JP2020181338A

JP2020181338A - Ｒｆｉｄタグ

Info

Publication number: JP2020181338A
Application number: JP2019083276A
Authority: JP
Inventors: 義哲成末; Yoshiaki Narusue; 亨武平井; Akimu HIRAI; 博之森川; Hiroyuki Morikawa
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2020-11-05
Also published as: WO2020218202A1

Abstract

【課題】非接触で情報を書込み可能なチップレスＲＦＩＤタグを提供する。【解決手段】ＲＦＩＤタグシステム２において、ＲＦＩＤ１００タグは、基材１１０と、基材１１０上に形成される複数の導電性パターン１２０を有する。導電性パターン１２０の電気的特性は、読取り用電磁波よりも高強度の書込み用電磁波を印加することにより不可逆的に変化する。導電性パターンは規則的に配列され、複数の導電性パターンそれぞれについて、書込み用電磁波を印加するか否かによって情報が書き込まれる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identifier）タグに関する。

ＲＦＩＤは物の管理をデジタル化し、ＩｏＴ（Internet of Things）時代において大きな役割を果たす。たとえばアパレル業界では値札にＲＦＩＤタグを導入し、レジを自動化する取り組みが行われている。近年普及が進む無人コンビニにおいても、ＲＦＩＤタグを商品に貼り、商品の出入りを管理している。

現在実用化されているＲＦＩＤタグは、半導体ＩＣ（Integrated Circuit）を使用するため、タグのコストは１個、数十円で下げ止まっている。小売店の商品管理や書類管理などといったユースケースでは、タグは使い捨てで運用できることが好ましく、さらなる低コスト化が望まれる。

半導体ＩＣを用いないＲＦＩＤタグとして、チップレスＲＦＩＤが提案されている（非特許文献１〜４）。

特開２０１７−２１１８７３号公報

Linlin Zheng et. al.,"Design and implementation of a fully reconfigurable chipless RFID tag using Inkjet printing technology," 2008 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Seattle, WA, 2008, pp.1524-1527. S. Preradovic et. al., "Multiresonator-Based Chipless RFID System for Low-Cost Item Tracking," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 57, no. 5, pp. 1411-1419, May 2009. C. Feng et. al., "Angle-Based Chipless RFID Tag With High Capacity and Insensitivity to Polarization", in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 4, pp. 1789-1797, April 2015. P.V. Chadalavada et. al., "ID'em: Inductive Sensing for Embedding and Extracting Information in Robust Materials" Proc. of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, vol.2, Issue 3, Artcle 97, September 2018.

従来のチップレスＲＦＩＤは、タグの製造時に、情報を書込むものであり、タグの出荷後に、エンドユーザが、自由に情報を書込むことができない。これは、ＲＦＩＤの使用用途を著しく制約する。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、非接触で情報を書込み可能なチップレスＲＦＩＤタグの提供にある。

本発明のある態様は、ＲＦＩＤタグに関する。ＲＦＩＤタグは、基材と、基材上に形成される複数の導電性パターンと、を備える。導電性パターンの電気的特性は、読取り用電磁波よりも高強度の書込み用電磁波を印加することにより、不可逆的に変化する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、非接触で情報を書込み可能なチップレスＲＦＩＤタグを提供できる。

実施の形態に係るＲＦＩＤシステムを示す図である。データの書込みを説明する図である。導電性パターンの一例を示す図である。図４（ａ）は、書込み前後のインピーダンスのリング幅Ｗに対する依存性を示す図であり、図４（ｂ）は、書込み可能距離の狭隘部幅ｗに対する依存性を示す図である。図５（ａ）は、書込み前後のインピーダンスの狭隘部幅ｗに対する依存性を示す図であり、図５（ｂ）は、書込み可能距離の狭隘部幅ｗに対する依存性を示す図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、セルが保持するデータとインピーダンスの関係を示す図である。一実施例に係るリーダ／ライターのブロック図である。図８（ａ）〜（ｅ）は、変形例に係る導電性パターンを示す図である。

