(57)【要約】      （修正有）【課題】道路等の走路周辺に設置された無線タグ装置を遠隔から読み取る。【解決手段】無線タグアンテナの給電点Cから供給されるRF入力信号から、コンデンサC1と整流素子D3との接続点Dに昇圧整流DC電源電圧およびRF信号を得るとともに、整流素子D3とショートスタブL7との接続点Eに昇圧RF信号を得る受電力回路と、マイクロプロセッサU3とそれに関連するデータ入力回路及び電源制御回路とを有する無線タグ装置であって、無線タグアンテナとしてマイクロストリップ反射器L1と、２分割マイクロストリップ給電素子L2及びL3と、マイクロストリップ導波器L4〜L6とを有し、L1〜L6からλ／４０程度（λは電磁波の波長）の間隔でGND板を配置し、指向性を正面方向からL4〜L6方向へチルトさせる構造を有し、可変インピーダンス素子D1及びD2でアンテナの反射係数を効率良く変化させタグ応答信号を高い利得で返送する。【選択図】図３
2011205632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線タグ用アンテナで受信したRF信号を昇圧整流する受電力回路であって、
前記無線タグ用アンテナの給電素子に設けられたアンテナ給電点CからコンデンサC1と整流素子D3とショートスタブL7とが直列に接続され、前記アンテナ給電点Cから供給されるRF入力信号から、コンデンサC1と整流素子D3との接続点Dに昇圧整流DC電源電圧およびRF信号を得るとともに、整流素子D3とショートスタブL7との接続点Eに昇圧RF信号を得ることを特徴とする受電力回路。
【請求項２】
整流素子D3とショートスタブL7との接続点Eから整流素子D4を介して第１の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC3にチャージし、コンデンサC1と整流素子D3との接続点Dから抵抗R3を介して第２の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC2にチャージすることで２種類の電圧源を得ること、すなわちD4とC3との接続点Gでプラス電圧、およびR3とC2との接続点Fでマイナス電圧を得ることを特徴とする請求項１に記載の受電力回路。
【請求項３】
第１電源G点と第２電源F点間の電位差を受信信号として反転論理回路U1で検出するとともに、接続点Gから整流素子D5を介して昇圧整流された直流電圧をコンデンサC4にチャージして、マイクロプロセッサU3及びU3のデータ入力と電源制御を行う回路の電源電圧とすることを特徴とする請求項２に記載の受電力回路。
【請求項４】
整流素子D3、D4、D5がショットキ・バリアダイオードであることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の受電力回路。
【請求項５】
前記無線タグ用アンテナと、請求項１乃至請求項４に記載の受電力回路とを有することを特徴とする無線タグ装置。
【請求項６】
前記無線タグ用アンテナは、マイクロストリップ反射器L1と、２分割マイクロストリップ給電素子L2及びL3と、マイクロストリップ導波器L4〜L6とを有し、L1〜L6からλ／４０程度（λは電磁波の波長）の間隔でGND板を配置し、反射器L1は給電素子L2+L3よりも３〜５％程度長く、導波器L4〜L6は同じ長さで且つ給電素子L2+L3よりも３〜５％程度短く、L1〜L6のストリップ導体幅をλ／１０程度とし、L1〜L6の配置間隔をλ／５程度とすることによって指向性を正面方向からL4〜L6方向へチルトさせる構造を有し、給電素子L2とL3の間にバラクタダイオードのような可変インピーダンス素子D1及びD2を接続してD1及びD2のバイアス電圧を変化させることにより、応答信号を返送することを特徴とする請求項５に記載の無線タグ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の無線タグ装置において、前記無線タグ用アンテナと前記受電力回路、ならびにマイクロプロセッサU3とU3のデータ入力と電源制御を行う回路とを有する無線タグ装置であって、第２電源F点から抵抗R2を介してアンテナのストリップ導体L3に接続し、マイクロプロセッサU3のデータ出力端子Doutから抵抗R1を介してアンテナのストリップ導体L2に接続し、データ出力端子Doutからの出力に応じて可変インピーダンス素子D1及びD2のバイアス電圧を効率良く変化させることにより、マイクロプロセッサU3から出力された情報を電波にのせてリーダへ返送することを特徴とする請求項６に記載の無線タグ装置。
【請求項８】
マイクロプロセッサU3の電源が論理和回路U2から供給され、論理和回路U2の１つの入力は反転論理回路U1の出力で制御され、論理和回路U2のもう１つの入力はマイクロプロセッサU3の出力で制御されるように接続され、電源電圧の立ち上がり時間を短縮し、マイクロプロセッサU3の起動を確実にするとともに、一旦起動すればこれを保持することを特徴とする請求項７に記載の無線タグ装置。
【請求項９】
マイクロプロセッサU3は、コンパレータ機能やアナログ・デジタル変換機能などを内蔵し、温度や圧力など様々なセンサ情報を取り込み応答信号として返送することができることを特徴とする請求項５乃至請求項８に記載の無線タグ装置。
【請求項１０】
反転論理回路U1の電源と論理和回路U2の電源間に整流素子D7を挿入し、U2の電源A・F間に電池を挿入することによって、電池の電力でマイクロプロセッサU3を動作させるセミパッシブ型の無線タグ装置であって、リーダからの受信があるときには受信信号を基にして電池の充電を行うとともに、リーダからの受信がないときには反転論理回路U1の出力はLowとなり、U3はデータ入力端子DINの入力状態を監視することによってパワーオン出力端子PonをLow出力として自らの電源をOFFすることで電池の消耗を軽減することを特徴とする請求項５乃至請求項９に記載の無線タグ装置。
【請求項１１】
整流素子D7がショットキ・バリアダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載の無線タグ装置。
【請求項１２】
請求項５乃至請求項１１に記載の無線タグ装置を道路などの走路周辺に設置し、前記無線タグ装置に対して車載のリーダからキャリア信号を送信し前記無線タグ装置からの応答信号を読み取る無線タグ読み取り方法であって、
リーダから質問キャリア信号を連続送信する際に一定期間T秒ごとに１ms程度のリセット同期用キャリア非送信区間を挿入すること、および前記リセット同期は眠っている無線タグ装置を起こす役割とともに無線タグ装置からの返送タイミングの同期にも用いられること、さらに無線タグ装置からの返送タイミングは、無線タグ装置ごとに定められたリセット同期からの遅延時間が記録されているものをタグ応答タイムスロットとして、道路等に設置される無線タグ装置において近接する無線タグ装置同士で同じタグ応答タイムスロットを利用しないこと、および離れた無線タグ装置同士では同じタグ応答タイムスロットを繰り返し利用することにより、車載のリーダで受信されるタグ応答信号に重なりがないようにしたことを特徴とする無線タグ読み取り方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池を必要としないパッシブ型またはセミパッシブ型の無線タグ装置に関するものであり、特に、ビームチルトした指向性を持つアンテナ構造、およびアンテナで受信したRF(Radio Frequency)信号を効率的に昇圧整流する受電力回路、ならびに数10m遠隔から読み取り可能な無線タグ読み取り技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ITS(Intelligent Transport Systems)において、車の安全走行のための走行支援道路システム(AHS：Advanced Cruise-Assist Highway Systems)の実現は特に重要課題である。道路の凍結、車線のはみ出しやガードレールへの接近、横風等の警告は運転者へ事前に知らせる必要があり、かつ、インフラストラクチャ整備及びメンテナンス費用が巨額にならない必要がある。これに対して、道路に埋め込んで、または、ガードレールに貼って利用でき、かつ遠隔(100m程度)から読み取る事のできるパッシブ型の無線タグ装置が利用できれば非常に有効である。
【０００３】
図１に従来公知の技術である温度記録デバイス（特許文献１）を示す。このセンサタグ装置では、タグへの電力供給及びリーダとの通信に電磁誘導を利用（501がリーダ側コイルで502がタグ側コイル、501と502間の電磁誘導を利用して電力の供給と通信を行っている）しており、数10cm程度の通信距離しか実現できない。もし、このタグを道路に埋め込んで走行する自動車から温度情報を読み取ろうとした場合、車がタグセンサの真上に来たときに道面の温度（凍結の警告）を受け取ることとなって、運転者が適切な対応を取ることが難しい。
【０００４】
そこで特許文献２では、数10m遠隔から読み取り可能なセンサ付きパッシブ型無線タグの技術を開発した。このパッシブ型無線タグ装置では、受電力回路にスタブ共振器およびラダー昇圧整流回路を用いることで、アンテナから受信した微弱な信号をもとに高い電圧の給電が可能となり、マイクロプロセッサに対する電源供給を省電力化できること、およびリーダから電波を受信しない状態でもセンサ装置はイベントの検出が可能になること、さらに無線通信距離（2.45GHz帯では30m程度）を拡大できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2000-258254 『温度記録デバイス』
