JP2011085397A - Ｒｆｉｄタグの位置検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的小さい指向性ビームアンテナ装置を用いながら，検知分解能の高いＲＦＩＤタグの位置検知装置を提供すること。
【解決手段】測定対象であるＲＦＩＤタグからの電波を受信する指向性ビームアンテナを備え，該指向性ビームアンテナの向きを変化させながら前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定し，測定された受信強度の最大値の方向をＲＦＩＤタグの位置として位置検出するＲＦＩＤタグの位置検知装置であり，指向性ビームアンテナの向きのステップ状変化量（変化角度）を１回の変化角度内に１つ以上のＲＦＩＤタグが入るような量に選ぶことで，ＲＦＩＤタグの位置を正しく検出することができるＲＦＩＤタグの位置検知装置。
【選択図】図3

Description

本発明は，ＲＦＩＤタグの位置検知装置に係り，特に，複数のＲＦＩＤタグの位置を正しく認識することで工場に置かれている素材や部品を間違えずに選択することのできるＲＦＩＤタグの位置検知装置に関するものである。

近年，ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグに対して電波で無線通信を行うＲＦＩＤシステムが広まりつつあり，バーコードを置き換えるものとして，物流の分野や，製造の分野で期待を集めており，近い将来において普及することが予想されている。
２００５年にＵＨＦ帯ＲＦＩＤが解禁され２〜５ｍも離れたＲＦＩＤタグを検知することが可能となり，一度に複数のＲＦＩＤタグを読書きすることの出来るタグの世界標準規格も制定された為，ＲＦＩＤは世界中に普及しつつある。

２００８年にはＵＨＦ帯ＲＦＩＤタグがミラーサブキャリア方式を使う場合に電波を連続的に送信する事が可能となる電波法の規制緩和が行われたので，タグの検知速度・タグの検知率も大幅に向上し，0.1秒前後で複数のタグを検知してタグからの電波の受信電力強度まで測定できるＲＦＩＤリーダーも登場したので，日本でも工場や生産ラインでのＲＦＩＤの導入が大いに進むと期待されている。

現状のＲＦＩＤリーダーでは指向性が固定されたアンテナを送受信に使用しているが，特許文献１に紹介されている電子走査アンテナ装置のように，複数のアンテナ素子群に，それぞれ異なる位相差を与える移相器等を介して電波を供給することにより，レーダーのように指向性ビームの向きを振って指向性の向きを上下左右に振りスキャンするアンテナを使えば，スキャンの向き毎にタグが検知・非検知となる事で，ＲＦＩＤタグの方向を推定する事も出来る。
ここでは，このようなアンテナをビームスキャンアンテナと呼ぶことにする。

特公昭５２−２５７０６号公報

このようにビームスキャンアンテナを使えば，ＲＦＩＤタグの位置を推定することが可能となる。
素子数が少なく指向性の緩いビームスキャンアンテナを使うと，位置の分解能は粗くなり大まかな位置しか分らないが，素子数が多く指向性の鋭いビームスキャンアンテナを使えば，位置を正確に把握することが可能となる。
アンテナの指向性の鋭さは，アンテナからの電波の強さが，アンテナの正面での電波の強さの半分に下がる角度，すなわち半値幅で表すことが多い。
日本で認可されているＵＨＦ帯ＲＦＩＤの周波数は９５３ＭＨｚ帯でありその波長は約３００ｍｍである。
この為アンテナ素子の大きさは，使用する誘電体の比誘電率にもよるが２００ｍｍ角程度とかなり大きな物となる。これを上下左右に並べ２次元のスキャンが可能なビームスキャンアンテナを構成する。
ビームの指向性の鋭さは素子数を増やすほど鋭くなるが，例えば素子数を４×４とすると，アダプティブアンテナ装置の大きさは８００ｍｍ角と極めて大きなものとなってしまい，アンテナの取り付けも難しくなると共に材料費も加工費も嵩み，アンテナは極めて高価なものになってしまう。
アンテナの大きさと得られる指向性を２つの例で求めてみる。
アダプティブアンテナ装置の素子数を２×２とした場合，４００ｍｍ角のアンテナとなりアンテナ指向性半値幅は，
θ = 80 * (λ／Ｄ）＝ 80 * (300/400) = 60度となる。
素子数を４×４とした場合，８００ｍｍ角のアンテナとなりアンテナ指向性半値幅は，
θ = 80 * (λ／Ｄ)＝ 80 * (300/800) = 30度となる。

