JP4226642B2 - Rfタグ及びrfタグを製造する方法 - Google Patents

Rfタグ及びrfタグを製造する方法 Download PDF

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Description

本発明はRFタグ及びRFタグを製造する方法に関する。
様々な商品、物品その他の対象物を管理するためにRFタグを使用することが間々ある。そのようなシステムは、多数のRFタグと、RFタグからの情報を読み取る又はそこへ情報を書き込むリーダ又はライタ装置(以下、「RFタグリーダ」という。)とを有する。対象物の各々にはRFタグが同伴する。リーダは質問器(interrogator)とも呼ばれる。RFタグは、RFIDタグ、無線タグ、ICタグ等と言及されてもよい。RFタグには例えば識別情報(ID)、製造番号、製造日時、製造場所その他のデータが書き込まれてもよい。
RFタグには一般に能動型(アクティブ型)と受動型(パッシブ型)がある。アクティブ型のRFタグは、自ら電力を用意することができ、RFタグリーダ側の装置構成を簡単にすることができる。後者は、自ら電力を用意することはできず、外部からエネルギーを受けることによって、ID情報の送信等の動作が行なわれる。パッシブ型は、RFタグを安価にする観点から好ましく、将来的に特に有望である。
使用する信号の周波数帯域の観点からは、電磁結合方式と電磁波方式とがある。前者は数キロヘルツ程度の周波数帯域や、13メガヘルツ程度の周波数帯域等を使用する。後者は、UHF帯(例えば950MHz)や、2.45ギガヘルツのような更に高い周波数帯域を使用する。通信可能な距離を増やしたり、RFタグの寸法を小さくする等の観点からは高い周波数の信号を使用することが望ましい。一例として、電磁結合方式では高々1メートル程度しか通信できないことが知られている。また、950MHzでは1波長が30cm程度で済むが、13MHzではそれが23メートルにもなってしまう。
RFタグと共に同行する対象物には様々なものが考えられるが、特に対象物が導電性を有するか否かはRFタグの設計で特に重要視される。対象物が絶縁性であれば、RFタグを取り付ける前後でRFタグの動作特性はさほど大きく変わらない。しかしそのRFタグを金属筐体のような導電体に取り付けると、その導体によるイメージ電流がRFタグの通信時に発生する。従ってRFタグの動作特性は導電体の対象物に取り付けられる前後で大きく異なる。
また、RFタグが同行する物体の寸法が比較的小さな製品用途や、外見上の美的価値が重要視されるような製品用途(例えば、大型バイクのメータ、ショーウィンドウ内に展示した花瓶等。)では、RFタグを対象物の中に収容することが要求されるかもしれない。この場合、RFタグを収容した対象物が電磁波(UHF帯)を透過できれば、RFタグと無線通信を行うことができるはずである。しかしながらこの場合も、収容されたRFタグの近辺に金属面が有るか否かに依存して、RFタグの動作特性は大きく異なる。
本願出願時の非特許文献1には金属に取り付けることが可能な従来のRFタグが掲載されている。
http://www.awid.com/product/mt_tag/mt.htm
非特許文献1に記載されているような従来のRFタグは、半波長より長いダイポールアンテナとして動作するアンテナ構造を有する。より具体的には誘電体の表面にアンテナのパターンを表す導電性材料が設けられ、誘電体の裏面に金属層が形成され、全長が1/2波長程度に設計されている。動作周波数は902−928MHzであるので、全長は17cm程度になる。しかしながらこのような依然として大きな寸法ではRFタグを取り付ける対象物の種類が大きく制限されてしまうという問題がある。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題は金属面を有する小さな筐体にも収容可能なRFタグを提供すること及びそのようなRFタグを製造する方法を提供することである。
本発明で使用されるRFタグは、接地導体に接続され、電気的な閉ループを形成し、ダイポールアンテナを構成する第1の線路と、前記第1の線路上の分岐点及び接地導体間に接続された給電回路と、前記分岐点に接続され、前記給電回路に並列に設けられ、インダクタを構成する第2の線路とを有する。
