(57)【要約】高周波電気信号（ＥＳ）を発生させるための信号発生器（２）、および対称モードで高周波電気信号（ＥＳ）を供給できるアンテナ（３）を備えたＲＦＩＤリーダ（１，１′）。ＲＦＩＤリーダ（１）は、さらに、アンテナ（３）を対称動作モードに保持するチューニング手段（４，４′）を備えており、対称動作モードにおいては、チューニング手段（４，４′）は、アンテナ（３）とその周囲環境（Ｇ）との間に発生し変動する結合インピーダンス（ＣＧ）に基づいて制御可能とする。
2008535437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電気信号発生する信号発生器および対称モードにおいて高周波電気信号を供給することができるアンテナを備え、さらにアンテナを対称動作モードに保持するためのチューニング手段を備えたＲＦＩＤリーダにおいて、チューニング手段は、アンテナとその周囲環境との間に発生する変動する結合インピーダンス、すなわち結合容量に基づいて制御可能な構成としたことを特徴とするＲＦＩＤリーダ。
【請求項２】
請求項１に記載のＲＦＩＤリーダにおいて、チューニング手段は、信号発生器とアンテナの間に配置した制御可能インピーダンスを有する構成としたＲＦＩＤリーダ。
【請求項３】
請求項２に記載のＲＦＩＤリーダにおいて、制御可能インピーダンスは、モータ制御で変位可能なタップを有するコイル、または回転キャパシタのような機械的制御が可能なインピーダンスを有する構成したＲＦＩＤリーダ。
【請求項４】
請求項２に記載のＲＦＩＤリーダにおいて、制御可能インピーダンスは、バラクタダイオード、線形的な抵抗範囲で動作するＦＥＴ、または加重キャパシタを有するスイッチドネットワークのような電気的に制御可能なインピーダンスを有する構成としたＲＦＩＤリーダ。
【請求項５】
請求項１に記載のＲＦＩＤリーダにおいて、チューニング手段は、信号発生器内または信号発生器とアンテナとの間に配置した制御可能信号ドライバ（Ａ１，Ａ２）を有する構成としたＲＦＩＤリーダ。
【請求項６】
請求項１に記載のＲＦＩＤリーダにおいて、ＲＦＩＤリーダが、チューニング手段を制御するためのコントローラを有する構成とし、このコントローラは、アンテナとその周囲環境のと間に結合容量を介して流れる電気的接地電流を表す実信号を受信するための実信号入力を有し、この電気的接地電流の総和が最小となるようにチューニング手段を制御する構成としたＲＦＩＤリーダ。
【請求項７】
請求項６に記載のＲＦＩＤリーダにおいて、アンテナの共通モード電流信号または共通モード電圧信号を、コントローラの実信号入力に供給する構成としたＲＦＩＤリーダ。
【請求項８】
請求項１に記載のＲＦＩＤリーダにおいて、ＲＦＩＤリーダが、信号発生器から高周波電気信号ＥＳを供給される一次コイル、およびアンテナに接続した二次コイルを有する変成器を備え、二次コイルが中心タップを有し、中心タップに発生する電圧をコントローラの実信号入力に供給するＲＦＩＤリーダ。
【請求項９】
高周波電気信号を発生する信号発生器および対称モードにおいて高周波電気信号が送られるアンテナを備えたＲＦＩＤリーダを動作させる方法において、対称動作モードにおけるアンテナの動作が、アンテナおよびその周囲環境との間に発生する変動する結合容量に基づいて制御するようにしたＲＦＩＤリーダの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電気信号を発生する信号発生器、および対称モードにおいて高周波電気信号を供給することができ交流電磁場を発生することができるアンテナを備えたＲＦＩＤリーダに関する。
【０００２】
本発明はさらに、高周波電気信号を発生する信号発生器、および対称モードにおいて高周波電気信号が送られるアンテナを備えたＲＦＩＤリーダの動作方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
