JP2007074139A - 通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化及び薄型化を達成するとともに、通信距離を大きくでき、通信可能な範囲を広げることができる。
【解決手段】略環状のアンテナコイル61と、アンテナコイル61の内側に設けられる通信回路部62とを有する基板63と、基板63の一方の面側からアンテナコイル61及び通信回路部62の全面を覆う磁性体シートとを備える。更に、磁性体シートの上記基板63の反対側には、金属板が設けられる。アンテナコイル61の内側に通信回路部62を配置することで、薄型化を達成するとともに、アンテナコイル61及び通信回路部62の全面を磁性体シートで覆うことで磁束を束ね、電波の到達距離を伸ばす。
【選択図】図2

Description

本発明は、RFID(Radio Frequency Identification)システム等の非接触通信システムの集積回路を内蔵した通信装置に関する。
鉄道の自動改札機、建物への入退出におけるセキュリティシステム、電子マネーシステム等の分野において、非接触型ICカードを用いた所謂RFIDシステムがある。
このRFIDシステムは、非接触型ICカードと、この非接触型ICカードに対してデータの書き込みや読み出しを行うリーダライタとから構成されている。このRFIDシステムでは、リーダライタ側のアンテナコイルとICカード側のアンテナコイルとが誘導結合によって磁気的に結合し、ICカードとリーダライタとの間で非接触データ通信が行われる。
このようなRFIDシステムでは、従来の接触型ICカードシステムのようなリーダライタに対してICカードを装填したり、金属接点を接触させたりする手間が省けるため、簡易且つ高速にデータのやり取りを行うことができる。また、非接触型ICカードは、リーダライタ側のアンテナコイルに励起される交流磁界を受けて電力が供給されるため、内部に電池等の電源を持つ必要がなく、動作信頼性が高く、したがって、メンテナンスが簡便である。
このようなRFIDシステムに用いられるリーダライタとして、特開2003−99733号公報及び特開2004−133674号公報に記載された通信装置がある(特許文献1、特許文献2参照)。
特許文献1に記載された通信装置は、アンテナに絶縁材を挟んで軟磁性体を配置し、さらに絶縁材を挟んで金属板を一体化し、その下に高周波電圧を発生する回路部(RF部)を配置することによって、小型化を図るものである。
しかし、特許文献1に記載された通信装置は、アンテナの基板厚と、回路部の基板厚と、絶縁材の厚さとを合わせたものが、モジュールの基板厚となり、通信装置の薄型化を十分に達成するものではない。
また、特許文献2に記載された通信装置は、最も外側に設けられるタッチパネルと、その内側に設けられるアンテナと、このアンテナの内側に設けられる電磁シールドと、この電磁シールドの内側に形成される表示面とからなる。
この通信装置は、無線通信のためのアンテナを設ける場合、アンテナ全体を防磁素材で覆い、アンテナの近くにスリットを設け、このスリットに非接触媒体を入れることで、アンテナと非接触媒体間の通信の安定化を図っている。
かかる通信装置は、アンテナ全体を防磁素材で覆うことで、アンテナからの妨害電波を抑えることができ、スリットを設けることで、指向性を高めることができる。
しかし、特許文献2に記載された通信装置では、電波の到達距離を伸ばすのに限界があった。
特開2003−99733号公報 特開2004−133674号公報
本発明の目的は、小型化及び薄型化を可能とするとともに、通信距離の向上を可能とする通信装置を提供することにある。
この目的を達成するため、本発明に係る通信装置は、略環状のアンテナコイルと、上記アンテナコイルの内側に設けられる通信回路部とを有する基板と、上記基板の一方の面側から上記アンテナコイル及び上記通信回路部の全面を覆う磁性体シートとを備える。
本発明に係る通信装置は、小型化及び薄型化を達成するとともに、通信距離を大きくでき、通信可能な範囲を広げることができる。
