JP5867777B2 - Ｒｆｉｄタグ及び自動認識システム - Google Patents

Description

本発明は、汎用のリーダやリーダライタと共に用いて非接触で情報の送受信を行うことができるＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグ及びこれを用いた自動認識システムに関する。

製品の情報や識別、管理、偽造防止の目的で、商品、包装、カード、書類等にはＩＣチップを搭載した非接触式ＲＦＩＤタグ（以下、単に「ＲＦＩＤタグ」という。）が多数利用されている。ＩＣチップには商品の名称、価格等の情報が書き込まれており、管理、販売、使用する際には、リーダやリーダライタ（以下、リーダとリーダライタを合わせて「リーダ等」ということがある。）によって、これらのＩＣチップの情報を無線で読み取り、利用できる。製造日や製造所、残金等の情報を、後でリーダライタによって書き込むことができるものもある。このようにしてＲＦＩＤタグは商品管理の利便性向上や安全性の向上、また人為的ミスをなくす等大きなメリットをもたらしている。

ＲＦＩＤタグは、商品に取り付けたりカードに内蔵したりするという性格上、小型薄型化の要求も強い。特に、従来はロット番号を刻印・記入して管理したりあるいは管理そのものができていなかったものへの利用として近年着目されている。具体的には眼鏡や時計あるいは医療用サンプルや半導体等（以下、このような複雑な形状を有したり、サイズが縦：数ｃｍ×横：数ｃｍ程度以下の小さい物品を「小型多品種品」という。）の管理であり、商品（サンプル）の製造所、作業者、製造日、使用材料、寸法、特性、在庫数管理等に役立ち、管理作業者の手間を減らしてかつミスを防ぐことができる。これらのような利便性のある管理システム実現のためには、ＲＦＩＤタグの小型化・薄型化が必要不可欠となる。

比較的小型で薄型のＲＦＩＤタグとしては、図１に示すように、フィルム基材１上にアンテナ２０を形成し、ＩＣチップ３０を搭載したＲＦＩＤタグ８５が開示されている（特許文献１、２）。また、より小型のＲＦＩＤとして、基板上にアンテナパターンとＩＣチップを取り付けた後、封止してパッケージ化したもの（特許文献３）や、より薄く平坦にするために、基板を設けずに、独立したアンテナパターン上にＩＣチップを取付けた後、封止してパッケージ化したもの（特許文献４）が開示されている。さらに、図２に示すように、ＩＣチップサイズまで小型化したＲＦＩＤタグとして、ＩＣチップ３０上に直接アンテナ２０を形成したもの（オンチップアンテナ）が開示されている（特許文献５、６）。

特開２００６−２２１２１１号公報 特開２０１１−１０３０６０号公報 特開２０１０−１５２４４９号公報 特開２００１−０５２１３７号公報 国際公開第２００５／０２４９４９号 特開２００７−１８９４９９号公報

引用文献１、２のＲＦＩＤタグは、比較的小型で薄型であり、汎用のリーダ等でも２００ｍｍ以上の通信距離を有する。しかし、フィルム基材に設けるアンテナとして、縦または横が、数ｃｍ程度の大きさが必要なため、ＲＦＩＤタグを取付ける対象が、上述した小型多品種品である場合には対応できず、対象となる製品や取付けについての制約が大きい。

引用文献３、４のＲＦＩＤタグは、数ｍｍ角（縦：数ｍｍ×横：数ｍｍを表す。以下、同様。）程度と小型であり、小型多品種品にも対応できる。しかし、引用文献３のＲＦＩＤタグは、アンテナを多層に設けるため、アンテナを設ける基材も多層構造が必要となり、コストがかかる上、全体の厚みも増す問題がある。引用文献４のＲＦＩＤタグは、基材で支持されない単体のアンテナを、多数個繋げたリードフレーム状の部材を用いるので、封止後に個々のパッケージに切断すると、アンテナの切断面がパッケージの外部に露出し、環境劣化等による通信特性や信頼性への影響が懸念される。しかも、引用文献３、４のような、数ｍｍ角程度サイズのＲＦＩＤタグは、一般に、通信距離が数ｍｍ以下程度であり、実用的には十分とは言えない。リーダ等の側で対応することで、通信距離を伸ばすことは可能であるが、専用のリーダ等が必要になり、汎用のリーダ等が使えないため、使い勝手が悪い問題がある。

引用文献５、６のＲＦＩＤは、サイズはＩＣチップと同等（数１００μｍ角程度）であり、小型多品種品に十分対応できる。しかし、通信距離が１ｍｍ以下または接触レベルと短く、実際に使用する現場においては、作業の効率や自由度が低い問題がある。一方、通信距離を長くしようとすると、ＩＣチップ自体のサイズを拡大する必要があるため、コスト高になる問題があった。

サイズが１０ｍｍ角程度以下で、かつ通信距離が、１０ｍｍ程度以上であるようなＲＦＩＤタグであれば、小型多品種品を始めとして、適用範囲は大幅に拡大し、また汎用のリーダ等でも対応可能であるため、産業上利用価値が非常に高い。しかしながら、上述したように、サイズが数ｍｍ角オーダー以下のＲＦＩＤは、通信距離が短く、実用上は、使い勝手の悪いものであった。

