(57)【要約】【課題】導体に取り付けた場合に高い通信性能を発揮するアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット及び導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットを提供する。【解決手段】本発明のアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット１は、コイル３２が形成された基板３１を積層して成るアンテナ部２０と、当該アンテナ部と接続されるＩＣチップ１０とを少なくとも備えるアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットにおいて、前記アンテナ部は、磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主エレメント３０と、開放部４２を有する１ターン未満のコイル４１から成る副エレメントとを備えており、前記主エレメントと前記副エレメントとが電磁結合される。主エレメントと副エレメントとを両者の磁束の発生方向が一致するように接続することで導体５０全体をアンテナとして機能させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットにおいて、
コイルが形成された基板を積層して成るアンテナ部と、
当該アンテナ部と接続されるＩＣチップと、を少なくとも含み、
前記アンテナ部は、
磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主エレメントと、
開放部を有する１ターン未満のコイルから成る副エレメントと、を含み、
前記主エレメントと前記副エレメントとが電磁結合される、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
【請求項２】
前記主エレメントの磁束の中心と、前記副エレメントの磁束の中心とが、一致するよう形成された、請求項１記載のアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
【請求項３】
前記主エレメントは、絶縁体からなる複数の基板と、前記複数の基板に形成された複数のコイルとを含む、請求項１または２に記載のアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
【請求項４】
前記副エレメントの開放部は、等価容量を形成する、請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ搭載型の通信用ＩＣユニット。
【請求項５】
前記基板の平面外形寸法が５ｍｍ×５ｍｍ以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
【請求項６】
アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットにおいて、
アンテナ部と、
前記アンテナ部と接続されるＩＣチップと、を少なくとも含み、
前記アンテナ部は、
絶縁基板と、前記絶縁基板に形成された１ターン以上のコイルと、を含む主エレメントと、
開放部が形成された１ターン未満のコイルを含む副エレメントと、を含み、
前記主エレメントは、前記副エレメントと電磁結合し、
前記開放部によって構成されるコンデンサと前記１ターン未満のコイルとにより共振回路が形成される、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
【請求項７】
導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットにおいて、
コイルが形成された基板を積層して成るアンテナ部と、
当該アンテナ部と接続されるＩＣチップと、
導体と、を少なくとも含み、
前記アンテナ部は、
磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主エレメントと、
開放部を有する１ターン未満のコイルから成る副エレメントと、を含み、
前記主エレメントと前記副エレメントとが電磁結合され、
前記導体に形成された切り欠き部に、前記副エレメントの開放部が重ねられた、導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
【請求項８】
前記導体の切り欠き部の切り欠き幅は、前記副エレメントの開放部の幅と等しいか、または開放部の幅よりも大きい、請求項７記載の導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
【請求項９】
導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットにおいて、
コイルが形成された基板を複数積層して成るアンテナ部と、
当該アンテナ部と接続されるＩＣチップと、
導体と、を少なくとも含み、
前記アンテナ部は、
磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主エレメントを含み、
前記導体は、円孔と前記円孔に連通する開放部と、を含み、
