JPWO2020090319A1 - Rfタグアンテナ、rfタグ、rfタグを備えたタイヤ、およびrfタグ内蔵タイヤ - Google Patents

Rfタグアンテナ、rfタグ、rfタグを備えたタイヤ、およびrfタグ内蔵タイヤ Download PDF

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Abstract

【課題】スチールワイヤおよび炭素粉末を含むタイヤに取り付けることができるRFタグアンテナ、RFタグ、RFタグを備えたタイヤ、およびRFタグ内蔵タイヤを提供することである。【解決手段】RFタグアンテナ10は、スチールワイヤ925および炭素粉末を含むタイヤ920に取り付けて用いられるRFタグアンテナ10であって、RFタグアンテナ10は、グランド部30と電位差形成部20とを含み、電位差形成部20とグランド部30とで(LC)共振回路が構成され、グランド部30がスチールワイヤ925に電気的に導通されている。【選択図】図3

Description

本発明は、RFタグアンテナ、RFタグ、RFタグを備えたタイヤ、およびRFタグ内蔵タイヤに関する。
近年、製品や部品等の在庫管理、物流管理等を行う管理システムにおいて、RFID(Radio Frequency Identification)技術が利用されている。このRFID技術を用いたシステムでは、RFタグとリーダライタ(以下、読取装置という。)との間で無線通信が行われ、RFタグに記憶される識別情報等が読取装置により読み取られる。
例えば、特許文献1(特開2012−253700号公報)には、放射導体およびグランド導体の取付けを容易なものとし、導体間の接続信頼性の向上を図る無線通信デバイス、その製造方法および無線通信デバイス付き金属物品について開示されている。
特許文献1に記載の無線通信デバイスは、第1主面および該第1主面と対向する第2主面を有する誘電体ブロックと、誘電体ブロックの第1主面に設けられた放射導体と、誘電体ブロックの第2主面に設けられたグランド導体と、高周波信号を処理する無線IC素子と放射導体およびグランド導体とを接続する給電導体と、放射導体とグランド導体とを接続する短絡導体とを含んで構成される逆F型アンテナを備えた無線通信デバイスであって、少なくとも放射導体、グランド導体、給電導体および短絡導体は、それぞれ平板状をなす金属導体として構成されており、金属導体は、放射導体部分が誘電体ブロックの第1主面に配置され、グランド導体部分が誘電体ブロックの第2主面に配置され、給電部部分が主として誘電体ブロックの側面に配置され、短絡導体部分が主として誘電体ブロックの側面に配置されているものである。
特許文献2(特開2007−124696号公報)には、UWB(Ultra Wide Band)技術を利用したBroadband−PAN(Personal Area Network)などの、超広帯域かつ小型なアンテナ装置が必要とされる通信システムにおいても利用可能な低背位化した広帯域アンテナ装置について開示されている。
特許文献2に記載の広帯域アンテナ装置においては、少なくともその一部が互いに対向するように配設された導体地板と放射導体板とを備えた広帯域アンテナ装置であって、前記導体地板と前記放射導体板との間に、使用無線周波数における比透磁率が1より大きく概ね8以下となる磁性体を介在させるものである。
特許文献3(特開2013−110685号公報)には、UHF帯の電波で用いられ、金属部材に取り付けられていても通信を良好に行うことができるRFIDタグの読み取り用の薄型アンテナについて開示されている。
特許文献3に記載の薄型アンテナタイヤは、磁性シートと、磁性シートの一方の面上に配置されたアンテナ部と、磁性シートの他方の面上に配置された導体地板と、を備え、磁性シートの厚さ方向に見たときに、アンテナ部および導体地板は少なくとも一部が重なるように配置され、磁性シートの厚さが200μm以上600μm以下である。
特許文献4(特開2004−013399号公報)には、タイヤに設けられた通信装置と外部の通信装置との通信性能を向上させることができるタイヤ用アンテナ装置および通信機能を有するタイヤであって、タイヤ100の全周にわたって取り付けられたベルト2の任意の点である点Cおよび点Dとをバイパス配線82により接続し、このバイパス配線82に通信回路部81を接続して、ベルト2の一部をループアンテナとして機能させること、および点Cと点Dの間におけるベルト2の近傍に磁性体83を設けることが記載されている。
特許文献5(特表2005−535497号公報)には、ゴム製タイヤの内部に納められたRFIDチップであって、RFIDチップは、ゴム製タイヤの内部に取り付けられると共に電波通信および受信用のアンテナを提供するようタイヤ内部に納められた導電性ベルトに容量結合されていることが記載されている。
特許文献6(特開2002−264617号公報)には、ループアンテナの作用によりタイヤの全周に亘って、どの方向からでも内部のRFIDタグと通信可能で、通信距離も長くすることが出来、更にはタイヤ内部に設置した内部状態検出部の検出値を外部から容易に読み取ることが出来るタイヤへのRFIDタグの設置構造であって、タイヤ7の周方向に沿ってループアンテナ8を設け、それに直列回路を構成する検出コイル9aと、その検出コイル9aに電磁的に結合されたアンテナコイル2aを有するRFIDタグ1aをタイヤ7内に設け、更にタイヤ7内部に空気圧や内部温度等を検出する内部状態検出部11を設置し、それをRFIDタグ1aに接続して構成したRFIDタグの設置構造が記載されている。
特許文献7(特開平10−166820号公報)には、タイヤ内外周部に使用されているコイル状の導電性ワイヤーをトランスポンダに直接接続されたアンテナとして使用することで、質問機の送信出力を高めることなく、トランスポンダとの通信距離を大きくすることのできるトランスポンダ付きタイヤであって、トランスポンダ3とタイヤ内外周部に配置されたジョイントレスベルト13A内のワイヤー131とを電気的に直接接続することによって、該ワイヤーをトランスポンダ3の受信および送信用アンテナとするトランスポンダ付きタイヤが記載されている。
