JP4379875B2 - Ｒｆｉｄデータキャリア - Google Patents

Description

本発明は、電波により非接触で各種データの送受信が行われるＲＦＩＤデータキャリアに関する。

従来、商品や荷物等の物品に関する各種データを管理する方法として、物品に取り付けたＲＦＩＤデータキャリアと、アンテナおよびコントローラを備えたリーダ／ライタ（以下「Ｒ／Ｗ」という。）とを利用したデータキャリアシステムが構築されている。この種のシステムでは、Ｒ／Ｗコントローラで制御された電波をＲ／Ｗアンテナから送信し、ＲＦＩＤデータキャリアに対し非接触で各種データの読み書きを行うことができる。ＲＦＩＤデータキャリアは、合成樹脂製の基材上にＩＣ部とアンテナ部を実装したものが一般的であるが、そのアンテナ部の形状としては、図５に示したような各種のパターン形状が知られている。

図５ａはダイポールアンテナであり、ＩＣ部を中心として同一直線上に延びる一対のダイポール素子７１、７１を有している。また、図５ｂは３素子八木アンテナであり、ＩＣ部を有する直線状の放射器８１を備え、放射器８１よりも短い直線状の導波器８２と、放射器８１よりも長い直線状の反射器８３とが放射器８１を挟んだ両側に、等間隔で平行に配置されている。さらに、図５ｃは双方向八木アンテナであり、ＩＣ部を有する直線状の放射器９１を備え、放射器９１よりも短い同一長さの直線状の導波器９２、９２が放射器９１を挟んだ両側に、等間隔で平行に配置されている。

ところで、上述したデータキャリアシステムを利用したデータ管理において、ＲＦＩＤデータキャリアによって商品や荷物等の物品の向きまで識別できると便利である。ところが、物品に対して所定の向きでデータキャリアを取り付けたとしても、図５に示したアンテナ形状のデータキャリアの場合には、次のような問題点があった。

まず、ダイポールアンテナの場合には、図５に破線で示した通り、８の字に近い無指向性であり、ダイポール素子７１の左右両側において指向性の強弱の差がないため、データキャリアの向きを識別することはできない。また、３素子八木アンテナの場合、導波器８２側のメインローブに強い指向性を有しているが、反対に反射器８３側のバックローブの指向性が極度に小さいため通信距離の面で不利となる。さらに、３素子双方向八木アンテナの場合には、放射器９１の左右両側において均等な指向性を有しているので、ダイポールアンテナと同様にデータキャリアの向きを識別することはできない。

なお、特許文献１には変形八木アンテナの例が開示されているが、このアンテナは複数方向に指向性を持たせることができるものの、その指向性の強度は一定であり、指向性の強弱を調節することは不可能である。

特開平１１−１１２２３０号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アンテナ部の指向性の強弱を調節することが可能なＲＦＩＤデータキャリアを提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は、絶縁性の基材上に、外部Ｒ／Ｗからの電波によりデータの通信を行う通信手段およびデータを読み書き可能に記憶する記憶手段を有するＩＣ部と、このＩＣ部に接続された導電性のアンテナ部とを備えたＲＦＩＤデータキャリアであって、アンテナ部が、直線状の素子からなる放射器と、この放射器を挟んだ両側に、放射器に対し平行に配置された直線状の素子からなる導波器とを有するパターンで形成されるとともに、導波器の素子の線長が共に放射器の素子の線長よりも短く、放射器の素子の線幅が３〜１５ｍｍの範囲内に設定され、かつ、導波器の素子の線幅が放射器の素子の線幅と同一に設定されており、放射器および一方側の導波器間の間隔と、放射器および他方側の導波器間の間隔とが異なる長さに設定されていることを特徴とする。

上記のような構成において、たとえば、放射器と一方側の導波器との間隔を、放射器と他方側の導波器との間隔よりも長く設定した場合、ＲＦＩＤデータキャリアのアンテナ部において、放射器を中心とした一方側の指向性を他方側のそれよりも弱めることが可能になる。

また、放射器および導波器の線幅を３〜１５ｍｍの範囲内とする理由は、線幅が３ｍｍ未満であると、放射器を中心とした両側において外部Ｒ／Ｗアンテナとの通信距離の差が現われなくなるためであり、線幅が１５ｍｍを超えると、その通信距離が極端に短くなってしまうからである。最大通信距離とその左右の差の双方を考慮すると、より好ましくは８〜１０ｍｍの範囲内とするのが良い。