また、ＲＦＩＤタグには耐久性への要求も強まっている。適用製品が、半導体パッケージ等の電子部品や射出成形品等の場合、リフローや成形時の加熱、あるいは使用時の発熱に晒されるため、２５０〜３００℃で数秒程度の耐熱性を要するが、このような耐熱性は考慮されていない場合がほとんどである。また、ＲＦＩＤタグはＩＣチップとアンテナをはんだづけ等で機械的に接続する必要があり、そのため使用中に外力によって接続が外れてしまうことがあった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型のＲＦＩＤタグ単体に比べて長い通信距離を実現し、しかも従来のＲＦＩＤタグに比べてアンテナの設置にはんだづけ等の機械的接続が不要なため設置が容易でそのため接続不良の不具合が起こりえず信頼性に優れており、導体として金属線や導電性の糸を用いることが出来て特に導電性の糸は紙、布、軟質の曲がるプラスチックなどに縫うことも可能なため設置場所や設置形状の自由度が高いＲＦＩＤタグを提供することを目的とする。

本発明は、以下のものに関する。
１． ＩＣチップと、このＩＣチップと接続されて電気的閉回路を形成するアンテナと、前記ＩＣチップ及びアンテナを封止する封止材とを有し、全ての辺の長さが前記ＩＣチップの動作波長に比べて１／５０以下である略直方体のＲＦＩＤタグパッケージと、このＲＦＩＤパッケージの外部周辺に、前記ＩＣチップおよび前記アンテナと接続されていない導体が配置されているＲＦＩＤタグ。
２． 項１において、アンテナが単層のコイルであるＲＦＩＤタグ。
３． 項１または２において、導体が銅、アルミニウム、鉄のいずれかを主成分としているＲＦＩＤタグ。
４． 項１から３の何れかにおいて、導体が金属線であるＲＦＩＤタグ。
５． 項１から３の何れかにおいて、導体が導電性の糸であるＲＦＩＤタグ。
６． 項１から５の何れかにおいて、導体の表面が絶縁材料で覆われているＲＦＩＤタグ。
７． 項１から６の何れかにおいて、アンテナが一つの平面上に配置され、導体が前記アンテナが形成されている平面と略同一平面上に配置され、かつ前記アンテナと前記導体との最短距離が２ｍｍ以下であるＲＦＩＤタグ。
８． 項７において、アンテナと導体が絶縁層を隔てて密着しているＲＦＩＤタグ。
９． 項１から８の何れかにおいて、導体のもっとも長い１辺の長さがＩＣチップの動作波長以下、かつ１／８以上であるＲＦＩＤタグ。
１０． 項１から９の何れかにおいて、導体の形状が略直線状もしくは略コの字状もしくは略メアンダライン状であるＲＦＩＤタグ。
１１． 項１から１０の何れかにおいて、導体の中央部付近にＲＦＩＤタグパッケージが配置されているＲＦＩＤタグ。
１２． 項１から１１の何れかにおいて、ＩＣチップの動作周波数が１３．５６ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚの間であるＲＦＩＤタグ。
１３． 項１２において、ＩＣチップの動作周波数が０．８６〜０．９６ＧＨｚの間であるＲＦＩＤタグ。
１４． 項１３において、導体のもっとも長い１辺の長さが１２５ｍｍ以上、かつ１８０ｍｍ以下であるＲＦＩＤタグ。
１５． 項１４において、導体のもっとも長い１辺の長さが１３５ｍｍ以上、かつ１５０ｍｍ以下であるＲＦＩＤタグ。
１６． 項１から１５の何れかにおいて、ＲＦＩＤタグパッケージの外周に沿って導体が１〜４周のコイルを形成しており、前記コイルを形成している部分で導体同士が接触していないＲＦＩＤタグ。
１７． 項１６において、ＩＣチップの動作周波数が０．８６〜０．９６ＧＨｚの間であるＲＦＩＤタグ。
１８． 項１７において、導体のコイルを形成している部分以外の長さの和が１２５ｍｍ以上、かつ１８０ｍｍ以下であるＲＦＩＤタグ。
１９． 項１から８の何れかにおいて、導体がスプリング状であり、ＩＣチップの動作周波数が１３．５６ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚの間であり、ＲＦＩＤタグパッケージがスプリング内に配置されているＲＦＩＤタグであって、前記スプリングの直径がＲＦＩＤタグパッケージのアンテナの最外径の１倍〜３倍の間であり、前記スプリング状の導体は隣接している導体同士で接触しておらず、前記スプリング１周が含まれる略平面に対して前記ＲＦＩＤタグパッケージのアンテナが形成されている平面が略平行になるように前記ＲＦＩＤタグパッケージを配置したＲＦＩＤタグ。
２０． 項１９において、スプリングの直径がＲＦＩＤタグパッケージのアンテナの最外径の１倍〜２倍の間であるＲＦＩＤタグ。
２１． 項１から２０の何れかにおいて、ＲＦＩＤタグパッケージのサイズが、縦４ｍｍ以下×横４ｍｍ以下×高さ１．０ｍｍ以下、または縦２．５ｍｍ以下×横２．５ｍｍ以下×高さ１．０ｍｍ以下であるＲＦＩＤタグ。
２２． 項１から２１の何れかのＲＦＩＤタグと、リーダまたはリーダライタとを有する自動認識システム。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型のＲＦＩＤタグ単体に比べて長い通信距離を実現し、しかも従来のＲＦＩＤタグに比べてアンテナの設置にはんだづけ等の機械的接続が不要なため設置が容易でそのため接続不良の不具合が起こりえず信頼性に優れており、導体として金属線や導電性の糸を用いることが出来て特に導電性の糸は紙、布、軟質の曲がるプラスチックなどに縫うことも可能なため設置場所や設置形状の自由度が高いＲＦＩＤタグを提供することを目的とする。

