JP2005038037A - 無線タグ及び無線タグの起動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電池寿命が充分に長い無線タグを実現する。
【解決手段】本発明は、内蔵されている電池からの電力供給を受けて通信回路が通信動作する無線タグに関する。そして、電池から通信回路への電力供給をオンオフするスイッチング素子と、外部からのエネルギーを監視し、外部からのエネルギーを受けたときに、電池のエネルギーを使わずに、その外部エネルギーのみによってスイッチング素子をオンさせる通信起動監視回路とを有することを特徴とする。他の本発明の無線タグの起動装置は、本発明の無線タグを対象とし、起動用の外部エネルギーを放射することを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明は、内蔵されている電池からの電力供給を受けて通信回路が通信動作する無線タグに関する。そして、電池から通信回路への電力供給をオンオフするスイッチング素子と、外部からのエネルギーを監視し、外部からのエネルギーを受けたときに、電池のエネルギーを使わずに、その外部エネルギーのみによってスイッチング素子をオンさせる通信起動監視回路とを有することを特徴とする。他の本発明の無線タグの起動装置は、本発明の無線タグを対象とし、起動用の外部エネルギーを放射することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線タグ(以下、「IDタグ」と呼ぶ)及び無線タグの起動装置に関し、特に、電池内蔵型IDタグの低電力消費化を計ろうとしたものである。
【0002】
【従来の技術】
電池なしのIDタグの通信距離は、長距離タイプでも2m程度である。これ以上になると、電池を内蔵したIDタグが必要になる。電池を内蔵することで通信距離は飛躍的に延びる。通信は電波で行うため、電波法の制限を受ける。それでも認定不要の微弱電波を使っても数十mの距離での認識が可能である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
通信距離においては、このように有利な電池内蔵型IDタグだが、電池の寿命が問題になる。
【0004】
エネルギー密度が高くて小型の、例えば、直径20mm、高さ3.2mmのコイン型リチウム電池は、220mAhの容量である。一方、一般的に、IDタグの微弱なレベルの無線送受回路(通信回路)では、低消費でも数mAが必要で、通常は数10mAの消費電流が必要である。
【0005】
例えば、消費電流を5mAとしても、220mAhの電池では44時間しか持たないことになる。これは約2日分であり、IDタグが良く利用される物流などでは、移動中に電池切れになってしまう。
【0006】
この対策として、間欠通信動作が実行されている。通信回路を1秒動作させた後に9秒休むようにすれば、平均的な消費電流は1/10になるので電池寿命は10倍に延びる。しかし、休止時の9秒間は応答しないので、システムとして構成する場合は、IDタグへのアクセス方法と応答性の検討が必要になる。仮に、上述した電池で1年の寿命を持たせようとすると、IDタグの発信時間と休止時間との比を1:200とする間欠通信動作となる。質問器(以下、リーダと呼ぶ)からの呼び出し領域内のIDタグが2桁以上になり、ID番号の特定が不可能なアプリケーションでは、時おりしか動作しないIDタグに対して実用時間内に認識を行うことは非常に難しい。特に、IDタグとの通信に単一周波数を使った場合では、IDタグがリーダよりの呼び出しに応答しようとした場合に、送信がぶつかってしまう可能性があり、競合調停機能が必要になる。調停時には時間を置いて再送信するが、間欠動作のために、次にIDタグが発信を行うまでその受信ができず、確認のために非常に長時間をかけなければならないので、実用的でなくなる。
【0007】
また、IDタグの消費電力を抑える方法として、特許文献1に記載の方法がある。これは、質問器からIDタグへの通信には赤外線通信を利用し、IDタグから質問器への通信にはRF通信を利用している。赤外センサ回路は連続動作をしても数十μAの消費電流にすることが可能であり、リーダの感知範囲へ入ったことを即時に認識でき、この認識後に、IDタグの送信動作を起動すれば良い。無線系の受信回路を間欠動作させるよりも低消費電流でありながら、反応性は良いIDタグとすることができる。電流を22μAとすると例とした電池では、約1年間の待機動作が可能である。しかしながら、この方法でも、1年ごとに電池を取り換えなければならず、又は、1年で、IDタグの寿命がきてしまう。
【0008】
【特許文献1】特開2003−021679号公報
そのため、より電池寿命が長い無線タグが求められており、また、それに協働できる装置も求められている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、第1の本発明は、内蔵されている電池からの電力供給を受けて通信回路が通信動作する無線タグにおいて、上記電池から上記通信回路への電力供給をオンオフするスイッチング素子と、外部からのエネルギーを監視し、外部からのエネルギーを受けたときに、上記電池のエネルギーを使わずに、その外部エネルギーのみによって上記スイッチング素子をオンさせる通信起動監視回路とを有することを特徴とする。
【0010】
ここで、上記スイッチング素子がオンしたときに、通信に必要な時間だけ、上記電池から上記通信回路への電力供給を確保させる通信時間確保手段を有することが好ましい。
【0011】
また、上記通信起動監視回路が、外部からのエネルギーの供給パターンが所定のパターンのときに、上記スイッチング素子をオンさせることが好ましい。
【0012】
第2の本発明の無線タグの起動装置は、第1の本発明の無線タグを対象とし、起動用の外部エネルギーを放射することを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
(A)第1の実施形態
以下、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第1の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0014】
図1は、第1の実施形態のIDタグ(無線タグ)の詳細構成を、質問器の概略構成と共に示す回路図である。
【0015】
