JP5195275B2

JP5195275B2 - 無線通信システム

Info

Publication number: JP5195275B2
Application number: JP2008272233A
Authority: JP
Inventors: 伸郎池本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: JP2010102445A

Description

本発明は、無線通信システム、特に無線ＩＣデバイスとリーダライタを用いたＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムを利用した無線通信システムに関する。

従来、物品の管理システムとして、誘導電磁界を発生するリーダライタと物品や容器などに付された所定の情報を記憶したＩＣチップ（ＩＣタグ、無線ＩＣチップとも称する）とを非接触方式で通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが開発されている。ＩＣチップはアンテナ、即ち、放射板と結合されることによりリーダライタとの通信が可能になる。

一方、ＲＦＩＤシステムを用いて、扉や窓などの開閉を検出するセキュリティシステムを構築することも考慮されており、この種のセンサとしては特許文献１に記載のセンサスイッチを用いることが考えられる。このセンサスイッチは、開閉素子に接続されたアンテナコイルと、そのアンテナコイルからの電力で動作して外部と無線通信するＩＣモジュールとを備えている。

しかしながら、このセンサスイッチでは、ＩＣモジュールとは別に開閉素子が必要でコストが高く付く、開閉素子を動作させるための電力が必要となるのでアンテナコイルが大型化する、開閉素子の開閉情報はいったんＩＣモジュールに書き込まれ、その後にＩＣモジュールから情報を読み取るために開閉情報の伝達が遅いという問題点を有している。
特開２００５−０８６４１５号公報

そこで、本発明の目的は、小型で簡単な構成からなり安価に製造でき、省電力タイプであり、情報の伝達速度の速い無線ＩＣデバイスを用いた無線通信システムを提供することにある。

本発明の第１の形態である無線通信システムは、
所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、該無線ＩＣと結合された給電回路を有する給電回路基板とからなる電磁結合モジュールと、
前記電磁結合モジュールと互いに近接することによって前記給電回路と電界、磁界又は電磁界により結合し、前記給電回路から供給された送信信号を放射し、かつ、受信信号を受けて前記給電回路に供給する放射板と、
を備えた無線ＩＣデバイスと、
前記無線ＩＣデバイスと信号を交換し合うリーダライタと、
を備えた無線通信システムであって、
前記電磁結合モジュールは第１物体に固定され、前記放射板は第２物体に固定され、前記第１物体及び前記第２物体の近接／離間に伴う電磁結合モジュールと放射板との近接／離間を前記リーダライタによって検出すること、
を特徴とする。

第１の形態である無線通信システムにおいては、電磁結合モジュールと放射板という独立した二つの部材からなり、両者は近接することによって電磁界的に結合し、これにて放射板、給電回路、無線ＩＣという電力／情報伝達経路が形成される。放射板はリーダライタからの信号を受け、この受信信号は給電回路を介して無線ＩＣに供給される。無線ＩＣは応答信号を発し、この応答信号は給電回路を介して放射板に伝達され、リーダライタに放射される。このような交信は、第１物体と第２物体とが近接しているとき、例えば扉や窓が閉じられているときに可能であり、仮に扉や窓が開かれていると交信は不能になる。これにて、部屋のセキュリティを管理することができる。

本発明の第２の形態である無線通信システムは、
所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、該無線ＩＣと結合された給電回路を有する給電回路基板とからなる電磁結合モジュールと、
前記電磁結合モジュールと互いに近接することによって前記給電回路と電界、磁界又は電磁界により結合し、前記給電回路から供給された送信信号を放射し、かつ、受信信号を受けて前記給電回路に供給する第１放射板及び第２放射板と、
を備えた無線ＩＣデバイスと、
前記無線ＩＣデバイスと信号を交換し合うリーダライタと、
を備えた無線通信システムであって、
前記第１放射板は第１物体に固定され、前記第２放射板は第２物体に固定され、前記電磁結合モジュールは第３物体に固定され、前記第１物体及び前記第２物体の前記第３物体に対する近接／離間に伴う第１放射板及び第２放射板と電磁結合モジュールとの近接／離間を前記リーダライタによって検出すること、
を特徴とする。

