JP4717830B2

JP4717830B2 - タグ装置

Info

Publication number: JP4717830B2
Application number: JP2006550567A
Authority: JP
Inventors: 尚志山ヶ城; 透馬庭; 学甲斐
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2025-01-07
Also published as: TW200625180A; EP1835564A1; JPWO2006072990A1; US7880680B2; EP1835564A4; CN101099266B; TWI262447B; CN101099266A; WO2006072990A1; US20070262871A1; EP1835564B1; DE602005024441D1

Description

本発明は、タグ装置、アンテナ及び携帯型カードに関し、特に無線通信を行うタグ装置、電波の放射・捕捉を行うアンテナ及び無線通信を行う携帯型カードに関する。

近年、ＲＦＩＤ（Radio Frequency-Identification：電波方式認識）と呼ばれる自動認識技術が注目されている。ＲＦＩＤは、ＩＣタグ（tag）を物体に付けて、無線により非接触で物体を自動識別する一種の無線通信システムである。ＲＦＩＤは、ＩＣタグをあらゆる物に付帯させてネットワークとつなげることが可能なため、次世代のユビキタス・ネットワーク社会の構築に有効な技術として急速に開発が進んでいる。

ＲＦＩＤシステムは、リーダ／ライタ（Reader／Writer）とＩＣタグとから構成され、無線通信によってそれぞれのアンテナを介して、リーダ／ライタからＩＣタグへ情報を書き込んだり、ＩＣタグに記憶されている情報を読み出したりする。

また、これまでＲＦＩＤに使用されていた周波数帯は、１３．５６ＭＨｚ帯や２．４５ＧＨｚ帯が使われていたが、近年になって、ＵＨＦ（Ultra-High-Frequency：３００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚ）帯を利用するＩＣタグが注目されている。

ＵＨＦ帯ＩＣタグは、ＵＨＦ帯の特に９５２ＭＨｚ〜９５４ＭＨｚを通信に利用するもので、既存の１３．５６ＭＨｚ帯や２．４５ＧＨｚ帯のＩＣタグよりもリーダ／ライタとの通信距離を長くとることができ、通信可能領域を広げることが可能である。

一方、ＩＣタグは、電源（電池）を持たないので、リーダ／ライタがＩＣタグと通信を行うときには、リーダ／ライタが発する電波または磁界からＩＣタグへ電源を誘電させて通信を行っている。

すなわち、ＲＦＩＤでは、電源を誘電させる方式として、大きく電波方式と電磁誘導方式とに分かれている。２．４５ＧＨｚ帯とＵＨＦ帯のＩＣタグについては、リーダ／ライタが発する電波を電力に変換する電波方式であり、１３．５６ＭＨｚ帯のＩＣタグについては、リーダ／ライタのアンテナ付近に作られる磁界から電力を得る電磁誘導方式である。

図１２は電波方式の概念を示す図である。２．４５ＧＨｚ帯またはＵＨＦ帯で通信を行うＲＦＩＤシステム１００は、リーダ／ライタ１１０と、ＩＣタグ１２０から構成される。ＩＣタグ１２０は、アンテナ１２１、整流回路１２２、制御回路１２３を含む。

ＩＣタグ１２０は、リーダ／ライタ１１０から送出される電波を、アンテナ１２１を介して受信すると、整流回路１２２が交流信号である電波を直流信号に整流する。そして、この直流信号を電源として、変復調制御や論理制御などを行う制御回路１２３へ印加している。

図１３は電磁誘導方式の概念を示す図である。１３．５６ＭＨｚ帯で通信を行うＲＦＩＤシステム２００において、リーダ／ライタのアンテナと、ＩＣタグのアンテナはそれぞれ、ループアンテナ２１０、２２０で構成される（ループアンテナとは、導体を円や四角の形状にループさせた構造を持つアンテナのことである）。

ループアンテナ２１０、２２０が近接した位置にあるとして、リーダ／ライタ側のループアンテナ２１０に対して、反時計周りに電流ｉａを流すと、磁界Ｈ１が図に示すように上向きに発生する。すると、ＩＣタグ側のループアンテナ２２０では、この磁界Ｈ１を打ち消す方向に電流ｉｂが流れ（時計周り）、また磁界Ｈ２が下向きに発生する。

このように、１３．５６ＭＨｚ帯ＩＣタグでは、ループアンテナを利用して、電磁誘導により発生する磁界によって生じる電流にもとづいて、電力を得ることができる（１３．５６ＭＨｚ帯では、ループアンテナを利用して電磁誘導を行っているということで、ループアンテナ自体は、電磁誘導だけに使われるアンテナではなく、通常の電波を放射するアンテナとしても利用されるものである）。