図1において、IDタグ1は、質問器2との通信処理を行うタグ制御部10及び通信アンテナ11や、タグ制御部10に電力供給を行う電池12などの一般的構成を有している。
【0016】
第1の実施形態の場合、以上のような一般的な構成に加え、IDタグ1は、半導体スイッチ(例えば、エンハンスメント型MOSFET)でなるスイッチング素子Qと、スイッチング素子Qをオンオフ制御するスイッチング制御回路(通信起動監視回路)13とを有する。
【0017】
タグ制御部10の低電位側の端子は、エンハンスメント型MOSFETでなるスイッチング素子Qを介して、電池12の−端子に接続されている。すなわち、タグ制御部10は、スイッチング素子Qがオンのときに、電池12からの電力供給を受けるようになされている。
【0018】
スイッチング制御回路13は、エネルギー捕捉用アンテナ13a、コイルL、2個のコンデンサC1、C2、2個の抵抗R1、R2、ダイオードD、ツェナーダイオードZDを有する。
【0019】
コイルL及び第1のコンデンサC1は、エネルギー捕捉用アンテナ13aが捕捉した電波の所定の周波数成分を共振させる共振回路となっており、外部エネルギーを有効に取り込むものである。図1では、コイルLとエネルギー捕捉用アンテナ13aとを書き分けているが、コイルLがエネルギー捕捉用アンテナ13aの機能を兼ねていることが好ましい。
【0020】
ダイオードD及び第2のコンデンサC2は、共振回路の共振周波数成分を第1の抵抗R1を介して受けて平滑する平滑回路となっている。
【0021】
第2の抵抗R2は、十分に大きな抵抗値を有し、第2のコンデンサ(平滑用コンデンサ)C2の放電をできるだけ阻止すると共に、共振回路の負荷抵抗値の大半を実現するために設けられている。また、第2の抵抗R2は、外部エネルギーが与えられていない場合(呼び出し信号がない場合)には、トランジスタQのゲート電圧を0にする役目も果たしている。
【0022】
ツェナーダイオードZDは、スイッチング制御回路13やスイッチング素子Qを過電圧から保護するために設けられているものである。後述するように、当該IDタグ1へは、質問器2が外部エネルギーを放射供給するが、IDタグ1及び質問器2間の距離が短いときには、共振回路の出力が大きくなってスイッチング制御回路13やスイッチング素子Qが破壊する恐れがあり、共振回路の出力が大きいときに、ツェナーダイオードZDが降伏して破壊を防止する。
【0023】
質問器2は、質問用通信回路20及び通信用アンテナ21に加え、エネルギー送信回路22及びエネルギー放射用アンテナ23を有する。
【0024】
質問用通信回路20及び通信用アンテナ21は、図示しない質問器制御部の制御下で質問電波を送信処理したり、それに対する応答電波を受信処理したりするものである。IDタグ1との通信方式によっては、受信処理だけを実行するものであっても良い。
【0025】
エネルギー送信回路22及びエネルギー放射用アンテナ23は、近傍に存在するIDタグ1にエネルギーを供給するために、所定周波数成分の電波を放射するものである。なお、エネルギー送信回路22及びエネルギー放射用アンテナ23は、常時エネルギーを放射するものであっても良く、図示しない質問器制御部の制御下で、所定時間放射しては所定時間放射を止めるようなことを繰り返すものであっても良い。また、本来の通信に供する周波数と、エネルギーの供給に供する周波数とは異なっていても良く、同じであっても良い。また、通信用アンテナ21とエネルギー放射用アンテナ23とを共用しても良い。
【0026】
第1の実施形態の場合、エネルギー送信回路22及びエネルギー放射用アンテナ23が無線タグの起動装置になっている。
【0027】
以上の構成を有するIDタグ1が、質問器2の近傍に存在するようになると、質問器2のエネルギー放射用アンテナ23から放射された所定周波数成分の電波に共振回路(L、C1)が共振して共振電圧が発生し、これを平滑回路(D、C2)が平滑し、スイッチング素子Qをオンさせる。
【0028】
これにより、タグ制御部10に電池12から電力が供給され、IDタグ1及び質問器2間の通信が実行可能となり、適宜通信が実行される。
【0029】
図2は、スイッチング制御回路(通信起動監視回路)13が、電池12からの電力を利用することなく、外部からのエネルギーでスイッチング素子Qをオンできることを説明するための図面である。上述した各種のアンテナの形式は、ループアンテナに限定されず、ダイポールアンテナなどの他のアンテナでも良いが、図2ではループアンテナを例にしている。
【0030】
図2では、質問器2のエネルギー放射用アンテナ23が半径r1=1.5mの一重のループアンテナであり、IDタグ1のコイルLがエネルギー捕捉用アンテナ13aを兼ねており、半径r2=30mmの五重であってその抵抗成分をR3=1Ωとし、共振回路の負荷をRL=106Ωと仮定している。また、無線周波数が、誘導式読み書き設備の電力4Wが許可されている13.56MHzとする。
【0031】
例えば、エネルギー放射用アンテナ23に1A流した場合、距離xによって、コイル13aの磁界は変化し、その結果、共振回路に生じる電圧(実効値)は、図3に示すようになる。なお、図3における縦軸は対数表記で表している。また、コイル線材などによって、多少の相違はあるが、概ね図3で表すことができる。
【0032】
これを整流してスイッチング素子Qを駆動する。エンハンスメントMOSFETでなるスイッチング素子Qをオンさせるには、1.5Vが必要であり、整流用ダイオードにショットキーダイオードを用いたとすると、エンハンスメントMOSFETでなるスイッチング素子Qをオンさせるには、2Vのピークがあれば良い。2Vのピークは実効値1.5Vに概ね対応し、図3から、オンすることができる最長距離は約7.5mになっていることが分かる。
【0033】
なお、距離xが短い範囲では、共振電圧もかなり大きいために、ツェナーダイオードZDが設けられている。また、かかる状況での共振回路の負荷抵抗値を確保するために、第2の抵抗R2が設けられている。
【0034】
上記第1の実施形態によれば、質問器2が起動用のエネルギーを電磁波で放射し、IDタグ1が質問器2からの所定距離以内に位置したときには、そのエネルギーを受けて、スイッチング素子Qをオンさせ、これにより、タグ制御部10が電池12からの電力供給を受けて通信動作し、これ以外では、電池12の電力を消費しないようにしたので、長い寿命のIDタグ1を実現することができる。