【特許文献２】特願2005-207464 『センサタグ、センサタグ装置、受電力回路、センサタグ装置の電力供給方法』
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２では、タグアンテナの指向性がタグ面の正面方向を向くために道路面に埋め込んだ場合やガードレールに貼って使用した場合に車から読み取る事が難しかった。図７に、走行支援道路システムで利用される無線タグ装置の設置状況を示す。ナンバープレートに無線タグ装置を装着して後続の車から読み取る場合は、無線タグ用アンテナの指向性が正面方向であって良いが、道路面やガードレールに装着して、これを車から読み取る場合には、無線タグ用アンテナの正面方向ではなく、チルトした方向（斜め方向）であることが望ましい(図２参照)。また、2.45GHz帯（無線タグ用の割り当て周波数）の無線タグ装置を作る場合、昇圧整流回路に0.15pF程度の高Q値コンデンサを用いる必要があり、無線タグ装置のコストを上げる要因になるとともに回路実装を難しくしていた。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するため、斜め方向からの読み取り性能の高いビームチルトした指向性を持つアンテナ構造と、アンテナで受信したRF信号を効率的に昇圧整流する受電力回路とを用いることによって、タグ斜め方向からの読み取りを容易にし、かつ高Q値（2.45GHz帯で1pF以下の微小容量）のコンデンサを使用することなく20倍程度の昇圧整流動作を可能とし、数10m遠隔から読み取り可能な無線タグ装置を実現するための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の受電力回路は、無線タグ用アンテナで受信したRF信号を昇圧整流する受電力回路であって、
前記無線タグ用アンテナの給電素子に設けられたアンテナ給電点CからコンデンサC1と整流素子D3とショートスタブL7とが直列に接続され、前記アンテナ給電点Cから供給されるRF入力信号から、コンデンサC1と整流素子D3との接続点Dに昇圧整流DC電源電圧およびRF信号を得るとともに、整流素子D3とショートスタブL7との接続点Eに昇圧RF信号を得ることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の受電力回路は、請求項１に記載の受電力回路において、整流素子D3とショートスタブL7との接続点Eから整流素子D4を介して第１の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC3にチャージし、コンデンサC1と整流素子D3との接続点Dから抵抗R3を介して第２の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC2にチャージすることで２種類の電圧源を得ること、すなわちD4とC3との接続点Gでプラス電圧、およびR3とC2との接続点Fでマイナス電圧を得ることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の受電力回路は、請求項２に記載の受電力回路において、第１電源G点と第２電源F点間の電位差を受信信号として反転論理回路U1で検出するとともに、接続点Gから整流素子D5を介して昇圧整流された直流電圧をコンデンサC4にチャージして、マイクロプロセッサU3及びU3のデータ入力と電源制御を行う回路の電源電圧とすることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の受電力回路は、請求項１乃至請求項３に記載の受電力回路において、整流素子D3、D4、D5がショットキ・バリアダイオードであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の無線タグ装置は、前記無線タグ用アンテナと、請求項１乃至請求項４に記載の受電力回路とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の無線タグ装置は、請求項５に記載の無線タグ装置において、前記無線タグ用アンテナは、マイクロストリップ反射器L1と、２分割マイクロストリップ給電素子L2及びL3と、マイクロストリップ導波器L4〜L6とを有し、L1〜L6からλ／４０程度（λは電磁波の波長）の間隔でGND板を配置し、反射器L1は給電素子L2+L3よりも３〜５％程度長く、導波器L4〜L6は同じ長さで且つ給電素子L2+L3よりも３〜５％程度短く、L1〜L6のストリップ導体幅をλ／１０程度とし、L1〜L6の配置間隔をλ／５程度とすることによって指向性を正面方向からL4〜L6方向へチルトさせる構造を有し、給電素子L2とL3の間にバラクタダイオードのような可変インピーダンス素子D1及びD2を接続してD1及びD2のバイアス電圧を変化させることにより、応答信号を返送することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の無線タグ装置は、請求項６に記載の無線タグ装置において、前記無線タグ用アンテナと前記受電力回路、ならびにマイクロプロセッサU3とU3のデータ入力と電源制御を行う回路とを有する無線タグ装置であって、第２電源F点から抵抗R2を介してアンテナのストリップ導体L3に接続し、マイクロプロセッサU3のデータ出力端子Doutから抵抗R1を介してアンテナのストリップ導体L2に接続し、データ出力端子Doutからの出力に応じて可変インピーダンス素子D1及びD2のバイアス電圧を効率良く変化させることにより、マイクロプロセッサU3から出力された情報を電波にのせてリーダへ返送することを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の無線タグ装置は、請求項７に記載の無線タグ装置において、マイクロプロセッサU3の電源が論理和回路U2から供給され、論理和回路U2の１つの入力は反転論理回路U1の出力で制御され、論理和回路U2のもう１つの入力はマイクロプロセッサU3の出力で制御されるように接続され、電源電圧の立ち上がり時間を短縮し、マイクロプロセッサU3の起動を確実にするとともに、一旦起動すればこれを保持することを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の無線タグ装置は、請求項５乃至請求項８に記載の無線タグ装置において、マイクロプロセッサU3は、コンパレータ(comparator)機能やアナログ・デジタル変換機能などを内蔵し、温度や圧力など様々なセンサ情報を取り込み応答信号として返送することができることを特徴とする。ここでマイクロプロセッサU3は、例えばMicrochip社製PIC16F684のような汎用マイクロプロセッサを利用することができる。
【００１７】
請求項１０に記載の無線タグ装置は、請求項５乃至請求項９に記載の無線タグ装置において、反転論理回路U1の電源と論理和回路U2の電源間に整流素子D7を挿入し、U2の電源A・F間に電池を挿入することによって、電池の電力でマイクロプロセッサU3を動作させるセミパッシブ型の無線タグ装置であって、リーダからの受信があるときには受信信号を基にして電池の充電を行うとともに、リーダからの受信がないときには反転論理回路U1の出力はLowとなり、U3はデータ入力端子DINの入力状態を監視することによってパワーオン出力端子PonをLow出力として自らの電源をOFFすることで電池の消耗を軽減することを特徴とする。
【００１８】
請求項１１に記載の無線タグ装置は、請求項１０に記載の無線タグ装置において、整流素子D7がショットキ・バリアダイオードであることを特徴とする。
【００１９】
請求項１２に記載の無線タグ読み取り方法は、請求項５乃至請求項１１に記載の無線タグ装置を道路などの走路周辺に設置し、前記無線タグ装置に対して車載のリーダからキャリア信号を送信し前記無線タグ装置からの応答信号を読み取る無線タグ読み取り方法であって、
リーダから質問キャリア信号を連続送信する際に一定期間T秒ごとに１ms程度のリセット同期用キャリア非送信区間を挿入すること、および前記リセット同期は眠っている無線タグ装置を起こす役割とともに無線タグ装置からの返送タイミングの同期にも用いられること、さらに無線タグ装置からの返送タイミングは、無線タグ装置ごとに定められたリセット同期からの遅延時間が記録されているものをタグ応答タイムスロットとして、道路等に設置される無線タグ装置において近接する無線タグ装置同士で同じタグ応答タイムスロットを利用しないこと、および離れた無線タグ装置同士では同じタグ応答タイムスロットを繰り返し利用することにより、車載のリーダで受信されるタグ応答信号に重なりがないようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１−２に係る発明によれば、マイナス電圧出力とプラス電圧出力とを同時に得ることができることで、効率的な昇圧整流動作が可能となり、昇圧整流倍率は20倍程度であることが検証された。またスタブ共振周波数付近において、アンテナで受信したRF入力信号が効率良くDC電力に変換されていることが検証された。さらに、従来方式（特許文献２）ではC1とL7を高いQ値で共振させるために2.45GHz帯の場合C1として0.15pF程度の微小容量が必要であるのに対して、C1の容量は共振周波数に影響しないようにしたため、扱いやすい数十pFを用いることが可能となる。すなわち比較的高価である微小容量のコンデンサを用いずに、低コストの受電力回路を実現することが可能となる。
