JP5896594B2 - 無線ｉｃデバイス - 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ＩＣデバイスとも称する）とを電磁界を利用した非接触方式で通信し、所定の情報を伝達するＲＦＩＤシステムが実用化されている。このＲＦＩＤタグは、所定の情報を記憶し、所定の無線信号を処理する無線ＩＣチップと、高周波信号の送受信を行うアンテナ（放射体）とを備え、管理対象となる種々の物品（あるいはその包装材）に貼着して使用される。

この種のＲＦＩＤタグとして、特許文献１には、絶縁フィルム上にループアンテナを形成し、該ループアンテナに無線ＩＣチップを実装した後、該絶縁フィルムを誘電体部材に巻き付けたものが記載されている。

ところで、この種のＲＦＩＤタグを貼り付ける対象となる物品の表面は、様々な形状を有している。例えば、ガスボンベの表面などの湾曲面にも貼着可能であることが要求される。特許文献１に記載のＲＦＩＤタグにあっては、誘電体部材としてシリコンなどの材料を用いれば、湾曲面であっても貼着が可能ではある。しかし、単に素材の可撓性のみを利用して湾曲面に貼着すると、誘電体部材が撓んだ際に、誘電体部材とループアンテナとの間に応力が集中してループアンテナが誘電体部材から剥離したり、誘電体部材にクラックが発生するおそれがある。あるいは、ループアンテナに歪みを生じ、通信特性が変動して通信の信頼性が低下することがある。

特開２００７−２７２２６４号公報

そこで、本発明の目的は、曲面に取り付けた場合であっても、素体と放射体との剥離が生じることなく、かつ、通信特性が変動しにくい無線ＩＣデバイス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、
金属体の曲面に取り付けられる無線ＩＣデバイスであって、
上面、下面及び該上面と下面とを連接する側面を有する誘電体素体と、
放射体として機能する金属パターンと、
前記金属パターンを貼着保持する可撓性を有するフィルムと、
前記金属パターンの給電部に接続された無線ＩＣ素子と、
を備え、
前記誘電体素体は互いに独立した複数の誘電体小片の集合体にて構成されており、
前記誘電体小片は前記誘電体素体の前記上面、前記側面及び前記下面にわたって配置された前記フィルムによって一体化されており、
前記金属パターンは前記誘電体素体の前記上面及び前記下面で該誘電体素体に前記フィルムを介して接着されており、かつ、前記誘電体素体の前記側面と前記フィルムとの間には隙間が設けられており、
前記誘電体素体の前記下面に設けられた前記金属パターンと前記金属体の前記曲面とが容量を介してまたは直接電気的に接続されること、
を特徴とする。

前記無線ＩＣデバイスにおいては、放射体が可撓性を有する金属パターンで形成され、かつ、誘電体素体は互いに独立した複数の誘電体小片の集合体にて構成されているため、湾曲した物品（金属体）の表面に取り付けた場合であっても、誘電体素体及び放射体が湾曲面に追随することになり、素体と放射体との間での応力集中が回避される。これにて、放射体の剥離、放射体の歪みなどによる通信特性の変動が抑制され、通信の信頼性を損なうことがない。また、無線ＩＣデバイスを金属体に取り付けることにより、該金属体が放射素子として機能し、通信距離が長くなる。

本発明によれば、曲面に取り付けた場合であっても、素体と放射体との剥離が生じることなく、かつ、通信特性の変動を抑制できる。

第１実施例である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は誘電体素体を構成する誘電体小片をばらした状態で示す斜視図、（Ｂ）は誘電体小片を集合させて誘電体素体を構成した状態を示す斜視図、（Ｃ）は誘電体素体に金属パターンを巻き付ける前の状態を示す斜視図、（Ｄ）は金属パターンを巻き付けた状態を示す斜視図、（Ｅ）は断面図、（Ｆ）は放射体に無線ＩＣ素子を実装した状態を示す斜視図である。 第１実施例である無線ＩＣデバイスの物品への取付け状態を示し、（Ａ）は取付け前の状態を示す断面図、（Ｂ）は取付け後の状態を示す断面図である。 第２実施例である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は誘電体小片を集合させて誘電体素体を構成した状態を示す斜視図、（Ｂ）は誘電体素体に金属パターンを巻き付ける前の状態を示す斜視図、（Ｃ）は金属パターンを巻き付けた状態を示す斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ断面図である。 第３実施例である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は誘電体小片を集合させて誘電体素体を構成した状態を示す斜視図、（Ｂ）は誘電体素体に金属パターンを巻き付ける前の状態を示す斜視図、（Ｃ）は誘電体素体をフィルムで包み込んだ状態を示す斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ断面図である。 第４実施例である無線ＩＣデバイスを示し、（Ａ）は誘電体素体を包装材で包装した状態を示す斜視図、（Ｂ）は断面図である。 第５実施例である無線ＩＣデバイスを示す断面図である。 第６実施例である無線ＩＣデバイスを示す断面図である。 無線ＩＣ素子としての無線ＩＣチップを示す斜視図である。 無線ＩＣ素子として給電回路基板上に前記無線ＩＣチップを搭載した状態を示す斜視図である。 給電回路の一例を示す等価回路図である。 前記給電回路基板の積層構造を示す平面図である。

