JP4514570B2

JP4514570B2 - Ｒｆｉｄタグ

Info

Publication number: JP4514570B2
Application number: JP2004266994A
Authority: JP
Inventors: 範行庄司; 昌孝家垣; 秀行藤浪
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: JP2006086603A

Description

本発明は、所定の使用周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）で動作するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグの技術分野に関し、特に、フェライト材料からなるコアを用いてアンテナコイルが構成された電磁誘導方式のＲＦＩＤタグに関するものである。

物品管理などを目的として、非接触式で小型のＲＦＩＤタグが用いられている。ＲＦＩＤタグは、アンテナコイルと各種回路（ＩＣ、コンデンサ等）を備え、リーダ／ライタとＲＦＩＤタグとの間で、所定の使用周波数による無線通信を行って、ＲＦＩＤタグのＩＣ等に保持されるデータの読み出しや新たなデータの書き込みを行うように構成されている。汎用的なＲＦＩＤタグとして知られている電磁誘導方式のＲＦＩＤタグに対しては、使用周波数の一つとして１３．５６ＭＨｚが規定されている。１３．５６ＭＨｚを用いるＲＦＩＤタグを構成する場合、磁性材料からなるコアの周囲に導体を巻き付けてアンテナコイルを構成するとともに、コアの形状、材質や導体の巻き数を適切に設定して共振周波数を最適化することができる。これにより、アンテナコイルの共振周波数を使用周波数である１３．５６ＭＨｚに合致させることができる。また、ＲＦＩＤタグの回路にコンデンサを形成し、コンデンサの電極を部分的に切断することにより容量値を変え、これによりアンテナコイルの共振周波数を調整する手法も知られている(例えば、特許文献１参照)。
特開２００３−１８７２０７号公報

上述のように所定の使用周波数に対応して調整されたＲＦＩＤタグは、実際の使用時に多様な使用環境が想定される。例えば、ＲＦＩＤタグの取り付け対象物としては、金属あるいはプラスチック等の非金属の両方が考えられる。この場合、アンテナコイルの共振周波数は、近接する金属の有無により使用周波数からずれることになる。通常、アンテナコイルのＱ値は高く設定されるので、使用周波数におけるインピーダンスが共振周波数の変動により急激に変動する。従って、使用環境に依存して交信距離の低下を招くという問題がある。ＲＦＩＤタグを金属のみ、あるいは非金属のみに取り付けることを前提として予め共振周波数を調整することも可能であるが、この場合は多様な使用環境で使用可能なＲＦＩＤタグを実現することが困難となり利便性が低くなる。

そこで、本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ＲＦＩＤタグを金属、非金属に取り付けるなどの使用環境が変動する状況であっても、共振周波数の変動による交信距離の低下等の性能劣化を防止し、多様な使用環境に対して個別の調整が不要で安価かつ利便性の高いＲＦＩＤタグを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のＲＦＩＤタグは、所定の使用周波数で送受信動作を行うアンテナコイル及び回路を含むＲＦＩＤタグであって、前記アンテナコイルは磁性材料からなるコアの周囲に導体を巻き付けて形成され、前記磁性材料は、その複素透磁率の周波数特性の平坦領域よりも高周波側において、前記透磁率の虚数成分が実数成分よりも大きくなる領域に前記所定の使用周波数が含まれるような特性を有することを特徴とする。

この発明によれば、ＲＦＩＤタグのアンテナコイルは、複素透磁率の周波数特性のうち通常使用される平坦領域よりも高周波側を使用してコアとするので、Ｑ値の低下によりインピーダンスは共振周波数を中心に比較的緩やかに変化する。そのため、ＲＦＩＤタグの取り付け対象物が金属、非金属であるかに応じて共振周波数を個別に調整することなく、環境条件の相違による交信距離の低下を避けることができ、使用環境の変化に対して安定な通信特性を保持可能で、使用環境ごとの調整なしに共用化を図ることによりコスト低減が可能なＲＦＩＤタグを実現することができる。

請求項２に記載のＲＦＩＤタグは、請求項１に記載のＲＦＩＤタグにおいて、前記磁性材料の前記複素透磁率の前記虚数成分が略２００以上かつ略６００以下であり、前記実数成分が略２００以上であることを特徴とする。