本発明によれば、金属面を有する小さな筐体にもRFタグを収容することができる。
本発明の一実施例によるRFタグの概略斜視図を示す。 導電性線路と接地導体との位置関係を示す図である。 RFタグの動作を説明するための図である。 RFタグの動作を説明するための図である。 ダイポールアンテナ及びループアンテナの特性を説明するための図である。 本発明の一実施例によるRFタグの製造工程を示す図である。 本発明の一実施例によるRFタグの製造工程を示す図である。 本発明の一実施例によるRFタグの製造工程を示す図である。 本発明の一実施例によるRFタグの製造工程を示す図である。 本発明の一実施例によるRFタグの別の製造工程を示す図である。 本発明の一実施例によるRFタグの別の製造工程を示す図である。 本発明の一実施例によるRFタグの別の製造工程を示す図である。 シミュレーションで想定されたRFタグを示す図である。 アンテナ及びICチップに関する等価回路図である。 線要素長及び対応するチップ容量に関するシミュレーション結果を示す図である。 線要素長及びアンテナ抵抗に関するシミュレーション結果を示す図である。 線要素長及びアンテナ利得に関するシミュレーション結果を示す図である。 RFタグの周波数特性を示す図である。 周波数及びチップ容量に関するシミュレーション結果を示す図である。 周波数及びアンテナ利得に関するシミュレーション結果を示す図である。 RFタグを金属面を有する筐体の中に収容した様子を示す図である。 線幅が不均一な線路を有するRFタグを示す図(その1)である。 線幅が不均一な線路を有するRFタグを示す図(その2)である。 線幅が不均一な線路を有するRFタグを示す図(その3)である。 給電回路の取り付け位置が異なるRFタグを示す図である。 線の間隔が不均一な線路を有するRFタグを示す図(その1)である。 線の間隔が不均一な線路を有するRFタグを示す図(その2)である。 インダクタの線路がアンテナとは別に用意されたRFタグを示す図(その1)である。 インダクタの線路がアンテナとは別に用意されたRFタグを示す図(その2)である。
符号の説明
10 誘電体スペーサ
12 接地導体
161 金属面
162 絶縁性の材料面
本発明の一態様によれば、ダイポールアンテナを構成する第1の線路に設けられた給電回路に並列に、インダクタを構成する第2の線路が設けられる。第1の線路は接地導体に接続され、動作時にイメージ電流が利用される。アンテナと給電回路のインピーダンスの整合性はインダクタンスを調整することで達成できる。これにより金属面を有する物体に同行してもよい非常に小型のRFタグが得られる。
前記第2の線路は、前記第1の線路上の2つの分岐点を接続する線路を含むように形成されてもよい。ダイポールアンテナの線路とインダクタの線路の一部を共通化させることで、RFタグ全体の寸法を小さく抑えることができる。第1の線路と第2の線路の分岐点の位置は、ダイポールアンテナ及び給電回路のインピーダンスが整合するように調整することができる。
前記第1及び第2の線路は所定の誘電率を有するスペーサ材料に設けられてもよい。第1及び第2の線路と接地導体の間は理論上は空気層でもよいが、RFタグの強度を確保するような実用上の観点からは、それらの間にスペーサ材料が設けられることが望ましい。
前記第1及び第2の線路は、直方体の辺に沿う形状を有してもよい。これにより、RFタグの寸法が直方体の寸法に実質的に等しくなる。
前記第1及び第2の線路に流れる電流のイメージ電流が前記接地導体に流れるように、前記第1及び第2の線路が形成される。これによりダイポールアンテナの寸法を小さくすることができる。
接地導体に接続された平行な第1の線路要素の対と該対に直交する平行な第2の線路要素の対とで前記第1及び第2の線路が形成されてもよい。線路のパターンを簡易にすることで、歩留まりを向上させるだけでなく、線路を流れる信号の不要な反射をも効果的に抑制できる。
前記第2の線路要素の対が延在する長さは、前記第1の線路要素の対が延在する長さの2倍より短く形成される。これにより、第1の線路で形成されるアンテナがループアンテナでなくダイポールアンテナとして動作することを保障できる。
