JP2010183546A - アンテナ装置及びｒｆｉｄタグ - Google Patents

Abstract

【課題】シート状構造体を用いたアンテナ装置の改良及び改良されたアンテナ装置を用いたＲＦＩＤタグを提供すること。
【解決手段】ＲＦＩＤタグ１００は、トップ電極３０を含む単位セルを複数個周期的に並べてなるシート状構造体２００と隣り合うトップ電極に亘るようにして設けられたＩＣランドとを備えたアンテナ装置と、ＩＣランドに搭載されたＩＣ３００とを備えている。ここで、ＩＣランドを設けられるトップ電極は、シート状構造体２００の対応し得る電界方向において中央付近に位置するものである。ＩＣランドを設けられるトップ電極には、ＩＣ３００に接続されるＩＣ接続部が形成されており、ＩＣ接続部はＩＣランド内に延びるように形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、高い表面インピーダンスを有するシート状構造体を利用したアンテナ装置及びＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)タグに関する。

高い表面インピーダンスを有するシート状構造体（ＥＢＧ（Electromagnetic BandGap）構造体ともいう）としては、従来、ビアを有する所謂マッシュルーム状導体を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これに対して、ビアを不要としビア密度の縛りを超えたスケーラビリティを持たせてなるもの（例えば、特許文献２参照）なども提案されている。

更に、上述したシート状構造体をアンテナ装置における同相反射板として用いることも提案されている（例えば、特許文献３参照）。詳しくは、特許文献３のアンテナ装置においては、シート状構造体の上にスペーサを介してアンテナ導体が配置されている。

米国特許第６，５３８，６２１号公報 特開２００６−２４５９８４号公報 特開２００８−１３１５０６号公報

しかしながら、特許文献３に開示されているような構造では、シート状構造体の同相反射周波数でアンテナ導体とＩＣとの整合を図ることが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、上述した問題を解決しうるアンテナ装置及びそのアンテナ装置を用いたＲＦＩＤタグを提供することを目的とする。

本発明の発明者らは、研究の結果、シート状構造体と該シート状構造体上にスペーサを介して設けられたアンテナ導体とが磁気結合により相関し、その相関により、シート状構造体の同相反射周波数が変ってしまっていたため、シート状構造体の同相反射周波数においてアンテナ導体とＩＣとの整合を取るのが困難となっていることを突き止めた。

その一方で、本発明の発明者らは、シート状構造体を同相反射板として用いるアンテナ装置について研究している過程において、シート状構造体がリークアンテナとして動作していることも見出した。

図１にシート状構造体の分散特性を示す。図１において縦軸は周波数（Ｈｚ）、横軸はｋａ／πである。ここで、ｋは波数ベクトルの大きさ、ａはシート状構造体の周期構造の周期、πは円周率である。また、波数ベクトルの大きさｋは波長λを用いてｋ＝２π／λと表現される。

図１を参照すると、自由空間の光の分散特性であるＬｉｇｈｔ Ｌｉｎｅが示されている。このＬｉｇｈｔ Ｌｉｎｅよりも上の領域では、位相速度が真空中の光の位相速度を超えることから、電磁波がリークしてくる。一方、波数ベクトルの大きさが０である点、即ちΓ点付近がシート状構造体を用いて構成されたＲＦＩＤタグの動作点である。以上より、シート状構造体を用いて構成されたＲＦＩＤタグにおいて、シート状構造体が理論的にはリークアンテナとして動作することが理解できる。

ここで、シート状構造体がリークアンテナとして動作するには、本来、シート状構造体内部においてエネルギーの進む方向に多くの単位セルが並んでいることが望ましいが、小型のシート状構造体ではセル数は多くない。しかしながら、小型のシート状構造体の場合、エネルギーがシート状構造体の端部で全反射しながらシート状構造体内部を往復し、その往復の過程においてシート状構造体外部にリークしていくことによりリークアンテナとして動作しているものと推定される。

