WO2010113751A1 - 複合rfタグ、該複合rfタグを設置した工具 - Google Patents

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Abstract

 本発明は、電磁誘導方式を利用し情報を送受信するための複合RFタグであり、該複合RFタグはICを実装した磁性体アンテナと該磁性体アンテナの周囲に形成された樹脂層とからなり、前記磁性体アンテナは磁性体からなるコアを中心として電極材料がコイル状となるように形成されている複合RFタグに関する。本発明のRFタグは、該磁性体アンテナは、周囲を樹脂で囲まれるように形成することにより、工具や部品管理上、周囲の水分や金属の影響を最小限に抑え、かつ破損や割れの心配のない複合磁性体RFタグである。

Description

複合RFタグ、該複合RFタグを設置した工具
 本発明は、磁界成分を利用して情報を通信するための複合RFタグに関するものであり、該複合RFタグは、ICを実装した磁性体アンテナの周囲に樹脂を形成することにより、周囲の水分が交信特性に与える影響を最小限に抑えるとともに、周囲の金属による交信特性に与える影響も最小限に抑え、しかもRFタグの破損や割れの心配のない複合磁性体RFタグを提供するものである。
 磁性体を使用し電磁波を送受信するアンテナ(以下、「磁性体アンテナ」という)は、コア(磁性体)に導線を巻き線してコイルを作り、外部から飛来する磁界成分を磁性体に貫通させコイルに誘導させて電圧(または電流)に変換するアンテナであり、小型ラジオやTVには広く利用されてきた。また、近年、普及してきたRFタグと呼ばれる非接触型の物体識別装置に利用されている。
 周波数がより高くなると、RFタグにおいては、磁性体を使用せず識別対象物と平面が平行になる平面ループコイルがアンテナとして使用され、さらに周波数が高くなると(UHF帯やマイクロ波帯)、RFタグを含めて磁界成分を検出するよりも、電界成分を検出する電界アンテナ(ダイポールアンテナや誘電体アンテナ)が広く使用されている。
 このような平面ループアンテナや電界アンテナは、金属物が接近すると、金属物にイメージ(ミラー効果)ができて、アンテナと逆位相になるために、アンテナの感度が失われるという問題が生じる。
 一方、磁界成分を送受信するための磁性体アンテナであって、磁性層を中心とするコアに電極材料をコイル状に形成し、コイル状の電極材料を形成した一方又は両方の外側面に絶縁層を形成し、前記絶縁層の一方又は両方の外側面に導電層を設けた磁性体アンテナが知られている(特許文献1)。該磁性体アンテナは、金属物に接触した場合であっても、アンテナとしての特性が維持されるものである。また、タグ又は磁性体アンテナの設置状態を特定したタグ又はアンテナが知られている(特許文献2)。
 また、電磁誘導方式で送受信するRFタグにおいては、周囲の水分の影響、すなわちRFタグ周囲の誘電率が高くなり、RFタグの共振周波数がずれることで交信特性が低下することが知られている。
特開2007-19891号公報 特開2002-207980号公報
 前記特許文献1及び2記載の方法では、特定方向への金属貼り付け用途への対策は考えられているが、水分による影響への対策が十分ではない。さらに金属・プラスティック部品や工具などに貼り付けた場合、破損や割れへの対策が十分ではない。
 また、一般的に広く普及しているインレイ(インレット)タイプのRFタグの場合、射出成形プロセスなどでのおよそ100℃以上の温度上昇にベースフィルムが耐えられない。また、射出成形プロセスの他の形成法として、ホットメルトや熱硬化、UV硬化などのプロセスもあるが、方法によっては温度上昇による影響が懸念されるため、インレイ(インレット)タイプでは汎用性に乏しい。
 そこで、本発明は、金属・プラスティック部品や工具などに貼り付けた場合や周囲に水分が多い環境でも交信特性の低下を最小限に抑え、破損や割れへの心配がない磁性体アンテナからなる複合RFタグあるいは複合磁性体アンテナを得ることを目的とする。
