JP5328540B2 - Ｒｆｉｄ通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＦＩＤ通信装置に関する。

従来、無線信号を用いて非接触でデータの送受信を行うＲＦＩＤシステムが提案されている。図８は、従来のＲＦＩＤシステムの構成を表す概略ブロック図である。ホスト制御部Ｐ１０から制御部Ｐ３０１に対して、ＩＣタグＰ２０に記録されたデータを読み出すように指示が送られると、制御部Ｐ３０１がＩＣタグＰ２０への質問内容を生成する。送信部Ｐ３０２は、質問内容に応じた要求信号を生成し、方向性結合部Ｐ３０７が要求信号をアンテナＰ３０４側へ通し、アンテナＰ３０４が要求信号を電波として空間へ放射する。ＩＣタグＰ２０は、負荷変調を用いて電波に記録情報を乗せ、応答信号としてアンテナＰ３０４へ送信する。アンテナＰ３０４に戻ってきた応答信号は方向性結合部Ｐ３０７を通って受信部Ｐ３０５へ入り復調される。制御部Ｐ３０１は受信部Ｐ３０５から復調後のデータを受け、ホスト制御部Ｐ１０へ送信する応答データを生成する。

整合回路Ｐ３０３は、アンテナＰ３０４と内部回路（送信部Ｐ３０２及び受信部Ｐ３０５）とのインピーダンス整合をとるための回路である。インピーダンス整合がとれていないと、送信部Ｐ３０２から出力された要求信号がアンテナＰ３０４から十分に放射されずにアンテナＰ３０４で反射する。一般的な無線機では、内部回路で生成された信号のパワーを十分にアンテナから放射するため、最適なインピーダンス値に調整し、インピーダンス整合を取ることが一般的に行われている。

しかしながら、アンテナＰ３０４に金属体や誘電体（プラスチックや人体など）が近づくと、それまで整合がとれていたインピーダンス整合がずれてしまう。そしてインピーダンス整合がずれてしまうと、上述したように送信部Ｐ３０２から出力された要求信号がアンテナＰ３０４で反射し受信部Ｐ３０５に入る。受信部Ｐ３０５に入る要求信号のレベルが受信部Ｐ３０５の許容入力レベルを超えてしまうと、受信部Ｐ３０５は本来受信すべきＩＣタグＰ２０からの応答信号を正常に受信できなくなってしまう。また、インピーダンス整合がずれてしまうことによって、ＩＣタグＰ２０からの応答信号の電波をアンテナＰ３０４が十分に受け取ることができなくなってしまう。さらに、インピーダンス整合がずれてしまうと、送信部Ｐ３０２から出力された要求信号が十分にアンテナＰ３０４から放射されないため、ＩＣタグＰ２０に十分な電力が供給されず、ＩＣタグＰ２０が動作しないことも生じうる。非接触でデータの送受信を行うＲＦＩＤシステムにおいてＩＣタグＰ２０は、アンテナＰ３０４に極めて接近される場合や、アンテナＰ３０４からある程度の距離をもってかざされる場合など、利用者によって様々であるため、上記のようなインピーダンス整合のズレは、ＩＣタグＰ２０の読取りエラーを多くする要因となる。

このような問題に対し、アンテナＰ３０４から反射してくる信号の強さを計測し、計測した信号の強さに基づいてインピーダンス整合のズレ具合を検出し、その検出結果に応じてインピーダンス整合を調節する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００１−０６０８４１号公報

しかしながら、従来の特許文献１に記載された技術では、アンテナＰ３０４から反射してくる信号を検出する構成や、検出結果をインピーダンス調整にフィードバックする構成が必要になり、全体の構成が大型化しコストも増大するという問題があった。

