JP2010136247A - Ｒｆｉｄ制御装置およびｒｆｉｄシステム - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模を小さく、安価に構成し、かつＲＦＩＤタグとＲＦＩＤ制御装置との配置を自由に構成する。
【解決手段】ＲＦＩＤタグ１１を通信対象としてリードおよび／またはライトの制御を行なうＲＦＩＤ制御装置１であって、ＲＦＩＤタグ１１と信号の送受信を行うアンテナ２と、アンテナ２に対して信号の変復調動作を行なうと共に、所定の共振周波数ｆが設定された変復調部４と、アンテナ２と変復調部４とを接続する同軸構成でない２線式のケーブル３とを備え、アンテナ２とケーブル３との共振周波数近傍における各キャパシタ値と各インダクタ値から合成キャパシタ値Ｃと合成インダクタ値Ｌを求め、ケーブルの長さを次式（１）、
ｆ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ）） …（１）
を満たすように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤ制御装置およびＲＦＩＤシステムに関する。

ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムは、メモリ部に必要なデータを格納するＲＦＩＤタグと、ＲＦＩＤタグのメモリ部に格納されるデータを読み書きするＲＦＩＤ制御装置（以下、ＲＦＩＤリーダ・ライタ装置ともいう）から構成される。

ＲＦＩＤ制御装置は、コントローラ部、リード・ライト回路、変復調部、アンテナ部等により構成され、コントローラ部を介して、ＲＦＩＤタグから読み取ったデータを処理するホストシステムなどに接続される。

ＲＦＩＤシステムのうち、特に電磁誘導方式または電磁結合方式の場合、アンテナ部で発生する磁束により通信を行うため、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤ制御装置のアンテナ部との通信距離を大きく離すことはできないという問題がある。

また近年、ＲＦＩＤは様々な機器に組み込んで利用されており、複数のＲＦＩＤタグとＲＦＩＤ制御装置を機器内に組み込むことも行なわれている。ＲＦＩＤ制御装置自体を小型化することが望まれているため、複数のＲＦＩＤタグとＲＦＩＤ制御装置を機器内に組み込む際、そのアンテナ部を大きくすることはできず、更に通信距離に制約が設けられることとなる。

このような組み込み用途のＲＦＩＤタグとＲＦＩＤ制御装置の場合、それらの取り付け位置は固定的になることが想定される。また、複数のＲＦＩＤタグとＲＦＩＤ制御装置が安定した通信品質で効率良くデータの読み書きを行なうことが求められるが、上記電磁誘導方式または電磁結合方式の場合、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤ制御装置のアンテナ部を大きく離すことはできないため、必然的にＲＦＩＤタグとアンテナ部は近接した位置であることが要求される。

このような問題に対し、特許文献１には、図８に示すように、ＲＦＩＤリーダ・ライタ装置８１に、ＲＦＩＤタグ９０の数に合わせ、アンテナ部８２と変復調部８４とを設ける構成が開示されている。特許文献１に記載のＲＦＩＤリーダ・ライタ装置８１は、通信対象となるＲＦＩＤタグ９０の個数分のアンテナ部８２と変復調部８４を有し、変復調部８４へのデータの読み書きを行なうリード・ライト回路（Ｒ／Ｗ）８５と回路全体の制御を行なうコントローラ部８６とを有している。

また、特許文献２には、図９に示すように、ＲＦＩＤタグ１００とＲＦＩＤリーダ・ライタ装置９１のアンテナ部９２を配置が自由にできるよう、ＲＦＩＤタグ１００の近傍に配置されるタグ側アンテナ９７と、ＲＦＩＤリーダ・ライタ装置９１のアンテナ部９２の近傍に配置されるサブアンテナ９８と、当該タグ側アンテナ９７とサブアンテナ９８とを接続する同軸ケーブル９９により構成されるアンテナユニット９３からなる交信中継装置が開示されている。

特許文献２に記載の技術では、ＲＦＩＤリーダ・ライタ装置９１は、特許文献１に記載の技術と同様にコントローラ部９６、Ｒ／Ｗ９５、変復調部９４およびアンテナ部９２を含んでおり、アンテナユニット９３がＲＦＩＤタグ１００とＲＦＩＤリーダ・ライタ装置９１との間にあることで、ＲＦＩＤタグ１００とＲＦＩＤリーダ・ライタ装置９１との位置関係を自由に配置できるようにしている。

特開２００６−３０９４２５号公報 特開２００７−１７２３７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ＲＦＩＤリーダ・ライタ装置８１をコンパクトにするため、上記構成をすべて１枚の基板上に配置している。また、アンテナ部８２が小型で通信距離に制約が設けられるため、アンテナ部８２の位置は対象となるＲＦＩＤタグ９０の位置に合わせて配置する必要がある。

