JP2000036019A - リーダライタ用アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リーダライタとＩＣカードとが互いに磁気的
に結合され、電磁誘導を用いて通信を行う非接触データ
キャリアシステムにおいて、外部から通信内容を傍受さ
れることを防止したリーダライタ用アンテナ装置を提供
する。 【解決手段】 アンテナ装置を、２個の面積の異なる方
形のループコイル３１、３２を同心にして配置した送信
コイル６と、複数の小ループコイルを互いに隣り合うも
の同士の巻線方向が反対になるように接続した４枚の基
本コイル４１〜４４を、互いに一定距離オフセットして
層状にして配置した受信コイル７とで構成する。ループ
コイル３１には送信信号及びこの送信信号と異なる第１
のスクランブル信号を供給し、ループコイル３２には第
１のスクランブル信号と位相がほぼ反対の第２のスクラ
ンブル信号を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非接触データキャ
リアシステムの通信に用いるアンテナ装置に関し、特
に、非接触型ＩＣカードのアンテナコイル手段と磁気的
に結合され、該ＩＣカードと信号を送受信するリーダラ
イタ用のアンテナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の情報化時代にあって、情報処理の
効率化やセキュリティーの観点から、データの記録や処
理を行う半導体素子を搭載したいわゆるＩＣカードの実
用化が進んできている。このＩＣカードに記録媒体書き
込み／読み取り装置（リーダライタ）から電力を供給し
たり、データをやりとりする方法としては、アンテナコ
イルを用いて磁気的に非接触で行うものが提案されてい
る。この方法は、電気接点を必要とする接触型の方法に
比べて取り扱いの容易さや耐久性などにおいて優れてい
るため、今後の主流となることが期待されている。

【０００３】図７に、この非接触型のＩＣカードとリー
ダライタの一例を示す。また、図７中のリーダライタ２
の送信コイル６、受信コイル７及びＩＣカード３のアン
テナコイル８の部分を拡大した立体斜視図を図８に示
す。リーダライタ２とＩＣカード３の動作関係は、リ
ーダライタ２からＩＣカード３へ電力のみが供給される
状態（スタンバイモード）、リーダライタ２からＩＣ
カード３へデータが送信される状態（送信モード）、
ＩＣカード３からリーダライタ２へデータが送信される
状態（受信モード）、の３つの状態に大別される。

【０００４】以下、各状態におけるリーダライタ２とＩ
Ｃカード３の内部動作の概略を図面を用いて説明する。
まず、リーダライタ２からＩＣカード３へ電力のみが供
給される場合、すなわちスタンバイモードについて説明
する。図７において、リーダライタ２では一定振幅の高
周波信号が発振回路１１から送信回路１２へ供給され、
ドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。

【０００５】そこで、ＩＣカード３においては、リーダ
ライタ２の送信コイル６と電磁結合されたアンテナコイ
ル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。
この高周波信号は、整流回路２１で整流され、電源回路
２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電
源電圧が生成される。

【０００６】次に、リーダライタ２からＩＣカード３へ
データが送信される場合、すなわち送信モードについて
説明する。図７において、リーダライタ２ではホスト１
などからのデータがＣＰＵ１５で処理されて送信回路１
２へ送られる。この送信回路１２では、上述したスタン
バイモードと同様に一定振幅の高周波信号が発振回路１
１から供給されており、この高周波信号がデータで変調
されて変調高周波信号が出力される。この変調高周波信
号がドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。

【０００７】そこで、ＩＣカード３においては、リーダ
ライタ２の送信コイル６と電磁結合されたアンテナコイ
ル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。
この高周波信号は、上述したスタンバイモードと同様に
整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩ
Ｃカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成され
る。また、アンテナコイル８の出力信号は受信回路２３
にも供給され、この部分でデータが復調されてＣＰＵ５
に供給される。ＣＰＵ５はタイミング回路２５、リセッ
ト回路２６の出力に基づいて動作し、供給されるデータ
を処理して所定のものを図示しないメモリに書き込む。

【０００８】最後に、リーダライタ２がＩＣカード３か
らデータを受信する場合、すなわち受信モードについて
説明する。図７において、リーダライタ２の送信回路１
２からは上述したスタンバイモードと同様に無変調で一
定振幅の高周波信号が出力され、ドライバ１３、送信コ
イル６、アンテナコイル８を介してＩＣカード３に送ら
れて、上述したスタンバイモードの場合と同様にＩＣカ
ード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。

【０００９】一方、ＩＣカード３においては、図示しな
いメモリから読み出されたデータがＣＰＵ５で処理され
て送信回路２４に供給される。送信回路２４は例えば付
加抵抗とスイッチとからなり、データの“１”、“０”
ビットに応じてこのスイッチがオン、オフする。

【００１０】リーダライタ２においては、上記のように
送信回路２４のスイッチがオン、オフすると、アンテナ
コイル８に対する負荷が変動し、このため、受信コイル
７に流れる高周波電流の振幅が変動する。即ち、この高
周波電流はＩＣカード３のＣＰＵ５から送信回路２４に
供給されるデータによって振幅変調される。この変調高
周波信号が受信回路１４で復調されてデータが得られ
る。このデータはＣＰＵ１５で処理されて、ホスト１な
どに送られる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
非接触のＩＣカードは、クレジットカードや電子マネー
のように個人的な情報源や機密性を必要とする情報源と
して使用される場合が多い。そのため、リーダライタが
受信するＩＣカードからの応答信号や、逆にリーダライ
タからＩＣカードへ送信される送信信号が外部から解読
されないように、データキャリアシステムにセキュリテ
ィー機能を持たせる必要がある。

【００１２】従来行われているセキュリティー方法とし
ては、例えば、図７の回路ブロック図において、リーダ
ライタ側の送信信号を暗号化し、また、ＩＣカード側の
送信信号も暗号化することで外部から信号が解読される
のを防止する。

