JP5173896B2 - Ｒｆｉｄタグ用ブースタアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグシステムにおける質問器のリーダと応答器のＲＦＩＤタグ間の通信距離を延長させるためのＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナに関するものである。

近年、製品や部品等の物品の情報を自動認識する手段として、物品や物品を収納したケースにＲＦＩＤタグを装着し、ＲＦＩＤタグに記録された物品情報を、リーダから電波で電力を供給して読み取るＲＦＩＤタグシステムが実用化されている。このＲＦＩＤタグシステムは、物品情報をバーコードから光学的に読み取るバーコードシステムに較べて、多くの情報を記録でき、情報を書き換えることもできるので、製造業、流通サービス業等の広い分野に普及しつつある。

リーダのアンテナから電波で電力を供給するＲＦＩＤタグシステムの通信方式には、周波数が１３５ｋＨｚ以下の長波や４．９１５ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ等の短波を使用する電磁誘導方式と、周波数が数百ＭＨｚ以上の極超短波や２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波を使用する電波方式とがある。波長の長い電波を使用する電磁誘導方式は、アンテナの指向性が広く、水を透過する特徴を有するが、通常、その通信距離は数十ｃｍ以下である。これに対して、波長の短い電波を使用する電波方式は、水の透過性が悪いが、アンテナの指向性が高く、通常、その通信距離は０．２〜５ｍ程度である。これらの通信方式は、使用環境や物品が水等の液体を含むものであるか否か等によって使い分けられている。

前記電磁誘導方式のＲＦＩＤタグシステムには、ＲＦＩＤタグの前方に、リーダからの電波のキャリア周波数と同調させたブースタアンテナをリーダと対面させて配置し、通信距離を延長するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、前記電波方式のＲＦＩＤタグには、半導体回路に接続したアンテナ素子の他に、導波用や反射用のアンテナ素子を配列し、これらのアンテナ素子の長さをリーダからの電波の半波長λ／２の整数倍として、通信距離を延長するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−３２３０１９号公報 特開２００２−１５１９４７号公報

特許文献２に記載された電波方式のＲＦＩＤタグは、半導体回路に接続したアンテナ素子の他に導波用や反射用のアンテナ素子を配列する必要があるので、個々の物品またはその包装物に装着されるＲＦＩＤタグが高価で寸法の大きなものとなる問題がある。また、ＲＦＩＤタグに配列できる導波用や反射用のアンテナ素子の本数は制約されるので、通信距離もそれほど延長することはできない。

そこで、本発明の課題は、電波方式のＲＦＩＤタグシステムにおける通信距離を大幅に延長できるようにすることである。

上記の課題を解決するために、本発明のＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナは、質問器であるリーダのアンテナからの電波を受けて応答する電波方式のＲＦＩＤタグのアンテナの前方に離間させて、前記リーダのアンテナと対面するように配置される少なくとも１個の直線、開曲線、閉曲線またはこれらの直線もしくは曲線が交叉したものとした線状のアンテナ素子からなり、この線状のアンテナ素子の長さＬを下記のように定義したときに、アンテナ素子の長さＬと前記リーダのアンテナからの電波の波長λとの比Ｌ／λが０．１５〜０．４４の範囲に入るようにした構成を採用した。
（定義）
線状のアンテナ素子上に任意の２点ｉ、ｊを選び、点ｉから点ｊに向かうベクトルＶijに対して、アンテナ素子に沿う点ｉから点ｊへの経路の進行方向の向きとベクトルＶijの向きのなす角度が経路内の全ての点で±９０°以内であるときに、点ｉと点ｊは戻らずに繋がっているとし、このように戻らずに繋がっている任意の２点ｉ、ｊの組み合わせのうち、２点ｉ、ｊ間の直線距離が最も長くなる２点をアンテナ素子の両端の点ａ、ｂとして、この両端の点ａ、ｂ間のアンテナ素子に沿う最短経路の長さをアンテナ素子の長さＬとする。

