JP2011151805A - Ｒｆｉｄアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】誘電率の影響を受けにくいＲＦＩＤアンテナを提供すること。
【解決手段】本発明は、ダイポールアンテナパターンと、該ダイポールアンテナパターンの一側から突出し、互いに離隔して形成された一対の第１パターン部及び該一対の第１パターン部の先端を互いに連結する第２パターン部を含む整合パターンと、を含み、前記第２パターン部の内側長さ対前記第１パターン部の内側長さの比率が８：１よりも大きい、ＲＦＩＤアンテナを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）と呼ばれる無線認識技術を用いるＲＦＩＤアンテナに関するものである。

一般に、ＲＦＩＤ技術とは、無線周波数信号を用いて、小型半導体チップを内蔵しているタグ（Ｔａｇ）、ラベル（Ｌａｂｅｌ）、カード（Ｃａｒｄ）などに記憶されているデータを非接触で読み取って、対象を識別する技術のことをいう。

このようなＲＦＩＤ技術は、無線周波数信号を用いて物品に付けられたタグから各物品の情報を収集、記憶、加工及び追跡可能にすることによって、物品の測位、遠隔処理、管理及び物品間の情報交換などを含む様々なサービスを提供することができる。

近年、ＲＦＩＤ技術を用いて物品の在庫、入出庫及び販売などを管理する方法及びこのためのシステムが提案されてきている。例えば、物品を保管または陳列するための物品管理棚（Ｓｈｅｌｆ）などにＲＦＩＤアンテナを設置し、それぞれの物品にタグを付けて、それぞれの物品の現況を実時間で把握することによって、多い数量の物品も効率的に管理することができる。

ＲＦＩＤを用いる物品管理方法／システムは、保管物品の変動が頻繁であり、利用者が多く、物品が比較的一定に陳列される図書館、貸し下げ店、衣類売り場などに便利に適用することができる。

また、最近では、超高周波（ＵＨＦ）帯域（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）を用いるＲＦＩＤ応用分野へとその市場が拡大しつつある。

ＵＨＦ帯域のＲＦＩＤシステムは、有効認識距離が５ｍ以上の遠距離でもタグ認識が可能である他、５０ｃｍ未満の近距離でも、ＨＦ帯域に比べて顕著に高い認識速度及び認識率を有するという特長がある。

このようなＵＨＦ帯域のＲＦＩＤシステムは、遠距離場（Ｆａｒｆｉｅｌｄ）が主に電場で形成されることから遠距離でのタグ認識は可能であるが、後方散乱の動作をすることから周囲環境に敏感であるという欠点がある。

一方、ＵＨＦ帯域のＲＦＩＤシステムにおいて、近接場（Ｎｅａｒｆｉｅｌｄ）は主に磁場で形成され、カップリングにより動作するので、水または金属体などの高い誘電率を持つ物質による影響がほとんど及ばず、ＲＦＩＤリーダのタグ認識率が高く、認識速度が速いという長所がある。

本発明の目的は、誘電率の影響を受けにくいＲＦＩＤアンテナを提供することにある。

本発明の一実施例によるＲＦＩＤアンテナは、ダイポールアンテナパターンと、前記ダイポールアンテナパターンの一側から突出し、互いに離隔して形成された一対の第１パターン部及び該一対の第１パターン部の先端を互いに連結する第２パターン部を含む整合パターンと、を含み、前記第１パターン部の内側長さ対前記第２パターン部の内側長さの比率が実質的に１：８より大きい構成とした。

ここで、前記第２パターン部の内側長さは、前記第１パターン部と前記第２パターン部とがつながる内側の二つの地点を直線に連結した長さであり、前記第１パターン部の内側長さは、前記ダイポールアンテナ及び前記第２パターン部間の長さである。

