JP4832028B2 - 無線タグ読み取り装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線タグ読み取り装置に係り、さらに詳しくは、無線タグに対し、変調信号を送信して応答信号を受信するＲＦリーダーライターなどの無線タグ読み取り装置の改良に関する。

近年、バーコードに代わる製品識別及び管理の技術として、無線タグが注目を集めている。この無線タグは、ＲＦ信号を受信して半導体メモリ上のデータを読み出したり、半導体メモリ内にデータを書き込むことができるＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）技術を用いたタグである。最近では、非接触による電力伝送の技術の開発により、電池を持たず半永久的に使用可能な無線タグも出現している。この様な無線タグに対するデータの読み書きには、ＲＦリーダーライターなどの無線タグ読み取り装置が用いられる。

無線タグ読み取り装置は、搬送波をベースバンド信号としてのデジタル信号により変調して送出し、無線タグからの応答信号を受信する通信機器である。この搬送波のベースバンド信号に基づく変調には、搬送波の振幅を変化させるＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調や、周波数を変化させるＦＳＫ（Frequency Shift Keying）変調、位相を変化させるＰＳＫ（Phase Shift Keying）変調がある。

一般に、無線タグ読み取り装置が無線タグとの間でデータを送受信（交信という）する際、無線タグまでの距離が交信可能な範囲内であっても、他の無線タグによる影響や温度変化などの外乱によって交信に失敗する場合が少なくない。従来、無線タグ読み取り装置及び無線タグ間の交信特性は、交信の成功率、すなわち、データ送信の回数に対するデータ受信の成功回数の比によって表されていた。無線タグまでの距離を変えて交信の成功率を検出することにより、ユーザは、交信可能な距離範囲を判断することができる。

しかし、無線タグ読み取り装置及び無線タグ間における交信の成功率は、狭い範囲で１００％から０％まで急激に変化することから、他の無線タグによる影響や温度変化などの外乱、さらに、無線タグにおける周波数特性のバラツキによっては、成功率１００％であった距離範囲においても、運用時には交信に失敗する可能性があった。このため、テスト時には交信成功率が１００％であると判断された距離に対して、一定の割合でマージンを考慮する必要があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、交信可能な距離範囲を高い信頼度で判別することができる無線タグ読み取り装置を提供することを目的とする。特に、温度変化などの外乱、及び、無線タグにおける周波数特性のバラツキがある場合であっても、交信に失敗することのない距離範囲を容易に判断することができる無線タグ読み取り装置を提供することを目的とする。

本発明による無線タグ読み取り装置は、無線タグに対し、変調信号を送信して応答信号を受信する無線タグ読み取り装置であって、受信信号を復調し、復調信号を生成する復調手段と、上記復調信号を量子化し、デジタル受信データを生成する受信データ生成手段と、上記デジタル受信データに基づいて受信信号の信号強度を測定し、信号強度を示す強度データを出力する信号強度検出手段と、上記復調信号を信号強度に関する所定の閾値に基づく２値化処理により復号する復号手段と、復号後の復調信号に含まれる符号誤り制御情報に基づいて、上記無線タグとの交信の成否を判別する交信判定手段と、上記交信判定手段による判別結果を表示する交信結果表示手段とを備えて構成される。

この無線タグ読み取り装置では、受信信号を復調して復調信号が生成され、復調信号に基づいて受信信号の信号強度が測定され、受信信号の信号強度を示す強度データが出力される。この様な構成によれば、交信の成功率を出力するのに比べ、受信信号の信号強度は、無線タグまでの距離に関して緩やかな変化となるので、交信可能な距離範囲を判断する際の信頼度を向上させることができる。従って、交信可能な距離範囲を高い信頼度で判別することができ、温度変化などの外乱、及び、無線タグにおける周波数特性のバラツキがある場合であっても、交信に失敗することのない距離範囲を容易に判断することができる。

本発明による無線タグ読み取り装置によれば、交信の成功率を出力するのに比べ、受信信号の信号強度は無線タグまでの距離に関して緩やかな変化となるので、交信可能な距離範囲を高い信頼度で判別することができる。

図１は、本発明の実施の形態によるＲＦＩＤシステムの概略構成の一例を示した斜視図であり、無線タグ読み取り装置としてのＲＦリーダーライター１０を含むシステム全体の様子が示されている。本実施の形態によるＲＦＩＤシステムは、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying：振幅シフトキーイング）変調されたＲＦ（Radio Frequency）信号を利用して無線タグ１にデータを書き込んだり、無線タグ１内のデータを読み出すことによってワークＡ１を管理するシステムである。このＲＦＩＤシステムは、無線タグ１と、ヘッド部２、シリアルバスケーブル３及び入出力部４からなるＲＦリーダーライター１０により構成される。

無線タグ１は、ＲＦリーダーライター１０からのＲＦ信号を受信し、動作に必要な電力を生成するとともに、受信データをメモリに書き込んだり、受信データに基づいてメモリからデータを読み出す動作を行っている。このメモリ内には、無線タグ１を識別するための識別情報として、製造時に割り当てられるＵＩＤ（Unique ID）が格納されている。具体的には、メーカーコードや製品コード、シリアルナンバーなどがＵＩＤとして格納される。従って、無線タグ１からＵＩＤを読み取ることによって当該無線タグ１が取り付けられているワークＡ１を識別することができる。

ＲＦリーダーライター１０は、ＲＦ信号としてＡＳＫ変調信号を送信し、無線タグ１からの応答信号を受信する動作を行っている。このＲＦリーダーライター１０は、ＩＳＯ（International Organization for Standardization）１５６９３の規格に基づく無線タグ読み取り装置であり、いわゆる近傍型の読み取り装置となっている。

ヘッド部２は、ＲＦ信号の送受信部であり、シリアルバスケーブル３を介して入出力部４に接続されている。つまり、送信に関するデータは、シリアルデータとして入出力部４からヘッド部２に伝送され、ヘッド部２によって送出される。一方、ヘッド部２が受信したデータは、シリアルバスケーブル３を介して入出力部４に伝送される。

入出力部４は、７セグメントＬＥＤ４ａ及び操作キー４ｂを備え、操作キー４ｂの操作に基づく入力データをヘッド部２へ出力するとともに、ヘッド部２からのデータを表示する動作を行っている。この様な入出力部４としては、ＲＦリーダーライター１０に無線タグ１との交信開始を指示したり、ＲＦリーダーライター１０が無線タグ１から読み取ったデータを収集蓄積するＰＬＣ（Programmable Logic Controller：プログラマブルロジックコントローラ）や、パーソナルコンピュータなどの情報処理端末を用いることができる。

図２は、図１のＲＦＩＤシステムの要部における詳細を示した図であり、カード状の無線タグ１が示されている。この無線タグ１は、薄い矩形状の基板１１と、基板１１の各辺に沿って螺旋状に配線されたアンテナコイル１２と、アンテナコイル１２に接続され、アンテナコイル１２の内側に配置された半導体チップ１３からなる。

例えば、基板１１は厚みが０．２ｍｍの樹脂シートからなり、この樹脂シート上に印刷又はエッチングによりアンテナコイル１２が形成される。半導体チップ１３は、アンテナコイル１２とで共振回路を形成するコンデンサーや、受信信号を復調する復調回路、受信データを処理する処理回路、ＵＩＤや受信データを記憶する半導体メモリからなる。応答信号は、ＲＦリーダーライター１０からの応答要求に基づいて生成される。具体的には、受信データに基づいて半導体メモリからデータを読み出し、ＲＦ信号を負荷変調することによって生成される副搬送波を符号化することによって生成される。

図３は、図１のＲＦＩＤシステムの要部における詳細を示したブロック図であり、ヘッド部２の構成例が示されている。このヘッド部２は、発振回路２１、増幅回路２２、変調回路２３、ＬＰＦ２４、ＬＣ共振回路２５、減衰器２６、復調回路２７、復号回路２８、Ａ／Ｄ変換回路２９、制御回路３０、符号化回路３１及びＩ／Ｆ３２からなる。

発振回路２１は、水晶発振子を用いてＲＦ（Radio Frequency）信号を生成するＲＦ信号の生成回路である。例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦ信号が生成され、搬送波として出力される。この搬送波は、増幅回路２２によって電力増幅され、変調回路２３へ出力される。

変調回路２３は、電力増幅後の搬送波を符号化回路３１からのベースバンド信号に基づいてＡＳＫ（Amplitude Shift Keying：振幅シフトキーイング）変調し、ＡＳＫ変調信号を生成する処理を行っている。

符号化回路３１は、制御回路３０から入力されるデータをパルス位置によって符号化し、ベースバンド信号を生成する処理を行っている。

ＡＳＫ変調信号は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２４によって高調波成分が除去され、ＬＣ共振回路２５へ出力される。ＬＣ共振回路２５は、アンテナコイル及びコンデンサーからなる共振回路である。変調回路２３からのＡＳＫ変調信号は、ＬＣ共振回路２５を介して無線タグへ送出され、また、無線タグからの応答信号は、ＬＣ共振回路２５によって受信される。受信信号は、減衰器２６によって後段の復調回路２７で制御可能なレベルまで減衰される。

復調回路２７は、減衰後の受信信号を搬送波及び副搬送波に基づいて復調し、復調信号を生成する処理を行っている。復号回路２８は、復調回路２７からの復調信号を信号強度に関する所定の閾値に基づく２値化処理によって復号するコンパレータである。復号後の復調信号は、制御回路３０へ出力される。Ａ／Ｄ変換回路２９は、復調回路２７からの復調信号を量子化し、デジタル受信データを生成する処理を行っている。具体的には、復調信号（アナログ信号）が所定のサンプリング周期でサンプリングされ、サンプリングされた信号レベルが量子化される。この量子化された信号レベルを符号化することによってデジタル受信データが生成される。

制御回路３０は、応答要求を生成して符号化回路３１へ出力し、復号後の復調信号を解析する動作を行っている。ここでは、Ａ／Ｄ変換回路２９から入力されるデジタル受信データに基づいて受信信号の信号強度が判別され、強度データがＩ／Ｆ３２を介して入出力部へ出力されるものとする。

図４は、図３のヘッド部の要部における詳細を示したブロック図であり、制御回路３０の構成例が示されている。この制御回路３０は、交信判定部３０ａ、信号強度検出部３０ｂ及び表示制御部３０ｃからなる。交信判定部３０ａは、応答要求を生成するとともに、復号後の復調信号に基づいて無線タグとの交信の成否を判別する動作を行っている。具体的には、復号後の復調信号に含まれるＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査）コードなどの符号誤り制御情報に基づいて交信対象とする無線タグからの応答信号が受信したか否かが判別される。或いは、ＳＯＦ（Start Of Frame）やＥＯＦ（End Of Frame）の波形又はタイミングによって交信の成否を判別しても良い。ここでは、データ送信の回数に対するデータ受信の成功回数の比、すなわち、交信成功率が判別結果として出力されるものとする。

信号強度検出部３０ｂは、デジタル受信データに基づいて受信信号の信号強度を判別する動作を行っている。

表示制御部３０ｃは、交信判定部３０ａによる判別結果や信号強度検出部３０ｂによる判別結果を数値データとして出力し、入出力部の７セグメントＬＥＤに表示させる動作を行っている。すなわち、無線タグとの交信成功率を表示させ、或いは、受信信号の信号強度を表示させる数値データが入出力部へ出力される。ここでは、交信成功率の表示と、信号強度の表示とがユーザによる操作入力に基づいて切り替え可能であるものとする。

図５は、図１のＲＦＩＤシステムにおける動作の一例を示した図であり、無線タグとの交信特性として交信成功率Ｒが無線タグまでの距離に対応付けて示されている。この例では、無線タグまでの距離がｘ_０となるまで交信成功率Ｒは１００％となっており、距離ｘ_０を超えると急激に低下して０％となっている。つまり、ＲＦリーダーライター及び無線タグ間における交信の成功率は、距離８０ｍｍ前後における狭い範囲（１０ｍｍ程度）で上限から下限まで急激に変化している。

この交信成功率Ｒが急激に変化している領域は、温度変化などの外乱によって変化する。つまり、交信成功率１００％の領域と、交信成功率０％の領域との境界となる領域は、温度変化によって容易に変化する。このため、この様な交信成功率Ｒに基づく交信特性によって交信可能な距離範囲を特定すると、交信成功率が１００％であると判別された距離であっても、交信に失敗する場合が生じることとなる。

図６は、図１のＲＦＩＤシステムにおける動作の一例を示した図であり、受信信号の信号強度Ｉが無線タグまでの距離に対応付けて示されている。この例では、距離が０ｍｍから２０ｍｍ程度までの範囲で信号強度Ｉがほぼ一定（１０００程度）であり、距離２０ｍｍ付近からは緩やかに減少し、距離ｘ_０でＩ_０＝２５０程度となっている。この様な信号強度Ｉに基づいて無線タグとの交信特性を表示すれば、変化が緩やかであるので、交信可能な距離範囲を特定し易い。

例えば、測定された信号強度が安定して交信できる領域（以下、安定交信領域という）内にあるか、交信できない領域（以下、交信不可領域という）内にあるか、或いは、交信が不安定である領域（以下、不安定交信領域という）内にあるかを容易に判別することができる。具体的には、信号強度Ｉに関し、安定交信領域Ｂ１の下限値Ｉ_１と、交信不可領域Ｂ３の上限値Ｉ_０とが予め定められるものとする。この下限値Ｉ_１及び上限値Ｉ_０は、無線タグの種類や周波数特性、周囲の温度などによって定められる。

また、交信不可領域Ｂ３の上限値Ｉ_０は、ＲＦリーダーライターにおける２値化処理で用いられる閾値に基づいて定められる。具体的には、上限値Ｉ_０が、上記閾値と同じか、或いは、閾値を上回る値に定められる。ここでは、上限値Ｉ_０が上記閾値に一致させて表示されている。すなわち、距離ｘ_０を超える範囲が交信不可領域Ｂ３となっている。また、距離０ｍｍからｘ_１（ｘ_１<ｘ_０）までが安定交信領域Ｂ１となっており、距離ｘ_１からｘ_０までが不安定交信領域Ｂ２となっている。なお、距離ｘ_１における信号強度Ｉ_１は５００程度となっている。

本実施の形態によれば、交信成功率Ｒを表示するのに比べ、受信信号の信号強度Ｉは、無線タグまでの距離に関して緩やかな変化となるので、交信可能な距離範囲を判断する際の信頼度を向上させることができる。従って、交信可能な距離範囲を高い信頼度で判別することができ、他の無線タグによる影響や温度変化などの外乱、及び、無線タグにおける周波数特性のバラツキがある場合であっても、交信に失敗することのない距離範囲を容易に判断することができる。

なお、本実施の形態では、測定を行っている距離での受信強度が７セグメントＬＥＤに表示される場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、信号強度Ｉを無線タグまでの距離に対応付けて画面表示しても良い。

実施の形態２．
実施の形態１では、受信信号の信号強度を表示することで交信可能な距離範囲を判別させる場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、安定交信領域の下限値を上回る信号強度をその下限値に、交信不可領域の上限値を下回る信号強度をその上限値に変換して表示する場合について説明する。

図７は、本発明の実施の形態２によるＲＦリーダーライターの要部における詳細を示したブロック図であり、ヘッド部の制御回路４０の構成例が示されている。この制御回路４０は、図４の制御回路３０と比較すれば、強度データ変換部４１を備えている点で異なる。強度データ変換部４１は、安定交信領域の下限値を上回る信号強度を当該下限値に変換するとともに、交信不可領域の上限値を下回る信号強度を当該上限値に変換する動作を行っている。

