(57)【要約】【課題】広い帯域幅に亘って電波を正反射する薄いアンテナ基板、および近接した金属物の有無に関わらず広い帯域幅で通信可能な薄いＲＦＩＤタグを提供する。【解決手段】  アンテナ基板が、導体層と、導体層上に配置される第１の軟磁性層と、軟磁性層上に複数の導体パッチが２次元的に配列されているパッチ層と、導体層側を下方としたときのパッチ層上に位置し、アンテナパターンの搭載面を有する誘電体層と、を備える。【選択図】図１
2011217028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体層と、
前記導体層上に配置される第１の軟磁性層と、
前記軟磁性層上に複数の導体パッチが２次元的に配列されているパッチ層と、
前記導体層側を下方としたときの前記パッチ層上に位置し、アンテナパターンの搭載面を有する誘電体層と、
を備えたことを特徴とするアンテナ基板。
【請求項２】
前記パッチ層を複数段備え、
前記第１の軟磁性層が、前記導体層と該導体層に最も近いパッチ層との間に挟まれたものであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ基板。
【請求項３】
隣接する前記パッチ層の間に挟まれた第２の軟磁性層をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載のアンテナ基板。
【請求項４】
前記第１の軟磁性層が、前記導体層と前記パッチ層との相互間を絶縁した層であることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載のアンテナ基板。
【請求項５】
前記第１の軟磁性層が、樹脂材料中にフェライト粒子が混ぜられた複合フェライトの層であることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載のアンテナ基板。
【請求項６】
導体層と、
前記導体層上に配置される第１の軟磁性層と、
前記軟磁性層上に複数の導体パッチが２次元的に配列されているパッチ層と、
前記導体層側を下方としたときの前記パッチ層上に位置する誘電体層と、
前記導体層側を下方としたときの前記誘電体層上に形成されたアンテナパターンと、
前記アンテナパターンに接続された、該アンテナパターンを介して通信を行う回路チップとを備えたことを特徴とするＲＦＩＤタグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件開示は、アンテナ基板およびＲＦＩＤタグに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アンテナ基板上に形成されたアンテナパターンと、そのアンテナパターンを介して通信を行う回路チップとを備えたＲＦＩＤタグが知られている。
【０００３】
このＲＦＩＤタグの使用方法としては、商品などに貼り付けてその商品などの管理を行うといった使用方法や携帯電話に組み込んで電話通信とは別の通信を行うといった使用方法が想定されている。そして、このように想定される使用方法によれば、ＲＦＩＤタグに金属物が近接した状態での使用が少なからず発生すると考えられる。しかし、アンテナ基板として単なるＰＥＴのフィルムなどを用いるＲＦＩＤタグの場合には、近接した金属物によって通信が妨げられてしまう。
【０００４】
そこで近年、入射電波を正反射する特性を持った構造として電磁バンドギャップ（ＥＢＧ；Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｇａｐ）構造が注目されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。このＥＢＧ構造をアンテナ基板に組み込むことができるならば、近接した金属物の有無に関わらず、入射電波を正反射する特性によって通信性能の向上が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６２６２４９５号明細書
