JP2008167144A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁誘導によってＩＣタグと双方向通信を行う際に通信不能領域が発生しない、小口径の複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置の設置手段を提供する。
【解決手段】 アンテナ装置２１のアンテナ回路の内部にスイッチ２４ａ，２４ｂおよび整合回路２５ａ，２５ｂをそれぞれ設ける。さらに隣り合うアンテナ素子のループコイル２３ａ，２３ｂが互いに一部で重なり合うように各アンテナ素子を配置して、この互いに重なり合う領域を、各ループコイル２３ａ，２３ｂの内側の面積に対して３０％ないし５０％の範囲となるようにする。これにより、通信を行うアンテナ素子の共振点がずれる現象や、隣り合うアンテナ素子への誘導電流によって通信の際の消費電力が増加する現象を防止し、さらに通信不能領域が発生することのない、アンテナ素子の設置手段を提供することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は複数のアンテナを有し、電磁誘導によりＩＣタグと通信する機能を有するアンテナ装置、およびそのアンテナ装置を用いてなるＩＣタグリーダライタに関する。

近年、商品管理などのための個体識別に際して、その商品の管理情報を記憶し、非接触でデータの書き込みおよび読み出しを行う非接触通信媒体である、いわゆるＩＣタグの使用が普及しつつある。ＩＣタグは無線タグ、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）、もしくはデータキャリアとも呼称されている。ＩＣタグの通信方式にはいくつかの種類があるが、１２５ｋＨｚ帯や１３．５６ＭＨｚ帯におけるＩＣタグによる通信では、主に電磁誘導方式を用いて行われている。電磁誘導方式はとくに通信距離が数ｃｍ以内の近接場での非接触通信に適した方法であり、送受信装置の近傍に発生する磁界を伝送媒体とする方式である。ＩＣタグ側に誘導起電力が誘起されるのでこれを電源とすることができ、そのためＩＣタグは他に電源が不要であるという特徴がある。

ＩＣタグに対してデータの読み出しおよび書き込みを行う装置は、ＩＣタグリーダライタと呼ばれている。電磁誘導方式による通信では、ＩＣタグリーダライタはＩＣタグと相互通信を行うためのアンテナを備えていて、このアンテナに信号を重畳した磁界を発生させる。アンテナの通信可能範囲内にＩＣタグが存在する場合には、ＩＣタグが内蔵するアンテナでこの磁界を受信し、磁界によってＩＣタグ側のアンテナに誘起される誘導起電力により電力を得て、内蔵するＩＣチップを動作させる。同時に受信した磁界に重畳された信号を検出してＩＣチップにより処理し、ＩＣタグリーダライタに対して応答信号を磁界として送信する。

電磁誘導方式のＩＣタグリーダライタに用いられるアンテナとしては、ループコイルが一般的である。ループコイルは、プリント基板などの表面や内部に導体線を数ターン程度巻回したパターンを形成したもので、このパターンの形状は円形や四角形などが多い。巻回は１ターンのみでもよい。このループコイルによる通信可能範囲は、ループコイルの口径がさほど大きくない場合には、このパターンの両側の、パターンの差し渡し径を直径としてループコイルを貫く概ね球状の領域である。つまりこの領域の内部にＩＣタグが存在する場合に、ＩＣタグリーダライタとＩＣタグとは安定した通信を行うことができる。なおＩＣタグが内蔵するアンテナも、一般にループコイルにより構成されている。

ＩＣタグリーダライタのアンテナとしてループコイルを用いた場合に、ＩＣタグと安定した通信を行うことのできる範囲を拡大するためには、用いるループコイルの口径を大きくすればよい。ところが大口径のアンテナでは大きな信号電流が必要となる上に、小口径のアンテナとは異なり、均一な磁界分布を得ることが一般に困難であるという特徴がある。とくにアンテナが大口径になるにつれて、アンテナの中央領域と周辺領域との磁界強度の差が大きくなって、中央領域の磁界強度が小さくなってしまい、単に大口径のアンテナを使用した場合ではこの領域にて安定した通信を行うことができない。この問題は、クレジットカードなどの一般的なカードサイズよりも小さなＩＣタグを用いる場合には、ＩＣタグの側のアンテナサイズの要因により、一層顕著となる。