特開2012−253700号公報 特開2007−124696号公報 特開2013−110685号公報 特開2004−013399号公報 特表2005−535497号公報 特開2002−264617号公報 特開平10−166820号公報
特許文献1には、逆FのRFタグアンテナについて開示されている。しかしながら、誘電体を用いても長距離の読取を行うことができないという問題がある。
また、特許文献2および3においては、同軸線路またはストリップ線路を用いて給電するなど構造が複雑であるため、製造コストが嵩むという問題、さらには、用途に応じて共振周波数を調節することが難しいという問題があった。
しかも、特許文献1乃至3には、炭素粉末を含むタイヤにアンテナを取り付けることは記載されていない。
特許文献4においては、明細書段落[0033]に「ベルト2上の点Cと点Dの間に、そのベルト2に沿って磁性体83が設けられている。この磁性体83は、ベルト2の一部を電気的に遮断に近い状態にするために設けられる。」と記載されている。したがって、ベルト2の一部(2a)を電気的に遮断に近い状態とするために磁性体83を設ける必要があり、製造コストが嵩むとの問題、さらにループアンテナにしか適用できないとの問題があった。
特許文献5においては、明細書段落[0026]に「RFIDチップ10は更に、接地面(図示せず)にアースされるのがよい。接地面(図示せず)をRFIDチップ10とタイヤ50の表面との間に設けるのがよい。」と記載されている。したがって、アンテナピン11を導電性ベルト74に容量結合するのみでなくアースピン16をRFIDチップ10とタイヤ50の表面との間に設けられる接地面に接続する必要があるため、構造が複雑であり、製造コストが嵩むとの問題があった。
特許文献6においては、用途がループアンテナに限定されるとの問題、および、タイヤの周方向に沿って大口径のループアンテナ8を埋設し、さらにアンテナコイル2と検出コイル9を追加しなければならないため、構造が複雑であり、製造コストが嵩むとの問題があった。
さらに、特許文献7においては、明細書段落[0010]に「ジョイントレスベルトの導電性ワイヤーを前記トランスポンダのアンテナとして接続すると共に、前記ベルトストリップのゴムを非導電性ゴムとしたトランスポンダ付きタイヤを提案する。」と記載されている。したがって、用途が「ベルトストリップのゴムを非導電性ゴムとしたトランスポンダ付きタイヤ」に限定され、導電性の炭素粉末を使用したタイヤに対しては、RFタグを用いることができないとの問題があった。
また、一般的なRFタグを、炭素粉末を含むタイヤに近づけると共振周波数がずれてしまい通信に支障が出るという問題、または炭素粉末を含むタイヤによりRFタグの通信が不良となる問題があった。
本発明の主な目的は、スチールワイヤおよび炭素粉末を含むタイヤに取り付けて通信することができるRFタグアンテナ、RFタグ、RFタグを備えたタイヤ、およびRFタグ内蔵タイヤを提供することである。
(1)
一局面に従うRFタグアンテナは、炭素粉末およびスチールワイヤを含むタイヤに取り付けて用いられるRFタグアンテナであって、RFタグアンテナは、グランド部と、グランド部に対して電位差を形成する電位差形成部と、を含み、電位差形成部およびグランド部は、絶縁体からなるスペーサを介して対向して配置され、RFタグアンテナのインダクタンスと、電位差形成部、グランド部、およびスペーサから構成されるコンデンサのキャパシタンスと、により受信する電波の周波数帯域で共振する共振回路が構成され、前記グランド部のみが前記スチールワイヤと電気的に導通しているものである。
この場合、スペーサにより、電位差形成部とグランド部との電位差を形成する空間を設けることができる。また、絶縁体からなるスペーサを用いることにより、電位差を形成する空間の形状を安定させることができる。絶縁体は、発泡スチロール、セラミック、その他の任意の素材を用いてもよい。
一般に炭素粉末を含むタイヤは、高抵抗の導電体であるため、電波吸収が生じ、RFタグの通信ができない。
しかしながら、本発明においては、電位差形成部とグランド部の間に高いインピーダンスを形成し、かつ、グランド部をタイヤのスチールワイヤに接続することにより、スチールワイヤおよび炭素粉末を含むタイヤをアンテナの一部として利用することができる。
さらに、RFタグアンテナのインダクタンスと、電位差形成部、グランド部、およびスペーサから構成されるコンデンサとにより受信する電波の周波数帯域で共振する共振回路が形成され、かつグランド部がスチールワイヤと導通しているため、炭素粉末を含むタイヤのばらつきによる共振周波数の変動を防止することができる。
そして、上記2つの効果により、一局面に従うRFタグアンテナでは、タイヤの外側からでもRFタグと通信可能となり、さらにタイヤを重ねても通信可能となる。
(2)
第2の発明にかかるRFタグアンテナは、一局面に従うRFタグアンテナにおいて、アンテナの構造が板状逆Fアンテナからなり、前記スペーサの側面に前記電位差形成部と前記グランド部とを電気的に導通する短絡部と、前記電位差形成部と前記グランド部とに給電する給電部と、が設けられていてもよい。
この場合、板状逆Fアンテナを採用することによって、RFタグアンテナの低背化が容易となる。
(3)
第3の発明にかかるRFタグアンテナは、第2の発明にかかるRFタグアンテナにおいて、電位差形成部、グランド部、短絡部、および給電部によりインダクタンスが構成される。
この場合、スペーサの側面の短絡部および給電部をインダクタの一部とすることによりRFタグアンテナのインダクタンスの値を容易に増加させることができる。
(4)
第4の発明にかかるRFタグアンテナは、一局面に従うRFタグアンテナにおいて、アンテナの構造が、逆Lアンテナ、パッチアンテナ、またはヘリカルアンテナである。
本願発明では、RFタグアンテナの構造として、板状逆Fアンテナの他に、逆Lアンテナ、パッチアンテナ、またはヘリカルアンテナを採用することができ、幅広い用途に対応することができる。
(5)
第5の発明にかかるRFタグアンテナは、一局面から第4の発明のいずれかにかかるRFタグアンテナにおいて、グランド部および電位差形成部は、連続した平板から形成される。
