JP7409714B1 - Ｒｆｉｄタグ - Google Patents
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Abstract
【課題】小型でも無線通信性能が高く、高信頼性を有する金属対応ＲＦＩＤタグを提供する。【解決手段】ＲＦＩＤタグチップ１４と、外部とのデータの送受信に用いるアンテナ回路１６と、が多層プリント配線板１２に配置されるとともに、多層プリント配線板１２が一体的に樹脂封止され、アンテナ回路１６は、ＲＦＩＤリーダーライター装置から送信された電波が金属体３０に衝突することで発生する表面波を取り込む第一のアンテナ回路１６ａと、第一のアンテナ回路１６ａによって取り込まれた表面波のうち、特定の周波数の電波のみを抽出して共振させる第二のアンテナ回路１６ｂ及び第三のアンテナ回路１６ｃと、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、金属対応ＲＦＩＤタグに関する。
近年、ＲＦＩＤ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）タグを使用した部材管理への要望が高まり、市場として急速な伸びを見せている。アパレル業界などでは、棚卸作業をＲＦＩＤタグで簡易化し、人手不足への対応を進める動きが活発になってきており、今後ますます需要が伸びていくと見られている。
また、従来のＲＦＩＤタグでは対応できなかった、金属製品へ取り付けても動作可能な金属対応タイプ、小さな対象物への埋め込みが可能な超小型タイプ、長距離通信への要求に対応したタイプなど、更なる高機能化への要望も高い。
また、従来のＲＦＩＤタグでは対応できなかった、金属製品へ取り付けても動作可能な金属対応タイプ、小さな対象物への埋め込みが可能な超小型タイプ、長距離通信への要求に対応したタイプなど、更なる高機能化への要望も高い。
しかし、ＲＦＩＤタグにおいては、製品サイズを小型化するとアンテナサイズも同時に小さくなってしまうため、小型化と通信性能の両立が困難である。
また、一般的なラベルやテープタイプのＲＦＩＤタグは、構造が単純であり安価で製造できるが、取り付け対象が金属体である場合、金属体による電波の反射及び／又は吸収の影響を受けて通信できなくなってしまうため、利用環境が限られている。
さらに、耐衝撃性や対湿度性など、製品信頼性に不安があるといった点も利用上の課題となっている。
また、一般的なラベルやテープタイプのＲＦＩＤタグは、構造が単純であり安価で製造できるが、取り付け対象が金属体である場合、金属体による電波の反射及び／又は吸収の影響を受けて通信できなくなってしまうため、利用環境が限られている。
さらに、耐衝撃性や対湿度性など、製品信頼性に不安があるといった点も利用上の課題となっている。
バッテリーを搭載することで通信性能を向上させたアクティブタイプのＲＦＩＤタグも存在するが、一般的なパッシブタイプのＲＦＩＤタグに比べ、製品単価が高額であり多量に使用する場合にはコストが問題となる。また、バッテリー交換が必要なため、交換作業の可能な場所にしか設置できない、交換コストがかかる、バッテリーがあるため製品全体のサイズが小型・軽量化できず取り付け場所が限定されてしまう、といった制限もある。
前記問題点の改善策として、タグアンテナに隣接した無給電素子を設けることで、金属体と非金属体のどちらに取り付けても利用可能なアンテナ装置及びＲＦＩＤタグのようなものが知られている（例えば、特許文献１：特開２０１７－０９２５３６号公報）。
また、２種類のループアンテナ構造を持たせることで、金属体に取り付けた場合でも、通信利得の良好なＲＦＩＤタグのようなものが知られている（例えば、特許文献２：特許６０７９９３２号公報）。
また、ＲＦＩＤタグを金属面に対して垂直に設置することで、金属面上でも通信可能な小型の金属対応ＲＦＩＤタグが知られている（例えば、特許文献３：特許４７９６１８０号公報）。
また、ＲＦＩＤチップとアンテナを有するインレットを金属ホルダー内に埋設することで、金属体に取り付けても利用できる金属一体型ＲＦＩＤタグのようなものが知られている（例えば、特許文献４：特許４２７１２０５号公報）。
