JP2005033629A

JP2005033629A - 非接触式ｉｃカードリーダライタ

Info

Publication number: JP2005033629A
Application number: JP2003272167A
Authority: JP
Inventors: Hiroichi Suga; 博一須賀; Takeshi Shimada; 剛島田
Original assignee: NEC Infrontia Corp
Current assignee: NEC Platforms Ltd
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】離れたＩＣカードとの間で広範囲に指向性良く安定して無線通信し得る小型アンテナ部を持つ非接触式ＩＣカードリーダライタを提供すること。
【解決手段】この非接触式ＩＣカードリーダライタは、離間されたＩＣカード３００との間で非接触式で無線通信を行うための５つのループアンテナ２０１〜２０５から成るアンテナ部２００と、アンテナ部２００に対して無線通信を行わせるための空中線電力を供給する制御部とを備えて構成されるが、アンテナ部２００は、一つの通信面（異なる方向性を持って繋がった平坦な五面を持つ凸状五面体の表面を示す）にあって各ループアンテナ２０１〜２０５を直列接続して立体的に配置（凸状五面体の表面における五面の一面毎にそれぞれに１つずつ配置）することにより一つの広指向性アンテナ機能を持たせた構造となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、主として離間されたＩＣカードとの間で非接触式で無線通信を行うためのアンテナ部を有すると共に、携帯端末通信機器等に組み込まれる非接触式ＩＣカードリーダライタに関する。

従来、この種の非接触式ＩＣカードリーダライタに用いられるアンテナ部としては、幾つかのものが開発されており、その一例では矩形ループ形状のメインアンテナの周りに矩形ループ形状のサブアンテナを一筆書き状に接続し、これらのメインアンテナとサブアンテナとに流れる電流の向きを反対にした構成とし、外部への影響が少なくて安定した通信エリアを目的に合わせて形成できるもの（特許文献１参照）としている。

又、非接触式ＩＣカードリーダライタに用いられるアンテナ部の他例では、ハウジングの各面の所定箇所にそれぞれ巻き状にアンテナを設けた構成とし、小型のＩＣカードと異なるサイズのＩＣカード（大型ＩＣカード）との間で通信可能なもの（特許文献２参照）としている。

更に、非接触式ＩＣカードリーダライタに用いられるアンテナ部の別例では、アンテナ素子の形状を凹面状にした凹面アンテナを構成し、かざす角度によらず安定して無線通信を行い得るもの（特許文献３参照）としている。

一般に、このような非接触式ＩＣカードリーダライタに用いられるアンテナ部のサイズは、ＩＣカード内に形成されているループアンテナの大きさと比べて同等以上の大きさのものが使用されており、これによって安定した状態で無線通信が行われるようになっている。又、ＩＣカードとの通信範囲を広範囲とするため、非接触式ＩＣカードリーダライタに用いられるアンテナ部のサイズを大きくしたり、或いはアンテナ部の形状を工夫する等の手法が採られている。
特開平１１−２１３１０８号公報（要約、図５）特開平１１−３５３４２８号公報（要約、図１）特開２００３−８３２４号公報（要約、図１）

上述した特許文献１乃至特許文献３に係る非接触式ＩＣカードリーダライタ用のアンテナ部の場合、ＩＣカード内のループアンテナとの間で無線通信を安定した状態で行わせるためにアンテナ部のサイズをＩＣカード内のループアンテナと比べて同等以上の大きさのものを使用したり、或いはＩＣカードとの間の通信範囲を広範囲とするためにアンテナ部のサイズを大きくしたり、或いはアンテナ部の形状を工夫しているが、昨今の小型化・軽量化が顕著な携帯端末通信機器等に組み込まれる非接触式ＩＣカードリーダライタに対して小型化が要求されている事情に伴い、それに適用されるアンテナ部のサイズにも小型化を図ることが必須となっている状況下にあって、従来のアンテナ部のサイズでは小型化が見込まれる非接触式ＩＣカードリーダライタに組み込むことが困難である上、アンテナ部のサイズを小型化すると通信範囲が狭くなってしまうため、結果として従来の非接触式ＩＣカードリーダライタ用のアンテナ部（特許文献１〜３の何れにも該当する）にあっては、小型構造とした上で離間されたＩＣカードとの間で広範囲に指向性良く安定して無線通信が可能であるような性能を持たることができないという問題がある。