特許文献１（米国特許５，０１２，２３６号）には、電磁的送信および検出装置であって、高強度の電磁場を生成するほぼ多角形の空間に外接する導電巻線を有する送信コイルと、第１および第２の受信コイルとを備え、この第１および第２の受信コイルは、外部の発信源により発信された低強度の電磁場を受信するよう多角形の空間内に配置したこの電磁的送信および検出装置が記載されている。これら受信コイルは、差動回路関係となるよう互いに電気的に接続し、一定の電磁エネルギーによって受信コイル内に誘起される電気信号の強度が互いにほぼ等しく、方向が反対となるような関係になるよう接続する。差動回路は、受信コイル内に誘起された電気信号を差し引くように動作し、差動出力信号を出力する。この差動出力信号は、２個の受信コイルがほぼ等しい大きさのエネルギーを受信した際に最少となり、一方のコイルが他方のコイルよりも大きい電磁エネルギーを外部の発信源から受信した際に最大となる。
【０００４】
しかし、この既知の電磁的送信および検出装置は、２個の受信コイルによって受信した外部の発信源の発信した電磁場の不均衡を検出することにのみ適用でき、受信コイルとその周囲環境との間の容量結合によって受信コイルと大地との間に生じる電気的接地電流を考慮しておらず、この装置自体は、２個の受信コイルに誘起する電圧の相殺が不完全となる。さらに送信機から大地に流れる接地電流によって、装置と大地との間に流れる望ましくない共通モード電流ループが生じる。
【０００５】
一般的に、ＲＦＩＤシステムは、少なくとも１個のリーダおよび複数個の中継器（トランスポンダ）を有し、中継器がリーダの通信範囲内にある時にはリーダは中継器と非接触な方式で通信を行っている。リーダおよび中継器は共にアンテナを備えており、中継器がリーダの通信範囲内にある時には、これらのアンテナは互いに誘導結合している。リーダは、変成器によって変調する電磁場を、アンテナを介して発する。リーダは、これらの変調を電磁場の減衰として検出し、この変調の減衰から識別情報を取得する。
【０００６】
さらに、リーダのアンテナおよび変成器は、必然的に容量によってその周囲環境と結合している。もしアンテナが非対称動作されると、アンテナと周囲環境に結合している容量が接地電流を発生させる。これによってアンテナの性能は低下し、またリーダと変成器の間の通信に影響を及ぼす。接地電流によって生じる問題の深刻さを示すために、ＲＦＩＤリーダのアンテナが接する領域は、数平方メートル程度に亘ることがあることを明記しておく。アンテナに加える電圧は、数キロボルトにまで達することがあり、アンテナに流れる電流は数アンペアとすることがある。アンテナに加える電気信号の周波数は、一般的な用途においては１３．５６ＭＨｚである。それゆえ、アンテナと大地との間の容量結合の容量が数ピコファラッド程度であっても、接地電流はかなりの強度に達しうると理解する必要がある。
【０００７】
アンテナの非対称動作による悪影響を低減するために、増幅器によって非対称な方法で電気信号の対称変成を実行し、この変成した電気信号をアンテナに対称な方式で送る伝送路変成器を使用することが一般的に知られている。このような伝送路変成器の実施形態は、平衡不平衡変成器（ＢＡＬＵＮ：Balanced-to-unbalanced transformer）と呼ばれている。しかし、このようなＢＡＬＵＮをアンテナに接続して使用した場合であっても、実際に使用すると、人間や物体がアンテナの通信範囲を一時的に通過したり、鉄骨などの構造部材がアンテナの通信範囲内に常に存在したりすることによって、アンテナはデチューン（離調）されうる。ＢＡＬＵＮでは、このように対称動作アンテナのデチューンを補償することができない。
【特許文献１】米国特許５，０１２，２３６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、上述の欠点を回避し、冒頭に規定したタイプのＲＦＩＤリーダおよび次の段落で規定したタイプの方法を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するために、本発明によるＲＦＩＤリーダは、該ＲＦＩＤリーダが以下のように構成することを特徴とする。
【００１０】
