JPWO2006064540A1 - アンテナ及び非接触型タグ - Google Patents

Abstract

省スペースで配置可能なＲＦＩＤ用のアンテナを提供する。ＲＦＩＤ用のアンテナ（１０）において、所定の大きさの矩形の辺に沿うように折り曲げられた最外周導電性線路（１１）と、最外周導電性線路（１１）に対して内周側に近接して並置され、端部で最外周導電性線路（１１）と電気的に接続し、一部に給電部（１２）を設けた給電用導電性線路（１３）と、を有する構成としたので、例えばカードサイズなどの所定の大きさの矩形内に、アンテナ（１０）が収まる。

Description

本発明はアンテナ及び非接触型タグに関し、特に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）リーダライタ装置と送受信するＲＦＩＤ用のアンテナ及び非接触型タグに関する。

物品や人に識別情報を埋め込んだ非接触型タグ（以下ＲＦＩＤタグという。）を取り付け、ＲＦＩＤリーダライタ装置（以下リーダライタと略す。）との間で無線信号にて情報を送受信できるＲＦＩＤシステムは、工場の生産管理、物流の管理、入退室管理等の様々な分野に適用が期待され、実用化が進んでいる。

その通信方式は、電磁誘導方式と電波方式の２つに分類される。電磁誘導方式は、主に１３５ｋＨｚまたは１３．５６ＭＨｚの電磁波を利用し、ＲＦＩＤタグのアンテナとリーダライタのアンテナコイル間での誘起電圧で情報を送受信する方式である。通信距離は、最大で１ｍ程度である。

一方、電波方式はＵＨＦ帯（８６０〜９６０ＭＨｚ）、２．４５ＧＨｚの電波を用い利用し、ＲＦＩＤタグのアンテナとリーダライタのアンテナ間で通信を行う方式である。ただし、２．４５ＧＨｚの電波は、波長が短いため障害物によって通信に障害が生じる場合ある。そのため、最近ではＵＨＦ帯の電波を用いたＲＦＩＤシステムが注目されている。

以下、ＵＨＦ帯の無線信号を用いたＲＦＩＤシステムについて説明する。
ＲＦＩＤタグと、リーダライタとの通信の際には、まずＵＨＦ帯の無線信号を用いて、リーダライタから約１Ｗの信号を送信し、ＲＦＩＤタグ側でその信号を受信し、再びリーダライタ側へ応答信号を送り返す。これにより、ＲＦＩＤタグ内の情報をリーダライタで読み取ることができる。通信可能距離は、タグアンテナのゲイン、ＩＣ（Integrated Circuit）チップの動作電圧や周囲環境にもよるが、およそ３ｍ前後である。

ＲＦＩＤタグは、アンテナとアンテナに接続されるＩＣチップから構成される。ＩＣチップの大きさは数ｍｍ程度以下であるが、アンテナの大きさは基本的にλ／２波長の大きさが必要である。そのため、ＵＨＦ帯では約１５０ｍｍ程度必要となり、ＲＦＩＤタグはアンテナの大きさに大きく依存している。

図１４は、ＲＦＩＤタグの等価回路である。
ＩＣチップは、抵抗Ｒ１と、キャパシタンスＣ１（例えば１ｐＦ）の並列接続で等価的に示すことができる。ＩＣチップの抵抗Ｒ１は、一定の電力に対して、数Ｖ程度の駆動電圧を確保するために、１０００Ω程度と大きいものが用いられる。一方、アンテナは、放射抵抗Ｒ２（例えば１０００Ω）と、インダクタンスＬ１（例えば２８ｎＨ）の並列接続で等価的に示すことができる。両者を並列接続してインピーダンス整合することにより、キャパシタンスＣ１とインダクタンスＬ１が共振し、虚数成分がほぼゼロとなり整合し、アンテナでの受信パワーがＩＣチップ側へ十分供給されることになる。

