JP6658975B1 - 無線通信デバイス - Google Patents
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Abstract
無線通信デバイスの一例であるＲＦＩＤタグ（１０２）は、通信信号を送受信するための無線通信デバイスである。ＲＦＩＤタグ（１０２）は、基材（１）と、基材（１）に形成されたアンテナパターン（２Ａ，２Ｂ）と、アンテナパターン（２Ａ，２Ｂ）に接続された、給電回路であるＲＦＩＣパッケージ（３）と、を備える。アンテナパターン（２Ａ，２Ｂ）は、通信信号の周波数での共振周波数より高い高調波共振の周波数で電流の強い高調波電流集中箇所の線幅が他の箇所の線幅より細い。この構造により、食品などに付されて、食品加熱用の高周波電力を受ける状況でも、発火や燃焼を防止できる。
Description
本発明は、アンテナを備えた無線通信デバイス、特に、誘導電磁界又は電磁波を介して、近距離通信を行うＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグ等の無線通信デバイスに関する。
無線通信デバイスの一形態であるＲＦＩＤタグは、リーダー・ライターとの通信を行って、所定の情報の読み書きが非接触で行われるため、様々な場面で利用される。例えば、全ての商品にＲＦＩＤタグを貼付しておくことにより、所謂セルフレジがスムースに行われる。また、トレーサビリティの確保やマーケティング等、販売・物流状況管理が円滑に行われる。
一方、コンビニエンスストアやスーパーマーケットなどの販売店においては多種多様な商品が取り扱われており、商品としての食料品の中には、商品購入の直後に商品を温めて持ち帰ったり、購入者がその場で直ぐに飲食したりする場合がある。例えば弁当や総菜は、販売店において電磁波加熱装置、所謂「電子レンジ」を用いて加熱される場合がある。
ところが、ＲＦＩＤタグが付された商品を電子レンジで加熱すると、次のような不具合が生じる場合がある。
ＲＦＩＤタグの通信信号の周波数としては、135kHz以下のLF帯、13.56MHz等のHF帯、860MHz〜960MHz帯などのUHF帯、2.45GHz等のマイクロ波帯が主に使用されるが、現在、食品に貼付されるタイプのＲＦＩＤタグはUHF帯を利用するＲＦＩＤタグである。UHF帯を利用するＲＦＩＤタグは、ＲＦＩＣ（Radio-Frequency Integrated Circuit）素子と共に、金属膜体であるアンテナパターンなどの金属材料が紙や樹脂等の基材上に形成されている。
このようなＲＦＩＤタグが付された商品が電子レンジで加熱されると、商品と共にＲＦＩＤタグに電子レンジからの電磁波のエネルギーが吸収される。これにより、
・上記金属材料部分において電界強度が高くなる箇所での放電
・金属材料部分に過電流が流れることによる金属材料の発熱・昇華
・ＲＦＩＤタグの基材の発熱
等によってＲＦＩＤタグ又はＲＦＩＤタグが貼付された商品部分が発火するおそれがある。特に、コンビニエンスストアに設置されている電子レンジは３ｋＷ程度の大出力の電磁波が庫内に放射されて、加熱開始直後にＲＦＩＤタグが一気に加熱されるので、条件が揃えば上記発火のおそれも高いといえる。
・上記金属材料部分において電界強度が高くなる箇所での放電
・金属材料部分に過電流が流れることによる金属材料の発熱・昇華
・ＲＦＩＤタグの基材の発熱
等によってＲＦＩＤタグ又はＲＦＩＤタグが貼付された商品部分が発火するおそれがある。特に、コンビニエンスストアに設置されている電子レンジは３ｋＷ程度の大出力の電磁波が庫内に放射されて、加熱開始直後にＲＦＩＤタグが一気に加熱されるので、条件が揃えば上記発火のおそれも高いといえる。
上記のような「ＲＦＩＤタグ」における発火の危険性を少なくすることを目的として、「難燃性タグ」の構成が提案されている（特許文献１参照）。
特許文献１に開示された「難燃性タグ」は、ＩＣチップ及びアンテナパターンが実装される基材を難燃性材料で構成したものである。このため、基材の燃焼は抑制される。しかし、基材上に形成された金属材料部分においては時間的に連続して放電する可能性が高く、基材が発火する危険性や商品に引火する可能性を確実に防止できる構成ではない。
本発明の目的は、食品などに付されて、食品加熱用の高周波電力を受ける状況でも、発火や燃焼を防止することのできる無線通信デバイスを提供することにある。
本発明の一態様の無線通信デバイスは、通信信号を送受信するための無線通信デバイスであって、基材と、前記基材に形成されたアンテナパターンと、前記アンテナパターンに接続された給電回路と、を備え、前記アンテナパターンは、前記通信信号の周波数での共振周波数より高い高調波共振の周波数で電流の強い高調波電流集中箇所の線幅が他の箇所の線幅より細い、ことを特徴とする。