ＲＦＩＤリーダは、高周波電気信号を発生する信号発生器、および対称モードにおいて高周波電気信号を供給することが可能なアンテナを備え、さらにアンテナを対称動作モードに保持するためのチューニング手段を備えており、このチューニング手段は、アンテナとその周囲環境との間に発生する結合インピーダンス、すなわち結合容量に基づいて制御可能な構成とする。
【００１１】
上述の目的を達成するために、本発明による方法は、以下に規定することを特徴とする。
【００１２】
ＲＦＩＤリーダを動作するための方法は、高周波電気信号を発生する信号発生器、および対称モードにおいて高周波電気信号が供給されるアンテナを備え、対称動作モードにおけるアンテナの動作は、アンテナとその周囲環境との間に発生する結合インピーダンスによって制御可能とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の特徴によれば、アンテナとその周囲環境との間における結合容量が大きく変動する場合であっても、アンテナの最大性能を保持することができるという利点と、結合容量の変動によるリーダと中継器との間の通信への悪影響を防ぐことができるという利点が得られる。本発明の特徴によれば、さらに、従来のシステムに比べて、周囲の干渉源によって生じる干渉への感度を減じることができるという利点が得られる。
【００１４】
請求項２、３もしくは４に記載の手法によれば、それぞれ、様々な技術による広範囲にわたる制御可能インピーダンスが使用可能であるため、ＲＦＩＤリーダの用途には各々のＲＦＩＤ回路の設計や製造技術に相性のいい制御可能インピーダンスを選択することができるという利点が得られる。
【００１５】
請求項５に記載の手法によれば、仮想的接地電位をオフセットすることによって、ＲＦＩＤリーダのアンテナの適合可能な対称動作を達成することができるという利点が得られる。制御可能信号ドライバは、必要となる電子コンポーネントを減らすために、信号発生器または高周波電気信号用の最終段増幅器に統合することができる。
【００１６】
請求項７に記載の手法によれば、共通モード電流および共通モード電圧を容易に高精度で測定することができるという利点が得られる。
【００１７】
請求項８に記載の手法によれば、変成器の二次コイルの中心タップにおいて電圧を測定するのに、新たに電子コンポーネントを必要としないという利点が得られる。変成器は付加的に平衡化手段および／またはインピーダンス整合化手段として使用することができるため、この解決法はコスト的に効果的であり信頼性がある。上述の態様および更なる態様は、後述の実施形態から明らかであり、これらの態様を、これら実施形態を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明によるＲＦＩＤリーダ１の第１実施形態の線図的回路図を示す。ＲＦＩＤリーダ１は、通常数ｋＨｚ〜数十ＧＨｚの範囲の高周波電気信号ＥＳを発生する信号発生器２を有する。このようなタイプのＲＦＩＤリーダ１の典型的な用途では、電気信号ＥＳの周波数は１３．５６ＭＨｚにも達する。電気信号ＥＳは、変調手段１０、信号平衡化手段７および随意的なインピーダンス整合化回路８を経て、ループアンテナ３に供給する。この実施形態において、アンテナ３はループアンテナとして構成したが、本発明はループアンテナに限定するものではなく、ダイポールなどのすべての適切なタイプのアンテナを含むものと理解されたい。さらに、この実施形態では変調手段１０を設けたが、送信リンクにこのような変調手段を持たないＲＦＩＤリーダもあり、このような変調手段を持たないＲＦＩＤリーダにも本発明は適用可能であると理解されたい。電気信号ＥＳが供給されるとき、アンテナ３は交流電磁場を発生し、この交流電磁場の範囲内にあるトランスポンダ、すなわち中継器（図示せず）がこの交流電磁場を受信する。したがって、ＲＦＩＤリーダ１のアンテナおよび中継器双方のアンテナは、誘導的に互いに結合（誘導結合）している。
【００１９】
ＲＦＩＤリーダ１の変調手段１０は、電気信号ＥＳを、中継器に送るべき情報を含む搬送波信号に変調する。ＲＦＩＤリーダ１は、さらにＲＦＩＤシステム中に中継器との通信を行う他のコンポーネントを備えていると理解されたい。しかし、これらのコンポーネントは当業者にとっては既知であり、本発明においては重要ではないので、図面においては省略した。