【００１３】しかし、上述した方法を用いる場合、従来
のリーダライタとＩＣカードの双方に暗号化と複合化回
路を付加する必要があり、特に、小型化が要求されるＩ
Ｃカードにとってはこの分だけ面積が大きくなってしま
うという点で不利である。そこで、本発明の目的は、な
んら傍受防止機能を付加しないＩＣカードを用いた場合
にも、リーダライタとＩＣカード間の通信の秘話性を向
上させたリーダライタ用アンテナ装置を提供することに
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のアンテナ装置は、非接触型ＩＣカードのア
ンテナコイル手段とリーダライタのアンテナ装置とが磁
気的に結合されて互いにデータを送受信するデータキャ
リアシステムのアンテナ装置において、送信コイルと受
信コイルを有し、送信コイルは第１のループコイルと、
第１のループコイルと相似の関係にあり、これより面積
が大きい第２のループコイルとを同心に配置して構成さ
れ、第１のループコイルには第１の送信信号と、第１の
送信信号とは異なる第１のスクランブル信号が供給さ
れ、第２のループコイルには少なくとも第１のスクラン
ブル信号と位相がほぼ反対の第２のスクランブル信号が
供給されている。

【００１５】このようにリーダライタのアンテナ装置を
構成することで、第１のループコイルの内部領域にあた
るリーダライタとＩＣカードとの間の通信エリアでは、
第１、第２のスクランブル信号が相殺し合って送信信号
だけが残るので、従来通りＩＣカードを動作させること
ができる。一方、この通信エリアを取り囲む領域、すな
わちリーダライタから少し離れた領域では、第１のルー
プコイルより第２のループコイルから発生するスクラン
ブル信号のみが大きくなり、スクランブル信号に対する
送信信号の信号レベルが相対的に低くなり、外部から通
信内容を傍受されるのを防ぐことができる。

【００１６】また、第１のスクランブル信号に起因する
電流をＩ₁₁、同コイルの巻線数をＮ₁ 、同コイルの中心
軸からコイルまでの距離をＲ₁ とし、第２のループコイ
ルを流れる電流のうち、第２のスクランブル信号に起因
する電流をＩ₂₁、同コイルの巻線数をＮ₂ 、同コイルの
中心軸からコイルまでの距離をＲ₂ とした場合、Ｉ₁₁×
Ｎ₁ ／Ｒ₁ とＩ₂₁×Ｎ₂ ／Ｒ₂ の絶対値が等しくするこ
とが好ましい。これにより、第１のループコイルの内側
において、第１のループコイルのスクランブル信号を第
２のループコイルのスクランブル信号で充分に相殺する
ことができ、信号を受けるＩＣカードの側ではなんら信
号分離部を設けることなく送信信号のみを受信すること
ができる。

【００１７】ここで、第２のループコイルには第２のス
クランブル信号の他に第１の送信信号とほぼ位相がほぼ
反対の第２の送信信号が供給されていることが望まし
く、更に、第１のループコイルを流れる電流のうち、第
１の送信信号に起因する電流をＩ₁₂、同コイルの巻線数
をＮ₁ 、同コイルの中心軸からコイルまでの距離をＲ₁
とし、第２のループコイルを流れる電流のうち、第２の
送信信号に起因する電流をＩ₂₂、同コイルの巻線数をＮ
₂ 、同コイルの中心軸からコイルまでの距離をＲ₂ とし
た場合、それぞれのループコイルにおける電流と巻線数
と距離との積Ｉ₁₂×Ｎ₁ ×（Ｒ₁ ）² 及びＩ₂ ²×Ｎ₂ ×
（Ｒ₂ ）² の絶対値が等しいことが好ましい。

【００１８】このように供給された第２のループコイル
の送信信号と第１のループコイルに供給された送信信号
とが干渉しあうことで、通信エリア内には送信信号によ
る強力な磁界が発生し、コイルから遠ざかるにつれて急
激に磁界強度が弱まる特性を得ることができ、秘話性が
向上すると共に複数のＩＣカードや面積の小さいＩＣカ
ードを駆動させることができる。

【００１９】尚、第１のループコイルに流れる電流の向
きと第２のループコイルに流れる電流の向きとを反対の
向きにすることで第１と第２のループコイルに供給する
信号の位相を互いに反対にすることができる。

【００２０】リーダライタからの送信信号を外部からよ
り傍受しにくくするためには第１と第２のスクランブル
信号に送信信号と同じ周波数成分を持たせることが望ま
しく、更に、ＩＣカードからの応答信号を外部からより
傍受しにくくするためには、第１と第２のスクランブル
信号の周波数に、リーダライタがＩＣカードから受信す
る応答信号と同じ周波数成分を持たせることが好まし
い。

【００２１】ここで、少なくともリーダライタが送信信
号を送信している間は第１と第２のループコイルに第１
と第２のスクランブル信号がそれぞれ供給されているこ
とが望ましく、加えて、スクランブル信号を供給するタ
イミングをリーダライタが送信信号を送信しているタイ
ミングとを異ならせることで、ＩＣカードが応答信号を
発生しているタイミングも外部から解読されにくくな
る。

【００２２】更に、第１と第２のスクランブル信号に不
規則に変調をかけることで、より秘話性を向上させるこ
とができる。また、上述の送信コイルと対にして使用す
る受信コイルに関しては、一つの基本コイルを、時計回
りの巻線の向きを有する第１の小ループコイル群と反時
計回りの巻線の向きを有する第２の小ループコイル群に
分類される複数の小ループコイルを、一辺を接して隣り
合う小ループコイルの巻線の向きが互いに逆になるよう
に配置して構成し、この基本コイルを複数個積層するこ
とによって受信コイルを構成する事が好ましい。

【００２３】受信コイルをこのように構成することで、
受信コイルのトータルループ内で送信信号やスクランブ
ル信号、及び外部のノイズをキャンセルすることがで
き、ＩＣカードからの応答信号のみを感度よく受信する
ことができる。

【００２４】ここで好ましくは、複数個の基本コイルの
内の少なくとも１つの基本コイルは他の基本コイルに対
し、ＩＣカードのアンテナコイル手段から発生した磁束
に垂直な面内で一定距離オフセットして重ね合わされて
おり、また、オフセットされる距離は小ループコイルを
形成する辺の最小長さより短い距離であることが更に好
ましい。