ここで、図１２で説明した電波方式においては、電波の周波数が低いほど（波長が長いほど）、長距離の通信が可能になる。したがって、ＵＨＦ帯は、２．４５ＧＨｚ帯に比べて、単純に考えてもおよそ３倍以上の通信距離を得られることがわかる。

これに対して、図１３で説明した電磁誘導方式においては、リーダ／ライタとＩＣタグそれぞれのループアンテナが近接していることが必要であり、１３．５６ＭＨｚ帯ＩＣタグは、リーダ／ライタから離れてしまうと、一気に磁界が弱くなって、電力を確保できなくなる。

それぞれの具体的な通信距離としては、１３．５６ＭＨｚ帯は最大でも７０〜８０ｃｍ、２．４５ＧＨｚ帯は最大でも２ｍ程度であるが、ＵＨＦ帯は実験値としておよそ７ｍの通信距離が確認されている（理論値では１０ｍ程度）。

なお、２．４５ＧＨｚ帯及びＵＨＦ帯のＩＣタグに使われるアンテナには、電波の波長λの１／２の長さ（λ／２）を持つダイポールアンテナ（例えば、折り返しダイポールアンテナ）が基本的に使われている。

ここで、各周波数帯のアンテナの長さを求めると、λ（波長）＝Ｃ（光速）／ｆ（周波数）であるから、２．４５ＧＨｚ帯ＩＣタグのアンテナ長は、３×１０⁸／２．４５×１０⁹≒０．１２２ｍの半分の約６ｃｍとなる。

同様にＵＨＦ帯ＩＣタグのアンテナの長さを求めると（９５３ＭＨｚとする）、３×１０⁸／９５３×１０⁶≒０．３ｍの半分の約１５ｃｍとなる（したがって、電気的な長さを変えずに、単純にアンテナの長さにもとづいて計算上の通信距離を得ようとすれば、２．４５ＧＨｚ帯では最小限６ｃｍのアンテナが収まる大きさを持つＩＣタグとなるし、ＵＨＦ帯では最小限１５ｃｍのアンテナが収まる大きさを持つＩＣタグとなる）。

また、１３．５６ＭＨｚ帯ＩＣタグにおいて、仮にダイポールアンテナを使用して電波方式により電源を得ようとすると、アンテナの長さは、３×１０⁸／１３．５６×１０⁶≒２２ｍの半分の１１ｍとなってしまい、実用的なものとはならない。このことから１３．５６ＭＨｚ帯では、電波方式を使わずに電磁誘導方式で電力を得ているのである。

このように、１３．５６ＭＨｚ帯ＩＣタグでは通信距離が伸ばせないといった欠点があった。一方、２．４５ＧＨｚ帯では、通信距離が２ｍなので、実用範囲はある程度広がるが、２．４５ＧＨｚ帯ＩＣタグでは、水やアルコールなどの液体が近くにあると、２．４５ＧＨｚの電波が遮断、吸収されてしまうといった欠点があった（２．４５ＧＨｚは電子レンジの周波数と同じである）。

これに対して、ＵＨＦ帯は通信距離が長く、２．４５ＧＨｚ帯の持つ欠点もないので、既存の周波数帯よりもリーダ／ライタから複数のＩＣタグを一括して読み取りやすくなる。さらに、ＵＨＦ帯は電波の回り込みが大きいので、リーダ／ライタから見えない場所にあってもＩＣタグを読み取ることができるなどの利点を持つ。

このように、ＵＨＦ帯を利用したＩＣタグには利点が多く、ＵＨＦ帯ＩＣタグにかかる期待は大きいが、現状においてはＵＨＦ帯だけでなく、既存の１３．５６ＭＨｚ帯や２．４５ＧＨｚ帯のＩＣタグをも含めた環境において、効率のよいＲＦＩＤサービスの実現が望まれている。

従来のＩＣタグとしては、薄型のフレキシブル保護ラミネートで被覆されたＩＣタグが提供されている（例えば、特許文献１）
特開平０８−８８５８６号公報（段落番号〔００１８〕〜〔００２１〕、第３図）

ＲＦＩＤの利用分野としては、人が携帯可能なカードにＩＣタグを埋め込んで、このカードを用いて、鉄道・航空での利用者の入出管理を行ったり、デパートなどで買い物をしたりするなどというように、ＩＣタグカードを使用してのサービスが広く行われることが考えられる。

