JP2007060386A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 λ/2長の放射アンテナ3の近くにλ/2長の補助アンテナ4が配置されている。補助アンテナ4は複数の導電体エレメントがアレイ状に配列されている。補助アンテナ4の近くに無線ICタグ6が近づくと、補助アンテナ4と無線ICタグ6のインレットアンテナ6’と間で副同調回路が形成され、2つのアンテナは相互に補完した同調を行う。よって、同調周波数より短いアンテナ長のインレットアンテナ6’でも補助アンテナ4からのエネルギーを効率よく受電でき、インレットアンテナ6’と補助アンテナ4とを一体化させた状態で励振させる。このような作用によって、アンテナ装置1による読取エリア7を広くすることができると共に通信距離を伸ばすことができる。
【選択図】 図1
Description
アンテナ長さがλ/2の標準インレット51(幅1.5mm、長さ51mm)をその両側で切断して、例えば、λ/10の長さの小型インレット52(幅1.5mm、長さ10mm)に加工し、これを小型の無線ICタグ53としたときは、アンテナ効率の低下により、図16に示すように特殊リーダアンテナ54を用いて通信を行うことになるが、この場合、ケーブル55を介してリーダライタ56に接続される特殊リーダアンテナ54を無線ICタグ53と正確な位置合わせを行う必要があり、使い勝手が良くない。また、このような特殊リーダアンテナは、通常、無線ICタグの大きさや形に応じて設計されるため、汎用性がない。
本発明のアンテナ装置は、リーダライタと接続される放射アンテナの近傍に、放射アンテナに平行して補助アンテナを配置して構成される。放射アンテナは、従来の汎用リーダアンテナと同じ構成とすることができる。例えば無線ICタグから放射される電波の波長をλとしたとき、放射アンテナの長さがλ/2に設定される。補助アンテナは放射アンテナと対向し同じλ/2の長さに設定される。このように、放射アンテナに対して補助アンテナを設けることによって、アンテナ効率が向上するとともに読み取り範囲を広くさせることができる。したがって、アンテナ長を短くした小型の無線ICタグでも、正確な位置合わせをせずに電波を受信し、リーダライタが情報を読み取ることができる。補助アンテナは、1本の導電体エレメントで構成することもでき、複数本で構成することもできるので、導電体エレメントの数を増やすことで、読み取り範囲を必要に応じて広げることが可能である。以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
図1は、第1実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。
図1に示すように、樹脂またはセラミック製のアンテナ基材2の表面に長さがλ/2の放射アンテナ3が配置されている。放射アンテナ3はダイポールアンテナとし、ケーブル5を介して図示しないリーダライタに接続されている。この放射アンテナ3に対してその近傍に長さがλ/2の補助アンテナ4が平行して配置される。
このように、放射アンテナ3は従来の汎用リーダアンテナと同じ構成のため、汎用リーダアンテナに補助アンテナ4を追加するだけで本実施形態のアンテナ装置1を実現することができる。すなわち、従来の汎用リーダアンテナから本実施形態のアンテナ装置1へ容易に改良することができる。
第2実施形態では、補助アンテナを複数の導電体エレメントで構成した場合のアンテナ装置について説明する。
図2は、第2実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。
図2に示すように、アンテナ装置21では、アンテナ基材22の表面に長さがλ/2の放射アンテナ23が配置され、その近傍に補助アンテナ24として6個の導電体エレメント24a,24b,…,24f(24a〜24fと表記することもある)がアレイ状に配置されている。たとえば、無線ICタグの動作周波数が2.45GHzで、無線ICタグのアンテナ長が10mmの場合には、アンテナ装置21では、放射アンテナ23と導電体エレメント24aとの間隔が2.5mm(0.02λ)で、各導電体エレメント24a〜24f間の間隔が、それぞれ9mm(0.07λ)で配置されている。各導電体エレメントは、幅2.5mmで長さ50mmである。放射アンテナ23と導電体エレメント24aとの間隔は、導電体アレイの導電体エレメントと導電体エレメントとの間隔の相互関係によって変化する。このような誘電体エレメントの密な配置によって、各導電体エレメント24a〜24f(つまり補助アンテナ24)は、放射アンテナ23からの電界によって共振し、各導電体エレメント24a〜24fで誘起電流が発生する。このとき、各導電体エレメント24a〜24fの位相を制御する必要はない。
したがって、無線ICタグにはアンテナ長が24mmのものがあるが(前記の例では10mm)、この無線ICタグが各誘電体エレメントと直交状態にある場合、汎用のリーダアンテナでは、無線ICタグのアンテナ長24mm(0.2λ)が各誘電体エレメント間の最大の間隔となる。他方、無線ICタグが各誘電体エレメントと平行状態にある場合、汎用のリーダアンテナでは、無線ICタグのアンテナ幅1.5mm(0.01λ)が各誘電体エレメント間の最小の間隔となる。