上記構造によれば、通信信号の周波数が電磁波加熱用のマイクロ波の周波数より低い場合に、無線通信デバイスは電磁波加熱用のマイクロ波で高調波共振する。したがって、無線通信デバイスが電磁波加熱用のマイクロ波を受けると、ジュール熱により上記高調波電流集中箇所で集中的に発熱する。しかも、この高調波電流集中箇所は線幅の細い部分（以下「狭幅部」）であるので、アンテナパターンの狭幅部もしくはアンテナパターンの狭幅部が配された基材が昇温によって融解して溶断するか、昇華によって切断される。つまり、アンテナパターンは狭幅部で分離される。狭幅部でアンテナパターンが分離されると、アンテナパターンはもはや上記電磁波加熱用のマイクロ波では共振（高調波共振）しないので、アンテナパターンの発熱は持続されず、高調波共振による温度上昇は停止される。そのため、無線通信デバイス又は無線通信デバイスが貼付された商品部分の発火が防止される。
本発明によれば、食品などに付されて、食品加熱用の高周波電力を受ける状況でも、発火や燃焼を防止することのできる無線通信デバイスが得られる。
まず、本発明に係る無線通信デバイスにおける各種態様の構成について記載する。
本発明に係る第１の態様の無線通信デバイスは、通信信号を送受信するための無線通信デバイスであって、基材と、前記基材に形成されたアンテナパターンと、前記アンテナパターンに接続されたＲＦＩＣ素子と、を備え、前記アンテナパターンは、前記通信信号の周波数での共振周波数より高い高調波共振の周波数で電流の強い高調波電流集中箇所の線幅が他の箇所の線幅より細い。
上記のように構成された第１の態様の無線通信デバイスは、例えば電子レンジの庫内でマイクロ波の照射を受けると、無線通信デバイスの各部がマイクロ波加熱されるが、アンテナパターンが、その所定箇所で速やかに切断されて、アンテナパターンの発熱に起因する発火が防止される。
本発明に係る第２の態様の無線通信デバイスでは、前記アンテナパターンは、給電端に前記給電回路が接続され、先端が開放端であるダイポール型の電界アンテナを構成するパターンであり、前記高調波電流集中箇所は、前記給電端から前記開放端までの途中にある。
本発明に係る第３の態様の無線通信デバイスでは、前記通信信号の周波数での共振は給電端から開放端までにおいて１／４波長共振であり、前記高調波共振は給電端から開放端までにおいて１／２波長共振である。
本発明に係る第４の態様の無線通信デバイスでは、前記通信信号の周波数での共振は給電端から開放端までにおいて３／４波長共振であり、前記高調波共振は給電端から開放端までにおいて１波長共振である。
本発明に係る第５の態様の無線通信デバイスでは、前記アンテナパターンはミアンダライン状である。
本発明に係る第６の態様の無線通信デバイスでは、前記通信信号の周波数はUHF帯の周波数であり、前記高調波共振の周波数は2.4GHz以上2.5GHz以下の周波数である。
無線通信デバイスが付された商品を販売するコンビニエンスストアやスーパーマーケットでは、食品、日用雑貨品などの多種多様な商品が取り扱われる。近年、コンビニエンスストアに関して、購入した商品の会計、及び袋詰めを自動化する「無人コンビニエンスストア」の実用化に向けて、各種実験が行われている。
「無人コンビニエンスストア」における商品会計の自動化のために、無線通信デバイスである「ＲＦＩＤタグ」を全ての商品に付して対応することが考えられている。「無人コンビニエンスストア」においては、「ＲＦＩＤタグ」が付された商品を収容した買い物カゴが精算台に置かれると、「ＲＦＩＤタグ」からの情報が読み取られて商品代金が表示されるシステムである。購入者は、商品代金としての現金を現金投入口に投入するか、クレジットカードを差し込んで支払いを済ませて、自動的に買い物袋に詰められた商品を受け取ることにより、「無人コンビニエンスストア」における商品の購入を完了することができる。
以下、本発明に係る無線通信デバイスの具体的な例示としての実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。本発明に係る無線通信デバイスが付される商品としては、所謂「コンビニエンスストア」や「スーパーマーケット」などの販売店において取り扱われる全ての商品が対象である。
なお、以下の実施形態において説明する電磁波加熱装置としては、誘電加熱を行う所謂「電子レンジ」で説明するが、本発明おける電磁波加熱装置としては誘電加熱を行う機能を有する加熱装置が対象となる。また、以下の実施形態では、上記商品に付されるＲＦＩＤタグを無線通信デバイスの一例として説明する。
以降、本発明を実施するための複数の形態を順次示す。各実施形態で参照する各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明又は理解の容易性を考慮して、実施形態を説明の便宜上分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせは可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する場合がある。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るＲＦＩＤタグ１０１の平面図であり、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）はＲＦＩＤタグ１０１のアンテナパターンに流れる電流の強度分布を示す図である。さらに、図１（Ｄ）はアンテナパターンの、融解による溶断、又は昇華による切断の後の状態を示すＲＦＩＤタグの平面図である。
