JP4261065B2 - 環境からタグを磁気的に切り離すための並列共振回路を持つｒｆｉｄタグ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
識別および／または盗難防止のための商品へのタグの取付けは既知である。例えば多くの商品は、スキャナーの視野内にバーコードを通すことによって読み取られる符号化情報を有するバーコードを使用して識別される。多くの商品はまた、盗難検出および防止に使用される共振トランスポンダ、または共振タグを含む。より最近、独特のまたは準独特の識別符号を返す受動共振タグが開発されてきた。
【０００２】
【従来の技術】
これらのタグは、一般的に識別符号を記憶する集積回路（ＩＣ）を含む。このような「インテリジェント」タグは呼掛機または読取り機のゾーン内に検出されるところの、そのタグが関係する商品または人物についての情報を与える。タグは、それらが迅速にそして遠方から呼掛けることができるので望ましい。米国特許No.５，４４６，４４７（Carney他）、５，４３０，４４１（Bickley他）および５，３４７，２６３（Carroll他）は、このようなインテリジェントタグの三つの例を開示している。
【０００３】
無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグまたはカードは、一般にＩＣに電気的に接続されるアンテナ共振回路を含む。ＩＣは本質的にデジタル符号化情報を記憶するプログラム可能メモリーである。呼掛機（送信アンテナ）は、ＲＦＩＤタグの共振周波数における電磁フィールドを創る。タグが呼掛機（トランスポンダ）のフィールドの中に置かれた時、タグの共振アンテナ回路にＡＣ電圧が誘起され、それはＩＣに内部ＤＣ電圧を与えるためＩＣによって整流される。
【０００４】
タグが呼掛機のフィールドの中へ移動するにつれて、誘起電圧が増加する。内部ＤＣ電圧がＩＣの適当な動作を保証するレベルに到達すると、ＩＣはその記憶データを出力する。そのデータを出力するために、ＩＣはタグの共振周波数を変更しそしてタグを動作周波数から離調させる、アンテナ回路中の余分なコンデンサまたはインダクタをパルスの期間中にスイッチインまたはスイッチオフすることにより、一連のデータパルスを作る。すなわち、タグはそれ自身を離調させることによってデータパルスを創り、そのことはタグに消費されるエネルギー量を変化する。呼掛機はそのフィールドでのエネルギーの消費を検出し、そしてその変化をデータパルスとして翻訳する。
【０００５】
このようなＲＦＩＤタグまたはカードは既知であるが、このようなタグの動作に関連する技術的な困難と限界が依然としてある。呼掛機の呼掛ゾーン内部で多数のＲＦＩＤタグを読取る試みについての一つの問題は、一つを超えるタグが略同時に呼掛機によって作動されるであろう、ということである。このような複数タグが互いに隣接して配置されると、一つのタグによって発生されるフィールドは別のタグによって発生されるフィールドを擾乱してしまう。相互誘導のこの問題は、上記のように、離調によってそれらの情報を送信するＲＦＩＤタグの場合、特に重大である。
【０００６】
その結果、タグについての効果的な読取り距離は低下し、かつ、そのような変調が共振している（またはそれに近い）タグに依存するという事実により、タグの変調が完全に効力のないものと成り得る。こうして、他のタグによって起こされるこのような離調は、格納されている情報の読取りを不可能にし、若しくは殆ど不可能にするであろう。
【０００７】
長距離読取りの適用は、高度に変調されたＡＭフィールドを必要とする。高度なＡＭ変調は、アンテナ磁界に最大のフィールド擾乱を与えることによって得られる。
【０００８】
最大フィールド擾乱（振幅の差の最大で表される）は、タグの負荷の効果が各フィールドの擾乱後に完全に取り除かれる時、および読取られるタグからの信号が他のタグからの雑音または干渉に混合されないか、あるいはそれらによって減衰されない時に得られる。それ故、タグをその環境から効果的に切り離さない従来の方式は、長距離の読取りを与えることはできない。
【０００９】
付近のタグを擾乱し、または影響を与えるＲＦＩＤタグ発生のフィールドの問題を最小化する取り組みは、ここにそれを参照することによってその全文を本件に組み入れた１９９８年３月５日出願で現在係属中の米国特許出願No.０９／０３５，０２７、表題「ＲＦＩＤタグを磁気的に切り離す装置」に記述されている。
【００１０】
この取り組みにおいては、ＲＦＩＤトランスポンダがデータを記憶する集積回路と、集積回路に電気的に接続されたインダクタを含む。インダクタは、第二コイルに電気的に接続された第一コイルを含む。
【００１１】
その共振コンデンサは、集積回路並びに第一および第二コイルの少なくとも一方に、その共振コンデンサと少なくとも一つの接続されたコイルが第一の所定共振周波数を持つように、電気的に接続される。
【００１２】
第一位置および第二位置を持つスイッチが、第二コイルを通して選択的に電流を流すために設けられている。スイッチが第一位置にある時、トランスポンダを第一共振周波数での、またはその付近の外部フィールドに曝すことは、インダクタ内に電圧を誘起し、インダクタを通して第一電流を第一方向に流し、それによって局所フィールドを発生する。
【００１３】
スイッチが第二位置にある時、トランスポンダを第一共振周波数でのまたはその付近の外部フィールドに曝すことはインダクタ内に電圧を誘起しおよびインダクタを通して第一電流を第一方向に流し、それによって第一局所フィールドを発生しかつ第二コイルを通して第二電流を第二の反対方向に流し、それによって第二局所フィールドを発生する。第一および第二局所フィールドの和はゼロに近づく。
【００１４】
このフィールド打ち消し（キャンセル）する技術は実行可能（フィージブル）ではあるが、幾つかの欠点を持つ。例えばこの回路の実行は、１ターンコイル中に略３倍大きい電流を要する１ターンコイルと直列に接続された３ターンコイルを使用する。このことは、特に低インピーダンススイッチが１ターンコイルの両端間に接続されなければならない時、達成するのが困難である。そのフィールド打ち消し技術はまた、コイル間の相互結合が臨界状態にありかつ実験的に調節されなければならないので設計の柔軟性を制限する。
【００１５】
従って、近傍の他のＲＦＩＤタグまたは他の共振カード若しくはタグに擾乱を与えまたはそれに影響を及ぼすフィールドの発生から、ＲＦＩＤタグを防止する代わりの方法の必要性がある。本発明は、この必要性を満たすものである。
【００１６】
【発明の概要、発明が解決したい課題、課題解決手段、発明の効果】
本発明は、直列に接続された第一インダクタと第二インダクタ、第一コンデンサ、第二コンデンサおよびスイッチを含むトランスポンダを提供する。第一共振回路および第二回路が、トランスポンダ中に形成される。第一共振回路は、直列接続第一および第二インダクタと第一コンデンサの並列接続から形成される。第一共振回路は、一次共振周波数を持つ。
【００１７】
第二回路は、第二コンデンサとスイッチの直列接続から形成される。第二コンデンサとスイッチの直列接続は、第二インダクタと並列に接続される。詳細には、直列接続の第二コンデンサとスイッチの一端部は、直列接続の第一および第二インダクタ間の共通接続部に接続される。
【００１８】
スイッチが開路の時、第二回路はトランスポンダに対して最小の影響かまたは全く影響を及ぼさず、第一共振回路は、トランスポンダが一次共振周波数においてまたはその付近で外部フィールドに曝された時、一次共振周波数で共振する。スイッチが閉路の時、第二回路は一次共振周波数における電流を阻止するかまたは最小にするように働く高インピーダンス並列共振回路を規定し、それによってトランスポンダが外部回路から如何なる顕著な量の電力を受けることを防止し、および一次共振周波数で共振することを防止する。トランスポンダは、それによってその環境から切り離される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の前記の概要および好ましい実施例の以下の詳細な記述は、添付図面と関連して読む時より良く理解されるであろう。本発明を図示する目的で、図面には現在の好ましい実施例が示されている。しかしながら本発明は示された精密な配列と手段に限定されるものではない、ということが理解されるべきである。
ここでは或る用語が利便性のためのみに使用されるるが、本発明の限定として取られるべきではない。図面において、同一参照数字は各図を通して同一要素を表すように用いられている。
