JP4529786B2 - 信号処理回路、及びこれを用いた非接触ｉｃカード並びにタグ - Google Patents

Description

本発明は、例えばキャッシュディスペンサ、電子マネー、自動改札システム、入退室管理システム、商品管理システム、物流管理システム等におけるキャッシュカード、クレジットカード、定期券、回数券、管理カード、ＩＤカード、免許証、商品管理タグ、物流管理タグ等の非接触カード又はタグに設けられる信号処理回路に係り、当該非接触カード又はタグとリーダライタとの動作用電力伝送や通信に用いられるアンテナを備えた信号処理回路に関するものである。

非接触ＩＣカードまたはタグにおいては，主にＨＦ（High Frequency）帯からＵＨＦ（Ultra High Frequency）帯の周波数の電磁波を用いて電力伝送，通信を行っている。一般的にＨＦ帯は３〜３０ＭＨｚの周波数帯域として知られ、とりわけ１３．５６ＭＨｚの搬送波による非接触カード又はタグ（以下、これらを纏めてＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）とも記す）とリーダライタとの通信や電力伝送が普及している。ＵＨＦ帯は３００〜３０００ＭＨｚの周波数帯域として一般的に知られ、日本国内では２．４５ＧＨｚの搬送波が、欧米では８６０〜９６０ＭＨｚの周波数帯域が、ＲＦＩＤとリーダライタとの通信や電力伝送に利用可能である。また、上記帯域より高い周波数である５．８ＧＨｚは、日本国内にて、有料道路におけるＲＦＩＤからリーダへの一方向のみの通信用周波数としての利用に許可されている。

ＨＦ帯の搬送波によるＲＦＩＤとリーダライタとの間の電力や情報の授受は、主にＲＦＩＤにスパイラルアンテナを設け、当該スパイラルアンテナをリーダライタのアンテナが出力する磁界に鎖交させ、このスパイラルアンテナにて電力や信号電流を誘起させる。一方、ＵＨＦ帯の搬送波によるＲＦＩＤへの電力供給や情報等の送受信は、ＲＦＩＤに設けられたダイポールアンテナやパッチアンテナで、リーダライタ等からの電界を受信し、当該アンテナに電力や信号電流を誘起させる。

一方、上記ＲＦＩＤと上記リーダライタ又はその等価物（例えば、リーダのみ）との通信に用いられる上述の周波数には、その電波を送信する出力に関する規制が行政にて定められ、これを管掌する機関に許可無く当該規制値を超える電波を例えばＲＦＩＤから放射することは出来ない。そのため、ＨＦ帯の搬送波でＲＦＩＤとリーダライタの如き識別装置（用途に応じ、ＲＦＩＤに対する外部装置、送受信端局装置、基地局とも呼ばれる、以下、「外部装置」と記す）とでの情報の交信距離は、その出力の小ささゆえ短くならざるを得なかった。一方、ＵＨＦ帯の搬送波によるＲＦＩＤと外部装置との交信は、その出力が高められるため、その通信距離を長くすることが出来る。

このような状況の下、ＨＦ帯の搬送波を利用する近接磁界型モジュール（Near Magnetic Field-type Module）とＵＨＦ帯の搬送波を利用する無線型モジュール（Radio-type Module）とを搭載したハイブリッド型ＩＣカード（Hybrid-type IC Card）が下記特許文献１にて提案されている。また、これと同様な非接触型ＩＣカード（Non-contact IC Card）が下記特許文献２に、これに類似した通信端末装置（Communication Terminal Device）が下記特許文献３に夫々開示されている。

特開２００４−２４０８９９号 特開平５−２９０２２９号 特開２００４−２９７４９９号

上記特許文献に記されるが如く、ＨＦ帯及びＵＨＦ帯の両方の周波数帯を用いたシステムに対応する非接触ＩＣカードまたはタグは、従来、夫々の周波数に応じたアンテナを搬送波周波数の数だけ実装することで対応していた。このため、非接触ＩＣカードやタグにおけるアンテナの実装面積が広くなり、これに搭載されるＩＣにおいてはそれぞれに対応した端子を設ける必要がありチップサイズが大きくなる。

また、上記特許文献３は、これに開示される通信端末装置が一方の搬送波（ＵＨＦ帯）で信号を受信する際、他方の搬送波（ＵＨＦ帯）を受信するアンテナに干渉が生じ、これを回避するためにダミーのアンテナを設ける必要性を教示する。

以上の課題に対し、複数の帯域が使用可能なアンテナがあれば実装面積およびチップサイズの小型化が可能となる。また、アンテナ間で生じる干渉も抑えられると見込まれる。本発明は斯様な技術背景に鑑み、１つのアンテナに利用可能な帯域を複数持たせることをその解決すべき課題とする。

