシタ４２，４３を図示しない誘電体シートを介して容量結合したものである。放射板２１，２２が容量結合されていることにより、第２及び第３実施例である前記アンテナ１Ｂ，１Ｃと同様に利得が向上する。また、第２実施例よりも小型化を図ることができる。

（アンテナの第５実施例、図８参照）
第５実施例であるアンテナ１Ｅは、外観斜視図である図８に示すように、前記第１実施例で示したアンテナ基板１０に設けた第１放射板２１をほぼ円形状に延在させてその端部を第２放射板２２に直接的に接続し、かつ、第２放射板２２と電極パターン３９（図４参照）との間にチップタイプのキャパシタ４４を介在させたものである。放射板２１，２２が直接結合されていることにより、第２〜第４実施例である前記アンテナ１Ｂ，１Ｃ，１Ｄと同様に利得が向上する。また、第２実施例よりも小型化を図ることができる。さらに、キャパシタ４４を介在させることにより、第１放射板２１のインダクタンス成分とキャパシタ４４の容量によって共振周波数を調整することができる。

第１放射板２１の直径Ｄを９ｍｍ、第２放射板２２の結合部２２ａからの長さＷを１６０ｍｍとしたとき、アンテナ１Ｅの平均利得は＋６．３ｄＢｉで、最大利得は＋９．４ｄＢｉであった。

（アンテナの第６実施例、図９及び図１０参照）
第６実施例であるアンテナ１Ｆは、外観斜視図である図９に示すように、共振回路を内蔵したアンテナ基板６０に第１放射板７１、第２放射板７２及び第３放射板７３を設けたものである。アンテナ基板６０には図３の等価回路に示したインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２及びキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２を備えている。

このアンテナ１Ｆを構成するアンテナ基板６０は、図１０にその一例として示す積層構造にて構成されている。この積層構造は、図４で示した積層構造と基本的には同じであり、同じ部材、部分には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

図１０に示す積層構造として図４に示した積層構造に追加されているのは、インダクタンス素子Ｌ２と接続されているキャパシタンス素子Ｃ２を形成するキャパシタ電極３５が、ビアホール導体３２ｏを介して電極パターン７５に接続されている点である。第１放射板７１は電極パターン３８に接続され、第２放射板７２は電極パターン３９に接続され、第３放射板７３は電極パターン７５に接続される。

このアンテナ１Ｆにおいて、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２の間が第１放射板７１と電磁界結合し、キャパシタンス素子Ｃ２とインダクタンス素子Ｌ２の間が第３放射板７３と電磁界結合し、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２が第２放射板７２と電磁界結合している。

このアンテナ１Ｆの作用は、基本的には前記第１実施例であるアンテナ１Ａと同様である。そして、平均利得及び最大利得はアンテナ１Ａとほぼ同等であり、従来型のアンテナよりも大幅に向上している。

（無線ＩＣデバイスの第１実施例、図１１〜図１３参照）
図１１に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第１実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、所定周波数の送受信信号を処理する無線ＩＣチップ１０５と、該無線ＩＣチップ１０５を搭載した給電回路基板１１０とからなる電磁結合モジュール１０１、及び、ＰＥＴフィルム１２０上に形成した放射板１２５，１２６にて構成されている。

放射板１２５，１２６は、それぞれ一端に幅広部１２５ａ，１２６ａを有し、他端を三角形のループ状としたもので、アルミ箔や銅箔などの導電材からなる金属薄板をフィルム１２０上に貼着したり、フィルム１２０上にＡｌ、Ｃｕ、Ａｇなどの金属めっきや導電性ペーストなどによる電極膜を設けたものである。幅広部１２５ａは以下に説明する給電回路基板１１０のインダクタンス素子Ｌと対向して磁界結合し、幅広部１２６ａはキャパシタンス素子Ｃと接続された電極と対向して電界結合する。

