JP4874120B2 - 中央ループと偏心ループとを備える、回転磁界をもつ平板アンテナ、および無線周波数による識別用のシステム - Google Patents

Description

本発明は、中央ループ（central loop）と共平面偏心ループ(coplanar eccentric loop)とを備える、実質的に平坦な回転磁界アンテナに関する。

無線周波数識別システムは、読取りユニットと、一般的にタグである識別されるべき対象物との間の誘導結合によって非接触のデータ交換を可能にする。タグに必要なエネルギーは電磁界から取られる。

読取りユニットは、読取りユニットの放出出力によって制限される交換ゾーン内に電磁界を放出する。データは電磁界の変調によって読取りユニットとタグとの間を伝送される。磁界線の形状のために、読取りユニットのアンテナに対してタグの特定の相対位置でしかデータ交換が行われない。

単一の平坦なループ平面を有するアンテナを備えた読取りユニットは、正しく向けられたタグに、特にタグがアンテナのループの平面に平行である場合、アンテナの中心においてデータを伝送することを可能にする。アンテナとループの平面に直交する平面内に位置づけられたタグとの間の誘導結合は、より弱く、しばしばタグを検知するのに不十分である。これは、アンテナの中心において、磁界線がループの平面に直交し、したがってタグがループの平面に直交する平面内に配置された場合、タグを通る磁束が最小になることによる。反対に、タグがループの平面に平行な場合、タグを通る磁束は最大になる。

さらに、国際無線周波数放射放出標準によれば、放出出力はアンテナから１０ｍの距離の磁界レベルによって制限され、より強力な磁界によってタグの傾きの角度を補償する可能性が制限される。

米国特許第６１６６７０６号は、中央ループと２つの共平面偏心ループとを備える実質的に平坦な回転磁界アンテナを記載している。２つの偏心ループは並列に接続され、給電される。中央アンテナは、偏心ループとの誘導結合によって矩象で給電される。このようにして、アンテナはアンテナの平面に直交する平面内に回転磁界を生成する。この平面内に置かれたタグは検知することができない。

さらに、他のタイプのアンテナが文献ＵＳ５００５００１およびＵＳ６６５０２１３に記載されている。

文献ＵＳ５００５００１は、非回転磁界を生成するために、門形（portal）を形成するように互いに対面して配置された長方形の第１のコイルを備えるアンテナのシステムを記載している。さらに、このシステムは、第１のコイル内部に、第１のコイルと同じ平面内に配置された２つのペアの追加コイルをそれぞれ使用して回転磁界をつくり出すための手段を含む。各ペアの２つの追加コイルは、同じ電流が１８０°の位相差で２つの追加コイルを流れるように接続される。したがって、文献ＵＳ５００５００１は、互いに対面して配置された２つの実質的に平坦な回転磁界アンテナを記載している。各アンテナは周辺ループおよび２つの共平面内部ループを含む。

文献ＵＳ６６５０２１３は、１組の４つの隣接する共平面コイルによって形成されるアンテナを記載している。磁界制御要素は、球状半導体要素をコイルの組の方向に導くためにコイルの組の近くの磁界の方向を変更するように、各コイルによって生成される磁界の極性および位相を制御することを可能にする。２つの隣接するコイルは正に極性を与えられ、他の２つのコイルは負に極性を与えられる。

アンテナがいかなる形状でも、またはアンテナによってつくり出される磁界がＵＳ５００５００１におけるアンテナ平面に直交する方向でも、またはＵＳ６６５０２１３におけるアンテナ平面に平行する方向でも、アンテナを形成する電導体に直交する、磁界のデッド・ゾーンが常に残る。

本発明の１つの目的は、これらの欠点を改善することであり、特に、アンテナから１０ｍの距離の磁界レベルを制限しながら、任意の方向を有する無線周波数識別タグを検知することを可能にする平坦なアンテナを提供することである。

本発明によれば、この目的は添付された特許請求の範囲によって達成され、特に、中央ループがアンテナに本質的に直交する磁界をつくり出し、アンテナが主としてアンテナの平面に平行な平面内に回転磁界をつくり出すように給電される４つの隣接する共平面偏心ループを備え、偏心ループの重心が実質的に中央ループの周辺部上に配置されることによって達成される。

本発明のさらなる目的は、回転磁界アンテナと、第１の励振信号および第２の励振信号をそれぞれ中央ループおよび偏心ループに交互に供給する第１の出力および第２の出力を含む無線周波数発生器とを備える、無線周波数による識別用のシステムを提供することである。

他の利点および特徴は、非制限的な実施例としてのみ与えられ、添付の図に示される、本発明の特定の実施形態の以降の説明からより明確に明らかになるであろう。

図１および図２の両方では、回転磁界アンテナは、実質的に長方形の中央ループ１および４つの隣接する共平面偏心ループ２（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）を備える。偏心ループ２および中央ループ１は本質的に同じ平面内に配置される。したがって、アンテナは実質的に平坦である。図１および図２に示されるように、４つの偏心ループ（２）は、中央ループの中心に対して対称に配置することができる。

