JP2005210213A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アンテナ感度や通信距離を向上させ、従来よりも優れた通信環境を実現できるようにする。
【解決手段】 この通信システムは、非接触ＩＣカード５０と、この非接触ＩＣカード５０に対して非接触で情報の読み書きを行うリーダライタ１とを備えている。リーダライタ１は、アンテナ基板１０と、回路基板２０と、軟磁性体３０とを有している。軟磁性体３０は、通信を目的とする電磁波の放射方向の反対側にに配置されている。回路基板２０には、ループアンテナ１１と共に共振回路を形成する共振用キャパシタなどが設けられている。共振用キャパシタのキャパシタンスは、軟磁性体３０を配置したことによる共振周波数の所望の値からのずれが補正されるような値に設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグ、非接触ＩＣ（Integrated Circuit）カードなどを用いた無線通信システムに利用されるアンテナ装置に関する。

近年、ＲＦＩＤ技術を用いた無線通信システムが注目されている。この通信システムは一般に、各種データを記憶可能なデータキャリアと、このデータキャリアに対して非接触で情報の読み書き（リード／ライト）を行うリーダライタとで構成される。データキャリアは、その形状や大きさなどに応じてＲＦＩＤタグ（無線ＩＣタグ）、非接触ＩＣカードなどと呼ばれる（以下では、総称して非接触ＩＣカードと呼ぶ）。この非接触ＩＣカードに利用される無線周波数帯としては、１３５ｋＨｚ以下の帯域、１３．５６ＭＨｚ帯、９００ＭＨｚ帯（９１５ＭＨｚ帯、９５０ＭＨｚ帯）および２．４５ＧＨｚ帯などがある。この非接触ＩＣカードは、使用者にとって取り扱いが容易であることなどから、最近では交通機関の自動改札機等、各種入退出管理に利用されている。またその他にも、電子マネーや物品管理などへの応用も検討されている。

非接触ＩＣカードとそのリーダライタとには、例えば１３．５６ＭＨｚ帯用のものではループ状のアンテナが使用されている。一般に非接触ＩＣカードとしては無電池型が多く使用されており、リーダライタのアンテナが発する電磁波を介して、電磁誘導により非接触ＩＣカードに電力が供給され、データのリード／ライトが行われる。従って、リーダライタ側から発せられる磁界の強度や分布状態が、通信距離や安定した通信動作に影響してくる。非接触ＩＣカードとそのリーダライタとの間でのデータの送受信が可能なエリアを通信エリアとすると、所望とする通信エリア内で磁界強度が所定値以上になっている必要がある。一般に通信エリア内においては、磁界強度は大きい方が好ましい。

特許文献１には、リーダライタ側におけるアンテナ装置に関する発明が記載されている。この特許文献１に記載のアンテナ装置では、１００ｋＨｚ以下の励振周波数帯における実効比透磁率が１００以上の軟磁性体を、ループアンテナの背面に近接配置（密着配置）したことを特徴としている。軟磁性体の形状は、少なくともループアンテナのコイルに沿った部分のみを覆うような形状となっている。この特許文献１に記載の発明では、アンテナから放射される電磁波のうち、通信目的とする方向以外の側の電磁波を軟磁性体により吸収することにより、鉄板などの磁性体が近づいたとしても、その鉄板による影響を防止して、安定した放射電磁界を確保することを目的としている。なお、特許文献１では、通信周波数帯として数百ｋＨｚ以下の低周波帯域しか考慮していない。
特開平９−２８４０３８号公報

しかしながら、この特許文献１に記載の発明では、軟磁性体を配置したことによるアンテナ特性の変化を考慮しておらず、軟磁性体を配置しない場合と比べて、その磁界強度および磁界分布が最適化されているとは限らない。例えばリーダライタの場合、一般にループアンテナと回路基板とを有し、ループアンテナをコイルとしたＬＣ共振回路を構成しているが、軟磁性体を配置することにより、そのＬＣ共振回路のインダクタンスが本来の共振条件の値からずれ、ひいては共振周波数にずれが生じて磁界分布に悪影響を与えるおそれがある。また特許文献１では、通信周波数帯として数百ｋＨｚ以下の低周波帯域しか考慮しておらず、最近使用されている１３．５６ＭＨｚ帯、９００ＭＨｚ帯および２．４５ＧＨｚ帯などの高周波に対応したものとはなっていない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、アンテナ感度や通信距離を向上させ、従来よりも優れた通信環境を実現できるようにしたアンテナ装置を提供することにある。

本発明によるアンテナ装置は、通信対象側に電磁波を放射するループ状のアンテナと、回路基板と、アンテナと共に共振回路を形成するキャパシタと、アンテナと回路基板との間に配置された軟磁性体とを備え、キャパシタのキャパシタンスが、軟磁性体を配置したことによる共振周波数の所望の値からのずれが補正されるような値に設定されているものである。

本発明によるアンテナ装置において、アンテナと軟磁性体とは、互いに接することなく間隔を空けて配置されていても良い。また、軟磁性体は、例えば、アンテナに対応する部分のみを、アンテナのループ部分に沿って覆うような形状で構成されていても良い。軟磁性体は、その主成分として、例えばフェライト、パーマロイ、珪素鋼、またはセンダストなどが含まれた材料で構成することが可能である。

