JP2005174101A - 非接触ｉｃメディアリーダライタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 機器に組み込んだときの共振ずれを防止可能なリーダライタ装置を提供する。
【解決手段】 アンテナコイルの背面側の空間を覆うように配置した金属ケース１２は、リーダライタ装置を機器に設置するとき、機器の金属部分の影響によるアンテナコイルの共振周波数の変動を防止し、アンテナコイルの背面と金属部材との間に配置した磁性体シート１３は、金属ケース１２の影響によるアンテナコイルのインダクタンスの低下に伴う、共振周波数の上昇を抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非接触ＩＣメディアリーダライタ装置に関し、特に非接触ＩＣメディアと通信を行う非接触ＩＣメディアリーダライタ装置に関する。

各種レジャー施設や流通施設、交通機関の改札などには、ＩＣチップを媒体内部に備えたＩＣカードやＩＣタグなどのＩＣメディアに記録されている情報を読み取ったり、ＩＣメディアに新たに情報を書き込んだりするためのＩＣメディアリーダライタ装置が搭載された各種機器が設置されている。

近年では、このような各種機器に搭載されるＩＣメディアリーダライタ装置として、非接触ＩＣメディアとアンテナを介して非接触式で通信することで、この非接触ＩＣメディアに対して情報の読み取りおよび書き込みを行う非接触ＩＣメディアリーダライタ装置（以下本明細書中では単にリーダライタ装置という）が普及してきている。

以下非接触ＩＣメディアの例として、非接触ＩＣカード（以下単にＩＣカードという）を用いて説明する。
リーダライタ装置は、ＩＣカードへの通信を行うためには、まず、リーダライタ装置から、例えば、１３．５６ＭＨｚの搬送波を送信し、ＩＣカードへの電力供給を行う。それと同時に、例えば、ＩＣカードに書き込むべきデータなどの送信信号を搬送波の１０％前後の変調度で振幅変調し、これをアンテナから発信してＩＣカードに書き込む。また、ＩＣカードからリーダライタ装置への通信である受信時においては、非接触ＩＣメディアへの電力供給と同時に、ＩＣカードからの読み取り指令として、無変調の搬送波が送信部を通じてアンテナよりＩＣカードに送信する。

ＩＣカードからの信号はＩＣカード側のロードスイッチング方式にて、リーダライタ装置側に送られる。ロードスイッチング方式とは、リーダライタ装置のアンテナとＩＣカードのアンテナとが電磁気的に結合した状態で、ＩＣカード側の電気的な負荷を送信データに従って変動させることで、リーダライタ装置のアンテナ電流を変化させ、ＩＣカードからリーダライタ装置に信号を伝達させる方式である。

リーダライタ装置のアンテナはプリント基板上に作られたアンテナコイル（インダクタンス分）と、共振周波数を調整するための共振用コンデンサ（キャパシタンス分）で構成されている。通常、アンテナコイルは円形若しくは方形のパターンをしており、これがプリント基板上で数ターン巻かれたループ形状になっている。従って、アンテナに搬送波周波数の交流電圧を印加した際に発生する磁界は、空芯コイルに発生する磁界のように空間に広く広がって分布することになる。

リーダライタ装置で安定した通信を非接触ＩＣメディアと行おうとした場合には、アンテナから送信される磁界強度をできるだけ大きくする必要がある。アンテナから放射される磁界の強度は、リーダライタ装置のアンテナに流れる電流の大きさと巻き数により決まる。巻き数を一定にした場合、アンテナに流れる電流が最大となるようにするためには、搬送波周波数に共振した状態にアンテナを維持することが必要不可欠な要件となる。アンテナを共振した状態に維持するためには、アンテナコイルに取り付けられた共振用コンデンサの値を調整する。

このアンテナ構成を持つリーダライタ装置を、自動改札機や、自動販売機、入金機などの金属で作られた筐体を持つ機器に組み込む場合、空間に広がった磁束が筐体の金属の影響を受けるため、アンテナのインダクタンス成分が変化してしまう。このため、アンテナが搬送波周波数に対して共振ずれの状態となり、磁界強度が弱くなり通信距離が著しく低下するという問題があった。

このような問題を解決するために、従来、各機器にリーダライタ装置を組み込んだ後、各機器の金属筐体の影響で変化したアンテナのインダクタンス分を補正するために、共振用コンデンサの値を変えて共振周波数の調整をする方法があった。

