説明

RFIDタグ及び自動認識システム

【課題】小型のRFIDタグ単体に比べて長い通信距離を実現し、しかもアンテナの設置にはんだづけ等が不要なため設置が容易でそのため接続不良の不具合が起こりえず信頼性に優れており、導体として金属線や導電性の糸を用いることができて特に導電性の糸は紙、布、軟質の曲がるプラスチックなどに縫うことも可能なため設置場所や設置形状の自由度が高いRFIDタグ及びこれを用いた自動認識システムを提供する。
【解決手段】ICチップ30と、このICチップと接続されて電気的閉回路を形成するアンテナ20と、前記ICチップ及びアンテナを封止する封止材とを有し、全ての辺の長さが前記ICチップの動作波長に比べて1/50以下である略直方体のRFIDタグパッケージ80と、このRFIDパッケージの外部周辺に前記ICチップおよび前記アンテナと接続されていない導体100が配置されているRFIDタグ85及びこれを用いた自動認識システム。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、汎用のリーダやリーダライタと共に用いて非接触で情報の送受信を行うことができるRFID(Radio Frequency Identification)タグ及びこれを用いた自動認識システムに関する。
【背景技術】
【0002】
製品の情報や識別、管理、偽造防止の目的で、商品、包装、カード、書類等にはICチップを搭載した非接触式RFIDタグ(以下、単に「RFIDタグ」という。)が多数利用されている。ICチップには商品の名称、価格等の情報が書き込まれており、管理、販売、使用する際には、リーダやリーダライタ(以下、リーダとリーダライタを合わせて「リーダ等」ということがある。)によって、これらのICチップの情報を無線で読み取り、利用できる。製造日や製造所、残金等の情報を、後でリーダライタによって書き込むことができるものもある。このようにしてRFIDタグは商品管理の利便性向上や安全性の向上、また人為的ミスをなくす等大きなメリットをもたらしている。
【0003】
RFIDタグは、商品に取り付けたりカードに内蔵したりするという性格上、小型薄型化の要求も強い。特に、従来はロット番号を刻印・記入して管理したりあるいは管理そのものができていなかったものへの利用として近年着目されている。具体的には眼鏡や時計あるいは医療用サンプルや半導体等(以下、このような複雑な形状を有したり、サイズが縦:数cm×横:数cm程度以下の小さい物品を「小型多品種品」という。)の管理であり、商品(サンプル)の製造所、作業者、製造日、使用材料、寸法、特性、在庫数管理等に役立ち、管理作業者の手間を減らしてかつミスを防ぐことができる。これらのような利便性のある管理システム実現のためには、RFIDタグの小型化・薄型化が必要不可欠となる。
【0004】
比較的小型で薄型のRFIDタグとしては、図1に示すように、フィルム基材1上にアンテナ20を形成し、ICチップ30を搭載したRFIDタグ85が開示されている(特許文献1、2)。また、より小型のRFIDとして、基板上にアンテナパターンとICチップを取り付けた後、封止してパッケージ化したもの(特許文献3)や、より薄く平坦にするために、基板を設けずに、独立したアンテナパターン上にICチップを取付けた後、封止してパッケージ化したもの(特許文献4)が開示されている。さらに、図2に示すように、ICチップサイズまで小型化したRFIDタグとして、ICチップ30上に直接アンテナ20を形成したもの(オンチップアンテナ)が開示されている(特許文献5、6)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2006−221211号公報
【特許文献2】特開2011−103060号公報
【特許文献3】特開2010−152449号公報
【特許文献4】特開2001−052137号公報
【特許文献5】国際公開第2005/024949号
【特許文献6】特開2007−189499号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
引用文献1、2のRFIDタグは、比較的小型で薄型であり、汎用のリーダ等でも200mm以上の通信距離を有する。しかし、フィルム基材に設けるアンテナとして、縦または横が、数cm程度の大きさが必要なため、RFIDタグを取付ける対象が、上述した小型多品種品である場合には対応できず、対象となる製品や取付けについての制約が大きい。
【0007】
引用文献3、4のRFIDタグは、数mm角(縦:数mm×横:数mmを表す。以下、同様。)程度と小型であり、小型多品種品にも対応できる。しかし、引用文献3のRFIDタグは、アンテナを多層に設けるため、アンテナを設ける基材も多層構造が必要となり、コストがかかる上、全体の厚みも増す問題がある。引用文献4のRFIDタグは、基材で支持されない単体のアンテナを、多数個繋げたリードフレーム状の部材を用いるので、封止後に個々のパッケージに切断すると、アンテナの切断面がパッケージの外部に露出し、環境劣化等による通信特性や信頼性への影響が懸念される。しかも、引用文献3、4のような、数mm角程度サイズのRFIDタグは、一般に、通信距離が数mm以下程度であり、実用的には十分とは言えない。リーダ等の側で対応することで、通信距離を伸ばすことは可能であるが、専用のリーダ等が必要になり、汎用のリーダ等が使えないため、使い勝手が悪い問題がある。
【0008】
