JP2007088661A - 情報処理装置およびループアンテナ - Google Patents

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Abstract

【課題】 通信感度をより向上させることができるようにする。
【解決手段】 ループアンテナ５１の直線部５１1乃至５１18のうち、直線部５１1乃至５１13は、他の機器と無線による通信を行うための給電素子となるように第１の巻き数で巻かれ、直線部５１14乃至５１18は、直線部５１1乃至５１13の内側または外側に、無給電素子となるように第２の巻き数で巻かれることで、通信感度をより向上させることができるようになる。本発明は、情報処理装置に適用できる。
【選択図】 図８

Description

情報処理装置およびループアンテナに関し、特に、無線により相手と通信するか、送信または受信することができるようにした情報処理装置およびループアンテナに関する。
近年、非接触型のIC（Integrated Circuit）カードが普及している。ICカードは、磁気カードなどの他のカードと比べて、大容量のデータを記録できるとともに、データの暗号化も可能となるのでセキュリティの面においても優れており、例えば、電子マネーの格納用カード、交通機関の定期券、金融機関のクレジットカードなどの用途で利用されている。ICカードには、通信方式の違いによって、接触型または非接触型に分けられ、非接触型ICカードは、アンテナ線を所定の巻き数で巻いたループアンテナが内蔵されており、微弱な電波を利用して専用のリーダライタなどの端末との通信を行う。
また、非接触型ICカードには、携帯電話機などの携帯型の機器に組み込まれることで、専用のリーダライタと通信するICカード機能はもちろん、他の非接触型ICカードと通信するリーダライタ機能（R/W機能）を備えているものもある。なお、以下、非接触型ICカードが、ICカード機能により動作することをカードモードと称し、リーダライタ機能により動作することをリーダライタモードと称する。
従来の非接触型ICカードのフロントエンド回路１は、カードモードで動作する場合、図１に示すように、キャパシタC1、ループアンテナ２、および送受信回路３が設けられる。図中のインダクタンスL1は、ループアンテナ２のインダクタンス成分を示し、抵抗R1は、ループアンテナ２のレジスタンス成分を示す。ループアンテナ２は、直列接続したインダクタンスL1と抵抗R1とからなる等価回路で表すことができる。
受信時において、ループアンテナ２は、リーダライタ（図示せず）から送信されてくる変調波（信号）を受信し、受信した変調波を送受信回路３に供給する。そして、送受信回路３は、ループアンテナ２から供給された変調波に所定の処理を施し、これにより得られた受信データをCPU（Central Processing Unit）（図示せず）に供給する。また、送信時において、送受信回路３は、CPU（図示せず）から供給された送信データに所定の処理を施し、これにより得られた変調波（信号）をループアンテナ２に供給する。そして、ループアンテナ２は、送受信回路３から供給された変調波をリーダライタ（図示せず）に送信する。
図１のフロントエンド回路１においては、直列接続されている抵抗R1とインダクタンスL1との両端にキャパシタC1が並列接続され、所定の周波数で共振するように設定されている。すなわち、フロントエンド回路１は、カードモードで動作する場合、図１に示すように、キャパシタC1をループアンテナ２に対して、並列に接続させて並列共振回路を構成し、リーダライタ（図示せず）との間で効率よく通信することが可能となる。
また、従来の非接触型ICカードのフロントエンド回路１は、リーダライタモードで動作する場合、図２に示すように、キャパシタC2、ループアンテナ２、受信回路４、および送信回路５が設けられる。図１に示す場合と同様の部分には、同様の符号が付してあり、その説明は（適宜）省略する。
受信時において、ループアンテナ２は、ICカード（図示せず）から送信されてくる変調波（信号）を受信し、受信した変調波を受信回路４に供給する。そして、受信回路４は、ループアンテナ２から供給された変調波に所定の処理を施し、これにより得られた受信データをCPU（図示せず）に供給する。また、送信時において、送信回路５は、CPU（図示せず）から供給された送信データに所定の処理を施し、これにより得られた変調波（信号）をループアンテナ２に供給する。そして、ループアンテナ２は、送信回路５から供給された変調波をICカード（図示せず）に送信する。
図２のフロントエンド回路１においては、キャパシタC1、抵抗R1、およびインダクタンスL1が直列接続され、共振回路を構成している。すなわち、フロントエンド回路１は、リーダライタモードで動作する場合、図２に示すように、キャパシタC2とループアンテナ２とを直列に接続させて直列共振回路を構成し、他の非接触型ICカード（図示せず）との間で効率よく通信することが可能となる。
以上のように、従来のフロントエンド回路１においては、カードモードで動作する場合に最適となる回路構成と、リーダライタモードで動作する場合に最適となる回路構成とが異なっている。一般的に、ループアンテナ２は、カードモードである場合、巻き数をより多くした方が通信特性（受信特性）がよくなり、それに対して、リーダライタモードである場合、巻き数をより少なくした方が通信特性（送信特性）がよくなる。
なお、ループアンテナ２がリーダライタモードにおいて、巻き数をより少なくした方が通信特性がよくなるのは、定電圧駆動で電流能力がある送信回路５を前提としている場合に限られる。
さらに、外部の機器に対して、カードモードまたはリーダライタモードのいずれかで動作する半導体集積回路装置であって、機器に送信する送信データ信号と送信キャリア信号に基づく差動出力により、機器との通信を行うアンテナを駆動させ、そのアンテナから供給され、寄生ダイオードブリッジ回路において整流された信号に基づいて、機器から送信されたデータを検出する半導体集積回路装置もある（例えば、特許文献１）。
