JP2005192044A - 磁界アンテナ、それを用いて構成したワイヤレスシステムおよび通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】壁面が金属の場合には、ミラー（イメージ）効果により逆電流が発生し、磁界は打ち消され有効にセンサとして動作しなくなる。最近のビルは鉄壁の所が多く、ここにセンサコイルを取り付けるとカードとセンサの通信が不能となったり、カードとセンサ（磁界アンテナ）の距離が著しく短くなっていた。
【解決手段】本発明による磁界アンテナは、それぞれ巻線２が施された複数の直線部分を有し、それら直線部分の一端が磁気的に接続されている磁性体１が絶縁物３を介して金属面４上に配置されるとともに、上記磁性体１は、互いに打ち消す方向の磁界を前記複数の直線部分が交差する方向に発生し、かつ、いずれの直線部分も他の直線部分の延長線上に配置されていないようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界成分を受信し、そして送信する磁界アンテナに係り、特に、非接触ＩＣカードシステムやＩＣタグに用いて好適な磁界アンテナ、ならびに、それを用いて構成したワイヤレスシステムおよび通信システムに関する。

従来使用されている非接触ＩＣカードのセンサコイルはカードが面状であるため、カードの面内にコイルを巻くことになり、従って、カード面と垂直な方向に向かう磁界を発生させている。一方、この磁界を受けたり、カードに信号や電力を送るために壁側（外部機器側）にも同様な形状のセンサアンテナを設けなければならない。カードが対向する壁面にセンサアンテナを設ける場合に磁界は壁面と垂直となるため、このような磁界に対応するセンサコイルは一般に壁面と同じ方向に巻くコイルとなる。
特開２００３−３１８６３４号公報

しかしながら、もし、壁面が金属の場合には、ミラー（イメージ）効果により逆電流が発生し、磁界は打ち消され有効にセンサとして動作しなくなる。最近のビルは鉄壁の所が多く、また、電子機器ではシールド板などがあり、ここにセンサコイルを取り付けるとカードとセンサの通信が不能となったり、カードとセンサの距離が著しく短くなったりする。

本発明の目的は、鉄壁やシールド板等の金属面からあまり突出せず、平面的にアンテナを配列してもカードと良好な通信ができる磁界アンテナと、それを用いて構成したワイヤレスシステムおよび通信システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明磁界アンテナは、磁界成分を送受信するための磁界アンテナであって、それぞれ巻線が施された複数の直線部分を有し、それら直線部分の一端が磁気的に接続されている磁性体が絶縁物を介して金属面上に配置されるとともに、前記磁性体は、互いに打ち消す方向の磁界を前記複数の直線部分が交差する方向に発生し、かつ、いずれの直線部分も他の直線部分の延長線上に配置されていないことを特徴とするものである。

また、本発明磁界アンテナは、前記各直線部分の巻線が直列に接続され、該直列接続された巻線の両端間に並列、または前記直列接続された巻線に直列に共振用コンデンサが接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明磁界アンテナは、前記各直線部分の巻線が並列に接続され、各巻線ごとに巻線の両端間に並列、または前記各巻線ごとの巻線に直列に共振用コンデンサが接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明磁界アンテナは、前記金属面を有する金属板の前記金属面とは反対側の面に磁性体が被着されていることを特徴とするものである。

また、本発明磁界アンテナは、前記磁性体が、フェライト磁性体またはフェライト磁性体以外の金属磁性体であることを特徴とするものである。

また、本発明磁界アンテナは、前記磁性体が、球状、扁平状および破砕状のうちのいずれかの形状にして粉体化した磁性体を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂中に分散し、固体化したものであることを特徴とするものである。

また、本発明磁界アンテナは、前記金属面を有する金属の前記金属面とは反対側の面に接着剤を塗布し、該接着剤により磁界アンテナを被対象物に貼り付けるようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明磁界アンテナは、前記磁性体の前記金属が被着されているのとは反対側の面に接着剤を塗布し、該接着剤により磁界アンテナを被対象物に貼り付けるようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明ワイヤレスシステムは、それぞれ巻線が施された複数の直線部分を有し、それら直線部分の一端が磁気的に接続されている磁性体が絶縁物を介して金属面上に配置されるとともに、前記磁性体は、互いに打ち消す方向の磁界を前記複数の直線部分が交わる方向に発生し、かつ、いずれの直線部分も他の直線部分の延長線上に配置されていない磁界アンテナの直列に接続された巻線の両端または各巻線ごとの巻線の両端間に、ワイヤレスシステム用ＩＣチップが装着されていることを特徴とするものである。