この場合、グランド部および電位差形成部は、連続した平板から形成されるので、一枚の平板から形成することができる。すなわち、容易に製造することができる。
(6)
第6の発明にかかるRFタグアンテナは、一局面から第5の発明のいずれかにかかるRFタグアンテナにおいて、電位差形成部の側辺の長さの合計が、読取装置から送信された電波の波長をλとして、λ/4、λ/2、3λ/4、5λ/8のいずれかからなる。
この場合、電位差形成部の側辺の長さの合計をλ/4、λ/2、3λ/4、5λ/8のいずれかとすることにより、板状逆Fアンテナの共振周波数を、読取装置から送信された電波の周波数に合わせることができ、通信性能が向上する。
(7)
第7の発明にかかる接続部材付きRFタグアンテナは、一局面から第6の発明のいずれかにかかるRFタグアンテナと導電性の接続部材とを備えた接続部材付きRFタグアンテナであって、RFタグアンテナのグランド部は、タイヤの内周面に密着して固定され、導電性の接続部材によってスチールワイヤとグランド部とが電気的に導通される。
この場合、RFタグアンテナのグランド部をタイヤの内周面に密着して固定することで、RFタグアンテナを容易にかつ確実にタイヤの内周面に固定することができ、また、導電性の接続部材を介してグランド部をタイヤのスチールワイヤに電気的に導通することで、スチールワイヤおよび炭素粉末を含むタイヤをアンテナの一部として利用することができる。
(8)
第8の発明にかかる接続部材付きRFタグアンテナは、第7の発明にかかる接続部材付きRFタグアンテナにおいて、導電性の接続部材とグランド部との接続点が、グランド部側の給電部の近傍に配置される。
この場合、スチールワイヤで吸収した電波をより効率よくRFタグの給電部へ送り込み、また、RFタグの給電部から送り出した電波をより効率よくスチールワイヤから放射することができる。
(9)
第9の局面にかかるRFタグアンテナは、一局面から第6の発明のいずれかにかかるRFタグアンテナと導電性の衝撃振動吸収部材とを備えた衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナであって、衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナのグランド部が衝撃振動吸収部材によりタイヤの内周面と離間して固定され、衝撃振動吸収部材によってグランド部とスチールワイヤが電気的に導通される。
この場合、RFタグアンテナのグランド部が衝撃振動吸収部材によりタイヤの内周面と離間して固定されるため、タイヤの屈曲、振動を衝撃振動吸収部材により吸収することができる。
(10)
第10の発明にかかるRFタグアンテナは、第9の発明にかかる衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナにおいて、衝撃振動吸収部材が、ステンレス、板バネ、燐青銅、炭素繊維、または導電性樹脂で形成される。
この場合、衝撃振動吸収部材として必要なばね性、あるいは曲げ強度と、スチールワイヤをアンテナとして用いるために必要な電気伝導率の高さを両立させることができる。
(11)
第11の発明にかかるRFタグは、一局面から第6の発明のいずれかにかかるRFタグアンテナと、RFタグアンテナに設けられたICチップと、を含む。
(12)
第12の発明にかかるRFタグは、第7の発明から第8の発明のいずれかにかかる接続部材付きRFタグアンテナと、接続部材付きRFタグアンテナに設けられたICチップと、を含む。
(13)
第13の発明にかかるRFタグは、第9の発明から第10の発明のいずれかにかかる衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナと、衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナに設けられたICチップと、を含む。
第11から第13の発明においては、ICチップをRFタグアンテナに設けることにより、RFタグの小型化を実現することができる。
(14)
第14の発明にかかるタイヤは、第12または第13にかかる発明のRFタグを備えたタイヤである。
第14の発明にかかるタイヤは、タイヤ自体にRFタグが備えられており、かつ、タイヤの外側からでもRFタグと通信可能となり、さらにタイヤを重ねても通信可能となることから、タイヤの管理を効率的に行うことができる。
(15)
第15の発明にかかるRFタグ内蔵タイヤは、第11の発明にかかるRFタグを内蔵し、RFタグアンテナのグランド部は、タイヤ内部のスチールワイヤに直接固定され、RFタグは、RFタグ内蔵タイヤのスチールワイヤより内周面側に埋め込まれる。
この場合、RFタグ全体がタイヤに内蔵され、RFタグアンテナのグランド部がスチールワイヤに直接固定されているため、タイヤの衝撃、振動に強いRFタグを構成することができる。
(16)
第16の発明にかかるRFタグ内蔵タイヤは、第15の発明にかかるRFタグ内蔵タイヤにおいて、RFタグアンテナの少なくとも電位差形成部は、気泡材または低誘電率の絶縁体を用いたアンテナ保護用のレドーム内に配置され、前記RFタグ内蔵タイヤのゴムと直接接触しないように構成されている。
この場合、RFタグアンテナのグランド部を除く部分が炭素粉末を含むタイヤの影響を受けることが少なくなり、電位差形成部による電波の吸収・放射がより効率的に行われる。さらに、タイヤの成分のばらつきによる共振周波数の変動が少なくなり、RFタグの送受信感度をより向上させることができる。
(17)
第17の発明にかかるRFタグ内蔵タイヤは、第16の発明にかかるRFタグ内蔵タイヤにおいて、RFタグアンテナの前記電位差形成部が、前記アンテナ保護用のレドームと所定の距離離れて配置され、直接接触しないように構成されている。
この場合、RFタグアンテナ電位差形成部がアンテナ保護用のレドームの影響を受けることが少なくなり、電位差形成部による電波の吸収・放射がより効率的に行われ、RFタグの送受信感度をより向上させることができる。
