JP2017175485A - 遅延回路を装荷したチップレスｒｆｉｄタグおよびタグ情報読み取り方式 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送線路型共振器で構成される共振周波数に情報を付与したチップレスＲＦＩＤタグと、タグ情報読み取り方式。読み取りの際に発生するタグ基板や周辺からの反射波の影響を低減する。【解決手段】共振周波数に情報を付与したタグ用共振器回路に遅延回路を縦続接続した回路の入出力端子に偏波識別機能を持つ送信アンテナと受信アンテナを接続して構成したチップレスＲＦＩＤタグ。チップレスＲＦＩＤタグ用読み取り装置の読み取り信号としてインパルス信号波を用い、前記チップレスＲＦＩＤタグのタグ情報を、前記遅延回路の遅延時間に対応するタイミングで時間窓を設けて検出するタグ情報読み取り方式。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体チップを用いず受動素子のみで構成されるチップレスＲＦＩＤタグ（chipless radio frequency identifier tag）の構成法とそのタグ情報を高精度で検出する方式を提供するものである。物体や物品の自動認識に関わる技術分野である。

バーコードは物品管理、在庫管理、物流管理などに広く普及しており、ＩＤタグが印刷で作成できることで極めて安価であるという特長がある。ただし、バーコード情報は丸見えで、秘匿性がなく、汚れで誤認識したり、改ざんされる危険もあるなど信頼性に乏しい面がある。また、読み取り領域が狭く、障害物があると読み取れないという欠点も有している。

この課題を解決するために、バーコードに用いられる光ではなくて電磁波を用いたチップレスタグが提案されている。

複数の共振器を用いるマルチ共振器型や１個の共振器の高次モードを利用するマルチモード共振器型を適用するタグもその一種で、いずれも共振器のもつ共振周波数に情報を付与するものである。
このような電磁波を利用する方式では、通常、共振器の共振周波数検出範囲を広くするために、タグに共振器とともに送信および受信アンテナ二つを実装する方式がとられている。

タグ情報を読み取る場合は読み取り機(リーダ)から電波を放射し、タグで受信してタグ情報を付加した上で再放射し、その信号波を読取装置で受信してタグ情報を検出する方法をとっている。

タグおよび読取装置とも送信波と受信波を分離する必要があるから、送受信波に直線偏波を用い送信波と受信波の偏波面を直交させて識別している。あるいは、送受信波に円偏波を用いて送信波と受信波に右旋偏波および左旋偏波を割り当てて識別する偏波識別の技術を適用して送受信分離に対応している。

ただし、偏波識別による不要波抑圧は高々２０ｄＢ程度であり、それ以上の不要波がある場合はタグ情報の検出が困難となる。

チップレスタグの場合、アンテナだけでなくタグ用共振器回路を同一基板に実装するため基板サイズが大きく、基板からの強い反射波が本質的に存在する。そこで、不要波の影響を低減して読み取り精度の改善を行うことが要求されている。

チップレスＲＦＩＤに関しては下記文献に示すように、すでにいろいろな技術が開示され、実用化もなされている。

特開２０１５−１９５５６１号公報

P.Preradovic and N.C.Karmakar、"Chipless RFID: Bar Code of the Future、"IEEE Microwave Magazine、vol.11、No.7 pp.87-97、 Dec.2010

上述したように、従来技術ではチップレスＲＦＩＤタグにアンテナを実装して用いている。このため、タグサイズが大きくなり、タグ情報の読み取りの際、基板からの反射波による不要波(妨害波)が大きく、信号波との分離が困難となる。そこで、タグ情報の読み取り精度が劣化しやすい。

従来技術ではタグ基板や周辺からの反射による不要波とタグ情報を含む信号波との分離を送信アンテナと受信アンテナの偏波識別特性を利用した方式を採用している。しかし、不要波のレベルが高いと信号の分離が困難となり、タグ情報の読み取り精度が劣化していた。

本発明は、伝送線路型共振器で構成される共振周波数に情報を付与したチップレスＲＦＩＤタグの情報読み取り方式であり、読み取りの際に発生するタグ基板や周辺からの反射波の影響を低減する手法に関わるものである。物体や物品の自動認識分野においてタグ情報の検出精度向上を可能とする技術を提供するものである。

