タグアンテナ、およびタグ
【課題】実用的な通信距離を保ちながら金属に貼り付け可能なタグを小型化し、また複数のタグが接近して用いられる場合の通信距離低下を防止する。
【解決手段】タグアンテナは、誘電体スペーサと、スペーサの一方の面に形成され、動作周波数における半波長よりも小さいサイズを有すると共に、搭載予定チップの抵抗成分と容量成分に適応するスリットパターンが形成されたアンテナパターンとから構成される。
【解決手段】タグアンテナは、誘電体スペーサと、スペーサの一方の面に形成され、動作周波数における半波長よりも小さいサイズを有すると共に、搭載予定チップの抵抗成分と容量成分に適応するスリットパターンが形成されたアンテナパターンとから構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はRFIDシステムにおけるタグ、すなわち無線ICタグに係り、さらに詳しくはそのような無線ICタグに用いられるタグアンテナと、タグアンテナとICチップとを搭載したタグに関する。
【背景技術】
【0002】
RFID(ラジオ・フリケンシー・アイデンティフィケイション)システムは、物品の管理などに広範に利用されている。このシステムは、リーダ/ライタからタグに対して無線電波を飛ばし、タグ内の情報を再びリーダ/ライタにタグから電波を送り返すことによって、タグ内の情報を読み取るものである。その無線の帯域はUHF帯であり、ヨーロッパでは868MHz、アメリカでは915MHz、日本では953MHz付近の周波数が用いられ、タグ内に搭載されるチップの性能にもよるが、通信距離はおよそ3〜5mであり、リーダ/ライタの出力は1W程度である。
【0003】
このような無線ICタグのアンテナとしてダイポールアンテナを使用すると、良好な指向性が得られる利点があるが、アンテナの長さが電波の波長λの1/2の時にアンテナの効率が最大となるために、アンテナの長さが長くなり、結果的にタグを小型化できないという問題点があった。またこのようなダイポールアンテナを用いる場合にアンテナの近傍に金属が存在すると、タグの通信距離が激減してしまうという問題点があった。
【0004】
例えば金属に貼り付けるタグに用いられるアンテナとしては、従来からパッチアンテナが用いられている。図14は、そのようなパッチアンテナの1つの従来例の説明図である。同図においてパッチアンテナは、パッチ導体100、誘電体102の裏側のグランド導体101、パッチ導体100とグランド導体101との間に挟まれる誘電体102とによって構成され、ICチップはパッチ導体側のチップ搭載部103に搭載され、チップの端子電極の一方は表面のパッチ導体100の適切な部分に接続され、他方の端子電極はスルーホール104を通して裏面、すなわちグランド導体101に接続される。
【0005】
図15は、図14のパッチアンテナの通信距離の例を示す。例えばICチップの大きさを1mm角とし、タグの数nを1個だけとする場合には、935MHzの周波数で通信距離として3mが得られている。しかしながら、例えば同一のタグを近接して複数個、すなわちnの値として2、または3を用いるような場合には、通信距離の特性曲線が周波数の低い側に移動し、935MHzでの通信距離が激減するという問題点があった。
【0006】
このような無線ICタグ、およびそのようなタグに用いられるアンテナに関する従来技術として特許文献1から特許文献4がある。特許文献1には、図14におけると類似した形式で、スペーサを介してアンテナと反射板とを備えることによって、タグの裏面にある物質がどんなものであるかにかかわらず、データの読み書き状態を一定に保つことが可能な被接触ICタグが開示されている。
【0007】
特許文献2には、折り返し構造の切り込み部を有することによってインピーダンスを下げることができ、インピーダンス変換回路などを必要とすることなく、50Ωの給電線路に整合させることができる平面アンテナが開示されている。
【0008】
特許文献3には、同様に誘電体を挟む形式でグランド面、およびアンテナ面を有するパッチアンテナにおいて、アンテナ面に誘電体を露出させる開口を設け、アンテナ面のうちで、開口を介して露出する誘電体によって区画される領域が、送受信素子に対する整合回
路を形成するパッチアンテナを提供する技術が開示されている。
【0009】
特許文献4には、誘電体の表面側の放射導電体上でチップが搭載された部分に、かぎ状のスリットを形成したマイクロストリップアンテナを用いることによって、指向性の広い無線ICタグを実現する技術が開示されている。
【0010】
しかしながら、例えば特許文献1においては、読み取り距離が最大となる時のアンテナ面と反射板との距離が30mm以上であり、スペーサの厚さが厚くなり、結果としてICタグを小型化することは困難であり、図14の従来例や特許文献2から特許文献4の技術を用いても、スルーホールを空けることによるコストの増大、複数のタグを近接して使用する場合の通信距離の低下などを解決し、実用的な通信距離を保ちながらアンテナを小型化することは困難であった。
【特許文献1】特開2002−298106号公報 「非接触ICタグ」
【特許文献2】特開2006−140735号公報 「平面アンテナ」
【特許文献3】特開2006−237674号公報 「パッチアンテナ、およびRFIDインレット」
【特許文献4】特開2006−311372号公報 「無線ICタグ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明の課題は、コスト増大を防ぎ、リーダ/ライタとの実用的な通信距離を保ちながら、金属に貼り付け可能なタグを小型化することができるタグアンテナを提供すると共に、複数のタグが近接して用いられる場合の通信距離の激減を防止することができるタグアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明のタグアンテナは、リーダ/ライタとの間で電波を送信、あるいは受信するタグ用のアンテナであり、誘電体スペーサとそのスペーサの一方の面上に形成されるアンテナパターンから構成される。そしてそのアンテナパターンは、動作周波数に対応するλ/2共振長よりも小さいサイズを有し、搭載予定チップの抵抗成分と容量成分に適応する寸法を持つスリットパターンが形成されたものである。
