JP5016252B2 - コネクタ一体型ｒｆｉｄリーダライタ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、パソコン等の外部機器に着脱することにより、ＲＦＩＤカードに対して非接触で情報の読み書きを行うことができるＲＦＩＤリーダライタに係り、特に、ブースター用の共振アンテナを備えることにより、通信距離を犠牲にすることなく小型化を可能としたものである。

近年、情報を電子的に記憶することができるＩＣチップと、このＩＣチップと外部との間で情報をやり取りするインタフェースを備えたカードやタグを利用したシステムが、その多様な可能性から注目を集めている。かかるシステムは、一般的には、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｃａｔｉｏｎ）システムと呼ばれ、小型の記録媒体（カードやタグ）とこれに読み書きを行うリーダライタとの組み合わせによって、様々な場面での固体認証やデータの送受信に利用することができる。

小型の記録媒体については、ＲＦＩＤカード、ＩＣカード、ワイヤレスカード、ＲＦＩＤタグ、ＩＣタグ等、種々の称呼がある。本発明では、ＲＦＩＤカードと呼ぶが、特定の種類のものに限定する意図ではなく、上記のようなカードやタグ等を全て含む広い概念である。このようなＲＦＩＤカードは、従来のカードに用いられていた磁気記録方式のものに比べて、ＩＣチップのメモリに大量の情報を記憶しておくことができ、偽造の防止も可能となるため、クレジットカード、電子マネー、電子乗車券、テレフォンカード、ＩＤカード、貨物管理用タグ等として、広く利用されている。

また、リーダライタとの間で情報を送受信するための方式としては、ＲＦＩＤカードの表面に設けられた電極接点とリーダライタに設けられた接触端子とを接触させる接触型、ＲＦＩＤカードとリーダライタに設けられたアンテナ（コイル）を介して無線により行う非接触型がある。特に、非接触型のＲＦＩＤカードは、接触による磨耗がないこと、リーダライタ側にＲＦＩＤカードを移動させる機構が必要ないこと、送受信の際の方向性の自由度が高いことなどから、高い耐久性と利便性を有するものとして、普及が期待されている。

更に、このような読み書きを行うリーダライタとしては、商店のレジや駅の改札等に設置された固定式のものから、手に持って使用できる小型のハンディタイプのもの（特許文献１参照）など、様々なものが利用されている。

ところで、上記のようなＲＦＩＤシステムを導入する際には、既存の管理システムのアプリケーション、データベース、ハードウェア等を有効に活用できるようにすることが望ましい。また、ＲＦＩＤカードに対する読み書きを行うリーダライタは、今後、港湾、空港、工場、商店等の様々な拠点等において、自由に移動して使用できるように、安価で小型のものが好ましい。

しかしながら、従来のＲＦＩＤカード用のリーダライタは、専用の装置として構成されていたために、装置を新たに導入する場合のコストが高くなる。また、リーダライタを小型化しても、用途に汎用性を持たせて通信距離を確保するためには、アンテナのサイズを大きくする必要がある（特許文献１参照）。ノートパソコン等に接続して利用する形態も考えられるが、ノートパソコンにリーダライタと大型のアンテナとを接続した場合には、持ち運びがしにくく、移動しながら利用することは、必ずしも容易ではない。

このような観点から、本出願人は、特許文献２に示すように、外部機器との接続用のコネクタと、非接触ＲＦＩＤカードとの情報の送受信用のアンテナと、前記アンテナを介して送受信される情報を処理する制御部とを有するＲＦＩＤリーダライタにおいて、コネクタをリーダライタ本体の一方の端部側に配設し、アンテナをコネクタと反対側の端部の近傍に配設したものを提案した。

以上のような特許文献２の発明では、アンテナがコネクタと反対端にあるため、外部機器にコネクタを接続した際に、外部機器とアンテナとの間の距離を長く確保することができ、ＲＦＩＤカードをアンテナに近づける際に、外部機器が邪魔にならず、十分な受信感度を得ることができる。
特開２００４−１８００３９号公報 特開２００６−８５２８８号公報 特開２００５−３２３０１９号公報

