JP4884383B2

JP4884383B2 - Ｉｄタグ・パッケージとｒｆｉｄシステム

Info

Publication number: JP4884383B2
Application number: JP2007517831A
Authority: JP
Inventors: 英和田中; 薫福田; 博敬竹之下
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: CN101171600A; EP1884888A1; CN101171600B; US20090066518A1; JPWO2006126524A1; WO2006126524A1; TW200707301A; CA2613886A1; EP1884888A4

Description

本発明は一般的にはRFID(Radio Frequency IDentification)と呼ばれる、電磁波を用いる非接触の識別技術に関し、特に、識別対象に取り付けるRFID用のタグ(tag)のパッケージ技術に関する。

RFIDは、識別対象に取り付けるRFタグに質問器（リーダー／ライター）から電磁波を送り、非接触で識別対象のID情報を読み取り（リード）または書き込み（ライト）する技術である。RFIDは現在、鉄道の定期券などのカード型のRFタグを用いる方式が広く使用されている。今後は、さらに商品や機材等の履歴管理（トレーサビリテイ）のために、より小型な、あるいはより丈夫で耐久性のあるRFタグを用いる方式が普及していくと予想される。

RFタグはIDタグあるいはICタグとも呼ばれる（以下、IDタグと呼ぶ）。IDタグは通常ICチップと無線通信用のアンテナからなる。IDタグの多くは駆動用のバッテリーを内蔵しない。バッテリーを内蔵しない場合、IDタグ内のICはリーダー／ライターからの電磁波を受信し、そのエネルギーで駆動する。したがって、通信をおこなうためには、IDタグが少なくともICチップが駆動可能な電圧を誘起させるのに必要なエネルギーを持った電磁波を受信する必要がある。

しかし、RFIDは無線通信を利用するために、通信用の電磁波が外部環境、特に近傍の金属や水分の影響を受けやすい。例えば、識別対象が金属や飲料用ペットボトルの場合、それらの表面に取り付けられたIDタグが受信する電磁波の電界強度が減少する。その理由は、（ａ）金属近傍では電界強度が極端に小さくなってしまうこと、（ｂ）水は非常に大きな比誘電率を持つので水中で電磁波の伝播速度および見かけ上の波長が極端に小さくなってしまうこと、および（ｃ）誘電損失が大きいからである。その結果、ICが動作せずに無線通信自体ができなくなる場合がある。また、ICが動作したとしても、その動作が安定しないために、リーダー／ライターが必要なID情報をリードまたはライトできない場合がある。

さらに、IDタグを構成するICチップやアンテナは外部からのストレス（圧力、衝撃、温度変化）に弱く、破損しやすい。例えば、建設機材（発電機、ポンプ、コンプレッサー等）が使われる環境では、機材に取り付けられたIDタグが衝撃や急激な温度変化等により劣化あるいは破損する可能性が大きい。また、水中で使用される機材の場合は、機材にIDタグを取り付けても、機械及びＩＤタグが水没するので、そもそもRFIDの送受信ができない場合がある。

非接触型のIDタグに関する従来技術が、例えば、日本国の公開特許公報、特開2003-196634、特開平11-102424に開示されている。特開2003-196634は、IDタグの機械的強度を向上させるために、IDタグを金属からなる外殻リングで覆うことを開示している。特開平11-102424は、外部からの応力を緩和させるために、IDタグ・パッケージ内の基板上にゲル状樹脂からなる緩衝層を設けることを開示している。

しかし、これらの公報では、いずれも近傍の金属や水分の影響を受けて通信用の電磁波のエネルギーが減少することに着目していない。すなわち、金属や水分の存在による電磁波のエネルギーの減少に対する対策を何ら開示していない。また、水中で使用するものに対するRFIDについても何ら開示していない。そして、かかる対策を取ることに加えて外部からのストレスを緩和する対策を同時にとることについても何ら開示していない。
公開特許公報、特開2003-196634号公開特許公報、特開平11-102424号

本発明の目的は、外部の金属あるいは水の存在に係わらず良好な無線通信ができ、同時に劣悪な使用環境下でも外部からのストレスに強いRFID用のIDタグ・パッケージおよびそのパッケージを用いたRFIDシステムを提供することである。

本発明のIDタグ・パッケージおよびそのパッケージを用いたRFIDシステムの特徴は、RFID用のIDタグを覆う構造体が、(a)、少なくとも外部の金属あるいは水の存在に起因する電磁波の減衰を小さくするために必要な厚さを有し、かつ(b)外部からのストレスを緩和することができる弾性層を含むことである。

本発明のIDタグ・パッケージおよびそのパッケージを用いたRFIDシステムは、上記特徴(a)、(b)を有するので、外部の金属あるいは水の存在に係わらず良好な無線通信ができ、同時に外部からのストレスに強い。本発明のIDタグ・パッケージは、劣悪な使用環境においても、従来必要とされた識別対象物の材質や取り付け方に特別な注意や考慮をせずに、良好なRFIDの送受信を可能にする。本発明のIDタグ・パッケージは、使用環境に関わらず耐久性が高い。

本発明のIDタグ・パッケージおよびそのパッケージを用いたRFIDシステムについて図面を参照しながら説明する。図１は本発明のRFIDシステム１００を示す模式図である。対象物１０の表面に取り付けられたIDタグ・パッケージ２０に、リーダー／ライター１４から電磁波１６を送る。IDタグ・パッケージ２０は電磁波１６のエネルギーにより駆動し、返信用の電磁波１８をリーダー／ライター１４へ返す。この相互通信により、リーダー／ライター１４はIDタグ・パッケージ２０へ情報を書き込むことができ、さらにIDタグ・パッケージ２０から最新のID情報をリードすることができる。通信に使用される電磁波の周波数は、長波(例えば125kHz)、短波（例えば13.56MHz)、あるいはマイクロ波（例えば2.45GHz）などがある。リーダー／ライター１４はリードしたID情報を内蔵するメモリに記憶する。

リーダー／ライター１４は、さらに有線または無線１７で、管理用のパーソナル・コンピュータ（PC）等１２と通信して、ID情報をPC１２へ送る。PC１２は、リーダー／ライター１４から送られたID情報を保管し、管理する。小型のリーダー／ライターの場合は、USBコネクタ等を介して直接PC１２に接続することもできる。PC１２はさらに通信ネットワークを介して中央のホスト・コンピュータや他のクライアントPCに接続可能である。ここで管理されるID情報としては、従来の製品番号等の簡易な識別情報のみならず、製品の所在、使用履歴等のトレーサビリテイ情報が含まれる。これらの情報を管理することで、リアルタイムで工場の在庫、流通経路での在庫等の情報をモニターできる。その結果、在庫数の縮小、棚卸頻度の軽減、生鮮商品の鮮度の維持、あるいは製品回収作業の効率化を図ることが可能となる。

図２は本発明のIDタグ・パッケージ２０の一実施例を示す図である。図２（ａ）はパッケージ２０の正面から見た断面図である。図２（ｂ）はパッケージ２０の側面から見た断面図である。パッケージ２０はIDタグ２２と球形の構造体２４からなる。IDタグ２２は構造体２４の中心に配置されている。IDタグ２２は板状の外形を有する。図３はIDタグ２２の一例を示す平面図である。IDタグ２２はＩＣチップ２６と無線用のアンテナ２８からなる。ＩＣチップ２６は内部に演算部やメモリ（図示なし）等を含む。ID情報はメモリに記憶される。図３のアンテナ２８はフォールデッド・ダイポール・タイプである。アンテナの形状は他のタイプであってもよい。

図２のパッケージ２０では、球形の構造体２４の中心にIDタグ２２が配置されている。IDタグ２２の表面から構造体の表面までの距離Ｌ１、Ｌ２はほぼ一定である。したがって、どの方向からの電磁波に対しても、パッケージ表面からIDタグまでほぼ等しい距離を確保することができる。すなわち、金属や水が入った容器にIDタグ・パッケージを取り付けても、金属や水から少なくとも一定の距離Ｌ１、Ｌ２を確保できる。その結果、金属あるいは水の存在に起因する電磁波の減衰を小さくすることができる。特にマイクロ波のような電磁波を用いた場合に効果的である。