【0013】
発明の実施の形態においては、アンテナパターンは、スリットパターンとカット部が形成されて、それらに対応するアンテナ放射抵抗とインダクタンスを有し、動作周波数でそのインダクタンスとチップの容量成分が共振条件を満足し、アンテナ放射抵抗とチップの抵抗成分とが同じ大きさとなる。
【0014】
本発明のタグは、前述のアンテナパターン上に搭載予定チップが搭載されたタグである。
以上のように本発明においては、アンテナパターンのサイズが動作周波数のλ/2共振長よりも小さいものであり、また搭載予定チップの抵抗成分と容量成分との整合のためのスリットパターンを少なくとも備えるものである。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、アンテナパターンのサイズを動作周波数のλ/2共振長よりも小さくすることによってタグの小型化が可能であり、通信距離を保ちながら金属に貼り付けるタグを提供することが可能となる。アンテナパターンと金属反射板との間のスルーホールは不必要となり、コスト低減を図ることができる。λ/2共振長よりも小さいサイズであり、タグを近接させて配置しても、タグアンテナの間に干渉が起こらず、通信距離の激減を防止することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
図1は、本実施形態における第1の実施例に相当するタグアンテナの基本構成の説明図である。同図において、表面導体としてのアンテナパッチ(Cu)1と、裏面導体(Cu)2との間に誘電体スペーサ3が挟まれた形式でタグアンテナが形成されている。誘電体スペーサ3の比誘電率εrの値は10以上とし、ここでは例えば12であるものとする。
【0017】
アンテナパッチ1側にICチップが搭載されたタグ全体の大きさは、例えば54mm×39mm×4mmであるものとする。この寸法は、基本的には誘電体スペーサ3の大きさによって決まるものとし、表面導体としてのアンテナパッチ1は誘電体スペーサ3よりも小さな面積を持つものとする。なお、第1の実施例におけるタグアンテナのアンテナパッチ1は銅張の誘電体表面の銅板のエッチングによって製造されるものとする。
【0018】
表面導体としてのアンテナパッチ1上で、図示されているx座標の“0”付近を中心としてスリット4が形成され、またスリット4とアンテナパッチ1のx軸に平行な辺との間に切り欠き部が設けられ、この切り欠き部はチップ搭載部5として用いられる。すなわちICチップはその2つの接続端子が、それぞれこの切り欠き部の端の金属の部分に接続される形式で搭載され、全体としてRFIDタグとして動作することになる。
【0019】
アンテナパッチ1上で、例えばスリット4が存在する側の辺と反対側の辺の側にカット部6が設けられる。図1のタグアンテナ全体は、後述するように抵抗とインダクタンスとの並列回路として等価的に表わされ、前述のスリット4は主としてインダクタンスの調整用に、またカット部6は等価的な抵抗の調整用に用いられる。
【0020】
本実施形態では前述と同様にタグの動作周波数を953MHzとする。この時、空気中の波長λは約315mmであり、λ/2の値は約157mmとなる。しかしながらアンテナパッチ1を誘電体スペーサ3上に形成、または貼り付ける形式で電波の送受信が行われるために、実際の波長はそれより短くなる。
【0021】
一般に比誘電率εrの誘電体の内部での電波の波長は空気中に比べて
となるが、図1のような構造では、アンテナパッチ1の周辺には誘電体スペーサ3だけでなく、空気も存在するため、波長λは中間的な値となり、λ/2の値は、例えば70〜80mm程度となる。
【0022】
本実施形態においては、タグアンテナのサイズ、例えば図1においてスリット4と平行な方向のアンテナパッチ1の長さを、このλ/2の値より小さくするところに特徴がある。この方向の誘電体スペーサ3の長さは54mmであり、アンテナパッチ1のこの方向の長さは製造上のマージンを考慮して当然54mmより小さく、したがってλ/2より短い長さとなる。その意味で図1におけるアンテナパッチ1を微小パッチと呼ぶことにするが、この微小パッチを用いる構造においては、アンテナの放射効率はλ/2共振を用いる場合よりも若干低下するが、小型化、および低コスト化という観点からは望ましいものとなる。
【0023】
なお、前述のように、特許文献1ではスペーサの厚さが30mm以上のときに読み取り距離が最大となるとされているが、本実施形態では誘電体スペーサの厚さが厚いとタグアンテナとして適切な動作が行われず、その厚さを1〜10mmの範囲内とする必要がある。
【0024】
図2は、図1のタグアンテナとICチップとのインピーダンスの説明図である。ここで図1のチップ搭載部5に搭載されるICチップは、等価的にRc=1400Ωの抵抗と、Cc=0.7pFの静電容量との並列回路で表わされるものとする。このチップとタグアンテナとの整合を図るために、タグアンテナの等価回路をアンテナ放射抵抗Ra、インダクタンスLaの並列回路で表わしたときに、インダクタンスLaとチップの静電容量Ccとの間に共振条件が成立するとともに、アンテナ放射抵抗Raとチップの抵抗Rcの値が同じになることが必要である。前述の共振条件が成立する時、動作周波数f0とLa、およびCcとの間には次の関係式が成立する。
【0025】
【数1】
【0026】
図1においては、タグアンテナの等価的なインダクタンスLaは、チップ搭載部5としての切り欠き部の長さを除き、スリット4を1周する金属部分の長さによって基本的に決定される。したがってこのスリットの幅よりもその長さがインダクタンスLaを基本的に決定するものとなる。またチップ搭載部5としての切り欠き部の周囲全体がアンテナ放射抵抗Raを決定する部分となるが、ここにカット部6を設け、このカット部6の寸法を調整することによってアンテナ放射抵抗Raの値をチップの入力抵抗Rcの値とほぼ同じ値に調整するものとする。なお、例えばアンテナパッチ1やスリット4の寸法によっては、カット部6を設けることなしにインピーダンスを整合させることも可能である。