ここで、前記第１パターン部の内側長さは、Ｙ_Ｔ=Ｙ_ＣＴＣ−Ｙ_Ｄ／２−Ｗ_Ｔ／２により演算される。

前記第２パターン部の内側長さは、
により演算される。
ここで、αは、
により算出され、ｋは２π／λ、Ｚ_ＡｎｔはＲＦＩＤアンテナのインピーダンス値、Ｚ_Ｄはダイポールアンテナのインピーダンス値、Ｚ_０は特性インピーダンス、Ｙ_ＣＴＣはダイポールアンテナの中心線と前記第２パターン部の中心線間の長さ、Ｙ_Ｄはダイポールアンテナの縦長さ、Ｗ_Ｔは前記第２パターン部の幅、Ｗ'_T=０．２５Ｗ_Ｔ、Ｙ'_Ｄ=０．２５Ｙ_Ｄである。

ここで、前記一対の第１パターン部は、前記第１パターン部と前記ダイポールアンテナとがつながる内側２つの地点を連結した長さが、前記第２パターン部の内側長さよりも長くなるように、前記ダイポールアンテナから斜線方向に傾いて形成されることができる。

ここで、前記第２パターン部は、屈曲を有する形状とすることができる。

本発明の他の実施例によるＲＦＩＤアンテナは、ダイポールアンテナパターンと、前記ダイポールアンテナパターンの一側から突出し、互いに離隔して形成された一対の第１パターン部及び前記一対の第１パターン部の先端を互いに連結する第２パターン部を含む整合パターンと、を含み、前記第１パターン部の内側長さ対前記第２パターン部の内側長さの比率が実質的に７０：１よりも大きい構成とした。

本発明によれば、被付着物の変更によって誘電体が変化する場合にも、タグは誘電体変化の影響を少なく受け、正常に作動することができる。

本発明の第１実施例によるＲＦＩＤアンテナの平面図である。 図１に示すＲＦＩＤアンテナの等価回路図である。 数学式に基づいてＸ_Ｔ、Ｙ_Ｔ、Ｗ_Ｔの関係を示すグラフである。 本発明の第２実施例によるＲＦＩＤアンテナの平面図である。 本発明の第１実施例が適用されたＲＦＩＤアンテナ及びこれを用いたシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１実施例が適用されたＲＦＩＤアンテナ及びこれを用いたシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１実施例が適用されたＲＦＩＤアンテナ及びこれを用いたシミュレーション結果を示す図である。

図１は、本発明の第１実施例によるＲＦＩＤアンテナの平面図である。

図１を参照すると、ＲＦＩＤアンテナ１００は、ダイポールアンテナ１１０及び整合パターンを含む。整合パターンは、一対の第１パターン１２０と第２パターン１３０とを含む。ＲＦＩＤタグは、ＲＦＩＤアンテナ１００及びタグチップ１４０を含む。

ダイポールアンテナ１１０は、ＲＦＩＤリーダから送出される無線周波数信号を受信する役割を果たす。ダイポールアンテナ１１０は、放射体であって、電導性を示す物質からなる。電導性物質には、銅、銅合金、アルミニウムなどのような純粋金属、または電導性インクを使用することができる。ダイポールアンテナ１１０は、両端に対称に形態される一対のパターンを含むことができる。これについての詳細は、図５で後述する。

整合パターンは、ダイポールアンテナ１１０とタグチップ１４０とのインピーダンスを整合させる役割を果たす。インピーダンスが整合されると、ダイポールアンテナ１１０から受信する信号を、整合パターンを介してタグチップ１４０に全て伝達することができる。また、タグチップ１４０から出力される信号を、整合パターンを介してダイポールアンテナ１１０に全て伝達することができる。

タグチップ１４０は、第２パターン１３０に、異方性の電導性フィルム、異方性の電導性糊、等方性の電導性フィルム、等方性の電導性糊のような媒介物を用いてボンディングする、超音波融着法によってボンディングする、または、ワイヤーボンディングを用いてボンディングすることができる。タグチップ１４０の位置は、上記の位置に限定されず、様々に変更可能である。

ダイポールアンテナパターン１１０、整合パターン及びタグチップ１４０は、基板上に形成されることができる。

図１で、Ｘ_Ｄは、ダイポールアンテナ１１０の横長さであり、Ｙ_Ｄは、ダイポールアンテナ１１０の縦長さである。Ｘ_Ｔは、第２パターン１３０の内側長さであり、Ｙ_Ｔは、第１パターン１２０の内側長さであり、Ｗ_Ｔは、第２パターン１３０の幅である。Ｙ_ＣＴＣは、ダイポールアンテナ１１０の中心線と第２パターン１３０の中心線間の長さである。これらのパラメータは、後述する図２及び数学式で使用される。