RFタグの接地導体は、当該RFタグが同行する物体の金属面に接続されてもよい。より安定した接地電位をRFタグに供給することで、RFタグの特性(アンテナ利得等)を向上させることができる。
前記第1及び第2の線路はマイクロストリップ線路で形成されてもよい。
本発明の一形態によるRFタグの製造方法では、隣接する第1及び第2の窓枠が形成され帯状に伸びた導電層を、柔軟性のあるフィルムに形成する工程と、第1の窓枠が形成された領域と窓枠が形成されていない導電層の領域とが対向するように前記フィルムを折り曲げ、前記フィルムを絶縁性のスペーサ材料に貼り付ける工程とが実行される。これにより、金属面を有する物体に同行してもよい小型のRFタグを簡易に製造することができる。
本発明の一形態によるRFタグの製造方法では、絶縁性のスペーサ材料板表面にダイポールアンテナを構成する第1の線路とインダクタを構成する第2の線路とを形成する工程と、前記スペーサ材料板裏面の接地導体と前記第1及び第2の線路とを電気的に接続するRFタグを製造する工程とが実行される。前記第1の線路上の分岐点及び接地導体間には給電回路が設けられ、前記第2の線路は前記第1の線路上の分岐点に接続され前記給電回路に並列に設けられる。これにより、既存のマイクロストリップ線路の製造工程を利用しながら、金属面を有する物体に同行してもよい小型のRFタグを製造することができる。
図1は本発明の一実施例によるRFタグの概略斜視図を示す。RFタグは、スペーサ10と、スペーサ10の正面及び上面に設けられた導電性の線要素と、線要素上に設けられた給電回路(BC間の破線内に設けられる)と、スペーサ10の下面(裏面)に設けられた接地導体(図2)とを有する。図2は導電性の線路と接地導体の位置関係を表す。
スペーサ10は例えば2.6のような所定の比誘電率を有し、長さL(例えば31mm)、幅W(例えば13mm)及び厚さT(例えば6mm)の所定の寸法の直方体形状を有する。数値は一例に過ぎず様々な数値が採用されてもよいが、概して本発明によれば長さLは使用される波長(UHF帯)の半分より短くて済む。
スペーサ10の正面及び上面には、導電性の線要素が形成されている。図示されているように直方体の辺に沿って導電性の線要素が設けられる。線要素は線路の全部又は一部分を示すために使用される。A,B,C,D,E,F,G,Hの各点を通る線路は第1の閉曲線(閉ループ)を形成し、ダイポールアンテナを構成する。電波の送受信及び情報の記憶及び処理を行う集積回路(給電回路とも呼ばれる)は、線要素BCの間に設けられる。
第1の閉ループ上に2つの分岐点C,Fが設けられ、点CF間も導電性の線要素で結合されている。この線要素CDを含む線路CFGHAは給電回路と電気的に並列な関係に位置し、インダクタを構成する。
動作原理が説明される。図2に示されるようにスペーサ10上の線路はスペーサ裏面の接地導体に電気的に接続している。従って、RFタグの動作時には接地導体側にイメージ電流が流れ、図2に示される線路は図3に示されるような線路として等価的に考えることができる。更に線要素CFを含むインダクタと、ダイポールアンテナを構成する部分とを分離すると、図3に示される線路は図4に示されるような線路として等価的に考えることができる。図4に示されるように、このRFタグは、点ABCDEGHKJAを通る1つの折り返しダイポールアンテナと、CF'を含む線路で形成される(給電回路に並列に設けられた)インダクタとを有する。後述のシミュレーション結果で示されるように、インダクタのインダクタンスは、線要素BD上での点Cの位置(図3では更に線要素GE上での点Fの位置)を変化させることで調整される。このインダクタンスを適切に調整することで、ダイポールアンテナと給電回路のインピーダンスを適切に整合させることができる。
図1,2に示される線要素のうち、電磁波の輻射に直接的に寄与するのは線要素AB及び線要素GHの部分である。従ってスペーサ材料10の厚みTが厚いほどアンテナの利得等の性能は良くなる。
上述したように線要素の長さW,L,Tは様々な値をとってもよいが、
W<2(L+T)
