JP4968226B2

JP4968226B2 - アンテナ、及びリーダライタ装置

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Publication number: JP4968226B2
Application number: JP2008255312A
Authority: JP
Inventors: 学甲斐; 照尚二宮
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: CN101714696A; EP2169766A1; US8215561B2; TW201014036A; CN101714696B; KR20100036926A; US20100078486A1; JP2010087885A; EP2169766B1; TWI415328B; KR101264959B1

Description

この発明は、アンテナ、及びリーダライタ装置に関し、特に、大型化を抑制しつつ放射電力の低下を回避するアンテナ、及びリーダライタ装置に関する。

近年、非接触式の自動認識技術として、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）が広く用いられてきている。ＲＦＩＤは、半導体メモリを搭載したＩＣタグと、ＩＣタグの半導体メモリに対するデータの読み出しや書き込みを行うリーダライタ装置との間で、電波を介して非接触のデータ通信を行うものである。

ＲＦＩＤにおけるリーダライタ装置には、ＩＣタグに向けて電波を放射するための通信用アンテナ（リーダライタアンテナ）が搭載されている。この通信用アンテナとして、図１３に示すように、誘電体から成る基板２１０上に、電波を放射するための方形状の導体パターン２１２を実装したパッチアンテナが一般的に用いられていた。

ところで、上記のようなパッチアンテナを用いて、例えば、直径４０ｍｍ程度の小型なＩＣタグの位置特定を行う場合、パッチアンテナ自体の大きさもＩＣタグに見合う程度に小型化する必要がある。

ところが、パッチアンテナを単に小型化すると、ＩＣタグへの放射電力が低下してしまい、ＩＣタグの位置特定が困難となる。これを回避するためには、パッチアンテナの基板として、高誘電率のセラミック等の誘電体を用いる必要があるが、セラミック等の誘電体は、高価であり、製造コストが増大してしまう。一方、パッチアンテナの基板として、セラミックよりも安価な誘電体であるＦＲ４（ガラスエポキシ樹脂）を用いることも考えられるが、ＦＲ４は、セラミックと比較して低誘電率であるため、セラミックと同等の放射電力を得ようとすれば、アンテナ全体が大型化してしまう。

そこで、ＩＣタグへの放射電力を確保するために、基板上に実装された導体パターンの形状を工夫したアンテナが種々検討されている。例えば、特許文献１には、導体パターンを蛇行線状に形成したアンテナが開示されている。このアンテナでは、導体パターンを蛇行線状に形成することで、基板に対する導体の表面積をできるだけ大きく採り、結果として、放射電力の低下を抑えようとしている。

特表２００８−５１９５７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のアンテナでは、安価で低誘電率のＦＲ４等の基板を用いた場合、ＩＣタグへの放射電力を確保するために、導体パターンの長さを長くする必要があるため、導体パターンの長さ方向の大きさが増大し、結果として、アンテナ全体が大型化していた。

開示の技術は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、安価で低誘電率の基板を用いても、大型化を抑制しつつ放射電力の低下を回避することができるアンテナ、及びリーダライタ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本願の開示するアンテナは、一つの態様において、誘電体から成る基板と、この基板上に形成され、一端を給電点とすると共に、他端を開放端とした導体パターンとを備え、無線タグと通信可能に構成されたリーダライタ装置に前記給電点を介して接続されるアンテナであって、前記導体パターンは、前記給電点から所定の距離だけ伸延した給電側伸延部と、前記給電側伸延部の前記給電点と反対側の端部から、終端となる前記開放端に至るまでスパイラル形状に伸延すると共に、前記開放端側に、この開放端を含み、前記給電側伸延部と並列状態に配置される開放端側伸延部を形成したスパイラル部と、を備え、前記給電点への給電時に前記開放端側伸延部にて電流のゼロとなる点であるゼロ点を通過し、前記開放端側伸延部に対して垂直となる仮想直線と前記給電側伸延部との交点と、前記ゼロ点との間の、前記導体パターンの長さ方向に沿った距離が、前記給電時に前記ゼロ点及び前記交点に生じる両電界を合成した電界の電界強度が前記無線タグと通信可能な値まで増大する距離に設定されている。

この態様によれば、互いに並列する給電側伸延部と開放端側伸延部との間の電界の強度を増大させることによって、安価で低誘電率の基板を用いても、大型化を抑制しつつ放射電力の低下を回避することができる。

本願の開示するアンテナの一つの態様によれば、安価で低誘電率の基板を用いても、大型化を抑制しつつ放射電力の低下を回避することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本願の開示するアンテナ、及びリーダライタ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

