JP2009219112A

JP2009219112A - モノポール・アンテナを用いたｒｆｉｄタグ

Info

Publication number: JP2009219112A
Application number: JP2009042331A
Authority: JP
Inventors: Shih-Kang Kuo; クオ，シー−カン; Sung-Lin Chen; チェン，サン−リン; Chang-Tsun Lin; リン，チャン−ツン; Lung-Chi Liao; リャオ，ルン−チ
Original assignee: China Steel Corp
Current assignee: China Steel Corp
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2009-09-24
Also published as: US20090231141A1; EP2101288A1; EP2101288B1; TWI364878B; US8044805B2; TW200939573A

Abstract

【課題】モノポール・アンテナを用いた無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグを提供する。
【解決手段】アンテナ構造を金属板上に配置し、ＲＦＩＤチップの２つの端部をアンテナ構造に電気的に接続し、アンテナ構造及びＲＦＩＤチップがループ構造を形成する。ＲＦＩＤタグは、測定対象の物体の表面上に配置することができ、又は、測定対象の物体の内側収容空間内に配置することができるので、ＲＦＩＤタグは様々な用途に広く用いられる。更に、ＲＦＩＤタグは製造が容易であるので、生産コストを削減することができる。更に、ＲＦＩＤタグは、読み取り可能距離が大きく、金属板とアンテナ構造との間の様々な挟角に応じて、ＲＦＩＤタグの電磁波放射方向を調節可能である。これによって、信号を容易に読み取り、識別能力を向上させるという、２つの望ましい効果が得られる。
【選択図】図４

Description

本発明は、識別タグに関し、更に具体的には、モノポール・アンテナを用いた無線周波数識別（ＲＦＩＤ：radio frequency identification）タグに関する。

図１は、米国特許第６，９１４，５６２号に記載されたＲＦＩＤタグの概略図である。従来のＲＦＩＤタグ１は、パッケージング壁部１１と、２つの導電性タブ１２と、ＲＦＩＤデバイス１３と、無線周波数反射構造１４と、を含む。導電性タブ１２及びＲＦＩＤデバイス１３は、パッケージング壁部１１の表面上に配置され、ＲＦＩＤデバイス１３は、導電性タブ１２に電気的に接続されている。ＲＦＩＤデバイス１３と導電性タブ１２との間に、２つの供給点１５及び１６がある。無線周波数反射構造１４は、パッケージング壁部１１の他の表面上に配置されている。従来のＲＦＩＤタグ１においては、無線周波数反射構造１４は金属板である。

従来のＲＦＩＤタグ１のインピーダンスは、導電性タブ１２ならびに供給点１５及び１６の位置の調節によって変動する。従来のＲＦＩＤタグ１は、様々なパッケージ構造又は容器に配置されるが、従来のＲＦＩＤタグ１の読み取り可能距離は向上しない。

従来のＲＦＩＤタグ１は、測定対象の金属物体に適用可能であり、測定対象の物体の表面上に平坦に配置される。一般的な実施において既知のように、従来のＲＦＩＤタグ１が金属に近付きすぎて放射効率が低下するのを防ぐために、パッケージング壁部１１（誘電体材料）がある程度の厚さを有することによって、測定対象の金属物体との干渉を低減することができる。さもなければ、スミス図表（複素座標系（complex coordinate system）におけるインピーダンス図表）における実部インピーダンスが小さくなりすぎて、電磁波を効率的に発することができない。更に、米国特許第６，９１４，５６２号の明細書は、８６０ＭＨｚから９５０ＭＨｚの範囲の帯域として画定されるＵＨＦ周波数において、パッケージング壁部１１には約３ミリメートルから６ミリメートルの誘電体厚さが必要であるので、全体として相当な厚さとなり、生産コストはかなり高く（すなわち多くの材料を必要とする）、一方では読み取り可能距離は向上しないことが、明示的に開示されている。

従って、新規性及び発明性の要件を満たし、かつ上述の問題を解決する、モノポール・アンテナを用いたＲＦＩＤタグが必要とされている。

本発明は、モノポール・アンテナを用いた無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグを提供する。これは、金属板と、アンテナ構造と、ＲＦＩＤチップと、を備える。アンテナ構造は金属板に接続されている。ＲＦＩＤチップの２つの端部はアンテナ構造に電気的に接続されている。ＲＦＩＤチップと、アンテナ構造と、金属板とが、ループ構造を形成する。

本発明のＲＦＩＤタグは、測定対象の物体（金属又は非金属）の表面上に配置することができ、又は、測定対象の物体の内側収容空間内に配置することができるので、ＲＦＩＤタグは様々な用途に広く用いられる。更に、本発明のＲＦＩＤタグは製造が容易であるので、生産コストを削減することができる。更に、本発明のＲＦＩＤタグは、読み取り可能距離が大きく、金属板とアンテナ構造との間の異なる挟角（included angle）に応じてＲＦＩＤタグの電磁波放射方向を調節可能である。これによって、信号を容易に読み取り、識別能力を向上させるという、２つの望ましい効果が得られる。

