JP5895744B2

JP5895744B2 - ワイヤレス給電型無線タグシステム

Info

Publication number: JP5895744B2
Application number: JP2012150176A
Authority: JP
Inventors: 齋藤　隆; 隆齋藤; 一之正木
Original assignee: 株式会社ナカヨ
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: JP2014014218A

Description

本発明は、ワイヤレス給電機能を有する無線タグシステムに関する。

近年、物品の管理や物流の管理等において、ＩＤ情報を記憶している無線タグ（ＲＦＩＤ：ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、および非接触で無線タグからＩＤ情報を読み取る無線タグリーダが適用されている。無線タグには、ＩＤ情報を含む電波を自ら発信するアクティブ型と、無線タグリーダが放出する電波の電波エネルギーで動作し、その電波の反射波をＩＤ情報で変調するパッシブ型がある。アクティブ型は電波を自ら発信するのでＩＤを通知できる範囲が比較的広いが（例えば、数ｍ）、電池で動作するので定期的な電池交換が必要であるという制約がある。一方、パッシブ型は無線タグリーダが放出する電波の電波エネルギーで動作するため、電池が不要であるものの、ＩＤを通知できる範囲が狭いという制約がある（例えば、数ｃｍ）。

これを改善する技術として、電磁波、超音波、共鳴する磁場や電場、レーザー光等を介して、電力を無線で供給する所謂ワイヤレス給電技術を、無線タグリーダおよび無線タグに適用することが考えられる（例えば、特許文献１を参照）。

しかしながら、特許文献１に記載された技術は誘導電力転送システムに係わる技術であり、この技術を無線タグリーダおよび無線タグに適用するには、通信距離が短いという点において依然、解決されない問題がある。

特開２０１１−３０４２２号公報

そこで、本発明の課題は、読取可能な範囲を比較的自由に設定可能なアクティブ型でありながら、パッシブ型と同様に電池交換が不要な無線タグを実現する、ワイヤレス給電対応の無線タグシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、タグＩＤを記憶している１以上の無線タグと、前記無線タグからタグＩＤを読み取る無線タグリーダと、前記無線タグへ非接触で電力を供給するワイヤレス給電ユニットと、から成る無線タグシステムであって、前記無線タグリーダは、ワイヤレス給電の起動に係わる起動コマンドを含む無線信号を前記ワイヤレス給電ユニットへ送信する起動コマンド送信手段と、前記無線タグが発信したタグＩＤを含む無線信号を受信するタグＩＤ受信手段と、タグＩＤの送信を要求する１以上の無線タグを指定する無線タグ指定コマンドまたは自無線タグリーダに係わるリーダＩＤを含む無線信号を近傍へ発信する発信手段と、を有し、前記ワイヤレス給電ユニットは、近傍に存在している前記無線タグへ非接触で電力を供給するワイヤレス給電を実行するワイヤレス給電手段と、前記起動コマンドを含む無線信号を前記無線タグリーダから受信する起動コマンド受信手段と、前記起動コマンドを受信した場合に前記ワイヤレス給電手段を起動する給電起動手段と、前記ワイヤレス給電手段を起動してから予め定められた所定の時間が経過した場合またはワイヤレス給電の停止に係わる予め定められたコマンドを受信した場合にワイヤレス給電を停止する給電停止手段と、前記指定コマンドまたは前記リーダＩＤを含む無線信号を受信する受信手段と、前記受信した無線信号に含まれている前記指定コマンドまたは前記リーダＩＤを自ワイヤレス給電ユニットがワイヤレス給電する電力に重畳して前記無線タグへ中継する中継手段と、を有し、前記無線タグは、前記ワイヤレス給電による電力を受電するワイヤレス受電を実行するワイヤレス受電手段と、前記ワイヤレス受電を開始した後に自無線タグが記憶しているタグＩＤを含む無線信号を近傍へ発信するタグＩＤ発信手段と、ワイヤレス受電した電力に重畳されている前記指定コマンドまたは前記リーダＩＤを受信する受信手段と、を有し、前記指定コマンドまたは前記リーダＩＤを受信した場合に、前記受信した指定コマンドまたはリーダＩＤに基づいて自無線タグが記憶しているタグＩＤを含む無線信号を発信するか否かを判定し、発信すると判定したならば前記タグＩＤを含む無線信号を発信することを特徴とする。