（実施の形態の概要）
本明細書に開示される一実施の形態は、ＲＦＩＤタグに関する。ＲＦＩＤタグは、基材と、基材上に形成される複数の導電性パターンと、を備える。導電性パターンの電気的特性は、読取り用電磁波よりも高強度の書込み用電磁波を印加することにより、不可逆的に変化する。

複数の導電性パターンは、アンテナのアレイとみなすことができる。ある導電性パターンに選択的に電磁波を印加すると、その導電性パターンに過電流が流れ、導電性パターンおよびその直下の基材の少なくとも一方に、熱的、機械的あるいは電気的な影響が及び、変形、変質、劣化がもたらされる。これにより、導電性パターンの電気的特性、すなわちインピーダンスが不可逆的に変化し、データを書込むことができる。読取り時には、書込み済みＲＦＩＤタグに、電磁波を照射し、その応答を測定することで、書込んだデータを読取ることができる。

導電性パターンは、狭隘部を有してもよい。これにより、電磁波を印加したときの、不可逆的な電気的特性の変化を誘発しやすくなる。

導電性パターンは、閉ループを形成してもよい。この場合、アンテナはループアンテナとみなすことができ、磁界を主成分とする電磁界による読取り、書込みが可能となる。

導電性パターンは、直線あるいはＬ字型など、開いていてもよく、モノポールアンテナやダイポールアンテナとして機能してもよい。この場合、電界を主成分とする電磁界による読取り、書込みが可能となる。

導電性パターンは規則的に配列されてもよい。ＲＦＩＤタグは、複数の導電性パターンそれぞれについて、書込み用電磁波を印加するか否かによって情報が書込まれてもよい。

複数の導電性パターンはそれぞれ、異なる波長の電磁波に応答可能であってもよい。ＲＦＩＤタグは、書込み用電磁波の周波数に応じて、情報が書込まれる。

（実施の形態）
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るＲＦＩＤシステム２を示す図である。ＲＦＩＤシステム２は、リーダ（インテロゲータ）４およびＲＦＩＤタグ（トランスポンダ）１００を備える。

ＲＦＩＤタグ１００は、基材１１０と複数の導電性パターン１２０を備える。基材１１０は、紙、フィルム、シートであり、絶縁体である。複数の導電性パターン１２０は、基材１１０上に形成されている。導電性パターン１２０の材質は特に限定されず、金や銀、銅、その他の金属を用いることができる。たとえば導電性パターン１２０は印刷によって形成することができ、この場合、導電性パターン１２０は銀などの導電性インクあるいはペーストであってもよい。あるいは導電性パターン１２０は、蒸着によって形成してもよい。

本実施の形態に係るＲＦＩＤタグ１００は、近傍磁界型のチップレスＲＦＩＤタグであり、各導電性パターン１２０は、後述する書込みによって、１個につき、１ビットのデータ（１または０）を保持するセルとなる。本実施の形態では、複数の導電性パターン１２０は、マトリクス状に規則的に配置されており、複数の導電性パターン１２０それぞれの値（１または０）の組み合わせが情報を表す。

リーダ４は、複数の読取りコイル６を備える。読取り時において、複数の読取りコイル６と複数の導電性パターン１２０が対向して近接配置される。この状態で、読取りコイル６は、読取り用の電磁波Ｓｒを発生し、対向する導電性パターン１２０の応答を検出し、データを読取る。一実施例において、リーダ４は、読取りコイル６から見た導電性パターン１２０のインピーダンスを検出し、データを読取ってもよい。

続いて、ＲＦＩＤタグ１００に対するデータの書込みを説明する。図２は、データの書込みを説明する図である。ライター８は、書込み時に、複数の導電性パターン１２０のいくつかに選択的に、読取り用電磁波Ｓｒよりも高強度の書込み用電磁波Ｓｗを印加する。書込み用電磁波Ｓｗの印加により、導電性パターン１２０には過電流が流れ、この過電流によって、導電性パターン１２０の電気的特性、すなわちインピーダンスの不可逆的な変化をもたらす。ライター８の構成は限定されないが、たとえば、書込み用電磁波Ｓｗを発生するコイルを含むことができる。ライター８はリーダ４と兼用されてもよい。

