JP2005332318A

JP2005332318A - 無線通信装置及びプリンタ

Info

Publication number: JP2005332318A
Application number: JP2004151917A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sugiyama; 誠杉山; Nobuo Murofushi; 信男室伏; Shinichi Sato; 新一佐藤
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】アンテナを専用設計する必要のない無線通信装置を得ることである。
【解決手段】アンテナ７ａから電磁波を放射してＲＦタグに対して無線通信を行う無線通信装置７において、アンテナ７ａから放射される電磁波が通過する位置に誘電体８を設ける。これにより、アンテナ７ａの周波数特性が誘電体８の作用によって周波数の低い方へ変動するので、アンテナ７ａを専用設計する必要がなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦ（Radio Frequency）タグに対して無線通信を行う無線通信装置及びこれを備えたプリンタに関する。

近年、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）と称される技術において用いられるものであり、ＩＣタグとも呼ばれているＲＦタグがある（特許文献１参照）。このようなＲＦタグは、電磁波を利用することにより非接触でデータを読み書きすることができるとともに、そのタグ自体が隠れていても読み書きすることができることから、各種分野において使用されている。

このようなＲＦタグとしては、印字可能なラベルに内蔵されたラベルタイプのものが知られている。特許文献２には、このようなラベルタイプのＲＦタグ内に無線通信により情報を読み込み／書き込みする機能と、ＲＦタグを内蔵したラベル表面に印字を行う機能を備えているＲＦタグラベルプリンタが記載されている。

特開２００１−１１９３１９公報特開２００１−９６８１４公報

ところで、近年においてはラベルプリンタの小型化が図られており、ラベルプリンタの内部空間は非常に狭くなっている。そのため、ＲＦタグに対して無線通信により情報を読み書きする機能を発揮するＲＦタグリーダ／ライタの小型化が望まれている。

また、ＲＦＩＤは、電磁波を用いて情報の送受信を行うが、ＲＦＩＤでの使用が許可される周波数帯域は各国や地域毎に定められており、統一されていない。これに対応するには、ＲＦリーダライタのアンテナを使用国、使用地域の周波数に合わせて国、地域毎に専用に設計することが考えられるが、これではアンテナの種類が複数になり設計工数が増大しアンテナの種類が１種類の場合に比べてコストが高くなってしまう。これを解決するためには、複数の国、地域の全ての周波数帯域をカバーできるアンテナを設計してアンテナを共通化し、実際に使用する国によって周波数を使い分ければよい。しかしながら、このように広い周波数帯域を有するアンテナは大型となってしまい、上述したような小型化が必要なラベルプリンタなどでの装置での採用は難しい。

本発明の目的は、アンテナを専用設計する必要のない無線通信装置を得ることである。

本発明は、アンテナから電磁波を放射してＲＦタグに対して無線通信を行う無線通信装置において、前記アンテナから放射される電磁波が通過する位置に誘電体を設けた。

本発明によれば、誘電体によりアンテナの周波数特性が低い周波数の方へ変動するので、アンテナを専用設計する必要のない無線通信装置を得ることができる。

本発明の一実施の形態を図１ないし図９に基づいて説明する。本実施の形態は、プリンタであるラベルプリンタへの適用例を示す。

図１はラベルプリンタ１の構造を概略的に示す縦断側面図である。図１に示すように、ラベルプリンタ１には、用紙保持部６に保持されているロール状に巻回されたラベル用紙２をロール状態から搬送方向Ａに向けて引き出して搬送するプラテンローラ３、インクリボン４、プラテンローラ３に対向して配設されてロール状態から引き出されたラベル用紙２に対してインクリボン４を介して所定事項を印字する印字ヘッドでありライン状に配列された多数の抵抗発熱体（図示せず）を有するサーマルヘッド５などが配置されている。インクリボン４はサーマルヘッド５に圧接するように配設されていて、ラベル用紙２を間にしてプラテンローラ３に圧接する。

加えて、ラベルプリンタ１には、ラベル用紙２に備えられたＲＦ（Radio Frequency）タグＴ（図４参照）に対する情報の書き込みや読み取りを行うための無線通信装置であるＲＦタグリーダ／ライタ７が設けられている。

