JP5910883B2

JP5910883B2 - 無線タグ用複合アンテナ

Info

Publication number: JP5910883B2
Application number: JP2012199261A
Authority: JP
Inventors: 純一豊田; 公人小林; 忠則赤木; 和久岩田
Original assignee: 株式会社ワイテックス
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: JP2014057130A

Description

本発明は、無線タグ用アンテナの改良に係り、特に本発明は、使用者が身に着けた無線タグでも、受信処理と応答送信とが確実にできる無線タグ用複合アンテナに関する。

昨今、無線タグ用電磁波の割り当て周波数としては、波長が約３２．６ｃｍ程度でＵＨＦ帯９２０ＭＨｚ程度の電磁波に移行したが、この帯域付近の電磁波を利用した無線タグ用アンテナとしては、例えば特許第４０５０２０６号公報（特許文献１）および特開２００９−１３４７０９号公報（特許文献２）に記載の無線タグ用アンテナが周知である。

上記特許文献１は、メアンダ（蛇行）形状の一対の放射素子の相対向する側の端部に給電して励振させる半波長ダイポールアンテナであって、一方の前記放射素子の給電点近傍と他方の前記放射素子の給電点近傍とを短絡するショートバーを、前記一対の放射素子から連続した線路として設けたダイポールアンテナである。

特許文献２は、その公報中、図２１のように細長い小判形の導体リングの長辺中央に無線タグ用ＩＣチップを介在し、他方の長辺の２箇所には、それぞれ蛇行導体を経て端部導体を左右対称的に接続した上記公報中の段落「０１９６」記載のようなエイリアン・テクノロジー社製のＡＬＮ−９５４０と称するダイポールアンテナの記載が有る。

各特許文献１・２におけるダイポールアンテナをＵＨＦ帯・９２０ＭＨｚ帯域の電磁波に応用したすると、左右一対のダイポールアンテナの長手寸法は、前記蛇行導体形状を適宜選定することで、上記電磁波の１／４波長である８．１５ｃｍ以下に設定できると推測もでき、入退室管理カードとか、個人識別カードや競技者向けの安価なゼッケン等の現用一般的な無線タグ（以下現用一般の無線タグという）に利用できるものと推測てきる。

ところが、これら各特許文献におけるダイポールアンテナは、送受電磁波中の電界波だけを送受信できるアンテナだから、水分を含む生体のように、静電シールド（電界遮蔽）作用が有る通常の使用者が身に着けた無線タグでは、電磁波中の電界波成分のシールド減衰が大きいので、送受信可能距離が極端に短くなり、使い物にならない場所も広範囲となるという根源的で切実な問題点が有る。

また、上記ダイポールアンテナの電磁波中の電界波送受の指向性は、これを搭載した無線タグの肉厚方向にほぼ円形であると推測てき、タグの面方向に対しては、上記電界波の送受減衰が大きいので、特に無線タグを入れた通常の使用者の胸ポケット等の上下方向に対しては、電磁波の送受が著しく困難となり、高所や低所に設置した固定質問器（電磁波発射兼用受信チェック装置）に対する受信処理と送信応答とが著しく困難であるという本質的かつ大きい問題点が有る。

したがって、前記各特許文献１・２のダイポールアンテナを用いた前記現用一般の無線タグの使用者は、例えば入退室その他の管理ゲート等の電磁波発射兼用受信チェック装置を通る度毎に、無線タグを身体から遠ざけ、上記チェック装置の電磁波送受面に対して無線タグを接近または接触させる必要が有るので、面倒かつ、厄介で煩わしいという根源的で切実な問題点が有る。

そこで、無線タグ用アンテナの指向性を少しでも改善して通信可能距離を延ばすために、ダイポールアンテナ両端にループアンテナを接続したり、ダイポールアンテナ両端を幅方向に横切ってループアンテナを重ねた無線タグ用複合アンテナとして、特開２００６−３２４７６６号公報（特許文献３）のような無線タグ用複合アンテナも周知である。

