JP2006165774A - トランスポンダ機能を付属した立体変形を含む形状変形フレキシブルなアンテナループコイル。 - Google Patents

Abstract

【課題】一つのトランスポンダを含み、巻数を減じ線材束を細くし変形、フレキシブル性を図って、一つのアンテナループコイルで、識別対象の内外形面に即して変形させ複数ループ面を形成して、多面方向からの精度ある読取を可能とする。
【解決手段】トランスポンダ側アンテナループコイル（Ｌ１）１は、整合コイル（Ｌ２）３、コンデンサ（Ｃｒ）４で共振回路を構成するが、アンテナループコイルＬ１の巻回数を減じて、形状の変形を容易にできる構造とする。この場合、共振回路インダクタンスを成すＬ１とＬ２の関係について、Ｌ２に高磁性コアを用い高インダクタンスに配分し、Ｌ１インダクタンスをＬ２インダクタンスの約１０％値に配分し最小化とする事で、Ｌ２を共振コイル主体の高インダクタンス、Ｌ１を励振とステップアップ用とし、Ｃｒとで共振回路を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子識別装置に関し、詳しくは、無線周波（ＲＦ）トランスポンダを含むアンテナループコイルに関するものである。

外部装置である、ＲＦ（無線）読取機／質問機（リーダ）及び複数の受動トランスポンダを含む電子識別装置は、当該技術においては公知である。使用のさいに、質問機は、長波帯域のバーストＲＦ信号を、識別および読出をしようとすべきトランスポンダに対面させて送信する。受動的なトランスポンダはバーストＲＦ信号によって電源が供給される場合に、該のエネルギを源にして、識別コードを含む応答信号をリーダに送信することによって、バーストＲＦ信号に応答する。リーダは、信号を受信し、識別コードを読み取る。コード読出しは、トランスポンダ及びそれが装着されている識別対象(人、物品、箱体等) を識別するように利用される。

ＲＦ信号を送受信するために、トランスポンダはアンテナを有する必要がある。アンテナは、トランスポンダモジュール自体に組み込まれるフェライトコアによるバーアンテナの場合もあるし、トランスポンダモジュールの外部にアンテナループコイルとした場合もあって、適切な方法でトランスポンダモジュールに電気的に接続または結合される。これによれば、トランスポンダモジュールは、以上の構成の形態からトランスポンダを構成するコイル、ＩＣ、等、能動、受動素子である電子部品を組み込み相互間について、電気的に接続したプリント回路基板を基本とする。尚本発明の主旨は、特に外部に設けたアンテナループコイルに関することにある。

図１はブロック図を用いた従来の回路図を示し、トランスポンダがリーダと送受信するさいに、アンテナループコイル(Ｌ1)１とトランスポンダモジュール２に設けた接続点８，９に接続し、基板２に組み込まれた整合コイル（Ｌ２）３と、コンデンサ（Ｃｒ）４とで共振回路を構成するように、直列接続すると、コンデンサ（Ｃｒ）４で発生した共振電圧は、モジュール２の整流器（ＤＢ）５を介し、蓄積コンデンサ(Ｃｓ)６に共振電力として蓄えながら、公知と成っている集積回路（ＩＣ）７へ電力供給する事で、ＩＣ７内部の検知器、変調器、ロジック回路が解読、識別コードを応答送信の処理機能をはたすことは周知である。

リーダと、識別をするためにトランスポンダを装着、又は組み込まれた識別対象との相互間で、精度のある送受信(以降読み取りと称する)に際し、リーダアンテナループ面上に識別対象を接近させて読み取りする場合、識別対象に含まれるトランスポンダとの距離が短い程、リーダアンテナループ面に対向する方向を無視して(以降近接読み取りと称する)運用し得る。しかし距離が長く離れるに従い、誘導磁界の性質上磁界の強さは、距離の二乗に反比例し、読み取り精度が低下することは公知である。この場合、相互間の方向を対面させ、誘導磁界とトランスポンダが多く結合するように、(小型化されたトランスポンダほど対面させる必要ある)識別対象の載置方向を変えなければ、識別対象の管理システムの信頼性が低下し不都合がある。