【0035】
エンハンスメントMOSFETの中には、ドレイン遮断電流が最大1μAのものもあり、従来の技術の項で例に挙げた電池を適用した場合、通信動作が実行されなかったり、タグ制御部10以外の負荷がなければ、寿命は約25年と計算でき、電池12の自己放電や通信頻度を考慮しても、実際上、十分な寿命を実現することができる。
【0036】
(B)第2の実施形態
次に、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第2の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0037】
図4は、第2の実施形態のIDタグ(無線タグ)1Aの構成を示す回路図であり、第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
【0038】
第2の実施形態の場合、スイッチング素子Qをオンオフ制御するスイッチング制御回路(通信起動監視回路)13Aの構成が第1の実施形態と異なっている。
【0039】
第2の実施形態のスイッチング制御回路13Aには、共振回路に代えて、音響エネルギーを電気エネルギー(電圧)に変換するマイクロフォン15が適用されている。すなわち、マイクロフォン15が得た電気エネルギーによって、スイッチング素子Qをオン制御し、タグ制御部10の電池12の電力供給を受けた通信処理を可能としている。
【0040】
なお、マイクロフォン15としては、コイル型のマイクロフォンでは発生電圧が比較的小さくて数十mVであるため利用し難く、MOSFETの高入力インピーダンスを生かせるエレクトレット型や圧電セラミックのマイクロフォンが好ましい。
【0041】
図示は省略するが、第2の実施形態の場合、質問器には音響エネルギーを放射する構成(スピーカなど)が設けられる。
【0042】
第2の実施形態によっても、電池寿命を長期化したIDタグを得ることができる。
【0043】
(C)第3の実施形態
次に、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第3の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0044】
図5は、第3の実施形態のIDタグ(無線タグ)1Bの構成を示す回路図であり、第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
【0045】
第3の実施形態の場合、スイッチング素子Qをオンオフ制御するスイッチング制御回路(通信起動監視回路)13Bの構成が第1の実施形態と異なっている。
【0046】
第3の実施形態のスイッチング制御回路13Bには、共振回路に代えて、光エネルギーを電気エネルギー(直流電圧)に変換するソーラーセル16が適用されている。すなわち、ソーラーセル16が得た電気エネルギー(直流電圧)によって、スイッチング素子Qをオン制御し、タグ制御部10の電池12の電力供給を受けた通信処理を可能としている。
【0047】
なお、シリコン型のソーラーセルは単体では1.5Vまでは出ないので2枚以上を直列にする必要がある。
【0048】
図示は省略するが、第3の実施形態の場合、質問器には光エネルギーを放射する構成(発光器など)が設けられる。
【0049】
第3の実施形態によっても、電池寿命を長期化したIDタグを得ることができる。
【0050】
(D)第4の実施形態
次に、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第4の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0051】
図6は、第4の実施形態のIDタグ(無線タグ)1Cの構成を示す回路図であり、第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
【0052】
第4の実施形態の場合、タグ制御部10Cへの電池12からの電力供給を起動するためのスイッチング素子Qに並列に、電力供給保持用のスイッチング素子Q1が設けられていると共に、タグ制御部10Cには、計時回路10aが搭載されている。
【0053】
電力供給保持用のスイッチング素子Q1も、例えば、エンハンスメントMOSFETで構成され、電力供給を起動するためのスイッチング素子Qがオフであっても、当該スイッチング素子Q1がオンであれば、タグ制御部10への電池12からの電力供給を継続させるものである。
【0054】
計時回路10aは、スイッチング素子Q1がオンしてタグ制御部10Cに電力供給がなされるようになった時点から、通信処理に必要な最低時間を確保するための計時を行うものであり、その計時時間中は、電力供給保持用のスイッチング素子Q1をオンさせておくものである。計時回路10aは、ワンショットマルチバイブレータを利用したものであっても良く、内蔵するクロック発生回路からのクロックをカウントするものであっても良く、通信フェーズを管理して通信段階を制御するものであっても良い。
【0055】
なお、計時回路10a及びスイッチング素子Q1が、請求項2における通信時間確保手段に該当する。
【0056】
第4の実施形態によれば、電池寿命を長期化したIDタグを得ることができると共に、1回の通信起動時において、通信を確実に実行させることができる。
【0057】
(E)第5の実施形態
次に、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第5の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0058】
図7は、第5の実施形態のIDタグ(無線タグ)1Dの構成を示す回路図であり、第4の実施形態に係る図6との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
【0059】
第5の実施形態の場合、タグ制御部は、判定・制御回路部10−1と通信回路部10−2とに分かれている。
【0060】
判定・制御回路部10−1には、第4の実施形態で説明した2種類のスイッチング素子Q、Q1が接続されている。また、判定・制御回路部10−1は、スイッチング制御回路13によるスイッチング素子Qへのゲート電圧を取り込むようになされている。
【0061】
判定・制御回路部10−1は、送受データ処理回路10b、パターン判定回路10c、第1の計時回路10d、第2の計時回路10eなどを内蔵している。