 前記技術的課題は、次の通りの本発明によって達成できる。
 即ち、本発明は、電磁誘導方式を利用し情報を送受信するための複合RFタグであり、該複合RFタグはICを実装した磁性体アンテナと樹脂とからなり、前記樹脂は前記磁性体アンテナの周囲を全て囲んでおり、前記樹脂の厚みが200μm以上であることを特徴とする複合RFタグである(本発明1)。
 また、本発明は、電磁誘導方式を利用し情報を送受信するための複合RFタグであり、該複合RFタグはICを実装した磁性体アンテナと樹脂とからなり、前記磁性体アンテナは六面体状であって磁性体からなるコアを中心として電極材料がコイル状となるように形成され、前記樹脂は前記磁性体アンテナの周囲を全て囲んでおり、前記樹脂の厚みが200μm以上であることを特徴とする複合RFタグである(本発明2)。
 また、本発明は、本発明1又は2記載の樹脂がポリアミド、エポキシ、ポリイミド、ウレタン、ポリオレフィン、アクリル系の樹脂、あるいはその混合物である複合RFタグである(本発明3)。
 また、本発明は、本発明1乃至3のいずれかに記載の複合RFタグを設置した工具である(本発明4)。
 本発明に係る複合RFタグは、金属・プラスティック部品に貼り付けた状態、あるいは周囲に水分が多い環境でも、交信特性の低下が無く、また、破損や割れへの心配もなく、13.56MHzのRFID用途として好適である。
 本発明に係る複合RFタグは、小型で頑丈であり、かつ外部影響、特に外部の金属あるいは導体、水分の影響が少ないので、携帯機器、容器、金属部品、基板、金属製工具、各種金型、印刷版や印刷ロール、自転車や自動車などの車両、金属製冶具、ボルト、鋲などのマーカー等の各種用途に貼り付けたり、凹部にはめ込んだ状態、周囲に多くの水分がある環境や水中などで用いることができる。
本発明に係る複合RFタグの概念図である。 本発明における磁性体アンテナの概念図である。 本発明における磁性体アンテナの概念図である。 本発明における磁性体アンテナの概念図である。 本発明における磁性体アンテナのコイル部分の積層構成図である。 本発明における磁性体アンテナの概念図である。 本発明における磁性体アンテナの概念図である。 本発明における磁性体アンテナの概念図である。 本発明における磁性体アンテナの積層構造を示す概念図である。 本発明における磁性体アンテナの積層構造を示す概念図である。 本発明に係る複合RFタグの樹脂の厚みと交信距離の低下率との関係を示したグラフである。
  1:スルーホール
  2:電極層(コイル電極)
  3:コア
  4:コイル
  4-1:コイルの最小単位
  4-2:コイル開放端面
  5:磁性層
  6:絶縁層
  7:導電層
  8:非磁性層
  9:ICチップ接続端子
  10:ICチップ
  11:コンデンサー接続用電極
  12:コンデンサー
  17:磁性体アンテナ
  20:樹脂
 まず、本発明に係る複合RFタグについて述べる。
 本発明に係る複合RFタグは、ICを実装した磁性体アンテナ(RFタグ)のコイル長手方向(磁束の開放面)の周囲に樹脂層が形成されているものである。磁性体アンテナは磁性体又は磁性体と非磁性体とからなるコアを中心として電極材料がコイル状となるように形成されており、当該磁性体アンテナにICを実装してRFタグとする。
 本発明に係る複合RFタグの概略図を図1に示す。
 図1に示すとおり、本発明に係る複合RFタグは、磁性体アンテナ(17)の周囲に樹脂(20)で囲むように配置した構造となっている。ただし、複合RFタグの形状は図1に示すような直方体や円柱形状だけでなく、多角柱状、多角錐状、円錐状、球状など任意の形状でも良い。ここで、樹脂が磁性体アンテナを「囲む」とは、樹脂の成形品の中に磁性体アンテナが埋没しているような構造、塗膜のように磁性体アンテナを樹脂で被覆した構造などの磁性体アンテナの周囲に樹脂が存在する構造は全て含むものとする。
 本発明においては、磁性体アンテナを囲む樹脂の厚みは、最も薄い部分でも200μm以上である。樹脂の厚みが200μm未満の場合、水が付着したり水中で使用した場合に、水分の影響により通信感度が低下する。好ましくは、樹脂の厚みが250μm以上である。
