JP2020109917A - Ｒｆｉｄタグ、同タグの給電システム及び給電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、バッテリーの大容量化とその充電の高速化との双方を図ることが可能にする。【解決手段】 ＲＦＩＤタグ１００は、通信アンテナ１２０、回路駆動用のバッテリー１４０、ＩＣチップ１３０等が基板１１０に各々設けられている。多層基板である基板１１０には、誘電体層１４２が導体層１４１，１４３により上下から挟まれた構造のキャパシタがバッテリー１４０として設けられており、バッテリー１４０を外部から給電するための給電部１５０が設けられている。【選択図】 図１
Description
本発明はバッテリーの給電方式を改良したＲＦＩＤ（radio frequency identifier）タグ等に関する。
ＲＦＩＤタグについては、駆動用のバッテリーが搭載されたアクティブ型と、ＲＦＩＤライタから送信された電波のエネルギーを駆動電力に変換する機能を有したパッシブ型とに大別される（特許文献１、２参照）。
しかしながら、アクティブ型については、バッテリーの長時間使用が困難である一方、パッシブ型については、通信方式上、通信に使用される電磁波から大きな電力を取り出すことが困難である。そのため、アクティブ型、パッシブ型のいずれについても消費電力の大きい高機能回路等を搭載することができない。よって、ＩＤタグとしての本来の機能を十分に発揮させることが困難であり、その用途が大きく制約されている。このような問題の背景にあるのは、同ＩＤタグに使用されるバッテリーの大容量化とその充電の高速化との双方の技術上の課題が十分に解決されていないという点にある。
本発明は上記した背景の下で創作されたものであって、その目的とするところは、バッテリーの大容量化とその充電の高速化との双方を図ることが可能なＲＦＩＤタグ等を提供することにある。
本発明に係るＲＦＩＤタグは、通信アンテナ、回路駆動用のバッテリー、リード・ライト用の高周波回路部が基板に各々設けられたＲＦＩＤタグであって、前記基板は多層基板であり、当該基板には、誘電体層が導体層により上下から挟まれた構造のキャパシタが前記バッテリーとして設けられる一方、当該バッテリーを外部から給電するための給電手段が設けられている。
このようなＲＦＩＤタグによる場合、バッテリーの給電が通信とは別の系統の給電手段を通じて行われることから、通信方式の制約を受けることなく外部からバッテリーに自由に給電することが可能になる。しかも、バッテリーが、誘電体層が導体層により上下から挟まれた構造のキャパシタであることから、バッテリーの充電の高速化を図ることが可能になる。加えて、薄膜技術等を利用することにより、キャパシタの電極間隔を小さくする等が容易であることから、バッテリーの大容量速化を図ることが可能になる。それ故、従来タグに内在していた技術上の課題が解決され、これに伴って同タグの高機能化及び用途を大きく拡げることが可能になる。
好ましくは、前記キャパシタを構成する導体層には、その実効面積増大のために金属微粒子が一面にわたって付着された構成にすると良い。
上記した構成のＲＦＩＤタグによる場合、キャパシタの電極面積の増大によりバッテリーの一層の大容量化を図ることが可能となる。
好ましくは、前記給電手段については、非接触給電用の給電コイルと、同コイルの両端に発生した電圧を整流するとともに当該電圧により前記バッテリーを充電する電源回路とを有した構成にすると良い。
上記した構成のＲＦＩＤタグによる場合、給電手段の構成がシンプルであることから、タグ自体の低コスト化を図ることが可能になる。
好ましくは、前記給電コイルについては、前記基板に作成された薄膜インダクタとするのが好ましい。
上記した構成のＲＦＩＤタグによる場合、多層基板の作成の過程で給電コイルを作成することが可能であることから、構成がシンプルとなり、これに伴ってタグ自体の低コスト化を図ることが可能になる。
好ましくは、前記通信アンテナについては、プレーン層のグラウンドを有したバッチアンテナであって、前記グラウンドが前記導体層の一方と共通にすると良い。
上記した構成のＲＦＩＤタグによる場合、多層基板の作成の過程で給電アンテナを作成することが可能であることに加えて、バッチアンテナのグラウンドのプレーン層がバッテリーの導体層と共通化させていることから、構成がシンプルとなり、これに伴ってタグ自体の低コストを図ることが可能になる。
本発明に係るＲＦＩＤタグの給電システムは、上記ＲＦＩＤタグと、当該ＲＦＩＤタグに対する電磁誘導方式又は磁界共鳴方式による非接触給電に必要な磁界を生成する給電装置とを備えている。