さらに、本発明において、上記基材を紙で構成することも可能であり、この場合、紙製の基材と上記アンテナ部との間に、アンテナ部に比して誘電率の変化が少なく、かつ、耐水性を有する被覆層を形成することが好ましい。このような構成によると、基材が湿気を帯びて水分を含んでいても、被覆層は誘電率の変化が少なく電波を吸収してしまうことがないため、アンテナ部の共振周波数のズレが減少してＲ／Ｗアンテナとの通信距離の低下を防止できる。

本発明によれば、ＲＦＩＤデータキャリアのアンテナ部において、放射器と導波器の線長および線幅と、放射器と導波器の間隔を設定するだけの簡単な方法で、放射器を中心とした両側においてアンテナ指向性の強弱の差を設けることができるという効果を有する。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係るＲＦＩＤデータキャリアの構成を示す平面図、図２は同データキャリアの断面図、図３はアンテナ部の形状を示す要部拡大図、図４は同データキャリアの通信可能領域を模式的に示す指向特性図である。

図１に示したように、本実施形態のＲＦＩＤデータキャリア１は、所要形状に成形された基材２の上にＩＣ部３とアンテナ部４とを実装したものである。このＲＦＩＤデータキャリア１の通信方式は、周波数がマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）の電波を利用する電波方式を採用しており、静電結合方式や電磁誘導方式などの他の通信方式に比べ、通信距離が比較的広範囲に亘るのが特徴である。そして、外部のＲ／Ｗコントローラで制御されたマイクロ波の電波をＲ／Ｗアンテナから送信し、その送信された電波をＲＦＩＤデータキャリア１のアンテナ部４で受信することにより、Ｒ／ＷとＲＦＩＤデータキャリア１との間で各種データの送受信が非接触で行われる。

基材２は、絶縁性の材料からなり、たとえば、ＰＥＴ等の合成樹脂や、上質紙、コート紙、合成紙等の各種紙類で構成される。紙類を使用した場合、合成樹脂を使用した場合に比べ、ＲＦＩＤデータキャリア１を廉価に製作できる上に、薄型化や軽量化を図ることができる。また、基材２の上に必要事項をプリントできるという利点もある。

図２に示したように、基材２を紙類で構成した場合には、紙が湿気を帯びて誘電率が変化することを防ぐため、基材２とアンテナ部４との間に被覆層６を形成することが好ましい。この被覆層６は、アンテナ部に比して誘電率の変化が少なく、かつ、耐水性を有する材料で構成される。そのような材料としては、ポリスチレンやＡＢＳ樹脂等のスチレン系樹脂、ポリプロピレンやポリエチレンやポリブチレン等のオレフィン系樹脂、ポリフェニレンサルファイドやポリカーボネート等のエンジニアリングプラスチックのほか、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。その形成方法としては、これらの合成樹脂からなるフィルムを基材２上に粘着剤で貼着する方法や、これらの合成樹脂を含む紫外線硬化型または蒸発乾燥型インキを印刷する方法を採用することができる。

このような構成によると、基材２が湿気を帯びて水分を含んでいても、被覆層６は誘電率の変化が少なく電波を吸収することがないので、アンテナ部４の共振周波数のズレが減少してＲ／Ｗアンテナとの通信距離の低下を防止できる。

ＩＣ部３は、Ｒ／Ｗコントローラとの間でＲ／Ｗアンテナを介して各種データの通信を行う通信手段と、各種データを読み書き可能に記憶する記憶手段とを有するもので、たとえば、通信回路とメモリが内蔵された薄型ＩＣチップを使用することができる。また、メモリとしてＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリを用いることにより、電池レスタイプのデータキャリアとすることが可能である。

アンテナ部４は、導電性の皮膜からなり、たとえば、銀ペースト、黒鉛、カーボン等を含有した導電性インキを基材２の上にパターン印刷して構成されている。本実施形態におけるアンテナ部４は、その素子のパターン形状として、３素子からなる双方向八木アンテナ形状を採用している。すなわち、アンテナ部４は、１本の素子からなる放射器４−１と２本の素子からなる導波器４−２、４−２を備えている。