【特許文献２】特開２００９−３３３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、実際のＲＦＩＤタグにＥＢＧ構造が適用される場合には、実用的なサイズで所望の電磁的性能を発揮することが必要となる。しかし、従来提案されているＥＢＧ構造をそのまま用いて所望の帯域幅等を得るように設計すると、ＲＦＩＤタグの基板としては厚くなりすぎて非実用的である。換言すると、実用的なサイズでは帯域幅が狭すぎる。
【０００７】
上記事情に鑑み、本件開示は、広い帯域幅に亘って電波を正反射する薄いアンテナ基板、および近接した金属物の有無に関わらず広い帯域幅で通信可能な薄いＲＦＩＤタグを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するアンテナ基板は、導体層と、パッチ層と、第１の軟磁性層と、誘電体層を備えている。
【０００９】
第１の軟磁性層は、導体層上に配置される。
【００１０】
上記パッチ層は、上記軟磁性層上に複数の導体パッチが２次元的に配列されているものである。
【００１１】
上記誘電体層は、上記導体層側を下方としたときの上記パッチ層上に位置するものである。そして、その誘電体層はアンテナパターンの搭載面を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本件開示によれば、広い帯域幅に亘って電波を正反射する薄いアンテナ基板、および近接した金属物の有無に関わらず広い帯域幅で通信可能な薄いＲＦＩＤタグが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＲＦＩＤタグの具体的な第１実施形態を示す図である。
【図２】ＲＦＩＤタグの具体的な第２実施形態を示す図である。
【図３】ＥＢＧ構造が有する電磁的特性を表した図である。
【図４】正反射帯域のシミュレーションに用いられたＥＢＧ構造を説明する図である。
【図５】第１の比較例のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】第２の比較例のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】軟磁性層を採用したＥＢＧ構造に対するシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
アンテナ基板およびＲＦＩＤタグに対する具体的な実施形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、ＲＦＩＤタグの具体的な第１実施形態を示す図である。
【００１６】
図１のパート（Ａ）には、第１実施形態のＲＦＩＤタグを上方から透視した上方透視図が示されており、図１のパート（Ｂ）には、第１実施形態のＲＦＩＤタグを側方から透視した側方透視図が示されている。
【００１７】
この図１に示すＲＦＩＤタグ１００は、電磁バンドギャップ（ＥＢＧ；Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｇａｐ）構造を有したアンテナ基板を備えている。具体的には、ＲＦＩＤタグ１００は、グランド層１０１とＥＢＧ電極１０２と軟磁性層１０３と誘電体層１０４とを備えている。そして、これらグランド層１０１、ＥＢＧ電極１０２、軟磁性層１０３、および誘電体層１０４を合わせたものがアンテナ基板の第１実施形態に相当する。また、グランド層１０１とＥＢＧ電極１０２と軟磁性層１０３とを合わせた構造がＥＢＧ構造となっている。
【００１８】
グランド層１０１は、金属で形成された層である。このグランド層１０１が、本発明における導体層の一例に相当する。ＥＢＧ電極１０２は、グランド層１０１に沿って２次元的に多数配列されることで電極アレイとなっている。このＥＢＧ電極１０２としては、本実施形態では円形の電極が採用されている。また、ＥＢＧ電極１０２の配列としては、本実施形態では縦横に直交して並んだ格子状の配列が採用されている。このＥＢＧ電極１０２が配列されている層が、本発明におけるパッチ層の一例に相当する。軟磁性層１０３は、軟磁性材料で形成された層である。具体的な軟磁性材料としては、本実施形態では、樹脂材料中にフェライト粒子が混ぜられた複合フェライトが採用されている。また、通常のＥＢＧ構造ではＥＢＧ電極１０２とグランド層１０１とはビアで導通されているが、本実施形態では、ＥＢＧ電極１０２とグランド層１０１との相互間は軟磁性層１０３によって絶縁されている点で異なる。誘電体層１０４は、誘電体材料で形成された層である。具体的な誘電体材料としては、本実施形態ではＰＥＴフィルムが採用されている。他の誘電体材料としては、例えばエポキシやアルミナなどが採用可能である。また、誘電体層１０４は単層である必要はなく、材料が異なる複数の誘電体層が重なった複合層であってもよい。
