JP5230302B2 - 無線ｉｃタグおよび無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線ＩＣタグおよびこれを用いた無線通信システムに関する。

情報通信の分野のみならず、物流管理などの分野でも無線通信技術が応用され、無線通信用のＩＣタグ（以下では単に「ＩＣタグ」という。）は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）技術の一翼を担う製品として広く知られる、物流管理や、安価な情報記憶媒体として使用用途は多岐にわたることから、無線通信機器は、様々な使用環境に置かれることになる。

ＩＣタグは、識別番号などのデータを記憶するチップと、電波を送受信するためのアンテナとからなり、薄型、軽量で実現できることが大きな利点となっている。

このような利点を十分に生かすためには、タグの貼り付け位置に制限がなく、どこにどのように貼り付けても、通信可能に構成されていることが好ましいとされる。

しかしながら、ＩＣタグは、本来周囲に金属などの障害物のない自由空間に近い環境で使用するように設計されており、超短波帯、極超短波帯、マイクロ波帯の電波を利用する場合、汎用タグはいわゆるダイポールアンテナ用いて電波方式の通信による送受信を行っているので、金属などがアンテナ近傍に存在すると、アンテナの通信特性が劣化し、通信可能距離が短くなってしまう。

一般にダイポールアンテナ、モノポールアンテナおよびループアンテナ構成のＩＣタグは特定周波数の電波を受信することで、アンテナ内に共振電流が発生し、これがＩＣチップを流れる際に、自由空間におけるアンテナの給電点インピーダンスとチップインピーダンスとの整合が取れるように設計されている。

アンテナやチップの近傍に導電性材料が存在すると、アンテナを流れる電流と逆向きの電流が導電性材料表面に誘導されることになり、さらにアンテナと向かいあう導電性材料表面の、それぞれの電界の高い箇所と低い箇所とが高周波的に繋がることになり、アンテナおよび導電性材料を介して立体的なループ状の電気路が発生してしまう。

このループ状の電気路の発生がアンテナを流れる電流のインピーダンスを大幅に低下させるため、導電性材料がＩＣタグの近傍に存在するような使用環境では、自由空間に近い環境での使用を念頭において設計されたＩＣチップとのインピーダンスと整合がとれなくなり、情報信号の伝達ができなくなってしまう。これにより無線ＩＣタグの通信可能距離が短くなる。

また、金属に限らず、紙、ガラス、樹脂、液体なども近傍に存在することで、ＩＣタグの通信特性を劣化させ、通信可能距離を短くする材質となりうる。

導電性材料以外のこれらの材質の場合は、これらの材質がもつ誘電性および磁性によってアンテナの共振周波数が変化し、読み取り機や質問器などの通信相手が使用する電波の周波数と、アンテナの共振周波数とがずれることによって通信可能距離が短くなってしまう。

特許文献１記載の無線用ＩＣタグのように、ＩＣチップとこれに接続された第１のアンテナと、第１のアンテナとＩＣチップを取り付ける部材との間に設けられる第１のスペーサとを有し、さらに第２のアンテナと、第１のアンテナと第２のアンテナとの間に設けられる第２のスペーサを有することで、ＩＣタグが金属近傍に実装されたとしても、通信距離を改善することができる。

特許文献２記載のＲＦＩＤタグは、誘電体部材の第１の面、第２の面に所定の間隔をおいて形成される第１、第２のループパターンアンテナとを備え、一方の面において、第１、第２のループパターンアンテナに電気的にＩＣチップが接続されている。

特開２００５−２１０６７６号公報 特開２００７−２７２２６４号公報

特許文献１は、通信周波数が２．４５ＧＨｚ帯のＩＣタグであり、通信距離は１３０ｍｍと短く、近距離での通信にしか使用できない。

また、特許文献１のＩＣタグは、積層数も多く部材点数が多いため、全体的に厚くなり、製造工程も複雑化してしまう。特許文献２記載のＲＦＩＤタグは、ループアンテナの構造が複雑であり、２つのループアンテナを対象位置に形成すると、製造工程が複雑化してしまう。

本発明の目的は、厚みが薄く、通信可能距離を改善することができる無線ＩＣタグおよび無線通信システムを提供することである。

本発明は、所定の周波数帯の電磁波によって無線通信を行う無線ＩＣタグであって、
導体層で構成される電界型パターンアンテナおよび該導体層に単数または複数のスロットとして形成された磁界型パターンアンテナ含む複合アンテナと、この複合アンテナを介して無線通信する集積回路とを有するＩＣタグ層と、
前記ＩＣタグ層に積層され、非導電性で、かつ、前記無線通信に用いられる所定の周波数で前記複合アンテナが共振するために必要な誘電率および透磁率を有するインピーダンス調整層と、
前記インピーダンス調整層を挟んで前記ＩＣタグ層とは反対側に設けられ、前記無線通信に用いられる電磁波を反射する導電性反射層とを含み、
前記導体層の面積に対する前記スロットの開口面積の比が２／１０〜８／１０であることを特徴とする無線ＩＣタグである。

