JP7572068B2 - RFID tag, passive RFID tag light sensor, and method for determining light irradiance - Patents.com - Google Patents
RFID tag, passive RFID tag light sensor, and method for determining light irradiance - Patents.com Download PDFInfo
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Description
本発明は、RFIDタグ、パッシブ型RFIDタグ光センサー、および光の放射照度の決定方法に関する。 The present invention relates to an RFID tag, a passive RFID tag light sensor, and a method for determining the irradiance of light.
電磁界や電波を用いて非接触でデータの送受信を行い、それらのデータによって認証を行うRFID(Radio Frequency Identification)技術は、複数のRFIDタグを離れた位置から一括で読み込むことができ、また、RFIDタグのICに書き込まれた個々のユニークな識別情報から、受信したデータがどのRFIDタグからのものであるかを判別することができる。 RFID (Radio Frequency Identification) technology uses electromagnetic fields or radio waves to send and receive data contactlessly, and uses that data for authentication. It can simultaneously read multiple RFID tags from a distance, and can determine which RFID tag the received data came from by using the unique identification information written into the RFID tag's IC.
複数のタグを一括で読み込むことができることは、RFID技術のメリットではあるが、一方、複数のタグのなかで特定の一つだけのタグの情報を読み込もうとした場合には、判別が難しくなってしまうという問題がある。そこで、このような問題の解決を図るために、従来、RFIDタグの識別機能と、光検出器とを組み合わせたシステムが提案されている(例えば、特許文献1乃至4参照)。 The ability to read multiple tags at once is an advantage of RFID technology, but when trying to read information from just one specific tag among multiple tags, there is a problem in that it becomes difficult to distinguish between them. Therefore, in order to solve this problem, systems have been proposed that combine the identification function of RFID tags with a photodetector (see, for example, Patent Documents 1 to 4).
これらのシステムでは、例えば、光検出器を備えた複数のRFIDタグのうち、所定の場所に位置するRFIDタグの光検出器に対してのみ光を照射し、光検出器が光を検出したか否かを示す光検出情報をRFIDリーダー・ライターに送信することで、所定の場所に位置するRFIDタグのみの情報を得ることができるものがある(例えば、特許文献1および4参照)。 In these systems, for example, among multiple RFID tags equipped with photodetectors, some are capable of obtaining information only on RFID tags located in a predetermined location by irradiating light only on the photodetector of the RFID tag located in the predetermined location and transmitting light detection information indicating whether the photodetector detected light or not to the RFID reader/writer (see, for example, Patent Documents 1 and 4).
このようなシステムにおいては、光検出器が光を検出したか否かを判別するための閾値または基準値が設定され、その設定値と光検出器からの信号との比較によって、所定の場所に位置するRFIDタグの情報を得ている(例えば、特許文献2および3参照)。 In such systems, a threshold or reference value is set to determine whether or not the photodetector detects light, and information about the RFID tag located at a given location is obtained by comparing the set value with the signal from the photodetector (see, for example, Patent Documents 2 and 3).
これらのシステムでは、閾値以上の光を検出した光検出器の位置情報が、複数のRFIDタグのうちの特定のタグを判別し、そのタグの情報のみを受信するために利用されている。 In these systems, the position information of a photodetector that detects light above a threshold is used to identify a specific tag among multiple RFID tags and receive information from only that tag.
これらのシステムにおいては、例えば、発電用デバイスやRF波の整流器が備えられ、それらからの直流電力によって、光検出器が駆動されている(例えば、特許文献2および4参照)。 In these systems, for example, a power generation device or an RF wave rectifier is provided, and the photodetector is driven by DC power from these devices (see, for example, Patent Documents 2 and 4).
これらのシステムにおいては、光検出器からの信号を受けるRFIDタグに関しては、限定されてはいないが、市販のRFIDタグ等が用いられている(例えば、特許文献1参照)。 In these systems, the RFID tag that receives the signal from the photodetector is not limited to a specific one, but commercially available RFID tags are used (see, for example, Patent Document 1).
近年、RFID技術の医療・介護分野への応用が検討されており、RFIDタグの濡れによる特性変化を、排尿検知センサーとして用いたおむつ等が開発されている。電池や外部電源を必要としないウェアラブルなパッシブ型RFIDタグセンサーは、低装着負荷のデバイスとして、医療・介護分野で今後の普及が期待されている。排尿検知のみならず、尿や排出物中の混入成分の検査をパッシブ型RFIDタグセンサーで行うことができれば、医療・介護現場での負荷低減につながると考えられる。例えば、尿中の血尿や潜血等の成分変化を、透過率変化から検知することを考えた場合に必要となるのは、光源としてのパッシブ型LEDタグおよび受光素子としてのパッシブ型RFIDタグ光センサーである。パッシブ型LEDタグは既に実現されているが、このようなパッシブ型RFIDタグ光センサーはまだ存在していない。 In recent years, the application of RFID technology to the medical and nursing care fields has been considered, and diapers have been developed that use the change in characteristics of RFID tags due to wetting as a urination detection sensor. Wearable passive RFID tag sensors that do not require batteries or external power sources are expected to become more widespread in the medical and nursing care fields in the future as devices that place a low burden on the wearer. If passive RFID tag sensors could be used not only to detect urination but also to test for contaminants in urine and excrement, it is believed that this would lead to a reduction in the burden on medical and nursing care sites. For example, when considering detecting changes in components such as hematuria and occult blood in urine from changes in transmittance, what is needed is a passive LED tag as a light source and a passive RFID tag optical sensor as a light receiving element. Passive LED tags have already been realized, but such passive RFID tag optical sensors do not yet exist.
このようなパッシブ型RFIDタグセンサーにおいては、特許文献1乃至4に記載のような、従来のRFIDタグと光検出器とを組み合わせたシステムとは異なる特性が必要となる。従来のRFIDタグと光検出器とを組み合わせたシステムにおいては、閾値または基準値が設定され、その設定値と光検出器からの信号との比較によって、光検出器が光を検出したか否かが判断される。これは、光検出器が光を検出したか否かの、二値的な判定になる。 Such passive RFID tag sensors require characteristics different from those of conventional systems that combine RFID tags and photodetectors, such as those described in Patent Documents 1 to 4. In conventional systems that combine RFID tags and photodetectors, a threshold or reference value is set, and the signal from the photodetector is compared with the set value to determine whether the photodetector has detected light. This results in a binary determination of whether the photodetector has detected light or not.
これに対して、尿中の血尿や潜血等の成分変化を、透過率変化から観察することを考えた場合には、透過率の変化に伴う、光検出器へ入射する光の放射照度の変化を、定量的に検知する必要がある。すなわち、光検出器が光を検出したか否かの、二値的な判定ではなく、入射する光の放射照度を定量的に測定できる、放射照度計としての機能を備えたパッシブ型RFIDタグ光センサーが必要であるという課題があった。 On the other hand, when considering observing changes in components such as hematuria and occult blood in urine from changes in transmittance, it is necessary to quantitatively detect changes in the irradiance of light incident on the photodetector that accompany changes in transmittance. In other words, there was a problem in that a passive RFID tag optical sensor with the function of an irradiance meter was required that could quantitatively measure the irradiance of incident light, rather than making a binary judgment as to whether the photodetector detected light or not.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、入射した光の放射照度を定量的に測定できる、放射照度計としての機能を備えたRFIDタグ、パッシブ型RFIDタグ光センサー、および光の放射照度の決定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of these problems, and aims to provide an RFID tag with a function as an irradiance meter that can quantitatively measure the irradiance of incident light, a passive RFID tag optical sensor, and a method for determining the irradiance of light.
本発明者は、以下のような検討を行い、本発明に至った。すなわち、従来のRFIDタグと光検出器とを組み合わせたシステムにおいては、光電効果を生じる半導体等からなる発電用デバイスやRF波の整流器が備えられ、光検出器は、それらからの直流電力によって駆動され、また、光検出器を制御し、その信号を通信部に送るための電子回路を備えたものであった。これに対し、本発明では、ウェアラブルな用途やディスポーザブルな用途を想定していることから、上記のような付帯的な構成要素を有しない簡便で低コストの構造のものが好ましく、さらに、フレキシブルで薄型なタグであることが好ましい。このため、光検出器は、RFIDタグの構成要素であるICチップを備えたインピーダンス整合部もしくはアンテナ部に、電気的に直接に接続され、光検出器駆動用の直流電源や制御用の電子回路を必要としない構造が好ましい。 The inventors conducted the following studies and arrived at the present invention. That is, in a conventional system combining an RFID tag and a photodetector, a power generation device made of a semiconductor or the like that generates a photoelectric effect and an RF wave rectifier are provided, and the photodetector is driven by DC power from these and is also provided with an electronic circuit for controlling the photodetector and sending its signal to a communication unit. In contrast, since the present invention is intended for wearable and disposable applications, a simple and low-cost structure that does not have the above-mentioned auxiliary components is preferable, and further, a flexible and thin tag is preferable. For this reason, a structure in which the photodetector is electrically connected directly to an impedance matching unit or antenna unit that has an IC chip, which is a component of the RFID tag, and a DC power source for driving the photodetector and an electronic circuit for control are not required is preferable.
インピーダンス整合部は、ICチップとアンテナ部との間でのインピーダンス整合をとるためのもので、ICチップとアンテナ部との間で、インピーダンス整合が取れていない場合には、信号の反射が起こってしまい、RFIDタグの通信障害や通信距離の低下が起こる。インピーダンス整合部は、誘電性を有する基材の上に形成された、開口を有する環状の導体パターンからなっており、開口の大きさや形状によって、複素インピーダンスの虚部(リアクタンス)を制御することで、ICチップとのインピーダンス整合を取っている。 The impedance matching section is used to achieve impedance matching between the IC chip and the antenna section. If impedance matching is not achieved between the IC chip and the antenna section, signal reflection will occur, resulting in communication failure of the RFID tag and a decrease in communication distance. The impedance matching section is made of a ring-shaped conductor pattern with an opening formed on a dielectric substrate, and impedance matching with the IC chip is achieved by controlling the imaginary part of the complex impedance (reactance) depending on the size and shape of the opening.
このような特性を有したインピーダンス整合部に、光照射によって抵抗値が変化するような光検出器を接続した場合、光照射に伴いインピーダンス整合部のインピーダンスが変わり、ICチップとアンテナ部との間でのインピーダンス整合状態が変化することになる。 When a photodetector whose resistance value changes when exposed to light is connected to an impedance matching section having such characteristics, the impedance of the impedance matching section changes with light exposure, and the impedance matching state between the IC chip and the antenna section changes.
ICチップとアンテナ部との間でのインピーダンス整合状態の変化によって、反射によって有効に利用されなくなる信号の割合が変わることから、RFIDタグのICチップからRFIDリーダー・ライターへ送信される信号の情報が変化することになる。 Changes in the impedance matching state between the IC chip and the antenna section change the proportion of signals that are reflected and not effectively used, which changes the information in the signal sent from the RFID tag's IC chip to the RFID reader/writer.
RFIDリーダー・ライターへ送信される情報としては、識別情報の他に、RFIDリーダー・ライターがRFIDタグから受信している電力に関わる値であるリーダーRSSI(Received Signal Strength Indicator)がある。また、或る種のICチップにおいては、ICチップ自体のオートチューニング機構によって変化したインピーダンス値に関わる情報であるセンサーコードSや、ICチップが受けている電力に係る情報であるオンチップRSSIの変化を知ることができる。 In addition to the identification information, the information sent to the RFID reader/writer includes the reader RSSI (Received Signal Strength Indicator), which is a value related to the power the RFID reader/writer is receiving from the RFID tag. In addition, with certain types of IC chips, it is possible to know the sensor code S, which is information related to the impedance value changed by the auto-tuning mechanism of the IC chip itself, and changes in the on-chip RSSI, which is information related to the power the IC chip is receiving.
