JP4133930B2 - ループアンテナシステム及び無線通信システム - Google Patents

Description

本発明はループアンテナシステム及び無線通信システムに関し、例えば、無線タグ（非接触ＩＤタグ）とタグリーダー装置との無線通信に適用し得るものである。

ビデオテープ、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）などの販売数や在庫数や貸出し数などを管理するために、これら物品又はその収容ケースなど（以下、単に物品と呼ぶ）に非接触ＩＤタグシート（以下、単にＩＤタグと呼ぶ）を貼付しておき、タグリーダー装置がＩＤタグからデータを読み取って管理することが行われている。

最近においては、陳列棚に配列された状態の物品のＩＤタグからもデータを読み取ることも行われている。例えば、陳列棚の各棚板の載置面又は下面に、タグリーダー装置のアンテナであるループアンテナを取り付け、このループアンテナと、物品に貼付のＩＤタグ（のアンテナコイル）との電磁結合によってデータを授受するようになされている。

ところで、ビデオテープ、ＣＤ、ＤＶＤなどの物品の場合、その収容ケースなどが薄いためＩＤタグは収容ケースなどの最大の面積を有する一方の面（例えば、背面）に貼付される。そのため、これら物品が陳列棚に配列された状態では、ループアンテナが位置している面（以下、ループアンテナ面と呼ぶ）と、ＩＤタグのアンテナコイルが位置している面（以下、アンテナコイル面と呼ぶ）とは、平行ではなく直交する。このようなループアンテナ面とアンテナコイル面との関係では、両者の電磁結合が弱く、ＩＤタグのデータをタグリーダー装置が得られない恐れがある。

そのため、ループアンテナ面とアンテナコイル面とが直交する状態であっても、ＩＤタグのデータをタグリーダー装置がより確実に得られるようにする技術が研究されている。例えば、特許文献１には、ループアンテナの形状を単純な矩形ではなく、矩形での長辺に位置する部分を波形状とすることにより、ループアンテナに電流を流した際の電磁方向がループアンテナ面の法線方向から傾くようにさせて、アンテナコイルとの電磁結合の度合を高めることが記載されている。
特開２００３−１６８９１４号公報

上記特許文献１の開示技術は、データ授受の精度を高めた点で有効なものである。しかし、１枚の棚板に１個又は２個のループアンテナが固定的に設けられているため、棚板の種類や用途に応じて最適化する場合の融通性に乏しいという課題を有する。例えば、棚板の半分近くに商品のデモ用のディスプレイ装置が載置され、そこの部分でのデータ授受が不要であってもループアンテナのそこの部分も電磁結合動作を行い、エネルギーなどを無駄に消費していることになる。また例えば、高額物品を配置している棚板でのデータ授受精度を、低額物品を配置している棚板でのデータ授受精度より高めようとしても、従来の構成では容易に応じ難いものであった。

そのため、無線タグとの良好なデータ授受精度を達成できる、適用環境や用途に対する柔軟性が高いループアンテナシステムが望まれており、また、そのような柔軟性が高いループアンテナシステムを適用して無線タグとの良好なデータ授受を実現できる無線通信システムが望まれている。

かかる課題を解決するために、請求項１の本発明のループアンテナシステムは、複数のループアンテナを第１平面上の直線上に位置をずらせて配列し、上記第１平面の法線を含み、かつ、上記直線方向を法線方向とする第２平面をアンテナコイル面とする無線タグと、複数の上記ループアンテナの配列が、電磁結合し得るものであり、複数のループアンテナ間で重なり合うアンテナ部分の線幅を重なり合わない部分の線幅より細くしたことを特徴とする。

請求項２の本発明の無線通信システムは、無線タグと、無線タグをアクセスする無線タグアクセス装置とを有するものであって、上記無線タグアクセス装置におけるアンテナ要素として、請求項１の本発明のループアンテナシステムを適用したことを特徴とする。

請求項３の本発明の無線通信システムは、請求項２において、上記無線タグアクセス装置は、上記複数のループアンテナを、個別又はグループ毎に切り替えてアクセスすることを特徴とする。

請求項４の本発明の無線通信システムは、請求項３において、上記無線タグアクセス装置が同時駆動するループアンテナの出力を変化させながら動作することを特徴とする。

請求項５の本発明の無線通信システムは、請求項３において、上記無線タグアクセス装置が同時駆動するループアンテナの重心位置間の上記直線方向の距離が、所定距離以上に選定されていることを特徴とする。

