JP2012235204A - アンテナ装置およびｒｆｉｄシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 無線タグとの安定した通信を確保することができるアンテナ装置およびＲＦＩＤシステムを得る。
【解決手段】 所定の周波数の電磁波を漏洩し、この電磁波を用いて近接された無線タグとの通信を行う伝送線路と、前記伝送線路の一端に接続可能な複数の負荷と、前記複数の負荷の中から前記伝送線路に接続される負荷を切替える切替手段と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、無線タグと通信して物品管理を行うＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムとそれに用いられるアンテナ装置に関するものである。

ＲＦＩＤは、電波を用いて人や物品などを自動的に識別する技術であり、近年その応用範囲が拡大している。特にＵＨＦ（Ultra High Frequency）帯を用いたＲＦＩＤでは複数の無線タグを一括して読み取ることができることから物品管理システムとしての応用が可能であり、棚卸等の作業の効率化が期待されている。

ＲＦＩＤリーダに用いられるアンテナとして、例えば特許文献１に挙げるアンテナが知られている。特許文献１には、当該アンテナが先端を終端した伝送線路を有しており、無線タグを近接させて容量結合または電磁誘導によりアンテナと無線タグが近接した場合のみに通信を行うことが開示されている。

特開２０１０−１６４４５号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
物品管理システムに用いられるアンテナの設置場所や管理対象となる物品は様々である。無線タグが取り付けられる物品は紙、プラスチック、液体の入った容器などがあり、その比誘電率は大きく異なる。そのような物品が当該アンテナに近接した場合、アンテナを構成する伝送線路の特性インピーダンスが変化し、特性インピーダンスの不連続部が生じて線路内に定在波が生じる。その結果、アンテナの近傍電界強度に分布が生じ、無線タグの位置によっては通信が成立しなくなる。このことは、特に無線タグを密集させて配置する用途で大きな課題となっていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、管理物品がアンテナに近接することによるアンテナ性能劣化を抑制し、無線タグを密集するような用途においても、無線タグとの安定した通信を確保することができるアンテナ装置およびＲＦＩＤシステムを得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、
所定の周波数の電磁波を漏洩し、この電磁波を用いて近接された無線タグとの通信を行う伝送線路と、
前記伝送線路の一端に接続可能な複数の負荷と、
前記複数の負荷の中から前記伝送線路に接続される負荷を切替える切替手段と、
を備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、無線タグとの安定した通信を確保することができるアンテナ装置およびＲＦＩＤシステムを得られるという効果がある。

この発明の実施の形態１によるＲＦＩＤシステムを示す構成図 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図 この発明の実施の形態１による他のアンテナ装置を示す構成図 この発明の実施の形態１による他のアンテナ装置を示す構成図 この発明の実施の形態１によるＲＦＩＤシステムの動作を示す説明図 この発明の実施の形態１によるＲＦＩＤシステムの動作を示す説明図 この発明の実施の形態１による切替装置を示す構成図 この発明の実施の形態１によるＲＦＩＤシステムの動作を示す説明図 この発明の実施の形態１によるＲＦＩＤシステムの動作を示す説明図 この発明の実施の形態２によるＲＦＩＤシステムを示す構成図

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムを示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図中、１はＲＦＩＤシステム、２はアンテナ、３は通信装置、４は伝送線路、５は同軸ケーブル、６は切替手段である切替装置、７は信号線、８は負荷、９は物品、１０は無線タグである。

図１のＲＦＩＤシステム１において、アンテナ２と切替装置６と負荷８により、アンテナ装置が構成されている。

この実施の形態では、ＲＦＩＤを用いた物品管理システムにおいて、書類や書籍のような薄型の物品を一括管理する例を説明する。ＲＦＩＤシステム１はアンテナ２と通信装置３を備え、アンテナ２には少なくとも１つの伝送線路４が形成されており、その一端は通信装置３に同軸ケーブル５を介して接続されている。伝送線路４のもう一方の端には切替装置６が接続され、切替装置６には少なくとも２つの負荷８が接続されている。切替装置６の制御を行うため、通信装置３と切替装置６は信号線７により接続されている。アンテナ２上には管理対象である複数の物品９が設置されている。物品９のそれぞれには無線タグ１０が取り付けられる。