また、アンテナの周囲にあらかじめ金属板を配置しておき、その状態でアンテナの共振周波数を調整することで、機器に組み込んだときの影響を低減する技術があった。
さらに、アンテナコイルの下部にフレキシブル状の磁性体を配置して、磁束の広がりをアンテナコイルの前面に回り込みやすくなるように制御して、金属部を有した機器に組み込んだときの影響を低減する技術があった（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−２９８０９５号公報（段落番号〔００２４〕，第２図）

しかし、一般に市販されているリーダライタ装置を購入して機器に組み込む場合、機器に組み込んだ状態での共振用コンデンサの調整は、回路情報が不足していることなどから技術的に困難である。さらに、一度、高周波利用設備として認定を受けたリーダライタ装置に対して、回路定数を変更することは好ましくない。

また、機器にリーダライタ装置を組み込む前にアンテナの周囲に金属板を取り付けておくという従来技術を用いた場合においても、共振用コンデンサの調整は、上記と同様に困難であるので、取り付けた金属板の影響で共振ずれを起こした状態のままとなってしまい、機器組み込み時の影響低減策とならないという問題があった。

一方、磁性体を用いて、機器に組み込んだときの影響を低減する技術においても、周囲の機器の金属部により磁束が影響を受け、アンテナのインダクタンス成分が変化してしまい、共振ずれを起こす恐れがあった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、機器に組み込んだときの共振ずれを防止可能なリーダライタ装置を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、非接触ＩＣメディアと通信を行うリーダライタ装置において、前記非接触ＩＣメディアと通信を行う面に配置されたアンテナコイルの背面側の空間を覆うように金属部材を配置し、前記アンテナコイルと前記金属部材との間に磁性体を配置したアンテナ部を有することを特徴とするリーダライタ装置が提供される。

上記の構成によれば、アンテナコイルの背面側の空間を覆うように配置した金属部材は、リーダライタ装置を機器に設置するとき、機器の金属部分の影響によるアンテナコイルの共振周波数の変動を防止する。

アンテナコイルと金属部材との間に配置した磁性体は、金属部材の影響によるアンテナコイルのインダクタンスの低下に伴う、共振周波数の上昇を抑制する。

本発明は、アンテナコイルの背面側の空間を覆うように配置した金属部材により、リーダライタ装置を機器に設置するとき、機器の金属部分の影響によるアンテナコイルの共振周波数の変動を防止することができる。また、アンテナコイルと金属部材との間に磁性体を配置したことにより、金属部材の影響によるアンテナコイルのインダクタンスの低下に伴う、共振周波数の上昇を抑制する。これにより、リーダライタ装置を金属筐体を有した機器に組み込んだときにおいても、共振ずれを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態のリーダライタ装置の特徴部分であるアンテナ部の裏面の斜視図である。

また、図２は、本発明の実施の形態のリーダライタ装置の構成を示す斜視図である。
本発明の実施の形態のリーダライタ装置は、図２で示すようにアンテナ部１０と送受信機２０から構成される。

アンテナ部１０は、アンテナ基板１１と、図２で示すように、アンテナ基板１１の非接触ＩＣメディア（以下ＩＣカードとして説明する）５０と通信を行う面（ＩＣカード５０がかざされる面：以下表面という）１１ａ上に設置されたアンテナコイル１５と、アンテナコイル１５の両端に接続された共振用コンデンサ１６とを有する。

一方、アンテナコイル１５の背面となるアンテナ基板１１の裏面１１ｂには、図１で示すように、アンテナコイル１５の背面側の空間を覆うように金属部材（以下金属ケースという）１２を配置している。

また、アンテナコイル１５と金属ケース１２との間に磁性体として磁性体シート１３を配置している。本実施の形態では、金属ケース１２の内側に、磁性体シート１３を貼り付けている。また、金属ケース１２は開口部１４を有している。

図３は、アンテナ部の裏面に設置する金属ケースの斜視図である。
金属ケース１２は、例えば、約１ｍｍ厚程度の金属板でできた６５×４０×７ｍｍの大きさのものを用い、金属ケース１２の内側に貼り付けた磁性体シート１３も、例えば約１ｍｍ厚程度のものを用いる。磁性体シート１３は、フェライトシートなどを用いることができる。

このような金属ケース１２を、アンテナコイル１５の背面が全て入るように設置する。アンテナ基板１１の裏面１１ｂの全体を囲う程度の大きさのものであってもよい。
図４は、リーダライタ装置のブロック図である。