上記した構成のＲＦＩＤタグの給電システムによる場合、上記ＲＦＩＤタグを有していることから、同タグを高速に充電することができ、この面でＲＦＩＤタグの本来の機能を十分に発揮させることが可能になる。さらに、給電装置から出力される磁気による磁場のエリアが広いことから多数のＲＦＩＤタグを一度に給電することが可能になる。
本発明に係るＲＦＩＤタグの給電方法は、上記給電装置を上記ＲＦＩＤタグに対して相対的に移動させ、これにより当該ＲＦＩＤタグを給電させている。
上記した構成のＲＦＩＤタグの給電方法による場合、上記ＲＦＩＤタグを用いていることから、同タグを高速に充電することができ、この面でＲＦＩＤタグの本来の機能を十分に発揮させることが可能になる。さらに、給電装置から出力される磁気による磁場のエリアが広いことから多数のＲＦＩＤタグを一度に給電することが可能になる。
以下、本発明の実施形態について図１乃至図５を参照して説明する。ここに例として挙げるＲＦＩＤタグの給電システムＡは、図１に示されているように、従来のパッシブ型をベースとしつつその給電方式が改良されたＲＦＩＤタグ１００と、ＲＦＩＤタグ１００に対する磁界共鳴方式による非接触給電に必要な磁界を生成する給電装置２００とを備えている。なお、図１中３００は、ＲＦＩＤタグ１００に対して非接触通信によりデータの読み書きを行うＲＦＩＤリーダーである。
給電システムＡを構成するＲＦＩＤタグ１００については、通信アンテナ１２０、回路駆動用のバッテリー１４０、リード・ライト用のＩＣチップ１３０（高周波回路部に相当）等が基板１１０に各々設けられている。
基板１１０については、ここでは素材がシリコン単結晶等である多層基板が用いられている。基板１１０の最上層１１１と最下層１１２との間にはバッテリー１４０が設けられている。
バッテリー１４０については、チタン酸バリウム等の誘電体層１４２が銅等のプレーン層である導体層１４１，１４３により上下から挟まれた構造のキャパシタが用いられている。
導体層１４１の下面、導体層１４３の上面には、図２に示されている通り、上記キャパシタの電極としての実効面積増大のために金属微粒子１４１１，１４３１が一面にわたって各々付着されている。一方、導体層１４１の上面、導体層１４３の下面には、基板１１０を構成するシリコン単結晶等との反応を防ぐために、ＺｒＯ２等のバッファ層１４１２，１４３２が各々形成されている。
金属微粒子１４１１，１４３１については、粒子径が200〜2000nm程度で且つ導体層１４１等と同一材料の金属粒子であって、スパッタリング等により導体層１４１、１１３の各表面に粒子径を制御しながら成形している。粒子の積層数は５層程度形成であり、1μm〜2μm程度の厚みに積層されている（図２は１層の例を模式的に示している。）。この場合、キャパシタの電極の実効面積を数百倍に増大させることが可能になる。
なお、誘電体層１４２を高誘電率系の素材に変更したり、導体層１４１と導体層１４３との間の電極間隔を小さくすれば、バッテリー１４０の電気エネルギーの蓄積量を一層増大させることが可能になる。また、金属微粒子１４１１の材質を導体層１４１等とは異なるもの、例えば、鉄コバルト合金等の軟磁性材料又はマンガン酸化物のようにコロッサル効果（超巨大磁気抵抗効果）により磁性抵抗が常温で極めて高い材料を選定してもよい。この場合、磁界の集電効果によりバッテリー１４０の電気エネルギーの蓄積量をさらに増大させることが可能になる。
基板１１０の最上層１１１の上面の中央部には、図１に示されている通り、通信アンテナ１２０の導体部１２１がパターン形成されており、通信アンテナ１２０の周りにＩＣチップ１３０が表面実装されている。
通信アンテナ１２０については、ここではプレーン層のグラウンド（所謂ベタグラウンド）を有したバッチアンテナを用いており、上記べタグラウンドが導体層１４１と共通にされている。即ち、導体層１４１の全面が上記べタグラウンドになっており、導体部１２１と導体層１４１によりバッチアンテナが構成されている。アンテナ周波数については、13.56MHz、860〜960 MHz又は2.4GHz等を想定しているが、これより低い周波数帯、例えば125kHz等についてはバッチアンテナではなくスパイラルアンテナ等を用いると良い。
基板１１０の最上層１１１の内部には、バッテリー１４０を外部から給電するための給電部１５０（給電手段に相当）が設けられている。