本発明によるアンテナ装置では、アンテナと回路基板との間に軟磁性体が配置され、さらに、共振回路のキャパシタのキャパシタンスが、軟磁性体を配置したことによる共振周波数の所望の値からのずれが補正されるような値に設定される。これにより、軟磁性体を配置しない場合と比べて、その磁界強度および磁界分布が最適化され、アンテナ感度や通信距離が向上し、従来よりも優れた通信環境が実現される。

本発明によるアンテナ装置によれば、アンテナと回路基板との間に軟磁性体を配置し、共振回路のキャパシタのキャパシタンスを、軟磁性体を配置したことによる共振周波数の所望の値からのずれが補正されるような値に設定するようにしたので、アンテナ感度や通信距離を向上でき、従来よりも優れた通信環境を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置を利用した通信システムの構成例を示している。この通信システムは、非接触ＩＣカード５０と、この非接触ＩＣカード５０に対して非接触で情報の読み書き（リード／ライト）を行うリーダライタ１とを備えている。

非接触ＩＣカード５０は、ループアンテナ５１と、このループアンテナ５１に電気的に接続されたＩＣチップ５２とを有している。ＩＣチップ５２は、メモリおよびロジック回路を含み、ループアンテナ５１を介してリーダライタ１との間で各種データの読み取り／書き込みが可能に構成されている。

リーダライタ１は、筐体２を備え、この筐体２の内部に、アンテナ基板１０と、回路基板２０と、軟磁性体３０とを有している。アンテナ基板１０には、通信対象である非接触ＩＣカード５０側に向けて電磁波を放射するループアンテナ１１が設けられている。回路基板２０には、ループアンテナ１１と共に共振回路１２（図４）を形成するキャパシタなどが設けられている。アンテナ基板１０は例えば、フレキシブル基板、ガラス基板、またはセラミックス基板などを用いて構成されている。回路基板２０は例えば、金属基板、全面アースされた基板、またはフレキシブル基板などを用いて構成されている。ここで、リーダライタ１が、本発明における「アンテナ装置」の一具体例に対応し、ループアンテナ１１が、本発明における「アンテナ」の一具体例に対応する。

軟磁性体３０は、ループアンテナ１１による通信を目的とする電磁波の放射方向の反対側において、アンテナ基板１０と回路基板２０との間に配置されている。軟磁性体３０は、例えば、その主成分としてフェライト、パーマロイ、珪素鋼、またはセンダストなどが含まれた材料で構成されている。

軟磁性体３０は、図２（Ａ）に示したように、アンテナ基板１０に対して近接した状態で配置されている。ただし、図２（Ｂ）に示したように、アンテナ基板１０と軟磁性体３０との間に例えばスペーサ４０を設け、アンテナ基板１０と軟磁性体３０とが、互いに接することなく間隔を空けて配置されるように構成しても良い。

図３（Ａ），（Ｂ）は、軟磁性体３０の構成例を示している。図３（Ａ）に示した軟磁性体３０Ａは、ループアンテナ１１も含めてアンテナ基板１０に対応する部分全体を覆うように、平板状に構成した例である。一部に切り欠き部分があるのは、ループアンテナ１１の引き出し部である。図３（Ｂ）に示した軟磁性体３０Ｂは、ループアンテナ１１に対応する部分のみを、ループアンテナ１１によって形成されたコイル部分（ループ部分）に沿って覆うような形状で構成した例であり、ループアンテナ１１に対応しない中央部分がくり抜かれた形状となっている。

図４は、リーダライタ１の等価回路の要部を示している。リーダライタ１は、共振回路１２と、この共振回路１２に電力を供給する電源回路１３とを備えている。電源回路１３は、交流電源２５と、トランス２４と、キャパシタ２２と、キャパシタ２３とを有している。交流電源２５は、トランス２４の１次側巻線に並列接続されている。キャパシタ２２は、トランス２４の２次側巻線に並列接続されている。キャパシタ２３は、トランス２４の２次側巻線の一端とキャパシタ２２の一端との間に直列的に接続されている。

共振回路１２は、キャパシタ２２，２３を介してトランス２４の２次側巻線に並列接続されている。共振回路１２は、ループアンテナ１１により形成されたコイルと、このコイルに並列接続された共振用キャパシタ２１とでＬＣ共振回路を構成している。共振用キャパシタ２１のキャパシタンスは、軟磁性体３０を配置したことによる共振周波数の所望の値からのずれが補正されるような値に設定されている。非接触ＩＣカード５０を用いた通信に利用される無線周波数帯としては、例えば１３５ｋＨｚ以下の帯域、１３．５６ＭＨｚ帯、９００ＭＨｚ帯（９１５ＭＨｚ帯、９５０ＭＨｚ帯）および２．４５ＧＨｚ帯などがある。共振回路１２の共振周波数は、通信に利用される無線周波数帯に対応した値に設定される。なお、軟磁性体３０を配置したことによる共振周波数のずれについての考察は、後に詳述する。