この発明によれば、ＲＦＩＤタグのアンテナコイルは、複素透磁率の実数成分と虚数成分がいずれも略２００以上となる周波数領域を使用してコアとするので、主に透磁率の虚数成分に連動して損失分が増え、それによりＱ値が低下してインピーダンスは共振周波数を中心に比較的緩やかに変化する。そのため、請求項１に記載の発明と同様の作用により、使用環境の変化に対して安定な通信特性を保持可能で、使用環境ごとの調整なしに共用化を図ることによりコスト低減が可能なＲＦＩＤタグを実現することができる。また、コアの複素透磁率の虚数成分が略６００以下となるので、損失分が極端に増大することを防止してＲＦＩＤタグの交信距離を十分に確保することができる。

請求項３に記載のＲＦＩＤタグは、請求項１または２に記載のＲＦＩＤタグにおいて、前記磁性材料は、複数の成分を含有するフェライト材料であること特徴とする。

この発明によれば、コアの磁性材料としてフェライト材料を用いたので、フェライト材料に含有される各種金属酸化物等の成分比を細かく調整することにより、透磁率を適切に調整してＲＦＩＤタグの良好な特性を容易に実現することができる。

請求項４に記載のＲＦＩＤタグは、請求項３に記載のＲＦＩＤタグにおいて、前記フェライト材料の成分として、４５〜５８モル％のＦｅ _２Ｏ _３と、８〜１５モル％のＮｉＯと、２５〜３２モル％のＺｎＯが含有されていることを特徴とする。

この発明によれば、コアに用いるフェライト材料は、Ｆｅ _２Ｏ _３、ＮｉＯ、ＺｎＯの３種を用い、それぞれの成分比の最適な範囲を定めたので、請求項３に記載の発明に対応する透磁率を容易に調整することができる。

請求項５に記載のＲＦＩＤタグは、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＲＦＩＤタグにおいて、前記所定の使用周波数は１３．５６ＭＨｚであることを特徴とする。

この発明によれば、電磁誘導方式のＲＦＩＤタグとして一般的な１３．５６ＭＨｚを使用周波数として設定したので、汎用性の高いＲＦＩＤコイルの規格において、上述のようにアンテナコイルの良好な特性を確保することができる。

本発明によれば、ＲＦＩＤタグのアンテナコイルは、コアの磁性材料の透磁率の平坦領域より高周波側に使用周波数が含まれるようにし、実数成分が小さく虚数成分が大きい透磁率に調整される。これにより、アンテナコイルのＱ値が低く抑えられ、環境変動に応じて共振周波数がずれる場合であっても、ＲＦＩＤタグの交信距離等の性能劣化を防止することができる。よって、例えば金属、非金属の双方を取り付け対象物とする場合など多様な使用環境に対し、個別の調整を行うことなく良好な性能を確保でき、安価かつ利便性の高いＲＦＩＤタグを実現可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図４を参照しつつ説明する。本実施形態では、フェライト材料からなるコアに導線を巻き付けてアンテナコイルを構成した電磁誘導方式のＲＦＩＤタグ対し本発明を適用する場合を説明する。

図１は、本実施形態に係るＲＦＩＤタグ１の構造を示す斜視図である。図１に示すＲＦＩＤタグ１は、フェライト材料を板状に形成したコア１１の周囲にＦＰＣ１２が巻き付けられた構造を備えている。ＦＰＣ１２には、アンテナコイルの導体部分を構成する導体パターン１３が形成されている。図１に示す構成により、ＲＦＩＤタグ１は、所望の共振周波数を持つアンテナコイルとして動作する。一般に、図１に示すような構造を持つＲＦＩＤタグ１は、樹脂のケース内部に一体化した状態で厚みを持ったカード状に形成される。

図１において、コア１１は、近傍に設置されたリーダ／ライタからの誘導電磁界に基づいて磁束を発生する磁性材料としてのフェライト材料からなる。このフェライト材料は、複数の金属酸化物等の各種材料を焼結して形成したものであり、例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＺｎＯなどの金属酸化物をそれぞれ所定の成分比で含有している。本実施形態では、フェライト材料の成分比を、その透磁率とアンテナコイルの特性の関係に応じて最適化するが、詳しくは後述する。また、コア１１のサイズ及び形状についても、共振周波数等の特性に応じて適宜に定めることができる。

ＦＰＣ１２は、柔軟な樹脂（例えば、ＰＥＴ）を所定の厚さに形成した基材からなり、一方の面には線状の導体パターン１３が形成されている。また、この導体パターン１３には、ＦＰＣ１２上の所定位置に配置されたＩＣ１４とコンデンサ１５が接続されている。ＩＣ１４は、リーダ／ライタからの指令を受けて所定のデータを読み出して送信したり、リーダ／ライタから受信したデータを記憶保持する役割を担う。また、コンデンサ１５は、アンテナコイルにおいて共振回路の一部を構成し、その容量値の調整によってアンテナコイルの共振周波数を調整する役割を担う。例えば、ＲＦＩＤタグ１の製造時に、コンデンサ１５の電極を部分的に切断して容量値を変えることにより、アンテナコイルの共振周波数を調整することができる。

