JP2010114560A - 読取装置及び管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】タグが金属製筐体内部の金属壁近傍にあってもタグと通信できる読取装置を提供する。
【解決手段】複数の金属壁１０１〜１０６により構成される金属筐体１００内部のタグ１３０と無線通信を行う読取装置であって、電波の送受信を行うアンテナ１２２と、前記アンテナを介して前記タグへの情報の書き込み及び／又は前記タグからの情報の読み出しを行う通信制御装置１２１と、前記電波を反射し、前記金属壁の反射位相と異なる反射位相を有する反射板１１１、１１２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、読取装置及び管理システムに関するものである。

ＩＣチップを備えたＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグと、読み取り機（リーダ）との間で無線通信を利用して非接触のデータ通信を行うＲＦＩＤシステムが様々な分野で導入されている。ＲＦＩＤタグにはアクティブ系タグとパッシブ型タグがある。アクティブ系タグは、バッテリーを搭載し、その電力でＩＣを駆動する。また、それ自体が送信部を持つアクティブ系タグもある。一方、パッシブ型タグは、バッテリーを搭載せず、リーダからの電力を受けてＩＣを駆動し、Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ方式と呼ばれる方式により、リーダから送信された電磁波をタグで反射させて通信を行う。

近年、電磁誘導方式のＨＦ帯ＲＦＩＤに比べて通信距離が長いＵＨＦ帯やマイクロ波帯のＲＦＩＤを用いた物品管理システムが検討されている。このような物品管理システムでは、通信エリアを限定するため、金属製の棚や箱の中でリーダアンテナとＲＦＩＤタグが通信を行うことが想定される。

しかし、金属製の棚や箱の内部では、タグの位置によっては、読み取りを行うことが出来ない場合がある。例えば、タグが金属壁に近接して配置されている時、金属内では電磁波が伝搬できないため、金属壁上において、入射した電界を打ち消すような電流が誘起され、電界の接線成分が０になる。従って、金属壁近傍では、リーダから放射された電磁波の金属壁と平行な成分の電界が打ち消されるため、金属壁近傍に位置するタグの読み取りが困難になる。

また、リーダから放射された電磁波と金属壁で反射した電磁波の干渉により発生する定在波の節の位置では電界強度が低下するため、タグの読み取りが困難になる。特に、電源を内蔵しないパッシブ型のタグは、その駆動電源を確保することも困難になる。

そこで、アンテナから電波として入射される入射波の偏波面に対し、反射する電波である反射波の偏波面を異ならせる反射板をアンテナに対向配設し、この反射板がアンテナから送信される電波を無線タグ越しに反射することで、定在波を抑圧する無線通信システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、このような従来の無線通信システムでは、定在波の抑圧は可能であるが、金属壁近傍にあるタグの読み取り性能を十分に改善することが出来ないという問題があった。
特開２００７−１１６４５１号公報

本発明は、金属製筐体内部のタグの情報を読み取ることができる読取装置及び管理システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様による読取装置は、複数の金属壁により構成される金属筐体内部のタグと無線通信を行う読取装置であって、電波の送受信を行うアンテナと、前記アンテナを介して前記タグへの情報の書き込み及び／又は前記タグからの情報の読み出しを行う通信制御装置と、前記電波を反射し、前記金属壁の反射位相と異なる反射位相を有する反射板と、を備えるものである。

本発明の一態様による管理システムは、タグが貼付された物品を収納可能な複数の金属壁からなる金属筐体と、電波の送受信を行うアンテナと、前記アンテナを介して前記タグへの情報の書き込み及び／又は前記タグからの情報の読み出しを行う通信制御装置と、前記金属筐体内部の少なくとも１つの前記金属壁上に設けられ、前記電波を反射し、前記金属壁の反射位相と異なる反射位相を有する反射板と、を備えるものである。

本発明によれば、金属製筐体内部のタグの情報を読み取ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１（ａ）に本発明の第１の実施形態に係る管理システムの概略構成を示す。管理システムは金属筐体１００及び読取装置を備える。読取装置は反射板１１１、１１２、及びタグリーダ１２０を有する。金属筐体１００は６つの金属壁１０１〜１０６からなる。なお、ここでは説明のため、金属筐体１００の内部が見えるように、図中手前側に位置する金属壁１０５については図示しないが、実際は図１（ｂ）に示すように６面が金属壁１０１〜１０６に覆われた構成となっている。