【0062】
送受データ処理回路10bは、通信回路部10−2からの受信データを解析したり、その応答などでなる送信データを通信回路部10−2に与えたりするものである。
【0063】
パターン判定回路10cは、スイッチング制御回路13におけるスイッチング素子Qへのゲート電圧変化が所定のパターンになっているか否かを判定するものである。
【0064】
所定のパターンは、例えば、図8に無線回線について示すような間欠的なパターンとなっている。すなわち、質問器側は、所定周波数のエネルギー供給用の無線信号の送出、休止を、所定のパターン(例えば、1秒送出、2秒休止、1.5秒送出、1秒休止、…)に従って行う。所定のパターンにおける第1番目の信号期間はスイッチング素子Qのオンに利用され、パターン判定回路10cへの入力は明確ではないので、この信号期間は判定には用いられない。パターン判定回路10cは、第1の計時回路10dの計時情報を利用してパターン判定を行う。
【0065】
第1の計時回路10dは、少なくとも、スイッチング素子Qがオンした時点から、パターン判定回路10cが判定を行う時間(所定のパターンの2番目の信号期間の開始時間から最後の信号期間の終了時間までの時間)と、所定のパターンの到来と判定したときに、通信回路部10−2の通信処理に要する時間との和の時間だけ、スイッチング素子Q1をオンするものである。
【0066】
第2の計時回路10eは、少なくとも、通信回路部10−2の通信処理に要する時間だけ、通信回路部10−2に対する電池12からの電源供給経路上に設けられているスイッチング素子Q2をオンするものである。
【0067】
通信回路部10−2には、上述したように、スイッチング素子Q2が接続されており、このスイッチング素子Q2のオン時に、電池12からの電力供給を受けて通信処理するものである。
【0068】
ここで、判定・制御回路部10−1は、通信回路部10−2に比較すると、受信信号の前置増幅や送信信号の電力増幅などの消費電力が大きくなる処理を伴わないので、消費電力を抑えることができるロジック系集積回路などで構成することが好ましい。
【0069】
この第5の実施形態の場合、図示は省略するが(図1参照)、質問器2のエネルギー送信回路22は、質問器2の制御部の制御下で、例えば、所定時間毎に1回、所定のパターンに従うエネルギーの放出を行う。
【0070】
第5の実施形態のIDタグ1Dが、質問器の近傍に位置するようになり、所定のパターンにおける第1番目のバースト期間のエネルギーを受けると、スイッチング素子Qがオンし、これにより、第1の計時回路10dが計時を開始してスイッチング素子Q1をオンさせ、判定・制御回路部10−1への電池12からの電力供給状態を保持させる。
【0071】
また、パターン判定回路10cは、所定パターンが到来するか否かの監視状態に入る。そして、所定パターンの到来を認識したときには、第2の計時回路10eを起動させ、この起動により、スイッチング素子Q2もオン状態となって、通信回路部10−2が動作し得る状態となる。
【0072】
この状態において、質問器と当該IDタグ1Dとの通信が実行される。通信が終了したほぼ直後に、第1の計時回路10d及び第2の計時回路10eの計時が終了し、スイッチング素子Q1及びQ2がオフし、当該IDタグ1Dは待機状態に戻る。
【0073】
一方、パターン判定回路10cが、所定パターンが到来するか否かの監視状態に入っても、所定パターンを検出できない場合には、第1の計時回路10dの計時を強制終了させる。これにより、スイッチング素子Q1がオフし、当該IDタグ1Dは待機状態に戻る。
【0074】
この第5の実施形態によっても、電池の寿命を長くできるIDタグを実現できる。第5の実施形態の場合、所定パターン判定を行って通信処理を行うので、近傍のノイズ(ノイズエネルギー)によって、一旦、電池の電力を消費する状態になっても直ちにIDタグを待機状態に復帰でき、無駄な電池の電力消費を最低限に抑えることができる。
【0075】
(F)他の実施形態
上記第4の実施形態や第5の実施形態は、外部エネルギーが電磁波である第1の実施形態をベースに、さらなる機能を追加したものであったが、外部エネルギーが音響エネルギーである第2の実施形態や、外部エネルギーが光エネルギーである第3の実施形態に対しても、第4の実施形態や第5の実施形態の技術的思想を追加するようにしても良い。
【0076】
IDタグの通信動作などを起動する外部エネルギーは、上記各実施形態に係るものに限定されず、温度、圧力、湿度などの他のエネルギーを適用するものであっても良い。例えば、温度であれば、熱電対を利用し、熱電対の起電力によってスイッチング素子Qをオンさせるようにすれば良く、一方、質問器から温風や冷風などを吹き出すようにしても良い。また例えば、圧電素子を設け、ユーザがIDタグの通信必要時にIDタグの所定部位を押圧し、スイッチング素子Qをオンさせるようにしても良い。
【0077】
上記各実施形態では、質問器に外部エネルギーを放射(供給)する構成を設けたものを示したが、質問器とは別体の装置として、外部エネルギーの放射構成を設けるようにしても良い。
【0078】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電池寿命が長い電池内蔵型の無線タグを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態のIDタグ及びその起動構成を示す回路図である。
【図2】第1の実施形態のIDタグを起動し得る質問器からの距離の説明図(1)である。
【図3】第1の実施形態のIDタグを起動し得る質問器からの距離の説明図(2)である。
【図4】第2の実施形態のIDタグを示す回路図である。
【図5】第3の実施形態のIDタグを示す回路図である。
【図6】第4の実施形態のIDタグを示すブロック図である。
【図7】第5の実施形態のIDタグを示すブロック図である。
【図8】第5の実施形態のIDタグの起動用パターンの説明図である。
【符号の説明】
1、1A、1B、1C、1D…IDタグ、2…質問器、10、10C…タグ制御部、10−1…判定・制御回路部、10−2…通信回路部、10a…計時回路、10b…送受データ処理回路、10c…パターン判定回路、10d…第1の計時回路、10e…第2の計時回路、11…通信アンテナ、12…電池、13、13A、13B…スイッチング制御回路(通信起動監視回路)、15…マイクロフォン、16…ソーラーセル、Q、Q1、Q2…スイッチング素子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線タグ(以下、「IDタグ」と呼ぶ)及び無線タグの起動装置に関し、特に、電池内蔵型IDタグの低電力消費化を計ろうとしたものである。