これらの情報のうちで、RSSI(dBm)は、RFIDタグとRFIDリーダー・ライターのアンテナとの間の距離や、それらの間に存在する障害物、さらにはRFIDタグの配向やRFIDリーダー・ライターのアンテナの配向などで変化することから、光検知に用いることはできるものの、入射した光の放射照度を定量的に測定するための放射照度計としての用途を考えた場合には、RFIDタグとRFIDリーダー・ライターおよびアンテナとの設置条件を一定にする必要があるなどの制約がある。 Of these pieces of information, RSSI (dBm) changes depending on the distance between the RFID tag and the antenna of the RFID reader/writer, obstacles between them, and even the orientation of the RFID tag and the antenna of the RFID reader/writer. Therefore, although it can be used for light detection, there are restrictions when considering its use as an irradiance meter to quantitatively measure the irradiance of incident light, such as the need to keep the installation conditions of the RFID tag, RFID reader/writer, and antenna constant.
これに対して、センサーコードSは、インピーダンス整合部の形状や大きさ、材質によって決まるものであり、入射光の放射照度を定量的に測定する放射照度計のための情報として好適なものである。 In contrast, the sensor code S is determined by the shape, size, and material of the impedance matching part, and is suitable as information for an illuminometer that quantitatively measures the illuminance of incident light.
光検出器は、光伝導型の検出器であってもよいし、光起電型の検出器であってもよく、フォトレジスタ、フォトトランジスタ、およびフォトダイオード等が利用できる。インピーダンス整合部に接続して、光照射によるインピーダンス変化を計測する場合には、光照射によって抵抗値変化の起こる、フォトレジスタおよびフォトトランジスタが好適である。 The photodetector may be a photoconductive detector or a photovoltaic detector, and photoresistors, phototransistors, photodiodes, etc. may be used. When connecting to an impedance matching section to measure impedance changes due to light irradiation, photoresistors and phototransistors, whose resistance value changes due to light irradiation, are preferred.
以上の検討結果から、第1の本発明に係るRFIDタグは、絶縁層と、前記絶縁層の上に設けられ、環状の開口を有する導体パターンと、前記開口の近傍で、前記導体パターンと電気的に接続されたICチップとからなるインピーダンス整合部と、前記インピーダンス整合部から第1方向および第2方向に延伸するアンテナ導体部と、前記環状の開口を有する前記導体パターンの前記第1方向の端部と、前記環状の開口を有する前記導体パターンの前記第2方向の端部とに電気的に接続され、前記ICチップと並列回路を形成する光検出器とを、有することを特徴とする。 Based on the above findings, the RFID tag according to the first aspect of the present invention is characterized by having an insulating layer, an impedance matching section formed on the insulating layer and including a conductor pattern having an annular opening, and an IC chip electrically connected to the conductor pattern in the vicinity of the opening, an antenna conductor section extending in a first direction and a second direction from the impedance matching section, and a photodetector electrically connected to the end of the conductor pattern having the annular opening in the first direction and the end of the conductor pattern having the annular opening in the second direction, and forming a parallel circuit with the IC chip.
また、第1の本発明に係るパッシブ型RFIDタグ光センサーは、第1の本発明に係るRFIDタグを有し、前記光検出器への光入射により生じる前記インピーダンス整合部のインピーダンス変化を、前記ICチップから無線通信でRFIDリーダー・ライターへ送信されるセンサーコードSの変化として検知するよう構成されていることを特徴とする。あるいは、第1の本発明に係るパッシブ型RFIDタグ光センサーは、前記光検出器へ入射した光の放射照度の変化を、前記ICチップから無線通信でRFIDリーダー・ライターへ送信されるリーダーRSSIの変化として検知するよう構成されていてもよい。 The passive RFID tag optical sensor according to the first aspect of the present invention has an RFID tag according to the first aspect of the present invention, and is configured to detect the impedance change of the impedance matching section caused by light incident on the optical detector as a change in the sensor code S transmitted from the IC chip to an RFID reader/writer via wireless communication. Alternatively, the passive RFID tag optical sensor according to the first aspect of the present invention may be configured to detect the change in irradiance of light incident on the optical detector as a change in the reader RSSI transmitted from the IC chip to an RFID reader/writer via wireless communication.
第2の本発明に係るRFIDタグは、絶縁層と、前記絶縁層の上に設けられ、環状の第1の開口を有する第1の導体パターンと、前記第1の開口の近傍で、前記第1の導体パターンと電気的に接続されたICチップとからなるインピーダンス整合部と、前記インピーダンス整合部の前記第1の導体パターンに隣接して設けられた、環状の第2の開口を有する第2の導体パターンと、前記インピーダンス整合部から第1方向および第2方向に延伸するアンテナ導体部と、前記第2の導体パターンと電気的に接続された光検出器とを、有することを特徴とする。 The RFID tag according to the second aspect of the present invention is characterized by having an insulating layer, an impedance matching section including a first conductor pattern provided on the insulating layer and having a first annular opening, an IC chip electrically connected to the first conductor pattern near the first opening, a second conductor pattern provided adjacent to the first conductor pattern in the impedance matching section and having a second annular opening, an antenna conductor extending from the impedance matching section in a first direction and a second direction, and a photodetector electrically connected to the second conductor pattern.
また、第2の本発明に係るパッシブ型RFIDタグ光センサーは、第2の本発明に係るRFIDタグを有し、前記光検出器への光入射により生じる前記インピーダンス整合部のインピーダンス変化を、前記ICチップから無線通信でRFIDリーダー・ライターへ送信されるセンサーコードSの変化として検知するよう構成されていることを特徴とする。あるいは、第2の本発明に係るパッシブ型RFIDタグ光センサーは、前記光検出器への光入射を、前記ICチップから無線通信でRFIDリーダー・ライター送信されるリーダーRSSIの変化として検知するよう構成されていてもよい。 The passive RFID tag optical sensor according to the second aspect of the present invention has an RFID tag according to the second aspect of the present invention, and is configured to detect the impedance change of the impedance matching section caused by light incidence on the optical detector as a change in the sensor code S transmitted from the IC chip to the RFID reader/writer via wireless communication. Alternatively, the passive RFID tag optical sensor according to the second aspect of the present invention may be configured to detect the light incidence on the optical detector as a change in the reader RSSI transmitted from the IC chip to the RFID reader/writer via wireless communication.
第2の本発明に係るパッシブ型RFIDタグ光センサーは、前記第1の開口の面積と前記第2の開口の面積との比や、それぞれの面積の大きさによって、前記ICチップから無線通信で前記RFIDリーダー・ライターに送信されるセンサーコードSの大きさや変化範囲を制御可能に構成されていてもよい。 The passive RFID tag optical sensor according to the second aspect of the present invention may be configured to be capable of controlling the size and range of change of the sensor code S transmitted from the IC chip to the RFID reader/writer by wireless communication depending on the ratio between the area of the first opening and the area of the second opening, or the size of each area.
第1および第2の本発明に係るRFIDタグは、使用周波数がUHF帯の周波数であることが好ましい。また、第1および第2の本発明に係るパッシブ型RFIDタグ光センサーは、前記光検出器がフォトトランジスタであることが好ましい。 The RFID tags according to the first and second aspects of the present invention preferably use a frequency in the UHF band. Also, the passive RFID tag optical sensor according to the first and second aspects of the present invention preferably has the optical detector be a phototransistor.
第1の光の放射照度の決定方法は、第1および第2の本発明に係るパッシブ型RFIDタグ光センサーのうち、センサーコードSの変化を検知するパッシブ型RFIDタグ光センサーを用いた光の放射照度の決定方法であって、前記光検出器へ入射した光の放射照度と、前記放射照度の光により生じる前記センサーコードSの値の変化との間の関係を示す検量線をあらかじめ作成しておき、前記センサーコードSの測定値から、前記検量線を用いて、前記光検出器へ入射した光の前記放射照度を決定することを特徴とする。 The first method for determining the irradiance of light is a method for determining the irradiance of light using a passive RFID tag optical sensor that detects changes in the sensor code S, among the passive RFID tag optical sensors according to the first and second aspects of the present invention, characterized in that a calibration curve showing the relationship between the irradiance of light incident on the optical detector and the change in the value of the sensor code S caused by light of the irradiance is created in advance, and the irradiance of the light incident on the optical detector is determined from the measured value of the sensor code S using the calibration curve.
第2の光の放射照度の決定方法は、第1および第2の本発明に係るパッシブ型RFIDタグ光センサーのうち、リーダーRSSIの変化を検知するパッシブ型RFIDタグ光センサーを用いた光の放射照度の決定方法であって、前記光検出器へ入射した光の放射照度と、前記放射照度の光により生じる前記リーダーRSSIの値の変化との間の関係を示す検量線をあらかじめ作成しておき、前記リーダーRSSIの測定値から、前記検量線を用いて、前記光検出器へ入射した光の前記放射照度を決定することを特徴とする。 The second method for determining the irradiance of light is a method for determining the irradiance of light using a passive RFID tag optical sensor that detects changes in the reader RSSI, among the passive RFID tag optical sensors according to the first and second aspects of the present invention, characterized in that a calibration curve showing the relationship between the irradiance of light incident on the optical detector and the change in the value of the reader RSSI caused by the light of the irradiance is created in advance, and the irradiance of the light incident on the optical detector is determined from the measured value of the reader RSSI using the calibration curve.
本発明によれば、入射した光の放射照度を定量的に測定できる、放射照度計としての機能を備えたRFIDタグ、パッシブ型RFIDタグ光センサー、および光の放射照度の決定方法を提供することができる。 The present invention provides an RFID tag with a function as an irradiance meter that can quantitatively measure the irradiance of incident light, a passive RFID tag optical sensor, and a method for determining the irradiance of light.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。また、理解の容易のため、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向、ならびに、同一および等しいなどの用語には、実施形態の作用および効果を損なわない程度のずれが許容される。X軸方向、Y軸方向、Z軸方向は、それぞれ、X軸に平行な方向、Y軸に平行な方向、Z軸に平行な方向を表す。X軸方向とY軸方向とZ軸方向は、互いに直交する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the following embodiments, the same or common parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. For ease of understanding, the scale of each part in the drawings may differ from the actual scale. Directions such as parallel, right angle, orthogonal, horizontal, vertical, up/down, left/right, and terms such as same and equal are allowed to have deviations that do not impair the functions and effects of the embodiments. The X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction respectively represent directions parallel to the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis. The X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction are mutually orthogonal.
本発明の実施の形態のパッシブ型RFIDタグ光センサーは、UHF帯RFIDタグの構成要素である、インピーダンス整合部、ICチップ、および放射導体からなるアンテナ部に加えて、インピーダンス接合部に電気的に接続された光検出器を備える。 The passive RFID tag optical sensor according to the embodiment of the present invention includes an antenna section consisting of an impedance matching section, an IC chip, and a radiating conductor, which are components of a UHF RFID tag, as well as a photodetector electrically connected to an impedance junction.
インピーダンス整合部に電気的に接続された光検出器は、光照射による抵抗値の変化によって、インピーダンス整合部のインピーダンスの変化を生じさせ、ICチップからRFIDリーダー・ライターに無線送信される情報から、光検出器に入射した光の放射照度に関する情報を得る。 The photodetector, electrically connected to the impedance matching section, changes the impedance of the impedance matching section due to changes in resistance caused by light irradiation, and obtains information about the irradiance of the light incident on the photodetector from information wirelessly transmitted from the IC chip to the RFID reader/writer.
その情報としては、センサーコードSおよびリーダーRSSIを用いることができ、あらかじめ、それらの情報と入射した光の放射照度との間の関係に係る検量線を作成しておくことで、光検出器へ入射した光の放射照度を決定する。 The information can be the sensor code S and the reader RSSI, and the irradiance of the light incident on the photodetector can be determined by creating a calibration curve in advance that relates to the relationship between this information and the irradiance of the incident light.
次に、RFIDタグ光センサーの各要素を詳述する。 Next, we will explain each element of the RFID tag optical sensor in detail.
[実施の形態1]
図1は、UHF帯RFIDタグ(形状A)101の平面図および断面図である。RFIDタグ101は、絶縁基材10、インピーダンス整合部絶縁基材11と開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31とICチップ20とから構成されるインピーダンス整合部30、アンテナ部導体パターン32、および光検出器21を備える。
[First embodiment]
1 shows a plan view and a cross-sectional view of a UHF band RFID tag (shape A) 101. The RFID tag 101 includes an insulating substrate 10, an impedance matching portion 30 including an impedance matching portion insulating substrate 11, an impedance matching portion conductor pattern 31 having an opening 50, and an IC chip 20, an antenna portion conductor pattern 32, and a photodetector 21.