また、本発明通信システムは、それぞれ巻線が施された複数の直線部分を有し、それら直線部分の一端が磁気的に接続されている磁性体が絶縁物を介して金属面上に配置されるとともに、前記磁性体は、互いに打ち消す方向の磁界を前記複数の直線部分が交わる方向に発生し、かつ、いずれの直線部分も他の直線部分の延長線上に配置されていない磁界アンテナの直列に接続された巻線の両端または各巻線ごとの巻線の両端間に、通信システムの送受信回路が接続されていることを特徴とするものである。

本発明磁界アンテナによれば、情報により変調された強力な磁界を金属面に直交する方向に発生させることができるので、定期券など非接触式カードやＩＣタグなどのシステムに効果的に利用でき、そのアンテナを使用して構成したワイヤレスシステムおよび通信システムの信頼度を高めることができる。

以下に添付図面を参照し、発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
本発明を説明するに先立ち、本発明に関係する先願の特開２００３−３１８６３４号公報記載の技術について説明する。

図５に示すように、コイルを金属面に配置し、かつコイルの断面が金属面に垂直になるようにすると、磁界はイメージの磁界が加わり２倍となる。図５（ａ）は角形ループの場合を示し、図５（ｂ）は円形ループの場合を示している。いずれの場合も面電流ｉによりコイルに誘起電圧が発生する。あるいは、コイルの電流Ｉにより磁界Ｈを発生させ、金属面に磁流あるいは電流ｉを発生する。

さらに、特開２００３−３１８６３４号公報記載の技術においては、金属面と平行な方向に発生する磁界を対向させることにより、磁界の方向を直角に変え、金属面に垂直な方向の磁界を発生する。
図６は、その場合のセンサコイルの配置の一例を示している。

具体的には、フェライト等のコアにコイルＬを巻き、このコイルを直線上に対向させて配列し、電流Ｉによる磁界Ｈを発性させて磁界Ｈの方向が対向しているので金属面Ｍと垂直な磁界を中心部に発生させていることが分かる。これらのコイルの励振は並列に接続してもよいし、直列に接続してもよい。

図７（ａ）は、２対（４個）のコイルを中心から等距離ｒにとってコイルを配列した場合を示している。このように対を増やすことにより、それだけ中心の磁界は加わって強力な磁界を作ることができる。この図７（ａ）では２対の場合を示しているが、もっと多くの対に増やしてもよい。中心から等距離の位置は円であるので、ほぼ円上にコイルを配列すればよい。図７（ｂ）は、コイルのコアと中心部の垂直磁界が発生し易いようにフェライトで磁路を構成した場合を示している。

以上は、特開２００３−３１８６３４号公報記載の技術の技術であるが、ここで重要なことは、磁界が打ち消す方向にコイルを直線上に対向させて配置することにより磁界の方向を直角に変えていることである。

しかし、本発明者らは、上述の特開２００３−３１８６３４号公報記載の技術を詳細に検討し、追加実験を行った結果、磁界を金属面と平行な方向から垂直な方向に変えるには、コイルを直線上に対向させて配置しなくても、それぞれ巻線が施された複数の直線部分を有し、それら直線部分の一端が磁気的に接続されている磁性体を、互いに磁界を打ち消す方向に絶縁物を介して金属面上に配置すれば得られるということに着目して本発明磁界アンテナを発明した。
以下では、２つの実施例について説明する。

図１は、本発明磁界アンテナの第１の実施例を示している。
図１に示す実施例は、互いに１２０°の角度をなして、それぞれの直線部分にコイルが巻かれているコアを金属面に配列して磁界アンテナを構成た場合を示している。

図１において、１は磁性体からなるコア、２はコイル（巻線）、３は絶縁物、および４は金属板である。
本実施例１では、磁性体からなるコア１は３個の直線部分を有し、それら直線部分が交差する箇所で磁気的に接続されている。
ここで、磁性体からなるコア１は、フェライト磁性体またはフェライト磁性体以外の金属磁性体で構成するものとする。

