JP5086004B2 - タグアンテナ、およびタグ - Google Patents

Description

本発明はＲＦＩＤシステムにおけるタグ、すなわち無線ＩＣタグに係り、さらに詳しくはそのような無線ＩＣタグに用いられるタグアンテナと、タグアンテナとＩＣチップとを搭載したタグに関する。

ＲＦＩＤ（ラジオ・フリケンシー・アイデンティフィケイション）システムは、物品の管理などに広範に利用されている。このシステムは、リーダ／ライタからタグに対して無線電波を飛ばし、タグ内の情報を再びリーダ／ライタにタグから電波を送り返すことによって、タグ内の情報を読み取るものである。その無線の帯域はＵＨＦ帯であり、ヨーロッパでは８６８ＭＨｚ、アメリカでは９１５ＭＨｚ、日本では９５３ＭＨｚ付近の周波数が用いられ、タグ内に搭載されるチップの性能にもよるが、通信距離はおよそ３〜５ｍであり、リーダ／ライタの出力は１Ｗ程度である。

このような無線ＩＣタグのアンテナとしてダイポールアンテナを使用すると、良好な指向性が得られる利点があるが、アンテナの長さが電波の波長λの１／２の時にアンテナの効率が最大となるために、アンテナの長さが長くなり、結果的にタグを小型化できないという問題点があった。またこのようなダイポールアンテナを用いる場合にアンテナの近傍に金属が存在すると、タグの通信距離が激減してしまうという問題点があった。

例えば金属に貼り付けるタグに用いられるアンテナとしては、従来からパッチアンテナが用いられている。図１４は、そのようなパッチアンテナの１つの従来例の説明図である。同図においてパッチアンテナは、パッチ導体１００、誘電体１０２の裏側のグランド導体１０１、パッチ導体１００とグランド導体１０１との間に挟まれる誘電体１０２とによって構成され、ＩＣチップはパッチ導体側のチップ搭載部１０３に搭載され、チップの端子電極の一方は表面のパッチ導体１００の適切な部分に接続され、他方の端子電極はスルーホール１０４を通して裏面、すなわちグランド導体１０１に接続される。

図１５は、図１４のパッチアンテナの通信距離の例を示す。例えばＩＣチップの大きさを１ｍｍ角とし、タグの数ｎを１個だけとする場合には、９３５ＭＨｚの周波数で通信距離として３ｍが得られている。しかしながら、例えば同一のタグを近接して複数個、すなわちｎの値として２、または３を用いるような場合には、通信距離の特性曲線が周波数の低い側に移動し、９３５ＭＨｚでの通信距離が激減するという問題点があった。

このような無線ＩＣタグ、およびそのようなタグに用いられるアンテナに関する従来技術として特許文献１から特許文献４がある。特許文献１には、図１４におけると類似した形式で、スペーサを介してアンテナと反射板とを備えることによって、タグの裏面にある物質がどんなものであるかにかかわらず、データの読み書き状態を一定に保つことが可能な被接触ＩＣタグが開示されている。

特許文献２には、折り返し構造の切り込み部を有することによってインピーダンスを下げることができ、インピーダンス変換回路などを必要とすることなく、５０Ωの給電線路に整合させることができる平面アンテナが開示されている。

特許文献３には、同様に誘電体を挟む形式でグランド面、およびアンテナ面を有するパッチアンテナにおいて、アンテナ面に誘電体を露出させる開口を設け、アンテナ面のうちで、開口を介して露出する誘電体によって区画される領域が、送受信素子に対する整合回
路を形成するパッチアンテナを提供する技術が開示されている。

特許文献４には、誘電体の表面側の放射導電体上でチップが搭載された部分に、かぎ状のスリットを形成したマイクロストリップアンテナを用いることによって、指向性の広い無線ＩＣタグを実現する技術が開示されている。