以下、本発明に係る無線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、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及び図２参照）
第１実施例である無線ＩＣデバイス１０Ａは、ＵＨＦ帯の通信に用いられるものであり、図１に示すように、直方体形状をなす誘電体素体２０と、放射体として機能する金属パターン３０と、該金属パターン３０を保持する可撓性樹脂フィルム３８と、無線ＩＣ素子５０とで構成されている。

誘電体素体２０は、フッ素系樹脂材、ウレタン系樹脂材などの矩形状をなす誘電体小片２１（絶縁性、磁性体であってもよい）からなり、図１（Ａ）に示すように、互いに独立している。これらの誘電体小片２１を図１（Ｂ）に示すように、配列、集合させることにより直方体形状の誘電体素体２０が構成されている。金属パターン３０は、可撓性を有する銅箔やアルミ箔など導電性素材からなり、フィルム３８上に接着剤を介して貼着されている。フィルム３８は両面テープであってもよい。

図１（Ｃ）に示すように、誘電体素体２０の上面に、金属パターン３０を有するフィルム３８を貼着し、フィルム３８を金属パターン３０とともに誘電体素体２０の上面から側面及び下面に沿って折り曲げていく。これにて、各誘電体小片２１が一体化される（図１（Ｅ）参照）。金属パターン３０は、誘電体素体２０の上面から側面を介して下面に延在して配置され、上面電極３１と側面電極３２と下面電極３３とで構成されることになる。

上面電極３１には、開口３４とスリット３５とが形成され、スリット３５の対向部分である給電部３５ａ，３５ｂに無線ＩＣ素子５０が実装される（図１（Ｆ）参照）。無線ＩＣ素子５０は、高周波信号を処理するもので、その詳細は図８〜図１１を参照して以下に詳述する。無線ＩＣ素子５０と給電部３５ａ，３５ｂとの結合は電磁界結合あるいは半田バンプなどによる電気的な直接結合（ＤＣ接続）である。

以上の構成からなる無線ＩＣデバイス１０Ａは、無線ＩＣ素子５０から所定の高周波信号が給電部３５ａ，３５ｂに伝達されると、開口３４の周囲に電流が集中する。この電流集中部分が所定長さのループ状磁界電極として機能し、給電部３５ａ，３５ｂに対して所定の電位差を有することになる。そして、ループ状磁界電極の所定の電位差が上面電極３１に伝達され、下面電極３３との電位差により、上面電極３１がパッチアンテナとして動作する。このように、給電部３５ａ，３５ｂから供給される信号の特性（例えば、広帯域な周波数特性）をそのまま金属パターン３０から外部に伝えることができる。金属パターン３０が外部からの高周波を受信した場合も同様に開口３４の周囲に電流が誘起され、給電部３５ａ，３５ｂから無線ＩＣ素子５０に電力が供給される。この場合、ループ状磁界電極は、無線ＩＣ素子５０と金属パターン３０とのインピーダンスのマッチングを図っている。

金属パターン３０単体からの電磁界放射は弱く短い距離でしか通信できない。図２に示すように、無線ＩＣデバイス１０Ａを金属体４０に接着材層４１を介して貼着すると、金属パターン３０（下面電極３３）が金属体４０と容量結合し、金属体４０からその表面方向に強い電磁界が放射され、離れた位置にあるリーダライタとの通信が可能になる。なお、金属パターン３０と金属体４０との間に形成される容量は無限大であってもよい。換言すれば、下面電極３３は金属体４０と直接電気的に導通してもよい。