リーダアンテナループコイルを室内の決められた場所に、床面、床下に設けて識別対象を管理する場合、その周囲の構造物に含まれる鉄骨、枠体等、金属によってトランスポンダが応答する小さな電力の送信信号が吸収され、リーダアンテナループの受信強度を低下させ結果、読み取り距離が短くなる。リーダアンテナループ面上に適当に載置され、外形寸法が大きい識別対象において、近接距離より遠く距離が離れた位置と成り得る、従って識別対象に装着又は組み込まれたトランスポンダに対して読み取り精度が低下する。例えば、外形寸法が大小様々に異なる識別対象群の読み取りついて、物品の出荷管理では、可搬車上に、載置されている物品郡を、予め床下設けたリーダアンテナループによる、読み取り領域での静止状態にある近接読み取りと、倉庫及び在庫管理では、同様にリーダアンテナループ領域に、載置し保存されている物品郡の近接読み取りとの場合に、物品の載置位置や載置方向を変える必要性がある。

更にセキュリティの為に出入り口に近接した床下に、埋設したリーダアンテナループを備えて、識別対象となるトランスポンダ装着の人が、歩行運動による移動を伴う動的な読み取りの場合、近接読み取りについては、人体の足首への装着が効果的であるが、装着において外見的な見地から強いての願いは不可能となるから、セキュリティ上も含めてベルトの部位に潜め外見的に秘する装着法が考えられる。これによれば床面からの距離が離れるため近接した読み取りは困難となる。従来のフレキシブル性が図られていない、トランスポンダ側アンテナループコイルにおいては、ループ径を人体の胴回りに即してベルトとすれば可能となりうるが、体格にあわせてベルトを規格化し種類数を多く準備しておく事は、現実的でないし装着中変形できない為、圧迫感を与え不都合と成る。

アンテナループコイルは、共振周波数(Ｆｒ)は下記の数式からもとめられる事が知られている

従来トランスポンダに使用されている図１のアンテナループコイル（Ｌ１）１は、誘導磁界と多く結合させる為に巻き線回数を多くし、少ない巻き回数の整合コイルで微調整し、共振周波数を図る構成としている。数式１より多数巻き回アンテナループコイルのインダクタンスＬ１の支配は、共振回路における共振周波数Ｆｒの主体であり変動を防ぐ必要から、変形によるインダクタンス変化が起きない様に、固着又は固定した態様で用い、又巻き線の回数が多い事は、線材の束(以降線束と称する)が太く成り、変形加工が容易でないので一定形状に形成した場合、フレキシブル性をもって任意に変形させて能動的に用いる方法より、固定させた静止的な使用法である。

改善策としてトランスポンダ装着の識別対象側で、誘導磁界との結合面積を多くし、複数方向から読み取り可能とする場合、複数のトランスポンダを用い、その位置と方向を個々に配慮し、組み込む事が考えられるが、労力が多く人件費上昇と、コスト低廉を損なう、又リーダアンテナループの電流を増加し、誘導磁界を強力とすればトランスポンダ電源確保の問題解決となるが、応答信号の送信電力が一定であるから読み取りに対する効果は少なく、電力増大による他の装置に与える影響力の増加はむしろ避けるべきである。又トランスポンダ側のループ径を大きくする事が考えられるが巻き回数が多く、フレキシブルな形成することが容易でない為、装着性、実装性において劣ることは前記の通りである。
特開２０００−７８０５５号公報 苅部 浩著 「非接触ＩＣカードの本」 日刊工業新聞社

解決すべき問題点は、トランスポンダとリーダ側アンテナループ面との位置及び方向が、近接距離以上に離れ、誘導磁界との結合面積が減り、方向性が問題となる事にある。

然るにトランスポンダ側のアンテナループコイルの巻き回数を減じて、識別対象の外装、内装に即してループ径大きくし、複数面方向にループを形成させ、容易に形状の変形が可能なフレキシブル性を有する、トランスポンダモジュール組み込みアンテナループコイルの構成を第一の課題とする。

従って複数面方向へ容易に、フレキシブルなループ面を形成でき、しかも規定した共振周波数の範疇に収まり、識別対象が移動中に、ループ形状が動的変形を受けている状況も安定した読み取りを可能とする、トランスポンダ組み込みアンテナループコイルを実現する事を第二の課題とする。

トランスポンダに付随する共振回路が主体とするインダクタンス成分を、高磁性コア使用のコイル（以降コアコイルと称する）とし、それに直列接続したアンテナループコイルのインダクタンス、相互インダクタンスを最小に構成し、インダクタンス配分をコアコイル側の高インダクタンスに対し、アンテナループコイル側インダクタンスは、変形によるインダクタンス変動分を、規定した共振周波数の共振特性であるクォリティ(以降Ｑと称する)の範疇に収めうる、約１０パーセントに低下させて配分する。これにより低インダクタンスのアンテナループコイルは、少ない巻き回数で構成しフレキシブル性を図って、識別対象の外形形状に即し変形できる装着を実現した事を特徴とする。