第1の実施形態にかかるRFタグを上方から見た斜視図である。 第1の実施形態にかかるRFタグを下方から見た斜視図である。 第1の実施形態にかかるRFタグの一例を示す模式的断面図である。 第1の実施形態にかかるRFタグの他の一例を示す模式的断面図である。 第1の実施形態にかかるRFタグの他の一例を示す模式的断面図である。 第1の実施形態にかかるRFタグの他の一例を示す模式的断面図である。 図6に記載のRFタグのヘリカルコイルにカバーをかぶせた形態を示す模式的断面図である。 第1の実施形態にかかるRFタグの使用態様の一例を示す模式図である。 第2の実施形態にかかるRFタグの一例を示す模式的断面図である。 第3の実施形態にかかるRFタグの一例を示す模式的断面図である。 第3の実施形態にかかるRFタグの他の一例を示す模式的断面図である。 第3の実施形態にかかるRFタグの他の一例を示す模式的断面図である。 第1の実施形態にかかるRFタグのさらに他の一例を示す模式的断面図である。 第1の実施形態にかかるRFタグのさらに他の一例を示す模式的断面図である。 第1の実施形態にかかるRFタグのさらに他の一例を示す模式的断面図である。 図6に記載のRFタグのヘリカルコイルにカバーをかぶせた形態を示す模式的断面図のさらに他の例を示す図である。 第2の実施形態にかかるRFタグのさらに他の一例を示す模式的断面図である。 第3の実施形態にかかるRFタグのさらに他の一例を示す模式的断面図である。 第3の実施形態にかかるRFタグのさらに他の一例を示す模式的断面図である。 第3の実施形態にかかるRFタグのさらに他の一例を示す模式的断面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付す。また、同符号の場合には、それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さないものとする。
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係るRFタグアンテナ10およびRFタグ100について図面を用いて説明する。
図1および図2に示すように、RFタグ100はRFタグアンテナ10およびICチップ80で構成され、RFタグアンテナ10は電位差形成部20、グランド部30、スペーサ40、給電部50および短絡部60を備え、板状逆Fアンテナを構成している。
スペーサ40は、上面(第1主面)、および第1主面の反対側の下面(第2主面)を有する。
電位差形成部20は、スペーサ40の上面に設けられている。グランド部30は、スペーサ40の下面に設けられている。電位差形成部20およびグランド部30は、いずれも長方形状であり、アルミニウム等の金属薄膜のエッチング又はパターン印刷等によって形成される。
電位差形成部20とグランド部30とは、同一形状である。
なお、本願において「同一形状」とは、厳密な意味での同一に限られるものではなく、アンテナの構造に起因して僅かな差異が生じる場合も「同一形状」に含むものとする。例えば、後述のICチップ80を電位差形成部20と同一平面上に設ける場合、ICチップ80を配置するために、図1に示すように、例えば四角形状の電位差形成部20の一部に凹部を設ける必要がある。
この場合、電位差形成部20とグランド部30との形状は厳密には同一ではない。しかし、電位差形成部20は、グランド部30と同様の四角形状であるので、電位差形成部20とグランド部30とは同一形状であるというものとする。
給電部50は、スペーサ40の側面に設けられ、グランド部30に一端が電気的に接続されている。短絡部60は、スペーサ40の側面に設けられ、電位差形成部20に一端が電気的に接続され、グランド部30に他端が電気的に接続されている。
図1に示すように、給電部50および短絡部60は、電位差形成部20とグランド部30とに架け渡されるようにシート70上に互いに平行に設けられる部材である。
なお、給電部50および短絡部60は、互いに並行に設けられなくてもよい。また、給電部50および短絡部60は、電位差形成部20およびグランド部30と同時に一体成形してもよい。あるいは、電位差形成部20およびグランド部30とは別体に成形した後、各々の端部を電位差形成部20およびグランド部30に接合してもよい。
図1、および図2に示すように、電位差形成部20、グランド部30、給電部50および短絡部60は、絶縁性のシート70上に形成されており、スペーサ40の辺の部分で折り曲げたシート70を介してスペーサ40に貼り付けられている。
後ほど詳しく説明するように、片面に電位差形成部20、グランド部30、給電部50および短絡部60が形成された可撓性のシート70を、給電部50および短絡部60とともに屈曲させてスペーサ40に貼り付けることにより容易にRFタグアンテナ10を製造することができる。
なお、シート70の材料としては、PET、ポリイミド、ビニールなど可撓性を有する絶縁材料を用いることが可能である。シート70の厚さは特に限定されるものではないが、一般的には数十μm程度である。また、各導波素子20,30の表面に絶縁被膜処理を施してもよい。
また、本実施形態では電位差形成部20およびグランド部30をシート70(基材)上に形成しているが、必ずしもシート70上に形成されたものである必要はない。例えば、電位差形成部20およびグランド部30を単体で形成してもよい。あるいは、シート70上に形成された電位差形成部20およびグランド部30をスペーサ40に張り付けた後、当該シート70を剥がしてもよい。
上記のスペーサ40、電位差形成部20、グランド部30、給電部50および短絡部60により、板状逆Fアンテナが構成される。この板状逆Fアンテナは、読取装置(図示せず)から送信された電波を受信する。電位差形成部20が電波を吸収する場合には、グランド部30が導体地板として働く。一方、グランド部30が電波を吸収する場合には、電位差形成部20が導体地板として働く。すなわち、電位差形成部20とグランド部30は、RFタグ100の使用態様に応じて、導波素子および導体地板のどちらの機能も果たすことが可能である。
