(57)【要約】【課題】ＲＦＩＤシステムに用いられるＩＣカードや無線タグ等のアイテム識別体の電源を、電池ではなく圧電発電装置を用い、該圧電セラミックス素子をクッション材で支持してたわみ振動を長く継続させることで通信に必要な電力を得ることができると共に、磁界誘導を利用しないため、通信距離を従来の電池式のものの約１０倍以上、７ｍ〜１０ｍ程度の通信に必要な電力を得ることができ、汎用性を大幅に向上させることができる無線を利用したアイテム識別体を提供する。【解決手段】各種の識別情報を、ループアンテナを介して無線通信可能に構成されてなるＩＣカードや無線タグ等のアイテム識別体の電源として、圧電セラミックス素子のたわみ振動により発電する圧電発電装置を用い、該圧電セラミックス素子をクッション材で支持してたわみ振動を長く継続させるように構成した。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各種の識別情報を、ループアンテナを介して無線通信可能に構成されてなるＩＣカードや無線タグ等のアイテム識別体の電源として、圧電セラミックス素子のたわみ振動により発電する圧電発電装置を用い、該圧電セラミックス素子をクッション材で支持してたわみ振動を長く継続させることを特徴とする無線を利用したアイテム識別体。
【請求項２】
前記圧電発電装置は、複数枚の圧電セラミックス素子を、分極を逆向にして接合して層状の圧電セラミックス体に形成し、この圧電セラミックス体をクッション材で支持することによりたわみ振動を長く継続させて発電するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の無線を利用したアイテム識別体。
【請求項３】
前記圧電発電装置は、板状の２枚の圧電セラミックス素子を、分極を同一方向にして接合すると共に、該セラミックス素子間に極薄の金属電極体を接合して層状の圧電セラミックス体を形成し、この圧電セラミックス体をクッション材で支持することによりたわみ振動を長く継続させて発電するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の無線を利用したアイテム識別体。
【請求項４】
前記圧電セラミックス体は、その中央部又は／及び両端部がクッション材で保持されていることを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれかに記載の無線を利用したアイテム識別体。
【請求項５】
前記圧電セラミックス体の衝突荷重負荷面部には、プロテクタ板が貼着されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の無線を利用したアイテム識別体。
【請求項６】
前記圧電セラミックス素子は、複数枚層状に接合して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の無線を利用したアイテム識別体。
【請求項７】
前記圧電セラミックス素子は、チタンジルコン酸亜鉛系の材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の無線を利用したアイテム識別体。
【請求項８】
請求項３に記載の金属電極体は、りん青銅や真鍮等の導電性金属で１０μｍ〜５０μｍの厚さに形成されていることを特徴とする無線を利用したアイテム識別体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無線周波数（ＲＦ）を利用したＲＦアイテム識別システム（ＲＦＩＤ）に用いられるＩＣカードや無線タグ等のアイテム識別体に係り、特に、当該アイテム識別体に装着される電源を、電池に代えて圧電発電装置を用いた無線を利用したアイテム識別体に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
例えば、無線識別タグシステムは、カード状に形成された携帯可能なタグカードと、固定的に設置されるシステム本体（ＨＯＳＴ）側のデータ読取り書込み装置との間でデータの無線転送を行っている。この場合、通常は、データの”１”、”０”に応じて搬送周波数が異なるＦＳＫ（周波数シフトキー）方式を使用して転送を行っているものも少なくない。
【０００３】