アンテナ部１０は、前述したように、アンテナコイル１５と、アンテナコイル１５の両端に接続した共振用コンデンサ１６を有している。アンテナコイル１５の一方の端子及び共振用コンデンサ１６の一方の端子は接地される。アンテナコイル１５の他方の端子及び共振用コンデンサ１６の他方の端子は送受信機２０と接続される。

送受信機２０は、水晶発信部２１と、送受信部２２と、Ｉ／Ｆ（インターフェース）部２３と、制御用マイコン２４とから構成される。
水晶発信部２１は、周波数が１３．５６ＭＨｚの発信信号を生成する。

送受信部２２は、例えば、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying：振幅シフトキーイング）変調を得るための変調器及びアンテナ部１０を介してＩＣカード５０と通信を行うのに十分な電力を得るための電力増幅器で構成される送信部と、アンテナ部１０からの受信信号を検波するための検波器、検波した信号を増幅するための増幅器及び増幅した信号をデジタル信号に変換するための２値化回路を有した受信部と、からなる。

Ｉ／Ｆ部２３は、送受信部２２と制御用マイコン２４間でのデータのやりとりを仲介するインターフェースである。
制御用マイコン２４は、メモリ及び演算機能を有している。

以下、本発明の実施の形態のリーダライタ装置の動作を説明する。
いま、送受信機２０より、ＩＣカード５０と通信を行うために、制御用マイコン２４の制御のもと、アンテナ部１０に対して、水晶発信部２１で生成した発信信号をもとに送受信部２２で生成される交流電圧を加えると、アンテナコイル１５には、以下に示すような磁束が発生する。

図５は、アンテナ部単体での磁束分布である。
図のように、磁束６０は、アンテナ部１０の周囲に広がって分布する。そのため、周囲環境の影響を受けやすくなっている。特に、機器に組み込む場合には、機器の金属筐体の影響を受けることで、アンテナコイル１５の共振周波数がずれてしまい、通信距離が低下することになる。

本発明の実施の形態では、図１で示したように、ＩＣカード５０と通信を行うアンテナ基板１１の裏面１１ｂに、金属ケース１２を配置している。これにより、機器に組み込んだ場合の機器の金属筐体の影響を受けにくくなる。

金属ケース１２のみをアンテナ部１０に取り付けた場合、アンテナコイル１５のインダクタンスが低下するため、アンテナコイル１５の共振周波数は約２００ｋＨｚ程度高いほうへシフトすることになる。シフトする量は金属ケース１２とアンテナコイル１５との距離もしくは、アンテナコイル１５から生じる磁束６０が金属ケース１２により影響を受けている量によって異なる。

本発明の実施の形態では、さらに、図１または図２で示しているように、アンテナコイル１５の背面と金属ケース１２との間に磁性体として磁性体シート１３を配置している。
この磁性体シート１３をアンテナコイル１５の近くに配置することで、インダクタンスが大きくなり、アンテナコイル１５の共振周波数は低いほうへ約１５０ｋＨＺ程度シフトすることになる。シフトする量は磁性体シート１３とアンテナコイル１５との距離もしくは磁性体シート１３の大きさ、形状によって異なる。

本発明の実施の形態の金属ケース１２と、磁性体シート１３の作用により、共振周波数は、約５０ｋＨｚ程度高いほうへシフトする。そのため、元の共振周波数を維持するためには、金属ケース１２によるインダクタンスの低下分が小さくなるように、金属ケース１２の上板に開口部１４を開けてその大きさや形状を調整するか若しくは、磁性体シート１３の大きさや形状を変えて調整する。

例えば、金属ケース１２上に形成する開口部１４の大きさを大きくすると、インダクタンスは上がり、アンテナコイル１５の共振周波数は下がる。また、磁性体シート１３の面積を増やしてもインダクタンスは上がり、アンテナコイル１５の共振周波数が下がる。

また、一方で、アンテナコイル１５の近くに金属ケース１２が近づくと、アンテナコイル１５から生じる磁束が金属ケース１２に入射することにより、金属ケース１２にうず電流が生じる。これによって、エネルギー損失が生じ、アンテナコイル１５の共振のＱ値が低下することになる。共振のＱ値が低下すると、周囲環境の変化に対しては強くなるが、通信距離が低下するという問題が生じることになる。本発明の実施の形態のアンテナ部１０における金属ケース１２に設けた開口部１４は、前述の共振周波数の調整を行うと同時に、形状や大きさを変えて、金属部分を少なくすることで、アンテナコイル１５の共振のＱ値が低下するのを抑制している。

