JP2005110131A - 中継装置及び通信システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 情報読み出し書き込み装置の設置個所の制限による通信への影響を排除する。
【解決手段】 情報読み出し書き込み装置１０が有するアンテナコイル１１と電磁結合をする第１のアンテナコイル３１と、第１のアンテナコイル３１と直列接続され、非接触情報媒体２０が有するアンテナコイル２１と電磁結合をする第２のアンテナコイル３２と、第１のアンテナコイル３１と、第２のアンテナコイル３２と直列に接続される同調コンデンサ３３とを備え、第１のアンテナコイル３１と、第２のアンテナコイル３２と、同調コンデンサ３３とは、情報読み出し書き込み装置１０が有する共振回路１３の共振周波数及び非接触情報媒体２０が有する共振回路２３と同じ共振周波数で共振する共振回路３４を形成することで実現する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非接触ＩＣ（Integrated Circuit）タグや、非接触ＩＣカードといった非接触情報媒体を用いたＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）に関するものであり、詳しくは、非接触情報媒体と、情報読み出し書き込み装置との通信を良好とする中継装置、上記中継装置を用いた通信システムに関する。
非接触ＩＣカードや、非接触ＩＣタグといった非接触情報媒体を用いた通信システムであるＲＦＩＤシステムが考案、実施されている。ＲＦＩＤシステムは、非接触情報媒体に内蔵されているＩＣチップと、リーダライタとの間で情報通信がなされるものであり、例えば、駅の自動改札や、図書館における書籍の貸し出しなどに利用されており、今後も様々な分野で個人情報のやり取りに用いられることが予想される。
なお、非接触ＩＣカードとは、いわゆるクレジットカードなどのようにカード形状をした非接触情報媒体の総称である。一方、非接触ＩＣタグとは、カード形状以外の非接触情報媒体、例えば、クレジットカードよりも小さなラベルサイズ、切手サイズやそれ以下のサイズのもの、また、形状もカード形状だけではなく、丸型や、星形など様々な形状をした非接触情報媒体の総称である。
電磁結合方式によるＲＦＩＤシステムにおいて、非接触情報媒体は、リーダライタから送信された電波を受信し、受信した電波から電磁誘導によって動作電力を得ると共に、この電波を利用してリーダライタとの間でデータ通信を行う。非接触情報媒体と、リーダライタとは、この電波を送受信するためのアンテナコイルをそれぞれ内蔵している。このような、電磁結合方式のリーダライタと、非接触情報媒体との適切な通信距離は、概ね数ｃｍ〜数十ｃｍとなる。
特開２０００−３１５９０８号公報
非接触情報媒体が、例えば、非接触ＩＣカードである場合、通常、ＩＳＯ（International Organization for Standardization：国際標準化機構）で定められ、クレジットカードと同寸法のサイズ（縦５４ｍｍ、横８５．６ｍｍ、厚さ０．７６ｍｍ）が適用されることになる。
このとき、非接触ＩＣカードに内蔵されるアンテナコイル１００は、図１７（ａ）に示すように、リーダライタからの磁束がより多く通過するよう、非接触ＩＣカードの形状に近似した大きさとなっている。また、非接触情報媒体が、非接触ＩＣタグである場合には、当該非接触ＩＣタグの規格や、形状に応じて、リーダライタからの磁束がより多く通過するようなアンテナコイルの形状となる。
このように非接触情報媒体のアンテナコイルの形状は、規格などによって、ある程度定まることになる。
これに対し、リーダライタのアンテナコイルの形状は、リーダライタを搭載する被搭載機器の機器構成などに大きな影響を受けることになる。
例えば、被搭載機器を構成する各パーツが、被搭載機器の筐体内を密に占有している場合などは、リーダライタを適切に設置するのに十分なスペースを確保することができなくなる。このような場合には、アンテナコイルの形状や、アンテナコイルの面積を筐体内の空きスペースに応じて小さくしたり、被搭載機器の筐体裏側にリーダライタを取り付けたりすることで、僅かなスペースを有効に利用している。
特に、リーダライタを、被搭載機器の筐体裏側に取り付ける場合には、リーダライタのアンテナコイルが作る磁界から発せられた磁束を、非接触情報媒体のアンテナコイルに通過させるため、筐体を一部開口しなくてはならない。
一般に、筐体は、筐体内の回路を外部の衝撃などから保護する目的や、筐体内の電子回路から発せられる電磁ノイズなどを遮蔽する目的で設けられており、筐体に穴を開けるなどといった加工は、極力避けるべきであり、やむをえず開口する場合は、その開口面積をなるべく小さくする必要がある。
そのため、筐体の開口面積に応じてリーダライタのアンテナコイルも、非接触情報媒体に内蔵されるアンテナコイルよりも非常に小さい形状となってしまう。例えば、図１７（ｂ）に示す、リーダライタのアンテナコイル２００のように、図１７（ａ）に示す、非接触ＩＣカードに内蔵されるアンテナコイル１００よりも非常に小さいサイズとなってしまう。
このように、リーダライタ側のアンテナコイルのサイズが小さいと、このアンテナコイルに流れる電流によって生成される磁束も非常に少なくなるため、非接触情報媒体をリーダライタのアンテナコイル近傍に近づけても、非接触情報媒体のアンテナコイルを通過する磁束が僅かとなり、非接触情報媒体を動作させるのに必要な磁束量を得られないといった問題が生じてしまう。
図１８に、リーダライタに備えられたアンテナコイル２００で発生した磁界による磁束が、非接触ＩＣカードに内蔵されているアンテナコイル１００を通過する様子を示す。図１８に示すように、アンテナコイル１００を通過する磁束は、アンテナコイル２００の中心部の磁界による磁束のみであるため、適切な磁束量を得るためには、さらにアンテナコイル１００を近づけるようにしなくてはならない。
図１９に、金属製の筐体２０５の裏面に取り付けられたアンテナコイル２００を有するリーダライタ２０１と、アンテナコイル１００を有する非接触ＩＣカード１０１とからなる通信システム１５０を示す。
リーダライタ２０１は、基板２０４上に配置されたインダクタであるアンテナコイル２００と、アンテナコイル２００に直列に接続されて並列共振回路を形成する同調コンデンサ２０３と、非接触ＩＣカード１０１とのデータ送受信を制御するリーダライタ用ＩＣ２０２とを備えている。リーダライタ２０１が取り付けられた筐体２０５は、図１９に示すように、開口部２０５Ａによってアンテナコイル２００が取り付けられている位置を開口している。