［１］共振周波数に情報を付与したタグ用共振器回路に遅延回路を縦続接続した回路の入出力端子に偏波識別機能を持つ送信アンテナと受信アンテナを接続して構成したチップレスＲＦＩＤタグ。

［２］前記タグ用共振器回路として共振時に減衰極を発生する回路あるいは共振時にピークを発生する回路を適用する［１］のチップレスＲＦＩＤタグ。

［３］前記送信アンテナおよび前記受信アンテナに直線偏波アンテナを用い、互いの偏波面を直交させるように配置し、偏波識別による送受信分離機能を持たせた［１］のチップレスＲＦＩＤタグ。

［４］前記遅延回路を二個用い、その間に前記タグ用共振器回路を挿入して縦続接続した回路とし、当該回路の入出力に前記送信アンテナおよび前記受信アンテナを接続した［１］のチップレスＲＦＩＤタグ。

［５］前記送信アンテナおよび前記受信アンテナと、前記受信アンテナに接続された遅延回路とを同一の基板に実装し、前記タグ用共振器回路を他の異なる基板に実装し、前記タグ用共振器回路の二つの端子に遅延回路端子と送信アンテナ端子を接続して構成した［１］のチップレスＲＦＩＤタグ。

［６］チップレスＲＦＩＤタグ用読み取り装置（リーダ）の読み取り信号としてインパルス信号波を用いて、［１］〜［５］いずれかのチップレスＲＦＩＤタグのタグ情報を前記遅延回路の遅延時間に対応するタイミングで時間窓を設けて検出するタグ情報読み取り方式。

本発明によれば次のような効果が発揮される。

チップレスＲＦＩＤタグの読み取りを行う場合、不要波の影響を低減して信号波を時間分離して受信することが可能となり、タグ情報の読み取り精度が向上する。

本発明は、ノッチ（減衰極）検出型、ピーク検出型のいずれの共振器型チップレスＲＦＩＤタグ方式にも適用可能である。

本発明では、信号波と不要波（妨害波）の分離をアンテナによる偏波識別による分離の他、時間分離も付加することによりタグ情報の読み取り精度を向上させることができる。

チップレスＲＦＩＤタグの従来例１（マルチ共振器を用いた構成例）の概略構成図。 チップレスＲＦＩＤタグの従来例２（マルチモード共振器を用いた構成例）の概略構成図。 本発明によるチップレスＲＦＩＤタグの基本構成を表す概略構成図。 本発明によるタグ情報読み取り方式を実現するチップレスＲＦＩＤタグシステムの概略構成図。 本発明によるタグ情報読み取り方式でのチップレスＲＦＩＤタグ信号検出を説明する図。 本発明によるチップレスＲＦＩＤタグの一実施形態の概略構成図。 本発明によるチップレスＲＦＩＤタグの他の実施形態の概略構成図。 本発明によるチップレスＲＦＩＤタグの更に他の実施形態の概略構成図。

これまで提案されている共振器型のチップレスＲＦＩＤタグの信号検出には周波数掃引信号やインパルス信号を利用していた。また、送受信信号を分離するために偏波識別が適用可能な送信用と受信用の二つのアンテナを適用して行っていた。

この従来の方式では、分離度は偏波識別度で決定されるため十分確保できない場合がある。

本発明は、読み取り用の信号に受信タイミング制御を容易にできるインパルス信号を適用するとともに、従来型の共振器回路に遅延線を装荷（付加）して、タグで受信した信号に時間遅延を生じさせた後に再送信することにした。これにより、受信時に発生する不要波（反射波）と信号波を時間分離して、信号波のみを選択的に抽出し、タグ情報の検出精度を向上させるものである。

本発明では信号波と不要波の分離に送信アンテナと受信アンテナの偏波識別特性を適用する手法とともに、読取装置の信号波にインパルス信号を用い、さらにタグ情報を与える共振回路に遅延回路を接続して同時に実装してタグを構成している。タグで発生する信号の伝搬遅延時間を利用して、信号波と不要波の時間分離を行い、読み取り精度の向上を実現するものである。

