(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界を発生させて無線通信を行うためのループ状アンテナと、該ループ状アンテナに対して直列に接続された直列インダクタと、を有し、キャリア周波数に相当する共振周波数を持つアンテナ共振回路と、
前記アンテナ共振回路に接続され、送受信信号を処理する無線ＩＣ素子と、
を備え、
前記直列インダクタのインダクタンス値が前記ループ状アンテナのインダクタンス値よりも大きく、
前記直列インダクタが磁性体で覆われており、
前記ループ状アンテナは１ターンの線状の導体パターンからなること、
を特徴とする無線通信用デバイス。
【請求項２】
磁界を発生させて無線通信を行うためのループ状アンテナと、該ループ状アンテナに対して直列に接続された直列インダクタと、を有し、キャリア周波数に相当する共振周波数を持つアンテナ共振回路と、
前記アンテナ共振回路に接続され、送受信信号を処理する無線ＩＣ素子と、
を備え、
前記直列インダクタのインダクタンス値が前記ループ状アンテナのインダクタンス値よりも大きく、
前記直列インダクタが磁性体で覆われており、
前記ループ状アンテナは１ターンの線状の導体パターンからなること、
を特徴とする無線通信用デバイス。
【請求項３】
前記直列インダクタのインダクタンス値が前記ループ状アンテナのインダクタンス値よりも１．２倍以上大きいこと、を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の無線通信用デバイス。
【請求項４】
前記直列インダクタのインダクタンス値が前記ループ状アンテナのインダクタンス値よりも３．９倍以上大きいこと、を特徴とする請求項３に記載の無線通信用デバイス。
【請求項５】
無線通信用デバイスと金属体とからなり、
前記無線通信用デバイスは、
磁界を発生させて無線通信を行うためのループ状アンテナと、該ループ状アンテナに対して直列に接続された直列インダクタと、を有し、キャリア周波数に相当する共振周波数を持つアンテナ共振回路と、
前記アンテナ共振回路に接続され、送受信信号を処理する無線ＩＣ素子と、
を備え、
前記直列インダクタのインダクタンス値が前記ループ状アンテナのインダクタンス値よりも大きく、
前記直列インダクタが磁性体で覆われており、
前記金属体は前記ループ状アンテナの近傍に配置されており、
前記ループ状アンテナは１ターンの線状の導体パターンからなること、
を特徴とする物品。
【請求項６】
無線通信用デバイスと金属体とからなり、
前記無線通信用デバイスは、
磁界を発生させて無線通信を行うためのループ状アンテナと、該ループ状アンテナに対して直列に接続された直列インダクタと、を有し、キャリア周波数に相当する共振周波数を持つアンテナ共振回路と、
前記アンテナ共振回路に接続され、送受信信号を処理する無線ＩＣ素子と、
を備え、
前記直列インダクタのインダクタンス値が前記ループ状アンテナのインダクタンス値よりも大きく、
前記直列インダクタが磁性体で覆われており、
前記金属体は前記ループ状アンテナの近傍に配置されており、
前記ループ状アンテナは１ターンのワイヤからなること、
を特徴とする物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信用デバイス、例えば、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムなどの非接触通信システムでの利用が可能な無線通信用デバイス及び該デバイスを備えた物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触通信システムで使用されるＩＣタグとして特許文献１に記載のものが知られている。この種のＩＣタグでは、アンテナとＩＣモジュールが直接的に接続されているため、アンテナ自身のインピーダンスをＩＣモジュールのインピーダンスの複素共役に合わせる必要がある。