【００２５】これにより、１つの基本コイルだけでは小
ループコイルの辺の周辺部では応答信号を受信できない
不感帯ができてしまうところを他の基本コイルで補完し
あうことができ、通信エリアの全てで感度良く応答信号
を受信することができる。

【００２６】また、受信コイルのトータルループ内で送
信信号や外部のノイズのキャンセル効率を高めるために
は、第１の小ループコイル群の各小ループコイルの磁束
が通過する面の面積の総和と第２の小ループコイル群の
各小ループコイルの磁束が通過する面の面積の総和がほ
ぼ等しくなるように設定されていることが好ましい。

【００２７】本発明によると、非接触型ＩＣカードのア
ンテナコイル手段ととリーダライタのアンテナ装置とが
互いに磁気的に結合されて信号を送受信するデータキャ
リアシステムにおいて、アンテナ装置を送信コイルと受
信コイルとで構成し、送信コイルを互いに相似な２個の
ループコイルを同心に配置している。ここで、内側のル
ープコイルにはＩＣカードからの応答信号と同じ周波数
成分及びリーダライタからの送信信号と同じ周波数成分
を持つスクランブル信号と送信信号を、また、外側のル
ープコイルには少なくとも内側のループコイルに供給さ
れているスクランブル信号と位相が反対のスクランブル
信号を供給する。これにより、内側のループコイルの内
部、すなわち通信エリア内には送信信号及び応答信号が
発生し、この周囲をスクランブル信号が取り囲むように
したので、ＩＣカードになんら傍受防止機構を設けるこ
となく通信エリアの外部から送信信号及び応答信号が盗
聴されても解読されるのを防ぐことが可能となる。

【００２８】また、一つの基本コイルを、時計回りの巻
線方向を有する第１の小ループコイル群と、反時計回り
の巻線方向を有する第２の小ループコイル群に分類され
る複数の小ループコイルを、一辺を接して隣り合う小ル
ープコイルの巻線の向きが互いに逆になるように配置し
て構成し、複数の基本コイルを磁束が通過する方向から
投影した場合に小ループコイルの辺が重ならないよう層
状に配置して受信コイルを構成することで、ＩＣカード
からの信号が、１つの基本コイルにおいては不感帯にあ
たったり、隣合う小ループコイルに均等に信号があたっ
て相殺されたりしても、別の基本コイルで検出すること
が可能となる。すなわち、送信コイルからの信号や外部
からの雑音は各基本コイルのトータルループ内で相殺で
き、ＩＣカードから送られる信号のみを効率よく検出す
ることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態
によるデータキャリアシステムに用いるリーダライタ用
アンテナ装置の立体斜視図であり、図２は図１を上方か
らみた平面図である。

【００３０】図２に示すように、本実施の形態における
送信アンテナ装置は、２つの正方形のループコイル３
１、３２から構成されており、両コイル３１、３２はＸ
−Ｙ平面に水平な同一平面内に同心に配置されている。
ループコイル３２の辺の長さと巻線数はループコイル３
１の２倍に設定されており、巻線の方向は同じ向きにな
されている。

【００３１】一方、本実施の形態における受信アンテナ
装置は、４枚の正方形の基本コイル４１〜４４から構成
されており、各コイルはＸ−Ｙ平面に水平に配置されて
Ｚ方向に所定間隔をもって層状に重ねられている。１つ
の基本コイルは複数の小ループコイルを結合して構成さ
れ、４枚のコイル４１〜４４は全て同じ構造である。図
３に４枚の基本コイル４１〜４４の代表例として、コイ
ル４１を上方からみた平面図を示す。

【００３２】巻線数と表面積が等しい小ループコイル５
１〜５４は、隣接する小ループコイル同士でコイルの巻
線の向きが互いに逆になるように配置される。図３の小
ループコイル５１の巻線方向が時計回り方向である場合
には、図３の右隣の小ループコイル５２の巻線方向及び
図３の下方の小ループコイル５３の巻線方向は反時計回
りとなる。対角に位置する小ループコイル５４の巻線方
向は小ループコイル５１と同じ時計回り方向となる。

【００３３】図２に示すように、受信アンテナ装置を上
面から見た場合、基本コイル４１を基準とすると、基本
コイル４２はＸ及びＹ方向にＬ×７／８、基本コイル４
３はＹ方向にＬ×７／８、基本コイル４４はＸ方向にＬ
×７／８だけずらして配置されている（但し、Ｌは小ル
ープコイルの１辺の長さとする）。コイルをずらす量を
大きくとればとるほどアンテナコイル８との通信エリア
６１も大きくすることができるが、コイル同士が重なっ
ている面積を小さくするとその部分での検出感度が低下
する恐れがある。よって、本実施の形態では両者のバラ
ンスをとってコイルをずらす量をＬ×７／８としてい
る。ただし、この量はＬ×７／８に固定されるものでは
なく、０からＬまでの間であれば可変である。

【００３４】次に、本実施の形態のデータキャリアシス
テムによるリーダライタ２とＩＣカード３との間での信
号通信方法について図１、４を用いて説明する。まず、
リーダライタ２からＩＣカード３へデータが送信される
場合、すなわち送信モードについて説明する。

【００３５】図４において、リーダライタ２ではホスト
１などからのデータがＣＰＵ１５で処理されて送信回路
１２へ送られる。この送信回路１２では一定振幅の高周
波信号が発振回路１１から供給されており、この高周波
信号がデータで変調されて変調高周波信号が出力され
る。この変調高周波信号がドライバ１３を介して送信コ
イル６に送られる。

【００３６】ここで、リーダライタ２の送信コイル６は
図１に示したように２つのループコイル３１、３２から
構成されており、変調高周波信号はコイル３１のみに送
られる。

【００３７】一方、リーダライタ２のスクランブルノイ
ズ発生回路２７からは、ＩＣカード３からの応答信号と
同じ周波数の変調定周波信号が出力され、この回路２７
に並列に接続されている２つのループコイル３１、３２
に送られている。この変調定周波信号はコイル３１では
端子ａから端子ｂの向きに、コイル３２では端子ｃから
端子ｄの向きに送られており、両コイル３１、３２に流
れる電流量は等しくなるようになされている。

【００３８】よって、ループコイル３１の内側の領域、
即ちＩＣカードとの通信エリア６１には、コイル３１
に供給される変調定周波信号（スクランブル信号）、
コイル３２に供給される変調定周波信号（スクランブル
信号）、コイル３１に供給される変調高周波信号（送
信信号）、の３種類の信号による磁界が発生しており、
これらが互いに干渉し合って生成された磁界がアンテナ
コイル８を通過することになる。

【００３９】ここで、通信エリア６１内の磁界は近似的
に次のように求めることができる。まず、一般的に円形
コイル軸上の点Ａにおける磁界強度（Ｈ_A ）は次の
（１）式で表される。 Ｈ_A = Ｉ×Ｎ×ｒ² ／２×（ｒ²+ａ² ）^3/2 …（１） （Ｉ：コイルに流れる電流、Ｎ：コイルの巻数、ｒ：コ
イルの半径、ａ：コイルの中心から点Ａまでの距離）

【００４０】この（１）式を用いてコイル３１に供給
される変調定周波信号（スクランブル信号）により発生
する磁界Ｈ₁ と、コイル３２に供給される変調定周波
信号（スクランブル信号）により発生する磁界Ｈ₂ をそ
れぞれ求める。コイル３１の巻線数をＮ₁ 、コイル３２
の巻線数をＮ₂ 、変調定周波信号によりコイル３１に流
れる電流をＩ₁₁、コイル３２に流れる電流をＩ₂₁、コイ
ル３１のコイルを形成する正方形の２辺が交わる角部か
ら中心までの距離をＲ₁ 、コイル３２のコイルを形成す
る正方形の２辺が交わる角部から中心までの距離をＲ₂
とした場合、磁界Ｈ₁ は（２）式、磁界Ｈ₂ は（３）式
にそれぞれ近似できる。

【００４１】 Ｈ₁ ＝Ｉ₁₁×Ｎ₁ ×Ｒ₁ ²／２×（Ｒ₁ ²+ ａ² ）^{3 /2} …（２） Ｈ₂ ＝Ｉ₂₁×Ｎ₂ ×Ｒ₂ ²／２×（Ｒ₂ ²+ ａ² ）^3/2 …（３）

【００４２】ここで、対象としているのが通信エリア６
１内であることから、ａがＲ₁ 及びＲ₂ よりも充分小さ
いと仮定することができ、また、（３）式に以下の
（４）〜（６）式を代入すると、（２）式、（３）式は
それぞれ（７）式、（８）式のように近似できる。

【００４３】 −Ｉ₁₁＝Ｉ₂₁ …（４） ２×Ｒ₁ ＝Ｒ₂ …（５） ２×Ｎ₁ ＝Ｎ₂ …（６） Ｈ₁ ＝Ｉ₁₁×Ｎ₁ ／２×Ｒ₁ …（７） Ｈ₂ ＝−Ｉ₁₁×（２×Ｎ₁ ）／２×（２×Ｒ₁ ） ＝−Ｉ₁₁×Ｎ₁ ／２×Ｒ₁ …（８）

【００４４】よって、Ｈ₁ とＨ₂ との和はゼロとなる。
この結果、通信エリア６１内では変調定周波信号（スク
ランブル信号）はコイル３１とコイル３２により相殺し
あい、コイル３１に供給される変調高周波信号（送信
信号）のみがＩＣカード３へ供給されることになる。

【００４５】一方、ループコイル３１外側の領域、即ち
通信エリア６１外では、コイル３２に供給される変調定
周波信号（スクランブル信号）による磁界が支配的とな
る。最後に、通信エリア６１内にＩＣカード３が装着さ
れている場合には、リーダライタ２の送信コイル６と電
磁結合されたアンテナコイル８を介して変調高周波信号
が送受信回路４に供給される。

【００４６】この変調高周波信号は整流回路２１で整流
され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に
必要な所定の電源電圧が生成される。また、アンテナコ
イル８の出力信号は受信回路２３にも供給され、この部
分でデータが復調されてＣＰＵ５に供給される。ＣＰＵ
５はタイミング回路２５、リセット回路２６の出力に基
づいて動作し、供給されるデータを処理して所定のもの
を図示しないメモリに書き込む。

【００４７】次に、リーダライタ２がＩＣカード３から
のデータを受信する場合、すなわち受信モードについて
説明する。ＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧
が生成される過程は上述した送信モードと同様であるの
で記載を省略する。

【００４８】ＩＣカード３においては、図示しないメモ
リから読み出されたデータがＣＰＵ５で処理されて送信
回路２４に供給される。送信回路２４は例えば付加抵抗
とスイッチとからなり、データの“１”、“０”ビット
に応じてこのスイッチがオン、オフする。このオン、オ
フ動作によりアンテナコイル８に対する負荷が変動し、
これに応じてアンテナコイル８から発せられる磁界Ｈ_J
が変化する。

【００４９】ここで、受信モードにおいても送信モード
と同様にスクランブル信号が通信エリア６１の周囲を取
り囲んでいるので、通信エリア６１の外部から応答信号
が盗聴されるのを防ぐことができる。更に、スクランブ
ル信号にＩＣカード３からの応答信号と同じ周波数成分
を持たせているので、よりいっそうの傍受防止効果が得
られる。

【００５０】リーダライタ２においては、磁界Ｈ_J の変
化に応じてアンテナコイル８と電磁結合されている受信
コイル７に流れる電流の振幅が変動する。この振幅変調
された高周波電流は受信回路１４で復調されてデータが
得られる。このデータはＣＰＵ１５で処理されて、ホス
ト１などに送られる。

【００５１】尚、リーダライタ２の受信コイル７は図１
に示したように４枚の基本コイル４１〜４４から構成さ
れており、各コイル４１〜４４はそれぞれ独立して受信
回路１４に並列に接続されている。各コイル４１〜４４
にはアンテナコイル８から発せられる磁界Ｈ_J の他に送
信コイル６から発せられる磁界Ｈ_S とが通過している
が、下述の理由により磁界Ｈ_S は各コイル４１〜４４に
流れる電流の振幅変動に寄与しない。

【００５２】すなわち、図３において磁界Ｈ_S は、小ル
ープコイル５１〜５４のすべてに及ぶ紙面裏側から手前
方向への垂直磁界と見なすことができ、この磁界により
小ループコイル５１〜５４には図３中の矢印で示すよう
にそれぞれ反時計回りの電流が発生する。小ループコイ
ル５２、５３は巻線方向と同じ向きの電流が発生するが
小ループコイル５１及び５４では巻線方向と逆向きの電
流が発生することになる。

【００５３】従って、各小ループコイル内を通過する磁
界の強さが等しい場合には小ループコイル５１、５４で
発生した電流と小ループコイル５２、５３で発生した電
流が互いに打ち消し合い、端子ｅ、ｆ間に出力される電
流はゼロとなる。よって、送信コイル６から発せられる
磁界Ｈ_S は各コイル５１〜５４に流れる電流の振幅変動
に寄与しない。

【００５４】一方、磁界Ｈ_J は、アンテナコイル８の面
積が基本コイル４１の面積より小さいので、小ループコ
イル５１〜５４の一部にしか及ばない。例えば、磁束の
通過する方向から投影した場合に図３の矩形領域Ａに重
なるようにアンテナコイル８が設置されているときに
は、磁界Ｈ_J により小ループコイル５１、５２にそれぞ
れ時計回りの電流が発生する。

【００５５】小ループコイル５１は巻線方向と同じ向き
の電流Ｉ₅₁が発生し、小ループコイル５２では巻線方向
と逆向きの電流Ｉ₅₂が発生することになる。ここで、コ
イルに発生する電流量はそのコイルを通過する磁束量に
比例することから｜Ｉ₅₂｜＜｜Ｉ₅₁｜となり、端子ｅ、
ｆ間に出力される電流は｜Ｉ₅₂｜−｜Ｉ₅₁｜（≠０）と
なる。

【００５６】但し、磁束の通過する方向から投影した場
合に図３矩形領域Ｂに重なるようにアンテナコイル８が
設置されているときには、小ループコイル５２と５４に
通過する磁束量が等しくなるために基本コイル４１の端
子ｅ、ｆ間に出力される電流はゼロとなり、ＩＣカード
３からの信号を検出できないことになる。

【００５７】しかし、受信コイル７トータルとして見た
場合、図３の矩形領域Ｂは図２の矩形領域Ｂ’に相当
し、この領域Ｂ’は基本コイル４３、４４で検出するこ
とができる。

【００５８】言い換えれば、１枚の基本コイルには必ず
不感帯が存在するが、同一の形状の複数の基本コイル
を、ＩＣカードからの信号が検出できない領域（不感
帯）の位置をずらして重ね合わせることにより、全体と
してみた場合に不感帯がなくなり、アンテナ装置の通信
エリアの全てにおいてＩＣカードからの信号を検出する
ことができる。

【００５９】また、各々の基本コイルを表面積及び巻数
の等しい複数の小ループコイルで構成し、辺が隣り合う
小ループコイル同士の巻線方向反対にして接続すること
で、送信コイルからの信号や外部からの雑音は相殺する
ことができるためにＩＣカードからの信号を高感度に受
信することができる。

【００６０】尚、磁束の通過する方向から投影した場合
に図２の矩形領域Ｃに重なるようにアンテナコイル８が
設置されているときには、４枚のコイル４１〜４４がそ
れぞれ個別に信号を検出するのであたかも４枚のＩＣカ
ード３から信号が送信されているように認識してしまう
が、リーダライタ２側で識別して処理することが可能で
ある。

【００６１】以上説明したように、本実施の形態のデー
タキャリアシステムにおいては、リーダライタからＩＣ
カードへデータを送信する際にも、逆にＩＣカードから
データを受信する際にも、リーダライタからの送信信号
及びＩＣカードからの応答信号と同じ周波数成分を持つ
スクランブル信号で通信エリアの周囲を取り囲むように
構成しているので、ＩＣカードになんら傍受防止機構を
設けることなく通信エリアの外部から送信信号及び応答
信号が盗聴されるのを防ぐことができる。

【００６２】尚、スクランブル信号は単純な連続波でも
よいが、傍受防止効果をよりいっそう高めるためにはラ
ンダムに変調をかけることが望ましい。すなわち振幅が
不規則に変化するランダムノイズによって送信信号と同
じ周波数をもつ基本波を振幅変調することによりＡＳＫ
変調のデータ通信の場合に有効なスクランブル信号を得
ることができる。又、ＦＳＫ、ＰＳＫ変調のデータ通信
の場合には、ＦＳＫ、ＰＳＫの２つの搬送波の周波数を
ランダムに切り替えた信号をスクランブル信号とするこ
とにより傍受しにくくする。

【００６３】また、本実施の形態では、リーダライタが
ＩＣカードから信号を受信するタイミングを解読される
ことも防ぐために、送信コイルから常にスクランブル信
号が発せられるようにしたが、送信のタイミング、すな
わち、リーダライタが送信信号を発しているタイミング
とは異なるタイミングでスクランブル信号を供給するよ
うにしてもよい。この場合にスクランブル信号を発射し
ている期間は送信信号または応答信号を送受信している
期間よりも長くなるように設定する必要がある。

【００６４】尚、本実施の形態において、ループコイル
の巻線数、電流量、及びコイル半径は上述の値に限定さ
れるものでなく、通信エリア内において（２）式と
（３）式が近似的に等しくなるような条件であればよ
い。また、基本コイルも図３に示す形態に限定されるも
のでなく、トータルループ内で送信コイルからの信号を
相殺できるものであればよく、例えば図５に示すように
複数の同じ形状の三角形コイルを組み合わせ、隣接する
コイルの巻線の方向が逆なるように接続したものを用い
たり、図６に示すように互いに相似な円形コイルを同心
に配置し、隣接するコイルの巻線方向が逆になるように
接続して構成してもよい。

【００６５】また、本発明の第２の実施の形態として、
送信モードにおいて、図２に示したループコイル３１に
変調定周波信号（スクランブル信号）だけでなく、変調
高周波信号（送信信号）を重畳することで、通信エリア
６１内では強い磁界を発生させ、通信エリア６１から遠
ざかると急激に磁界強度が下がるような特性を得ること
ができる。

【００６６】これは、ＩＣカード３のアンテナコイル８
の面積が小さかったり、一度に複数のＩＣカード３を駆
動させたいので通信エリア６１内には強力な磁場を発生
させたいが、外部からの盗聴を防止するために通信エリ
ア６１外部には信号を出したくない場合に有効な手段で
ある。

【００６７】本実施の形態におけるアンテナ装置の構成
は図１、２、４を用いて説明した第１の実施の形態と同
様であるので記載を省略する。また、リーダライタがＩ
Ｃカードから信号を受信する方法、つまり受信モードに
ついても第１の実施の形態と同様であるので記載を省略
する。

【００６８】以下、本実施の形態のデータキャリアシス
テムによる信号通信方法のうち、リーダライタからＩＣ
カードへ信号を送信する方法、つまり、送信モードにつ
いて図１、４を用いて説明する。尚、第２の実施の形態
において、第１の実施の形態と同一の構成部位について
は同符号を用いる。

【００６９】図４において、リーダライタ２ではホスト
１などからのデータがＣＰＵ１５で処理されて送信回路
１２へ送られる。この送信回路１２では一定振幅の高周
波信号が発振回路１１から供給されており、この高周波
信号がデータで変調されて変調高周波信号が出力され
る。

【００７０】この変調高周波信号がドライバ１３を介し
て送信コイル６を構成している２つのループコイル３
１、３２に送られる。この変調高周波信号はコイル３１
では端子ａから端子ｂの向きに、コイル３２では端子ｃ
から端子ｄの向きに送られている。また、コイル３１に
流れる電流量がコイル３２に流れる電流量の８倍になる
ように調整されている。

【００７１】一方、リーダライタ２のスクランブルノイ
ズ発生回路２７からは、ＩＣカード３からの応答信号と
同じ周波数の変調定周波信号が出力され、２つのループ
コイル３１、３２に送られている。この変調定周波信号
はコイル３１では端子ａから端子ｂの向きに、コイル３
２では端子ｃから端子ｄの向きに電流が送られている。
また、両コイルに流れる電流量が等しくなるように調整
されている。

【００７２】よって、ループコイル３１の内側の領域、
即ちＩＣカードとの通信エリア６１には、コイル３１
に供給される変調定周波信号（スクランブル信号）、
コイル３２に供給される変調定周波信号（スクランブル
信号）、コイル３１に供給される変調高周波信号（送
信信号）、コイル３２に供給される変調高周波信号
（送信信号）の４種類の信号による磁界が発生してお
り、これらが互いに干渉し合って生成された磁界がアン
テナコイル８を通過することになる。

【００７３】コイル３１に供給される変調定周波信号
（スクランブル信号）、コイル３２に供給される変調
定周波信号（スクランブル信号）が互いに打ち消しあう
ことは第１の実施の形態で既に述べた通りであるので、
通信エリア６１内にはコイル３１に供給される変調高
周波信号（送信信号）とコイル３２に供給される変調
高周波信号（送信信号）のみが存在する。

【００７４】コイル３１には、紙面手前から裏側方向へ
垂直磁界が発生し、コイル３２には紙面裏側から手前方
向に垂直磁界が発生しているので両者は互いに弱めあう
が、両コイルに流す電流量を調整することで、所望の強
さの磁界を得ることが可能である。

【００７５】一方、ループコイル３１の外側の領域、即
ち通信エリア６１外での磁界は前述の（１）式を用いて
近似的に求めることができる。まず、コイル３１に供
給される変調高周波信号（送信信号）により発生する磁
界Ｈ₃ と、コイル３２に供給される変調高周波信号
（送信信号）により発生する磁界Ｈ₄ とを求める。変調
高周波信号によりコイル３１に流れる電流をＩ₁₂、変調
高周波信号によりコイル３２に流れる電流をＩ₂₂、とす
ると、磁界Ｈ₃ は（９）式、磁界Ｈ₂ は（１０）式にそ
れぞれ近似できる。

【００７６】 Ｈ₃ ＝Ｉ₁₂×Ｎ₁ ×Ｒ₁ ²／２×（Ｒ₁ ²+ ａ² ）^{3 /2} …（９） Ｈ₄ ＝Ｉ₂₂×Ｎ₂ ×Ｒ₂ ²／２×（Ｒ₂ ²+ ａ² ）^3/2 …（１０）

【００７７】ここで、対象としているのが通信エリア外
であることから、ａがＲ₁ 及びＲ₂よりも充分大きいと
仮定することができ、また、（９）式に前述の（５）、
（６）式及び下述の（１１）式を代入すると、（９）、
（１０）式はそれぞれ（１２）、（１３）式のように近
似できる。

【００７８】 −Ｉ₁₂＝８×Ｉ₂₂ …（１１） Ｈ₃ ＝Ｉ₁₂×Ｎ₁ ×Ｒ₁ ²／２×ａ³ …（１２） Ｈ₄ ＝−Ｉ₁₂×（２×Ｎ₁ ）×（２×Ｒ₁ ）² ／８×２×ａ³ ＝−Ｉ₁₂×Ｎ₁ ×Ｒ₁ ²／２×ａ³ …（１３）

【００７９】よって、Ｈ₃ とＨ₄ との和はゼロとなり、
通信エリア外では変調高周波信号（送信信号）はコイル
３１とコイル３２により相殺しあい、変調定周波信号
（スクランブル信号）による磁界が支配的となる。つま
り、コイル３１、３２に流す電流量を多くして通信エリ
ア内に発生する磁界を強めても、通信エリア外の磁界は
互いに相殺し合って弱めることができる。

【００８０】最後に、通信エリア内にＩＣカード３が装
着されている場合には、リーダライタ２の送信コイル６
と電磁結合されたアンテナコイル８を介して変調高周波
信号が送受信回路４に供給される。この変調高周波信号
は整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されて
ＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成され
る。

【００８１】また、アンテナコイル８の出力信号は受信
回路２３にも供給され、この部分でデータが復調されて
ＣＰＵ５に供給される。ＣＰＵ５はタイミング回路２
５、リセット回路２６の出力に基づいて動作し、供給さ
れるデータを処理して所定のものを図示しないメモリに
書き込む。

【００８２】以上説明したように、本実施の形態のデー
タキャリアシステムにおいては、送信アンテナ装置を互
いの相似な２個のコイルを同心にして配置して構成し、
各々のコイルにＩＣカードからの応答信号と同じ周波数
を持つスクランブル信号と送信信号とを、コイル間で逆
相になるように供給しているので、通信エリア内には送
信信号による強力な磁界を発生させ、通信エリア外には
送信信号による磁界強度が急激に弱まり、かわってスク
ランブル信号による磁界が強力となるような磁界特性を
得ることができる。

【００８３】よって、面積の小さなＩＣカードや複数の
ＩＣカードを駆動させることが可能となる上に、これら
ＩＣカードになんら傍受防止機構を設けることなく通信
エリアの外部から送信信号及び応答信号が盗聴されるの
を防ぐことができる。尚、傍受防止効果をよりいっそう
高めるために、スクランブル信号にランダムに変調かけ
ることが望ましいのは第１の実施の形態と同様である。

【００８４】尚、本実施の形態において、ループコイル
の巻線数、電流量、及びコイル半径は上述の値に限定さ
れるものでなく、通信エリア外において（９）式と（１
０）式が近似的に等しくなり、且つ通信エリア内におい
て（２）式と（３）式が近似的に等しくなるような条件
であればよい。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
非接触型ＩＣカードのアンテナコイル手段とリーダライ
タのアンテナ装置とが互いに磁気的に結合されて信号を
送受信するデータキャリアシステムにおいて、リーダラ
イタのアンテナ装置を送信コイルと受信コイルで構成
し、送信コイルは互いに相似な２個のループコイルを同
心に配置して構成する。内側のループコイルにはリーダ
ライタからの送信信号及びＩＣカードからの応答信号と
同じ周波数成分を持つスクランブル信号と送信信号を、
また、外側のループコイルには少なくとも内側のコイル
に供給されているスクランブル信号と位相が反対のスク
ランブル信号を供給する。これにより、内側のコイルの
内部、すなわち通信エリア内には送信信号及び応答信号
が発生し、この周囲をスクランブル信号が取り囲むよう
にしたので、ＩＣカードになんら傍受防止機構を設ける
ことなく通信エリアの外部から送信信号及び応答信号が
盗聴されるのを防ぐことが可能となる。

【００８６】また、一つの基本コイルを、時計回りの巻
線方向を有する第１の小ループコイル群と、反時計回り
の巻線方向を有する第２の小ループコイル群に分類され
る複数の小ループコイルを、一辺を接して隣り合う小ル
ープコイルの巻線の向きが互いに逆になるように配置し
て構成し、複数の基本コイルを磁束が通過する方向から
投影した場合に小ループコイルの辺が重ならないよう層
状に配置して受信コイルを構成することで、ＩＣカード
からの信号が、１つの基本コイルにおいては不感帯にあ
たったり、隣合う小ループコイルに均等に信号があたっ
て相殺されたりしても、別の基本コイルで検出すること
が可能となる。すなわち、送信コイルからの信号やスク
ランブル信号、外部からの雑音は各基本コイルのトータ
ルループ内で相殺でき、ＩＣカードから送られる信号の
みを効率よく検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるリーダライタ用ア
ンテナ装置の構成を示す立体斜視図である。

【図２】図１のアンテナ装置の平面図である。

【図３】図１のアンテナ装置で用いる基本コイル毎の平
面図である。

【図４】本発明の一実施の形態による非接触型のＩＣカ
ードとリーダライタを用いたデータキャリアシステムの
回路構成を示すブロック図である。

【図５】図１のアンテナ装置で用いる別の基本コイル毎
の平面図である。

【図６】図１のアンテナ装置で用いる別の基本コイル毎
の平面図である。

【図７】従来のデータキャリアシステムの回路構成を示
すブロック図である。

【図８】図７の送受信コイル及びアンテナコイル部分を
拡大した立体斜視図である。

【符号の説明】

２ リーダライタ ３ ＩＣカード ６ 送信コイル ７ 受信コイル ８ アンテナコイル ３１、３２ ループコイル ４１〜４４ 基本コイル ５１〜５４ 小ループコイル ６１ 通信エリア

