JP2008310503A

JP2008310503A - 小型質問器

Info

Publication number: JP2008310503A
Application number: JP2007156521A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hashidate; 毅橋立; Mamoru Higuchi; 衛樋口; Minoru Ashizawa; 実芦沢
Original assignee: Yagi Antenna Co Ltd
Current assignee: Yagi Antenna Co Ltd
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】埋込みボックスに収容可能な小型化が可能で、同時に埋込みボックスに収容する電子機器の影響を受けにくい小型質問器を提供する。
【解決手段】質問器１０は、既存の埋込みボックスに取付けるための取付基板１１を備え、この取付基板１１の前面側に質問器用アンテナ１２を設け、背面側に質問器用回路基板３１及び制御基板４１を設ける。取付基板１１は、既存の埋込みボックスの大きさに合わせて形成し、中央部に開口部１３を設ける。取付基板１１には、上側及び下側の中央にプレート取付用のねじ穴１５ａ、１５ｂを形成すると共に、その内側にボックス取付用長穴１６ａ、１６ｂを設ける。上記質問器１０を埋込みボックスに収容する際、質問器用アンテナ１２を取付基板１１と共に埋込みボックスとプレートとの間に収容し、質問器用回路基板３１及び制御基板４１を埋込みボックス内に収容する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線自動認識（ＲＦＩＤ：Radio Frequency Identification）を行うマイクロ波帯非接触ＩＣタグシステムにおける質問器に係り、特にユビキタス社会において、低コストでの実装が可能な壁付け型の小型質問器に関する。

従来、商品や物品等に非接触ＩＣタグを取り付け、質問器のアンテナから上記ＩＣタグに無線電波による質問波を送信し、ＩＣタグからの応答波を受信して固有のデータを読み取ることにより商品や物品等の管理を行う非接触ＩＣタグシステムが一般に知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

また、小型化を図った質問器では、２．４ＧＨｚ帯の通信周波数を使用してＩＣタグの固有のデータを読み取るアンテナ一体据置型の質問器が知られている。この場合のアンテナとしては、平面パッチアンテナが一般に使用されている。この平面パッチアンテナは、背面に金属類が密着しても通信は可能であるが、無線の波長に合わせて面積が直径６ｃｍ程度の円盤状となり、この円盤の周囲に金属類が存在すると、著しく通信を損なう場合がある。このような通信障害を防ぐため、及び元々の寸法のために、平面パッチアンテナを壁付け用途に使用した場合は、壁面から数センチメートル程度突出して設置される。

更に具体的に説明すると、質問器を機器に組み込むためにモジュール化して小型化を図ったものにおいて、アンテナ部の大きさは「７２×７２×１０．５ｍｍ」であり、アンテナ利得は６ｄＢｉ程度となる。

上記のように２．４ＧＨｚ帯の通信周波数を使用する質問器のアンテナは、一辺が７ｃｍ程度の正方形であり、また、壁から数センチメートル程度、突出して設置する必要がある。
特開２００６−８７０４７０号公報特開２００５−５１５３６号公報

近い将来に期待されている「ユビキタス社会」においては、上記のような質問器が多数、屋内外に配置され、情報システム及び情報通信ネットワークと連携して人間社会に様々な利便性を提供することが期待されているが、上記従来の技術をこれに適用しようとした場合には、次のような問題点がある。

まず、質問器の設置数が少ない場合には、壁面からの突出はそれ程邪魔にならないが、多数配置した場合には、突出の横方向から物がぶつかりやすかったり、汚れが蓄積したりしやすく、従って、破損、故障の可能性が高くなるという問題点がある。これが第１の問題点である。

次に、様々な場所の壁面に設置しようとした場合、その場所に応じて耐久性、耐候性、意匠性など、様々な要素に考慮した、様々な筐体を求められるが、このような新しい技術製品に対して、そのような様々な筐体を用意しようとすると、新しく設計、製造しなくてはならず、非常に高価なものとなり、結果として、普及が進まないという問題点がある。これが第２の問題点である。

