JP4318640B2 - 識別装置および識別システム - Google Patents
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Description
本発明は識別装置およびそれを内蔵するシステムに関する。
能動RFIDタグが知られており、一般的に集積回路(IC)に電気的に接続された共振同調アンテナコイルを含んでいる。このようなRFIDタグの例は米国特許第5,517,194号(キャロル(Carrol)他)、米国特許第4,546,241号(ウォルトン(Walton))、米国特許第5,550,536号(フラクセル(Flaxel))、および米国特許第5,153,583号(マードック(Murdoch))がある。
従来技術の1つ以上の欠点を克服する、もしくは、少なくとも実質的に改善する、あるいは、少なくとも有用な代替策を提供することが本発明の目的である。
質問信号を受信するアンテナ、および、
アンテナに接続され質問信号に応答するトランシーバ、を含み、
トランシーバはアンテナから選択的に電流を引き出す。
質問信号を受信しその信号に応答してアンテナ電流をサポートするアンテナを有し、
アンテナに接続されてアンテナ電流を第1の状態と第2の状態間で切替えるカップリングを有し、第1の状態のアンテナ電流は第2の状態のアンテナ電流よりも大きく、
カップリングに接続されかつアンテナ電流から得られる動作電流を引き出すトランシーバを有し、質問信号に選択的に応答して識別信号を発生することを、備える。
質問フィールドを提供する質問機と、
各品物に搭載される複数の識別装置とを含み、この装置は、
フィールド内に同時発生的に配置され、そのフィールドに応答してアンテナ電流を供給する各アンテナと、
アンテナに接続されて電流を動作状態およびスタンバイ状態間で選択的に切替えて全ての電流が同時に動作状態とはならないようにする各トランシーバと、を含み、
トランシーバは電流に応答して各品物に特定の識別データを含む識別信号を与え、さらに、
識別信号を処理して識別データを抽出し各品物を識別する受信機を含んでいる。
質問信号に応答してアンテナ電流を供給するアンテナを有し、
正規状態およびスタンバイ状態間の選択を行うトランシーバを有し、正規状態中に、トランシーバは質問信号に応答して識別信号を発生し、スタンバイ状態中は、質問信号に応答して正規状態およびスタンバイ状態間の選択しか行わないこと、を含んでいる。
トランシーバへ供給電圧を与える電流カップリングを有し、第1の状態においてアンテナから第1の電流を引き出し、第2の状態において第1の電流よりも小さい第2の電流をアンテナから引き出す。
第1の信号を受信しそれを利用して電圧を発生する受信手段を有し、電圧から第1の電流を発生し、
受信手段内の第1の電流の量を選択的に制御する集積回路を有し、
受信手段と集積回路間の接続を有し、
第2の信号を発生する送信手段を有し、
装置が第1の状態であるか第2の状態であるかを選択する状態選択手段を有し、
装置が第1の状態にある時は、第2の状態に関して、比較的大量の第1の電流が受信手段中を流れ、
装置が第2の状態にある時は、第1の状態に関して、比較的少量の第1の電流が受信手段中を流れる。
第1の信号を発生する信号発生器と、
複数の品物と、
各々が個別の各品物に関連付けられる複数の識別装置と、を含み、
各装置が、
第1の信号を受信しそれを利用して電圧を発生する受信手段を有し、
受信手段は電圧から第1の電流を発生し、
受信手段内の第1の電流の量を選択的に制御する集積回路を有し、
受信手段および集積回路間の接続を有し、
第2の信号を発生する送信手段を有し、
装置が第1の状態であるか第2の状態であるかを選択する状態選択手段を有し、
装置が第1の状態にある時は、第2の状態に関して、比較的大量の第1の電流が受信手段中を流れ、
装置が第2の状態にある時は、第1の状態に関して、比較的少量の第1の電流が受信手段中を流れる。
図面の象徴的表現に関する序文解説
次に、添付図を参照して、単なる例として本発明の好ましい実施例について説明する。
初めに図3−11,および15−18は本発明の好ましい実施例の“象徴的”モデルであり、図2は従来技術タグの“象徴”であることに注目願いたい。対照的に、図1は本発明の略表現である。