図６（ａ）〜（ｆ）は、各種の線状のアンテナ素子について、前記長さＬの定義を具体的に説明する。（ａ）は、最も単純な直線のアンテナ素子であり、直線の両端の点がアンテナ素子の両端の点ａ、ｂとなり、直線の長さがそのままアンテナ素子の長さＬとなる。（ｂ）は、円弧の開曲線のアンテナ素子であり、円弧曲線の両端の点がアンテナ素子の両端の点ａ、ｂとなり、円弧曲線に沿った長さがアンテナ素子の長さＬとなる。（ｃ）は、Ｕ字状の開曲線のアンテナ素子であり、Ｕ字の両端の２点が点ａ、Ｕ字の底の点が点ｂとなり、いずれかの点ａからＵ字の片側に沿って点ｂに至る経路の長さがアンテナ素子の長さＬとなる。（ｄ）は、円の閉曲線のアンテナ素子であり、１８０°の位相で対向する任意の２点がアンテナ素子の両端の点ａ、ｂとなり、半円弧の長さがアンテナ素子の長さＬとなる。（ｅ）は、長円の閉曲線のアンテナ素子であり、長円の長軸上の２点がアンテナ素子の両端の点ａ、ｂとなり、点ａから点ｂに至る２つの等しい経路の長さがアンテナ素子の長さＬとなる。（ｆ）は、３本の同じ長さの直線を６０°の交叉角で交叉させたアンテナ素子であり、各直線の両端がアンテナ素子の両端の点ａ、ｂとなり、各直線の点ａから点ｂに至る３つの等しい経路の長さがアンテナ素子の長さＬとなる。

本発明者は、種々の長さのアンテナ素子を電波方式のＲＦＩＤタグのアンテナの前方に離間させて、リーダのアンテナと対面するように配置し、その通信距離を調査した。この結果、上記のように定義されるアンテナ素子の長さＬとリーダのアンテナからの電波の波長λとの比Ｌ／λを０．１５〜０．４４の範囲、好ましくは０．２４〜０．４４の範囲とすると、通信距離が明らかに延長されることを知見した。この知見に基づいて上記構成を採用し、電波方式のＲＦＩＤタグシステムにおける通信距離を大幅に延長できるようにした。

一般的に、電波を増幅するブースタアンテナの長さは、電波の半波長の整数倍とすることが効果的であることが知られているが、上述したように、アンテナ素子の長さＬと電波の波長λとの比Ｌ／λが、半波長と等しくなる０．５よりも小さい０．１５〜０．４４の範囲で、通信距離を延長できた理由は、以下のように考えられる。

ブースタアンテナをＲＦＩＤタグのアンテナの前方に離間させて配置すると、リーダのアンテナから直接ＲＦＩＤタグのアンテナに到達する１次電波と、ブースタアンテナを経由してＲＦＩＤタグのアンテナに到達する２次電波との間には位相差が生じ、この位相差が零に近い場合は、１次電波と２次電波の山同士が重なり合って電波が強くなり、通信距離が長くなる。一方、位相差が電波の周期の半分に近い場合は、１次電波と２次電波の山と谷が重なり合って電波が却って弱くなり、通信距離が短くなる。

前記位相差が生じる一般的な原因としては、電波の光路差による位相ずれと、アンテナ素子の長さＬによるブースタアンテナの受信波と発信波の位相ずれがあるが、電波の光路差による位相ずれは、ブースタアンテナをＲＦＩＤタグのアンテナの前方に配置した場合はそれほど大きくなく、電波の周期の０．１倍以下程度である。後述するように、リーダのアンテナから送信される電波が、通常よく用いられるように、放射軸と直交する面内で回転する円偏波や楕円偏波である場合は、この電波の回転方向へのブースタアンテナのアンテナ素子とＲＦＩＤタグのアンテナの傾斜角度の差によっても位相差が生じる。

本発明者は、前記アンテナ素子の長さＬによるブースタアンテナの受信波と発信波の位相ずれδを調査するために、アンテナ素子の長さＬを変化させて位相ずれδを測定し、その測定結果から、位相ずれδを、長さＬと電波の波長λとの比Ｌ／λをパラメータとした（１）、（２）式で近似した。
δ＝−０．０２４／（Ｌ／λ−０．５２）−０．０６ （Ｌ／λ≦０．４４） （１）
δ＝−０．０２４／（Ｌ／λ−０．３６）＋０．５４ （Ｌ／λ＞０．４４） （２）
これらの（１）、（２）式より、Ｌ／λ＝０．１５のときにδはほぼ零となり、Ｌ／λ＝０．４４のときにδ＝０．２４、Ｌ／λ＝０．５のときにδ＝０．３７となる。

前記位相ずれδは、電波の周期の±０．２５倍の範囲であれば、１次電波と２次電波の山同士の重なり代が多くなって電波が強められるが、この範囲を越えると、むしろ山と谷の重なり代が多くなって電波が弱められるので、アンテナ素子の長さＬと電波の波長λとの比Ｌ／λが、０．１５〜０．４４の範囲で通信距離を延長できたものと考えられる。なお、比Ｌ／λが０．１５未満で通信距離が長くならないのは、ブースタアンテナのアンテナ素子が短すぎるためと思われ、通信距離を顕著に延長できるアンテナ素子の長さＬを確保するためには、比Ｌ／λを０．２４以上とすることが好ましい。