この特許文献３は、アンテナおよびＩＣチップを有し、データを電磁波で送受信可能な無線タグにおいて、１周の長さが１波長のループ構造を少なくとも２つ以上配置した構造または、上記ＩＣチップを接続したダイポールアンテナに１辺の長さが２分の１波長と４分の１波長の長方形の無給電のループアンテナを重ねることで、通信可能距離を延ばせるとした無線タグである。

上記特許文献３における１周の長さが１波長のループ構造を２つ以上配置した無線タグを前記ＵＨＦ帯９２０ＭＨｚ程度で波長が約３２．６ｃｍ程度の電磁波を利用する場合は、１周の長さが上記１波長のループ構造を少なくとも２つ以上配置する必要が有る。

したがって特許文献３では、例えば１辺が８．１５ｃｍ程度の正方形ループアンテナ、または長辺が１０ｃｍ・短辺が６．５ｃｍ程度の長方形のループアンテナを少なくとも２つ配置したアンテナ構造となってしまい、これでは、横幅８．５ｃｍ程度・縦寸法５．４ｃｍ程度の現用一般的な入退室管理カードとか、個人識別カードや競技者向けの安価なゼッケン等の無線タグには、全く利用できないという本質的かつ大きい問題点が有る。

また、前記特許文献３における１辺の長さが２分の１波長と４分の１波長の長方形のループアンテナを配置した無線タグに、前記ＵＨＦ帯９２０ＭＨｚ程度で波長が約３２．６ｃｍ程度の電磁波を利用した場合、上記ループ構造の大きさは、１６．５ｃｍ×８．１５ｃｍのループアンテナ構造となってしまい、これでも横幅８．５ｃｍ程度・縦寸法５．４ｃｍ程度の現用一般的な入退室管理カードとか、個人識別カードや競技者向けの安価なゼッケン等の無線タグには、全く利用できないという根源的で切実な問題点が有る。

さらに上記特許文献３は、ループアンテナによる送受電磁波中の磁界波を前記ダイポールアンテナによる送受電磁波中の電界波に加えて送受信するという技術的な意図が最初から無かったので、この文献３のどの実施例を見ても、ダイポールアンテナの両端部の幅方向にループアンテナを横切って接続または重合している。

したがって、ダイポールアンテナに対するループアンテナの磁界結合が弱く、このループアンテナによる送受電磁波中の磁界波を前記ダイポールアンテナによる送受電磁波中の電界波に加えて送受信できず、通信可能距離を自ずと制限してしまうという本質的かつ大きい問題点が有る。

この特許文献３における無線タグの肉厚方向の指向性は、送受電磁波中の電界波の指向性として、特許文献３の公報図面の図１１から図１３までの各図のように、無線タグの肉厚方向に対して８の字状であり、前記特許文献１のような円形の指向性に対し、特許文献３では、約３ｄＢのレベル改善効果が有るとしている。

ところが、送受電磁波中の磁界波に対する無線タグの肉厚方向の指向性と、送受電磁波中の磁界波に対する無線タグの面方向の指向性とは、それぞれ特許文献３の何処を見ても一切記載無く、示唆すらも無いので、この観点から見ても特許文献３には、送受電磁波中の磁界波に対する技術意図は、最初から無かったものと推測できる。

また、特許文献３における送受電磁波中の電界波に対する無線タグの面方向の指向性は、前に述べた特許文献１のような円形の指向性では無く、特許文献３では上記公報図面の図１１から図１３までの各図のように５〜７ｄＢ減衰しているから、例えば胸ポケットに無線タグを入れた着身者の上下方向に対しては、電磁波の送受が不可能で、胸ポケットよりも高所や低所に設置した固定質問器（電磁波発射兼用受信チェック装置）に対する受信処理と送信応答とが不可能であるという根源的で切実な問題点が有る。