以上の問題は、ＩＣタグリーダライタ側のアンテナに印加する信号電流を単純に大きくして、ループコイルに大きな磁界を発生させるようにすれば解決可能である。しかしこの場合にはＩＣタグリーダライタの消費電力が大きくなって可搬型のＩＣタグリーダライタの実現が困難である上に、電波法などの法規制を遵守することが難しくなってしまう。

そこで、１基の大口径のアンテナを備える代わりに、複数の小口径のアンテナを並べることで、ＩＣタグとの通信可能な範囲を拡大する方法が提案されている。この場合にはアンテナ回路の一部にスイッチを設け、ＩＣタグとの通信が確立しているアンテナのみを残し、他のアンテナのスイッチを開放とすることで、ＩＣタグとの通信に必要な最小限のアンテナにだけ信号電流を供給する構成とすることができる。この方法によってアンテナ装置の消費電力を抑えるとともに、同時に電波法などの法規制の遵守の問題もクリアすることが可能である。

特許文献１ないし３は、いずれもアンテナ装置が複数の小口径のアンテナを並べて非接触ＩＣ媒体との双方向通信を行う場合の従来例である。これらの従来例について、図５ないし図７に基づいて説明する。このうち図５は特許文献１におけるアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図５において、アンテナ装置５１はアンテナ部５２、スイッチ５３、整合回路５４、検出器５５、制御部５６、送信部５７および増幅部５９、受信部５８などから構成されている。ここでアンテナ部５２は複数のアンテナ素子により構成されており、図５では例として３台のアンテナ素子５２ａ〜５２ｃを図示している。

アンテナ部の後段にはスイッチ５３があり、さらにその後段には整合回路５４が設けられている。整合回路５４はアンテナ素子５２ａ〜５２ｃのインピーダンスの整合を図る回路であり、この回路におけるインピーダンスの整合が保たれているかどうかを検出器５５により検出し、その結果はスイッチ５３の切り換えを行う制御部５６に入力される。整合回路５４には送信部５７および増幅部５９を経由した送信信号が入力されてアンテナ部５２に送られるとともに、アンテナ部５２にて受信された非接触ＩＣ媒体からの受信信号が受信部５８に送られる。なお特許文献１では非接触ＩＣ媒体として非接触ＩＣカードが想定されている。

検出器５５は整合回路５４においてインピーダンス整合が保たれているかどうかを検知する素子であり、非接触ＩＣ媒体がアンテナ素子５２ａ〜５２ｃのいずれの近傍にも存在しない場合には、スイッチ５３がどのアンテナ素子を選択していてもインピーダンス整合が保たれている。非接触ＩＣ媒体との双方向通信を確立する場合には、スイッチ５３は制御部５６からの指示によってアンテナ素子５２ａ〜５２ｃを順に切り換えて、その都度整合回路５４におけるインピーダンス整合が保たれているかどうかを監視する。

ここで規定値以上のインピーダンス整合のずれが検出された場合には、対応するアンテナ素子の近傍に非接触ＩＣ媒体が存在すると見なしてスイッチ５３の切り換えを停止し、そのアンテナの選択を固定して非接触ＩＣ媒体との双方向通信を実施する。即ちスイッチ５３は非接触ＩＣ媒体と通信可能なアンテナ素子を選択するための素子であって、通信が確立されたアンテナ素子のみに信号電流を流すことにより、大口径のアンテナを使用した場合よりもアンテナ装置の消費電力を抑えることができる。

一方、図６は特許文献２におけるアンテナ装置の構成を示すブロック図である。特許文献１では複数のアンテナ素子に対して整合回路が１基しか設けられていないが、その場合はアンテナ素子ごとのインピーダンスの違いを整合回路が吸収することができない。一般にアンテナ素子のインピーダンスはその設置された周囲の状況、使用される結線の長さなどの影響によりアンテナ素子ごとにかなり異なるため、各アンテナ素子のインピーダンスを同一に保ち、１基の整合回路のみで十分なマッチングを図ることは設計上困難である。

