(57)【要約】【課題】本願発明の課題は、ＩＣチップ内部のコンデンサに、通信と同時に、通信に用いる周波数の電波で充電が可能であるＲＦＩＤタグを提供することである。【解決手段】通信用アンテナと、充電用アンテナと、ＩＣチップと、これらを支持する基材とを備えたＲＦＩＤタグであって、ＩＣチップが、コンデンサと、このコンデンサに接続された通信用回路及び充電用回路と、通信用回路に組み込まれたバックスキャッタとを備え、バックスキャッタはコンデンサからの電力供給によってＩＣチップのインピーダンスを変化可能であり、通信用アンテナはＩＣチップの通信用回路に、充電用アンテナはＩＣチップの充電用回路にそれぞれ接続され、充電用アンテナと充電用回路とのインピーダンスは複素共役でないことを特徴とするＲＦＩＤタグとする。【選択図】図１
2008077554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサと、このコンデンサに接続された通信用回路及び充電用回路と、通信用回路に組み込まれたバックスキャッタとを備えたＩＣチップであって、バックスキャッタはコンデンサからの電力供給によってＩＣチップのインピーダンスを変化可能であることを特徴とするＲＦＩＤタグ用ＩＣチップ。
【請求項２】
通信用アンテナと、充電用アンテナと、ＩＣチップと、これらを支持する基材とを備えたＲＦＩＤタグであって、
ＩＣチップが、コンデンサと、このコンデンサに接続された通信用回路及び充電用回路と、通信用回路に組み込まれたバックスキャッタとを備え、バックスキャッタはコンデンサからの電力供給によってＩＣチップのインピーダンスを変化可能であり、
通信用アンテナはＩＣチップの通信用回路に、充電用アンテナはＩＣチップの充電用回路にそれぞれ接続され、
充電用アンテナと充電用回路とのインピーダンスは複素共役でないことを特徴とするＲＦＩＤタグ。
【請求項３】
前記充電用アンテナと前記充電用回路とのインピーダンスは虚部のみ等しく実部は等しくないことを特徴とする請求項２記載のＲＦＩＤタグ。
【請求項４】
前記充電用アンテナのインピーダンスＺｃａ
【数１】
2008077554.tif 000023
（Ｒｃａ：充電用アンテナのレジスタンス、Ｘｃａ：充電用アンテナのリアクタンス）
と、前記充電用回路のインピーダンスＺｃｃ
【数２】
2008077554.tif 000024
（Ｒｃｃ：充電用回路のレジスタンス、Ｘｃｃ：充電用回路のリアクタンス）
とが
【数３】
2008077554.tif 000025
であり、実数Ａが以下の不等式
【数４】
2008077554.tif 000026
を満たすことを特徴とする請求項２記載のＲＦＩＤタグ。
【請求項５】
前記通信用アンテナと前記通信用回路とのインピーダンスはバックスキャッタが動作していない場合は複素共役であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のＲＦＩＤタグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システムで使用されるＲＦＩＤタグ及びこれに用いられるＩＣチップに関し、さらに詳しくは、受動型の後方散乱変調（バックスキャッタ）技術及び充電用アンテナを備える構造のＩＣチップ及びＲＦＩＤタグに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）（無線周波数識別）システムは、機器、荷物、人間、生物等の個体を識別する情報（識別情報）を、タグと呼ばれる安価な装置によって、固体に付加するシステムである。このＲＦＩＤシステムでは、リーダ／ライタと呼ばれる無線トランシーバと、１以上のＲＦＩＤタグとの間で、無線通信が行われる。ＲＦＩＤタグはＩＣチップと、リーダ／ライタからの信号を受信するためのアンテナを有している。
【０００３】