ところで、１つのダイポールアンテナの放射抵抗は約７２Ωであるため、上記のようなＩＣチップと整合させるためには放射抵抗を大きくする必要がある。
従来、以下に示すような折り返し型（folded）アンテナがあった。

図１５は、折り返し型アンテナの構成を示す図である。
ここで示す従来の折り返し型アンテナ８０は、長さが約１５０ｍｍの２つのダイポールアンテナ８１ａ、８１ｂが、並行に例えば１０ｍｍの間隔で近接し、その先端を互いに接続しており、一方のダイポールアンテナ８１ａの中央の給電部８２で給電する構成となっている。このような構成にすることにより、図１４で示した放射抵抗Ｒ２を１つのダイポールアンテナの放射抵抗（７２Ω）の４倍以上に大きくすることができる。また、図１５のように、ダイポールアンテナ８１ｂの線幅とダイポールアンテナ８１ａの線幅の比を変えることによって放射抵抗を調整でき、１０００Ω程度にも大きくすることができる（例えば非特許文献１参照）。
社団法人電子情報通信学会，「アンテナ工学ハンドブック」，第１版，株式会社オーム社，昭和５５年１０月，ｐ１１２−１１５

しかし、ＲＦＩＤタグは、実用的には例えばカードサイズ（８６ｍｍ×５４ｍｍ）程度の大きさ以下にすることが望ましいが、従来の折り返し型のアンテナは、ＵＨＦ帯の無線信号を受信する場合、必要な長辺の長さが約１５０ｍｍと大きすぎ、実用的ではないという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、省スペースで配置可能なＲＦＩＤ用のアンテナを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、小型化可能なＲＦＩＤタグを提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、ＲＦＩＤ用のアンテナにおいて、図１に示すように、所定の大きさの略矩形の辺に沿うように折り曲げられた最外周導電性線路１１と、最外周導電性線路１１に対して内周側に近接して並置され、端部で最外周導電性線路１１と電気的に接続し、一部に給電部１２を設けた給電用導電性線路１３と、を有することを特徴とするアンテナ１０が提供される。

上記の構成によれば、最外周導電性線路１１と、最外周導電性線路１１に対して内周側に近接して並置され、端部で最外周導電性線路１１と電気的に接続し、一部に給電部１２を設けた給電用導電性線路１３とを有するアンテナが、所定の大きさの略矩形内に収まることになる。

本発明のＲＦＩＤ用のアンテナは、所定の大きさの略矩形の辺に沿うように折り曲げられた最外周導電性線路と、最外周導電性線路に対して内周側に近接して並置され、端部で最外周導電性線路と電気的に接続し、一部に給電部を設けた給電用導電性線路と、を有する構成としたので、例えばカードサイズなどの所定の大きさの略矩形内に、アンテナが収まるようになり、省スペースでＲＦＩＤ用のアンテナを設置できる。

また、そのようなアンテナをＲＦＩＤタグに搭載することで、ＲＦＩＤタグを小型化することができる。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

第１の実施の形態のＲＦＩＤ用のアンテナの構成を示す図である。 第１の実施の形態のアンテナを適用したＲＦＩＤタグの構成を示す図である。 最外周線路の線幅と、放射抵抗の関係を示す電磁界シミュレーション結果を示す図である。 インダクタの長さとインダクタンス値の関係を示す電磁界シミュレーション結果を示す図である。 アンテナ−ＩＣチップ間の反射係数の計算値を示す図である。横軸は周波数である。 第１の実施の形態のアンテナの放射パターンを示す図である。 第２の実施の形態のＲＦＩＤ用のアンテナの構成を示す図である。 最外周線路の線幅と、放射抵抗の関係を示す電磁界シミュレーション結果を示す図である。 インダクタの長さとインダクタンス値の関係を示す電磁界シミュレーション結果を示す図である。 アンテナ−ＩＣチップ間の反射係数の計算値を示す図である。横軸は周波数である。 第２の実施の形態のアンテナの放射パターンを示す図である。 第３の実施の形態のＲＦＩＤ用のアンテナの構成を示す図である。 第１の実施の形態のアンテナの曲げ部分の一部を曲線状にした場合について示している。 ＲＦＩＤタグの等価回路である。 折り返し型アンテナの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施の形態のＲＦＩＤ用のアンテナの構成を示す図である。
なお、以下では、ＵＨＦ帯、特に９５３ＭＨｚの電波を用いて通信を行う場合について説明する。