【0027】
図3は、タグアンテナの第1の実施例における電流分布の説明図である。電流は、図1で説明したスリット4の方向、すなわち左右方向に流れ、充分な電波が放射される。前述のようにアンテナパッチ1の左右方向の長さが、例えばλ/2に相当する70〜80mm程度あればλ/2共振として大きな電流が流れるが、本実施形態ではその長さは54mm以下であり、λ/2よりも短いために電流の大きさはやや小さくなるが、タグの中央付近では比較的大きな電流が流れる。なお、アンテナパッチ1の左右の端の辺上で電流の大きさは“0”となる。
【0028】
図3のアンテナパッチ1の図において、スリット4の長さS2の調整と、カット部6の奥行き方向の長さS1の調整によって、図2で説明したようにインダクタンスLaとチップの容量Ccとが動作周波数における共振条件を満足するように、またアンテナ放射抵抗Raとチップの抵抗Rcとが等しくなるように調整を行うものとする。前述のように、カット部6の奥行きS1によってアンテナ放射抵抗Raの値が基本的に決定され、またスリット4の長さS2の値によってインダクタンスLaの値が基本的に決定される。例えばカット部6の左右方向の幅はここでは一定であるが、この幅を変化させることによっても、アンテナ放射抵抗Raの値を調整することが可能である。
【0029】
図4、および図5は、カット部6の奥行きS1、およびスリット4の長さS2の調整によるアンテナ放射抵抗RaとインダクタンスLaの計算結果の説明図である。図4においては、カット部6の奥行きS1の値をパラメータとして、スリットの長さS2に対するアンテナ放射抵抗Raの計算結果が示されているが、カット部6の奥行きS1の値を7mmとすることによって、スリット4の長さS2の値とはあまり関係なく、アンテナ放射抵抗Raの値をチップの抵抗Rcの値と等しくすることが可能であることが示されている。
【0030】
図5においては、スリット4の長さS2に対するインダクタンスLaの計算結果が、カット部6の奥行きS1をパラメータとして示されているが、図4で説明したようにS1の値を7mmとすると、スリット4の長さS2の値を12mmとすることによって、チップ
の容量Cc=0.7pFと動作周波数において共振条件を満足するインピーダンスLaの値としての40nHが得られることがわかる。なお、図4、図5は計算結果であるが、実際にはここで得られた値、すなわちS1=7mmと、S2=12mmの付近で、実際のカット部6の奥行き、およびスリット4の長さを微調整することによって、タグアンテナとして実用的に充分な特性が得られる。
【0031】
図6は、このようにして決定されたS1とS2の寸法に対応する、アンテナとチップとの反射係数S11を示す。動作周波数953MHzでの反射係数の値は−11.7dB程度であり、十分な整合状態が得られていることがわかる。
【0032】
図7は、第1の実施例におけるタグアンテナのアンテナゲインの周波数特性を示す。動作周波数の953MHzで1dBi程度のゲインが得られている。なお、ここでdBiは電波を点から放射する時に、例えば電界分布がきれいな球の状態になる時を0dBとしたゲインの単位である。
【0033】
図8は、図6と図7とに基づいて通信距離を計算した結果である。この計算結果は、チップの動作電力を−9dBm、リーダ/ライタの出力を1W、リーダ/ライタ側のアンテナゲインを6dBiとしたものであり、953MHzで通信距離として約3mの値が得られている。なお、ここでdBmはパワー×103をデシベル表示した値である。
【0034】
図9、および図10は、第1の実施例のタグアンテナを複数個並べた場合の通信距離の説明図である。図9の計算結果は、図10のようにタグアンテナを配置した場合の通信距離の計算結果である。
【0035】
一般に1つの物体にタグを1個貼り付けるとしても、物体の配置状態によってはタグがかなり接近してしまう可能性がある。図10は、そのような状態を極端に表わしたものである。アンテナパッチの長さがλ/2に一致する場合にタグを近接して並べると、隣接するタグの間で電波の干渉が起こり、通信距離が激減するという問題点がある。RFIDシステムでは、タグが接近した状態で用いられる可能性も多く、そのような場合においても通信距離が落ちないことが実用的に非常に重要である。
【0036】
図9においては、タグを1個だけ使用した場合、すなわちn=1の状態と、nが2、または3の状態において、動作周波数953MHzでの通信距離は3m以上であり、図10のような極端な配置状態においてもタグの通信距離が落ちないことが示されている。これは第1の実施例において、アンテナパッチ1のサイズ、すなわち左右方向の長さがλ/2より短いことによる効果である。
【0037】
以下図11から図13を用いて第2、第3の実施例について説明する。これら第2、第3の実施例において、アンテナパッチを含むタグアンテナの基本的構成は第1の実施例におけると同様であるが、製造上の工程が第1の実施例と異なっている。
【0038】
図11は、第2の実施例におけるタグアンテナの製造工程の説明図である。第1の実施例においては、特に図1のアンテナパッチ1の製造工程において、予め誘電体スペーサ3の上に銅板が張られた銅張板の金属部分をエッチングして作るものとしたが、図11の第2の実施例では、アンテナパターンシートは予め、例えばロール状の金属シートとして作っておき、そのアンテナパターンシート10を誘電体スペーサとしてのセラミック樹脂12の上面に、また反射板11を下面に貼り付けることによってタグアンテナの製造が行われる。これによって銅張板をエッチングする第1の実施例に比較してコストを下げることが可能になる。
【0039】
