JP6253588B2 - アンテナ構造体、及びアンテナ構造体を備えるｒｆｉｄトランスポンダシステム - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１のプリアンブルに記載したアンテナ構造体に関するものである。

本発明は更に、アンテナ形成方法にも関するものである。

アンテナは例えば、遠隔識別子回路に対して用いられている。

これまでは、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤトランスポンダの市場は、廉価なラベルと、金属プラットフォームにも適用しうるより高価な剛性タグとに分けられていた。代表的な剛性トランスポンダは大型で高価であり、従って大型で高額な物品にのみ適用しうるものである。ある種の小型の剛性タグが市場に取り入れられたが、その性能は大型のタグよりも著しく劣っている。

今日の市場では、小型の金属装着式ＲＦＩＤトランスポンダが既に得られている。この関係において、“小型”とは、トランスポンダの設置面積が１０cm² よりも小さいものとして規定されており、その最大寸法は波長（８６７ＭHzで８６mm）の４分の１よりも小さくする。一般に、これらの小型のタグに対する問題は、トランスポンダを小型に構成するのに何らかの妥協を講ずるということである。実際に、これらの妥協により、受動ＲＦＩＤシステムの信頼性及び性能を評価する主要パラメータである読取距離を減少させる。

まず第１に、トランスポンダの放射効率は寸法を制限することにより減少される。このことは基本的に完全には解決できない物理的事実であり、その影響は例えば、材料を最適なものにすることによってのみ最少化しうるものである。しかし、アンテナが極めて小型であると、マイクロチップとアンテナとの間のインピーダンス整合が悪いことにより代表的に、放射効率が減少されるよりも読取距離の損出部分を大きくしてしまう。代表的に動作を最適にするために必要となるアンテナ及びマイクロチップ間の共役インピーダンス結合は、極めて小型のアンテナや現在の方法によっては達成できない。極めて小型のタグによる最も代表的な解決策は、リアクティブ結合を達成することのみであり、これは部分的な解決策である。モバイル機器や基地局のような、アンテナを有するより複雑な無線システムの場合には、必要とするこのインピーダンス整合はしばしば、個別の構成要素（キャパシタ及びインダクタ）又はマイクロストリップ素子を用いて達成されている。小型のＲＦＩＤタグの場合、マイクロストリップ素子はあまりにも大きすぎる。個別の構成要素は充分に小型としうるが、これらは費用や処理上の理由で論外的となるものである。

今日の市場に存在する小型の金属装着式トランスポンダの性能は、幾分妥協されたものである。小型のアンテナの放射効率は低いことに加えて、小型のアンテナの読取距離は、マイクロチップとアンテナとの間のインピーダンス整合が悪いことにより著しく減少される。

ＲＦＩＤトランスポンダには幾つかの異なる種類のものがある。すなわち、受動型、半受動型（又はバッテリ補助式の受動型）及び能動型のものや、接続を誘導的に行うか、又は容量的に行うか、又は無線周波数の放射電磁界を用いて行うものが存在する。受動型のトランスポンダは、これらに向けられたＲＦ電磁界からこれらが必要とする電気エネルギーを発生する。能動型及び半受動型のトランスポンダには、個別のバッテリ又はその他の電源がある。誘導的に接続されるＲＦＩＤ及び遠隔センサシステムは代表的に１００〜１２５ｋHz又は１３．５６ＭHzの周波数で動作する。

本発明の最も好適な例は、無線周波数の放射電磁界を用いる読取可能な受動型のＲＦＩＤトランスポンダに関するものであるが、小型化と相俟って読取距離を長くするとともに、ある基地局、例えば品物又はパッケージの表面に取付けうるアンテナを必要とするあらゆる分野においては、アンテナ型のトランスポンダが有利である。このような表面は通常平坦である。アンテナに最も有利に適合している周波数は８６０〜９６０ＭHz及び２．４５ＧHzである。

