JP4693638B2 - Rfidタグ - Google Patents

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Description

本発明は、RFIDタグに関し、特にRFIDリーダライタと送受信するための非接触型RFIDタグに関するものである。
UHF帯(860〜960MHz)の無線回線を用いて、リーダライタから約1Wの信号を送信し、タグ側でその信号を受信し、再びリーダライタ側へ応答信号を送り返すことにより、タグ内の情報をリーダライタで読み取ることができるRFIDシステムが既に知られている。その通信周波数は953MHzと規定されており、通信距離は、タグ側に設けられたアンテナのゲインやチップの動作電圧や周囲環境にもよるが、およそ3m前後である。このタグは、厚さ0.1mm程度のアンテナと、アンテナ給電点に接続されるLSIチップ(約1mm角で、厚さ0.2mm程度の大きさ)とで構成される。
図18に示すように、LSIチップ21は、内部抵抗Rc(例えば1200Ω)とキャパシタンスCc(例えば0.7pF)との並列回線で等価的に表わすことができる。このチップ21のアドミタンスYc(=1/Rc+jwCc)は、図19のアドミタンスチャート上では、位置A21で示される。一方、アンテナ22は、放射抵抗Ra(例えば500Ω)と、インダクタンスLa(例えば40nH)の並列回路で等価的に表わすことができる。
これらのチップ21とアンテナ22を並列接続することにより、キャパシタンスCcとインダクタンスLaとが共振し、下記の式から分かるように、所望の共振周波数fo(上記の953MHz)でインピーダンス整合し、アンテナ22での受信パワーがチップ21へ最大に供給されることになる。
Figure 0004693638
RFIDタグに用いる基本的なアンテナとしては、図20(1)に示す全長約145mm(λ/2)のダイポールアンテナが考えられるが、この場合のインピーダンスは、図19において軌跡(1)を描き、fo=953MHzでは、Ra=72Ω及び虚数部=0となり、軌跡(1)上の位置A31となる。
しかしながら、RFIDタグのアンテナに必要な放射抵抗Raは500〜2000Ω程度と非常に高いため、Raを72Ωから上げる必要がある。
そこで、図20(2)に示すような、全長145mm程度の折り返しダイポールアンテナ(folded dipole antenna)32が用いられ、線幅によっても異なるが、Raを、ダイポールアンテナの場合の72Ωから、およそ300Ω〜500Ω程度まで上げられることがよく知られている。図11では、折り返しダイポールアンテナ32のインピーダンスは、軌跡(2)を描き、fo=953MHzでは、Ra=500Ω及び虚数部=0となり、軌跡(2)上の位置A32になることが示されている。
さらに、図20(3)に示すように、同図(2)に示した折り返しダイポールアンテナ32に並列にインダクタンス部33を接続することにより、図19のアドミタンスチャート上で軌跡(2)を左回転させ、チップ21のアドミタンスの虚数成分(Bc=ωCc)と同じ絶対値の虚数成分(Ba=-1/ωLa)を持たせた軌跡(3)上の位置A33とすることができる。この場合、インダクタンス部33の長さが短いほど、インダクタンスLaの値が小さくなり、虚数成分が大きくなって回転量が大きくなる。
これにより、チップ 21の虚数成分Bcとアンテナ22の虚数成分Baが同じ大きさを持つので、互いにキャンセルされ、周波数foで共振することになる。この虚数成分のキャンセルがRFIDタグ設計で最も重要な要素である。但し、チップ21の内部抵抗Rcとアンテナ22放射抵抗Raは一致するのが最も望ましいが、厳密に一致させることは必要ではない。
一方、このようなタグをCDやDVD等の磁気記録媒体に貼付して盗難防止用とした物品識別標識があり、これは、物品の移動を監視するための盗難防止タグ部分と、物品の個別識別を行うために無線通信により情報を読み出し及び書き込みが可能なRFIDタグ部分とから成っている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2003-141650号公報
しかしながら、このような大きなタグをCDやDVD等の磁気記録媒体に貼付ようとするとき、図21(1)及び(2)に示すように、ラベル面11と、記録面12と、これらの面11-12間に介在する誘導体(ポリカーボネイト)13で構成されたCDやDVD10は、記録面12の金属が大部分を占めるため、従来の図20(3)のような折り返しダイポールアンテナを貼付すると、この金属面が電波を反射してしまい通信距離が極端に落ちてしまうという欠点がある。
