JP4888494B2 - 電磁結合モジュール付き包装材 - Google Patents

Description

本発明は、電磁結合モジュール付き包装材、特に、ＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)システムに用いられる無線ＩＣチップを有する電磁結合モジュール付き包装材に関する。

近年、物品の管理システムとして、誘導電磁界を発生するリーダライタと物品や容器などに付された所定の情報を記憶したＩＣチップ（ＩＣタグ、無線ＩＣチップとも称する）とを非接触方式で通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが開発されている。例えば、特許文献１には、ダンボールの外表面にアンテナ部とＩＣチップを互いに電気的に導通状態で取り付けた包装体が記載されている。ＩＣチップを保護するために別の面でこれを覆うことも記載されている。

しかしながら、アンテナ部やＩＣチップを包装体の外表面に取り付けた場合、まず、外部環境の影響を受けやすいという問題点があり、しかも、取付け箇所が凸状になるので、部分的に嵩高くなり、包装体を積み上げて保管する場合など、きちんと積み上げることが困難である。また、凸状のＩＣチップに他の物品が当接するとその衝撃でＩＣチップが破損するといった問題点をも有している。また、アンテナ部とＩＣチップとは電気的に導通状態で重ね合わせて配置する必要があり、重ね合わせがずれると信号の送受信に支障を生じるので、重ね合わせに高精度を要求される。また、アンテナ部が小さいので、送受信時の放射特性が十分ではないという問題点も有している。
特開２００３−２６１７７号公報

そこで、本発明の目的は、包装材の平坦性を損なうことなく、無線ＩＣチップが外部からの衝撃や環境の変化から保護され、電磁結合モジュールの配置が容易で、放射特性が良好である、ＲＦＩＤシステムに好適な電磁結合モジュール付き包装材を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、
シート状のライナーと、該ライナーに接合された波形の芯材とからなる包装材と、
無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップが搭載されており、インダクタンス素子を含み所定の共振周波数を有する共振回路を含む給電回路基板とからなる電磁結合モジュールと、
を備えた電磁結合モジュール付き包装材であって、
前記電磁結合モジュールは前記包装材の内側に配置され、
前記ライナー又は芯材は誘電体からなり、前記給電回路基板が誘電体からなるライナー又は芯材と電磁界結合し、前記共振回路から電磁界結合を介して供給された送信信号を放射し、及び／又は受け取った受信信号を電磁界結合を介して前記共振回路に供給すること、
を特徴とする。

本発明に係る電磁結合モジュール付き包装材において、無線ＩＣチップと給電回路基板とで電磁結合モジュールが構成され、該電磁結合モジュールの入出力部の特性インピーダンスと誘電体界面の特性インピーダンスを合わせることで誘電体内に電磁波が入力され、誘電体が電磁放射体として機能する。電磁結合モジュールと誘電体とが電気的に直接接続することなく電磁界結合していることから、電磁結合モジュールを誘電体に近接して設けても動作する。また、電磁結合モジュールを誘電体に対して高い精度で組み合わせる必要はなく、取付け工程が大幅に簡略化される。

そして、電磁結合モジュールを包装材の内側に配置したため、包装材の平坦性を損なうことがなく、無線ＩＣチップが外部からの衝撃や環境の変化から保護される。また、誘電体から放射する送信信号の周波数及び無線ＩＣチップに供給する受信信号の周波数は、給電回路基板における共振回路の共振周波数で実質的に決まり、誘電体は種々の形状を採用でき、かつ、安定した周波数特性が得られるので、放射特性が良好である。

ここで、誘電体とは、誘電率が１以上のものをいい、例えば、紙や樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、セロファン、ポリエチレンテレフタレートなど）である。

なお、無線ＩＣチップは、電磁結合モジュールが取り付けられた包装材の内容物の各種情報がメモリされている以外に、情報が書き換え可能であってもよく、ＲＦＩＤシステム以外の情報処理機能を有していてもよい。