特許第４０５０２０６号公報特開２００９−１３４７０９号公報特開２００６−３２４７６６号公報

本発明は、使用者が身に着けた無線タグでも、受信処理と応答送信とが、かなり離れた場所でも確実にできる無線タグを加工性良く安価に多量提供することを目的とする。

上記した本発明の目的は、平行長辺と短辺とを有する環状導体の一方の長辺に無線タグ用ＩＣチップを介在接続すると共に、他方の長辺をほぼ３等分した二つの給電点にそれぞれ前記各短辺の外側に対称配置した蛇行導体と先端容量装荷導体（以下先端導体という）とを順次直列に接続して半波長ダイポールアンテナを構成する一方、このアンテナに前記給電点を有する長辺を含めて方形のループアンテナの１辺を非接触結合し、またはこの１辺を給電点を有する長辺に導通接続することで、このループアンテナによる送受電磁波中の磁界波を前記ダイポールアンテナによる送受電磁波中の電界波に加えて送受信可能に構成したことで達成できた。

ただし、ループアンテナの前記１辺の幅を他の３辺の幅よりも小さい前記長辺の幅と同等にすることで、前記１辺の電流分布密度を他の３辺の電流分布密度よりも強めてダイポールアンテナに加わるループアンテナの送受電磁波中の磁界波を強めてもよい。

本件出願における請求項１および請求項２の各発明によれば、前記二つの給電点を有する長辺にループアンテナの１辺を非接触結合または導通接続することで、このループアンテナによる送受電磁波中の磁界波を前記ダイポールアンテナによる送受電磁波中の電界波に加えて送受信可能にできたので、水分を含む物体や生体のように、磁気シールド（磁気遮蔽）作用は無く、静電シールド（電界遮蔽）作用が有る通常の使用者が身に着けた無線タグでも、受信処理と応答送信とが、かなり離れた場所で確実にできるという優れた効果を奏し得た。

本発明における請求項３の発明によれば、ループアンテナの前記１辺の幅を他の３辺の幅よりも小さい前記長辺の幅と同等にすることで、この長辺に対してインピーダンス整合特性や共振ポイントを変えずに、前記１辺の電流分布密度を他の３辺の電流分布密度よりも強くでき、ダイポールアンテナに加わるループアンテナの送受電磁波中の磁界波を強めたことで、送受信可能範囲をさらに拡大できるるという効果を付加できた。

本発明による無線タグの一例を示す平面図本発明に用いるダイポールアンテナの例を示す平面図本発明による無線タグの分解斜視図本発明による無線タグの一例を示す斜視図本発明による無線タグの一例を示す裏面図応答可能限界レベルチェックの実行例を示す説明図図６の実行例に用いる無線タグの一例を示す平面図図６の実行例に用いる無線タグの他の例を示す平面図図６の実行例に用いる無線タグのさらに他の例を示す平面図応答可能限界距離の周波数特性チャート応答可能限界距離の指向特性チャート

次に、本発明の実施形態の一例を説明すると、図１・図２のようポリプロピレンなどで作ったほぼ長方形の絶縁フィルムＦの表面に図２のように平行長辺１が短辺２よりも４倍程度長く、幅寸法が１．５ｍｍ程度の環状導体３を現用一般のプリント回路形成手段とか、帯金や金属箔の導電接着などの周知手段で定着すると共に、この環状導体３における一方の長辺１の中央に周知の無線タグ用ＩＣチップ４を同図２のように介在接続する。

一方、他方の長辺１を同図２のようにほぼ３等分した二つの給電点Ｐ・Ｐには、それぞれ前記各短辺２の外側に同図２のように対称的に配置した蛇行導体５と、これら各蛇行導体５のさらに外側に対称配置した板状の先端導体６とを上記図２のように順次直列に接続して左右一対で半波長のダイポールアンテナＤを構成する。