特開２００３−３６４２７号公報
しかしながら、ICカード機能とリーダライタ機能の両方の機能を備える非接触型ICカードにおいては、それらの機能の違いによって、より良い通信感度となるループアンテナの巻き数が異なるという問題があった。
例えば、非接触型ICカードは、カードモードである場合、巻き数の多いループアンテナの方が通信感度がよく、それに対して、リーダライタモードである場合、巻き数の少ないループアンテナの方が通信感度がよいため、それぞれのモードの特性が相反しているので、１つのループアンテナにより両方のモードの機能を満たそうとすると、どちらか一方のモードの特性を妥協するか、または両方のモードの特性が中途半端になってしまっていた。
例えば、特開２００３−３６４２７号公報に開示されている半導体集積回路装置は、寄生ダイオードブリッジ回路において整流された信号を使用することでより好適な受信感度を確保するようにしているが、モードの違いによるループアンテナの巻き数を考慮していなかったので、より良い通信感度になっているとは言えなかった。
また、例えば、両方のモードに必要なループアンテナを別々に設けた場合、お互いのループアンテナ同士が干渉してしまうので、それらの干渉を考慮して設計することは困難であるという問題もある。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、通信感度をより向上させることができるようにするものである。
本発明の一側面（第１の側面）は、非接触型ICカードの機能およびリーダライタの機能の送信または受信に用いられる情報処理装置において、所定の形状で巻かれている第１の巻き数の給電素子と、前記給電素子の内側または外側に設けられ、前記形状で巻かれている第２の巻き数の無給電素子とからなるループアンテナを備える情報処理装置である。
前記給電素子の一端と前記無給電素子の一端とが接続されるようにすることができる。
前記無給電素子の両端が開放されるようにすることができる。
前記形状は、四角形であるようにすることができる。
本発明の一側面（第１の側面）においては、非接触型ICカードの機能およびリーダライタの機能の送信または受信に用いられる情報処理装置において、所定の形状で巻かれている第１の巻き数の給電素子と、前記給電素子の内側または外側に設けられ、前記形状で巻かれている第２の巻き数の無給電素子とからなるループアンテナが設けられる。
本発明の一側面（第２の側面）は、非接触型ICカードの機能およびリーダライタの機能の送信または受信に用いられるループアンテナであって、所定の形状で巻かれている第１の巻き数の給電素子と、前記給電素子の内側または外側に設けられ、前記形状で巻かれている第２の巻き数の無給電素子とを備えるループアンテナである。
前記給電素子の一端と前記無給電素子の一端とが接続されるようにすることができる。
前記無給電素子の両端が開放されるようにすることができる。
前記形状は、四角形であるようにすることができる。
本発明の一側面（第２の側面）においては、非接触型ICカードの機能およびリーダライタの機能の送信または受信に用いられるループアンテナにおいて、第１の巻き数の給電素子が所定の形状で巻かれ、第２の巻き数の無給電素子が前記形状で巻かれ、前記給電素子の内側または外側に設けられる。
以上のように、本発明の一側面によれば、通信感度をより向上させることができる。
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、発明の詳細な説明に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、発明の詳細な説明に記載されていることを確認するためのものである。従って、発明の詳細な説明中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。
本発明の一側面（第１の側面）の情報処理装置（例えば、図３の携帯端末装置１１）は、所定の形状で巻かれている第１の巻き数（例えば、３ターン）の給電素子（例えば、図８の直線部５１1乃至５１13）と、給電素子の内側または外側に設けられ、形状で巻かれている第２の巻き数（例えば、１ターン）の無給電素子（例えば、図８の直線部５１14乃至５１18）とからなるループアンテナを備える。
給電素子の一端（例えば、図８の直線部５１13の端）と無給電素子の一端（例えば、図８の直線部５１14の端）とが接続されるようにすることができる。
無給電素子の両端（例えば、図８の直線部５１14の端と、図８の直線部５１18の端）が開放されるようにすることができる。
形状は、四角形であるようにすることができる。
本発明の一側面（第２の側面）のループアンテナ（例えば、図５のループアンテナ５１）は、所定の形状で巻かれている第１の巻き数（例えば、３ターン）の給電素子（例えば、図８の直線部５１1乃至５１13）と、給電素子の内側または外側に設けられ、形状で巻かれている第２の巻き数（例えば、１ターン）の無給電素子（例えば、図８の直線部５１14乃至５１18）とを備える。
給電素子の一端（例えば、図８の直線部５１13の端）と無給電素子の一端（例えば、図８の直線部５１14の端）とが接続されるようにすることができる。
無給電素子の両端（例えば、図８の直線部５１14の端と、図８の直線部５１18の端）が開放されるようにすることができる。
形状は、四角形であるようにすることができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
はじめに、図３および図４を参照して、携帯型の機器に組み込まれた非接触型ICカードの動作である、カードモードおよびリーダライタモードのそれぞれについて説明する。