２×２素子のビームスキャンアンテナの指向性を６０度（正面±30度）振ったときアンテナの正面にあるＲＦＩＤタグの受ける電波の強度は，正面で最大となり-30度では半分＝-3dB，+30度でも半分＝-3dBとなる。
ＲＦＩＤタグは到来した電波の強度が十分強い時は応答するが，あるレベルより低いときは応答できないので，ＲＦＩＤリーダーの送信パワーを調整し，アンテナ正面ではＲＦＩＤタグが安定して検知出来るが，ＲＦＩＤタグの取り付け場所が正面からずれて，電波の強度が半分，すなわち 3dB 電波の強度が下がるとＲＦＩＤタグが検知不能となるように設定することが可能である。
２×２素子のビームスキャンアンテナでは，アンテナの正面にあるＲＦＩＤタグは，スキャンの向きが正面の時は検知出来るが，スキャンの向きが-30度では検知できず，+30度でも検知できないように設定できる。
この条件では，-30度の位置のタグは，スキャンの向きが-30度のときのみ検知でき，+30度の位置のタグは，スキャンの向きが +30度のときのみ検知できるようになりアンテナの正面を中心に，上中下・左中右＝３×３＝９個の領域のどこにＲＦＩＤタグがあるかを大まかに判断することが可能となる。