先行技術の欄で指摘した非特許文献１は、チップレスＲＦＩＤタグの解説論文であり、この分野の全般的な技術が開示されている。

この文献で紹介しているチップレスタグは同文献Figure.11に示すように多数の共振素子を用いる構成例で、基本的に１つの共振器に1ビットを対応させたマルチ共振器型である。共振時に発生する減衰極を利用するノッチフィルタ構成となっている。また、タグ情報読み出し用に二つの広帯域モノポールアンテナを用い、送受信信号の分離を行うためにその偏波面を直交するように配置して共振器と同じ基板に実装する事例が開示されている。
特許文献１記載の「マルチモード共振器およびそれを用いたＲＦＩＤタグ」は、チップレスタグに一個の共振器を用い、その共振器の高次モード共振周波数で発生するピーク応答を利用するマルチモード共振器を適用したバンドパスフィルタ構成となっている。

本発明においてはタグ用の共振器回路構成、および送受信アンテナとしてはこの二つの方式を適用可能としている。

本発明はチップレスＲＦＩＤタグの新しい構成法とタグ情報の読み取り方式に関するものであり、不要波を抑圧して読み取り精度の向上を実現する技術である。

本発明に適用可能なチップレスタグ用の共振器回路は、従来提案されているマルチ共振器型やマルチモード共振器型である。このような共振器を用いた回路に遅延回路を装荷（付加）し、送信波としてインパルス信号を適用することで、不要波と信号波の時間分離を実現して、読み取り精度の向上を図ろうとするものである。

本発明では、インパルス信号波を用い受信タイミングを制御する読み取り方式を採用している。

最初に図１および図２に従来から知られている共振器型のチップレスＲＦＩＤタグの基本構成例を示し、読み取り手法を説明する。

図１には非特許文献１に基本的な例が開示されている。複数の共振器（マルチ共振器）を持つ減衰極検出型のタグである。すなわち、共振時に減衰極を発生するタグ用共振器回路である。なお、これを、本明細書において、「マルチ共振器型」という。

送受信には直線偏波を用いている。誘電体基板からなるタグ基板１０１に送信用および受信用の広帯域モノポールアンテナ１０２および１０３を偏波面が直交するように配置している。なお、送受信アンテナは入れ替えても構わない。

広帯域モノポールアンテナ１０２、１０３を伝送線路１０４で接続し、その伝送路に共振周波数の異なる複数の伝送線路共振器１０５〜１０９を平行結合させて構成している。

各共振器に１ビットの情報を付与してタグを実現し、読み出しは共振器の発生する減衰極（ノッチ）周波数を検出することで行う。

図２は、特許文献１に開示されている一つ共振器の持つ高次モード共振周波数を利用するピーク検出型のタグである。すなわち、共振時にピークを発生するタグ用共振器回路である。なお、これを、本明細書において、「マルチモード共振器型」という。

この例でも送受信には直線偏波を用いている。誘電体基板からなるタグ基板２０１に送信用および受信用の広帯域モノポールアンテナ２０２および２０３を偏波面が直交するように配置している。なお送受信アンテナは入れ替えても構わない。

広帯域モノポールアンテナ２０２、２０３に異なる線路インピーダンスをもつ複数の伝送線路を縦続接続した共振器２０４を平行結合部２０５および２０６を介して接続して構成している。

伝送線路の構造（線路インピーダンス）で高次モードが変化することを利用してタグ情報を生成する。タグ情報の検出は、共振器の生成する構造で決定される高次モード共振点において発生するピークの周波数を検出することで行う。

図１および図２に示すタグ基板１０１および２０１においてアンテナを除く共振器、伝送線路、結合回路はストリップ線路で構成され、回路パターンの裏面は接地面１１０および２０７となっている。

この接地面の大きさはアンテナに比して同等かそれ以上となるため、読み取り装置からの送信波に対して、同一偏波面を持つ大きな反射波(不要波)を発生する。

タグでは受信アンテナで受信し、タグ情報を付加して送信アンテナから再放射する。

このときタグから再放射される信号波は時間遅延が小さくタグ基板からの直接反射波と混在することになるが、送受信アンテナが直交しているため反射波とは偏波面が直交している。