この第２の問題点を克服するためには、既にある製品を活用できると良い。例えば壁付け用途であれば、コンセント、照明スイッチ、ＬＡＮケーブルの引き出しなどに供するための埋込みボックスが広く普及して安価に供給されており、このような設備のインフラストラクチャー（infrastructure）として確立している。

しかし、上記埋込みボックス及びその前面に取付けられるプレートに質問器を収容しようとした場合、一連用の埋込みボックスの横幅は５ｃｍ程度であるため、一辺が７ｃｍ程度のアンテナ一体型の質問器を収容することが出来ない。また、上記埋込みボックスの取付金具とその前面に取付けられるプレートとの間が８ｍｍ以下の空間であり、この制約のために質問器を収容することが出来ない。これが第３の問題点である。

また、本発明の想定する「ユビキタス社会」に供するためには、埋込みボックスの内部に、質問器とともに、この質問器を情報通信ネットワークに接続するための機器などの電子機器を収容しなくてはならない。これらの電子機器は、金属が使用されており、埋込みボックスのような狭い部分に質問器とともに収容しようとした場合に、それらの金属が、質問器の放射する無線に影響して性能を劣化させ、機能・性能を損なう。これが第４の問題点である。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、埋込みボックスに収容可能な小型化が可能であり、また、埋込みボックスに同時に収容する電子機器の影響を受けにくく、かつ、小型化した質問器用アンテナを備えた小型質問器を提供することを目的とする。

本発明は、質問器用アンテナからＩＣタグに無線電波による質問波を送信し、前記ＩＣタグからの応答波を受信して固有のデータを読み取る小型質問器において、既存の埋込みボックスの大きさに合わせて形成され、前記埋込みボックスの開口部に取付けられる取付基板と、前記取付基板の前面側に設けられ、前記取付基板の前面に取付けられるプレートの内側に位置する質問器用アンテナと、前記取付基板の背面側に上記質問器用アンテナと所定の間隔を保って設けられ、前記埋込みボックス内に収容される質問器用回路基板と、前記質問器用回路基板に形成される質問器用電気回路と前記質問器用アンテナの給電点との間を接続する給電線とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、既存の埋込みボックスに収容可能な小型であり、また、上記埋込みボックスに同時に収容する電子機器の影響を受けにくく、かつ、小型化した質問器用アンテナを備えた小型質問器を構成することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るマイクロ波帯非接触ＩＣタグシステムにおける質問器の構成を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図である。図２は同実施形態に係る質問器の正面図である。図３は同実施形態における質問器用アンテナ（パッチアンテナ）の構成を示す正面図である。なお、本実施形態に係る質問器は、既存の埋込みボックス（図示せず）に装着して使用するもので、１連用埋込みボックスの規格に合わせて各部の寸法を設定している。

図１において、１０は質問器で、例えば２．４ＧＨｚ帯の通信周波数を使用してＩＣタグ（図示せず）の記憶情報の読み取りを行う。すなわち、質問器１０は、質問器用アンテナからＩＣタグに無線電波による質問波を送信し、前記ＩＣタグからの応答波を受信して固有のデータの読み取りを行う。上記質問器１０は、埋込みボックスに取付けるための取付基板１１を備え、この取付基板１１の前面側に質問器用アンテナ１２を設け、背面側に質問器用回路基板３１を設けている。

上記取付基板１１は、埋込みボックスの開口部に取付けられるもので、例えば金属板を用いて構成され、図２に示すように埋込みボックスの大きさに合わせて縦幅Ｌ１が１１０ｍｍ、横幅Ｗ１が約５０ｍｍ、厚さが約１ｍｍの長方形状に形成される。

上記取付基板１１の４つの各角部は、略半円形状に丸みを持たせて形成される。また、取付基板１１の中央部には、例えば縦幅が約５５ｍｍ、横幅が約４５ｍｍの開口部１３が設けられる。