の関係を少なくとも満たす必要がある。これはアンテナがダイポールアンテナとして機能することを保障するためである。仮にW=2(L+T)であったとすると、アンテナはもはやダイポールアンテナではなくなり、ループアンテナとして機能することになる。本実施例で想定されている諸条件の下では、インダクタによるインピーダンス調整後のアンテナのインピーダンスは、図5に示されるようなスミスチャートの第1象限(I)に収まるべきである。図中白丸印はインピーダンス調整前のダイポールアンテナ(W<2(L+T))のインピーダンスを示す。線要素の分岐点Cの位置を変化させることでインダクタンスを変化させると、図中矢印で示されるようにインピーダンスが変化する。これに対して、ループアンテナのインピーダンスは第2象限(II)に属し、図中×印のような点に対応する。このアンテナに対して分岐点Cの位置を変化させてインダクタンスを変えても図中矢印で示されるようにしかインピーダンスは変化しない。このため、ループアンテナではインピーダンスを第1象限内に収めることは困難である。
図6A乃至6Dは本発明の一実施例によるRFタグの製造工程をそれぞれ示す。図6A乃至6Cでは平面図と側面図が示され、図6Dでは側面図のみが示されている。図6Aに示される工程では所定の物性を備えたスペーサ10が用意される。スペーサ10は例えば比誘電率2.6及び誘電損失(tanδ)0.008を有する。図6Bに示される工程では、蒸着のような周知の金属成膜技術を利用して、スペーサ10の上面及び下面の全面に導電層が成膜される。導電層は例えば5×10S/mの導電率を有する。図6Cに示される工程では、フォトリソグラフィのような周知のパターニング技術を用いて、スペーサ10の上面上の導電層がパターニングされる。このパターニングにより、図1,2に示されるような線路の大半(線要素AB及び線要素GH以外の全ての線要素)が形成される。線路はマイクロストリップ線路として形成されてもよい。図6Dに示される工程ではB点付近の線路からスペーサ10を貫通して裏面の導電層に至る貫通孔が形成される。同様にG点付近の線路からスペーサ10を貫通して裏面の導電層に至る貫通孔も形成される。これらの貫通孔には導電性材料が充填され、スペーサ上面上の線路と裏面の接地導体とが電気的に接続される。
なお、説明の簡明化のため、給電回路を設ける工程は省略されている。給電回路は図6Cの工程以後の適切な段階で線要素BC間に設けられてもよい。また、説明の簡明化のため、スペーサ上面の線路用の導電層と裏面の接地導体用の導電層とが同時に成膜されたが、それらは別々に作成されてもよし、異なる材料で作成されてもよい。
図7A乃至7Cは本発明の一実施例によるRFタグの製造工程をそれぞれ示す。図7Aに示される工程では帯状に伸びる導電層70が柔軟性のあるフィルム75に成膜される。本実施例ではフィルムに例えばポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムが使用されるが、導電層70を支持することができる適切な如何なるフレキシブルフィルムが使用されてもよい。なお、図6でもそうであるが、説明の便宜上膜厚は誇張して描かれていることに留意を要する。成膜は周知の適切な如何なる技法でなされてもよい。蒸着のような手法が使用されてもよいことに加えて、プリンタによる印刷技術等が使用されてもよい。
図7Bに示される工程では、導電層及びPETフィルムを貫通する2つの窓71,72が形成される。これらの窓周囲の窓枠が後に導電性の線路を形成することになる。本実施例ではPETフィルムに導電層を成膜した後で2つの窓を形成しているが、図7Aに示される工程の段階で、窓の形成された導電層がPETフィルム75に形成されてもよい。
図7Cに示される工程では、導電層及びPETフィルムがスペーサ10の上面、正面及び裏面に貼り付けられる。この場合に、導電層及びPETフィルム75は図7Bで破線で示される2箇所で90度曲げられる。このようにスペーサ10を基礎とせずに導電層が形成されてもよい。本実施例によればRFタグを簡易に製造することができるだけでなく、製造工程を変更する自由度を大きく広げることができる。例えば導電性のアンテナを用意する業者とスペーサを用意する業者は同一でもよいし別々でもよい。また、アンテナの加工とスペーサの加工を平行して行うこともできるので、これはスループットの観点からも好ましい。
