Non-contact ic medium direction detecting device and its method, and its program

この発明は、例えば非接触ＩＣ媒体の存在する方向を検知するような非接触ＩＣ媒体方向検知装置とその方法、およびそのプログラムに関する。

従来、情報を記憶しておき非接触で情報の通信を行うことができる非接触ＩＣ媒体が利用されている。 このような非接触ＩＣ媒体には、通信可能な距離が長いＵＨＦ帯を用いたものも利用されている。 このＵＨＦ帯を用いた非接触ＩＣ媒体と通信するためのアンテナは、１素子パッチアンテナが用いられている場合が多い。 １素子パッチアンテナは、半値幅（ビーム幅）が７０程度と広く、広い範囲で非接触ＩＣ媒体から情報を読取れるという利点がある。

一方、非接触ＩＣ媒体からの電波の到来方向を推定し、非接触ＩＣ媒体の位置を算出するタグ通信装置が提案されている（特許文献１参照）。 このタグ通信装置は、複数のアンテナ素子の出力に対してそれぞれ異なる重み付けを与え、これに基づいて特定の方向の電波強度を検出するものである。

しかし、このタグ通信装置は、１つの非接触ＩＣ媒体の存在する方向を求めるために複雑な計算を要するものである。 また、反射物の存在による影響を受けるため、この反射物による方向の誤りを訂正する必要がある。 このため、上記タグ通信装置は、非接触ＩＣ媒体の存在する方向を求めることを容易に実現できるものではない。

特開２００６−１０３４５号公報

この発明は、上述の問題に鑑み、非接触ＩＣ媒体の存在方向を容易に得ることができる非接触ＩＣ媒体方向検知装置とその方法、およびそのプログラムを提供することを目的とする。

この発明は、異なる指向方向に向けて非接触ＩＣ媒体からの信号を読取り可能な受信手段と、該受信手段から情報を受け取って処理する情報処理手段とを備え、前記情報処理手段を、指向方向を第１方向に向けて所定の識別情報を有する非接触ＩＣ媒体から受信する信号の信号レベルを取得する第１取得処理と、指向方向を前記第１方向とは異なる第２方向に向けて前記所定の識別情報を有する非接触ＩＣ媒体から受信する信号の信号レベルを取得する第２取得処理と、前記所定の識別情報を有する非接触ＩＣ媒体から受信した第１方向の信号レベルと第２方向の信号レベルを対数表記で差分演算または真数表記で除算演算して合成信号レベルを取得する合成処理と、該合成信号レベルが、同じ信号レベルで複数の方向が対応しない信号レベルの範囲限界に基づいて予め定めた閾値範囲内、言い換えれば、該合成信号レベルに基づいて上記非接触ＩＣ媒体の存在方向を一意に求めることができる予め定めた閾値範囲内に入っているか否か判定することにより該閾値範囲で区分けされる所定方向に対象となる非接触ＩＣ媒体が存在するか否かを判定する存在方向判定処理とを実行する構成にした非接触ＩＣ媒体方向検知装置、その方法、およびそのプログラムであることを特徴とする。

前記非接触ＩＣ媒体は、ＲＦＩＤタグなど、情報を記憶でき非接触で通信できる媒体で構成することができる。 この非接触ＩＣ媒体は、電源を備えず外部からの誘導起電力を得て応答信号を発信するパッシブタイプと、電源を備えて外部からの問合せを受けて応答信号を発信するセミパッシブタイプと、電源を備えて定期的に信号を発信するアクティブタイプとが含まれる。

前記受信手段は、指向パターンを変更できる１または複数のアレーアンテナで構成する、あるいは指向パターンの変更できない複数のアンテナで構成することができる。
前記情報処理手段は、ＣＰＵやＭＰＵ等の演算処理を実行する手段で構成することができる。

前記識別情報は、ＲＦＩＤタグのＩＤなど、非接触ＩＣ媒体を識別可能な情報とすることができる。
前記合成処理は、対数表記の差分演算による合成、または真数表記の除算による合成とすることができる。

