JP7188102B2 - Ｒｆｉｄシステムおよびリーダライタ装置 - Google Patents

Description

本発明は，無線により人や物を自動認識するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）分野に関し，更に詳しくは，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信を防止することを目的とした発明である。

無線により人や物を自動認識するＲＦＩＤシステムに係る技術として，ＲＦタグとの交信に用いるリーダライタ装置のアンテナを二次元平面にマトリクス状に配置し，ＲＦタグが二次元平面のどこに配置されているかを認識する技術が知られている（例えば，特許文献１）。この技術を応用できるシチュエーションとしては，工場のセル生産職場において工具や中間製品が作業机のどこに置いてあるか確実に認識できるようにするシステムや、アミューズメント施設においてＲＦタグが装着された人形やカードを用いた対戦型ゲームが考えられる。

ＲＦＩＤシステムで用いる周波数帯としては，現在，ＨＦ（High Frequency）帯（13.56MHzなど）とＵＨＦ（Ultra High Frequency）帯（860-960MHz）が主流であり，ＵＨＦ帯の方がＲＦタグの製造コストを安価にできることが知られている。これは，ＵＨＦ帯用のＩＣチップの価格がＨＦ帯用のＩＣチップより安価であること，ＵＨＦ帯用のアンテナ構造がＨＦ帯用のアンテナ構造より単純にできること，などの理由による。

ＲＦタグとの交信に用いるリーダライタ装置のアンテナを二次元平面にマトリクス状に配置し，ＲＦタグが二次元平面のどこに配置されているかを認識する技術でも，製造コストが安価になるＵＨＦ帯のＲＦタグを使用したいが，ＵＨＦ帯のＲＦタグには，マルチパス（multipath propagation）による混信が発生し易い問題があるため，ＵＨＦ帯のＲＦタグは，この技術に不向きとされていた。実際，特許文献１で開示された発明における周波数帯はＨＦ帯（13.56MHz）で，リーダライタ装置のアンテナはコイルアンテナになっている。

ＷＯ２０１４／１３６１６７号公報

そこで，本発明は，ＲＦタグとの交信に用いるリーダライタ装置のアンテナを二次元平面にマトリクス状に配置し，ＲＦタグが二次元平面のどこに配置されているかを認識する技術で，ＵＨＦ帯のＲＦタグを使用できるようにすることを目的とする。

本発明は，ＵＨＦ帯の周波数を利用するＲＦＩＤシステムであって，ＵＨＦ帯用ダイポールアンテナのインピーダンス調整回路を含むループ状の共振用アンテナとＩＣチップとから少なくとも構成されるインレイを備えたＲＦタグと，ＵＨＦ帯用ダイポールアンテナの直線状のアンテナ素子と同形状になっている複数のブースターアンテナを，Ｘ－Ｙ方向で配置角度を９０度ずらしてマトリクス状に表面パネルに配置し，前記ブースターアンテナと同形状・同サイズになっている複数のリーダライタアンテナを，前記ブースターアンテナとの向きを揃え前記ブースターアンテナと一対一対応の関係で対向するようにマトリクス状に回路基板に配置しているリーダライタ装置とを含むＲＦＩＤシステムである。
なお，本発明では，前記リーダライタアンテナと接続しているＲＦ回路の通信電波出力を，前記ＲＦタグと無線通信可能となる最小出力値に設定することが望ましい。
更に，本発明では，本発明に係るＲＦＩＤシステムを構成するリーダライタ装置についても特許権を請求する。

本発明では，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信を防止するため，ＵＨＦ帯用ダイポールアンテナの共振用アンテナをＲＦタグに備えさせ，ＵＨＦ帯用ダイポールアンテナの直線状のアンテナ素子と同形状のブースターアンテナをリーダライタ装置に備えさせることで，ブースターアンテナの上にＲＦタグを置いたときのみ，ＲＦタグが動作するようにしている。更に，本発明では，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信を防止するため，ブースターアンテナとリーダライタアンテナを，Ｘ－Ｙ方向で配置角度を９０度ずらしてマトリクス状に配置することで，ブースターアンテナとリーダライタアンテナの対における混信を防止している。