図12は、第3の実施例の製造工程の説明図である。同図を図11の第2の実施例と比較すると、アンテナパターンシート10の上下にさらにウレタン樹脂13、14が貼り付けられる点が異なっている。このウレタン樹脂13、14はICチップを含むアンテナパッチの対環境性を向上させるためのものであり、腐食環境や高温状態においても確実に動作するタグを提供することが可能となる。
【0040】
図13は、図12で説明した第3の実施例としてのタグの製品状態を示す。同図においてアンテナパターンシート10、すなわちアンテナパッチはウレタン樹脂13、14によって挟まれ、セラミック樹脂12の上面に貼り付けられ、また反射板11がセラミック樹脂12の下面に貼り付けられた状態が示されている。
【0041】
以上において本実施形態におけるタグアンテナおよびタグの特性について詳細に説明したが、タグを金属に貼り付ける場合には、誘電体スペーサの裏面(下面)の導体、すなわち反射板は不必要となる。
【0042】
また図1で説明したチップ搭載部は座標x=0付近、すなわちアンテナパッチの中央付近に配置するものとしたが、例えばタグの上面にバーコードや文字の印字などをする場合にはチップの盛り上がりが邪魔になることがあるため、チップ搭載部、およびインダクタンス形成のためのスリットをアンテナパッチの端の方に寄せることも可能である。
【0043】
以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、サイズが54mm×39mm×4mmのように非常に小型でありながら、金属に貼り付けても約3mの通信距離が得られるタグが提供可能となる。このタグでは上下接続のスルーホールが不必要であり、またインピーダンス整合のための調整箇所はスリットの長さとカット部の奥行きの2箇所だけであり、調整の工数が少なく、コストを低下させることができる。さらに複数のタグを近接して並べても、タグ1つの場合と同等の通信距離を得ることができ、実用的で性能の良いRFIDシステムの構築に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】第1の実施例に相当するタグアンテナの基本構成を示す図である。
【図2】タグアンテナとICチップとのインピーダンスの整合を説明する図である。
【図3】アンテナパッチ上の電流分布を説明する図である。
【図4】図2のアンテナ放射抵抗の計算結果を示す図である。
【図5】図2のインダクタンスの計算結果を示す図である。
【図6】タグアンテナとICチップとの反射係数の計算結果を示す図である。
【図7】タグアンテナのゲインの計算結果を示す図である。
【図8】タグアンテナの通信距離の計算結果を示す図である。
【図9】タグの近接状態における通信距離の計算結果を示す図である。
【図10】図9に対応するタグの近接状態の説明図である。
【図11】第2の実施例のタグアンテナの製造工程の説明図である。
【図12】第3の実施例のタグアンテナの製造工程の説明図である。
【図13】第3の実施例のタグアンテナの製品形状を示す図である。
【図14】タグアンテナの従来例の構成の説明図である。
【図15】タグアンテナの従来例の近接状態における通信距離の説明図である。
【符号の説明】
【0045】
1 アンテナパッチ
2 裏面導体
3 誘電体スペーサ
4 スリット
5 チップ搭載部
6 カット部
10 アンテナパターンシート
11 反射板
12 セラミック樹脂
13、14 ウレタン樹脂
【技術分野】
【0001】
本発明はRFIDシステムにおけるタグ、すなわち無線ICタグに係り、さらに詳しくはそのような無線ICタグに用いられるタグアンテナと、タグアンテナとICチップとを搭載したタグに関する。
【背景技術】
【0002】
RFID(ラジオ・フリケンシー・アイデンティフィケイション)システムは、物品の管理などに広範に利用されている。このシステムは、リーダ/ライタからタグに対して無線電波を飛ばし、タグ内の情報を再びリーダ/ライタにタグから電波を送り返すことによって、タグ内の情報を読み取るものである。その無線の帯域はUHF帯であり、ヨーロッパでは868MHz、アメリカでは915MHz、日本では953MHz付近の周波数が用いられ、タグ内に搭載されるチップの性能にもよるが、通信距離はおよそ3〜5mであり、リーダ/ライタの出力は1W程度である。
【0003】
このような無線ICタグのアンテナとしてダイポールアンテナを使用すると、良好な指向性が得られる利点があるが、アンテナの長さが電波の波長λの1/2の時にアンテナの効率が最大となるために、アンテナの長さが長くなり、結果的にタグを小型化できないという問題点があった。またこのようなダイポールアンテナを用いる場合にアンテナの近傍に金属が存在すると、タグの通信距離が激減してしまうという問題点があった。
【0004】
例えば金属に貼り付けるタグに用いられるアンテナとしては、従来からパッチアンテナが用いられている。図14は、そのようなパッチアンテナの1つの従来例の説明図である。同図においてパッチアンテナは、パッチ導体100、誘電体102の裏側のグランド導体101、パッチ導体100とグランド導体101との間に挟まれる誘電体102とによって構成され、ICチップはパッチ導体側のチップ搭載部103に搭載され、チップの端子電極の一方は表面のパッチ導体100の適切な部分に接続され、他方の端子電極はスルーホール104を通して裏面、すなわちグランド導体101に接続される。
【0005】
図15は、図14のパッチアンテナの通信距離の例を示す。例えばICチップの大きさを1mm角とし、タグの数nを1個だけとする場合には、935MHzの周波数で通信距離として3mが得られている。しかしながら、例えば同一のタグを近接して複数個、すなわちnの値として2、または3を用いるような場合には、通信距離の特性曲線が周波数の低い側に移動し、935MHzでの通信距離が激減するという問題点があった。
【0006】
このような無線ICタグ、およびそのようなタグに用いられるアンテナに関する従来技術として特許文献1から特許文献4がある。特許文献1には、図14におけると類似した形式で、スペーサを介してアンテナと反射板とを備えることによって、タグの裏面にある物質がどんなものであるかにかかわらず、データの読み書き状態を一定に保つことが可能な被接触ICタグが開示されている。