以下、本発明を適用した通信装置を図面を参照して説明する。具体的には、非接触型ICカード1に対して、図1に示すRFIDシステムを用いてデータの書き込み及び読み出しを行うリーダライタとしての通信装置について説明する。
まず、この通信装置の説明に先立ち、RFIDシステムについて、図1を用いて説明する。
ICカード1は、例えばISO7810に準拠した電池等の電源を内蔵していない所謂バッテリレスのICカードである。このICカードは、いわゆるクレジットカードと同サイズ、すなわち手のひらに乗る程度の大きさの短辺と長辺を有する長方形状に形成されている。このICカード1は、その内部に設けられた基板上に、電磁場と結合してデータを送受信するループアンテナ2と、データの書き込み及び読み出しを行うための各種処理を行う電子回路及びメモリが集積されたIC(Integrated Circuit)3とを有している。
ループアンテナ2は、平面状に導線が巻線されたループコイル4からなり、このループコイル4と並列に接続されたコンデンサ5と共に共振回路を構成している。このループアンテナ2は、後述する通信装置50側のループアンテナから放射された電磁場と結合し、結合された電磁場を電気信号に変換した後、ICに供給する。
IC3は、ループコイル4から供給された電気信号を整流平滑する整流回路6と、整流回路6から供給された電気信号を直流電力に変換するレギュレータ7と、整流回路6から供給された電気信号の高域成分を抽出するHPF(High Pass-Filter)8と、HPF8から入力された高周波成分の信号を復調する復調回路9と、この復調回路9から供給されるデータに対応してデータの書き込み及び読み出しを制御するシーケンサ10と、復調回路9から供給されるデータを記憶するメモリ11と、ループコイル4により送信するデータを変調する変調回路12とを備える。
整流回路6は、ダイオード13、抵抗14及びコンデンサ15から構成されている。このうち、ダイオード13のアノード端子がループコイル4及びコンデンサ5の一端に接続され、ダイオード13のカソード端子が抵抗14及びコンデンサ15の一端に接続され、抵抗14及びコンデンサ15の他端がループコイル4及びコンデンサ5の他端に接続されている。この整流回路6は、ループコイル4から供給された電気信号を整流平滑した電気信号をレギュレータ7及びHPF8に出力する。
レギュレータ7は、上述した整流回路6のダイオード13のカソード端子、抵抗14及びコンデンサ15の一端と接続されている。このレギュレータ7は、整流回路6から供給された電気信号の電圧変動(データ成分)を抑制し、安定化した後、直流電力としてシーケンサ10に供給する。これにより、シーケンサ10等の誤動作の原因となる、例えばICカード1の位置が動くことにより発生する電圧変動、並びにICカード1内の消費電力の変化により発生する電圧変動が抑制される。
HPF8は、コンデンサ16及び抵抗17により構成されており、上述した整流回路6から供給された電気信号の高域成分を抽出し、復調回路9に出力する。
復調回路9は、上述したHPF8のコンデンサ16の他端及び抵抗17の一端と接続されており、このHPF8から入力された高周波成分の信号を復調し、シーケンサ10に出力する。
シーケンサ10は、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)を内部に有し、上述した復調回路9と接続されている。このシーケンサ10は、復調回路9から入力された信号(コマンド)をRAMに記憶させ、ROMに内蔵されているプログラムに従ってこれを解析し、解析された結果に基づいて、必要に応じてメモリ11に格納されているデータを読み出し、或いはメモリ11に復調回路9から供給されるデータを書き込む。このシーケンサ10は、コマンドに対応するレスポンスを返すために、レスポンス信号を生成し、変調回路12に供給する。
メモリ11は、データの保持に電力を必要としないEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等の不揮発性メモリからなり、上述したシーケンサ10と接続されている。このメモリ11は、シーケンサ10の解析結果に基づいて、復調回路9から供給されるデータを記憶する。
変調回路12は、インピーダンス18とFET(Field Effect Transistor)19との直列回路から構成されており、このうち、インピーダンス18の一端が上述した整流回路6のダイオード13のカソード端子に接続され、インピーダンス18の他端がFET19のドレイン端子と接続され、FET19のソース端子が接地点に接続され、FET19のゲート端子がシーケンサ10と接続されている。この変調回路12は、上述した共振回路を構成するループコイル4と並列に接続されており、FET19をシーケンサ10からの信号に対応してスイッチング動作させ、ループコイル4に対するインピーダンス18の負荷を変動させる、いわゆる負荷変調方式を採用している。
これに対して、リーダライタとしての通信装置50は、送受信するデータの制御を行う制御回路51と、データの変調及び復調を行う変調回路52及び復調回路53と、電磁場と結合してデータを送受信するループアンテナ54とを有して構成される。
制御回路51は、例えば外部からの指令や内蔵するプログラムに従って、各種制御用のコントロール信号を生成し、変調回路52及び復調回路53を制御すると共に、指令に対応した送信データを生成し、変調回路52に供給する。また、制御回路51は、復調回路53からの応答データに基づいて、再生データを生成し、外部に出力する。
変調回路52は、制御回路51から入力された送信データを発信器が変調し、この変調した信号をループアンテナ54に供給する。
復調回路53は、ループアンテナ54からの変調波を復調し、この復調したデータを制御回路51に供給する。
ループアンテナ54は、導線を平面状に巻線したループコイルからなり、変調回路52より供給された変調波に対応した電磁場を放射すると共に、ICカード1側のループコイル4の負荷変動を検出する。なお、ループアンテナ54には、通信装置50のアンテナ駆動回路方式に応じて、共振用のコンデンサが並列或いは直列に接続される場合もある。
以上のように構成されるRFIDシステムでは、ICカード1に対して所定のデータの書き込みが指令されると、この指令に基づいて、通信装置50の制御回路51が書き込みのためのコマンド信号を生成すると共に、指令に対応した送信データ(書き込みデータ)を生成し、変調回路52に供給する。変調回路52は、入力された信号に基づいて、発振信号の振幅を変調し、ループアンテナ54に供給する。ループアンテナ54は、入力された変調信号に対応する電磁波を放射する。
ここで、ICカード1のループコイル4及びコンデンサ5からなる共振回路の共振周波数は、通信装置50からの発振周波数(キャリア周波数)に対応する値、例えば13.56MHzに設定されている。したがって、この共振回路は、放射された電磁場を共振動作により受信し、受信した電磁場を電気信号に変換した後、IC3に供給する。変換された電気信号は、整流回路6に入力され、この整流回路6により整流平滑された後、レギュレータ7に供給される。そして、このレギュレータ7は、整流回路6から供給された電気信号の電圧変動(データ成分)を抑制し、安定化した後、直流電力としてシーケンサ10に供給する。
整流回路6により整流平滑された信号は、変調回路12を介してHPF8に供給され、高域成分が抽出された後、復調回路9に供給される。この復調回路9は、入力された高周波成分の信号を復調し、シーケンサ10に供給する。シーケンサ10は、復調回路9から入力された信号(コマンド)をRAMに記憶させ、ROMに内蔵されているプログラムに従ってこれを解析し、解析された結果に基づいて、メモリ11に復調回路9から供給された書き込みデータを書き込む。
