JP2013003953A

JP2013003953A - Ｒｆｉｄタグ

Info

Publication number: JP2013003953A
Application number: JP2011136152A
Authority: JP
Inventors: Shin Kataoka; 慎片岡
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】異なる通信周波数に対応可能で、且つ被貼付体である導電性物品の材料特性や多様な使用環境にも対応可能なＩＣタグの提供を目的とした。
【解決手段】ＩＣチップ４と単一巻のループコイル１１とを基板上に搭載したＲＦＩＤタグ１０であって、導電性物品に部分的に固定する手段を有し、ＩＣチップ４は入力端子がループコイル１１に接続され、ＩＣチップ４の虚部入力インピーダンスとループコイル１１の虚部入力インピーダンスとは互いに共役か、又は後者の虚部入力インピーダンスの大きさが前者の虚部入力インピーダンスよりも大きいことを特徴とするＲＦＩＤタグ１０である。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロ波帯を利用した電波方式によるＲＦＩＤタグのアンテナ構造に関するものであり、特に金属体に貼り付けることで金属体そのものを放射素子として機能させるとともに、ＩＣチップと整合用ループコイルとのインピーダンス整合をより容易にしたＲＦＩＤタグの構成に関する。

ＩＣタグは、市場に流通する種々の物品に貼付して使用されており、絶縁性の物品のみならず導電性の物品にＩＣタグ媒体を貼り付けることも行われている。その際、ＩＣタグ媒体は、一般にインピダンス整合用の整合ループ回路が形成されるが、幅広に形成した整合ループ回路の一部を接続パッドとし、その部位でＩＣタグを導電性物品に貼り付けるかもしくは機械的に固定している。

この技術上の意味は、整合ループ回路と導電性物品とを、接続パッドを介して電気的に結合させることである。これにより、整合ループ回路と接続パッド部分を介して結合する導電性物品自体を電磁放射素子として用いることでが可能となる。この構成であれば、ＩＣタグ側に放射部を設ける必要がなくなる結果、ＩＣタグを小型化できるという利点がある。また、整合ループ回路のインピーダンスの虚数成分と無線用ＩＣチップのインピーダンスの虚数成分とを整合させることで、リーダライタと良好な通信を行えるという効果もある。

特開２００５−１９６３７７号公報

ところで従来技術では、整合ループ回路のインピーダンスの虚数成分と無線用ＩＣチップのインピーダンスの虚数成分とを整合させることで、リーダライタと良好な通信を行えると記載されている。しかしながら、製合ループ回路とＩＣチップとのインピーダンス整合（虚数成分）は、通信に使用する電波の周波数帯毎に設定する必要がある。例えば、日本では９５３ＭＨｚの周波数においてのＩＣチップとループ回路のインピーダンスが整合するようにループ回路を設計する必要があり、欧州では８６７ＭＨｚの周波数においてインピーダンスが整合するようにループ回路を設計する必要があり、それぞれに対応して別途作りこんでおり、単一のＩＣタグ構成では対応できないという問題があった。

また、同じ通信周波数を用いる場合でも、ＩＣタグ媒体が導電性物質に貼り付けられる環境（ループ回路近傍での誘電体・磁性体及び前記導電性物質以外の金属体の有無）によっては、その使用環境に合わせてＩＣチップとインピーダンスが整合するようにループ回路を設計しなければならないという問題があった。
そこで本発明は、異なる通信周波数に対応可能で、且つ被貼付体である導電性物品の材料特性や多様な使用環境にも対応可能なＩＣタグの提供を目的とした。

本発明になる請求項１に記載の発明は、ＩＣチップと単一巻のループコイルとを基板上に搭載したＲＦＩＤタグであって、導電性物品に部分的に固定する手段を有し、ＩＣチップは入力端子がループコイルに接続され、ＩＣチップの虚部入力インピーダンスとループ
コイルの虚部入力インピーダンスとは互いに共役か、又は後者の虚部入力インピーダンスの大きさが前者の虚部入力インピーダンスよりも大きいことを特徴とするＲＦＩＤタグとしたものである。

本発明になる請求項２に記載の発明は、前記固定手段は、ＩＣチップのループコイル上の取り付け位置を、ＲＦＩＤタグを導電性物品に固定した際にループコイルと導電性物品とが重なる領域以外のループコイル上とすることを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤタグとしたものである。