無線周波数識別(“RFID”)装置すなわちタグ1の形の本発明の第1の実施例が図3に象徴的に例示されている。タグは質問信号を受信する多巻コイル3を含んでいる。集積回路(IC)4の形のトランシーバがコイル3に接続され質問信号に応答する。他の実施例では、他の装置がトランシーバとして使用され、このような装置は当業者ならば容易に判る。この実施例では、コイル3および回路4は普通の一般的に矩形の基板2上に搭載される。他の好ましい実施例では、ICはメモリ42を含んでいる。
回路4は第1の状態および第2の状態間で切替わり、質問信号の存在下で第1の状態中に回路4によりコイル3から引き出される電流は、第2の状態中に引き出される電流よりも大きい。より詳細には、回路4はサイクルの持続時間だけ第1または第2の状態をランダムに選択する電流サイクルを有する。各個別タグによるサイクル中の状態のランダムな選択により、第1の状態において2つの隣接タグが同時に動作するリスクが低減される。
基板2はおよそ80mm×50mmであり、一緒に積層されてコイル3および回路4をカプセル化する複数の層を含んでいる。この実施例では、タグ1の厚さはおよそ0.3mmである。他の実施例では、タグ1の寸法はそれよりも大きかったり小さかったりする。すなわち、一般的にタグは梱包その他の品物内に遮られることなく内蔵されるような大きさとすることが好ましい。
好ましい実施例では、コイル3はトランシーバにより発生される識別信号を送信する。他の実施例では、第2の独立したアンテナコイルが識別信号を送信するのに使用される。
この実施例では、アンテナはコイル3であるが、他の装置を利用して質問信号を受信することができる。このような代替装置の例が図16,17および18に示されている。図16では、質問信号は非特定的すなわち一般的な受信装置31により受信される。図17に示すダイポールアンテナは放射された質問信号を受信するのに使用される。他の実施例(図示せず)では、装置31はモノポールである。さらに、図18に示すようなもう1つの実施例では、装置31は電気的、容量性、または質問信号を受信する容量性アンテナを含んでいる。さらに、当業者ならば、ここに記載された教示から本発明はさらに他の受信装置に応用することができ、アンテナの選択や質問信号の特定の形式により制限されないことを理解できる。
本発明の実施例についてさらに記述する前に、典型的な従来技術タグの動作を調べる。典型的なタグは図2に略示するような回路5を含んでいる。特に、質問フィールドによりアンテナコイル内に電圧V1が誘起され、アンテナコイルL1はキャパシタC1を同調させることにより同調される。したがって、L1およびC1は共振同調回路を形成し、この回路は電圧V1をアンテナコイルのロードされたQだけ拡大する。同調回路の両端間に生じるAC電圧は整流器6により整流され、DC出力電圧が蓄積キャパシタC2上に蓄積される。ICのDC負荷はR1で表される。
互いにごく接近するタグに対しては、これらの共振電流は解消されることが重要であることが発明者により理解されてきている。それにより、発明者は共振キャパシタをアンテナコイルから分離することによりこれらの共振電流を解消できることを確認している。しかしながら、たとえ図2に示すような従来技術装置から共振キャパシタを除去しても、コイル5から引き出されるアンテナ電流は複数のタグをぎっしり積重ねられるようにするにはまだ大きすぎる。特に、たとえ共振キャパシタが無くても、このようなタグが互いに数mm以内に配置されると、タグは確実には動作しない。
アンテナコイル電流が非常に小さくなる、あるいは、場合によってはゼロになると、コイルは質問フィールドに対して見えやすくなる(transparent)。この状態において、アンテナコイルは(a)質問フィールドに影響を及ぼさず、(b)低電流状態のこれらのタグは正規の電流状態のこれらのタグの動作と干渉しない。
1. 回路により実施される必要な機能を最小限に抑える。
2. 低電力回路を利用する。広く理解されているように、低電力回路は従来の回路よりも遥かに設計が困難である。低電力回路は動作電流が少なく引き出す電流も少なくなる。低電流状態において動作し続けなければならないこれらの回路に対して低電力回路を使用すると、低電流状態中に引き出される電流が低減される。
3. オンボード(onboard)エネルギ蓄積装置、特に、容量性装置の使用。オンボードエネルギ蓄積装置は低電流状態における回路の動作に必要な電流を供給する。たとえば、容量性装置は正規の電流状態中に充電し蓄積された電荷を低電流状態中に使用してアンテナから引き出される電流を最小限に抑えることができる。あるいは、バッテリを使用して低電流状態電流を供給することができる。
共振キャパシタを含まない図3の実施例では、質問フィールドによりアンテナコイルL1内に電圧V1が誘起される。さらに、アンテナ電圧は整流されてDC蓄積キャパシタC2上に蓄積される。発生電流は象徴的スイッチSW1により管理される。
2つの状態はスイッチSW1および抵抗R1およびR2により象徴的に反映することができる。重要なことは、これらは2つの状態を反映するために利用されるもので、実際上、本発明の一部ではない。
低電流および正規電流状態において回路4により引き出される電流の変化はアンテナコイルの電流変化に対応する。低電流状態ではアンテナ電流は数10μAであり、正規電流状態ではアンテナ電流は数100μAである。特に、典型的な値は低電流状態では70μAであり、正規電流状態では300μAである。
図12はタグ1に対する回路モデルを示す。特に、
(a)質問フィールドによりアンテナコイルL1内に電圧V1が誘起される。
(b)インピーダンスZ1はアンテナコイルの直列インピーダンスおよび任意の直列接続インピーダンスを表す。
(c)R4は回路4の等価AC抵抗値を象徴的に表す。
(d)電流I2がアンテナコイルからR4へ流入する。
(e)R4両端間の電圧V4はL1および回路4のアンテナ端子の電圧を象徴的に表し、図3に示すように、それは整流されてDC蓄積キャパシタC2上に蓄積される。
V4=V1−I2.(Z1+jwL1)
となり、ここに、jwはラジアン/秒で表される複素周波数である。この方程式は次の2つの形に書き換えることができる。
I2=(V1−V4)/(Z1+jwL1) および
I2=V1/(R4+Z1+jwL1)
前記したことから、電圧V1およびインダクタンスL1が固定されているものとすると、I2はV4,R4またはZ1を変動させて調整される。たとえば、
1. I2はV4を変えて変動される。すなわち、出力電圧を増加することによりコイル端子により多くの電圧が現れてアンテナコイルから引き出される電流は少なくなる。
2. I2はR4を変えて変動される。すなわち、回路4のAC抵抗値を増加することによりアンテナコイルから引き出される電流は少なくなる。
3. I2はZ1を変えて変動される。すなわち、Z1に直列に追加インピーダンスを挿入することにより、アンテナコイルインピーダンス内に大きな電圧降下が生じてアンテナコイルから引き出される電流は少なくなる。
A.電圧増倍器を有する実施例
図4において、集積回路7は整流器ではなく電圧増倍器回路8を含んでいる。共振同調が無い場合、コイル電圧はQにより拡大されないため比較的低いので、これは有利である。補償するために、回路8は回路7へ供給される電圧を増加して回路が低いコイル電圧で動作できるようにし、低いコイル電圧は低い質問フィールドしか必要としない。
図6において、MOSFETトランジスタT1の形のスイッチが正規電流状態または低電流状態を選択するのに使用される。(T1のドライブはトランシーバにより提供される)。トランジスタT1が閉じられまた開かれると、回路はそれぞれ倍電圧器および全波整流器として作用する。
図6において、回路11は低電流状態にある時にアンテナコイルL1に直列に追加インピーダンスZ2を与えるサブ回路12を含んでいる。Z2は抵抗値、キャパシタンス、インダクタンスまたはそれらのいずれかまたは全ての組合せとすることができる。追加インピーダンスによりそれ自体の両端間の電圧が降下してI2が減少する。これは低電流状態中にアンテナから引き出される電流を低減するのに有利である。
図8に示す実施例は分路調整器16を利用して集積回路へ供給される動作電圧を制御する回路15を含んでいる。分路回路の動作の詳細な説明は米国特許第5,045,770号に記載されている。
図9の実施例は直列調整器を利用して動作電圧を制御する回路を含んでいる。調整器への入力電圧は回路が低電流状態へ切替わる時に増加する。
図12は宝石の在庫品システムとしての本発明の実施例の応用を示す。予め、このプロセスは手動で達成されているため、時間を消耗し誤りを生じ易い。
前記したように、図13で使用されるような、ぎっしり積み重ねられたもしくは間隔がとられたタグの動作の信頼度を最大化するために、タグは2つの電流状態のいずれかで動作する。任意の時間に、タグの小部分はタグが質問機に応答する正規電流状態にあり、タグの残りはタグが完全には機能しない低電流状態にある。したがって、タグが互いに数mm以内で作動しなければならない図12の実施例では、個別タグが正規状態である確率は1/16となる。
好ましい実施例では、タグはそれらの状態を自律的にランダムに選択する。すなわち、タグは電流状態をランダムに選択し、コマンドおよびデータまたはそのいずれかを受信し、または返答を送信し、次に、新しい電流状態をランダムに選択する。
別の実施例では、タグに指令して新しい電流状態を選択させるのに質問信号が使用され、タグはそれらの電流状態をランダムに選択する。これらの質問信号は、ある実施例では、質問フィールド内の短い中断の形をとる。このような中断の例は単一中断および符号化中断(符号はタグにさまざまな電流状態選択を行うよう指令する中断のシーケンスである)を含んでいる。
タグ間の結合が信頼できる動作を許すのに十分低減される場合を除き、正規状態を選択するタグの精密な比率は重要ではない。作動するタグの確率すなわち比率はタグの数および間隔を適合させるように選択しなければならず、経験により決定することができる。
あるいは、各タグは特定数等の固定数に応じて電流状態を選択する。このような好ましい実施例では、タグはその数の一部分を使用して電流状態を選択する。特に、図12の実施例では、各タグの特定数は4ビットマスク値を含んでいる。4ビット値は質問機中断の数またはタグが正規電流状態に入る前に受信したコマンドの数を表す。質問機により送信されるフィールドはコマンドをタグへ送信するように変調することができる。パルス、振幅、周波数および位相等のフィールドを変調するさまざまな方法が広く使用され理解されている。
図19は本発明の好ましい実施例に従ったシステム50を示す。図からお判りのように、質問機43は複数の装置1を統合する。
質問機43は固定設置装置であるか、あるいは、他の実施例では携帯装置である。いずれの場合にも、質問機は好ましくはRFフィールドの形の質問信号を提供し、それはそのフィールド内の各タグにより検出され、かつ選択的に応答される。
好ましい実施例のRFIDタグは再プログラマブルであるため再利用可能なリソースを提供する。さらに、バーコードとは異なり、それらは物理的に乱暴な取扱いにより容易に使用不能となることがない。
従来技術のシステムでは、タグは小荷物等の品物を識別するのに使用され1mまでの距離で作動するように設計されるため、このような技術の応用はタグが十分間隔をとられている状況に限定される。それとは著しく対照的に、本発明の好ましい実施例はびっしり積重ねても確実に作動し続ける。
Claims (58)
- 識別装置が他の識別装置に近接しているときに、第1の信号を受信して第2の信号を送信する識別装置であって、該装置は、
第1の信号を受信し第1の信号を利用して電圧を発生する受信手段を有し、該受信手段は電圧から第1の電流を発生し、
集積回路を有し、該集積回路は前記装置が第1の状態または第2の状態を乱数的にまたは擬似乱数的に選択する状態選択手段を含み、
受信手段および集積回路間の接続を有し、
第2の信号を発生する送信手段を有し、
前記装置が第1の状態にある時は、第2の状態のときの電流よりも大きい量の第1の電流が受信手段中を流れ、
前記装置が第2の状態にある時は、第1の状態のときの電流よりも小さい量の第1の電流が受信手段中を流れる、識別装置。 - 請求項1に記載の識別装置であって、
第1の確率が第1の状態に関連付けられ、
第2の確率が第2の状態に関連付けられ、
第1の確率は第2の確率よりも低い、識別装置。 - 請求項2に記載の識別装置であって、第1の確率は第2の確率よりも少なくとも2倍低い、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、第1の確率は第2の確率よりも少なくとも4倍低い、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、第1の確率は第2の確率よりも少なくとも8倍低い、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、第1の確率は第2の確率よりも少なくとも16倍低い、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、比較的少量の電流は少なくともおよそ100μAよりも少ない、識別装置。