ＲＦＩＤシステムでは、リーダ／ライタは変調無線信号や無変調信号を用いてＲＦＩＤタグと通信し、ＲＦＩＤタグは変調無線信号で応答する。ＲＦＩＤシステムの通信は、多くの場合、送受信を単一のアンテナにて行う半二重方式で行われるため、ＲＦＩＤシステムで行われる通信のシーケンス（法則に従った順序）は、ＲＦＩＤタグにデータの書き込みを行うライトシーケンスと、ＲＦＩＤタグからデータの読み出しを行うリードシーケンスに分割される。
【０００４】
ここで、ＲＦＩＤタグの一部は、ＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ：振幅偏移変調）方式を採用しリーダ／ライタと無線通信を行っている。このＡＳＫ方式は、リーダ／ライタからの電波をＲＦＩＤタグに内蔵されているＩＣチップに吸収させるか反射させるかで、ＨｉｇｈかＬｏｗかの符号を作り通信を行う方式である。図３に、信号波がＨｉｇｈのときはＡＳＫの振幅は最大値をとり、信号波がＬｏｗのときはＡＳＫの振幅が最小をとることを示す。
【０００５】
リーダ／ライタから来た電波をＩＣチップが吸収するには、アンテナとＩＣチップのインピーダンスが複素共役になっていれば、最も効率が良いとされている。すなわち、アンテナとＩＣチップのインピーダンスが複素共役に近ければ無線通信を行うことができる。
【０００６】
ＲＦＩＤタグに実装されているＩＣチップは、いくつかのトランジスタと、バックスキャッタ（インピーダンス変換器）と、コンデンサと、演算装置と、メモリとを備えている。図４に、従来のＩＣチップの回路図を示す。また、ＩＣチップの機能を模式的に示したブロック図を図５に示す。なお、ここではチップのインピーダンスはバックスキャッタのインピーダンスである。チップのインピーダンスをＺＬ＝ＲＬ−ｊＸＬとし、ＲＦＩＤタグの備えるアンテナのインピーダンスをＺａ＝Ｒａ−ｊＸａとする。ここで、ＺＬはチップのインピーダンス、ＲＬはチップの抵抗、ＸＬはＩＣチップのインダクタンス、ｊは虚数であり、Ｚａはアンテナのインピーダンス、Ｒａはアンテナの抵抗、Ｘａはアンテナのインダクタンスである。アンテナが、リーダ／ライタからの電波を受け起電力ＶＳを誘起したとき、ＩＣチップの回路に流れる電流Ｉは
【０００７】
【数１】
2008077554.tif 000003
となる。このときＩＣチップのインピーダンスＺＬとアンテナのインピーダンスＺａが複素共役をとるとすると、
【数２】
2008077554.tif 000004
と表され，この時、ＩＣチップに供給される電流Ｉは、
【数３】
2008077554.tif 000005
となる。この時の有能電力Ｐｉ（ＩＣチップに供給される電力）は、
【数４】
2008077554.tif 000006
となり最大値をとる。
【０００８】
また、数式（１）から、アンテナとＩＣチップのインピーダンスが大きくずれると数式（１）の分母が大きくなり，電流Ｉは流れにくくなることを表している。このとき、リーダ／ライダから伝搬してきた電波はＲＦＩＤタグのアンテナにはほとんど入射せず反射される。すなわちリーダ／ライタから伝搬してきた電波を反射させるには、アンテナとチップのインピーダンスを大きくずらしインピーダンスミスマッチさせればよいということがわかる。
【０００９】
ここでインピーダンスミスマッチをさせる場合，アンテナのインピーダンスを可変にすることは困難なので、通常はＩＣチップのインピーダンスを変化させる。このインピーダンスを可変にする機能を持つ部分がバックスキャッタである。バックスキャッタはＩＣチップの回路に組み込まれ、演算装置からの指令により自身のインピーダンスを変化させることで、ＩＣチップのインピーダンスを変化させている。
【００１０】
ここで、バックスキャッタを動作させＩＣチップのインピーダンスを変化させるには、ある程度の電力が必要となる。しかし、ＲＦＩＤタグ自体が電池や外部電源を持っていない場合、この電力はＩＣチップ内部のコンデンサから得ることになる。通常、アンテナとＩＣチップのインピーダンスはマッチングするよう設定されている。
【００１１】
