JP2008151580A - 無線タグ - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも簡易な構成をとりつつ、特定の気体の存在を精度よく検知し得るような装置を提供すること。
【解決手段】無線通信用のアンテナ３０を有する無線タグ１０，１０Ａにおいて、特定の気体によって所定の物理現象が生じることにより通信機能を消滅させまたは変化させる変化物質が少なくとも一部に配置されたことを特徴とする無線タグ１０，１０Ａ。このような構成をとることにより、特定のガスに反応する物質への電圧の印加や、その電気抵抗の検出などのための機器を搭載した大掛かりな装置を用いることなく、空間内における特定のガスの有無を精度よく検知することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線タグに関する。

従来より、特定の気体の存在を検知する各種センサが提案されている。例えば、特許文献１には、水素を比較的精度よく検知し得る水素センサの開示がある。特許文献１に開示された水素センサは、電気絶縁性の基板上に、ＮｉＺｒ合金薄膜とパラジウム膜とを積層し、その表面に離間して設けられた電極間の抵抗値が水素ガスの吸収量に応じて変化することを利用して水素検出を行うようになっている。
特開２００２−３２８１０８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された類の水素センサは、電極間に電圧を印加するための機器や電極間の抵抗を測る機器などを内蔵させる必要があり、装置が大掛かりな構成となってしまうという問題がある。

本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、従来よりも簡易な構成をとりつつ、特定の気体の存在を精度よく検知し得るような装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の好適な態様である、無線通信用のアンテナを有する無線タグは、特定の気体によって所定の物理現象が生じることにより通信機能を消滅させまたは変化させる変化物質が少なくとも一部に配置されたことを特徴とする。

この態様において、前記変化物質は、特定ガスに接触するとインピーダンスが変化する物質であり、その物質によって前記アンテナの少なくとも一部が被覆されていてもよい。

また、前記変化物質は、特定ガスに接触すると起電力が発生する一対の電極間に固体電解質を挟んだ物質であり、この物質が発生させた起電力によって通信機能を発生させてもよい。

本発明の別の好適な態様である無線タグは、コイルと、特定の周波数の電波信号を上記コイルが受信したときに電波信号を上記コイルから送信させるための他の素子とを基板上に備え付け、特定の気体と接触している間だけインピーダンスが変化する変化物質によって上記コイルまたは上記他の素子の全部または一部を被覆したことを特徴とする。

本発明の別の好適な態様である無線タグは、コイルと、特定の周波数の電波信号を上記コイルが受信したときに電波信号を上記コイルから送信させるための他の素子とを基板上に備え付け、水素と接触している間だけインピーダンスが変化する変化物質である酸化タングステンまたはその酸化タングステンが混入された部材によって上記コイルまたは上記他の素子の全部または一部を被覆したことを特徴とする。

この態様において、前記他の素子は、データを記憶するメモリと、前記コイルが特定の周波数の電波信号を受信したことによって誘起される交流電流を整流し、直流電流を取得する整流部と、上記取得された直流電流を蓄電する蓄電部と、上記蓄電された直流電流の作用を受けて上記メモリからデータを読み出し、読み出したデータを変換して得た電波信号を前記コイルから送信させる制御部とを有してもよい。

また、少なくとも前記変化物質を包み込み素子の安定性を向上するとともに、適切な気体透過性を有する物質で包まれていてもよい。

本発明によると、簡易な構成をとりつつ、特定の気体の存在を精度よく検知することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態にかかる無線タグ１０の外観を示す上面図である。図２は、本実施形態にかかるパッシブタイプの無線タグ１０の内部の構成を示す上面図であり、図３は、その下面図である。また、図４は、図２のＡ−Ａ線による断面図である。

この無線タグ１０は、基板２０の上面または下面に、アンテナとなるアンテナコイル３０、ＩＣ（Integrated Circuit）４０、およびジャンパー線５２，５３を備え付け、タングステンが混入した樹脂材３１によってアンテナコイル３０を被覆した上で、それらのすべてを和紙５０により包み込み封止した構造になっている。なお、ＩＣ４０、ジャンパー線５２，５３は、請求項の「他の素子」に相当する。

各部について詳述すると、まず、基板２０は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなどの樹脂に酸化タングステンを所定の割合で含有させた誘電材料を、板状に成形した部材である。そして、この酸化タングステンは、水素に触れている間は導電性を有し、水素に触れていない間は絶縁性を有するという性質を持っている。つまり、この酸化タングステンは、水素と接触している間だけインピーダンスが変化する変化物質である。