図３は、本発明を適用した携帯端末装置１１にデータを読み書きする通信システムの一実施の形態の構成を示す図である。図３に示す通信システムにおいては、通信網１３に、リーダライタ１２およびサーバ１４が接続される。また、携帯端末装置１１とリーダライタ１２とは、無線により通信を行う。すなわち、図３の通信システムは、携帯端末装置１１がカードモードで動作している場合の構成を示している。
携帯端末装置１１は、例えば、携帯電話機、PHS（Personal Handyphone System）、またはPDA（Personal Digital Assistance）などの非接触型ICカードを内蔵している携帯型の機器である。携帯端末装置１１は、本発明の情報処理装置の一例である。
携帯端末装置１１に内蔵された非接触型ICカードには、例えば、電子マネー、商品の購入ポイント、電車の前払い運賃若しくは定期乗車券、またはクレジットカードなどの情報が記憶されている。
リーダライタ１２は、ユーザにより、携帯端末装置１１が翳された場合、携帯端末装置１１に内蔵された非接触型ICカードとの間で、無線通信による非接触でのデータの送受信を行う。例えば、リーダライタ１２は、所定の周波数の磁界を発生させて、通信可能な位置にある非接触型ICカードを検出する。リーダライタ１２は、通信可能となる非接触型ICカードを検出した場合、その検出した非接触型ICカードとの間で無線通信を行うことでコネクションを確立させる。その結果、携帯端末装置１１に内蔵された非接触型ICカードは、リーダライタ１２および専用の回線などからなる通信網１３を介して、サーバ１４と接続することになる。
サーバ１４は、例えば、専用のサーバまたは汎用大型コンピュータ（いわゆるメインフレーム）などの、通信網１３を介して、リーダライタ１２から送信されてくる情報（データ）を集中的に管理する機器である。例えば、サーバ１４は、非接触型ICカードが、リーダライタ１２および通信網１３を介して、接続してきた場合、所定の認証処理を行う。サーバ１４は、所定の認証処理に成功した場合、非接触型ICカードに記憶されている情報を読み出したり、非接触型ICカードに記憶されている情報を書き換えるなどの所定の処理を行う。具体的には、商店の精算カウンタに、この通信システムを適用した場合、サーバ１４は、非接触型ICカードに記憶されている電子マネーの残高を読み出し、購入した商品の金額を差し引いた残高に書き換える処理などを行う。
以上のようにして、携帯端末装置１１はカードモードで動作する。次に、図４を参照して、携帯端末装置１１がリーダライタモードで動作した場合について説明する。
図４は、本発明を適用した携帯端末装置１１よって、他の非接触型ICカードにデータを読み書きする通信システムの一実施の形態の構成を示す図である。図３に示す場合と同様の部分には、同一の符号が付してあり、その説明は適宜省略する。図４に示す通信システムにおいては、通信網２３に、基地局２２およびサーバ２４が接続され、さらに、基地局２２には、携帯端末装置１１が接続される。また、携帯端末装置１１とICカード２１とは、無線により通信を行う。すなわち、図４の通信システムは、携帯端末装置１１がリーダライタモードで動作している場合の構成を示している。
携帯端末装置１１は、上述したICカード機能以外に、リーダライタ機能も備えており、ユーザにより、ICカード２１が翳された場合、ICカード２１との間で、無線通信による非接触でのデータの送受信を行う。例えば、携帯端末装置１１は、所定の周波数の磁界を発生させて、通信可能な位置にあるICカード２１を検出する。携帯端末装置１１は、通信可能なICカード２１を検出した場合、そのICカード２１との間で無線通信を行うことでコネクションを確立させる。その結果、ICカード２１は、携帯端末装置１１、基地局２２、および通信網２３を介して、サーバ２４と接続することになる。
サーバ２４は、例えば、専用のサーバなどの、基地局２２および通信網２３を介して、携帯端末装置１１から送信されてくる情報（データ）を集中的に管理する機器である。例えば、サーバ２４は、ICカード２１が、携帯端末装置１１、基地局２２、および通信網２３を介して、接続してきた場合、所定の認証処理を行う。サーバ２４は、所定の認証処理に成功した場合、ICカード２１に記憶されている情報を読み出したり、ICカード２１に記憶されている情報を書き換えるなどの所定の処理を行う。
ところで、携帯端末装置１１は、例えば、携帯電話機である場合、通話に関する処理を行う通話処理部（図示せず）と、ICカードおよびリーダライタのそれぞれの機能に関する所定の処理を行う、後述するICカード処理部３１とを含むようにして構成される。
以下、図５乃至図１５を参照して、携帯端末装置１１のICカード処理部３１について説明する。
図５は、本発明の携帯端末装置１１のICカード処理部３１の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
ICカード処理部３１は、カードモードで動作した場合、リーダライタ１２と無線通信をするための所定の処理を行い、リーダライタモードで動作した場合、ICカード２１と無線通信をするための所定の処理を行う。
ICカード処理部３１は、フロントエンド回路４１、CPU４２、および記憶部４３を含むように構成される。
フロントエンド回路４１は、CPU４２の制御の基に、例えば、リーダライタ１２またはICカード２１などの他の機器から送信されてくる変調波（信号）を受信し、受信した変調波に所定の処理を施し、これにより得られた受信データをCPU４２に供給する。また、フロントエンド回路４１は、CPU４２の制御の基に、CPU４２から供給された送信データに所定の処理を施し、これにより得られた変調波（信号）を、例えば、リーダライタ１２またはICカード２１などの他の機器に送信する。