アンテナ２に形成された伝送線路４は、線路の途中に屈曲部や不連続部を含む形状を有しており、そこからわずかに電磁波の電界が漏洩するように設計されている。伝送線路から漏れた電界が近接された無線タグ１０のアンテナと結合することにより、無線タグ１０に電力が供給されて無線タグ１０が動作する。これにより、無線タグ１０と通信装置３の間で通信が成立し無線タグ１０に内蔵されたメモリへの読み書きが行われる。無線タグ１０に内蔵されたメモリには物品９の情報などが書き込まれており、また、新たに情報が書き込まれたりする。

切替装置６は同軸リレーのように外部から所定の電圧を印加することにより接続状態を切り替えられる装置が用いられる。切替装置６を制御するための電圧は信号線７を通じて通信装置３から供給される。

切替装置６には複数の負荷８が接続されている。これらの負荷８は、切替装置６により接続状態を切替えることにより、いずれも伝送線路４に接続可能となっている。切替装置６に接続される少なくとも２つの負荷８は互いに異なる所定の抵抗値を有しており、アンテナ２の裏面に設けられたグランドに終端されている。抵抗値は０Ω（短絡）から∞Ω（開放）までの任意の大きさを選ぶことができるが、抵抗値のうちの１つは伝送線路４の特性インピーダンスと概略等しくすることが望ましい。

物品９に取り付けられる無線タグ１０は伝送線路４からの漏洩電界と結合するためのアンテナを備えている。無線タグ１０内のアンテナは図示していないが、このアンテナにはダイポールアンテナ、マイクロストリップアンテナなどが用いられる。無線タグ１０の物品９への取り付け位置は、例えば書籍の場合では、背表紙に埋め込んだり、表紙の裏側に貼付したりすることが考えられる。

次にアンテナ２の動作を説明する。
図２はアンテナ２に形成された伝送線路４の形状を表す模式図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は正面図である。図２において、１１はアンテナ２の基板の裏面に設けられたグランド、１２は給電点である。図２では切替装置６とそれにより切り替えられる負荷８を簡略化して負荷Ｌで表している。また、伝送線路４の進行方向をｘ軸、幅方向をｙ軸、高さ方向をｚ軸とする。
伝送線路４は、アンテナ２の基板を介してグランド１１と所定の間隔を隔てて配置された線状導体であり、給電点１２には同軸ケーブル５が接続され、伝送線路４とグランド１１の間に所定の周波数の交流電圧が印加される。

伝送線路４から電界を漏洩させるための形状として、ここでは伝送線路４は矩形状に屈曲させた形状（メアンダ状）としている。このほかの形状としては例えば図３に示すように線路の途中に不連続部１３を有する形状が考えられる。また、伝送線路４は矩形状に屈曲させた形状だけではなく、屈曲部を半円状にしたり、直角以外の角度で折り曲げた形状にするなどしても良い。

アンテナ２の実効的な面積を大きくするには、これらのように伝送線路４を蛇行状に屈曲させ、蛇行幅を大きくした形状にすることが望ましい。さらに、図４に示すように、伝送線路４を複数設けたものを用いることもできる。図４では、給電点１２から分岐した２本の伝送線路４を設けてアンテナ２を構成している。伝送線路４の給電点１２とは逆の一端には、図中Ｌで示す負荷８が切替装置６を介して接続される。すなわち、図４の複数の伝送線路４は負荷８が接続される一端とは逆の端部において互いに接続されている。

図４の構成では、伝送線路４の長さを一定に保ったままアンテナ２の実効的な面積を大きくすることができる。これにより、伝送線路４の損失を一定以下に保てるので、損失の小さいアンテナ装置を得ることができる。伝送線路４は２本に限らず３本以上とすることもできる。

以下では、伝送線路４の形状を矩形状に屈曲させたメアンダ状とし、伝送線路４を１本設けた場合を例としてアンテナ２の動作を説明する。

給電部１２に交流電圧を印加すると伝送線路４に電流が流れ電磁波が伝搬する。伝搬する電磁波による電荷は負荷Ｌに到達する。負荷Ｌのインピーダンスが伝送線路４の特性インピーダンスに等しい場合、負荷Ｌで電力が消費され、反射波は生じない。このような構成は進行波アンテナの一種と考えられる。図２（ｂ）に示すメアンダ状線路の線路幅Ｗ、間隙幅Ｐ、メアンダ状線路の横幅Ｄなどの値により、線路からの電界の放射特性が変化する。