しかしながら、例えば特許文献１においては、読み取り距離が最大となる時のアンテナ面と反射板との距離が３０ｍｍ以上であり、スペーサの厚さが厚くなり、結果としてＩＣタグを小型化することは困難であり、図１４の従来例や特許文献２から特許文献４の技術を用いても、スルーホールを空けることによるコストの増大、複数のタグを近接して使用する場合の通信距離の低下などを解決し、実用的な通信距離を保ちながらアンテナを小型化することは困難であった。
特開２００２−２９８１０６号公報 「非接触ＩＣタグ」 特開２００６−１４０７３５号公報 「平面アンテナ」 特開２００６−２３７６７４号公報 「パッチアンテナ、およびＲＦＩＤインレット」 特開２００６−３１１３７２号公報 「無線ＩＣタグ」

本発明の課題は、コスト増大を防ぎ、リーダ／ライタとの実用的な通信距離を保ちながら、金属に貼り付け可能なタグを小型化することができるタグアンテナを提供すると共に、複数のタグが近接して用いられる場合の通信距離の激減を防止することができるタグアンテナを提供することである。

本発明のタグアンテナは、リーダ／ライタとの間で電波を送信、あるいは受信するタグ用のアンテナであり、誘電体スペーサとそのスペーサの一方の面上に形成されるアンテナパターンから構成される。そしてそのアンテナパターンは、動作周波数に対応するλ／２共振長よりも小さいサイズを有し、搭載予定チップの抵抗成分と容量成分に適応する寸法を持つスリットパターンが形成されたものである。

発明の実施の形態においては、アンテナパターンは、スリットパターンとカット部が形成されて、それらに対応するアンテナ放射抵抗とインダクタンスを有し、動作周波数でそのインダクタンスとチップの容量成分が共振条件を満足し、アンテナ放射抵抗とチップの抵抗成分とが同じ大きさとなる。

本発明のタグは、前述のアンテナパターン上に搭載予定チップが搭載されたタグである。
以上のように本発明においては、アンテナパターンのサイズが動作周波数のλ／２共振長よりも小さいものであり、また搭載予定チップの抵抗成分と容量成分との整合のためのスリットパターンを少なくとも備えるものである。

本発明によれば、アンテナパターンのサイズを動作周波数のλ／２共振長よりも小さくすることによってタグの小型化が可能であり、通信距離を保ちながら金属に貼り付けるタグを提供することが可能となる。アンテナパターンと金属反射板との間のスルーホールは不必要となり、コスト低減を図ることができる。λ／２共振長よりも小さいサイズであり、タグを近接させて配置しても、タグアンテナの間に干渉が起こらず、通信距離の激減を防止することも可能となる。

図１は、本実施形態における第１の実施例に相当するタグアンテナの基本構成の説明図である。同図において、表面導体としてのアンテナパッチ（Ｃｕ）１と、裏面導体（Ｃｕ）２との間に誘電体スペーサ３が挟まれた形式でタグアンテナが形成されている。誘電体スペーサ３の比誘電率ε_ｒの値は１０以上とし、ここでは例えば１２であるものとする。

アンテナパッチ１側にＩＣチップが搭載されたタグ全体の大きさは、例えば５４ｍｍ×３９ｍｍ×４ｍｍであるものとする。この寸法は、基本的には誘電体スペーサ３の大きさによって決まるものとし、表面導体としてのアンテナパッチ１は誘電体スペーサ３よりも小さな面積を持つものとする。なお、第１の実施例におけるタグアンテナのアンテナパッチ１は銅張の誘電体表面の銅板のエッチングによって製造されるものとする。

表面導体としてのアンテナパッチ１上で、図示されているｘ座標の“０”付近を中心としてスリット４が形成され、またスリット４とアンテナパッチ１のｘ軸に平行な辺との間に切り欠き部が設けられ、この切り欠き部はチップ搭載部５として用いられる。すなわちＩＣチップはその２つの接続端子が、それぞれこの切り欠き部の端の金属の部分に接続される形式で搭載され、全体としてＲＦＩＤタグとして動作することになる。