次に、以上のように構成された通信システムの動作を説明する。リーダライタ１側では、共振回路１２の共振周波数に応じた電磁波をループアンテナ１１から放射する。このリーダライタ１が発する電磁波領域内に非接触ＩＣカード５０が近づくと、その電磁界強度に応じてループアンテナ５１に電磁誘導が生じる。非接触ＩＣカード５０では、この電磁誘導による起電力によってＩＣチップ５２が動作し、リーダライタ１との間で各種データの読み取り／書き込みが行われる。

ここで、本実施の形態では、リーダライタ１側のループアンテナ１１の近傍に軟磁性体３０が配置され、さらに、その共振用キャパシタ２１のキャパシタンスが適切な値に設定されていることにより、軟磁性体３０を配置しない場合と比べて、ループアンテナ１１から放射される磁界強度および磁界分布が最適化され、アンテナ感度や通信距離が向上し、従来よりも優れた通信環境が実現される。

次に、この軟磁性体３０を配置したことによる作用、効果を、具体的な実験、シミュレーションと共に説明する。

＜磁界強度の測定（実測）＞
まず、リーダライタ１において、ループアンテナ１１から放射される近傍磁界の強度をループアンテナ１１の出力電圧として、実際に実験により測定した。図５は、その測定環境を模式的に示している。この測定では、１３．５６ＭＨｚ±３ＭＨｚの範囲の出力電圧に相当する磁界を測定限界とし、また、磁界のアンテナ面内成分（ｘ成分とｙ成分）を測定することで、出力電圧を得ている。軟磁性体３０としては、フレキシールド（ＴＤＫ株式会社の登録商標）を使用し、これをアンテナ基板１０の裏側全体に貼り付けた。これは、フェライト粉を主成分として、バインダーと共に混練し、平面状に延ばしたものであり、今回使用したものは、透磁率μは２０、厚さは０．５ｍｍである。軟磁性体３０の形状は、図３（Ａ）に示した板状のものに相当する。アンテナ基板１０とプローブ６０との距離は１６．５ｍｍとした。この距離は本条件で軟磁性体３０を貼らない状態での、最大の通信距離（実測にて確認）である。共振周波数の調整は、軟磁性体３０を設けなかった状態で１３．５６ＭＨｚとなるように調整した。すなわち、軟磁性体３０を設けた状態では、共振周波数の調整は行っていない。なお、出力電圧の測定は実質的に磁界強度を測定しているものと考えて良い。

図６（Ａ），（Ｂ）は、その測定結果を示している。図６（Ｂ）は軟磁性体３０を設けた場合の測定結果を示し、図６（Ａ）は比較例として、軟磁性体３０を設けなかった場合の測定結果を示している。図６（Ａ），（Ｂ）において、同一色の部分は、同一の出力電圧であることを示す。また図では、同一の出力電圧の位置を等高線で表現している。

この結果から、アンテナ基板１０の上面から１６．５ｍｍの距離においては、軟磁性体３０を貼った場合（図６（Ｂ））の方が、アンテナ基板単体の場合（図６（Ａ））よりもｘｙ平面内の中央部で、出力電圧が強くなっていることが分かる。しかし、軟磁性体３０を貼った状態での最大通信距離は１０．０ｍｍとなり、アンテナ基板単体の場合よりも短くなった。この原因は軟磁性体３０を貼ったことにより、後述するように共振周波数が変わったためと考えられる。なお、透磁率μが７，１２のフレキシールドを使用した場合も、出力電圧の向上が認められた。

＜磁界強度の測定（シミュレーション）＞
次に、磁界強度の分布状態をシミュレーションにより計算した。シミュレーションのモデルは、周波数１３．５６ＭＨｚで非接触ＩＣカード５０と通信を行う場合を想定した。以下に、シミュレーションに用いたパラメータを示す。また図７に、そのシミュレーションの基本モデルを模式的に示す。なお、回路基板２０は金属板を置くことで代用した。
（Ａ）計算領域
アンテナ基板１０の中央を座標軸の原点として、ｘ方向：±１４０ｍｍ、ｙ方向：±１３０ｍｍ、ｚ方向：±１００ｍｍとした。
（Ｂ）入力電力
１Ｗ
（Ｃ）アンテナ基板１０、軟磁性体３０、および回路基板２０のサイズ
（ｘ方向×ｙ方向×ｚ方向）
アンテナ基板：５５ｍｍ×３３ｍｍ×ｔａ
軟磁性体：５５ｍｍ×３３ｍｍ×ｔｍ
回路基板：８０ｍｍ×５５ｍｍ×ｔｃ
（ｔａ，ｔｍ，ｔｃは各基板の厚さ（図７参照）、単位はｍｍ）

シミュレーションとして行った計算のパターンを以下に示す。また図８に、計算パターン、計算条件をまとめたものを示す。ｄ（ｍｍ）は、アンテナ基板１０の下面から回路基板２０の上面までの距離である（図７参照）。
（１）アンテナ基板単体：［ＡＮＴ］
（２）アンテナ基板＋回路基板：［ＡＮＴ］＋Ｓｕｂ
（３）アンテナ基板＋回路基板：［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ］
（４）アンテナ基板＋回路基板＋軟磁性体：［ＡＮＴ］＋Ｓｕｂ＋Ｍａｇ
（５）アンテナ基板＋回路基板＋軟磁性体：［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ＋Ｍａｇ］
（６）アンテナ基板＋回路基板＋軟磁性体：［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ］＋Ｍａｇ