所定の周波数において、伝送線路４を伝搬する電磁波の波長をλとする。アンテナ２の基板の誘電率の影響などにより、伝送線路４内での電磁波の波長λは、自由空間での波長よりも一般には短くなっている。この種のシステムでは、一般に所定の周波数として８００ＭＨｚから１ＧＨｚの間の電磁波を用いることが多い。

ここでは一例として、線路幅Ｗ＝０．０６λ、間隙幅Ｐ＝０．０９λ、横幅Ｄ＝０．３６λとした場合における伝送線路４の中心線上ｚ＝３０ｍｍでの電界強度分布を図５に示す。電磁波の周波数は９５３ＭＨｚとしている。このとき、伝送線路４を伝搬する電磁波の波長λは１６６ｍｍであり、伝送線路４の特性インピーダンスは２２Ωである。この例での場合、横幅Ｄは０．３６λなので０．５λより小さい。また、伝送線路４の中心線のメアンダ形状に沿った１周期の長さは０．９λであり、１λより短くなっている。なお、負荷Ｌのインピーダンスは伝送線路４の特性インピーダンスと一致させている。

図５では電界強度を各成分に分けて表示しており、図５（ａ）がｘ成分、図５（ｂ）がｙ成分、図５（ｃ）がｚ成分を表している。各成分ともｘ軸方向の位置に対して変動の小さい電界分布となっている。これは、無線タグ１０をアンテナ２上に配置した場合、アンテナ２上の水平方向の位置によらず安定した通信が行えることを意味している。さらに、電界の各成分が分布していることから、無線タグ１０の向きがどの方向を向いていても通信が可能である。

別の例として、横幅Ｄ＝０．７２λとした場合におけるｚ＝３０ｍｍでの電界強度分布を図６に示す。線路幅Ｗ、間隙幅Ｐなどは、図５に示した場合と同一である。この場合では、横幅Ｄは０．７２λなので０．５λより大きい。また、伝送線路４の中心線のメアンダ形状に沿った１周期の長さは１．６２λであり、１λより長くなっている。負荷Ｌのインピーダンスはやはり伝送線路４の特性インピーダンスと一致させている。図６でも図５と同様に、図６（ａ）がｘ成分、図６（ｂ）がｙ成分、図６（ｃ）がｚ成分を表している。図６では、図６（ｂ）に示す電界のｙ成分が特に小さくなっている。これは横幅Ｄが長すぎたことにより、伝送線路４の線路が互いに近接する部分を流れる電流が逆相となり、放射を妨げたためと考えられる。

このように、伝送線路４は所望の電界分布が得られるように線路幅Ｗ、間隙幅Ｐ、横幅Ｄを適切に設計する必要がある。このような蛇行状の線路の場合には、蛇行状の線路に沿った蛇行状１周期の線路の長さを１λ以下、蛇行幅である線路の横幅を０．５λ以下とすることが望ましい。

次に、負荷Ｌのインピーダンスが伝送線路４の特性インピーダンスと異なる場合について説明する。

アンテナ２上に配置される物品９は紙、プラスチック、液体の入った容器など様々な材質が考えられる。これらは特有の比誘電率を有し、その値は数〜数十と異なる。このような材質がアンテナ２の伝送線路４に近接すると、伝送線路４の特性インピーダンスが変化する。その結果、負荷Ｌのインピーダンスとの不整合が生じ、負荷Ｌからの反射波（後進波）が発生する。この反射波は、給電点１２から負荷Ｌに向かう入射波（前進波）と干渉して定在波を生じる。定在波はその振幅が強い位置と弱い位置が時間的に変化しない分布であるため、振幅が弱い位置に無線タグ１０が配置されると安定した通信ができなくなる場合がある。

これを解決するため、負荷Ｌのインピーダンス値は物品９の材質に応じて変化する伝送線路４の特性インピーダンスに合わせることが最適であるが、それに代わる手段として、この発明の実施の形態１では切替装置６を負荷Ｌの位置に設けている。切替装置６は外部からの電圧印加によりスイッチ動作をする装置であり、図７（ａ）に示すように１つの入力端１４と少なくとも２つの出力端１５−１、１５−２、…、１５−ｎを有し、図７には図示していないが外部からの電圧印加により入力端１４と出力端の接続状態を選択できるようになっている。なお、３つ以上の出力を切り換える場合には、図７（ｂ）に示すように出力が２つの切替装置を組み合わせるなどして構成しても良い。切替装置６のそれぞれの出力端には異なるインピーダンス値を持つ負荷Ｌ−１、Ｌ−２、…、Ｌ−ｎが接続されている。