したがって、特許文献１に記載の技術では、装置自体をコンパクトにすることは可能であるが、１枚の基板上に配置するためアンテナ部８２とＲＦＩＤタグ９０との位置の制約ができるという問題がある。更に、組み込む機器のＲＦＩＤタグ９０とＲＦＩＤリーダ・ライタ装置８１との配置にあわせて、機器ごとに適当なアンテナ部８２の配置を有したＲＦＩＤリーダ・ライタ装置８１を作成する必要があるという問題がある。

また、特許文献２に記載の技術では、アンテナユニット９３がＲＦＩＤタグ１００の個数分必要となるため、装置全体を小型化することはできず、かつ、コストも高くなるという問題がある。

特許文献２のアンテナユニット９３の詳細ブロック図を図１０に示す。特許文献２に記載の技術では、アンテナ部（タグ側アンテナ９７,サブアンテナ９８）の電力にロスが生じないよう途中の経路におけるインピーダンス整合が必要になるため、アンテナユニット９３のケーブルに同軸ケーブル９９を用いている。更に、アンテナ部（タグ側アンテナ９７,サブアンテナ９８）もインピーダンス整合をする必要があるため、同軸ケーブル９９と各アンテナ部（タグ側アンテナ９７,サブアンテナ９８）の間に整合回路１０１が必要になる。

したがって、特許文献２に記載の技術のように同軸ケーブルを使用するシステムでは、整合回路が必要になり、かつコストが高く構造上小さくできない同軸ケーブルを用いている為、ＲＦＩＤシステムを小型化、低コスト化することができないという問題がある。

そこで本発明は、回路規模を小さく、安価に構成でき、かつＲＦＩＤタグとＲＦＩＤ制御装置との配置を自由に構成できるＲＦＩＤ制御装置およびＲＦＩＤシステムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１に記載のＲＦＩＤ制御装置は、ＲＦＩＤタグを通信対象としてリードおよび／またはライトの制御を行なうＲＦＩＤ制御装置であって、ＲＦＩＤタグと信号の送受信を行うアンテナと、アンテナに対して信号の変復調動作を行なうと共に、所定の共振周波数が設定された変復調部と、アンテナと変復調部とを接続する同軸構成でない２線式のケーブルとを備え、アンテナとケーブルとの共振周波数近傍における各キャパシタ値と各インダクタ値から合成キャパシタ値と合成インダクタ値を求め、ケーブルの長さは、次式（１）、
ｆ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ）） …（１）
ただし、ｆ：共振周波数、Ｃ：合成キャパシタ値、Ｌ：合成インダクタ値
を満たすように設定するものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＲＦＩＤ制御装置において、ケーブルは、２線が平行配置されたペア線、あるいは２線が撚り合わされたツイストペア線であるものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のＲＦＩＤ制御装置において、ケーブルは、フレキシブルプリント基板に配置されたパターンであるものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のＲＦＩＤ制御装置において、ケーブルは、フレキシブルプリント基板に配置されたパターンレイアウトによりキャパシタ値および／またはインダクタ値が設定されているものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項２から４までのいずれかに記載のＲＦＩＤ制御装置において、ケーブルは、ケーブルの長さを設定する前の全ケーブル長さにおいて、任意の箇所で単位長さあたりのキャパシタ値とインダクタ値が一定であるものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載のＲＦＩＤ制御装置において、各アンテナは１枚の基板上に配置されたループアンテナであるものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１に記載のＲＦＩＤ制御装置において、ケーブルとアンテナとの接続部および／またはケーブルと変復調部との接続部にインピーダンス整合を行なう電気部品を配置しないものである。

また、請求項８に記載のＲＦＩＤシステムは、ＲＦＩＤタグと、該ＲＦＩＤタグを通信対象としてリードおよび／またはライトの制御を行なうＲＦＩＤ制御装置からなるＲＦＩＤシステムであって、ＲＦＩＤ制御装置は、ＲＦＩＤタグに設けられるタグ側アンテナと信号の送受信を行う装置側アンテナと、装置側アンテナに対して信号の変復調動作を行なうと共に、所定の共振周波数が設定された変復調部と、装置側アンテナと変復調部を接続する同軸構成ではない２線式のケーブルとを備え、装置側アンテナとケーブルとの共振周波数近傍における各キャパシタ値と各インダクタ値から合成キャパシタ値と合成インダクタ値を求め、ケーブルの長さは、次式（２）、
ｆ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ）） …（２）
ただし、ｆ：共振周波数、Ｃ：合成キャパシタ値、Ｌ：合成インダクタ値
を満たすように設定するものである。