アンテナパッチ１上で、例えばスリット４が存在する側の辺と反対側の辺の側にカット部６が設けられる。図１のタグアンテナ全体は、後述するように抵抗とインダクタンスとの並列回路として等価的に表わされ、前述のスリット４は主としてインダクタンスの調整用に、またカット部６は等価的な抵抗の調整用に用いられる。

本実施形態では前述と同様にタグの動作周波数を９５３ＭＨｚとする。この時、空気中の波長λは約３１５ｍｍであり、λ／２の値は約１５７ｍｍとなる。しかしながらアンテナパッチ１を誘電体スペーサ３上に形成、または貼り付ける形式で電波の送受信が行われるために、実際の波長はそれより短くなる。

一般に比誘電率ε_ｒの誘電体の内部での電波の波長は空気中に比べて
となるが、図１のような構造では、アンテナパッチ１の周辺には誘電体スペーサ３だけでなく、空気も存在するため、波長λは中間的な値となり、λ／２の値は、例えば７０〜８０ｍｍ程度となる。

本実施形態においては、タグアンテナのサイズ、例えば図１においてスリット４と平行な方向のアンテナパッチ１の長さを、このλ／２の値より小さくするところに特徴がある。この方向の誘電体スペーサ３の長さは５４ｍｍであり、アンテナパッチ１のこの方向の長さは製造上のマージンを考慮して当然５４ｍｍより小さく、したがってλ／２より短い長さとなる。その意味で図１におけるアンテナパッチ１を微小パッチと呼ぶことにするが、この微小パッチを用いる構造においては、アンテナの放射効率はλ／２共振を用いる場合よりも若干低下するが、小型化、および低コスト化という観点からは望ましいものとなる。

なお、前述のように、特許文献１ではスペーサの厚さが３０ｍｍ以上のときに読み取り距離が最大となるとされているが、本実施形態では誘電体スペーサの厚さが厚いとタグアンテナとして適切な動作が行われず、その厚さを１〜１０ｍｍの範囲内とする必要がある。

図２は、図１のタグアンテナとＩＣチップとのインピーダンスの説明図である。ここで図１のチップ搭載部５に搭載されるＩＣチップは、等価的にＲ_ｃ＝１４００Ωの抵抗と、Ｃ_ｃ＝０．７ｐＦの静電容量との並列回路で表わされるものとする。このチップとタグアンテナとの整合を図るために、タグアンテナの等価回路をアンテナ放射抵抗Ｒ_ａ、インダクタンスＬ_ａの並列回路で表わしたときに、インダクタンスＬ_ａとチップの静電容量Ｃｃとの間に共振条件が成立するとともに、アンテナ放射抵抗Ｒ_ａとチップの抵抗Ｒ_ｃの値が同じになることが必要である。前述の共振条件が成立する時、動作周波数ｆ_０とＬ_ａ、およびＣ_ｃとの間には次の関係式が成立する。

図１においては、タグアンテナの等価的なインダクタンスＬ_ａは、チップ搭載部５としての切り欠き部の長さを除き、スリット４を１周する金属部分の長さによって基本的に決定される。したがってこのスリットの幅よりもその長さがインダクタンスＬ_ａを基本的に決定するものとなる。またチップ搭載部５としての切り欠き部の周囲全体がアンテナ放射抵抗Ｒ_ａを決定する部分となるが、ここにカット部６を設け、このカット部６の寸法を調整することによってアンテナ放射抵抗Ｒ_ａの値をチップの入力抵抗Ｒ_ｃの値とほぼ同じ値に調整するものとする。なお、例えばアンテナパッチ１やスリット４の寸法によっては、カット部６を設けることなしにインピーダンスを整合させることも可能である。