ここで、アンテナ基板１０、回路基板２０、および軟磁性体３０のことを、それぞれ“ＡＮＴ”，“Ｓｕｂ”，“Ｍａｇ”と記す。また、“［］”の記号は、共振周波数を通信周波数である１３．５６ＭＨｚに調整したことを示す。

すなわち、
（１）［ＡＮＴ］とは、アンテナ基板１０のみを配置し、かつアンテナ基板単体で共振周波数の調整を行ったことを表している。これは自由空間中にアンテナ基板単体が置かれた状態に相当する。
（２）［ＡＮＴ］＋Ｓｕｂとは、アンテナ基板１０と回路基板２０とを配置し、かつアンテナ基板単体で共振周波数の調整を行ったことを表している。アンテナ基板１０と回路基板２０とを組み合わせた状態では共振周波数の調整を行っていない。
（３）［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ］とは、アンテナ基板１０と回路基板２０とを配置し、かつアンテナ基板１０と回路基板２０とを組み合わせた状態で共振周波数の調整を行ったことを表している。
（４）［ＡＮＴ］＋Ｓｕｂ＋Ｍａｇとは、アンテナ基板１０と回路基板２０との間に軟磁性体３０を配置し、かつアンテナ基板単体で共振周波数の調整を行ったことを表している。全体としては共振周波数の調整を行っていない。
（５）［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ＋Ｍａｇ］とは、アンテナ基板１０と回路基板２０との間に軟磁性体３０を配置し、かつそれらを組み合わせた全体で共振周波数の調整を行ったことを表している。
（６）［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ］＋Ｍａｇとは、アンテナ基板１０と回路基板２０との間に軟磁性体３０を配置し、かつアンテナ基板１０と回路基板２０とを組み合わせた状態で共振周波数の調整を行ったことを表している。全体としては共振周波数の調整を行っていない。

なお、軟磁性体３０としては、透磁率＝２０、厚さ０．５ｍｍのフレキシールド（ＴＤＫ株式会社の登録商標）を使用し、これをアンテナ基板１０に密着させるようにして軟磁性体３０を貼り付けた状態を想定した。これは、フェライト粉を主成分として、バインダーと共に混練し、平面状に延ばしたものである。

図９〜図１４に、上記（１）〜（６）の各パターンによる磁界分布のシミュレーション結果を示す。これらは、アンテナ基板１０の中央を座標軸の原点として、ｙ＝０の位置におけるｘｚ平面内での磁界分布である。図では、代表的な磁界強度値の部分のみ、同一の磁界強度の位置を等高線で表現している。なお、図９〜図１４は同一のスケールで図示している。

図９から、アンテナ基板１０のみを配置した場合には、アンテナ基板１０の周囲全体に一様に磁界が分布していることが分かる。図１０は、図９の状態から共振周波数の調整を行うことなく回路基板２０を追加配置した状態に相当するが、図９の場合に比べて磁界分布の範囲が著しく縮小されていることが分かる。回路基板２０として金属板を用いているので、アンテナ基板１０の裏側（回路基板２０側）に分布する磁界が回路基板２０に吸収・反射され、回路基板２０の裏側には磁界が分布していない。図１１は、図１０の状態から共振周波数の調整を行った場合に相当するが、図１０の場合に比べて磁界分布の範囲が拡大され改善されていることが分かる。

図１２〜図１４は、軟磁性体３０を追加し、共振周波数の調整を種々変えた場合であるが、図１０の場合に比べて磁界分布の範囲が拡大され改善されていることが分かる。特に全体で共振周波数の調整を行った図１３の場合には、磁界分布のパターンが最も良好となっている。

軟磁性体３０を追加したことの効果をさらに詳しく考察するため、アンテナ中央部における磁界強度とｚ方向の距離との関係を調べた。その結果をグラフ化したものを図１５、図１６に示す。縦軸は磁界強度（Ａ／ｍ）、横軸はｚ方向の距離（ｍｍ）を示す。

図１５のグラフから、アンテナ基板単体（［ＡＮＴ］）の状態が最も磁界強度が強いことが分かる。また共振周波数の調整を行わずに回路基板２０を追加配置した状態（［ＡＮＴ］＋Ｓｕｂ）では、回路基板２０による吸収・反射、共振周波数のずれによって磁界強度が著しく弱くなっている。この状態から共振周波数の調整を行った場合（［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ］）では、磁界放射パターンが改善されている。軟磁性体３０を追加し、全体で共振周波数の調整を行った場合（［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ＋Ｍａｇ］）では、［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ］の状態よりもさらに磁界放射パターンが改善されている。

なお、アンテナ基板単体の場合に比べて、他の場合ではｚ＝０付近の位置において磁界強度に落ち込みがある。これは、図１９（Ａ），（Ｂ）に示したように、回路基板２０を配置したことにより、アンテナ基板単体の場合に比べてアンテナ基板中心部を通る磁界Ｈが弱められているからと考えられる。