まず、本実施例に係るアンテナの構成について説明する。図１は、本実施例に係るアンテナ１の構成を示す斜視図であり、図２は、本実施例に係るアンテナ１上にＩＣタグ２を置いた状態を示す説明図である。

本実施例に係るアンテナ１は、図１に示すように、例えば、ＦＲ４（ガラスエポキシ樹脂）等の誘電体からなる基板１０と、この基板１０上に形成され、一端を給電点１２ａとすると共に、他端を開放端１２ｂとした導体パターン１２と、この基板１０の導体パターン１２と反対側の面に形成された接地（ＧＮＤ）１４と、を有している。

このアンテナ１は、自動認識技術の１つであるＲＦＩＤに用いられるものであり、図２に示すように、半導体メモリを搭載したＩＣタグ２と通信可能に構成されたリーダライタ装置（図示せず）に給電点１２ａを介して接続される。そして、リーダライタ装置は、アンテナ１上に載置されたＩＣタグ２との間でアンテナ１を介して電波を送受信することで、基板１０に対するＩＣタグ２の位置特定を行い、ＩＣタグ２の半導体メモリに対するデータの読み出しや書き込みを行う。

導体パターン１２は、給電側伸延部２０と、この給電側伸延部２０に連接するスパイラル部２２と、を有しており、一本の連続する線状導体を複数回屈曲させることにより形成されている。

給電側伸延部２０は、給電点１２ａから所定の距離だけ直線状に伸延している。スパイラル部２２は、給電側伸延部２０の給電点１２ａと反対側の端部から、終端となる開放端１２ｂに至るまでスパイラル形状に伸延している。本実施例では、スパイラル形状として、四角形状を採用しており、線状導体である導体パターン１２を４回屈曲させることにより四角形の４辺を形成している。

このように、給電側伸延部２０の端部にスパイラル形状のスパイラル部２２を連接することによって、導体パターン１２を蛇行線状に形成するよりも導体パターン１２全体をコンパクトに形成することができ、結果として、アンテナ１全体の大型化が抑制される。

また、スパイラル部２２は、開放端１２ｂ側に、この開放端１２ｂを含み、給電側伸延部２０と並列状態に配置される開放端側伸延部２３を形成している。なお、開放端側伸延部２３が給電側伸延部２０と並列状態に配置されるとは、開放端側伸延部２３と給電側伸延部２０とが所定の間隔を置いて互いに隣り合う状態で配置されることを意味し、開放端側伸延部２３と給電側伸延部２０とが互いに平行となるように配置されることを含む。

そして、特に、本実施例に係るアンテナ１では、給電点１２ａへの給電時に、給電側伸延部２０と開放端側伸延部２３とに挟まれた空間に強い電界を発生させるように、給電側伸延部２０と開放端側伸延部２３とを並列状態に配置している。かかる給電側伸延部２０及び開放端側伸延部２３の具体的な構成について以下説明する。

図３は、図１に示すアンテナ１の平面図である。図３に示すように、給電点１２ａへ給電すると、開放端１２ｂ近傍における電流はゼロとなるため、開放端側伸延部２３の開放端１２ｂ側に電流のゼロとなる点であるゼロ点ａが生成する。ここで、ゼロ点ａを通過し、開放端側伸延部２３に対して垂直となる仮想直線Ｖを定義する。

本実施例では、仮想直線Ｖと給電側伸延部２０との交点ｂとゼロ点ａとの間の、導体パターン１２の長さ方向に沿った距離Ｌａｂが、給電時にゼロ点ａ及び交点ｂに生じる両電界を合成した電界の電界強度が基板１０上に載置されたＩＣタグ２と通信可能な値まで増大する距離に設定されている。

具体的には、ゼロ点ａと交点ｂとの間の、導体パターン１２の長さ方向に沿った距離Ｌａｂが、このアンテナ１における使用電波の波長λの１／２に設定されている。ここで、アンテナ１における使用電波の波長λは、使用電波の自由空間における波長に対する使用誘電体の誘電率による波長圧縮効果の影響を考慮した波長である。一般に、アンテナ１における使用電波の波長λは、導体パターン１２の実装された基板１０の誘電率εの影響を受けるため、使用電波の自由空間における波長よりも短くなり、基板１０の厚さにもよるが、導体パターン１２上で約１／√ε程度に圧縮される。