前記無線ＩＣデバイス１０Ａにおいては、放射体が可撓性を有する金属パターン３０で形成され、かつ、誘電体素体２０が互いに独立した誘電体小片２１の集合体であり、小片２１が互いに摺動可能であるため、湾曲した金属体４０（例えば、ガスボンベ）の表面に取り付けた場合であっても、誘電体素体２０及び金属パターン３０とが湾曲面に追随することになり、素体２０と金属パターン３０との間での応力集中が回避される。これにて、金属パターン３０の剥離、歪みなどによる通信特性の変動が抑制され、通信の信頼性を損なうことがない。

さらに、本第１実施例において、金属パターン３０の幅寸法は誘電体素体２０の幅寸法よりも小さく形成されている。換言すれば、金属パターン３０は誘電体素体２０の稜線部分２０ａ，２０ｂ（図１（Ｃ）参照）の内側に接合（貼着）されている。これにて、金属パターン３０が側部から剥離されにくくなる。

また、フィルム３８上に金属パターン３０を設けておけば、誘電体素体２０に装着する前の段階で無線ＩＣ素子５０を金属パターン３０に実装しておくことができ、製造工程上有利である。なお、金属パターン３０の上面電極３１に開口３４やスリット３５を形成することなく、上面電極３１を２分割し、分割部分を給電部として無線ＩＣ素子５０を結合させてもよい。

また、金属パターン３０の上面電極３１及び下面電極３３は誘電体素体２０の上下面にフィルム３８を介して接着されているが、側面電極３２が位置する部分は接着されておらず、隙間２５が形成されている（図１（Ｅ）参照）。これにて、無線ＩＣデバイス１０Ａが金属体４０の湾曲した表面に貼着されて誘電体素体２０が湾曲した際、隙間２５が若干潰された状態となる。即ち、誘電体素体２０及び金属パターン３０が湾曲したときに側面電極３２に作用する引張り力を吸収することになる。なお、上面電極３１又は下面電極３３のいずれか一方のみが誘電体素体２０に接着されていてもよい。

（第２実施例、図３参照）
第２実施例である無線ＩＣデバイス１０Ｂは、図３（Ｂ）に示すように、放射体として機能する金属パターン３０の開口３４及びスリット３５を上面電極３１の中央部分に配置し、上面電極３１、一対の側面電極３２及び下面電極３３によって誘電体素体２０をループ状に囲うように配置した（図３（Ｄ）参照）。他の構成は前記第１実施例と同様である。

即ち、誘電体素体２０の上面に、開口３４が中央部に位置するように金属パターン３０を有するフィルム３８を貼着し、両端部分を誘電体素子２０の側面から下面に沿って折り曲げ、貼着する。この場合、下面電極３３は中央部でスリット３３ａを介して対向することになる。また、側面電極３２は誘電体素体２０の側面に接着されておらず、隙間２５が形成されている。

本第２実施例の作用効果は第１実施例で説明したとおりである。特に、第２実施例では、スリット３３ａで二つに分割された下面電極３３が金属体４０と容量結合し、ループ状の放射体として機能する。

（第３実施例、図４参照）
第３実施例である無線ＩＣデバイス１０Ｃは、図４（Ａ）に示すように、フッ素系樹脂材、ウレタン系樹脂材などのサイコロ形状をなす誘電体小片２２を配列、集合させることにより直方体形状の誘電体素体２０を構成したものである。この誘電体小片２２は互いに接する４面が摺動可能な状態でそれぞれ独立している。また、金属パターン３０を保持する可撓性樹脂フィルム３８は幅広のものが用意され、図４（Ｃ）に示すように、誘電体素体２０を上面から四つの側面を介して下面に巻き込んで包装している。これにて、各誘電体小片２２がばらけることが確実に防止される。

本第３実施例における他の構成は前記第１実施例と同様であり、その作用効果も第１実施例で説明したとおりである。

（第４実施例、図５参照）
第４実施例である無線ＩＣデバイス１０Ｄは、図５（Ｂ）に示すように、フッ素系樹脂材、ウレタン系樹脂材などの球状をなす誘電体小片２３を包装材３９で包装することにより直方体形状の誘電体素体２０を構成したものである。金属パターン３０は包装材３０の上面から側面を介して下面にわたって貼着されている。

本第４実施例における他の構成は前記第１実施例と同様であり、その作用効果も第１実施例で説明したとおりである。特に、第４実施例では、誘電体素体２０が互いに独立している球状の小片２３にて構成されているため、金属体４０の湾曲面への追随性が良好である。

なお、包装材３９としては、１枚のフィルムを折り曲げて形成したものを示したが、それ以外に、袋体の開口部を閉止したものなどであってもよい。例えば、食品の包装に使用される円筒状袋体の両端開口部を熱シールしたものであってもよい。