また、２種類のループアンテナ構造を持たせることで、金属体に取り付けた場合でも、通信利得の良好なＲＦＩＤタグのようなものが知られている（例えば、特許文献２：特許６０７９９３２号公報）。
また、ＲＦＩＤタグを金属面に対して垂直に設置することで、金属面上でも通信可能な小型の金属対応ＲＦＩＤタグが知られている（例えば、特許文献３：特許４７９６１８０号公報）。
また、ＲＦＩＤチップとアンテナを有するインレットを金属ホルダー内に埋設することで、金属体に取り付けても利用できる金属一体型ＲＦＩＤタグのようなものが知られている（例えば、特許文献４：特許４２７１２０５号公報）。
しかし、上記特許文献１の技術では、アンテナ素子の長手方向に隣接して無給電素子を設けるため製品サイズが大きくなり、取り付け対象が小型の場合に取り付けが困難になるといった課題がある。
上記特許文献２の技術では、ＲＦＩＤタグを取り付ける金属体を放射体又は放射素子として機能させるため、タグを金属体の端付近に取り付ける必要があり、また、機能を発揮するためには金属体のサイズを半波長の整数倍にする必要がある、といった利用上の制限ができてしまう。
上記特許文献３の技術では、ＲＦＩＤタグのループアンテナを金属面に垂直に立てる必要があるため、人が触れる工具のように、表面に凸部ができることを嫌う環境では利用できない。
また、製品の取り付け面積が小さくなると脱落のリスクが高くなるため、水平面方向の製品サイズの小型化に制限を受けるといった課題がある。
また、製品の取り付け面積が小さくなると脱落のリスクが高くなるため、水平面方向の製品サイズの小型化に制限を受けるといった課題がある。
上記特許文献４の技術では、ＲＦＩＤタグ本体部を埋め込む金属ホルダーサイズを半波長共振の寸法とする必要があるため、小型化が困難となるといった課題がある。
上記課題を解決するために発明者らが鋭意研究した結果、金属体に取り付けられたＲＦＩＤタグに対してＲＦＩＤリーダーライター装置から電波を送信すると、金属体への電波の反射・干渉が発生する一方、金属体の表面に表面波が発生し、その表面波のうち特定の周波数の電波を共振させ利用することで、良好な通信利得が得られることを見出した。
そこで、本発明は、小型でも無線通信性能が高く、高信頼性を有する金属対応ＲＦＩＤタグの提供を目的とする。
本発明にかかるＲＦＩＤタグによれば、金属体に取り付けられて用いるＲＦＩＤタグであって、ＲＦＩＤタグチップと、外部とのデータの送受信に用いるアンテナ回路と、が多層プリント配線板に配置されるとともに、前記多層プリント配線板が一体的に樹脂封止され、前記アンテナ回路は、ＲＦＩＤリーダーライター装置から送信された電波が前記金属体に衝突することで発生する表面波を取り込む第一のアンテナ回路と、前記第一のアンテナ回路によって取り込まれた前記表面波のうち、特定の周波数の電波のみを抽出して共振させる第二のアンテナ回路及び第三のアンテナ回路と、を備えることを特徴としている。
この構成によれば、金属体に発生する表面波を収集し、共振させ利用することで金属体が無い場合よりも良好な通信利得を得ることができる。
また、多層プリント配線板を一体的に樹脂封止したことで密閉構造となり、水分やほこりの侵入を防ぎ信頼性を高めることができる。
この構成によれば、金属体に発生する表面波を収集し、共振させ利用することで金属体が無い場合よりも良好な通信利得を得ることができる。
また、多層プリント配線板を一体的に樹脂封止したことで密閉構造となり、水分やほこりの侵入を防ぎ信頼性を高めることができる。
また、前記ＲＦＩＤタグチップと、前記第一のアンテナ回路と、前記第二のアンテナ回路は、前記多層プリント配線板の内部に配置され、前記第三のアンテナ回路は、前記多層プリント配線板の表層に配置されていることを特徴としてもよい。
このように、多層プリント配線板内にＲＦＩＤタグチップとアンテナ回路を立体的に配置したことで小型化を図るとともに、多層プリント配線板の表層にアンテナ面積を確保することができ、通信性能を向上させることができる。
このように、多層プリント配線板内にＲＦＩＤタグチップとアンテナ回路を立体的に配置したことで小型化を図るとともに、多層プリント配線板の表層にアンテナ面積を確保することができ、通信性能を向上させることができる。
また、前記金属体の表面に、接着剤、ビス、ボルト、粘着テープ、又は半田で取り付けられることを特徴としている。