上記したようなタグカードは、電波による非接触方式でデータの授受を行うので、接触方式でデータの授受を行う通常のＩＣカードのような接触部（コネクタ）の摩耗による劣化とか埃塵や水分などの外部環境による影響を受けないという利点がある。また、タグカードが移動中であってもデータの授受を行うことができる利点を活用し、無線識別タグシステムは、今日では、鉄道の自動改札、スキー場のリフト券などへの応用が大きく期待されている。
【０００４】
図４は、無線識別タグシステムで使用されるタグカードの構造の一例を示している。このタグカード２０は、絶縁基板上の周縁部に沿って配設され或はパターン印刷されたループ状のアンテナ２２と、上記絶縁基板上に載置され、前記アンテナに電気的に接続されたデータ送受信装置２３と、このデータ送受信装置２３の動作電源である薄型の電池２４と、を具備し、全体が絶縁封止されて構成されている。尚、上記データ送受信装置３は、データ受信装置とデータ送信装置を含む。
【０００５】
しかしながら、上記従来のタグカード２０にあっては、電源として電池を用いるために、その交換が非常に煩雑であり、また、電源のオン・オフ制御はループアンテナ２２からの磁界誘導で実行されるため、通信距離が略７０ｃｍと非常に短く、この距離を越えた場合には通信に必要な電力を得ることができず、利用分野や利用形態が非常に狭められ、汎用性に乏しい、という課題を有していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、かかる現状に鑑み創案されたものであって、その目的とするところは、ＲＦＩＤシステムに用いられるＩＣカードや無線タグ等のアイテム識別体の電源を、電池ではなく圧電発電装置を用い、当該アイテム識別体を振るだけでクッション材で支持した圧電セラミックス体のたわみ振動を長く継続させることで、圧電発電装置における発電量を増加させることができ、通信に必要な電力を従来の電磁誘導式電源供給システムでは不可能であった発電量を容易に得ることができ、通信距離を従来の電池式のものの約１０倍以上、７ｍ〜１０ｍ程度と飛躍的に増加させて、この種のアイテム識別体の汎用性を大幅に向上させることができる無線を利用したアイテム識別体を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明に係る無線を利用したアイテム識別体は、請求項１に記載したように、各種の識別情報を、ループアンテナを介して無線通信可能に構成されてなるＩＣカードや無線タグ等のアイテム識別体の電源として、圧電セラミックス素子のたわみ振動により発電する圧電発電装置を用い、該圧電セラミックス素子をクッション材で支持してたわみ振動を長く継続させるように構成したことを特徴とするものである。
【０００８】
このように構成することで、請求項１に記載の発明にあっては、アイテム識別体を必要なときに振る等して振動を加えるだけで、クッション材に支持された圧電セラミックス素子のたわみ振動を長く継続させることができるので、従来の電池式のアイテム識別体の約１０倍以上の距離の通信に必要な所定電圧が容易に得られるので、従来のような電池交換が不要となり、その汎用性が大幅に向上する。
【０００９】
そして、この発明に用いられる一の圧電発電装置は、請求項２に記載したように、複数枚の圧電セラミックス素子を、分極を逆向にして接合して層状の圧電セラミックス体に形成し、この圧電セラミックス体をクッション材で支持してたわみ振動を長く継続させて発電するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、この発明に用いられる他の圧電装置は、請求項３に記載したように、板状の２枚の圧電セラミックス素子を、分極を同一方向にして接合すると共に、該セラミックス素子間に極薄の金属電極体を接合して層状の圧電セラミックス体を形成し、この圧電セラミックス体をクッション材で支持してたわみ振動を長く継続させて発電するように構成されていることを特徴とするものである。この請求項３に記載の圧電発電装置によれば、請求項２に記載の圧電発電装置の略２倍程度の出力電流を得ることができる。
【００１１】
この発明に用いられる圧電発電装置の圧電セラミックス体は、振動をより長く継続させるため、クッション材で保持する部位を、請求項４に記載したように、その中央部又は／及び両端部としたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、この発明にあっては、圧電セラミックス体の衝突荷重負荷面部の衝撃による損壊を防止するため、請求項５に記載したように、該部分にプロテクタ板を貼着して構成するのが望ましい。