ＨＦ帯で用いられる磁界によって電圧を誘起するスパイラルアンテナと、ＵＨＦ帯で用いられる電界によって電圧を誘起するダイポール等のアンテナの大きな違いは、当該アンテナをなす導体（配線）の一端が、前者ではその他端と短絡する構造であるのに対し、後者は開放端となる構造であることである。そこでＨＦ帯とＵＨＦ帯の双方の帯域で信号や電力を有効に送受信するアンテナは、当該構造のいずれかを選択して採用する必要がある。しかし、本発明者は、ＵＨＦ帯で電界を誘起するアンテナで、その一端と他端とが短絡されている「折り返しダイポール」に着眼した。この種のアンテナは、ダイポールの双方の開放端を折り返し、これらを別の経路で短絡した構造を有する。このため、折り返しダイポール型のアンテナをなす線路にはもとのダイポール部（折り返されない部分）に対し逆位相の電流も分布するが、折り返された線路と折り返されない線路とに生じる電流の方向も逆向きなので、放射する電界は同位相となる。

そこで、本発明者は、この折り返しダイポール構造の端部（ＩＣ等の素子が電気的に接続される部分）から本来の方向へ延びる部分（折り返されない部分）と当該方向とは逆に延びる部分（折り返し部分）との間隔を、当該折り返しダイポール構造がループ形状になるように広げてみた。この時、ダイポール構造の折り返し部分と折り返されない部分との間隔を広げるダイポール構造の他の部分、例えば矩形の折り返しダイポール構造における上記折り返し部分と上記折り返されない部分とを長辺としたときの短辺の線路では、その途中で電流波形（搬送波の周波数に応じた交流電流波形）が位相反転するため、電界が放射しない。これに対し、矩形折り返しダイポール構造の長辺となる元の素子（折り返されない部分）とその折り返し部分では電流の分布も大きく、同位相の電界を放射するアンテナとして機能する。また、折り返しダイポール構造のループの線路長がＨＦ帯の搬送波周波数の波長に対して十分短ければ、このアンテナのループをＨＦ帯の周波数で振動する磁界に鎖交させることにより、当該磁界に比例した誘起電圧がこのアンテナで得られる。

このように、上述の折り返しダイポール型アンテナは、ＨＦ帯の搬送波長に対して十分短い線路長のループアンテナとして形成され、且つＵＨＦ帯の搬送波に対しては送受信効率が若干低い折り返しダイポールアンテナとして機能するため、一つのアンテナで２つの周波数帯域における有効な送受信を実現できる。

一方、ＨＦ帯の搬送波を送受信するアンテナには有る程度のインダクタンス成分が必要であり、これを確保する上で、上記折り返しダイポール構造はスパイラル形状にすることが望ましい。そこで、この折り返しダイポール構造を有する導体線路（アンテナ素子）の複数個を直列に接続し、多段のアンテナ素子によりスパイラル形状のアンテナを作製した。複数個のアンテナ素子を互いに交差させずに配置してなるスパイラル形状のアンテナでは、その外周に位置するアンテナ素子とその内周に位置するアンテナ素子との１巻あたりの長さが異なる。このため，例えば内周の１巻（アンテナ素子）では、その長辺の一方に正の電流波形を分布させ、その他方に負の電流波形を分布させたとしても、当該内周のアンテナ素子とは線路長の異なる外周の１巻（アンテナ素子）では、その長辺の線路の途中で位相反転が生じ、その送受信効率が大きく低下することになる。そのため１巻毎の長さの違いを少なくするため、アンテナ素子（これをなす導体線路）の隣り合う一対のピッチ（配置間隔）を細かくすることで斯様な電流分布のズレを抑制し、送受信効率の低下を抑える。

以上の考察に基づき、本発明は、非接触カードやタグ（ＲＦＩＤ）に備えられ且つこれとリーダライタの如き外部装置との間での電力伝送や通信の機能を果たす信号処理回路に、方形スパイラルアンテナ（Rectangular Spiral Antenna）を設け、これにより少なくとも２つの搬送波周波数による通信を行う。この信号処理回路には、ＲＦ回路を含むＩＣ、又は２つの搬送波周波数の夫々に応答する回路素子が設けられ、上記方形スパイラルアンテナを通して上記外部装置からの電力供給を受け、又はこれとの情報の送信や受信を行う。

方形スパイラルアンテナは、その外周から内側に向けて、折り返しダイポール構造を有する複数の導体線路を順次（例えば同軸上に）配置して構成されるため、導体線路間の長さの差を、そのダイポールアンテナとしての機能を確保するように設定することが望ましい。このため、２つの搬送波周波数をｆ_１，ｆ_２（但し、ｆ_１＜ｆ_２）の周波数ｆ_１に対応する波長をλ_１、周波数ｆ_２に対応する波長をλ_２（λ_１＞λ_２）とし、方形スパイラルアンテナの最外周にある導体線路の長辺の長さ（長辺の外径とも呼ぶ）をＬｘｏ、その短辺の長さ（短辺の外径とも呼ぶ）をＬｙｏ、最内周にある導体線路の長辺の長さ（長辺の内径とも呼ぶ）をＬｘｉ、その短辺の長さ（短辺の内径とも呼ぶ）をＬｙｉとしたとき、“２×（Ｌｘｉ＋Ｌｙｉ）＜λ_２＜２×（Ｌｘｏ＋Ｌｙｏ）”なる関係を満たせることが望ましい。また、方形スパイラルアンテナをループアンテナとして用い、これにより、波長λ_１の搬送波による信号処理回路への電力伝送や、情報の送信又は受信を行う上で、方形スパイラルアンテナの線路長Ｌは“Ｌ＜＜λ_１”なる関係を満たすことが望ましい。