このように偏波識別することで信号波と反射波(不要波)を分離するようにしている。

しかし、アンテナの偏波識別度は高々２０ｄＢ程度であるから、反射波のレベルが高いと信号波との分離が困難となりタグ情報の検出精度が劣化する。

図３に本発明のチップレスＲＦＩＤタグの基本構成を示す。

誘電体基板からなるタグ基板３０１に受信用のアンテナ３０２および送信用のアンテナ３０３を配置している。

受信用のアンテナ３０２は読み取り装置からのインパルス信号波受信用のアンテナである。送信用のアンテナ３０３はタグ情報送出用のアンテナである。

二つのアンテナ３０２、３０３は、送受信波に直線偏波を用いる場合その偏波面が直交するように配置する。また、送受信波に円偏波を用いる場合は右旋偏波用と左旋偏波用のアンテナを用いて構成する。

円偏波アンテナを用いると右旋偏波と左旋偏波を同時に励振することが可能なアンテナを適用でき、一個のアンテナで送受信を同時に行うことができる。ただし、円偏波アンテナは直線偏波アンテナに比して一般に帯域が狭くなるため、この点を考慮してアンテナの選定を行う必要がある。

受信用のアンテナ３０２は、遅延回路３０４、タグ用共振器回路３０５を通して送信用のアンテナ３０３に接続されている。

なお、遅延回路３０４とタグ用共振器回路３０５の挿入位置は入れ替えても構わない。また、遅延回路３０４を二つに分割し、タグ用共振器回路３０５の前後に挿入しても問題ない。

タグ用共振回路３０５は、従来のチップレスＲＦＩＤに用いているマルチ共振器型およびマルチモード共振器型いずれの構成も適用可能である。

遅延回路３０４は、インパルス信号の遅延を行うものであり、広帯域特性が要求され、損失も小さい方が望ましい。

また遅延時間は、時間分離を実現する必要があるから読み取り装置に用いるインパルス信号のパルス幅より長く設定する必要がある。

（実施の形態１）
図４に本発明によるタグ情報読み取り方式を実現するチップレスＲＦＩＤタグシステムの構成例を示す。

図４の下側は、図３を用いて説明した本発明の基本構成からなるチップレスＲＦＩＤタグである。

チップレスＲＦＩＤタグ用読み取り装置（リーダ）４０１のインパルス送信機４０５から送信アンテナ４０２を通って読み取り用のインパルス信号波４１０が送出される。これがチップレスＲＦＩＤタグの受信用のアンテナ３０３で受信される。

受信された信号波はタグ用共振回路３０５、遅延回路３０４を経て送信用のアンテナ３０２からタグ情報を付加されて放射され、読み取り装置４０１の受信アンテナ４０３で受信される。

送受信分離は直線偏波の直交性を利用したり、円偏波の右旋偏波と左旋偏波識別を適用できる。

しかし、インパルス信号を扱う図示のシステムではアンテナの広帯域設計が容易な直線偏波識別がこのシステムに適している。

読み取り装置４０１の送受信信号は送受信信号制御回路４０６で時間制御されて、周囲からの反射波を低減した状態でチップレスＲＦＩＤタグからの信号波を受信するようにしている。

受信信号波はサンプリング回路などの時間信号検出回路４０７を経て時間信号波を得て、その時間信号波形から高速フーリエ変換回路などで構成される共振周波数検出回路４０８で共振周波数を決定した後、コード検出回路４０９でチップレスＲＦＩＤタグのコードを識別する機能を具備している。

図５に本発明によるタグ情報読み取り方式における信号検出のための読み取り装置４０１のタイミングチャートを示す。

図５において符号５０１はパルス幅τ₀の送信インパルス波形を示し、符号５０２、５０３は読み取り装置４０１の受信波形を示す。符号５０２で示されるのが読取装置インパルス受信波形（不要波混在）で、符号５０３で示されるのが読取装置インパルス受信波形（信号波）である。