ここで、従来のＵＨＦ帯ＩＣタグで使用されるアンテナの種類としては、折り返しダイポールアンテナを用いる構成が多かった。
図１４は折り返しダイポールアンテナを示す図である。ダイポールアンテナ（Dipole Antenna）ｄｐは、１本の導線の中央部にある給電部（波源）から高周波を与えて電波を飛ばすアンテナであり、線状アンテナの最も基本的な形のものである（アンテナ長はλ／２を基本とする）。そして、折り返しダイポールアンテナ（Folded Dipole Antenna）ｆｄｐは、このダイポールアンテナｄｐを基本にして、１波長の導線を折り返した構造を持つアンテナである。

通常、カードは人の胸ポケットなどに入れて携帯されたり、カードを手に持ってリーダ／ライタにかざしたりして使用するというように、カードが人体に触れるケースが多いが、上記の折り返しダイポールアンテナｆｄｐを有するＩＣタグが埋め込まれたＵＨＦ帯カードでは、人体の近傍位置にあると、人体によって電波の放射が遮断、吸収されて、電波の放射・受信特性が劣化してしまうといった問題があった。

図１５は従来のＵＨＦ帯カードの問題点を示す図である。人体近傍にダイポールアンテナｄｐが存在する様子を示している（なお、折り返しダイポールアンテナｆｄｐとダイポールアンテナｄｐの基本的な原理は同じなので、簡単のためダイポールアンテナｄｐを図示して説明する）。

通常は、ダイポールアンテナｄｐに対して図に示すような電流ｉ１が流れて、電波ｖが放射されるが、この場合にダイポールアンテナの近傍に人体の皮膚などがあると、導体となった人体表面に、ダイポールアンテナｄｐに流れる電流ｉ１とは逆方向に流れる電流ｉ２が発生する。すると互いの電流ｉ１、ｉ２が打ち消しあうかたちとなるので、ダイポールアンテナｄｐには電流ｉ１が流れにくくなり、電波ｖが十分に飛ばなくなってしまう。

また、ＵＨＦ帯などの周波数帯に限らず、ＩＣタグカードに対しては、アンテナとして平面アンテナであるグラウンドプレーン（Ground Plane）アンテナも広く用いられている。

図１６はグラウンドプレーンアンテナを示す図である。グラウンドプレーンアンテナ３００は、誘電体基板３０１の一方の面（裏面）にＧＮＤ板（グラウンドプレーン）３０２を設け、誘電体基板３０１の他方の面に（表面）に放射素子３０３を設けた構造を持つアンテナである（給電には例えば、図には示さないが、同軸ケーブルの内部導体の芯線を放射素子３０３に接続し、同軸ケーブルの外部導体をＧＮＤ板３０２に接続して、高周波信号を給電する）。

グラウンドプレーンアンテナ３００は、このように表裏が存在するが、放射素子３０３が設置する表側を、人体に向けた場合には、図１５で上述したことと同様な現象が生じるので、グラウンドプレーンアンテナ３００に対しても、人体によって電波ｖの放射が遮断、吸収されて、電波ｖの放射・受信特性が劣化してしまうといった問題があった。

一方、ＲＦＩＤサービスでは、上述したように、１つの周波数帯だけの通信ではなく、現状においてはＵＨＦ帯や１３．５６ＭＨｚ帯などの複数の周波数帯が混在されてサービスされることになる。

このため、カードにもＵＨＦ帯カードや、１３．５６ＭＨｚ帯カードなどが存在することになるので、人がカードを携帯する場合には、財布やパスケースなどに、これらの異なる周波数帯のカードが混在して収納されることが予想される。

しかし、このような状況において、１３．５６ＭＨｚ帯カードに含まれるＩＣタグは、図１３で上述したように、電磁誘導方式であるので、ループアンテナの前面または背面に、別のＵＨＦ帯カードや２．４５ＧＨｚ帯カードが重ねて収納されると、ループアンテナで発生する磁界が、重ねた他のＩＣタグにより通過を阻害され、ループ上に電流が発生しなくなり、１３．５６ＭＨｚ帯ＩＣタグが動作できずに、通信不能となってしまうといった問題があった。

例えば、１３．５６ＭＨｚ帯カードとＵＨＦ帯カードとを重ねて、パスケースに収納した状態のままで、１３．５６ＭＨｚ帯カードをリーダ／ライタにかざすと、ＵＨＦ帯カード内部の導体部分によって、１３．５６ＭＨｚ帯カードで放射、受信すべき電波が阻害されてしまう現象が生じてしまう。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、人体近傍にあっても電波の放射・受信特性の劣化がなく、かつ他ＩＣタグの通信を阻害せずに、高品質な無線通信を行うタグ装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、人体近傍にあっても電波の放射・受信特性の劣化がなく、かつ他ＩＣタグの通信を阻害せずに、高品質な無線通信を行うアンテナを提供することである。