本実施形態に係るＲＦＩＤシステムの構成を説明する図。 一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナを説明する図。 ＲＦタグの構成を説明する図。 リーダライタ装置が備える表面パネルを説明する図。 リーダライタ装置が備える回路基板の表面を説明する図。 リーダライタ装置が備える回路基板の裏面を説明する図。 ＲＦタグがリーダライタ装置に置かれた状態を説明する図。 カード読み取り部にＲＦタグが置かれたときのアンテナの重なり状態を説明する図。 Ｂ－Ｂ’断面図。

ここから，本発明に係る実施形態について記載する。本実施形態は，本発明の理解を容易にするためのものであり，本発明は，本実施形態に限定されるものではない。また，特に断りのない限り，図面は，本発明の理解を容易にするために描かれた模式的な図である。

図１は，本実施形態に係るＲＦＩＤシステム１の構成を説明する図である。本実施形態に係るＲＦＩＤシステム１は，本実施形態に係るＲＦＩＤシステム１で利用される非接触データキャリアとなるＲＦタグ３と，ＵＨＦ帯の周波数を利用してＲＦタグ３と無線で通信するリーダライタ装置２を含む。

図１で図示したように，リーダライタ装置２の表面パネル２０には，ＲＦタグ３を置く位置を指定するカード読み取り部２００をマトリクス状（ここでは，３行３列）に設け，カード読み取り部２００の内側には，金属板（金属箔も含む）が用いられたブースターアンテナ２０１を設けている。カード読み取り部２００の内側に設けるブースターアンテナ２０１の形状は直線形状で，複数のブースターアンテナ２０１が，Ｘ－Ｙ方向で配置角度を９０度ずらしてマトリクス状に配置されている。

リーダライタ装置２の内側，すなわち，表面パネル２０の下側には回路基板２１が実装されており，回路基板２１の表面には，ブースターアンテナ２０１と同形状・同サイズになっており，金属板（金属箔も含む）が用いられた複数のリーダライタアンテナ２１０が，ブースターアンテナ２０１との向きを揃えブースターアンテナ２０１と一対一対応の関係で対向するようにマトリクス状に配置されている。

ブースターアンテナ２０１とは，ＵＨＦ帯を利用するＲＦＩＤ分野では周知技術となるブースター方式を利用されるアンテナである。ブースター方式とは，例えば，特開２０１３－４６３２６で述べているように，サイズが小さい共振用アンテナ３１とこれに接続したＩＣチップ３２を含むインレイ３０の通信距離を，共振用アンテナ３１よりもサイズが大きいブースターアンテナ２０１を利用して延ばす方式である。

一般的なブースター方式では，共振用アンテナ３１を有するインレイ３０とブースターアンテナ２０１を共にＲＦタグ３に実装するが，本実施形態では，共振用アンテナ３１を有するインレイ３０のみをＲＦタグ３に実装し，ブースターアンテナ２０１をリーダライタ装置２のカード読み取り部２００に設けている。このようにすることで，リーダライタ装置２のカード読み取り部２００に配置されたブースターアンテナ２０１の上側にＲＦタグ３を置くことで，共振用アンテナ３１とブースターアンテナ２０１が電気的に結合してＲＦタグ３が動作する。

図２は，一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナ４を説明する図である。図２（ａ）では，一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナ４の構造を図示している。一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナ４は，電力の供給と電波の送受信に用いられる線状のアンテナ素子４０と，共振周波数の調整に用いられるインダクタンスを有するインピーダンス調整回路４１がアンテナ素子４０に接続した構造になっており，ICチップ３２はインピーダンス調整回路４１に接続している。

図２（ａ）で図示した一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナ４は，その機能に応じて，図２（ｂ）のように２つのパートに分けることができる。一つは，電力の供給と電波の送受信に用いられる線状のアンテナ素子４０で，もう一つは，共振周波数の調整に用いられるインダクタンスを有するインピーダンス調整回路４１である。本実施形態では，電力の供給と電波の送受信に用いられるアンテナ素子４０をブースターアンテナ２０１に利用し，共振周波数の調整に用いられるインダクタンスを有しICチップ３２が接続されるインピーダンス調整回路４１をインレイ３０に利用する。

