JP5370581B2 - Ｒｆｉｄシステム - Google Patents

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Description

本発明は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム、特に、リーダライタとＲＦＩＤタグとの近距離通信に利用されるＵＨＦ帯ＲＦＩＤシステムに関する。
物品の管理システムとして、リーダライタとＲＦＩＤタグとを非接触方式で通信し、リーダライタとＲＦＩＤタグとの間で情報を伝達するＲＦＩＤシステムが知られている。ＲＦＩＤタグは、無線信号を処理するためのＲＦＩＣチップと、無線信号を送受するためのアンテナとで構成され、ＲＦＩＤタグのアンテナとリーダライタのアンテナとの間で、磁界や電波を介して、所定の情報が高周波信号として送受される。
ところで、ＲＦＩＤタグは物品に取り付けられるものであるため、その小型化が求められる。
小型なＲＦＩＤタグを利用したＲＦＩＤシステムとして、例えば特許文献１には、無線ＩＣチップ上に微小なアンテナコイルを形成したＲＦＩＤタグを用い、このタグに、リーダライタの先端部に設けたコンデンサ及びコイルによる共振体を近づけて、情報をリードライトするシステムが開示されている。
しかしながら、特許文献１のＲＦＩＤシステムでは、ＲＦＩＤタグをプリント配線板等の母基板に搭載すると、プリント配線板に設けられた他の実装部品や回路パターン等の金属物の影響を受け、通信距離が短くなってしまう、あるいは全く通信できなくなってしまうことがある。また、金属物の影響により、共振体の共振周波数がずれてしまい、高周波信号の伝達効率が低下してしまうことがある。特に、ＲＦＩＤタグの配置される部分の近傍に金属体があると、その傾向が顕著である。
特開２００２−１８３６７６号公報
本発明は、前述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、母基板に搭載しても通信距離を保つことができ、高周波信号の伝達効率に優れたＲＦＩＤシステムを提供することにある。
本発明の一形態であるＲＦＩＤシステムは、リーダライタ側のアンテナとしてループ状導体にて構成されるループアンテナが用いられ、また、ＲＦＩＤタグ側のアンテナとして複数のコイル状導体を積層してなるコイルアンテナが用いられており、さらに、ループアンテナにおけるループ状導体の導体幅が、コイルアンテナにおけるコイル状導体の導体幅よりも大きく構成されていることを特徴とする。
前記ＲＦＩＤシステムによれば、リーダライタ側アンテナとしてループ状導体にて構成されるループアンテナを用い、該ループアンテナにおけるループ状導体の導体幅を、コイルアンテナにおけるコイル状導体の導体幅よりも大きくしているため、ループアンテナにおける導体損失を抑えながら、磁束をループアンテナにおける巻回軸の中心線上に集中させることができ、また、磁束のループが大きくなるため、遠方まで磁束を放射することができる。さらに、ＲＦＩＤタグ側のアンテナとして複数のコイル状導体を積層してなるコイルアンテナを用い、コイル状導体の導体幅を比較的細くしているため、母基板における金属物などとの間に発生する浮遊容量成分を小さくすることができ、金属物による影響を最小限に抑えることができる。これにより、ＲＦＩＤタグとリーダライタとの結合度を向上させ、通信距離を保つことができ、高周波信号の伝達効率に優れたＲＦＩＤシステムを実現できる。
本発明によれば、通信距離を保つことができ、高周波信号の伝達効率に優れたＲＦＩＤシステムを実現できる。
一実施例であるＲＦＩＤシステムの概略を示す斜視図である。 前記ＲＦＩＤシステムを示し、（Ａ）はリーダライタ側アンテナとＲＦＩＤタグ側アンテナの位置関係を説明する平面図、（Ｂ）は側面図である。 前記ＲＦＩＤシステムにおける給電基板の分解図である。 前記ＲＦＩＤシステムにおけるリーダライタ側アンテナを示し、（Ａ）は裏面側から見た斜視図、（Ｂ）は回路図である。 前記ＲＦＩＤシステムの使用形態を示す説明図である。 前記ＲＦＩＤシステムにおける動作原理を示す説明図である。 前記ＲＦＩＤシステムにおける動作原理を示す説明図である。 前記ＲＦＩＤシステムにおけるリーダライタ側アンテナの変形例を示す平面図である。 第２例であるＲＦＩＤタグを示す断面図である。 図９に示したＲＦＩＤタグの磁界放射状態を示す説明図である。 図９に示したＲＦＩＤタグの積層構造を示す分解斜視図である。 第３例であるＲＦＩＤタグを示す断面図である。 図１２に示したＲＦＩＤタグの磁界放射状態を示す説明図である。 図１２に示したＲＦＩＤタグの積層構造を示す分解斜視図である。 第４例であるＲＦＩＤタグを示す断面図。 図１５に示したＲＦＩＤタグの磁界放射状態を示す説明図。 図１５に示したＲＦＩＤタグの積層構造を示す分解斜視図。 第５例であるＲＦＩＤタグを示す断面図。 図１８に示したＲＦＩＤタグの磁界放射状態を示す説明図。 第６例であるＲＦＩＤタグを示す断面図。 図２０に示したＲＦＩＤタグの磁界放射状態を示す説明図。 （Ａ）は第５例であるＲＦＩＤタグを使用したＲＦＩＤシステムでの磁界放射状態を示す説明図、（Ｂ）は第６例であるＲＦＩＤタグを使用したＲＦＩＤシステムでの磁界放射状態を示す説明図である。
以下、本発明に係るＲＦＩＤシステムの実施例を添付図面を参照して説明する。なお、各図において、同じ部品、部分には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。
（ＲＦＩＤシステム及びＲＦＩＤタグの第１例、図１〜図８参照）
一実施例であるＲＦＩＤシステムは、リーダライタとＲＦＩＤタグとの間で、非接触方式で情報の伝達を行うシステムであり、さらに具体的には、数ｍｍから数ｃｍ程度に近接配置されたリーダライタのアンテナとＲＦＩＤタグのアンテナとの間で、ＵＨＦ帯又はＳＨＦ帯の高周波信号の送受を行うＲＦＩＤシステムである。