【００１９】
ＲＦＩＤタグ１００はこのような構造のアンテナ基板を備えている。また、誘電体層１０４上にはアンテナパターン１０５が形成されている。即ち、誘電体層１０４の上面がアンテナパターン１０５の搭載面となっている。このアンテナパターン１０５は、本実施形態では銅で形成されている。他に、アンテナパターンは、例えば銀ペーストなどを混合した導電性インクをフィルムに印刷して形成可能である。このアンテナパターン１０５は無線通信用のアンテナとして機能するものであって本実施形態ではダイポールアンテナとなっている。ダイポールアンテナ以外のアンテナパターンとしては、例えばループアンテナなどが採用可能である。
【００２０】
アンテナパターン１０５上には回路チップ１０６が配置されている。この回路チップ１０６は接着剤１０７によってアンテナパターン１０５および誘電体層１０４に固定されている。また、回路チップ１０６はバンプ１０６ａを介してアンテナパターン１０５に接続されている。そして、回路チップ１０６はアンテナパターン１０５を介した無線通信を行う。本実施形態において、ＥＢＧ電極１０２は円形で表示しているが、実際の適用に際しては後述するＥＢＧ特性を評価するユニットセルの代表例の正方形、あるいは長方形や多角形等に相当する電極が適用されてもよい。
【００２１】
以下、第２実施形態のＲＦＩＤタグの構造について説明する。
【００２２】
図２は、ＲＦＩＤタグの具体的な第２実施形態を示す図である。
【００２３】
図２のパート（Ａ）には、第２実施形態のＲＦＩＤタグを上方から透視した上方透視図が示されており、図２のパート（Ｂ）には、第２実施形態のＲＦＩＤタグを側方から透視した側方透視図が示されている。
【００２４】
この図２に示す第２実施形態のＲＦＩＤタグ１１０が備えた構成要素のうち、図１に示す第１実施形態のＲＦＩＤタグ１００が備えた構成要素と同様の構成要素については同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００２５】
この図２に示すＲＦＩＤタグ１１０も、ＥＢＧ構造を有したアンテナ基板を備えている。具体的には、グランド層１０１とＥＢＧ電極１０２と軟磁性層１０３と誘電体層１０４と中間軟磁性層１０８とを合わせたものがアンテナ基板の第２実施形態に相当する。この第２実施形態では、グランド層１０１とＥＢＧ電極１０２と軟磁性層１０３と中間軟磁性層１０８とを合わせた構造がＥＢＧ構造となっている。また、この第２実施形態におけるＥＢＧ構造には、中間軟磁性層１０８を挟んだ２段のＥＢＧ電極１０２が含まれている。本実施形態において、ＥＢＧ電極１０２は円形で表示しているが、実際の適用に際しては後述するるＥＢＧ特性を評価するユニットセルの代表例の正方形、あるいは長方形や多角形等に相当する電極が適用されてもよい。
【００２６】
以下、ＥＢＧ構造が有している電磁的な特性について説明する。
【００２７】
図３は、ＥＢＧ構造が有する電磁的特性を表した図である。
【００２８】
図３の横軸は、上方からＥＢＧ構造に入射される入射波の周波数を表している。また、図３の縦軸は、ＥＢＧ構造から上方へと反射される反射波の位相を表している。
【００２９】
一般にＥＢＧ構造は、この図３に実線で示すような特性を示す。即ち、入射波の周波数が低いときは反射波の位相が１８０°に近いが、入射波の周波数が上がると反射波の位相は９０°を下回って０°に達した後マイナスの位相となる。そして、さらに入射波の周波数が上がると反射波の位相は−９０°を下回って−１８０°に漸近する。反射波の位相が９０°から−９０°までの間となる入射波の周波数の帯域が、ＥＢＧ構造が正反射を示す帯域と言える。以下、この帯域のことを正反射帯域と称する。また、反射波の位相が９０°となる入射波の周波数を正反射帯域の下限周波数ｆＬと称し、反射波の位相が−９０°となる入射波の周波数を、正反射帯域の上限周波数ｆＵと称する。
【００３０】
