JP5065385B2 - トランスポンダおよび前記トランスポンダを有するシステム - Google Patents

Description

本発明は、ＲＦＩＤタグなどのトランスポンダを使用する資産管理システムと、遠隔電源投入型ＲＦＩＤタグなどのトランスポンダを読み取るための方法およびシステムとを対象とする。

従来技術では、ＲＦＩＤ技術に基づく資産管理システムが知られている。こうしたシステムの中核となるのが、トランスポンダ（中継器）またはＲＦＩＤタグである。こうしたトランスポンダには、物品に関するデータを格納するためのメモリが備えられている。

ＲＦＩＤシステムではＲＦＩＤリーダが使用され、これが無線周波信号をトランスポンダに送信する。この信号は、この信号に応答して、トランスポンダ上のメモリ内に格納されたデータをリーダに返送するトランスポンダによって、受信される。

ＲＦＩＤシステムは、２つの別々のアンテナを使用する。第１のアンテナはトランスポンダ上にあり、第２のアンテナはリーダ上にある。リーダ上のアンテナは、ＲＦＩＤトランスポンダ上のアンテナによって受信可能なパワー・パルスを送信するために使用される。このパワー・パルスは、トランスポンダを活動化させるために使用される。パワー・パルスの受信後、ＲＦＩＤトランスポンダは、それ独自のアンテナを使用してＲＦＩＤトランスポンダ上に格納されたデータを送信することによって、応答可能である。

ＲＦＩＤトランスポンダによって送信されるデータは、標準インターフェースを介してホスト・コンピュータなどの他のシステムへ直接伝送するか、または、データ処理のために後でコンピュータにアップロードするようにポータブル・リーダに格納するか、いずれかが可能である。ＲＦＩＤトランスポンダを使用することの利点は、ＲＦＩＤシステムが、極端な塵、埃、湿気、あるいは視認不良、またはそれらすべてなどを伴う環境において、効率良く動作するという事実である。

従来技術では、様々な種類のＲＦＩＤトランスポンダが使用可能である。ＲＦＩＤトランスポンダの第１のグループは「受動トランスポンダ」である。これらの受動トランスポンダは、電子回路供給のためのバッテリのような電源を必要としない。それらは一般に、電磁誘導機構を使用するリーダによって電力が供給される。

本原理によれば、電磁場はリーダ・アンテナによって放出され、ＲＦＩＤトランスポンダ上に配置されたアンテナによって受信される。リーダは、たとえば１３４．２ＫＨｚのパワー・パルスを送信する。このパワー・パルスは、アンテナによって、同じ周波数に同調された受動ＲＦＩＤトランスポンダ内に集められる。この受信されたＡＣエネルギーは整流され、ＲＦＩＤトランスポンダ内の小型コンデンサに格納される。パワー・パルスが完了すると、ＲＦＩＤトランスポンダはその電源としてコンデンサ内に格納されたエネルギーを使用して、そのデータを即時に返送する。

一般に、２０ｍｓの期間にわたって１２８ビットが伝送される。この伝送されたデータは、リーダ内に位置決めされた受信側アンテナによって受信され、データはリーダによって復号される。すべてのデータが伝送されると、ＲＦＩＤトランスポンダ上のストレージ・キャパシタは放電され、次の読み取りサイクルに備えるためにトランスポンダをリセットする。遷移パルス間の期間は「同期時間」と呼ばれ、システムのセットアップに応じて２０ｍｓから５０ｍｓの間継続される。ＲＦＩＤとリーダとの間で使用される伝送技法は、一般に１２４．２ＫＨｚから１３４．２ＫＨｚの間で構成される伝送を伴う周波数偏移変調（FSK）である。受動ＲＦＩＤトランスポンダの重要な利点は、その価格である。受動ＲＦＩＤタグは、通常、単位当たり価格が０．３ユーロである。受動ＲＦＩＤトランスポンダを使用することの重要な欠点は、それらが、通常は１メートル未満の制限付きレンジを有するという事実である。

ＲＦＩＤトランスポンダの第２のタイプは、いわゆる「能動ＲＦＩＤトランスポンダ」である。能動ＲＦＩＤトランスポンダには、電子回路に供給するため、およびトランスポンダからリーダへのデータの伝送を増強する（enhance）ために、バッテリなどの電源が提供される。こうした電源が存在することの重要な利点は、能動ＲＦＩＤトランスポンダが、通常２０〜３０メートルのレンジを有するという事実である。能動ＲＦＩＤトランスポンダを使用することの欠点は、約１０ユーロというそれらの単価である。能動ＲＦＩＤタグも、個々の製品上で使用するには高価すぎる。したがって実際には、能動ＲＦＩＤトランスポンダの使用は、たとえばパレットおよびボックスに限られる。

たとえば資産管理システムでＲＦＩＤ技術を使用するために、ＲＦＩＤトランスポンダはストレージ領域内の各アイテムに接続される。それら物品上のＲＦＩＤトランスポンダに関する情報は、関連するＲＦＩＤリーダによって読み取られる。こうした資産管理システムを手頃な価格にするためには、安価な受動ＲＦＩＤタグを使用することが好ましいように思われる。しかしながら、これらの受動ＲＦＩＤタグの読み取り領域が制限されていることにより、こうした資産管理システムは高価なリーダ・インフラストラクチャを必要とする。たとえば、１組のシェルフ内にある所与のアイテムを見つけるために、ストレージ領域内に複数のリーダが存在しなければならないことになり、各リーダはいくつかのアンテナに関連付けられたいくつかのチャネルを使用する。このリーダ・インフラストラクチャは、それ自体が高価なだけでなく、ストレージ領域内にインストールすることが困難であり、管理も困難である。

より単純なリーダ・インフラストラクチャが好ましい場合は、物品とかなり遠距離のリーダとの間での通信を可能にするために、ストレージ領域内のアイテムが能動ＲＦＩＤタグを備えなければならないことになる。能動ＲＦＩＤトランスポンダの単位当たり価格が高いため、制限付きリーダ・インフラストラクチャと組み合わせた製品での能動ＲＦＩＤトランスポンダの使用は、さらに高価な資産管理システムにつながることになる。

このＲＦＩＤ技術の欠点に鑑み、本発明の目的は、比較的単純なリーダ・インフラストラクチャおよび比較的安価なＲＦＩＤトランスポンダの使用を可能にする資産管理システムによって、これらの制限の一部またはすべてを克服することである。

パワー・レシーバ（電力受信部）と、トランスポンダ上に格納されたデータを伝送するためのアンテナと、を有するタイプのトランスポンダを読み取るための方法であって、この方法は、エネルギーを受け取るために、隣接する任意のトランスポンダ内のパワー・レシーバによって使用可能なエネルギー場を生成するステップと、エネルギー場に隣接するトランスポンダに問い合わせる（interrogate）ための活動化信号を生成するステップであって、パワー・レシーバによって受け取られたエネルギーを使用してデータが増強され、それによりアンテナによって伝送される増強（エンハンスト）データ信号を提供するステップと、リーダによって増強データ信号を受信するステップと、を含む。

これらの処置の利点は、受動ＲＦＩＤタグなどのトランスポンダが、レスポンダ内でエネルギーを受け取るためのパワー・レシーバを備え得ることである。このエネルギーは、その後、リーダへのデータの伝送を増強するために使用することができる。実際にはこれは、パワー・レシーバを備えた受動ＲＦＩＤタグが、能動ＲＦＩＤタグであるかのように動作できることを意味する。パワー・レシーバが存在することで、データの送信を増強することが可能であり、本書では、以下、これを「増強トランスポンダ」と呼ぶ。

本発明に従って、たとえばストレージ（収納庫）領域内に物品を格納するために、この方法を使用する例では、本発明に従った処置の利点は、ストレージ領域内で、増強受動ＲＦＩＤタグなどの比較的安価なトランスポンダを個々の物品に接続できることである。ストレージ領域それ自体では、ＲＦＩＤタグ上に存在するパワー・レシーバを使用して、各ＲＦＩＤタグにパワーを遠隔に提供するために、エネルギー場が存在する。

好ましくは、この方法は、配線ループ内に交流を生成し、それによって磁気誘導場(magnetic inductive field)を生成するためのステップを含む。

この利点は、こうした磁場の提供が、比較的安価な手段を使用して比較的容易に導入されることである。

好ましくは、この方法は、５０ヘルツ〜５メガヘルツの範囲内の周波数を有する低周波交流を、配線ループ内に生成するステップを含む。

この利点は、非常に低い周波数を使用することにより、非常に長いループが可能であり、比較的大きな領域内にエネルギー場を供給するために単純なＡＣ発電機を備えた単一のループで十分である、という事実である。

本発明の第２の態様によれば、トランスポンダ上に格納されたデータを伝送するためのアンテナと、増強データ信号を提供するためにデータを増強するためのパワー手段と、が提供され、このパワー手段が、当該増強データ信号を提供するためにエネルギー場から受け取ったエネルギーを使用するために、エネルギー場からエネルギーを受け取るように適合された、ＲＦＩＤタグなどのトランスポンダが提供される。

この利点は、トランスポンダが、エネルギー場からエネルギーを受け取って格納できることによって、トランスポンダが、データの伝送を増強するために、トランスポンダによって受け取られたエネルギーを使用できるようにするという事実である。ＲＦＩＤタグの場合、エネルギー場からエネルギーを受け取るように適合されたパワー手段の存在により、受動ＲＦＩＤタグは、あたかも能動ＲＦＩＤタグであるかのように動作することができる。

好ましくは、パワー手段は、磁場からパワーを受け取るための電気コイルとして形成される。

この利点は、電気コイルの提供が、比較的容易に比較的低コストで得られるという事実である。

有利なことに、このコイルは導電性インクによって形成される。

この利点は、導電性インクを使用することによって、パワー・レシーバを、たとえばトランスポンダ上の支持部に印刷することができる。

有利なことに、トランスポンダには、インジケータによってデータの受信あるいは送信またはその両方を示すために、ＬＥＤなどのインジケータが提供される。

この利点は、トランスポンダが、リーダによって読み取り可能であり、同時に、トランスポンダおよびトランスポンダが接続された物品の存在および位置を知らせるために、トランスポンダが使用可能である、という事実である。

有利なことに、インジケータには、可聴信号によってデータの受信あるいはデータの送信またはその両方を示すために、ブザーなどの音声信号が提供される。

この利点は、たとえレスポンダが人間の目またはカメラに見えない場合であっても、トランスポンダがその存在および位置を知らせることができるという事実である。

本発明の第３の態様によれば、ＲＦＩＤタグなどのトランスポンダとリーダとの間の通信を増強するシステムが提供され、このシステムは、トランスポンダ上に格納されたデータを伝送するためのアンテナと、増強データ信号を提供するためにデータを増強するためのパワー手段と、領域内にエネルギー場を生成するためのエネルギー手段と有する、トランスポンダを備え、トランスポンダは、当該エネルギー場からエネルギーを受け取ることが可能なパワー手段が提供され、当該パワー手段によって受け取られたエネルギーを使用して増強データ信号を提供するためのものである。

この利点は、領域内にエネルギー場を生成するための手段が、トランスポンダの存在と組み合わせて、当該領域内に存在するトランスポンダとリーダとの間の通信を増強するために使用可能であるという事実である。領域内にトランスポンダが入ることで、領域内に存在するエネルギー場からエネルギーを受け取ることが可能になり、その後、トランスポンダによって受け取られたエネルギーを使用して、リーダと通信することが可能になる。

本発明のシステムで使用されるリーダであって、リーダにはアンテナが備えられ、このアンテナは、トランスポンダに問い合わせる（質問する）ためにトランスポンダに活動化信号を送信し、活動化信号に応答してトランスポンダによって送信された応答信号を受信する。応答信号は、パワー手段によって受け取られたエネルギー場によって増強される。

次に、例として図面を参照する。

図１によれば、ストレージ（収納庫）領域などの領域内にエネルギー場が確立される。このエネルギー場は、トランスポンダ上の当該エネルギー場からのエネルギーを格納するために、ＲＦＩＤトランスポンダまたはタグなどのトランスポンダ上に存在するパワー・レシーバによって受け取ることができる。パワー・レシーバは、トランスポンダ上に存在するアンテナに接続される。パワー・レシーバによって受け取られたエネルギーおよびパワー・レシーバとアンテナとの接続によって、受け取られたエネルギーを、トランスポンダＲＦＩＤタグのアンテナによるデータの伝送を増強するために使用することができる。

図２では、本発明に従ったシステムの可能な実施形態が示される。ストア内のゴンドラ１００などのストレージ領域は、複数のシェルフ１０１を備える。シェルフ１０１は、物品またはアイテム１０２を受け取ることができる。ゴンドラ１００は配線ループ１０４を備える。配線ループ１０４は、磁場を生成するために使用される。したがって、配線ループ１０４は「磁気ループ」とも呼ばれる場合がある。

配線ループ１０４はＡＣ発電機（ジェネレータ）１０５によって電流が供給される。配線ループ１０４内の交流の存在により、図２では矢印１０６で表される磁気誘導場（磁界）が生成する。ゴンドラ１００内のアイテム１０２には、本発明に従ったＲＦＩＤタグ１０３が装備される。ＲＦＩＤタグ１０３は、磁場１０６からパワー（電力）を受け取るための電気コイルを含む。このコイルによって受け取られたパワーは、ＲＦＩＤタグ１０３上に存在する構成要素に供給するために使用することができる。このＲＦＩＤタグ１０３が磁場からパワーを受け取ることができるという事実により、ＲＦＩＤタグは「マグネタグ（ＭａｇｎｅＴａｇ）」と呼ばれる場合がある。

図３は、ＲＦＩＤタグまたは「マグネタグ」２００の構造を示す図である。ＲＦＩＤタグ２００は、配線ループ１０４（図２を参照）によって生成された磁場からパワーを受け取ることを目的とする、コイル２０１を含む。したがって、コイル２０１はパワー磁気アンテナとして動作する。

さらにＲＦＩＤタグ２００には、コイル２０１からパワーを受け取るためにコイル２０１に接続されたチップ２０２が装備される。

チップ２０２はダイポールアンテナ２０３に接続される。このダイポールアンテナは、たとえば、従来の能動ＲＦＩＤタグ上で使用されるような、９００ＭＨｚ／２ＧＨｚ／４ＧＨｚの周波数領域内で動作可能なアンテナである。チップ２０２は、環境磁場１０６（図１を参照）から受け取られた、コイル２０１に集められたエネルギーの存在により、１２５〜１３４．２ＫＨｚ、１４０〜１４８．５ＫＨｚ、１３．５６ＭＨｚ．．．で動作するために、通信磁気ループ・アンテナに接続することも可能であり、本発明に従ったＲＦＩＤタグ２００は、あたかも能動ＲＦＩＤタグであるかのように動作することができる。受け取ったエネルギーは、トランスポンダ上に格納されたデータの伝送を増強するために使用される。この効果は、ＲＦＩＤタグ２００が３０メートルまでの領域を読み取ることができるようになることである。

コイルの形を有するパワー・レシーバによって受け取られたパワーは、トランスポンダ上の電子回路にエネルギーを供給するために使用される。これは、トランスポンダが、リーダによって放出される比較的弱いＨＦ信号からデータを受け取ることができることを意味する。これらのデータの受け取り後、パワー・レシーバによって受け取られたパワーは、データを処理するために使用され、データ信号を反映して変調して、リーダに応答する。

ＨＦ信号の受け取りおよび応答の準備は、パワー手段によって受け取られたパワーによって増強される。

ＲＦＩＤタグ２００は、大幅な製造コストの追加なしに製造することができる。製造時に、ＲＦＩＤタグのスペース上に導電性インクを印刷することにより、ＲＦＩＤタグ２００上に導電性コイル２０１を準備することができる。

配線ループ１０４（図２を参照）内の交流の周波数は比較的低く、通常は５０Ｈｚから５００ＭＨｚの範囲内である。この周波数が非常に低いという事実により、非常に大規模なループが可能となり、完全なゴンドラにたとえば２０メートルのサイズを与えるために、単純なＡＣ発電機を備えた単一のループで十分である。したがって、こうした配線ループ１０４を備えたゴンドラ１００（図２を参照）を装備するためのコストは、比較的低い。