第１の実施の形態のアンテナ１０は、図１５で示した折り返し型アンテナを矩形状に折り曲げた構成となっており、例えば約７２ｍｍ×４２ｍｍの大きさの矩形の辺に沿うように折り曲げられた最外周導電性線路（以下最外周線路と略す。）１１と、最外周線路１１に対して内周側に近接して並置され、端部で最外周線路１１と電気的に接続し、一部に給電部１２を設けた給電用導電性線路（以下給電用線路と略す。）１３とを有している。第１の実施の形態のアンテナ１０において、最外周線路１１及び給電用線路１３は、給電部１２に対して左右対称に伸びるように形成されている。

さらに、給電部１２に接続するＩＣチップ（図示せず）とインピーダンス整合を行うためのインピーダンス調整用のインダクタ１４を有している。インダクタ１４は矩形の内側の領域に配置されている。第１の実施の形態において、インダクタ１４は２箇所の曲げ部を有し、矩形状に折り曲げられた給電用線路１３の一辺に接続されている。

所定の周波数の電磁波を受信するアンテナは、基本的にλ／２波長の長さが必要である。そのため、９５３ＭＨｚは約１５０ｍｍ程度の長さが必要となる。アンテナ１０において、最外周線路１１は、９５３ＭＨｚの電波を受信可能な長さになるように形成される。ただし、図１のように矩形状に折り曲げられていると、共振させるためには実際には１５０ｍｍよりも多く必要である。そのために、最外周線路１１には、長さ調整分の線路１１ａが更に追加される。なお、線路１１ａを他の部分と同様に最外周線路１１と給電用線路１３を並列に伸ばすような構成としてもよい（但し、給電用線路１３は端部で最外周線路１１と接続されている必要がある）。

アンテナ１０の材質は、例えば銅、銀、アルミニウムなどが用いられる。
このような構成にすることによって、高い放射抵抗が得られる折り返し型アンテナを、例えばカードサイズ（８６ｍｍ×５４ｍｍ）に収めることができる。

なお、矩形の曲げ角度は９０°にすることによって、一定領域内でのアンテナサイズを大きくすることができるので好ましいが、例えば８０°、４５°など９０°以下の角度としてもよい。

図２は、第１の実施の形態のアンテナを適用したＲＦＩＤタグの構成を示す図である。
ＲＦＩＤタグ２０は、図１で示したようなアンテナ１０がシート２１上に形成され、給電部１２にＩＣチップ２２が接続された構成となっている。

アンテナ１０の大きさは、例えば約７２ｍｍ×４２ｍｍで、厚みは約０．０２ｍｍである。
シート２１は、例えば、紙やＰＥＴ（polyethylene terephthalate）フィルムなどが用いられる。また、シート２１の大きさは、例えば約８６ｍｍ×５４ｍｍで約０．１ｍｍの厚みのものを用いる。

ＩＣチップ２２の大きさは、例えば約１ｍｍ×１ｍｍで、厚さは約０．２ｍｍである。
アンテナ１０では以下の部分を調整すれば、ＩＣチップ２２とインピーダンス整合させることができる。

図３は、最外周線路の線幅と、放射抵抗の関係を示す電磁界シミュレーション結果を示す図である。
なお、ここでは給電用線路１３の線幅を２ｍｍと固定している。また、最外周線路１１と給電用線路１３の隙間は１ｍｍとしている。図３のように、最外周線路１１の線幅ｗ１を、例えば２〜６ｍｍの範囲で変化させると、放射抵抗Ｒｒ１を約７００〜１６００Ωの範囲で調整することができる。つまり、給電用線路１３の線幅に対して最外周線路１１の線幅ｗ１を大きくすると、放射抵抗Ｒｒ１が増大していくことがわかる。