さらに、本発明の他の目的は、人体近傍にあっても電波の放射・受信特性の劣化がなく、かつ他ＩＣタグの通信を阻害せずに、高品質な無線通信を行う携帯型カードを提供することである。

上記課題を解決するために、無線通信を行うタグ装置が提供される。このタグ装置は、誘電体基板を挟んで、前記誘電体基板の表面及び側面を一周するように実装したループ状の金属箔であり、電波の送受信を行うメインループ部と、前記メインループ部に接続する金属箔であり、キャパシタンス成分の負荷を有する容量性負荷部と、から構成されるアンテナ部と、前記メインループ部と接続し、前記電波を介して情報の制御を行う制御部と、を備える。前記メインループ部は、前記誘電体基板の面積よりも小さな面積を持つ細長ループの形状で、前記誘電体基板を挟むように、前記誘電体基板の表面及び側面を覆い、かつ前記誘電体基板の表面に対して水平方向に実装され、前記容量性負荷部は、前記誘電体基板の表側の面を覆う前記メインループ部の両端部及び前記誘電体基板の裏側の面を覆う前記メインループ部の両端部にそれぞれ設けられ、前記容量性負荷部は、面積を可変にすることで、前記メインループ部のインピーダンスを可変とし、前記制御部が有するインピーダンスと前記メインループ部のインピーダンスとが整合するように調整された面積で、前記誘電体基板上に設けられる。

人体近傍にあっても電波の放射・受信特性の劣化がなく、かつ他ＩＣタグの通信を阻害せずに、高品質な無線通信を行うことが可能になる。また、容量性負荷部の面積を容易に可変することができ、精度よくインピーダンス整合を行うことが可能になる。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

タグ装置の原理図である。アンテナ部の概観を示す図である。アンテナ部に流れる電流を示す図である。タグ装置が人体近傍に位置する場合のメインループ部の動作を説明するための図である。ＵＨＦ帯の放射電波の電界強度を示す概念図である。容量性負荷部の有無による放射電磁波の電界強度を実験比較した図である。容量性負荷部の長さを変える様子を示す図である。メインループ部のインピーダンスを示す図である。磁気テープを有するＩＤカードと重ねた場合のタグ装置を示す図である。１３．５６ＭＨｚ帯カードと重ねた場合のタグ装置を示す図である。アンテナ部の変形例を示す図である。電波方式の概念を示す図である。電磁誘導方式の概念を示す図である。折り返しダイポールアンテナを示す図である。従来のＵＨＦ帯カードの問題点を示す図である。グラウンドプレーンアンテナを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１はタグ装置の原理図である。タグ装置１は、アンテナ部１０、制御部２０及び誘電体基板３０から構成されて、無線通信を行う装置であり、例えば、ＲＦＩＤのＵＨＦ帯ＩＣタグとして利用される。

アンテナ部１０は、メインループ部１１と容量性負荷部１２から構成される。メインループ部１１は、誘電体基板３０の表面に実装したループ状の金属箔であり、電波の送受信を行う（メインループ部１１がアンテナ機能の主要部となる）。容量性負荷部１２は、メインループ部１１に接続する金属箔であり、キャパシタンス成分の負荷を有する。

ここで、アンテナ部１０は図に示すように、メインループ部１１は、誘電体基板３０の面積よりも小さな面積を持つ細長ループの形状であり、誘電体基板３０を挟むように、誘電体基板３０の表面（表の面と裏面の両方）及び側面を覆い、かつ誘電体基板３０の表面に対して水平方向に実装される。

また、容量性負荷部１２は、誘電体基板３０の表側の面を覆うメインループ部１１の両端部（誘電体基板３０の端部といってもよい）に設けられ、図には示してないが、誘電体基板３０の裏側の面にあるメインループ部１１の両端部にも容量性負荷部１２は同様にして設けられる（なお、容量性負荷部１２は誘電体基板３０の側面には設けない）。

制御部２０は、メインループ部１１と接続し、電波を介して情報の制御を行う電子回路部品であり、ＩＣチップに該当するものである。制御部２０は、実際には、メインループ部１１上に実装される（図では、メインループ部１１の中心に実装されている）。

また、情報の制御とは、メインループ部１１を介して（リーダ／ライタから）受信した情報に対して、復調処理や内部メモリへのデータ書き込み処理を行ったり、またはメインループ部１１を介して（リーダ／ライタへ）送信すべき情報に対して、内部メモリのデータ読み出し処理や変調処理を行うことなどをいう。さらに、タグ装置１は、上述した電波方式により電源を得るので、制御部２０は、波源（給電部）となり、内部には整流回路も含まれる。