符号５０１で示される波形は、送信信号よりＴ_０時間後に受信する信号波形で、タグ基板やその近傍からの反射による不要波でタグ情報を含む信号波は含まれていない。

符号５０２で示される波形は、タグの遅延回路によりＴ_ｄの時間遅れを持たせたタグ情報を含んだ信号波形である。

読み取り装置４０１の受信機に時間窓を設けて波形が符号５０２で示される信号だけ選択的に受信するのは技術的に特に問題はない。

また、Ｄ／Ｕ比（希望波(信号波)と不要波の比）は、符号５０２で示される波形の受信信号より、符号５０３で示される波形の受信信号の方がはるかに良好で、タグ情報の検出精度が改善可能となる。

遅延時間はパルス幅τ_０より大きく設定する必要があるが、利用できる周波数帯域が２ＧＨｚ程度であればτ_０は０．５ｎｓとなるので、遅延時間は１ｎｓ以上に設定することになる。

このような遅延特性を持つ遅延回路は伝送線路などを用いて容易に設計可能である。

（実施の形態２）
図６に本発明のチップレスＲＦＩＤタグの一実施例を示す。

誘電体基板からなるタグ基板６０１に受信用のアンテナ６０２および送信用のアンテナ６０３を配置している。受信用のアンテナ６０２は、遅延回路６０４、タグ用共振器回路６０５を通して送信用のアンテナ６０３に接続されている。

受信用のアンテナ６０２および送信用のアンテナ６０３には、広帯域特性が実現しやすい直線偏波モノポールアンテナなどを適用し二つのアンテナの偏波面が直交するように配置している。なお、受信用のアンテナ６０２の機能と送信用のアンテナ６０３の機能とは置き換えて用いても構わない。

遅延回路６０４は伝送線路のミアンダ配線による構成例である。ただし、遅延時間と帯域特性を満たせば小型の集中定数型など他の回路方式も適用可能である。

タグ用共振器回路６０５はこの例ではマルチモード共振器型を示しているが、マルチ共振器型も適用できる。

（実施の形態３）
図７に本発明のチップレスＲＦＩＤタグの他の実施例を示す。

誘電体基板からなるタグ基板７０１に受信用のアンテナ７０２および送信用のアンテナ７０３を配置している。受信用のアンテナ７０２は、遅延回路７０４、タグ用共振器回路７０６、遅延回路７０５を通して送信用のアンテナ７０３に接続されている。

図６の例と同じく、受信用のアンテナ７０２と送信用のアンテナ７０３とは偏波面が直交するように配置されている。なお、受信用のアンテナ７０２の機能と送信用のアンテナ７０３の機能とは置き換えて用いても構わない。

タグ用共振器回路７０６はこの例ではマルチ共振器型を示しているが、上述した図６図示の実施の形態２と同様にマルチモード共振器型も適用できる。

遅延回路７０４、７０５はタグ用共振器回路７０６の前後に分割して挿入している。遅延時間は二つの遅延回路７０４、７０５の遅延時間の和となるので、要求される遅延時間を満たせばこのように分割して挿入することも可能である。このようにすれば、タグ回路パターンの設計の自由度が高くなり、回路の対称性も向上する。

また具体的な回路は図６図示の実施の形態２と同様に、図に示すミアンダ線路のほか他の回路でも実現可能である。

（実施の形態４）
図８に本発明のチップレスＲＦＩＤタグの更に他の実施例を示す。

誘電体基板からなるタグ基板８０１に受信用のアンテナ８０２および送信用のアンテナ８０３と遅延回路８０４を配置している。

一方、誘電体基板からなるタグ基板８０５にタグ用共振回路８０６が配置されている。

タグ用共振回路８０６の入出力端子を金属片（箔）８０７、８０８を用いて受信用のアンテナ８０２の端子および遅延回路８０４の端子にそれぞれ接続してチップレスＲＦＩＤタグを構成している。

すなわち、送信用のアンテナ８０３に接続される遅延回路８０４をタグ基板８０１に実装し、受信用のアンテナ８０２に接続されるタグ用共振回路８０６を他の独立したタグ基板８０５に実装している。そして、タグ用共振回路８０６の入力端子を金属片（箔）８０８を用いて受信用のアンテナ８０２の端子に接続し、タグ用共振回路８０６の出力端子を金属片（箔）８０７を用いて遅延回路８０４の端子に接続してチップレスＲＦＩＤタグを構成している。