電磁結合モジュール１０１は、詳しくは図１２に示すように、無線ＩＣチップ１０５と、該無線ＩＣチップ１０５を搭載した給電回路基板１１０とで構成され、給電回路基板１１０が放射板１２５，１２６の幅広部１２５ａ，１２６ａ上に接着剤にて貼着されている。この接着剤は、絶縁性であり、誘電率の高い材料であることが望ましい。無線ＩＣチップ１０５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、給電回路基板１１０の表面に設けた電極１１２ａ，１１２ｂ（図１３参照）に金属バンプを介して電気的に接続されている。なお、金属バンプの材料としては、Ａｕ、半田などを用いることができる。

図１２に示すように、給電回路基板１１０に設けたインダクタンス素子Ｌ及びキャパシタンス素子Ｃは、所定の共振周波数を有する共振回路を構成し、無線ＩＣチップ１０５から発信された所定の周波数を有する送信信号を放射板１２５，１２６に伝達し、かつ、放射板１２５，１２６で受け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１０５に供給するための回路である。

給電回路基板１１０は、詳しくは、図１３に示すように、誘電体からなるセラミックシート１１１Ａ〜１１１Ｉを積層、圧着、焼成したもので、シート１１１Ａには接続用電極１１２ａ，１１２ｂと電極１１２ｃ，１１２ｄとビアホール導体１１３ａ，１１３ｂが形成され、シート１１１Ｂにはキャパシタ電極１１８ａと導体パターン１１５ａ，１１５ｂとビアホール導体１１３ｃ〜１１３ｅが形成され、シート１１１Ｃにはキャパシタ電極１１８ｂとビアホール導体１１３ｄ〜１１３ｆが形成されている。さらに、シート１１１Ｄには導体パターン１１６ａ，１１６ｂとビアホール導体１１３ｅ，１１３ｆ，１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｄが形成され、シート１１１Ｅには導体パターン１１６ａ，１１６ｂとビアホール導体１１３ｅ，１１３ｆ，１１４ａ，１１４ｃ，１１４ｅが形成され、シート１１１Ｆにはキャパシタ電極１１７と導体パターン１１６ａ，１１６ｂとビアホール導体１１３ｅ，１１３ｆ，１１４ｆ，１１４ｇが形成され、シート１１１Ｇには導体パターン１１６ａ，１１６ｂとビアホール導体１１３ｅ，１１３ｆ，１１４ｆ，１１４ｇが形成され、シート１１１Ｈには導体パターン１１６ａ，１１６ｂとビアホール導体１１３ｆが形成されている。さらに、シート１１１Ｉには電極１１９が形成されている。

以上のシート１１１Ａ〜１１１Ｉを積層することにより、ビアホール導体１１４ｃ，１１４ｄ，１１４ｇにて螺旋状に接続された導体パターン１１６ａにてインダクタンス素子Ｌ１が構成され、ビアホール導体１１４ｂ，１１４ｅ，１１４ｆにて螺旋状に接続された導体パターン１１６ｂにてインダクタンス素子Ｌ２が構成され、キャパシタ電極１１８ａ，１１８ｂにてキャパシタンス素子Ｃが構成される。

インダクタンス素子Ｌ１の一端はビアホール導体１１４ｃ，１１３ｄ、導体パターン１１５ａ、ビアホール導体１１３ｃを介してキャパシタ電極１１８ｂに接続され、インダクタンス素子Ｌ２の一端はビアホール導体１１４ａを介してキャパシタ電極１１７に接続される。また、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２の他端は、シート１１１Ｈ上で一つにまとめられ、ビアホール導体１１３ｅ、導体パターン１１５ｂ、ビアホール導体１１３ａを介して接続用電極１１２ａに接続されている。さらに、キャパシタ電極１１８ａはビアホール導体１１３ｂを介して接続用電極１１２ｂに電気的に接続されている。