【００２１】
請求項３、請求項４に係る発明によれば、アンテナで受信したRF入力信号を昇圧整流して、マイクロプロセッサU3及びU3のデータ入力と電源制御を行う回路の電源電圧とすることで、無電池で動作することが可能となる。
【００２２】
請求項５に係る発明によれば、アンテナで受信したRF(Radio Frequency)信号を効率的に昇圧整流する受電力回路により、電池を必要としないパッシブ型の無線タグ装置を提供可能となる。
【００２３】
請求項６に係る発明によれば、斜め方向からの読み取り性能の高いビームチルトした指向性を持つアンテナ構造とすることで、従来のタグアンテナと比較して、道路面方向-90°から-135°にかけて車両からの読み取り利得（指向性利得）が数dB高いことが検証された。さらに２分割マイクロストリップ導体L2及びL3の幅方向両端に電流が集中するために、少ない可変インピーダンス素子D1及びD2でアンテナの反射係数を効率良く変化させタグ応答信号を高い利得で返送することが可能となる。
【００２４】
請求項７に係る発明によれば、マイクロプロセッサU3のデータ出力端子Doutからの出力に応じて可変インピーダンス素子D1及びD2のバイアス電圧を効率良く変化させることで、マイクロプロセッサU3から出力された情報を電波にのせてリーダへ返送することが可能となる。この無線タグ装置は、タグ斜め方向からの読み取りを容易にし、数10m遠隔から読み取り可能であり、この無線タグ装置を道路等に埋め込み、またはガードレール等に設置することで、車載のリーダにより遠隔から読み取ることが可能となる。また、センサ機能を追加することで道路の凍結、横風、車線はみだしやガードレールへの接近等の情報を数10m遠隔から運転者へ警告することのできる社会インフラストラクチャを比較的容易に供給することが可能となる。またパッシブ型のセンサタグ装置は無電池で動作することが可能であり、運用メンテナンスが不要というメリットがある。
【００２５】
請求項８に係る発明によれば、論理和回路U2の出力をマイクロプロセッサU3の電源供給に利用することで、マイクロプロセッサU3の正常なPower on Reset動作を行うようにすることが可能となる。すなわち、リーダからASK変調によって1ms程度のキャリアoff信号を一定間隔ごとに送信すればマイクロプロセッサU3は確実にPower on Reset動作を行うことができる。さらに、マイクロプロセッサU3が動作中はパワーオン出力端子Pon出力をHigh状態に固定し、反転論理回路U1出力がLowになっても論理和回路U2の出力をHighのままに保持することで、一旦起動すればこれを保持することが可能となる。
【００２６】
請求項９に係る発明によれば、マイクロプロセッサU3がアナログ・デジタル変換機能などを内蔵していることで、センサ装置で検出した温度や圧力など様々な情報を取り込み応答信号として返送することが可能となる。
【００２７】
請求項１０−１１に係る発明によれば、電池の電力でマイクロプロセッサU3を動作させるセミパッシブ型の無線タグ装置において、リーダからの受信があるときには受信信号を基にして電池の充電を行うとともに、リーダからの受信がないときには自らの電源をOFFすることで、電池の消耗を節約することが可能となる。
【００２８】
請求項１２に係る発明によれば、車載のリーダからキャリア信号を送信し、道路などの走路周辺に設置された無線タグ装置からの応答信号を読み取る方法において、車載のリーダで受信されるタグ応答信号に重なりがないようにしたことで、高速で走行する車から確実に読み取ることが可能となる。無線タグ装置からの応答信号を0.1秒以内に読み取ることができると推定される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の非接触読み取りセンサタグ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】道路面に埋め込んだ無線タグ用アンテナの指向性の概念を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る無線タグ装置の構成および回路図を示す図である。(a)パッシブ型のセンサ付き無線タグ装置(b)セミパッシブ型のセンサ付き無線タグ装置
【図４】本発明の実施の形態に係る定在波昇圧整流回路の動作実験系を示す図である。ここでショットキ・バリアダイオードD3、D4にはHSMS-2865（Co=0.3pF , Rs=6Ω , Ir=10μA , Bv=7V）を用いる。デジタルオシロにはDS-8821、シンセサイズド・スイーパにはHP83620Aを用いる。
【図５】本発明の実施の形態に係る定在波昇圧整流回路を評価する実験結果を示す図である。グラフは定在波昇圧整流回路の周波数応答（入力0dB , ショートスタブ長6cm , 負荷抵抗47kΩ）を示す。
【図６】本発明の実施の形態に係るマイクロストリップアンテナの指向性を評価する実験結果を示す図である。グラフはマイクロストリップアンテナのH面指向性（ストリップ導体幅10mm , 素子間隔20mm , 評価周波数2.45GHz）を示す。
【図７】本発明の実施の形態に係る無線タグ装置を走行支援道路システム(AHS)へ適用した場合の応用例を示す図である。（図の一部については国土交通省ITSのHPより転載）
【図８】本発明の実施の形態に係る無線タグ装置を道路やガードレール等への設置例と、車載リーダがこれらのタグを読み取るタイミングとその強度を車の位置ごとに表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に、本発明の実施の形態に係る無線タグ装置について図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態に係る無線タグ装置の構成および回路図を示す図である。図３(a)はパッシブ型の無線タグ装置の構成および回路図であり、図３(b)はセミパッシブ型の無線タグ装置の構成および回路図である。
【００３２】
無線タグ装置は、無線タグ用アンテナと、無線タグ用アンテナで受信したRF信号を効率的に昇圧整流する受電力回路、ならびにマイクロプロセッサU3とU3のデータ入力と電源制御を行う回路とを有する。
【００３３】
無線タグ用アンテナは、マイクロストリップ反射器L1と、２分割マイクロストリップ給電素子L2及びL3と、マイクロストリップ導波器L4〜L6とを有するレクテナであって、L1〜L6からλ／４０程度（λは電磁波の波長）の間隔でGND板を配置し、反射器L1は給電素子L2+L3よりも３〜５％程度長く、導波器L4〜L6は同じ長さで且つ給電素子L2+L3よりも３〜５％程度短く、L1〜L6のストリップ導体幅をλ／１０程度とし、L1〜L6の配置間隔をλ／５程度とすることによって指向性を正面方向からL4〜L6方向へチルトさせる構造を有する。
【００３４】
さらに、無線タグ用アンテナは、給電素子L2とL3との間に可変インピーダンス素子D1及びD2を接続してD1及びD2のバイアス電圧を周期的に変化させることによりアンテナの共振周波数を周期的に変化させて応答信号を返送することを特徴とし、可変インピーダンス素子D1及びD2として例えばバラクタダイオードを用いる。
【００３５】
図３のL1、L4、L5、L6は無線タグ用アンテナの指向性をチルトさせるための反射器及び導波器であって良く知られている八木・宇田アレーの動作をしている。ただし、本発明のアンテナはマイクロストリップ型であり、導波器方向にビームを構成するのではなく、GND板正面方向から導波器（L4、L5、L6）方向にビームをチルトさせる。このとき、波長をλとして、L1〜L6のストリップ導体幅Wをλ/10程度、素子間隔をλ/5程度とする。また、給電素子長(L2+L3)に対して、反射器L1の長さを３〜５％程度長く、導波器L4〜L6の長さを３〜５％程度短くすることが望ましい。
【００３６】
従来の八木・宇田アレーアンテナは、図３の無線タグ用アンテナのGND板を取り除き、かつ、可変インピーダンス素子D1及びD2が無い状態でL2とL3間に平衡給電する構造であった。本発明のアンテナはL1~L6のごく近傍（λ/40程度）にGND板を配置し、L2とL3間に可変インピーダンス素子D1及びD2を装荷または短絡して、L2又はL3とGND板間に不平衡給電する構造であり、導波器方向ではなく、導波器方向とアンテナ面方向の中間方向へビームチルトすることを特徴とするアンテナである。
【００３７】
また、従来のマイクロストリップアンテナ（パッチアンテナ）がλ/2×λ/2サイズ程度のパッチ導体をアンテナとして使用するのに対して、本発明のアンテナはλ/2×λ/10サイズ程度の細長いパッチ導体を組み合わせて使用することによって、λ/2×λサイズ程度のアンテナでチルトビームが得られるばかりでなく、給電素子L2及びL3の幅方向両端に電流が集中するために、少ない可変インピーダンス素子D1及びD2でアンテナの反射係数を効率良く変化させタグ応答信号を高い利得で返送することができる。
