JP2009065426A - ブースターアンテナコイル - Google Patents

Abstract

【課題】通信距離を十分に延長できるブースターアンテナを提供する。
【解決手段】所定の搬送周波数でＲＦＩＤタグ３と通信可能なＲＦＩＤリーダライタ１に、ブースターアンテナ２を備える。ＲＦＩＤリーダライタ１のＰコイル１１とブースターアンテナ２のＱコイル２１によって、双峰特性が生じるように、結合共振回路を構成する。Ｐコイル１１とＱコイル２１の共振周波数が異なる。双峰特性の２つのピークのうち、高い方のピークに搬送周波数が設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ＲＦＩＤ（無線周波数識別：Radio Frequency Identification）システムなどに、通信距離の延長のために用いられるブースターアンテナコイルに関する。

近年、情報を電子的に記憶することができるＩＣチップと、このＩＣチップと外部との間で情報をやり取りするインタフェースを備えたカードやタグを利用したシステムが、その多様な可能性から注目を集めている。かかるシステムは、一般的には、ＲＦＩＤシステムと呼ばれ、小型の記録媒体（カードやタグ）とこれに読み書きを行うＲＦＩＤリーダライタとの組み合わせによって、様々な場面での固体認証やデータの送受信に利用することができる。

小型の記録媒体については、ＲＦＩＤカード、ＩＣカード、ワイヤレスカード、ＲＦＩＤタグ、ＩＣタグ等、種々の称呼がある。以下、ＲＦＩＤタグと呼ぶが、特定の種類のものに限定する意図ではなく、上記のような種々のカードやタグ等を全て含む広い概念である。このようなＲＦＩＤタグは、従来のカードに用いられていた磁気記録方式のものに比べて、ＩＣチップのメモリに大量の情報を記憶しておくことができ、偽造の防止も可能となるため、クレジットカード、電子マネー、電子乗車券、テレフォンカード、ＩＤカード、貨物管理用タグ等として、広く利用されている。

また、ＲＦＩＤリーダライタとの間で情報を送受信するための方式としては、ＲＦＩＤタグの表面に設けられた電極接点とＲＦＩＤリーダライタに設けられた接触端子とを接触させる接触型、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダライタに設けられたアンテナコイルを介して無線により行う非接触型がある。特に、非接触型のＲＦＩＤタグは、接触による磨耗がないこと、ＲＦＩＤリーダライタ側にＲＦＩＤタグを移動させる機構が必要ないこと、送受信の際の方向性の自由度が高いことなどから、高い耐久性と利便性を有するものとして、普及が期待されている。

ところで、上記のような非接触型のＲＦＩＤリーダライタとＲＦＩＤタグとの通信距離は、数ｃｍである。しかし、上述のように、種々の用途が考えられるＲＦＩＤシステムは、多様な用途が考えられるものであり、適用分野によっては、通信距離をさらに延長できることが望ましい。これに対処するため、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダライタとの間に、ブースターアンテナを配置することが提案されている。これは、基本的には、共振用回路を含むＲＦＩＤリーダライタ用のアンテナコイル（以下、Ｐコイルと呼ぶ）と、共振用コンデンサを含むＲＦＩＤブースターアンテナコイル（以下、Ｑコイルと呼ぶ）とを用いる技術である。

例えば、Ｐコイルの法線方向にＱコイルを配置して、通信距離を延長する技術が特許文献１に開示されている。また、ＲＦＩＤタグの前方に、ＲＦＩＤタグ用のＱコイルを配置して、通信距離を延長する技術が特許文献２に開示されている。さらに、非接触ＩＣカード用カードケースに、ブースターを設けたブースター付カードケースが、特許文献３に開示されている。

特開２０００−１３８６２１号公報 特開２００５−３２３０１９号公報 特開２００５−３３２０１５号公報 電気工学ハンドブック、日本国、電気学会、再版３昭和４６年（初版昭和４２年）、１３２−１３３頁