従って、本発明は、CDやDVD等の磁気記録媒体に設けても通信距離が落ちないRFIDタグを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため本発明にかかるRFIDタグは、磁気記録媒体内部の金属面と高周波帯で電磁結合するように該磁気記録媒体に取り付けられたグランド部と、そのグランド部と同一平面内でその内側部分に設けたモノポール部と、該モノポール部の一端と該グランド部との間に設けられチップを搭載し得る給電部とを備えたことを特徴としている。
本発明の最も大きなポイントは、CDやDVD等の磁気記録媒体金属部分をRFIDタグにおけるアンテナのグランド層として機能させる事である。すなわち、通常はRFIDタグにとって大敵の金属面を逆利用し、高周波帯で電磁結合(短絡)することにより、RFIDタグのグランド層として働かせたものである。
上記のグランド部は、円環形状を有することができる。
また、上記のモノポール部は、該円還形状に沿って曲げられるように形成してもよい。
また、上記のモノポール部は、該給電部とインピーダンス整合するための長さを有することができ、この長さは、折り返し部又はメアンダ部を設けることにより調整することが可能である。
さらに、上記のグランド部は、該金属面を実質的に覆うように、その上側で該金属面の内径よりも大きな外径を有し、且つ該金属面から離隔した状態で該磁気記録媒体に取り付けることができる。すなわち、該グランド部が該金属面を少なくとも部分的に覆って電磁結合し易くしている。
また、上記の該グランド部は、該磁気記録媒体のラベル面上に配置するか、該金属面と同一平面内で且つ該金属面の内側で該金属面に接続されるか、或いは該金属面と一体形成してもよい。
また、上記のグランド部及びモノポール部は、Cu, Ag, 及び Alの何れかから成る材料とする導体を用いることができ、PET、フィルム、及び紙の何れかから成るシート上に固着できる。
また、例えば、上記の磁気記録媒体は、CD又はDVDであり、上記の該金属面は、記録面である。
また、上記のモノポール部は、該グランド部と同心円で先端部において欠けている円環形状を有することができる。
また、上記のモノポール部は、先端部において欠けている円環形状を有し、該給電部付近を該グランド部から離し、該先端部付近を該グランド部に近づけるように該円環形状を該グランド部から偏心させてもよい。
こうすることで、本RFIDタグの遠方界でのゲインを大きくできる。
さらに、該モノポール部の先端部に、該給電部とインピーダンス整合させるための長さを調整する調整部を設けることができるが、上記のように該モノポール部とグランド部とを偏心させたことで、該調整部は上記のように先端部から折り返す必要が無くなり一層容易に設けることが可能となる。
CDやDVD等の磁気記録媒体の金属面をRFIDタグのアンテナグランドとして働かせることができるので、磁気記録媒体に取り付けて動作する小型なRFIDタグが得られ、且つ金属面による電波の反射も無いので通信距離を落とさなくて済む。この結果、RFIDシステムで読み取り可能な機能を持つCDやDVD等の磁気記録媒体を実現することができる。
RFIDタグの実施例[1]:図1
図1(1)及び(2)に本発明に係るRFIDタグの実施例を示す。このRFIDタグは、円環状(ドーナツ状)の平板グランド部1の内側同一平面内にモノポール部2を設けると共に、このモノポール部2の一端とグランド部1との間にLSIチップを搭載し得る給電部3を設けている。すなわち、本発明のRFIDタグは、給電部3を確保するが、給電部3にLSIチップを搭載する前の状態(このときには、実質的にアンテナとなる。)をも含むものである。
モノポール部2の他端は折り返し部4を有している。グランド部1とモノポール部2はシート5上に固着されており、両者の間は空間になっている。また、グランド部1とモノポール部1は、Cu,Ag, 及び Alのいずれかを材料とする導体であり、該シートはPET、フィルム、及び紙のいずれかを材料とするものである。
RFIDタグのCDへの実装例[1]:図2