【００３８】
また、本発明のアンテナはGND板とストリップ導体L1~L6間の空隙に図３に示す回路を挿入することも可能であり、特にショートスタグL7をアンテナGND板間で容易に実現できる特徴がある。
【００３９】
図６に、マイクロストリップアンテナの指向性を評価する実験結果を示す。図６の実験結果から、従来マイクロストリップアンテナ（1素子）に対して、本発明のアンテナ（5素子）は、道路面方向-90°から-135°にかけて車両からの読み取り利得（指向性利得）が数dB高いことがわかった。
【００４０】
次に図４に、定在波昇圧整流回路の動作実験系を示す。この回路で給電系のC1に微小容量コンデンサが必要ないことが本発明の特徴である。従来方式（特許文献２）では、C1とL7を高いQ値で共振させるために、2.45GHz帯の場合C1として0.15pF程度の微小容量を用いる必要があった。微小容量のコンデンサは比較的高価であるとともに、実装条件による特性変化の影響も大きい欠点があった。本発明の受電力回路ではC1の容量は共振周波数に影響しないため、扱いやすい数十pFを用いることができる。
【００４１】
本発明のスタブ昇圧動作は整流素子D3によるものであり、図５に示す実験結果のようにV1マイナス電圧出力、V2プラス電圧出力を同時に得ることができる。この回路の昇圧整流倍率は、0dB入力（0.22Vms）に対して、±直流出力電圧は4~5Vと20倍程度である。また、図５の入力反射係数S11の周波数特性を見て分かるように、スタブ共振周波数付近において、特に低い値を示し、かつ、直流負荷抵抗を5kΩとした場合、RF入力信号が効率良くDC電力に変換されていることがわかる（RF反射が少ない）。
【００４２】
次に図３(a)に示す回路図の動作について説明する。受電力回路は、給電素子L2またはL3に設けられたアンテナ給電点CとコンデンサC1を介して接続し、前記アンテナ給電点Cから供給されるRF入力信号を昇圧整流して外部負荷に電力を供給する。さらにコンデンサC1には数十pF（ピコ・ファラド：10-12F）程度の容量のコンデンサを用いることができる。
【００４３】
アンテナ給電点CからコンデンサC1と整流素子D3とショートスタブL7とが直列に接続され、コンデンサC1はアンテナ受信RF信号を整流素子D3へ供給するとともに直流電圧のチャージを行い、整流素子D3はRF信号をショートスタブL7へ供給するとともにL7に発生した定在波昇圧信号を整流しC1にチャージする。ここで整流素子D3として、例えばショットキ・バリアダイオードを用いる。
【００４４】
さらに整流素子D3とショートスタブL7との接続点Eから整流素子D4を介して第１の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC3にチャージし、コンデンサC1と整流素子D3との接続点Dから抵抗R3を介して第２の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC2にチャージすることで２種類の電圧源を得る。すなわちD4とC3との接続点Gでプラス電圧、およびR3とC2との接続点Fでマイナス電圧を得る。ここで整流素子D4として、例えばショットキ・バリアダイオードを用いる。
【００４５】
すなわち、抵抗R3はコンデンサC1の直流成分のみをコンデンサC2にチャージしマイナス直流電圧を得る。整流素子D4は、ショートスタブL7に発生した定在波昇圧RF信号を整流し、コンデンサC3にチャージしプラス直流電圧を得る。ここでC1、C2、C3とR3及びR4で構成される時定数は1ms以下であり、タグリーダから出力されるASK
(Amplitude shift keying)変調されたキャリア信号の復調動作を行う。
【００４６】
さらに受電力回路は、第１電源G点と第２電源F点間の電位差を受信信号として反転論理回路U1で検出するとともに、接続点Gから整流素子D5を介して昇圧整流された直流電圧をコンデンサC4にチャージして、マイクロプロセッサU3及びU3のデータ入力と電源制御を行う回路の電源電圧とする。
【００４７】
すなわち、整流素子D5は、昇圧整流された直流電圧を比較的大きな容量のコンデンサC4にチャージするために用い、C4にチャージされた電圧は反転論理回路U1及び論理和回路U2の電源となる。C4の容量はU1及びU2の負荷に対して1msより十分に大きな時定数を持つようにする(タグリーダからのASK変調の影響を受けない)。D6はツェナダイオードで無線タグ装置がタグリーダに近づき過ぎても受信電圧が一定以上にならないように回路を保護する。ここで整流素子D5として例えばショットキ・バリアダイオードを用いる。
【００４８】
また、抵抗R4はASK復調動作の時定数調整と整流素子D5の逆方向リーク電流を吸収するために用いる。反転論理回路U1は、ASK復調信号の波形整形と論理反転動作を行う。U1の入力がLowのとき、U1の出力はHighになって論理和回路U2の出力をHighにする。U2の出力は、マイクロプロセッサU3の電源供給を行う。C5はマイクロプロセッサの電源電圧を安定化させるためのバイパスコンデンサである。
【００４９】
論理和回路U2の出力をマイクロプロセッサU3の電源供給に利用する理由は、マイクロプロセッサなどのデバイスでは電源電圧の立ち上がり時間に制限条件があり、一定時間以内の立ち上がりでないと正常なPower on Reset動作をしないものがあるからである。すなわち、タグリーダからASK変調動作によって1ms程度のキャリアoff信号を一定間隔ごとに送信すれば無線タグ装置内のマイクロプロセッサU3は確実にPower on Reset動作を行うことができる。また、マイクロプロセッサU3が動作中はＰon出力をHigh状態に固定し、反転論理回路U1出力がLowになっても論理和回路U2の出力をHighのままに保持することができる。タグリーダからのキャリアoff信号は、マイクロプロセッサU3の立ち上げだけでなく無線タグ装置からの応答動作の基準タイミングを与えるため、Pon出力時には、DIN入力を監視して応答動作のタイミング合わせを行う。
【００５０】
マイクロプロセッサU3のＣ1+、Ｃ1-、Ｃ2+、Ｃ2-はそれぞれコンパレータ入力端子であり、U3電源電圧を抵抗R5、R6、R7で分圧した電圧と抵抗R8、RSで分圧した電圧の比較を行う。ここでRSはサーミスタのような温度によって抵抗値が変化する素子であれば、無線タグ装置の温度情報をU3が検知する。また、RSがピエジ抵抗素子のような圧力によって抵抗値が変化する素子であれば無線タグ装置にかかる風圧情報をU3が検知する。このように検知されたセンサ情報とタグのIDコード（位置等に対応する）をリーダからの同期信号に合わせて、データ出力端子Doutから出力する。DoutがLow出力のとき抵抗R1及びR2を通じて可変インピーダンス素子D1及びD2はゼロ・バイアス状態であり、DoutがHigh出力のとき可変インピーダンス素子D1及びD2は逆バイアス状態となる。このバイアス状態を繰り返し変化させると、無線タグ用アンテナの反射係数は周期的に変化し無線タグ用アンテナに入射した電波の一部を変調して反射し、マイクロプロセッサU3から出力された情報を電波にのせてリーダへ返送することができる。
【００５１】
ここでマイクロプロセッサU3は、コンパレータ機能やアナログ・デジタル変換機能などを内蔵し、温度や圧力など様々なセンサ情報を取り込み応答信号として返送することができることを特徴とする。例えばMicrochip社製PIC16F684のような汎用マイクロプロセッサを利用することができる。
【００５２】
次に図３(b) に示す回路図の動作について説明する。図３(b)の回路は、電池の電力でマイクロプロセッサU3を動作させる部分以外は、図３(a)と同じである。
【００５３】
図３(b)では、反転論理回路U1の電源と論理和回路U2の電源間に整流素子D7を挿入し、U2の電源A・F間に電池を挿入することによって、電池の電力でマイクロプロセッサU3を動作させるセミパッシブ型の無線タグ装置において、リーダからの受信があるときには受信信号を基にして電池の充電を行うとともに、リーダからの受信がないときには反転論理回路U1の出力はLowとなり、U3はデータ入力端子DINの入力状態を監視することによってパワーオン出力端子PonをLow出力として自らの電源をOFFすることで電池の消耗を軽減することを特徴とする。ここで整流素子D7として、例えばショットキ・バリアダイオードを用いる。
【００５４】
次に図８は、無線タグ装置を道路やガードレール等への設置例と、および車載リーダがこれらの無線タグ装置を読み取るタイミング（リーダの同期出力からのタグの応答遅れ時間）とその強度を車の位置ごとに表した図である。車載のリーダで受信されるタグ応答信号を基にして、リーダから送信した質問キャリア信号との周波数差および強度差からリーダとタグ間の相対速度や距離の推定を行うことができる。
【００５５】