従来のＲＦＩＤタグの概略図である。 従来のＲＦＩＤタグの概略図である。 本実施形態のＲＦＩＤタグパッケージのアンテナの形状を示す図である。 本実施形態のＲＦＩＤタグパッケージの一例である。 ＩＣチップを接続したコイルアンテナの電気的等価回路を示す図である。 本発明のＲＦＩＤタグの概略図である。 本発明のＲＦＩＤタグの概略図である。 本発明のＲＦＩＤタグの概略図である。 本発明のＲＦＩＤタグの概略図である。

本発明におけるＲＦＩＤタグパッケージとは、ＩＣチップとアンテナをワイヤボンディングなどで接続し、それらを封止材で封止したものをいう。以下にＲＦＩＤタグパッケージの作製方法の一例を示す。
ＲＦＩＤタグパッケージにおける基材は、アンテナやＩＣチップを支持するものである。基材としては、樹脂製のものを使用する。樹脂製の基材としては、リフローや成形時の加熱、あるいは使用時の発熱に晒される時に必要な、２５０〜３００℃で数秒程度の耐熱性と機械的強度を有し、熱膨張係数が小さい材料が好適であり、このようなものとして、ガラスエポキシ、フェノール、ポリイミド等が利用できる。アンテナを低コストでばらつきなく形成するためには、基材の片面に金属箔が貼り合わされた金属箔付き基材を用いて、エッチングによりアンテナを形成することが効果的である。さらにＲＦＩＤタグパッケージの薄型化のためには１０〜５０μｍ程度の薄い基材を用いることが有効である。前記条件を満たす基材として、ポリイミド基材の片面に銅箔が貼り合わされた銅箔付きポリイミド基材（例えば日立化成工業株式会社製 製品名：ＭＣＦ−５０００Ｉ、ポリイミド厚み２５μｍ、銅箔厚み１８μｍ）が利用できる。なお、比誘電率は、紙フェノールが４．６〜７．０程度、ガラスエポキシが４．４〜５．２程度、ポリイミドが３．５程度であり、これらの基材は全て利用できるが、比誘電率が高ければ、インダクタンスが増加するため、アンテナを小型化できる。なお、比誘電率は、紙フェノールやガラスエポキシより小さいが、基材が薄く形成可能で、耐熱性があり、物理的強度が強く、アンテナの形成性も良好な点で、銅箔付きポリイミド基材を用いるのが望ましい。

アンテナは、リーダ等と電磁結合して電力を受け取り、ＩＣチップに伝えて、ＩＣチップを動作させるものである。アンテナは単層でよく、多層化する必要がないので、基材の片面に銅箔を貼り合せた、銅箔付きポリイミド基材の銅箔を用いて形成すると、低コストでばらつきなく形成することができる点で望ましい。

図３に示すように、樹脂製の基材１上の中央部にＩＣチップを３０配置し、このＩＣチップ３０の外周部の基材１の片面にアンテナ２０を配置する。アンテナ２０は、基材１の外周部の長さのとれる領域に配置されるので、アンテナ形状の自由度が拡大し、アンテナ２０のインダクタンスＬとＩＣチップ３０の静電容量Ｃとを含めて形成される電気回路（以下、「ＬＣ共振回路」ということがある。）の共振周波数の調整が容易となる。また、アンテナ２０は、ＩＣチップ３０の外周部に設けられるので、コイルアンテナの場合、コイルの直径が大きくなり、インダクタンスが増加して、通信距離の確保と小型化に有利となる。また、アンテナ２０は、ＩＣチップ３０と接続されて電気的閉回路を形成し、開放端を有しないようにする。ここで、電気的閉回路を形成するとは、アンテナ２０が端部を２箇所有しており、アンテナ２０上の２箇所とＩＣチップ３０の２つの電極（図示しない。）とがそれぞれ接続されていることを意味する。ＩＣチップ３０と接続されて電気的閉回路を形成し、開放端を有しないアンテナの具体例としては、図３のコイルアンテナが挙げられ、これにより、ＲＦＩＤタグパッケージのサイズが小型でも、ＬＣ回路としてアンテナ２０を容易に設計でき、かつ小面積で効率的にインダクタンスを得ることができるため、通信距離を確保するのが有利となる。

アンテナの形状を、図３に示す。アンテナ２０の形状は、アンテナ２０のインダクタンスとＩＣチップ３０の静電容量とを含めて形成される電気回路（ＬＣ共振回路）の共振周波数が、ＩＣチップ３０の動作周波数またはその付近となるように設計する。アンテナ２０の形状としては、コイルアンテナなどが利用できる。ＩＣチップ３０と接続されて電気的閉回路を形成するコイルアンテナは、電気回路をＬＣ共振回路として容易に設計することができ、かつ小面積で効率的にインダクタンスを得ることができるため、小型化することが可能となる点で望ましい。アンテナ２０の設計手法については後述する。またコイルアンテナの場合、巻線コイルを接着剤等で搭載することも可能だが、巻線コイルよりもエッチングで作製するコイルのほうがインダクタンス等の性能が安定しており、また、導線幅／導線間距離が、０．２ｍｍ／０．２ｍｍ〜０．０５ｍｍ／０．０５ｍｍ程度の微細な配線を形成することができるため小型化に有利であり、量産性にも優れているため、エッチング製法のほうが産業上有効である。