前記少なくとも１個のアンテナ素子は、前記両端の点ａ、ｂが１組だけ存在するものとして、これらの点ａ、ｂを結ぶ直線を前記リーダのアンテナからの電波の放射方向と直角に対向する対向面に投影したときの、投影された直線の対向面内での傾斜角度をアンテナ素子の傾斜角度θとして一義的に決定できるものとすることができる。

前記リーダのアンテナからの電波が回転する円偏波または楕円偏波であり、前記ＲＦＩＤタグのアンテナが長手方向を有するものとする場合は、このアンテナを前記リーダのアンテナからの電波の放射方向と直角に対向する対向面に投影したときの、投影された長手方向の対向面内での傾斜角度を前記ＲＦＩＤタグのアンテナの傾斜角度φとしたときに、前記リーダのアンテナからの電波の回転方向への前記アンテナ素子の傾斜角度θと前記ＲＦＩＤタグのアンテナの傾斜角度φとの差θ−φ（°）が、前記比Ｌ／λをパラメータとして次の（３）式を満足するようにするとよい。
−７５≦θ−φ≦−１８０Ｌ／λ＋６０ （３）
なお、差θ−φの符号は、電波の回転方向へのアンテナ素子の傾斜角度θがＲＦＩＤタグのアンテナの傾斜角度φよりも大きいとき、すなわち、電波の回転角度が先にＲＦＩＤタグのアンテナの傾斜角度φと重なるときに正、傾斜角度θが傾斜角度φよりも小さいとき、すなわち、電波の回転角度が先にブースタアンテナのアンテナ素子の傾斜角度θと重なるときに負となる。

前記リーダのアンテナからの電波が円偏波や楕円偏波である場合は、アンテナ素子とＲＦＩＤタグのアンテナの傾斜角度の差θ−φによっても、１次電波と２次電波との間に位相差が生じる。アンテナ素子とＲＦＩＤタグのアンテナに正負の向きはないので、差θ−φは−９０°〜＋９０°の範囲の値となる。一方、円偏波や楕円偏波の電波の１周期は３６０°であるので、差θ−φによる位相ずれは、電波の周期の±０．２５倍の範囲で変化する。したがって、差θ−φによる位相ずれのみであれば、上述したように、１次電波と２次電波の山同士の重なり代が多くなって電波が強められるが、電波の光路差による位相ずれや、アンテナ素子の長さＬによる位相ずれが存在すると、これらの位相ずれの総和が±０．２５倍の範囲を越える恐れがある。このため、（３）式で差θ−φの範囲を規制し、差θ−φによる位相ずれの下限を電波の周期の−０．２倍、上限を−０．０５倍（Ｌ／λ＝０．４４のとき）〜＋０．０９倍（Ｌ／λ＝０．１５のとき）とすることにより、位相ずれの総和が±０．２５倍の範囲を越えずに０倍に近づくようにし、電波が強められるようにした。

前記リーダのアンテナからの電波が回転する円偏波または楕円偏波であり、前記アンテナ素子を複数個設ける場合は、少なくとも２個のアンテナ素子の間の前記傾斜角度θの差Δθを４５°〜９０°とするとよい。

本発明者は、図７に示すように、マイクロ波を送信するリーダのアンテナ（図示省略）と対向するＲＦＩＤタグのアンテナ１ａの前方に、長さＬが４０ｍｍ（Ｌ／λ＝０．３２）の２個のブースタアンテナのアンテナ素子２ａに傾斜角度θの差Δθを付与して配置し、この差Δθとアンテナ１ａの傾斜角度φを変化させて通信距離を調査する予備通信試験を行った。図７は、傾斜角度φを分かりやすくするために、アンテナ１ａを各アンテナ素子２ａと同一平面上に表示している。マイクロ波は反時計回りに回転する円偏波とし、右側のアンテナ素子２ａの傾斜角度θを−４５°（鉛直方向から時計回りに４５°）に固定して、左側のアンテナ素子２ａの傾斜角度θを変化させた。また、アンテナ１ａの傾斜角度φは、鉛直方向を０°として、反時計回りのプラス方向と時計回りのマイナス方向に変化させた。

表８に、上記予備通信試験の結果を示す。表中の○印の評価は、ブースタアンテナがない場合に対して、通信距離を３％以上延長できたもの、×印の評価は、通信距離を延長できなかったものである。この試験結果より、傾斜角度θの差Δθを４５°〜９０°の範囲としたものは、ＲＦＩＤタグのアンテナ１ａの傾斜角度φに関らず、通信距離を延長できたが、傾斜角度θの差Δθが３０°と４０°のものは、傾斜角度φが−６０°と９０°のときに通信距離を延長できなかった。この理由は、傾斜角度θの差Δθが小さいと、２個のアンテナ素子２ａの各傾斜角度θとアンテナ１ａの傾斜角度φとの差θ−φが互いに近い値となり、いずれのアンテナ素子２ａについても差θ−φが、上述した（３）式を満足しない場合が生じるためと考えられる。