【0002】
【従来の技術】
電池なしのIDタグの通信距離は、長距離タイプでも2m程度である。これ以上になると、電池を内蔵したIDタグが必要になる。電池を内蔵することで通信距離は飛躍的に延びる。通信は電波で行うため、電波法の制限を受ける。それでも認定不要の微弱電波を使っても数十mの距離での認識が可能である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
通信距離においては、このように有利な電池内蔵型IDタグだが、電池の寿命が問題になる。
【0004】
エネルギー密度が高くて小型の、例えば、直径20mm、高さ3.2mmのコイン型リチウム電池は、220mAhの容量である。一方、一般的に、IDタグの微弱なレベルの無線送受回路(通信回路)では、低消費でも数mAが必要で、通常は数10mAの消費電流が必要である。
【0005】
例えば、消費電流を5mAとしても、220mAhの電池では44時間しか持たないことになる。これは約2日分であり、IDタグが良く利用される物流などでは、移動中に電池切れになってしまう。
【0006】
この対策として、間欠通信動作が実行されている。通信回路を1秒動作させた後に9秒休むようにすれば、平均的な消費電流は1/10になるので電池寿命は10倍に延びる。しかし、休止時の9秒間は応答しないので、システムとして構成する場合は、IDタグへのアクセス方法と応答性の検討が必要になる。仮に、上述した電池で1年の寿命を持たせようとすると、IDタグの発信時間と休止時間との比を1:200とする間欠通信動作となる。質問器(以下、リーダと呼ぶ)からの呼び出し領域内のIDタグが2桁以上になり、ID番号の特定が不可能なアプリケーションでは、時おりしか動作しないIDタグに対して実用時間内に認識を行うことは非常に難しい。特に、IDタグとの通信に単一周波数を使った場合では、IDタグがリーダよりの呼び出しに応答しようとした場合に、送信がぶつかってしまう可能性があり、競合調停機能が必要になる。調停時には時間を置いて再送信するが、間欠動作のために、次にIDタグが発信を行うまでその受信ができず、確認のために非常に長時間をかけなければならないので、実用的でなくなる。
【0007】
また、IDタグの消費電力を抑える方法として、特許文献1に記載の方法がある。これは、質問器からIDタグへの通信には赤外線通信を利用し、IDタグから質問器への通信にはRF通信を利用している。赤外センサ回路は連続動作をしても数十μAの消費電流にすることが可能であり、リーダの感知範囲へ入ったことを即時に認識でき、この認識後に、IDタグの送信動作を起動すれば良い。無線系の受信回路を間欠動作させるよりも低消費電流でありながら、反応性は良いIDタグとすることができる。電流を22μAとすると例とした電池では、約1年間の待機動作が可能である。しかしながら、この方法でも、1年ごとに電池を取り換えなければならず、又は、1年で、IDタグの寿命がきてしまう。
【0008】
【特許文献1】特開2003−021679号公報
そのため、より電池寿命が長い無線タグが求められており、また、それに協働できる装置も求められている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、第1の本発明は、内蔵されている電池からの電力供給を受けて通信回路が通信動作する無線タグにおいて、上記電池から上記通信回路への電力供給をオンオフするスイッチング素子と、外部からのエネルギーを監視し、外部からのエネルギーを受けたときに、上記電池のエネルギーを使わずに、その外部エネルギーのみによって上記スイッチング素子をオンさせる通信起動監視回路とを有することを特徴とする。
【0010】
ここで、上記スイッチング素子がオンしたときに、通信に必要な時間だけ、上記電池から上記通信回路への電力供給を確保させる通信時間確保手段を有することが好ましい。
【0011】
また、上記通信起動監視回路が、外部からのエネルギーの供給パターンが所定のパターンのときに、上記スイッチング素子をオンさせることが好ましい。
【0012】
第2の本発明の無線タグの起動装置は、第1の本発明の無線タグを対象とし、起動用の外部エネルギーを放射することを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
(A)第1の実施形態
以下、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第1の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0014】
図1は、第1の実施形態のIDタグ(無線タグ)の詳細構成を、質問器の概略構成と共に示す回路図である。
【0015】
図1において、IDタグ1は、質問器2との通信処理を行うタグ制御部10及び通信アンテナ11や、タグ制御部10に電力供給を行う電池12などの一般的構成を有している。
【0016】
第1の実施形態の場合、以上のような一般的な構成に加え、IDタグ1は、半導体スイッチ(例えば、エンハンスメント型MOSFET)でなるスイッチング素子Qと、スイッチング素子Qをオンオフ制御するスイッチング制御回路(通信起動監視回路)13とを有する。
【0017】
タグ制御部10の低電位側の端子は、エンハンスメント型MOSFETでなるスイッチング素子Qを介して、電池12の−端子に接続されている。すなわち、タグ制御部10は、スイッチング素子Qがオンのときに、電池12からの電力供給を受けるようになされている。
【0018】
スイッチング制御回路13は、エネルギー捕捉用アンテナ13a、コイルL、2個のコンデンサC1、C2、2個の抵抗R1、R2、ダイオードD、ツェナーダイオードZDを有する。
【0019】
コイルL及び第1のコンデンサC1は、エネルギー捕捉用アンテナ13aが捕捉した電波の所定の周波数成分を共振させる共振回路となっており、外部エネルギーを有効に取り込むものである。図1では、コイルLとエネルギー捕捉用アンテナ13aとを書き分けているが、コイルLがエネルギー捕捉用アンテナ13aの機能を兼ねていることが好ましい。