図8はシミュレーションで想定されたRFタグを示す。図中の寸法を表す数字の単位はミリメートルである(幅13mm、長さ31mm及び厚さ6mm)。スペーサの上面及び正面には図1に示されるような導電性の線路のパターンが形成され、スペーサの裏面は理想的な接地導体に接続されているものとする。シミュレーションではチップ容量CCP(pF)、アンテナ抵抗Rap(Ω)及びアンテナ利得(dBi)が、線要素BC及びGFの様々な長さに対して算出された。アンテナの長さが典型的なUHF帯の波長(30cm程度)より非常に短い点に特に留意を要する。
アンテナと給電回路に関する等価回路は図9のように表せる。アンテナと給電回路(ICチップ)のインピーダンスが整合している場合には、両者の抵抗成分が互いに等しいことに加えて、アンテナ側のインダクタンスLapと給電回路側の容量CCPとの間に所定の関係が成立する。即ち、
ap=RCP;及び
ωLap=(ωCCP−1
である。ωは角周波数である。図8の線要素BC及びGF間の距離Sを変化させ、アンテナのインダクタンスLapを調整し、上記の関係が満たされるようにすることで、アンテナ及び給電回路のインピーダンスを整合させることができる。
図10は線要素長Sとそれに対応するチップ容量CCPとの関係を示す。線要素長Sが4.2mmから8mmに増えるにつれて、チップ容量CCPが0.86pFから0.54pFにほぼ直線的に減少していることが分かる。例えば950MHzのような典型的なUHF帯の動作周波数でのチップ容量CCPが0.6pF程度であったならば、線要素長Sは約7mmにすればよいことが分かる。
図11は線要素長Sとアンテナ抵抗Rapとの関係を示す。線要素長Sが4.2mmから8mmに増えるにつれて、アンテナ抵抗Rapは11.9kΩから12.9kΩにほぼ直線的に緩やかに増加していることが分かる。線要素長Sが約7mmであったならば、アンテナ抵抗は12.7kΩ程度になることが分かる。
図12は線要素長Sとアンテナ利得との関係を示す。線要素長Sが4.2mmから8mmに増えるにつれて、アンテナ利得は−2.45dBiから−1.99dBiにほぼ直線的に増加していることが分かる。線要素長Sが約7mmであったならば、アンテナ利得は−2.1dBi程度になることが分かる。
整合させるインピーダンスを決める要素(Rap,Lap及び利得)のうち、インダクタンスLap(容量CCP)が最優先して決定される。これがインピーダンスの整合性に最も重要だからである。アンテナの利得も重要であるが、仮にそれが高かったとしても給電回路と不整合の状態であったならば、高利得の恩恵を得ることは困難になる。
図13は図8に示されるようなRFタグの周波数特性を示す。800MHzから1.1GHzまで25MHz毎に算出されたインピーダンスが、スミスチャート上にプロットされている。950MHzでチップ容量が0.682pFの場合のインピーダンスは、図中の矢印で示されている。この場合の線要素長Sは6.2mm程度になる。図示されているように周波数を大きく変化させてもインピーダンスの変化はそれほど大きくないので、このRFタグは広帯域の製品用途にも使用可能である。
図14はRFタグの3つの接地方法の各々について、周波数及びチップ容量の関係を示す。シミュレーションではRFタグの裏面が、(1)無限に広い理想的な接地導体に接続されている場合、(2)10cm×10cmの金属板に接続されている場合及び(3)他の金属に接続されていない場合が想定されている。図示されているように、何れの接地方法であっても、周波数が800MHzから1.1GHzまで増加するにつれてチップ容量は約1.3pFから約0.7pFにほぼ直線的に減少している。従って接地方法をどのようにするかは、アンテナと給電回路のインピーダンスの整合性に大きな影響を与えないことが分かる。このことはRFタグの同行する物体が導電性を有していてもいなくても、RFタグのアンテナと給電回路のインピーダンスを整合させること自体は可能であることを意味する。従って本実施例によるRFタグが同伴してもよい製品は極めて多種多様に広がる。