 本発明における樹脂層としては、種々の樹脂が使用でき、例えば、ポリスチレン、アクリルニトリルスチレン、アクリルニトリルブタジェンスチレン、アクリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、塩化ビニール、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、エポキシ、ウレタン、ポリオレフィン、シリコン系の樹脂、あるいはその混合物が挙げられる。
 次に、本発明における磁性体アンテナについて述べる。本発明における磁性体アンテナの形状は、特に限定されるものではないが、立方体状、直方体状などの六面体状、多角柱状、円柱状、略U字状などであり、より好ましくは立方体状、直方体状などの六面体状である。
 本発明における磁性体アンテナの概略図を図2~図4に示す。
 図2に示す磁性体アンテナは、磁性層(コア)を中心として電極材料がコイル状(巻き線状)となるように形成され、コイル状の電極材料を形成した一方又は両方の外側面に絶縁層を形成したことを基本構造とするものである。
 本発明において、図2に示す磁性体アンテナは、図5に示すように磁性粉末をバインダーと混合した混合物をシート状にした単層あるいは複数の層を積層した磁性層(5)を形成し、該磁性層(5)にスルーホール(1)を開ける。前記スルーホール(1)のそれぞれに電極材料を流し込み、且つ、スルーホール(1)と直角になる両面に、スルーホール(1)と接続してコイル状(巻き線状)となるように電極層(2)を形成し、磁性層(5)が角型あるいは長方形のコアとなるようにコイルを形成する。このとき、コイル(4)を形成する磁性層5の両端が磁性回路上開放となる構成となる。
 次いで、電極層を形成したコイル(4)の上下面に絶縁層(6)を形成する。
 得られたシートを、所望の形状となるように、スルーホール(1)とコイル開放端面(3)で切断して一体焼成する、又は一体焼成後にスルーホール(1)とコイル開放端面(3)で切断することによって製造することができる(LTCC技術)。
 図3に示す磁性体アンテナは、磁性層(コア)を中心として電極材料がコイル状(巻き線状)となるように形成され、コイル状の電極材料を形成した一方又は両方の外側面に絶縁層を形成し、前記絶縁層の一方又は両方の外側面に導電層を設けたことを基本構造とするものである。
 前記コアは、図4又は6に示すとおり、コアを構成する磁性体が非磁性体に分割された構造となっていても良い。
 本発明に係る磁性体アンテナにおいて、非磁性体で磁性体コアを分割する場合には、当該磁性体アンテナを貫通する磁束に対して垂直に切断した断面の状態が、磁性体が非磁性体によって分割された状態であればいかなる状態となっても良く、例えば、図6(a)~(d)に示す状態である。
 図4に示す磁性体アンテナは、磁性体(5)と非磁性体(8)とからなるコアを中心とし、コアの外側に電極材料をコイル状(巻き線状)となるように形成し、コイル状の電極材料を形成した一方又は両方の外側面に絶縁層を形成することを基本構造とする。前記コアは、磁性体が非磁性体に分割された構造となっている。
 なお、図4に示す磁性体アンテナにおいて、前記コアの断面において、全磁性体と全非磁性体との面積の比(全磁性体/全非磁性体)は1.0以下が好ましい。非磁性層が前記範囲を超えて大きい場合には、コア内の磁性体の比率が低下するため、磁性体アンテナの小型化には不利である。より好ましい範囲は0.5以下、さらに好ましくは0.2以下である。
 なお、図4に示す磁性体アンテナにおいて、図6に示す磁性体アンテナのコアを形成する磁性層の一つの断面積(S)と磁性体アンテナの長さ(L)との比(S/L)は、0.3以下が好ましい。前記面積比(S/L)が0.3を超える場合、反磁界の影響を低減することが困難となる。
 本発明において、図4に示すコアを有する磁性体アンテナは、例えば、以下の方法によって製造することができる。
 まず、磁性粉末及びバインダーを混合した混合物をシート状にした単層あるいは複数の層を積層した磁性層を形成する。
