JP2004064153A - リーダライタ用ループアンテナ - Google Patents
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Abstract
【課題】ICカードのかざし角度がいかなる角度でも極力データの授受を成功させるリーダライタ用ループアンテナを提供する。
【解決手段】このループアンテナは、2枚に分離した基板50、52と、基板50、52の端縁部に形成された複数のランド53、55と、基板50、52上に形成されたパターン間を電気的に接続するフレキシブル基板51により構成されている。尚、基板50、52上にはループアンテナを構成するパターン54が形成されており、ランド53、55間をフレキシブル基板51により接続することにより基板50、52上に電気的に接続されたループアンテナが形成される。
【選択図】 図6
【解決手段】このループアンテナは、2枚に分離した基板50、52と、基板50、52の端縁部に形成された複数のランド53、55と、基板50、52上に形成されたパターン間を電気的に接続するフレキシブル基板51により構成されている。尚、基板50、52上にはループアンテナを構成するパターン54が形成されており、ランド53、55間をフレキシブル基板51により接続することにより基板50、52上に電気的に接続されたループアンテナが形成される。
【選択図】 図6
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ループアンテナに関し、さらに詳しくは、折り曲げ可能なループアンテナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、ICカードと呼ばれる新しい情報記録媒体が、市場に広く出回っている。ICカードは、クレジットカード、銀行カード、ポイントカード等のカード状あるいはシート状の形状を備え、カードと一体的にIC(Integrated Circuit)が組み込まれているものを総称した名称である。特に非接触ICカードは、鉄道の駅改札における乗降時に使用される定期券等として、多くの駅で磁気カード方式と併用して採用されている。また、前記した非接触ICカードはデータのやり取りをリーダライタとの間で電波を介して行うため、非接触ICカードとリーダライタとの結合度が可能な限り強いことが望まれる。しかし、前記鉄道の駅改札における乗降時には、非接触ICカードをリーダライタの読み取り面にかざす方法が乗客によって千差万別であり、水平にかざしたり、ある角度をもってかざしたりして、必ずしも要求する方法でかざしてくれるとは限らない。この中で、非接触ICカードがリーダライタの読み取り面に対してほぼ直角にかざされた場合、リーダライタとの結合度が最も弱くなってしまう。この際、交信ミスによりエラーが発生した場合は、エラー処理として改札ゲートを閉鎖して通過を阻止するが、乗客にとってはサービスの低下となり必ずしも好ましいことではない。そのため、前記非接触ICカードをリーダライタに対してどのような角度でかざされた場合でも、可能な限りエラーとならないリーダライタの出現が望まれている。図9はICカード80をリーダライタ82の読み取り面に対してほぼ直角にかざした場合の模式図である。リーダライタ82から放射された磁力線81は図示しないコイルから放物線を描いて放射される。その中心にICカード80が直角にかざされた場合、磁力線81がICカード80に入射する角度θはかなり急峻になる。また、磁力線81の本数も最低となる。
図10は、これとは逆にICカード80をリーダライタ82に対してほぼ平行にかざした場合の模式図である。この場合は、磁力線81はICカード80に対して入射角βで入射し、β>θの関係になることは明白である。また、磁力線81の数も最大となる。
図11と図12は、図9と図10の中間の角度45度にした場合の模式図である。この図から明らかなように、磁力線81の入射角αは図10のβより小さいが磁力線81の数は図10と同様である。以上の結果から夫々の角度の関係は、β>α>θとなりリーダライタとICカードの電磁的な結合度は角度に比例して大きくなることがわかる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、リーダライタは、データのやり取りを電波で行うため、利便性が高い反面その信頼性と操作性も高く要求される。つまり、従来のリーダライタにおいては、乗客のICカードのかざし方によっては、改札通過時の滞留を来たし、乗客がスムーズに改札を通過できないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、ICカードのかざし角度がいかなる角度でも極力データの授受を成功させるリーダライタ用ループアンテナを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項1は、ループアンテナを介して所定の変調方式に基づく搬送電力の送信とデータの授受をICカードとの間で非接触にて行う非接触ICカード用リーダライタにおいて、前記ループアンテナの回路パターンを形成した複数の基板と、該複数の基板を回動自在に連結する機構的連結手段と、前記各基板上の回路パターン間を電気的に接続してループアンテナ回路を形成する電気的連結手段と、を備え、前記機構的連結手段を介して前記複数の基板を所定の角度に折り曲げて設置することを特徴とする。
リーダライタからは常時搬送波の磁力線が発生している。その磁力線に対してICカードがかざされた場合、最も起電力が大きくなる条件(つまり結合度が大きい条件)は、ICカードのループアンテナに入射する磁力線の入射角度が90°(直交する)の場合である。ところが、従来のリーダライタのループアンテナは平面的であり、ICカードがそのループアンテナに対して平行にかざされることを想定している。しかし、ICカードをかざす角度は利用者により千差万別であり、必ずしも結合度の高い角度でかざされるとは限らない。そこで、本発明では、リーダライタのループアンテナを機構的に折り曲げ可能とし、しかも、折り曲げられた基板間を電気的に連結するようにして、ICカードをかざす角度の違いにかかわらず、ICカードに入射する磁力線の角度を可能な限り直交するようにしてリーダライタとICカードとの結合度を高めるものである。
かかる発明によれば、リーダライタのループアンテナの基板を折り曲げて設置することにより、ICカードへの磁力線の入射角度を90°に近づけることができ、リーダライタとICカードとの結合度を高めることができる。
【0005】