導電性パターン１２０の電気的特性が変化するメカニズムは特に限定されない。たとえば、導電性パターンに過電流が流れることにより、導電性パターン１２０自体に、あるいはその直下の基材１１０に、熱的、機械的あるいは電気的な影響が及び、変形、変質、劣化がもたらされ、これにより、導電性パターンの電気的特性が変化してもよい。

以上がＲＦＩＤタグ１００の構成である。このＲＦＩＤタグ１００は、ＲＦＩＤタグ１００の製造後に、エンドユーザが、自由にデータを書込むことができる。

続いて導電性パターン１２０の好ましい形状を説明する。導電性パターン１２０は、（i）書込み前後におけるインピーダンス変化が大きいこと、（ii）書込み（あるいは読取り）に際して、タグ（導電性パターン）と書込みコイル（読取りコイル）との距離（以下、書込み可能距離と総称する）が大きいことが要求される。

加えて、基材１１０の種類によっては、書込みによって基材１１０が変形し、撓みが生ずる場合がある。基材１１０が撓むと、読取りのときに、セルの位置に応じて、読み取りコイルと導電性パターンとの距離が不均一となり、インピーダンスがばらつく要因となる。また撓みが大きくなりすぎると、セルとコイル間の距離が、書込み可能距離を超え、うまくデータを読取りできなくなる可能性がある。したがって、（iii）導電性パターン１２０には、基材１１０の撓みが小さいことが要求される。

図３は、導電性パターン１２０の一例を示す図である。この導電性パターン１２０は、リング状であり、狭隘部１２２を有しており、上述の３つの条件（i）〜（iii）を満たすものである。図３の導電性パターン１２０はコイルアンテナであり、磁界を印加すると誘導電流が流れる。磁界の強度を強めると、リング状の導電性パターン１２０に過電流が流れる。狭隘部１２２を設けると、狭隘部１２２における電流密度が他の部分に比べて大きくなる。これにより、狭隘部１２２の導電性を劣化させることができ、ひいては導電性パターン１２０全体のインピーダンスを大きく変化させることができる。

導電性パターン１２０は、リング外径φ、リング幅Ｗ、狭窄部長ｌ、狭窄部幅ｗをパラメータとして規定できる。図３の導電性パターン１２０について、実験を行った結果を説明する。実験は、導電性パターン１２０の中心とコイルの中心が一致する理想的な状態で行った。

導電性パターン１２０の材料として銀ナノ粒子インク（三菱製紙化学NBSIJ-MU01）を用いた。導電性パターン１２０の外径φは８．７ｍｍで固定した。基材１１０として、レジンコートペーパー（ＮＢ−ＲＣ−３ＧＲ１２０）を用いた。

読取り／書込み兼用のコイルとして、対角１ｃｍの正六角形を用いた。また書込み、読取り用電磁波Ｓｗ，Ｓｒの周波数は６．７８ＭＨｚとし、書込みは、コイルに１Ａの電流（電圧８Ｖ）を１秒間流すことにより行った。書込み前後の導電性パターン１２０のインピーダンスを、ベクトルネットワークアナライザによって測定した。

導電性パターン１２０のリング幅Ｗに関する実験結果を説明する。図４（ａ）は、書込み前後のインピーダンスのリング幅Ｗに対する依存性を示す図である。書込み前後のインピーダンスの差は、リング幅Ｗ＝２ｍｍにおいてピークを有し、したがってリング幅Ｗ＝２ｍｍのときに読取りの性能が最も高くなることがわかる。

図４（ｂ）は、書込み可能距離の狭隘部幅ｗに対する依存性を示す図である。書込み可能距離は、導電性パターンと書込みコイルの間の距離として把握される。図４（ｂ）から、リング幅Ｗが大きいほど、書込み可能距離が長くなり、書込み性能が高くなることがわかる。

図４（ａ）、（ｂ）から分かるように、リング幅Ｗによって、読取り性能と書込み性能（書込み可能距離）の間にはトレードオフが発生する。

続いて、狭隘部１２２の幅ｗに関する実験結果を説明する。図５（ａ）は、書込み前後のインピーダンスの狭隘部幅ｗに対する依存性を示す図である。狭隘部幅ｗが広いほど、書込み前後のインピーダンスの変化が大きくなり、したがって読取り性能が高くなる。