給電部１５０については、図２に示されている通り、磁界共鳴方式による非接触給電用の給電コイル１５１と、給電コイル１５１の両端に電磁誘導により発生した電圧を整流するとともに当該電圧によりバッテリー１４０を充電する電源回路１５２とを有した構成になっている。即ち、給電コイル１５１を通じて受信された電力を電圧に変換してバッテリー１４０に充電するとともに、バッテリー１４０から放電された電圧を出力電圧αとして出力する構成になっている。
給電コイル１５１については、最上層１１１内に平面格子状且つスパイラル状に積層された薄膜インダクタであって（図２中は１層のみ模式的に示されている。）、銅等の導体部１５１１と、導体部１５１１を覆うセラミック等の誘電部１５１２とを有した構成になっている。
次に、ＩＣチップ１３０の回路構成について図３を参照して説明する。ＩＣチップ１３０は、通信アンテナ１２０から出力されたアンテナ信号を入力して同信号に含まれるデータを抽出する受信器１３１と、受信器１３１等から出力されたデータを記録するメモリ１３３と、メモリ１３３から読み出されたデータをアンテナ信号に変換して通信アンテナ１２０に出力する送信器１３２と、通信アンテナ１２０から出力されたアンテナ信号に含まれる電力を抽出してコンデンサ１３６を充電するとともに、コンデンサ１３６から放電された電圧等を入力として電源電圧ＶＤＤを生成する電源部１３５と、所定のプログラムに従って各部を制御してメモリ１３３に対するデータのリード／ライトを行う制御部１３４とを有した構成になっている。
ＩＣチップ１３０については、その基本的構成が既存のパッシブ型のものと同様であり、コンデンサ１３６の出力電圧に加えてバッテリー１４０の出力電圧αが電源部１３５に入力されている点のみ異なっている。このようにバッテリー１４０の出力段にはＩＣチップ１３０の電源部１３５が接続される一方、バッテリー１４０の入力段には、図４に示されている通り、給電部１５０が接続される。
給電部１５０の電源回路１５２については、給電コイル１５１に並列に接続された共振用のコンデンサ１５２１と、給電コイル１５１とコンデンサ１５２１との並列共振電圧を整流するとともに安定化させ、当該電圧をバッテリー１４０に充電させる電源回路１５１２とを有した構成になっている。なお、給電コイル１５１に直列にコンデンサを接続しても良い。
給電システムＡを構成する給電装置２００については、図５に示されている通り、非接触給電に必要な磁界を生成するコイル２４０と、コイル２４０に並列接続された共振用のコンデンサ２３０と、10kHz以上の周波数を有した基準信号を生成する発振部２１０と、同基準信号に応じた駆動電流を生成してコイル２４０に流して励磁させる駆動部２２０とを有した構成になっている。
このような給電装置２００をＲＦＩＤタグ１００に対して相対的に近接させたり又は移動させたりすると(ＲＦＩＤタグの給電方法)、給電装置２００から出力された磁界を受けてＲＦＩＤタグ１００が非接触給電され、同タグ１００の機能を十分に発揮させることが可能になる。
なお、給電装置２００を用いてＲＦＩＤタグ１００をリード/ライトする際に給電する場合には、リード／ライタ装置３００と一体化したり、同装置３００の近くに配置すると良い。また、多数のＲＦＩＤタグ１００を一度に給電する場合には、ＲＦＩＤタグ１００の近くを移動する移動体等に取り付けると良い。
上記のように構成されたＲＦＩＤタグ１００による場合、その給電が通信アンテナ１２０による通信とは別の系統の給電部１５０を通じて行われることから、通信方式の制約を受けることなく給電装置２００から自由に給電することが可能になる。しかもバッテリー１４０が上記構造のキャパシタであることから大容量化及び高速充電化を図ることが可能になる。また、全体の構成がシンプルであることから、低コスト化を図ることが可能である。よって、従来タグに内在していた技術上の課題が解決され、これに伴って同タグの高機能化及び用途を大きく拡げることが可能になった。
本発明に係るＲＦＩＤタグの給電システムＡによる場合、ＲＦＩＤタグ１００を有していることから、ＲＦＩＤタグ１００を高速且つ十分に充電することができ、この面でＲＦＩＤタグ１００の本来の機能を十分に発揮させることが可能になる。さらに、給電装置２００から出力される磁気による磁場のエリアが広いことから多数のＲＦＩＤタグ１００を一度に給電することも可能になる。本発明に係るＲＦＩＤタグの給電方法による場合についても同様である。
なお、本発明に係るＲＦＩＤタグは上記実施形態に限定されず、ＩＣタグ、同タグを内蔵したＩＣカード等に適用可能であり、パッシブ型だけでなくアクティブ型又はセミアクティブ型にも当然に適用可能である。また、給電方式が問われず非接触給電だけでなく接触給電であっても良い。