まず、図１〜図４を参照に、一実施例であるＲＦＩＤシステムにおけるリーダライタ及び第１例としてのＲＦＩＤタグの構成を説明する。
図１に示すように、リーダライタは、支持部材２の表面に設けられたループアンテナ１０からなるアンテナヘッド１を有する。ループアンテナ１０は給電部１１ａ及び給電部１１ｂを給電端とした１ターンのループ状導体１１にて形成されており、給電部１１ａ及び給電部１１ｂは、図示しないリーダライタ本体の情報処理回路に接続されている。
ＲＦＩＤタグ２０は、給電基板４０に内蔵された複数のコイル状導体を積層してなるコイルアンテナ３０とこのコイルアンテナ３０に接続されたＲＦＩＣ素子５０とを有する。コイルアンテナ３０は、第１コイルアンテナ３１と第２コイルアンテナ３２とを含んで構成されており、これらのコイルアンテナ３１，３２は、給電基板４０の内部に、各コイルアンテナ３１，３２の巻回軸がそれぞれ平行となるように隣接配置されていて、各コイルアンテナ３１，３２は互いに磁気結合している。なお、詳しくは後述するが、コイルアンテナ３０は、さらに第３コイルアンテナ３１を含んで構成されている。コイルアンテナ３０は給電基板４０の内部に形成されており、給電基板４０は、複数の誘電体層を積層してなる積層体にて構成されている。給電基板４０は、プリント配線板等の母基板６０の上に搭載されており、ＲＦＩＣ素子５０は給電基板４０の表面に搭載されている。ＲＦＩＣ素子５０は、ロジック回路、メモリ回路等を含んで構成されており、ベアのＩＣチップ又はパッケージングされたＩＣチップとして、その裏面の入出力端子を介して給電基板４０上の端子３６，３７に接続されている。
図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、リーダライタ側のループアンテナ１０及びＲＦＩＤタグ２０側のコイルアンテナ３０を平面視したとき、ループアンテナ１０が占める面積は、コイルアンテナ３０、つまり第１コイルアンテナ３１の占める面積と第２コイルアンテナ３２の占める面積との合計面積とほぼ同等又は合計面積よりやや大きい。なお、ループアンテナ１０が占める面積とは、ループアンテナ１０の外形より内側の面積であり、コイルアンテナ３０が占める面積とは、コイルアンテナ３１，３２の外形よりも内側の面積である。
そして、本実施例では、ループアンテナ１０のループ状導体１１は平面上で巻回されており、コイルアンテナ３１，３２のコイル状導体は主に積層方向に巻回されている。しかも、ループアンテナ１０は、該ループアンテナ１０におけるループ状導体１１の導体幅が、コイルアンテナ３１，３２におけるコイル状導体の導体幅よりも大きくなるように、構成されている。具体的には、ループアンテナ１０におけるループ状導体１１の導体幅をＷ１、コイルアンテナ３１，３２におけるコイル状導体の導体幅をＷ２とすると、Ｗ１＞Ｗ２の関係を満たすように設定されている。
給電基板４０は、図３に示すように、複数のセラミック誘電体層４１ａ〜４１ｆを積層してなる積層体にて構成されており、その内部に、コイル状導体３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄ及び層間導体３４ａ〜３４ｅ、３５ａ〜３５ｅにて構成されたコイルアンテナ３１，３２を有している。各セラミック誘電体層４１ａ〜４１ｆは、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic）材料等の比誘電率εｒが６以上の誘電体材料で構成されている。コイル状導体３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄ及び層間導体３４ａ〜３４ｅ、３５ａ〜３５ｅは、銀や銅を主成分とする比抵抗の小さな低融点金属材料で構成されている。即ち、この積層体は、コイル状導体や層間導体と複数のセラミック誘電体層と同時焼結することによって得られる。
誘電体層４１ａには、ＲＦＩＣ素子５０の二つの入出力端子と接続される端子３６及び端子３７が設けられており、端子３６は、誘電体層４１ａに設けられた層間導体３４ａを介して、誘電体層４１ｂに設けられたコイル状導体３１ａの一端に接続されている。コイル状導体３１ａは、誘電体層４１ｂの表面にて小径ループ状に引き回されており、その他端は、誘電体層４１ｂに設けられた層間導体３４ｂを介して、誘電体層４１ｃに設けられたコイル状導体３１ｂの一端に接続されている。コイル状導体３１ｂは、誘電体層４１ｃの表面にて小径ループ状に引き回されており、その他端は、誘電体層４１ｃに設けられた層間導体３４ｃを介して、誘電体層４１ｄに設けられたコイル状導体３１ｃの一端に接続されている。コイル状導体３１ｃは、誘電体層４１ｄの表面にて小径ループ状に引き回されており、その他端は、誘電体層４１ｄに設けられた層間導体３４ｄを介して、誘電体層４１ｅに設けられたコイル状導体３１ｄの一端に接続されている。コイル状導体３１ｄは、誘電体層４１ｅの表面にて小径ループ状に引き回されており、その他端は、誘電体層４１ｅに設けられた層間導体３４ｅを介して、誘電体層４１ｆに設けられたコイル状導体３３ａの一端に接続されている。
