JP5043656B2 - タグアンテナ及びタグ - Google Patents

Description

本発明はアンテナ技術に関し、特に、ＲＦＩＤシステムでの実施に好適である、周囲の物がアンテナの性能へ及ぼす影響を低減させる技術に関する。

ＵＨＦ帯（８６０〜９６０ＭＨｚ）の無線信号を用いて、リーダライタから１Ｗ程度の信号を送信し、タグ（荷札）側でその信号を受信したときにリーダライタ側へ応答信号を送り返すことにより、タグ内の情報をリーダライタで読み取るという、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムと称されるシステムが知られている。その通信距離は、タグ側のアンテナの利得、タグ内のＩＣ（集積回路）チップの動作電圧や周囲環境にもよるが、おおよそ３ｍ程度である。

ＲＦＩＤタグは、一般に、厚さ１０〜３０マイクロメートル程度のアンテナと、アンテナ給電点に接続されるＩＣチップとより構成されている。このＩＣチップは、一般的には、抵抗Ｒｃ（例えば１２００Ω）とキャパシタンスＣｃ（例えば０．５８ｐＦ）との並列接続で等価的に示すことができ、アンテナは、抵抗Ｒａ（例えば１０００Ω）と、インダクタンスＬａ（例えば４８ｎＨ）の並列接続で等価的に示すことができる。この両者を並列接続すると、等価回路は図１０に示すようになる。ここで、キャパシタンスＣｃとインダクタンスＬａとが共振する、下記の式

で表される共振周波数ｆ０において両者は整合するので、この共振周波数の信号がアンテナで受信されたときには、その受信パワーがＩＣチップ側へ十分供給されることになる。
タグアンテナに用いる基本的なアンテナとして、例えば、図１１に示したような、全長１５０ｍｍ程度、幅１５ｍｍ程度の折り返しダイポールアンテナ（Folded Dipole Antenna ）１００が用いられる。このアンテナ１００の利得は約２ｄＢｉである。この全長は、ｆ＝９５３ＭＨｚの波長（約３００ｍｍ）の半分であり、λ／２の電流分布を持つことにより当該周波数で共振する。この共振周波数においては折り返しダイポールアンテナ１００のアドミタンスの虚数成分（インダクタンスやキャパシタンス成分）は０となるので、図１１のように、インダクタンス部Ｌａを折り返しダイポールアンテナ１００に並列に接続することにより、ＩＣチップと共振させることができる。

この他、本発明に関する技術として、例えば特許文献１には、電磁波をアンテナに向かって反射する反射手段を非接触ＩＣタグに備えることにより、通信距離を伸ばすと共に、裏面にある物質がどのような物であるかにかかわらず、データの読み書きする状態を一定に保つという技術が開示されている。

ＲＦＩＤタグを付す物品が金属製である場合に、アンテナを金属面に貼り付けると、不要な高周波電流が当該金属面に流れることにより、共振周波数のズレやアンテナ利得の低下といった現象が生じ、リーダライタとの間での通信ができなくなる場合が生じ得る。

前掲した特許文献１に開示されている技術は、このようなアンテナ特性の変動の低減に有効である。しかしながら、当該文献に開示されている非接触ＩＣタグで使用されているアンテナは折り返しダイポールアンテナである。しかも、アンテナから放射された電磁波を反射させるために、反射手段とアンテナとの間には相当の間隔（上記文献によれば少なくとも１／１２波長以上）を持たせて配置する必要がある。そのため、ＵＨＦ帯の信号を使用するＲＦＩＤタグシステムにこの技術を適用すると、ＲＦＩＤタグの形状が細長く大型なものになってしまう。
特開２００２−２９８１０６号公報

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、金属面に貼り付けても使用可能なＲＦＩＤタグを小型化することである。

本発明の態様のひとつであるＲＦＩＤタグアンテナは、１回のみの折り曲げ部分を各々有している一対の導体からなり、当該一対の導体の各々における片方の端部が給電点である第一の素子と、前記給電点間に形成される容量結合部と、誘電体を挟んで前記第一の素子に対向して配置される導体である第二の素子と、を有することを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

