RFID を用いた精算レジシステムのためのリーダアンテナに関する研究

2006MI052 影石英紀
指導教員

1 はじめにRFID （Radio Frequency Identification）とは，無線IC タグを対象となる人やモノに取り付け，電磁界の誘導界または放射界を利用して無線通信し，対象物の認証，管理を行うシステムである．
今まで，物理的なものの個別識別にはバーコードや磁気カードが主に使われてきたが，情報量が多く，偽造や複製が困難な IC タグの発展が期待されている．また，RFID の持ついくつかの特性を情報システムに応用することにより，人の手により行われている多くの業務オペレーションを自動化，あるいは簡素化することができる．
RFID を導入した企業は莫大なコストを削減できると言われている．さらに，人為的なミスの防止やシステムのリアルタイム性が向上することにより，情報の質が向上し，企業リソースの正確な把握や，迅速な意思決定を支援するものとしても期待されている [1]．
現在，多くのスーパーマーケットで使われている POS
レジシステムは，一つ一つの商品に取り付けられているバーコードを読み取っているため精算に時間がかかることが問題となっている．そこで，商品に RFID タグアンテナを取り付け，一度に複数の商品を認識することで精算時間の短縮を目指す．本研究の目的は商品に受信機として，RFID タグを取り付け，その受信機と情報伝達を行うためにリーダアンテナの大きさ，配置を検討することである．まず，商品の素材としてアルミなどが貼られている場合，RFID タグアンテナを認識することができるか検証した．また，商品の置き方によってはタグが複数，平行でない場合が多いため，タグの数や角度を変えて電力伝送効率の違いを検証した．情報伝達を行うためにはある一定以上の電力伝送効率が必要である．

2 研究方法
この章では，本研究の流れを記述する．
実験
本研究のために，図 1 のマーステクノサイエンス社の「RFID GEAR PROFESSIONAL」で実験を行った．
このキットのソフトと，付属されているリーダを用いるとタグの反応チェックが行える．反応したタグ数が図 2のように PC のディスプレイに表示される．図 1 の左側のループアンテナがリーダであり，ループの中央にある白いカードにタグアンテナが装着されている．リーダのコードは PC の USB 端子に接続する．このキットは他にタグにデータを書き込み，そのデータを読み取ることができる．

2006MI099 箕浦健太

稲垣直樹
シミュレーション
図 1 の RFID キットにより読み取ることができる最大の距離を実験し，それを基に FEKO[2] を用いて解析モデルを作成し，そのときの電力伝送効率をリーダがタグを認識できる値とする．キットと同じモデルで商品に金属が含まれる場合と，リーダを改善し，タグの角度や数を変えた場合の電力伝送効率の違いを検証する．
RFID タグアンテナには電池を内蔵しているアクティブタグ，内蔵していないパッシブタグがある．本研究では電池を内蔵していないパッシブタグを対象とする．周
波数は RFID ではもっとも広く使われている 13.56MHzを使用する．

2.2

図 1 RFID キット（マーステクノサイエンス社）

図 2 RFID キットの実行例（6 枚のタグが反応した場合）[3]2.13 RFID キットをもとにした解析モデルの作成
FEKO を用いて，RFID キットと同じ形のリーダとタグの解析モデルを作成する．
3.1 解析モデルの作成
リーダは，図 3 のように半径 r=7.5cm，導線半径wr=0.25mm のループアンテナモデルを作成した．タ
グ は 図 4 の よ う に 巻 き 数 n=6，巻 き 幅 1.4mm で ，a=7.90cm，b=4.75cm，wr=0.25mm の長方形スパイラルアンテナモデルを作成した．ただし，ポートがある部分や内側へまたぐ部分は細かい形状となっている
ので，図 5 のように ⃝1 の部分は 0.05mm，⃝2 の部分は0.07mm，⃝3 の部分は 0.10mm と細く設計した．

図6

タグアンテナに金属板を接触させた場合

解析結果
解析結果は以下の表のようになった．リーダとタグのポートインピーダンスは 50 Ωである．

4.1
図 3 リーダ（ループアンテナ）

図 4 タグ（長方形スパイラルアンテナ）

表1

電力伝送効率解析結果まとめ
電力伝送効率 [%]図5

タグアンテナに金属板が接触している場合

0.0012

誘電体をタグアンテナの下側のみに取り付けた場合

0.23

誘電体をタグアンテナの上下に取り付けた場合

0.24

図 4 の A，B の拡大図

3.2 タグを認識する電力伝送効率の検証
RFID キットを使用した結果，リーダとタグを 15cm離したとき，認識しなくなった．このキットをもとに作成したモデルを FEKO で解析した結果，このときの電力伝送効率は 0.12% とわかる．しかし，実験とシミュレーションでは条件が異なるので，FEKO の電力伝送効率は 1% 以上が望ましい．よって，電力伝送効率が 1%以上のときは，リーダがタグを認識できるものとして，シミュレーションを行う．

