説明

リーダライタ装置、アンテナ特性の調整方法及びプログラム

【課題】近傍界において相互に影響し合うアンテナ間での通信において、アンテナ間の位置関係の変化による誘電体の波長短縮効果に起因するアンテナ特性の悪化を改善できるようにする。
【解決手段】ICタグが保持している情報を読み書きするリーダライタ装置であって、エレメント長を可変に構成し、ICタグとの間で無線により信号の送受信を行うためのアンテナと、通信経路上のエラーを検出するエラー検出手段と、エラー検出手段による検出結果に基づいてアンテナのエレメント長の調整を行うエレメント長調整手段と、を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リーダライタ装置、アンテナ特性の調整方法及びプログラムに関し、特に、電磁界や電波等を用いた近傍界での無線通信により情報のやり取りを行うRFIDにおいて好ましく適用される技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、生産管理、物流管理、物品管理等を効率化するために、電磁界や電波等を用いた近傍界での無線通信により情報のやり取りを行うRFIDが利用されている。一般に、RFIDによる管理システムは、ICタグ、ICタグが保持している情報を読み書きするリーダライタ、リーダライタが読み取った情報を処理する上位システムから構成され、管理物品に付されたICタグから情報を読み取り、管理物品の管理を行う。このようなRFIDを用いた管理システムは、従来からあるバーコードによる管理システムに比べ、情報量が大幅に増え、情報の書き換えが可能な点に利点があり、また、ICタグの低コストが進むにつれてさらに多くの用途に用いることが可能となる。
【0003】
ICタグは、実際のメモリとして機能するICチップ部、通信内容のエンコード・デコード等を行う制御部、ICチップ部に電源を供給するとともに情報の送受信用のアンテナとして機能するアンテナ部から構成される。リーダライタは、ICタグに対して電源を供給するとともに情報の送受信を行うアンテナ部、通信内容のエンコード・デコードや上位システムとの通信を行う制御部から構成される。上位システムは一般的にパソコンが利用され、シリアルポートやUSBポート等を経由してリーダライタと通信を行う。
【0004】
RFIDを用いた管理システムでは、ICタグ及びリーダライタ双方のアンテナ間で無線通信を行うにあたり、双方のアンテナを使用する無線帯域(周波数)にマッチングさせる必要があることは当然であるが、アンテナ間の位置関係が流動的で距離が近づいたときに相互に影響を及ぼし合い、図4に示すように、結果的に使用する帯域でのアンテナ特性が悪化してしまう場合がある。ここでいうアンテナ特性は、狭義的にピーク周波数(最も感度の良い周波数)を指す。ICタグとリーダライタとが接近することで、それぞれのアンテナを収容するケースや各装置を持つ手等から受ける影響としての誘電体の波長短縮効果が生じ、これによってピーク周波数が下がる(使用する周波数からずれる)という現象が起きてしまう。
【0005】
一方、近傍界通信以外では、RFIDの場合のような問題は生じない。例えばテレビ用アンテナでは、アンテナは近傍の金属等から離して設置されるため、アンテナ特性に干渉するものが存在しない。また、例えば携帯電話用アンテナやPC内蔵無線LANアンテナでは、固定した周囲物(アンテナを収容するケース等)に合わせたアンテナ特性を予め考慮した上で使用するため、アンテナ間の位置関係の変化による誘電体の波長短縮効果に起因したアンテナ特性の悪化は起こらない。
【0006】
このようなRFID特有の問題に対して、近傍界通信以外のように、装置を構成する際に使用帯域にてアンテナ特性を満たすように設計し、実際に装置を使用することで対応することも考えられるが、ICタグとICタグが付される管理物品との位置関係や、管理物品の材質・量、管理物品を収容する梱包物の材質・量等によって、アンテナ特性が変化するため、一概に有効な方法ともいえない。
【0007】
例えば特許文献1には、様々な使用環境の変化による送受信感度の低下を抑制するために、使用環境の変化に応じてアンテナの長さを変化させ、最も狭い空間を使用するとともに周波数バンドの多重化に対応する移動通信端末のアンテナ装置が開示されている。当該アンテナ装置は、第1アンテナと、第1アンテナに接続され、移動通信端末の送受信品質に応じて第1アンテナの長さを変化させるアンテナ長調整部と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2006−81181号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