リーダライタ２０１を搭載させる被搭載機器の筐体２０５は、強度を確保するといった理由や、内部の電子回路による電磁ノイズを外部に漏洩しないように、金属製であることが非常多い。しかし、このような金属製の筐体２０５に基板２０４を取り付けた場合、図２０に示すように、アンテナコイル２００で発生した磁界による磁束は、筐体２０５で損失され、アンテナコイル２００の中心部で生成された僅かな磁束以外、非接触ＩＣカード１０１のアンテナコイル１００を通過できないことになる。
したがって、図１９に示すような通信システム１５０の場合、非接触情報媒体である非接触ＩＣカード１０１と、リーダライタ２０１とは、通信不能となってしまう。
このように、リーダライタのアンテナコイルは、リーダライタを搭載させる被搭載機器の構造によって様々な制約を受け、非接触情報媒体と良好に通信可能なように、アンテナコイルの形状や、アンテナの面積を決めることが困難であるといった問題がある。また、被搭載機器内の限られたスペースでは、無線通信を妨害する金属部品の影響を排除することも非常に困難であるといった問題がある。
このような問題を解決するために、図２１に示すように、リーダライタ２０１のアンテナコイルを、非接触ＩＣカードのアンテナコイルとほぼ同一形状であるアンテナコイル２１０のようにし、筐体２０５に取り付ける樹脂製カバー２２０の裏側に備え付け、中継アンテナのようにすることで、リーダライタ２０１の設置個所によるアンテナ形状、アンテナ面積の制約や、金属製の筐体２０５からの影響を排除することができる。
アンテナコイル２１０は、当該アンテナコイル２１０より伸びるリード線２１１の先端に取り付けられたジャック２１２を、筐体２０５の開口部２０５Ａから露出した基板２０２が備えるプラグ２１３に差し込むことで基板２０４と接続されている。
そのため、アンテナコイル２１０は、取り付けも取り外しも非常に不便であり、例えば、メンテナンス時においては非常に煩わしく、最悪の場合、リード線２１１の切断や、リーダライタ２０１を破損させてしまうといった問題がある。
そこで、本発明は上述したような問題を解決するために案出されたものであり、所定の周波数の搬送波を介した情報読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との電磁結合方式による無線通信において、情報読み出し書き込み装置の設置個所の制限による通信への影響を排除し、情報読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との使用形態に柔軟に対応して、良好な通信を実現する中継装置及び通信システムを提供するものである。
上述の目的を達成するために、本発明に係る中継装置は、所定の周波数の搬送波を介して電磁結合方式の無線通信をする情報読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との無線通信を中継する中継装置であって、上記情報読み出し書き込み装置が有するアンテナコイルと電磁結合をする第１のアンテナコイルと、上記第１のアンテナコイルと直列接続され、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと電磁結合をする第２のアンテナコイルと、上記第１のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと直列に接続される同調コンデンサとを備え、上記第１のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと、同調コンデンサとは、上記情報読み出し書き込み装置が有する共振回路の共振周波数及び上記非接触情報媒体が有する共振回路と同じ共振周波数で共振する共振回路を形成することを特徴とする。
上述の目的を達成するために、本発明に係る中継装置は、所定の周波数の搬送波を介して電磁結合方式の無線通信をする情報読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との無線通信をする中継装置であって、上記情報読み出し書き込み装置が有するアンテナコイルと電磁結合する第１のアンテナコイルと、上記第１のアンテナコイルと並列接続され、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと電磁結合をする第２のアンテナコイルと、並列接続された上記第１のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルのそれぞれと直列に接続される同調コンデンサとを備え、上記第１のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと、同調コンデンサとは、上記情報読み出し書き込み装置が有する共振回路の共振周波数及び上記非接触情報媒体が有する共振回路と同じ共振周波数で共振する共振回路を形成することを特徴とする。
上述の目的を達成するために、本発明に係る通信システムは、所定の周波数の搬送波を介して電磁結合方式の無線通信をする通信システムにおいて、第１のアンテナコイルと、上記第１のアンテナコイルと直列に接続される第１の同調コンデンサとで形成される第１の共振回路を有し、上記第１の共振回路の共振周波数を上記搬送波の周波数として上記第１のアンテナコイルと電磁結合する回路と無線通信をする情報読み出し書き込み装置と、第２のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと直列に接続される第２の同調コンデンサとで形成される第２の共振回路を有し、上記第２の共振回路は、上記第１の共振回路と同じ共振周波数で共振し、上記第２のアンテナコイルと電磁結合する回路と無線通信をする非接触情報媒体と、上記情報読み出し書き込み装置が有する上記第１のアンテナコイルと電磁結合をする第３のアンテナコイルと、上記第３のアンテナコイルと直列接続され、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと電磁結合をする第４のアンテナコイルと、上記第３のアンテナコイルと、上記第４のアンテナコイルと、直列に接続される第３の同調コンデンサとで形成される第３の共振回路を有し、上記第３の共振回路は、上記第１の共振回路、上記第２の共振回路と同じ共振周波数で共振し、上記読み出し書き込み装置及び上記非接触情報媒体との無線通信を中継する中継装置とを備えることを特徴とする。