それゆえ、非接触ＩＣタグのアンテナ設計は、異なるＩＣごとに、あるいは、異なるアンテナ形状ごとに行う必要があり、通常、５０Ωで構成されている測定系で評価するために設計上の難易度が非常に高いという問題点を有している。また、例えば、アンテナの近傍に金属物が配置されている場合、アンテナ自身のインピーダンスが変動してしまい、ＩＣタグとしての周波数特性が変動してしまいやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２６７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、周波数特性の変動が少なく、アンテナ設計上の難易度を低めることのできる無線通信用デバイス及び該デバイスを備えた物品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の形態である無線通信用デバイスは、
磁界を発生させて無線通信を行うためのループ状アンテナと、該ループ状アンテナに対して直列に接続された直列インダクタと、を有し、キャリア周波数に相当する共振周波数を持つアンテナ共振回路と、
前記アンテナ共振回路に接続され、送受信信号を処理する無線ＩＣ素子と、
を備え、
前記直列インダクタのインダクタンス値が前記ループ状アンテナのインダクタンス値よりも大きく、
前記直列インダクタが磁性体で覆われており、
前記ループ状アンテナは１ターンの線状の導体パターン又は１ターンのワイヤからなること、
を特徴とする。
【０００６】
本発明の第２の形態である物品は、前記無線通信用デバイスと前記ループ状アンテナの近傍に配置された金属体とを備えたことを特徴とする。【０００７】
前記無線通信用デバイスにおいて、無線通信を行うためのアンテナ部と共振周波数を調整するための共振回路部とを回路機能的に分割し、共振回路部のインダクタンス値をアンテナ部のインダクタンス値よりも大きくし、かつ、インダクタンス値の大きい共振回路部を磁性体で覆うようにしている。それゆえ、周囲の環境などによりアンテナ部のインピーダンス特性が変化してもデバイスとしての周波数特性は変動しにくく、かつ、アンテナ部に金属板等が近接しても通信が可能となる。さらに、アンテナ部の大きさや形状などの設計が容易になる。アンテナ部は例えば１ターンの導体パターンでも通信が可能であり、アンテナ長を長くするために必ずしもスパイラル形状とする必要がない。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、周波数特性の変動が少なく、アンテナ設計上の難易度の低い無線通信用デバイスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】無線通信用デバイスの基本回路を示す等価回路図であり、（Ａ）は第１例、（Ｂ）は第２例、（Ｃ）は第３例を示す。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれループ状アンテナの各種形状や大きさを示す平面図である。
【図３】無線通信用デバイスの第３例を示す斜視図である。
【図４】前記第３例を示す断面図である。
【図５】前記第３例の積層構造を分解して示す平面図である。
【図６】第１の特性を示すグラフであり、（Ａ）は本発明例を示し、（Ｂ）は比較例を示す。
【図７】本発明例の他の特性を示すグラフである。
【図８】本発明例のさらに他の特性を示すグラフである。
【図９】無線通信用デバイスを備えた物品（歩数計）を示し、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は内部構造を模式的に示す斜視図である。
【図１０】無線通信用デバイスと携帯端末との通信状態を示す説明図である。
