JP2016162113A - 無線通信タグ及びタグ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人間自身が備える電気特性などの影響を抑制し、パッシブタイプの無線通信タグの性能を改善する技術を提供する。
【解決手段】チップとアンテナとを有するパッシブタイプのタグシートが所定の厚さの基板に添付され、前記タグシートの長手方向に沿って金属板が配置された無線通信タグ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線通信タグ及びタグ装置に関する。

マラソン競技では、多数のランナーをスタート地点、ゴール地点、さらには中継地点等において一意に識別し、順位や所要時間等を記録する必要がある。そこで、各ランナーを識別するための識別情報を記憶した無線通信タグをランナーに装着することが提案されている（特許文献１参照）。

ランナーに装着される無線通信タグには電池有りのアクティブタイプのものと、電池を内蔵しないパッシブタイプのものとがあるが、取り扱いの容易さにより後者がより好まれる。

特開２００６−２７１６１１号公報

しかしながら、パッシブタイプはアクティブタイプに比べて通信性能が落ちるため、性能の改善が求められている。また、マラソン競技では、タグをランナー自身が身につけるため、人間自身（生体組織）が備える電気特性やそれに影響を与える汗などを考慮する必要がある。

そこで本発明は、人間自身が与える電気特性などの影響を抑制し、パッシブタイプの無線通信タグの性能を改善する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決する一つの側面に対応する本発明は、チップとアンテナとを有するパッシブタイプのタグシートが所定の厚さの基板に添付され、前記タグシートの長手方向に沿って金属板が配置された無線通信タグである。

上記課題を解決する他の側面に対応する本発明は、上記の無線通信タグを少なくとも２つ組み合わせたタグ装置である。

本発明によれば、生体組織が備える電気特性等の影響を抑制したパッシブタイプ無線通信タグの性能を改善することができる。

本発明を適用する無線通信タグの外観構成の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する実験環境の一例を説明する図。 発明の実施形態に対応する、図２の実験環境において屋内で行った実験結果の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する、図２の実験環境において屋内で行った実験結果の他の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する、図２の実験環境において屋外で行った実験結果の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する、図２の実験環境においてタグの指向性に関する実験結果の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する、図２の実験環境において屋内で行った人体に装着した場合を想定した実験結果の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する、図２の実験環境において屋内で行った人体に装着した場合を想定した実験結果の他の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する、図２の実験環境において屋外で行った人体に装着した場合を想定した実験結果の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する、図２の実験環境において人体に装着した場合を想定したタグの指向性に関する実験結果の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する、クロスダイポール型のタグの構成の一例を示す図。 発明の実施形態に対応する、クロスダイポール型のタグの実験結果の一例を示す図。

以下、本発明の実施形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

［実施形態１］
本発明を適用する無線通信タグの外観構成の一例を図１（ａ）に示す。タグ１００は、無線通信用のタグシート１０１が基板１０２に貼り付けられるとともに、タグシートのアンテナ部分にそって長手方向に金属板１０３を有している。

タグシート１０１は、ＰＥＴ基盤上にアンテナ１１１が形成され、アンテナの一部にチップ１１２が接続された、パッシブタイプのＩＣタグである。パッシブタイプのＩＣタグは自発的に電波を発射することはできず、電子タグの送信エネルギーにはリーダ／ライタからの搬送波の電力のみを利用し、それ以外の電力は供給されない電子タグである。当該タグシート１０１としては、例えばSMARTRAC社製のDogBoneを使用することができる。当該DogBoneは、アンテナの横幅が約８５ｍｍで、高さが約２４ｍｍとなっている。チップ１１２には、Impinj Monza 4QTが使用されており、動作周波数は８６０から９６０ＭＨｚである。

基板１０２は、比誘電率が好ましくは１から１．５の誘電体材料を用いることができる。比誘電率はあまり大きくなると人体に装着したのと同じでチップ１１２のインピーダンスに影響を与えるため、この範囲であることが好ましい。誘電体材料としては、例えば発泡ポリプロピレンを用いることができる。発泡ポリプロピレンのシートの比誘電率は実測値で約１．４であった。基板１０２の横幅と高さはタグシート１０１を添付できるのに十分な大きさであればよく、厚さを１５ｍｍ程度にすることができる。基板１０２の材料としては、発泡ポリプロピレン以外の他の発泡材料、紙、段ボール紙等でも上記の条件を満たす比誘電率を有するものを用いることができる。