本発明によれば、電磁結合モジュールが包装材の内側に配置されているため、包装材の平坦性を損なうことなく、無線ＩＣチップが外部からの衝撃や環境の変化から保護され、また、誘電体と電磁結合モジュールとの接合に高精度を要求されることなく、組立てが容易である。また、電磁結合モジュールと誘電体（ライナー又は芯材）とは電磁界結合をしており、誘電体（ライナー又は芯材）は任意の形状が採用でき、放射特性が良好で、安定した周波数特性を得ることができる。

本発明に係る包装材の第１実施例を示す断面図である。 図１に示した第１実施例である包装材の斜視図である。 電磁結合モジュールを示す断面図である。 電磁結合モジュールの等価回路図である。 給電回路基板を示す分解斜視図である。 （Ａ），（Ｂ）ともに無線ＩＣチップと給電回路基板との接続状態を示す斜視図である。 （Ａ）は本発明に係る包装材の第２実施例を示す断面図、（Ｂ）はその変形例を示す断面図である。 本発明に係る包装材の第３実施例を示す断面図である。 本発明に係る包装材の第４実施例を示す断面図である。

以下、本発明に係る電磁結合モジュール付き包装材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。

（第１実施例、図１及び図２参照）
図１及び図２に電磁結合モジュール付き包装材の第１実施例を示し、この包装材２０は、いわゆる紙製のダンボールであって、表裏のライナー２１，２２と、該ライナー２１，２２の間に貼着された断面波形（コルゲート）の芯材２３とで構成されている。

無線ＩＣチップ５と、該無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０とからなる電磁結合モジュール１（後に詳述する）が、接着材１９を介して芯材２３の波形の凹部に貼着されている。接着剤１９は、絶縁性であり、誘電率の高い材料であることが望ましい。

包装材２０を構成するライナー２１，２２及び芯材２３はいずれも紙製であって誘電体であり、電磁結合モジュール１は誘電体である接着剤１９、芯材２３及びライナー２１と電磁界結合し、以下に説明する共振回路１６から電磁界結合を介して供給された送信信号を放射し、受け取った受信信号を電磁界結合を介して共振回路１６に供給する。この場合、専らライナー２１が電磁波の放射体として機能する。

（電磁結合モジュール、図３〜図６参照）
電磁結合モジュール１は、図３に示すように、無線ＩＣチップ５と、該無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０とで構成されている。無線ＩＣチップ５は、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、必要な情報がメモリされており、給電回路基板１０に内蔵された共振回路１６と金属バンプ６を介して電気的に接続されている。なお、金属バンプ６の材料としては、Ａｕ、半田などを用いることができる。

共振回路１６は、所定の周波数を有する送信信号を誘電体（ライナー２１）に供給するための回路、及び／又は、誘電体（ライナー２１）で受けた信号から所定の周波数を有する受信信号を選択し、無線ＩＣチップ５に供給するための回路であり、所定の周波数で共振する。共振回路１６は、図３及び図４に示すように、ヘリカル型のインダクタンス素子Ｌ及びキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２からなる集中定数型のＬＣ直列共振回路にて構成されている。

詳しくは、図５に示すように、給電回路基板１０は誘電体からなるセラミックシート１１Ａ〜１１Ｇを積層、圧着、焼成したもので、接続用電極１２とビアホール導体１３ａを形成したシート１１Ａ、キャパシタ電極１４ａを形成したシート１１Ｂ、キャパシタ電極１４ｂとビアホール導体１３ｂを形成したシート１１Ｃ、ビアホール導体１３ｃを形成したシート１１Ｄ、導体パターン１５ａとビアホール導体１３ｄを形成したシート１１Ｅ、ビアホール導体１３ｅを形成したシート１１Ｆ（１枚もしくは複数枚）、導体パターン１５ｂを形成したシート１１Ｇからなる。なお、各セラミックシート１１Ａ〜１１Ｇは磁性体のセラミック材料からなるシートであってもよく、給電回路基板１０は従来から用いられているシート積層法、厚膜印刷法などの多層基板の製作工程により容易に得ることができる。

