JP2011176545A - 金属装荷型ｉｃタグ - Google Patents

Abstract

【課題】金属対応タグであるマイクロストリップパッチ型タグでは構成の簡素化はできるが、アンテナ素子表面とアース面との間に電界を生じ、電波を放射してしまうため、必ず素子表面とアース部分をつなげる事が必要となり、工程が複雑化してしまっていた。 発明が解決しようとする課題は、工程を複雑化せず、素子表面とアース部分との接合がなく、サイズを小さくし、かつ必要な通信距離を確保する。
【解決手段】金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナと、マイクロストリップパッチアンテナと接続された、電気的にゼロとなりアースとして働く、ＩＣチップを含むマッチング回路及び１／４λのオープンスタブを、同一平面上に配置構成した金属装荷ＩＣタグを提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、無線移動体識別システム（以下、ＲＦＩＤシステムという。）において用いられる金属に装荷するＩＣタグに関する。

従来、小売店やレンタル店等における商品管理に、ＩＣチップとアンテナとを備えた非接触ＩＣラベルが使用されている。これは、管理すべき商品に非接触ＩＣラベルを取り付け、専用のデータ読み書き装置でＩＣチップに格納されたデータを読み書きし、商品の出入庫管理、在庫管理、貸し出し管理等を行うものである。ＩＣチップを備えている為、商品コードだけでなく、入荷日、担当者等の豊富な情報を商品と一体で記録管理することができる。

非接触型ＩＣラベルには、短距離通信用、長距離通信用があるが、物品管理等においては、静電結合や電磁誘導を用いた短距離通信用の非接触型ＩＣラベルに比べ、通信距離が１〜２ｍと長いマイクロ波を用いた非接触ＩＣラベルが有利である。

この種の一般的な小型の無線ＩＣタグを、各種の金属筐体やコンテナ、金属で被覆された筐体などに実装する場合は金属の影響を受け、ＲＦＩＤシステムの無線通信に影響を与える。この問題点を解決するために、例えば、特許文献１において、金属体にも実装できる金属対応の無線ＩＣタグの一例が開示されている。

１／２波長のマイクロストリップ線路共振器を用いて、アンテナと接地導体との間にタグＩＣを接続する無線ＩＣタグであり、誘電体を介して、アンテナと対向した側に接地導体を有するため、当該接地導体側を金属体等に装着しても、基本的には電波放射に影響せず通信を阻害することなく、従って、１／２波長アンテナの長さ方向と平行した電界成分を有する直線偏波の無線信号に対しては、有効な通信を可能としている。

また、特許文献２においては、円偏波アンテナを用いた無線ＩＣタグの一例が示されている。平面アンテナの放射導体内の適切な位置で、接地導体に向けて導体部を形成し、導体部と接地面間にタグＩＣを接続させることにより、平面アンテナから放射される電波は接地導体と反対の放射面方向にのみ放射されるため、接地導体側を金属体に装着することができるが、誘電体を挟んで設けられている電波放射面とアース面が端子により結合させるという複雑な構造となっている。

前記特許文献１、特許文献２では装置構成が複雑で、直線偏波や円偏波に対して、それぞれに対応した設計はできるが、一度製造するとその偏波の偏向が難しく、小型の無線ＩＣタグではＲＦＩＤシステムにおける通信距離が比較的短いとう欠点を持っている。

また、特許文献３においては、金属対応無線ＩＣタグ装置は、直線偏波の電界放射成分を有する無線ＩＣタグと、誘電体の面上の接地導体と、誘電体の別の面上であり直交する第１と第２の共振軸の各両端で開放境界となり第１と第２の共振軸でそれぞれ第１と第２の共振周波数で平面回路共振するパッチ導体からなる電波変換共振反射器とを含む。

無線ＩＣタグの直線偏波の電界放射成分の方向と電波変換共振反射器の共振軸とが実質的に一致するように、無線ＩＣタグを電波変換共振反射器の誘電体の第２の面上又はパッチ導体上に設け、第１の無線信号をパッチ導体で平面回路共振させ、第２の無線信号に変換して無線ＩＣタグに反射させ、無線ＩＣタグからの第３の無線信号をパッチ導体に平面
回路共振させ、第４の無線信号に変換して反射することで、構入射する無線信号に平面回路共振して通信距離を伸長できる（以下マイクロストリップパッチ型タグ）。

図１，２は先行技術を示したもので、マイクロストリップアンテナ（１）とＩＣチップ（２）とからなるアンテナ素子表面と金属貼り付け面（５）との間に生じる電界による電波放射を防止するため、誘電体である基材にスルーホール（３）を設けアンテナ素子表面と金属貼り付け面（５）をつなげている。

