JP2009076048A - リーダライタ、及び物品仕分システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦＩＤタグの存在する方向を識別することができるリーダライタを提供する。
【解決手段】このリーダライタ５０は、ＶＣＯ２の出力信号の位相を、基準となる入力信号の位相に同期させるＰＬＬ回路１と、ＰＬＬ回路１の制御電圧に基づいて所定の周波数を発振するＶＣＯ２と、ＶＣＯ２から発信された信号をマイクロ波に変調する変調器３と、マイクロ波の方向により向きを決定するサーキュレータ５と、マイクロ波を発信してタグ７からの反射波を受信するアンテナ６ａ、６ｂと、ｓｉｎ波を復調するミキサ９と、ｃｏｓ波を復調するミキサ１１と、ミキサ９の信号から所定の周波数成分のみを通過するＢＰＦ１２と、ミキサ１１の信号から所定の周波数成分のみを通過するＢＰＦ１３と、Ａ／Ｄコンバータ１４とＡ／Ｄコンバータ１６から位相を演算する演算器１５と、を備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、リーダライタ、及び物品仕分システムに関し、さらに詳しくは、マイクロ波方式により通信を行う非接触情報記録媒体への情報の読み書きを行なうリーダライタであって、縦、横に並べられた非接触情報記録媒体、及び移動する複数の非接触情報記録媒体の情報を一括して読み取る際の情報識別技術に関するものである。

電波を利用したＲＦＩＤシステムは、電源を持たないパッシブ型の非接触ＩＣタグに対しても、数十ｃｍ〜数ｍという長い交信可能距離を持つ。しかし、非接触ＩＣタグとの交信可能距離は、非接触ＩＣタグに搭載されたアンテナの特性により決定されるため、狭指向性の小型アンテナの実現が困難な帯域（１ＧＨｚ以下のＵＨＦ帯など）を利用したＲＦＩＤシステムにおいては、非接触ＩＣタグの存在する方向を精度よく検知することは困難であった。
特許文献１には、指向性の強い少数のアンテナで、通信不能部分の無い広い通信領域をカバーできるタグ通信用アンテナについて開示されている。
特開２００６−２００８３公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術では、ＲＦＩＤリーダ／ライタに用いられるタグ通信用アンテナは、送信する電波のビームをスキャンできるビームスキャンアンテナであること、ビームはスキャン方向に指向性の強いビームであること、ビームのスキャンはスキャン方向を含む面が最も強い反射波の生じる反射面である床面と交わるように行われること、等の制約条件が多いため、場所によっては、アンテナを最適な位置に設置できないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、複数のアンテナを備え、リーダライタから発信された電波とＲＦＩＤタグから反射された電波の遅延時間に基づいて、夫々のアンテナからＲＤＩＤタグまでの距離の差を求めることにより、ＲＦＩＤタグの存在する方向を識別することができるリーダライタを提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、電波を利用して非接触情報記録媒体に情報を読み書きするリーダライタであって、前記非接触情報記録媒体に電波を送信する送信手段と、該電波の一部を前記非接触情報記録媒体が変調した反射波を復調する復調手段と、前記反射波の遅延時間を求める演算手段と、複数のアンテナと、制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との間で通信を行い、その時の前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離の差を前記演算手段により演算することにより、前記非接触情報記録媒体の位置を判定することを特徴とする。
本発明は、マイクロ波を利用して非接触情報記録媒体と通信を行うマイクロ波方式におけるリーダライタであり、リーダライタから送信した電波（マイクロ波）は、複数のアンテナから放射されて非接触情報記録媒体により変調されて反射波として夫々のアンテナにより受信される。このとき発信した電波と反射波との間には、距離に応じた遅延時間が生じる。本発明は、その時の各アンテナと非接触情報記録媒体との距離の差を演算手段により演算して求めることにより、非接触情報記録媒体の位置を判定する。これにより、アンテナの指向性に依存せずに、非接触情報記録媒体の位置を特定することができる。また、ベルトコンベア上を搬送される荷物の識別や、縦・横に並べられた荷物の識別、直線的な識別エリアの実現など、従来は狭指向性のアンテナが必須とされてきた用途にも、広指向性のアンテナを用いたシステムを適用することが可能となり、狭指向性の小型アンテナの実現が困難な帯域を利用したＲＦＩＤシステムにおいても、このような用途に使用することが容易となる。また、同様の用途に狭指向性のアンテナを使用した場合と比較して、柔軟に識別する範囲を設定することが可能となる。そして、広い範囲の非接触情報記録媒体を一括で読取るという動作と、その中の特定の範囲にある非接触情報記録媒体を識別するという動作を同時に行うことも可能となる。

請求項２は、前記非接触情報記録媒体に電波を送信する送信手段と、該電波の一部を前記非接触情報記録媒体が変調した反射波を復調する直交復調器の位相変調の復調手段と、該復調手段により復調された信号を演算して前記反射波の遅延時間を求める演算手段と、複数のアンテナと、制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との間で通信を行い、その時の前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離の差を前記演算手段により演算することにより、前記非接触情報記録媒体位置を判定することを特徴とする。
直交復調器により得たＩＱ信号を演算することにより、タグとの通信を行うと同時に、遅延時間の差分を得る。
請求項３は、前記演算手段が前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離の差を演算する場合、前記非接触情報記録媒体から前記リーダライタへの返信時の後方散乱波を用いて測定することを特徴とする。
電波を利用したＲＦＩＤシステムでは、非接触情報記録媒体に与えた電波（ＣＷ波）の一部を、非接触情報記録媒体が変調を加えて戻す（振幅・位相を変化させて反射させる）ことにより、非接触情報記録媒体からリーダライタへの通信を行っている。リーダライタには「自ら発信した電波の反射波（後方散乱波）」が戻ることとなるが、この後方散乱波は、非接触情報記録媒体とアンテナとの間の距離に比例した遅延を持った波である。これにより、２つのアンテナと非接触情報記録媒体との距離の差を演算手段により容易に演算することができる。