- 請求項7に記載の識別装置であって、比較的少量の電流はおよそ50μAよりも少ない、識別装置。
- 請求項8に記載の識別装置であって、比較的少量の電流はおよそ30μAよりも少ない、識別装置。
- 請求項9に記載の識別装置であって、比較的少量の電流はおよそ15μAよりも少ない、識別装置。
- 請求項10に記載の識別装置であって、比較的少量の電流はおよそ5μAよりも少ない、識別装置。
- 請求項11に記載の識別装置であって、比較的少量の電流はおよそ0.1μAとおよそ4.99μAの間である、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、比較的少量の第1の電流は比較的大量の第1の電流の50%よりも少ない、識別装置。
- 請求項13に記載の識別装置であって、比較的少量の第1の電流は比較的大量の第1の電流の25%よりも少ない、識別装置。
- 請求項14に記載の識別装置であって、比較的少量の第1の電流は比較的大量の第1の電流の5%よりも少ない、識別装置。
- 請求項15に記載の識別装置であって、比較的少量の第1の電流は比較的大量の第1の電流の1%よりも少ない、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、第1の確率および第2の確率は少なくとも擬似乱数である、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、受信手段はアンテナである、識別装置。
- 請求項18に記載の識別装置であって、アンテナはコイルである、識別装置。
- 請求項18に記載の識別装置であって、受信手段はダイポールアンテナである識別装置。
- 請求項18に記載の識別装置であって、受信手段は容量性アンテナである、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、第1の信号は電気信号、容量性信号、誘導性信号、無線信号、および磁気信号の少なくとも1つである、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、接続は電圧増倍器を含む、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、接続は電圧整流器を含む、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、さらに、受信手段と直列のインピーダンス手段により構成される第1の装置部分を含む、識別装置。
- 請求項25に記載の識別装置であって、インピーダンス手段は追加抵抗、キャパシタ、およびインダクタの少なくとも1つである、識別装置。
- 請求項25に記載の識別装置であって、インピーダンス手段は切替型インピーダンスである、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、さらに、集積回路と直列のインピーダンス手段により構成される第2の装置部分を含む、識別装置。
- 請求項28に記載の識別装置であって、インピーダンス手段は切替型インピーダンスである、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、状態選択手段は第1の信号に応答する、識別装置。
- 請求項30に記載の識別装置であって、第1の信号は少なくとも1つ以上の第1の信号中断を含み、状態選択手段は第1の信号中断に応答する、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、さらに、メモリを含む、識別装置。
- 請求項32に記載の識別装置であって、メモリは、情報単位、コンテンツ情報、アドレス情報および名称情報、の少なくとも1つに対するメモリスペースを含む、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、前記装置は0mmと0.5mm間の厚さを有する、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、前記装置は10mmと10cm間の幅、および60mmと100mm間の長さを有する、識別装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、集積回路はオンボード電源を含む、装置。