特許文献２ではスイッチと整合回路をアンテナ素子ごとに１基ずつ設け、かつスイッチを整合回路と一体化することにより、この問題を解決している。図６において、アンテナ装置６１はアンテナ部６２、スイッチ６３ａ〜６３ｃおよび整合回路６４ａ〜６４ｃ、制御部６６、送信部６７および増幅部６９、受信部６８などから構成されている。ここでアンテナ部６２は特許文献１の場合と同様に複数のアンテナ素子により構成されており、図６では例として３台のアンテナ素子６２ａ〜６２ｃを図示している。各アンテナ素子６２ａ〜６２ｃの後段にはそれぞれ整合回路６４ａ〜６４ｃおよびスイッチ６３ａ〜６３ｃが存在するが、ここでスイッチ６３ａ〜６３ｃは整合回路６４ａ〜６４ｃの内部に設けられており、両者は一体となっている。

ここで整合回路６４ａ〜６４ｃは回路に対して直列および並列に設けられた一連のコンデンサからなる回路であり、それぞれアンテナ素子６２ａ〜６２ｃのインピーダンスの整合を図っている。しかしＩＣタグである非接触ＩＣ媒体との通信に用いられていないアンテナ素子の整合回路では、内部に設けられたスイッチを切り換えることによってアンテナ素子をアンテナ装置６１の回路から切り離し、送受信回路とは独立した閉ループとすることでそのインピーダンスを変更している。これにより、通信が確立されているアンテナ素子の共振点が、隣り合うアンテナ素子との相互インダクタンスによってずれる現象を防止して、非接触ＩＣ媒体との通信ロスを防止することが可能になり、また非接触ＩＣ媒体との通信可能な範囲を拡大しても、受信感度の偏りの少ないアンテナ装置を実現することができる。

さらに図７は特許文献３におけるアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図７において、アンテナ装置７１はＩＣカードやＩＣタグである非接触ＩＣ媒体との双方向通信を行う装置であり、アンテナ部７２、スイッチ７３ａ〜７３ｄおよび整合回路７４ａ，７４ｂ、制御部７６、送信部７７および増幅部７９、受信部７８などから構成されている。アンテナ部７２は特許文献１および特許文献２と同様に複数のアンテナ素子により構成されていて、図７では例として２台のアンテナ素子７２ａ，７２ｂについて図示している。

各アンテナ素子７２ａ，７２ｂの後段にはそれぞれスイッチ７３ａ〜７３ｄおよび整合回路７４ａ，７４ｂが設けられているが、このうちスイッチ７３ａ，７３ｃおよび整合回路７４ａ，７４ｂはそれぞれアンテナ装置７１の送信用回路の側に設けられており、受信用回路にはスイッチ７３ｂ，７３ｄのみが設けられている。整合回路は送信用回路の側にしか設けられていないものの、実際の使用時にはスイッチ７３ａとスイッチ７３ｂ、スイッチ７３ｃとスイッチ７３ｄの切り換えが同時に行われるので、非接触ＩＣ媒体からの信号受信時であってもアンテナ素子のインピーダンス整合は保持されている。

特許文献３ではスイッチと整合回路とをアンテナ素子ごとに１基ずつ設けている点は特許文献２に開示された従来例と同様であるが、スイッチと整合回路とは一体化されておらず、回路上に互いに分離して設けられている。特許文献２では通信が確立したアンテナ素子に隣り合うアンテナ素子は、スイッチの切り換えによって送受信回路とは独立した閉ループを構成する。しかし双方向通信の際の誘導磁界によってこの閉ループには多少の誘導電流が発生することになるため、それによる二次的な誘導磁界が非接触ＩＣ媒体との双方向通信を妨げることとなり、結果として通信の際にはより多くの消費電力が必要となってしまう。一方、特許文献３におけるアンテナ装置ではスイッチを整合回路から独立させており、スイッチを開放とした場合にはアンテナ素子は閉ループを構成しないので、誘導磁界による誘導電流の発生がなく、それによる消費電力の増加も起こらないため、この点において特許文献２に開示された従来例の問題点の改善を図った構成となっている。

特開２００６−１１５２０２号公報 特開２００５−３４８２４１号公報 特開２００６−２６８６２７号公報

しかしながら以上記した従来のアンテナ装置においては、互いに隣り合う小口径のアンテナ素子どうしの相対的な位置についてはとくに記載されていない。ところが発明者らの検討の結果、小口径のアンテナ素子を配置する際にはその相対位置によっては非接触ＩＣ媒体との通信が不能となる領域が発生する場合があることが明らかになっている。特許文献３にはアンテナ素子どうしを互いに一部が重なり合うように配置する旨の記述があるが、その重なり量やアンテナ素子どうしの位置関係についてはとくに記述がない。つまり、アンテナ素子どうしが具体的にどのような位置関係にあれば通信不能領域が発生せず、良好な通信の維持が可能であるのかについては具体的な検討がなされていなかった。

