JP4442712B2

JP4442712B2 - パッチアンテナ

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Publication number: JP4442712B2
Application number: JP2008318248A
Authority: JP
Inventors: 友宏水野; 博一佐野; 徳寿大角; 利加子峯
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2027-07-09
Also published as: JP2009089428A

Description

この発明は、電波方式（９５０ＭＨｚ帯，２．４５ＧＨｚ帯など）によるＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）システムにおいて、コマンド信号の電波をＲＦＩＤタグに送信して、そのコマンド信号のコマンド情報に応じて、ＲＦＩＤタグ内のメモリに格納しているタグ情報をＲＦＩＤリーダライタに読み出し信号として電波で返信させ（タグ情報の更新又は追記を行う場合を含む）、その電波を受信するＲＦＩＤリーダライタ装置の空中線部であるパッチアンテナに関するものである。

従来のＲＦＩＤシステムには、居室、工場及びイベント会場などの立ち入り制限エリアにおける生体入退室（入退場）管理や工場及び作業現場での物品（物流）管理などに使用されており、管理を行うべきエリアのゲートにＲＦＩＤリーダライタ用アンテナを設け、管理する対象にＲＦＩＤタグを装着させる又は貼り付けるなどして管理を行うものがある（例えば、特許文献１）。また、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの素子には、特許文献１の図３に示されるような、放射導体が円形のパッチ導体を２本のマイクロストリップ線路により２点給電で励振するもののほかに、２点給電方式であるが放射素子が方形のパッチ導体で、給電線路が同軸線路であるもの（例えば、特許文献２）、放射素子が円形のパッチ導体で、給電線路がマイクロストリップ線路で１点給電方式であるもの（例えば、特許文献３）、同じく、１点給電方式であるが、放射素子が円形のパッチ導体で、給電線路が同軸線路であるもの（例えば、特許文献４及び５）などのパッチアンテナがある。なお、特許文献１，３〜５に示されるように、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナとＲＦＩＤタグとの通信には、ＲＦＩＤタグの貼り付け位置によりＲＦＩＤタグのアンテナ素子の角度が一定でないことが多いので、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナとＲＦＩＤタグとの通信確率を向上させるために円偏波の電波が用いられることが多い。

また、従来のＲＦＩＤシステムには、ＦＡ（ＦａｃｔｏｒｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）工場等での搬送ラインにおいて、生産工程の履歴管理（例えば、ベルトコンベヤなどの搬送系に乗り、各工程を逐次に流れて組立てられていく製品の製造工程管理）を行うもの、つまり、移動する物品に付けられたＲＦＩＤタグのタグ情報を更新し、追記し、又はそのタグ情報を得るものがある（例えば、特許文献１，６，７）。

特開２００６−１１３８６９号公報（段落００１７〜００２６、図１〜４）

特開２００６−２７９２０２号公報（段落００１０〜００１２、図１及び２）

特開２００６−１８００４３号公報（段落００２４、図４）

特開２００１−２３７６３８号公報（段落００３８、図４（ａ）及び図４（ｂ））

特開２００１−５２１２３号公報（段落００１１,００１２、図１及び２）

特開２００６−１５５５１１号公報（段落００７１、図２）

特開２００６−１７２１０１号公報（段落００１６〜００２０、図１〜５）

近年、ＲＦＩＤシステムによる製品トレーサビリティ（追跡可能性）を求める気運が高まっている。この製品トレーサビリティを実現するために、製造工程の全てのライン又は、それに近い数のラインにおける生産工程の履歴管理を確実に行うことが必要となる。したがって、ライン工程間隔が狭い工程においても、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナを設置することになるが、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナを密に並べたり、加工機や加工を行う作業者を配置するスペースを確保したりするためには、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの性能の劣化を極力さけつつ、その寸法（以下、特に注釈が無い限り、寸法とは、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの電波放射面の面積を指す）を小さくしなければならない。しかし、特許文献１，６に示されている情報読出（管理）システムでは、各工程間の間隔やＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの種類や寸法に関しては考慮されておらず、例えば、特許文献７に示されるループ状のアンテナを特許文献１，６に示されるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの素子に採用すると、ライン工程間隔が狭い工程において、加工機や加工を行う作業者を配置するスペースを確保して製造工程管理を行うことが困難となるという課題がある。

一方、特許文献１〜５に記載されたＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの素子は、誘電体基板の表面に放射導体（円形や方形のパッチ導体）、裏面に接地導体を配したパッチアンテナである。このＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの寸法を小さくするためには、誘電率の高い誘電体基板を用いれば、パッチアンテナの共振器寸法を小さくすることができる。つまり、放射導体の面積自体を減少できることからＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの寸法を小さくすることができる。さらに、同軸線路の外部導体をパッチアンテナの接地導体に、中心導体を放射導体に電気的に接続する同軸給電方式を採用すれば、マイクロストリップ給電方式に比して、より寸法の小型化を図ることができる。なお、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの素子であるパッチアンテナでは、誘電体基板に基材を使用せずに空気層を用いたものも多い（誘電率１の誘電体層を放射導体と接地導体とで挟み込んだものと等価のパッチアンテナ）。