図１５のグラフから軟磁性体３０を設けることで磁界放射パターンの改善が可能であることが分かる。しかしながら、図１６のグラフを見ると、軟磁性体３０を設けたとしても、全体として共振周波数の調整を行わない状態（［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ］＋Ｍａｇ）では、軟磁性体３０を設けない場合（［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ］）よりも磁界強度が弱くなっており、単純に軟磁性体３０を配置しただけでは、磁界強度の改善には寄与しないことが分かる。すなわち、アンテナ基板１０と回路基板２０との間に軟磁性体３０を配置し、かつ所定の周波数（ここでは１３．５６ＭＨｚ）で共振するように共振周波数の調整を行わなければ、軟磁性体３０を配置したことによる効果を適切に評価できないことが推測できる。

＜インダクタンスの測定＞
以上のシミュレーションの結果から、単純に軟磁性体３０を追加しただけでは磁界放射パターンを、必ずしも改善できないことが確認できた。そこで、アンテナ基板１０と軟磁性体３０とを組み合わせた状態でループアンテナ１１のインダクタンスを測定し、アンテナ基板単体におけるインダクタンスとの“ずれ”を確認した。

図１７は、そのインダクタンスの測定結果を示している。以下に測定条件を示す。図１７において、“ＡＮＴ”は、アンテナ基板１０のことを示す。サンプル１〜サンプル５は、いずれも軟磁性体３０としてフレキシールド（ＴＤＫ株式会社の登録商標）を用いたものであり、これは、フェライト粉を主成分として、バインダーと共に混練し、平面状に延ばしたものである。測定条件（１）はアンテナ基板単体による測定、測定条件（２）〜（６）はアンテナ基板１０に軟磁性体３０として各種フレキシールドを貼った状態での測定であることを示す。μは軟磁性体３０の透磁率、ｔｍは軟磁性体３０の厚さを示す。
（１）アンテナ基板単体
（２）アンテナ基板＋サンプル１（μ＝２０，ｔｍ＝０．０５ｍｍ）
（３）アンテナ基板＋サンプル２（μ＝２０，ｔｍ＝１．０ｍｍ）
（４）アンテナ基板＋サンプル３（μ＝２０，ｔｍ＝０．５ｍｍ）
（５）アンテナ基板＋サンプル４（μ＝１２，ｔｍ＝０．４ｍｍ）
（６）アンテナ基板＋サンプル５（μ＝７，ｔｍ＝０．４ｍｍ）

図１７において、Ｌは各測定条件でのループアンテナ１１のインダクタンス（ｎＨ）の実測値を示す。図１７にはまた、ΔＬ，Ｆ，ΔＦの値も示す。ΔＬは、測定条件（１）のアンテナ基板単体によるインダクタンスの値を基準とした、各測定条件でのインダクタンスのずれ量（ｎＨ）を示す。すなわち、アンテナ基板単体によるインダクタンスの値をＬ０（＝４４５．２７）とすると、ΔＬ＝Ｌ−Ｌ０を示す。図１７に示した結果から分かるように、アンテナ基板単体の場合と比べて、軟磁性体３０を使用した測定条件（２）〜（６）の場合は、インダクタンスの値にずれが生じている。このインダクタンスの値のずれにより、共振周波数にもずれが生じる。

図１７において、Ｆは、共振回路１２（図４参照）の共振周波数（ＭＨｚ）を示す。より詳しくは、ＬＣ共振回路の共振周波数の計算式
Ｆ＝１／（２π√ＬＣ）
において、Ｌ＝Ｌ０，Ｆ＝１３．５６ＭＨｚとした場合のキャパシタンスＣ０（＝３０９．３８ｐＦ）を計算し、そのキャパシタンスＣ０を用いた
Ｆ＝１／（２π√ＬＣ０）
の計算式に、Ｌの値として図１７の測定値を代入して計算された値をＦの測定値として示す。なお、√ＬＣ，√ＬＣ０は、ＬＣ，ＬＣ０全体の平方根を取ることを示す。ΔＦは、測定条件（１）のアンテナ基板単体における共振周波数Ｆ＝１３．５６ＭＨｚの値を基準とした、各測定条件での周波数のずれ量（ＭＨｚ）を示す。すなわち、各測定条件での共振周波数をＦとすると、
ΔＦ＝Ｆ−１３．５６の値を示す。

図１８は、図１７の測定値をグラフ化したものである。縦軸はキャパシタンス（ｐＦ）、横軸はインダクタンス（ｎＨ）を示す。また図１８には、１３．５６ＭＨｚで共振する条件を示す曲線を同時に示す。キャパシタンスの値とインダクタンスの値との関係が、この曲線に合致すれば１３．５６ＭＨｚで共振する。図１７に示した測定条件のうち、アンテナ基板単体の場合は当然この曲線に合致する。一方、他の測定条件（２）〜（６）の場合は、キャパシタンスの値とインダクタンスの値との関係が、この曲線から外れた位置にある。そして、そのインダクタンスのずれは、軟磁性体３０の透磁率μと厚さｔｍとの積に比例するように、大きくなっていくことが確認できる。すなわち、測定条件（２）〜（６）のうち、測定条件（３）の場合（μ＝２０，ｔｍ＝１．０ｍｍ）が、透磁率μと厚さｔｍとの積が最も大きく、インダクタンスのずれが最も大きくなっている。