また、取付基板１１には、上側及び下側の中央にそれぞれプレート取付部１４ａ、１４ｂが設けられ、このプレート取付部１４ａ、１４ｂにプレート取付用のねじ穴１５ａ、１５ｂが形成される。この場合、プレート取付部１４ａ、１４ｂは、前面側に数ｍｍ例えば２ｍｍ程度突出して形成される。上記ねじ穴１５ａ、１５ｂの中心部間の間隔Ｌ２は、プレート（図示せず）に設けられているプレート固定用ねじ穴の位置に合わせて１０１ｍｍに設定される。上記プレート取付部１４ａ、１４ｂに取付けられる埋込みボックスのプレートは、内側面よりも内側外周面を所定高さ突出させて形成しており、プレート取付部１４ａ、１４ｂに取付けた際に、取付基板１１とプレートとの間に約８ｍｍの空間が形成されるようになっている。また、プレートの大きさは、例えば縦幅が１２０ｍｍ、横幅が７０ｍｍに設定されている。

また、取付基板１１には、上記プレート取付部１４ａ、１４ｂより内側方向にボックス取付用長穴１６ａ、１６ｂが設けられる。このボックス取付用長穴１６ａ、１６ｂは、埋込みボックスと位置関係を調整できるように横方向に長く形成され、縦幅ｄ１が約５ｍｍ、横幅ｄ２が約１０ｍｍに設定される。上記ボックス取付用長穴１６ａ、１６ｂの中心部間の間隔Ｌ３は、埋込みボックスに設けられているねじ穴の位置に合わせて８３．５ｍｍに設定される。

また、取付基板１１の前面中央部には、質問器用アンテナ１２がねじ１７ａ〜１７ｄにより固定される。質問器用アンテナ１２を固定する上側のねじ１７ａ、１７ｂと下側のねじ１７ｃ、１７ｄの中心部間の間隔Ｌ４は、約６２ｍｍに設定される。

上記取付基板１１の裏面側には、図１に示すように上記各ねじ１７ａ〜１７ｄに螺合するスペーサ２１ａ〜２１ｄを設けている。このスペーサ２１ａ〜２１ｄは、外形が例えば六角形状で長さが約１０ｍｍに設定されたもので、中心軸に沿って上記ねじ１７ａ〜１７ｄに螺合するためのねじ溝が形成されている。この場合、ねじ１７ａ〜１７ｄの長さは、スペーサ２１ａ〜２１ｄよりも十分に短く設定されている。また、上記スペーサ２１ａ〜２１ｄには、ねじ１７ａ〜１７ｄとは反対側の端部に、詳細を後述するように制御基板４１が装着される。

上記質問器用アンテナ１２は、例えばアンテナ基板１８の中央部にアンテナ素子としてパッチアンテナ素子１９を設けてなるパッチアンテナである。アンテナ基板１８は、上記ボックス取付用長穴１６ａ、１６ｂを避けて取付基板１１の面積内に収まるように図３に示すように例えば縦幅Ｌ５が約７０ｍｍ以下、横幅Ｗ２が５０ｍｍ以下の誘電体基板を使用する。また、アンテナ基板１８は、取付基板１１とこの取付基板１１上に取付けられるプレートとの間隔８ｍｍ内に収まるように厚さが８ｍｍ以下のもの、例えば１．６ｍｍ程度のものを使用する。上記パッチアンテナ素子１９は、例えば円板状の金属箔からなる導電パターンを放射素子としてアンテナ基板１８上の中央部に配置し、偏角した切り欠きＳ１、Ｓ２と給電点２０の設定により円偏波を励振可能な構成としている。上記パッチアンテナ素子１９の直径は、約λｇ／２（λｇは使用周波数における波長で、アンテナ基板１８による波長短縮率を考慮した値である。）に設定される。上記パッチアンテナは、例えば上記特許文献２等に示されているように公知の構成を有するものであるが、小型化に伴う性能の劣化を補うために例えばパッチアンテナ素子１９の直径や切り欠きＳ１、Ｓ２の深さ等を微調整している。

