JP2007189612A

JP2007189612A - Ｒｆｉｄアンテナ

Info

Publication number: JP2007189612A
Application number: JP2006007552A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Saito; 義孝斎藤; Eikichi Yoshida; 栄吉吉田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-26
Also published as: US20070171079A1

Abstract

【課題】アンテナの対向角度が大きくなっても必要な起電力を確保することが可能なＲＦＩＤアンテナを提供すること。
【解決手段】ＲＦＩＤアンテナ２００は、コイル状のアンテナ２０１と、アンテナ２０１のループ面に近接して配置された円環状の磁性材料から成るシート材２０２とから構成されるＲＦＩＤアンテナであって、シート材２０２は外周部の一部が上側または下側に折り曲げられて平歯車状の形状を有し、かつ上側に折り曲げられた部分と下側に折り曲げられた部分によってアンテナ２０１のコイル部２０３が挟み込まれている。
【選択図】図２

Description

本発明は、おもにＲＦＩＤタグや非接触ＩＣカードなどの非接触による近接距離での通信に用いるＲＦＩＤアンテナに関する。

外部装置（リーダライタ）から無線信号を送り、タグやＩＣカードなどのメモリの記録情報などを読み取るＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)は、ユビキタス社会に向けた根幹技術として注目されている。日本国内においては、電波法で規定された１３.５６ＭＨｚや２．４５ＧＨｚなどを搬送波周波数とする無線通信技術が開発されており、ＲＦＩＤタグや非接触ＩＣカードなどに代表される、ＲＦＩＤアンテナを用いた近接距離での通信システムが広く普及している。

更に近年では、電子情報通信分野の発達に伴い、この分野における通信機器に対する小型化・軽量化の要求は止まることなく、その部品の一つである通信用のアンテナにおいても、近接距離での通信システムを利用した携帯電話端末などの小型電子機器に搭載する小型のアンテナの開発要求が高まっている。

このようなＲＦＩＤシステムでは、リーダライタとＲＦＩＤタグが非接触で通信する。即ち、リーダライタのトランスから放射された電磁波がループコイル状のアンテナを貫通し、ループコイル状のアンテナに起電力が生じる。起電力は直流に変換され、ＲＦＩＤタグに付随した半導体チップを駆動させる。半導体チップでは、予めプログラムされた手順の処理を行い、ＩＤをはじめとする情報をループコイル状アンテナを経てリーダライタへ返信する。リーダライタはサーバなどの大規模演算ストレージ装置に接続されており、例えば、乗車券の精算、農作物の生産および流通の情報管理などを行う。非接触での通信は、磁気カードよりもセキュリティの高いシステムであり、有価証券として用いた場合の偽造防止にも期待される。また、磁気カードやバーコードと比較してそのデータ容量は桁違いに大きく、汚れや遮蔽物の影響も受けにくい利点ももつ。

これらＲＦＩＤタグを、紙をはじめとするあらゆる物体に内蔵するには、ＲＦＩＤタグ自体の小形化が必須である。半導体チップについては、集積度の飛躍的な向上により、メモリやＲＦ回路などをはじめとするＲＦＩＤに必要な機能に要するサイズは小さくなっている。加えて、制御部をも単一チップに盛り込んだシステムオンチップも登場しており、ＲＦＩＤ用半導体チップは今後とも小形化、多機能化が進むと考えられる。

一方、半導体チップの駆動に必要な電力供給およびコマンド送信と、半導体チップからリーダライタへの返信は、いわゆる電磁結合型の通信により行う。

図３は、上記のＲＦＩＤタグとリーダライタのアンテナ間の電磁結合を説明するための模式図である。タグ側に設置されるコイル状のアンテナ２に対向して、このアンテナと信号を送受信するリーダライタのアンテナ３が配置される。符号１は比透磁率μ_ｒ、ループ面積Ｓtagを有するアンテナ２のループ部分を示す。アンテナ２には電圧計４が接続され、アンテナ３には交流電源５が接続されている。リーダライタのアンテナ３に、交流電源５から共振周波数の交流電流を流すことで、磁束６が発生する。磁束６の一部である磁束６ａが、タグのアンテナ２のループ部分１に鎖交し、アンテナ２に起電力が生じる。