また、理想状態での共振周波数Ｆ、インダクタンスＬ、およびキャパシタンスＣの関係（Ｆ＝１／（２π√ＬＣ））と、実際に測定されたインダクタンスの値とを比較したところ、「アンテナ基板１０＋軟磁性体３０」の状態では、１３．５６ＭＨｚで共振させるためのキャパシタンスから、大きくずれていることが確認できた。以上から、「アンテナ基板１０＋軟磁性体３０＋回路基板２０」の組み合わせで、良好な磁界放射パターンを得るためには、共振周波数を１３．５６ＭＨｚに調整する必要がある、というシミュレーションの結果が確認できた。

以上の測定結果を考察し、まとめると以下のとおりとなる。
１．ループアンテナ１１から放射される出力電圧の測定結果（実測）から、アンテナ基板１０に軟磁性体３０を貼ることで出力電圧が向上し、このことから磁界強度が向上することが確認された（図６）。
２．また、出力電圧の測定結果（実測）から、軟磁性体３０としてフレキシールド（厚さ０．５ｍｍ）を貼った状態では、軟磁性体３０を貼らない場合と比べて、最大の通信距離が悪化していることが確認された。
３．この通信距離の低下は、軟磁性体３０をアンテナ基板１０に貼ったことにより、ループアンテナ１１のインピーダンスが変わったためと考えられる。
４．上記「２．」，「３．」の現象は、シミュレーションでも確認された（図９〜図１６）。
５．「アンテナ基板単体」と「アンテナ基板１０＋軟磁性体３０」との状態で、ループアンテナ１１の１３．５６ＭＨｚでのインダクタンスを測定した（図１７）。この結果、アンテナ基板１０に軟磁性体３０を貼ったことにより、ループアンテナ１１のインダクタンスが大きくなったことが確認された。つまり、インダクタンスの変化に合わせて、共振回路１２（図４）のキャパシタンスを変えなければ、共振周波数が所望の値（１３．５６ＭＨｚ）から変わってしまうことが確認された。
６．従って、軟磁性体３０を貼ることで、リーダライタ１のアンテナ感度を向上させるためには、軟磁性体３０を貼ったことによるループアンテナ１１の電気的特性の変化を考慮する必要がある。具体的には、軟磁性体３０を貼ったことによるインダクタンスの変化に応じて、共振回路１２のキャパシタンスを変える必要がある。これにより、所望の共振周波数の値からのずれが補正される。

＜軟磁性体の形状、アンテナとの間隔に関する測定、考察＞
ところで、以上では、軟磁性体３０の形状として板状のもの（図３（Ａ））を使用し、また、軟磁性体３０をアンテナ基板１０に密着させる場合について測定を行い考察を行ったが、次に、軟磁性体３０の形状の違い、ならびにアンテナ基板１０と軟磁性体３０との間隔による特性の違いについて考察する。

図２０は、軟磁性体３０の形状の違いによるインダクタンスＬのずれ量ΔＬと、アンテナ基板１０と軟磁性体３０との間にスペーサ４０を設けたことによるインダクタンスＬのずれ量ΔＬとをまとめて示したものである。なお、ここでいうインダクタンスＬの値とずれ量ΔＬの値の意味は、図１７に示したＬ，ΔＬの値の意味と同様である。

測定条件として、軟磁性体３０の形状に関しては、平板状の軟磁性体３０Ａ（Ｃａｓｅ１−１〜１−３）と、中央部分がくり抜かれた形状の軟磁性体３０Ｂ（Ｃａｓｅ２−１〜２−３）との２つのパターンを測定した。また、スペーサ４０の厚みに関しては、厚みがゼロ、すなわちスペーサ４０を設けない場合（アンテナ基板１０と軟磁性体３０とが密着した状態、Ｃａｓｅ１−１，２−１）と、厚み０．５ｍｍのスペーサ４０を１枚のみ用いた場合（Ｃａｓｅ１−２，２−２）と、厚み０．５ｍｍのスペーサ４０を２枚用いた場合（合計１ｍｍの厚み、Ｃａｓｅ１−３，２−３）との３つのパターンを測定した。すなわち、軟磁性体３０の形状の違い、およびスペーサ４０の厚みの違いによる、各組み合わせで合計６パターンについて測定した。軟磁性体３０としては、透磁率μ＝２０，厚さｔｍ＝０．５ｍｍのフレキシールド（ＴＤＫ株式会社の登録商標）を使用した。

図２１は、図２０の各パターンの測定値をグラフ化したものである。縦軸はキャパシタンス（ｐＦ）、横軸はインダクタンス（ｎＨ）を示す。図２１には、図１８と同様、１３．５６ＭＨｚで共振する条件を示す曲線を同時に示す。なお、図２１では、図２０の例えば“Ｃａｓｅ１−１”のことを“Ｃ１１”と簡略化して表記している。

図２１から、スペーサ４０を設けない場合（Ｃ１１，Ｃ２１）に比べて、スペーサ４０を設けた場合（Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ２２，Ｃ２３）には、理想曲線からのインダクタンスのずれ量が低く抑えられていることが分かる。またスペーサ４０の厚みが同一のもので比較すると、平板状の軟磁性体３０Ａの場合（Ｃ１１〜Ｃ１３）に比べて、中央部分がくり抜かれた形状の軟磁性体３０Ｂの場合（Ｃ２１〜Ｃ２３）の方がインダクタンスのずれ量が低く抑えられている。