（第５実施例、図６参照）
第５実施例である無線ＩＣデバイス１０Ｅは、図６に示すように、好ましい取付け形態とした第１例である。この無線ＩＣデバイス１０Ｅは、誘電体素体２０、金属パターン３０及び無線ＩＣ素子５０を被覆する保護カバー４５を備えている。保護カバー４５は、金属体４０に貼着された無線ＩＣデバイス１０Ｅを覆うように、金属体４０に接着剤４６にて貼着される。

金属体４０がガスボンベなどでは、露天に放置される場合があったり、手荒く取り扱われる場合もある。このような種々の場合を想定すると、保護カバー４５によって誘電体素体２０や金属パターン３０を周囲の環境、衝撃から効果的に保護することができる。

（第６実施例、図７参照）
第６実施例である無線ＩＣデバイス１０Ｆは、図７に示すように、好ましい取付け形態とした第２例である。この無線ＩＣデバイス１０Ｆは、前記第５実施例で示した保護カバー４５の裏面に両面テープ４７を配置している。両面テープ４７は金属体４０への貼着手段であり、かつ、保護カバー４５とともに誘電体素体２０や金属パターン３０を保護する。なお、両面テープ４７はフィルムであってもよく、その場合は別途接着剤を介して保護カバー４５の裏面や金属体４０と接着することになる。

（無線ＩＣ素子、図８〜図１１参照）
以下に、無線ＩＣ素子５０について説明する。無線ＩＣ素子５０は、図８に示すように、高周波信号を処理する無線ＩＣチップ５１であってもよく、あるいは、図９に示すように、無線ＩＣチップ５１と所定の共振周波数を有する共振回路を含んだ給電回路基板６５とで構成されていてもよい。

図８に示す無線ＩＣチップ５１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いる。無線ＩＣチップ５１は、その裏面に入出力用端子電極５２，５２及び実装用端子電極５３，５３が設けられている。入出力用端子電極５２，５２は前記各実施例で示した給電部３５ａ，３５ｂと金属バンプなどを介して電気的に接続される。なお、金属バンプの材料としては、Ａｕ、はんだなどを用いることができる。

図９に示すように、無線ＩＣチップ５１と給電回路基板６５とで無線ＩＣ素子５０を構成する場合、給電回路基板６５には種々の給電回路（共振回路／整合回路を含む）を設けることができる。例えば、図１０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を含む給電回路６６であってもよい。給電回路６６は、所定の共振周波数を有するとともに、無線ＩＣチップ５１のインピーダンスと金属パターン３０とのインピーダンスマッチングを図っている。なお、無線ＩＣチップ５１と給電回路６６とは、電気的に接続（ＤＣ接続）されていてもよいし、電磁界を介して結合されていてもよい。

給電回路６６は、無線ＩＣチップ５１から発信された所定の周波数を有する高周波信号を前記アンテナに伝達し、かつ、受信した高周波信号をアンテナを介して無線ＩＣチップ５１に供給する。給電回路６６が所定の共振周波数を有するので、インピーダンスマッチングが図りやすくなり、インピーダンスの整合回路、即ち、ループ状とした金属パターン３０の電気長を短くすることができる。

次に、給電回路基板６５の構成について説明する。図８及び図９に示すように、無線ＩＣチップ５１の入出力用端子電極５２は、給電回路基板６５上に形成した給電端子電極１４２ａ、１４２ｂに、実装用端子電極５３は、実装端子電極１４３ａ、１４３ｂに金属バンプなどを介して接続される。

給電回路基板６５は、図１１に示すように、誘電体あるいは磁性体からなるセラミックシート１４１ａ〜１４１ｈを積層、圧着、焼成したものである。但し、給電回路基板６５を構成する絶縁層はセラミックシートに限定されるものではなく、例えば、液晶ポリマなどのような熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂のような樹脂シートであってもよい。最上層のシート１４１ａには、給電端子電極１４２ａ，１４２ｂ、実装端子電極１４３ａ，１４３ｂ、ビアホール導体１４４ａ，１４４ｂ，１４５ａ，１４５ｂが形成されている。ビアホール導体１４４ａ，１４５ａは給電端子電極１４２ａによって接続されている。ビアホール導体１４４ｂ，１４５ｂは給電端子電極１４２ｂによって接続されている。２層目〜８層目のシート１４１ｂ〜１４１ｈ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１４６ａ，１４６ｂが形成され、必要に応じてビアホール導体１４７ａ，１４７ｂ，１４８ａ，１４８ｂが形成されている。