本発明になる請求項３に記載の発明は、前記導電性物品に対するＲＦＩＤタグの固定位置が、基板上又は少なくともＩＣチップとループコイルとを被覆する表層保護層上に数段階に分かれて明示されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＲＦＩＤタグとしたものである。

本発明になる請求項４に記載の発明は、前記数段階に分かれて明示されている部分は、使用環境又は通信周波数に応じた段階ごとに文字、記号あるいは数値が記載されるか併記されていることを特徴とする請求項３に記載のＲＦＩＤタグとしたものである。

本発明になる請求項５に記載の発明は、前記ループコイルは線幅が互いに異なる辺を備え、前記固定手段は、ループコイルの辺が導電性物品と電気的に結合するようＲＦＩＤタグと導電性物品とを固定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＲＦＩＤタグとしたものである。

本発明になる請求項６に記載の発明は、前記ＲＦＩＤタグを導電性物品に固定する手段が基板裏面に形成された粘着材層であって、該粘着材層は、ミシン目加工等易破断加工されたすだれ状の離型紙により被覆されており、ＲＦＩＤタグの導電性物品に対する固定位置に応じて離型紙を剥離できることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＲＦＩＤタグとしたものである。

本発明になる請求項７に記載の発明は、前記ＲＦＩＤタグの導電性物品に対する固定位置の明示方法が、印刷、キリカケ、ミシン目、穴、エンボス加工、剥離紙のスリット、レーザ刻印のいずれかであることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか１項に記載のＲＦＩＤタグとしたものである。

本発明になる請求項８に記載の発明は、前記ループコイルは、ループコイルの一辺が該辺上に矩形状にループ外に突出する部分を有し、突出する部分の線幅はそれ以外のループコイルの線幅よりも狭いことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項にＲＦＩＤタグとしたものである。

請求項１に記載の発明により、ＩＣチップとループコイルを流れる電圧と電流の位相差による無効電力をなくすことができ、ループアンテナとＩＣチップの間で効率良くエネルギーの送受が行えるようになるため、ＩＣタグの通信距離を伸ばすことが可能となる。
また、ＩＣチップの虚部インピーダンスよりもループコイルの虚部インピーダンスを予め大きく設定しておくことで、ループコイルの取り付け環境によって生じる虚部インピーダンスの低下が発生した場合もＩＣチップとループコイル間のインピーダンスマッチングの悪化を防止することが可能となる。
さらに、固定手段を備えることでＲＦＩＤタグを物品に取り付けるのが容易となる。

請求項２に記載の発明は、ループコイルの一部と導電性物品を重なるように固定するこ
とで導電性物品を放射素子として扱うことができ、その際ＩＣチップを導電性物品から離れて取り付けることで送受信効率が向上する。また、実質ループコイル部分のみのサイズにＲＦＩＤタグを小型化することができる。

請求項３から請求項５に記載の発明により、導電性物品へのループコイルの貼り付けかたを一定の段階毎に設定することが可能となり、同時にこの貼り付けの重なり度合いによって、ループコイルのインピーダンスの虚部成分を減らす方向に調整することが可能となる。これによって、ループコイルとＩＣチップのインピーダンスの整合度合いを通信に使用する周波数毎、及びＲＦＩＤタグの設置環境に合わせて最適化し、リーダライタとの通信距離を最大化することが可能となる。

請求項６に記載の発明により、ループコイルと導電性物品が重ね合わさる部分全体を使って両者を貼り合せることも可能となり、ループコイルを導電性物品にしっかりと貼り付けることができるほか、両者の位置関係、即ち両者間での電気的接合状態を安定化させることで、ＲＦＩＤタグの電気的性能（通信距離）も安定する。

請求項７に記載の発明により、導電性物品に貼り付けるループコイルの固定位置を所望の手法で明示することが可能となり、各環境・周波数帯においてタグの性能が最適となるように設置することが可能となる。

請求項８に記載の発明により、ループコイルを貼り付ける導電性物品とループコイルとの位置関係に対するループコイルのインピーダンスの変化量を小さくすることが可能となり、より細かいレベルで貼り付け後のループコイルのインピーダンスの調整を行うことが可能となる。