放射器４−１は、直線状の素子からなり、その中央端部には一対の給電部５、５が設けられている。放射器４−１は、外部のＲ／Ｗアンテナから送信された電波や導波器４−２から送り込まれた電波を捕捉する機能を有するとともに、Ｒ／Ｗアンテナに向けて電波を放射する機能を有している。また、一対の給電部５、５はＩＣ部３の通信回路に電気的に接続されており、放射器４−１で捕捉した電波によって通信回路に給電が行われる。

導波器４−２は、直線状の素子からなり、放射器４−１を挟んだ左右両側に、放射器４−１に対し平行に配置されている。導波器４−２は放射器４−１とは異なり無給電であって、Ｒ／Ｗアンテナから送信された電波を強めながら、その電波を放射器４−１に向けて送り込む作用をする。なお、本実施形態では、導波器４−２が放射器４−１の両側に１素子ずつ設けられているが、これに限らず複数本の素子を並べて配置しても良い。

本実施形態では、アンテナ部４の指向性の強弱を調節するのが目的であるが、そのための構成として、放射器４−１と導波器４−２における素子の線長および線幅と、放射器４−１と導波器４−２の間隔を次の通りに設定するものとしている。

図３に示したように、放射器４−１の素子の線長Ｌ_１は、使用する電波の波長に応じて設定され、波長をλとするとλ／２である。ここで、周波数をｆ［Ｈｚ］とし、光速度をｃ［ｍ／ｓ］とすると、波長λ［ｍ］は次の式で求められる。

本実施形態では、周波数ｆが２．４５［ＧＨｚ］＝２．４５×１０^９［Ｈｚ］の電波であり、光速度ｃは３．０×１０^８［ｍ／ｓ］であるから、その波長λを上記の数式１により求めると約０．１２２［ｍ］となる。よって、放射器４−１の素子の線長Ｌ_１は約６２ｍｍ前後に設定すれば良い。

また、放射器４−１の素子の線幅Ｗ_１は、３〜１５ｍｍの範囲内に設定される。その理由は、線幅Ｗ_１が３ｍｍよりも短いと、放射器４−１を中心としたアンテナ部４の左右両側において、外部Ｒ／Ｗアンテナとの通信距離の差が現われなくなるためであり、線幅Ｗ_１が１５ｍｍよりも長くなると、今度はその通信距離が短くなってしまうからである。なお、後述する実施例によれば、最大通信距離とその左右差の双方の観点から、放射器４−１の素子の線幅Ｗ_１は、より好ましくは８〜１０ｍｍの範囲内とするのが良い。

導波器４−２の素子の線長Ｌ_２は、放射器４−１の素子の線長Ｌ_１、すなわちλ／２よりもやや短い長さに設定され、本実施形態では約５２ｍｍ前後とされている。また、導波器４−２の素子の線幅Ｗ_２は、上述した理由から、放射器４−１の素子の線幅Ｗ_１と同じく３〜１５ｍｍの範囲内、より好ましくは８〜１０ｍｍの範囲内に設定される。

放射器４−１と導波器４−２の間隔は、放射器４−１を中心とした左右両側において異なる長さに設定され、アンテナ指向性を弱めたい側、すなわち通信距離を短くしたい側の間隔がその反対側の間隔よりも長く設定される。本実施形態では、図３において、放射器４−１と左側の導波器４−２との間隔Ｓ_１が約２５ｍｍに設定され、放射器４−１と右側の導波器４−２との間隔Ｓ_２が約３０ｍｍに設定されており、左側の間隔の方が右側の間隔よりも若干短く設定されている。

以上のような構成によると、図４に示したように、このＲＦＩＤデータキャリア１について垂直偏波の水平面指向性を見た場合、アンテナ部４において放射器４−１を中心とした右側の指向性を左側のそれよりも弱めることが可能になる。

このように、放射器４−１の左右両側においてアンテナ指向性の強弱を付けることができるため、次のような用途が考えられる。たとえば、本発明を車両の入出庫管理に適用した場合、車両の進行方向に対しアンテナ指向性の強弱を調節したＲＦＩＤデータキャリア１を車両本体に取り付け、Ｒ／Ｗアンテナを取り付けた車両ゲートと、このゲートを制御するＲ／Ｗコントローラを設置したデータキャリアシステムを構築することができる。この場合、車両に関する各種データを管理できるだけでなく、その車両が前進でゲートを通過したのか、あるいは後進でゲートを通過したのかまで識別することができ、入出庫管理システムの利便性が向上するという利点がある。