ここで、パッチアンテナは共振型の素子アンテナであるため、単純に誘電体基板の誘電率を高くすると共振器としてのＱ値が高くなり、放射効率（アンテナからの放射電力とアンテナに供給される電力の比）が低下してしまう。そこで、小型且つ放射効率の良いパッチアンテナを構成するためには誘電体基板を厚くすれば良い。

しかし、誘電体基板の肉厚化を行った場合には、環境温度の変動による誘電体基板の熱膨張での厚み変動量が増加してしまい、放射導体と同軸給電部の中心導体との接続部にかかる応力も増加し、半田付けを行っている場合などにクラックを生じるなど接続部分の信頼性の低下やその信頼性の低下により、パッチアンテナの性能が劣化や故障する可能性があるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、素子がパッチアンテナであるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの基板に高誘電率材料を選択し、且つ、誘電体基板の厚みを厚くすることにより生じるアンテナの信頼性の劣化を抑え、アンテナの小型化を実現することでライン工程間隔が狭い場合においてもアンテナを密に設置でき、アンテナによる加工機や加工を行う作業者を配置するスペースの減少を抑える可能性を高めた新規なパッチアンテナを提供することを目的とする。

請求項１の発明に係るパッチアンテナは、表面に円形又は方形のパッチ導体を設け、裏面に接地導体を設けた誘電体基板、この誘電体基板を貫通する貫通孔、この貫通孔に挿入され、前記パッチ導体上の給電点と電気的に接続され、前記接地導体と電気的に絶縁された中心導体と前記誘電体基板の裏面まで前記中心導体の周囲を覆い、前記接地導体と電気的に接続された外部導体とを有する同軸線路で構成されるパッチアンテナにおいて、前記パッチ導体側の前記中心導体の端部に嵌合した孔を囲む中央部分を有し、前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部へ、前記中央部分から複数の枝部分が別々に放射状に延びた接続補助導体と、この接続補助導体の中央部分と前記パッチ導体側の前記中心導体の端部とを電気的に接続する第１の接続手段と、前記接続補助導体の複数の枝部分と前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部とをそれぞれ電気的に接続する第２の接続手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２の発明に係るパッチアンテナは、表面に円形又は方形のパッチ導体を設け、裏面に接地導体を設けた誘電体基板、この誘電体基板を貫通する貫通孔、この貫通孔に挿入され、前記パッチ導体上の給電点と電気的に接続され、前記接地導体と電気的に絶縁された中心導体と前記誘電体基板の裏面まで前記中心導体の周囲を覆い、前記接地導体と電気的に接続された外部導体とを有する同軸線路で構成されるパッチアンテナにおいて、前記パッチ導体側の前記中心導体の端部に嵌合した孔を囲む中央部分を有し、前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部へ、前記中央部分から複数の枝部分が別々に放射状に延びた接続補助導体と、この接続補助導体の中央部分と前記パッチ導体側の前記中心導体の端部とを電気的に接続する第１の接続手段と、前記接続補助導体の複数の枝部分と前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部とをそれぞれ電気的に接続する第２の接続手段とを備え、前記接続補助導体は、十字型又は星型であることを特徴とするものである。

請求項３の発明に係るパッチアンテナは、表面に円形又は方形のパッチ導体を設け、裏面に接地導体を設けた誘電体基板、この誘電体基板を貫通する貫通孔、この貫通孔に挿入され、前記パッチ導体上の給電点と電気的に接続され、前記接地導体と電気的に絶縁された中心導体と前記誘電体基板の裏面まで前記中心導体の周囲を覆い、前記接地導体と電気的に接続された外部導体とを有する同軸線路で構成されるパッチアンテナにおいて、前記パッチ導体側の前記中心導体の端部に嵌合した孔を囲む中央部分を有し、前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部へ、前記中央部分から複数の枝部分が別々に放射状に延びた接続補助導体と、この接続補助導体の中央部分と前記パッチ導体側の前記中心導体の端部とを電気的に接続する第１の接続手段と、前記接続補助導体の複数の枝部分と前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部とをそれぞれ電気的に接続する第２の接続手段とを備え、前記接続補助導体は、歯車型であることを特徴とするものである。

請求項４の発明に係るパッチアンテナは、前記第１の接続手段が、半田付け、又は、前記接続補助導体の中央部分と前記パッチ導体側の前記中心導体の端部との嵌合そのものである請求項１〜３のいずれかに記載のものである。