図３は、タグアンテナの第１の実施例における電流分布の説明図である。電流は、図１で説明したスリット４の方向、すなわち左右方向に流れ、充分な電波が放射される。前述のようにアンテナパッチ１の左右方向の長さが、例えばλ／２に相当する７０〜８０ｍｍ程度あればλ／２共振として大きな電流が流れるが、本実施形態ではその長さは５４ｍｍ以下であり、λ／２よりも短いために電流の大きさはやや小さくなるが、タグの中央付近では比較的大きな電流が流れる。なお、アンテナパッチ１の左右の端の辺上で電流の大きさは“０”となる。

図３のアンテナパッチ１の図において、スリット４の長さＳ_２の調整と、カット部６の奥行き方向の長さＳ_１の調整によって、図２で説明したようにインダクタンスＬ_ａとチップの容量Ｃ_ｃとが動作周波数における共振条件を満足するように、またアンテナ放射抵抗Ｒ_ａとチップの抵抗Ｒ_ｃとが等しくなるように調整を行うものとする。前述のように、カット部６の奥行きＳ_１によってアンテナ放射抵抗Ｒ_ａの値が基本的に決定され、またスリット４の長さＳ_２の値によってインダクタンスＬ_ａの値が基本的に決定される。例えばカット部６の左右方向の幅はここでは一定であるが、この幅を変化させることによっても、アンテナ放射抵抗Ｒ_ａの値を調整することが可能である。

図４、および図５は、カット部６の奥行きＳ_１、およびスリット４の長さＳ_２の調整によるアンテナ放射抵抗Ｒ_ａとインダクタンスＬ_ａの計算結果の説明図である。図４においては、カット部６の奥行きＳ_１の値をパラメータとして、スリットの長さＳ_２に対するアンテナ放射抵抗Ｒ_ａの計算結果が示されているが、カット部６の奥行きＳ_１の値を７ｍｍとすることによって、スリット４の長さＳ_２の値とはあまり関係なく、アンテナ放射抵抗Ｒ_ａの値をチップの抵抗Ｒ_ｃの値と等しくすることが可能であることが示されている。

図５においては、スリット４の長さＳ_２に対するインダクタンスＬ_ａの計算結果が、カット部６の奥行きＳ_１をパラメータとして示されているが、図４で説明したようにＳ_１の値を７ｍｍとすると、スリット４の長さＳ_２の値を１２ｍｍとすることによって、チップ
の容量Ｃ_ｃ＝０．７ｐＦと動作周波数において共振条件を満足するインピーダンスＬ_ａの値としての４０ｎＨが得られることがわかる。なお、図４、図５は計算結果であるが、実際にはここで得られた値、すなわちＳ_１＝７ｍｍと、Ｓ_２＝１２ｍｍの付近で、実際のカット部６の奥行き、およびスリット４の長さを微調整することによって、タグアンテナとして実用的に充分な特性が得られる。

図６は、このようにして決定されたＳ_１とＳ_２の寸法に対応する、アンテナとチップとの反射係数Ｓ１１を示す。動作周波数９５３ＭＨｚでの反射係数の値は−１１．７ｄＢ程度であり、十分な整合状態が得られていることがわかる。

図７は、第１の実施例におけるタグアンテナのアンテナゲインの周波数特性を示す。動作周波数の９５３ＭＨｚで１ｄＢｉ程度のゲインが得られている。なお、ここでｄＢｉは電波を点から放射する時に、例えば電界分布がきれいな球の状態になる時を０ｄＢとしたゲインの単位である。

図８は、図６と図７とに基づいて通信距離を計算した結果である。この計算結果は、チップの動作電力を−９ｄＢｍ、リーダ／ライタの出力を１Ｗ、リーダ／ライタ側のアンテナゲインを６ｄＢｉとしたものであり、９５３ＭＨｚで通信距離として約３ｍの値が得られている。なお、ここでｄＢｍはパワー×１０^３をデシベル表示した値である。