【００２０】
随意的なインピーダンス整合化回路８は、平衡化手段７の出力段におけるインピーダンスを強度と位相角に関してアンテナ３のインピーダンスと整合させるために設ける。平衡化手段７のインピーダンスとアンテナ３のインピーダンスが整合していない際には、エネルギー損失を最小化し信号反射を防ぐためにインピーダンス整合は重要でなる。整合化回路自体は、当業者にとっては既知である。
【００２１】
平衡化手段７は、電気信号ＥＳに対称変換を行うタスク、および対称動作モードで電気信号ＥＳをアンテナ３に供給するタスクを実行する。このような平衡化手段７の既知の例としては、平衡‐不平衡変成器（ＢＡＬＵＮ：Balanced-to-unbalanced transformer）がある。ＲＦＩＤリーダ１のアンテナ３は、中継器のアンテナに誘導結合しているのみならず、アンテナ３の周囲環境Ｇに容量結合している。理解を容易にするために、この容量結合は図中において個別的な結合容量Ｃｇで表したが、実際には結合容量Ｃｇはアンテナ３に沿って連続的に分布している。さらに、アンテナ３と周囲環境Ｇの結合は、必ずしも容量結合だけではなく、誘導結合もあることに留意されたい。一般的に本発明は、アンテナ３と周囲環境Ｇとの間における変動する結合インピーダンスに適用することができる。アンテナ３の非対称動作モードにおいては、結合容量Ｃｇによってアンテナ３とその周囲環境Ｇとの間を流れる接地電流Ｉｇが生じることがある。アンテナ３が形成するループに沿って結合容量Ｃｇが均一に分布していれば、アンテナ３を対称モードで動作させることによって、接地電流を防ぐことができる。しかし使用中に、例えばアンテナ３が発生する電磁場中を人や物体が通過することで結合容量Ｃｇが一時的に変化する場合や、例えば鉄骨などの構造部材がアンテナ３の交信距離内にあって結合容量Ｃｇが継続的に変化する場合には、アンテナ３はデチューン（離調）され、非対称に分布した容量に起因する接地電流が流れる。したがって、接地電流はアンテナを再チューニングした場合にも流れ続ける。この結合容量の恒久的な変化は、理論的には非対称平衡不平衡変成器もしくは他の既知の非対称平衡化手段によって補償することができるが、実際にはＲＦＩＤシステムを設置した後に結合容量の恒久的な変化が生じた場合にはこのような補償を行うことはできない。接地電流Ｉｇはアンテナ３の性能を著しく低下させ、ＲＦＩＤリーダとＲＦＩＤシステム中の中継器の間の交信に影響を及ぼす。
【００２２】
この問題は、本発明により、変動する結合容量Ｃｇに基づいて制御可能なチューニング手段４を設けることによって解決することができる。図示の実施形態において、チューニング手段４は、インピーダンス整合化回路８とアンテナ３との間における回路に切替え可能に組み込む。本発明は、チューニング手段４のこの位置に限定するものではなく、チューニング手段４をアンテナ３の入力端に直接連結する、または信号発生器２とアンテナ３の間の任意の位置に取り付けることができると理解されたい。チューニング手段４は、制御可能インピーダンスＺ１，Ｚ２を有する。これら制御可能インピーダンスＺ１，Ｚ２は、例えばモータ制御の可動タップを有するコイルや回転コンデンサなどの機械的に制御可能なインピーダンスによって構成する、および／またはバラクタダイオード、線形的な抵抗範囲で動作するＦＥＴ、もしくは加重キャパシタを有するスイッチドネットワークなどの電気的に制御可能なインピーダンスにより構成することができる。これら制御可能インピーダンスＺ１，Ｚ２は、コントローラ５によって制御する。コントローラ５は、アンテナ３とその周囲環境Ｇとの間に流れる電気的接地電流Ｉｇを表す実信号を受信し得る実信号入力ＡＳを有している。コントローラ５は、インピーダンスＺ１，Ｚ２の強度および位相角を、電気的接地電流Ｉｇの総和が最小（理想的にはゼロ）となるように変化させる。換言すると、コントローラ５は、制御可能インピーダンスＺ１，Ｚ２を変化させることによって、アンテナ３の適用可能な対称動作を実現するように作動する。