請求項５の発明に係るパッチアンテナは、前記第２の接続手段が、半田付けである請求項１〜４のいずれかに記載のものである。

請求項６の発明に係るパッチアンテナは、前記接続補助導体が、導電性の薄膜である請求項１〜５のいずれかに記載のものである。

請求項７の発明に係るパッチアンテナは、前記パッチ導体側の前記中心導体の端部は、前記接続補助導体の中央部分の孔に嵌合される突起部、又は、テーパ状のテーパ部を有する請求項１〜６のいずれかに記載のものである。

請求項８の発明に係るパッチアンテナは、前記パッチ導体が、切り欠き状に設けられた縮退分離素子を有する請求項１〜７のいずれかに記載のものである。

以上のように、請求項１〜８に係る発明によれば、パッチ導体側の中心導体の端部に嵌合した孔を囲む中央部分を有し、パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部へ、中央部分から複数の枝部分が別々に放射状に延びた接続補助導体が同軸線路の中心導体とパッチ導体の給電部との電気的な接続部分である接続手段にかかる誘電体基板の熱膨張による厚みの変動を原因とする応力の緩衝体となり同軸線路の中心導体とパッチ導体の給電部との電気的な接続の信頼性を向上させ、誘電体基板の厚みを厚くすることによるアンテナ性能の劣化が抑えられたパッチアンテナを得ることができる。

また、パッチ導体側の中心導体の端部と電気的な接続が容易になる効果に加えて、誘電体基板の熱膨張による厚みの変動を原因とする応力が接続補助導体の枝部分に均等に掛かり、緩衝体としての機能がより確実になる。したがって、同軸線路の中心導体とパッチ導体の給電部との電気的な接続の信頼性が向上した誘電体基板の厚みを厚くすることによるアンテナ性能の劣化が抑えられたパッチアンテナを得ることができる。

実施の形態
以下、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナとは、パッチアンテナを指す。この発明の実施の形態について図１〜３を用いて説明する。図１は、実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの構成図、図１（ａ）は、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの鳥瞰図（上部誘電体基板の一部が透視図となっている）、図１（ｂ）は、図１（ａ）上部に記された矢印方向から見たＲＦＩＤリーダライタ用アンテナに付された点線部分の断面図、図２は、実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの誘電体基板表面図、図２（ａ）は、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナのパッチ導体図、図２（ｂ）は、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの無給電素子（縮退分離素子付き）のパッチ導体図、図２（ｃ）は、ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの無給電素子（縮退分離素子なし）のパッチ導体図、図３は、実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの構成図（レドーム付き）であり、図１〜３において、１はＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの筐体、２は筐体１に設置された厚みＨ１の誘電体基板（本実施の形態では、４層の誘電体で構成された多層基板を例示的に挙げて説明を行っていく。）、３は誘電体基板２の表面に形成された円形のパッチ導体、３ａ，３ｂはパッチ導体３に設けられた切り欠き状の縮退分離素子、４は誘電体基板２の裏面に配置された接地導体、１ａは筐体１と接地導体４を接続する筐体固定ネジ（本実施の形態では、４ヶ所に筐体固定ネジ１ａを使用している。ただし、図１（ｂ）及び図３は、断面図であるので筐体固定ネジ１ａは２ヶ所だけ見えている）、５はパッチ導体３の給電部に電力を給電する同軸線路、６は誘電体基板の裏面に同軸線路５を配置し、同軸線路５の外部導体の機能も兼ねる同軸コネクタ、６ａは同軸コネクタ６を誘電体基板２の裏面に固定して同軸コネクタ６と接地導体４とを電気的に接続する同軸固定ネジ（一般的には、図１のように同軸コネクタのフランジ部分の四隅を固定する）、７はパッチ導体３の給電部と接地導体４との間に形成された誘電体基板２を貫通した貫通孔、８は貫通孔７内に挿入された同軸線路５の中心導体（貫通孔内部）、９は中心導体８と電気的に接続されている同軸コネクタ６の内部の中心導体（同軸コネクタ内部）、１０は中心導体９の周囲を覆い、図１（ｂ）及び図３に示される同軸コネクタ６の点線部分のように外部導体である同軸コネクタ６及び接地導体４と中心導体９とを電気的に絶縁する誘電体層である。このようにして、誘電体基板２にパッチアンテナが形成される。