請求項４は、検出範囲内の複数の非接触情報記録媒体を衝突なく検出するアンチコリジョンプロトコルにより通信する前記複数の非接触情報記録媒体の中から、特定の非接触情報記録媒体を指定して当該非接触情報記録媒体の位置を判定することを特徴とする。
アンチコリジョンプロトコルにより通信する場合、複数の非接触情報記録媒体の中から特定の非接触情報記録媒体を指定することが可能となる。そこで本発明では、複数の非接触情報記録媒体の中から特定の非接触情報記録媒体を指定して、その非接触情報記録媒体の位置を判定する。これにより、複数の非接触情報記録媒体から選択した特定の非接触情報記録媒体の位置を判定することができる。
請求項５は、前記非接触情報記録媒体が存在する方向を識別する識別可能範囲を広げるために、前記各アンテナ間の距離を可能な限り狭めて配置したことを特徴とする。
非接触情報記録媒体と複数のアンテナとの距離の差の測定においては、複数のアンテナ間の距離が大きくなるほど、誤検知する確率が高くなる。そこで本発明では、各アンテナ間の距離を可能な限り狭めて配置する。これにより、誤検知の確率を低くすることができる。

請求項６は、前記各アンテナに所定の指向特性を持たせることにより、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離差が大きくなる方向を該非接触情報記録媒体との通信範囲外とすることを特徴とする。
最も非接触情報記録媒体と２つのアンテナの距離差ｄが小さいときは、２つのアンテナの中点に非接触情報記録媒体が存在する場合である。そこで、無指向性のアンテナではなく、ある程度の指向性を持ったアンテナを使用し、距離差ｄの大きくなる方向を非接触情報記録媒体との通信範囲外とする。これにより、中点から左右何れかの方向を通信範囲外とすることができ、非接触情報記録媒体とアンテナとの位置関係に制限を設けることができる。
請求項７は、前記各アンテナの指向特性と受信強度から、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離差を補正することを特徴とする。
例えば、アンテナ１とアンテナ２を正面指向性を持つアンテナとし、θが−３π以下もしくは＋３π以上の値とならない程度の間隔で配置する。この条件下で、アンテナ１とアンテナ２での受信強度に違いが無い場合には、θの差分は−π以上、＋π以下の値であると判断できる。また、アンテナ１とアンテナ２の受信強度の差が大きい場合には、アンテナ１側の受信が大きければ＋π以上＋３π以下、アンテナ２側の受信が大きければ−π以下−３π以上であると判断する。これにより、受信強度から容易に各アンテナと非接触情報記録媒体との距離差を補正することができる。

請求項８は、前記制御手段は、前記演算手段により演算された遅延時間の差分を測定して前記アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離の変化を求めることにより、前記非接触情報記録媒体が前記アンテナに最接近したタイミングを識別することを特徴とする。
非接触情報記録媒体がアンテナに最接近したタイミングは、そのベクトルの向きが変化する直前である。即ち、距離と時間との関係から導かれた２次関数の極小点が、非接触情報記録媒体がアンテナに最接近した時である。これにより、非接触情報記録媒体がアンテナを通過した時間を個別に管理することができる。
請求項９は、前記非接触情報記録媒体が存在し得る範囲に、前記アンテナ間における位相差が一意の方向を示すように２つのアンテナを配置し、前記制御手段は、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との相対速度を演算する相対速度演算部を備え、該相対速度演算部による通過検出を使用して位相差を取得する共に、前記非接触情報記録媒体が前記各アンテナへ最接近する点を求めることにより、前記非接触情報記録媒体が存在する方向を取得して、該非接触情報記録媒体が前記アンテナ正面を通過したと判断することを特徴とする。
位相差が一意の方向を示すようにするには、アンテナ間隔を狭め、アンテナ間隔＜波長とすれば良いが、位相取得時の誤差の影響が大きくなり、精度が低下する。そこで、本発明では、相対速度による通過検出と、方向検出を併用し、アンテナ間隔＞波長の条件でも、一意の方向を得られるようにすることで、精度を改善する。それには、タグが存在しえる範囲において、アンテナ間隔における位相差が一意の方向を示すようにアンテナを設置する。そして、非接触情報記録媒体とアンテナとの相対速度による通過検出を使用して、位相差の取得と同時に非接触情報記録媒体の１つのアンテナへの最接近点α、もう１つのアンテナへの最接近点βを求める。非接触情報記録媒体がアンテナと直交するように移動する場合、αは１つのアンテナ上の点であり、また、βはもう１つのアンテナ上の点である。そして、アンテナ間隔では位相差は一意の方向を示すといえるため、α−β間では、位相差から、そのタグが存在すると考えられる方向を得ることができる。

請求項１０は、検出範囲内の複数の非接触情報記録媒体を衝突なく検出するアンチコリジョンプロトコルにより通信する前記複数の非接触情報記録媒体の中から、特定の非接触情報記録媒体が存在し得る範囲に、前記アンテナ間における位相差が一意の方向を示すように２つのアンテナを配置し、前記制御手段は、前記各アンテナと前記特定の非接触情報記録媒体との相対速度を演算する相対速度演算部を備え、該相対速度演算部による通過検出を使用して位相差を取得する共に、前記特定の非接触情報記録媒体が前記各アンテナへ最接近する点を求めることにより、前記特定の非接触情報記録媒体が存在する方向を取得して、該特定の非接触情報記録媒体が前記アンテナ正面を通過したと判断することを特徴とする。
アンチコリジョンプロトコルにより通信する場合、複数の非接触情報記録媒体の中から特定の非接触情報記録媒体を指定することが可能となる。そこで本発明では、複数の非接触情報記録媒体の中から特定の非接触情報記録媒体を指定して、その非接触情報記録媒体の位置を判定する。これにより、複数の非接触情報記録媒体から選択した特定の非接触情報記録媒体の位置を判定することができる。
請求項１１は、前記複数のアンテナは、前記非接触情報記録媒体への送信及び受信を行なう第１のアンテナと、前記非接触情報記録媒体へ電波を送信する第２のアンテナと、前記非接触情報記録媒体からの反射波を受信する第３のアンテナと、を備えて構成されていることを特徴とする。
送信アンテナを一つ、もしくは、受信アンテナを一つとし、受信・送信のいずれかのみを複数のアンテナで行うようにすることで、タグとの往復距離の差ではなく、タグから受信アンテナへの片道の距離差とすることができるため、より精度の高い識別が可能となる。