一方、シーケンサ10は、復調回路9から入力された信号(コマンド)が読み出し指令である場合に、その指令に対応する読み出しデータをメモリ11から読み出す。また、シーケンサ10は、読み出しデータに対応して、変調回路12のFET19がスイッチング動作される。すなわち、変調回路12では、FET19がオンされると、インピーダンス18にループコイル4が並列に接続され、FET19がオフされると、インピーダンス18とループコイル4との並列接続が解除される。その結果、このICカード1側のループアンテナ2と磁気的に結合している通信装置50側のループアンテナ54のインピーダンスが、読み出しデータに対応して変化する。したがって、ループアンテナ54の端子電圧は、そのインピーダンスの変化に応じて変動することとなり、通信装置50は、この変動分を復調回路53が復調することで、読み出しデータを受信することができる。
以上のようにして、ICカード1と通信装置50との間で通信が行われ、ICカード1に対して通信装置50によるデータの書き込み及び読み出しが非接触で行われる。
次に、本発明を適用した通信装置50について詳細に説明する。
通信装置50は、図2乃至図5に示すように、上述したループアンテナ54を構成する略環状のアンテナコイル61と、このアンテナコイル61の内側に複数の集積回路素子が実装されて形成される通信回路部(RF(Radio Frequency)部)62とを有する基板63と、この基板63の一方の面側からアンテナコイル61及び通信回路部62の全面を覆う磁性体シート64とを備える。ここで、図2は、アンテナコイル61の内部に通信回路部62を設けたモジュールを、アンテナパターン側、すなわち、ICカード1との通信側から見た図である。また、図3及び図4は、このモジュールをICカード1との通信側と反対側から見た図であり、図4は、磁性体シート64を剥がした状態を示す図である。
複数の集積回路素子からなる通信回路部62は、上述した制御回路51、変調回路52、復調回路53等を有する。
アンテナコイル61は、例えばポリイミドやマイカ等の可撓性を有する基板63に形成された電解銅等の導体金属箔膜をエッチングするなどして形成される。このアンテナコイル61の作製方法は、上述した例に限定されず、例えば銀ペースト等の導体ペーストを用いてアンテナコイル61となる導体パターンを印刷したものでもよく、或いは金属ターゲットをスパッタすることによって基板上にアンテナコイル61となる導体パターンを形成してもよい。
磁性体シート64は、基板63に設けられたアンテナコイル61及び通信回路部62の全面を、基板63の通信する側の面、すなわち、ICカード1と対向する面とは反対側の面に貼り合わされる。磁性体シート64は、比較的柔らかいフレキシブル性を有するシート状の磁性体である。
尚、通信装置は、さらに、金属板を設けるように構成してもよい。次に、金属板を有する通信装置70について説明する。尚、以下の説明において、上述した通信装置50と共通する部分については、共通の符号を付して詳細な説明は省略する。
通信装置70は、図2乃至図7に示すように、上述したループアンテナ54を構成する略環状のアンテナコイル61と、このアンテナコイル61の内側に複数の集積回路素子が実装されて形成される通信回路部62とを有する基板63と、この基板63の一方の面側からアンテナコイル61及び通信回路部62の全面を覆う磁性体シート64と、磁性体シート64の基板63の反対側の面に設けられる金属板としてアルミ板75とを備える。アルミ板75と基板63との間隔は、2mm程度とされている。
ここで、一般的に、アルミ板75等の金属板が基板63に設けられたアンテナコイル61から2mm未満の距離に存在すると、アンテナコイル61から発生する磁界の影響を受け、金属体に渦電流が発生し、通信距離が小さくなったり、通信の抜けやNULLが発生してしまう等の性能の劣化を招くおそれがあった。通信装置70は、アルミ板75と基板63との間隔が2mm程度確保されていることにより、当該通信装置70を、各種装置に搭載する場合、周辺の金属対による通信性能への影響を考慮する必要がなくなり、換言すると、搭載する各種装置における通信性能への影響評価のパラメータを1つなくすことを可能とする。
以上のように構成された通信装置50,70は、アンテナコイル61の内側に通信回路部62を配置することで、薄型化を達成するとともに、アンテナコイル61及び通信回路部62の全面を磁性体シートで覆うことで磁束を束ね、電波の到達距離を伸ばすことを指向することで、通信距離を伸ばすことができる。