また、図３には、ＩＣチップ３０及びワイヤボンディングしたワイヤ４０も図示している。銅箔付きポリイミドの銅箔をエッチングしてアンテナ２０を形成するとき、ＩＣチップ３０を搭載する部分の銅箔も残しておき、ダイパッド（図示しない。）を形成しておくことで、ＩＣチップ３０のワイヤボンディング等の接続の際に剛性を保ち歩留まりが向上する。ＩＣチップ３０を搭載する部分の銅箔の上にダイボンドフィルム（図示しない。）を配置し、その上にＩＣチップ３０を固定する。ＩＣチップ３０は読み取り専用のものでもよいが、情報を書き込めるもののほうが、作業履歴等を随時書き込めるため好適である。その後、ワイヤボンディングによってＩＣチップ３０とアンテナ２０を直接接続する。図３のコイルアンテナ２０では、２箇所のアンテナ端部が、アンテナ２０を間に挟んで位置するが、この間に位置するアンテナ２０を、ワイヤボンディングのワイヤ４０で跨いで、アンテナ端部とＩＣチップ３０とを直接接続することによって、ジャンパー線を設けたり、多層化してスルーホールを介して接続する必要がないため、低コスト化を図ることができる。

アンテナは配線場所を調整することでフリップチップ接続により、アンテナとＩＣチップとを直接接続することが可能になる場合がある。両面銅箔基材等を用いて多層配線すれば必ずフリップチップ接続ができるが、量産性減少、コスト上昇及び配線が封止後に表面に露出してしまう等の理由から片面銅箔基材を用いることが望ましい。両面銅箔基材等を用いて多層配線することで、コイルの直径を小さくすることができるためＲＦＩＤタグパッケージの縦および横の寸法を減らし、小型化を実現できる。但し、この場合は、高さの寸法が若干増加する。また、デメリットとしては量産性減少、コスト上昇及び配線が封止後に表面に露出してしまう等があるため、やはり片面銅箔基材を用いて、単層のコイルアンテナを形成することが望ましい。

図４は、封止材によって封止された後、ダイシング加工によって、略直方体に形成されたＲＦＩＤタグパッケージ８０を示す断面図である。基材１上にてダイパッド９０上に搭載されたＩＣチップ３０、アンテナ２０、ワイヤ４０を、封止材１０を用いて一括して封止することで、それらを保護する。基材１として薄いものを用い、アンテナ２０を基材の片面のみに単層で設けているので、封止後の厚みは、例えば０．２〜１．０ｍｍ程度にすることができる。封止後、ＩＣチップ３０やアンテナ２０やワイヤ４０等の金属配線部分は全て封入されるため、封止材１０の外部からは、まったく触れられない構造となり、環境劣化の観点からも偽造防止の観点からも安全性・信頼性が向上する。

封止材としては、通常半導体で使用されている封止材を使用することができ、比誘電率は２．６〜４．５程度である。ＲＤＩＤタグパッケージ自体の性能を高めるためには、封止材の比誘電率は低いほうが好ましいが、比誘電率が高ければインダクタンスが増加するためアンテナを小型化することができる。

このようにして作製されたＲＦＩＤタグパッケージは、基材が耐熱性１８０℃以上、封止材が耐熱性１５０℃以上であり、ワイヤボンディングを使用しているため、従来のＰＥＴ等にアンテナを形成しているＲＦＩＤタグに比べて耐熱性が高く、高温でも正常に動作する。このため、適用製品が、半導体パッケージ等の電子部品や射出成形品等の場合、リフローや成形時の加熱、あるいは使用時の発熱に晒されるので、２５０〜３００℃で数秒程度の耐熱性を要するが、このような用途にも対応可能である。

以下、アンテナの設計手法について説明する。
アンテナの設計は、アンテナ線の形状、線の太さ、線の長さ、等によって決まる共振周波数を指標とする。この共振周波数を、使用するＩＣチップの動作周波数に近づけることによって、リーダライタからの電力をアンテナが受け取り、ＩＣチップに伝えて、ＩＣチップが動作する。

共振周波数をアンテナの図面から解析的に導出することは一般的に難しい。実際にはアンテナを試作して実験的に測定する方法が採られることが多い。しかし、本発明のＲＦＩＤタグは小型なので、アンテナの試作を手作業で正確に行うことは不可能であり、一方でエッチングマスク作製からエッチングまで行ってアンテナを作製するのは時間もコストもかかってしまう。このため、本発明では、電磁界シミュレータ（アンシス・ジャパン株式会社製シミュレータソフト 製品名：ＨＦＳＳ）を用いてアンテナ設計を行なうが、これにより、時間およびコストを削減することができる。電磁界シミュレータに、アンテナの形状、材質、およびＩＣチップの静電容量等を入力することにより、シミュレーション結果から共振周波数を得る。そして、電磁界シミュレータにより求められる、アンテナのインダクタンスＬとＩＣチップの静電容量Ｃとを含めて形成される電気回路の共振周波数ｆ_０が、ＩＣチップの動作周波数またはその付近であるように、アンテナを設計する。なお、この場合の共振周波数とは、アンテナの両端にＩＣチップを接続した場合の電気的閉回路のインピーダンスの虚数部がゼロとなる周波数のことである。