請求項１２は、請求項１乃至１１の何れか一項に記載のリーダライタと、電波の送受信を仲介する複数のアンテナと、物品に係る情報を記録した非接触情報記録媒体を取り付けた物品と、該物品を搬送する搬送手段と、該搬送手段により搬送されてくる物品の通過を検知する検知手段と、前記搬送手段により搬送された物品を仕分けする仕分手段と、制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記演算手段により演算された遅延時間の差分を測定することにより前記各アンテナと前記物品との距離の変化を求めて、該物品の搬送順序と前記アンテナに対する移動方向を識別し、前記検知手段が該物品の通過を検知すると、先頭の物品が通過したと判断して、当該物品に係る仕分けを実行することを特徴とする。
移動する物品を識別して自動的に仕分する仕分システムに関するものである。即ち、本発明のリーダライタを備え、例えば、ベルトコンベアの近傍にアンテナを配置して、物品に取り付けられた非接触情報記録媒体との情報の授受を行い、その情報から物品の並び順とアンテナからの移動方向を識別する。また、それらの物品を仕分するために、物品が通過したことを検知する検知手段と、実際に物品を仕分する仕分機を備える。そして、ＰＣ等から構成される制御手段は、並び順と移動方向を記憶しておき、検知手段が物品の通過を検知すると、並び順の最も先頭の物品が通過したと判断して、当該物品に係る仕分けを実行する。これにより、読み取り領域内の物品が移動しても、正確にその並び順を把握して、正確に仕分けることができる。

本発明によれば、各アンテナと非接触情報記録媒体との距離の差を演算手段により演算して求めることにより、非接触情報記録媒体が存在する方向を識別するので、アンテナの指向性に依存せずに、非接触情報記録媒体の存在する方向を特定することができる。また、ベルトコンベア上を搬送される荷物の識別や、縦・横に並べられた荷物の識別、直線的な識別エリアの実現など、従来は狭指向性のアンテナが必須とされてきた用途にも、広指向性のアンテナを用いたシステムを適用することが可能となり、狭指向性の小型アンテナの実現が困難な帯域を利用したＲＦＩＤシステムにおいても、このような用途に使用することが容易となる。また、同様の用途に狭指向性のアンテナを使用した場合と比較して、柔軟に識別する範囲を設定することが可能となる。そして、広い範囲の非接触情報記録媒体を一括で読取るという動作と、その中の特定の範囲にある非接触情報記録媒体を識別するという動作を同時に行うことも可能となる。
また、後方散乱波は、非接触情報記録媒体とアンテナとの間の距離に比例した遅延を持った波である。これにより、２つのアンテナと非接触情報記録媒体との距離の差を演算手段により容易に演算することができる。

また、複数の非接触情報記録媒体の中から特定の非接触情報記録媒体を指定して、その非接触情報記録媒体の存在する方向を識別するので、複数の非接触情報記録媒体から選択した特定の非接触情報記録媒体の存在する方向を識別することができる。
また、無指向性のアンテナではなく、ある程度の指向性を持ったアンテナを使用し、距離差ｄの大きくなる方向を非接触情報記録媒体との通信範囲外とするので、中点から左右何れかの方向を通信範囲外とすることができ、非接触情報記録媒体とアンテナとの位置関係に制限を設けることができる。
また、各アンテナの指向特性と受信強度から、各アンテナと非接触情報記録媒体との距離差を補正するので、受信強度から容易に各アンテナと非接触情報記録媒体との距離差を補正することができる。

また、送信アンテナを一つ、もしくは、受信アンテナを一つとし、受信・送信のいずれかのみを複数のアンテナで行うようにすることで、タグとの往復距離の差ではなく、タグから受信アンテナへの片道の距離差とすることができるため、より精度の高い識別が可能となる。
また、位相差が複数の方向を指し示す場合でも、移動するタグについてはアンテナとの相対速度から二つのアンテナに対する最接近点(α点、β点)を得る事により、一意の方向を求める事が可能である。位相取得時の誤差が一定であれば、アンテナ間隔が大きいほど精度を高める事ができるため、より高精度な方向検出及び通過検出が可能となる。
また、α点の位相差とβ点の位相差の差を求め、その中間付近では、アンテナ中間点付近の方向を指し示しているとして、一意の方向を得る事で、より精度を上げることも可能である。
さらに、タグの移動速度や、タグとの距離といった情報を与えることで、α点とβ点を基準とした、タグ移動の予測が可能となり、そこからタグがどのような方向にあるのかを推測し、その上で、一意の方向を得ることで精度を上げることも可能である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の一実施形態に係るリーダライタのブロック図である。このリーダライタ５０は、ＶＣＯ２の出力信号の位相を、基準となる入力信号の位相に同期させるＰＬＬ回路１と、ＰＬＬ回路１の制御電圧に基づいて所定の周波数を発振するＶＣＯ２と、ＶＣＯ２から発信された信号をマイクロ波（電波）に変調する変調器３と、マイクロ波を増幅する増幅器４と、マイクロ波の方向により向きを決定するサーキュレータ５と、マイクロ波を発信して非接触ＩＣタグ（以下、単にタグと呼ぶ）７からの反射波を受信するアンテナ６ａ、６ｂと、サーキュレータ５により合成された合成波を増幅する増幅器８と、ＶＣＯ２の信号と増幅器８により増幅された信号を加算重畳してｓｉｎ波を復調するミキサ９と、ＶＣＯ２の信号を９０°移相器１０により移相した信号と増幅器８により増幅された信号を加算重畳してｃｏｓ波を復調するミキサ１１と、ミキサ９の信号から所定の周波数成分のみを通過するＢＰＦ１２と、ミキサ１１の信号から所定の周波数成分のみを通過するＢＰＦ１３と、ＢＰＦ１２の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１４と、ＢＰＦ１３の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１６と、Ａ／Ｄコンバータ１４とＡ／Ｄコンバータ１６から位相を演算する演算器１５と、を備えて構成されている。