本発明によれば、読取可能な範囲を従来のアクティブ型と同等に比較的自由に設定できると共に、従来のパッシブ型と同様に電池交換が不要な無線タグシステムを提供することができる。

本発明による無線タグシステムの全体構成図本発明による無線タグシステムのシーケンス図本発明による無線タグリーダの内部ブロック構成図本発明による無線タグの内部ブロック構成図本発明によるワイヤレス給電ユニットの内部ブロック構成図

以下、図面を併用して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明による無線タグシステムの全体構成図であり、１は本発明による無線タグリーダ、２は無線タグリーダ１と通信を行う本発明による無線タグ、３は無線タグリーダ１からの制御により無線タグ２に非接触にて電力を供給する本発明によるワイヤレス給電ユニットである。なお、無線タグの数Ｎ（任意の整数）の上限は、無線タグ２が記憶するＩＤ情報（以下、ＩＤと略すこともある）の桁数に依存する。また、ワイヤレス給電方式として、磁界共鳴方式を例に説明するが、電磁結合型等、その他のワイヤレス給電方式も適用可能である。

無線タグリーダ１は、商用電源あるいは電池で動作し、定期的または非定期に近傍のワイヤレス給電ユニット３に対してワイヤレス給電開始の指示を行う。また、無線タグ２からのタグＩＤ情報を受信する。

無線タグ２は、ワイヤレス給電ユニット３からのワイヤレス給電による電力を受電して動作し、無線タグ２内部に記憶されているタグＩＤ情報を無線タグリーダ１へ送信する。なお、条件によっては、タグＩＤ情報を無線タグリーダ１へ送信しないこともある（後述）。

ワイヤレス給電ユニット３は、商用電源あるいは電池で動作し、無線タグリーダ１からの指示で無線タグ２に対してワイヤレス給電を行う。その際、無線タグリーダ１のＩＤ情報および無線タグ２を指定する指定コマンドをその電力に重畳することもある。また、ワイヤレス給電ユニット３は本システムに１台のみである必要はなく、複数存在しても良い。

図２は、無線タグリーダ１、無線タグ２およびワイヤレス給電ユニット３のシーケンス図である。以下、図１を併用して、本システムにおける電力および信号の流れを説明する。

無線タグリーダ１は、定期的な自動起動、または手動操作による起動、またはセンサ（図示せず）と連動した非定期なイベント検知で起動する（Ｓ２１１）。起動後、ワイヤレス給電ユニット３に対し無線タグ２へのワイヤレス給電の開始を指示する（Ｓ２１２）。

すると、ワイヤレス給電ユニット３は、高周波電力を生成して磁界共鳴用の変動電磁場を周辺へ放出するワイヤレス給電を開始する（Ｓ２３０）。そして、無線タグ２は、ワイヤレス給電ユニット３からの変動電磁場に共鳴して電力を受電するワイヤレス受電を開始し（Ｓ２２１）、その電力により無線タグ２の全体が起動する（Ｓ２２２）。なお、無線タグ２のワイヤレス受電機能は、常時受電可能な状態にある。

Ｓ２４０において、無線タグリーダ１が送信する給電開始指示信号には、動作モードに応じて、無線タグリーダ１自身のリーダＩＤや読み取り対象の無線タグ２を指定する指定コマンドが含まれていることもある（Ｓ２４０）。その場合、ワイヤレス給電ユニット３はこのＩＤ情報や指定コマンドをワイヤレス給電の高周波電力に重畳し無線タグ２に送出する（Ｓ２４１）。無線タグ２は、このＩＤ情報や指定コマンドを、ワイヤレス受電する高周波電力から抽出し、抽出した情報に基づいてタグＩＤを送信すべきか否かを判定する（Ｓ２２３）。この判定は、例えば、読取指示してきた無線タグリーダ１が登録されている無線タグリーダであるか否か、或いは、自無線タグのタグＩＤが無線タグリーダ１の求めているＩＤ情報か否かを判定する。