ここで、アンテナ３に流す交流電流をＩrw、磁束６および６ａの大きさをそれぞれΦrw、Φtag、アンテナ２に生ずる起電力をＶtagとすると、以下の式（１）と式（２）の式が成立する。
Ｖtag＝−∂(Φtag)／∂ｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Φtag＝（Ｂtag）（Ｓtag）＝(μ_rμ₀Ｈtag）（Ｓtag）・・・・（２）
なお、Ｂtagはループ部分１の磁束密度、Ｈtagは同じくループ部分１の磁場強度を示す。

これらの式（１）と式（２）は、比透磁率μ_ｒが高い磁性体により向上させた磁束密度Ｂtagがタグの大きなループ面積Ｓtagを通過することにより、高い起電力Ｖtagを得ることができることを示している。

又、アンテナ２および３のインダクタンスをそれぞれＬtag、Ｌrwとすると、起電力はアンテナ２とアンテナ３の間の距離や構造に起因する結合係数ｋを用いて、式（３）、式（４）によっても表すことができる。
Ｖtag＝Ｍ・ｄ（Ｉrw）／ｄｔ＝［ｋ・(ＬrwＬtag)^1/2］・ｄ（Ｉrw）／ｄｔ・・・（３）
Ｌtag＝μ_rμ₀Ｓtag／ｌtag・Ｎ² ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）

ここで、Ｍはタグのアンテナ２とリーダライタのアンテナ３との相互インダクタンス、ｌtagはアンテナ２のコイルの磁路長、Ｎはアンテナ２のコイルターン数である。アンテナ２が小型形状の場合では、小さなループ面積Ｓtagを貫通する磁束Φtagも小さく、半導体チップの駆動に必要な起電力Ｖtagを得ることは困難となり、返信時の通信効率も低下する。

インダクタンスＬtag、Ｌrw の他にＶtagの変数としては、結合係数ｋ（０＜ｋ≦１）と電流値Ｉrwがある。大きなＶtagを得るには、アンテナ２とリーダライタのアンテナ３との間の距離、即ち、通信距離を短くすることで結合係数ｋを１に近づける方法や交流電流Ｉrwを増加する方法がある。しかし、前者はＲＦＩＤの使用環境を大きく制限し、後者はチップからの返信がリーダライタからの信号にかき消され、読み取れなくなる。

そのため、従来は、タグのアンテナ２を貫通する十分な磁束を得るため、ループ面積ＳtagをメモリやＲＦ回路などに必要な半導体チップサイズよりも遙かに大きく設計したり、磁性体シートをタグのアンテナの底面部もしくは上面部に貼り付けてインダクタンスＬtagを増加させる方法が一般的に用いられている。

また、特許文献１には、コイル状アンテナと回路面を有し、無線で外部装置と送受信する半導体チップが記されており、コイル状アンテナと外部装置との電磁結合係数を増加させる構成を具備する半導体チップについて記載されている。その具体的な例としては、磁性体を半導体チップ上に塗布や接着などにより配置すること、導体層と絶縁層が複数重なってなる積層体によりコイル状アンテナを形成したこと、或いは半導体チップの回路の外形よりも外側の領域にコイル状アンテナを配置することなどである。

特開２００５−２２８７８５号公報

特許文献１記載のアンテナは、半導体チップ上にアンテナ、磁性体を一体で形成するものであり、さまざまな目的に応じた半導体チップとアンテナを別々に組み合わせて使用する場合や目的が異なる半導体チップを搭載したタグにアンテナを共通に使用する場合などには適用できない。このような場合には前述のように磁性体シートを用いてタグのアンテナの磁束密度を高める方法が有効である。

しかしながら、磁性体シートをそのままコイル状のアンテナの底面部もしくは上面部に配置しているため、タグのアンテナ２とリーダライタのアンテナ３とが斜めに対向しているような場合においては、その傾斜角度が大きくなると磁束は磁性体の内部を通るようになり、コイル状アンテナに鎖交する十分な磁束を得ることができなくなる問題がある。

図４に、上記のようにＲＦＩＤタグのアンテナとリーダライタのアンテナが傾いて電磁結合した場合の模式図を示す。符合は図３に用いたものと同様である。ループコイル状のアンテナ２は図中不記載のリーダライタのアンテナ３と角度θを以って対向しており、アンテナ２のループ面８に沿うように近接して配置した磁性体シート７を有する。アンテナ３に共振周波数の交流電流Ｉrwを流すことで、大きさΦrwの磁束６が発生するが、角度θが大きくなると磁性体シート７の形状異方性により磁性体シート７の内部を磁束がとおりやすくなるため、磁性体シート７の中を通る磁束の成分が増え、結果として、インダクタンスＬtagのタグのアンテナ２のループ部分１（図３参照）に鎖交する磁束６ｂの大きさΦtagが減少し、十分な起電力Ｖtagが得られなくなる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題はアンテナの対向角度が大きくなっても必要な起電力Ｖtagを確保することが可能なＲＦＩＤアンテナを提供することである。