４つの偏心ループ２は、２つの隣接する偏心ループ２が９０°の位相差を有し、したがって２つの隣接しない偏心ループ２が１８０°の位相差を有するように給電できる。このようにして、４つの偏心ループ２の重畳された磁界は、主にアンテナの平面に平行な平面内に回転磁界をつくり出す。

中央ループ１は、偏心ループ２とは無関係に、本質的にアンテナに直交し、破線により示された中央ゾーン３ａ内で最大値を与え、アンテナの平面に垂直に大量に延びている磁界をつくり出す。

図１および図２に示されるように、偏心ループ２の重心Ｇ(Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃ、Ｇｄ)は実質的に中央ループ１の周辺部上に置かれる。このようにして、偏心ループによってつくり出された、アンテナの平面内の回転磁界は、中央ゾーン３ａ内に最大値を有する。

一方は偏心ループ２によって、および他方は中央ループ１によってつくり出された磁界の解析は、磁界の分布が中央ゾーン３ａ内および中央ゾーン３ａの周辺ゾーン３ｂ内で実質的に相補的であることを示している。確かに、上述のように、中央ループ１は中央ゾーン３ａ内にアンテナの平面に直交する磁界成分をつくり出し、一方、偏心ループ２は中央ゾーン３ａ内にアンテナの平面内に回転成分をつくり出す。逆に、中央ゾーン３ａの周辺ゾーン３ｂ内では、中央ループ１はアンテナの平面内に向けられた磁界成分をつくり出し、一方、偏心ループ２はアンテナの平面に直交する成分をつくり出す。

したがって、アンテナは、任意の方向に位置づけられ、中央ゾーン３ａおよび周辺ゾーン３ｂによって形成された交換ゾーンに置かれたタグを検知できる。アンテナの平面に直交する磁界成分は、アンテナに平行な平面内に置かれたタグを検知することを可能にし、一方、アンテナの平面内に配置された磁界成分は、アンテナの平面に直交する平面内に置かれたタグを検知することを可能にする。

図１では偏心ループ２は実質的に長方形である。アンテナを構成するループの形状は磁界分布に影響を与える。アンテナの平面に直交して置かれたタグの検知を改善するために、偏心ループ２の三角形の形状が長方形または正方形の形状よりも適している。確かに、同じ表面では、三角形ループは長方形ループよりも多い水平磁界線をつくり出す。したがって、図２に示された好ましい実施形態では、偏心ループ２は実質的に三角形であり、各三角形の頂点はアンテナの中央ゾーン３ａ内に置かれる。しかし、他の形状が想定されてもよく、例えば円形の中央ループ１および扇形の形状の偏心ループ２などである。

図１および図２に示された実施形態では、偏心ループ２は、隣接しないループのペアで逆位相の電磁界を生成するように、ペアで関連づけられる（隣接しないループの接続は単線４によって概略的に示される）。例えば、図３に示されるように、２つの偏心ループ２ａおよび２ｃは８の字形に配置された導体５によって形成される。導体５は２つのループ２ａおよび２ｃに共通の端子６によって給電される。したがって、電流Ｉは、まず導体５の第１のループ２ａを第１の方向に流れ、次いで自動的に導体５の第２のループ２ｃを第１の方向と逆の第２の方向に流れる。次いで、２つのループ２ａおよび２ｃは、同じ電流が２つのループ２ａおよび２ｃを逆の三角法（trigonometric）方向に流れるように接続される。したがって、４つの偏心ループ２の組は、同じ平面内で９０°のオフセットで、実質的にこの同じ平面内で重ね合わせられる２つの導体５のアセンブリによって形成することができる。しかし、２つの導体５は、容量結合を制限するために最小距離で位置づけられなければならない。さらに、２つの導体５を互いにある距離に置くことにより、回転磁界の量を増加することが可能になる。

対称なアンテナ、すなわち中央アンテナ１の中心に対して対称である偏心ループ２をもつアンテナを達成することは特に興味深い。さらに、この対称性に加え、偏心ループ２の磁界が２つずつ逆位相であることにより、１０ｍでの全磁界が実質的に０であることになる。設定されたしきい値よりも低い１０ｍでの磁界によって特徴づけられる標準は、従来技術の場合よりも高い偏心ループ２の出力でも容易に遵守することができる。

図４では、無線周波数識別システムは、回転磁界アンテナのほかに無線周波数発生器７を備える。発生器７は、第１のＳ１励振信号および第２のＳ２励振信号をそれぞれ中央ループ１および偏心ループ２に交互に供給する第１の出力８および第２の出力９を含む。このようにして、偏心ループ２によってつくり出される回転磁界は、中央ループ１によってつくり出される磁界と干渉しない。実際に、中央ループ１および偏心ループ２の同時供給は、有害な干渉によって、中央ゾーン３ａおよび周辺ゾーン３ｂ内に磁界最小値をつくり出すことがある。

しかし、中央ループ１および偏心ループ２の同時供給が最大値をつくり出すこともある。したがって、例えば中央ループ１、次いで偏心ループ２、次いですべてのループなど、活動化サイクルに従って連続的に異なる中央ループ１および偏心ループ２に供給するのは興味深いことがある。