【図１１】無線通信用デバイスを備えた物品（パソコン）を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る無線通信用デバイス及び該デバイスを備えた物品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。
【００１１】
（基本回路構成、図１及び図２参照）
無線通信用デバイスの第１例を図１（Ａ）に、第２例を図１（Ｂ）に、第３例を図１（Ｃ）示す。これらの無線通信用デバイスはＨＦ帯をキャリア周波数とするＨＦ帯ＲＦＩＤシステム用のＲＦＩＤデバイスとして構成されている。
【００１２】
第１例である無線通信デバイス１ａは、磁界を発生させて無線通信を行うためのループ状アンテナ１０とアンテナ用周波数調整補助回路２０を有するアンテナ共振回路と、送受信信号を処理する無線ＩＣ素子３０と、を備えている。アンテナ用周波数調整補助回路２０は、ループ状アンテナ１０に対して直列に接続された直列インダクタＬ１，Ｌ２と、インダクタＬ１，Ｌ２間に直列に接続されたキャパシタＣ１とを有する。ループ状アンテナ１０のＬ成分、インダクタＬ１，Ｌ２及びキャパシタＣ１による共振回路（厳密に言うと、さらに無線ＩＣ素子３０が持つ浮遊容量成分を含めた共振回路）は、キャリア周波数に相当する共振周波数を持っている。アンテナ用周波数調整補助回路２０の共振周波数はキャリア周波数の±１５％の共振周波数を持っている。補助回路２０のポートＰ１，Ｐ２はループ状アンテナ１０のそれぞれの端部に接続され、ポートＰ３，Ｐ４は無線ＩＣ素子３０の二つの入出力端子にそれぞれ接続されている。さらに、後述するように、直列インダクタＬ１，Ｌ２のインダクタンス値はループ状アンテナ１０のインダクタンス値よりも大きく、直列インダクタＬ１，Ｌ２が磁性体で覆われている（図４、図５を参照して詳述する）。
【００１３】
第２例は、図１（Ｂ）に示すように、アンテナ用周波数調整補助回路２０に単一のインダクタＬ１を設けたものである。即ち、本第２例の無線通信用デバイス１ｂは、ループ状アンテナ１０に対して直列に接続された直列インダクタＬ１と、直列インダクタＬ１に直列に接続されたキャパシタＣ１とを含んだ周波数調整補助回路２０を有する。
【００１４】
第３例は、図１（Ｃ）に示すように、キャパシタＣ１，Ｃ２を並列に設けたものである。キャパシタＣ２はキャパシタＣ１のキャパシタンス値を補正するために配置されている。即ち、本第３例の無線通信用デバイス１ｃは、ループ状アンテナ１０に対して直列に接続されたインダクタＬ１，Ｌ２と、互いに並列接続されたキャパシタＣ１，Ｃ２とを含んだ周波数調整補助回路２０を有する。
【００１５】
ループ状アンテナ１０は、１ターンの導体パターンからなり、例えば、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示す種々の形状、大きさのものを使用することができる。図２（Ａ）に示すアンテナ１０Ａは、４８ｍｍ角の導体パターンからなり、パターン幅は５ｍｍでインダクタンス値は２００ｎＨである。図２（Ｂ）に示すアンテナ１０Ｂは、４８ｍｍ角の導体パターンからなり、パターン幅は１ｍｍでインダクタンス値は２００ｎＨである。図２（Ｃ）に示すアンテナ１０Ｃは、３８ｍｍ角の導体パターンからなり、パターン幅は５ｍｍでインダクタンス値は１７０ｎＨである。図２（Ｄ）に示すアンテナ１０Ｄは、３８ｍｍ角の導体パターンからなり、パターン幅は１ｍｍでインダクタンス値は１７０ｎＨである。それぞれの導体パターンの両端部に補助回路２０が接続されている。
【００１６】
なお、各図２（Ａ）〜（Ｄ）において、符号３５はアンテナ１０Ａ〜１０Ｄを保持する基材シートである。
【００１７】