本発明によれば、回路規模を小さく、安価に構成でき、かつＲＦＩＤタグとＲＦＩＤ制御装置との配置を自由に構成できる。

以下、本発明に係る構成を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態のＲＦＩＤ制御装置１は、読み取り、書きこみの対象となるＲＦＩＤタグ１１と電磁信号の送受信を行うアンテナ部（アンテナ回路）２と、後述するようにアンテナ部２と変復調部４との間を接続するインダクタ値とキャパシタ値が制御されたケーブル３と、アンテナ３からのデータを変調・復調を行なう変復調部（変復調回路）４と、データの読み書きを行なうリード・ライト部（リード・ライト回路、Ｒ／Ｗ）５と、ＲＦＩＤ制御装置１全体を制御するコントローラ部６から構成される。また、コントローラ部６は、インターフェース２１等を介して上位装置としてのホストコンピュータ２０に接続される。

ここで、ＲＦＩＤ制御装置１について、従来構成である、アンテナ部２と変復調部４との間にケーブルが無い構成と、本実施形態のアンテナ部２と変復調部４との間にインダクタ値とキャパシタ値が制御されたケーブル３を有する構成との違いについて、図２〜図５を用いて説明する。

先ず、アンテナ部２と変復調部４との間にケーブル３を有しない構成（従来構成）のブロック図の一部を図２に示す。図２（ａ）に示す変復調回路４とアンテナ部２のうち、アンテナ部２の詳細を図２（ｂ）に示す。

アンテナ部２は、抵抗（Ｒ２２）およびキャパシタ（Ｃ２２）からなる共振回路７と、抵抗（Ｒ２１）、インダクタ（Ｌ２１）、キャパシタ（Ｃ２１）からなるループ部の等価回路８とを有する。尚、共振回路７は、アンテナ部２に周波数特性を持たせて特定の周波数の感度を上げるための回路で、ＲＦＩＤ制御装置１のアンテナ部２には必須である。

図３に、アンテナ部２と変復調部４との間にケーブル３を接続する構成（本実施形態の構成）のブロック図の一部を示す。ケーブル３は、等価回路（以下、ケーブルの等価回路という）９で示すと、図示するようにインダクタ（Ｌ３２）とキャパシタ（Ｃ３２）で組み合わされる回路の構成になる。

ケーブルの等価回路９を図３に示した回路内に取り組んだ例を図４に示す。図４（ａ）を電気回路として見ると、ケーブルの等価回路９にあるキャパシタ（Ｃ４２）は、ループ部の等価回路８にあるキャパシタ（Ｃ４１）と合成キャパシタを構成することが可能である。

また、ケーブルの等価回路９にあるインダクタ（Ｌ４２）は、ループ部の等価回路８にあるインダクタ（Ｌ４１）と合成インダクタを構成することが可能である。

即ち、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）に示したインダクタ（Ｌ４１,Ｌ４２）、キャパシタ（Ｃ４１,Ｃ４２）を各々合成し、抵抗（Ｒ５１）、インダクタ（Ｌ５１）、キャパシタ（Ｃ５１）の回路要素を有する合成ループ部の等価回路１０として構成することができる。

したがって、ケーブル３のインダクタ値とキャパシタ値が電気回路の部品と同じように制御されていれば、ケーブル３はアンテナ部２の１つの電気部品とみなすことができ、回路を小さく構成することが可能となる。

このようにすることにより、本実施形態のＲＦＩＤ制御装置１によれば、装置全体の回路規模を小さくできるので、装置の小型化および低コスト化を図ることができる。

以下、ケーブル３がアンテナ部２の１つの電気部品になり得るためのインダクタ値とキャパシタ値の制御について説明する。

ケーブル３は、例えば、フレキシブルプリント基板（Flexible Print Circuit Board）に配置されるパターン（フレキシブルケーブル）である。

また、ケーブル３のインダクタ値とキャパシタ値は、フレキシブルプリント基板への配線のプリントパターンに依存する。例えば、インダクタ値は、電流がループを描くほど大きく、そのループの面積が大きいほど大きく、また相互のループの面積が重なり合うほど大きくなる。即ち、図５の配線の形状を例とすると、インダクタ値の大きさは、（ａ）＜（ｂ）＜（ｃ）＜（ｄ）となる。また、キャパシタ値は、電極の面積に比例し、距離に反比例する。