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非接触型ＩＣカードのアンテナコイル手
   段とリーダライタのアンテナ装置とが磁気的に結合され
   て互いにデータを送受信するデータキャリアシステムに
   おいて、 前記アンテナ装置は送信コイルと受信コイルを有し、 前記送信コイルは第１のループコイルと、前記第１のル
   ープコイルと相似の関係にあり、これより面積が大きい
   第２のループコイルとを同心に配置して構成され、 前記第１のループコイルには第１の送信信号と、第１の
   送信信号とは異なる第１のスクランブル信号が供給さ
   れ、前記第２のループコイルには少なくとも前記第１の
   スクランブル信号と位相が反対の第２のスクランブル信
   号が供給されていることを特徴とするリーダライタ用ア
   ンテナ装置。
2. 【請求項２】 前記第２のループコイルには前記第２の
   スクランブル信号の他に前記第１の送信信号と位相が反
   対の第２の送信信号が供給されていることを特徴とする
   請求項１に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
3. 【請求項３】 前記第１のループコイルを流れる電流の
   うち、第１のスクランブル信号に起因する電流をＩ₁₁、
   同コイルの巻線数をＮ₁ 、同コイルの中心軸からコイル
   までの距離をＲ₁ とし、前記第２のループコイルを流れ
   る電流のうち、第２のスクランブル信号に起因する電流
   をＩ₂₁、同コイルの巻線数をＮ₂ 、同コイルの中心軸か
   らコイルまでの距離をＲ₂ とした場合、Ｉ₁₁×Ｎ₁ ／Ｒ
   ₁ とＩ₂₁×Ｎ₂ ／Ｒ₂ の絶対値が等しいことを特徴とす
   る請求項１または２に記載のリーダライタ用アンテナ装
   置。
4. 【請求項４】 前記第１のループコイルを流れる電流の
   うち、第１の送信信号に起因する電流をＩ₁₂、同コイル
   の巻線数をＮ₁ 、同コイルの中心軸からコイルまでの距
   離をＲ₁ とし、前記第２のループコイルを流れる電流の
   うち、第２の送信信号に起因する電流をＩ₂₂、同コイル
   の巻線数をＮ₂ 、同コイルの中心軸からコイルまでの距
   離をＲ₂ とした場合、それぞれの前記ループコイルにお
   ける前記電流と前記巻線数と前記距離との積Ｉ₁₂×Ｎ₁
   ×（Ｒ₁ ）² 及びＩ₂₂×Ｎ₂ ×（Ｒ₂ ）² の絶対値が等
   しいことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載
   のリーダライタ用アンテナ装置。
5. 【請求項５】 前記第１のループコイルに流れる前記第
   １のスクランブル信号の電流の向きが前記第２のループ
   コイルに流れる前記第２のスクランブル信号の電流の向
   きと反対の向きであることを特徴とする請求項１〜４の
   何れか１項に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
6. 【請求項６】 前記第１と第２のスクランブル信号は、
   前記リーダライタが前記ＩＣカードから受信する応答信
   号の周波数と同じ周波数成分及び前記リーダライタから
   前記ＩＣカードへ送信する送信信号の周波数と同じ周波
   数成分を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか
   １項に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
7. 【請求項７】 少なくとも前記リーダライタが前記送信
   信号を送信している間は前記第１と第２のスクランブル
   信号が前記第１と第２のループコイルにそれぞれ供給さ
   れていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に
   記載のリーダライタ用アンテナ装置。
8. 【請求項８】 前記第１と第２のスクランブル信号が前
   記第１と第２のループコイルにそれぞれ供給されている
   タイミングと、前記リーダライタが前記送信信号を送信
   しているタイミングとが異なることを特徴とする請求項
   １〜７の何れか１項に記載のリーダライタ用アンテナ装
   置。
9. 【請求項９】 前記第１と第２のスクランブル信号は不
   規則に変調されていることを特徴とする請求項１〜８の
   何れか１項に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
10. 【請求項１０】 一つの基本コイルが、時計回りの巻線
    の向きを有する第１の小ループコイル群と反時計回りの
    巻線の向きを有する第２の小ループコイル群に分類され
    る複数の小ループコイルを、一辺を接して隣り合う小ル
    ープコイルの巻線の向きが互いに逆になるように配置し
    て構成し、 前記基本コイルを複数個積層することによって前記受信
    コイルが構成されている事を特徴とする請求項１〜９の
    何れか１項に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
11. 【請求項１１】 前記複数個の基本コイルの内の少なく
    とも１つの基本コイルは他の基本コイルに対し、前記Ｉ
    Ｃカードの前記アンテナコイル手段から発生した磁束に
    垂直な面内で一定距離オフセットして重ね合わされてい
    ることを特徴とする請求項１０に記載のリーダライタ用
    アンテナ装置。
12. 【請求項１２】 前記基本コイルの他の基本コイルに対
    してオフセットされる距離は前記小ループコイルを形成
    する辺の最小長さより短い距離であることを特徴とする
    請求項１１に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
13. 【請求項１３】 前記複数個の基本コイルは、磁束の通
    過する方向から投影した場合に、前記基本コイルの各小
    ループコイルがそのループ内に他の基本コイルの少なく
    とも１つの小ループコイルの少なくとも１つの辺が存在
    するように互いにずらして積層されていることを特徴と
    する請求項１０に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
14. 【請求項１４】 前記第１の小ループコイル群の各小ル
    ープコイルの磁束が通過する面の面積の総和と前記第２
    の小ループコイル群の各小ループコイルの磁束が通過す
    る面の面積の総和がほぼ等しくなるように設定されてい
    ることを特徴とする請求項１０〜１３の何れか１項に記
    載のリーダライタ用アンテナ装置。
15. 【請求項１５】 前記第１の小ループコイル群と前記第
    ２の小ループコイル群の各小ループコイルはほぼ同一の
    形状、大きさを有し、前記第１の小ループコイル群の小
    ループコイルの数と前記第２の小ループコイル群の小ル
    ープコイルの数は等しく設定されていることを特徴とす
    る請求項１０〜１３の何れか１項に記載のリーダライタ
    用アンテナ装置。
16. 【請求項１６】 前記第１及び第２の小ループコイル群
    はそれぞれ同一磁界に対してほぼ等しい起電力を有する
    ことを特徴とする請求項１０〜１５の何れか１項に記載
    のリーダライタ用アンテナ装置。
17. 【請求項１７】 前記複数の小ループコイルはそれぞれ
    同一磁界に対してほぼ等しい起電力を有することを特徴
    とする請求項１０〜１５の何れか１項に記載のリーダラ
    イタ用アンテナ装置。
18. 【請求項１８】 前記複数個の基本コイルは、磁束の通
    過する方向から投影した場合に、前記第１のループコイ
    ルの内部に配置されていることを特徴とする請求項１０
    〜１７の何れか１項に記載のリーダライタ用アンテナ装
    置。