JP4330530B2 - アンテナ用薄膜バッテリを備えた無線周波数識別タグ - Google Patents

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Description

本発明は、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグに関し、特にバッテリ及びアンテナを一体部分して含むＲＦＩＤタグに関する。
在庫、製品製造、商品化計画および関連操作に関わる対象は、対象の場所や流れを正確に監視する課題を抱える。この種の対象の場所を決定し、対象に関する関連情報を追跡する必要性が常に求められている。場所やデータ追跡を容易にするために、商品や品目、人間、動物、実質的に動くまたは静止したそして生命の有るまたは無い対象を含む、様々な対象に関連付けられて適切に設けられるタグ素子が使用できる。この種のタグ追跡システムの１つはＲＦＩＤのような電子識別システムである。ＲＦＩＤタグは対象を追跡するために対象に装着され、繋げられ、あるいはその他の何らかの方法で関係づけられ、対象に関する情報を蓄積したり検索する。
タグが取付けられる対象に関する情報は、ＲＦＩＤのメモリに書き込まれ且つ記憶される。ＲＦＩＤタグは適当な電磁界で検出され、タグに記憶された情報が読み出され、所望なら変更される。代表的に、ＲＦＩＤタグ素子は（電源が搭載されない）完全な受動型であり、小型で携帯可能なパッケージとなっている。しかしながら、受動型タグは電力の供給とタグとの通信に使用される電磁界の大きさに制限されて比較的狭い範囲でしか動作できない。
能動型ＲＦＩＤタグは検出可能な範囲を広くするためにタグに接続された電源を備える。しかしながら、バッテリが付くので能動型ＲＦＩＤタグは物理的に大きくなり、より高価になる。多くの応用で有用性を維持するためにはＲＦＩＤタグは薄く且つ柔軟でなければならない。大きくて硬いタグは応用が限られるのでタグの有用性が減る。
本発明が提供する能動型無線周波数識別ラベルは、基板上に設けた無線周波数識別チップを備える。基板上に設けたバッテリは無線周波数識別チップに接続される。少なくともバッテリの一部は無線周波数識別チップ用アンテナを形成する。
このアンテナはマイクロ波周波数で動作するのに適したダイポールアンテナであってよい。代わりに、例えば、８ＭＨｚや１３．５６ＭＨｚのようなマイクロ波以外の周波数で動作してもよい。
バッテリは薄膜バッテリであってよい。薄膜バッテリはリチウムイオンバッテリであってよい。
代表的に前記バッテリは電解質で分離される２つの電極を備え、少なくとも片方の電極でアンテナが形成される。
アンテナ及びバッテリは基板上のほぼ同じ場所を占めるのでバッテリは余分のスペースは必要ない。
無線周波数識別ラベルに電力を供給する無線周波数識別ラベル電力供給方法は、基板上に設けた無線周波数識別チップ、及び一部がこの無線周波数識別チップ用のアンテナを形成する薄膜バッテリを備える無線周波数識別ラベルを用意する。そして前記無線周波数識別ラベルを無線周波数識別リーダにより形成される無線周波数識別電磁界に配置する。無線周波数識別電磁界から利用できる電力が前記バッテリから利用できる電力より大きい限り、無線周波数識別電磁界は無線周波数識別チップに電力を供給する。一方、無線周波数識別電磁界から利用できる電力が前記バッテリから利用できる電力より小さい限り、前記バッテリが前記無線周波数識別チップに電力を供給する。
前記電力供給方法はさらに、無線周波数識別電磁界から利用できる電力が前記バッテリから利用できる電力より大きい限り、前記バッテリを充電することを含む。
本発明の目的、利点、及び応用は以下の実施形態の説明から明らかになる。
