JPWO2006077645A1 - アンテナ及びこれを搭載するｒｆｉｄ用タグ - Google Patents

Abstract

限られた面積内にキャパシタンス成分を持つＲＦＩＤ用ＬＳＩチップと共振するタグアンテナ及びこれを搭載するＲＦＩＤ用タグであって，アンテナと 前記アンテナと並列接続されるＬＳＩチップを有し，前記アンテナは，前記ＬＳＩチップが接続された給電端子と，前記給電端子に接続されたループアンテナと，前記ループアンテナのループをパイバスするパイバス導電路を有して構成される。

Description

本発明は，アンテナ及びこれを搭載するタグに関し，特にＲＦＩＤリーダライタとの送受信を行う非接触型タグ用に適したループアンテナで構成されるアンテナ及びこれを搭載するＲＦＩＤ用タグに関する。

近年，家畜動物等の生物を含む物品に物品情報を記憶したタグを付し，この情報を非接触により読み取りデータの管理を行うシステムの導入が広まっている。
かかるシステムの一例として，ＲＦ（無線周波数）ＩＤシステムと呼ばれるシステムがある。このシステムでは，ＵＨＦ帯（860〜960ＭＨｚ）の無線信号を用いてリーダライタから約１Ｗの信号を送信する。

タグ側でその信号を基に起動のための電力を生成し，更に信号に含まれる指令情報に対応してタグ側からリーダライタ側へ応答信号を送り返す。これにより，タグ内の情報をリーダライタ側で読み取ることができる。

物品に付されるタグは，アンテナとアンテナに接続される機能チップから構成される。タグとリーダライタ間の通信距離は，タグに内蔵されたアンテナのゲイン，チップの動作電圧や周囲環境に依存するが，およそ３ｍ前後である。

ここで，タグに搭載されるＬＳＩチップ２０のインタフェース部は，アンテナとＬＳＩチップの整合を説明する図１に示したように，抵抗Ｒｃ（たとえば抵抗値＝1000Ω）とキャパシタＣ（例えばキャパタンス値＝0.7ｐＦ）の並列接続で等価的に示すことができる。一方，タグに搭載されるアンテナ（タグアンテナという）１は抵抗Ｒａ（例えば抵抗値＝1000Ω）と，インダクタＬ（例えばインダクタンス値＝40ｎＨ）の並列接続で等価的に示すことができる。

両者を並列接続することにより，キャパシタンス値Ｃとインダクタンス値Ｌが共振し，式（１）から分かるように，虚数成分がほぼゼロとなり整合し，タグアンテナ１０での受信パワーがＬＳＩチップ２０側へ十分に供給されることになる。

タグアンテナ１０は，通常，全長λ/２共振型ダイポールアンテナとする場合が最も基本的であり，ＵＨＦ帯では，およそ１５０ｍｍ必要となる。しかしながら，例えばタグを家畜の耳に貼り付け，管理する場合等を考慮すると，最大直径３５ｍｍ程度の大きさのタグとして形成することが要求される。

しかし，そのような要求される大きさでλ/２共振型ダイポールアンテナを形成することはほぼ不可能である。

そこで，図２のような，給電端子３に接続されるループアンテナ１で構成されるループアンテナを用いることが考えられる。ループアンテナは，例えば，非特許文献１に解説されている特性を有するものである。すなわち，給電端子３に接続される円形ループ１に一様で同相電流が流れる場合，ループの半径が大きくなるにつれて電力パターンのローブの数が増すことが説明されている。
アンテナ工学ハンドブック，Ｐ２０−２２（平成１１年３月５日 オーム社発行）

ここで，上記の通り，ＲＦＩＤシステムに用いるタグにおいては，図１に示したように，ＬＳＩチップ２０側のインタフェース部のキャパシタンス値Ｃとタグアンテナ１０のインダクタンス値Ｌが，使用する周波数で共振することが，チップ２０とタグアンテナ１０間の整合に関して最も重要である。

これに対し，タグアンテナ１０を図２に示すようなループアンテナ構造のみ構成する場合は，図１に示したようなインダクタＬの部分を持たないため，ＬＳＩチップ２０のインタフェース部とは，良好な整合が行われずタグアンテナ１０からチップ２０側への十分な電力供給がされなくなり，極端に通信距離が落ちるという不都合がある。