上記方形スパイラルアンテナが、対向し合う第１長辺並びに第２長辺、及び対向し合う第１短辺並びに第２短辺を有するとき、上記導体線路は当該第１長辺に位置する一端から第１長辺、第１短辺、第２長辺、並びに第２短辺を順次経て延在し、第１長辺に位置する他端に至る。複数の導体線路は、その隣接する一対の各々において、その一方の上記他端と他方の上記一端とが上記第１長辺にて接合して螺旋を描き、その総延長（例えば、方形スパイラルアンテナをなすＮ本の導体線路長の総和）が方形スパイラルアンテナの線路長Ｌとなる。隣接する一対の導体線路が第１長辺にてｐ_Ｌ１，第１短辺にてｐ_Ｓ１，第２長辺にてｐ_Ｌ２，第２短辺にてｐ_Ｓ２の間隔で離されているとき、双方の線路長には、２×（ｐ_Ｌ１＋ｐ_Ｓ１＋ｐ_Ｌ２＋ｐ_Ｓ２）の差が生じる。方形スパイラルアンテナをなす複数の導体線路の隣り合う一対（Ｎ本の導体線路なら（Ｎ−１）対）の夫々における線路長の差の総和は、λ_２／２より小さくすることが望ましく、一対の導体線路の各々が上記４辺にて間隔ｐで一様に離されている場合、この総和は“（Ｎ−１）×８ｐ＜λ_２／２”となる。

本発明による信号処理回路、及びこれを備えた非接触ＩＣカード並びにＩＣタグの更なる特徴は、その実施のための最良の形態にて詳述される。

本発明によれば、従来のＲＦＩＤシステムに用いられたアンテナに比べ、一つのアンテナで使用可能な周波数帯域を少なくとも２つ以上持たせることで、多様なシステムに対応可能な非接触ICカードやタグを小型且つ安価に提供する。

以下に、この発明に係る信号処理回路、及びこれを備えた非接触ＩＣカード並びにＩＣタグに好適な実施例を説明する。

図１に本発明に拠る２つの帯域で使用可能なことを特徴とするアンテナ１０１を示す。

このアンテナはスパイラル形状をしており、２つの搬送波周波数の帯域で有効なゲインを持っている。その2つの搬送波周波数を各々ｆ_１，ｆ_２（ｆ_１＜ｆ_２）とすると、その各々に対する波長λ_１，λ_２（λ_１＞λ_２）とアンテナの線路長Ｌおよび巻数Ｎ（Ｎは２以上の整数）の関係は以下の式で表される。

最初にｆ_１に関しては、式（１）よりアンテナの線路長が搬送波の波長に対して十分短くなるので、図２に示す様にアンテナ線路上の電流分布１１０がほぼ一様になる。この時、アンテナ１０１をなす配線（導体線路）に沿って電流１１１が流れ、これによってアンテナ１０１のループで形成された開口部から磁界Ｈ（磁力線１１２）が発生する。これにより、読み取り装置：R/W（リーダ／ライタ，図示せず）に設けたスパイラルアンテナとアンテナ１０１との間で発生する相互インダクタンスにより電力伝送や、通信信号のやりとり（授受）が行われる。

一方、ｆ_２に関しては、式（２）よりスパイラル状アンテナ１０１の１巻当たりの長さが波長相当になるため、図３に示す様にアンテナ配線上の電流分布１１３は途中で位相反転することになる。この時、ＩＣ（集積回路素子）１０２をアンテナの長辺方向の中心付近に設けることで、上記電流分布は長辺方向の１辺に正の位相１１３ａを、他方に負の位相１１３ｂを示す。電流波形１１３を正弦波に喩えれば、長辺方向の１辺に第１象現から第２象現に亘る波形が、その他辺に第３象現から第４象現に亘る波形が夫々現れ、互いに位相が逆転していることが判る。この時、正の位相の電流分布１１３ａは電流の向きの接線方向に電界Ｅ（以下、電気力線１１４を電界と読み替える）を発生させるが、負の位相の電流分布１１３ｂは電流の向きと反対方向の接線方向に電界１１４を発生させる。これらの電界１１４を発生させ又は当該電界１１４により誘起される電流１１１が配線（導体線路）を流れる方向は、その長辺方向の１辺と他辺とで逆方向であることから、夫々に生じる電界１１４は同位相となり、強め合う。これにより、スパイラル状アンテナ１０１はダイポールアンテナとしての有効なゲインも持つことになる。このことは、基本的には折り返しダイポールアンテナと同様に生じる。しかし、斯様な構造（折り返しダイポール構造）を有する複数の導体線路を順次（例えば、図１の如く同軸上に）配置し且つ接続して、スパイラル形状に作製されたアンテナで上述の作用を実現するには、当該複数の導体線路の長さが１巻毎に異なるという課題を克服することが必要となる。これは、スパイラル状アンテナ１０１をなす複数の導体線路を、図１の如く互いに交差させずに配置する上で必然的に生じる課題で、その解決のためには、以下の条件の考察が必要となる。