- 請求項2に記載の識別装置であって、受信手段は送信手段でもある、識別装置。
- 請求項37に記載の装置であって、送信手段は集積回路に応答して第2の信号を発生する、装置。
- 請求項2に記載の装置であって、状態選択手段はMOSFETトランジスタである、識別装置。
- 近接している品物を識別するシステムであって、該システムは、
第1の信号を発生する信号発生器と、
複数の品物と、
各々が個別の各品物にそれぞれ関連付けられている複数の識別装置と、
を含み、
各装置は、
第1の信号を受信し第1の信号を利用して電圧を発生する受信手段を有し、該受信手段は電圧から第1の電流を発生し、
集積回路を有し、該集積回路は前記装置が第1の状態または第2の状態を乱数的にまたは擬似乱数的に選択する状態選択手段を含み、
受信手段および集積回路間の接続を有し、
第2の信号を発生する送信手段を有し、
前記装置が第1の状態にある時は、第2の状態のときの電流よりも大きい量の第1の電流が受信手段中を流れ、
前記装置が第2の状態にある時は、第1の状態のときの電流よりも小さい量の第1の電流が受信手段中を流れる、システム。 - 請求項40に記載のシステムであって、各装置が、さらに、メモリを含む、システム。
- 請求項41に記載のシステムであって、メモリは、情報単位、コンテンツ情報、アドレス情報および名称情報、の少なくとも1つに対するメモリスペースを含む、システム。
- 請求項42に記載のシステムであって、さらに、情報単位、コンテンツ情報、アドレス情報、および名称情報、の少なくとも1つに従って品物を選別する選別手段を含む、システム。
- 請求項43に記載のシステムであって、複数の装置は各受信手段の第1の信号を受信する能力および各送信手段の第2の信号を発生する能力と干渉することなく互いに0cmまで接近して配置することができる、システム。
- 請求項43に記載のシステムであって、品物は文書である、システム。
- 請求項43に記載のシステムであって、品物は小包である、システム。
- 請求項43に記載のシステムであって、品物は少なくとも手紙および梱包を含む郵便物である、システム。
- 請求項43に記載のシステムであって、品物は小荷物である、システム。
- 請求項43に記載のシステムであって、品物は在庫関連品である、システム。
- 請求項40に記載のシステムであって、
第1の確率が第1の状態に関連付けられ、
第2の確率が第2の状態に関連付けられ、
第1の確率は第2の確率よりも低い、システム。 - 請求項50に記載のシステムであって、第1の確率は第2の確率よりも少なくとも2倍低い、システム。
- 請求項50に記載の識別装置であって、第1の確率は第2の確率よりも少なくとも16倍低い、システム。
- 請求項2に記載の識別装置であって、状態選択手段は複数のデジタル回路により構成される、識別装置。
- 請求項53に記載の識別装置であって、デジタル回路は、論理ゲートからなる専用論理回路、論理アレイからなる状態エンジン、マイクロコントローラ、およびプロセッサの中の1つにより構成される、識別装置。
- 請求項53に記載の識別装置であって、デジタル回路は複数の論理アレイにより構成される、識別装置。
- 請求項55に記載の識別装置であって、論理アレイはマイクロコントローラにより制御される、識別装置。
- 他の識別装置にごく接近している識別装置に質問する方法であって、
集積回路、前記集積回路に接続された受信手段および送信手段を有する識別装置を設けるステップと、
前記受信手段内の第1の信号を受信し、それを利用して電圧を発生するステップと、
前記電圧から第1の電流を発生するステップと、
前記識別装置に対する第1または第2の状態を乱数的にまたは擬似乱数的に選出するステップであって、前記装置が前記第1の状態にある時は比較的大量の第1の電流が前記受信手段中を流れ、前記装置が前記第2の状態にある時は比較的少量の第1の電流が前記受信手段中を流れるステップと、
を含む方法。 - 請求項57に記載の方法であって、
第1の確率が前記第1の状態に関連付けられ、
第2の確率が前記第2の状態に関連付けられ、
前記第1の確率は前記第2の確率よりも低い方法。
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