JP4255493B2 - 無線タグ - Google Patents

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Description

本発明は、無線タグに関し、特にRFIDリーダライタと通信する非接触型の無線タグに関するものである。
近年、ICチップに格納した固有情報により物体の識別・管理を行うRFID(Radio Frequency Identification)システムの開発が盛んになって来ている。RFIDシステムにおいては、RFIDリーダライタから高周波の電波信号を送信し、固有情報の記憶されたICチップを備えた無線タグでその電波信号を受信し、再び無線タグからRFIDリーダライタに固有情報を送信している。
例えば、本や衣料等の商品に無線タグを貼り付けておくことにより、RFIDリーダライタを用いて各商品に貼り付けられた無線タグの固有情報を読み取ったり、逆に、固有情報を無線タグに書き込むことが出来る。
無線タグは、通常、ICチップとアンテナとで構成され、アンテナで高周波の信号を受信すると、ICチップ内に内蔵された整流部分で例えば3Ｖ程度のＤＣ成分に変換され、その電力で信号を処理し、さらにアンテナを介して送信させることが出来る。
信号の周波数は、13.56MHzをはじめ、最近では、900MHz、2.45GHzというように、より高い周波数が使用されるようになって来ている。
図5は、一般的に使用されている無線タグとしてのRFIDタグの一例を示したものである。同図のRFIDタグ300は、λ/2の長さを持つ平面回路型のダイポールアンテナ11と、ICチップ6とで構成されている。
ダイポールアンテナ11の形状やICチップ6のチップ内消費電力にもよるが、RFIDリーダライタ(図示せず)又は無線タグからの送信信号電力が１Ｗ程度であれば、両者は１ｍ程度の通信可能距離を持つ。
この他、無線タグの従来例としては、識別対象物の情報を格納する半導体チップと、その半導体チップの情報を外部に設けられた受送信装置との間で受送信可能な第一アンテナと、その第一アンテナと異なった周波数の電波を受信して動作可能な第二アンテナとを一体化したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
これは、例えば、識別用のタグと盗難防止用のタグとを一体化して取り扱いの利便性を向上させたものである。
また、シリンダ状のアンテナコイルの軸方向を互いに略直交に配置した2つの無線タグを固定手段により互いに固定することで、シリンダ状のアンテナコイルの軸方向を取付部材の取付面に対して略平行に配置した場合の送受信感度の方向性の制限を緩和したものもある（例えば、特許文献２参照。）。
これは、無線タグの取付対象物が渦電流により元の磁束を減衰する反対方向の磁束を発生し、無線タグの通信や電力搬送に影響を及ぼす金属等の導電性部材であった場合にも、漏洩電磁波を利用して導電性部材の影響を回避して送受信できるようにしたものである。
さらに、金属等の導電部材に無線タグを埋め込んでも送受信が可能な無線タグもある（例えば、特許文献３参照。）。
特開２０００−３３９４２２号公報 特開２００２−１８３６９５号公報 特開２００３−８５５１５号公報
上記の特許文献２及び特許文献３では、無線タグの取付対象物が金属等の導電性部材である場合の問題点を解決している。特に、上記の文献３では、金属等に埋め込んでも送受信可能な無線タグを開示している。
しかしながら、単に金属等の表面に貼り付けるのであれば、パッチアンテナを用いた無線タグを使用すれば良いことが知られている。
図6は、そのような一例として、パッチアンテナ2を用いたRFIDタグ400を示したものである。RFIDタグ400は、誘電体基板1の図示の上面に一辺の長さがλ/２からなる方形のパッチアンテナ2が形成されている。また、図示の下面には一面全体にグランド8が形成されており、パッチアンテナ2のグランドとして機能する。
パッチアンテナ2は、同じ面に設けられたマイクロストリップライン3を介してICチップ6と接続されており、このマイクロストリップライン3を介してICチップ6からパッチアンテナ2に給電されている。また、ICチップ6は、スルーホール7を介して下面のグランド8と接続されている。
同図のRFIDタグ400は、パッチアンテナ2が貼ってない面、すなわち下面のグランド8を金属物体に貼り付ければ、グランド8と金属物体が同電位になるのでパッチアンテナ2自身の電位は変化せず、従ってその入力インピーダンスは変化しない。このように、RFIDタグ400は金属物体に貼り付けて使用することが出来る。
図7は、この場合の電波受信の様子を模式的に示したものである。同図(1)に示す如く、金属物体20にグランド8の面を貼り付けた場合、パッチアンテナ2の面に到来する信号S1はパッチアンテナ2で受信することが出来る。当然のことながら、グランド8の面に到来する信号S2は、金属物体20によって遮断され反射されてしまうため、受信することが出来ない。
逆に、同図(2)に示す如く、パッチアンテナ2の面を金属物体に貼り付けると、パッチアンテナ2自身が金属物体の電位に接続されてしまうため、その入力インピーダンスが変化してしまうばかりか、グランド8が金属であるため、信号S1を反射してしまう。すなわち、金属物体20にパッチアンテナ2の面を貼り付けた場合、パッチアンテナ2の側に到来する信号S2もグランド8の面に到来する信号S1も受信することが出来ない。
従って、RFIDタグ400の場合、同図(1)に示す如く必ずグランド8の側を金属物体20に貼り付ける必要があり、また、電波の送受信はパッチアンテナ2が貼ってある上面方向（同図の信号S1の方向）のみ可能である。
また、RFIDタグ400は、貼り付け対象物が非金属であれば、パッチアンテナ2又はグランド8をその物体に貼り付けても良いが、この場合も、グランド8の面に入射する方向からの電波は金属であるグランド8によって反射されてしまう。
同図(3)及び(4)は、それぞれ、グランド8及びパッチアンテナ2が非金属物体30に接するようにRFIDタグ400を貼り付けた場合の信号受信の様子を模式的に示したものである。
いずれの場合も、信号S1及びS2が共にRFIDタグ400まで到達しているにも関わらず、同図(3)に示す如くグランド8を非金属物体30に貼り付けた場合には、同図の信号S1はパッチアンテナ2で受信可能であるが、信号S2はグランド8で反射されてしまい、受信することが出来ない。逆に、同図(4)に示す如く、パッチアンテナ2を非金属物体30に貼り付けた場合には、同図の信号S2は受信可能であるが、信号S1はグランド8で反射されてしまい、受信することが出来ない。
これに対し、上記の図５に示したRFIDタグ300は、金属物体に貼り付けると、ダイポールアンテナ11の入力インピーダンスが大きく変化してしまい、通信距離が極端に短くなるか、あるいは全く通信出来なくなるという問題があるが、貼り付け対象物が金属でなければヌルの方向A及びBを除く全方向に対して指向性を有する。
従って、非金属物体に貼り付ける場合には、RFIDタグ400よりもRFIDタグ300の方が適している。
ここで、無線タグを貼り付ける対象物に金属物体と非金属物体が混在している場合を想定すると、非金属物体に貼り付ける無線タグの指向性を一方向に限定したくなければ、金属物体用及び非金属物体用の2種類の無線タグ(例えば、図６のRFIDタグ400及び図５のRFIDタグ300)を準備する必要がある。
この場合、貼り付ける時点で、貼り付け対象物が金属であるか否かを見分ける必要がある。もしも、間違えて金属物体に非金属物体用のRFIDタグ300を貼り付けてしまうと、上記の如く、通信距離が極端に短くなるか、あるいは全く通信できなくなる。
逆に、非金属物体に金属物体用のRFIDタグ400を貼り付けてしまうと、貼り付け面がパッチアンテナ2であるかグランド8であるかに関わらず、図7(3)及び(4)に示したように、一方の面のみの電波送受信しか行なえず、本来貼り付けるべきであった非金属物体用のRFIDタグ300で期待される全方向（但しヌルの方向を除く）の指向性が得られないという問題がある。
また、一種類の無線タグを金属物体及び非金属物体に共通して使用するのであれば、例えば図6のRFIDタグ400を用いることは可能である。しかしながら、この場合、上記の通り非金属物体に貼り付ける場合のRFIDタグ400の指向性は図5のRFIDタグ300と比較して弱いという問題がある。
従って、本発明は、金属・非金属両用の無線タグを非金属の対象物に貼り付ける場合における電波送受信の指向性を向上させることを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明に係る無線タグは、誘電体基板の一方の面に配置したパッチアンテナと、該誘電体基板の他方の面に配置したグランド面に一体形成したスロットアンテナと、該パッチアンテナ及び該スロットアンテナと給電線路であるマイクロストリップラインを介して接続されたICチップと、を備え、該パッチアンテナ及び該スロットアンテナは、該スロットアンテナに対して該パッチアンテナが反射板にならないように互いに重複せずにずれて配置されていることを特徴としている。
これにより、無線タグを取り付ける対象物が金属である場合には、従来と同様に、グランド面を対象物である金属に貼り付ければ、パッチアンテナの入力インピーダンスの変化は無いため、パッチアンテナを介して電波を送受信することが可能となる。
また、無線タグを取り付ける対象物が非金属である場合には、パッチアンテナ及びスロットアンテナのいずれを貼り付けてもよく、電波の到来方向がパッチアンテナの場合はパッチアンテナを介して、また、電波の到来方向がスロットアンテナの場合はスロットアンテナを介して電波をそれぞれ送受信でき、マイクロストリップラインを介してICチップの信号送受信を実現することができる。
このように、上記の金属・非金属両用の無線タグによれば、非金属の対象物に貼り付けた場合における電波送受信の指向性を向上させている。
なお、上記の如く、非金属の対象物に貼り付ける面はパッチアンテナ側でもスロットアンテナ側でもどちらでも良いが、貼り付ける面をグランド面の側と定めておくことにより、対象物が金属であるか否かを確認する必要が無くなる。
上記のパッチアンテナ及び上記のスロットアンテナが送受信する電波の周波数は同一であってもよい。
上記のICチップは上記のパッチアンテナと同一面に設置すればよく、該誘電体基板に設けたスルーホールを介して該グランド面と接続すればよい。
上記のマイクロストリップラインは上記のパッチアンテナと同一面に設置すればよく、上記のスロットアンテナと非接触の給電部を介して電磁的に接続すればよい。
実施例(1)：給電線路をマイクロストリップラインとするもの
図1は、本発明の実施例(1)として、給電線路をマイクロストリップライン3とするRFIDタグ100を示したものである。
同図のRFIDタグ100は、図6に示した従来のRFIDタグ400と同様に、誘電体基板1の図示の上面に一辺の長さがλ/２からなる方形のパッチアンテナ2が形成されている。また、図示の下面には一面全体にグランド8が形成されており、パッチアンテナ2のグランドとして機能する。
パッチアンテナ2は、同じ面に設けられたマイクロストリップライン3を介してICチップ6と接続されており、このマイクロストリップライン3を介してICチップ6からパッチアンテナ2に給電されている。また、ICチップ6は、スルーホール7を介して下面のグランド8と接続されている。
RFIDタグ100が従来のRFIDタグ400と異なる点は、図1に示す如くグランド8の面内に送受信周波数をパッチアンテナ2と等しくしたスロットアンテナ5が形成されている点である。また、ICチップ6とパッチアンテナ2とを接続しているマイクロストリップライン3は図示の如く分岐点Xで分岐しており、結合部4によって下面のスロットアンテナ5と電磁的に結合されている。
このようなRFIDタグ100を金属物体に貼り付ける場合は、グランド8の面と金属物体とを貼り合わせることにより、パッチアンテナ2を介してRFIDリーダライタ(図示せず)と電波信号を送受信することが出来る。
この場合の電波信号受信の様子は、従来のRFIDタグ400の場合と同様であり、図7(1)の如く、金属物体20にグランド8の側を貼り付けた場合、パッチアンテナ2の側に到来する信号S1は受信することが出来る。また、RFIDタグ100を用いた場合でも、グランド8の側に到来する信号S2は、金属物体20によって反射されてしまうため、従来と同様に受信することは出来ない。
また、RFIDタグ100を非金属物体に貼り付ける場合は、どちらの面を貼り付けても良く、どちらの面からもRFIDリーダライタとの間で電波信号を送受信することが出来る。すなわち、パッチアンテナ2に対面する方向にRFIDリーダライタがある場合は、パッチアンテナ2を介してRFIDリーダライタとの通信が可能であり、逆にグランド8に対面する方向にRFIDリーダライタがある場合は、スロットアンテナ5を介してRFIDリーダライタとの通信が可能である。
この場合の信号受信の様子を、図2を用いて以下に説明する。
同図(1)は、従来のRFIDタグ400について示した図7(3)に対応するものであり、グランド8を非金属物体30に貼り付けた場合に、信号S1及びS2が共に受信可能である様子が示されている。すなわち、図7(3)に示す如く従来のRFIDタグ400を用いた場合、信号S2はグランド8で反射されてしまい、受信することが出来なかったが、図2(1)に示す如くRFIDタグ100を用いれば、信号S2はグランド8に形成されたスロットアンテナ5から受信することが可能である。
また、図2(2)は、従来のRFIDタグ400について示した図7(4)に対応するものであり、パッチアンテナ2を非金属物体30に貼り付けた場合に、信号S1及びS2が共に受信可能である様子が示されている。すなわち、図7(4)に示す如く従来のRFIDタグ400を用いた場合、信号S1はグランド8で反射されてしまい、受信することが出来なかったが、図2(2)に示す如くRFIDタグ100を用いれば、信号S1はグランド8に形成されたスロットアンテナ5から受信することが可能である。
このように、貼り付け対象物が非金属である場合、従来と比較して電波送受信の指向性が向上している。
実施例(2) 給電線路をコプレーナラインとするもの
図3には、実施例(2)として、給電線路をコプレーナラインとしたRFIDタグ200が示されている。このRFIDタグ200と上記の実施例(1)のRFIDタグ100との違いは、図1に示したRFIDタグ100におけるマイクロストリップライン3の代わりに、図3に示したRFIDタグ200では、中心導体9とグランド10から成るコプレーナラインを用いている点である。また、コプレーナラインのグランド10とパッチアンテナ2に対応するグランド8とは、スルーホール７を介して同電位になっている。
上記の実施例(1)の如く給電線路がマイクロストリップライン3である場合、給電線路の特性インピーダンスは、誘電体基板1の比誘電率εr及び厚さtによって決まり、マイクロストリップライン3の幅は誘電体基板1の厚さtと比例関係にあることから、誘電体基板1が薄い場合にはマイクロストリップライン3の幅を狭くする必要がある。しかしながら、マイクロストリップライン3の幅が狭すぎると給電損失が大きくなるという問題がある。
これに対し、実施例(2)の様にコプレーナラインを使用すると、給電線路の特性インピーダンスは、誘電体基板1の厚さtとは無関係に中心導体9の幅と両サイドのグランド10同士間の距離との比で決まる。従って、誘電体基板1が非常に薄い場合でも中心導体9の線路幅を給電損失が大きくなり過ぎないように、無理なく設定することが出来る。このように、コプレーナラインを使用すれば、設計の利便性が向上する。
上記の実施例(1)のRFIDタグ100と同様に、実施例(2)のRFIDタグ200についても、貼り付け対象物が非金属である場合、従来と比較して電波送受信の指向性が向上している。
従来例と本発明の比較
図4は、従来のRFIDタグ400と本発明のRFIDタグ100及び200とをそれぞれ金属及び非金属に貼り付ける場合の貼り付けの可否及び指向性についてまとめた表であり、貼り付け面をグランド8の面にする場合とパッチアンテナ2の面にする場合に分けて示されている。
同図から明らかなように、金属に貼り付ける場合も非金属に貼り付ける場合も、貼り付けの可否については、従来のRFIDタグ400と本発明のRFIDタグ100及び200との違いは無い。
すなわち、金属に対しては、グランド8の面のみ貼り付け可能であり、非金属であれば、グランド8の面及びパッチアンテナ2の面共に貼り付け可能である。
また、金属に貼り付ける場合に関しては、指向性についても、従来のRFIDタグ400と本発明のRFIDタグ100及び200とは同様である。
すなわち、金属にグランド8の面を貼り付ける場合の指向性は、図7(1)に示す如く信号S1のみ受信可能である。なお、金属にパッチアンテナ2の面を貼り付けると、図7(2)に示す如く信号S1及びS2共に受信不可である。
非金属に貼り付ける場合の指向性については、従来のRFIDタグ400では、グランド8の面を貼り付けると図7(3)に示す如く信号S1のみ受信可能であり、逆に、パッチアンテナ2の面を貼り付けると図7(4)示す如く信号S2のみ受信可能である。
これに対し、本発明のRFIDタグ100及び200では、非金属にグランド8の面及びパッチアンテナ2の面のいずれを貼り付けても、図3(1)及び(2)に示す如く信号S1及びS2共に受信可能である。
以上説明したように、本発明に係る無線タグは、金属・非金属両用の無線タグであり、非金属の対象物に貼り付ける場合における電波送受信の指向性を大きく向上させることができる。
本発明に係る無線タグの実施例(1)を示した図である。 本発明に係る無線タグの効果を説明するための断面図である。 実施例(2)を示した図である。 従来の無線タグと本発明に係る無線タグの特徴を比較する図である。 従来の平面回路型ダイポールアンテナを使用した無線タグを示した図である。 従来のパッチアンテナを使用した無線タグを示した図である。 図6のRFIDタグ400を金属及び非金属の対象物に貼り付ける場合の信号の受信形態を模式的に示した断面図である。
符号の説明
1 誘電体基板
2 パッチアンテナ
3 マイクロストリップライン
4 結合部
5 スロットアンテナ
6 ICチップ
7 スルーホール
8 グランド
9 中心導体（コプレーナライン用）
10 グランド（コプレーナライン用）
11 ダイポールアンテナ
100, 200, 300, 400 RFIDタグ
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (4)

  1. 誘電体基板の一方の面に配置したパッチアンテナと、
    該誘電体基板の他方の面に配置したグランド面に一体形成したスロットアンテナと、
    該パッチアンテナ及び該スロットアンテナと給電線路であるマイクロストリップラインを介して接続されたICチップと、
    を備え、該パッチアンテナ及び該スロットアンテナは、該スロットアンテナに対して該パッチアンテナが反射板にならないように互いに重複せずにずれて配置されていることを特徴とする無線タグ。
  2. 請求項１において、
    該パッチアンテナ及び該スロットアンテナが送受信する電波信号の周波数が同一であることを特徴とする無線タグ。
  3. 請求項１において、
    該 IC チップが該パッチアンテナと同一面に設置され、該誘電体基板に設けたスルーホールを介して該グランド面と接続されていることを特徴とする無線タグ。
  4. 請求項３において、
    該マイクロストリップラインが該パッチアンテナと同一面に設置され、該スロットアンテナと非接触の給電部を介して電磁的に接続されていることを特徴とする無線タグ。
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