ところで、上記のように、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダライタとの間にブースターアンテナを構成しても、通信距離の十分な延長を望めない場合が生じる。例えば、ＲＦＩＤリーダライタ用のＰコイルとブースター用のＱコイルとによって構成される結合共振回路において、その結合係数が大きい場合には、共振周波数が２つに分かれることにより、いわゆる双峰特性を示す（非特許文献１参照）。この状態においては、ブースターアンテナを用いているにも係わらず、搬送周波数において電流が小さくなり、発生磁界強度が小さくなるため、通信距離の十分な延長ができない。

一方、結合係数を小さくすることにより、単峰特性を得ることができるが、その場合には、ＲＦＩＤリーダライタ用のＰコイルと、ブースター用のＱコイルとの結合が小さくなり、通信距離が低下する。また、結合係数を小さくするためＰコイルとＱコイル間の距離を大きくすると、所要スペースが大きくなる。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、通信距離を十分に延長できるブースターアンテナコイルを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、所定の搬送周波数により外部と通信可能な第１のアンテナコイルに対して、双峰特性が生じる結合共振回路を構成するように配設された第２のアンテナコイルを有し、前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルの共振周波数が異なるブースターアンテナコイルにおいて、以下のような特徴を有する。

(1) 前記双峰特性の２つのピークのうち、高い方のピークに搬送周波数が設定されている。
(2) 前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルの共振周波数が同じ場合の双峰特性のピークを超える範囲に、搬送周波数が設定されている。
(3) 前記結合共振回路の結合係数が、概ね０．００４以上である。

以上のような発明では、第１のアンテナコイルと第２のアンテナコイルの共振周波数を異なるものとしているので、双峰特性の２つのピークに大小の差が出る。この２つのピークのうち、高いほうのピークに搬送周波数を合わせることで、第２のアンテナコイルに流れる電流が増加し、発生磁界強度が大きくなり、通信距離を十分に延長できる。

このような通信距離の延長効果は、第１のアンテナコイルと第２のアンテナコイルの共振周波数が同じ場合を想定して、その場合の双峰特性のピークを超える範囲に、搬送周波数を設定することによっても得ることができる。さらに、通信距離の延長効果を得るためには、結合係数は、概ね０．００４以上とすることが望ましい。

以上の通り、本発明では、通信距離を十分に延長できるブースターアンテナコイルを提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態とする）を説明する。なお、各実施形態は、例えば、ＲＦＩＤリーダライタに適用されるブースターアンテナであるが、ＲＦＩＤリーダライタ及びこれと通信を行うＲＦＩＤタグの具体的構造については、特定のものには限定されないため、説明を省略する。

また、以下の説明では、実施形態の基本構成を説明し、これに対応して作製した実施例に基づく測定結果によって、実施形態の作用効果を説明する。

［実施形態の構成］
まず、本実施形態の基本構成を、図１及び図２を参照して説明する。すなわち、本実施形態は、ＲＦＩＤリーダライタ１側に設けられたＰコイル１１及び共振用回路１２、ブースターアンテナ２を構成するＱコイル２１及びキャパシタ２２、ＲＦＩＤリーダライタ１との通信を行うＲＦＩＤタグ３等によって構成されている。

Ｐコイル１１、Ｑコイル２１は、導体が巻回するように形成された電波の送受信用のアンテナコイルであり、図示しないＲＦＩＤの回路に電気的に接続されている。このＰコイル１１及びＱコイル２１は、例えば、絶縁性の基板上に銅若しくはアルミニウム等によってエッチングや印刷等で形成したり、ワイヤやリードで構成することが考えられるが、これらには限定されない。