さらに、コイル状導体３３ａは、誘電体層４１ｆの表面にて大径ループ状に引き回されており、その他端は、誘電体層４１ｅに設けられた層間導体３５ｅを介して、誘電体層４１ｅに設けられたコイル状導体３２ｄの一端に接続されている。コイル状導体３２ｄは、誘電体層４１ｅの表面にて小径ループ状に引き回されており、その他端は、誘電体層４１ｄに設けられた層間導体３５ｄを介して、誘電体層４１ｄに設けられたコイル状導体３２ｃの一端に接続されている。コイル状導体３２ｃは、誘電体層４１ｄの表面にて小径ループ状に引き回されており、その他端は、誘電体層４１ｃに設けられた層間導体３５ｃを介して、誘電体層４１ｃに設けられたコイル状導体３２ｂの一端に接続されている。コイル状導体３２ｂは、誘電体層４１ｃの表面にて小径コイル状に引き回されており、その他端は、誘電体層４１ｂに設けられた層間導体３５ｂを介して、誘電体層４１ｂに設けられたコイル状導体３２ａの一端に接続されている。コイル状導体３２ａは、誘電体層４１ｂの表面にて小径コイル状に引き回されており、その他端は、誘電体層４１ａに設けられた層間導体３５ａを介して、誘電体層４１ａに設けられた端子３７に接続されている。
即ち、第１コイルアンテナ３１は、小径のコイル状導体３１ａ〜３１ｄ及び層間導体３４ａ〜３４ｅにて構成されており、第２コイルアンテナ３２は、小径のコイル状導体３２ａ〜３２ｄ及び層間導体３５ａ〜３５ｅにて構成されている。さらに、本実施例の場合、大径のコイル状導体３３ａで形成された第３コイルアンテナ３３を有している。図３に示すように、第１コイルアンテナ３１、第２コイルアンテナ３２及び第３コイルアンテナ３３におけるコイル状導体３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄ、３３ａは、各コイル状導体に流れる電流の向きが同方向となるように、即ち、各コイル状導体に流れた電流によって生じる誘導磁界の向きが同方向となるように、巻回されている。
第１コイルアンテナ３１、第２コイルアンテナ３２及び第３コイルアンテナ３３は、給電基板４０の内部に、各コイルアンテナの巻回軸がそれぞれ平行となるように隣接配置されていて、互いに磁気結合している。そして、これを平面視したとき、リーダライタ側のループアンテナ１０が占める面積は、ＲＦＩＤタグ２０側のアンテナ、つまり第１コイルアンテナ３１、第２コイルアンテナ３２及び第３コイルアンテナ３３の外形寸法にて囲まれた部分の面積とほぼ同等である。
図４（Ａ）に示すように、リーダライタ側アンテナは、エポキシ樹脂等の硬質部材からなる平板状の支持部材２の一方主面に設けられたループアンテナ１０として構成されており、支持部材２の他方主面には、同軸ケーブル３が接続されている。ループアンテナ１０と同軸ケーブル３の間には、図４（Ｂ）に示すように、キャパシタンス素子Ｃ及びインダクタンス素子Ｌからなる整合回路が設けられており、ループアンテナ１０における給電部１１ａが同軸ケーブル３の内部導体４に、給電部１１ｂが同軸ケーブル３の外部導体５に、それぞれ整合回路を介して、接続されている。同軸ケーブル３は５０Ω線路として構成されており、整合回路にて、同軸ケーブル３のインピーダンスとループアンテナ１０のインピーダンスとの整合が図られている。
次に、図５〜図７を参照して本実施例のＲＦＩＤシステムの使用形態及び動作原理を説明する。
図５に示すように、リーダライタにおけるアンテナヘッド１は、前記支持部材２の一方主面に設けられたループアンテナ１０と、支持部材２の他方主面に設けられたキャパシタンス素子Ｃ及びインダクタンス素子Ｌからなる整合回路素子を含んで構成されている。このアンテナヘッド１は、同軸ケーブル３を介して把持部６に接続されており、この把持部６を把持しながらの使用が可能な、いわゆるペン型のアンテナとして構成されている。このペン型のリーダライタ側アンテナは、さらに図示しないリーダライタ本体に、ＤＣ的にあるいは磁界や電磁界を介して接続される。
ＲＦＩＤタグ２０は、矩形平板状の給電基板４０とその上に搭載されたＲＦＩＣ素子５０とからなり、ＲＦＩＣ素子５０は、エポキシ樹脂等の封止材５５にて封止されている。このＲＦＩＤタグ２０は、樹脂等の絶縁材料やはんだ等の導電材料からなる接合材５６を介して、プリント配線板等の母基板６０に搭載されている。
本実施例では、図６に示すように、リーダライタ側のアンテナとしてループアンテナ１０を用い、ＲＦＩＤタグ２０側のアンテナとしてコイルアンテナ３０（３１，３２）を用い、しかも、ループアンテナ１０におけるループ状導体１１の導体幅を、コイルアンテナ３１，３２におけるコイル状導体３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄの導体幅よりも大きく構成している。そのため、アンテナヘッド１をＲＦＩＤタグ２０に近接させた状態では、図６に一点鎖線で示す磁界Ｈ１，Ｈ２、Ｈ３，Ｈ４を生じ、これらの磁界を介して、ループアンテナ１０とコイルアンテナ３１，３２との間で高周波信号が送受される。つまり、ループアンテナ１０のループ状導体１１にて生じた磁界Ｈ１，Ｈ２は、導体損を低く保ちながら開口部磁界を集中させ、かつ、広範囲に広がる。そして、図７に示すように、この磁束がコイルアンテナ３１，３２のコイル状導体に鎖交する。
このように、ループアンテナ１０及びコイルアンテナ３１，３２にて、各開口部に磁界を集中させることができるため、母基板６０が金属であったり、あるいは金属が母基板６０の近傍に配置されていても、コイルアンテナ３１，３２に磁界を集中して鎖交させることができる。また、コイルアンテナ３１，３２は導体幅を狭くして積層構造とすることで、主にそのコイル面と垂直な方向に磁界Ｈ３，Ｈ４を絞ることができ、母基板６０が金属であっても母基板６０とコイルアンテナ３１，３２との間で生じる容量が小さく共振周波数への影響が小さい。さらには、ＵＨＦ帯又はＵＨＦ帯より高い周波数帯の高周波信号を利用しているため、ＲＦＩＤタグ２０を母基板６０に搭載した場合でも、母基板６０に搭載された他の実装部品や母基板６０に設けられた各種配線パターン等の金属物の影響を受けにくい。また、ループアンテナ１０における磁界Ｈ１及びＨ２は、ループアンテナ１０の導体幅が広いため、主にそのループ面と平行な方向に広範囲に磁界Ｈ１，Ｈ２が広がり、ループアンテナ１０のＲＦＩＤタグ２０に対する平面方向の相対位置が多少ずれでも、ループアンテナ１０側で発生する磁界Ｈ１，Ｈ２がコイルアンテナ３１，３２と鎖交しやすく、リードライト可能なエリアが広い。