前記ＲＦＩＤタグが電波を透過するケースに収納された物品または前記ケースの内面に装着される場合は、前記アンテナ素子を前記ケースの内面もしくは外面、またはケースの壁の内部に配置されるものとすることができる。

本発明のＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナは、質問器であるリーダのアンテナからの電波を受けて応答する電波方式のＲＦＩＤタグのアンテナの前方に離間させて、リーダのアンテナと対面するように配置される少なくとも１個の直線、開曲線、閉曲線またはこれらの直線もしくは曲線が交叉したものとした線状のアンテナ素子からなり、この線状のアンテナ素子の長さＬを下記のように定義したときに、アンテナ素子の長さＬとリーダのアンテナからの電波の波長λとの比Ｌ／λが０．１５〜０．４４の範囲に入るようにしたので、電波方式のＲＦＩＤタグシステムにおける通信距離を大幅に延長することができる。
（定義）
線状のアンテナ素子上に任意の２点ｉ、ｊを選び、点ｉから点ｊに向かうベクトルＶijに対して、アンテナ素子に沿う点ｉから点ｊへの経路の進行方向の向きとベクトルＶijの向きのなす角度が経路内の全ての点で±９０°以内であるときに、点ｉと点ｊは戻らずに繋がっているとし、このように戻らずに繋がっている任意の２点ｉ、ｊの組み合わせのうち、２点ｉ、ｊ間の直線距離が最も長くなる２点をアンテナ素子の両端の点ａ、ｂとして、この両端の点ａ、ｂ間のアンテナ素子に沿う最短経路の長さをアンテナ素子の長さＬとする。

第１の実施形態のＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナを配置したＲＦＩＤタグシステムの概略図 図１のブースタアンテナを拡大して示す平面図 ａ〜ｅは、それぞれ第３通信試験におけるアンテナ素子の正三角形状配置を示す平面図 第２の実施形態のＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナを拡大して示す平面図 ａ〜ｄは、それぞれ第３の実施形態のＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナを拡大して示す平面図 ａ〜ｆは、それぞれ各種の線状のアンテナ素子の長さＬの定義を説明する平面図 予備通信試験におけるブースタアンテナの２本のアンテナ素子の配置を示す平面図

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１乃至図３は、第１の実施形態を示す。図１は、ＲＦＩＤタグ１が装着された物品１１を収納し、ケース１２の外面に、本発明に係るＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナ２を配置した電波方式のＲＦＩＤタグシステムの概略図である。この概略図は、説明を分かりやすくするために、ケース１２の中に１つの物品１１のみを表示し、ＲＦＩＤタグ１のアンテナ１ａは、リーダ３のアンテナ３ａからの電波の放射方向と直角に対向する物品１１の前面側に装着され、ブースタアンテナ２は、同じく電波の放射方向と直角に対向するケース１２の前側の外面１２ａに貼付されて配置されている。リーダ３のアンテナ３ａからは、周波数が２．４ＧＨｚのマイクロ波が、反時計回りに回転する円偏波としてＲＦＩＤタグ１に向けて送信される。

前記ケース１２は中芯に表裏のライナ紙を貼付した段ボールで形成され、ブースタアンテナ２は幅が０．５ｍｍの線状のものとされている。ケース１２は電波を透過するものであればよく、樹脂、木、紙等で形成されたものでもよい。また、ブースタアンテナ２は導電体であればよく、アルミニウム等の金属や導電性インキの塗布等で形成してもよい。さらに、ブースタアンテナ２は、ケース１２の内面またはケース１２の壁の内部、例えば、段ボールの中芯に貼付して配置してもよい。

図２に拡大して示すように、前記ブースタアンテナ２は、複数個の同じ長さＬの直線のアンテナ素子２ａで形成され、３個１組のアンテナ素子２ａが、リーダ３のアンテナ３ａからのマイクロ波の放射方向と直角に対向するケース１２の外面１２ａに、それぞれの傾斜角度θの差Δθを６０°とするように正三角形状に配置されている。アンテナ素子２ａの長さＬは、リーダ３のアンテナ３ａからのマイクロ波の波長λ（＝１２５ｍｍ）に対する比Ｌ／λが０．１５〜０．４４の範囲に入るように設定されている。