絶縁基材10およびインピーダンス整合部絶縁基材11は、板状又はフィルム状の部材で、その表面には導体層が形成されており、平面視で、インピーダンス整合部30の開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31およびアンテナ部導体パターン32の形状に、それぞれ加工されている。 The insulating substrate 10 and the impedance matching section insulating substrate 11 are plate- or film-shaped members with a conductor layer formed on their surfaces, and are processed into the shapes of the impedance matching section conductor pattern 31 and the antenna section conductor pattern 32, respectively, which have an opening 50 of the impedance matching section 30, when viewed in a plan view.
図1では、インピーダンス整合部30の開口50の形状は、X軸方向に平行な一対の長辺と、Y軸方向に平行な一対の短辺とを有する略四辺形である。しかし、開口50の形状は、図示の形態に限られず、例えば、X軸方向に平行な一対の短辺と、Y軸方向に平行な一対の長辺とを有する略四辺形でもよい。開口50の形状である略四辺形には、完全な四辺形が含まれてもよい。ここでの“略”とは、角又は辺が丸みを帯びていることを表す。四辺形には、長方形、ひし形、平行四辺形、正方形が含まれてもよい。開口50の形状は、四辺形以外の多角形、円形、楕円でもよい。 In FIG. 1, the shape of the opening 50 of the impedance matching section 30 is an approximate quadrilateral having a pair of long sides parallel to the X-axis direction and a pair of short sides parallel to the Y-axis direction. However, the shape of the opening 50 is not limited to the illustrated form, and may be, for example, an approximate quadrilateral having a pair of short sides parallel to the X-axis direction and a pair of long sides parallel to the Y-axis direction. The approximate quadrilateral shape of the opening 50 may include a complete quadrilateral. Here, "approximately" means that the corners or sides are rounded. The quadrilateral may include a rectangle, a rhombus, a parallelogram, and a square. The shape of the opening 50 may be a polygon other than a quadrilateral, a circle, or an ellipse.
図1では、アンテナ部導体パターン32の形状は、平面視で、略四辺形となっている。しかし、アンテナ部導体パターン32の形状は、図示の形態に限定されず、例えば、複数の折れ曲がりを有するメアンダライン型の形状であってもよい。また、メアンダライン型形状における屈曲の回数や、メアンダラインの幅、およびX軸方向とY軸方向の幅は限定されない。なお、アンテナ部導体パターン32が、アンテナ導体部を成している。 In FIG. 1, the shape of the antenna portion conductor pattern 32 is a substantially quadrilateral in plan view. However, the shape of the antenna portion conductor pattern 32 is not limited to the illustrated form, and may be, for example, a meander line shape having multiple bends. Furthermore, the number of bends in the meander line shape, the width of the meander line, and the widths in the X-axis and Y-axis directions are not limited. The antenna portion conductor pattern 32 forms the antenna conductor portion.
絶縁基材10およびインピーダンス整合部絶縁基材11の材質は、特に限定はされないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリウレタン(PU)、ポリイミド(PI)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素化樹脂共重合体、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリスルフォン、ポリエステルスルフォン、ポリエーテルイミド、環状ポリオレフィン、ブロム化フェノキシ樹脂、ノルボルネン樹脂、シクロオレフィンポリマー、シクロオレフィンコポリマー、ポリアセタール等の樹脂基材や、紙基材等、紙フェノール基材、紙エポキシ基材、ガラスコンポジット基材、ガラスエポキシ基材等の複合基材等が挙げられる。可撓性の観点からは、樹脂基材や紙基材等が好ましい。絶縁基材10の厚さは、その柔軟性、強度の観点から、4~1000μmが好ましく、8~150μmがより好ましい。 The material of the insulating substrate 10 and the impedance matching section insulating substrate 11 is not particularly limited, but examples thereof include resin substrates such as polyethylene terephthalate (PET), polyurethane (PU), polyimide (PI), polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorinated resin copolymer, triacetyl cellulose (TAC), polyethylene naphthalate (PEN), syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyarylate, polysulfone, polyester sulfone, polyetherimide, cyclic polyolefin, brominated phenoxy resin, norbornene resin, cycloolefin polymer, cycloolefin copolymer, polyacetal, and composite substrates such as paper substrates, paper phenol substrates, paper epoxy substrates, glass composite substrates, and glass epoxy substrates. From the viewpoint of flexibility, resin substrates and paper substrates are preferred. From the standpoint of flexibility and strength, the thickness of the insulating substrate 10 is preferably 4 to 1000 μm, and more preferably 8 to 150 μm.
インピーダンス整合部30の開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31およびアンテナ部導体パターン32の材質は、特に限定はされないが、導電性を有する導体から形成される。例えば、アルミニウム、銅、金、白金、銀、ニッケル、クロム、亜鉛、鉛、タングステン、鉄等の金属であってもよい。インピーダンス整合部導体パターン31およびアンテナ部導体パターン32の材質は、酸化スズもしくはITO(酸化インジウムスズ)等の金属酸化物、金、銀もしくは銅等の金属ナノワイヤーを用いた導電膜、樹脂に金属粉や導電性カーボン材料を混合した導電性樹脂混合物、または導電性樹脂のフィルム等であってもよい。インピーダンス整合部導体パターン31およびアンテナ部導体パターン32の厚さは、柔軟性、強度の観点から、0.01~1000μmが好ましく、1~100μmがより好ましい。 The material of the impedance matching part conductor pattern 31 and the antenna part conductor pattern 32 having the opening 50 of the impedance matching part 30 is not particularly limited, but is formed from a conductive conductor. For example, it may be a metal such as aluminum, copper, gold, platinum, silver, nickel, chromium, zinc, lead, tungsten, iron, etc. The material of the impedance matching part conductor pattern 31 and the antenna part conductor pattern 32 may be a metal oxide such as tin oxide or ITO (indium tin oxide), a conductive film using metal nanowires such as gold, silver or copper, a conductive resin mixture in which metal powder or a conductive carbon material is mixed with resin, or a conductive resin film, etc. The thickness of the impedance matching part conductor pattern 31 and the antenna part conductor pattern 32 is preferably 0.01 to 1000 μm, more preferably 1 to 100 μm, from the viewpoint of flexibility and strength.
ICチップ20は、インピーダンス整合部30の開口50の近傍で、インピーダンス整合部導体パターン31に電気的に接続された半導体部品である。ICチップ20は、RFIDタグ101の外部に存在するRFIDリーダー・ライター等の通信機器との間で、所定の情報を、アンテナ部導体パターン32によって送受信するように構成されている。 The IC chip 20 is a semiconductor component electrically connected to the impedance matching section conductor pattern 31 near the opening 50 of the impedance matching section 30. The IC chip 20 is configured to transmit and receive predetermined information via the antenna section conductor pattern 32 between the IC chip 20 and a communication device such as an RFID reader/writer that is present outside the RFID tag 101.
ICチップ20は、インピーダンス整合部30の開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31と同層に配置されてもよいし、開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31とは異なる層に配置されてもよい。ICチップ20は、開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31に引き出し線を介して電気的に接続されてもよいし、開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31に設けられた電極に実装されてもよい。ICチップ20は、開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31に形成されたスリット又は切り欠きを跨ぐように配置されてもよい。 The IC chip 20 may be arranged on the same layer as the impedance matching portion conductor pattern 31 having the opening 50 of the impedance matching portion 30, or may be arranged on a different layer from the impedance matching portion conductor pattern 31 having the opening 50. The IC chip 20 may be electrically connected to the impedance matching portion conductor pattern 31 having the opening 50 via a lead wire, or may be mounted on an electrode provided on the impedance matching portion conductor pattern 31 having the opening 50. The IC chip 20 may be arranged so as to straddle a slit or cutout formed in the impedance matching portion conductor pattern 31 having the opening 50.
図1に示されるように、RFIDタグ(形状A)101においては、光検出器21は、図3(a)に示す光検出器リードピン40を介して、インピーダンス整合部導体パターン31に電気的に接続されている。光検出器21は、光検出器リードピン40によって両側から支えられて、宙に浮いた構造となっている。 As shown in FIG. 1, in the RFID tag (shape A) 101, the photodetector 21 is electrically connected to the impedance matching section conductor pattern 31 via the photodetector lead pin 40 shown in FIG. 3(a). The photodetector 21 is supported on both sides by the photodetector lead pin 40, giving it a suspended structure.
図2は、図3(c)に示す光検出器21を備えたRFIDタグ102(形状B)の平面図および断面図である。形状BのRFIDタグ102においては、光検出器21は、インピーダンス整合部30の開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31に隣接して設けられた、第2の環状の開口51を有する開口部導体パターン33に接続されている。光検出器21は、第2の環状の開口51を有する開口部導体パターン33の切り欠きを跨ぐように配置されている。 Figure 2 shows a plan view and a cross-sectional view of an RFID tag 102 (shape B) equipped with the photodetector 21 shown in Figure 3 (c). In the RFID tag 102 of shape B, the photodetector 21 is connected to an opening conductor pattern 33 having a second annular opening 51, which is provided adjacent to an impedance matching section conductor pattern 31 having an opening 50 of an impedance matching section 30. The photodetector 21 is positioned so as to straddle the notch of the opening conductor pattern 33 having the second annular opening 51.
図1および図2では、インピーダンス整合部導体パターン31およびアンテナ部導体パターン32は、接触した配置で図示されているが、インピーダンス整合部導体パターン31とアンテナ部導体パターン32とは、同種の導体からなる連結した構造でもよく、異なる導体からなる構造でもよく、導電性ペーストで接続した構造でもよく、また、接着材、粘着剤、もしくは粘着テープ等を用いて固定した構造でもよい。 In Figures 1 and 2, the impedance matching section conductor pattern 31 and the antenna section conductor pattern 32 are shown in a contacting arrangement, but the impedance matching section conductor pattern 31 and the antenna section conductor pattern 32 may be connected to each other and made of the same type of conductor, or may be made of different conductors, connected with a conductive paste, or fixed using an adhesive, pressure sensitive adhesive, or adhesive tape, etc.
図1に示されるRFIDタグ101および図2に示されるRFIDタグ102においては、インピーダンス整合部30およびアンテナ部導体パターン32等を覆う不図示の絶縁層を備えてもよい。 The RFID tag 101 shown in FIG. 1 and the RFID tag 102 shown in FIG. 2 may be provided with an insulating layer (not shown) that covers the impedance matching section 30 and the antenna section conductor pattern 32, etc.
図4は、光照射下でのRFIDリーダー・ライターによるRFIDタグ測定方法を示す概念図である。図4に示すように、測定装置70は、RFIDリーダー・ライター71と、RFIDリーダー・ライター71のアンテナ72とを有する。通信距離CLは、アンテナ72の表面と、ベースプレート74に設けられたRFIDタグ73のICチップとの間の距離となる Figure 4 is a conceptual diagram showing a method of measuring an RFID tag using an RFID reader/writer under light irradiation. As shown in Figure 4, the measuring device 70 has an RFID reader/writer 71 and an antenna 72 of the RFID reader/writer 71. The communication distance CL is the distance between the surface of the antenna 72 and the IC chip of the RFID tag 73 mounted on the base plate 74.
図4に示す測定系において、RFIDリーダー・ライター71の反対側に配置した光源75からの光の放射照度を、種々の透過率の減光フィルター76を1枚あるいは複数枚用いて変化させ、RFIDタグ73の光検出器に照射した。この時の放射照度(mW/cm2)をパワーメータで測定し、その放射照度(mW/cm2)でRFIDタグ73の光検出器が照射された時の、ICチップ20からの情報(センサーコードSおよびリーダーRSSI)をRFIDリーダー・ライター71で無線受信して、センサーコードSと放射照度(mW/cm2)との関係、およびリーダーRSSI(dBm)と放射照度(mW/cm2)との関係に係る検量線の作成を行った。光源75としては、キセノンランプからなる疑似太陽光源を用いた。RFIDタグ73への光照射においては、インピーダンス整合部の表面および裏面を黒色ビニールテープで覆うことで、光検出器のみに光が照射されるようにした。 In the measurement system shown in Fig. 4, the irradiance of light from a light source 75 arranged on the opposite side of the RFID reader/writer 71 was changed by using one or more neutral density filters 76 with various transmittances, and the light was irradiated to the photodetector of the RFID tag 73. The irradiance (mW/ cm2 ) at this time was measured by a power meter, and the RFID reader/writer 71 wirelessly received information (sensor code S and reader RSSI) from the IC chip 20 when the photodetector of the RFID tag 73 was irradiated with the irradiance (mW/ cm2 ), and created a calibration curve relating to the relationship between the sensor code S and the irradiance (mW/ cm2 ) and the relationship between the reader RSSI (dBm) and the irradiance (mW/ cm2 ). A pseudo-sunlight source consisting of a xenon lamp was used as the light source 75. When irradiating the RFID tag 73 with light, the front and back surfaces of the impedance matching section were covered with black vinyl tape so that light was irradiated only to the photodetector.
図5は、RFIDタグ73として、RFIDタグ101(形状A、L1=10cm,L2=5cm、光検出器:フォトレジスタ CdSセル)を用いたときの、センサーコードSと光検出器への入射光の放射照度(mW/cm2)との関係を示すグラフである。図5のaのデータは、通信距離CL:37cm(タグの設置位置の高さ:RFIDリーダー・ライター71のアンテナ72の中央部)の場合のプロットであり、図5のbのデータは、通信距離CL:11cm(タグの設置位置の高さ:RFIDリーダー・ライター71のアンテナ72の中央部から11cm下方)の場合のプロットであるが、RFIDタグ73の設置位置の違いにもかかわらず、センサーコードSと放射照度(mW/cm2)との関係は、一致したものとなっている。 Fig. 5 is a graph showing the relationship between the sensor code S and the irradiance (mW/cm2) of light incident on the photodetector when an RFID tag 101 (shape A, L1 = 10 cm, L2 = 5 cm, photodetector: photoresistor CdS cell) is used as the RFID tag 73. The data in Fig. 5a is plotted when the communication distance CL is 37 cm (height of tag installation position: center of antenna 72 of RFID reader/writer 71), and the data in Fig. 5b is plotted when the communication distance CL is 11 cm (height of tag installation position: 11 cm below the center of antenna 72 of RFID reader/writer 71), and the relationship between the sensor code S and the irradiance (mW/ cm2 ) is consistent despite the difference in the installation position of the RFID tag 73.
図5のようなセンサーコードSと放射照度(mW/cm2)との関係の検量線をあらかじめ作成しておくことで、センサーコードSの計測値から、光検出器への入射光の放射照度(mW/cm2)を求めることができる。 By creating in advance a calibration curve showing the relationship between the sensor code S and irradiance (mW/ cm2 ) as shown in Figure 5, the irradiance (mW/ cm2 ) of the light incident on the photodetector can be calculated from the measurement value of the sensor code S.
図5に実線の曲線で示す検量線は、下記の数式(1)により得られる。放射照度とセンサーコードSとの関係は非線形であることから、下記の数式を用いた二重指数波形への曲線近似によって検量線を得た。 The calibration curve shown by the solid curve in Figure 5 is obtained by the following formula (1). Since the relationship between irradiance and sensor code S is nonlinear, the calibration curve was obtained by curve approximation to a double exponential waveform using the following formula.
この数式(1)において、xは放射照度(mW/cm2)であり、yはRFIDタグ光センサーからの情報である、センサーコードSもしくはリーダーRSSIである。y0、x0、A1、A2、τ1、およびτ2は、二重指数波形への曲線近似におけるパラメータである。 In this formula (1), x is the irradiance (mW/cm 2 ), y is the sensor code S or reader RSSI, which is information from the RFID tag light sensor, and y 0 , x 0 , A 1 , A 2 , τ 1 , and τ 2 are parameters in the curve fit to a double exponential waveform.
図6は、センサーコードSと同時に測定したリーダーRSSIの放射照度(mW/cm2)依存性を示したグラフである。数式(1)により得た検量線を実線の曲線で示した。RFIDタグの設置位置の違いによって、リーダーRSSIと放射照度(mW/cm2)との関係が違っているが、これは、RFIDタグ73とRFIDリーダー・ライター71のアンテナ72との距離や位置関係によって、RFIDタグ73が受けるRF波の電力に違いがあり、これによってRFIDタグ73のICチップからRFIDリーダー・ライター71に送信される情報となるリーダーRSSIに違いが生じるからである。 6 is a graph showing the dependency of the reader RSSI on irradiance (mW/ cm2 ) measured simultaneously with the sensor code S. The calibration curve obtained from formula (1) is shown by a solid curve. The relationship between the reader RSSI and irradiance (mW/ cm2 ) differs depending on the installation position of the RFID tag, but this is because the power of the RF waves received by the RFID tag 73 differs depending on the distance and positional relationship between the RFID tag 73 and the antenna 72 of the RFID reader/writer 71, which causes a difference in the reader RSSI, which is the information transmitted from the IC chip of the RFID tag 73 to the RFID reader/writer 71.
リーダーRSSIを情報とした場合でも、RFIDタグ73とRFIDリーダー・ライター71のアンテナ72との距離や位置関係が一定である場合には、リーダーRSSIと放射照度(mW/cm2)の関係をあらかじめ測定して作成した検量線から、光検出器への入射光の放射照度(mW/cm2)を求めることができるが、測定条件としてはそれが難しい場合が多い。そのような場合には、RFIDタグ73のインピーダンス整合部のインピーダンスに係る情報である、センサーコードSを用いた放射照度(mW/cm2)の観測が好ましい。 Even when the reader RSSI is used as information, if the distance and positional relationship between the RFID tag 73 and the antenna 72 of the RFID reader/writer 71 are constant, the irradiance (mW/ cm2 ) of the light incident on the photodetector can be obtained from a calibration curve created by measuring in advance the relationship between the reader RSSI and irradiance (mW/ cm2 ), but this is often difficult as a measurement condition. In such cases, it is preferable to observe the irradiance (mW/ cm2 ) using the sensor code S, which is information related to the impedance of the impedance matching part of the RFID tag 73.
これまでのRFIDタグ73で使われているICチップでは、センシング用の情報としてはリーダーRSSIが取得できるのみであった。RFIDリーダー・ライター71のアンテナ72との間の距離や、それらの間に存在する障害物、さらにはRFIDタグ73の配向やRFIDリーダー・ライター71のアンテナ72の配向で変化してしまうリーダーRSSIでは、光の有無を二値的に判断することは可能であったものの、入射する光の放射照度を定量的に測定することは困難であった。入射する光の放射照度を定量的に測定するためには、RFIDタグ73のインピーダンス整合部に固有のインピーダンス値の変化を利用することが有効な手法である。本発明の実施の形態1では、RFIDタグ73のインピーダンス整合部のインピーダンス値に係る情報であるセンサーコードSの計測が可能となっているUHF帯RFIDタグ用ICチップ20を用いることで、パッシブ型RFIDタグ光センサーによる放射照度計測を実現した。 In the IC chip used in the RFID tag 73 up to now, only the reader RSSI could be obtained as sensing information. The reader RSSI changes depending on the distance between the antenna 72 of the RFID reader/writer 71, obstacles between them, and even the orientation of the RFID tag 73 and the orientation of the antenna 72 of the RFID reader/writer 71. Although it was possible to determine the presence or absence of light in a binary manner, it was difficult to quantitatively measure the irradiance of the incident light. In order to quantitatively measure the irradiance of the incident light, it is an effective method to utilize the change in impedance value specific to the impedance matching part of the RFID tag 73. In the first embodiment of the present invention, the IC chip 20 for UHF band RFID tags, which is capable of measuring the sensor code S, which is information related to the impedance value of the impedance matching part of the RFID tag 73, is used to realize irradiance measurement by a passive RFID tag optical sensor.
図7は、UHF帯RFIDタグ(形状A)101において、アンテナ長L1を変化させた場合の、センサーコードS(図7(a))およびリーダーRSSI(図7(b))を示したグラフである。RFIDタグ101のインピーダンス整合部のインピーダンスに係る情報である、センサーコードSにおいては、変化が無く一定であるのに対して、RFIDリーダー・ライター71がRFIDチップにから受信する信号の強度に係る情報である、リーダーRSSIは、アンテナ長L1が短くなるに従って顕著な減少を示した。この結果も、センサーコードSを用いた放射照度(mW/cm2)の観測が好ましい手法であることを示している。 Figure 7 is a graph showing the sensor code S (Figure 7(a)) and reader RSSI (Figure 7(b)) when the antenna length L1 is changed in a UHF band RFID tag (shape A) 101. The sensor code S, which is information related to the impedance of the impedance matching part of the RFID tag 101, remains constant, whereas the reader RSSI, which is information related to the strength of the signal received by the RFID reader/writer 71 from the RFID chip, shows a significant decrease as the antenna length L1 becomes shorter. This result also shows that measuring the irradiance (mW/ cm2 ) using the sensor code S is a preferable method.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。実施の形態2の説明において、実施の形態1と同様の構成、作用および効果についての説明は、実施の形態1の説明を援用することで省略又は簡略する。実施の形態2においては、光源として、単色性の高い種々波長のLED光源を用いて、RFIDタグ光センサーの応答特性を示す。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the description of the second embodiment, the description of the same configuration, action, and effect as the first embodiment will be omitted or simplified by invoking the description of the first embodiment. In the second embodiment, a highly monochromatic LED light source of various wavelengths is used as the light source, and the response characteristics of an RFID tag optical sensor are shown.
図8は、RFIDタグ101(形状A、L1=5cm,L2=5cm、光検出器:フォトレジスタ CdSセル)へのLED光照射(波長:390nm、放射照度:24.0mW/cm2)のオンオフに伴う(a)センサーコードSおよび(b)リーダーRSSIの変化(通信距離CL=10cm)を示す。青色LED光のオンオフによる、センサーコードSおよびリーダーRSSIの変化が、再現性良く観測された。 8 shows the change in (a) sensor code S and (b) reader RSSI (communication distance CL = 10 cm) with turning on and off LED light irradiation (wavelength: 390 nm, irradiance: 24.0 mW/ cm2 ) to an RFID tag 101 (shape A, L1 = 5 cm, L2 = 5 cm, photodetector: photoresistor CdS cell). The change in sensor code S and reader RSSI with turning on and off the blue LED light was observed with good reproducibility.
図8(a)に示すように、青色LED光の放射照度が24.0mW/cm2と高いにも関わらず、図5の疑似太陽光を光源とした場合の検量線から予想されるセンサーコードSの変化量よりも小さくなっているのは、光検出器として用いたCdSセルの390nmでの分光感度特性が、550nm付近の最大値の略20%と低くなっているからである。 As shown in FIG. 8( a), although the irradiance of the blue LED light is high at 24.0 mW/ cm2 , the change in the sensor code S is smaller than that predicted from the calibration curve in FIG. 5 when the pseudo sunlight is used as the light source. This is because the spectral sensitivity characteristics at 390 nm of the CdS cell used as the photodetector are low, at approximately 20% of the maximum value around 550 nm.
図9は、RFIDタグ101(形状A、L1=5cm,L2=5cm、光検出器:フォトレジスタ CdSセル)へのLED光照射(波長:550nm、放射照度:6.0mW/cm2)のオンオフに伴う(a)センサーコードSおよび(b)リーダーRSSIの変化(通信距離CL=10cm)を示す。緑色LED光のオンオフによる、センサーコードSおよびリーダーRSSIの変化が、再現性良く観測された。 9 shows the change in (a) sensor code S and (b) reader RSSI (communication distance CL = 10 cm) with turning on and off LED light irradiation (wavelength: 550 nm, irradiance: 6.0 mW/ cm2 ) to an RFID tag 101 (shape A, L1 = 5 cm, L2 = 5 cm, photodetector: photoresistor CdS cell). The change in sensor code S and reader RSSI with turning on and off the green LED light was observed with good reproducibility.
図9(a)に示すように、緑色LED光の放射照度が6.0mW/cm2と低いにも関わらず、図5の疑似太陽光を光源とした場合の検量線から予想されるセンサーコードSの変化量よりも大きくなっているのは、光検出器として用いたCdSセルの分光感度特性が、550nm付近で最大値となっているためである。 As shown in FIG. 9( a), even though the irradiance of the green LED light is low at 6.0 mW/ cm2 , the change in the sensor code S is larger than that predicted from the calibration curve in FIG. 5 when the simulated sunlight is used as the light source. This is because the spectral sensitivity characteristics of the CdS cell used as the photodetector have a maximum value near 550 nm.
図10は、RFIDタグ101(形状A、L1=5cm,L2=5cm、光検出器:フォトレジスタ CdSセル)へのLED光照射(波長:620nm、放射照度:2.5mW/cm2)のオンオフに伴う(a)センサーコードSおよび(b)リーダーRSSIの変化(通信距離CL=10cm)を示す。赤色LED光のオンオフによる、センサーコードSおよびリーダーRSSIの変化が、再現性良く観測された。 10 shows the change in (a) sensor code S and (b) reader RSSI (communication distance CL = 10 cm) with turning on and off LED light irradiation (wavelength: 620 nm, irradiance: 2.5 mW/ cm2 ) to an RFID tag 101 (shape A, L1 = 5 cm, L2 = 5 cm, photodetector: photoresistor CdS cell). The change in sensor code S and reader RSSI with turning on and off the red LED light was observed with good reproducibility.
このように、RFIDタグ101(形状A)は、簡易な構造のLED光源を用いた場合にも、青色から赤色の広い波長範囲で高感度な応答特性を示した。 Thus, the RFID tag 101 (shape A) showed highly sensitive response characteristics over a wide wavelength range from blue to red, even when using an LED light source with a simple structure.
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について説明する。実施の形態3の説明において、実施の形態1および2と同様の構成、作用および効果についての説明は、実施の形態1および2の説明を援用することで省略又は簡略する。実施の形態3においては、光検出器21として、図3(b)および(c)に示される、シリコン半導体系のフォトトランジスタを備えたRFIDタグ光センサーの特性を示す。
[Embodiment 3]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the description of the third embodiment, the description of the same configuration, action, and effect as those of the first and second embodiments will be omitted or simplified by incorporating the description of the first and second embodiments. In the third embodiment, the characteristics of an RFID tag optical sensor having a silicon semiconductor phototransistor as the optical detector 21 shown in Figs. 3(b) and (c) will be described.
図3(b)に示されるように、フォトトランジスタである光検出器21は、センサーヘッドと、2本の光検出器エミッタリードピン40Eおよび光検出器コレクタリードピン40Cとからなり、その形状は、図3(a)に示す光検出器21のCdSセルとほほ同様である。光検出器21は、図1(a)および(b)で示されるように、光検出器エミッタリードピン40Eおよび光検出器コレクタリードピン40Cによって両側から支えられて、宙に浮いた構造となっている。これに対して、図3(c)に示すフォトトランジスタである光検出器21は、図3(a)および(b)に示す光検出器21とは異なる小型・薄型のパッケージとなっている。 As shown in FIG. 3(b), the photodetector 21, which is a phototransistor, consists of a sensor head, two photodetector emitter lead pins 40E and a photodetector collector lead pin 40C, and its shape is almost the same as the CdS cell of the photodetector 21 shown in FIG. 3(a). As shown in FIGS. 1(a) and (b), the photodetector 21 is supported on both sides by the photodetector emitter lead pins 40E and the photodetector collector lead pins 40C, giving it a suspended structure. In contrast, the photodetector 21, which is a phototransistor, shown in FIG. 3(c) is in a small, thin package that is different from the photodetector 21 shown in FIGS. 3(a) and (b).
図11に、RFIDタグ101(形状A、L1=10cm,L2=5cm、図3(b)に示す光検出器、通信距離CL=15cm)のセンサーコードSおよびリーダーRSSIと放射照度との関係を示した。数式(1)により得た検量線を実線の曲線で示した。光源としては、キセノンランプからなる疑似太陽光源を用いた。リーダーRSSIに比べて、放射照度の変化に対するセンサーコードSの変化は高感度であったものの、光検出器としてCdSセルを備えた場合に比べると、センサーコードSの変化幅は小さなものであった。 Figure 11 shows the relationship between the sensor code S and reader RSSI of RFID tag 101 (shape A, L1 = 10 cm, L2 = 5 cm, photodetector shown in Figure 3 (b), communication distance CL = 15 cm) and irradiance. The calibration curve obtained from formula (1) is shown by a solid curve. A pseudo-sun light source consisting of a xenon lamp was used as the light source. Compared to the reader RSSI, the change in sensor code S in response to changes in irradiance was highly sensitive, but compared to the case where a CdS cell was used as the photodetector, the range of change in sensor code S was smaller.
図12には、図2に示すRFIDタグ102(形状B、L1=7.5cm,L2=7.5cm、図3(c)に示す光検出器、通信距離CL=25cm)のセンサーコードSおよびリーダーRSSIと放射照度との関係を示した。数式(1)により得た検量線を実線の曲線で示した。光源としては、キセノンランプからなる疑似太陽光源を用いた。開口50に加えて、開口51に光検出器21を備えた、形状BのRFIDタグ102では、図3(b)に示す光検出器を備えたRFIDタグ101に比べて、センサーコードSは放射照度(mW/cm2)の変化に対して、2倍以上の変化が示され、より高感度であった。 FIG. 12 shows the relationship between the sensor code S and reader RSSI of the RFID tag 102 shown in FIG. 2 (shape B, L1=7.5 cm, L2=7.5 cm, photodetector shown in FIG. 3(c), communication distance CL=25 cm) and irradiance. The calibration curve obtained by formula (1) is shown by a solid curve. A pseudo-sun light source consisting of a xenon lamp was used as the light source. In the RFID tag 102 of shape B, which is provided with a photodetector 21 in the opening 51 in addition to the opening 50, the sensor code S showed more than twice the change in irradiance (mW/cm 2 ) compared to the RFID tag 101 equipped with the photodetector shown in FIG. 3(b), and was more sensitive.
図11(a)および図12(a)のグラフを比較すると、RFIDタグ101(形状A)とRFIDタグ102(形状B)とでは、放射照度(mW/cm2)の変化に伴うセンサーコードSの変化方向が逆になっている。これは、インピーダンス整合部30に接続される光検出器21の影響が、RFIDタグ101(形状A)とRFIDタグ102(形状B)とで異なるために起こる現象で、以下のように説明される。 11(a) and 12(a), the direction of change in the sensor code S associated with a change in irradiance (mW/ cm2 ) is opposite between the RFID tag 101 (shape A) and the RFID tag 102 (shape B). This is a phenomenon that occurs because the influence of the photodetector 21 connected to the impedance matching unit 30 differs between the RFID tag 101 (shape A) and the RFID tag 102 (shape B), and is explained as follows.
インピーダンス整合部導体パターン31の開口の大きさおよび形状は、フリースペース(空気中に)に設置された、RFIDタグのインピーダンス整合値として最適となるように設計されている。このようなインピーダンス整合部30に、電気的に接続された光検出器21は、RFIDタグのインピーダンス整合においては、負の因子として働くことになる。センサーコードSは、インピーダンス整合部30近傍のインピーダンスの変化に対応したICチップ20のオートチューニング機構によって補償されたインピーダンスに係る値となっている。フリースペース(空気中)にあるICチップ20を備えたRFIDタグのセンサーコードは、通常250前後の値となり、周囲環境の変化によって変動する。 The size and shape of the opening of the impedance matching section conductor pattern 31 are designed to be optimal as the impedance matching value of an RFID tag placed in free space (in air). The photodetector 21 electrically connected to such an impedance matching section 30 acts as a negative factor in the impedance matching of the RFID tag. The sensor code S is a value related to the impedance compensated by the auto-tuning mechanism of the IC chip 20 that corresponds to the change in impedance near the impedance matching section 30. The sensor code of an RFID tag equipped with an IC chip 20 in free space (in air) is usually around 250, and varies depending on changes in the surrounding environment.
光検出器21を電気的にインピーダンス整合部30に接続したRFIDタグでは、センサーコードSはいずれも250の値からかなり外れた大きな値となっており、これは、RFIDタグのインピーダンス整合においては、電気的に接続された光検出器21が負の因子として働くためである。 In RFID tags in which the photodetector 21 is electrically connected to the impedance matching section 30, the sensor codes S are all large values that are significantly different from the value of 250. This is because the electrically connected photodetector 21 acts as a negative factor in the impedance matching of the RFID tag.
形状AのRFIDタグ101においては、図3(a)および(b)に示す光検出器21は、光検出器リードピン40によって両側から支えられて、空気中に浮いた構造となっているため、誘電体である絶縁基材10およびインピーダンス整合部絶縁基材11との接触の影響はなく、光照射による光検出器21の抵抗変化が、インピーダンス整合部30のインピーダンスに影響を与える因子となる。図5、6、および11に示されるように、放射照度(mW/cm2)が高く光検出器21の抵抗値が低い条件下ほど、センサーコードSは減少し、同時に、ICチップ20からRFIDリーダー・ライターに送信される信号の強度に係る情報であるリーダーRSSI(dBm)の値は増加する。 3(a) and (b) in the RFID tag 101 of shape A, the photodetector 21 shown in Fig. 3(a) and (b) is supported on both sides by the photodetector lead pins 40 and has a structure floating in the air, so there is no influence of contact with the insulating substrate 10, which is a dielectric, and the impedance matching section insulating substrate 11, and the change in resistance of the photodetector 21 due to light irradiation becomes a factor that affects the impedance of the impedance matching section 30. As shown in Fig. 5, 6, and 11, under conditions where the irradiance (mW/ cm2 ) is higher and the resistance value of the photodetector 21 is lower, the sensor code S decreases, and at the same time, the value of the reader RSSI (dBm), which is information related to the strength of the signal transmitted from the IC chip 20 to the RFID reader/writer, increases.
形状BのRFIDタグ102においては、図3(c)に示す光検出器21は、図2に示すように、インピーダンス整合部30の開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31に隣接して設けられた、環状の開口51を有する開口部導体パターン33に接続されている。光検出器21は、開口51を有する開口部導体パターン33の切り欠きを跨ぐように配置されている。光検出器21に入射する光の放射照度(mW/cm2)が高い条件下ほど光検出器21の抵抗値は低くなり、光検出器21の下の切り欠きによって電気的に分離されていた開口51を有する開口部導体パターン33は、より導通状態となる。これによって、誘電体である絶縁基材10およびインピーダンス整合部絶縁基材11と密着した開口部導体パターン33からなる環状の開口51に由来する、複素インピーダンスの虚部(リアクタンス)が増加するために、センサーコードSは増加する。 In the RFID tag 102 of the shape B, the photodetector 21 shown in FIG. 3(c) is connected to the opening conductor pattern 33 having an annular opening 51, which is provided adjacent to the impedance matching part conductor pattern 31 having the opening 50 of the impedance matching part 30, as shown in FIG. 2. The photodetector 21 is arranged so as to straddle the notch of the opening conductor pattern 33 having the opening 51. Under the condition where the irradiance (mW/cm 2 ) of the light incident on the photodetector 21 is higher, the resistance value of the photodetector 21 becomes lower, and the opening conductor pattern 33 having the opening 51, which was electrically separated by the notch below the photodetector 21, becomes more conductive. As a result, the imaginary part (reactance) of the complex impedance originating from the annular opening 51 consisting of the opening conductor pattern 33 in close contact with the insulating substrate 10 and the impedance matching part insulating substrate 11, which are dielectrics, increases, and the sensor code S increases.