それぞれの先願特許においては、導体部は基材を跨いで行われるため、スルーホール、ジャンピングワイヤー、ジャンパー加工等の基材上下にわたる煩雑な工程が必要でとなる。

特開２０００−３３２５２３号公報 特開２００２／３５３７３５号公報 特開２００７／０５３８１０号公報

各種の金属筺体やコンテナ、金属で被覆された筺体に実装する金属対応タグを考えた場合、マイクロストリップパッチ型タグでは構成の簡素化はできるが、アンテナ素子表面とアース面との間に電界を生じ、電波を放射してしまうため、必ず素子表面とアース部分をつなげる事が必要となり、工程が複雑化してしまっていた。 発明が解決しようとする課題は、工程を複雑化せず、素子表面とアース部分との接合がなく、サイズを小さくし、かつ必要な通信距離を確保できる金属装荷可能なＩＣタグを提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナと、該マイクロストリップパッチアンテナと接続された、電気的にゼロとなりアースとして働く、ＩＣチップを含むマッチング回路及び１／４λのオープンスタブを、同一平面上に配置構成した事を特徴とする金属装荷型ＩＣタグである。

また、請求項２に記載の発明は、前記金属装荷型ＩＣタグの金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナが三角形型の素子である事を特徴とする請求項１記載の金属装荷型ＩＣタグである。

また、請求項３に記載の発明は、前記金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナとＩＣチップを含むマッチング回路及び１／４λのオープンスタブを、ゴムベルト上に複数配置したことを特徴とする請求項１または２記載の金属装荷型ＩＣタグである。

また、請求項４に記載の発明は、金属板または金属棒を前記ゴムベルト裏面に貼ったことを特徴とする請求項３記載の金属装荷型ＩＣタグである。

また、請求項５に記載の発明は、前記金属装荷型ＩＣタグの金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナのアンテナ部材を補強材としてアンテナの形成された面に配置したことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の金属装荷型ＩＣタグである。

本発明になる金属装荷型ＩＣタグは、従来誘電体基板を挟持して形成されるため必要であったアンテナ部分とアース部分をスルーホールを設けて導通させる等の複雑な加工を行う事無く、同一平面状に配置する事ができ、金属面に装着したときには読み取りが可能で、金属面から外すと読み取り辛いという機能を有する。

マイクロストリップパッチアンテナを三角形型の素子とし、三辺いずれかの辺中央部に接続された電気的にゼロとなりアースとして働くループ回路であるマッチング回路と片端で接続された１／４λのオープンスタブにて構成したタグであり、複数のタグを配置してもタグそれぞれの偏波面が異なるため、隣接させたタグの影響を押さえることができる。よって複数のタグを配置することにより、一つが壊れても機能するためリサイクルされる等の過酷な用途でも高い稼動信頼性が得られる。

先行技術である特許文献３の金属対応無線ＩＣタグを示した構成図であり、接地導体に向けて導体部となるスルーホールを示した説明図である。 先行技術である特許文献３の金属対応無線ＩＣタグを示した構成図であり、接地導体に向けて導体部となるスルーホールを示した説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグの実施形態の構成例を示した説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグの基本使用例を示した説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグの基本使用例を示した説明図であり、図４の断面図である。 本発明に係る金属製品の一例であるビール樽に装荷された使用例を示した説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグを三角形の形状とし、複数使用配置した一例を示す説明図である。金属装荷型ＩＣタグを 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグの補強のため、マッチング回路、オープンスタブ位置のゴムベルト裏面に金属膜を張った構成例を示した説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグの補強のため、マイクロストリップパッチアンテナ、マッチング回路及び１／４λのオープンスタブ位置のゴムベルト裏面に金属膜を張った構成例を示した説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグの補強のため、裏面に金属膜を配置した図８、図９の断面を示した説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグの補強のため、マッチング回路、オープンスタブ位置の両脇に金属膜を配置した構成例を示す説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグの補強のため、マイクロストリップパッチアンテナ、マッチング回路及び１／４λのオープンスタブ位置の両脇に金属膜を配置した構成例を示す説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグの補強のため、裏面に金属膜を配置した図１０、図１１の断面を示す説明図である。 本発明に係る金属装荷型ＩＣタグを、帯状に偏波面をずらして複数使用配置した一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態の一例である金属装荷型ＩＣタグについて、図３から図１４を参照して説明する。

