JP2013015982A - Ｒｆｉｄタグ及びｒｆｉｄシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 金属体に埋め込まれても、リーダライタとの間で確実にデータを送受信することができるＲＦＩＤタグ及びＲＦＩＤシステムを提供する。
【解決手段】 透磁率の大きい材料から成るポット型コア１２に導体から成る線材１３を巻き回してアンテナ１４を構成すると共に、ＩＣチップ１５をアンテナ１４の両端部に接続してＲＦＩＤタグ１１を構成する。リーダライタ２１のアンテナ２４として、ＲＦＩＤタグ１１と同様、ポット型コア２２に線材２３を巻き回して構成したものを使用し、ＲＦＩＤタグ１１のポット型コア１２の軸心と、リーダライタ２１のアンテナ２４のポット型コア２２の軸心とを合致させて対向させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、導電率の高い物体（例えば金属体）や透磁率の高い物体（例えば鉄、ニッケル、コバルトや各種化合物、センダスト、カーボニル鉄、フェライト等から成る物体）に埋め込んでも、確実にデータを書き込み、又、読み取ることができるＲＦＩＤタグ及びＲＦＩＤシステムに関するものである。

近年、物品の識別、管理等において、導電性を有する金属箔や銅線等をコイル状に巻き回したアンテナにＩＣチップを装着したタグと、このＩＣチップにデータを書き込み、読み取りするリーダライタとから構成され、非接触でデータの交信を行うＲＦＩＤ ( Radio Frequency Identification ）システムが広く採用されている。

しかし、ＲＦＩＤシステムでは、ＲＦＩＤタグを導電性を有する物体や金属体、あるいは透磁率の高い物体（以降、これら全てを金属体と呼ぶ）に貼り付け、埋め込んで使用すると、タグアンテナが生成する磁束が金属体によって影響を受け、タグの感度が大幅に低下して、リーダライタとの間でデータの交信を行うことができない、あるいは通信距離が大幅に短くなるという問題点があった。
又、リーダライタのアンテナに関しても、金属体に埋め込んで使えるものや小型なものは、上記と同様な理由により実現できなかった。

そこで、このような問題点を解消すべく、金属体にスリットを形成し、タグアンテナが生成する磁束に対してショートサーキットが形成されないようにし、データの交信を行うことができるようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
又、タグと金属体の間に磁性シート（フェライトシート等）を挟む、あるいは、金属体に埋め込むタイプのタグでは、磁性体でタグを包み込む様にして金属体の影響を防ぐような工夫がなされている。

又、棒状の磁性体コアに銅線等を巻き回したタグアンテナを金属体に埋め込み、タグアンテナが生成する磁束密度を上げて、タグアンテナとリーダライタのアンテナとの結合度を高めることによりデータの交信を行うことができるようにしたものが知られている（特許文献２参照）。

特開平２００７−１６２８０５号公報 特開平２００９−２７８２９２号公報

しかし、特許文献１に記載の方法では、スリットを形成することが許されない金属体には適用することができない。
又、特許文献２に記載の方法では、金属体との間に十分なギャップが取れない場合や、磁性体コアの外径が小さい場合には、磁束密度が十分ではなく結合度が低くなり、データの交信を行うことができない。

本発明は、かかる問題点に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは、 スリットを形成することが許されない金属体であっても、ＲＦＩＤタグとリーダライタのアンテナの寸法が小さくならざるを得ない場合であっても、又、リーダライタのアンテナが同様に金属体に接するかあるいは埋め込まれ、かつアンテナの寸法が小さくならざるを得ない場合であっても、リーダライタとの間で確実にデータを送受信することができるＲＦＩＤタグ及びＲＦＩＤシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のＲＦＩＤタグは、透磁率の大きい材料から成るポット型コアに導体から成る線材を巻き回してアンテナを構成すると共に、ＩＣチップを前記アンテナの両端部に接続したことを特徴とする。
又、リーダライタのアンテナも、上記ＲＦＩＤタグと同様な構造を有することを特徴とする。