［実施例Ａ］
まず、図２に示したように、ケース１２の外面１２ａにブースタアンテナ２の９個のアンテナ素子２ａを３つの正三角形状に配置し、その長さＬを変化させて、リーダ３とＲＦＩＤタグ１間の通信距離を調査する第１通信試験を行った。隣接する正三角形状配置間の間隔Δｄ_１は３ｍｍ、正三角形状配置の突き合わせ頂部でのアンテナ素子２ａ間の間隔Δｄ_２は２ｍｍとした。通信試験は、アンテナ素子２ａの長さＬとマイクロ波の波長λとの比Ｌ／λが０．１５〜０．４４の範囲に入るもの（実施例）と、この範囲に入らないもの（比較例）とについて行った。また、通信試験に際しては、図１に示したように、ＲＦＩＤタグ１のアンテナ１ａを前面側に装着した物品１１を、ケース１２の中で、幅方向のｘ方向に−４０〜４０ｍｍ、上下方向のｙ方向に０〜４０ｍｍ、奥行方向のｚ方向に５〜２００ｍｍの範囲で移動させるとともに、物品１１の前面側でのアンテナ１ａのｘｙ平面内での傾斜角度φも鉛直方向の０°と３０°とに変化させ、これらの物品１１の各移動位置とアンテナ１ａの傾斜角度φを変化させたときの通信距離の平均値を求めた。通信距離は、求めた平均値のブースタアンテナがない場合に対する向上率で評価した。

表１に、上記第１通信試験の結果を示す。この試験結果より、比Ｌ／λを０．１５〜０．４４の範囲に入れるように、各アンテナ素子２ａの長さＬを２０〜５０ｍｍとした各実施例のものは通信距離が延長され、このうち特に長さＬを３０ｍｍ（Ｌ／λ＝０．２４）以上としたものは顕著に通信距離が延長されている。これに対して、長さＬを１０ｍｍ（Ｌ／λ＝０．０８）と短くした比較例のものは通信距離がほとんど変わらず、長さＬを６０ｍｍ（Ｌ／λ＝０．４８）と長くした比較例のものは、通信距離が却って短くなっている。これは、前述したように、１次電波と２次電波の位相差が電波の周期の０．２５倍よりも大きくなって、１次電波と２次電波の山と谷が重なり合い、電波が弱くなったためと考えられる。なお、この通信試験では、アンテナ素子２ａの幅を０．１８〜３．０ｍｍの範囲で変化させたものについても試験したが、これらの範囲では幅を変化させても、通信距離の延長の程度はほとんど変わらなかった。

つぎに、前記アンテナ素子２ａの長さＬを４０ｍｍ（Ｌ／λ＝０．３２）一定とし、図２に示した各間隔Δｄ_１、Δｄ_２、すなわちアンテナ素子２ａの配置密度を変化させた第２通信試験を行った。間隔Δｄ_１は３ｍｍ〜１００ｍｍの間で５段階に変化させ、間隔Δｄ_２は２ｍｍと１０ｍｍの２段階に変化させた。その他の試験条件は第１通信試験と同じであり、アンテナ１ａを前面側に装着した物品１１をｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に移動させるとともに、物品１１の前面側でのアンテナ１ａのｘｙ平面内での傾斜角度φも変化させた。また、通信距離向上率の評価方法も第１通信試験と同じである。

表２に、上記第２通信試験の結果を示す。表中には、９個のアンテナ素子２ａを配置した配置領域と、マイクロ波の波長λを単位長さとする単位面積λ^２当たりのアンテナ素子２ａの配置密度（個／λ^２）を併せて示す。この試験結果より、傾斜角度を変えた複数個のアンテナ素子２ａを配置し、アンテナ１ａをｘｙ平面内で平行移動や回転移動させる場合は、アンテナ素子２ａの配置密度を７個／λ^２以上にすると通信距離が延長され、好ましくは１２個／λ^２以上、さらに好ましくは１９個／λ^２以上にするとよいことが分かる。なお、後の第６通信試験での表６に示すように、アンテナ１ａをｘｙ平面内で移動させない場合は、必ずしもアンテナ素子２ａの配置密度を７個／λ^２以上とする必要はなく、１個のアンテナ素子２ａでも通信距離が延長される。

さらに、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示すように、アンテナ素子２ａの長さＬを４０ｍｍ（Ｌ／λ＝０．３２）一定とし、アンテナ素子２ａの正三角形状配置の配列を変化させた第３通信試験を行った。図３（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）は、第１および第２通信試験と同様の配列で正三角形状配置の数を変えたものであり、前記間隔Δｄ_１は１０ｍｍ、間隔Δｄ_２は２ｍｍとした。図３（ｄ）は、アンテナ素子２ａを亀甲状に６つの正三角形を形成するように配置した配列であり、正三角形状配置の突き合わせ頂部でのアンテナ素子２ａ間の間隔Δｄ_２は２ｍｍとした。また、第３通信試験でも、その他の試験条件と通信距離向上率の評価方法は、第１通信試験と同じとし、正三角形状配置の数を１３と多くした図３（ｅ）のものについてのみ、前記アンテナ１ａを装着した物品１１のｘ方向への移動範囲を−１２０〜１２０ｍｍと広くした。