第２の形態である無線通信システムにおいては、第１放射板及び第２放射板がそれぞれ電磁結合モジュールと近接することによって無線ＩＣデバイスがリーダライタと交信可能となる。例えば、第１放射板及び第２放射板が固定される第１物体及び第２物体は、互いに重なり合う部分を有して閉じられる窓、襖、障子又は扉であり、電磁結合モジュールが固定される第３物体は窓、襖、障子又は窓の枠部材であり、部屋のセキュリティを管理することができる。

本発明によれば、電磁結合モジュールと放射板とが近接／離間することで無線ＩＣデバイスがリーダライタとの交信成立／不成立となることを利用してセキュリティシステムを構築することができる。しかも、無線ＩＣデバイスは、電磁結合モジュールと放射板という簡単な構成からなり、安価に製造でき、リーダライタからの信号を電力として利用する省電力で済む。また、無線ＩＣとダイレクトに信号を交換し合うので情報の伝達速度は極めて迅速である。

以下、本発明に係る無線通信システムの実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（無線ＩＣデバイス、図１〜図３参照）
まず、本発明に係る無線通信システムに用いられる無線ＩＣデバイスについて説明する。図１に無線ＩＣデバイスを示す。この無線ＩＣデバイスは、所定周波数の送受信信号を処理する無線ＩＣチップ５と、該無線ＩＣチップ５を搭載した給電回路基板１０とからなる電磁結合モジュール１、及び、ＰＥＴフィルムなどの基材２１上に形成した放射板２０とで構成されている。

放射板２０は、ミアンダ状に折り曲げられ、その中心部に電磁結合モジュール１が近接配置されることで給電回路基板１０に内蔵された給電回路１１と電磁界結合する。この放射板２０は、アルミ箔、銅箔などの導電材からなる金属薄板を基材２１上に貼着してパターニングしたり、あるいは、基材２１上にＡｌ、Ｃｕ、Ａｇなどの導電性ペーストを塗布したり、めっき処理により設けた膜をパターニングすることにより形成される。

給電回路基板１０は、図２に等価回路として示すように、互いに異なるインダクタンス値を有し、かつ、互いに逆相で磁気結合（相互インダクタンスＭで示す）されているインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を含む共振回路・整合回路を有する給電回路１１（詳細は図３を参照して以下に説明する）を備えている。

無線ＩＣチップ５は、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、必要な情報がメモリされており、裏面に図示しない一対の入出力端子電極及び一対の実装用端子電極が設けられている。入出力端子電極は給電回路基板１０上に形成した給電端子電極４２ａ，４２ｂに、実装用端子電極は実装電極４３ａ，４３ｂに金属バンプなどを介して電気的に接続されている。

給電回路１１に含まれるインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２は逆相で磁気結合して無線ＩＣチップ５が処理する周波数に共振し、かつ、放射板２０と電磁界結合する。また、給電回路１１は無線ＩＣチップ５のインピーダンス（通常５０Ω）と放射板２０のインピーダンス（空間のインピーダンス３７７Ω）とのマッチングを図っている。

従って、給電回路１１は、無線ＩＣチップ５から発信された所定の周波数を有する送信信号を放射板２０に伝達し、かつ、放射板２０で受信した信号から所定の周波数を有する受信信号を選択し、無線ＩＣチップ５に供給する。それゆえ、この無線ＩＣデバイスは、放射板２０で受信した信号によって無線ＩＣチップ５が動作され、該無線ＩＣチップ５からの応答信号が放射板２０から外部に放射される。

