JPWO2007013152A1

JPWO2007013152A1 - 無線ｉｃタグ用リーダおよびアンテナ

Info

Publication number: JPWO2007013152A1
Application number: JP2007526777A
Authority: JP
Inventors: 宇佐美　光雄; 光雄宇佐美
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2009-02-05
Also published as: WO2007013152A1

Abstract

無線ＩＣタグ用リーダ（１００）は、リーダ本体（１０１）と、リーダ本体（１０１）から引き出された同軸ケーブル（１０２）と、同軸ケーブル（１０２）の先端に取り付けられたセラミック製のリーダアンテナ（１０３）とで構成されている。リーダアンテナ（１０３）は、５ｍ〜１０ｋｍ以上離れた遠方とのマイクロ波通信に利用されている高誘電体セラミックアンテナを利用したもので、その寸法は、例えば３０ｍｍ角以下である。

Description

本発明は、無線により認識を行う無線ＩＣタグ（ＲＦＩＤ）用リーダに関し、特に、無線ＩＣタグ用リーダの小型化を実現する技術に関するものである。

無線ＩＣタグは、半導体チップ内のメモリ回路に所望のデータを書き込み、マイクロ波のような無線を利用したＩＣタグ用リーダを使ってこのデータを読み取るようにした非接触型のタグである。この無線ＩＣタグは、各種の物品に取り付けられ、半導体チップに書き込まれたＩＤ番号等を利用することによって、商品の在庫管理や製品の品質管理等に利用される。

特開平５−１６６０１８公報（特許文献１）には、無線で動作する電池付きの非接触ＩＣカードに内蔵された送受信アンテナの感度を向上させる技術が開示されている。この文献に記載された非接触ＩＣカードは、データを記憶するメモリと、外部との間で非接触でデータを入出力する非接触入出力手段と、これらを制御する制御手段とをＩＣカード本体に備えている。非接触入出力手段は、データを無線信号に変換し、かつ受信した無線信号からデータを復調する変復調部と、この変復調部の出力を送信し、かつ無線信号を受信する送受信部と、この送受信部の出力を外部に向けて放射し、かつ外部からの無線信号を取り込んで送受信部に出力する平面アンテナを有している。平面アンテナは、誘電体部と、この誘電体部の一方の側に設けられた接地導体と、他方の側に設けられたアンテナ導体とを有している。この構成によれば、例えば外部からのデータをメモリに出力する場合には、平面アンテナで外部から無線信号を取り込んで送受信部に出力し、変復調部で得たデータを制御手段でメモリに出力することで、非接触入出力手段を介してメモリと外部とのデータ無線通信を効率よく行うことができる。

特開２００５−１６７８１３公報（特許文献２）には、無線ＩＣタグに取り付けられたアンテナの小型化を図る技術が開示されている。この文献に記載された無線ＩＣタグは、基板と、これに搭載されたＩＣチップと、この基板の一部に形成されたアンテナとで構成されている。アンテナは、ＩＣチップに対する２個の接続点を分離するスリットを有しており、このスリットの長さが略３ｍｍで、幅が０．８ｍｍ〜１．４ｍｍであることを特徴としている。この無線ＩＣタグに書き込まれたデータの読み取りは、無線ＩＣタグ用リーダに取り付けられた長さ４０ｍｍ〜６０ｍｍ程度のダイポールアンテナを無線ＩＣタグの基板にほぼ密着させて行う。
特開平５−１６６０１８公報特開２００５−１６７８１３公報

近年、無線ＩＣタグは、適用対象となる物品の多様化に伴って小型化が進められていることから、無線ＩＣタグのデータを読み取るＩＣタグ用リーダも小型化が要求されている。リーダを使って無線ＩＣタグのデータを読み取るためには、リーダをある程度無線ＩＣタグに近接させなければならない。しかし、例えば小型の無線ＩＣタグを物品の内部に取り付けた場合には、リーダの本体やアンテナも小型でなければ、アンテナを無線ＩＣタグに近接させることができない。

また、前記特許文献２の場合、無線ＩＣタグに書き込まれたデータの読み取りは、無線ＩＣタグ用リーダに取り付けられた長さ４０ｍｍ〜６０ｍｍ程度のダイポールアンテナを無線ＩＣタグにほぼ密着させなければならず、無線ＩＣタグと無線ＩＣタグ用リーダとの通信距離を確保することが困難であった。これは、ダイポールアンテナを用いた場合、リーダから放射される電磁エネルギーがアンテナ全体に一様に分散され、読み取り感度が低下してしまうことが原因である。

本発明の目的は、無線ＩＣタグ用リーダの小型を推進する技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、小型無線ＩＣタグ用リーダの読み取り感度を向上させる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明は、リーダ本体と、前記リーダ本体に接続されたリーダアンテナとを備え、前記リーダ本体から発信されるマイクロ波を利用して無線ＩＣタグのデータを読み取る無線ＩＣタグ用リーダであって、前記リーダアンテナをセラミックアンテナで構成したものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

無線ＩＣタグ用リーダを小型化することができる。また、小型無線ＩＣタグ用リーダの読み取り感度を向上させることができる。

本発明の一実施の形態である無線ＩＣタグ用リーダを示す斜視図である。本発明の一実施の形態である無線ＩＣタグ用リーダのリーダアンテナを拡大して示す斜視図である。ダイポールアンテナを備えた無線ＩＣタグ用リーダを示す斜視図である。リーダからの距離と電磁界強度との関係を示すグラフである。ダイポールアンテナが多数の小さなアンテナの集合体と等価であることを示す説明図である。本発明の一実施の形態である無線ＩＣタグ用リーダを用いて、無線ＩＣタグに書き込まれたデータの読み取りを行う方法を示す斜視図である。本発明の他の実施の形態である無線ＩＣタグ用リーダを示す斜視図である。本発明の他の実施の形態である無線ＩＣタグ用リーダを示す斜視図である。本発明の他の実施の形態である無線ＩＣタグ用リーダを示す側面図である。本発明の他の実施の形態である無線ＩＣタグ用リーダを示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダを示す斜視図である。無線ＩＣタグ用リーダ１００は、リーダ本体１０１と、リーダ本体１０１から引き出された同軸ケーブル１０２と、同軸ケーブル１０２の先端に取り付けられたセラミック製のリーダアンテナ１０３とで構成されている。このリーダアンテナ１０３は、無線ＬＡＮ、ブルーツース、携帯電話など、５ｍ〜１０ｋｍ以上離れた遠方とのマイクロ波通信に利用されている高誘電体セラミックアンテナが利用可能であり、特に限定はされないが、その寸法は、例えば３０ｍｍ角以下である。

ＩＣタグにおいては、ＩＣタグサイズの小型化とともにリーダのアンテナも小型化が求められている。ＩＣタグサイズの小型化はＩＣチップサイズの小型化とそれに接続されるアンテナの小型化によって達成される。ただし、アンテナを小型化すると共振する最適長さから小さい方にはずれてしまうために、リーダアンテナとの通信距離は低下する。しかし、通信距離が長くはないプライバシ保護が必要な分野でＩＣタグサイズの小型化が強く求められているものである。また、通信距離は短くても、表面の汚れに強いなど、バーコードに比較して利点を有する小型アンテナＩＣタグは有用である。

ただし、一方で、ＩＣタグのアンテナサイズを小さくしても、リーダのアンテナを変更しないと、長さが３０ｍｍ近傍では、通信距離が確保できないことが課題として生じてくる。そのため、リーダのアンテナは、高周波発信源に接続されて、効率よく電磁波エネルギ密度を向上させて空中に電磁波を放射することが必要である。大きなダイポールアンテナを単純に小型化するとアンテナの共振する長さから外れてしまうために、効率よく電磁波を放射することができない。このために、ダイポールアンテナの周囲とグランドの間を比誘電率の高い材料で充填することにより、当該のダイポールアンテナのサイズを小さくしても効率を落とすことなくアンテナを形成することが可能となる。そのために、比誘電率を大きくとれるセラミック材料はこの場合のリーダのアンテナの材料にふさわしい特性をもっている。効率よく小型化することにより、単位面積あたりの電磁界エネルギ密度を大きくすることができ、通信距離の伸張がはかれ、使い勝手のよい小型ＩＣタグによるシステムを形成することができる。また、セラミックアンテナは工業品として、無線ＬＡＮなどに多用され、経済的に入手することが可能な部品である。本願においては、このような良好な特徴をもつアンテナを近傍界通信目的のＩＣタグシステムに利用して有効性を発揮させることが可能となる。

セラミックアンテナでは基材となるセラミックの比誘電率を４以上にすることは容易である。アンテナの材料として用いると比誘電率の平方根で波長を短縮できる効果が発生するために、比誘電率が４であれば、２分の1に波長を短縮させたアンテナとすることができる。アンテナは、共振回路を形成するために、波長の整数分の１である必要があり、一般には２分の１波長とすると効率がよい。従ってマイクロ波帯の周波数で、中心周波数が２．４５ＧＨｚの周波数を用いるアンテナでは、光の速度を２．４５ＧＨｚの倍数で割ったものが２分の１波長となり、約６０ｍｍである。比誘電率が４のときは４の平方根が２であるために、約３０ｍｍとなる。セラミック材料はその組成により、比誘電率を４以上とすることは可能であり、たとえば、比誘電率が３６のときはその平方根が６となり、短波長により１０ｍｍのアンテナとすることができる。

図２に示すように、リーダアンテナ１０３の表面には、グランドパターン１０４と信号パターン１０５とが形成されている。グランドパターンと信号パターンの間には高周波数によるエンルギを印加すると共振現象が出現し、グランドパターンと信号パターンの間に強力な電気力線が発生する。それに対してグランドパターンまたは信号パターンのいずれかが欠けると強力な電気力線が存在できなくなり、電磁波を放射することが弱くなるか、有効に放射する効果が出現しなくなる。信号パターン１０５は、セラミックの厚さおよび誘電率に従って共振するリーダアンテナ１０３の外形寸法を小さくするために、折り返しパターンとなっている。

次に、上記リーダアンテナ１０３の原理について説明する。図３は、ダイポールアンテナを備えた無線ＩＣタグ用リーダを示す斜視図である。無線ＩＣタグ用リーダ２００は、リーダ本体２０１と、リーダ本体２０１から引き出された同軸ケーブル２０２と、同軸ケーブル２０２の先端に取り付けられたダイポールアンテナ２０３とで構成されている。ダイポールアンテナ２０３の長さは、周囲の誘電率にもよるが、６０ｍｍ程度である。通常のダイポールは周囲が大気であるために、比誘電率は１である。そのために従ってマイクロ波帯の周波数で、中心周波数が２．４５ＧＨｚの周波数を用いるアンテナでは、光の速度を２．４５ＧＨｚの倍数で割ったものが２分の１波長となり、約６０ｍｍである。ここで用いる同軸ケーブルは、高周波伝送波を周囲に電気力線を出さないで効率よく伝送するのにふさわしい線路としての役割を果たす。

数式１で示すように、一般に、リーダから放出される電磁界の強度（Ｈφ）は、放射電磁界（ｊｋ／ｒ）の強度と誘導電磁界（１／ｒ^２）の強度との和で表される。

数式１

放射電磁界（ｊｋ／ｒ）と誘導電磁界（１／ｒ^２）とは、大きな特性の差異があり、図４に示すように、放射電磁界（ｊｋ／ｒ）は遠方で支配的な項であり、誘導電磁界（１／ｒ^２）は、近場で支配的な項である。また、放射電磁界（ｊｋ／ｒ）の強度と誘導電磁界（１／ｒ^２）の強度とが同一になるのは、リーダからの距離が波長を２πで割った値と等しくなるときである。例えば２．４５ＧＨｚの高周波の場合、その波長は約１２２ｍｍである。従って、この波長を２πで割ると約１９ｍｍとなるので、リーダからの距離が１９ｍｍ以下では、誘導電磁界が支配的となる。一方、リーダからの距離が１９ｍｍ以上では、誘導電磁界が減衰し、放射電磁界が支配的となる。

前記図２に示した長さ４０ｍｍ〜６０ｍｍのダイポールアンテナ２０３は、等価的に図５に示すような、多数の小さなアンテナの集合体と考えられる。すなわち、長さが４ｍｍ〜６ｍｍの小型アンテナ３０３が同軸ケーブル３０２に接続され、並列に存在すると考えることができる。従って、リーダ本体２０１から同軸ケーブル２０２を通じてダイポールアンテナ２０３に供給されるエネルギーが同一である場合、近場で支配的な項である誘導電磁界は、ダイポールアンテナ２０３に一様に分散されてしまう。このような理由から、ダイポールアンテナ２０３を備えた従来の無線ＩＣタグ用リーダは、無線ＩＣタグとダイポールアンテナ２０３との通信距離を確保することが困難である。

一方、本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダ１００に取り付けられたセラミック製のリーダアンテナ１０３は、例えば３０ｍｍ角以下の寸法であることから、このようなエネルギーの分散が生じ難い。リーダアンテナを３０ｍｍ以下にすることによって、従来の約６０ｍｍのリーダアンテナに比較して、倍以上のエネルギをもつ電磁波をアンテナの単位面積からＩＣタグに対して供給することが可能である。そのために、リーダアンテナの近場にある小型アンテナを持つＩＣタグにとって、約６０ｍｍのリーダアンテナに比較して倍以上の空間電磁波エネルギを得ることができる。リーダアンテナとＩＣタグの通信距離は電磁波のエネルギの平方根で増大することが可能である。リーダアンテナのエネルギを倍の空間電磁波エネルギによって２の平方根である約１．４倍の通信距離拡大を図ることがここでは可能となる。

図６は、本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダ１００を用いて、無線ＩＣタグに書き込まれたデータの読み取りを行う方法を示す斜視図である。無線ＩＣタグ４００は、基板４０１と、基板４０１の一面に形成された小型アンテナ４０２と、基板４０１に搭載されたＩＣチップ４０３とで構成されている。

無線ＩＣタグ用リーダ１００のリーダアンテナ１０３が３０ｍｍ角以下の寸法を有する場合には、無線ＩＣタグ４００の寸法を３０ｍｍ角以下にすることによって、効率のよい読み取りが可能となる。寸法が３０ｍｍ角以下の無線ＩＣタグ４００は、小型であり、また汚れや反射にも強いので、例えば小型の瓶やストローなど、外形寸法の小さな物品に貼り付けて活用することもできる。

（実施の形態２）
図７は、本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダを示す斜視図である。本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダ１１０は、銅箔などで構成されたグランドパターン１１１と信号パターン１１２とを有する基板１１３にリーダアンテナ１０３を取り付けたものである。リーダアンテナ１０３は、前記実施の形態１と同じく、例えば３０ｍｍ角以下の寸法を有する高誘電体セラミックアンテナで構成されている。

上記基板１１３は、リーダアンテナ１０３と共にアンテナとして機能し、グランドパターン１１１も電磁波を放射するための共振要素となる。導波路としての役割を果たすグランドパターン１１１と信号パターン１１２には、高速の電流が流れるため、両者を平行なパターンとし、分布定数線路とする必要がある。

本実施の形態によれば、誘導電磁界を高密度化することができるので、無線ＩＣタグ用リーダ１１０の読み取り感度を向上させることができる。

（実施の形態３）
図８は、本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダを示す斜視図である。本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダ１２０は、リーダアンテナ１０３を取り付ける同軸ケーブル１２２の構造に特徴がある。この同軸ケーブル１２２は、信号線１２３の周りに誘電体１２４を巻き、さらにその外周をメタル層１２５で被覆したものであり、リーダアンテナ１０３と共にアンテナとして機能する。リーダアンテナ１０３は、前記実施の形態１と同じく、例えば３０ｍｍ角以下の寸法を有する高誘電体セラミックアンテナで構成されている。

同軸ケーブル１２２そのものは、信号線１２３とメタル層１２５との間にのみ電磁界が発生するので、リーダアンテナ１０３とは直接の共振関係は存在しないが、リーダ本体１０１とリーダアンテナ１０３との距離を拡大するのに有効である。これにより、無線ＩＣタグ用リーダ１２０を物品の狭い内部に取り付けた場合でも、リーダアンテナ１０３を１９ｍｍ程度の距離まで近接させることができる。

上記同軸ケーブル１２２は、リーダ本体１０１側の端部とリーダアンテナ１０３側の端部との間に定存波が発生するので、その長さを波長の２分の１の整数倍にすると効率がよくなる。

（実施の形態４）
図９は、本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダを示す側面図である。本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダ１３０は、リーダ本体１０１およびそれに接続されたリーダアンテナ１０３を細長いスティック１３１の先端に取り付けたことに特徴がある。スティック１３１の径および長さは、無線ＩＣタグ用リーダ１２０を取り付ける物品に応じて変えることができる。リーダアンテナ１０３は、前記実施の形態１と同じく、例えば３０ｍｍ角以下の寸法を有する高誘電体セラミックアンテナで構成されている。

例えば平面サイズの異なる板状の物品のそれぞれに小型の無線ＩＣタグを取り付けた後、これら板状の物品を複数段重ねた場合、一部の物品では、無線ＩＣタグが奥まったところに位置するので、無線ＩＣタグ用リーダを無線ＩＣタグに近接することができない。このような場合、細長いスティック１３１の先端にリーダアンテナ１０３を取り付けた本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダ１３０を使用することにより、無線ＩＣタグに書き込まれたデータの読み取りを行うことが可能となる。

（実施の形態５）
図１０は、本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダを示す側面図である。本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダ１４０は、リーダ本体１０１およびそれに接続されたリーダアンテナ１０３をリング１４１の一部に取り付けたことに特徴がある。リング１４１の寸法は、指輪とほぼ同じであり、指に嵌めることができる。リーダアンテナ１０３は、前記実施の形態１と同じく、例えば３０ｍｍ角以下の寸法を有する高誘電体セラミックアンテナで構成されている。

例えば小さな物品や、薄い紙の表面に無線ＩＣタグが貼り付けてある場合、本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダ１３０を指に嵌めたままこれらの物品や紙に近づけるだけで、簡単にデータの読み取りを行うことができる。リング１４１の寸法をもう少し大きくして腕に嵌めることができるようにしてもよい。

また、本実施の形態の無線ＩＣタグ用リーダ１３０には、近くの端末と無線で交信する小型無線機を取り付け、例えばリング１４１の表面に取り付けた電池で無線機を駆動させてもよい。この場合、リーダアンテナ１０３が無線ＩＣタグに接近したことを検知するセンサーを小型無線機に内蔵させることにより、必要なときのみに無線機を動作させることができるので、電池の消耗を少なくすることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前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更可能であることはいうまでもない。

本発明は、マイクロ波を利用して無線ＩＣタグのデータを読み取る無線ＩＣタグ用リーダに適用することができる。

Claims

リーダ本体と、前記リーダ本体に接続されたリーダアンテナとを備え、前記リーダ本体から発信されるマイクロ波を利用して無線ＩＣタグのデータを読み取る無線ＩＣタグ用リーダであって、前記リーダアンテナをセラミックアンテナで構成したことを特徴とする無線ＩＣタグ用リーダ。
前記マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚであることを特徴とする請求項１記載の無線ＩＣタグ用リーダ。
前記リーダアンテナの外形寸法は、３０ｍｍ角以下であることを特徴とする請求項１記載の無線ＩＣタグ用リーダ。
前記無線ＩＣタグの外形寸法は、３０ｍｍ角以下であることを特徴とする請求項３記載の無線ＩＣタグ用リーダ。
前記リーダアンテナは、グランドパターンと信号パターンとを有する基板に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の無線ＩＣタグ用リーダ。
前記リーダアンテナは、同軸ケーブルを介して前記リーダ本体に接続されていることを特徴とする請求項１記載の無線ＩＣタグ用リーダ。
前記リーダ本体は、スティックの一端に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の無線ＩＣタグ用リーダ。
前記リーダ本体は、リングに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の無線ＩＣタグ用リーダ。