ＲＦＩＤタグの構造を模式的に説明する上面視（ａ）と上面視（ｂ）の図である。ＲＦＩＤタグを粘着材層を使用して導電性物品に固定する様子を模式的に説明する平面視の図である。表面保護層上に取り付け位置が印刷されたＲＦＩＤタグを導電性物品に固定する様子を模式的に説明する図及び虚部インピーダンスと取り付け位置の関係を示す図である。ループコイルの辺の太さを変化させたＲＦＩＤタグの固定方法を模式的に説明する図である。（ａ）〜（ｃ）粘着材層をすだれ状の離型紙により被覆されたＲＦＩＤタグの固定方法を模式的に説明する図である。辺の一部に矩型状の突出部を設けたループコイルを有するＲＦＩＤタグの固定方法を模式的に説明する図である。（ａ）〜（ｃ）固定位置あるいは通信周波数とインピーダンスの虚部との関係を説明するグラフである。

以下、本発明になるＲＦＩＤタグの構造について図面を用いて説明する。
図１（ａ）、（ｂ）はＲＦＩＤタグの構造を説明する上面視の図とＡＡ’線における断面視の図である。図１（ｂ）に示すようにＲＦＩＤタグ１０は、コアとなる基材１の一方の面に単一巻のループコイル２が枠状に形成され、一般に裏面には導電性物品に固定するための固定手段が設けられる。固定手段として、粘着材層３あるいは接着層が簡便且つ好適である。ループコイル２は枠状である必要がなく多少の凹凸があってもよいが、ＩＣチップ接続用のスリット６以外では単一ループをなすのが好ましい。

ＩＣチップ４は取り立てて隅に装着する必要はないが、図１（ａ）では一応枠状ループコイル２の隅に形成されたスリット６を跨ぐように取り付けられており、ループコイル２とＩＣチップ４は、基板１表面も含め表面保護層５によって被覆されている。また、粘着材層３は、導電性物品に固定されるまでは図示しない離型材で保護し固定するときに必要箇所だけを露出させて使用するのが好ましい態様である。

基材１としては耐熱性と耐溶剤性を兼ね備えた可撓性のものであれば良く、ガラスエポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ)、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン等が使用できる。厚さは、例えば、４０μｍ〜１５０μmの範囲から適宜選択される。

ループコイル２等配線パターンは、基板１上にラミネートした銅箔またはアルミ箔を、定法のフォトリソ法によりエッチングして形成するか、導電性ペーストを使用した印刷法でパターン形成しアニールする方法が採用できる。ＲＦＩＤタグを小さくして微細な配線パターンが必要であれば前者が好ましい。ＩＣチップ４の実装は、チップ側の端子とループコイルのスリット６両側を異方性導電フィルム（ＡＣＦ）やＡＣＰ（異方性導電ペースト）を用いた接続あるいはハンダバンプを介したハンダ接続から選択できる。

表面保護層については、例えば合成紙又は樹脂シート等耐久性に優れたシートを選択できる。粘着材あるいは接着材については、天然ゴム系、合成ゴム系、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系、スチレン−イソブレン−スチレン（Ｓ−Ｉ−Ｓ）−ブロックポリマー系、エチレン−酢酸ビニル（ＥＶＡ）系から適切な材料を選択して使用できる。

（実施の形態１）
実施の形態１は、上記のＲＦＩＤタグ１０を図２に記載の態様で導電性物品７に固定して使用する場合であるが、固定する態様として、基材１裏面の粘着材層３をＩＣチップ４が下部の導電性物品７と上面視で重ならないようにして固定する形態を示すものである。ループコイル２と導電性物品７の間に粘着材層３や基材１が介在するので、それぞれが直接に接触しておらず電気的に結合する形態である。

ＩＣチップ４とループコイル２のインピーダンスを、ｊを虚数単位として次のように表す。
Ｚ_ｉｃ＝Ｒｅ（Ｚ_ｉｃ）＋ｊ×Ｉｍ（Ｚ_ｉｃ）
Ｚ_ａｎｔ＝Ｒｅ（Ｚ_ａｎｔ）＋ｊ×Ｉｍ（Ｚ_ａｎｔ）
もし、｜Ｚ_ｉｃ｜＝｜Ｚ_ａｎｔ｜であれば、ループコイル２とＩＣチップ４間の電力伝達効率が最大となるが、ループコイル２側のインピーダンスは、ＲＦＩＤタグ１０が貼着される導電性物品７の電磁的特性によって変動するので、貼着固定する際に状況に応じて微調整して上記条件が達成されるように、最初の設計段階では、Ｉｍ（Ｚ_ｉｃ）≦Ｉｍ（Ｚ_ａｎｔ）の関係を満たすように設計しておくのが好ましい。

