JP2006180043A - 電子タグシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】通信距離が大きくかつ使い勝手が良好な、コイルオンチップが搭載された無線ICタグを用いた電子タグシステムを提供する。
【解決手段】情報入出力端末装置1と、情報担体である無線ICタグ2と、情報入出力端末装置1に接続され、情報入出力端末装置1からの指令に基づいて無線ICタグ2への電力の供給及び信号の送信並びに無線ICタグ2からの信号の受信を無線にて行うリーダライタ3とから電子タグシステムを構成する。タグ側アンテナ2aとして、磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナを用いる。また、タグ側アンテナ2a及び端末側アンテナ3aのうちの少なくともいずれか一方として、これらの各アンテナ1a,3aを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電子タグシステムに係り、特に、無線ICタグ及びリーダライタに備えられる無線通信用アンテナの構成に関する。

近年、工場における部品管理用のタグや店舗における商品管理用のタグそれに駅改札口における運賃精算用のカードなどとして、IC素子と当該IC素子の入出力端子に接続されたアンテナとを備えた無線ICタグを用いる電子タグシステム(RFID;Radio Frequency Identification)が実用化されている。

従来より、この種の電子タグシステムには、無線ICタグに搭載されるIC素子の周波数特性等に応じて、ダイポールアンテナなどの遠方界領域に適したアンテナや、コイルなどの近傍界領域に適したトランス結合タイプのアンテナが用いられている。遠方界領域に適したアンテナは、遠方界領域における電界のみ或いは磁界のみを受けるアンテナとして設計されており、近傍界領域に適したトランス結合タイプのアンテナは、近傍界領域において誘導磁界結合するアンテナとして設計されている。なお、遠方界領域とは、波動インピーダンスが120πの領域を言い、近傍界領域とは、波動インピーダンスが120πではなく、電界強度と磁界強度の比がアンテナからの距離に応じて変化している領域のことを言う。

ダイポールアンテナを用いた例としては、使用周波数が24GHz帯のIC素子を用い、図12に示すような長さ2mmのジグザグ型ダイポールアンテナで5mの通信を行う例が報告されている(例えば、非特許文献1参照。)。また、コイルアンテナを用いた例としては、使用周波数が13.56MHz帯のIC素子上に0.5mm〜2.5mm角のコイルアンテナが形成されたコイルオンチップを用い、数mm程度の通信を例が報告されている(例えば、非特許文献2参照。)。
"Integrated Antennas on Silicon Substtates for Communication Over Free Space"J.L.Gao,et al.,IEEE Electron Device Letters,Vol.25,No.4,April 2004 日本工業出版発行「月刊バーコード」2000年3月号 第19頁〜第21頁 金子利行「コイル・オン・チップRFIDシステム」

コイルオンチップは、形成可能なアンテナサイズがチップサイズ以下に制限されるため、通信距離の大きいアンテナを形成することが本来的に困難であるが、無線ICタグの小型化に有利であり、かつ外部からのストレスによってアンテナが断線しないという利点があるため、より広範なアプリケーションへの対応が期待されており、この点から通信距離の延長が強く求められている。

IC素子上にダイポールアンテナなどの遠方界領域に適したアンテナを形成すれば、通信距離の延長を実現することができるが、チップサイズがますます小型化される現状においては、この種のアンテナをIC素子上に形成することは実際上困難である。また、仮にこの種のアンテナをIC素子上に形成することができたとしても、この種のアンテナは指向性が高いため、リーダライタに備えられた端末側アンテナの指向方向と無線ICタグに備えられたタグ側アンテナの指向方向とを合致させないと適正な通信を行うことができず、無線ICタグの使い勝手が悪くなると言う新たな不都合が生じる。

本発明は、かかる従来技術の不備を解消するためになされたものであり、その目的は、通信距離が大きくかつ使い勝手が良好な、コイルオンチップが搭載された無線ICタグを用いた電子タグシステムを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、無線ICタグとリーダライタとの間の信号の送受信を、前記無線ICタグに備えられたタグ側アンテナ及び前記リーダライタに備えられた端末側アンテナを介して非接触で行う電子タグシステムにおいて、前記タグ側アンテナとして磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナを用いると共に、前記タグ側アンテナ及び前記端末側アンテナのうちの少なくともいずれか一方として、前記各アンテナを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いるという構成にした。