電波を利用したＲＦＩＤシステムでは、タグ７に与えた電波（ＣＷ波）の一部を、タグ７が変調を加えて戻す（振幅・位相を変化させて反射させる）ことにより、タグ７からリーダライタ５０への通信を行っている。
リーダライタ５０には「自ら発信した電波の反射波（後方散乱波）」が戻ることとなるが、この後方散乱波は、タグ７とアンテナ６ａ、又は６ｂとの間を往復した波であるため、自ら発信した電波に対しタグ７とアンテナ６ａ、又は６ｂの距離の倍に比例した遅延を持った波であると考えることができる。
本実施形態では、複数のアンテナ６ａ、６ｂを使用して、タグ７からの後方散乱波の遅延の測定を行い、それぞれのアンテナ６ａ、６ｂのタグ７までの距離の差を知ることで、タグ７の存在する方向を得る。

図２は、タグ７を取り付けた物品ａ、物品ｂ、物品ｃが横に並べられた場合のアンテナとタグの距離との関係を示す模式図である。この図では、タグ７を取り付けた物品ａ、物品ｂ、物品ｃが所定の間隔を維持して並べられているものとする。そして、図２では、物品ａのタグ７ａはアンテナ６ａ側にある。物品ｂのタグ７ｂはアンテナ６ａとアンテナ６ｂの中点にある。物品ｃのタグ７ｃはアンテナ６ｂ側にある。
ここで、リーダライタ５０に接続されたアンテナ６ａ、６ｂから送信されるＣＷ波を

・・・（１）
とした時（Ａとθ_Cは回路による決まる一定値）、同じアンテナで受信されるタグ７からの後方散乱波は、以下のように表せる。

・・・（２）
ｌ［ｍ］はタグ−アンテナ間の距離、ｃは電波の速度［ｍ／ｓ］、Ｂは空間やタグでの減衰を表す係数、θ_Tはタグでの反射時の位相変化である。電波を利用するＲＦＩＤにおいては、タグ７からリーダライタ５０への通信を行う際、タグ７で加えられる変調により、このＢとθ_Tが変化する。

ここで、タグ７→リーダライタ５０間における通信がＡＳＫ変調により行われる場合には、１を表すシンボルに同期して遅延時間の測定を行うとする。これにより、θ_Tをタグ固有のある一定の値とする事ができる。
また、ＢＰＳＫ変調の場合では、１または０を表すシンボルに同期して遅延時間の測定を行うとする。これにより、θ_Tをタグ固有のある一定値θ_T1、もしくは、θ_T2（＝θ_T1＋π）のどちらかの値とする事ができる。同様に、その他の位相変調においても、あるシンボルに同期して遅延時間を測定を行うとすることで、θ_Tをタグ固有のある一定の値とする事ができる。
このように、タグ７との通信を行う際に、そのシンボルと同期して遅延時間を測定する事により、タグ７で反射される際の位相が安定し、θ_Tを定数値とみなすことができる。
また、変調のかけられた後方散乱波を対象として測定を行う事で、変化を持たない後方散乱波（反射波）を、ＢＰＦにより除去することが可能となり、周囲の金属物や通信状態に無いタグからの反射等の影響を排除する事ができる。
さらに、タグ７からリーダライタ５０への通信を行う際に遅延時間を測定しているため、アンチコリジョン機能を持つプロトコルのもとでは、通信相手となるタグを一つに限定した条件の下で遅延時間の測定を行うことが可能となり、複数のタグが存在する環境においても、特定のタグの後方散乱波のみを選択して遅延時間を測定する事と、その通信で得られたデータ（ＩＤ）と遅延時間を関連付けて管理することが可能となる。

後方散乱波の遅延時間の測定は、ＣＷ波と共通の信号源から作成されるローカル信号

・・・（３）
を使用して、直交検波を行うことによって行う。
これにより、以下のＩＱ信号が得られる。

・・・（４）

・・・（５）
ここで、Ｃとθ_Rは、直交検波の操作により付加される変数であるが、Ｃは回路により決まる値であるため一定値と考える事ができる。また、ローカル信号とＣＷ波は、同じ信号源からの信号であるため、その位相差を回路により決まる一定値とみなすことができ、これにより、θ_Rも回路により決まる一定値とみなすことができる。

ここで、θ_c・θ_T・θ_Rはいずれも定数値とみなせるため、θ_rは以下のように表すことができる。

・・・（６）
ただし、θ_Rは回路による固有値であるため、使用するアンテナによって、値が異なる場合がある。そこで、あらかじめそれぞれのアンテナを使用した際のθ_constの値を得ておき、各アンテナにおいて測定されたθ_rから、固有のオフセット量θ_constを減算することで補正を行うこととし、その補正後の値をθ_ANTnとする。

・・・（７）

タグ７への電波の送信をアンテナ６ａとアンテナ６ｂからそれぞれ行い、その後方散乱波の遅延を同じアンテナで得たとする。この時、θ_ANT1−θ_ANT2により、タグ７−アンテナ６ａの距離ｌ₁とタグ７−アンテナ６ｂの距離ｌ₂の差のｄ＝ｌ₁−ｌ₂を得る事ができる。

・・・（８）
このとき、θ_ANT1とθ_ANT2の測定を行う間にタグ７が移動すると、その移動量が誤差となるが、この場合、θ_ANT2の測定後に、再度θ_ANT1の測定を行い平均化することで、誤差を補正できる。

