特許第6041061号(P6041061)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6041061無線通信用デバイス及び該デバイスを備えた物品
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6041061
(24)【登録日】2016年11月18日
(45)【発行日】2016年12月7日
(54)【発明の名称】無線通信用デバイス及び該デバイスを備えた物品
(51)【国際特許分類】
   G06K 19/07 20060101AFI20161128BHJP
   H01Q 1/50 20060101ALI20161128BHJP
   H01Q 7/00 20060101ALI20161128BHJP
   H04B 5/02 20060101ALI20161128BHJP
【FI】
   G06K19/07 260
   H01Q1/50
   H01Q7/00
   H04B5/02
【請求項の数】6
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2015-554671(P2015-554671)
(86)(22)【出願日】2014年11月14日
(86)【国際出願番号】JP2014080189
(87)【国際公開番号】WO2015098346
(87)【国際公開日】20150702
【審査請求日】2016年4月15日
(31)【優先権主張番号】特願2013-264844(P2013-264844)
(32)【優先日】2013年12月24日
(33)【優先権主張国】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001553
【氏名又は名称】アセンド特許業務法人
(74)【代理人】
【識別番号】110001449
【氏名又は名称】特許業務法人プロフィック特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】武岡 誠
(72)【発明者】
【氏名】加藤 登
【審査官】 福田 正悟
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2009/081683(WO,A1)
【文献】 特開平10−303635(JP,A)
【文献】 国際公開第2013/114978(WO,A1)
【文献】 国際公開第2011/045970(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G06K 19/07
H01Q 1/50
H01Q 7/00
H04B 5/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
HF帯を通信周波数帯とする無線通信用デバイスであって、
相手側機器と無線通信を行うためのループ部と、該ループ部に対して並列に接続された並列インダクタと、該並列インダクタの両端にそれぞれ接続された二つの端子を有する無線IC素子と、を備え、
前記ループ部と前記並列インダクタの電流経路は閉じており、
少なくとも前記並列インダクタと前記無線IC素子とにより所定の共振周波数を有する共振回路が構成されており、
前記ループ部において前記相手側機器との無線通信により生じた渦電流が前記並列インダクタの両端の電位差として前記無線IC素子に供給されること、
を特徴とする無線通信用デバイス。
【請求項2】
前記ループ部のインダクタンス値が前記並列インダクタのインダクタンス値の1.7倍以上であること、を特徴とする請求項1に記載の無線通信用デバイス。
【請求項3】
前記並列インダクタは磁性体で覆われていること、を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の無線通信用デバイス。
【請求項4】
前記ループ部は1ターン又は複数ターンの導体パターンからなること、を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の無線通信用デバイス。
【請求項5】
前記ループ部は1ターン又は複数ターンのワイヤからなること、を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の無線通信用デバイス。
【請求項6】
無線通信用デバイスと金属体とを備えた物品であって、
前記無線通信用デバイスは、
HF帯を通信周波数帯とする無線通信用デバイスであって、
相手側機器と無線通信を行うためのループ部と、該ループ部に対して並列に接続された並列インダクタと、該並列インダクタの両端にそれぞれ接続された二つの端子を有する無線IC素子と、を備え、
前記ループ部と前記並列インダクタの電流経路は閉じており、
少なくとも前記並列インダクタと前記無線IC素子とにより所定の共振周波数を有する共振回路が構成されており、
前記ループ部において前記相手側機器との無線通信により生じた渦電流が前記並列インダクタの両端の電位差として前記無線IC素子に供給され、
前記金属体は前記ループ部の近傍に配置されていること、
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通信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モジュールが直結しているため、アンテナ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。
【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ができ、また、複数のデバイスを重ねても通信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、
HF帯を通信周波数帯とする無線通信用デバイスであって、
相手側機器と無線通信を行うためのループ部と、該ループ部に対して並列に接続された並列インダクタと、該並列インダクタの両端にそれぞれ接続された二つの端子を有する無線IC素子と、を備え、
前記ループ部と前記並列インダクタの電流経路は閉じており、