しかしながら、前記特許文献２の発明は、コネクタを一体としてＲＦＩＤリーダライタの小型化を可能とするものではあるが、その送受信用アンテナの寸法は、ＲＦＩＤリーダライタの寸法、特にＲＦＩＤリーダライタをスティック状として場合にはその幅寸法に制限されることから、大径のアンテナを用意することができず、その通信距離が短いという問題があった。

特に、特許文献２のＲＦＩＤリーダライタは、コネクタとしてＵＳＢ端子を設けることで、パソコンのＵＳＢ端子に直接挿入して使用されることが多く、その場合、前記のような通信距離が短いという理由から、パソコンをテーブルなどに置いた状態で、ＲＦＩＤカードをＲＦＩＤリーダライタにほとんど接触するまで近づけてデータの授受を行っていた。

しかし、最近では、特許文献２のＲＦＩＤリーダライタの使用方法として、図４のように、パソコンＰＣにＵＳＢケーブルＣＢを接続し、そのケーブルの先端にＲＦＩＤリーダライタＲＷを接続して、このＲＦＩＤリーダライタ自体をＲＦＩＤカード側に近づけて使用することが要望されている。特に、ＲＦＩＤカードが非常に小さなものになり、商品やそのタグなどに組み込まれた場合には、商品そのものをパソコンに接続したＲＦＩＤリーダライタＲＷ側に近づけることは面倒であり、ＵＳＢケーブルＣＢ先端のＲＦＩＤリーダライタを商品のタグなどに近づける方が、読取作業が極めて容易なことから、このような使用方法が望まれている。

また、従来のＲＦＩＤリーダライタは、特許文献１に示すように、送受信用のアンテナやデータ読取部以外に、特許文献２のパソコンに相当する専用の演算部や表示部を備えた大型で高価なものである。そのため、汎用のパソコンとＵＳＢケーブルを用意するだけで、特許文献１のようなＲＦＩＤリーダライタが得られる特許文献２のＲＦＩＤリーダライタが注目されている。

しかし、特許文献２のＲＦＩＤリーダライタを、ＵＳＢケーブルの先端に取り付けて、ＲＦＩＤカード側に近づけることは、ＲＦＩＤリーダライタ自体が小型なこともあって両者を正確に近接させることが難しい問題があった。しかも、特許文献２のＲＦＩＤリーダライタは、小型化を優先して製作されているため、送受信用アンテナも小径で通信距離が短いため、ＲＦＩＤリーダライタとカードとを確実に接近させないと、データの授受が不可能になる欠点があった。

このような場合に、特許文献３に示すように、ＲＦＩＤカード側に近接してブースターアンテナを設けることも提案されているが、商品に付されたＲＦＩＤカード側にブースターアンテナを設けることは、商品自体が大きなものや商品の収納庫にブースターアンテナを設けることができる場合はいざ知らず、商品のタグに組み込まれるような小型のＲＦＩＤカードについて適用不可能であった。

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、小型化されたコネクタ一体型ＲＦＩＤリーダライタのケースに対して、ブースターアンテナを一体に設けることにより、送受信用アンテナが小径のものであっても、必要とする通信距離を確保したＲＦＩＤリーダライタを提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、ケースと、前記ケース内部に配置された基板と、前記基板の上面に設けられた、非接触ＲＦＩＤカードとの情報の送受信用アンテナと、前記基板の下面に設けられ、前記アンテナを介して送受信される情報を処理する制御部と、前記ケースの一方の端部に設けられた外部機器との接続用のコネクタと、を備えたＲＦＩＤリーダライタにおいて、ループコイルと前記ループコイルと接続されたキャパシタとを含み、ＲＦＩＤリーダライタの搬送周波数近傍で前記送受信用アンテナと共振する共振アンテナが設けられ、前記ループコイルは前記送受信用アンテナとは電気的に独立し、前記ケースの内面に前記送受信用アンテナと対向するように配置され、前記送受信用アンテナよりも大径でかつ前記基板上面から見て前記送受信用アンテナがそのループ内に収まるように配置されていることを特徴とする。

この場合、前記コネクタがＵＳＢコネクタであることが望ましい。また、共振アンテナは、粘着テープ上にループコイルを配置し、これをケース内面に貼り付けたり、ループコイルをケースを構成する樹脂内部に埋設したり、フレキシブル基板上に印刷により形成することができる。

また、ケースが一端にコネクタが形成されたスティック状をなし、共振アンテナを構成するループコイルがスティック状のケースの長手方向に長軸を有する長円形をなし、その短軸がスティック状のケースの幅方向とほぼ等しく形成されていることも本発明の一態様である。

更に、共振アンテナの共振周波数は、ＲＦＩＤリーダライタの搬送周波数よりも多少高い周波数に設定されていることが望ましい。

本発明によれば、ＲＦＩＤリーダライタのケースに共振アンテナを設けるという簡単な構成により、送受信用アンテナ自体は小型化したままで、その通信距離を延長することが可能になる。その結果、本発明のＲＦＩＤリーダライタをＵＳＢケーブルでパソコンに接続することにより、通信距離に優れたハンディタイプのＲＦＩＤリーダライタとして使用することができる。

（１）実施形態の構成
以下、本発明の第１実施形態を図１乃至図３に従って具体的に説明する。図１に示すように、本実施形態のＲＦＩＤリーダライタは、基板１０にリーダライタに必要な部品を配設し、ケース２０に収容することによって構成されている。基板１０は、略直方体形状のプリント配線板であり、長手方向の一端にコネクタ１１が設けられている。

このコネクタ１１は、例えば、パーソナルコンピュータ等のコネクタに挿入することにより、プラグ＆プレイ等を実現できるＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）のインタフェースである。図面では、ＵＳＢ２．０のシリーズＡのものを示しているが、シリーズＢ、シリーズミニＢ等、現在又は将来において利用可能なものを適用可能である。例えば、従前のＵＳＢ１．０，１．１や、今後、普及が見込まれるＵＳＢ Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ（ＯＴＧ）等も適用可能である。

なお、一般的には、雄側と雌側を合わせて「コネクタ」と呼び、雄側を「プラグ」と呼ぶが、請求項及び以下の説明では、便宜的に「プラグ」についても「コネクタ」と呼ぶ。また、コネクタ１１は、ケース２０の一端から露出しており、ケース２０に着脱自在なキャップ３０によって保護される構成となっている。

基板１０の上面（パソコンとの接続時に上側となる面）には、アンテナ１２が、コイル状のパターンにより形成されている。このアンテナ１２は、基板１０のコネクタ１１とは反対側の端部の近傍に配設されている。アンテナ１２は、例えば、１３．５６ＭＨｚ帯を利用するＲＦＩＤカードの場合に、約２ｃｍ程度の通信距離を確保できるように、直径約１ｃｍ、円形の渦巻状のループとし、線幅１００μｍ、線間１２５μｍとすることが考えられる。但し、本発明の態様が、これらの数値に限定されるものではない。

また、基板１０には、発振子１３、制御用ＩＣ１４等を含む制御回路及び電波インタフェースが構成されている。発振子１３は、搬送波となる高周波を発生させ、増幅器による増幅後、アンテナ１２に供給するための水晶発振子であり、これらは基板１０の上面側におけるコネクタ１１とアンテナ１２との間に配設されている。

また、制御用ＩＣ１４は、モールド封止されたＩＣチップであり、ＵＳＢ接続及びリーダライタに必要な処理を行うＣＰＵ、メモリ等を構成している。この制御用ＩＣ１４は、図２に示すように、基板１０の下面側におけるコネクタ１１とアンテナ１２との間に配設されている。

図２に示すように、前記ケース２０の内面には、前記ＲＦＩＤリーダライタの回路とは電気的に独立した回路である共振アンテナ２１が設けられている。本実施形態では、この共振アンテナ２１は、ケース２０における基板１０上に設けられた受信用アンテナ１２に対向した内面に設けられ、これによって送受信用アンテナ１２をＲＦＩＤカード４０に近接させた場合に、送受信用アンテナ１２とＲＦＩＤカード４０との間に共振アンテナ２１が配置される。

この共振アンテナ２１は、本実施例では、図３に示すように、粘着テープ２２上にループ状に巻回されたループコイル２３と、このループコイル２３に接続されたキャパシタ２４とから構成され、前記粘着テープ２２をケース２０の内面に貼り付けることにより、ケース２０に固定されている。この場合、前記ループコイル２３とキャパシタ２４とは、ＲＦＩＤリーダライタの送信周波数である１３．５６ＭＨｚで共振するように、そのコイル長及び静電容量が決定されている。

（２）実施形態の作用
一般に、前記送受信用アンテナ１２のようなループアンテナの中心からｚの距離の磁束密度Ｂ（ｚ）は、ループアンテナに流れる電流Ｉ、円形のループアンテナの半径ａ、ＭＫＳ単位の変換定数μ₀とすると、
Ｂ（ｚ）＝（μ₀Ｉａ²）／２（ｚ²＋ａ²）^3/2
となり、半径ａが小さくなると磁束密度Ｂ（ｚ）は大きく（高く）なり、ｚが大きくなるとｚの３乗に比例して小さく（低く）なる。

ｚの距離が徐々に大きくなり、ｚ＞ａの距離になってくると、磁束密度Ｂ（ｚ）は低下してくるため、最後にはＲＦＩＤカードとの通信ができなくなる。つまり、送受信用アンテナ１２の半径が大きいほど通信距離は優位になる。そのため、特許文献２に示したような従来技術において、使用者がＲＦＩＤカードやＲＦＩＤタグをリーダライタに近づける用途に使用した場合には送受信用アンテナ１２を小径化し機器を小型化して、通信距離を犠牲にしても不都合はなかったが、本実施形態では、共振アンテナ２１により、送受信用アンテナ１２の磁束密度がより遠方まで高い強度を保持して届くようにすることで、ＲＦＩＤリーダライタをカードやタグ側に近づける用途にも使用が可能になる。

すなわち、本実施形態では、送受信用アンテナ１２からの送信周波数で共振する共振アンテナ２１をケース２０に設けることで、送受信用アンテナ１２に近接してより大径のブースターアンテナを配置したことになる。そのため、ＲＦＩＤリーダライタからの送信時に、その共振作用により共振アンテナ２１部分において送受信用アンテナ１２部分よりも強い磁束密度が得られる。その結果、送受信用アンテナ１２を単独で使用した場合に比較して、はるかに大きな通信距離を確保することができ、ＲＦＩＤリーダライタをＵＳＢケーブルでパソコンに接続することで、ハンディタイプのＲＦＩＤリーダライタとして使用することが可能になる。

（３）他の実施形態
本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、次のような他の実施形態も包含するものである。

(a) 共振アンテナ２１の共振点波、共振周波数をｆ、インダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとすると、
となる。この場合、インダクタンスＬとキャパシタンスＣの値の調整で、共振周波数を変更できるが、搬送周波数に対して多少高い周波数にした方が値のばらつきに対して余裕がでる。

(b) 共振アンテナの効果を高くするためには、基板上に形成されている送受信用アンテナ１２の共振回路のインピーダンスをＲＦ部出力インピーダンスにマッチングさせるため調整を行うが、このときに容量性となるようにＬＣＲメータ等で調整することにより、共振周波数のピークを搬送周波数より下になるようにする。

(c) 基板上面から見たときに、基板上の送受信用アンテナ１２が共振アンテナ２１のループ内に収まるようにしないと、本発明の効果がない。しかし、その点に配慮すれば、送受信用アンテナ１２と共振アンテナ２１との位置関係は図示のものに限定されない。たとえば、図５のように、共振アンテナ２１を送受信用アンテナ１２の基板を挟んで反対側に設けることも可能である。

(d) 共振アンテナ側の回路は、印刷技術を利用して粘着シート上に形成したり、フレキシブル基板上に印刷などで形成することも可能であり、薄くしかも安価に製造することは容易である。

(e) 図６に示すように、共振アンテナをケースを構成する樹脂内に埋設することも可能である。

(f) 基板上の送受信用アンテナ１２と共振アンテナ２１との距離は、基板上のアンテナの半径と同じ距離が最も通信距離が大きくなるが、この距離以内であれば、共振アンテナを使用しない場合に比べ効果が確認できる。ただし、半径の距離より離れて共振アンテナを使用した場合には、効果が期待できない。

(g) 共振アンテナをケースに設ける位置は、前記のような送受信用アンテナとの位置関係に配慮すれば、ケースの上面側、下面側のいずれでも良い。また、共振アンテナの面積は、ケースに収まる限り、最大になるようにした方がより効果が大きくなる。

本発明の一実施形態の構成を示す平面図で、（Ａ）はキャップの装着時、（Ｂ）はキャップの取り外し時を示す。 図１の実施形態のＲＦＩＤリーダライタを示す断面図。 図１実施形態における共振アンテナの平面図。 図１の実施形態のＲＦＩＤリーダライタをハンディタイプのリーダライタとして使用した状態を示す斜視図。 本発明のＲＦＩＤリーダライタの他の実施形態を示す断面図。 本発明のＲＦＩＤリーダライタの他の実施形態を示す断面図。

符号の説明

１０…基板
１１…コネクタ
１２…送受信用アンテナ
１３…発振子
１４…制御用ＩＣ
２０…ケース
２１…共振アンテナ
２２…粘着シート
２３…ループコイル
２４…キャパシタ
３０…キャップ
４０…ＲＦＩＤカード
ＰＣ…パソコン
ＣＢ…ＵＳＢケーブル
ＲＷ…ＲＦＩＤリーダライタ

Claims (7)

1. ケースと、
   前記ケース内部に配置された基板と、
   前記基板の上面に設けられた、非接触ＲＦＩＤカードとの情報の送受信用アンテナと、
   前記基板の下面に設けられ、前記アンテナを介して送受信される情報を処理する制御部と、
   前記ケースの一方の端部に設けられた外部機器との接続用のコネクタと、を備えたＲＦＩＤリーダライタにおいて、
   ループコイルと前記ループコイルと接続されたキャパシタとを含み、ＲＦＩＤリーダライタの搬送周波数近傍で前記送受信用アンテナと共振する共振アンテナが設けられ、
   前記ループコイルは前記送受信用アンテナとは電気的に独立し、前記ケースの内面に前記送受信用アンテナと対向するように配置され、前記送受信用アンテナよりも大径でかつ前記基板上面から見て前記送受信用アンテナがそのループ内に収まるように配置されていることを特徴とするコネクタ一体型ＲＦＩＤリーダライタ。
2. 前記コネクタは、ＵＳＢコネクタであることを特徴とする請求項１記載のコネクタ一体型ＲＦＩＤリーダライタ。
3. 前記共振アンテナが、粘着テープ上にループコイルを配置し、これをケース内面に貼り付けてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコネクタ一体型ＲＦＩＤリーダライタ。
4. 前記共振アンテナが、ケースを構成する樹脂内部にループコイルを埋設して構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコネクタ一体型ＲＦＩＤリーダライタ。
5. 前記共振アンテナが、フレキシブル基板上に印刷により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコネクタ一体型ＲＦＩＤリーダライタ。
6. 前記ケースが、一端にコネクタが形成されたスティック状をなし、前記共振アンテナを構成するループコイルが、スティック状のケースの長手方向に長軸を有する長円形をなし、その短軸がスティック状のケースの幅方向とほぼ等しく形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のコネクタ一体型ＲＦＩＤリーダライタ。
7. 前記共振アンテナの共振周波数が、ＲＦＩＤリーダライタの搬送周波数よりも高い周波数に設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のコネクタ一体型ＲＦＩＤリーダライタ。