 別に、非磁性粉末及びバインダーを混合した混合物をシート状にした単層あるいは複数の層を積層した非磁性層を形成する。
 次に、図6に示すように、磁性層(5)と非磁性層(8)とを交互に、全体の厚みが所望の厚さとなるように積層する。
 次いで、積層した磁性層及び非磁性層に所望の数のスルーホール(1)を開ける。前記スルーホールのそれぞれに電極材料を流し込む。また、スルーホールと直角になる両面に、スルーホールと接続してコイル状(巻き線状)となるように電極層(2)を形成する。スルーホールに流し込んだ電極材料と電極層によって、磁性層が長方形のコアとなるようにコイルを形成する。このとき、コイルを形成する磁性層の両端が磁性回路上開放となる構成となる。
 次いで、図4に示すように電極層を形成したコイルの上下面に絶縁層(6)を形成する。
 得られたシートを、所望の形状となるように、スルーホールとコイル開放端面で切断して一体焼成する、又は一体焼成後にスルーホールとコイル開放端面で切断することによって製造することができる(LTCC技術)。
 また、本発明における磁性体アンテナ(17)は、図7及び図8に示すとおり、磁性体からなるコア(3)を中心とし、コア(3)の外側に電極材料をコイル状(巻き線状)となるように形成し、複数のコイル(4-1)が電気的に並列に接続され、且つ、コイル(4-1)は同一コア(3)に直列に配置されていることを基本構造としてもよい。(図7及び図8では4個のコイルとなっているが、本発明において、コイルの数が限定されるものではない)
 前記構造を有する磁性体アンテナの各コイル(4-1)のインダクタンスLは、磁性体アンテナにICを実装した際に、下記関係式(1)を満たすものである。
<関係式(1)>
 ≧ 1/(4π×(動作周波数)×(IC容量+アンテナの寄生容量))
 磁性体アンテナの各コイル(4-1)のインダクタンスLが前記関係式(1)を満たす場合には、より通信感度を向上させることができる。好ましくは、各コイルのインダクタンスLが磁性体アンテナの合成インダクタンスLの2倍以上であることが好ましく、より好ましくは3倍以上である。
 前記構造を有する磁性体アンテナの合成インダクタンスLは、磁性体アンテナにICを実装した際に、下記関係式(2)を満たすものである。
<関係式(2)>
0 ≦ 1/(4π×(動作周波数)×(IC容量+アンテナの寄生容量))
 磁性体アンテナの合成インダクタンスLが前記関係式(2)を満たす場合には、ICを実装したRFタグの共振周波数を動作周波数に容易に調整できるため、通信感度をより向上させることができる。前記関係式を満たす磁性体アンテナは、コアとなる材料の透磁率、コイルの巻き数、コイルの断面積、コイルの長さなどを制御することで作製することができる。
 また、本発明における磁性体アンテナは、図9の概略図に示すように、コイル(4)の上下面を挟み込んだ絶縁層(6)の一方あるいは両方の外側面にコンデンサー電極(11)を配置してもよい。
 なお、図9の概略図に示した磁性体アンテナは、絶縁層の上面に形成するコンデンサーを、平行電極若しくはくし型電極を印刷してコンデンサーとしてもよく、更に、該コンデンサーとコイルリード端子とを並列もしくは直列に接続してもよい。
 また、図10の概略図に示すように、コンデンサー電極(11)を配置した外側面にさらに絶縁層(6)を設け、該絶縁層(6)の外側面にICチップ接続端子を兼ねる電極層(9)を形成して該絶縁層(6)を挟みこむようにコンデンサーを形成し、ICチップ接続端子と並列もしくは直列に接続してもよい。
 また、本発明における磁性体アンテナは、図8に示すように絶縁層(6)上面にICチップ(10)が接続できる端子(9)を形成すればよい。なお、ICチップ接続端子(9)とコイルリード端子とを並列若しくは直列に接続し一体焼成してもよい。