電位差形成部20は、その側辺20aから20fまでの長さの合計A(側辺の長さの合計)がλ/4、λ/2、3λ/4、5λ/8のいずれかになるように設計されている。ここで、λは読取装置から送信された電波の波長である。なお、電波の波長λは、RFタグとして使用可能な範囲内であれば特に限定されない。グランド部30は、その側辺30aから30dまでの長さの合計Bが合計Aとほぼ等しくなるように設計されている。
上記のように、電位差形成部20とグランド部30は同一形状であり、各導波素子20,30の側辺の長さの合計A,Bはλ/4、λ/2、3λ/4、5λ/8のいずれかにほぼ等しい。これにより、板状逆Fアンテナの感度を高めることができる。
また、電位差形成部20、短絡部60、グランド部30、および給電部50により形成されるインダクタンスと、電位差形成部20、グランド部30、およびスペーサ40により形成されるキャパシタンスにより共振回路を構成することができる。
(RFタグ100の使用態様)
図3は、本実施の第1の実施形態にかかるRFタグ100の一例を示す模式的断面図である。
本発明にかかるRFタグ100は、主にタイヤに取り付けられ、リーダライタと送受信を行うことができるものである。RFタグアンテナ10の内部にICチップ80が搭載される。RFタグアンテナ10のグランド部30がタイヤ920の内周面921に密着して固定され、グランド部30は導電性の接続部材90を介してタイヤ920のスチールワイヤ925と電気的に導通している。
(他のアンテナを用いたRFタグ100)
図1から図3に記載の実施形態ではRFタグアンテナ10は板状逆Fアンテナを構成しているが、本願発明はこれに限定されるものではなく、逆Lアンテナ、パッチアンテナ、ヘリカルアンテナも使用できる。
逆Lアンテナ、パッチアンテナ、およびヘリカルアンテナの場合の模式的断面図をそれぞれ、図4から図6に示す。
逆Lアンテナでは給電部が電位差形成部20およびグランド部30の端部にあり、電位差形成部20及びグランド部30は給電部を介して接続されている。パッチアンテナでは給電部が電位差形成部20およびグランド部30の中心付近に設けられ、電位差形成部20の面積はグランド部30の面積より小さい。また、ヘリカルアンテナでは電位差形成部20としてヘリカルコイルが用いられている。なお、図3から図6において、ICチップ80は給電点の位置を示している。
図7は、図6に記載のヘリカルアンテナのRFタグ100のヘリカルコイル(電位差形成部20)の部分に絶縁体のカバー25をかぶせた形態を示す模式的断面図である。
ヘリカルコイルの部分に絶縁体のカバー25をかぶせることにより、衝撃、振動に対する強度を高めることができる。なお、ヘリカルアンテナのRFタグ100では、ICチップ80をグランド部30に配置し、ICチップ80の給電出力をヘリカルコイルに接続している。
図3、および図4に示した、逆Fアンテナ、および逆Lアンテナでは、グランド部30に接続されたスチールワイヤ925から電波を吸収、または放射する要素を備えており、本願発明のようにグランド部30をスチールワイヤ925に接続することで、より送受信感度を向上させることができる。
また、図3、および図4に示した逆Fアンテナ、および逆Lアンテナでは、接続部材90とグランド部30との接続点をグランド部30と給電回路(ICチップ80)の接続点の近傍に配置することで、RFタグの送受信感度をより向上させることができる。
なお、図4から図7において、タイヤ920は簡便のため略長方形に描かれているが、実際の形状は図3のタイヤ920と同一である。
また、図13から図16はそれぞれ、図4から図7のタイヤ920を図3と同様に湾曲させた状態でのRFタグ100を示す模式的断面図であり、他は図4から図7と同一であるため、説明を省略する。
(グランド部30)
図3に示すように、グランド部30は、アルミニウムなど導電性金属の金属薄膜からなる。一般的に本実施の形態における薄膜は3μm以上35μm以下の厚みから形成される。樹脂フィルム上に金属薄膜からなるグランド部30を形成してもよい。グランド部30は、エッチングまたはパターン印刷等の手法によって形成される。グランド部30はタイヤ920のスチールワイヤ925と電気的に導通している。
(電位差形成部20)
電位差形成部20は、アルミニウムなど導電性金属の金属薄膜からなる。一般的に本実施の形態における薄膜は3μm以上35μm以下の厚みから形成される。樹脂フィルム上に金属薄膜からなる電位差形成部20を形成してもよい。
電位差形成部20は、エッチングまたはパターン印刷等の手法によって形成される。本実施の形態においては、グランド部30および電位差形成部20は、同一素材からなる。
つまり、グランド部30および電位差形成部20は、連続する金属薄膜を切断および/または加工することによって形成することができる。なお、グランド部30および電位差形成部20の素材は同一であってもよく、異なってもよい。
例えば、グランド部30を構成する金属素材と電位差形成部20を構成する金属素材とは異なっていてもよく、あるいはグランド部30を構成する金属素材と電位差形成部20を構成する金属素材は同一とし、かつそれらの厚みを異ならせ、またはそれらの表面処理を異ならせるようにしてもよい。
(ICチップ80)
ICチップ80は、RFタグアンテナ10の電位差形成部20とグランド部30との間に配置されている。ICチップ80は、RFタグアンテナ10の板状アンテナが受信した電波に基づいて動作する。
具体的に本実施の形態にかかるICチップ80は、まず、読取装置から送信される搬送波の一部を整流して、ICチップ80自身が、動作するために必要な電源電圧を生成する。そして、ICチップ80は、生成した電源電圧によって、ICチップ80内の制御用の論理回路、商品の固有情報等が格納された不揮発性メモリを動作させる。
また、ICチップ80は、読取装置(リーダ)との間でデータの送受信を行うための通信回路等を動作させる。
図8に示す使用態様は、炭素粉末および/または炭素繊維(特に、カーボンブラック)を含有したタイヤ(自動車、自転車、オートバイ等)920の内周面921に、RFタグ100を設けたものである。タイヤ920は、炭素粉末以外に、従来のゴム(天然ゴム、合成ゴム)、加硫剤、充填剤などを含有することができる。一般的には、炭素粉末は、ゴム100重量部に対して、40重量部以上60重量部以下、特に、45重量部以上55重量部以下配合されている。RFタグ100は接着剤などを使用してタイヤ920の内周面921に貼着することができる。