なお、Ｓ２２３において、タグＩＤを送信すべきか否かの判定条件は、後述の図４に示す通知条件登録部２７に予め登録されている。具体的には、特定の無線タグリーダに対して送信する条件であって、Ｓ２４１で送信されてきた無線タグリーダ１からのリーダＩＤが送信対象のリーダＩＤとして通知条件登録部２７に登録されていた場合に、「送信すべき」と判定する。また、Ｓ２４１で送信されてきた無線タグリーダ１からの指定コマンドが探索対象の無線タグを指定するコマンドであって、自無線タグが探索対象であった場合に、「送信すべき」と判定する。

なお、本実施例では、無線タグリーダ１からのリーダＩＤや指定コマンドの無線タグ２への送信をワイヤレス給電ユニット３経由で行っているが、無線タグリーダ１から起動した無線タグ２へ直接無線送信するようにしてもよい（図示せず）。

Ｓ２２３において、送信すべきと判定した場合（Ｓ２２３，ＹＥＳ）、無線タグ２はタグＩＤ毎に異なるタイムウェイト（Ｓ２２４）の後に（例えば、数ｍ秒〜数秒）、自身のタグＩＤを無線タグリーダ１に送信する（Ｓ２４２）。なお、このタイムウェイトは、無線タグリーダ１が読取指示しているエリアに複数の無線タグ２が存在していた場合において、複数の無線タグ２が送信してくる複数のタグＩＤの衝突を防止するためであり、例えば、ＩＤ値に所定の定数を乗算してタイムウェイト値（遅延時間）を演算すればよい。

ＩＤ情報が検出されない場合や指定コマンドによる指示、または送信すべきでないと判定した場合（Ｓ２２３，ＮＯ）、無線タグ２はＳ２４２をスキップしてタグＩＤを送信しない。

なお、無線タグ２の通知条件登録部２７に通知条件が登録されていない場合は、Ｓ２４１によるＩＤ情報、指定コマンドの有無に係わらず、Ｓ２２３をＹＥＳ側に抜けて、自身のタグＩＤを無線タグリーダ１に送信すればよい（Ｓ２４２）。

無線タグリーダ１は、Ｓ２４０で給電開始指示した後、Ｓ２４２で無線タグ２が送信してくるタグＩＤの受信を監視する（Ｓ２１３）。タグＩＤを受信すると（Ｓ２１３、ＹＥＳ）、Ｓ２１５へ進み、読取結果として、そのタグＩＤに係わる情報を表示する。なお、Ｓ２１５において、複数の無線タグ２から複数のタグＩＤを受信した場合は、受信した全タグＩＤに係わる情報を表示する。

タグＩＤの受信をしないまま（Ｓ２１３、ＮＯ）、タイムアウトした場合は（Ｓ２１４、ＹＥＳ）、読取結果として、タグＩＤ未検出の旨を表示する（Ｓ２１５）。

Ｓ２１５の後、無線タグリーダ１の読み取り動作が終了すると（Ｓ２１６）、無線タグリーダ１は給電停止指示をワイヤレス給電ユニット３へ送信し（Ｓ２４３）、ワイヤレス給電ユニット３はワイヤレス給電を停止する（Ｓ２３１）。これに伴い、無線タグ２もワイヤレス受電を停止する（Ｓ２２５）。

ところで、ワイヤレス給電ユニット３はＳ２３１の後、次のＳ２４０の受信待機状態に遷移するが、この待機状態において、Ｓ２４０の受信に係る機能のみを動作状態にし、その他の機能を停止状態にしておくことで消費電力を低減させることができる。

次に、無線タグリーダ１の内部ブロック構成および機能について説明する。図３は本発明による無線タグリーダ１の内部ブロック構成の例である。

リーダ制御部１０は無線タグリーダ１内の各部を制御する。ＩＤ・コマンド生成部１１は、リーダ制御部１０からの指示によりワイヤレス給電ユニット３を介して無線タグ２へ送信するＩＤ情報および指定コマンド、給電開始や停止の指示信号を含む読取条件を生成する。読取条件送信部１２はＩＤ・コマンド生成部１１からの読取条件をワイヤレス給電ユニット３を介して無線タグ２へ送信する。このワイヤレス給電ユニット３への送信手段は、電波、光、超音波等の無線通信手段であれは何でも良く、方式を限定しない。

