JP2006072681A - 非接触ｉｃリーダライタ - Google Patents

Abstract

【課題】 アンテナ面と同一面内にリーダライタが複数配置された場合であっても、隣合うリーダライタ間で干渉が起こることのない非接触ＩＣリーダライタを提供する。
【解決手段】 通信対象物としての非接触ＩＣカードとの間でＭＨｚ帯の通信周波数で通信を行うためのアンテナをもつアンテナ基板１０と、該アンテナ基板１０の背後に配置される回路基板２０とを有する非接触ＩＣリーダライタにおいて、アンテナ面より電磁波放射方向に突き出るように、前記アンテナの側方位置に良導体としての側壁金属３０を配置した構成である。また、側壁金属３０の内側の少なくとも一部には側壁軟磁性体４０が配されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤタグ、非接触ＩＣカード等のＩＣを含む通信対象物との間で電磁波を用いた無線通信を行なう、非接触ＩＣリーダライタに関する。

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）を行なうリーダライタとで構成される。データキャリアは、その形状や大きさ等に応じてＲＦＩＤタグ（無線ＩＣタグ）、非接触ＩＣカード等と呼ばれる（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、及び２.４５ＧＨｚ帯等がある。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等から、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等への応用も検討されている。

これらＲＦＩＤシステムに使用されるリーダライタが、例えば非接触ＩＣカード製造現場での実力検査目的で多数近接して並べて配置されたり、下記特許文献１のように自動販売機での商品ごとに搭載されたりした場合、リーダライタから発せられる電磁波が互いに干渉しあい、システムがうまく作動しない、又は非接触ＩＣカードが通信を行なうべく意図したリーダライタ以外と通信を行なってしまうといった問題が生じる恐れがある。

この対策として、下記特許文献２では、リーダライタを複数台並列（但し、アンテナ面に垂直な方向に各リーダライタを配置）に有する非接触通信システムにおいて、各リーダライタ間に高透磁率材料からなる板材を配設することにより、通信の干渉を抑制している。

特開平１１−６６３９８号公報 特開２００４−７０７７９号公報

前記特許文献２に記載の従来技術は、リーダライタの電磁波放射方向において並列に配置された場合についての干渉改善方法であり、アンテナ面つまりアンテナが形成されている面と同一面内に複数のリーダライタが存在している場合については考慮されていない。

本発明は、上記の点に鑑み、アンテナ面と同一面内にリーダライタが複数配置された場合であっても、隣合うリーダライタ間で干渉が起こることのない非接触ＩＣリーダライタを提供することを目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明は、ＩＣを含む通信対象物との間でＭＨｚ帯の通信周波数で通信を行うためのアンテナと、該アンテナの背後に配置される回路基板とを有する非接触ＩＣリーダライタにおいて、
アンテナ面より電磁波放射方向に突き出るように、前記アンテナの側方位置に良導体を配置したことを特徴としている。

前記非接触ＩＣリーダライタにおいて、前記良導体の内側の少なくとも一部に軟磁性体が配されているとよい。また、前記軟磁性体の高さは前記良導体よりも低くてもよい。

前記非接触ＩＣリーダライタにおいて、前記良導体及び前記軟磁性体は前記回路基板と一体化された構成であるとよい。

本発明に係る非接触ＩＣリーダライタによれば、アンテナ面より放射方向に突き出るように、アンテナの側方位置に良導体を配置したので、アンテナ面と同一面内にリーダライタが複数配置された場合においても、アンテナの特性を大幅に悪化させずに、隣合うリーダライタ間で干渉が起こることを防止できる。この結果、非接触ＩＣカード等のＩＣを含む通信対象物は意図したリーダライタと確実に通信を行なうことが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、非接触ＩＣリーダライタの実施の形態を図面に従って説明する。

図１は本発明に係る非接触ＩＣリーダライタの実施の形態であって、図１（Ａ）は概略正断面図、（Ｂ）は概略平面図である。この図において、非接触ＩＣリーダライタ１は、ＩＣを含む通信対象物としての非接触ＩＣカード２との間で通信を行うためのアンテナを形成したアンテナ基板１０と、このアンテナ基板１０の背後に配置される回路基板２０と、アンテナ基板１０と回路基板２０間に配置される背面軟磁性体１５と、良導体としての側壁金属３０と、側壁金属３０の内側に配置された側壁軟磁性体４０とを有している。