本発明によれば、小型でも無線通信性能が高く、高信頼性を有する金属対応ＲＦＩＤタグを提供することができる。
以下、図面に基づいて本実施形態におけるＲＦＩＤタグについて説明する。なお、本発明のＲＦＩＤタグは下記の実施形態に限定されるものではない。
図１に本実施形態におけるＲＦＩＤタグ１０の断面図を示す。なお、図１のＲＦＩＤタグ１０は、取り付け対象である金属体３０の表面に取り付けられている状態である。
ＲＦＩＤタグ１０は、多層プリント配線板１２と、多層プリント配線板１２に内蔵されたＲＦＩＤタグチップ１４と、多層プリント配線板１２の内層に形成されたアンテナ回路１６と、を具備する。
ＲＦＩＤタグ１０は、多層プリント配線板１２と、多層プリント配線板１２に内蔵されたＲＦＩＤタグチップ１４と、多層プリント配線板１２の内層に形成されたアンテナ回路１６と、を具備する。
多層プリント配線板１２には、金属体３０に面する第一のアンテナ回路１６ａと、第一のアンテナ回路１６ａの上方に離間して位置する第二のアンテナ回路１６ｂと、第二のアンテナ回路１６ｂに配置されるＲＦＩＤタグチップ１４と、が立体的に配置されている。
なお、ＲＦＩＤタグ１０の表面及び裏面には、防錆や表面保護のために、ソルダーレジスト層を形成してもよいし、めっき処理や防錆処理を施してもよい。
なお、ＲＦＩＤタグ１０の表面及び裏面には、防錆や表面保護のために、ソルダーレジスト層を形成してもよいし、めっき処理や防錆処理を施してもよい。
表面実装製品のような平面的な部品配置では、部品間の配線が冗長になりやすいが、本発明のように多層プリント配線板によるＲＦＩＤタグでは、多層板の層間を利用して配線長を短くすることができるため、配線抵抗による電力ロスを低減することができる。これにより、ＲＦＩＤタグ１０の小型化と通信性能の維持が可能となる。
ここで、ＲＦＩＤタグ１０のデータ通信原理について説明する。
ＲＦＩＤタグ１０の識別データを読み書きするために、ＲＦＩＤリーダーライター装置（不図示）から、ＲＦＩＤタグ１０へ電波が送信されると、ＲＦＩＤタグ１０が取り付けられた金属体３０によって電波は反射、干渉が生じる。その際、電波が衝突した金属体３０の表面には表面波が発生し、当該表面波は、誘電的作用により第一のアンテナ回路１６ａへと収集される。第一のアンテナ回路１６ａによって収集された表面波は、スルーホール１８を介して第二のアンテナ回路１６ｂ及び第三のアンテナ回路１６ｃへ送り出され、特定の周波数の電波が共振し利用される。共振し増幅された特定の周波数の電波は、ＲＦＩＤタグチップ１４へ送り込まれる。電波を受信したＲＦＩＤタグチップ１４は、ＲＦＩＤタグチップ１４内に格納されたデータを電波に乗せて第二のアンテナ回路１６ｂ及び第三のアンテナ回路１６ｃからＲＦＩＤリーダーライター装置へ返信し、ＲＦＩＤリーダーライターが返信された電波を受信することで、データ通信が完了する。
すなわち、第一のアンテナ回路１６ａは、金属体３０で発生した表面波を取り込むためのアンテナ回路であり、第二のアンテナ回路１６ｂ及び第三のアンテナ回路１６ｃは、第一のアンテナ回路１６ａによって収集された電波を特定の周波数で共振させてＲＦＩＤタグチップ１４へ送り出すとともに、ＲＦＩＤタグチップ内のデータを乗せた電波を発信するためのアンテナ回路である。
ＲＦＩＤタグ１０の識別データを読み書きするために、ＲＦＩＤリーダーライター装置（不図示）から、ＲＦＩＤタグ１０へ電波が送信されると、ＲＦＩＤタグ１０が取り付けられた金属体３０によって電波は反射、干渉が生じる。その際、電波が衝突した金属体３０の表面には表面波が発生し、当該表面波は、誘電的作用により第一のアンテナ回路１６ａへと収集される。第一のアンテナ回路１６ａによって収集された表面波は、スルーホール１８を介して第二のアンテナ回路１６ｂ及び第三のアンテナ回路１６ｃへ送り出され、特定の周波数の電波が共振し利用される。共振し増幅された特定の周波数の電波は、ＲＦＩＤタグチップ１４へ送り込まれる。電波を受信したＲＦＩＤタグチップ１４は、ＲＦＩＤタグチップ１４内に格納されたデータを電波に乗せて第二のアンテナ回路１６ｂ及び第三のアンテナ回路１６ｃからＲＦＩＤリーダーライター装置へ返信し、ＲＦＩＤリーダーライターが返信された電波を受信することで、データ通信が完了する。