以上のように、無線ＩＣデバイスにあっては、給電回路基板１０に設けた給電回路１１で信号の共振周波数を設定するため、放射板２０を種々の物品に取り付けてもそのままで動作し、放射特性の変動が抑制され、個別の物品ごとに放射板２０などの設計変更をする必要がなくなる。そして、放射板２０から放射する送信信号の周波数及び無線ＩＣチップ５に供給する受信信号の周波数は、給電回路基板１０における給電回路１１の共振周波数に実質的に相当する。給電回路基板１０において送受信信号の周波数が決まるため、放射板２０の形状やサイズ、配置関係などによらず、例えば、放射板２０を丸めたり、誘電体で挟んだりしても、周波数特性が変化することなく、安定した周波数特性が得られる。

ここで、給電回路基板１０の構成について図３を参照して説明する。給電回路基板１０は、誘電体あるいは磁性体からなるセラミックシート４１ａ〜４１ｈを積層、圧着、焼成したものである。最上層のシート４１ａには、給電端子電極４２ａ，４２ｂ、実装電極４３ａ，４３ｂ、ビアホール導体４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂが形成されている。２層目〜８層目のシート４１ｂ〜４１ｈには、それぞれ、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を構成する配線電極４６ａ，４６ｂが形成され、必要に応じてビアホール導体４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂが形成されている。

以上のシート４１ａ〜４１ｈを積層することにより、配線電極４６ａがビアホール導体４７ａにて螺旋状に接続されたインダクタンス素子Ｌ１が形成され、配線電極４６ｂがビアホール導体４７ｂにて螺旋状に接続されたインダクタンス素子Ｌ２が形成される。また、配線電極４６ａ，４６ｂの線間にキャパシタンスが形成される。

シート４１ｂ上の配線電極４６ａの端部４６ａ−１はビアホール導体４５ａを介して給電端子電極４２ａに接続され、シート４１ｈ上の配線電極４６ａの端部４６ａ−２はビアホール導体４８ａ，４５ｂを介して給電端子電極４２ｂに接続される。シート４１ｂ上の配線電極４６ｂの端部４６ｂ−１はビアホール導体４４ｂを介して給電端子電極４２ｂに接続され、シート４１ｈ上の配線電極４６ｂの端部４６ｂ−２はビアホール導体４８ｂ，４４ａを介して給電端子電極４２ａに接続される。

以上の給電回路１１において、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ逆方向に巻かれているため、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２で発生する磁界が相殺される。磁界が相殺されるため、所望のインダクタンス値を得るためには配線電極４６ａ，４６ｂをある程度長くする必要がある。これにてＱ値が低くなるので共振特性の急峻性がなくなり、共振周波数付近で広帯域化することになる。

（無線通信システム、図４〜図１０参照）
一実施例である無線通信システムは、前記無線ＩＣデバイスを使用してリーダライタと情報の交信を行う。即ち、無線ＩＣデバイスを構成する電磁結合モジュール１と放射板２０とを分離し、それぞれを異なる第１物体及び第２物体に固定し、第１物体と第２物体の近接／離間に伴う電磁結合モジュール１と放射板２０との近接／離間をリーダライタによって検出する。

具体的には、図４に示すように、室内５０にコンピュータ５１と連動するリーダライタ５２を設けるとともに、扉６１，６２、窓７１、金庫８１、置物８５に無線ＩＣデバイスを取り付けた。リーダライタ５２は送受信用のアンテナ５３を備えている。

図５に示すように、ヒンジ６４を支点として開閉される扉６１には電磁結合モジュール１が固定され、枠部材６３には放射板２０が固定されている。図５（Ａ）に示すように、扉６１が閉じられているとき、電磁結合モジュール１と放射板２０は近接し、電磁界結合してリーダライタ５２との交信が可能である。一方、図５（Ｂ）に示すように、扉６１が開けられると、電磁結合モジュール１と放射板２０は離間し、リーダライタ５２との交信が不可能となる。

それゆえ、リーダライタ５２からの信号に対して無線ＩＣデバイスが応答すれば、コンピュータ５１は扉６１が閉じていると判別する。一方、無線ＩＣデバイスが応答しないのであれば、コンピュータ５１は扉６１が開けられたと判別する。これにて室内５０のセキュリティを管理することができる。扉６２に関しても同様である。