タグ情報受信部１３は無線タグ２から送信されたタグＩＤを受信する。なお、このタグＩＤの受信は、図２のＳ２４２の無線タグリーダ１側に対応する処理である。

リーダＩＤ記憶部１４は自無線タグリーダに固有なリーダＩＤを予め記憶しており、リーダ制御部１０経由でＩＤ・コマンド生成部１１に送られる。表示部１５は、無線タグ２から受信したタグＩＤを表示する。もし、無線タグリーダ１の受信可能範囲内に無線タグ２が存在しない場合は、未検出の旨の表示を行う。なお、受信したタグＩＤは表示のみではなく、他の装置や所定の宛先へ伝送するようにしても良い（図示せず）。

次に、無線タグ２の内部ブロック構成および機能について説明する。図４は本発明による無線タグ２の内部ブロック構成の例である。

タグ制御部２０は無線タグ２内の各部を制御する。受電デバイス２１は、ワイヤレス給電ユニット３からワイヤレス給電される電力を受電するコイルを含むデバイスであり、ワイヤレス給電ユニット３から放出された磁界共鳴用の変動電磁界を受けとる。マッチング回路部２２は、受電デバイス２１が受取った変動電磁界から磁界共鳴により高周波電力を受電するためのマッチング回路である。

電力変換部２３は、受電した高周波電力を所定の直流電圧に変換し、蓄電部２４を充電すると共に、ワイヤレス給電ユニット３からワイヤレス給電を受電していることをタグ制御部２０へ通知する。

蓄電部２４は電力変換部２３から供給される直流電圧を蓄電し、各部に供給する。蓄電するデバイスはキャパシタや電気二重層コンデンサ、リチウムイオン２次電池等が適用可能である。なお、ワイヤレス給電ユニット３からのワイヤレス給電に瞬断が無いなら、蓄電部２４は無くてもよい。

タグ情報送信部２５は、タグ制御部２０からの指示により、自身のタグＩＤを無線タグリーダ１に対し送信する。通信方式は、無線タグリーダ１と無線通信できれば良く、方式を限定しない。なお、このタグ情報（自身のタグＩＤ）の送信は、図２のＳ２４２の無線タグ２側に対応する処理である。

ＩＤ・コマンド抽出部２６は、マッチング回路部２２が受電した高周波電力に重畳している、無線タグリーダ１からのＩＤ情報（例えば、リーダＩＤ）やコマンド情報（例えば、読取対象の無線タグを指定する指定コマンド）を抽出し、タグ制御部２０へ通知する。なお、このＩＤ情報の抽出は、図２のＳ２４１の無線タグ２側に対応する処理である。

通知条件登録部２７は、タグＩＤ記憶部２８に記憶されている自身のタグＩＤを通知（送信）する条件を登録する。例えば、特定の無線タグリーダ１に対してのみ自身のタグＩＤを送信する条件ならば、その特定の無線タグリーダ１のリーダＩＤを登録する。また、自無線タグを探索している無線タグリーダ１に対して反応する条件ならば、タグＩＤ記憶部２８に記憶されている自身のタグＩＤを通知条件登録部２７にも登録しておけばよい。

そして、ＩＤ・コマンド抽出部２６が抽出したＩＤ情報が、通知条件登録部２７に登録されているＩＤ情報と一致した場合に、タグ制御部２０は無線タグリーダ１に対してタグＩＤを送信するようにすればよい。さらに、通知条件登録部２７にＩＤ情報が登録されていない場合、タグ制御部２０は、ワイヤレス給電ユニット３からのワイヤレス給電または無線タグリーダ１からタグＩＤの送信を要求するコマンドに無条件で反応し、自身のタグＩＤを送信するようにすればよい。

タグＩＤ記憶部２８は自身のタグＩＤを記憶しておく手段である。なお、タグＩＤ記憶部２８へのタグＩＤの登録や、通知条件登録部２７へのＩＤ情報の登録は、例えば、通常の無線タグライターで書き込むことにより実現できる。