本発明のループアンテナシステム及び無線通信システムによれば、複数のループアンテナを直線上に位置をずらせて配列し、無線タグとのデータ授受の不感帯の空間をできるだけなくすようにしたので、データ授受精度を確保しつつ、適用するループアンテナの個数の調整などにより、適用環境や用途に対し柔軟に対応することができる。

（Ａ）実施形態
以下、本発明に係るループアンテナシステム及び無線通信システムの一実施形態を図面を参照しながら詳述する。なお、この実施形態の場合、ＤＶＤを収容ケース内に収容したＤＶＤ商品に非接触ＩＤタグが設けられているとする。

図１は、この実施形態の無線通信システムの全体構成を示す説明図である。図１において、この実施形態の無線通信システム１は、管理用コンピュータ２、タグリーダー・ライタ３及びループアンテナシステム４（４−１〜４−４）を構成要素としている。

管理用コンピュータ２は、ＤＶＤ商品６の販売数や在庫数や貸出し数などを管理するものであり、タグリーダー・ライタ３を介して陳列棚５に陳列されているＤＶＤ商品６のデータを収集したり、タグリーダー・ライタ３を介して陳列棚５に陳列されているＤＶＤ商品６に任意のデータ（例えば、変更後の価格データ）を書き込んだり、ＤＶＤ商品６のデータを管理したりするものである。

タグリーダー・ライタ３は、例えば、陳列棚５の基台５Ａの内部空間内に設けられている。このタグリーダー・ライタ３のアンテナ部分として、後述するループアンテナシステム４−１〜４−４が設けられており、タグリーダー・ライタ３は、例えば、管理用コンピュータ２の制御下で、ループアンテナシステム４−１〜４−４を読取り駆動して陳列棚５に陳列されているＤＶＤ商品６のデータを読み取ったり、ループアンテナシステム４−１〜４−４を書込み駆動して陳列棚５に陳列されている所定のＤＶＤ商品６にデータを書き込んだりするものである。

各ループアンテナシステム４−１、…、４−４は、例えば、基台５Ａの棚板５ａや中間位置の棚板５ｂ（例えば、その下面部）にそれぞれ設けられているものであり（なお、天井板５ｃに設けられていても良い）、ＤＶＤ商品６に取り付けられている非接触ＩＤタグ７（図２参照）との電磁結合による通信を実行するものである。各ループアンテナシステム４−１、…、４−４とタグリーダー・ライタ３との接続線は、例えば、陳列棚５の一方の側板５ｄに敷設されている。

ＤＶＤ商品６に対しては、図２に示すように、その収容ケースの最大の面積を有する一方の面（例えば、背面）に非接触ＩＤタグ７が設けられている。なお、図示は省略するが、非接触ＩＤタグ７はアンテナコイルを有するものである。非接触ＩＤタグ７はＩＣを搭載しているものであっても良く、ＩＣを搭載していないものであっても良い。また、非接触ＩＤタグ７の表面にはバーコードなどが印刷されていても良い。

図３は、１個のループアンテナシステム４（４−１、…、４−４）の概略構成を示す平面図であり、図４はそのループアンテナシステム４の概略構成を示す断面図（図３におけるVI−VI線断面図）である。なお、図３において、上方が陳列棚５の手前側に、下方が陳列棚５の奥側に対応している。

ループアンテナシステム４は、図３に示すように、棚板５ａ、５ｂの長手方向（ｘ方向）にループアンテナ面の一部を重ね合わせながら並設された、複数のループアンテナ１０−１〜１０−Ｎ（Ｎは２以上の整数）を有する。なお、ループアンテナ面が重ね合うことなく並設されたものも、本発明の他の実施形態を構成する。各ループアンテナ１０−ｎ（ｎは１〜Ｎ）は略同一形状のものであり、概ね正方形の形状を有している。例えば、棚板５ａ、５ｂが、幅（棚板の長手方向（ｘ方向）に沿う長さ）が１１２５ｍｍ、奥行き（棚板の幅方向（ｙ方向）に沿う長さ）が２００ｍｍ程度のものであれば、各ループアンテナ１０−ｎとして、アンテナの一辺の長さが１５０ｍｍ程度のものを適用し、Ｎ個のループアンテナ１０−１〜１０−Ｎを並設する。ここで、１個のループアンテナ１０−ｎの長手方向（ｘ方向）の長さをＷとすると、隣り合うループアンテナの重心間の距離をＷ／２以上に選定する（ここでの隣り合うとは同時駆動される隣り合う意味であり、同時駆動されないものであればより接近して配置しても良い）。すなわち、ここでは、３個のループアンテナの重ね合わせ部分が生じないようにする（３個のループアンテナの重ね合わせ部分が生じるようにしたものも本発明の他の実施形態となる）。