かかる推定に基づくと、小型のＲＦＩＤタグにシート状構造体を用いた場合にＲＦＩＤタグの通信距離を飛躍的に伸ばすことができることについても説明し得る。即ち、小型のＲＦＩＤタグの場合、アンテナ導体のサイズが使用周波数の半波長に比較して短いことから、アンテナ導体によるアンテナ特性は低く、従って、通信距離が短いという問題がある。かかるＲＦＩＤタグをシート状構造体上に搭載すると、シート状構造体がリークアンテナとして機能し、更に、アンテナ導体は当該リークアンテナと相関することにより、アンテナとして機能するものと予想される。このため、シート状構造体を小型のＲＦＩＤタグに用いると、通信距離を伸ばすことができるものと思われる。

更に、本発明の発明者らは、シート状構造体を用いた小型のＲＦＩＤタグにおいて主としてアンテナとして動作しているのがシート状構造体であるならば、アンテナ導体を実装せずともＲＦＩＤタグを構成することができるのではないかと考え、シート状構造体にＩＣを直接搭載してなる新たなＲＦＩＤタグを構成し、通信距離等について検証を行った。その検証の結果、アンテナ導体を実装せずとも、ＲＦＩＤタグとして十分に機能することが確認された。本発明は、かかる知見に基づくものであり、具体的には、以下に掲げるアンテナ装置及びＲＦＩＤタグを提供する。

即ち、本発明によれば、第１のアンテナ装置として、
トップ電極を含む単位セルを複数個周期的に並べてなるシート状構造体と、少なくとも一組の隣り合う前記トップ電極に亘るようにして設けられたＩＣランドとを備えており、
前記隣り合うトップ電極は、夫々、前記ＩＣランド内に設けられたＩＣ接続部を有している、
アンテナ装置が得られる。

また、本発明によれば、第２のアンテナ装置として、第１のアンテナ装置において、
前記単位セルは、グランド電極と、該グランド電極と前記トップ電極とを接続する導電ビアとを少なくとも備えており、
前記シート状構造体の端部を構成するセルは、前記導電ビアが端面又は端面近傍に位置するように前記単位セルを切り落としてなるような形状を備えている、
アンテナ装置が得られる。

また、本発明によれば、第３のアンテナ装置として、第１又は第２のアンテナ装置において、
前記シート状構造体は、少なくとも所定方向の電界に対応し得るものであり、
前記隣り合うトップ電極の一方は、前記所定方向において中央に位置する前記トップ電極である、又は、中央に位置するトップ電極がない場合には最も中央に近い前記トップ電極である、
アンテナ装置が得られる。

また、本発明によれば、第４のアンテナ装置として、第１乃至第３のアンテナ装置のいずれかにおいて、
前記アンテナ装置の使用周波数は、前記シート状構造体の同相反射周波数の９０％〜１００％の大きさである
アンテナ装置が得られる。

更に、本発明によれば、第１乃至第４のアンテナ装置のいずれかと、前記ＩＣランドに搭載されたＩＣとを備えるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグが得られる。

本発明によれば、アンテナ導体がないため、シート状構造体とアンテナ導体が磁気結合することはない。その結果、シート状構造体の同相反射周波数が変わることもない。従って、シート状構造体の同相反射周波数でのＩＣとシート状構造体との整合が可能になる。

また、本発明によれば、シート状構造体を利用したアンテナ装置において部品点数を削減し且つ薄型化を図ることができる。

シート状構造体の分散特性を示す図である。 本発明の実施の形態によるＲＦＩＤタグを概略的に示す斜視図である。 図２のシート状構造体のIII--III線に沿った断面図である。 図２のシート状構造体のIV--IV線に沿った断面図である。 図２のシート状構造体の単位セルを概略的に示す斜視図である。 図２のシート状構造体（アンテナ装置）を示す上面図である。 図２のシート状構造体におけるＩＣランド近傍を示す上面図である。 図７のシート状構造体におけるＩＣランド近傍の変形例を示す上面図である。 実施例及び比較例によるＲＦＩＤタグの放射効率を示す図である。 実施例によるＲＦＩＤタグのＺＹ面における指向性の解析結果を示す図である。 実施例によるＲＦＩＤタグのＺＸ面における指向性の解析結果を示す図である。 ＩＣチップの位置を示す図である。 図１２に示される位置のそれぞれにＩＣチップを搭載した場合におけるＲＦＩＤタグの放射効率を示す図である。 図２のシート状構造体の単位セルの変形例を示す斜視図である。 図１４の単位セルを周期的に並べてなるシート状構造体を概略的に示す斜視図である。 端部セルの長さを約半分に短縮したシート状構造体を模式的に示す斜視図である。 図１６に示されるシート状構造体の中央付近をXVII−XVII線に沿って示す断面図である。 図１６に示されるシート状構造体の端部付近をXVIII−XVIII線に沿って示す断面図である。

