JP7032065B2

JP7032065B2 - 無線通信機器

Info

Publication number: JP7032065B2
Application number: JP2017131219A
Authority: JP
Inventors: 邦夫安藤; 秀明土田
Original assignee: Nippon Steel Texeng Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Texeng Co Ltd
Priority date: 2017-07-04
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2037-07-04
Also published as: JP2019016855A

Description

本発明は、ＲＦタグを用いた無線通信機器に関する。

製造工場等において、製品等の識別や管理にＲＦタグが利用されることがある。固有情報が埋め込まれたＲＦタグを製品等に取り付けておき、リーダ／ライタが無線通信によりＲＦタグと情報をやり取りすることにより、製品等の物流管理や位置管理を実現することができる。

ＲＦタグとしては、内蔵電池により駆動するアクティブ型と、電池を保有せず、外部から受信する電波をエネルギー源として駆動するパッシブ型とがある。アクティブ型のＲＦタグは、通信距離を長距離とすることが可能であるが、単価が高く、また、内蔵電池の残容量を把握する必要があり、多数の製品等を取り扱う製造工場等ではほとんど採用されていない。それに対して、パッシブ型のＲＦタグは、単価が安く、電池の残容量を管理する必要がないことから、製造工場等で採用されることが多い。

特開２００８－１７７７３９号公報

パッシブ型のＲＦタグは、一般的に通信距離が５～６［ｍ］程度であり、用途によっては通信距離を延ばすことが求められる。
ＲＦタグの通信距離を延ばすために、例えばＲＦタグ内部のアンテナの面積、長さ、形状等を改良することが考えられるが、ＲＦタグのメーカ側での対応となり、また、単価が高くなってしまう。

通信距離を延ばすには、指向性を強くすることが考えられる。例えば特許文献１には、既存のＲＦＩＤタグの指向性を容易に可変にすることを目的として、ＲＦＩＤタグを取付けるためのタグ取付け位置を予め印したベースプレートと、ベースプレート上に予め設けた無給電素子とを備えるＲＦＩＤタグ用アタッチメントが開示されている。ベースプレートをプリント基板材で形成し、該プリント基板材上に無給電素子のアンテナエレメントのパターンをエッチング加工で形成する構成になっている。しかしながら、特許文献１のようにプリント基板材上でアンテナエレメントを構築するといった二次元構造では、直線偏波（水平偏波又は垂直偏波）にしか対応できず、また、ＲＦタグの周波数や形状によっては、対応できるＲＦＩＤタグが限定されることがあり、無線通信機能が限定的なものとなってしまう。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、既存の一般的なＲＦタグを用いて、通信距離を延ばし、無線通信機能を向上させることを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の要旨は、以下のとおりである。
［１］パッシブ型のＲＦタグと、
前記ＲＦタグから離して配置された、反射器として機能する金属製の第１の丸棒材と、
前記ＲＦタグを挟んで前記第１の丸棒材と反対側にて前記ＲＦタグから離して配置された、導波器として機能する金属製の第２の丸棒材と、
前記ＲＦタグと、前記第１の丸棒材と、前記第２の丸棒材とを支持する支持体とを備え、
前記第１の丸棒材と前記第２の丸棒材とが平行に配置され、
前記ＲＦタグと、前記第１の丸棒材と、前記第２の丸棒材とは、前記第１の丸棒材の長さ方向及び前記第２の丸棒材の長さ方向に直交する直線に対して線対称に配置され、
前記ＲＦタグの指向方向を前記第１の丸棒材の長さ方向及び前記第２の丸棒材の長さ方向に直交する方向に一致させて、前記第１の丸棒材から前記第２の丸棒材に向かう方向の指向性を強くする構成に、
前記支持体は、前記第１の丸棒材及び前記第２の丸棒材を、前記指向性を強くする方向にスライド可能に支持することを特徴とする無線通信機器。
［２］前記第２の丸棒材は複数本あり、前記指向性を強くする方向に所定の間隔で並べられることを特徴とする［１］に記載の無線通信機器。
［３］前記第２の丸棒材が、前記指向性を強くする方向に対して垂直に四方向に延びるように配置されることを特徴とする［１］又は［２］に記載の無線通信機器。
［４］前記第１の丸棒材が、前記指向性を強くする方向に対して垂直に四方向に延びるように配置されることを特徴とする［１］乃至［３］のいずれか一つに記載の無線通信機器。

