JP4854362B2 - Rfidタグ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
このため、近年、バーコードに替わって物品等にRFID(Radio Frequency Identification)タグをつけ、物品の情報を無線(電磁結合)で非接触で読み取ることが要求され、実用化されつつある。RFIDタグは、ICカードの機能に情報の無線通信機能を追加したもので、情報記録可能な不揮発性メモリを備えているが電池(電源部)を有していない。このため、タグ読み取り装置はRFIDタグのメモリから情報を非接触で読み取る際、電磁波でRFIDタグに電力を供給し、該メモリから情報を読み取るようになっている。かかるRFIDタグによれば、作業性の大幅な向上を図ることができ、しかも、RFIDタグとの間で認証機能、暗号化等の技術を用いることにより、優れたセキュリティを確保することができる。
RFIDタグとして種々のタイプが提案されている。その1つとしてプラスチックや紙などの誘電体ベースシート上に電波通信用のアンテナパターンとICチップ(LSI)を搭載したものがある。かかるRFIDタグは非導電性の物体に貼り付けられると通信距離等に関して所要の性能が得られる。しかし、スチール等の金属に貼り付けられる場合、該金属によりRFIDタグの通信用電波が阻害されて通信距離の低下などの不具合が生じる。
しかし、金属物体にダイポールアンテナパターンを備えたRFIDタグを貼り付けた場合、金属表面において電界の接線方向成分が境界条件から0となり、周囲電界が0となる。このため、RFIDタグのICチップに必要な電力を供給することができない。またタグアンテナからリーダライターのアンテナに向け電磁波を送信(散乱)することもできない。すなわち、図19(B)に示すように、金属物体MTLにダイポールアンテナパターンDPを備えたRFIDタグを貼り付けた場合、ダイポールアンテナDPに電流Iを流すと、写像原理により金属物体MTLに逆方向に電流が流れるイメージIMGが発生する。このイメージにより、ダイポールアンテナ電流Iが発生する電磁界が打ち消され、RFIDタグのICチップに必要な電力を供給することができず、しかも、タグアンテナからリーダライターのアンテナに向け電磁波を送信することもできなくなる。以上から金属表面に貼り付けてもアンテナ利得が劣化せず、電磁波の送受信が可能なタグアンテナを備えたRFIDタグが要望される。
また、タグアンテナの受信電力をLSIチップに効率よく供給するためにタグアンテナとLSIチップのインピーダンスがマッチング(整合)している必要がある。このため、インピーダンス変換回路が必要となるが、RFIDタグの製造コストが高くなる。このため、インピーダンス変換回路を使用せずにタグLSIチップとタグアンテナの整合を取る必要がある。すなわち、インピーダンス変換回路を使用しなくてもLSIチップとのインピーダンス整合が取れるようにしたタグアンテナを備えたRFIDタグが要望される。
このため、本願出願人は、金属表面に貼り付けても電磁波の送受信が可能な小型アンテナを備えたRFIDタグを提案している(特許文献2参照)。この提案されたRFIDタグ10は、図20に示すように直方体状の誘電体部材11と、この誘電体部材11の表面に設けられループアンテナを形成する送受信用のアンテナパターン12と、このアンテナパターン12にチップ搭載パッド13を介して電気的に接続されたICチップ15と、を備えている。
直方体状の誘電体部材11は、所定の誘電率を有しており、ガラス等を含んだ樹脂により形成された基板、いわゆる高周波用基板を用いることができる。誘電体部材11の平面部分のアンテナパターン12は、導体(たとえば、銅等の金属導体)をエッチングすることにより形成されている。また、ICチップ15をアンテナパターン12に電気的に接続するための一対のチップ搭載パッド13が、このアンテナパターン12とともに、上記エッチングにより同時形成されている。さらに、誘電体部材11の側面部分(厚みを形成する部分)のアンテナパターン12′は、公知のいわゆるメッキによる側面導通法によって形成されている。ICチップ15は、非接触で情報を記録し、かつ読み取るための通信回路とメモリおよび所定の制御回路を備えるとともに、アンテナパターン12に延設された上記チップ搭載パッド13と電気的に接続するためのチップ電極(図示せず)を備えている。以上のように構成されたRFIDタグ10は、図21に示すように、たとえば金属性物体MTLに絶縁性接着剤(たとえば、両面テープ)16等を用いて貼付され、図示しない所定の保護フィルム等で被覆されて使用される。なお、このRFIDタグ10は、使用する物品へ貼付するための上記接着剤16や上記保護フィルム等を予め備えて構成されていてもよい。
上記ループアンテナ構成のRFIDタグを製造するには、先ず、両面が導電体で覆われたプリント基板(誘電体部材)11の表面をエッチング加工して図20に示すアンテナパターンを形成し、ついで、側面にメッキ加工を施し、該メッキ12′により基板の上面アンテナパターンと下面アンテナパターンを接続してループアンテナを形成する(ループアンテナ形成工程)。しかる後、上記チップ搭載パッド13にICチップ15のチップ電極が電気的に接続するように、当該ICチップ15を実装する。実装技術としては、たとえばいわゆるフリップチップ実装を採用することができる。
別の製造方法として図23に示すように絶縁性のフィルム20上にアンテナパターン12及びチップ搭載パッド13を印刷し、図24に示すように該フィルム20を誘電体部材11に巻きつけて固定し、しかる後、ICチップ15をチップ搭載パッド13に実装する。
しかし、従来のRFIDタグの第1の製造方法では、プリント基板を使用し、しかも、エッチング加工、側面メッキ加工などの複雑な工程が必要であり、製造コストが高くなる問題がある。また、従来のRFIDタグの第2の製造方法では、絶縁フィルム20を誘電体部材11に巻きつけてからICチップ15を実装しなくてはならず、絶縁フィルムを誘電体材料へ巻きつけて固定する際に高い巻き付け位置精度が要求される。すなわち、ICチップは非常に小さいため、例えば0.4mm角と小さいため、正確に実装するには高い位置精度、例えば数10〜数100μmの位置精度で絶縁フィルムを誘電体部材11に巻きつける必要がある。
以上から本発明の目的は、ICチップを実装してからフィルムを誘電体材料に巻きつけることにより高い巻き付け位置精度が必要でないループアンテナ構成のRFIDタグ及びその製造方法を提供することである。
本発明の別の目的は、金属に貼り付けても必要な電力を供給できると共に電磁波を送受信することができ、しかも、帯域を広くでき、かつイピーダンス変換回路が不要な小型で薄型のRFIDタグを提供することである。
本発明の別の目的は、非導電性物体に貼り付けても必要な電力を供給できると共に電磁波を送受信することができ、しかも、帯域を広くでき、かつイピーダンス変換回路が不要な小型で薄型のRFIDタグを提供することである。
本発明のループアンテナを備えたRFIDタグは、平板状の誘電体部材と、ICチップ搭載部分を片側に備えた帯状の第1、第2のループアンテナパターンが、該ICチップ搭載部分を向き合わせて所定の間隙をおいて形成された絶縁フィルムと、前記ICチップ搭載部分に搭載され、前記第1、第2のループアンテナパターンに電気的に接続されたICチップとを備え、前記ICチップが搭載された絶縁フィルムを前記誘電体部材に、該ICチップが該誘電体部材の第1の面に位置するように、かつ、第2の面において前記第1、第2のループアンテナパターンが所定の間隙をおいて位置するように、巻きつけて形成されている。
また、本発明のRFIDタグは、前記ICチップ搭載面と反対の面の前記第1、第2ループパターンの上に絶縁層を積層してなり、あるいは、前記ICチップ搭載面と反対の面の前記第1、第2ループパターン上に絶縁層を、該絶縁層の上に導電層をそれぞれ積層してなる。
本発明のループアンテナを備えたRFIDタグの製造方法は、ICチップ搭載部分を片側に備えた帯状の第1、第2のループアンテナパターンを、該ICチップ搭載部分を向き合わせて絶縁フィルム上に形成するステップ、前記第1、第2のループアンテナパターンの前記ICチップ搭載部分にICチップを搭載して該第1、第2のループアンテナパターンに電気的に接続するステップ、前記ICチップが搭載された絶縁フィルムを平板状の誘電体部材に、該ICチップが該誘電体部材の第1の面に位置するように、かつ、第2の面において前記第1、第2のループアンテナパターンが所定の間隙をおいて位置するように巻きつけて固定するステップを備えている。
本発明のRFIDタグの製造方法は、更に、前記ICチップ搭載面と反対の面に絶縁層と導電層を積層するステップを備えている。
又、本発明によれば、ループアンテナ構成にしているため金属に貼り付けても必要な電力を供給できると共に電磁波を送受信することができる。しかも、本発明によれば、帯域を広くでき、かつイピーダンス変換回路が不要な小型で薄型のRFIDタグを提供できる。
また、本発明によれば、ループアンテナ構成にし、かつ、ICチップ搭載面と反対の面に絶縁層と導電層を積層するようにしたから、非導電性物体に貼り付けても必要な電力を供給できると共に電磁波を送受信することができる。しかも、本発明によれば、帯域を広くでき、かつイピーダンス変換回路が不要な小型で薄型のRFIDタグを提供できる。
・構成
図1は本発明のループアンテナ構成のRFIDタグ50の分解斜視図である。(A)に示すように78×45×1.2(単位はmm)の平板状の誘電体部材(誘電体基板)51に、(B)に示すAA断面略U状の第1、第2のループアンテナ部分52,53を向かい合うように取り付ける((C)参照)。また、LSIチップ54を誘電体基板51に形成した凹み部(図示せず)にはまるように、かつ、アンテナ部分52,53に接続するようにチップ搭載パッド55,56に実装する。なお、チップ搭載パッド55,56はループアンテナ部分52,53の端部に設けられている。
誘電体基板51は例えば、比誘電率εr=4.3、誘電損失率tanδ=0.009の電気特性を有しており、ガラス等を含まない安価な樹脂のみにより形成することができる。たとえば、この誘電体基板51は、成形加工性、機械的性質等に優れた、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフェニレンエーテル(PPE)等の樹脂により形成することができる。
図2は第1実施例のRFIDタグの平面図、図3は裏面図である。図3の裏面図から判るように、本発明のRFIDタグの第1、第2のループアンテナ部分52,53はLSIチップの反対側で非導通になっており、c mm(=約3mm)の誘電体表面スリット55が露出している。
図5は本発明のRFIDタグの製造方法説明図である。
薄い絶縁フィルム71上にプリント技術により第1、第2のループアンテナ部分(ループアンテナパターン)52,53を向かい合うように印刷する。すなわち、導線性ペーストを絶縁フィルム71上にスクリーン印刷することによりループアンテナ部分52,53を形成する。同時に、該ループアンテナ部分52,53の端部にLSIチップ54を搭載して該ループアンテナ部分52,53に電気的に接続するための一対のチップ搭載パッド55,56が形成される。
絶縁フィルム71として、可撓性を有する熱可塑性プラスチック例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリ塩化ビニル(PVC)を使用することができるが、加工性、絶縁性、機械的強度、価格面を考慮すると、PETが最適である。なお、絶縁フィルム71の大きさは、図1(C)に示すループアンテナ部分52,53を形成できるように、誘電体部材51に過不足無く巻き付けられる程度である。
ついで、第1、第2のループアンテナ部分52,53の端部に形成したチップ搭載パッド55,56にLSIチップ54をチップボンディングなどの実装技術により実装する。
しかる後、LSIチップ54が実装された絶縁フィルム71を、誘電体基板51の角部に対応した折り曲げ部75〜78で折り曲げ、当該誘電体基板51に巻き付けて固定する。この絶縁フィルム71と誘電体基板51間の固定は、例えば接着剤や両面テープ等を用いて行うことができる。
(1) ICチップ搭載部分55,56を備えた帯状の第1、第2のループアンテナパターン52,53を、該ICチップ搭載部分が向き合うように絶縁フィルム71上に形成する第1ステップ、
(2) 前記第1、第2のループアンテナパターンの前記ICチップ搭載部分にICチップ54を搭載して該第1、第2のループアンテナパターンに電気的に接続する第2ステップ、
(3) 前記ICチップ54が搭載された絶縁フィルム71を平板状の誘電体部材51(図1参照)に、該ICチップが該誘電体部材の第1の面に位置するように、かつ、第2の面において前記第1、第2のループアンテナパターンが所定の間隙をおいて位置するように巻きつけて固定する第3ステップ、を備えている。
以上のようにして製造されるRFIDタグのタグアンテナが、必要とされる特性を有するように富士通製の3次元電磁界シミュレータACCUFIELDを用いてアンテナ各部の寸法設計を行なった。なお、s2(1参照)等の寸法を調整することで、アンテナのインピーダンス、帯域および利得を最適化することができる。
(a)整合性
図1の誘電体基板51として比誘電率εr=4.3、損失率tanδ=0.009の誘電体材料を採用する。そして、サイズ78×45×1.2(単位はmm)の該誘電体基板51に各部寸法がw=25mm,S2=5mm(図1(C))、a=3mm,b=10mm(図2)、c=3mm(図3)のループアンテナパターンを巻きつけてRFIDタグを形成し、800MHz〜1.1GHzにわたってタグアンテナのインピーダンスをシミュレーションした。図6は該タグアンテナのインピーダンスをスミスチャート上にプロットしたもので、950MHにおけるループアンテナのインピーダンスはA点に示すようになる。この950MHにおけるループアンテナのインピーダンスはLSIチップ54の入力インピーダンス(図6のB参照)にほぼ整合する値となった。
LSIチップとタグアンテナで構成されるRFIDタグの等価回路は図7に示すようになる。すなわち、等価回路はLSIチップとタグアンテナの並列回路で表わされ、LSIチップは抵抗RcpとコンデンサCcpの並列回路で表わされ、タグアンテナは抵抗RapとインダクタンスLapの並列回路で表わされる。このRFIDタグにおける整合の条件はRcP=Rap、ωL=1/ωCであり、図6より第1実施例のRFIDタグはこの整合条件を満たしている。
図8は周波数を800MHz〜1.1GHz(1100MHz)の間で変化させたときのアンテナゲイン特性であり、広い範囲でゲインがほぼ一定になっており(=−5dB〜−4.3dB)、広帯域特性が得られていることがわかる。
図9は図24に示す従来のRFIDタグのアンテナゲイン特性であり、比較するために第1実施例のアンテナゲイン特性を並べて示している。この従来のタグアンテナは比誘電率εr=4.1、損失率tanδ=0.009の誘電体材料を用いてサイズ78×45×1.15(単位はmm)の誘電体基板を作成し、その両面に図10(A),(B)に示す寸法を有するループアンテナパターンを形成している。図9より、第1実施例のタグアンテナは従来のタグアンテナと同等のアンテナゲイン特性を示していることが判る。なお、第1実施例の方のゲインが若干高いが、これは基板の厚さの差が影響していると思われる。
比誘電率εr=5.0、損失率tanδ=0.002の誘電体材料を用いてサイズ78×45×1.2(単位はmm)の誘電体基板51を作成し、その両面に図11(A),(B)に示す寸法を有するループアンテナ52,53のタグパターンを形成した。そして、上側端部からのパターン寸法S2を可変とし、s2=10mm〜20mmにおけるアンテナゲイン、タグアンテナ抵抗Rap、LSIチップ容量Ccpをシミュレーションした。図12(A)はゲイン特性、図12(B)はチップ容量特性、図12(C)はタグアンテナ抵抗特性である。
図12(A)より寸法s2が変化してもゲイン、タグアンテナ抵抗Rapはそれほど変動せず、チップ容量Ccpは変化することがわかる。これにより、タグアンテナとLSIチップのインピーダンス整合が取れていないとき、寸法s2を調整することによりタグアンテナとLSIチップのインピーダンス整合を取ることが可能であることが判る。
なお、RFIDの通信距離rは概略以下の式で与えられる。
r=λ/(4π)(PtGtGrτ/Pth)0.5
ここで、λは波長、Ptはリーダライタアンテナに加えたパワー、GtおよびGrはそれぞれタグアンテナおよびリーダライタアンテナのアンテナゲイン、PthはICチップが動作するために必要なパワーの最小値をである。また、τはICチップとタグアンテナの整合の度合いを表わし、以下の式で与えられる。
τ=4RcRt/(Zc+Za)2
ここでRcはICチップのインピーダンスの実数部、Rtはタグアンテナのインピーダンスの実数部、ZcおよびZaはそれぞれ、ICチップとタグアンテナの複素インピーダンスである。図12のシミュレーション結果を元に、図11に示すRFIDタグの通信距離を計算すると1.7mとなり、きわめて実用的な通信距離が得られることが分かる。ただし、ここではGrを9dBi、Ptを0.5W、Pthを−5dBmとした。またICチップのインピーダンスを72−258jΩとした。
また、第1実施例のRFIDタグによれば高い巻き付け位置精度が不要になる。図13(A),(B)は巻き付け位置精度が1mmずれた場合の第1実施例のRFIDタグの平面図及び裏面図であり、図14は真のセンターラインC−Cからの巻き付け誤差が0,0.5mm,1mmのときのアンテナゲインを示す図表である。巻き付け誤差が1mmであってもゲインが大きく変化せず、高々0.3dBの変化であり、また、通信距離は数%程度の劣化で大きな影響が無いことがわかる。これより、本発明のRFIDタグによれば巻き付ける前にICチップを実装することにより従来技術に比べて巻き付け位置精度を1桁緩くすることができる。
尚、実施例では誘電体基板が直方体の場合について説明したが本発明はかかる形状に限るものではなく、三角形、正方形、六角形などの平板状の立体であっても良い。
第1実施例のRFIDタグによれば、金属に貼り付けても必要な電力を供給できると共に電磁波を送信することができ、しかも、帯域を広くでき、かつイピーダンス変換回路が不要な小型で薄型のRFIDタグを提供できる。また、第1実施例のRFIDタグによれば、ICチップを実装してからフィルムを誘電体材料に巻きつけることにより高い巻き付け位置精度が不要になる。
第1実施例のRFIDタグは絶縁層を介して導電性物体に貼り付けて使用すると図4に示すように等価回路が形成されて所要の特性が得られる。しかし、非導電性物体に貼り付けた場合にはアンテナパターンに電流が流れずタグアンテナとして機能しない。
図15は非導電性物体に貼り付けた場合にはアンテナパターンに電流が流れようにした第2実施例のループアンテナ構成のRFIDタグの説明図であり、(A)はRFIDタグの分解斜視図、(B)はRFIDタグの斜視図である。
第2実施例のRFIDタグは、第1実施例のRFIDタグ50(図1(C))の裏面に厚さ100μmの絶縁シート81と導電シート82を積層して構成されている。かかる構成により、第2実施例のRFIDタグを非導電性物体に貼り付け、タグアンテナに給電すると図4に示すように等価回路が形成されて所要の特性が得られる。
(1) ICチップ搭載部分を備えた帯状の第1、第2のループアンテナパターンを、該ICチップ搭載部分が向き合うように絶縁フィルム上に形成する第1ステップ、
(2) 前記第1、第2のループアンテナパターンの前記ICチップ搭載部分にICチップを搭載して該第1、第2のループアンテナパターンに電気的に接続する第2ステップ、
(3) 前記ICチップが搭載された絶縁フィルムを平板状の誘電体部材に、該ICチップが該誘電体部材の第1の面に位置するように、かつ、第2の面において前記第1、第2のループアンテナパターンが所定の間隙をおいて位置するように巻きつけて固定する第3ステップ、
(4) 前記ICチップ搭載面と反対の面に絶縁層と導電層を積層するステップ、
を備えている。
第2実施例のRFIDタグによれば、非導電性物体に貼り付けても必要な電力を供給できると共に電磁波を送信することができ、しかも、帯域を広くでき、かつイピーダンス変換回路が不要な小型で薄型のRFIDタグを提供できる。
また、第1実施例のRFIDタグの裏面に絶縁シートと導電シートを積層することにより第2実施例のRFIDタグを作成することができる。
51 誘電体基板
52,53 第1、第2のループアンテナ部分
54 LSIチップ
55,56 チップ搭載パッド
Claims (5)
- ループアンテナを備えたRFIDタグにおいて、
平板状の誘電体部材と、
ICチップ搭載部分を片側に備えた帯状の第1、第2のループアンテナパターンが、該ICチップ搭載部分を向き合わせて所定の間隙をおいて形成された絶縁フィルムと、
前記ICチップ搭載部分に搭載され、前記第1、第2のループアンテナパターンに電気的に接続されたICチップと、
を備え、前記ICチップが搭載された絶縁フィルムを前記誘電体部材に、該ICチップが該誘電体部材の第1の面に位置するように、かつ、第2の面において前記第1、第2のループアンテナパターンが所定の間隙をおいて位置するように、巻きつけてなることを特徴とするRFIDタグ。 - 前記ICチップ搭載面と反対の面の前記第1、第2ループパターンの上に絶縁層を積層してなることを特徴とする請求項1記載のRFIDタグ。
- 前記ICチップ搭載面と反対の面の前記第1、第2ループパターン上に絶縁層を、該絶縁層の上に導電層をそれぞれ積層してなることを特徴とする請求項1記載のRFIDタグ。
- ループアンテナを備えたRFIDタグの製造方法において、
ICチップ搭載部分を片側に備えた帯状の第1、第2のループアンテナパターンを、該ICチップ搭載部分を向き合わせて絶縁フィルム上に形成するステップ、
前記第1、第2のループアンテナパターンの前記ICチップ搭載部分にICチップを搭載して該第1、第2のループアンテナパターンに電気的に接続するステップ、
前記ICチップが搭載された絶縁フィルムを平板状の誘電体部材に、該ICチップが該誘電体部材の第1の面に位置するように、かつ、第2の面において前記第1、第2のループアンテナパターンが所定の間隙をおいて位置するように巻きつけて固定するステップ、
を備えたことを特徴とするRFIDタグの製造方法。 - 前記ICチップ搭載面と反対の面に絶縁層と導電層を積層するステップ、
を備えたことを特徴とする請求項4記載のRFIDタグの製造方法。
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