また、ＥＢＧ構造は、この正反射帯域において、電磁波に対するバンドギャップを有している。即ち、正反射帯域内の周波数を有する電磁波は、ＥＢＧ構造内に進入することが原理的に不可能なので全反射されることとなる。
【００３１】
従って、アンテナ基板がＥＢＧ構造を有している場合には、そのアンテナ基板上に設けられるアンテナは、正反射帯域内の周波数で通信を行うと、アンテナ基板が完全な電磁シールドとなる上に、正反射によって通信波がむしろ増強されることとなる。
【００３２】
ＥＢＧ構造が有するこのような特性をＲＦＩＤタグに好適に適用するためには、ＲＦＩＤタグで用いられている通信波の周波数帯域と正反射帯域が一致ないしは大きく重複するようにＥＢＧ構造を設計する必要がある。そこで、従来提案されている材料を用いてＥＢＧ構造を設計し、その設計したＥＢＧ構造について正反射帯域をシミュレートしてみた。
【００３３】
図４は、正反射帯域のシミュレーションに用いられたＥＢＧ構造を説明する図である。
【００３４】
この図４には、ＥＢＧ構造の基本セル２００が示されている。ＥＢＧ構造は、この基本セル２００が、図４中に示すＸＹＺ座標系のＸ方向とＹ方向とに繋がって配置されたものとなっている。基本セル２００は、金属のグランド層２０１と、金属のセル電極２０２と、それらグランド層２０１およびセル電極２０２に挟まれた誘電体層２０３とを有している。グランド層２０１もセル電極２０２も正方形であるが、セル電極２０２の方がやや小さい（この図の例では０．４ｍｍ小さい）。このため、この基本セル２００を繋げると、グランド層２０１は１つに繋がった広いグランド層となるが、セル電極２０２は、互いに分離されて配列された電極アレイとなる。なお、シミュレーションでは計算の便宜のため正方形のセル電極２０２を用いたが、ＥＢＧ構造の基本的な性質は円形の電極である場合と大差はない。
【００３５】
このような基本セル２００の誘電体層２０３としてエポキシ系の基板材料（比誘電率は４．４）を採用したものを第１の比較例としてシミュレートした。また、誘電体層２０３としてアルミナ（比誘電率は１０．２）を採用したものを第２の比較例としてシミュレートした。入射波は、図４中に示すＸＹＺ座標系のＺ方向から入射するものとした。以下にグラフで示すシミュレーション結果は、図４に示すように１０ｍｍ角のセル電極２０２を有する１０．４ｍｍ角の基本セル２００について、厚さｔを変えながらシミュレートした結果である。ここに示した基本セル２００とセル電極２０２のサイズは、基本セル２００が繋がったアンテナ基板とアンテナとの距離を１ｍｍ程度とするために必要なサイズである。アンテナ基板とアンテナとをより近くに配置するためには、より小さなサイズの電極が必要となる。
【００３６】
図５は、第１の比較例のシミュレーション結果を示すグラフである。
【００３７】
このグラフの横軸は基本セルの厚さ、即ち基板の厚さを表している。またグラフの縦軸は入射波の周波数を表している。また、グラフに示されている菱形の印付きのラインは、上述した下限周波数ｆＬを表し、方形の印付きのラインは、上述した上限周波数ｆＵを表している。つまり、これらのラインで挟まれた帯域が正反射帯域である。
【００３８】
ＲＦＩＤタグでは２ＧＨｚ以下の周波数の通信波が用いられるが、このグラフからわかるように、第１の比較例では、基板の厚さが８ｍｍ以上にならないと正反射帯域が２ＧＨｚ以下に届かない。従って、第１の比較例では、ＲＦＩＤタグとして実用的な厚みのアンテナ基板を得ることができないことがわかる。
【００３９】
図６は、第２の比較例のシミュレーション結果を示すグラフである。
【００４０】
このグラフの縦軸、横軸、菱形の印付きのライン、および方形の印付きのラインそれぞれの意味は、図５のグラフでの意味と同じである。
【００４１】
第２の比較例では、誘電体層の比誘電率が第１の比較例における比誘電率の２倍以上となっているが、シミュレート結果には大差がないことがわかる。すなわち、基板の厚さが４ｍｍ以上にならないと正反射帯域が２ＧＨｚ以上に届かない。
【００４２】