表３に、上記第３通信試験の結果を示す。表中には、アンテナ素子２ａの個数とその配置領域を併せて示す。この試験結果より、正三角形状配置の数は１（アンテナ素子３個）以上であると通信距離が向上し、好ましくは３（アンテナ素子９個）以上にするとよいことが分かる。

上述した第１の実施形態では、アンテナ素子２ａを３個１組として、これらの３個全てのアンテナ素子２ａ間の傾斜角度θの差Δθを４５°〜９０°の範囲にある６０°とするように正三角形状に配置したが、２個または４個以上のアンテナ素子２ａを１組として、これらの傾斜角度θの差Δθが４５°〜９０°の範囲にあるように配置してもよい。例えば、２個１組とする場合はＶ字状の配置とすることができ、４個１組とする場合は正方形状の配置とすることができる。なお、１組のアンテナ素子２ａ間の傾斜角度θの差Δθは、必ずしも全てのものが４５°〜９０°の範囲にある必要はなく、好ましくは１／２以上、さらに好ましくは２／３以上の傾斜角度θの差Δθを４５°〜９０°の範囲とするとよい。

図４は、第２の実施形態を示す。この実施形態では、前記ケース１２の外面１２ａに配置されたブースタアンテナ２が、平行で等間隔の複数の直線上に２個ずつ直列に配列された同じ長さＬの直線のアンテナ素子２ａで形成され、各アンテナ素子２ａの傾斜角度θが同一に揃えられている。図示は省略するが、第１の実施形態と同様に、ＲＦＩＤタグはケース１２に収納された物品の前面側に装着され、リーダのアンテナからは、周波数が２．４ＧＨｚのマイクロ波が、反時計回りに回転する円偏波としてＲＦＩＤタグに向けて送信される。なお、図４には、後方のＲＦＩＤタグのアンテナ１ａを点線で示すが、この実施形態では、アンテナ１ａは鉛直方向に向けられ、その傾斜角度φは０°とされている。

［実施例Ｂ］
図４に示したように、ケース１２の外面１２ａに、平行で等間隔の複数の各直線上に２個ずつのアンテナ素子２ａを直列に配列し、各アンテナ素子２ａの長さＬとマイクロ波の波長λとの比Ｌ／λが０．１５〜０．４４の範囲に入るものについて、各アンテナ素子２ａの傾斜角度θとアンテナ１ａの傾斜角度φとの差θ−φを変化させ、リーダとＲＦＩＤタグ間の通信距離を調査する第４通信試験を行った。なお、第４通信試験では、アンテナ１ａを前面側に装着した物品を、ケース１２の中で奥行方向のｚ方向のみに５〜２００ｍｍの範囲で移動させて、これらの物品の各移動位置を変化させたときの通信距離の平均値を求め、求めた平均値のブースタアンテナがない場合に対する向上率で通信距離を評価した。

上記第４通信試験の具体的な試験条件を表４に示す。アンテナ素子２ａの長さＬは、２０、３０、４０、５０ｍｍの４段階に変化させ、長さＬの短いものはアンテナ素子２ａの本数を多くした。なお、平行なアンテナ素子２ａ間の間隔Δｄ_３は、長さＬが３０ｍｍのものだけ１５ｍｍとし、それ以外のものは２０ｍｍとし、直列に配列した２本のアンテナ素子２ａの間隔Δｄ_４は１ｍｍとした。

表４に、第４通信試験の試験結果を併せて示す。表４には、前述した（３）式における差θ−φの上限（−１８０Ｌ／λ＋６０°）と、差θ−φがこれらの上限と下限（−７５°一定）との範囲内か否かの判定を○×で併記する。この試験結果より、いずれの長さＬのものについても、差θ−φが（３）式の範囲から外れるものは、通信距離がむしろ短くなっているものが多いのに対して、差θ−φが（３）式の範囲に入るものは通信距離が延長され、特に、長さＬが４０ｍｍと５０ｍｍのもので、差θ−φが（３）式の範囲の中央値に近いものは、通信距離が３０％以上延長されている。この理由は、差θ−φが（３）式の範囲の中央値に近い場合は、この差θ−φに起因する１次電波と２次電波の位相ずれが、前記長さＬによる位相ずれを相殺し、１次電波と２次電波の位相差が零に近くなるためと考えられる。したがって、ＲＦＩＤタグのアンテナ１ａの傾斜角度φが確定している場合は、複数本のアンテナ素子２ａの傾斜角度θを揃えて、差θ−φが（３）式の範囲に入るようにするとよい。