また本発明は、前記複合アンテナは、電界型パターンアンテナおよび磁界型パターンアンテナのそれぞれの共振周波数が同じか、通信可能周波数帯域が少なくとも部分的に重なるように構成されることを特徴とする。

また本発明は、前記複合アンテナは、スロット内にリアクタンス構造部を装荷し、インピーダンス調整機能を付与したことを特徴とする。

また本発明は、前記複合アンテナは、前記スロットから外方に向かって延びる切り欠きが設けられることを特徴とする。
また本発明は、上記の無線ＩＣタグを用いることを特徴とする無線通信システムである。

本発明によれば、ＩＣタグ層と、インピーダンス調整層と、導電性反射層とを含む無線ＩＣタグである。ＩＣタグ層は、導体層で構成される電界型パターンアンテナおよび該導体層に単数または複数のスロットとして形成された磁界型パターンアンテナ含む複合アンテナと、この複合アンテナを介して無線通信する集積回路とを有し、インピーダンス調整層は、前記ＩＣタグ層に積層され、非導電性で、かつ、前記無線通信に用いられる所定の周波数で前記複合アンテナが共振するために必要な誘電率および透磁率を有する。たとえば、複素比誘電率εおよび複素比透磁率μの実数部が８０以下であり、誘電損失および磁性損失ｔａｎδが１以下である。導電性反射層は、前記インピーダンス調整層を挟んで前記ＩＣタグ層とは反対側に設けられ、前記無線通信に用いられる電磁波を反射する。

電界型パターンアンテナおよび磁界型パターンアンテナ含む複合アンテナを用いることにより、共振周波数を合わせることが可能でアンテナからのエネルギー放射がしやすくなる。また、インピーダンス調整層が低損失であるとともに、電磁波を集めて通過させ、導電性反射層が電磁波を反射することにより、さらにエネルギー放射特性が向上し、通信可能距離を改善することができる。

さらに導電性反射層を設けることで、金属近傍に実装されたとしても、通信距離を改善することができる。
また、導体層の面積に対するスロットの開口面積の比を２／１０〜８／１０とすることで、電界型アンテナおよび磁界型アンテナのようにメカニズムの異なる２種類のアンテナを重畳させることが可能となる。ここで導体層の面積は電界型アンテナの面積に当たり、スロットの開口面積が磁界型アンテナの面積に相当することから、導体層の面積に対するスロットの開口面積の比が２／１０〜８／１０の範囲にあるとき、両アンテナの特性を併存することが可能となるといえる。比が２／１０より小さい場合は、磁界型アンテナの特性が不十分であり、比が８／１０より大きくなると、共振電流の流れる部分の面積が不十分になり、電界型アンテナの特性が劣ってしまう。

また本発明によれば、前記複合アンテナは、電界型パターンアンテナおよび磁界型パターンアンテナのそれぞれの共振周波数が同じか、通信可能周波数帯域が少なくとも部分的に重なるように構成される。

これにより、それぞれのアンテナにおいて、送受信特性が向上し、その結果、通信距離をさらに改善することができる。

また本発明によれば、前記複合アンテナは、スロット内にリアクタンス構造部を装荷し、インピーダンス調整機能を付与したことにより、インピーダンスの整合性が向上し、その結果、通信距離をさらに改善することができる。

また本発明によれば、前記複合アンテナは、前記スロットから外方に向かって延びる切り欠きが設けられる。

これにより、インピーダンスの整合性が向上し、その結果、通信距離をさらに改善することができる。

また本発明によれば、上記の無線ＩＣタグを用いることで、読み取り間違いや、読み取り不良が発生しない無線通信システムを実現することができる。

図１は、本発明の実施の一形態である無線ＩＣタグ１の構成を示す平面図である。図２は、図１の平面図の切断面線ＩＩ−ＩＩで切断した無線ＩＣタグ１の断面図である。

本発明は、所定の周波数帯の電磁波によって無線通信を行う無線ＩＣタグであり、アンテナと集積回路（ＩＣチップ）とが設けられるＩＣタグ層２と、このＩＣタグ層２に積層されて、非導電性で、かつ無線通信に用いられる電磁波を集めて通過させる非導電層３と、非導電層３を挟んでＩＣタグ層２とは反対側に設けられ、無線通信に用いられる電磁波を反射する導電性反射層４とを含んで構成される。