本発明は前記の課題を解決するものであって、小口径の複数のアンテナ素子を有し、電磁誘導によりＩＣタグと通信する機能を有するアンテナ装置において、アンテナ回路の内部にスイッチおよび整合回路をともに設けるとともに、隣り合う小口径のアンテナ素子どうしを配置する際の互いに重なり合う量を規定することにより、ＩＣタグとの双方向通信において、通信不能領域が発生することのない、アンテナ素子の設置手段を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明においては、ＩＣタグとの双方向通信を行うアンテナ装置として１基の大口径のループコイルの代わりに複数の小口径のループコイルを用い、アンテナ回路の内部にスイッチおよび整合回路をそれぞれ設ける。これにより、通信を実施しているアンテナ素子の共振点が、隣り合うアンテナ素子との相互インダクタンスによってずれる現象や、隣り合うアンテナ素子への誘導電流の発生によって通信の際の消費電力が増加する現象を防止する。それとともに、隣り合うアンテナ素子を構成するループコイルが互いに一部で重なり合うよう前記各アンテナ素子を配置して、さらにその互いに重なり合う領域を、前記ループコイルの内側の領域の面積に対して３０％ないし５０％の範囲となるように規定する。またこの際に用いるアンテナ素子としては、四角形状のコイルループを使用する場合が好適である。

なお、アンテナ装置を構成する際に、互いに隣り合うアンテナ素子を一部重ね合わせることによってＩＣタグの通信不能領域を解消する方法は従来も検討されてきたが、その場合にはアンテナ素子どうしが接近していることにより生じる両者の相互インダクタンスによってアンテナ素子の共振点のずれが生じる問題があり、そのため実際にはアンテナ素子どうしを重ね合わせて設置することはできなかった。本発明における、アンテナ素子の一部を互いに重ね合わせる配置は、アンテナ回路の内部にスイッチおよび整合回路をそれぞれ設けることにより、アンテナ素子どうしを接近させてもその共振のずれや誘導電流の発生による消費電力の増加が起きない構成を実現したことによって、はじめて実施可能となったものである。

即ち、本発明は、ＩＣタグとの通信を行う機能を有するアンテナ装置であって、前記アンテナ装置には、ループコイルと、前記ループコイルと通信装置とのインピーダンスを合致させる整合回路とを有する配線パターンをそれぞれ備えるアンテナ素子が複数配置されており、前記各アンテナ素子がそれぞれ備える配線パターンにおいて、前記ループコイルを構成する配線パターンの途中にスイッチ回路が設けられていて、前記各アンテナ素子のうち、互いに隣り合うアンテナ素子の前記ループコイルが互いに一部で重なり合うよう前記各アンテナ素子が配置されており、前記互いに隣り合う各アンテナ素子の前記ループコイルの互いに重なり合う領域が、前記ループコイルの内側の領域の面積の３０％ないし５０％であることを特徴とする、アンテナ装置である。

また、本発明は、前記各ループコイルが四角形状であることを特徴とする、アンテナ装置である。

さらに、本発明は、前記スイッチ回路が半導体リレーにより構成されていることを特徴とする、アンテナ装置である。

さらに、本発明は、前記スイッチ回路が半導体トランジスタにより構成されていることを特徴とする、アンテナ装置である。

さらに、本発明は、前記スイッチ回路がラッチングリレーにより構成されていることを特徴とする、アンテナ装置である。

さらに、本発明は、前記アンテナ装置を備えてなることを特徴とする、ＩＣタグリーダライタである。

本発明によれば、小口径の複数のアンテナ素子を有し、電磁誘導によりＩＣタグと通信する機能を有するアンテナ装置において、アンテナ回路の内部にスイッチおよび整合回路をともに設けるとともに、互いに隣り合う小口径のアンテナ素子どうしが重なり合う量を、前記アンテナ素子のループコイルの内側の面積の３０％ないし５０％に規定する。これによりＩＣタグとの双方向通信において、通信不能領域が発生することがなく、かつ無駄なアンテナ素子を含まない、アンテナ素子の設置手段を提供することができる。