なお、図６は他の形態を示し、扉６１に放射板２０を固定し、枠部材６３に電磁結合モジュール１を固定したものである。なお、電磁結合モジュール１と放射板２０は図５及び図６に示す箇所以外に、扉６１の開閉によって近接／離間する任意の箇所に取り付けてもよい。また、給電回路基板１０の放射板２０との結合部の電極形状や給電回路の構成を変えることにより、給電回路と放射板２０との結合を電界のみあるいは磁界のみに変更することができる。

図７は、窓７１に無線ＩＣデバイスを取り付けた状態を示している。窓７１は重なって開閉可能な窓ガラス７２，７３を有し、そのサッシ７２ａに電磁結合モジュール１が固定され、サッシ７３ａに放射板２０が固定されている。窓ガラス７２，７３が閉じられているとき、電磁結合モジュール１と放射板２０とが近接し、電磁界結合してリーダライタ５２との交信が可能である。一方、窓ガラス７２，７３が開けられると、電磁結合モジュール１と放射板２０は離間し、リーダライタ５２との交信が不可能となる。

図８は、窓ガラス７２，７３のロック機構７５のレバー７６に電磁結合モジュール１を固定し、サッシ７２ａに放射板２０を固定した形態を示す。レバー７６はロック位置Ｘ１と解除位置Ｘ２に移動可能であり、ロック位置Ｘ１にあるとき電磁結合モジュール１と放射板２０とが近接し、電磁界結合してリーダライタ５２との交信が可能である。一方、レバー７６が解除位置Ｘ２に移動すると、電磁結合モジュール１と放射板２０は離間し、リーダライタ５２との交信が不可能となる。

なお、窓７１に関しては、ガラスサッシと窓枠とに電磁結合モジュール１と放射板２０とをそれぞれ固定してもよい。

金庫８１に関しては、金庫８１とその置き台８２に電磁結合モジュール１と放射板２０を通常は電磁界結合している状態に取り付け、金庫８１が移動させられるとこの結合状態が解除され、無線ＩＣデバイスが動作しなくなる。置物８５も同様である。

図９に示すように、引き違いの襖９１，９２であれば（障子などでも同様である）、襖９１，９２の上辺部に１／２に分割した放射板２０ａ，２０ｂを固定し、図示しない鴨居に電磁結合モジュール１を固定してもよい。襖９１，９２が閉められている場合、放射板２０ａ，２０ｂが近接するとともに、電磁結合モジュール１が放射板２０ａ，２０ｂの端部に近接して電磁界結合する。襖９１，９２が開けられるとこの結合状態が解除され、無線ＩＣデバイスが動作しなくなる。

図１０に示すように、両開きの扉９５，９６であれば、扉９５，９６の上限部に１／２に分割した放射板２０ａ，２０ｂを固定し、図示しない枠部材に電磁結合モジュール１を固定してもよい。扉９５，９６が閉められている場合、放射板２０ａ，２０ｂが近接するとともに、電磁結合モジュール１が放射板２０ａ，２０ｂの端部に近接して電磁界結合する。扉９５，９６が開けられるとこの結合状態が解除され、無線ＩＣデバイスが動作しなくなる。なお、図９及び図１０に示す実施例に使用する無線ＩＣデバイスを図１１に示す。電気的に二つの放射板２０ａ，２０ｂの端部に給電回路基板１０内の容量電極１２ａ，１２ｂを対向させて配置することにより両者を電界結合させることができる。給電回路１１は三つのインダクタンス素子によって構成されている。

（他の実施例）
なお、本発明に係る無線通信システムは前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

例えば、電磁結合モジュール１と放射板２０とは前記実施例に示したもの以外に種々のものに固定し、その結合／解除をリーダライタで検出することができる。また、無線ＩＣデバイスに関しても、給電回路基板などはあくまで例示であり、給電回路は種々の構成を採用することができる。また、無線ＩＣは給電回路基板内の素子として作製しても構わない。給電回路基板内に無線ＩＣ部を形成することにより、無線ＩＣ部と給電回路との接続部における寄生成分をなくすことができ、無線ＩＣデバイスの特性を向上させることができる。また、電磁結合モジュールの低背化も可能である。さらに、電磁結合モジュールの形態として、給電回路にインピーダンスマッチング回路を付加することもできる。また、送受信信号の周波数は、放射板によって決めてもよく、あるいは給電回路と放射板とで決定してもよい。