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るＲＦＩＤタグ１０１の平面図であり、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）はＲＦＩＤタグ１０１のアンテナパターンに流れる電流の強度分布を示す図である。さらに、図１（Ｄ）はアンテナパターンの、融解による溶断、又は昇華による切断の後の状態を示すＲＦＩＤタグの平面図である。
図１（Ａ）に示すように、ＲＦＩＤタグ１０１は、絶縁体又は誘電体の基材１と、この基材１に形成されたアンテナパターン２Ａ，２Ｂと、アンテナパターン２Ａ，２Ｂに対して給電する給電回路９０とを備える。
本実施形態のＲＦＩＤタグ１０１は、UHF帯の通信信号の周波数（キャリア周波数）を含む高周波信号で無線通信（送受信）するよう構成されている。UHF帯とは、860MHzから960MHzの周波数帯域である。ここで、UHF帯の通信信号の周波数は本発明における「通信信号の周波数」の一例である。
給電回路９０は、例えば後に例示するＲＦＩＣ素子やＲＦＩＣパッケージ等である。本実施形態のＲＦＩＤタグ１０１において、基材１として、可撓性を有するフィルム材料又は難燃性のフィルム材料が用いられる。基材１の平面視での外形は矩形状である。また、基材１が難燃性ではない通常のフィルム材料の場合は、基材１の厚みを３８μｍ以下の薄さにしてもよい。これにより、基材１は、燃焼するまでに溶けて変形するので、基材形状を保てないようにすることができる。
基材１に難燃性フィルムを採用する場合、用いられる難燃性フィルム材料としては、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂などの樹脂材料にハロゲン系難燃材料の添加や、難燃性コーティング材料を塗工したフィルムが用いられる。また、基材１の材料としては、耐熱性を有するＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂などの耐熱性、耐加水分解性、耐薬品性の面で高機能を有する樹脂材料を用いることも可能である。なお、基材１には必ずしも難燃性材料が必要なわけではなく、例えば紙材により構成することも可能である。
基材１の表面には、アルミニウム箔、銅箔などの導電材料の膜体によるアンテナパターン２Ａ，２Ｂが形成されている。また、基材１の表面に形成されたアンテナパターン２Ａ，２Ｂには給電回路９０が電気的に接続されている。
図１（Ａ）に示すように、アンテナパターン２Ａ，２Ｂは、給電回路９０から互いに反対方向にそれぞれ延伸されている。
図１（Ｂ）に示す電流の波形は、第１アンテナパターン２Ａ及び第２アンテナパターン２Ｂに、給電端から開放端までにおいてそれぞれ１／４波長の定在波が生じる基本波共振での電流分布を示している。ＲＦＩＤタグ１０１は、通信信号の周波数でこのように基本波共振する。このように、本実施形態のＲＦＩＤタグ１０１のアンテナパターン２Ａ，２Ｂは、ＲＦＩＤタグとしての通信時にダイポール型の電界アンテナとして作用する。
図１（Ｃ）に示す電流の波形は、第１アンテナパターン２Ａ及び第２アンテナパターン２Ｂに、給電端から開放端までにおいてそれぞれ１／２波長の定在波が生じる高調波共振での電流分布を示している。ＲＦＩＤタグ１０１は電磁波加熱用のマイクロ波の周波数でこのように高調波共振する。
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）に表れているように、第１アンテナパターン２Ａと第２アンテナパターン２Ｂの線幅は、給電回路９０の接続端ＦＥから開放端ＯＥまで一定ではなく、途中に線幅の狭い狭幅部ＮＰを有する。つまり、アンテナパターン２Ａ，２Ｂは、給電回路９０の接続端ＦＥから狭幅部ＮＰまでに第１広幅部ＷＰ１、狭幅部ＮＰから開放端ＯＥまでに第２広幅部ＷＰ２をそれぞれ有する。
ＲＦＩＤタグ１０１がリーダー・ライターと通信する状態では、図１（Ｂ）に示すように基本波共振の電流が分布する。この通信状態では狭幅部ＮＰへの電流集中が強くないので、線幅が細いことによる損失は殆どなく、アンテナ効率の低下は殆どない。
一方、電磁波加熱用のマイクロ波が照射される状態では、このマイクロ波でアンテナパターン２Ａ，２Ｂは高調波共振し、図１（Ｃ）に示すような高調波電流が流れる。この状態で、狭幅部ＮＰは、図１（Ｃ）に示すように、上記高調波共振の周波数で電流の強い高調波電流集中箇所である。しかも、この「高調波電流集中箇所」は狭幅部ＮＰであるので、狭幅部ＮＰの電流は第１広幅部ＷＰ１及び第２広幅部ＷＰ２より尚更強い。そのため、電磁波加熱用マイクロ波のエネルギーは狭幅部ＮＰに集中する。つまり、電磁波加熱用マイクロ波のエネルギーは狭幅部ＮＰで集中的に消費され、狭幅部ＮＰはジュール熱によって昇温する。狭幅部ＮＰの温度が或るしきい値を超えると、狭幅部ＮＰは融解して溶断するか、昇華によって切断される。つまり、高調波電流の電流が強い狭幅部ＮＰは、電磁波加熱用マイクロ波に対する「ヒューズ」のように作用する。