上述の目的を達成するために、本発明に係る通信システムは、所定の周波数の搬送波を介して電磁結合方式の無線通信をする通信システムにおいて、第１のアンテナコイルと、上記第１のアンテナコイルと直列に接続される第１の同調コンデンサとで形成される第１の共振回路を有し、上記第１の共振回路の共振周波数を上記搬送波の周波数として上記第１のアンテナコイルと電磁結合する回路と無線通信をする情報読み出し書き込み装置と、第２のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと直列に接続される第２の同調コンデンサとで形成される第２の共振回路を有し、上記第２の共振回路は、上記第１の共振回路と同じ共振周波数で共振し、上記第２のアンテナコイルと電磁結合する回路と無線通信をする非接触情報媒体と、上記情報読み出し書き込み装置が有する上記第１のアンテナコイルと電磁結合をする第３のアンテナコイルと、上記第３のアンテナコイルと並列接続され、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと電磁結合をする第４のアンテナコイルと、上記第３のアンテナコイルと上記第４のアンテナコイルのそれぞれと直列に接続される第３の同調コンデンサとで形成される第３の共振回路を有し、上記第３の共振回路は、上記第１の共振回路、上記第２の共振回路と同じ共振周波数で共振し、上記読み出し書き込み装置及び上記非接触情報媒体との無線通信を中継する中継装置とを備えることを特徴とする。
本発明の中継装置は、情報読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との電磁結合方式による無線通信において、情報読み出し書き込み装置が有するアンテナコイルと電磁結合する第１のアンテナコイルと、非接触情報媒体が有するアンテナコイルに電磁結合する第２のアンテナコイルとをそれぞれ有することで、情報読み出し書き込み装置が有するアンテナコイルと、非接触情報媒体が有するアンテナコイルの形状、大きさが大幅に異なる場合でも良好な無線通信を可能とする。
また、中継装置の第１のアンテナコイルと、第２のアンテナコイルとをそれぞれ、情報読み出し書き込み装置のアンテナコイル、非接触情報媒体のアンテナコイルと電磁結合するような形状、大きさに変更するという簡便な手法によって、様々な使用形態の読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との無線通信を良好なものとすることが可能となる。
また、本発明の通信システムは、情報読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との電磁結合方式による無線通信において、情報読み出し書き込み装置が有する第１のアンテナコイルと電磁結合する第３のアンテナコイルと、非接触情報媒体が有する第２のアンテナコイルに電磁結合する第４のアンテナコイルとをそれぞれ有することで、情報読み出し書き込み装置が有する第１のアンテナコイルと、非接触情報媒体が有する第２のアンテナコイルの形状、大きさが大幅に異なる場合でも良好な無線通信を可能とする。
また、通信システムが備える中継装置の第３のアンテナコイルと、第４のアンテナコイルとをそれぞれ、情報読み出し書き込み装置の第１のアンテナコイル、非接触情報媒体の第２のアンテナコイルと電磁結合するような形状、大きさに変更するという簡便な手法によって、様々な使用形態の読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との無線通信を良好なもとのすることが可能となる。
例えば、第１のアンテナコイルを配置するスペースに制限がある場合には、第３のアンテナコイルの形状、大きさを変更して第１のアンテナコイルと電磁結合するように配置すればよい。また、第１のアンテナコイルを筐体などの金属部品に配置しなくてはいけないといった制限がある場合にも、第１のアンテナコイルの大きさ、筐体に開ける開口部を最小限にすることで、筐体の強度を確保しつつ、金属部品の影響を回避することも可能となる。
また、本発明の通信システムが有する中継装置は、情報読み出し書き込み装置と、電磁結合方式の無線通信を行っているため、配線などといった煩わしい処理を必要とせず、例えば、取り外し可能なカバーや、開閉自在な扉などに取り付けるだけで、非接触情報媒体との無線通信を中継することが可能となる。
以下、本発明に係る中継装置及び通信システムの発明を実施するための最良の形態を図面を参照にして詳細に説明する。
まず、図１を用いて、本発明を実施するための最良の形態として示す通信システム１について説明をする。
図１に示すように通信システム１は、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０と、マッチング同調回路３０とを備えた、電磁結合方式によるＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）システムである。
この通信システム１において、非接触情報媒体である非接触ＩＣカード２０は、リーダライタ１０から、マッチング同調回路３０を介して送信された電波を受信して、電磁誘導によって動作電力を得ると共に、この電波を利用して、マッチング同調回路３０を介してリーダライタ１０との間でデータ通信を行う。
リーダライタ１０は、インダクタであるアンテナコイル１１と、同調コンデンサ１２とが直列に接続されてなる並列共振回路１３を備えている。この並列共振回路１３には、リーダライタ用ＩＣ１４が並列に接続されており、このリーダライタ用ＩＣ１４の制御によって並列共振回路１３に交流電圧が印加されることで、周波数ｆｃ（例えば、１３．５６ＭＨｚ付近）で同調するようになる。
リーダライタ１０は、この周波数ｆｃをキャリア周波数とする搬送波を変調した電波を利用して非接触ＩＣカード２０と無線通信をする。なお、以下の説明において、キャリア周波数をキャリア周波数ｆｃとするが、キャリア周波数ｆｃは、１３．５６ＭＨｚに限定されるものではない。
リーダライタ用ＩＣ１４は、図示しないインターフェース回路を備えており、例えば、リーダライタ１０を搭載する被搭載機器のＣＰＵ（Central Processing Unit）に接続され制御される。