導体パターン１３は、ＦＰＣ１２をコア１１に巻き付けた状態で、隣接する導線同士をＦＰＣ１２の各端部（図１に示すＲＦＩＤタグ１の所定箇所）にて接続することによりコイル状に連結することができる。これにより、図１に示すように、所定の巻き数で導線がコア１１に巻き付けられたアンテナコイルが構成される。ここで、連結された導体パターン１３の一端と他端は、例えば、図示しない線材あるいはＦＰＣ１２の他方の面に設けたクロスオーバーパターンにより電気的に接続する必要がある。ＦＰＣ１２をコア１１に巻き付ける際の導体パターン１３の巻き数は、共振周波数等の特性に応じて適宜に定めることができる。また、ＦＰＣ１２のコア１１への巻き付け方法は、コア１１に対する導体パターン１３の配置がＦＰＣ１２の内側、外側のいずれになるようにしてもよい。

次に、ＲＦＩＤタグ１のアンテナコイルとしての特性と、フェライト材料からなるコア１１の特性の関係について説明する。アンテナコイルの周波数特性は使用環境の影響を強く受け、例えば取り付け対象物が金属か非金属かなどの相違で共振周波数が変動する。そして、アンテナコイルのＱ値が大きい場合は周波数特性のピークが急峻になるため、共振周波数がずれたときの特性劣化が大きくなる。そのため、アンテナコイルの特性を環境変動に対してある程度安定に保つには、Ｑ値が大きくなり過ぎないように抑える必要があるが、その反面、Ｑ値が低くなり過ぎるときはＲＦＩＤ１の交信距離の低下が問題となる。本実施形態では、Ｑ値を低くできるフェライト材料に着目し、その透磁率の設定に基づいて、ＲＦＩＤタグ１における交信距離を確保しつつ環境変動に対する適切な対策を施している。

なお、アンテナコイルのＱ値は、次式により表現することができる。

Ｑ＝ｆｃ／（ｆｈ−ｆｌ）
ただし、ｆｃ：共振周波数
ｆｈ：共振周波数のレベル（電圧）から３ｄＢ低下する高周波側の周波数
ｆｌ：共振周波数のレベル（電圧）から３ｄＢ低下する低周波側の周波数
かかる式において、Ｑ値が増大する場合には、共振周波数からずれたときのレベル低下が大きくなることがわかる。

一般に、フェライト材料等の磁性材料の透磁率は、実数成分μ'と虚数成分μ''からなる複素透磁率として表される。図２は、一般的なフェライト材料の透磁率の実数成分μ'及び虚数成分μ''の周波数特性の一例を示す図である。図２に示すように、周波数が低い場合は、透磁率の実数成分μ'は大きく、虚数成分μ''は小さい状態で、双方の周波数特性の変化が平坦な領域（以下、平坦領域と呼ぶ）となっていることがわかる。ここで、透磁率の虚数成分μ''は一般に磁性材料の損失分に相当することが知られており、図２の周波数特性においては、平坦領域で磁性材料の損失分が十分小さい状態を保つことがわかる。

一方、平坦領域よりも高周波側の領域においては、実数成分μ'、虚数成分μ''がまず増加して各々ピークを持ち、それより周波数が高くなると徐々に低下していくことがわかる。このように高周波の領域では、上述の平坦領域に比べ実数成分μ'が小さく、損失分に相当する虚数成分μ''が大きくなっている。一般には、フェライト材料の使い方として、平坦領域に使用周波数を設定し、平坦領域を超える領域には設定しない。そのため、本実施形態における使用周波数である１３．５６ＭＨｚは、図２に示すように平坦領域に含まれるような設定にするのが一般的には望ましいとされている。

しかし、本実施形態の場合は、平坦領域よりも高周波側の周波数特性に着目してフェライト材料の特性を定める点を特徴としているので、上述の一般的な設定とは異なっている。図３は、本実施形態で用いるフェライト材料の透磁率の実数成分μ'及び虚数成分μ''の周波数特性の一例を示す図である。図３を図２と比較すると明らかなように、図３の周波数特性は図２の周波数特性を左側にシフトした形状を有している。また、図３における透磁率の実数成分μ'、虚数成分μ''の値はいずれも図２の場合と比べてかなり大きくなっている。すなわち、本実施形態における使用周波数である１３．５６ＭＨｚは、平坦領域よりも高い周波数であって、さらに周波数特性のピークよりも高周波側の領域Ａに含まれる設定であることがわかる。本来、この領域Ａは、フェライト材料の損失分が増大して周波数特性が劣化する領域であるが、本実施形態の場合はＱ値を低くする上で望ましい特性を得ることができる。本実施形態においては、以下に説明するように、フェライト材料の透磁率の実数成分μ'と虚数成分μ''の設定を最適化し、これによりＲＦＩＤ１の使用環境の変動に対する特性安定化を図るものである。