上記広幅部ＷＰ１，ＷＰ２、狭幅部ＮＰの線幅の関係は、広幅部が300μｍ以上、狭幅部が150μｍ以下の様に、アンテナパターン２Ａ，２Ｂの狭幅部に対する広幅部の断面積比（広幅部断面積／狭幅部断面積）が２を超える関係であることが好ましい。このことは以降に示す別の実施形態においても同様である。
図１（Ｄ）に示したように、アンテナパターン２Ａ，２Ｂが狭幅部ＮＰで分離されると、アンテナパターン２Ａ，２Ｂの第２広幅部ＷＰ２は孤立するので、アンテナパターン（放射素子）としては作用しなくなり、アンテナパターン２Ａ，２Ｂの実効線長は短くなる。この状態では図１（Ｃ）に示した高調波共振は成り立たなくなり、電磁波加熱用マイクロ波の照射が続いても、アンテナパターン２Ａ，２Ｂに上記高調波電流が流れず、昇温は停止し、発火には至らない。
以上に示した例では、アンテナパターン２Ａ，２Ｂの狭幅部ＮＰ自身が融解して溶断するか、昇華によって切断される例を示したが、狭幅部ＮＰの付近の基材１が狭幅部ＮＰの昇温により、融解や昇華し、その結果としてアンテナパターン２Ａ，２Ｂが狭幅部ＮＰで分離されてもよい。
以上に示した例では、アンテナパターン２Ａ，２Ｂが通信信号の周波数で１／４波長で基本波共振し、電磁波加熱用周波数で１／２波長で高調波共振（２次高調波共振）する例を取り上げたが、次に例示するように、通信信号の周波数での共振モードと電磁波加熱用周波数での共振モードにはその他の組み合わせもある。
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）は、通信信号の周波数での共振モード又は電磁波加熱用マイクロ波の周波数での共振モードの例を電流分布及び電圧分布で示す図である。図２（Ａ）で示す共振モードは、図１（Ｂ）で既に示した共振モードであり、共振周波数ｆｏにて、給電端から開放端までにおいて１／４波長で基本波共振する。図２（Ｂ）で示す共振モードは共振周波数２ｆｏにて、給電端から開放端までにおいて１／２波長で高調波共振する。図２（Ｃ）で示す共振モードは、図１（Ｃ）で既に示した共振モードであり、共振周波数３ｆｏにて、給電端から開放端までにおいて３／４波長で高調波共振する。図２（Ｄ）で示す共振モードでは、共振周波数４ｆｏにて、給電端から開放端までにおいて１波長で高調波共振する。なお、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）において、電流分布及び電圧分布の振幅方向は正規化して表している。このことは以降に示す電流分布及び電圧分布についても同様である。
電磁波加熱用マイクロ波の周波数で、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）に示すような高次の共振モードが生じる条件では、アンテナパターン２Ａ，２Ｂ上で、電流密度の高い高電流密度領域ＨＣが生じる。図２（Ｂ）において、アンテナパターン２Ａ，２Ｂ上で、電流の強い高電流密度領域ＨＣを狭幅部とした例は、図１（Ｃ）において既に示した。これと同様に、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）に示したような高調波共振のモードについても、高電流密度領域ＨＣを狭幅部とすればよい。
《第２の実施形態》
第２の実施形態では、ミアンダライン状のアンテナパターンを備えるＲＦＩＤタグについて示す。
第２の実施形態では、ミアンダライン状のアンテナパターンを備えるＲＦＩＤタグについて示す。
まず、基本共振と高調波共振について、ミアンダライン状のアンテナパターンを備えるＲＦＩＤタグと、第１の実施形態で示したような直線状のアンテナパターンを備えるＲＦＩＤとの違いについて述べる。
図９は、ミアンダライン状のアンテナパターン２Ａ，２Ｂを備える従来のＲＦＩＤタグのアンテナパターンの例を示す平面図である。図９には、導体パターンのインダクタンス成分Ｌと、隣接する導体パターン間の容量成分Ｃを表している。アンテナを小型化する手法としてアンテナパターンをミアンダライン状にすることは一般的であるが、このアンテナパターン２Ａ，２Ｂの基本波共振と高調波共振とでは、アンテナパターンをミアンダライン状にすることの効果が異なる。つまり、アンテナパターンをミアンダライン状にすると、導体パターン同士の隣接によって、上記インダクタンス成分Ｌも容量成分Ｃも増大して、共振周波数は低域にシフトする。ただし、基本波共振では電流電圧の最大点が一箇所生じるだけであるが、高調波共振では電流電圧の最大点が複数箇所に生じる。そのため、高調波共振は基本波共振に比べて、インダクタンス成分Ｌ及び容量成分Ｃの影響を大きく受ける。したがって、高調波共振は基本波共振に比べて、上記ミアンダライン状にすることによる共振周波数の低域シフト量が大きい。例えばアンテナパターン２Ａ，２Ｂが860MHzから960MHzのUHF帯の通信信号の周波数で基本波共振し、電磁波加熱用周波数2.45GHzで高調波共振（２次高調波共振）する、という条件になりやすい。
図３（Ａ）は第２の実施形態に係るＲＦＩＤタグ１０２の平面図であり、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）はＲＦＩＤタグ１０２のアンテナパターンに流れる電流の強度分布を示す図である。また、図１０は比較例としてのＲＦＩＤタグの平面図である。