これは、アンテナ回路ごとにスイッチおよび整合回路をそれぞれ設け、ＩＣタグとの通信が確立されたアンテナ素子のスイッチのみを導通とすることによって、隣り合うアンテナ素子どうしの相互インダクタンスによるアンテナ素子の共振点のずれの問題や、隣りのアンテナ素子への誘導電流の発生による消費電力の増加の問題が解決したことにより、隣り合うアンテナ素子どうしを重ね合わせて配置することが可能となったものである。このアンテナ素子どうしが互いに重なり合う量を規定することにより、ＩＣタグの位置にかかわらず安定した双方向通信を行うことができ、かつ小口径のアンテナ素子の必要数を抑えることで低コストを実現したアンテナ装置を提供することが可能である。これによって本発明にて構成されたＩＣタグリーダライタは、広い通信範囲にて安定してＩＣタグとの双方向通信を行うことができる。

本発明の実施の形態に係るアンテナ装置について、図１に基づいて以下に説明する。

図１は本発明におけるアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１において、アンテナ装置１１はＩＣタグである非接触ＩＣ媒体との双方向通信を行う装置であり、アンテナ部１２、スイッチ１３ａ〜１３ｃおよび整合回路１４ａ〜１４ｃ、制御部１６、送信部１７および増幅部１９、受信部１８などから構成されている。アンテナ部１２は複数のアンテナ素子により構成されていて、図１では例として３台のアンテナ素子１２ａ〜１２ｃについて図示している。

各アンテナ素子１２ａ〜１２ｃの後段にはそれぞれスイッチ１３ａ〜１３ｃおよび整合回路１４ａ〜１４ｃが設けられている。これらの各素子は送信用回路および受信用回路に共用となっている。整合回路１４ａ〜１４ｃは、回路に対して直列および並列に設けられた一連のコンデンサからなる回路であり、それぞれアンテナ素子１２ａ〜１２ｃのインピーダンスの整合を図っている。ここでＩＣタグとの通信が確立している１基のアンテナ素子以外では、アンテナ装置１１の回路からの各アンテナ素子の切り離しを各スイッチによって行っている。これによって、通信が確立しているアンテナ素子の共振点が隣り合うアンテナ素子との相互インダクタンスによってずれる現象を防止するとともに、隣り合うアンテナ素子への誘導電流の発生を防ぎ、各アンテナ素子が互いに重なり合う領域を有する場合であってもアンテナ装置における消費電力の増加が起きないよう構成している。

ここで、一般に小口径のアンテナ素子としてループコイルを用いる場合の安定した通信範囲は、前記のようにループコイルのパターンの両側の、パターンの差し渡し径を直径としてループコイルを貫く概ね球状の領域の内側に限定される。とくに通信相手であるＩＣタグが小型形状の場合にはこの特徴は顕著に現れる傾向があり、一般的なＩＣカードより小型の形状のＩＣタグと双方向通信を行う場合には、通信可能領域はアンテナ素子の配線パターンの直上の位置も除いた、それより内側の領域に限定される。まずアンテナ装置に複数のループコイルを重なり合う領域なしに設けた場合の、一般的な通信可能領域の形状について図８に基づいて説明する。

図８は重なり合う領域を設けずに、ループコイルを２基ずつ並べて配置した場合を示した図であり、図８（ａ）はその上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ’における断面図である。図８において、アンテナ装置８１はアンテナ基板８２ａ，８２ｂ、スイッチ８４ａ，８４ｂ、整合回路８５ａ，８５ｂおよび制御部８６からなり、アンテナ基板８２ａ，８２ｂ内にはそれぞれループコイル８３ａ，８３ｂが設けられている。なお制御部８６は制御回路だけではなく、送信回路、受信回路、増幅回路などを含む。図示しないＩＣタグがループコイル８３ａ，８３ｂの通信範囲８８ａ，８８ｂ内に存在する場合には、ＩＣタグはアンテナ装置８１と双方向通信を行うことが可能である。この通信範囲８８ａ，８８ｂは各ループコイル８３ａ，８３ｂに対応して形成され、ループコイルが小口径の場合にはその中心部が最も高い山形となる。