引用文献5、6のRFIDは、サイズはICチップと同等(数100μm角程度)であり、小型多品種品に十分対応できる。しかし、通信距離が1mm以下または接触レベルと短く、実際に使用する現場においては、作業の効率や自由度が低い問題がある。一方、通信距離を長くしようとすると、ICチップ自体のサイズを拡大する必要があるため、コスト高になる問題があった。
【0009】
サイズが10mm角程度以下で、かつ通信距離が、10mm程度以上であるようなRFIDタグであれば、小型多品種品を始めとして、適用範囲は大幅に拡大し、また汎用のリーダ等でも対応可能であるため、産業上利用価値が非常に高い。しかしながら、上述したように、サイズが数mm角オーダー以下のRFIDは、通信距離が短く、実用上は、使い勝手の悪いものであった。
【0010】
また、RFIDタグには耐久性への要求も強まっている。適用製品が、半導体パッケージ等の電子部品や射出成形品等の場合、リフローや成形時の加熱、あるいは使用時の発熱に晒されるため、250〜300℃で数秒程度の耐熱性を要するが、このような耐熱性は考慮されていない場合がほとんどである。また、RFIDタグはICチップとアンテナをはんだづけ等で機械的に接続する必要があり、そのため使用中に外力によって接続が外れてしまうことがあった。
【0011】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型のRFIDタグ単体に比べて長い通信距離を実現し、しかも従来のRFIDタグに比べてアンテナの設置にはんだづけ等の機械的接続が不要なため設置が容易でそのため接続不良の不具合が起こりえず信頼性に優れており、導体として金属線や導電性の糸を用いることが出来て特に導電性の糸は紙、布、軟質の曲がるプラスチックなどに縫うことも可能なため設置場所や設置形状の自由度が高いRFIDタグを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明は、以下のものに関する。
1. ICチップと、このICチップと接続されて電気的閉回路を形成するアンテナと、前記ICチップ及びアンテナを封止する封止材とを有し、全ての辺の長さが前記ICチップの動作波長に比べて1/50以下である略直方体のRFIDタグパッケージと、このRFIDパッケージの外部周辺に、前記ICチップおよび前記アンテナと接続されていない導体が配置されているRFIDタグ。
2. 項1において、アンテナが単層のコイルであるRFIDタグ。
3. 項1または2において、導体が銅、アルミニウム、鉄のいずれかを主成分としているRFIDタグ。
4. 項1から3の何れかにおいて、導体が金属線であるRFIDタグ。
5. 項1から3の何れかにおいて、導体が導電性の糸であるRFIDタグ。
6. 項1から5の何れかにおいて、導体の表面が絶縁材料で覆われているRFIDタグ。
7. 項1から6の何れかにおいて、アンテナが一つの平面上に配置され、導体が前記アンテナが形成されている平面と略同一平面上に配置され、かつ前記アンテナと前記導体との最短距離が2mm以下であるRFIDタグ。
8. 項7において、アンテナと導体が絶縁層を隔てて密着しているRFIDタグ。
9. 項1から8の何れかにおいて、導体のもっとも長い1辺の長さがICチップの動作波長以下、かつ1/8以上であるRFIDタグ。
10. 項1から9の何れかにおいて、導体の形状が略直線状もしくは略コの字状もしくは略メアンダライン状であるRFIDタグ。
11. 項1から10の何れかにおいて、導体の中央部付近にRFIDタグパッケージが配置されているRFIDタグ。
12. 項1から11の何れかにおいて、ICチップの動作周波数が13.56MHz〜2.45GHzの間であるRFIDタグ。
13. 項12において、ICチップの動作周波数が0.86〜0.96GHzの間であるRFIDタグ。
14. 項13において、導体のもっとも長い1辺の長さが125mm以上、かつ180mm以下であるRFIDタグ。
15. 項14において、導体のもっとも長い1辺の長さが135mm以上、かつ150mm以下であるRFIDタグ。
16. 項1から15の何れかにおいて、RFIDタグパッケージの外周に沿って導体が1〜4周のコイルを形成しており、前記コイルを形成している部分で導体同士が接触していないRFIDタグ。
17. 項16において、ICチップの動作周波数が0.86〜0.96GHzの間であるRFIDタグ。
18. 項17において、導体のコイルを形成している部分以外の長さの和が125mm以上、かつ180mm以下であるRFIDタグ。
19. 項1から8の何れかにおいて、導体がスプリング状であり、ICチップの動作周波数が13.56MHz〜2.45GHzの間であり、RFIDタグパッケージがスプリング内に配置されているRFIDタグであって、前記スプリングの直径がRFIDタグパッケージのアンテナの最外径の1倍〜3倍の間であり、前記スプリング状の導体は隣接している導体同士で接触しておらず、前記スプリング1周が含まれる略平面に対して前記RFIDタグパッケージのアンテナが形成されている平面が略平行になるように前記RFIDタグパッケージを配置したRFIDタグ。
20. 項19において、スプリングの直径がRFIDタグパッケージのアンテナの最外径の1倍〜2倍の間であるRFIDタグ。
21. 項1から20の何れかにおいて、RFIDタグパッケージのサイズが、縦4mm以下×横4mm以下×高さ1.0mm以下、または縦2.5mm以下×横2.5mm以下×高さ1.0mm以下であるRFIDタグ。