図８の無線タグ読み取り方法は、車載のリーダからキャリア信号を送信し、道路などの走路周辺に設置された無線タグ装置からの応答信号を読み取るものである。この読み取り方法では、リーダから質問キャリア信号を連続送信する際に一定期間T秒ごとに１ms程度のリセット同期用キャリア非送信区間を挿入すること、および前記リセット同期は眠っている無線タグ装置を起こす役割とともに無線タグ装置からの返送タイミングの同期にも用いられること、さらに無線タグ装置からの返送タイミングは、無線タグ装置ごとに定められたリセット同期からの遅延時間が記録されているものをタグ応答タイムスロットとして、道路等に設置される無線タグ装置において近接する無線タグ装置同士で同じタグ応答タイムスロットを利用しないこと、および離れた無線タグ装置同士では同じタグ応答タイムスロットを繰り返し利用することにより、車載のりーダで受信されるタグ応答信号に重なりがないようにしたことを特徴とする。
【００５６】
図８では、無線タグ装置A〜Rの応答タイミング（タグ応答タイムスロット）がt1〜t6に設定されている。図８の表を見て分かるように、強い受信信号の時間変化を見ることで車の走行車線位置を判断することができる。また車両位置が（3）の場合、タグJ(応答タイミングt4)及びタグK(応答タイミングt5)からの応答信号にはカーブ進入の情報が乗せられているために事前に進入速度等の警告を運転者へ知らせることができる。さらに車両位置が（4）の場合、応答タイミングt4の受信信号は移動正面方向にタグが存在するために強いドップラ周波数シフトを受けることから、受信信号強度が強い（距離が近い）か、ドップラ周波数シフト量が大きい（相対速度が大きい）場合に衝突の危険があることを運転者へ警告することもできる。なお、図８のタグJ（カーブ・ガードレールに取付け）では、図３のタグアンテナL1およびL4〜L6を取り除いて図６の１素子のような正面方向への指向性としてガードレールへの追突警告に適した構成にすることもできる。
【００５７】
また図８の応用事例として、高速道路等に適用することも可能であり、これらのタグ応答信号を利用して自動運転を行う社会インフラストラクチャを供給することが可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
５００  LSI
５０１  リーダライタに属する高周波コイル
５０２  高周波コイル
５０３  感温素子
５０４  電池
５０５  水晶振動子
５１０  ブリッジ
５１１  ＡＤ変換器
５１２  メモリ
５１３  整流、変調、復調回路
５１４  電源回路
５１５  マイクロコンピュータ
５１６  発振回路
５１７  第一の電源供給路
５１８  第二の電源供給路
５１９  情報の流れ
Ｌ１  マイクロストリップ反射器
Ｌ２，Ｌ３  ２分割マイクロストリップアンテナ（給電素子）
Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６  マイクロストリップ導波器
Ｌ７  マイクロストリップ・ショートスタブ
Ｄ１，Ｄ２  バラクタダイオード
Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ７  ショットキ・バリアダイオード
Ｄ６  ツェナダイオード
Ｅ１  電池
Ｕ１  反転論理回路
Ｕ２  論理和回路
Ｕ３  マイクロプロセッサ
Ｃ１〜Ｃ５  コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ８  抵抗器
ＲＳ  サーミスタ
λ    使用する電磁波の波長
【図１】
2011205632.tif 000003
【図２】
2011205632.tif 000004
【図３】
2011205632.tif 000005
【図４】
2011205632.tif 000006
【図５】
2011205632.tif 000007
【図６】
2011205632.tif 000008
【図７】
2011205632.tif 000009
【図８】
2011205632.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月8日(2011.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池を必要としないパッシブ型または二次電池を用いるセミパッシブ型の無線タグ装置に関するものであり、特に、アンテナで受信したRF(Radio Frequency)信号を効率的に昇圧整流する受電力回路、およびビームチルトした指向性を有しかつ前記受電力回路を構成しやすいマイクロストリップ構造のアンテナとの組み合わせ、ならびに数10m遠隔から読み取り可能な無線タグ読み取り技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ITS(Intelligent Transport Systems)において、車の安全走行のための走行支援道路システム(AHS：Advanced Cruise-Assist Highway Systems)の実現は特に重要課題である。道路の凍結、車線のはみ出しやガードレールへの接近、横風等の警告は運転者へ事前に知らせる必要があり、かつ、インフラストラクチャ整備及びメンテナンス費用が巨額にならない必要がある。これに対して、道路に埋め込んで、または、ガードレールに貼って利用でき、かつ遠隔(100m程度)から読み取る事のできるパッシブ型の無線タグ装置が利用できれば非常に有効である。
【０００３】
図１に従来公知の技術である温度記録デバイス（特許文献１）を示す。このセンサタグ装置では、タグへの電力供給及びリーダとの通信に電磁誘導を利用（501がリーダ側コイルで502がタグ側コイル、501と502間の電磁誘導を利用して電力の供給と通信を行っている）しており、数10cm程度の通信距離しか実現できない。もし、このタグを道路に埋め込んで走行する自動車から温度情報を読み取ろうとした場合、車がタグセンサの真上に来たときに道面の温度（凍結の警告）を受け取ることとなって、運転者が適切な対応を取ることが難しい。
【０００４】
そこで特許文献２では、数10m遠隔から読み取り可能なセンサ付きパッシブ型無線タグの技術を開発した。このパッシブ型無線タグ装置では、受電力回路にスタブ共振器およびラダー昇圧整流回路を用いることで、アンテナから受信した微弱な信号をもとに高い電圧の給電が可能となり、マイクロプロセッサに対する電源供給を省電力化できること、およびリーダから電波を受信しない状態でもセンサ装置はイベントの検出が可能になること、さらに無線通信距離（2.45GHz帯では30m程度）を拡大できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2000-258254 『温度記録デバイス』
【特許文献２】特願2005-207464 『センサタグ、センサタグ装置、受電力回路、センサタグ装置の電力供給方法』
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２では、タグアンテナの指向性がタグ面の正面方向を向くために道路面に埋め込んだ場合やガードレールに貼って使用した場合に車から読み取る事が難しかった。図７に、走行支援道路システムで利用される無線タグ装置の設置状況を示す。ナンバープレートに無線タグ装置を装着して後続の車から読み取る場合は、無線タグ用アンテナの指向性が正面方向であって良いが、道路面やガードレールに装着して、これを車から読み取る場合には、無線タグ用アンテナの正面方向ではなく、チルトした方向（斜め方向）であることが望ましい(図２参照)。また、2.45GHz帯（無線タグ用の割り当て周波数）の無線タグ装置を作る場合、昇圧整流回路に0.15pF程度の高Q値コンデンサを用いる必要があり、無線タグ装置のコストを上げる要因になるとともに回路実装を難しくしていた。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するため、アンテナで受信したRF信号を効率的に昇圧整流する受電力回路と斜め方向からの読み取り性能の高いビームチルトした指向性を有するマイクロストリップ構造のアンテナとを組み合わせることによって、タグ斜め方向からの読み取りを容易にし、かつ前記受電力回路に高Q値（2.45GHz帯で1pF以下の微小容量）のコンデンサを使用することなく20倍程度の昇圧整流動作を可能とし、数10m遠隔から読み取り可能な無線タグ装置を実現するための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の受電力回路は、無線タグ用アンテナで受信したRF信号を昇圧整流する受電力回路であって、