構造体の形状としては、IDタグの全表面からどの方向でもほぼ一定の距離を確保するという点では図２の球形がベストである。しかし、少なくとも一定の距離以上が確保できればIDタグを駆動させるには十分であるので、図４に示す楕円球状、あるいは図５に示す多面体形状のような他の形状であってもよい。なお、図４、図５はともに正面から見た断面図である。また、対象物への取り付けを容易にするために、構造体の表面の一部のみを平面（取り付け面）にしてもよい。

最低限必要な構造体２４の厚さは、通信時にIDタグに届く電磁波のエネルギーが少なくともIDタグを動作(wake up)させるのに必要なエネルギーが得られる距離以上となるように決める必要がある。その厚さは、リーダー／ライターの位置、使用する電磁波の種類（周波数）、およびIDタグ内のICの駆動エネルギー（電界強度）に応じて決める。具体的には、金属や水を近傍に配置した環境下での実験やシミュレーションによって、IC駆動に必要な電界強度が得られるように、その厚さを決める。例えば、2.45GHzのマイクロ波を使った実験によれば、144(dBuV/m)以上の駆動（wake up)電界強度を得るためには、金属板とIDタグの距離、すなわち構造体の厚さを2.5cm以上にする必要があった。なお、RFIDの使用環境によっては、さらに外部からのストレスに対する耐久性を上げるために、さらに構造体の厚さを厚くする必要がある。

構造体の材料は、外部からのストレスを緩和（減少）できる弾性材料が望ましい。例えば、構造体の材料は、ゴム、プラスチック、ポリエチレン、テフロン(R)などの高分子材料、動物または植物の繊維、合成繊維、および発泡性樹脂のいずれか一つまたはこれらの組み合わせから選択される。材料の選択に際しては、材料の比誘電率（例えば、空気：1.0、ゴム：3.0、テフロン(R)：2.1)および誘電体損失（あるいは誘電正接:tanδ）を考慮する。ここで、誘電体損失とは、誘電体中の双極子の振動が電磁波による電場に追随できなくなり、ずれ（摩擦のようなもの）を生じて、電磁波のエネルギーが熱として損失する現象をいう。構造体の材料としては、この誘電体損失の小さい材料が好ましい。例えば、アルミナ、ポリエチレン、テフロン(R)等は誘電体損失が小さい材料である。

アンテナの長さ（エレメント長）で共振させるRFIDの場合、高比誘電率(εr)の材料内で電磁波の波長が短くなるので(１／(εr)^(1/2)）、アンテナのサイズを小さくすることができる。その結果、IDタグの小型化が図れる。ここで言う高比誘電率とは、およそ５〜１０程度を意味し、好ましくは１０程度がよい。なお、水(比誘電率：81）のように極端に大きい比誘電率を有する材料は、電磁波の波長が短くなりすぎるため、アンテナの長さ（開口面積）を小さくした場合、共振した状態でも十分なエネルギーを得ることができない。また、水の中では電磁波の誘電（吸収）損失も大きい。

構造体は必ずしも一つの材料で構成する必要はない。図６は多層からなる構造体の例を示す断面図である。図６の構造（パッケージ）は、IDタグ２２に近い方から順に高比誘電率を有するセラミックス層（例えばアルミナ：9.5）、ゴム層３２、発泡性樹脂層３４からなる。セラミックス（アルミナ）は誘電損失が小さいという利点がある。セラミックスは一般に機械的強度（引っぱり強度、衝撃抵抗、熱衝撃など）が劣るが、ゴム層と発泡性樹脂層で覆うことにより、外部からのストレスを緩和（吸収）することができる。層数はいくつであってもよい。エアークッションとして空気層を設けても良い。材料の組み合わせも任意に選ぶことができる。例えば、内側から外側に向かって弾性率が大きくなるように弾性材料層を選択してもよい。また、高温下での使用を想定して、構造体の一番外側の層を耐火性、耐熱性の材料、例えば耐火煉瓦、耐熱性複合プラスチック層としてもよい。それにより、IDタグ内の温度上昇が抑えられ、高温下でのIDタグの使用が可能になる。

