無線ＩＣタグ
【課題】堅牢で信頼性の高い無線ＩＣタグを提供する。
【解決手段】両端が開放された金属筒１と、無線用ＩＣチップ１０と、前記無線用ＩＣチップ１０に電気接続された端子部を有する整合ループ回路５の配線を形成した印刷配線板２から成る無線ＩＣタグであり、前記印刷配線板２を前記金属筒１の内部に設置し、前記金属筒１の内面に前記整合ループ回路５の配線の一部を接近させて電磁結合させ、前記整合ループ回路５により前記金属筒１を含むアンテナインピーダンスを前記無線用ＩＣチップ１０に整合した無線ＩＣタグを構成する。
【解決手段】両端が開放された金属筒１と、無線用ＩＣチップ１０と、前記無線用ＩＣチップ１０に電気接続された端子部を有する整合ループ回路５の配線を形成した印刷配線板２から成る無線ＩＣタグであり、前記印刷配線板２を前記金属筒１の内部に設置し、前記金属筒１の内面に前記整合ループ回路５の配線の一部を接近させて電磁結合させ、前記整合ループ回路５により前記金属筒１を含むアンテナインピーダンスを前記無線用ＩＣチップ１０に整合した無線ＩＣタグを構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線ＩＣタグに関する発明であって、無線用ＩＣチップを電気接続した金属パターン層を金属筒内に設置した、遠距離通信の無線ＩＣタグである。例えばＵＨＦ帯の周波数（９５３ＭＨｚ帯（プラス／マイナス）２ＭＨｚ）を動作周波数とする。
【背景技術】
【０００２】
堅牢型無線ＩＣタグとして、従来は、特許文献１のように、無線用ＩＣチップ部分とアンテナを樹脂でモールドしたものが提案されていた。この技術は、無線用ＩＣチップを樹脂で完全に覆うことで、無線用ＩＣチップに対する衝撃を少なくできる。また、特許文献２のように、無線用ＩＣチップとループ回路がパッケージされた回路チップ部分と、アンテナ部分とを直流的には切り離した回路にし、電磁界結合で回路チップ部分とアンテナ部分を交流的に結合させたものが提案されていた。この技術は、回路チップ部分とアンテナ部分が直流的には電気接続していないので、回路チップ部分とアンテナ部分の接続がストレスで切断されて切り離される不具合が発生しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−４２０８７号公報
【特許文献２】特開２００９−７５６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術では、樹脂モールドで多層構造を形成するため構造が複雑になり製造コストがかかる問題があり、また、樹脂モールドする際に無線用ＩＣチップに加わる荷重により無線用ＩＣチップが破損し易い問題があった。また、モールドする樹脂の誘電率のバラツキにより特性が変わってしまうので、モールドする樹脂の誘電率を厳密に管理しなければならない問題もあった。更に、モールドする樹脂の誘電体損失（ｔａｎδ）によって放射利得が下がってしまう問題があった。
【０００５】
また、特許文献２の技術では、パッケージした無線用ＩＣチップ部分は堅牢化されるが、アンテナ部分は堅牢化していないため、アンテナ部分に上から荷重が加わるとアンテナ部分が破損する恐れがあった。
【０００６】
本発明は、かかる従来の問題を解決し堅牢で信頼性の高い無線ＩＣタグを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために、両端が開放された金属筒と、無線用ＩＣチップと、前記無線用ＩＣチップに電気接続された端子部を有する整合ループ回路の配線を形成した印刷配線板から成る無線ＩＣタグであり、前記印刷配線板を前記金属筒の内部に設置し、前記金属筒の内面に前記整合ループ回路の配線の一部を接近させて電磁結合させ、前記整合ループ回路により前記金属筒を含むアンテナインピーダンスを前記無線用ＩＣチップに整合したことを特徴とする無線ＩＣタグである。
【０００８】
また、本発明は、上記の無線ＩＣタグであって、前記印刷配線板に、前記整合ループ回路と電磁結合するＩＣタグアンテナ部を形成したことを特徴とする無線ＩＣタグである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、両端が開放された金属筒１と、無線用ＩＣチップ１０と、無線用ＩＣチップ１０に電気接続された端子部１０ａと１０ｂを有する整合ループ回路５の配線を形成した印刷配線板２から成る無線ＩＣタグを、印刷配線板２を金属筒１の内部に設置し、金属筒１の内面に整合ループ回路５の配線の一部を接近させて電磁結合させることで整合ループ回路５によって、無線用ＩＣチップ１０と、金属筒１を含むアンテナ系との間のインピーダンスを整合した無線ＩＣタグが得られ、アンテナとして動作する金属筒１により印刷配線板２が保護された堅牢で信頼性の高い無線ＩＣタグが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＲＦＩＤの斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＲＦＩＤの金属筒の円筒の軸に垂直な断面の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の図１のＡ部の拡大図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例１の印刷配線板の部分の拡大図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るＲＦＩＤの斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の金属筒の金属面と整合ループ回路との配置と電磁界を説明する図５のＡ部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態を図１から図３を参照して説明する。図１は、本実施形態の斜視図を示し、図２は、図１の金属筒１の中心軸に垂直な断面図を示し、図３は、図２のＡ部拡大図である。
【００１２】
（無線ＩＣタグの構成）
第１の実施形態の無線ＩＣタグは、ダイポール型無線ＩＣタグを用いる。図１に示すように、本実施形態の無線ＩＣタグは、両端が開放されて内部に空間がある金属筒１を用いる。両端が開放された金属筒１は、無線ＩＣタグの使用する周波数の電磁界の半波長（λ／２）の長さで、内径が約１０ｍｍの円筒状又は四角断面の筒である。その金属筒１の開放された両端で外部の空間が金属筒１の内部の空間につながり、内部の空間は外気で満たされている。その金属筒１の内部の空間内に、図２のように、厚さ１ｍｍから１．６ｍｍのエポキシ樹脂などの有機樹脂の基板のインレット（印刷配線板）２を設置する。
【００１３】
印刷配線板２は、その面上に、あるいは内層に、図１のように、銅などの金属パターン層３により金属筒１の中心軸の位置に配置したダイポールアンテナ型の無線ＩＣタグアンテナ部４と、その中間部分に直列に挿入したループ状の整合ループ回路５を形成する。そのループ状の整合ループ回路５の配線の両端に無線用ＩＣチップ１０の端子部を電気接続して無線用ＩＣチップ１０を設置する。無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂに電気接続する部分以外の金属パターン層３にはソルダーレジストのパターンを被覆して金属パターン層３を保護する。図１には円筒状の金属筒１を示したが、金属筒１の形状は円筒に限らず、断面が四角あるいは任意の多角形の金属筒１が利用可能である。
【００１４】