フロントエンド回路４１は、スイッチング素子SW1、スイッチング素子SW2、キャパシタC3、キャパシタC4、ループアンテナ５１、受信回路５２、返信回路５３、および送信回路５４を含むように構成される。
スイッチング素子SW1は、例えば、MOS FET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などにより構成されている。スイッチング素子SW1は、CPU４２から供給される制御信号（mode）に応じて、その入力が切り替えられる。すなわち、CPU４２は、カードモードで動作する場合、スイッチング素子SW1の入力を返信回路５３側に切り替えさせ、リーダライタモードで動作する場合、スイッチング素子SW1の入力を送信回路５４側に切り替えさせる。
キャパシタC3の一端は、ループアンテナ５１の一方の接続端であるLaに、その他端は、ループアンテナ５１の他方の接続端であるLbに、それぞれ接続される。また、キャパシタC4の一端は、ループアンテナ５１に接続され、その他端は送信回路５４に接続される。
スイッチング素子SW2は、スイッチング素子SW1と同様に、例えば、MOS FETなどから構成され、CPU４２から供給される制御信号（mode）に応じて、その入力が切り替えられる。すなわち、CPU４２は、カードモードで動作する場合、スイッチング素子SW2をオンさせ（閉じさせ）、それに対して、リーダライタモードで動作する場合、スイッチング素子SW2をオフさせる（開放させる）。
ループアンテナ５１は、例えば、銅またはアルミなどの導体からなり、２巻き以上の所定の巻き数（パターン）となるように形成される。また、ループアンテナ５１は、誘導電磁界を情報（データ）の伝送媒体として利用することで（例えば電磁誘導方式によって）、例えば、リーダライタ１２またはICカード２１のそれぞれと無線により通信を行う。ループアンテナ５１は、本発明のループアンテナの一例である。図中のインダクタンスL2は、ループアンテナ５１のインダクタンス成分を示し、抵抗R2は、ループアンテナ５１のレジスタンス成分を示す。ループアンテナ５１は、直列接続したインダクタンスL2と抵抗R2からなる等価回路で表すことができる。
受信回路５２は、カードモードとリーダライタモードとの両方のモードで兼用され、カードモードまたはリーダライタモードのいずれかのモードでデータを受信する場合、ループアンテナ５１が受信した変調波に対して、例えば、所定の復調の処理などを施すことで、変調波を復調させる。受信回路５２は、変調波を復調することで得られた受信データをCPU４２に供給する。
返信回路５３は、カードモードで動作する場合、CPU４２から供給される送信データに対して、所定の変調の処理などを施すことで、送信データを変調させる。返信回路５３は、送信データを変調することで得られた変調波をループアンテナ５１に供給する。
送信回路５４は、リーダライタモードで動作する場合、CPU４２から供給される送信データに対して、所定の変調の処理などを施すことで、送信データを変調させる。送信回路５４は、送信データを変調することで得られた変調波をループアンテナ５１に供給する。
CPU４２は、ICカード処理部３１の各部を制御する。
また、CPU４２は、フロントエンド回路４１から供給される受信データを基に、所定の処理を行う。さらに、CPU４２は、送信データをリーダライタ１２またはICカード２１のいずれかに送信させるための所定の処理を行い、所定の処理を施すことによって得られた送信データをフロントエンド回路４１に供給する。
記憶部４３は、例えば、EEPROM（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）またはフラッシュメモリなどから構成される不揮発性のメモリである。記憶部４３は、CPU４２の制御の基に、CPU４２から供給されたデータを記憶するか、またはデータを読み出してCPU４２に供給する。
以上のようにして構成されるフロントエンド回路４１において、スイッチング素子SW1およびスイッチング素子SW2のそれぞれは、CPU４２から、それぞれに供給される制御信号（mode）に応じて、スイッチング動作をする。
すなわち、ICカード処理部３１がカードモードで動作する場合、CPU４２は、制御信号（mode）によって、スイッチング素子SW1の入力を返信回路５３側に切り替えさせ、さらに、スイッチング素子SW2の入力をオンさせることで、スイッチング素子SW2を閉じさせて、直列に接続されているインダクタンスL2および抵抗R2と、キャパシタC3と、キャパシタC4とが並列に接続された並列共振回路を構成させる。なお、この並列共振回路については後述する。
このとき、カードモードでデータを送信する場合、CPU４２からの送信データは、スイッチング素子SW1を介して、返信回路５３に供給される。返信回路５３は、例えば、CPU４２から供給される送信データに基づいて変調し、変調して生成された変調波をループアンテナ５１に供給する。そして、ループアンテナ５１は、返信回路５３から供給される変調波（送信データ）を放射することで、無線通信により、その変調波をリーダライタ１２に送信する。
また、カードモードでデータを受信する場合、ループアンテナ５１は、無線通信により、リーダライタ１２から送信されてきた変調波を受信し、受信した変調波を受信回路５２に供給する。受信回路５２は、ループアンテナ５１から供給されてくる変調波を復調し、復調して生成された受信データをCPU４２に供給する。
一方、ICカード処理部３１がリーダライタモードで動作する場合、CPU４２は、制御信号（mode）によって、スイッチング素子SW1の入力を送信回路５４側に切り替えさせ、さらに、スイッチング素子SW2の入力をオフさせることで、スイッチング素子SW2を開放させて、インダクタンスL2および抵抗R2、これに並列のキャパシタC3、並びに、さらにこれらに直列に接続されたキャパシタC4からなる直列共振回路を構成させる。なお、この直列共振回路については後述する。