【0007】
特許文献2には、折り返し構造の切り込み部を有することによってインピーダンスを下げることができ、インピーダンス変換回路などを必要とすることなく、50Ωの給電線路に整合させることができる平面アンテナが開示されている。
【0008】
特許文献3には、同様に誘電体を挟む形式でグランド面、およびアンテナ面を有するパッチアンテナにおいて、アンテナ面に誘電体を露出させる開口を設け、アンテナ面のうちで、開口を介して露出する誘電体によって区画される領域が、送受信素子に対する整合回
路を形成するパッチアンテナを提供する技術が開示されている。
【0009】
特許文献4には、誘電体の表面側の放射導電体上でチップが搭載された部分に、かぎ状のスリットを形成したマイクロストリップアンテナを用いることによって、指向性の広い無線ICタグを実現する技術が開示されている。
【0010】
しかしながら、例えば特許文献1においては、読み取り距離が最大となる時のアンテナ面と反射板との距離が30mm以上であり、スペーサの厚さが厚くなり、結果としてICタグを小型化することは困難であり、図14の従来例や特許文献2から特許文献4の技術を用いても、スルーホールを空けることによるコストの増大、複数のタグを近接して使用する場合の通信距離の低下などを解決し、実用的な通信距離を保ちながらアンテナを小型化することは困難であった。
【特許文献1】特開2002−298106号公報 「非接触ICタグ」
【特許文献2】特開2006−140735号公報 「平面アンテナ」
【特許文献3】特開2006−237674号公報 「パッチアンテナ、およびRFIDインレット」
【特許文献4】特開2006−311372号公報 「無線ICタグ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明の課題は、コスト増大を防ぎ、リーダ/ライタとの実用的な通信距離を保ちながら、金属に貼り付け可能なタグを小型化することができるタグアンテナを提供すると共に、複数のタグが近接して用いられる場合の通信距離の激減を防止することができるタグアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明のタグアンテナは、リーダ/ライタとの間で電波を送信、あるいは受信するタグ用のアンテナであり、誘電体スペーサとそのスペーサの一方の面上に形成されるアンテナパターンから構成される。そしてそのアンテナパターンは、動作周波数に対応するλ/2共振長よりも小さいサイズを有し、搭載予定チップの抵抗成分と容量成分に適応する寸法を持つスリットパターンが形成されたものである。
【0013】
発明の実施の形態においては、アンテナパターンは、スリットパターンとカット部が形成されて、それらに対応するアンテナ放射抵抗とインダクタンスを有し、動作周波数でそのインダクタンスとチップの容量成分が共振条件を満足し、アンテナ放射抵抗とチップの抵抗成分とが同じ大きさとなる。
【0014】
本発明のタグは、前述のアンテナパターン上に搭載予定チップが搭載されたタグである。
以上のように本発明においては、アンテナパターンのサイズが動作周波数のλ/2共振長よりも小さいものであり、また搭載予定チップの抵抗成分と容量成分との整合のためのスリットパターンを少なくとも備えるものである。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、アンテナパターンのサイズを動作周波数のλ/2共振長よりも小さくすることによってタグの小型化が可能であり、通信距離を保ちながら金属に貼り付けるタグを提供することが可能となる。アンテナパターンと金属反射板との間のスルーホールは不必要となり、コスト低減を図ることができる。λ/2共振長よりも小さいサイズであり、タグを近接させて配置しても、タグアンテナの間に干渉が起こらず、通信距離の激減を防止することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
図1は、本実施形態における第1の実施例に相当するタグアンテナの基本構成の説明図である。同図において、表面導体としてのアンテナパッチ(Cu)1と、裏面導体(Cu)2との間に誘電体スペーサ3が挟まれた形式でタグアンテナが形成されている。誘電体スペーサ3の比誘電率εrの値は10以上とし、ここでは例えば12であるものとする。
【0017】
アンテナパッチ1側にICチップが搭載されたタグ全体の大きさは、例えば54mm×39mm×4mmであるものとする。この寸法は、基本的には誘電体スペーサ3の大きさによって決まるものとし、表面導体としてのアンテナパッチ1は誘電体スペーサ3よりも小さな面積を持つものとする。なお、第1の実施例におけるタグアンテナのアンテナパッチ1は銅張の誘電体表面の銅板のエッチングによって製造されるものとする。
【0018】
表面導体としてのアンテナパッチ1上で、図示されているx座標の“0”付近を中心としてスリット4が形成され、またスリット4とアンテナパッチ1のx軸に平行な辺との間に切り欠き部が設けられ、この切り欠き部はチップ搭載部5として用いられる。すなわちICチップはその2つの接続端子が、それぞれこの切り欠き部の端の金属の部分に接続される形式で搭載され、全体としてRFIDタグとして動作することになる。
【0019】
アンテナパッチ1上で、例えばスリット4が存在する側の辺と反対側の辺の側にカット部6が設けられる。図1のタグアンテナ全体は、後述するように抵抗とインダクタンスとの並列回路として等価的に表わされ、前述のスリット4は主としてインダクタンスの調整用に、またカット部6は等価的な抵抗の調整用に用いられる。
【0020】
本実施形態では前述と同様にタグの動作周波数を953MHzとする。この時、空気中の波長λは約315mmであり、λ/2の値は約157mmとなる。しかしながらアンテナパッチ1を誘電体スペーサ3上に形成、または貼り付ける形式で電波の送受信が行われるために、実際の波長はそれより短くなる。