また、リーダライタ用ＩＣ１４は、当該リーダライタ１０から非接触ＩＣカード２０へのデータ送信及び非接触ＩＣカード２０から送信されるデータを受信する際の動作を制御する。
データ送信時において、リーダライタ用ＩＣ１４は、キャリア周波数ｆｃの搬送波を、送信するデータによって変調して伝送信号を生成する。データの変調方式としては、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）などが使用可能である。
変調され、生成された伝送信号は、アンテナコイル１１に供給され、磁界を発生させる。アンテナコイル１１で発生する磁界は、伝送信号に基づいて変化することになり、キャリア周波数ｆｃの搬送波に乗ったデータが、磁束の変化としてアンテナコイル１１と電磁結合するマッチング同調回路３０のアンテナコイル３１に伝達される。
また、データ受信時において、リーダライタ用ＩＣ１４は、非接触ＩＣカード２０からマッチング同調回路３０を介して送信され、アンテナコイル１１で磁束の変化として受信されるデータを復調する。非接触ＩＣカード２０からデータが送信されると、アンテナコイル１１には、当該アンテナコイル１１と電磁結合するマッチング同調回路３０のアンテナコイル３１の磁束の変化によって誘導電流が発生する。
アンテナコイル１１で発生する誘導電流は、磁束に基づいて変化することになり、キャリア周波数ｆｃの搬送波に乗ったデータが、誘導電流の変化としてアンテナコイル１１に伝達される。
リーダライタ用ＩＣ１４は、この誘導電流を復調することで、非接触ＩＣカード２０から送信されたデータを取得する。
非接触ＩＣカード２０は、インダクタであるアンテナコイル２１と、同調コンデンサ２２とが直列に接続されてなる並列共振回路２３を備えている。この並列共振回路２３には、カード用ＩＣ２４が並列に接続されている。
アンテナコイル２１は、リーダライタ１０からマッチング同調回路３０を介して送信される電波を磁束の変化として受信する。並列共振回路２３には、アンテナコイル２１によって受信された電波の磁束の変化を妨げる向きに誘導起電力が発生することになる。並列共振回路２３は、この誘導起電力によって周波数ｆｃ＝１３．５６ＭＨｚ付近で同調するようになる。
並列共振回路２３に並列に接続されたカード用ＩＣ２４は、この誘導起電力を動作電力として動作することになる。動作電力が供給されたカード用ＩＣ２４は、リーダライタ１０から送信されたデータの受信及びリーダライタ１０へデータを送信する際の動作を制御する。
データ受信時において、カード用ＩＣ２４は、リーダライタ１０からマッチング同調回路３０を介して送信され、アンテナコイル２１で磁束の変化として受信される電波を復調し、データを取得する。
データ送信時において、カード用ＩＣ２４は、キャリア周波数ｆｃの搬送波を送信するデータによって変調して伝送信号を生成する。カード用ＩＣ２４は、送信するデータに応じて、アンテナコイル２１の負荷を変えて搬送波を変調する負荷変調を行う。
変調され、生成された伝送信号は、アンテナコイル２１に供給され、磁界を発生させる。アンテナコイル２１で発生する磁界は、伝送信号に基づいて変化することになり、キャリア周波数ｆｃの搬送波に乗ったデータが、磁束の変化としてアンテナコイル２１と電磁結合するマッチング同調回路３０のアンテナコイル３２に伝達される。
マッチング同調回路３０は、第１のインダクタであるアンテナコイル３１と、第２のインダクタであるアンテナコイル３２と、同調コンデンサ３３とが直列に接続されてなる並列共振回路３４を備えている。
具体的には、図２に示すようにマッチング同調回路３０は、基板３５上にアンテナコイル３１と、アンテナコイル３２とが、同調コンデンサ３３と直列接続されるように配線されている。
アンテナコイル３１は、リーダライタ１０において並列共振回路１３を形成しているアンテナコイル１１と、非接触の電磁結合がなされ、リーダライタ１０と通信可能となるような形状に形成される。
アンテナコイル３１の形状は、リーダライタ１０と通信可能となれば、どのような形状であってもよい。例えば、図１に示す丸型を始め、楕円形や、四角形とすることもできる。
上述したように、アンテナコイル３１は、リーダライタ１０と通信可能であれば、アンテナコイル１１と同一の形状である必要はないが、アンテナコイル１１と略同一形状、略同一サイズとすると、電磁結合をより強固なものとし、効率がよく安定したデータ通信を実現できる。
一方、アンテナコイル３２は、非接触ＩＣカード２０において並列共振回路２３を形成しているアンテナコイル２１と、非接触の電磁結合がなされ、非接触ＩＣカード２０と、通信可能な形状に形成される。
アンテナコイル３２の形状は、非接触ＩＣカード２０と通信可能となれば、どのような形状であってもよい。例えば、図１に示す四角形を始め、楕円型や、丸型とすることもできる。
アンテナコイル３２の大きさは、非接触ＩＣカード２０が備えるアンテナコイル２１よりも大きい方が、アンテナコイル２１の中心が、アンテナコイル３２の中心からずれた場合でも、アンテナコイル２１に十分な磁束を通過させることができる。
例えば、非接触情報媒体が非接触ＩＣカードであり、鉄道、バスの定期券として用いる場合などには、非接触ＩＣカードをマッチング同調回路３０のアンテナコイル３２に対して、常に一定の固定的な位置に置いてデータ通信することができない。したがって、このような場合には、アンテナコイル３２を、非接触ＩＣカードのアンテナコイルよりも大きなサイズとすることで、より確実なデータ通信ができるようになる。
また、例えば、非接触情報媒体が非接触ＩＣタグであり、消耗品であるプリンタのトナーカートリッジに貼り付け、プリンタの筐体内の所定の内部シャーシに取り付けられたリーダライタ１０とデータ通信をし、トナー残量などを管理するような場合には、非接触ＩＣタグをマッチング同調回路３０のアンテナコイル３２に対して固定的な位置に置いてデータ通信することができる。したがって、このような場合には、アンテナコイル３２の大きさを、非接触ＩＣタグのアンテナコイルと略同一とすることで、効率のよいデータ通信ができるようになる。
また、アンテナコイル３２の大きさが、アンテナコイル２１よりも若干小さい場合でも、リーダライタ１０の出力を調節することで通信可能となる。
上述したように、アンテナコイル３２は、非接触ＩＣカード２０と通信可能であれば、アンテナコイル２１と同一の形状、同一の大きさである必要はないが、アンテナコイル２１と略同一形状、略同一サイズとすると、電磁結合をより強固なものとし、効率がよく安定したデータ通信を実現できる。