遅延時間演算部２９はワイヤレス給電ユニット３がワイヤレス給電しているエリアに複数の無線タグ２が存在していた場合において、複数の無線タグ２が同時にＩＤを送信し、タグＩＤ情報が衝突してしまう現象を防止するため、ＩＤ送信タイミングを各無線タグ２毎にずらすための遅延時間を発生させる。遅延時間としては、タグＩＤ毎に異なる値とすればよく、例えば、ＩＤ値に所定の定数を乗算した値とすれば、同一の遅延時間は存在しない。発生した遅延時間はタグ制御部２０に通知する。なお、タグＩＤ毎に異なる値の遅延時間を予めタグ制御部２０に記憶していてもよく、その場合、遅延時間演算部２９は無くてもよい。

次に、ワイヤレス給電ユニット３の内部ブロック構成および機能について説明する。図５は、本発明によるワイヤレス給電ユニット３の内部ブロック構成の例である。

給電ユニット制御部３０はワイヤレス給電ユニット３内の各部を制御する。電源部３１は商用電源あるいは電池等の電源から、各部へ所定の電圧を供給する。高周波電源部３２は電源部３１からの電力を磁界共鳴用の高周波電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ）に変換する手段であって、給電ユニット制御部３０からの指示で起動／停止する。マッチング回路部３３は、高周波電源部３２からの高周波電力を磁界共鳴により給電するためのマッチング回路である。

情報重畳部３４は、ＩＤ・コマンド中継部３７から出力されるＩＤ情報や指定コマンドを、マッチング回路部３３から出力される高周波電力に重畳する手段であり、例えば、マッチング回路部３３からの高周波電力をＩＤ情報で変調する（例えば、ＡＳＫ変調、ＰＳＫ変調、ＰＷＭ変調等）。この変調を高周波電源部３２の内部で実行するようにしてもよい。

給電デバイス３５は、給電用のコイルを含むデバイスであって、磁界共鳴用の高周波電力による変動電磁界を、無線タグ２側へ放出する。

無線信号受信部３６は無線タグリーダ１からの給電開始や停止の指示信号、リーダＩＤ、指示コマンドを受信し、コマンド中継部および給電ユニット制御部３０に送る。

なお、図示しないがワイヤレス給電ユニット３が待機状態の場合は無線信号受信部３６のみが無線タグリーダ１からの起動信号を待ち受け、他のモジュールは低消費電力な待機状態に遷移する。

ＩＤ・コマンド中継部３７は、無線信号受信部３６が受信したリーダＩＤや指定コマンドを給電ユニット制御部３０からの指示により情報重畳部３４へ中継する。

リーダＩＤ記憶部３８は対応する無線タグリーダ１のリーダＩＤを予め記憶しておく手段であり、特定の無線タグリーダ１に対してのみ起動指示、給電開始指示を受け付ける条件の設定が可能である。その場合、図２のＳ２３０において、無線タグリーダ１から受信したリーダＩＤがリーダＩＤ記憶部３８に登録（記憶）されているリーダＩＤに一致した時にのみワイヤレス給電を起動する。なお、登録が無い場合は、給電開始の指示コマンドを受信すると無条件にワイヤレス給電を開始する。

なお、リーダＩＤ記憶部３８へのＩＤ情報の登録は、例えば、ローカル接続されたパソコンやワイヤレス給電ユニット３自身が備えるキー入力部を操作して書き込むことにより実現できる（図示せず）。

また、無線タグリーダ１からの起動指示、または給電開始指示を受信後、一定時間（例えば、１０分）経過しても給電停止信号を受信しない場合は、給電ユニット制御部３０は高周波電源部を停止させ、ワイヤレス給電を強制的に停止してもよい。これにより、給電停止信号の通信エラーで、ワイヤレス給電の停止ミスを防止できる。

以上、本発明の実施形態の一例を説明した。本発明の実施形態として磁界共鳴型のワイヤレス給電を例に説明したが、電磁結合型のワイヤレス給電等でもよいことは言うまでもない。また、磁界共鳴型であれば無線タグ側は特定の共鳴周波数に対して反応するので、無線タグの種別毎に共鳴周波数を変えても良い。

本発明によれば、読取可能な範囲を比較的自由に設定可能なアクティブ型でありながら、パッシブ型と同様に電池交換が不要な無線タグを実現する、ワイヤレス給電対応の無線タグシステムを提供することができる。

