(57)【要約】【課題】薄型化と低損失化を図ることのできる高表面インピーダンス構造体を提供すること。【解決手段】単位構造をｘ方向に繰り返し並べてなるシート状構造体において、誘電体層１０の上面側には容量上部電極２１を形成し、誘電体層１０の下面側には、四角枠状のグランド電極３１、容量上部電極２１に対向配置される容量下部電極３２、下面中央に配置されて容量下部電極３２を接続する中央電極３３、中央電極３３とグランド電極３１とをｙ方向において接続するインダクタンス部３４を形成する。シート状構造体の長手方向とアンテナの長手方向とを併せれば、インダクタンス部３４においては、アンテナによる誘導電流の発生を抑えることができ、誘導電流に基づく損失を抑えることができる。【選択図】図２
2008131506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位構造を第１所定方向に繰り返し並べてなる周期構造により特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより当該特定の周波数帯域に属する周波数を有する入射波を同相反射するシート状構造体であって、
前記単位構造は、第１及び第２の主面を有する誘電体層と、前記第１の主面上に形成された第１導電体層と、前記第２の主面上に形成された第２導電体層とを備えており、
前記第１導電体層は、前記第１所定方向において互いに離間するようにして配置される一方で前記第１所定方向と交差する前記第１の主面の縁に接するようにして配置された２つの所定形状の容量上部電極を備えており、
前記第２導電体層は、前記第２の主面と外形を同一とした枠状のグランド電極と、前記第２の主面の中央部に配置された中央電極と、該中央電極とそれぞれ接続されると共に前記２つ容量上部電極に対向して設けられた２つの容量下部電極と、前記第１所定方向に直交する第２所定方向に延びて前記中央電極と前記グランド電極とを接続する２つのインダクタンス部を備えている、シート状構造体。
【請求項２】
前記第１及び第２の主面のそれぞれは、前記第１所定方向に延びる二辺と前記第２所定方向に延びる二辺とからなる第１方形形状を有しており、
前記容量上部電極は、それぞれ、前記第１方形の面積の半分よりも小さい面積を有する第２方形形状を有し、且つ、前記第２所定方向に延びる辺の一つを前記第１方形と共有するようにして配置されており、
前記グランド電極は、外形を前記第１方形に一致させてなる四角枠であり、
前記容量下部電極のそれぞれは、前記第１方形の面積の半分よりも小さい面積を有する第３方形形状を有し、且つ、前記グランド電極とは離間して配置されており、
前記中央電極は、第３方形形状よりも小さい第４方形形状を有し、且つ、前記第１方形の中心点上に配置されており、
前記インダクタンス部は、夫々、前記第１方形の中心点を通り且つ前記第２所定方向に延びる線上において前記中央電極と前記グランド電極とを接続している、
請求項１記載のシート状構造体。
【請求項３】
前記第１導電体層及び前記第２導電体層の少なくとも一方に付与された磁性体層を更に備える、請求項１又は請求項２に記載のシート状構造体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のシート状構造体と、アンテナパターンを有するアンテナ層と、前記シート状構造体の前記第１導電体層上に形成された誘電体からなるアンテナ支持層とを備えるアンテナ装置。
【請求項５】
前記アンテナパターンは、前記第１所定方向を長手方向とした形状を有している、請求項４記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記アンテナパターンにより構成されたアンテナはダイポールアンテナである、請求項５記載のアンテナ装置。
【請求項７】
ベタパターンの導電体からなるシールド層と、前記シート状構造体の前記第２導電体層上に形成された誘電体からなるシールド支持層とを更に備える、請求項４乃至請求項６のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれかに記載のアンテナ装置と、前記アンテナ支持層上において前記アンテナパターンに接続されたＩＣを備え、前記シート状構造体をタグ基体の一部としてなるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い表面インピーダンスを有するシート状構造体とそれを利用したアンテナ装置及びＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の機器の小型化により、例えば、グランドプレーン等の金属面とアンテナとの距離が短くなってきており、それによるアンテナ特性の劣化が懸念されている。また、ＲＦＩＤタグを金属面に貼付すると、ＲＦＩＤタグに含まれるアンテナの特性が著しく劣化し、ＲＦＩＤタグが適切に機能しなくなることも知られている。これらの問題は、いずれも金属面の表面インピーダンスが低いことに起因している。逆に、表面インピーダンスの高いものをアンテナ近傍に配置すると、その高い表面インピーダンスによりインピーダンス面に入射したエネルギーが同相反射され、アンテナ性能を向上させることが知られている。
【０００３】