（Ａ）最外周の配線が搬送波の波長相当の長さを持つ場合
図１に示される折り返しダイポール構造を有するＮ本（ここではＮ＝３）の導体線路を順次接続してなる方形スパイラルアンテナ１０１において、その最外周にある配線（導体線路）の長辺の長さ（アンテナ長辺方向外径）１０５をＬ_ｘｏ、短辺の長さ（アンテナ短辺方向外径）１０３をＬ_ｙｏとする。また、導体線路の隣接する一対を離す距離（アンテナ配線間ピッチ）１０７をその長辺方向及び短辺方向のいずれにおいてもｐとする。このとき、方形スパイラルアンテナ１０１の最外周にある導体線路の長さＬ_１は、“Ｌ_１＝２×（Ｌ_ｘｏ＋Ｌ_ｙｏ）”となり、当該外周からｎ巻目に位置する導体線路の長さ（線路長）Ｌ_ｎは“Ｌ_ｎ＝２×（Ｌ_ｘｏ＋Ｌ_ｙｏ−８ｎｐ）”となる。

方形スパイラルアンテナ１０１がダイポールアンテナとして機能するとき、その長辺にて波長λの搬送波を受信し又は送信する。ここで論じる条件は、“Ｌ_１＝λ”として表され、方形スパイラルアンテナ１０１の長辺は、これが最も長くなる最外周にある導体線路においてもλ／２に満たない。

ここで、導体線路の長辺方向に延びる部分の中央（半分ずれたところ）で、その電流分布１１３が位相反転を起こすと、当該部分はダイポールアンテナとしての搬送波の放射に寄与しなくなり、それ以上ずれると放射効率を低下させる。従って、方形スパイラルアンテナ１０１を構成する導体線路における電流分布１１３の位相反転を、その短辺方向に延びる部分にて起こさせるようにする。

このため、方形スパイラルアンテナ１０１の巻数Ｎ（導体線路の数）とその１巻（導体線路）毎を隔てるピッチは、以下の式を満たすことが望ましい。

この関係を満たすことにより、最外周にある導体線路と最内周にある導体線路との夫々における長辺方向に延在する部分の位置及び長さを、夫々における電流分布１１３の位相反転を許容される範囲で抑え、又はこれを夫々の短辺方向に延びる部分で起こさせて、方形スパイラルアンテナ１０１のダイポールアンテナとしての機能を確保する。上記式（３）の関係は、図１に示された方形スパイラルアンテナにて、近似的に“（Ｎ−１）×８ｐ＜λ／２”とも記される。また、アンテナ長辺方向外径Ｌ_ｘｏはλ／４より大きくするとよく、アンテナ短辺方向外径Ｌ_ｙｏはλ／４より小さくするとよい。

（Ｂ）最内周の配線が搬送波の波長相当の長さを持つ場合
図１に示される方形スパイラルアンテナ１０１において、その最内周にある配線（導体線路）の長辺の長さ（アンテナ長辺方向内径）１０６をＬ_ｘｉ、短辺の長さ（アンテナ短辺方向内径）１０４をＬ_ｙｉとするとき、その最内周にある導体線路の長さＬ_２は、“Ｌ_２＝２×（Ｌ_ｘｉ＋Ｌ_ｙｉ）”となり、当該内周からｎ巻目に位置する導体線路の長さ（線路長）Ｌ_ｎは“Ｌ_ｎ＝２×（Ｌ_ｘｉ＋Ｌ_ｙｉ＋８ｎｐ）”となる。方形スパイラルアンテナ１０１は、ダイポールアンテナとして、その長辺にて波長λの搬送波を受信し又は送信する。ここで論じる条件は、“Ｌ_２＝λ”となるため、方形スパイラルアンテナ１０１の長辺は、最内周にある導体線路でλ／２に満たないものの、これより外周側に位置する導体線路ではλ／２を超える可能性が否めない。

このため、場合（Ｂ）と同様に方形スパイラルアンテナ１０１の巻数Ｎとその１巻毎を隔てるピッチは、式（３）を満たすことが望ましい。また、最内周にある導体線路に隣接する他の導体線路（当該内周から１巻目に位置する導体線路）の長辺の長さをλ／２より小さくすることが望ましい。

（Ｃ）方形スパイラルアンテナからＩＣへの給電点
方形スパイラルアンテナからＩＣへの給電点は、その最外周にある導体線路の端部に設けることが望ましく、さらにこの位置にその最内周にある導体線路の端部を設けるのが望ましい。この給電点は、方形スパイラルアンテナの長辺方向の長さ（例えば、図１に示すアンテナ長辺方向外径：Ｌ_ｘｏ）の中点に設けるとよいが、当該中点から長辺方向沿いに若干ずらしてもよい。方形スパイラルアンテナの長辺方向の中心（中点）に対するＩＣ搭載位置（給電点）のズレ１０９の値ｄｘは、例えば、“Σ８ｎｐ｜_{ｎ＝１〜Ｎ}”以下の範囲に許容される。また、図１に示された方形スパイラルアンテナでは、近似的に“（Ｎ−１）×８ｐ”以下と規定できる。