ところで，電波の強さは距離の二乗に反比例するので，ＲＦＩＤタグとアンテナの距離が1.4倍に広がると受ける電波の強度は半分になり，すなわち -3dB 下がり検知できなくなるのでＲＦＩＤタグとアンテナの間隔は，ほぼ同じ距離に保つ必要があり，タグの取り付け位置やタグを貼り付ける物の位置を選び，置き場所を調整する必要がある。
また，ＲＦＩＤタグの感度には，ある程度の個体差があるが，この用途では感度の揃ったＲＦＩＤタグを選別して使う必要がある。
また，ＲＦＩＤタグは水滴や鉄粉など電波を吸収するものが表面に積もると感度が下がるので雨などのかからない位置に置き，定期的に鉄粉などのゴミを掃除する必要がある。
さらに，実際の工場では，ＲＦＩＤタグの付いた部材が５本並んでいたら，その５本の部材の位置を把握する程度の分解能を要求されることが多い。
アンテナを大きくして，４×４素子のビームスキャンアンテナを使えばアンテナの指向性は2倍鋭くなり角度の分解能は２倍の30度になるので，同じ距離にあるタグなら，例えば左30度・左15度・正面・右15度・右30度×上30度・上15度・正面・下15度・下30度＝５×５＝２５の領域のどこにタグがあるかを判断することが可能となり，工場での部品の置き場管理に使えるレベルになるが，そのようなビームスキャンアンテナは，
８００ｍｍ角以上と大きくなってしまいアンテナを取り付ける場所を確保する事が極めて困難になってしまう。
また４×４＝１６素子のビームスキャンアンテナは８００ｍｍ角と大きいので誘電体や金属の材料も大量に必要となり，価格も極めて高価になってしまう。
本発明は，このような実情に鑑みてなされたものであり，比較的小さな，アンテナの半値幅の広いビームスキャンアンテナを使いながら位置検知の分解能を改善したＲＦＩＤ位置検出システムを得ることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明にかかるＲＦＩＤタグの位置検知装置は，測定対象であるＲＦＩＤタグからの電波を受信する指向性ビームアンテナを備え，該指向性ビームアンテナの向きを変化させながら前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定し，測定された受信強度の最大値の方向をＲＦＩＤタグの位置として位置検出するＲＦＩＤタグの位置検知装置として構成されている。
従って，本発明によれば，計算上，ＲＦＩＤタグの方向を受信電波強度の最大値の方向とみなすことができるので，ＲＦＩＤタグと指向性ビームアンテナとが実際に正面で向かい合っていなくても，ＲＦＩＤタグの位置を正しく検出することができる。例えば，従来のＲＦＩＤタグの位置検知方法では，ＲＦＩＤタグと指向性ビームアンテナとが実際に正面で向かい合っていることが前提であったので，アンテナの指向性の半値幅よりも細かくＲＦＩＤタグの位置を検出できなかったが，本発明では，ＲＦＩＤタグの位置をそれよりもはるかに細かく検出できる。また，電波の波長よりも短いピッチでＲＦＩＤタグが並んでいても，その位置や順序を正確に検出することができる。
上記のように本発明では，前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定するために変化させる指向性ビームアンテナの向きの変化が，離散的な飛び飛びの変化であっても問題なく測定可能である。離散性は，かならずしも定角度に離散している必要はない。
前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定するために変化させる指向性ビームアンテナの向きの変化は，１次元方向に限らず２次元方向の変化についても適用可能である。これによって線的あるいは面的に並んでいるＲＦＩＤタグについても高度に位置測定可能である。
本発明は，測定された受信強度の最大値の方向をＲＦＩＤタグの位置として検出するものであるが，上記最大値の検出方法としては，受信電波の強さを重さとした時の重心の位置をもってＲＦＩＤタグの位置とみなす方法が採用可能である。ＲＦＩＤタグが複数あれば，最大値の位置もＲＦＩＤタグの数と同じだけ検出される。
ＲＦＩＤタグの配置されている環境に基づいてサイドローブが発生することは避けることができない。このようなサイドローブの影響をなくすことが検知精度向上に必要である。サイドローブの影響をなくすために，指向性ビームアンテナのサイドローブ前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定するために変化させる指向性ビームアンテナの方向を該指向性ビームアンテナのサイドローブを受けない範囲に限定することが望ましい。

本発明は，ビームスキャナアンテナの向きを離散的に変化させて（スキャン），各ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度の最大となる位置を観測することでアンテナの半値幅より細かい分解能で，ＲＦＩＤタグの位置を認識することが出来る。従って，アンテナの指向性の半値幅よりも細かくＲＦＩＤタグの位置を検出でき，電波の波長よりも短いピッチでＲＦＩＤタグが並んでいても，その位置や順序を正確に検出することができる。
例えば，受信電力の測定回路は通常 0.1dB 程度の分解能で受信電力を測定できるのでアンテナの半値幅（3dB）より遥かに細かい角度分解能が得られる。
具体的には，使用する電波の波長（例えば３００ｍｍ）の半分（１５０ｍｍ）角の物品にＲＦＩＤタグを取り付けられ，物品が密着して並んでいるような状態でもＲＦＩＤタグの位置や順序を正しく認識できる。
またビームスキャンアンテナの指向性ビームをスキャンしながら，各ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定してやれば，ＲＦＩＤタグとアンテナ間の距離や，ＲＦＩＤタグの感度にばらつきがあっても，指向性ビームの正面に来た時に，各ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度が最大になる現象には変わりが無いので，距離の差異や，感度の差異の影響を相殺でき，
いつも正確にＲＦＩＤタグの位置を把握することが出来る。