設計の原理を理解しやすいのはコイルアンテナの両端にＩＣチップを接続した場合の電気的閉回路を考えることであり、単純なＬＣ共振回路と見立てることができる。図３のコイルアンテナの電気的等価回路を、図５に示す。この場合の共振周波数ｆ_０は、コイルアンテナの等価回路であるコイル５０のインダクタンスＬ、ＩＣチップ３０の等価回路であるコンデンサ６０の静電容量Ｃを用いて、次式で表される。

Ｃは使用するＩＣチップ３０の選定によって変えられ、Ｌはコイルアンテナの形状（特にコイルアンテナの直径と巻数）によって調整することができ、その結果、目的の共振周波数ｆ_０を実現することができる。特にＬの調整は有効で、コイルアンテナの直径を大きくしたり、巻数を増やすことでＬが増加し、その結果ｆ_０は減少する。

ＲＦＩＤタグパッケージ（ＩＣチップ）の共振周波数（動作周波数）は、電波法上特に商業的に利用価値が高い１３．５６ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚの範囲とすることが好ましい。ＵＨＦ帯（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｂａｎｄ）の動作周波数０．８６〜０．９６ＧＨｚ付近のＲＦＩＤの場合、電波の波長は３０ｃｍ程度であるが、一方で、ＵＨＦ帯用のＩＣチップの大きさは、通常０．６ｍｍ角以下であるため、オンチップアンテナ方式では、ＩＣチップが正常に動作するようなアンテナを、ＩＣチップ上に形成することは困難である。また、数ｍｍ角程度サイズのＲＦＩＤタグにおいても、従来の設計手法を用いたアンテナでは、１ｍｍ程度の通信距離しか得られなかった。しかし、上記の電磁界シミュレータを用いた設計手法による本発明のＲＦＩＤタグパッケージによれば、従来の数ｃｍ角のアンテナを用いずとも、数ｍｍ角のアンテナでも、ＲＦＩＤタグパッケージが動作するための通信距離を大幅に拡大できるという優れた特長がある。具体的には、略直方体に形成されたＲＦＩＤタグパッケージであって、全ての辺の長さが、ＵＨＦ帯の波長３０ｃｍに対してその１／５０以下である縦４ｍｍ×横４ｍｍ×高さ１．０ｍｍ、または縦２．５ｍｍ×横２．５ｍｍ×高さ１．０ｍｍの大きさのＲＦＩＤタグパッケージにおいて、内部にアンテナが形成されており、通信距離は１０ｍｍ以上である。

ＲＦＩＤタグパッケージは、半導体装置内等に埋め込んで使用することができる。また、両面テープ等でラベルのように商品やサンプルに貼り付けて管理等に利用することができ、商品を販売する際等に容易に取り外すことも可能である。さらに、本発明のＲＦＩＤタグと、リーダ等とを組み合わせることにより、眼鏡や時計あるいは医療用サンプルや半導体等のような小型多品種品であっても、通信距離が長く、作業性のよい自動認識システムを構成することができる。この場合、本発明のＲＦＩＤタグパッケージであれば、通信距離が長いので、汎用のリーダ等と組み合わせて自動認識システムを構成することも可能である。

図６に、本発明のＲＦＩＤタグ８５を示す。ＲＦＩＤタグパッケージ８０の外部周辺には、ＲＦＩＤタグパッケージ８０のアンテナ２０やＩＣチップ３０とは電気的に接続されておらず、表面が絶縁体で覆われている導体１００を配置している。なお導体としては金属の塊、金属の板、金属の線、導電性の糸（金属を含有した糸や、細い金属を通常の糸に織り込んだものを含む）などが含まれるが、小型・軽量・デザイン性という観点から、金属線または金属を含有する糸が良好であるため、本明細書では以降、これらを代表して金属線と言う。図６では金属線１００が外部アンテナとなり、リーダ（図示せず）からの信号を効率よくＲＦＩＤタグパッケージ８０に伝え、結果的に通信距離が向上する。

金属線として、銅またはアルミニウムまたは鉄のいずれかを主成分とする金属線は、安価で透磁率が高く良好な外部アンテナとして働くため好適である。また金属線自身または外部の金属と接触することで外部アンテナとしての性能が減少するため、外部を被覆してある金属線を用いることも有効である。

リーダからの信号を受けることで、金属線には電流が流れる。その電流によって金属線周辺には磁束が発生する。発生した磁束はＲＦＩＤタグパッケージのコイル状アンテナに電流を発生させ、それによりＩＣチップには電圧が印加されて動作する。この原理が活用できるのはＲＦＩＤタグパッケージのアンテナがコイル状のためである。

