JP5348646B2 - 無線タグ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、車両の窓ガラスに装着される無線タグ装置に関する。

特定の車両のみの入場を許可する駐車場では、その入口にゲート開閉装置が設置され、許可された車両のみが入場を行うことができるようになっている。このようなゲート開閉装置では、進入してくる車両が許可された車両なのかどうかを識別判断するために無線タグを使用したものが知られており、例えば、車両先端部に設けられたパッシブ無線タグからの識別コードを、ゲートに設けられたアンテナが受信し、ゲートを開閉するものが提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記特許文献１は、パッシブ無線タグを使用しているため、識別コードの読取有効範囲が非常に狭く、１ｍ以下が一般的である。従って、ゲート棒に取り付けられているアンテナに非常に近づき、正確な位置で車両を停止させる必要がある。そのため、運転に慣れないドライバーは、停止位置が遠すぎて、一度では正しく読取れないこともある。一方、誤って近づきすぎ、ポールへ衝突して、高価なアンテナ、ゲートポール、車両などを壊してしまう事故もある。

このような問題を回避するため、車両の停車位置が厳密でなくとも、より広い範囲で無線タグの電波を検知できるように、パッシブ無線タグより検知距離が長いアクティブ無線タグを使用する方法が考えられるが、車外にアクティブ無線タグを装着した場合、アクティブ無線タグに内蔵している電池や電子回路の耐候性を考慮する必要があり、アクティブ無線タグ自身の物理的な耐環境特性を向上させるために、そのコストが非常に高くなってしまうという問題点がある。従って、アクティブ無線タグは、耐候性に対する考慮を軽減することができる車内で使用することが望まれる。

特開２００５−２５８６６４号公報

しかし、車両に使用されるボディの材質は、電波を遮断する特性を有する鉄分を多く含み電波を遮るため、車内外への電波伝搬の妨げとなる。また、車両に用いられるガラスには、光（紫外線や太陽光など）を遮る目的で、熱線反射ガラスや、有鉛ガラスや、アルミ蒸着ガラスなどが用いられる場合がある。このようなガラスは、金属が含有されているため電波を遮る性質があり、アクティブ無線タグを車内で使用する場合に問題となる。

そこで、本発明の目的は、電波を遮る構造物に囲まれてもアクティブ無線タグの電波を輻射できる無線タグ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の無線タグ装置は、金属を含有する、または金属である板状構造物と、板状構造物の一方の面に配設されたアクティブ無線タグと、板状構造物の他方の面にアクティブ無線タグに対向する位置に配設され、巻き数が少なくとも１つのコイルとそのコイルの両端に線状エレメントとを有する線状アンテナを有することを特徴とする。

このような構成を有する本発明では、板状構造物に遮られてもアクティブ無線タグの電波を輻射することができる。

本発明によれば、電波を遮る構造物に囲まれてもアクティブ無線タグの電波を輻射することができる。

本発明の第一実施形態に係る無線タグ装置の構成を示した図（（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図）。 本発明の第一実施形態に係る無線タグ装置の一実施例を示す図。 微小ダイポールからの電磁界を解説する座標系の図。 微少磁界ループから電磁界を解説する座標系の図。 本発明の第二実施形態に係る無線タグ装置の構成を示した図（（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図）。

（本発明の第一の実施の形態の構成）
以下、本発明の第一の実施形態の構成について図１、図２を参照して説明する。

図１は本発明の第一実施形態に係る無線タグ装置の構成を示した図（（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図）である。

１は、アクティブ無線タグで、電池・アンテナ・電子回路（いずれも不図示）等を内蔵し自ら電波を発信することができる無線タグである。発信する情報としてはアクティブ無線タグ１自身が持つ識別ＩＤコード等がある。

板状構造物であるガラス板２は、例えば、自動車のフロント、リア、サイドに使用されるガラスのように、光（紫外線や太陽光など）を遮る目的で、熱線反射ガラスや、有鉛ガラスや、アルミ蒸着ガラスなど、いずれも金属成分を含有することから電波伝搬の妨げとなる性質を有するガラス板である。

アクティブ無線タグ１はガラス板２の一方の面に配設され、ガラス板２の他方の面のアクティブ無線タグ１に対して対向する位置に線状アンテナ３が配設されている。線状アンテナ３は、その中央部に巻き数が少なくとも１ターン以上のコイル部４を有し、そのコイル部４の両端に線状エレメントである直線状導体部５を有する形状をしている。

図２は本発明の第一実施形態に係る無線タグ装置の一実施例を示す図である。図２では、自動車のフロントガラスがガラス板２に相当し、フロントガラスの車内側の面にアクティブ無線タグ１を配設し、フロントガラスの車外側のアクティブ無線タグ２に対して対向する位置に線状アンテナ３が配設されている。