なお、タイヤ920は回転して使用されるので、タイヤ920の内周面921の幅方向の中央部に取り付けられることが好ましい。RFタグ100のグランド部30は導電性の接続部材90によってタイヤ920のスチールワイヤ925と電気的に導通されている。さらに、タイヤ920は、通常横置きで、かつ積層して保管されるが、本発明にかかるRFタグ100は、電位差形成部20とグランド部30により共振回路が構成され、かつ、グランド部30をスチールタイヤ925と電気的に導通することでタイヤ920に含有されたスチールワイヤ925および炭素粉末(カーボンブラック)をアンテナとして利用することができるので、横置きでかつ積層して保管されている場合にも送受信を行うことができる。
図8に示す使用態様ではRFタグ100はタイヤ920の内周面921に直接貼着されているが、走行時の静穏性のために、内周面921の中央部にスポンジを取り付け、スポンジにRFタグ100を固定してもよい。
次に、図3を用いて電位差形成部20を設ける理由を説明する。図3に示したタイヤ920にRFタグ100を設けた使用態様について説明を行う。また、図3の例においては、タイヤ920の内部に金属製のスチールワイヤ925が埋設されている。
まず、ここで、一般的なタイヤ920について説明を行う。
一般的なタイヤ920に使用されている硬質ゴムは炭素粉末を加えて加硫することで硬度を保っている。また、炭素粉末は、電波吸収体としても多く利用されることが知られている。
したがって、タイヤ920の内部は、スチールワイヤ925で覆われた電波シールドと、電波吸収体と、を含むものとなる。その結果、タイヤ920等のスチールワイヤ925および炭素粉末(カーボンブラック)を含むタイヤにおいては、RFタグ100の送受信が困難であることがわかる。したがって、RFタグ100をタイヤ920の内部に設置すると、タイヤ920に含まれるスチールワイヤ925および炭素粉末の影響によって、RFタグ100はタイヤ920の外部との通信が困難となる。
発明者は、一般的なタイヤ920の内部における減衰量を計測した。その結果、減衰量は、タイヤ2段積載で積み重ねた場合、9dB、タイヤ3段積載で積み重ねた場合、16dB、タイヤ4段積載で積み重ねた場合、23dBとなった。
すなわち、一般的なRFタグの受信感度が−10dBの場合、タイヤ920を3段積載、4段積載で積み重ねた場合、RFタグの動作感度に達せず通信ができなくなることがわかった。また、RFタグの受信感度が−20dBの場合、タイヤ920を4段積載で積み重ねた場合は、RFタグの動作感度に達せず通信できなくなるという問題が生じてしまうことがわかった。
さらに、一般的なタイヤ920では、タイヤ920自身に含まれる炭素粉末(カーボンブラック)のばらつき度合いにより直流抵抗930(図3参照)が、数十キロオームから数百キロオームの間でばらつく。その結果、比誘電率が変化し、タイヤ920毎に、波長変動を補う必要があることがわかった。
以上のことから、本発明者は、タイヤ920自身、特にタイヤに内蔵されたスチールワイヤ925をアンテナ代わりにすることでRFタグ100に電波の信号を取り込むとともに、電位差形成部20とグランド部30で(LC)共振回路を構成することで炭素粉末のばらつき具合による共振周波数の変動を防止するとの技術思想を見出し、実現した。以下、その点について説明を行う。
図8に示すように、本発明にかかるRFタグ100のグランド部30をタイヤ920の内周面921に取り付けた場合、電位差形成部20とグランド部30の間にコンデンサCを形成することができる。
したがって、アンテナ200の備えるインダクタンスLと、コンデンサCとから共振回路を形成することができ、タイヤ920に含有された炭素粉末(カーボンブラック)によって、RFタグ100の最適な側辺の長さの合計の変動を防止することができる。
また、グランド部30をスチールワイヤ925に接続することで、スチールワイヤ925および炭素粉末(カーボンブラック)をアンテナとしてRFタグ100のICチップ80に電界として取り込むことができる。
そして、タイヤ920のスチールワイヤ925および炭素粉末をアンテナにすることができるため、タイヤ920の内側にRFタグ100を設置した場合でも、タイヤ920の外部と通信不良が生じにくくすることができる。さらに、コンデンサCを高インピーダンスにすることによって、タイヤごとに異なる炭素粉末のばらつきの影響を最小限に抑えることができる。
本実施の形態において、側辺の長さの合計は、使用する周波数の波長λの1/2の長さに設計した。なお、側辺の長さの合計は、波長λの1/4、3/4、または5/8であってもよい。波長λは、伝搬速度(光速(c))/周波数(F)により算出できる。具体的に周波数が920MHzの場合、伝搬速度(光速(c))を3x10m/sとして、値Tは、値T=(3x10÷9.2x10Hz)/2≒0.163m、すなわち163mmとなる。この場合、側辺の長さの合計が163mmとなるように各辺の長さを調整する。なお、当該側辺の長さの合計は、近似値であるので、値の数値自体が±5%前後の誤差を有してもよい。RFタグ100の読取距離が短くなるが、調整により仕様に適応させることができるからである。
また、図3に示すように、RFタグ100は、電位差形成部20とグランド部30との間の空間部に配置されたスペーサ40を含んでも良い。
スペーサ40は、軽量で、かつ柔軟性な耐熱性部材から構成することが好ましい。例えば、発泡部材(発泡スチロール)等が好ましい。
本来は、スペーサ40の代わりに空気を用いることが最も好ましいが、電位差形成部20の所定の間隔維持および接触を防止するため、90容量%以上空気を有する発泡スチロールを利用することが好ましい。さらに好ましくは95容量%以上99容量%以下の空気を有する独立発泡の発泡スチロールである。