22. 項1から21の何れかのRFIDタグと、リーダまたはリーダライタとを有する自動認識システム。
【発明の効果】
【0013】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型のRFIDタグ単体に比べて長い通信距離を実現し、しかも従来のRFIDタグに比べてアンテナの設置にはんだづけ等の機械的接続が不要なため設置が容易でそのため接続不良の不具合が起こりえず信頼性に優れており、導体として金属線や導電性の糸を用いることが出来て特に導電性の糸は紙、布、軟質の曲がるプラスチックなどに縫うことも可能なため設置場所や設置形状の自由度が高いRFIDタグを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】従来のRFIDタグの概略図である。
【図2】従来のRFIDタグの概略図である。
【図3】本実施形態のRFIDタグパッケージのアンテナの形状を示す図である。
【図4】本実施形態のRFIDタグパッケージの一例である。
【図5】ICチップを接続したコイルアンテナの電気的等価回路を示す図である。
【図6】本発明のRFIDタグの概略図である。
【図7】本発明のRFIDタグの概略図である。
【図8】本発明のRFIDタグの概略図である。
【図9】本発明のRFIDタグの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明におけるRFIDタグパッケージとは、ICチップとアンテナをワイヤボンディングなどで接続し、それらを封止材で封止したものをいう。以下にRFIDタグパッケージの作製方法の一例を示す。
RFIDタグパッケージにおける基材は、アンテナやICチップを支持するものである。基材としては、樹脂製のものを使用する。樹脂製の基材としては、リフローや成形時の加熱、あるいは使用時の発熱に晒される時に必要な、250〜300℃で数秒程度の耐熱性と機械的強度を有し、熱膨張係数が小さい材料が好適であり、このようなものとして、ガラスエポキシ、フェノール、ポリイミド等が利用できる。アンテナを低コストでばらつきなく形成するためには、基材の片面に金属箔が貼り合わされた金属箔付き基材を用いて、エッチングによりアンテナを形成することが効果的である。さらにRFIDタグパッケージの薄型化のためには10〜50μm程度の薄い基材を用いることが有効である。前記条件を満たす基材として、ポリイミド基材の片面に銅箔が貼り合わされた銅箔付きポリイミド基材(例えば日立化成工業株式会社製 製品名:MCF−5000I、ポリイミド厚み25μm、銅箔厚み18μm)が利用できる。なお、比誘電率は、紙フェノールが4.6〜7.0程度、ガラスエポキシが4.4〜5.2程度、ポリイミドが3.5程度であり、これらの基材は全て利用できるが、比誘電率が高ければ、インダクタンスが増加するため、アンテナを小型化できる。なお、比誘電率は、紙フェノールやガラスエポキシより小さいが、基材が薄く形成可能で、耐熱性があり、物理的強度が強く、アンテナの形成性も良好な点で、銅箔付きポリイミド基材を用いるのが望ましい。
【0016】
アンテナは、リーダ等と電磁結合して電力を受け取り、ICチップに伝えて、ICチップを動作させるものである。アンテナは単層でよく、多層化する必要がないので、基材の片面に銅箔を貼り合せた、銅箔付きポリイミド基材の銅箔を用いて形成すると、低コストでばらつきなく形成することができる点で望ましい。
【0017】
図3に示すように、樹脂製の基材1上の中央部にICチップを30配置し、このICチップ30の外周部の基材1の片面にアンテナ20を配置する。アンテナ20は、基材1の外周部の長さのとれる領域に配置されるので、アンテナ形状の自由度が拡大し、アンテナ20のインダクタンスLとICチップ30の静電容量Cとを含めて形成される電気回路(以下、「LC共振回路」ということがある。)の共振周波数の調整が容易となる。また、アンテナ20は、ICチップ30の外周部に設けられるので、コイルアンテナの場合、コイルの直径が大きくなり、インダクタンスが増加して、通信距離の確保と小型化に有利となる。また、アンテナ20は、ICチップ30と接続されて電気的閉回路を形成し、開放端を有しないようにする。ここで、電気的閉回路を形成するとは、アンテナ20が端部を2箇所有しており、アンテナ20上の2箇所とICチップ30の2つの電極(図示しない。)とがそれぞれ接続されていることを意味する。ICチップ30と接続されて電気的閉回路を形成し、開放端を有しないアンテナの具体例としては、図3のコイルアンテナが挙げられ、これにより、RFIDタグパッケージのサイズが小型でも、LC回路としてアンテナ20を容易に設計でき、かつ小面積で効率的にインダクタンスを得ることができるため、通信距離を確保するのが有利となる。
【0018】
アンテナの形状を、図3に示す。アンテナ20の形状は、アンテナ20のインダクタンスとICチップ30の静電容量とを含めて形成される電気回路(LC共振回路)の共振周波数が、ICチップ30の動作周波数またはその付近となるように設計する。アンテナ20の形状としては、コイルアンテナなどが利用できる。ICチップ30と接続されて電気的閉回路を形成するコイルアンテナは、電気回路をLC共振回路として容易に設計することができ、かつ小面積で効率的にインダクタンスを得ることができるため、小型化することが可能となる点で望ましい。アンテナ20の設計手法については後述する。またコイルアンテナの場合、巻線コイルを接着剤等で搭載することも可能だが、巻線コイルよりもエッチングで作製するコイルのほうがインダクタンス等の性能が安定しており、また、導線幅/導線間距離が、0.2mm/0.2mm〜0.05mm/0.05mm程度の微細な配線を形成することができるため小型化に有利であり、量産性にも優れているため、エッチング製法のほうが産業上有効である。
