JP2011198158A - Ｒｆｉｄタグ及びｒｆｉｄシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 金属体に埋め込まれても、リーダライタとの間で確実にデータを送受信することができるＲＦＩＤタグ及びＲＦＩＤシステムを提供する。
【解決手段】 透磁率の大きい材料から成るコアを２分割した形状のコア１２に導体から成る線材１３を巻き回してアンテナ１４を構成すると共に、ＩＣチップ１５をアンテナ１４の両端部に接続してＲＦＩＤタグ１１を構成する。リーダライタのアンテナ２４として、ＲＦＩＤタグ１１と同様、コア２２に線材２３を巻き回して構成したものを使用し、ＲＦＩＤタグ１１のコア１２の両端部と、リーダライタのアンテナ２４のコア２２の両端部の位置を合致させて対向させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導電率の高い物体（例えば金属体）や透磁率の高い物体（例えば鉄、ニッケル、コバルトや各種化合物、センダスト、カーボニル鉄、フェライト等から成る物体）に埋め込んでも、確実にデータを書き込み、又、読み取ることができるＲＦＩＤタグ及びＲＦＩＤシステムに関するものである。

近年、物品の識別、管理等において、導電性を有する金属箔や銅線等をコイル状に巻き回したアンテナにＩＣチップを装着したタグと、このＩＣチップにデータを書き込み、読み取りするリーダライタとから構成され、非接触でデータの交信を行うＲＦＩＤ ( Radio Frequency Identification ）システムが広く採用されている。

しかし、ＲＦＩＤシステムでは、ＲＦＩＤタグを導電性を有する物体や金属体、あるいは透磁率の高い物体（以降、これら全てを金属体と呼ぶ）に貼り付け、埋め込んで使用すると、タグアンテナが生成する磁束が金属体によって影響を受け、タグの感度が大幅に低下して、リーダライタとの間でデータの交信を行うことができない、あるいは通信距離が大幅に短くなるという問題点があった。
又、リーダライタのアンテナに関しても、金属体に埋め込んで使えるものや小型なものは、上記と同様な理由により実現できなかった。

そこで、このような問題点を解消すべく、金属体にスリットを形成し、タグアンテナが生成する磁束に対してショートサーキットが形成されないようにし、データの交信を行うことができるようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
又、タグと金属体の間に磁性シート（フェライトシート等）を挟む、あるいは、金属体に埋め込むタイプのタグでは、磁性体でタグを包み込む様にして金属体の影響を防ぐような工夫がなされている。

又、棒状の磁性体コアに銅線等を巻き回したタグアンテナを金属体に埋め込み、タグアンテナが生成する磁束密度を上げて、タグアンテナとリーダライタのアンテナとの結合度を高めることによりデータの交信を行うことができるようにしたものが知られている（特許文献２参照）。

特開平２００７−１６２８０５号公報 特開平２００９−２７８２９２号公報

しかし、特許文献１に記載の方法では、スリットを形成することが許されない金属体には適用することができない。
又、特許文献２に記載の方法では、金属体との間に十分なギャップが取れない場合や、磁性体コアの外径が小さい場合には、磁束密度が十分ではなく結合度が低くなり、データの交信を行うことができない。

本発明は、かかる問題点に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは、 スリットを形成することが許されない金属体であっても、ＲＦＩＤタグとリーダライタのアンテナの寸法が小さくならざるを得ない場合であっても、又、リーダライタのアンテナが同様に金属体に接するあるいは埋め込まれ、かつアンテナの寸法が小さくならざるを得ない場合であっても、リーダライタとの間で確実にデータを送受信することができるＲＦＩＤタグ及びＲＦＩＤシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のＲＦＩＤタグは、透磁率の大きい材料で作った磁気閉回路を構成する磁性体コアを２つに分割した形状を有するコアに、導体から成る線材を巻き回してアンテナを構成すると共に、ＩＣチップをアンテナの両端部に接続したことを特徴とする。
又、リーダライタのアンテナも、上記ＲＦＩＤタグと同様な構造を有することを特徴とする。

