JP2010021617A - 電磁波出力回路及び無線タグ用通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波を利用した非接触ＩＣタグのリーダライタ装置に係り、一定電圧下で周波数の変動に対して一定強度の電界を発生させることを課題とする。
【解決手段】一定電圧で第一の周波数と第二の周波数を含む周波数範囲で変化する交流電流を発生させる可変周波数定電圧発振器３と、交流電流の入力により、電磁波を発生させるアンテナ５の間の回路上に、第一の周波数と第二の周波数でアンテナの出力電磁波の電界強度を同一あるいは略同一にさせる抵抗素子４を設ける。定電圧制御回路２は、レベル設定基準電圧源２１と、レベル検出回路２２と、比較器２３からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を利用した非接触ＩＣタグのリーダライタ装置に係り、一定電圧下で周波数の変動に対して一定強度の電界を発生させる技術に関する。

電磁波を利用した非接触ＩＣタグは、所定の共振周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）で動作するＩＣチップ及びアンテナコイルを有しており、リーダライタ装置は、当該周波数の電磁波を送信するように構成されている。

タグの使用態様によっては、複数の非接触ＩＣタグが接近した状態、あるいは重なった状態で読み取り動作を行わなければならないことがある。このように接近した状態、あるいは重なった状態の非接触ＩＣタグは、アンテナコイル同士の相互誘導作用によりインダクタンスが変化し、共振周波数が低下する。そのため、所定周波数の電磁波を受信しても、ＩＣタグとして動作するために必要な電力を得ることができず、通信が不能になることがある。

共振周波数が低下した非接触ＩＣタグを読み取るためには、リーダライタ装置が、所定周波数よりも低い周波数の範囲も含めて、送信周波数を繰り返し変化（スイープ）させる方法が考えられる。このように、送信周波数を変化させれば、低下した周波数でも通常と同様に十分な電力を供給することができる。

しかし、電波法で定められた所定の周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）で許容されている出力レベルを、所定の周波数以外の範囲で出力することは認められていない。従って、リーダライタ装置が、従来の出力レベルのまま送信周波数を変化させることは法的に許されない。

所定の周波数よりも低い周波数を含めた範囲で通信を行うためには、リーダライタ装置の出力レベルを微弱電波として許容される電界強度の範囲に抑えなければならない。図６に示すように、周波数が１０ｋＨｚ〜３２２ＭＨｚの範囲においては、３ｍの距離で５００μＶ／ｍまでの低出力が許されているに過ぎないので、リーダライタ装置の出力を許容範囲の上限に近い出力レベルを維持するように制御することが望ましい。

ところが、リーダライタ装置で用いているアンテナは数ターンのコイルアンテナであることが多いので、そのようなアンテナの特性によると、単純な構造のまま一定電圧で出力する電磁波の周波数を変更させた場合に、それに応じて出力レベルが変動してしまうことになる。具体的には、低周波数域よりも高周波数域において電界強度が低くなる。そのため、低下した共振周波数域における読取性能を考慮して低周波数域での許容範囲の上限の出力レベルを得るように電圧を設定すると、同じ電圧のままで高周波数域に周波数を高めたときに、許容範囲の上限に及ばない低いレベルの出力しかえられないことになり、所定の共振周波数における通常の通信時にＩＣタグの動作に必要な電力を供給できないおそれが生じる。一方、所定の共振周波数における出力レベルを許容範囲の上限に合わせるように電圧を設定すると、低周波数域で法定の出力基準を超えてしまうことになる。

周波数を変更した場合の電界強度の変動を調整する方法として、周波数に応じて電圧を調節することが考えられる。つまり、高周波数域では電圧が高くなるように制御することにより、電界強度を一定に保つことができる。但し、周波数に応じて電圧を制御するためには、レベルモニターや可変ゲインアンプを備えた複雑かつ高価な構成となる。図７に、レベルモニターをＣＰＵで監視し、可変ゲインアンプを制御する構成となっている比較例を示す。
特開２００７−１９３７８５号公報 特開平１０−１４５９８７号公報

そこで、本発明は、このような問題を解決することを主な目的とし、出力する電磁波の周波数を変更させながらＩＣタグと通信するリーダライタ装置において、一定電圧の電源によっても周波数域によらず一定の電界強度を得る制御を、単純かつ安価な回路構成により実現することを課題とする。

本発明に係る電磁波出力回路は、以下の要素を有することを特徴とする。
（１）一定電圧で第一の周波数と第二の周波数を含む周波数範囲で変化する交流電流を発生させる可変周波数定電圧発振器
（２）交流電流の入力により、電磁波を発生させるアンテナ
（３）可変周波数定電圧発振器とアンテナの間の回路上に設けられた抵抗素子。

更に、前記抵抗素子は、前記可変周波数定電圧発振器が前記一定電圧で前記第一の周波数の交流電流を発生させたときの前記アンテナの出力電磁波の電界強度と、前記可変周波数定電圧発振器が前記一定電圧で前記第二の周波数の交流電流を発生させたときの前記アンテナの出力電磁波の電界強度とが同一あるいは略同一となる抵抗値を有することを特徴とする。

更に、前記周波数範囲は、２〜１４ＭＨｚであり、前記アンテナがループ状のコイルアンテナであることを特徴とする。

更に、前記可変周波数定電圧発振器から発生される電圧を制御するための定電圧制御回路を有し、当該定電圧制御回路が電圧レベルを検出するレベル検出回路と、基準となる電圧を発生させるレベル設定基準電圧源と、電圧レベルを比較する比較器から構成されることを特徴とする。

更に、本発明に係る無線タグ用通信装置は、電磁波出力回路と、無線タグに送信する情報を当該電磁波出力回路に入力する演算装置と、無線タグから返信された情報を受け取る受信回路を有することを特徴とする。

本発明によれば、アンテナに対して直列に抵抗を設けることにより、低周波数域における電流増加を抑えることにより、一定電圧源での駆動においても電界出力を一定化することができる。

特に無線タグ用通信装置として、複数のスイープされた周波数（例えば、２〜１４ＭＨｚの周波数範囲）の一定の電界強度を有する電波を送信することができるので、重ねられた状態で共振周波数が低下した複数の無線タグを読み取ることができる。しかも出力する電波の電界強度を所望の値に制御することができるので、電波法等で定められた範囲において最大限の効果を発揮するように運用することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の電磁波出力回路の構成の一例を示す図である。電磁波出力回路は、可変周波数定電圧発振器３と、抵抗素子４、及びアンテナ５から構成され、さらに演算装置（ＣＰＵ）１と、定電圧制御回路２を設けることが好ましい。本発明では、アンテナ５と可変周波数定電圧発振器３の間に所定抵抗値の抵抗素子４を設ける。このように、アンテナ５と直列に抵抗素子４を設けることにより、定電圧の交流電流が広い周波数域で変化しても、アンテナ５から出力される電界強度を一定に保つことができる。

可変周波数定電圧発振器３は、周波数が変化した場合でも一定の電圧の交流電流を発生させる発振器である。

アンテナ５は、入力された電流により電磁波を発生させるアンテナであり、例えば八木アンテナ、ダイポールアンテナ、ループ状のコイルアンテナ等を例示することができる。その中でもコイルアンテナが好ましく、導電性の材料をらせん状に巻き回されたループ形状で構成され、巻き回数は出力する電磁波の周波数により適宜選択すればよい。コイルアンテナを構成する導電性の材料としては、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル等の金属からなる導線、箔膜、それら金属粒子を含む導電性ペーストなどを挙げることができる。前記導電性の材料を用いて、コイルアンテナを作成する方法としては、導線を用いる場合にはループ状に巻き返せばよく、箔膜を用いる場合には所望のループ状になるように余分な箔膜をエッチング処理により除去すればよく、導電性ペーストを用いる場合にはグラビア印刷、スクリーン印刷、フレキソ印刷、インクジェット印刷等によりループ状に印刷すればよい。

演算装置（ＣＰＵ）１は、スイープさせる周波数の値を可変周波数定電圧発振器３に与える。定電圧制御回路２は、可変周波数定電圧発振器３から出力される交流電圧を一定に保つための定電圧生成回路であり、レベル設定基準電圧源２１とレベル検出回路２２と比較器２３からなる。レベル設定基準電圧源２１は、電圧レベルを設定する際の基準となる電圧を生じさせる。レベル検出回路２２は、可変周波数定電圧発振器３から出力される交流電流の電圧レベルを検出する回路である。比較器２３は、レベル設定基準電圧源２１から基準電圧レベルを入力し、レベル検出回路２２より検出電圧レベルを入力し、両電圧レベルを比較し、可変周波数定電圧発振器３から出力された電圧が基準電圧と一致するように可変周波数定電圧発振器３を制御する。

ここで、抵抗素子４を可変周波数定電圧発振器３とアンテナ５の間の回路上に設けることにより、一定電圧下で周波数の変化に対して電界強度を一定に保つ理論について説明する。

図２は、電磁場の位置関係を示す図である。コイルアンテナの中心を原点とし、コイルアンテナに垂直な軸方向にｚ軸を設け、ｚ軸と直交する平面上に互いに直角をなすｘ軸とｙ軸を設ける。

コイルアンテナのループ断面積をＳ［ｍ²］で示し、アンテナ電流をＩ［Ａ］で示す。

電界及び磁界を示す基準点は、原点からの距離ｒ［ｍ］、原点から基準点へのベクトルがｚ軸となす角θ、当該ベクトルのｘｙ平面への垂線の足と原点の線分がｙ軸となす角φにより特定される。

以下に電界計算式を示す。

ここで、Ｅ［Ｖ／ｍ］は、ｒ方向の磁界にＺ₀を乗じて求める電界である。
Ｈ_r［Ａ／ｍ］は、ｒ方向の磁界である。
ｆ［Ｈｚ］は、交流電流の周波数である。
Ｚ₀は、自由空間特性インピーダンスである。

以下に磁界計算式を示す。

ここで、ｋ（ｆ）は、伝搬係数であり、ｊは、虚数である。

ここで、λ₀（ｆ）は、波長［ｍ］である。

ここで、ｃ₀は、真空中の光速度である。

基準点を固定して周波数の変化のみに着目すると、電界は周波数ｆと電流Ｉを変数とするＥ（ｆ，Ｉ）としてとらえることができる。

コイル特性を無視して、周波数が変化してもアンテナ電流Ｉを一定であると仮定すると、数１より周波数ｆが高くなると電界Ｅが高くなる傾向にある（高磁界化傾向、図３（イ）参照）。

しかし、抵抗を設けない従来の技術においては、実際には以下のアンテナ電流計算式（抵抗無し）に示すように、周波数ｆが高くなるとアンテナ電流Ｉは低くなる。

ここで、Ｖ_rmsは、交流電流の実効電圧であり、Ｚ_L（ｆ）は、アンテナのインピーダンスであり、Ｌは、アンテナのインダクタンスである。

また、数１の電界計算式によると、電圧を一定にするとアンテナ電流Ｉが低くなると電界Ｅが低くなる傾向にある。つまり、数５を数１に代入すると周波数域が高くなると電界が低くなる傾向がある（低磁界化傾向、図３（ロ）参照）。

抵抗を設けない回路では、前述の高周波数域における高磁界化傾向と低磁界化傾向が相殺しつつも、低磁界化傾向の影響により全体としては低磁界化傾向を示す。

本発明では、低磁界化傾向を弱め、高磁界化傾向との相殺による磁界の一定化を図る。本発明で設ける抵抗Ｒは、低磁界化傾向を弱めるように作用する。

本発明の構成の回路におけるアンテナ電流計算式（抵抗有り）を、以下に示す。

この式によると、周波数ｆが高くなるとアンテナ電流Ｉが低くなり、高周波数域における低下電流化傾向は弱まる。その結果、高周波数域における低磁界化傾向も弱まることになる。

上述の傾向を検証する。ループ断面積Ｓ［ｍ²］＝０．０００６２４、距離ｒ［ｍ］＝３、角度θ［ｄｅｇ］＝０、スイープさせる周波数ｆ［ＭＨｚ］＝１．０，１．１，１．２，・・・，２０．０、自由空間特性インピーダンスＺ₀[Ω]＝３７６．７３、真空中の光速度Ｃ₀[ｍ／ｓｅｃ]＝２．９９８×１０⁸、アンテナ電圧Ｖ_rms［Ｖ］＝２．２６３、アンテナのインダクタンスＬ［μＨ］＝１として計算した電界強度Ｅの変化を図３（ロ）に示す。ｆ_s＝１ＭＨｚ（低周波数域の例）時の交流電流で、抵抗を設けない回路による電界強度Ｅ_sが６２３６［μＶ／ｍ］であり、同じくｆ_s＝２０ＭＨｚ（高周波数域の例）時の交流電流で、電界強度Ｅ_eが５００［μＶ／ｍ］となる。

本発明では、一定電圧下で、低周波数域と高周波数域において同じ電界強度になるように抵抗を設ける。以下、その抵抗値を算出する手順について説明する。
（１）電界計算式に基づいて、一定電圧下の低周波数域と高周波数域の交流電流で、抵抗を設けない回路から同じ電界強度を得るための各周波数域でのアンテナ電流値を算出し、低周波数域から高周波数域へ移行した場合のアンテナ電流の変化比を求める。
（２）一定電圧下で、当該アンテナ電流の変化比となる、抵抗を設けた回路の全体インピーダンスの比を算出する。
（３）当該インピーダンス比を実現する抵抗値Ｒを算出する。

前述の条件で実際に算出した例を示す。
（１）ｆ_s＝１ＭＨｚ（低周波数域の例）時の交流電流で、抵抗を設けない回路による電界強度Ｅ_sが５００［μＶ／ｍ］となる条件により、電界計算式とアンテナ電流計算式によりアンテナ電流値を算出するとＩ_s＝−０．３６ｉとなる。また、ｆ_e＝２０ＭＨｚ（高周波数域の例）時の交流電流で、同様に電界強度Ｅ_eが５００［μＶ／ｍ］となる条件により、アンテナ電流値を算出するとＩ_e＝−０．２２５ｉとなる。従って、１ＭＨｚから２０ＭＨｚへ周波数を変化させた場合のアンテナ電流の変化比は、Ｉ_s／Ｉ_e＝１．６０３となる。
（２）以下の式に従って、インピーダンス比Ｋ＝Ｚ_e／Ｚ_s＝１．６０３となる。

（３）それぞれのインピーダンスを以下の式で算出する。

以下の式に従って、抵抗値Ｒ＝９９．８９となる。尚このとき、Ｚ_s＝１００．１７８、Ｚ_e＝１６０．５８５となる。

上述の手順で求めた抵抗値を用いて、電界強度が５００［μＶ／ｍ］に近づくようにアンテナ電圧を求めると、Ｖ_rms［Ｖ］＝３６．０６となる。このアンテナ電圧による各電界強度を改めて算出すると、１ＭＨｚの交流電流で、抵抗を設けた回路による電界強度Ｅ_sが４９９．９２３８４となり、２０ＭＨｚの交流電流で、抵抗を設けた回路による電界強度Ｅ_sが５００．０７４６３となり、ほぼ一定となることが証明された。この周波数範囲での電界強度を図４に示す。電界強度の変化は、ごく微小であることがわかる。

図５に本発明の無線タグ用通信装置の一例を示す。本発明の無線タグ用通信装置は、可変周波数定電圧発振器３と抵抗素子４とアンテナ５を有する電磁波出力回路と、演算装置（ＣＰＵ）１と、受信回路６から構成される。さらに定電圧制御回路２を設けることが好ましい。

次に本発明の無線タグ用通信装置の操作について説明する。出力する電圧と周波数と無線タグに送信する情報を、演算装置（ＣＰＵ）１から可変周波数定電圧発振器３に入力する。可変周波数定電圧発振器３から、無線タグに送信する情報を伴った入力された電圧と周波数を有する電流が発生され、抵抗素子４を介して、アンテナ５に電流が送られる。アンテナ５に電流が流れると、無線タグに送信する情報を伴った一定の電界強度を有する電波が無線タグに向けて発信される。無線タグから返信された情報を伴った電波をアンテナ５で受けて、受信回路６で受信する。受信回路６から受信した情報を演算装置（ＣＰＵ）１に入力し、演算装置（ＣＰＵ）１で無線タグから返信された情報を判断し、記録して管理する。次に可変周波数定電圧発振器３に入力する周波数をスイープさせて同様に操作する。その場合でもアンテナから発振される電界強度は周波数をスイープさせる前とほぼ同様の強度に抑えることができる。

本発明の無線タグ用通信装置は、複数のスイープされた周波数（例えば、２〜１４ＭＨｚの周波数範囲）において一定の電界強度を有する電波を送信することができるので、重ねられた状態で共振周波数が低下した複数の無線タグを読み取ることができる。しかも出力する電波の電界強度を所望の値に制御することができるので、電波法等で定められた範囲において最大限の効果を発揮するように運用することができる。

本発明の電磁波出力回路の構成を示す図である。 電磁場の位置関係を示す図である。 （イ）抵抗を設けない回路で、一定電流の交流電流の周波数を変化させた場合の電界強度の変化と（ロ）抵抗を設けない回路で、一定電圧の交流電流の周波数を変化させた場合の電界強度の変化を示す図である。 本発明の電磁波出力回路で、一定電圧の交流電流の周波数を変化させた場合の電界強度の変化を示す図である。 本発明の無線タグ用通信装置の一例を示す図である。 交信距離３ｍにおける微弱電波の規格を示す図である。 比較構成例を示す図である。

符号の説明

１ 演算装置（ＣＰＵ）、２ 定電圧制御回路、３ 可変周波数定電圧発振器、４ 抵抗素子、５ コイルアンテナ、６ 受信回路、２１ レベル設定基準電圧源、２２ レベル検出回路、２３ 比較器。

Claims (5)

1. 以下の要素を有することを特徴とする電磁波出力回路
   （１）一定電圧で第一の周波数と第二の周波数を含む周波数範囲で変化する交流電流を発生させる可変周波数定電圧発振器
   （２）交流電流の入力により、電磁波を発生させるアンテナ
   （３）可変周波数定電圧発振器とアンテナの間の回路上に設けられた抵抗素子
2. 前記抵抗素子は、前記可変周波数定電圧発振器が前記一定電圧で前記第一の周波数の交流電流を発生させたときの前記アンテナの出力電磁波の電界強度と、前記可変周波数定電圧発振器が前記一定電圧で前記第二の周波数の交流電流を発生させたときの前記アンテナの出力電磁波の電界強度とが同一あるいは略同一となる抵抗値を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波出力回路。
3. 前記周波数範囲は、２〜１４ＭＨｚであり、前記アンテナがループ状のコイルアンテナであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波出力回路。
4. 前記可変周波数定電圧発振器から発生される電圧を制御するための定電圧制御回路を有し、当該定電圧制御回路が電圧レベルを検出するレベル検出回路と、基準となる電圧を発生させるレベル設定基準電圧源と、電圧レベルを比較する比較器から構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁波出力回路。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁波出力回路と、無線タグに送信する情報を当該電磁波出力回路に入力する演算装置と、無線タグから返信された情報を受け取る受信回路を有する無線タグ用通信装置。

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