次いで、表面に前記ダイポールアンテナＤを有する前記絶縁フィルムＦの表面を図１・図３のような絶縁性タグ板７の裏面の１辺付近に接着材等で定着し、先端導体６を含めて前記給電点Ｐ・Ｐを有する長辺１の部分における絶縁フィルムＦの裏面にこのフィルムＦを挟み、図１・図３のような長方形のループアンテナＬの１辺Ｌ１を重合定着し、または、上記１辺Ｌ１を長辺１に導通接続した後、他の３辺を前記タグ板７に図１・図４のように接着材等で定着する。

こうすることで、前記ループアンテナＬによる送受電磁波中の磁界波を前記ダイポールアンテナＤによる送受電磁波中の電界波に同相に加えることができ、水分を含む物体や生体のように、磁気シールド作用が無く、静電シールド作用が有る通常の使用者が身に着けた無線タグでも、受信処理と応答送信とが、送受電磁波中の磁界波により、かなり離れた場所で可能な図１・図５のような無線タグ用複合アンテナを有する本発明による無線タグを構成できた。

ただし、前記ループアンテナＬは、周長が送受電磁波の波長（約３２．６ｃｍ）よりも短い方形枠、例えば８６×５４ｍｍ程度の長方形で、３辺の幅が約５ｍｍ程度、前記１辺Ｌ１の幅が給電点Ｐ・Ｐを有する長辺１の幅と同等に帯金や金属箔等で作ったり、板金の打ち抜き加工等で作ったが、このループアンテナＬは、絶縁フィルムＦの裏面を含めてタグ板７の裏面に周知の導電プリントパターン形成手段で形成してもよい。

本発明による無線タグ用複合アンテナは、以上のように前記環状導体３における二つの給電点を有する長辺１にループアンテナＬの１辺を重合して結合したので、このループアンテナによる送受電磁波中の磁界波を前記ダイポールアンテナＤによる送受電磁波中の電界波に加えて送受信可能にでき、磁気シールド作用が無く、静電シールド作用が有る通常の使用者が身に着けた無線タグでも、受信処理と応答送信とが、送受電磁波中の磁界波により、かなり離れた場所でも確実に可能になった。

上記の事実を裏付ける根拠として、現用一般の電磁波発射兼用受信チェック装置に対し、磁気シールド作用が無く、静電シールド作用が有る通常の使用者が身に着けた無線タグ用各種アンテナの応答可能限界送信出力レベル（以下、応答可能限界レベルという）の実測値について以下に説明する。

上記応答可能限界レベルの実測条件としては、図６のように床面１１に置いた高さ１１２０ｍｍの絶縁性の台１２上に、水分を含む生体のように、磁気シールド作用が無く、静電シールド作用が有る通常の使用者が身に付けた無線タグの実測条件に近似させるために、２０リットルの水を入れた現用一般の灯油貯蔵用ポリ容器１３を載置し、この容器の垂直正面に同図６のように前記各種無線タグＭをその中央部が床上高さ１１２０ｍｍの位置に前記各長辺が上下になる方向に着脱可能に定着する。

次いで、上記無線タグＭの表面から４００ｍｍ離れた前記床面１１上に現用一般のワンパッチアンテナ（直線偏波）Ａを上向きに定置すると共に、このアンテナには、送信出力を可変して前記応答可能限界レベルを測定できる現用一般の無線タグ用リーダ／ライタの送受信端子を周知の同軸ケーブルにより接続する。ただし、このリーダ／ライタには、米国のＩｍｐｉｎｊ社製のリーダ／ライタを用いた。

上記の実測条件に基づき、図１のような本発明による無線タグ用複合アンテナの前記応答可能限界レベルを測定した処、この実測値は２３ｄＢｍであった。また図２のような本発明に用いるダイポールアンテナＤの実測値と、前記特許文献２のダイポールアンテナの実測値と、図７のようにループアンテナの前記１辺Ｌ１を本発明に用いるＩＣチップ４を有する長辺１に重合した無線タグの実測値では、これら三者共に応答可能限界レベルは２８ｄＢｍであった。