図９、および図１０は、第１の実施例のタグアンテナを複数個並べた場合の通信距離の説明図である。図９の計算結果は、図１０のようにタグアンテナを配置した場合の通信距離の計算結果である。

一般に１つの物体にタグを１個貼り付けるとしても、物体の配置状態によってはタグがかなり接近してしまう可能性がある。図１０は、そのような状態を極端に表わしたものである。アンテナパッチの長さがλ／２に一致する場合にタグを近接して並べると、隣接するタグの間で電波の干渉が起こり、通信距離が激減するという問題点がある。ＲＦＩＤシステムでは、タグが接近した状態で用いられる可能性も多く、そのような場合においても通信距離が落ちないことが実用的に非常に重要である。

図９においては、タグを１個だけ使用した場合、すなわちｎ＝１の状態と、ｎが２、または３の状態において、動作周波数９５３ＭＨｚでの通信距離は３ｍ以上であり、図１０のような極端な配置状態においてもタグの通信距離が落ちないことが示されている。これは第１の実施例において、アンテナパッチ１のサイズ、すなわち左右方向の長さがλ／２より短いことによる効果である。

以下図１１から図１３を用いて第２、第３の実施例について説明する。これら第２、第３の実施例において、アンテナパッチを含むタグアンテナの基本的構成は第１の実施例におけると同様であるが、製造上の工程が第１の実施例と異なっている。

図１１は、第２の実施例におけるタグアンテナの製造工程の説明図である。第１の実施例においては、特に図１のアンテナパッチ１の製造工程において、予め誘電体スペーサ３の上に銅板が張られた銅張板の金属部分をエッチングして作るものとしたが、図１１の第２の実施例では、アンテナパターンシートは予め、例えばロール状の金属シートとして作っておき、そのアンテナパターンシート１０を誘電体スペーサとしてのセラミック樹脂１２の上面に、また反射板１１を下面に貼り付けることによってタグアンテナの製造が行われる。これによって銅張板をエッチングする第１の実施例に比較してコストを下げることが可能になる。

図１２は、第３の実施例の製造工程の説明図である。同図を図１１の第２の実施例と比較すると、アンテナパターンシート１０の上下にさらにウレタン樹脂１３、１４が貼り付けられる点が異なっている。このウレタン樹脂１３、１４はＩＣチップを含むアンテナパッチの対環境性を向上させるためのものであり、腐食環境や高温状態においても確実に動作するタグを提供することが可能となる。

図１３は、図１２で説明した第３の実施例としてのタグの製品状態を示す。同図においてアンテナパターンシート１０、すなわちアンテナパッチはウレタン樹脂１３、１４によって挟まれ、セラミック樹脂１２の上面に貼り付けられ、また反射板１１がセラミック樹脂１２の下面に貼り付けられた状態が示されている。

以上において本実施形態におけるタグアンテナおよびタグの特性について詳細に説明したが、タグを金属に貼り付ける場合には、誘電体スペーサの裏面（下面）の導体、すなわち反射板は不必要となる。

また図１で説明したチップ搭載部は座標ｘ＝０付近、すなわちアンテナパッチの中央付近に配置するものとしたが、例えばタグの上面にバーコードや文字の印字などをする場合にはチップの盛り上がりが邪魔になることがあるため、チップ搭載部、およびインダクタンス形成のためのスリットをアンテナパッチの端の方に寄せることも可能である。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、サイズが５４ｍｍ×３９ｍｍ×４ｍｍのように非常に小型でありながら、金属に貼り付けても約３ｍの通信距離が得られるタグが提供可能となる。このタグでは上下接続のスルーホールが不必要であり、またインピーダンス整合のための調整箇所はスリットの長さとカット部の奥行きの２箇所だけであり、調整の工数が少なく、コストを低下させることができる。さらに複数のタグを近接して並べても、タグ１つの場合と同等の通信距離を得ることができ、実用的で性能の良いＲＦＩＤシステムの構築に寄与するところが大きい。