このＲＦＩＤタグ１０を、基板１の裏面に形成した粘着材層３等を用いて、スチール缶、アルミニウム缶等の金属製容器等、あるいは、金属製パレット等の導電性物品４に貼り付けて固定する。これにより、ループコイル２の一部が絶縁性の基板１を介して導電性物品７に離間対向すると、ループコイル２と導電性物品４とが電気的に結合して、導電性物品４自体を電波放射８する放射素子として働かせて１つのＲＦＩＤタグとして機能させることができる。こうして、ＩＣチップ４と導電性物品４とを組み合わせてＲＦＩＤタグを構成してリーダライタと通信させることができる。
尚、電気的な結合については下記の実施態様全てに当てはまるので以下では省略する。

（実施の形態２）
本発明は、ループコイル２を組成する枠各辺１１の太さが同じＲＦＩＤタグ１０を導電性物品７に固定する際に有用なＲＦＩＤタグ１０側の取り付け位置の明示手段を特定したものである。すなわち、ＲＦＩＤタグ１０を導電性物品７に固定する際に、ループコイル２と導電性物品７とをどの程度まで重ね合わせればよいかを示す目印が、図３で示すように表面保護層３上あるいは基板１上にａ、ｂ、ｃ、・・・のように段階的に位置を変えて設けられている態様である。ＩＣチップ４が搭載されている辺１１は、導電性物品７と重ならないようにするのが好ましい。

目印としては、インピーダンスや通信用の周波数を示唆する数値のようなもあってもよいし、文字、記号やこれらの羅列のようなものであっても構わない。それらが示す意義については説明書等を調べて適宜選択することになる。

導電性物品７と重なるループコイル２の面積が減少すると、ループ内を貫通する磁場成分も減少するのでループコイル側から見たインピーダンスの虚数成分が小さくなる。実効的なループ面積を変化させることでインダクタンス成分を調整するものであり、この傾向は図７（ａ）に示してある。

図７（ａ）は、厚さが５０μｍのＰＥＴシートの上に厚みが３０μｍのアルミ箔を用いて図３で示す枠状のループコイルを１．０ｍｍの線幅で形成したタグの９５３ＭＨｚに対するインピーダンス虚部の測定結果である。ループコイルの横の長さは１４ｍｍ、縦の長さは１０ｍｍで上辺隅にスリットを設けてインピーダンスを測定した。２０ｍｍ×４０ｍｍの金属板を図で示すように重ねて虚部インピダンスを測定したが、重ね合わせた位置は水準ａは、横のアルミ箔より０．１ｍｍ下、水準ｂは、ａを基準として１．５ｍｍ上、水準ｃはそれよりさらに１．５ｍｍ上としたものである。

（実施の形態３）
本発明は、ループコイル２を組成する枠各辺１１の太さが異なるように設計したＲＦＩＤタグ１０を導電性物品７に固定する場合の態様である。例えば、図４に示すように枠状のループコイル２であれば、ＩＣチップ４が搭載される辺の太さに対して残り３辺１１の太さを相対的に変える態様である。ＲＦＩＤタグ１０を導電性物品７に固定する際には、図４に示すように一辺全体を重ねるか辺方向の一部を重ねるかして使用するものである。但し、ＩＣチップが搭載されている辺は導電性物品と重ねることは許されない。重ねる辺によってａ，ｂ，ｃ・・から選択する。

この場合のＲＦＩＤタグの取り付け位置ａ，ｂ，ｃに対するＩＣチップ側から見た入力インピーダンスの虚部の値をプロットしたものを図７（ｂ）に示した。また、ＩＣチップ側の入力インピーダンスの虚数部の値を通信周波数に対してプロットしたのが図７（ｃ）である。

図７（ｂ）は、厚さが５０μｍのＰＥＴシートの上に厚みが３０μｍのアルミ箔を用いて図３で示す枠状のループコイルを形成したタグの９５３ＭＨｚに対するインピーダンス虚部の測定結果である。ループコイルの短い辺の長さは８ｍｍ、長い辺の長さは１４ｍｍ、線幅は細い方から１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍとし、長い辺の隅にスリットを設けてインピーダンスを測定した。図中の水準ａ、ｂ、ｃ、は、２０ｍｍ×４０ｍｍの金属板を図で示すように線幅の太い順に、線幅のほぼ中央でタグに重なるようにした場合である。

図７（ｃ）は、周波数によってループコイルのインピーダンス虚部が変動することを例示するもので、ループコイルの等価回路を抵抗１０００Ωと容量１．１ｐＦの並列回路とした時のインピーダンス虚部の計算結果である。

（実施の形態４）
本発明は、基本的に実施態様１と同じであるが、ＲＦＩＤタグ１０の取り付け位置の選択と固定を容易にしたものである。すなわち、図５（ａ）に示すように狭幅の離型紙１２を辺に沿って短冊状に並べて粘着材層３を予め被覆しておく形態である。図５では離型紙１２が基板１上に並ぶように描いてあるが、実際は基板１裏面の粘着材層３を被覆している。
この態様は離型紙に切り込みを入れてから粘着材層３に貼り付ければ容易に実現できる。使用者は、図５（ｂ）に示すように所望のインピーダンスになる位置まで離型紙１２を剥がして粘着材層３を露出してから導電性物品７に貼り付けて使用する。図５（ｃ）はこの様子を図示したＡＡ’における断面視の図である。

（実施の形態５）
本発明は、基本的に実施態様３、実施態様４と同じであるので図示はしないが、ＲＦＩＤタグの段階的な取り付け位置を明示する仕方として、印刷、切りかけ、ミシン目、孔、エンボス加工、レーザ照射から選択するものである。切りかけについては基板１の側面に刻印するが、それ以外については基板面に前述の手段で段階的に刻印することになる。これら目印から、所望のインピーダンスを与える固定位置を選択し、当該部位まで導電性物品７とループコイル２を重ね合わせるようする。

（実施の形態６）
本発明は、ループコイル２を組成する辺の一辺を更に変形させた形態である。図６に示したように、辺１１の一部で辺が矩形状にループ外に突出する凸部１３を設け、その部分の線幅を細く設定したものである。そしてこの凸部１３が導電性物品７と重なるようにして使用される。ループに囲まれる面積にもよるがより微小なインダクタンスの変化を設定できるものである。

１、基材
２、アンテナコイル
３、粘着材層（の粘着して部分を示す）
４、ＩＣチップ
５、表面保護層
６、（ループコイル）スリット
７、導電性物品
８、放射電磁波
１０、ＲＦＩＤタグ
１１、ループコイルを組成する辺
１２、離型紙
１３、矩形凸部

Claims

ＩＣチップと単一巻のループコイルとを基板上に搭載したＲＦＩＤタグであって、導電性物品に部分的に固定する手段を有し、ＩＣチップは入力端子がループコイルに接続され、ＩＣチップの虚部入力インピーダンスとループコイルの虚部入力インピーダンスとは互いに共役か、又は後者の虚部入力インピーダンスの大きさが前者の虚部入力インピーダンスよりも大きいことを特徴とするＲＦＩＤタグ。
前記固定手段は、ＩＣチップのループコイル上の取り付け位置を、ＲＦＩＤタグを導電性物品に固定した際にループコイルと導電性物品とが重なる領域以外のループコイル上とすることを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤタグ。
前記導電性物品に対するＲＦＩＤタグの固定位置が、基板上又は少なくともＩＣチップとループコイルとを被覆する表層保護層上に数段階に分かれて明示されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＲＦＩＤタグ。
前記数段階に分かれて明示されている部分は、使用環境又は通信周波数に応じた段階ごとに文字、記号あるいは数値が記載されるか併記されていることを特徴とする請求項３に記載のＲＦＩＤタグ。
前記ループコイルは線幅が互いに異なる辺を備え、前記固定手段は、ループコイルの辺が導電性物品と電気的に結合するようＲＦＩＤタグと導電性物品とを固定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＲＦＩＤタグ。
前記ＲＦＩＤタグを導電性物品に固定する手段が基板裏面に形成された粘着材層であって、該粘着材層は、ミシン目加工等易破断加工されたすだれ状の離型紙により被覆されており、ＲＦＩＤタグの導電性物品に対する固定位置に応じて離型紙を剥離できることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＲＦＩＤタグ。
前記ＲＦＩＤタグの導電性物品に対する固定位置の明示方法が、印刷、キリカケ、ミシン目、穴、エンボス加工、剥離紙のスリット、レーザ刻印のいずれかであることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか１項に記載のＲＦＩＤタグ。
前記ループコイルは、ループコイルの一辺が該辺上に矩形状にループ外に突出する部分を有し、突出する部分の線幅はそれ以外のループコイルの線幅よりも狭いことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項にＲＦＩＤタグ。