金属板１０３は、例えば銅製の平板であって幅を３ｍｍから５ｍｍ程度とし、長さを使用周波数の波長（λ）の約１／２（λ／２）の長さとすることができる。例えば、光速を約３×１０^８とすると、使用周波数が９２０ＭＨｚの場合には、３×１０^８／９２０×１０^６＝０．３２（ｍ）で、その１／２であるから長さは約１６０ｍｍとなる。なお、金属板１０３の長さはλ／２に限定されるものではなく、λ／２に基づく範囲で値を決定することができる。例えば、１４０から１８０ｍｍの範囲のいずれかの数値としても良いが、更に絞り込んで１４０から１６０ｍｍの範囲、あるいは１５０ｍｍとしてもよい。また、金属板１０３の材料として、例えば、アルミニウム、形状記憶合金（チタンーニッケル合金）、ステンレス、誘電体などを使用することもできる。

金属板１０３の設置位置は、タグシート１０１の長辺側の端部付近がよい。図１（ａ）では、タグシート１０１の上側の端部付近に設置した場合を示しているが、下側の端部付近に設置しても良い。また金属板１０３とタグシート１０１の端部との位置関係は、端部の上に金属板１０３が重畳されていてもよいし、端部を超えたタグシート１０１の外側の近傍に位置していても良い。

つぎに、発明の実施形態に対応する構成のタグ１００を用いた実験結果を説明する。図２は本実施形態における実験環境を示す図である。当該実験環境は屋内でも屋外でも共通である。タグ１００は、水平方向に移動が可能な（可動式）設置台２００上に設置されている。設置台は台車２０２上にスタンド２０１が設置されている。タグ１００は、一例として地面から約１１０ｃｍの高さに設置されている。この高さは平均的なマラソンランナーの上半身にタグ１００を取り付けた場合を想定して決定したものである。

設置台２００から一定距離離れた場所には、タグ１００と通信を行うためのアンテナ２１１が地面に設置されている。アンテナ２１１を地面に設置して実験を行うのは、マラソン競技では無線通信タグと通信するためのアンテナがスタート地点やゴール地点の地表に設置されるためである。アンテナ２１１は、タグ１００との通信を行うためのリーダ／ライタ２１２と接続されている。リーダ／ライタ２１２は処理装置（パソコン）２１３と接続されている。処理装置２１３はリーダ／ライタ２１２を制御し、リーダ／ライタ２１２からアンテナ２１１を介してタグ１００の情報を取得する。各装置の接続は例えばＵＳＢ等の有線接続により行うことができるが、接続形態は有線、無線の通信種別、さらには通信プロトコルを問わない。

本実施形態の実験ではリーダ／ライタ２１２はリードモードにて動作し、アンテナ２１１を介してタグシート１０１に対して、周波数９２０ＭＨｚ、２５０ｍＷのリード信号を送信し、タグ１００から送信された信号を受信する。リーダ／ライタ２１２は、受信した信号のレベルに基づき受信信号強度（ＲＳＳＩ）を処理装置２１３に出力する。なお、リーダ／ライタ２１２がタグ１００からの信号を受信できなかった場合、受信エラーを処理装置２１３に出力する。

次に、図２の実験環境において行った実験結果について説明する。まず図３（ａ）はタグシート１０１を単体で用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付けて用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付け、金属板１０３を追加したタグ１００を用いた場合のそれぞれについて、屋内での測定結果を示す。ここで示すように、タグシート１０１単体とタグシート１０１と基板１０２との組み合わせは特性に大きな違いはないが、金属板１０３を追加しタグ１００として構成した場合は、アンテナ１１１との距離が短くなるほど特性が改善し、感度が改善されていることが分かる。

図３（ｂ）は、屋内での実験結果を表にまとめたものである。タグシート１０１単体、タグシート１０１と基板１０２との組み合わせ、タグ１００とでは、途切れずに測定した距離には大きな差はないが、タグ１００は他の２つの条件と比べて測定値の最大値、最小値が最も大きくなっており、特性が全体的に改善されていることが分かる。このように、タグシート１０１単体で用いた場合に比べ、金属板１０３が追加されたタグ１００では大きく特性が改善されることが分かる。