ＩＣタグ層２に設けられるアンテナ５は、複合アンテナであり、パッチアンテナなどの電界型パターンアンテナと、スロットアンテナなどの磁界型パターンアンテナ含んで構成される。集積回路（ＩＣチップ）６は、この複合アンテナに接続され、読み取り機（リーダー）から発信される電波を複合アンテナに受信し、集積回路で記憶している識別番号（ＩＤ）などの情報を付加してリーダーに送信する。

ＩＣタグ層２は、金属など導電性を有する材料であって、容易にパターン形状を形成することが可能な材料を使用することができ、非導電層３表面に直接設ける場合には、非導電層３を構成する材料との接合強度を十分に有し、基材を介する場合には、基材を構成する材料との接合強度を十分に有するものが好適である。

基材を介する場合とは、たとえば、基材となるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂フィルムの表面に金属薄膜を所定のパターン形状に蒸着させたもの、導電インクを基材上に塗布したものなどを用いる場合である
ＩＣタグ層２を構成する具体的な材料としては、金、白金、銀、ニッケル、クロム、アルミニウム、銅、亜鉛、鉛、タングステン、鉄などの金属であってもよく、樹脂に上記金属の粉末、導電性カーボンブラックなどの導電性材料の混入された樹脂混合物、導電性複合物、炭素繊維などの導電性基材、公知の導電性インクあるいは導電性樹脂のフィルムなどであってもよく、ＩＴＯやＺｎＯなどの導電性酸化物でもよい。

アンテナ５の形状の詳細については、後述する。
インピーダンス調整層である非導電層３は、非導電性材料で構成され、無線通信に用いられる電磁波を集めて通過させる機能を有し、さらにアンテナのインピーダンスを調整する機能も有する。

具体的には、非導電性である誘電体層からなる層であり、複素比誘電率の実数部ε’および／または複素比透磁率の実数部μ’を有するが、それぞれの損失成分である複素比誘電率の虚数部ε”および／または複素比透磁率の虚数部μ”はできるだけ低く抑えられた材料から構成される。

非導電層３は、ＩＣタグ層２の近傍に位置し、その複素比誘電率の実数部ε’および／または複素比透磁率の実数部μ’により無線ＩＣタグ１に受信した電磁波の伝播経路を曲げることが可能となり、さらに波長短縮効果により無線ＩＣタグ１の厚さを薄型化することができる。

非導電層３を構成する材料の複素比誘電率の実数部ε’の範囲は、無線通信を行うための電磁波の周波数帯において、１．２〜１００であり、好ましくは１．２〜８０であり、複素比透磁率の実数部μ’の範囲は、無線通信を行うための電磁波の周波数帯において１〜１００であり、好ましくは１〜８０である。誘電損失ｔａｎδ（＝ε”／ε’）および磁性損失ｔａｎδ（＝μ”／μ’）は、１以下である。

好適には、ＩＣタグ層２に近いところに高ε’および／または高μ’の材料からなる非導電層を位置させるのが、波長短縮効果を得やすくなり、本実施形態では、ＩＣタグ層２に非導電層３を隣接させて配置している。

アンテナであるＩＣタグ層２と導電性反射層４との間に非導電層３を配置することで、その間に形成されるコンデンサーのキャパシタンス容量を変更したり、スロットアンテナ部分から導電性反射層４の間に磁界の通過し易い磁気特性を有する磁気経路を形成できたり、インピーダンスを変えることにより整合状態も変更でき、アンテナ特性を制御することが可能となる。また、アンテナに広帯域特性を付与するためには、Ｑ値を下げることを行うが、そのため非導電層３の誘電損失ｔａｎδや磁性損失ｔａｎδを１に近づけるように大きくすることもある。

上記のように非導電層３を構成する材料の複素比誘電率の実数部ε’の範囲は、無線通信を行うための電磁波の周波数帯において１．２〜１００の範囲であり、複素比透磁率の実数部μ’の範囲は、無線通信を行うための電磁波の周波数帯において１〜１００である。