通常のＲＦＩＤシステムは図７のような構成を有している。
すなわち、離れた位置から、そして広い範囲にある、多くのＲＦＩＤタグ１０１を同時に読むという要求を満たすために、リーダライタ１１１のアンテナ１１２はある程度大きく作られている。そして、この構造のアンテナ１１２から、読み取りに必要な１３．５６ＭＨｚの磁界が自由空間に広い範囲に渡って放出される。
読取り可能範囲にＲＦＩＤタグ１０１が存在すると、リーダライタ１１１のアンテナ１１２からの磁界をＲＦＩＤタグ１０１のアンテナ１０２が受け取り、内部ＩＣ１０３の駆動電力を得るとともに、必要な処理を行い、結果のデータを、受け取った磁界を変調することにより返送する。
このシステムが有効に機能するよう、リーダライタ１１１のアンテナ回路とＲＦＩＤタグのアンテナ回路とを動作周波数である１３．５６ＭＨｚに正しく同調し、同時に整合させる同調回路１１３が組み込まれている。

このシステムの近傍に金属等の導電物質や磁性体がある場合に、ＲＦＩＤタグ１０１の性能が低下する原因は幾つか存在する。

第１に、近傍の導電物質がリーダライタ１１１のアンテナ１１２とＲＦＩＤタグ１０１のアンテナ１０２に対してショートサーキットを形成してしまい、アンテナ１１２の磁界を減ずるように働き、ＲＦＩＤタグ１０１への伝送エネルギが減ってしまい、感度が低下することである。
この現象を防止するには、このショートサーキットを通る磁束の数を減らすことが効果的である。磁気シールドシートをＲＦＩＤタグ１０１と金属板の間に挟む等の対策は、このような理由による。

第２に、同調回路１１３の近傍に導電物質や磁性体が存在すると、共振周波数がずれてしまうという問題があげられる。
電磁気学の法則から、導電物質に磁束が通ると、同調回路１１３のインダクタンスが実質的に小さくなり、共振周波数が高くなってしまう。
反対に磁性体に磁束が通ると、透磁率に比例して磁束は増えるため、実質的なインダクタンスが大きくなり、共振周波数は低くなってしまう。
一般的に、ＲＦＩＤタグ１０１の通信距離を延ばすために、共振周波数でのＱは大きく設定されているので、周波数が一致している時には、伝送効率が高くなっているが、周波数がずれてしまうと、極端に効率が低くなり、ＲＦＩＤタグ１０１の感度が低下する。
この対策としては、金属体との間に磁性体シートを挟み金属体の影響を小さくする方法がある。この際に、磁性体によって共振周波数がずれるので、事前に共振周波数を補正する必要がある。

上記の各対策をとっても、金属体や磁性体の影響を完全に無くすことは難しく、一般的に感度は低下する。
又、以上の対策を取っても、アンテナのサイズが極端に小さかったり、金属体や磁性体との距離を十分取れない場合は、確実に動作するＲＦＩＤシステムを作ることは不可能であった。

そこで我々は、発想を変えて、磁束を金属体や磁性体に通さない方法を検討した。すなわち、リーダライタのアンテナとＲＦＩＤタグのアンテナを繋ぐ磁束を閉じ込めてしまい、周囲に漏らさないような形が取れれば、周囲の影響を全く受けることがなくなる。
電力や信号の高効率な伝達手段として、トランスやコイルが広く知られている。これらは、１次側のコイルにより発生した磁束を効率良く２次側コイルに導くために、磁束が通りやすい、つまり透磁率が空気に比べて高い珪素鋼板やフェライトコアを使って磁束を閉じ込め、効率良く伝達する仕組みである。

この仕組を応用し、リーダライタのアンテナとＲＦＩＤタグのアンテナを２つのコイルとして、磁気閉回路を構成する磁性体のポット型コアに巻いた構造のタグシステムを考案した。
リーダライタのアンテナコイルから発生した磁束は、透磁率の大きい磁性体を使うことによって、通常の空気中で使うアンテナに比べて大きな磁束密度となり、結合係数も大きくなる。
又、この磁束は、透磁率が空気に比べて高い磁性体のコア内部に大部分が閉じ込められるため、外部への漏れ磁束が小さくなる。
このことは、すでに説明した、近傍に導電物質や磁性体がある場合のＲＦＩＤタグの性能が低下する理由である、漏れ磁束の悪影響をほぼ完全に取り除く効果がある。

同様のことがＲＦＩＤタグのアンテナにも言える。
リーダライタのアンテナコイルを巻いたポット型コアとＲＦＩＤタグのアンテナコイルを巻いたポット型コアとを対向させた構造にしたとしても、接触している場合は勿論、若干のギャップが有った場合でも、結合係数は下がり、共振周波数もずれるが、十分に動作可能となる。
この状態でも、ポット型コアの一端から出た磁束が空気に比べて透磁率が大きい磁性体の端面に吸い込まれるイメージとなり、漏れ磁束は十分に小さく、周囲の影響を受けないＲＦＩＤシステムとなる。

前記ポット型コアは、磁性体の粉体としてフェライト、カーボニル鉄、鉄、ニッケル、コバルト、又はそれらの化合物等の磁性材料を使用し、焼結又は成型させたものが好ましい。
コアの透磁率としては、２〜２０００であるのが好ましいが、実際的には、２〜１００であれば問題はない。

又、本発明のＲＦＩＤシステムは、リーダライタのアンテナとして、前記ＲＦＩＤタグと同様に、ポット型コアに導体から成る線材を巻き回してアンテナを構成したものを使用し、前記ＲＦＩＤタグのポット型コアの軸心と、前記リーダライタのアンテナのポット型コアの軸心とを合致させて対向させたことを特徴とする。
軸心に関して回転対称な形状のポット型コアをリーダライタのアンテナとＲＦＩＤタグのアンテナの両方に採用することで、両者の軸心回りの位置がどのような角度に設定されても、磁気的な結合は良好に保持される。
このことは、固定されたＲＦＩＤタグに移動できるリーダライタのアンテナを近づけて読み書き動作を行う際に、両者の軸心を合致させるだけで、軸心の回転方向の角度合わせが不要となることを意味する。

ここで、前記ＲＦＩＤタグのアンテナと前記リーダライタのアンテナとの間隔を０〜５ｍｍに設定し、前記ポット型コアの直径を２〜６ｍｍ、高さを１〜４ｍｍに設定して、確実に動作するＲＦＩＤシステムを実現することができた。

本発明のＲＦＩＤタグは、ポット型コアの中心部から出た磁束は、対向するリーダライタのアンテナのポット型コアの中心部に殆ど吸収され、反対側の周辺部から出た磁束は、対向するＲＦＩＤタグの他方のポット型コアの周辺部に殆ど吸収されるから、金属体に埋め込まれても、周囲の金属体の影響を受け難く、リーダライタのアンテナと確実に交信を行うことができる。
そして、軸心に関して回転対称な形状のポット型コアをリーダライタのアンテナとＲＦＩＤタグのアンテナの両方に採用することで、両者の軸心回りの位置がどのような角度に設定されても、磁気的な結合は良好に保持される。

又、ポット型コアは、夫々の極が軸芯に対して同心円状に配置されているから、ＲＦＩＤタグのポット型コアの軸心と、前記リーダライタのアンテナのポット型コアの軸心とを合致させて対向させるだけでよく、円周方向の位置を合致させる必要はなく、ＲＦＩＤタグのポット型コア及び前記リーダライタのアンテナのポット型コアの位置設定は容易で、
組み付けを迅速に行うことができる。

又、ポット型コアは、Ｃ型やＥ型コアに比較して、コア断面積を大きくとることができるため、磁気回路の効率を高くすることができ、延いては、ＲＦＩＤタグシステムの性能を向上させることができる。製造上の観点からも、巻線の製造と組み込みが容易で、ＩＣチップの実装も簡便である、という有利な作用、効果を奏する。

さらに、リーダライタのアンテナモジュールとＲＦＩＤタグモジュールは、耐熱性、耐薬品性及び耐水性の高い材質を選ぶことによって、医療器具に求められる洗浄、滅菌工程を繰り返し行なっても機能に影響が生じないＲＦＩＤシステムを実現することができた。

ポット型コアに導体からなる線材を巻き回したアンテナの平面図である。 本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを構成するポット型コアを対向させた状態の外観斜視図である。 本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを金属体に埋め込んだ状態の一実施例を示す断面図である。 ペン型延長アンテナの正面図である。 ペン型延長アンテナの分解正面図である。 本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを歯科用ハンドピースに適用した状態を示す分解正面図である。 従来のＲＦＩＤシステムの動作を示す説明図である。

以下、本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、ポット型コアに導体からなる線材を巻き回したアンテナの平面図、図２は、本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを構成するポット型コアを対向させた状態の外観斜視図、図３は、本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを金属体に埋め込んだ状態の一実施例を示す断面図である。

本発明のＲＦＩＤタグ１１は、図１及び図２に示すように、中心部に突出部１２ａを形成し、周辺部に外壁部１２ｂを形成してなるポット型コア１２に、導体からなる線材１３を巻き回してアンテナ１４を構成すると共に、ＩＣチップ１５を線材１３の両端部と接続したものである。

ここで、ポット型コア１２とは、磁性体の粉体を焼結して壺状に形成したものであり、磁性体の粉体としては、カーボニル鉄、フェライト等の各種磁性材料を使用することができる。
ポット型コア１２は透磁率が高いので、これに導体からなる線材１３を巻き回してコイル状とすると、導線コイルから発生した磁束の大部分がコア内に留まり、磁束が殆どコア外に洩れることがない。

よって、図２及び図３に示すように、ポット型コア１２に導体からなる線材１３を巻き回したものを、その軸芯が合致するように対向させれば、一方のポット型コア１２の一端部から放射した磁束は、対向する他方のポット型コア２２の一端部に殆ど吸収され、他方のポット型コア２２の他端部から放射した磁束は、対向する一方のポット型コア１２の他端部に殆ど吸収される。

従って、本発明のＲＦＩＤタグ１１は、金属体１に埋め込まれても、周囲の金属体１の影響を受け難く、同一構造のリーダライタ２１のアンテナ２４と確実に交信を行うことができる。

次に、ＲＦＩＤタグ１１の小型化について説明する。
電池等の電源を内蔵しないパッシブタイプのＲＦＩＤタグでは、タグのＩＣチップを駆動する動力源として、リーダのアンテナにより形成される磁界による電磁誘導によってＲＦＩＤタグのコイルに発生する誘導電圧を用いる。
磁界の磁束密度Ｂが決まると、コイル両端に発生する電圧Ｖは、コイルの巻き数ｎとコイルの断面積Ｓによって決まり、次式で表される。

Ｖ：発生電圧
ｎ：コイルの巻数
Ｓ：コイルの断面積
Ｂ：磁束密度

使用するＩＣチップの特性から、動作に必要な最低端子電圧が決っているので、タグを小型にしていくと、コイルの断面積Ｓが小さくなり、電圧が足りなくなってしまう。よって、動作可能な最小のコイル径が決まり、さらにコイルを小型にしようとすると、さらに磁束密度を上げる必要がある。
本発明では、タグ側アンテナとリーダ側アンテナに、透磁率の高い材料を使った磁気閉回路を採用したことによって、小型のアンテナでリーダ側アンテナに加える電力が小さくとも、タグ側アンテナにＩＣチップが動作可能な電圧を得ることができるようにした。同様に、小型のアンテナであっても、タグ側からの応答信号も効率よく伝送することが可能である。
以上の原理により、今まで実現不可能であった小型のＲＦＩＤタグを実現することが出来た。

なお、透磁率の高い磁性材料で出来た一組のコアにコイルを巻くと、コイルのインダクタンスが増加するが、その増加する割合は、タグ側アンテナのコアとリーダ側アンテナのコアが密着した状態で一番大きく、両者のギャップが大きくなるに従って小さくなる。この係数はインダクタンス係数（ＡＬ）と呼ばれている。
このように、両コアのギャップの大きさによりコイルのインダクタンスが変化するので、通信距離が最大となる位置で、最適なインダクタンスが得られるように、コイルの巻き数ｎを調整することが望ましい。

また、本発明のＲＦＩＤタグシステムで採用した閉磁気回路技術（Closed Magnetic Loop Technology）のさらなる利点として、アンテナから放射する磁束をコア内部に閉じ込める効果が大きく、その結果、アンテナ端から自由空間に放射される電磁気エネルギが小さいことが挙げられる。このことは、本システムが他の電子機器に与える影響が非常に小さいことを意味する。

本発明のリーダライタ２１のアンテナ２４は、図２及び図３に示すように、ＲＦＩＤタグ１１と同様、ポット型コア２２に、導体からなる線材２３を巻き回して構成したものであり、線材２３の両端は、金属体２内に形成された通孔又は空間を挿通して、リーダライタ２１のマッチング回路２５へと接続されている。

ここで、ポット型コアは、夫々の極が軸芯に対して同心円状に配置されているから、ＲＦＩＤタグ１１のポット型コア１２の軸心と、前記リーダライタ２１のアンテナ２４のポット型コア２２の軸心とを合致させて対向させるだけでよく、円周方向の位置を合致させる必要はなく、ＲＦＩＤタグ１１のポット型コア１２及び前記リーダライタ２１のアンテナ２４のポット型コア２２の位置設定は容易で、組み付けを迅速に行うことができる。
同様に、リーダライタアンテナ２４を使ってＲＦＩＤタグ１１を読み取る場合も、リーダライタアンテナ２４の軸心に対する角度を調整する必要がないため、迅速に読み取ることができる。

又、ポット型コアは、Ｃ型やＥ型コアに比較して、コア断面積を大きくとることができるため、磁気回路の効率を高くすることができ、延いては、ＲＦＩＤタグシステムの性能を向上させることができる。製造上の観点からも、巻線の製造と組み込みが容易で、ＩＣチップの実装も簡便である。

リーダライタアンテナ２４を手で持ちやすいように、図４及び図５に示すような、円柱パイプ形状のホルダに組み込んだペン型延長アンテナ３１を構成するようにしてもよい。
ペン型延長アンテナ３１は、手で保持する本体部のパイプ３２の先端部に、ポット型コアのアンテナ２４を金属スリーブ３４に収めたアンテナユニット３３を先端チップ３５を介して固定したものである。
アンテナユニット３３から延出されたアンテナ端子３６，３６は、アンテナ整合回路基板３７に接続される。アンテナ整合回路基板３７上にはアンテナ回路を入り切りするためのスイッチ３８が実装されており、その上に配置したボタン３９を押下することにより、アンテナ回路は電気的に接続される。そして、アンテナ整合回路基板３７は、スペーサ４０によってパイプ３２の内部に配置、固定されている。
アンテナ整合回路の出力コード４１は、接続された同軸ケーブル４２によって、ペン型延長アンテナ３１の後端部から外部に引き出され、リーダライタ２１に接続される。

次に、本発明のＲＦＩＤタグ１１及びリーダライタ２１のアンテナを歯科用ハンドピースに適用した場合について、図面を参照して詳細に説明する。
図６は、歯科用ハンドピース及びカップリングを示す正面図である。

歯科医師は、モータ内蔵ハンドル５２とアタッチメント５３とから構成されるハンドピース５１を使用して、患者の歯を掘削、研磨等して治療を行う。治療中には、アタッチメント５３を種々交換し、治療後には、使用したアタッチメント５３を洗浄、滅菌等する。
ハンドル５２の先端部には、エアーチューブ、電気コードを接続するカップリング５４が組み込まれており、これに異なるアタッチメント５３を連結することもある。

歯科医師は、短時間のうちに多数の患者を治療することもあり、同時に複数の患者を交互に治療することもある。このように多忙な際には、モータ内蔵ハンドル５２に間違ったアタッチメント５３を装着したり、未だ洗浄、滅菌していないアタッチメント５３を装着することも起こり得る。

そこで、アタッチメント５３にＲＦＩＤタグ１１を設置し、モータ内蔵ハンドル５２にリーダライタのアンテナ２１を設置して、モータ内蔵ハンドル５２に適切な種類の、又、洗浄、滅菌したアタッチメント５３を装着することが考えられる。