図４（ａ）は、基板１０２の厚さを比較した結果を示す。ここでは、５ｍｍと１５ｍｍとの２種類を用いた場合を比較している。図４（ａ）では、全体的な特性にそれほど大きな違いはないが、１５ｍｍの方がより大きな測定値が観測されていることが分かる。図４（ｂ）は、金属板１０３の長さを比較した結果を示す。ここでは、長さを５５ｍｍから２００ｍｍまで１２段階で設定して比較している。図４（ｂ）では、２００ｍｍから１４０ｍｍではほぼ同じような出力特性が得られており、他の例に比べてよい結果となっている。２００ｍｍから１４０ｍｍの間では、総合的には１５０ｍｍがより好ましいことが分かった。金属板１０３の長さと使用周波数との関係を考慮すると、本実施形態の実験条件では使用周波数を９２０ＭＨｚとしたので、波長λは３×１０^８／９２０×１０^６＝０．３２（ｍ）となる。λ／２は約１６０ｍｍとなる。実験結果において特性の改善が期待できる金属板１０３の長さは２００ｍｍから１４０ｍｍの範囲であったが、当該範囲は、波長の半分の長さを含む範囲を基準に絞り込めることが実験で裏付けられた。

次に図４（ｃ）は、金属板１０３の幅を比較した結果を示す。ここでは、幅を３ｍｍと５ｍｍとの２種類を用いた場合を比較している。図４（ｃ）では、３ｍｍの方がより大きな測定値が観測されていることが分かる。次に図４（ｄ）は、金属板１０３の位置を比較した結果を示す。ここでは、タグシート１０１の長手方向に添付する金属板１０３の位置を５つの段階に変化させてその測定値を比較している。具体的には図１（ｂ）に示すように、金属板１０３の位置をそれぞれタグの真上１０３Ａ、タグのチップ１１２の上１０３Ｂ、チップ１１２上１０３Ｃ、チップ１１２の下１０３Ｄ、タグの真下１０３Ｅの５段階である。図４（ｄ）の測定結果からはタグの真上１０３Ａの位置において最も良い特性が得られており、反応距離が最も長く、かつ、アンテナ２１１に近づくについて特性が最も改善している。なお、タグの真下１０３Ｅの場合も真上１０３Ａに次いで良い特性が得られている。このように金属板１０３はタグシート１０１の長辺端部付近に設置される方が、特性改善に貢献することが分かる。なお、チップ１１２と金属板１０３とが重なる場合（１０３Ｃ）は、測定値が得られない。よって、金属板１０３は少なくともチップ１１２とは重ならない位置であって、より長辺端部に近い位置に設置する方が良好な特性が得られることが分かる。

次に、屋外での実験結果について説明する。実験方法は図２で説明した方法と同様である。まず図５（ａ）はタグシート１０１を単体で用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付けて用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付け、金属板１０３を追加したタグ１００を用いた場合のそれぞれについての屋外での測定結果を示す。ここで示すように、タグシート１０１単体とタグシート１０１と基板１０２との組み合わせは特性に大きな違いがないが、タグ１００は、他の２つの方法に比べて常に高い特性が得られている。

また、図３（ａ）と比較すると、屋内では、信号が所々受信できない状況が発生していたのに対し、屋外での実験ではアンテナ２１１からの距離が離れるに従ってＲＳＳＩ値が減衰しつつも、信号の受信状態は継続しており、屋外の方がよい特性が得られている。これは屋内では、マルチパスの影響により電波の屈折や反射が生じてノイズが発生し、電波同士が打ち消しあうのに対し、屋外は、マルチパスの影響を受けにくいためと考えられる。但し、屋外で得られる結果も、基本的には屋内で得られる結果と同傾向であるため、屋外のデータについては一部のみを記載し、残りは屋内と同傾向として省略する。

図５（ｂ）は、屋外での実験結果を表にまとめたものである。タグシート１０１単体、タグシート１０１と基板１０２の組み合わせ、タグ１００とでは、タグ１００が、信号が途切れずに測定が継続できた距離が最も長く、また、測定値の最大値が最も大きく、かつ、最小値も最も大きくなっている。よって、屋外においてもタグ１００を用いた場合が最もよい特性が得られていることが分かる。

次に、図６はタグシート１０１を単体で用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付けて用いた場合、タグ１００のそれぞれについて、屋外の自由空間での指向性を測定した結果を示す。タグシート１０１単体とタグシート１０１と基板１０２との組み合わせとでは指向性の改善度合いにそれ程大きな装置はないが、タグ１００では指向性が全方位において大幅に改善されていることが分かる。このように、金属板１０３の追加により指向性が大きく改善されることが分かる。