ＲＦＩＤトランスポンダは、アンテナと、メモリを有する超小型回路とを具える小型装置であり、このトランスポンダは読取装置から送信命令を受信し且つこの読取装置により無線信号が照射された場合に、後方散乱によりそのメモリの内容を送信する。受動型のＲＦＩＤトランスポンダでは、バッテリが存在せず、その代りこのトランスポンダはこれが必要とする動作電力をこれに送信された無線信号から取出す。トランスポンダと読取装置との間での電力及び情報の伝達は、磁界、電界又は放射無線信号を用いて行うことができる。多くのトランスポンダの適用分野では、読取装置とトランスポンダとの間の距離を長くする、例えば数メートルまでにすることが重要である。

特許文献１（国際公開パンフレットＷＯ2011/033172 A1）には、オールプラットフォームＵＨＦ帯ＲＦＩＤトランスポンダの形成方法が開示されている。この方法によれば、プラスチック片及びインレーのみの使用に基づいた簡単で廉価な方法を用いてタグを製造しうる。しかし、その機構は、製造上のトレランスに、特に折返し過程で生じやすいある種の変化に非常に敏感である。より正確には、インレーをプラスチック片の付近で手動的に又は自動的に折返す際に、インレーの正確な折返し点（折返し個所）が変化しやすく、この変化によりアンテナの電気的パラメータを変えてしまう。アンテナの中心周波数が変化すると、トランスポンダを妥協させた場合に読取距離も変化する。

国際公開パンフレットＷＯ2011/033172 A1

新規な本発明は、インレーが折返しによる影響を補償するように最適とした機構を提供することに関するものである。従って、この本発明は、廉価で有効なオールプラットフォームＲＦＩＤトランスポンダを形成する従来の発明の実行可能性を高めるものである。

この種類のトランスポンダはこれまで、プリント回路板技術を用いることによってのみ製造されてきた。この方法は、簡単なインレー及びプラスチック片技術よりもはるかに高価な製造方法である。

本発明の目的は、従来技術の少なくとも幾つかの欠点を回避し、完全に新規な種類のアンテナと、このアンテナの製造方法とを提供することにある。

本発明は、特に長距離動作用とした、高性能で、小型で、廉価なオールプラットフォームトランスポンダを可能にする技術的解決法に関するものである。

本発明は、製造処理上の変化によるアンテナの電気特性の変化をできるだけ少なくするようにアンテナ領域の形状を設計することに基づくものである。

本発明によるアンテナ構造体は特に、特許請求の範囲の請求項１に記載した特徴部分に述べたことを特徴としているものである。

本発明による方法は、特許請求の範囲の請求項７に記載した特徴部分に述べたことを特徴としているものである。

本発明を用いることにより多数の利点が得られる。

本発明によれば、この種類のトランスポンダを製造する最も有効な方法を達成する際に立ちはだかる最も重大な制限の１つ、すなわち製造処理、特にアンテナ素子の不正確な配置により生ぜしめられる誤差原因を回避するものである。

本発明によれば、長い読取距離、小型寸法、良好なプラットフォームトレランス及び低価格を達成しうる。

例えば金属製とした多数の物品に、対応する読取距離とした従来のトランスポンダよりも極めて小型で廉価なトランスポンダをタグ付けしうる。

従って、アンテナの種類はこれが取付けられる表面に影響されない。本発明の例によるアンテナの種類は経済的に製造しうるものでもある。更に、センサ機構を、例えばＲＦＩＤ電子機器と容易に且つ廉価に組合せることもできる。

図１は、本発明にとって適したプラスチック片を囲むようにインレーを折返すことにより形成した３Ｄトランスポンダを示す断面図である。 図２は、図１の３Ｄトランスポンダの電気的等価回路を示す線図である。 図３は、インレーを、プラスチック片を囲むように折返す状態と、代表的な変化（“折返し誤差”le）とを示す部分的斜視図である。 図４は、本発明により折返し誤差を良好に許容するように改善した３Ｄトランスポンダ用のインレーの設計を示す線図である。 図５は、コンポーネント値を規定するアンテナ機構の臨界的寸法及び領域を、本発明による折返し容易なトランスポンダの中央部分の頂面図として示す線図である。 図６は、エッジe1における幅Ｗ２を折返し誤差の関数として変化させ、この折返し誤差を最適にインピーダンス補償させるように実現させたアンテナインレーの例を示す線図である。 図７は、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤトランスポンダの例の（図５及び６に規定されているような）ライン幅Ｗ２を折返し誤差leの関数として示すグラフ線図である。