そして、Ｐコイル１１及びＱコイル２１は、互いに法線方向がほぼ同一（同軸且つ平行）となるように配置されている。但し、Ｐコイル１１及びＱコイル２１の位置関係はこれには限定されない。Ｐコイル１１及びＱコイル２１の支持構造については、用途に応じて種々のものが考えられる。どのような形状及び材質のケース、フレーム等を用いるか、一部若しくは全部を外部へ露出するか否か、携帯型、可搬型若しくは設置型とするか等は、自由である。

上記のＲＦＩＤリーダライタ１とブースターアンテナ２によって構成される結合共振回路の一例を、図２の回路図に示す。共振周波数は、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、キャパシタＣ１〜Ｃ３の仕様等に従うので、所望の共振周波数が得られる部品を選択する。例えば、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１、抵抗Ｒ１〜Ｒ３の仕様を固定とすると、キャパシタＣ１〜Ｃ３の容量を選択することにより、各コイルの共振周波数を所望の値に変えることができる。可変コンデンサ等を用いることにより、所望の周波数への変更が容易となるように構成してもよい。実験の際には、可変コンデンサを用いることが便宜である。

本実施形態においては、双峰特性を示すように、共振回路の結合係数を大きく設定する。このとき、Ｐコイル１１とＱコイル２１の共振周波数を異なるものとすることにより、双峰特性の２つのピークの一方が他方よりも高くなるようにする。そして、大きい方のピークに、搬送周波数を合わせる。但し、搬送周波数の設定は、必ずしもピークに一致させる必要はない。Ｐコイル１１とＱコイル２１の共振周波数が同じ場合の双峰特性のピーク（２つのピークがほぼ同じ高さ）よりも、高くなる位置とすればよい。

なお、Ｐコイル１１とＱコイル２１の特性を求める式を示すと、以下の通りとなる。まず、Ｐコイル１１とＱコイル２１の相互インダクタンスは、下記の条件によると、式１で表すことができる。
Ｍ：相互インダクタンス
Ｎｐ：Ｐコイルの巻き数
Ｎｑ：Ｑコイルの巻き数
ａ：Ｐコイルの半径
ｂ：Ｑコイルの半径
ｚ：中心軸上の距離
ｋ：結合係数

したがって、結合係数ｋは、相互インダクタンスＭに比例する。また、結合係数ｋは、下記の条件で、式２により表せる。
Ｌｐ：Ｐコイルのインダクタンス
Ｌｑ：Ｑコイルのインダクタンス

したがって、Ｐコイル１１とＱコイル２１の位置関係から、結合係数ｋを計算によって導くことができる。

さらに、Ｑコイル２１の共振周波数ｆｏは、Ｑコイル２１のインダクタンスＬｑ、キャパシタの静電容量Ｃｑである場合、式３で表すことができる。

［実施形態の作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果を、実際に作製した複数の実施例と比較例に基づいて説明する。

［出力電流のシミュレーション］
比較例１〜４と、本実施形態を適用した実施例１〜４について、所定の入力電圧による出力電流について、シミュレーションを行った結果のデータを示す。ここで、シミュレーションを出力電流に着目して行ったのは、次の理由による。

まず、以下の式４に示すように、アンテナ中心軸上の磁界はアンテナコイル部分の電流に比例する。

なお、式４における条件は、次の通りである。
Ｚ：コイル中心からの距離（ｍ）
ａ：コイルの半径
Ｈ（ｚ）：コイル中心からの距離Ｚでの磁界の強さ（Ａ／ｍ）
Ｎ：巻き数
Ｉ：コイル電流（Ａ）

そして、以下の式５に示すように、ＲＦＩＤタグ３の誘起電圧Ｖｍは、磁界の強さＨに比例する。つまり、磁界を強くすれば、それだけ誘起電圧が大きくなり、通信距離の更なる改善が見込める。従って、出力電流の差異を示すことによって、磁界強度、さらには通信距離の長短が判断できることになる。

なお、式５における条件は、次の通りである。
Ｖｍ：誘起電圧
Ｆ：周波数
Ｎ：巻き数
Ｓ：受信コイル断面積
Ｈ：磁界強度
μ_０：4π×１０^−７ Ｔ／（Ａ／ｍ）
α：比例定数

ここでは、下記のＢ，Ｃ，Ｅに対応する比較例１〜３、Ｄ，Ｆに対応する実施例１，２について、表１、表２に示す条件、図２の回路図で、Ｐコイル１１の電流Ｉ_ｐ、Ｑコイル２１の電流Ｉ_ｑのシミュレーションを実行した（搬送周波数１３．５６ＭＨｚ）。シミュレーションの入力電圧は１Ｖとした。なお、共振周波数、結合係数は、次の記号を用いる。
Ｆｐ：Ｐコイルの共振周波数
Ｆｑ：Ｑコイルの共振周波数
Ｋ：ＰコイルとＱコイルの結合係数

表１は、低周波側に大きなピークがくる場合であり（Ｆｐ＞Ｆｑ）、その場合のＩｑの波形を図３に示す。表２は、高周波側に大きなピークが来る場合であり（Ｆｐ＜Ｆｑ）、その場合のＩｑの波形を図４に示す。そして、表１及び図３に示した実施例１について、以下の式６により求めた電流強度比の波形を図５に示す。

表１、表２、図３及び図４から、次のことがわかる。
(1)Ｆｐ＝Ｆｑの場合
双峰特性の２つのピークの高さは、殆ど同じである。
(2)Ｆｐ≠Ｆｑの場合
Ｆｐ＞Ｆｑでは、双峰特性の２つのピークのうち、低周波側のピークが大きく なり、高周波側のピークが小さくなる。
Ｆｐ＜Ｆｑでは、双峰特性の２つのピークのうち、高周波側のピークが大きく なり、低周波側のピークが小さくなる。

そして、ピークが大きい方に搬送周波数を合わせた方が、出力電流が大きく、より大きな磁界が発生するため、通信距離の延長が期待できる。なお、図５のαに示すように、双峰特性の大きい方のピークに搬送周波数を合わせた場合のみならず、βの範囲に示すように、Ｆｐ≠Ｆｑでの電流強度に対するＦｐ＝Ｆｑでの最大電流強度の比が１を超える範囲に、搬送周波数を合わせることにより、従来技術を超える通信距離の延長が期待できる。

［通信距離の実測］
比較例０，１，２と実施例１について、通信距離の測定を行った結果のデータを、表３及び図６のグラフに示す。測定対象である比較例０，１，２、実施例１は、以下の Ａ〜Ｄである（搬送周波数１３．５６ＭＨｚ）。
Ａ：ＰコイルのみでＱコイルがない場合
Ｂ：Ｑコイルを配置しただけの場合
Ｃ：Ｆｐ＝Ｆｑで、２つのピークの一方に搬送周波数を設定した場合
Ｄ：Ｆｐ＞Ｆｑで、２つのピークのうち、大きい方のピークに搬送周波数を設定し た場合

また、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１の条件は、以下の通りである。
・Ｐコイル：半径３．５ｍｍ、巻き数７Ｔ
・Ｑコイル：半径１０ｍｍ、巻き数３Ｔ

この表３及び図６から明らかな通り、Ｑコイル２１を用いないでＰコイル１１のみとした従来技術の比較例０の通信距離は４０ｍｍであり、Ｑコイル２１を用いただけの比較例１では、通信距離が３８ｍｍと比較例３と同程度である。しかしながら、搬送周波数を２つのピークの一方に合わせた比較例２では通信距離が７５ｍｍと飛躍的に伸びている。特に、２つのピークの大きさが異なる実施例１では、搬送周波数を大きい方のピークに合わせることにより、通信距離を８３ｍｍと大幅に伸ばすことができる。