なお、上述した実施形態では、ＲＦＩＤデータキャリア１の通信方式として周波数がマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）の電波を利用した電波方式の例を説明したが、周波数がＵＨＦ（９５６ＭＨｚ）の電波を利用した電波方式にも同様に適用可能である。この場合、アンテナ部４の構成として、放射器４−１の素子の線長Ｌ_１はλ／２（約１５７ｍｍ前後）、導波器４−２の素子の線長Ｌ_２はλ／２よりもやや短い長さに設定する。また、放射器４−１と導波器４−２における素子の線幅Ｗ_１とＷ_２は、マイクロ波のときと同じく３〜１５ｍｍ（より好ましくは８〜１０ｍｍ）の範囲内に設定し、放射器４−１と導波器４−２の間隔は、放射器４−１を中心とした左右両側において異なる長さに設定すれば良い。

これにより、上述したマイクロ波の場合と同様に、放射器４−１を中心とした左右両側においてアンテナ指向性の強弱を調節することが可能になるとともに、最大通信距離が約４ｍ前後とマイクロ波に比べ通信距離を延ばすことができる。

以下、本発明の具体的な実施例について、測定結果を参照しながら説明する。

［アンテナ形状の相違についての検討］
ＲＦＩＤデータキャリアにおけるアンテナ部のパターン形状として、図５で説明したダイポールアンテナ、３素子八木アンテナおよび３素子双方向八木アンテナと、本発明品に係るアンテナの各々について、Ｒ／Ｗアンテナとの間の通信距離（読み取り距離）を測定した。その測定結果を下記の表１に示す。なお、ＲＦＩＤデータキャリアの各アンテナ部の形状は次の（Ａ）〜（Ｄ）の通りであるが、アンテナ部以外の構成は全て同一とし、測定に用いた電波はマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）とした。

（Ａ）ダイポールアンテナ
ダイポール素子…線幅５ｍｍ、線長６８ｍｍ
（Ｂ）３素子八木アンテナ
放射器…線幅５ｍｍ、線長６８ｍｍ
導波器…線幅５ｍｍ、線長４７ｍｍ
反射器…線幅５ｍｍ、線長７０ｍｍ
放射器と反射器（左側）の間隔…２４ｍｍ
放射器と導波器（右側）の間隔…３１ｍｍ
（Ｃ）３素子双方向八木アンテナ
放射器…線幅８ｍｍ、線長６６ｍｍ
導波器…線幅８ｍｍ、線長５２ｍｍ
放射器と導波器（左側）の間隔…２５ｍｍ
放射器と導波器（右側）の間隔…２５ｍｍ
（Ｄ）本発明品
放射器…線幅８ｍｍ、線長６６ｍｍ
導波器…線幅８ｍｍ、線長５２ｍｍ
放射器と導波器（左側）の間隔…２５ｍｍ
放射器と導波器（右側）の間隔…３０ｍｍ

表１から明らかなように、上記（Ａ）のダイポールアンテナでは、左右の通信距離が等しく、アンテナ左右の指向性に強弱を付けることは不可能である。また、上記（Ｂ）の３素子八木アンテナは、右（導波器）側のメインローブの通信距離に優れるが、左（反射器）側のバックローブの通信距離が極端に短いため、アンテナの左右両側において指向性の強弱の差が大きく付きすぎてしまうことが分かる。さらに、上記（Ｃ）の３素子双方向八木アンテナでは、ダイポールアンテナに比べ通信距離は延びるが、上記（Ａ）のダイポールアンテナと同様に左右の通信距離が等しく、アンテナ左右の指向性に強弱を付けることはできなかった。

それに対し、上記（Ｄ）の本発明品によると、上記（Ａ）のダイポールアンテナに比べ左右共に通信距離を延ばすことができるとともに、上記（Ｂ）の３素子八木アンテナのように一方側の通信距離を極度に低下させることもなく、アンテナの左右両側において指向性の強弱の差を適度に設けられることが判明した。

［アンテナ左右の読み取り距離の差制御］
ＲＦＩＤデータキャリアのアンテナ部の寸法に関し、放射器と導波器における線幅および線長、ならびに放射器と導波器の左右の間隔を変更してそのときの最大読み取り距離と左右の距離の差を測定した。その測定結果を下記の表２に示す。なお、測定に用いた電波はマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）とし、放射器および導波器の寸法については、次の４通りのものを使用した。