前記存在方向演算処理は、予め定められた関数または対応表により前記合成信号レベルに対応する角度を求める構成とすることができる。
前記予め定められた関数は、一次関数、二次関数、あるいは三次関数など、１つの変数として合成信号レベルの値を入力すれば、解として角度を算出できる関数で構成することができる。
前記予め定められた対応表は、合成信号レベルの値と角度を対応させた表で構成することができる。

この発明により、非接触ＩＣ媒体の存在方向を容易に得ることができる非接触ＩＣ媒体方向検知装置とその方法、およびそのプログラムを提供することができる。

この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。

図１はＲＦＩＤ検知装置１を説明する説明図である。
この例では、台２１の上に、物品２７が置かれている。 物品２７には、ＲＦＩＤタグ２５が貼り付けられている。 このＲＦＩＤタグ２５は、アンテナとＩＣを備えているＲＦＩＤタグ２５のＩＣ内の記憶部には、識別情報であるＩＤや、物品の情報である物品名や仕様など、適宜の情報が記憶されている。

台２１の近くには、検知エリアＲに存在するＲＦＩＤタグ２５を読取りできるＲＦＩＤ検知装置１が設置されている。 ＲＦＩＤ検知装置１は、アンテナ１０と、制御部１３と、記憶部１５とで構成されている。
アンテナ１０は、指向方向を調節可能な３素子アレーアンテナにより構成されている。

制御部１３は、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭで構成されＲＦＩＤタグ方向検知プログラムなどのプログラムに従った制御動作や演算動作を実行する。
記憶部１５は、不揮発性メモリあるいはハードディスク等の記憶装置で構成されており、プログラムや情報（データ）を記憶する。

次にＲＦＩＤ検知装置１を用いて、距離やタグの性能による影響を受けずにＲＦＩＤタグ２５の存在方向を検知する方法の理論について説明する。

図２は、ＲＦＩＤ検知装置１によりＲＦＩＤタグ２５から情報を読取る際の受信レベルを指向方向別に示すグラフ図である。 このグラフにおいて、縦軸は受信レベル（Ｇａｉｎ）を示し、単位はデシベル（ｄＢ）である。 横軸は、角度を示し、単位は度（ｄｅｇ）である。

図中の受信レベルＲｘ＿Ｌは、アンテナ１０の指向方向（角度θ）を−３５°としたときに、アンテナ１０の正面を０°とする各方向で何デシベルの受信レベルになるかグラフ表記したものである。

図中の受信レベルＲｘ＿Ｃは、アンテナ１０の指向方向（角度θ）を０°としたときに、アンテナ１０の正面を０°とする各方向で何デシベルの受信レベルになるかグラフ表記したものである。

図中の受信レベルＲｘ＿Ｒは、アンテナ１０の指向方向（角度θ）を３５°としたときに、アンテナ１０の正面を０°とする各方向で何デシベルの受信レベルになるかグラフ表記したものである。

ここで、受信レベルＲｘ＿Ｌは、下記の式（数３）で表すことができる。 なお、対数表記と真数表記の関係式は、次式（数１，数２）の通りである。
（数１）
Rx = 10 × log ₁₀ (Rx')
（数２）
Rx' ＝ 10 ^(Rx／10)
※Rx(dBm)：対数表記， Rx'(mW)：真数表記

（数３）
［Ａ］対数表記
Rx_L ＝ Pt ＋ Dt(θ) − Loss ＋ D_L(θ)
※Pt：タグの送信電力， Loss：自由空間損出
Dt(θ)：タグの指向性利得， D_L(θ)：左方向指向時の指向性利得［Ｂ］真数表記
Rx_L' ＝ Pt' × Dt'(θ) ×（λ／４πＤ） ² × D_L'(θ)
※Pt'：タグの送信電力， Ｄ：交信距離，
Dt'(θ)：タグの指向性利得， D_L'(θ)：左方向指向時の指向性利得

また、受信レベルＲｘ＿Ｒは、次式で表すことができる。
（数４）
［Ａ］対数表記
Rx_R ＝ Pt ＋ Dt(θ) − Loss ＋ D_R(θ)
※Pt：タグの送信電力， Loss：自由空間損出，
Dt(θ)：タグの指向性利得， D_R(θ)：右方向指向時の指向性利得［Ｂ］真数表記
Rx_R' ＝ Pt' × Dt'(θ) ×（λ／４πＤ） ² × D_R'(θ)
※Pt'：タグの送信電力， Ｄ：交信距離，
Dt'(θ)：タグの指向性利得， D_R'(θ)：右方向指向時の指向性利得

上記２つの数式について要素減少合成演算（対数表記の場合は減算（差分）、真数表記の場合は除算）を行い合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆを算出すると、次の式が求められる。

（数５）
［Ａ］対数表記
Rx_Diff ＝ Rx_R − Rx_L
＝｛Pt ＋ Dt(θ) − Loss ＋ D_R(θ)｝
−｛Pt ＋ Dt(θ) − Loss ＋ D_L(θ)｝
＝ D_R(θ) − D_L(θ)
［Ｂ］真数表記
Rx_Diff' ＝ Rx_R' ／ Rx_L'
＝（Pt' × Dt'(θ) ×（λ／４πＤ）2 × D_R'(θ)）
／（Pt' × Dt'(θ) ×（λ／４πＤ）2 × D_L'(θ)）
＝ D_R'(θ) ／ D_L'(θ)

上記数式５に示すように、異なる指向方向の受信レベルの式を減算または除算すると、距離、タグの性能（反射電力、タグの指向性利得）に無関係なθのみの関数となる。

この関数をグラフ表示すると、図３に示すグラフ図になる。 このグラフにおいて、縦軸は合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆ（Ｇａｉｎ）を示し、単位はデシベル（ｄＢ）である。 横軸は、角度を示し、単位は度（ｄｅｇ）である。

このグラフに示すように、合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆは、アンテナ１０の正面付近となる０°付近で一次関数とみなせるグラフになる。 なお、±１０°付近より外側の角度は、サイドローブの影響によって一次関数にならない。

従って、閾値−ａ，ａを用いて、合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが次式に示す条件に合致するＲＦＩＤタグ２５の場合、該ＲＦＩＤタグ２５の存在方向は一次関数から簡単に求めることができる。

（数６）
−ａ ＜ Rx_Diff ＜ ａ
※−ａ：下限閾値， ａ：上限閾値

一方、閾値−ａ，ａの範囲の外にあるＲＦＩＤタグ２５の場合、サイドローブの影響によって正確な存在方向を検知できない。 すなわち、図３に示すように、ポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３はいずれもＲｘ＿Ｄｉｆｆの値が同一であるので、Ｒｘ＿Ｄｉｆｆから存在方向を求めることができない。

この場合、指向方向の角度を切り替えることで、対応することができる。
ここで、図４は、受信レベルＲｘ＿Ｌの指向方向を０°に変更し、受信レベルＲｘ＿Ｒの指向方向をそのまま３５°とした場合の合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆのグラフ図を示す。

図示するように、指向方向を変更したことにより、得られる合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが一次関数に近い関数（常に値が増加または減少し続ける関数）になる。 すなわち、この例では、図３に示した検知により、中心より右側にＲＦＩＤタグ２５が存在していると解っている。 このため、左側で測定する際の受信レベルＲｘ＿Ｌの指向方向を右側へ角度変更して０°とし、この状態で合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆを求めている。 そして、中心より右側にＲＦＩＤタグ２５が存在していることは既に解っているので、０°より右側の値だけを見れば、合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆは、一次関数に近いグラフになっている。

次に、図５に示すフローチャートと共に、上記理論を用いてＲＦＩＤタグ２５の存在方向（信号の到来方向）を取得する際のＲＦＩＤ検知装置１の制御部１３がＲＦＩＤタグ方向検知プログラムに従って実行する動作について説明する。

制御部１３は、第１方向の角度Ｌに初期値（例えば−５０°）を代入して記憶部１５に記憶し、第２方向の角度Ｒに初期値（例えば５０°）を代入して記憶部１５に記憶することで、初期設定を行う（ステップＳ１）。 なお、この初期設定の際、角度Ｌと角度Ｒは、中心から等角度にして左右対称にすることが好ましい。

制御部１３は、アンテナ１０の指向方向の角度を第１方向である角度Ｌに設定し（ステップＳ２）、所定のＲＦＩＤタグ２５に対してリードコマンドを発行する（ステップＳ３）。 このときのリードコマンドは、識別情報であるＩＤを指定し、該ＩＤのＲＦＩＤタグ２５のみに応答させるコマンドにすると良い。
制御部１３は、応答信号の受信レベルを算出し（ステップＳ４）、この受信レベルを受信レベルＲｘ＿Ｌとして記憶部１５に記憶する（ステップＳ５）。

制御部１３は、アンテナ１０の指向方向の角度を第２方向である角度Ｒに設定し（ステップＳ６）、所定のＲＦＩＤタグ２５に対してリードコマンドを発行する（ステップＳ７）。 このときのリードコマンドは、ステップＳ３と同一のＩＤを指定し、該ＩＤのＲＦＩＤタグ２５のみに応答させるコマンドにすると良い。
制御部１３は、応答信号の受信レベルを算出し（ステップＳ８）、この受信レベルを受信レベルＲｘ＿Ｒとして記憶部１５に記憶する（ステップＳ９）。

制御部１３は、受信レベルＲｘ＿Ｒから受信レベルＲｘ＿Ｌを減算する差分演算（対数表記の場合は差分，真数表記の場合は除算）を実行し、演算結果を合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆとして記憶部１５に記憶する（ステップＳ１０）。

制御部１３は、合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが、予め定められた閾値範囲である−ａから＋ａの間に入っているか、−ａより小さいか、それとも＋ａより大きいかを判定し、到来方向を大まかに判断する（ステップＳ１１）。 この処理では、中心方向（例えば角度−４°〜＋４°といった一定角度の間）、左方向（例えば−４°より左といった一定角度より左）、右方向（例えば＋４°より右といった一定角度より右）のどちらにＲＦＩＤタグ２５が存在するのか、大まかに判断できる。

合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが＋ａ以上であった場合（ ステップＳ１１：≧＋ａ ）、制御部１３は、ＲＦＩＤタグ２５が中心方向よりも右側に存在すると判定し、第１方向である角度Ｌを右側へ所定角度（例えば１０°）変更する（ステップＳ１２）。 つまり、右への指向方向を示す角度Ｒを固定したまま、左への指向方向を示す角度Ｌを右側へ変更することで、第１方向と第２方向の角度差を減らし、検知対象範囲を全体的に右側へ変更している。

制御部１３は、角度Ｌが角度Ｒと同一でないか判定し、同一でなければ（ステップＳ１３：Ｎｏ）、ステップＳ２へ処理を戻して到来方向概算処理（ステップＳ２〜Ｓ１１）を再度繰り返す。

角度Ｌが角度Ｒと同一であれば（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、第１方向と第２方向が一致してしまうので、制御部１３は、第２方向の角度Ｒを右側へ所定角度（例えば１０°）変更する（ステップＳ１４）。 制御部１３は、ステップＳ２へ処理を戻して到来方向概算処理（ステップＳ２〜Ｓ１１）を再度繰り返す。

合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが−ａ以下であった場合（ ステップＳ１１：≦−ａ ）、制御部１３は、ＲＦＩＤタグ２５が中心方向よりも左側に存在すると判定し、第２方向である角度Ｒを左側へ所定角度（例えば−１０°）変更する（ステップＳ１５）。 つまり、左への指向方向を示す角度Ｌを固定したまま、右への指向方向を示す角度Ｒを左側へ変更することで、第１方向と第２方向の角度差を減らし、検知対象範囲を全体的に左側へ変更している。

制御部１３は、角度Ｌが角度Ｒと同一でないか判定し、同一でなければ（ステップＳ１６：Ｎｏ）、ステップＳ２へ処理を戻して到来方向概算処理（ステップＳ２〜Ｓ１１）を再度繰り返す。

角度Ｌが角度Ｒと同一であれば（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、第１方向と第２方向が一致してしまうので、制御部１３は、第１方向の角度Ｌを左側へ所定角度（例えば−１０°）変更する（ステップＳ１７）。 制御部１３は、ステップＳ２へ処理を戻して到来方向概算処理（ステップＳ２〜Ｓ１１）を再度繰り返す。

合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが＋ａより小さく−ａより大きい閾値範囲内であった場合（ ステップＳ１１：＞−ａ
ａｎｄ ＜＋ａ ）、制御部１３はＲＦＩＤタグ２５からの信号のアンテナ１０から見た到来方向Ｘを算出する到来方向算出処理を行う（ステップＳ１８）。 この到来方向Ｘは、次式により算出する。

（数７）
X ＝ (R+L)/2+F(Rx_Diff)
※F(Rx_Diff)：補正式

上記数式における補正式Ｆ（Ｒｘ＿Ｄｉｆｆ）は、例えば一次関数、二次関数、あるいは三次関数など、１つの変数として合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆの値を入力すれば、解として角度を算出できる関数で構成することができる。 なお、関数に限らず、例えば合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆの値と角度を対応させた表データを予め記憶部１５に記憶しておき、この表を参照して対応する角度を求める構成にしてもよい。

以上の構成および動作によりＲＦＩＤタグ２５からの信号の到来方向を容易に検知することができＲＦＩＤタグ２５の存在方向を検知することができる。
アンテナ１０は、３素子アレーアンテナで構成されているため、指向方向を任意の角度に瞬時に変更することができ、指向方向を変更して到来方向概算処理を繰り返す処理を短時間に実行できる。

またＲＦＩＤタグ２５の大まかな方向が存在方向の角度を算出可能な中心方向の一定範囲内に入るまで指向方向を変更するためＲＦＩＤタグ２５の存在方向に適した指向方向に調整した上でＲＦＩＤタグ２５の存在方向を適切に算出することができる。

実施例１では、アンテナ１０の指向方向の変更に限界がない場合について説明したが、実施例２は、アンテナ１０の指向方向の変更に限界がある場合、または指向方向の角度以上の方向はＲＦＩＤタグ２５を検出しない場合について説明する。

図６は、実施例２のＲＦＩＤ検知装置１の制御部１３がＲＦＩＤタグ２５の存在方向（信号の到来方向）を取得する際にＲＦＩＤタグ方向検知プログラムに従って実行する動作について説明するフローチャートである。 その他の構成は、実施例１と同一であるので、その詳細な説明を省略する。

図示するように、ステップＳ１〜Ｓ１３は、実施例１と同一の動作を実行するため、その詳細な説明を省略する。
ステップＳ１１にて、合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが−ａ以下であった場合（ ステップＳ１１：≦−ａ ）、制御部１３は、実施例１と同じくステップＳ１５を実行した後、ステップＳ１３に処理を進める。

ステップＳ１２またはＳ１５の後、制御部１３は、角度Ｌが角度Ｒと同一でないか判定し、同一でなければ（ステップＳ１３：Ｎｏ）、ステップＳ２へ処理を戻して到来方向概算処理（ステップＳ２〜Ｓ１１）を再度繰り返す。

角度Ｌが角度Ｒと同一であれば（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、これ以上指向方向を変更できないので、制御部１３は、第２方向の角度Ｒに補正式Ｒを加算して到来方向Ｘを算出する。 この算出に用いる式は、次の通りである。

（数８）
X ＝ R ＋ F(Rx_Diff)
※F(Rx_Diff)：補正式 これにより、おおよその到来方向を検知できる。

前記ステップＳ１１で合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが＋ａより小さく−ａより大きい閾値範囲内であった場合（ ステップＳ１１：＞−ａ
ａｎｄ ＜＋ａ ）、制御部１３は、実施例１と同一の到来方向算出処理（ステップＳ１８）を実行する。

以上の構成および動作により、実施例１と同様の効果を得ることができる。 合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが閾値範囲内に入った場合は、実施例１と同一の精度でＲＦＩＤタグ２５の存在方向を検知することができる。 また、アンテナ１０の設定可能な指向方向の限界を超えた外側にＲＦＩＤタグ２５が存在する場合は、合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆが閾値範囲内に入っている場合より精度が劣るものの、およその存在方向を検知することができる。

なお、以上の各実施形態で、下限閾値を−ａとし、上限閾値を＋ａとして絶対値が同じ値にしたが、これに限らず、上限閾値と下限閾値を個別の値に設定してもよい。 この場合で、同一の作用効果を得ることができる。

また、ステップＳ３，Ｓ７では、ＩＤを指定せずに、ＩＤを返答させるコマンドを発行しても良い。 この場合、以降の処理で所望のＩＤのみを抽出してＩＤ毎に処理を行えば、当該ＩＤの存在方向を算出することができる。

また、ステップＳ１２，Ｓ１５では、片方の指向方向のみを角度変更したが、角度Ｒと角度Ｌの両方を角度変更し、再度繰り返す構成にしてもよい。 この場合も、読取る範囲を変更しながら指向方向を適切な角度に変更していき、適切な角度になった時点でＲＦＩＤタグ２５の存在方向を検知することができる。

また、上述した実施例で説明する計算式により最終的に必要となるのは指向性利得の差（または除）であり比率で得られる。 このため、上述した実施例では単位にｍＷとｄＢｍを用いて説明しているが、これに限らず単位にｄＢＷを用いても同一結果を得ることができる。 また同様に、この実施例で説明するように単位にｄＢｉを用いてアイソトロピックアンテナからの倍率比を求めても、この実施例と異なる単位であるｄＢｄを用いてダイポールアンテナに対する倍率比を求めても、同一結果を得ることができる。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の非接触ＩＣ媒体方向検知装置は、実施形態のＲＦＩＤ検知装置１に対応し、
以下同様に、
受信手段は、アンテナ１０に対応し、
情報処理手段は、制御部１３に対応し、
非接触ＩＣ媒体はＲＦＩＤタグ２５に対応し、
第１取得処理は、ステップＳ２〜Ｓ５に対応し、
繰返処理は、ステップＳ２〜Ｓ１１に対応し、
第２取得処理は、ステップＳ６〜Ｓ９に対応し、
合成処理は、ステップＳ１０に対応し、
存在方向判定処理は、ステップＳ１１に対応し、
方向切替処理は、ステップＳ１２，Ｓ１５に対応し、
角度取得処理は、ステップＳ１８，Ｓ１９に対応し、
信号レベルは、受信レベルＲｘ＿Ｌ，Ｒｘ＿Ｒに対応し、
合成信号レベルは、合成受信レベルＲｘ＿Ｄｉｆｆに対応し、
閾値範囲は、−ａ〜＋ａに対応し、
第１閾値は、−ａに対応し、
第２閾値は、＋ａに対応し、
予め定められた関数または対応表は、数７または数８に対応し、
識別情報は、ＩＤに対応するが、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

ＲＦＩＤ検知装置を説明する説明図。

受信レベルを指向方向別に示すグラフ図。

合成受信レベルのグラフ図。

指向方向変更後の合成受信レベルのグラフ図。

制御部が実行する動作のフローチャート。

実施例２の制御部が実行する動作のフローチャート。

符号の説明

１…ＲＦＩＤ検知装置、１０…アンテナ、１３…制御部、２５…ＲＦＩＤタグ、Ｒｘ＿Ｌ，Ｒｘ＿Ｒ…受信レベル、Ｒｘ＿Ｄｉｆｆ…合成受信レベル、−ａ…下限閾値、＋ａ…上限閾値