4 商品に金属が含まれる場合
RFID は金属面で利用できない．これは，リーダから発せられる電磁界が金属面により反射されてしまうからである．しかし，スーパーマーケットの商品には金属が含まれるものもある．そこで，金属がタグアンテナに与える影響を以下の 3 つのシミュレーションで検証する．
1 つめは，タグアンテナに金属板を接触させた場合の電力伝送効率を FEKO で調べる．図 6 のように，リーダからタグの距離 d=1cm にして，タグの下に金属板を取り付けた．
2 つめは，図 6 のタグアンテナの下に誘電体を取り付け，直接金属とタグが触れないようにして，シミュレーションを行う．ここで誘電体の誘電率は 2.3 としてプラスチックに近い物質を仮定した．誘電体の厚さは0.25cm とし，送信機と受信機の距離は 1cm とした．
3 つめは，図 6 のタグアンテナの上と下の両側に厚さ0.25cm の誘電体を取り付けた場合の，電力伝送効率をFEKO で解析した．2 つめと同様に，誘電体の誘電率は2.3 として, 送信機と受信機の距離は 1cm とした．

考察
金属板とタグアンテナが接触している場合は，電磁界が反射してしまい，電力伝送効率は，0.0012% と，かなり悪いものとなった．誘電体を取り付けた場合は，磁力線が通る隙間ができるので，電力伝送効率を 0.23% まで向上させることができた．両側に誘電体をつけた場合の電力伝送効率は，0.24% と，下側のみに誘電体をつけた場合とあまり変わらなかった．しかし，実際にスーパーマーケットなどで利用する場合は金属がどこに置かれているかわからないので，両側に誘電体をつけたほうが実用的と考えられる．

4.2

5 リーダアンテナの改善
買い物かご内全体の商品を認識する必要があるため，
半径 35cm の円状のリーダアンテナにする．また，実用的なリーダアンテナを設計するためには，ポートインピーダンスが 1 Ω以上，50 Ω程度である必要がある．そこで，共役影像アドミタンスの概念 [4] を用いてリーダとタグのポートインピーダンスと装荷キャパシタンスの最大電力供給の条件を求め，その条件が実用的なものになるようにリーダアンテナの解析モデルを改善する．
5.1 リーダアンテナの半径とポートインピーダンス
半径 35cm のリーダアンテナのポートインピーダンス
が 50 Ω程度になるように，ヘリカルアンテナの巻き数を変化させてモデルを設計した．今回のシミュレーションでは，買い物かご中央での最大電力供給の条件がポートインピーダンス 35.74 Ωとなった半径 35cm，2 巻きのヘリカルアンテナを用いることにする．このときのタグのポートインピーダンスは 0.011 Ωである．

6 タグアンテナの位置と角度を変えた場合のは電力伝送効率が高い方の値をグラフの値とする．

電力伝送効率を検証
RFID はリーダとタグとの角度が垂直に近づくと認識できないという欠点がある．そこで，角度に関係なく認識できるリーダアンテナを考える．
6.1 作成した解析モデル
リーダとタグとの角度が 90°前後の場合は良好な電力伝送効率が得られなかった．そこで角度の異なるリーダを２つ使うことで，一方のリーダとタグとの角度が90°のときに，もう一方のリーダが認識できるようにする．そのために，リーダ同士の干渉を防ぐため片方ずつ電流を流すこと，図 7 のようにリーダはかごの下に置くことが必要である．

図7

図 11 リーダが 1 つのときの買い物かご上段の解析結果（凡例は原点を図 10 のように下段の中央にとった場合の座標であり，単位は cm である）

レジシステムにおけるリーダの位置

作成した解析モデルは図 8，9 のようになった．また，リーダを傾ける角度は 30°とする．
図 12 リーダが 2 つのときの買い物かご上段の解析結果

図 8 作成した解析モデ
ル（yz 平面）

図 9 作成した解析モデ
ル（xy 平面）

解析方法
一般的な買い物かごの大きさは縦 51cm，横 36cm，高さ 24cm である．この大きさを考慮して，1 つのタグアンテナを図 10 のように 27 ヶ所で 0°〜180°まで 30°ずつ角度を変えて解析を行い，電力伝送効率を求める．

6.2

図 10

図 13 リーダが 1 つのときの買い物かご中段の解析結果

買い物かご内のタグの配置

解析結果
買い物かごの上段，中段，下段をそれぞれリーダが 1つの場合と 2 つの場合で比較する．リーダが 2 つの場合

6.3

図 14 リーダが 2 つのときの買い物かご中段の解析結果

リーダとタグ A〜F との電力伝送効率は表 2，3 のようになった．リーダは左と右で電力伝送効率が大きい方を表にした．
表2

タグのポートインピーダンスが 0.011 Ωの場合
タグ

A・B

C ・D

E

F

電力伝送効率 (%)

7.21

3.07

1.95

0.43

表3

図 15 リーダが 1 つのときの買い物かご下段の解析結果

タグのポートインピーダンスが 1 Ωの場合
タグ

A・B

C・D

E

F

電力伝送効率 (%)

14.83

3.11

2.146.71

考察
タグアンテナのポートインピーダンスの値を最大電力供給の条件より大きくすることで，タグが 1 つの場合の電力伝送効率は低下するが，タグが複数ある場合も 1%以上の電力伝送効率を得られた．

7.2

8 まとめと今後の課題

図 16 リーダが 2 つのときの買い物かご下段の解析結果

考察
リーダが 1 つのときは，リーダとタグとの角度が 90度付近になるにつれて良好な電力伝送効率である 1% 以上を得ることができなかった．しかしリーダが 2 つのときは，27 ヶ所全ての位置で 10% 程度より高い電力伝送効率が得られた．リーダが 2 つの場合はそれぞれでリーダとタグとの角度が異なることで，一方が認識できないところはもう一方が認識し，お互いを補い合っていることがわかる．

6.4

7 買い物かごに複数のタグがある場合の電力伝送効率を検証
レジシステムで利用するためには，複数のタグを認識することが必要である．そこで，図 8，9 の解析モデルを用いて買い物かごに商品が複数ある場合の検証を行う．
7.1 タグが 2 つあるときの電力伝送効率
ここではタグを 2 つにして検証を行う．図 17 のように中段の A と B，中段の C と D，上段の E と下段の Fの 3 パターンで解析を行う．リーダとタグのポートイン
ピーダンスは 5.1 で求めた 35.74 Ω，0.011 Ωを用いる．
また，タグのポートインピーダンスを 1 Ωにしたときの解析も行う．

図 17 解析を行う 2 つのタグの配置

本研究では，FEKO を用いてリーダとタグのアンテナモデルを作成し，最大電力供給の条件を求めることで，実用的なポートインピーダンスのリーダアンテナを設計した．キットをもとに作成したリーダアンテナは，買い物かご内全体のタグアンテナを認識すること，リーダとの角度が垂直に近いタグを認識することができなかった．そこで，かごの大きさに適した大きさ，実用的なポートインピーダンスのリーダアンテナを検証した結果，リーダアンテナを半径 35cm で 2 巻きのヘリカルアンテナに決定し，リーダアンテナを 2 つにしてそれぞれ異なる角度をつけることで買い物かご内全体で垂直なタグアンテナも認識することができた．
金属板を置いたとき，誘電体を取り付けた場合でも良好な電力伝送効率が得られなかったので，誘電体の誘電率を変えたり，大きさ，形を変更してシミュレーションすることが必要である．今回のシミュレーションではタグアンテナのモデルは RFID キットと同じ構造のものを作成，使用したが，タグアンテナの小型化，コスト削減のための形状の簡素化が必要である．そのためにリーダアンテナのさらなる改善が今後の課題である．

参考文献[1] Microsoft ホームページ，
http://www.microsoft.com/[2] FEKO ホームページ，
http://www.feko.info/[3] 株式会社マーステクノサイエンス ホームページ，
http://www.mars-techno.co.jp/[4] 丸地，稲垣，藤井：誘導電界を用いた新しい無線接続方式，信学技報，A·P2009-84，pp.29-34（2009.9）．
[5] 儘田有美，酒井宏実：RFID を用いたレジ精算シス
テムのためのアンテナに関する研究，南山大学数理情報学部情報通信学科 2007 年度卒業論文（2008.3）．