なお、コア１にコイル２を巻くにあたって、コアが交差する部分において、磁界が互いに打ち消す方向（後述する図２，３で、破線矢印で示す方向）になるように巻線することが必要である。
このように巻線することによって、磁界の方向を金属板４の表面と平行な方向から垂直な方向に変えることができる。

また、コア１を構成する磁性体に、球状、扁平状および破砕状のうちのいずれかの形状にして粉体化した磁性体を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂中に分散し、固形化したものを使用することにより、磁界アンテナをフレキシブルなものにすることができる。このようにすることにより、磁界アンテナを湾曲した面に貼り付けることが可能になる。

本実施例１の変形として、本発明磁界アンテナを、コア１のみを図１に示す形状のものとし、絶縁物３と金属板４はコア１より広い面積のシート状のものとしてもよい。要は、コア１の全部分が絶縁物３と金属板４をはみ出さないことが必要である。
なお、絶縁物３はコイルが金属板４により短絡しないようにするために必要である。

磁界アンテナを、所望の周波数で共振させるようにするために、コイルに並列、または直列にコンデンサを接続する。
図２は、図１のコアの直線部分に巻かれた３つのコイルを直列に接続し、その両端間に並列にコンデンサを接続（並列共振として動作する）した例を示している。あるいは、図示していないが、コイルごとに並列にコンデンサを接続してもよい。
また、これは、直列接続されたコイルに直列にコンデンサを挿入（直列共振として動作する）してもよい。

図３は、図１のコアの直線部分に巻かれた３つのコイルを並列に接続し、それぞれの両端間に並列にコンデンサを接続（並列共振として動作する）した例を示している。
また、これは、並列接続されたコイルのそれぞれに直列にコンデンサを挿入（直列共振として動作する）してもよい。

なお、共振させるためには、コンデンサに代えてコイルのインダクタンスＬによって行ってもよいこと勿論である。

また、本発明磁界アンテナを、実施例１の磁界アンテナの金属板４（図１参照）の下側に磁性体を被着した構造にすると、磁界アンテナを貼り付ける被対象物によって周波数が移動するなどという不便なことがなくなる。

この磁性体も、球状、扁平状および破砕状のうちのいずれかの形状にして粉体化した磁性体を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂中に分散し、固形化したものを使用することにより、磁界アンテナをフレキシブルなものにすることができる。このようにすることにより、磁界アンテナを湾曲した面に貼り付けることが可能になる。

以上説明した実施例１では、磁性体からなるコア１は３個の直線部分からなり、かつ互いに１２０°の角度で配置されているものとしたが、これは、直線部分をなすコア１の数を増やすことにより金属板４の表面に垂直な磁界の指向性を高め、サイドロープを減少させることができる。また、直線部分のコア１が互いになす角度は問題にならない。

実施例１で説明した磁界アンテナを使用して、そのアンテナ出力をワイヤレスシステム用ＩＣチップに供給し、またはワイヤレスシステム用ＩＣチップの出力を磁界アンテナに供給して本発明ワイヤレスシステムを構成することができる。

また、実施例１で説明した磁界アンテナを使用して、そのアンテナ出力を通信システムの受信回路に供給し、または通信システムの送信回路の出力を磁界アンテナに供給して本発明通信システムを構成することができる。

図４は、本発明磁界アンテナの第２実施例を示している。
図４に示す実施例も、互いに１２０°の角度をなして、それぞれの直線部分にコイルが巻かれているコアを絶縁物を介して金属面に配列して磁界アンテナを構成た場合を示している。
しかし、本実施例では、図から分かるように、磁性体からなるコア１は３個の直線部分の外側において磁気的に接続されている。

本実施例の第１の実施例に比べての利点は、磁界が直線部分を接続する外側の円の外部に漏れない点である。
図２においても、１は磁性体からなるコア、２はコイル（巻線）、３は絶縁物、および４は金属板である。

本実施例（実施例２）においても、磁界アンテナの金属板３（図２参照）のさらに下側（絶縁物３がない側）に磁性体４配置すると、磁界アンテナを貼り付ける被対象物によって周波数が移動するなどという不便なことがなくなる。