図７は、水などの液体中に置かれた対象物に対してRFIDをおこなうためのIDタグ・パッケージの例を示した模式図である。球形のパッケージ４０の表面に、接続ケーブル４４を取り付けるためのフック４２が設けられている。ケーブル４４の一端は、液中４８の対象物４６に接続される。パッケージの構造体は軽く液上に浮かぶ材料からなる。軽くするために構造体に空気層を含ませてもよい。構造体の少なくとも表面は防水性あるいは耐薬品性のある材料層で覆う。図７のIDタグ・パッケージを用いることにより、例えば水中ポンプなどの液中で使用する機器のID情報を遠隔で得ることができる。なお、液中に限られず、リーダー／ライターから遠い場所にある対象物であればこの方法を適用することができる。

本発明のRFIDシステムを示す模式図である。本発明のIDタグ・パッケージの一実施例（球形）を示す断面図である。本発明のIDタグを示す平面図である。本発明のIDタグ・パッケージの一実施例（楕円球状）を示す断面図である。本発明のIDタグ・パッケージの一実施例（多面体）を示す断面図である。本発明のIDタグ・パッケージの一実施例（多層構造）を示す断面図である。本発明のIDタグ・パッケージの一実施例（フック付）を示す断面図である。

符号の説明

１０、４６対象物
１２ホスト・コンピュータ（PC）
１４リーダー／ライター
１６、１８電磁波
２０、４０ IDタグ・パッケージ
２２ IDタグ
２４構造体
２６ ICチップ
２８アンテナ
３０セラミックス層
３２ゴム層
３４発泡性樹脂層
４２ケーブル取り付け用フック
４４ケーブル
４８液体（水）

Claims

ICチップと無線通信用のアンテナを含み、最も内側に配置されたIDタグと、
IDタグを覆う構造体であって、少なくとも外部の金属あるいは水の存在に起因する電磁波の減衰を小さくするために必要な厚さを有し、かつ外部からのストレスを緩和することができる弾性層と、前記弾性層よりも前記IDタグに近い側に配置され、大きな比誘電率を有する材料とを含む構造体と、前記構造体の表面を覆う、耐熱性の材料層とを備え、前記大きな比誘電率を有する材料は、アルミナ、ポリエチレン、またはテフロン（登録商標）である、IDタグ・パッケージ。
前記構造体の表面は、IDタグの全表面からほぼ一定の距離にあることを特徴とする、請求項１のIDタグ・パッケージ。
前記構造体の厚さは、通信時にIDタグに届く電磁波のエネルギーが少なくともIDタグを動作させるのに必要なエネルギー以上となるように決められることを特徴とする、請求項１のIDタグ・パッケージ。
前記構造体は、楕円球状、球状、および多面体形状のいずれか一つの形状からなることを特徴とする、請求項１のIDタグ・パッケージ。
前記複数の層の一つとして、空気層を含むことを特徴とする、請求項１のIDタグ・パッケージ。
IDタグ・パッケージと、前記IDタグ・パッケージと無線通信可能なリーダー／ライターと、前記リーダー／ライターと通信可能なホスト・コンピュータと、を備えるRFIDシステムであって、
前記IDタグ・パッケージは、
ICチップと無線通信用のアンテナを含み、最も内側に配置されたIDタグと、
IDタグを覆う構造体であって、少なくとも外部の金属あるいは水の存在に起因する電磁波の減衰を小さくするために必要な厚さを有し、かつ外部からのストレスを緩和することができる弾性層と、前記弾性層よりも前記IDタグに近い側に配置され、大きな比誘電率を有する材料とを含む構造体と、前記構造体の表面を覆う、耐熱性の材料層とを備え、前記大きな比誘電率を有する材料は、アルミナ、ポリエチレン、またはテフロン（登録商標）である、RFIDシステム。