具体的に言えば、一般にプリント配線基板等の上にループ状に導電性パターンを形成した構造の既知のアンテナ部の場合、アンテナ部のサイズを小型化するとループアンテナが小さくなることによりＩＣカードとの間の通信範囲も狭くなってしまうという欠点を持つが、特許文献１のアンテナ部の場合には簡易なループによるメインループアンテナに対してサブループアンテナを組み合わせた構造であるために小型化された非接触式ＩＣカードリーダライタへの適用や広範囲な無線通信が困難であり、特許文献２のアンテナ部の場合にはハウジングの各壁面に巻き状アンテナを設けた構造であるために特許文献１の場合のような問題は或る程度解消されるものの、ここでは互いに９０度直角な外方向へ磁束が発生することにより離散された指向性となってＩＣカード内のループアンテナとの間での通信状態が安定しない方向領域が存在するものと考えられ、特許文献３のアンテナ部の場合には凹面アンテナ構造であるために大型化が避けられない構造であって特許文献１の場合と同様な難点がある他、特許文献２の場合とは反対に内方向の中心点（ＩＣカードが配置される箇所）へ向かって磁束が発生することにより集束された指向性となってＩＣカード内のループアンテナとの間における通信時にＩＣカード自体の設置場所が制約されてしまうという問題もある。従って、特許文献１〜３に代表される周知のアンテナ部では、小型構造とした上で離間されたＩＣカードとの間で広範囲に指向性良く安定して無線通信を行わせることができないという欠点を持っている。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、離間されたＩＣカードとの間で広範囲に指向性良く安定して無線通信が可能な小型構造のアンテナ部を持つ非接触式ＩＣカードリーダライタを提供することにある。

本発明によれば、ＩＣカードとの間で非接触式で無線通信を行うためのアンテナ部を有する非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、アンテナ部は、一つの通信面にあって複数のループアンテナを直列接続して立体的に配置することにより一つの広指向性アンテナ機能を持たせた構造である非接触式ＩＣカードリーダライタが得られる。

又、本発明によれば、上記非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、一つの通信面は、複数のループアンテナから発生する磁界をそれぞれ放射状に出力可能な凸型形状体の表面である非接触式ＩＣカードリーダライタが得られる。

更に、本発明によれば、上記非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、一つの通信面は、互いに異なる展開方向を持って繋がった平坦な多面から成り、複数のループアンテナは、多面の一面毎にそれぞれ一つずつ配置された非接触式ＩＣカードリーダライタが得られる。

加えて、本発明によれば、上記何れか一つの非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、複数のループアンテナの相互間は、ケーブル上からの不要な磁界発生を抑制するために同軸ケーブルで接続されるか、或いはツイストペアされたケーブルで接続された非接触式ＩＣカードリーダライタが得られる。

一方、本発明によれば、上記何れか一つの非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、アンテナ部に対してラジオ周波数による空中線電力を供給するためのＲＦ回路と、ＲＦ回路からの空中線電力に対して複数のループアンテナの全体におけるインピーダンスのマッチングを取った上で該複数のループアンテナへ供給するためのインピーダンスマッチング回路とを備えた非接触式ＩＣカードリーダライタが得られる。

他方、本発明によれば、上記非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、交流電源から供給される交流電圧に基づいてＲＦ回路における空中線電力にあってのラジオ周波数をドライブするためのＲＦドライバ回路を備え、インピーダンスマッチング回路は、ＲＦドライバ回路でラジオ周波数がドライブされた空中線電力に対して複数のループアンテナの全体におけるインピーダンスのマッチングを取った上で該複数のループアンテナへ供給する非接触式ＩＣカードリーダライタが得られる。

本発明の非接触式ＩＣカードリーダライタによれば、アンテナ部の構成を一つの通信面にあって複数のループアンテナを直列接続して立体的に配置することにより一つの広指向性アンテナ機能を持たせた構造としており、その基本的構造として各ループアンテナから発生する磁界をそれぞれ放射状に出力可能な凸型形状体の表面に対して各ループアンテナを立体的に配置するものとし、更に、互いに異なる方向性を持って繋がった平坦な多面を持つ凸状多面体の表面に対して各ループアンテナを多面の一面毎にそれぞれ一つずつ配置（この場合、ＩＣカードとの通信面と平行する面以外の他の面を任意な角度として設定すれば、指向性及び通信範囲の通信機能が調整可能となる）した構成としているので、指向性及び通信範囲を各ループアンテナ自体のサイズが持つものよりも格段に大きくすることが可能となり、結果として、このアンテナ部を備えれば、ＩＣカードとの間の通信範囲を広範囲にすることができ、小型構造でも離間されたＩＣカードとの間で広範囲に指向性良く安定して無線通信が可能となる。