この構成のアンテナは、第一の素子の折り曲げによって折り返しダイポールアンテナよりも全長が短くなり、また、金属面への貼り付けによるアンテナ特性の変動が第二の素子によって軽減されており、更に、容量結合部を設けたことにより所望の周波数での利用が可能となる。

なお、上述した本発明に係るＲＦＩＤタグアンテナにおいて、前記折り曲げ部分の折り曲げ角度が直角であるように構成してもよい。
この構成によれば、折り曲げ角度を鈍角とする場合に比べ、アンテナ全体の形状を小さくすることができる。

また、前述した本発明に係るＲＦＩＤタグアンテナにおいて、前記第二の素子が、前記第一の素子の形状に沿った形状とされていてもよい。
この構成によれば、第二の素子の影響によるアンテナ利得の低下が少なくなる。

また、前述した本発明に係るＲＦＩＤタグアンテナにおいて、前記容量結合部は、前記第一の素子の給電点に形成されている平行導体であってもよい。
この構成によれば、容量結合部を低廉に形成することができる。

なお、このとき、前記平行導体を挟んで前記誘電体に対向して配置される第二の誘電体を更に有するように構成してもよい。
また、このとき、前記平行導体と接触する前記誘電体の部分に配置され、当該誘電体よりも比誘電率の高い第二の誘電体を更に有するように構成してもよい。

これらの構成によれば、平行導体を短くすることができる結果、アンテナの利得が向上する。
また、前述した本発明に係るＲＦＩＤタグアンテナにおいて、前記第一及び前記第二の素子はシートの上に形成された導体パターンであり、当該シートでシート状の前記誘電体が挟み込まれて形成されているようにしてもよい。

こうすることにより、前述した本発明に係るＲＦＩＤタグアンテナを作製することができる。
なお、このとき、前記シートは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、紙、及びフィルムのうちのいずれかであってもよい。

また、このとき、前記第一及び前記第二の素子と前記誘電体との接合が、真空ラミネート加工によってなされているようにしてもよい。
あるいは、このとき、前記第一及び前記第二の素子と前記誘電体との接合が、接着剤の使用によってなされているようにしてもよい。

また、前述した本発明に係るＲＦＩＤタグアンテナにおいて、前記誘電体は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂とエポキシ樹脂とのうちのどちらかであるようにしてもよい。

また、前述した本発明に係るＲＦＩＤタグアンテナにおいて、前記導体は、銅、銀、及びアルミニウムのうちのいずれかであるように構成してもよい。
なお、前述した本発明に係るＲＦＩＤタグアンテナの給電点に集積回路（ＩＣ）チップが装着されていることを特徴とするＲＦＩＤタグについても、本発明に係るものである。

本発明によれば、以上のように構成することにより、本発明の効果として、金属面に貼り付けても使用可能で小型のＲＦＩＤタグを提供できるようになるという効果を奏する。

第一パターンである一対の導体が２回の折り曲げ部を各々有するアンテナの構成を示す図である。 第一パターンである一対の導体が１回のみの折り曲げを各々有するアンテナの構成を示す図である。 本発明を実施するＲＦＩＤタグアンテナの構造の第一の例を示す図である。 本発明を実施するＲＦＩＤタグアンテナの構造の第二の例を示す図である。 図３若しくは図４に示したアンテナの給電点にＩＣチップを接続したときの等価回路を示す図である。 本発明を実施するＲＦＩＤタグアンテナの構造の第三の例を示す図である。 本発明を実施するＲＦＩＤタグアンテナの構造の第四の例を示す図である。 本発明を実施するＲＦＩＤタグアンテナの作製方法の第一の例を説明する図である。 本発明を実施するＲＦＩＤタグアンテナの作製方法の第二の例を説明する図である。 ＲＦＩＤアンテナの給電点にＩＣチップを接続したときの等価回路を示す図である。 インダクタンス部を並列接続した折り返しダイポールアンテナの例を示す図である。

符号の説明

１ 第一パターン
２ 第二パターン
３ 誘電体
４ 給電点
５ Ｃ結合部
６ 第二誘電体
７ シート
８ 真空ラミネート
１００ 折り返しダイポールアンテナ

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態においては、前述した折り返しダイポールアンテナよりも長辺の長さが短く、物品への貼り付け面の面積をクレジットカード（横約８６ｍｍ×縦５４ｍｍ）以下とすることもできる、カード状のＲＦＩＤタグに使用可能なアンテナ（ＲＦＩＤタグアンテナ）を提供する。