このとき、リーダライタモードでデータを送信する場合、CPU４２からの送信データは、スイッチング素子SW1を介して、送信回路５４に供給される。送信回路５４は、例えば、CPU４２から供給される送信データに基づいて変調し、変調して生成された変調波をループアンテナ５１に供給する。そして、ループアンテナ５１は、送信回路５４から供給される変調波（送信データ）を放射することで、無線通信により、その変調波をICカード２１に送信する。
また、リーダライタモードでデータを受信する場合、ループアンテナ５１は、無線通信により、ICカード２１から送信されてきた変調波を受信し、受信した変調波を受信回路５２に供給する。受信回路５２は、ループアンテナ５１から供給されてくる変調波を復調し、復調して生成された受信データをCPU４２に供給する。
以上のようにして、ICカード処理部３１は、カードモードまたはリーダライタモードのそれぞれのモードにおいて動作をする。
ところで、ループアンテナ５１であるが、上述したように、モードによってより良い通信感度となる巻き数が異なる。すなわち、非接触型ICカードのループアンテナ５１においては、カードモードで動作している場合、そのループアンテナ５１の巻き数の多い方が通信感度を向上させられ（電流を効率よく流せ）、それに対して、リーダライタモードで動作している場合、そのループアンテナ５１の巻き数の少ない方が通信感度を向上させられる（電流を効率よく流せる）。以下、図６乃至図１５を参照して、カードモードとリーダライタモードのそれぞれにおける、ループアンテナ５１の巻き数について説明する。
まず、図６乃至図９を参照して、ループアンテナ５１の巻き数（ターン数）の一例として、４つのパターンについて説明する。図６は、ループアンテナ５１の巻き数を４ターンとした場合（以下、パターン１とも称する）の例を示す図である。
図６で示される例において、ループアンテナ５１は、直線部５１1乃至５１17を有しており、時計回りに、外周側の直線部５１1から直線部５１5の途中までの長方形状の１巻きが１ターン目となり、次に、その内側の１ターン目に続く、直線部５１5の途中から直線部５１9の途中までの長方形状の１巻きが２ターン目となる。また、その内側の２ターン目に続く、直線部５１9の途中から直線部５１13の途中までの長方形状の１巻きが３ターン目となり、さらにその内側の３ターン目に続く、直線部５１13の途中から直線部５１17までの長方形状の１巻きが４ターン目となる。またループアンテナ５１の２つの端、すなわち、直線部５１1の一端および直線部５１17の一端のそれぞれは、図５の端子Laと端子Lbのそれぞれに接続される。
次に、図７を参照して、ループアンテナ５１の巻き数を４ターンとし、３ターン目の途中から端子Lbに接続させた場合（以下、パターン２とも称する）について説明する。
図７で示される例において、ループアンテナ５１は、直線部５１1乃至５１17を有し、それらの直線部が、図６のループアンテナ５１と同様に４ターンしているが、図７のループアンテナ５１においては、ループアンテナ５１の２つの端、すなわち、直線部５１1の一端および直線部５１17の一端のうち、直線部５１1の一端は、端子Laに接続されるが、一方の直線部５１17の一端は、開放されている（オープンしている）。すなわち、端子Lbには、直線部５１17の一端ではなく、３ターン目である直線部５１13の途中からのアンテナ線が接続される。
次に、図８を参照して、ループアンテナ５１の巻き数を３ターンとし、その内側にオープンした１ターンのアンテナ線を設けた場合（以下、パターン３とも称する）について説明する。
図８で示される例において、ループアンテナ５１は、直線部５１1乃至５１18を有しており、時計回りに、外周側の直線部５１1から直線部５１5の途中までの長方形状の１巻きが１ターン目となり、次に、その内側の１ターン目に続く、直線部５１5の途中から直線部５１9の途中までの長方形状の１巻きが２ターン目となり、さらに、その内側の２ターン目に続く、直線部５１9の途中から直線部５１13の途中までの長方形状の１巻きが３ターン目となる。また、ループアンテナ５１の２つの端、すなわち、直線部５１1の一端および直線部５１13の一端のそれぞれは、端子Laと端子Lbのそれぞれに接続される。さらに、直線部５１1乃至５１13の内側には、直線部５１14から５１18までの長方形状の１ターンの開放された（オープンしている）アンテナ線が設けられている。
次に、図９を参照して、ループアンテナ５１の巻き数を３ターンとした場合（以下、パターン４とも称する）について説明する。
図９で示される例において、ループアンテナ５１は、直線部５１1乃至５１13を有し、それらの直線部が、図８のループアンテナ５１と同様に３ターンし、ループアンテナ５１の２つの端、すなわち、直線部５１1の一端および直線部５１13の一端のそれぞれは、端子Laと端子Lbのそれぞれに接続されるが、図９のループアンテナ５１においては、オープンしているアンテナ線は設けられていない。
以下、図６乃至図９を参照して説明した、４つのパターン（パターン１乃至パターン４）のループアンテナ５１を、図５のフロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、フロントエンド回路４１がカードモードで動作するときと、リーダライタモードで動作するときの詳細について説明する。
まず、図１０乃至図１２を参照して、フロントエンド回路４１がカードモードで動作する場合について説明する。図１０は、フロントエンド回路４１がカードモードで動作している場合における回路図である。
すなわち、図１０で示される回路図は、図５のフロントエンド回路４１のうち、フロントエンド回路４１がカードモードで動作する場合に必要となる部分の模式的な等価回路の例を示している。また、図中右側には、フロントエンド回路４１がカードモードで動作しているので、リーダライタ１２のアンテナが表現されている。なお、図５に示す場合と同様の部分には、同様の符号が付してあり、その説明は（適宜）省略する。