例えば、使用電波がＵＨＦ帯（約９５２ＭＨｚ）の電波であり、基板１０が誘電率４．４のＦＲ４である場合、自由空間における波長は、約３１ｃｍであるので、アンテナ１における使用電波の波長λは、導体パターン１２上で約１５ｃｍとなる。したがって、ゼロ点ａと交点ｂとの間の、導体パターン１２の長さ方向に沿った距離Ｌａｂは、１／２λ＝約７．５ｃｍに設定される。

このように、ゼロ点ａと交点ｂとの間の、導体パターン１２の長さ方向に沿った距離Ｌａｂを、アンテナ１における使用電波の波長λの１／２に設定することによって、交点ｂにおける電流の位相は、ゼロ点ａにおける電流の位相に対して１８０°ずれる。

この様子を図４に示す。図４は、導体パターン１２の長さ方向に沿った電流分布を示すグラフである。図４に示すように、交点ｂにおける電流の位相は、ゼロ点ａにおける電流の位相に対して１８０°ずれているため、交点ｂにおける電流は、ゼロ点ａと同様にゼロである。

図５は、導体パターン１２の長さ方向に沿った電界分布を示すグラフである。なお、図５に示す電界分布は、図４に示す電流分布に対応している。図５に示すように、ゼロ点ａと交点ｂとの間の、導体パターン１２の長さ方向に沿った距離Ｌａｂを、アンテナ１における使用電波の波長λの１／２に設定することによって、ゼロ点ａに生じる電界は、プラス方向の最大値となり、交点ｂに生じる電界は、マイナス方向の最大値となる。このため、給電点１２ａの給電時に、給電側伸延部２０と開放端側伸延部２３とに挟まれた空間Ｓでは、ゼロ点ａに生じる電界と交点ｂに生じる電界とが同じ方向に放射され、合成される。

図６は、ゼロ点ａ及び交点ｂに生じる両電界を合成した状態を示す模式的説明図である。なお、図６では、図３に示す仮想直線Ｖを通過するアンテナ１の縦断面を模式的に示している。

図６の左上に示すように、ゼロ点ａに生じる電界の電界強度は、最大値Ｅａとなっており、その電界の方向は、プラス方向、すなわち、開放端側伸延部２３から離れる方向となっている。一方、図６の右上に示すように、交点ｂに生じる電界の電界強度は、最大値Ｅｂ（＝Ｅａ）となっており、その電界の方向は、マイナス方向、すなわち、給電側伸延部２０へ向かう方向となっている。

つまり、ゼロ点ａに生じる電界と交点ｂに生じる電界とは、開放端側伸延部２３と給電側伸延部２０とに挟まれる空間Ｓ内で共に図６の紙面左側から紙面右側へ向かう方向、すなわち、開放端側伸延部２３から給電側伸延部２０へ向かう方向となる。したがって、図６の下に示すように、ゼロ点ａに生じる電界及び交点ｂに生じる電界は、空間Ｓ内で互いに強め合うように作用する。その結果、ゼロ点ａ及び交点ｂに生じる両電界は、空間Ｓ内で合成され、その合成された電界の電界強度は、Ｅａ＋Ｅｂとなる。このとき、合成電界の電界強度Ｅａ＋Ｅｂは、基板１０上に載置されたＩＣタグ２（図２参照）と通信可能な値まで増大される。

このように、本実施例では、ゼロ点ａと交点ｂとの間の、導体パターン１２の長さ方向に沿った距離Ｌａｂが、給電時にゼロ点ａ及び交点ｂに生じる両電界を合成した電界の電界強度がＩＣタグ２と通信可能な値まで増大する距離、すなわち、アンテナ１における使用電波の波長λの１／２に設定されている。言い換えると、給電点１２ａへの給電時に、ゼロ点ａを含む開放端側伸延部２３と、交点ｂを含む給電側伸延部２０とに挟まれた空間内でゼロ点ａ及び交点ｂに生じる両電界がＩＣタグ２と通信可能となる程度まで強め合うように、給電側伸延部２０と開放端側伸延部２３とが並列状態に配置されている。これによって、互いに並列する給電側伸延部２０と開放端側伸延部２３との間の電界の電界強度を局所的に増大させることができ、安価で低誘電率の基板（例えば、ＦＲ４等）を用いても、大型化を抑制しつつ放射電力の低下を抑制することができる。

次に、本実施例に係るアンテナ１を接続したリーダライタ装置を用いて、ＩＣタグ２への供給電力（放射電力）を検証した結果について説明する。図７は、アンテナ１上にＩＣタグ２を置いた場合に（図２参照）、アンテナ１からＩＣタグ２へ供給される電力と、周波数との関係を示すグラフである。なお、図７では、リーダライタ装置からアンテナ１へ入力される電力を１０ｄＢｍとしている。