以上のシート１１Ａ〜１１Ｇを積層することにより、ヘリカルの巻回軸が誘電体（ライナー２１）と平行なインダクタンス素子Ｌと、該インダクタンス素子Ｌの両端にキャパシタ電極１４ｂが接続され、かつ、キャパシタ電極１４ａがビアホール導体１３ａを介して接続用電極１２に接続されたキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２が形成される。そして、基板側電極パターンである接続用電極１２が金属バンプ６を介して無線ＩＣチップ５の端子（図６参照）と電気的に接続される。

即ち、共振回路を構成する素子のうち、コイル状電極パターンであるインダクタンス素子Ｌから、磁界を介して、誘電体（ライナー２１）に送信信号を給電し、また、誘電体（ライナー２１）からの受信信号は、磁界を介して、インダクタンス素子Ｌに給電される。そのため、給電回路基板１０において、共振回路１６を構成するインダクタンス素子Ｌ、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２のうち、インダクタンス素子Ｌが誘電体（ライナー２１）に近くなるようにレイアウトすることが望ましい。

図６に無線ＩＣチップ５と給電回路基板１０との接続形態を示す。図６（Ａ）は無線ＩＣチップ５の裏面及び給電回路基板１０の表面に、それぞれ、一対のアンテナ（バランス）端子７ａ，１７ａを設けたものである。図６（Ｂ）は他の接続形態を示し、無線ＩＣチップ５の裏面及び給電回路基板１０の表面に、それぞれ、一対のアンテナ（バランス）端子７ａ，１７ａに加えて、グランド端子７ｂ，１７ｂを設けたものである。但し、給電回路基板１０のグランド端子１７ｂは終端しており、給電回路基板１０の他の素子に接続されているわけではない。

図４に電磁結合モジュール１の等価回路を示す。この電磁結合モジュール１は、図示しないリーダライタから放射される高周波信号（例えば、ＵＨＦ周波数帯）を誘電体（ライナー２１）で受信し、誘電体（ライナー２１）と主として磁気的に結合している共振回路１６（インダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２からなるＬＣ直列共振回路）を共振させ、所定の周波数帯の受信信号のみを無線ＩＣチップ５に供給する。一方、この受信信号から所定のエネルギーを取り出し、このエネルギーを駆動源として無線ＩＣチップ５にメモリされている情報を、共振回路１６にて所定の周波数に整合させた後、インダクタンス素子Ｌから、磁界結合を介して誘電体（ライナー２１）に送信信号を伝え、誘電体（ライナー２１）からリーダライタに送信、転送する。

なお、共振回路１６と誘電体との結合は、磁界を介しての結合が主であるが、電界を介しての結合が存在していてもよい。本発明において、「電磁界結合」とは、電界及び／又は磁界を介しての結合を意味する。

前記共振回路１６においては、インダクタンス素子Ｌとキャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２で構成された共振回路にて共振周波数特性が決定される。誘電体から放射される信号の共振周波数は、共振回路１６の自己共振周波数によって実質的に決まる。従って、誘電体はどのような形状のものであっても使用することができ、電磁結合モジュール１の誘電体に対する相対的な位置は任意である。従って、電磁結合モジュール１の貼着位置をそれほど高精度に管理する必要はない。

さらに、インダクタンス素子Ｌを構成するコイル状電極パターンは、その巻回軸が誘電体と平行に形成されているため、中心周波数が変動しないという利点を有している。また、無線ＩＣチップ５の後段に、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２が挿入されているため、この素子Ｃ１，Ｃ２で低周波数のサージをカットすることができ、無線ＩＣチップ５をサージから保護できる。