このように、効率がよく安定した無線通信を実現するためには、マッチング同調回路３０のアンテナコイル３１，３２の形状、大きさは、それぞれ、リーダライタ１０のアンテナコイル１１の形状、非接触ＩＣカード２０のアンテナコイル２１の形状によってある程度制限されることになる。
本発明の実施をするための最良の形態として示す通信システム１では、非接触情報媒体として非接触ＩＣカード２０を用いているので、アンテナコイル３２の形状、大きさを、ＩＣカード２０のアンテナコイル２１と略同一の形状、略同一の大きさとして説明をする。また、アンテナコイル３１の形状、大きさも、リーダライタ１０のアンテナコイル１１と略同一の形状、略同一の大きさとして説明をする。
アンテナコイル３１と、アンテナコイル３２とは、巻き方向が同じになるように直列に接続されているため、アンテナコイル３１のインダクタンスをＬ１、アンテナコイル３２のインダクタンスをＬ２とすると、合成インダクタンスＬ＝Ｌ１＋Ｌ２を有するインダクタと考えることができる。したがって、並列共振回路３４は、合成インダクタンスＬを有するインダクタと、同調コンデンサ３３とが直列に接続された共振回路とみなすことができる。
続いて、図３を用いて、リーダライタ１０と、マッチング同調回路３０との具体的な設置例を示し、これに基づきマッチング同調回路３０の動作原理について示す。
図３に示すように基板１５上に形成されたリーダライタ１０は、当該リーダライタ１０が搭載される被搭載機器の筐体である金属シャーシ５０の裏側に取り付けられるとする。このようにリーダライタ１０が取り付けられる金属シャーシ５０は、リーダライタ１０のアンテナコイル１１が設置される位置に開口部５０Ａが開けられている。
開口部５０Ａの開口面積は、金属シャーシ５０の強度を損なわない程度、金属シャーシ５０内の電子回路などによる電磁ノイズが漏洩しない程度の大きさとされている。リーダライタ１０のアンテナコイル１１の形状、大きさは、この開口部５０Ａ内に収まるようになっている。
上述したように、マッチング同調回路３０のアンテナコイル３１は、アンテナコイル１１と、非接触の電磁結合がなされ、リーダライタ１０と通信可能となるような形状に形成されるため、アンテナコイル１１の形状が決まると、アンテナコイル３１の形状もある程度決定されることになる。
一方、マッチング同調回路３０は、金属シャーシ５０に取り付けられたリーダライタ１０に対して、金属シャーシ５０を介して対向する位置に取り付けられる。この時、マッチング同調回路３０は、アンテナコイル３１が、金属シャーシ５０に開けられた開口部５０Ａ上にくるよう取り付けられる。これにより、リーダライタ１０のアンテナコイル１１と、マッチング同調回路３０のアンテナコイル３１とが、非接触の電磁結合をすることが可能となる。
このように金属シャーシ５０に取り付けられたリーダライタ１０と、マッチング同調回路３０とは、それぞれが有するアンテナコイル１１と、アンテナコイル３１とが非接触の電磁結合をすることで無線通信が可能となるため、リーダライタ１０と、マッチング同調回路３０との物理的な接続が全く不要となる。したがって、例えば、マッチング同調回路３０は、基板３５を両面テープなどで金属シャーシ５０に直接貼り付けるというように簡便な手法で設置することが可能である。
金属シャーシ５０上に設置されたマッチング同調回路３０は、リーダライタ１０から送信される電波によって以下のように動作する。
マッチング同調回路３０の並列共振回路３４のアンテナコイル３１には、図４に示すように、リーダライタ１０のアンテナコイル１１で発生した磁界による磁束Ａが通過して、アンテナコイル１１と、アンテナコイル３１とが電磁結合する。
そして、アンテナコイル３１を通過する磁束Ａによって、並列共振回路３４には、誘導起電力が発生し、図５に示すように、誘導起電力による誘導電流Ｉが回路全体に流れる。また、並列共振回路３４は、誘導起電力により周波数ｆｃ＝１３．５６ＭＨｚ付近で同調するようになる。
誘導電流Ｉがアンテナコイル３２に流れると、アンテナコイル３２には磁界が発生する。
このとき、図４に示すように、アンテナコイル３２で発生した磁界による磁束Ｂが、アンテナコイル２１内を通過するように、非接触ＩＣカード２０をマッチング同調回路３０に近づけると、アンテナコイル３２と、アンテナコイル２１とが電磁結合する。
このように非接触ＩＣカード２０のアンテナコイル２１を磁束Ｂが通過すると、上述したように非接触ＩＣカード２０が動作して、マッチング同調回路３０を介して、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０とが無線通信できるようになる。
次に、図６に示す断面図を用いて、リーダライタ１０、マッチング同調回路３０の別な設置例について説明をする。
図６に示すように、リーダライタ１０は、当該リーダライタ１０を搭載する被搭載機器の筐体である金属シャーシ５１の裏側の面に、金属シャーシ５１の開口部５１Ａ上にアンテナコイル１１がくるように取り付けられている。
リーダライタ１０を取り付けた金属シャーシ５１の表側の面は、例えば、ネジなどの金属部品５２があり、図３に示すようにマッチング同調回路３０を直接貼り付けることができない構造となっている。
したがって、マッチング同調回路３０は、当該マッチング同調回路３０の基板３５を、金属シャーシ５１の開口部５１Ａを覆う樹脂製カバー５３の裏側の面に貼り付けることで設置される。
マッチング同調回路３０は、金属シャーシ５１に樹脂製カバー５３を取り付けた場合に、マッチング同調回路３０のアンテナコイル３１と、リーダライタ１０のアンテナコイル１１との位置が対向するように樹脂製カバー５３の裏側の面に貼り付けられる。
マッチング同調回路３０が貼り付けられる樹脂製カバー５３は、マッチング同調回路３０のアンテナコイル３２に発生する磁界による磁束を損失させないよう、非磁性の樹脂とする。また、マッチング同調回路３０の基板３５は、例えば、フレキシブル基板のように非常に薄くすることで、アンテナコイル３２で発生する磁界に影響を与えないようにする。
また、リーダライタ１０に対する被搭載機器で発生する電磁ノイズの影響を防ぐために、シールド５４を設けることもできる。シールド５４は、少なくとも、アンテナコイル１１を覆うように設置されればよく、このとき、アンテナコイル１１の機能を損なわないように、リーダライタ１０に接触しないことに注意する。
また、図示しないが、樹脂製カバー５３に取り付けたマッチング同調回路３０を、例えば、リーダライタ１０を搭載する被搭載機器の筐体などに備えられている開閉自在の扉の内側などに取り付けても有効にスペースを利用することが可能である。