【００２０】
図１および２は、本発明の一つの好ましい実施例の等価回路図である。図１および２は、同じ回路を表しているが、異なる状態にある。図１および２の回路は詳細に記述され、回路図の動作の理論の議論が続く。ここに記述された本発明の実施例は、無線周波識別（ＲＦＩＤ）タグ、すなわちトランスポンダと共に使用される。
【００２１】
図１は、ＲＦＩＤ読取り器すなわち呼掛機（以後、「呼掛機１０」）、および共振ＲＦＩＤデバイス、タグすなわちトランスポンダ（以後、「トランスポンダ１２」）の等価電気回路図である。呼掛機（インテロゲータ）１０は電磁フィールドを発生させる送信器コイル、すなわちアンテナ１６に電気的に接続された電圧源１４を含む。アンテナ１６は主にインダクタンスＬ０によって規定されるが、また共に直列ＲＬＣ回路を規定する等価直列抵抗Ｒ０と静電容量Ｃ０も持つ。これらの構成要素はループ０として標示され、電流Ｉ０を持つ電流ループを規定する。
【００２２】
呼掛機１０とトランスポンダ１２は、図１に相互インダクタンスＭ０Ｔとして示される誘導結合によって繋がる。誘導結合によって共振タグすなわちトランスポンダと繋がる呼掛機は、この技術分野では良く知られている。例えば呼掛機は、ここに参照することによりその総てを本件中に完全に組み込んだ、いずれもWaltonに与えられた米国特許No.３，７５２，９６０、３，８１６，７０８および４，５８０，０４１に記述されている。従って、呼掛機１０は詳細には示されず、また記述されない。
【００２３】
呼掛機１０はトランスポンダ１２の共振周波数において、またはその付近で電磁フィールドを確立する、と言えば十分である。電磁フィールド内部に位置するぐらいに、トランスポンダ１２が呼掛機１０に十分近い時、電圧がトランスポンダ１２に誘起される。以下に詳細に説明するように、トランスポンダ１２が呼掛機１０によって創られるフィールド内へ移動するに従い、その誘起電圧は増加し、トランスポンダ１２に電力を供給するのに十分なトランスポンダ１２内部の電圧レベルが到達されるようになる。そしてその所望の目的に従ってデバイスを機能させる。
【００２４】
呼掛機１０は、一対のコンピュータ化ペデスタルとして、手持ちのＲＦＩＤスキャナー（図示せず）として、またある別の方法で、物理的に実行されるであろう。
【００２５】
呼掛機１０によって発生される呼掛信号は、周期的またはパルス的信号とは対照的に、一般に連続信号であること好ましい。呼掛ゾーンは、その中でトランスポンダ１２に電力を供給するのに十分な電圧がインテリジェントトランスポンダ１２中に誘起されるところの、電磁フィールド内部の区域である。
【００２６】
こうして、呼掛ゾーンの大きさは少なくとも部分的に、電磁フィールドの強さによって画定される。呼掛機１０は、一般に呼掛ゾーン内部に配置される複数のトランスポンダ１２（およびそれらの関連商品）からの送信を検出できる。
【００２７】
インテリジェントデバイスまたはトランスポンダは一般に知られており、広い範囲の用途に適用できる。米国特許No.５，４３０，４４１（Bickley他）は、呼掛信号に応じてデジタル符号化された信号を送信する応答タグを開示している。Bickley他によるタグは、複数の絶縁層と伝導層から構成された堅い基板を有し、および基板の孔の内部に完全に埋め込まれた集積回路と伝導性の箔経跡に接着されたタブを含む。トランスポンダ１２の物理的構造は、図３および４に関して以下に記述される。
【００２８】
本発明のトランスポンダ１２は、集積回路（ＩＣ）１８に電気的に接続されたアンテナ回路２０を有する。アンテナ回路２０は、以下により詳細に説明するように呼掛機１０の無線周波数に応答する所定の無線周波数（ＲＦ）で共振する共振回路を有する。
【００２９】
アンテナ回路２０は、一つ以上のコンデンサ素子に電気的に接続された一つ以上の誘導素子を有しても良い。好ましい実施例では、アンテナ回路２０は、ループ１として標示される直列電流ループ状の、コンデンサ素子すなわち一次共振コンデンサ２４（ＣＴ）と電気的に接続された一個の誘導素子、インダクタすなわちコイル２２（ＬＴ）の組合せによって形成される。 インダクタ２２は、実際には図２に明示されるように直列に結ばれた二つのコイルより成る。インダクタ２２と共振コンデンサ２４（ＣＴ）は、ＩＣ１８と並列に接続される。
【００３０】
この技術分野において通常の技倆を有する者に良く知られるように、アンテナ回路２０の動作周波数はインダクタ２２と共振コンデンサ２４の値に依存する。インダクタ２２の大きさとコンデンサ２４の値は、アンテナ回路２０の望ましい共振周波数に基づいて決定される。本発明の一つの実施例では、トランスポンダ１２は１３．５６ＭＨｚで動作するように構成される。
【００３１】
トランスポンダ１２は１３．５６ＭＨｚで共振することが好ましいが、トランスポンダ１２は他の周波数でも共振するように構成でき、トランスポンダ１２の正確な共振周波数は本発明の限定事項であるとは意図されない。こうして、この技術分野において通常の技倆を有する者にとって、アンテナ回路２０は１３．５６ＭＨｚ以外の無線周波数で、および実際にマイクロ波周波数のような他の周波数で動作できる、ということは明らかであろう。
【００３２】
電力損失に依るインダクタ２２の等価直列抵抗を表す抵抗体２６（ＲＴ）が、インダクタ２２と直列に接続され示されている。更に、アンテナ回路２０は一個の誘導素子、すなわちインダクタ２２と一個のコンデンサ２４を有するけれども、多数のインダクタとコンデンサ素子もまた採用できるであろう。例えば多重素子共振回路は、ここに参照することにより本件に組み入れられた、米国特許No.５，１０３，２１０（ローデ他）、表題「電子安全システムと共に使用される作動化／不作動化安全タグ」に開示されているような、電子安全および監視技術において知られている。
【００３３】
好ましいアンテナが記述されたが、この技術分野において通常の技倆を有する者には、この開示から、ＩＣ１８への、又は、からの結合エネルギーについての如何なる手段も使用し得る、ということが明らかであろう。
【００３４】
図２を参照して、トランスポンダ２０はまた第二電流ループ径路であるループ２を含む。ループ２は、スイッチ３０（Ｓ１）と直列の第二コンデンサ２８（ＣＳＷ）を含む。抵抗体３２（ＲＳＷ）は、コンデンサ２８およびスイッチ３０と直列に接続されて示されている。抵抗体３２は、電力損失に依るこれらの構成要素の等価直列抵抗を表す。上記のように、インダクタ２２は実際には図２に明示されるように直列に結ばれた二つのコイルより成る。ループ２は二次コンデンサ２８（ＣＳＷ）、インダクタ２２の二つのコイルの一方とその等価抵抗（図２により詳細に示される）、抵抗体３２（ＲＳＷ）およびスイッチ３０（Ｓ１）を含む。図１において、スイッチ３０（Ｓ１）は開路すなわちオフであり、ループ２はインダクタ２２（ＬＴ）およびコンデンサ（ＣＴ）によって規定される共振回路の動作に影響を与えない。
【００３５】
図２は、スイッチ３０（Ｓ１）が閉路すなわちオンである状態での等価回路を示す。図２はまた、直列に繋がれた二つのインダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）および２２2（Ｌ２Ｔ）より成るインダクタ２２をより詳細に示す。インダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）は一次コイルであり、インダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）は二次コイルである。二次コンデンサ２８（ＣＳＷ）は二つのインダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）とインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）間の接続点に接続されているスイッチ３０（Ｓ１）と直列である。
【００３６】
インダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）とインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）は、相互インダクタンスＭ１２を介して互いに結合されている。二つのインダクタコイルの直列組合せは、一次共振コンデンサ２４（ＣＴ）と並列である。図１の抵抗体２６は、図２でそれぞれのインダクタ２２1と２２2に対応する等価抵抗２６1と２６2によって表されている。ループ２はより明確に図２に規定され、コンデンサ２８（ＣＳＷ）、インダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）、抵抗体２６2（Ｒ２Ｔ）、抵抗体３２（ＲＳＷ）、およびスイッチ３０（Ｓ１）を含む。