【0020】
ダイオードD及び第2のコンデンサC2は、共振回路の共振周波数成分を第1の抵抗R1を介して受けて平滑する平滑回路となっている。
【0021】
第2の抵抗R2は、十分に大きな抵抗値を有し、第2のコンデンサ(平滑用コンデンサ)C2の放電をできるだけ阻止すると共に、共振回路の負荷抵抗値の大半を実現するために設けられている。また、第2の抵抗R2は、外部エネルギーが与えられていない場合(呼び出し信号がない場合)には、トランジスタQのゲート電圧を0にする役目も果たしている。
【0022】
ツェナーダイオードZDは、スイッチング制御回路13やスイッチング素子Qを過電圧から保護するために設けられているものである。後述するように、当該IDタグ1へは、質問器2が外部エネルギーを放射供給するが、IDタグ1及び質問器2間の距離が短いときには、共振回路の出力が大きくなってスイッチング制御回路13やスイッチング素子Qが破壊する恐れがあり、共振回路の出力が大きいときに、ツェナーダイオードZDが降伏して破壊を防止する。
【0023】
質問器2は、質問用通信回路20及び通信用アンテナ21に加え、エネルギー送信回路22及びエネルギー放射用アンテナ23を有する。
【0024】
質問用通信回路20及び通信用アンテナ21は、図示しない質問器制御部の制御下で質問電波を送信処理したり、それに対する応答電波を受信処理したりするものである。IDタグ1との通信方式によっては、受信処理だけを実行するものであっても良い。
【0025】
エネルギー送信回路22及びエネルギー放射用アンテナ23は、近傍に存在するIDタグ1にエネルギーを供給するために、所定周波数成分の電波を放射するものである。なお、エネルギー送信回路22及びエネルギー放射用アンテナ23は、常時エネルギーを放射するものであっても良く、図示しない質問器制御部の制御下で、所定時間放射しては所定時間放射を止めるようなことを繰り返すものであっても良い。また、本来の通信に供する周波数と、エネルギーの供給に供する周波数とは異なっていても良く、同じであっても良い。また、通信用アンテナ21とエネルギー放射用アンテナ23とを共用しても良い。
【0026】
第1の実施形態の場合、エネルギー送信回路22及びエネルギー放射用アンテナ23が無線タグの起動装置になっている。
【0027】
以上の構成を有するIDタグ1が、質問器2の近傍に存在するようになると、質問器2のエネルギー放射用アンテナ23から放射された所定周波数成分の電波に共振回路(L、C1)が共振して共振電圧が発生し、これを平滑回路(D、C2)が平滑し、スイッチング素子Qをオンさせる。
【0028】
これにより、タグ制御部10に電池12から電力が供給され、IDタグ1及び質問器2間の通信が実行可能となり、適宜通信が実行される。
【0029】
図2は、スイッチング制御回路(通信起動監視回路)13が、電池12からの電力を利用することなく、外部からのエネルギーでスイッチング素子Qをオンできることを説明するための図面である。上述した各種のアンテナの形式は、ループアンテナに限定されず、ダイポールアンテナなどの他のアンテナでも良いが、図2ではループアンテナを例にしている。
【0030】
図2では、質問器2のエネルギー放射用アンテナ23が半径r1=1.5mの一重のループアンテナであり、IDタグ1のコイルLがエネルギー捕捉用アンテナ13aを兼ねており、半径r2=30mmの五重であってその抵抗成分をR3=1Ωとし、共振回路の負荷をRL=106Ωと仮定している。また、無線周波数が、誘導式読み書き設備の電力4Wが許可されている13.56MHzとする。
【0031】
例えば、エネルギー放射用アンテナ23に1A流した場合、距離xによって、コイル13aの磁界は変化し、その結果、共振回路に生じる電圧(実効値)は、図3に示すようになる。なお、図3における縦軸は対数表記で表している。また、コイル線材などによって、多少の相違はあるが、概ね図3で表すことができる。
【0032】
これを整流してスイッチング素子Qを駆動する。エンハンスメントMOSFETでなるスイッチング素子Qをオンさせるには、1.5Vが必要であり、整流用ダイオードにショットキーダイオードを用いたとすると、エンハンスメントMOSFETでなるスイッチング素子Qをオンさせるには、2Vのピークがあれば良い。2Vのピークは実効値1.5Vに概ね対応し、図3から、オンすることができる最長距離は約7.5mになっていることが分かる。
【0033】
なお、距離xが短い範囲では、共振電圧もかなり大きいために、ツェナーダイオードZDが設けられている。また、かかる状況での共振回路の負荷抵抗値を確保するために、第2の抵抗R2が設けられている。
【0034】
上記第1の実施形態によれば、質問器2が起動用のエネルギーを電磁波で放射し、IDタグ1が質問器2からの所定距離以内に位置したときには、そのエネルギーを受けて、スイッチング素子Qをオンさせ、これにより、タグ制御部10が電池12からの電力供給を受けて通信動作し、これ以外では、電池12の電力を消費しないようにしたので、長い寿命のIDタグ1を実現することができる。
【0035】
エンハンスメントMOSFETの中には、ドレイン遮断電流が最大1μAのものもあり、従来の技術の項で例に挙げた電池を適用した場合、通信動作が実行されなかったり、タグ制御部10以外の負荷がなければ、寿命は約25年と計算でき、電池12の自己放電や通信頻度を考慮しても、実際上、十分な寿命を実現することができる。
【0036】
(B)第2の実施形態
次に、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第2の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0037】
図4は、第2の実施形態のIDタグ(無線タグ)1Aの構成を示す回路図であり、第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
【0038】
第2の実施形態の場合、スイッチング素子Qをオンオフ制御するスイッチング制御回路(通信起動監視回路)13Aの構成が第1の実施形態と異なっている。
【0039】
第2の実施形態のスイッチング制御回路13Aには、共振回路に代えて、音響エネルギーを電気エネルギー(電圧)に変換するマイクロフォン15が適用されている。すなわち、マイクロフォン15が得た電気エネルギーによって、スイッチング素子Qをオン制御し、タグ制御部10の電池12の電力供給を受けた通信処理を可能としている。