図７に示すように、ゼロ点ａと交点ｂとの間の、導体パターン１２の長さ方向に沿った距離Ｌａｂが、アンテナ１における使用電波の波長λの１／２に設定されている場合、ＵＨＦ帯の周波数９５２ＭＨｚにおけるＩＣタグ２への供給電力は、約７．５ｄＢｍである。これに対して、距離Ｌａｂが、アンテナ１における使用電波の波長λの１／２でない場合、ＵＨＦ帯の周波数９５２ＭＨｚにおけるＩＣタグ２への供給電力は、約３．５ｄＢｍである。このことより、距離Ｌａｂが１／２λに設定されている場合の供給電力が、距離Ｌａｂが１／２λに設定されていない場合の供給電力に比べて約４ｄＢｍ上昇していることが確認される。

すなわち、距離Ｌａｂが、１／２λに設定されることによって、ゼロ点ａ及び交点ｂに生じる電界が、それぞれ異極性の最大値となるため（図４〜図６参照）、互いに並列する給電側伸延部２０と開放端側伸延部２３との間の電界の電界強度を局所的に増大する効果を可及的に高めることができる。

一方、距離Ｌａｂが、１／２λに設定されていない場合、ＩＣタグ２への供給電力が低下している。これは、ゼロ点ａに生じる電界及び交点ｂに生じる電界が共に最大値に満たなくなるため、給電側伸延部２０と開放端側伸延部２３とに挟まれた空間Ｓ内で、ゼロ点ａ及び交点ｂに生じる両電界を合成した電界の電界強度が弱まるためである。

したがって、距離Ｌａｂとして、給電時にゼロ点ａ及び交点ｂに生じる両電界を合成した電界の電界強度が、ＩＣタグ２と通信可能な値を下回らないような値が選択されることが好ましい。すなわち、距離Ｌａｂが、アンテナ１における使用電波の波長λの１／２でない場合であっても、アンテナ１における使用電波の波長λの１／４以上３／４以下に設定されていることが好ましい。距離Ｌａｂが、アンテナ１における使用電波の波長λの１／４以上３／４以下に設定されることによって、給電側伸延部２０と開放端側伸延部２３とに挟まれた空間Ｓ内で、ゼロ点ａ及び交点ｂに生じる両電界を合成した電界の電界強度を、ＩＣタグ２と通信可能な値を下回らない程度に維持することができる。

なお、本実施例では、スパイラル部２２のスパイラル形状として、四角形状を採用したが、これに限らず、図８に示す三角形状等の多角形状や、図９に示す円形状を採用してもよい。

また、図１０に示すように、本実施例に係るアンテナ１を給電点１２ａを介してリーダライタ装置３に接続する場合、給電点１２ａは、例えば、５０Ωのインピーダンスを有する整合回路４を経由してリーダライタ装置３に接続されるのが好ましい。このように、アンテナ１とリーダライタ装置３との間に整合回路４を設けることによって、アンテナ１とリーダライタ装置３との間のインピーダンスの整合が容易になり、リーダライタ装置３の性能を有効に発揮させることができる。

最後に、本実施例に係る導体パターン１２を備えたアンテナの応用例について説明する。図１１及び図１２は、本実施例に係る導体パターン１２を備えたアンテナの応用例を示す説明図である。なお、既に説明した部位と同じ部位には同じ符号を付して、重複説明を省略する。

図１１に示すように、応用例に係るアンテナ５は、誘電体から成る基板１１０上に、複数の導体パターン１２をマトリクス状に配設している。基板１１０上における各導体パターン１２の２次元的な位置は予め規定されている。また、複数の導体パターン１２は、給電点１２ａに接続された配線５ａ〜５ｃを介して、リーダライタ装置６にそれぞれ電気的に接続されている。かかる構成により、基板１１０上におけるいずれかの導体パターン１２の位置に図示しないＩＣタグが載置されると、リーダライタ装置６は、ＩＣタグの載置された導体パターン１２から配線５ａ〜５ｃを介して受信する信号に基づいて、基板１１０上におけるＩＣタグの位置を容易に特定することができる。