【0019】
また、図3には、ICチップ30及びワイヤボンディングしたワイヤ40も図示している。銅箔付きポリイミドの銅箔をエッチングしてアンテナ20を形成するとき、ICチップ30を搭載する部分の銅箔も残しておき、ダイパッド(図示しない。)を形成しておくことで、ICチップ30のワイヤボンディング等の接続の際に剛性を保ち歩留まりが向上する。ICチップ30を搭載する部分の銅箔の上にダイボンドフィルム(図示しない。)を配置し、その上にICチップ30を固定する。ICチップ30は読み取り専用のものでもよいが、情報を書き込めるもののほうが、作業履歴等を随時書き込めるため好適である。その後、ワイヤボンディングによってICチップ30とアンテナ20を直接接続する。図3のコイルアンテナ20では、2箇所のアンテナ端部が、アンテナ20を間に挟んで位置するが、この間に位置するアンテナ20を、ワイヤボンディングのワイヤ40で跨いで、アンテナ端部とICチップ30とを直接接続することによって、ジャンパー線を設けたり、多層化してスルーホールを介して接続する必要がないため、低コスト化を図ることができる。
【0020】
アンテナは配線場所を調整することでフリップチップ接続により、アンテナとICチップとを直接接続することが可能になる場合がある。両面銅箔基材等を用いて多層配線すれば必ずフリップチップ接続ができるが、量産性減少、コスト上昇及び配線が封止後に表面に露出してしまう等の理由から片面銅箔基材を用いることが望ましい。両面銅箔基材等を用いて多層配線することで、コイルの直径を小さくすることができるためRFIDタグパッケージの縦および横の寸法を減らし、小型化を実現できる。但し、この場合は、高さの寸法が若干増加する。また、デメリットとしては量産性減少、コスト上昇及び配線が封止後に表面に露出してしまう等があるため、やはり片面銅箔基材を用いて、単層のコイルアンテナを形成することが望ましい。
【0021】
図4は、封止材によって封止された後、ダイシング加工によって、略直方体に形成されたRFIDタグパッケージ80を示す断面図である。基材1上にてダイパッド90上に搭載されたICチップ30、アンテナ20、ワイヤ40を、封止材10を用いて一括して封止することで、それらを保護する。基材1として薄いものを用い、アンテナ20を基材の片面のみに単層で設けているので、封止後の厚みは、例えば0.2〜1.0mm程度にすることができる。封止後、ICチップ30やアンテナ20やワイヤ40等の金属配線部分は全て封入されるため、封止材10の外部からは、まったく触れられない構造となり、環境劣化の観点からも偽造防止の観点からも安全性・信頼性が向上する。
【0022】
封止材としては、通常半導体で使用されている封止材を使用することができ、比誘電率は2.6〜4.5程度である。RDIDタグパッケージ自体の性能を高めるためには、封止材の比誘電率は低いほうが好ましいが、比誘電率が高ければインダクタンスが増加するためアンテナを小型化することができる。
【0023】
このようにして作製されたRFIDタグパッケージは、基材が耐熱性180℃以上、封止材が耐熱性150℃以上であり、ワイヤボンディングを使用しているため、従来のPET等にアンテナを形成しているRFIDタグに比べて耐熱性が高く、高温でも正常に動作する。このため、適用製品が、半導体パッケージ等の電子部品や射出成形品等の場合、リフローや成形時の加熱、あるいは使用時の発熱に晒されるので、250〜300℃で数秒程度の耐熱性を要するが、このような用途にも対応可能である。
【0024】
以下、アンテナの設計手法について説明する。
アンテナの設計は、アンテナ線の形状、線の太さ、線の長さ、等によって決まる共振周波数を指標とする。この共振周波数を、使用するICチップの動作周波数に近づけることによって、リーダライタからの電力をアンテナが受け取り、ICチップに伝えて、ICチップが動作する。
【0025】
共振周波数をアンテナの図面から解析的に導出することは一般的に難しい。実際にはアンテナを試作して実験的に測定する方法が採られることが多い。しかし、本発明のRFIDタグは小型なので、アンテナの試作を手作業で正確に行うことは不可能であり、一方でエッチングマスク作製からエッチングまで行ってアンテナを作製するのは時間もコストもかかってしまう。このため、本発明では、電磁界シミュレータ(アンシス・ジャパン株式会社製シミュレータソフト 製品名:HFSS)を用いてアンテナ設計を行なうが、これにより、時間およびコストを削減することができる。電磁界シミュレータに、アンテナの形状、材質、およびICチップの静電容量等を入力することにより、シミュレーション結果から共振周波数を得る。そして、電磁界シミュレータにより求められる、アンテナのインダクタンスLとICチップの静電容量Cとを含めて形成される電気回路の共振周波数fが、ICチップの動作周波数またはその付近であるように、アンテナを設計する。なお、この場合の共振周波数とは、アンテナの両端にICチップを接続した場合の電気的閉回路のインピーダンスの虚数部がゼロとなる周波数のことである。