【0021】
一般に比誘電率εrの誘電体の内部での電波の波長は空気中に比べて
となるが、図1のような構造では、アンテナパッチ1の周辺には誘電体スペーサ3だけでなく、空気も存在するため、波長λは中間的な値となり、λ/2の値は、例えば70〜80mm程度となる。
【0022】
本実施形態においては、タグアンテナのサイズ、例えば図1においてスリット4と平行な方向のアンテナパッチ1の長さを、このλ/2の値より小さくするところに特徴がある。この方向の誘電体スペーサ3の長さは54mmであり、アンテナパッチ1のこの方向の長さは製造上のマージンを考慮して当然54mmより小さく、したがってλ/2より短い長さとなる。その意味で図1におけるアンテナパッチ1を微小パッチと呼ぶことにするが、この微小パッチを用いる構造においては、アンテナの放射効率はλ/2共振を用いる場合よりも若干低下するが、小型化、および低コスト化という観点からは望ましいものとなる。
【0023】
なお、前述のように、特許文献1ではスペーサの厚さが30mm以上のときに読み取り距離が最大となるとされているが、本実施形態では誘電体スペーサの厚さが厚いとタグアンテナとして適切な動作が行われず、その厚さを1〜10mmの範囲内とする必要がある。
【0024】
図2は、図1のタグアンテナとICチップとのインピーダンスの説明図である。ここで図1のチップ搭載部5に搭載されるICチップは、等価的にRc=1400Ωの抵抗と、Cc=0.7pFの静電容量との並列回路で表わされるものとする。このチップとタグアンテナとの整合を図るために、タグアンテナの等価回路をアンテナ放射抵抗Ra、インダクタンスLaの並列回路で表わしたときに、インダクタンスLaとチップの静電容量Ccとの間に共振条件が成立するとともに、アンテナ放射抵抗Raとチップの抵抗Rcの値が同じになることが必要である。前述の共振条件が成立する時、動作周波数f0とLa、およびCcとの間には次の関係式が成立する。
【0025】
【数1】
【0026】
図1においては、タグアンテナの等価的なインダクタンスLaは、チップ搭載部5としての切り欠き部の長さを除き、スリット4を1周する金属部分の長さによって基本的に決定される。したがってこのスリットの幅よりもその長さがインダクタンスLaを基本的に決定するものとなる。またチップ搭載部5としての切り欠き部の周囲全体がアンテナ放射抵抗Raを決定する部分となるが、ここにカット部6を設け、このカット部6の寸法を調整することによってアンテナ放射抵抗Raの値をチップの入力抵抗Rcの値とほぼ同じ値に調整するものとする。なお、例えばアンテナパッチ1やスリット4の寸法によっては、カット部6を設けることなしにインピーダンスを整合させることも可能である。
【0027】
図3は、タグアンテナの第1の実施例における電流分布の説明図である。電流は、図1で説明したスリット4の方向、すなわち左右方向に流れ、充分な電波が放射される。前述のようにアンテナパッチ1の左右方向の長さが、例えばλ/2に相当する70〜80mm程度あればλ/2共振として大きな電流が流れるが、本実施形態ではその長さは54mm以下であり、λ/2よりも短いために電流の大きさはやや小さくなるが、タグの中央付近では比較的大きな電流が流れる。なお、アンテナパッチ1の左右の端の辺上で電流の大きさは“0”となる。
【0028】
図3のアンテナパッチ1の図において、スリット4の長さS2の調整と、カット部6の奥行き方向の長さS1の調整によって、図2で説明したようにインダクタンスLaとチップの容量Ccとが動作周波数における共振条件を満足するように、またアンテナ放射抵抗Raとチップの抵抗Rcとが等しくなるように調整を行うものとする。前述のように、カット部6の奥行きS1によってアンテナ放射抵抗Raの値が基本的に決定され、またスリット4の長さS2の値によってインダクタンスLaの値が基本的に決定される。例えばカット部6の左右方向の幅はここでは一定であるが、この幅を変化させることによっても、アンテナ放射抵抗Raの値を調整することが可能である。
【0029】
図4、および図5は、カット部6の奥行きS1、およびスリット4の長さS2の調整によるアンテナ放射抵抗RaとインダクタンスLaの計算結果の説明図である。図4においては、カット部6の奥行きS1の値をパラメータとして、スリットの長さS2に対するアンテナ放射抵抗Raの計算結果が示されているが、カット部6の奥行きS1の値を7mmとすることによって、スリット4の長さS2の値とはあまり関係なく、アンテナ放射抵抗Raの値をチップの抵抗Rcの値と等しくすることが可能であることが示されている。
【0030】
図5においては、スリット4の長さS2に対するインダクタンスLaの計算結果が、カット部6の奥行きS1をパラメータとして示されているが、図4で説明したようにS1の値を7mmとすると、スリット4の長さS2の値を12mmとすることによって、チップ
の容量Cc=0.7pFと動作周波数において共振条件を満足するインピーダンスLaの値としての40nHが得られることがわかる。なお、図4、図5は計算結果であるが、実際にはここで得られた値、すなわちS1=7mmと、S2=12mmの付近で、実際のカット部6の奥行き、およびスリット4の長さを微調整することによって、タグアンテナとして実用的に充分な特性が得られる。
【0031】
図6は、このようにして決定されたS1とS2の寸法に対応する、アンテナとチップとの反射係数S11を示す。動作周波数953MHzでの反射係数の値は−11.7dB程度であり、十分な整合状態が得られていることがわかる。
【0032】
図7は、第1の実施例におけるタグアンテナのアンテナゲインの周波数特性を示す。動作周波数の953MHzで1dBi程度のゲインが得られている。なお、ここでdBiは電波を点から放射する時に、例えば電界分布がきれいな球の状態になる時を0dBとしたゲインの単位である。
【0033】
図8は、図6と図7とに基づいて通信距離を計算した結果である。この計算結果は、チップの動作電力を−9dBm、リーダ/ライタの出力を1W、リーダ/ライタ側のアンテナゲインを6dBiとしたものであり、953MHzで通信距離として約3mの値が得られている。なお、ここでdBmはパワー×103をデシベル表示した値である。