電気的に接続された光検出器21が負の因子として働くのは、フリースペース(空気中)に設置されたRFIDタグのインピーダンス整合部30が、最適なインピーダンスとなるように設計された場合であり、これを、光検出器21を電気的に接続された状態で最適になるように設計することも可能である。開口50の面積と環状の開口51の面積との比や、それぞれの面積の大きさによって、センサーコードSの大きさや変化範囲を制御することができる。また、開口50の周囲に形成される複数の開口の数や大きさ、配置によっても、センサーコードSの大きさや変化範囲を制御することができる。 The electrically connected photodetector 21 acts as a negative factor when the impedance matching section 30 of the RFID tag installed in free space (in air) is designed to have an optimal impedance, and it is also possible to design it to be optimal when the photodetector 21 is electrically connected. The size and range of change of the sensor code S can be controlled by the ratio of the area of the opening 50 to the area of the annular opening 51, and the size of each area. The size and range of change of the sensor code S can also be controlled by the number, size, and arrangement of multiple openings formed around the opening 50.
[具体例]
次に、本発明の実施の形態の具体的な実施例について説明する。本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。なお、具体例で使用した材料および装置は、以下のとおりである。
[Specific examples]
Next, specific examples of the embodiment of the present invention will be described. The present invention is not limited to these specific examples. The materials and devices used in the specific examples are as follows.
[材料]
(1)アルミ箔/PET複合フィルム:パナック製;AL-PET9-100、アルミ箔厚 9μm、PET膜厚 100μm。
(2)ICチップ20:AXZON社製;Magnus-S3、サイズ 1.6BSC×1.6BSC、厚さ 0.35mm。
(3)UHF帯RFIDタグA:Avery Dennison Smartrac社;Temperature Sensor Dogbone、ICチップ:Axzon Magnus-S3、周波数帯:UHF 860-960MHz、ICチップ:ICチップ20(Magnus-S3)。
(4)接着剤:コニシ株式会社製;ボンド ウルトラ多用途SU。
(5)伸縮性Agペースト:ナミックス株式会社製;XE181G。
(6)図3(a)に示す光検出器:Nanyang Senba Optical&Electronic Co.,Ltd.製;フォトレジスタCdSセル GL3516、サイズφ3mm、ピーク感度波長540nm。
(7)図3(b)に示す光検出器:新日本無線社製;シリコンフォトトランジスタ NJL7502L、リードピンタイプ、ピ-ク感度波長 560nm。
(8)図3(c)に示す光検出器:新日本無線社製;シリコンフォトトランジスタ NJL7502R、小型・薄型パッケータイプ、パッケージ寸法 1.6×1.3×0.65mm、ピ-ク感度波長 590nm。
(9)吸収型固定式ND(減光)フィルター(可視光用):シグマ光機株式会社製; AND-50s-70、AND-50s-50、AND-50s-40、AND-50s-30、AND-50s-20、AND-50s-13、AND-50s-10、AND-50s-05、AND-50s-01。
(10)青色LED:ジェネリックLED社;3W、発光波長390nm。
(11)緑色LED:ジェネリックLED社;3W、発光波長550nm。
(12)赤色LED:ジェネリックLED社;3W、発光波長620nm。
[material]
(1) Aluminum foil/PET composite film: manufactured by PANAC; AL-PET9-100, aluminum foil thickness 9 μm, PET film thickness 100 μm.
(2) IC chip 20: manufactured by AXZON; Magnus-S3, size 1.6BSC x 1.6BSC, thickness 0.35 mm.
(3) UHF band RFID tag A: Avery Dennison Smartrac; Temperature Sensor Dogbone, IC chip: Axzon Magnus-S3, frequency band: UHF 860-960 MHz, IC chip: IC chip 20 (Magnus-S3).
(4) Adhesive: Bond Ultra Multi-Purpose SU, manufactured by Konishi Corporation.
(5) Elastic Ag paste: XE181G manufactured by Namics Corporation.
(6) Photodetector shown in FIG. 3(a): manufactured by Nanyang Senba Optical & Electronic Co., Ltd.; photoresistor CdS cell GL3516, size φ3 mm, peak sensitivity wavelength 540 nm.
(7) Photodetector shown in FIG. 3(b): manufactured by New Japan Radio Co., Ltd.; silicon phototransistor NJL7502L, lead pin type, peak sensitivity wavelength 560 nm.
(8) Photodetector shown in FIG. 3(c): manufactured by New Japan Radio Co., Ltd.; silicon phototransistor NJL7502R, small and thin package type, package dimensions 1.6×1.3×0.65 mm, peak sensitivity wavelength 590 nm.
(9) Absorption type fixed ND (neutral attenuation) filter (for visible light): manufactured by Sigma Koki Co., Ltd.; AND-50s-70, AND-50s-50, AND-50s-40, AND-50s-30, AND-50s-20, AND-50s-13, AND-50s-10, AND-50s-05, AND-50s-01.
(10) Blue LED: Generic LED Co.; 3 W, emission wavelength 390 nm.
(11) Green LED: Generic LED Co.; 3 W, emission wavelength 550 nm.
(12) Red LED: Generic LED Co.; 3 W, emission wavelength 620 nm.
[装置]
(13)UHF帯 RFIDリーダー・ライター:タカヤ株式会社製;UTR-S201,特定小電力無線局タイプ、送信周波数 916.8MHz~923.2MHz(18チャンネル)、送信出力 10dBm(10mW)~24dBm(250mW)、インターフェース USBインターフェース基板TR3-IF-U1C。
(14)UHF帯外付けアンテナ(直線偏波型):タカヤ株式会社製;UTR-UA1709-1。
(15)355nmナノ秒パルスレーザー光源:Inngu laser社;Pulse 355-3A,355nm、3W、繰り返し周波数 30kHz、パルス幅 13ns。
(16)ガルバノスキャナー:MASTER LASER社製;Model GH2D10C f‐θレンズ焦点距離 100mm、制御ソフトウェア BJJCZ社製 EzCAD。
(17)疑似太陽光源:ABET社;10500。
(18)パワーメータ:Ophir社;パワーメータディスプレイ Nova。
(19)パワーメータヘッド:Ophir社;高感度 サーマルセンサー 12A-P―SH。
(20)ワンボードマイコン:Arduino SRL社;Arduino Nano
[Device]
(13) UHF band RFID reader/writer: manufactured by Takaya Co., Ltd.; UTR-S201, specific low power radio station type, transmission frequency 916.8 MHz to 923.2 MHz (18 channels), transmission output 10 dBm (10 mW) to 24 dBm (250 mW), interface USB interface board TR3-IF-U1C.
(14) UHF band external antenna (linearly polarized type): Manufactured by Takaya Co., Ltd.; UTR-UA1709-1.
(15) 355 nm nanosecond pulse laser light source: Inngu laser; Pulse 355-3A, 355 nm, 3 W, repetition rate 30 kHz, pulse width 13 ns.
(16) Galvano scanner: manufactured by MASTER LASER; Model GH2D10C f-θ lens focal length 100 mm, control software EzCAD manufactured by BJJCZ.
(17) Simulated sunlight source: ABET; 10500.
(18) Power meter: Ophir; Power Meter Display Nova.
(19) Power meter head: Ophir; high sensitivity thermal sensor 12A-P-SH.
(20) Single-board microcomputer: Arduino SRL; Arduino Nano
[ソフトウェア]
(21)UHF帯RFIDリーダー・ライター用自作ソフトウェア:タカヤ株式会社UTR通信プロトコルver1.15とシリアルポート制御モジュールEasyCommとを用いて、Microsoft Excelから、RFIDリーダー・ライターの制御およびデータ取得を行った。ICチップ20(Magnus-S3)からのリーダーRSSIの取得は、タカヤ株式会社UTR通信プロトコルに従って行った。ICチップ20(Magnus-S3)からのセンサーコードSの取得は、RFmicron社の資料(AN002F40:Reading Magnus(登録商標)-S Sensors)で公開されている、メモリーバンク(RESERVED)、ワードアドレス(Ch)、およびビット数(9)の情報に従って行った。
(22)グラフ処理ソフト:WaveMetrics社;Igor Pro
[software]
(21) Homemade software for UHF RFID reader/writer: Using Takaya Co., Ltd. UTR communication protocol ver. 1.15 and serial port control module EasyComm, the RFID reader/writer was controlled and data was acquired from Microsoft Excel. The reader RSSI was acquired from the IC chip 20 (Magnus-S3) according to the Takaya Co., Ltd. UTR communication protocol. The sensor code S was acquired from the IC chip 20 (Magnus-S3) according to the information on memory bank (RESERVED), word address (C h ), and number of bits (9) published in the RFmicron document (AN002F40: Reading Magnus (registered trademark)-S Sensors).
(22) Graph processing software: WaveMetrics; Igor Pro
[RFIDタグの作成と測定方法]
図1に示すRFIDタグ(形状A)101を、以下のように作成した。
UHF帯RFIDタグA(ICチップ20)から、開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31およびICチップ20を備える略四辺形のインピーダンス整合部絶縁基材11(X軸方向長さL3:略14mm、Y軸方向幅W1:略6mm)からなるインピーダンス整合部30を切り出した。インピーダンス整合部絶縁基材11には、Z軸方向の正側に、略四辺形の孔状の開口50(X軸方向長さ:略7.9mm、Y軸方向幅:略2.7mm、四隅の半径:略0.5mm)を有した、アルミニウムからなるインピーダンス整合部導体パターン31(X軸方向:略14mm、Y軸方向:略4.7mm)が備えられている。
[How to create and measure RFID tags]
The RFID tag (shape A) 101 shown in FIG. 1 was produced as follows.
An impedance matching section 30 consisting of an approximately quadrilateral impedance matching section insulating substrate 11 (X-axis length L3: approximately 14 mm, Y-axis width W1: approximately 6 mm) including an impedance matching section conductor pattern 31 having an opening 50 and an IC chip 20 was cut out from a UHF band RFID tag A (IC chip 20). The impedance matching section insulating substrate 11 is provided with an impedance matching section conductor pattern 31 (X-axis direction: approximately 14 mm, Y-axis direction: approximately 4.7 mm) made of aluminum on the positive side in the Z-axis direction, the impedance matching section conductor pattern 31 having an approximately quadrilateral hole-like opening 50 (X-axis direction length: approximately 7.9 mm, Y-axis direction width: approximately 2.7 mm, four corner radius: approximately 0.5 mm).
次に、インピーダンス整合部絶縁基材11の開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31を覆っていた、UHF帯RFIDタグA(ICチップ20)の絶縁層を除去してアルミニウムからなるインピーダンス整合部導体パターン31を露出させた。 Next, the insulating layer of the UHF band RFID tag A (IC chip 20) that covered the impedance matching part conductor pattern 31 having the opening 50 of the impedance matching part insulating substrate 11 was removed to expose the impedance matching part conductor pattern 31 made of aluminum.
図1のアンテナ部導体パターン32は、355nmのレーザー光をf‐θレンズで集光し、ガルバノスキャナーで走査することで、アルミ箔/PET複合フィルムのレーザーカットによって作成した。アンテナ部導体パターン32は、Y軸方向幅W1が略6mmで、インピーダンス整合部30が有する開口50と同様な、略四辺形の孔状の開口(X軸方向長さ:略7.9mm、Y軸方向幅:略2.7mm、四隅の半径:略0.5mm)と、切り欠き(X軸方向長さ:略4mm)とを有する略四辺形の開口50を有している。 The antenna conductor pattern 32 in Fig. 1 was created by laser cutting an aluminum foil/PET composite film by focusing 355 nm laser light with an f-θ lens and scanning with a galvanometer scanner. The antenna conductor pattern 32 has an approximately quadrilateral opening 50 with a Y-axis width W1 of approximately 6 mm, similar to the opening 50 of the impedance matching section 30, which has an approximately quadrilateral hole-like opening (X-axis length: approximately 7.9 mm, Y-axis width: approximately 2.7 mm, corner radius: approximately 0.5 mm) and a notch (X-axis length: approximately 4 mm).
UHF帯RFIDタグA(ICチップ20)から切り出したインピーダンス整合部30を備えたインピーダンス整合部絶縁基材11と、レーザーカットで作成したアンテナ部導体パターン32とを、開口50の位置が合うように、接着剤で固定した。この時、レーザーカットによって作成したアルミ箔/PET複合フィルムパターンのアルミ箔側を、インピーダンス整合部30の露出したインピーダンス整合部導体パターン31側とした。 The impedance matching part insulating substrate 11 with the impedance matching part 30 cut out from the UHF band RFID tag A (IC chip 20) and the antenna part conductor pattern 32 created by laser cutting were fixed with adhesive so that the positions of the openings 50 were aligned. At this time, the aluminum foil side of the aluminum foil/PET composite film pattern created by laser cutting was the side of the impedance matching part conductor pattern 31 where the impedance matching part 30 was exposed.