このように、マッチング同調回路３０は、リーダライタ１０と無線通信をするため、配線などをする必要がなく、電磁結合する範囲内であれば、このようにリーダライタ１０から分離させて自由に取り付けることができる。したがって、通信システム１として非常に設置自由度の高いシステムとすることができる。
ところで、上述した通信システム１のマッチング同調回路３０は、アンテナコイル３１、アンテナコイル３２が直列に接続されている。通信システム１では、このマッチング同調回路３０に代えて、図７に示すように、アンテナコイル３１と、アンテナコイル３２とを並列に接続し、同調コンデンサ３３とで、並列共振回路４１を形成するマッチング同調回路４０を用いることもできる。マッチング同調回路３０に代えて、マッチング同調回路４０を用いた場合も、通信システム１は、全く同様の効果を発生するため、マッチング同調回路４０を使用した場合の詳細な説明については省略をする。
なお、図７に示すように、同調コンデンサ３３は、アンテナコイル３１、アンテナコイル３２のぞれぞれと直列接続される。
続いて、実施例として、マッチング同調回路３０による効果を測定した実験結果を示す。
実験は、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０との無線通信において、マッチング同調回路３０を用いた場合と、マッチング同調回路３０を用いない場合との通信可能領域を測定し両者を比較した。
また、図３、図６で示したように実際にマッチング同調回路３０が用いられる状況を想定しマッチング同調回路３０による効果を検証するため、同じ実験を、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０との間に、リーダライタ１０のアンテナコイル１１と同一形状の開口部を設けた鉄板を挿入して行った。
（実験１）
実験１では、図８に示すような、障害物のない自由空間に、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０とを配置してリーダライタ１０を動作させた場合の通信可能領域と、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０との間にマッチング同調回路３０を挿入してリーダライタ１０を動作させた場合の通信可能領域とを測定した。
リーダライタ１０のアンテナコイル１１は、直径が、およそ２５ｍｍの円形状とし、マッチング同調回路３０のアンテナコイル３１も略同一の形状とした。また、非接触ＩＣカード２０は、ＩＳＯ（International Organization for Standardization：国際標準化機構）で定められた縦５４ｍｍ、横８５．６ｍｍ、厚さ０．７６ｍｍというサイズのものを使用する。非接触ＩＣカード２０に内蔵されているアンテナコイル２１は、非接触ＩＣカード２０のサイズに近似するように巻かれているものとし、マッチング同調回路３０のアンテナコイル３２を、このアンテナコイル２１と略同一の形状とした。
次に測定する通信可能領域について説明をする。測定する通信可能領域は、非接触ＩＣカード２０をリーダライタ１０に対して、垂直に動かした際に通信可能となる距離を示す通信距離Ｚと、非接触ＩＣカード２０をリーダライタ１０に対して水平方向に動かした際に通信可能となる範囲を示す通信範囲ＸＹとがある。
具体的には、通信距離Ｚは、水平に置かれたリーダライタ１０のアンテナコイル１１の中心と、非接触ＩＣカード２０の主平面の中心とを合わせ、非接触ＩＣカード２０を、アンテナコイル１１に対して平行に保ちながら、鉛直方向に移動させた際に通信が可能となる距離である。
通信範囲ＸＹは、リーダライタ１０のアンテナコイル１１に対して所定の距離で水平に保たれた非接触ＩＣカード２０を、図９に示すようなＸＹ座標平面において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に任意に移動させた際に通信が可能となる範囲であり、非接触ＩＣカード２０の中心位置の軌跡を測定することで求まる。
この通信距離Ｚと、通信範囲ＸＹとを測定することで、マッチング同調回路３０による効果の指標とする。
まず、図１０に、マッチング同調回路３０なしで、通信距離Ｚを測定した結果と、マッチング同調回路３０を挿入して、通信距離Ｚを測定した結果を示す。なお、マッチング同調回路３０は、リーダライタ１０のアンテナコイル１１から１０ｍｍだけ離して設置するため、マッチング同調回路３０を挿入した場合の通信距離Ｚは、マッチング同調回路３０の挿入位置から測定した。
図１０に示すように、マッチング同調回路３０がない場合の通信距離Ｚは、１０ｍｍ〜２５ｍｍとなった。また、マッチング同調回路３０を挿入した場合の通信距離Ｚは、２０ｍｍ〜７５ｍｍとなった。このように、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０との間にマッチング同調回路３０を挿入することで、通信距離Ｚは、３倍にも伸びることがわかる。
また、マッチング同調回路３０を挿入した場合において、アンテナコイル１１からの距離１０ｍｍ〜２０ｍｍの間に非接触ＩＣカード２０がある場合、非接触ＩＣカード２０と、マッチング同調回路３０とは互いに干渉しあって不安定になるため通信不能となる。これを解消するには、非接触ＩＣカード２０と、マッチング同調回路３０との共振周波数を厳密に合わせるか、又は、両者の共振周波数を大きくずらせばよい。
続いて、図１１に、マッチング同調回路３０なしで、通信範囲ＸＹを測定した結果と、マッチング同調回路３０を挿入して、通信範囲ＸＹを測定した結果を示す。
マッチング同調回路３０がない場合には、リーダライタ１０のアンテナコイル１１の中心から鉛直方向に１０ｍｍ離れた位置での通信範囲ＸＹを測定し、マッチング同調回路３０を挿入した場合には、マッチング同調回路３０のアンテナコイル３２の中心から１０ｍｍ離れた位置での通信範囲ＸＹを測定した。
なお、マッチング同調回路３０を挿入する位置は、上述と同様にリーダライタ１０のアンテナコイル１１から１０ｍｍだけ離した位置である。
図１１に示すように、マッチング同調回路３０がない場合の通信範囲ＸＹは、−３０≦Ｘ（ｍｍ）≦３０、−１５≦Ｙ（ｍｍ）≦１５となる。つまり、図１１において、点線で示す長軸６０ｍｍ、短軸３０ｍｍの楕円内が通信範囲ＸＹであることが分かる。