複素比誘電率の実数部ε’が１．２より小さいと、電磁波を取り入れる能力を欠き、アンテナ近傍でアンテナ用部材として電磁波の進行（速度や向き）に制御する材料になり得ない。また複素比透磁率の実数部μ’が１よりも小さい場合も同様である。さらにε’およびμ’を大きくする場合、酸化チタンなどの誘電損失材料やカーボンブラックや黒鉛などの導電損失材料や鉄などの金属や鉄系アロイ、フェライトなどの酸化鉄などの磁性損失材料などをバインダーに配合することになる。ただし、ＵＨＦ帯などの高周波数でε’およびμ’を１００よりも大きくすると、波長短縮効果は大きくなるが、Ｑ値が大きく且つ鋭くなるため、共振周波数帯域が非常に狭くなり、品質安定が難しくなり、アンテナとして使用することが難しくなる。

非導電層３は、単層でも多層でもよく、空気層を含有する構成も可能である。例えば、誘電体層として発泡体、樹脂、紙、接着剤、粘着剤などを用いることができる。

非導電層３を構成する具体的な材料としては、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）樹脂、塩素化ポリエチレン、ポリエステルエラストマー、ウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂、ＮＢＲ、ＣＲ、ＮＲ、アクリルゴム、シリコンゴムなどのゴム、熱可塑性エラストマー、あるいは樹脂組成物やブレンド、アロイ系材料などを用いることができる。好ましくはＥＶＡである。

導電性反射層４は、非導電層３のＩＣタグ層２とは反対側の表面上に、全面にわたって導電性膜が形成されて構成される。この導電性反射層４は、非導電層３との界面において、無線ＩＣタグ１が無線通信を行うための電磁波であって、ＩＣタグ層２を介して受信した電磁波を反射する。

導電性反射層４は、金属など導電性を有する材料であって電磁波を反射することが可能な材料であれば使用することができ、たとえば、ＩＣタグ層２と同様に金、白金、銀、ニッケル、クロム、アルミニウム、銅、亜鉛、鉛、タングステン、鉄などの金属であってもよく、樹脂に上記金属の粉末、導電性カーボンブラックの混入された樹脂混合物、公知の導電性インクあるいは導電性樹脂のフィルムなどであってもよく、ＩＴＯやＺｎＯなどの導電性酸化物でもよい。これらの金属等が、板、シート、フィルム、不織布、クロスなどに加工されたものであってもよい。また金属箔とガラスクロスを組み合わせた形態でもよい。さらに蒸着、メッキ、溶着、積層等にて導電性を付与したものであってよく、また単独に導電性を発現する材料であってもよい。

非導電層３と、ＩＣタグ層２および導電性反射層４とはそれぞれ接着剤を介して接着固定される。

導電性反射層４のさらに外側には、貼付層（不図示）を設けてもよい。本発明の無線ＩＣタグ１は、タグ単体で使用されることは少なく、管理対象、識別対象となる物品に貼り付けて使用されることがほとんどである。貼付層は、粘着性または接着性を有し、無線ＩＣタグを物品に貼着するための貼着材から成る層である。貼着材は、粘着剤および接着剤の少なくとも１種類を含み、粘着性または接着性による接合力を有している。

貼付層は、導電性反射層４のさらに外側に設けられるので、無線ＩＣタグ１の通信特性には影響を与えず、種々の粘着剤、接着剤を選択することができる。

本発明の無線ＩＣタグ１が無線通信を好適に行うために対象とする電磁波は、用途によって決定されるものであるが、たとえば高ＭＨｚ帯に含まれる周波数の電磁波であって、さらに具体的には、日本国内では９５３ＭＨｚを中心とする９５０ＭＨｚ以上９５６ＭＨｚ以下の範囲に含まれる周波数帯の電磁波である。このような例示の周波数以外の周波数帯の電磁波、たとえばヨーロッパで主に用いられる８６８ＭＨｚを中心とする８６６ＭＨｚ以上８６８ＭＨｚ以下の範囲に含まれる周波数帯の電磁波を対象とする構成も本発明に含まれる。世界の主要な地域のＲＦＩＤ用途のＵＨＦ帯は、８６０ＭＨｚ以上９６０ＭＨｚ以下の範囲に含まれ、このような周波数帯の電磁波を対象とする構成は、本発明に含まれる。

また本発明の無線ＩＣタグ１は、２．４ＧＨｚ帯の周波数の電磁波による無線通信を好適に行うために用いられることがある。２．４ＧＨｚ帯は、２４００ＭＨｚ以上２５００ＭＨｚ未満の周波数範囲である。ＲＦＩＤシステムで用いられる電磁波は、２４００ＭＨｚ以上２４８３．５ＭＨｚ以下の範囲に含まれる。