本発明によれば、既存の一般的なＲＦタグを用いて、通信距離を延ばし、無線通信機能を向上させることができる。

実施形態に係る無線通信機器の構成を示す図である。ＲＦタグに対する反射器の位置と通信距離との関係の一例を示す特性図である。実施形態に係る無線通信機器の使用例を説明するための模式図である。本発明を適用した無線通信機器の変形例を説明するための模式図である。丸棒材をクロスするように配置する構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１に、実施形態に係る無線通信機器１の構成を示す。図１（ａ）は実施形態に係る無線通信機器１の平面図、（ｂ）は左側面図である。実施形態に係る無線通信機器１は、ＲＦタグの前後に導波器及び反射器が配置される構成になっている。本願においては、以下に詳述するようにＲＦタグの指向性を強くすることができるが、その指向方向Ｄ（図１中の矢印を参照）を前方として各方向を説明する。

図１に示すように、例えば角柱材からなる支持体２の上面にタグ用ステージ３が設けられており、このタグ用ステージ３に、固有情報が埋め込まれたＲＦタグ４が設置される。ＲＦタグ４を設置する際には、その指向方向を支持体２の長手方向に一致させる。ＲＦタグ４としては市販されている既存のものを用いればよく、本実施形態では周波数帯がＵＨＦ帯を含む全てのパッシブ型のＲＦタグが使用される。なお、図１に示すＲＦタグは一例に過ぎず、その形状や大きさ等は限定されるものではなく、多種多様なＲＦタグの形状や大きさの相違に対応可能である。また、タグ用ステージ３にＲＦタグ４を設置するときは、ネジ等を用いてＲＦタグ４を固定すればよいが、その設置の仕方も限定されるものではない。

ＲＦタグ４の後方には、反射器として機能する金属製の丸棒材５が配置される。丸棒材５は、支持体２の上面に装着された保持部材６によって保持されて、図１（ａ）に示すように、平面視において支持体２に直交する。丸棒材５は、ＲＦタグ４から所定の距離Ｌ₁だけ離して配置される。丸棒材５としては、例えばアルミニウム合金製のパイプ材が用いられ、適宜な長さＨ₁及び径を有する。なお、丸棒材５が本発明でいう第１の丸棒材に相当する。

また、ＲＦタグ４を挟んで丸棒材５と反対側、すなわちＲＦタグ４の前方には、導波器として機能する２本の金属製の丸棒材７ａ、７ｂが配置される。丸棒材７ａ、７ｂは、支持体２の上面に装着された保持部材８によってそれぞれ保持されて、図１（ａ）に示すように、平面視において支持体２に直交する。すなわち、丸棒材７ａ、７ｂは、丸棒材５と平行に配置される。丸棒材７ａは、ＲＦタグ４から所定の距離Ｌ₂だけ離して配置される。また、丸棒材７ｂは、丸棒材７ａから所定の距離Ｌ₂だけ離して配置される。このように複数本の丸棒材７ａ、７ｂ、・・・が配置される場合、ＲＦタグ４から指向方向Ｄに距離Ｌ₂の間隔で並べられる。丸棒材７ａ、７ｂとしては、例えばアルミニウム合金製のパイプ材が用いられ、適宜な長さＨ₂（＜丸棒材５の長さＨ₁）及び径を有する。なお、丸棒材７ａ、７ｂが本発明でいう第２の丸棒材に相当する。

図１（ｂ）に示すように、側面視において丸棒材５及び丸棒材７ａ、７ｂは同程度の高さ位置となるように、また、ＲＦタグ４に対して適宜な高さ位置となるように配置される。

次に、無線通信機器１の構造設計パラメータについて詳述する。無線通信機器１の構造設計パラメータは、ＲＦタグ４の周波数帯λに応じて設定される。なお、以下では、丸棒材５を反射器５と呼び、丸棒材７ａ、７ｂを導波器７ａ、７ｂと呼ぶこともある。また、導波器をまとめて符号７を用いて説明することもある。
ＲＦタグ４と反射器５との距離Ｌ₁は、λ／４波長程度に設定される。例えばＲＦタグ４の周波数帯が９２０ＭＨｚであれば、Ｌ₁＝８０［ｍｍ］±許容誤差となる。図２に、ＲＦタグに対する反射器の位置と通信距離との関係の一例を示す。図２は、９２０ＭＨｚ帯のＲＦタグに対して、金属製の丸棒材からなる反射器の位置を変えときの通信距離を実験的に得た結果を表わす（特性線２０１を参照）。なお、特性線２０２は、ＲＦタグだけ（反射器なし）の場合の距離を表わす。この結果からもわかるように、距離Ｌ₁を８０［ｍｍ］前後に設定すれば、通信距離を最も延ばすことができる。
また、ＲＦタグ４と導波器７ａとの距離Ｌ₂、及び、導波器７ａと導波器７ｂとの距離Ｌ₂も、λ／４波長程度（Ｌ₂＝８０［ｍｍ］±許容誤差）に設定される。