１１は中心導体８のパッチ導体３側の端部（中心導体８の頭頂部）に設けられ、中心導体８の径が縮小した段差状の突起部、１２は中心導体８，９と給電部である貫通孔７のパッチ導体３側の周縁部とを電気的に接続するための接続補助手段であり、突起部１１と嵌合可能な孔を中心に有する銅箔などの導電性の薄膜で形成された歯車型導体、１３は誘電体基板２の表面から距離Ｈ２離れた位置に設けられた上部誘電体基板、１４は上部誘電体基板１３の表面あるいは裏面に形成されたＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの無給電素子である円形の上部パッチ導体、１４ａ，１４ｂは上部パッチ導体１４に設けられた切り欠き状の縮退分離素子、１５は上部誘電体基板１３の表面あるいは裏面に形成されたＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの無給電素子である円形の上部パッチ導体（縮退分離素子なし）であり、本実施の形態では、上部パッチ導体１４，１５が上部誘電体基板１３の裏面に形成されたものを用いて説明を行っている。１６は誘電体基板２と上部誘電体基板１３との四隅に設置されて両基板２，１４の距離Ｈ２に保持するスペーサとして機能し、上部誘電体基板１３を支持する円筒状の支持部材、１６ａは４ヶ所の支持部材１６の円筒内に挿入され、誘電体基板２と上部誘電体基板１３とを筐体１に固定する基板固定ネジ、１７は誘電体基板２と上部誘電体基板１３とを覆い、筐体１に固定されるレドームである。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。また、以降、ＲＦＩＤリーダライタ，ＲＦＩＤリーダライタ用アンテナ，ＲＦＩＤタグをそれぞれリーダライタ，リーダライタ用アンテナ，タグと略す場合がある。なお、図１〜３において、歯車型導体１２にパッチ導体部３の給電部や突起部１１との電気的な接続を行う導電性接着剤や歯車型導体１２自体（図１（ａ），図３）が図示されていない図あるが、これは、歯車型導体１２の形状やリーダライタ用アンテナの全体構成を明瞭にするためである。導電性接着剤や歯車型導体１２の構成や説明に関しては、リーダライタ用アンテナの全体構成の説明のあとに行う。

図１（ａ）に示すリーダライタ用アンテナの上部誘電体基板１３の一部が透視図になっている（上部誘電体基板１３の裏面に形成された上部パッチ導体の詳細は、図２（ａ）と図２（ｂ）とを参照）。以下、リーダライタ用アンテナの動作について説明する。同軸ケーブルによりリーダライタ装置の入出力端子とリーダライタ用アンテナの同軸コネクタ６とが接続され、リーダライタ装置からＲＦ送信信号用の通信信号電力がパッチ導体３上にある給電部（貫通孔７の周縁部）に中心導体８，９を介して給電されることにより、パッチ導体３，上部パッチ導体１４が励振され、円偏波の電波が送信波（ＲＦ送信信号）として送信され、その読み取り可能な範囲内にあるタグが送信波を受信し、その送信波に含まれるコマンド信号に則った返信波を返信する。続いて、返信波がリーダライタ用アンテナに受信され、受信された返信波が同軸ケーブルを介してリーダライタ装置に送られることにより、ＲＦＩＤシステムが構築されている。なお、ＲＦＩＤシステムの生産工程の履歴管理システムへの適用は後述する。

ここで、誘電体基板２から距離Ｈ２だけ離れた上部誘電体基板１３の裏面に形成された上部パッチ導体１４は、リーダライタ用アンテナの無給電素子として動作し、誘電体基板２のパッチ導体３から放射される電波によって励振され、パッチ導体３および上部パッチ導体１４の各々からの放射波により円偏波の電波が送信される。給電パッチ（パッチ導体３）の上に無給電素子のパッチを配したパッチアンテナは反射整合の広帯域化や放射効率向上の効果がある。ここで、無給電素子を有するパッチアンテナにおいては、給電パッチ（パッチ導体３）と無給電パッチ（上部パッチ導体１４）が各々独立の共振器として動作し、所望の周波数範囲において反射整合を図れるように、それぞれの直径と誘電体基板２の厚みＨ１および距離Ｈ２が定められる。なお、円偏波の合成原理や縮退分離素子の詳細に関しては、発明の開示で挙げた特許文献に記載されたものや公知技術と同等であるので省略する。

図１（ｂ）に示す断面図から、上述のパッチ導体３の給電部と同軸線路５との接続関係が分かり、誘電体基板２と上部誘電体基板１３との位置関係も分かる。また、リーダライタ用アンテナの要求性能に応じて、図２（ｂ）に示すような上部パッチ導体１４に縮退分離素子１４ａ，１４ｂを有するパッチアンテナ（無給電素子）ではなく、図２（ｃ）に示すような縮退分離素子が設けられていない上部パッチ導体１５を有するパッチアンテナ（無給電素子）を採用してもよい。さらに、リーダライタ用アンテナの要求性能によっては無給電素子（上部誘電体基板１３）自体を必要としない場合もあり、その場合は、無給電素子を設けない構成で設計できるので、図１（ｂ）のリーダライタ用アンテナと比較すると、上部誘電体基板１３と支持部材１６とが廃されたアンテナ構造となり、リーダライタ用アンテナの基板厚方向の厚みが、より薄くでき、図３に示すレドーム１７の厚みも薄くできるのでリーダライタ用アンテナの小型に加えて軽量化が実現する。