また、マッチング同調回路３０を挿入した場合の通信範囲ＸＹは、−５０≦Ｘ（ｍｍ）≦５０、−４０≦Ｙ（ｍｍ）≦４０となる。つまり、図１１において、実線で示す長軸１００ｍｍ、短軸８０ｍｍの楕円内が通信範囲ＸＹであることが分かる。
このように、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０との間にマッチング同調回路３０を挿入することで通信範囲ＸＹは、約４倍に広がることが分かる。
（実験２）
実験２では、図１２に示すように、リーダライタ１０を鉄板６０に貼り付け、非接触ＩＣカード２０との間で、障害物となるようにリーダライタ１０を貼り付けた鉄板６０を配置して実際の使用形態に近づけ、マッチング同調回路３０がない場合と、マッチング同調回路３０がある場合のそれぞれについて通信距離Ｚと、通信範囲ＸＹの測定を行った。
鉄板６０は、図１３に示すようにリーダライタ１０のアンテナコイル１１と略同一形状の開口部６０Ａが開けられている。鉄板６０に、リーダライタ１０を貼り付ける際は、この開口部６０Ａと、アンテナコイル１１の位置とが一致するようにする。
実験２においても、リーダライタ１０、非接触ＩＣカード２０、マッチング同調回路３０は、実験１と全く同一のものを使用する。マッチング同調回路３０を用いる場合は、図１２に示すように鉄板６０と、マッチング同調回路３０との間にスペーサ６１を挟んで、リーダライタ１０のアンテナコイル１１と、マッチング同調回路３０との間隔が５ｍｍとなるようにする。
以下に、図１２に示すような通信距離Ｚと、図１４に示すような通信範囲ＸＹとの測定結果を示す。まず、図１５に、マッチング同調回路３０なしで、通信距離Ｚを測定した結果と、マッチング同調回路３０を挿入して、通信距離Ｚを測定した結果を示す。なお、実験２においては、マッチング同調回路３０は、リーダライタ１０のアンテナコイル１１から５ｍｍだけ離して設置するため、通信距離Ｚは、マッチング同調回路３０の位置から測定した。
図１５に示すように、マッチング同調回路３０がない場合には、鉄板６０の影響を受けて、全く通信ができない、通信不能状態となってしまった。また、マッチング同調回路３０を挿入した場合の通信距離Ｚは、５ｍｍ〜３５ｍｍとなった。
このように、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０との間に、マッチング同調回路３０を挿入することで、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０による無線通信において、実用範囲まで、通信不能な状態を改善することができる。
続いて、図１６にマッチング同調回路３０なしで、通信範囲ＸＹを測定した結果と、マッチング同調回路３０を挿入して、通信範囲ＸＹを測定した結果を示す。
マッチング同調回路３０がない場合には、リーダライタ１０のアンテナコイル１１の中心から鉛直方向に５ｍｍ離れた位置での通信範囲ＸＹを測定し、マッチング同調回路３０を挿入した場合には、マッチング同調回路３０のアンテナコイル３２の中心から５ｍｍ離れた位置での通信範囲ＸＹを測定した。
なお、マッチング同調回路３０を挿入する位置は、上述と同様にリーダライタ１０のアンテナコイル１１から５ｍｍだけ離した位置である。
図１６に示すように、マッチング同調回路３０がない場合には、通信不能となる。また、マッチング同調回路３０を挿入した場合の通信範囲ＸＹは、−３５≦Ｘ（ｍｍ）≦３５、−２０≦Ｙ（ｍｍ）≦２０となる。つまり、図１６に示す長軸７０ｍｍ、短軸４０ｍｍの楕円内が通信範囲ＸＹであることが分かる。
このようにリーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０との間にマッチング同調回路３０を挿入することで、リーダライタ１０と、非接触ＩＣカード２０による無線通信において、実用範囲まで、通信不能な状態を改善することができる。
本発明の最良の実施の形態として示す通信システムの構成を説明するための図である。 同通信システムのマッチング同調回路の構成を説明するための図である。 同通信システムの具体的な設置例を示した図である。 同通信システムのマッチング同調回路の動作原理について説明するために用いる図である。 同通信システムのマッチング同調回路に流れる誘導電流Ｉを示した図である。 同通信システムの具体的な別な設置例を示した図である。 並列に接続されたアンテナコイルを備えるマッチング同調回路について示した図である。 マッチング同調回路の効果を検証するために実施する実験１について説明するための図である。 実験１における通信範囲ＸＹについて説明するための図である。 実験１における通信距離Ｚの実験結果を示した図である。 実験１における通信範囲ＸＹの実験結果を示した図である。 マッチング同調回路の効果を検証するために実施する実験２について説明するための図である。 実験２で使用する鉄板について説明するための図である。 実験２における通信範囲ＸＹについて示した図である。 実験２における通信距離Ｚの実験結果を示した図である。 実験２における通信範囲ＸＹの実験結果を示した図である。 （ａ）は非接触ＩＣカードのアンテナコイルの例を示した図であり、（ｂ）はリーダライタのアンテナコイルの例を示した図である。 非接触ＩＣカードのアンテナコイルを通過する磁束を示した図である。 従来の技術として示す通信システムのリーダライタの具体的な設置例を示した図である。 リーダライタのアンテナコイルが金属シャーシに配置された場合の非接触ＩＣカードのアンテナコイルを通過する磁束を示した図である。 同従来の技術として示す通信システムのリーダライタのアンテナコイルを中継アンテナとして設置した例を示した図である。
符号の説明
１ 通信システム、１０ リーダライタ、１４ リーダライタ用ＩＣ（Integrated Circuit）、２０ 非接触ＩＣ（Integrated Circuit）カード、２４ カード用ＩＣ（Integrated Circuit）、３０，４０ マッチング同調回路、１１，２１，３１，３２ アンテナコイル、１２，２２，３３ 同調コンデンサ、１３，２３，３４，４１ 並列共振回路

Claims (8)

  1. 所定の周波数の搬送波を介して電磁結合方式の無線通信をする情報読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との無線通信を中継する中継装置であって、
    上記情報読み出し書き込み装置が有するアンテナコイルと電磁結合をする第１のアンテナコイルと、
