JP2008009883A

JP2008009883A - Ｒｆｉｄタグ

Info

Publication number: JP2008009883A
Application number: JP2006181816A
Authority: JP
Inventors: Shunji Baba; 俊二馬場; Ketsu Gi; 杰魏
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: EP1881446A2; EP1881446B1; KR20080003166A; JP4860375B2; DE602006019409D1; KR100843285B1; EP1881446A3; CN101097610A; CN100541530C; TWI314294B; US20080001762A1; TW200802129A; US7463156B2

Abstract

【課題】高温環境下での使用に耐えるＲＦＩＤタグを提供する。
【解決手段】通信用のアンテナを形成するアンテナパターン１１２に、アンテナによる無線通信を行う回路チップ１１１が電気的に接続されてなるインレット１１０と、インレット１１０を内包してインレット１１０への熱伝導を妨げる非金属製の蓄熱部１４０と、蓄熱部１４０を内包してこの蓄熱部１４０への熱伝導を妨げる、この蓄熱部１４０の熱伝導率よりも小さな熱伝導率を有する、非金属製の断熱部１５０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で外部機器と情報のやり取りを行なうＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ＿Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＿ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグに関する。尚、本願技術分野における当業者間では、本願明細書で使用する「ＲＦＩＤタグ」のことを、「無線ＩＣタグ」と称する場合もある。

近年、リーダライタに代表される外部機器と、電波によって非接触で情報のやり取りを行なう種々のＲＦＩＤタグが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３参照。）。このＲＦＩＤタグの一種として、プラスチックや紙からなるベースシート上に電波通信用のアンテナパターンと回路チップが搭載された構成のものが提案されており、このようなタイプのＲＦＩＤタグについては、物品などに取り付けられ、その物品に関する情報を外部機器とやり取りすることで物品の識別などを行なうという利用形態が考えられている。

ここで、このようなＲＦＩＤタグに搭載される回路チップにおける耐温度性能は、多くの場合、５５℃の環境下で１０年間の使用が保証されている程度であり、このような保証温度を超える高温環境下では信頼性が劣るという問題がある。

一般に、このような高温環境から保護対象物を保護する方法としては、例えば、中が真空状態となった金属ケース内に保護対象物を収納することでその保護対象物への温度の伝導を遮断する真空断熱や、発泡ポリスチレン等の断熱材で保護対象物を覆う等といった断熱方法が挙げられる。
特開２０００−３１１２２６号公報特開２０００−２００３３２号公報特開２００１−３５１０８２号公報

しかしながら、上記の真空断熱では、回路チップに接続されているアンテナパターンも回路チップとともに金属ケースに収納されることとなり、アンテナパターンを介した電波通信が金属ケースによって阻害されてしまうという問題がある。また、一般的な断熱材である発泡ポリスチレンは熱容量が低いため、高温に長時間曝されると内部温度が保護対象である回路チップの保証温度を超えてしまう恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑み、高温環境下での使用に耐えるＲＦＩＤタグを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明のＲＦＩＤタグは、通信用のアンテナとそのアンテナによる無線通信を行う回路チップとが相互に電気的に接続されてなるインレットと、
上記インレットを内包した、そのインレットへの熱拡散を妨げる非金属製の蓄熱部と、
上記蓄熱部を内包した、その蓄熱部への熱伝導を妨げる、上記蓄熱部の熱拡散率よりも大きな熱拡散率を有するが、その蓄熱部の熱伝導率よりも小さな熱伝導率を有する断熱部とを備えたことを特徴とする。

本発明のＲＦＩＤタグによれば、高温環境に弱い回路チップを有するインレットが、上記蓄熱部および上記断熱部とによって２重に保護されている。環境温度は、まず、相対的に熱伝導率が小さく断熱性が高い上記断熱部によって遮断される。このため、上記インレットを内包する蓄熱部に伝わる温度自体が抑えられる。そして、この蓄熱部は、相対的に熱拡散率が小さく蓄熱性が高いので上記インレットへの熱の伝わりが遅く、上記インレット自体の温度上昇を長時間に亘って抑えることができる。つまり、本発明のＲＦＩＤタグは、高温環境下での使用に耐えることができる。また、本発明のＲＦＩＤタグでは、断熱部および蓄熱部がいずれも非金属製であり電波が阻害されることがないので、上記インレットは良好に電波通信を行うことができる。

ここで、本発明のＲＦＩＤタグにおいて、「上記インレットを内包した上記蓄熱部を収容した非金属製のケースを備え、
上記断熱部が、上記ケースの表面を覆うものである」という形態は好ましい形態である。

この好ましい形態によれば、上記ケースによって、上記インレットを機械的にも保護することができる。

以上、説明したように、本発明によれば、高温環境下での使用に耐えるＲＦＩＤタグを得ることができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明のＲＦＩＤタグの一実施形態を示す図である。

図１のパート（ａ）には、本発明のＲＦＩＤタグの一実施形態であるＲＦＩＤタグ１００の外観図が示され、図１のパート（ｂ）には、円筒形状を有するこのＲＦＩＤタグ１００の、中心軸に対して垂直な面でこのＲＦＩＤタグ１００を切断したときの断面図が示されている。

この図１に示すＲＦＩＤタグ１００は、ベース１１３上で通信用のアンテナを形成するアンテナパターン１１２に、そのアンテナによる無線通信を行う回路チップ１１１が電気的に接続されてなるインレット１１０と、そのインレット１１０が接着剤１２１で接着された耐熱プラスチック製の支持台１２０と、その支持台１２０が固定された円筒形状の耐熱プラスチック製のケース１３０と、このケース１３０内にインレット１１０を内包するように後述の蓄熱材料が封入されてなる蓄熱部１４０と、ケース１３０の外表面を覆うように後述の断熱塗料が塗布されてなる断熱部１５０とを備えている。ここで、インレット１１０、ケース１３０、蓄熱部１４０、および断熱部１５０は、それぞれ本発明にいうインレット、ケース、蓄熱部、および断熱部の各一例に相当し、また、回路チップ１１１およびアンテナパターン１１２は、それぞれ本発明にいう回路チップおよびアンテナの各一例に相当する。

本実施形態では、高温環境に弱い回路チップ１１１を有するインレット１１０が、蓄熱部１４０および断熱部１５０により保護されている。ここで、本実施形態では、蓄熱部１４０がシリコン樹脂で形成され、断熱部１５０が断熱塗料の一例であるシスタコート（登録商標）で形成されている。シスタコート（登録商標）は、中空の微小なセラミックビーズを含む樹脂系の塗料であり、熱伝導率がおよそ０．０３Ｗ／ｍ・Ｃであるという高い断熱性を有している。このシスタコート（登録商標）で形成された断熱部１５０により、ＲＦＩＤタグ１００の内部への環境温度の侵入が大幅に阻まれる。また、蓄熱部１４０を形成しているシリコン樹脂は、熱拡散率がおよそ５×１０^−８ｍ^２／ｓであるという高い蓄熱性を有しており、この蓄熱部１４０内では熱が伝わる速度が非常に遅くなり、中心部に配置されているインレット１１０への熱の伝導が大幅に阻まれることとなる。このように、本実施形態のＲＦＩＤタグ１００では、断熱部１５０による断熱効果と蓄熱部１４０による蓄熱効果とにより、内部のインレット１１０周辺の温度上昇が防がれている。

以下、このような断熱効果と蓄熱効果とによる内部温度の上昇の抑制について次のようなモデルを用いたシミュレーションにより説明する。

図２は、シミュレーションに用いるモデルの外形寸法を示す図である。

このシミュレーションでは、モデルとして、直径１０ｃｍ、長さ２０ｃｍの寸法を有する円柱状の断熱材料、円柱状の蓄熱材料、および、その円柱状の蓄熱材料を厚さ１ｍｍの断熱材料で覆ったものという３種類のモデルを用いる。図２には、材質についての概念が捨象された外形のみのモデルＭが示されている。また、シミュレーションにおける環境温度を２００℃とする。

また、シミュレーションに用いる断熱材料および蓄熱材料の物性値を、以下の表１に示す。

尚、以下に説明するシミュレーションは、断熱材料を、上記のシスタコート（登録商標）に替えて、熱伝導率の値が類似していると共に計算上の取り扱いが簡単な発泡ポリスチレンであると仮定して行う。

シミュレーションは、このようなモデルにおける中心部分の温度と、環境温度との温度差についての次式を解くことによって行われる。

（δθ／δτ）＝ｋ・（δ^２θ／δｒ^２）
ｋ＝λ／（Ｃｐ・ρ）
ここで、上式における「θ」は中心部分の温度と環境温度との温度差であり、「τ」は時間であり、「ｒ」は円柱形状の周面から中心軸に向かう半径方向の距離であり、「ｋ」は熱拡散率であり、「λ」は熱伝導率であり、「Ｃｐ」は比熱であり、「ρ」は密度である。また、この式を解くに当たっては、τ＝０のときにθ＝２００℃−２５℃＝１７５℃という初期条件が使われる。

図３は、シミュレーション結果を示すグラフである。

この図３のパート（ａ）には、当初２５℃で安定していた円柱状の断熱材料を２００℃の温度環境下に放置したときの内部の温度分布が示され、図３のパート（ｂ）には、円柱状の蓄熱材料を２００℃の温度環境下に放置したときの内部の温度分布が示され、図３のパート（ｃ）には、断熱材料で覆われた円柱状の蓄熱材料を２００℃の温度環境下に放置したときの内部の温度分布が示されている。ここで、各グラフでは、横軸に円柱の周面を「０」としたときの中心方向の位置Ｘが示され、縦軸に温度Ｔが対数表示で示されている。また、各グラフ中の３本のラインは、それぞれ経過時間がτ１（６０秒），τ２（３００秒），τ３（３６００秒）の時点での温度分布を示している。さらに、２５℃と交わるラインは、初期時点τ０での温度分布を示している。

表１に示すように、断熱材料（発泡ポリスチレン）は、蓄熱材料（シリコン樹脂）に比べて、熱拡散率が５×１０^−７ｍ^２／ｓという大きな値であり内部への熱の伝わり方が早い。その結果、図３のパート（ａ）に示すように、断熱材料のみのモデルでは、表面近傍で環境温度が一旦遮断されるものの、温度がすぐに内部に伝わり断熱材料自体の温度が上昇してしまう。その結果、τ３（３６００秒）の時点での温度分布を示すラインから分かるように、図１に示すＲＦＩＤタグ１００においてインレット１１０が配置される中心部分の温度が、３６００秒後には、一般的な回路チップに対して１０年間の使用が保証されている５５℃を遥かに超えた１９５℃まで上昇してしまう。尚、この図３のパート（ａ）では、温度Ｔが対数表示で示されているために、１９５℃と２００℃とは、ほぼ同位置に見えている。

また、表１に示すように、蓄熱材料（シリコン樹脂）は、断熱材料（発泡ポリスチレン）に比べて、熱拡散率が５×１０^−８ｍ^２／ｓという小さな値であり内部への熱の伝わり方が遅い。その結果、図３のパート（ｂ）に示すように、蓄熱材料のみのモデルでは、３６００秒後であっても、τ３（３６００秒）の時点での温度分布を示すラインから分かるように中心部分の温度が７０℃程度というように、上記の断熱材料のみのモデルに比べて温度上昇が大幅に抑制されている。ただし、この蓄熱材料は、表１に示すように、熱伝導率が０．１６Ｗ／ｍ・Ｃというように、断熱材料の熱伝導率に比べて大きく、表面から環境温度が比較的に容易に侵入してしまう。その結果、蓄熱材料のみでは、中心部分の温度を、上記の保証温度（５５℃）以下に抑えるには至らない。

一方、図１に示すＲＦＩＤタグ１００を模した、蓄熱材料の表面を厚さ１ｍｍの断熱材料で覆ったモデルでは、環境温度と直接に接する表面部分では、熱伝導率が０．０３３というように小さく、内部では、熱拡散率が５×１０^−８ｍ^２／ｓというように小さい。このため、表面からの環境温度の侵入が断熱材料で阻まれ、さらに、内部に進入した温度についても中心部分への進行が蓄熱材料で阻まれることとなる。その結果、図３のパート（ｃ）に示すように、３６００秒後であっても、τ３（３６００秒）の時点での温度分布を示すラインから分かるように中心部分の温度が５５℃程度というように上記の保証温度（５５℃）以下にまで抑えられている。

以上説明したシミュレーションからも、図１に示すＲＦＩＤタグ１００が、断熱部１５０による断熱効果と、蓄熱部１４０による蓄熱効果とにより、内部のインレット１１０周辺の温度の上昇が抑制されることが分かる。

また、蓄熱材料の表面を断熱材料で覆ったモデルにおいて、断熱材料の熱伝導率および熱拡散率や、蓄熱材料の熱伝導率および熱拡散率を様々に変えてシミュレーションを行ったところ、中心部分の温度について上記のような良好な抑制効果を得るために望ましい次のような条件が得られている。

即ち、断熱材料の熱伝導率をλ１、断熱材料の熱拡散率をｋ１、蓄熱材料の熱伝導率をλ２、蓄熱材料の熱拡散率をｋ２としたときに、λ１≪λ２、かつ、ｋ１＞ｋ２という条件が満たされることが望ましく、具体的には、λ１＜０．０１Ｗ／ｍ・Ｃ、λ１≪λ２＜０．１０Ｗ／ｍ・Ｃ、ｋ１＜５×１０^−７ｍ^２／ｓ、ｋ２＜５×１０^−８ｍ^２／ｓという条件が満たされることが望ましい。

次に、このＲＦＩＤタグ１００の製造手順について説明する。

図４は、図１に示すＲＦＩＤタグ１００の製造手順を示す図である。

まず、ベース１１３上で通信用のアンテナを形成するアンテナパターン１１２に、そのアンテナによる無線通信を行う回路チップ１１１が電気的に接続されてなる、図１にも示すインレット１１０が用意される（ステップＳ１）。図４には、このインレット１１０の上面図が示されている。

次に、このインレット１１０が、周面の一部が除かれた円筒形状のケース本体１３１に固定された支持台１２０に接着剤１２１で接着される（ステップＳ２）。図４には、インレット１１０が接着された状態が、上記の円筒形状を中心軸に対して平行な面で切断したときの断面図と、中心軸に対して垂直な面で切断したときの断面図とで示されている。尚、以下の各ステップでも、各ステップにおける状態が、このステップＳ２と同様な２つの断面図で示されている。

インレット１１０が接着されると、次に、ケース本体１３１において周面が除かれている部分から、蓄熱部１４０を形成するシリコン樹脂が充填される（ステップＳ３）。

続いて、ケース本体１３１において周面が除かれている部分に蓋１３２が固定される（ステップＳ４）。ここで、この蓋１３２を固定した時点では、蓋１３２の下が中空状態となっているが、この蓋１３２にはシリコン樹脂補填用の孔１３２ａが開けられており、ステップＳ４では、この孔１３２ａから、蓋１３２の下の中空部分にシリコン樹脂が補填される。このステップＳ４の終了時点で、ケース１３０と蓄熱部１４０とが完成する。

最後に、ケース１３０の外表面に、断熱材料であるシスタコート（登録商標）が厚さ１ｍｍで塗布されて断熱部１５０が形成されてＲＦＩＤタグ１００が完成する（ステップＳ５）。

以上、説明した手順により、インレット１１０が蓄熱部１３０に内包され、表面が断熱部１５０で覆われた、高温環境下での使用に耐えるＲＦＩＤタグ１００が製造される。

尚、上記では、本発明のＲＦＩＤタグの一実施形態として、耐熱プラスチック製のケース１３０を有するＲＦＩＤタグ１００を例示したが、本発明はこれに限るものではなく、本発明のＲＦＩＤタグは、例えば、インレットが蓄熱材料でモールドされその蓄熱材料の外表面が断熱材料で覆われてなるもの等であっても良い。

また、上記では、本発明にいう断熱部の一例として、断熱塗料であるシスタコート（登録商標）で形成された断熱部１５０を例示したが、本発明はこれに限るものではなく、本発明の断熱部は、蓄熱部よりも断熱性が高い材料で形成されたものであれば良い。

また、上記では、本発明にいう蓄熱部の一例として、シリコン樹脂で形成された蓄熱部１４０を例示したが、本発明はこれに限るものではなく、本発明の蓄熱部は、例えば熱拡散率が５×１０^−８ｍ^２／ｓである紙や、熱拡散率が８×１０^−８ｍ^２／ｓである天然ゴム等といった材料で形成されたものであっても良い。

また、上記では、本発明にいうケースの一例として、耐熱プラスチック製のケース１３０を例示したが、その耐熱プラスチックとしては、具体的には、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、およびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が挙げられる。

本発明のＲＦＩＤタグの一実施形態を示す図である。シミュレーションに用いるモデルの外形寸法を示す図である。シミュレーション結果を示すグラフである。図１に示すＲＦＩＤタグ１００の製造手順を示す図である。

符号の説明

１００ＲＦＩＤタグ
１１０インレット
１１１回路チップ
１１２アンテナパターン
１１３ベース
１２０支持台
１２１接着剤
１３０ケース
１３１ケース本体
１３２蓋
１３２ａ孔
１４０蓄熱部
１５０断熱部

Claims

通信用のアンテナと該アンテナによる無線通信を行う回路チップとが相互に電気的に接続されてなるインレットと、
前記インレットを内包した、該インレットへの熱拡散を妨げる非金属製の蓄熱部と、
前記蓄熱部を内包した、該蓄熱部への熱伝導を妨げる、前記蓄熱部の熱拡散率よりも大きな熱拡散率を有するが、該蓄熱部の熱伝導率よりも小さな熱伝導率を有する断熱部とを備えたことを特徴とするＲＦＩＤタグ。
前記インレットを内包した前記蓄熱部を収容した非金属製のケースを備え、
前記断熱部が、前記ケースの表面を覆うものであることを特徴とするＲＦＩＤタグ。