特に図示しないが、電気的な制御を行う部品やラベル用紙２に備えられたＲＦ（Radio Frequency）タグＴ（図４参照）に対する情報の書き込みや読み取りを行うためのＲＦタグリーダ／ライタ７の送受信部７ｄは、ラベル用紙２の搬送部分とは異なるところに設けられている。

図２はラベルプリンタ１の各部の電気的接続を示すブロック図である。ラベルプリンタ１には、図２に示すように、各部を集中的に制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）１１が備えられており、このＣＰＵ１１からのシステムバス１２には、フラッシュメモリで構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）１３が接続されている。このＲＯＭ１３には、ラベルプリンタ１を動作させるための各種のプログラムが記憶されている。すなわち、ＲＯＭ１３はプログラムを記憶する記憶媒体である。加えて、ＣＰＵ１１からのシステムバス１２には、ＲＯＭ１３に記憶されているプログラムを展開する等の各種作業エリアとして機能する記憶部であるＲＡＭ（Random Access Memory）１４も接続されている。すなわち、ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１３に格納されたプログラムに従い、ＲＡＭ１４をワークエリアとして利用しつつ各種の処理を実行する。また、ＣＰＵ１１からのシステムバス１２には、サーマルヘッド５、ＲＦタグリーダ／ライタ７、プラテンローラ３を回転させてラベル用紙２を搬送するとともにインクリボン４を搬送するためのステッピングモータ１５、外部機器から出力された印字データやＲＦタグＴに記憶する記憶データを入力するための通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）１６も接続されている。

図３はラベル用紙２を示す斜視図、図４はその断面図である。ラベルプリンタ１に使用されるラベル用紙２について説明する。図３に示すように、ラベル用紙２は、台紙２ａ上に多数の印字ラベル２ｂを有しており、このような台紙２ａはコア２ｃに巻装されておりロール状に形成されている。また、図４に示すように、ラベル用紙２に保持される印字ラベル２ｂには、ＲＦタグＴが埋め込まれている。ＲＦタグＴと印字ラベル２ｂは一体になっており、印字後に台紙２ａから剥がすことが可能であり、剥がした後に他の物に貼り付けることができるようになっている。このようなＲＦタグＴは、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）と称される技術において用いられるものであり、ＩＣタグとも呼ばれているものである。ＲＦタグＴは、特に図示しないが、ＩＤやその他のデータを記憶する記憶部と無線通信を行う回路とを含むＩＣチップと、無線信号を送受信できるアンテナとを主体に構成されている。なお、ＲＦタグリーダ／ライタ７との間の無線通信方式としては、電磁結合方式、電磁誘導方式、マイクロ波方式等などの各種方式を採用可能である。

このようなラベルプリンタ１のＣＰＵ１１による基本的な処理動作について簡単に説明する。ＣＰＵ１１は、通信Ｉ／Ｆ１６を介して入力された印字データに従いサーマルヘッド５のライン状に配列された抵抗発熱体を選択的に通電加熱してインクリボン４のインクを溶融又は昇華することでラベル用紙２の印字ラベル２ｂに対する主走査方向の印字を行い、ステッピングモータ１５の駆動によるプラテンローラ３の回転に伴うラベル用紙２の搬送方向Ａに向けた搬送によって生ずるサーマルヘッド５に対するラベル用紙２の移動によって副走査方向の印字を行う。また、ＣＰＵ１１は、インクリボン４をステッピングモータ１５からの駆動力により回転駆動させ、使用済のインクリボン４を巻取軸４ａで巻き取るようにしている。すなわち、プラテンローラ３とインクリボン４とサーマルヘッド５とにより、印字部が構成されている。また、プラテンローラ３とステッピングモータ１５とにより、用紙搬送手段が構成されている。

また、このようにしてステッピングモータ１５の駆動に従って搬送方向Ａに向けて送り出されて印字処理されるラベル用紙２は、その搬送途中でＲＦタグリーダ／ライタ７の上方を通過する。この際、ＣＰＵ１１は、通信Ｉ／Ｆ１６を介して入力されたＲＦタグＴに記憶する記憶データを、ＲＦタグリーダ／ライタ７により印字ラベル２ｂに埋め込まれているＲＦタグＴに書き込む。