また、アンテナｍで送信を行い、異なるアンテナｎで受信をおこなった場合は、アンテナｍとタグ７との距離をｌ_m、アンテナｎとタグとの距離をｌ_nとした時、以下のように表すことができる。

・・・（９）
そして、回路による固有値であるθ_Rの補正を、前記と同様に行い、その補正後の値をθ_ANTmnとする。

・・・（１０）
ここで、タグ７への電波の送信をあるアンテナａから行い、その後方散乱波の遅延をアンテナ６ａとアンテナ６ｂで得たとすれば、θ_ANTa1−θ_ANTa2により、タグ７−アンテナ６ａの距離ｌ₁とタグ７−アンテナ６ｂの距離ｌ₂の差のｄ＝ｌ₁−ｌ₂を得る事ができる（アンテナａはアンテナ６ａもしくはアンテナ６ｂであっても構わない）。

・・・（１１）
この場合には、二組の直交検波回路を使用して同時にθ_ANTa1とθ_ANTa2の取得を行うこともできる。また、１つの直交検波回路とアンテナ切替回路を用いて、アンテナ６ａにおいてθ_ANTa1の測定を行った後で、アンテナ切替を行い、アンテナ６ｂにおいてθ_ANTa2の取得を行ってもよい。
後者の手段を用いる場合は、θ_ANTa1とθ_ANTa2の測定を行う間にタグ７が移動すると、その差が誤差となるが、この場合、θ_ANTa2の測定後に、再度θ_ANTa1の測定を行い平均化することで、誤差を補正できる。

次に、図３を参照して距離差ｄからタグの方向を求める。
ここで、アンテナ６ａとアンテナ６ｂが距離ｗだけ離して設置されているとし、アンテナ６ａとアンテナ６ｂの中点を原点とし、アンテナ６ａとアンテナ６ｂを結ぶ直線をｘ軸とする。このとき、アンテナ６ａの座標は（ｗ／２，０，０）、アンテナ６ｂの座標は（−ｗ／２，０，０）と表せる。
さらに、タグ７がｘｙ平面上に存在するようにｚ軸を定める。このとき、タグ７の位置は、（ｘ，ｙ，０）と表せる。
そして、アンテナ６ａ、アンテナ６ｂ、タグ７のそれぞれの位置を頂点Ａ１、Ａ２、Ｔとする三角形を考える。

ｄ＞０の場合、アンテナＡ２の位置からｄだけ離れた辺Ｔ−Ａ２上の点と、頂点Ａ１を結ぶ直線αを引くと、辺Ｔ−Ａ１を１つの等辺とする二等辺三角形が描ける。
この二等辺三角形の頂角を等分する直線βを引き、頂角を等分した角度をθ_a、等分した直線とｙ軸との角度をθ_bとする。この時、二等辺三角形の底辺とｘ軸の角度もθ_bと表せる。
頂点Ａ２を通り、直線βと平行な直線を考え、この直線と直線αの交点Ｄと、頂点Ａ２との距離をｄ’とする。
ここで、アンテナ間の距離ｗがｌに比べて比較的小さいとすると、角θ_aも小さくなるため、

・・・（１２）
と考えることができる。そして、

・・・（１３）
からθ_bを得ることができる。ここで、直線αと直線βの交わる点をＣ、直線βとｘ軸の交わる点をＢ、点Ａ１−点Ｃ間の距離をｐ、点Ａ１−点Ｂ間の距離をｑとすると、三角形Ａ１−Ｂ−Ｃと、三角形Ａ１−Ａ２−Ｄは、相似の関係にあるため、

・・・（１４）
となる。このため、直線βは原点付近でｘ軸と交わるということができ、２つのアンテナの中点からみて角度θ_bの方向にタグがあると考えることができる。

また、ｄ＜０の場合も、同様に、２つのアンテナの中点からみて角度−θ_bの方向にタグがあると考えることができ、ｄ＝０であれば、タグはアンテナＡ１とアンテナＡ２のｘ軸と直交する中点上の直線にあるといえる。
ｄの測定においては、θの差分を使用するため、θが−π以下もしくは＋π以上となった場合に、誤検知する可能性がある。これを防止するためには、以下のような方法で、ｄの取り得る範囲を制限する。
１．測定を行うアンテナ同士の距離を狭くする（ｄの最大値は、アンテナ間の距離であるため）。
２．無指向性のアンテナではなく、ある程度の指向性を持ったアンテナを使用し、ｄの大きくなる方向（上記例における、ｘ軸方向）をタグとの通信範囲外とする。

また、送信アンテナを一つ、もしくは、受信アンテナを一つとし、受信・送信のいずれかのみを複数のアンテナで行うようにすることで、タグとの往復距離の差ではなく、タグから受信アンテナへの片道の距離差とすることができるため、より精度の高い識別が可能となる。
そして、各アンテナでの受信強度とアンテナの指向性特性を組み合わせ、θの差分の範囲を選択してもよい。
例えば、アンテナ１とアンテナ２を正面指向性を持つアンテナとし、θが−３π以下もしくは＋３π以上の値とならない程度の間隔で配置する。この条件下で、アンテナ１とアンテナ２での受信強度に違いが無い場合には、θの差分は−π以上、＋π以下の値であると判断できる。また、アンテナＡ１とアンテナＡ２の受信強度の差が大きい場合には、アンテナＡ１側の受信が大きければ＋π以上＋３π以下、アンテナＡ２側の受信が大きければ−π以下−３π以上であると判断する。