さらに、無線通信の対象とするこれらの電磁波の周波数帯は例示であり、本発明の無線ＩＣタグ１が通信の対象とする電磁波の周波数帯は、特に限定されるものではないが、３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下の範囲を含み、任意の単数または複数の周波数を選択することができる。この３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下の範囲には、ＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）、ＳＨＦ帯（３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）およびＥＨＦ帯（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）が含まれる。

ＩＣタグ層２、非導電層３および導電性反射層４のそれぞれの厚み寸法、ならびに無線ＩＣタグ１の総厚み寸法は、従来の無線ＩＣタグに比べて薄く形成される。

本実施の形態では、ＩＣタグ層２の厚み寸法は、２０μｍ以上２００μｍ以下であり、非導電層３の厚み寸法は、１０μｍ以上１ｍｍ以下であり、導電性反射層４の厚み寸法は、２０μｍ以上２００μｍ以下であり、ＩＣタグ１の総厚み寸法は、５０μｍ以上１．５ｍｍ以下である。無線ＩＣタグ１は、総厚み寸法が薄く、可撓性を有しており、自在に変形させることができる。

上記のように、無線ＩＣタグ１は、物品に貼り付けて使用されるので、物品自体の形状が曲面を有する場合は、物品表面の曲面に沿って貼り付けることが好ましい。総厚み寸法が薄く、さらには、各層が上記のような材料から構成されるので、無線ＩＣタグ１全体として可撓性を有し、変形することで、物品表面の曲面に沿って貼り付けることができる。

図３は、ＩＣタグ層２の形状を示す平面図である。
ＩＣタグ層２は、外形が矩形状に形成され、パッチアンテナなどの電界型パターンアンテナと、スロットアンテナなどの磁界型パターンアンテナによって構成される。

本実施形態において、電界型パターンアンテナは、金属導体層で構成されるパッチアンテナ部７であり、磁界型パターンアンテナは、パッチアンテナ部７の中央部に設けられたスロットで構成されるスロットアンテナ部８である。

そして、ＩＣチップ６は、このスロットアンテナ部７のスロット開口の内側に実装され、ループ部（リアクタンス装荷部）１０を介してパッチアンテナ部７に接続されている。

パッチアンテナ部７の外形寸法は、ＩＣタグ層２の外形寸法と同じであり、横方向寸法ａ、縦方向寸法ｂ（ａ＞ｂ）とすると、たとえば１８０（ｍｍ）≧ａ≧３０（ｍｍ）であり、１００（ｍｍ）≧ｂ≧１５（ｍｍ）である。

スロット部８のスロット開口は、パッチアンテナ部７の縦横両方向の中央に設けられ、パッチアンテナ部７の短辺および長辺と、スロット開口の短辺および長辺とはそれぞれ平行に設けられる。

また、横方向寸法ｃ、縦方向寸法ｄ（ｃ＞ｄであり、ｃ＜ａおよびｄ＜ｂ）とすると、たとえば１７８（ｍｍ）≧ｃ≧３２（ｍｍ）であり、２５（ｍｍ）≧ｄ≧４（ｍｍ）である。

このような寸法で設けられるスロット部８は、上記のような寸法範囲を満たすとともに、金属導体層の面積（ａ×ｂ−ｃ×ｄ）に対するスロット開口面積（ｃ×ｄ）の比が２／１０〜８／１０となるように設けられることが好ましい。

面積比をこのような範囲とすることで、電界型アンテナおよび磁界型アンテナのようにメカニズムの異なる２種類のアンテナを重畳させることが可能となる。電界型アンテナは、線形、方形、多角形、棒状、楕円形、円形、不定形等様々な形状を取りうるが、共振電流は高周波電流としてアンテナの縁部（エッジ部）を主に流れることになる。この流れる距離や経路により共振周波数が決まるため縁部（エッジ部）の面積が重要となるが、逆に電界型アンテナの縁部（エッジ部）以外の例えば中央部付近の形状や導電率などの因子がアンテナ特性に影響することは少ない。

一方の磁界型アンテナは、スロット型アンテナのように、スロット周囲に共振電流が流れ、その電流の周囲に誘導される磁界を利用するため、磁界の通る部分の面積など、スロット部分より内周側の因子が重要となる。

アンテナを重畳させることから、それぞれのアンテナの占める面積をいかに大きくするかが、アンテナ特性を確保するために必要となる。

ここで金属導体層の面積は電界型アンテナの面積に当たり、スロット部８の開口面積が磁界型アンテナの面積に相当することから、金属導体層の面積に対するスロット部８の開口面積の比が２／１０〜８／１０の範囲にあるとき、両アンテナの特性を併存することが可能となる。比が２／１０より小さい場合は、磁界型アンテナの特性が不十分であり、比が８／１０より大きくなると、共振電流の流れる部分の面積が不十分になり、電界型アンテナの特性が劣ってしまう。