すなわち、第一のアンテナ回路１６ａは、金属体３０で発生した表面波を取り込むためのアンテナ回路であり、第二のアンテナ回路１６ｂ及び第三のアンテナ回路１６ｃは、第一のアンテナ回路１６ａによって収集された電波を特定の周波数で共振させてＲＦＩＤタグチップ１４へ送り出すとともに、ＲＦＩＤタグチップ内のデータを乗せた電波を発信するためのアンテナ回路である。
また、ＲＦＩＤタグ１０は、金属体３０をＲＦＩＤリーダーライター装置から送信される電波を収集するアンテナ回路であるかのように利用しているため、取り付け対象が非金属体である場合よりも通信利得が上がる。
図２に、複数種類の本実施形態のＲＦＩＤタグに対して、取り付け対象が金属体である場合と、取り付け対象が非金属体である場合について、通信距離がどの程度変化したかの比率を示す。
ＲＦＩＤタグＳは、取り付け対象が非金属体である場合の通信距離を１．０とした場合、取り付け対象が金属体である場合は通信距離が２．５倍となった。
ＲＦＩＤタグＭは、取り付け対象が非金属体である場合の通信距離を１．０とした場合、取り付け対象が金属体である場合は通信距離が約２．６倍となった。
ＲＦＩＤタグＭは、取り付け対象が非金属体である場合の通信距離を１．０とした場合、取り付け対象が金属体である場合は通信距離が約３．５倍となった。
このように、本発明のＲＦＩＤタグ１０の取り付け対象が金属体である場合の通信距離は、非金属体である場合の２倍以上に向上することが確認されている。
図２に、複数種類の本実施形態のＲＦＩＤタグに対して、取り付け対象が金属体である場合と、取り付け対象が非金属体である場合について、通信距離がどの程度変化したかの比率を示す。
ＲＦＩＤタグＳは、取り付け対象が非金属体である場合の通信距離を１．０とした場合、取り付け対象が金属体である場合は通信距離が２．５倍となった。
ＲＦＩＤタグＭは、取り付け対象が非金属体である場合の通信距離を１．０とした場合、取り付け対象が金属体である場合は通信距離が約２．６倍となった。
ＲＦＩＤタグＭは、取り付け対象が非金属体である場合の通信距離を１．０とした場合、取り付け対象が金属体である場合は通信距離が約３．５倍となった。
このように、本発明のＲＦＩＤタグ１０の取り付け対象が金属体である場合の通信距離は、非金属体である場合の２倍以上に向上することが確認されている。
さらに、ＲＦＩＤタグチップ１４を多層プリント配線板１２に内蔵する構成としたことで、多層プリント配線板１２の表層に形成する第三のアンテナ回路１６ｃの面積を確保することができる。また、スルーホール１８を介して第三のアンテナ回路１６ｃ、第二のアンテナ回路１６ｂ、第一のアンテナ回路１６ａは電気的に接続されている。これにより、アンテナを多層間で折り込むような構造とすることで製品の小型化を図りつつ、アンテナ面積を確保し、通信性能をより向上させることできる。
なお、スルーホール１８の端部にはランド２０が形成されているが、ランド２０が金属体３０と電気的に接触する必要は無く、表面保護のためのソルダーレジスト層をＲＦＩＤタグ１０の表面及び裏面に形成してもよい。また、同様の理由からＲＦＩＤタグ１０の裏面に固定のための接着層が設けられていてもよい。
なお、スルーホール１８の端部にはランド２０が形成されているが、ランド２０が金属体３０と電気的に接触する必要は無く、表面保護のためのソルダーレジスト層をＲＦＩＤタグ１０の表面及び裏面に形成してもよい。また、同様の理由からＲＦＩＤタグ１０の裏面に固定のための接着層が設けられていてもよい。
多層プリント配線板１２の内部には、樹脂が充填されており、実装された部品が樹脂封止されている。これにより、多層プリント配線板１２内部が密封されることになるので、後工程でフタのようなものを被せる構造の製品に比べ、空洞がなく湿度やほこりなど外部環境による影響をより受けにくく、高い信頼性を持たせることができる。
樹脂封止に用いる材料は、エポキシ樹脂のようなプリント配線板材料を用いてもよいしそれ以外の樹脂でもよい。また、複数の樹脂の組み合わせでもよい。
樹脂封止は、部品の実装後に行ってもよいし、プリント配線板の多層化時に同時に行ってもよい。
樹脂封止は、部品の実装後に行ってもよいし、プリント配線板の多層化時に同時に行ってもよい。