図２に金属筒１の円筒の軸に垂直な断面図を示す。金属筒１の開口端からインレット（印刷配線板）２を挿入し、金属筒１の内側に設けた切り込み部分１ａに印刷配線板２を圧入によって差し込んで保持するか又は印刷配線板２を切り込み部分１ａに嵌め込んで接着して固定する。そのインレット（印刷配線板）２の面には金属パターン層３が形成されている。金属筒１への印刷配線板２の装着方法は、金属筒１の開口端から印刷配線板２を挿入する方法に限定されず、金属筒１を縦割で２つの部分に分割して形成しておき、金属筒１の２つの部分の間に印刷配線板２を挟み込んで固定しても良い。このように金属筒１内に無線用ＩＣチップ１０を実装した印刷配線板２を収納することで、印刷配線板２が金属筒１で保護された堅牢で信頼性の高い無線ＩＣタグが得られる効果がある。
【００１５】
金属筒１は、厚さが０．２ｍｍから１ｍｍの銅や銅合金、アルミニウム、ニッケル、鉄合金などの金属を円筒状又は四角断面の筒などの筒状に形成する。金属筒１に流れる電流は表皮効果によって薄い表面層に偏って流れるため、金属筒１の厚さは表皮効果の厚さ（銅の場合は、１ＧＨｚの周波数で約２μｍ）以上あれば高周波電流を流すには十分な厚さである。金属筒１の長さは無線ＩＣタグの使用する周波数の電磁界の半波長（λ／２）の長さ（使用する電磁界の周波数が９５５ＭＨｚの場合は（λ／２）＝１５７ｍｍ）にする。金属筒１としてアルミ管を用いる場合は、その重量を軽くすることができる効果がある。金属筒１として強鉄、鋼などを用いる場合は金属筒１の強度をあげることができる効果がある。この金属筒１の内面に印刷配線板２の面に形成した金属パターン層３のループ状の整合ループ回路５の配線を接近させるが、金属筒１と整合ループ回路５が接近するほど両者が強く電磁結合する。そして、整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４と金属筒１とによりアンテナ系が構成される。
【００１６】
印刷配線板２の面上にＩＣタグアンテナ部４と整合ループ回路５を形成する金属パターン層３は、２０μｍ以下の厚みの圧延箔、蒸着、又は導電性塗料の印刷の何れか又はこれらの組合せによって形成する。ダイポール型のＩＣタグアンテナ部４の中心位置にＩＣタグアンテナ部４に整合ループ回路５を一体に接続して形成する。整合ループ回路５はループ状の配線で形成し、ループ状の整合ループ回路５の配線の両端に無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａ、１０ｂを電気接続する。ループ状の整合ループ回路５の寸法を調整することで、無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉとアンテナインピーダンスＺａを整合させる。
【００１７】
図３に、図１のＡ部の拡大図を示す。ループ状の整合ループ回路５の両端に無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂをＡＣＰ（Anisotropic Conductive Paste：異方導電性ペースト）又はハンダ付けで電気接続する。そして、図３のように、金属筒１の中心軸近くのＩＣタグアンテナ部４に接続する整合ループ回路５のループ状の配線を金属筒１の内側の表面に接近させて整合ループ回路５を金属筒１と電磁結合させる。
【００１８】
（変形例１）
変形例１の構成として、図４のように、整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４とを直流的には切り離す構造にする。すなわち、以上の実施形態では、整合ループ回路５をＩＣタグアンテナ部４の中央部分に直接に電気接続して結合させていたのを、変形例１では、直接には接続しないが、整合ループ回路５をＩＣタグアンテナ部４に接近させることで、両者を電磁結合させる。この変形例１の構造も、整合ループ回路５は、ＩＣタグアンテナ部４に近接配置することでＩＣタグアンテナ部４と電磁結合して交流的には回路を接続させることができる。
【００１９】
（第１の実施形態の無線ＩＣタグの動作）
ＵＨＦ帯の周波数を使用する無線ＩＣタグの動作周波数ｆは９５３ＭＨｚ（プラス／マイナス）２ＭＨｚと高周波である。このため、図３のように金属筒１の金属面が金属パターン層３と直流的には接続していなくてもＵＨＦ帯の周波数において交流的に結合する。金属筒１の金属面と金属パターン層３との間の間隙が狭い程この結合が強くなる。そして、金属筒１の金属面が金属パターン層３と交流的に結合すると、以下のメカニズムにより共振周波数が低くなる。
【００２０】
先ず、ＩＣタグアンテナ部４単独での共振周波数は、ＩＣタグアンテナ部４が持つ自己インダクタンスと浮遊容量とのＬＣ共振回路の共振周波数である。ここで、金属筒１がＩ
Ｃタグアンテナ部４に接近すると、ＩＣタグアンテナ部４の共振に関与する実効的インダクタンスは、その自己インダクタンスにＩＣタグアンテナ部４と金属筒１との相互インダクタンスＭが加わったインダクタンスになり、ＩＣタグアンテナ部４の実効的なインダクタンスが大きくなる。それにより、ＩＣタグアンテナ部４の共振周波数が低下する。金属筒１の共振周波数についても、ＩＣタグアンテナ部４が金属筒１に接近すると、同様にして、金属筒１の共振に関与する実効的インダクタンスは、その金属筒１の自己インダクタンスに、ＩＣタグアンテナ部４との相互インダクタンスＭが加わったインダクタンスになり、金属筒１の実効的なインダクタンスが大きくなる。それにより、金属筒１の共振周波数が低下する。こうして、総体のアンテナ系の共振周波数が低下する。
【００２１】
具体的には、先ず、使用する電磁界の半波長（λ／２）に合わせて製作した金属筒１の表面に定在波の電流が流れる。図３のように、金属筒１の内面に、ループ状の整合ループ回路５の配線を接近させて配置し、金属筒１の中心軸にはダイポール型のＩＣタグアンテナ部４の配線を配置する。定在波によって金属筒１の外側の面とともに内側の面にも電流Ｉ１が流れる。金属筒１の内側の面に流れる電流Ｉ１が生じる磁界Ｈは金属筒１の内側の面に近い整合ループ回路５のループ状の配線と結合して、整合ループ回路５に誘導電流Ｉ２を流す。こうして、定在波によって金属筒１の内側の面に流れる電流Ｉ１と整合ループ回路５に流れる電流Ｉ２とが電磁結合する。
【００２２】
また図３のように金属筒１の中心軸の位置に配置したダイポールアンテナ型のＩＣタグアンテナ部４に流れる電流Ｉ３は、定在波によって金属筒１の内表面に生じる電流Ｉ１とは逆方向に流れる。そのＩＣタグアンテナ部４に流れる電流Ｉ３と金属筒１内に流れる電流Ｉ１とが打ち消し合うため、ＩＣタグアンテナ部４自体は電波を放射しない。また、金属筒１の電流Ｉ１の発生する磁界がループ状の整合ループ回路５と電磁結合して整合ループ回路５に電流Ｉ２が流れ、その電流Ｉ２がＩＣタグアンテナ部４に電流Ｉ３を発生する。整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４で構成されるアンテナ系の共振周波数は、整合ループ回路５のループ状の配線と金属筒１の内側面との距離が近づくと低い周波数にずれる。このため、共振周波数の調整が必要になるが、ＩＣタグアンテナ部４のアンテナ長を調整することで簡単に調整できる。
【００２３】
ここで、無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスをＺｉと定義し、整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４と金属筒１によって形成されるアンテナインピーダンスをＺａと定義する。すなわち、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂの側から、整合ループ回路５の配線の両端間のインピーダンスとして観測するアンテナ系の入力インピーダンスをＺａと定義すると、無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉ及びアンテナインピーダンスＺａは、下記式で表すことが出来る。