次に、人体に装着した場合を想定して行った測定結果について説明する。ここでは、図２の実験環境においてスタンド２０１として水の入った１リットルサイズのペットボトルを人体代わりに用いて測定を行った。

まず屋内での測定結果を説明する。図７（ａ）はタグシート１０１を単体で用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付けて用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付け、金属板１０３を追加したタグ１００を用いた場合のそれぞれについての屋内での測定結果を示す。ここで示すように、タグシート１０１単体では測定値が得られなかった。タグシート１０１と基板１０２との組み合わせでは測定値は得られたものの、金属板１０３を追加したタグ１００の方がより高い特性が得られている。

図７（ｂ）は、実験結果を表にまとめたものである。タグシート１０１単体では結果が得られなかった。タグシート１０１と基板１０２との組み合わせと、タグ１００とでは、タグ１００が、信号が途切れずに測定が継続できた距離が最も長く、また、測定値の最大値が最も大きく、かつ、最小値も最も大きくなっている。このように、人体に用いる場合にはタグシート１０１単体では機能しないため、基板１０２によりタグシート１０１を人体から隔離する必要があることが分かる。その場合、金属板１０３を更に追加することで特性をより改善できることが分かる。

図８（ａ）は、基板１０２の厚さを比較した結果を示す。ここでは、５ｍｍと１５ｍｍとの２種類を用いた場合を比較している。図８（ａ）によると、５ｍｍでは測定値は得られなかった。これに対し、１５ｍｍでは値が得られている。なお、図では省略しているが１０ｍｍでも測定値は得られていない。このように、タグシート１０１に対する人体からの影響を排除するためには、一定距離を確保してタグシート１０１を人体から隔離する必要がある。図８（ｂ）は、金属板１０３の長さを比較した結果を示す。ここでは、長さを５５ｍｍから２００ｍｍまで１２段階で設定して比較している。しかし、長さが１２０ｍｍになるまでは測定値が得られないままであり、１５０ｍｍにおいて最も高い出力特性が得られているが、２００ｍｍになると１５０ｍｍよりも特性が低下してしまっている。

次に図８（ｃ）は、金属板１０３の幅を比較した結果を示す。ここでは、幅を３ｍｍと５ｍｍとの２種類を用いた場合を比較している。図８（ｃ）では２つの場合について特性に大きな差はないが、３ｍｍの方が距離に関する特性がより良好である。次に図８（ｄ）は、金属板１０３の位置を比較した結果を示す。ここでは、タグシート１０１の長手方向に添付する金属板１０３の位置を５つの段階に変化させてその測定値を比較している。位置は図１（ｂ）に示したものと同様である。図８（ｄ）の測定結果からはタグの真上１０３Ａの位置において最も良い特性が得られており、反応距離が最も長くなっている。

また、２番目に良い特性はチップ１１２の上側（１０３Ｂ）であり、３番目がタグシート１０１の真下（１０３Ｅ）となっている。チップ１１２に重なる位置と、チップ１１２の下側は値が得られていない。これはタグ１００を人体に装着することでインピーダンス特性が変化したためと考えられ、チップ１１２の下側において特性が特に低下したものと考えられる。図４（ｄ）に示した場合と同様、チップ１１２と金属板１０３とが重なる位置（１０３Ｃ）では測定値が得られていない。また、チップ１１２に対して同一の側（１０３Ａと１０３Ｂ、又は、１０３Ｄと１０３Ｅ）では、チップ１１２の近傍よりもタグシートの長辺端部付近の方がより高い特性が得られている。

次に、屋外での測定結果を説明する。図９（ａ）はタグシート１０１を単体で用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付けて用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付け、金属板１０３を追加したタグ１００を用いた場合のそれぞれについての屋外での測定結果を示す。ここで示すように、タグシート１０１単体では測定値が得られなかった。タグシート１０１と基板１０２との組み合わせでは測定値は得られたものの、タグ１００の方がより高い特性が得られている。特にタグ１００では計測可能な距離として、アンテナ１１１から約１．４メートルが確保できている。これに対しタグシート１０１と基板１０２のみでは離散的にしか測定値が得られておらず、しかも、アンテナ１１１から１メートル離れてしまうと測定値は得られなくなっている。