この種の構造体としては、従来、ビアを有する所謂マッシュルーム状導体を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これに対して、アンテナ用途に限られない左手系媒質としてビアを不要としビア密度の縛りを超えたスケーラビリティを持たせてなるもの（例えば、特許文献２参照）なども提案されている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，５３８，６２１号公報
【特許文献２】特開２００６−２４５９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アンテナ近傍に配置するにしても、ＲＦＩＤタグに適用するにしても、高い表面インピーダンスを呈するに要する厚みが厚すぎると、機器の小型化のトレンドやＲＦＩＤタグに対する要望に反することとなり、実用上問題がある。例えば、特許文献１記載の技術をＲＦＩＤタグの周波数帯域（２．４ＧＨｚ帯）に適用しようとすると、２ｍｍ以上の厚みを必要とする。従って、高表面インピーダンス構造体については薄型化の要請がある。
【０００６】
また、高表面インピーダンス構造体における損失を低く抑えることができれば、より大きい同相反射量を得ることができる。即ち、高表面インピーダンス構造体については低損失化の要請もある。
【０００７】
そこで、本発明は、薄型化と低損失化を図ることのできる高表面インピーダンス構造体と、それを利用したアンテナ装置及び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】
本発明は、上述した課題を解決するための手段として、単位構造を第１所定方向に繰り返し並べてなる周期構造により特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより当該特定の周波数帯域に属する周波数を有する入射波を同相反射するシート状構造体であって：前記単位構造は、第１及び第２の主面を有する誘電体層と、前記第１の主面上に形成された第１導電体層と、前記第２の主面上に形成された第２導電体層とを備えており；前記第１導電体層は、前記第１所定方向において互いに離間するようにして配置される一方で前記第１所定方向と交差する前記第１の主面の縁に接するようにして配置された２つの所定形状の容量上部電極を備えており；前記第２導電体層は、前記第２の主面と外形を同一とした枠状のグランド電極と、前記第２の主面の中央部に配置された中央電極と、該中央電極とそれぞれ接続されると共に前記２つ容量上部電極に対向して設けられた２つの容量下部電極と、前記第１所定方向に直交する第２所定方向に延びて前記中央電極と前記グランド電極とを接続する２つのインダクタンス部を備えている、シート状構造体を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、インダクタンスを通って電流の流れるループが大きいことから、大きなインダクタンスを得ることができる。これは即ち、単位構造を主面に垂直な方向から見た場合の等価回路であるＬＣ並列共振回路の共振周波数が低くなることを意味する。よって、スケール則を考慮すれば理解されるように、シート状構造体の小型化を図ることが出来る。
【００１０】
加えて、第１所定方向と直交する第２所定方向をインダクタンス部の延設方向としたことから、第１所定方向に長手を有するようにして形成されたシート状構造体上に、同じく第１所定方向を長手とするアンテナを形成した場合には、インダクタンス部の長手方向とアンテナの長手方向とが直交することになるため、インダクタンス部における誘導電流の発生を抑え、導体損失を低めることができる。
【００１１】
更に、シート状構造体の第１導電体層及び第２導電体層の少なくとも一方に磁性体膜を付与すると、シート状構造体の表面インピーダンスにおいてＬを大きくし且つＣを小さくすることができることから、高表面インピーダンスを呈する周波数領域の更なる広帯域化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１の実施の形態による高表面インピーダンスを有するシート状構造体は、図１に示されるような単位構造を第１所定方向に繰り返し並べてなる周期構造により特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより当該特定の周波数帯域に属する周波数を有する入射波を同相反射するものである。
【００１３】
本実施の形態による単位構造は、図１並びに図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、誘電体層１０と、誘電体層１０の上面に形成された第１導電体層２０と、誘電体層１０の下面に形成された第２導電体層３０とを備えている。ここで、図２（ａ）及び（ｂ）から理解されるように、本実施の形態における単位構造の上面及び下面は、双方とも四角形である。以下においては、この四角形を第１方形という。
【００１４】
図２（ａ）に示されるように、第１導電体層２０は、ｘ方向において互いに離間するようにして配置された２つの容量上部電極２１からなる。各容量上部電極２１は、第１方形の面積の半分よりも小さい面積を有する四角形形状を有する。この四角形を以下においては、第２方形という。本実施の形態における第２方形は、それぞれｘ方向の辺よりもｙ方向の辺の方が約２倍近く長い長方形である。容量上部電極２１は、第２方形の長辺、即ち、ｙ方向に延びる辺の一つを第１方形のｙ方向に延びる辺と共有するようにして配置されており、これにより、単位構造をｘ方向に並置した場合には隣接する単位構造の容量上部電極２１同士が連結されることとなる。