前記無線タグ用アンテナの給電素子に設けられたアンテナ給電点CからコンデンサC1と整流素子D3とショートスタブL7とが直列に接続され、前記アンテナ給電点Cから供給されるRF入力信号から、コンデンサC1と整流素子D3との接続点Dに昇圧整流DC電源電圧およびRF信号を得るとともに、整流素子D3とショートスタブL7との接続点Eに昇圧RF信号を得ることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の受電力回路は、請求項１に記載の受電力回路において、整流素子D3とショートスタブL7との接続点Eから整流素子D4を介して第１の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC3にチャージし、コンデンサC1と整流素子D3との接続点Dから抵抗R3を介して第２の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC2にチャージすることで２種類の電圧源を得ること、すなわちD4とC3との接続点Gでプラス電圧、およびR3とC2との接続点Fでマイナス電圧を得ることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の受電力回路は、請求項２に記載の受電力回路において、第１電源G点と第２電源F点間の電位差を受信信号として反転論理回路U1で検出するとともに、接続点Gから整流素子D5を介して昇圧整流された直流電圧をコンデンサC4にチャージして、マイクロプロセッサU3及びU3のデータ入力と電源制御を行う回路の電源電圧とすることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の受電力回路は、請求項１乃至請求項３に記載の受電力回路において、整流素子D3、D4、D5がショットキ・バリアダイオードであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の無線タグ装置は、前記無線タグ用アンテナと、請求項１乃至請求項４に記載の受電力回路とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の無線タグ装置は、請求項５に記載の無線タグ装置において、前記無線タグ用アンテナは、マイクロストリップ反射器L1と、２分割マイクロストリップ給電素子L2及びL3と、マイクロストリップ導波器L4〜L6とを有し、L1〜L6からλ／４０程度（λは電磁波の波長）の間隔でGND板を配置し、反射器L1は給電素子L2+L3よりも３〜５％程度長く、導波器L4〜L6は同じ長さで且つ給電素子L2+L3よりも３〜５％程度短く、L1〜L6のストリップ導体幅をλ／１０程度とし、L1〜L6の配置間隔をλ／５程度とすることによって指向性を正面方向からL4〜L6方向へチルトさせる構造を有し、給電素子L2とL3の間にバラクタダイオードのような可変インピーダンス素子D1及びD2を接続してD1及びD2のバイアス電圧を変化させることにより、応答信号を返送することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の無線タグ装置は、請求項６に記載の無線タグ装置において、前記無線タグ用アンテナと前記受電力回路、ならびにマイクロプロセッサU3とU3のデータ入力と電源制御を行う回路とを有する無線タグ装置であって、第２電源F点から抵抗R2を介してアンテナのストリップ導体L3に接続し、マイクロプロセッサU3のデータ出力端子Doutから抵抗R1を介してアンテナのストリップ導体L2に接続し、データ出力端子Doutからの出力に応じて可変インピーダンス素子D1及びD2のバイアス電圧を効率良く変化させることにより、マイクロプロセッサU3から出力された情報を電波にのせてリーダへ返送することを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の無線タグ装置は、請求項７に記載の無線タグ装置において、マイクロプロセッサU3の電源が論理和回路U2から供給され、論理和回路U2の１つの入力は反転論理回路U1の出力で制御され、論理和回路U2のもう１つの入力はマイクロプロセッサU3の出力で制御されるように接続され、電源電圧の立ち上がり時間を短縮し、マイクロプロセッサU3の起動を確実にするとともに、一旦起動すればこれを保持することを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の無線タグ装置は、請求項５乃至請求項８に記載の無線タグ装置において、マイクロプロセッサU3は、コンパレータ(comparator)機能やアナログ・デジタル変換機能などを内蔵し、温度や圧力など様々なセンサ情報を取り込み応答信号として返送することができることを特徴とする。ここでマイクロプロセッサU3は、例えばMicrochip社製PIC16F684のような汎用マイクロプロセッサを利用することができる。
【００１７】
請求項１０に記載の無線タグ装置は、請求項５乃至請求項９に記載の無線タグ装置において、反転論理回路U1の電源と論理和回路U2の電源間に整流素子D7を挿入し、U2の電源A・F間に電池を挿入することによって、電池の電力でマイクロプロセッサU3を動作させるセミパッシブ型の無線タグ装置であって、リーダからの受信があるときには受信信号を基にして電池の充電を行うとともに、リーダからの受信がないときには反転論理回路U1の出力はLowとなり、U3はデータ入力端子DINの入力状態を監視することによってパワーオン出力端子PonをLow出力として自らの電源をOFFすることで電池の消耗を軽減することを特徴とする。
【００１８】
請求項１１に記載の無線タグ装置は、請求項１０に記載の無線タグ装置において、整流素子D7がショットキ・バリアダイオードであることを特徴とする。
【００１９】
請求項１２に記載の無線タグ読み取り方法は、請求項５乃至請求項１１に記載の無線タグ装置を道路などの走路周辺に設置し、前記無線タグ装置に対して車載のリーダからキャリア信号を送信し前記無線タグ装置からの応答信号を読み取る無線タグ読み取り方法であって、
リーダから質問キャリア信号を連続送信する際に一定期間T秒ごとに１ms程度のリセット同期用キャリア非送信区間を挿入すること、および前記リセット同期は眠っている無線タグ装置を起こす役割とともに無線タグ装置からの返送タイミングの同期にも用いられること、さらに無線タグ装置からの返送タイミングは、無線タグ装置ごとに定められたリセット同期からの遅延時間が記録されているものをタグ応答タイムスロットとして、道路等に設置される無線タグ装置において近接する無線タグ装置同士で同じタグ応答タイムスロットを利用しないこと、および離れた無線タグ装置同士では同じタグ応答タイムスロットを繰り返し利用することにより、車載のリーダで受信されるタグ応答信号に重なりがないようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１−２に係る発明によれば、マイナス電圧出力とプラス電圧出力とを同時に得ることができることで、効率的な昇圧整流動作が可能となり、昇圧整流倍率は20倍程度であることが検証された。またスタブ共振周波数付近において、アンテナで受信したRF入力信号が効率良くDC電力に変換されていることが検証された。さらに、従来方式（特許文献２）ではC1とL7を高いQ値で共振させるために2.45GHz帯の場合C1として0.15pF程度の微小容量が必要であるのに対して、C1の容量は共振周波数に影響しないようにしたため、扱いやすい数十pFを用いることが可能となる。すなわち比較的高価である微小容量のコンデンサを用いずに、低コストの受電力回路を実現することが可能となる。
【００２１】
請求項３、請求項４に係る発明によれば、アンテナで受信したRF入力信号を昇圧整流して、マイクロプロセッサU3及びU3のデータ入力と電源制御を行う回路の電源電圧とすることで、無電池で動作することが可能となる。
【００２２】
請求項５に係る発明によれば、アンテナで受信したRF(Radio Frequency)信号を効率的に昇圧整流する受電力回路により、電池を必要としないパッシブ型の無線タグ装置を提供可能となる。
【００２３】
請求項６に係る発明によれば、斜め方向からの読み取り性能の高いビームチルトした指向性を持つアンテナ構造とすることで、従来のタグアンテナと比較して、道路面方向-90°から-135°にかけて車両からの読み取り利得（指向性利得）が数dB高いことが検証された。さらに２分割マイクロストリップ導体L2及びL3の幅方向両端に電流が集中するために、少ない可変インピーダンス素子D1及びD2でアンテナの反射係数を効率良く変化させタグ応答信号を高い利得で返送することが可能となる。
【００２４】
請求項７に係る発明によれば、マイクロプロセッサU3のデータ出力端子Doutからの出力に応じて可変インピーダンス素子D1及びD2のバイアス電圧を効率良く変化させることで、マイクロプロセッサU3から出力された情報を電波にのせてリーダへ返送することが可能となる。この無線タグ装置は、タグ斜め方向からの読み取りを容易にし、数10m遠隔から読み取り可能であり、この無線タグ装置を道路等に埋め込み、またはガードレール等に設置することで、車載のリーダにより遠隔から読み取ることが可能となる。また、センサ機能を追加することで道路の凍結、横風、車線はみだしやガードレールへの接近等の情報を数10m遠隔から運転者へ警告することのできる社会インフラストラクチャを比較的容易に供給することが可能となる。またパッシブ型のセンサタグ装置は無電池で動作することが可能であり、運用メンテナンスが不要というメリットがある。
【００２５】
請求項８に係る発明によれば、論理和回路U2の出力をマイクロプロセッサU3の電源供給に利用することで、マイクロプロセッサU3の正常なPower on Reset動作を行うようにすることが可能となる。すなわち、リーダからASK変調によって1ms程度のキャリアoff信号を一定間隔ごとに送信すればマイクロプロセッサU3は確実にPower on Reset動作を行うことができる。さらに、マイクロプロセッサU3が動作中はパワーオン出力端子Pon出力をHigh状態に固定し、反転論理回路U1出力がLowになっても論理和回路U2の出力をHighのままに保持することで、一旦起動すればこれを保持することが可能となる。