【0034】
図9、および図10は、第1の実施例のタグアンテナを複数個並べた場合の通信距離の説明図である。図9の計算結果は、図10のようにタグアンテナを配置した場合の通信距離の計算結果である。
【0035】
一般に1つの物体にタグを1個貼り付けるとしても、物体の配置状態によってはタグがかなり接近してしまう可能性がある。図10は、そのような状態を極端に表わしたものである。アンテナパッチの長さがλ/2に一致する場合にタグを近接して並べると、隣接するタグの間で電波の干渉が起こり、通信距離が激減するという問題点がある。RFIDシステムでは、タグが接近した状態で用いられる可能性も多く、そのような場合においても通信距離が落ちないことが実用的に非常に重要である。
【0036】
図9においては、タグを1個だけ使用した場合、すなわちn=1の状態と、nが2、または3の状態において、動作周波数953MHzでの通信距離は3m以上であり、図10のような極端な配置状態においてもタグの通信距離が落ちないことが示されている。これは第1の実施例において、アンテナパッチ1のサイズ、すなわち左右方向の長さがλ/2より短いことによる効果である。
【0037】
以下図11から図13を用いて第2、第3の実施例について説明する。これら第2、第3の実施例において、アンテナパッチを含むタグアンテナの基本的構成は第1の実施例におけると同様であるが、製造上の工程が第1の実施例と異なっている。
【0038】
図11は、第2の実施例におけるタグアンテナの製造工程の説明図である。第1の実施例においては、特に図1のアンテナパッチ1の製造工程において、予め誘電体スペーサ3の上に銅板が張られた銅張板の金属部分をエッチングして作るものとしたが、図11の第2の実施例では、アンテナパターンシートは予め、例えばロール状の金属シートとして作っておき、そのアンテナパターンシート10を誘電体スペーサとしてのセラミック樹脂12の上面に、また反射板11を下面に貼り付けることによってタグアンテナの製造が行われる。これによって銅張板をエッチングする第1の実施例に比較してコストを下げることが可能になる。
【0039】
図12は、第3の実施例の製造工程の説明図である。同図を図11の第2の実施例と比較すると、アンテナパターンシート10の上下にさらにウレタン樹脂13、14が貼り付けられる点が異なっている。このウレタン樹脂13、14はICチップを含むアンテナパッチの対環境性を向上させるためのものであり、腐食環境や高温状態においても確実に動作するタグを提供することが可能となる。
【0040】
図13は、図12で説明した第3の実施例としてのタグの製品状態を示す。同図においてアンテナパターンシート10、すなわちアンテナパッチはウレタン樹脂13、14によって挟まれ、セラミック樹脂12の上面に貼り付けられ、また反射板11がセラミック樹脂12の下面に貼り付けられた状態が示されている。
【0041】
以上において本実施形態におけるタグアンテナおよびタグの特性について詳細に説明したが、タグを金属に貼り付ける場合には、誘電体スペーサの裏面(下面)の導体、すなわち反射板は不必要となる。
【0042】
また図1で説明したチップ搭載部は座標x=0付近、すなわちアンテナパッチの中央付近に配置するものとしたが、例えばタグの上面にバーコードや文字の印字などをする場合にはチップの盛り上がりが邪魔になることがあるため、チップ搭載部、およびインダクタンス形成のためのスリットをアンテナパッチの端の方に寄せることも可能である。
【0043】
以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、サイズが54mm×39mm×4mmのように非常に小型でありながら、金属に貼り付けても約3mの通信距離が得られるタグが提供可能となる。このタグでは上下接続のスルーホールが不必要であり、またインピーダンス整合のための調整箇所はスリットの長さとカット部の奥行きの2箇所だけであり、調整の工数が少なく、コストを低下させることができる。さらに複数のタグを近接して並べても、タグ1つの場合と同等の通信距離を得ることができ、実用的で性能の良いRFIDシステムの構築に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】第1の実施例に相当するタグアンテナの基本構成を示す図である。
【図2】タグアンテナとICチップとのインピーダンスの整合を説明する図である。
【図3】アンテナパッチ上の電流分布を説明する図である。
【図4】図2のアンテナ放射抵抗の計算結果を示す図である。
【図5】図2のインダクタンスの計算結果を示す図である。
【図6】タグアンテナとICチップとの反射係数の計算結果を示す図である。
【図7】タグアンテナのゲインの計算結果を示す図である。
【図8】タグアンテナの通信距離の計算結果を示す図である。
【図9】タグの近接状態における通信距離の計算結果を示す図である。
【図10】図9に対応するタグの近接状態の説明図である。
【図11】第2の実施例のタグアンテナの製造工程の説明図である。
【図12】第3の実施例のタグアンテナの製造工程の説明図である。
【図13】第3の実施例のタグアンテナの製品形状を示す図である。
【図14】タグアンテナの従来例の構成の説明図である。
【図15】タグアンテナの従来例の近接状態における通信距離の説明図である。
【符号の説明】
【0045】
1 アンテナパッチ
2 裏面導体
3 誘電体スペーサ
4 スリット
5 チップ搭載部
6 カット部
10 アンテナパターンシート
11 反射板
12 セラミック樹脂
13、14 ウレタン樹脂
【特許請求の範囲】
【請求項1】
リーダ/ライタに対して電波を送信あるいは受信するタグ用のタグアンテナであって、
誘電体スペーサと、
該スペーサの一方の面に形成され、動作周波数における半波長よりも小さいサイズを有すると共に、搭載予定チップの抵抗成分と容量成分に適応する長さを持つスリットパターンが形成されたアンテナパターンと、
から構成されることを特徴とするタグアンテナ。
【請求項2】
前記アンテナパターンは、アンテナ放射抵抗とインダクタンスを有し、前記動作周波数で該インダクタンスと前記チップの容量成分が共振条件を満足し、該アンテナ放射抵抗と前記チップの抵抗成分とが実質的に同じ大きさであることを特徴とする請求項1に記載のタグアンテナ。
【請求項3】
前記アンテナパターンは、アンテナ放射抵抗を調整するカット部をさらに形成されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項4】
前記アンテナパターンは、耐環境保護部材で覆われていることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項5】
前記スペーサの他方の面に金属反射板が形成されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項6】
前記誘電体スペーサがセラミック樹脂によって構成されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項7】
前記誘電体スペーサの厚さが1mmから10mmの範囲にあることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項8】
前記アンテナパターンが、前記誘電体スペーサの表面に張られた金属板のエッチングによって形成されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項9】
前記アンテナパターンにおいて、前記スリットパターンと、前記アンテナパターンの端辺との間に切り欠き部が設けられ、該切り欠き部の両端のアンテナパターン金属部分に前記搭載予定チップの2つの端子が接続されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項10】
リーダ/ライタに対して電波を送信あるいは受信するタグであって、
チップと、
誘電体スペーサと、
該スペーサの一方の面に形成され、動作周波数における半波長よりも小さいサイズを有すると共に、前記チップの抵抗成分と容量成分に適応する長さを持つスリットパターンが形成されたアンテナパターンと、
から構成されることを特徴とするタグ。
【請求項1】
リーダ/ライタに対して電波を送信あるいは受信するタグ用のタグアンテナであって、
誘電体スペーサと、
該スペーサの一方の面に形成され、動作周波数における半波長よりも小さいサイズを有すると共に、搭載予定チップの抵抗成分と容量成分に適応する長さを持つスリットパターンが形成されたアンテナパターンと、
から構成されることを特徴とするタグアンテナ。
【請求項2】
前記アンテナパターンは、アンテナ放射抵抗とインダクタンスを有し、前記動作周波数で該インダクタンスと前記チップの容量成分が共振条件を満足し、該アンテナ放射抵抗と前記チップの抵抗成分とが実質的に同じ大きさであることを特徴とする請求項1に記載のタグアンテナ。
【請求項3】
前記アンテナパターンは、アンテナ放射抵抗を調整するカット部をさらに形成されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項4】
前記アンテナパターンは、耐環境保護部材で覆われていることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項5】
前記スペーサの他方の面に金属反射板が形成されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項6】
前記誘電体スペーサがセラミック樹脂によって構成されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項7】
前記誘電体スペーサの厚さが1mmから10mmの範囲にあることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項8】
前記アンテナパターンが、前記誘電体スペーサの表面に張られた金属板のエッチングによって形成されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項9】
前記アンテナパターンにおいて、前記スリットパターンと、前記アンテナパターンの端辺との間に切り欠き部が設けられ、該切り欠き部の両端のアンテナパターン金属部分に前記搭載予定チップの2つの端子が接続されることを特徴とする請求項1、または2に記載のタグアンテナ。
【請求項10】
リーダ/ライタに対して電波を送信あるいは受信するタグであって、
チップと、
誘電体スペーサと、
該スペーサの一方の面に形成され、動作周波数における半波長よりも小さいサイズを有すると共に、前記チップの抵抗成分と容量成分に適応する長さを持つスリットパターンが形成されたアンテナパターンと、
から構成されることを特徴とするタグ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【公開番号】特開2009−60217(P2009−60217A)
【公開日】平成21年3月19日(2009.3.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−223813(P2007−223813)
【出願日】平成19年8月30日(2007.8.30)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年3月19日(2009.3.19)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年8月30日(2007.8.30)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】
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