ＲＦＩＤタグ２００上に補助磁気アンテナ２０１（図３を参照）を提供するための技術は、ＲＦＩＤタグ２００上に存在するダイポールアンテナ２０３を支持部に提供するために使用される技術と同じである。これは、この補助磁気アンテナ２０１を提供するための特別な製造コストが比較的低いことを意味する。

本発明に従った方法およびシステムの他の利点は、図３を参照しながら説明したように、ＲＦＩＤタグを使用する従来型の資産管理システム内でＲＦＩＤタグ２００が依然として使用可能であるという事実である。これは、磁場１０６（図２を参照）などのエネルギー場がシステムに提供されない場合にあてはまる。

利点の１つは、本発明に従ったトランスポンダが、エネルギー場が使用できない場合に、受動タグとしても動作可能であるという事実である。したがって、エネルギー場が存在する場合、トランスポンダは能動的であり、存在しない場合、トランスポンダは受動的になる。これは、サプライチェーンに沿って物品を追跡するためにも有利である。

これはたとえば、本発明に従ったトランスポンダが存在する環境に依存して、受動トランスポンダを読み取るための手段、または能動トランスポンダを読み取るための手段の、いずれかが使用可能であることを意味する。

本発明に従った方法およびシステムの他の適用例は、資産ローカライズにおけるＲＦＩＤタグ２００（図３を参照）の使用である。ＲＦＩＤタグ２００は、可視信号を生成できるようにするためにＬＥＤを装備することができる。別の方法として、ＲＦＩＤタグ２００は、可聴（音声）信号を生成するためにブザーを装備することもできる。その場合、ＲＦＩＤタグと組み合わせて使用されるリーダが特定のパワー・パルスを送信すると、特定のＬＥＤを備えたＲＦＩＤタグ２００は、その存在を示すために、ＬＥＤを使用する可視信号あるいはブザーを使用する可聴信号、またはその両方を生成できるようにする。配線ループ１０４（図２を参照）は、ＬＥＤをオンにするために十分なパワーを伝送することができる。ＲＦＩＤタグによって受け取られるパワーを減少させることになる、ＲＦＩＤタグ２００とリーダとの間の距離にはまったく影響がない。資産の場所に関して可能な用途は、たとえばライブラリにある。応募者は、リーダを使用して、特定のブック・カテゴリに属するすべてのＲＦＩＤタグ２００にパワー・パルスを送信することができる。点灯するかまたは可聴信号を生成するそれらのＲＦＩＤタグは、正しいシェルフに格納されていないブックに関係する可能性がある。

磁場１０６（図２を参照）によって提供されるパワーの量は、以下のように計算することが可能であり、配線ループ１０４に供給する場合、同じ位相をその回路に沿って維持すべきであるという事実を考慮に入れると、ワイヤ（Ｌ）の長さに関して以下の関係が適用され、

上式で、λは波長である。

残りの計算については、以下のように仮定する。

長さ４メートル、高さ１．５メートルのゴンドラを包み込まなければならない配線ループを利用する場合、アンテナの長さは１１メートルになる。波長の場合、以下のように適用される。

磁気波の場合、Ｖ＝０．５ｘＣの平均値を取り、ここでＣは光速を表し、Ｔは時間を表し、Ｆは周波数を表す。これによって以下の周波数が導き出される。

しかしながら、波の位相を修正するためにシステムを使用することができるが、システムを簡略化するためには望ましくない可能性がある。

円形で直径１．５メートルの配線ループを考えると、配線ループ１０４（図２を参照）の理論的近似を有するために、配線ループによって生成される電場のおよそのサイズを計算することができる。この計算を矩形の配線ループに外挿することは、理論的な値とそれほどかけ離れることはない。こうした円形配線ループは、１アンペアの電流が供給される導体によって形成される（Ｉ＝１）。コイルの数は１である（Ｎ＝１）。

ここで、磁場は以下のように表される。

５ｘ８ｃｍのサイズを有し、５つのコイルを備える、ＲＦＩＤタグ２００上に存在する配線ループ内に生成される磁束を計算することができる。以下のように適用される（５ｘ８ｃｍは、現在使用されているＲＦＩＤタグの標準形である）。

磁束はΦ＝ｎＢｓであり、この式で「ｎ」はコイル数であり、「ｓ」はコイルの面積である。

ノイマンの法則により、コイル内に生成される電力が以下のように与えられる。

３ＭＨｚの周波数の場合、ハーフ・タイムは以下のようになるはずである。

これにより以下の差異が導き出される。

したがって、以下のようになる。

上記で算出された２０９ｍＶの値は、ＲＦＩＤタグ２００に必要なエネルギーを提供するのに十分な大きさのはずである。２０９ｍＶは、現在使用されている標準的な能動ＲＦＩＤタグ上に現在見られる電圧よりもかなり高い。回路を機能させるために必要な５μＷが何の問題もなく得られることになり、これは、ＲＦＩＤタグ２００が、能動タグである場合よりも長い距離から読み取り可能であることを意味する。

以上、本発明について、好ましい実施形態を参照しながら具体的に図示および説明してきたが、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、形および細部における様々な変更が可能であることを理解されよう。

本発明に従った方法の異なるステップを流れ図で示す図である。 本発明に従ったシステムが提供されたゴンドラ形のストレージ（収納）領域を示す図である。 本発明に従った方法およびシステムで使用されるトランスポンダを詳細に示す図である。

Claims (10)

1. トランスポンダおよび前記トランスポンダを包囲する配線ループを有するシステムであって、
   前記トランスポンダは、複数のコイル、ダイポールアンテナ、および、前記コイルおよび前記ダイポールアンテナに接続されたチップを有し、
   前記コイルは前記ダイポールアンテナおよび前記チップを包囲し、
   前記配線ループは、前記配線ループ中に交流電流が流れると前記コイルに磁界を生じさせるように構成され、
   前記コイルは前記磁界からエネルギーを受取り、受取ったエネルギーを前記チップに伝送するよう構成され、
   前記ダイポールアンテナはリーダに出力信号を伝送し、前記リーダから入力信号を受信するよう構成されている、
   システム。
2. 前記受取ったエネルギーは、前記トランスポンダがリーダからの入力信号を受信し、この入力信号に含まれるデータを処理し、ダイポールアンテナからリーダに応答信号を送信するに足るパワーである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記受取ったエネルギーは、前記トランスポンダが３０メートル離れたリーダからの入力信号を受信し、この入力信号に含まれるデータを処理し、ダイポールアンテナから３０メートル離れたリーダに応答信号を送信するに足るパワーである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記トランスポンダはＲＦＩＤタグであり、前記リーダはＲＦＩＤリーダである、請求項１に記載のシステム。
5. 前記ＲＦＩＤタグは、前記コイルに前記磁場が存在しない場合は受動ＲＦＩＤであり、前記コイルに前記磁場が存在する場合は能動ＲＦＩＤである、請求項４に記載のシステム。
6. 前記配線ループに接続されたＡＣ発電機を更に有する、請求項１に記載のシステム。
7. 複数のコイル、ダイポールアンテナ、および、前記コイルおよび前記ダイポールアンテナに接続されたチップを有するトランスポンダであり、
   前記コイルは前記ダイポールアンテナおよび前記チップを包囲し、
   前記コイルは磁界からエネルギーを受取り、受取ったエネルギーを前記チップに伝送するよう構成され、
   前記磁界は前記トランスポンダを包囲する配線ループ中の交流電流により発生したものであり、
   前記ダイポールアンテナはリーダに出力信号を伝送し、前記リーダから入力信号を受信するよう構成されている、
   トランスポンダ。
8. 前記受取ったエネルギーは、前記トランスポンダがリーダからの入力信号を受信し、この入力信号に含まれるデータを処理し、ダイポールアンテナからリーダに応答信号を送信するに足るパワーである、請求項７に記載のトランスポンダ。
9. 前記受取ったエネルギーは、前記トランスポンダが３０メートル離れたリーダからの入力信号を受信し、この入力信号に含まれるデータを処理し、ダイポールアンテナから３０メートル離れたリーダに応答信号を送信するに足るパワーである、請求項８に記載のトランスポンダ。
10. 前記トランスポンダはＲＦＩＤタグであり、前記リーダはＲＦＩＤリーダである、請求項７にトランスポンダ。

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