以上のシート１４１ａ〜１４１ｈを積層することにより、配線電極１４６ａがビアホール導体１４７ａ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１４６ｂがビアホール導体１４７ｂ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１４６ａ，１４６ｂの線間にキャパシタンスが形成される。

シート１４１ｂ上の配線電極１４６ａの端部１４６ａ−１はビアホール導体１４５ａを介して給電端子電極１４２ａに接続され、シート１４１ｈ上の配線電極１４６ａの端部１４６ａ−２はビアホール導体１４８ａ，１４５ｂを介して給電端子電極１４２ｂに接続される。シート１４１ｂ上の配線電極１４６ｂの端部１４６ｂ−１はビアホール導体１４４ｂを介して給電端子電極１４２ｂに接続され、シート１４１ｈ上の配線電極１４６ｂの端部１４６ｂ−２はビアホール導体１４８ｂ，１４４ａを介して給電端子電極１４２ａに接続される。

以上の給電回路６６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１４６ａ，１４６ｂ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６５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６６をアンテナに結合させたとき、アンテナには逆向きの電流が励起され、近接する金属板に電流を発生させることができ、その電流による電位差で該金属板を放射素子（アンテナ）として動作させることができる。

給電回路基板６５に共振／整合回路を内蔵することにより、外部の物品の影響による特性変動を抑えることができ、通信品質の劣化を防ぐことができる。また、無線ＩＣ素子５０を構成する無線ＩＣチップ５１を給電回路基板６５の厚み方向の中央側に向けて配置すれば、無線ＩＣチップ５１の破壊を防ぐことができ、無線ＩＣ素子５０としての機械的強度を向上させることができる。

（他の実施例）
なお、本発明に係る無線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。

特に、誘電体素体の材料に関しては、ゴムやエラストマ、エポキシなどの熱硬化性樹脂やポリイミドなどの熱可塑性樹脂であってもよい、あるいは、ＬＴＣＣなどのセラミックであってもよい。

以上のように、本発明は、無線ＩＣデバイスに有用であり、特に、曲面に取り付けた場合であっても、素体と放射体との剥離が生じることなく、かつ、通信特性が変動しにくい点で優れている。

１０Ａ〜１０Ｆ…無線ＩＣデバイス
２０…誘電体素体
２０ａ，２０ｂ…稜線部分
２１，２２，２３…誘電体小片
３０…金属パターン（放射体）
３１，３２，３３…電極
３８…フィルム
３９…包装材
４０…金属体
４５…保護カバー
５０…無線ＩＣ素子
５１…無線ＩＣチップ
６５…給電回路基板
６６…給電回路

Claims (7)

1. 金属体の曲面に取り付けられる無線ＩＣデバイスであって、
   上面、下面及び該上面と下面とを連接する側面を有する誘電体素体と、
   放射体として機能する金属パターンと、
   前記金属パターンを貼着保持する可撓性を有するフィルムと、
   前記金属パターンの給電部に接続された無線ＩＣ素子と、
   を備え、
   前記誘電体素体は互いに独立した複数の誘電体小片の集合体にて構成されており、
   前記誘電体小片は前記誘電体素体の前記上面、前記側面及び前記下面にわたって配置された前記フィルムによって一体化されており、
   前記金属パターンは前記誘電体素体の前記上面及び前記下面で該誘電体素体に前記フィルムを介して接着されており、かつ、前記誘電体素体の前記側面と前記フィルムとの間には隙間が設けられており、
   前記誘電体素体の前記下面に設けられた前記金属パターンと前記金属体の前記曲面とが容量を介してまたは直接電気的に接続されること、
   を特徴とする無線ＩＣデバイス。
2. 前記金属パターンは前記誘電体素体の稜線部分の内側に接合されていること、を特徴とする請求項１に記載の無線ＩＣデバイス。
3. 前記誘電体小片は矩形状をなし、該矩形状をなす誘電体小片を配列、集合させて前記誘電体素体が構成されていること、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. 前記誘電体小片は球状をなし、該球状をなす誘電体小片を包装することにより前記誘電体素体が構成されていること、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。
5. 前記誘電体素体、前記金属パターン及び前記無線ＩＣ素子を被覆する保護部材を備えたこと、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. 前記無線ＩＣ素子は所定の無線信号を処理する無線ＩＣチップであること、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. 前記無線ＩＣ素子は、所定の無線信号を処理する無線ＩＣチップと、所定の共振周波数を有する給電回路を含む給電回路基板とからなること、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。

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