図３（Ａ）に示すように、ＲＦＩＤタグ１０２は、絶縁体又は誘電体の基材１と、この基材１に形成されたアンテナパターン２Ａ，２Ｂと、アンテナパターン２Ａ，２Ｂに接続されたＲＦＩＣパッケージ３とを備える。
図４は、ＲＦＩＤタグが付された商品の一例を示す図であり、ＲＦＩＤタグ１０２が付された弁当２０１の斜視図である。
本実施形態のＲＦＩＤタグ１０２は、UHF帯の通信信号の周波数（キャリア周波数）を含む高周波信号で無線通信（送受信）するよう構成されている。UHF帯とは、860MHzから960MHzの周波数帯域である。ここで、UHF帯の通信信号の周波数は本発明における「通信信号の周波数」の一例である。
基材１の表面には、アルミニウム箔、銅箔などの導電材料の膜体によるアンテナパターン２Ａ，２Ｂが形成されている。また、基材１の表面に形成されたアンテナパターン２Ａ，２Ｂには、ＲＦＩＣパッケージ３が実装されており、ＲＦＩＣパッケージ３とアンテナパターン２Ａ，２Ｂとが電気的に接続されている。なお、「電気的に接続」とは、高周波信号が伝達され、動作可能なように互いが接続あるいは結合されていることを意味し、直流的、直接的に接続されていることに限定されるものではない。
図３（Ａ）に示すように、アンテナパターン２Ａ，２Ｂはミアンダライン状であり、ＲＦＩＣパッケージ３が実装される第１ランドパターン６ａから複数の折り返し部ＦＰを有して蛇行するミアンダライン状の第１アンテナパターン２Ａ、及びＲＦＩＣパッケージ３が実装される第２ランドパターン６ｂから複数の折り返し部分を有して蛇行するミアンダライン状の第２アンテナパターン２Ｂがそれぞれ延設されて構成されている。つまり、第１ランドパターン６ａからミアンダライン状の第１アンテナパターン２Ａが、基材１における長手方向の一方端に向かって（−Ｘ方向に）延設されている。また、第２ランドパターン６ｂからミアンダライン状の第２アンテナパターン２Ｂが、基材１における長手方向の他方端に向かって（＋Ｘ方向に）延設されている。
上記構成により、アンテナパターン２Ａ，２Ｂは、ダイポール型の電界アンテナとして作用する。
アンテナパターン２Ａ，２Ｂの折り返し部ＦＰとは、アンテナパターン２Ａ，２Ｂの延びる方向が反転する箇所である。アンテナパターン２Ａ，２Ｂは折り返し部ＦＰで折り返されることによって、互いに対向する導体パターンＯＰを含む。
上述のとおり、アンテナパターン２Ａ，２Ｂとしてはアルミニウム電極や銅電極など導電率の高い金属材料である。なお、アンテナパターン２Ａ，２Ｂとして、金属材料以外でカーボン系の材料を用いてもよい。
図３（Ａ）に表れているように、第１アンテナパターン２Ａと第２アンテナパターン２Ｂの線幅は、ＲＦＩＣパッケージ３の接続端ＦＥから開放端ＯＥまで一定ではなく、途中に線幅の狭い狭幅部ＮＰを有する。つまり、アンテナパターン２Ａ，２Ｂは、ＲＦＩＣパッケージ３の接続端ＦＥから狭幅部ＮＰまでに第１広幅部ＷＰ１、狭幅部ＮＰから開放端ＯＥまでに第２広幅部ＷＰ２をそれぞれ有する。このように、狭幅部ＮＰ及び広幅部ＷＰ１，ＷＰ２を備える点で、図１０に示した比較例としてのＲＦＩＤタグとは異なる。
ＲＦＩＤタグ１０２がリーダー・ライターと通信する状態では、図３（Ｂ）に示すように基本波共振の電流が分布する。この通信状態では狭幅部ＮＰへの電流集中が強くないので、線幅が細いことによる損失は殆どない。むしろ、電流の強い第１広幅部ＷＰ１の線幅が太いことにより、低損失化が図れる。
一方、電磁波加熱用のマイクロ波が照射される状態では、このマイクロ波でアンテナパターン２Ａ，２Ｂは高調波共振し、図３（Ｃ）に示す高調波電流が流れる。この状態で、狭幅部ＮＰは、図３（Ａ）、図３（Ｃ）に示すように、上記高調波共振の周波数で電流の強い高調波電流集中箇所である。しかも、この「高調波電流集中箇所」は狭幅部ＮＰであるので、狭幅部ＮＰの電流は第１広幅部ＷＰ１及び第２広幅部ＷＰ２より尚更強い。そのため、第１の実施形態で示したＲＦＩＤタグ１０１と同様に、電磁波加熱用マイクロ波のエネルギーは狭幅部ＮＰに集中する。つまり、電磁波加熱用マイクロ波のエネルギーは狭幅部ＮＰで集中的に消費され、狭幅部ＮＰはジュール熱によって昇温する。狭幅部ＮＰの温度が或るしきい値を超えると狭幅部ＮＰは融解して溶断するか、昇華によって切断される。
第１の実施形態で示したＲＦＩＤタグ１０１に比べて、この第２の実施形態のＲＦＩＤタグ１０２では、狭幅部ＮＰでの、互いに対向する導体パターンＯＰの間隔が狭いので、上記ジュール熱の発生箇所が集中して、狭幅部ＮＰの昇温効果が高い。そのため、電磁波加熱用マイクロ波が照射されてから、アンテナパターン２Ａ，２Ｂが狭幅部ＮＰで分離されるまでの時間を短縮化できる。