即ち、本発明は、マイクロ波を利用して非接触情報記録媒体と通信を行うマイクロ波方式におけるリーダライタであり、リーダライタ５０から送信した電波（マイクロ波）は、複数のアンテナ６ａ、６ｂから放射されてタグ７により変調されて反射波として夫々のアンテナ６ａ、６ｂにより受信される。このとき発信した電波と反射波との間には、距離に応じた遅延時間が生じる。本発明は、その時の各アンテナ６ａ、６ｂとタグ７との距離の差を演算手段により演算して求めることにより、タグ７が存在する方向を識別する。これにより、アンテナ６ａ、６ｂの指向性に依存せずに、タグ７の存在する方向を特定することができる。また、ベルトコンベア上を搬送される荷物の識別や、縦・横に並べられた荷物の識別、直線的な識別エリアの実現など、従来は狭指向性のアンテナが必須とされてきた用途にも、広指向性のアンテナを用いたシステムを適用することが可能となり、狭指向性の小型アンテナの実現が困難な帯域を利用したＲＦＩＤシステムにおいても、このような用途に使用することが容易となる。また、同様の用途に狭指向性のアンテナを使用した場合と比較して、柔軟に識別する範囲を設定することが可能となる。そして、広い範囲のタグ７を一括で読取るという動作と、その中の特定の範囲にあるタグを識別するという動作を同時に行うことも可能となる。

また、電波を利用したＲＦＩＤシステムでは、タグ７に与えた電波（ＣＷ波）の一部を、タグ７が変調を加えて戻す（振幅・位相を変化させて反射させる）ことにより、タグ７からリーダライタ５０への通信を行っている。リーダライタ５０には「自ら発信した電波の反射波（後方散乱波）」が戻ることとなるが、この後方散乱波は、タグ７とアンテナ６ａ、６ｂとの間の距離に比例した遅延を持った波である。これにより、２つのアンテナ６ａ、６ｂとタグ７との距離の差を演算手段により容易に演算することができる。
また、アンチコリジョンプロトコルにより通信する場合、複数のタグの中から特定のタグを指定することが可能となる。そこで本発明では、複数のタグの中から特定のタグを指定して、そのタグの存在する方向を識別する。これにより、複数のタグから選択した特定のタグの存在する方向を識別することができる。

また、最もタグ７と２つのアンテナ６ａ、６ｂの距離差ｄが小さいときは、２つのアンテナ６ａ、６ｂの中点にタグ７が存在する場合である。そこで、無指向性のアンテナではなく、ある程度の指向性を持ったアンテナを使用し、距離差ｄの大きくなる方向をタグ７との通信範囲外とする。これにより、中点から左右何れかの方向を通信範囲外とすることができ、タグ７とアンテナ６ａ、６ｂとの位置関係に制限を設けることができる。
また、例えば、アンテナ６ａとアンテナ６ｂを正面指向性を持つアンテナとし、θが−３π以下もしくは＋３π以上の値とならない程度の間隔で配置する。この条件下で、アンテナ６ａとアンテナ６ｂでの受信強度に違いが無い場合には、θの差分は−π以上、＋π以下の値であると判断できる。また、アンテナ６ａとアンテナ６ｂの受信強度の差が大きい場合には、アンテナ６ａ側の受信が大きければ＋π以上＋３π以下、アンテナ６ｂ側の受信が大きければ−π以下−３π以上であると判断する。これにより、受信強度から容易に各アンテナ６ａ、６ｂとタグ７との距離差を補正することができる。
また、送信アンテナを一つ、もしくは、受信アンテナを一つとし、受信・送信のいずれかのみを複数のアンテナで行うようにすることで、タグ７との往復距離の差ではなく、タグ７から受信アンテナへの片道の距離差とすることができるため、より精度の高い識別が可能となる。
また、以上の説明では、位相差から一意の方向を得られるように、アンテナの距離差dに制限を設けているが、この場合、位相取得時の誤差の影響が大きくなり、精度としては低下する。そこで、相対速度による通過検出と、方向検出を併用し、位相差が複数の方向性を示す条件でも、一意の方向を得られるようにすることで、精度を改善することができる。

本実施形態では、２つのアンテナでの位相差により方向を得る際の、アンテナの間隔を広げる事により、位相差／方向差の比を高め、位相差測定時の誤差による影響を抑えるようにする。例えば、アンテナ正面方向全てを読取可能範囲とし、読取範囲１８０度を一意の位相で表すとすると、正面方向１０度に割当てられる位相差は、２０度以下となる。また、アンテナ正面方向３０度を一意の位相で表すとすれば、その際の正面方向１０度に割り当てられる位相差は、１２０度以下となる。この場合、位相誤差の影響は１／６に低下させることができる。
これにより、アンテナ正面方向３０度以外の方向にあるタグを読取った場合には、位相差と方向との一意性が無くなるが、移動するタグにおいては、アンテナとタグとの距離の変化（相対速度）から、アンテナ正面付近で、相対速度（距離変化／時間）が０となることを利用して、タグのアンテナ正面の通過を検出する事ができる。これから、２つのアンテナの最接近の検出によりタグがアンテナ正面付近にあることを別途検出することで、タグが存在する方向を絞り込み、一意の方向を得る。
図４では、ＡＮＴ（ａ）から発した電波のタグからの後方散乱波を、ＡＮＴ（ａ）とＡＮＴ（ｂ）で受信し、その受信波の位相の差を得る事で、タグの存在する方向を知る事ができる。
アンテナの正面方向においては、ｄ＝位相差θ［度］×波長λ［ｍ］とした時、式（１３）のようにタグの存在する方向θｂを得られる。

しかしながら、使用する電波の波長λに対しアンテナの間隔ｗ［ｍ］が、ｗ＞λとなっていると、同位相差となる方向が複数となり得るため、一意に定まらない。図４では、黒丸の点は、全て同位相差の点であり、少なくとも同じ位相差を持つ点が、三方向Ａ、Ｂ、Ｃに存在しているといえる。
そこで、タグが存在しえる範囲３０において、ｘ−ｙ間における位相差が一意の方向を示すようにアンテナを設置する。そして、タグとアンテナとの相対速度による通過検出を使用して、位相差の取得と同時にタグのＡＮＴ（ａ）への最接近点α、ＡＮＴ（ｂ）への最接近点βを求める。タグがアンテナと直交するように移動する場合、αはｘ上の点であり、また、βはｙ上の点である。そして、ｘ−ｙ間では位相差は一意の方向を示すといえるため、α−β間では、位相差から、そのタグが存在すると考えられる方向を得ることができる。
これにより、ｗ＞λであっても、アンテナ正面付近については、位相差から一意の方向を求める事が可能となる。そして、位相取得時の誤差が一定であれば、ｗが大きいほど精度を高める事ができるため、より高精度な方向検出及び通過検出が可能となる。