図４は、インダクタの長さとインダクタンス値の関係を示す電磁界シミュレーション結果を示す図である。
図１で示すインダクタ１４の長さｄ１を、例えば２７〜３９ｍｍの範囲で変化させると、インダクタンス値Ｌｐ１を、約３０〜４７ｎＨの範囲で調整することができる。

例えば、ＩＣチップ２２の等価回路（図１４参照）において抵抗が１０００Ω、キャパシタンスが０．９ｐＦで表される場合、インピーダンス整合させるには、アンテナ１０の放射抵抗Ｒｒ１を１０００Ω、インダクタンス値Ｌｐ１を３１ｎＨとする必要があるので、図３、図４より、最外周線路１１の線幅ｗ１を約３．６ｍｍ、インダクタ１４の長さｄ１を約２７．５ｍｍとすることにより、アンテナ１０とＩＣチップ２２はインピーダンス整合され、アンテナ１０での受信パワーがＩＣチップ２２側へ十分供給されることになる。このときのアンテナ−ＩＣチップ間の反射係数は、以下のようになる。

図５は、アンテナ−ＩＣチップ間の反射係数の計算値を示す図である。横軸は周波数である。
周波数ｆ＝９５３ＭＨｚでは、反射係数Ｓ１１＝−２０ｄＢ以下であり、十分整合していることがわかる。

図６は、第１の実施の形態のアンテナの放射パターンを示す図である。
横軸は、アンテナ１０に対して矩形の長辺方向をＸ軸、短辺方向をＹ軸としたＸ−Ｙ平面においてＸ軸を０度とした角度Φであり、縦軸は指向性（具体的にはアンテナ１０の絶対利得［ｄＢｉ］）を示している。

第１の実施の形態のアンテナ１０は、角度Φ＝９０°、２７０°で指向性最大となる。
以下、第２の実施の形態のアンテナを説明する。
図７は、第２の実施の形態のＲＦＩＤ用のアンテナの構成を示す図である。

第２の実施の形態のアンテナ３０は、第１の実施の形態のアンテナ１０と同様に、例えば約７２ｍｍ×４２ｍｍの大きさの矩形の辺に沿うように折り曲げられた最外周線路３１と、最外周線路３１に対して内周側に近接して並置され、端部で最外周線路３１と電気的に接続し、一部に給電部３２を設けた給電用線路３３とを有している。しかし、第２の実施の形態のアンテナ３０では、第１の実施の形態のアンテナ１０と異なり、最外周線路３１及び給電用線路３３は、給電部３２に対して左右非対称に伸びるように形成されている。

アンテナ３０は、さらに、給電部３２に接続するＩＣチップ（図示せず）とインピーダンス整合を行うためのインピーダンス調整用のインダクタ３４を有している。インダクタ３４は、矩形の内側の領域に配置されている。なお、第２の実施の形態のアンテナ３０では、インダクタ３４は１箇所の曲げ部を有し、矩形状に折り曲げられた給電用線路３３の２辺に接続されている。第１の実施の形態のアンテナ１０のインダクタ１４と比べて、インダクタ３４の曲げ部分は１箇所のみと少なくしており、電流集中によるロスを少なくしている。

また、第２の実施の形態のアンテナ３０においても最外周線路３１には、長さ調整分の線路３１ａを追加している。線路３１ａはアンテナ面積を増やすために、例えば最外周線路３１及び給電用線路３３の線幅とその隙間の幅を加算した幅のベタパターンで形成しているが、他の部分と同様に最外周線路３１と給電用線路３３を並列に伸ばすような構成としてもよい（但し、給電用線路３３の端部で互いに電気的に接続されている必要がある）。

第２の実施の形態のアンテナ３０を、図２で示したＲＦＩＤタグ２０に搭載しているアンテナ１０の代わりに搭載する場合、最外周線路３１の線幅ｗ２と、給電用線路３３の線幅の比率を調整し、インダクタ３４の長さｄ２を調整することで、ＩＣチップ２２とインピーダンス整合させることができる。