少なくとも前記並列インダクタと前記無線IC素子とにより所定の共振周波数を有する共振回路が構成されており、
前記ループ部において前記相手側機器との無線通信により生じた渦電流が前記並列インダクタの両端の電位差として前記無線IC素子に供給されること、
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部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は、ループ部と並列インダクタの電流経路は閉じているので、ループ部には相手方機器からの磁界信号を打ち消す方向の渦電流が流れる。つまり、相手方機器から放射された高周波信号(例えば、13.56MHzのHF帯信号)をループ部で受信すると、該ループ部に渦電流が発生し、並列インダクタの両端の電位差によって無線IC素子が動作する。そして、少なくとも並列インダクタと無線IC素子とにより共振周波数を調整する共振回路と、ループ部とが回路機能的に分割されている。これにて、周囲の環境などによりループ部のアンテナ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、ループ部に金属板が近接しても通信が可能となる。
【0008】
さらに、ループ部のインダクタンス値は共振周波数に影響を与えないので、ループ部の電気長に関係なくループ部(アンテナ)の大きさや形状などの設計が容易になる。また、ループ部は通信周波数が異なる他の通信システムとの共用が可能である。ループ部のインダクタンス値が変化しても共振周波数がほとんど変化しないので、複数のデバイスを近接配置してもそれぞれのデバイスが他のデバイスに影響されることなく通信が可能である。
【発明の効果】
【0009】
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を低めることができ、また、複数のデバイスを重ねても通信が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0010】
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、(D)は第4例を示す。
図2】無線通信用デバイスの第例を示す斜視図である。
図3】前記第例を示す断面図である。
図4】前記第例の積層構造を分解して示す平面図である。
図5】無線通信用デバイスの動作を模式的に示す説明図である。
図6】無線通信用デバイスの特性を示すグラフである。
図7】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8】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9】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】
【0011】
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。
【0012】
(基本回路構成、図1参照)
無線通信用デバイスの第1例〜第例を図1(A)〜()に示す。これらの無線通信用デバイスは、13.56MHz帯を通信周波数帯とするHF帯RFIDシステム用のデバイスである。第1例である無線通信デバイス1は、渦電流の発生により相手方機器(例えば、HF帯RFIDシステムのリーダライタ)と無線通信を行うためのループ部10と、ループ部10に対して並列に接続された並列インダクタL1と、並列インダクタL1に接続された送受信信号を処理する無線IC素子30と、を備えている。さらに、ループ部10の両端と無線IC素子30の入出力部との間に、直列インダクタL2,L3がそれぞれ接続されている。無線IC素子30の入出力部にはキャパシタC1が並列に接続されている。
【0013】
インダクタL1,L2,L3とキャパシタC1は無線IC素子30に対する給電回路20であり、この給電回路20と無線IC素子30が持つ内部キャパシタ成分とにより所定の周波数を有する共振回路21を構成している。なお、共振回路21には無線IC素子30に含まれるキャパシタ成分が含まれる。ここで、並列インダクタL1の両端をポートP1,P2と称し、無線IC素子30の入出力部をポートP3,P4と称する。
【0014】
第2例は、図1(B)に示すように、前記インダクタL3を省略して直列インダクタL2のみを設けたものである。これにて、共振回路21の小型化が可能になる。第3例は、図1)に示すように、キャパシタC2,C3を並列インダクタL1と無線IC素子30の入出力部との間にそれぞれ設けたものである。このように、キャパシタC2,C3を設けることにより、ループ部10を他の通信システムのアンテナと共用した場合であっても、他の通信システムの信号を除去できる。例は、図1)に示すように、キャパシタC1に対していま一つのキャパシタC1’を並列に設けたものである。キャパシタC1’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。
【0015】
ループ部10は、様々な形状、大きさのものを使用することができる。1ターンの導体パターンから構成してもよい。ループ部10は、図5に示すように、基板35上に設けた複数ターンの導体パターンから構成してもよい。あるいは、ループ部10は1ターン又は複数ターンのワイヤから構成してもよい。ループ部10を1ターンで構成すると、並列インダクタL1との接続に際して配線を両面に回り込ませたり、ループ部10の端部をブリッジ配線実装する必要がなく、実装構造が簡単になるので特に好ましい。
【0016】
以上の回路構成からなる第例である無線通信用デバイス1は、図2及び図3に示すように、インダクタL1,L2,L3を内蔵した磁性体層50aと非磁性体層50b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,C1’を搭載し、樹脂60で封止されている。
【0017】
(基板の構成、図4参照)
以下に、基板50に内蔵されたインダクタL1,L2,L3などを構成する電極や導体パターンを図4を参照して説明する。図4は非磁性体及び磁性体からなるシート51a〜51qを基板50の上面側(図3参照)から見た状態で示している。