以上の回路構成からなる第３例である無線通信用デバイス１ｃは、図３及び図４に示すように、インダクタＬ１，Ｌ２を内蔵した磁性体層からなる基板５０上に無線ＩＣ素子３０とチップタイプのキャパシタＣ１，Ｃ２を搭載し、樹脂６０で封止されている。基板５０は磁性体層５０ａを上下の非磁性体層５０ｂで挟み込んだ積層構造体として形成されている。なお、磁性体層５０ａに内蔵されたインダクタＬ１，Ｌ２は互いに磁気結合していてもよい。互いに磁気結合させることで、外部環境によるＬ値の変動をより小さくさせることができるとともに、相互インダクタンスＭによる各インダクタＬ１，Ｌ２の小型化が可能となる。
【００１８】
（基板の構成、図３〜図５参照）
以下に、基板５０に内蔵されたインダクタＬ１，Ｌ２などを構成する電極や導体パターンを図５を参照して説明する。図５は非磁性体及び磁性体からなるシート５１ａ〜５１ｌを基板５０の底面側（図４参照）から見た状態で示している。
【００１９】
シート５１ａには裏面側電極５２ａ，５２ｂとビアホール導体６１ａ，６１ｂが形成され、シート５１ｂには中継パターン５３ａ，５３ｂとビアホール導体６１ａ，６１ｂが形成されている。シート５１ｃ〜５１ｊには導体パターン５４ａ，５４ｂとビアホール導体６１ａ，６１ｂが形成されている。シート５１ｋには中継パターン５５ａ，５５ｂとビアホール導体６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂが形成されている。シート５１ｌには表面側電極５６ａ〜５６ｄ，５７ａ，５７ｂ，５８ａ，５８ｂとビアホール導体６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂが形成されている。
【００２０】
最下層の電極５２ａ，５２ｂ（ポートＰ１，Ｐ２）はそれぞれビアホール導体６１ａ，６１ｂ及び中継パターン５３ａ，５３ｂを介して導体パターン５４ａ，５４ｂに接続されている。複数の導体パターン５４ａはそれぞれビアホール導体６１ａを介してコイル状に接続され、直列インダクタＬ１を構成している。複数の導体パターン５４ｂはそれぞれビアホール導体６１ｂを介してコイル状に接続され、直列インダクタＬ２を構成している。
【００２１】
インダクタＬ１の最上段の導体パターン５４ａはビアホール導体６１ａを介して中継パターン５５ａに接続されている。中継パターン５５ａは、ビアホール導体６２ａを介して最上層の電極５８ａに、ビアホール導体６３ａを介して最上層の電極５６ａに、ビアホール導体６４ａを介して最上層の電極５７ａに、それぞれ接続されている。中継パターン５５ｂは、ビアホール導体６２ｂを介して最上層の電極５８ｂに、ビアホール導体６３ｂを介して最上層の電極５６ｂに、ビアホール導体６４ｂを介して最上層の電極５７ｂに、それぞれ接続されている。
【００２２】
最上層のシート５１ｌ上において、電極５６ａ，５６ｂ（ポートＰ３，Ｐ４）には前記無線ＩＣ素子３０の入出力端子がはんだバンプなどにて接続される。電極５７ａ，５７ｂ間にはキャパシタＣ１が接続され、電極５８ａ，５８ｂ間にはキャパシタＣ２が接続される。
【００２３】
（種々の周波数特性、図６〜図８参照）
次に、無線通信用デバイスのリターンロス特性を図６（Ａ）を参照して説明する。このリターンロス特性は、図１（Ａ）に示した無線通信用デバイス１ａにおいて、インダクタＬ１，Ｌ２のインダクタンス値をそれぞれ３９０ｎＨ、キャパシタＣ１のキャパシタンス値を１２０ｐＦとし、ループ状アンテナ１０として４０ｍｍ角の導体パターンからなり、パターン幅が１ｍｍでインダクタンス値が２００ｎＨのものを使用してシミュレートしたものである。
【００２４】
アンテナ１０及び無線通信用デバイス１ａに金属板が近づいていないときのリターンロス特性を図６（Ａ）の曲線Ａ（共振周波数：１３．４ＭＨｚ）に示し、アンテナ１０に金属板が２ｍｍに近接したときのリターンロス特性を曲線Ａ’（共振周波数：１３．９ＭＨｚ）に示す。曲線Ａ，Ａ’から明らかなように、金属板が２ｍｍに近接した場合であっても、共振周波数の変動幅は５００ｋＨｚ（変動幅の許容値は概ね１ＭＨｚ以内）である。これに対して、アンテナ用周波数調整補助回路２０を配置することのない比較例（無線通信用デバイス１において補助回路２０を省略したもの）では、図６（Ｂ）に曲線Ａ，Ａ'示すように、金属板が近接したときの共振周波数は１９．４ＭＨｚにシフトし、その変動幅は６ＭＨｚであった。これでは、通信が不能となる。