つぎに、前記アンテナ素子２ａの長さＬを４０ｍｍ（Ｌ／λ＝０．３２）一定、アンテナ素子２ａの傾斜角度θを−４５°一定、すなわち前記差θ−φを−４５°一定とし、前記間隔Δｄ_３、Δｄ_４を変化させた第５通信試験を行った。その他の試験条件と通信距離向上率の評価方法は、第４通信試験と同じである。

表５に、上記第５通信試験の結果を示す。表中には、アンテナ素子２ａの個数および配置領域と、マイクロ波の波長λを単位長さとする単位面積λ^２当たりのアンテナ素子２ａの配置密度（個／λ^２）を併せて示す。この試験結果より、アンテナ素子２ａの配置密度は、７個／λ^２以上であると通信距離が向上し、好ましくは１０個／λ^２以上にするとよいことが分かる。

さらに、上記第５通信試験と同様に、アンテナ素子２ａの長さＬを４０ｍｍ（Ｌ／λ＝０．３２）一定、差θ−φを−４５°一定とし、図４に示したアンテナ素子２ａの個数を１〜１２０個に変化させた第６通信試験を行った。なお、アンテナ素子２ａの個数を６０個と１２０個と多くしたものでは、後の表６に示すように、アンテナ１ａを装着した物品を幅方向のｘ方向と上下方向のｙ方向にも移動させた試験も行い、このとき、１２０個としたものはｚ方向の移動範囲も広くした。その他の試験条件と通信距離向上率の評価方法は、第４通信試験と同じであり、アンテナ素子２ａの個数を複数個としたときの間隔Δｄ_３は２０ｍｍ、間隔Δｄ_４は１ｍｍとした。

表６に、上記第６通信試験の結果を示す。表中には、アンテナ素子２ａの配置領域と、アンテナ１ａを装着した物品の移動領域を併せて示す。この試験結果より、アンテナ素子２ａの個数は１個でも通信距離が向上し、好ましくは３個以上、さらに好ましくは５個以上にするとよいことが分かる。また、アンテナ素子２ａの個数を６０個以上と多くしたものは、アンテナ１ａを装着した物品が広い範囲で移動しても、通信距離を良好に向上させることができる。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ第３の実施形態を示す。この実施形態では、前記ケースの外面に配置されたブースタアンテナ２が、両端の点が複数組存在する円の閉曲線のアンテナ素子２ｂ、または３本の同じ長さの直線を６０°の交叉角で交叉させたアンテナ素子２ｃ（ｄ）で形成されており、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のアンテナ素子２ｂは、それぞれ７個、１３個、１９個のものが千鳥状に複数列に配列され、図５（ｄ）のアンテナ素子２ｃは縦横に４個配列されている。図示は省略するが、第１の実施形態と同様に、ＲＦＩＤタグはケースに収納された物品の前面側に装着され、リーダのアンテナからは、周波数が２．４ＧＨｚのマイクロ波が、反時計回りに回転する円偏波としてＲＦＩＤタグに向けて送信される。なお、図５の各図には、後方のＲＦＩＤタグのアンテナ１ａを点線で示す。

［実施例Ｃ］
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示したように、ケースの外面に、円の閉曲線のアンテナ素子２ｂまたは３本の同じ長さの直線を交叉させたアンテナ素子２ｃを配列したものについて、各アンテナ素子２ｂ、２ｃの長さＬとマイクロ波の波長λとの比Ｌ／λを変化させ、リーダとＲＦＩＤタグ間の通信距離を調査する第７通信試験を行った。なお、第７通信試験では、アンテナ１ａを前面側に装着した物品を、奥行方向のｚ方向に５〜２００ｍｍの範囲で移動させるとともに、物品１１の前面側でのアンテナ１ａの傾斜角度φも０〜３６０°の範囲で３０°または４５°ピッチで変化させ、一部のものは幅方向のｘ方向と上下方向のｙ方向にも物品を移動させて、これらの物品の各移動位置とアンテナ１ａの傾斜角度φを変化させたときの通信距離の平均値を求めた。通信距離向上率の評価方法は第１通信試験と同じである。