周知のように、微小ループアンテナにあっては、図13に示すように、φ成分の電界Eφと、Θ成分の磁界HΘと、r成分の磁界Hrとが存在する。そして、電界Eφは、静磁界が無く、誘導界が距離の2乗に反比例して減衰し、放射界が距離の1乗に反比例して減衰する。また、磁界HΘは、静磁界が距離の3乗に反比例して減衰し、誘導界が距離の2乗に反比例して減衰し、放射界が距離の1乗に反比例して減衰する。さらに、磁界Hrは、静磁界が距離の3乗に反比例して減衰し、誘導界が距離の2乗に反比例して減衰し、放射界が無い。遠方界領域においては、ほぼ遠方界成分のみとなり、従来の遠方界に適したアンテナは、電界Eφ又は磁界HΘの放射界を受けるアンテナとして設計されている。また、トランス結合タイプは、2つのアンテナの結合で表されるが、主に磁界Hrで信号の授受を行っていると考えられる。現在のところ、950MHz帯は電子タグシステムの使用周波数として認められていないが、近い将来、規制緩和により、この周波数帯の使用が認められる見込みになっている。この周波数帯及びこの周波数帯よりも高い周波数帯域においては、磁界成分及び電界成分の双方を受信可能なアンテナの設計が可能になる。そして、磁界成分及び電界成分の双方を受信可能なアンテナを備えた無線ICタグを用いれば、磁界成分のみを受信するアンテナを備えた無線ICタグを用いる場合に比べてIC素子に供給される信号強度を高めることができ、電子タグシステムの通信距離を延長することができる。また、タグ側アンテナ及び端末側アンテナのうちの少なくともいずれか一方に、各アンテナを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いると、端末側アンテナに対してタグ側アンテナを平行に配列させるだけで、常に良好な信号の送受信が可能になるので、無線ICタグの使い勝手を良好なものにすることができる。

本発明の電子タグシステムは、タグ側アンテナとして磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナを用いるので、磁界成分のみを受信するアンテナを備えた無線ICタグを用いる場合に比べてIC素子に供給される信号強度を高めることができ、電子タグシステムの通信距離を延長することができる。また、タグ側アンテナ及び端末側アンテナのうちの少なくともいずれか一方に、各アンテナを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いたので、端末側アンテナに対してタグ側アンテナを平行に配列させるだけで常に良好な信号の送受信を行うことができ、無線ICタグの使い勝手を良好なものにすることができる。

まず、本発明に係る電子タグシステムの構成を図1に基づいて説明する。図1は実施形態例に係る電子タグシステムの機能ブロック図である。

図1に示すように、本例の電子タグシステムは、情報入出力端末装置1と、情報担体である無線ICタグ2と、情報入出力端末装置1に接続され、情報入出力端末装置1からの指令に基づいて無線ICタグ2への電力の供給及び信号の送信並びに無線ICタグ2からの信号の受信を無線にて行うリーダライタ3とからなる。無線ICタグ2は、タグ側アンテナ2aと、マイクロ波送受信回路2bと、情報処理回路2cと、メモリ2dとを含んで構成され、リーダライタ3は、端末側アンテナ3aと、マイクロ波送受信回路3bと、情報処理回路3cとを含んで構成される。また、無線ICタグ2としては、1.5mm角で使用周波数が950MHzのコイルオンチップが搭載されたものが用いられる。

タグ側アンテナ2aとしては、磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナが用いられる。また、タグ側アンテナ2a及び端末側アンテナ3aのうちの少なくともいずれか一方には、これらの各アンテナ1a,3aを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナが用いられる。

タグ側アンテナ2aと端末側アンテナ3aとは、以下の組合せとすることができる。

(1)端末側アンテナ3aを、指向性のない円偏波のパッチアンテナとし、タグ側アンテナ2aを、磁界エネルギーの変換効率が良く、かつ波長短縮効果が大きいメアンダ型ループアンテナ、ジグザグ型ループアンテナ、メアンダ型ダイポールアンテナ又はジグザグ型ダイポールアンテナのいずれかとする。