次に、上述した通信装置の性能評価について説明する。
ユーザが、ICカードを通信装置のアンテナにかざすことを想定した場合、ICカードとアンテナとの相対的な位置関係は、常に正対した状態であるとは限らない。少しずれてかざすことも考えられるため、この点についても考慮する必要がある。
以下の性能評価にあたり、カードA及びカードBの2種類のカードを用いた。すなわち、カードAは、同調周波数のバラツキが想定される最大値に同調を設定したものである。また、カードBは、同調周波数のバラツキが想定される最小値に同調を設定したものである。
また、カード自体の同調周波数のバラツキも考慮する必要があることから、以下の性能評価においては、アンテナに対して、正対した位置、すなわち、センター位置からのズレ、すなわち、オフセットした位置での通信の可否を確認する。
まず、図2乃至図5に示す上述した通信装置50を実施例1とする。また、図2乃至図7に示す通信装置70を実施例2とする。ここで、通信装置50,70を構成する磁性体シート64は、矩形状とし、長手方向Xの長さを50mmとし、幅方向Yの長さを33mmとした。また、通信装置70を構成するアルミ板75は、矩形状とし、長手方向Xの長さを50mmとし、幅方向Yの長さを33mmとした。さらに、この実施例1,2の通信装置と比較するための比較例1,2の通信装置を用いた。
比較例1の通信装置110は、図8に示すように、略環状のアンテナコイル111と、このアンテナコイル111の内側に設けられる通信回路部112とを有する基板113と、アンテナコイル111に沿って形成された磁性体シート114と、磁性体シート114の基板113の反対側の面に設けられるアルミ板115とを備える。すなわち、この通信装置110の磁性体シート114は、アンテナコイル111の全周において6mmの幅で形成され、アンテナコイル111の内側より小さな、長手方向Xの長さを38mm、幅方向Yの長さを21mmとされた開口部118を有するものである。アルミ板115は、長手方向Xの長さを50mmとし、幅方向Yの長さを33mmとした。
比較例2の通信装置120は、図9に示すように、略環状のアンテナコイル121と、このアンテナコイル121の内側に設けられる通信回路部122とを有する基板123と、アンテナコイル121に沿って、且つ基板123から5mm程度はみ出すように形成された磁性体シート124と、磁性体シート124の基板123の反対側の面に設けられるアルミ板125とを備える。すなわち、この通信装置120の磁性体シート124は、アンテナコイル121の長手方向Xの部分に沿う部分が6mmの幅で形成され、アンテナコイル121の幅方向Yの部分に沿う部分が11mmの幅で形成され、アンテナコイル121の内側より小さな、長手方向Xの長さを38mm、幅方向Yの長さを21mmとされた開口部128を有するものである。アルミ板125は、長手方向Xの長さを50mmとし、幅方向Yの長さを43mmとした。
これらの実施例1、2及び比較例1,2の通信装置50,70,110,120に対して、カードAを接触させた状態、すなわち、通信装置のアンテナコイルに直交する方向である高さ方向の通信装置50,70,110,120からの距離が0の状態で、図10に示すように、各通信装置のセンターCTX,CTY、すなわち、アンテナコイルのセンターの位置からアンテナコイル61,111,121の長手方向X及び幅方向Yをオフセット方向として、オフセットされる通信可能な最大距離を測定した。
また、これらの実施例1,2及び比較例1,2の通信装置50,70,110,120に対して、カードBを、図11(a)、(b)に示すように、通信装置のセンターCTXから長手方向Xに±10mmオフセットした状態、すなわち、カードのセンターCCXがアンテナコイルのセンターCTXから±10mm移動した状態、並びに、図10(c)、(d)に示すように、通信装置のセンターCTYから幅方向Yに±10mmオフセットした状態、すなわち、カードのセンターCCYがアンテナコイルのセンターCTYから±10mm移動した状態から、高さ方向に通信可能な最大距離を測定した。