表７に、上記第７通信試験の結果を示す。表中には、アンテナ素子２ｂ、２ｃの配置領域とアンテナ１ａを装着した物品の移動領域も併せて示す。この試験結果より、第１通信試験の結果と同様に、比Ｌ／λが０．１５〜０．４４の範囲に入る実施例のものは通信距離が延長され、このうち特に比Ｌ／λが０．２４以上のものは顕著に通信距離が延長されている。これに対して、上記範囲を外れる比較例のものは通信距離が延長されないか、または低下している。したがって、両端の点が複数組存在するアンテナ素子２ｂ、２ｃでも、比Ｌ／λを０．１５〜０．４４の範囲に入れることにより通信距離を延長でき、比Ｌ／λを０．２４以上とすることにより、顕著に通信距離を延長できることが分かる。

なお、この第３の実施形態のものについては、別のリーダのアンテナから、周波数が２．４ＧＨｚのマイクロ波を時計回りに回転する円偏波、および回転しない直線偏波として、それぞれＲＦＩＤタグに向けて送信する場合についても、通信試験を行ったが、第７通信試験と同様の結果が得られた。

上述した各実施形態では、ブースタアンテナをＲＦＩＤタグが装着された物品を収納するケースの外面に配置したが、ブースタアンテナはリーダに対向するＲＦＩＤタグのアンテナの前方に配置すればよく、実施形態の配置形態に限定されることはない。

また、リーダのアンテナからの電波をマイクロ波としたが、この電波は周波数が数百ＭＨｚ以上の極超短波とすることもできる。

１ ＲＦＩＤタグ
１ａ アンテナ
２ ブースタアンテナ
２ａ、２ｂ、２ｃ アンテナ素子
３ リーダ
３ａ アンテナ
１１ 物品
１２ ケース
１２ａ 外面

Claims (4)

1. 質問器であるリーダのアンテナからの電波を受けて応答する電波方式のＲＦＩＤタグのアンテナの前方に離間させて、前記リーダのアンテナと対面するように配置される少なくとも１個の直線、開曲線、閉曲線またはこれらの直線もしくは曲線が交叉したものとした線状のアンテナ素子からなり、この線状のアンテナ素子の長さＬを下記のように定義したときに、アンテナ素子の長さＬと前記リーダのアンテナからの電波の波長λとの比Ｌ／λが０．１５〜０．４４の範囲に入るようにし、前記少なくとも１個のアンテナ素子を、前記両端の点ａ、ｂが１組だけ存在するものとして、これらの点ａ、ｂを結ぶ直線を前記リーダのアンテナからの電波の放射方向と直角に対向する対向面に投影したときの、投影された直線の対向面内での傾斜角度をアンテナ素子の傾斜角度θとして一義的に決定できるものとしたＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナ。
   （定義）
   線状のアンテナ素子上に任意の２点ｉ、ｊを選び、点ｉから点ｊに向かうベクトルＶijに対して、アンテナ素子に沿う点ｉから点ｊへの経路の進行方向の向きとベクトルＶijの向きのなす角度が経路内の全ての点で±９０°以内であるときに、点ｉと点ｊは戻らずに繋がっているとし、このように戻らずに繋がっている任意の２点ｉ、ｊの組み合わせのうち、２点ｉ、ｊ間の直線距離が最も長くなる２点をアンテナ素子の両端の点ａ、ｂとして、この両端の点ａ、ｂ間のアンテナ素子に沿う最短経路の長さをアンテナ素子の長さＬとする。
2. 前記リーダのアンテナからの電波が回転する円偏波または楕円偏波であり、前記ＲＦＩＤタグのアンテナが長手方向を有するものとし、このアンテナを前記リーダのアンテナからの電波の放射方向と直角に対向する対向面に投影したときの、投影された長手方向の対向面内での傾斜角度を前記ＲＦＩＤタグのアンテナの傾斜角度φとしたときに、前記リーダのアンテナからの電波の回転方向への前記アンテナ素子の傾斜角度θと前記ＲＦＩＤタグのアンテナの傾斜角度φとの差θ−φ（°）が、前記比Ｌ／λをパラメータとして次式を満足するようにした請求項１に記載のＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナ。
   −７５≦θ−φ≦−１８０Ｌ／λ＋６０
3. 前記リーダのアンテナからの電波が回転する円偏波または楕円偏波であり、前記アンテナ素子を複数個設け、少なくとも２個のアンテナ素子の間の前記傾斜角度θの差Δθを４５°〜９０°とした請求項１または２に記載のＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナ。
4. 前記ＲＦＩＤタグが電波を透過するケースに収納された物品または前記ケースの内面に装着され、前記アンテナ素子が前記ケースの内面もしくは外面、またはケースの壁の内部に配置されるものである請求項１乃至３のいずれかに記載のＲＦＩＤタグ用ブースタアンテナ。

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