次に、ＲＦタグリーダ／ライタ７について詳述する。図５はＲＦタグリーダ／ライタ７の構成を示す分解斜視図である。図５に示すように、ＲＦタグリーダ／ライタ７のアンテナ７ａ上には、誘電体８が配設されている。アンテナ７ａは、サーマルヘッド５へ向けて搬送されるラベル用紙２に備えられたＲＦタグＴが通過する領域に対向する位置に配置されている。誘電体８は、アンテナ７ａから放射される電磁波が通過する位置、即ち、アンテナ７ａとＲＦタグＴが通過する領域との間に配置されている。これにより、アンテナ７ａは、ＲＦタグＴとの間の電磁波の送受信を誘電体８を介して行う。

図６はＲＦタグリーダ／ライタ７のアンテナ７ａの形状を示す平面図である。図６に示すように、ＲＦタグリーダ／ライタ７のアンテナ７ａは、回路基板で構成されている。アンテナ７ａの表面には、放射素子２１が設けられている。アンテナ７ａの裏面は全面グランドになっており、アンテナ７ａは、放射素子２１から紙面の手前方向に電磁波を強く出力する。このアンテナ７ａの放射素子２１のパターンの端部の給電点Ｘには、同軸ケーブル２０の芯線が接続されており、裏面のグランドには同軸ケーブル２０の外部導体が接続されている。この同軸ケーブル２０のもう一方の端は、無線通信の制御等を行う送受信部７ｄ（図２参照）に接続されている。給電点Ｘから供給された高周波信号は、放射素子２１から空間に電磁波として放射される。

アンテナ７ａは、アンテナ７ａに同軸ケーブルから供給された高周波電流により放射素子２１が共振する。このとき、放射素子２１の共振は、放射素子２１のパターンと電流の波長とに依存する。

誘電体８は、誘電体８の中の電磁波の波長を自由空間における電磁波の波長よりも短くするものであり、一般的に、誘電体８内の波長λは次の式（１）によって表されている。

ここで、λ₀は自由空間の波長であり、μ_Rは比透磁率であり、ε_Rは比誘電率である。通常、比透磁率μ_Ｒは１であるので、比誘電率ε_Rが高くなると波長λが短くなる。このとき、誘電体８は電磁波の波長を短くするのみで周波数は変更しない。

この誘電体８は、当該誘電体８の近傍に位置する電磁波や電流にも影響を及ぼし、それらの波長を短くする。このときも、誘電体８は、電磁波や電流の波長を短くするのみであって、周波数は変更しない。このような作用によって、誘電体８は、アンテナ７ａの周波数特性を変動させる。具体的には、アンテナ７ａの周波数特性を低い周波数へ変動させる。つまり、アンテナ７ａが有する無線通信に有効となる有効周波数帯域を低い周波数に変動させる。

誘電体８がアンテナ７ａの周波数特性を変動させる原理を説明する。まず、自由空間中の電磁波の周波数ｆは、次の式（２）によって表されている。

ｆ＝ｃ／λ₀・・・・（２）
ここで、ｃは光速であり、λ₀は自由空間の波長である。つまり、自由空間中では、波長が長くなると周波数が低くなる。このような波長と周波数との関係は、アンテナ７ａの放射素子２１を流れる電流においても同様である。

誘電体８が設けられず誘電体８の影響が全くない場合の放射素子２１の共振条件を、波長λ１の電流や電磁波とする。この共振条件を有する放射素子２１及びその近傍が誘電体８の影響下に置かれると、放射素子２１に供給される波長λ１の電流や放射素子２１に到達する波長λ１の電磁波の波長が誘電体８の作用によって短くされる。このときの波長をλ２（＜λ１）とする。放射素子２１の共振波長はλ１であるので、波長λ２にされた電流や電磁波では放射素子２１が共振しなくなる。このような誘電体８の影響を受ける状況下で放射素子２１を共振させるには、誘電体の影響を受けることで波長がλ１になる長さの波長λ３（＞λ１）を電流や電磁波の波長として採用する。これにより、波長λ３の電流や電磁波は、誘電体８の影響を受けて波長がλ１に短くされて、放射素子２１を共振させる。このとき、波長λ３は波長λ１よりも長いので、誘電体８の影響を受けない状態で波長λ３を有する電流や電磁波の周波数は、式（２）により、波長λ１の電流や電磁波の周波数よりも低くなる。このように、誘電体８の作用により、放射素子２１の共振波長は不変のまま、共振周波数が変化することとなる。ここで、誘電体８とアンテナ７ａとは、誘電体８の上記作用が有効となる位置に配置されている。