さらに、図８のように本発明によるダイポールアンテナにおける左右の先端導体６にループアンテナの長辺を特許文献３のように重合した無線タグＭの応答可能限界レベルは３０ｄＢｍであり、図９で示すように本発明による左右の蛇行導体５にループアンテナの長辺を重合した無線タグＭの応答可能限界レベルは２５ｄＢｍであつた。

以上のように、本発明による無線タグ用複合アンテナは、特許文献２のアンテナよりも５ｄＢｍ・本発明によるダイポールアンテナにおける左右の先端導体６に図８のようにループアンテナの長辺を重合したアンテナよりも７ｄＢｍそれぞれ応答可能限界レベルが向上したことが判明した。

次に、８００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ程度の使用周波数に対する各種無線タグ用アンテナの応答可能限界距離の実測値変化（以下、実測値変化という）を図１０に示す周波数特性チャートに基づき説明するが、このチャートにおける縦軸は、上記応答可能限界距離（メートル）を表し、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示す。ただし、使用測定機器は、Ｖｏｙａｎｔｉｃ社製Ｔａｇｆｏｒｍａｎｃｅｌｉｔｅを用いた。

上記応答可能限界距離の実測条件としては、高さ１．５ｍ程度の絶縁性の可動台車上に置いた電磁波送受信水平ダイポールアンテナに対向させた水を入れない前記ポリ容器の垂直正面に各種無線タグを上記アンテナと同方向に一枚ずつ着脱可能に定着し、上記可動台車を動かして上記アンテナ電磁波放射面から無線タグの表面までの距離を測定した。

その結果、前記図１０における上部点線曲線は、前記図２に示す本発明に用いるダイポールアンテナの実測値変化であり、図１０における上部実線曲線は、図１に示すような本発明による無線タグ用複合アンテナの実測値変化であるが、９２０ＭＨｚ付近の応答可能限界距離は、両者共に１２ｍ程度で大差は無く、各アンテナ共に主として送受電磁波中の電界波による応答可能限界距離であると推測できる。

また、磁気シールド作用が無く、静電シールド作用が有る普通の水を入れた状態の前記ポリ容器の垂直正面に定着した前記図２に示す本発明に用いるダイポールアンテナの実測値変化は、前記図１０の下方における破線曲線の通りであり、これと同様に水を入れた状態のポリ容器の垂直正面に定着した図１に示すような本発明による無線タグ用複合アンテナの実測値変化は、同図１０における下部実線曲線の通りである。

此処で、上記両アンテナの９２０ＭＨｚ付近の応答可能限界距離を対比すると、図２に示す本発明に用いるダイポールアンテナの応答可能限界距離は、３．２ｍであり、図１に示すような本発明による無線タグ用複合アンテナの応答可能限界距離は、約５．７ｍであり、したがって上記ダイポールアンテナよりも、本発明による無線タグ用複合アンテナの方が１．７８倍遠い距離まで応答可能だから、水を入れた前記ポリ容器を用いた実測値データは、各アンテナ共に主として送受電磁波中の磁界波による応答可能限界距離であると推測できる。

次に、９２０ＭＨｚにおける各種無線タグ用アンテナの応答可能限界距離に関する指向特性の実測値変化（以下、実測値変化という）を図１１に示す指向特性チャートに基づき説明するが、このチャートにおける円周方向目盛は、電磁波発射兼用受信チェック装置における送受信アンテナに対する無線タグの表面角度、放射線方向の目盛は、応答可能限界距離をそれぞれ示す。

上記応答可能限界距離の実測条件としては、高さ１．５ｍ程度の絶縁台上に設けた水平ダイポールアンテナによるテスト用送受信アンテナ（以下、テストアンテナという）に対して、先ず、可動台車上のターンテーブルに置いた水を入れない前記ポリ容器の垂直正面を対向させる。