本発明を説明するために、図１において、従来の受動型マイクロ波ＲＦＩＤラベル１を説明する。マイクロ波ＲＦＩＤラベル１は非導電性ポリマー基板６上に設けたＲＦＩＤチップ２とダイポールアンテナ４を備える。マイクロ波ＲＦＩＤラベル１を能動型にする場合、ラベルの追加要素としてバッテリが追加される。しかしながら、バッテリはアンテナ４の動作に影響を及ぼすのでアンテナ４からある距離離して配置する必要があり、その結果、大きなラベルとなる。代表的に、従来の能動型ラベルはバッテリをアンテナから離す配置要請により比較的に硬質で、柔軟性がない。
図２において、以下詳細に説明する能動型マイクロ波ＲＦＩＤラベル１０は図１に示すダイポールアンテナ４を形成する薄膜バッテリ８を提供する。アンテナとバッテリが１つの同一配置構造として形成されるので、従来の能動型ＲＦＩＤラベルに比べ、基板６をより柔軟に作ることができる。柔軟なＲＦＩＤラベルは大きくて硬質のラベルより応用範囲が広い。例えば、米国特許出願第US2001/0032666A1号、及び米国特許第5,338,625号に示す固体リチウムイオンバッテリのような適当な薄膜バッテリは電解質で分離された陽極と陰極を基板に設けてなる。リチウムイオンバッテリにおいて、リチウムイオンは陽極材の結晶構造にある。放電中、リチウムイオンは電解質材料を通り、陰極の結晶構造に取り込まれる。バッテリを充電するとイオンの流れは逆になる。リチウムイオンバッテリはマイクロバッテリとして適し、半導体処理に適合したプロセスによって基板上に形成される。陰極材、陽極材、及び電解質の材質は本発明の範囲外であり、詳細については前記米国特許出願'32,666号及び前記米国特許'625号に記載される。適当な薄膜リチウムイオンバッテリはミネソタ州エルク川（Elk River）のシンベット社（Cymbet Corporation）から入手できる。例えば、容量０．７４ｍＡｈ／ｃｍ2、厚さ０．０３ｍｍの最小３ボルトＤＣバッテリが利用でき、また、アンテナ／バッテリとして利用できる面積の大きさに応じてその他の構成が使用できる。小面積の薄膜バッテリであっても複数の読み出しサイクルで後方散乱ＲＦＩＤラベルを動作させるには十分である。また、アンテナを形成するために選定される特別のバッテリは薄膜型リチウムイオンバッテリ以外のバッテリであっても構わない。バッテリに関する主な制約は、少なくとも陰極か陽極、好ましくは両極がＲＦＩＤチップ用のアンテナとして使用できる動作周波数で十分に導電性を有することである。
図３において、従来のＲＦＩＤチップ２は、よく知られているように、ＲＦＩＤリーダの問合せＲＦ電磁界において、アンテナがピックアップするＲＦエネルギを受信するアンテナ端子９を備える。ＡＣ／ＤＣ変換器１１はＲＦ電磁界から与えられた電力を直接的にＲＦＩＤチップ２に供給する。ＲＦ電磁界のＲＦエネルギに含まれるデータはチップ２の復調器で復調される。ＲＦ電磁界問合せに対するＲＦＩＤチップ２の応答に含まれる情報は、１４で示すチップにより変調され、整合インピーダンス１６を介してアンテナ端子９に送られる。
図４に本発明に係る直列構成の実施形態を示す。バッテリ１７は上部電極１８ａ及び下部電極１８ｂにより形成され、バッテリ２０は上部電極１９ａ及び下部電極１９ｂにより形成される。上部と下部電極間にある電解質、及び全てが形成される基板については簡単のため図示を省略してある。以下詳細に説明するようにバッテリ機能とアンテナ機能とを減結合するために減結合インピーダンス２２が必要である。