非接触式ＩＣカードリーダライタにおけるアンテナ部の構成を一つの通信面にあって複数のループアンテナを直列接続して立体的に配置することにより一つの広指向性アンテナ機能を持たせた構造とするものである。

図１は、本発明の実施例１に係る非接触式ＩＣカードリーダライタの基本構成を示した簡易ブロック図である。

この非接触式ＩＣカードリーダライタは、離間されたＩＣカード３００との間で非接触式で無線通信を行うための５つのループアンテナ２０１〜２０５から成るアンテナ部２００と、アンテナ部２００に対して無線通信を行わせるための空中線電力Ｐを供給する制御部１００とを備えて構成される。

このうち、アンテナ部２００は、一つの通信面にあって各ループアンテナ２０１〜２０５を直列接続して立体的に配置することにより一つの広指向性アンテナ機能を持たせた構造となっている。尚、各ループアンテナ２０１〜２０５の相互間は、同軸ケーブルで接続を行うか、或いはツイストペアされたケーブルで接続を行うことにより、ケーブル上からの不要な磁界発生を抑制するための対策を施しているものとする。又、制御部１００は、一般的な周知構成のもので、外部のホストコンピュータとの間で接続を行うためのインターフェース１０１と、インターフェース１０１を介してホストコンピュータからの指令に従って無線通信に必要な演算処理を行う演算処理装置１０２と、演算処理の結果に従ってラジオ周波数（ＲＦ）による空中線電力Ｐをアンテナ部２００へ供給するためのＲＦ回路１０３とを備えて構成される。

即ち、この非接触式ＩＣカードリーダライタでは、ホストコンピュータからの指令に従って制御部１００から出力される空中線電力Ｐがアンテナ部２００に接続供給されると、アンテナ部２００の各ループアンテナ２０１〜２０５に流れる交流電流により磁束が発生し、磁束で形成される磁場によってＩＣカード３００との間で非接触で無線通信が行われる機能を持つものである。

図２は、この非接触式ＩＣカードリーダライタに備えられるアンテナ部２００の細部構成を例示した外観斜視図である。

図２を参照すると、ここでのアンテナ部２００は、下部の板状体から上方に一体的に延びた上部の互いに異なる方向性を持って繋がった平坦な五面を持つ凸状五面体の表面が上述した一つの通信面となっており、凸状五面体の表面における五面の一面毎にそれぞれに１つずつループアンテナ２０１，２０２，２０３，２０４，２０５が配備されてこれらが直列接続された上でアンテナユニットが構成されている。

具体的に言えば、アンテナ部２００のアンテナユニットにおいて、ループアンテナ２０１はＩＣカード３００との通信面と平行な一つの面に対し、図示した３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）におけるＺ軸方向でＺ＝０度の位置に設置されており、その他のループアンテナ２０２，２０３，２０４，２０５はＩＣカード３００との通信面と平行な一面に対してＺ軸方向で任意な角度α（但し、αは９０度未満であれば良く、図示する例では４５度未満となっている）で設けられた他の面にそれぞれ設置されている。尚、ここでの凸状五面体の表面におけるループアンテナ２０２〜２０５が配置される面の角度αは、使用条件下で要求される指向性及び通信範囲に見合うように設定されれば良いもので、その意味で通信機能を調整可能な構成となっている。

図３は、上述したアンテナ部２００において発生する磁束のベクトルを示した外観斜視図である。

図３では、アンテナ部２００のアンテナユニットにおいて、各ループアンテナ２０１〜２０５に交流電流を流したときにループアンテナ２０１から発生する磁束Φ１のベクトルはＺ方向に指向性を持つものとなり、ループアンテナ２０２，２０３，２０４，２０５から発生する磁束Φ２，Φ３，Φ４，Φ５のベクトルはそれぞれＺ方向に対して角度αを持った指向性となることを示している。