図２は、図１に示すＲＦＩＤアンテナの等価回路図である。

同図で、Ｚ_ｃｈｉｐは、タグチップ１４０のインピーダンス値を表し、Ｚ_Ｔは、長さＸ_Ｔの短絡スタブ（ｓｈｏｒｔ ｓｔｕｂ）のインピーダンス値を表し、Ｚ_Ｄは、ダイポールアンテナ１１０のインピーダンス値を表す。この等価回路において、結合係数αは、下記の数学式２から得られる。

以下では、上記の等価回路及びパラメータＸ_Ｄ、Ｙ_Ｄ、Ｘ_Ｔ、Ｙ_Ｔ、Ｗ_Ｔ、Ｙ_ＣＴＣに基づいて、本実施例によるＲＦＩＤアンテナと関連する数学式を導出する。

下記の数学式１により、タグチップ１４０に伝達される電力（Ｐ_Ｃｈｉｐ）を算出することができる。

ここで、Ｐ_Ｃｈｉｐは、タグチップに伝達される電力を表し、Ｐ_Ａｎｔは、アンテナに伝達される電力を表す。η_ｔａｇは、タグチップの反射係数を表し、Ｚ_Ａｎｔは、ＲＦＩＤアンテナ１００のインピーダンス値を表し、Ｚ_Ｃｈｉｐは、タグチップのインピーダンス値を表す。上記の数学式１により、タグチップ１４０に伝達される電力を演算することができる。

下記の数学式２により、最大電力伝達条件を得ることができる。

ここで、Ｚ_Ａｎｔは、ＲＦＩＤアンテナ１００のインピーダンス値を表し、Ｚ_Ｃｈｉｐは、タグチップのインピーダンス値をを表す。Ｚ_Ｔは、長さＸ_Ｔの短絡スタブのインピーダンス値を表し、Ｚ_Ｄは、ダイポールアンテナ１１０のインピーダンス値をを表す。また、Ｙ_ＣＴＣは、ダイポールアンテナ１１０の中心線と第２パターン１３０の中心線間の長さを表す。Ｗ'_Ｔ＝０．２５Ｗ_Ｔ、Ｙ'_Ｄ＝０．２５Ｙ_Ｄを表す。αは、上記等価回路に表示された結合係数を表すもので、整合パターン及びダイポールアンテナ１１０の物理的寸法（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）により計算されることがわかる。

上記の数学式２から、最大電力伝達条件を演算することができる。

下記の数学式３により、Ｚ_Ｔ値を算出することができる。

ここで、Ｋは、２π／λであり、Ｘ_Ｔは、第２パターン１３０の内側長さを表し、Ｙ_Ｔは、第１パターン１２０の内側長さを表し、Ｚ_０は、特性インピーダンスをを表す。上記数学式３により、Ｚ_Ｔ値を演算することができる。

下記の数学式４により、Ｘ_Ｔ値を算出することができる。数学式４は、数学式３を数学式２に代入した後、Ｘ_Ｔに関して表現したものである。

下記の数学式５は、Ｘ_Ｔに関して数学式４とは異なるパラメータで表現したものである。αにはＹ_ＣＴＣパラメータが含まれ、Ｙ_ＣＴＣ＝Ｙ_Ｄ／２＋Ｙ_Ｔ＋Ｗ_Ｔ／２である。これからＹ_Ｔに関する数学式を導出することができる。