次に、誘電体８とアンテナ７ａの周波数特性の変更量との関係を説明する。
（Ａ）誘電体８の誘電率
誘電体８の誘電率が高いほど、誘電体８のアンテナ７ａに対する影響が大きくなるので、アンテナ７ａの周波数特性が低い周波数へ変動し、アンテナ７ａの有効周波数帯域が低い周波数に変動する。
（Ｂ）アンテナ７ａに対する誘電体８の距離
アンテナ７ａに対する誘電体８の距離が近いほど、誘電体８のアンテナ７ａに対する影響が大きくなるので、アンテナ７ａの周波数特性が低い周波数へ変動し、アンテナ７ａの有効周波数帯域が低い周波数に変動する。
（Ｃ）誘電体８がアンテナ７ａを覆う面積
誘電体８の大きさや位置によってアンテナ７ａが誘電体８に覆われる面積が異なるものとなる。誘電体８がアンテナ７ａを覆う面積（アンテナ７ａと誘電体８との重なる部分）が大きいほど、アンテナ７ａにおいて誘電体８の影響を受ける面積が大きくなるので、アンテナ７ａの周波数特性が低い周波数に変動し、アンテナ７ａの有効周波数帯域は低い周波数に変動する。このように、誘電体８の誘電率、アンテナ７ａに対する誘電体８の距離、誘電体８がアンテナ７ａを覆う面積は、誘電体８によるアンテナ７ａの周波数特性を変動させる量を決定する要素である。

このような構成のＲＦタグリーダ／ライタ７は、送受信部７ｄからの送信信号をアンテナ７ａから電磁波として放射する。また、ＲＦタグＴからの電磁波をアンテナ７ａで受信したＲＦタグリーダ／ライタ７は、送受信部７ｄに信号を伝達し、送受信部７ｄは受信した信号から情報を取り出す。

そして、ＲＦタグリーダ／ライタ７では、アンテナ７ａの周波数特性が誘電体８によって低い周波数に変動され、有効周波数帯域が低い周波数に変動する。よって、ＲＦタグリーダ／ライタ７を設計、製造する場合には、誘電体８が設けられていないＲＦタグリーダ／ライタの設計（基本設計）を流用し、そのＲＦタグリーダ／ライタに誘電体８を設ける設計をして、製造すればよい。これにより、ＲＦタグリーダ／ライタ７の設計では、アンテナ７ａを専用設計する必要が無い。

このような設計、製造の具体例を説明する。図７はアンテナ７ａのＶＳＷＲに関する周波数特性を示すグラフ、図８はアンテナ７ａに対する誘電体８の距離によりアンテナ７ａの周波数特性を設定する方法を説明するための説明図であり、（ａ）は日本仕様を示し、（ｂ）は米国仕様を示し、（ｃ）は欧州仕様を示す。図９は誘電体８がアンテナ７ａを覆う面積によりアンテナ７ａの周波数特性を設定する方法を説明する説明図であり、（ａ）は日本仕様を示し、（ｂ）は米国仕様を示し、（ｃ）は欧州仕様を示す。

ＲＦＩＤにおける使用可能なＵＨＦ帯の電磁波の周波数帯域は、
・日本：９５０ＭＨｚ〜９５６ＭＨｚ
・米国：９０２ＭＨｚ〜９２８ＭＨｚ
・欧州：８６２ＭＨｚ〜８６８ＭＨｚ
とされている。

図７に示すグラフのＶＳＷＲ(Voltage Standing Wave Ratio)は、入力した信号と反射した信号によって合成された定在波の最大値と最小値との比である。無反射の場合、ＶＳＷＲは１であり、この値が１に近いほど反射が少ない。一般的なアンテナは、このＶＳＷＲが２以下に設定されている。よって、アンテナ７ａのＶＳＷＲが２以下になる周波数帯域を、使用する国や地域によって変更する。つまり、誘電体８によるアンテナ７ａの周波数特性を変動させる量を決定する要素（誘電体８の誘電率、アンテナ７ａに対する誘電体８の距離、誘電体８がアンテナ７ａを覆う面積）の量を、アンテナ７ａの周波数特性が所望の周波数特性に変動するように設定する。