給電点となる位置は、換言すれば、最外周にある導体線路がその長辺方向に延びる一辺で終端する位置（またはその近傍）にあるため、この導体線路の長辺方向に生じる電流波形に影響する。しかし、給電点の位置を当該長辺方向の中点又はそこから所定の距離の範囲内に設定することで、電流波形への影響は無視できる程度に抑えられる。ここに記した所定の距離の範囲内とは、方形スパイラルアンテナが形成される平面における「最外周にある導体線路と最内周にある導体線路との位置のずれ」の最大値を上限とする範囲でもある。

上述した（Ａ）及び（Ｂ）の各場合に鑑みると、本発明による信号処理回路の具現に際し、方形スパイラルアンテナの設計指針として、次式の条件を満たすことが推奨される。

（数４） ２×（Ｌ_ｘｉ＋Ｌ_ｙｉ）＜λ_２＜２×（Ｌ_ｘｏ＋Ｌ_ｙｏ） …（４）
また、方形スパイラルアンテナの長辺方向で電流の位相反転を防ぐ観点で、アンテナ長辺方向内径Ｌ_ｘｉをλ／２より小さくすることが望ましい。
[応用例]

以上に説明した本発明による信号処理回路の応用例として、図４に示す非接触ＩＣカード、図５に示すタグ（ＩＣタグ）について述べる。

上述したように、本発明による信号処理回路は、ＲＦ回路を含むＩＣと、平面コイルである方形スパイラルアンテナとを備え、当該方形スパイラルアンテナで少なくとも２つの搬送波周波数による通信を行うことに大きな特徴を有する。これを応用した非接触ＩＣカードやタグのいずれにおいても、２つの搬送波周波数の一方はＨＦ帯（一般的には３〜３０ＭＨｚの周波数帯域、１３．５６ＭＨｚの利用が普及）にあり、他方はＵＨＦ帯（一般的には３００〜３０００ＭＨｚの周波数帯域、例外的に５．８ＧＨｚも含む）にある。従って、後者の搬送波の周波数は、前者の周波数の１００倍以上高い。

方形スパイラルアンテナ１０１は、ループアンテナとしてＨＦ帯の搬送波（以下、第１周波数の搬送波）により、信号処理回路に備えられたＩＣ（集積回路）１０２に外部装置からの電力を供給し、情報を取り込み、又はＩＣ１０２からの情報を外部装置に送る。また、方形スパイラルアンテナ１０１は、ダイポールアンテナとしてＵＨＦ帯の搬送波（以下、第２周波数の搬送波）により、信号処理回路に備えられたＩＣ（集積回路）１０２に外部装置からの電力を供給し、情報を取り込み、又はＩＣ１０２からの情報を外部装置に送る。第１周波数を、非接触カードやタグとして知られるＲＦＩＤに汎く利用されている１３．５６ＭＨｚとすると、これに対応する波長は約２２ｍとなる。これに対し、第２周波数を、８６０〜９６０ＭＨｚの周波数帯域に設定すると、その波長は３０〜３５ｃｍの範囲に亘り、２．４５ＧＨｚに設定すると、その波長は約１２ｃｍとなる。方形スパイラルアンテナの形状に関する上述の考察に即し、平均長さ３３ｃｍの導体線路を５本直列に接続して方形スパイラルアンテナ１０１を形成し、第１周波数：１３．５６ＭＨｚの搬送波と当該第１周波数より高い第２周波数：８６０ＭＨｚの搬送波とを受信する信号処理回路を作製したとき、方形スパイラルアンテナ１０１の線路長Ｌは１６５ｃｍとなり、第１周波数の波長より短い。また、方形スパイラルアンテナ１０１の最外周に位置する導体線路の長辺を１２．５ｃｍ、短辺を４．５ｃｍとすれば、第１周波数の波長より短い第２周波数の波長（約３５ｃｍ）に応じた電流の位相が当該長辺で反転する確率も低くなる。第１周波数：１３．５６ＭＨｚの搬送波と第２周波数：２．４５ＧＨｚの搬送波とを受信する信号処理回路では、方形スパイラルアンテナ１０１はさらに小さくなり、クレジットカードに収まる。

図４の（ａ）には、第１周波数：１３．５６ＭＨｚの搬送波と第２周波数：２．４５ＧＨｚの搬送波とを受信する信号処理回路を備えた非接触ＩＣカード２００として形成されたクレジットカードの概略図を示す。図４（ａ）において、方形スパイラルアンテナ１０１の下辺を第１辺、左辺を第２辺（第１辺と交差し且つ第１辺より短い）、上辺を第３辺（第１辺に対向し且つ第２辺と交差し且つ第２辺より長い）、右辺を第４辺（第２辺に対向し且つ第１辺並びに第３辺と交差し且つ第１辺並びに第３辺より短い）と記すと、この方形スパイラルアンテナ１０１は、その両端（第１端部と第２端部）が第１辺に位置し、且つ当該両端の一方（第１端部）に比べて他方（第２端部）が方形スパイラルアンテナ１０１の内周側に位置する３本の導体線路１ａ〜１ｃを直列に接続して形成される。導体線路１ａ〜１ｃの各々は、その第１端部から上記方形スパイラルアンテナ１０１の第２辺、第３辺、並びに第４辺をこの順に経て延在し、第１辺に戻ってその第２端部で終端する。最外周にある導体線路１ａの第１端部は、ＩＣ（ここでは１０２ａ，１０２ｂ）に接続される給電点１２１の一つとなり、この第２端部はこれに隣接する導体線路１ｂの第１端部に接続される。外周から１巻目にある導体線路１ｂの第２端部はこれに隣接する導体線路１ｃの第１端部に接続される。最内周にある導体線路１ｃの第２端部は、上記給電点１２１の他の一つとなる。これらの導体線路１ａ〜１ｃは非接触ＩＣカードの基材２０１となる樹脂基板に一括して印刷されるが、導体線路１ａ〜１ｃが印刷された樹脂膜を基材２０１の主面に貼り付けてもよい。

図４（ａ）に示す非接触ＩＣカードでは、これに搭載される集積回路素子を図１に示すＩＣの如き第１周波数及び第２周波数の搬送波の夫々に応答するハイブリッド型とせず、第１周波数に応答する第１集積回路１０２ａと第２周波数に応答する第２集積回路１０２ｂに分けている。また、第１周波数の搬送波による第２集積回路１０２ｂの誤動作や、第２周波数の搬送波による第１集積回路１０２ａの誤動作を防ぐために、給電点１２１と第１集積回路１０２ａ及び第２集積回路１０２ｂとの間に分波回路１２０を設けている。

図４（ｂ）は、分波回路１２０の一例を示す概略図である。分波回路１２０は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等の圧電性材料からなる基材１３０の主面に櫛歯状の電極１２３ａ〜１２３ｃ，１２４ａ〜１２４ｃを形成した２つの表面弾性波（Surface Acoustic Wave，ＳＡＷ）デバイスの共振器として形成され、夫々の入力電極１２３ａ，１２４ａは、導体線路１ａに接続される給電点１２１ａ及び導体線路１ｃに接続される給電点１２１ｂから延びる給電線１２２に接続される。櫛歯状の電極１２３ａ〜１２３ｃを備えたＳＡＷ共振器は、第１周波数の信号を出力電極１２３ｂに通し、第２周波数の信号を通さない帯域フィルタ（ロウパスフィルタ）１２３として機能し、櫛歯状の電極１２４ａ〜１２４ｃを備えたＳＡＷ共振器は、第２周波数の信号を出力電極１２４ｂに通し、第１周波数の信号を通さない帯域フィルタ（ハイパスフィルタ）１２４として機能する。このため、帯域フィルタ１２３に設けられた櫛歯状の電極１２３ａ〜１２３ｃの間隔に比べて、帯域フィルタ１２４に設けられた櫛歯状の電極１２４ａ〜１２４ｃの間隔は、通過させる信号の波長を反映して狭い。帯域フィルタ１２３の出力電極１２３ｂは第１集積回路１０２ａに接続され、帯域フィルタ１２４の出力電極１２４ｂは第２集積回路１０２ｂに接続される。

図４（ｂ）では、図４（ａ）に示された導体線路１ａ〜１ｃからなる方形スパイラルアンテナ１０１が、その作図の都合上、１本の導体線路１に省略されて描かれる。分波回路１２０が形成された基材１３０は、非接触ＩＣカードの基材２０１となる樹脂基板に形成された凹部に埋め込まれ、黒い四角で示された２つの給電点１２１ａ，１２１ｂは基材１３０に形成された給電線１２２に接続される。

図４（ｃ）は、図４（ａ）に示された第１集積回路１０２ａと第２集積回路１０２ｂとを一体化した集積回路素子１０２を用いた非接触ＩＣカードの概略図を示し、給電点１２１と集積回路素子１０２との間には分波回路１２０が設けられる。集積回路素子１０２の下面（実装面）には第１周波数の信号を受ける電極１２０ａと第２周波数の信号を受ける電極１２０ｂとが設けられ、基材１３０にフェースダウン実装されることで、電極１２０ａは帯域フィルタ１２３の出力電極１２３ｂに、電極１２０ｂは帯域フィルタ１２４の出力電極１２４ｂに、夫々接続される。

図５の（ａ）には、第１周波数：１３．５６ＭＨｚの搬送波と第２周波数：９００ＭＨｚの搬送波とを受信する信号処理回路を備えたタグ（ＩＣタグ）３００の概略図を示す。このタグは、小包等の配送物に貼り付けられるよう、エポキシ樹脂やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなる可撓性の基材３０１に形成され、方形スパイラルアンテナ１０１は、例えば当該基材３０１の主面に印刷される。方形スパイラルアンテナ１０１は、２本の導体線路１ａ，１ｂを直列に接続し、それにより送受信される第２周波数の搬送波長：３３ｃｍに鑑み、そのアンテナ長辺方向外径（図１に示す長さＬ_ｘｏ）が１６．６ｃｍ以下（搬送波長の１／２未満）、アンテナ長辺方向内径（図１に示す長さＬ_ｘｉ）が８．４ｃｍ以上（搬送波長の１／４超）、アンテナ短辺方向外径（図１に示す長さＬ_ｙｏ）が８．３ｃｍ以下（搬送波長の１／４未満）を満たすように形成した。第２周波数の搬送波長λ_２に対し、方形スパイラルアンテナ１０１の全長は、Ｎ×｛（２×λ_２／２）＋（２×λ_２／４）｝＝３Ｎλ_２／２（但し、Ｎは導体線路の数）の値より小さくなるため、アンテナ配線幅１０８（図１参照，導体線路の幅ｗ）をマイクロストリップ線の如く狭めて、Ｎを４４本以上にしない限り、これによる波長：２２．１ｍを有する第１周波数の搬送波の送受信に支障を来たさない。

図５（ａ）に示すタグにも、図４（ａ）に示す非接触ＩＣカードと同様、第１周波数に応答する第１集積回路１０２ａと第２周波数に応答する第２集積回路１０２ｂとが搭載され、これらの集積回路１０２ａ，１０２ｂとスパイラルアンテナ１０１の両端に設けられた給電点１２１との間には、基材１３０に形成された分波回路が設けられる。

図５（ｂ）は図５（ａ）に示されたタグに設けられた分波回路１２０の回路の一例を示し、図５（ｃ）は当該タグの断面を分波回路１２０の一部も含めて示す。図５（ｂ）において、図５（ａ）に示された導体線路１ａ，１ｂからなる方形スパイラルアンテナ１０１は１本の導体線路１として描かれる。図５（ｂ）に示される接地電位のシンボルは、タグの回路における「基準電位」を指し、これに接続されるように描かれる素子は接地されなくてもよい。方形スパイラルアンテナ１０１の最外周の一端に設けられた給電点１２１ａから分波回路１２０へ延びる給電線１２２に比べ、その最内周の他端に設けられた給電点１２１ｂから分波回路１２０へ延びる給電線１２２にはショットキバリアダイオード１２２ａや容量１２２ｂが設けられる。ショットキバリアダイオード１２２ａは、タグで受信される信号の復調やそれから送信される信号の変調の機能を示す。

図５（ｂ）に示す分波回路１２０は、第１周波数に応答する第１集積回路１０２ａに接続される帯域フィルタ１２３と第２周波数に応答する第２集積回路１０２ｂに接続される帯域フィルタ１２４とを備える。帯域フィルタ１２３は、インダクタンス１２３ｄ及び容量１２３ｅを有する共振回路を備え、第１周波数の信号を通し且つ第２周波数の信号を通さないロウパスフィルタとして機能する。帯域フィルタ１２４は、容量１２４ｄ，１２４ｅ及びインダクタンス１２４ｆを有する共振回路を備え、第２周波数の信号を通し且つ第１周波数の信号を通さないハイパスフィルタとして機能する。

分波回路１２０のインダクタンス１２３ｄ，１２４ｆ及び容量１２３ｅ，１２４ｄ，１２４ｅは、図５（ｃ）に示したインダクタンス１２３ｄの如く、その各々をなす導体層を基材１３０に形成してなる。タグの可撓性を高めるため、基材１３０はタグの基材３０１と同様にエポキシ樹脂やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のフィルムで形成するとよく、これよりも撓み易い材料のフィルムで形成してもよい。図５（ｃ）に示されたインダクタンス１２３ｄは、基材１３０の両方の主面に印刷した導体層１３１（黒く示される）を、当該基材１３０に形成されたスルーホールを通して電気的に接続して、コイル状に形成される。導体層１３１の一つは第１集積回路１０２ａに形成された電極（パッド）１２６に電気的に接続され、帯域フィルタ１２３と第１集積回路１０２ａとの間に信号経路を形成する。なお、第１集積回路１０２ａの電極１２６の「白抜き」で示された一方は、これと分波回路１２０との信号授受に寄与しないダミーのパッドを示す。

基材１３０には、給電線１２２に設けられる容量１２２ｂをなす導体層も形成され、その主面の一方（基材３０１との接合面の反対側）にはショットキバリアダイオード１２２ａが実装される。給電点１２１ａ，１２１ｂから延びる給電線１２２は、基材３０１及び基材１３０を夫々貫通するスルーホールとして形成される。基材３０１の方形スパイラルアンテナ１０１が形成された主面は保護膜３０２で覆われ、この保護膜３０２の上面にはタグを小包等に貼り付けるための粘着剤（図示せず）が塗布される。

以上に説明した本発明による信号処理回路、これを用いた非接触ＩＣカード及びタグ（ＲＦＩＤ）のいずれにおいても、これに備えられた一つのアンテナにより周波数帯域が互いに異なる複数の搬送波が送受信できるため、その小型化や製造コストの削減が促進される。また、一つの回路（装置）に複数のアンテナを設ける必要がなくなるため、アンテナ間での干渉の懸念もなくなる。このため、ＲＦＩＤの出力の上限が低く抑えられていたＨＦ帯の搬送波とＲＦＩＤからの出力が高められるＵＨＦ帯の搬送波とにまたがって構築されつつあるＲＦＩＤシステムが、一つのアンテナを備えたＲＦＩＤで実用化できる。換言すれば、当該システム利用者にＲＦＩＤ（非接触ICカードおよび／またはタグ）を複数枚持たせることなく、また複数のアンテナを搭載したＲＦＩＤを新たに作製することなく、当該システムが実用化できる。

本発明による２波長帯域アンテナ（Dual Band Antenna）を備えた信号処理回路を示す回路図である。 図１に示すアンテナの線路上における低周波（ex. HF）帯域の電流分布を示す模式図である。 図１に示すアンテナの線路上における高周波（ex. UHF）帯域の電流分布を示す模式図である。 図１に示したアンテナを備えた信号処理回路を適用した本発明による非接触ＩＣカードの説明図である。 図１に示したアンテナを備えた信号処理回路を適用した本発明によるタグ（ＲＦＩＤタグ）の説明図である。

符号の説明

101：アンテナ
102：集積回路（ＩＣ）
103：アンテナ短辺方向外径
104：アンテナ短辺方向内径
105：アンテナ長辺方向外径
106：アンテナ長辺方向内径
107：アンテナ配線間ピッチ
108：アンテナ配線幅
109：アンテナ長辺方向中心に対するＩＣ搭載位置のズレ
110：アンテナ配線上電流分布（HF帯）
111：アンテナ配線上電流方向
112：アンテナの発生する磁界
113：アンテナ配線上電流分布（UHF帯）
113a：アンテナ配線上電流分布（位相：正）
113b：アンテナ配線上電流分布（位相：負）
114：アンテナの発生する電界

Claims (8)

1. ＲＦ回路を含むＩＣと、平面コイルである一の方形スパイラルアンテナとを備えた信号処理回路であって、
   ２つの搬送波周波数をｆ _１ ，ｆ _２ （但し、ｆ _１ ＜ｆ _２ ）、該搬送波周波数ｆ _１ に対応する波長をλ _１ 、該搬送波周波数ｆ _２ に対応する波長をλ _２ （λ _１ ＞λ _２ ）としたとき、
   前記一の方形スパイラルアンテナの線路長ＬがＬ＜＜λ _１ であり、
   該一の方形スパイラルアンテナの長辺の外径Ｌｘｏ，内径Ｌｘｉ、並びに短辺の外径Ｌｙｏ，内径Ｌｙｉは、２×（Ｌｘｉ＋Ｌｙｉ）＜λ _２ ＜２×（Ｌｘｏ＋Ｌｙｏ）なる関係を満たし、
   少なくとも２つの搬送波周波数による通信を行うことを特徴とする信号処理回路。
2. 前記ＩＣは前記一の方形スパイラルアンテナの長辺に設けられた給電点に接続され、
   該給電点は、該長辺の中心又はその付近にあることを特徴とする請求項１記載の信号処理回路。
3. 前記一の方形スパイラルアンテナは、対向し合う第１長辺並びに第２長辺、及び対向し合う第１短辺並びに第２短辺を有し、該第１長辺から該第１短辺、該第２長辺、並びに該第２短辺を経て、該第１長辺に到るＮ本の導体線路を逐次接続して形成され、
   該Ｎ本の導体線路は、該一の方形スパイラルアンテナの外周側にある１本と、その内周側で該１本の導体線路に隣接し且つ該第１長辺で該１本の導体線路に接続される該導体線路の他の１本とを間隔ｐで離し且つ互いに交差させずに配置してなることを特徴とする請求項１記載の信号処理回路。
4. 前記ＩＣは前記一の方形スパイラルアンテナの前記第１長辺にて、該一の方形スパイラルアンテナの最外周に配置された前記Ｎ本の導体線路の一つに設けられた給電点に接続され、
   該給電点は、該第１長辺における該一つの導体線路の中点又は該中点から該第１長辺に沿いにΣ８ｎｐ｜_{ｎ＝１〜Ｎ}以下の距離で離れた位置に形成されていることを特徴とする請求項３記載の信号処理回路。
5. 請求項１乃至４のいずれか記載の信号処理回路が配置された基材を有する非接触ＩＣカード。
6. 請求項１乃至４のいずれか記載の信号処理回路を有するタグ。
7. 前記２つの搬送波周波数のうち一の搬送波周波数ｆ _１ はＨＦ帯の周波数帯域にあり、且つ前記２つの搬送波周波数のうち一の搬送波周波数ｆ _２ はＵＨＦ帯の周波数帯域にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の信号処理回路。
8. 前記搬送波周波数ｆ _２ は前記搬送波周波数ｆ _１ の１００倍以上であることを特徴とする請求項７記載の信号処理回路。

Images