また、放射アンテナ23と隣接する導電体エレメント24aの間隔、及び各導電体エレメント24a,24b,…,24f間の間隔は0.1λ以下とすることもでき、この場合、同様な効果が得られる。
図3は、アンテナ装置における導電体エレメントの配置および読取エリアの説明図である。
図3(a)で示すように放射アンテナ23および補助アンテナ24を構成する各導電体エレメント24a〜24fが同一平面に配置された場合、図3(b)に示すように電波の放射方向である読取エリア25aは、放射アンテナ23と各導電体エレメント24a,24b,…,24fとを含む平面上となり、放射アンテナ23と導電体エレメント24fが囲む広い範囲となっている。なお、図では放射アンテナ23と各導電体エレメント24a,24b,…,24fの上面が読取エリア25aと示されているが、下面も読取エリアとなる。
さらに、図3(e)に示すように、放射アンテナ23を中心として各導電体エレメント24a,24b,…,24jを円形に配置する場合は、電波の放射方向である読取エリア25dは、各導電体エレメント24a,24b,…,24jで形成された円形の円周上となる。このような半円形または円形の読取エリアを形成することにより、特殊な物体に貼付された無線ICタグの情報を容易に読み取ることができる。
従って、アンテナ装置21を用いることによって、アンテナ長を短くした無線ICタグでも正確な位置合わせが不要になり情報の読取り作業性が一段と向上する。また、複数個の導電体エレメントの配列を必要に応じて変えることができるので、食料品、医薬品、構造物、入場券など様々な形状の物体にランダムに貼付された無線ICタグの情報を正確かつ容易に読み取ることができる。
図4は、一般的な八木アンテナの構成図である。
テレビジョンの受信に広く用いられる八木アンテナ11は、λ/2長のダイポールアンテナを構成する放射器12に対して約λ/4の間隔で、後に反射器13、前に導波器14を平面上に配置して構成される。反射器13の長さはλ/2より長く、導波器14の長さはλ/2より短くなっている。この八木アンテナ11は、放射器12で発生した電界の位相と、反射器13及び導波器14で発生した誘起電流の位相とが同相になるような位置(つまり、放射器12からλ/4隔てた位置)に反射器13と導波器14が配置されている。
第3実施形態では、放射アンテナがマイクロストリップアンテナであって偏波面と平行に導電体エレメントを配置した場合のアンテナ装置について説明する。
図5は、放射アンテナがマイクロストリップアンテナであって偏波面と平行に導電体エレメントを配置した場合の構成図である。
図5に示すようにアンテナ装置31の基本的な構成は、ケーブル35を介して図示しないリーダライタに接続される放射アンテナ33が、表面に放射電極を形成し裏面にグランド電極を形成したマイクロストリップアンテナであって、この放射アンテナ33の偏波方向と平行に複数の導電体エレメントをアレイ状に配列した補助アンテナ34が配置された形態となっている。このとき、複数の導電体エレメントの配置方法には種々のバリエーションが考えられる。
第1のバリエーションとして、図6(a)に示すように、放射アンテナ33の垂直面上に、補助アンテナ34を構成する各導電体エレメント34a,34b,…,34fを配置する。また、第2のバリエーションとして、図6(b)に示すように、放射アンテナ33と平行面の上面に、補助アンテナ34を構成する各導電体エレメント34a,34b,…,34fを配置する。さらに、第3のバリエーションとして、図6(c)に示すように、放射アンテナ33の上面に、補助アンテナ34を構成する各導電体エレメント34a,34b,…,34fを半円形に配置する。
一方、平面形状の物品を利用する場合には、図6(b)、図6(d)、図6(e)が適し、曲面形状の物品を利用する場合には、図6(c)が適する。
図6(e)の場合、誘導体エレメント34a〜34fが放射アンテナ33の片側(同図右側)の範囲に配置されている。このため、他の片側(同図左側)の範囲の領域では、放射アンテナ単体のアンテナ特性が得られ、標準サイズの無線ICタグの読み取りがより容易になるという効果を奏することとなる。
具体的には、導電体エレメントは、幅2.5mm、長さ50mm、厚さ0.02mmのアルミ材にて形成し、アクリル樹脂材上にエレメント間隔9mmで配置する。そして、放射アンテナ1は、1.6mm厚のテフロン(登録商標)製プリント基板上に形成する。このような構成により、図6に示した各バリエーションの配置を実現することが可能となる。
各導電体エレメントの基材は、PVC、発泡PVC、PP、PET、テフロン(登録商標)樹脂、アクリル樹脂、ABS、PC、POMなどの樹脂材料や紙、あるいは、これらを積層したものを用い、その基材面または基材中に各導電体エレメントを形成する。プリント基板であれば、ガラスエポキシ基板、テフロン(登録商標)基板などを用いると形成しやすいが、円筒形状のものであれば、ポリイミド基材を使用したフレキシブルプリント基板が最適である。
導電体エレメントは、アンテナ装置の筐体の内壁あるいは外壁、または筐体の部材内に実装するようにしてもよい。なお、筐体の外壁に導電体エレメントを装着する場合、樹脂や紙類などの保護フィルムで導電体エレメントを保護することが望ましい。
第4実施形態では、放射アンテナがマイクロストリップアンテナであって偏波面と垂直に導電体エレメントを配置した場合のアンテナ装置について説明する。
図7は、放射アンテナがマイクロストリップアンテナであって偏波面と垂直に導電体エレメントを配置した場合のアンテナ装置の構成図である。図7(a)は、放射アンテナ33の上面で中心部より半分の領域に亘って、補助アンテナ34が配置されている。図7(b)は、放射アンテナ33の上面全域に亘って、補助アンテナ34が配置されている。
図7に示すアンテナ装置31’の構成が図5のアンテナ装置31の構成と異なるところは、補助アンテナ34を構成する導電体エレメントの配置が、放射アンテナ33の偏波方向と平行ではなく、放射アンテナ33の偏波方向と垂直になっている点のみである。この場合も、複数の導電体エレメントの配置方法には種々のバリエーションが考えられる。
すなわち、図8に示すように、第1のバリエーションとして、図8(a)に示すように、放射アンテナ33の垂直面上に、補助アンテナ34を構成する各導電体エレメント34a,34b,…,34fを配置する。また、第2のバリエーションとして、図8(b)に示すように、放射アンテナ33と平行面の上面全域に、補助アンテナ34を構成する各導電体エレメント34a,34b,…,34fを配置する。さらに、第3のバリエーションとして、図8(c)に示すように、放射アンテナ33の上面全域に、補助アンテナ34を構成する各導電体エレメント34a,34b,…,34fを半円形に配置する。
したがって、例えば、小型無線ICタグの偏波面が揃っている場合や、自動搬送装置と組み合わせてアンテナ装置を使用する場合には、より効率的に小型無線ICタグの情報を読み取ることが可能となる。
図9は、第5実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。
アンテナ装置41は、図9に示すように、樹脂またはセラミック製のアンテナ基材2に放射アンテナ43が配置されている。放射アンテナ43は小型マイクロストリップアンテナである。この放射アンテナ43の偏波面と平行に補助アンテナ44を配置して構成されている。
図1に示す第1実施形態では放射アンテナ3がダイポールアンテナとなっているのに対して、図9に示す第5実施形態では、放射アンテナ43は小型マイクロストリップアンテナである点で異なっている。この補助アンテナ44は、第2実施形態と同様に複数の導電体エレメントで構成することができる。次に、複数の導電体エレメントで構成した場合の配置バリエーションについて説明する。
図10は、小型マイクロストリップ構成の放射アンテナの偏波面と平行に補助アンテナを配置したときの各導電体エレメントの配置バリエーションを示す図である。
すなわち、第1のバリエーションとしては、図10(a)に示すように、放射アンテナ43と、補助アンテナ44を構成する各導電体エレメント44a,44b,…,44fとを同一平面上に配置する。また、第2のバリエーションとしては、図10(b)に示すように、放射アンテナ43の上面に、補助アンテナ44を構成する各導電体エレメント44a,44b,…,44fを配置する。さらに、第3のバリエーションとしては、図10(c)に示すように、放射アンテナ43を中心として、補助アンテナ44を構成する各導電体エレメント44a,44b,…,44fを半円形に配置する。また、第4のバリエーションとしては、図10(d)に示すように、放射アンテナ43を中心として、補助アンテナ44を構成する各導電体エレメント44a,44b,…,44jを円形に配置する。
第6実施形態では、導電体エレメントのレイアウトについて説明する。
図12は、導電体エレメントと無線ICタグの位置関係を示す図であり、(a)は読取り可能な位置関係、(b)は読取り難い位置関係を示す図である。図12(a)に示すように、無線ICタグ6aと導電体エレメント23a,23bが直交して重なる場合や、無線ICタグ6bと導電体エレメント23bが平行しながら両者が部分的に重なる場合、または、平行あるいは平行に近い状態(平行に相当する状態)で接近している場合は、前記したように、導電体エレメント23a、23bと無線ICタグ6aまたは6bのインレットアンテナとの間でも相互に補完した同調が行われるため、無線ICタグ6a、6bからの電波を受信しリーダライタで情報を読み取ることができる。
また、例えば、小型無線ICタグを取り付けた物品が自動搬送装置により自動搬送される場合にその小型無線ICタグの偏波面が一定の向きを保つ状態になるとき、図13(a)(b)に示した形状の導電体アレイを用いることにより、小型無線ICタグの情報がより効率的に読み取られることとなる。
第7実施形態では、放射アンテナと導電体エレメントの汎用性のある配置バリエーションについて説明する。