本実施例のＲＦＩＤシステムは、このようにリーダライタ側アンテナとＲＦＩＤタグ側アンテナとを極めて近接させた形態で用いられ、リーダライタにてリードライト対象となるＲＦＩＤタグ２０のみに限定して通信を行うことができる。この場合、例えば、コイルアンテナ１０の外形寸法は縦１ｃｍ×横１ｃｍ以下、さらには縦０．５ｃｍ×横０．５ｃｍ以下の極めて小さなサイズで構成することができる。具体的には、使用周波数帯を８６０ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚのＵＨＦ帯とし、給電基板４０のサイズを縦３．２ｍｍ×横１．６ｍｍ、コイルアンテナ３０の外形寸法を縦２．５ｍｍ×横１．２ｍｍ、ループアンテナ１０の外形寸法を縦３．０ｍｍ×横４．０ｍｍ、ループ状導体１１の導体幅を０．５ｍｍ、出力電力値を１Ｗとした場合、リーダライタ側アンテナとＲＦＩＤタグ側アンテナとの間の距離が６ｍｍ程度のものでも、リードライト可能である。もちろん、出力電力値を大きくする、あるいは、給電基板４０のサイズ、つまりはコイルアンテナ３０のサイズを大きくすることで、通信距離をさらに伸ばすことは可能である。
以上、本発明を具体的な実施例に基づき説明したが、本発明は前述した形態に限定されるものではない。
例えば、図８に示すように、リーダライタ側アンテナは、１ターンのループアンテナではなく、多ターンのループアンテナ１０で構成してもよい。この場合、ループアンテナ１０の最外径と最内径との間の距離が、ループアンテナ１０におけるループ状導体１１の導体幅Ｗ１となる。また、ループアンテナ１０は、前述した理由から、ループ状の単層導体によって形成されていることが好ましいが、コイルアンテナ３０の積層方向の厚みより薄ければ、ループ状導体を複数層積層しても構わない。
前述したように、第１コイルアンテナと第２コイルアンテナは、互いの巻回方向が同じであることが好ましい。各コイルアンテナを構成するコイル状導体が互いに巻回方向が同じように構成されていると、各コイルアンテナにおける電流が同方向に流れ、この電流による誘導磁界も同方向に発生する。従って、各コイルアンテナに生じた電流が打ち消し合うことはなく、高周波信号のエネルギー伝達効率が高くなり、ゆえに、リーダライタ側アンテナとＲＦＩＤタグ側アンテナとの通信距離が長くなる。また、コイルアンテナは積層構造で形成されており、二つのコイルアンテナの巻回軸が平面視で重なる位置に形成されていると、コイルアンテナにおける開口面積の和を大きくすることができ、その結果、磁束密度が高くなるため、通信距離がより増加する。
また、リーダライタ側アンテナはループアンテナであり、ＲＦＩＤタグ側アンテナはコイルアンテナであるため、リーダライタとＲＦＩＤタグとの通信は、主に磁界を介して行われる。ただし、ループアンテナにおけるループ状導体の導体幅がコイルアンテナにおけるコイル状導体の導体幅よりも大きく構成されており、しかも、ループアンテナの外形寸法とコイルアンテナの外形寸法との比率が所定の範囲内にあれば、アンテナヘッド１とＲＦＩＤタグとの距離が例えば２ｍｍ以下のように極めて近距離に配置される場合、磁界結合に加えて容量結合も寄与する。よって、電力が極めて小さくても、無線通信が可能となる。さらに、ループアンテナの導体幅が広く、ＲＦＩＤタグ側のコイルアンテナの導体幅を狭くしていることで、両者の位置がずれても両者の間で形成される容量値の変化が小さく特性の変化が小さい。
即ち、このような近距離間での通信を目的とした場合、リーダライタのループアンテナの占める面積は、ＲＦＩＤタグのコイルアンテナの占める面積の０．２〜６倍であることが好ましい。ループアンテナの占める面積がコイルアンテナの占める面積の０．２倍を下回ると、高周波信号の送受が十分にできなくなることがあり、他方、ループアンテナの占める面積がコイルアンテナの占める面積の６倍を超えると、ループアンテナの磁束が集中しにくくなり、ループアンテナをコイルアンテナに近接させても、リードライトできない領域、即ちヌル点が生じてしまう傾向にある。また、極近接距離に配置したとき、容量結合が寄与しにくくなってしまう。
また、コイルアンテナは、ＲＦＩＣ素子のインピーダンスの虚数部と、コイルアンテナのインピーダンスの虚数部が、使用周波数で共役の関係になるように構成されていることが好ましい。即ち、給電基板に備えられたコイルアンテナは、アンテナとしての機能を有するほか、ＲＦＩＣ素子のインピーダンスを整合させる機能を有するように構成されていることが好ましい。つまり、コイルアンテナにおいては、コイルそのものが持つインダクタンス成分と線間に形成されるキャパシタンス成分とにより共振周波数を持つが、この共振周波数が使用周波数付近にあることが望ましい。インピーダンスの実部が一致することはさらに望ましい。特に、コイルアンテナとして、第１コイルアンテナと第２コイルアンテナとが磁気結合したアンテナを用いると、使用周波数帯を広帯域化することができる。
また、ＲＦＩＤタグの母基板への取り付けは、両面テープや接着剤等の接合材を用いてもよく、この場合、シール、ラベル、テープ等に加工したうえで、母基板に貼着してもよい。このとき、ＲＦＩＤタグは、ＲＦＩＣ素子側あるいは給電基板側のいずれかを母基板への取り受け面とすることができる。特に、ＲＦＩＣ素子が封止材で覆われていれば、ＲＦＩＣ素子を保護できるとともに、封止材の天面を利用して母基板へ貼着できるようになる。