前記非接触ＩＣカード２との間の通信は、ＭＨｚ帯の通信周波数、例えばループ状アンテナを使って１３.５６ＭＨｚで行う。ループ状アンテナ１２は通信対象側（非接触ＩＣカード）に電磁波を放射し、また通信対象側からの電磁波を受信する機能を有する。ここでは、ループ状アンテナ１２となる良導体パターンを形成した絶縁基板１１の表面１１ａがアンテナ面であり、前記側壁金属３０及びその内側の側壁軟磁性体４０はアンテナ１２の側方に位置してアンテナ１２の四方を枠状に取り囲みかつアンテナ面より電磁波放射方向に突出している。側壁軟磁性体４０は複素透磁率の実部の値が大きく、虚部の値が小さい材質が好ましい。

回路基板２０はアンテナ基板１０に設けられたアンテナを制御するものであり、アンテナに高周波送信信号を送出する送信機及びアンテナで受信された高周波受信信号を受ける受信機を有する。この回路基板２０は大部分が金属であると考えることができ、アンテナ基板１０の背後、つまり電磁波放射方向の反対側（通信対象側の反対側）に配置されている。ループ状アンテナ１２及びこれと共振回路を構成するコンデンサ（アンテナ基板１０又は回路基板２０に設けられる）は、背面に軟磁性体１５及び回路基板２０が配置され、かつ側壁金属３０及び側壁軟磁性体４０が配置されている状態において最適な周波数特性となるように（例えば１３.５６ＭＨｚで最適な通信ができるように）、コイルパターン（巻き数、コイル径等）及び容量が設定されていると好ましい。

前記側壁金属３０及びその内側の側壁軟磁性体４０は回路基板２０と一体化されていて、リーダライタの外装ケース５０内に収納されている。

なお、図１では側壁軟磁性体４０は側壁金属３０と同じ高さの場合を図示しているが、側壁金属３０よりも低い高さであってもよい。また、側壁金属３０の内面に側壁軟磁性体４０が密着していてもよいし、両者間に隙間があってもよい。

この実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) ＩＣを含む通信対象物との間でＭＨｚ帯（とくに、１３.５６ＭＨｚ）の通信周波数で通信を行うためのアンテナ１２と、アンテナ１２の背後に配置される回路基板２０とを有する構成において、アンテナ面より電磁波放射方向に突き出るように、アンテナ１２の側方位置に良導体としての側壁金属３０を配置したので、アンテナ１２から放射される電磁波の磁界の広がりを抑制することが可能である。このため、前記アンテナ面と同一面内にリーダライタが複数配置された場合においても、アンテナ１２の特性を大幅に悪化させずに、隣合うリーダライタ間で干渉が起こることを防止できる。この結果、非接触ＩＣカード２は意図したリーダライタ、つまり非接触ＩＣカード２の真正面に対向したアンテナ１２をもつリーダライタのみと確実に通信を行なうことが可能となる。

(2) 側壁金属３０の内側の少なくとも一部に側壁軟磁性体４０を配置することにより、アンテナ１２から放射される電磁波の磁界の広がりを抑制するとともに、アンテナ特性を向上させることが可能である。つまり側壁金属３０を設けたことに起因するアンテナ放射方向の磁界の弱まりを防止できる。この結果、非接触ＩＣカード２との間で良好な通信が可能となる。

なお、上記実施の形態では、アンテナ基板１０の四方を取り囲むように枠状に良導体としての側壁金属３０を配置したが、別のリーダライタが隣接している部分にのみ側壁金属３０及び側壁軟磁性体４０を配置する構成としてもよい。また、背面軟磁性体１５と側壁軟磁性体４０とが接合している構造であっても差し支えない。

また、上記実施の形態では、前記良導体としての側壁金属３０と側壁軟磁性体４０はリーダライタの外装ケース内に収納された例を示したが、既存のリーダライタの構造体の外側に良導体としての側壁金属３０と側壁軟磁性体４０を配置する構成であってもよい。

以下、アンテナを表面に形成したアンテナ基板の側方位置に配置される良導体としての側壁金属及び側壁軟磁性体の効果について、電磁界シミュレータ（ＦＤＴＤ法）を用いたシミュレーションにより検討を行なった。

(1) モデル
シミュレーションモデルを図１に示す。このシミュレーションモデルは１３.５６ＭＨｚで通信を行なう場合のリーダライタを想定しており、アンテナ基板、背面軟磁性体（アンテナ背面）、回路基板、良導体としての側壁金属、側壁軟磁性体より形成されている。ここで、モデルに用いたサイズは一般的なリーダライタの形状を使用している。

以下、リーダライタの特性比較に関しては、アンテナ面（アンテナ基板の上面）から１００ｍｍ上空の面内磁界強度分布、並びにアンテナ中心軸上の磁界強度で比較を行なっている。