特徴とする巻き回数は減少したが、識別対象の外形形状に実装し運用する形態によって、ループ面積の増加したアンテナループコイルにより、リーダが送信する誘導磁界との結合面積も増加し、少ない誘導磁界であっても共振回路の主体であるコアコイルを励振し、コイルに係るステップアップ作用も加わり、共振コンデンサと形成する共振回路を共振し、精度のある読み取りと共振電力が得られる。尚識別対象の外形の増加でループ周長、径の増加を伴いコイルインダクタンスも増加するが、ループコイルのインダクタンス規定値とする為、増加分について巻き回数の低減が図れ、規格製作が図れる事を特徴とする。

本発明のトランスポンダ付属アンテナループコイルは、識別対象が三次元立体面を有する場合、一のループを変形させて、各立体面に新しい複数ループ面を形成し得る結果、複数の方向性を備え、識別対象の周辺に設けたループ面積は、必然的に増加するので誘導磁界との結合面積が増えて、精度ある読み取りを可能した。

これに拠ればリーダ側アンテナ方向に対し、複数方向に対向できるため、識別対象を載置する場合、載置面を選択する労力が省けるので載置における能率が上がり、更に移動中における動的な載置位置及び載置方向の変動を受けても対応できる事は利点と成る。

アンテナループコイルを識別対象に取り付ける場合、フレキシブル性を備えているので熟練を必要せず容易に装着できる利点もある。

トランスポンダ組み込みアンテナループコイルは、形状を変形させて複数ループ面を形成できる事が複数方向の読み取りと、動的な運用にも対応する。特に巻き回数が少ないコイルは、製作上加工が容易であり、フレキシブル性も有した。これによるアンテナループコイルと、コアコイルと一つのトランスポンダモジュールとの最小部品点数で実現した。

以下、本発明を図面で示す実施形態に基づいて説明する。
図２（ａ)に実施回路図を示し動作の詳細説明をする。トランスポンダが誘導磁界を受送信に際し、少ない巻き回数の低インダクタンスである励振ループアンテナコイル（Ｌ１１）１０は、誘導磁界を共振回路の励振、並びにコイルに係るステップアップ作用を利用する事にある。この低インダクタンス励振コイル１０と、直列接続するコア付属共振コイル（Ｌ１２）１１は、共振回路の主体である高インダクタンスに図り、共振コンデンサ（Ｃｒ）４と共振回路を形成する事を特徴とする。共振回路のコンデンサ４に誘起した、共振電圧が整流器（ＤＢ）５で、整流し蓄積コンデンサ（Ｃｓ）６に電力を充電及び蓄積され、集積回路（ＩＣ）７に組み込まれた検知機器、変調器、ロジック回路に電力供給する事で識別しリーダが読み取りする。

少ない巻き回数とした、励振ループアンテナコイルの変形によるインダクタンス変動が及ぼす、共振回路の共振特性Ｑについて、図２（ｂ）の周波数と共振電圧の関係を示すグラフ１２で示し、実用されている数式２が適用できる。

上記の数式２と図２（ｂ）のグラフ１２おけるトランスポンダ共振回路のＱの値は、共振回路の負荷がモジュールに含まれた、各識別処理回路等の電力を供給する為に重くなる事と、コード識別におけるコードパルス再現性に係って、（ｂ）に示す周波数帯域（Ｆ２−Ｆ１）を広げ受信パルス立ち上り時間を速くする必然性から、Ｑが低く(約１５から２０)なる。リーダが送信する共振周波数Ｆ０をトランスポンダが受信すると、共振回路の周波数がＦ２からＦ１の範疇にあれば、周波数Ｆ０で共振する。これに従えば長波帯トランスポンダにおける、本発明の特徴とするアンテナループコイルを変形し、精度ある読み取りを実現できる範囲として、変形によるインダクタンス変動値は、一つのループコイルが有するインダクタンス値に対して約６０％から１４０％まで許容した。特に１４０％値は、一つループコイル径を三つの径に縮小したループ面に変形し、各面を対面させ密に誘導結合する様に重ねたインダクタンス値であって、本来は一つのループを箱体の三面に分割実装し使用するから、これによって三ループ面の相互間で誘導結合が困難である対向角９０°に形成されインダクタンス値が約８０％に収まり実用として適用できる。