なお、以下の説明においては、Ｃｃ＝０．５８ｐＦとＲｃ＝１２００Ωとの並列回路により等価回路が表されるＩＣチップと接続する、周波数９５３ＭＨｚの信号を使用するＲＦＩＤタグ用のアンテナを考える。このときには、アンテナのインダクタンス成分Ｌａを４８ｎＨ程度とすることにより、前掲した［数１］式が成立することになる。

なお、以下の説明は、市販の電磁界シミュレータを用いて行われたシミュレーションに基づいて算出した結果を示す。
まず、図１に示すようなアンテナを検討する。

図１において、第一パターン１は、縦４６ｍｍ×横７６ｍｍのカードの外周形状に沿って２回の折り曲げ部を持つＵ字形状の一対の導体からなる。なお、ＩＣチップは、その一対の導体の各々における片方の端部である、給電点４に配置される。

また、第二パターン２は、厚さ３．５ｍｍの誘電体３を挟んで第一パターン１に対向して配置されており、その形状は第一パターン１に沿って配置されている。なお、誘電体３の比誘電率εｒは３．０とした。

このアンテナのインダクタンス成分を算出するとＬａ＝４８．０ｎＨとなり（全長が１／２波長よりも長いために、インダクタンス成分を持つ）、従ってこのアンテナとＩＣチッブとの共振周波数は、前掲した［数１］式より、ｆ＝９５３ＭＨｚとすることができる。しかしながら、アンテナの利得の算出結果は−１１．９ｄＢｉとなってしまい、大きな損失が生じてしまう。これは、折り曲げ部が一方の導体当たりで２回もあり、しかも内側に沿う方向に曲げられているため、電磁波が放射し難いことが原因として考えられる。

そこで、第一パターン１の折り曲げの回数を減らし、図２に示すように、一対の導体の各々の形状を、直角の折り曲げを１回ずつにしたＬ字形状とする。すると、アンテナの利得の算出結果は１．７１ｄＢｉとなる。ところが、このアンテナのインダクタンス成分を算出するとＬａ＝７．５ｎＨとなり、ＲＦＩＤタグ用のアンテナとしてはインダクタンス成分が小さく、所望の周波数で共振させることができない。

そこで、図３に示すようにして、第一パターン１の給電点４間にＣ（容量）結合部５を接続する。このＣ結合部５は、第一パターン１を形成している一対の導体を図２における給電点４から平行に伸ばしたものである。なお、図３においては、給電点４の位置をその平行導体の端部にまで移動させているが、Ｃ結合部５は給電点４に対して並列に挿入すればよいので、図４に示すように、給電点４を図２の位置のまま移動させなくてもよい。

図３若しくは図４に示したアンテナの給電点４にＩＣチップを接続したときの等価回路を図５に示す。この図５の等価回路は、Ｃ結合部５がない状態におけるアンテナ（すなわち図２に示したアンテナ）のインダクタンス成分Ｌａ２に、Ｃ結合部５のキャパシタンス成分Ｃａ２が並列に加わった形となっている。

この図５におけるインダクタンス成分Ｌａ２の値の算出結果は、前述したように７．５ｎＨであるので、Ｌａ＝４７．９ｎＨに相当するインダクタンス成分を図３若しくは図４に持たせるためには、

なる式が成立するように、Ｃ結合部５のキャパシタンス成分Ｃａ２を設定すればよい。
なお、このときのアンテナ放射抵抗ＲａはＲａ＝１０００〜１５００Ω程度になる。また、アンテナの利得の算出結果は１．３５ｄＢｉとなり、実用上十分な利得が得られる。

以上のように、図３において、例えば図１に示したものと同一の寸法、すなわち、１回のみの折り曲げ部分を各々有している一対の導体からなり、当該一対の導体の各々における一方の端部が給電点４である第一パターン１と、縦４６ｍｍ、横７６ｍｍ、厚さ３．５ｍｍ、であって比誘電率εｒ＝３．０である誘電体３と、誘電体３を挟んで第一パターン１に対向して配置される第二パターン２を設け、Ｃ結合部５を給電点４に形成して並列に接続してアンテナを構成することにより、ＩＣチップとの共振に必要なインダクタンス成分をアンテナに持たせることができ、且つ、Ｃ結合部５がない場合と同等の利得をアンテナに持たせる保つことができる。