上述したように、フロントエンド回路４１は、カードモードで動作する場合、スイッチング素子SW1の入力を返信回路５３側に切り替え、さらに、スイッチング素子SW2の入力をオンさせることで、図１０で示すように、インダクタンスL2、抵抗R2、およびキャパシタC3からなる並列共振回路として考えることができる。
すなわち、図１０のフロントエンド回路４１は、カードモードで動作する場合、図１０で示すように、キャパシタC3をループアンテナ５１（インダクタンスL2）に対して、並列に接続させて並列共振回路としたとき、リーダライタ１２との間で効率よく通信することが可能となる。このとき、共振周波数f0は、式（１）により算出される。
f0 = 1/（2π×√（L2×C3））・・・（１）
また、このときのインピーダンスZは、式（２）により算出される。
Z = 1/（1/（R2+jωL2）+（jωC3））・・・（２）
ここで、R2が小さい場合、式（２）で表されるインピーダンスZは、Z≒∞となり、すなわち、インピーダンスZのピークで受信電圧Vrが最大となる。
図１０のインダクタンスL2とキャパシタC3とからなる並列共振回路の共振周波数を、図１１のグラフに示すように、共振周波数f0（例えば13.56（MHz））に設定した場合、その通信感度特性は、曲線Ａで示すようになる。すなわち、図１１においては、縦軸はインピーダンスZ（Ω）を示し、インピーダンスZ（縦軸）の値が大きいほど通信感度がよくなる。また、横軸は周波数f（MHz）を示し、横軸の値が大きいほど周波数が高くなる。なお、縦軸および横軸のそれぞれは、インピーダンスZのピーク値が分かればよく、そのため、具体的な軸の値は省略されている。
曲線Ａにおいては、周波数が共振周波数f0となる場合に、インピーダンスZの値が最も大きくなり、そのときの通信感度（受信電圧Vr（フロントエンド回路４１がリーダライタ１２から受信する電圧の大きさ））が最もよくなる。すなわち、フロントエンド回路４１は、カードモードで動作する場合、受信電圧Vrを高くするために、インピーダンスZを高くする必要がある。
図１２は、パターン１乃至パターン４のループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、実測した受信電圧Vrと距離dとの関係を示すグラフである。
図１２で示される例において、縦軸はリーダライタ１２から受信する受信電圧Vrを示し、縦軸の値が大きいほどリーダライタ１２から高い電圧を受信することができる。また、横軸はリーダライタ１２との距離dを示し、横軸の値が大きいほどリーダライタ１２からの距離が離れることになる。また、縦軸および横軸のそれぞれは、曲線Ｂ１と曲線Ｂ２とを比較することができればよく、そのため、具体的な軸の値は省略されている。
図１２で示される例において、曲線Ｂ１は、パターン１乃至パターン３で示したループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、受信電圧Vrと距離dとの関係を示す曲線である。
具体的には、曲線Ｂ１は、図６乃至図８で示すように、巻き数を４ターンとするか、ループアンテナ５１の巻き数を４ターンとし、３ターン目の途中から端子Lbに接続させるか、または巻き数を３ターンとし、その内側にオープンした１ターンのアンテナ線を設けるかのいずれかの形状のループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、受信電圧Vrと距離dとの関係を示す曲線となる。
また、曲線Ｂ２は、パターン４で示したループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、受信電圧Vrと距離dとの関係を示す曲線である。
具体的には、曲線Ｂ２は、図９で示すように、巻き数が３ターンである形状のループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、受信電圧Vrと距離dとの関係を示す曲線となる。
すなわち、上述したように、カードモードで動作する場合、巻き数の多いループアンテナ方が、通信感度がよいので、パターン４と比較して巻き数の多いパターン１が、受信電圧Vrが高い方の曲線である曲線Ｂ１となり、パターン１と比較して巻き数の少ないパターン４が、受信電圧Vrが低い方の曲線である曲線Ｂ２となる。そして、パターン２およびパターン３のそれぞれも、受信電圧Vrが高い方の曲線である曲線Ｂ１となる。
このように、パターン１乃至パターン３のループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合、パターン４のループアンテナ５１を設けた場合よりも、リーダライタ１２から受信する受信電圧Vrが高くなり、すなわち、通信感度がよくなる。このことは、本発明の実験により確認されている。
次に、図１３乃至図１５を参照して、フロントエンド回路４１がリーダライタモードで動作する場合について説明する。図１３は、フロントエンド回路４１がリーダライタモードで動作している場合における回路図である。
すなわち、図１３で示される回路図は、図５のフロントエンド回路４１のうち、フロントエンド回路４１がリーダライタモードで動作する場合に必要となる部分の模式的な等価回路の例を示している。また、図中右側には、フロントエンド回路４１がリーダライタモードで動作しているので、ICカード２１のループアンテナが表現されている。なお、図５に示す場合と同様の部分には、同様の符号が付してあり、その説明は（適宜）省略する。