【0026】
設計の原理を理解しやすいのはコイルアンテナの両端にICチップを接続した場合の電気的閉回路を考えることであり、単純なLC共振回路と見立てることができる。図3のコイルアンテナの電気的等価回路を、図5に示す。この場合の共振周波数fは、コイルアンテナの等価回路であるコイル50のインダクタンスL、ICチップ30の等価回路であるコンデンサ60の静電容量Cを用いて、次式で表される。
【0027】
【数1】

Cは使用するICチップ30の選定によって変えられ、Lはコイルアンテナの形状(特にコイルアンテナの直径と巻数)によって調整することができ、その結果、目的の共振周波数fを実現することができる。特にLの調整は有効で、コイルアンテナの直径を大きくしたり、巻数を増やすことでLが増加し、その結果fは減少する。
【0028】
RFIDタグパッケージ(ICチップ)の共振周波数(動作周波数)は、電波法上特に商業的に利用価値が高い13.56MHz〜2.45GHzの範囲とすることが好ましい。UHF帯(Ultra High Frequency Band)の動作周波数0.86〜0.96GHz付近のRFIDの場合、電波の波長は30cm程度であるが、一方で、UHF帯用のICチップの大きさは、通常0.6mm角以下であるため、オンチップアンテナ方式では、ICチップが正常に動作するようなアンテナを、ICチップ上に形成することは困難である。また、数mm角程度サイズのRFIDタグにおいても、従来の設計手法を用いたアンテナでは、1mm程度の通信距離しか得られなかった。しかし、上記の電磁界シミュレータを用いた設計手法による本発明のRFIDタグパッケージによれば、従来の数cm角のアンテナを用いずとも、数mm角のアンテナでも、RFIDタグパッケージが動作するための通信距離を大幅に拡大できるという優れた特長がある。具体的には、略直方体に形成されたRFIDタグパッケージであって、全ての辺の長さが、UHF帯の波長30cmに対してその1/50以下である縦4mm×横4mm×高さ1.0mm、または縦2.5mm×横2.5mm×高さ1.0mmの大きさのRFIDタグパッケージにおいて、内部にアンテナが形成されており、通信距離は10mm以上である。
【0029】
RFIDタグパッケージは、半導体装置内等に埋め込んで使用することができる。また、両面テープ等でラベルのように商品やサンプルに貼り付けて管理等に利用することができ、商品を販売する際等に容易に取り外すことも可能である。さらに、本発明のRFIDタグと、リーダ等とを組み合わせることにより、眼鏡や時計あるいは医療用サンプルや半導体等のような小型多品種品であっても、通信距離が長く、作業性のよい自動認識システムを構成することができる。この場合、本発明のRFIDタグパッケージであれば、通信距離が長いので、汎用のリーダ等と組み合わせて自動認識システムを構成することも可能である。
【0030】
図6に、本発明のRFIDタグ85を示す。RFIDタグパッケージ80の外部周辺には、RFIDタグパッケージ80のアンテナ20やICチップ30とは電気的に接続されておらず、表面が絶縁体で覆われている導体100を配置している。なお導体としては金属の塊、金属の板、金属の線、導電性の糸(金属を含有した糸や、細い金属を通常の糸に織り込んだものを含む)などが含まれるが、小型・軽量・デザイン性という観点から、金属線または金属を含有する糸が良好であるため、本明細書では以降、これらを代表して金属線と言う。図6では金属線100が外部アンテナとなり、リーダ(図示せず)からの信号を効率よくRFIDタグパッケージ80に伝え、結果的に通信距離が向上する。
【0031】
金属線として、銅またはアルミニウムまたは鉄のいずれかを主成分とする金属線は、安価で透磁率が高く良好な外部アンテナとして働くため好適である。また金属線自身または外部の金属と接触することで外部アンテナとしての性能が減少するため、外部を被覆してある金属線を用いることも有効である。
【0032】
リーダからの信号を受けることで、金属線には電流が流れる。その電流によって金属線周辺には磁束が発生する。発生した磁束はRFIDタグパッケージのコイル状アンテナに電流を発生させ、それによりICチップには電圧が印加されて動作する。この原理が活用できるのはRFIDタグパッケージのアンテナがコイル状のためである。
【0033】
そのため、RFIDタグパッケージのコイル状アンテナが一つの平面上に形成されており、この平面と略同一の平面上に金属線を配置すると、金属線で発生した磁束が多くコイル状アンテナに伝わるため、効率が良く、通信距離が長くなる。ここで、コイル状アンテナが形成されている平面と略同一の平面上に金属線を配置するというのは、コイル状アンテナが形成されている平面と繋がった平面上(連続した平面上)に金属線を配置するというだけでなく、コイル状アンテナが形成されている平面とは不連続な平面上に金属線を配置する場合を含む。つまり、コイル状アンテナが形成されている平面を拡大した仮想平面上に金属線を配置する場合を含む。
【0034】
同様の理由で、RFIDタグパッケージのコイル状アンテナから遠い位置よりも、近接した位置に金属線を配置すると、通信距離が長くなる。特にコイル状アンテナと金属線の最短距離が2mm以下の場合に効果が大きい。
【0035】