また、ケーブル３は、ケーブルの長さを設定する前の全ケーブル長さにおいて、任意の箇所で単位長さあたりのキャパシタ値とインダクタ値が略一定である。

ここで、ＲＦＩＤ制御装置１では、ＲＦＩＤタグ１１とＲＦＩＤ制御装置１が通信性能を確保するためにアンテナ部２の共振回路７の周波数（共振周波数）が重要である。

例えば、電磁誘導方式のＲＦＩＤの１種である周波数帯１３．５６ＭＨｚを使用するＲＦＩＤシステムの場合は、共振周波数の中心値が１３．５６ＭＨｚになるようにアンテナ部２のインダクタ値とキャパシタ値を決定する。尚、共振周波数は、例えば、変復調部４に予め設定されている。

ここで、共振周波数とインダクタ値、キャパシタ値の関係は次式（３）で表される。
ｆ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ）） …（３）
但し、ｆ＝共振周波数、Ｌ＝インダクタ値、Ｃ＝キャパシタ値である。

したがって、例えば、図６に示すような１枚の基板上に配置されたループアンテナであって、当該ループアンテナのインダクタ値の中心値が８１１．４ｎＨの時、上記（３）式より、キャパシタ値の中心値は１７０ｐＦとなる。

また、共振回路７の周波数は、多少のばらつきがあっても通信を確保できるように装置を構成することが好ましい。例えば、図６に示したループアンテナを使用するＲＦＩＤ制御装置１での共振周波数の許容バラツキが１３．５６ＭＨｚ±０．３５ＭＨｚで設計されている場合のインダクタ値とキャパシタ値の許容精度を求める。

キャパシタ値のバラツキを±２％とした時、インダクタの許容差は、表１に示すように−５５．５〜＋６１．０ｎＨになる。アンテナ部２（ループ部分）のインダクタ値の測定値を表２に示す。表２より、ループ部分のインダクタ値の測定値は、−１３．６〜＋１４．１ｎＨであるので、ケーブル３部分のインダクタ値許容値は−４１．９〜＋４６．９ｎＨとなる。

即ち、アンテナ部２とケーブル３の共振周波数近傍における各キャパシタ値と各インダクタ値により合成キャパシタ値と合成インダクタ値を求め、ケーブル３の長さを上記（３）式を満たすように設定すれば良い。尚、この場合は、Ｌ＝合成インダクタ値、Ｃ＝合成キャパシタ値である。

表３にアンテナ部２に接続する２線式のケーブル３の測定値を示す。

ケーブルの長さによる測定値の変動（差分）は１００ｍｍ±１０ｍｍにてインダクタが３．０ｎＨ以下なので許容範囲内であるといえる。問題となるのは、１００ｍｍ開口に示された測定値である。開口とは、図７（ａ）に示すように２線のケーブルの各線間が等間隔であるのに対して、図７（ｂ）に示すように途中で膨らむ形状をいう。このとき、インダクタ値は３．０ｎＨに対し１１３．０８ｎｈと約４０倍の変動を示している。

次に、キャパシタ値を考える。表１に示したようにキャパシタの許容精度は（±２％＝−３．４〜＋３．４ｐＦ）になる。ここで、共振回路用のキャパシタとして、例えば、±１％品のコンデンサ部品を使用すれば、コンデンサ部品は（±１％＝−１．７〜＋１．７ｐＦ）なので、ケーブル部のキャパシタ値許容値は−１．７〜＋１．７ｐＦとなる。

また、ケーブルの長さによる変動は１００ｍｍ±１０ｍｍにてコンデンサが１．０７ｐＦ以下なので許容範囲内である。問題となるのは、１００ｍｍ開口に示された測定値である。このとき、キャパシタ値が３．４７ｐＦと、１００ｍｍ±１０ｍｍのときに比して約３倍の変動を示している。

したがって、ケーブル３として２線式のケーブルを使用するときは、２線が開口しておらず、等間隔に平行配置されたペア線、あるいは２線が螺旋状に撚り合わされたツイストペア線であれば、インダクタ値およびキャパシタ値の要求精度を満足するといえる。

また、ケーブル３として同軸ケーブルを使用しないことにより、同軸ケーブルを用いた場合に必要となるインピーダンス整合のための整合回路も不要となる。即ち、ケーブル３とアンテナ部２との接続部および／またはケーブル３と変復調部４との接続部にインピーダンス整合を行なう電気部品を配置する必要がなく、回路規模を小さく、安価に構成することができる。

以上のように、ＲＦＩＤ制御装置１のアンテナ部２の配置自由度を、上述のように簡単な構成のケーブル３を用いることで大きくすることができる。よって、ＲＦＩＤタグ１１の配置に関わらず、共通のＲＦＩＤ制御装置１を使用できるようになるため、ＲＦＩＤ制御装置およびこれを用いたＲＦＩＤシステム全体の開発コストを大幅に削減することができる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