そのため、ＲＦＩＤタグパッケージのコイル状アンテナが一つの平面上に形成されており、この平面と略同一の平面上に金属線を配置すると、金属線で発生した磁束が多くコイル状アンテナに伝わるため、効率が良く、通信距離が長くなる。ここで、コイル状アンテナが形成されている平面と略同一の平面上に金属線を配置するというのは、コイル状アンテナが形成されている平面と繋がった平面上（連続した平面上）に金属線を配置するというだけでなく、コイル状アンテナが形成されている平面とは不連続な平面上に金属線を配置する場合を含む。つまり、コイル状アンテナが形成されている平面を拡大した仮想平面上に金属線を配置する場合を含む。

同様の理由で、ＲＦＩＤタグパッケージのコイル状アンテナから遠い位置よりも、近接した位置に金属線を配置すると、通信距離が長くなる。特にコイル状アンテナと金属線の最短距離が２ｍｍ以下の場合に効果が大きい。

図７に、外部アンテナとして効率がよい金属線１００の形状を示す。（１）は金属線１００が直線型である。（２）はコの字型である。（３）は折り曲げ箇所を増やしたコの字型である。（４）は折り曲げを緩やかな曲線にしたコの字型である。（５）はメアンダライン型である。（６）はＲＦＩＤタグパッケージ８０の３辺を囲っている直線型であり効率が高めになる。（２）〜（５）についてもＲＦＩＤタグパッケージ８０の３辺を囲うことで効率を上げることが出来る。

金属線の長さは、ＩＣチップの動作波長の半分程度がもっとも好適である。ＩＣチップの動作周波数をｆ_０（Ｈｚ）、光の速度をｃ（ｍ／秒）とすると、ＩＣチップの動作波長λ（ｍ）は次式で示せる。

例えば動作周波数が９５０ＭＨｚの場合、動作波長は３１５．６ｍｍであり、金属線の長さはその半分の１５７．８ｍｍ程度が好適である。

図８に、ＲＦＩＤタグパッケージ８０の外周に沿って金属線１００が１〜４周のコイル状になっているＲＦＩＤタグ８５を示す。ここで、金属線１００がコイル状になっているとは、金属線１００が、略平面上で、直径を徐々に拡大しながら、周回する形状をいい、円形に限らず、三角形や四角形等の多角形、楕円形あるいは星形等の種々の形状を含む。金属線は被覆してあるため重なり合う部分でも電気的に導通しない。このようにコイル状にすると外部アンテナである金属線からＲＦＩＤタグパッケージ内のコイル状アンテナへ非常に効率よくエネルギーが伝送する。従来のＲＦＩＤタグでは外部アンテナはＩＣチップに対し電気的に接続されていなければアンテナで受け取ったエネルギーをＩＣチップに伝えることができない。その点で本発明は外部アンテナである金属線とＩＣチップを電気的に接続せずとも通信できるため、電気的接続の手間を省くことができ、また使用中に断線する心配が無く、外付け・後付けで通信距離が延長できる外部アンテナとして金属線を設置することができる。

また図８のようにＲＦＩＤタグパッケージ８０の位置においてコイルを形成した場合については、コイルを除いた金属線の長さがＩＣチップの動作波長の半分程度であると好適である。この理由は定かではないが、金属線のコイルはＲＦＩＤタグパッケージのコイル状アンテナとのマッチング回路として働き、金属線のコイルを形成している部分以外の部分が外部アンテナとして働いてリーダからの信号を受信しているのではないかと考えている。

図９（１）は金属線１００をスプリング状にした場合である。金属線の長さはＩＣチップの動作波長の半分程度がもっとも好適である。ここで、金属線１００をスプリング状にするとは、金属線１００を棒体に重ならないように巻き付けて得られる形状をいい、円形に限らず、三角形や四角形等の多角形、楕円形あるいは星形等の種々の形状を含む。スプリングの直径は、ＲＦＩＤタグパッケージのコイル状アンテナの最外径の１倍〜３倍の間が好適であり、１倍〜２倍がもっとも好適である。理由として、金属線の長さが同じ場合にスプリングの直径を大きくすると、スプリング内を通過する磁束が減少するためと考えている。金属線は被覆などで電気的に絶縁されており、スプリング状になっても隣接した金属線同士が電気的に接続されることはない。図９（２）および（３）のように、スプリング１周が含まれる略平面に対して、ＲＦＩＤタグパッケージ８０のコイル状アンテナが形成されている面が略平行になるようにＲＦＩＤタグパッケージ８０をスプリング内に配置する。このように配置することで、スプリング状の金属線からの磁束がコイル状アンテナに有効に伝わり、通信距離が伸びることとなる。

ＲＦＩＤタグパッケージを作製する方法はいくつか提案されている。本発明ではＲＦＩＤタグパッケージの作製方法はどのような方法でも構わない。今回はその中の一例を実施した。
樹脂基材として、ポリイミド基材の片面に銅箔を貼り合せた、銅箔付きポリイミド基材（日立化成工業株式会社製 ＭＣＦ−５０００Ｉ、ポリイミド厚み２５μｍ、銅箔厚み１８μｍ）を準備した。この銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図３に示すようなコイルアンテナを、２．５ｍｍ角の範囲内に、導線幅／導線間幅が０．１ｍｍ／０．１ｍｍ、巻数４回で形成した。また、同時にＩＣチップを搭載するダイパッドを形成した。