リーダ／ライタから発信された電波をアンテナで吸収する場合には、その電波のエネルギーの一部をＩＣチップ内部のコンデンサに充電できる。そして、リーダ／ライタからの電波を反射する場合には、ＩＣチップ内部にあるコンデンサから駆動電力を得たバックスキャッタがインピーダンスを変えることで、ＩＣチップのインピーダンスをアンテナと異なるインピーダンスに変化させる（インピーダンスミスマッチング）。そして、電波を反射させている。
【００１２】
この方法では、電波を反射する信号が連続した場合、バックスキャッタと演算装置がコンデンサに蓄えた電荷をいずれ使い果たし、ＩＣチップのインピーダンスを変化させられなくなってしまうという問題がある。
【００１３】
これを解決するため、通信を始める前に充電のための電波を送信し、ＩＣチップ内のコンデンサを充電してから通信を始めるという方法があったが、通信と充電とに同じ周波数の電波を使用し、同じアンテナに吸収させるため、結局は通信完了に時間がかかるという問題があった。
【００１４】
そのため、通信用の電波を受けるアンテナとは別に、充電用の電波を受けるアンテナを備えたＲＦＩＤタグが提案されている（特許文献１参照）。このＲＦＩＤタグは、信号用電波とは異なる周波数で送信される充電用電波を吸収し、電力として蓄えるための充電用アンテナを備えている。信号用の電波を受けるためのアンテナは充電用の電波には反応せず、同様に充電用の電波を受けるためのアンテナは信号用の電波には反応しないようにインピーダンスが設定されているため、信号の交信中に充電用電波を同時に送信することでコンデンサの充電を行うことができ、通信時間を短縮することができる。しかしこの方法では、信号を送るためのリーダ／ライタ以外に充電用の発信機を常備しないといけないことから装置が大きくなってしまう問題点があった。
【特許文献１】特開平５−２８５７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本願発明の課題は、アンテナとＩＣチップとを備えたＲＦＩＤタグであって、ＩＣチップ内部のコンデンサに、通信と同時に、通信に用いる周波数の電波で充電が可能であるＲＦＩＤタグを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のＲＦＩＤタグ用ＩＣチップは、これらの課題を解決するため、コンデンサと、このコンデンサに接続された通信用回路及び充電用回路と、通信用回路に組み込まれたバックスキャッタとを備えたＩＣチップであって、バックスキャッタはコンデンサからの電力供給によってＩＣチップのインピーダンスを変化可能であることを特徴とする。
この構成とすることで、それぞれの回路に適切なインピーダンスのアンテナを接続し、通信用アンテナと通信用回路とのインピーダンスマッチングを調節することができるので、同じ電波を受けても通信用アンテナと充電用アンテナとで反射／吸収のタイミングをずらすことができる。
【００１７】
さらに、本発明のＲＦＩＤタグでは、これらの課題を解決するため、通信用アンテナと、充電用アンテナと、ＩＣチップと、これらを支持する基材とを備えたＲＦＩＤタグであって、ＩＣチップが、コンデンサと、このコンデンサに接続された通信用回路及び充電用回路と、通信用回路に組み込まれたバックスキャッタとを備え、バックスキャッタはコンデンサからの電力供給によってＩＣチップのインピーダンスを変化可能であり、通信用アンテナはＩＣチップの通信用回路に、充電用アンテナはＩＣチップの充電用回路にそれぞれ接続され、充電用アンテナと充電用回路とのインピーダンスは複素共役でないことを特徴とする。
この構成とすることで、充電用アンテナによってリーダ／ライタからの電波が全吸収されてしまうことがなくなり、反射信号を返すことができる。
【００１８】
さらに、本発明のＲＦＩＤタグは、前記充電用アンテナと前記充電用回路とのインピーダンスは虚部のみ等しく実部は等しくないことを特徴とする。
より好ましくは、前記充電用アンテナのインピーダンスＺｃａ
【数５】
2008077554.tif 000007
（Ｒｃａ：充電用アンテナのレジスタンス、Ｘｃａ：充電用アンテナのリアクタンス）
と、前記充電用回路のインピーダンスＺｃｃ