【００３７】
スイッチ３０が閉じた時、並列共振回路３４がコンデンサ２８（ＣＳＷ）およびインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）によって形成される。上に議論したように、並列共振回路３４のインピーダンスは理想的には無限大である。しかしながら構成要素とスイッチ３０（Ｓ１）中の抵抗損失が実現し得る最大インピーダンスを制限するので、抵抗体２６2（Ｒ２Ｔ）および抵抗体３２（ＲＳＷ）によって表現される。
呼掛機１０とトランスポンダ１２の構造を規定した上で、二つの等価回路の動作理論を以下に説明する。
【００３８】
トランスポンダの共振周波数がその一次共振周波数、すなわち基本周波数、ここでは１３．５６ＭＨｚからずっと遠くに移動された時、トランスポンダ１２は呼掛機１０に対して僅かなまたはゼロの負荷効果しか持たず、かつ一次共振周波数におけるフィールド共振への僅かなまたはゼロの影響しか持たないであろう。より重要なことは、トランスポンダ１２は隣接している他のトランスポンダへの僅かなまたはゼロの影響しか持たないであろう。トランスポンダはこうしてその環境から切り離され、すなわち「覆い隠される」（クロークされる）であろう。
【００３９】
共振回路は、それがどのように接続されるかによって、選択的に短絡されまたは開放され得る。直列共振回路はその共振周波数において短絡回路を形成し、並列共振回路はその共振周波数において開放回路を形成する。本発明はトランスポンダの共振周波数において開放回路を形成するために、コンデンサ２８（ＣＳＷ）とインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）を有する高インピーダンス（理想的には無限大インピーダンス）二次共振回路を使用する。スイッチ３０（Ｓ１）は、開放回路を形成するために閉路すなわちオン位置（図２）になければならない。開放回路はＬ１ＴをＣＴから断路するように機能し、それによってトランスポンダ１２を一次共振周波数における共振から妨げる。
【００４０】
スイッチＳ１が閉路した時、ループ１（Ｉ１）またはループ２（Ｉ２）には僅かなないし殆どゼロの電流しか流れない。（この議論はここでは理想状態を仮定している。実際にはＩ１およびＩ２はゼロではないが、無視し得る値である。）開放回路には電流は流れないのでトランスポンダ１２は周囲の電磁フィールドから電力を受けず、そして読取り器を混乱させるであろうフィールド中の如何なる擾乱も創らない。こうして、高インピーダンス並列共振回路が閉成される時、トランスポンダ１２は僅かなまたはゼロのエネルギーしか消費せず、それゆえシステム受信アンテナに僅かなまたはゼロの影響しか有せず、実質的に磁気環境から取り除かれる。
【００４１】
スイッチＳ１が開放すなわちオフ状態にある時（図１）、二次共振回路は影響を与えず、故にトランスポンダ１２は通常の仕方で一次共振周波数で共振する。
【００４２】
スイッチＳ１は、二つの異なる機能を実施できる。第一に、スイッチＳ１は、一次共振周波数信号の受信時にトランスポンダ１２が作動するように、開路位置に置かれ、そこに維持されるか、またはそれは、トランスポンダ１２を永久的に閉止し（すなわちトランスポンダ１２を休止させる）それによって環境との干渉を防止するように、閉路位置に置かれそこに維持されるであろう。
【００４３】
第二に、スイッチＳ１は、記憶データが読取り器に送信されるようにＬＴとＣＴを有するアンテナ回路を同調し、および離調するために、記憶データパターン（例えばトランスポンダ１２のＩＣチップ１８に記憶された識別データ）に従って開路位置と閉路位置間で選択的に移動させられてもよい。
【００４４】
こうして、本発明では、アンテナ回路を同調・離調する変調コンデンサの代わりにスイッチＳ１を使用してデータを読取り器に送信するであろう。変調期間および覆い隠し（クローキング）の期間でのトランスポンダの状態であるスイッチの閉路位置においては、トランスポンダ１２は本質的に環境から取り除かれる。
【００４５】
こうして、スイッチＳ１は閉路位置にある時、次のように二つの目的に役立つ。
【００４６】
（１）瞬間的に閉路することにより、それはＩＣ１８の内部符号をＲＦ搬送波を振幅変調し、その結果トランスポンダ１２からの情報を伝えるために使用される。長距離の読取りへの適用は、高度に変調されたＡＭフィールドを必要とする。この方式は、トランスポンダ１２が呼掛機１０上に持つ負荷効果を選択的に取り除くことによってアンテナ磁界への最大の擾乱を与えることにより、高い量のＡＭ変調を提供する。
【００４７】
（２）それはトランスポンダ１２を環境から切り離し、それによってトランスポンダ１２が近隣のトランスポンダが離調するか、覆う（シャドウ）か、または干渉することの危険性を最小にするために使用される。トランスポンダ１２はこうして多くのタグ取付け商品が互いに物理的に接近して置かれ、そしてこれら総ての商品の識別符号を読取ることが望ましい小売り店舗のような環境に特に適している。
【００４８】
ある商品の符号が読取られた後、閉路のスイッチ位置が、その商品のトランスポンダが近隣の商品のトランスポンダの読取りを離調し、覆い、そうでなくても干渉することのないように、その商品のトランスポンダを環境から磁気的に（物理的にに対して）取り除く。
【００４９】
両方の事例においてスイッチＳ１の位置は、（１）第二並行共振回路で開放回路を形成し、それによってその共振周波数においてトランスポンダ１２を共振することから防ぎ、およびその環境からトランスポンダ１２を切り離すか、あるいは（２）第二並列共振回路がトランスポンダ１２への如何なる影響をも持つことを妨げ、それによってトランスポンダ１２がその一次共振周波数で共振するという通常の仕方でトランスポンダ１２を動作させるかの、何れかの機能を果たす。
【００５０】
スイッチ３０（Ｓ１）が開放している図１において、インダクタ２２（ＬＴ）とコンデンサ２４（ＣＴ）の組合せは次式で与えられる周波数ｆ０で共振する。
【数３】
【００５１】
図２の「スイッチ閉路」状態における最良の変調／覆い隠しを達成するために、回路設計はＭ１２（すなわちＬ１ＴとＬ２Ｔ間の相互インダクタンス／結合係数）およびＭ０２（すなわちＬ０とＬ２Ｔ間の相互インダクタンス／結合係数）を最小にするべきである。
【００５２】
Ｍ１２は、二つのインダクタコイルＬ１ＴとＬ２Ｔの幾何学的方向性の注意深いレイアウトによって最小化されるであろう。このことは、コイルの最適な重ね合わせを通して二つのコイルアンテナ間の結合を最小化する従来の方法を使用して達成できるであろう。このような方法は在来方法であるのでここではこれ以上説明を行わない。
【００５３】
スイッチ３０（Ｓ１）が閉路している図２を参照して、コンデンサ２８（ＣＳＷ）とインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）によって形成される並行共振周波数は次式で与えられる。
【数４】
【００５４】
並行共振回路３４の周波数ｆＰＡＲはｆ０と等しく選択され、それによって達成可能な最大インピーダンスの差、およびゼロに近い結合係数を与える。コイルの形状が与えられ、かつ正味のＬ２Ｔの測定が得られるので、Ｌ２Ｔ、Ｍ０２およびＭ１２についての値は与えられる。こうして等式はＣＳＷについて解くことができる。本発明とは対照的な、現在係属中の米国特許出願No.０９／０３５，０２７に記述されているフィールド打ち消し技術においては、コイル間の相互結合は臨界的であり、実験的に調節されなければならない。
【００５５】
静電容量値（ＣＳＷ）は、トランスポンダ１２がアンテナから検出可能な最大距離にある時の最悪条件について決定される。この距離において、アンテナとトランスポンダ１２間の相互結合は最小であり、トータルのインピーダンスはトランスポンダ１２のインダクタンスによって支配される。
【００５６】
すなわち、トランスポンダ１２とアンテナ間の相互インダクタンスはトランスポンダコイルのインダクタンスよりも小さい。
【００５７】
好ましくはデータ記憶用に設けられるＩＣ１８は、呼掛機１０によってアンテナ回路２０中に誘起される電圧により電力供給される受動デバイスである。すなわち、トランスポンダ１２が電磁フィールド内部にあるように呼掛機１０に十分接近している時には、インダクタ２２に誘起された電圧がＩＣ１８のアンテナ入力部（図示せず）で、ＩＣ１８に電力を提供する。