また、図２０の各パターンに関して、アンテナ基板１０の近傍の出力電圧を実際に測定した。図２２は、その測定環境を模式的に示している。アンテナ基板１０とプローブ６０との距離は１０．０ｍｍであり、アンテナ基板１０の上面からｚ方向に１０．０ｍｍの位置におけるｘｙ面内での強度を測定した。この測定では、１３．５６ＭＨｚで共振するような調整は行っていない。

図２５，図２６に、出力電圧の測定結果を示す。縦軸は出力電圧（ｄＢμＶ）、横軸は測定条件（アンテナ基板１０と軟磁性体３０との距離）を示す。図２５，図２６には、比較例として、アンテナ基板単体での出力電圧の測定結果も示す。なお、単位の変換が必要となるが、出力電圧の測定は実質的に磁界強度を測定しているものと考えて良い。

測定結果から、アンテナ基板１０に軟磁性体３０を密着させた場合（Ｃ１１，Ｃ２１）には、アンテナ基板単体の場合に比べて、軟磁性体３０を挿入したことによる大きな効果は見られない。しかし、アンテナ基板１０に対して隙間を設けて軟磁性体３０を挿入した状態（Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ２２，Ｃ２３）では、アンテナ基板単体での出力電圧と比べて、大きく改善されていることが分かる。なお、軟磁性体３０を密着させたＣ１１，Ｃ２１の場合であっても、共振回路の調整を行うことで出力電圧は大きく改善される。これは、既に図６などに示した結果などから明らかである。

図２３は、図２０のＣａｓｅ１−２の状態を想定した磁界分布のシミュレーション結果を表している。既に図１３において、［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ＋Ｍａｇ］の状態での磁界分布のシミュレーション結果を示した。すなわち図１３では、アンテナ基板１０と回路基板２０との間に軟磁性体３０を密着させて配置し、かつそれらを組み合わせた全体で共振周波数の調整を行った状態での磁界分布を示した。これに対し、図２３は、アンテナ基板１０と回路基板２０との間にスペーサ４０を介して軟磁性体３０を配置し、かつスペーサ４０をも考慮してそれらを組み合わせた全体で共振周波数の調整を行った状態での磁界分布を示している。スペーサ４０の厚みは０．５ｍｍ、共振周波数は１３．５６ＭＨｚで共振するように調整を行った。なお、図２３は、図９〜図１４と同一のスケールで図示している。

スペーサ４０を設けたことによる磁界分布の効果をさらに詳しく考察するため、図１５，図１６の場合と同様にして、シミュレーションによって得られた磁界分布からアンテナ中央部における磁界強度とｚ方向の距離との関係を調べた。その結果をグラフ化したものを図２４に示す。縦軸は磁界強度（Ａ／ｍ）、横軸はｚ方向の距離（ｍｍ）を示す。比較例として、アンテナ基板１０と回路基板２０との間に軟磁性体３０を密着させて配置し、全体で共振周波数の調整を行った状態（［ＡＮＴ＋Ｓｕｂ＋Ｍａｇ］）などについても同時に示す。

図２４から、共振周波数の調整を行った場合には、アンテナ基板１０に対してスペーサ４０を設けた場合の方が、軟磁性体３０を密着させて配置した場合よりもさらに磁界強度が改善されていることが分かる。

次に、スペーサ４０の厚みの違いによる効果をさらに詳細に検討した。ここでは、スペーサ４０の厚みを０．０ｍｍ〜８．０ｍｍの範囲で変えて、出力電圧を測定した。軟磁性体３０としては、図２０のＣａｓｅ１−１〜１−３の場合と同様、平板状の軟磁性体３０Ａで、フレキシールド（透磁率μ＝２０，厚さｔｍ＝０．５ｍｍ）を使用した。また、対照実験として、アンテナ基板単体での出力電圧も測定した。ただし、アンテナ基板単体の場合も、スペーサ４０を入れ、アンテナ基板１０が回路基板２０から離れることによる影響を考慮した。

図２７にその測定結果を示す。また、図２８にその測定結果をグラフ化して示す。図２８の縦軸は出力電圧（ｄＢμＶ）、横軸はスペーサ４０の厚さ（ｍｍ）を示す。なお、この測定では、各測定条件の場合において、１３．５６ＭＨｚで共振するような調整を行っていない。図２７，図２８において、“ＡＮＴ”はアンテナ基板単体の場合の測定結果、“ＡＮＴ＋Ｍａｇ”はアンテナ基板１０と軟磁性体３０とを組み合わせた場合の測定結果である。なお、いずれの場合も回路基板２０を配置して測定を行っている。図２７において、表中の“ΔＥ”は、“ＡＮＴ＋Ｍａｇ”の出力電圧から“ＡＮＴ”の出力電圧を引いた数値である。図２７，図２８に示した結果から、スペーサ４０の厚みが２ｍｍ以下では、軟磁性体３０を入れた状態での出力電圧の改善の程度が大きいことが分かる。しかし、厚みが４ｍｍ以上になると、“ＡＮＴ”と“ＡＮＴ＋Ｍａｇ”とで出力電圧の差が少なくなっている。