    上記第１のアンテナコイルと直列接続され、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと電磁結合をする第２のアンテナコイルと、
    上記第１のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと直列に接続される同調コンデンサとを備え、
    上記第１のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと、同調コンデンサとは、上記情報読み出し書き込み装置が有する共振回路の共振周波数及び上記非接触情報媒体が有する共振回路と同じ共振周波数で共振する共振回路を形成すること
    を特徴とする中継装置。
  2. 上記第１のアンテナコイルは、上記情報読み書き装置が有するアンテナコイルと略同一形状及び略同一サイズであり、
    上記第２のアンテナコイルは、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと略同一形状及び略同一サイズであること
    を特徴とする請求項１記載の中継装置。
  3. 所定の周波数の搬送波を介して電磁結合方式の無線通信をする情報読み出し書き込み装置と、非接触情報媒体との無線通信をする中継装置であって、
    上記情報読み出し書き込み装置が有するアンテナコイルと電磁結合する第１のアンテナコイルと、
    上記第１のアンテナコイルと並列接続され、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと電磁結合をする第２のアンテナコイルと、
    並列接続された上記第１のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルのそれぞれと直列に接続される同調コンデンサとを備え、
    上記第１のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと、同調コンデンサとは、上記情報読み出し書き込み装置が有する共振回路の共振周波数及び上記非接触情報媒体が有する共振回路と同じ共振周波数で共振する共振回路を形成すること
    を特徴とする中継装置。
  4. 上記第１のアンテナコイルは、上記情報読み書き装置が有するアンテナコイルと略同一形状及び略同一サイズであり、
    上記第２のアンテナコイルは、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと略同一形状及び略同一サイズであること
    を特徴とする請求項３記載の中継装置。
  5. 所定の周波数の搬送波を介して電磁結合方式の無線通信をする通信システムにおいて、
    第１のアンテナコイルと、上記第１のアンテナコイルと直列に接続される第１の同調コンデンサとで形成される第１の共振回路を有し、上記第１の共振回路の共振周波数を上記搬送波の周波数として上記第１のアンテナコイルと電磁結合する回路と無線通信をする情報読み出し書き込み装置と、
    第２のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと直列に接続される第２の同調コンデンサとで形成される第２の共振回路を有し、上記第２の共振回路は、上記第１の共振回路と同じ共振周波数で共振し、上記第２のアンテナコイルと電磁結合する回路と無線通信をする非接触情報媒体と、
    上記情報読み出し書き込み装置が有する上記第１のアンテナコイルと電磁結合をする第３のアンテナコイルと、上記第３のアンテナコイルと直列接続され、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと電磁結合をする第４のアンテナコイルと、上記第３のアンテナコイルと、上記第４のアンテナコイルと、直列に接続される第３の同調コンデンサとで形成される第３の共振回路を有し、上記第３の共振回路は、上記第１の共振回路、上記第２の共振回路と同じ共振周波数で共振し、上記読み出し書き込み装置及び上記非接触情報媒体との無線通信を中継する中継装置とを備えること
    を特徴とする通信システム。
  6. 上記中継装置の上記第３のアンテナコイルは、上記情報読み書き装置が有する上記第１のアンテナコイルと略同一形状及び略同一サイズであり、
    上記中継装置の上記第２のアンテナコイルは、上記非接触情報媒体が有する上記第２のアンテナコイルと略同一形状及び略同一サイズであること
    を特徴とする請求項５記載の通信システム。
  7. 所定の周波数の搬送波を介して電磁結合方式の無線通信をする通信システムにおいて、
    第１のアンテナコイルと、上記第１のアンテナコイルと直列に接続される第１の同調コンデンサとで形成される第１の共振回路を有し、上記第１の共振回路の共振周波数を上記搬送波の周波数として上記第１のアンテナコイルと電磁結合する回路と無線通信をする情報読み出し書き込み装置と、
    第２のアンテナコイルと、上記第２のアンテナコイルと直列に接続される第２の同調コンデンサとで形成される第２の共振回路を有し、上記第２の共振回路は、上記第１の共振回路と同じ共振周波数で共振し、上記第２のアンテナコイルと電磁結合する回路と無線通信をする非接触情報媒体と、
    上記情報読み出し書き込み装置が有する上記第１のアンテナコイルと電磁結合をする第３のアンテナコイルと、上記第３のアンテナコイルと並列接続され、上記非接触情報媒体が有するアンテナコイルと電磁結合をする第４のアンテナコイルと、上記第３のアンテナコイルと上記第４のアンテナコイルのそれぞれと直列に接続される第３の同調コンデンサとで形成される第３の共振回路を有し、上記第３の共振回路は、上記第１の共振回路、上記第２の共振回路と同じ共振周波数で共振し、上記読み出し書き込み装置及び上記非接触情報媒体との無線通信を中継する中継装置とを備えること
    を特徴とする通信システム。
  8. 上記中継装置の上記第３のアンテナコイルは、上記情報読み書き装置が有する上記第１のアンテナコイルと略同一形状及び略同一サイズであり、
    上記中継装置の上記第２のアンテナコイルは、上記非接触情報媒体が有する上記第２のアンテナコイルと略同一形状及び略同一サイズであること
    を特徴とする請求項７記載の通信システム。
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