図８は、最外周線路の線幅と、放射抵抗の関係を示す電磁界シミュレーション結果を示す図である。
なお、ここでは給電用線路３３の線幅を２ｍｍと固定している。また、最外周線路３１と給電用線路３３との隙間は１ｍｍとしている。図８のように、最外周線路３１の線幅ｗ２を、例えば１〜３ｍｍの範囲で変化させると、放射抵抗Ｒｒ２を約５５０〜１５００Ωの範囲で調整することができる。

図９は、インダクタの長さとインダクタンス値の関係を示す電磁界シミュレーション結果を示す図である。
図７で示すインダクタ３４の長さｄ２を、例えば１３〜１９ｍｍの範囲で変化させると、インダクタンス値Ｌｐ２を、約２８〜４２ｎＨの範囲で調整することができる。

例えば、ＩＣチップ２２の等価回路（図１４参照）において抵抗が１０００Ω、キャパシタンスが０．９ｐＦで表される場合、インピーダンス整合させるには、アンテナ３０の放射抵抗Ｒｒ２を１０００Ω、インダクタンス値Ｌｐ２は３１ｎＨとする必要があるので、図８、図９より、最外周線路３１の線幅ｗ２を約２ｍｍ、インダクタ３４の長さｄ２を約１４．５ｍｍと選択することにより、アンテナ３０とＩＣチップ２２はインピーダンス整合され、アンテナ３０での受信パワーがＩＣチップ２２側へ十分供給されることになる。このときのアンテナ−ＩＣチップ間の反射係数は、以下のようになる。

図１０は、アンテナ−ＩＣチップ間の反射係数の計算値を示す図である。横軸は周波数である。
第１の実施の形態のアンテナ１０と同様に、周波数ｆ＝９５３ＭＨｚでは、反射係数Ｓ１１＝−２０ｄＢ以下であり、十分整合していることがわかる。

図１１は、第２の実施の形態のアンテナの放射パターンを示す図である。
横軸は、アンテナ３０に対して矩形の長辺方向をＸ軸、短辺方向をＹ軸としたＸ−Ｙ平面においてＸ軸を０度とした角度Φであり、縦軸は指向性を示している。

図１で示した第１の実施の形態のアンテナ１０では、図６で示したように角度９０°、２７０°で指向性最大となっていたのに対し、第２の実施の形態のアンテナ３０は、最外周線路３１及び給電用線路３３を、給電部３２に対して左右非対称に伸びるように形成したので、給電部３２の位置を調整することで、図１１のように例えば角度Φ＝４５°、２２５°で指向性最大とすることができる。

例えば、ＲＦＩＤタグ２０が固定して使用される際、指向性を調整したい場合に第２の実施の形態のアンテナ３０が有用である。
以上の説明した第１及び第２の実施の形態では、カードサイズ（８６ｍｍ×５４ｍｍ）に収容可能なアンテナ１０、３０について説明したが、更に小型化することも可能である。

図１２は、第３の実施の形態のＲＦＩＤ用のアンテナの構成を示す図である。
第３の実施の形態のアンテナ４０は、例えば約４２ｍｍ×４２ｍｍの大きさの矩形の辺に沿うように折り曲げられた最外周線路４１と、最外周線路４１に対して内周側に近接して並置され、端部で最外周線路４１と電気的に接続し、一部に給電部４２を設けた給電用線路４３とを有している。第３の実施の形態のアンテナ４０のように、サイズを小さくすると、９５３ＭＨｚの電波の受信に必要となる最外周線路４１の長さが、例えば、４２ｍｍ×４２ｍｍの矩形の外周で足りないので、その分は線路４１ａのように矩形の内側に折り込んで形成する。