例えば、上述の実施形態では、複数のアンテナ部２および変復調部４を備えたＲＦＩＤ制御装置１について説明したが、１つのアンテナ部２および変復調部４を備えたＲＦＩＤ制御装置に適用することも可能である。

本発明に係るＲＦＩＤ制御装置を有するＲＦＩＤシステムの構成を示すブロック図の一例である。 アンテナ部と変復調部との間にケーブルを有しない場合の回路構成の一例である。 アンテナ部と変復調部との間にケーブルを接続した場合の回路構成の一例である。 （ａ）図３に示したケーブルの等価回路をアンテナ部の回路に取り込んだ様子を示す回路構成の一例である。（ｂ）ケーブルの等価回路とループ部の等価回路を合成して合成ループ部の等価回路とした場合の回路構成の一例である。 相互インダクタンスの説明のための図である。 ループアンテナの一例を示す図である。 ケーブルの開口状態を説明するための図である。 従来のＲＦＩＤシステムの構成を示すブロック図の一例である。 従来のＲＦＩＤシステムの構成を示すブロック図の他の例である。 従来のＲＦＩＤシステムにおける交信中継装置の構成を示すブロック図の一例である。

符号の説明

１ ＲＦＩＤ制御装置
２ アンテナ部
３ ケーブル
４ 変復調部
５ リード・ライト部
６ コントローラ部
７ 共振回路
８ ループ部の等価回路
９ ケーブルの等価回路
１０ 合成ループ部の等価回路
１１ ＲＦＩＤタグ
２０ ホストコンピュータ
２１ インターフェース

Claims (8)

1. ＲＦＩＤタグを通信対象としてリードおよび／またはライトの制御を行なうＲＦＩＤ制御装置であって、
   前記ＲＦＩＤタグと信号の送受信を行うアンテナと、
   前記アンテナに対して信号の変復調動作を行なうと共に、所定の共振周波数が設定された変復調部と、
   前記アンテナと前記変復調部とを接続する同軸構成でない２線式のケーブルとを備え、
   前記アンテナと前記ケーブルとの前記共振周波数近傍における各キャパシタ値と各インダクタ値から合成キャパシタ値と合成インダクタ値を求め、
   前記ケーブルの長さを次式（１）、
   ｆ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ）） …（１）
   ただし、ｆ：共振周波数、Ｃ：合成キャパシタ値、Ｌ：合成インダクタ値
   を満たすように設定することを特徴とするＲＦＩＤ制御装置。
2. 前記ケーブルは、２線が平行配置されたペア線、あるいは２線が撚り合わされたツイストペア線であることを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤ制御装置。
3. 前記ケーブルは、フレキシブルプリント基板に配置されたパターンであることを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤ制御装置。
4. 前記ケーブルは、前記フレキシブルプリント基板に配置されたパターンレイアウトによりキャパシタ値および／またはインダクタ値が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のＲＦＩＤ制御装置。
5. 前記ケーブルは、ケーブルの長さを設定する前の全ケーブル長さにおいて、任意の箇所で単位長さあたりのキャパシタ値とインダクタ値が一定であることを特徴とする請求項２から４までのいずれかに記載のＲＦＩＤ制御装置。
6. 前記各アンテナは１枚の基板上に配置されたループアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤ制御装置。
7. 前記ケーブルと前記アンテナとの接続部および／または前記ケーブルと前記変復調部との接続部にインピーダンス整合を行なう電気部品を配置しないことを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤ制御装置。
8. ＲＦＩＤタグと、該ＲＦＩＤタグを通信対象としてリードおよび／またはライトの制御を行なうＲＦＩＤ制御装置からなるＲＦＩＤシステムであって、
   前記ＲＦＩＤ制御装置は、
   前記ＲＦＩＤタグに設けられるタグ側アンテナと信号の送受信を行う装置側アンテナと、
   前記装置側アンテナに対して信号の変復調動作を行なうと共に、所定の共振周波数が設定された変復調部と、
   前記装置側アンテナと前記変復調部を接続する同軸構成ではない２線式のケーブルとを備え、
   前記装置側アンテナと前記ケーブルとの前記共振周波数近傍における各キャパシタ値と各インダクタ値から合成キャパシタ値と合成インダクタ値を求め、
   前記ケーブルの長さを次式（２）、
   ｆ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ）） …（２）
   ただし、ｆ：共振周波数、Ｃ：合成キャパシタ値、Ｌ：合成インダクタ値
   を満たすように設定することを特徴とするＲＦＩＤシステム。

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