図５（ｂ）は、書込み可能距離の狭隘部幅ｗに対する依存性を示す図である。図５（ｂ）から、リング幅が大きいほど、書込み可能距離が長くなりしたがって書込み性能が高くなることがわかる。

図５（ａ）、（ｂ）から分かるように、狭隘部１２２の形状（寸法）によって、読取り性能と書込み性能（書込み可能距離）の間にはトレードオフが発生する。

実験では導電性パターン１２０の形成のしやすさを考慮して導電性パターン１２０の外径φを決めたに過ぎず、実用化にあたっては、容量を大きくするために外径φをさらに小さくすることが可能である。

図６（ａ）〜（ｃ）は、セルが保持するデータとインピーダンスの関係を示す図である。図６（ａ）、（ｂ）は、書込み用電磁波を印加しないセル、印加しないセルを示す。図６（ｃ）は、導電性パターン１２０が形成されない箇所を示す。

図６（ａ）に示すように、書込み用電磁波を印加しないセル（導電性パターン１２０）のインピーダンスは相対的に高く測定される（９．８Ω）。一方、図６（ｂ）に示すように、書込み用電磁波を印加したセルのインピーダンスは相対的に低く測定される（２．５Ω）。したがって、読取りコイルによって測定されたインピーダンスと所定のしきい値（この例では５Ω程度とすることができる）との大小関係は、データを表す。この例ではインピーダンスが高いセルが値１を、低いセルが値０を表すものとしているが、逆であってもよい。

図６（ｃ）に示すように、導電性パターン１２０が形成されない箇所のインピーダンスは低く測定され（この例では２．１Ω）、これは、書込み用電磁波が印加されたセルと同程度のインピーダンスを示す。言い換えれば、導電性パターン１２０に対する強い書込み用電磁波の印加は、導電性パターン１２０のループアンテナとしての機能を失わせている、言い換えれば破壊しているものと把握することもできる。

図７は、一実施例に係るリーダ／ライター２００のブロック図である。図７にはＲＦＩＤタグ１００が併せて示される。ＲＦＩＤタグ１００の導電性パターン１２０は、コイルとして示される。

リーダ／ライター２００は、リーダ４の機能とライター８の機能を備える。リーダ／ライター２００は、複数のコイル２０２と、マルチプレクサ（スイッチマトリクス）２０４、ドライバ２０６、インピーダンス測定部２０８を備える。

ドライバ２０６は、書込みにアクティブとなる。マルチプレクサ２０４は、書込み時において、ドライバ２０６の出力を、書込み用電磁波Ｓｗを印加すべき導電性パターン１２０と対向するコイル２０２と接続する。ドライバ２０６は、交流電圧を２０４により選択されたコイル２０２に印加し、書込み用電磁波Ｓｗを発生させる。これにより、コイル２０２に対向する導電性パターン１２０に書込み用電磁波Ｓｗが印加され、導電性パターン１２０のインピーダンスが低下し、データを書込むことができる。

読取り時には、インピーダンス測定部２０８がアクティブとなる。マルチプレクサ２０４は、複数のコイル２０２を順に選択し、選択したコイル２０２をインピーダンス測定部２０８と接続する。インピーダンス測定部２０８は、選択されたコイル２０２を介して、それと対向する導電性パターン１２０のインピーダンスを測定し、データを読取る。

インピーダンスの測定方法は特に限定されず、公知技術を用いればよい。たとえば、ドライバ２０６によって、既知の振幅の交流電圧をコンデンサ２０３とコイル２０２を含むＬＣ直列共振回路に印加し、その状態で、コイル２０２の両端間の電圧を測定してもよいし、コンデンサ２０３の両端間の電圧を測定してもよい。あるいは、コンデンサ２０３とコイル２０２を含むＬＣ直列共振回路に流れる電流を測定してもよい。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
図８（ａ）〜（ｅ）は、変形例に係る導電性パターン１２０を示す図である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、導電性パターン１２０の形状は円に限定されず、矩形や三角であってもよい。図８（ｂ）に示すように、狭隘部１２２をパターンの内周側に寄せてもよいし、判定に外周側に寄せてもよい。また図８（ｃ）に示すように、狭隘部１２２は、並列な複数のパス（この例では３本）を有してもよい。また図８（ｄ）に示すように、導電性パターン１２０は複数の狭隘部１２２を有してもよい。