図４は、実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの給電部における接続補助手段の構成図、図４（ａ）は、歯車型導体の電気的な接続過程図、図４（ｂ）は、給電部への歯車型導体の電気的な接続後の誘電体基板外観図であり、図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。ここでは、誘電体基板が厚くなることによる熱膨張による基板厚の変動幅が増大しても、給電部と同軸線路との接続に与える影響が緩和できる構造について説明する。図４（ａ）では、歯車型導体１２と突起部１１との電気的な接続を嵌合と半田などの導電性接着剤とで行っている。嵌合のみでも構わないが、電気的な接続の確実性からは導電性接着剤を使用したほうがよりよい。本実施の形態では導電性接着剤に半田を用いた。まず、中心導体８は貫通孔７に挿入され、当該中心導体８の頭頂部に形成された突起部１１に歯車型導体１２の孔を嵌合させ、その嵌合部分の周囲に半田付けを行う（半田付け１）。この際、中心導体８の頭頂部と歯車型導体１２との接触部分にも半田が回りこむように半田付けすると信頼性が高まる。次に、パッチ導体３と歯車型導体１２の孔から放射状に延びた各歯とを半田付けする（半田付け２）。半田付け１及び２に関しては、順序が逆転してもよいし同時に行ってもよい。また、歯車型導体１２の孔と突起部１１とが嵌合又は半田付けできるのであれば、突起部１１を中心導体８の頭頂部をテーパ状にしたテーパ部で代用してもよい。なお、図２及び図４に示される誘電体基板２や上部誘電体基板１３の四隅に形成された孔は、基板固定ネジ１６ａを通すためのものである。

このようにして、同軸線路５の中心導体８とパッチ導体３とを歯車型導体１２（歯車型導体１２の各歯）により電気的に接続することにより、誘電体基板２の熱膨張による同軸線路の中心導体とパッチ導体３の給電部と半田付け部にかかる応力を歯車型導体１２（歯車型導体１２の各歯）で吸収して、半田付け部に半田クラックが生じることを抑制することができる。なお、複数の接続補助手段は、本実施の形態で説明した歯車型導体１２（歯車型導体１２の各歯）に限るものではなく、パッチ導体３側の貫通孔７の周縁部へ放射状に延びた導体であれば、十字型、星型、多角形型でもよく、さらに、中心導体８の頭頂部に突起部１１やテーパ部を設けずに、中心導体８の頭頂部から貫通孔７の周縁部へ放射状に延びた複数の金リボンのような薄い導体を渡して電気的に接続してもよい。つまり、中心導体８の頭頂部が連続的に給電部（貫通孔７の周縁部）と電気的に接続されている状態と等価状態になるような接続補助手段を選択すればよい。

図１〜４におけるリーダライタ用アンテナでは、誘電体基板３の厚みが増加するにつれ大きくなる貫通孔７内の中心導体８の寄生リアクタンス成分を抑制して、良好な反射特性を得て、効率よくパッチ導体に給電するために、同軸線路５の貫通孔７内に挿入された中心導体８が同軸線路の外部導体に覆われている中心導体９の径に対して径を大きくしたのものを図示しているが、反射特性の要求性能に応じて中心導体８と中心導体９との径の関係を選択すればよく、場合によっては中心導体８と中心導体９とが同径や一体型（従来の同軸線路と同じ）であってもよい。

次に、中心導体８が大径又は中心導体８と中心導体９とが一体型で大径である場合に生じる問題が本実施の形態の発明で解決できることを説明する。中心導体８が大径又は中心導体８と中心導体９とが一体型である中心導体が大径である場合に給電部である誘電体基板２の表面側にある貫通孔７の周縁部と中心導体を半田付けすると、中心導体である芯線が太いため半田付けの際に半田が暖まりにくく、半田鏝から半田や貫通孔７の周縁部と芯線への熱印加の時間が長くなってしまう。したがって、半田付けの作業効率が悪化してしまう上に、半田付けのために誘電体基板３に長時間に亘って熱を加えることになるので誘電体基板３が変質してしまい、誘電体基板３の電気特性が劣化してしまう恐れがある。しかし、本実施の形態の発明では、貫通孔７の周縁部と中心導体との電気的な接続に銅箔の歯車型導体１２や十字型、星型、多角形型、中心導体８の頭頂部から貫通孔７の周縁部へ放射状に延びた複数薄い導体による接続補助手段を用いるので、図４に示すように、中心導体８の頭頂部の周辺に全体に半田を塗布するのではなく、接続補助手段への部分的な半田付けとなるため、熱印加が局所的で済み作業性が良く、基板変質への影響が最小限に抑えることができる。

本実施の形態の発明を９５０ＭＨｚ帯で利用されるＲＦＩＤシステムのリーダライタ用アンテナに適用して、寸法：約１１０ｍｍ角（厚み：約４０ｍｍ）のリーダライタ用アンテナを同一の条件で３台製作し、その性能をそれぞれ測定した。図５は、実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタの放射パターン測定値図、図６は、実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタの軸比測定値図、図７は、実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタのリターンロス測定値図、図８は、実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタのアンテナ利得測定値図であり、ＡＮＴ０１〜ＡＮＴ０３は、試作した３台のリーダライタ用アンテナの識別番号である。試作した３台のリーダライタ用アンテナがともに９５３ＭＨｚにおいて、図５から矢印で示された−３ｄＢビーム幅が約１００ｄｅｇであり、図６から矢印で示されたビーム幅の範囲内において２．４ｄＢ以下の軸比を有しているので、広角度範囲にわたってリーダライタ用アンテナの放射波の軸比が良好であることが分かる。次に、試作した３台のリーダライタ用アンテナがともに９５２〜９５４ＭＨｚの範囲（図７及び８の縦線）において、図７からリターンロスが概ね−２５ｄＢ、図８からアンテナ利得が５．３ｄＢｉ以上であることが分かるので、図５〜図８の測定値から従来の誘電体基板に基材を使用せずに空気層を用いた寸法：約２１０ｍｍ角（厚み：約２０ｍｍ）のリーダライタ用アンテナと比較して、性能を維持したまま、アンテナ面の一辺の長さをおよそ半分に、アンテナ面面積をおよそ１／３から１／４に減少させることができることが分かる。

図９及び１０を用いて、本実施の形態の発明であるＲＦＩＤライタアンテナをＦＡなどのラインにおける生産工程の履歴管理システムに適用した例を示す。説明の簡略化のために、工程を工程１〜工程４に限定して説明を行う。図９は、ＲＦＩＤリーダライタ装置の構成図である。図において、１８はリーダライタ装置に同軸ケーブルで接続された４つのリーダライタ用アンテナで、それぞれリーダライタ用アンテナ１８ａ〜ｄである。１９は、リーダライタ用アンテナ１７ａ〜１７ｄとＲＦ部との接続を順次に切り替える時分割制御スイッチである。切り替えの時間間隔は、システムの適用場面に応じて変更可能であるが、一工程を製品が通過する時間（「工程通過時間」、当該工程に製品が存在する時間）内に少なくとも一回はＩＤ情報の読み取りが必要なので、前記工程通過時間より十分短い時間での切り替えが必要である。２０は、ＲＦ送信信号を発生する送信部である。この送信部は、局部信号発信器（以下、「局発」と略す）からの局発信号を用いて、ベースバンド信号であるタグコマンドデータを変調し出力する変調部、その変調信号を高周波電力増幅しＲＦ送信信号を出力する電力増幅器からなる。このＲＦ送信信号は、サーキュレータ、時分割制御スイッチ１９を経由しリーダライタ用アンテナ１７ａ〜１７ｄに向け送出される。２１は、ＲＦ受信信号の受信処理を行う受信部である。この受信部は、サーキュレータからのＲＦ受信信号を増幅し出力する低雑音増幅器、局発信号を用いてベースバンド信号である復調データを復調し生成する復調部４４２、受信信号の強度を示すＲＳＳＩ（ＲｅｃｅｉｖｅｄＳｉｇｎａＨ２ＳｔｒｅｎｇｔｈＩｎｄｉｃａｔｏｒ）信号を生成するレベル検出器からなる。

２２はタグへの読取指示のコマンド信号を生成するコマンドデータ生成部、２３は読み込まれたタグのＩＤ情報を認識するタグＩＤ認識部、２４は選択された工程エリア内でタグの有無を判定する判定部、２５は時分割制御スイッチ４２の切り替えを制御するスイッチ制御部であり、これらからベースバンド部が構成される。２６はリーダライタ装置の動作制御のための各種の工程パラメータを送出する工程パラメータ設定部である。工程パラメータとしては、搬送系（コンベア）の移動方向、移動速度、受信レベル判定のスレシホルドとなる基準値などがある。２７はリーダライタ装置からタグのＩＤ情報を受け取り、生産工程の履歴管理を行う履歴管理部である。工程パラメータ設定部２６と履歴管理部２７から信号処理部が構成される。信号処理部は、専用の信号処理装置で実現してもよいし、汎用のＰＣに信号処理ソフトウェアをインストールして実現してもよい。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