図５は、アンテナパターン２Ａ，２Ｂのランドパターン６（６ａ，６ｂ）上に実装されるＲＦＩＣパッケージ３の構成を示す分解斜視図である。図５に示すように、第１の実施形態におけるＲＦＩＣパッケージ３は、三層からなる多層基板で構成されている。具体的には、ＲＦＩＣパッケージ３の多層基板は、ポリイミド、液晶ポリマーなどの樹脂材料から作製されており、可撓性を有する三つの絶縁シート１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが積層されて構成されている。絶縁シート１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、平面視が略四角形状であり、本実施形態においては略長方形の形状を有している。図５に示すＲＦＩＣパッケージ３は、図３（Ａ）に示したＲＦＩＣパッケージ３を裏返して三層を分解した状態を示している。
図５に示すように、ＲＦＩＣパッケージ３は、三層の基板（絶縁シート１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）上において、ＲＦＩＣチップ９と、複数のインダクタンス素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄと、アンテナパターン２Ａ，２Ｂに接続される外部接続端子１１（１１ａ，１１ｂ）と、が所望の位置に形成されている。
外部接続端子１１ａ，１１ｂは、最下層（アンテナパターン２Ａ，２Ｂに対向する基板）となる第１絶縁シート１２Ａに形成されており、アンテナパターン２Ａ，２Ｂのランドパターン６ａ，６ｂに対向する位置に形成されている。４つのインダクタンス素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄは、第２絶縁シート１２Ｂ及び第３絶縁シート１２Ｃに２つずつ分かれて形成されている。即ち、最上層（図５においては最も下に記載されている層）となる第３絶縁シート１２Ｃには第１インダクタンス素子１０Ａ及び第２インダクタンス素子１０Ｂが形成されており、中間層となる第２絶縁シート１２Ｂには第３インダクタンス素子１０Ｃ及び第４インダクタンス素子１０Ｄが形成されている。
本実施形態におけるＲＦＩＣパッケージ３においては、外部接続端子１１ａ，１１ｂ及び４つのインダクタンス素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄは、アルミニウム箔、銅箔などの導電材料により作製される導体パターンにより構成される。
図５に示すように、ＲＦＩＣチップ９は、最上層である第３絶縁シート１２Ｃ上に長手方向（図５におけるＸ方向）の中央部分に実装されている。ＲＦＩＣチップ９は、シリコンなどの半導体を素材とする半導体基板にＲＦ回路が形成された構造を有する。第３絶縁シート１２Ｃ上の長手方向の一方側（図５においては＋Ｘ方向の側）において渦巻き状に形成されている第１インダクタンス素子１０Ａは、ＲＦＩＣチップ９の一方の入出力端子９ａにランド１０Ａａを介して接続されている。第３絶縁シート１２Ｃ上の長手方向の他方側（図５においては−Ｘ方向の側）において渦巻き状に形成されている第２インダクタンス素子１０Ｂは、ＲＦＩＣチップ９の他方の入出力端子９ｂにランド１０Ｂａを介して接続されている。
中間層である第２絶縁シート１２Ｂ上の長手方向の一方側（図５においては＋Ｘ方向の側）には、渦巻き状の第３インダクタンス素子１０Ｃが形成されており、第２絶縁シート１２Ｂ上の長手方向の他方側（図５においては−Ｘ方向の側）には、渦巻き状の第４インダクタンス素子１０Ｄが形成されている。渦巻き状の第３インダクタンス素子１０Ｃの外周側の端部と、渦巻き状の第４インダクタンス素子１０Ｄの外周側の端部は直接接続されている。一方、第３インダクタンス素子１０Ｃの内周側の端部であるランド１０Ｃａは、第２絶縁シート１２Ｂを貫通するビア導体などの層間接続導体を介して、第３絶縁シート１２Ｃ上の渦巻き状の第１インダクタンス素子１０Ａの内周側の端部であるランド１０Ａｂに接続されている。また、第３インダクタンス素子１０Ｃの内周側の端部であるランド１０Ｃａは、最下層となる第１絶縁シート１２Ａを貫通するスルーホール導体などの層間接続導体を介して、第１絶縁シート１２Ａ上の第１外部接続端子１１ａに接続されている。
第４インダクタンス素子１０Ｄの内周側の端部であるランド１０Ｄａは、第２絶縁シート１２Ｂを貫通するスルーホール導体などの層間接続導体を介して、第３絶縁シート１２Ｃ上の渦巻き状の第２インダクタンス素子１０Ｂの内周側の端部であるランド１０Ｂｂに接続されている。また、第４インダクタンス素子１０Ｄの内周側の端部であるランド１０Ｄａは、最下層となる第１絶縁シート１２Ａを貫通するスルーホール導体などの層間接続導体を介して、第１絶縁シート１２Ａ上の第２外部接続端子１１ｂに接続されている。
第１絶縁シート１２Ａ上の第１外部接続端子１１ａは、基材１上に形成された第１アンテナパターン２Ａの第１ランドパターン６ａに接続されるよう配設されている。また、第１絶縁シート１２Ａ上の第２外部接続端子１１ｂは、基材１上に形成された第２アンテナパターン２Ｂの第２ランドパターン６ｂに接続されるよう配設されている。