【００２５】
以上のごとく、無線通信用デバイスにおいて、無線通信を行うためのループ状アンテナと共振周波数を調整する補助回路とを回路機能的に分割し、補助回路のインダクタンス値をアンテナのインダクタンス値よりも大きくし、かつ、インダクタＬ１，Ｌ２を磁性体層で覆うようにしている。それゆえ、周囲の環境などによりアンテナ特性が変化しても無線通信用デバイスとしての周波数特性は変動しにくく、かつ、アンテナに金属板が近接しても周波数の変動幅が小さく、十分に通信が可能となる。
【００２６】
さらに、インピーダンスに拘わらずアンテナの大きさや形状などの設計（図２（Ａ）〜（Ｄ）参照）が容易になる。アンテナは１ターンの導体パターンでも通信が可能であり、アンテナ長を長くするために必ずしもスパイラル形状とする必要がない。
【００２７】
次に、金属板が近接したときのリーダライタによる読取り距離をシミュレートした結果を説明する。ここでは、前記無線通信用デバイス１ａにおいて図２（Ｄ）に示したループ状アンテナ１０Ｄを使用した場合を示す。通常での読取り距離は５７ｍｍであり、アンテナ１０に対して金属板が２ｍｍに近接したときであっても２４ｍｍの読取り距離を確保できた。また、図２（Ｂ）に示したループ状アンテナ１０Ｂを使用した場合には、通常での読取り距離は５４ｍｍであり、アンテナ１０に対して金属板が２ｍｍに近接したときであっても３２ｍｍの読取り距離を確保できた。
【００２８】
これに対して、アンテナ用周波数調整補助回路２０を配置することのない比較例（無線通信用デバイス１ａにおいて補助回路２０を省略したもの）では、通常での読取り距離は６４ｍｍであったが、金属板が２ｍｍに近接したときでは読取り不能であった。
【００２９】
次に、前記通信用デバイス１ａにおいて、図２に示したループ状アンテナ１０Ａ〜１０Ｄをそれぞれ使用した場合のリターンロス特性を図７に示す。共振周波数が最も低いのはアンテナ１０Ｂを使用した場合であり、最も高いのはアンテナ１０Ｃを使用した場合である。最大変動幅は±３００ｋＨｚの範囲に収まっている。ここでは、補助回路２０の合成インダクタンス値を７８０ｎＨに設定しており、合成インダクタンス値７８０ｎＨはループ状アンテナ１０Ｃ，１０Ｄのインダクタンス値１７０ｎＨに対して４．５９倍である。また、合成インダクタンス値７８０ｎＨはループ状アンテナ１０Ａ，１０Ｂのインダクタンス値２００ｎＨに対して３．９倍である。従って、無線通信用デバイス１において、直列インダクタＬ１，Ｌ２の合成インダクタンス値はループ状アンテナ１０のインダクタンス値よりも３．９倍以上であることが好ましい。
【００３０】
次に、補助回路２０の直列インダクタＬ１，Ｌ２をそれぞれ１００ｎＨ（合成インダクタンス値は２００ｎＨ）とし、キャパシタＣ１を３９０ｐＦ＋３３ｐＦとした通信用デバイス１であって、ループ状アンテナをインダクタンス値が２００ｎＨのアンテナ１０Ａ，１０Ｂ（図２（Ａ），（Ｂ）参照）を使用した場合と、インダクタンス値が１７０ｎＨのアンテナ１０Ｃ，１０Ｄ（図２（Ｃ），（Ｄ）参照）を使用した場合において、金属板の接離に対する共振周波数の変動特性を図８に示す。
【００３１】