ループアンテナシステム４を陳列棚５の正面から見た場合には、図４に示すように、各ループアンテナ１０−ｎのループアンテナ面が棚板５ａ、５ｂの長手方向（ｘ方向）に対して平行になるように各ループアンテナ１０−ｎが設けられている（なお、長手方向及びその法線方向に対してループアンテナ面が傾斜するようにループアンテナを設けるようにしても良い；後述する）。図３の左側から数えて奇数番目の各ループアンテナ１０−１、１０−３、…、１０−Ｎは、基板Ｆの表面側（棚板５ａ、５ｂの裏面に近い面）に設けられ、偶数番目の各ループアンテナ１０−２、１０−４、…は、基板Ｆの裏面側（棚板５ａ、５ｂの裏面から遠い面）に設けられている。なお、基板Ｆの表面側に設けられている奇数番目の各ループアンテナ１０−１、１０−３、…、１０−Ｎのｙ方向の位置は、基板Ｆの裏面側に設けられている偶数番目の各ループアンテナ１０−２、１０−４、…ｙ方向の位置より僅かに奥行き側にずれており、奇数番目の各ループアンテナ１０−１、１０−３、…、１０−Ｎの一部と偶数番目の各ループアンテナ１０−２、１０−４、…の一部とが基板Ｆを挟んで交差している（符号ＣＰ１がこのような交差部分の１箇所を指標している）。

ここで、複数のループアンテナ１０−１〜１０−Ｎとタグリーダー・ライタ３との接続方法は任意で良い。例えば、図３に示すように、奇数番目のループアンテナ１０−１、１０−３、…、１０−Ｎを、第１の接続線（給電線）対１１Ｏを介してタグリーダー・ライタ３に接続させ、偶数番目のループアンテナ１０−２、１０−４、…を、第２の接続線対１１Ｅを介してタグリーダー・ライタ３に接続させる。また例えば、図示は省略するが、全てのループアンテナ１０−１〜１０−Ｎを同じ接続線対を介してタグリーダー・ライタ３に接続させるようにしても良く、ループアンテナ１０−１〜１０−Ｎをｍ（ｍは２以上）個置き毎のｍ＋１グループに分け、各グループ毎の接続線対を介してタグリーダー・ライタ３に接続させるようにしても良い。さらには、各ループアンテナ１０−ｎのそれぞれを、タグリーダー・ライタ３に個別に接続するものであっても良い。

ここで、タグリーダー・ライタ３は、複数のループアンテナを同時駆動する場合において、同時駆動するループアンテナへの給電パワー（出力）を変えながら読取り動作することが好ましい。このようにした場合、同時駆動する複数のループアンテナによる合成磁界の方向が、一定ではなく種々の方向に変化し、その結果、広範囲の非接触ＩＤタグ７を読み取ることが可能となる。

また、図３及び図４の例の場合、上述のように、奇数番目のループアンテナの一部と偶数番目のループアンテナの一部とが基板Ｆを挟んでいるが交差している。このような交差している部分の線幅は、交差していない部分の線幅より細いことが好ましい。有効なループアンテナを切り換えた場合、複数のループアンテナでの交差している部分が大きいと、そこの部分がコンデンサとなって電力のロスが生じる。その影響を低減するために、交差している部分の線幅を、交差していない部分の線幅より細くしてコンデンサとして機能し難いようにする。

基板Ｆの表面側の接続線対１１Ｏと基板Ｆの裏面側の接続線対１１Ｅとの間でも、符号ＣＰ２を付与した箇所のように交差部分が生じるが、この部分の線幅も細くしてコンデンサとして機能し難いようにしても良い。また、接続線対１１Ｏの２本の接続線や、接続線対１１Ｅの２本の接続線の交差が必要な部分（ＣＰ３参照）も生じるが、この部分では、絶縁層を介して２本の接続線を交差させている。そのため、この交差部分も、線幅を細くしてコンデンサとして機能し難いようにしても良い。