また，取り扱いの便宜上，タグアンテナ１０を誘電体のケースに収め，ユニットとして用いる場合等，ケースとして使用する誘電体の誘電率や厚さを十分考慮に入れたアンテナ形状にしなければなければならない。

したがって，本発明の目的は，限られた大きさでキャパシタンス成分を持つＲＦＩＤ用ＬＳＩチップと共振するタグアンテナとこれを搭載するＲＦＩＤ用タグを提供することにある。

上記課題を達成する本発明に従うアンテナの第１の態様は，給電端子と，前記給電端子に接続されたループアンテナと，前記ループアンテナのループをパイバスするパイバス導電路を
有して構成されることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うアンテナの第２の態様は，第１の態様において，前記パイバス導電路を前記ループアンテナの中心から距離Ｓを有して配置し，前記距離Ｓの大きさを前記パイバス導電路によるインダクタが，所定のインダクタンス値になるように設定されていることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うアンテナの第３の態様は，第２の態様において，前記所定のインダクタンス値は，前記給電端子に接続されるＬＳＩチップのインタフェース部のキャパシタンス値と共振する値であることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うＲＦＩＤ用タグの第１の態様は，前記アンテナと並列接続されるＬＳＩチップを有し，前記アンテナは，前記ＬＳＩチップが接続された給電端子と，前記給電端子に接続されたループアンテナと，前記ループアンテナのループをパイバスするパイバス導電路を有して構成されることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うＲＦＩＤ用タグの第２の態様は，ＲＦＩＤ用タグの第１の態様において，前記パイバス導電路を前記ループアンテナの中心から距離Ｓを有して配置し，前記距離Ｓの大きさを前記パイバス導電路によるインダクタが，所定のインダクタンス値になるように設定されていることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うＲＦＩＤ用タグの第３の態様は，ＲＦＩＤ用タグの第２の態様において，前記所定のインダクタンス値は，前記給電端子に接続されるＬＳＩチップのインタフェース部のキャパシタンス値と共振する値であることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うＲＦＩＤ用タグの第４の態様は，ＲＦＩＤ用タグの第１の態様において，さらに，前記アンテナの少なくとも一面側に配置され，前記アンテナを保持する誘電体板を有して構成されることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うＲＦＩＤ用タグの第５の態様は，ＲＦＩＤ用タグの第４の態様において，前記誘電体板の中心に貫通穴が設けられていることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うＲＦＩＤ用タグの第６の態様は，ＲＦＩＤ用タグの第５の態様において，前記パイバス導電路は，前記貫通穴を避ける前記貫通穴の周辺に沿う弧を有していることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うＲＦＩＤ用タグの第７の態様は，ＲＦＩＤ用タグの第４の態様において，前記誘電体板に，前記ループアンテナに対応する，少なくとも前記ＬＳＩチップを収容可能な幅と深さを有する環状の堀溝を有していることを特徴とする。

上記課題を達成する本発明に従うＲＦＩＤ用タグの第８の態様は，ＲＦＩＤ用タグの第４の態様において，前記アンテナは，シート上にＣｕ, Ａｇ, Ａｌのいずれかを主成分とする導体で形成されることを特徴とする。

本発明により，直径３５ｍｍ程度の非常に限られた面積内に，キャパシタンス成分を持つＲＦＩＤ用ＬＳＩチップと共振するタグアンテナ及び，これを搭載するタグを供給することができる。

図１は，アンテナとＬＳＩチップの整合を説明する図である。 図２は，従来のループアンテナを説明する図である。 は，本発明に従うアンテナの構成原理を説明する図である。 図４は，インダクタンス値Ｌとループアンテナ１の中心からバイパス導電線２までの距離Ｓとの関係を示すグラフである。 は，図３に示した本発明の原理に従う第１の実施例を示す図である。 は，ＲＦＩＤ用タグを物品に取り付けるための構造を考慮した実施例である。 は，図５の実施例に対し，ＲＦＩＤ用タグを物品に取り付けるための構造を考慮した実施例である。 は，ＬＳＩチップをタグアンテナとの一体構成とする実施例である。 は，さらに他の実施例構成を示す図である。 は，タグアンテナの片側のみに誘電体を形成した実施例を示す図である。 は，本発明に従うアンテナの電磁界シミュレーションで得られたアンテナ指向特性を示す図である。 は，図１１における三軸方向ｘ，ｙ，ｚの定義を示す図である。