第１の実施例に相当するタグアンテナの基本構成を示す図である。 タグアンテナとＩＣチップとのインピーダンスの整合を説明する図である。 アンテナパッチ上の電流分布を説明する図である。 図２のアンテナ放射抵抗の計算結果を示す図である。 図２のインダクタンスの計算結果を示す図である。 タグアンテナとＩＣチップとの反射係数の計算結果を示す図である。 タグアンテナのゲインの計算結果を示す図である。 タグアンテナの通信距離の計算結果を示す図である。 タグの近接状態における通信距離の計算結果を示す図である。 図９に対応するタグの近接状態の説明図である。 第２の実施例のタグアンテナの製造工程の説明図である。 第３の実施例のタグアンテナの製造工程の説明図である。 第３の実施例のタグアンテナの製品形状を示す図である。 タグアンテナの従来例の構成の説明図である。 タグアンテナの従来例の近接状態における通信距離の説明図である。

符号の説明

１ アンテナパッチ
２ 裏面導体
３ 誘電体スペーサ
４ スリット
５ チップ搭載部
６ カット部
１０ アンテナパターンシート
１１ 反射板
１２ セラミック樹脂
１３、１４ ウレタン樹脂

Claims (9)

1. リーダ／ライタに対して電波を送信あるいは受信するタグ用のタグアンテナであって、
   誘電体スペーサと、
   該スペーサの一方の面に形成され、動作周波数における半波長よりも短い長さを有するパッチアンテナであって、
   該パッチアンテナのインダクタンスを搭載予定チップの容量成分に適応させる長さを該パッチアンテナの前記長さを有する方向と並行方向に有するスリットパターンが形成され、
   該パッチアンテナの前記長さを有する方向の辺と前記スリットパターンの前記長さを有する辺との間に切り欠き部が設けられ、前記搭載予定チップの２つの端子が該切り欠き部の両端の金属部分に接続されることを特徴とする
   前記パッチアンテナと、
   から構成されることを特徴とするタグアンテナ。
2. 前記パッチアンテナは、アンテナ放射抵抗とインダクタンスを有し、前記動作周波数で該インダクタンスと前記チップの容量成分が共振条件を満足し、該アンテナ放射抵抗と前記チップの抵抗成分とが実質的に同じ大きさ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. 前記パッチアンテナは、アンテナ放射抵抗を調整するカット部をさらに形成されることを特徴とする請求項１、または２に記載のタグアンテナ。
4. 前記パッチアンテナは、耐環境保護部材で覆われていることを特徴とする請求項１、または２に記載のタグアンテナ。
5. 前記スペーサの他方の面に金属反射板が形成されることを特徴とする請求項１、または２に記載のタグアンテナ。
6. 前記誘電体スペーサがセラミック樹脂によって構成されることを特徴とする請求項１、または２に記載のタグアンテナ。
7. 前記誘電体スペーサの厚さが１ｍｍから１０ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１、または２に記載のタグアンテナ。
8. 前記パッチアンテナが、前記誘電体スペーサの表面に張られた金属板のエッチングによって形成されることを特徴とする請求項１、または２に記載のタグアンテナ。
9. リーダ／ライタに対して電波を送信あるいは受信するタグであって、
   チップと、
   誘電体スペーサと、
   該スペーサの一方の面に形成され、動作周波数における半波長よりも短い長さを有するパッチアンテナであって、
   該パッチアンテナのインダクタンスを搭載予定チップの容量成分に適応させる長さを該パッチアンテナの前記長さを有する方向と並行方向に有するスリットパターンが形成され、
   該パッチアンテナの前記長さを有する方向の辺と前記スリットパターンの前記長さを有する辺との間に切り欠き部が設けられ、前記搭載予定チップの２つの端子が該切り欠き部の両端の金属部分に接続されることを特徴とする
   前記パッチアンテナと、
   から構成されることを特徴とするタグ。