そして、接続用電極１１２ａ，１１２ｂが金属バンプを介して無線ＩＣチップ１０５の端子１０６ａ，１０６ｂ（図１２参照）と電気的に接続される。電極１１２ｃ，１１２ｄは終端のグランド端子であり、無線ＩＣチップ１０５の端子１０６ｃ，１０６ｄに接続される。

なお、本第１実施例において、インダクタンス素子Ｌは２本の導体パターン１１６ａ，１１６ｂを並列に配置した構造としている。２本の導体パターン１１６ａ，１１６ｂはそれぞれ線路長が異なっており（インダクタンスＬ１，Ｌ２）、異なる共振周波数とすることができ、無線ＩＣデバイスを広帯域化できる。また、電極１１９及びビアホール導体１１３ｆを省略し、キャパシタ電極１１８ｂを放射板１２６と直接電界結合させてもよい。

なお、各セラミックシート１１１Ａ〜１１１Ｉは磁性体のセラミック材料からなるシートであってもよく、給電回路基板１１０は従来から用いられているシート積層法、厚膜印刷法などの多層基板の製作工程により容易に得ることができる。

また、前記シート１１１Ａ〜１１１Ｉを、例えば、ポリイミドや液晶ポリマーなどの誘電体からなるフレキシブルなシートとして形成し、該シート上に厚膜形成法などで電極や導体を形成し、それらのシートを積層して熱圧着などで積層体とし、インダクタンス素子Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）やキャパシタンス素子Ｃを内蔵させてもよい。

前記給電回路基板１１０において、インダクタンス素子Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）は放射板１２５と磁界により結合し、キャパシタンス素子Ｃは電極１１９を介して放射板１２６と電界により結合する。従って、電磁結合モジュール１０１は、図示しないリーダライタから放射される高周波信号（例えば、ＵＨＦ周波数帯）を放射板１２５，１２６で受信し、放射板１２５，１２６と磁界結合及び電界結合している共振回路（インダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子ＣからなるＬＣ直列共振回路）を共振させ、所定の周波数帯の受信信号のみを無線ＩＣチップ１０５に供給する。一方、この受信信号から所定のエネルギーを取り出し、このエネルギーを駆動源として無線ＩＣチップ１０５にメモリされている情報を、共振回路にて所定の周波数に整合させた後、放射板１２５，１２６に送信信号を伝え、該放射板１２５，１２６からリーダライタに送信、転送する。

給電回路基板１１０においては、インダクタンス素子Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）とキャパシタンス素子Ｃで構成された共振回路にて共振周波数特性が決定される。放射板１２５，１２６から放射される信号の共振周波数は、共振回路の自己共振周波数によって実質的に決まる。従って、電磁結合モジュール１０１はその貼着位置をそれほど高精度に管理する必要はなく、要するに放射板１２５，１２６の幅広部１２５ａ，１２６ａ上に貼着すればよい。

ところで、共振回路は無線ＩＣチップ１０５のインピーダンスと放射板１２５，１２６のインピーダンスを整合させるためのマッチング回路を兼ねている。給電回路基板１１０は、インダクタンス素子やキャパシタンス素子で構成された共振回路とは別に設けられたマッチング回路を備えていてもよい。共振回路にマッチング回路の機能をも付加しようとすると、共振回路の設計が複雑になる傾向がある。共振回路とは別にマッチング回路を設ければ、共振回路、マッチング回路をそれぞれ独立して設計できる。

（無線ＩＣデバイスの第２実施例、図１４参照）
図１４に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第２実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、基本的には前記第１実施例と同様の構成からなり、異なるのは、放射板１２５，１２６の間にインピーダンス整合用の配線パターン１２７を設けた点にある。本第２実施例の作用効果は前記第１実施例と同様であり、給電回路基板１１０にマッチング回路を備えていない場合は、配線パターン１２７によって無線ＩＣチップ１０５と放射板１２５，１２６とのインピーダンスを良好にマッチングさせることができる。また、給電回路基板１１０にマッチング回路を備えている場合は、給電回路基板１１０内のマッチング回路を簡略化でき、給電回路基板１１０を小型にすることができる。