図15はRFタグの3つの接地方法(上記の(1),(2),(3))の各々について、周波数及びアンテナ利得の関係を示す。何れも周波数が増加するにつれて利得も増加しているが、その増え方は接地方法に依存して異なる。周波数が800MHzから1.1GHzに増える場合に、(1)の接地方法では利得が約−5.5dBiから0dBiに増え、(2)の接地方法では利得が−9.5dBiから−1.5dBiに増え、(3)の接地方法では利得が−10.2dBiから−6.2dBiに増えている。このシミュレーション結果から、アンテナ利得を向上させる観点からは、より安定した接地電位を与える接地方法が有利であることが分かる。
更に、図14のシミュレーション結果によれば接地方法はアンテナと給電回路の整合性に大きな影響を与えないので、RFタグをできるだけ安定した接地電位に接続することが望ましい。このような観点からは、RFタグが同行する物体が金属筐体を有し、RFタグがその中に収容される場合には、図16に示されるようにRFタグが金属筐体に接続されることが望ましい。図示の例では、金属面161及び絶縁性の材料面162を有する筐体の中にRFタグが収容され、RFタグ裏面の接地導体が金属面161に接続されている様子が示されている。絶縁性の材料面162は例えばプラスチックから構成されてもよい。
図17A乃至HはRFタグのアンテナ、インダクタ、給電回路及び接地導体等に関する様々な変形例を示す。アンテナやインダクタを構成する導電性の線路の幅は説明済みの実施例のように全て均等に形成されてもよいし、図17A,17B,17Cに示されるように不均一な線幅でそれらが形成されてもよい。断線等の不具合に配慮する観点からは線幅を太くすることが望ましい。導電性の材料を節約する観点からは線幅を細くすることが望ましい。
給電回路(IC)はRFタグの上面側に設けられてもよいし、図17Dに示されるように正面側に設けられてもよい。但し、スペーサの厚みTは比較的薄く長さLは比較的長いので、ICの搭載工程の便宜を図る観点からはICを上面に搭載することが望ましい。
導電性の線路は直方体のスペーサの辺に沿っていてもよいし、図17E,Fに示されるように線路が上面や正面の上に形成されてもよい。また、平行な線路の間隔が場所によって異なっていてもよい。但し、線路を流れる信号に与える影響(反射等)をなるべく少なくする観点からは、線路の屈曲回数を少なくすることが望ましい。
インダクタを構成する線路は、ダイポールアンテナの線路を共有して設けられてもよいし、図17G,Hに示されるようにそれとは別に設けられてもよい。但し、インダクタの線路に関するイメージ電流が適切に形成されるように、線路の下に導体が存在することを要する。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (7)

  1. 端部が接地導体に接続され、電気的な閉ループを形成し、ダイポールアンテナを構成する第1の線路と、
    前記第1の線路上の分岐点及び接地導体間に接続された給電回路と、
    一端が前記分岐点に接続され、他端が前記第1の線路上の別の分岐点と接続されることで、前記給電回路に並列に設けられインダクタを構成する第2の線路とを備え、
    前記接地導体は、当該RFタグが同行する物体の金属面に接続されることを特徴とするRFタグ。
  2. 前記第1及び第2の線路が、所定の誘電率を有するスペーサ材料に設けられる
    ことを特徴とする請求項1記載のRFタグ。
  3. 前記第1及び第2の線路が、直方体の辺に沿う形状を有する
    ことを特徴とする請求項1記載のRFタグ。
  4. 前記第1及び第2の線路に流れる電流のイメージ電流が前記接地導体に流れるように、前記第1及び第2の線路が形成される
    ことを特徴とする請求項1記載のRFタグ。
  5. 接地導体に接続された平行な第1の線路要素の対と該対に直交する平行な第2の線路要素の対とで前記第1及び第2の線路が形成される
    ことを特徴とする請求項1記載のRFタグ。
  6. 前記第2の線路要素の対が延在する長さは、前記第1の線路要素の対が延在する長さの2倍より短い
    ことを特徴とする請求項1記載のRFタグ。
  7. 前記第ダイポールアンテナ及び前記給電回路のインピーダンスが整合するように、前記分岐点の位置が調整される
    ことを特徴とする請求項1記載のRFタグ。
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