以上の結果から、軟磁性体３０の形状に関しては、共振周波数の調整を行うことを条件として、少なくともループアンテナ１１のループ部分を覆うような形状であれば、磁界強度の改善効果が得られることが確認できた。また、アンテナ基板１０に対して間隔を空けて軟磁性体３０を配置した方が、インダクタンスのずれ量も少なく、磁界強度も良好なものとなる可能性があることが分かった。ただし、間隔を大きく空けすぎると磁界強度の改善効果が少なくなるので、間隔は適当な範囲内に収まるよう、調整することが好ましい。

以上説明したように、本実施の形態によるアンテナ装置としてのリーダライタ１によれば、電磁波の放射を目的とする方向の反対側において、アンテナ基板１０と回路基板２０との間に軟磁性体３０を配置し、さらに、ループアンテナ１１と共振する共振用キャパシタ２１（図４）のキャパシタンスを、軟磁性体３０を配置したことによる共振周波数の所望の値からのずれが補正されるような値に設定したので、軟磁性体３０を配置しない場合と比べて、その磁界強度および磁界分布が最適化され、アンテナ感度や通信距離が向上し、従来よりも優れた通信環境を実現できる。また、前述の特許文献１（特開平９−２８４０３８号公報）では軟磁性体として透磁率μが１００以上のものを使用しているが、本実施の形態では、透磁率μが７，１２，２０の場合などでも改善効果が得られる。

本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置を利用した通信システムの全体構成図である。 本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の断面図である。 本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置における軟磁性体の形状の例を示す平面図である。 本発明の一実施の形態に係るアンテナ装置の等価回路を示す回路図である。 出力電圧の測定条件を示す説明図である。 軟磁性体を設けなかった場合の出力電圧（Ａ）と軟磁性体を設けた場合の出力電圧（Ｂ）とを測定した結果を示す特性図である。 磁界強度のシミュレーションの計算条件を説明するための図である。 磁界強度のシミュレーションの具体的な計算条件を示す図である。 アンテナ基板単体での磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ基板と回路基板とを組み合わせ、かつアンテナ基板単体で共振周波数の調整を行った場合における磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ基板と回路基板とを組み合わせ、かつアンテナと回路基板とを組み合わせた状態で共振周波数の調整を行った場合における磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ基板、回路基板、および軟磁性体を組み合わせ、かつアンテナ基板単体で共振周波数の調整を行った場合における磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ基板、回路基板、および軟磁性体を組み合わせ、かつそれら全体を組み合わせた状態で共振周波数の調整を行った場合における磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。 アンテナ基板、回路基板、および軟磁性体を組み合わせ、かつアンテナと回路基板とを組み合わせた状態で共振周波数の調整を行った場合における磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。 基板の厚み方向の距離と磁界強度との関係を複数の場合について示した図である。 図１４の結果も含めて、基板の厚み方向の距離と磁界強度との関係を複数の場合について示した図である。 アンテナと各種軟磁性体とを組み合わせた場合のインダクタンスおよび共振周波数のずれ量を測定した結果を示す図である。 図１７の結果をグラフ化してまとめた図である。 軟磁性体を設けたことによるアンテナ基板中心部の磁界分布の変化を説明するための図である。 軟磁性体の形状によるインダクタンスのずれ量と、アンテナ基板と軟磁性体との間にスペーサを設けたことによるインダクタンスのずれ量とをまとめて示した図である。 図２０の結果をグラフ化してまとめた図である。 アンテナ基板と軟磁性体との間にスペーサを設けた場合における出力電圧のシミュレーションの計算条件を示す図である。 アンテナ基板と軟磁性体との間にスペーサを設け、かつそれら全体を組み合わせた状態で共振周波数の調整を行った場合における磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。 図２３の結果も含めて、基板の厚み方向の距離と磁界強度との関係を複数の場合について示した図である。 図２０に示したＣａｓｅ１−１，１−２，１−３の場合における出力電圧の測定結果を示す図である。 図２０に示したＣａｓｅ２−１，２−２，２−３の場合における出力電圧の測定結果を示す図である。 スペーサの厚みと出力電圧との関係を測定した結果を示す図である。 図２７の測定結果をグラフ化して示した図である。

符号の説明

１…リーダライタ（アンテナ装置）、２…筐体、１０…アンテナ基板、１１，５１…ループアンテナ、１２…共振回路、２０…回路基板、２１…共振用キャパシタ、３０，３０Ａ，３０Ｂ…軟磁性体、４０…スペーサ、５０…非接触ＩＣカード、５２…ＩＣチップ、６０…プローブ。

Claims (3)

1. 通信対象側に電磁波を放射するループ状のアンテナと、
   回路基板と、
   前記アンテナと共に共振回路を形成するキャパシタと、
   前記アンテナと前記回路基板との間に配置された軟磁性体と
   を備え、
   前記キャパシタのキャパシタンスが、前記軟磁性体を配置したことによる共振周波数の所望の値からのずれが補正されるような値に設定されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記アンテナと前記軟磁性体とが、互いに接することなく間隔を空けて配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記軟磁性体は、前記アンテナに対応する部分のみを前記アンテナのループ部分に沿って覆うような形状で構成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
   

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