本発明の一実施形態のかかるＲＦＩＤ位置検知装置全体の構成を示すブロック図。 ビームスキャナアンテナ４０の指向方向を上下・左右に振った（変動させた）時の受信電波の強度をグラフ表示した図。 １列に並んだ８個のＲＦＩＤタグからの電波の受信電波強度をプロットした図。 １列に並んだ８個のＲＦＩＤタグからの電波の受信電波強度の重心をプロットした図。 １列に並んだ８個のＲＦＩＤタグからの電波の受信電波強度の重心をプロットした図。 従来のアンテナの指向性のスキャン手法を示す図。 ＲＦＩＤタグ３が横８個×縦３段＝２４個並んでいる状態で測定した重心位置のプロット図。 ＲＦＩＤタグからの電波の受信電波強度をプロットした図。

以下，添付した図面を参照して，本発明を具体化した実施形態について説明し，本発明の理解に供する。

図１は，本発明の一実施形態にかかるＲＦＩＤ位置検知装置１の構成を示すブロック図である。
図に示すように，ＲＦＩＤリーダー／ライター２（以下，ＲＦＩＤリーダー２と記す）は，ＲＦＩＤ位置検知装置全体の制御と各演算を行うパソコンなどの演算装置５に接続されている。さらにＲＦＩＤリーダー２は，ビームスキャナアンテナ４０にも接続されている。上記演算装置５は，ビームスキャナアンテナ４０に設けられた複数のアンテナ群に，それぞれ異なる位相差を備えた電波を供給することで，レーダーのように指向性ビームの向きを変化させて発信電波の向きを変化させる。即ち，ビームスキャナアンテナ４０は本発明における指向性ビームアンテナの一例である。

ビームスキャナアンテナ４０からの電波は，その指向性ビームの向きを中心として物品４に貼られたＲＦＩＤタグ３に放射される。図１に示したこの実施形態では，横方向に８個，縦に３段の合計２４個の物品にそれぞれＲＦＩＤタグ３が貼り付けられている。各ＲＦＩＤタグ３には，０１〜２４という固有のＩＤが付与されている。
ＲＦＩＤタグ３は，ビームスキャナアンテナ４０からの電波を整流して電源とし，上記電波を内臓されているメモリに記憶されたＩＤ番号に従って上記電波を反射変調して，ＩＤ番号をＲＦＩＤリーダー２に返す。
ＲＦＩＤタグ３からの電波は，ビームスキャナアンテナ４０で受信されて，ＲＦＩＤリーダー２に送られ，ＲＦＩＤリーダー２内部の復調器で復調されＩＤ番号が検知されると共に，ＲＦＩＤリーダー２内部の受信電力測定回路（不図示）で，ＩＤ番号ごとに受信電力が測定される。

また演算装置５は，ＲＦＩＤリーダー２に，ビームスキャナアンテナ４０の指向性ビームの向きを指定し，各指向性の向きにおいて，各ＲＦＩＤタグ３からの電波を受信し，受信強度を読み取る。
こうして，各ＲＦＩＤタグ３からの受信電波中のＩＤ情報を検知することで，演算装置５は，どのＲＦＩＤタグ３からの受信電波か，及びそれがどの程度の強度かを知ることができる。

図２は，ビームスキャナアンテナ４０の指向方向を上下・左右に振った（変動させた）時の受信電波の強度をグラフ表示した図であり，受信電力の強い部分が山の高い部分に相当するようにプロットされている。
この例では，ビームスキャナアンテナ４０の指向性の向きを，
左右に７段階…０度，１０度，２０度，３０度，４０度，５０度，６０度
上下に７段階…０度，１０度，２０度，３０度，４０度，５０度，６０度に振り，合計７×７＝４９の向きでの受信電力をプロットしている。 即ち，この実施形態では，前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定するために変化させる指向性ビームアンテナの向きの変化が，離散的な飛び飛びの変化である。