次いで、上記垂直正面に各種無線タグをそのアンテナが前記テストアンテナと同方向に向けて一枚ずつ着脱可能に定着し、上記可動台車とターンテーブルを交互に動かして、上記テストアンテナ電磁波放射面に対する無線タグ表面の角度と、この角度の変化に対する上記電磁波放射面から無線タグの表面までの距離を測定することで、各種無線タグの指向特性と、応答可能限界距離とを実測した。

その結果として、前記図１１における外側点線曲線は、前記図２に示す本発明に用いるダイポールアンテナの実測値変化であり、図１１における外側実線曲線は、図１に示すような本発明による無線タグ用複合アンテナの指向特性実測値変化であるが、前記テストアンテナに正面で対向した無線タグは、上記両者共に１２ｍ程度で大差は無く、上記アンテナに背面で対向した無線タグは、両者共に１０ｍ程度で、正面で対向したときよりも約２ｍ短くなっているから、水を入れない前記ポリ容器を用いた実測値データは、各アンテナ共に主として送受電磁波中の電界波による応答可能限界距離であると推測できる。

また、磁気シールド作用が無く、静電シールド作用が有る普通の水を入れた状態の前記ポリ容器の垂直正面に定着した前記図２に示す本発明に用いるダイポールアンテナの実測値変化は、前記図１１の中央寄り破線曲線の通りの８の字状指向特性であり、これと同様に水を入れた状態のポリ容器の垂直正面に定着した図１に示すような本発明による無線タグ用複合アンテナの実測値変化は、同図１１における中央寄り実線曲線の通りの８の字状指向特性となっている。

此処で、上記両アンテナの指向特性と、応答可能限界距離を対比すると、前記テストアンテナに正面および背面で対向するダイポールアンテナの応答可能限界距離は、約４ｍであり、前記テストアンテナに正面および背面で対向する本発明による無線タグ用複合アンテナの応答可能限界距離は、約６ｍであり、したがって、これらの事柄からも上記ダイポールアンテナよりも、本発明による無線タグ用複合アンテナの方が約１．５倍遠い距離まで応答可能だから、水を入れた前記ポリ容器を用いた実測値データは、各アンテナ共に主として送受電磁波中の磁界波による応答可能限界距離であると推測できる。

Ｆ…絶縁フィルム
１…長辺
２…短辺
３…環状導体
４…ＩＣチップ
５…蛇行導体
６…先端導体
７…タグ板
Ｐ…給電点
Ｄ…ダイポールアンテナ
Ｌ…ループアンテナ

Claims

平行長辺と短辺とを有する環状導体の一方の長辺に無線タグ用ＩＣチップを介在接続すると共に、他方の長辺をほぼ３等分した二つの給電点にそれぞれ前記各短辺の外側に対称配置した蛇行導体と先端容量装荷導体とを順次直列に接続して半波長ダイポールアンテナを構成する一方、このアンテナに前記給電点を有する長辺を含めて方形のループアンテナの１辺を非接触結合させることで、このループアンテナによる送受電磁波中の磁界波を前記ダイポールアンテナによる送受電磁波中の電界波に加えて送受信可能に構成した無線タグ用複合アンテナ。
平行長辺と短辺とを有する環状導体の一方の長辺に無線タグ用ＩＣチップを介在接続すると共に、他方の長辺をほぼ３等分した二つの給電点にそれぞれ前記各短辺の外側に対称配置した蛇行導体と先端容量装荷導体とを順次直列に接続して半波長ダイポールアンテナを構成する一方、前記給電点を有する長辺に方形のループアンテナの１辺を導通接続することで、このループアンテナによる送受電磁波中の磁界波を前記ダイポールアンテナによる送受電磁波中の電界波に加えて送受信可能に構成した無線タグ用複合アンテナ。
ループアンテナの前記１辺の幅を他の３辺の幅よりも小さい長辺の幅と同等にすることで、前記１辺の電流密度を他の３辺の電流密度よりも強めてダイポールアンテナに加わるループアンテナの送受電磁波中の磁界波を強めたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線タグ用複合アンテナ。