さらに、スロット部８の２つの対向する長辺（寸法ｃ）の中央には、スロット開口に向かって一端部が開放し、スロット開口から外方に向かって、パッチアンテナ部７の短辺（スロット開口の短辺）に平行延びて所定の長さを有する切り欠きであるスリット９，１０が設けられる。スリット９，１０の幅は、それぞれ同じ幅であり、幅ｗとすると、たとえば、１０（ｍｍ）≧ｗ≧０．１（ｍｍ）である。

ＩＣチップ６が接続されるループ部１０は、一定の幅を有する配線パターンが矩形状に配置され、ループ部１０の両端部は、スロット開口の内側に、スロット開口の縦横両方向の中央に設けられ、スロット開口の短辺および長辺と、ループ部１０の短辺および長辺とはそれぞれ平行に設けられる。

ループ部１０の一方の長辺中央において所定のギャップを設けるとともに、ギャップ両端からループの外方に向かって延びる接続部によって、ループ部１０がパッチアンテナ部７に電気的に接続される。このギャップは、スリット９の幅ｗと同じ寸法に形成され、ギャップ両端から延びる２つの接続部は、スリット９の開放端の両側に位置するように、パッチアンテナ部７に接続される。

以下では、ループ部１０が接続する側に設けられたスリット９を第１スリット、反対側に設けられるスリット１０を第２スリットと呼ぶ。

第１スリット９のスリット長さをＬ１、第２スリット１０の長さをＬ２としたとき、Ｌ１よりもＬ２を長く設けることが好ましい。Ｌ１よりもＬ２を長くすることによって、ループ部１０を介してＩＣチップ６に流れる電流のインピーダンスを調整することが可能となり、通信特性を向上させることができる。

無線通信を行うための通信周波数や、ＩＣチップ６の特性にもよるが、Ｌ１に対するＬ２の長さの比Ｌ２／Ｌ１は、たとえば１．０〜１０に設定することが好ましい。

本発明は、ＩＣタグ層２のアンテナ形状を特徴としており、このようなアンテナ形状とすることで、薄型で、かつ貼り付け場所によらず十分な通信距離を確保できる無線ＩＣタグを実現できる。

上記のようなＩＣタグ層２の形状効果を確認するために、以下のようなシミュレーションを行った。

（検討例１）
検討例１の演算モデルは、以下の通りである。
・ＩＣタグ層２
外形寸法：長辺ａ＝１０７ｍｍ、短辺ｂ＝７９ｍｍ
スロット開口寸法：長辺ｃ＝１０４ｍｍ、短辺ｄ＝１１．５ｍｍ
第１スリット寸法：幅ｗ＝１ｍｍ、長さＬ１＝８ｍｍ
第２スリット寸法：幅ｗ＝１ｍｍ、長さＬ２＝１６ｍｍ
金属材料：アルミニウム
厚み：２０μｍ

・非導電層３
複素比誘電率の実数部：ε’＝２．２
誘電損失：ｔａｎδ＝０．００１
厚み：５００μｍ

・導電性反射層４
金属材料：アルミニウム
厚み：２０μｍ
ＩＣチップのインピーダンスを３３−ｊ１１２Ωとし、周波数は、０．７ＧＨｚ〜１．１５ＧＨｚまでとして、Ｓパラメータを算出した。

（検討例２）
ＩＣタグ層２に第１スリットおよび第２スリットを設けないこと以外は、検討例１と同様の演算モデルを用いた。

（検討例３）
第１スリットの長さＬ１と第２スリットの長さＬ２とを同じ８ｍｍとしたこと以外は、検討例１と同様の演算モデルを用いた。

（検討例４）
第１スリットの長さＬ１を６ｍｍとしたこと以外は、検討例１と同様の演算モデルを用いた。

（検討例５）
第１スリットの長さＬ１を４ｍｍとしたこと以外は、検討例１と同様の演算モデルを用いた。

（検討例４）
第１スリットの長さＬ１を２ｍｍとしたこと以外は、検討例１と同様の演算モデルを用いた。

図４は、第１および第２スリットが周波数特性に与える影響を示すグラフである。
横軸は、周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸は、反射特性Ｓ１１（ｄＢ）を示す。グラフ２０は、検討例１の周波数特性を示し、グラフ２１は、検討例２の周波数特性を示す。