このように、切替装置６により、複数の負荷８の中から伝送線路４に接続する負荷８を選択して切り替えることにより、アンテナ２の終端負荷の値を変えることができる。切替装置６で切り替える負荷８は１つとは限らず、複数の負荷８の中から２つ以上の負荷８を選択して伝送線路４に接続することもできる。この際、伝送線路４への接続の仕方は、直列接続、並列接続、直列接続と並列接続の組み合わせなどにしても良い。複数の負荷８は全て異なる値のインピーダンスを有するものでなくてもよく、接続の仕方によって、伝送線路４の終端負荷の値が実質異なるようにできるものであれば良い。

このように、負荷Ｌのインピーダンスの選び方には自由度があり、伝送線路4の近傍に何も置かれていない状態での特性インピーダンスと等しい値（反射係数Γ＝０）に加え、短絡（反射係数Γ＝−１）、開放（反射係数Γ＝１）などが考えられる。開放や短絡も、この種のアンテナ装置には一般に用いられる負荷８の１つである。特に、開放と短絡では定在波の振幅の強い位置と弱い位置が反転する関係にあるため、切替の効果が高くなる。なお、負荷８の値は、特性インピーダンス、開放、短絡、に厳密に等しくする必要はなく、反射係数Γの値が近似的に所要の値となるものであれば良い。

図８は伝送線路４からの高さｚ＝３０ｍｍにおける電界分布（電界振幅）をｘ−ｙ平面上に示した図であり、図８（ａ）は負荷Ｌを開放とした場合、図８（ｂ）は負荷Ｌを短絡とした場合である。明るく示されている部分が電界が強い領域を表しており、暗い部分が電界が弱い領域を表している。定在波が生じることにより、電界が強い領域と弱い領域がｘ方向に対して周期的に繰り返されているが、負荷Ｌが開放の場合と短絡の場合でその強弱が反転したような分布になっている。したがって負荷Ｌのインピーダンスを開放と短絡で切り換えればアンテナ２上の電界分布を変化させるのに効果的である。

無線タグ１０を各雑誌の表紙裏に貼付した厚さ１０ｍｍ前後の書籍を物品９とし、これを２９冊アンテナ２の上に隙間なく立てて並べた場合についてタグの読み取り試験を実施した結果を図９に示す。無線タグ１０に内蔵されたアンテナの向きは、ＲＦＩＤシステム１のアンテナ２に対して垂直（ｚ方向）である。負荷Ｌのインピーダンスを伝送線路４の特性インピーダンスと等しくした場合（整合）、開放とした場合、短絡とした場合の３つを切替装置６により切り替えている。図９において、応答した無線タグを○印、応答しなかった無線タグを×印で表している。いずれか１つの状態では応答しない無線タグがあるが、３つの状態を切り替えることにより、いずれかの状態を選べば、すべてのタグとの通信が成立しており、タグ読み取りの信頼性が向上していることがわかる。切替装置６の切替は通信装置３から信号線７を通じて電圧を印加することにより制御することで極めて短時間に行うことができるので、作業効率の低下には至らない。

このように、この発明の実施の形態１によれば、切替装置６を用いてアンテナ２の先端に接続する負荷を切り替えることにより、アンテナ２上に発生する電界分布を変化させることができるので、物品９が密集してアンテナ２上に設置されてアンテナ２の性能が変化してしまうような場合においても、タグ読み取りの信頼性が高いＲＦＩＤシステムを得ることができる。

アンテナ２の製造方法としては、誘電体基板を用いてエッチング加工により伝送線路を構成する方法が適用可能である。伝送線路４と同時に信号線７もエッチング加工によりパターニングすることが可能であり、切替装置６を表面実装型のスイッチ、負荷Ｌをチップレジスタとすれば、これらを１つの誘電体基板上に構成することができる。これにより量産性が向上し低コスト化につながる。

なお、アンテナ２を、図４に示したように、複数の伝送線路４からなる構成にした場合、切替装置６は、それぞれの伝送線路４に設けてもよいし、少なくとも１つの伝送線路４に設けても良い。また、複数の伝送線路４のうち、少なくとも２つの伝送線路４の終端部を再び１つに接続し、ここに切替装置６を接続しても良い。