図１０は、実施の形態によるＲＦＩＤライタアンテナを用いた生産工程の履歴管理システムの構成図である。２８は例えばベルトコンベヤ等の搬送装置により順次に各工程を流れてゆき各工程で所定の生産処理（組立、検査など）が施される製品である。製品２８は、「工程1→工程２→工程３→工程４」の順に各工程での処理が実施される。２９は、製品２８に貼付されたＲＦＩＤタグであり、内部のメモリにそのタグを識別するＩＤ情報（ＴＡＧ１、ＴＡＧ２等のタグ毎に割当てられる符号）が記憶されている。このＩＤ（ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）情報はタグ毎に異なっている。タグが製品に貼付されると、製品とタグとが１対１で対応付けられ、ＩＤ情報が製品識別情報となる。タグにはリーダライタとの間でＲＦ信号の送受を行うためのアンテナ素子、タグ情報を記憶するメモリ、送受信回路等の必要な電子回路素子が内蔵されている。リーダライタ装置，信号処理部，リーダライタ用アンテナ１７ａ〜１７ｄは、図９に示すものであるが、リーダライタ用アンテナ１７ａ〜１７ｄは、タグ２９との間でＲＦ信号の送受を行う指向特性を有するものであり、各工程エリアに少なくとも１個のリーダライタ用アンテナ１７が配置されている。各リーダライタ用アンテナ１７ａ〜１７ｄは、各工程エリアをカバーするようにアンテナの向き及び製品搬送装置からの距離が決められ配置されている。図１０においては、各工程エリアの中央に、製品の移動方向に対し正対するようにアンテナが配置されている。アンテナの指向特性は正面方向でピークを示し、ほぼ左右対称の特性を有している。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

次に、本実施の形態の発明であるＲＦＩＤライタアンテナを用いた生産工程の履歴管理システムの動作について説明する。この履歴管理システムでは、リーダライタ用アンテナ１７の切り替えは、製品の工程の流れと同様に、「工程１→工程２→工程３→工程４→工程１→工程２→…」の順に、一定時間ごとに巡回的に切り替えられるものとする。システムがスタートすると、信号処理器より、リーダライタ装置に工程パラメータの初期設定が行われる。その後は、システム終了が常時監視されている。リーダライタ装置の動作としては、まず第１番目の工程１にあるリーダライタ用アンテナ１７ａが選択される。スイッチ制御部２５からの制御指令に基づき時分割制御スイッチ１９はＲＦ部をリーダライタ用アンテナ１７ａに接続し、選択された工程１エリアでのタグのＩＤ情報の読出し処理が行われる。タグコマンド生成部２２で生成された読取信号は、送信部２０で変調・増幅されＲＦ信号となり、サーキュレータ、時分割制御スイッチ１９を経由してリーダライタ用アンテナ１７ａより工程１エリア内に読取電波信号として放射され、タグ２８へのアクセスが行われる。これは次のアンテナに切り替えられるまでの一定の時間行われる。そして、「工程１→工程２→工程３→工程４→工程１→工程２→…」の順に、一定時間ごとに巡回的にリーダライタ用アンテナ１７を切り替えていく。

このように、本実施の形態のリーダライタ用アンテナは、従来のリーダライタ用アンテナを用いた生産工程の履歴管理システムに適用することができるので、本実施の形態におけるリーダライタ用アンテナが従来の誘電体基板に基材を使用せずに空気層を用いたリーダライタと比較して、アンテナ面の一辺の長さがおよそ半分に、アンテナ面面積がおよそ１／３から１／４になっているので、ライン工程間隔が狭い工程においても、リーダライタ用アンテナを設置することが可能になり、リーダライタ用アンテナを密に並べたり、加工機や加工を行う作業者を配置するスペースを確保したりすることができる。したがって、本実施の形態のリーダライタ用アンテナを使用すれば、製造工程の全てのライン又は、それに近い数のラインにおける製造工程管理を確実に行うことが実現できる。また、本実施の形態や図面では、一貫して放射素子が円形のパッチ導体で、１点給電方式であるリーダライタ用アンテナにより説明を行ってきたが、パッチ導体の形状が方形であってもよいし、２点給電方式を採用しても、本実施の形態の発明を実現できることはいうまでもない。

この発明の実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの構成図である。この発明の実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの誘電体基板表面図である。この発明の実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの構成図（レドーム付き）である。この発明の実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタ用アンテナの給電部における接続補助手段の構成図である。この発明の実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタの放射パターン測定値図である。この発明の実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタの軸比測定値図である。この発明の実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタのリターンロス測定値図である。この発明の実施の形態によるＲＦＩＤリーダライタのアンテナ利得測定値図である。ＲＦＩＤリーダライタ装置の構成図である。この発明の実施の形態によるＲＦＩＤライタアンテナを用いた生産工程の履歴管理システムの構成図である。