上述したように、フロントエンド回路４１は、リーダライタモードで動作する場合、スイッチング素子SW1の入力を送信回路５４側に切り替え、さらに、スイッチング素子SW2の入力をオフさせることで、図１０で示すように、インダクタンスL2、抵抗R2、およびキャパシタC4からなる直列共振回路として考えることができる。
すなわち、図１３のフロントエンド回路４１は、リーダライタモードで動作する場合、図１３で示すように、キャパシタC4とループアンテナ５１（インダクタンスL2）とを、直列に接続させて直列共振回路としたとき、ICカード２１との間で効率よく通信することが可能となる。このとき、共振周波数f0は、式（３）により算出される。
f0 = 1/（2π×√（L2×C4））・・・（３）
また、このときのインピーダンスZは、式（４）により算出される。
Z = R2+（jωL2）+（1/（jωC4））・・・（４）
ここで、共振周波数f0においては、L2とC4とのインピーダンスはお互いに打ち消されるので、Z = R2となり、R2が小さい場合はループアンテナに効率よく電流を流すことができるので、発生磁界は最大となる。
図１３のインダクタンスL2とキャパシタC4とからなる直列共振回路の共振周波数を、図１４のグラフに示すように、共振周波数f0（例えば13.56（MHz））に設定した場合、その通信感度特性は、曲線Ｃで示すようになる。すなわち、図１４においては、縦軸はインピーダンスZ（Ω）を示し、インピーダンスZ（縦軸）の値が小さいほど通信感度がよくなる。また、横軸は周波数f（MHz）を示し、横軸の値が大きいほど周波数が高くなる。なお、縦軸および横軸のそれぞれは、インピーダンスZのボトム値が分かればよく、そのため、具体的な軸の値は省略されている。
曲線Ｃにおいては、周波数が共振周波数f0となる場合に、インピーダンスZの値が最も小さくなり、そのときの通信感度（受信電圧Vt（ICカード２１がフロントエンド回路４１から受信する電圧の大きさ））が最もよくなる。すなわち、フロントエンド回路４１は、リーダライタモードで動作する場合、受信電圧Vtを高くするために、インピーダンスZを低くする必要がある。
図１５は、パターン１乃至パターン４のループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、受信電圧Vtと距離dとの関係を示すグラフである。
図１５で示される例において、縦軸はICカード２１が受信する受信電圧Vtを示し、縦軸の値が大きいほどICカード２１に高い電圧を受信させることができる。また、横軸はICカード２１との距離dを示し、横軸の値が大きいほどICカード２１との距離が離れることになる。また、縦軸および横軸のそれぞれは、曲線Ｄ１と曲線Ｄ２とを比較することができればよく、そのため、具体的な軸の値は省略されている。
図１５で示される例において、曲線Ｄ１は、パターン２乃至パターン４で示したループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、実測した受信電圧Vtと距離dとの関係を示す曲線である。
具体的には、曲線Ｄ１は、図７乃至図９で示すように、ループアンテナ５１の巻き数を４ターンとし、３ターン目の途中から端子Lbに接続させるか、巻き数を３ターンとし、その内側にオープンした１ターンのアンテナ線を設けるか、または巻き数を３ターンとするかのいずれかの形状のループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、受信電圧Vtと距離dとの関係を示す曲線となる。
また、曲線Ｄ２は、パターン１で示したループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、受信電圧Vtと距離dとの関係を示す曲線である。
具体的には、曲線Ｄ２は、図６で示すように、巻き数が４ターンである形状のループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合における、受信電圧Vtと距離dとの関係を示す曲線となる。
すなわち、上述したように、リーダライタモードで動作する場合、巻き数の少ないループアンテナの方が、通信感度がよいので、パターン１と比較して巻き数の少ないパターン４が、受信電圧Vtが高い方の曲線である曲線Ｄ１となり、パターン４と比較して巻き数の多いパターン１が、受信電圧Vtが低い方の曲線である曲線Ｄ２となる。そして、パターン２およびパターン３のそれぞれも、受信電圧Vtが高い方の曲線である曲線Ｄ１となる。
このように、パターン２乃至パターン４のループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合、パターン１のループアンテナ５１を設けた場合よりも、ICカード２１が受信する受信電圧Vtが高くなり、すなわち、通信感度がよくなる。このことは、本発明の実験により確認されている。
したがって、フロントエンド回路４１は、パターン２およびパターン３のループアンテナ５１を、フロントエンド回路４１のループアンテナ５１として設けた場合、カードモードで動作したとき、図１２において曲線Ｂ１となるので、受信電圧Vrが高くなり、リーダライタモードで動作したとき、図１５において曲線Ｄ１となるので、受信電圧Vtが高くなる。
すなわち、パターン１およびパターン４のように、ループアンテナ５１を所定の巻き数（例えば、３ターンや４ターンなど）とするのではなく、パターン２およびパターン３のように、所定のターンの途中から端子Lbに接続させたり、所定の巻き数のループアンテナ５１の内側に、オープンした１ターンのアンテナ線を設けたりすることで（すなわち、ダミーのアンテナ線を設けることで）、カードモードとリーダライタモードの両方のモードにおいて、通信感度を向上させることができる。
以上のように、本発明によれば、非接触型ICカードを内蔵している携帯端末装置１１は、カードモードとリーダライタモードの両方のモードにおいて、通信感度をより向上させることができる。