本発明は一般的に、長距離ＲＦＩＤトランスポンダにおけるアンテナ（ラジエータ）として磁気双極子を用いることに関するものである。本発明の有利な解決策では、アンテナの集積部分による容量性のインピーダンス変成器によりラジエータからマイクロチップに共役インピーダンス整合が形成される。小型の磁気双極子（ループ）アンテナの入力（給電）インピーダンスの抵抗部分は極めて小さい。この種類のアンテナのリアクタンスは正であり抵抗に比べて極めて大きい。一方、マイクロチップのインピーダンスは容量性であり、実数部は非整合のループアンテナの実数部よりも大きい。従って、容量性のインピーダンス変成器を用いることにより、磁気双極子のアンテナとマイクロチップとの間の完全な共役インピーダンス整合を達成することができる。この新たなアンテナ形成方法により、この容量性の変成器を提供する、従って、如何なる外部素子も有せずにアンテナの一部として完全なインピーダンス整合を提供する。

図１の機構は、アンテナ導体、この場合箔状のインレー１をプラスチック片３の形態の基板３を囲むように折返すことにより形成されている。インレー１は、薄肉のプラスチックキャリア箔５とマイクロチップ２との上にある金属パターンを有している。この薄肉で可撓性のインレー１は、アンテナ機構を形成するためのプラスチック片３と、インピーダンス形成キャパシタ４ａ及び４ｂとを包み込んでいる。インピーダンス変換用キャパシタ４ａ及び４ｂは、領域４ａ及び４ｂにおいて自体と重複するインレー１により形成されている。上述したことを参照するに、本発明の１つの着想は、各接続キャパシタの上下の電極を非対称にして、一方の電極、代表的にトランスポンダの上面上の電極を大きくし、他方の小さい方の電極を、大きい方の電極の領域上に形成するようにすることにある。このようにすることにより、小さい方の電極がキャパシタのキャパシタンス値を規定する。インレー１は、この解決策におけるアンテナ機構６をも形成する。このアンテナ機構６においては、インレー１の導電性材料が、上側基板５と相俟って集積キャパシタＣ_s （４ａと等価）及びＣ_p （４ｂと等価）を形成するとともに、基板３及び５と相俟って放射部７を形成する。換言すれば、実際のアンテナラジエータ７が基板３及び５と、キャパシタ４ａ及び４ｂを含まないインレー１の部分とにより形成されている。

本発明は、小型であるが読取距離を依然として長くしたオールプラットフォームＵＨＦ帯ＲＦＩＤトランスポンダ（又はタグ）に関するものである。この本発明には、トランスポンダの廉価で再現性の高い製造処理を可能にする解決策も含まれるものである。性能及びプラットフォームトレランスを良好にすることは、磁気双極子をラジエータとして利用することと、更に重要なことに、アンテナとマイクロチップとの間の共役インピーダンス整合を得ることとに基づくものである。このようにすることは一般的に、極めて小型のトランスポンダに対しては困難なことである。インピーダンス整合は、インピーダンス変成器を提供する新たな方法により達成される。このことは、標準の処理と、廉価な通常の材料とにより達成される。

アンテナ機構は主として、図１（断面図）に示す部分、すなわちインレー１と、マイクロチップ２と、下側の誘電体３と、上側の誘電体５とを有している。正しいインピーダンス及び動作周波数を得るのに必要なキャパシタンスは、互いに重複するインレーの端部４ａ及び４ｂにより形成される。上述したように、インレーはアンテナ１の放射部分をも形成する。

タグの電気的な等価回路を図２に示す。アンテナの実際の放射部分はアンテナ抵抗Ｒ_a （損失抵抗と放射抵抗との合計）とアンテナインダクタンスＬ_a とより成る。ラジエータは、波長に比べて小さいループであり、これは誘導性となっている。この場合、マイクロチップに対し正しいインピーダンスを設定するためには容量性のインピーダンス変成器が必要となる。直列キャパシタＣ_s は図１の４ａと等価であり、並列キャパシタンスＣ_p は４ｂと等価である。インレーによりプラスチック部分を囲むように包み込む際、最も一般的なアセンブリ上の変化が実際の折返し点の変化から生じる。やや剛性のＰＥＴインレーを薄肉のプラスチックを囲むように折返すことにより、（図１におけるように）直角の折返しではなく丸みのある折返しが得られるようにもなる。