（式１） Ｚｉ ＝ Ｚｉ（ｒｅ） ＋ ｊ×Ｚｉ（ｉｍ）
（式２） Ｚａ ＝ Ｚａ（ｒｅ） ＋ ｊ×Ｚａ（ｉｍ）
そして、下記条件を満足若しくは下記条件に近づけるように設計することで、無線用ＩＣチップ１０とアンテナインピーダンスを整合させて、無線用ＩＣチップ１０とアンテナとの間で信号を伝送できる。
（式３） Ｚｉ（ｒｅ） ＝ Ｚａ（ｒｅ）
（式４） Ｚｉ（ｉｍ） ＝ −Ｚａ（ｉｍ）
【００２４】
この金属筒１とＩＣタグアンテナ部４と整合ループ回路５からなるアンテナ系は、ＩＣタグアンテナ部４のアンテナ長を調整することで、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分を調整できる。ここで、アンテナインピーダンスＺａは、整合ループ回路５の接続する無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスである。ＩＣタグアンテナ部４のアンテナ長が短くなると、ＩＣタグアンテナ部４のインダクタンスが小さくなり、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分が小さくなる。こうして
、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分を調整して、式４を満足させるように無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉの虚数成分に整合させることができる。この調整によりアンテナ系の実数成分が変わり、それにより少しマッチング損失を生じるが、その損失は、従来技術でＩＣタグアンテナ部４を樹脂内に埋め込んだ場合の誘電体損失に比べると十分に小さい。
【００２５】
また、整合ループ回路５の金属筒１の金属面との距離を調整することで、金属筒１と整合ループ回路５の電磁結合の結合係数を調整して金属筒１からの電磁界放射の量を調整することができる。それにより、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実数成分が調整される。ここで、金属パターン層３のＩＣタグアンテナ部４が金属筒１と交流的に誘導結合してＩＣタグアンテナ部４と金属筒１との間に相互インダクタンスが発生することで、ＩＣタグアンテナ部４に流れる電流を金属筒１の内側の金属面に流れる電流が打ち消す関係になる。このため、ＩＣタグアンテナ部４からは直接には電磁界を放射せず、電磁界は金属筒１の外側の金属面に流れる電流によって放射される。こうして、アンテナインピーダンスＺａの実数成分を調整して、式３を満足させるように、無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉの実数成分に整合させることができる。その際に、電磁結合の結合係数を変化させても、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分はあまり変化しないので、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分と実数成分を独立に調整することができ、インピーダンスの調整が容易である効果がある。
【００２６】
９５０ＭＨｚで使用するある無線用ＩＣチップ１０の複素インピーダンスＺｉは、２０Ω−ｊ×１８３Ω（ｊは虚数単位）であった。この場合は、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａを２０Ω＋ｊ×１８３Ωにすれば、式３と式４が満足され、インピーダンスが整合する。９５０ＭＨｚでインピーダンスの虚部を１８３Ωとする場合に、アンテナ系のこのインピーダンスの虚数成分は、主に整合ループ回路５の自己インダクタンスから成り、その自己インダクタンスの値は３１ｎＨである。
【００２７】
アンテナインピーダンスＺａの実数成分を無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉの実数成分に近づけてインピーダンスを整合する適切な電気的結合の大きさを調整することで、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実部を、無線用ＩＣチップ１０の複素インピーダンスの実部の値の２０Ωに合わせる。なお、インピーダンスの実部については、それが理想的な値の数倍あるいは数分の１であっても金属筒１をアンテナとして動作させることができるので、整合ループ回路５と金属筒１の内側の金属面との間の距離については、金属筒１毎に厳密に調整しないでも実用上支障が無い。
【００２８】
このようにして、ＩＣタグアンテナ部４のアンテナ長を調整し、整合ループ回路５と金属筒１の内面との距離を調整することで、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａを無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉに整合させ、無線用ＩＣチップ１０から金属筒１に効率良く電力を供給させて金属筒１から電磁波を放射させることができる。本実施形態の無線ＩＣタグの通信距離は金属筒１の長さに比例し、金属筒１の長さが半波長（λ／２）で約１５７ｍｍの場合には、最大通信距離として３ｍ程度まで、無線ＩＣタグのリーダ／ライタと通信することが可能である。
【００２９】
本実施形態の無線ＩＣタグは、金属筒１内部に無線用ＩＣチップ１０とそれに接続する整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４を装荷するため、無線ＩＣタグの堅牢化を図ることができる効果がある。無線ＩＣタグは無線用ＩＣチップ１０の部分が外力の影響を受けやすく、曲げや衝撃に弱い。本実施形態の無線ＩＣタグは、無線用ＩＣチップ１０の部
分を金属筒１内に装荷することにより、外力の影響を排除することができる効果がある。また、本実施形態の無線ＩＣタグは、その金属筒１の内部に設置する印刷配線板２の周囲が空気で構成され、従来の特許文献１のように金属パターン層３に形成したアンテナの配線をモールド樹脂で覆っていないため、特許文献１の場合にあったモールド樹脂の誘電体損失の影響が無いという効果がある。
【００３０】
本実施形態の無線ＩＣタグの使用用途としては、金属用建材、搬送用台車（金属取手部分）などに組み立て前からこの無線ＩＣタグを組み込んでおき、この無線ＩＣタグをリーダ／ライタと通信させることで、それらの製品の盗難防止・管理用に使うことができる。
【００３１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態を図５と図６を参照して説明する。図５は、本実施形態の斜視図を示し、図６は、図５のＡ部拡大図である。
【００３２】
（構成）
第２の実施形態の無線ＩＣタグは、マイクロストリップアンテナ型ＩＣタグを用いる。図５に示すように、金属筒１の中の有機樹脂あるいはセラミックス製の印刷配線板２の面上に、あるいは内層に、金属パターン層３で整合ループ回路５のみから成るマイクロストリップアンテナが形成されている。金属筒１の中心軸に垂直な断面の構造は第１の実施形態の図２と同様に形成する。
【００３３】