（第一の実施の形態の作用）
次に作用について説明する。
図１の構造によると、アクティブ無線タグ１の内部のアンテナから輻射された電波は、通常は、金属成分を含有するガラス板２により電波が遮られ、図２でいうと、車外へはほとんど電波が輻射されなくなっている。

ここで、アクティブ無線タグ１の直近の、いわゆる近傍界での電波は、電界成分と磁界成分が独立して存在していることに着目する。

まず、以下にアクティブ無線タグ１の内部アンテナから発信される電磁波の発信源からの距離と電磁波の強度の関係について示す。

ある空間の原点にある長さ１の電気ダイポールから距離ｒだけ離れた場所Ｐにおける電荷量をｑ（ｔ）（ｔは時刻）とすると、電荷量の変化の割合が電流であるので、

と微分の形で書き表すことができる。

原点にｚ軸方向を向いた微小ダイポールがあったとき、図３に示す点Ｐにおける微小ダイポールの電界Ｅ（ｔ）および磁界Ｈ（ｔ）を電荷量の変化ｑ（ｔ）で表現すると、

となる。ここで、図３は、長さｌ≪λの微小ダイポールの軸をＺ軸と合致させ、その中心に原点をとり、電流ｉおよび電荷ｑが時間ｔに対して正弦波変化しているとして、ｌｉ（ｔ），ｑ（ｔ）と定義し、原点からの距離ｒの観測点Ｐで電界ベクトルをＥ、磁界ベクトルをＨとし、ＰとＺ軸との角度をθ、ｘ軸との角度をφとしている。式（２）、（３）は極座標に基づいて表記されており、Ｅｒ，Ｅθ，Ｅφは各々ｒ方向，θ方向，φ方向の単位ベクトルである。またｃは空間中の電磁波の伝搬速度である。

これらの式でｒ３乗に比例する項は静電磁場を作り出す項で、電気ダイポールの場合電界のみに存在する。

ｒ２乗の項は誘導電磁場を発生させる項である。ｒ１乗の項は放射界を作り出す項である。充分遠方であれば静電項、誘導項は放射項と比べてはるかに小さくなる。ゆえにダイポールから充分離れた場所における電界・磁界（遠方界という）は、

となる。方向単位ベクトルは直交しているので、遠方界では電界と磁界は直交し、波の進行方向に電界・磁界の成分がない。

周波数領域表示では遠方界電界・磁界の成分は

となる。

ここで、遠方電界と磁界の比ξを波動インピーダンスといい、以下の式で表される。

式（６）、（７）より、近傍界領域では波源との距離ｒが短くなるほど波動インピーダンスξが大きくなることから、近傍界領域（フレネル領域）では電磁界のうち電界成分が強く、遠方界領域（フラウンフォーファー領域）で磁界成分が強くなって行くと言える。

以上は電波輻射の基本となる微少ダイポールアンテナでの解析であるが、アクティブ無線タグには磁界型アンテナが常用されている。そこで、この解析手法を延長して、微少磁界ループアンテナについての解析を同様に実施する。

今、磁荷をＱｍ、磁気ダイポールモーメントＰｍは次式であらわされる。

これよりヘルツベクトルを求めれば、

よって、この場合の電磁界は次式で表される。

これより、前述の電気的微少ダイポールの際と全く同じ計算方法により、以下の式が得られる。

となる。

図４は、微小ループからの電磁界を示す図で、半径α≪λの微小ループに電流Ｉが流れている。微小ループはＸＹ平面上にあり、円の中心を原点とする。この電流により生じた磁界をＨθ、さらにそれにより生じた電界をＥφとしている。

式（１４）〜（１６）から分かるように、磁界アンテナの場合、その近傍界は、電界成分Ｅはアンテナからの距離Ｒの２乗で減衰し、磁界成分はＲの３乗で減衰する。

よって、極めてアンテナに近く、Ｒが非常に小さい場合には、Ｅ成分は無視でき、Ｈ成分のみが支配的であることが分かる。すなわち、磁界アンテナの近傍界には磁界のみで、エネルギー伝搬される。

従って、無線タグ内部の内臓アンテナが磁界方式アンテナの場合、この近傍界の電磁界エネルギーは磁界として存在する。例えば、図２において、アクティブ無線タグ１が装着されているガラス板２が、磁性体でない金属（例えば、アルミやマグネシウムなど）を含有する場合は、近傍界の領域では、電磁波のエネルギーは磁界のみで存在しているため、アクティブ無線タグ１から輻射された電波の磁界成分は、容易にガラス板２を透過して外部へ伝搬可能である。そこで、ガラス板２を挟んで近傍界の領域にある場所、すなわち、ガラス板２を挟んで、アクティブ無線タグ１に対して対向する位置に線状アンテナ３を配設し、さらに、線状アンテナ３の中央部をコイル状に形成しておく。