以上のようにこの発明の実施の形態１によれば、無線タグとの安定した通信を確保することができるアンテナ装置およびＲＦＩＤシステムを得られるという効果がある。

なお、実施の形態１では、伝送線路４を蛇行状に屈曲させた形状にしたものを示したが、これに限らず伝送線路４を直線状やらせん状など種々の形状とすることもできる。また、アンテナ２のグランド１１を平面状とし、伝送線路４とグランド１１を所定の誘電率を有する基板に固定したものを示したが、これに限らず伝送線路４として電磁波が伝送するものであればアンテナ２の形状や材質は問わない。例えば中空に配置された伝送線路４でもよい。また、アンテナ２は、書籍や物品を配置する棚などに一体化されたものであっても良い。切替装置６に接続する負荷８は抵抗であっても良いし、インピーダンスに虚数部を有する値のものであっても良い。以上の場合でも、本実施の形態と同様の効果が得られる。

実施の形態２．
図１０はこの発明の実施の形態２に係るＲＦＩＤシステムの構成を説明するため構成図である。図１０において、実施の形態１と同様のものは前述と同一符号を付して説明を省略する。図中、１６は装置である。

実施の形態２に係るＲＦＩＤシステムが実施の形態１と相違する点は、切替装置６を制御するための信号線７を省略し、切替装置６の出力を自律的に切り替える機能を持つ装置１６を備えている点である。図１０では、切替装置６と装置１６により切替手段を構成している。それ以外の動作については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１では切替装置６を制御するために、通信装置３から直流電圧を出力して信号線７を通じて切替装置６に電圧を印加していた。これは通信装置３において行う通信のタイミングと切替装置６の制御の同期をとることができる点において有効である。一方、物品管理システムのように通信装置３と無線タグ１０が常時または長い時間通信を行うようなシステムにおいては、その間の適当な時間間隔で切替装置６を切り替えれば十分である。

この発明の実施の形態２では、装置１６により切替装置６の出力を自律的に切り替える機能を有している。装置１６は電子回路等により小形に構成することができ、アンテナ２を誘電体基板上に構成すれば、これと一体化することも可能である。装置１６を動作させるための電源は、電池などを備えてもよいし、直流電圧を伝送線路４から供給するようにしたものであっても良い。

このような構成とすることで、信号線７を省略しても切替装置６の出力を切り替えることができるので、実施の形態１と同様の動作により、タグ読み取りの信頼性の高いアンテナ装置およびＲＦＩＤシステムを得ることができる。

さらに、この発明の実施の形態２では、小形なアンテナ装置およびＲＦＩＤシステムを得ることができる効果がある。

１ ＲＦＩＤシステム、２ アンテナ、３ 通信装置、４ 伝送線路、５ 同軸ケーブル、６ 切替装置、７ 信号線、８ 負荷、９ 物品、１０ 無線タグ、１１ グランド、１２ 給電点、１３ 不連続部、１４ 入力端、１５ 出力端、１６ 装置

Claims (9)

1. 所定の周波数の電磁波を漏洩し、この電磁波を用いて近接された無線タグとの通信を行う伝送線路と、
   前記伝送線路の一端に接続可能な複数の負荷と、
   前記複数の負荷の中から前記伝送線路に接続される負荷を切替える切替手段と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記伝送線路は蛇行状に屈曲した形状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。
3. 前記伝送線路が複数設けられ、これら複数の伝送線路が、前記複数の負荷が接続される一端とは逆の端部において互いに接続されている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。
4. 前記伝送線路を伝搬する前記所定の周波数の電磁波の波長をλとするとき、前記伝送線路に沿った蛇行状１周期の長さが１λ以下であることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
5. 前記伝送線路を伝搬する前記所定の周波数の電磁波の波長をλとするとき、前記伝送線路の蛇行幅は０．５λ以下であることを特徴とする請求項２または請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記所定の周波数は８００ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のアンテナ装置と、
   前記アンテナ装置に接続され、前記アンテナ装置を介して前記無線タグへの信号を送信するとともに、前記アンテナ装置を介して前記無線タグからの信号を受信する通信装置と、
   を備えたことを特徴とするＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システム。
8. 前記切替手段は、前記伝送線路に接続される負荷を、前記通信装置により制御されて切替えることを特徴とする請求項７に記載のＲＦＩＤシステム。
9. 前記切替手段は、前記伝送線路に接続される負荷を自律的に切替えることを特徴とする請求項７に記載のＲＦＩＤシステム。

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