符号の説明

１ ループアンテナ
２ バイパス導電路
３ 給電端子
１０ タグアンテナ
２０ ＬＡＳチップ
４，５誘電体板
６ 貫通穴
３０ 堀溝

以下に本発明の実施の形態例を図面に従い説明する。なお，実施の形態例は，本発明の理解のためのものであり，本発明の技術的範囲がこれに限定されるものではない。
［本発明の原理］
ここで，実施例説明に先だって，図３により本発明に従うアンテナの構成原理を説明する。図３において，給電端子３に接続されるループアンテナ１を形成する。さらに整合用インダクタＬとしてループアンテナ１の内部にバイパス導電線を形成する。さらに，図３において，Ｓはバイパス導電線２が形成されるループアンテナ１の中心からの距離であり，その距離Ｓの大きさに応じてバイパス導電線２によるインダクタンス値Ｌのパラメータ（Ｓ）が変化する。

図４は，インダクタンス値Ｌとループアンテナ１の中心からバイパス導電線２までの距離Ｓとの関係を示すグラフである。図４に示す数値は，電磁界シミュレータによって得られた計算値であり，ループアンテナ１の中心からの距離Ｓに依存してインダクタンス値Ｌが変化することが理解できる。したがって，距離Ｓを適宜選択することによりＬＳＩチップ２０のインタフェース部のキャパシタンス値Ｃと整合するタグアンテナ１０のインダクタンス値Ｌを設定することが可能である。

例えば，整合しようとするＬＳＩチップ２０のキャパシタＣのキャパシタンス値がＣ=0.7pFの時，上記式（１）より，ｆ=９５０ＭＨz付近では，Ｌ=４０ｎＨで共振する。したがって，図４より，Ｌ=４０ｎＨｚとなるのは，図３の例ではアンテナがそのまま空中に置かれる場合，空気の誘電率εｒ(＝０)であり，特性曲線ＡにおいてＳ=4.2ｍｍとすれば，タグアンテナ１０とＬＳＩチップ２０が整合することが読み取れる。

なお，本発明者等は，多くの試作実験からタグアンテナ１０の大きさを最外外形３３ｍｍ，導体材料としてＣｕを用い，その厚みを２０μｍ，線幅を２ｍｍとしたときのアンテナの並列抵抗Ｒａの抵抗値が約1000Ωとなることを確認している。したがって，ＬＳＩチップ２０の実部抵抗Ｒｃが例えば1000Ω〜2000Ω程度になっても十分に整合することが可能である。

図３において，ループアンテナ１及びバイパス導電線２で構成されるアンテナ平面の上下または片面に誘電体板を形成してタグアンテナ１０を保持することが可能である。その際，誘電体板の誘電率，厚さに応じてパラメータ（Ｓ）を選択することが望ましい。
［実施例］
図５は，図３に示した本発明の原理に従う第１の実施例を示す図である。図５Ａは，平面図であり，図５Ｂは，中央断面図である。

ループアンテナ１及びバイパス導電線２で構成されるタグアンテナ１０のアンテナ平面の上下に誘電体板４，５を配置し，タグアンテナ１０を挟んで，その形状を保持する構成である。そのために，誘電体板４，５は，例えば樹脂接着剤等によりタグアンテナ１０を挟んで固着される。

この実施例は，図３の原理図に対応し，給電端子３に接続されるループアンテナ１の途中からバイパス導電線２が接続され，インダクタンスＬ成分が形成される。

寸法は，実施例として，ループアンテナ１の最外外形３３ｍｍ，導体材料としてＣｕを用い，その厚みを２０μｍ，線幅を２ｍｍとした。誘電体板４，５の厚さはｔ＝１ｍｍとした。

誘電体板４，５をプラスチック，ゴム等の材料とすると誘電率は，およそεr=３〜５の値を取ることはよく知られている。したがって，電磁界シミュレータによってεr=３及び，εr=５として特性を求めると，それぞれ図４における特性曲線Ｂ，Ｃに示すごとくであった。