給電基板を構成する基材は、一般的な比誘電率εｒが３〜４の樹脂材で形成してもよいが、前述したように、セラミック誘電体等の比誘電率εｒの高い材料で構成すれば、このＲＦＩＤシステムの動作の安定性を図ることができる。即ち、コイル状導体間の線間容量はコイル状導体間の材質によって決まるため、母基板を構成する材料の比誘電率の影響が少なく、浮遊容量の変動が生じにくい。また、コイル状導体のインダクタンス値の変化も少なく、それゆえ、共振周波数の変化が少なく、使用環境によらず、通信距離が安定することになる。
このＲＦＩＤタグは、プリント配線板など種々の母基板に搭載され得るが、金属板に搭載しても使用することができる。この場合、ＲＦＩＤタグはＲＦＩＣ素子が設けられている側の面を金属板との搭載面とし、給電基板側を上面側とすることで、リーダライタとの通信がより確実になる。給電基板側の面を金属板との搭載面とする場合、コイルアンテナをできるだけ給電基板の上側に配置することで、金属板との間で磁束の通過経路を確保することができ、金属板上での動作を安定させることができる。
リーダライタにおけるアンテナヘッドは、同軸ケーブルがループアンテナのループ面及びコイルアンテナのコイル面に対して斜め方向に延びるように構成されていることが好ましい。このように構成することで、ループアンテナにて生じる磁界とコイルアンテナにて生じる磁界の両者と同軸ケーブルとの相互干渉を小さくできる。
また、ＲＦＩＤタグ側アンテナであるコイルアンテナは、リーダライタ側アンテナであるループアンテナのループ面に対して垂直方向にコイル状導体を積層してなる積層型コイルアンテナであればよく、一つのコイルアンテナであっても構わない。
（ＲＦＩＤタグの第２例、図９〜図１１参照）
第２例であるＲＦＩＤタグ１０１Ａは、図９に示すように、所定周波数の送受信信号を処理するＲＦＩＣ素子１１０と、給電基板１２０と、該給電基板１２０に内蔵されたコイルアンテナ１３０と、を備えている。
ＲＦＩＣ素子１１０は、チップ状に構成されており、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、必要な情報がメモリされており、裏面に図示しない一対の入出力端子電極が設けられており、給電基板１２０上に実装されている。給電基板１２０は、誘電体又は磁性体を主成分とする複数の層を積層して構成されている。
コイルアンテナ１３０は、図１１を参照して以下に説明するように、誘電体又は磁性体のシート１２１ｃ〜１２１ｅ上に形成されたコイル用導体パターン１３３ａ〜１３３ｃを積層してビアホール導体１３４ａで接続することでコイル状に巻回したものである。コイルアンテナ１３０のそれぞれの一端はＲＦＩＣ素子１１０の入出力端子電極にはんだバンプ１１５を介して電気的に接続されている。
ＲＦＩＤタグ１０１Ａは、図９に示すように、プリント配線基板などの基材１４０上に接着層１４１を介して貼着される。コイルアンテナ１３０は、該アンテナ１３０の積層方向の中心面Ａが給電基板１２０の中心面Ｂよりも基材１４０に対して反対側に位置するように、給電基板１２０に内蔵されている。即ち、コイルアンテナ１３０は基材１４０の表面とは距離Ｃだけ離れて位置している。
前記ＲＦＩＤタグ１０１Ａは、ＲＦＩＤシステムの図示しないリーダライタと通信可能であり、両者で情報処理システムを構成している。この情報処理システムにおいて、リーダライタのアンテナをＲＦＩＤタグ１０１Ａに近接させることによって、該アンテナから放射された所定周波数（例えば、ＵＨＦ帯、ＨＦ帯）の信号に基づく磁束がコイルアンテナ１３０を貫通することにより、該アンテナ１３０に電流が流れる。この電流がＲＦＩＣ素子１１０に供給されてＲＦＩＣ素子１１０を動作させる。一方、ＲＦＩＣ素子１１０からの応答信号がコイルアンテナ１３０から磁界として放射され、リーダライタで読み取られる。
コイルアンテナ１３０から放射される磁界Ｈは、図１０に点線で示すとおりである。このコイルアンテナ１３０は、給電基板１２０に内蔵されており、かつ、該コイルアンテナ１３０の積層方向の中心面Ａが給電基板１２０の積層方向の中心面Ｂよりもプリント配線基板などの基材１４０に対して反対側に位置しているため、磁界Ｈは基材１４０から離れてリーダライタのアンテナに近づいた方向に多く発生する。それゆえ、基材１４０に設けられた他の実装部品や導体パターンなどの金属物からの影響を受けにくくなり、通信距離が短くなってしまうことはない。
また、リーダライタとＲＦＩＤタグ１０１Ａとの通信は主に磁界で行われるが、磁界は距離に対する減衰が電界よりも大きいため、比較的近接した状態で通信が行われる。このため、リーダライタにて読取り対象となるＲＦＩＤタグのみに限定して通信を行うことができ、周辺にある読取り対象外のＲＦＩＤタグと誤って通信を行うおそれはない。
ＲＦＩＣ素子１１０のインピーダンスの虚数部と、コイルアンテナ１３０のインピーダンスの虚数部は、通信に使用する信号の周波数で共役の関係になるようにすることが望ましい。つまり、コイルアンテナ１３０の共振周波数が使用周波数付近にあることが望ましい。インピーダンスの実部が一致することはさらに望ましい。
特に、コイルアンテナ１３０を積層タイプで大きな開口部とすると、小型で大きいインダクタンス値を得ることができ、ひいては、ＲＦＩＤタグ１０１Ａ自体が小型化される。使用周波数を９５０ＭＨｚ近辺の短波長とすることで、より小型になる。通信にＵＨＦ帯の周波数を用いる場合、ＲＦＩＤタグ１０１Ａとしては、例えば、縦３．２ｍｍ、横１．６ｍｍ、高さ０．５ｍｍのサイズにまとめることができる。
ここで、給電基板１２０（コイルアンテナ１３０）の積層構造の一例を図１１を参照して説明する。この給電基板１２０は誘電体又は磁性体を主成分とする複数枚のシート１２１ａ〜１２１ｅに電極や導体、ビアホール導体を形成して積層したもので、さらに、前記中心面Ａの高さを得るためのシート群１２１ｆ，１２１ｇが積層されている。