次に、ＩＣチップとして、大きさが０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×０．１ｍｍ程度、静電容量が０．８ｐＦ、動作周波数が０．８６〜０．９６ＧＨｚ付近のものを用いた。このＩＣチップを、ダイパッド上に、ダイボンディング材を用いて搭載し、ワイヤボンディングにより、アンテナとＩＣチップとを直接接続した。次に、基材の片面上のアンテナとＩＣチップ、ワイヤボンディングのワイヤを含めて、封止材で封止した。最後に、必要なサイズにダイシング加工し、ＲＦＩＤタグパッケージを作製した。これをサンプル１とする。

銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図３に示すようなコイルアンテナを、４ｍｍ角の範囲内に、導線幅／導線間幅が０．２ｍｍ／０．２ｍｍ、巻数３回で形成した。それ以外は、サンプル１と同様にしてＲＦＩＤタグパッケージ８０を作製した。これをサンプル２とする。

以下、読取り評価の方法と実験結果について説明する。
リーダライタはＬＳ産電株式会社製 製品名：ＵＩ−９０６１（出力１Ｗ）を用いた。リーダライタの読取り部を中心として、周囲１ｍ四方に障害物がない状態で、ＲＦＩＤタグ８５およびＲＦＩＤタグパッケージ１１０の読取り評価を行った。リーダライタでＲＦＩＤを読取れる時の、リーダライタ読取り部からＲＦＩＤタグ８５およびＲＦＩＤタグパッケージ１１０までの最大距離を測定した。

（比較例１）
サンプル１およびサンプル２を、そのままリーダで読み取り距離を測定した結果を表１に示す。それぞれ読み取り距離は１８ｍｍ、２７ｍｍであった。

（実施例１）
サンプル１およびサンプル２を用いて、図７（１）のように金属線１００を直線状に配置してその中央部付近にＲＦＩＤタグパッケージ８０を配置した場合の、金属線１００の長さに対する読み取り距離を測定した結果を表２に示す。金属線として金属が直径０．３２ｍｍの被覆銅線を用いた。金属線１００は、ＲＦＩＤタグパッケージ８０のコイル状アンテナが形成されている略面内に、ＲＦＩＤタグパッケージ８０に接して配置した。
表２から、サンプル１では金属線１００の長さが４０ｍｍ以上３２０ｍｍ以下であり、表１に比べて２倍以上の通信距離を実現した。金属線１００の長さはＩＣチップの動作波長３１５．６ｍｍに対して１／８倍以上１倍以下の間である。
さらに、サンプル１およびサンプル２において、金属線１００の長さが１２５ｍｍ以上１８０ｍｍ以下の場合に表１に比べて１０倍以上の通信距離を実現し、金属線１００の長さが１３５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の場合に、表１に比べて２０倍以上の通信距離を実現した。

（比較例２）
金属線の長さをＩＣチップの動作波長の１／８以下である２０ｍｍおよび１０ｍｍにした場合について、実施例１と同様に読み取り距離を測定した結果も表２に示す。表１に比べて通信距離が伸びていない。

※ 表中の「−」は、実施していないことを示す。

（実施例２）
サンプル１を用いて、図７（１）のように金属線１００を直線状に配置してその中央部付近にＲＦＩＤタグパッケージ８０を配置した場合の、ＲＦＩＤタグパッケージ８０と金属線１００との距離に対する読み取り距離を測定した結果を表３に示す。金属線１００として金属が直径０．３２ｍｍ、長さ１４０ｍｍの被覆銅線を用いた。金属線１００は、ＲＦＩＤタグパッケージ８０のコイル状アンテナが形成されている平面と略同一平面内に配置した。
金属線１００は、ＲＦＩＤタグパッケージ８０に近いほうがよく、距離２ｍｍ以下の場合に表１に比べて１０倍以上の通信距離を実現し、密着（距離０ｍｍ）の場合には４０倍以上の通信距離を実現した。

（実施例３）
サンプル１を用いて、金属線１００の中央部付近にＲＦＩＤタグパッケージ８０を密着するように配置し、図７のように金属線１００をいくつかの形状とした場合の読み取り距離を測定した結果を表４に示す。金属線１００として金属が直径０．３２ｍｍ、長さ１４０ｍｍの被覆銅線を用いた。金属線１００は、ＲＦＩＤタグパッケージ８０のコイル状アンテナが形成されている平面と略同一平面内に配置した。
これらの金属線１００の形状に対しては、良好な通信距離を保てることがわかる。

（実施例４）
サンプル１を用いて、金属線１００の中央部付近にＲＦＩＤタグパッケージ８０を密着するように配置し、図８（２）のようにＲＦＩＤタグパッケージ８０を囲うように金属線１００の一部をコイル状に変形した場合の読み取り距離を測定した結果を表５に示す。金属線１００のコイル形状にしていない部分は直線状とした。金属線１００として金属が直径０．３２ｍｍ、長さ１８０ｍｍの被覆銅線を用いた。金属線１００は、ＲＦＩＤタグパッケージ８０のコイル状アンテナが形成されている平面と略同一平面内に配置した。
表５から、金属線１００がコイルを作らない（巻数０回）場合に対して、コイルを作ることで５倍以上の通信距離を実現でき、最大で１７倍以上の通信距離を実現できた。
なおこの場合、コイルを作ることによって金属線１００の端から端までの距離が変化している。表５の場合、１２５ｍｍから１８０ｍｍの間で変化しており、１５０ｍｍ付近で通信距離がピークになっている。コイルを作った場合には通信距離は金属線１００の端から端までの距離に依存することがわかる。