（１） 試料ア、イ、ウ
放射器…線幅５ｍｍ、線長６２ｍｍ
導波器…線幅５ｍｍ、線長５２ｍｍ
（２） 試料エ、オ、カ
放射器…線幅８ｍｍ、線長６６ｍｍ
導波器…線幅８ｍｍ、線長５２ｍｍ
（３） 試料キ、ク、ケ
放射器…線幅１０ｍｍ、線長６４ｍｍ
導波器…線幅１０ｍｍ、線長５４ｍｍ
（４） 試料コ、サ、シ
放射器…線幅１５ｍｍ、線長６２ｍｍ
導波器…線幅１５ｍｍ、線長５４ｍｍ

表２の測定結果を参照すると、試料ア、イ、ウのように放射器と導波器の線幅が５ｍｍの場合、放射器と導波器の左右の間隔を異ならせても、アンテナ部の左右において読み取り距離の差がほとんど現われなかった。

試料エ、オ、カのように放射器と導波器の線幅が８ｍｍの場合、放射器と導波器の左右の間隔が等しい試料エでは、左右の読み取り距離の差が現われなかったが、放射器と導波器の左右の間隔が異なる試料オとカでは、共に左右の読み取り距離の差が現われ、アンテナ部の左右に指向性の強弱を持たせることができた。

試料キ、ク、ケのように放射器と導波器の線幅が１０ｍｍの場合、放射器と導波器の左右の間隔が等しい試料キでは、左右の読み取り距離の差が現われなかったが、放射器と導波器の左右の間隔が異なる試料クとケでは、共に左右の読み取り距離の差が現われ、アンテナ部の左右に指向性の強弱を持たせることができた。

試料コ、サ、シのように放射器と導波器の線幅が１５ｍｍの場合、放射器と導波器の左右の間隔が等しい試料コでは、左右の読み取り距離の差が現われなかったが、放射器と導波器の左右の間隔が異なる試料サとシでは、共に左右の読み取り距離の差が現われ、アンテナ部の左右に指向性の強弱を持たせることができた。なお、試料コ、サ、シでは、線幅が８ｍｍや１０ｍｍの場合に比べ、最大読み取り距離が短くなってしまうことが分かる。

以上の測定結果から明らかなように、左右の読み取り距離の差が大きいのは、放射器と導波器の線幅が８ｍｍと１０ｍｍの場合であり、最大読み取り距離とその左右差の双方の観点からすると、放射器と導波器の線幅は８ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に設定するのが適当であることが判明した。

本発明に係るＲＦＩＤデータキャリアの構成を示す平面図。 図１に示すＡ−Ａ線断面図。 アンテナ部の形状を示す要部拡大図。 本発明に係るＲＦＩＤデータキャリアの通信可能領域を示す指向特性図。 従来のアンテナ形状の通信可能領域を示す指向特性図。

符号の説明

１ ＲＦＩＤデータキャリア
２ 基材
３ ＩＣ部
４ アンテナ部
４−１ 放射器
４−２ 導波器
５ 給電部
６ 被覆層
Ｌ_１ 放射器の素子の線長
Ｗ_１ 放射器の素子の線幅
Ｌ_２ 導波器の素子の線長
Ｗ_２ 導波器の素子の線幅
Ｓ_１ 放射器と左側の導波器の間隔
Ｓ_２ 放射器と右側の導波器の間隔

Claims (2)

1. 絶縁性の基材上に、外部Ｒ／Ｗからの電波によりデータの通信を行う通信手段およびデータを読み書き可能に記憶する記憶手段を有するＩＣ部と、このＩＣ部に接続された導電性のアンテナ部とを備えたＲＦＩＤデータキャリアであって、
   アンテナ部が、直線状の素子からなる放射器と、この放射器を挟んだ両側に、放射器に対し平行に配置された直線状の素子からなる導波器とを有するパターンで形成されるとともに、
   導波器の素子の線長が共に放射器の素子の線長よりも短く、放射器の素子の線幅が３〜１５ｍｍの範囲内に設定され、かつ、導波器の素子の線幅が放射器の素子の線幅と同一に設定されており、放射器および一方側の導波器間の間隔と、放射器および他方側の導波器間の間隔とが異なる長さに設定されている
   ことを特徴とするＲＦＩＤデータキャリア。
2. 上記基材が紙で構成され、その基材と上記アンテナ部との間に、アンテナ部に比して誘電率の変化が少なく、かつ、耐水性を有する被覆層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤデータキャリア。
   

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