また、中間層である第２絶縁シート１２Ｂには、第３絶縁シート１２Ｃ上に実装されたＲＦＩＣチップ９が収容される貫通孔１３が形成されている。ＲＦＩＣチップ９は、第１インダクタンス素子１０Ａと第２インダクタンス素子１０Ｂとの間、及び第３インダクタンス素子１０Ｃと第４インダクタンス素子１０Ｄとの間に配設されている。このため、ＲＦＩＣチップ９がシールドとして機能し、第１インダクタンス素子１０Ａと第２インダクタンス素子１０Ｂとの間における磁界結合及び電界結合が抑制され、同様に、第３インダクタンス素子１０Ｃと第４インダクタンス素子１０Ｄとの間における磁界結合及び電界結合が抑制される。その結果、ＲＦＩＣパッケージ３においては、通信信号の通過帯域が狭くなることが抑制されており、通過帯域を広いものとしている。
本実施形態では、ＲＦＩＣパッケージ３がアンテナパターン２Ａ，２Ｂ上に実装された形態を例示したが、ＲＦＩＣチップ９を直接アンテナパターン２Ａ，２Ｂ上に実装してもよい。また、このとき、ＲＦＩＣパッケージ３において複数のインダクタンス素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄとして構成されていたインダクタを、ループ状のパターンによって基材１上に構成してもよい。
《第３の実施形態》
第３の実施形態では、アンテナパターンの形状が第２の実施形態で示した例とは異なる幾つかのＲＦＩＤタグについて、各図を参照して示す。
第３の実施形態では、アンテナパターンの形状が第２の実施形態で示した例とは異なる幾つかのＲＦＩＤタグについて、各図を参照して示す。
図６は第３の実施形態に係るＲＦＩＤタグ１０３Ａの平面図である。このＲＦＩＤタグ１０３Ａは、絶縁体又は誘電体の基材１と、この基材１に形成されたアンテナパターン２Ａ，２Ｂと、アンテナパターン２Ａ，２Ｂに接続されたＲＦＩＣパッケージ３とを備える。第１アンテナパターン２Ａと第２アンテナパターン２Ｂの線幅は、ＲＦＩＣパッケージ３の接続端ＦＥから開放端ＯＥまで一定ではなく、途中に線幅の狭い狭幅部ＮＰを有する。つまり、アンテナパターン２Ａ，２Ｂは、ＲＦＩＣパッケージ３の接続端ＦＥから狭幅部ＮＰまでに第１広幅部ＷＰ１、狭幅部ＮＰから開放端ＯＥまでに第２広幅部ＷＰ２をそれぞれ有する。
ＲＦＩＤタグ１０３Ａは、図３（Ａ）に示したＲＦＩＤタグ１０２とは異なり、第１アンテナパターン２Ａと第２アンテナパターン２Ｂの形状はＲＦＩＣパッケージ３を中心として点対称の関係にある。このように、二つのアンテナパターン２Ａ，２Ｂの形状の関係は線対称、点対称のいずれでもよい。さらに、非対称であってもよい。
図７は第３の実施形態に係る別のＲＦＩＤタグ１０３Ｂの平面図である。図３（Ａ）に示したＲＦＩＤタグ１０２とは、狭幅部ＮＰの導体パターンの形状が異なる。ＲＦＩＤタグ１０３Ｂにおいては、アンテナパターン２Ａ，２Ｂは、折り返し部ＦＰで折り返されることによって導体パターンが互いに対向するが、広幅部ＷＰ１，ＷＰ２に比べて、狭幅部ＮＰは、対向する導体パターンの線間の狭い箇所を有する。
電磁波加熱用のマイクロ波が照射される状態で、ＲＦＩＤタグ１０３Ｂの狭幅部ＮＰに高調波電流が集中する。図７に示したように、狭幅部ＮＰにおいては、線幅が細いだけでなく、線間も狭いため、狭幅部ＮＰにおける昇温効果が高い。そのため、電磁波加熱用のマイクロ波が照射されてから、アンテナパターン２Ａ，２Ｂの狭幅部ＮＰが分離されるまでの時間を短縮化できる。
図８（Ａ）は第３の実施形態に係る更に別のＲＦＩＤタグ１０３Ｃの平面図である。図８（Ｂ）、図８（Ｃ）はＲＦＩＤタグ１０３Ｃのアンテナパターンに流れる電流の強度分布を示す図である。ＲＦＩＤタグ１０３Ｃのアンテナパターン２Ａ，２Ｂは、ＲＦＩＣパッケージ３の接続端ＦＥから第１狭幅部ＮＰ１までに第１広幅部ＷＰ１を有し、第１狭幅部ＮＰ１から第２狭幅部ＮＰ２までに第２広幅部ＷＰ２を有し、第２狭幅部ＮＰ２から開放端ＯＥまでに第３広幅部ＷＰ３を有する。つまり、アンテナパターン２Ａ，２Ｂはそれぞれ二つの狭幅部ＮＰ１，ＮＰ２を有する。
ＲＦＩＤタグ１０３Ｃがリーダー・ライターと通信する状態では、図８（Ｂ）に示すように３／４波長共振の電流が分布する。この通信状態では狭幅部ＮＰへの電流集中が強くないので、線幅が細いことによる損失は殆どない。
一方、電磁波加熱用のマイクロ波が照射される状態では、このマイクロ波でアンテナパターン２Ａ，２Ｂは１波長共振（高調波共振）し、図８（Ｃ）に示す高調波電流が流れる。この状態で、狭幅部ＮＰ１，ＮＰ２は、図８（Ａ）、図８（Ｃ）に示すように、上記高調波共振の周波数で電流の強い高調波電流集中箇所である。そのため、電磁波加熱用マイクロ波のエネルギーは狭幅部ＮＰ１，ＮＰ２に集中する。つまり、電磁波加熱用マイクロ波のエネルギーは狭幅部ＮＰ１，ＮＰ２で集中的に消費され、狭幅部ＮＰ１，ＮＰ２はジュール熱によって昇温する。狭幅部ＮＰ１，ＮＰ２の温度が或るしきい値を超えると、アンテナパターン２Ａ，２Ｂは第１狭幅部ＮＰ１又は第２狭幅部ＮＰ２で分離される。
以上、幾つか例示したように、アンテナパターンは２Ａ，２Ｂは、電磁波加熱用マイクロ波を受けて高調波共振し、そのことで高調波電流が集中する箇所に狭幅部ＮＰを有すればよい。また、狭幅部ＮＰは第１アンテナパターン２Ａ、第２アンテナパターン２Ｂの一方にのみ設けてもよい。その場合でも、上記高調波共振によってアンテナパターン２Ａ，２Ｂが狭幅部ＮＰで分離されれば、アンテナパターン２Ａ，２Ｂの実効長が短くなって、高調波共振が維持されず、高調波電流による発熱が停止される。