そして、上記アンテナ基板１８の裏面側には、取付基板１１の開口部１３部分に位置するように質問器用回路基板３１が配置され、ねじ３２ａ〜３２ｄ及びナット３３ａ〜３３ｄにより四隅が固定される。この場合、ねじ３２ａ〜３２ｄには、アンテナ基板１８と質問器用回路基板３１との間に例えば厚さが約４ｍｍのスペーサ３４ａ〜３４ｄを介在し、アンテナ基板１８と質問器用回路基板３１とを所定の間隔に保っている。

上記質問器用回路基板３１は、質問器用アンテナ１２を固定するねじ１７ａ〜１７ｄに対応して設けられる上側のスペーサ２１ａ、２１ｂと下側のスペーサ２１ｃ、２１ｄとの間に収まるように、例えば縦幅が約５０ｍｍ、横幅が約４１ｍｍの大きさを有し、裏面側に質問器を構成する電子部品を実装して保護カバー３５により保護している。この保護カバー３５は、例えば金属板や合成樹脂等を用いて構成される。

また、上記質問器用回路基板３１には、背面側に高周波入出力端子３６が設けられると共に、上記制御基板４１に接続するためのコネクタ３７が設けられる。上記保護カバー３５は、四隅のナット装着部及び上記高周波入出力端子３６、コネクタ３７部分を除く中央部分に設けられる。上記高周波入出力端子３６は、給電線である同軸ケーブル３８を介してパッチアンテナ素子１９の給電点２０に接続される。上記同軸ケーブル３８は、上記高周波入出力端子３６及び給電点２０にそれぞれコネクタ３９ａ、３９ｂにより接続される。

そして、上記スペーサ２１ａ〜２１ｄには、質問器用アンテナ１２を固定するねじ１７ａ〜１７ｄと反対側の端部に、制御基板４１がねじ４２ａ〜４２ｄにより装着される。この制御基板４１には、質問器を制御するための制御装置が設けられ、上記質問器用回路基板３１にコネクタ３７を介して接続される。上記制御基板４１は、既存の埋込みボックス内に収納できる大きさとなっている。また、上記制御基板４１には、図示しないが例えば情報通信ネットワークやパーソナルコンピュータ等の端末装置に接続するためのコネクタが設けられる。

上記のように構成された質問器１０は、例えば壁面等に設置されている既存の埋込みボックスに装着する際、取付基板１１に設けたボックス取付用長穴１６ａ、１６ｂ内に取付用ねじを挿入し、この取付用ねじを埋込みボックスに設けられているねじ穴に螺着して取付基板１１を埋込みボックスに固定する。この際、質問器用アンテナ１２のアンテナ基板１８に取付けられている質問器用回路基板３１及び取付基板１１の裏面にスペーサ２１ａ〜２１ｄを介して取付けられる制御基板４１は、埋込みボックス内に収納される。そして、上記取付基板１１の前面に埋込みボックスのプレートを配置し、取付基板１１の上部及び下部に設けられているねじ穴１５ａ、１５ｂを利用して上記プレートをねじ止めする。上記プレートを取付基板１１に取付けた際、取付基板１１とプレートとの間に約８ｍｍの空間部が形成され、この空間部に質問器用アンテナ１２が収納される。

上記実施形態で示したように質問器１０を小型に形成して既存の埋込みボックスに収容することができ、この結果、質問器を収容する筐体を新しく設計、製造する必要がなく、非常に安価に構成して普及を容易に進めることができる。また、質問器用アンテナ１２を小型化して取付基板１１の前面側に配設し、質問器１０を埋込みボックスに収容する際、埋込みボックスとプレートとの間に質問器用アンテナ１２を収容するようにしているので、質問器用アンテナ１２は埋込みボックス内に収容される電子機器による影響を受けにくく、また、埋込みボックスが金属で形成されている場合であっても、アンテナ性能の劣化を防止して高性能な質問器を実現することができる。