【００５８】
ＩＣ１８は、内部ＤＣ電圧源を設けるためにアンテナ入力部における誘起ＡＣ電圧を内部的に整流する。内部ＤＣ電圧がＩＣ１８の適切な動作を保証するレベルに達した時、ＩＣ１８はＩＣ１８の変調出力部（図示せず）においてプログラム可能メモリー中に記憶されたデジタル値を出力するように機能する。
【００５９】
上記のように、ＩＣ１８に記憶されたデータを読取り器（図示せず）に送信する一つの方法は、ＩＣ１８の変調出力部およびアンテナ回路２０に接続された変調コンデンサの使用を通して行われる。この方法により、変調出力部におけるデータ出力パルスは、記憶されているデータに従って回路２０の全体的な静電容量を変化させるために接地接続を閉路または断路することにより、変調コンデンサをアンテナ回路２０の中および外に切換え、そのことは次に回路２０の共振周波数を変更し、それを第一所定共振周波数から所定量高いまたは低い周波数に離調する。
【００６０】
こうして、トランスポンダ１２のデータパルスは、アンテナ回路２０が単純な単一周波数応答信号を返す代わりにそれがプログラム化情報のパケットを含む信号を返すように、共振アンテナ回路２０の同調と離調によって創られる。勿論この技術分野において通常の技倆を有する者に理解されるように、他の適当な変調手段も本発明と共に使用できる。上記のように本発明は、アンテナ回路を同調および離調し並びにデータを読取り器に送信するために、変調コンデンサの代わりにスイッチＳ１を使用できる。
【００６１】
情報パケット（データパルス）は、通常呼掛機１０に関連している受信回路（図示せず）によって受け取られ、処理される。すなわち受信回路は、ＩＣ１８からのデジタルデータ出力値を決定するために、呼掛機１０の電磁フィールド内部のエネルギー消費の変化を感知する。もし必要ならば、トランスポンダ１２が関係している商品または人物についての識別情報または他の情報を提供するために、データは呼掛機１０またはそれと関連している回路によって復号される。アンテナ回路２０中に誘起された電圧によって電力供給される受動ＩＣ１８を使用することが、現在好ましい。しかしながらバッテリのような、ＩＣ１８に電力供給する他の手段も本発明の範囲内である。
【００６２】
ＩＣ１８はまた電力帰路または接地出力部（図示せず）、および従来の仕方でＩＣ１８をプログラミングする（すなわちその中に記憶されデジタル値を記憶しまたは変換する）ため使用される一つ以上の追加入力部（図示せず）を含む。この好ましい実施例においては、ＩＣ１８は１２８ビットの不揮発性メモリーを有する。勿論、ＩＣ１８はより大きいまたはより小さい記憶容量の何れでも持つことができるであろう、ということはこの技術分野において通常の技倆を有する者には明らかであろう。
【００６３】
図１および２についての等価回路モデルが、以下に与えられる。
【００６４】
【数５】
【００６５】
【数６】
【００６６】
【数７】
【００６７】
【数８】
【００６８】
図３は、その上に総てのインダクタ、コンデンサおよびＩＣ１８を持つペーパータグとして実行されるトランスポンダ１２についてのパッケージ構成の第一実施例である。パッケージ構成は四つの主要要素、インダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）、インダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）、一次共振コンデンサ２４（ＣＴ）および二次コンデンサ２８（ＣＳＷ）の配置を示す。
【００６９】
Ｌ２Ｔの下の底部層導体は、Ｌ２Ｔを別のトランスポンダのコイルとアンテナから切り離すことを助けることができる。スイッチ３０（Ｓ１）はＩＣ１８にあることが好ましいが、代わりにディクリートなトランジスタとして実施してもよい。
【００７０】
本発明の好ましい実施例では、コンデンサＣＴとＣＳＷはポリエチレン絶縁体を挟んだアルミニウム箔プレートで製造される。この製造プロセスは在来的なプロセスであるので、ここではこれ以上説明は行わない。別の実施例は、他のタイプの絶縁体（例えばセラミック、タンタル）および／または他のタイプの形状係数、すなわち表面実装、又は引出し線付、または厚膜プリントコンデンサを使用する個別のチップコンデンサを使用する。
【００７１】
コンデンサの一方または両方が、ＩＣチップの内側に存在することができる。ＣＴのような、コンデンサの少なくとも一方は、Ｌ１ＴとＬ２Ｔのコイル間の「分布」静電容量でも良い。分布静電容量は、この技術分野において良く知られるように、個別の構成要素を使用することとは対照的にインダクタの長さから形成される。
【００７２】
本発明の好ましい実施例において、インダクタコイルＬ１ＴとＬ２Ｔの両方は積層アルミニウム構造上にエッチングされる。
【００７３】
代案の実施例では、インダクタコイルの少なくとも一方が積層アルミニウム構造上にエッチングされ、または印刷（スタンプド）されている。これらのインダクタコイルは積層構造の同じ側か、または異なる側に存在させる。他のインダクタコイルは印刷（スタンプ）されるか、または個別インダクタコイルで製造される。個別インダクタコイルは表面実装形か、（導電孔を通して半田付した）のフォームファクターを持つことができる。
【００７４】
一つの代案実施例は、一個のエッチングされるかまたは印刷されたアルミニウムコイルと、表面実装パッケージ型で取り付けられる一個のディスクリートコイルを使用する。この実施例はコイルの幾何学的方向性に柔軟性を与え、そのことは二つのコイル間の結合を最小にするのに役立つ。他の代案実施例は、印刷されたコイルと個別および／またはエッチングされたコイルとの入れ替えを使用しても良い。あるいは、これらのコイルは銅またはアルミニウム線のループで具体化されても良い。この技術は、一般に再使用可能な硬質タグ用に使用される。インダクタコイルはまた、強磁性体材料を使用しても製造できる。
【００７５】
アルミニウムは、主にその価格目的のためにインダクタコイルおよび／またはコンデンサプレートの構成に使用されるべき好ましい材料である。しかしながらもし価格が主な問題でなければ、高電気伝導性を持つ他の金属材料もインダクタコイルおよび／またはコンデンサプレート用に使用できる。このような材料は、銅、錫、鉛、ニッケル、金、銀、タングステン、チタニウム、モリブデン、白金およびこのような金属の合金を含む。
【００７６】
図４は、トランスポンダ１２についてのパッケージ構成の第二実施例である。この構成において、一次コイルＬ１Ｔは単一層のペーパータグコイルとして実行される。第二コイルＬ２Ｔおよび二つのコンデンサＣＴおよびＣＳＷは、プリント回路（ＰＣ）ボード３６上に置かれる。第二コイルＬ２Ｔは高いＱを持つ。スイッチ３０（Ｓ１）（図示せず）もまたＰＣボード３６上に置かれる。
【００７７】
広い発明的概念から逸脱することなしに変更が上記実施例に為し得るであろう、ということが当該技術に習熟した人々によって理解されるであろう。従って本発明は開示された特定の実施例に限定されるものではなく、それは添付特許請求の範囲に規定された本発明の意図とその範囲内の変更にも及ぶことも意図していると理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 タグがその一次共振周波数において共振できる状態にあるトランスポンダとタグを示す、本発明の一つの好ましい実施例による等価回路図。
【図２】 タグがその環境から切り離され、その一次共振周波数において共振できない状態にあるトランスポンダとタグを示す、本発明の一つの好ましい実施例による等価回路図。
【図３】 図１と図２のタグについてのパッケージ状態の第一実施例の図。
【図４】 図１と図２のタグについてのパッケージ状態の第二実施例の図。
【発明の属する技術分野】
識別および／または盗難防止のための商品へのタグの取付けは既知である。例えば多くの商品は、スキャナーの視野内にバーコードを通すことによって読み取られる符号化情報を有するバーコードを使用して識別される。多くの商品はまた、盗難検出および防止に使用される共振トランスポンダ、または共振タグを含む。より最近、独特のまたは準独特の識別符号を返す受動共振タグが開発されてきた。
【０００２】
【従来の技術】
これらのタグは、一般的に識別符号を記憶する集積回路（ＩＣ）を含む。このような「インテリジェント」タグは呼掛機または読取り機のゾーン内に検出されるところの、そのタグが関係する商品または人物についての情報を与える。タグは、それらが迅速にそして遠方から呼掛けることができるので望ましい。米国特許No.５，４４６，４４７（Carney他）、５，４３０，４４１（Bickley他）および５，３４７，２６３（Carroll他）は、このようなインテリジェントタグの三つの例を開示している。
【０００３】
無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグまたはカードは、一般にＩＣに電気的に接続されるアンテナ共振回路を含む。ＩＣは本質的にデジタル符号化情報を記憶するプログラム可能メモリーである。呼掛機（送信アンテナ）は、ＲＦＩＤタグの共振周波数における電磁フィールドを創る。タグが呼掛機（トランスポンダ）のフィールドの中に置かれた時、タグの共振アンテナ回路にＡＣ電圧が誘起され、それはＩＣに内部ＤＣ電圧を与えるためＩＣによって整流される。
【０００４】
タグが呼掛機のフィールドの中へ移動するにつれて、誘起電圧が増加する。内部ＤＣ電圧がＩＣの適当な動作を保証するレベルに到達すると、ＩＣはその記憶データを出力する。そのデータを出力するために、ＩＣはタグの共振周波数を変更しそしてタグを動作周波数から離調させる、アンテナ回路中の余分なコンデンサまたはインダクタをパルスの期間中にスイッチインまたはスイッチオフすることにより、一連のデータパルスを作る。すなわち、タグはそれ自身を離調させることによってデータパルスを創り、そのことはタグに消費されるエネルギー量を変化する。呼掛機はそのフィールドでのエネルギーの消費を検出し、そしてその変化をデータパルスとして翻訳する。
【０００５】
このようなＲＦＩＤタグまたはカードは既知であるが、このようなタグの動作に関連する技術的な困難と限界が依然としてある。呼掛機の呼掛ゾーン内部で多数のＲＦＩＤタグを読取る試みについての一つの問題は、一つを超えるタグが略同時に呼掛機によって作動されるであろう、ということである。このような複数タグが互いに隣接して配置されると、一つのタグによって発生されるフィールドは別のタグによって発生されるフィールドを擾乱してしまう。相互誘導のこの問題は、上記のように、離調によってそれらの情報を送信するＲＦＩＤタグの場合、特に重大である。
【０００６】
その結果、タグについての効果的な読取り距離は低下し、かつ、そのような変調が共振している（またはそれに近い）タグに依存するという事実により、タグの変調が完全に効力のないものと成り得る。こうして、他のタグによって起こされるこのような離調は、格納されている情報の読取りを不可能にし、若しくは殆ど不可能にするであろう。
【０００７】
長距離読取りの適用は、高度に変調されたＡＭフィールドを必要とする。高度なＡＭ変調は、アンテナ磁界に最大のフィールド擾乱を与えることによって得られる。
【０００８】
最大フィールド擾乱（振幅の差の最大で表される）は、タグの負荷の効果が各フィールドの擾乱後に完全に取り除かれる時、および読取られるタグからの信号が他のタグからの雑音または干渉に混合されないか、あるいはそれらによって減衰されない時に得られる。それ故、タグをその環境から効果的に切り離さない従来の方式は、長距離の読取りを与えることはできない。
【０００９】
付近のタグを擾乱し、または影響を与えるＲＦＩＤタグ発生のフィールドの問題を最小化する取り組みは、ここにそれを参照することによってその全文を本件に組み入れた１９９８年３月５日出願で現在係属中の米国特許出願No.０９／０３５，０２７、表題「ＲＦＩＤタグを磁気的に切り離す装置」に記述されている。
【００１０】
この取り組みにおいては、ＲＦＩＤトランスポンダがデータを記憶する集積回路と、集積回路に電気的に接続されたインダクタを含む。インダクタは、第二コイルに電気的に接続された第一コイルを含む。
【００１１】
その共振コンデンサは、集積回路並びに第一および第二コイルの少なくとも一方に、その共振コンデンサと少なくとも一つの接続されたコイルが第一の所定共振周波数を持つように、電気的に接続される。
【００１２】
第一位置および第二位置を持つスイッチが、第二コイルを通して選択的に電流を流すために設けられている。スイッチが第一位置にある時、トランスポンダを第一共振周波数での、またはその付近の外部フィールドに曝すことは、インダクタ内に電圧を誘起し、インダクタを通して第一電流を第一方向に流し、それによって局所フィールドを発生する。
【００１３】
スイッチが第二位置にある時、トランスポンダを第一共振周波数でのまたはその付近の外部フィールドに曝すことはインダクタ内に電圧を誘起しおよびインダクタを通して第一電流を第一方向に流し、それによって第一局所フィールドを発生しかつ第二コイルを通して第二電流を第二の反対方向に流し、それによって第二局所フィールドを発生する。第一および第二局所フィールドの和はゼロに近づく。
【００１４】
このフィールド打ち消し（キャンセル）する技術は実行可能（フィージブル）ではあるが、幾つかの欠点を持つ。例えばこの回路の実行は、１ターンコイル中に略３倍大きい電流を要する１ターンコイルと直列に接続された３ターンコイルを使用する。このことは、特に低インピーダンススイッチが１ターンコイルの両端間に接続されなければならない時、達成するのが困難である。そのフィールド打ち消し技術はまた、コイル間の相互結合が臨界状態にありかつ実験的に調節されなければならないので設計の柔軟性を制限する。
【００１５】
従って、近傍の他のＲＦＩＤタグまたは他の共振カード若しくはタグに擾乱を与えまたはそれに影響を及ぼすフィールドの発生から、ＲＦＩＤタグを防止する代わりの方法の必要性がある。本発明は、この必要性を満たすものである。
【００１６】
【発明の概要、発明が解決したい課題、課題解決手段、発明の効果】
本発明は、直列に接続された第一インダクタと第二インダクタ、第一コンデンサ、第二コンデンサおよびスイッチを含むトランスポンダを提供する。第一共振回路および第二回路が、トランスポンダ中に形成される。第一共振回路は、直列接続第一および第二インダクタと第一コンデンサの並列接続から形成される。第一共振回路は、一次共振周波数を持つ。
【００１７】
第二回路は、第二コンデンサとスイッチの直列接続から形成される。第二コンデンサとスイッチの直列接続は、第二インダクタと並列に接続される。詳細には、直列接続の第二コンデンサとスイッチの一端部は、直列接続の第一および第二インダクタ間の共通接続部に接続される。
【００１８】
スイッチが開路の時、第二回路はトランスポンダに対して最小の影響かまたは全く影響を及ぼさず、第一共振回路は、トランスポンダが一次共振周波数においてまたはその付近で外部フィールドに曝された時、一次共振周波数で共振する。スイッチが閉路の時、第二回路は一次共振周波数における電流を阻止するかまたは最小にするように働く高インピーダンス並列共振回路を規定し、それによってトランスポンダが外部回路から如何なる顕著な量の電力を受けることを防止し、および一次共振周波数で共振することを防止する。トランスポンダは、それによってその環境から切り離される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の前記の概要および好ましい実施例の以下の詳細な記述は、添付図面と関連して読む時より良く理解されるであろう。本発明を図示する目的で、図面には現在の好ましい実施例が示されている。しかしながら本発明は示された精密な配列と手段に限定されるものではない、ということが理解されるべきである。
ここでは或る用語が利便性のためのみに使用されるるが、本発明の限定として取られるべきではない。図面において、同一参照数字は各図を通して同一要素を表すように用いられている。
【００２０】
図１および２は、本発明の一つの好ましい実施例の等価回路図である。図１および２は、同じ回路を表しているが、異なる状態にある。図１および２の回路は詳細に記述され、回路図の動作の理論の議論が続く。ここに記述された本発明の実施例は、無線周波識別（ＲＦＩＤ）タグ、すなわちトランスポンダと共に使用される。
【００２１】
図１は、ＲＦＩＤ読取り器すなわち呼掛機（以後、「呼掛機１０」）、および共振ＲＦＩＤデバイス、タグすなわちトランスポンダ（以後、「トランスポンダ１２」）の等価電気回路図である。呼掛機（インテロゲータ）１０は電磁フィールドを発生させる送信器コイル、すなわちアンテナ１６に電気的に接続された電圧源１４を含む。アンテナ１６は主にインダクタンスＬ０によって規定されるが、また共に直列ＲＬＣ回路を規定する等価直列抵抗Ｒ０と静電容量Ｃ０も持つ。これらの構成要素はループ０として標示され、電流Ｉ０を持つ電流ループを規定する。
【００２２】
呼掛機１０とトランスポンダ１２は、図１に相互インダクタンスＭ０Ｔとして示される誘導結合によって繋がる。誘導結合によって共振タグすなわちトランスポンダと繋がる呼掛機は、この技術分野では良く知られている。例えば呼掛機は、ここに参照することによりその総てを本件中に完全に組み込んだ、いずれもWaltonに与えられた米国特許No.３，７５２，９６０、３，８１６，７０８および４，５８０，０４１に記述されている。従って、呼掛機１０は詳細には示されず、また記述されない。
【００２３】
呼掛機１０はトランスポンダ１２の共振周波数において、またはその付近で電磁フィールドを確立する、と言えば十分である。電磁フィールド内部に位置するぐらいに、トランスポンダ１２が呼掛機１０に十分近い時、電圧がトランスポンダ１２に誘起される。以下に詳細に説明するように、トランスポンダ１２が呼掛機１０によって創られるフィールド内へ移動するに従い、その誘起電圧は増加し、トランスポンダ１２に電力を供給するのに十分なトランスポンダ１２内部の電圧レベルが到達されるようになる。そしてその所望の目的に従ってデバイスを機能させる。
【００２４】
呼掛機１０は、一対のコンピュータ化ペデスタルとして、手持ちのＲＦＩＤスキャナー（図示せず）として、またある別の方法で、物理的に実行されるであろう。
【００２５】
呼掛機１０によって発生される呼掛信号は、周期的またはパルス的信号とは対照的に、一般に連続信号であること好ましい。呼掛ゾーンは、その中でトランスポンダ１２に電力を供給するのに十分な電圧がインテリジェントトランスポンダ１２中に誘起されるところの、電磁フィールド内部の区域である。
【００２６】
こうして、呼掛ゾーンの大きさは少なくとも部分的に、電磁フィールドの強さによって画定される。呼掛機１０は、一般に呼掛ゾーン内部に配置される複数のトランスポンダ１２（およびそれらの関連商品）からの送信を検出できる。
【００２７】
インテリジェントデバイスまたはトランスポンダは一般に知られており、広い範囲の用途に適用できる。米国特許No.５，４３０，４４１（Bickley他）は、呼掛信号に応じてデジタル符号化された信号を送信する応答タグを開示している。Bickley他によるタグは、複数の絶縁層と伝導層から構成された堅い基板を有し、および基板の孔の内部に完全に埋め込まれた集積回路と伝導性の箔経跡に接着されたタブを含む。トランスポンダ１２の物理的構造は、図３および４に関して以下に記述される。
【００２８】
本発明のトランスポンダ１２は、集積回路（ＩＣ）１８に電気的に接続されたアンテナ回路２０を有する。アンテナ回路２０は、以下により詳細に説明するように呼掛機１０の無線周波数に応答する所定の無線周波数（ＲＦ）で共振する共振回路を有する。
【００２９】
アンテナ回路２０は、一つ以上のコンデンサ素子に電気的に接続された一つ以上の誘導素子を有しても良い。好ましい実施例では、アンテナ回路２０は、ループ１として標示される直列電流ループ状の、コンデンサ素子すなわち一次共振コンデンサ２４（ＣＴ）と電気的に接続された一個の誘導素子、インダクタすなわちコイル２２（ＬＴ）の組合せによって形成される。 インダクタ２２は、実際には図２に明示されるように直列に結ばれた二つのコイルより成る。インダクタ２２と共振コンデンサ２４（ＣＴ）は、ＩＣ１８と並列に接続される。
【００３０】
この技術分野において通常の技倆を有する者に良く知られるように、アンテナ回路２０の動作周波数はインダクタ２２と共振コンデンサ２４の値に依存する。インダクタ２２の大きさとコンデンサ２４の値は、アンテナ回路２０の望ましい共振周波数に基づいて決定される。本発明の一つの実施例では、トランスポンダ１２は１３．５６ＭＨｚで動作するように構成される。
【００３１】
トランスポンダ１２は１３．５６ＭＨｚで共振することが好ましいが、トランスポンダ１２は他の周波数でも共振するように構成でき、トランスポンダ１２の正確な共振周波数は本発明の限定事項であるとは意図されない。こうして、この技術分野において通常の技倆を有する者にとって、アンテナ回路２０は１３．５６ＭＨｚ以外の無線周波数で、および実際にマイクロ波周波数のような他の周波数で動作できる、ということは明らかであろう。
【００３２】
電力損失に依るインダクタ２２の等価直列抵抗を表す抵抗体２６（ＲＴ）が、インダクタ２２と直列に接続され示されている。更に、アンテナ回路２０は一個の誘導素子、すなわちインダクタ２２と一個のコンデンサ２４を有するけれども、多数のインダクタとコンデンサ素子もまた採用できるであろう。例えば多重素子共振回路は、ここに参照することにより本件に組み入れられた、米国特許No.５，１０３，２１０（ローデ他）、表題「電子安全システムと共に使用される作動化／不作動化安全タグ」に開示されているような、電子安全および監視技術において知られている。
【００３３】
好ましいアンテナが記述されたが、この技術分野において通常の技倆を有する者には、この開示から、ＩＣ１８への、又は、からの結合エネルギーについての如何なる手段も使用し得る、ということが明らかであろう。
【００３４】
図２を参照して、トランスポンダ２０はまた第二電流ループ径路であるループ２を含む。ループ２は、スイッチ３０（Ｓ１）と直列の第二コンデンサ２８（ＣＳＷ）を含む。抵抗体３２（ＲＳＷ）は、コンデンサ２８およびスイッチ３０と直列に接続されて示されている。抵抗体３２は、電力損失に依るこれらの構成要素の等価直列抵抗を表す。上記のように、インダクタ２２は実際には図２に明示されるように直列に結ばれた二つのコイルより成る。ループ２は二次コンデンサ２８（ＣＳＷ）、インダクタ２２の二つのコイルの一方とその等価抵抗（図２により詳細に示される）、抵抗体３２（ＲＳＷ）およびスイッチ３０（Ｓ１）を含む。図１において、スイッチ３０（Ｓ１）は開路すなわちオフであり、ループ２はインダクタ２２（ＬＴ）およびコンデンサ（ＣＴ）によって規定される共振回路の動作に影響を与えない。
【００３５】
図２は、スイッチ３０（Ｓ１）が閉路すなわちオンである状態での等価回路を示す。図２はまた、直列に繋がれた二つのインダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）および２２2（Ｌ２Ｔ）より成るインダクタ２２をより詳細に示す。インダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）は一次コイルであり、インダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）は二次コイルである。二次コンデンサ２８（ＣＳＷ）は二つのインダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）とインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）間の接続点に接続されているスイッチ３０（Ｓ１）と直列である。
【００３６】
インダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）とインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）は、相互インダクタンスＭ１２を介して互いに結合されている。二つのインダクタコイルの直列組合せは、一次共振コンデンサ２４（ＣＴ）と並列である。図１の抵抗体２６は、図２でそれぞれのインダクタ２２1と２２2に対応する等価抵抗２６1と２６2によって表されている。ループ２はより明確に図２に規定され、コンデンサ２８（ＣＳＷ）、インダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）、抵抗体２６2（Ｒ２Ｔ）、抵抗体３２（ＲＳＷ）、およびスイッチ３０（Ｓ１）を含む。
【００３７】
スイッチ３０が閉じた時、並列共振回路３４がコンデンサ２８（ＣＳＷ）およびインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）によって形成される。上に議論したように、並列共振回路３４のインピーダンスは理想的には無限大である。しかしながら構成要素とスイッチ３０（Ｓ１）中の抵抗損失が実現し得る最大インピーダンスを制限するので、抵抗体２６2（Ｒ２Ｔ）および抵抗体３２（ＲＳＷ）によって表現される。
呼掛機１０とトランスポンダ１２の構造を規定した上で、二つの等価回路の動作理論を以下に説明する。
【００３８】
トランスポンダの共振周波数がその一次共振周波数、すなわち基本周波数、ここでは１３．５６ＭＨｚからずっと遠くに移動された時、トランスポンダ１２は呼掛機１０に対して僅かなまたはゼロの負荷効果しか持たず、かつ一次共振周波数におけるフィールド共振への僅かなまたはゼロの影響しか持たないであろう。より重要なことは、トランスポンダ１２は隣接している他のトランスポンダへの僅かなまたはゼロの影響しか持たないであろう。トランスポンダはこうしてその環境から切り離され、すなわち「覆い隠される」（クロークされる）であろう。
【００３９】
共振回路は、それがどのように接続されるかによって、選択的に短絡されまたは開放され得る。直列共振回路はその共振周波数において短絡回路を形成し、並列共振回路はその共振周波数において開放回路を形成する。本発明はトランスポンダの共振周波数において開放回路を形成するために、コンデンサ２８（ＣＳＷ）とインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）を有する高インピーダンス（理想的には無限大インピーダンス）二次共振回路を使用する。スイッチ３０（Ｓ１）は、開放回路を形成するために閉路すなわちオン位置（図２）になければならない。開放回路はＬ１ＴをＣＴから断路するように機能し、それによってトランスポンダ１２を一次共振周波数における共振から妨げる。
【００４０】
スイッチＳ１が閉路した時、ループ１（Ｉ１）またはループ２（Ｉ２）には僅かなないし殆どゼロの電流しか流れない。（この議論はここでは理想状態を仮定している。実際にはＩ１およびＩ２はゼロではないが、無視し得る値である。）開放回路には電流は流れないのでトランスポンダ１２は周囲の電磁フィールドから電力を受けず、そして読取り器を混乱させるであろうフィールド中の如何なる擾乱も創らない。こうして、高インピーダンス並列共振回路が閉成される時、トランスポンダ１２は僅かなまたはゼロのエネルギーしか消費せず、それゆえシステム受信アンテナに僅かなまたはゼロの影響しか有せず、実質的に磁気環境から取り除かれる。
【００４１】
スイッチＳ１が開放すなわちオフ状態にある時（図１）、二次共振回路は影響を与えず、故にトランスポンダ１２は通常の仕方で一次共振周波数で共振する。
【００４２】
スイッチＳ１は、二つの異なる機能を実施できる。第一に、スイッチＳ１は、一次共振周波数信号の受信時にトランスポンダ１２が作動するように、開路位置に置かれ、そこに維持されるか、またはそれは、トランスポンダ１２を永久的に閉止し（すなわちトランスポンダ１２を休止させる）それによって環境との干渉を防止するように、閉路位置に置かれそこに維持されるであろう。
【００４３】
第二に、スイッチＳ１は、記憶データが読取り器に送信されるようにＬＴとＣＴを有するアンテナ回路を同調し、および離調するために、記憶データパターン（例えばトランスポンダ１２のＩＣチップ１８に記憶された識別データ）に従って開路位置と閉路位置間で選択的に移動させられてもよい。
【００４４】
こうして、本発明では、アンテナ回路を同調・離調する変調コンデンサの代わりにスイッチＳ１を使用してデータを読取り器に送信するであろう。変調期間および覆い隠し（クローキング）の期間でのトランスポンダの状態であるスイッチの閉路位置においては、トランスポンダ１２は本質的に環境から取り除かれる。
【００４５】
こうして、スイッチＳ１は閉路位置にある時、次のように二つの目的に役立つ。
【００４６】
（１）瞬間的に閉路することにより、それはＩＣ１８の内部符号をＲＦ搬送波を振幅変調し、その結果トランスポンダ１２からの情報を伝えるために使用される。長距離の読取りへの適用は、高度に変調されたＡＭフィールドを必要とする。この方式は、トランスポンダ１２が呼掛機１０上に持つ負荷効果を選択的に取り除くことによってアンテナ磁界への最大の擾乱を与えることにより、高い量のＡＭ変調を提供する。
【００４７】
（２）それはトランスポンダ１２を環境から切り離し、それによってトランスポンダ１２が近隣のトランスポンダが離調するか、覆う（シャドウ）か、または干渉することの危険性を最小にするために使用される。トランスポンダ１２はこうして多くのタグ取付け商品が互いに物理的に接近して置かれ、そしてこれら総ての商品の識別符号を読取ることが望ましい小売り店舗のような環境に特に適している。
【００４８】
ある商品の符号が読取られた後、閉路のスイッチ位置が、その商品のトランスポンダが近隣の商品のトランスポンダの読取りを離調し、覆い、そうでなくても干渉することのないように、その商品のトランスポンダを環境から磁気的に（物理的にに対して）取り除く。
【００４９】
両方の事例においてスイッチＳ１の位置は、（１）第二並行共振回路で開放回路を形成し、それによってその共振周波数においてトランスポンダ１２を共振することから防ぎ、およびその環境からトランスポンダ１２を切り離すか、あるいは（２）第二並列共振回路がトランスポンダ１２への如何なる影響をも持つことを妨げ、それによってトランスポンダ１２がその一次共振周波数で共振するという通常の仕方でトランスポンダ１２を動作させるかの、何れかの機能を果たす。
【００５０】
スイッチ３０（Ｓ１）が開放している図１において、インダクタ２２（ＬＴ）とコンデンサ２４（ＣＴ）の組合せは次式で与えられる周波数ｆ０で共振する。
【数３】
図２の「スイッチ閉路」状態における最良の変調／覆い隠しを達成するために、回路設計はＭ１２（すなわちＬ１ＴとＬ２Ｔ間の相互インダクタンス／結合係数）およびＭ０２（すなわちＬ０とＬ２Ｔ間の相互インダクタンス／結合係数）を最小にするべきである。
【００５２】
Ｍ１２は、二つのインダクタコイルＬ１ＴとＬ２Ｔの幾何学的方向性の注意深いレイアウトによって最小化されるであろう。このことは、コイルの最適な重ね合わせを通して二つのコイルアンテナ間の結合を最小化する従来の方法を使用して達成できるであろう。このような方法は在来方法であるのでここではこれ以上説明を行わない。
【００５３】
スイッチ３０（Ｓ１）が閉路している図２を参照して、コンデンサ２８（ＣＳＷ）とインダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）によって形成される並行共振周波数は次式で与えられる。
【数４】
並行共振回路３４の周波数ｆＰＡＲはｆ０と等しく選択され、それによって達成可能な最大インピーダンスの差、およびゼロに近い結合係数を与える。コイルの形状が与えられ、かつ正味のＬ２Ｔの測定が得られるので、Ｌ２Ｔ、Ｍ０２およびＭ１２についての値は与えられる。こうして等式はＣＳＷについて解くことができる。本発明とは対照的な、現在係属中の米国特許出願No.０９／０３５，０２７に記述されているフィールド打ち消し技術においては、コイル間の相互結合は臨界的であり、実験的に調節されなければならない。
【００５５】
静電容量値（ＣＳＷ）は、トランスポンダ１２がアンテナから検出可能な最大距離にある時の最悪条件について決定される。この距離において、アンテナとトランスポンダ１２間の相互結合は最小であり、トータルのインピーダンスはトランスポンダ１２のインダクタンスによって支配される。
【００５６】
すなわち、トランスポンダ１２とアンテナ間の相互インダクタンスはトランスポンダコイルのインダクタンスよりも小さい。
【００５７】
好ましくはデータ記憶用に設けられるＩＣ１８は、呼掛機１０によってアンテナ回路２０中に誘起される電圧により電力供給される受動デバイスである。すなわち、トランスポンダ１２が電磁フィールド内部にあるように呼掛機１０に十分接近している時には、インダクタ２２に誘起された電圧がＩＣ１８のアンテナ入力部（図示せず）で、ＩＣ１８に電力を提供する。
【００５８】
ＩＣ１８は、内部ＤＣ電圧源を設けるためにアンテナ入力部における誘起ＡＣ電圧を内部的に整流する。内部ＤＣ電圧がＩＣ１８の適切な動作を保証するレベルに達した時、ＩＣ１８はＩＣ１８の変調出力部（図示せず）においてプログラム可能メモリー中に記憶されたデジタル値を出力するように機能する。
【００５９】
上記のように、ＩＣ１８に記憶されたデータを読取り器（図示せず）に送信する一つの方法は、ＩＣ１８の変調出力部およびアンテナ回路２０に接続された変調コンデンサの使用を通して行われる。この方法により、変調出力部におけるデータ出力パルスは、記憶されているデータに従って回路２０の全体的な静電容量を変化させるために接地接続を閉路または断路することにより、変調コンデンサをアンテナ回路２０の中および外に切換え、そのことは次に回路２０の共振周波数を変更し、それを第一所定共振周波数から所定量高いまたは低い周波数に離調する。