そして、このカードA,Bに対する各通信装置50,70,110,120の、MAX通信距離3mmでの通信の可否、及び、通信の抜けや、NULL、すなわち、放射のない点の有無を確認し、その結果を表1に示す。
Figure 2007074139
表1に示すように、開口部118,128を設けた磁性体シート114,124を備えた比較例1,2の通信装置110,120では、NULLや抜けが多数発生したのに対し、実施例1,2の通信装置50,70では、アンテナコイル及び通信回路部の全面を覆う磁性体シートを備えることから、通信距離も良好であるとともに、NULLや抜けも発生しない。
本発明を適用した通信装置50,70は、アンテナコイル61の内側に通信回路部62を配置することで、小型化、薄型化を達成するとともに、アンテナコイル61及び通信回路部62の全面を磁性体シートで覆うことで磁束を束ね、電波の到達距離を伸ばすことを指向することで、通信距離を拡大して良好な通信を行うことを可能とする。
また、本発明を適用した通信装置50,70は、磁性体シートの基板の反対側に金属板を構成したことから、周囲の金属による通信距離への影響を最小限に抑えることができる。
本発明を適用した通信装置を用いたRFIDシステムの構成を示す回路図である。 本発明を適用した通信装置の通信側の構成を示す平面図である。 本発明を適用した通信装置の通信側と反対側の構成を示す平面図である。 本発明を適用した通信装置の通信側と反対側の磁性体シートを剥がした状態を示す平面図である。 本発明を適用した通信装置を示す図であり、(a)は、通信側からの斜視図であり、(b)は、通信側と反対側からの斜視図である。 本発明を適用した通信装置の他の例を示す図であり、通信側と反対側の構成を示す平面図である。 本発明を適用した通信装置の他の例を示す図であり、(a)は、通信側からの斜視図であり、(b)は、通信側と反対側からの斜視図である。 本発明を適用した通信装置と比較する比較例1の通信装置を示す図であり、(a)は、通信側の構成を示す平面図であり、(b)は、通信側と反対側のアルミ板を張り付ける前の状態を示す平面図であり、(c)は、通信側と反対側の構成を示す平面図である。 本発明を適用した通信装置と比較する比較例2の通信装置を示す図であり、(a)は、通信側の構成を示す平面図であり、(b)は、通信側と反対側のアルミ板を張り付ける前の状態を示す平面図であり、(c)は、通信側と反対側の構成を示す平面図である。 実施例1、2及び比較例1,2の通信装置の性能評価の方法を説明する図であり、カードAを用いた場合の評価の方法を説明する平面図である。 実施例1、2及び比較例1,2の通信装置のカードBを用いた場合の性能評価の方法を説明する図であり、(a)は、X方向に+10mmオフセットした状態を示す平面図であり、(b)は、X方向に−10mmオフセットした状態を示す平面図であり、(c)は、Y方向に+10mmオフセットした状態を示す平面図であり、(d)は、Y方向に−10mmオフセットした状態を示す平面図である。
符号の説明
1 ICカード、 2 ループアンテナ、 3 IC、 4 ループコイル、 5 コンデンサ、 6 整流回路、 7 レギュレータ、 8 HPF、 9 復調回路、 10 シーケンサ 、 11 メモリ、 12 変調回路、 50 通信装置、 51 制御回路、 52 変調回路、 53 復調回路、 54 ループアンテナ、 61 アンテナコイル、 62 通信回路部、 63 基板、 64 磁性体シート、 75 アルミ板

Claims (2)

  1. 略環状のアンテナコイルと、上記アンテナコイルの内側に設けられる通信回路部とを有する基板と、
    上記基板の一方の面側から上記アンテナコイル及び上記通信回路部の全面を覆う磁性体シートとを備える通信装置。
  2. 上記磁性体シートの上記基板の反対側には、金属板が設けられることを特徴とする請求項1記載の通信装置。
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