得られた折返しを、代表的な変化を示す矢印とともに図３に示す。（図３に示すように）折返し点を右の方向に移動させてアンテナループの長さを増大させることにより、アンテナのインダクタンスを増大させ、従って、動作周波数を低下させる。その例のシミュレーションによれば、その効果の大きさは、中心周波数で約１．５ＭHz／０．１mmとなった。一方、折返し誤差を同じとした場合に、４ｂの有効面積を変えることによってもキャパシタンスＣ_p に影響を及ぼす。実際、簡単なインレーを用いた場合、キャパシタンスを変えることによる効果は、インダクタンスを変えることによる効果よりも明らかに大きくなり、上記の例では約１２ＭHz／０．１mmとなった。しかし、これらの効果は互いに逆の方向に生じる為、これらの現象が互いに相殺されるようにインレーの設計を最適としうることをシミュレーションにより確かめた。

折返し誤差を補償する簡単なインレーの例を図４に示し、解決策の原理を図５に示す。まず第１に、金属層間の整列における全ての横方向変化を許容するために、図５の領域Ａ１が必ず頂面金属（Ａ３）の領域内にあるようにする必要があり、幅Ｗ１は幅Ｗ３よりも小さくする必要がある。折返し誤差の影響を補償するために、幅Ｗ２は最適にする必要がある。簡単なインレーのキャパシタンス効果はインダクタンス効果よりも明らかに大きい為、Ｗ２はトランスポンダの他の寸法に応じて、実際的に常にＷ１よりも幅狭となるようにする。

換言すれば、ＲＦＩＤチップ２に対するアンテナ構造体は、基板３と、アンテナを磁気双極子として形成する場合にこの基板３により支持された導電性材料のアンテナ導体１と、アンテナを回路２に結合させるための結合手段４ａ及び４ｂとを具えている。結合手段４ａ及び４ｂはアンテナ導体１の重複延長部Ａ１、Ａ２、Ａ３及びＡ４により形成されている。４つの区分Ａ１、Ａ２、Ａ３及びＡ４は代表的にそれぞれ異なる幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３及びＷ４となっている。代表的に幅Ｗ３は最も広くし、幅Ｗ２は最も狭くする。

図１、２及び５に示すキャパシタンスは、以下の表A2.1に記載したように互いに等価なものである。

本発明による実施においては、並列キャパシタンスＣ_p （４ｂ）は一定部分と可調整部分とからなっており、これらキャパシタンスの合計は並列結合の結果、Ｃ_p ＝Ｃ_pc＋Ｃ_paである。Ｃ_p の一定部分、すなわちＣ_pcは図５の領域Ａ１により決定され、次式（１）となる。
ここで、e0 は真空の誘電率であり、er は基板材料の比誘電率であり、ｔはアンテナの上側の誘電体（図１では５で示している）の厚さである。可調整部分Ｃ_paは、Ｗ２と、（図５に示す）エッジe1が移動する際に折返し誤差の為に変化するl2との積である領域Ａ２により決定され、次式（２）となる。

可能な折返し誤差に対するアンテナ機構のロバスト性は、例え折返し点が移動したとしても、マイクロチップに対し見うるアンテナインピーダンスのリアクタンス部を一定に保つことに基づいている。キャパシタンスＣ_s は、設計（図５ではＡ４が常に充分に領域Ａ３内にある）により一定に保たれているとともに、アンテナ回路の残部と直列に接続されている為、Ｌ_a 、Ｒ_a 及びＣ_p より成る分岐回路のリアクタンスが一定に保たれていれば、図２の等価回路のリアクタンスは一定に保たれる。本発明の一実施例では、Ｌ_a を増大させることによりＣ_p （より正確にはＣ_pa）の値を低減させて、上述した分岐回路のリアクタンスを一定に維持するようにアンテナパターンを最適にすることに、本発明の解決策は基づいている。図２のアンテナ回路の全体のリアクタンスは次式（３）で表すことができる。
ここで、Ｘ_a 、Ｘ_p 及びＸ_s はそれぞれＬ_a 、Ｃ_p 及びＣ_s のリアクタンスである。