（無線ＩＣデバイスの第３実施例、図１５参照）
図１５に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第３実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、前記電磁結合モジュール１０１を備えるとともに、誘電体基板１２１（例えば、ＰＥＴフィルム）の表面に給電回路基板１１０のインダクタンス素子Ｌと磁界結合する放射板１２５を設け、誘電体基板１２１の裏面にキャパシタンス素子Ｃと電界結合する放射板１２６を設けたものである。

本第３実施例の作用効果は前記第１実施例と同様である。特に、インダクタンス素子Ｌと磁界結合する放射板１２５の線路長は共振周波数λとの関係において、λ／２の整数倍とされ、良好な放射特性を得ることができる。また、放射板１２５，１２６はいずれも同じ方向に配置されており、これにて、送受信信号を同じ向きへ指向性を持たせることができる。

（無線ＩＣデバイスの第４実施例、図１６参照）
図１６に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第４実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、基本的には前記第３実施例と同様の構成からなり、異なるのは、放射板１２６とキャパシタンス素子Ｃの一方の電極とを誘電体基板１２１内において導体１２２にて直接電気的に接続した点にある。

本第４実施例においては、前記第３実施例と同様の作用効果を奏するとともに、キャパシタンス素子Ｃの一方の電極と放射板１２６とが直接電気的に接続されているため、より一層電界（容量）結合しやすくなっている。

（無線ＩＣデバイスの第５実施例、図１７参照）
図１７に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第５実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、基本的には前記第３実施例と同様の構成からなり、異なるのは、電磁結合モジュール１０１を第３実施例とは逆向きに配置し、キャパシタンス素子Ｃと電界結合する放射板１２６を誘電体基板１２１の表面に設け、インダクタンス素子Ｌと磁界結合する放射板１２５を誘電体基板１２１の裏面に設けた点にある。本第５実施例の作用効果は前記第３実施例と同様である。

（無線ＩＣデバイスの第６実施例、図１８参照）
図１８に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第６実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、前記電磁結合モジュール１０１を備えるとともに、インダクタンス素子Ｌと磁界結合する放射板１２５はλ／２の整数倍の線路長を有するライン状電極で構成し、キャパシタンス素子Ｃと電界結合する放射板１２６を大面積の電極にて構成したものである。

放射板１２６はキャパシタンス素子Ｃと容量によって電界結合しているため、その放射特性は放射板１２６内での位相の変化に依存することはなく、放射板１２６の形状は自由に設定することができる。従って、放射板１２６はその形状を比較的自由に設計することができ、その面積を大きくすることにより、放射特性が向上する。また、本第６実施例のその他の作用効果は前記第１実施例と同様である。

（無線ＩＣデバイスの第７実施例、図１９及び図２０参照）
図１９に本発明に係る無線ＩＣデバイスの第７実施例を示す。この無線ＩＣデバイスは、前記電磁結合モジュール１０１を備えるとともに、インダクタンス素子Ｌと磁界結合する放射板１２５を根本から分岐させ、キャパシタンス素子Ｃと電界結合する放射板１２６を長手方向の途中で分岐させたものである。

本第７実施例のごとく、放射板１２５，１２６を分岐させることで、送受信信号の指向性を改善できる。また、図２０に示すように、無線ＩＣデバイスをダンボールなどの立体物１４０の角部に貼着した場合に必要な指向性を確保できる。本第７実施例のその他の作用効果は前記第１実施例と同様である。