また、本発明によれば、フロントエンド回路４１は、ループアンテナ５１を、カードモード用とリーダライタモード用に分ける必要がなく、１つのループアンテナ（パターン２およびパターン３のループアンテナ５１のいずれか）により構成するようにすればよいので、ループアンテナの干渉などの影響を考慮せずに容易に設計できるとともに、ループアンテナの数が減るので、その部品や回路などを減らすことで、コストを削減することもできる。
なお、本発明におけるループアンテナ５１の巻き数は、上述した、パターン２（図７）およびパターン３（図８）で示した、３ターンや４ターン以外であってもよい。例えば、パターン２のループアンテナ５１の巻き数を増やして、ループアンテナ５１の巻き数を６ターンとし、５ターン目の途中から端子Lbに接続させるようにしてもよい。また、例えば、パターン３のループアンテナ５１の巻き数を増やして、ループアンテナ５１の巻き数を５ターンとし、その内側にオープンした１ターンのアンテナ線を設けるようにしてもよい。さらに、例えば、パターン２のループアンテナ５１の巻き数が４ターンである場合、２ターン目の途中から端子Lbに接続させるようにしてもよいし、パターン３のループアンテナ５１の巻き数が３ターンである場合、その内側にオープンした２ターンのアンテナ線を設けるようにするなど、ダミーとなるアンテナ線の巻き数を変えることも可能である。
また、上述した例においては、ダミーとなるアンテナ線を内側に設けるとして説明したが、本発明においては、ダミーとなるアンテナ線を外側に設けるようにしてもよい。例えば、パターン３のループアンテナ５１の巻き数が３ターンである場合、その外側にオープンした１ターンのアンテナ線を設けるようにしてもよい。
さらに、上述した例においては、ループアンテナ５１の形状として、長方形状を一例にして説明したが、本発明はそれに限らず、例えば、円形、正方形、楕円形、または多角形など、２巻き以上に巻くことが可能である形状であればよい。
なお、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
カードモードで動作する、従来の非接触型ICカードのフロントエンド回路の構成例を示すブロック図である。 リーダライタモードで動作する、従来の非接触型ICカードのフロントエンド回路の構成例を示すブロック図である。 本発明を適用した携帯端末装置にデータを読み書きする通信システムの一実施の形態の構成を示す図である。 本発明を適用した携帯端末装置よって、外部の非接触型ICカードにデータを読み書きする通信システムの一実施の形態の構成を示す図である。 本発明の携帯端末装置のICカード処理部の一実施の形態の構成を示すブロック図である。 ループアンテナの巻き数を４ターンとした場合の例を示す図である。 ループアンテナの巻き数を４ターンとし、３ターン目の途中から端子に接続させた場合の例を示す図である。 ループアンテナの巻き数を３ターンとし、その内側にオープンした１ターンのアンテナ線を設けた場合の例を示す図である。 ループアンテナの巻き数を３ターンとした場合の例を示す図である。 フロントエンド回路がカードモードで動作している場合における回路図である。 並列共振回路の共振周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。 パターン１乃至パターン４のループアンテナをフロントエンド回路に設けた場合における、実測した受信電圧と距離との関係を示すグラフである。 フロントエンド回路がリーダライタモードで動作している場合における回路図である。 直列共振回路の共振周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。 パターン１乃至パターン４のループアンテナをフロントエンド回路に設けた場合における、実測した受信電圧と距離との関係を示すグラフである。
符号の説明
１１ 携帯端末装置， ３１ ICカード処理部， ４１ フロントエンド回路， ４２ CPU， ４３ 記憶部， ５１ ループアンテナ， ５１1，５１2，５１3，５１4，５１5，５１6，５１7，５１8，５１9，５１10，５１11，５１12，５１13，５１14，５１15，５１16，５１17，５１18 直線部， ５２ 受信回路， ５３ 返信回路， ５４ 送信回路， SW1，SW2 スイッチング素子， C3，C4 キャパシタ， R2 抵抗， L2 インダクタンス

Claims (8)

  1. 非接触型ICカードの機能およびリーダライタの機能の送信または受信に用いられる情報処理装置において、
    所定の形状で巻かれている第１の巻き数の給電素子と、前記給電素子の内側または外側に設けられ、前記形状で巻かれている第２の巻き数の無給電素子とからなるループアンテナ
    を備える情報処理装置。
  2. 前記給電素子の一端と前記無給電素子の一端とが接続されている
    請求項１の情報処理装置。
  3. 前記無給電素子の両端が開放されている
    請求項１の情報処理装置。
  4. 前記形状は、四角形である
    請求項１の情報処理装置。
  5. 非接触型ICカードの機能およびリーダライタの機能の送信または受信に用いられるループアンテナであって、
    所定の形状で巻かれている第１の巻き数の給電素子と、
    前記給電素子の内側または外側に設けられ、前記形状で巻かれている第２の巻き数の無給電素子と
    を備えるループアンテナ。
  6. 前記給電素子の一端と前記無給電素子の一端とが接続されている
    請求項５のループアンテナ。
  7. 前記無給電素子の両端が開放されている
    請求項５のループアンテナ。
  8. 前記形状は、四角形である
    請求項５のループアンテナ。
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