（Ａ）誘電率の変更によりアンテナ７ａの周波数特性を設定する場合
・日本：誘電体８を設けず、比誘電率を１（空気の比誘電率）とする。
・米国：誘電体８として例えばテフロン（比誘電率２．６）を用いる。
・欧州：誘電体８として例えばアルミナ磁器（比誘電率１０）を用いる。

（Ｂ）アンテナ７ａに対する誘電体８の距離によりアンテナ７ａの周波数特性を設定する場合
・日本：図８（ａ）に示すように、アンテナ７ａに対する誘電体８の距離を最も離す。
・米国：図８（ｂ）に示すように、アンテナ７ａに対する誘電体８の距離を日本の場合よりも近づける。
・欧州：図８（ｃ）に示すように、アンテナ７ａに対する誘電体８の距離を米国の場合よりも近づける。

（Ｃ）誘電体８がアンテナ７ａを覆う面積によりアンテナ７ａの周波数特性を設定する場合
・日本：図９（ａ）に示すように、誘電体８を設けない。
・米国：図９（ｂ）に示すように、小さい誘電体８によりアンテナ７ａの表面の一部を覆う。
・欧州：図９（ｃ）に示すように、大きな誘電体８によりアンテナ７ａの表面全体を覆う。

このような設計をすることにより、日本仕様、米国仕様、欧州仕様のそれぞれのＲＦタグリーダ／ライタ７のアンテナ７ａが共通化されるので、アンテナ７ａ及びＲＦタグリーダ／ライタ７の低コスト化が図られる。さらにＲＦタグリーダ／ライタ７を備えたプリンタであるラベルプリンタ１の低コストが図られる。

また、本実施の形態においては、誘電体８によるアンテナ７ａの周波数特性を変動させる量を決定する要素は、誘電体８の誘電率であることにより、日本仕様、米国仕様、欧州仕様において、誘電体の形状及び位置を共通化することができる。

また、本実施の形態においては、誘電体８によるアンテナ７ａの周波数特性を変動させる量を決定する要素は、アンテナ７ａに対する誘電体８の距離であることにより、日本仕様、米国仕様、欧州仕様において、誘電体の形状及び誘電率を共通化することができる。即ち、同じ種類の誘電体を使用することができる。

また、本実施の形態においては、誘電体８によるアンテナ７ａの周波数特性を変動させる量を決定する要素は、誘電体８がアンテナ７ａを覆う面積であることにより、日本仕様、米国仕様、欧州仕様において、誘電体８の誘電率及び位置を共通化することができる。

本発明の一実施の形態のラベルプリンタの構造を概略的に示す縦断側面図である。ラベルプリンタの各部の電気的接続を示すブロック図である。ラベル用紙を示す斜視図である。その断面図である。ＲＦタグリーダ／ライタの構成を示す分解斜視図である。ＲＦタグリーダ／ライタのアンテナの形状を示す平面図である。アンテナのＶＳＷＲに関する周波数特性を示すグラフである。誘電体とアンテナとの距離によりアンテナの周波数特性を設定する方法を説明するための説明図である。誘電体がアンテナを覆う面積によりアンテナの周波数特性を設定する方法を説明する説明図である。

符号の説明

１…ラベルプリンタ（プリンタ）、７…ＲＦタグリーダ／ライタ（無線通信装置）、７ａ…アンテナ、８…誘電体、Ｔ…ＲＦタグ

Claims

アンテナから電磁波を放射してＲＦタグに対して無線通信を行う無線通信装置において、
前記アンテナから放射される電磁波が通過する位置に誘電体を設けたことを特徴とする無線通信装置。
前記誘電体による前記アンテナの周波数特性を変動させる量を決定する要素の量が、前記アンテナの周波数特性を所望の周波数特性に変動させるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
前記要素は、前記誘電体の誘電率であることを特徴とする請求項２記載の無線通信装置。
前記要素は、前記アンテナに対する前記誘電体の距離であることを特徴とする請求項２記載の無線通信装置。
前記要素は、前記誘電体が前記アンテナを覆う面積であることを特徴とする請求項２記載の無線通信装置。
請求項１ないし５の何れか一記載の無線通信装置を備えたプリンタ。