JP2015008444A - ブースタ付きｉｃタグ - Google Patents

Abstract

【課題】通信距離を確保するために用いられるブースタアンテナに工夫を施すことで、ある程度の通信距離を確保しつつ、水分や金属などの影響を受けにくくしたＩＣタグの提供を課題とした。
【解決手段】基板４上に、給電点にＩＣチップ３を搭載したダイポールアンテナ２と前記ダイポールアンテナ２と概ね同じ形状かもしくは長方形状の無給電型ブースタアンテナ５とを、所定の距離隔てた上で、上面視で重複するように備えることを特徴とするブースタ付きＩＣタグ１であって、通信波長をλとして、ダイポールアンテナ２のアンテナ長をＬを０．５λ、ブースタアンテナ５のアンテナ長を０．９〜０．８Ｌ、ダイポールアンテナ２とブースタアンテナ５の距離を０．０１λとするブースタ付きＩＣタグである。
【選択図】図３

Description

本発明は、カップリング用アンテナとしてダイポールアンテナを用いるＩＣタグの通信性能を向上させる技術に関する。

ＩＣチップ上に直接アンテナコイルを接続するチップオンコイル形式のＩＣタグ、あるいは小型基板上にアンテナ回路を形成してＩＣチップを接続したＩＣタグは、流通管理、履歴管理、物品管理等様々な用途に使用されている。しかしながら、小型のＩＣタグは、インダクタンスが小さく通信特性が劣ることがあり、ＩＣタグが利用されるシチュエーションによっては、通信性能を改善することが必要になる。

例えば、小型のＩＣタグでは通信距離が短くなる傾向があり、そのままではＩＣタグが必要とされる通信距離が確保できない場合や使用環境によっては共振周波数が変動する場合がある。特許文献１には、直線状のダイポールアンテナ主部からコの字状の枝部をブースト用として突設させ、共振周波数域を広くして共振周波数の多少の変動に対応可能なＩＣタグ技術が開示されている。

また、ＵＨＦ帯（８６０〜９６０ＭＨｚ）を利用するＩＣタグは、他の周波数帯を利用するＩＣタグと比べて通信距離が比較的長く、人や車両の入退場管理などさまざまな場面で利用されている。しかしながら、他の周波数帯を利用するＩＣタグよりも周囲の水分や金属などの影響を受けやすく、ＩＣタグを人体や金属に密着した状態ではその通信距離が著しく低下する。そこで、大きなインダクタンスを有するブースタアンテナと磁性体を併設したブーストシステムを通常のアンテナ系に追加する技術が開示されている（特許文献２、特許文献３）。

特開２０１３―４６３２６号公報 特開２００８―３０６６８９号公報 特開２０１１―１０３５３３号公報

確かに、水分や金属などの影響を受けにくくするために磁性体を用いることは有効ではあるが、磁性体を用いることでＩＣタグの単価が上昇するという問題がある。
そこで本発明は、通信距離を確保するために用いられるブースタアンテナに工夫を施すことで、ある程度の通信距離を確保しつつ、水分や金属などの影響を受けにくくしたＩＣタグの提供を課題とした。

上記課題を達成するための請求項１に記載の発明は、基板上に、給電点にＩＣチップを搭載したダイポールアンテナと、前記ダイポールアンテナと概ね同じ形状もしくは長方形状の無給電型ブースタアンテナとを、所定の距離隔てた上で、上面視で重複するように備えることを特徴とするブースタ付きＩＣタグとしたものである。

請求項２に記載の発明は、通信波長をλとして、前記ダイポールアンテナのアンテナ長Ｌを０．５λ、ブースタアンテナのアンテナ長を０．９〜０．８Ｌ、ダイポールアンテナ
とブースタアンテナの距離を０．０１λとすることを特徴とする請求項１に記載のブースタ付きＩＣタグとしたものである。

本発明により、ＵＨＦ帯で通信を行うＩＣタグの通信距離の延長と広帯域化が、磁性体を使用せずに達成できる。したがって安価なＩＣタグが提供できる。

カップリング用ダイポールアンテナを備えるＩＣタグの構成を説明する上面視の図面である。 （ａ）ダイポールアンテナの指向性(単位は「°」)を説明する図面である。（ｂ）ダイポールアンテナの反射損失を説明する図面である。 ブースタアンテナ付きＩＣタグの構成を説明する上面視（ａ）と断面視（ｂ）の図面である。 ブースタ付きダイポールアンテナの利得と長さｙの関係を示す図面である。（ａ）ｙ＝１．０Ｌ、（ｂ）ｙ＝０．９Ｌ、（ｃ）ｙ＝０．８Ｌ

以下、図面を参照して本発明を説明する。
ＩＣタグに使われる通信用のカップリングアンテナには、絶縁した金属線をコイル状に巻きつけた巻き線アンテナ、銅、アルミニウム等の金属薄膜をコイル状にエッチングするアンテナ、直線状のダイポールアンテナがある。
本発明の対象となるのは図１に示すようなフィルム基材上にダイポールアンテナを備えるＩＣタグである。

ダイポールアンテナ２とは、図１に示すように一対のケーブルの先端（図示せず）に直線状の導線（エレメント）２ａを左右対称に取り付けたアンテナである。二つのエレメント２ａは水平の状態で直線をなすように取り付けられるが角度を持たせることができる。ダイポールアンテナ２の理論上の最大利得は２．１５ｄＢｉである。エレメント２ａの長さは通信波長λの１／４に設定されるが短くすることも可能である。エレメント２ａを棒状とするかエレメントから十分離れれば、エレメント２ａに垂直な面内で志向性はなく電波の放射が最大になり、エレメントが伸びる軸方向には放射はない。

ダイポールアンテナにつなぐＩＣチップの通信波長には、代表的なものとして９００ＭＨｚ近辺のＵＨＦ帯と２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波がある。マイクロ波は直進性が高く通信距離は短いが、エレメント長（以下、単にアンテナ長と記す。）が短く周囲の金属などの影響を受けにくいという利点がある。ＵＨＦは、波長λがタグを貼付する物品のスケールに近く、波長も回り込みが効くため多少の障害物があっても通信距離が３，４ｍになるという利点があり、波長的に本発明の対象となるものである。

ＩＣタグもしくはＩＣタグラベルと呼ばれるタグの基本部分は、基本的には、図１（ａ）、（ｂ）に示すような構成である。フィルム基材４の一方の主面上に直線状のダイポールアンテナ２が、エッチングあるいは印刷、転写法により形成されている。アンテナ２の中央には送受信用のＩＣチップ３が搭載される。ＩＣチップ３は、アンテナ回路の中央がスリット２ｂとなりスリット２ｂ末端がＩＣチップの二つの端子と接続されている。これが図示しない保護シートで被覆され、さらに粘着層などを介して物品に貼付されて使用される。

フィルム基材４は、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（ＰＥＮ）、ポリイミド等のフィルム基材もしくは合成紙、あるいは上質紙、アート紙
、コート紙等の紙基材のいずれかである。あるいは、これらフィルム、紙にカオリン、炭酸カルシウムの可塑剤を分散して脆性を付与した基材も使用できる。合成紙は、合成樹脂中に空孔を細かく分散させ多孔質状に成型されたもので固体と気体の不均一分散系である。合成樹脂にはＰＥＴ、ＰＰがよく使われる（発泡ＰＥＴ）。紙系の基材はウエット加工には不向きなのでアンテナの工法によって基材が選択されるが、一般には厚みに選択性のあるＰＥＴが好適である。

アンテナパターン２は、厚みが３０〜１００μｍ程度のＰＥＴフィルム基材４の上に積層された厚みが３０μｍ程度の銅箔あるいはアルミ箔を、定法のエッチング加工によりパタニングして形成する。紙基材の場合は、ウエット方式のエッチングは適用できないので、導電性ペーストを用いた印刷法による。導電性材料としては、銀系が好ましく、バインダー樹脂、溶剤、銀粉からなるペーストをパターン印刷してから蒸発乾燥させて導電性パターンを得ることができる。銀系に限定されず、銅、ニッケル、金、白金等の金属粉末、導電性カーボン等をバインダーとともに溶媒に分散させた系も使用できる。印刷は、スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、オフセット印刷等いずれの印刷法も適用できる。

搭載するＩＣチップ３は、概ね０．５〜１．０ｍｍ角程度で厚みが０．２ｍｍ程度である。通信周波数は、先述したように９００ＭＨｚ（ＵＨＦ）が好ましいが、特にこの帯域に制限されず、ＶＨＦ帯、ＧＨｚ帯と用途に応じて選択できる。アンテナ２のスリット部２ｂ末端とＩＣチップ３の接続端子とは、電気的な接合部を介して接続するが、はんだ接続、あるいは異方性導電ペースト（ＡＣＰ）、あるいは異方性導電フィルム（ＡＣＦ）などの金属粒子を含有するバインダーが使える。

図１にカップリング用ダイポールアンテナ２の一例を示したが、ＩＣチップ３は中央のスリット２ｂ（ここが給電点）を跨ぐように搭載される。アンテナの全長Ｌは、通信周波数f（＝９５３ＭＨｚ）に対してほぼ一義的にＬ＝０．５λ（ｃ＝λｆ、ｃ＝光速）で１５７ｍｍと決まる。この従来構成のアンテナ利得と指向性パターンの電磁界シミュレーション結果を、図２の反射損失のグラフ（ｂ）と円形グラフ（ａ）に示した。図から分かるように共振帯域は０．１５ＭＨｚ程度と比較的狭く利得は２．１４ｄＢｉであって、アンテナに垂直な面内で信号強度は一定（図２（ａ）の点線）で指向性は見られなかった。

図３に本発明になるＩＣタグ１の構成の一例を、上面視と断面視で示した。ＩＣタグ１は、図１に示した給電する通常のダイポールアンテナ２の上に、ダイポールアンテナと概ね同じ形状もしくは長方形状の無給電のブースタアンテナ５を、所定の距離ｘだけ隔てて重複するように配置したものである。二つのアンテナの重複の仕方は、図３では、アンテナの伸びる方向が同じで長さも同じように描いているが、ブースタアンテナ５の長さｙは、ダイポールアンテナ２の長さＬ（＝０．５λ）に対して相対的に変化させることができる。

ブースタアンテナ５とダイポールアンテナ２は、互いの電磁場の影響が及ぶように、アンテナ同士が互いに沿うように配置しなければならず、アンテナの延長線上に重複なしに載るように配置してはならない。離間距離ｘとブースタアンテナを重複させる長さｙには任意性があり、利得のおおきな最適な配置を選べる。
以下、ｘとｙの最適値について電磁界シミュレーション法を用いて検討した。

電磁界シミュレーションは全て、１ｍ×１ｍ×１ｍの空間の中心に、厚み７０μｍのＰＥＴフィルム上に、長さＬ（＝０．５λ＝１５７ｍｍ）、厚みが３０μｍの銅からなるダイポールアンテナと同じ形状のダイポールアンテナ（ブースタ）を所定の距離だけ隔てて上面視で重なるように配置して電磁界の計算を行った。

ダイポールアンテナ２のアンテナ長Ｌを０．５λに固定して、ブースタアンテナ５の長さｙを、１．０Ｌ、０．９Ｌ、０．８Ｌと変化させて反射損失をシミュレーションにより求めた。その際、二つのアンテナの離間距離ｘは、図３（ｂ）に示すようにフィルム基材のアンテナ面からブースタアンテナがｘ（＝０．０１λ）だけ隔てられているとした。

反射損失の結果を図４の（ａ）〜（ｃ）に示した。対応する利得は、２．８１ｄＢｉ（ｙ＝１．０Ｌ）、２．２５ｄＢｉ（ｙ＝０．９Ｌ）、２．１８ｄＢｉ（ｙ＝０．８Ｌ）、であった。これはアンテナ５の長さｙが、ダイポールアンテナの長さＬ＝０．５λを単位として、１．０Ｌ、０．９Ｌ、０．８Ｌのいずれ場合でもブースト効果があることを示唆しており、通信可能な距離が延長されることを意味している。

また、設計周波数に対する帯域幅は、リターンロス−５ｄＢｉ以下の範囲から、それぞれ０．１５ＧＨｚ（無給電素子なし）、０．０５ＧＨｚ（ｙ＝１．０Ｌ）、０．２１ＧＨｚ（ｙ＝０．９Ｌ）、０．２５ＧＨｚ（ｙ＝０．８Ｌ）程度である。ブースタ無しが０．１５ＧＨｚ程度（図２（ｂ））であるから、アンテナ５の長さｙが、０．８Ｌ〜０．９Ｌの場合に、特に共振周波数が２共振的に広がることを示しており、水分や金属の存在などの周囲環境の影響を受けにくくできることを示唆している。

以上をまとめると、ブースタアンテナを併設することによって、ブースタアンテナも励振し、カップリング用ダイポールアンテナの信号とブースタアンテナの信号の合成信号が送受信に使えることが確認された。特にダイポールアンテナの共振以外に、ブースタアンテナの共振ができることで２共振のアンテナが構成される。
これにより通信距離（利得）の延長と広帯域化が可能である。

一方、設計的にはブースタアンテナの大きさとダイポールアンテナと大きさが概ね同じであるのが効果的である。また、ダイポールアンテナとブースタアンテナの距離は０．０１λ（概ね、１．６ｍｍ程度）で固定したが、これはタグの厚さが増すことによる物理的な空間損失を考えたためで最適化の余地がある。実際上はダイポールアンテナとブースタアンテナの間に適切な厚みの誘電体フィルムを敷設するのが好ましい態様である。

１、ＩＣタグ
２、ダイポールアンテナ（カップリング用）
２ａ、エレメント
２ｂ、スリット（給電点）
３、ＩＣチップ
４、フィルム基材（基板）
５、ブースタアンテナ
ｘ、ブースタアンテナとダイポールアンテナの離間距離
ｙ、ブースタアンテナの全長
Ｌ、カップリングアンテナの全長

Claims (2)

1. 基板上に、給電点にＩＣチップを搭載したダイポールアンテナと、前記ダイポールアンテナと概ね同じ形状もしくは長方形状の無給電型ブースタアンテナとを、所定の距離を隔てた上で、上面視で重複するように備えることを特徴とするブースタ付きＩＣタグ。
2. 通信波長をλとして、前記ダイポールアンテナのアンテナ長Ｌを０．５λ、ブースタアンテナのアンテナ長を０．９〜０．８Ｌ、ダイポールアンテナとブースタアンテナの距離を０．０１λとすることを特徴とする請求項１に記載のブースタ付きＩＣタグ。

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