図7に、外部アンテナとして効率がよい金属線100の形状を示す。(1)は金属線100が直線型である。(2)はコの字型である。(3)は折り曲げ箇所を増やしたコの字型である。(4)は折り曲げを緩やかな曲線にしたコの字型である。(5)はメアンダライン型である。(6)はRFIDタグパッケージ80の3辺を囲っている直線型であり効率が高めになる。(2)〜(5)についてもRFIDタグパッケージ80の3辺を囲うことで効率を上げることが出来る。
【0036】
金属線の長さは、ICチップの動作波長の半分程度がもっとも好適である。ICチップの動作周波数をf(Hz)、光の速度をc(m/秒)とすると、ICチップの動作波長λ(m)は次式で示せる。
【0037】
【数2】

例えば動作周波数が950MHzの場合、動作波長は315.6mmであり、金属線の長さはその半分の157.8mm程度が好適である。
【0038】
図8に、RFIDタグパッケージ80の外周に沿って金属線100が1〜4周のコイル状になっているRFIDタグ85を示す。ここで、金属線100がコイル状になっているとは、金属線100が、略平面上で、直径を徐々に拡大しながら、周回する形状をいい、円形に限らず、三角形や四角形等の多角形、楕円形あるいは星形等の種々の形状を含む。金属線は被覆してあるため重なり合う部分でも電気的に導通しない。このようにコイル状にすると外部アンテナである金属線からRFIDタグパッケージ内のコイル状アンテナへ非常に効率よくエネルギーが伝送する。従来のRFIDタグでは外部アンテナはICチップに対し電気的に接続されていなければアンテナで受け取ったエネルギーをICチップに伝えることができない。その点で本発明は外部アンテナである金属線とICチップを電気的に接続せずとも通信できるため、電気的接続の手間を省くことができ、また使用中に断線する心配が無く、外付け・後付けで通信距離が延長できる外部アンテナとして金属線を設置することができる。
【0039】
また図8のようにRFIDタグパッケージ80の位置においてコイルを形成した場合については、コイルを除いた金属線の長さがICチップの動作波長の半分程度であると好適である。この理由は定かではないが、金属線のコイルはRFIDタグパッケージのコイル状アンテナとのマッチング回路として働き、金属線のコイルを形成している部分以外の部分が外部アンテナとして働いてリーダからの信号を受信しているのではないかと考えている。
【0040】
図9(1)は金属線100をスプリング状にした場合である。金属線の長さはICチップの動作波長の半分程度がもっとも好適である。ここで、金属線100をスプリング状にするとは、金属線100を棒体に重ならないように巻き付けて得られる形状をいい、円形に限らず、三角形や四角形等の多角形、楕円形あるいは星形等の種々の形状を含む。スプリングの直径は、RFIDタグパッケージのコイル状アンテナの最外径の1倍〜3倍の間が好適であり、1倍〜2倍がもっとも好適である。理由として、金属線の長さが同じ場合にスプリングの直径を大きくすると、スプリング内を通過する磁束が減少するためと考えている。金属線は被覆などで電気的に絶縁されており、スプリング状になっても隣接した金属線同士が電気的に接続されることはない。図9(2)および(3)のように、スプリング1周が含まれる略平面に対して、RFIDタグパッケージ80のコイル状アンテナが形成されている面が略平行になるようにRFIDタグパッケージ80をスプリング内に配置する。このように配置することで、スプリング状の金属線からの磁束がコイル状アンテナに有効に伝わり、通信距離が伸びることとなる。
【実施例】
【0041】
RFIDタグパッケージを作製する方法はいくつか提案されている。本発明ではRFIDタグパッケージの作製方法はどのような方法でも構わない。今回はその中の一例を実施した。
樹脂基材として、ポリイミド基材の片面に銅箔を貼り合せた、銅箔付きポリイミド基材(日立化成工業株式会社製 MCF−5000I、ポリイミド厚み25μm、銅箔厚み18μm)を準備した。この銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3に示すようなコイルアンテナを、2.5mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.1mm/0.1mm、巻数4回で形成した。また、同時にICチップを搭載するダイパッドを形成した。
【0042】
次に、ICチップとして、大きさが0.5mm×0.5mm×0.1mm程度、静電容量が0.8pF、動作周波数が0.86〜0.96GHz付近のものを用いた。このICチップを、ダイパッド上に、ダイボンディング材を用いて搭載し、ワイヤボンディングにより、アンテナとICチップとを直接接続した。次に、基材の片面上のアンテナとICチップ、ワイヤボンディングのワイヤを含めて、封止材で封止した。最後に、必要なサイズにダイシング加工し、RFIDタグパッケージを作製した。これをサンプル1とする。
【0043】
銅箔付きポリイミド基材の銅箔をエッチングすることにより、図3に示すようなコイルアンテナを、4mm角の範囲内に、導線幅/導線間幅が0.2mm/0.2mm、巻数3回で形成した。それ以外は、サンプル1と同様にしてRFIDタグパッケージ80を作製した。これをサンプル2とする。
【0044】
以下、読取り評価の方法と実験結果について説明する。
リーダライタはLS産電株式会社製 製品名:UI−9061(出力1W)を用いた。リーダライタの読取り部を中心として、周囲1m四方に障害物がない状態で、RFIDタグ85およびRFIDタグパッケージ110の読取り評価を行った。リーダライタでRFIDを読取れる時の、リーダライタ読取り部からRFIDタグ85およびRFIDタグパッケージ110までの最大距離を測定した。