前記主エレメントのコイルと前記円孔の周囲の前記導体によって形成されるコイルとが電磁結合された、導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体に取り付けた場合に、高い通信性能を発揮するアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット及び導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットを提供することを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）が利用されている。
ＲＦＩＤシステムで使用するＲＦタグにはアンテナ及びＩＣチップが格納されており、リーダ・ライタのアンテナから送信された搬送波をＲＦタグのアンテナで受信し、ＩＣチップに記録されている識別データ等を反射波に乗せてリーダ・ライタへ返送することで非接触で交信する仕組みになっている。【０００３】
従来のＲＦタグ用のアンテナとして例えば二次元の一層の渦巻状のタイプが知られている。しかし、パターンサイズを小さくして高インダクタンスを実現することが難しいため、回路設計が難しいという問題や、ＩＣチップに搭載して小型化するのが難しいという問題があった。
そこで、本願発明者は、コイルを形成した基板を積層すると共に磁界の発生方向が同一方向になるように各コイルを直列接続したアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットを開発した（特許文献１及び２）。
このＩＣユニットによれば、積層した複数のコイルを一体的に作動させることができるので、高インダクタンスを実現でき、回路設計及び小型化が容易になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４７１３６２１号公報
【特許文献２】特許第４１０６６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記従来技術では以下のような問題がある。
すなわち、通信距離が短いためリーダ・ライタをＩＣユニットの近傍まで近づける必要があるという問題がある。
また、ＩＣユニットを導体（金属物等）に近づけると共振周波数がずれてしまい通信に支障が出るという問題または、ＩＣユニットを取り付けた面の裏側の面に電波を照射した場合には通信できないという問題がある。【０００６】
本発明は、このような問題を考慮して、導体に取り付けた場合に高い通信性能を発揮するアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット及び導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット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】
【０００７】
本発明のアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットは、コイルが形成された基板を積層して成るアンテナ部と、当該アンテナ部と接続されるＩＣチップとを少なくとも備えるアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットにおいて、アンテナ部は、磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主エレメントと、開放部を有する１ターン未満のコイルから成る副エレメントとを備えており、主エレメントと副エレメントとが電磁結合されることを特徴とする。
また、副エレメントが導体に設置されることを特徴とする。
また、基板の平面外形寸法が５ｍｍ×５ｍｍ以下であることを特徴とする。
本発明の導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットは、上記アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットに、さらに導体を有し、当該導体が切り欠き部を有しており、当該切り欠き部と開放部とを重ね合わせることで、導体と副エレメントとを電気的に接触接続するステップと、主エレメントの磁束の発生方向と副エレメントの磁束の発生方向が一致するように主エレメントと副エレメントを電磁結合するステップを備えることを特徴とする。
さらに、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットの発明において、主エレメントの磁束の中心と、副エレメントの磁束の中心とが、一致するよう形成されたことが好ましい。なお、主エレメントの磁束と、副エレメントの磁束とが、互いに影響し合うずれであれば、問題ないが、磁束の中心が一致することが望ましい。
主エレメントは、絶縁体からなる複数の基板と、複数のコイルとを含むことが好ましい。
副エレメントの開放部は、等価容量を形成することが好ましい。
基板の平面外形寸法が５ｍｍ×５ｍｍ以下であることが好ましい。
さらに、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットにおいて、アンテナ部と、アンテナ部と接続されるＩＣチップと、を少なくとも含み、アンテナ部は、絶縁基板と、絶縁基板に形成された１ターン以上のコイルと、を含む主エレメントと、開放部が形成された１ターン未満のコイルを含む副エレメントと、を含み、主エレメントは、副エレメントと電磁結合し、副エレメントは、開放部によって構成されるコンデンサと１ターン未満のコイルとにより共振回路を形成するのが好ましい。