金属筐体１００にはタグ１３０が貼付された物品１４０が収納されている。タグ１３０にはタグ固有の識別情報（ＩＤ）や物品１４０についての情報等が書き込まれている。タグ１３０は、アクティブ系タグ、パッシブ型タグどちらでもよい。

金属筐体１００内部において、互いに対向する金属壁１０１、１０２には反射板１１１、１１２が設けられている。反射板１１１、１１２は金属とは異なる反射位相を有し、磁気壁特性を実現するものである。反射板１１１、１１２の構成については後述する。

タグリーダ１２０は通信制御装置１２１及びアンテナ１２２を有する。金属筐体１００内部において、通信制御装置１２１はアンテナ１２２を介してタグ１３０へ電波を送信し、タグ１３０からの情報の読み出しや、タグ１３０への情報の書き込み等を行う。アンテナが送受信する電波の周波数帯は例えばＵＨＦ帯やマイクロ波帯である。ＵＨＦ帯やマイクロ波帯は通信距離が長く、金属製の筐体にすることで通信エリアを限定できる。

次に、アンテナ１２２からの電波送信に伴い金属筐体１００内に発生する電界について説明する。図２に示すように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定する。すなわち、金属壁１０１、１０２がｙｚ平面と平行になり、金属壁１０３、１０４がｘｚ平面と平行になり、金属壁１０５、１０６がｘｙ平面と平行になる。また、金属壁１０１と金属壁１０２との距離をＬ、金属壁１０１のｘ軸方向の座標をＬｍｉｎ、金属壁１０２のｘ軸方向の座標をＬｍａｘとする。図２において破線で示すｘｚ平面に平行な面における電界について説明する。なお、簡単のため、反射板１１１、１１２の位置は金属壁１０１、１０２と同じであり、反射位相は０度とする。

図３に金属筐体１００内で発生する電界強度Ｅの分布を示す。ここでは３次のモードまで考えることにする。

図３（ａ）は距離Ｌが

を満たす場合であり、基本（１次）モードのみが存在する。なお、ここでｆ_ｃは遮断（Cut Off）周波数を表し、ｃは光速を表す。従って、ｃ／ｆ_ｃは遮断周波数に対応する自由空間波長（遮断波長）となる。また、

は基本モードでの遮断波長を示し、

は２次モードでの遮断波長を示す。

図３（ｂ）は距離Ｌが

を満たす場合であり、基本モード及び２次のモードが存在する。ここで

は３次モードでの遮断波長を示す。この時、電界は、基本モードと２次のモードとの重ね合わせになる。

図３（ｃ）は距離Ｌが

を満たす場合であり、３次のモードまで存在する。電界は基本モード、２次モード、及び３次モードの重ね合わせになる。

図３（ａ）〜（ｃ）から分かるように、反射板１１１、１１２の反射移相が０度であることにより、Ｌｍｉｎ、Ｌｍａｘ（金属壁１０１、１０２の位置）において電界の打ち消しが起こらず、電界強度は弱まらない。

続いて、磁気壁特性を実現する反射板１１１（１１２）の構造について説明する。図４は反射板１１１の上面を示し、図５（ａ）は図４におけるＡ−Ａ線に沿った断面を示す。

反射板１１１は、接地板１５１、接地板１５１上にマトリクス状に設けられた金属パッチ１５２、接地板１５１と金属パッチ１５２との間に設けられた誘電体１５３、及び金属パッチ１５２の略中心部に設けられた誘電体１５３を貫通するビア１５４を有する。金属パッチ１５２には例えば銅を用いる。また、誘電体１５３には例えばテフロン（登録商標）を用いる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す反射板１１１断面の一部の模式図である。図５（ｂ）に示すように、隣接する金属パッチ１５２の近接する部分には高周波電流により電荷がたまりやすく、容量Ｃの等価回路と考えることができる。

また、容量Ｃに対向する接地板１５１を通る経路は位相の変化が発生するので、インダクタンスＬの等価回路と考えることができる。

従って、反射板１１１はＬＣ共振器となり、接地板１５１に平行な方向に反共振を起こす周波数帯が存在する。そのような周波数帯では、インピーダンスが極めて大きくなり、高周波電流の発生が抑制され、反射位相が０度に近い値となる。

反射板１１１における周期構造の１周期のみの構造をモデル化し、周期境界条件により無限の周期構造で平面波を垂直入射させた時のマッシュルーム表面での反射位相特性のシミュレーション結果を図６に示す。ここでは、金属パッチ１５２のサイズ（幅）を３６ｍｍ、金属パッチ間の間隔（ギャップ）を２．０ｍｍ、誘電体の誘電率を１０、誘電体の厚さを５．０ｍｍ、ビアの半径を０．２５ｍｍとした。

図６の実線が図４及び図５に示すような構造の反射板１１１の反射位相特性を示す。この図からわかるように、反射板１１１は反射位相０度、すなわちＡＭＣ（Artificial Magnetic Conductor：人工磁気導体）特性を得ることができる。

この反射位相特性は、金属パッチサイズ、隣接する金属パッチ間のギャップ、誘電体１５３の誘電率、厚さ等によって任意の周波数に合わせて設計できる。従って、動作周波数付近でＡＭＣ特性が得られるように設計することが可能である。

反射板１１１が完全磁気壁となるのは、反射位相が０度の時であるが、反射位相θが−９０度≦θ≦＋９０度の範囲であれば概ね同相反射となるため、反射板１１１が設けられた金属壁１０１近傍での電界の打ち消しが抑制される。従って、反射板１１１の設計の際は、動作周波数において反射位相が±９０度の範囲となるように設計することが好適である。

なお、図６の破線は、反射板１１１が、図７及び図８に示すようなビア１５４を設けない構造の場合の反射位相特性のシミュレーション結果を示す。図８は図７に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図６から分かるように、ビアの有無によらず、反射位相特性はほぼ同じになる。従って、反射板１１１にはビア１５４を設けなくてもよい。

このような構造の反射板１１１、１１２を金属筐体１００内部の対向する金属壁１０１、１０２に設けることで、図３に示すように、各モードの電界強度のヌル（ＮＵＬＬ）の位置が異なり、タグ１３０が金属壁１０１、１０２の近傍を含め金属筐体１００内のどこに位置していても十分な電界強度となるため、タグ１３０の情報を読み取ることができる。

（比較例）比較例による管理システムの概略構成を図９に示す。管理システムは、金属筐体９００及びタグリーダ９２０を備える。金属筐体９００は６つの金属壁９０１〜９０６からなる。金属筐体９００にはタグ９３０が貼付された物品９４０が収納されている。上記第１の実施形態と異なり、金属壁には反射板１１１が設けられていない。図１（ａ）と同様に図中手前側に位置する金属壁９０５については図示していない。

タグリーダ９２０は通信制御装置９２１及びアンテナ９２２を有する。金属筐体９００内部において、通信制御装置９２１はアンテナ９２２を介してタグ９３０へ電波を送信し、タグ９３０からの情報の読み出しを行う。

次に、アンテナ９２２からの電波送信に伴い金属筐体９００内に発生する電界について説明する。図９に示すように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定する。すなわち、金属壁９０１、９０２がｙｚ平面と平行になり、金属壁９０３、９０４がｘｚ平面と平行になり、金属壁９０５、９０６がｘｙ平面と平行になる。

上記第１の実施形態と同様に、金属壁９０１と金属壁９０２との距離をＬ、金属壁９０１のｘ軸方向の座標をＬｍｉｎ、金属壁９０２のｘ軸方向の座標をＬｍａｘとする。図９において破線で示すｘｚ平面に平行な面における電界について説明する。

図１０に金属筐体９００内で発生する電界の強度分布を示す。ここでは３次のモードまで考えることにする。図１０（ａ）は距離Ｌが

を満たす場合であり、基本（１次）モードのみが存在する。図１０（ｂ）は距離Ｌが

を満たす場合であり、基本モード及び２次のモードが存在する。電界は、基本モードと２次のモードとの重ね合わせになる。図１０（ｃ）は距離Ｌが

を満たす場合であり、３次のモードまで存在する。電界は基本モード、２次モード、及び３次モードの重ね合わせになる。

図１０から分かるように、いずれのモードでもＬｍｉｎ、Ｌｍａｘ（金属壁９０１、９０２の位置）における電界は０となる。金属壁では反射位相が約１８０度であり、金属壁近傍で電界が打ち消し合うためである。そのため、タグアンテナの電界が金属壁に平行であり、タグが金属壁近傍に位置している時は、タグリーダ９２０はタグ９３０と通信不能となる。

これに対し、上記第１の実施形態では、金属筐体の金属壁に磁気壁特性を実現する（金属壁と反射位相が異なる）反射板を設けることで、金属壁近傍における電界の打ち消しを抑制し、タグが金属壁近傍に位置している時でも、タグリーダはタグと通信を行うことができる。

反射板１１１は図４や図７に示すような構造に限定されず、磁気壁特性を実現するものであればよく、例えば透磁率が１より大きい値を持つ磁性体材料により構成し得る。

上記第１の実施形態では金属壁１０１、１０２に反射板を設けていたが、物品収納時のタグの向きに応じて、金属壁１０１〜１０６の任意の金属壁に反射板を設け得る。

上記第１の実施形態では金属筐体１００は６つの金属壁１０１〜１０６により構成されていたが、図１１に示すように、１つの金属壁、例えば金属壁１０５、を設けず、１面を開放した構成にしてもよい。

このような構成にすることで、金属筐体１００外部のアンテナ１２２から発生する電磁波により、金属筐体１００に収納された物品１４０に貼付されたタグ１３０の情報を読み取ることができる。

図１１では金属壁１０１、１０２に反射板１１１、１１２を設けていたが、例えば金属筐体１００が、図１２に示すように、タグ１３０が貼付された書類（又は本）１４１を並べて収納し、タグ１３０の電界がｚ軸に平行となる場合、読取装置がさらに反射板１１３を有し、この反射板１１３を金属壁１０６に設けることが好適である。

また、物品収納時のタグの向きがある程度限定できるなら反射板を設ける面（金属壁）をタグの電界と平行な面に限定できるが、金属筐体の内部でタグの向きがランダムに配置される場合は、図１３に示すように、全ての面に反射板を設けることが好適である。すなわち読取装置は金属筐体の全ての面に対応する反射板を有するものとなる。

（第２の実施形態）図１４に本発明の第２の実施形態に係る管理システムの概略構成を示す。管理システムは、金属筐体２００及び読取装置を備える。読取装置は反射板２１１、２１２、及びタグリーダ２２０を有する。金属筐体２００は６つの金属壁２０１〜２０６からなる。ただし、図１（ａ）と同様に図中手前側の金属壁２０５については図示しない。

金属筐体２００にはタグ２３０が貼付された物品２４０が収納されている。タグ２３０にはタグ固有の識別情報（ＩＤ）や物品２４０についての情報等が書き込まれている。タグ２３０は、アクティブ系タグ、パッシブ型タグどちらでもよい。

金属筐体２００内部において、互いに対向する１組の金属壁２０１、２０２には反射板２１１、２１２が設けられている。反射板２１１、２１２は上記第１の実施形態における反射板１１１、１１２と同様の構成のものであり、説明を省略する。

タグリーダ２２０は通信制御装置２２１と、互いに異なる位置に配置された２つのアンテナ２２２、２２３とを有する。通信制御装置２２１は、金属筐体２００内部において、アンテナ２２２、２２３を介してタグ２３０へ電波を送信し、情報の読み取りを行う。この時、通信制御装置２２１はダイバーシティ受信を行う。すなわち、アンテナ２２２、アンテナ２２３のうち受信状態の良いアンテナを選択してタグ２３０から送信されたデータを受信する。

このように、異なる位置に２つのアンテナを設置することで、さらに効率良くタグと通信を行うことができる。

アンテナは２つでなく、３つ以上でもよい。また、反射板は１組の対向する金属壁２１１、２１２だけでなく、他の金属壁に設けるようにしてもよい。また、通信制御装置２２１は金属筐体２００の内部、外部どちらにあってもよい。また、金属筐体内部の互いに対向する反射板の間の電界強度に２つ以上のモードが発生する場合、各モードのヌルとなる位置にアンテナを配置するようにしてもよい。

（第３の実施形態）図１５に本発明の第３の実施形態に係る管理システムの概略構成を示す。管理システムは複数段の収納部を有する金属製の棚であり、複数の棚板３０１、３０２、・・・と、各段の側壁に設けられた反射板３１１、棚の上部に設置された通信制御装置３２１、及び各反射板３１１上に配置されたアンテナ３２２を有する読取装置と、を備える。各段の収納部にはタグ３３０が貼付された物品（例えば書類）３４０が収納される。通信制御装置３２１は各段のアンテナ３２２に接続されている。

反射板３１１は上記第１の実施形態における反射板１１１と同様のものである。通信制御装置３２１及びアンテナ３２２は棚の各段において、上記第２の実施形態と同様にダイバーシティ受信を行う。

側壁部に反射板３１１を設けていることで、側壁近傍における電界の打ち消しが抑制されるため、側壁近傍に位置するタグの情報についても読み取ることができる。また、各段の両側壁部にアンテナを設けてダイバーシティ受信を行うことで、効率良くタグと通信を行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る管理システムの概略構成図である。 同第１の実施形態に係る金属筐体の対向する金属壁の空間座標を説明する図である。 同第１の実施形態に係る金属筐体における電界強度分布図である。 同第１の実施形態に係る反射板の上面図である。 同第１の実施形態に係る反射板の断面図である。 同第１の実施形態に係る反射板の反射位相特性を示すグラフである。 変形例による反射板の上面図である。 変形例による反射板の断面図である。 比較例による管理システムの概略構成図である。 比較例による金属筐体における電界強度分布図である。 変形例による管理システムの概略構成図である。 反射板の配置例を示す図である。 反射板の配置例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る管理システムの概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る管理システムの概略構成図である。

符号の説明

１００ 金属筐体
１０１〜１０６ 金属壁
１１１、１１２ 反射板
１２０ タグリーダ
１２１ 通信制御装置
１２２ アンテナ
１３０ タグ

Claims (19)

1. 複数の金属壁により構成される金属筐体内部のタグと無線通信を行う読取装置であって、
   電波の送受信を行うアンテナと、
   前記アンテナを介して前記タグへの情報の書き込み及び／又は前記タグからの情報の読み出しを行う通信制御装置と、
   前記電波を反射し、前記金属壁の反射位相と異なる反射位相を有する反射板と、
   を備える読取装置。
2. 複数個の前記反射板を備えることを特徴とする請求項１に記載の読取装置。
3. 前記反射板は、
   接地板と、
   前記接地板上に設けられた誘電体と、
   前記誘電体上にマトリクス状に複数設けられた金属板と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の読取装置。
4. 前記反射板は、前記金属板と前記接地板との間に形成されたビアをさらに有することを特徴とする請求項３に記載の読取装置。
5. 前記反射板は、磁性体材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の読取装置。
6. 複数個の前記アンテナを備え、前記通信制御装置はダイバーシティ受信を行うことを特徴とする請求項１に記載の読取装置。
7. 前記アンテナが送受信する電波の周波数帯はＵＨＦ帯又はマイクロ波帯であることを特徴とする請求項１に記載の読取装置。
8. 前記反射板の反射位相は、−９０度以上、＋９０度以下の範囲に含まれることを特徴とする請求項１に記載の読取装置。
9. タグが貼付された物品を収納可能な複数の金属壁からなる金属筐体と、
   電波の送受信を行うアンテナと、
   前記アンテナを介して前記タグへの情報の書き込み及び／又は前記タグからの情報の読み出しを行う通信制御装置と、
   前記金属筐体内部の少なくとも１つの前記金属壁上に設けられ、前記電波を反射し、前記金属壁の反射位相と異なる反射位相を有する反射板と、
   を備える管理システム。
10. 前記反射板は、
    接地板と、
    前記接地板上に設けられた誘電体と、
    前記誘電体上にマトリクス状に複数設けられた金属板と、
    を有することを特徴とする請求項９に記載の管理システム。
11. 前記反射板は、前記金属板と前記接地板との間に形成されたビアをさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の管理システム。
12. 前記反射板は、磁性体材料で形成されることを特徴とする請求項９に記載の管理システム。
13. 複数個の前記アンテナを備え、前記通信制御装置はダイバーシティ受信を行うことを特徴とする請求項９に記載の管理システム。
14. 前記複数の金属壁のうち少なくとも２つの金属壁は互いに対向しており、この対向する２つの金属壁の各々に前記反射板が設けられることを特徴とする請求項９に記載の管理システム。
15. 前記金属筐体は、５つの金属壁を有し、１面が開放された６面体構造をなしており、第１の金属壁と第２の金属壁が互いに対向し、第３の金属壁と第４の金属壁が互いに対向し、第５の金属壁の対向面が開放されており、前記第１の金属壁上及び前記第２の金属壁上に前記反射板が設けられることを特徴とする請求項９に記載の管理システム。
16. 前記第５の金属壁上に前記反射板が設けられることを特徴とする請求項１５に記載の管理システム。
17. 前記第３の金属壁上及び前記第４の金属壁上に前記反射板が設けられることを特徴とする請求項１６に記載の管理システム。
18. 前記アンテナを２個備え、第１のアンテナは前記第１の金属壁上の前記反射板上に設けられ、第２のアンテナは前記第２の金属壁上の前記反射板上に設けられ、前記通信制御装置はダイバーシティ受信を行うことを特徴とする請求項１５に記載の管理システム。
19. 前記金属筐体は、６つの金属壁を有し、６面体構造をなしており、少なくとも１組の互いに対向する２つの金属壁の各々に前記反射板が設けられることを特徴とする請求項９に記載の管理システム。

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