また、既存の埋込みボックスを利用して質問器１０を収容できるので、壁面からの突出を防止でき、多数配置した場合であっても邪魔にならず、また、横方向から物がぶつかったり、汚れが蓄積したりすることもなく、破損や故障の可能性を低くでき、長期間に亘って安定した性能を維持することが可能である。

図４は上記質問器用アンテナ１２の利得特性を示したもので、横軸に周波数［ＧＨｚ］をとり、縦軸に絶対利得［ｄＢｉ］をとって示した。上記実施形態で示した質問器用アンテナ１２は、２．４〜２．４３ＧＨｚの周波数範囲において５〜６ｄＢｉの範囲の安定した利得特性が得られている。

図５は上記質問器用アンテナ１２のＶＳＷＲ特性を示したもので、横軸に周波数［ＧＨｚ］をとり、縦軸にＶＳＷＲをとって示した。上記実施形態で示した質問器用アンテナ１２は、２．４〜２．４３ＧＨｚの周波数範囲において、ＶＳＷＲを１．６５以下とすることができた。特に２．４０５〜２．４３ＧＨｚの周波数範囲においては、ＶＳＷＲを約１．５前後の良好な値に保持されている。

図６は上記質問器用アンテナ１２の水平面（Ｈ面）における指向性、図７は垂直面（Ｖ面）における指向性を示したもので、横軸に角度［ｄｅｇ．］をとり、縦軸に相対レベル［ｄＢ］をとって示した。なお、上記図６及び図７は、２４１６ＭＨｚの周波数における指向性を示している。

上記図４ないし図７からも明らかなように、質問器用アンテナ１２を小型化した場合であっても、利得特性、ＶＳＷＲ特性、指向性等、良好なアンテナ特性を得ることができた。

次に、本実施形態に係る質問器１０を用いて構成したＩＣタグシステムの全体の動作を図８に示すシステム概念図を参照して説明する。

図８は、例えばビル内の管理センタ等に情報システムの管理装置５１を設置し、ビル内の設置されている質問器１０と情報通信ネットワーク５２を介して接続し、上記管理装置５１により質問器１０を制御する場合のシステム構成例を示している。

図８において、５４は制御基板４１上に設けられる制御装置で、質問器１０を制御する。また、５５は質問器用回路基板３１上に設けられる質問器用電気回路で、上記制御装置５４から与えられる制御命令に従って動作する。

上記質問器１０及び制御装置５４（制御基板４１）は、例えばビル内の壁面に設置された埋込みボックス５３に収容される。この場合、質問器１０の質問器用アンテナ１２は、上記したように取付基板１１と共に埋込みボックスとプレートとの間に収容される。そして、上記制御装置５４は、制御基板４１に設けられたコネクタより同軸ケーブルを介して情報通信ネットワーク５２に接続される。また、質問器用アンテナ１２は、通信可能範囲内に存在するＩＣタグ５６に質問波を送信し、ＩＣタグ５６からの応答波を受信する。

上記の構成において、管理装置５１は例えば一定のタイミングでＩＣタグ５６の記憶情報を読み取る命令を質問器１０に出力する。管理装置５１から出力される情報読取命令は、情報通信ネットワーク５２を介して制御装置５４へ送られる。制御装置５４は、上記情報読取命令に従って質問器用電気回路５５を制御し、高周波（マイクロ波）による質問波を発生させる。この質問波は、質問器用アンテナ１２からＩＣタグ５６に向けて放射される。ＩＣタグ５６は、上記質問波を受信すると、質問波に含まれる信号に従って返信となる応答波を放射する。この応答波は質問器用アンテナ１２で受信され、質問器用電気回路５５へ送られて検波され、制御装置５４及び情報通信ネットワーク５２を経由して管理装置５１へ伝送される。管理装置５１は、上記制御装置５４及び情報通信ネットワーク５２を経由して送られてくる情報によってＩＣタグ５６の識別情報等を確認し、ＩＣタグ５６に対する情報管理を行う。