また、ワイヤレス給電ユニットを複数箇所に設置することも可能であり、その場合、ワイヤレス給電ユニットが設置された箇所毎に、その周辺に存在している無線タグを限定して読み出すことが可能となる。

さらに、本発明によれば、無線タグ側に条件を登録し、通知条件に応じてタグＩＤを通知するか否かを制御することもできるので、特定の無線タグリーダや特定のタグＩＤを通知された場合にのみ反応する対象指定型無線タグシステム（例えば、特殊物品の在庫管理用途）や、任意の無線タグリーダに反応する汎用型無線タグシステム（例えば、一般的な在庫管理用途）や、対象指定型無線タグと汎用型無線タグが混在する混在型無線タグシステム等、柔軟な無線タグシステムを提供することが可能である。

１・・・無線タグリーダ
２・・・無線タグ
３・・・ワイヤレス給電ユニット
１０・・・リーダ制御部
１１・・・ＩＤ・コマンド生成部
１２・・・読取条件送信部
１３・・・タグ情報受信部
１４・・・リーダＩＤ記憶部
１５・・・表示部
２０・・・タグ制御部
２１・・・受電デバイス
２２・・・マッチング回路部
２３・・・電力変換部
２４・・・蓄電部
２５・・・タグ情報送信部
２６・・・ＩＤ・コマンド抽出部
２７・・・通知条件登録部
２８・・・タグＩＤ記憶部
２９・・・遅延時間演算部
３０・・・給電ユニット制御部
３１・・・電源部
３２・・・高周波電源部
３３・・・マッチング回路部
３４・・・情報重畳部
３５・・・給電デバイス
３６・・・無線信号受信部
３７・・・ＩＤ・コマンド中継部
３８・・・リーダＩＤ記憶部

Claims

タグＩＤを記憶している１以上の無線タグと、前記無線タグからタグＩＤを読み取る無線タグリーダと、前記無線タグへ非接触で電力を供給するワイヤレス給電ユニットと、から成る無線タグシステムであって、
前記無線タグリーダは、ワイヤレス給電の起動に係わる起動コマンドを含む無線信号を前記ワイヤレス給電ユニットへ送信する起動コマンド送信手段と、前記無線タグが発信したタグＩＤを含む無線信号を受信するタグＩＤ受信手段と、タグＩＤの送信を要求する１以上の無線タグを指定する無線タグ指定コマンドまたは自無線タグリーダに係わるリーダＩＤを含む無線信号を近傍へ発信する発信手段と、を有し、
前記ワイヤレス給電ユニットは、近傍に存在している前記無線タグへ非接触で電力を供給するワイヤレス給電を実行するワイヤレス給電手段と、前記起動コマンドを含む無線信号を前記無線タグリーダから受信する起動コマンド受信手段と、前記起動コマンドを受信した場合に前記ワイヤレス給電手段を起動する給電起動手段と、前記ワイヤレス給電手段を起動してから予め定められた所定の時間が経過した場合またはワイヤレス給電の停止に係わる予め定められたコマンドを受信した場合にワイヤレス給電を停止する給電停止手段と、前記指定コマンドまたは前記リーダＩＤを含む無線信号を受信する受信手段と、前記受信した無線信号に含まれている前記指定コマンドまたは前記リーダＩＤを自ワイヤレス給電ユニットがワイヤレス給電する電力に重畳して前記無線タグへ中継する中継手段と、を有し、
前記無線タグは、前記ワイヤレス給電による電力を受電するワイヤレス受電を実行するワイヤレス受電手段と、前記ワイヤレス受電を開始した後に自無線タグが記憶しているタグＩＤを含む無線信号を近傍へ発信するタグＩＤ発信手段と、ワイヤレス受電した電力に重畳されている前記指定コマンドまたは前記リーダＩＤを受信する受信手段と、を有し、前記指定コマンドまたは前記リーダＩＤを受信した場合に、前記受信した指定コマンドまたはリーダＩＤに基づいて自無線タグが記憶しているタグＩＤを含む無線信号を発信するか否かを判定し、発信すると判定したならば前記タグＩＤを含む無線信号を発信することを特徴とするワイヤレス給電型無線タグシステム。