上記事情に鑑み、本発明は、構成の大型化を抑止しつつ、インピーダンス整合のズレを解消することを可能とするＲＦＩＤ通信装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、ＩＣタグと無線通信をするためのアンテナと、前記アンテナを介して送信する信号又は前記アンテナを介して受信する信号を処理する内部回路と、を備えるＲＦＩＤ通信装置であって、前記アンテナと前記内部回路との間に、第一の変換比でインピーダンス変換を行う第一変換部と、第二の変換比でインピーダンス変換を行う第二変換部と、前記第一変換部でインピーダンス変換を行うか、前記第二変換部でインピーダンス変換を行うかを切り替える切替部と、を備え、前記切替部は、他の装置から無線通信の指示を受ける度に切り替えを行うことを特徴とする。

本発明により、構成の大型化を抑止しつつ、インピーダンス整合のズレを解消することが可能となる。

ＲＦＩＤシステムのシステム構成を表すシステム構成図である。 切替回路の具体例を表す回路図である。 切替回路のオン状態及びオフ状態の等価回路を表す回路図である。 第一制御方法が実装されたＲＦＩＤ通信装置の動作を表すフローチャートである。 第二制御方法が実装されたＲＦＩＤ通信装置の動作を表すフローチャートである。 切替回路の変形例の回路図である。 ＲＦＩＤ通信装置の変形例を表す概略ブロック図である。 従来のＲＦＩＤシステムの構成を表す概略ブロック図である。

図１は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）システム１のシステム構成を表すシステム構成図である。ＲＦＩＤシステム１は、ホスト制御部１０、ＩＣ（Integrated Circuit）タグ２０、ＲＦＩＤ通信装置３０を備える。
ホスト制御部１０は、ＲＦＩＤ通信装置３０に対し読取命令を送信し、その応答としてＲＦＩＤ通信装置３０からＩＣタグ２０に記録されたデータを含む応答データを受信する。ホスト制御部１０は、例えばＲＦＩＤ通信装置３０と接続されたパーソナルコンピュータ等の汎用の情報処理装置に設けられても良いし、キャッシュレジスタや自動販売機や自動改札装置や携帯電話機などの特定用途のための装置に設けられても良い。具体的には、ホスト制御部１０は、上記各装置に設けられたＣＰＵ（Central Processing Unit）によってホスト制御用プログラムが実行されることによって実現されても良いし、専用ハードウェアとして実現されても良い。

ＩＣタグ２０は、ＲＦＩＤ通信装置３０から放射される電波（要求信号）を受信し、ＩＣタグ２０内に設けられた記録装置に記録されるデータ（以下、「ＩＣタグデータ」という。）を乗せた電波（応答信号）を送信する。応答信号は、高周波アナログ信号であり、符号化されたＩＣタグデータを含む。
ＲＦＩＤ通信装置３０は、制御部３０１、送信部３０２、整合回路３０３、アンテナ３０４、受信部３０５、切替回路３０６、方向性結合部３０７を備える。以下、ＲＦＩＤ通信装置３０が備える各機能部について説明する。

制御部３０１は、ホスト制御部１０から読取命令を受信すると、ＩＣタグ２０に記録されたデータをＩＣタグ２０から受信するための所定のデータ（要求データ）を生成し送信部３０２へ供給する。また、制御部３０１は、ＩＣタグ２０から受信されたデータを受信部３０５から受けると、受信されたデータをホスト制御部１０へ通知するための応答データを生成し、応答データをホスト制御部１０へ送信する。また、制御部３０１は、切替回路３０６の制御処理を行う。切替回路３０６の制御処理の詳細については後述する。

送信部３０２は、制御部３０１から要求データを受けると、要求データに基づいてＩＣタグ２０へ送信される信号（要求信号）を生成する。そして、送信部３０２は要求信号を方向性結合部３０７、整合回路３０３及び切替回路３０６を介してアンテナ３０４へ供給する。

整合回路３０３（第一変換部）は、アンテナ３０４と内部回路（送信部３０２及び受信部３０５）とのインピーダンス整合をとるためにインピーダンス変換を行う回路である。整合回路３０３におけるインピーダンス変換の変換比ｎ１（第一の変換比）は、ＲＦＩＤ通信装置３０の付近にプラスチックや人体などの誘電体や、ＩＣタグ２０や、金属などが存在しない状態でＲＦＩＤ通信装置３０内のインピーダンス整合がとれている状態となるように設計されている。