図２に示すように、この基板２０の上面のほぼ中央の矩形状領域２１の周りにはアンテナコイル３０が配置されている。アンテナコイル３０は、アルミニウム、銅、銀などの導電材料から形成され、矩形の四隅のうち１つを切り欠いた５角形を５重に渦巻した形状をなしている。このアンテナコイル３０の形状は、基板２０の上面に塗布した導電材料の薄膜をエッチングして導電線化することにより得られる。そして、基板２０の矩形状領域２１には、ＩＣ４０が配置されている。このＩＣ４０は、アンテナコイル３０の最内周の一辺をなす導電線と電気的に繋がっている。

また、基板２０の上面の四隅の１つとアンテナコイル３０の斜めにつながる部分との間にできる直角三角形状の隙間２２には、スルーホール５１が上下方向に貫通している。そして、そのスルーホール５１から基板２０の上下両面のほぼ中央に向かって、ジャンパー線５２，５３がそれぞれ延在している。これらの両ジャンパー線５２，５３のうち、基板２０の上面のジャンパー線５２は、アンテナコイル３０をなす５重の５角形の各々の切り欠かれた部分を跨ぐように、アンテナコイル３０の最内周の端とスルーホール５１の間に配置されている。

そして、ジャンパー線５２とアンテナコイル３０の間には、両者を絶縁するための絶縁層（図示せず）が設けられている。一方、図３に示すように、下面のジャンパー線５３は、基板２０を挟んで上面のジャンパー線５２と対向するように配置されている。さらに、そのジャンパー線５３の端部は、補助電線５５と電気的に繋がっている。この補助電線５５は、スルーホール５４を介し、アンテナコイル３０の最外周の一辺をなす導電線の端部と
電気的に繋がっている。よって、絶縁層（図示せず）を挟んで対向するアンテナコイル３０とジャンパー線５２、および基板２０を挟んで対向するアンテナコイル３０とジャンパー線５３の各々により、コンデンサが形成されることになる。つまり、本実施形態にかかる無線タグ１０は、コイルとコンデンサを並列接続したＬＣ共振回路を含む。

図５は、本実施形態にかかる無線タグ１０の等価回路である。図５に示すように、無線タグ１０は、アンテナコイル３０、アンテナコイル３０とその上側のジャンパー線５２およびアンテナコイル３０とその下側のジャンパー線５３からなるコンデンサ５４、ならびにＩＣ４０を並列接続したものとして表現し得る。よって、ＬＣ共振回路を共振させる特定の周波数（以下、単に「共振周波数」と呼ぶ）の電波信号をアンテナコイル３０が受信すると、その電波信号の波形に応じた交流信号が誘起されてＩＣ４０へ供給される。コイルのインダクタンスおよびコンデンサの静電容量と共振周波数の間には、以下の式に示す関係がある。

上記関係式（１）において、Ｆは、ＬＣ共振回路の共振周波数である。Ｌは、コイルのインダクタンスである。Ｃは、コンデンサの静電容量である。上述したように、本実施形態の無線タグ１０は、アンテナコイル３０とその上側のジャンパー線５２、およびアンテナコイル３０とその下側のジャンパー線５３をそれぞれ対向させた２つのコンデンサを有する。よって、上記関係式（１）に入力されるべき値Ｃは、それらの両コンデンサの合成静電容量ということになる。

なお、各コンデンサの静電容量は、アンテナコイル３０とジャンパー線５２，５３の間の距離に反比例し、アンテナコイル３０とジャンパー線５２，５３の重なる部分の面積に比例する。ジャンパー線５２は、アンテナコイル３０をなす５重の５角形の各々の切り欠かれた部分を跨ぐように配置されている。よって、図４に示すように、アンテナコイル３０とジャンパー線５２，５３の重なる部分は、アンテナコイル３０の各辺をなす導電線３０ａから３０ｆの各々の線幅と同じ間隔で串歯状に断続することになる。

図４に示すように、基板２０の上面のアンテナコイル３０は、酸化タングステンが混入した樹脂材３１によって被覆されている。図１に示す和紙５０は、酸化タングステンを包み込み素子の安定性を向上するとともに、適切な気体透過性を有する物質である。この和紙５０は、ＩＣ４０、アンテナコイル３０、ジャンパー線５２，５３などといった基板２０上の各素子に水などが付着することによる毀損を防ぐと共に、水素を内部に透過させるためのものである。