反射器５の長さＨ₁は、λ／２波長（１６０［ｍｍ］）よりも長く設定され、本実施形態では１７５［ｍｍ］に設定されている。それに対して、導波器７ａ、７ｂの長さＨ₂は、λ／２波長（１６０［ｍｍ］）よりも短く設定され、本実施形態では１３７［ｍｍ］に設定されている。
なお、反射器５の径及び導波器７ａ、７ｂの径は、本実施形態ではいずれも直径４［ｍｍ］に設定されている。

このようにした無線通信機器１では、反射器５及び導波器７ａ、７ｂを備えることにより、既存のＲＦタグ４を用いて、指向性を強くして通信距離を延ばすことができる。図１に矢印Ｄで示すように、反射器５からＲＦタグ４、導波器７ａ、７ｂに向かう方向、別の言い方をすれば支持体２の長手方向が指向方向Ｄになる。
本発明者が実験したところ、反射器５及び導波器７ａ、７ｂをいずれも設置しない場合、すなわちＲＦタグ４そのものの通信距離を１とすると、反射器５を設置する場合（図１において導波器７ａ、７ｂを省略した場合）、通信距離は約１．５倍となった。また、反射器５及び１本の導波器７ａを設置する場合（図１において導波器７ｂを省略した場合）、通信距離は約２．０倍となった。また、図１に示すように反射器５及び２本の導波器７ａ、７ｂを設置する場合、通信距離は約３．０倍となった。このようにＲＦタグ４の通信距離が５～６［ｍ］程度であれば、通信距離が１０［ｍ］を超えるようにすることも可能となり、通信距離を飛躍的に延ばすことができる。

なお、図１に示す無線通信機器１の構成は一例であり、各部の形状等は限定されるものではない。反射器５だけでも通信距離を延ばすことができるので、導波器７を省いてもよい。また、通信距離をより延ばしたいときには、導波器７を３本以上としてもよい。

また、図１では支持体２の上面に保持部材６、８を装着して丸棒材５、７ａ、７ｂを保持する構成例としたが、その構成は限定されるものではない。例えば支持体２の左右側面を貫通させるようにして丸棒材５、７ａ、７ｂを保持する構成にしてもよい。

また、反射器５を保持する保持部材６を支持体２の長手方向にスライド可能として、反射器５の位置（距離Ｌ₁）を可変とする構成にしてもよい。同様に、導波器７を保持する保持部材８を支持体２の長手方向にスライド可能として、導波器７の位置（距離Ｌ₂）を可変とする構成にしてもよい。この場合、搭載するＲＦタグ４の周波数帯に合わせて反射器５や導波器７の位置を任意に変えることができるので、使用可能なＲＦタグ４の種類に係らず、製造工場等の要求事項に適することが可能となる。

次に、図３を参照して、無線通信機器１の使用例を説明する。無線通信機器１では、指向性を強くして通信距離を延ばすことができるので、例えば一列に並ぶ対象物を識別するのに好適に利用することができる。
図３の例は、レール上を走行する貨車１０１の連結、切り離しを識別できるようにした使用例である。
各貨車１０１に、無線通信機器１を設置する。貨車１０１が前後いずれでも連結可能である場合、一台の貨車１０１に一対の無線通信機器１を設置し、一方を前方向に指向性を持たせるようにし、他方を後方向に指向性を持たせるようにする。また、牽引車１０２に、リーダ１０３を設置する。リーダ１０３のアンテナ１０４としては、指向性を持たせるために例えば八木・宇田アンテナを用いる。無線通信機器１とアンテナ１０４とは、相互に通信可能な高さ位置となるようにそれぞれ設置される。

このようにした使用例では、リーダ１０３が無線通信により各無線通信機器１のＲＦタグ４と情報をやり取りすることにより、牽引車１０２に連結する（或いは連結しようとする）貨車１０１を識別することができる。この場合に、上述したように一台の貨車１０１に一対の無線通信機器１を設置しておけば、貨車１０１ごとにその前後いずれが牽引車１０２の方向に向いているかまで識別することができる。
また、リーダ１０３と無線通信機器１とが無線通信する電波の強度に基づいて、その間の距離を推定することも可能であり、牽引車１０２に対してどういった順番で貨車１０１が並んでいるかまで識別することができる。

以下、本発明を適用した無線通信機器の無線通信機能について説明する。なお、各構成要素には、実施形態の無線通信機器１と共通の符号を付して説明する。
まず、本発明を適用した無線通信機器１では、無線通信機器１やアンテナ１０４の傾きに対応可能となる。この点について説明する。
ＲＦタグ４の偏波特性が直線偏波（水平偏波又は垂直偏波）である場合、図４（ａ）に示すように、水平方向に延出する反射器５及び水平方向に延出する導波器７を備える無線通信機器１では、アンテナ１０４との間で偏波方向が合っていれば、ＲＦタグ４を確実に検知することができる。
しかしながら、図４（ｂ）に示すように、指向方向Ｄを軸とする回転方向に無線通信機器１とアンテナ１０４とが相対的に傾くと、無線通信機器１とアンテナ１０４との間で偏波方向がずれて、通信距離が徐々に短くなる。このように無線通信機器１とアンテナ１０４との相対的な傾きによっては、ＲＦタグ４の未検知が発生するおそれがある。

そこで、図４（ｃ）に示すように、ＲＦタグ４の偏波特性を円偏波とするとともに、反射器５及び導波器７をそれぞれクロスするように配置する、すなわち反射器５及び導波器７をそれぞれ指向方向Ｄに対して垂直に四方向に延びるように配置する。なお、クロスするように配置する場合も、反射器５及び導波器７は相互に平行に配置する。このようにクロスアンテナ化することにより、指向方向Ｄを軸とする回転方向に無線通信機器１とアンテナ１０４とが相対的に傾いたとしても（例えば図４（ｃ）に示すように、アンテナ１０４が傾いたとしても）、すなわち無線通信機器１とアンテナ１０４との間で偏波方向がずれても、ＲＦタグ４を確実に検知することができる。

図５に、反射器５や導波器７をクロスするように配置する構成例を示す。支持体２の左右側面を貫通させるようにして反射器５（又は導波器７）を配設し、また、支持体２の上下面を貫通させるようにして反射器５（又は導波器７）を配設する。クロスさせる位置は指向方向Ｄの同位置であるのが好ましいが、図５に示すように、略同位置とみなせる範囲であれば、指向方向Ｄでずれがあってもよい。図２に示すように、ＲＦタグに対する反射器の位置がわずかにずれたとしても、通信距離に影響はないからである（導波器についても同様である）。

以上のとおり、丸棒材からなる反射器５や導波器７を用いる構造により、特許文献１にあるような二次元構造では困難であった円偏波にも対応でき、無線通信機器１やアンテナ１０４の傾きに対応可能となる。無線通信機器１やアンテナ１０４の傾きが変動するような使用環境下であれば、図４（ｃ）で説明したようにクロスアンテナ化すればよい。なお、図３で説明した使用例の場合は、貨車１０１や牽引車１０２に設置される無線通信機器１やアンテナ１０４が指向方向Ｄを軸とする回転方向に大きく傾くことはないので、図１や図４（ａ）で説明した形態で対応できる。

次に、本発明を適用した無線通信機器１では、対応できる周波数の帯域幅を広くして、使用可能なＲＦＩＤタグ４が限定されないようにすることができる。この点について説明する。
ＲＦタグ４は、混信防止目的のため、周波数に幅を持っており、例えばｆ₀＝９２０ＭＨｚ帯のＲＦタグでは９１０ＭＨｚ～９２２ＭＨｚの幅がある。
ここで、共振条件（回路を流れる電流が最も大きくなる＝ＲＦタグ４からの電波が最も大きくなる条件）は、下記のとおりである。なお、√（ＬＣ）の表記は（ＬＣ）の上に√が付されているものとする。
ｆ₀（共振周波数）＝１／２π√（ＬＣ）
ω₀（共振角周波数）＝２πｆ₀
このように共振周波数ｆ₀は、インダクタンス分Ｌ及びキャパシタンス分Ｃとで決まる。インダクタンス分Ｌは、電磁エネルギーを貯める能力の大きさを示すものであり、物質の性質から決まる。キャパシタンス分Ｃは、電気エネルギーを貯める能力の大きさを示すものであり、物質の性質から決まる。

特許文献１にあるような二次元構造でも、本発明のように丸棒材からなる反射器５や導波器７を用いる構造でも、長さが同一であれば、そのインダクタンス分Ｌは同一とみなされる。その一方で、丸棒材からなる反射器５や導波器７を用いる構造では、その径又は表面積を大きくすると、インダクタンス分Ｌが持つキャパシタンス分が浮遊静電容量等のストレーキャパシティによって大きくなり、その結果、キャパシタンス分Ｃが増加方向となる。二次元構造と比べて、丸棒材からなる反射器５や導波器７を用いる構造の場合、同一の幅であれば表面積は３．１４倍になり、より大きい静電容量を持つことができる。

ここで、Ｑ値は下記のように表わされ、キャパシタンス分Ｃの増加がある場合にＱ値は低下する。抵抗分Ｒは、電気エネルギーを消費する能力の大きさを示すものであり、物質の性質から決まる。なお、√（Ｌ／Ｃ）の表記は（Ｌ／Ｃ）の上に√が付されているものとする。
Ｑ＝ω₀Ｌ／Ｒ＝１／ω₀ＣＲ＝１／Ｒ・√（Ｌ／Ｃ）

また、Ｑ値は下記のように表わされる。
Ｑ＝ω₀／ω₂－ω₁
ω₀：中心角周波数（共振角周波数）
ω₂：上限角周波数
ω₁：下限角周波数
Ｑ値の低下は、上限角周波数ω₂と下限角周波数ω₁の差（半値幅と呼ばれる）が大きいことに等価であることから、帯域幅が広くなることになる。

以上のとおり、二次元構造では、上限角周波数ω₂と下限角周波数ω₁の差が小さく、対応できる周波数の帯域幅が狭くなって、使用可能なＲＦＩＤタグが限定される。上述したように、例えば９２０ＭＨｚ帯のＲＦタグであっても９１０ＭＨｚ～９２２ＭＨｚの幅があるが、その幅での周波数の違いでも無線通信機能が悪くなってしまうおそれがある。
それに対して、丸棒材からなる反射器５や導波器７を用いる構造により、キャパシタンス分Ｃが増加し、その結果、Ｑ値が小さくなる。換言すれば、上限角周波数ω₂と下限角周波数ω₁の差が大きくなるので、対応できる周波数の帯域幅を広くして、使用可能なＲＦＩＤタグ４が限定されないようにすることができる。

以上、本発明を実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
例えば図３で説明した使用例は一例に過ぎず、本発明を適用した無線通信機器は、製品等の物流管理や位置管理に広く利用することができる。

１：無線通信機器、２：支持体、３：タグ用ステージ、４：ＲＦタグ、５：反射器（丸棒材）、６：保持部材、７、７ａ、７ｂ：導波器（丸棒材）、８：保持部材

Claims

パッシブ型のＲＦタグと、
前記ＲＦタグから離して配置された、反射器として機能する金属製の第１の丸棒材と、
前記ＲＦタグを挟んで前記第１の丸棒材と反対側にて前記ＲＦタグから離して配置された、導波器として機能する金属製の第２の丸棒材と、
前記ＲＦタグと、前記第１の丸棒材と、前記第２の丸棒材とを支持する支持体とを備え、
前記第１の丸棒材と前記第２の丸棒材とが平行に配置され、
前記ＲＦタグと、前記第１の丸棒材と、前記第２の丸棒材とは、前記第１の丸棒材の長さ方向及び前記第２の丸棒材の長さ方向に直交する直線に対して線対称に配置され、
前記ＲＦタグの指向方向を前記第１の丸棒材の長さ方向及び前記第２の丸棒材の長さ方向に直交する方向に一致させて、前記第１の丸棒材から前記第２の丸棒材に向かう方向の指向性を強くする構成にし、
前記支持体は、前記第１の丸棒材及び前記第２の丸棒材を、前記指向性を強くする方向にスライド可能に支持することを特徴とする無線通信機器。
前記第２の丸棒材は複数本あり、前記指向性を強くする方向に所定の間隔で並べられることを特徴とする請求項１に記載の無線通信機器。
前記第２の丸棒材が、前記指向性を強くする方向に対して垂直に四方向に延びるように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信機器。
前記第１の丸棒材が、前記指向性を強くする方向に対して垂直に四方向に延びるように配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無線通信機器。