図１２に示す応用例では、図１１に示すアンテナ５とリーダライタ装置６との間に、切替スイッチ７が設けられている。切替スイッチ７は、配線５ａ〜５ｃを介してアンテナ５、すなわち、複数の導体パターン１２と接続されると共に、配線７ａを介してリーダライタ装置６と接続されている。切替スイッチ７は、複数の導体パターン１２から配線５ａ〜５ｃを介して送信される信号を選択的にリーダライタ装置６に送信する。例えば、切替スイッチ７が、基板１１０上における図１２に示す左側３つの導体パターン１２からの信号を選択すると、残りの導体パターン１２からの信号は、リーダライタ装置６に送信されない。この場合、図１２に示す左側中央に載置されたＩＣタグＴ１の位置は、リーダライタ装置６によって特定されるが、図１２に示す右側下に載置されたＩＣタグＴ２の位置は、リーダライタ装置６によって特定されない。このように、複数の導体パターン１２を、切替スイッチ７を介してリーダライタ装置６に接続することによって、ＩＣタグの位置特定の手法を多様化することができる。

本実施例に係るアンテナの構成を示す斜視図である。本実施例に係るアンテナ上にＩＣタグを置いた状態を示す説明図である。図１に示すアンテナの平面図である。導体パターンの長さ方向に沿った電流分布を示すグラフである。導体パターンの長さ方向に沿った電界分布を示すグラフである。ゼロ点及び交点に生じる両電界を合成した状態を示す模式的説明図である。アンテナからＩＣタグへ供給される電力と、周波数との関係を示すグラフである。本実施例に係るアンテナの変形例を示す図である。本実施例に係るアンテナの変形例を示す図である。本実施例に係るアンテナをリーダライタ装置に接続した状態を示す図である。本実施例に係る導体パターンを備えたアンテナの応用例を示す説明図である。本実施例に係る導体パターンを備えたアンテナの応用例を示す説明図である。パッチアンテナの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１アンテナ
２ＩＣタグ
１０基板
１２導体パターン
１２ａ給電点
１２ｂ開放端
２０給電側伸延部
２２スパイラル部
２３開放端側伸延部
Ｖ仮想直線
ａゼロ点
ｂ交点

Claims

誘電体から成る基板と、この基板上に形成され、一端を給電点とすると共に、他端を開放端とした導体パターンとを備え、無線タグと通信可能に構成されたリーダライタ装置に前記給電点を介して接続されるアンテナであって、
前記導体パターンは、
前記給電点から所定の距離だけ伸延した給電側伸延部と、
前記給電側伸延部の前記給電点と反対側の端部から、終端となる前記開放端に至るまでスパイラル形状に伸延すると共に、前記開放端側に、この開放端を含み、前記給電側伸延部と並列状態に配置される開放端側伸延部を形成したスパイラル部と、
を備え、
前記給電点への給電時に前記開放端側伸延部にて電流のゼロとなる点であるゼロ点を通過し、前記開放端側伸延部に対して垂直となる仮想直線と前記給電側伸延部との交点と、前記ゼロ点との間の、前記導体パターンの長さ方向に沿った距離が、前記給電時に前記ゼロ点及び前記交点に生じる両電界を合成した電界の電界強度が前記無線タグと通信可能な値まで増大する距離に設定されていることを特徴とするアンテナ。
前記交点と前記ゼロ点との間の、前記導体パターンの長さ方向に沿った距離が、このアンテナにおける使用電波の波長の１／４以上３／４以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記交点と前記ゼロ点との間の、前記導体パターンの長さ方向に沿った距離が、このアンテナにおける使用電波の波長の１／２に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ。
前記スパイラル形状は、多角形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアンテナ。
前記スパイラル形状は、円形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアンテナ。
誘電体から成る基板と、この基板上に形成され、一端を給電点とすると共に、他端を開放端とした導体パターンとを備えたアンテナと、無線タグと通信可能に構成され、前記アンテナに前記給電点を介して接続されたリーダライタ本体と、を有するリーダライタ装置であって、
前記導体パターンは、
前記給電点から所定の距離だけ伸延した給電側伸延部と、
前記給電側伸延部の前記給電点と反対側の端部から、終端となる前記開放端に至るまでスパイラル形状に伸延すると共に、前記開放端側に、この開放端を含み、前記給電側伸延部と並列状態に配置される開放端側伸延部を形成したスパイラル部と、
を備え、
前記給電点への給電時に前記開放端側伸延部にて電流のゼロとなる点であるゼロ点を通過し、前記開放端側伸延部に対して垂直となる仮想直線と前記給電側伸延部との交点と、前記ゼロ点との間の、前記導体パターンの長さ方向に沿った距離が、前記給電時に前記ゼロ点及び前記交点に生じる両電界を合成した電界の電界強度が前記無線タグと通信可能な値まで増大する距離に設定されていることを特徴とするリーダライタ装置。