図６に、図５のＡ部拡大図を示す。印刷配線板２の面に形成する金属パターン層３は、図６に示すように、ループ状の整合ループ回路５の配線のパターンが、金属筒１の中心軸に対して非対象に形成されている。具体的には、金属筒１の中心軸近くに設置する無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂに接続するループ状の整合ループ回路５の配線のパターンが金属パターン層３に形成されている。整合ループ回路５の配線のパターンは、金属筒１の中心軸近くで無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａ及び１０ｂに接続する細幅部分５ａと、金属筒１の内壁に接近させた配線の中間部分である幅広部分５ｂとに形成する。すなわち、整合ループ回路５の配線のパターンは、金属筒１内に、その中心軸に対して非対称に配置する。
【００３４】
このループ状の整合ループ回路５は、細幅部分５ａの幅を狭くするか、その長さを長くすることでインダクタンスを大きくすることができる。そのインダクタンスによるインピーダンスの虚数成分は、整合ループ回路５の接続する無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの虚数成分とほぼ同じにする。こうして配線の細幅部分５ａの長さと線幅を調整することで、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分を調整する。
【００３５】
また、整合ループ回路５の幅広部分５ｂと金属筒１の内側の面との距離を調整することで、金属筒１と整合ループ回路５の電気的結合の結合度合いを調整でき、それにより、金属筒１からの電磁界放射の量が決まり、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実数成分が変わる。これにより、アンテナインピーダンスＺａの実数成分を調整することができる。整合ループ回路５の幅広部分５ｂと金属筒１との距離を調整することでは、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分はあまり変化しないので、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分と実数成分を独立に調整することができ、インピーダンスの調整が容易である効果がある。
【００３６】
（第２の実施形態の無線ＩＣタグの動作）
先ず、使用する電磁界の半波長（λ／２）に合わせて製作した金属筒１の表面に定在波の電流が流れる。定在波によって金属筒１の外側の面とともに内側の面にも電流Ｉ１が流
れる。金属筒１の内側の面に流れる電流Ｉ１が生じる磁界Ｈは金属筒１の内側の面に近い整合ループ回路５のループ状の配線の中間部分である幅広部分５ｂと結合して、整合ループ回路５に誘導電流Ｉ２を流す。こうして、定在波によって金属筒１の内側の面に流れる電流Ｉ１と整合ループ回路５に流れる電流Ｉ２とが電磁結合する。整合ループ回路５の配線のパターンの両端の細幅部分５ａは無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａ及び１０ｂに接続する。
【００３７】
これらを以下のように調整することで、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分と実数成分を調整して、アンテナインピーダンスＺａを無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉと整合させる。無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの虚数成分は、主に整合ループ回路５の形状により定まる。整合ループ回路５の形状が小さくなると電流経路長も短くなるため、整合ループ回路５のインダクタンス（Ｌ）とインピーダンスの虚数成分（Ｘ＝ωＬ）が小さくなり、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの虚数成分もそうなる。また、整合ループ回路５の配線の細幅部分５ａの線幅を狭くすると、そのインピーダンスの虚数成分を大きくできる。
【００３８】
９５０ＭＨｚでの複素インピーダンスＺｉが２０Ω−ｊ×１８３Ω（ｊは虚数単位）である無線用ＩＣチップ１０を用いる場合は、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａを２０Ω＋ｊ×１８３Ωにしてインピーダンスを整合させる。
【００３９】
厚さ１０μｍのアルミニウムの金属膜パターンで形成した整合ループ回路５の細幅部分５ａの線幅を１ｍｍにして、幅部分１３の長さを２００ｍｍ、１６０ｍｍ、１５０ｍｍとしてインピーダンスの虚部を測定したところ、それぞれ、２１４Ω、１８３Ω、１５０Ωであった。そのため、線幅が１ｍｍで長さが１６０ｍｍの細幅部分５ａを有する整合ループ回路５を用いることで、インピーダンスの虚部を整合できる。９５０ＭＨｚでインピーダンスの虚部が１８３Ωとなる整合ループ回路５の自己インダクタンスは３１ｎＨである。整合ループ回路５の他の形として、縦８ｍｍで横３２ｍｍで長さ８０ｍｍの１巻きのループ状の整合ループ回路５を用いることもできる。この場合の整合ループ回路５の長さは先の例の半分であるが、線幅を１ｍｍより十分細い０．１ｍｍ程度の幅にして単位長さあたりのインダクタンスを大きくした細幅部分５ａを設けることで３１ｎＨの自己インダクタンスを得ることができる。
【００４０】
また、整合ループ回路５の金属筒１の金属面との距離を調整することで、金属筒１と整合ループ回路５の電気的結合の結合度合いを調整でき、それにより、金属筒１からの電磁界放射の量が決まり、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実数成分が変わる。これにより、インピーダンスを調整する。整合ループ回路５のインピーダンスを無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスに近づけて整合する適切な電気的結合の大きさは金属筒１のアンテナとしての放射効率に合わせて調整することで、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実部を、無線用ＩＣチップ１０の複素インピーダンスの実部の値の２０Ωに合わせる。
【００４１】
このようにして、整合ループ回路５の細幅部分５ａの長さと線幅、そして、整合ループ回路５の金属筒１の金属面との距離を調整して無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａを無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉに整合させることで、無線用ＩＣチップ１０から金属筒１に効率良く電力を供給させて金属筒１から電磁波を放射させることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・金属筒
１ａ・・・切り込み部分
２・・・インレット（印刷配線板）
３・・・金属パターン層
４・・・ＩＣタグアンテナ部
５・・・整合ループ回路
５ａ・・・細幅部分
５ｂ・・・幅広部分
１０・・・無線用ＩＣチップ
１０ａ、１０ｂ・・・無線用ＩＣチップの端子部
Ｈ・・・磁界
Ｉ１・・・金属筒の内側の面に流れる電流
Ｉ２・・・整合ループ回路５に流れる電流
Ｉ３・・・ＩＣタグアンテナ部に電流
Ｚａ・・・アンテナインピーダンス
Ｚｉ・・・無線用ＩＣチップのインピーダンス
λ／２・・・電磁界の半波長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線ＩＣタグに関する発明であって、無線用ＩＣチップを電気接続した金属パターン層を金属筒内に設置した、遠距離通信の無線ＩＣタグである。例えばＵＨＦ帯の周波数（９５３ＭＨｚ帯（プラス／マイナス）２ＭＨｚ）を動作周波数とする。