図８（ｅ）に示すように狭隘部１２２を省略して、導電性パターン１２０の幅を均一に狭くしてもよい。ただし、導電性パターン１２０の幅が細くなりすぎると、書き込み前のインピーダンスが低くなり、測定前後のインピーダンスの差が小さくなることに留意されたい。言い換えると狭隘部１２２を有する図３のパターンは、書込み前のインピーダンスを高くしつつ、書込み可能距離を短くできるという利点を有している。

（変形例２）
実施の形態では、近傍磁界型のチップレスＲＦＩＤタグについて説明したが、本発明の適用はその限りでなく、近傍電界型のチップレスＲＦＩＤタグにも適用可能である。この場合、近傍電界に強い感度を持たせるために、導電性パターン１２０は、コイルアンテナでなく、ダイポールアンテナとして形成するとよい。この場合において、ダイポールアンテナの形状は特に限定されないが、ループアンテナの場合と同様に、導電性パターン１２０には狭隘部１２２を設けることが好ましい。あるいはモノポールアンテナとしてもよい。

（変形例３）
本発明は、遠方界型のチップレスＲＦＩＤタグにも適用できる。この場合、近傍界型と異なり、ＲＦＩＤタグ上のセルの位置に情報を載せることはできないため、セルごとに、周波数特性あるいは時間応答特性が異なるアンテナとして機能するような導電性パターン１２０を形成すればよい。

たとえば、複数の導電性パターン１２０はそれぞれ、異なる波長の電磁波に応答可能に形成される。そして、書込み用電磁波の周波数を制御し、書込むセルを周波数領域で選択すればよい。読取り時には、マルチトーン（あるいはある帯域幅を有する）の読取り用電磁波をＲＦＩＤタグ１００に照射し、周波数応答特性（あるいは時間応答）を測定することにより、情報を読取ることができる。

（変形例４）
基材１１０の裏面（あるいは内部）に導電層を設け、導電性パターン１２０、基材１１０および導電層によってマイクロストリップラインを形成するようにしてもよい。

（変形例５）
実施の形態では、導電性パターン１２０に、強い書込み用電磁波を照射することにより、導電性パターン１２０の書き込み前の機能を失わせていたが、書込みに利用できる現象はその限りでない。たとえば変形例４で説明したマイクロストリップラインを形成する場合、基材１１０の材料として、強い書込み用電磁波の印加によってその誘電率あるいは厚みが大きく変化するような材料を用いてもよい。これにより、マイクロストリップラインのインピーダンスを変化させることができる。導電性パターン１２０としては、オープンスタブ、ショートスタブとして機能する素子を用いてもよい。また機能の異なる複数の素子の組み合わせとして、導電性パターン１２０を形成してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２ＲＦＩＤシステム
４リーダ
６読取りコイル
１００ＲＦＩＤタグ
１１０基材
１２０導電性パターン
１２２狭隘部
２００リーダ／ライター
２０２コイル
２０４マルチプレクサ
２０８インピーダンス測定部

Claims

基材と、
前記基材上に形成される複数の導電性パターンと、
を備え、
前記導電性パターンの電気的特性は、読取り用電磁波よりも高強度の書込み用電磁波を印加することにより不可逆的に変化することを特徴とするＲＦＩＤタグ。
前記導電性パターンは、狭隘部を有することを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤタグ。
前記導電性パターンは、閉ループを形成することを特徴とする請求項１または２に記載のＲＦＩＤタグ。
前記導電性パターンは規則的に配列され、前記複数の導電性パターンそれぞれについて、前記書込み用電磁波を印加するか否かによって情報が書込まれることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＲＦＩＤタグ。
前記複数の導電性パターンはそれぞれ、異なる波長の電磁波に応答可能であり、前記書込み用電磁波の周波数に応じて、情報が書込まれることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＲＦＩＤタグ。