JP2013033460A - Icタグ付き軸受装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外輪1と内輪2の間に転動体3を介在させた転がり軸受10が備える金属体Mに非接触交信型のICタグ20を取付けたICタグ付き軸受装置において、ICタグ20は、そのICタグ20が備えるタグ側アンテナ24と、外部のリーダライタ装置が備えるリーダライタ側アンテナとの間で磁気閉回路を形成することで外部からの情報の交信が可能であり、ICタグ20は、金属体Mの表面に開口する孔11内に収容されて、タグ側アンテナ24は少なくとも二つの突出部22a,22cを有してその各突出部22a,22cが孔11の開口側へ臨み、各突出部22a,22cから伸びる磁束が、孔11の開口の縁よりも内側を通って孔11の外部へ至ることで、ICタグ20とリーダライタ装置との情報の交信が可能となる前記磁気閉回路を形成できる構成とした。
【選択図】図1
Description
なお、一般に、導電率の高い素材(例えば、金属材料)や、透磁率の大きい素材(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(磁性材料)等からなる素材)に、ICタグのアンテナから発信される磁束を通過させると、タグの感度を低下させてしまうことが知られている。以下、これらのタグの感度を低下させる素材を「金属体」と総称する。
このため、ICタグ101のアンテナから発信される磁束は、図中の矢印のように、金属体Mを比較的短い距離で通過し、外部のリーダライタ装置のアンテナ(図示せず)へ至りやすいようになっている(例えば、特許文献3参照)。
読取り可能範囲にICタグ101が存在すると、リーダライタ側アンテナ114からの磁界をICタグ101のアンテナ(以下、「タグ側アンテナ」と称する)104が受け取り、ICチップ103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、リーダライタ装置110のアンテナ回路とICタグ101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、同時に整合させる回路113が組み込まれている。
すなわち、リーダライタ側アンテナ114から発射された磁束ループが金属体を横切ることによって渦電流を発生し、それが金属体のショートサーキット内で熱として消費される。この結果、RFIDタグに伝達されるエネルギーが減少する。また、RFIDタグからリーダライタ側アンテナ114への返答も、同様にエネルギーが減少するので、通信距離が短くなったり、全く通信できない状態になる。
一般的に、ICタグ101の通信距離を延ばすために、共振周波数でのQ(品質係数)は適度に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、ICタグ101の感度が低下する。
この対策としては、共振周波数の変化を前もって補正するよう、共振回路の共振周波数を調整することが有効である。また、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。上記第一の問題に対する対策で有効であった磁性体シートを挟む手法により、インダクタンスを増加方向に調整することが可能であるので、すべての影響を考慮した上で共振周波数を調整する必要がある。
このリーダライタ装置は、前記ICタグのタグ側アンテナと情報の送受信が可能なリーダライタ側アンテナを備えたものである。すなわち、前記タグ側アンテナの突出部から伸びる磁束が、金属体に設けた孔の開口の縁よりも内側を通って、そのリーダライタ側アンテナとの間で磁気閉回路を構成できるものである。リーダライタ装置及びリーダライタ側アンテナは、その磁気閉回路を通じて情報の交信ができる限りにおいて、種々の構成を採用できる。
例えば、リーダライタ側アンテナの構成として、タグ側アンテナと同様に、少なくとも複数の突出部を有して、その各突出部が、タグ側アンテナの各突出部に対向する構成とすることができる。
リーダライタ装置が備えるリーダライタ側アンテナと、ICタグが備えるタグ側アンテナとを繋ぐ磁束を、その両アンテナ内に閉じ込めてしまい、周囲に漏らさないような形が取れれば、その磁気閉回路が周囲の金属体の影響を受けないようにできる。
この発明は、これらの仕組みを応用し、リーダライタ側アンテナとタグ側アンテナとで2つのコイルを用いたものであり、すなわち、その2つのコイル(導体から成る線材)を、それぞれ、磁気閉回路を構成する透磁率の大きい素材から成るコアに巻いた構造のタグシステムを構成するようにしたものである。
このことは、既に説明した、近傍に金属体(前記導電物質や前記磁性体等)がある場合のIC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。
なお、透磁率の大き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、RFIDタグのコアと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い小さくなる。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、コイルの巻き数を調整することが望ましい。
この状態でも、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素材の端面(前記突出部の端面)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、周囲の金属体の影響を受けないRFIDシステムとなる。
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チップを駆動するエネルギとして、リーダのアンテナから放射される磁界からの電磁誘導によってRFIDタグのコイルに発生する誘導電気をその動力源としている。
磁束密度が決まると、コイルの巻き数nとコイルの断面積Sによって、発生する電圧が決まる。
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。
コイル両端に発生する電圧Vは、次式で表される。
n:コイル巻数
S:コイルの断面積
B:磁束密度
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で、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。
同様に、小型のアンテナサイズで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できた。
なお、コアの透磁率としては、1〜2000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。
ここで、ICタグのアンテナとリーダライタのアンテナとの間隔を0〜5mmに設定し、コアの外形を幅2〜6mm、肉厚を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。
このとき、例えば、前記タグ側アンテナ及び前記ICチップが、筒状を成すケーシング内に収容されて構成され、前記各突出部の端面が前記ケーシングの筒軸方向一方の開口側へ臨む構成を採用することができる。
あるいは、前記タグ側アンテナ及び前記ICチップが、ケーシングに設けた凹部内に収容されて構成され、前記各突出部の端面が前記凹部の開口側へ臨む構成を採用することができる。
なお、このケーシングは、金属製であっても樹脂製であってもよいが、前記タグ側アンテナの突出部が臨む側を閉じたケーシングを用いる場合には、少なくともその閉じる側の素材は、感度を低下させない素材、例えば、樹脂製であることが望ましい。
充填材を用いれば、タグ側アンテナ及びICチップがケーシングに対してしっかりと固定されるので、ICタグの耐久性がより高まる。また、その充填材によって、ケーシング内への異物の侵入をより確実に防止できる。なお、この充填材の素材としては、例えば、樹脂又はゴム等を採用することができる。
ケーシングが金属体の孔に対してねじ込み固定であれば、ICタグの金属体への取付けが容易である。また、そのケーシングのねじ込み量(孔の深さ方向に対するねじ込み量)を増減することにより、ICタグのタグ側アンテナの位置(深さ)を、金属体の表面に対して調整することができる。このため、タグの感度調整も容易になる。
ICタグの収容スペースとしては、例えば、その頭部に凹部を形成しておき、ICタグのタグ側アンテナやICチップを、その頭部の凹部に収納することができる。あるいは、そのねじ形成部と頭部とを前記ねじ込み方向に貫通する孔を形成しておき、ICタグのタグ側アンテナやICチップを、その孔内に収容することができる。
この実施形態では、複列の円すいころ軸受を採用しているが、円筒ころ軸受、玉軸受等の他の種別の転がり軸受を採用してもよい。
また、外輪1に取付けられたICタグ20に記憶された情報を読み取る場合には、同じく、そのIC20にリーダライタ装置40を接近できる程度にまで、転がり軸受10やその周辺の部材を分解した後、行うこととなる。
もちろん、部品の分解を伴わずに、ICタグ20にリーダライタ装置40を接近できる場合には、その分解は不要である。
また、そのフラット面同士は同一面内にあることが望ましいが、必ずしも同一面内にある構成には限定されず、タグの感度が許容される限りにおいて、フラット面同士の位置関係(前記突出方向や、突出部22a,22c同士を結ぶ方向等への位置関係)や向きは自由に設定できる。
通常、リーダライタのアンテナ端子はインピーダンス50Ωで設計されているので、アンテナコイルのインダクタンスをマッチング回路の働きで50Ωに整合することで、リーダライタの出力を効率よくアンテナに伝送し、またタグからの信号を減衰することなくリーダライタに入力することが可能となる。
すなわち、例えば、ICタグ20のタグ側アンテナ24の一の突出部22aから出た磁束は、対向するリーダライタ装置40のリーダライタ側アンテナ44の一の突出部42aに殆ど吸収され、そのリーダライタ側アンテナ44の他の突出部42cから出た磁束は、対向するタグ側アンテナ24の他の突出部22cに殆ど吸収される。このため、ICタグ20が金属体Mに埋め込まれても、周囲の金属体Mの影響を受け難く、リーダライタ装置40と確実に交信を行うことができる。
また、本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。
充填材aを用いれば、タグ側アンテナ24及びICチップ23がケーシング30に対してしっかりと固定されるので、ICタグ20の耐久性がより高まる。また、その充填材aによって、ケーシング30内への異物の侵入をより確実に防止できる。なお、この充填材aの素材としては、例えば、樹脂又はゴム等を採用することができる。また、このケーシング30内への充填材aの素材を、接着剤とすることもできる。
各コア22,42に巻回される線材21,41は、同方向に向かって直線状に突出する3本の突出部22a,22c;42a,42cのうち、それぞれ中央の突出部22a,42aに巻回される。
また、中央に位置する円柱状の一の突出部22aと、両側の弧状の突出部22cとは、円盤状を成す基部22bで連結されている。
また、中央に位置する円柱状の一の突出部42aと、両側の弧状の突出部42cとは、円盤状を成す基部42bで連結されている。
通常、リーダライタのアンテナ端子はインピーダンス50Ωで設計されているので、アンテナコイルのインダクタンスをマッチング回路の働きで50Ωに整合することで、リーダライタの出力を効率よくアンテナに伝送し、またタグからの信号を減衰することなくリーダライタに入力することが可能となる点は同様である。
また、そのフラット面同士は同一面内にあることが望ましいが、必ずしも同一面内にある構成には限定されず、タグの感度が許容される限りにおいて、フラット面同士の位置関係や向きは自由に設定できる。
すなわち、このポット型のコア22,42を採用したICタグ20、及びリーダライタ装置40は、全方位タグとして機能し得るものであり、ICタグ20タグ側アンテナ24とリーダライタ側アンテナ44とのアンテナ中心を合わせれば十分であり、双方の中心軸周りに関しては無指向性で角度合わせが不要となるので、読み取り作業が容易で、かつ確実になる。
なお、タグ側アンテナ24とリーダライタ側アンテナ44とは同一の形状、同一の大きさが一般的であるが、例えばリーダライタ側アンテナ44をタグ側アンテナ24に比べて大きくしたり、又はその逆の組み合わせでも十分機能することが可能である。
このため、ケーシング30をねじ込んで、そのケーシング30の底を孔11の底にぴったりと面接触させれば、その接触面間の摩擦力によって、ケーシング30の緩み止めに寄与し得る。
この点、従来は、一般的なICタグ101を、図のように上下方向を向いたリーダライタ装置のリーダライタ側アンテナと対向して水平に置いたときに、その通信距離は最大となり、垂直に置くと感度はほぼ0となって、通信することができないものであった。
この発明のリーダライタ側アンテナ44を利用することによって、垂直に置かれたICタグ101を最大感度をもって読み書きすることができるRFIDシステムを実現すことが可能となった。
2 内輪
3 転動体
4 保持器
10 転がり軸受
11 孔
20,101 ICタグ
21 線材
22 コア
22a 突出部(一の突出部)
22b 基部
22c 突出部(他の突出部)
22d 端面
22e 切欠部
23,103 ICチップ
24,104 タグ側アンテナ
30 ケーシング
31 凹部
32 雄ネジ部
33,36 操作部
34 接着剤溜まり
35 内面
40,110 リーダライタ装置
41 線材
42 コア
42a 突出部(一の突出部)
42b 基部
42c 突出部(他の突出部)
42d 端面
42e 切欠部
43,113 リーダライタ
44,114 リーダライタ側アンテナ
45,115 マッチング回路
121 座繰り穴
121a 底
121b 開口
A 軸
H ハウジング
M 金属体
a,b 充填材(接着剤)
c 接着剤
Claims (13)
- 外輪(1)と内輪(2)の間に転動体(3)を介在させた転がり軸受(10)が備える金属体(M)に非接触交信型のICタグ(20)を取付けたICタグ付き軸受装置において、
前記ICタグ(20)は、そのICタグ(20)が備えるタグ側アンテナ(24)と、外部のリーダライタ装置が備えるリーダライタ側アンテナとの間で磁気閉回路を形成することで外部からの情報の交信が可能であり、
前記ICタグ(20)は、前記金属体(M)の表面に開口する孔(11)内に収容されて、前記タグ側アンテナ(24)は少なくとも複数の突出部(22a,22c)を有してその各突出部(22a,22c)が前記孔(11)の開口側へ臨み、前記各突出部(22a,22c)から伸びる磁束が、前記孔(11)の開口の縁よりも内側を通って前記孔(11)の外部へ至ることで、前記ICタグ(20)と前記リーダライタ装置との情報の交信が可能となる前記磁気閉回路を形成できることを特徴とするICタグ付き軸受装置。 - 前記少なくとも複数の突出部(22a,22c)は透磁率の大きい素材から成るコア(22)に設けられて、その複数の突出部(22a,22c)は基部(22b)で連結されており、前記ICタグ(20)は、前記基部(22b)又は前記突出部(22a,22c)に導体から成る線材(21)を巻回して前記タグ側アンテナ(24)を構成するとともに、ICチップ(23)を前記線材(21)の両端部に接続したものであることを特徴とする請求項1に記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記コア(22)は、トロイダルコアを周方向に沿って複数に分割した形状であることを特徴とする請求項2に記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記少なくとも複数の突出部(22a,22c)は透磁率の大きい素材から成るコア(22)に設けられて、その複数の突出部(22a,22c)は基部(22b)で連結されて一の突出部(22a)が他の突出部(22c)に囲まれており、前記ICタグ(20)は、前記一の突出部(22a)に導体から成る線材(21)を巻回して前記タグ側アンテナ(24)を構成するとともに、ICチップ(23)を前記線材(21)の両端部に接続したものであることを特徴とする請求項1に記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記ICタグ(20)は、前記タグ側アンテナ(24)及び前記ICチップ(23)が筒状を成すケーシング(30)内に収容されて構成され、前記突出部(22a)の端面(22d)が前記ケーシング(30)の筒軸方向一方の開口側へ臨むことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一つに記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記ICタグ(20)は、前記タグ側アンテナ(21)及び前記ICチップ(23)が、ケーシング(30)に設けた凹部(31)内に収容されて構成され、前記各突出部(22a,22c)の端面(22d)が前記凹部(31)の開口側へ臨むことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一つに記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記タグ側アンテナ(24)及び前記ICチップ(23)と、前記ケーシング(30)の内面との間の空間に充填材(a)を配置したことを特徴とする請求項5又は6に記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記充填材(a)は、樹脂又はゴムであることを特徴とする請求項7に記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記ICタグ(20)は、前記孔(11)内に接着剤(b,c)で固定されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記ケーシング(30)は、前記孔(11)内に接着剤(b,c)で固定されていることを特徴とする請求項5乃至8のいずれか一つに記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記孔(11)の底に凹状の接着剤溜まり(34)を設け、前記接着剤(c)は、その接着剤溜まり(34)内に配置されることを特徴とする請求項9又は10に記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記ケーシング(30)の外周に雄ネジ部(32)を設け、前記ケーシング(30)は、その雄ネジ部(32)によって前記孔(11)にねじ込み固定されることを特徴とする請求項5乃至8、10又は11のいずれか一つに記載のICタグ付き軸受装置。
- 前記雄ネジ部(32)と前記孔(11)の内面との間に接着剤(c)を配置したことを特徴とする請求項12に記載のICタグ付き軸受装置。
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