表示制御部３０ｃでは、強度データ変換部４１による変換結果に基づいて信号強度の表示が行われる。

図８は、ＲＦリーダーライターにおける動作の一例を示した図であり、強度変換により信号強度Ｉの表示が変更される様子が示されている。この例では、信号強度Ｉが安定交信領域の下限値Ｉ_１を上回っている距離範囲、すなわち、０ｍｍからｘ_ａまでと、ｘ_ｂからｘ_ｃまでにおける信号強度が下限値Ｉ_１に変換され、さらに、交信不可領域の上限値Ｉ_０を下回っている距離範囲、すなわち、ｘ_０を超える範囲における信号強度が上限値Ｉ_０に変換されて表示される。つまり、測定された信号強度Ｉは、交信不可領域の上限値Ｉ_０から安定交信領域の下限値Ｉ_１までの範囲内で表示される。

この様にすれば、測定された信号強度が安定交信領域内にあるのか、交信不可領域内にあるのか、或いは、不安定交信領域にあるのかを容易に識別することができる。具体的には、測定された信号強度が下限値Ｉ_１に一致すれば、安定して交信できる距離であると判断することができ、また、測定された信号強度が上限値Ｉ_０に一致すれば、交信不可である距離であると判断することができる。そして、測定された信号強度が上限値Ｉ_０から下限値Ｉ_１までの範囲内であれば、上限値Ｉ_０により近いか否かに応じて交信ができなくなる可能性を判断することができる。

なお、本実施の形態では、安定交信領域の下限値を上回る信号強度、及び、交信不可領域の上限値を下回る信号強度が変換して表示される場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、交信不可領域の上限値から安定交信領域の下限値までの範囲を規格化して表示しても良い。

図９は、ＲＦリーダーライターにおける動作の他の例を示した図である。この例では、測定された信号強度が変換され、交信不可領域の上限値から安定交信領域の下限値までの範囲が規格化されている。具体的には、変換後の信号強度が交信強度Ｉ_ａとして、例えば、０以上１００以下の範囲内で表示される。ここでは、距離０ｍｍからｘ_１までの距離範囲で交信強度Ｉ_ａが１００となっており、距離ｘ_１を超えると緩やかに低下している。また、距離ｘ_０で交信強度Ｉ_ａは初めて０となっている。この様な信号強度の表示方法によれば、安定して交信できる領域と、場合によっては交信できなくなる可能性のある領域とを容易に判別することができる。特に、交信可能な距離の値（最大交信距離という）ｘ_０を容易に識別することができる。

なお、実施の形態１及び２では、復調信号を量子化したデジタル受信データに基づいて受信信号の信号強度が判別される場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、復調信号についてピークホールドされた信号レベルに基づいて信号強度を判別しても良い。

図１０は、ＲＦリーダーライターの要部における詳細を示したブロック図であり、ヘッド部の構成例が示されている。このヘッド部５０は、図３のヘッド部２と比較すれば、ピークホールド回路５１を備えている点で異なる。このピークホールド回路５１は、復調信号の波形についてピークホールドし、ピーク時の信号レベルを出力する動作を行っている。具体的には、信号レベルの最大値が保持され、受信データとして出力される。この受信データは、Ａ／Ｄ変換回路２９によってデジタル化され、制御回路３０に出力される。

制御回路３０の信号強度検出部では、ピーク時の信号レベルに基づいて受信信号の信号強度を判別する動作が行われる。この様にすれば、Ａ／Ｄ変換回路２９のサンプリング周期よりも短い時間で変化する信号の強度も正確に測定することができるので、ノイズと無線タグからの受信信号とを容易に切り分けることができる。

