JP3570512B2

JP3570512B2 - 金属体用ｒｆｉｄ素子及びこれを用いた金属体の識別装置

Info

Publication number: JP3570512B2
Application number: JP2002102461A
Authority: JP
Inventors: 貴則遠藤; 政米澤; 誠朗八幡
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2018-06-12
Also published as: JP2003022428A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＲＦＩＤ（無線周波数識別：ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術を用いた、バッテリを有しない金属体用ＲＦＩＤ素子及びこれを用いた金属体の識別装置に関する。更に詳しくはガス管、上水道管、下水道管、ケーブル管、光ファイバ管、オイル輸送管、薬液輸送管などの各種の金属管や金属製物体などの金属体を地下や地中、或いは地上に敷設する際に、又は敷設した後に、その種類毎に非接触で金属体を識別するための金属体用ＲＦＩＤ素子及びこれを用いた金属体の識別装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石油精製設備、発電設備、造船所、化学工場などの複雑化した大型プラントでは殆ど同じ外径を有する多数種類の金属管が地下や地上に敷設される。こうした大型プラントを新しく短期間で構築するときのように、一度に多数種類の金属管を敷設する必要がある場合には、金属管を異なった種類のものに誤って接続しないように、接続前に金属管自体に識別記号や文字をペンキなどの脱色しにくい色材で付し、この識別記号や文字を参照データにして、金属管の敷設年月日、材質、サイズ、製造メーカー、管内を流れる流体名、配管経路、その他必要なデータを別の図面や帳票に記載するか、電子化してコンピュータに記録していた。そして金属管の接続時には図面、帳票又はコンピュータリストと金属管自体の識別記号等を目視で判別、照合していた。また金属管を敷設した後、点検、修理又は交換する際にも、接続時と同様に図面等と金属管自体の識別記号等を目視により判別して、金属管の履歴情報と照合していた。また点検等の結果の情報も金属管自体の識別記号等を照合しながら帳票等に記録していた。こうした金属管の識別照合作業は都市の地中に埋設された金属管についても同様に行われていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、金属管自体に識別記号や文字を付してこれを目視で判別、照合する従来の方法では、照明設備が不十分な地下に敷設された金属管や、地中に敷設された金属管や、或いは入り組んで地上に敷設された金属管などに対しては判別や照合に相当な時間と労力を要し、識別間違いを起こすことがあった。
この点を改善するために、非接触式の金属体用ＲＦＩＤ素子を金属管に付設することが試みられている。しかし、金属管が鋳鉄管、鋼管などの磁性体である場合には、こうした管体の外面に上記金属体用ＲＦＩＤ素子を直接又は極めて近い場所に取付けると、このＲＦＩＤ素子のアンテナコイルの自己インダクタンスが変化して外部の識別装置から送信された電波の共振周波数が変わってしまい、かつアンテナコイルのＱ値が大きく低下して、ＲＦＩＤ機能を果すことができない問題点があった。
本発明の目的は、金属管などの金属体に一体的に取付けても識別装置から送信したＲＤＩＤ回路を活性化するための共振周波数やアンテナコイルのＱ値が変化せず、正確に金属体を識別し得る金属体用ＲＦＩＤ素子及びこれを用いた金属体の識別装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図２及び図６に示すように、金属体２０に付設され、磁芯となる磁性材１１とこの磁性材に巻かれたアンテナコイル１２とこのアンテナコイルに接続されたＲＦＩＤ回路１３とを備え、ＲＦＩＤ回路１３が金属体固有のデータを記憶するメモリ１３ｆを有し、金属体の識別装置３０からの特定周波数の電波により活性化し、この電波のデータ通信による読出しコマンドに応じてメモリ１３ｆから上記データの読出しを行うとともに書込みコマンドに応じてメモリ１３ｆにデータを書込み、識別装置３０に対して応答信号を発生するように構成された金属体用ＲＦＩＤ素子１０であって、アンテナコイル１２の外周面が金属体２０の外面に対向して金属体２０に一体的に取付けられ、磁芯となる磁性材１１は直径が０．１〜３０μｍの軟磁性金属の粉末又は厚さが０．１〜１０μｍの軟磁性金属のフレークが１０〜９５重量％プラスチックに含有された複合材により形成されたことを特徴とする金属体用ＲＦＩＤ素子である。
【０００５】
外部の識別装置３０からＲＦＩＤ素子１０の識別コード質問信号をＲＦＩＤ素子１０に送信する。この質問信号の特定周波数の電波をアンテナコイル１２が受信すると電磁誘導でこのコイル１２に発生する電力によってＲＦＩＤ回路１３が活性化する。質問信号を受信したＲＦＩＤ素子１０はその金属体固有の識別コードを識別装置３０に送信し、識別コードを受信した識別装置３０はその金属体を特定する。このＲＦＩＤ素子１０はアンテナコイル１２の外周面を金属体２０の外面に対向して取付けているため、コイル１２に発生して放射する磁力線は磁性材１１の軸方向を向く。この方向は金属体２０の外面とほぼ平行であって磁力線の多くは金属体２０を通過しないため、金属体２０の材質が鋳鉄や鋼鉄などの強磁性体であってもその影響を受けにくい。また、磁芯となる磁性材１１は、軟磁性金属の粉末とプラスチックとの複合材、又は軟磁性金属のフレークとプラスチックとの複合材により形成されるので、渦電流が生じて共振特性を低下させるようなことはない。この結果、コイル１２の自己インダクタンスの変化は少ないので、質問信号の周波数の変化は少なく、またコイル１２のＱ値の低下も少ないので、確実にＲＦＩＤ素子１０は活性化され、かつ識別装置３０とのデータ通信を行うことができる。
【０００６】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに係る発明であって、金属体２０が金属管であって、磁性材１１とアンテナコイル１２とコンデンサ１３が絶縁性部材１６により被包され、絶縁性部材１６の金属管２０に接する部分が凹面１６ａに形成された金属体用ＲＦＩＤ素子である。
絶縁性部材１６の金属管２０に接する部分を凹面にすることにより、安定した状態でＲＦＩＤ素子１０を取付けることができる。
【０００８】
請求項５に係る発明は、図６に示すように、金属体２０に一体的に取付けられた請求項１ないし４いずれか記載の金属体用ＲＦＩＤ素子１０に向けて特定周波数の電波を送信してこの素子１０のＲＦＩＤ回路１３を活性化しかつこの回路１３のメモリ１３ｆに対してデータの読出し・書込みを行いＲＦＩＤ素子１０からの応答信号を受信して金属体２０を識別するように構成された金属体の識別装置である。
この外部の識別装置３０から特定周波数の電波を送信すると、この電波によりＲＦＩＤ素子１０のＲＦＩＤ回路１３が活性化し、同時にこの回路１３のメモリ１３ｆからデータの読出し・書込みが行われる。識別装置３０がＲＦＩＤ素子１０からの応答信号を受信することにより、この金属体２０を識別することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（ａ）金属体用ＲＦＩＤ素子の用途
本発明のＲＦＩＤ素子が識別する金属体としては、主としてガス管、上水道管、下水道管、ケーブル管、光ファイバ管、オイル輸送管、薬液輸送管などの地下や地中、或いは地上に敷設される各種の金属管が挙げられる。これらの金属管以外にも、特殊な目的で敷設され、後日点検、修理又は交換する必要のある金属製物品を識別するためにも適用できる。金属管の材質としては、鉄管、鋳鉄管、銅又は銅合金管、耐食又は耐熱合金管等に代表される強磁性又は導電性の材料が挙げられる。
（ｂ）金属体用ＲＦＩＤ素子の構成
図６に示すように、金属体用ＲＦＩＤ素子１０は、磁芯となる磁性材１１とこの磁性材に巻かれたアンテナコイル１２とこのアンテナコイルに接続されたＲＦＩＤ回路１３とを備える。このＲＦＩＤ回路１３は電源回路１３ａと無線周波数（ＲＦ）回路１３ｂと変調回路１３ｃと復調回路１３ｄとＣＰＵ１３ｅとこれに接続された金属体固有のデータを記憶するメモリ１３ｆを有する。電源回路１３ａはコンデンサ（図示せず）を内蔵し、このコンデンサはアンテナコイル１２とともに共振回路を形成する。このコンデンサにはアンテナコイル１２が特定の共振周波数の電波を受信したときにその電磁誘導で生じる電力が充電される。電源回路１３ａはこの電力を整流し安定化してＣＰＵ１３ｅに供給し、ＲＦＩＤ回路１３を活性化する。
【００１０】
ＲＦＩＤ素子１０のメモリ１３ｆはＲＯＭ（ｒｅａｄｏｎｌｙｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ｒａｍｄｏｍ−ａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ）及びＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙｅｒａｓａｂｌｅｐｏｇｒａｍａｂｌｅｒｅａｄｏｎｌｙｍｅｍｏｒｙ）を含み、ＣＰＵ１３ｅの制御の下で金属体の識別装置３０からの電波のデータ通信による読出しコマンドに応じて記憶されたデータの読出しを行うとともに、識別装置３０からの書込みコマンドに応じてデータの書込みが行われる。
例えば金属体が金属管である場合、ＲＦＩＤ素子のメモリ１３ｆには、次のようなデータが記憶される。
（ア）金属管の製造直後にＲＦＩＤ素子を取付けるときには、その製造条件、サイズ、材質、検査結果などのデータが記憶され、金属管を敷設現場に適切に納入するのに役立てる。
（イ）金属管の敷設前にＲＦＩＤ素子を取付けるときには、敷設されるプラント名、敷設場所、敷設順序、管内を流れる流体名、流体の系統などのデータが記憶され、金属管の誤った接続を防止するとともに、敷設後の点検時の当該金属管の検出を容易にする。
（ウ）金属管の敷設後には、金属管の使用中の温度、異常の有無などのデータを書込み、次の点検、保全に役立てる。
【００１１】
アンテナコイル１２の磁芯となる磁性材１１の形状は、中実の板状、円柱状、角柱状が採用される。この磁性材１１としては、軟磁性金属の粉末又はフレークとプラスチックとの複合材が挙げられる。ここで、軟磁性金属の粉末には、カルボニル鉄粉又は還元鉄粉が用いられ、軟磁性金属のフレークには、鉄、パーマロイ、アモルファス合金等をアトマイズ法により微細化して軟磁性金属の粉末を成形した後、この軟磁性金属の粉末を機械的に扁平化して得られたフレークが用いられる。
【００１２】
軟磁性金属とプラスチックの複合材の製法としては、軟磁性金属の粉末又はフレークと、ナイロン樹脂、ポリエチレン樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂等のプラスチックの粉末との混合物を混練し、この混練物をペレット化した後に射出成形して所定の形状とする方法が適当である。この場合、上記混合物の射出時に磁性方向に磁場を掛け、軟磁性金属を整列させれば、ＲＦＩＤ素子としての特性は更に向上する。また軟磁性金属の粉末又はフレークとプラスチックの粉末との混合物をロールで板状とした後に短冊に切断したり、圧縮成形したり、或いは型に鋳込んだりして成形してもよい。上記いずれの方法においても、磁場を掛けて軟磁性金属を整列させることにより特性は向上する。
【００１３】
軟磁性金属が粉末である場合には、その直径は０．１〜３０μｍの範囲内にあることが好ましく、０．３〜５μｍの範囲内にあることが更に好ましい。軟磁性金属がフレークである場合には、その厚さが０．１〜１０μｍの範囲内にあることが好ましく、０．３〜５μｍの範囲内にあることが更に好ましい。軟磁性金属の粉末の直径が上記範囲より細かい場合は粉末が酸化し易く、大きすぎると渦電流による損失が増大する問題が生じる。プラスチックと軟磁性金属の混合比率は軟磁性金属が１０〜９５重量％であることが好ましく、４０〜９０重量％であることが更に好ましい。残部はプラスチックである。軟磁性金属の含有率が上記範囲より少ないと透磁率が低すぎる不具合があり、上記範囲を越えると軟磁性金属同士が直接接して磁性材１１が導電性となるため損失が大きくなる不具合がある。上記磁性材に巻かれるアンテナコイル１２は、導電性に優れた銅、銅合金（Ｃｕ−Ｃｒ，Ｃｕ−Ｂｅ，Ｃｕ−Ｚｎ）、アルミニウム等の導線である。この導線は絶縁皮膜で被覆しておくことが好ましい。
【００１４】
図１及び図５に示す電磁遮蔽材１４は、金属体が鉄や鋳鉄のような強磁性材料からなる場合に、こうした金属体からの電磁気的影響を避けて、ＲＦＩＤ素子の共振回路の共振特性をより向上させるために用いられる。このために電磁遮蔽材は磁性材より広い面積を有することが必要である。また電磁遮蔽材は金属体の表面、アンテナコイルの外周面、磁性材の表面と僅かに間隔をあけて、これらと直接接触しないように設置することが好ましい。更に電磁遮蔽材は高純度のアルミニウム、高純度の銅又は銅合金などの非磁性であって導電性を有する板材、薄膜である。
この電磁遮蔽材を用いた場合には、電磁遮蔽材がある状態で所定の共振周波数となるように磁性材及びアンテナコイルの大きさ、コイル巻き数、コンデンサの容量が選定される。この電磁遮蔽材をコイルの外周面と金属体との間に介装すると、共振時に磁性材から出た磁力線のうち金属体を通過しようとする磁力線は、高い導電性を有する電磁遮蔽材上を通過する。この電磁遮蔽材は非磁性であってかつ導電性を有するため、ヒステリシス損が極めて少なく渦電流損失は殆ど発生しない。この結果、金属体が強磁性体であっても共振回路に影響を及ぼさず、アンテナコイルが金属体と電磁気的に遮断されるので、コイルの自己インダクタンスの変化及びＱ値の低下を完全に防止できる。
【００１５】
図１〜図４に示すように、本発明の磁性材１１、アンテナコイル１２、ＲＦＩＤ回路１３等は直射日光や風雨に曝されたり、高温高湿の環境下に置かれたり、地中に埋設されたりすることから、気密性、水密性及び耐候性に優れた絶縁性部材１６で被包されることが好ましい。この絶縁性部材１６は加工が容易で量産し易い、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエステル、塩化ビニル、酢酸ビニル、ＡＢＳ、ポリエチレン、エポキシ樹脂などのプラスチックが好ましい。磁性材、アンテナコイル、ＲＦＩＤ回路等をプラスチックケースで密閉してもよいが、これらを鋳込むように射出成形したプラスチック体の方が長期間敷設した場合に耐久性がより向上し、電気的特性が変化せず好ましい。金属体が磁性材料からなる場合で電磁遮蔽材を設けないときには、アンテナコイルの外周面と金属体との外面との間隔が６０ｍｍ以上になるようにプラスチック体を射出成形することが好ましい。磁性材と金属体との間のプラスチックが電磁遮蔽材としての機能を果たすからである。金属体が金属管の場合には、プラスチックケース又はプラスチック体の金属管に接する部分は凹面１６ａ（図１）にしておくことが安定してＲＦＩＤ素子１０を取付けることができるため好ましい。この凹面は口径が単一種類の金属管にＲＦＩＤ素子を取付ける場合には、金属管の外周面と同じ曲率半径の湾曲面であることがＲＦＩＤ素子を取付たときに最も安定して好ましい。口径の異なる複数種類の金属管に対してＲＦＩＤ素子を取付ける場合には、その凹面は形状を変えずに共通に使用できる、汎用性のある断面Ｖ字型（図１）が好ましい。
【００１６】
（ｃ）金属体用ＲＦＩＤ素子の金属体への取付け方法
請求項１に係る発明では、図１又は図２に示すようにアンテナコイル１２の外周面が金属体２０の外面に対向するようにして、ＲＦＩＤ素子１０は金属体２０に一体的に取付けられる。ＲＦＩＤ素子を金属体の外面に接着剤で直接接着してもよいし、ねじ等の螺合手段で取付けてもよい。金属体が金属管の場合には、ＲＦＩＤ素子を金属管の外周面に接触させた後、図１及び図２に示すように接着テープ１９をＲＦＩＤ素子１０の上から巡らせて一体化するか、ＲＦＩＤ素子にベルト（図示せず）を設けてベルトを締付け固定することにより一体化してもよい。或いは図示しないが絶縁性部材の金属体に接する部分に強力な永久磁石を固着しておいて、この磁力により接着してもよい。
【００１７】
図３に示すようにアンテナコイル１２の軸心方向Ｘを鉛直方向にする場合には、金属管２０の側面に金属管の外周面の接線に平行にＲＦＩＤ素子１０を取付ける。即ち、アンテナコイル１２の軸心方向を金属管２０の軸心方向に垂直にして配置する。図５にこのときの等価回路を示す。また図４に示すようにアンテナコイル１２の軸心方向Ｘを水平に向けて金属管２０の軸心方向に平行にして配置する場合には、金属管２０の表面にＲＦＩＤ素子１０を取付ける。図３及び図４において破線矢印は共振時に放射する磁力線を示す。
【００１９】
（ｄ）金属体の識別装置の構成とこの装置による金属体の識別方法
図６に示すように、金属体の識別装置３０はハンディ型のＲＦＩＤコントローラであって、送受信アンテナ３１とバッテリを内蔵する電源回路３２と無線周波数（ＲＦ）回路３３と変調回路３４と復調回路３５を備える。更に識別装置３０はＣＰＵ３６とこれに接続されたメモリ３７、ディスプレイ３８及び入力装置３９を有する。
このように構成された識別装置３０によりＲＦＩＤ素子１０を取付けた金属体を識別する方法の一例を説明する。この例では金属体はプラント工場に敷設された鋼管であって、図１に示すようにＲＦＩＤ素子１０が取付けられる。図６に戻って、このＲＦＩＤ素子１０のメモリ１３ｆには鋼管固有のデータ（識別コード、管のサイズ、管の材質、管を流れる流体名等）が予め記憶されている。識別装置３０の送受信アンテナ３１からＲＦＩＤ素子１０のアンテナコイル１２に向けてその識別コード質問信号を特定周波数の電波により送信する。この質問信号は２値化されたデジタル信号である。このデジタル信号は識別装置３０の信号発生器（図示せず）から発せられ、変調回路３４で変調を受ける。ＲＦ回路３３ではこの変調した信号を増幅してアンテナ３１から送信する。この変調には例えばＡＳＫ（振幅変調）、ＦＳＫ（周波数変調）又はＰＳＫ（位相変調）が挙げられる。
【００２０】
送信された質問信号の電波はＲＦＩＤ素子１０のアンテナコイル１２の外周面と鋼管２０との間に設けられた電磁遮蔽材１４（図１）により周波数が変化することなく、アンテナコイル１２に受信される。この受信により、電源回路１３ａのコンデンサにはその電磁誘導で生じる電力が充電される。電源回路１３ａはこの電力を整流し安定化して、ＣＰＵ１３ｅに供給し、ＲＦＩＤ回路１３を活性化する。次いでＲＦＩＤ回路１３のＲＦ回路１３ｂでは復調に必要な信号のみを取込み、復調回路１３ｄで元のデジタル信号の質問信号を再現させてメモリ１３ｆから鋼管固有の識別コードをはじめとして管のサイズ、管の材質、管を流れる流体名等のデータを識別装置３０に送信する。このデータの送信は２値化された識別コードをＲＦＩＤ回路１３の変調回路１３ｃで変調し、ＲＦ回路１３ｂで増幅してアンテナコイル１２から送出することにより行われる。
【００２１】
次にこのデータを受信した識別装置３０では当該鋼管の固有の情報をディスプレイ３８で確認することができる。ここで鋼管を点検し、その結果をＲＦＩＤ素子１０のメモリ１３ｆに書込むときには、入力装置３９より点検結果のデータを入力し、識別コードを送信したときと同様に識別装置３０からＲＦＩＤ素子１０に送信する。この点検結果のデータはＲＦＩＤ素子１０のメモリ１３ｆに書込まれ、次の点検時の参考となる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の金属体用ＲＦＩＤ素子は、アンテナコイルの外周面を金属管などの金属体の外面に対向して金属体に付設し、磁芯となる磁性材を軟磁性金属の粉末又はフレークとプラスチックの複合材により形成したので、金属体に一体的に取付けてもＲＦＩＤ素子の共振周波数やコイルのＱ値が変化せず、確実に金属体を識別することができる。この結果、多種類の金属管が入り組んだプラント工場において各金属管に本発明のＲＦＩＤ素子を取付け、識別装置で質問信号を送信し、応答信号で確認しながら金属管の敷設又は点検等を行えば錯誤による金属管の接続や点検等を防止できる。また点検時などに金属管の状況をＲＦＩＤ素子のメモリに書込んでおけば、金属管の履歴を後日、識別装置でＲＦＩＤ素子のメモリから読出して確認することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＲＦＩＤ素子の金属体への取付け状況を示す断面図。
【図２】ＲＦＩＤ素子の金属体への別の取付け状況を示す断面図。
【図３】図１に対応したＲＦＩＤ素子の金属体への取付け状況を示す斜視図。
【図４】図２に対応したＲＦＩＤ素子の金属体への取付け状況を示す斜視図。
【図５】本発明の金属体用ＲＦＩＤ素子の等価回路を示す図。
【図６】本発明の金属体用ＲＦＩＤ素子及び金属体の識別装置の回路構成図。
【符号の説明】
１０金属体用ＲＦＩＤ素子
１１磁性材（磁芯）
１２アンテナコイル
１３ＲＦＩＤ回路
１３ｆメモリ
１６絶縁性部材
１６ａ凹面
２０金属体（金属管）
３０金属体の識別装置

Claims

金属体(20)に付設され、磁芯となる磁性材(11)とこの磁性材に巻かれたアンテナコイル(12)とこのアンテナコイルに接続されたＲＦＩＤ回路(13)とを備え、前記ＲＦＩＤ回路(13)が金属体固有のデータを記憶するメモリ(13f)を有し、前記金属体の識別装置(30)からの特定周波数の電波により活性化し、前記電波のデータ通信による読出しコマンドに応じて前記メモリ(13f)からデータの読出しを行うとともに書込みコマンドに応じて前記メモリ(13f)にデータを書込み、前記識別装置(30)に対して応答信号を発生するように構成された金属体用ＲＦＩＤ素子(10)であって、
前記アンテナコイル(12)の外周面が前記金属体(20)の外面に対向して前記金属体(20)に一体的に取付けられ、
前記磁芯となる磁性材(11)は直径が０．１〜３０μｍの軟磁性金属の粉末又は厚さが０．１〜１０μｍの軟磁性金属のフレークが１０〜９５重量％プラスチックに含有された複合材により形成された
ことを特徴とする金属体用ＲＦＩＤ素子。
金属体（２０）が金属管であって、アンテナコイル（１２）の軸心方向を前記金属管（２０）の軸心方向に垂直にして配置される請求項１記載の金属体用ＲＦＩＤ素子。
金属体（２０）が金属管であって、アンテナコイル（１２）の軸心方向を前記金属管（２０）の軸心方向に平行にして配置される請求項１又は２記載の金属体用ＲＦＩＤ素子。
金属体（２０）が金属管であって、磁性材（１１）とアンテナコイル（１２）とＲＦＩＤ回路（１３）が絶縁性部材（１６）により被包され、前記絶縁性部材（１６）の前記金属管（２０）に接する部分が凹面（１６ａ）に形成された請求項１ないし３いずれか記載の金属体用ＲＦＩＤ素子。
金属体（２０）に一体的に取付けられた請求項１ないし４いずれか記載の金属体用ＲＦＩＤ素子（１０）に向けて特定周波数の電波を送信して前記素子（１０）のＲＦＩＤ回路（１３）を活性化しかつ前記回路（１３）のメモリ（１３ｆ）に対してデータの読出し・書込みを行い前記ＲＦＩＤ素子（１０）からの応答信号を受信して前記金属体（２０）を識別するように構成された金属体の識別装置。