小型のループアンテナの場合にはＲ_a ≪Ｘ_a である為、そのリアクタンスを、次式（４）のようにリアクタンス成分のみを用いることにより高精度で表すことができる。
Ｃ_p は、Ｘ、Ｘ_s 、角周波数w及びＬ_a の関数として次式（５）として表すことができる。
実際の設計に当っては、Ｘ、Ｘ_s 及びwは一定である。従って、式（５）はＬ_a の関数として必要なＣ_p を規定する。この場合、“折返し誤差”は、折返し点を図３に示すように右方向に移動させるものとして規定される。従って、１mmの折返し誤差leがループ長に２mmの増分を生ぜしめるとともに、エッジe1を右方向に２mmだけ移動させる（図５）。Ｃ_p 対折返し誤差leの変化に依存するＷ２は、異なる形態で次式（６）として規定しうる（Ｃ_pcは一定であり、その結果ｄＣ_p ／ｄle＝ｄＣ_pa／ｄleが得られることに注意すべきである）。
Ｌ_a は実際には、次式（７）のようにループ長に正比例する。
ここで、l0は、しっかりと（正しく）折返したインレーの実効長である。この近似式と式（５）及び（６）とを組合せることにより、次式（８）が得られる。

上述した全てのパラメータは実際上の実施の形態、すなわちアンテナの寸法及び材料やマイクロチップに依存するものである。例えば、８６７ＭHzでＺ＝１５‐ｊ１５０Ωの入力インピーダンスを有するＵＨＦ帯ＲＦＩＤマイクロチップを採用し、このマイクロチップに対するアンテナを設計する。アンテナの外形寸法は、３０mm×２０mm×２．７mmである。上側誘電体の厚さｔは０．２mmであり、基板材料の比誘電率ε_r は２．２である。この場合、アンテナが折返し誤差に対しロバスト性となるようにインレー金属パターンの寸法を計算する。より正確に言えば、Ｗ２を折返し誤差leの関数として計算する。

共役結合の場合、必要とするアンテナインピーダンスは１５＋１５０Ωである。従って、Ｘ＝１５０Ωである。シミュレーションによりアンテナインピーダンスを最適化することにより以下の他の構成要素の値が得られた。
Ｌ_a ＝１０ｎＨ
Ｃ_p ＝３．１ｐＦ
Ｃ_s ＝０．３５ｐＦ

近似式（７）を用いる必要なしに、シミュレーションによりＬ_a 対leの依存状態を得た。この場合、シミュレーションデータ（Ｌ_a 対le及びその他のコンポーネント値）と式（５）及び（６）とを組合せることにより、Ｗ２対le曲線を計算して図７に示すように描いた。

この曲線の形状は式（８）により達成されるものに極めて近似している。Ｗ２とleとの間のこの依存性によりインレーパターンの形状を図６に示すように生ぜしめる。その結果、トランスポンダは数ミリメートルの折返し誤差に耐えるようになる。本例は、マイクロチップがあるインピーダンス値を必要とするＲＦＩＤトランスポンダに関するものであるが、本発明の方法は極めて融通性に富んでおり、金属パターンの形状を適宜最適化することにより、種々のインピーダンス値に対する折返し誤差に対するロバスト性を提供するようにしうるものである。又、例えば、幅Ｗ１をＷ２と同じにすることもできる。すなわちＡ１を、Ｃ_pcとＣ_paとの間に如何なる段状の遷移もないように細長くなるようにすることもできる。Ａ１及びＡ４の縦横比は殆どアンテナの他の寸法に依存する。

Claims (12)