【背景技術】
【０００２】
堅牢型無線ＩＣタグとして、従来は、特許文献１のように、無線用ＩＣチップ部分とアンテナを樹脂でモールドしたものが提案されていた。この技術は、無線用ＩＣチップを樹脂で完全に覆うことで、無線用ＩＣチップに対する衝撃を少なくできる。また、特許文献２のように、無線用ＩＣチップとループ回路がパッケージされた回路チップ部分と、アンテナ部分とを直流的には切り離した回路にし、電磁界結合で回路チップ部分とアンテナ部分を交流的に結合させたものが提案されていた。この技術は、回路チップ部分とアンテナ部分が直流的には電気接続していないので、回路チップ部分とアンテナ部分の接続がストレスで切断されて切り離される不具合が発生しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−４２０８７号公報
【特許文献２】特開２００９−７５６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術では、樹脂モールドで多層構造を形成するため構造が複雑になり製造コストがかかる問題があり、また、樹脂モールドする際に無線用ＩＣチップに加わる荷重により無線用ＩＣチップが破損し易い問題があった。また、モールドする樹脂の誘電率のバラツキにより特性が変わってしまうので、モールドする樹脂の誘電率を厳密に管理しなければならない問題もあった。更に、モールドする樹脂の誘電体損失（ｔａｎδ）によって放射利得が下がってしまう問題があった。
【０００５】
また、特許文献２の技術では、パッケージした無線用ＩＣチップ部分は堅牢化されるが、アンテナ部分は堅牢化していないため、アンテナ部分に上から荷重が加わるとアンテナ部分が破損する恐れがあった。
【０００６】
本発明は、かかる従来の問題を解決し堅牢で信頼性の高い無線ＩＣタグを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために、両端が開放された金属筒と、無線用ＩＣチップと、前記無線用ＩＣチップに電気接続された端子部を有する整合ループ回路の配線を形成した印刷配線板から成る無線ＩＣタグであり、前記印刷配線板を前記金属筒の内部に設置し、前記金属筒の内面に前記整合ループ回路の配線の一部を接近させて電磁結合させ、前記整合ループ回路により前記金属筒を含むアンテナインピーダンスを前記無線用ＩＣチップに整合したことを特徴とする無線ＩＣタグである。
【０００８】
また、本発明は、上記の無線ＩＣタグであって、前記印刷配線板に、前記整合ループ回路と電磁結合するＩＣタグアンテナ部を形成したことを特徴とする無線ＩＣタグである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、両端が開放された金属筒１と、無線用ＩＣチップ１０と、無線用ＩＣチップ１０に電気接続された端子部１０ａと１０ｂを有する整合ループ回路５の配線を形成した印刷配線板２から成る無線ＩＣタグを、印刷配線板２を金属筒１の内部に設置し、金属筒１の内面に整合ループ回路５の配線の一部を接近させて電磁結合させることで整合ループ回路５によって、無線用ＩＣチップ１０と、金属筒１を含むアンテナ系との間のインピーダンスを整合した無線ＩＣタグが得られ、アンテナとして動作する金属筒１により印刷配線板２が保護された堅牢で信頼性の高い無線ＩＣタグが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＲＦＩＤの斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＲＦＩＤの金属筒の円筒の軸に垂直な断面の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の図１のＡ部の拡大図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例１の印刷配線板の部分の拡大図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るＲＦＩＤの斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の金属筒の金属面と整合ループ回路との配置と電磁界を説明する図５のＡ部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態を図１から図３を参照して説明する。図１は、本実施形態の斜視図を示し、図２は、図１の金属筒１の中心軸に垂直な断面図を示し、図３は、図２のＡ部拡大図である。
【００１２】
（無線ＩＣタグの構成）
第１の実施形態の無線ＩＣタグは、ダイポール型無線ＩＣタグを用いる。図１に示すように、本実施形態の無線ＩＣタグは、両端が開放されて内部に空間がある金属筒１を用いる。両端が開放された金属筒１は、無線ＩＣタグの使用する周波数の電磁界の半波長（λ／２）の長さで、内径が約１０ｍｍの円筒状又は四角断面の筒である。その金属筒１の開放された両端で外部の空間が金属筒１の内部の空間につながり、内部の空間は外気で満たされている。その金属筒１の内部の空間内に、図２のように、厚さ１ｍｍから１．６ｍｍのエポキシ樹脂などの有機樹脂の基板のインレット（印刷配線板）２を設置する。
【００１３】
印刷配線板２は、その面上に、あるいは内層に、図１のように、銅などの金属パターン層３により金属筒１の中心軸の位置に配置したダイポールアンテナ型の無線ＩＣタグアンテナ部４と、その中間部分に直列に挿入したループ状の整合ループ回路５を形成する。そのループ状の整合ループ回路５の配線の両端に無線用ＩＣチップ１０の端子部を電気接続して無線用ＩＣチップ１０を設置する。無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂに電気接続する部分以外の金属パターン層３にはソルダーレジストのパターンを被覆して金属パターン層３を保護する。図１には円筒状の金属筒１を示したが、金属筒１の形状は円筒に限らず、断面が四角あるいは任意の多角形の金属筒１が利用可能である。
【００１４】
図２に金属筒１の円筒の軸に垂直な断面図を示す。金属筒１の開口端からインレット（印刷配線板）２を挿入し、金属筒１の内側に設けた切り込み部分１ａに印刷配線板２を圧入によって差し込んで保持するか又は印刷配線板２を切り込み部分１ａに嵌め込んで接着して固定する。そのインレット（印刷配線板）２の面には金属パターン層３が形成されている。金属筒１への印刷配線板２の装着方法は、金属筒１の開口端から印刷配線板２を挿入する方法に限定されず、金属筒１を縦割で２つの部分に分割して形成しておき、金属筒１の２つの部分の間に印刷配線板２を挟み込んで固定しても良い。このように金属筒１内に無線用ＩＣチップ１０を実装した印刷配線板２を収納することで、印刷配線板２が金属筒１で保護された堅牢で信頼性の高い無線ＩＣタグが得られる効果がある。
【００１５】
金属筒１は、厚さが０．２ｍｍから１ｍｍの銅や銅合金、アルミニウム、ニッケル、鉄合金などの金属を円筒状又は四角断面の筒などの筒状に形成する。金属筒１に流れる電流は表皮効果によって薄い表面層に偏って流れるため、金属筒１の厚さは表皮効果の厚さ（銅の場合は、１ＧＨｚの周波数で約２μｍ）以上あれば高周波電流を流すには十分な厚さである。金属筒１の長さは無線ＩＣタグの使用する周波数の電磁界の半波長（λ／２）の長さ（使用する電磁界の周波数が９５５ＭＨｚの場合は（λ／２）＝１５７ｍｍ）にする。金属筒１としてアルミ管を用いる場合は、その重量を軽くすることができる効果がある。金属筒１として強鉄、鋼などを用いる場合は金属筒１の強度をあげることができる効果がある。この金属筒１の内面に印刷配線板２の面に形成した金属パターン層３のループ状の整合ループ回路５の配線を接近させるが、金属筒１と整合ループ回路５が接近するほど両者が強く電磁結合する。そして、整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４と金属筒１とによりアンテナ系が構成される。