アンテナ４０は、さらに、給電部４２に接続するＩＣチップ（図示せず）とインピーダンス整合を行うためのインピーダンス調整用のインダクタ４４を有している。インダクタ４４は、矩形の内側の領域に配置されている。なお、第３の実施の形態のアンテナ４０では、インダクタ４４は、矩形状に折り曲げられた給電用線路４３の対向する２辺に接続されている。第１の実施の形態のアンテナ１０のインダクタ１４と比べて、インダクタ４４の曲げ部分をなくしており、電流集中によるロスをなくしている。

なお、第１〜第３の実施の形態のアンテナ１０、３０、４０において、曲げ部分を曲線状に折り曲げることでも、曲げ部分での電流集中によるロスを抑制することができる。
図１３は、第１の実施の形態のアンテナの曲げ部分の一部を曲線状にした場合について示している。

また、図１３のように、インダクタ１４の部分の曲げ部分も曲線状にすることで、同様の効果が得られる。
なお、上記ではＵＨＦ帯、特に９５３ＭＨｚの電波を用いて通信を行う場合について説明したが、これに限定されず、それ以外の周波数帯を用いた通信にも適用できる。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

符号の説明

１０ アンテナ
１１ 最外周導電性線路
１１ａ 線路
１２ 給電部
１３ 給電用導電性線路
１４ インダクタ

Claims (13)

1. ＲＦＩＤ用のアンテナにおいて、
   所定の大きさの略矩形の辺に沿うように折り曲げられた最外周導電性線路と、
   前記最外周導電性線路に対して内周側に近接して並置され、端部で前記最外周導電性線路と電気的に接続し、一部に給電部を設けた給電用導電性線路と、
   を有することを特徴とするアンテナ。
2. 前記最外周導電性線路は、ＵＨＦ帯の電波を受信可能な長さに形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。
3. 前記給電用導電性線路の線幅と前記最外周導電性線路の線幅の比率を調整することで、所望の放射抵抗に調整されることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。
4. 前記給電部に接続するＩＣチップとインピーダンス整合を行うためのインピーダンス調整用インダクタを、前記略矩形の内側の領域に配置したことを特徴とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。
5. 前記インダクタの曲げ部分は曲線状に折り曲げられていることを特徴とする請求の範囲第４項記載のアンテナ。
6. 前記インダクタは、略矩形状に折り曲げられた前記給電用導電性線路の対向する２辺に直線状に接続されていることを特徴とする請求の範囲第４項記載のアンテナ。
7. 前記最外周導電性線路及び前記給電用導電性線路は、前記給電部に対して非対称に形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。
8. 前記最外周導電性線路において、所定の周波数の電磁波の受信に必要となる長さが前記略矩形の外周で足りない分は、前記略矩形の内側に折り込んで形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。
9. 前記最外周導電性線路または前記給電用導電性線路の曲げ部分の曲げ角度は、９０度であることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。
10. 前記最外周導電性線路または前記給電用導電性線路の曲げ部分は、曲線状に折り曲げられていることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアンテナ。
11. ＲＦＩＤ用のアンテナにおいて、
    所定の大きさの略矩形の辺に沿うように折り曲げられた最外周導電性線路と、
    前記最外周導電性線路に対して内周側に近接して並置され、端部で前記最外周導電性線路と電気的に接続し、一部に給電部を設けた給電用導電性線路と、
    前記給電部に接続するＩＣチップとインピーダンス整合を行うためのインピーダンス調整用インダクタと、
    を有することを特徴とするアンテナ。
12. インピーダンス調整用インダクタは前記略矩形の内側の領域に配置されることを特徴とする請求の範囲第１１項記載のアンテナ。
13. ＲＦＩＤ用の非接触型タグにおいて、
    所定の大きさの略矩形の辺に沿うように折り曲げられた最外周導電性線路と、前記最外周導電性線路に対して内周側に近接して並置され、端部で前記最外周導電性線路と電気的に接続し、一部に給電部を設けた給電用導電性線路と、を有するアンテナと、
    前記給電部に接続するＩＣチップと、
    を具備することを特徴とする非接触型タグ。
    

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