図２に示されるように、本発明の実施の形態によるＲＦＩＤタグ１００は、トップ電極３０を有するシート状構造体（ＥＢＧ構造体）２００からなるアンテナ装置と、トップ電極３０に接続されたＩＣ３００とを備えている。

本実施の形態におけるシート状構造体２００は、図３乃至図５に示されるように、グランド電極１０と、グランド電極１０に接続された導電ビア２０と、導電ビア２０に接続されたトップ電極３０と、グランド電極１０とトップ電極３０との間に充填された誘電体４０と、誘電体４０内にフローティング状態で保持された浮遊キャパシタ電極５０とを備えている。

図５から理解されるように、本実施の形態における単位セルは、上方から見た場合に（Ｚ方向に沿って見た場合に）、第１矩形形状（単位セルのグランド電極１０と同形状）を有しており、トップ電極３０は第１矩形形状よりも各辺が短く従って第１矩形形状と比較して面積の小さい第２矩形形状を有している。従って、グランド電極１０は、隣接する単位セルのグランド電極と接続されているが、トップ電極３０は、隣接する単位セルのトップ電極３０とは離れている。

浮遊キャパシタ電極５０は、各単位セルにおいては、２つの部位からなる。浮遊キャパシタ電極５０の２つの部位は、導電ビア２０をＸ方向において挟むようにして配置されている。また、浮遊キャパシタ電極５０の各部位は、Ｘ方向においては、単位セルの端部まで延びている一方、Ｙ方向においては、トップ電極３０と同程度の長さを有しており、単位セルの端部までは達していない。

かかる単位セルをＸ方向及びＹ方向に周期的に並べてなるシート状構造体においては、各浮遊キャパシタ電極５０は、図３に示されるように、Ｘ方向においては、隣接する２つのトップ電極３０間に跨るように設けられており、従って、隣接する２つのトップ電極３０と部分的に重なりあっている。一方、Ｙ方向においては、浮遊キャパシタ電極５０の夫々は、図４に示されるように、各トップ電極３０に対応するように設けられており、隣接する２つのトップ電極３０間に跨るようには設けられていない。このため、本実施の形態におけるシート状構造体は、Ｘ方向の電界とＹ方向の電界では同相反射周波数が異なっており、具体的には、Ｘ方向の電界の方が同相反射周波数が低い。本構造では、小形化のため、Ｘ方向電界に対してのみ、使用周波数で同相反射を得ている。

本実施の形態におけるシート状構造体２００は、図６に示されるように、隣り合うトップ電極３０ａに亘るようにして設けられたＩＣランド２１０を備えており、またトップ電極３０ａはＩＣランド２１０内に延びるようにして設けられたＩＣ接続部３１を備えている。かかるシート状構造体２００は、それ自体、ＩＣランド２１０に搭載されたＩＣ３００に対してアンテナ機能を提供するアンテナ装置として機能する。従って、本実施の形態においては、アンテナ導体やそれを載せるスペーサを省略することができる。

詳しくは、トップ電極３０ａは、複数のトップ電極３０のうち、Ｘ方向において最も中央に近いものである。即ち、本実施の形態においては、Ｘ方向において最も中央に近い２つのトップ電極３０ａに亘るようにしてＩＣランド２１０が設けられている。なお、本実施の形態においては、Ｘ方向における単位セルの数（即ち、トップ電極３０、３０ａの数）が偶数であったため、Ｘ方向において最も中央に近いトップ電極３０ａ間に亘るようにＩＣランド２１０が形成されていたが、Ｘ方向における単位セルの数が奇数であった場合には、Ｘ方向において中央に位置するトップ電極と、それにＸ方向において隣接するトップ電極との間にＩＣランド２１０が形成されることとなる。