この場合の作用は、アクティブ無線タグ１から誘起され、ガラス板２を通過してきた磁界は、近傍界である線状アンテナ３の中央部のコイル部４へ誘導され、線状アンテナ３の中央部のコイル部４へ誘起された磁力線は、アンペアの周回積分法則によって、線状アンテナ３に誘導電流を生じさせる。
ｒｏｔＨ＝ｉ （Ｈ：磁界、ｉ：電流） ……（１８）

すなわち、線状アンテナ３がコイル部４を有していると、極めて効率よく、この近傍界の磁界の磁力線を取り込むことができる。この電流で、線状アンテナ３のコイル部４の両端に線状エレメントである直線状導体部５の部分に定在波が生じ、効率良く、電磁波が輻射される。

（第一の実施の形態の効果）
第一の実施形態によれば、磁性体を除く、電波を遮蔽する性質をもったガラス板２（金属含有ガラス、金属蒸着ガラスなど）で遮られた場合でも、アクティブ無線タグ１から発信された情報を受信することができる。具体的には、自動車の内部にアクティブ無線タグ１を装着した場合、自動車の窓ガラスが、金属含有ガラスで形成されている場合でも、窓を開けることなく、締め切った状態で、アクティブ無線タグ１の識別ＩＤコードを自動車外へ伝搬することができる。

（第一の実施の形態の変形）
その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

（変形例）
第一の実施形態では、板状構造物として金属を含有するガラス板２を用いていたが、磁性体でない性質のものであれば良く、例えば、アルミニウムやマグネシウムなどの金属のみの板状構造物、およびその金属を含有する板状構造物であっても良い。

（本発明の第二の実施の形態の構成）
以下、本発明の第二の実施形態の構成について図５を参照して説明する。

図５は本発明の第二実施形態に係る無線タグ装置の構成を示した図（（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図）である。

第二の実施形態は、線状アンテナ３の直線状導体部５をガラス板２に対して離れた位置になるように変形させている点が第一の実施形態と異なる。つまり、線状アンテナ３の直線状導体部５は、ガラス板２から、浮き上がっている構成となっている。

（第二の実施の形態の作用）
第二の実施形態によれば、線状アンテナ３の直線状導体部５は、電波を遮蔽するガラス板２からの距離が確保されているので、線状アンテナ３から輻射される電波がガラス板２に吸収されにくくなるため、より、効率良く、空間へ輻射される。

線状アンテナ３が金属を含有するガラス板２に密着していると、アンテナとして独立した導体とならないためアンテナとしては動作しない。一方、ガラス板２に対して線状アンテナ３を直流的に接触しない程度のわずかな隙間をあけて設置しても高周波的には浮遊容量等により線状アンテナ３とガラス板２は結合してしまうためアンテナ線として正しく動作できない。線状アンテナ３がガラス板２から十分離れていれば、その影響は無くなる。この距離をいくらに取るかは実用的には現場ユーザーが実装上支障なく使用できる範囲でなるべく大きくするのが電波特性上は有利である。ある程度、電波特性上の効果が認められる目安の距離は、０．１波長以上となる。物理的にこの距離が確保できない場合は、高誘電率の誘導体などを線状アンテナ３とガラス板２の間に設置する構造としても良い。

（第二の実施の形態の効果）
第二の実施形態によれば、第一の実施形態と同様の効果をあげることができるが、それに加えて、より広範な範囲にアクティブ無線タグ１から発信された情報を輻射することができる。

（第二の実施の形態の変形）
その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能で、例えば、第一の実施形態と同様の変形が可能である。

１ アクティブ無線タグ
２ ガラス板
３ 線状アンテナ
４ コイル部
５ 直線状導体部

Claims (3)

1. 金属を含有する、または金属である板状構造物と、
   前記板状構造物の一方の面に配設されたアクティブ無線タグと、
   前記板状構造物の他方の面に前記アクティブ無線タグに対向する位置に配設され、巻き数が少なくとも１つのコイルとそのコイルの両端に線状エレメントとを有する線状アンテナを有することを特徴とする無線タグ装置。
2. 前記板状構造物は、自動車の窓ガラスであり、
   前記アクティブ無線タグが配設された前記板状構造物の一方の面が前記自動車の車内であることを特徴とする請求項１に記載の無線タグ装置。
3. 前記線状アンテナは、前記コイルが前記線状エレメントよりもアクティブ無線タグに近くなるようにし、前記線状エレメントが前記板状構造物の面に対して浮き上がるように配設された請求項１または請求項２に記載の無線タグ装置。

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