第１層目のシート１２１ａにはＲＦＩＣ素子１１０の図示しない入出力端子電極に接続される電極１３１ａ，１３１ｂや実装用電極１３１ｃ，１３１ｄ（ＲＦＩＣ素子１１０の図示しない実装用端子電極に接続される）が形成され、第２層目のシート１２１ｂには接続用導体１３２ａ，１３２ｂが形成され、第３層目から第５層目のシート１２１ｃ〜１２１ｅにはコイル用導体パターン１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃが形成されている。
コイル用導体パターン１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃは、ビアホール導体１３４ａを介してコイル状に接続してアンテナ１３０を形成している。導体パターン１３３ａの一端はビアホール導体１３４ｂ、接続用導体１３２ａ及びビアホール導体１３４ｃを介して電極１３１ａに接続されている。また、導体パターン１３３ｃの一端はビアホール導体１３４ｄ、接続用導体１３２ｂ及びビアホール導体１３４ｅを介して電極１３１ｂに接続されている。
コイルアンテナ１３０を積層タイプとすることで、開口部を大きくできる以外に、動作の安定性を図ることができる。即ち、コイル用導体パターン１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ間の容量がそれらの間の材質（シートの材質）によって決まるため、ＲＦＩＤタグ１０１Ａの貼着対象物品の誘電率の影響が少なく（浮遊容量の変動が生じにくい）、コイルのインダクタンス値の変化が少ない。それゆえ、共振周波数の変化が少なく、通信距離が安定することになる。特に、給電基板１２０に高誘電率の材料を用いることで、給電基板１２０内でのコイルのインピーダンスがほぼ決定され、使用環境からの影響を受けにくくなる。
（ＲＦＩＤタグの第３例、図１２〜図１４参照）
第３例であるＲＦＩＤタグ１０１Ｂは、図１２に示すように、給電基板１２０の上部にコイル用導体パターン１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃを形成してコイルアンテナ１３０を形成し、給電基板１２０の裏面側にＲＦＩＣ素子１１０を搭載し、かつ、ＲＦＩＣ素子１１０を覆う封止層１２５を設けたものである。封止層１２５の天面がプリント配線基板などの基材１４０上に接着層１４１を介して貼着される。
このＲＦＩＤタグ１０１Ｂにおいて、コイルアンテナ１３０は、該アンテナ１３０の積層方向の中心面Ａが給電基板１２０の中心面Ｂよりも基材１４０に対して反対側に位置するように、給電基板１２０に内蔵されている。さらに、給電基板１２０と基材１４０との間に封止層１２５が介在することにより、コイルアンテナ１３０は基材１４０の表面との距離Ｃが前記第２例よりも大きくなる。
ＲＦＩＤタグ１０１Ｂの動作は前記第２例と同様であり、特に、距離Ｃが大きくなった分、図１３に点線で示すように、アンテナ１３０で発生する磁界Ｈが基材１４０の表面から離れて図示しないリーダライタのアンテナに近づくことになり、基材１４０に設けられた他の実装部品や導体パターンなどの金属物からの影響をより効果的に排除できる。また、ＲＦＩＣ素子１１０を封止層１２５で覆うことで、ＲＦＩＣ素子１１０が外部環境から保護される。即ち、外部からの機械的な衝撃から保護され、また、水分によるショートなどを防ぐことができる。
本第３例での給電基板１２０（コイルアンテナ３０）の積層構造は、図１４に示すとおりであり、図１１に示したシート群１２１ｆ，１２１ｇをシート１２１ｂとシート１２１ｃの間に介在させ、シート１２１ｅの裏面にコイル用導体パターン１３３ｃが形成されている。なお、シート１２１ｅはＲＦＩＤタグ１０１Ｂを基材１４０へ貼着したときには最上層となる。
（ＲＦＩＤタグの第４例、図１５〜図１７参照）
第４例であるＲＦＩＤタグ２０１Ａは、図１５に示すように、所定周波数の送受信信号を処理するＲＦＩＣ素子１１０と、給電基板２２０と、該給電基板２２０に内蔵されたコイルアンテナ２３０と、を備えている。
コイルアンテナ２３０は、図１７を参照して以下に説明するように、誘電体又は磁性体のシート２２１ｃ〜２２１ｅ上に形成されたコイル用導体パターン２３３ａ〜２３３ｃを積層してビアホール導体２３４ａで接続することでコイル状に巻回したものである。コイルアンテナ２３０のそれぞれの一端はＲＦＩＣ素子１１０の入出力端子電極にはんだバンプ２１５を介して電気的に接続されている。
ＲＦＩＤタグ２０１Ａは、図１５に示すように、プリント配線基板などの基材２４０上に接着層２４１を介して貼着される。コイルアンテナ２３０は、図１６に示すように、該アンテナ２３０から放射される磁界Ｈの広がりが給電基板２２０の上面側と下面側とで異なるように形成されている。具体的には、コイルアンテナ２３０は、コイル用導体パターン２３３ａ，２３３ｂ，２３３ｃの開口径（本明細書では各パターンの内径を意味している）が給電基板２２０の下面側から上面側に向かって実質的に大きくなるように形成されている。
前記ＲＦＩＤタグ２０１Ａは、ＲＦＩＤシステムの図示しないリーダライタと通信可能であり、両者で情報処理システムを構成している。この情報処理システムにおいて、リーダライタのアンテナをＲＦＩＤタグ２０１Ａに近接させることによって、該アンテナから放射された所定周波数（例えば、ＵＨＦ帯、ＨＦ帯）の信号に基づく磁束がコイルアンテナ２３０を貫通することにより、該アンテナ２３０に電流が流れる。この電流がＲＦＩＣ素子１１０に供給されてＲＦＩＣ素子１１０を動作させる。一方、ＲＦＩＣ素子１１０からの応答信号がコイルアンテナ２３０から磁界として放射され、リーダライタで読み取られる。
コイルアンテナ２３０から放射される磁界Ｈは、図１６に点線で示すとおりである。このコイルアンテナ２３０は、給電基板２２０に内蔵されており、かつ、該コイルアンテナ２３０で発生する磁界ＨがＲＦＩＤタグ２０１Ａの外側に広がることになり、図示しないリーダライタのアンテナとの位置関係の自由度が大きくなり、広い範囲で安定して通信することができる。