解析空間：２８０ｍｍ×２６０ｍｍ×２８０ｍｍ
入力電力：１Ｗ
アンテナ基板：長辺５５ｍｍ×短辺３３ｍｍ×厚さ０.５ｍｍ
背面軟磁性体：長辺５５ｍｍ×短辺３３ｍｍ×厚さ０.５ｍｍ
回路基板：長辺８０ｍｍ×短辺５５ｍｍ×厚さ１ｍｍ
アンテナ基板−回路基板間距離：１ｍｍ
側壁金属：高さ５ｍｍ〜８０ｍ
側壁軟磁性体：複素比透磁率μr＝８.６−ｊ０
高さ２０ｍｍ、４０ｍｍ、厚さ０.５ｍｍ

(2) 側壁金属を用いるが、側壁軟磁性体が無い場合
側壁金属の高さを５ｍｍ〜８０ｍｍまで変化させたときのアンテナ中心軸上の磁界強度を、側壁金属無しの場合と対比して図２に示す。ここで、横軸のアンテナからの距離はアンテナ基板上面中心から上方に向かう距離である。

また、アンテナ面を基準として１００ｍｍ上空における磁界強度分布（磁界強度の最大値を１として規格化した結果）を図３に示す。ここで、横軸のｘはアンテナ中心軸を基準とした横方向（アンテナ基板長辺方向）の距離、縦軸は磁界強度の最大値を１として規格化した磁界強度比である。

これより、側壁金属を高くするほど、放射される磁界自体が弱まってしまうものの、磁界の広がりを抑えることができることが確認された。

(3) 側壁金属を用いるとともに側壁軟磁性体を用いる場合
側壁金属の高さを４０ｍｍ固定とし、側壁金属の内側に側壁軟磁性体を高さ２０ｍｍ、４０ｍｍで装着したときの、アンテナ中心軸上の磁界強度を、側壁金属無し、側壁軟磁性体無しの場合と対比して図４に示す。また、アンテナ面を基準として１００ｍｍ上空における磁界強度分布を図５に示す。図４において、側壁金属の高さ４０ｍｍで側壁軟磁性体の高さ４０ｍｍの場合と、側壁金属の高さ４０ｍｍで側壁軟磁性体の高さ２０ｍｍの場合とでは殆ど差が無く、また側壁金属無しと比較して磁界強度低下がわずかであることが示されている。また、図５では側壁金属４０ｍｍであれば、側壁軟磁性体の有無にかかわらず磁界の広がりを抑制できることが示されている。

これらの結果から、側壁軟磁性体を配置することにより、磁界の広がりを抑えたまま、アンテナの特性を向上させ得ることが確認された。また、側壁軟磁性体は、側壁金属の一部に配するだけで効果があることが確認された。例えば、側壁軟磁性体は、側壁金属と同じ高さであってもよいが、側壁金属の約１／２以上の高さがあれば、側壁金属と同じ高さの場合とほぼ同様の効果が得られている。

以上本発明の実施の形態及び実施例について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る非接触ＩＣリーダライタの実施の形態（シミュレーションモデル）であって、（Ａ）は概略正断面図、（Ｂ）は概略平面図である。 図１のシミュレーションモデルにおいて、側壁良導体として側壁金属を配置したときのアンテナ中心軸上の磁界強度を示すグラフである。 図１のシミュレーションモデルにおいて、側壁金属を配置したときのアンテナから１００ｍｍ上空の磁界分布（磁界強度の最大値を１に規格化）を示すグラフである。 図１のシミュレーションモデルにおいて、側壁金属の内側に側壁軟磁性体を装着したときのアンテナ中心軸上の磁界強度を示すグラフである。 図１のシミュレーションモデルにおいて、側壁金属の内側に側壁軟磁性体を装着したときのアンテナから１００ｍｍ上空の磁界分布（磁界強度の最大値を１に規格化）を示すグラフである。

符号の説明

１ 非接触ＩＣリーダライタ
２ 非接触ＩＣカード
１０ アンテナ基板
１１ 絶縁基板
１２ ループ状アンテナ
１５ 背面軟磁性体
２０ 回路基板
３０ 側壁金属
４０ 側壁軟磁性体
５０ 外装ケース

Claims (4)

1. ＩＣを含む通信対象物との間でＭＨｚ帯の通信周波数で通信を行うためのアンテナと、該アンテナの背後に配置される回路基板とを有する非接触ＩＣリーダライタにおいて、
   アンテナ面より電磁波放射方向に突き出るように、前記アンテナの側方位置に良導体を配置したことを特徴とする非接触ＩＣリーダライタ。
2. 前記良導体の内側の少なくとも一部に軟磁性体が配されていることを特徴とする請求項１記載の非接触ＩＣリーダライタ。
3. 前記軟磁性体の高さが前記良導体よりも低いことを特徴とする請求項２記載の非接触ＩＣリーダライタ。
4. 前記良導体及び前記軟磁性体は前記回路基板と一体化されていることを特徴とする請求項２又は３記載の非接触ＩＣリーダライタ。

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