本発明の通信アンテナについては、基板内に形成するコイル等のパターンの形状、材質等が問われないことは勿論、基板表面上に形成しても良く、通信周波数等に応じて適宜設計変更すれば良い。また、スパイラルアンテナ等のアンテナ部品を基板上に実装したり、同部品を基板外に取り付けた上でそのアンテナ線を基板上の通信回路に電気接続する形態であっても良い。
本発明のバッテリーについては、パッシブ型の場合、給電手段を通じて受電した電力とともに、通信アンテナを通じて受電した信号に含まれる電力を充電する形態であっても良い。アクティブ型の場合、既存のバッテリーの代わりに使用したり又は既存のバッテリーとともに使用する形態であっても良い。また、多層基板の一層を複数エリアに分けて、これらを直／並列接続したり、複数層に各々設けて、これらをスルーホール電極等を通じて直／並列接続しても構わない。
本発明の高周波回路部については、ＩＣチップを基板表面に実装するのではなく同回路を基板に埋め込んで作成する形態でも良い。
本発明の給電手段については、外部から電力をバッテリーに給電する構成であれば良く、電磁誘導方式による非接触給電でもかまわない。即ち、給電方式が問われることはない。例えば、非接触給電で電界結合方式のときには、基板内又は基板面に設けた電界結合用のコンデンサ電極等が該当する一方、接触給電のときには、基板面に設けた電力入力用の端子、電極等が該当する。
Ａ ＲＦＩＤタグの給電システム
１００ ＲＦＩＤタグ
１１０ 基板
１１１ 上層
１１２ 中層
１１３ 下層
１２０ 通信アンテナ
１３０ ＩＣチップ（高周波回路部）
１４０ バッテリー（キャパシタ）
１４１ 導体層（グラウンド）
１４２ 誘電体層
１４３ 導体層
１４１１，１４３１ 金属微粒子
１５０ 給電部（給電手段）
１５１ 給電コイル
１５２ 電源回路
２００ 給電装置
３００ ＲＦＩＤリーダー
１００ ＲＦＩＤタグ
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１１１ 上層
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１５０ 給電部（給電手段）
１５１ 給電コイル
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２００ 給電装置
３００ ＲＦＩＤリーダー
このようなＲＦＩＤタグによる場合、バッテリーの給電が通信とは別の系統の給電手段を通じて行われることから、通信方式の制約を受けることなく外部からバッテリーに自由に給電することが可能になる。しかも、バッテリーが、誘電体層が導体層により上下から挟まれた構造のキャパシタであることから、バッテリーの充電の高速化を図ることが可能になる。加えて、薄膜技術等を利用することにより、キャパシタの電極間隔を小さくする等が容易であることから、バッテリーの大容量化を図ることが可能になる。それ故、従来タグに内在していた技術上の課題が解決され、これに伴って同タグの高機能化及び用途を大きく拡げることが可能になる。
金属微粒子１４１１，１４３１については、粒子径が200〜2000nm程度で且つ導体層１４１等と同一材料の金属粒子であって、スパッタリング等により導体層１４１、１４３の各表面に粒子径を制御しながら成形している。粒子の積層数は５層程度形成であり、1μm〜2μm程度の厚みに積層されている（図２は１層の例を模式的に示している。）。この場合、キャパシタの電極の実効面積を数百倍に増大させることが可能になる。
Ａ ＲＦＩＤタグの給電システム
１００ ＲＦＩＤタグ
１１０ 基板
１１１ 最上層
１１２ 最下層
１２０ 通信アンテナ
１３０ ＩＣチップ（高周波回路部）
１４０ バッテリー（キャパシタ）
１４１ 導体層（グラウンド）
１４２ 誘電体層
１４３ 導体層
１４１１，１４３１ 金属微粒子
１５０ 給電部（給電手段）
１５１ 給電コイル
１５２ 電源回路
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３００ ＲＦＩＤリーダー
１００ ＲＦＩＤタグ
１１０ 基板
１１１ 最上層
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１４１１，１４３１ 金属微粒子
１５０ 給電部（給電手段）
１５１ 給電コイル
１５２ 電源回路
２００ 給電装置
３００ ＲＦＩＤリーダー