【0045】
(比較例1)
サンプル1およびサンプル2を、そのままリーダで読み取り距離を測定した結果を表1に示す。それぞれ読み取り距離は18mm、27mmであった。
【0046】
【表1】

【0047】
(実施例1)
サンプル1およびサンプル2を用いて、図7(1)のように金属線100を直線状に配置してその中央部付近にRFIDタグパッケージ80を配置した場合の、金属線100の長さに対する読み取り距離を測定した結果を表2に示す。金属線として金属が直径0.32mmの被覆銅線を用いた。金属線100は、RFIDタグパッケージ80のコイル状アンテナが形成されている略面内に、RFIDタグパッケージ80に接して配置した。
表2から、サンプル1では金属線100の長さが40mm以上320mm以下であり、表1に比べて2倍以上の通信距離を実現した。金属線100の長さはICチップの動作波長315.6mmに対して1/8倍以上1倍以下の間である。
さらに、サンプル1およびサンプル2において、金属線100の長さが125mm以上180mm以下の場合に表1に比べて10倍以上の通信距離を実現し、金属線100の長さが135mm以上150mm以下の場合に、表1に比べて20倍以上の通信距離を実現した。
【0048】
(比較例2)
金属線の長さをICチップの動作波長の1/8以下である20mmおよび10mmにした場合について、実施例1と同様に読み取り距離を測定した結果も表2に示す。表1に比べて通信距離が伸びていない。
【0049】
【表2】

※ 表中の「−」は、実施していないことを示す。
【0050】
(実施例2)
サンプル1を用いて、図7(1)のように金属線100を直線状に配置してその中央部付近にRFIDタグパッケージ80を配置した場合の、RFIDタグパッケージ80と金属線100との距離に対する読み取り距離を測定した結果を表3に示す。金属線100として金属が直径0.32mm、長さ140mmの被覆銅線を用いた。金属線100は、RFIDタグパッケージ80のコイル状アンテナが形成されている平面と略同一平面内に配置した。
金属線100は、RFIDタグパッケージ80に近いほうがよく、距離2mm以下の場合に表1に比べて10倍以上の通信距離を実現し、密着(距離0mm)の場合には40倍以上の通信距離を実現した。
【0051】
【表3】

【0052】
(実施例3)
サンプル1を用いて、金属線100の中央部付近にRFIDタグパッケージ80を密着するように配置し、図7のように金属線100をいくつかの形状とした場合の読み取り距離を測定した結果を表4に示す。金属線100として金属が直径0.32mm、長さ140mmの被覆銅線を用いた。金属線100は、RFIDタグパッケージ80のコイル状アンテナが形成されている平面と略同一平面内に配置した。
これらの金属線100の形状に対しては、良好な通信距離を保てることがわかる。
【0053】
【表4】

【0054】
(実施例4)
サンプル1を用いて、金属線100の中央部付近にRFIDタグパッケージ80を密着するように配置し、図8(2)のようにRFIDタグパッケージ80を囲うように金属線100の一部をコイル状に変形した場合の読み取り距離を測定した結果を表5に示す。金属線100のコイル形状にしていない部分は直線状とした。金属線100として金属が直径0.32mm、長さ180mmの被覆銅線を用いた。金属線100は、RFIDタグパッケージ80のコイル状アンテナが形成されている平面と略同一平面内に配置した。
表5から、金属線100がコイルを作らない(巻数0回)場合に対して、コイルを作ることで5倍以上の通信距離を実現でき、最大で17倍以上の通信距離を実現できた。
なおこの場合、コイルを作ることによって金属線100の端から端までの距離が変化している。表5の場合、125mmから180mmの間で変化しており、150mm付近で通信距離がピークになっている。コイルを作った場合には通信距離は金属線100の端から端までの距離に依存することがわかる。
【0055】
【表5】

【0056】
(実施例5)
サンプル1を用い、図9のように金属線100をスプリング状にした場合の読み取り距離を測定した結果を表6に示す。スプリング1周が含まれる略平面に対して、RFIDタグパッケージ80のコイル状アンテナが形成されている平面を略平行になるようにRFIDタグパッケージ80を配置した。金属線100として金属が直径0.32mm、長さ140mmの被覆銅線を用いた。
サンプル1のコイル状アンテナの最外径は2.5mmである。よって表6から、スプリングの直径がRFIDタグパッケージ80のコイル状アンテナの最外径の3倍の時には、金属線100がない場合と比べて8倍以上の通信距離となり、コイル状アンテナの最外径の1倍〜2倍では15倍以上の通信距離を実現している。
【0057】
【表6】

【0058】
(実施例6)
実施例1と同様の実験を、金属線の代わりに、直径200μmの紡績糸に直径50μmのすずめっき銅線を螺旋状に巻きつけた導電性の糸を用い、読み取り距離を測定した結果を表7に示す。
表7から、導電性の糸の長さが40mm以上320mm以下で表1に比べて2倍以上の通信距離を実現した。導電性の糸の長さが125mm以上180mm以下の場合に表1に比べて6倍以上の通信距離を実現し、金属線の長さが135mm以上150mm以下の場合に表1に比べて15倍以上の通信距離を実現した。