図６は、リーダライタ装置を機器に組み込んだ状態の概略を示す断面図である。
この図のように図２に示したようなアンテナ部１０を、リーダライタ装置の筐体３０に格納し、リーダライタ装置を金属筐体３１を有する機器に組み込んでいる。ＩＣカード５０との通信の際、アンテナ基板１１の表面側には磁界７０が発生し、ロードスイッチング方式での通信が行われる。

本発明の実施の形態では、金属ケース１２の作用により、機器の金属筐体３１の影響によるアンテナコイル１５の共振ずれを防止することができる。かつ、図１で示したような開口部１４を有したことによって共振のＱ値が低下することを抑制でき、ＩＣカード５０との通信距離の低下を抑制することができる。通信距離を実測した結果、機器に組み込む前に約７０ｍｍであったリーダライタ装置において、機器に組み込んだ場合には、金属ケース１２及び磁性体シート１３を設けない場合は約３０ｍｍに低下したのに対して、本発明の実施の形態のリーダライタ装置では、約５５ｍｍとなり、通信距離の低下が抑制されることを確認できた。

なお、上記では、磁性体としてフェライトシートなどの磁性体シート１３を用いた場合について説明したが、磁性体はフェライト板など、焼結した板状のものを用いてもよい。
また、上記では、アンテナ部１０は、アンテナコイル１５の両端に共振用コンデンサ１６を接続させたものを用いたが、以下に示すようなアンテナ部を用いてもよい。

図７は、アンテナ部の構成例を示す回路図である。
この図のように、アンテナ部４０は、送受信機２０（図４参照）と接続するアンテナコイル４１とは別に、アンテナの共振を取るために設けられた共振用コンデンサ４２の両端に共振用コイル４３を、アンテナコイル４１と対向するように配置した回路である。

また、上記では、非接触ＩＣメディアとして、ＩＣカードを用いて説明したが、非接触ＩＣメディアとしては、このほかに、腕時計型、タグ型、コイン型など、ＩＣチップを内蔵した種々の形状の非接触ＩＣメディアを用いることができる。したがって、本実施の形態のリーダライタ装置によれば、種々の形状の非接触ＩＣメディアが混在して使用されるような環境においても、非接触ＩＣメディアとリーダライタ装置との間の安定した通信が可能となる。

本発明は、例えば、ＩＣカードを用いて入退室を管理する機器や、自動販売機、入金機、駅構内の自動改札機などに適用される。

本発明の実施の形態のリーダライタ装置の特徴部分であるアンテナ部の裏面の斜視図である。 本発明の実施の形態のリーダライタ装置の構成を示す斜視図である。 アンテナ部の裏面に設置する金属ケースの斜視図である。 リーダライタ装置のブロック図である。 アンテナ部単体での磁束分布である。 リーダライタ装置を機器に組み込んだ状態の概略を示す断面図である。 アンテナ部の構成例を示す回路図である。

符号の説明

１０ アンテナ部
１１ アンテナ基板
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２ 金属ケース
１３ 磁性体シート
１４ 開口部

Claims (5)

1. 非接触ＩＣメディアと通信を行う非接触ＩＣメディアリーダライタ装置において、
   前記非接触ＩＣメディアと通信を行う面に配置されたアンテナコイルの背面側の空間を覆うように金属部材を配置し、前記アンテナコイルと前記金属部材との間に磁性体を配置したアンテナ部を有することを特徴とする非接触ＩＣメディアリーダライタ装置。
2. 前記磁性体は、磁性体が成分に含まれるシート状の部材若しくは、焼結した板状の部材であることを特徴とする請求項１記載の非接触ＩＣメディアリーダライタ装置。
3. 前記金属部材は箱状であり、前記箱状の前記金属部材の内側に前記磁性体を貼り付けたことを特徴とする請求項１記載の非接触ＩＣメディアリーダライタ装置。
4. 前記金属部材は、前記アンテナコイルの共振周波数の変化に応じて形状または大きさが調整された開口部を有することを特徴とする請求項１記載の非接触ＩＣメディアリーダライタ装置。
5. 前記磁性体は、前記アンテナコイルの共振周波数の変化に応じて形状または大きさが調整されたものであることを特徴とする請求項１記載の非接触ＩＣメディアリーダライタ装置。

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