(2)端末側アンテナ3aを、指向性のない渦巻き型ループアンテナとし、タグ側アンテナ2aを、磁界エネルギーの変換効率が良く、指向性のない渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかとする。

(3)端末側アンテナ3aを、指向性のあるパッチアンテナとし、タグ側アンテナ2aを、磁界エネルギーの変換効率が良く、指向性のない渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかとする。

(4)端末側アンテナ3aを、指向性のあるダイポールアンテナとし、タグ側アンテナ2aを、磁界エネルギーの変換効率が良く、指向性のない渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかとする。

以下、本発明に係る電子タグシステムの実施例を挙げ、本発明の効果を明らかにする。

〈実施例1〉
端末側アンテナ3aとして、図2に示す角型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、縦7.3cm、横7.3cmであり、厚さが1.5mmのFR4基板11の片面に銅パターンをもって形成した。

タグ側アンテナ2aとして、図3に示す18段の折り返しを2組つないだメアンダ型ループアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が60μm、折り返しのピッチが80μm、膜厚が5μm、全長が22.2mmであり、IC素子12の片面に銅パターンをもって形成した。なお、図3の例においては、給電点がコイルオンチップ12の一側辺に近い部分に設定されているが、コイルオンチップ12の中央部分に給電点を設定することもできる。

リーダライタ3は、端末側アンテナ3aを用いて右旋回偏波で信号の送受信を行う。また、リーダライタ3から無線ICタグ2に送信される信号の変調方式は2値PSK方式とし、無線ICタグ2からリーダライタ3に送信される信号の変調方式は負荷変調方式とした。

本例の電子タグシステムにおいては、約9cmの通信距離が得られた。950MHzの信号の空間波長は31.6cmであるので、9cmの通信距離は使用周波数の約1/1.118πに相当し、本例の電子タグシステムが近傍界と遠方界との中間領域において信号の送受信を行っていることが分かる。

〈実施例2〉
端末側アンテナ3aとして、図4に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が7.3cmであり、厚さが1.5mmのFR4基板11の片面に銅パターンをもって形成した。その他については、実施例1と同じとした。

本例の電子タグシステムにおいても、約9cmの通信距離が得られた。

〈実施例3〉
端末側アンテナ3aとして、図4に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が7.3cmであり、厚さが1.5mmのFR4基板11の片面に銅パターンをもって形成した。

タグ側アンテナ2aとして、図5に示す18段の折り返しを2組もつジグザグ型ループアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が40μm、折り返しのピッチが80μm、膜厚が5μm、全長が22.2mmであり、IC素子12の片面に銅パターンをもって形成した。なお、図5の例においては、給電点がコイルオンチップ12の一側辺に近い部分に設定されているが、コイルオンチップ12の中央部分に給電点を設定することもできる。

その他については、実施例1と同じとした。

本例の電子タグシステムにおいては、約7cmの通信距離が得られた。

〈実施例4〉
端末側アンテナ3aとして、図4に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が7.3cmであり、厚さが1.5mmのFR4基板11の片面に銅パターンをもって形成した。

タグ側アンテナ2aとして、図6に示す9段の折り返しを2組もつメアンダ型ダイポールアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が60μm、折り返しのピッチが80μm、膜厚が5μm、全長が24.5mmであり、IC素子12の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ12の一側辺に近い部分に設定した。

その他については、実施例1と同じとした。

本例の電子タグシステムにおいては、約8cmの通信距離が得られた。

〈実施例5〉
端末側アンテナ3aとして、図4に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が7.3cmであり、厚さが1.5mmのFR4基板11の片面に銅パターンをもって形成した。

タグ側アンテナ2aとして、図7に示す8.5段の折り返しを2組もつメアンダ型ダイポールアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が60μm、折り返しのピッチが80μm、膜厚が5μm、全長が23.1mmであり、IC素子12の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ12の中央部分に設定した。

その他については、実施例1と同じとした。

本例の電子タグシステムにおいては、約7cmの通信距離が得られた。

〈実施例6〉
端末側アンテナ3aとして、図4に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が7.3cmであり、厚さが1.5mmのFR4基板11の片面に銅パターンをもって形成した。