請求項2は、前記機構的連結手段は、前記複数の基板の夫々の一端縁を櫛型に形成し、前記夫々の櫛型部をはめ込むことにより回動自在に連結したことを特徴とする。
ループアンテナが形成された1枚の基板を複数に分割して、それらを機構的に連結する手段は各種あるが、その一つの手段として各基板の端部を櫛型にしてその櫛型をはめ込んで連結する方法がある。この方法の利点は連結が強固で、しかも回動が容易な点である。
かかる発明によれば、複数の基板の端部を櫛型に形成してはめ込むことにより、機械的な連結が強固でありながら回動が容易となるので、角度の調整を正確に行うことができる。
請求項3は、前記機構的連結手段及び電気的連結手段は、前記複数の基板の夫々の一端縁に位置するパターンの端部間を屈曲自在な材質により構成されたフレキシブル基板から構成されていることを特徴とする。
複数の基板を機構的に連結する他の方法は、各基板の端部間を接続するパターンを形成しておき、そのパターン間をフレキシブル基板により接続する方法である。この方法の利点は、基板の外形を加工する必要が無く、パターンを形成するだけで可能な点である。
かかる発明によれば、各基板の端部に形成されたパターン間をフレキシブル基板により接続するので、機構的連結と電気的連結を同時に実現することができる。
【0006】
請求項4は、前記電気的連結手段は、前記複数の基板上に夫々形成された回路パターンを電気的に接続することにより、前記ループアンテナの回路を構成することを特徴とする。
複数の基板にはループアンテナのパターンが夫々形成されている。従って、これらのパターンを電気的に接続する必要がある。そして、その電気的連結手段により複数の基板を接続した時点で回路としてループアンテナが形成されることが好ましい。それには、複数の基板上に形成されたパターンの切断面を、ループアンテナの中心で分離する方法が一番パターンとして単純である。
かかる発明によれば、複数の基板上に形成されたループアンテナのパターンを中心から分離して、その間を電気的連結手段により接続することにより、ループアンテナが形成されるので、簡単なパターン構成で電気的連結手段を構成することができる。
請求項5は、前記複数の基板を折り曲げる角度は、前記非接触ICカードが何れかのパターン面に対して交叉するようにかざされた場合、前記非接触ICカードに入射する磁力線の入射角度が最大で、且つ前記磁力線の数が最大となるとなるように設定されることを特徴とする。
複数の基板を分割してその間を機構的、電気的に連結することにより、基板として所定の角度に設定が可能となり、それにより、パターンから放射される磁力線の入射角度と磁力線の本数を最適な値に設定することが可能となる。
かかる発明によれば、複数の基板の角度を任意に設定することが可能なため、リーダライタのループアンテナからICカードへの磁力線の角度と本数を最適な値に設定することができ、両者の結合度を高くすることができる。
【0007】
請求項6は、前記リーダライタは、前記ループアンテナを保護する外装カバーを備え、該外装カバーの前記非接触ICカードのかざし面が前記リーダライタへ進入する方向に対する該外装カバーの傾斜角度が、前記かざし面と対向する前記基板のパターン面の傾斜角度と略等しく構成されていることを特徴とする。
リーダライタのループアンテナは実際の装置に組み込まれる場合、外装カバー内に実装される。例えば、駅改札装置の場合、乗客の進入方向に対して所定の角度の傾斜を設けておくことが操作性の点で好ましい。この場合、外装カバー内のループアンテナの何れかの基板は、外装カバーのかざし面と平行になるように同じ傾斜角度で実装される。
かかる発明によれば、外装カバーのかざし面の傾斜角度とかざし面と対向するパターン面の傾斜角度を同じにすることにより、かざし面とパターン面が平行になり、ICカードとリーダライタの電波の結合度を強くすることができる。
請求項7は、前記リーダライタは、前記ループアンテナを保護する外装カバーを備え、該外装カバーの前記非接触ICカードのかざし面が前記リーダライタからの退出する方向に対する該外装カバーの傾斜角度が、前記かざし面と対向する前記基板のパターン面の傾斜角度と略等しく構成されていることを特徴とする。
請求項6とは逆に、乗客の退出方向のかざし面の傾斜角度と、その面と対応するパターン面の傾斜角度とを同じにする。
かかる発明によれば、外装カバーのかざし面の傾斜角度とかざし面と対向するパターン面の傾斜角度を同じにすることにより、かざし面とパターン面が平行になり、ICカードとリーダライタの電波の結合度を強くすることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
先ず、本発明の実施形態の説明の前に、一般的なリーダライタと非接触ICカード(以下、単にICカードと記す)の構成と、その動作について説明しておく。図1は、リーダライタの構成を示すブロック図である。このリーダライタ100は、図示しない外部のコンピュータとのデータの通信プロトコルを司る送受信装置1と、リーダライタ100全体の動作を制御する制御装置2と、制御装置2を動作させる手順を記録したファームウェアを格納するメモリ装置3と、制御装置2からのデータを搬送波に乗せて変調する変調器4と、操作コマンドを入力する入力装置5と、制御装置2からの情報を表示する表示装置6と、制御装置2からの交流信号である電力供給用信号と変調器4からの書き込みコマンドを電力増幅する電力増幅器7と、ループアンテナ9から受信した信号から2値化データに変換する検波復調器8と、図示しないICカードとの電力用搬送波とデータの授受をするループアンテナ9と、から構成されている。
次に、本構成によるリーダライタ100の動作を説明する前に、対を成すICカードの構成を先に説明しておく。図2は、ICカードの構成を示すブロック図である。このICカード200は、前記リーダライタ100からの電力用搬送波によりデータの授受をするループアンテナ20と、書き込みコマンド読み出しコマンドを送受する送受信回路21と、ループアンテナ20からの電力用搬送波を受け、それを整流して直流電力に変換する電力生成回路22と、制御用ファームウェアとデータの一時記憶を司るメモリ装置23と、制御回路26からの搬送波に送信コマンドを乗せて変調する変調器24と、送受信回路21からの搬送波データから2値化データに変換する復調器25と、ICカード200の全体の動作を制御する制御回路26から構成されている。
【0009】
次に、図1と図2を併せて参照してそれぞれの動作について説明する。リーダライタ100は、図示しない電源が入れられると制御装置2のイニシャル動作後、メモリ装置3に記憶されたプログラムに従い動作を開始する。まず、制御装置2は、ICカード200に供給する電力供給用信号と、ポーリング信号を交互に電力増幅器7から送信する。その信号は、ループアンテナ9から電磁波として外部に放射される。次に、ICカード200がリーダライタ100に近接すると、ループアンテナ20が電力供給用信号を受信し、電力生成回路22によりその搬送波を整流して直流電力に変換して、カード内の全ての回路に供給する。電力を供給されて制御回路26が駆動すると、メモリ装置23に格納されたプログラムに従って、制御を開始する。
次に、ICカード200の制御回路26は、まず送受信回路21からコマンドを復調器25で復調して2値化信号に変換し、そのコマンドを解析する。その結果自分が呼び出されていることを認識すると、レスポンスを、変調器24により変調して送受信回路21を介してループアンテナ20から送信する。
このレスポンスをリーダライタ100がループアンテナ9で受信して、検波復調器8で2値化コードに変換し、制御回路2により解析してICカード200が規格に合致したカードであると認識する。それにより、以後リーダライタ100とICカード200の間で通信が行われる。ICカード200の無電池タイプは、リーダライタ100に、このカードを近接して非接触状態でリーダライタ100からの搬送波を内部のループアンテナ20で受信し、それを整流して自らの電力として駆動するタイプである。従って、あくまでも最初のアクセスは、リーダライタ100側であり(これをリーダライタtalk first/カードlistenと呼ぶ)、その後、リーダライタ100からの固有の呼び出しコードを認識して初めて返信するものである。
【0010】
このように、リーダライタとICカードは夫々のループアンテナを介してデータの交信が行われるため、各ループアンテナが互いに電磁的な結合が強い程、データのS/Nが高くなってデータエラーの確率を減らすことができる。そして、ループアンテナからの起電圧Vはループアンテナに入射する磁力線の角度をθとすれば、V=V×sinθで与えられる。言い換えると、Vを最大にするにはsinθ=1にすることであり、その時のθは90度である。つまりループアンテナに入射する磁力線の角度を可能な限りループアンテナ面に対して直交するようにすることが重要である。
【0011】
図3は本発明のリーダライタ用のループアンテナにICカード32をほぼ直交してかざした場合の磁力線との関係を説明する模式図である。点線は従来のループアンテナ30、35の位置を表し、本発明との比較のために記す。本発明のループアンテナは、中心線36に対してほぼ対称的に基板31と34が夫々θ1、θ2の角度をもって傾斜している。本発明の場合はθ1=θ2としているが、必ずしもその必要はない。まず、説明を簡略化するために磁力線を1本として説明する。従来のループアンテナ35から放射された磁力線37は入射角βでICカード32に入射する。これに対して、本発明のループアンテナ34から放射された磁力線33は入射角αによりICカード32に入射する。他の磁力線も同様に同じ角度で入射する。この時明らかに磁力線の入射角βとαの間には、β<αの関係がある。これから明らかなように、磁力線の数は同じであるが、ICカード32に入射する角度が本発明の方が従来より大きくなり、図10〜12で説明したように、リーダライタとICカードとの結合度が大きくなる。
ここで、ループアンテナ31と34の傾斜角θ1、θ2をさらに大きくすれば、磁力線33の入射角αは大きくなるが、その分ICカード32のかざせる範囲が狭まり結局磁力線の数が少なくなるので、おのずと限界がある。
図4は、本発明のリーダライタ用のループアンテナにICカードを水平と所定の角度でかざした場合の磁力線との関係を説明する模式図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。ICカード37は従来のループアンテナ30、35に対して水平にかざした場合であり、本発明のループアンテナ31、34に対しては相対的に角度θ1、θ2で傾斜していることになる。この場合、従来のループアンテナ30、35に比較して磁力線の入射角度は前記図11、12で説明したように若干小さくなるが、その分ループアンテナとの距離が近くなり結合度をそれにより減ずるものではない。また、ICカード38の場合は、ループアンテナ34に対しては相対的にγ+θ2の角度で傾斜していることになり、ICカード37に比べて入射角が小さくなるが、反対にループアンテナ31に対しては相対的にほぼ平行の関係になるので、入射角は大きくなり、両者を相殺して結合度を減ずることにはならない。
【0012】
図5は、本発明の第1の実施形態に係るループアンテナの構造を説明する図である。(a)は側断面図であり、(b)は上面図である。このループアンテナは、2枚に分離した基板40、42と、基板40、42の端縁部に形成された複数の櫛型の可動部43、44を貫通して回動可能に連結する連結棒41と、基板40、42上に形成されたパターン間を電気的に接続する接続ワイヤ46により構成されている。尚、基板40、42上にはループアンテナを構成するパターン48が形成されており、ランド45、47間をワイヤ46により接続することにより基板40、42上に電気的に接続されたループアンテナが形成される。
このループアンテナは、機構的には2枚の基板40、42が櫛型の可動部43、44により連結棒41で連結され、電気的にはワイヤ46により両基板のパターン間を接続している。従って、基板40、42を折り曲げることにより、基板上に形成されたパターン面を所定の角度傾斜させることができる。尚、本実施形態では、ワイヤ46により両基板を電気的に接続したが、他の方法で接続しても構わない。また、櫛型の可動部の数と大きさは特に限定するものではない。
図6は本発明の第2の実施形態に係るループアンテナの構造を説明する図である。(a)は側断面図であり、(b)は上面図である。このループアンテナは、2枚に分離した基板50、52と、基板50、52の端縁部に形成された複数のランド53、55と、基板50、52上に形成されたパターン間を電気的に接続するフレキシブル基板51により構成されている。尚、基板50、52上にはループアンテナを構成するパターン57が形成されており、ランド53、55間をフレキシブル基板51により接続することにより基板50、52上に電気的に接続されたループアンテナが形成される。
このループアンテナは、機構的にはフレキシブル基板51の屈曲自在な性質を利用して2枚の基板50、52が可動するように連結され、電気的にはフレキシブル基板51に形成したパターン56により両基板のパターン間を接続している。従って、基板50、52を折り曲げることにより、基板上に形成されたパターン面を所定の角度傾斜させることができる。