【００２６】
請求項９に係る発明によれば、マイクロプロセッサU3がアナログ・デジタル変換機能などを内蔵していることで、センサ装置で検出した温度や圧力など様々な情報を取り込み応答信号として返送することが可能となる。
【００２７】
請求項１０−１１に係る発明によれば、電池の電力でマイクロプロセッサU3を動作させるセミパッシブ型の無線タグ装置において、リーダからの受信があるときには受信信号を基にして電池の充電を行うとともに、リーダからの受信がないときには自らの電源をOFFすることで、電池の消耗を節約することが可能となる。
【００２８】
請求項１２に係る発明によれば、車載のリーダからキャリア信号を送信し、道路などの走路周辺に設置された無線タグ装置からの応答信号を読み取る方法において、車載のリーダで受信されるタグ応答信号に重なりがないようにしたことで、高速で走行する車から確実に読み取ることが可能となる。無線タグ装置からの応答信号を0.1秒以内に読み取ることができると推定される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の非接触読み取りセンサタグ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】道路面に埋め込んだ無線タグ用アンテナの指向性の概念を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る無線タグ装置の構成および回路図を示す図である。(a)パッシブ型のセンサ付き無線タグ装置(b)セミパッシブ型のセンサ付き無線タグ装置
【図４】本発明の実施の形態に係る定在波昇圧整流回路の動作実験系を示す図である。ここでショットキ・バリアダイオードD3、D4にはHSMS-2865（Co=0.3pF , Rs=6Ω , Ir=10μA , Bv=7V）を用いる。デジタルオシロにはDS-8821、シンセサイズド・スイーパにはHP83620Aを用いる。
【図５】本発明の実施の形態に係る定在波昇圧整流回路を評価する実験結果を示す図である。グラフは定在波昇圧整流回路の周波数応答（入力0dB , ショートスタブ長6cm , 負荷抵抗47kΩ）を示す。
【図６】本発明の実施の形態に係るマイクロストリップアンテナの指向性を評価する実験結果を示す図である。グラフはマイクロストリップアンテナのH面指向性（ストリップ導体幅10mm , 素子間隔20mm , 評価周波数2.45GHz）を示す。
【図７】本発明の実施の形態に係る無線タグ装置を走行支援道路システム(AHS)へ適用した場合の応用例を示す図である。（図の一部については国土交通省ITSのHPより転載）
【図８】本発明の実施の形態に係る無線タグ装置を道路やガードレール等への設置例と、車載リーダがこれらのタグを読み取るタイミングとその強度を車の位置ごとに表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に、本発明の実施の形態に係る無線タグ装置について図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態に係る無線タグ装置の構成および回路図を示す図である。図３(a)はパッシブ型の無線タグ装置の構成および回路図であり、図３(b)はセミパッシブ型の無線タグ装置の構成および回路図である。
【００３２】
無線タグ装置は、無線タグ用アンテナと、無線タグ用アンテナで受信したRF信号を効率的に昇圧整流する受電力回路、ならびにマイクロプロセッサU3とU3のデータ入力と電源制御を行う回路とを有する。
【００３３】
無線タグ用アンテナは、マイクロストリップ反射器L1と、２分割マイクロストリップ給電素子L2及びL3と、マイクロストリップ導波器L4〜L6とを有するレクテナであって、L1〜L6からλ／４０程度（λは電磁波の波長）の間隔でGND板を配置し、反射器L1は給電素子L2+L3よりも３〜５％程度長く、導波器L4〜L6は同じ長さで且つ給電素子L2+L3よりも３〜５％程度短く、L1〜L6のストリップ導体幅をλ／１０程度とし、L1〜L6の配置間隔をλ／５程度とすることによって指向性を正面方向からL4〜L6方向へチルトさせる構造を有する。
【００３４】
さらに、無線タグ用アンテナは、給電素子L2とL3との間に可変インピーダンス素子D1及びD2を接続してD1及びD2のバイアス電圧を周期的に変化させることによりアンテナの共振周波数を周期的に変化させて応答信号を返送することを特徴とし、可変インピーダンス素子D1及びD2として例えばバラクタダイオードを用いる。
【００３５】
図３のL1、L4、L5、L6は無線タグ用アンテナの指向性をチルトさせるための反射器及び導波器であって良く知られている八木・宇田アレーの動作をしている。ただし、本発明で用いるアンテナはマイクロストリップ型であり、導波器方向にビームを構成するのではなく、GND板正面方向から導波器（L4、L5、L6）方向にビームをチルトさせる。このとき、波長をλとして、L1〜L6のストリップ導体幅Wをλ/10程度、素子間隔をλ/5程度とする。また、給電素子長(L2+L3)に対して、反射器L1の長さを３〜５％程度長く、導波器L4〜L6の長さを３〜５％程度短くすることが望ましい。
【００３６】
従来の八木・宇田アレーアンテナは、図３の無線タグ用アンテナのGND板を取り除き、かつ、可変インピーダンス素子D1及びD2が無い状態でL2とL3間に平衡給電する構造であった。本発明で用いるアンテナの構造はL1~L6のごく近傍（λ/40程度）にGND板を配置し、L2とL3間に可変インピーダンス素子D1及びD2を装荷または短絡して、L2又はL3とGND板間に不平衡給電する構造であり、導波器方向ではなく、導波器方向とアンテナ面方向の中間方向へビームチルトすることを特徴とするアンテナである。
【００３７】
また、従来のマイクロストリップアンテナ（パッチアンテナ）がλ/2×λ/2サイズ程度のパッチ導体をアンテナとして使用するのに対して、本発明で用いるアンテナはλ/2×λ/10サイズ程度の細長いパッチ導体を組み合わせて使用することによって、λ/2×λサイズ程度のアンテナでチルトビームが得られるばかりでなく、給電素子L2及びL3の幅方向両端に電流が集中するために、少ない可変インピーダンス素子D1及びD2でアンテナの反射係数を効率良く変化させタグ応答信号を高い利得で返送することができる。
【００３８】
また、本発明で用いるアンテナはGND板とストリップ導体L1~L6間の空隙に図３に示す回路を挿入することも可能であり、特にショートスタグL7をアンテナGND板間で容易に実現できる特徴がある。
【００３９】
図６に、マイクロストリップアンテナの指向性を評価する実験結果を示す。図６の実験結果から、従来マイクロストリップアンテナ（1素子）に対して、本発明で用いるアンテナ（5素子）は、道路面方向-90°から-135°にかけて車両からの読み取り利得（指向性利得）が数dB高いことがわかった。
【００４０】
次に図４に、定在波昇圧整流回路の動作実験系を示す。この回路で給電系のC1に微小容量コンデンサが必要ないことが本発明の特徴である。従来方式（特許文献２）では、C1とL7を高いQ値で共振させるために、2.45GHz帯の場合C1として0.15pF程度の微小容量を用いる必要があった。微小容量のコンデンサは比較的高価であるとともに、実装条件による特性変化の影響も大きい欠点があった。本発明の受電力回路ではC1の容量は共振周波数に影響しないため、扱いやすい数十pFを用いることができる。
【００４１】
本発明のスタブ昇圧動作は整流素子D3によるものであり、図５に示す実験結果のようにV1マイナス電圧出力、V2プラス電圧出力を同時に得ることができる。この回路の昇圧整流倍率は、0dB入力（0.22Vrms）に対して、±直流出力電圧は4~5Vと20倍程度である。また、図５の入力反射係数S11の周波数特性を見て分かるように、スタブ共振周波数付近において、特に低い値を示し、かつ、直流負荷抵抗を5kΩとした場合、RF入力信号が効率良くDC電力に変換されていることがわかる（RF反射が少ない）。
【００４２】
次に図３(a)に示す回路図の動作について説明する。受電力回路は、給電素子L2またはL3に設けられたアンテナ給電点CとコンデンサC1を介して接続し、前記アンテナ給電点Cから供給されるRF入力信号を昇圧整流して外部負荷に電力を供給する。さらにコンデンサC1には数十pF（ピコ・ファラド：10-12F）程度の容量のコンデンサを用いることができる。
【００４３】
アンテナ給電点CからコンデンサC1と整流素子D3とショートスタブL7とが直列に接続され、コンデンサC1はアンテナ受信RF信号を整流素子D3へ供給するとともに直流電圧のチャージを行い、整流素子D3はRF信号をショートスタブL7へ供給するとともにL7に発生した定在波昇圧信号を整流しC1にチャージする。ここで整流素子D3として、例えばショットキ・バリアダイオードを用いる。
【００４４】
さらに整流素子D3とショートスタブL7との接続点Eから整流素子D4を介して第１の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC3にチャージし、コンデンサC1と整流素子D3との接続点Dから抵抗R3を介して第２の昇圧整流DC電源電圧をコンデンサC2にチャージすることで２種類の電圧源を得る。すなわちD4とC3との接続点Gでプラス電圧、およびR3とC2との接続点Fでマイナス電圧を得る。ここで整流素子D4として、例えばショットキ・バリアダイオードを用いる。
【００４５】
すなわち、抵抗R3はコンデンサC1の直流成分のみをコンデンサC2にチャージしマイナス直流電圧を得る。整流素子D4は、ショートスタブL7に発生した定在波昇圧RF信号を整流し、コンデンサC3にチャージしプラス直流電圧を得る。ここでC1、C2、C3とR3及びR4で構成される時定数は1ms以下であり、タグリーダから出力されるASK
(Amplitude shift keying)変調されたキャリア信号の復調動作を行う。
【００４６】
さらに受電力回路は、第１電源G点と第２電源F点間の電位差を受信信号として反転論理回路U1で検出するとともに、接続点Gから整流素子D5を介して昇圧整流された直流電圧をコンデンサC4にチャージして、マイクロプロセッサU3及びU3のデータ入力と電源制御を行う回路の電源電圧とする。
【００４７】
すなわち、整流素子D5は、昇圧整流された直流電圧を比較的大きな容量のコンデンサC4にチャージするために用い、C4にチャージされた電圧は反転論理回路U1及び論理和回路U2の電源となる。C4の容量はU1及びU2の負荷に対して1msより十分に大きな時定数を持つようにする(タグリーダからのASK変調の影響を受けない)。D6はツェナダイオードで無線タグ装置がタグリーダに近づき過ぎても受信電圧が一定以上にならないように回路を保護する。ここで整流素子D5として例えばショットキ・バリアダイオードを用いる。
【００４８】
また、抵抗R4はASK復調動作の時定数調整と整流素子D5の逆方向リーク電流を吸収するために用いる。反転論理回路U1は、ASK復調信号の波形整形と論理反転動作を行う。U1の入力がLowのとき、U1の出力はHighになって論理和回路U2の出力をHighにする。U2の出力は、マイクロプロセッサU3の電源供給を行う。C5はマイクロプロセッサの電源電圧を安定化させるためのバイパスコンデンサである。
【００４９】
論理和回路U2の出力をマイクロプロセッサU3の電源供給に利用する理由は、マイクロプロセッサなどのデバイスでは電源電圧の立ち上がり時間に制限条件があり、一定時間以内の立ち上がりでないと正常なPower on Reset動作をしないものがあるからである。すなわち、タグリーダからASK変調動作によって1ms程度のキャリアoff信号を一定間隔ごとに送信すれば無線タグ装置内のマイクロプロセッサU3は確実にPower on Reset動作を行うことができる。また、マイクロプロセッサU3が動作中はＰon出力をHigh状態に固定し、反転論理回路U1出力がLowになっても論理和回路U2の出力をHighのままに保持することができる。タグリーダからのキャリアoff信号は、マイクロプロセッサU3の立ち上げだけでなく無線タグ装置からの応答動作の基準タイミングを与えるため、Pon出力時には、DIN入力を監視して応答動作のタイミング合わせを行う。
【００５０】
マイクロプロセッサU3のＣ1+、Ｃ1-、Ｃ2+、Ｃ2-はそれぞれコンパレータ入力端子であり、U3電源電圧を抵抗R5、R6、R7で分圧した電圧と抵抗R8、RSで分圧した電圧の比較を行う。ここでRSはサーミスタのような温度によって抵抗値が変化する素子であれば、無線タグ装置の温度情報をU3が検知する。また、RSがピエジ抵抗素子のような圧力によって抵抗値が変化する素子であれば無線タグ装置にかかる風圧情報をU3が検知する。このように検知されたセンサ情報とタグのIDコード（位置等に対応する）をリーダからの同期信号に合わせて、データ出力端子Doutから出力する。DoutがLow出力のとき抵抗R1及びR2を通じて可変インピーダンス素子D1及びD2はゼロ・バイアス状態であり、DoutがHigh出力のとき可変インピーダンス素子D1及びD2は逆バイアス状態となる。このバイアス状態を繰り返し変化させると、無線タグ用アンテナの反射係数は周期的に変化し無線タグ用アンテナに入射した電波の一部を変調して反射し、マイクロプロセッサU3から出力された情報を電波にのせてリーダへ返送することができる。
【００５１】
ここでマイクロプロセッサU3は、コンパレータ機能やアナログ・デジタル変換機能などを内蔵し、温度や圧力など様々なセンサ情報を取り込み応答信号として返送することができることを特徴とする。例えばMicrochip社製PIC16F684のような汎用マイクロプロセッサを利用することができる。
【００５２】
次に図３(b) に示す回路図の動作について説明する。図３(b)の回路は、電池の電力でマイクロプロセッサU3を動作させる部分以外は、図３(a)と同じである。
【００５３】
図３(b)では、反転論理回路U1の電源と論理和回路U2の電源間に整流素子D7を挿入し、U2の電源A・F間に電池を挿入することによって、電池の電力でマイクロプロセッサU3を動作させるセミパッシブ型の無線タグ装置において、リーダからの受信があるときには受信信号を基にして電池の充電を行うとともに、リーダからの受信がないときには反転論理回路U1の出力はLowとなり、U3はデータ入力端子DINの入力状態を監視することによってパワーオン出力端子PonをLow出力として自らの電源をOFFすることで電池の消耗を軽減することを特徴とする。ここで整流素子D7として、例えばショットキ・バリアダイオードを用いる。
【００５４】
次に図８は、無線タグ装置を道路やガードレール等への設置例と、および車載リーダがこれらの無線タグ装置を読み取るタイミング（リーダの同期出力からのタグの応答遅れ時間）とその強度を車の位置ごとに表した図である。車載のリーダで受信されるタグ応答信号を基にして、リーダから送信した質問キャリア信号との周波数差および強度差からリーダとタグ間の相対速度や距離の推定を行うことができる。
【００５５】
図８の無線タグ読み取り方法は、車載のリーダからキャリア信号を送信し、道路などの走路周辺に設置された無線タグ装置からの応答信号を読み取るものである。この読み取り方法では、リーダから質問キャリア信号を連続送信する際に一定期間T秒ごとに１ms程度のリセット同期用キャリア非送信区間を挿入すること、および前記リセット同期は眠っている無線タグ装置を起こす役割とともに無線タグ装置からの返送タイミングの同期にも用いられること、さらに無線タグ装置からの返送タイミングは、無線タグ装置ごとに定められたリセット同期からの遅延時間が記録されているものをタグ応答タイムスロットとして、道路等に設置される無線タグ装置において近接する無線タグ装置同士で同じタグ応答タイムスロットを利用しないこと、および離れた無線タグ装置同士では同じタグ応答タイムスロットを繰り返し利用することにより、車載のりーダで受信されるタグ応答信号に重なりがないようにしたことを特徴とする。
【００５６】
図８では、無線タグ装置A〜Rの応答タイミング（タグ応答タイムスロット）がt1〜t6に設定されている。図８の表を見て分かるように、強い受信信号の時間変化を見ることで車の走行車線位置を判断することができる。また車両位置が（3）の場合、タグJ(応答タイミングt4)及びタグK(応答タイミングt5)からの応答信号にはカーブ進入の情報が乗せられているために事前に進入速度等の警告を運転者へ知らせることができる。さらに車両位置が（4）の場合、応答タイミングt4の受信信号は移動正面方向にタグが存在するために強いドップラ周波数シフトを受けることから、受信信号強度が強い（距離が近い）か、ドップラ周波数シフト量が大きい（相対速度が大きい）場合に衝突の危険があることを運転者へ警告することもできる。なお、図８のタグJ（カーブ・ガードレールに取付け）では、図３のタグアンテナL1およびL4〜L6を取り除いて図６の１素子のような正面方向への指向性としてガードレールへの追突警告に適した構成にすることもできる。
【００５７】
また図８の応用事例として、高速道路等に適用することも可能であり、これらのタグ応答信号を利用して自動運転を行う社会インフラストラクチャを供給することが可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
５００  LSI
５０１  リーダライタに属する高周波コイル
５０２  高周波コイル
５０３  感温素子
５０４  電池
５０５  水晶振動子
５１０  ブリッジ
５１１  ＡＤ変換器
５１２  メモリ
５１３  整流、変調、復調回路
５１４  電源回路
５１５  マイクロコンピュータ
５１６  発振回路
５１７  第一の電源供給路
５１８  第二の電源供給路
５１９  情報の流れ
Ｌ１  マイクロストリップ反射器
Ｌ２，Ｌ３  ２分割マイクロストリップアンテナ（給電素子）
Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６  マイクロストリップ導波器
Ｌ７  マイクロストリップ・ショートスタブ
Ｄ１，Ｄ２  バラクタダイオード
Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ７  ショットキ・バリアダイオード
Ｄ６  ツェナダイオード
Ｅ１  電池
Ｕ１  反転論理回路
Ｕ２  論理和回路
Ｕ３  マイクロプロセッサ
Ｃ１〜Ｃ５  コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ８  抵抗器
ＲＳ  サーミスタ
λ    使用する電磁波の波長