送受信アンテナ８０２、８０３とその配置や遅延線８０４およびタグ用共振器８０６には、図４、図６を用いて実施の形態１、２で説明したのと同等の手法が適用できる。ここでは重複する説明を省略する。

送受信アンテナ８０２、８０３と遅延回路８０４はすべてのタグに共通する必須の部分である。一方、タグ用共振回路８０６は、タグごとに異なっている。そこで、このように２分割にすることでタグ作成を容易に迅速に行うことができる。また、分割した回路基板の材質をそれぞれ適宜選択することでコスト低減にも対応可能となる。

特にタグ用共振器回路８０６には低損失性が要求されることがある。そこで、この回路部分だけ低損失基板を適用することは特性的にもコスト的にもメリットがある。

以上、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態、実施例を説明したが、本願発明はこれらの実施形態、実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々に変更可能である。

１０１ タグ基板
１０２ 送信用のアンテナ
１０３ 受信用のアンテナ
１０４ 伝送線路
１０５−１０９ 伝送線路共振器
１１０ 接地導体パターン（裏面）
２０１ タグ基板
２０２ 送信用のアンテナ
２０３ 受信用のアンテナ
２０４ マルチモード共振器
２０５、２０６ 平行線路結合部
２０７ 受信アンテナ
３０１ タグ基板
３０２ 受信用のアンテナ
３０３ 送信用のアンテナ
３０４ 遅延回路
３０５ タグ用共振器回路
４０１ チップレスＲＦＩＤタグ用読み取り装置（リーダ）
４０２ 送信用のアンテナ
４０３ 受信用のアンテナ
４０４ インパルス受信機
４０５ インパルス送信機
４０６ 送受信制御回路
４０７ 時間波形検出回路
４０８ 周波数検出回路
４０９ コード検出回路
４１０ インパルス送信波
４１１ インパルス受信波
５０１ 読取装置インパルス送信波形
５０２ 読取装置インパルス受信波形（不要波混在）
５０３ 読取装置インパルス受信波形（信号波）
６０１ タグ基板
６０２ 受信用のアンテナ
６０３ 送信用のアンテナ
６０４ 遅延回路
６０５ タグ用共振器回路
７０１ タグ基板
７０２ 受信用のアンテナ
７０３ 送信用のアンテナ
７０４、７０５ 遅延回路
７０６ タグ用共振器回路
８０１ タグ基板（アンテナおよび遅延回路）
８０２ 送信用のアンテナ
８０３ 受信用のアンテナ
８０４ 遅延回路
８０５ タグ基板（タグ用共振器回路）
８０６ タグ用共振器回路
８０７、８０８ 接続用金属片(箔)

Claims (6)

1. 共振周波数に情報を付与したタグ用共振器回路に遅延回路を縦続接続した回路の入出力端子に偏波識別機能を持つ送信アンテナと受信アンテナを接続して構成したチップレスＲＦＩＤタグ。
2. 前記タグ用共振器回路として共振時に減衰極を発生する回路あるいは共振時にピークを発生する回路を適用する請求項1記載のチップレスＲＦＩＤタグ。
3. 前記送信アンテナおよび前記受信アンテナに直線偏波アンテナを用い、互いの偏波面を直交させるように配置し、偏波識別による送受信分離機能を持たせた請求項１記載のチップレスＲＦＩＤタグ。
4. 前記遅延回路を二個用い、その間に前記タグ用共振器回路を挿入して縦続接続した回路とし、当該回路の入出力に前記送信アンテナおよび前記受信アンテナを接続した請求項１記載のチップレスＲＦＩＤタグ。
5. 前記送信アンテナおよび前記受信アンテナと、前記受信アンテナに接続された遅延回路とを同一の基板に実装し、前記タグ用共振器回路を他の異なる基板に実装し、前記タグ用共振器回路の二つの端子に遅延回路端子と送信アンテナ端子を接続して構成した請求項１記載のチップレスＲＦＩＤタグ。
6. チップレスＲＦＩＤタグ用読み取り装置の読み取り信号としてインパルス信号波を用いて、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のチップレスＲＦＩＤタグのタグ情報を前記遅延回路の遅延時間に対応するタイミングで時間窓を設けて検出するタグ情報読み取り方式。

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