本発明のこの実施例では、アンテナ３の共通モード電流信号Ｉｃｍは、接地電流Ｉｇを表す実信号として利用する。共通モード電流信号Ｉｃｍは、アンテナ３に出入りする信号経路に直接配置した抵抗Ｒ１、Ｒ２にかかる電圧Ｕ１、Ｕ２を測定し、この電圧Ｕ１、Ｕ２の差を計算することによって算出する。図示しない他の実施形態においては、アンテナの共通モード電流信号を、接地電流Ｉｇを表す実信号として使用する。共通モード電流信号は、アンテナ３に出入りする導線を、トロイダル型フェライト磁心の周りに、互いに平行ではあるが、逆方向に電流が流れるように数回巻回することにより計測することができる。また、トロイダル型フェライト磁心の周りには、感知コイルも巻回する。アンテナ３に出入りする導線に流れる電流が互いに打ち消しあう場合、感知コイルの出力はゼロとなり、それ以外の場合、感知コイルの出力はアンテナ３の共通モード電圧を表す。
【００２３】
図２は、第１の実施形態によるＲＦＩＤリーダ１の変更例であるＲＦＩＤリーダ１′の線図的回路図である。ＲＦＩＤリーダ１′は、平衡化手段を変成器６と一体に設ける点においてのみＲＦＩＤリーダ１と異なっている。変成器６は、信号発生器２から高周波電気信号ＥＳが供給される一次コイル６ａ、およびアンテナ３に接続した二次コイル６ｂを有する。チューニング手段４を制御するためのコントローラ５は、実信号入力ＡＳによって、アンテナ３とその周囲環境Ｇとの間における結合容量Ｃｇを介して流れる電気的接地電流Ｉｇを表す実信号を受信する。本発明のこの実施形態において、コントローラ５の実信号入力ＡＳに供給される実信号は、変成器６の二次コイル６ｂの中心タップ６ｃから取り込んだ電圧信号Ｕｃである。コントローラ５は、電気的接地電流Ｉｇの総和が最小となるように、または好ましくは完全にゼロとなるように、制御可能インピーダンスＺ１，Ｚ２を電圧信号Ｕｃに基づいて制御するよう構成する。インピーダンスＺ１，Ｚ２は、変成器６の二次コイル６ｂに接続する。
【００２４】
図３は、本発明によるＲＦＩＤリーダ１″における他の実施形態の線図的回路図を示す。ＲＦＩＤリーダ１″は、高周波電気信号ＥＳを発生する信号発生器２、および対称モードで高周波電気信号ＥＳが供給されるループアンテナ３を有する。アンテナ３とその周囲環境Ｇとの間に不可避的に生じる結合容量Ｃｇが変動する場合でもアンテナ３の対称動作を維持するために、チューニング手段４′を信号ＥＳの信号経路中に設ける。チューニング手段４′は、信号発生器２とアンテナ３との間に配置した制御可能信号ドライバＡ１，Ａ２を有する。制御可能信号ドライバＡ１，Ａ２の機能は、仮想的接地電位を制御可能にオフセットすることである。本発明の第１実施形態と同様に、この実施形態においても、チューニング手段４′を制御するため、すなわち信号ドライバＡ１，Ａ２を制御するコントローラ５を設ける。コントローラ５は、アンテナ３とその周囲環境Ｇとの間の結合容量Ｃｇを介して流れる電気的接地電流Ｉｇを表す実信号を受信するための実信号入力ＡＳを有る。本発明のこの実施形態において、アンテナ３の共通モード電流信号Ｉｃｍを、接地電流Ｉｇを表す実信号として使用する。共通モード電流信号Ｉｃｍは、アンテナ３に出入りする信号経路に直接配置した抵抗Ｒ１，Ｒ２にかかる電圧Ｕ１，Ｕ２を測定し、電圧Ｕ１，Ｕ２の差を計算することによって算出する。コントローラ５は、電気的接地電流Ｉｇの総和が最小となるよう、もしくは好ましくは完全にゼロとなるように仮想的接地電位をオフセットするように、信号ドライバＡ１，Ａ２を制御する構成とする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるＲＦＩＤリーダの第１実施形態の線図的回路図である。
【図２】本発明によるＲＦＩＤリーダにおける第１実施形態の変更例の線図的回路図である。
【図３】本発明によるＲＦＩＤリーダの第２実施形態の線図的回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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