即ち、このアンテナ部２００では、直列接続された各ループアンテナ２０１〜２０５に交流電流を流すことで各ループアンテナ２０１〜２０５から磁界が発生するが、このときに各ループアンテナ２０１〜２０５から発生する磁界の特性は図３に示される磁束Φ１〜Φ５のベクトルが示す特性と同一となる。ここで、アンテナ部２００全体から発生する磁束Φを想定すれば、立体的に配置されて直列接続された各ループアンテナ２０１〜２０５から発生する各磁束Φ１〜Φ５をそれぞれ加算したものとして考えることができ、その様相は図３中に示されるように放射状となるが、こうした様相の磁束Φによって磁場が形成される。要するに、このアンテナ部２００の場合、各ループアンテナ２０１〜２０５を立体的に配置していることにより、各ループアンテナ２０１〜２０５から発生する磁界は、それぞれ異なる方向の指向性を持ち、アンテナ部２００全体から発生する磁界が放射状となって指向性及び通信範囲を各ループアンテナ２０１〜２０５のサイズが持つものよりも格段に大きくすることが可能となる。従って、このアンテナ部２００によれば、ＩＣカード３００との間の通信範囲を広範囲にすることが可能となり、結果として小型構造でも離間されたＩＣカード３００との間で広範囲に指向性良く安定して無線通信が可能となる。

図４は、このアンテナ部２００によるＩＣカード３００に対する通信性能を示す磁界の強さＨをアンテナ部２００からＩＣカード３００までの距離Ｄ，アンテナ部２００の半径ｒをパラメータとして含む関係式により導出する原理を説明するために示した概略図である。

このアンテナ部２００においても、通常の場合のようにプリント配線基板上にループ状の導電性パターンを形成して各ループアンテナ２０１〜２０５が形成されるものとするが、アンテナ部２００全体から発生する磁界の強さＨは、上述したパラメータであるアンテナ部２００からＩＣカード３００までの距離Ｄ，アンテナ部２００の半径ｒの他、アンテナ部２００に流れる電流Ｉｒ，アンテナ部２００のアンテナ巻数Ｎｒを含むパラメータの間でＨ＝Ｎｒ・Ｉｒ・ｒ^２／｛２・（ｒ^２＋Ｄ^２）^３／２｝なる関係式で表わされる。

この関係式によれば、アンテナ部２００全体の磁界の強さＨは、アンテナ部２００において流れる電流Ｉｒ，アンテナ巻数Ｎｒにそれぞれ比例し、且つアンテナ部２００の半径ｒの２乗に比例することが判る。又、アンテナ部２００から発生する磁界の範囲は、各ループアンテナ２０１〜２０５の大きさ（半径）に依存し、各ループアンテナ２０１〜２０５が大きい程、広範囲に磁界を発生することができる。

ところで、上述したアンテナ部２００へ空中線電力Ｐを供給するための制御部１００は、ＲＦ回路１０３でラジオ周波数（ＲＦ）による空中線電力Ｐをアンテナ部２００へ供給する構成として説明したが、アンテナ部２００の場合のように各ループアンテナ２０１〜２０５を直列接続している構成の場合、空中線電力Ｐの供給における電気的精度を高めることにより、一層通信精度を向上させることが可能である。

そこで、図５は、上述した制御部１００を改良した場合の実施例２に係る非接触式ＩＣカードリーダライタに備えられる制御部１００の要部構成を例示した簡易ブロック図である。

ここでは、交流電源４００から供給される交流電圧に基づいてＲＦ回路１０３における空中線電力Ｐにあってのラジオ周波数（ＲＦ）をドライブするためのＲＦドライバ回路１０４と、ＲＦ回路１０３からの空中線電力Ｐに対して各ループアンテナ２０１〜２０５の全体におけるインピーダンスのマッチングを取った上で各ループアンテナ２０１〜２０５へ供給するためのインピーダンスマッチング回路１０５とを先の図１に示した制御部１００におけるＲＦ回路１０３の後段に備えたものである。

このように改良された制御部１００では、インピーダンスマッチング回路１０５において、ＲＦドライバ回路１０４でラジオ周波数（ＲＦ）がドライブされた空中線電力Ｐに対して各ループアンテナ２０１〜２０５の全体におけるインピーダンスのマッチングを取った上で各ループアンテナ２０１〜２０５へ供給するため、空中線電力Ｐの供給における電気的精度を一層高めることができ、一層通信精度を向上させることが可能である。

尚、上述した実施の形態に係る非接触式ＩＣカードリーダライタにおいては、アンテナ２００の構成として５つのループアンテナ２０１〜２０５から成る場合を説明したが、アンテナ２００はこれ以外の複数個で構成されるものであって、且つそれらが磁界をそれぞれ放射状に出力可能な一つの通信面を成す凸型形状体（凸状多面体）の表面に対して立体的に配置されて直列接続される構成であれば、ループアンテナ自体の形状に拘らず、同等な効果が得られるので、アンテナ２００の構成は開示したものに限定されない。

本発明の非接触式ＩＣカードリーダライタの場合、非接触式ＩＣカードリーダライタの小型化に大いに寄与できて小型携帯端末通信機器への組み込みが有効になる他、ＩＣカード側における位置出し制限が緩和されて通信を行い易くなり、ＩＣカードのユーザ側、並びに非接触式ＩＣカードリーダライタの管理側の双方の通信作業における操作性が向上するようになる。又、本発明の非接触式ＩＣカードリーダライタの場合、アンテナ部へ空中線電力を供給する制御部に対し、空中線電力にあってのラジオ周波数（ＲＦ）をドライブするためのＲＦドライバ回路と、空中線電力に対して各ループアンテナの全体におけるインピーダンスのマッチングを取った上で各ループアンテナへ供給するためのインピーダンスマッチング回路とを備えているため、空中線電力の供給における電気的精度を高めることができ、これによって通信精度が一層向上するようになる。

本発明の非接触式ＩＣカードリーダライタの基本構成を示した簡易ブロック図である。（実施例１）図１に示す非接触式ＩＣカードリーダライタに備えられるアンテナ部の細部構成を示した外観斜視図である。（実施例１）図２に示すアンテナ部において発生する磁束のベクトルを示した外観斜視図である。（実施例１）図３で説明したアンテナ部によるＩＣカードに対する通信性能を示す磁界の強さをアンテナ部からＩＣカードまでの距離，アンテナ部の半径をパラメータとして含む関係式により導出する原理を説明するために示した概略図である。（実施例１）本発明の非接触式ＩＣカードリーダライタに備えられる制御部を改良した場合の要部構成を例示した簡易ブロック図である。（実施例２）

符号の説明

１００制御部
１０１インターフェース
１０２中央演算装置
１０３ＲＦ回路
１０４ＲＦドライバ回路
１０５インピーダンスマッチング回路
２００アンテナ部
２０１〜２０５ループアンテナ
３００ＩＣカード
４００交流電源
Ｐ空中線電力

Claims

ＩＣカードとの間で非接触式で無線通信を行うためのアンテナ部を有する非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、前記アンテナ部は、一つの通信面にあって複数のループアンテナを直列接続して立体的に配置することにより一つの広指向性アンテナ機能を持たせた構造であることを特徴とする非接触式ＩＣカードリーダライタ。
請求項１記載の非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、前記一つの通信面は、前記複数のループアンテナから発生する磁界をそれぞれ放射状に出力可能な凸型形状体の表面であることを特徴とする非接触式ＩＣカードリーダライタ。
請求項２記載の非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、前記一つの通信面は、互いに異なる展開方向を持って繋がった平坦な多面から成り、前記複数のループアンテナは、前記多面の一面毎にそれぞれ一つずつ配置されたことを特徴とする非接触式ＩＣカードリーダライタ。
請求項１〜３の何れか一つに記載の非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、前記複数のループアンテナの相互間は、ケーブル上からの不要な磁界発生を抑制するために同軸ケーブルで接続されるか、或いはツイストペアされたケーブルで接続されたことを特徴とする非接触式ＩＣカードリーダライタ。
請求項１〜４の何れか一つに記載の非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、前記アンテナ部に対してラジオ周波数による空中線電力を供給するためのＲＦ回路と、前記ＲＦ回路からの前記空中線電力に対して前記複数のループアンテナの全体におけるインピーダンスのマッチングを取った上で該複数のループアンテナへ供給するためのインピーダンスマッチング回路とを備えたことを特徴とする非接触式ＩＣカードリーダライタ。
請求項５記載の非接触式ＩＣカードリーダライタにおいて、交流電源から供給される交流電圧に基づいて前記ＲＦ回路における前記空中線電力にあっての前記ラジオ周波数をドライブするためのＲＦドライバ回路を備え、前記インピーダンスマッチング回路は、前記ＲＦドライバ回路で前記ラジオ周波数がドライブされた前記空中線電力に対して前記複数のループアンテナの全体におけるインピーダンスのマッチングを取った上で該複数のループアンテナへ供給することを特徴とする非接触式ＩＣカードリーダライタ。