アンテナ３０４は、方向性結合部３０７、整合回路３０３及び切替回路３０６を介して送信部３０２から受ける信号を放射する。また、アンテナ３０４は、ＩＣタグ２０から放射された応答信号を受信し、受信した応答信号を切替回路３０６、整合回路３０３及び方向性結合部３０７を介して受信部３０５へ供給する。

受信部３０５は、アンテナ３０４から応答信号を受けると、応答信号を復調し、復調後のデータを制御部３０１へ供給する。復調後のデータは、デジタル化された信号であり、符号化されたＩＣタグデータを含む。
切替回路３０６は、アンテナ３０４と内部回路とのインピーダンス整合をとるためにインピーダンス変換を行う回路と、制御部３０１から受ける制御信号に応じてインピーダンス変換を行うか否か切り替えるスイッチとを備える。切替回路３０６がインピーダンス変換を行う場合（後述するオン状態の場合）、内部回路とアンテナ３０４との間のインピーダンス整合は、切替回路３０６及び整合回路３０３（第二変換部）によるインピーダンス変換によって実現される。この場合のインピーダンス変換の変換比ｎ２（第二の変換比）は、ＲＦＩＤ通信装置３０の付近にプラスチックや人体などの誘電体や、ＩＣタグ２０や、金属などが存在する状態でＲＦＩＤ通信装置３０内のインピーダンス整合がとれている状態となるように設計されている。
方向性結合部３０７は、サーキュレータやディレクショナルカプラ等を用いて構成され、送信部３０２から出力される信号を整合回路３０３へ通し、整合回路３０３から出力される信号を受信部３０５へ通す。

図２は、切替回路３０６の具体例を表す回路図である。図３は、切替回路３０６のオン状態及びオフ状態の等価回路を表す回路図である。図３（Ａ）は、切替回路３０６がオン状態である場合の等価回路を表す。図３（Ｂ）は、切替回路３０６がオフ状態である場合の等価回路を表す。

切替回路３０６は、アンテナ側コネクタ３１１、内部回路側コネクタ３１２、制御部側コネクタ３１３、ダイオード３１４、インダクタ３１５、抵抗３１６を備える。制御部３０１は、制御部側コネクタ３１３に対してオン信号を供給する場合、制御部側コネクタ３１３に所定の電圧を印加する。この場合、図３（Ａ）に示されるように、ダイオード３１４に順方向バイアスがかかり、ダイオード３１４に電流が流れスイッチが閉じた状態と等価な状態になる。そして、アンテナ３０４とＧＮＤとの間にインダクタ３１５が入ることとなり、インピーダンスが変化し、変換比ｎ２によるインピーダンス変換が生じる。

一方、制御部３０１が制御側コネクタ３１３に対してオン信号を供給しない場合、制御部側コネクタ３１３には電圧が印加されない。この場合、図３（Ｂ）に示されるように、ダイオード３１４に電流が流れず、スイッチが開いた状態と等価な状態となる。また、アンテナ側コネクタ３１１と内部回路側コネクタ３１２との間に送信信号が流れ、交流結合となっているため直流遮断されている。そのため制御部側コネクタ３１３からの直流電流は流れない。そのため、アンテナ３０４とＧＮＤとの間にインダクタ３１５が入らず、インピーダンスは変化せず、変換比ｎ２によるインピーダンス変換は生じない。このように、制御部３０１は、切替回路３０６の制御部側コネクタ３１３に対してオン信号を供給するか否かによって、変換比ｎ１によるインピーダンス変換を行うか、変換比ｎ２によるインピーダンス変換を行うかを切り替える。