【0013】
図7は、本発明の実施形態に係るループアンテナを改札装置に設置した一例の断面図である。改札装置は、金属、樹脂等の堅牢な材料により構成された外装カバー60と、その内部に実装された本発明のループアンテナ67により構成され、ループアンテナ67は基板63と65がフレキシブル基板64により接続され、基板63が水平面に対してγ2の角度で傾斜して設置されている。また、外装カバー60のかざし面68はγ1の角度で傾斜している。本実施形態ではγ1=γ2となるように構成され、かざし面68と基板63が平行になるように構成される。この時、基板65は異なる方向に傾斜角が水平面に対して所定の角度、若しくは基板63と同じ角度で傾斜して設置されている。
改札装置では乗客が矢印66の方向から進入する場合、かざし面68は人間工学的に算出された所定の角度でICカード61を受けるように傾斜していることが好ましい。このような構成にすることにより、ICカード61がかざし面68上にかざされた場合、かざし面68と基板63は同じ角度で傾斜しているので平行になり、結果的にICカード61と基板63が平行になって、基板63からの磁力線をほぼ直角に受けることができる。
図8は、本発明の実施形態に係るループアンテナを改札装置に設置した他の一例の断面図である。改札装置は、堅牢な材料により構成された外装カバー70と、その内部に実装された本発明のループアンテナ77により構成され、ループアンテナ77は基板73と75がフレキシブル基板74により接続され、基板75が水平面に対してγ2の角度で傾斜して設置されている。また、外装カバー70のかざし面78は水平面に対してγ1の角度で傾斜している。本実施形態ではγ1=γ2となるように構成され、かざし面78と基板75が平行になるように構成される。この時、基板73は異なる方向に傾斜角が水平面に対して所定の角度、若しくは基板75と同じ角度で傾斜して設置されている。
改札装置では乗客が矢印76の方向から進入する場合、別の観点から人間工学的に考えた場合、乗客は手より体が先に行く傾向がある。その場合、ICカードをかざす位置がむしろ体の後ろ側になり、かざし面を図7とは逆にした方が操作性の上で理に叶っている場合もある。このような構成にすることにより、ICカード71がかざし面78上にかざされた場合、かざし面78と基板75は同じ角度で傾斜しているので平行になり、結果的にICカード71と基板75が平行になって、基板75からの磁力線をほぼ直角に受けることができる。
【0014】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項1の発明によれば、リーダライタのループアンテナの基板を折り曲げて設置することにより、ICカードへの磁力線の入射角度を90°に近づけることができ、リーダライタとICカードとの結合度を高めることができる。
また請求項2では、複数の基板の端部を櫛型に形成してはめ込むことにより、機械的な連結が強固でありながら回動が容易となるので、角度の調整を正確に行うことができる。
また請求項3では、各基板の端部に形成されたパターン間をフレキシブル基板により接続するので、機構的連結と電気的連結を同時に実現することができる。また請求項4では、複数の基板上に形成されたループアンテナのパターンを中心から分離して、その間を電気的連結手段により接続することにより、ループアンテナが形成されるので、簡単なパターン構成で電気的連結手段を構成することができる。
また請求項5では、複数の基板の角度を任意に設定することが可能なため、リーダライタのループアンテナからICカードへの磁力線の角度と本数を最適な値に設定することができ、両者の結合度を高くすることができる。
また請求項6では、外装カバーのかざし面の傾斜角度とかざし面と対向するパターン面の傾斜角度を同じにすることにより、かざし面とパターン面が平行になり、ICカードとリーダライタの電波の結合度を強くすることができる。
また請求項7では、外装カバーのかざし面の傾斜角度とかざし面と対向するパターン面の傾斜角度を同じにすることにより、かざし面とパターン面が平行になり、ICカードとリーダライタの電波の結合度を強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のリーダライタの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明のICカードの構成を示すブロック図である。
【図3】本発明のリーダライタ用のループアンテナにICカード32をほぼ直交してかざした場合の磁力線との関係を説明する模式図である。
【図4】本発明のリーダライタ用のループアンテナにICカードを水平と所定の角度でかざした場合の磁力線との関係を説明する模式図である。
【図5】本発明の第1の実施形態に係るループアンテナの構造を説明する図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係るループアンテナの構造を説明する図である。
【図7】本発明の実施形態に係るループアンテナを改札装置に設置した一例の断面図である。
【図8】本発明の実施形態に係るループアンテナを改札装置に設置した他の一例の断面図である。
【図9】従来のICカードをリーダライタに対してほぼ直角にかざした場合の模式図である。
【図10】従来のICカードをリーダライタに対してほぼ平行にかざした場合の模式図である。
【図11】従来のICカードをリーダライタに対して45度にかざした場合の模式図である。
【図12】従来のICカードをリーダライタに対して45度にかざした場合の模式図である。
【符号の説明】
50、52 基板、53、55 ランド、51 フレキシブル基板、54 パターン
【発明の属する技術分野】