なお、図３や図４においては、第二パターン２を、第一パターン１に沿った形状としている。第二パターン２は、タグを金属面に貼り付けたとき等におけるアンテナ特性の変動を少なくするためのものであるが、ここで、第二パターン２の代わりに、誘電体３の面を導体でベタ塗りの状態とすると、アンテナの利得の算出結果は−５．９ｄＢｉとなり、大幅に低下してしまう。そこで、第二パターン２を第一パターン１に沿った形状とする、例えば第一パターンと同一形状とすることにより、実用的なアンテナの利得を確保しつつ、金属面に貼り付けたとき等におけるアンテナ特性の変動を軽減することができる。

なお、第一パターン１及び第二パターン２は、例えば、誘電体２の上下に蒸着等により形成しておいた金属面（例えば、銅、銀、アルミニウムなど）をエッチング等で所望の形状に加工することで作製することができる。

また、誘電体３としては、安価で加工が容易で柔軟性を持つものが好適であり、具体的には、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）樹脂やエポキシ樹脂などが好ましい。

また、Ｃ結合部５の構成として、図３や図４のように平行導体を配置するのみで低廉に構成する代わりに、例えば図６に示すように、図３においてＣ結合部５を形成していた平行導体を挟んで誘電体３に対向する位置に、例えば比誘電率εｒ＝５の第二誘電体６を配置して構成するようにしてもよい。この構成によれば、Ｃ結合部５で必要とされる静電容量を確保しつつ平行導体の全長を短くすることができる。すると、アンテナ形状が図２に示したものへと近くなるので、それだけアンテナの利得を向上させることができる。

なお、図６に示すように第二誘電体６を配置する代わりに、図７に示すように、誘電体３よりも比誘電率の高い第二誘電体６を、図３においてＣ結合部５を形成していた平行導体と接触する誘電体３の部分に配置する（誘電体３に埋め込む）ようにしても、同様の効果を得ることができる。

なお、以上までに説明したアンテナは、例えば、図８に示すように、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、紙、あるいはフィルムを材料とするシート上に、導体である第一パターン１及び第二パターン２をそれぞれ形成しておき、これらの２枚のシート７と誘電体３のシートという３枚構成によりアンテナとして形成することもできる。この場合には、例えば、接着剤を使用してこれらのシート７及び誘電体３を貼り合わせてアンテナを作製するようにしてもよく、また、図９に示すように、これらのシート７及び誘電体３を真空ラミネート８で封入して一体化させる加工によってアンテナを作製するようにしてもよい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。

Claims (8)

1. １回のみの折り曲げ部分を各々有している一対の導体からなり、当該一対の導体の各々における片方の端部が給電点であり、他方の端部が開放されている第一の素子と、
   前記給電点間に形成される容量結合部と、
   前記第一の素子の線路幅より大きく、前記第一の素子に沿った形状で、誘電体を挟んで前記第一の素子に対向して配置される導体である第二の素子と、
   を有することを特徴とするタグアンテナ。
2. 前記折り曲げ部分の折り曲げ角度が直角であることを特徴とする請求項１に記載のタグアンテナ。
3. 前記第二の素子が、前記第一の素子の形状に沿った形状とされていることを特徴とする請求項１に記載のタグアンテナ。
4. 前記容量結合部は、前記第一の素子の給電点に形成されている平行導体であることを特徴とする請求項１に記載のタグアンテナ。
5. 前記第一及び前記第二の素子はシートの上に形成された導体パターンであり、当該シートでシート状の前記誘電体が挟み込まれて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタグアンテナ。
6. 前記誘電体は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂とエポキシ樹脂とのうちのどちらかであることを特徴とする請求項１に記載のタグアンテナ。
7. 前記導体は、銅、銀、及びアルミニウムのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のタグアンテナ。
8. 請求項１から７までのうちのいずれか一項に記載のタグアンテナの給電点に集積回路（ＩＣ）チップが装着されていることを特徴とするタグ。