ここでアンテナ装置８１の規格として図８（ｂ）に示すように、ＩＣタグとの通信を保証する最大距離である距離ｈが定められている場合には、ＩＣタグとの通信領域は図８に示す通信保証領域８７ａ，８７ｂの領域に限定されることになる。通信範囲８８ａ，８８ｂ内の領域であれば通信保証領域８７ａ，８７ｂの外側であっても実際にはＩＣタグとの双方向通信が可能であるが、その位置ではアンテナ装置８１から距離ｈだけ離した場合の双方向通信が保証されないために、通信保証領域には含まれない。ここで図８（ｂ）から明らかなように、通信保証領域８７ａ，８７ｂは連続しておらず、その中間の領域はＩＣタグとの通信が保証されない領域となってしまう。つまりループコイルを図８のように重なり合う領域を設けずに敷き詰めた場合には、アンテナ装置８１の面上に通信が保証されない領域が網目状に残ってしまうことになり、ＩＣタグとの連続的な通信を行うことができない場合が存在してしまう。

なおアンテナ装置８１におけるループコイル８３ａ，８３ｂの通信範囲８８ａ，８８ｂは本来はアンテナ基板８２ａ，８２ｂの両面に存在するが、図８ではそのうち片面側の領域についてのみ図示している。実際にアンテナ装置を実施する際にもＩＣタグとの通信にはその片面のみしか使用しない場合が多く、アンテナ装置の裏側にはＩＣタグリーダライタ装置の本体などが設置されている構成が一般的である。

各アンテナ素子に、互いに重なり合う領域を設けて平面状に設置する構成を実現するには、図１に示した本発明のアンテナ装置のように、構成内にスイッチおよび整合回路を設けて、同時に１基のアンテナ素子しかＩＣタグとの双方向通信に参加しない構成とする必要がある。その上で、隣り合うアンテナ素子のループコイルをスイッチにより開放して、通信が確立しているアンテナ素子の共振点のずれを防止するとともに、隣り合うアンテナ素子への誘導電流の発生を防ぐ措置を実施する。このような、各アンテナ素子のループコイルに互いの重なり合う領域が設けられた場合の通信可能領域の形状およびその動作について、図２および図３に基づいて説明する。

図２は本発明における２基のループコイルを互いに一部重なり合う領域を設けて配置した場合について示した図であり、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。図２において、アンテナ装置２１はアンテナ基板２２ａ，２２ｂ、スイッチ２４ａ，２４ｂ、整合回路２５ａ，２５ｂおよび制御部２６からなり、アンテナ基板２２ａ，２２ｂ内にはそれぞれループコイル２３ａ，２３ｂが形成されている。スイッチ２４ａ，２４ｂおよび整合回路２５ａ，２５ｂはそれぞれループコイル２３ａ，２３ｂの配線パターンの途中に設けられている。なお図８の場合と同様に、制御部２６は制御回路だけではなく、送信回路、受信回路、増幅回路などを含んでいる。図示しないＩＣタグがループコイル２３ａ，２３ｂの通信範囲２８ａ，２８ｂ内に存在する場合には、ＩＣタグはアンテナ装置２１と双方向通信を行うことが可能である。スイッチ２４ａ，２４ｂはいずれか一方が導通している場合には他方は必ず開放となっており、ＩＣタグは２基のループコイル２３ａ，２３ｂと同時に通信を確立することはない。

ここでアンテナ装置２１の規格として、図８の場合と同様にＩＣタグとの通信を保証する最大距離である図２（ｂ）に示す距離ｈが定められている場合には、ＩＣタグとの通信領域は図２に示す通信保証領域２７に限定されることになる。通信範囲２８ａ，２８ｂ内の領域であれば通信保証領域２７に含まれない領域であっても実際にはＩＣタグとの双方向通信が可能であるが、その位置ではアンテナ装置２１から距離ｈだけ離した場合の双方向通信が保証されず、通信保証領域には含まれない。また図２（ｂ）に示されるように、通信保証領域２７は２基のループコイル２３ａ，２３ｂの上方に広がる連続した領域である。つまり図２に示すようにループコイルを一定量の重なり合う領域を設けて平面内に敷き詰めた場合には、アンテナ装置２１の面上の距離ｈの範囲の領域は、その周辺部を除いて全てが通信が保証された領域となって、そこには通信不能領域を含まないことになる。従ってこの領域内にＩＣタグが存在する場合には、アンテナ装置２１との間で連続的な通信を行うことが可能である。