【００１３】
そして、この発明に用いられる圧電セラミックス素子は、請求項６に記載したように、複数枚を層状に接合して形成することで、より発電効率を向上させることができる。
【００１４】
また、この発明の圧電発電装置に用いられる圧電セラミックス素子は、請求項７に記載したように、チタンジルコン酸亜鉛系の材料で形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
さらに、請求項３に記載の圧電発電装置の金属電極体は、請求項８に記載したように、りん青銅や真鍮等の導電性金属で１０μｍ〜５０μｍの厚さに形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態例に基づき、この発明を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、この発明が適用された無線を利用したアイテム識別体であるＩＣカードＣの概略的な構成を示しており、図２は、このＩＣカードＣに用いられる直列型の圧電発電装置の原理構成を示している。勿論、この発明にあっては、アイテム識別体として上記ＩＣカードＣに限定されるものではなく、例えば、公知の各種無線タグにも適用することができる。
【００１８】
この形態例に係るＩＣカードＣは、図１に示すように、絶縁基板上の周縁部に沿って配設され或はパターン印刷されたループアンテナＡと、上記絶縁基板上に載置され、前記ループアンテナＡに電気的に接続されたデータ送受信装置Ｄと、このデータ送受信装置Ｄの動作電源である前記圧電発電装置Ｓと、を具備して構成されており、全体が絶縁封止されて構成されている。尚、上記データ送受信装置Ｄは、この形態例では、データ受信装置とデータ送信装置を含んで構成されている。
【００１９】
このようなＩＣカードＣを用いたＲＦＩＤシステムでは、識別タグは適用されるアイテムに置かれる。タグは、それが取付けられるアイテムに関する情報、例えば、その識別情報や金銭情報等、当該アイテムに必要な各種情報が含まれて構成されている。タグの各々は無線信号を受信する電子回路及びディジタル制御回路を備える。タグは適切な無線信号の受信によりトリガーされてその回路に圧電発電装置Ｄで発電された電力を供給し、無線信号により受信したメッセージに応答するように構成されている。タグはＲＦ回路、ロジック及びメモリを有する半導体チップ（例えば、ＬＳＩ）からなる制御部９を備えている。タグは、個別の素子、キャパシター及びダイオードの集まりであるアンテナを有し、また、能動タグの場合には、例えばバッテリ、素子の取り付け及び素子間の相互接続のための基板、並びに物理的な封入手段も有して構成されている。一般に、ＲＦタグは個々の素子の回路カードへの取り付けにより製造される。
【００２０】
一方、上記圧電発電装置Ｓは、ＩＣカードＣ内に対設された圧電セラミックス体１（ＰＺＴ１），２（ＰＺＴ２）と、該圧電セラミックス体１，２の中央部を保持するクッション材３，３と、上記圧電セラミックス体１，２に衝撃を加える鋼球４と、から構成されており、上記圧電セラミックス体１，２の鋼球衝突面部には、プロテクト部材５，５が貼着されて構成されている。尚、この形態例では、圧電セラミックス体１，２のクッション材３，３による保持態様として圧電セラミックス体１，２の中央部を保持するように構成した場合を例にとり説明したが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、圧電セラミックス体１，２の各両端部をクッション材３，３で保持させるように構成しても同様の発電効率を得ることができる。
【００２１】
上記圧電セラミックス体１（ＰＺＴ），２（ＰＺＴ）は、同一材質、相似形状、同一厚さの２枚の板状圧電セラミックス素子１ａ，１ｂ（２ａ，２ｂ）を、各セラミックス素子１ａ，１ｂ（２ａ，２ｂ）の分極の極性を逆方向にして接合したものである。このように両セラミックス素子１ａ，１ｂ（２，２ｂ）を接合したことにより、２つのセラミックス素子１ａ，１ｂ（２ａ，２ｂ）は、接合面を中心（伸縮しない部位）にたわみ振動が行われる。この場合、一方の側のセラミックス素子１ａ（２ａ）が伸長すれば他方の側のセラミックス素子１ｂ（２ｂ）は収縮し、かつ出力電圧の電極は同一方向となり、両圧電セラミックス素子１ａ，１ｂ（２ａ，２ｂ）は直列に接続された発電構成となる。