【0059】
【表7】

【産業上の利用可能性】
【0060】
本発明のRFIDタグは、商品、包装、カード、書類、眼鏡、時計(特に腕時計等小型
のもの)、半導体、医療用途(患者から採取したサンプル等)、ホテル等で使用するリネン類、作業着、屋外で使用する耐候性ラベル、ショッピングカートなどのカゴ車、ガスボンベ等の製品の管理、識別、情報提示、情報記録、偽造防止の目的として使用することができる。
【符号の説明】
【0061】
1 基材
10 封止材
20 アンテナ
30 ICチップ
40 ワイヤボンディングのワイヤ
50 コイル(アンテナ)
60 コンデンサ(ICチップ)
70 シミュレーション時に入力するポート
80 RFIDタグパッケージ
85 RFIDタグ
90 ダイパッド
100 金属線(導体)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ICチップと、このICチップと接続されて電気的閉回路を形成するアンテナと、前記ICチップ及びアンテナを封止する封止材とを有し、全ての辺の長さが前記ICチップの動作波長に比べて1/50以下である略直方体のRFIDタグパッケージと、
このRFIDパッケージの外部周辺に、前記ICチップおよび前記アンテナと接続されていない導体が配置されているRFIDタグ。
【請求項2】
請求項1において、アンテナが単層のコイルであるRFIDタグ。
【請求項3】
請求項1または2において、導体が銅、アルミニウム、鉄のいずれかを主成分としているRFIDタグ。
【請求項4】
請求項1から3の何れかにおいて、導体が金属線であるRFIDタグ。
【請求項5】
請求項1から3の何れかにおいて、導体が導電性の糸であるRFIDタグ。
【請求項6】
請求項1から5の何れかにおいて、導体の表面が絶縁材料で覆われているRFIDタグ。
【請求項7】
請求項1から6の何れかにおいて、アンテナが一つの平面上に配置され、導体が前記アンテナが形成されている平面と略同一平面上に配置され、かつ前記アンテナと前記導体との最短距離が2mm以下であるRFIDタグ。
【請求項8】
請求項7において、アンテナと導体が絶縁層を隔てて密着しているRFIDタグ。
【請求項9】
請求項1から8の何れかにおいて、導体のもっとも長い1辺の長さがICチップの動作波長以下、かつ1/8以上であるRFIDタグ。
【請求項10】
請求項1から9の何れかにおいて、導体の形状が略直線状もしくは略コの字状もしくは略メアンダライン状であるRFIDタグ。
【請求項11】
請求項1から10の何れかにおいて、導体の中央部付近にRFIDタグパッケージが配置されているRFIDタグ。
【請求項12】
請求項1から11の何れかにおいて、ICチップの動作周波数が13.56MHz〜2.45GHzの間であるRFIDタグ。
【請求項13】
請求項12において、ICチップの動作周波数が0.86〜0.96GHzの間であるRFIDタグ。
【請求項14】
請求項13において、導体のもっとも長い1辺の長さが125mm以上、かつ180mm以下であるRFIDタグ。
【請求項15】
請求項14において、導体のもっとも長い1辺の長さが135mm以上、かつ150mm以下であるRFIDタグ。
【請求項16】
請求項1から15の何れかにおいて、RFIDタグパッケージの外周に沿って導体が1〜4周のコイルを形成しており、前記コイルを形成している部分で導体同士が接触していないRFIDタグ。
【請求項17】
請求項16において、ICチップの動作周波数が0.86〜0.96GHzの間であるRFIDタグ。
【請求項18】
請求項17において、導体のコイルを形成している部分以外の長さの和が125mm以上、かつ180mm以下であるRFIDタグ。
【請求項19】
請求項1から8の何れかにおいて、導体がスプリング状であり、ICチップの動作周波数が13.56MHz〜2.45GHzの間であり、RFIDタグパッケージがスプリング内に配置されているRFIDタグであって、
前記スプリングの直径がRFIDタグパッケージのアンテナの最外径の1倍〜3倍の間であり、
前記スプリング状の導体は隣接している導体同士で接触しておらず、
前記スプリング1周が含まれる略平面に対して前記RFIDタグパッケージのアンテナが形成されている平面が略平行になるように前記RFIDタグパッケージを配置したRFIDタグ。
【請求項20】
請求項19において、スプリングの直径がRFIDタグパッケージのアンテナの最外径の1倍〜2倍の間であるRFIDタグ。
【請求項21】
請求項1から20の何れかにおいて、RFIDタグパッケージのサイズが、縦4mm以下×横4mm以下×高さ1.0mm以下、または縦2.5mm以下×横2.5mm以下×高さ1.0mm以下であるRFIDタグ。
【請求項22】
請求項1から21の何れかのRFIDタグと、リーダまたはリーダライタとを有する自動認識システム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2013−80324(P2013−80324A)
【公開日】平成25年5月2日(2013.5.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−219164(P2011−219164)
【出願日】平成23年10月3日(2011.10.3)
【出願人】(000004455)日立化成株式会社 (4,649)
【Fターム(参考)】