図３は、以上の数学式に基づいてＸ_Ｔ、Ｙ_Ｔ、Ｗ_Ｔの関係を表現したグラフである。

同図のグラフは、Ｘ_Ｔ、Ｙ_Ｔ、Ｗ_Ｔ値の変化による最適の複素整合がなされる点を連結したものである。ここで、Ｘ_Ｔ、Ｙ_Ｔ、Ｗ_Ｔ以外のパラメータの値は、あらかじめ設定された値である。同図で、横軸はＸ_Ｔの長さを表し、縦軸はＹ_Ｔの長さを表し、Ｗ_Ｔは第２パターンの幅を表す。また、ｌは波長（λ）を意味する。例えば、横軸において０．０６は０．０６＊λを意味する。もし、λが３０ｃｍであれば、Ｘ_Ｔは、０．０６＊３０ｃｍ＝１．８ｃｍとなる。その他のパラメータも同一に適用されることができる。

ＲＦＩＤアンテナがＡの形態３００を有する場合、整合パターンに流れる電流方向は主に横方向となる。したがって、ＲＦＩＤアンテナが特定物体に取り付けられて誘電体の影響を受ける場合、この整合パターンの横方向の電気的長さが変化することになる。アンテナがＡ形態３００の場合、グラフに示すように（３４０）、複素整合がおきるＸ_Ｔ、Ｙ_Ｔ値の変化を見ると、Ｙ_Ｔ値の変化に対してＸ_Ｔ値は大幅に変わり、Ｘ_Ｔ値の変化に対してＹ_Ｔ値はほとんど変化しないことがわかる。すなわち、複素整合をするべく、Ａ形態のアンテナは、狭い範囲のＹ_Ｔ値を有し、広い範囲のＸ_Ｔ値を有するので、横方向の電気的な長さ変化に相当鈍感な特性を示す。特に、第１パターン部の内側長さ対第２パターン部の内側長さの比率が１：８よりも大きい場合には、より鈍感な特性を示す。したがって、本実施例によるタグは、誘電体の変化がある場合にも、安定して動作することができる。

ＲＦＩＤアンテナがＢ形態３１０を有する場合、整合パターンに流れる電流方向が縦方向及び横方向となる。したがって、ＲＦＩＤアンテナが特定物体に取り付けられて誘電体の影響を受ける場合、該整合パターンの縦方向及び横方向の電気的長さが変化することになる。このため、アンテナがＢ形態３１０の場合、縦方向及び横方向の電気的な長さ変化の両方に敏感となる（３５０）。

ＲＦＩＤアンテナがＣ形態３２０を有する場合、整合パターンに流れる電流方向は、主に縦方向となる。したがって、ＲＦＩＤアンテナが特定物体に取り付けられて誘電体の影響を受ける場合、該整合パターンの縦方向の電気的長さが変化することになる。グラフに示すように（３６０）、複素整合がおきるＸ_Ｔ、Ｙ_Ｔ値の変化を見ると、Ｘ_Ｔ値の変化に対してＹ_Ｔ値は大幅に変わり、Ｙ_Ｔ値の変化に対してＸ_Ｔ値はほとんど変化しないことがわかる。すなわち、複素整合をするべく、Ｃ形態のアンテナは、狭い範囲のＸ_Ｔ値を有し、広い範囲のＹ_Ｔ値を有するので、縦方向の電気的な長さ変化に相当鈍感な特性を示す。特に、第１パターン部の内側長さ対第２パターン部の内側長さの比率が７０：１よりも大きい場合には、より鈍感な特性を示す。これにより、本実施例によるタグは、誘電体の変化がある場合にも、安定して動作することができる。

要するに、アンテナ形態をＡ及びＣにすると、誘電体の変化がある場合にも、タグが安定して動作することができる。

図４は、本発明の第２実施例によるＲＦＩＤアンテナの平面図である。

具体的に、図４は、第１実施例と異なる形態のパターンを有する場合、Ｘ_Ｔ及びＹ_Ｔが定義される部分を説明するための図である。

図４の（ａ）に示すように、第１パターン及び第２パターンの形態が斜線状に傾斜していたり屈曲している場合、Ｘ_Ｔは、第２パターンの内側ラインに沿う長さと定義され、Ｙ_Ｔは、第１パターンの内側ラインに沿う長さと定義される。このように定義されたＸ_Ｔ及びＹ_Ｔ値を基準にして、図１乃至図３の過程を実行することができ、これに対する結果は、図３と略同一になることができる。
図４の（ｂ）に示すように、第１パターン及び第２パターンの形態が、斜線状に傾斜していたり屈曲している場合、Ｘ_Ｔは、一対の第１パターン部間の水平長さと定義され、Ｙ_Ｔは、ダイポールアンテナ及び第２パターン部間の垂直長さと定義される。この決定されたＸ_Ｔ及びＹ_Ｔ値を基準にして、図１乃至図３の過程を実行することができ、その結果は、図３と略同一になることができる。