【００１６】
印刷配線板２の面上にＩＣタグアンテナ部４と整合ループ回路５を形成する金属パターン層３は、２０μｍ以下の厚みの圧延箔、蒸着、又は導電性塗料の印刷の何れか又はこれらの組合せによって形成する。ダイポール型のＩＣタグアンテナ部４の中心位置にＩＣタグアンテナ部４に整合ループ回路５を一体に接続して形成する。整合ループ回路５はループ状の配線で形成し、ループ状の整合ループ回路５の配線の両端に無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａ、１０ｂを電気接続する。ループ状の整合ループ回路５の寸法を調整することで、無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉとアンテナインピーダンスＺａを整合させる。
【００１７】
図３に、図１のＡ部の拡大図を示す。ループ状の整合ループ回路５の両端に無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂをＡＣＰ（Anisotropic Conductive Paste：異方導電性ペースト）又はハンダ付けで電気接続する。そして、図３のように、金属筒１の中心軸近くのＩＣタグアンテナ部４に接続する整合ループ回路５のループ状の配線を金属筒１の内側の表面に接近させて整合ループ回路５を金属筒１と電磁結合させる。
【００１８】
（変形例１）
変形例１の構成として、図４のように、整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４とを直流的には切り離す構造にする。すなわち、以上の実施形態では、整合ループ回路５をＩＣタグアンテナ部４の中央部分に直接に電気接続して結合させていたのを、変形例１では、直接には接続しないが、整合ループ回路５をＩＣタグアンテナ部４に接近させることで、両者を電磁結合させる。この変形例１の構造も、整合ループ回路５は、ＩＣタグアンテナ部４に近接配置することでＩＣタグアンテナ部４と電磁結合して交流的には回路を接続させることができる。
【００１９】
（第１の実施形態の無線ＩＣタグの動作）
ＵＨＦ帯の周波数を使用する無線ＩＣタグの動作周波数ｆは９５３ＭＨｚ（プラス／マイナス）２ＭＨｚと高周波である。このため、図３のように金属筒１の金属面が金属パターン層３と直流的には接続していなくてもＵＨＦ帯の周波数において交流的に結合する。金属筒１の金属面と金属パターン層３との間の間隙が狭い程この結合が強くなる。そして、金属筒１の金属面が金属パターン層３と交流的に結合すると、以下のメカニズムにより共振周波数が低くなる。
【００２０】
先ず、ＩＣタグアンテナ部４単独での共振周波数は、ＩＣタグアンテナ部４が持つ自己インダクタンスと浮遊容量とのＬＣ共振回路の共振周波数である。ここで、金属筒１がＩ
Ｃタグアンテナ部４に接近すると、ＩＣタグアンテナ部４の共振に関与する実効的インダクタンスは、その自己インダクタンスにＩＣタグアンテナ部４と金属筒１との相互インダクタンスＭが加わったインダクタンスになり、ＩＣタグアンテナ部４の実効的なインダクタンスが大きくなる。それにより、ＩＣタグアンテナ部４の共振周波数が低下する。金属筒１の共振周波数についても、ＩＣタグアンテナ部４が金属筒１に接近すると、同様にして、金属筒１の共振に関与する実効的インダクタンスは、その金属筒１の自己インダクタンスに、ＩＣタグアンテナ部４との相互インダクタンスＭが加わったインダクタンスになり、金属筒１の実効的なインダクタンスが大きくなる。それにより、金属筒１の共振周波数が低下する。こうして、総体のアンテナ系の共振周波数が低下する。
【００２１】
具体的には、先ず、使用する電磁界の半波長（λ／２）に合わせて製作した金属筒１の表面に定在波の電流が流れる。図３のように、金属筒１の内面に、ループ状の整合ループ回路５の配線を接近させて配置し、金属筒１の中心軸にはダイポール型のＩＣタグアンテナ部４の配線を配置する。定在波によって金属筒１の外側の面とともに内側の面にも電流Ｉ１が流れる。金属筒１の内側の面に流れる電流Ｉ１が生じる磁界Ｈは金属筒１の内側の面に近い整合ループ回路５のループ状の配線と結合して、整合ループ回路５に誘導電流Ｉ２を流す。こうして、定在波によって金属筒１の内側の面に流れる電流Ｉ１と整合ループ回路５に流れる電流Ｉ２とが電磁結合する。
【００２２】
また図３のように金属筒１の中心軸の位置に配置したダイポールアンテナ型のＩＣタグアンテナ部４に流れる電流Ｉ３は、定在波によって金属筒１の内表面に生じる電流Ｉ１とは逆方向に流れる。そのＩＣタグアンテナ部４に流れる電流Ｉ３と金属筒１内に流れる電流Ｉ１とが打ち消し合うため、ＩＣタグアンテナ部４自体は電波を放射しない。また、金属筒１の電流Ｉ１の発生する磁界がループ状の整合ループ回路５と電磁結合して整合ループ回路５に電流Ｉ２が流れ、その電流Ｉ２がＩＣタグアンテナ部４に電流Ｉ３を発生する。整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４で構成されるアンテナ系の共振周波数は、整合ループ回路５のループ状の配線と金属筒１の内側面との距離が近づくと低い周波数にずれる。このため、共振周波数の調整が必要になるが、ＩＣタグアンテナ部４のアンテナ長を調整することで簡単に調整できる。
【００２３】
ここで、無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスをＺｉと定義し、整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４と金属筒１によって形成されるアンテナインピーダンスをＺａと定義する。すなわち、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂの側から、整合ループ回路５の配線の両端間のインピーダンスとして観測するアンテナ系の入力インピーダンスをＺａと定義すると、無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉ及びアンテナインピーダンスＺａは、下記式で表すことが出来る。
（式１） Ｚｉ ＝ Ｚｉ（ｒｅ） ＋ ｊ×Ｚｉ（ｉｍ）
（式２） Ｚａ ＝ Ｚａ（ｒｅ） ＋ ｊ×Ｚａ（ｉｍ）
そして、下記条件を満足若しくは下記条件に近づけるように設計することで、無線用ＩＣチップ１０とアンテナインピーダンスを整合させて、無線用ＩＣチップ１０とアンテナとの間で信号を伝送できる。
（式３） Ｚｉ（ｒｅ） ＝ Ｚａ（ｒｅ）
（式４） Ｚｉ（ｉｍ） ＝ −Ｚａ（ｉｍ）
【００２４】
この金属筒１とＩＣタグアンテナ部４と整合ループ回路５からなるアンテナ系は、ＩＣタグアンテナ部４のアンテナ長を調整することで、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分を調整できる。ここで、アンテナインピーダンスＺａは、整合ループ回路５の接続する無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスである。ＩＣタグアンテナ部４のアンテナ長が短くなると、ＩＣタグアンテナ部４のインダクタンスが小さくなり、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分が小さくなる。こうして