米国特許第６，９１４，５６２号に開示されているＲＦＩＤタグの概略図である。ダイポール・アンテナの概略図である。モノポール・アンテナの概略図である。本発明の第１の実施形態に従った、モノポール・アンテナを用いたＲＦＩＤタグの概略図である。本発明の第１の実施形態の別の態様における、モノポール・アンテナを用いたＲＦＩＤタグの概略図である。本発明の第１の実施形態に従った、スチール・コイル内に配置されたＲＦＩＤタグの概略図である。本発明の第１の実施形態に従った、Ｈ形鋼の２つの鋼板間に配置されたＲＦＩＤタグの概略図である。本発明の第２の実施形態に従った、モノポール・アンテナを用いたＲＦＩＤタグの概略図である。本発明の第２の実施形態の別の態様における、モノポール・アンテナを用いたＲＦＩＤタグの概略図である。本発明の第１の実施形態に従って、ＲＦＩＤタグを非金属物体に適用した場合に得られた実際のインピーダンスを複素座標系において表現したスミス図表である。

図２は、ダイポール・アンテナの概略図である。ダイポール・アンテナ２は、２つの支持腕２１、２２を有し、これらは各々、電源供給部２３に接続されている。支持腕２１、２２を電流Ｉが流れて電界

を形成し、電磁波放射を生成するようになっている。

図３は、モノポール・アンテナの概略図である。アンテナの体積を小さくし、アンテナを都合よく構成するために、ダイポール・アンテナの支持腕の一方を金属板によって置換することで、ダイポール・アンテナを簡略化してモノポール・アンテナ３としている。モノポール・アンテナ３は、支持腕３１及び金属板３２を有し、支持腕３１は金属板３２に対して垂直である。支持腕３１及び金属板３２は各々、電源供給部２３に接続されている。支持腕３１を電流Ｉが流れて電界

を形成し、これによって電磁波放射を生成する。

モノポール・アンテナ３の長さは、ダイポール・アンテナの長さの半分まで小さくなっている。しかしながら、モノポール・アンテナ３の金属板３２は仮想イメージ電流（virtual image current）の効果を生むので、モノポール・アンテナ３の放射効率はダイポール・アンテナのものと同等である。

本発明においてモノポール・アンテナを適用する原理は、更にＲＦＩＤタグに適用される。本発明に従ったＲＦＩＤタグは、測定対象の金属物体及び非金属物体の双方に適用可能である。

図４は、本発明の第１の実施形態に従った、モノポール・アンテナを用いたＲＦＩＤタグの概略図である。図４に示すように、ＲＦＩＤタグ４は、金属板４１と、アンテナ構造４２と、ＲＦＩＤチップ４３と、を含む。金属板４１は、銅又はアルミニウムで形成されている。

アンテナ構造４２は、金属板４１に電気的に接続されている。アンテナ構造４２は、平坦なアンテナ構造であることが好ましい。この実施形態において、金属板４１は、第１の側縁部４１１と、この第１の側縁部４１１に対向する第２の側縁部４１２と、を有する。アンテナ構造４２は、金属板４１の第１の側縁部４１１上に配置されている。アンテナ構造４２は、金属板４１に電気的に接続されている。例えば、アンテナ構造４２は、はんだによって金属板４１に電気的に接続されている。この実施形態において、金属板４１及びアンテナ構造４２は、同一の材料で形成され、一体化構造に構成されている。一体的なＲＦＩＤタグ４は、従来のシート・スタンピング技術によって大量生産することができ、このため、その生産コストを削減することができる。

ＲＦＩＤチップ４３の２つの端部は、アンテナ構造４２に電気的に接続されているので、ＲＦＩＤチップ４３と、アンテナ構造４２と、金属板４１とは、ループ構造４２１を形成する。ＲＦＩＤチップ４３の２つの端部に、電源供給（図示せず）が供給される。この実施形態において、アンテナ構造４２が配置されている基準平面４４（破線によって示す）は、拡張平面４５（破線によって示す）と、挟角θ₁を形成する。拡張平面４５は、第１の側縁部４１１から、第２の側縁部４１２が第１の側縁部４１１に対向する第１の方向に沿って延出している平面である。他の用途においては、基準平面４４は、アンテナ構造４２及びＲＦＩＤチップ４３を配置することができるベアリング・プレートとしても良いことに留意すべきである。このベアリング・プレートは、金属板４１の表面上に配置される。

挟角θ₁は、４５度から１３５度までとすることができ、好ましくは９０度である。更に、ＲＦＩＤタグ４が有する電磁波放射方向は、挟角θ₁に応じて変化する。第１の実施形態によるＲＦＩＤタグ４を非金属物体に適用する場合には、挟角θ₁が変化（電磁波放射方向が変化）してもインピーダンスの著しい変化は起こらず、ＲＦＩＤタグ４の特性に重大な影響を及ぼさない。しかしながら、第１の実施形態によるＲＦＩＤタグ４を金属物体に適用する場合には、挟角θ₁を変化させることによって電磁波の最大放射方向を調節することができ、挟角θ₁が９０度の場合に最適な識別効率が達成される。

この実施形態において、アンテナ構造４２は、拡張金属シート４２２を更に含む。このシート４２２は、ループ構造４２１に電気的に接続され、インピーダンス整合及びアンテナ利得の効果を有する。拡張金属シート４２２は、図４に示すように、逆コ字形（馬蹄型）とすることができ、他の用途においては、拡張金属シート４２２は、図５に示すように、逆Ｌ字形とすることができることに留意すべきである。

図６及び図７に示すように、本発明の第１の実施形態によるＲＦＩＤタグ４は、測定対象の物体の表面上に配置することができ、又は、測定対象の物体の内側収容空間内に配置することができ（例えば、図６に示すようにスチール・コイル４６の内側面上に配置するか、又は図７に示すように、Ｈ形鋼４７の２つの鋼板４７１及び４７２間に配置する）、そして、ＲＦＩＤタグ４が発した信号を信号読み取りデバイス４８によって読むことができる。このため、ＲＦＩＤタグ４は様々な用途に広く用いることが可能である。従って、適切な人員により、信号読み取りデバイス４８を測定対象の物体の内側収容空間内に配置することなく、測定対象の物体からある距離だけ離れてデータ読み取り動作を実行することができ、これによって彼らの安全を確保する。更に、本発明の第１の実施形態に従ったＲＦＩＤタグ４は、ゲート・リーダを用いることによって、自動出荷管理を容易に実現することができる。

図８は、本発明の第２の実施形態に従った、モノポール・アンテナを用いたＲＦＩＤタグの概略図である。図８に示すように、ＲＦＩＤタグ５は、金属板５１と、アンテナ構造５２と、ＲＦＩＤチップ５３と、を含む。図４に示した第１の実施形態のＲＦＩＤタグ４とは異なり、第２の実施形態のＲＦＩＤタグ５は、金属板５１の表面上に配置されている（この実施形態における金属板５１の表面の中央部に配置されている）。金属板５１は、第１の部分５１１及び第２の部分５１２を有し、これらは、アンテナ構造５２が配置されている基準平面５４（破線によって示す）によって画定されている。基準平面５４及び第２の部分５１２は、挟角θ₂を形成する。挟角θ₂は、４５度から１３５度までとすることができ、９０度であると好ましい。

この実施形態において、アンテナ構造５２は、拡張金属シート５２２を更に含む。このシート５２２は、ループ構造５２１に電気的に接続され、インピーダンス整合及びアンテナ利得の効果を有する。拡張金属シート５２２は、図８に示すように、逆コ字形とすることができ、他の用途においては、拡張金属シート５２２は、図９に示すように、逆Ｌ字形とすることができることに留意すべきである。

図１０は、本発明の第１の実施形態に従って、ＲＦＩＤタグを非金属物体に適用した場合に得られた実際のインピーダンスを複素座標系において表現したスミス図表である。曲線Ｒ１は、複素数の実部がある一定値である場合のインピーダンス曲線を表し、曲線Ｉ１は、複素数の虚部がある一定値である場合のインピーダンス曲線を表す。Ｐ０は、ターゲット・インピーダンスの共役点を表す。Ｐ１は、挟角θ₁が０度である場合の第１の実施形態のＲＦＩＤタグの実際のインピーダンスを表す。Ｐ２は、挟角θ₁が４５度である場合の第１の実施形態のＲＦＩＤタグの実際のインピーダンスを表す。Ｐ３は、挟角θ₁が９０度である場合の第１の実施形態のＲＦＩＤタグの実際のインピーダンスを表す。Ｐ４は、挟角θ₁が１３５度である場合の第１の実施形態のＲＦＩＤタグの実際のインピーダンスを表す。

図４及び図１０に示すように、挟角θ₁が小さくなるにつれて、実部及び虚部のインピーダンスも小さくなる。挟角θ₁が０度と９０度との間にある場合、第１の実施形態のＲＦＩＤタグ４の実際のインピーダンスは、ターゲット・インピーダンスの共役点Ｐ０に近付き、これによって読み取り可能距離の拡大及び識別効率の最適化を達成する。挟角θ₁が１３５度を超える場合、第１の実施形態のＲＦＩＤタグ４の実際のインピーダンスは、ターゲット・インピーダンスの共役点Ｐ０からずれるが、このようなずれはインピーダンスに著しい変動を生じさせるわけではなく、ＲＦＩＤタグ４の特性に重大な影響を及ぼすわけではない。すなわち、ＲＦＩＤタグ４は優れた識別効率を維持する。

従来のＲＦＩＤタグが非金属物体の表面上に配置された場合、利得は約２．１４ｄＢであり、従来のＲＦＩＤタグが金属物体の表面上に配置された場合、利得は２．１４ｄＢ未満である。しかしながら、本発明のＲＦＩＤタグを金属物体の表面上に配置した場合、利得は２．５ｄＢに達し、好適な利得が達成される。

実際の測定結果からわかるように、本発明のＲＦＩＤタグの読み取り可能距離は３．５メートルから４．５メートルに達し、これはループ・アンテナの読み取り可能距離よりもはるかに大きい。更に、本発明のＲＦＩＤタグの構造及び製造プロセスは、極めて簡単であり（例えば自動ＰＣＢ製造プロセス）、このため、製造時間を短縮し生産コストを削減することができる。

上述のように、本発明のＲＦＩＤタグは、測定対象の物体（金属又は非金属物体）の表面上に配置することができ、又は測定対象の物体の内側収容空間内に配置することができるので、本発明のＲＦＩＤタグは様々な用途に広く用いることができる。更に、本発明のＲＦＩＤタグは製造が容易であるので、生産コストを削減することができる。更に、本発明のＲＦＩＤタグは、読み取り可能距離が大きく、金属板とアンテナ構造との間の様々な挟角に応じてＲＦＩＤタグの電磁波放射方向を調節可能である。これによって、信号を容易に読み取り、識別能力を向上させるという、２つの望ましい効果が得られる。

本発明の実施形態について例示し記載したが、当業者は様々な変形及び改良を行うことができる。従って、本発明の実施形態は、限定ではなく例示の意味で記載されている。本発明を、例示したような特定の形態に限定することはできないこと、更に、本発明の精神及び範囲を維持する全ての変形は、特許請求の範囲に規定される範囲内にあることが意図されている。

Claims

モノポール・アンテナを用いた無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグであって、
金属板と、
前記金属板に電気的に接続されたアンテナ構造と、
前記アンテナ構造に電気的に接続された２つの端部を有するＲＦＩＤチップと、
を備え、前記ＲＦＩＤチップと、前記アンテナ構造と、前記金属板と、がループ構造を形成するＲＦＩＤタグ。
前記アンテナ構造が前記金属板の表面の中央部上に配置されている、請求項１に記載のＲＦＩＤタグ。
前記アンテナ構造が平坦なアンテナ構造である、請求項２に記載のＲＦＩＤタグ。
前記アンテナ構造が前記金属板の第１の側縁部上に配置されている、請求項１に記載のＲＦＩＤタグ。
前記アンテナ構造が平坦なアンテナ構造である、請求項４に記載のＲＦＩＤタグ。
前記金属板及び前記アンテナ構造が同一の材料で形成され、一体化構造に構成されている、請求項４に記載のＲＦＩＤタグ。
前記金属板が、前記アンテナ構造が配置されている基準平面によって画定される第１の部分及び第２の部分を有し、前記基準平面及び前記第２の部分が挟角を形成する、請求項２に記載のＲＦＩＤタグ。
前記挟角が４５度から１３５度までの大きさである、請求項７に記載のＲＦＩＤタグ。
前記ＲＦＩＤタグが電磁波放射方向を有し、前記電磁波放射方向が前記挟角に応じて変化する、請求項７に記載のＲＦＩＤタグ。
前記金属板が、前記第１の側縁部に対向する第２の側縁部を更に備え、前記アンテナ構造が配置されている基準平面及び拡張平面が挟角を形成し、前記拡張平面が前記第１の側縁部から第１の方向に沿って延出する平面であり、前記第１の方向が、前記第２の側縁部が前記第１の側縁部に対向する方向である、請求項４に記載のＲＦＩＤタグ。
前記挟角が４５度から１３５度までの大きさである、請求項１０に記載のＲＦＩＤタグ。
前記挟角が９０度である、請求項１１に記載のＲＦＩＤタグ。
前記ＲＦＩＤタグが電磁波放射方向を有し、前記電磁波放射方向が前記挟角に応じて変化する、請求項１０に記載のＲＦＩＤタグ。
前記アンテナ構造が、前記ループ構造に電気的に接続された拡張金属シートを更に備える、請求項２に記載のＲＦＩＤタグ。
前記アンテナ構造が、前記ループ構造に電気的に接続された拡張金属シートを更に備える、請求項４に記載のＲＦＩＤタグ。