【００６０】
こうして、トランスポンダ１２のデータパルスは、アンテナ回路２０が単純な単一周波数応答信号を返す代わりにそれがプログラム化情報のパケットを含む信号を返すように、共振アンテナ回路２０の同調と離調によって創られる。勿論この技術分野において通常の技倆を有する者に理解されるように、他の適当な変調手段も本発明と共に使用できる。上記のように本発明は、アンテナ回路を同調および離調し並びにデータを読取り器に送信するために、変調コンデンサの代わりにスイッチＳ１を使用できる。
【００６１】
情報パケット（データパルス）は、通常呼掛機１０に関連している受信回路（図示せず）によって受け取られ、処理される。すなわち受信回路は、ＩＣ１８からのデジタルデータ出力値を決定するために、呼掛機１０の電磁フィールド内部のエネルギー消費の変化を感知する。もし必要ならば、トランスポンダ１２が関係している商品または人物についての識別情報または他の情報を提供するために、データは呼掛機１０またはそれと関連している回路によって復号される。アンテナ回路２０中に誘起された電圧によって電力供給される受動ＩＣ１８を使用することが、現在好ましい。しかしながらバッテリのような、ＩＣ１８に電力供給する他の手段も本発明の範囲内である。
【００６２】
ＩＣ１８はまた電力帰路または接地出力部（図示せず）、および従来の仕方でＩＣ１８をプログラミングする（すなわちその中に記憶されデジタル値を記憶しまたは変換する）ため使用される一つ以上の追加入力部（図示せず）を含む。この好ましい実施例においては、ＩＣ１８は１２８ビットの不揮発性メモリーを有する。勿論、ＩＣ１８はより大きいまたはより小さい記憶容量の何れでも持つことができるであろう、ということはこの技術分野において通常の技倆を有する者には明らかであろう。
【００６３】
図１および２についての等価回路モデルが、以下に与えられる。
【００６４】
【数５】
【数６】
【数７】
【数８】
図３は、その上に総てのインダクタ、コンデンサおよびＩＣ１８を持つペーパータグとして実行されるトランスポンダ１２についてのパッケージ構成の第一実施例である。パッケージ構成は四つの主要要素、インダクタ２２1（Ｌ１Ｔ）、インダクタ２２2（Ｌ２Ｔ）、一次共振コンデンサ２４（ＣＴ）および二次コンデンサ２８（ＣＳＷ）の配置を示す。
【００６９】
Ｌ２Ｔの下の底部層導体は、Ｌ２Ｔを別のトランスポンダのコイルとアンテナから切り離すことを助けることができる。スイッチ３０（Ｓ１）はＩＣ１８にあることが好ましいが、代わりにディクリートなトランジスタとして実施してもよい。
【００７０】
本発明の好ましい実施例では、コンデンサＣＴとＣＳＷはポリエチレン絶縁体を挟んだアルミニウム箔プレートで製造される。この製造プロセスは在来的なプロセスであるので、ここではこれ以上説明は行わない。別の実施例は、他のタイプの絶縁体（例えばセラミック、タンタル）および／または他のタイプの形状係数、すなわち表面実装、又は引出し線付、または厚膜プリントコンデンサを使用する個別のチップコンデンサを使用する。
【００７１】
コンデンサの一方または両方が、ＩＣチップの内側に存在することができる。ＣＴのような、コンデンサの少なくとも一方は、Ｌ１ＴとＬ２Ｔのコイル間の「分布」静電容量でも良い。分布静電容量は、この技術分野において良く知られるように、個別の構成要素を使用することとは対照的にインダクタの長さから形成される。
【００７２】
本発明の好ましい実施例において、インダクタコイルＬ１ＴとＬ２Ｔの両方は積層アルミニウム構造上にエッチングされる。
【００７３】
代案の実施例では、インダクタコイルの少なくとも一方が積層アルミニウム構造上にエッチングされ、または印刷（スタンプド）されている。これらのインダクタコイルは積層構造の同じ側か、または異なる側に存在させる。他のインダクタコイルは印刷（スタンプ）されるか、または個別インダクタコイルで製造される。個別インダクタコイルは表面実装形か、（導電孔を通して半田付した）のフォームファクターを持つことができる。
【００７４】
一つの代案実施例は、一個のエッチングされるかまたは印刷されたアルミニウムコイルと、表面実装パッケージ型で取り付けられる一個のディスクリートコイルを使用する。この実施例はコイルの幾何学的方向性に柔軟性を与え、そのことは二つのコイル間の結合を最小にするのに役立つ。他の代案実施例は、印刷されたコイルと個別および／またはエッチングされたコイルとの入れ替えを使用しても良い。あるいは、これらのコイルは銅またはアルミニウム線のループで具体化されても良い。この技術は、一般に再使用可能な硬質タグ用に使用される。インダクタコイルはまた、強磁性体材料を使用しても製造できる。
【００７５】
アルミニウムは、主にその価格目的のためにインダクタコイルおよび／またはコンデンサプレートの構成に使用されるべき好ましい材料である。しかしながらもし価格が主な問題でなければ、高電気伝導性を持つ他の金属材料もインダクタコイルおよび／またはコンデンサプレート用に使用できる。このような材料は、銅、錫、鉛、ニッケル、金、銀、タングステン、チタニウム、モリブデン、白金およびこのような金属の合金を含む。
【００７６】
図４は、トランスポンダ１２についてのパッケージ構成の第二実施例である。この構成において、一次コイルＬ１Ｔは単一層のペーパータグコイルとして実行される。第二コイルＬ２Ｔおよび二つのコンデンサＣＴおよびＣＳＷは、プリント回路（ＰＣ）ボード３６上に置かれる。第二コイルＬ２Ｔは高いＱを持つ。スイッチ３０（Ｓ１）（図示せず）もまたＰＣボード３６上に置かれる。
【００７７】
広い発明的概念から逸脱することなしに変更が上記実施例に為し得るであろう、ということが当該技術に習熟した人々によって理解されるであろう。従って本発明は開示された特定の実施例に限定されるものではなく、それは添付特許請求の範囲に規定された本発明の意図とその範囲内の変更にも及ぶことも意図していると理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 タグがその一次共振周波数において共振できる状態にあるトランスポンダとタグを示す、本発明の一つの好ましい実施例による等価回路図。
【図２】 タグがその環境から切り離され、その一次共振周波数において共振できない状態にあるトランスポンダとタグを示す、本発明の一つの好ましい実施例による等価回路図。
【図３】 図１と図２のタグについてのパッケージ状態の第一実施例の図。
【図４】 図１と図２のタグについてのパッケージ状態の第二実施例の図。
Claims (5)
- 直列に接続された第一インダクタおよび第二インダクタ、第一コンデンサ、第二コンデンサおよびスイッチを含むトランスポンダであって、
上記トランスポンダは、
（ａ）（ｉ）第一および第二インダクタ、および（ii）第一コンデンサの並列接続から形成され、一次共振周波数を持つ第一共振回路と、
（ｂ）第二コンデンサとスイッチの直列接続から形成される第二回路とを備え、
第二コンデンサとスイッチの直列接続が第二インダクタと並列に接続され、第二コンデンサとスイッチの直列接続の一端部は直列接続された第一および第二インダクタ間の共通接続部に接続され、
上記トランスポンダにおいて、スイッチが開路の時、第二回路はトランスポンダに対して最小の影響しか及ぼさずまたは全く影響を及ぼさず、第一共振回路は、トランスポンダが一次共振周波数においてまたはその付近で外部フィールドに曝された時、一次共振周波数で共振し、かつスイッチが閉路の時、第二回路は一次共振周波数における電流を阻止するかまたは最小にするように働く高インピーダンス並列共振回路を規定し、その回路はトランスポンダが外部回路からどんな有意な量の電力を受けることをも防止し、かつ一次共振周波数で共振することを防止し、それによってトランスポンダをその環境から切り離すようにする、
ことを特徴とするトランスポンダ。 - 一次共振周波数は次式で与えられ、
- 第二回路の並列共振周波数はスイッチが閉路の時、
- トランスポンダはＲＦＩＤタグ用の無線周波数インテリジェントタグ回路である、
ことを特徴とする請求項１に記載のトランスポンダ。 - （ｃ） 更に、データ出力用の第一共振回路に接続された集積回路を有し、そのスイッチの切換え状態はデータを変調させ、かつトランスポンダから呼掛機読取り器に送信させる、
ことを特徴とする請求項４に記載のトランスポンダ。
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