図６は、ＩＣ４０の内部構成を示す図である。図６に示すように、ＩＣ４０は、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）４１、整流部４２、蓄電部４３、ＣＰＵ（Central Processing Unit：制御部に相当）４４、および変調部４５を有している。整流部４２およびＣＰＵ４４は、アンテナコイル３０の最内周の一辺をなす導電線と電気的に繋がっている。

ＥＥＰＲＯＭ４１には、固有のＩＤ(Identification)コードを表す３２ビットのデータが記憶されている。整流部４２は、アンテナコイル３０により誘起された交流信号を整流することによって得た直流電流を蓄電部４３へ供給する。蓄電部４３は、整流部４２から供給される直流電流を蓄電する。ＣＰＵ４４は、蓄電部４３に蓄電された直流電流を駆動電力として用い、ＥＥＰＲＯＭ４１に記憶されたデータを読み出して変調部４５へ供給する。変調部４５は、自らに供給されるデータを変調して得た無線信号をアンテナコイル３０から送信する。

次に、本実施形態の特徴的な作用を説明する。本実施形態に特徴的な作用は、無線タグ１０を水素の存在する空間内に持ち運び、無線タグ１０の共振周波数に相当する周波数の無線信号をその空間内に向けて発信したときに引き起こされる。無線タグ１０のＬＣ共振回路は、自身の共振周波数の無線信号を受信すると、交流電流を誘起させ、その交流電流が蓄電部４３に蓄電されてＣＰＵ４４の起動電力となることは上述した。ところが、無線タグ１０を水素の存在する空間内に持ち運ぶと、水素が和紙５０を透過して、樹脂材３１に含有される酸化タングステンに接触する。すると、その酸化タングステンが導電化する。つまり、アンテナコイル３０とジャンパー線５２，５３の重なる部分である導電線３０ａから３０ｆの各々の互いの隙間までもが、導電化する。また、時には、アンテナコイル３０が短絡することにより、そのインダクタンスＬも変動してしまう。これにより、上述の算出式（１）のＬ，Ｃの値が変動し、ＬＣ共振回路の共振周波数自体も変動する。よって、空間内に向けてそれまで発信していた無線信号によっては交流電流が誘起されず、ＥＥＰＲＯＭ４１に記憶されたデータも送信されなくなる。

以上説明した実施形態によると、無線タグ１０の持ち運ばれた空間内の水素の有無を、その空間内に向けて送信した無線信号に対する無線タグ１０からの返信の有無により判断することができる。すなわち、無線タグ１０の共振周波数に相当する周波数の無線信号を発信するリーダまたはリーダライタを近づけても何の応答もしなくなる。よって、水素に反応する物質への電圧の印加や、その電気抵抗の検出などのための機器を搭載した大掛かりな装置を用いることなく、空間内における水素の有無を精度よく検知することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態にかかる無線タグ１０Ａは、ＩＣ４０を内蔵しない、いわゆる反射型無線タグである。本実施形態にかかる無線タグ１０Ａの外観は第１実施形態と同様なので再度の説明を割愛する。図７は、本実施形態にかかる無線タグ１０Ａの内部の構成を示す上面図であり、図８は、その下面図である。また、図９は、図７のＢ−Ｂ線による断面図である。なお、第１実施形態と同じ部材には同一符号を付し、それらの再度の説明を省略または簡単化する。

図７に示すように、この無線タグ１０Ａの基板２０の上面のほぼ中央の矩形状領域２１には、ＩＣ４０の代わりに矩形状の薄膜電極７１が配置されている。この薄膜電極７１は、アンテナコイル３０の最内周の端と電気的に接続されている。アンテナコイル３０は、矩形を５重に巻回した形状をなしている。アンテナコイル３０の最外周の端は、上下方向に貫かれたスルーホール５１と繋がっている。図８に示すように、スルーホール５１の下面の側からは、薄膜電極７２に向かってリード線７３が延在している。つまり、この無線タグ１０Ａでは、基板２０の上下両面にそれぞれ配置された薄膜電極７１，７２によってコンデンサが形成され、ＬＣ共振回路を含むものとなっている。そして、図９に示すように、この無線タグ１０Ａの基板２０の上面は、タングステンが混入した樹脂材３１によって覆われている。なお、第１実施形態では、基板２０の上面のうちアンテナコイル３０が配置された部分のみが、樹脂材３１により覆われていた。これに対し、本実施形態では、基板の２０の上面のほぼ全面が、被覆材３１により覆われている。