【数６】
2008077554.tif 000008
（Ｒｃｃ：充電用回路のレジスタンス、Ｘｃｃ：充電用回路のリアクタンス）
とが
【数７】
2008077554.tif 000009
であり、実数Ａが以下の不等式
【数８】
2008077554.tif 000010
を満たすことを特徴とする。
【００１９】
この構成とすることで、ＩＣチップの充電用として設けている充電用アンテナと充電用回路のインピーダンスマッチングについては、充電用アンテナのインピーダンスを虚部だけ充電用回路と等しくして、実部を充電用回路のインピーダンスより僅かにずらす方法をとる。この方法で、ＲＦＩＤタグの通信用アンテナは反射波を生成でき、充電用アンテナは、ＩＣチップ内のコンデンサに電荷を溜めることができる。
【００２０】
さらに、本発明のＲＦＩＤタグでは、前記通信用アンテナと前記通信用回路とのインピーダンスはバックスキャッタが動作していない場合は複素共役であることを特徴とする。
この構成とすることで、リーダ／ライタからの電波を最大効率で吸収し、ＩＣチップ内部のコンデンサに電荷を蓄えることができるとともにバックスキャッタに電力を供給できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のＲＦＩＤタグ用ＩＣチップの備えるバックスキャッタはコンデンサからの電力供給によってＩＣチップのインピーダンスを変化可能であるため、それぞれの回路に適切なインピーダンスのアンテナを接続し、通信用アンテナと通信用回路とのインピーダンスマッチングを調節することができるので、同じ電波を受けても通信用アンテナと充電用アンテナとで反射／吸収のタイミングをずらすことができる。
【００２２】
さらに、本発明のＲＦＩＤタグが備えるＩＣチップ内のバックスキャッタはコンデンサからの電力供給によってＩＣチップのインピーダンスを変化可能であり、通信用アンテナはＩＣチップの通信用回路に、充電用アンテナはＩＣチップの充電用回路にそれぞれ接続され、充電用アンテナと充電用回路とのインピーダンスは複素共役でないため、充電用アンテナによってリーダ／ライタからの電波が全吸収されてしまうことがなくなり、反射信号を返すことができる。
【００２３】
さらに、本発明のＲＦＩＤタグは、充電用アンテナと充電用回路とのインピーダンスは虚部のみ等しく実部は等しくないため、通信用電波から常に一定の割合で電波を吸収しＩＣチップ内に充電するとともに、反射に必要な場合は反射波を返すことができる。さらに、充電用アンテナのインピーダンスと充電用回路のインピーダンスの実部を一定の関係とすることで、ＲＦＩＤタグの通信用アンテナは十分な反射波を生成でき、充電用アンテナは、ＩＣチップ内のコンデンサにバックスキャッタと演算装置の駆動に十分な電荷を溜めることができる。
【００２４】
さらに、本発明のＲＦＩＤタグは、通信用アンテナと通信用回路とのインピーダンスはバックスキャッタが動作していない場合は複素共役とするので、リーダ／ライタからの電波を最大効率で吸収し、ＩＣチップ内部のコンデンサに電荷を蓄えることができるとともにバックスキャッタに電力を供給できる。
さらに、信号用の周波数の電波のみでＩＣチップ内のコンデンサに充電が可能であるため、リーダ／ライタの構造を簡単にすることができる。また、通信と同時に充電が行われるため、通信時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の一例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のＲＦＩＤタグ１０を上から見た図である。本発明のＲＦＩＤタグ１０は、ＩＣチップ１０と、リーダ／ライタからの電波を信号として吸収するための信号用アンテナ１２との他に、さらに充電用アンテナ１６を備えている。アンテナとＩＣチップとを支持する基材としては、有機基板・紙・ＰＥＴフィルム等が用いられている。例えば、ＩＣチップ１２は、通信用アンテナ１４と充電用アンテナ１６とフリップチップ実装されている。アンテナとＩＣチップとはそれぞれ接続されていれば基材のどちらの面に配置されていてもよい。通信用アンテナ１４と充電用アンテナ１６は，ここではＲＦＩＤタグの基板としてプリント基板を用い、アンテナとしてはこれに印刷配線されたダイポールアンテナを用いているが、他のループアンテナ・パッチアンテナ等でも良い。信号用アンテナも充電用アンテナも共にそのインピーダンスはアンテナの折り返し長さ、材料、幅等を変化させることによって調節できる。