本発明で用いられる無線ＩＣデバイスの一例を示す説明図。前記無線ＩＣデバイスを構成する給電回路基板に設けた給電回路を示す等価回路図。前記給電回路基板の積層構造を示す平面図。本発明の一実施例である無線通信システムを示す説明図。片開き扉に無線ＩＣデバイスを取り付けた一形態を示し、（Ａ）は閉じている状態の平面図、（Ｂ）は開けられた状態の平面図。片開き扉に無線ＩＣデバイスを取り付けた他の形態を示す平面図。引き違い窓に無線ＩＣデバイスを取り付けた一形態を示す正面図。引き違い窓に無線ＩＣデバイスを取り付けた他の形態を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図。引き違い襖に無線ＩＣデバイスを取り付けた一形態を示す斜視図。両開き扉に無線ＩＣデバイスを取り付けた一形態を示す平面図。図９及び図１０に示した無線ＩＣデバイスの概略構成図。

符号の説明

１…電磁結合モジュール
５…無線ＩＣチップ
１０…給電回路基板
１１…給電回路
５２…リーダライタ

Claims

所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、該無線ＩＣと結合された給電回路を有する給電回路基板とからなる電磁結合モジュールと、
前記電磁結合モジュールと互いに近接することによって前記給電回路と電界、磁界又は電磁界により結合し、前記給電回路から供給された送信信号を放射し、かつ、受信信号を受けて前記給電回路に供給する放射板と、
を備えた無線ＩＣデバイスと、
前記無線ＩＣデバイスと信号を交換し合うリーダライタと、
を備えた無線通信システムであって、
前記電磁結合モジュールは第１物体に固定され、前記放射板は第２物体に固定され、前記第１物体及び前記第２物体の近接／離間に伴う電磁結合モジュールと放射板との近接／離間を前記リーダライタによって検出すること、
を特徴とする無線通信システム。
前記第１物体は扉枠又は扉であり、前記第２物体は扉又は扉枠であること、を特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記第１物体及び前記第２物体は、互いに重なり部分を有して閉じられる窓、襖、障子又は扉であること、を特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記第１物体はロック位置と解除位置に移動可能なレバーであり、前記第２物体は前記レバーが接離するサッシであること、を特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
所定の無線信号を処理する無線ＩＣと、該無線ＩＣと結合された給電回路を有する給電回路基板とからなる電磁結合モジュールと、
前記電磁結合モジュールと互いに近接することによって前記給電回路と電界、磁界又は電磁界により結合し、前記給電回路から供給された送信信号を放射し、かつ、受信信号を受けて前記給電回路に供給する第１放射板及び第２放射板と、
を備えた無線ＩＣデバイスと、
前記無線ＩＣデバイスと信号を交換し合うリーダライタと、
を備えた無線通信システムであって、
前記第１放射板は第１物体に固定され、前記第２放射板は第２物体に固定され、前記電磁結合モジュールは第３物体に固定され、前記第１物体及び前記第２物体の前記第３物体に対する近接／離間に伴う第１放射板及び第２放射板と電磁結合モジュールとの近接／離間を前記リーダライタによって検出すること、
を特徴とする無線通信システム。
前記第１物体及び前記第２物体は互いに重なり部分を有して閉じられる窓、襖、障子又は扉であり、前記第３物体は前記窓、襖、障子又は扉の枠部材であること、を特徴とする請求項５に記載の無線通信システム。
前記放射板にて送受信される信号の周波数は、前記給電回路の共振周波数によって実質的に決定されること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の無線通信システム。
前記給電回路基板はセラミック又は樹脂からなる多層基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の無線通信システム。