、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分を調整して、式４を満足させるように無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉの虚数成分に整合させることができる。この調整によりアンテナ系の実数成分が変わり、それにより少しマッチング損失を生じるが、その損失は、従来技術でＩＣタグアンテナ部４を樹脂内に埋め込んだ場合の誘電体損失に比べると十分に小さい。
【００２５】
また、整合ループ回路５の金属筒１の金属面との距離を調整することで、金属筒１と整合ループ回路５の電磁結合の結合係数を調整して金属筒１からの電磁界放射の量を調整することができる。それにより、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実数成分が調整される。ここで、金属パターン層３のＩＣタグアンテナ部４が金属筒１と交流的に誘導結合してＩＣタグアンテナ部４と金属筒１との間に相互インダクタンスが発生することで、ＩＣタグアンテナ部４に流れる電流を金属筒１の内側の金属面に流れる電流が打ち消す関係になる。このため、ＩＣタグアンテナ部４からは直接には電磁界を放射せず、電磁界は金属筒１の外側の金属面に流れる電流によって放射される。こうして、アンテナインピーダンスＺａの実数成分を調整して、式３を満足させるように、無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉの実数成分に整合させることができる。その際に、電磁結合の結合係数を変化させても、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分はあまり変化しないので、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分と実数成分を独立に調整することができ、インピーダンスの調整が容易である効果がある。
【００２６】
９５０ＭＨｚで使用するある無線用ＩＣチップ１０の複素インピーダンスＺｉは、２０Ω−ｊ×１８３Ω（ｊは虚数単位）であった。この場合は、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａを２０Ω＋ｊ×１８３Ωにすれば、式３と式４が満足され、インピーダンスが整合する。９５０ＭＨｚでインピーダンスの虚部を１８３Ωとする場合に、アンテナ系のこのインピーダンスの虚数成分は、主に整合ループ回路５の自己インダクタンスから成り、その自己インダクタンスの値は３１ｎＨである。
【００２７】
アンテナインピーダンスＺａの実数成分を無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉの実数成分に近づけてインピーダンスを整合する適切な電気的結合の大きさを調整することで、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実部を、無線用ＩＣチップ１０の複素インピーダンスの実部の値の２０Ωに合わせる。なお、インピーダンスの実部については、それが理想的な値の数倍あるいは数分の１であっても金属筒１をアンテナとして動作させることができるので、整合ループ回路５と金属筒１の内側の金属面との間の距離については、金属筒１毎に厳密に調整しないでも実用上支障が無い。
【００２８】
このようにして、ＩＣタグアンテナ部４のアンテナ長を調整し、整合ループ回路５と金属筒１の内面との距離を調整することで、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａを無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉに整合させ、無線用ＩＣチップ１０から金属筒１に効率良く電力を供給させて金属筒１から電磁波を放射させることができる。本実施形態の無線ＩＣタグの通信距離は金属筒１の長さに比例し、金属筒１の長さが半波長（λ／２）で約１５７ｍｍの場合には、最大通信距離として３ｍ程度まで、無線ＩＣタグのリーダ／ライタと通信することが可能である。
【００２９】
本実施形態の無線ＩＣタグは、金属筒１内部に無線用ＩＣチップ１０とそれに接続する整合ループ回路５とＩＣタグアンテナ部４を装荷するため、無線ＩＣタグの堅牢化を図ることができる効果がある。無線ＩＣタグは無線用ＩＣチップ１０の部分が外力の影響を受けやすく、曲げや衝撃に弱い。本実施形態の無線ＩＣタグは、無線用ＩＣチップ１０の部
分を金属筒１内に装荷することにより、外力の影響を排除することができる効果がある。また、本実施形態の無線ＩＣタグは、その金属筒１の内部に設置する印刷配線板２の周囲が空気で構成され、従来の特許文献１のように金属パターン層３に形成したアンテナの配線をモールド樹脂で覆っていないため、特許文献１の場合にあったモールド樹脂の誘電体損失の影響が無いという効果がある。
【００３０】
本実施形態の無線ＩＣタグの使用用途としては、金属用建材、搬送用台車（金属取手部分）などに組み立て前からこの無線ＩＣタグを組み込んでおき、この無線ＩＣタグをリーダ／ライタと通信させることで、それらの製品の盗難防止・管理用に使うことができる。
【００３１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態を図５と図６を参照して説明する。図５は、本実施形態の斜視図を示し、図６は、図５のＡ部拡大図である。
【００３２】
（構成）
第２の実施形態の無線ＩＣタグは、マイクロストリップアンテナ型ＩＣタグを用いる。図５に示すように、金属筒１の中の有機樹脂あるいはセラミックス製の印刷配線板２の面上に、あるいは内層に、金属パターン層３で整合ループ回路５のみから成るマイクロストリップアンテナが形成されている。金属筒１の中心軸に垂直な断面の構造は第１の実施形態の図２と同様に形成する。
【００３３】
図６に、図５のＡ部拡大図を示す。印刷配線板２の面に形成する金属パターン層３は、図６に示すように、ループ状の整合ループ回路５の配線のパターンが、金属筒１の中心軸に対して非対象に形成されている。具体的には、金属筒１の中心軸近くに設置する無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂに接続するループ状の整合ループ回路５の配線のパターンが金属パターン層３に形成されている。整合ループ回路５の配線のパターンは、金属筒１の中心軸近くで無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａ及び１０ｂに接続する細幅部分５ａと、金属筒１の内壁に接近させた配線の中間部分である幅広部分５ｂとに形成する。すなわち、整合ループ回路５の配線のパターンは、金属筒１内に、その中心軸に対して非対称に配置する。
【００３４】
このループ状の整合ループ回路５は、細幅部分５ａの幅を狭くするか、その長さを長くすることでインダクタンスを大きくすることができる。そのインダクタンスによるインピーダンスの虚数成分は、整合ループ回路５の接続する無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの虚数成分とほぼ同じにする。こうして配線の細幅部分５ａの長さと線幅を調整することで、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分を調整する。
【００３５】