空気の誘電率εr=０の場合の特性曲線Ａにおけると同様に，インダンクタンス値Ｌは，距離Ｓにより変わり，ループアンテナ１のループ中心Ｏからバイパス導電線２までの距離をＳとする。上記の図４に示す電磁界シミュレータによって得られた計算値に基づき，図５に示す構成において，誘電体板４，５を誘電率εr=３としたとき，特性曲線Ｂが対応し，εr=５としたとき，特性曲線Ｃが対応する。したがって，Ｌ=４０ｎＨで共振するためには，εr=３とする場合はＳ＝６ｍｍ，εr=５とする場合はＳ＝７．５ｍｍとすればよいことが判る。

ここで，ＲＦＩＤ用タグを物品に取り付けるための構造を考慮することが必要である。図６は，かかる必要性に対応する実施例である。ＲＦＩＤ用タグの中央部に貫通穴６が形成されている。この貫通穴６を利用して物品にタグを取り付けることが可能である。

しかし，中心に貫通穴７が形成されることにより貫通穴６がバイパス導電線２に重なることになる。そこで，図６の実施例では，バイパス導電線２を貫通穴６を避けるべく，貫通穴６の周辺に沿った弧２ａを有するように形成する。この弧２ａは固定しておき，バイパス導電線２における直線状の導電線部分までの距離Ｓをパラメータに取って電磁界シミュレーションした結果，図４におけるεr=３, またはεr=５に示した特性曲線Ａ，Ｂに一致した。

図６において，貫通穴６の半径をｒ1=6.5ｍｍ, 導体幅は２ｍｍとし，距離Ｓを（貫通穴６の半径＋導体幅）以上（すなわちＳ>
8.5ｍｍ）とした場合，実施例１と同様，例えば，チップのキャパシタンス値がＣ=0.7ｐＦの時，式１より，ｆ=950ＭＨｚ付近ではＬ=40ｎＨで共振する。

図４より，Ｌ=40ｎＨとなるのは，εr=３の場合，Ｓ=6.1ｍｍ，εr=５の場合，Ｓ=7.5ｍｍであるので，図６に示す構成のアンテナで比誘電率に応じて適切なＳを選んで形成することにより，チップ２０とアンテナ１０を整合することができる。

図７は，さらに貫通穴６を設ける実施例であり，図５に示した実施例に対し，貫通穴６の半径の大きさを，バイパス導電線２のループアンテナ１の中心からの距離Ｓより小さくすることにより図６に示した弧２ａを設ける必要はなく構成できる。

ここで， ＬＳＩチップ２０は，タグアンテナ１０と一体に構成されることが望ましい。図８は，かかる要求に対応する実施例構成である。

図８において，図６に対応するループアンテナ１とバイパス導電路２構成されるタグアンテナ１０の給電端子にＬＳＩチップ２０を接続する。図８Ａは，誘電体板５に係る構成のタグアンテナ１０とＬＳＩチップ２０を搭載した図である。

一方，図８Ｂは，誘電体板４であり，特徴としてループアンテナ１に対応する環状の堀溝３０を有している。堀溝３０は，少なくともチップの厚さ0.5ｍｍ程度を有するＬＳＩ チップ２０を収容できる幅と深さを有している。したがって，誘電体板５，ＬＳＩチップ２０を接続したタグアンテナ１０及び誘電体板４の順に重ね合わせることにより図８Ｃに示すごとく一体に形成できる。

特徴として，重ねあわせの際に，ＬＳＩチップ２０がどの位置に来ても，誘電体板４に堀溝３０によりＬＳＩチップ２０を受けることが可能のスペースが確保されるため，上下の誘電体，５をぴたりと張り合わせることができる。このことにより，タグアンテナ１０を上下誘電体４，５で挟み込む際の工数が削減され，安価なアンテナユニットの供給が可能である。

図９は，さらに他の実施例構成である。上記各実施例において，ループアンテナ１及びバイパス導電体２で構成されるタグアンテナ１０の作成方法として，紙やＰＥＴ（ポリエチレンシート）等の非常に薄いシート４０（例えば0.1ｍｍ）上にＣｕ，Ａｇ，Ａｌ等（例えば厚さ20μｍ）を材料とする薄い導電体で形成することができる。あるいは，薄い導電体の代わりにワイヤ状の導線を用いても良い。

また，上記実施例において，ループアンテナ１及びバイパス導電体２で構成されるタグアンテナ１０を誘電体４，５で挟む構成を示したが，タグアンテナ１０の保持という観点から，図１０に示すように，タグアンテナ１０の片側のみに誘電体４（５）を形成するように構成することも可能である。