【００２２】
上記接合面を中心にたわみ振動が行われると、一方の圧電セラミックス素子１ａ，２ａ（又は１ｂ，２ｂ）で伸長と収縮との両方の作用が行われて、分極が打ち消されるということがなく効率的に発電が行われる。発電された電気エネルギとしての電流はリード線６，６を用いて取り出す。
【００２３】
また、ここでは２枚の圧電セラミックス素子１ａ，１ｂ（２ａ，２ｂ）を積層したが、各圧電セラミックス素子１ａ，２ａ（１ｂ，２ｂ）を、それぞれ積層構造とすることができる。この積層構造では、複数の圧電セラミックス体を接合（この場合は分極の極性は同一）して、一方の圧電セラミックス素子１ａ，２ａ（又は１ｂ，２ｂ）を形成する。このように、積層構造とすることで、例えば、弾性特性を有する接着材により接合した場合には、この弾性効果により、材質的に強度に欠けるセラミックス体材の曲がりが容易になって曲げ強度が維持でき、また薄厚とすることでセラミックス体は曲げに強くなる。また、圧電セラミックス体１の外形形状は特に限られるものではないが、正面形状としては、ＩＣカードＣ内に内蔵できる形態であれば、細長形状、円形、楕円形、三角形、四角形或いは多角形等としても構わない。
【００２４】
一方、上記クッション材３は、合成樹脂材、ゴム材、あるいはこれらをスポンジ状にした軟質の材料である。このようなクッション材３を用い、しかもこのクッション材３の中央部或は両端部を接着材により圧電セラミックス体１，２と固着したのは、圧電セラミックス体１，２の振動を減衰させないためである。圧電セラミックス体１，２が振動する場合、この圧電セラミックス体１，２を保持する部材は圧電セラミックス体１，２の振動を減衰させる要因になり、この減衰要因を取り除くために、クッション材３を用いて極力、圧電セラミックス体１，２を自由な状態におく。
【００２５】
圧電セラミックス体１，２の歪みは、圧電セラミックス自体が持つ固有振動となって暫くの間、継続する。この固有振動を長く継続させるためには、この固有振動を圧電セラミックス体１，２以外の他の構造体に伝えないことが重要である。圧電セラミックス体１，２の固有振動は、電気エネルギーとして変換されるが、その他の構造体の振動は全て機械的な抵抗となって固有振動エネルギーを吸収してしまい、電気エネルギーとして取り出すことができない。このため、この形態例では、圧電セラミックス体１，２と他の構造体との間で上記固有振動が伝達しないような柔らかな接触を実現するための手段として上記クッション板３を用いることで、圧電セラミックス体１，２の固有振動が長く継続させることができ、発電量を飛躍的に増加させることができる。勿論、このクッション材３は圧電セラミックス体１，２に加えられる衝撃を緩和する作用をも有する。
【００２６】
プロテクタ部材５，５は、金属製或いは合成樹脂製等で形成されており、圧電セラミックス体１，２同士の衝突から圧電セラミックス体１，２を保護する。
【００２７】
このように構成されてなる上記圧電発電装置Ｓが内蔵されたＩＣカードＣを、必要なときに複数回振って所定の運動状態の環境下に置けば、双方の圧電セラミックス体１，２に鋼球４が衝突して圧電セラミックス体１，２に衝撃エネルギが印加される。そして、圧電セラミックス体１，２は振動が励起され、伸長及び収縮がクッション材３の作用により長く継続されて電流を発電する。
【００２８】
尚、この形態例では、圧電セラミックス体１，２をクッション材３を介して保持する場合を例にとり説明したが、これに代えて、一方或は両方の圧電セラミックス体１，２をバネで保持させるように構成してもよい。
【００２９】
この圧電発電装置が発電した電気は、図２に示すコンデンサ７に充電し、所要電圧に達したときに安定した電流を供給するように構成することもできる。尚、図２中、符号８は整流用ダイオードを、符号１０は、コンデンサ７に充電された電圧が所定電圧値にあるか否かを判定する電圧判定回路である。
【００３０】