図３は，本実施形態に係るＲＦタグ３の構成を説明する図である。図３で図示したように，ＲＦタグ３の中央部の内部にはインレイ３０が実装されている。インレイ３０は，共振周波数の調整に用いられるインダクタンスを有する共振用アンテナ３１とこれに接続したＩＣチップ３２を有し，インレイ３０が有する共振用アンテナ３１の形状は，インピーダンス調整回路４１を含むループ状になっている。なお，インレイ３０が有する共振用アンテナ３１は，銅箔やアルミニウム箔などの金属箔を用いたエッチング加工や，導電性ペースを用いた印刷加工などにより形成できる。

インレイ３０が有する共振用アンテナ３１の形状は，インピーダンス調整回路４１を含むループ状にしているのは，カード読み取り部２００に置くときのＲＦタグ３の向きやインレイ３０を実装したＲＦタグ３を置くカード読み取り部２００に応じて，共振用アンテナ３１とブースターアンテナ２０１の相対角度が変わるからである。例えば，「ａ」の記号が付されたカード読み取り部２００と，その右側になる「ｂ」の記号が付されたカード読み取り部２００では，ブースターアンテナ２０１の角度は９０度ずれている。

インピーダンス調整回路４１を含むループ状に共振用アンテナ３１の形状をすることで，カード読み取り部２００に置くときのＲＦタグ３の向きやインレイ３０を実装したＲＦタグ３を置くカード読み取り部２００にかかわらず，カード読み取り部２００に配置されたブースターアンテナ２０１の上側に置くことで，共振用アンテナ３１とブースターアンテナ２０１により一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナ４の形状を形成できる。

図４は，本実施形態に係るリーダライタ装置２の表面パネル２０を説明する図である。図１や図４で図示したように，リーダライタ装置２の表面パネル２０には，ＲＦタグ３を置く位置を指定するカード読み取り部２００がマトリクス状に設けられ，一つのカード読み取り部２００には，ＲＦタグ３に実装したインレイ３０と電気的に結合する直線状のブースターアンテナ２０１が設けられている。

ブースターアンテナ２０１は，ブースターアンテナ２０１の上側に置かれたＲＦタグ３の共振用アンテナ３１と重なり，図２（ａ）で図示した一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナ４の形状を形成する。共振用アンテナ３１とブースターアンテナ２０１により一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナ４の形状を形成することで，ＲＦタグ３は，ブースターアンテナ２０１の上側に置かれたときのみ正常に動作する状態になり，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信を防止できる。

なお，ＲＦタグ３は，ブースターアンテナ２０１の上側に置かれたときのみ正常に動作する状態になるため，カード読み取り部２００には，ＲＦタグ３を置く位置を指定するための工夫が必要になる。この工夫は，印刷絵柄により実現することもできるが，ＲＦタグ３を置く位置を規制する凹部により実現することもできる。

ブースターアンテナ２０１は，表面パネル２０の表面または表面パネル２０の裏面に設けることができるが，本実施形態では，図４のＡ－Ａ’断面図で図示したように，カード読み取り部２００の表面にブースターアンテナ２０１を設け，ブースターアンテナ２０１を覆う保護フィルム２０ａを接着層２０ｂにより貼り付けている。これは，ブースターアンテナ２０１を保護するとともに，カード読み取り部２００に置かれたＲＦタグ３とブースターアンテナ２０１の距離を短くする工夫である。

本実施形態において，Ｘ－Ｙ方向で配置角度を９０度ずらしてマトリクス状に複数のブースターアンテナ２０１を配置しているのは，Ｘ－Ｙ方向で隣り合うブースターアンテナ２０１が相互に干渉するのを防止することで，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信を防止するためである。