このようにＲＦＩＤタグ３の指向性の向きは離散的であるが，この受信電力が最大となる向きにＲＦＩＤタグ３が存在すると考えることができる。
この場合，ビームスキャナアンテナ４０の指向性の向きを１０度ごとに離散的に変化させているので，ＲＦＩＤタグ３の検知分解能は１０度であるといえる。
このようにＲＦＩＤタグ３の検知分解能は，ビームスキャナアンテナ４０の指向性の向きの段階的変化によって決まるので，ビームスキャナアンテナ４０を５度ごとに変化させて検知すれば分解能は５度になる。
その場合，１３×１３＝１６９と検知回数が多くなり，検知に要する時間がほぼ３倍以上になるので，費やしてよい時間の大小に応じて，分解能を調整する必要がある。

この実施形態では，前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定するために変化させる指向性ビームアンテナの向きの変化が，離散的な飛び飛びの変化であって，各測定点での電力をもって受信電波の電力としているが，実際には，ビームスキャナアンテナ４０がＲＦＩＤタグ３の正面に来た時に受信電波の強度は最大となるはずであるから，この測定方法においての測定角度は，かならずしもＲＦＩＤタグ３の方向を厳密に示しているとは限らない。

そこでこの実施形態では，プロットされた受信電力の強度を重さとみなし，それらの点的な重さ分布から得られる重心の位置を最大受信電力の角度とみなすことで，ＲＦＩＤタグ３の位置検知精度を向上させる。これにより，離散的に計った電力位置から得られる前記ＲＦＩＤタグ３の位置計測方法より細かい角度分解能が得られる。
この手法を用いると，スキャンの手間は同じであるから所要時間は同じで，分解能を改善することができる。

図３は，ＲＦＩＤタグ３が，ＩＤ番号の順番に横に８個並んだ状態で，各タグ３からの受信電波強度の変化をプロットしたものであり，図４は，図３でプロットされた強度を重さとしてプロットされた波形の重心を求め，この重心の位置にＲＦＩＤタグ３があるものとしてＲＦＩＤタグ３の位置をそのＩＤ番号（０１〜０８）を付して示したものである。
図４を見ると確かに８つのＲＦＩＤタグ３がＩＤ番号の順に並んでいることが分り，実際に配置したＲＦＩＤタグ３の位置を正しく表していることが分る。
実験では１つの角度でのタグの検知に０．１秒を要するので，全体で９秒でタグの位置を特定することが出来た。

図４の実施形態では，上下左右にビームスキャナアンテナ４０の指向性を変化させ，２次元，即ち７×７＝４９の向きで受信電波を測定しているが，物品４が横方向にのみ並んでいるような場合には，上下方向は検知が不要であるので，左右７つの指向方向のみで足りる場合もありうる。
図５は，このような横１列に物品４が並べられている場合の受信電力の重心位置をＸ−Ｙ座標上に示したものである。ビームスキャナアンテナ４０の向きは１０度飛びで７段階に変化させている。
この場合，１つのタグについて０．ｌ秒必要として，全体で１秒弱しかかからないので，大幅な高速化が達成される。

図７は，ＲＦＩＤタグ３が横８個×縦３段＝２４個並んでいる状態で測定した重心位置のプロット図である。若干ゆがんでいるが，ＲＦＩＤタグ３のＩＤ番号はＲＦＩＤタグ３の配置位置に対応しており，タグの位置を正しく認識していることが分る。

図８はＲＦＩＤタグ３が横に８個×縦に３段＝合計２４個並んでいる状態で，タグＩＤ＝２１，２２，２３，２４の受信電波強度の山をプロットした図である。
タグＩＤ＝２１については大きな山が１つだけあるが，例えばタグＩＤ＝２４では，左手前の大きな山の対角の位置（右奥）に小さな山が見えている。
これはビームスキャンアンテナのサイドローブにより検知された山である。
一般に，指向性アンテナには，本来の指向方向を示すメインロ−ブの他に，利得はやや低いものの，メインローブとは異なる方向のサイドローブといわれる不要輻射のビームを出してしまう向きが存在する。サイドローブは，アンテナを取り付けた場所の周りに存在する金属物の反射の影響で発生する他，種々の原因（床面，机，側壁，天井など）で発生することが知られている。重心からＲＦＩＤタグ３の位置を求める場合，このようなサイドローブは，検出精度を低下させるので，サイドローブが発生する位置を避けた向きで電波を受信することが望ましい。
即ち，前記ＲＦＩＤタグ３からの電波の受信強度を測定するために変化させる指向性ビームアンテナ４の方向を該指向性ビームアンテナのサイドローブを受けない範囲に限定することが望ましい。