図３及び図４に例示したものとは異なり、基板Ｆを挟んで表裏面のそれぞれに設けられる奇数番目のループアンテナと偶数番目のループアンテナとのｙ方向の位置を同じにしても良い。この場合、奇数番目のループアンテナを構成している正方形の奥行きの辺と手前の辺の一部が、偶数番目のループアンテナを構成している正方形の奥行きの辺と手前の辺の一部と平行に重なることになる。このような平行な重なりが生じる場合にも、交差重なりの場合と同様に、平行に重なっている部分の線幅を、重なっていない部分の線幅より細くしてコンデンサとして機能し難いようにすることが好ましい。

なお、図３に示すように、ループアンテナ１０−１、１０−２、…、１０−Ｎと、接続線対１１Ｏ、１１Ｅとを、機械的なスイッチか電子的なスイッチなどの開閉素子１３−１、１３−２、…、１３−Ｎを介して接続可能とさせ、任意のループアンテナをタグリーダー・ライタ３から切り離すようにしても良い。

この実施形態の無線通信システム１及びループアンテナシステム４によれば、複数のループアンテナ１０−１〜１０−Ｎをループアンテナ面が一部重なるように配置したので、１個のループアンテナだけでは、アンテナコイル面が法線方向（ｚ方向）に沿っているＤＶＤ商品の非接触ＩＤタグとの電磁結合が不十分な箇所でも、十分な電磁結合を達成できる。

ここで、複数のループアンテナ１０−１〜１０−Ｎを有するので、その個数変更や、重なり量の調整などにより、棚板５ａ、５ｂの種類や用途の変化に容易に対応することができる。

さらに、上記実施形態によれば、所定個数（例えば１００個）のＤＶＤ商品６の非接触ＩＤタグ７からのデータ読み取り（やデータ書き込み）を従来より迅速に行うことができる。従来であれば、１個のループアンテナが１枚の棚板５ａ、５ｂのほぼ全面をカバーしているため、そのループアンテナが通信する対象のＤＶＤ商品６は、その棚板５ａ、５ｂに載置されている全てであるが、この実施形態の場合には、１個のループアンテナがカバーする範囲は狭くてそのループアンテナが通信する対象のＤＶＤ商品６の数も少なく、管理コンピュータ２の処理などにより、容易にＤＶＤ商品６を切り分けることができる。なお、細かい実験のパラメータの説明は省略するが、１００個のＤＶＤ商品６のデータを読み取るに要する時間は実験によると１／３程度に短縮された。

図５は、読取りのシミュレーション結果の説明図である。図５（Ａ）に示すように、棚板５ａ、５ｂの長手方向（ｘ方向）の長さＷが５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍであり、棚板５ａ、５ｂの幅方向（ｙ方向）の長さが同じ１５０ｍｍである４種類の矩形（正方形を含む）のループアンテナ１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）を考慮する。また、奇数番目及び偶数番目で隣り合うループアンテナ１０（例えば、１０−１と１０−２）の長手方向（ｘ方向）にＷ／２だけ重なっているとし、また、ｙ方向の位置も揃っているとする。測定点を、ループアンテナ１０の重心位置から長手方向（ｘ方向）にＷ／４だけずれた点（奇数番目及び偶数番目で隣り合う２つのループアンテナの磁束が最も弱め合う位置）とし、その測定点から垂直方向（ｚ方向；棚板の法線方向）にＰｚ隔てた位置を計測点Ｐとし、その計測点Ｐにおけるｘ方向の磁界強度Ｈｘ（非接触ＩＤタグ７のアンテナコイル面の法線方向）が非接触ＩＤタグ７が補償している最小強度（例えば、０．８［ＡＴ／ｍ］）を確保できる限界高さ（Ｐｚの検出上限）を計算により求めた。

図５（Ｂ）は、その演算結果を示している。基本的には、同じパワーを給電したならば、ループアンテナ面の長手方向の長さが長いループアンテナほどデータ通信し得る高さが高くなる傾向にある。しかし、ループアンテナ面の長手方向の長さが長いループアンテナほど、データ通信し得る最低のパワーも大きくなる。図５（Ｂ）からは、少ないパワーで非接触ＩＤタグ７が一般的に位置していると考えられる高さまでのデータ通信を確保しようとした場合には、正方形のループアンテナ１０Ｃが好適であることが分かる。

（Ｂ）他の実施形態
上記実施形態の説明でも種々変形実施形態に言及したが、さらに、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。