符号の説明

１…筐体１ａ…筐体固定ネジ２…誘電体基板３…パッチ導体
３ａ，３ｂ…縮退分離素子４…接地導体５…同軸線路６…同軸コネクタ
６ａ…同軸固定ネジ７…貫通孔８…中心導体（貫通孔内部）
９…中心導体（同軸コネクタ内部）１０…誘電体層１１…突起部１２…歯車型導体
１３…上部誘電体基板１４…上部パッチ導体１４ａ，１４ｂ…縮退分離素子
１５…上部パッチ導体（縮退分離素子なし）１６…支持部材１６ａ…基板固定ネジ
１７…レドーム１８…リーダライタ用アンテナ１９…時分割制御スイッチ
２０…送信部２１…受信部２２…コマンドデータ生成部２３…タグＩＤ認識部
２４…判定部２５…スイッチ制御部２６…工程パラメータ設定部２７…履歴管理部２８…製品２９…ＲＦＩＤタグ

Claims

表面に円形又は方形のパッチ導体を設け、裏面に接地導体を設けた誘電体基板、この誘電体基板を貫通する貫通孔、この貫通孔に挿入され、前記パッチ導体上の給電点と電気的に接続され、前記接地導体と電気的に絶縁された中心導体と前記誘電体基板の裏面まで前記中心導体の周囲を覆い、前記接地導体と電気的に接続された外部導体とを有する同軸線路で構成されるパッチアンテナにおいて、前記パッチ導体側の前記中心導体の端部に嵌合した孔を囲む中央部分を有し、前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部へ、前記中央部分から複数の枝部分が別々に放射状に延びた接続補助導体と、この接続補助導体の中央部分と前記パッチ導体側の前記中心導体の端部とを電気的に接続する第１の接続手段と、前記接続補助導体の複数の枝部分と前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部とをそれぞれ電気的に接続する第２の接続手段とを備えたパッチアンテナ。
表面に円形又は方形のパッチ導体を設け、裏面に接地導体を設けた誘電体基板、この誘電体基板を貫通する貫通孔、この貫通孔に挿入され、前記パッチ導体上の給電点と電気的に接続され、前記接地導体と電気的に絶縁された中心導体と前記誘電体基板の裏面まで前記中心導体の周囲を覆い、前記接地導体と電気的に接続された外部導体とを有する同軸線路で構成されるパッチアンテナにおいて、前記パッチ導体側の前記中心導体の端部に嵌合した孔を囲む中央部分を有し、前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部へ、前記中央部分から複数の枝部分が別々に放射状に延びた接続補助導体と、この接続補助導体の中央部分と前記パッチ導体側の前記中心導体の端部とを電気的に接続する第１の接続手段と、前記接続補助導体の複数の枝部分と前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部とをそれぞれ電気的に接続する第２の接続手段とを備え、前記接続補助導体は、十字型又は星型であるパッチアンテナ。
表面に円形又は方形のパッチ導体を設け、裏面に接地導体を設けた誘電体基板、この誘電体基板を貫通する貫通孔、この貫通孔に挿入され、前記パッチ導体上の給電点と電気的に接続され、前記接地導体と電気的に絶縁された中心導体と前記誘電体基板の裏面まで前記中心導体の周囲を覆い、前記接地導体と電気的に接続された外部導体とを有する同軸線路で構成されるパッチアンテナにおいて、前記パッチ導体側の前記中心導体の端部に嵌合した孔を囲む中央部分を有し、前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部へ、前記中央部分から複数の枝部分が別々に放射状に延びた接続補助導体と、この接続補助導体の中央部分と前記パッチ導体側の前記中心導体の端部とを電気的に接続する第１の接続手段と、前記接続補助導体の複数の枝部分と前記パッチ導体側の前記貫通孔の周縁部とをそれぞれ電気的に接続する第２の接続手段とを備え、前記接続補助導体は、歯車型であるパッチアンテナ。
前記第１の接続手段は、半田付け、又は、前記接続補助導体の中央部分と前記パッチ導体側の前記中心導体の端部との嵌合そのものである請求項１〜３のいずれかに記載のパッチアンテナ。
前記第２の接続手段は、半田付けである請求項１〜４のいずれかに記載のパッチアンテナ。
前記接続補助導体は、導電性の薄膜である請求項１〜５のいずれかに記載のパッチアンテナ。
前記パッチ導体側の前記中心導体の端部は、前記接続補助導体の中央部分の孔に嵌合される突起部、又は、テーパ状のテーパ部を有する請求項１〜６のいずれかに記載のパッチアンテナ。
前記パッチ導体は、切り欠き状に設けられた縮退分離素子を有する請求項１〜７のいずれかに記載のパッチアンテナ。