また、リーダライタとＲＦＩＤタグ２０１Ａとの通信は主に磁界で行われるが、磁界は距離に対する減衰が電界よりも大きいため、比較的近接した状態で通信が行われる。このため、リーダライタにて読取り対象となるＲＦＩＤタグのみに限定して通信を行うことができ、周辺にある読取り対象外のＲＦＩＤタグと誤って通信を行うおそれはない。
ＲＦＩＣ素子１１０のインピーダンスの虚数部と、コイルアンテナ２３０のインピーダンスの虚数部は、通信に使用する信号の周波数で共役の関係になるようにすることが望ましい。つまり、コイルアンテナ２３０の共振周波数が使用周波数付近にあることが望ましい。インピーダンスの実部が一致することはさらに望ましい。
特に、コイルアンテナ２３０を積層タイプで大きな開口部とすると、小型で大きいインダクタンス値を得ることができ、ひいては、ＲＦＩＤタグ２０１Ａ自体が小型化される。使用周波数を９５０ＭＨｚ近辺の短波長とすることで、より小型になる。通信にＵＨＦ帯の周波数を用いる場合、ＲＦＩＤタグ２０１Ａとしては、例えば、縦３．２ｍｍ、横１．６ｍｍ、高さ０．５ｍｍのサイズにまとめることができる。
ここで、給電基板２２０（コイルアンテナ２３０）の積層構造の一例を図１７を参照して説明する。この給電基板２２０は誘電体又は磁性体を主成分とする複数枚のシート２２１ａ〜２２１ｅに電極や導体、ビアホール導体を形成して積層したものである。
第１層目のシート２２１ａにはＲＦＩＣ素子１１０の図示しない入出力端子電極に接続される電極２３１ａ，２３１ｂや実装用電極２３１ｃ，２３１ｄ（ＲＦＩＣ素子１１０の図示しない実装用端子電極に接続される）が形成され、第２層目のシート２２１ｂには接続用導体２３２ａ，２３２ｂが形成され、第３層目から第５層目のシート２２１ｃ〜２２１ｅにはコイル用導体パターン２３３ａ，２３３ｂ，２３３ｃが形成されている。
コイル用導体パターン２３３ａ，２３３ｂ，２３３ｃは、ビアホール導体２３４ａを介してコイル状に接続してアンテナ２３０を形成している。導体パターン２３３ａの一端はビアホール導体２３４ｂ、接続用導体２３２ａ及びビアホール導体２３４ｃを介して電極２３１ａに接続されている。また、導体パターン２３３ｃの一端はビアホール導体２３４ｄ、接続用導体２３２ｂ及びビアホール導体２３４ｅを介して電極２３１ｂに接続されている。
コイルアンテナ２３０を積層タイプとすることで、開口部を大きくできる以外に、動作の安定性を図ることができる。即ち、コイル用導体パターン２３３ａ，２３３ｂ，２３３ｃ間の容量がそれらの間の材質（シートの材質）によって決まるため、ＲＦＩＤタグ２０１Ａの貼着対象物品の誘電率の影響が少なく（浮遊容量の変動が生じにくい）、コイルのインダクタンス値の変化が少ない。それゆえ、共振周波数の変化が少なく、通信距離が安定することになる。特に、給電基板２２０に高誘電率の材料を用いることで、給電基板２２０内でのコイルのインピーダンスがほぼ決定され、使用環境からの影響を受けにくくなる。
なお、コイルアンテナ２３０のそれぞれのコイル用導体パターン２３３ａ，２３３ｂ，２３３ｃはそれよりも多い数で構成されていてもよい。また、各パターンの開口径は、給電基板２２０の下面側から上面側に向かって実質的に大きくなるように形成されていればよい。実質的とは、必ずしも連続して段階的に大きくなっている必要はなく、中間に位置するコイル用導体パターンがその上下に位置するパターンと同じ開口径であったり、下方に位置するパターンよりも大きな開口径であってもよい。なお、このように、各パターンの開口径が上下方向に連続して段階的に変化していなくてもよいことは、以下に示す実施例でも同様である。
（ＲＦＩＤタグの第５例、図１８及び図１９参照）
第５例であるＲＦＩＤタグ２０１Ｂは、図１８に示すように、コイルアンテナ２３０を内蔵した給電基板２２０の裏面側にＲＦＩＣ素子１１０を搭載し、かつ、ＲＦＩＣ素子１１０を覆う封止層２２５を設けたものである。封止層２２５の天面がプリント配線基板などの基材２４０上に接着層２４１を介して貼着される。
本第５例の他の構成は前記第４例と同様である。従って、第５例の作用効果は第４例と同様である。特に、ＲＦＩＣ素子１１０を封止層２２５で覆うことで、ＲＦＩＣ素子１１０が外部環境から保護される。即ち、外部からの機械的な衝撃から保護され、また、水分によるショートなどを防ぐことができる。しかも、給電基板２２０と基材２４０との間に封止層２２５が介在することにより、コイルアンテナ２３０は基材２４０の表面との距離が第４例よりも大きくなり、コイルアンテナ２３０から放射される磁界Ｈが基材２４０から若干離れて形成される（図１９参照）。それゆえ、磁界Ｈに対する基材２４０に設けられた他の実装部品や導体パターンなどの金属物からの影響を少なくできる。
（第６例、図２０及び図２１参照）
第６例であるＲＦＩＤタグ２０１Ｃは、図２０に示すように、コイルアンテナ２３０を構成するコイル用導体パターン２３３ａ，２３３ｂ，２３３ｃをそれらの開口径が給電基板２２０の下面側から上面側に向かって実質的に小さくなるように形成したものである。また、前記第４例と同様に、ＲＦＩＣ素子１１０は給電基板２２０の下面に搭載されるとともに、封止層２２５にて被覆されている。
本第６例の他の構成は前記第４例と同様である。本第６例において、コイルアンテナ２３０から放射される磁界Ｈは、図２１に点線で示すとおりであり、コイル用導体パターン２３３ａ，２３３ｂ，２３３ｃの開口径が給電基板２２０の上面に向かって小さくなるように形成されているため、磁界ＨがＲＦＩＤタグ２０１Ｃの内側に向くことになり、ＲＦＩＤタグ２０１Ｃの中央部分に磁束密度の大きな領域が形成され、通信特性が向上する。また、本第６例での他の作用効果は基本的には前記第４例、第５実施例と同様である。
