JP2006180043A - 電子タグシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】通信距離が大きくかつ使い勝手が良好な、コイルオンチップが搭載された無線ＩＣタグを用いた電子タグシステムを提供する。
【解決手段】情報入出力端末装置１と、情報担体である無線ＩＣタグ２と、情報入出力端末装置１に接続され、情報入出力端末装置１からの指令に基づいて無線ＩＣタグ２への電力の供給及び信号の送信並びに無線ＩＣタグ２からの信号の受信を無線にて行うリーダライタ３とから電子タグシステムを構成する。タグ側アンテナ２ａとして、磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナを用いる。また、タグ側アンテナ２ａ及び端末側アンテナ３ａのうちの少なくともいずれか一方として、これらの各アンテナ１ａ，３ａを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いる。
【選択図】図１
【解決手段】情報入出力端末装置１と、情報担体である無線ＩＣタグ２と、情報入出力端末装置１に接続され、情報入出力端末装置１からの指令に基づいて無線ＩＣタグ２への電力の供給及び信号の送信並びに無線ＩＣタグ２からの信号の受信を無線にて行うリーダライタ３とから電子タグシステムを構成する。タグ側アンテナ２ａとして、磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナを用いる。また、タグ側アンテナ２ａ及び端末側アンテナ３ａのうちの少なくともいずれか一方として、これらの各アンテナ１ａ，３ａを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いる。
【選択図】図１
Description
本発明は、電子タグシステムに係り、特に、無線ＩＣタグ及びリーダライタに備えられる無線通信用アンテナの構成に関する。
近年、工場における部品管理用のタグや店舗における商品管理用のタグそれに駅改札口における運賃精算用のカードなどとして、ＩＣ素子と当該ＩＣ素子の入出力端子に接続されたアンテナとを備えた無線ＩＣタグを用いる電子タグシステム(RFID;Radio Frequency Identification)が実用化されている。
従来より、この種の電子タグシステムには、無線ＩＣタグに搭載されるＩＣ素子の周波数特性等に応じて、ダイポールアンテナなどの遠方界領域に適したアンテナや、コイルなどの近傍界領域に適したトランス結合タイプのアンテナが用いられている。遠方界領域に適したアンテナは、遠方界領域における電界のみ或いは磁界のみを受けるアンテナとして設計されており、近傍界領域に適したトランス結合タイプのアンテナは、近傍界領域において誘導磁界結合するアンテナとして設計されている。なお、遠方界領域とは、波動インピーダンスが１２０πの領域を言い、近傍界領域とは、波動インピーダンスが１２０πではなく、電界強度と磁界強度の比がアンテナからの距離に応じて変化している領域のことを言う。
ダイポールアンテナを用いた例としては、使用周波数が２４ＧＨｚ帯のＩＣ素子を用い、図１２に示すような長さ２ｍｍのジグザグ型ダイポールアンテナで５ｍの通信を行う例が報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。また、コイルアンテナを用いた例としては、使用周波数が１３．５６ＭＨｚ帯のＩＣ素子上に０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ角のコイルアンテナが形成されたコイルオンチップを用い、数ｍｍ程度の通信を例が報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。
"Integrated Antennas on Silicon Substtates for Communication Over Free Space"J.L.Gao,et al.,IEEE Electron Device Letters,Vol.25,No.4,April 2004 日本工業出版発行「月刊バーコード」２０００年３月号 第１９頁〜第２１頁 金子利行「コイル・オン・チップＲＦＩＤシステム」
"Integrated Antennas on Silicon Substtates for Communication Over Free Space"J.L.Gao,et al.,IEEE Electron Device Letters,Vol.25,No.4,April 2004 日本工業出版発行「月刊バーコード」２０００年３月号 第１９頁〜第２１頁 金子利行「コイル・オン・チップＲＦＩＤシステム」
コイルオンチップは、形成可能なアンテナサイズがチップサイズ以下に制限されるため、通信距離の大きいアンテナを形成することが本来的に困難であるが、無線ＩＣタグの小型化に有利であり、かつ外部からのストレスによってアンテナが断線しないという利点があるため、より広範なアプリケーションへの対応が期待されており、この点から通信距離の延長が強く求められている。
ＩＣ素子上にダイポールアンテナなどの遠方界領域に適したアンテナを形成すれば、通信距離の延長を実現することができるが、チップサイズがますます小型化される現状においては、この種のアンテナをＩＣ素子上に形成することは実際上困難である。また、仮にこの種のアンテナをＩＣ素子上に形成することができたとしても、この種のアンテナは指向性が高いため、リーダライタに備えられた端末側アンテナの指向方向と無線ＩＣタグに備えられたタグ側アンテナの指向方向とを合致させないと適正な通信を行うことができず、無線ＩＣタグの使い勝手が悪くなると言う新たな不都合が生じる。