スリットを設けない検討例２は、スリットを設けた検討例１に比べて共振周波数が高くなったが、これは検討例２がスリットを設けないことにより、電流が強く流れるスロット周囲部分の長さが短くなったことによる。また、スリットを設けない検討例２は、ポートに電流がより強く流れるようになり、インピーダンスの実部Ｒは小さくなった。このため、インピーダンスの整合が困難となり反射特性が悪化したものと考えられる。

このように、検討例１，２を比較すると、スリットを設けることが重要であることがわかる。

図５は、第１および第２スリットの長さが同じ場合の周波数特性を示すグラフである。
横軸は、周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸は、反射特性Ｓ１１（ｄＢ）を示す。グラフ２０は、検討例１の周波数特性を示し、グラフ２２は、検討例３の周波数特性を示す。

第１および第２スリットの長さを同じ８ｍｍにした検討例３は、共振周波数が高くなったが、これは第２スリット１０の長さＬ２を８ｍｍに短くしたことにより、電流が強く流れるスロット周囲部分の長さが短くなったことによる。

また、第１および第２スリットの長さを同じにしたことにより、スロット周囲の第１スリット側半分と第２スリット側半分の縁に分布する電流の差が少なくなったため、ポートに流れる電流がより弱くなり、インピーダンスの実部Ｒは大きくなった。その結果、インピーダンスの整合が困難となり反射特性が悪化したものと考えられる。

このように、検討例１，３を比較すると、第１および第２スリットの長さを異ならせることが重要であることがわかる。

図６は、第１スリットの長さを変化させた場合の周波数特性を示すグラフである。
横軸は、周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸は、反射特性Ｓ１１（ｄＢ）を示す。グラフ２０は、検討例１の周波数特性を示し、グラフ２３は、検討例４の周波数特性を示し、グラフ２４は、検討例５の周波数特性を示し、グラフ２５は、検討例６の周波数特性を示す。

検討例１と比較すると、検討例４，５，６と第１スリットの長さが短くなるに従って、共振周波数が、徐々に高周波数側へとシフトしていることがわかる。これは、検討例１，２の比較と同様に、強い電流が流れるスロット周囲部分の長さが短くなっていったことによる。

検討例１，２の比較と同様に、第１スリットの長さを短くした検討例４，５，６は、ポートに電流がより強く流れるようになり、インピーダンスの実部Ｒは小さくなった。このため、インピーダンスの整合が困難となり反射特性が悪化したものと考えられる。

スリットが長くなれば、電流はより多くスリットへと集中し，結果としてポート付近に流れる電流は制限されると考えられる。このため、スリット長さを調整することにより、所望のインピーダンス（本検討例では、実部Ｒ＝３３Ω）に整合できるようになるものと考えられる。

本発明の他の実施形態として、図７に示す無線通信システムが挙げられる。無線通信システムとしては、例えば複数の金属製容器にそれぞれ無線ＩＣタグ１を貼り付け、これらを一括してリーダー４２を設置したアンテナゲート部４１を通過させて、情報の読み取りや書き込みを行うようなＲＦＩＤ無線通信システム４０を挙げることができる。また多数の金属製物品に無線ＩＣタグ１を貼り付け、それらを順次（一定間隔を開けながら）コンベア上を流し、それらを任意の場所に設置されたアンテナゲート部にて、物流管理（入出庫管理）やトレーサビリティ管理などを行うＲＦＩＤ無線通信システムも構成できる。

以下では本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
・ＩＣタグ層２
外形寸法：長辺ａ＝９６ｍｍ、短辺ｂ＝７９ｍｍ
スロット開口寸法：長辺ｃ＝９３ｍｍ、短辺ｄ＝１１．５ｍｍ
第１スリット寸法：幅ｗ＝１ｍｍ、長さＬ１＝８ｍｍ
第２スリット寸法：幅ｗ＝１ｍｍ、長さＬ２＝１６ｍｍ
金属材料：アルミニウム
厚み：７５μｍ

・非導電層３
誘電材料：ＥＶＡ
複素比誘電率の実数部（９５０ＭＨｚ帯）：ε’＝２．３１
複素比透磁率の実数部（９５０ＭＨｚ帯）：μ’＝１．０６
誘電損失：ｔａｎδ＝０
厚み：４００μｍ