［結合係数の設定］
次に、比較例２，４と、実施例３，４，５について、次の表４の条件において、Ｐコイル１１の電流Ｉ_ｐ、Ｑコイル２１の電流Ｉ_ｑのシミュレーションを実行した結果を、図７に示す（搬送周波数１３．５６ＭＨｚ）。シミュレーションの入力電圧は１Ｖとした。実施例３，４，５はＦｐ＞Ｆｑの場合の結合係数Ｋを変化させたものであり（Ｇ〜Ｉ）、比較例４は比較例２の結合係数Ｋを変化させたものである（Ｊ）。

この表４及び図７から明らかな通り、結合係数Ｋ≧０．００４で、比較例２よりもＩｑが大きくなる。また、比較例４のように結合係数Ｋ＝０．００３では、実施例４よりもＩｑが小さくなる。従って、結合係数を０．００４以上とすることにより、磁界強度が大きくなり、通信距離の延長が期待できる。

［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではなく、各部材の材質、大きさ、形状、数、配置等は、適宜変更可能である。例えば、Ｐコイル、Ｑコイルの大きさや形状は、図１で例示したものには限定されない。従って、円形、楕円形、方形、その他の形状であってもよい。

また、各実施形態における具体的な数値は例示であり、本発明は上記の数値には限定されない。例えば、搬送周波数の具体的な値や設定範囲については、式６で示した電流強度比が１を超える場合には通信距離の延長効果が期待できるので、必ずしもピークに合わせる必要はない。

また、ＰコイルとＱコイルとの距離、位置及び方向の設定についても、本発明の効果が得られる限り、どのようなものであってもよい。したがって、必ずしも互いに平行である必要はなく、軸が一致している必要もない（例えば、一方が他方に対して傾斜して配置されていてもよいし、直交する方向で配置されていてもよい）。さらに、ブースターアンテナのＱコイルを、ＲＦＩＤタグ側に適用することも可能である。

また、ＰコイルとＱコイルとの間に、磁性部材を配置することで、両コイル間の結合係数をコントロールできるので、両コイル間のスペースを縮小できる。この磁性部材は、例えば、軟磁性フェライトゴムや軟磁性金属等のシートとすることが考えられるが、これには限定されない。

本発明の第１の実施形態を適用したＲＦＩＤシステムを示す斜視図である。 図１の回路図である。 図１の実施形態を適用した実施例において、低周波側に大きなピークがくる場合を示す説明図である。 図１の実施形態を適用した実施例において、高周波側に大きなピークがくる場合を示す説明図である。 図１の実施形態を適用した実施例において、双峰特性のピークが異なる場合の電流強度と、ＰコイルとＱコイルの共振周波数が等しい場合の最大電流強度との比を示す説明図である。 図１の実施形態を適用した実施例における通信距離の実測値を示す説明図である。 図１の実施形態を適用した実施例において、結合係数を変化させた場合の出力電流を示す説明図である。

符号の説明

１…ＲＦＩＤリーダライタ
２…ブースターアンテナ
３…ＲＦＩＤタグ
１１…Ｐコイル
２１…Ｑコイル

Claims (3)

1. 所定の搬送周波数により外部と通信可能な第１のアンテナコイルに対して、双峰特性が生じる結合共振回路を構成するように配設された第２のアンテナコイルを有し、前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルの共振周波数が異なるブースターアンテナコイルにおいて、
   前記双峰特性の２つのピークのうち、高い方のピークに搬送周波数が設定されていることを特徴とするブースターアンテナコイル。
2. 所定の搬送周波数により外部と通信可能な第１のアンテナコイルに対して、双峰特性が生じる結合共振回路を構成するように配設された第２のアンテナコイルを有し、前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルの共振周波数が異なるブースターアンテナコイルにおいて、
   前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルの共振周波数が同じ場合の双峰特性のピークを超える範囲に、搬送周波数が設定されていることを特徴とするブースターアンテナコイル。
3. 前記結合共振回路の結合係数が、概ね０．００４以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のブースターアンテナコイル。

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