本発明の実施の形態によるＲＦＩＤシステムの概略構成の一例を示した斜視図であり、ＲＦリーダーライター１０を含むシステム全体の様子が示されている。 図１のＲＦＩＤシステムの要部における詳細を示した図であり、カード状の無線タグ１が示されている。 図１のＲＦＩＤシステムの要部における詳細を示したブロック図であり、ヘッド部２の構成例が示されている。 図３のヘッド部の要部における詳細を示したブロック図であり、制御回路３０の構成例が示されている。 図１のＲＦＩＤシステムにおける動作の一例を示した図であり、無線タグとの交信特性として交信成功率Ｒが無線タグまでの距離に対応付けて示されている。 図１のＲＦＩＤシステムにおける動作の一例を示した図であり、受信信号の信号強度Ｉが無線タグまでの距離に対応付けて示されている。 本発明の実施の形態２によるＲＦリーダーライターの要部における詳細を示したブロック図であり、ヘッド部の制御回路４０の構成例が示されている。 ＲＦリーダーライターにおける動作の一例を示した図であり、強度変換により信号強度Ｉの表示が変更される様子が示されている。 ＲＦリーダーライターにおける動作の他の例を示した図である。 ＲＦリーダーライターの要部における詳細を示したブロック図であり、ヘッド部の構成例が示されている。

符号の説明

１ 無線タグ
２ ＲＦリーダーライター
３ シリアルバスケーブル
４ 入出力部
４ａ ７セグメントＬＥＤ
４ｂ 操作キー
１０ ＲＦＩＤシステム
１１ 基板
１２ アンテナコイル
１３ 半導体チップ
２１ 発振回路
２２ 増幅回路
２３ 変調回路
２４ ＬＰＦ
２５ ＬＣ共振回路
２６ 減衰器
２７ 復調回路
２８ 復号回路
２９ Ａ／Ｄ変換回路
３０ 制御回路
３０ａ 交信判定部
３０ｂ 信号強度検出部
３０ｃ 表示制御部
３１ 符号化回路
３２ Ｉ／Ｆ
４０ 制御回路
４１ 強度データ変換部
５０ ヘッド部
５１ ピークホールド回路
Ａ１ ワーク
Ｂ１ 安定交信領域
Ｂ２ 不安定交信領域
Ｂ３ 交信不可領域

Claims (4)

1. 無線タグに対し、変調信号を送信して応答信号を受信する無線タグ読み取り装置において、
   受信信号を復調し、復調信号を生成する復調手段と、
   上記復調信号を量子化し、デジタル受信データを生成する受信データ生成手段と、
   上記デジタル受信データに基づいて受信信号の信号強度を測定し、信号強度を示す強度データを出力する信号強度検出手段と、
   上記復調信号を信号強度に関する所定の閾値に基づく２値化処理により復号する復号手段と、
   復号後の復調信号に含まれる符号誤り制御情報に基づいて、上記無線タグとの交信の成否を判別する交信判定手段と、
   上記交信判定手段による判別結果を表示する交信結果表示手段とを備えたことを特徴とする無線タグ読み取り装置。
2. 上記強度データに基づいて、上記受信信号の信号強度を表示する信号強度表示手段と、
   安定して交信できる距離範囲からなる安定交信領域における信号強度の下限値を上回る上記強度データを当該下限値に変換するとともに、交信できない距離範囲からなる交信不可領域における信号強度の上限値を下回る上記強度データを当該上限値に変換する強度データ変換手段とを備え、
   上記信号強度表示手段は、上記交信不可領域における信号強度の上限値から上記安定交信領域における信号強度の下限値までの範囲内で上記受信信号の信号強度を表示することを特徴とする請求項１に記載の無線タグ読み取り装置。
3. 上記交信不可領域における信号強度の上限値が、上記閾値以上の値であることを特徴とする請求項２に記載の無線タグ読み取り装置。
4. 上記復調信号の波形についてピークホールドし、ピーク時の信号レベルを出力するピークホールド手段を備え、
   上記信号強度検出手段は、上記ピーク時の信号レベルに基づいて上記受信信号の信号強度を測定することを特徴とする請求項１に記載の無線タグ読み取り装置。

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