また、整合ループ回路５の幅広部分５ｂと金属筒１の内側の面との距離を調整することで、金属筒１と整合ループ回路５の電気的結合の結合度合いを調整でき、それにより、金属筒１からの電磁界放射の量が決まり、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実数成分が変わる。これにより、アンテナインピーダンスＺａの実数成分を調整することができる。整合ループ回路５の幅広部分５ｂと金属筒１との距離を調整することでは、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分はあまり変化しないので、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分と実数成分を独立に調整することができ、インピーダンスの調整が容易である効果がある。
【００３６】
（第２の実施形態の無線ＩＣタグの動作）
先ず、使用する電磁界の半波長（λ／２）に合わせて製作した金属筒１の表面に定在波の電流が流れる。定在波によって金属筒１の外側の面とともに内側の面にも電流Ｉ１が流
れる。金属筒１の内側の面に流れる電流Ｉ１が生じる磁界Ｈは金属筒１の内側の面に近い整合ループ回路５のループ状の配線の中間部分である幅広部分５ｂと結合して、整合ループ回路５に誘導電流Ｉ２を流す。こうして、定在波によって金属筒１の内側の面に流れる電流Ｉ１と整合ループ回路５に流れる電流Ｉ２とが電磁結合する。整合ループ回路５の配線のパターンの両端の細幅部分５ａは無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａ及び１０ｂに接続する。
【００３７】
これらを以下のように調整することで、アンテナインピーダンスＺａの虚数成分と実数成分を調整して、アンテナインピーダンスＺａを無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉと整合させる。無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの虚数成分は、主に整合ループ回路５の形状により定まる。整合ループ回路５の形状が小さくなると電流経路長も短くなるため、整合ループ回路５のインダクタンス（Ｌ）とインピーダンスの虚数成分（Ｘ＝ωＬ）が小さくなり、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの虚数成分もそうなる。また、整合ループ回路５の配線の細幅部分５ａの線幅を狭くすると、そのインピーダンスの虚数成分を大きくできる。
【００３８】
９５０ＭＨｚでの複素インピーダンスＺｉが２０Ω−ｊ×１８３Ω（ｊは虚数単位）である無線用ＩＣチップ１０を用いる場合は、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａを２０Ω＋ｊ×１８３Ωにしてインピーダンスを整合させる。
【００３９】
厚さ１０μｍのアルミニウムの金属膜パターンで形成した整合ループ回路５の細幅部分５ａの線幅を１ｍｍにして、幅部分１３の長さを２００ｍｍ、１６０ｍｍ、１５０ｍｍとしてインピーダンスの虚部を測定したところ、それぞれ、２１４Ω、１８３Ω、１５０Ωであった。そのため、線幅が１ｍｍで長さが１６０ｍｍの細幅部分５ａを有する整合ループ回路５を用いることで、インピーダンスの虚部を整合できる。９５０ＭＨｚでインピーダンスの虚部が１８３Ωとなる整合ループ回路５の自己インダクタンスは３１ｎＨである。整合ループ回路５の他の形として、縦８ｍｍで横３２ｍｍで長さ８０ｍｍの１巻きのループ状の整合ループ回路５を用いることもできる。この場合の整合ループ回路５の長さは先の例の半分であるが、線幅を１ｍｍより十分細い０．１ｍｍ程度の幅にして単位長さあたりのインダクタンスを大きくした細幅部分５ａを設けることで３１ｎＨの自己インダクタンスを得ることができる。
【００４０】
また、整合ループ回路５の金属筒１の金属面との距離を調整することで、金属筒１と整合ループ回路５の電気的結合の結合度合いを調整でき、それにより、金属筒１からの電磁界放射の量が決まり、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実数成分が変わる。これにより、インピーダンスを調整する。整合ループ回路５のインピーダンスを無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスに近づけて整合する適切な電気的結合の大きさは金属筒１のアンテナとしての放射効率に合わせて調整することで、無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａの実部を、無線用ＩＣチップ１０の複素インピーダンスの実部の値の２０Ωに合わせる。
【００４１】
このようにして、整合ループ回路５の細幅部分５ａの長さと線幅、そして、整合ループ回路５の金属筒１の金属面との距離を調整して無線用ＩＣチップ１０の端子部１０ａと１０ｂから観測されるアンテナインピーダンスＺａを無線用ＩＣチップ１０のインピーダンスＺｉに整合させることで、無線用ＩＣチップ１０から金属筒１に効率良く電力を供給させて金属筒１から電磁波を放射させることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・金属筒
１ａ・・・切り込み部分
２・・・インレット（印刷配線板）
３・・・金属パターン層
４・・・ＩＣタグアンテナ部
５・・・整合ループ回路
５ａ・・・細幅部分
５ｂ・・・幅広部分
１０・・・無線用ＩＣチップ
１０ａ、１０ｂ・・・無線用ＩＣチップの端子部
Ｈ・・・磁界
Ｉ１・・・金属筒の内側の面に流れる電流
Ｉ２・・・整合ループ回路５に流れる電流
Ｉ３・・・ＩＣタグアンテナ部に電流
Ｚａ・・・アンテナインピーダンス
Ｚｉ・・・無線用ＩＣチップのインピーダンス
λ／２・・・電磁界の半波長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が開放された金属筒と、無線用ＩＣチップと、前記無線用ＩＣチップに電気接続された端子部を有する整合ループ回路の配線を形成した印刷配線板から成る無線ＩＣタグであり、前記印刷配線板を前記金属筒の内部に設置し、前記金属筒の内面に前記整合ループ回路の配線の一部を接近させて電磁結合させ、前記整合ループ回路により前記金属筒を含むアンテナインピーダンスを前記無線用ＩＣチップに整合したことを特徴とする無線ＩＣタグ。
【請求項２】
請求項１記載の無線ＩＣタグであって、前記印刷配線板に、前記整合ループ回路と電磁結合するＩＣタグアンテナ部を形成したことを特徴とする無線ＩＣタグ。
【請求項１】
両端が開放された金属筒と、無線用ＩＣチップと、前記無線用ＩＣチップに電気接続された端子部を有する整合ループ回路の配線を形成した印刷配線板から成る無線ＩＣタグであり、前記印刷配線板を前記金属筒の内部に設置し、前記金属筒の内面に前記整合ループ回路の配線の一部を接近させて電磁結合させ、前記整合ループ回路により前記金属筒を含むアンテナインピーダンスを前記無線用ＩＣチップに整合したことを特徴とする無線ＩＣタグ。
【請求項２】
請求項１記載の無線ＩＣタグであって、前記印刷配線板に、前記整合ループ回路と電磁結合するＩＣタグアンテナ部を形成したことを特徴とする無線ＩＣタグ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１１８９１１（Ｐ２０１２−１１８９１１Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７０２１９（Ｐ２０１０−２７０２１９）
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
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