説明

アンテナ装置およびRFIDシステム

【課題】 無線タグとの安定した通信を確保することができるアンテナ装置およびRFIDシステムを得る。
【解決手段】 所定の周波数の電磁波を漏洩し、この電磁波を用いて近接された無線タグとの通信を行う伝送線路と、前記伝送線路の一端に接続可能な複数の負荷と、前記複数の負荷の中から前記伝送線路に接続される負荷を切替える切替手段と、を備えたことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、無線タグと通信して物品管理を行うRFID(Radio Frequency Identification)システムとそれに用いられるアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
RFIDは、電波を用いて人や物品などを自動的に識別する技術であり、近年その応用範囲が拡大している。特にUHF(Ultra High Frequency)帯を用いたRFIDでは複数の無線タグを一括して読み取ることができることから物品管理システムとしての応用が可能であり、棚卸等の作業の効率化が期待されている。
【0003】
RFIDリーダに用いられるアンテナとして、例えば特許文献1に挙げるアンテナが知られている。特許文献1には、当該アンテナが先端を終端した伝送線路を有しており、無線タグを近接させて容量結合または電磁誘導によりアンテナと無線タグが近接した場合のみに通信を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2010−16445号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
物品管理システムに用いられるアンテナの設置場所や管理対象となる物品は様々である。無線タグが取り付けられる物品は紙、プラスチック、液体の入った容器などがあり、その比誘電率は大きく異なる。そのような物品が当該アンテナに近接した場合、アンテナを構成する伝送線路の特性インピーダンスが変化し、特性インピーダンスの不連続部が生じて線路内に定在波が生じる。その結果、アンテナの近傍電界強度に分布が生じ、無線タグの位置によっては通信が成立しなくなる。このことは、特に無線タグを密集させて配置する用途で大きな課題となっていた。
【0006】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、管理物品がアンテナに近接することによるアンテナ性能劣化を抑制し、無線タグを密集するような用途においても、無線タグとの安定した通信を確保することができるアンテナ装置およびRFIDシステムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
この発明に係るアンテナ装置は、
所定の周波数の電磁波を漏洩し、この電磁波を用いて近接された無線タグとの通信を行う伝送線路と、
前記伝送線路の一端に接続可能な複数の負荷と、
前記複数の負荷の中から前記伝送線路に接続される負荷を切替える切替手段と、
を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0008】
この発明によれば、無線タグとの安定した通信を確保することができるアンテナ装置およびRFIDシステムを得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】この発明の実施の形態1によるRFIDシステムを示す構成図
【図2】この発明の実施の形態1によるアンテナ装置を示す構成図
【図3】この発明の実施の形態1による他のアンテナ装置を示す構成図
【図4】この発明の実施の形態1による他のアンテナ装置を示す構成図
【図5】この発明の実施の形態1によるRFIDシステムの動作を示す説明図
【図6】この発明の実施の形態1によるRFIDシステムの動作を示す説明図
【図7】この発明の実施の形態1による切替装置を示す構成図
【図8】この発明の実施の形態1によるRFIDシステムの動作を示す説明図
【図9】この発明の実施の形態1によるRFIDシステムの動作を示す説明図
【図10】この発明の実施の形態2によるRFIDシステムを示す構成図
【発明を実施するための形態】
【0010】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係わるRFID(Radio Frequency Identification)システムを示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図中、1はRFIDシステム、2はアンテナ、3は通信装置、4は伝送線路、5は同軸ケーブル、6は切替手段である切替装置、7は信号線、8は負荷、9は物品、10は無線タグである。
【0011】
図1のRFIDシステム1において、アンテナ2と切替装置6と負荷8により、アンテナ装置が構成されている。
【0012】
この実施の形態では、RFIDを用いた物品管理システムにおいて、書類や書籍のような薄型の物品を一括管理する例を説明する。RFIDシステム1はアンテナ2と通信装置3を備え、アンテナ2には少なくとも1つの伝送線路4が形成されており、その一端は通信装置3に同軸ケーブル5を介して接続されている。伝送線路4のもう一方の端には切替装置6が接続され、切替装置6には少なくとも2つの負荷8が接続されている。切替装置6の制御を行うため、通信装置3と切替装置6は信号線7により接続されている。アンテナ2上には管理対象である複数の物品9が設置されている。物品9のそれぞれには無線タグ10が取り付けられる。
【0013】
アンテナ2に形成された伝送線路4は、線路の途中に屈曲部や不連続部を含む形状を有しており、そこからわずかに電磁波の電界が漏洩するように設計されている。伝送線路から漏れた電界が近接された無線タグ10のアンテナと結合することにより、無線タグ10に電力が供給されて無線タグ10が動作する。これにより、無線タグ10と通信装置3の間で通信が成立し無線タグ10に内蔵されたメモリへの読み書きが行われる。無線タグ10に内蔵されたメモリには物品9の情報などが書き込まれており、また、新たに情報が書き込まれたりする。
【0014】
切替装置6は同軸リレーのように外部から所定の電圧を印加することにより接続状態を切り替えられる装置が用いられる。切替装置6を制御するための電圧は信号線7を通じて通信装置3から供給される。
【0015】
切替装置6には複数の負荷8が接続されている。これらの負荷8は、切替装置6により接続状態を切替えることにより、いずれも伝送線路4に接続可能となっている。切替装置6に接続される少なくとも2つの負荷8は互いに異なる所定の抵抗値を有しており、アンテナ2の裏面に設けられたグランドに終端されている。抵抗値は0Ω(短絡)から∞Ω(開放)までの任意の大きさを選ぶことができるが、抵抗値のうちの1つは伝送線路4の特性インピーダンスと概略等しくすることが望ましい。
【0016】
物品9に取り付けられる無線タグ10は伝送線路4からの漏洩電界と結合するためのアンテナを備えている。無線タグ10内のアンテナは図示していないが、このアンテナにはダイポールアンテナ、マイクロストリップアンテナなどが用いられる。無線タグ10の物品9への取り付け位置は、例えば書籍の場合では、背表紙に埋め込んだり、表紙の裏側に貼付したりすることが考えられる。
【0017】
次にアンテナ2の動作を説明する。
図2はアンテナ2に形成された伝送線路4の形状を表す模式図であり、図2(a)は斜視図、図2(b)は正面図である。図2において、11はアンテナ2の基板の裏面に設けられたグランド、12は給電点である。図2では切替装置6とそれにより切り替えられる負荷8を簡略化して負荷Lで表している。また、伝送線路4の進行方向をx軸、幅方向をy軸、高さ方向をz軸とする。
伝送線路4は、アンテナ2の基板を介してグランド11と所定の間隔を隔てて配置された線状導体であり、給電点12には同軸ケーブル5が接続され、伝送線路4とグランド11の間に所定の周波数の交流電圧が印加される。
【0018】
伝送線路4から電界を漏洩させるための形状として、ここでは伝送線路4は矩形状に屈曲させた形状(メアンダ状)としている。このほかの形状としては例えば図3に示すように線路の途中に不連続部13を有する形状が考えられる。また、伝送線路4は矩形状に屈曲させた形状だけではなく、屈曲部を半円状にしたり、直角以外の角度で折り曲げた形状にするなどしても良い。
【0019】
アンテナ2の実効的な面積を大きくするには、これらのように伝送線路4を蛇行状に屈曲させ、蛇行幅を大きくした形状にすることが望ましい。さらに、図4に示すように、伝送線路4を複数設けたものを用いることもできる。図4では、給電点12から分岐した2本の伝送線路4を設けてアンテナ2を構成している。伝送線路4の給電点12とは逆の一端には、図中Lで示す負荷8が切替装置6を介して接続される。すなわち、図4の複数の伝送線路4は負荷8が接続される一端とは逆の端部において互いに接続されている。
【0020】
図4の構成では、伝送線路4の長さを一定に保ったままアンテナ2の実効的な面積を大きくすることができる。これにより、伝送線路4の損失を一定以下に保てるので、損失の小さいアンテナ装置を得ることができる。伝送線路4は2本に限らず3本以上とすることもできる。
【0021】
以下では、伝送線路4の形状を矩形状に屈曲させたメアンダ状とし、伝送線路4を1本設けた場合を例としてアンテナ2の動作を説明する。
【0022】
給電部12に交流電圧を印加すると伝送線路4に電流が流れ電磁波が伝搬する。伝搬する電磁波による電荷は負荷Lに到達する。負荷Lのインピーダンスが伝送線路4の特性インピーダンスに等しい場合、負荷Lで電力が消費され、反射波は生じない。このような構成は進行波アンテナの一種と考えられる。図2(b)に示すメアンダ状線路の線路幅W、間隙幅P、メアンダ状線路の横幅Dなどの値により、線路からの電界の放射特性が変化する。
【0023】
所定の周波数において、伝送線路4を伝搬する電磁波の波長をλとする。アンテナ2の基板の誘電率の影響などにより、伝送線路4内での電磁波の波長λは、自由空間での波長よりも一般には短くなっている。この種のシステムでは、一般に所定の周波数として800MHzから1GHzの間の電磁波を用いることが多い。
【0024】
ここでは一例として、線路幅W=0.06λ、間隙幅P=0.09λ、横幅D=0.36λとした場合における伝送線路4の中心線上z=30mmでの電界強度分布を図5に示す。電磁波の周波数は953MHzとしている。このとき、伝送線路4を伝搬する電磁波の波長λは166mmであり、伝送線路4の特性インピーダンスは22Ωである。この例での場合、横幅Dは0.36λなので0.5λより小さい。また、伝送線路4の中心線のメアンダ形状に沿った1周期の長さは0.9λであり、1λより短くなっている。なお、負荷Lのインピーダンスは伝送線路4の特性インピーダンスと一致させている。
【0025】
図5では電界強度を各成分に分けて表示しており、図5(a)がx成分、図5(b)がy成分、図5(c)がz成分を表している。各成分ともx軸方向の位置に対して変動の小さい電界分布となっている。これは、無線タグ10をアンテナ2上に配置した場合、アンテナ2上の水平方向の位置によらず安定した通信が行えることを意味している。さらに、電界の各成分が分布していることから、無線タグ10の向きがどの方向を向いていても通信が可能である。
【0026】
別の例として、横幅D=0.72λとした場合におけるz=30mmでの電界強度分布を図6に示す。線路幅W、間隙幅Pなどは、図5に示した場合と同一である。この場合では、横幅Dは0.72λなので0.5λより大きい。また、伝送線路4の中心線のメアンダ形状に沿った1周期の長さは1.62λであり、1λより長くなっている。負荷Lのインピーダンスはやはり伝送線路4の特性インピーダンスと一致させている。図6でも図5と同様に、図6(a)がx成分、図6(b)がy成分、図6(c)がz成分を表している。図6では、図6(b)に示す電界のy成分が特に小さくなっている。これは横幅Dが長すぎたことにより、伝送線路4の線路が互いに近接する部分を流れる電流が逆相となり、放射を妨げたためと考えられる。
【0027】
このように、伝送線路4は所望の電界分布が得られるように線路幅W、間隙幅P、横幅Dを適切に設計する必要がある。このような蛇行状の線路の場合には、蛇行状の線路に沿った蛇行状1周期の線路の長さを1λ以下、蛇行幅である線路の横幅を0.5λ以下とすることが望ましい。
【0028】
次に、負荷Lのインピーダンスが伝送線路4の特性インピーダンスと異なる場合について説明する。
【0029】
アンテナ2上に配置される物品9は紙、プラスチック、液体の入った容器など様々な材質が考えられる。これらは特有の比誘電率を有し、その値は数〜数十と異なる。このような材質がアンテナ2の伝送線路4に近接すると、伝送線路4の特性インピーダンスが変化する。その結果、負荷Lのインピーダンスとの不整合が生じ、負荷Lからの反射波(後進波)が発生する。この反射波は、給電点12から負荷Lに向かう入射波(前進波)と干渉して定在波を生じる。定在波はその振幅が強い位置と弱い位置が時間的に変化しない分布であるため、振幅が弱い位置に無線タグ10が配置されると安定した通信ができなくなる場合がある。
【0030】
これを解決するため、負荷Lのインピーダンス値は物品9の材質に応じて変化する伝送線路4の特性インピーダンスに合わせることが最適であるが、それに代わる手段として、この発明の実施の形態1では切替装置6を負荷Lの位置に設けている。切替装置6は外部からの電圧印加によりスイッチ動作をする装置であり、図7(a)に示すように1つの入力端14と少なくとも2つの出力端15−1、15−2、…、15−nを有し、図7には図示していないが外部からの電圧印加により入力端14と出力端の接続状態を選択できるようになっている。なお、3つ以上の出力を切り換える場合には、図7(b)に示すように出力が2つの切替装置を組み合わせるなどして構成しても良い。切替装置6のそれぞれの出力端には異なるインピーダンス値を持つ負荷L−1、L−2、…、L−nが接続されている。
【0031】
このように、切替装置6により、複数の負荷8の中から伝送線路4に接続する負荷8を選択して切り替えることにより、アンテナ2の終端負荷の値を変えることができる。切替装置6で切り替える負荷8は1つとは限らず、複数の負荷8の中から2つ以上の負荷8を選択して伝送線路4に接続することもできる。この際、伝送線路4への接続の仕方は、直列接続、並列接続、直列接続と並列接続の組み合わせなどにしても良い。複数の負荷8は全て異なる値のインピーダンスを有するものでなくてもよく、接続の仕方によって、伝送線路4の終端負荷の値が実質異なるようにできるものであれば良い。
【0032】
このように、負荷Lのインピーダンスの選び方には自由度があり、伝送線路4の近傍に何も置かれていない状態での特性インピーダンスと等しい値(反射係数Γ=0)に加え、短絡(反射係数Γ=−1)、開放(反射係数Γ=1)などが考えられる。開放や短絡も、この種のアンテナ装置には一般に用いられる負荷8の1つである。特に、開放と短絡では定在波の振幅の強い位置と弱い位置が反転する関係にあるため、切替の効果が高くなる。なお、負荷8の値は、特性インピーダンス、開放、短絡、に厳密に等しくする必要はなく、反射係数Γの値が近似的に所要の値となるものであれば良い。
【0033】
図8は伝送線路4からの高さz=30mmにおける電界分布(電界振幅)をx−y平面上に示した図であり、図8(a)は負荷Lを開放とした場合、図8(b)は負荷Lを短絡とした場合である。明るく示されている部分が電界が強い領域を表しており、暗い部分が電界が弱い領域を表している。定在波が生じることにより、電界が強い領域と弱い領域がx方向に対して周期的に繰り返されているが、負荷Lが開放の場合と短絡の場合でその強弱が反転したような分布になっている。したがって負荷Lのインピーダンスを開放と短絡で切り換えればアンテナ2上の電界分布を変化させるのに効果的である。
【0034】
無線タグ10を各雑誌の表紙裏に貼付した厚さ10mm前後の書籍を物品9とし、これを29冊アンテナ2の上に隙間なく立てて並べた場合についてタグの読み取り試験を実施した結果を図9に示す。無線タグ10に内蔵されたアンテナの向きは、RFIDシステム1のアンテナ2に対して垂直(z方向)である。負荷Lのインピーダンスを伝送線路4の特性インピーダンスと等しくした場合(整合)、開放とした場合、短絡とした場合の3つを切替装置6により切り替えている。図9において、応答した無線タグを○印、応答しなかった無線タグを×印で表している。いずれか1つの状態では応答しない無線タグがあるが、3つの状態を切り替えることにより、いずれかの状態を選べば、すべてのタグとの通信が成立しており、タグ読み取りの信頼性が向上していることがわかる。切替装置6の切替は通信装置3から信号線7を通じて電圧を印加することにより制御することで極めて短時間に行うことができるので、作業効率の低下には至らない。
【0035】
このように、この発明の実施の形態1によれば、切替装置6を用いてアンテナ2の先端に接続する負荷を切り替えることにより、アンテナ2上に発生する電界分布を変化させることができるので、物品9が密集してアンテナ2上に設置されてアンテナ2の性能が変化してしまうような場合においても、タグ読み取りの信頼性が高いRFIDシステムを得ることができる。
【0036】
アンテナ2の製造方法としては、誘電体基板を用いてエッチング加工により伝送線路を構成する方法が適用可能である。伝送線路4と同時に信号線7もエッチング加工によりパターニングすることが可能であり、切替装置6を表面実装型のスイッチ、負荷Lをチップレジスタとすれば、これらを1つの誘電体基板上に構成することができる。これにより量産性が向上し低コスト化につながる。
【0037】
なお、アンテナ2を、図4に示したように、複数の伝送線路4からなる構成にした場合、切替装置6は、それぞれの伝送線路4に設けてもよいし、少なくとも1つの伝送線路4に設けても良い。また、複数の伝送線路4のうち、少なくとも2つの伝送線路4の終端部を再び1つに接続し、ここに切替装置6を接続しても良い。
【0038】
以上のようにこの発明の実施の形態1によれば、無線タグとの安定した通信を確保することができるアンテナ装置およびRFIDシステムを得られるという効果がある。
【0039】
なお、実施の形態1では、伝送線路4を蛇行状に屈曲させた形状にしたものを示したが、これに限らず伝送線路4を直線状やらせん状など種々の形状とすることもできる。また、アンテナ2のグランド11を平面状とし、伝送線路4とグランド11を所定の誘電率を有する基板に固定したものを示したが、これに限らず伝送線路4として電磁波が伝送するものであればアンテナ2の形状や材質は問わない。例えば中空に配置された伝送線路4でもよい。また、アンテナ2は、書籍や物品を配置する棚などに一体化されたものであっても良い。切替装置6に接続する負荷8は抵抗であっても良いし、インピーダンスに虚数部を有する値のものであっても良い。以上の場合でも、本実施の形態と同様の効果が得られる。
【0040】
実施の形態2.
図10はこの発明の実施の形態2に係るRFIDシステムの構成を説明するため構成図である。図10において、実施の形態1と同様のものは前述と同一符号を付して説明を省略する。図中、16は装置である。
【0041】
実施の形態2に係るRFIDシステムが実施の形態1と相違する点は、切替装置6を制御するための信号線7を省略し、切替装置6の出力を自律的に切り替える機能を持つ装置16を備えている点である。図10では、切替装置6と装置16により切替手段を構成している。それ以外の動作については実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
【0042】
実施の形態1では切替装置6を制御するために、通信装置3から直流電圧を出力して信号線7を通じて切替装置6に電圧を印加していた。これは通信装置3において行う通信のタイミングと切替装置6の制御の同期をとることができる点において有効である。一方、物品管理システムのように通信装置3と無線タグ10が常時または長い時間通信を行うようなシステムにおいては、その間の適当な時間間隔で切替装置6を切り替えれば十分である。
【0043】
この発明の実施の形態2では、装置16により切替装置6の出力を自律的に切り替える機能を有している。装置16は電子回路等により小形に構成することができ、アンテナ2を誘電体基板上に構成すれば、これと一体化することも可能である。装置16を動作させるための電源は、電池などを備えてもよいし、直流電圧を伝送線路4から供給するようにしたものであっても良い。
【0044】
このような構成とすることで、信号線7を省略しても切替装置6の出力を切り替えることができるので、実施の形態1と同様の動作により、タグ読み取りの信頼性の高いアンテナ装置およびRFIDシステムを得ることができる。
【0045】
さらに、この発明の実施の形態2では、小形なアンテナ装置およびRFIDシステムを得ることができる効果がある。
【符号の説明】
【0046】
1 RFIDシステム、2 アンテナ、3 通信装置、4 伝送線路、5 同軸ケーブル、6 切替装置、7 信号線、8 負荷、9 物品、10 無線タグ、11 グランド、12 給電点、13 不連続部、14 入力端、15 出力端、16 装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の周波数の電磁波を漏洩し、この電磁波を用いて近接された無線タグとの通信を行う伝送線路と、
前記伝送線路の一端に接続可能な複数の負荷と、
前記複数の負荷の中から前記伝送線路に接続される負荷を切替える切替手段と、
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項2】
前記伝送線路は蛇行状に屈曲した形状であることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
【請求項3】
前記伝送線路が複数設けられ、これら複数の伝送線路が、前記複数の負荷が接続される一端とは逆の端部において互いに接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアンテナ装置。
【請求項4】
前記伝送線路を伝搬する前記所定の周波数の電磁波の波長をλとするとき、前記伝送線路に沿った蛇行状1周期の長さが1λ以下であることを特徴とする請求項2に記載のアンテナ装置。
【請求項5】
前記伝送線路を伝搬する前記所定の周波数の電磁波の波長をλとするとき、前記伝送線路の蛇行幅は0.5λ以下であることを特徴とする請求項2または請求項4に記載のアンテナ装置。
【請求項6】
前記所定の周波数は800MHz以上1GHz以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項7】
請求項1から請求項6のいずれかに記載のアンテナ装置と、
前記アンテナ装置に接続され、前記アンテナ装置を介して前記無線タグへの信号を送信するとともに、前記アンテナ装置を介して前記無線タグからの信号を受信する通信装置と、
を備えたことを特徴とするRFID(Radio Frequency Identification)システム。
【請求項8】
前記切替手段は、前記伝送線路に接続される負荷を、前記通信装置により制御されて切替えることを特徴とする請求項7に記載のRFIDシステム。
【請求項9】
前記切替手段は、前記伝送線路に接続される負荷を自律的に切替えることを特徴とする請求項7に記載のRFIDシステム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2012−235204(P2012−235204A)
【公開日】平成24年11月29日(2012.11.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−100901(P2011−100901)
【出願日】平成23年4月28日(2011.4.28)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】