図14は、放射アンテナと導電体エレメントの汎用性のある配置バリエーションを示す図である。
第1のバリエーションは、図14(a)に示すように、放射アンテナ33の垂直面上(つまり、放射軸上)に補助アンテナ34を配置したものである。補助アンテナ34は、複数の導電体エレメントからなる導電体アレイ(つまり導電体エレメントのアレイ)34aで構成される。また、第2のバリエーションは、図14(b)に示すように、放射アンテナ33の上面で中心部より半分の領域に亘って、複数の導電体アレイ34aで構成される補助アンテナ34を所定の傾斜角をもって配置したものである。さらに、第3のバリエーションは、図14(c)に示すように、放射アンテナ33の上面全域に亘って、複数の導電体アレイ34aで構成される補助アンテナ34を所定の傾斜角をもって配置したものである。
第8実施形態では、放射アンテナと導電体エレメントとの配置バリエーションについて説明する。図15は、第8実施形態における放射アンテナと導電体エレメントとの配置バリエーションを示す図である。
例えば、本実施形態におけるアンテナを実装したハンディリーダにより、ある物品に実装された小型無線ICタグがスキャンされた場合、当該アンテナと小型無線ICタグが、放射アンテナと導電体エレメントとの間隔と小型無線ICタグのアンテナ長との関係で、情報読み取りに適した位置関係になった位置のときに、小型無線ICタグの情報が読み取られ、小型無線ICタグの読み取り効率が向上する。
また、互いに大きさの異なる小型無線ICタグを用いる場合も、放射アンテナと導電体エレメントとの間隔を最適化する手間が不要なので、汎用的に利用可能な利点がある。
次に、直線偏波パッチアンテナに導電体アレイを配置したアンテナ装置の具体例について図17ないし図20に基づいて説明する。
図17(a)(b)(c)において、導電体アレイ100は、マイクロストリップアンテナ(パッチアンテナ)101のアンテナ放射部102の1/2の領域になるように配置する。この場合、無線ICタグの読み取り面となる読取領域103で小型無線ICタグを利用することが可能となる。また、読取領域104においては、汎用無線ICタグの通信距離を低下させることなく汎用無線ICタグを利用することが可能となる。さらに、読取領域103においては、パッチアンテナの偏波面と直交した方向の偏波面で読み取りを行うことが可能となる。しかも、利用者は、読み取り距離が近接であれば、偏波面を意識せずに使用することができる。
なお、このアンテナ装置の外観は、図18(a)のようになり、図18(b)に示した読取領域103、104では、次のような特性が得られる。すなわち、読取領域103において、小型無線ICタグや汎用無線ICタグを利用する場合、いずれのICタグを利用しても偏波面の依存性がなくなる。もっとも、汎用無線ICタグの場合には、通信距離が短くなる。
他方、読取領域104において、汎用無線ICタグを利用する場合、マイクロストリップアンテナ101の偏波面で読み取りやすくなる。
この図19のアンテナ装置の外観を図20(a)、2つの読取領域103A、104Aを図20(b)、当該アンテナ装置を血液検査システムに用いた場合の応用例を図20(c)に示す。図20(c)では、ユーザが、長さ10mm、幅1.5mmの小型無線ICタグが取り付けられた採血管をアンテナ装置の窪み部分に近づけて、その小型無線ICタグの情報(例えば、採血理由など)が読み取られるケースが例示されている。
まず、図21のアンテナ装置では、放射アンテナ110、導電体エレメント111、および無線ICタグのリーダ回路112が同一のリーダ回路基板113上に実装されている。そして、このリーダ回路基板113上には、PC(パソコン)インタフェース回路114も実装されている。このように構成すると、小型化が実現する。
図22(a)(b)のアンテナ装置では、既存の小型リーダ装置の筐体120の内壁に導電体エレメント111が実装されている。このように構成すると、既存の小型リーダ装置の筐体の再製作などを行うことなく、導電体エレメント111を実装することが可能となる。また、小型リーダ装置の上面、下面および、筐体端部の導電体エレメント111周辺で小型無線ICタグの読み取りを行うことが可能となり、読み取りの操作性・作業性が向上する。
なお、図22では、アンテナ装置の筐体の内壁に導電体エレメント111を実装する場合について説明したが、筐体120の再製作などの作業負担が軽減するのであれば、筐体120の外壁または当該筐体の部材内に実装するようにしてもよい。
以上説明したように、実施形態で示したアンテナ装置によれば、15mm以下のインレットアンテナで構成される無線ICタグの情報を読み取る場合でも、放射アンテナの偏波面がなくなって任意の方向から情報を読み取ることができるので、無線ICタグの読取り作業性が一段と向上する。また、アンテナ装置は電力を消費しないので、無線出力電力の低いリーダライタにおいてもアンテナ機能を充分に発揮することができる。例えば、平均送信出力が80mWのPHS相当の無線出力機器においても十分にアンテナ機能を発揮する。したがって、電波防護指針などを意識しなければならない場所(例えば、医療機関など)において無線ICタグの情報を読み取る場合でも、本発明のアンテナ装置を用いれば効率よく無線ICタグの情報を収集することができる。