【００１５】
図２（ｂ）に示されるように、第２導電体層３０は、第１方形と外形を同一とした四角枠状のグランド電極３１と、２つの容量上部電極２１に対応する２つの容量下部電極３２と、第１方形の中央部に配置された中央電極３３と、ｙ方向に延びて中央電極３３とグランド電極３１とを接続する２つのインダクタンス部３４を備えている。ここで、容量下部電極３２は、第２方形よりも一回り小さい第３方形形状を有しており、ｘ方向において中央電極３３と連結されている。中央電極３３は、第３方形よりも更に小さい第４方形形状を有し、第１方形の中心点上に配置されている。
【００１６】
図３には、上述した単位構造を等価回路で表現したものである。周期を半分ずらして、図４に示されるような等価回路で上述した単位構造を表現することとしても良い。
【００１７】
第１導電体層２０の上面からこの単位構造に入射する平面波から見た場合、図３、図４に示される等価回路は、適切な周波数範囲ではＬＣ並列共振回路に簡略近似することができる。これは、隣り合う中央電極３３間が、ギャップと連続導体との並列接続構造を有していることからも予想できる。
【００１８】
ここで、インダクタンスＬ，キャパシタンスＣを有するＬＣ並列共振回路で近似される表面の表面アドミタンスＹｓ（表面インピーダンスＺｓの逆数）は、下記式（１）にて表すことができる。ωは角周波数、ｊは虚数単位である。
【数１】
2008131506.tif 000003
【００１９】
式（１）をωで微分すると、下記式（２）が得られる。
【数２】
2008131506.tif 000004
【００２０】
ここで、ＬＣ並列回路の共振角周波数をω０として、下記式（３）を用いて式（２）を変形すると、式（４）が得られる。
【数３】
2008131506.tif 000005
【数４】
2008131506.tif 000006
【００２１】
式（４）からω０近傍における表面アドミタンスＹｓのωの変化に対する変化量は式（５）のように求められる。
【数５】
2008131506.tif 000007
【００２２】
式（５）から明らかなように、ＬＣ並列共振回路において、共振周波数での表面アドミタンスの周波数変化に対する変化量は、Ｃが小さいほど（Ｌが大きいほど）小さく、ｊ２Ｃになる。即ち、表面アドミタンスＹｓの逆数である表面インピーダンスＺｓも、Ｃが小さいほど（Ｌが大きいほど）周波数に対する変化は小さくなる（図５参照）。
【００２３】
従って、ＬＣ並列共振回路を図６に示されるような小キャパシタンスと大インダクタンスの組み合わせてなるものとすれば、広帯域な同相反射効果を得ることができる。
【００２４】
本実施の形態によれば、インダクタンス部３４を通って流れる電流のループが大きいことから実効的には大きなインダクタンスを有するに等しく、従って、高表面インピーダンスを呈する周波数領域を比較的広くとることができる。なお、第１導電体層２０及び第２導電体層３０の少なくとも一方に磁性体層を付与すると、更に広帯域な同相反射効果を得ることができる。
【００２５】
図７乃至図１０を参照すると、上述したシート状構造体をＲＦＩＤタグへ適用した例が示されている。なお、図７、図９及び図１０において、参照符号１０´、２０´、３０´は、それぞれ前述した単位構造の誘電体層１０、第１導電体層２０、第２導電体層３０をｘ方向に周期的に連結してなるものである。また、実際の誘電体材料としては比較的透明なもの（少なくとも内部を透視しうるもの）を用いる場合もあるが、図８乃至図１０においては、各図を簡略化するため、透過しないものとして描いてある。
【００２６】
図示されたＲＦＩＤタグは、２．４ＧＨｚ用金属対応タグの例であり、１２ｘ１２ｍｍの平面形状を有する単位構造を５つ一列に接続してなるシート状構造体を備えている（特に、図９及び図１０参照）。図７及び図８に示されるように、第１導電体層２０´上には、誘電体からなるアンテナ支持層４０が形成されており、アンテナ支持層４０の上面には所定のアンテナパターンを有するアンテナ層５０と、アンテナパターンに接続されたＩＣ６０とが配置されている。一方、第２導電体層３０´の下面側には、シールド支持層７０が設けられており、更に、シールド支持層７０の下面にはベタパターンの導電体からなるシールド層８０が形成されている。第２導電体層３０はベタ電極ではないことから、タグを金属面上に貼付した場合には、当該金属の影響を受けて性能が変化する可能性がある。そのため、本例のタグにおいては、予め第２導電体層３０から一定距離離すようにして導電体からなるシールド層８０を設けてある。
【００２７】
本例においては、誘電体層１０´、アンテナ支持層４０、及びシールド支持層７０は、ＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate樹脂）からなる。一方、第１導電体層２０´、第２導電体層３０´、アンテナ層５０、シールド層８０は、金属箔、より具体的には、アルミ箔または銅箔からなる。なお、第１導電体層２０´と第２導電体層３０´との間の距離、即ち、誘電体層１０´の厚みは０．２ｍｍであり、第１導電体層２０´とアンテナ層５０との間の距離、即ち、アンテナ支持層４０の厚みも０．２ｍｍである。また、第２導電体層３０´とシールド層８０との間の距離、即ち、シールド支持層７０の厚みは、０．５ｍｍである。
