JP7286969B2 - 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システムにおける非接触データキャリアには，非接触ＩＣカードやＲＦタグなどが含まれる。非接触ＩＣカードは，主に，入室管理などにおいて無線による人の認識に利用されている。また，ＲＦタグは，主に，商品在庫管理などにおいて無線による物の認識に利用されている。

ＲＦＩＤで用いる周波数帯には，ＨＦ（High Frequency）帯（13.56MHzなど）やＵＨＦ（Ultra High Frequency）帯（860-960MHz）などがあり，ＵＨＦ帯の非接触データキャリアの方が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。

アーケードゲームで用いられるカードなど，高度なセキュリティが要求されないケースで用いられる非接触ＩＣカードを，ＵＨＦ帯を利用する非接触データキャリアにすることで非接触データキャリアの単価を抑えられるが，ＵＨＦ帯の非接触データキャリアには，マルチパス（multipath propagation）による混信が発生し易い問題がある。

ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信に対処する手法としては，アッテネーターを設けてリーダライタの電波を減衰させる手法（例えば，特許文献１）や，所定領域からの電波の漏洩を防止するシールドを設ける手法（例えば，特許文献２）などに加え，電波受信強度などを用いて静止したままのＲＦタグを特定する手法（例えば，特許文献３）などがすでに開示されている。

しかしながら，特許文献２，３で開示されている手法は，複数の非接触データキャリア（ＲＦタグ）を認識することを前提としており，ＲＦＩＤシステムのリーダライタが確実に一つのＲＦＩＤカードと交信できるように構成されていない。また，特許文献１で開示されている手法では，ＲＦＩＤシステムのリーダライタが確実に一つの非接触データキャリア（ＩＣカード）と交信できる工夫として，アッテネーターを設けてリーダライタの電波を減衰させることしかしていない。

非特許文献１で規定された密着型非接触ＩＣカードは，最大通信距離が２ｍｍ以下であるため，非接触データキャリアを密着型非接触ＩＣカードにすることで，リーダライタは確実に一つの非接触データキャリア（密着型非接触ＩＣカード）としか交信できなくなるが，ＩＳＯ／ＩＥＣ１０５３６で規定された密着型非接触ＩＣカードが利用する周波数帯は４．９ＭＨｚでＵＨＦ帯ではない。

特開２００１－３４８１１１号公報 ＷＯ２００９／１０７５６５号公報 ＷＯ２０１３／００８８８６号公報

ＩＳＯ／ＩＥＣ１０５３６

そこで，本発明は，ＵＨＦ帯を利用するＲＦＩＤシステムにおいて，リーダライタ装置が，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信が発生せずに，一枚のカード形態の非接触データキャリアと交信できるようにする。

本発明は，ＵＨＦ帯の周波数を利用するＲＦＩＤシステムであって，ＲＦＩＤカードとリーダライタ装置から少なくとも構成される。前記リーダライタ装置は，前記ＲＦＩＤカードを置く位置を指定するカード読み取り部と，前記カード読み取り部に設けられ，直線状のアンテナ素子にインピーダンス調整回路が接続した構造のＵＨＦ帯用ダイポールアンテナの前記アンテナ素子となるブースターアンテナと，前記ブースターアンテナと対向するように設けられ，形状およびサイズを前記ブースターアンテナと同じにしたリーダライタアンテナを備え，前記ＲＦＩＤカードは，前記ＵＨＦ帯用ダイポールアンテナの前記インピーダンス調整回路を含む形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， 前記共振用アンテナは，前記カード読み取り部に置かれたとき，前記ＲＦＩＤカードの基材を少なくとも介して前記リーダライタ装置の前記ブースターアンテナと電気的に結合するように前記ＲＦＩＤカードに配置されている。
なお，本発明では，前記カード読み取り部に置いた前記ＲＦＩＤカードの位置がズレないように，前記ＲＦＩＤカードの形状に沿った凹部により前記カード読み取り部を実現することが望ましく，更には，前記リーダライタ装置の表面から凹んでいる前記ＲＦＩＤカードの形状に沿った窪みにより前記カード読み取り部を実現することが望ましい。更に，本発明では，前記リーダライタ装置の筐体外郭を電波遮蔽材で構成することが望ましい。なお，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。