図９（ｂ）は、実験結果を表にまとめたものである。タグシート１０１単体では結果が得られなかった。タグシート１０１と基板１０２との組み合わせと、タグ１００とでは、タグ１００が、信号が途切れずに測定が継続できた距離が最も長く、また、測定値の最大値が最も大きく、かつ、最小値も最も大きくなっている。また、図７（ａ）と比較すると、屋内での結果に比べて、屋外では金属板１０３の有無が測定結果に与える影響が大きく、金属板１０３により特性が大きく改善されることが分かる。

次に、図１０はタグシート１０１を単体で用いた場合、タグシート１０１を基板１０２に貼り付けて用いた場合、タグ１００として用いた場合のそれぞれについて、人体に装着した場合を想定した指向性の測定結果を示す。タグシート１０１単体では測定値は得られない。タグシート１０１を基板１０２に貼り付けたものに比べ、タグ１００では測定値が得られる範囲が広がっており、特性が改善されていることが分かる。

以上に説明した本実施形態では、タグシートを所定の厚みの基板に添付し、金属板を配置した無線通信タグについて説明した。本実施形態の無線通信タグによれば、人体に装着された場合であっても通信用アンテナと約１．４メートル離れた位置から通信を行うことが可能であり、マラソン競技のランナー識別用のタグとして用いられた場合であっても、精度良くランナーの情報を取得し、スタート地点、中継地点、ゴール地点等の通過を確実に検出することが可能となる。

＜実施形態２＞
次に、第２の実施形態を説明する。上記第１の実施形態では、タグシート１０１を基板１０２に貼り付け、金属板１０３を追加したタグ１００を単体で使用した。これに対し本実施形態ではタグ１００をクロスダイポール型に組み合わせてタグ装置１１００として使用する。図１１はクロスダイポール型のタグ装置１１００の構成例を示す図である。２つのタグ１００とは接着されていても良いし、或いはタグ装置１１００周囲をスポンジ素材などで覆っても良い。例えば、ぬいぐるみなどの中にタグ装置１１００を挿入しても良い。

図１１では、タグ１００を中心で直角に交差させているが、これに限らず、タグ１００に内蔵されているチップ１１２が互いに接せず、かつ、互いのタグが接しないよう配置すれば、交差角度は０度から９０度の間の任意の角度とすることができる。

図１２は、クロスダイポール型のタグ装置１１００につき、タグ１００を使用した場合と、金属板１０３を用いずにタグシート１０１と基板１０２との組み合わせた場合とで、特性を比較したグラフである。ここで示すように、金属板がある場合の方がよりよい特性が得られている。

以上に説明した本実施形態では、実施形態１の無線通信タグを組み合わせて構成されたタグ装置について説明した。本実施形態のタグ装置によれば、２つの無線通信タグを交差させて用いるので、人体に装着された場合であっても人体との距離を確保することができるので、通信精度を確保することが可能となる。また、クロスダイポール型とすることで受信範囲を広げることも可能となる。

Claims (12)

1. チップとアンテナとを有するパッシブタイプのタグシートが所定の厚さの基板に添付され、前記タグシートの長手方向に沿って金属板が配置された無線通信タグ。
2. 前記基板は誘電体材料で構成されている、請求項１に記載の無線通信タグ。
3. 前記誘電体材料の比誘電率は１．０から１．５の範囲に含まれる、請求項２に記載の無線通信タグ。
4. 前記基板の厚さは１５ｍｍである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無線通信タグ。
5. 前記金属板の長さは、前記無線通信タグが通信する周波数の波長のほぼ半分である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線通信タグ。
6. 前記金属板の長さは、前記周波数が９２０ＭＨｚの場合に、１４０ｍｍから１６０ｍｍの範囲を有する請求項５に記載の無線通信タグ。
7. 前記金属板の幅は、３ｍｍから５ｍｍの範囲内である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の無線通信タグ。
8. 前記金属板は、前記タグシートの長辺側の端部付近に設置された、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の無線通信タグ。
9. 前記金属板は、前記チップと重ならない位置に設置された、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の無線通信タグ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の無線通信タグを少なくとも２つ組み合わせたタグ装置。
11. 前記少なくとも２つの無線通信タグは所定の交差角度を有する、請求項１０に記載のタグ装置。
12. 前記少なくとも２つの無線通信タグは互いに上下に配置されている、請求項１０または１１に記載のタグ装置。

Images