ＲＦＩＤタグ位置検出システムを工場などに設置するときは，最初に設定可能な広い範囲にＲＦＩＤタグ３を配置して，ビームスキャンアンテナ４０を設定可能な全ての指向性の向きに設定して，電波の受信電力強度の
山をプロットさせてやりメインローブによる大きな山だけが見えて，サイドローブによる小さな山は見えなくなるようにスキャンする角度の範囲を調整してやると，重心座標を正確に求めることが出来る。

前記ＲＦＩＤタグ３からの電波の受信強度を測定するために前記のように離散的に変化させるビームスキャナアンテナ４０の１回分の方向変化量を，前記ビームスキャナアンテナ４０と前記ＲＦＩＤタグ３との距離に応じて変化させることが望ましい。即ち，物品４の間隔が一定の時，ビームスキャンアンテナの指向性をスキャンする角度のステップは，ビームスキャンアンテナとＲＦＩＤタグの距離が近いときは広げ，前記距離が遠いときは狭めてやると，物品４の並びに見合った角度となる。
また物品４の間隔が広い時は，角度のステップを広くし，物品４の間隔が狭い時は，角度のステップを狭くしてやることが望ましい。

本発明に係るＲＦＩＤタグ位置検出システムは，ビームスキャンアンテナの指向性をスキャンして，ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を観測することでＲＦＩＤタグの位置をアンテナの指向性の半値幅より細かく認識することが出来るので，電波の波長より短いピッチでＲＦＩＤタグが並んでいても，その順序を把握することが可能となる。
例えば，使用する電波の波長300mmの半分＝150mm角の物品にＲＦＩＤタグが取り付けられ，物品が密着して並んでいるような状態でも，ＲＦＩＤタグの順序を正しく認識することが出来るのでフォークリフト用のパレットのような大きな物品だけでなく，卓上機器など個別の商品の
位置も正しく認識することが可能となる。

１…ＲＦＩＤ位置検知装置
２…ＲＦＩＤリーダー／ライター
３…ＲＦＩＤタグ
４…物品
５…演算装置
４０…ビームスキャナアンテナ

Claims (6)

1. 測定対象であるＲＦＩＤタグからの電波を受信する指向性ビームアンテナを備え，該指向性ビームアンテナの向きを変化させながら前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定し，測定された受信強度の最大値の方向をＲＦＩＤタグの位置として位置検出するＲＦＩＤタグの位置検知装置。
2. 前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定するために変化させる指向性ビームアンテナの向きの変化が，離散的な飛び飛びの変化である請求項１記載のＲＦＩＤタグの位置検知装置。
3. 前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定するために変化させる指向性ビームアンテナの向きの変化が，１次元或いは２次元方向の変化である請求項１あるいは２のいずれかに記載のＲＦＩＤタグの位置検知装置。
4. 受信電波の強さを重さとした時の重心の位置をもってＲＦＩＤタグの位置とみなすものである請求項１〜３のいずれかに記載のＲＦＩＤタグの位置検知装置。
5. 前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定するために変化させる指向性ビームアンテナの方向を該指向性ビームアンテナのサイドローブを受けない範囲に限定した請求項１〜４のいずれかに記載のＲＦＩＤタグの位置検知装置。
6. 前記ＲＦＩＤタグからの電波の受信強度を測定するために離散的に変化させる指向性ビームアンテナの１回分の方向変化量を，前記指向性ビームアンテナと前記ＲＦＩＤタグとの距離に応じて変化させるものである請求項１〜５のいずれかに記載のＲＦＩＤタグの位置検知装置。
   
   

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