通常のＲＦＩＤシステムは図６のような構成を有している。
すなわち、離れた位置から、そして広い範囲にある、多くのＲＦＩＤタグ１０１を同時に読むという要求を満たすために、リーダライタ１１１のアンテナ１１２はある程度大きく作られている。そして、この構造のアンテナ１１２から、読み取りに必要な１３．５６ＭＨｚの磁界が自由空間に広い範囲に渡って放出される。
読取り可能範囲にＲＦＩＤタグ１０１が存在すると、リーダライタ１１１のアンテナ１１２からの磁界をＲＦＩＤタグ１０１のアンテナ１０２が受け取り、内部ＩＣ１０３の駆動電力を得るとともに、必要な処理を行い、結果のデータを、受け取った磁界を変調することにより返送する。
このシステムが有効に機能するよう、リーダライタ１１１のアンテナ回路とＲＦＩＤタグのアンテナ回路とを動作周波数である１３．５６ＭＨｚに正しく同調し、同時に整合させる回路１１３が組み込まれている。

このシステムの近傍に金属等の導電物質や磁性体がある場合に、ＲＦＩＤタグ１０１の性能が低下する原因は幾つか存在する。

第１に、近傍の導電物質がリーダライタ１１１のアンテナ１１２とＲＦＩＤタグ１０１のアンテナ１０２に対してショートサーキットを形成してしまい、アンテナ１１２の磁界を減ずるように働き、ＲＦＩＤタグ１０１への伝送エネルギが減ってしまい、感度が低下することである。
この現象を防止するには、このショートサーキットを通る磁束の数を減らすことが効果的である。
磁気シールドシートをＲＦＩＤタグ１０１と金属板の間に挟む等の対策は、このような理由による。

第２に、同調回路の近傍に導電物質や磁性体が存在すると、共振周波数がずれてしまうという問題があげられる。
電磁気学の法則から、導電物質に磁束が通ると、同調回路のインダクタンスが実質的に小さくなり、共振周波数が高くなってしまう。
反対に磁性体に磁束が通ると、透磁率に比例して磁束は増えるため、実質的なインダクタンスが大きくなり、共振周波数は低くなってしまう。
一般的に、ＲＦＩＤタグ１０１の通信距離を延ばすために、共振周波数でのＱは大きく設定されているので、周波数が一致している時には、伝送効率が高くなっているが、周波数がずれてしまうと、極端に効率が低くなり、ＲＦＩＤタグ１０１の感度が低下する。
この対策としては、金属体との間に磁性体シートを挟み金属体の影響を小さくする方法がある。この際に、磁性体によって共振周波数がずれるので、事前に共振周波数を補正する必要がある。

上記の各対策をとっても、金属体や磁性体の影響を完全に無くすことは難しく、一般的に感度は低下する。
又、以上の対策を取っても、アンテナのサイズが極端に小さかったり、金属体や磁性体との距離を十分取れない場合は、確実に動作するＲＦＩＤシステムを作ることは不可能であった。

そこで我々は、発想を変えて、磁束を金属体や磁性体に通さない方法を検討した。すなわち、リーダライタのアンテナとＲＦＩＤタグのアンテナを繋ぐ磁束を閉じ込めてしまい、周囲に漏らさないような形が取れれば、周囲の影響を全く受けることがなくなる。
電力や信号の高効率な伝達手段として、トランスやコイルが広く知られている。これらは、１次側のコイルにより発生した磁束を効率良く２次側コイルに導くために、磁束が通りやすい、つまり透磁率が空気に比べて高い珪素鋼板やフェライトコアを使って磁束を閉じ込め、効率良く伝達する仕組みである。

この仕組を応用し、リーダライタのアンテナとＲＦＩＤタグのアンテナを２つのコイルとして、磁気閉回路を構成する磁性体のコアに巻いた構造のタグシステムを考案した。
リーダライタのアンテナコイルから発生した磁束は、透磁率の大きい磁性体を使うことによって、通常の空気中で使うアンテナに比べて大きな磁束密度となり、結合係数も大きくなる。
又、この磁束は、透磁率が空気に比べて高い磁性体のコア内部に大部分が閉じ込められるため、外部への漏れ磁束が小さくなる。
このことは、すでに説明した、近傍に導電物質や磁性体がある場合のＲＦＩＤタグの性能が低下する理由である、漏れ磁束の悪影響をほぼ完全に取り除く効果がある。