また、導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットにおいて、コイルが形成された基板を積層して成るアンテナ部と、当該アンテナ部と接続されるＩＣチップと、導体と、を少なくとも含み、アンテナ部は、磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主エレメントと、開放部を有する１ターン未満のコイルから成る副エレメントと、を含み、主エレメントと副エレメントとが電磁結合され、導体に形成された切り欠き部に、副エレメントの開放部が重ねられたことが好ましい。
導体の切り欠き部の切り欠き幅は、副エレメントの開放部の幅と等しいか、または開放部の幅よりも大きいことが好ましい。
さらに、導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットにおいて、コイルが形成された基板を複数積層して成るアンテナ部と、当該アンテナ部と接続されるＩＣチップと、導体と、を少なくとも含み、アンテナ部は、磁束の発生方向が一致するように複数のコイルが直列接続されて成る主エレメントを含み、導体は、円孔と円孔に連通する開放部と、を含み、主エレメントのコイルと円孔の周囲の導体によって形成されるコイルとが電磁結合されたことが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明ではアンテナ部を構成する主エレメントと副エレメントを共にコイルで構成し、導体に設置する副エレメントのコイル形状を１ターン未満とする。そして、主エレメントと副エレメントを両者の磁束の発生方向が一致するように接続することで導体全体をアンテナとして機能させる。
ＩＣユニットから離れた位置からリーダ・ライタの搬送波を送信した場合、搬送波がＩＣユニットまで届かない場合がある。しかし、本発明では導体がアンテナとして機能するため、搬送波が導体の一部まで届きさえすれば、搬送波は導体を伝わり副エレメント及び主エレメントまで至り、ＩＣチップにおいて電源電圧が生成され、通信回路等を動作させることができる。
また、本発明ではＩＣユニットを取り付けた面の裏側の面に電波を照射した場合にも、表側の面に電波を照射した場合とほぼ同品質で通信できる。
このように、本発明のアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットは導体に取り付けた場合に高い通信性能を発揮することができる。
なお、本発明において「導体」とは一般的な意味と同様に「電気の伝導率が比較的大きな物質の総称」（広辞苑）であり、例えば金属、炭素繊維、人体、動物の体、草木、水、地面などが挙げられるが、必ずしもこれらに限定されない。
導体の一例としては、小形の携帯用通信端末、非接触形のＩＣカード等の携帯用物品に使用される導体がある。また、その他、導体として、金属板等がある。
また、本発明では複数のコイルを直列接続することで主エレメントを構成するので小型化が可能になり、基板の平面外形寸法が５ｍｍ×５ｍｍ以下の小型のＩＣユニットを製造することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットのうちＩＣチップとアンテナ部の主エレメント及び副エレメントの構造を示す斜視図である。
【図２】アンテナ部の副エレメントの１ターン未満のコイルを導体に設置した状態を示す斜視図である。
【図３】主エレメント及び副エレメントを分解した状態で金属（導体）に設置する態様を示す図（ａ）、及び主エレメントと副エレメントとを一体化したＩＣユニットを金属に設置した状態を示す図（ｂ）である。
【図４】アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットの等価回路図である。
【図５】アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットの変形例を示す斜視図である。
【図６】アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットのうちＩＣチップとアンテナ部の主エレメント及び副エレメントである導体の構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット１（以下、単に「ＩＣユニット」と表記する場合がある）の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１から図３に示すように、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット１はＩＣチップ１０とアンテナ部２０とを少なくとも含む。
ＩＣチップ１０を最上層の基板３１の上面に配置している。ＩＣチップ１０はリーダ・ライタから送信される搬送波の一部を整流し、動作するために必要な電源電圧を生成する。そして、生成した電源電圧によってＩＣチップ１０内の制御用の論理回路等が格納されたメモリ、及びリーダ・ライタとのデータの送受信を行うための通信回路等を動作させる。