・導電性反射層４
金属材料：アルミニウム
厚み：２０μｍ

（実施例２）
非導電層３の厚みを８００μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にした。

（実施例３）
外形寸法：長辺ａ＝１０７ｍｍ、短辺ｂ＝７９ｍｍ
スロット開口寸法：長辺ｃ＝１０４ｍｍ、短辺ｄ＝１１．５ｍｍ
第１スリット寸法：幅ｗ＝１ｍｍ、長さＬ１＝８ｍｍ
第２スリット寸法：幅ｗ＝１ｍｍ、長さＬ２＝１６ｍｍ
以上のように寸法を変えたこと以外は、実施例１と同様にした。

（実施例４）
非導電層３の厚みを８００μｍにしたこと以外は、実施例３と同様にした。

（比較例１）
非導電層３の材料を発泡ポリエチレンにし、厚みを６００μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にした。

（比較例２）
非導電層３の材料を発泡ポリエチレンにし、厚みを１０００μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にした。

（比較例３）
非導電層３の材料を発泡ポリエチレンにし、厚みを２０００μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にした。

図８は、通信距離の測定方法を示す概略図である。
ＳＵＳ板（２１０ｍｍ×３００ｍｍ×０．５ｍｍ厚）上に実施例、比較例の無線ＩＣタグを設置し、所定の高さに設置したリーダアンテナによって、通信可能な距離から徐々にＳＵＳ板ごと距離を離し、読み取りができる最大距離を通信距離とした。

また、リーダーを２２．５ｄＢｍの出力として読み取りを行った。測定周波数は、日本のＲＦＩＤ用途に認可されたＵＨＦ帯（９５２〜９５５ＭＨｚ）を使用した。

また参考例１として自由空間で実施例１のＩＣタグ層２のみを用いて測定し、参考例２として自由空間で実施例２のＩＣタグ層２のみを用いて測定した。

測定結果を表１に示す。

発泡ポリエチレンを用いた比較例１〜３は、いずれも通信距離が０であり、全く通信が行えなかった。これは、発泡ポリエチレンの９５０ＭＨｚ帯の複素比誘電率の実数部ε’は１．１であり且つ磁性もなく、共振周波数およびインピーダンスの調整能力が不足している材料だからである。

実施例１〜４について、タグ厚みに応じて通信距離の増加が観測された。特に実施例４では、通信距離が６３０ｍｍと参考例２の７６０ｍｍに比べても十分に通信距離を確保できた。

本発明の実施の一形態である無線ＩＣタグ１の構成を示す平面図である。 図１の平面図の切断面線ＩＩ−ＩＩで切断した無線ＩＣタグ１の断面図である。 ＩＣタグ層２の形状を示す平面図である。 第１および第２スリットが周波数特性に与える影響を示すグラフである。 第１および第２スリットの長さが同じ場合の周波数特性を示すグラフである。 第１スリットの長さを変化させた場合の周波数特性を示すグラフである。 無線通信システムの例を示す図である。 通信距離の測定方法を示す概略図である。

符号の説明

１ 無線ＩＣタグ
２ ＩＣタグ層
３ 非導電層
４ 導電性反射層
５ アンテナ
７ パッチアンテナ部
８ スロットアンテナ部
９ 第１スリット
１０ 第２スリット
４０ 無線通信用システム

Claims (5)

1. 所定の周波数帯の電磁波によって無線通信を行う無線ＩＣタグであって、
   導体層で構成される電界型パターンアンテナおよび該導体層に単数または複数のスロットとして形成された磁界型パターンアンテナ含む複合アンテナと、この複合アンテナを介して無線通信する集積回路とを有するＩＣタグ層と、
   前記ＩＣタグ層に積層され、非導電性で、かつ、前記無線通信に用いられる所定の周波数で前記複合アンテナが共振するために必要な誘電率および透磁率を有するインピーダンス調整層と、
   前記インピーダンス調整層を挟んで前記ＩＣタグ層とは反対側に設けられ、前記無線通信に用いられる電磁波を反射する導電性反射層とを含み、
   前記導体層の面積に対する前記スロットの開口面積の比が２／１０〜８／１０であることを特徴とする無線ＩＣタグ。
2. 前記複合アンテナは、電界型パターンアンテナおよび磁界型パターンアンテナのそれぞれの共振周波数が同じか、通信可能周波数帯域が少なくとも部分的に重なるように構成されることを特徴とする請求項１記載の無線ＩＣタグ。
3. 前記複合アンテナは、スロット内にリアクタンス構造部を装荷し、インピーダンス調整機能を付与したことを特徴とする請求項１または２に記載の無線ＩＣタグ。
4. 前記複合アンテナは、前記スロットから外方に向かって延びる切り欠きが設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の無線ＩＣタグ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の無線ＩＣタグを用いることを特徴とする無線通信システム。

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