 本発明における磁性体アンテナは、コアの磁性体にNi-Zn系フェライトなどを用いることができる。Ni-Zn系フェライトを使用する場合、Fe 45~49.5モル%、NiO 9.0~45.0モル%、ZnO 0.5~35.0モル%、CuO 4.5~15.0モル%であるような組成が好ましく、使用する周波数帯で材料としての透磁率が高く、磁性損失が低くなるようなフェライト組成を選択すると良い。材料としての透磁率があまり高すぎると磁性損失が増えるのでアンテナに適さなくなる。
 例えば、RFIDタグ用途では13.56MHzでの透磁率が70~120、民生FM放送受信用途では100MHzでの透磁率が10~30になるようなフェライト組成を選択すると磁性損失が少ないので好ましい。
 本発明における磁性体アンテナは、コアの非磁性体に、Zn系フェライトなどの非磁性フェライト、ホウケイ酸系ガラス、亜鉛系ガラス又は鉛系ガラス等のガラス系セラミック、あるいは非磁性フェライトとガラス系セラミックを適量混合したものなどを用いることができる。
 非磁性フェライトに使用するフェライト粉末には、焼結体の体積固有抵抗が10Ωcm以上になるようなZn系フェライト組成を選択するとよい。Fe 45~49.5モル%、ZnO 17.0~22.0モル%、CuO 4.5~15.0モル%である組成が好ましい。
 ガラス系セラミックの場合、使用するガラス系セラミック粉末には、線膨張係数が使用する磁性体の線膨張係数と大きく異ならない組成を選択するとよい。具体的には磁性体として用いる軟磁性フェライトの線膨張係数との差が±5ppm/℃以内の組成である。
 次に、本発明に係る複合RFタグの製造方法について述べる。
 本発明に係る複合RFタグは、前述した方法によって作製したICを実装した磁性体アンテナに対して、樹脂で取り囲むように形成する。
 樹脂の形成方法としては、射出成形、圧縮成形、押出成形、ホットメルト、UV硬化、粉体塗装、厚塗り被覆等、常法に従って、形成すればよい。
 例えば、金型内にRFタグを装填した後、樹脂を注入してRFタグを溶融樹脂で被覆して固化させ、RFタグと樹脂とが一体化した複合RFタグを作製することができる。
 また、本発明に係る複合RFタグを用いて、各種樹脂成形体中に埋め込んでも良い。例えば、各種の容器、包装材・容器、運搬用設備、筐体、基板、医療用器具、工具、文房具などに埋め込むことができる。
<作用>
 本発明に係る磁性体アンテナは、金属・プラスティック部品に貼り付けた状態、あるいは周囲に水分が多い状態でも、交信特性の低下を最小限に抑制できるとともに、破損や割れへの心配がないので、工具や部品管理に好適である。
 以下に添付図面を参照しながら、発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[RFタグ1]
 磁性層用として、900℃焼結後に13.56MHzでの材料としての透磁率が100になるNi-Zn-Cuフェライト仮焼粉(Fe 48.5モル%、NiO 25モル%、ZnO 16モル%、CuO 10.5モル%)100重量部、ブチラール樹脂8重量部、可塑剤5重量部、溶剤80重量部をボールミルで混合しスラリーを製造した。出来たスラリーをドクターブレードでPETフィルム上に150mm角で、焼結時の厚みが0.1mmになるようにシート成型した。
 また、絶縁層用として同様に、Zn-Cuフェライト仮焼粉(Fe 48.5モル%、ZnO 41モル%、CuO 10.5モル%)100重量部、ブチラール樹脂8重量部、可塑剤5重量部、溶剤80重量部をボールミルで混合しスラリーを製造した。出来たスラリーをドクターブレードでPETフィルム上に磁性層と同様のサイズと厚みでシート成型した。
 次に、図5に示すように、磁性層用グリーンシートにスルーホール1を開けその中にAgペーストを充填して、かつスルーホール1と直角になる両面にAgペーストを印刷して10枚積層し、コイルを形成した。
 次に、図2に示すように、絶縁層6用グリーンシートをコイル4の上下面に積層し、積層したグリーンシートをまとめて加圧接着させ、スルーホールとコイル開放端面3で切断し、900℃で2時間、一体焼成して、横10mm×縦3mmのサイズのコイル巻き数23ターンの磁性体アンテナ1を作製した。(図ではコイル巻き数を簡略している。また、磁性層の積層枚数は図の簡略化のため3層で表している。以下の他の図についても同様である。)