図２（ａ）では図の上下方向に連続して２基のループコイルを設けた場合を記載しているが、このループコイルはいくつ連続して設けてもよく、また上下方向だけではなく、図２（ａ）の左右方向に連続して設けてもよい。しかしこのループコイルによるアンテナ素子をいくつ設けた場合であっても、１基のＩＣタグと同時に双方向通信を行うアンテナ素子は１基のみである。

図３は、図２に示した本発明におけるアンテナ装置において、ＩＣタグとの通信を試みるアンテナ素子を切り換える方法についての説明図である。図３（ａ）は図の上方の１基のアンテナ素子のループコイルによって通信を試みる場合、図３（ｂ）は図の下方の１基のアンテナ素子による場合をそれぞれ示したものであり、アンテナ基板は省略している。図３において、アンテナ装置３１には２基のループコイル３３ａ，３３ｂが設けられており、各ループコイルにはスイッチ３４ａ，３４ｂおよび整合回路３５ａ，３５ｂが設けられていて、それぞれ制御部３６に接続されている。図３（ａ）ではスイッチ３４ａが導通、スイッチ３４ｂが開放となるよう操作されているので、図の上側のループコイル３３ａによって図示しないＩＣタグとの双方向通信が試みられている。その際にＩＣタグとの通信が可能な領域は通信保証領域３７ａの範囲であり、ＩＣタグがこの範囲に存在する場合にはアンテナ装置３１との双方向通信が可能である。

スイッチ３４ａ，３４ｂをともに切り換えて、スイッチ３４ａが開放、スイッチ３４ｂが導通となるように操作すれば、図３（ｂ）に示すように図の下方のアンテナ素子のループコイル３３ｂによってＩＣタグとの通信が試みられることとなる。その際にＩＣタグとの通信が可能な領域は通信保証領域３７ｂの範囲であり、ＩＣタグがこの範囲に存在する場合にアンテナ装置３１との双方向通信が可能となる。スイッチ３４ａとスイッチ３４ｂは同時に導通となることはなく、アンテナ装置３１は通信保証領域を順次切り換えながら、ＩＣタグとの通信を試みて行くこととなる。ＩＣタグとの通信が確立したら、その時に導通しているアンテナ素子によってＩＣタグとの双方向通信が実施される。

ここで、各アンテナ素子を構成するループコイルのパターン上に設けられるスイッチとしては、半導体リレー、半導体トランジスタ、ラッチングリレーのいずれかにより構成されたスイッチ回路を用いることが好ましい。

図１に示すアンテナ装置を作製し、アンテナ部のループコイルの一部が互いに重なり合うように四角形状の各アンテナ素子を配置し、ＩＣタグとの通信を保証する最大距離である距離ｈの位置に設置して、ＩＣタグとの双方向通信が確立するかどうかの実験を行った。実験では、隣り合うループコイルの重なり量の比率を変えて、通信の成功確率を調査した。ＩＣタグのアンテナサイズは２８ｍｍ×１２ｍｍ、各アンテナ素子の基板の形状は１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形である。この基板内に形成したループコイルは銅箔を数ターン巻回したものであって、内側が８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形となるようにした。ＩＣタグの通信周波数は１３．５６ＭＨｚ帯、ＩＣタグとの通信を保証する最大距離である距離ｈは３０ｍｍと規定しており、各ループコイル上にはスイッチおよび整合回路が設けられている。なおスイッチとしてはラッチングリレーを用いている。

以上示した形状のアンテナ素子を１６枚作製し、各ループコイルの一部を重ね合わせて４枚×４枚の正方形に貼り合わせてアンテナ部を作製した。このアンテナ部から通信保証距離である３０ｍｍ離れた位置にＩＣタグを設置し、ＩＣタグとの双方向通信が確立するかどうかを測定した。次いで隣り合うアンテナ素子のループコイルの重なり量を変えて再び１６枚のアンテナ素子を貼り合わせ、同様に通信の成功確率を測定した。このようにしてアンテナ部の各ループコイルの重なり量を変えて、ＩＣタグとの通信成功確率を測定した結果を図４にグラフとして示す。測定ではＩＣタグの設置位置を変えながらアンテナ部ごとに１００回実施して、各設置位置での成功確率を計算した。

