JP2002353725A

JP2002353725A - 電磁誘導アンテナ装置

Info

Publication number: JP2002353725A
Application number: JP2001154312A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Kobayashi; 智樹小林; Yuji Kunimoto; 裕治国本
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-12-06

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ＩＣカード等と無線通信するリー
ダ・ライタに設置され、メインアンテナコイルに補助コ
イルを配置して、広範囲な通信距離を確保し、安定通信
を行う電磁誘導アンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置は、メインコイル３及び補
助コイル４を有し、メインコイル３は、リーダ・ライタ
から通信信号が供給され、非接触型ＩＣカードを駆動す
るための搬送波とそれに重畳された通信信号を空中線と
して放射し、又は該ＩＣカードからの信号を受信する。
補助コイル４は、その両端が開放状態にあり、メインコ
イル３の開口面と平行に近接配置され、メインコイル３
の中心と一致させ相対向するか、該メインコイルの内側
又は外側に近接配置され、或いは、メインコイルの巻線
間で該巻線に沿って配置される。前記補助コイルの巻き
数をメインコイルの巻き数より少なく、特にその巻き数
の１／３にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣカード等と無
線通信するリーダ・ライタに設置された電磁誘導アンテ
ナ装置に関し、特に、電磁誘導アンテナ装置に補助コイ
ルを配置して、広範囲な通信距離を確保し、安定通信を
行う電磁誘導アンテナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、スマートカードに代表されるよう
に、カードにＩＣチップを埋め込んだＩＣカードを作成
し、電子財布を実現させようとしている。また、このＩ
Ｃカードを交通手段の定期券とすることも行われてい
る。これらのように、ＩＣカードによって種々の機能を
実現させることが試行されている。

【０００３】これらの機能をＩＣカードで実現するに
は、このＩＣカードと非接触で無線通信を行うリーダ・
ライタを必要とする。そして、非接触型ＩＣカードに
は、形状的にＩＣを駆動する電源を組み込むことが難し
いため、多くは、ＩＣカードから離れた位置にあるリー
ダ・ライタの無線搬送波を使用して電力供給するように
なっている。

【０００４】このリーダ・ライタに備えられ、ＩＣカー
ドと非接触型通信を行う従来のＲＷアンテナコイルの概
略を、図１に示した。図１において、１は、リーダ・ラ
イタ（図示なし）に備えられたＲＷアンテナコイル本体
であり、複数回巻かれたループアンテナである。このＲ
Ｗアンテナコイル１は、例えば、プリント配線基板上
に、複数の線を束ねて平面的に固定されているか、或い
は、線自体がプリント配線されてループアンテナを形成
している。さらには、プリント配線基板とは別に、リー
ダ・ライタのＲＷアンテナとして単体で形成されていて
もよい。

【０００５】ループアンテナ１は、抵抗、コンデンサ等
からなる同調回路２を介してリーダ・ライタ内の電力増
幅回路に接続されている。この電力増幅回路から供給さ
れる搬送波がループアンテナ１によって空中線として放
射される。ＩＣカードがこの搬送波を受信することによ
って、ＩＣが駆動され、搬送波に重畳された信号を送受
信する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、非接触型
ＩＣカードに対して、リーダ・ライタが電力供給と、通
信とを行う手段は、無線による電磁誘導に頼っている。
このＩＣカードに対するリーダ・ライタの広範囲の通信
距離を確保し、安定通信を行うためには、この電磁誘導
を強め、リーダ・ライタのアンテナからの空中線出力を
できるだけ大きくし、アンテナの放射電界強度を大きく
する必要がある。

【０００７】しかし、この対応策として、ループアンテ
ナ１から放射される空中線出力を大きくすることが考え
られるが、リーダ・ライタを含む無線通信機器に対して
は、電波法によってその出力が規制されており、各機器
に応じて出力できる放射電界強度の上限が規定されてい
る。そのため、リーダ・ライタにおいても、その上限以
上には放射電界強度を大きくすることに制限がある。

【０００８】一方、リーダ・ライタのループアンテナ１
からの電磁誘導の強さは、アンテナのインダクタンス
と、そこに流れる電流に比例している。そこで、インダ
クタンスは、ループアンテナ１の巻き数を増やすことに
よって大きくすることができるが、同時にその増分に応
じて抵抗損失も増加してしまう。そうすると、その結
果、アンテナとしての効率が低下する。

【０００９】そのため、限られた電力供給で、広範囲の
通信距離を確保でき、安定通信を行うことができるルー
プアンテナが必要となる。そこで、本発明は、電波法に
定められた範囲内での放射電界強度で、非接触型ＩＣカ
ードとリーダ・ライタとが広範囲の通信距離を確保する
ためのＩＣカード、若しくはリーダ・ライタのアンテナ
装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明では、メインコイルと補助コイルを有する
電磁誘導アンテナ装置とし、前記メインコイルには、リ
ーダ・ライタの電力増幅回路から通信信号が供給され、
又は前記メインコイル及び前記補助コイルが、非接触型
ＩＣカードに配設されている電磁誘導アンテナ装置にお
いて、前記メインコイルが、通信を行う空中線を放射又
は受信し、前記補助コイルを前記メインコイルの開口面
と平行に近接配置し、かつ両端を開放状態にした。

【００１１】そして、前記補助コイルは、前記メインコ
イルの中心と一致させ該メインコイルの内側又は外側に
近接配置され、前記メインコイルの巻線間で該巻線に沿
って配置され、或いは、前記メインコイルの中心と一致
させて相対向して近接配置されるようにした。さらに、
前記メインコイルの巻き数がＮ回である場合に、前記補
助コイルの巻き数をＮ回より少なくし、特に、前記補助
コイルの巻き数を前記メインコイルの巻き数の１／３に
した。

【００１２】また、前記メインコイルと前記補助コイル
とが、プリント配線基板の片側面上に形成され、又は両
側面上に分かれて形成されるようにした。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明による電磁誘導ア
ンテナ装置の実施形態について、図を参照しながら説明
する。先ず、本実施形態の電磁誘導アンテナ装置におけ
る改良点に係る原理的な説明をする。

【００１４】一般に、電磁誘導アンテナ装置を駆動する
電力増幅回路において、増幅回路から負荷であるアンテ
ナ装置に最大電力を供給するためには、増幅回路の出力
インピーダンスと、アンテナ装置の入力インピーダンス
を整合させることが重要であることはよく知られている
ことである。ＩＣカードとそのリーダ・ライタとの無線
通信を行う場合にも、例外ではなく、リーダ・ライタに
備えられたアンテナ装置から効率よく空中線電力を放射
するために、アンテナ装置を駆動するリーダ・ライタ内
の電力増幅回路の出力インピーダンスと、そのアンテナ
装置の入力インピーダンスとの整合が重要である。

【００１５】ここで、リーダ・ライタの電力増幅回路の
出力インピーダンスが、搬送周波数ｆ₀で、図２に示し
たスミスチャート上において、ａ点で示されるとする。
アンテナ装置の場合、一般的には、コイルのインダクタ
ンスに対して、搬送波周波数ｆ₀に同調させるために、
コンデンサ等で調整することで、インピーダンスの整合
を取るようにしている。

【００１６】ところで、実際に、このインピーダンス整
合を計算し、計算値通りにアンテナを作成しても、アン
テナを構成するコイルの直流抵抗損失、寄生容量、同調
用コンデンサの特性バラツキ等の影響により、完全にイ
ンピーダンス整合を取ることはできない。アンテナ装置
の入力インピーダンスについて、図２のスミスチャート
上で表示すると、ｂ１点で示されるようになり、電力増
幅回路の出力インピーダンスと整合がずれている。

【００１７】このように、インピーダンス整合が取れて
いないということは、電力増幅回路から電力をアンテナ
装置に供給しても、効率よく空中線電力に変換されない
ことを意味する。そこで、限られた電力で、できる限り
遠方まで空中線を放射できるようにするには、上述のイ
ンピーダンス整合が十分に取れていなければならない。

【００１８】そこで、本実施形態によるアンテナ装置で
は、このインピーダンス整合を、電力増幅回路に接続さ
れたメインアンテナコイルに対して、巻き数、開口面積
を調整した補助コイルを配置することにより実現した。
本実施形態によるアンテナ装置の一具体例を、図３に示
した。図３において、アンテナ装置を構成するメインコ
イル３は、図１のＲＷアンテナコイル１と同様であり、
同調回路２を介して電力増幅回路（図示なし）に接続さ
れ、この電力増幅回路から電力供給を受け、空中線を放
射するものである。