図８において、曲線Ａ，Ａ’は、アンテナ１０Ａ，１０Ｂを使用した場合であって、曲線Ａは通常の状態での共振周波数特性、曲線Ａ’はアンテナ１０Ａ，１０Ｂに金属板が２ｍｍに近接した場合の共振周波数特性を示している。ここでは共振周波数が１３．５ＭＨｚから１４．７ＭＨｚに変動しており、変動幅は１ＭＨｚである。ちなみに、直列インダクタの合成インダクタンス値はループ状アンテナのインダクタンス値の１倍である。また、曲線Ｂ，Ｂ’は、アンテナ１０Ｃ，１０Ｄを使用した場合であって、曲線Ｂは通常の状態での共振周波数特性、曲線Ｂ’はアンテナ１０Ｃ，１０Ｄに金属板が２ｍｍに近接した場合の共振周波数特性を示している。ここでは共振周波数が１４．０ＭＨｚから１４．７ＭＨｚに変動しており、変動幅は７００ｋＨｚである。ちなみに、直列インダクタの合成インダクタンス値はループ状アンテナのインダクタンス値の１．１７倍である。この無線通信用デバイス１において、直列インダクタＬ１，Ｌ２のインダクタンス値はループ状アンテナ１０のインダクタンス値よりも１．２倍以上であることが好ましい。
【００３２】
（使用例、図９〜図１１参照）
無線通信用デバイス１は１ターンの導体パターンからなるループ状アンテナ１０を備えていれば、該アンテナ１０の近傍に金属体が近接配置されていてもリーダライタなどとの通信が可能である。そこで、種々の物品に無線通信用デバイス１を内蔵することができる。
【００３３】
図９に無線通信用デバイス１を内蔵した活動量計（歩数計７０）を示す。歩数計７０に代表される活動量計は、人体に装着して日々の運動量や消費カロリーなどを計測する健康グッズであり、近年はブレスレット型など軽量のものに人気がある。歩数計７０からブルーツース（商標）やＷ−ＬＡＮなどの無線通信でパソコンやスマートフォンに計測データを転送してデータをチェックするためには、機器同士のペアリング（機器認証機能）が必要となる。但し、ブルーツースなどでペアリングを行うのは煩雑である。
【００３４】
そこで、歩数計７０などの物品に、１ターンのループ状金属体（金属製ワイヤ１０Ｄ）をループ状アンテナとして利用して無線通信用デバイス１を内蔵させればよい。これにて、Ｉ2Ｃ機能付きのＲＦＩＤシステムなどを利用して歩数計７０と携帯端末などとの通信が可能である。仮に、歩数計７０に金属体が配置されており、該金属体がワイヤ１０Ｄに近接する場合であっても通信が可能であることは勿論である。
【００３５】
さらに、図１０に示すように、無線ＩＣ素子３０を歩数計７０に内蔵されているマイクロコンピュータ７５に接続すれば、ペアリングのみならず、マイクロコンピュータ７５に格納されているデータ（歩数や消費カロリーなど）をループ状アンテナ１０（ワイヤ１０Ｄ）を介してスマートフォン８０に転送することが可能になる。
【００３６】
図１１に示すパソコン９０には、金属製筺体の底面に、従来のバーコードに代えて、ループ状アンテナ１０を備えた無線通信用デバイス１が備えられている。これにて、パソコン９０を無線通信用デバイス１を用いて管理することが可能になり、また、パソコン９０のマイクロコンピュータを無線ＩＣ素子３０に接続することで、パソコン９０とホストコンピュータとのペアリングやデータの交換が可能になる。
【００３７】
（他の実施例）
なお、本発明に係る無線通信用デバイス及び物品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。
【００３８】
特に、ループ状アンテナを構成する導体パターンの細部の構成、形状などは任意である。また、歩数計やパソコン以外に種々の物品に幅広く無線通信用デバイスを内蔵させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明は、無線通信用デバイスに有用であり、特に、周波数特性の変動が少なく、アンテナ設計上の難易度を低めることができる点で優れている。
【符号の説明】
【００４０】
１（１ａ，１ｂ，１ｃ）…無線通信用デバイス
１０，１０Ａ〜１０Ｄ…ループ状アンテナ
２０…アンテナ用周波数調整補助回路
３０…無線ＩＣ素子
５０…基板（磁性体）
Ｌ１，Ｌ２…直列インダクタ
７０…歩数計
９０…パソコン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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