アンテナの特性は、周囲に何もない自由空間の中では固定的な特性を示す。そして、使用環境における特性変化があった場合でも実用可能なアンテナとするための方法として、必要な帯域に対して十分に広いアンテナ特性を持たせる(より広い周波数で必要な利得が得られるようにする)ことが考えられる。しかし、外形や容積を小さくしていった場合には良好な特性の帯域は狭くなるのが一般的であり、場合によっては十分な通信性能を確保できないこともあるため、常に有効な方法とはいえない。
【0010】
また、特許文献1は、携帯電話等の移動体通信端末機のアンテナ特性を調整する方法に関するもので、基地局と定期的に通信してRSSI(受信強度を測定するための信号)を監視し、狙いの(最も感度の良い)受信強度となるようなアンテナ長に調整するように構成されている。携帯電話では、電源を切っている場合を除けば常に通信している状態といえ(待ち受け状態もある)、このため、設計仕様上からRSSIを常に監視し、エレメント長の調整(同文献)やアンテナの選択によりアンテナ特性を最適な状態にしておく手法を採用できる。
【0011】
しかし、RFIDでは、ICタグが通信可能範囲内に存在しなければ通信できないため、携帯電話の場合のようにRSSIを常に監視して受信レベルを予め見ておくことはできない。確かに、ICタグが通信可能範囲内にあれば、該タグを読む際にRSSIのレベルを見て、最も感度の良い受信強度となるようなアンテナ長に調整することは、理論的には可能である。ところが、RFIDでは、ICタグが移動してリーダライタとの位置関係(距離)が常に変化しており、このことによる誘電体の波長短縮効果に起因したアンテナ特性の悪化が生じるという特有の事情があるため、読み取ったRSSIに基づいたアンテナ長の調整を行った時点において既に最適の受信強度となっていないことが想定される。つまり、特許文献1で開示されたアンテナ特性の調整方法をRFIDの場合に適用したとしても、上述したような問題を解決することはできない。
【0012】
そこで、本発明は、上述した事情に鑑みて、近傍界において相互に影響し合うアンテナ間での通信において、アンテナ間の位置関係の変化による誘電体の波長短縮効果に起因するアンテナ特性の悪化を改善できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の一側面であるリーダライタ装置は、ICタグが保持している情報を読み書きするリーダライタ装置であって、エレメント長を可変に構成し、ICタグとの間で無線により信号の送受信を行うためのアンテナと、通信経路上のエラーを検出するエラー検出手段と、エラー検出手段による検出結果に基づいてアンテナのエレメント長の調整を行うエレメント長調整手段と、を有するものである。
【0014】
本発明の一側面であるアンテナ特性の調整方法は、ICタグが保持している情報を読み書きする際のアンテナ特性の調整方法であって、ICタグへ無線により信号の送信を行う信号送信ステップと、信号送信ステップで送信した信号に対する応答信号として、ICタグから信号を受信する信号受信ステップと、通信経路上のエラーを検出するエラー検出ステップと、エラー検出ステップによる検出結果に基づいて、エレメント長を可変に構成されたアンテナのエレメント長の調整を行うエレメント長調整ステップと、を有するものである。
【0015】
本発明の一側面であるプログラムは、ICタグが保持している情報を読み書きするリーダライタ装置に用いられるプログラムであって、コンピュータに、ICタグへ無線により信号の送信を行う信号送信処理と、信号送信処理で送信した信号に対する応答信号として、ICタグから信号を受信する信号受信処理と、通信経路上のエラーを検出するエラー検出処理と、エラー検出処理による検出結果に基づいて、エレメント長を可変に構成されたアンテナのエレメント長の調整を行うエレメント長調整処理と、を実行させるものである。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、近傍界において相互に影響し合うアンテナ間での通信において、アンテナ間の位置関係の変化による誘電体の波長短縮効果に起因するアンテナ特性の悪化を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の実施形態に係るリーダライタ装置の構成図である。
【図2】本発明の実施形態に係るリーダライタ装置のアンテナ部(エレメント長可変アンテナ)の構成図である。
【図3】本発明の実施形態に係るアンテナ特性調整処理のフローチャートである。
【図4】本発明の実施形態に係るアンテナ特性調整処理によるアンテナ特性の変化の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
先にも述べたように、携帯電話の場合、待ち受け状態もあり常に通信している状態にあるといえるため、設計仕様上からRSSIを常に監視し、アンテナの選択やエレメント長の調整により最適な受信強度の状態にしておくという手法を採用している。一方で、RFIDにおいては、ICタグが通信可能範囲になければ信号を送ったとしても応答が得られないため、携帯電話の場合のようにRSSIにより受信レベルを予め見ておくことはできない。
【0019】
そこで、本発明では、ICタグが遠い位置(通信可能範囲内でアンテナ特性に影響を受けない位置)にある場合に最適なアンテナのエレメント長、近い位置(通信可能範囲内でアンテナ特性に影響を受ける位置)にある場合に最適なエレメント長をそれぞれ定義し、常にICタグと通信(信号のやり取り)を行いながら、ICタグとの通信内容に応じてエレメント長の調整を行う。これが本発明の原理であり、基本的な考え方であるが、一例を挙げると次のとおりとなる。
【0020】
ICタグとの通信開始時には、一般にICタグの遠い位置から信号のやり取りがスタートすると考える。例えば、通信開始後、ICタグへの送信信号とICタグからの受信信号をCRCにより比較し、エラーが検出された場合はTAGが近い位置に到達したと判定し、遠い位置に最適なエレメント長から近い位置に最適なエレメント長に切り替える。また、近い位置に到達した後、CRCによる比較を継続し、エラーが検出された場合はTAGが遠い位置に到達したと判定し、近い位置に最適なエレメント長から遠い位置に最適なエレメント長に切り替える。
【0021】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0022】
図1は、本発明の実施形態に係るリーダライタ装置の構成図である。リーダライタ装置1は、エレメント長可変アンテナ2、送信回路3、受信回路4、通信制御回路5を有する。エレメント長可変アンテナ2は、上述したアンテナ部に相当する構成で、通信制御回路5からのエレメント長制御信号13を受けてアンテナのエレメント長の調整を行う。送信回路3は、上述した制御部に相当する構成で、通信制御回路5の送信制御に従って通信内容のエンコードを行い、送信信号11をエレメント長可変アンテナ2に送出する。受信回路4は、上述した制御部に相当する構成で、通信制御回路5の受信制御に従って、エレメント長可変アンテナ2から受信信号12を受け取って通信内容のデコードを行う。通信制御回路5は、送信回路3に対する送信制御、受信回路4に対する受信制御、本発明特有の処理としての、CRCエラー検出処理及びエレメント長可変アンテナ2に対するエレメント長調整処理を行う。
【0023】
なお、通信制御回路5は、送信回路及び受信回路に対する制御を行う機能、ICタグとの間の通信内容に基づいてエラー検出を行う機能、エラー検出結果の基づいてエレメント長の調整を行う機能を持ち合わせるが、このように回路等を用いてハード的にこれらの機能を実現してもよいし、ソフト的に実現してもよい。ソフト的に実現する例としては、ROM等のメモリ及びCPUを用いて、メモリに格納されたプログラムをCPUが読み出すことにより、上記送受信制御を行う手段、上記エラー検出を行う手段、上記エレメント長の調整を行う手段が主記憶上に構成する。
【0024】
図2は、本発明の実施形態に係るリーダライタ装置のエレメント長可変アンテナの構成図である。エレメント長の調整に用いる追加的なエレメントを基本となるエレメントの先端(通信制御回路5あるいは送信回路3・受信回路4との接続側と反対側の端部)にスイッチを介して設けたもの、追加的なエレメントを基本となるエレメントの根元(通信制御回路5あるいは送信回路3・受信回路4との接続側の端部)の設けたものが例として挙げられる。
【0025】
図2(a)は、エレメント長調整のための追加エレメント22を基本エレメント21の先端にスイッチ23を介して設けた例を示す。この例では、通信制御回路5からのエレメント長制御信号13を受けたスイッチ23がON/OFFを行い、ONによりエレメント長可変アンテナ2を基本エレメント21及び追加エレメント22のエレメント長とし、OFFによりエレメント長可変アンテナ2を基本エレメント21のエレメント長とする。また、スイッチ23の初期状態はONとなっており、長いエレメント長の状態でICタグとの通信が開始する。
【0026】
図2(b)は、エレメント長調整のための追加エレメントA24及び追加エレメントB25を基本エレメント21の先端にスイッチ23を介して設けた例を示す。この例では、通信制御回路5からのエレメント長制御信号13を受けたスイッチ23が、追加エレメントA24への接続あるいは追加エレメントB25への接続の切り替えを行う。追加エレメントA24はエレメント長が追加エレメントB25より長く構成されている。また、スイッチ23の初期状態は追加エレメントA24への接続となっており、基本エレメント21及び追加エレメントA24のエレメント長という、より長いエレメント長の状態でICタグとの通信が開始する。
【0027】
図2(c)は、エレメント長調整のためのマッチング回路A28及びマッチング回路B29を基本エレメント21の根元にスイッチA26及びスイッチB27を介して設けた例を示す。この例では、通信制御回路5からのエレメント長制御信号13を受けたスイッチA26及びスイッチB27が、マッチング回路A28への接続あるいはマッチング回路B29への接続の切り替えを行う。マッチング回路B29にはマッチング回路A28より長いエレメントがさらに接続されており、基本エレメント21と接続した場合にマッチング回路A28の場合より長くなるように構成されている。また、スイッチA26及びスイッチB27の初期状態はマッチング回路B29への接続となっており、基本エレメント21及び追加エレメントB26(及び付随するエレメント)のエレメント長という、より長いエレメント長の状態でICタグとの通信が開始する。
【0028】
図3は、本発明の実施形態に係るアンテナ特性調整処理のフローチャートである。まず、リーダライタ1はICタグとの通信を開始する(ステップS1)。通信制御回路5は、ICタグと通信を行う情報について、送信回路3及びエレメント長可変アンテナ2を介して、ICタグに信号を送信する(ステップS2)。その後、該信号を受信したICタグからの応答信号が送信され、通信制御回路5は、エレメント長可変アンテナ2及び受信回路4を介して、受信した応答信号に関する情報を取得する(ステップS3)。
【0029】
そして、通信制御回路5は、送信信号の情報と応答信号の情報との比較を行い、CRC(巡回冗長検査方式)により応答信号の情報についてエラー検出を行う(ステップS4)。一般にCRCでは、データをブロック単位に区切り、ブロック内のデータを計算処理してチェック符号を作成し、データを送るときにこのチェック符号を付加して送信して、受信側でデータとチェック符号の関連が正常かどうかを確認する。本実施形態では、受信信号内のデータに含まれるCRCデータにより、受信データの正当性を確認することで受信信号のエラー検出を行う。フローに戻ると、エラーが検出されなかった場合(ステップS5/NO)、通信制御回路5は、ICタグとの間でデータ通信が正常に行われていると認識し、ICタグとの通信を継続する(ステップS7/NO、ステップS2以降)。
【0030】
一方、エラーが検出された場合(ステップS5/YES)、通信制御回路5は、ICタグとの間でデータ通信が正常に行われていないと認識し、エレメント長可変アンテナ2のエレメント長の調整を行う(ステップS6)。初期状態はエレメント長が長く設定されているため、1回目にエラーを検出した場合はエレメント長を短くする調整を行う。エレメント長を短く調整した後、2回目にエラー検出した場合はエレメント長を長くする調整を行う。以上の処理をICタグとの通信が終了するまで行う(ステップS7/NO、ステップS2以降)
【0031】
図3に示したフローは、ICタグからの応答信号についてCRCエラーが発生した場合に、アンテナのエレメント長を調整する制御を行ってデータ通信の正常性を確保しようとするものである。CRCエラーはアンテナ特性に起因するものもあれば、外来ノイズ等によるものもある。アンテナ特性に起因するエラーの場合は、該処理で正しくデータ通信を行えるようにできる可能性が高いが、外来ノイズ等によるエラーは、上記処理でエラーを解消できる可能性は低い。上記処理は、ICタグとリーダライタの位置関係の変化による影響としての誘電体の波長短縮効果に起因するアンテナ特性の悪化を解消するもので、自然発生的な外来ノイズ等に対応するものではなく、外来ノイズの発生は抑制できない。
【0032】
図4は、本発明の実施形態に係るアンテナ特性調整処理によるアンテナ特性の変化の説明図である。図4において、特性図内の太線の範囲が実際に使用する帯域(使用周波数f0)であり、曲線が下にあるほど効率が良く、最も下にくるとアンテナに入力された電力が全て空間に放出されたことを示す。つまり、曲線が最も下にきたときの周波数はピーク周波数である。ICタグが遠い場合(初期状態)にピーク周波数が使用周波数f0となるように、エレメント長が選択される(図4(a))。
【0033】
ICタグとリーダライタが近づくことで誘電体の波長短縮効果が生じ、ピーク周波数が下がる現象が起きる。つまり、ICタグが近い場合には遠い場合と比較してピーク周波数が下がり、使用周波数f0とずれてしまう(図4(b))。エレメント長が長くなると周波数が低くなり(すなわちピーク周波数も下がる)、エレメント長が短くなると周波数が高くなる(すなわちピーク周波数も上がる)という関係がある。これに着目して、本実施形態では、上記の現象に対して、エレメント長を短縮させることで、周波数を高くして該現象で下がったピーク周波数を上昇させ、使用周波数f0とピーク周波数とが極力一致するようにしている(図4(c))。
【0034】
上述した実施形態では、通信したデータの内容に着目し、送信データと応答データについてCRCによりエラー検出を行ってエラー検出結果に応じてスイッチの切り替えを行うように構成した。別の例として、スイッチの切り替えを反射波のレベルに基づいて制御するように構成することも可能である。この場合、方向性結合器を用いて反射波の成分を測定し、これが多いときにスイッチを反対側に切り替え、また少なくなったときにさらに反対側(多いことが検出される前の状態)に切り替えるといった制御となる。
【0035】
なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。
【0036】
すなわち、本実施形態におけるリーダライタ装置で実行されるプログラムは、先に述べた各手段(送受信制御手段、エラー検出手段、エレメント長調整手段)を含むモジュール構成となっており、実際のハードウエアを用いて具体的手段を実現する。すなわち、コンピュータ(CPU)が所定の記録媒体からプログラムを読み出して実行することにより上記各手段が主記憶装置上にロードされて生成される。
【0037】
本実施形態におけるリーダライタ装置で実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納され、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供されるように構成してもよい。また、上記プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供あるいは配布するように構成してもよい。
【0038】
また、上記プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルで、フロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、DVD、不揮発性のメモリカード等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供されるように構成してもよい。また、上記プログラムは、ROM等にあらかじめ組み込んで提供するように構成してもよい。
【0039】
この場合、上記記録媒体から読み出された又は通信回線を通じてロードし実行されたプログラムコード自体が前述の実施形態の機能を実現することになる。そして、そのプログラムコードを記録した記録媒体は本発明を構成する。
【符号の説明】
【0040】
1 リーダライタ装置
2 エレメント長可変アンテナ
3 送信回路
4 受信回路
5 通信制御回路
11 送信信号
12 受信信号
13 エレメント長制御信号
21 基本エレメント
22,24,25 追加エレメント
23,26,27 スイッチ
28,29 マッチング回路

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ICタグが保持している情報を読み書きするリーダライタ装置であって、
エレメント長を可変に構成し、前記ICタグとの間で無線により信号の送受信を行うためのアンテナと、
通信経路上のエラーを検出するエラー検出手段と、
前記エラー検出手段による検出結果に基づいて前記アンテナのエレメント長の調整を行うエレメント長調整手段と、
を有することを特徴とするリーダライタ装置。
【請求項2】
前記エラー検出手段は、前記ICタグへ送信した信号に対する応答信号として前記ICタグから受信した信号の正当性を確認することでエラー検出を行うことを特徴とする請求項1に記載のリーダライタ装置。
【請求項3】
前記通信状態検出手段は、前記ICタグへ送信した信号と該信号に対する応答信号として前記ICタグから受信した信号とを比較してエラー検出を行うことを特徴とする請求項1に記載のリーダライタ装置。
【請求項4】
前記エレメント長調整手段は、前記エラー検出手段によりエラーが検出されるごとに、前記アンテナのエレメント長を調整することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のリーダライタ装置。
【請求項5】
前記エレメント長調整手段は、前記アンテナのエレメント長が第1の長さの状態で前記エラー検出手段によりエラーが検出された場合、該エレメント長を前記第1の長さより短い第2の長さとし、前記アンテナのエレメント長が前記第2の長さの状態で前記エラー検出手段によりエラーが検出された場合、該エレメント長を前記第1の長さとすることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のリーダライタ装置。
【請求項6】
前記アンテナは、前記ICタグとの通信開始時においてエレメント長が第2の長さより長い第1の長さであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のリーダライタ装置。
【請求項7】
前記エラー検出手段は、巡回冗長検査方式によりエラー検出を行うことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のリーダライタ装置。
【請求項8】
前記アンテナは、第1エレメントと、第2エレメントと、前記第1エレメントと前記第2エレメントの接続又は切断を行うためのスイッチと、を有し、
前記エレメント長調整手段は、前記エラー検出手段による検出結果に基づいて前記スイッチの切り替えを行い、前記アンテナのエレメント長の調整を行うことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のリーダライタ装置。
【請求項9】
前記アンテナは、第1エレメントと、第2エレメントと、第3エレメントと、前記第1エレメントと前記第2エレメントの接続又は前記第1エレメントと前記第3エレメントの接続を行うためのスイッチと、を有し、
前記エレメント長調整手段は、前記エラー検出手段による検出結果に基づいて前記スイッチの切り替えを行い、前記アンテナのエレメント長の調整を行うことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のリーダライタ装置。
【請求項10】
前記スイッチは、前記第1エレメントにおける前記エレメント長調整手段と接続している側の端部又は前記接続している側と反対側の端部に設けられていることを特徴とする請求項9に記載のリーダライタ装置。
【請求項11】
ICタグが保持している情報を読み書きする際のアンテナ特性の調整方法であって、
前記ICタグへ無線により信号の送信を行う信号送信ステップと、
前記信号送信ステップで送信した信号に対する応答信号として、前記ICタグから信号を受信する信号受信ステップと、
通信経路上のエラーを検出するエラー検出ステップと、
前記エラー検出ステップによる検出結果に基づいて、エレメント長を可変に構成されたアンテナのエレメント長の調整を行うエレメント長調整ステップと、
を有することを特徴とするアンテナ特性の調整方法。
【請求項12】
ICタグが保持している情報を読み書きするリーダライタ装置に用いられるプログラムであって、
コンピュータに、
前記ICタグへ無線により信号の送信を行う信号送信処理と、
前記信号送信処理で送信した信号に対する応答信号として、前記ICタグから信号を受信する信号受信処理と、
通信経路上のエラーを検出するエラー検出処理と、
前記エラー検出処理による検出結果に基づいて、エレメント長を可変に構成されたアンテナのエレメント長の調整を行うエレメント長調整処理と、
を実行させることを特徴とするプログラム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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