【００１９】そして、メインコイル３の開口部の法線上
で、その中心が一致する補助コイル４を配置する。図中
では、補助コイル４をメインコイル３と区別するため
に、便宜的に破線で示した。図３の例では、補助コイル
４の開口面は、メインコイル３と平行であり、メインコ
イル３に相対向し近接している。実際に、ＩＣカードの
リーダ・ライタ用のアンテナ装置としてメインコイル３
を用いる場合には、メインコイル３は、プリント配線基
板上に形成されるので、補助コイル４を、メインコイル
３が形成された面と反対側の表面に形成されるようにし
てもよい。なお、図３では、メインコイル３と補助コイ
ル４との配置関係を説明する都合上簡単化し、これらを
離して示してある。

【００２０】ここで、本実施形態による電磁誘導アンテ
ナ装置での特徴は、メインコイル３に近接配置された補
助コイル４が、開ループで構成されていることである。
補助コイル４の両端を短絡し、閉ループに形成すると
か、或いは、コンデンサを両端間に挿入するといったこ
とを行うと、リーダ・ライタのアンテナであるメインコ
イル３に電力供給され、空中線が放射されるとき、電磁
誘導によって補助コイルにも電流が流れることになる。
補助コイルにこの電流が流れるということは、相互誘導
によってメインコイル３から放射された磁束とは反対向
きの磁束が補助コイルから発せられることになる。結果
として、リーダ・ライタから放射される磁束を弱めるこ
とになるため、ＩＣカードへの電力供給の能力を低下さ
せることになる。

【００２１】そのため、補助コイル４では、開ループを
採用している。なお、完全な開ループとせずに、補助コ
イル４の両端に高抵抗を接続しても良い。この場合の抵
抗には、補助コイル４のループ内を流れる電流がほとん
ど無視できる程度の高抵抗値のものを使用する。また、
仮に、補助コイル４の両端間にコンデンサを挿入して、
搬送波周波数ｆ ₀に同調させようとすると、メインコイ
ル３との干渉が発生し、非常に敏感な状態に陥り、イン
ピーダンス整合の調整が非常に困難となる。

【００２２】これらの理由により、図３の補助コイル４
は、開ループで構成される。その両端は、その間隔が狭
くても、又は広くてもよく、開放状態となっていればよ
い。そして、補助コイル４について、そのコイルの巻き
数、開口面積、メインコイル３との距離を調整すること
で、アンテナ装置としての入力インピーダンスの微調整
をすることができる。

【００２３】この微調整される様子を、図２のスミスチ
ャート上に示した。補助コイル４をメインコイル３に配
置しないときには、アンテナ装置の入力インピーダンス
は、ｂ１点であったが、巻き数、開口面積、メインコイ
ルとの位置を調整した補助コイル４を配置すると、ｂ１
点の位置からｂ２点に変化しており、インピーダンスが
誘導性方向に移動し、インピーダンス整合を容易に調整
できることが分かる。

【００２４】このように、両端を開放した開ループコイ
ルを補助コイル４としてメインコイル３に適当な位置関
係で配置することにより、インピーダンス整合が容易に
図ることができ、非接触型ＩＣカードに効率的に電力が
供給されることになり、その通信距離の増大、通信品質
の向上に効果をもたらすものである。以上では、本実施
形態の具体例として、リーダ・ライタのアンテナがプリ
ント配線基板上に形成されている場合であって、メイン
コイル３が配置された該基板面と反対側の面に補助コイ
ル４を配置した例について説明したが、両者を基板の表
裏に位置させることに限られるものではない。

【００２５】要は、補助コイル４の両端が開放状態にあ
り、しかも、補助コイル４がメインコイル３に対し近接
して配置され、補助コイル４の巻き方向が、メインコイ
ル３と同方向であり、直列共振回路を形成することがこ
とにある。そのため、リーダ・ライタのアンテナ装置と
しては、メインコイル３が担うものであり、データの送
受信を行っており、補助コイル４はこの送受信には使用
されない。

【００２６】このような要件を満たすものであれば、補
助コイル４をメインコイル３に対して適当に配置するこ
とができる。図３の例では、基板の表裏の関係で配置し
た場合を示したが、他の具体例として、図４に、メイン
コイル３と補助コイル４とを基板の片面に配置した場合
を示した。図４の（ａ）では、メインコイル３が配設さ
れているプリント配線基板の面上に、補助コイル４が、
メインコイル３と同心で、かつその内側に配置した例を
示した。また、同（ｂ）では、（ａ）の場合とは反対
に、基板面上であるが、メインコイル３の外側に配置し
た例を示した。

【００２７】なお、図４では、補助コイル４をメインコ
イル３の内側又は外側に配置したが、補助コイル４をメ
インコイル３の巻き線間に組み込んでもよい。また、メ
インコイル３及び補助コイル４を円形とした場合で説明
してきたが、円形に限られず、多角形状のものでもよ
い。ただ、補助コイル４の形状は、メインコイル３の形
状に合わせる方が、効率的である。

【００２８】さらに、メインコイル３及び補助コイル４
を同一基板上に配設せずとも、それぞれ個別に形成して
近接配置してもよい。次に、メインコイル３に補助コイ
ル４を配置した場合の効果について、実際に行った実験
結果を示しながら説明する。その補助コイル４を配置し
た効果を図５に示した。

【００２９】この実験は、ＲＷアンテナとなるメインコ
イル３の直下に、両端がオープンとなっている補助コイ
ル４を配置し、同調回路２を介して搬送波信号を発信さ
せた。メインコイル３と補助コイル４との位置関係は、
図３に示されるように、補助コイル４の中心が、メイン
コイル３に対して同心円となるようにした。そして、そ
の発信強度をスペクトルアナライザでメインコイル３の
中心から垂直方向に距離ｄの空間の電圧（μＶ）を測定
した。

【００３０】メインコイル３と補助コイル４との関係を
把握するため、補助コイル４の巻き数を変化させ、同様
にしてスペクトルアナライザで電圧を測定した。その巻
き数は、０、つまり、補助コイル無しの場合から、メイ
ンコイル３の巻き数Ｎまで変化させた。また、補助コイ
ル４の半径については、メインコイル３の半径をｒとし
て、ｒ、０．５ｒ及び１．１ｒの３種類を用意し、同様
にしてスペクトルアナライザで電圧を測定した。

【００３１】これらのように変化させた条件のもとで測
定された測定値から、次式で電界強度を算出する。電界強度（ｄＢμＶ／ｍ）＝Ｖsa＋ＡＦ＋２０・ｌｏｇ（Ｚe）＝Ｖsa＋ＡＦ＋５１．５ここで、Ｖsaは、ｄＢμＶで表したスペクトラムアナラ
イザによる測定電圧を、ＡＦは、スペクトラムアナライ
ザの受信に用いたアンテナ装置のアンテナ係数を、そし
て、Ｚeは、電界インピーダンス３７７Ωをそれぞれ示
している。

【００３２】空間電圧を測定する際には、メインコイル
３からの搬送波出力を一定とし、メインコイル３の内径
半径を、一定値ｒとし、さらに、メインコイル３の巻き
数をＮとし変えないでおく。巻き数Ｎについては、搬送
波周波数以下で、自己共振を起こさない範囲で設定し
た。なお、補助コイル４の線幅については、メインコイ
ル３のそれと一致したものとなっている。

【００３３】以上のような測定条件のもとで測定した結
果が、図５に示されている。同図において、縦軸に示さ
れた電界強度値は、Ｖ／ｍに換算されており、横軸に
は、補助コイル４の巻き数を示している。そして、補助
コイル４の半径が３種類のものを用意し、それぞれにつ
いて測定した。実線が、メインコイル３の半径ｒと同じ
大きさの場合の巻き数に対する変化、破線が、メインコ
イル３の半径ｒの１／２の場合のその変化、そして、点
線が、メインコイル３の半径より僅かに大きい１．１ｒ
の場合のその変化をそれぞれ示している。

【００３４】図５において、３通りの場合に共通した特
徴として、補助コイル４の巻き数を増やしていくと最大
値を示す部分がある。補助コイル４の巻き数が０の場
合、つまり、メインコイル３に補助コイル４を配置しな
い場合に対して、何らかの巻き数を有する補助コイル４
を配置すると、放射された空中線に関して測定された電
界強度が増大し、補助コイル４の内径を変えても同様の
特徴を有していることが分かる。０．５ｒの半径による
補助コイル４の場合には、その巻き数をメインコイル３
の巻き数まで変えても、測定される電界強度は、補助コ
イル無しに比べて全体的に増える傾向を示している。