【0018】
シート51aには表面側電極52a〜52d、53a,53b,54a,54b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51bには中継パターン55a,55bとビアホール導体65a,65bが形成されている。シート51c〜51jには導体パターン56a,56bとビアホール導体66a,66bが形成されている。シート51kには中継パターン57a,57bとビアホール導体66a,66b,67aが形成されている。シート51l〜51oには導体パターン58とビアホール導体66a,66b,67bが形成されている。シート51pには導体パターン58とビアホール導体66a,66bが形成されている。シート51qには裏面側電極59a,59bとビアホール導体66a,66bが形成されている。
【0019】
複数の導体パターン58は、それぞれビアホール導体67bを介してコイル状に接続され、並列インダクタL1を構成している。複数の導体パターン56aは、それぞれビアホール導体66aを介してコイル状に接続され、インダクタL2を構成している。複数の導体パターン56bは、それぞれビアホール導体66bを介してコイル状に接続され、インダクタL3を構成している。
【0020】
最下層の電極59a(ポートP1)は、ビアホール導体66a及び中継パターン57aを介して、さらにビアホール導体67aを介してシート51l上の導体パターン58の端部(インダクタL1の一端)に接続されている。最下層の電極59b(ポートP2)は、ビアホール導体66bを介してシート51p上の導体パターン58の端部(インダクタL1の他端)に接続されている。
【0021】
インダクタL2を構成するシート51j上の導体パターン56aは、ビアホール導体66a、中継パターン57a及びビアホール導体66aを介して裏面側電極59aに接続されている。インダクタL3を構成するシート51j上の導体パターン56bは、ビアホール導体66b、中継パターン57b及びビアホール導体66bを介して裏面側電極59bに接続されている。
【0022】
最上層の電極52a(ポートP3)は、ビアホール導体62a、中継パターン55a及びビアホール導体65aを介してシート51c上の導体パターン56aの端部(インダクタL2の一端)に接続されている。最上層の電極52b(ポートP4)は、ビアホール導体62b、中継パターン55b及びビアホール導体65bを介してシート51c上の導体パターン56bの端部(インダクタL3の一端)に接続されている。シート51j上の導体パターン56aの端部(インダクタL2の他端)は、ビアホール導体66aを介して裏面側電極59aに接続されている。シート51j上の導体パターン56bの端部(インダクタL3の他端)は、ビアホール導体66bを介して裏面側電極59bに接続されている。
【0023】
また、最上層の電極53aは、ビアホール導体63a、中継パターン55a及びビアホール導体65aを介して、最上層の電極52a及び導体パターン56aの端部(インダクタL2の一端)に接続されている。最上層の電極53bは、ビアホール導体63b、中継パターン55b及びビアホール導体65bを介して、最上層の電極52b及び導体パターン56bの端部(インダクタL3の一端)に接続されている。最上層の電極54aは、ビアホール導体64a、中継パターン55a及びビアホール導体65aを介して、最上層の電極52a及び導体パターン56aの端部(インダクタL2の一端)に接続されている。最上層の電極54bは、ビアホール導体64b、中継パターン55b及びビアホール導体65bを介して、最上層の電極52b及び導体パターン56bの端部(インダクタL3の一端)に接続されている。
【0024】
最上層のシート51a上において、電極52a,52b(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53a,53b間にはキャパシタC1が接続され、電極54a,54b間にはキャパシタC1’が接続される。
【0025】
(通信動作、図5参照)
前記無線通信用デバイス1においては、ループ部10と並列インダクタL1の電流経路は閉じているので、つまり、信号電流はループ部10とインダクタL1とで形成されるループを周回するので、ループ部10には相手方機器(RFIDシステムのリーダライタ)からの磁界信号を打ち消す方向の渦電流が流れる。つまり、図5に示すように、リーダライタ100から放射された高周波信号E(例えば、13.56MHzのHF帯信号)をループ部10で受信すると、ループ部10に渦電流Iが発生し、並列インダクタL1の両端の電位差によって無線IC素子30が動作する。そして、少なくとも並列インダクタL1と無線IC素子30とにより共振周波数を調整する共振回路21と、ループ部10とが回路機能的に分割されている。つまり、ループ部10は、単に渦電流を生じさせるための機能部であり、インダクタL1と無線IC素子30とによる共振回路は、ループ部10に生じた渦電流のうち所定の通信周波数を持った信号電流を分離・選択するための機能部である。これにて、周囲の環境などによりループ部10のアンテナ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、複数の無線通信用デバイスが重ねられていても、あるいは、ループ部10に金属板が近接しても通信が可能となる。
【0026】
さらに、ループ部10のインダクタンス値は共振周波数に実質的に影響を与えないので、ループ部10の電気長に関係なくループ部10(アンテナ)の大きさや形状などの設計が容易になる。また、ループ部10は通信周波数が異なる他の通信システムとの共用が可能である。特に、ワイヤレス充電のように、インダクタンス値が大きいアンテナとの共用に効果がある。ループ部10のインダクタンス値が変化しても共振回路21の共振周波数がほとんど変化しないので、複数のデバイスを近接配置しても、例えば、複数の無線通信用デバイス1(ループ部10)を0.5〜1.0mm程度に近接させても、それぞれのデバイスが他のデバイスに影響されることなく通信が可能である。
【0027】