図３は、本発明の金属装荷型ＩＣタグ実施形態の構成一例であり、金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナ（１）と接続された、電気的にゼロとなりアースとして働く、ＩＣチップを含むマッチング回路（６）及び１／４λのオープンスタブ（７）を、
同一平面上に配置構成した実施形態の一例を示す。

ＩＣチップ（２）を持ったマッチング回路から１／４λのオープンスタブ（７）までの部分がアースとして働くが、アースには落ちておらず、電気をキャンセルすることにより電気的にゼロとなっている為、アースとして働きアンテナとして動作することになる。よってアンテナと同一面で上に配置できるためスルーホール、ジャンピングワイヤー、ジャンパー加工等の煩雑な加工を必要としない。この為、ＩＣタグをより薄型化することが可能となる。

マッチング回路は、発生するインピーダンスを相殺し、アンテナの通信強度を高めるために設けられるものであり、基材の厚みや誘電率、形状等を考慮して適宜設計することが可能である。また、図３においては、マイクロストリップパッチアンテナ部分から略９０°折り曲げる様な形状にて形成しているが、本発明におけるマッチング回路の形状はこれに限定されるものではなく、スペースを考慮して任意に形成する事が出来る。

オープンスタブの長さは波長の４分の一あるいは２分の一に設定すると良い。ＩＣタグを配置できるスペースについて考慮すると、波長の４分の一に設定したほうが良い。波長＝（光の速度＊１／√ｅｒ）/９５３（ＭＨｚ）：ｅｒ＝比誘電率 で示される。また、実際には、この時基材の厚みや基材の誘電率の変動に合わせて、オープンスタブ（７）の長さを調整する。具体的には設計周波数が、例えば９５０ＭＨｚであれば、短縮率を考慮し、８０ｍｍに設定すると良い。形状に関し、図３でマッチング回路の端部から略１８０°折り返す様な形状に形成したが、本発明におけるオープンスタブの形状はこれに限定されるものではなく、スペースを考慮して任意に引き回す事が出来る。

金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナ（１）、マッチング回路（６）及びオープンスタブ（７）は誘電体基板（４）基材上に形成さる。誘電体基板の材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂（ＡＢＳ）等のフィルムが挙げられ、厚みとしては５０〜７０μｍが良い。また、本発明における金属装荷型ＩＣタグは、直接金属体に貼付しても良く、ウレタン樹脂やゴム等からなるベルト（厚みとしては１ｍｍ〜３ｍｍ程度が良い）に貼り合わせた後に金属筐体に巻きつけて装荷しても良い。

金属導体の材料としては導電率が高いものを用いることが好ましく、アルミ、銅、ニッケル、金等の導電性を持った金属薄膜が挙げられ、誘電体基板（４）上に蒸着等の薄膜技術や、箔状化されたものを貼り合せる事により形成することも可能である。厚みとしては、特に限定しないが、誘電体基板（４）より薄いことが望ましく、１０μｍ〜２０μｍの厚さにすると良い。誘電体基板上に金属導体を広く形成した後、エッチング等によってアンテナ、マッチング回路、オープンスタブ形状にパターン化する。また銀ペーストインキ等の導電性ペーストを用いパターン化形成しても良い。

図４、図５は金属装荷型ＩＣタグを配置したベルト状タグ（１１）の実施形態及び補強の実施形態の一例を示すが、作製したインレイ（８）を二枚のウレタンからなるゴム樹脂（９）からなるシート間にラミネートし、ベルト状タグ（１１）として金属筐体に装荷できる。

作製したベルト状タグ（１１）は図６に示す様に金属製のビール樽（１０）の側面に巻き付け、樽の金属面を利用することにより、読み取りをすることができ、ベルト状にすることにより、脱着が可能であり再使用も可能である。

マイクロストリップパッチアンテナ素子の形状としては丸や四角が一般的であり、ＩＣ
タグに求められる通信距離等に応じて適宜設計すれば良い。一方複数の金属装荷型ＩＣタグ（１５）を貼り付ける際には図３に示すが、三角形にすると図７に示す様に場所的な効率ともに偏波面（１２）がずれることになり、隣り合った金属装荷型ＩＣタグの干渉が無く出力が低下する事が無い。またリユースされる用途に於いては、機械的なダメージにより破壊されることがあるが、一つを剥がしても機能する。

１本のベルトに複数の金属装荷型ＩＣタグが配置されている為、再使用時等どこか壊れた金属装荷型ＩＣタグが発生しても、他のＩＣタグモノは動作可能であるため問題なく機能する。確認のため一つのタグのオープンスタブ部分にカッターにて切り込みを入れ破壊したが正常に動作した。さらに金属製のビール樽から剥がされたタグは機能しない事も確認できた。