また、α点、β点を基準としたタグ移動の予測、もしくは、タグの存在方向の補正を行う事で、ｘ−ｙ間で位相差が一意の方向を示すという条件も不要となり、より精度を上げることも可能である。例えば、α点とβ点の通過時刻から、アンテナ中間点の通過予測時刻を求め、その時刻での位相差がアンテナ中間点付近の方向を指し示しているという条件から、一意の方向を得る事ができる。
また、α点の位相差とβ点の位相差の差を求め、その中間付近では、アンテナ中間点付近の方向を指し示しているとして、一意の方向を得る事ができる。
さらに、タグの移動速度や、タグとの距離といった情報を与えることで、α点とβ点を基準とした、タグ移動の予測が可能となり、そこからタグがどのような方向にあるのかを推測し、その上で、一意の方向を得ることもできる。

図５は、本発明の物品仕分システムの構成を示すブロック図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。この物品仕分システム１００は、図１に記載のリーダライタ５０と、電波の送受信を仲介するアンテナ６ａ、６ｂと、図示しない搬送手段により搬送されてくる物品の通過を検知するセンサ（検知手段）２１と、搬送手段により搬送された物品を仕分けする仕分機（仕分手段）２２と、ＰＣ（制御手段）２０と、を備え、ＰＣ２０は、演算手段により演算された遅延時間の差分を測定することによりアンテナ６ａ、６ｂと物品との距離の変化を求めて、物品の並び順とアンテナ６ａ、６ｂからの移動方向を識別し、センサ２１が物品の通過を検知すると、並び順の最も先頭の物品が通過したと判断して、当該物品に係る仕分けを実行する。
即ち、本実施形態は、移動する物品を識別して自動的に仕分する仕分システムに関する発明である。即ち、図１のリーダライタ５０を備え、例えば、ベルトコンベアの近傍にアンテナ６ａ、６ｂを配置して、物品に取り付けられたタグ７と情報の授受を行い、その情報から物品の並び順とアンテナ６ａ、６ｂからの移動方向を識別する。また、それらの物品を仕分するために、物品が通過したことを検知するセンサ２１と、実際に物品を仕分する仕分機２２を備える。そして、ＰＣ２０は、並び順と移動方向を記憶しておき、センサ２１が物品の通過を検知すると、並び順の最も先頭の物品が通過したと判断して、当該物品に係る仕分けを実行する。これにより、読み取り領域内の物品が移動しても、正確にその並び順を把握して、正確に仕分けることができる。

図６は、本発明の仕分システムの動作の一例を説明するための模式図である。同じ構成要素には図１、及び図５と同じ参照番号を付して説明する。本実施形態では、説明を簡略化するために、ベルトコンベア２３上には、物品ａ〜ｄが載置され、それぞれに当該物品に関する情報（タグＩＤ、ルート情報等）を記憶したタグ７が取り付けられている。また、物品の並び順は、先頭からａ、ｂ、ｃ、ｄとする。また、ベルトコンベア２３は矢印Ａの方向に移動する。また、アンテナ６ａ、６ｂの読み取り可能領域は６ｃとする。

図７は、図６の仕分システムの動作を説明するフローチャートである。図６を参照して説明する。リーダライタ５０は、読み取り可能領域６ａにある物品ａ、ｂ、ｃのタグ７の情報を一括して読み取る（Ｓ１）。ＰＣ２０はリーダライタ５０が読み取った情報から各タグの遅延時間を演算する（Ｓ２）。また、ＰＣ２０は遅延時間の差分から各物品ａ、ｂ、ｃまでの距離と方向を求める（Ｓ３）。この図では、物品ａはアンテナ６から遠ざかる方向に移動しており、物品ｂはアンテナ６に最接近しており、物品ｃはアンテナ６に近づいてきていることを認識する。そして、これらの演算結果から、物品の並び順が先頭からａ、ｂ、ｃであることを認識する（Ｓ４）。この情報は、ＰＣ２０内のメモリに記憶する（Ｓ５）（図８参照）。ここでセンサ２１が物品を検出したかをチェックする（Ｓ６）。このチェックは何時発生するか分からないので、割り込み処理により行われるのが好ましい。ステップＳ６でセンサ２１がＯＦＦ（Ｓ６でＮＯ）のときは、ステップＳ１に戻って繰り返す。ステップＳ６でセンサ２１がＯＮ（Ｓ６でＹＥＳ）のときは、メモリに記憶されている先頭の物品名ａから、ルート先を判別する（Ｓ７）。この例では、物品ａのルート先はＢであるので、仕分機２２は物品ａをルートＢになるように仕分操作を行なう（Ｓ８）（図８（ａ）参照）。次に、仕分が完了した物品ａのデータは必要ないので消去して、図８（ｂ）にように次の物品ｂを先頭に繰り上げてＳ１に戻って繰り返す（Ｓ９）。

図８はＰＣ内のメモリに記憶された物品の並び順を示す図である。このメモリには、例えば図５の場合の記憶内容である。図８（ａ）には、メモリの先頭アドレス（ＡＡ）には物品名２４が「ａ」、ルート先２５が「Ｂ」と記憶されている。アドレス（ＢＢ）には物品名２４が「ｂ」、ルート先２５が「Ａ」と記憶されている。アドレス（ＣＣ）には物品名２４が「ｃ」、ルート先２５が「Ｃ」と記憶されている。次に、物品ａの仕分が完了すると、図８（ｂ）のように、アドレス（ＡＡ）に記憶されていた物品ａが消去されて、アドレス「ＢＢ」に記憶されている物品ｂをアドレス「ＡＡ」に繰り上げて記憶する。以下、順次繰り上げて記憶する。これにより、新たに物品ｂが先頭にある物品となる。