（給電回路基板の第１変形例、図２１参照）
図２１に電磁結合モジュール１０１を構成する給電回路基板の第１変形例を示す。この給電回路基板１３０は、ＰＥＴフィルムなどのフレキシブルな誘電体基板１３１上に、インダクタンス素子Ｌを構成する螺旋形状の導体パターン１３２と、キャパシタンス素子Ｃを構成するキャパシタ電極１３３とを形成したものである。導体パターン１３２及びキャパシタ電極１３３から引き出された電極１３４ａ，１３４ｂは図１３に示した接続用電極１１２ａ，１１２ｂに相当し、無線ＩＣチップ１０５の端子１０６ａ，１０６ｂに電気的に接続される。また、基板１３１上に形成された電極１３４ｃ，１３４ｄは終端のグランド端子であり、無線ＩＣチップ１０５の端子１０６ｃ，１０６ｄに電気的に接続される。

給電回路基板１３０ではインダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子Ｃとで共振回路を構成し、それぞれに対向する放射板との間で磁界結合及び電界結合し、所定周波数の高周波信号を送受信する。従って、第１変形例である給電回路基板１３０を備えた無線ＩＣデバイスの作用効果は前記第１実施例と同様である。特に、第１変形例では給電回路基板１３０がフレキシブルな基板１３１で構成されているため、無線ＩＣデバイスが低背化され、かつ、曲面形状などの放射板に貼着することができる。また、インダクタンス素子Ｌに関しては、導体パターン１３２の線幅や線間隔を変更することでインダクタンス値を変更し、共振周波数を微調整することができる。

なお、本第１変形例においても、前記第１実施例と同様に、インダクタンス素子Ｌは電極１３４ａ，１３４ｂから引き出された２本の電極（導体パターン１３２）を螺旋状に配置し、螺旋中心部において２本の電極を接続させている。これらの２本の電極は、それぞれＬ１，Ｌ２の異なるインダクタンス値を有しており、それぞれの共振周波数を異なる値に設定することができ、無線ＩＣデバイスの使用周波数帯を広帯域化することができる。

（給電回路基板の第２変形例、図２２参照）
図２２に電磁結合モジュールを構成する給電回路基板の第２変形例を示す。この給電回路基板１３０は、基本的には前記第１変形例と同様の構成からなり、異なるのは、インダクタンス素子Ｌを構成する導体パターン１３２の中央部分の形状を変更し、インダクタンスＬ１，Ｌ２の値を変えた点にある。その作用効果は第１変形例と同様である。

（給電回路基板の第３変形例、図２３参照）
図２３に電磁結合モジュールを構成する給電回路基板の第３変形例を示す。この給電回路基板１３０は、インダクタンス素子Ｌを構成する導体パターン１３２をミアンダ状に形成したもので、他の構成は前記第１変形例と同様である。また、その作用効果も第１変形例と同様である。

なお、本第３変形例においても、前記第１実施例と同様に、インダクタンス素子Ｌは電極１３４ａ，１３４ｂから引き出された２本の電極（導体パターン１３２）をミアンダ状に配置し、それぞれの電極の端部において接続させている。これらの２本の電極は、それぞれＬ１，Ｌ２の異なるインダクタンス値を有しており、それぞれの共振周波数を異なる値に設定することができ、無線ＩＣデバイスの使用周波数帯を広帯域化することができる。

（給電回路基板の第４変形例、図２４参照）
図２４に電磁結合モジュールを構成する給電回路基板の第４変形例を示す。この給電回路基板１３０は、基本的には前記第３変形例と同様の構成からなり、異なるのは、インダクタンス素子Ｌを構成するインダクタンスＬ１，Ｌ２の配線電極の所定位置において２分岐させた点にある。このように、インダクタンスＬ２をさらに分岐させることにより、インダクタンス値をさらに異ならせることができ、使用周波数帯の設計自由度を向上させることができる。その他の作用効果は第３変形例と同様である。

（他の実施例）
なお、本発明に係るアンテナ及び無線ＩＣ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、アンテナ基板の内部構成の細部、放射板の細部形状は任意である。特に、共振回路の構成は任意であり、インダクタンス素子やキャパシタンス素子は種々の形状、配置を採用することができる。