上記のように管理装置５１は、質問器１０から制御装置５４及び情報通信ネットワーク５２を経由して送られてくるＩＣタグ５６の応答情報によって各ＩＣタグ５６に対する情報管理を行うことができる。

上記実施形態によれば、質問器１０を小型に形成して既存の埋込みボックスに収容できるので、非常に安価に構成できると共に壁面からの突出を防止でき、多数配置した場合であっても邪魔にならず、また、横方向から物がぶつかったり、汚れが蓄積したりすることもなく、破損や故障の可能性を低くでき、長期間に亘って安定した性能を維持することが可能である。また、質問器用アンテナ１２を小型化し、埋込みボックスとプレートとの間に収容でき、埋込みボックスや、該埋込みボックス内に収容される電子機器の影響を受けにくく、性能の劣化を防止して高性能な質問器を実現することができる。

なお、上記実施形態では、取付基板１１を金属板により構成した場合について示したが、その他、例えば合成樹脂等の部材を用いて構成してもよい。

また、質問器１０を収容する埋込みボックスは、金属製であっても樹脂製であってもよい。

また、上記実施形態において、質問器用アンテナ１２のアンテナ基板１８として高誘電率のものを使用することにより、更にアンテナの小形化を図ることが可能である。

また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

本発明の一実施形態に係る小型質問器の構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図である。同実施形態に係る小型質問器の正面図である。同実施形態における質問器用アンテナの構成を示す正面図である。同実施形態における質問器用アンテナの利得特性を示す図である。同実施形態における質問器用アンテナのＶＳＷＲ特性を示す図である。同実施形態における質問器用アンテナの水平面指向性を示す図である。同実施形態における質問器用アンテナの垂直面指向性を示す図である。同実施形態に係る小型質問器を用いて構成したＩＣタグシステムの概念図である。

符号の説明

１０…質問器、１１…取付基板、１２…質問器用アンテナ、１３…開口部、１４ａ、１４ｂ…プレート取付部、１５ａ、１５ｂ…ねじ穴、１６ａ、１６ｂ…ボックス取付用長穴、１７ａ〜１７ｂ…ねじ、１８…アンテナ基板、１９…パッチアンテナ素子、２０…給電点、２１ａ〜２１ｄ…スペーサ、３１…質問器用回路基板、３２ａ〜３２ｄ…ねじ、３３ａ〜３３ｄ…ナット、３４ａ〜３４ｄ…スペーサ、３５…保護カバー、３６…高周波入出力端子、３７…コネクタ、３８…同軸ケーブル、３９ａ、３９ｂ…コネクタ、４１…制御基板、５１…管理装置、５２…情報通信ネットワーク、５３…埋込みボックス、５４…制御装置、５５…質問器用電気回路、５６…ＩＣタグ。

Claims

質問器用アンテナからＩＣタグに無線電波による質問波を送信し、前記ＩＣタグからの応答波を受信して固有のデータを読み取る小型質問器において、
既存の埋込みボックスの大きさに合わせて形成され、前記埋込みボックスの開口部に取付けられる取付基板と、前記取付基板の前面側に設けられ、前記取付基板の前面に取付けられるプレートの内側に位置する質問器用アンテナと、前記取付基板の背面側に上記質問器用アンテナと所定の間隔を保って設けられ、前記埋込みボックス内に収容される質問器用回路基板と、前記質問器用回路基板に形成される質問器用電気回路と前記質問器用アンテナの給電点との間を接続する給電線とを具備することを特徴とする小型質問器。