【００２６】
図２は本発明のＲＦＩＤタグに実装されているＩＣチップの機能を模式的に示した図である。このＩＣチップ２０はいくつかのトランジスタと、コンデンサ２４と、演算装置２６と、メモリ２８と、バックスキャッタ２２とを備えている。ＩＣチップ内部の回路は、信号用アンテナに接続される信号用回路と、充電用アンテナに接続される充電用回路との２系統に分けられる。どちらの回路もコンデンサに電荷を送ることができる。
【００２７】
信号用回路にはバックスキャッタ２２が組み込まれている。バックスキャッタ２２は、演算装置２６からの指令を受け、コンデンサ２４からの電力により自身のインピーダンスを変化させることで、信号用回路のインピーダンスを変化させることができる。一方、充電用回路はバックスキャッタを備えていないので、そのインピーダンスは変化しない。
【００２８】
通信用アンテナと通信用回路のインピーダンスは、バックスキャッタが動作していない状態ではマッチングする（複素共役である）ように調整する。すなわち、バックスキャッタが動作していない状態での通信用回路のインピーダンスＺｓｃを
【数９】
2008077554.tif 000011
（Ｒｓｃ：通信用回路のレジスタンス、Ｘｓｃ：通信用回路のリアクタンス）
とすると、通信用アンテナのインピーダンスＺｓａは
【数１０】
2008077554.tif 000012
である。
【００２９】
充電用アンテナは充電用回路とはインピーダンスが完全にマッチングしないように設計する。充電用アンテナと充電用回路のインピーダンスが複素共役となるなるように設計してしまうと、反射すべき電波が送信された際に、信号用アンテナではバックスキャッタの働きによりインピーダンスを不整合にして反射することができるが、バックスキャッタを備えない充電用アンテナでは吸収してしまうからである。
【００３０】
本発明では、充電用アンテナと充電用回路のインピーダンスを、虚部のみ等しくなるように調整する。すなわち、充電用回路のインピーダンスＺｃｃを
【数１１】
2008077554.tif 000013
（Ｒｃｃ：充電用回路のレジスタンス、Ｘｃｃ：充電用回路のリアクタンス）
とすると、充電用アンテナのインピーダンスＺｃａを
【数１２】
2008077554.tif 000014
（Ｒｃａ：充電用アンテナのレジスタンス、Ｘｃａ：充電用アンテナのリアクタンス）
で表した場合、
【数１３】
2008077554.tif 000015
となるように、充電用アンテナのインピーダンスを調整する。
充電用アンテナと充電用回路のインピーダンスがこのような関係になるように調節すことで、通信用の電波を常に少しずつ吸収し、コンデンサを充電することができる。
【００３１】
リーダ／ライタから発信された電波がＩＣチップに吸収されるべき場合では、演算装置２６からバックスキャッタ２２を動作させる指令が出されないので、通信用アンテナと通信用回路のインピーダンスはマッチングしている。そのため、ＩＣチップに電波が吸収され、無反射の信号がリーダ／ライタに返信されるとともに、ＩＣチップ２０内部のコンデンサ２４に通信で得たエネルギーの一部が充電される。
【００３２】
このとき、充電用アンテナと充電用回路のインピーダンスは完全にマッチングしてはいないが虚部のみ等しいので、充電用アンテナに起電力Ｖｃが誘起されたとき、充電用回路に流れる電流Ｉｃは数式（１）から
【数１４】
2008077554.tif 000016
となる。ここで、
【数１５】
2008077554.tif 000017
（Ａは任意の実数）とおくと、数式（４）は
【数１６】
2008077554.tif 000018
となる。充電用アンテナと充電用回路がマッチングしている場合にはＡ＝１であるので、Ａ＝１である場合の電力をＰｉｃｍａｘとすると
【数１７】
2008077554.tif 000019
であるから、このときコンデンサに供給される電力Ｐｉｃは
【数１８】
2008077554.tif 000020
となる。
【００３３】
ＰｉｃがＰｉｃｍａｘに対して大きな割合を占めると、常に信号電波のほとんどを電力として吸収してしまうため、本来反射しなくてはならない信号が弱まってしまうという問題がある。そのためＰｉｃはＰｉｃｍａｘの２分の１以下が好ましい。信号の組み合わせにもよるが、吸収する信号の場合は信号用アンテナからコンデンサに充電されるので、ＰｉｃがＰｉｃｍａｘの３分の１以上であれば十分な電力をコンデンサに蓄えることができる。すなわち
【数１９】
2008077554.tif 000021
であり、この範囲を満たすＡは以下の不等式で与えられる。
【数２０】
2008077554.tif 000022
これを満たすＡは約１．８３から約２．４６の範囲である。
【００３４】
リーダ／ライタから発信された電波がＩＣチップに吸収されず反射されるべき場合では、演算装置２６からバックスキャッタ２２を動作させる指令が出され、バックスキャッタ２２はコンデンサ２４の電力を用いて自身のインピーダンスを変化させ、信号用回路のインピーダンスを信号用アンテナとミスマッチング（複素共役ではない）させる。信号用アンテナのインピーダンスとＩＣチップのインピーダンスがミスマッチングとなることで、電波が反射波としてリーダ／ライタに返信され、信号用回路からＩＣチップに電力が供給されることはない。
【００３５】
信号電波の吸収／反射の履歴は、メモリ２８が書き変え可能である場合、データとしてメモリ２８に蓄積される。
【００３６】
電波が反射される場合であっても、充電用アンテナからは数式（７）で示した常に一定の電力が供給される。これにより、ＲＦＩＤタグがリーダ／ライタからの電波を反射して通信している間でも、ＲＦＩＤタグ内のＩＣチップにあるコンデンサにエネルギーが充電され、リーダ／ライタへの符号として反射が連続される場合でもＩＣチップは動作することが可能となる。
【００３７】
また、このようなＲＦＩＤタグに対して通信を行うリーダ／ライタは通信用発信機のみを備えていればよく、ＲＦＩＤタグへの充電用電波を送るための発信機は不要とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本願発明のＩＣチップ及びＲＦＩＤタグは、展示会等の入退場管理や、貨物の流通、家畜や食品の履歴管理、在庫管理等に用いることができる。特に、バッテリーを備えず小型であり、また通信と充電が同時に行えるため通信時間を短縮できることから、入場券やカード、荷札など、タグ自体が小さく、大量に処理をしなければならない用途に好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のＲＦＩＤタグを上面から見た模式図である。
【図２】本発明のＩＣチップ内部の機能を模式的に示したブロック図である。
【図３】ＡＳＫ方式の通信方法を示す説明図である。
【図４】従来のＩＣチップの回路図である。
【図５】従来のＩＣチップ内部の機能を模式的に示したブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…ＲＦＩＤタグ
１２…ＩＣチップ
１４…通信用アンテナ
１６…充電用アンテナ
２０…本発明のＩＣチップ
５０…従来のＩＣチップ
２２、５２…バックスキャッタ
２４、５４…コンデンサ
２６、５６…演算装置
２８、５８…メモリ
【図１】
2008077554.tif 000027
【図２】
2008077554.tif 000028
【図３】
2008077554.tif 000029
【図４】
2008077554.tif 000030
【図５】
2008077554.tif 000031