また、前記実施例に示した放射板１２５，１２６やフィルム１２０、基板１２１，１３１の材料はあくまで例示であり、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チップを放射板に接続するのに、金属バンプ以外の処理を用いてもよい。

また、図１９に示した放射板１２５，１２６の分岐形状、図２１〜図２４に示した導体パターン１３２の巻き方向や巻き数あるいは折曲げ回数などは任意である。

以上のように、本発明は、アンテナに有用であり、特に、電磁波を効率的に送受信できる点で優れており、また、無線ＩＣデバイスに有用であり、特に、組立てが容易で、所望の放射特性や指向性を得ることができる点で優れている

Claims (17)

1. 給電端子と共振回路とを備えたアンテナであって、
   前記共振回路は少なくともキャパシタンス素子とインダクタンス素子とで構成され、
   前記キャパシタンス素子と電磁界結合する第１放射素子と、前記インダクタンス素子と電磁界結合する第２放射素子と、を備えたこと、
   を特徴とするアンテナ。
2. 前記共振回路を内蔵したアンテナ基板を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のアンテナ。
3. 前記アンテナ基板の第１主面に前記給電端子が配置され、第２主面に前記第１及び第２放射素子が配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載のアンテナ。
4. 前記キャパシタンス素子と前記インダクタンス素子とがアンテナ基板に並置された状態で内蔵されていることを特徴とする請求の範囲第２項又は第３項に記載のアンテナ。
5. 複数の前記共振回路を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載のアンテナ。
6. 前記第１放射素子と前記第２放射素子とが互いに直交方向に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載のアンテナ。
7. 前記第１放射素子と前記第２放射素子とが互いに平行方向に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載のアンテナ。
8. 前記第１放射素子と前記第２放射素子とがキャパシタンス素子を介して接続されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載のアンテナ。
9. 前記第１放射素子又は前記第２放射素子がほぼ円形状をなし、その端部が第２放射素子又は第１放射素子に直接接続されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載のアンテナ。
10. 送受信信号を処理する無線ＩＣチップと、
    共振回路を構成するインダクタンス素子用電極とキャパシタンス素子用電極とを平面透視で異なる位置に形成した給電回路基板と、
    前記インダクタンス素子用電極と対向して配置した第１の放射板と、
    前記キャパシタンス素子用電極と対向して配置した第２の放射板と、
    を備え、
    前記無線ＩＣチップを前記給電回路基板上に搭載して電磁結合モジュールを構成し、
    前記第１及び第２の放射板で受信された信号によって前記無線ＩＣチップが動作され、該無線ＩＣチップからの応答信号が第１及び第２の放射板から外部に放射されること、
    を特徴とする無線ＩＣデバイス。
11. 前記第２の放射板は前記第１の放射板よりも大きな面積を有していることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の無線ＩＣデバイス。
12. 前記第１の放射板は共振周波数の１／２波長の整数倍の線路長を有していることを特徴とする請求の範囲第１０項又は第１１項に記載の無線ＩＣデバイス。
13. 前記第１及び第２の放射板はそれらの長手方向が同じ向きに配置されていることを特徴とする請求の範囲第１０項ないし第１２項のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
14. 前記第１又は第２の放射板の少なくともいずれか一方は長手方向の途中で分岐されていることを特徴とする請求の範囲第１０項ないし第１３項のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
15. 前記第１又は第２の放射板の少なくともいずれか一方は根本部で所定の角度に分岐されていることを特徴とする請求の範囲第１０項ないし第１３項のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
16. 前記給電回路基板は多層基板で構成されていることを特徴とする請求の範囲第１０項ないし第１５項のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。
17. 前記給電回路基板はフレキシブルな基板で構成されていることを特徴とする請求の範囲第１０項ないし第１５項のいずれかに記載の無線ＩＣデバイス。

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