（実施例５）
サンプル１を用い、図９のように金属線１００をスプリング状にした場合の読み取り距離を測定した結果を表６に示す。スプリング１周が含まれる略平面に対して、ＲＦＩＤタグパッケージ８０のコイル状アンテナが形成されている平面を略平行になるようにＲＦＩＤタグパッケージ８０を配置した。金属線１００として金属が直径０．３２ｍｍ、長さ１４０ｍｍの被覆銅線を用いた。
サンプル１のコイル状アンテナの最外径は２．５ｍｍである。よって表６から、スプリングの直径がＲＦＩＤタグパッケージ８０のコイル状アンテナの最外径の３倍の時には、金属線１００がない場合と比べて８倍以上の通信距離となり、コイル状アンテナの最外径の１倍〜２倍では１５倍以上の通信距離を実現している。

（実施例６）
実施例１と同様の実験を、金属線の代わりに、直径２００μｍの紡績糸に直径５０μｍのすずめっき銅線を螺旋状に巻きつけた導電性の糸を用い、読み取り距離を測定した結果を表７に示す。
表７から、導電性の糸の長さが４０ｍｍ以上３２０ｍｍ以下で表１に比べて２倍以上の通信距離を実現した。導電性の糸の長さが１２５ｍｍ以上１８０ｍｍ以下の場合に表１に比べて６倍以上の通信距離を実現し、金属線の長さが１３５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の場合に表１に比べて１５倍以上の通信距離を実現した。

本発明のＲＦＩＤタグは、商品、包装、カード、書類、眼鏡、時計（特に腕時計等小型
のもの）、半導体、医療用途（患者から採取したサンプル等）、ホテル等で使用するリネン類、作業着、屋外で使用する耐候性ラベル、ショッピングカートなどのカゴ車、ガスボンベ等の製品の管理、識別、情報提示、情報記録、偽造防止の目的として使用することができる。

１ 基材
１０ 封止材
２０ アンテナ
３０ ＩＣチップ
４０ ワイヤボンディングのワイヤ
５０ コイル（アンテナ）
６０ コンデンサ（ＩＣチップ）
７０ シミュレーション時に入力するポート
８０ ＲＦＩＤタグパッケージ
８５ ＲＦＩＤタグ
９０ ダイパッド
１００ 金属線（導体）

Claims (15)

1. ＩＣチップと、このＩＣチップと接続されて電気的閉回路を形成するアンテナと、前記ＩＣチップ及びアンテナを封止する封止材とを有し、全ての辺の長さが前記ＩＣチップの動作波長に比べて１／５０以下である略直方体のＲＦＩＤタグパッケージと、
   このＲＦＩＤパッケージの外部周辺に、前記ＩＣチップおよび前記アンテナと電気的に接続されていない導体が配置されているＲＦＩＤタグであって、
   前記導体がスプリング状であり、前記ＲＦＩＤタグパッケージがスプリング内に配置され、
   前記スプリング状の導体は隣接している導体同士で接触しておらず、
   前記スプリング１周が含まれる略平面に対して前記ＲＦＩＤタグパッケージのアンテナが形成されている平面が略平行になるように前記ＲＦＩＤタグパッケージを配置したＲＦＩＤタグ。
2. 請求項１において、アンテナが単層のコイルであるＲＦＩＤタグ。
3. 請求項１または２において、導体が銅、アルミニウム、鉄のいずれかを主成分としているＲＦＩＤタグ。
4. 請求項１から３の何れかにおいて、導体が金属線であるＲＦＩＤタグ。
5. 請求項１から３の何れかにおいて、導体が導電性の糸であるＲＦＩＤタグ。
6. 請求項１から５の何れかにおいて、導体の表面が絶縁材料で覆われているＲＦＩＤタグ。
7. 請求項１から６の何れかにおいて、アンテナと前記導体との最短距離が２ｍｍ以下であるＲＦＩＤタグ。
8. 請求項１から７において、アンテナと導体が絶縁層を隔てて密着しているＲＦＩＤタグ。
9. 請求項１から８の何れかにおいて、導体の中央部付近にＲＦＩＤタグパッケージが配置されているＲＦＩＤタグ。
10. 請求項１から９の何れかにおいて、ＩＣチップの動作周波数が１３．５６ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚの間であるＲＦＩＤタグ。
11. 請求項１から９の何れかにおいて、ＩＣチップの動作周波数が０．８６〜０．９６ＧＨｚの間であるＲＦＩＤタグ。
12. 請求項１から１１の何れかにおいて、スプリングの直径がＲＦＩＤタグパッケージのアンテナの最外径の１倍〜３倍の間であるＲＦＩＤタグ。
13. 請求項１から１２の何れかにおいて、スプリングの直径がＲＦＩＤタグパッケージのアンテナの最外径の１倍〜２倍の間であるＲＦＩＤタグ。
14. 請求項１から１３の何れかにおいて、ＲＦＩＤタグパッケージのサイズが、縦４ｍｍ以下×横４ｍｍ以下×高さ１．０ｍｍ以下、または縦２．５ｍｍ以下×横２．５ｍｍ以下×高さ１．０ｍｍ以下であるＲＦＩＤタグ。
15. 請求項１から１４の何れかのＲＦＩＤタグと、リーダまたはリーダライタとを有する自動認識システム。

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