図４より、ループコイルの重なり量が０％の場合には通信成功確率が７０％程度であるが、この重なり量を増加させると通信成功確率は向上し、ループコイルの内側の面積の重なり量が３０％の場合には通信成功確率が１００％となる。それ以降はループコイルの重なり量が増加しても通信成功確率は１００％のままで変わらないが、この重なり量が大きくなると同じ面積のアンテナ部を構成するために必要なアンテナ素子の数がより多く必要となる上に、アンテナ素子どうしを縦横に貼り合わせる作業が困難になるという問題が生じる。そのため、ループコイルの内側の面積の重なり量は３０％〜５０％の範囲とした場合が好適である。

なお、上記実施例の説明は、本発明の実施形態に係る各アンテナ素子の配線パターンの途中にスイッチおよび整合回路を設けて、隣り合うアンテナ素子のループコイルが互いに一部で重なり合うように各アンテナ素子を配置し、しかもこの互いに重なり合う領域がループコイルの内側の領域の面積の３０％ないし５０％となるようにした場合の効果について説明するためのものであって、これによって特許請求の範囲に記載の発明を限定し、あるいは請求の範囲を減縮するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明におけるアンテナ装置の構成を示すブロック図。 本発明における２基のループコイルを互いに一部重なり合う領域を設けて配置した場合を示した図。図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’における断面図。 本発明におけるＩＣタグにおいて、アンテナ素子を切り換えて通信する方法の説明図。図３（ａ）は図の上方のアンテナ素子による通信の場合、図３（ｂ）は図の下方のアンテナ素子による通信の場合を示した図。 ループコイルの重なり量とＩＣタグとの通信成功確率の関係を示すグラフ。 従来例のアンテナ装置の構成を示すブロック図。 従来例のアンテナ装置の構成を示すブロック図。 従来例のアンテナ装置の構成を示すブロック図。 ２基のループコイルを互いに重なり合う領域を設けずに、並べて配置した場合を示した図。図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ’における断面図。

符号の説明

１１，５１，６１，７１ アンテナ装置
１２，５２，６２，７２ アンテナ部
１２ａ〜１２ｃ，５２ａ〜５２ｃ，６２ａ〜６２ｃ，７２ａ，７２ｂ アンテナ素子
１３ａ〜１３ｃ，５３，６３ａ〜６３ｃ，７３ａ〜７３ｄ スイッチ
１４ａ〜１４ｃ，５４，６４ａ〜６４ｃ，７４ａ，７４ｂ 整合回路
５５ 検出器
１６，５６，６６，７６ 制御部
１７，５７，６７，７７ 送信部
１８，５８，６８，７８ 受信部
１９，５９，６９，７９ 増幅部
２１，３１，８１ アンテナ装置
２２ａ，２２ｂ，８２ａ，８２ｂ アンテナ基板
２３ａ，２３ｂ，３３ａ，３３ｂ，８３ａ，８３ｂ ループコイル
２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ，８４ａ，８４ｂ スイッチ
２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂ，８５ａ，８５ｂ 整合回路
２６，３６，８６ 制御部
２７，３７ａ，３７ｂ，８７ａ，８７ｂ 通信保証領域
２８ａ，２８ｂ，８８ａ，８８ｂ 通信範囲
ｈ ＩＣタグとの通信を保証する最大距離

Claims (6)

1. ＩＣタグとの通信を行う機能を有するアンテナ装置であって、
   前記アンテナ装置には、ループコイルと、前記ループコイルと通信装置とのインピーダンスを合致させる整合回路とを有する配線パターンをそれぞれ備えるアンテナ素子が複数配置されており、
   前記各アンテナ素子がそれぞれ備える配線パターンにおいて、前記ループコイルを構成する配線パターンの途中にスイッチ回路が設けられていて、
   前記各アンテナ素子のうち、互いに隣り合うアンテナ素子の前記ループコイルが互いに一部で重なり合うよう前記各アンテナ素子が配置されており、
   前記互いに隣り合う各アンテナ素子の前記ループコイルの互いに重なり合う領域が、前記ループコイルの内側の領域の面積の３０％ないし５０％であることを特徴とする、アンテナ装置。
2. 前記各ループコイルが四角形状であることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記スイッチ回路が半導体リレーにより構成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
4. 前記スイッチ回路が半導体トランジスタにより構成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記スイッチ回路がラッチングリレーにより構成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアンテナ装置を備えてなることを特徴とする、ＩＣタグリーダライタ。

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