図２はアンテナ部１０の概観を示す図である。メインループ部１１は、細長ループの形状であり、メインループ部１１の両端部に容量性負荷部１２が設けられる。また、ループ状のメインループ部１１の両端部に、容量性負荷部１２が垂直に接続することで、アンテナ部１０は、Ｈ字形状の構造を持つアンテナとなる。なお、タグ装置１は、図１に示した誘電体基板３０を、このような形状のアンテナ部１０で挟んだ構造となる。

図３はアンテナ部１０に流れる電流を示す図である。アンテナ部１０に流れる電流をシミュレーションした図であり、電流の流れる様子を矢印で示している。電波の放射・受信時には、アンテナ部１０に電流が流れるが、ほとんどの電流は、メインループ部１１上を流れ（ループ形状なので、表の面と裏の面をループ（一周）して流れる）、容量性負荷部１２に流れる電流はわずかである。

次にタグ装置１により解決される問題点及び効果について説明する。タグ装置１は、図２、図３で上述したアンテナ部１０を有することで、ＵＨＦ帯ＩＣタグに対して従来あった問題点を解決し、以下の（１）〜（４）の効果を得るものである。

（１）人体近傍においてタグ装置１を使用しても良好な電波の放射・受信特性を得ることができる。
（２）アンテナ（メインループ部１１）のインピーダンスを容易に調整可能なので、効率よくＩＣチップ（制御部２０）とのインピーダンス整合をとることができる。

（３）電波の放射、受信を妨害する物体の近傍に置かれる場合であっても、電波妨害を最小限に抑えることができる。
（４）１３．５６ＭＨｚ帯ＩＣタグにタグ装置１を重ねても、１３．５６ＭＨｚ帯ＩＣタグで発生する磁束を妨げず、１３．５６ＭＨｚ帯ＩＣタグの通信に悪影響を与えない。

また、上記の効果の他にも、タグ装置１では、従来のＵＨＦ帯ＩＣタグに比べて、広帯域通信を可能にするといった特徴を持つ。以降、これらの特徴に関連したタグ装置１の機能・動作について詳しく説明する。

なお、タグ装置１は、人が携帯可能なカード形状の部材に、アンテナ部１０と制御部２０を収めることで携帯型カードとして使用され、例えば、ＩＤカード、キャッシュカード、鉄道の定期券カードなどというように幅広く利用可能である。

また、カード形状の部材とは、例えば、プラスチックのような材質でよいし、アンテナ部１０は、部材内部に収められても、部材表面に貼り付けられた構造をとってもよい。
ただし、カード寸法は、国内においては、５４ｍｍ（縦）×８６ｍｍ（横）×０．７６ｍｍ（厚さ）と定められているので、タグ装置１はこのカード寸法に入る大きさとなる。

次に人体近傍でのタグ装置１の動作について説明する。図４はタグ装置１が人体近傍に位置する場合のメインループ部１１の動作を説明するための図である。
人体近傍に対して、タグ装置１のメインループ部１１が存在する様子を示している。

メインループ部１１は、ラインＬ１〜Ｌ４からなるループとし、電波の放射・受信時には、メインループ部１１に反時計周りに電流が流れるとする。なお、説明のために、ラインＬ１に流れる電流を電流Ｉ１、ラインＬ２に流れる電流を電流Ｉ２、ラインＬ３に流れる電流を電流Ｉ３、ラインＬ４に流れる電流を電流Ｉ４と便宜上符号を付ける。

メインループ部１１にループして電流が流れた場合、ラインＬ１については、人体表面に平行に位置するラインＬ１に電流Ｉ１が下向きに流れると、人体表面を対象として電流Ｉ１とは逆の上向きに流れる電流Ｉ１ａが発生する。ラインＬ２については、人体表面に垂直に位置するラインＬ２に右向きの電流Ｉ２が流れると、人体表面には電流Ｉ２の流れる向きに連続して流れるような同じ右向きの電流Ｉ２ａが発生する。

また、ラインＬ３については、人体表面に平行に位置するラインＬ３に電流Ｉ３が上向きに流れると、人体表面を対象として電流Ｉ３とは逆の下向きに流れる電流Ｉ３ａが発生する。ラインＬ４については、人体表面に垂直に位置するラインＬ４に左向きの電流Ｉ４が流れると、人体表面には電流Ｉ４の流れる向きに連続して流れるような同じ左向きの電流Ｉ４ａが発生する。

このような電流分布が生じると、人体表面に最も近接しているラインＬ１に流れる電流Ｉ１と、人体表面に生じた電流Ｉ１ａとは互いに打ち消しあう形となる。すると、人体表面とメインループ部１１との間に、あらたなループ状の電流分布が生成することになり、等価的には、人体表面を介してあらたなループアンテナＲＰが生成されることになる。

