JP2007306601A - Ｒｆｉｄ用トランスポンダのアンテナコイル構造及び共振周波数の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数を簡単に調整することができるＲＦＩＤ用トランスポンダのアンテナコイル及び共振周波数の調整方法の提供。
【解決手段】基材７の表裏面に形成された２つのアンテナパターン５ａ、５ｂの一端又は両端に接続位置調整領域を設け、接続位置を可変することにより共振周波数を調整するものであり、フィルムコンデンサを省略してトランスポンダの縮小化を図ることができる。また、トリミング作業を不要にすることによりインダクタンスの調整作業を簡単に行うことができ、アンテナの電気的中心位置のずれによる結合係数の変化や渦電流の発生を防止することができる。また、上記トランスポンダを用いることによりリーダ／ライタの反射係数を大きくすることができ、リーダ／ライタ受信部の構成を簡略化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、共振回路を構成するアンテナコイルの構造及び該アンテナコイルを用いた共振周波数の調整方法に関し、特に、実装されたＩＣチップに対して非接触でデータの読み書きを行うことを特徴とするＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）用トラスポンダのアンテナコイルの構造及び該アンテナコイルを用いた共振周波数の調整方法に関する。

近年、ＩＣチップを備えたトランスポンダとリーダ／ライタ（又はリーダ）との間でデータの交信を行うＲＦＩＤシステムが普及している。このＲＦＩＤシステムは、トランスポンダ及びリーダ／ライタの各々に備えたアンテナを用いてデータの交信を行うため、トランスポンダをリーダ／ライタから数ｃｍ乃至数十ｃｍ離しても通信可能であり、また、汚れや静電気等に強いという長所から、工場の生産管理、物流の管理、入退室管理等の様々な分野に利用されるようになってきている。

このＲＦＩＤシステムでデータの通信を行う場合、リーダ／ライタ、トランスポンダの双方のアンテナの共振周波数をある程度の精度で送信するキャリア周波数に合わせ込む必要がある。ここで、アンテナの共振周波数ｆ₀は、アンテナコイルのインダクタンスＬとコンデンサの容量Ｃとを用いて次式のように表される。

式（１）より、アンテナコイルのインダクタンスＬ又はコンデンサの容量Ｃのいずれかを増減させることにより共振周波数ｆ₀を所望の値に調整することができ、リーダ／ライタのアンテナやサイズの大きいトランスポンダの場合は、通常、アンテナに実装したトリマコンデンサなどにより調整が行われている。

一方、サイズの小さいトランスポンダ、特に、シート状やラベル状の様な厚さ数１００μｍ程度のトランスポンダの場合は、トリマコンデンサを実装することが困難な場合もあり、ラベル上に作製されたフィルムコンデンサをトリミングすることにより容量を変化させて共振周波数を調整している。

フィルムコンデンサのトリミングにより容量を変化させるためには、トランスポンダ内に大きな面積のフィルムコンデンサを形成する必要がある。特に、小型トランスポンダの場合は、アンテナコイルが小さくインダクタンスが小さくなることから、所望の共振周波数を得るためには大型のトランスポンダより大きなコンデンサ容量を必要とし、一定の容量変化率を得るためのフィルムコンデンサの面積は更に大きくなってしまい、トランスポンダの小型化の障害となってしまう。

ここで、従来のトランスポンダの構造について、図９及び図１０を参照して説明する。図９は、従来のＲＦＩＤ用トランスポンダの基本構成を示す回路図であり、図１０は、小型のシート（ラベル）状トランスポンダにおける共振回路のアンテナコイルとフィルムコンデンサとの位置関係を示す平面図である。

図９に示すように、トランスポンダ２は、共振回路を構成するアンテナコイル５及びコンデンサ１４と、データの記憶、演算を行うＩＣチップ１３とからなり、大型のトランスポンダ２の場合は部品の取り付けスペースが大きいことから、コンデンサ１４を固定容量を形成するコンデンサ１４ａと容量の調整が可能なトリマコンデンサ１４ｂとで構成し、トリマコンデンサ１４ｂを増減させることにより共振周波数の調整を行っていた。

しかしながら、図１０に示すようなシート（ラベル）状のトランスポンダ２の場合は、トリマコンデンサ１４ｂを設けることは困難であるため、アンテナコイル５と同一平面状にフィルムコンデンサ１４ｃを形成しているが、図１０（ａ）に示すように、アンテナコイル５の内部にフィルムコンデンサ１４ｃを形成する場合は、面積の制限から容量変化量は限定的であり、また渦電流損による損失の増加によりＱ値が低下する原因となる。

また、図１０（ｂ）に示すように、アンテナコイル５の外部にフィルムコンデンサ１４ｃを形成する場合、その分の面積増加を招いてしまう。そして、一定共振周波数を維持する場合、トランスポンダ２の微小化に伴ってインダクタンスが減少することにより、共振用コンデンサの容量は増加し、容量に一定の変化率を与えるためのトリミング用フィルムコンデンサ１４ｃの面積の増加比率は無視できないほど大きくなり、トランスポンダ２のサイズはフィルムコンデンサ１４ｃ（トリミング部分を含む）の面積に律則されてしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、共振周波数を簡単かつ正確に調整することができるＲＦＩＤ用トランスポンダのアンテナコイルの構造及び該アンテナコイルを用いた共振周波数の調整方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のＲＦＩＤ用トランスポンダは、アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えたＲＦＩＤ用トランスポンダにおいて、前記アンテナコイルは、互いに接続される２つのアンテナパターンにより構成され、一方のアンテナパターンは、一端部又は両端部に、他方のアンテナパターンに対して複数箇所で交差する領域を備え、かしめ構造により、いずれかの前記箇所で前記他方のアンテナパターンに接続されるものである。

また、本発明のＲＦＩＤ用トランスポンダは、アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えたＲＦＩＤ用トランスポンダにおいて、前記アンテナコイルは、互いに接続される２つのアンテナパターンにより構成され、一方のアンテナパターンは、一端部又は両端部に、その先端が開放されている櫛歯状の複数の分岐経路を備え、かしめ構造により、いずれかの前記分岐経路で他方のアンテナパターンに接続されるものである。

また、本発明の共振周波数の調整方法は、アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えたＲＦＩＤ用トランスポンダにおける共振周波数の調整方法であって、前記アンテナコイルを、２つのアンテナパターンを相互に接続して形成し、一方のアンテナパターンの一端部又は両端部に、他方のアンテナパターンに対して複数箇所で交差する領域を設け、前記箇所を選択して前記他方のアンテナパターンに接続することにより、前記アンテナコイルのインダクタンスを調整するものである。

また、本発明の共振周波数の調整方法は、アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えたＲＦＩＤ用トランスポンダにおける共振周波数の調整方法であって、前記アンテナコイルを、２つのアンテナパターンを相互に接続して形成し、一方のアンテナパターンの一端部又は両端部に、その先端が開放されている櫛歯状の複数の分岐経路を設け、前記分岐経路を選択して他方のアンテナパターンに接続することにより、前記アンテナコイルのインダクタンスを調整するものである。

このように、本発明では、トランスポンダの共振周波数の調整をコンデンサの容量ではなく、アンテナコイルのインダクタンスにより行うため、トリミング用に形成されていた従来のフィルムコンデンサ部分の面積を省略することができ、トランスポンダ全体の面積の縮小化を図ることができる。

また、本発明では、アンテナコイルのインダクタンスの調整を、アンテナコイルに設けた複数の経路を順次トリミングするのではなく、基材の表裏面に設けたアンテナパターンの接合位置を調整することにより行うため、微調整が可能となり、簡単かつ確実に共振周波数を所望の値に正確に合わせ込むことができる。

本発明のＲＦＩＤ用アンテナコイルの構造及び該アンテナコイルを用いた共振周波数の調整方法によれば、下記記載の効果を奏する。

本発明の第１の効果は、トランスポンダのＱ値の損失や面積の増加を招くことなく、共振周波数の微調整を実現することができるということである。

その理由は、基材の表裏面のアンテナパターンの端部に接続位置を可変できる機構を設けることにより、インダクタンス、すなわち共振周波数を調整することができ、従来のように面積の大きいフィルムコンデンサを設ける必要がないからである。

また、本発明の第２の効果は、結合係数の変化や渦電流の発生を招くことなく、簡単かつ確実に共振周波数を調整することができるということである。

その理由は、本発明の構成では、アンテナコイルに複数設けた短絡経路をトリミングする方法のように、トリミングする位置によりアンテナコイルの電気的中心がずれて結合係数が変化することがなく、又、不要なループを形成しないために渦電流が発生することがないからである。

本発明に係るＲＦＩＤ用トランスポンダは、その好ましい一実施の形態において、フィルムや基板等の基材の表裏面に形成された２つのアンテナパターンの接続位置を可変することにより共振周波数を調整するものであり、アンテナコイルのインダクタンスにより共振周波数の調整を行うため、フィルムコンデンサ部分の面積を省略してトランスポンダ全体の面積の縮小化を図ることができる。また、アンテナコイルに予め設けた経路を順次トリミングする必要がないため、インダクタンスの調整作業を簡単に行うことができると共に、アンテナの電気的中心位置のずれによる結合係数の変化や渦電流の発生を防止することができる。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の第１の実施例に係るＲＦＩＤ用トランスポンダのアンテナコイル構造及び該アンテナコイルを用いた共振周波数の調整方法について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は、ＲＦＩＤシステムの全体構成を模式的に示す図であり、図２及び図３は、第１の実施例に係るＲＦＩＤ用トランスポンダの構造の一例を示す平面図である。

図１に示すように、ＲＦＩＤシステム１は、リーダ／ライタ用アンテナ４を用いてデータの交信を行うリーダ／ライタ３と、ラベル型、シート型、スティック型等の種々の形状のトランスポンダ２とからなり、リーダ／ライタ３には、送受信信号を変換するための受信回路３ａ及び送信回路３ｂと、送受信信号をデコードするためのＣＰＵ３ｃとを備え、トランスポンダ２のアンテナの共振周波数とリーダ／ライタ用アンテナ４の共振周波数をキャリア周波数に合わせることによりデータの交信が行われる。

ここで、従来技術で示したように、トランスポンダ２の共振周波数ｆ_０は式（１）で決まり、共振周波数を微調整するためには、アンテナコイル５のインダクタンスか、コンデンサの容量を変化させる必要があり、従来の大型のトランスポンダ２では、トリマコンデンサ１４ｂによりｆ_０の調整を行っていた。

しかしながら、シート（ラベル）状のトランスポンダ２の場合、サイズの制限からトリマコンデンサ１４ｂを設けることができず、アンテナコイル５と同一平面状にフィルムコンデンサ１４ｃを設けることになるが、図１０（ａ）のようにアンテナコイル５の内部にフィルムコンデンサ１４ｃを形成すると、渦電流損による損失の増加によりＱ値低下の原因となる。また、図１０（ｂ）のようにアンテナコイル５外部にフィルムコンデンサ１４ｃを形成する場合、その分の面積増加を招き、一定共振周波数を維持する場合、トランスポンダの微小化に伴ってＬが減少することで、面積の増加比率は無視できないほど大きくなる。

そこで、本願出願人は先願（特願２００２−２２７４２号）において、トランスポンダ２の共振周波数の調整をコンデンサ１４の容量ではなく、アンテナコイル５のインダクタンスを調整することにより実現する方法を開示している。具体的には、図８に示すように、アンテナコイル５の最内周のループに経路を短絡する複数のトリミングライン１２ａを設けたり、アンテナコイルの最外周のループに経路を迂回する複数のトリミングラインを設け、トリミングライン１２ａを順位切断することにより、アンテナコイル５のインダクタンスを調整して共振周波数を所望の値に合わせ込むことを可能にしている。

このように、上記公報では、トランスポンダ２の共振周波数の調整をアンテナコイル５のインダクタンスにより行うため、トリミング用に形成されていた従来のフィルムコンデンサ１４ｃ部分の面積を省略することができ、トランスポンダ２全体の面積の縮小化が可能となるが、複数ターンで構成されるアンテナコイル５の１ターンに短絡経路を設けてトリミングする場合、その１ターンと他のターンのコイルの電気的中心が離れてしまい、その結果、結合係数が大きく変わることになる。また、複数の短絡経路を設ける構造の場合、短絡経路部分がループとなり渦電流が発生してしまうため、トリミング後に不要な短絡経路はカットしなければならない。

そこで、本発明では、簡単かつ確実にインダクタンスを調整する方法として、予め設けた短絡経路を選択して順次トリミングするのではなく、アンテナコイル５を２つのアンテナパターン又はアンテナパターンとブリッジサーキットで構成し、基材の表裏面に形成したアンテナパターン又は一方の面に形成したアンテナパターンとブリッジサーキットの接続位置を適宜調整することにより、アンテナコイル５のインダクタンスを変化させて共振周波数の調整を行っている。

具体的に説明すると、図２に示すように、本実施例のトランスポンダ２は、ＰＥＴシート、ポリエチレンシート、ポリイミドシート等の絶縁性シートやＰＣＢ等の基板等からなる基材７と、その表裏面に形成されるアンテナパターン５ａ、５ｂ（ブリッジサーキットを用いる場合は一方のアンテナパターンとブリッジサーキット）とにより構成されるアンテナコイル５と、チップコンデンサ及びデータの記憶、演算処理を行うＩＣチップ（図ではこれらを合わせてＩＣチップ／コンデンサ６と記載している。これらはパターン上の任意の位置に配置され、アンテナパターンの表側面、裏側面又はブリッジサーキットのどちらに位置してもかまわない。）とが設けられ、アンテナパターンの少なくとも一端は基材７を挟んで略平行に対向して形成されている。

なお、図では、アンテナコイル５は１ターンのループで構成しているが、ループの数は任意に設定することができる。また、インダクタンス調整領域８ａの位置、長さも図の構成に限定されず、トランスポンダ２の形状、インダクタンスの調整幅、ＩＣチップ／コンデンサ６の実装位置等を勘案して適宜設定することができる。また、ＩＣチップ／コンデンサ６は基材７のどちら側にあっても問題なく、両面パターンの場合は表側または裏側、ブリッジサーキットの場合はアンテナコイルパターン側またはブリッジサーキット側のいずれかに配設される。

このような構造のアンテナコイル５では、実線のパターンと点線のパターンを最低ａ、ｂの２ヶ所で導通をとる必要がある。本発明ではその内の少なくとも一方（図ではｂ側）の接続位置８を可変できるようにパターンを形成している。導通をとる方法として、例えば、基材７がシートなどの場合はかしめる方法、ＰＣＢのような基板の場合はスルーホールを介して接続する方法を用いることができる。

そして、線路長を長く（図のＡ方向）するようにかしめた場合、アンテナコイル５のインダクタンスが増加してトランスポンダ２の共振周波数は低くなり、線路長を短く（図のＢ方向）するにつれてアンテナコイル５のインダクタンスが減少してトランスポンダ２の共振周波数は高くなる。この線路長の調整に際してインダクタンス調整領域８ａに目盛りを設けてもよく、目盛りを参照することにより調整を容易に行うことができる。

このように本実施例の方法では、先願に記載した複数の短絡経路を順次トリミングする方法に比べて簡単に共振周波数を調整することができ、余分なループを形成しないことにより渦電流の発生を防止することもできる。また、アンテナコイル５を複数ターンで構成する場合に、接続位置が変化してもコイルの電気的中心はほとんど変化しないため、リーダ／ライタ用アンテナ４とトランスポンダ２間の結合係数が変化するという問題も回避することができる。

なお、図２では表裏面の２つのアンテナパターン（ブリッジサーキットの場合は一方のアンテナパターンとブリッジサーキット）の一端を略平行に配置したが、図３に示すように、一方のアンテナパターン（図では表面側のアンテナパターン５ａ）をジグザグ状、波型、階段状等に形成し、両者の交点でかしめる構成としても良い。この構成の場合は、図２のように接続位置を無段階に調整することはできないが、接続位置８がわかりやすく、パターンの形状を調整することにより各々の交点での共振周波数の変化量を規定することができるため、それほど細かい調整が必要ない場合などには有効である。

次に、本発明の第２の実施例に係るＲＦＩＤ用トランスポンダのアンテナコイル構造及び該アンテナコイルを用いた共振周波数の調整方法について、図４乃至図６を参照して説明する。図４乃至図６は、第２の実施例に係るＲＦＩＤ用トランスポンダの構造の一例を示す平面図である。

前記した第１の実施例では、各々のアンテナパターンの端部を連続する一本の線で構成して両者を接続位置８で接続する構成としたが、例えば、図４に示すように、一方のアンテナパターン（図では表面側のアンテナパターン５ａ）の端部に櫛歯状の複数の分岐経路５ｄを設け、分岐経路５ｄの先端部で裏面側のアンテナパターン５ｂと交差するようにし、任意の分岐経路５ｄでかしめることによりコイルを形成しインダクタンス値を変化させることもできる。この構造の場合、複数の分岐経路５ｄは他方のアンテナパターンに接続されていないため、接続位置８以外の分岐経路５ｄによって不要なループが形成されることはなく、後でカットを行う必要はない。また、共振周波数調整で２点以上かしめた場合も、その後の不要ループのカットは最小限にすることができる。

また、本願発明の接続位置８の調整による方法では、共振周波数を高い方向へのみ調整できるが、先願記載の短絡経路を選択する方法を組み合わせることにより、接続位置８の調整と短絡経路のトリミングにより共振周波数をある程度自由に調整することが可能となる。例えば、図５に示すように一方のアンテナパターン（図では表面側のアンテナパターン５ａ）に複数の短絡経路５ｅを設けておき、所定の接続位置８で裏面のアンテナパターン５ｂに接続した後、不要な短絡経路５ｅをトリミングすることによってインダクタンス（すなわち共振周波数）の調整範囲を広げることができる。

また、２つのアンテナパターンによりアンテナコイル５を形成する構造の場合は、基材７により両パターン間に容量が形成されるため、この容量を利用して共振周波数を微調節することもでき、両面パターンでは基材７の材料により誘電率、電極間幅が決まるので電極面積を調節することにより共振周波数を調整することができる。具体的には、例えば、図６に示すように表裏面のアンテナパターン５ａ、５ｂに容量調整用電極５ｆを形成しておき、基材７の材質、厚さと、接続位置８以外に形成された電極の形状、配置を調整（トリミング）することにより、インダクタンスのみならず容量も調整することができ、共振周波数の調整範囲をより広げることができる。

なお、図４の櫛歯状の分岐経路５ｄ、図５の短絡経路５ｅ、図６の櫛歯状の容量調整用電極５ｆの形状は例示であり、図の形状に限定されるものではなく、それぞれの機能を果たすことができる任意の形状とすることができる。

次に、本発明の第３の実施例に係るＲＦＩＤ用トランスポンダのアンテナコイル構造及び該アンテナコイルを用いた共振周波数の調整方法について、図７を参照して説明する。図７は、第３の実施例に係るＲＦＩＤ用トランスポンダの構造の一例を示す平面図である。

前記した第１及び第２の実施例では、予め表裏面にアンテナパターン５ａ、５ｂが形成されている場合を基本として説明したが、ブリッジサーキットの場合は、ブリッジサーキットの付け方（角度や位置）を変えることによって、インダクタンス値を変えることができ、共振周波数を調節することができる。

例えば、図７に示すように、基材７の片面（図では表面）にブリッジサーキット５ｃが接続しやすいように予め所定の間隔をあけたアンテナパターン５ａを形成しておき、その後、ＩＣチップ／コンデンサ６を含むブリッジサーキット５ｃを角度や位置を調整しながらかしめる。例えば、図の構成ではブリッジサーキット５ｃを右下がりに接続するとアンテナコイル５のインダクタンスが減少し、右上がりに接続するとインダクタンスは増加する。このような方法によっても共振周波数を調整することが可能となる。

なお、上記各実施例では、ＲＦＩＤ用トランスポンダに形成される共振回路の共振周波数の調整方法について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、任意のコイルの構造及びそのコイルを用いたインダクタンスの調整に適用することができる。

本発明は、ＲＦＩＤ用トラスポンダのアンテナコイルの構造及び該アンテナコイルを用いた共振周波数の調整方法に利用可能である。

ＲＦＩＤシステムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施例に係るトランスポンダの構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施例に係るトランスポンダの他の構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施例に係るトランスポンダの構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施例に係るトランスポンダの他の構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施例に係るトランスポンダの他の構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施例に係るトランスポンダの構成を示す平面図である。 先願に係るトランスポンダの構成を示す平面図である。 従来のトランスポンダの構成を示す回路図である。 従来のトランスポンダのアンテナコイル及びフィルムコンデンサの位置関係を示す平面図である。

符号の説明

１ ＲＦＩＤ用システム
２ トランスポンダ
３ リーダ／ライタ
３ａ 受信回路
３ｂ 送信回路
３ｃ ＣＰＵ
４ リーダ／ライタ用アンテナ
５ アンテナコイル
５ａ アンテナパターン（表面側）：実線
５ｂ アンテナパターン（裏面側）：破線
５ｃ ブリッジサーキット
５ｄ 分岐経路
５ｅ 短絡経路
５ｆ 容量調整電極
６ ＩＣチップ／コンデンサ
７ 基材
８ 接続位置
１２ａ トリミングライン
１２ｂ トリミング位置
１３ ＩＣチップ
１４、１４ａ コンデンサ
１４ｂ トリマコンデンサ
１４ｃ フィルムコンデンサ

Claims (4)

1. アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えたＲＦＩＤ用トランスポンダにおいて、
   前記アンテナコイルは、互いに接続される２つのアンテナパターンにより構成され、
   一方のアンテナパターンは、一端部又は両端部に、他方のアンテナパターンに対して複数箇所で交差する領域を備え、かしめ構造により、いずれかの前記箇所で前記他方のアンテナパターンに接続されることを特徴とするＲＦＩＤ用トランスポンダ。
2. アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えたＲＦＩＤ用トランスポンダにおいて、
   前記アンテナコイルは、互いに接続される２つのアンテナパターンにより構成され、
   一方のアンテナパターンは、一端部又は両端部に、その先端が開放されている櫛歯状の複数の分岐経路を備え、かしめ構造により、いずれかの前記分岐経路で他方のアンテナパターンに接続されることを特徴とするＲＦＩＤ用トランスポンダ。
3. アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えたＲＦＩＤ用トランスポンダにおける共振周波数の調整方法であって、
   前記アンテナコイルを、２つのアンテナパターンを相互に接続して形成し、
   一方のアンテナパターンの一端部又は両端部に、他方のアンテナパターンに対して複数箇所で交差する領域を設け、前記箇所を選択して前記他方のアンテナパターンに接続することにより、前記アンテナコイルのインダクタンスを調整することを特徴とする共振周波数の調整方法。
4. アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えたＲＦＩＤ用トランスポンダにおける共振周波数の調整方法であって、
   前記アンテナコイルを、２つのアンテナパターンを相互に接続して形成し、
   一方のアンテナパターンの一端部又は両端部に、その先端が開放されている櫛歯状の複数の分岐経路を設け、前記分岐経路を選択して他方のアンテナパターンに接続することにより、前記アンテナコイルのインダクタンスを調整することを特徴とする共振周波数の調整方法。

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