本実施の形態によるＩＣランド２１０内には、図７に示されるように、ＩＣ接続部３１とは別個に設けられたＩＣ３００固定用のＩＣ固定部３３が設けられている。図６及び図７から理解されるように、本実施の形態によるシート状構造体２００には、ＩＣランド２１０が複数設けられている。これは、後述するように、ＩＣランド２１０を選択することによりＩＣ３００とシート状構造体２００との間でインピーダンスの整合調整を行うためである。なお、ＩＣランド２１０近傍の形状は、図６及び図７に示されるものには限られず、例えば、図８に示されるように、ＩＣ接続部３１を設けられるトップ電極３０ｂは、トップ電極３０ｂ間の間隔を他のトップ電極間隔３０間の間隔とできるだけ同じにするために、ＩＣランド２１０間に突出するように延びる部位３５を有していてもよい。

本発明の効果について検証すべくシミュレータでの解析を行った。本発明の実施例によるＲＦＩＤタグ１００は９５３ＭＨｚ帯で動作する金属対応タグである。シート状構造体２００のサイズは、８６ｍｍ×５４ｍｍ×０．７ｍｍである。単位セルのサイズは、２１ｍｍ×１３．２５ｍｍ×０．７ｍｍである。導電ビア２０のビア径φは１．４ｍｍ、トップ電極３０のサイズは２０．７×１２．９５ｍｍである。トップ電極３０間の間隔は０．３ｍｍである。浮遊キャパシタ電極５０のサイズは単位セル内では一つあたり９．６×１２．９５ｍｍであり、従って、隣接する２つの単位セルに跨るものは１９．２×１２．９５ｍｍである。トップ電極３０と浮遊キャパシタ電極５０との間の距離は０．１ｍｍ、浮遊キャパシタ電極５０とグランド電極１０との間の距離は０．６ｍｍである。更に、誘電体４０の比誘電率は３．５であり、ｔａｎδは０．００３である。なお、各電極は計算上は膜として扱い、厚みは０で計算している。また比較例としては、シート状構造体２００の上にアンテナ支持体（スペーサ）及びアンテナ支持体により支持されたストレートアンテナを搭載したものを構成した。ここで、アンテナ支持体の厚みは０．６ｍｍであり、ストレートアンテナのサイズは、６ｍｍ×６３ｍｍである。

金属対応タグとしての性能を評価すべく、上述した実施例によるＲＦＩＤタグ１００と比較例によるＲＦＩＤタグをそれぞれ２００ｍｍ×３００ｍｍ×２ｍｍのアルミニウム板の上に厚さ０．１ｍｍの絶縁用スペーサを介して配置し、それぞれの放射効率を検証した。検証結果を図９に示す。図９から明らかなように、使用周波数帯域近傍において、本実施例によるＲＦＩＤタグ１００は、比較例によるＲＦＩＤタグと比較して同等の放射効率を有していることが理解される。

指向性についての解析結果を図１０及び図１１に示す。指向性の計算結果からは、通常の金属上実装アンテナの指向性と同様に、金属面もしくはシート状構造体面に垂直方向の指向性が得られているため、アンテナ導体を設けずとも特に問題はない。

更に、図１２に示される位置ａ〜ｇの７箇所の位置の夫々にＩＣ３００を搭載した場合の放射効率について検討した。検討結果を図１３に示す。図１３から明らかなように、Ｘ方向（即ち電界方向）における中央付近にＩＣ３００が搭載されている場合（位置ａ〜ｆ）、Ｙ方向において中央付近からずれていても放射効率が大きく劣化することはない。しかし、Ｘ方向における中央付近からずれた位置にＩＣ３００が搭載されると（位置ｆ）、放射効率は大きく劣化する。即ち、放射効率を考慮すると、電界方向における中央付近にＩＣ３００を搭載することが好ましい。なお、位置ａ〜ｆを選択することにより、ＩＣから見たシート状構造体のインピーダンスをある程度調整することができる。