なお、多層プリント配線板１２と封止樹脂は、低誘電材料や高誘電材料を用いることで、通信性能を向上させたり、小型化したりすることができる。
ＲＦＩＤタグチップ１４の部品実装は、半田ペースト、半田ボール、異方性樹脂ペースト、異方性樹脂フィルムなどを用いたフリップチップ実装としてもよい。これにより、最短距離で部品と回路を接続し、実装部のインピーダンスを小さくすることで、通信性能を向上させることができる。
ここで、ＲＦＩＤタグ１０の取り付けについて説明する。
ＲＦＩＤタグ１０は、機械、設備、構造体などの金属体に取り付けることができる。金属体の材質としては、銅、アルミ、チタン、ステンレス、鉄といった材質を採用することができる。ただし、金属体としては、これらに限定するものではない。
ＲＦＩＤタグ１０は、機械、設備、構造体などの金属体に取り付けることができる。金属体の材質としては、銅、アルミ、チタン、ステンレス、鉄といった材質を採用することができる。ただし、金属体としては、これらに限定するものではない。
図３にＲＦＩＤタグ１０を金属体３０に取り付けた状態の概略図を示す。
ＲＦＩＤタグ１０と金属体３０は、両面テープ４０を利用し固定することができる。
なお、ＲＦＩＤタグ１０の金属体３０への固定方法としては、両面テープ４０に限定されるものではなく、例えば、ＲＦＩＤタグ１０を金属体３０にボルト・ビスなどで直接固定してもよい。また、接着剤や半田を利用して固定してもよい。
ＲＦＩＤタグ１０と金属体３０は、両面テープ４０を利用し固定することができる。
なお、ＲＦＩＤタグ１０の金属体３０への固定方法としては、両面テープ４０に限定されるものではなく、例えば、ＲＦＩＤタグ１０を金属体３０にボルト・ビスなどで直接固定してもよい。また、接着剤や半田を利用して固定してもよい。
１０ ＲＦＩＤタグ
１２ 多層プリント配線板
１４ ＲＦＩＤタグチップ
１６ アンテナ回路
１６ａ 第一のアンテナ回路
１６ｂ 第二のアンテナ回路
１６ｃ 第三のアンテナ回路
１８ スルーホール
２０ ランド
３０ 金属体
４０ 両面テープ
１２ 多層プリント配線板
１４ ＲＦＩＤタグチップ
１６ アンテナ回路
１６ａ 第一のアンテナ回路
１６ｂ 第二のアンテナ回路
１６ｃ 第三のアンテナ回路
１８ スルーホール
２０ ランド
３０ 金属体
４０ 両面テープ
Claims (4)
- 金属体に取り付けられて用いるＲＦＩＤタグであって、
ＲＦＩＤタグチップと、外部とのデータの送受信に用いるアンテナ回路と、が多層プリント配線板に配置されるとともに、前記多層プリント配線板が一体的に樹脂封止され、
前記アンテナ回路は、ＲＦＩＤリーダーライター装置から送信された電波が前記金属体に衝突することで発生する表面波を取り込む第一のアンテナ回路と、前記第一のアンテナ回路によって取り込まれた前記表面波のうち、特定の周波数の電波のみを抽出して共振させる第二のアンテナ回路及び第三のアンテナ回路と、を備えることを特徴とするＲＦＩＤタグ。 - 前記ＲＦＩＤタグチップと、前記第一のアンテナ回路と、前記第二のアンテナ回路は、前記多層プリント配線板の内部に配置され、
前記第三のアンテナ回路は、前記多層プリント配線板の表層に配置されていることを特徴とする請求項１記載のＲＦＩＤタグ。 - 前記金属体に発生する表面波を収集し、共振させ利用することで、金属体が無い場合よりも良好な通信利得を得ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＲＦＩＤタグ。
- 前記金属体の表面に、接着剤、ビス、ボルト、粘着テープ、又は半田で取り付けられることを特徴とする請求項１又は２記載のＲＦＩＤタグ。
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| WO2022014067A1 (ja) | 2020-07-14 | 2022-01-20 | 株式会社フジクラ | 無線通信モジュール |
| JP7383312B2 (ja) | 2022-03-07 | 2023-11-20 | 日本ミクロン株式会社 | 無線センサー |
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