図2(1)及び(2)は、図1(1)及び(2)に示した本発明に係るRFIDタグの実施例[1]を、例えばCD(コンパクトディスク)等の磁気記録媒体に実装した状態を示す。すなわち、図21に示したCD10のラベル面11の上側に図1に示したRFIDタグを貼り付ける。ラベル面11の下側は、金属記録面12が在り、CDプレーヤーの読み取り面として働くので、何も形成することはできない。なお、金属面12の内径側にはポリカーボネイトが充填されている。
図3に、図1に示したRFIDタグを図2に示したようにCD10に実装するときの具体的な形状(寸法例)を示す。CDやDVDの金属面12の内径は、約Φ38mmであるため、これに合わせてグランド部1の内径Diは、これより少し小さくΦ36mmとし、金属面12を十分に覆うように外径DoをΦ60mmとする。
グランド部1とCD金属面12との距離は、図2(1)において0.1〜0.6mm程度であり極めて薄く、また、グランド部1がCD金属面12を覆う部分は十分に広い(本実施例では、幅12mmの円環状)であるため、グランド部1とCD金属面12とは、上記の共振周波数fo=953MHzという高周波帯では電磁的に結合し、直流的には結合しない。つまり、CD10の金属部分12を本RFIDタグのアンテナグランドとして逆利用していることになる。
さらに、モノポールアンテナ部2は、通常、ダイポールの半分であるλ/4の長さ(fo=953MHzで空間中で約76mm)が必要であるが、これより長くすると、図19中の軌跡(1)に沿って右回転し、この結果、インダクタンスを並列に接続したような振舞いとなる。また、モノポール部2は、図示のような形状の幅1mm(r1-r2)で形成する。
さらに、折り返しモノポール部4の角度θでチップ給電部3との調整を行う。図4(1)にθ=90°の場合のアドミタンスチャートを示し、同図(2)にθ=150°の場合のアドミタンスチャートを示すが、各図に示すfo=953MHzにおいて放射抵抗RaとインダクタンスLaを持つことが分かる。
このfo=953MHzの点に関して、θを90°〜180°までアンテナパターンを変えて市販の電磁界シミュレータで、周波数(700〜1200MHz)、パターン寸法、及び基板の厚さをパラメータとして入力し、計算してプロットしたものが、図5(1)及び(2)に示されている。
これらの図から角度θに対するアンテナの放射抵抗Ra及びインダクタンスLaが得られる。チップ3のCc=0.7pFとすると、fo=953MHzではLa=40nHで共振するので、同図(2)よりθ=150°にすればよいことが分かる。また、同図(1)より、θ=150°でRa=5800Ωであり、チップ3の抵抗Rc=1200Ωの数倍であるが、若干の不整合があっても、チップ3へは十分電力が供給される。
また、図6(1)に示す座標系で、同図(2)に示す指向性パターンによるアンテナゲインが計算される。CD10に対して、正面(YZ)方向に対しゲイン=-5〜-6dBiであり、通常の折り返しダイポール(ゲイン=2dBiと仮定)の40%の通信距離となる。実際に導電性テープを用いて試作して評価した結果、細長折り返しダイポールの39%という通信距離で動作することが確かめられた。
また、このRFIDタグを2.45GHzのRFIDシステムに適用する場合、波長が953(MHz)/2450(GHz)になるため、モノポール部2の長さは短くすることができ、折り返しモノポール部4は必要無くなることは言うまでもない。
RFIDタグのCDへの実装例[2]:図7
上記ようなRFIDタグは、CD10中に始めから内蔵しておいても良い。すなわち、図7(1)及び(2)に示すように、グランド部1との金属面12とを同一平面内に配置し、その内側では両者を接続してもよい。この場合、グランド部1とモノポール部2との間にもポリカーボネイトを充填する。
RFIDタグのCDへの実装例[3]:図8
或いは、図8(1)及び(2)に示すように、RFIDタグのグランド部1をCD10の金属面12そのものとして用いても良い。
なお、上記の実装例[1]〜[3]は、下記の各実施例[2]〜[5]においても同様に適用することができる。
RFIDタグの実施例[2]:図9
この実施例は、図9に示すように、図1に示した実施例[1]においてモノポール部2に設けた折り返しモノポール部4を無くした点が異なっている。
すなわち、上記の実施例[1]では、チップ3のキャパシタンスをCC=0.7pFとし、周波数fo=953MHzではインダクタンスLa=40nHで共振することを前提にしており、このため、図3のθ=150°である折り返しモノポール部4が必要になるが、本実施例[2]の場合には、チップ3のキャンパシタンスをCC=1.4pFに設定することにより、折り返しモノポール部4を無くすことができる。