なお、以上に示した幾つかのＲＦＩＤタグは、アンテナパターン２Ａ，２Ｂの狭幅部ＮＰと広幅部ＷＰ１，ＷＰ２等とが不連続的に隣接する例であったが、狭幅部ＮＰと広幅部ＷＰ１，ＷＰ２等との間は、線幅が連続的に変化していてもよい。
また、以上に示した幾つかのＲＦＩＤタグでは、アンテナパターン２Ａ，２Ｂが、狭幅部ＮＰと広幅部ＷＰ１，ＷＰ２等とで２種の線幅を備える例を示したが、アンテナパターン２Ａ，２Ｂ等の線幅は段階的に変化する複数種の線幅を有していてもよい。
以上のように、各実施形態において具体的な構成を用いて説明したように、これらの実施形態によれば、ＲＦＩＤタグが付された商品が電磁波加熱装置で加熱される場合において、ＲＦＩＤタグの発火、さらにはＲＦＩＤタグが付された商品における部材の融解や変形を防止できる。したがって、本発明は、食品、日用雑貨品などの多種多様な商品を取り扱うコンビニエンスストアなどの販売店において、購入した商品の会計、及び袋詰めを自動化するシステムを構築することが可能となり、「無人コンビニエンスストア」の実用化に向けて、大きく前進させることができる無線通信デバイスを提供するものである。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
本発明は、商品に付する無線通信デバイスとして汎用性が高く、有用なものであり、特に、「無人コンビニエンスストア」の実現においては必要な製品である。
ＦＥ…給電回路接続端
ＦＰ…折り返し部
ＨＣ…高電流密度領域
ＮＰ…狭幅部
ＮＰ１…第１狭幅部
ＮＰ２…第２狭幅部
ＯＥ…開放端
ＯＰ…互いに対向する導体パターン
ＷＰ１…第１広幅部
ＷＰ２…第２広幅部
ＷＰ３…第３広幅部
１…基材
２Ａ…第１アンテナパターン
２Ｂ…第２アンテナパターン
３…ＲＦＩＣパッケージ
６…ランドパターン
６ａ…第１ランドパターン
６ｂ…第２ランドパターン
９…ＲＦＩＣチップ
９ａ，９ｂ…入出力端子
１０Ａ…第１インダクタンス素子
１０Ｂ…第２インダクタンス素子
１０Ｃ…第３インダクタンス素子
１０Ｄ…第４インダクタンス素子
１０Ａａ，１０Ａｂ，１０Ｂａ，１０Ｂｂ，１０Ｃａ，１０Ｄａ…ランド
１１…外部接続端子
１１ａ…第１外部接続端子
１１ｂ…第２外部接続端子
１２Ａ…第１絶縁シート
１２Ｂ…第２絶縁シート
１２Ｃ…第３絶縁シート
１３…貫通孔
９０…給電回路
１０１，１０２，１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ…ＲＦＩＤタグ
２０１…弁当
ＦＰ…折り返し部
ＨＣ…高電流密度領域
ＮＰ…狭幅部
ＮＰ１…第１狭幅部
ＮＰ２…第２狭幅部
ＯＥ…開放端
ＯＰ…互いに対向する導体パターン
ＷＰ１…第１広幅部
ＷＰ２…第２広幅部
ＷＰ３…第３広幅部
１…基材
２Ａ…第１アンテナパターン
２Ｂ…第２アンテナパターン
３…ＲＦＩＣパッケージ
６…ランドパターン
６ａ…第１ランドパターン
６ｂ…第２ランドパターン
９…ＲＦＩＣチップ
９ａ，９ｂ…入出力端子
１０Ａ…第１インダクタンス素子
１０Ｂ…第２インダクタンス素子
１０Ｃ…第３インダクタンス素子
１０Ｄ…第４インダクタンス素子
１０Ａａ，１０Ａｂ，１０Ｂａ，１０Ｂｂ，１０Ｃａ，１０Ｄａ…ランド
１１…外部接続端子
１１ａ…第１外部接続端子
１１ｂ…第２外部接続端子
１２Ａ…第１絶縁シート
１２Ｂ…第２絶縁シート
１２Ｃ…第３絶縁シート
１３…貫通孔
９０…給電回路
１０１，１０２，１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ…ＲＦＩＤタグ
２０１…弁当
Claims (6)
- 通信信号を送受信するための無線通信デバイスであって、
基材と、
前記基材に形成されたアンテナパターンと、
前記アンテナパターンに接続された給電回路と、
を備え、
前記アンテナパターンは、前記通信信号の周波数での共振周波数より高い高調波共振の周波数で高調波電流が集中する箇所である高調波電流集中箇所に、他の箇所より線幅が細い狭幅部を有し、
前記高調波共振の周波数で前記狭幅部を積極的に切断させるように構成された、
無線通信デバイス。 - 前記アンテナパターンは、給電端に前記給電回路が接続され、先端が開放端であるダイポール型の電界アンテナを構成するパターンであり、前記高調波電流集中箇所は、前記給電端から前記開放端までの途中にある、
請求項１に記載の無線通信デバイス。 - 前記通信信号の周波数での共振は１／４波長共振であり、前記高調波共振は１／２波長共振である、
請求項２に記載の無線通信デバイス。 - 前記通信信号の周波数での共振は３／４波長共振であり、前記高調波共振は１波長共振である、
請求項２に記載の無線通信デバイス。 - 前記アンテナパターンはミアンダライン状である、
請求項３又は４に記載の無線通信デバイス。 - 前記通信信号の周波数はUHF帯の周波数であり、前記高調波共振の周波数は2.4GHz以上2.5GHz以下の周波数である、
請求項１から５のいずれかに記載の無線通信デバイス。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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