ＩＣチップ１０の側面から２本のライン１１を引き出している。なお、最上層の基板３１の表面及びＩＣチップ１０を保護層で覆うことにしてもよい。
【００１１】
アンテナ部２０は主エレメント３０と副エレメント４０を含む。
主エレメント３０は基板３１を複数積層して構成される。基板３１の積層枚数は適宜調節可能である。例えば、基板３１は２枚以上を使用することができ、３枚あるいは４枚以上を使用することもできる。本実施の形態では３枚使用している。各基板３１の裏面（下面）にコイル３２を形成している。
本実施の形態における基板３１は、上述した最上層の基板３１に、中間層の基板３１、最下層の基板３１を積層して構成される。基板３１を積層するには、接着剤を用いる方法、基板３１に含まれる樹脂の融着など公知の方法によって行うことができる。
中間層の基板３１と最上層の基板３１との間には、最上層の第１のコイル３２が形成され、中間層の基板３１と最下層の基板３１との間には、中間層の第２のコイル３２が形成される。
基板３１としては一般的に使用される例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂を含む任意の絶縁性のプラスチック樹脂の他、セラミックス、マイカ、ガラスなどの絶縁板、絶縁フィルム、絶縁シート、絶縁膜等を使用することができる。絶縁性、小型化、耐高温性の観点ではセラミックスが適している。
なお、基板３１の寸法及び形状は特に限定されない。例えば、基板３１の形状は正方形、長方形などの矩形状、円形、楕円形などとすることができる。基板３１の一辺（または最大外形）の寸法は０．５ｍｍ以上とすることができ、１ｍｍ以上が好ましい。また、基板３１の一辺（または最大外形）の寸法は８ｍｍ以下とすることができ、６ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が最も好ましい。本実施の形態では平面外形寸法が５ｍｍ×５ｍｍ以下とする。また、各基板３１の間に必要に応じて絶縁膜を配置してもよい。
【００１２】
コイル３２は平面内で渦巻状のいわゆる平面コイルである。
最上層のコイル３２は、その外周端が最上層の基板３１の接続点３３（貫通穴）の一方を介してＩＣチップ１０の一方のライン１１に接続される。当該外周端から渦巻状に反時計回りとなり、内周端が中間層の基板３１の接続点を介して中間層のコイル３２の内周端に接続される。
中間層のコイル３２は、その内周端から渦巻状に反時計回りとなり、外周端が中間層及び最上層の基板３１の接続点３３の他方を介して他方のライン１１に接続される。
【００１３】
各コイル３２は共通の電流による磁束の発生方向が同一方向となるように直列接続されている。なお、各コイル３２の数、形成面積、ターン数は、ＩＣユニット１の所要インダクタンスに応じて任意に設定することができる。例えば、最上層および中間層のコイル３２の巻き数は２以上とするのがよく、３あるいは４以上とすることができる。
また、各コイル３２の巻き方向及び接続形態は、各コイル３２からの磁界の発生方向が同一方向である限り、図示以外の任意の形態であってもよい。また、本実施の形態ではコイル３２を基板３１の裏面（下面）に形成するものとしたが、基板３１の表面（上面）に形成してもよい。
コイル３２は金属を含む任意の導電性材料から成り、基板３１に対してメッキ、印刷、エッチング、蒸着等の手法によって形成することができる。
【００１４】
副エレメント４０は導体５０に設置されるものであり、１ターン未満のコイル４１で構成される。
１ターン未満のコイル４１はその一方の端部と他方の端部との間を形成する開放部４２を有している。すなわち、開放部４２を形成することにより、１ターン未満のコイル４１を形成している。この開放部４２の間隔は、後述する等価容量を所望の値にできるように設定される。
本実施の形態では、１ターン未満のコイル４１は、薄板状のコイル本体と、コイル本体のほぼ中心部に形成された円形の孔部と、その孔部に連通する矩形状の開放部４２と、を有する。
図２に示すように、例えば導体５０が金属板の場合、金属板の一部に切り欠き部５１を設けておき、当該切り欠き部５１と１ターン未満のコイル４１の開放部４２とを上下に重ね合わせることで導体５０と副エレメント４０とを電気的に接触接続させる。この場合、導体５０にも、Ｉターン未満のコイル４１と同様に、孔部とその孔部に連通する切り欠き部５１とが形成される。
また、導体５０がプリント基板の場合、当該プリント基板の配線と電気的に接続される位置に１ターン未満のコイル４１を貼り付ければよい。
１ターン未満のコイル４１は金属を含む任意の導電性材料から成る。１ターン未満のコイル４１の形成方法は導体５０の種類に応じて種々選択可能であり、例えば導体５０が金属板またはプリント基板の場合、これらに対してメッキ、印刷、エッチング、蒸着等を施すことで形成すればよい。あるいは、金属の薄板を切り抜いて１ターン未満のコイル４１を形成してもよい。
【００１５】
ＩＣユニット１を使用する際には、図３に示すように主エレメント３０と副エレメント４０の磁束の発生方向が一致するように両エレメントを電磁結合させる。
副エレメント４０を構成するコイル４１が１ターン未満で構成されるので、１ターン未満のコイル４１に対向する導体５０の部分に同じく１ターン未満の切り欠き部５１を設ける。つまり、１ターン未満のコイル４１に形成された開放部４２と切り欠き部５１とが合致するように、開放部４２と同形状および同寸法の切り欠き部５１を導体５０の端縁部分に設ける。なお、導体５０の切り欠き部５１の切り欠き幅は、副エレメント４０の開放部４２の幅と等しくするか、または開放部４２の幅よりも大きくするのがよい。
具体的に、切り欠き部５１は、矩形状の切り欠きからなり、開放部４２の幅よりも大きい幅であってもよい。
そして、開放部４２と切り欠き部５１とが一致するように向きを合わせて接触させた状態で副エレメント４０を導体５０に固定すればよい。その固定方法には、例えば、導電性接着剤を用いる方法、半田付けによる固定など公知の固定方法を採用することができる。
このように主エレメント３０と副エレメント４０とを両者の磁束の発生方向が一致するように接続することで導体５０全体をアンテナとして利用することができる。
導体５０としては、限定されないが、例えば、小形の携帯用通信端末や、非接触形のＩＣカード等の携帯用物品に使用される導体がある。
【００１６】
図４は本実施の形態のＩＣユニット１の等価回路図である。
主エレメント３０と副エレメント４０とは、ＩＣチップ１０内の等価容量１００及び１ターン未満のコイル４１の開放部４２の間隙を含む等価容量１０１とで共振回路を構成している。
なお、必要に応じてコンデンサをＩＣチップ１０外部に別途設けることにしてもよい。
ここで、インダクタンスはコイルの巻数に比例する。主エレメント３０を構成するコイル３２の総巻数をｎ（但し、ｎ≫１）とした条件下では、主エレメント３０と副エレメント４０とを電磁的に接合させる前と後とでインダクタンスの変化はごく僅かである。
つまり、主エレメントｎターンから見た副エレメント１ターン未満は、１ターン未満／ｎターンとなるため導体５０に取り付けた場合のインピーダンスの変化を少なくすることができ、また、１ターン未満からｎターン側を見れば導体５０から変換電磁界はｎ倍されるため効率よく電磁波を取り込むことができる。
したがって、ＩＣチップ１０と主エレメント３０との間で共役整合を取っておけば、主エレメント３０と副エレメント４０とを電磁的に接合した後でも充分な通信性能を維持できる。
なお、本実施の形態ではコイル３２と１ターン未満のコイル４１とを一体化して金属に設置したが、これに限らず図５に示すように、コイル３２および１ターン未満のコイル４１の両者又はいずれか一方を位置合わせ部材６０に取り付けてもよい。
位置合わせ部材６０を最下層の基板３１に取り付ける場合、板状（または帯状）の位置合わせ部材６０を最下層の基板３１の両端部に脚状に取り付け、この位置合わせ部材の下端部が１ターン未満のコイル４１の外縁に合致するように、最下層の基板３１を導体５０に固定してもよい。また、板状の位置合わせ部材６０を１ターン未満のコイル４１の上面に固定しておき、最下層の基板３１の外縁が位置合わせ部材６０の周囲に合致するように、最下層の基板３１を導体５０に固定してもよい。
これらの位置合わせ部材６０は、電気絶縁性材料から構成される。
【００１７】
（他の実施形態）
図６は、アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットのうちＩＣチップとアンテナ部の主エレメント及び副エレメントである導体の構造を示す斜視図である。
上記の実施形態では、開放部４２が形成された１ターン未満のコイル４１を、切り欠き部５１が形成された導体５０上に重ね固定するようにしたが、１ターン未満のコイル４１を省略して、切り欠き部５１が形成された導体５０のみを用いるようにしてもよい。
すなわち、図６に示すように、副エレメント４０の１ターン未満のコイル４１の役割を、導体５０および導体５０の切り欠き部５１により形成してもよい。
【００１８】
この実施形態では、導体５０に、Ｉターン未満のコイル４１と同様に、孔部とその孔部に連通する切り欠き部５１が形成される。そして、この導体５０上にアンテナ部２０を構成する主エレメント３０が重ね合わせられる。そのことによって、主エレメント３０のコイル３２と円孔の周囲に存在する導体５０の部分によって形成されるコイルとが電磁結合する。また、導体５０に形成された切り欠き部５１によって等価容量が生成する。
なお、上記実施形態では、副エレメント４０の開放部４２を導体５０の切り欠き部５１と同じ形状としたが、導体５０に形成した切り欠き部５１は開放部４２よりも広く形成してもよい。
【００１９】
本発明は、導体に取り付けた場合に、高い通信性能を発揮するアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット及び導体付きアンテナ搭載形の通信用ＩＣユニットであり、産業上の利用可能性を有する。導体としては、例えば、小形の携帯用通信端末または、非接触形のＩＣカード等に使用される導体がある。
【符号の説明】
【００２０】
１  アンテナ搭載形の通信用ＩＣユニット
１０  ＩＣチップ
１１  ライン
２０  アンテナ部
３０  主エレメント
３１  基板
３２  コイル
３３  接続点
４０  副エレメント
４１  １ターン未満のコイル
４２  開放部
５０  導体
５１  切り欠き部
６０  位置合わせ部材
１００  等価容量
１０１  等価容量
【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】
2018079718.tif 000008
【国際調査報告】
2018079718.tif 000009
2018079718.tif 000010