1. 基板（３）と、
   前記基板（３）により支持された導電性材料（１）の磁界型ループアンテナ機構（６）とを具えるＲＦＩＤチップ（２）用のアンテナ構造体において、
   前記磁界型ループアンテナ機構（６）の重複延長部（Ａ３、Ａ１、Ａ２）により結合手段（４ａ及び４ｂ）が形成され、前記結合手段（４ａ及び４ｂ）は、前記アンテナ機構（６）を回路（２）に結合し、
   前記磁界型ループアンテナ機構（６）が少なくとも３つの区分（Ａ１、Ａ２、Ａ３）から形成されており、これら区分がそれぞれ互いに異なる幅を有しており、区分（Ａ１及びＡ３）の幅が、前記区分（Ａ１及びＡ３）間の連結区分として機能する区分（Ａ２）の幅Ｗ２よりも広いことを特徴とするアンテナ構造体。
2. 請求項１に記載のアンテナ構造体において、
   前記区分（Ａ１及びＡ３）間の連結区分として機能する前記区分（Ａ２）の前記幅Ｗ２が、前記導電性材料（１）の縦方向において変化することを特徴とするアンテナ構造体。
3. 請求項１又は２に記載のアンテナ構造体において、前記回路（２）がマイクロチップであり、このアンテナ構造体が前記マイクロチップを具えていることを特徴とするアンテナ構造体。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のアンテナ構造体において、前記アンテナ機構（６）及び結合手段（４ａ及び４ｂ）は、前記導電性材料（１）により前記基板（３）の周囲を包み込むことにより形成されていることを特徴とするアンテナ構造体。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のアンテナ構造体において、前記アンテナ機構（６）及び結合手段（４ａ及び４ｂ）が、印刷部品であることを特徴とするアンテナ構造体。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のアンテナ構造体において、前記回路（２）と前記アンテナ機構（６）との間の共役インピーダンス整合が、前記アンテナ機構（６）の一部である前記結合手段（４ａ及び４ｂ）によって実現されているアンテナ構造体。
7. 基板（３）を形成するステップと、
   前記基板（３）により支持された導電性材料（１）の磁界型ループアンテナ機構（６）を形成するステップと、
   を含むＲＦＩＤチップ（２）用のアンテナ構造体を形成する方法において、
   結合手段（４ａ及び４ｂ）は、前記磁界型ループアンテナ機構（６）の重複延長部（Ａ３、Ａ１、Ａ２）により形成され、前記アンテナ機構（６）を回路（２）に結合し、前記磁界型ループアンテナ機構（６）を少なくとも３つの区分（Ａ１、Ａ２、Ａ３）から形成し、これら区分がそれぞれ互いに異なる幅を有し、区分（Ａ１及びＡ３）の幅が、前記区分（Ａ１及びＡ３）間の連結区分として機能する区分（Ａ２）の幅Ｗ２よりも広いことを特徴とするアンテナ構造体を形成する方法。
8. 請求項７に記載のアンテナ構造体を形成する方法において、
   前記区分（Ａ１及びＡ３）間の連結区分（Ａ２）として機能する前記区分（Ａ２）の前記幅Ｗ２が、前記導電性材料（１）の縦方向において変化することを特徴とするアンテナ構造体を形成する方法。
9. 請求項７又は８に記載のアンテナ構造体を形成する方法において、前記回路（２）がマイクロチップであり、前記アンテナ構造体が前記マイクロチップを具えるようにすることを特徴とするアンテナ構造体を形成する方法。
10. 請求項７〜９の何れか一項に記載のアンテナ構造体を形成する方法において、前記アンテナ機構（６）及び結合手段（４ａ及び４ｂ）を、前記導電性材料（１）により前記基板（３）の周囲を包み込むことにより形成することを特徴とするアンテナ構造体を形成する方法。
11. 請求項７〜１０の何れか一項に記載のアンテナ構造体を形成する方法において、前記アンテナ機構（６）及び結合手段（４ａ及び４ｂ）を、プリント回路板技術により形成することを特徴とするアンテナ構造体を形成する方法。
12. 請求項７〜１１の何れか一項に記載のアンテナ構造体を形成する方法において、前記回路（２）と前記アンテナ機構（６）との間の共役インピーダンス整合を、前記アンテナ機構（６）の一部である前記結合手段（４ａ及び４ｂ）によって実現することを特徴とするアンテナ構造体を形成する方法。