光検出器21の2本の光検出器リードピン40を、インピーダンス整合部30の露出したインピーダンス整合部導体パターン31のX軸方向の両端に、伸縮性Agペーストで固定して、電気的な接続をとった。 The two photodetector lead pins 40 of the photodetector 21 were fixed to both ends of the exposed impedance matching section conductor pattern 31 of the impedance matching section 30 in the X-axis direction with elastic Ag paste to establish an electrical connection.
図4に示す測定装置70では、RFIDリーダー・ライター71の出力を24dBm(250mW)とし、アンテナ72には直線偏波型のUHF帯外付けアンテナを用いた。RFIDタグ73を、発泡スチロールのベースプレート74にテープで固定し、通信距離CLの位置に設置して測定を行った、発泡スチロールは内部に空隙を多く含む低誘電率材料であり、RFIDタグ73のICチップ20と、RFIDリーダー・ライター71との間の無線通信特性に影響を与えない。通信距離CLは、アンテナ72の表面とRFIDタグ73のICチップ20との間の距離とした。 In the measurement device 70 shown in Figure 4, the output of the RFID reader/writer 71 was set to 24 dBm (250 mW), and a linearly polarized UHF band external antenna was used for the antenna 72. The RFID tag 73 was fixed to a polystyrene foam base plate 74 with tape and placed at a position of communication distance CL for measurement. Polystyrene foam is a low dielectric constant material that contains many voids inside, and does not affect the wireless communication characteristics between the IC chip 20 of the RFID tag 73 and the RFID reader/writer 71. The communication distance CL was defined as the distance between the surface of the antenna 72 and the IC chip 20 of the RFID tag 73.
アンテナ72は、直線偏波型のUHF帯外付けアンテナであり、直線偏波が床面に対して平行になるように設置した。測定においては、RFIDタグ73の長手方向が、床面に対して平行になるように、偏波方向を合わせて発泡スチロールのベースプレート74に保持した。RFIDリーダー・ライター71のUHF帯外付けアンテナとしては、円偏波型のものも、RFIDタグ73との通信に用いることができる。円偏波型のアンテナ72を用いた場合には、直線偏波型のアンテナ72を用いた場合に比べて、通信距離は減少するが、RFIDタグ73に対して、より広い角度からの電波照射での通信が可能となる。 Antenna 72 is a linearly polarized UHF band external antenna, and was installed so that the linear polarization was parallel to the floor surface. In the measurement, RFID tag 73 was held on a polystyrene foam base plate 74 with the polarization direction aligned so that the longitudinal direction of RFID tag 73 was parallel to the floor surface. A circularly polarized type UHF band external antenna for RFID reader/writer 71 can also be used for communication with RFID tag 73. When a circularly polarized antenna 72 is used, the communication distance is shorter than when a linearly polarized antenna 72 is used, but communication with RFID tag 73 is possible by irradiating radio waves from a wider angle.
RFIDリーダー・ライター71の反対側に配置した光源75からの光の放射照度を、種々の透過率の減光フィルター76を用いて変化させ、RFIDタグ73の光検出器21に照射した。この時の放射照度(mW/cm2)をパワーメータで測定し、その時の放射照度(mW/cm2)でRFIDタグ73の光検出器21が照射された時の、ICチップ20からの情報(センサーコードSおよびリーダーRSSI)をRFIDリーダー・ライター71で無線受信して、センサーコードSと放射照度(mW/cm2)との関係、およびリーダーRSSI(dBm)と放射照度(mW/cm2)との関係に係る検量線の作成を行った。光源75としては、キセノンランプからなる疑似太陽光源を用いた。RFIDタグ73への光照射においては、インピーダンス整合部30の表面および裏面を黒色ビニールテープで覆うことで、光検出器21のみに光が照射されるようにした。 The irradiance of light from the light source 75 arranged on the opposite side of the RFID reader/writer 71 was changed using a neutral density filter 76 with various transmittances, and the light was irradiated onto the photodetector 21 of the RFID tag 73. The irradiance (mW/cm 2 ) at this time was measured with a power meter, and the RFID reader/writer 71 wirelessly received information (sensor code S and reader RSSI) from the IC chip 20 when the photodetector 21 of the RFID tag 73 was irradiated with the irradiance (mW/cm 2 ) at that time, and created a calibration curve relating to the relationship between the sensor code S and the irradiance (mW/cm 2 ) and the relationship between the reader RSSI (dBm) and the irradiance (mW/cm 2 ). A pseudo-sunlight source consisting of a xenon lamp was used as the light source 75. When irradiating the RFID tag 73 with light, the front and back surfaces of the impedance matching section 30 were covered with black vinyl tape so that only the photodetector 21 was irradiated with light.
[RFIDタグ光センサーの特性評価]
RFIDタグ101(形状A、L1=10cm,L2=5cm、図3(a)に示す光検出器:フォトレジスタ CdSセル)における、センサーコードSと光検出器への入射光の放射照度(mW/cm2)との関係を示すグラフ、および、リーダーRSSIと光検出器への入射光の放射照度(mW/cm2)との関係を示すグラフを、それぞれ図5および図6に示した。図5および図6中に実線の曲線で示した検量線は、数式(1)を用いた曲線近似を、グラフ処理ソフトで行うことで得た。
[Evaluation of RFID tag optical sensor characteristics]
Graphs showing the relationship between the sensor code S and the irradiance (mW/cm2) of light incident on the photodetector in an RFID tag 101 (shape A, L1=10 cm, L2=5 cm, photodetector shown in FIG. 3(a): photoresistor CdS cell) and graphs showing the relationship between the reader RSSI and the irradiance (mW/ cm2 ) of light incident on the photodetector are shown in FIG. 5 and FIG. 6, respectively. The calibration curves shown by solid curves in FIG. 5 and FIG. 6 were obtained by curve approximation using formula (1) with graph processing software.
図5および図6のaのデータは、通信距離CLが37cmで、タグの設置位置の高さがRFIDリーダー・ライター71のアンテナ72の中央部の場合のプロットである。図5および図6のbのデータは、通信距離CLは11cmではあるが、タグの設置位置の高さがRFIDリーダー・ライター71のアンテナ72の中央部から11cm下方であり、RFIDタグ73がRFIDリーダー・ライター71から受ける電力が低い場合のプロットである。 The data in Fig. 5 and Fig. 6a are plots for a case where the communication distance CL is 37 cm and the tag is installed at the center of the antenna 72 of the RFID reader/writer 71. The data in Fig. 5 and Fig. 6b are plots for a case where the communication distance CL is 11 cm, but the tag is installed 11 cm below the center of the antenna 72 of the RFID reader/writer 71, and the power that the RFID tag 73 receives from the RFID reader/writer 71 is low.
図5に示されるように、センサーコードSと放射照度(mW/cm2)との関係は、RFIDタグ73の設置位置の違いに依存せず、一致したものとなっている。これに対して、リーダーRSSIと放射照度(mW/cm2)との関係は、RFIDタグ73の設置位置に依存したものとなっている。これは、RFIDリーダー・ライター71がRFIDタグ73から受信している電力に関わる値であるリーダーRSSIが、RFIDリーダー・ライター71のアンテナ72との間の距離や、それらの間に存在する障害物、さらにはRFIDタグ73の配向やRFIDリーダー・ライター71のアンテナ72の配向で変化するためである。 5, the relationship between the sensor code S and the irradiance (mW/ cm2 ) is consistent and does not depend on the installation position of the RFID tag 73. In contrast, the relationship between the reader RSSI and the irradiance (mW/ cm2 ) depends on the installation position of the RFID tag 73. This is because the reader RSSI, which is a value related to the power received by the RFID reader/writer 71 from the RFID tag 73, changes depending on the distance between the RFID reader/writer 71 and the antenna 72 of the RFID reader/writer 71, obstacles present between them, and further the orientation of the RFID tag 73 and the antenna 72 of the RFID reader/writer 71.
[RFIDタグ光センサーからの情報のアンテナ長依存性]
図7は、UHF帯RFIDタグ(形状A)101において、アンテナ長L1を変化させた場合の、センサーコードS(図7(a))およびリーダーRSSI(図7(b))を示したグラフである。RFIDタグ101のインピーダンス整合部30のインピーダンスに係る情報であるセンサーコードSにおいては、変化が無く一定であるのに対して、RFIDリーダー・ライター71がRFIDチップにから受信する信号の強度に関わる情報であるリーダーRSSIは、アンテナ長L1が短くなるに従って顕著な減少を示した。この結果からも、入射する光の放射照度を定量的に測定するためには、RFIDタグ101のインピーダンス整合部30に固有のインピーダンス値の変化を利用することが有効な手法であることが示された。
[Antenna length dependence of information from RFID tag optical sensor]
7 is a graph showing the sensor code S (FIG. 7(a)) and the reader RSSI (FIG. 7(b)) when the antenna length L1 is changed in a UHF band RFID tag (shape A) 101. The sensor code S, which is information related to the impedance of the impedance matching section 30 of the RFID tag 101, remains constant, whereas the reader RSSI, which is information related to the strength of the signal received by the RFID reader/writer 71 from the RFID chip, shows a significant decrease as the antenna length L1 becomes shorter. This result also shows that in order to quantitatively measure the irradiance of incident light, it is an effective method to utilize the change in impedance value specific to the impedance matching section 30 of the RFID tag 101.
[RFIDタグ光センサーのLED光応答性]
本発明の実施の形態のパッシブ型RFIDタグ光センサーは、パッシブ型LEDタグ光源と組み合わせたシステムでの使用を想定していることから、LED光に対する応答性の確認を行った。LED光としては、青色LED(発光波長390nm)、緑色LED(発光波長550nm)、および赤色LED(発光波長620nm)を用いた。LED光の照射は、ワンボードマイコン(Arduino)からのTTL信号でリレーユニットの開閉を制御して、LED光源への電圧印加を周期的にオンオフすることで行った。RFIDタグへのLED光照射においては、インピーダンス整合部30の表面および裏面を黒色ビニールテープで覆うことで、光検出器21のみに光が照射されるようにした。
[LED light responsiveness of RFID tag optical sensor]
The passive RFID tag light sensor according to the embodiment of the present invention is intended to be used in a system in combination with a passive LED tag light source, so the responsiveness to LED light was confirmed. A blue LED (emission wavelength 390 nm), a green LED (emission wavelength 550 nm), and a red LED (emission wavelength 620 nm) were used as the LED light. The LED light was irradiated by periodically turning on and off the voltage application to the LED light source by controlling the opening and closing of the relay unit with a TTL signal from a one-board microcomputer (Arduino). When irradiating the RFID tag with LED light, the front and back surfaces of the impedance matching section 30 were covered with black vinyl tape so that light was irradiated only to the photodetector 21.
図8、9、および10には、RFIDタグ101(形状A、L1=5cm,L2=5cm、図3(a)に示す光検出器:フォトレジスタ CdSセル)への、青色LED(発光波長390nm、24.0mW/cm2)、緑色LED(発光波長550nm、6.0mW/cm2)、および赤色LED(発光波長620nm、2.5mW/cm2)からの光の照射をオンオフした場合の、センサーコードSおよびリーダーRSSIの応答挙動をそれぞれ示した。いずれの波長のLED光でも、迅速かつ再現性のある光照射への応答が示された。放射照度(mW/cm2)と各情報の変化量とから見ると、光検出器21の感度の高い波長となっている緑色LEDおよび赤色LEDで、高感度な応答特性が得られた。このことは、排尿中に混在した血尿や潜血等を、黄色の尿自体の吸収の影響がほとんどない波長での透過率変化よって検出する場合に有効となる。 8, 9, and 10 show the response behavior of the sensor code S and the reader RSSI when the light irradiation from a blue LED (light emission wavelength 390 nm, 24.0 mW/cm 2 ), a green LED (light emission wavelength 550 nm, 6.0 mW/cm 2 ), and a red LED (light emission wavelength 620 nm, 2.5 mW/cm 2 ) to an RFID tag 101 (shape A, L1 = 5 cm, L2 = 5 cm, photodetector shown in FIG. 3(a): photoresistor CdS cell) is turned on and off. A rapid and reproducible response to light irradiation was observed for all wavelengths of LED light. In terms of the irradiance (mW/cm 2 ) and the amount of change in each information, a highly sensitive response characteristic was obtained for the green LED and red LED, which are wavelengths to which the photodetector 21 is highly sensitive. This is effective in detecting blood in urine or occult blood, etc., by detecting changes in transmittance at wavelengths that are hardly affected by absorption by the yellow urine itself.
[図3(b)に示す光検出器を備えたパッシブ型RFIDタグ光センサー]
上記のパッシブ型RFIDタグ光センサーでは、図3(a)に示す光検出器21として、フォトレジスタであるCdSセルが用いられている。図3(b)に示す光検出器21のシリコンフォトトランジスタは、CdSセルと同じリードピンタイプのため、CdSセルの置き換えに好適なものである。
[Passive RFID tag optical sensor equipped with the optical detector shown in FIG. 3(b)]
In the above passive RFID tag optical sensor, a CdS cell, which is a photoresistor, is used as the photodetector 21 shown in Fig. 3(a). The silicon phototransistor of the photodetector 21 shown in Fig. 3(b) is of the same lead pin type as the CdS cell, and is therefore suitable for replacing the CdS cell.
図11に、RFIDタグ101(形状A、L1=10cm,L2=5cm、図3(b)に示す光検出器、通信波長CL=15cm)における、センサーコードSおよびリーダーRSSIと放射照度との関係を示した。光源としては、キセノンランプからなる疑似太陽光源を用いた。変化幅の違いはあるものの、光検出器21としてCdSセルを備えた場合と同様な、入射する光の放射照度(mW/cm2)の変化に伴うセンサーコードSおよびリーダーRSSIの変化が示された。 Fig. 11 shows the relationship between the sensor code S and the reader RSSI and the irradiance in the RFID tag 101 (shape A, L1 = 10 cm, L2 = 5 cm, photodetector shown in Fig. 3(b), communication wavelength CL = 15 cm). A pseudo-sun light source consisting of a xenon lamp was used as the light source. Although there was a difference in the range of change, the changes in the sensor code S and the reader RSSI associated with the change in the irradiance (mW/ cm2 ) of the incident light were shown, similar to the case where a CdS cell was used as the photodetector 21.
[図3(c)に示す光検出器を備えたパッシブ型RFIDタグ光センサー]
図2には、図3(c)に示す光検出器21を備えたRFIDタグ102(形状B)の平面図および断面図を示した。形状BのRFIDタグ102においては、図3(c)に示す光検出器21は、インピーダンス整合部30の開口50を有するインピーダンス整合部導体パターン31に隣接して設けられた、環状の開口51を有する開口部導体パターン33に接続されている。RFIDタグ102(形状B)は、以下のように作成した。
[Passive RFID tag optical sensor equipped with the optical detector shown in FIG. 3(c)]
Fig. 2 shows a plan view and a cross-sectional view of an RFID tag 102 (shape B) equipped with a photodetector 21 shown in Fig. 3(c). In the RFID tag 102 of shape B, the photodetector 21 shown in Fig. 3(c) is connected to an opening conductor pattern 33 having a ring-shaped opening 51 provided adjacent to an impedance matching portion conductor pattern 31 having an opening 50 of an impedance matching portion 30. The RFID tag 102 (shape B) was created as follows.
RFIDタグ102(形状B)の作成において、ICチップ20、インピーダンス整合部導体パターン31、および開口50からなるインピーダンス整合部30を備えるインピーダンス整合部絶縁基材11には、RFIDタグ101(形状A)と同様なものを用いた。図2(d)に示されるアンテナ導体パターン32は、355nmのレーザー光をf‐θレンズで集光し、ガルバノスキャナーで走査することで、アルミ箔/PET複合フィルムのレーザーカットによって作成した。アンテナ部導体パターン32は、Y軸方向幅W1が略6mmで、インピーダンス整合部30が有する開口50と同様なX軸方向長さ(略7.9mm)と開口50に比べて幅広いY軸方向幅(略3.9mm)の開口とを有している。 In the creation of the RFID tag 102 (shape B), the impedance matching part insulating substrate 11 having the impedance matching part 30 consisting of the IC chip 20, the impedance matching part conductor pattern 31, and the opening 50 was the same as that of the RFID tag 101 (shape A). The antenna conductor pattern 32 shown in FIG. 2(d) was created by laser cutting an aluminum foil/PET composite film by focusing 355 nm laser light with an f-θ lens and scanning with a galvano scanner. The antenna part conductor pattern 32 has a Y-axis width W1 of approximately 6 mm, an X-axis length (approximately 7.9 mm) similar to the opening 50 of the impedance matching part 30, and an opening with a Y-axis width (approximately 3.9 mm) wider than the opening 50.
インピーダンス整合部30の開口50と、図2(d)に示されるアンテナ導体パターン32の開口の上部の位置とをあわせて接合することで、図2(b)の平面図で示されるような開口51が形成される。アンテナ導体パターン32の開口の切り欠き部分に、図3(c)に示す光検出器を、伸縮性銀ペーストを用いて電気的に接続することで、形状BのRFIDタグ102を作成した。 By joining the opening 50 of the impedance matching section 30 with the upper position of the opening of the antenna conductor pattern 32 shown in FIG. 2(d), an opening 51 is formed as shown in the plan view of FIG. 2(b). The photodetector shown in FIG. 3(c) was electrically connected to the cutout portion of the opening of the antenna conductor pattern 32 using elastic silver paste, thereby creating an RFID tag 102 of shape B.
図12には、RFIDタグ102(形状B、L1=7.5cm,L2=7.5cm、図3(c)に示す光検出器、通信距離CL=25cm)における、センサーコードSおよびリーダーRSSIと放射照度との関係を示した。光源としては、キセノンランプからなる疑似太陽光源を用いた。開口50に加えて、開口51に光検出器21を備えた、形状BのRFIDタグ102は、図3(b)に示す光検出器21を備えるRFIDタグ101に比べて、センサーコードSが放射照度(mW/cm2)の変化に対して、2倍以上の高感度な変化を示した。 Fig. 12 shows the relationship between the sensor code S and reader RSSI and the irradiance in an RFID tag 102 (shape B, L1 = 7.5 cm, L2 = 7.5 cm, photodetector shown in Fig. 3(c), communication distance CL = 25 cm). A pseudo-sun light source consisting of a xenon lamp was used as the light source. The RFID tag 102 of shape B, which is provided with a photodetector 21 in opening 51 in addition to opening 50, showed a change in the sensor code S with a sensitivity more than twice as high as that of the RFID tag 101 equipped with the photodetector 21 shown in Fig. 3(b) in response to a change in irradiance (mW/ cm2 ).
本発明により、入射した光の放射照度を定量的に測定できる、放射照度計としての機能を備えた、フレキシブルで薄型な、電池や外部電源を必要としないパッシブ型RFIDタグ光センサーを提供することができ、種々光源と組み合わせたワイヤレスセンシングにおいて、好適に利用できる。 The present invention provides a flexible, thin, passive RFID tag optical sensor that can quantitatively measure the irradiance of incident light, functions as an irradiance meter, and does not require batteries or an external power source. This sensor can be suitably used in wireless sensing in combination with various light sources.
以上、実施形態を説明したが、本発明の技術は上記の実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形および改良が可能である。 Although the embodiments have been described above, the technology of the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications and improvements are possible, such as combinations or substitutions with part or all of other embodiments.
10 絶縁基材
11 インピーダンス整合部絶縁基材
20 ICチップ
21 光検出器
30 インピーダンス整合部
31 インピーダンス整合部導体パターン
32 アンテナ部導体パターン
33 開口部導体パターン
40 光検出器リードピン
40C 光検出器コレクタリードピン
40E 光検出器エミッタリードピン
50 開口
51 開口
70 測定装置
71 RFIDリーダー・ライター
72 アンテナ
73 RFIDタグ
74 ベースプレート
75 光源
76 減光フィルター
101,102 RFIDタグ
REFERENCE SIGNS LIST 10 insulating substrate 11 impedance matching portion insulating substrate 20 IC chip 21 photodetector 30 impedance matching portion 31 impedance matching portion conductor pattern 32 antenna portion conductor pattern 33 opening portion conductor pattern 40 photodetector lead pin 40C photodetector collector lead pin 40E photodetector emitter lead pin 50 opening 51 opening 70 measuring device 71 RFID reader/writer 72 antenna 73 RFID tag 74 base plate 75 light source 76 neutral density filter 101, 102 RFID tag
Claims (3)
前記絶縁層の上に設けられ、環状の開口を有する導体パターンと、前記開口の近傍で、前記導体パターンと電気的に接続されたICチップとからなるインピーダンス整合部と、
前記インピーダンス整合部から第1方向および第2方向に延伸するアンテナ導体部と、
前記環状の開口を有する前記導体パターンの前記第1方向の端部と、前記環状の開口を有する前記導体パターンの前記第2方向の端部とに電気的に接続され、前記ICチップと並列回路を形成する光検出器を有するRFIDタグを備え、
前記光検出器へ入射した光の放射照度の変化を、前記ICチップから無線通信でRFIDリーダー・ライターへ送信されるリーダーRSSIの変化として検知するよう構成されている、
パッシブ型RFIDタグ光センサー。 An insulating layer;
an impedance matching section provided on the insulating layer, the impedance matching section including a conductor pattern having an annular opening and an IC chip electrically connected to the conductor pattern in the vicinity of the opening;
an antenna conductor portion extending in a first direction and a second direction from the impedance matching portion;
an RFID tag having a photodetector electrically connected to an end of the conductor pattern having the annular opening in the first direction and an end of the conductor pattern having the annular opening in the second direction, the photodetector forming a parallel circuit with the IC chip ;
A change in irradiance of light incident on the photodetector is detected as a change in a reader RSSI transmitted from the IC chip to an RFID reader/writer by wireless communication.
Passive RFID tag optical sensor.
前記絶縁層の上に設けられ、環状の第1の開口を有する第1の導体パターンと、前記第1の開口の近傍で、前記第1の導体パターンと電気的に接続されたICチップとからなるインピーダンス整合部と、
前記インピーダンス整合部の前記第1の導体パターンに隣接して設けられた、環状の第2の開口を有する第2の導体パターンと、
前記インピーダンス整合部から第1方向および第2方向に延伸するアンテナ導体部と、
前記第2の導体パターンと電気的に接続された光検出器を有するRFIDタグを備え、
前記光検出器への光入射を、前記ICチップから無線通信でRFIDリーダー・ライターへ送信されるリーダーRSSIの変化として検知するよう構成されている、
パッシブ型RFIDタグ光センサー。 An insulating layer;
an impedance matching section including a first conductor pattern provided on the insulating layer and having a first annular opening, and an IC chip electrically connected to the first conductor pattern in the vicinity of the first opening;
a second conductor pattern provided adjacent to the first conductor pattern of the impedance matching portion and having a second annular opening;
an antenna conductor portion extending in a first direction and a second direction from the impedance matching portion;
an RFID tag having a photodetector electrically connected to the second conductor pattern;
The light incident on the photodetector is detected as a change in a reader RSSI transmitted from the IC chip to an RFID reader/writer by wireless communication.
Passive RFID tag optical sensor.
前記光検出器へ入射した光の放射照度と、前記放射照度の光により生じる前記リーダーRSSIの値の変化との間の関係を示す検量線をあらかじめ作成しておき、前記リーダーRSSIの測定値から、前記検量線を用いて、前記光検出器へ入射した光の前記放射照度を決定することを
特徴とする光の放射照度の決定方法。
A method for determining the irradiance of light using the passive RFID tag optical sensor according to claim 1 or 2 , comprising:
A method for determining the irradiance of light, comprising: creating in advance a calibration curve showing the relationship between the irradiance of light incident on the photodetector and the change in the value of the reader RSSI caused by the light of the irradiance; and determining the irradiance of the light incident on the photodetector from the measured value of the reader RSSI using the calibration curve.
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