しかし、モータ内蔵ハンドル５２及びアタッチメント５３は金属体であるから、従来の方法ではＲＦＩＤタグを適用することができない。勿論、精密で、内部に冷却用の空気を通すため密閉する必要が有る、又、高価なものであるから、スリットを形成することはできず、設置場所が狭いから、タグとアンテナの外径は小さくならざるを得ない。

そこで、アタッチメント５３の端面にＲＦＩＤタグ１１を埋め込んで設置し、モータ内蔵ハンドル５２の端面にリーダライタ２１のアンテナ２４を埋め込んで設置する。
尚、エアー駆動型のハンドルについても、同様に、ＲＦＩＤタグ１１、リーダライタ２１のアンテナ２４を設置して、適用することができる。

かかる構成によれば、一方のポット型コア１２の一端部から放射され磁束は、対向する他方のポット型コア２２の一端部に殆ど吸収され、他方のポット型コア２２の他端部から放射した磁束は、対向する一方のポット型コア１２の他端部に殆ど吸収されから、ＲＦＩＤタグ１１とリーダライタ２１のアンテナ２４との間で確実に交信を行うことができる。

尚、モータ内蔵ハンドル５２とアタッチメント５３との接続端面は、殆ど接触状態であるから、ＲＦＩＤタグ１１とリーダライタ２１のアンテナ２４との間隔は殆ど０であるが、５ｍｍ程度までは十分に交信することができる。
そして、間隔が０〜５ｍｍ程度であれば、ポット型コアの直径２ｍｍ、高さ１．５ｍｍ程度の超小型タグであつても、十分に機能する。

又、本発明のＲＦＩＤタグ１１及びリーダライタ２１のアンテナ２４は、歯科用ハンドピース及びカップリングに適用できるのみならず、金属、導電性プラスチック等の材料から成り、部材同士を端面で嵌合する物体に広く適用することができる。

１１ ＲＦＩＤタグ
１２ ポット型コア
１３ 線材
１４ アンテナ
１５ ＩＣチップ
２１ リーダライタ
２２ ポット型コア
２３ 線材
２４ リーダライタのアンテナ
５１ ハンドピース
５２ モータ内蔵ハンドル
５３ アタッチメント
５４ カップリング

Claims (7)

1. 透磁率の大きい材料から成る、中心部の磁極とその円周状に配置した対磁極とを有するポット型コアに導体から成る線材を巻き回してアンテナを構成すると共に、ＩＣチップを前記アンテナの両端部に接続したことを特徴とするＲＦＩＤタグ。
2. 前記アンテナとリーダライタのアンテナとが磁気閉回路を形成することを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤタグ
3. 前記コアの透磁率は、２〜２００００であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＲＦＩＤタグ。
4. 前記コアは、磁性体の粉体としてフェライト、カーボニル鉄、鉄、ニッケル、コバルト又はそれらの化合物等の磁性材料を使用し、焼結又は成型させたものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のＲＦＩＤタグ。
5. リーダライタのアンテナとして、請求項１に記載のＲＦＩＤタグと同様、ポット型コアに導体から成る線材を巻き回してアンテナを構成したものを使用し、前記ＲＦＩＤタグのコアの軸心と、前記リーダライタのアンテナのコアの軸心とを合致させて対向させたことを特徴とするＲＦＩＤシステム。
6. 前記ＲＦＩＤタグと前記リーダライタ用アンテナとの間隔を０〜５ｍｍに設定し、前記コアの直径を２．０〜５０ｍｍ、高さを１．５〜２０ｍｍに設定したことを特徴とする請求項５に記載のＲＦＩＤシステム。
7. 中心軸に対して回転対称な形状を有するポット型コアをＲＦＩＤタグのアンテナとリーダライタのアンテナの両方に採用し、両者の中心位置を合致させるだけで、中心軸に対する両者の回転方向の角度を合致させることなく、磁気的な結合が良好になる構成であることを特徴とするＲＦＩＤシステム。

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