このような構成の無線タグ１０Ａによっても、いわゆるゲート式の電波発信機と電波受信機と組み合わせて用いることにより、水素の有無を検知できる。図１０は、本実施形態にかかる無線タグ１０Ａを用いた水素の検出の仕組みを示す図である。図１０に示す電波発信機８１と電波受信機８２は、検知対象となる空間を挟んで対向するように設置される。そして、電波発信機８１は、無線タグ１０Ａの共振周波数に相当する周波数の無線信号を空間内に向けて発信し、電波受信機８２は、空間内を通って自らに到達した無線信号の強度を計測する。この状態で、本実施形態にかかる無線タグ１０Ａを空間内に持ち運ぶ。空間内に水素が存在していない場合、無線タグ１０ＡのＬＣ共振回路が共振して交流電流が誘起されるため、電波受信機８２まで到達する無線信号の強度が低下する。一方、空間内に水素が存在している場合、無線タグ１０ＡのＬＣ共振回路の共振周波数自体が変動するため共振は起こらず、電波受信機８２に到達する無線信号の強度は低下しない。

よって、空間内に無線タグ１０Ａを持ち運んだ上で、電波受信機８２に到達する無線信号の強度の変化を参照することにより、空間内における水素の有無を容易に検知できる。

（他の実施形態）
本発明は、種々の変形実施が可能である。
上記両実施形態では、基板２０およびその基板２０上のすべての素子を和紙５０により包み込み封止している。これに対し、水などの内部回路の毀損を引き起こす物質を透過させず水素の分子は透過させ得るような別の素材により、基板２０およびその基板２０上のすべての素子を包み込み封止してもよい。

上記第１実施形態では、ＩＣ４０に変調部４５を内蔵させ、ＣＰＵ４４がＥＥＰＲＯＭ４１から読み出したデータをこの変調部４５が変調して無線信号化している。これに対し、データの変調をＣＰＵ４４に実行させることにより、変調部４５を内蔵しない構成をとってもよい。

上記第１実施形態では、無線タグ１０の基板２０上のアンテナコイル３０の上から酸化タングステンを含む樹脂材３１を被覆している。これに対し、アンテナコイル３０ではなく、ＩＣ４０内の各部間に酸化タングステンを含む樹脂材３１を被覆するようにしてもよい。このような構成とした場合、水素がＩＣ４０内に入り込んで酸化タングステンに触れると、それら各部間が電気的に繋がった短絡状態になるため、正常な信号処理が行い得なくなる。よって、空間内に発信された無線信号に対する応答もできなくなり、その空間内における水素の有無を検知することができる。

また、アンテナコイル３０だけでなく、それに加えてジャンパー線５２をも跨ぐように酸化タングステンを含む樹脂材３１を被覆してもよい。このような構成とした場合、水素が酸化タングステンを含む樹脂材３１に触れると、本来であれば絶縁層により電気的に隔離されているはずのジャンパー線５２とアンテナコイル３０が電気的に繋がった短絡状態になる。よって、空間内に発信された無線信号に対する応答もできなくなり、その空間内における水素の存在を了解させることができる。

上記実施形態では、水素の作用を受けて絶縁体から導電体にかわる物質として酸化タングステンを用いている。これに対し、酸素や窒素などといった水素以外の気体の作用を受けてインピーダンスの変化する他の変化物質を酸化タングステンの代わりに用いてもよい。例えば、二酸化炭素に接触すると起電力が発生する一対の電極間に固体電解質を挟んだ物質を代わりに用い、二酸化炭素の接触によりこの物質が発生させた起電力によって無線タグの通信機能を発生させてもよい。また、酸化スズ半導体を含む物質を代わりに用い、一酸化炭素、メタン、アンモニアなどの検出を行ってもよい。