図５に図４の直列構成の詳細を示す。ＲＦＩＤチップ２は、それぞれ上部電極１８ａと下部電極１９ｂの一部であるダイポールアンテナ素子２４と２５に接続される。減結合インピーダンス２２の構成例はインダクタ２３であり、インダクタ２３はアンテナ端子９に対してＲＦ成分とＤＣ成分を減結合、または分離する。減結合インピーダンスはインダクタに限定されず、アンテナで受信した入力エネルギのＲＦ成分とＤＣ成分を分離できる任意の分離または分布回路、あるいは能動回路であってよい。アンテナ端子９で受信したＲＦエネルギがバッテリ１７及び２０から利用できる電力レベルより大きければ、ＲＦ電磁界は、従来の受動型ＲＦＩＤラベルで行われているようにＡＣ／ＤＣ変換器１１を介して電力をＲＦＩＤチップ２に供給する。この入力ＲＦ電磁界は、ＲＦＩＤチップ２との間でデータの受け渡しが行われる間、バッテリ１７及び２０を充電する。一方、アンテナ端子９で受信したＲＦエネルギがバッテリ１７及び２０の供給する電力レベルより小さければ、データの転送期間においてバッテリ１７及び２０がＲＦＩＤチップ２に電力を供給する。このように構成される能動ラベルの範囲は従来の受動型ＲＦＩＤラベルに比べ格段に広がる。ラベルがＲＦＩＤリーダの近くにある限り、バッテリ１７及び１９が充電されるとともに、ＲＦＩＤラベルは受動型ＲＦＩＤラベルとして動作し、一方でＲＦＩＤリーダから離れるとＲＦＩＤラベルは能動型ＲＦＩＤラベルとして振る舞う。
図６に代替実施形態として本発明に係る並列構成を示す。バッテリ２６は上部電極２８ａと下部電極２８ｂにより形成され、バッテリ２７は上部電極２９ａと下部電極２９ｂにより形成される。アンテナ素子３０は上部電極２８ａの一部である。アンテナ素子３２は下部電極２９ｂの一部である。インダクタ３３及び３４は減結合インピーダンス機能を果たし、アンテナ素子３０及び３２のＲＦ成分とＤＣ成分を分離する。図５で述べたのと同様に、アンテナ端子９で受信したＲＦエネルギがバッテリ２６及び２７から利用できる電力レベルより大きければ、ＲＦ電磁界はＡＣ／ＤＣ変換器１１を介して電力をＲＦＩＤチップ２に供給する。そしてＲＦＩＤチップ２との間でデータの転送が行われる間バッテリ２６及び２７は充電される。一方、アンテナ端子９で受信したＲＦエネルギがバッテリ２６及び２７から供給される電力レベルより小さければ、データの転送期間においてバッテリ２６及び２７がＲＦＩＤチップ２に電力を供給する。
マイクロ波ＲＦＩＤラベルにより図４〜図６に示す本発明の実施形態を説明した。マイクロ波ＲＦＩＤラベルは代表的に１ＧＨｚ以上のＲＦ（無線）周波数で動作する。しかしながら、本発明は他の周波数で動作するＲＦＩＤタグにも容易に適用できる。
図７に示すＲＦＩＤラベル４０はマイクロ波周波数以外の周波数、例えば約８ＭＨｚ、あるいは約１３．５６ＭＨｚの普通のＲＦＩＤ周波数で動作する。ＲＦＩＤラベル４０はＲＦＩＤチップ２、アンテナ素子４２、及び基板４４を備える。本発明に基づいて、アンテナ素子４２はＲＦＩＤチップ２用バッテリとしても機能する。
図８において、ＲＦＩＤチップ２は一例として従来のＲＦＩＤチップを説明するために図示したＲＦＩＤチップと機能的に同一である。しかしながら、本発明で使用するＲＦＩＤチップそのものは図示したＲＦＩＤチップ２と構造的に異なるものであってよい。基板４４に実装されるアンテナ素子４２はバッテリ４４の１つの電極を形成する。電解質を介してこの第１の電極と分離される第２の電極も基板４４上に形成され、両電極によりバッテリ４４が形成される。アンテナ素子４２として用いる電極は図示のものと違ってもよい。減結合インダクタ４６によりアンテナ端子９に入力されたＲＦデータを、バッテリ４４によりＲＦＩＤチップ２に供給されるＤＣ電力から分離する。他の実施形態と同様に、減結合インピーダンス４６は様々な態様で実現できる。マイクロ波ＲＦＩＤラベルと同様に、ＲＦＩＤチップ２は入力ＲＦエネルギとバッテリ４４の供給電力のうち大きい方により電力が供給される。例えば、ラベルがＲＦＩＤリーダの近くにあるときのようにＲＦエネルギが十分に大きければ、それによりバッテリ４４の充電が同時に行われる。
本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の変更、変形が可能である。また、本発明の範囲は説明した特定の実施形態に制限されるものではなく、本開示に
照らして、特許請求の範囲にのみ基づいて定められるべきである。
従来技術のマイクロ波ＲＦＩＤラベルの上面図である。 本発明の一実施形態の上面図である。 従来技術のＲＦＩＤチップの回路図である。 本発明の一実施形態に係る部分上方斜視図である。 本発明に係る直列構成の回路図である。 本発明に係る並列構成の回路図である。 マイクロ波以外の周波数で動作する、本発明の代替実施形態の上面図である。 マイクロ波以外の周波数で動作する本発明の代替実施形態の回路図である。

Claims (9)

  1. 基板上に設けられた無線周波数識別チップと、
    前記無線周波数識別チップに接続され、前記基板上に設けられ、少なくとも一部は前記無線周波数識別チップ用のアンテナを形成し、電解質により分離される２つの電極を含み、少なくとも１つの当該電極により前記アンテナが形成されている、バッテリと、を備え、
    無線周波数識別電磁界から利用できる電力が前記バッテリから利用できる電力より実質的に大きい限り、前記無線周波数識別電磁界が無線周波数識別チップに電力を供給し、前記無線周波数識別電磁界から利用できる電力が前記バッテリから利用できる電力より実質的に小さい限り、前記バッテリが前記無線周波数識別チップに電力を供給することを特徴とする、能動型無線周波数識別ラベル。
  2. 前記アンテナはマイクロ波周波数で動作するのに適したダイポールアンテナであることを特徴とする、請求項１に記載のラベル。
  3. 前記アンテナは８ＭＨｚまたは１３．５６ＭＨｚで動作することを特徴とする、請求項１に記載のラベル。
  4. 前記バッテリは薄膜バッテリであることを特徴とする、請求項１に記載のラベル。
  5. 前記薄膜バッテリはリチウムイオンバッテリであることを特徴とする、請求項４に記載のラベル。
  6. 前記アンテナ及び前記バッテリは前記基板上の実質的に同一場所を配置されることを特徴とする、請求項１に記載のラベル。
  7. 前記基板は比較的柔軟性があることを特徴とする、請求項１に記載のラベル。
  8. 基板上に設けた無線周波数識別チップ、及び一部が当該無線周波数識別チップ用のアンテナを形成し、電解質により分離される２つの電極を含み、少なくとも１つの当該電極により前記アンテナが形成されている薄膜バッテリを含む無線周波数識別ラベルを与える段階と、
    前記無線周波数識別ラベルを無線周波数識別リーダにより形成される無線周波数識別電磁界に配置する段階と、を含み、
    前記無線周波数識別電磁界から利用できる電力が前記バッテリから利用できる電力より大きい限り、前記無線周波数識別電磁界が無線周波数識別チップに電力を供給し、前記無線周波数識別電磁界から利用できる電力が前記バッテリから利用できる電力より小さい限り、前記バッテリが前記無線周波数識別チップに電力を供給し、前記無線周波数識別電磁界から利用できる電力が前記バッテリから利用できる電力より大きい限り、前記バッテリを充電することを特徴とする、
    無線周波数識別ラベル電力供給方法。
  9. 前記無線周波数識別電磁界から利用できる電力が前記バッテリから利用できる電力より大きい限り、前記バッテリは充電されることを特徴とする、請求項１に記載のラベル。
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