実施例２においても、実施例１で説明した変形例や、それの応用としてのワイヤレスシステムや通信システムはすべて可能であるので、説明は省略する。

本発明による磁界アンテナは、金属面に垂直な磁界を発生し、受信する特徴を活かして交通機関の非接触の改札や、音楽ホール、競技場、催し物会場など広範囲で入場者チェック、あるいはＩＣタグ等に使用することができる。

本発明磁界アンテナの第１の実施例を示している。 図１のコアの直線部分に巻かれた３つのコイルを直列に接続し、その両端間に並列にコンデンサを接続した例を示している。 図１のコアの直線部分に巻かれた３つのコイルを並列に接続し、それぞれの両端間に並列にコンデンサを接続した例を示している。 本発明磁界アンテナの第２の実施例を示している。 コイルを金属面に配置し、かつコイルの断面が金属面に垂直になるようにすると、磁界はイメージの磁界が加わり２倍となることを説明する図である（従来図）。 金属面に垂直な方向の磁界を発生させるためのセンサコイルの配置の一例を示している（従来図）。 ２対のコイルを中心から等距離ｒにとってコイルを配列した場合を示している（従来図）。

符号の説明

１ 磁性体からなるコア
２ コイル
３ 絶縁物
４ 金属板

Claims (10)

1. 磁界成分を送受信するための磁界アンテナであって、それぞれ巻線が施された複数の直線部分を有し、それら直線部分の一端が磁気的に接続されている磁性体が絶縁物を介して金属面上に配置されるとともに、前記磁性体は、互いに打ち消す方向の磁界を前記複数の直線部分が交差する方向に発生し、かつ、いずれの直線部分も他の直線部分の延長線上に配置されていないことを特徴とする磁界アンテナ。
2. 請求項１記載の磁界アンテナにおいて、前記各直線部分の巻線が直列に接続され、該直列接続された巻線の両端間に並列、または前記直列接続された巻線に直列に共振用コンデンサが接続されていることを特徴とする磁界アンテナ。
3. 請求項１記載の磁界アンテナにおいて、前記各直線部分の巻線が並列に接続され、各巻線ごとに巻線の両端間に並列、または前記各巻線ごとの巻線に直列に共振用コンデンサが接続されていることを特徴とする磁界アンテナ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の磁界アンテナにおいて、前記金属面を有する金属板の前記金属面とは反対側の面に磁性体が被着されていることを特徴とする磁界アンテナ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の磁界アンテナにおいて、前記磁性体は、フェライト磁性体またはフェライト磁性体以外の金属磁性体であることを特徴とする磁界アンテナ。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の磁界アンテナにおいて、前記磁性体は、球状、扁平状および破砕状のうちのいずれかの形状にして粉体化した磁性体を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂中に分散し、固体化したものであることを特徴とする磁界アンテナ。
7. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の磁界アンテナにおいて、前記金属面を有する金属の前記金属面とは反対側の面に接着剤を塗布し、該接着剤により磁界アンテナを被対象物に貼り付けるようにしたことを特徴とする磁界アンテナ。
8. 請求項４記載の磁界アンテナにおいて、前記磁性体の前記金属が被着されているのとは反対側の面に接着剤を塗布し、該接着剤により磁界アンテナを被対象物に貼り付けるようにしたことを特徴とする磁界アンテナ。
9. それぞれ巻線が施された複数の直線部分を有し、それら直線部分の一端が磁気的に接続されている磁性体が絶縁物を介して金属面上に配置されるとともに、前記磁性体は、互いに打ち消す方向の磁界を前記複数の直線部分が交わる方向に発生し、かつ、いずれの直線部分も他の直線部分の延長線上に配置されていない磁界アンテナの直列に接続された巻線の両端または各巻線ごとの巻線の両端間に、ワイヤレスシステム用ＩＣチップが装着されていることを特徴とするワイヤレスシステム。
10. それぞれ巻線が施された複数の直線部分を有し、それら直線部分の一端が磁気的に接続されている磁性体が絶縁物を介して金属面上に配置されるとともに、前記磁性体は、互いに打ち消す方向の磁界を前記複数の直線部分が交わる方向に発生し、かつ、いずれの直線部分も他の直線部分の延長線上に配置されていない磁界アンテナの直列に接続された巻線の両端または各巻線ごとの巻線の両端間に、通信システムの送受信回路が接続されていることを特徴とする通信システム。

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