上記両実施形態にかかる無線タグ１０、１０Ａは、いずれも内部に電源を有しないパッシブタイプとなっている。これに対し、内部に電源を有するアクティブタイプの無線タグ１０の基板２０上のアンテナコイル３０を、酸化タングステンを含有する樹脂材３１によって被覆するようにしてもよい。このアクティブタイプの無線タグ１０を用いると、リーダ側は、無線タグ１０からの電波の受信状態を維持し続ければよく、無線タグ１０の共振周波数に相当する周波数の無線信号を自ら発信する必要がなくなる。

上記両実施形態にかかる無線タグ１０、１０Ａは、基板２０上のアンテナコイル３０の上から酸化タングステンを含む樹脂材３１を被覆している。これに対し、アンテナコイル３０の上からだけでなく、基板２０上の、アンテナコイル３０を含む素子の全体を樹脂材３１によって被覆してもよい。

上記両実施形態では、基板２０の上面のアンテナコイル３０が、酸化タングステンが混入した樹脂材３１によって被覆されている。これに対し、酸化タングステンそのものによって基板２０の上面のアンテナコイル３０を被覆するようにしてもよい。

上記第１実施形態では、無線タグ１０のＩＣ４０に内蔵される記憶素子（メモリ）としてＥＥＰＲＯＭ４１を採用している。これに対し、Ｓ−ＲＡＭ（Static Random Access Memory）やＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）などの他の記憶素子（メモリ）を採用してもよい。

本発明の第１実施形態にかかる無線タグの外観を示す上面図である。 図１に示す無線タグの内部構成を示す上面図である。 図１に示す無線タグの内部構成を示す下面図である。 図１に示す無線タグの、図２のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示す無線タグの等価回路である。 図１に示す無線タグのＩＣの内部構成図である。 本発明の第２実施形態にかかる無線タグの内部構成を示す上面図である。 図７に示す無線タグの内部構成を示す下面図である。 図７に示す無線タグの、Ｂ−Ｂ線断面図である。 図７に示す無線タグを用いた水素検出の仕組みを示す図である。

符号の説明

１０，１０Ａ…無線タグ、２０…基板、３０…アンテナコイル（アンテナ）、３１…酸化タングステン入り樹脂材、４０…ＩＣ、４１…ＥＥＰＲＯＭ、４２…整流部、４３…蓄電部、４４…ＣＰＵ、４５…変調部、５０…和紙、５１，５４…スルーホール、５２，５３…ジャンパー線、５５…補助電線、７１…薄型電極、７３…リード線、８１…電波発信機、８２…電波受信機

Claims (7)

1. 無線通信用のアンテナを有する無線タグにおいて、
   特定の気体によって所定の物理現象が生じることにより通信機能を消滅させまたは変化させる変化物質が少なくとも一部に配置された、
   ことを特徴とする無線タグ。
2. 前記変化物質は、
   特定ガスに接触するとインピーダンスが変化する物質であり、その物質によって前記アンテナの少なくとも一部が被覆されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線タグ。
3. 前記変化物質は、特定ガスに接触すると起電力が発生する一対の電極間に固体電解質を挟んだ物質であり、この物質が発生させた起電力によって通信機能を発生させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線タグ。
4. コイルと、特定の周波数の電波信号を上記コイルが受信したときに電波信号を上記コイルから送信させるための他の素子とを基板上に備え付け、
   特定の気体と接触している間だけインピーダンスが変化する変化物質によって上記コイルまたは上記他の素子の全部または一部を被覆した、
   ことを特徴とする無線タグ。
5. コイルと、特定の周波数の電波信号を上記コイルが受信したときに電波信号を上記コイルから送信させるための他の素子とを基板上に備え付け、
   水素と接触している間だけインピーダンスが変化する変化物質である酸化タングステンまたはその酸化タングステンが混入された部材によって上記コイルまたは上記他の素子の全部または一部を被覆した、
   ことを特徴とする無線タグ。
6. 前記他の素子は、
   データを記憶するメモリと、
   前記コイルが特定の周波数の電波信号を受信したことによって誘起される交流電流を整流し、直流電流を取得する整流部と、
   上記取得された直流電流を蓄電する蓄電部と、
   上記蓄電された直流電流の作用を受けて上記メモリからデータを読み出し、読み出したデータを変換して得た電波信号を前記コイルから送信させる制御部と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の無線タグ。
7. 少なくとも前記変化物質を包み込み素子の安定性を向上するとともに、適切な気体透過性を有する物質で包まれていること、
   を特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の無線タグ。

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