ブースターアンテナ２０１の形状を直線状にしているのは，ブースターアンテナ２０１に指向性を持たせるためである。ブースターアンテナ２０１の形状を直線状にしてブースターアンテナ２０１に指向性を持たせ，Ｘ－Ｙ方向で隣り合うブースターアンテナ２０１の配置角度を９０度ずらすことで，Ｘ－Ｙ方向で隣り合うブースターアンテナ２０１は相互に干渉しなくなる。

図５は，リーダライタ装置２の回路基板２１の表面を説明する図で，図６は，リーダライタ装置２の回路基板２１の裏面を説明する図である。

リーダライタ装置２の表面パネル２０に実装したブースターアンテナ２０１は，ＲＦタグ３に実装したインレイ３０の共振用アンテナ３１と電気的に結合して機能するアンテナになるため，リーダライタ装置２が備える回路基板２１の表面には，ブースターアンテナ２０１を利用してＲＦタグ３に実装したインレイ３０と無線通信するためのリーダライタアンテナ２１０が実装される。

リーダライタアンテナ２１０の形状・サイズは，ブースターアンテナ２０１と同形状・同サイズになっており，複数のリーダライタアンテナ２１０は，ブースターアンテナ２０１との向きを揃えブースターアンテナ２０１と一対一対応の関係で対向するようにマトリクス状に配置されている。ブースターアンテナ２０１と同様に，リーダライタアンテナ２１０をこのように配置することで，Ｘ－Ｙ方向で隣り合うリーダライタアンテナ２１０は相互に干渉せず，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信を防止できる。

また，リーダライタアンテナ２１０とブースターアンテナ２０１を対向させることで，ブースターアンテナ２０１の上側に置かれたＲＦタグ３と無線通信可能となる通信電波出力の最小出力値を下げることができる。リーダライタ装置２の通信電波出力を，カード読み取り部２００に置かれたＲＦタグ３と無線通信可能となる最小出力値に設定することで，リーダライタ装置２は，表面パネル２０に置かれたＲＦタグ３以外を検出せず，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信を確実に防止できる。

ブースターアンテナ２０１とリーダライタアンテナ２１０の間隔は，ブースターアンテナ２０１とリーダライタアンテナ２１０が物理的に接触しないことを条件として短い方が，上述の最小出力値を小さくでき，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信をより確実に防止できる。また，リーダライタ装置２の筐体外郭を金属などの電波遮蔽材で構成すると，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信の防止効果をより高められる。

図６で図示したように，リーダライタ装置２が備える回路基板２１の裏面には，リーダライタ装置２の表面パネル２０に置かれたＲＦタグ３とその位置を認識できるように，インレイ３０との無線通信を制御する電気回路であるＲＦ回路２１１と，リーダライタ装置２の動作を制御する電気回路である制御回路２１２の対が，回路基板２１の表面に配置したリーダライタアンテナ２１０ごとに実装されている。回路基板２１の表面に配置したリーダライタアンテナ２１０それぞれは，リーダライタアンテナ２１０に対応するＲＦ回路２１１と接続している。また，制御回路２１２それぞれは，リーダライタ装置２が備える出力ポート２１３と接続している。制御回路２１２は，出力ポート２１３を介してＲＦタグ３から読み取ったデータを上位システムへ出力し，上位システムは，ＲＦタグ３からデータを読み取った制御回路２１２から，リーダライタ装置２の表面パネル２０におけるＲＦタグ３とその位置を認識できる。

なお，リーダライタ装置２の表面パネル２０に置かれたＲＦタグ３とその位置を認識できるように，リーダライタ装置２が備える回路基板２１に実装するＲＦ回路２１１と制御回路２１２を一つにし，それぞれのリーダライタアンテナ２１０と接続するスイッチング回路を設け，スイッチング回路を利用してＲＦ回路２１１と接続するリーダライタアンテナ２１０を切り替えるように構成することもできる。

図７は，ＲＦタグ３がリーダライタ装置２に置かれた状態を説明する図である。図７では，３枚のＲＦタグ３がリーダライタ装置の表面パネル２０の上に置かれている。一枚目のＲＦタグ３は，「ａ」の記号が付されたカード読み取り部２００の上に置かれ，二枚目のＲＦタグ３は，「ｆ」の記号が付されたカード読み取り部２００の上に置かれ，そして，三枚目のＲＦタグ３は，「ｇ」の記号が付されたカード読み取り部２００の上に置かれている。