【0040】
なお、マイクロフォン15としては、コイル型のマイクロフォンでは発生電圧が比較的小さくて数十mVであるため利用し難く、MOSFETの高入力インピーダンスを生かせるエレクトレット型や圧電セラミックのマイクロフォンが好ましい。
【0041】
図示は省略するが、第2の実施形態の場合、質問器には音響エネルギーを放射する構成(スピーカなど)が設けられる。
【0042】
第2の実施形態によっても、電池寿命を長期化したIDタグを得ることができる。
【0043】
(C)第3の実施形態
次に、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第3の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0044】
図5は、第3の実施形態のIDタグ(無線タグ)1Bの構成を示す回路図であり、第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
【0045】
第3の実施形態の場合、スイッチング素子Qをオンオフ制御するスイッチング制御回路(通信起動監視回路)13Bの構成が第1の実施形態と異なっている。
【0046】
第3の実施形態のスイッチング制御回路13Bには、共振回路に代えて、光エネルギーを電気エネルギー(直流電圧)に変換するソーラーセル16が適用されている。すなわち、ソーラーセル16が得た電気エネルギー(直流電圧)によって、スイッチング素子Qをオン制御し、タグ制御部10の電池12の電力供給を受けた通信処理を可能としている。
【0047】
なお、シリコン型のソーラーセルは単体では1.5Vまでは出ないので2枚以上を直列にする必要がある。
【0048】
図示は省略するが、第3の実施形態の場合、質問器には光エネルギーを放射する構成(発光器など)が設けられる。
【0049】
第3の実施形態によっても、電池寿命を長期化したIDタグを得ることができる。
【0050】
(D)第4の実施形態
次に、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第4の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0051】
図6は、第4の実施形態のIDタグ(無線タグ)1Cの構成を示す回路図であり、第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
【0052】
第4の実施形態の場合、タグ制御部10Cへの電池12からの電力供給を起動するためのスイッチング素子Qに並列に、電力供給保持用のスイッチング素子Q1が設けられていると共に、タグ制御部10Cには、計時回路10aが搭載されている。
【0053】
電力供給保持用のスイッチング素子Q1も、例えば、エンハンスメントMOSFETで構成され、電力供給を起動するためのスイッチング素子Qがオフであっても、当該スイッチング素子Q1がオンであれば、タグ制御部10への電池12からの電力供給を継続させるものである。
【0054】
計時回路10aは、スイッチング素子Q1がオンしてタグ制御部10Cに電力供給がなされるようになった時点から、通信処理に必要な最低時間を確保するための計時を行うものであり、その計時時間中は、電力供給保持用のスイッチング素子Q1をオンさせておくものである。計時回路10aは、ワンショットマルチバイブレータを利用したものであっても良く、内蔵するクロック発生回路からのクロックをカウントするものであっても良く、通信フェーズを管理して通信段階を制御するものであっても良い。
【0055】
なお、計時回路10a及びスイッチング素子Q1が、請求項2における通信時間確保手段に該当する。
【0056】
第4の実施形態によれば、電池寿命を長期化したIDタグを得ることができると共に、1回の通信起動時において、通信を確実に実行させることができる。
【0057】
(E)第5の実施形態
次に、本発明による無線タグ及び無線タグの起動装置の第5の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0058】
図7は、第5の実施形態のIDタグ(無線タグ)1Dの構成を示す回路図であり、第4の実施形態に係る図6との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
【0059】
第5の実施形態の場合、タグ制御部は、判定・制御回路部10−1と通信回路部10−2とに分かれている。
【0060】
判定・制御回路部10−1には、第4の実施形態で説明した2種類のスイッチング素子Q、Q1が接続されている。また、判定・制御回路部10−1は、スイッチング制御回路13によるスイッチング素子Qへのゲート電圧を取り込むようになされている。
【0061】
判定・制御回路部10−1は、送受データ処理回路10b、パターン判定回路10c、第1の計時回路10d、第2の計時回路10eなどを内蔵している。
【0062】
送受データ処理回路10bは、通信回路部10−2からの受信データを解析したり、その応答などでなる送信データを通信回路部10−2に与えたりするものである。
【0063】
パターン判定回路10cは、スイッチング制御回路13におけるスイッチング素子Qへのゲート電圧変化が所定のパターンになっているか否かを判定するものである。
【0064】
所定のパターンは、例えば、図8に無線回線について示すような間欠的なパターンとなっている。すなわち、質問器側は、所定周波数のエネルギー供給用の無線信号の送出、休止を、所定のパターン(例えば、1秒送出、2秒休止、1.5秒送出、1秒休止、…)に従って行う。所定のパターンにおける第1番目の信号期間はスイッチング素子Qのオンに利用され、パターン判定回路10cへの入力は明確ではないので、この信号期間は判定には用いられない。パターン判定回路10cは、第1の計時回路10dの計時情報を利用してパターン判定を行う。
【0065】
第1の計時回路10dは、少なくとも、スイッチング素子Qがオンした時点から、パターン判定回路10cが判定を行う時間(所定のパターンの2番目の信号期間の開始時間から最後の信号期間の終了時間までの時間)と、所定のパターンの到来と判定したときに、通信回路部10−2の通信処理に要する時間との和の時間だけ、スイッチング素子Q1をオンするものである。