その結果、電位差形成部20の空間距離を所定の間隔に維持することができる。また、スペーサ40の比誘電率は、1以上20以下の範囲内であることが望ましい。さらに望ましくは1.01以上1.20以下であり、最も望ましくは1.01以上1.10以下であり、さらに最も望ましくは1.02以上1.08以下である。スペーサ40として発泡スチロールを用いる場合、発泡スチロールの発泡倍率は15倍以上60倍以下のものが好ましい(この場合、比誘電率は1.01以上1.10以下となる)。
一方、電位差形成部20として発泡スチロール等の比誘電率が1以上5以下(特に1.01以上1.20以下)の材質を用いた場合には、電位差形成部20の開口面積を大きく維持することができ、通信距離を数メートルから数十メートルまで延ばすことができる。
なお、本実施の形態においてスペーサ40は、発泡スチロールからなることとしているが、これに限定されず、絶縁体であればよく、ポリエチレン、ポリイミド、薄物発泡体(ボラ―ラ)等、絶縁性を有する他の発泡体または素材を用いてもよい。
また、上記の実施の形態においては、スペーサ40として発泡スチロールを用いる場合について説明したが、誘電体を用いてもよい。例えば、誘電体として、樹脂、セラミック、紙等であってもよい。さらに、スペーサ40としてセラミック(比誘電率が5を超え9以下)を用いた場合には、電位差形成部20の開口面積が小さくなり、通信距離が低減されるが、RFタグ100を小型化することができる。スペーサ40は、発泡形状でもよく、空洞が1または多数形成されていてもよく、異種の材質が混合または積層された複合材料からなってもよい。
以上のように、本発明にかかるRFタグ100においては、電位差形成部20によりグランド部30に対して電位差を形成することができる。また、炭素粉末を含むタイヤ(タイヤ920等)は、高抵抗の導電体であるため、一般には、電波吸収が生じ、RFタグ100の通信ができない。
しかしながら、本発明においては、電位差形成部20とグランド部30で(LC)共振回路を構成し、かつ、グランド部30をタイヤ920等のスチールワイヤ925に接続することにより、スチールワイヤ925および炭素粉末を含むタイヤをアンテナの一部として利用することができる。
(第2の実施形態)
図9は、本実施の第2の実施形態にかかるRFタグ100の一例を示す模式的断面図である。
図9において、RFタグ100自体の構造は第1の実施形態と同一である。
ただし、第1の実施形態では、RFタグアンテナ10のグランド部30がタイヤ920の内周面921に密着して固定されているのに対して、第2の実施形態ではRFタグアンテナ10のグランド部30が導電性の衝撃振動吸収部材95によりタイヤ920の内周面921と離間して固定されている点で異なる。
また、第1の実施形態では、グランド部30とスチールワイヤ925が導電性の接続部材90によって電気的に導通されているのに対して、第2の実施形態ではグランド部30とスチールワイヤ925が導電性の衝撃振動吸収部材95によって電気的に導通されている点でも異なる。
第2の実施形態では、RFタグ100を衝撃振動吸収部材95によってタイヤ920の内周面921と離間して固定することで、走行中の、障害物による衝撃振動を衝撃振動吸収部材95によって吸収することができるとの効果が得られる。
なお、衝撃振動吸収部材は、ステンレス、板バネ、燐青銅、炭素繊維、または導電性樹脂で形成されることが望ましい。
また、第2の実施形態においても、逆Lアンテナ、逆Fアンテナ、パッチアンテナ、およびヘリカルアンテナを備えたRFタグ100を使用することができる。
なお、図17は逆Fアンテナを備えた、第2の実施形態にかかるRFタグ100の一例を示す模式的断面図である。
(第3の実施形態)
図10から図13は第3の実施形態におけるRFタグ100の一例を示す模式的断面図である。
第3の実施形態では、RFタグ100自体の構造は第1の実施形態と同一である。
ただし、RFタグ100はタイヤに内蔵されており、RFタグアンテナ10のグランド部30は直接RFタグ内蔵タイヤのスチールワイヤ925に密着して固定され、電気的にも導通している。したがって、RFタグ100には導電性の接続部材90は含まれていない。
図10から図13において、電位差形成部20からの送受信の際にスチールワイヤ925による電波シールドの影響を受けないよう、RFタグ100は、スチールワイヤ925よりRFタグ内蔵タイヤの内周面921側に配置されている。
また、図10から図13においては、タイヤに含まれる炭素粉末の影響を避けるため、RFタグアンテナ10の少なくとも電位差形成部20が、気泡材または低誘電率の絶縁体を用いたアンテナ保護用のレドーム923の内部に配置されている。
さらに、RFタグ100の送受信感度を向上させるためには、RFタグアンテナ10の電位差形成部20をレドーム923に直接接触しないよう配置することが望ましい。
図10から図12はそれぞれ、逆Lアンテナ、逆Fアンテナ、およびパッチアンテナのRFタグ100を内蔵したRFタグ内蔵タイヤの模式的断面図である。
なお、図10から図12において、タイヤ920は簡便のため略長方形に描かれているが、実際の形状は図3のタイヤ920と同一である。
また、図18から図20はそれぞれ、図10から図12のタイヤ920を図3と同様に湾曲させた状態でのRFタグ100を示す模式的断面図であり、他は図10から図12と同一であるため、説明を省略する。
上記第1の実施形態から第3の実施形態においては、電位差形成部20とグランド部30とを、絶縁体からなるスペーサ40を介して対向して配置し、グランド部30のみをタイヤのスチールワイヤ925と電気的に導通させるとの構成を備えている。
そして、上記構成を備えることによって、通常は電波シールドとなるタイヤのスチールワイヤ925と、電波吸収体となるタイヤの炭素粉末をアンテナの一部として利用し、RFタグ100の送受信感度を向上させることができる。
また、上記第1の実施形態から第3の実施形態においては、RFタグアンテナ10のインダクタンスと、電位差形成部20、グランド部30、およびスペーサ40から構成されるコンデンサとで(LC)共振回路を形成することにより、炭素粉末を含むタイヤのばらつきによる共振周波数の変動を最小限に抑えることができる。