上記について図２（ｂ）及び数１、数２を用い変形の態様の具体例を詳述すると、周波数Ｆ０におけるインダクタンス値が２．６ｍＨ場合、共振回路コアコイル１１を２．３ｍＨとすれば、一つのループコイル径とした励振アンテナループコイル１０は３００μＨに配分できる。共振コンデンサ４の容量をきめて共振周波数Ｆ０を１３４ＫＨｚとした場合、そのループコイルを変形させて三つ径に縮小し、各面を重ね密に結合した励振アンテナループコイル１０のインダクタンス値は、１４０パーセントに相当する４２０μＨ増えて周波数Ｆ１は１３１．１ＫＨｚである。一つのループコイル径を、一つのループ小径に変形して残る余りは、ループ面積０に閉じて尚且つ小径ループと結合しない形成とすると、励振アンテナループコイル１０のインダクタンス値は、６０パーセントに相当する１８０μＨに減少し周波数Ｆ２は、１３７．２８ＫＨｚでありＱの範疇である事がわかる。

図３は図２（ａ）の回路図を用いトランスポンダを構成し具体例とした簡略図である。図３において、（ｃ）の励振アンテナループコイル１０からの２本の銅線うち一方を、トランスポンダモジュール収納部分（ａ），（ｂ）１３内部に含むモジュール基板（ｃ）２に設けた接続端子（ｃ）８へ接続し、他方を（ｃ）９に接続する事でトランスポンダ付属アンテナループコイルを構成し実現する。

図３アンテナループコイル１０について、コイルの線材は絶縁被覆した例えば、ポリエステルのエナメル線、ウレタン線の線径を０．２ミリから０．３５ミリ使用し、数回から約２０回巻きでよく細い線束に形成され、トランスポンダモジュール収納部分（ａ）１３を含めて、高分子系の軟質ウレタン樹脂等で成形する。Ｙ−Ｙ‘は、トランスポンダモジュール収納部分１３についての矢視図とする（ｂ）概略断面図で示し、モジュール基板（ｂ）２に図を簡略化し配置された各処理回路部品１４である。特に１０−１はループコイル１０断面を円形線束とし、１０−２は平型線束に成形した構造を基本として識別対象に装着、実装出来る様に図られている。

図４に上記詳述のトランスポンダ付属アンテナループコイルを用いて、人体の胴周りベルト部位に装着する場合、（ａ）は装着しループ周長の余りをループ面積０に閉じて折り曲げた態様について簡略斜視図で示し、特に（ｂ）は折り曲げ部分１５ａ，１５ｂの拡大斜視図である。実施例１の具体例を述べれば、規定値をループ周長１ｍ１０ｃｍにおけるインダクタンス値２６０μＨ決め、ループ周長を７３ｃｍに短くし、尚且つ余りをループ面積０に閉じて折り曲げると、この変形によるインダクタンス値が２００μＨに減じ、結果インダクタンス縮小率は、７６％であって前記の値の範囲内に収まり、胴周り７３ｃｍから約１ｍ１０ｃｍを一つループ径変形によって形成した事は、規格値の種類が少なく製作出来き、精度ある読み取りも備えた特徴を有している。

図５は、アンテナループコイルにおいてループ径が大きい場合、１つのループ周長についてコネクタを使用する事でループコイルを切断し、一本のコイルケーブルとする事を特徴とする、実施例２の簡略図（ａ）と、コネクタ矢視図及び接続図（ｂ）によって示す。（ａ）におけるコイルケーブル１０は、コネクタＡ（１６ａ），Ｂ（１６ｂ）に接続しトランスポンダモジュール収納部１３−１を備え、コネクタＡとＢが嵌合い接続するとループを形成するが、ループコイルとして機能させる為一つの具体例として、４回巻きループコイルを形成する場合、接続法とコネクタ簡略矢視図（ｂ）で詳述する。コイルケーブル（ａ）１０の内部は（ｂ）において、４本の被覆銅線１７を含みコネクタＡ(１６a)に設けてある５本のターミナル群１８と、コネクタＢ（１６ｂ）に設けてある５本のターミナル群１９との被覆銅線接続について、各ターミナル番号間を同一ターミナル番号として接続せず、コネクタＢ側は４本総てターミナルの順番が、一つずれた番号で接続し、５本あるターミナル群１９うち１本を接続無しとする接続法を用いる。尚トランスポンダモジュール収納部分（ａ）１３−１にモジュール基板（ｂ）２を含み、コネクタＡ
(１６ａ)の５本のターミナル群１８のうち開始番号の上段ターミナル部位と最終番号の下段部位は、ループコイルの巻き始めと及び巻き終わりであり、この部位から引き出した２本の被覆銅線が、モジュール基板（ｂ）２の接続端子８、９で接続され、アンテナループコイル（ａ）１０とトランスポンダモジュール収納部（ａ）１３−１との構成で、コネクタＡとＢの嵌合い接続によってトランスポンダ付属アンテナループコイルが実現出来ることを特徴とする。