【0066】
第2の計時回路10eは、少なくとも、通信回路部10−2の通信処理に要する時間だけ、通信回路部10−2に対する電池12からの電源供給経路上に設けられているスイッチング素子Q2をオンするものである。
【0067】
通信回路部10−2には、上述したように、スイッチング素子Q2が接続されており、このスイッチング素子Q2のオン時に、電池12からの電力供給を受けて通信処理するものである。
【0068】
ここで、判定・制御回路部10−1は、通信回路部10−2に比較すると、受信信号の前置増幅や送信信号の電力増幅などの消費電力が大きくなる処理を伴わないので、消費電力を抑えることができるロジック系集積回路などで構成することが好ましい。
【0069】
この第5の実施形態の場合、図示は省略するが(図1参照)、質問器2のエネルギー送信回路22は、質問器2の制御部の制御下で、例えば、所定時間毎に1回、所定のパターンに従うエネルギーの放出を行う。
【0070】
第5の実施形態のIDタグ1Dが、質問器の近傍に位置するようになり、所定のパターンにおける第1番目のバースト期間のエネルギーを受けると、スイッチング素子Qがオンし、これにより、第1の計時回路10dが計時を開始してスイッチング素子Q1をオンさせ、判定・制御回路部10−1への電池12からの電力供給状態を保持させる。
【0071】
また、パターン判定回路10cは、所定パターンが到来するか否かの監視状態に入る。そして、所定パターンの到来を認識したときには、第2の計時回路10eを起動させ、この起動により、スイッチング素子Q2もオン状態となって、通信回路部10−2が動作し得る状態となる。
【0072】
この状態において、質問器と当該IDタグ1Dとの通信が実行される。通信が終了したほぼ直後に、第1の計時回路10d及び第2の計時回路10eの計時が終了し、スイッチング素子Q1及びQ2がオフし、当該IDタグ1Dは待機状態に戻る。
【0073】
一方、パターン判定回路10cが、所定パターンが到来するか否かの監視状態に入っても、所定パターンを検出できない場合には、第1の計時回路10dの計時を強制終了させる。これにより、スイッチング素子Q1がオフし、当該IDタグ1Dは待機状態に戻る。
【0074】
この第5の実施形態によっても、電池の寿命を長くできるIDタグを実現できる。第5の実施形態の場合、所定パターン判定を行って通信処理を行うので、近傍のノイズ(ノイズエネルギー)によって、一旦、電池の電力を消費する状態になっても直ちにIDタグを待機状態に復帰でき、無駄な電池の電力消費を最低限に抑えることができる。
【0075】
(F)他の実施形態
上記第4の実施形態や第5の実施形態は、外部エネルギーが電磁波である第1の実施形態をベースに、さらなる機能を追加したものであったが、外部エネルギーが音響エネルギーである第2の実施形態や、外部エネルギーが光エネルギーである第3の実施形態に対しても、第4の実施形態や第5の実施形態の技術的思想を追加するようにしても良い。
【0076】
IDタグの通信動作などを起動する外部エネルギーは、上記各実施形態に係るものに限定されず、温度、圧力、湿度などの他のエネルギーを適用するものであっても良い。例えば、温度であれば、熱電対を利用し、熱電対の起電力によってスイッチング素子Qをオンさせるようにすれば良く、一方、質問器から温風や冷風などを吹き出すようにしても良い。また例えば、圧電素子を設け、ユーザがIDタグの通信必要時にIDタグの所定部位を押圧し、スイッチング素子Qをオンさせるようにしても良い。
【0077】
上記各実施形態では、質問器に外部エネルギーを放射(供給)する構成を設けたものを示したが、質問器とは別体の装置として、外部エネルギーの放射構成を設けるようにしても良い。
【0078】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電池寿命が長い電池内蔵型の無線タグを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態のIDタグ及びその起動構成を示す回路図である。
【図2】第1の実施形態のIDタグを起動し得る質問器からの距離の説明図(1)である。
【図3】第1の実施形態のIDタグを起動し得る質問器からの距離の説明図(2)である。
【図4】第2の実施形態のIDタグを示す回路図である。
【図5】第3の実施形態のIDタグを示す回路図である。
【図6】第4の実施形態のIDタグを示すブロック図である。
【図7】第5の実施形態のIDタグを示すブロック図である。
【図8】第5の実施形態のIDタグの起動用パターンの説明図である。
【符号の説明】
1、1A、1B、1C、1D…IDタグ、2…質問器、10、10C…タグ制御部、10−1…判定・制御回路部、10−2…通信回路部、10a…計時回路、10b…送受データ処理回路、10c…パターン判定回路、10d…第1の計時回路、10e…第2の計時回路、11…通信アンテナ、12…電池、13、13A、13B…スイッチング制御回路(通信起動監視回路)、15…マイクロフォン、16…ソーラーセル、Q、Q1、Q2…スイッチング素子。
Claims (4)
- 内蔵されている電池からの電力供給を受けて通信回路が通信動作する無線タグにおいて、
上記電池から上記通信回路への電力供給をオンオフするスイッチング素子と、
外部からのエネルギーを監視し、外部からのエネルギーを受けたときに、上記電池のエネルギーを使わずに、その外部エネルギーのみによって上記スイッチング素子をオンさせる通信起動監視回路と
を有することを特徴とする無線タグ。 - 上記スイッチング素子がオンしたときに、通信に必要な時間だけ、上記電池から上記通信回路への電力供給を確保させる通信時間確保手段を有することを特徴とする請求項1に記載の無線タグ。
- 上記通信起動監視回路は、外部からのエネルギーの供給パターンが所定のパターンのときに、上記スイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項1又は2に記載の無線タグ。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の無線タグを対象とし、起動用の外部エネルギーを放射することを特徴とする無線タグの起動装置。
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