本実施形態では、コア１１のフェライト材料の透磁率を調整する目的で、フェライト材料に含有される金属酸化物の成分比を変える方法を用いている。ここでは、フェライト材料に含有される金属酸化物として、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＺｎＯの３種を想定し、それらの成分比とフェライト材料の特性の関係を検証した。表１は、これら３種の金属酸化物の成分比が異なる４通りのフェライト材料をコア１１として用いる場合において、フェライト材料自体の磁性材料としての特性と、ＲＦＩＤ１のコア１１にフェライト材料を用いたときの特性を示している。

表１においては、本発明を適用した実施例１及び実施例２と、これら各実施例と比較するための比較例１及び比較例２とについて、それぞれフェライト材料及びそれを用いたＲＦＩＤタグ１の各種特性を示している。なお、表１の特性の検証に際してのフェライト材料よりなるＲＦＩタグ１のサイズを図４に示す。また、ＲＦＩＤタグ１の共振周波数は、非金属に取り付けたときの共振周波数と金属に取り付けたときの共振周波数の中央に設定している。

表１の項目のうちＱ値と交信距離は、図４に示すサイズの評価用のＲＦＩＤタグ１を構成して測定を行った。図４においては、コア１１のサイズを長さ６０（ｍｍ）、幅２０（ｍｍ）、厚さ３（ｍｍ）に設定するとともに、コア１１への導体パターン１２の巻き数は８ターンに設定した。また、上記評価用のＲＦＩＤタグ１の交信距離の測定は、コイル１１の軸方向に沿ってリーダ／ライタ用のアンテナを設置し、ＲＦＩＤタグ１とアンテナの距離を可変して行った。

実施例１、２においては、比較的低いＱ値に設定するために、フェライト材料の透磁率は、図３に示す領域Ａの付近に使用周波数が合致するような成分比に調整されている。これに対し、比較例１では、Ｑ値が十分高く設定されるようにフェライト材料の成分比が調整され、比較例２では、実施例１、２よりＱ値が低く設定されるようにフェライト材料の成分比が調整されている。表１からわかるように、フェライト材料の成分のうち、ＮｉＯの成分比が多いとＱ値が増加し、ＺｎＯの成分比が多いとＱ値と減少する傾向がある。よって、本実施形態の場合には、一般的な特性を持たせたフェライト材料（例えば、比較例２）に比べ、ＮｉＯが多めでＺｎＯが少なめの成分比に調整する必要がある。

また、実施例１、２については、比較例１、２のそれぞれについて、表１に示すように環境変動を考慮して交信距離の測定を行った。実施例１では、取り付け対象物が非金属、金属の両方の場合で交信距離は５００（ｎｍ）が確保されており、かつその差が小さい。また実施例２についても、実施例１と同様の傾向がある。これに対し、比較例１の場合は、取り付け対象物が非金属、金属の両方の場合で交信距離が５００（ｍｍ）に達していない。比較例２については、非金属、金属とも、比較例１より一層交信距離が小さくなっている。

実施例１、２においては、フェライト材料の成分比の調整によりＱ値が低くなっているので、使用周波数と共振周波数が異なる場合であっても、それによる影響を抑えることができる。表１の条件では、ＲＦＩＤタグ１の使用周波数が非金属と金属の２つの状態に対し、双方の共振周波数の中央に設定されるので実際には両方の状態から共振周波数がずれることになり、Ｑ値が低いため周波数ずれの影響による交信距離の低下を抑えることができる。

これに対し、比較例１の場合は、使用周波数と共振周波数がほぼ一致した場合には大きな交信距離を確保できるが、上述の如く２つの状態に対応させるときには、Ｑ値が高いために周波数ずれの影響が大きく交信距離が大きく低下することになる。また、比較例２の場合は、フェライト材料の透磁率は、図３の領域Ａよりも一層高い周波数領域に使用周波数が合致するような設定となる。そして、比較例２のでは、実施例１、２に比べてＱ値が小さくなって損失が増加するためアンテナコイルの感度の劣化が大きく、交信距離が低下する傾向がある。以上のように、フェライト材料の透磁率の設定は、アンテナコイルの特性を確保する上で最適な範囲があることが確認された。