本発明の目的を達成するため，カード形態の非接触データキャリアであるＲＦＩＤカードは，リーダライタ装置のカード読み取り部に置かれたときのみ動作し，リーダライタ装置は，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信が発生しない程度の通信電波出力で，カード読み取り部に置かれたＲＦＩＤカードと無線通信できるように，本発明に係るＲＦＩＤシステムは構成されている。

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。 本実施形態に係るＲＦＩＤカードの構成を説明する図。 本実施形態に係るリーダライタ装置の構成を説明する図。 ＲＦＩＤカードがリーダライタ装置に置かれた状態を説明する図。 リーダライタ装置のカード読み取り部にＲＦＩＤカードが置かれたときのアンテナの重なり状態を説明する図。

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ＲＦＩＤカード３と，ＵＨＦ帯の周波数を利用してＲＦＩＤカード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，ＲＦＩＤカード３を置く位置を指定するカード読み取り部２００，ＲＦＩＤカード３からデータを読み取るときに押されるボタン２０３およびリーダライタ装置２の取扱説明絵柄２０２などが設けられており，リーダライタ装置２の内部には，様々な電子部品を実装した基板２１が内蔵されている。なお，図１では，ＲＦＩＤカード３の形状を略長方形状にしているが，ＲＦＩＤカード３の形状は任意でよい。例えば，ＲＦＩＤカード３の形状は六角形や星形にすることもできる。

カード読み取り部２００は，ＲＦＩＤカード３を置く位置を指定するためにリーダライタ装置２に設けられる。ＲＦＩＤカード３を置く位置を指定する印刷絵柄でカード読み取り部２００を実現してもよいが，図１では，カード読み取り部２００に置いたＲＦＩＤカード３の位置がズレないように，ＲＦＩＤカード３の形状に沿った凹部によりカード読み取り部２００を実現している。図１では，リーダライタ装置２の表面から凹んでいるＲＦＩＤカード３の形状に沿った窪みによりこの凹部を実現しているが，ＲＦＩＤカード３の形状に沿った凸部をリーダライタ装置２の表面に設けてもよい。

本実施形態では，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して，リーダライタ装置２のカード読み取り部２００に置かれた状態でしかＲＦＩＤカード３が動作しない工夫を施している。ここで，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ＲＦＩＤカード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ＲＦＩＤカード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ＲＦＩＤカード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ＲＦＩＤカード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４２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４２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ＲＦＩＤカード３の構成を説明する図である。図３で図示したように，ＲＦＩＤカード３の中央部の内部には，図２（ｂ）で図示したインレイ３０が実装されている。図３（ｂ）で図示したインレイ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は図３で図示したインピーダンス調整回路４１を含んでいる。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。

ＲＦＩＤカード３には，図３で図示したインピーダンス調整回路４１を含む共振用アンテナ３１しか実装されないので，ＲＦＩＤカード３は，単体の状態では動作しないと言える。

図４は，本実施形態に係るリーダライタ装置２の構成を説明する図である。図４（ａ）は，リーダライタ装置２の表面パネル２０に実装するアンテナを図示している。図４（ａ）で図示したように，表面パネル２０には，ＲＦＩＤカード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が実装される。ブースターアンテナ２０１には薄い金属板を利用できる。

ブースターアンテナ２０１の形状は，図３で図示したアンテナ素子４０と同形状で直線状になっている。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の形状を直線状にすることで，リーダライタ装置２の表面方向における通信感度を強めることができる。

ブースターアンテナ２０１は，ＲＦＩＤカード３をカード読み取り部２００に置いた状態でＲＦＩＤカード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の形状を形成するようにカード読み取り部２００の内部に配置される。

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（ａ）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ＲＦＩＤカード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。

図４（ｂ）は，リーダライタ装置２の基板２１を図示している。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，ＲＦＩＤカード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の基板２１には，ＲＦＩＤカード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。なお，リーダライタアンテナ２１０には薄い金属板を利用できる。