図４は、第一制御方法が実装されたＲＦＩＤ通信装置３０の動作を表すフローチャートである。図５は、第二制御方法が実装されたＲＦＩＤ通信装置３０の動作を表すフローチャートである。ＲＦＩＤ通信装置３０には、第一制御方法が実装されても良いし、第二制御方法が実装されても良い。以下、第一制御方法及び第二制御方法それぞれの処理の流れについて説明する。

まず、図４を用いて第一制御方法が実装されたＲＦＩＤ通信装置３０の動作について説明する。制御部３０１は、ホスト制御部１０から読取命令を受信すると（ステップＳ１０１）、切替回路３０６のスイッチを切り替える（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２では、制御部３０１は、現在の切替回路３０６がオン状態である場合にはオフ状態に切り替え、オフ状態である場合にはオン状態に切り替える。

次に、制御部３０１は要求データを送信部３０２へ供給することによって読み取り処理を実行する（ステップＳ１０３）。読み取り処理において、要求データを受けた送信部３０２は、要求信号を生成しアンテナ３０４から要求信号を放射させる。そして、受信部３０５はアンテナ３０４から受信した応答信号を復調し、復調後のデータを制御部３０１へ供給する。次に、制御部３０１は、復調後のデータを受けて応答データを生成し、応答データを読取結果としてホスト制御部１０へ送信する（ステップＳ１０４）。応答データは、復号化されたＩＣタグデータを含む。

第一制御方法では、ステップＳ１０３の処理においてインピーダンス整合がとれずに読み取りが失敗することがある。その場合、ステップＳ１０４の処理において制御部３０１は読み取りが失敗したことを示すエラーデータをホスト制御部１０へ送信する。ホスト制御部１０は、エラーデータを受信すると、再び読取命令を送信する。そのため、制御部３０１は読取命令を受信し（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２の処理において切替回路３０６の状態が前回とは異なる状態に切り替えられる。そして、前回とは異なる変換比でインピーダンス変換が行われ、読み取り処理（ステップＳ１０３）が行われる。

次に、図５を用いて第二制御方法が実装されたＲＦＩＤ通信装置３０の動作について説明する。第二制御方法では、制御部３０１はホスト制御部１０から読取命令を受信すると（ステップＳ１０１）、制御部３０１は要求データを送信部３０２へ供給することによって読み取り処理を実行する（ステップＳ２０１）。読み取り処理において、要求データを受けた送信部３０２は、要求信号を生成しアンテナ３０４から要求信号を放射させる。そして、受信部３０５はアンテナ３０４から受信した応答信号を復調し、復調後のデータを制御部３０１へ供給する。

次に、制御部３０１は、読み取り処理が成功して正常に復調後のデータを受けたか否か判断する（ステップＳ２０２）。読み取り処理が成功し正常に復調後のデータを受けた場合（ステップＳ２０２−ＹＥＳ）、制御部３０１は、復調後のデータを受けて応答データを生成し、応答データを読取結果としてホスト制御部１０へ送信する（ステップＳ１０４）。

一方、ステップＳ２０２において読み取り処理が成功せず正常に復調後のデータを受けていない場合（ステップＳ２０２−ＮＯ）、制御部３０１は切替回路３０６の状態を切り替える（ステップＳ１０２）。このとき、制御部３０１は、現在の切替回路３０６がオン状態である場合にはオフ状態に切り替え、オフ状態である場合にはオン状態に切り替える。次に、制御部３０１は要求データを送信部３０２へ供給することによって読み取り処理を実行する（ステップＳ１０３）。次に、制御部３０１は、復調後のデータを受けて、応答データを生成し、応答データを読取結果としてホスト制御部１０へ送信する（ステップＳ１０４）。

第二制御方法では、ステップＳ２０１の処理においてインピーダンス整合がとれずに読み取りが失敗した場合、ホスト制御部１０に対してエラーデータを送信することなくステップＳ１０２の処理において切替回路３０６の状態が前回とは異なる状態に切り替えられる。そして、前回とは異なる変換比でインピーダンス変換が行われ、読み取り処理（ステップＳ１０３）が行われる。

このように構成されたＲＦＩＤ通信装置３０では、従来のＲＦＩＤ通信装置の構成に比べて、主に切替回路３０６及び切替回路３０６を制御する構成（上記の場合は制御部３０１）が増えている。これらの構成は、図２及び図３からも明らかなように、アンテナから反射してくる信号を検出する構成や、その検出結果をインピーダンス調整にフィードバックする構成に比べて簡易に小さく構成することができる。そのため、構成の大型化を抑止しつつ、インピーダンス整合のズレを解消することが可能となる。そして、このようにインピーダンス整合のズレを解消することに伴い、ＲＦＩＤ通信装置３０は広い範囲で安定にＩＣタグ２０に対する読み取り処理を実行することが可能となる。

また、第一制御方法が採用された場合には、ＲＦＩＤ通信装置３０において読み取りが成功したか否か判断するための構成が不要となるため、制御部３０１の構成が第二制御方法に比べてより単純となり、小さく構成することが可能となる。また、この場合、読み取りが成功したか否か判断が不要であるため、１回目の読み取りが成功した場合には、早く応答データをホスト制御部１０へ送信することが可能となる。

また、第二制御方法が採用された場合には、ＲＦＩＤ通信装置３０において読み取りが成功したか否か判断し、失敗した場合には制御部３０１の判断で切替回路３０６の切り替えが行われる。そのため、読み取りに失敗した場合には、わざわざホスト制御部１０から再度の読取命令が送信されることなく、切替回路３０６の切り替えが実行される。したがって、１回の読取命令に応じて行われる読み取り処理のインピーダンス変換の変換比の種類が増加し、ＩＣタグの読み取り範囲が広くなる。

＜変形例＞
切替回路３０６において、インダクタ３１５の部分は、キャパシタに置き換えて構成されても良いし、インダクタとキャパシタとの組み合わせによって構成されても良い。
図４の第一制御方法のステップＳ１０４において、制御部３０１が認識した復調後のデータをそのまま応答データとして生成し、ホスト制御部１０へ送信しても良い。この場合、ホスト制御部１０は、応答データが読み取り失敗であるか否か判断する。そして、ホスト制御部１０は、読み取り失敗であると判断した場合には、再び読取命令を送信する。

整合回路３０３におけるインピーダンス変換の変換比ｎ１は、ＲＦＩＤ通信装置３０の付近にプラスチックや人体などの誘電体や、ＩＣタグ２０や、金属などが存在する状態でＲＦＩＤ通信装置３０内のインピーダンス整合がとれている状態となるように設計されてもよい。この場合、切替回路３０６がオン状態である場合の切替回路３０６及び整合回路３０３によるインピーダンス変換の変換比ｎ２は、ＲＦＩＤ通信装置３０の付近にプラスチックや人体などの誘電体や、ＩＣタグ２０や、金属などが存在しない状態でＲＦＩＤ通信装置３０内のインピーダンス整合がとれている状態となるように設計される。

図６は、切替回路３０６の変形例の回路図である。切替回路３０６は、アンテナ側コネクタ３１１と内部回路側コネクタ３１２との間に、制御部側コネクタ３１３、ダイオード３１４、インダクタ３１５及び抵抗３１６のセットを複数セット備えるように構成されても良い。図６の場合、アンテナ側コネクタ３１１と内部回路側コネクタ３１２との間には、制御部側コネクタ３１３ａ、ダイオード３１４ａ、インダクタ３１５ａ及び抵抗３１６ａのセットと、制御部側コネクタ３１３ｂ、ダイオード３１４ｂ、インダクタ３１５ｂ及び抵抗３１６ｂのセットと、計２セットが備えられている。このように構成されることにより、各セットにおけるダイオード３１４をオン又はオフすることによって、切替回路３０６におけるインピーダンス変換の変換比をより多くの値の中から選択し切り替えることが可能となる。この場合、各セットにおけるインダクタ３１５の値は異なるように構成されても良いし同じ値に構成されても良い。

図７は、ＲＦＩＤ通信装置３０の変形例を表す概略ブロック図である。ＲＦＩＤ通信装置３０は、送信部３０２に接続される整合回路３０３ａ、切替回路３０６ａ、アンテナ３０４ａ（以下、これらをまとめて「送信側回路」という。）と、受信部３０５に接続される整合回路３０３ｂ、切替回路３０６ｂ、アンテナ３０４ｂ（以下、これらをまとめて「受信側回路」という。）とがそれぞれ別の回路として構成されても良い。送信側回路のアンテナ３０４ａと、受信側回路のアンテナ３０４ｂとの物理的な距離が近い場合には、ＩＣタグが近付くことで、インピーダンス整合のずれが送信側回路にも受信側回路にも発生する。そのため、このように両アンテナ３０４ａ、３０４ｂの物理的な距離が近い構成である場合には、制御部３０１は切替回路３０６ａ及び切替回路３０６ｂの両方のスイッチの切換えを行う。一方で、送信側回路のアンテナ３０４ａと、受信側回路のアンテナ３０４ｂとの物理的な距離が遠い場合には、ＩＣタグは送信側回路のアンテナ３０４ａ、受信回路のアンテナ３０４ｂどちらかに近付くので、インピーダンス整合のずれは送信側回路と受信側回路とで異なる。そのため、このように両アンテナ３０４ａ、３０４ｂの物理的な距離が遠い構成である場合には、制御部３０１は切替回路３０６ａもしくは切替回路３０６ｂのどちらかのスイッチの切換えを行う。また、送信側回路のみに切替回路３０６ａが設けられ、受信側回路には切替回路３０６ｂが設けられないように構成されても良い。また、受信側回路のみに切替回路３０６ｂが設けられ、送信側回路には切替回路３０６ａが設けられないように構成されても良い。

また、図２、図３、図６に表されるアンテナ側コネクタ３１１、内部回路側コネクタ３１２、制御部側コネクタ３１３は、切替回路３０６を独立して構成する場合のための構成であり、必ずしも必要な構成ではない。例えば、切替回路３０６が、アンテナや、内部回路や、制御部とコネクタを用いることなく接続して構成される場合には、上記各コネクタは不要である。

なお、上記の説明におけるＲＦＩＤ通信装置３０は切替回路３０６を制御する制御部３０１及び切替回路３０６を有する装置としての一つの具体例である。したがって、切替回路３０６を制御する制御部３０１及び切替回路３０６は、他の無線通信装置に備えられても良い。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１０…ホスト制御部（他の装置）， ２０…ＩＣタグ， ３０…ＲＦＩＤ通信装置， ３０１…制御部（切替部、判定部）， ３０２…送信部（内部回路）， ３０３…整合回路（第一変換部、第二変換部）， ３０４…アンテナ， ３０５…受信部（内部回路）， ３０６…切替回路（第二変換部、切替部）， ３０７…方向性結合部， ３１１…アンテナ側コネクタ， ３１２…内部回路側コネクタ， ３１３…制御部側コネクタ， ３１４…ダイオード， ３１５…インダクタ， ３１６…抵抗

Claims (1)

1. ＩＣタグと無線通信をするためのアンテナと、前記アンテナを介して送信する信号又は前記アンテナを介して受信する信号を処理する内部回路と、を備えるＲＦＩＤ通信装置であって、
   前記アンテナと前記内部回路との間に、
   第一の変換比でインピーダンス変換を行う第一変換部と、
   第二の変換比でインピーダンス変換を行う第二変換部と、
   前記第一変換部でインピーダンス変換を行うか、前記第二変換部でインピーダンス変換を行うかを切り替える切替部と、
   を備え、
   前記切替部は、他の装置から無線通信の指示を受ける度に切り替えを行うことを特徴とするＲＦＩＤ通信装置。

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