本発明は、ループアンテナに関し、さらに詳しくは、折り曲げ可能なループアンテナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、ICカードと呼ばれる新しい情報記録媒体が、市場に広く出回っている。ICカードは、クレジットカード、銀行カード、ポイントカード等のカード状あるいはシート状の形状を備え、カードと一体的にIC(Integrated Circuit)が組み込まれているものを総称した名称である。特に非接触ICカードは、鉄道の駅改札における乗降時に使用される定期券等として、多くの駅で磁気カード方式と併用して採用されている。また、前記した非接触ICカードはデータのやり取りをリーダライタとの間で電波を介して行うため、非接触ICカードとリーダライタとの結合度が可能な限り強いことが望まれる。しかし、前記鉄道の駅改札における乗降時には、非接触ICカードをリーダライタの読み取り面にかざす方法が乗客によって千差万別であり、水平にかざしたり、ある角度をもってかざしたりして、必ずしも要求する方法でかざしてくれるとは限らない。この中で、非接触ICカードがリーダライタの読み取り面に対してほぼ直角にかざされた場合、リーダライタとの結合度が最も弱くなってしまう。この際、交信ミスによりエラーが発生した場合は、エラー処理として改札ゲートを閉鎖して通過を阻止するが、乗客にとってはサービスの低下となり必ずしも好ましいことではない。そのため、前記非接触ICカードをリーダライタに対してどのような角度でかざされた場合でも、可能な限りエラーとならないリーダライタの出現が望まれている。図9はICカード80をリーダライタ82の読み取り面に対してほぼ直角にかざした場合の模式図である。リーダライタ82から放射された磁力線81は図示しないコイルから放物線を描いて放射される。その中心にICカード80が直角にかざされた場合、磁力線81がICカード80に入射する角度θはかなり急峻になる。また、磁力線81の本数も最低となる。
図10は、これとは逆にICカード80をリーダライタ82に対してほぼ平行にかざした場合の模式図である。この場合は、磁力線81はICカード80に対して入射角βで入射し、β>θの関係になることは明白である。また、磁力線81の数も最大となる。
図11と図12は、図9と図10の中間の角度45度にした場合の模式図である。この図から明らかなように、磁力線81の入射角αは図10のβより小さいが磁力線81の数は図10と同様である。以上の結果から夫々の角度の関係は、β>α>θとなりリーダライタとICカードの電磁的な結合度は角度に比例して大きくなることがわかる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、リーダライタは、データのやり取りを電波で行うため、利便性が高い反面その信頼性と操作性も高く要求される。つまり、従来のリーダライタにおいては、乗客のICカードのかざし方によっては、改札通過時の滞留を来たし、乗客がスムーズに改札を通過できないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、ICカードのかざし角度がいかなる角度でも極力データの授受を成功させるリーダライタ用ループアンテナを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項1は、ループアンテナを介して所定の変調方式に基づく搬送電力の送信とデータの授受をICカードとの間で非接触にて行う非接触ICカード用リーダライタにおいて、前記ループアンテナの回路パターンを形成した複数の基板と、該複数の基板を回動自在に連結する機構的連結手段と、前記各基板上の回路パターン間を電気的に接続してループアンテナ回路を形成する電気的連結手段と、を備え、前記機構的連結手段を介して前記複数の基板を所定の角度に折り曲げて設置することを特徴とする。
リーダライタからは常時搬送波の磁力線が発生している。その磁力線に対してICカードがかざされた場合、最も起電力が大きくなる条件(つまり結合度が大きい条件)は、ICカードのループアンテナに入射する磁力線の入射角度が90°(直交する)の場合である。ところが、従来のリーダライタのループアンテナは平面的であり、ICカードがそのループアンテナに対して平行にかざされることを想定している。しかし、ICカードをかざす角度は利用者により千差万別であり、必ずしも結合度の高い角度でかざされるとは限らない。そこで、本発明では、リーダライタのループアンテナを機構的に折り曲げ可能とし、しかも、折り曲げられた基板間を電気的に連結するようにして、ICカードをかざす角度の違いにかかわらず、ICカードに入射する磁力線の角度を可能な限り直交するようにしてリーダライタとICカードとの結合度を高めるものである。
かかる発明によれば、リーダライタのループアンテナの基板を折り曲げて設置することにより、ICカードへの磁力線の入射角度を90°に近づけることができ、リーダライタとICカードとの結合度を高めることができる。
【0005】
請求項2は、前記機構的連結手段は、前記複数の基板の夫々の一端縁を櫛型に形成し、前記夫々の櫛型部をはめ込むことにより回動自在に連結したことを特徴とする。
ループアンテナが形成された1枚の基板を複数に分割して、それらを機構的に連結する手段は各種あるが、その一つの手段として各基板の端部を櫛型にしてその櫛型をはめ込んで連結する方法がある。この方法の利点は連結が強固で、しかも回動が容易な点である。
かかる発明によれば、複数の基板の端部を櫛型に形成してはめ込むことにより、機械的な連結が強固でありながら回動が容易となるので、角度の調整を正確に行うことができる。
請求項3は、前記機構的連結手段及び電気的連結手段は、前記複数の基板の夫々の一端縁に位置するパターンの端部間を屈曲自在な材質により構成されたフレキシブル基板から構成されていることを特徴とする。
複数の基板を機構的に連結する他の方法は、各基板の端部間を接続するパターンを形成しておき、そのパターン間をフレキシブル基板により接続する方法である。この方法の利点は、基板の外形を加工する必要が無く、パターンを形成するだけで可能な点である。
かかる発明によれば、各基板の端部に形成されたパターン間をフレキシブル基板により接続するので、機構的連結と電気的連結を同時に実現することができる。
【0006】
請求項4は、前記電気的連結手段は、前記複数の基板上に夫々形成された回路パターンを電気的に接続することにより、前記ループアンテナの回路を構成することを特徴とする。
複数の基板にはループアンテナのパターンが夫々形成されている。従って、これらのパターンを電気的に接続する必要がある。そして、その電気的連結手段により複数の基板を接続した時点で回路としてループアンテナが形成されることが好ましい。それには、複数の基板上に形成されたパターンの切断面を、ループアンテナの中心で分離する方法が一番パターンとして単純である。
かかる発明によれば、複数の基板上に形成されたループアンテナのパターンを中心から分離して、その間を電気的連結手段により接続することにより、ループアンテナが形成されるので、簡単なパターン構成で電気的連結手段を構成することができる。
請求項5は、前記複数の基板を折り曲げる角度は、前記非接触ICカードが何れかのパターン面に対して交叉するようにかざされた場合、前記非接触ICカードに入射する磁力線の入射角度が最大で、且つ前記磁力線の数が最大となるとなるように設定されることを特徴とする。
複数の基板を分割してその間を機構的、電気的に連結することにより、基板として所定の角度に設定が可能となり、それにより、パターンから放射される磁力線の入射角度と磁力線の本数を最適な値に設定することが可能となる。
かかる発明によれば、複数の基板の角度を任意に設定することが可能なため、リーダライタのループアンテナからICカードへの磁力線の角度と本数を最適な値に設定することができ、両者の結合度を高くすることができる。
【0007】
請求項6は、前記リーダライタは、前記ループアンテナを保護する外装カバーを備え、該外装カバーの前記非接触ICカードのかざし面が前記リーダライタへ進入する方向に対する該外装カバーの傾斜角度が、前記かざし面と対向する前記基板のパターン面の傾斜角度と略等しく構成されていることを特徴とする。
リーダライタのループアンテナは実際の装置に組み込まれる場合、外装カバー内に実装される。例えば、駅改札装置の場合、乗客の進入方向に対して所定の角度の傾斜を設けておくことが操作性の点で好ましい。この場合、外装カバー内のループアンテナの何れかの基板は、外装カバーのかざし面と平行になるように同じ傾斜角度で実装される。
かかる発明によれば、外装カバーのかざし面の傾斜角度とかざし面と対向するパターン面の傾斜角度を同じにすることにより、かざし面とパターン面が平行になり、ICカードとリーダライタの電波の結合度を強くすることができる。
請求項7は、前記リーダライタは、前記ループアンテナを保護する外装カバーを備え、該外装カバーの前記非接触ICカードのかざし面が前記リーダライタからの退出する方向に対する該外装カバーの傾斜角度が、前記かざし面と対向する前記基板のパターン面の傾斜角度と略等しく構成されていることを特徴とする。
請求項6とは逆に、乗客の退出方向のかざし面の傾斜角度と、その面と対応するパターン面の傾斜角度とを同じにする。
かかる発明によれば、外装カバーのかざし面の傾斜角度とかざし面と対向するパターン面の傾斜角度を同じにすることにより、かざし面とパターン面が平行になり、ICカードとリーダライタの電波の結合度を強くすることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
先ず、本発明の実施形態の説明の前に、一般的なリーダライタと非接触ICカード(以下、単にICカードと記す)の構成と、その動作について説明しておく。図1は、リーダライタの構成を示すブロック図である。このリーダライタ100は、図示しない外部のコンピュータとのデータの通信プロトコルを司る送受信装置1と、リーダライタ100全体の動作を制御する制御装置2と、制御装置2を動作させる手順を記録したファームウェアを格納するメモリ装置3と、制御装置2からのデータを搬送波に乗せて変調する変調器4と、操作コマンドを入力する入力装置5と、制御装置2からの情報を表示する表示装置6と、制御装置2からの交流信号である電力供給用信号と変調器4からの書き込みコマンドを電力増幅する電力増幅器7と、ループアンテナ9から受信した信号から2値化データに変換する検波復調器8と、図示しないICカードとの電力用搬送波とデータの授受をするループアンテナ9と、から構成されている。
次に、本構成によるリーダライタ100の動作を説明する前に、対を成すICカードの構成を先に説明しておく。図2は、ICカードの構成を示すブロック図である。このICカード200は、前記リーダライタ100からの電力用搬送波によりデータの授受をするループアンテナ20と、書き込みコマンド読み出しコマンドを送受する送受信回路21と、ループアンテナ20からの電力用搬送波を受け、それを整流して直流電力に変換する電力生成回路22と、制御用ファームウェアとデータの一時記憶を司るメモリ装置23と、制御回路26からの搬送波に送信コマンドを乗せて変調する変調器24と、送受信回路21からの搬送波データから2値化データに変換する復調器25と、ICカード200の全体の動作を制御する制御回路26から構成されている。
【0009】
次に、図1と図2を併せて参照してそれぞれの動作について説明する。リーダライタ100は、図示しない電源が入れられると制御装置2のイニシャル動作後、メモリ装置3に記憶されたプログラムに従い動作を開始する。まず、制御装置2は、ICカード200に供給する電力供給用信号と、ポーリング信号を交互に電力増幅器7から送信する。その信号は、ループアンテナ9から電磁波として外部に放射される。次に、ICカード200がリーダライタ100に近接すると、ループアンテナ20が電力供給用信号を受信し、電力生成回路22によりその搬送波を整流して直流電力に変換して、カード内の全ての回路に供給する。電力を供給されて制御回路26が駆動すると、メモリ装置23に格納されたプログラムに従って、制御を開始する。
次に、ICカード200の制御回路26は、まず送受信回路21からコマンドを復調器25で復調して2値化信号に変換し、そのコマンドを解析する。その結果自分が呼び出されていることを認識すると、レスポンスを、変調器24により変調して送受信回路21を介してループアンテナ20から送信する。
このレスポンスをリーダライタ100がループアンテナ9で受信して、検波復調器8で2値化コードに変換し、制御回路2により解析してICカード200が規格に合致したカードであると認識する。それにより、以後リーダライタ100とICカード200の間で通信が行われる。ICカード200の無電池タイプは、リーダライタ100に、このカードを近接して非接触状態でリーダライタ100からの搬送波を内部のループアンテナ20で受信し、それを整流して自らの電力として駆動するタイプである。従って、あくまでも最初のアクセスは、リーダライタ100側であり(これをリーダライタtalk first/カードlistenと呼ぶ)、その後、リーダライタ100からの固有の呼び出しコードを認識して初めて返信するものである。
【0010】
このように、リーダライタとICカードは夫々のループアンテナを介してデータの交信が行われるため、各ループアンテナが互いに電磁的な結合が強い程、データのS/Nが高くなってデータエラーの確率を減らすことができる。そして、ループアンテナからの起電圧Vはループアンテナに入射する磁力線の角度をθとすれば、V=V×sinθで与えられる。言い換えると、Vを最大にするにはsinθ=1にすることであり、その時のθは90度である。つまりループアンテナに入射する磁力線の角度を可能な限りループアンテナ面に対して直交するようにすることが重要である。
【0011】
図3は本発明のリーダライタ用のループアンテナにICカード32をほぼ直交してかざした場合の磁力線との関係を説明する模式図である。点線は従来のループアンテナ30、35の位置を表し、本発明との比較のために記す。本発明のループアンテナは、中心線36に対してほぼ対称的に基板31と34が夫々θ1、θ2の角度をもって傾斜している。本発明の場合はθ1=θ2としているが、必ずしもその必要はない。まず、説明を簡略化するために磁力線を1本として説明する。従来のループアンテナ35から放射された磁力線37は入射角βでICカード32に入射する。これに対して、本発明のループアンテナ34から放射された磁力線33は入射角αによりICカード32に入射する。他の磁力線も同様に同じ角度で入射する。この時明らかに磁力線の入射角βとαの間には、β<αの関係がある。これから明らかなように、磁力線の数は同じであるが、ICカード32に入射する角度が本発明の方が従来より大きくなり、図10〜12で説明したように、リーダライタとICカードとの結合度が大きくなる。
ここで、ループアンテナ31と34の傾斜角θ1、θ2をさらに大きくすれば、磁力線33の入射角αは大きくなるが、その分ICカード32のかざせる範囲が狭まり結局磁力線の数が少なくなるので、おのずと限界がある。
図4は、本発明のリーダライタ用のループアンテナにICカードを水平と所定の角度でかざした場合の磁力線との関係を説明する模式図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。ICカード37は従来のループアンテナ30、35に対して水平にかざした場合であり、本発明のループアンテナ31、34に対しては相対的に角度θ1、θ2で傾斜していることになる。この場合、従来のループアンテナ30、35に比較して磁力線の入射角度は前記図11、12で説明したように若干小さくなるが、その分ループアンテナとの距離が近くなり結合度をそれにより減ずるものではない。また、ICカード38の場合は、ループアンテナ34に対しては相対的にγ+θ2の角度で傾斜していることになり、ICカード37に比べて入射角が小さくなるが、反対にループアンテナ31に対しては相対的にほぼ平行の関係になるので、入射角は大きくなり、両者を相殺して結合度を減ずることにはならない。
【0012】
図5は、本発明の第1の実施形態に係るループアンテナの構造を説明する図である。(a)は側断面図であり、(b)は上面図である。このループアンテナは、2枚に分離した基板40、42と、基板40、42の端縁部に形成された複数の櫛型の可動部43、44を貫通して回動可能に連結する連結棒41と、基板40、42上に形成されたパターン間を電気的に接続する接続ワイヤ46により構成されている。尚、基板40、42上にはループアンテナを構成するパターン48が形成されており、ランド45、47間をワイヤ46により接続することにより基板40、42上に電気的に接続されたループアンテナが形成される。
このループアンテナは、機構的には2枚の基板40、42が櫛型の可動部43、44により連結棒41で連結され、電気的にはワイヤ46により両基板のパターン間を接続している。従って、基板40、42を折り曲げることにより、基板上に形成されたパターン面を所定の角度傾斜させることができる。尚、本実施形態では、ワイヤ46により両基板を電気的に接続したが、他の方法で接続しても構わない。また、櫛型の可動部の数と大きさは特に限定するものではない。
図6は本発明の第2の実施形態に係るループアンテナの構造を説明する図である。(a)は側断面図であり、(b)は上面図である。このループアンテナは、2枚に分離した基板50、52と、基板50、52の端縁部に形成された複数のランド53、55と、基板50、52上に形成されたパターン間を電気的に接続するフレキシブル基板51により構成されている。尚、基板50、52上にはループアンテナを構成するパターン57が形成されており、ランド53、55間をフレキシブル基板51により接続することにより基板50、52上に電気的に接続されたループアンテナが形成される。
このループアンテナは、機構的にはフレキシブル基板51の屈曲自在な性質を利用して2枚の基板50、52が可動するように連結され、電気的にはフレキシブル基板51に形成したパターン56により両基板のパターン間を接続している。従って、基板50、52を折り曲げることにより、基板上に形成されたパターン面を所定の角度傾斜させることができる。
【0013】
図7は、本発明の実施形態に係るループアンテナを改札装置に設置した一例の断面図である。改札装置は、金属、樹脂等の堅牢な材料により構成された外装カバー60と、その内部に実装された本発明のループアンテナ67により構成され、ループアンテナ67は基板63と65がフレキシブル基板64により接続され、基板63が水平面に対してγ2の角度で傾斜して設置されている。また、外装カバー60のかざし面68はγ1の角度で傾斜している。本実施形態ではγ1=γ2となるように構成され、かざし面68と基板63が平行になるように構成される。この時、基板65は異なる方向に傾斜角が水平面に対して所定の角度、若しくは基板63と同じ角度で傾斜して設置されている。
改札装置では乗客が矢印66の方向から進入する場合、かざし面68は人間工学的に算出された所定の角度でICカード61を受けるように傾斜していることが好ましい。このような構成にすることにより、ICカード61がかざし面68上にかざされた場合、かざし面68と基板63は同じ角度で傾斜しているので平行になり、結果的にICカード61と基板63が平行になって、基板63からの磁力線をほぼ直角に受けることができる。
図8は、本発明の実施形態に係るループアンテナを改札装置に設置した他の一例の断面図である。改札装置は、堅牢な材料により構成された外装カバー70と、その内部に実装された本発明のループアンテナ77により構成され、ループアンテナ77は基板73と75がフレキシブル基板74により接続され、基板75が水平面に対してγ2の角度で傾斜して設置されている。また、外装カバー70のかざし面78は水平面に対してγ1の角度で傾斜している。本実施形態ではγ1=γ2となるように構成され、かざし面78と基板75が平行になるように構成される。この時、基板73は異なる方向に傾斜角が水平面に対して所定の角度、若しくは基板75と同じ角度で傾斜して設置されている。
改札装置では乗客が矢印76の方向から進入する場合、別の観点から人間工学的に考えた場合、乗客は手より体が先に行く傾向がある。その場合、ICカードをかざす位置がむしろ体の後ろ側になり、かざし面を図7とは逆にした方が操作性の上で理に叶っている場合もある。このような構成にすることにより、ICカード71がかざし面78上にかざされた場合、かざし面78と基板75は同じ角度で傾斜しているので平行になり、結果的にICカード71と基板75が平行になって、基板75からの磁力線をほぼ直角に受けることができる。
【0014】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項1の発明によれば、リーダライタのループアンテナの基板を折り曲げて設置することにより、ICカードへの磁力線の入射角度を90°に近づけることができ、リーダライタとICカードとの結合度を高めることができる。
また請求項2では、複数の基板の端部を櫛型に形成してはめ込むことにより、機械的な連結が強固でありながら回動が容易となるので、角度の調整を正確に行うことができる。
また請求項3では、各基板の端部に形成されたパターン間をフレキシブル基板により接続するので、機構的連結と電気的連結を同時に実現することができる。また請求項4では、複数の基板上に形成されたループアンテナのパターンを中心から分離して、その間を電気的連結手段により接続することにより、ループアンテナが形成されるので、簡単なパターン構成で電気的連結手段を構成することができる。
また請求項5では、複数の基板の角度を任意に設定することが可能なため、リーダライタのループアンテナからICカードへの磁力線の角度と本数を最適な値に設定することができ、両者の結合度を高くすることができる。
また請求項6では、外装カバーのかざし面の傾斜角度とかざし面と対向するパターン面の傾斜角度を同じにすることにより、かざし面とパターン面が平行になり、ICカードとリーダライタの電波の結合度を強くすることができる。
また請求項7では、外装カバーのかざし面の傾斜角度とかざし面と対向するパターン面の傾斜角度を同じにすることにより、かざし面とパターン面が平行になり、ICカードとリーダライタの電波の結合度を強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のリーダライタの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明のICカードの構成を示すブロック図である。
【図3】本発明のリーダライタ用のループアンテナにICカード32をほぼ直交してかざした場合の磁力線との関係を説明する模式図である。
【図4】本発明のリーダライタ用のループアンテナにICカードを水平と所定の角度でかざした場合の磁力線との関係を説明する模式図である。
【図5】本発明の第1の実施形態に係るループアンテナの構造を説明する図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係るループアンテナの構造を説明する図である。
【図7】本発明の実施形態に係るループアンテナを改札装置に設置した一例の断面図である。
【図8】本発明の実施形態に係るループアンテナを改札装置に設置した他の一例の断面図である。
【図9】従来のICカードをリーダライタに対してほぼ直角にかざした場合の模式図である。
【図10】従来のICカードをリーダライタに対してほぼ平行にかざした場合の模式図である。
【図11】従来のICカードをリーダライタに対して45度にかざした場合の模式図である。
【図12】従来のICカードをリーダライタに対して45度にかざした場合の模式図である。
【符号の説明】
50、52 基板、53、55 ランド、51 フレキシブル基板、54 パターン
Claims (7)
- ループアンテナを介して所定の変調方式に基づく搬送電力の送信とデータの授受をICカードとの間で非接触にて行う非接触ICカード用リーダライタにおいて、
前記ループアンテナの回路パターンを形成した複数の基板と、該複数の基板を回動自在に連結する機構的連結手段と、前記各基板上の回路パターン間を電気的に接続してループアンテナ回路を形成する電気的連結手段と、を備え、
前記機構的連結手段を介して前記複数の基板を所定の角度に折り曲げて設置することを特徴とするリーダライタ用ループアンテナ。 - 前記機構的連結手段は、前記複数の基板の夫々の一端縁を櫛型に形成し、前記夫々の櫛型部をはめ込むことにより回動自在に連結したことを特徴とする請求項1に記載のリーダライタ用ループアンテナ。
- 前記機構的連結手段及び電気的連結手段は、前記複数の基板の夫々の一端縁に位置するパターンの端部間を屈曲自在な材質により構成されたフレキシブル基板から構成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ループアンテナ。
- 前記電気的連結手段は、前記複数の基板上に夫々形成された回路パターンを電気的に接続することにより、前記ループアンテナの回路を構成することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のリーダライタ用ループアンテナ。
- 前記複数の基板を折り曲げる角度は、前記非接触ICカードが何れかのパターン面に対して交叉するようにかざされた場合、前記非接触ICカードに入射する磁力線の入射角度が最大で、且つ前記磁力線の数が最大となるとなるように設定されることを特徴とする請求項1項に記載のリーダライタ用ループアンテナ。
- 前記リーダライタは、前記ループアンテナを保護する外装カバーを備え、該外装カバーの前記非接触ICカードのかざし面が前記リーダライタへ進入する方向に対する該外装カバーの傾斜角度が、前記かざし面と対向する前記基板のパターン面の傾斜角度と略等しく構成されていることを特徴とする請求項1項に記載のリーダライタ用ループアンテナ。
- 前記リーダライタは、前記ループアンテナを保護する外装カバーを備え、該外装カバーの前記非接触ICカードのかざし面が前記リーダライタからの退出する方向に対する該外装カバーの傾斜角度が、前記かざし面と対向する前記基板のパターン面の傾斜角度と略等しく構成されていることを特徴とする請求項1項に記載のリーダライタ用ループアンテナ。
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- 2002-07-24 JP JP2002215815A patent/JP2004064153A/ja active Pending
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