【００２８】
本例におけるアンテナは、図８から理解されるように、ｘ方向を長手方向とし、ＩＣ６０を中心にｘ方向に対象に延びるダイポールアンテナである。図８及び図１０から理解されるように、ダイポールアンテナの長手方向（ｘ方向）とインダクタンス部３４の長手方向（ｙ方向）とは直交している。従って、インダクタンス部３４にはアンテナによる誘導電流が生じない。故に、インダクタンス部３４における導体損失は最小となっている。
【００２９】
なお、シート状構造体とアンテナ層５０の相関やシート状構造体とシールド層８０との相関を小さくするためには、アンテナ支持層４０やシールド支持層７０の厚みを厚くするか、または低い誘電率を有する材料でアンテナ支持層４０やシールド支持層７０を構成することが必要である。
【００３０】
具体的には、アンテナ支持層４０やシールド支持層７０の材料としては、できるだけ誘電率の低い樹脂や、空気分を含む発泡材、スポンジ、ウレタン、繊維などが好ましい。特に、空気層や空孔は空気中に電界を集中させ、材料内の電界を下げるので、損失の低減に有効である。
【００３１】
図１１を参照すると、第１導電体層２０´及び第２導電体層３０´の両面並びにシールド層８０の片面に磁性体層１００を付与した変形例が示されている。この例のように磁性体層１００を導電体層に付与することとすると、ＬＣ並列共振等価回路におけるインダクタンス成分を上げることができ、従って、広帯域な高インピーダンス特性を得ることができる。磁性体層１００は、電極に密着させた方が効果が高く、また、厚みが厚いほど効果は高くなる。この磁性体層１００としては、例えば、フェライトメッキや磁性体粉末と樹脂バインダとからなる複合磁性体シートを用いることができる。
【００３２】
フェライトめっきは、絶縁体に比較して導電率が高いので、金属部分のみにめっきすることが望ましい。また、図１１に示される例においては、第１導電体層２０´及び第２導電体層３０´の両面に磁性体膜１００を付与しているが、いずれか一方だけでも良いし、片面だけに付与することとしても良い。
【００３３】
なお、例えば、図１２に示されるように、シート状構造体における誘電体層１０を複合磁性体からなるシート１１０に置き換えたり、シールド支持層７０を複合磁性体からなるシート１７０に置き換えたりすることで同様の効果を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるシート状構造体における単位構造を概略的に示す側面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示される誘電体層及び第１導電体層を示す上面図であり、図２（ｂ）は、図１に示される誘電体層及び第２導電体層を示す下面図である。
【図３】図１に示される単位構造を上方から見た場合の等価回路を示す図である。
【図４】図３の等価回路と置き換え可能な等価回路を示す図である。
【図５】インダクタンスを増加させることにより高インピーダンス領域の広帯域化が図れることを説明するための図である。
【図６】高インピーダンス領域を広帯域化するための等価回路上の条件を示す図である。
【図７】図１に示されるシート状構造体をＲＦＩＤタグに適用した例を示す図である。
【図８】図７に示されるＲＦＩＤタグの上面図である。
【図９】図７に示されるＲＦＩＤタグに含まれるシート状構造体の上面図である。
【図１０】図７に示されるＲＦＩＤタグに含まれるシート状構造体の下面図である。
【図１１】図７に示されるＲＦＩＤタグの変形例を示す図である。
【図１２】図７に示されるＲＦＩＤタグの更なる変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０        誘電体基板
２０，２０´        第１導電体層
２１        容量上部電極
３０、３０´        第２導電体層
３１        グランド電極
３２        容量下部電極
３３        中央電極
３４        インダクタンス部
４０        アンテナ支持層
５０        アンテナ層
６０        ＩＣ
７０        シールド支持層
８０        シールド層
１００，１１０，１７０        磁性体層
【図１】
2008131506.tif 000008
【図２】
2008131506.tif 000009
【図３】
2008131506.tif 000010
【図４】
2008131506.tif 000011
【図５】
2008131506.tif 000012
【図６】
2008131506.tif 000013
【図７】
2008131506.tif 000014
【図８】
2008131506.tif 000015
【図９】
2008131506.tif 000016
【図１０】
2008131506.tif 000017
【図１１】
2008131506.tif 000018
【図１２】
2008131506.tif 000019