本実施形態のＲＦＩＤタグ１においてアンテナコイルの良好な特性を確保する上で、コア１１を形成するフェライト材料の透磁率の範囲に着目し、必要な条件を検討した。フェライト材料の透磁率として、実数成分μ'、虚数成分μ''のいずれも、略２００以上に設定することが望ましい。虚数成分μ''がこれより低い透磁率では、Ｑ値が大きくなり過ぎ、実数成分μ'がこれより低い透磁率ではＱ値が小さくなり過ぎるなど、いずれの場合も良好な特性を得られなくなる。表１に示されるように、実施例１、２はいずれもこの条件を満たし、比較例１、２はいずれもこの条件を満たさないことがわかる。また、フェライト材料の虚数成分μ''は、略６００以下に設定することが望ましい。このように設定することにより、コア１１の損失分が大きくなり過ぎてＲＦＩＤ１の交信距離が劣化することを防止することができる。

一方、本実施形態のＲＦＩＤタグ１において、アンテナコイルの特性を確保する上で、コア１１を形成するフェライト材料の成分比に着目し、必要な条件を検討した。フェライト材料に含有されるＦｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＺｎＯに３種の金属酸化物に関して、Ｆｅ_２Ｏ_３の成分比が４５〜５８モル％の範囲、ＮｉＯの成分比が８〜１５モル％の範囲、ＺｎＯの成分比が２５〜３２モル％の範囲にそれぞれ設定することが望ましい。表１に示されるように、実施例１、２はいずれもこの条件を満たし、比較例１、２はいずれもこの条件を満たさないことがわかる。

なお、上述の条件ではフェライト材料の成分としてＦｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＺｎＯのみを想定しているが、この３種に限られることなく他の成分を用いることができる。例えば、３種の材料に加えてフェライト材料の焼成温度を下げるためのＣｕを添加してもよい。

以上説明したように、本実施形態においては、金属あるいは非金属のいずれに取り付ける場合であっても、個別の調整を行うことなく所定の使用周波数に対応するＲＦＩＤタグ１を構成することができる。この場合、ＲＦＩＤタグ１の共振周波数は、金属取り付け時、非金属取り付け時、あるいは両者の中間などいずれに設定してもよく、状況に応じて適宜に設定すればよい。いずれの設定であっても、異なる環境条件においてＲＦＩＤタグ１の共振周波数がずれた際、Ｑ値が低いためインピーダンス変動によるレベル低下を抑えることができ、多様な使用環境で個別の調整なしに共用し得るＲＦＩＤタグ１を実現可能とし、コスト低減及び利便性の向上を図ることができる。

本実施形態に係る板状のＲＦＩＤタグの構造を示す斜視図である。一般的なフェライト材料の透磁率の実数成分μ'及び虚数成分μ''の周波数特性の一例を示す図である。本実施形態で用いるフェライト材料の透磁率の実数成分μ'及び虚数成分μ''の周波数特性の一例を示す図である。表１の特性の検証に際してのフェライト材料よりなるＲＦＩタグのサイズを示す図である。

符号の説明

１…ＲＦＩＤタグ
１１…コア
１２…ＦＰＣ
１３…導体パターン
１４…ＩＣ
１５…コンデンサ

Claims

所定の使用周波数で送受信動作を行うアンテナコイル及び回路を含むＲＦＩＤタグであって、
前記アンテナコイルは磁性材料からなるコアの周囲に導体を巻き付けて形成され、前記磁性材料は、その複素透磁率の周波数特性の平坦領域よりも高周波側において、前記透磁率の虚数成分が実数成分よりも大きくなる領域に前記所定の使用周波数が含まれるような特性を有することを特徴とするＲＦＩＤタグ。
前記磁性材料の前記複素透磁率の前記虚数成分が略２００以上かつ略６００以下であり、前記実数成分が略２００以上であることを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤタグ。
前記磁性材料は、複数の成分を含有するフェライト材料であること特徴とする請求項１または２に記載のＲＦＩＤタグ。
前記フェライト材料の成分として、４５〜５８モル％のＦｅ _２Ｏ _３と、８〜１５モル％のＮｉＯと、２５〜３２モル％のＺｎＯが含有されていることを特徴とする請求項３に記載のＲＦＩＤタグ。
前記所定の使用周波数は１３．５６ＭＨｚであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＲＦＩＤタグ。