具有回射和射频响应特征的物品.pdf

本发明揭示了一种产生视觉和电子信息的系统，它是一种易于标识的组合铭牌，其中的射频响应元件紧邻回射元件。该组合铭牌包括具有光学体和反射层的回射体。其中的光学体具有一个光学面和一个结构面。例如，光学体包含有光学元件微球形玻璃(光学珠子)或者立方隅角反射器。反射层沉积在至少一部分的光学体结构面上。例如，反射层包含非邻接金属层。组合铭牌还包含天线和集成电路。射频响应元件具有信息存储和发送的功能，并且能够使一种询问系统从中获取信息。射频响应元件耦合在光学体的一个光学面上或者其背面上。

1.  一种组合铭牌，其特征在于它包括：
具有光学体和反射层的回射体；
其中所述光学体包括一光学表面、与之相对的背面，和一结构化面，结构化表面与光学面和背面中的一个面同延；
其中所述反射层沉积在光学体的结构化面的至少一部分上；
还包括射频响应元件，射频响应元件包括天线和集成电路，射频响应元件具有存储和发送信息的性能，适于使一种询问系统从所述射频响应元件获取信息；以及
其中射频响应元件耦合于所述回射体的背面或者光学表面上。

2.  如权利要求1所述的组合铭牌，其特征在于，所述反射层包括非邻接的金属层。

3.  如权利要求2所述的组合铭牌，其特征在于，所述反射层是金属化油墨。

4.  如权利要求3所述的组合铭牌，其特征在于，所述反射层金属成分的含量为体积比10％到14％。

5.  如权利要求4所述的组合铭牌，其特征在于，所述金属是银。

6.  如权利要求1所述的组合铭牌，其特征在于，所述光学体包括嵌在定位树脂中的玻璃微球，且其中光学表面和背面由定位树脂形成。

7.  如权利要求6所述的组合铭牌，其特征在于，所述反射层直接沉积在至少部分的定位树脂上。

8.  如权利要求1所述的组合铭牌，其特征在于，它还包括沉积在光学体上的安全标记。

9.  一种组合铭牌，它包括：
具有光学体和反射层的回射体；
其中所述光学体包括由微球形组成的光学元件，所述光学体具有光学表面和与之相对的结构化背面；且
其中所述反射层是非邻接的金属化层，沉积在至少一部分的光学体的结构化背面上；以及
射频响应元件，耦合在光学体的背面上，所述射频元件包括天线和集成电路，所述射频响应元件具有存储和发送信息的性能，适于使一种询问系统从所述射频响应元件获取信息。

具有回射和射频响应特征的物品
发明的背景
本发明涉及一种同时具有回射特征和射频响应特征的物品。尤其涉及一种安全铭牌，适合用作陈列样本(window sticker)，结合了回射特性和射频响应特性，因而适合用于防止假货和信息检索。
交通工具的牌照是一种用来标识交通工具及其主人的典型的物品。交通工具牌照承载了一定量的可视信息，典型的包括牌照号码及其注册所在地州、省或者国家的标识，以及该牌主是否已拥有一有效牌照。牌照通常被作成具有回射性的薄片并具有安全特征。射频标识技术有时缩写为RFID技术，它具有广泛的商业应用，它通常被用于在一定距离内的对象标识和跟踪。射频响应元件可以包含标识物体的电子信息。
有一种要在当前的牌照或者RFID技术承载的信息基础上提供附加安全性和信息的需求。在序列号为09/974,385的美国专利申请中描述了一种结合回射特征和RFID技术的铭牌，其内容提高引用包括于此。回射特征传递可视信息，RFID技术传递电子信息。耦合射频响应元件到敷有金属的回射物体上存在困难。如果把射频响应元件放置到回射物体的约1/4英寸即6mm距离之内，很多传统的回射物体比如车牌薄片，很容易使射频响应元件失调，或者对射频响应元件性能产生不利的影响。
发明的概述
本发明揭示一种提供视觉和电子信息的系统，它是采用一种易于标识的组合铭牌，其中的射频响应元件紧邻着回射元件。这种组合铭牌包括具有光学体和反射层的回射体。其光学体具有一个光学表面和一个与之相对的背面。一结构化表面与光学表面或者背面同延。在一种实施例中，光学体包含有玻璃微球(光学珠子)或者立方隅角反射器作为光学元件。反射层沉积在光学体的背面的至少一部分上，在本实施例中背面也是光学体的结构化表面。反射层可包含非邻接的金属层。组合铭牌还包括射频响应元件。射频元件包括天线和集成电路。射频响应元件具有存储和发送信息的性能，适于使一种询问系统能够从射频响应元件中获取信息。射频响应元件耦合在光学体的其中一个光学表面上或者其背面上。即使在射频响应元件是位于回射物体6mm之内的情况下此组合铭牌也能工作。
这种系统有几点优势。在这几点优势中，组合铭牌的整个表面都可具有回射性而铭牌依然很薄。这样，可视信息易于标识。可视信息和电子信息可一并被用来确认交通工具的注册情况。可以比较可视信息和电子信息进而确认此铭牌的合法性。再者，当注册、支付税或保险费用时可对电子信息进行更新，这提供了一种及时的验查方法。预计还有其它的优势。
附图说明
图1所示是组合铭牌的结构图。
图2是图1所示铭牌的平面视图。
图3是图1所示铭牌中的射频响应元件的示意图。
图4是一种和图3所示射频响应元件之间互动的RFID询问系统的块结构图。
图5是图1所示铭牌的一种实施例的截面侧视示意图。
图6是图1所示铭牌的另外一种实施例的截面侧视示意图。
发明的详细描述
本发明的组合铭牌合并了回射物体和响应射频信号的元件来组成一种可靠的交通工具标识系统。图1描述了这种组合铭牌10的结构图。铭牌10包括回射物体12，它可操作地耦合至射频响应元件14。回射物体12包括一光学表面16，光以各种角度入射到光学表面16上，由射线18表示，通常这些光被反平行地反射，由射线20表示，并返回到光源(未示出)。回射体12包括光学体13和反射层15。光学体13包括光学表面16和与之相对的背面17。光学表面16或者背面17中的一个是结构化的表面。反射层15沉积在至少一部分的结构化面上，，在本实施例中是沉积在背面上。射频响应元件14具有存储与发送信息的性能，并且包括如虚线所示的集成电路22，和天线24。元件14用来使一种询问系统能够从该元件14中获取信息，由电磁波26、27所示，在下文对此有更加详细的讨论。射频响应元件14被耦合即直接或者间接地连接到光学体的背面17上。
图2示出了铭牌10的一种例子的平面视图。铭牌10包括回射体12和射频响应元件14，射频响应元件14如虚线所示贴附在回射物体12的背面。回射体12包括印刷标记32，诸如普通背景标志34和铭牌专有标识36，在所示例子中是以墨西哥车牌的形式。在铭牌10上覆盖着一种压敏胶38。在本实施例中，回射体12和射频响应元件14可以用来确认交通工具的注册情况。用电子的方法读出射频响应元件14中的信息并把它和车牌以及交通工具标识号码对照，从而判断交通工具注册情况的合法性。在如图所示的实施例中，当注册、支付税款或保险费用时射频响应元件14中的电子信息可以被更新，这为法律执行部门提供了一种及时的验查方法。
射频响应元件可以是有源地也可以是无源的。有源铭牌是在铭牌的结构中引入了附带的能量源，比如电池。即使在射频询问系统的场较弱的情况下，这个能量源可使有源射频响应元件产生和传送强的响应信号，这样，有源射频响应元件将能够在更大的范围内被检测到。然而，电池相对较短的寿命限制了铭牌的有效使用寿命。并且电池增加了铭牌的体积和成本。无源元件是从询问系统的射频场中获得元件所需的能量，它通过调制元件天线向询问场所呈现的阻抗来利用这些能量发送响应码，从而调制反射回阅读器天线的信号。这种情况下它们的工作距离是更受限制的。因为对很多种应用而言更适合使用无源元件，因此下面的讨论将只限于这一类的元件。然而对于本领域的熟练人士，他们将会认识到这两种元件有很多共同的特征，它们都可以应用于本发明的实施例。
如图3所示，无源射频响应元件14通常包括两个部件：一集成电路22和一天线24。集成电路提供基本的标识功能。它包括固件和电路用来永久的存储铭牌标识和其它的所需信息、解释并处理从询问系统硬件接收的命令、响应询问系统对信息的请求、并帮助询问系统硬件解决由多个铭牌同时响应询问系统而引起的冲突。可任选地，集成电路可以提供对存储在(读/写)存储器中的信息进行更新，而不仅只是只能读出信息(只读)。适用于射频响应元件的集成电路包括以下公司的产品：Texas Instruments(TIRIS生产线中的产品)、Philips(Mifare和Hitag生产线中的产品)：Motorla/Indala、Single ChipSystems、以及其他公司的产品。其中的一个例子是Texas Instruments的产品，出售时商品编号为#RI-I01-110A。
天线的几何形状和性质取决于铭牌中射频响应部分所期望的工作频率。例如，2.45GHz(或者相近的频率)的射频响应元件通常具有偶极子天线，诸如线性偶极子天线(未示出)，或者折叠偶极子天线(未示出)。13.56MHz(或者相近的频率)的射频响应元件具有螺旋型或者线圈型天线24。在两种情形中，天线24截获询问系统源辐射的射频能量。这个信号能量同时带来了能量和对铭牌的命令。天线使射频元件能够吸收充足的能量驱动集成电路(IC)芯片，从而提供待检测到的响应。这样，天线的特性必须与包含它的系统相匹配。铭牌工作在高MHz到GHz范围时，天线的长度是一个重要特征。通常，合理选择偶极子天线的长度使之接近于询问系统信号的半波长度或者多个半波长度。铭牌工作于从低到中等MHz(例如13.56MHz)的频段时，由于尺寸的限制半波长度的天线是不实际的，此时天线的重要特征是天线的自感应系数和天线线圈绕的匝数。两种天线都要求有良好的导电性。通常用铜或者铝等金属作材料，其它的导体包括磁性金属比如镍铁导磁合金也可适用。还有一个要点是为了最大限度的传输能量，所选用的IC芯片的输入阻抗要与天线阻抗相匹配。
经常会引入电容30以提高指示器的性能。如果存在电容30，则它可以调谐铭牌的工作频率到某个特定值。其好处是可使铭牌获得最大的工作频段，并且可以保证满足调节要求。此电容可以是分立的也可以是像下面描述的集成在天线中的。在一些铭牌的设计中，特别是被设计成工作于非常高的频率，比如2.45GHz的铭牌，将不需要可变电容。选择电容的值，使它在与天线产生的电感耦合时，该复合结构的共振频率与RFID系统的工作频率密切匹配。其振频率由下面的公式给出：
f r = ( 1 2 π ) 1 LC ]]>
其中
C＝电容(以法拉第为单位)
L＝电感(以亨利为单位)
这个电容可以是一种分布电容，如美国专利.4,598,276(Tait等)和4,578,654(Tait等)中所描述的，这些专利属于3M公司。分布电容有助于减小铭牌的体积，特别是厚度，最大限度地减少手工装配。
在操作中，如图4所示，射频响应铭牌10被一种电子物品安全系统300询问，此种系统通常被安装在需要对铭牌进行监视的地点附近。手持式探测设备也可以用。询问源302(通常包括驱动振荡器和放大器)耦合在天线304上(有时被描述成场线圈)，用来在询问区域内发射交替的射频场，或者说询问信号。系统300还包括接受信号的天线(如天线304所示，有时被描述成接收线圈)和用来处理由在询问区内的铭牌所产生的信号的探测器306。
询问源302发射询问信号310，可以在已知频段内选择此信号的频率使之位于较佳的频段内，而所谓频段较佳是因为不会与其他的应用相干扰，因为此频段符合政府的相关规则。当射频响应元件接收到询问信号时，它将发射它自己的响应码信号312，此信号将被天线304接收并传送到探测器306。探测器对响应进行解码并对铭牌进行标识(通常是基于存储在一个计算机或者其它的存储设备308里的信息)，然后根据探测到的码信号采取动作。本领域的熟练人士熟知所描述系统的多种变型，包括例如，询问源302和探测器306拥有单独的天线，而不是所描述的单个天线304。
图5是铭牌40的一种实施例的截面的侧面视图。铭牌40包括回射体42和耦合在回射体背面的射频响应元件44。铭牌40是图1中铭牌10的一种实施例。射频响应元件44可以是参照图3所描述的。回射体42包括光学体43和反射层45。
光学体43包括光学表面46和与之相对的结构化背面47，实施例中所示的光学体是几种适用于铭牌40的微球形类型的回射器中的一种。在实施例中光学体43包括封闭的单层光学元件48，诸如玻璃构成的微球，它们被涂覆在定位树脂49中，例如这种树脂包括聚乙烯醇缩丁醛树脂或者聚酯。较佳地，球体48和树脂49基本上是透明的。光学表面46通常被做成平滑的形状，结构化背面47被做成与球体48相符合的形状，正如在本领域为人所熟知的。光学面46和背面47形成于定位树脂49上，从而使球体48被封闭于树脂中。这种物品体的具体实例之一是美国圣保罗市3M公司的回射片，它的指定编号是3750，但是这种回射片没有反射层。
预期可以对微球形类型的回射体加以变型。例如，光学球体被部分地嵌入到定位树脂中，并在上面包裹一层珠连层(bead bond layer)，从而定位树脂介于反射层和珠连层之间。珠连层可以包含一种有色颜料，从而使回射体在环境光线下具有彩色的外观，而在回射光线下具有不同的外观，比如银色。回射体的另外一种变型是它包括有暴露在外的单层微球。
预期可以对光学体43加以变型。图6描述的铭牌50的实施例和图5描述的具有相似的结构，只是它具有立方隅角回射器52，包括立方隅角光学体53和反射层45。立方隅角光学体包括立方隅角形状的光学元件54。立方隅角回射器52可以由热朔性材料构成，比如乙烯树脂、聚碳酸酯、丙烯酸酯树脂或者其他材料，或者可以由固化一种材料比如尿烷、环氧树脂、聚酯和丙烯酸寡聚物或者单体来构成。立方隅角元件54通常有三个相互垂直的面，它们共同把光回射至光源。在如图所示的实施例中，光学体52是一个包括立方隅角元件54的整体件。可选择地，可以把立方隅角元件粘接到一个衬底上从而形成回射器。在这种情况下，可能用不同于衬底的材料构成立方隅角元件。光学体52可以包括覆盖层(图上未示出)，它粘接在光学面56上。光学体52也包括结构背面57。
预期可对立方隅角回射器类型的光学体52加以变型。例如，图6中描述的光学元件是立方隅角棱镜，在本领域是为人所熟知的，其背面是结构化的面。光学体也可以是由立方隅角空洞构成的薄片，这与立方隅角棱镜正相反，正如在本领域为人所熟知的。如果采用立方隅角棱镜，光学表面和结构化面将是同延的(coextensive)，并且反射层沉积在立方隅角元件的光学表面上，而后与背面相对。
回到图5，其中与图6相近的元件用相同的号码标记，镜面反射层45沉积在结构化背面47上。反射层45直接沉积在至少一部分的光学体43上。例如，光学体的一部分包括下面将要讨论的安全标记58，它直接沉积在结构化面上。在图5中，光经定位树脂的光学表面46进入到回射体42，由微球48聚焦。然后，光由反射层45反射，再经过微球48和定位树脂49射向光源。在图6中，光从光学表面56进入到立方隅角光学体52，然后被立方隅角元件54的三个相互正交的面镜面反射出去返回光源。
反射层可以只是一种漫反射颜料，诸如一种用于仅需要少量回射的应用中的白色油墨或涂层。若只是带有这种漫反射反射层，相对较少量的入射光线将被反射回光源。漫反射反射层不需要含有金属。