図６に示す様にベルト状（１１）に巻きつけて使用すると、ベルトの伸縮により金属装荷型ＩＣタグが破壊されることがある。特にマッチング回路部（６）、オープンスタブ部（７）が断線する可能性があるため、この部分に補強を行うことが望ましい。以下に、補強の実施形態についていくつか具体的な例を用いて説明する。

図８は壊れやすいマッチング回路部（６）とオープンスタブ部（７）の裏面に補強材を貼り付け補強を行ったもので、図９はマイクロストリップパッチアンテナ（１）とマッチング回路部（６）とオープンスタブ部（７）の裏面に補強材を貼り付けて補強を行ったものであり、図１０は貼り付け状況を示す断面図である。補強材の厚みは、その材料や求められる強度等により適宜設定すれば良いが、ベルトの厚みより薄いことが望ましく、さらには、誘電体基板（４）に直接も受ける場合には、誘電体基板より薄いことが望ましく、１０μｍ〜２０μｍに設定すると良い。また、補強材の材料としては、アルミ箔、アルミ以外の金属箔や樹脂フィルム等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

同様に補強に関する別の実施形態例を示す。図８、図９を用いた上述の説明に於いては、補強材（１４）を別途貼り付けて形成する事としたが、この方法では、補強材を貼り付けする工程が増えてしまう。図１１、図１２、図１３はこれを回避するために金属導体をエッチングしてマイクロストリップパッチアンテナ、マッチング回路、オープンスタブを作製する時に、壊れやすいマッチング回路部（６）、オープンスタブ部（７）のサイド部や金属装荷型ＩＣタグのサイド部に、補強材（１４）として金属導体をエッチングせずに残すことにより強度を持たせたものである。

この工程を採用することにより、補強材を新たに取付ける事無く、アンテナのパターニングのためのエッチング工程において補強材を設置する事が出来、またエッチング面積を少なく出来るため、エッチング液の劣化が少なく廃液の削減も可能となった。

本発明の金属装荷型ＩＣタグは金属製品、金属容器や金属製のコンテナ等の出入庫管理、在庫管理、貸し出し管理に使用出来、特にリユースされるコンテナに使用すれば、安価で、しかも多数個貼り付けることにより読み取り不能と言った不具合が無くなる為、信頼性、耐久性を必要とする分野に使用できる。

図１４は基材上に形成されたマイクロストリップパッチアンテナ（１）、マッチング回路（６）、オープンスタブ（７）となるパターンの向きを図７同様に変化させたものであり、補強材（１４）として、ベルトの両サイドのアルミをベルトが伸ばされる方向と同じ向きにエッチングせずに残したものである。リサイクル使用の回数を増やすことが出来、隣り合った金属装荷型ＩＣタグの干渉も無く出力が低下する事はなかった。

１・・・マイクロストリップパッチアンテナ
２・・・ＩＣチップ
３・・・スルーホール（アース面と接続）
４・・・誘電体基板
５・・・金属貼り付け面
６・・・マッチング回路
７・・・オープンスタブ
８・・・インレイ
９・・・ゴム（樹脂層）
１０・・・金属製ビール樽
１１・・・ベルト状金属装荷型ＩＣタグ
１２・・・偏波面
１３・・・スルーホール（アース面と接続）
１４・・・補強材
１５・・・金属装荷型ＩＣタグ

Claims (5)

1. 金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナと、該マイクロストリップパッチアンテナと接続された、電気的にゼロとなりアースとして働く、ＩＣチップを含むマッチング回路及び１／４λのオープンスタブを、同一平面上に配置構成した事を特徴とする金属装荷型ＩＣタグ。
2. 前記金属装荷型ＩＣタグの金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナが三角形型の素子である事を特徴とする請求項１記載の金属装荷型ＩＣタグ。
3. 前記金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナとＩＣチップを含むマッチング回路及び１／４λのオープンスタブを、ゴムベルト上に複数配置したことを特徴とする請求項１または２記載の金属装荷型ＩＣタグ。
4. 金属板または金属棒を前記ゴムベルト裏面に貼ったことを特徴とする請求項３記載の金属装荷型ＩＣタグ。
5. 前記金属装荷型ＩＣタグの金属導体からなるマイクロストリップパッチアンテナのアンテナ部材を補強材としてアンテナの形成された面に配置したことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の金属装荷型ＩＣタグ。