したがって、タグ装置１を含む携帯カードを胸ポケットに入れたままでも、手にとってリーダ／ライタにかざした場合でも、人体によって電波の放射・受信特性が阻害されることがなくなり、人体近傍においてタグ装置１を使用しても良好な電波の放射・受信特性を得ることが可能になる。

次に容量性負荷部１２をメインループ部１１に設けることで実現した広帯域通信について説明する。図５はＵＨＦ帯の放射電波の電界強度を示す概念図である。縦軸は放射電波の電界強度、横軸は周波数（ＭＨｚ）である。

グラフＧ１は、ＵＨＦ帯として９５３ＭＨｚを中心とした狭帯域の状態を示しており、グラフＧ２は、ＵＨＦ帯として９５３ＭＨｚを中心とした広帯域の状態を示している（グラフＧ２は、容量性負荷部１２を有することにより、ＵＨＦ帯で広帯域となった本発明の電界強度分布状態である）。

ＵＨＦ帯でのＲＦＩＤ通信では、９５２ＭＨｚ〜９５４ＭＨｚの周波数帯が使用されることは上述したが、アンテナにおいては、グラフＧ１のように９５２ＭＨｚ〜９５４ＭＨｚだけ十分な電流が流れて、電波放射ができればよいというわけではなく、グラフＧ２のように、９５２ＭＨｚ〜９５４ＭＨｚを中心にして、ある程度幅広い周波数にわたって十分な電波放射が可能なアンテナを作った方がよい。

なぜなら、製品の製造時には、材質のばらつき等により周波数が変動するので、周波数が多少変動したとしても、精度よく動作するアンテナの方が好ましいからである。タグ装置１では、メインループ部１１に容量性負荷部１２を接続することで、広帯域化が可能となっている。

図６は容量性負荷部１２の有無による放射電磁波の電界強度を実験比較した図である。縦軸は電界強度Ｅ（ｄＢμＶ／ｍ）であり、横軸は周波数（Ｈｚ）である（なお、αＥ＋β＝α×１０βである）。電界強度は、タグ装置１から２ｍ離れた点での値をモーメント法によるシミュレーションにより算出したものである。

また、計算に用いたタグ装置１の寸法は４．５ｃｍ×７．５ｃｍ×０.５ｍｍであり、誘電体基板３０の電気的特性は、比誘電率３．９、誘電損失０.００８である。さらに、波源となる制御部２０の内部インピーダンスは、２０Ω−１８０ｊΩであり、１Ｖの電圧源とした。

図からわかるように、容量性負荷部１２を接続したときのメインループ部１１の電界強度を示すグラフＧ３の方が、容量性負荷部１２が接続していないメインループ部１１の電界強度を示すグラフＧ４よりも、帯域が広がっていることがわかる。

次にメインループ部１１と制御部２０とのインピーダンス整合について説明する。制御部２０は、メインループ部１１と接続し、制御部２０が出力した電力はメインループ部１１を介して電波となってエア中に放出される。

メインループ部１１上では、どこでも電圧／電流＝インピーダンス（特性インピーダンス）Ｚの関係を保ちながら進行波が伝わるが、インピーダンスＺに等しい値の負荷抵抗Ｒ_Lをつなぐと、進行波は全部負荷抵抗Ｒ_Lに入って熱となって消費され、負荷からの反射は生じない。

すなわち、メインループ部１１のインピーダンスと、制御部２０の内部インピーダンスとを等しくすれば（整合をとれば）、制御部２０から出力した進行波だけが伝わり、進行波が持っている電力エネルギがすべてアンテナであるメインループ部１１に供給されて放射されることになる。ただし、インピーダンスの完全整合は、理論的に可能な理想状態であって、現実の設計においては、いかにこの理想状態に近づけるかが重要となる。

ここで、容量性負荷部１２の面積を変えてメインループ部１１のインピーダンスを変化させた際の実験測定結果について説明する。容量性負荷部１２の面積を変えるには、容量性負荷部１２の一部をカット（切断）して長さを変えてやるのが簡単である。

図７は容量性負荷部１２の長さを変える様子を示す図である。容量性負荷部１２に対して、図に示す部分の長さＬを０〜２０ｍｍの範囲で可変させる。
図８はメインループ部１１のインピーダンスを示す図である。縦軸はインピーダンス（Ω）、横軸は容量性負荷部１２の長さＬ（ｍｍ）であり、図７に示した長さＬを０〜２０ｍｍに可変したときのメインループ部１１のインピーダンスの変化を示している。

図からわかるように、容量性負荷部１２の長さＬを変えることにより、インピーダンスが変化している。ここで、単純な場合を想定すると、制御部２０の内部インピーダンスが、ネットワークアナライザの測定結果から１２０Ω＋ｊ３２０Ωと求められたとすれば、容量性負荷部１２の長さＬを１５ｍｍにすればインピーダンスが整合することになる。

なお、インピーダンスＺは、レジスタンス（抵抗成分）をＲ、リアクタンス（コンデンサやコイルによる容量成分）をＸとすれば、実数部にＲ、虚数部にＸが含まれたＺ＝Ｒ±ｊＸの形で表せる（±の符号は、ＩＣのインピーダンスはＺ_IC＝Ｒ_IC−ｊＸ_ICであり、アンテナのインピーダンスはＺ_A＝Ｒ_A＋ｊＸ_Aとなる）。

このように、本発明のタグ装置１においては、容量性負荷部１２の面積を変えるだけで、メインループ部１１のインピーダンスを可変にすることができるので、あらかじめ制御部２０（ＩＣチップ）の内部インピーダンスをネットワークアナライザ等で測定しておき、この測定値と略一致するように容量性負荷部１２の面積を変えてやれば、効率よくインピーダンス整合を行うことができる（なお、インピーダンスは、上記の抵抗ＲとリアクタンスＸの２つのパラメータを有するので、実際にはこれら両方を一致させることは難しいが、リアクタンスＸ側を優先して一致させるように容量性負荷部１２の長さを調整すると、インピーダンス整合の精度があがることが実験的に認識された）。

次に電波の放射、受信を妨害する物体の近傍に置かれる場合のタグ装置１について説明する。図９は磁気テープを有するＩＤカードと重ねた場合のタグ装置１を示す図である。ＩＤカードとタグ装置１を重ねた場合、ＩＤカードの磁気テープとタグ装置１のメインループ部１１が同じ位置にあって重なると、互いに電波干渉を引き起こすことになる。

したがって、タグ装置１では、磁気テープとの相互作用が最小になるように、メインループ部１１は、磁気テープ（磁気テープに限らず電波の放射、受信を妨害する物体）が存在する位置から離れた位置にくるように、誘電体基板３０上に設けるようにする。

次に１３．５６ＭＨｚ帯カードと重なる場合のタグ装置１について説明する。
図１０は１３．５６ＭＨｚ帯カードと重ねた場合のタグ装置１を示す図である。上述したように、１３．５６ＭＨｚ帯カード内部にはループアンテナが存在し、磁束を発生させている。タグ装置１のメインループ部１１がカード中心部にあって、１３．５６ＭＨｚ帯カードと重なると磁束の流れを遮断し、１３．５６ＭＨｚ帯カードの読み取りを妨害することになる（逆に磁束は、メインループ部１１に電波障害を与える）。

したがって、タグ装置１では、１３．５６ＭＨｚ帯カードが発生する磁束の流れを妨げないように、メインループ部１１は、１３．５６ＭＨｚ帯カードのループアンテナ中央部から離れた位置にくるように、誘電体基板３０上に設けるようにする（図では、カード中央部にあったメインループ部１１をカード端部に移動している）。

次にアンテナ部１０の変形例について説明する。図１１はアンテナ部１０の変形例を示す図である。上述したアンテナ部１０は、ループ状のメインループ部１１の両端部に、容量性負荷部１２が垂直に接続して、Ｈ字形状の構造を持つアンテナであったが、変形例のアンテナ部１０ａでは、ループ状のメインループ部１１の両端部の上下方向に、容量性負荷部１２の端部が鋭角の角度を持って接続して、Ｎ字形状の構造を持つものである。

また、アンテナ部１０ａが誘電体基板（図示せず）に実装する場合は、アンテナ部１０ａのメインループ部１１は、誘電体基板の面積よりも小さな面積を持つ細長ループの形状で、誘電体基板を挟むように、誘電体基板の表面及び側面を覆い、かつ誘電体基板の表面に対して斜線方向に実装される。

そして、容量性負荷部１２は、誘電体基板の表側の面を覆うメインループ部１１の両端部及び誘電体基板の裏側の面を覆うメインループ部１１の両端部にそれぞれ設けられる（図には示さないが２枚のＮ字アンテナで誘電体基板が挟まれる構造となる。ただし、メインループ部１１は誘電体基板の側面を通じて表・裏をループし、容量性負荷部１２は側面には設けない）。

大きさが定められているカード（国内では５４ｍｍ（縦）×８６ｍｍ（横）×０．７６ｍｍ（厚さ））内にタグ装置１を収める際に、メインループ部１１の長さ（アンテナ長）を伸ばしたい場合には、変形例のようなＮ字形状のアンテナとしてもよく、Ｈ字型と同じ効果が得られる。

以上説明したように、メインループ部１１と容量性負荷部１２からなるアンテナ部１０を薄いカード内に設置したタグ装置１及び携帯カードによれば、他のＩＤカード等と重ねて人体に装着した状態でも、良好な送受信特性を得ることが可能になる。また、１３．５６ＭＨｚ帯のＩＣタグカードと重ねても、悪影響を及ぼさず、さらに容量性負荷の面積を変化させることで、ＩＣチップ（制御部２０）との整合を調整することが可能になる。このため、将来のあらゆる産業界でのＩＴ化、自動化を推進する際に、効果的なＲＦＩＤサービスを提供することが可能になる。

なお、上記では、ＵＨＦ帯カードに使用されるものとして、本発明を説明したが、ＵＨＦ帯に限られたものではなく、他の周波数帯でも本発明の原理を幅広く適用することができる。

また、上記ではタグ装置１がＲＦＩＤの携帯型カードに適用するものとして、アンテナ部１０の形状を、Ｈ字形状またはＮ字形状としたが、アンテナ部１０は、Ｈ字形状またはＮ字形状に限定されるものではなく、これ以外の形状となるように、メインループ部１１と容量性負荷部１２を接続してもよく、ＲＦＩＤ分野に限らず、高周波を使用するその他の通信分野においても幅広い応用が可能である。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

符号の説明

１タグ装置
１０アンテナ部
１１メインループ部
１２容量性負荷部
２０制御部
３０誘電体基板

Claims

無線通信を行うタグ装置において、
誘電体基板を挟んで、前記誘電体基板の表面及び側面を一周するように実装したループ状の金属箔であり、電波の送受信を行うメインループ部と、前記メインループ部に接続する金属箔であり、キャパシタンス成分の負荷を有する容量性負荷部と、から構成されるアンテナ部と、
前記メインループ部と接続し、前記電波を介して情報の制御を行う制御部と、
を備え、
前記メインループ部は、前記誘電体基板の面積よりも小さな面積を持つ細長ループの形状で、前記誘電体基板を挟むように、前記誘電体基板の表面及び側面を覆い、かつ前記誘電体基板の表面に対して水平方向に実装され、前記容量性負荷部は、前記誘電体基板の表側の面を覆う前記メインループ部の両端部及び前記誘電体基板の裏側の面を覆う前記メインループ部の両端部にそれぞれ設けられ、
前記容量性負荷部は、面積を可変にすることで、前記メインループ部のインピーダンスを可変とし、前記制御部が有するインピーダンスと前記メインループ部のインピーダンスとが整合するように調整された面積で、前記誘電体基板上に設けられる、
ことを特徴とするタグ装置。
無線通信を行うタグ装置において、
誘電体基板を挟んで、前記誘電体基板の表面及び側面を一周するように実装したループ状の金属箔であり、電波の送受信を行うメインループ部と、前記メインループ部に接続する金属箔であり、キャパシタンス成分の負荷を有する容量性負荷部と、から構成されるアンテナ部と、
前記メインループ部と接続し、前記電波を介して情報の制御を行う制御部と、
を備え、
前記メインループ部は、前記誘電体基板の面積よりも小さな面積を持つ細長ループの形状で、前記誘電体基板を挟むように、前記誘電体基板の表面及び側面を覆い、かつ前記誘電体基板の表面に対して斜線方向に実装され、前記容量性負荷部は、前記誘電体基板の表側の面を覆う前記メインループ部の両端部及び前記誘電体基板の裏側の面を覆う前記メインループ部の両端部にそれぞれ設けられ、
前記容量性負荷部は、面積を可変にすることで、前記メインループ部のインピーダンスを可変とし、前記制御部が有するインピーダンスと前記メインループ部のインピーダンスとが整合するように調整された面積で、前記誘電体基板上に設けられる、
ことを特徴とするタグ装置。
無線通信を行うタグ装置において、
誘電体基板を挟んで、前記誘電体基板の表面及び側面を一周するように実装したループ状の金属箔であり、電波の送受信を行うメインループ部と、前記メインループ部に接続する金属箔であり、キャパシタンス成分の負荷を有する容量性負荷部と、から構成されるアンテナ部と、
前記メインループ部と接続し、前記電波を介して情報の制御を行う制御部と、
を備え、
前記メインループ部が人体近傍に位置し、前記メインループ部の人体との近接部分を第１の部分、人体と近接しない部分を第２の部分とした場合に、
前記第１の部分を流れる電流とは逆方向の電流が人体表面に流れることで、前記人体表面と前記メインループ部との間にループ状の電流分布を生成し、
前記人体表面及び前記第２の部分に電流が流れて、前記人体表面と、前記第２の部分とによる等価的なループアンテナを形成する、
ことを特徴とするタグ装置。