反射层45可以含有金属化油墨来增加物品的回射性能。金属化油墨含有非邻接的金属微粒，沉积到结构化面上时不至于在结构化面的大范围内形成连续的金属层。非邻接金属层的一种例子是随机散布的非全部电气相互连接在一起的金属微粒。非邻接的金属层可以产生镜面反射但是不会使射频响应元件失谐(detune)。
金属化油墨一般包括：聚合物载体(如油漆粘结剂)，和一定百分比含量的金属颗粒，它起到反射器涂层的作用。试验表明油墨中金属含量增大将减小射频响应元件的被读出的距离。即，随着油墨中金属含量的提高射频响应元件的效能将降低。例如，金属含量为10％的油墨和不含金属的油墨相比较，其射频响应元件的被读出距离损失10％。但是，金属的百分含量直接与回射量相关。再者，金属的百分含量还直接和铭牌不在回射状态下时外观的颗粒度有关。更进一步，油墨的成本直接与金属的含量相关，在一些实施例中，其中的金属是纯银。综合考虑射频响应元件的效能、回射性、理想的外观和经济因素，油墨中金属的较佳体积百分含量为大约10％到％14。
用于反射层的金属化油墨包括可从Akzo Nobel公司(工厂遍布全球包括普利茅斯和明尼苏达)购买的油墨。这些油墨商品编号为MUFP0877 Metalglow877 Silver UV多功能油墨，MGUP0877 Metallure 877 Silver UV多功能油墨，或者WMJ02003 Metalglow 877银水基多功能油墨(Silver water based flexoink)。这些油墨中的金属是银，铝或者其它的金属，此类油墨构成了具有非邻接金属层的镜面反射面。此类油墨还可以与其他油墨混合，比如不透明的白油墨，这样可以形成漫射色彩，从而可以达到从光学面46看上去铭牌具有所需要的外观或者“漫射外表”的效果。上面描述的商品编号为MGUP0877的油墨，它大约具有12％的银含量但是它产生的回射量在视觉上接近于蒸涂回射薄片产生的回射量。
可以用多种方法应用这些油墨，比如普遍采用的曲面印刷工艺，其中用一个具有图像的印刷版挤压到光学体43上。油墨既可以空气干燥也可以用紫外光固化来干燥，正如本领域人所熟知的。这些工艺过程并不苛刻，可以用在珠形回射器和立方隅角物品的金属化处理。
这一工艺过程允许多种安全标记58被加到回射物体42上。蒸镀金属层到回射物体上的苛刻工艺过程比如剧烈加热会破坏一些安全特征。安全标记是一种带图像的涂层，诸如珍珠光泽的、七彩的、变色的、磷光的、紫外可见的、全息图、或者其它形式的，它们可以在反射层被涂敷之前，通过曲面印刷或者借助粘着剂设置到薄片带珠一侧。，以便可以从光学面透过薄片看得到。用了这样的标记就可以用肉眼来确认标识的可靠性。另外一种使用安全标记的系统利用薄片的回射性的变化。通过使用不同的反射器涂层可以使从光学面看上去具有相同外观的涂层具有非常不同的回射性。利用回射光观察时，回射性的差异表现为明亮区域和稍暗区域的图案。此外，通常透明的带图案的色彩可被施加到反射层上，它在漫反射光下能被看到，而在回射光下看不到，可以应用多种安全标记来实现更强的安全性。
所描述的实施例中的射频响应元件44用胶59粘接在后结构化面47。在所示实施例中，胶59是一种丙烯酸酯粘合剂，涂敷在反射层45和安全标记58上。射频响应元件包括44可以包括涂层60，比如不透明的油墨，当从光学面观察铭牌时它可以进一步的遮掩射频响应元件44。在本实施例中，涂层60是一种白油墨。衬底62也粘在射频响应元件44和后结构化面47上。如图所示，衬底62是一种聚合物纸，诸如Ritrama公司的聚丙烯纸。也可以用其它的衬底。
光学面46包括背景标志64、铭牌特有标志66和胶68。背景标志通常对于特定类型的铭牌是通用的。比如，墨西哥车牌的样式被印刷在墨西哥所有的铭牌上。可以通过不同的工艺把背景标志64施加到铭牌上，比如曲面印刷。铭牌特有标志66可包括的信息有具体的车牌号码或者类似的信息。可以用不同的工艺把铭牌特有的具体标志66施加在背景标志64的上面，比如热转印。胶68，比如丙烯酸酯粘合剂覆盖着铭牌并用来把铭牌粘贴在交通工具某个窗口的里面。可选择地，如果铭牌被贴在交通工具的外面，则衬底62可以被去掉或者一种胶被涂敷在衬底62上代替胶68。
对本领域熟练人士而言，对所揭示的实施例进行各种修改和组合是显而易见的，这些修改将落在本发明由权利要求书所定义的范围内。