これを、図10に示した寸法例と電磁界シュミレータによる計算結果により以下に説明する。
同図(1)に示すように、モノポール部2の外径r1=15及び内径r2=14、並びにグランド部1の内径Di=Φ36及び外径Do=Φ60は上記の実施例[1]と同様であるが、給電部3を設けてあるモノポール部2の位置からモノポール部2の先端部6までの角度θは、同図(2)及び(3)に示すように、約10°〜60°の範囲で変化させた場合、放射抵抗Raが4500Ω〜1800Ωまで変化し(同図(2))、インダクタンスLは26nH〜13nHまで変化する(同図(3))。従って、Cc=1.4pFのチップを用いる場合には、fo=953MHzにおいて上記の式(1)からインダクタンスL=20nHで共振するので、同図(2)からθ=32°を選択すればよいことが分かる。
このようにして、チップ3に必要な静電容量によっては、折り返し部を設けずに済むことになる。
RFIDタグの実施例[3]:図11
本実施例は、図9に示した実施例[2]が、グランド部1とモノポール部2とを同心円状に構成しているのに対し、モノポール部2の中心をグランド部1の中心からずらした点、すなわち、給電部3付近をグランド部1から離し、先端部6付近をグランド部1に近づけるようにモノポール部2をグランド部1から偏心させた点が異なっている。
このように変形した場合の動作原理を図12を参照して以下に説明する。
まず、グランド部1とモノポール部2が同心円状に配置された場合、同図(2)の点線で示すように、モノポール部2において、電流Iaが集中しているのは、その付け根の給電部3付近であり、その先端部6では電流は0となる。このとき、同図(1)に示したように、モノポール部2に流れる電流Iaの向きとは逆向きの電流Ibがグランド部1に流れる。これらの電流Ia及びIbから発生する磁界はそれぞれ互いに逆向きになって打ち消し合おうとし、結果的に流れる電流Iaは小さくなってしまう。
そこで、同図(1)に示すように、給電部3付近をグランド部1から離し、先端部6付近をグランド部1に近づけるようにモノポール部2をグランド部1から偏心させたことにより、その磁界同士が打ち消し合う作用を抑制することができるので、同図(2)の実線で示す偏心させた場合の電流Ia2の方が同心円の場合の電流Ia1より大きくなる。
このように、モノポール部2の先端部6では電流は0になり、結果的に、モノポール部2全体に亘って電流が大きくなる(Ia2>Ia1)ので、遠方界でのゲインが大きくなる。
図13には、本実施例[3]の寸法例と電磁界シュミレータによる計算結果が示されている。この例では、同図(1)に示すように、モノポール部2の円環形状の中心をグランド部1の円環形状の中心よりも右側に2.5mmだけシフトさせると共に、モノポール部2の先端部6付近のモノポール部2とグランド部1との隙間dを0.5mmまで寄せている。
この寸法例では、同図(2)及び(3)に示すように、例えば、Cc=1.4pFのチップの場合、上記のとおりL=20nHで共振するので、θ=78°とすればよく、またCc=0.7pFのチップの場合でも、L=40nHで共振するので、θ=22°として実現可能である。
RFIDタグの実施例[4]:図14
この実施例の場合には、図12に示した実施例[3]において、モノポール部2の先端部6に長さkの調整部7を設けた点が異なっている。なお、この例では、調整部7を先端部6からモノポール部2の中心方向へ水平に設けているが、これに制限されず種々の方向へ設けることができる。
本実施例[4]の寸法例と電磁界シュミレータによる計算結果が図15に示されているが、この調整部7の長さk(幅w=1mm)に対する、アンテナの放射抵抗がRa及びインダクタンス成分Laをそれぞれ同図(2)及び(3)に示すように、0.7pFのチップ3と整合させるため、La=40nHになるようにするには、k=7.2mmであればよいということが分かる。
また、この時のアンテナゲインを図16に示す。θ=0(YZ, ZX)、つまり+z方向に対して、アンテナゲインが-1〜-2dBiとなっており、図20(2)に示した通常の細長折り返しダイポール(ゲイン=2dBiと仮定)の67%(-1-2=-3dBi)の通信距離となる。実際に導電性テープを用いて試作して評価した結果、細長折り返しダイポールの56%という通信距離で動作することが確かめられた。上記の実施例[1]では、アンテナゲインが-5〜-6dBiであり、約4dBアップしている。また、実際の導電性テープでの試作結果同士を比較しても、約1.4倍である。
RFIDタグの実施例[5]
また、モノポール部12は、図8(1)及び(2)に示すように、その一部または全てをメアンダ部6としてもモノポールの全長を稼ぐことができるようにしても、折り返しモノポール部と同様の特性及び効果が得られることは言うまでもない。
ここで、上記の図2(1)、図7(1)、図8(1)、及び図21(1)は、それぞれ、図2(2)、図7(2)、図8(2)、及び図21(2)の線分A-Aに沿って切断した時の断面図を拡大して示しているので、両者間の寸法は必ずしも一致していない。
尚、上記実施例によって本発明は限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき、当業者によって種々の変更が可能なことは明らかである。
(付記1)
磁気記録媒体内部の金属面と高周波帯で電磁結合するように該磁気記録媒体に取り付けられたグランド部と、
そのグランド部と同一平面内でその内側部分に設けたモノポール部と、
該モノポール部の一端と該グランド部との間に設けられチップを搭載し得る給電部と、
を備えたことを特徴とするRFIDタグ。
(付記2)付記1において、
該グランド部が、円環形状を有することを特徴としたRFIDタグ。
(付記3)付記2において、
該モノポール部が、該円環形状に沿って曲げられていることを特徴としたRFIDタグ。
(付記4)付記3において、
該モノポール部が、該給電部とインピーダンス整合するための長さを有することを特徴としたRFIDタグ。
(付記5)付記4において、
該モノポール部が、該長さを調整するための折り返し部を有することを特徴としたRFIDタグ。
(付記6)付記4において、
該モノポール部が、該長さを調整するためのメアンダ部を有することを特徴としたRFIDタグ。
(付記7)付記2において、
該グランド部が、該金属面を実質的に覆うように、その上側で該金属面の内径よりも大きな外径を有し、且つ該金属面から離隔して該磁気記録媒体に取り付けられたことを特徴とするRFIDタグ。
(付記8)付記7において、
該グランド部が、該磁気記録媒体のラベル面上に取り付けられていることを特徴としたRFIDタグ。
(付記9)付記2において、
該グランド部が、該金属面と同一平面内で且つ該金属面の内側で該金属面に接続されていることを特徴としたRFIDタグ。
(付記10)付記2において、
該グランド部が、該金属面と一体形成されていることを特徴としたRFIDタグ。
(付記11)付記1において、
該グランド部及び該モノポール部が、Cu, Ag, 及び Alの何れかから成る材料とする導体であり、PET、フィルム、及び紙の何れかから成るシート上に固着されていることを特徴としたRFIDタグ。
(付記12)付記1において、
該磁気記録媒体が、CD又はDVDであることを特徴としたRFIDタグ。
(付記13)付記1において、
該金属面が、記録面であることを特徴としたRFIDタグ。
(付記14)付記3において、
該モノポール部が、該グランド部と同心円で先端部において欠けている円環形状を有することを特徴としたRFIDタグ。
(付記15)付記3において、
該モノポール部が、先端部において欠けている円環形状を有し、該給電部付近を該グランド部から離し、該先端部付近を該グランド部に近づけるように該円環形状を該グランド部から偏心させたことを特徴とするRFIDタグ。
(付記16)付記15において、
該モノポール部の先端部に、該給電部とインピーダンス整合させるための長さを調整する調整部を設けたことを特徴としたRFIDタグ。
本発明に係るRFIDタグの実施例[1]を示した図(A-A断面及び平面図)である。 本発明に係るRFIDタグのCDへの実装例[1]を示した図(A-A断面及び平面図)である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[1]の寸法例を示した平面図である。 図3に示した折り返し部のθの変化に伴うアドミタンスチャート図である。 図3の寸法例を用いて電磁界シミュレータによる計算結果を示したグラフ図である。 図3のRFIDタグに関するRFIDタグの指向性パターンとアンテナゲインを示した図である。 本発明に係るRFIDタグのCDへの実装例[2]を示した図(A-A断面及び平面図)である。 本発明に係るRFIDタグのCDへの実装例[3]を示した図(A-A断面及び平面図)である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[2]を示した図(A-A断面及び平面図)である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[2]の寸法例と電磁界シュミレータによる計算結果を示した図である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[3]を示した図(A-A断面及び平面図)である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[3]の動作原理を説明するための図である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[3]の寸法例と電磁界シュミレータによる計算結果を示した図である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[4]を示した図(A-A断面及び平面図)である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[4]の寸法例と電磁界シュミレータによる計算結果を示した図である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[4]のアンテナゲインを示した図である。 本発明に係るRFIDタグの実施例[5]を示した図(A-A断面及び平面図)である。 本発明に係るRFIDタグの一般的な等価回路図である。 種々のアンテナを用いた場合のRFIDタグのアドミタンスチャート(700MHz〜1200MHz:fo=953MHz)図である。 RFIDタグ用のアンテナ例を示した図である。 従来のCD又はDVD等の磁気記録媒体を示した図(A-A断面及び平面図)である。
符号の説明
1 グランド部
10 CD(DVD)
11 ラベル面
12 記録面(金属面)
13 誘電体(ポリカーボネイト)
2 モノポール部
3 給電部(チップ)
4 折り返しモノポール部
5 シート
6 先端部
7 調整部
8 メアンダ部
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。



















Claims (10)

  1. 磁気記録媒体内部の金属面と高周波帯で電磁結合するように該磁気記録媒体に取り付けられたグランド部と、
    そのグランド部と同一平面内でその内側部分に設けたモノポール部と、
    該モノポール部の一端と該グランド部との間に設けられチップを搭載し得る給電部と、
    を備えたことを特徴とするRFIDタグ。
  2. 請求項1において、
    該グランド部が、円環形状を有することを特徴としたRFIDタグ。
  3. 請求項2において、
    該モノポール部が、該円環形状に沿って曲げられていることを特徴としたRFIDタグ。
  4. 請求項3において、
    該モノポール部が、該給電部とインピーダンス整合するための長さを有することを特徴としたRFIDタグ。
  5. 請求項4において、
    該モノポール部が、該長さを調整するための折り返し部を有することを特徴としたRFIDタグ。
  6. 請求項2において、
    該グランド部が、該金属面を実質的に覆うように、その上側で該金属面の内径よりも大きな外径を有し、且つ該金属面から離隔して該磁気記録媒体に取り付けられたことを特徴とするRFIDタグ。
  7. 請求項6において、
    該グランド部が、該磁気記録媒体のラベル面上に取り付けられていることを特徴としたRFIDタグ。
  8. 請求項2において、
    該グランド部が、該金属面と同一平面内で且つ該金属面の内側で該金属面に接続されていることを特徴としたRFIDタグ。
  9. 請求項2において、
    該モノポール部が、該グランド部と同心円で先端部において欠けている円環形状を有することを特徴としたRFIDタグ。
  10. 請求項3において、
    該モノポール部が、先端部において欠けている円環形状を有し、該給電部付近を該グランド部から離し、該先端部付近を該グランド部に近づけるように該円環形状を該グランド部から偏心させたことを特徴とするRFIDタグ。
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