このように、Ｘ_Ｔ及びＹ_Ｔは、アンテナの形態にしたがって別に設定することができる。

図５Ａ乃至図５Ｃは、本発明の第１実施例が適用されたＲＦＩＤタグ及びこれを用いたシミュレーション結果を示す図である。

図５Ａの（ａ）及び（ｂ）は、図３のＡ形態を持つアンテナを含むタグの平面図である。第１及び第２タグ５００ａ，５００ｂは、基板上に印刷されたＡ形態を持つアンテナ及びタグチップを含む。以下では、これら両タグを基準にシミュレーションした結果について説明する。第１及び第２タグ５００ａ，５００ｂは、図３のＲＦＩＤアンテナ１００の両端に対称の一対のパターン５１０ａ，５１０ｂを含む。ここに示す一対のパターン５１０ａ，５１０ｂの形態に限定されず、様々な形態に変更することもできる。すなわち、同図に示すように、Ｘ_Ｔ及びＹ_Ｔにより生成された空間を有するものであればいずれも使用可能である。

図５Ｂは、第１及び第２タグ５００ａ，５００ｂを基準に、下記の数学式６、数学式７に基づいて演算された最小タグ駆動電力を示すグラフである。

下記の数学式６及び数学式７により、最小タグ駆動電力（Ｐ_{ｔａｇｍｉｎ.}）値を算出することができる。

ここで、Ｐ_{ｃｈｉｐｍｉｍ}は、チップの最小駆動電力を表し、η_ｔａｇは、タグの反射係数を表し、Ｅｆｆ_ｔａｇは、タグのアンテナ放射効率を表し、Ｄ_ｔａｇは、タグの指向性を表す。上記数学式６により、最小タグ駆動電力（Ｐ_{ｔａｇｍｉｎ.}）値を演算することができる。

ここで、Ｐ_ｍｉｎは、ＲＦＩＤリーダの最小送出電力を表し、η_{ｒｅａｄｅｒ}は、リーダの反射係数を表し、Ｅｆｆ_{ｒｅａｄｅｒ}は、リーダのアンテナ放射効率を表し、Ｄ_{ｒｅａｄｅｒ}は、リーダの指向性を表し、Ｒ_{ｆｉｘｅｄ}は、リーダのアンテナとタグ間の距離を表す。上記数学式７により、最小タグ駆動電力（Ｐ_{ｔａｇｍｉｎ.}）値を演算することができる。

図５Ｂのグラフにおいて、横軸は被付着物の誘電率を示し、縦軸は最小タグ駆動電力を示す。

同図のグラフを参照すると、第１タグ（ＸＣＯＤＥ Ｔ ｔａｇ）５００ａは、被付着物の誘電率が変化する場合にも、最小タグ駆動電力の変化がほとんどないことがわかる。これは、第１タグ５００ａがいずれの被付着物に取り付けられても正常に作動できるということを意味する。第２タグ（ＸＣＯＤＥ Ｃｒａｂ ｔａｇ）５００ｂは、被付着物の誘電率が７以下の場合では、最小タグ駆動電力の変化がほとんどないことがわかる。これは、第２タグ５００ｂが、誘電率７以下のいずれの被付着物に取り付けられても正常に作動できるということを意味する。

図５Ｃは、第１及び第２タグ５００ａ，５００ｂを用いて計算したパラメータ値及び実際の実験から得られたパラメータ値を整理した表である。

図５Ｃの（ａ）は、第１及び第２タグ５００ａ，５００ｂを用いて計算したパラメータ値を整理した表である。ここで、誘電体帯域幅（ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）は、下記の数学式８のように定義する。

図５Ｃの（ａ）を参照すると、２個のタグ５００ａ，５００ｂは、別の一般タグの誘電体帯域幅（通常、２．１）に比べて大きい誘電体帯域幅（第１タグは９．７、第２タグは５．７である。）を有する。これは、これらのタグ５００ａ，５００ｂが、誘電体の変化に鈍感な特性を有するということを意味する。言い換えると、誘電体が変わる場合にも、これら２個のタグ５００ａ，５００ｂはその影響を少なく受け、正常に作動することができる。

図５Ｃの（ｂ）は、前記２個のタグ５００ａ，５００ｂを実際の被付着物に取り付けて測定した最小タグ駆動電力を整理した表である。

図５Ｃの（ｂ）を参照すると、図５Ｃの（ａ）で計算された結果値と類似の結果が得られた。すなわち、両タグ５００ａ，５００ｂの偏差（ｄＢ）はそれぞれ、別の一般タグ（約２．２１）に比べて小さい偏差（第１タグは１．９３、第２タグは０．５７である。）を有することがわかる。これは、両タグ５００ａ，５００ｂが誘電率の異なる被付着物に取り付けられても、最小タグ動作電力値の変化が非常に小さいということを意味する。したがって、誘電体が変わる場合にも、これら両タグは、その影響を少なく受け、正常に作動することができる。

以上、本発明の技術思想を具体的な実施例に挙げて説明してきたが、これらの実施例は、本発明の技術思想を説明するためのもので、制限するためのものではない。したがって、本発明の技術の分野における通常の知識を有する者にとっては、本発明の技術思想の範囲で様々な実施例が可能であるということは明らかである。

Claims (6)

1. ダイポールアンテナパターンと、
   前記ダイポールアンテナパターンの一側から突出し、互いに離隔して形成された一対の第１パターン部及び該一対の第１パターン部の先端を互いに連結する第２パターン部を含む整合パターンと、
   を含み、
   前記第１パターン部の内側長さ対前記第２パターン部の内側長さの比率が実質的に１：８より大きい、ＲＦＩＤアンテナ。
2. 前記第２パターン部の内側長さは、前記第１パターン部と前記第２パターン部とがつながる内側の二つの地点を直線に連結した長さであり、
   前記第１パターン部の内側長さは、前記ダイポールアンテナ及び前記第２パターン部間の長さである、請求項１に記載のＲＦＩＤアンテナ。
3. 前記第１パターン部の内側長さは、Ｙ_Ｔ=Ｙ_ＣＴＣ−Ｙ_Ｄ／２−Ｗ_Ｔ／２により演算され、
   前記第２パターン部の内側長さは、式１により演算される、請求項１に記載のＲＦＩＤアンテナ。
   式１において、αは式（２）により算出され、ｋは２π／λ、Ｚ_ＡｎｔはＲＦＩＤアンテナのインピーダンス値、Ｚ_Ｄはダイポールアンテナのインピーダンス値、Ｚ_０は特性インピーダンス、Ｙ_ＣＴＣはダイポールアンテナの中心線と前記第２パターン部の中心線間の長さ、Ｙ_Ｄはダイポールアンテナの縦長さ、Ｗ_Ｔは前記第２パターン部の幅、Ｗ'_T=０．２５Ｗ_Ｔ、Ｙ'_Ｄ=０．２５Ｙ_Ｄである。
   
4. 前記一対の第１パターン部は、前記第１パターン部と前記ダイポールアンテナとがつながる内側の２つの地点を連結した長さが、前記第２パターン部の内側長さよりも長くなるように傾いて形成される、請求項１に記載のＲＦＩＤアンテナ。
5. 前記第２パターン部は、屈曲を有する形状である、請求項１に記載のＲＦＩＤアンテナ。
6. ダイポールアンテナパターンと、
   前記ダイポールアンテナパターンの一側から突出し、互いに離隔して形成された一対の第１パターン部及び前記一対の第１パターン部の先端を互いに連結する第２パターン部を含む整合パターンと、
   を含み、
   前記第１パターン部の内側長さ対前記第２パターン部の内側長さの比率が実質的に７０：１よりも大きい、ＲＦＩＤアンテナ。