ところで、共振回路１６は無線ＩＣチップ５のインピーダンスと誘電体のインピーダンスを整合させるためのマッチング回路を兼ねている。給電回路基板１０は、インダクタンス素子やキャパシタンス素子で構成された、共振回路１６とは別に設けられたマッチング回路を備えていてもよい。共振回路１６にマッチング回路の機能をも付加しようとすると、共振回路１６の設計が複雑になる傾向がある。共振回路１６とは別にマッチング回路を設ければ、共振回路、マッチング回路をそれぞれ独立して設計できる。

以上説明した第１実施例によれば、電磁結合モジュール１が包装材２０の内側に配置されているため、包装材２０の平坦性を損なうことなく、無線ＩＣチップ５が外部からの衝撃や環境の変化から保護される。また、送受信信号の周波数は、給電回路基板１０の共振回路１６の共振周波数で実質的に決まるため、誘電体と電磁結合モジュール１との接合に高精度を要求されることなく、組立てが容易である。また、電磁結合モジュール１と誘電体とは電磁界結合をしており、誘電体は任意の形状が採用でき、放射特性が良好で、安定した周波数特性を得ることができる。

（第２実施例、図７参照）
第２実施例は、図７（Ａ）に示すように、電磁結合モジュール１の給電回路基板１０を接着剤１９にてライナー２１の内面側に配置したものである。ライナー２１は誘電体であり、放射体として機能することは前記第１実施例で説明したとおりである。第２実施例の作用効果は前記第１実施例と同様である。なお、包装材２０としては、図７（Ｂ）に示すように、上側のライナー２１と芯材２３とからなるものであってもよい。

（第３実施例、図８参照）
第３実施例は、図８に示すように、電磁結合モジュール１の給電回路基板１０を接着剤１９にて芯材２３の傾斜部に配置したものである。芯材２３は誘電体であり、放射体として機能する。第３実施例の作用効果は前記第１実施例と同様である。

（第４実施例、図９参照）
第４実施例は、図９に示すように、ライナー２２に穴部２２ａを形成し、該穴部２２ａに電磁結合モジュール１を接着剤１９により固定したものである。この場合、誘電体であるライナー２２が電磁結合モジュール１の放射体として機能する。第４実施例の作用効果は前記第１実施例と同様である。

（他の実施例）
なお、本発明に係る電磁結合モジュール付き包装材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。

特に、前記各実施例において、電磁結合モジュール及び放射体を取り付けた包装材は、紙製のダンボールを示したが、樹脂製であってもよい。また、給電回路基板の内部構成の細部、放射体の細部形状は任意であり、給電回路基板をフレキシブルな材料で形成してもよい。さらに、無線ＩＣチップを給電回路基板上に接続するのに、金属バンプ以外の処理を用いてもよい。

以上のように、本発明は、電磁結合モジュール付き包装材に有用であり、特に、包装材の平坦性を損なうことなく、無線ＩＣチップが外部からの衝撃や環境の変化から保護され、電磁結合モジュールの配置が容易で、放射特性が良好である点で優れている。

Claims (3)

1. シート状のライナーと、該ライナーに接合された波形の芯材とからなる包装材と、
   無線ＩＣチップと、該無線ＩＣチップが搭載されており、インダクタンス素子を含み所定の共振周波数を有する共振回路を含む給電回路基板とからなる電磁結合モジュールと、
   を備えた電磁結合モジュール付き包装材であって、
   前記電磁結合モジュールは前記包装材の内側に配置され、
   前記ライナー又は芯材は誘電体からなり、前記給電回路基板が誘電体からなるライナー又は芯材と電磁界結合し、前記共振回路から電磁界結合を介して供給された送信信号を放射し、及び／又は受け取った受信信号を電磁界結合を介して前記共振回路に供給すること、
   を特徴とする電磁結合モジュール付き包装材。
2. 前記電磁結合モジュールが前記芯材に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電磁結合モジュール付き包装材。
3. 前記電磁結合モジュールが前記ライナーに配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電磁結合モジュール付き包装材。

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