また，リーダライタ装置２の基板２１には，リーダライタアンテナ２１０に加えて，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，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，および，表面パネル２０のボタン２０３と連結しているボタンスイッチ２１３などが実装されており，リーダライタアンテナ２１０はＲＦ回路２１１と接続している。

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工夫は，ＲＦＩＤカード３のみならず，リーダライタ装置２にも必要になる。このことを実現するため，本実施形態では，リーダライタアンテナ２１０の形状・サイズを，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と同形状・同サイズにし，更に，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と対向するようにリーダライタアンテナ２１０を基板２１上に配置している。

このようにすることで，カード読み取り部２００に置かれたＲＦＩＤカード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，リーダライタ装置２が備えるＲＦ回路２１１の通信電波出力を，カード読み取り部２００に置かれたＲＦＩＤカード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，カード読み取り部２００に置かれたＲＦＩＤカード３以外の非接触データキャリアを検出せず，ＵＨＦ帯におけるマルチパスによる混信を防止できる。

また，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確実に防止できる。本実施形態では，リーダライタ装置２の表面から凹んでいるＲＦＩＤカード３の形状に沿った窪みによりカード読み取り部２００を実現することで，ブースターアンテナ２０１とリーダライタアンテナ２１０の間の距離を短くしている。更に，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５は，ＲＦＩＤカード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５において，ＲＦＩＤカード３は，凹状のカード読み取り部２００の内側に置かれている。なお，カード読み取り部２００の右側にある円弧状部分２００ａは，カード読み取り部２００の内側に置かれたＲＦＩＤカード３を取り出すときにツメカケとなる部分になる。

図６は，リーダライタ装置２のカード読み取り部２００にＲＦＩＤカード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６（ａ）は，リーダライタ装置２のカード読み取り部２００の上にＲＦＩＤカード３が置かれたときの模式図であり，図６（ａ）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６（ａ）で図示したように，リーダライタ装置２のカード読み取り部２００にＲＦＩＤカード３が収容された状態で，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６（ｂ）は，図５におけるＢ－Ｂ’断面図である。本実施形態では，図６（ｂ）で図示したように，ＲＦＩＤカード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ＲＦＩＤカード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 基板
２１０ リーダライタアンテナ
２１１ ＲＦ回路
３ ＲＦＩＤカード
３０ インレイ
３１ 共振用アンテナ
３２ ＩＣチップ

Claims (4)

1. ＵＨＦ帯の周波数を利用するＲＦＩＤシステムであって，ＲＦＩＤカードとリーダライタ装置から少なくとも構成され，
   前記リーダライタ装置は，前記ＲＦＩＤカードを置く位置を指定するカード読み取り部と，前記カード読み取り部に設けられ，直線状のアンテナ素子にインピーダンス調整回路が接続した構造のＵＨＦ帯用ダイポールアンテナの前記アンテナ素子となるブースターアンテナと，前記ブースターアンテナと対向するように設けられ，形状およびサイズを前記ブースターアンテナと同じにしたリーダライタアンテナを備え，
   前記ＲＦＩＤカードは，前記ＵＨＦ帯用ダイポールアンテナの前記インピーダンス調整回路を含む形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，
   前記共振用アンテナは，前記カード読み取り部に置かれたとき，前記ＲＦＩＤカードの基材を少なくとも介して前記リーダライタ装置の前記ブースターアンテナと電気的に結合するように前記ＲＦＩＤカードに配置されており，
   前記リーダライタ装置が備えるリーダライタアンテナはＲＦ回路と接続し，前記ＲＦ回路の通信電波出力は，前記カード読み取り部に置かれた前記ＲＦＩＤカードと無線通信可能となる最小出力値に設定されている，
   ことを特徴とするＲＦＩＤシステム。
2. 前記リーダライタ装置の表面から凹んでいる前記ＲＦＩＤカードの形状に沿った窪みにより前記カード読み取り部を実現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. 前記リーダライタ装置の筐体外郭を電波遮蔽材で構成したことを特徴とする，請求項１または請求項２に記載したＲＦＩＤシステム。
4. 請求項１または請求項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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