このように構成されてなる圧電発電装置Ｄを備えたＩＣカードＣは、以上のように構成され、圧電セラミックス体１，２に衝突荷重を作用させることで、クッション材の作用によってたわみ振動が長く継続し、発電するように構成されているので、電池を用いる必要がなく、必要なときに従来の電池式ＩＣカードの出力電流よりも１０倍以上の通信距離に必要な電力を容易に得ることができ、この電力によりループアンテナＡから記憶されているアイテム情報を、図２に示すＨＯＳＴ側送受信装置Ｂへと送受信することができる。尚、同図中符号Ａ‘は、ＨＯＳＴ側送受信装置Ｂのループアンテナである。
【００３１】
図３は、この発明のアイテム識別体であるＩＣカードＣに用いられる圧電発電装置Ｓの他の構成例に係る並列型圧電発電装置の構成を示しており、該圧電発電装置Ｓは、同一形態（同一材質、同一形状、同一厚さ）の２枚の板状の圧電セラミックス素子１１ａ，１１ｂ（１２ａ，１２ｂ）を、各セラミックス素子１１ａ，１１ｂ（１２ａ，１２ｂ）の分極の極性を同一方向に接合し、かつ、該圧電セラミックス素子１１ａ，１１ｂ（１２ａ，１２ｂ）間に、りん青銅や真鍮等の導電性金属で１０μｍ〜５０μｍの厚さに形成された極薄の金属電極１３を配置し、これら圧電セラミックス素子１１ａ，１１ｂ（１２ａ，１２ｂ）と金属電極１３を接合して構成されている他は、他の構成・作用は、前記形態例の直列型圧電発電装置と同様に構成されているので、その詳細な説明をここでは省略する。
【００３２】
このように金属電極１３を上記極薄の厚さとすることで、該金属電極１３による機械的な抵抗をごく僅かに抑えることができ、２つのセラミックス素子１１ａ，１１ｂ（１２ａ，１２ｂ）と金属電極１３の接合面を中心（伸縮しない部位）にたわみ振動が発生したとしても、該たわみ振動の金属電極１３による減衰を可及的に小さく抑えることができる。尚、この形態例の構成では、一方の側のセラミックス素子１１ａ（１２ａ）が伸長すれば他方の側のセラミックス素子１１ｂ（１２ｂ）は収縮し、かつ出力電圧の電極は逆方向となり、両圧電セラミックス素子１１ａ，１１ｂ（１２ａ，１２ｂ）は並列に接続された発電構成となる。
【００３３】
この形態例に係る並列型圧電発電装置Ｓは、以上説明したように、板状の２枚の圧電セラミックス素子１１ａ，１１ｂ（１２ａ，１２ｂ）を、分極を同一方向にして接合すると共に、該セラミックス素子１１ａ，１１ｂ（１２ａ，１２ｂ）間に極薄の金属電極体１３を接合して層状の圧電セラミックス体１１，１２を形成し、この圧電セラミックス体１１，１２に衝撃荷重を作用させることで、クッション材３の作用によって長く継続させて発電することができるように構成したので、前記直列型圧電発電装置と比較して、略２倍の出力電流を得ることができ、使用分野を大幅に拡大させることができ、実用性が向上する。
【００３４】
【発明の効果】
この発明に係る無線を利用したアイテム識別体は、以上説明したように、各種の識別情報を、ループアンテナを介して無線通信可能に構成されてなるＲＦＩＤシステムに用いられるＩＣカードや無線タグ等のアイテム識別体の電源として、圧電セラミックス素子のたわみ振動により発電する圧電発電装置を用い、該圧電セラミックス素子をクッション材で支持してたわみ振動を長く継続させて発電するように構成したので、当該アイテム識別体を振るだけで従来のものの通信距離よりも長い距離の通信に必要な電力を簡単に得ることができると共に、磁界誘導を利用しないため、通信距離を従来の電池式のものの約１０倍以上、７ｍ〜１０ｍ程度の通信に必要な電力を容易、かつ、簡単な構成で得ることができ、汎用性を大幅に向上させることができる、という優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の第１形態例に係る無線を利用したアイテム識別体であるＩＣカードの概略的な構成を示す説明図である。
【図２】同ＩＣカードの概略的な回路構成説明図である。
【図３】並列型圧電発電装置の概略的な構成説明図である。
【図４】従来のＩＣカードの概略的な構成を示す説明図である。
【符号の説明】
Ａ　ループアンテナ
Ｂ　ＨＯＳＴ側送受信装置
Ｃ　ＩＣカード
Ｄ　データ送受信装置
Ｓ　圧電発電装置
１，２，１１，１２　圧電セラミックス体
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ圧電セラミックス素子
３　クッション部材
９　制御部
１０　電圧判定回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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