なお、本発明に使用されるタイヤの素材としては、樹脂を硬化または形成してなる樹脂硬化物または樹脂成形物に限定されない。タイヤの素材は、樹脂、ゴム、およびエラストマーからなる群から選択される少なくとも一種を含有することができる。例えば、タイヤに使用するタイヤの素材としては、公知の合成ゴムおよび/または天然ゴムを含有することができる。
さらに、アンテナは、ダイポールアンテナ、タブレットアンテナ、モノポールアンテナ等、各種のアンテナに適用することができる。
本発明においては、ICチップ80が『ICチップ』に相当し、RFタグアンテナ10が『RFタグアンテナ』に相当し、グランド部30が『グランド部』に相当し、RFタグ100が『RFタグ』に相当し、電位差形成部20が『電位差形成部』に相当し、スペーサ40が『スペーサ』に相当し、スチールワイヤ925が『スチールワイヤ』に相当する。
本発明の好ましい一実施の形態は上記の通りであるが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。
10 RFタグアンテナ
20 電位差形成部
30 グランド部
40 スペーサ
50 給電部
60 短絡部
80 ICチップ
90 接続部材
95 衝撃振動吸収部材
100 RFタグ
920 タイヤ
921 内周面
925 スチールワイヤ
930 直流抵抗

Claims (17)

  1. 炭素粉末およびスチールワイヤを含むタイヤに取り付けて用いられるRFタグアンテナであって、
    前記RFタグアンテナは、
    グランド部と、
    前記グランド部に対して電位差を形成する電位差形成部と、を含み、
    前記電位差形成部および前記グランド部は、絶縁体からなるスペーサを介して対向して配置され、
    前記RFタグアンテナのインダクタンスと、前記電位差形成部、前記グランド部、および前記スペーサから構成されるコンデンサのキャパシタンスと、により受信する電波の周波数帯域で共振する共振回路が構成され、
    前記グランド部のみが前記スチールワイヤと電気的に導通している、RFタグアンテナ。
  2. 前記RFタグアンテナは、板状逆Fアンテナからなり、
    前記スペーサの側面に前記電位差形成部と前記グランド部とを電気的に導通する短絡部と、
    前記電位差形成部と前記グランド部とに給電する給電部と、が設けられている、請求項1に記載のRFタグアンテナ。
  3. 前記RFタグアンテナのインダクタンスは、前記電位差形成部、前記グランド部、前記短絡部、および前記給電部により構成される、請求項2に記載のRFタグアンテナ。
  4. 前記RFタグアンテナは、逆Lアンテナ、パッチアンテナ、またはヘリカルアンテナである、請求項1に記載のRFタグアンテナ。
  5. 前記グランド部および前記電位差形成部は、それぞれ連続した平板から形成される、請求項1から4のいずれか1項に記載のRFタグアンテナ。
  6. 前記電位差形成部の側辺の長さの合計は、読取装置から送信された電波の波長をλとして、λ/4、λ/2、3λ/4、5λ/8のいずれかからなる、請求項1から5のいずれか1項に記載のRFタグアンテナ。
  7. 請求項1から6のいずれか1項に記載のRFタグアンテナと導電性の接続部材とを備えた接続部材付きRFタグアンテナであって、
    前記RFタグアンテナの前記グランド部は、前記タイヤの内周面に密着して固定され、
    前記導電性の接続部材によって前記スチールワイヤと前記グランド部とが電気的に導通される、接続部材付きRFタグアンテナ。
  8. 前記導電性の接続部材と前記グランド部との接続点が、前記グランド部側の給電部の近傍に配置された、請求項7に記載の接続部材付きRFタグアンテナ。
  9. 請求項1から6のいずれか1項に記載のRFタグアンテナと導電性の衝撃振動吸収部材とを備えた衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナであって、
    前記RFタグアンテナの前記グランド部が前記衝撃振動吸収部材により前記タイヤの内周面と離間して固定され、
    前記衝撃振動吸収部材によって前記グランド部と前記スチールワイヤとが電気的に導通される、衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナ。
  10. 前記衝撃振動吸収部材は、ステンレス、板バネ、燐青銅、炭素繊維、または導電性樹脂で形成される、請求項9に記載の衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナ。
  11. 請求項1から6のいずれか1項に記載のRFタグアンテナと、
    前記RFタグアンテナに設けられたICチップと、を含むRFタグ。
  12. 請求項7または8に記載の接続部材付きRFタグアンテナと、
    前記接続部材付きRFタグアンテナに設けられたICチップと、を含むRFタグ。
  13. 請求項9または10に記載の衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナと、
    前記衝撃振動吸収部材付きRFタグアンテナに設けられたICチップと、を含むRFタグ。
  14. 請求項12または13に記載のRFタグを備えたタイヤ。
  15. 請求項11に記載のRFタグを内蔵する、RFタグ内蔵タイヤであって、
    前記RFタグアンテナのグランド部は、タイヤ内部の前記スチールワイヤに直接固定され、
    前記RFタグは、前記RFタグ内蔵タイヤの前記スチールワイヤより内周面側に埋め込まれた、RFタグ内蔵タイヤ。
  16. 前記RFタグアンテナの少なくとも前記電位差形成部は、気泡材または低誘電率の絶縁体を用いたアンテナ保護用のレドーム内に配置され、前記RFタグ内蔵タイヤのゴムと直接接触しないように構成されている、請求項15に記載のRFタグ内蔵タイヤ。
  17. 前記RFタグアンテナの前記電位差形成部は、前記アンテナ保護用のレドームと所定の距離離れて配置され、直接接触しないように構成されている、請求項16に記載のRFタグ内蔵タイヤ。
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