タグ側アンテナ2aとして、図8に示す7段の折り返しを2組もつジグザグ型ダイポールアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が40μm、折り返しのピッチが80μm、膜厚が5μm、全長が19.0mmであり、IC素子12の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ12の中央部分に設定した。

その他については、実施例1と同じとした。

本例の電子タグシステムにおいては、約6cmの通信距離が得られた。

〈実施例7〉
端末側アンテナ3aとして、図9に示す6ターンのコイルアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が8.0cmであり、厚さが1.5mmのFR4基板11の片面に銅パターンをもって形成した。

タグ側アンテナ2aとして、図10に示す6ターンの渦巻き型ループアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が60μm、巻回のピッチが80μm、膜厚が5μmであり、IC素子12の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ12の1角部と中央部とに設定した。

その他については、実施例1と同じとした。

本例の電子タグシステムにおいては、約8cmの通信距離が得られた。

〈実施例8〉
端末側アンテナ3aとして、図2に示す角型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、縦7.3cm、横7.3cmであり、厚さが1.5mmのFR4基板11の片面に銅パターンをもって形成した。

タグ側アンテナ2aとして、図11に示すように、線対称をなす形状に形成された2組の5.5ターンの渦巻き型ダイポールアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が40μm、巻回ピッチが80μm、膜厚が5μmであり、IC素子12の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ12の一側辺に近い部分に設定した。

その他については、実施例1と同じとした。

本例の電子タグシステムにおいては、約6cmの通信距離が得られた。

実施例1〜8より明らかなように、本発明の電子タグシステムは、1.5mm角のコイルオンチップ12が搭載された無線ICタグ2を用いて、約6cm〜約9cmの通信距離を得ることができるので、この種の無線ICタグ2を用いた電子タグシステムのより広範なアプリケーションへの対応が可能になる。

なお、前記実施例においては、950MHz対応のコイルオンチップ12を用いた場合を例にとって説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、300MHz対応、400MHz対応、900MHz対応、2.4GHz対応又は5GHz対応など、他の周波数帯域に対応するコイルオンチップを用いた場合にも、同様に実施することができる。

また、前記実施例においては、1.5mm角のコイルオンチップ12を用いた場合を例にとって説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、任意のサイズのコイルオンチップを用いることもできる。

実施形態例に係る電子タグシステムの機能ブロック図である。 端末側アンテナの第1例を示す平面図である。 タグ側アンテナの第1例を示す平面図である。 端末側アンテナの第2例を示す平面図である。 タグ側アンテナの第2例を示す平面図である。 タグ側アンテナの第3例を示す平面図である。 タグ側アンテナの第4例を示す平面図である。 タグ側アンテナの第5例を示す平面図である。 端末側アンテナの第3例を示す平面図である。 タグ側アンテナの第6例を示す平面図である。 タグ側アンテナの第7例を示す平面図である。 従来例に係るアンテナの平面図である。 微小ループアンテナより放射される電界及び磁界の説明図である。

符号の説明

1 情報入出力端末装置
2 無線ICタグ
2a タグ側アンテナ
3 リーダライタ
3a 端末側アンテナ
11 FR4基板
12 コイルオンチップ

Claims (5)

  1. 無線ICタグとリーダライタとの間の信号の送受信を、前記無線ICタグに備えられたタグ側アンテナ及び前記リーダライタに備えられた端末側アンテナを介して非接触で行う電子タグシステムにおいて、前記タグ側アンテナとして磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナを用いると共に、前記タグ側アンテナ及び前記端末側アンテナのうちの少なくともいずれか一方として、前記各アンテナを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いることを特徴とする電子タグシステム。
  2. 前記端末側アンテナが円偏波のパッチアンテナで、前記タグ側アンテナがメアンダ型ループアンテナ、ジグザグ型ループアンテナ、メアンダ型ダイポールアンテナ又はジグザグ型ダイポールアンテナのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の電子タグシステム。
  3. 前記端末側アンテナが渦巻き型ループアンテナで、前記タグ側アンテナが渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の電子タグシステム。
  4. 前記端末側アンテナがパッチアンテナで、前記タグ側アンテナが渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の電子タグシステム。
  5. 前記端末側アンテナがダイポールアンテナで、前記タグ側アンテナが渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の電子タグシステム。
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