【００３５】特に、メインコイル３の巻き数をＮ１、補
助コイル４の巻き数をＮ２とすると、補助コイル４の巻
き数Ｎ２が、Ｎ１：Ｎ２＝３：１となる付近で顕著な効
果があることが分かる。これまでは、メインコイル３の
巻き数Ｎを一定としたが、この巻き数Ｎを変えて同様の
条件で測定を行っても、概ね同様の結果を得ることがで
きた。

【００３６】また、メインコイルと補助コイルとからな
る電磁誘導アンテナ装置をリーダ・ライタに配設した場
合を説明したが、非接触型ＩＣカード側にも、当然のこ
とながら、リーダ・ライタと通信を行うアンテナが必要
であり、この非接触型ＩＣカードのアンテナ装置に、本
実施形態によるメインコイルと補助コイルとを有する電
磁誘導アンテナ装置を採用することができる。

【００３７】このように、本実施形態の両端を開放状態
とした補助コイルを有する電磁誘導アンテナ装置によれ
ば、メインアンテナと補助コイルとは互いに電磁結合状
態となり、このときのアンテナ装置のインピーダンス
は、相互インダクタンスＭが合成された状態となり、ア
ンテナ装置の抵抗損失分を変えずに、インダクタンスを
大きく見せることができるので、このインダクタンス成
分が増えたことにより、結果として電磁誘導が増大す
る。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、リーダ
・ライタのＲＷアンテナコイルに、両端を開放状態にし
た補助コイルを近接配置することにより、アンテナ装置
の入力インピーダンスを容易に調整することができ、し
かも、アンテナ装置の抵抗損失分には影響を与えること
なく、インダクタンス成分を増やすことができるので、
非接触型ＩＣカードに対するリーダ・ライタの通信距離
を広範囲に拡大することができ、さらに、安定通信を実
行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来に用いられている電磁誘導アンテナ装置の
構成を示す図である。

【図２】本実施形態による電磁誘導アンテナ装置に係る
スミスチャート図である。

【図３】本実施形態の一具体例による電磁誘導アンテナ
装置の構成を示す図である。

【図４】本実施形態の他の具体例を示す図である。

【図５】本実施形態による電磁誘導アンテナ装置におけ
る二次コイルの効果を説明する特性グラフである。

【符号の説明】

１…ＲＷアンテナコイル２…同調回路３…メインコイル４…補助コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】通信を行う空中線を放射又は受信するメ
インコイルと、前記メインコイルの開口面と平行に近接配置され、かつ
両端を開放状態にした補助コイルと、を有する電磁誘導
アンテナ装置。
【請求項２】前記補助コイルが、前記メインコイルと
中心を一致させて該メインコイルの内側又は外側に近接
配置されている請求項１に記載の電磁誘導アンテナ装
置。
【請求項３】前記補助コイルが、前記メインコイルの
巻線間で該巻線に沿って配置されている請求項１に記載
の電磁誘導アンテナ装置。
【請求項４】前記補助コイルが、前記メインコイルと
中心を一致させて相対向して近接配置されている請求項
１に記載の電磁誘導アンテナ装置。
【請求項５】前記メインコイルの巻き数がＮ回である
場合に、前記補助コイルの巻き数をＮ回より少なくした
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電磁誘導アンテ
ナ装置。
【請求項６】前記補助コイルの巻き数を前記メインコ
イルの巻き数の１／３にした請求項５に記載の電磁誘導
アンテナ装置。
【請求項７】前記メインコイルと前記補助コイルと
が、プリント配線基板の片面上に形成され、又は両面上
に分かれて形成されている請求項１乃至６のいずれか一
項に記載の電磁誘導アンテナ装置。
【請求項８】前記メインコイルに、リーダ・ライタの
電力増幅回路から通信信号が供給される請求項１乃至７
のいずれか一項に記載の電磁誘導アンテナ装置。
【請求項９】前記メインコイルと前記補助コイルと
が、非接触型ＩＣカードに配設されている請求項１乃至
８のいずれか一項に記載の電磁誘導アンテナ装置。