図3に示すように、インダクタL1,L2,L3を磁性体層50aで覆うと、それぞれのインダクタL1,L2,L3が外部からの影響を受けにくくなり、動作特性が安定する。特に、ループ部10に並列に接続されたインダクタL1を複数の磁性体層を積層してなる積層体に内蔵することにより、インダクタL1を閉磁路構造とすることができる。よって、インダクタL1のインダクタンス値が外部環境に影響されにくくなり、L値ひいては共振周波数特性を安定化させることができる。また、インダクタL1とインダクタL2,L3との間に非磁性体層50bを介在させると、インダクタL1,L2,L3それぞれの磁気飽和を、それぞれのインダクタンス値を大きくすることなく抑制することができる。
【0028】
本実施例の無線通信用デバイスは、リーダライタからの電波をエネルギー源として動作するパッシブタイプであり、電池を内蔵する必要はない。勿論、アクティブタイプに利用しても構わない。
【0029】
無線IC素子に格納されている情報は、該素子の負荷を変動させることによりアンテナに到来した電波を反射させ、この反射波に前記情報を載せてリーダライタに返信する。
【0030】
具体的には、本無線通信用デバイス1においては、無線IC素子30の負荷(インピーダンス)を変えることでループ部10に流れる渦電流を変化させ、ループ部10に生じる磁束を変動させることで、リーダライタに高周波信号を送信する。例えば、無線IC素子30の負荷が0Ωになると、ループ部10の両端の負荷が小さくなり、ループ部10に流れる渦電流が増加する。渦電流が増加することにより、リーダライタからの電波がより打ち消される。逆に、無線IC素子30の負荷が無限大になると、ループ部10の両端の負荷が大きくなり、ループ部10に流れる渦電流が減少する。渦電流が減少することにより、リーダライタからの電波は打ち消される量が減少する。
【0031】
(特性の変動、図6参照)
ここで、無線通信用デバイスのリターンロス特性を図6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1において、インダクタL1,L2,L3のインダクタンス値をそれぞれ470nH、270nH、270nHとし、キャパシタC1のキャパシタンス値を100pFとしたものでシミュレートした。ループ部10のインダクタンス値は、800nH、1400nH、200nHの3種類に分けて検証した。
【0032】
図6から明らかなように、ループ部10のインダクタンス値が1400nHの場合(曲線X1参照)の共振周波数が比較的低く、800nHの場合(曲線X2参照)の共振周波数が比較的高い。換言すれば、ループ部10のインダクタンス値が800〜1400nHの間に設定されていれば、それらの共振周波数の変動幅は±300kHzの範囲に収まることになる。ちなみに、共振周波数変動幅の許容値は概ね1MHz以内である。
【0033】
ループ部10と並列インダクタL1とのインダクタンス値の比を考察すると、(800/470)≒1.7であり、(1400/470)≒3である。つまり、ループ部10のインダクタンス値が並列インダクタL1のインダクタンス値の1.7倍以上であることが好ましく、この場合、共振周波数は±300kHzしか変動しない。
【0034】
なお、ループ部10のインダクタンス値が200nHの場合(曲線X3参照)の共振周波数はかなり高い帯域に変動してしまう。
【0035】
(使用例、図7図9参照)
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部10を備えていれば、ループ部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。
【0036】
図7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Bluetooth(登録商標)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、Bluetooth(登録商標)などでペアリングを行うのは煩雑である。
【0037】
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10A)をループ部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。携帯端末などは無線通信用デバイス1と通信することにより、歩数計70を個体識別することができるのでペアリングが容易になる。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10A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。
【0038】
さらに、図8に示すように、I2C機能付きのRFIDシステムなどを利用した無線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)をループ部10(ワイヤ10A)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。
【0039】
図9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、ループ部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。
【0040】
(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。
【0041】
特に、ループ部を構成する導体パターンやワイヤの細部の構成、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】
【0042】
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、また、複数のデバイスを重ねても通信が可能である点で優れている。
【符号の説明】
【0043】
1…無線通信用デバイス
10,10A〜10D…ループ状アンテナ
20…給電回路
21…共振回路
30…無線IC素子
50…基板
L1…並列インダクタ
70…歩数計
90…パソコン
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図1