上記実施形態では、ループアンテナ面の形状が正方形又は矩形のものを示したが、形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すような、円形や、その他の任意形状を適用するようにしても良い。また、直線上に配列する複数のループアンテナの形状に複数種類があっても良く、その異なる形状は対称のものに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、複数のループアンテナの棚板の幅方向（ｙ方向）の位置が交互（又は同じもの）を示したが、図７に示すように、棚板の幅方向（ｙ方向）の位置を所定パターンで変化させるようにしても良い。所定パターンで変化させた場合（なお、交互の場合もほぼ同様）、図８に示すような、配列された多数のＤＶＤ商品６の非接触ＩＤタグの面と直交するような面を有するＤＶＤ商品６ａがあっても、そのＤＶＤ商品６ａの非接触ＩＤタグとの高い信頼性を有する通信ができる。

複数のループアンテナの棚板法線方向の位置関係も、図４に示した基板Ｆの表裏面を利用するものに限定されない。例えば、図９に示すように、棚板５ａ、５ｂは、一般的にはその手前側及び奥側に折返し部分を有し、各ループアンテナ１０−ｎをそれぞれ取り付けた複数の平板部材１２−ｎを手前側及び奥側の折返し部分間を渡すように傾斜させて取り付けるようにしても良い。このような配置にすることにより、ループアンテナ面が、棚板５ａ、５ｂの長手方向（ｘ方向）及びその法線方向（ｚ方向）に対し、傾斜している点で、十分な電磁結合を達成できる。また例えば、図１０に示すように、高低が交互になっているものであっても良い。また、ループアンテナ面そのものも、平面ではなく、曲面になっていても良い。図１０に示す例は、曲面が円筒の一部を切り出したようになっている場合を示している。

上記実施形態では、１個の陳列棚５に係る全てのループアンテナが同一のタグリーダー・ライタ３に接続されているものを示したが、棚板５ａ、５ｂ単位に別個のタグリーダー・ライタ３に接続させても良く、ループアンテナ単位に複数のタグリーダー・ライタ３の中から任意のものに接続させるようにしても良い。

また、上記実施形態では、非接触ＩＤタグ７が書き込み及び読み出しの双方が可能であるものを示したが、読み出し専用のものであっても良く、他の構成も非接触ＩＤタグ７からの読み出しだけに対応できるように構成しても良い。

さらに、上記実施形態では、ループアンテナシステムを棚板に設けたものを示したが、陳列棚５の背板に設けるようにしても良い。また、用途によっては、床面や道路面などに設けるようにしても良い。

実施形態の無線通信システムの全体構成を示す説明図である。 実施形態の非接触ＩＤタグの取り付け例の説明図である。 実施形態のループアンテナシステムの概略構成を示す平面図である。 図３のVI−VI線断面図である。 実施形態の効果の説明のためのシミュレーション方法とその結果を示す説明図である。 他の実施形態（１）でのループアンテナの形状例を示す平面図である。 他の実施形態（２）でのループアンテナシステムの概略構成を示す平面図である。 図７のループアンテナシステムの効果の説明図である。 他の実施形態（３）のループアンテナシステムの概略構成を示す正面図である。 他の実施形態（４）のループアンテナ面の概略形状を示す正面図である。

符号の説明

１…無線通信システム、２…管理用コンピュータ、３…タグリーダー・ライタ、４（４−１〜４−４）…ループアンテナシステム、５…陳列棚、６…ＤＶＤ商品、７…非接触ＩＤタグ、１０−１〜１０−Ｎ…ループアンテナ。

Claims (5)

1. 複数のループアンテナを第１平面上の直線上に位置をずらせて配列し、上記第１平面の法線を含み、かつ、上記直線方向を法線方向とする第２平面をアンテナコイル面とする無線タグと、複数の上記ループアンテナの配列が、電磁結合し得るものであり、
   複数のループアンテナ間で重なり合うアンテナ部分の線幅を重なり合わない部分の線幅より細くしたことを特徴とするループアンテナシステム。
2. 無線タグと、無線タグをアクセスする無線タグアクセス装置とを有する無線通信システムにおいて、
   上記無線タグアクセス装置におけるアンテナ要素として、請求項１に記載のループアンテナシステムを適用したことを特徴とする無線通信システム。
3. 上記無線タグアクセス装置は、上記複数のループアンテナを、個別又はグループ毎に切り替えてアクセスすることを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
4. 上記無線タグアクセス装置が同時駆動するループアンテナの出力を変化させながら動作することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
5. 上記無線タグアクセス装置が同時駆動するループアンテナの重心位置間の上記直線方向の距離が、所定距離以上に選定されていることを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。

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