本発明の一実施形態に係るリーダライタのブロック図である。 タグ７を取り付けた物品ａ、物品ｂ、物品ｃが横に並べられた場合のアンテナとタグの距離との関係を示す模式図である。 距離差ｄからタグの方向を求める図である。 アンテナ間隔を広げた場合のタグとアンテナの関係を説明する図である。 本発明の物品仕分システムの構成を示すブロック図である。 本発明の仕分システムの動作の一例を説明するための模式図である。 図５の仕分システムの動作を説明するフローチャートである。 ＰＣ内のメモリに記憶された物品の並び順を示す図である。

符号の説明

１ ＰＬＬ回路、２ ＶＣＯ、３ 変調器、４、８ 増幅器、５サーキュレータ、６ａ、６ｂ アンテナ、７ タグ、９、１１ ミキサ、１２、１３ ＢＰＦ、１４、１６ Ａ／Ｄコンバータ、１５ 演算器、５０ リーダライタ

Claims (12)

1. 電波を利用して非接触情報記録媒体に情報を読み書きするリーダライタであって、
   前記非接触情報記録媒体に電波を送信する送信手段と、該電波の一部を前記非接触情報記録媒体が変調した反射波を復調する復調手段と、前記反射波の遅延時間を求める演算手段と、複数のアンテナと、制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との間で通信を行い、その時の前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離の差を前記演算手段により演算することにより、前記非接触情報記録媒体の位置を判定することを特徴とするリーダライタ。
2. 前記非接触情報記録媒体に電波を送信する送信手段と、該電波の一部を前記非接触情報記録媒体が変調した反射波を復調する直交復調器の位相変調の復調手段と、該復調手段により復調された信号を演算して前記反射波の遅延時間を求める演算手段と、複数のアンテナと、制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との間で通信を行い、その時の前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離の差を前記演算手段により演算することにより、前記非接触情報記録媒体の位置を判定することを特徴とする請求項１に記載のリーダライタ。
3. 前記演算手段が前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離の差を演算する場合、前記非接触情報記録媒体から前記リーダライタへの返信時の後方散乱波を用いて測定することを特徴とする請求項１又は２に記載のリーダライタ。
4. 検出範囲内の複数の非接触情報記録媒体を衝突なく検出するアンチコリジョンプロトコルにより通信する前記複数の非接触情報記録媒体の中から、特定の非接触情報記録媒体を指定して当該非接触情報記録媒体の位置を判定することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のリーダライタ。
5. 前記非接触情報記録媒体の位置を判定する判定可能範囲を広げるために、前記各アンテナ間の距離を可能な限り狭めて配置したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のリーダライタ。
6. 前記各アンテナに所定の指向特性を持たせることにより、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離差が大きくなる方向を該非接触情報記録媒体との通信範囲外とすることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のリーダライタ。
7. 前記各アンテナの指向特性と受信強度から、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離差を補正することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のリーダライタ。
8. 前記制御手段は、前記演算手段により演算された遅延時間の差分を測定して前記アンテナと前記非接触情報記録媒体との距離の変化を求めることにより、前記非接触情報記録媒体が前記アンテナに最接近したタイミングを識別することを特徴とする請求項１又は２に記載のリーダライタ。
9. 前記非接触情報記録媒体が存在し得る範囲に、前記アンテナ間における位相差が一意の方向を示すように２つのアンテナを配置し、前記制御手段は、前記各アンテナと前記非接触情報記録媒体との相対速度を演算する相対速度演算部を備え、該相対速度演算部による通過検出を使用して位相差を取得する共に、前記非接触情報記録媒体が前記各アンテナへ最接近する点を求めることにより、前記非接触情報記録媒体が存在する方向を取得して、該非接触情報記録媒体が前記アンテナ正面を通過したと判断することを特徴とする請求項１、２、３、４又は８に記載のリーダライタ。
10. 検出範囲内の複数の非接触情報記録媒体を衝突なく検出するアンチコリジョンプロトコルにより通信する前記複数の非接触情報記録媒体の中から、特定の非接触情報記録媒体が存在し得る範囲に、前記アンテナ間における位相差が一意の方向を示すように２つのアンテナを配置し、前記制御手段は、前記各アンテナと前記特定の非接触情報記録媒体との相対速度を演算する相対速度演算部を備え、該相対速度演算部による通過検出を使用して位相差を取得する共に、前記特定の非接触情報記録媒体が前記各アンテナへ最接近する点を求めることにより、前記特定の非接触情報記録媒体が存在する方向を取得して、該特定の非接触情報記録媒体が前記アンテナ正面を通過したと判断することを特徴とする請求項１、２、３、４又は８に記載のリーダライタ。
11. 前記複数のアンテナは、前記非接触情報記録媒体への送信及び受信を行なう第1のアンテナと、前記非接触情報記録媒体へ電波を送信する第２のアンテナと、前記非接触情報記録媒体からの反射波を受信する第３のアンテナと、を備えて構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のリーダライタ。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載のリーダライタと、電波の送受信を仲介する複数のアンテナと、物品に係る情報を記録した非接触情報記録媒体を取り付けた物品と、該物品を搬送する搬送手段と、該搬送手段により搬送されてくる物品の通過を検知する検知手段と、前記搬送手段により搬送された物品を仕分けする仕分手段と、制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記演算手段により演算された遅延時間の差分を測定することにより前記各アンテナと前記物品との距離の変化を求めて、該物品の搬送順序と前記アンテナに対する移動方向を識別し、前記検知手段が該物品の通過を検知すると、先頭の物品が通過したと判断して、当該物品に係る仕分けを実行することを特徴とする物品仕分システム。

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