同様のことがＲＦＩＤタグのアンテナにも言える。
リーダライタのアンテナコイルを巻いたコアとＲＦＩＤタグのアンテナコイルを巻いたコアとを対向させた構造にしたとしても、接触している場合は勿論、若干のギャップが有った場合でも、結合係数は下がり、共振周波数もずれるが、十分に動作可能となる。
この状態でも、コアの一端から出た磁束が空気に比べて透磁率が大きい磁性体の端面に吸い込まれるイメージとなり、漏れ磁束は十分に小さく、周囲の影響を受けないＲＦＩＤシステムとなる。

前記コアは、磁性体の粉体としてフェライト、カーボニル鉄、鉄、ニッケル、コバルト、又はそれらの化合物等の磁性材料を使用し、焼結又は成型させたものが好ましい。
コアの透磁率としては、２〜２０００であるのが好ましいが、実際的には、２〜１００であれば問題はない。

又、本発明のＲＦＩＤシステムは、リーダライタのアンテナとして、前記ＲＦＩＤタグと同様、コアに導体から成る線材を巻き回してアンテナを構成したものを使用し、前記ＲＦＩＤタグのコアの両端部と、前記リーダライタのアンテナのコアの両端部の位置を合致させて対向させたことを特徴とする。

ここで、前記ＲＦＩＤタグのアンテナと前記リーダライタのアンテナとの間隔を０〜５ｍｍに設定し、前記コアの外形を幅３〜６ｍｍ、肉厚を１〜４ｍｍに設定して、確実に動作するＲＦＩＤシステムを実現することができた。

本発明のＲＦＩＤタグは、コアの一端部から出た磁束は、対向するリーダライタのアンテナのコアの一端部に殆ど吸収され、反対側の端部から出た磁束は、対向するＲＦＩＤタグの他方のコアの他端部に殆ど吸収されるから、金属体に埋め込まれても、周囲の金属体の影響を受け難く、リーダライタのアンテナと確実に交信を行うことができる。
又、リーダライタのアンテナモジュールとＲＦＩＤタグモジュールは、耐熱性、耐薬品性及び耐水性の高い材質を選ぶことによって、医療器具に求められる洗浄、滅菌工程を繰り返し行なっても機能に影響が生じないＲＦＩＤシステムを実現することができた。

本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを金属体に埋め込んだ状態の一実施例を示す断面図である。 本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを金属体に埋め込んだ状態の他実施例を示す断面図である。 本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを金属体に埋め込んだ状態の他実施例を示す断面図である。 本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを金属体に埋め込んだ状態の他実施例を示す断面図である。 本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを歯科用ハンドピースに適用した状態を示す分解正面図である。 従来のＲＦＩＤシステムの動作を示す説明図である。

以下、本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを金属体に埋め込んだ状態の一実施例を示す断面図、図２乃至図４は、本発明のＲＦＩＤタグ及びリーダライタのアンテナを金属体に埋め込んだ状態の他実施例を示す断面図である。

本発明のＲＦＩＤタグ１１は、図１に示すように、トロイダルコアを半径方向に２分割した形状のコア１２に、導体からなる線材１３を巻き回してアンテナ１４を構成すると共に、ＩＣチップ１５を線材１３の両端部と接続したものである。

ここで、トロイダルコアとは、磁性体の粉体をリング状に焼結したものである。磁性体の粉体としては、カーボニル鉄、フェライト等の各種磁性材料を使用することができる。
トロイダルコアはリング状であり、しかも透磁率が高いので、これに導体からなる線材を巻き回してコイル状とすると、導線コイルから発生した磁束の大部分がコア内に留まり、磁束が殆どコア外に洩れることがない。

よって、図１に示すように、コア１２に導体からなる線材１３を巻き回したものを、その両端部の位置が合致するように対向させれば、一方のコア１２の一端部から放射した磁束は、対向する他方のコア２２の一端部に殆ど吸収され、他方のコア２２の他端部から放射した磁束は、対向する一方のコア１２の他端部に殆ど吸収される。

従って、本発明のＲＦＩＤタグ１１は、金属体１に埋め込まれても、周囲の金属体１の影響を受け難く、同一構造のリーダライタのアンテナ２４と確実に交信を行うことができる。

本発明のリーダライタのアンテナ２４は、図１に示すように、ＲＦＩＤタグ１１と同様、トロイダルコアを半径方向に２分割した形状のコア２２に、導体からなる線材２３を巻き回して構成したものであり、線材２３の両端は、金属体２内に形成された通孔又は空間を挿通して、リーダライタ２１のマッチング回路２５へと接続されている。

本発明のＲＦＩＤタグとして、図２に示すように、Ｃ形状のコア３２に、導体からなる線材３３を巻き回してアンテナ３４を構成すると共に、ＩＣチップ３５を線材３３の両端部と接続したＲＦＩＤタグ３１を採用してもよい。

このＲＦＩＤタグ３１に対向させるリーダライタのアンテナ４４は、図２に示すように、ＲＦＩＤタグ３１と同様、Ｃ形状のコア４２に、線材４３を巻き回して構成したものであり、線材４３の両端は、金属体２内に形成された通孔又は空間を挿通して、リーダライタ４１のマッチング回路４５へと接続されている。

本発明のＲＦＩＤタグとして、図３に示すように、Ｅ形状のコア５２に、導体からなる線材５３を巻き回してアンテナ５４を構成すると共に、ＩＣチップ５５を線材５３の両端部と接続したＲＦＩＤタグ５１を採用してもよい。

このＲＦＩＤタグ５１に対向させるリーダライタのアンテナ６４は、図３に示すように、ＲＦＩＤタグ５１と同様、Ｅ形状のコア６２に、線材６３を巻き回して構成したものであり、線材６３の両端は、金属体２内に形成された通孔又は空間を挿通して、リーダライタ６１のマッチング回路６５へと接続されている。

ここで、リーダライタのアンテナ２４単体の動作を考えると、図４に示すように、コア２２の一端から出た磁束は空気中に放出され、コア２２の他端に入ることになる。この場合、Ａの位置における磁束は、図に示すように、ほぼ水平に通ることとなり、一般的なＲＦＩＤタグをこの位置に置くと、垂直に置いたときに感度が最大となる。
一般的に、ＲＦＩＤタグは、リーダライタのアンテナと対向して水平に置いたときに通信距離は最大となり、垂直に置くと感度はほぼ０となって、通信することができない。

本発明のリーダライタのアンテナ２４を利用することによって、垂直に置かれたＲＦＩＤタグを最大感度をもって読み書きすることができるＲＦＩＤシステムを実現することが可能となる。

次に、本発明のＲＦＩＤタグ１１及びリーダライタのアンテナ２１を歯科用ハンドピースに適用した場合について、図面を参照して詳細に説明する。
図５は、歯科用ハンドピース及びカップリングを示す正面図である。

歯科医師は、モータ内蔵ハンドル７２とアタッチメント７３とから構成されるハンドピース７１を使用して、患者の歯を掘削、研磨等して治療を行う。治療中には、アタッチメント７３を種々交換し、治療後には、使用したアタッチメント７３を洗浄、滅菌等する。
又、エアーチューブ、電気コードを接続するカップリング７４に、異なるハンドピース７１を連結することもある。

歯科医師は、短時間のうちに多数の患者を治療することもあり、同時に複数の患者を交互に治療することもある。このように多忙な際には、モータ内蔵ハンドル７２に間違ったアタッチメント７３を装着したり、未だ洗浄、滅菌していないアタッチメント７３を装着することも起こり得る。

そこで、アタッチメント７３にＲＦＩＤタグ１１を設置し、モータ内蔵ハンドル７２にリーダライタのアンテナ２１を設置して、モータ内蔵ハンドル７２に適切な種類の、又、洗浄、滅菌したアタッチメント７３を装着することが考えられる。

しかし、モータ内蔵ハンドル７２及びアタッチメント７３は金属体であるから、従来の方法ではＲＦＩＤタグを適用することができない。勿論、精密で、内部に冷却用の空気を通すため密閉する必要が有る、又、高価なものであるから、スリットを形成することはできず、設置場所が狭いから、タグとアンテナの外径は小さくならざるを得ない。

そこで、アタッチメント７３の端面にＲＦＩＤタグ１１を埋め込んで設置し、モータ内蔵ハンドル７２の端面にリーダライタのアンテナ２１を埋め込んで設置する。
尚、エアー駆動型のハンドルについても、同様に、ＲＦＩＤタグ１１、リーダライタのアンテナ２１を設置して、適用することができる。

かかる構成によれば、一方のコア１２の一端部から放射した磁束は、対向する他方のコア２２の一端部に殆ど吸収され、他方のコア２２の他端部から放射した磁束は、対向する一方のコア１２の他端部に殆ど吸収されから、ＲＦＩＤタグ１１とリーダライタのアンテナ２１との間で確実に交信を行うことができる。

尚、モータ内蔵ハンドル７２とアタッチメント７３との接続端面は、殆ど接触状態であるから、ＲＦＩＤタグ１１とリーダライタのアンテナ２１との間隔は殆ど０であるが、５ｍｍ程度までは十分に交信することができる。
そして、間隔が０〜５ｍｍ程度であれば、トロイダルコアの外径５ｍｍ、肉厚３ｍｍ程度の超小型タグであつても、十分に機能する。

又、本発明のＲＦＩＤタグ１１及びリーダライタのアンテナ２１は、歯科用ハンドピース及びカップリングに適用できるのみならず、金属、導電性プラスチック等の材料から成り、部材同士を端面で嵌合する物体に広く適用することができる。

１１ ＲＦＩＤタグ
１２ コア
１３ 線材
１４ アンテナ
１５ ＩＣチップ
２１ リーダライタ
２２ コア
２３ 線材
２４ リーダライタのアンテナ
７１ ハンドピース
７２ モータ内蔵ハンドル
７３ アタッチメント
７４ カップリング

Claims (10)

1. 透磁率の大きい材料から成るコアを２分割した形状のコアに導体から成る線材を巻き回してアンテナを構成すると共に、ＩＣチップを前記アンテナの両端部に接続したことを特徴とするＲＦＩＤタグ。
2. 前記アンテナとリーダライタのアンテナとが磁気閉回路を形成することを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤタグ
3. 前記コアの透磁率は、２〜２００００であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＲＦＩＤタグ。
4. 前記コアは、磁性体の粉体としてフェライト、カーボニル鉄、鉄、ニッケル、コバルト又はそれらの化合物等の磁性材料を使用し、焼結又は成型させたものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のＲＦＩＤタグ。
5. 前記コアは、磁性体の粉体をリング状に焼結させたトロコイダルコアであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のＲＦＩＤタグ。
6. 前記コアの形状は、Ｃ形状であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のＲＦＩＤタグ。
7. 前記コアの形状は、Ｅ形状であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のＲＦＩＤタグ。
8. 前記コアの形状は、その他の磁気閉回路を形成する形状であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のＲＦＩＤタグ。
9. リーダライタのアンテナとして、請求項１に記載のＲＦＩＤタグと同様、コアに導体から成る線材を巻き回してアンテナを構成したものを使用し、前記ＲＦＩＤタグのコアの両端部と、前記リーダライタのアンテナのコアの両端部の位置をほぼ合致させて対向させたことを特徴とするＲＦＩＤシステム。
10. 前記ＲＦＩＤタグと前記リーダライタ用アンテナとの間隔を０〜５ｍｍに設定し、前記コアの幅を４〜２０ｍｍ、肉厚を２〜２０ｍｍに設定したことを特徴とする請求項９に記載のＲＦＩＤシステム。

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