 さらに、該磁性体アンテナのコイル両端にRFタグ用ICを接続し、ICと並列にコンデンサーを接続して共振周波数を13.56MHzになるよう調整してRFタグとした。
 得られたRFタグを射出成形機に投入し、コートの厚みが1000μmとなるようポリプロピレン樹脂を用いて成形し、複合RFタグ1を得た。
[共振周波数の測定と調整方法]
 共振周波数は、アジレントテクノロジー株式会社製インピーダンスアナライザー4291Aで測定されるインピーダンスのピーク周波数をもって共振周波数とした。
[交信距離の測定方法]
 交信距離は、リーダ/ライタ(株式会社タカヤ製、製品名TR3-A201/TR3-C201)をアンテナとして用いて、作製した複合RFタグの、13.56MHzで通信が可能な限り離れた位置の時のアンテナとRFタグの距離を通信距離とした。
 水中での評価は、水を満たした容器内に複合RFタグを設置し、容器を動かして、アンテナから距離を変化させて通信可能な距離を測定した。
[RFタグ2]
 実施例1と同様に製造した磁性体アンテナにホットメルトモールディング成形にて、コート厚みが500μmとなるようポリアミド系樹脂を成形し、複合RFタグ2を得た。
[RFタグ3]
 実施例1と同様に製造した磁性体アンテナにUV硬化プロセスにて、コート厚みが200μmとなるようアクリル系UV硬化樹脂を成形し、複合RFタグ3を得た。
[RFタグ4 比較例]
 実施例1と同様に製造した磁性体アンテナにそのままICを実装し、そのままの状態で共振周波数が13.56MHzに調整しRFタグ4とした。
[RFタグ5 比較例]
 実施例1と同様に製造した磁性体アンテナに塗装コーティングにて、コート厚みが20μmとなるようエポキシ系樹脂を成形し、複合RFタグ5を得た。
[RFタグ6 比較例]
 実施例1と同様に製造した磁性体アンテナに塗装コーティングにて、コート厚みが50μmとなるようポリイミド系樹脂を成形し、複合RFタグ6を得た。
[RFタグ7 比較例]
 実施例1と同様に製造した磁性体アンテナに塗装コーティングにて、コート厚みが100μmとなるようエポキシ系樹脂を成形し、複合RFタグ7を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示すとおり、樹脂で被覆した場合でも、比較例と同等の性能を保ち、水中に投入した状態でも交信特性の低下が見られず、かつ破損や割れへの心配がない複合タグが作製できた。
 本発明に係る複合RFタグは、小型で頑丈であり、かつ外部影響、特に外部の金属あるいは導体、水分の影響が少ないので、携帯機器、容器、金属部品、基板、金属製工具、各種金型、印刷版や印刷ロール、自転車や自動車などの車両、金属製冶具、ボルト、鋲などのマーカー等の各種用途に貼り付けたり、凹部にはめ込んだ状態、周囲に多くの水分がある環境や水中などで用いることができる。

Claims (4)

  1.  電磁誘導方式を利用し情報を送受信するための複合RFタグであり、該複合RFタグはICを実装した磁性体アンテナと樹脂とからなり、前記樹脂は前記磁性体アンテナの周囲を全て囲んでおり、前記樹脂の厚みが200μm以上であることを特徴とする複合RFタグ。
  2.  電磁誘導方式を利用し情報を送受信するための複合RFタグであり、該複合RFタグはICを実装した磁性体アンテナと樹脂とからなり、とからなり、前記磁性体アンテナは六面体状であって磁性体からなるコアを中心として電極材料がコイル状となるように形成され、前記樹脂は前記磁性体アンテナの周囲を全て囲んでおり、前記樹脂の厚みが200μm以上であることを特徴とする複合RFタグ。
  3.  請求項1又は2記載の樹脂がポリアミド、エポキシ、ポリイミド、ウレタン、ポリオレフィン、アクリル系の樹脂、あるいはその混合物である複合RFタグ。
  4.  請求項1~3のいずれかに記載の複合RFタグを設置した工具。
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