本発明のＲＦＩＤアンテナは、ループコイル状のアンテナと、該アンテナのループ面に近接して配置された磁性材料から成るシート材とから構成されるＲＦＩＤアンテナであって、前記シート材の一部が前記アンテナのコイル部の内側に折り曲げられて挿入されている。

また、前記シート材の外周部に、前記シート材の中心部から放射状に形成されたスリットにより分割されて成る、歯車状の形状を有する分割部を形成し、前記分割部を、前記シートの面にほぼ垂直な方向に折り曲げ、前記アンテナのコイル部が、前記シートにおける交互に折り曲げられた前記分割部に挟み込まれていてもよい。

また、前記シート材の面にほぼ垂直な方向に交互に折り曲げた前記分割部は、３箇所以上形成されていることが望ましい。

前記シート材は、軟磁性粉末とバインダとによる複合磁性材料を用いてもよい。

本発明によれば、電子機器に搭載する近接距離通信用のアンテナについて、アンテナ同士の対向角度が大きくなった場合においても、通信に必要な起電力Ｖtagの低減を抑制することが出来る。従来はアンテナ同士の対向角度θが大きくなると磁性体の形状異方性により磁性体シート７の内部を磁束が通りやすくなる結果、磁性体シート７の中を通る磁束の成分が増え磁束Φtagが減ってしまうが、磁性体シート７の一部がアンテナ２のコイルの内側の一部に入り込ませる構造にしておく事で、インダクタンスＬtagのタグのアンテナ２に鎖交する磁束Φtagが増え、結果として角度θの増加に伴う起電力Ｖtagの低減を抑制する事が出来る。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明によるＲＦＩＤアンテナの第一の実施例を示す。図１（ａ）はＲＦＩＤアンテナの全体構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は本実施例のＲＦＩＤアンテナの構成要素である磁性材料からなるシート材の斜視図である。なお、図１においてはアンテナから信号を取り出す引き出し線の部分は示されていない。

図１において、ＲＦＩＤアンテナ１００は、コイル状のアンテナ１０１と、該アンテナのループ面に近接して配置された円環状の磁性材料から成るシート材１０２とから構成されるＲＦＩＤアンテナであって、シート材１０２の一部がアンテナ１０１のコイル部１０３の内側に折り曲げられて挿入されている。シート材１０２は円環の内側部分をプレス成形して形成され、その部分がアンテナ１０１のコイル部１０３の内側に入り込んだ構造となっている。

本実施例において、シート材１０２は、例えば、軟磁性体微粉末としてビーズミル解砕によって得られた平均粒子径３５μｍのＦｅ−Ａｌ−Ｓi合金粉末を８３．０重量部、熱可塑性エストラマーから成る有機結合剤を１７．０重量部の状態で混練し、圧延ロールにて０．３ｍｍの厚さのシート状にした複合磁性体から成り、打抜き及びプレス加工によって成形して得ることができる。軟磁性体微粉末は反磁場係数をおさえるため、粉末粒子を偏平形状にしてもよく、また渦電流損をおさえるため粉末粒子に酸化膜等による絶縁を施してもよい。

図２は、本発明によるＲＦＩＤアンテナの第二の実施例を示す斜視図である。なお、図２においてはアンテナから信号を取り出す引き出し線の部分は省略されている。

図２において、ＲＦＩＤアンテナ２００は、コイル状のアンテナ２０１と、アンテナ２０１のループ面に近接して配置された円環状の磁性材料から成るシート材２０２とから構成されるＲＦＩＤアンテナであって、シート材２０２は外周部の一部が逆方向に交互に折り曲げられた歯車状の形状を有し、かつ逆方向に交互に折り曲げられた部分によってアンテナ２０１のコイル部２０３が挟み込まれている。

本実施例において、シート材２０２は、例えば、軟磁性体微粉末として水アトマイズ法によって得られた平均粒子径３０μｍのＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金粉末を用い、これと熱可塑性エストラマーから成る有機結合剤とを各々８３．０重量部及び１７．０重量部の割合で混練した後、圧延ロールにて０．３ｍｍの厚さのシート状にした複合磁性体であって、円環の外周部分を打抜き加工によって歯車状に成形したものである。

歯車の歯の部分に相当する突起部、すなわち上側に折り曲げられた部分と下側に折り曲げられた部分はそれぞれ交互に３箇所以上形成され、これら突起部がアンテナ２０１のコイル部２０３を上下交互に挟み込むように配置されている。突起部を少なくとも交互に３箇所以上としたのは、それ以下で構成するとアンテナ２０１のコイル部２０３を上下交互に挟み込む構造にしてもアンテナ２０１の上面もしくは底面部を面に沿って通過する磁束の成分が多くなり、結果としてアンテナ２０１に鎖交する磁束量が十分に得られないためである。

これら実施例の効果を確認するために、コイル状アンテナ１０１及び２０１に鎖交する磁束量とアンテナ同士の対向角度θとの関係を有限要素法による電磁解解析を行い、従来型の場合と比較した計算結果を図５に示す。なお、グラフ縦軸は対向角度が零、即ちアンテナ同士が平行に配置されている場合における、従来型のアンテナに鎖交する磁束量で規格化して表示している。同等の起電力Ｖtagを得るためには、やはり同等の鎖交磁束量が必要になるが、図５より、例えば対向角度θが３０°〜６０°の範囲で見てみると、本発明によって同等の鎖交磁束量を得られる角度が３°〜７°、比率で言うと５〜２０％ほど大きくなっている事が判る。すなわち、従来に比べて５〜２０％傾き角度が大きくなっても同じ起電力が得られる。

なお、上記２つの実施例では磁性体からなるシート材の形状は半導体チップを中心に設置するために円環状としたが、半導体チップの形状、設置位置によってはシート材の形状が円環状以外の場合でも本発明の効果は得られる。

以上述べたように、本発明によれば、アンテナ同士の対向角度θが大きくなってもタグのコイル状アンテナに鎖交する磁束の低減が抑えられ、起電力Ｖtagの低減を抑制することが出来る。

さらにＲＦＩＤタグや非接触ＩＣカードなどの非接触による近接距離通信用のアンテナに限定されず、ＴＶ、ラジオ、携帯端末などの移動体通信装置に用いるアンテナについても、設置環境によりアンテナの対向角度が一定でない状態が考えられる場合には有効な手段である。

本発明によるＲＦＩＤアンテナの第一の実施例を示す図。図１（ａ）はＲＦＩＤアンテナの全体構成を示す断面図、図１（ｂ）は本実施例のＲＦＩＤアンテナの構成要素である磁性材料からなるシート材の斜視図。本発明によるＲＦＩＤアンテナの第二の実施例を示す斜視図。ＲＦＩＤタグとリーダライタのアンテナ間の電磁結合を説明するための模式図。ＲＦＩＤタグのアンテナとリーダライタのアンテナが傾いて電磁結合した場合の模式図。本発明の実施例１および実施例２のコイル状アンテナに鎖交する磁束量とアンテナ同士の対向角度θとの関係を、従来型の場合と比較した計算結果を示す図。

符号の説明

１ループ部分
２，３，１０１，２０１アンテナ
４電圧計
５交流電源
６，６ａ，６ｂ磁束
７磁性体シート
８ループ面
１００，２００ＲＦＩＤアンテナ
１０２，２０２シート材
１０３，２０３コイル部

Claims

ループコイル状のアンテナと、該アンテナのループ面に近接して配置された磁性材料から成るシート材とから構成されるＲＦＩＤアンテナであって、前記シート材の一部が前記アンテナのコイル部の内側に折り曲げられて挿入されていることを特徴とするＲＦＩＤアンテナ。
前記シート材の外周部に、前記シート材の中心部から放射状に形成されたスリットにより分割されて成る分割部が形成され、前記分割部は、前記シートの面にほぼ垂直な方向に折り曲げられ、前記アンテナのコイル部が、前記シートにおける交互に折り曲げられた前記分割部に挟み込まれていることを特徴とする請求項１記載のＲＦＩＤアンテナ。
前記シート材の外周部に形成される分割部は、前記外周部において交互に３箇所以上形成されていることを特徴とする請求項２記載のＲＦＩＤアンテナ。
前記シート材は、軟磁性粉末とバインダとによる複合磁性材料を用いたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＲＦＩＤアンテナ。