JP4452782B2 - Ｒｆｉｄリーダ用多重ループアンテナ、これを有するｒｆｉｄリーダ、及びこれを有するｒｆｉｄシステム - Google Patents

Description

本発明はＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナに関し、より詳しくは、電磁気誘導によりＲＦＩＤタグに記憶された情報を読み取ったり、該ＲＦＩＤタグに新しい情報を書き込むためのＲＦＩＤリーダに使用される多重ループアンテナに関する。

ＲＦＩＤタグは、内部にメモリが存在するＩＣチップとアンテナとから構成され、携帯可能な物品（以下、「非接触式携帯物品」という）に取り付けられるように設置されるか、又はその一部をなすように設置される。電磁気誘導により前記ＲＦＩＤタグのメモリに記憶された情報を読み取るために、又は、前記ＲＦＩＤタグのメモリに記憶された情報を読み取ったり該ＲＦＩＤタグのメモリに新しい情報を書き込むためには、ＲＦＩＤリーダを使用する。

前記ＲＦＩＤリーダは、前記ＲＦＩＤタグが設置された非接触式携帯物品を所持した者が、前記ＲＦＩＤリーダの前面に前記非接触式携帯物品を所定距離内に接近させると、前記非接触式携帯物品との電磁気誘導により、非接触式送受信方式（ＲＦ方式の送受信）で情報を入出力して情報を交換する。

前記ＲＦＩＤタグが設置された非接触式携帯物品（非接触式ＩＣカード、無線決済携帯電話、及び無線身元確認用物品など）は、電源を備えた前記ＲＦＩＤリーダと電磁気誘導により情報を送信及び受信する。

これと類似した形態として、既存のバーコードの代わりにＩＣチップを備えてその内部に商品情報を記憶させた商品（以下、「非接触式商品」という）にも、その内部にアンテナと情報記憶用メモリとを含むＲＦＩＤタグを設置することができ、電源を備えた前記ＲＦＩＤリーダと電磁気誘導により情報を送信及び受信する。

このような非接触式携帯物品又は非接触式商品と情報を交換するためのＲＦＩＤリーダも、その内部又は外部にアンテナを備えなければならず、特に、ＩＳＯ１４４４３に該当するＩＣカード、携帯電話などの物品、及びＩＳＯ１５６９３に該当する無線認識においては規定された周波数、すなわち、１３．５６ＭＨｚの信号が規格で使用されているので、全体回路が前記周波数付近で共振するように構成する必要がある。

このような非接触式携帯物品の認識過程において発生する様々な問題の１つは、非接触式携帯物品がＲＦＩＤリーダから所定距離離れた場合、ＲＦＩＤリーダは対象携帯物品を認識できないということである。これは、非接触式携帯物品がＲＦＩＤリーダが発生する磁場の範囲のうち、認識可能な最小の大きさより小さい磁場が形成された範囲に位置することによるものである。

図４は直列給電形態を有する従来のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを示す概念図であり、図５は並列給電形態を有する従来のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを示す概念図である。

従来の多重巻線グループを直列に給電するループアンテナにおいては、図４に示すように、ループアンテナ巻線グループ１０、２０を複数のパターンに設置するが、それぞれの巻線グループ１０、２０同士は直列に接続される。

従来の大多数のＲＦＩＤリーダの内部に使用される単一巻線グループを備えたループアンテナ構造は、ＲＦＩＤリーダから距離が遠くなると磁場が弱くて十分な認識が行われず、かつ、ワインディング中心部の磁場が弱くて安定性が足りないという欠点があるが、このような欠点を補完するために考案された形態である。

しかし、このような形態のループアンテナは、その巻線グループ１０、２０が直列に接続されており、全体のインダクタンスがそれぞれの巻線グループのインダクタンスより大きくなり、容易にＱ（Quality factor）が大きくなる。Ｑが大きくなると帯域幅が狭くなるという欠点がある。また、同一の電圧を印加した場合、全体の抵抗が大きいため、アンテナに流れる電流が弱くなり、これにより、形成される磁場が弱くなるという問題があった。

一方、従来の他のＲＦＩＤリーダのアンテナ構造として、図５に示すように、多重巻線グループ１０、２０を並列に給電する場合がある。これは、ループアンテナ巻線グループ１０、２０を複数のパターンに設置するが、それぞれの巻線グループ１０、２０同士は並列に接続される。

内部の巻線ループ２０と外部の巻線ループ１０とは同一方向に巻回されるが、これはアンテナの指向性を改善して認識距離をさらに確保するためである。並列多重ループアンテナの形態で構成する場合、単一ループアンテナに比べて同一ターン数ではインダクタンス値が低くなる。インダクタンスを既存の場合と同一にする場合は、ターン数を増やすことができる。また、外部の巻線グループ２０と内部の巻線グループ１０とが並列に接続されているため、携帯物品がＲＦＩＤリーダに接近するとき、相互間の影響を低減することができる。

しかし、このような並列給電のアンテナ構造は、携帯物品の認識可能距離を改善するという効果を有するが、より遠く離れた携帯物品を認識するためには認識可能距離をより改善する必要がある。

本発明は、前述のような必要性を認識してなされたもので、中心部分でより大きな磁場を形成できるアンテナ構造を提供することにより、携帯物品の認識可能距離を増加させることのできるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナ、これを有するＲＦＩＤリーダ、及びこれを有するＲＦＩＤシステムを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、認識可能距離が改善されたＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナ、これを有するＲＦＩＤリーダ、及びこれを有するＲＦＩＤシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、ＲＦＩＤタグと電磁気誘導により情報を交換するためのＲＦＩＤリーダ用ループアンテナであって、１回以上巻回された３つ以上の巻線グループを含み、前記それぞれの巻線グループが直列及び並列に接続されていることを特徴とするＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを開示する。

前記それぞれの巻線グループは全て同一方向に巻回することができ、前記それぞれの巻線グループは間隔をおいて設置することができる。

前記ＲＦＩＤタグは物品の一部をなすように構成することができ、前記物品は携帯用物品であり得る。

また、本発明は、前述のような構造を有する多重ループアンテナを含むＲＦＩＤリーダ、及び前記ＲＦＩＤリーダと前記ＲＦＩＤタグとを含むＲＦＩＤシステムを開示する。

さらに、本発明は、ＲＦＩＤタグと電磁気誘導により情報を交換するためのＲＦＩＤリーダ用ループアンテナであって、一端が第１電源入力端子に接続される１つ以上の直列巻線グループと、一端が前記直列巻線グループの他端に接続され、他端が第２電源入力端子に接続される複数の並列巻線グループとを含むことを特徴とするＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを開示する。

本発明は、中心部で大きな磁場を提供してより長い認識距離を有すると共に、帯域幅の調節が可能であるのでユーザが所持した多様な共振特性を有する非接触式携帯物品を収容し、携帯物品のアンテナとの近接による共振特性の変化に対して安定した送受信が可能なＲＦＩＤリーダのアンテナ構造を提供できるという利点がある。

以下、本発明によるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナ、これを有するＲＦＩＤリーダ、及びこれを有するＲＦＩＤシステムについて添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明によるＲＦＩＤシステムは、メモリ（図示せず）が存在するＩＣチップ（図示せず）とアンテナ（図示せず）とを含むＲＦＩＤタグ（図示せず）と、前記ＲＦＩＤタグが所定距離内に接近すると前記ＲＦＩＤタグのアンテナと電磁気誘導により非接触式送受信を行うＲＦＩＤリーダ（図示せず）とを含む。

前記ＲＦＩＤタグは、情報が記憶されるか、又は情報の記憶が可能なメモリを含むＩＣチップと、前記ＲＦＩＤリーダのアンテナとの電磁気誘導により、前記ＩＣチップへの電源供給及び情報交換のためのアンテナとから構成される。

前記ＲＦＩＤタグは、交通カード、クレジットカード、商品、部品、設備などに取付もしくは設置されるか、又は一部をなすように構成することができる。

また、前記ＲＦＩＤリーダは、前記ＲＦＩＤタグのアンテナと電磁気誘導により情報を交換するためのアンテナと、前記アンテナから前記ＲＦＩＤタグに記憶された情報を読み取るか、又は前記ＲＦＩＤタグに情報を送信するなどの情報処理のためのＲＦＩＤリーダ本体とを含む。

本発明の要旨はＲＦＩＤリーダを構成するアンテナの構造にあるので、以下、ＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナについて説明する。

本発明によるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナは、１回以上巻回された３つ以上の巻線グループを含み、前記それぞれの巻線グループは直列及び並列に接続されていることを特徴とする。

本発明によるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナの具体的な例として、図１に示すように、一端が第１電源入力端子４１０に接続される１つ以上の直列巻線グループ１００と、一端が直列巻線グループ４１０の他端に接続され、他端が第２電源入力端子４２０に接続される複数の並列巻線グループ２１０、２２０、…とを含むことができる。

前記直列巻線グループ１００及び前記並列巻線グループ２１０、２２０、…は、設計条件などによって円形はもちろん四角形などの多様な形状に形成することができ、基板上にパターンをなして形成することもできる。

以下、本発明によるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナについて実施例を挙げてより詳細に説明する。

実施例
本発明によるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナは、少なくともＮ個（ここで、Ｎは３以上の整数であり、本実施例では３つである）の巻線グループ１００、２１０、２２０が、Ｖ０の電圧を印加する第１電源入力端子４１０及び第２電源入力端子４２０を基準に互いに直並列に接続されている。

また、それぞれの巻線グループ１００、２１０、２２０は、少なくとも１つの巻線が巻回されている。本実施例においては、直列巻線グループ１００は１回、第１並列巻線グループ２１０は３回、第２並列巻線グループ２２０は２回巻回されているが、このような巻回数は使用目的によって変動することができる。

また、本実施例においては、それぞれの巻線グループ１００、２１０、２２０が円形状に巻回されているが、四角形や楕円形などの多様な形状に形成することができる。

一般に、２つのインダクタを直列に接続した場合、合成インダクタンスＬｓｔは、２つのインダクタンス値をそれぞれＬ_１、Ｌ_２とするとき、Ｌ_ｓｔ＝Ｌ_１＋Ｌ_２に与えられ、２つのインダクタを並列に接続した場合、合成インダクタンスＬ_ｐｔは、１／Ｌ_ｐｔ＝１／Ｌ_１＋１／Ｌ_２、すなわち、Ｌ_ｐｔ＝（Ｌ_１×Ｌ_２）／（Ｌ_１＋Ｌ_２）に与えられて、それぞれのインダクタンスＬ_１、Ｌ_２より小さい値となる。

巻線グループを直列に接続した場合と並列に接続した場合、各巻線グループが有するインダクタンスが、前述のようにインダクタを直列又は並列に接続した場合と類似した結果をもたらすものと考えることができる。ここで、アンテナのＱに関連して考えてみると、全体のインダクタンスが大きくなるのはＱが大きくなる方向である。

図２に示す並列共振回路の場合、共振周波数とＱ値が下記式に与えられ、全体のインダクタンスが大きくなる場合にＱが大きくなることが分かる。

一方、Ｑが大きくなると使用帯域幅が狭くなる。従って、Ｑを適正な値以下に維持する必要がある。このような面で、巻線グループを直並列に接続することは、全体のインダクタンスの調節が可能であり、必要な帯域幅に合うようにＱ値を調節するのに有利である。

一般に、インダクタンスは、巻線グループにおいて巻回数が多いほど大きくなり、また巻線長が長くなるほど大きくなる。直列給電の場合、各巻線グループの個別インダクタンスより合成インダクタンスを小さくすることができない反面、並列給電の場合は、合成インダクタンスが各巻線グループの個別インダクタンスより小さい。しかし、直並列巻線グループは、所望のインダクタンスに合うように値を調節できるので、Ｑ値と帯域幅を容易に調節できる。

また、直列給電の場合、各巻線グループが直列に接続されており、各巻線グループに流れる電流が同一であり、並列給電の場合、各巻線グループに流れる電流をそれぞれ個別に調節できるが、直並列給電は、これら２つの利点を全て有するので多様な設計が可能である。導線の周囲に形成される磁場の大きさは電流の強さに比例するので、結果的に、本発明によるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナは、全体磁場を多様にすることができることが分かる。

図１に示すように、内部に位置する直列巻線グループ１００と単一ループの第１並列巻線グループ２１０、外部に位置する第２並列巻線グループ２２０は、同一方向に巻回されるようにして、直列巻線グループ１００に直列に接続されている並列巻線グループである第１並列巻線グループ２１０で生成された磁場が、第２並列巻線グループ２２０で生成された磁場と合わせられるようにしなければならない。また、第２並列巻線グループ２２０の半径ｒ１が直列巻線グループ１００の半径ｒ２より小さくないようにすることができ、ＲＦＩＤリーダの認識可能面積を十分に確保することができる。

図３ａ〜図３ｃは、同一の電圧を印加した場合、それぞれのＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナの表面からの距離による磁場の強度（アンテナの表面に垂直な成分Ｈｚ）を示す図であり、図３ａは図１に示す本発明によるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを、図３ｂは図５に示す従来のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを、図３ｃは図４に示す従来のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナをそれぞれ示す。

ここで、アンテナの外郭の大きさは同一であり、横軸は、巻線グループで形成されたアンテナを、多重巻線の中心を含んで切断した状態と理解することができ、縦軸は、アンテナの表面からの距離を示す。

図３ａ〜図３ｃに示すように、Ｈｚの最大値を見ると、並列巻線グループの場合が直列巻線グループの場合よりも大きく、本発明の直並列巻線グループの場合が並列巻線グループの場合よりも大きい。また、最大値から減衰していく形状を見ると、本発明の直並列巻線グループを備えたループアンテナの磁場強度のような磁界特性が、直列巻線グループを備えたループアンテナと並列巻線グループを備えたループアンテナに比べて優れている。さらに、直並列巻線グループの場合、ループアンテナの表面で中心部の磁界強度が最も大きい。

すなわち、本発明の直並列巻線グループは、並列巻線グループに比べて中心部の磁界強度が増加して、より長い認識可能距離を有する。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲は、このような特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されたカテゴリー内で適切に変更可能である。

本発明によるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを示す概念図である。 並列共振回路の回路図である。 同一の電圧を印加した場合、それぞれのＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナの表面からの距離による磁場の強度（アンテナの表面に垂直な成分Ｈｚ）を示す図であり、図１に示す本発明によるＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを示す。 同一の電圧を印加した場合、それぞれのＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナの表面からの距離による磁場の強度（アンテナの表面に垂直な成分Ｈｚ）を示す図であり、図５に示す従来のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを示す。 同一の電圧を印加した場合、それぞれのＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナの表面からの距離による磁場の強度（アンテナの表面に垂直な成分Ｈｚ）を示す図であり、図４に示す従来のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナをそれぞれ示す。 直列給電形態を有する従来のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを示す概念図である。 並列給電形態を有する従来のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナを示す概念図である。

符号の説明

１００ 直列巻線グループ
２１０ 第１並列巻線グループ
２２０ 第２並列巻線グループ
４１０ 第１電源入力端子
４２０ 第２電源入力端子

Claims (8)

1. ＲＦＩＤタグと電磁気誘導により情報を交換するためのＲＦＩＤリーダ用ループアンテナであって、
   １回以上巻回された３つ以上の巻線グループを含み、
   前記各巻線グループ中の一つはその一端が第１電源入力端子に連結され、残りは前記第１電源入力端子に連結された巻線グループの他端と第２電源入力端子との間で並列に接続されていることを特徴とするＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナ。
2. 前記それぞれの巻線グループが全て同一方向に巻回されていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナ。
3. 前記ＲＦＩＤタグが物品の一部をなすことを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナ。
4. 前記物品が携帯用物品であることを特徴とする請求項３に記載のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナ。
5. 前記それぞれの巻線グループが間隔をおいて設置されていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の多重ループアンテナを含むＲＦＩＤリーダ。
7. 請求項６のＲＦＩＤリーダとＲＦＩＤタグとを含むＲＦＩＤシステム。
8. ＲＦＩＤタグと電磁気誘導により情報を交換するためのＲＦＩＤリーダ用ループアンテナであって、
   一端が第１電源入力端子に接続される第１巻線グループと、
   一端が前記第１巻線グループの他端と、他端が第２電源入力端子と、の間で並列に連結される複数の第２巻線グループと、
   を含むことを特徴とするＲＦＩＤリーダ用多重ループアンテナ。

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