また、汎用型無線ICタグ、例えば、1/2λ型ダイポールアンテナにICチップを実装した無線ICタグを金属などに直接取り付けた場合でも、その属性情報を読み取ることができるので、金属製品の製品管理や特性管理などに利用することができる。さらには、ペットボトルや清涼飲料水などの管理や、病院内におけるカード、カルテ、投薬、注射、検査、または診断装置などの管理に利用することもできる。
2、22 アンテナ基材
3、23、33、43 放射アンテナ
4、24、34、44 補助アンテナ
4a、4b、4c 導電体エレメント
6 無線ICタグ
6’ インレットアンテナ
6a 無線ICタグ
7 読取エリア
23a、23b、23u、23v、23w、23x、24a 導電体エレメント
25 読取エリア
34a 導電性アンテナアレイ
Claims (18)
- 無線ICタグと通信を行って無線ICタグ内のICチップに記憶された情報を読み取るリーダライタに供されるアンテナ装置であって、
給電点に供給された電力によって電界を発生させる放射アンテナと、
前記放射アンテナが発生させた電界によって共振し、誘起電流を発生させる補助アンテナと、
を備えることを特徴とするアンテナ装置。 - 前記無線ICタグと通信する電波の波長をλとしたとき、前記放射アンテナ及び前記補助アンテナの長さは、それぞれ、λ/2であることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記補助アンテナは、複数個アレイ状に配置された導電体エレメントで構成されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアンテナ装置。
- 前記放射アンテナ及び複数個の前記導電体エレメントは、それぞれ、前記無線ICタグの幅または長さ以下の間隔で配置されていることを特徴とする請求項3に記載のアンテナ装置。
- 前記複数個の導電体エレメントは、それぞれ、0.01λ乃至0.20λの間隔で配置されていることを特徴とする請求項3に記載のアンテナ装置。
- 前記放射アンテナ及び複数個の前記導電体エレメントは同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 複数個の前記導電体エレメントは前記放射アンテナの上面に配置されていることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 複数個の前記導電体エレメントは前記放射アンテナを中心として半円形に配置されていることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 複数個の前記導電体エレメントは前記放射アンテナを中心として円形に配置されていることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 複数個の前記導電体エレメントは前記放射アンテナの放射軸上に配置されていることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 複数個の前記導電体エレメントは前記放射アンテナの放射軸上において所定の傾斜角をもって配置されていることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 複数個の前記導電体エレメントは、末端に配置された導電体エレメントが他の導電体エレメントより幅が広くなっていることを特徴とする請求項3乃至請求項11のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記他の導電体エレメントの幅は1mm乃至3mmであることを特徴とする請求項12に記載のアンテナ装置。
- 前記導電体エレメントは樹脂性のアンテナ基材に直接配置されていることを特徴とする請求項3乃至請求項13のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 複数個の前記導電体エレメントは前記放射アンテナの偏波方向と平行に配置されていることを特徴とする請求項3乃至請求項14のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 複数個の前記導電体エレメントは前記放射アンテナの偏波方向と垂直に配置されていることを特徴とする請求項3乃至請求項14のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 放射アンテナ、導電体エレメント、および無線ICタグのリーダ回路が同一基板上に形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
- 前記導電体アンテナは、アンテナ装置の筐体の内壁、外壁または当該筐体の部材内に実装されていることを特徴とする請求項17に記載のアンテナ装置。
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