本願の発明者は、基板の厚さ以外のパラメータを変えることで２ＧＨｚ以下の正反射帯域が得られないか工夫と検証を重ねたところ、電極サイズをより小さくすると良いことが確認された。ところが、このように電極サイズを小さくすると、正反射帯域の帯域幅が減少してしまい、結局、実用的な帯域幅が得られないことがわかった。また、グランド層と電極との間に生じるＬ成分を変えるために、グランド層と電極とを繋ぐビアの形状についても工夫と検証を重ねた。このビアは、ＥＢＧ構造に関する従来の提案では不可欠と考えられている。しかし、ビアの形状を極端に変形させてもＥＢＧ構造の電磁的特性は殆ど変化しないことが確認された。さらには、従来の常識に反して、ビアを全く除去してしまっても電磁的特性は殆ど変化しないことが確認された。図３には、ビアを備えたＥＢＧ構造の電磁的特性が実線で示され、ビアを欠いたＥＢＧ構造の電磁的特性が丸印で示されている。この図３から明らかなように、ビアの有無はＥＢＧ構造の電磁的特性に殆ど影響しない。
【００４３】
本願の発明者は、さらに工夫と検証を重ねた結果、高透磁率の材料、その中でも特に軟磁性材料をグランド層と電極との間に配置することで、優れた電磁的特性のアンテナ基板が得られることを発見した。
【００４４】
図７は、軟磁性層を採用したＥＢＧ構造に対するシミュレーション結果を示すグラフである。
【００４５】
このグラフの縦軸、横軸、菱形の印付きのライン、および方形の印付きのラインそれぞれの意味も、図５のグラフでの意味と同じである。また、このシミュレーションでも、図４に示す基本セル２００と同じサイズの基本セルが用いられている。
【００４６】
このシミュレーションで採用された軟磁性体は、比誘電率が８．８で比透磁率が１０である。この程度の物性値は、上述した複合フェライトの調製によって容易に得ることができる。
【００４７】
この図７に示すグラフから明らかなように、１ｍｍ以下という実用的な基板の厚みで２ＧＨｚ以下の正反射帯域が得られている。また、正反射帯域の帯域幅も、２００ＭＨｚ以上という実用的な帯域幅が得られている。
【００４８】
このようなシミュレーション結果に基づいて、上述した実施形態に立ち戻って説明する。
【００４９】
図１に示す第１実施形態のＲＦＩＤタグ１００では、グランド層１０１とＥＢＧ電極１０２との間に軟磁性層１０３が設けられている。このような構造により、第１実施形態のＲＦＩＤタグ１００では、実用的な厚さで２ＧＨｚ以下の正反射帯域が実現されている。このため、このＲＦＩＤタグ１００は、図１の下方に金属物などが存在していても、広い帯域で正常に通信を行うことができる。
【００５０】
また、このＲＦＩＤタグ１００では、軟磁性層１０３でグランド層１０１とＥＢＧ電極１０２とが絶縁されたＥＢＧ構造が採用されているので構造の単純化が図られている。このため製造の工程も単純化されてコスト低減に寄与する。
【００５１】
また、このＲＦＩＤタグ１００では、軟磁性層１０３の材料として複合フェライトが採用されているため、所望の物性値を有した軟磁性層１０３を容易に得ることができるとともに、ＲＦＩＤタグとして求められる柔軟性も得ることができる。
【００５２】
図２に示す第２実施形態のＲＦＩＤタグ１１０では、複数段のＥＢＧ電極１０２が採用されているので、第１実施形態のＲＦＩＤタグ１００よりも低周波での通信が可能である。また、複数段のＥＢＧ電極１０２の相互間にも軟磁性層が設けられていることにより、薄いアンテナ基板が実現されている。なお、複数段のＥＢＧ電極１０２の相互間距離は、グランド層１０１とＥＢＧ電極１０２との距離よりもずっと狭いので、多少厚めの基板となってもよいような場合には、ＥＢＧ電極１０２の相互間が単に誘電体の層であるという構造も設計上選択可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１００，１１０    ＲＦＩＤタグ
１０１    グランド層
１０２    ＥＢＧ電極
１０３    軟磁性層
１０４    誘電体層
１０５    アンテナパターン
１０６    回路チップ
１０６ａ    バンプ
１０７    接着剤
１０８    中間層
２００    基本セル
２０１    グランド層
２０２    セル電極
２０３    誘電体層
【図１】
2011217028.tif 000003
【図２】
2011217028.tif 000004
【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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