上述の磁界最大値を利用するために、中央ループ１および共平面偏心ループ２が同時に作動していると、磁界がすべての交換ゾーンを走査するように磁界を回転させることができる。これは、例えば、第１のＳ１励振信号および第２のＳ２励振信号がわずかに異なる周波数を有する場合に達成できる。例えば、１３．５６ＭＨｚの無線周波数識別動作では、理論的に７ｋＨｚの周波数オフセットを有することが可能である。実際には、雑音および満足な動作に必要なマージンを考慮すると、このオフセットは１ｋＨｚまたは２ｋＨｚに減少する。したがって、この解決策は、タグが磁界の中に存在する時間、一般に約２〜３ミリ秒のために強力なソフトウエア処理を伴うことが好ましい。

図５に示されるように、隣接する偏心ループ２ｄおよび２ｃの矩象の位相差は、その２つの出力１１および１２上で矩象の信号Ｓ３およびＳ４をそれぞれ供給する位相偏移出力分割器１０によって実行することができる。出力分割器１０の入力１３は無線周波数発生器７の第２の出力９に接続されるのが好ましい。図５に示された偏心ループ２は、またペア（２ａおよび２ｃ、２ｂおよび２ｄ）で関連づけられる。このようにして、図３に示されるように、ペアの２つのループは、互いにおよび共通の端子６に接続されて、単一の電流Ｉが２つのループを逆の三角法方向に流れる。信号Ｓ３およびＳ４はそれぞれ２つのペアの各々の共通の端子６に供給される。このようにして、各偏心ループ２は、その２つの隣接するループに対して矩象で供給される。

アンテナの寸法は、アンテナが意図される用途に依存する。近接磁界識別システムの用途では、１０ｃｍ×１５ｃｍの表面は十分であり、国際無線周波数放射放出標準を遵守しながら、アンテナの平面内の中央ゾーン３ａおよび周辺ゾーン３ｂ内に５Ａ／ｍを超える３次元磁界を生成することを可能にする。

移動型機器の再充電用途では、例えば携帯電話またはウォークマンを再充電するために、約２５ｃｍ×２５ｃｍのより大きな表面が適切である。例えば、電磁誘導再充電モジュールを備えた携帯電話は、アンテナ上に携帯電話を置くことによって、いかなる携帯電話の向きでも、再充電することができる。

さらに遠い磁界、例えば約１ｍ^３における識別では、１ｍ^２の表面が必要である。

本発明によるアンテナの１つの特定の実施形態を概略的に示す図である。 本発明によるアンテナの１つの特定の実施形態を概略的に示す図である。 本発明によるアンテナに関連する２つの偏心ループの特定の実施形態を示す図である。 本発明による識別システムの特定の実施形態を示す図である。 本発明による識別システムの位相偏移手段の特定の実施形態を概略的に示す図である。

Claims (11)

1. 中央ループ（１）と４つの共平面偏心ループ（２）とを備え、前記共平面偏心ループ（２）の重心（Ｇ）が実質的に前記中央ループ（１）の周辺部上に配置された、平坦なアンテナであって、
   前記共平面偏心ループが、隣接しないループ（２ａ、２ｃ）のペアを構成し、前記アンテナが、ペア内の各ループにおいて逆位相の電磁界を生成する
   ことを特徴とする実質的に平坦なアンテナ。
2. 前記アンテナは、前記ループの前記ペアが前記アンテナの平面に平行な平面内に回転磁界をつくり出すように、位相が直交するループのペアに給電する
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 電流が各ペアのループ（２ａ、２ｃ）を逆の三角法方向に流れるように、前記各ペアのループが直列に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 前記４つの偏心ループ（２）が、前記中央ループの中心に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ。
5. 前記中央ループ（１）が実質的に長方形であること特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ。
6. 前記偏心ループ（２）が実質的に三角形であり、各三角形の頂点が前記アンテナの中央ゾーン（３ａ）内に置かれることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ。
7. 前記偏心ループ（２）が実質的に長方形であること特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の回転磁界アンテナを備える無線周波数識別システムであって、第１の（Ｓ１）励振信号および第２の（Ｓ２）励振信号をそれぞれ前記中央ループ（１）および前記偏心ループ（２）にそれぞれ交互に供給する第１の出力（８）および第２の出力（９）を含む無線周波数発生器（７）を備えることを特徴とするシステム。
9. 前記第２の出力（９）に接続され、前記偏心ループ（２ｄ、２ｃ）に矩象の信号（Ｓ３、Ｓ４）を供給する位相偏移手段を含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 同じ電流（Ｉ）がペアの２つのループを逆の三角法方向に流れるようにペアの前記２つのループ（２ａ、２ｃ）が互いにおよび共通の端子（６）に接続され、前記発生器（７）の前記第２の出力（９）に接続される、前記２つのペアの各々の前記共通の端子（６）にそれぞれ加えられる矩象の信号（Ｓ３、Ｓ４）を供給する出力分割器（１０）を含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
11. 前記無線周波数発生器が第１の（Ｓ１）励振信号および第２の（Ｓ２）励振信号を異なる周波数で供給することができる手段（７）を含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。

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