本発明に係るＲＦＩＤタグは、通信アンテナと、回路駆動用のバッテリーと、前記通信アンテナを通じて受信された電磁波に含まれる電力を前記バッテリーに蓄電するとともに当該電圧に基づいて電源電圧を生成する機能を有した電源部と、リード・ライト用の高周波回路部とが基板に各々設けられたＲＦＩＤタグであって、前記基板は多層基板であり、当該基板には、誘電体層が導体層により上下から挟まれた構造のキャパシタが前記バッテリーとして設けられる一方、当該基板には当該バッテリーを前記電源部とは別に外部から給電するための給電手段が設けられている。
このようなＲＦＩＤタグによる場合、パッシブ型をベースとしながらバッテリーを有した構成になっている。特にバッテリーが、誘電体層が導体層により上下から挟まれた構造のキャパシタであり、その給電が通信アンテナの系統と、それとは別の給電手段の系統との両方を通じて行なうことが可能になっていることから、バッテリーの高速大容量充電が可能になる。加えて、薄膜技術等を利用することにより、キャパシタの電極間隔を小さくする等が容易であることから、バッテリーの大容量化を図ることが可能になる。それ故、従来タグに内在していた技術上の課題が解決され、これに伴って同タグの高機能化及び用途を大きく拡げることが可能になる。
好ましくは、前記通信アンテナについては、プレーン層のグラウンドを有したパッチアンテナであって、前記グラウンドが前記導体層の一方と共通にすると良い。
上記した構成のＲＦＩＤタグによる場合、多層基板の作成の過程で給電アンテナを作成することが可能であることに加えて、パッチアンテナのグラウンドのプレーン層がバッテリーの導体層と共通化させていることから、構成がシンプルとなり、これに伴ってタグ自体の低コストを図ることが可能になる。
通信アンテナ１２０については、ここではプレーン層のグラウンド（所謂ベタグラウンド）を有したパッチアンテナを用いており、上記べタグラウンドが導体層１４１と共通にされている。即ち、導体層１４１の全面が上記べタグラウンドになっており、導体部１２１と導体層１４１によりパッチアンテナが構成されている。アンテナ周波数については、13.56MHz、860〜960 MHz又は2.4GHz等を想定しているが、これより低い周波数帯、例えば125kHz等についてはパッチアンテナではなくスパイラルアンテナ等を用いると良い。
本発明に係るＲＦＩＤタグは、通信アンテナと、回路駆動用のバッテリーと、前記通信アンテナを通じて受信された電磁波に含まれる電力を前記バッテリーに蓄電するとともに前記バッテリーの電圧に基づいて電源電圧を生成する機能を有した電源部と、リード・ライト用の高周波回路部とが基板に各々設けられたＲＦＩＤタグであって、前記基板は多層基板であり、当該基板には、誘電体層が導体層により上下から挟まれた構造のキャパシタが前記バッテリーとして設けられる一方、当該基板には当該バッテリーを前記電源部とは別に外部から給電するための給電手段が設けられている。
Claims (7)
- 通信アンテナ、回路駆動用のバッテリー、リード・ライト用の高周波回路部が基板に各々設けられたＲＦＩＤタグにおいて、
前記基板は多層基板であり、当該基板には、誘電体層が導体層により上下から挟まれた構造のキャパシタが前記バッテリーとして設けられる一方、当該バッテリーを外部から給電するための給電手段が設けられることを特徴とすることを特徴とするＲＦＩＤタグ。 - 請求項１記載のＲＦＩＤタグにおいて、
前記キャパシタを構成する導体層には、その実効面積増大のために金属微粒子が一面にわたって付着されていることを特徴とするＲＦＩＤタグ。 - 請求項１又は２記載のＲＦＩＤタグにおいて、
前記給電手段は、非接触給電用の給電コイルと、同コイルの両端に発生した電圧を整流するとともに当該電圧により前記バッテリーを充電する電源回路とを有した構成になっていることを特徴とするＲＦＩＤタグ。 - 請求項３記載のＲＦＩＤタグにおいて、
前記給電コイルは、前記基板に作成された薄膜インダクタであることを特徴とするＲＦＩＤタグ。 - 請求項１記載のＲＦＩＤタグにおいて、
前記通信アンテナは、プレーン層のグラウンドを有したバッチアンテナであって、前記グラウンドが前記導体層の一方と共通にされていることを特徴とするＲＦＩＤタグ。 - 請求項３乃至５記載のＲＦＩＤタグと、
当該ＲＦＩＤタグに対する電磁誘導方式又は磁界共鳴方式による非接触給電に必要な磁界を生成する給電装置とを備えたＲＦＩＤタグの給電システム。 - 請求項６の給電装置を請求項３乃至５のＲＦＩＤタグに対して相対的に近接及び／又は移動させ、これにより当該ＲＦＩＤタグを給電させることを特徴とするＲＦＩＤタグの給電方法。
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