本発明は、かかる従来技術の不備を解消するためになされたものであり、その目的は、通信距離が大きくかつ使い勝手が良好な、コイルオンチップが搭載された無線ＩＣタグを用いた電子タグシステムを提供することにある。
本発明は、前記の課題を解決するため、無線ＩＣタグとリーダライタとの間の信号の送受信を、前記無線ＩＣタグに備えられたタグ側アンテナ及び前記リーダライタに備えられた端末側アンテナを介して非接触で行う電子タグシステムにおいて、前記タグ側アンテナとして磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナを用いると共に、前記タグ側アンテナ及び前記端末側アンテナのうちの少なくともいずれか一方として、前記各アンテナを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いるという構成にした。
周知のように、微小ループアンテナにあっては、図１３に示すように、φ成分の電界Ｅφと、Θ成分の磁界ＨΘと、ｒ成分の磁界Ｈｒとが存在する。そして、電界Ｅφは、静磁界が無く、誘導界が距離の２乗に反比例して減衰し、放射界が距離の１乗に反比例して減衰する。また、磁界ＨΘは、静磁界が距離の３乗に反比例して減衰し、誘導界が距離の２乗に反比例して減衰し、放射界が距離の１乗に反比例して減衰する。さらに、磁界Ｈｒは、静磁界が距離の３乗に反比例して減衰し、誘導界が距離の２乗に反比例して減衰し、放射界が無い。遠方界領域においては、ほぼ遠方界成分のみとなり、従来の遠方界に適したアンテナは、電界Ｅφ又は磁界ＨΘの放射界を受けるアンテナとして設計されている。また、トランス結合タイプは、２つのアンテナの結合で表されるが、主に磁界Ｈｒで信号の授受を行っていると考えられる。現在のところ、９５０ＭＨｚ帯は電子タグシステムの使用周波数として認められていないが、近い将来、規制緩和により、この周波数帯の使用が認められる見込みになっている。この周波数帯及びこの周波数帯よりも高い周波数帯域においては、磁界成分及び電界成分の双方を受信可能なアンテナの設計が可能になる。そして、磁界成分及び電界成分の双方を受信可能なアンテナを備えた無線ＩＣタグを用いれば、磁界成分のみを受信するアンテナを備えた無線ＩＣタグを用いる場合に比べてＩＣ素子に供給される信号強度を高めることができ、電子タグシステムの通信距離を延長することができる。また、タグ側アンテナ及び端末側アンテナのうちの少なくともいずれか一方に、各アンテナを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いると、端末側アンテナに対してタグ側アンテナを平行に配列させるだけで、常に良好な信号の送受信が可能になるので、無線ＩＣタグの使い勝手を良好なものにすることができる。
本発明の電子タグシステムは、タグ側アンテナとして磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナを用いるので、磁界成分のみを受信するアンテナを備えた無線ＩＣタグを用いる場合に比べてＩＣ素子に供給される信号強度を高めることができ、電子タグシステムの通信距離を延長することができる。また、タグ側アンテナ及び端末側アンテナのうちの少なくともいずれか一方に、各アンテナを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いたので、端末側アンテナに対してタグ側アンテナを平行に配列させるだけで常に良好な信号の送受信を行うことができ、無線ＩＣタグの使い勝手を良好なものにすることができる。
まず、本発明に係る電子タグシステムの構成を図１に基づいて説明する。図１は実施形態例に係る電子タグシステムの機能ブロック図である。
図１に示すように、本例の電子タグシステムは、情報入出力端末装置１と、情報担体である無線ＩＣタグ２と、情報入出力端末装置１に接続され、情報入出力端末装置１からの指令に基づいて無線ＩＣタグ２への電力の供給及び信号の送信並びに無線ＩＣタグ２からの信号の受信を無線にて行うリーダライタ３とからなる。無線ＩＣタグ２は、タグ側アンテナ２ａと、マイクロ波送受信回路２ｂと、情報処理回路２ｃと、メモリ２ｄとを含んで構成され、リーダライタ３は、端末側アンテナ３ａと、マイクロ波送受信回路３ｂと、情報処理回路３ｃとを含んで構成される。また、無線ＩＣタグ２としては、１．５ｍｍ角で使用周波数が９５０ＭＨｚのコイルオンチップが搭載されたものが用いられる。
タグ側アンテナ２ａとしては、磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナが用いられる。また、タグ側アンテナ２ａ及び端末側アンテナ３ａのうちの少なくともいずれか一方には、これらの各アンテナ１ａ，３ａを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナが用いられる。
タグ側アンテナ２ａと端末側アンテナ３ａとは、以下の組合せとすることができる。
（１）端末側アンテナ３ａを、指向性のない円偏波のパッチアンテナとし、タグ側アンテナ２ａを、磁界エネルギーの変換効率が良く、かつ波長短縮効果が大きいメアンダ型ループアンテナ、ジグザグ型ループアンテナ、メアンダ型ダイポールアンテナ又はジグザグ型ダイポールアンテナのいずれかとする。
（２）端末側アンテナ３ａを、指向性のない渦巻き型ループアンテナとし、タグ側アンテナ２ａを、磁界エネルギーの変換効率が良く、指向性のない渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかとする。