図８は，リーダライタ装置２のカード読み取り部２００にＲＦタグ３が置かれたときのアンテナの重なり状態を説明する図である。図８では，アンテナ以外の要素（例えば，リーダライタ装置２の表面パネル２０など）を図示していない。

図８（ａ）では，「ａ」の記号が付されたカード読み取り部２００の上に置かれたＲＦタグ３におけるアンテナの重なり状態を図示し，図８（ｂ）では，「ｆ」の記号が付されたカード読み取り部２００の上に置かれたＲＦタグ３におけるアンテナの重なり状態を図示し，そして，図８（ｃ）では，「ｇ」の記号が付されたカード読み取り部２００の上に置かれたＲＦタグ３におけるアンテナの重なり状態を図示している。

図８（ａ）から（ｃ）で図示したように，カード読み取り部２００にＲＦタグ３が置かれた状態で，リーダライタ装置２の表面側から順に，インレイ３０の共振用アンテナ３１，ブースターアンテナ２０１そしてリーダライタアンテナ２１０が順に積層された格好になる。図８（ａ）と図８（ｂ）ではブースターアンテナ２０１の配置角度が異なり，また，図８（ａ）と図８（ｃ）では共振用アンテナ３１の向きが異なるが，図８（ａ）から（ｃ）いずれの場合でも，共振用アンテナ３１とブースターアンテナ２０１により一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナ４の形状を形成できる。

図９は，図８（ａ）におけるＢ－Ｂ’断面図である。本実施形態では，図９で図示したように，ＲＦタグ３に実装された共振用アンテナ３１とリーダライタ装置２に実装されたブースターアンテナ２０１の間には，保護フィルム２０ａやＲＦタグ３の基材が存在する。共振用アンテナ３１とブースターアンテナ２０１の間に存在する物の材料として比誘電率が高い材料を選択することで，共振用アンテナ３１とブースターアンテナ２０１は電気的に結合して図２（ａ）で図示した一般的なＵＨＦ帯用ダイポールアンテナ４として機能する。

一方で，リーダライタ装置２に実装されたブースターアンテナ２０１とリーダライタ装置２に実装されたリーダライタアンテナ２１０の間には，表面パネル２０や空気層が存在する。空気層の比誘電率は低いため，ブースターアンテナ２０１とリーダライタアンテナ２１０は電気的に結合せず，ブースターアンテナ２０１とリーダライタアンテナ２１０間で，電波方式による電力供給や無線通信は可能であるが，上述した理由により，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信は防止される。

１ ＲＦＩＤシステム
２ リーダライタ装置
２０ 表面パネル
２００ カード読み取り部
２０１ ブースターアンテナ
２１ 回路基板
２１０ リーダライタアンテナ
２１１ ＲＦ回路
３ ＲFタグ
３０ インレイ
３１ 共振用アンテナ
３２ ＩＣチップ

Claims (3)

1. ＵＨＦ帯用ダイポールアンテナのインピーダンス調整回路を含むループ状の共振用アンテナとＩＣチップとから少なくとも構成されるインレイを備えたＲＦタグと，
   ＵＨＦ帯用ダイポールアンテナの直線状のアンテナ素子と同形状になっている複数のブースターアンテナを，Ｘ－Ｙ方向で配置角度を９０度ずらしてマトリクス状に表面パネルに配置し，前記ブースターアンテナと同形状・同サイズになっている複数のリーダライタアンテナを，前記ブースターアンテナとの向きを揃え前記ブースターアンテナと一対一対応の関係で対向するようにマトリクス状に回路基板に配置しているリーダライタ装置と，を含むＲＦＩＤシステム。
2. 前記リーダライタアンテナと接続しているＲＦ回路の通信電波出力を，前記ＲＦタグと無線通信可能となる最小出力値に設定したことを特徴とする，請求項１に記載したＲＦＩＤシステム。
3. 請求項１または２に記載したＲＦＩＤシステムを構成するリーダライタ装置。
   

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