（第５例及び第６例での磁界放射状態、図２２参照）
本ＲＦＩＤシステムでは、リーダライタ側のアンテナとしてループアンテナ１０を用い、ＲＦＩＤタグ側のアンテナとして、例えば、リーダライタ側に多くの磁界が発生するように構成したコイルアンテナ２３０を用いている。従って、アンテナヘッド１をＲＦＩＤタグ２０１Ｂ，２０１Ｃに近接させた状態では、図２２（Ａ），（Ｂ）に示すように、ループアンテナ１０から生じる磁界Ｈ１とコイルアンテナ２３０から生じる磁界Ｈ２が鎖交し、ループアンテナ１０とコイルアンテナ２３０との間で高周波信号が相互に伝達される。
ループアンテナ１０から生じた磁界Ｈ１はループアンテナ１０の開口部に集中し、広範囲に広がっている。一方、ＲＦＩＤタグ２０１Ｂ，２０１Ｃのコイルアンテナ２３０はリーダライタ側に多くの磁界Ｈ２が発生しているため、磁界Ｈ２はループアンテナ１０の開口部に集中する。従って、基材２４０に金属材を含んでいたり、金属材が近接しても、あるいは、基材２４０が金属材であっても、通信性能が劣化することはない。さらに、ＵＨＦ帯又はそれよりも高い周波数帯の高周波信号を使用することにより、ＲＦＩＤタグ２０１Ｂ，２０１Ｃを搭載する基材２４０が金属材であっっても、あるいは、基材２４０上に搭載された他の実装部品や各種配線パターンなどの金属部材からの影響を受けにくくなる。また、前記ＲＦＩＤタグ１０１Ａ，１０１Ｂ，２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃを用いた場合であっても、コイルアンテナ１３０，２３０からは磁界がリーダライタのループアンテナ１０側に多く発生するため、ここで述べた効果を奏する。
また、ループアンテナ１０から生じる磁界Ｈ１は、ループアンテナ１０の導体幅を広くすれば、主にそのループ面と平行な方向に広範囲に広がり、ループアンテナ１０のＲＦＩＤタグ２０１Ｂ，２０１Ｃに対する相対位置が多少ずれても、磁界Ｈ１，Ｈ２は確実に鎖交するので、必要な通信性能を確保できる。ＲＦＩＤタグ２０１Ｂ，２０１Ｃから見た場合、コイルアンテナ２３０で発生する磁界Ｈ２は外側に広がっているので、ループアンテナ１０との位置関係の自由度が大きくなる。なお、図２２（Ａ），（Ｂ）において、磁界Ｈ１，Ｈ２は発生する全ての磁界を図示してはいない。
本ＲＦＩＤシステムではリーダライタのアンテナとＲＦＩＤタグとを近接させた形態で用いられ、対象となるＲＦＩＤタグのみに限定して通信を行うことができる。この場合、コイルアンテナ２３０は外形寸法が、縦・横１０ｍｍ以下、さらには５ｍｍ以下の小さなサイズで構成することができる。具体的には、使用周波数帯を８６０〜９６０ＭＨｚのＵＨＦ帯とし、ＲＦＩＤタグ２０１Ｂ，２０１Ｃのサイズを縦３．２ｍｍ、横１．６ｍｍ、コイルアンテナ２３０の外形寸法を縦３．０ｍｍ、横４．０ｍｍ、ループアンテナ１０の導体幅を０．５ｍｍ、出力電圧値を１Ｗとした場合、ループアンテナ１０とＲＦＩＤタグ２０１Ｂ，２０１Ｃとの間の距離が６ｍｍ程度であっても、通信可能である。勿論、出力電力値を大きくする、あるいは、コイルアンテナ２３０のサイズを大きくすることで、通信距離をさらに伸ばすことは可能である。
以上のように、本発明はＲＦＩＤタグとリーダライタとを数ｍｍから数ｃｍの距離で通信させるＲＦＩＤシステムに有用であり、特に、通信距離を保つことができ、高周波信号の伝達効率が良好である点で優れている。
１０…ループアンテナ
１１…ループ状導体
２０…ＲＦＩＤタグ
３０，１３０，２３０…コイルアンテナ
３１…第１コイルアンテナ
３１ａ〜３１ｄ…コイル状導体
３２…第２コイルアンテナ
３２ａ〜３２ｄ…コイル状導体
３３…第３コイルアンテナ
４０，１２０，２２０…給電基板
４１ａ〜４１ｆ…誘電体層
５０，１１０…ＲＦＩＣ素子

Claims (7)

  1. リーダライタのアンテナとＲＦＩＤタグのアンテナとの間で高周波信号の送受を行うＲＦＩＤシステムにおいて、
    前記リーダライタのアンテナとして、ループ状導体にて構成されるループアンテナが用いられ、前記ＲＦＩＤタグのアンテナとして、複数のコイル状導体を積層してなるコイルアンテナが用いられており、
    前記ループアンテナにおけるループ状導体の導体幅は、前記コイルアンテナにおけるコイル状導体の導体幅よりも大きいこと、
    を特徴とするＲＦＩＤシステム。
  2. 前記コイルアンテナは複数の誘電体層を積層してなる給電基板に形成されていること、を特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤシステム。
  3. 前記コイルアンテナは第１コイルアンテナ及び第２コイルアンテナにて構成されており、前記第１コイルアンテナと前記第２コイルアンテナとは磁気結合していること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＲＦＩＤシステム。
  4. 平面視したとき、前記コイルアンテナの外形寸法は１ｃｍ×１ｃｍ以下であること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＲＦＩＤシステム。
  5. 平面視したとき、前記ループアンテナが占める面積は、前記コイルアンテナが占める面積の０．２〜６倍であること、を特徴とする請求項４に記載のＲＦＩＤシステム。
  6. 前記給電基板は複数のセラミック誘電体層を積層してなるセラミック積層体からなること、を特徴とする請求項２に記載のＲＦＩＤシステム。
  7. 前記高周波信号はＵＨＦ帯又はＳＨＦ帯の信号であること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のＲＦＩＤシステム。
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