（３）端末側アンテナ３ａを、指向性のあるパッチアンテナとし、タグ側アンテナ２ａを、磁界エネルギーの変換効率が良く、指向性のない渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかとする。
（４）端末側アンテナ３ａを、指向性のあるダイポールアンテナとし、タグ側アンテナ２ａを、磁界エネルギーの変換効率が良く、指向性のない渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかとする。
以下、本発明に係る電子タグシステムの実施例を挙げ、本発明の効果を明らかにする。
〈実施例１〉
端末側アンテナ３ａとして、図２に示す角型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、縦７．３ｃｍ、横７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
端末側アンテナ３ａとして、図２に示す角型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、縦７．３ｃｍ、横７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
タグ側アンテナ２ａとして、図３に示す１８段の折り返しを２組つないだメアンダ型ループアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が６０μｍ、折り返しのピッチが８０μｍ、膜厚が５μｍ、全長が２２．２ｍｍであり、ＩＣ素子１２の片面に銅パターンをもって形成した。なお、図３の例においては、給電点がコイルオンチップ１２の一側辺に近い部分に設定されているが、コイルオンチップ１２の中央部分に給電点を設定することもできる。
リーダライタ３は、端末側アンテナ３ａを用いて右旋回偏波で信号の送受信を行う。また、リーダライタ３から無線ＩＣタグ２に送信される信号の変調方式は２値ＰＳＫ方式とし、無線ＩＣタグ２からリーダライタ３に送信される信号の変調方式は負荷変調方式とした。
本例の電子タグシステムにおいては、約９ｃｍの通信距離が得られた。９５０ＭＨｚの信号の空間波長は３１．６ｃｍであるので、９ｃｍの通信距離は使用周波数の約１／１．１１８πに相当し、本例の電子タグシステムが近傍界と遠方界との中間領域において信号の送受信を行っていることが分かる。
〈実施例２〉
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。その他については、実施例１と同じとした。
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。その他については、実施例１と同じとした。
本例の電子タグシステムにおいても、約９ｃｍの通信距離が得られた。
〈実施例３〉
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
タグ側アンテナ２ａとして、図５に示す１８段の折り返しを２組もつジグザグ型ループアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が４０μｍ、折り返しのピッチが８０μｍ、膜厚が５μｍ、全長が２２．２ｍｍであり、ＩＣ素子１２の片面に銅パターンをもって形成した。なお、図５の例においては、給電点がコイルオンチップ１２の一側辺に近い部分に設定されているが、コイルオンチップ１２の中央部分に給電点を設定することもできる。
その他については、実施例１と同じとした。
本例の電子タグシステムにおいては、約７ｃｍの通信距離が得られた。
〈実施例４〉
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
タグ側アンテナ２ａとして、図６に示す９段の折り返しを２組もつメアンダ型ダイポールアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が６０μｍ、折り返しのピッチが８０μｍ、膜厚が５μｍ、全長が２４．５ｍｍであり、ＩＣ素子１２の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ１２の一側辺に近い部分に設定した。
その他については、実施例１と同じとした。
本例の電子タグシステムにおいては、約８ｃｍの通信距離が得られた。
〈実施例５〉
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
タグ側アンテナ２ａとして、図７に示す８．５段の折り返しを２組もつメアンダ型ダイポールアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が６０μｍ、折り返しのピッチが８０μｍ、膜厚が５μｍ、全長が２３．１ｍｍであり、ＩＣ素子１２の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ１２の中央部分に設定した。
その他については、実施例１と同じとした。
本例の電子タグシステムにおいては、約７ｃｍの通信距離が得られた。
〈実施例６〉
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
端末側アンテナ３ａとして、図４に示す円偏波の円型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
タグ側アンテナ２ａとして、図８に示す７段の折り返しを２組もつジグザグ型ダイポールアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が４０μｍ、折り返しのピッチが８０μｍ、膜厚が５μｍ、全長が１９．０ｍｍであり、ＩＣ素子１２の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ１２の中央部分に設定した。
その他については、実施例１と同じとした。
本例の電子タグシステムにおいては、約６ｃｍの通信距離が得られた。
〈実施例７〉
端末側アンテナ３ａとして、図９に示す６ターンのコイルアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が８．０ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
端末側アンテナ３ａとして、図９に示す６ターンのコイルアンテナを用いた。アンテナサイズは、直径が８．０ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
タグ側アンテナ２ａとして、図１０に示す６ターンの渦巻き型ループアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が６０μｍ、巻回のピッチが８０μｍ、膜厚が５μｍであり、ＩＣ素子１２の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ１２の１角部と中央部とに設定した。
その他については、実施例１と同じとした。
本例の電子タグシステムにおいては、約８ｃｍの通信距離が得られた。
〈実施例８〉
端末側アンテナ３ａとして、図２に示す角型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、縦７．３ｃｍ、横７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
端末側アンテナ３ａとして、図２に示す角型パッチアンテナを用いた。アンテナサイズは、縦７．３ｃｍ、横７．３ｃｍであり、厚さが１．５ｍｍのＦＲ４基板１１の片面に銅パターンをもって形成した。
タグ側アンテナ２ａとして、図１１に示すように、線対称をなす形状に形成された２組の５．５ターンの渦巻き型ダイポールアンテナを用いた。アンテナサイズは、線幅が４０μｍ、巻回ピッチが８０μｍ、膜厚が５μｍであり、ＩＣ素子１２の片面に銅パターンをもって形成した。給電点は、コイルオンチップ１２の一側辺に近い部分に設定した。
その他については、実施例１と同じとした。
本例の電子タグシステムにおいては、約６ｃｍの通信距離が得られた。
実施例１〜８より明らかなように、本発明の電子タグシステムは、１．５ｍｍ角のコイルオンチップ１２が搭載された無線ＩＣタグ２を用いて、約６ｃｍ〜約９ｃｍの通信距離を得ることができるので、この種の無線ＩＣタグ２を用いた電子タグシステムのより広範なアプリケーションへの対応が可能になる。
なお、前記実施例においては、９５０ＭＨｚ対応のコイルオンチップ１２を用いた場合を例にとって説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、３００ＭＨｚ対応、４００ＭＨｚ対応、９００ＭＨｚ対応、２．４ＧＨｚ対応又は５ＧＨｚ対応など、他の周波数帯域に対応するコイルオンチップを用いた場合にも、同様に実施することができる。
また、前記実施例においては、１．５ｍｍ角のコイルオンチップ１２を用いた場合を例にとって説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、任意のサイズのコイルオンチップを用いることもできる。
１ 情報入出力端末装置
２ 無線ＩＣタグ
２ａ タグ側アンテナ
３ リーダライタ
３ａ 端末側アンテナ
１１ ＦＲ４基板
１２ コイルオンチップ
２ 無線ＩＣタグ
２ａ タグ側アンテナ
３ リーダライタ
３ａ 端末側アンテナ
１１ ＦＲ４基板
１２ コイルオンチップ
Claims (5)
- 無線ＩＣタグとリーダライタとの間の信号の送受信を、前記無線ＩＣタグに備えられたタグ側アンテナ及び前記リーダライタに備えられた端末側アンテナを介して非接触で行う電子タグシステムにおいて、前記タグ側アンテナとして磁界成分及び電界成分の双方を受信可能な平面アンテナを用いると共に、前記タグ側アンテナ及び前記端末側アンテナのうちの少なくともいずれか一方として、前記各アンテナを平行に配置したときに当該平行な面内で指向性を有しない平面アンテナを用いることを特徴とする電子タグシステム。
- 前記端末側アンテナが円偏波のパッチアンテナで、前記タグ側アンテナがメアンダ型ループアンテナ、ジグザグ型ループアンテナ、メアンダ型ダイポールアンテナ又はジグザグ型ダイポールアンテナのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電子タグシステム。
- 前記端末側アンテナが渦巻き型ループアンテナで、前記タグ側アンテナが渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電子タグシステム。
- 前記端末側アンテナがパッチアンテナで、前記タグ側アンテナが渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電子タグシステム。
- 前記端末側アンテナがダイポールアンテナで、前記タグ側アンテナが渦巻き型ループアンテナ又は渦巻き型ダイポールアンテナのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電子タグシステム。
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