図６は上記詳述したトランスポンダ組み込みアンテナループコイルとして形成させる為、図５（ａ）のコネクタＡ（１６ａ）とＢ（１６ｂ）を嵌合した状態１６として、アンテナループ１０を箱体に装着した実施例２の具体例を斜視簡略図で示す。識別対象２０への実装は、各立体面で所定の面を選択しループを形成し、他面に移る都度、２本のループ線を捻り（三面では２１ａ、２１ｂ二つの部位）順次新しいループを形成することで、箱体２０に三面装着した場合である。これによりリーダに対し識別対象の載置面方向が変化してもｘ−ｘ‘、ｙ−ｙ‘、ｚ−ｚ‘面方向からの精度ある読み取りが図れた。

フレキシブル化による、識別対象の物体に複数方向のループ面を形成させ、複数方向から読み取り法と、識別対象となる人体にセキュリティ上の問題からベルト部位へ潜ませた装着は、ループ径の自在性による圧迫感を与えない装着法とを、不可欠とする用途に適用できる。

従来のトランスポンダ装置における回路接続と構成を示す。 本発明による第一の実施形態に係る（ａ）はループアンテナコイルの、変形とフレキシブル性を具備する方法を実現する、トランスポンダ付属アンテナループコイルの回路接続と構成法を、（ｂ）は共振特性のグラフを示す。 第一の実施形態におけるトランスポンダ付属アンテナループコイルの構造について概略図により（ａ）は正面図を、（ｂ）は矢視図を、（ｃ）は斜視図によって示す。 第一の実施形態における（ａ）はトランスポンダ付属アンテナループコイルを、人体に装着する装着例の実装法を概略拡大斜視図で示し、（ｂ）は（ａ）の一部における拡大斜視図である。 第二の実施形態に係る（ａ）は、ループアンテナコイルおける、ループコイルの開閉脱着性を具備する方法を実現した概略正面図を示し、（ｂ）はトランスポンダ付属アンテナループコイルとする回路接続図を概略矢視図で示す。 第二の実施形態における、トランスポンダ付属アンテナループコイルを箱体に装着する、装着例の実装法を概略斜視図で示す。

符号の説明

１ 共振用ループアンテナコイル又は、バーアンテナコイル
２ トランスポンダモジュールを構成するプリント基板
３ 整合コイル
４ 共振用コンデンサ
５ 整流ダイオード
６ 電力蓄積コンデンサ
７ 識別処理他機能用ＩＣ
８ アンテナ接続端子
９ アンテナ接続端子
１０ 励振用ループアンテナコイル
１１ 高磁性コア共振用コイル
１２ 共振回路共振特性Ｑカーブ
１３ トランスポンダモジュール収納ケース
１４ トランスポンダモジュール構成素子
１６ 嵌合い型コネクタ
１７ 線材
１８ 嵌合いターミナル
１９ 嵌合いターミナル
２０ 箱体

Claims (2)

1. リーダと無線で送受信するトランスポンダを付属した形状変形フレキシブルアンテナループコイル。トランスポンダが有する共振回路について、共振回路を形成する共振用高インダクタンスコアコイル全巻き数の一部を、共振に係り合うアンテナループコイルに巻き回数を最小に配分して、低インダクタンス化とループコイル断面積の最小化を図り、トランスポンダモジュールを含めた本体構造とし、尚且つ接続を変えず疎結合による共振用コアコイルに対する励振を特徴として構成する事によって、一つのアンテナループコイルは、識別対象の各ループ面に対し、フレキシブルに変形させて平形（矩形、長方形、多角形、円形、楕円形）及び、立体面に即して複数ループ面を形成し得て、複数方向からの精度ある読み取りが図れ、形状変形を実現する、フレキシブル性を備えた構造を特徴とした、トランスポンダ付属形状変形フレキシブルアンテナループコイル。
2. 形状自在フレキシブルアンテナループコイルのループコイルを切断し一本に構成したケーブルについて、一つのループの周長を有するケーブルを規格長として、ケーブルの両側端にコネクタを備えて、コネクタの嵌合い接続によりループコイル機能の形成を図り、尚且つコネクタ内部にトランスポンダモジュールを含め本体構造とした事を特徴にもつ、特許請求項１項記載のトランスポンダ付属形状自在フレキシブルアンテナループコイル。