図１１は，本発明に従うアンテナの電磁界シミュレーションで得られたアンテナ指向特性を示す図である。三軸方向ｘ，ｙ，ｚを図１２に示すように定義し，更にｘ，ｙ平面におけるｘ軸からの角度をφ，ｚ軸からの角度をθとする。

図１１Ａから，φ＝９０°即ち，ｙ軸方向においてｚ軸からの角度θが９０°及び−９０°の時，最大の指向特性を持つことが示される。また，図１１Ｂから，φ＝０°即ち，ｘ軸方向においてｚ軸からの角度θが９０°及び−９０°の時，最大の指向特性を持つことが示される。概ね，図１１Ａ，図１１Ｂにおいて同じ指向特性を示しているが，θ＝０（図１１Ｂ）よりもθ＝９０°（図１１Ａ）の方に指向性が向いており，ループアンテナ特有の結果が得られている。

したがって，これら指向特性から本発明に従うアンテナは，好ましい指向特性を有することが理解できる。よって，本発明のアンテナを搭載するＲＦＩＤ用タグを物品に用いてＲＦＩＤタグとする場合，動物等の動く物品にも適用が可能であり，適用の範囲は広いものである。本発明により，直径３５ｍｍ程度の非常に限られた面積内に，キャパシタンス成分を持つＲＦＩＤ用ＬＳＩチップと共振するタグアンテナ及び，これを搭載するＲＦＩＤ用タグを供給することができる。

また，本発明は，予め計算しておいたＬＳＩチップのインタフェース部のキャパシタンスＣと共振するインダクタンスＬを有するインダクタを構成するバイパス導電路の配置，誘電体板の誘電率や厚みに応じた最適な寸法を容易に判断することができる。

さらに，製造工程にいてＬＳＩチップがどの位置にあっても上下の誘電体を容易に重ね合わせることができる。

Claims (11)

1. 給電端子と，
   前記給電端子に接続されたループアンテナと，
   前記ループアンテナのループをパイバスするパイバス導電路を
   有して構成されることを特徴とするアンテナ。
2. 請求項１において，
   前記パイバス導電路を前記ループアンテナの中心から距離Ｓを有して配置し，前記距離Ｓの大きさを前記パイバス導電路によるインダクタが，所定のインダクタンス値になるように設定されていることを特徴とするアンテナ。
3. 請求項２において，
   前記所定のインダクタンス値は，前記給電端子に接続されるＬＳＩチップのインタフェース部のキャパシタンス値と共振する値であることを特徴とするアンテナ。
4. アンテナと
   前記アンテナと並列接続されるＬＳＩチップを有し，
   前記アンテナは，
   前記ＬＳＩチップが接続された給電端子と，
   前記給電端子に接続されたループアンテナと，
   前記ループアンテナのループをパイバスするパイバス導電路を
   有して構成されることを特徴とするＲＦＩＤ用タグ。
5. 請求項４において，
   前記パイバス導電路を前記ループアンテナの中心から距離Ｓを有して配置し，前記距離Ｓの大きさを前記パイバス導電路によるインダクタが，所定のインダクタンス値になるように設定されていることを特徴とするＲＦＩＤ用タグ。
6. 請求項５において，
   前記所定のインダクタンス値は，前記給電端子に接続されるＬＳＩチップのインタフェース部のキャパシタンス値と共振する値であることを特徴とするＲＦＩＤ用タグ。
7. 請求項４において，
   さらに，前記アンテナの少なくとも一面側に配置され，前記アンテナを保持する誘電体板
   を有して構成されることを特徴とするＲＦＩＤ用タグ。
8. 請求項７において，
   前記誘電体板の中心に貫通穴が設けられていることを特徴とするＲＦＩＤ用タグ。
9. 請求項８において，
   前記パイバス導電路は，前記貫通穴を避ける前記貫通穴の周辺に沿う弧を有していることを特徴とするＲＦＩＤ用タグ。
10. 請求項７において，
    前記誘電体板に，前記ループアンテナに対応する，少なくとも前記ＬＳＩチップを収容可能な幅と深さを有する環状の堀溝を有していることを特徴とするＲＦＩＤ用タグ。
11. 請求項７において，
    前記アンテナは，シート上にＣｕ, Ａｇ, Ａｌのいずれかを主成分とする導体で形成されることを特徴とするＲＦＩＤ用タグ。

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