シート状構造体２００においては、同相反射周波数では、給電点（即ち、ＩＣ接続部３１）の入力インピーダンスのリアクタンスは非常に大きくなり、∞に近づく。一方、ＩＣ３００側のリアクタンスは、通常−ｊ１００Ω前後であり、−∞にはならない。整合は、シート状構造体側の給電点インピーダンスとＩＣの入力インピーダンスが複素共役の状態で得られる。そこで、シート状構造体２００の同相反射周波数は、ＲＦＩＤタグ１００の動作周波数よりも、少し大きく設定すると良い。但し、同相反射周波数付近で放射効率は最も高くなるので、ＲＦＩＤタグ１００の動作周波数はシート状構造体の同相反射周波数の９０〜１００％の間にあることが好ましい。このような設定にすることにより、ＲＦＩＤタグ１００の動作周波数で、ＩＣ３００とシート状構造体２００との整合が取りやすく、また放射効率も高くなる。

以上、本発明について具体的な例を掲げて説明してきたが、本発明はこれに制限されるものではなく様々な応用変形が可能である。例えば、上述した実施の形態及び実施例におけるシート状構造体２００（アンテナ装置）は一方向（Ｘ方向）の電界にのみ対応するものであったが、例えば、図１４及び図１５に示されるように浮遊キャパシタ電極５０ａをＸ方向及びＹ方向において隣接する単位セル間に跨るように配置し、それによってＸ方向及びＹ方向の二方向の電界に対応するものであってもよいし、特許文献１に示されるように三方向の電界に対応するものであってもよい。

また、図１６に示されるように、端部をカットされたシート状構造体２００ａを用いてＲＦＩＤタグ１００ａの小型化を図ることとしてもよい。シート状構造体２００ａ（シート状構造体２００も同様）の内部の共振単位は、図１７に示されるように導電ビア２０に挟まれた部位６０であり、構造上の単位セルと半周期ずれている。そのため、図１６及び図１８に示されるように、端部の半周期をカットする（即ち、シート状構造体の端部においては導電ビア２０が端面又は端面近傍に位置するように導電ビア２０を超える部分についてカットする）ことができる。その結果、シート状構造体２００ａの端部を構成するセルは、端部以外を構成する単位セルと比較して約半分に短縮され、端部を構成するセルのトップ電極３０ｃは端部以外を構成する単位セルのトップ電極３０よりも短くなる。従って、ＲＦＩＤタグ１００ａの小型化を図ることができる。

１０ グランド電極
２０ 導電ビア
３０ トップ電極
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ トップ電極
３１ ＩＣ接続部
３３ ＩＣ固定部
３５ 部位（共振単位）
４０ 誘電体
５０，５０ａ 浮遊キャパシタ電極
６０ 部位
１００，１００ａ ＲＦＩＤタグ
２００，２００ａ シート状構造体（ＥＢＧ構造体：アンテナ装置）
２１０ ＩＣランド
３００ ＩＣ

Claims (5)

1. トップ電極を含む単位セルを複数個周期的に並べてなるシート状構造体と、少なくとも一組の隣り合う前記トップ電極に亘るようにして設けられたＩＣランドとを備えており、
   前記隣り合うトップ電極は、夫々、前記ＩＣランド内に設けられたＩＣ接続部を有している、
   アンテナ装置。
2. 請求項１記載のアンテナ装置において、
   前記単位セルは、グランド電極と、該グランド電極と前記トップ電極とを接続する導電ビアとを少なくとも備えており、
   前記シート状構造体の端部を構成するセルは、前記導電ビアが端面又は端面近傍に位置するように前記単位セルを切り落としてなるような形状を備えている、
   アンテナ装置。
3. 請求項１又は請求項２記載のアンテナ装置において、
   前記シート状構造体は、少なくとも所定方向の電界に対応し得るものであり、
   前記隣り合うトップ電極の一方は、前記所定方向において中央に位置する前記トップ電極である、又は、中央に位置するトップ電極がない場合には最も中央に近い前記トップ電極である、
   アンテナ装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアンテナ装置において、
   前記アンテナ装置の使用周波数は、前記シート状構造体の同相反射周波数の９０％〜１００％の大きさである
   アンテナ装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置と、前記ＩＣランドに搭載されたＩＣとを備えるＲＦＩＤ（Radio
   Frequency Identification）タグ。
   

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