JP2009151544A - 可変容量素子、並びにそれを備えたブースターアンテナおよび読取書込装置 - Google Patents

Abstract

【課題】手間のかからず利便性の良い方法で、ＩＣカードをはじめとする非接触通信媒体のデータの漏洩などを抑制し、安全性を向上させることが可能な可変容量素子並びにそれを備えたブースターアンテナ、読取書込装置を提供する。
【解決手段】可変容量素子は、一対の電極と、電極間に設けられた密閉部と、密閉部内に収納される第１の媒体、および第１の媒体と誘電率の異なる第２の媒体とを備え、回転位置に応じて静電容量が変化する。この可変容量素子を備えるブースターアンテナおよび読取書込装置は、回転位置に応じて共振周波数を変化させることができるため、非接触通信媒体と読取書込装置との間のデータ通信を制御することができ、非接触媒体の所有者が意図しないときのデータの漏洩を抑制することができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、可変容量素子、並びにそれを備えたブースターアンテナおよび読取書込装置に関し、詳しくは、回転状態に応じて静電容量が変化する可変容量素子、並びにそれを備えたブースターアンテナおよび読取書込装置に関する。

近年、情報を電子的に記憶することができる集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）を搭載し、電磁気的信号を用いて読取書込装置と非接触でデータ通信を行える非接触通信媒体、例えばＩＣカードが多数利用されている。ＩＣカードは、例えば駅の改札や店頭での電子決済等の電子マネーとしての利用が急速に普及し、社会的インフラストラクチャとしての地位を確立しつつある。

ＩＣカードは、搭載されたＩＣを動作させるのに必要な電力供給を、読取書込装置から電磁気的信号を受信し、電磁誘導によって得るものが主流である。すなわち、ＩＣカードは読取書込装置の近傍に近づけられると、読取書込装置からの電磁気的信号を受信して動作電力を得ると主に、電磁気的信号を利用して読取書込装置との間でデータ通信を行う。このようなＩＣカードと読取書込装置との通信距離は、数ｃｍであることから、適用分野によっては通信距離の延長が要請されている。

そこで、例えば下記特許文献１および特許文献２には、ＲＦＩＤ（Radio Frequency
Identification）タグシステムにおいて、非接触通信媒体と読取書込装置との間にブースターアンテナを配置してＲＦＩＤタグ間の通信距離を延長させる方法が記載されている。また、例えば下記特許文献３には、ＩＣカード用カードケースにアンテナを内蔵し、ブースターとして機能させることにより、通信距離を延長させるブースター付きカードケースが提案されている。

特開２０００−１３８６２１号公報

特開２００５−３２３０１９号公報

特開２００５−３３２０１５号公報

図２４に、ＩＣカード２０と読取書込装置３０との間に配置されたブースターアンテナ１０の構成の一例を模式的に示す。以下、ＩＣカード２０、読取書込装置３０、およびブースターアンテナ１０の構成について概略的に説明する。

ＩＣカード２０は、プラスチックなどにより構成される基板２３と、基板２３に設けられるアンテナコイル２１と、ＩＣチップ２２とを有する。

アンテナコイル２１は例えば電磁誘導コイルであり、その端部はＩＣチップ２２の所定の端子に接続される。アンテナコイル２２は読取書込装置３０から送信された電磁気的信号によって電力を誘起し、その電力をＩＣチップ２２に供給すると共に、読取書込装置３０とデータ通信を行う。

ＩＣチップ２２は、図示はしないが、読取書込装置３０との間で行われる通信動作の制御等を行うマイクロコンピュータ（マイコン）およびプログラムや情報を記録するためのメモリ等により構成される。

読取書込装置３０は、アンテナコイル３１と、回路部３２とを備える。なお、回路部３２は、ケーブル等を介してインターフェース部に接続されるが、簡単のため図示を省略する。インターフェース部は、例えば送信回路（変調回路）と、受信回路（復調回路）等からなる。送信回路は、図示しない外部ホスト装置からのデータを、例えば搬送周波数の振幅を替えることによって伝送信号に変換し、アンテナコイル３１に送信する。受信回路は、アンテナコイル３１を介してＩＣカード２０から受信した信号を基底帯域信号に変換してデータを得て、図示しない外部ホスト装置に送信する。

回路部３２は、キャパシタや抵抗等を有し、アンテナコイル３１と接続されて共振回路を構成する。アンテナコイル３１は、例えば１３．５６ＭＨｚなどの所定の搬送周波数Ｆoの電磁気的信号をＩＣカード２０へ送信、またはＩＣカード２０から受信して、ＩＣカ
ード２０と交信を行う。

ブースターアンテナ１０は、アンテナコイル１１と、キャパシタ１２からなる共振回路により構成される。

ブースターアンテナ１０は、読取書込装置３０から送信される電磁気的信号を中継してＩＣカード２０に転送する。また、ＩＣカード２０から送信される電磁気的信号を中継して読取書込装置３０に転送する。したがって、このようなブースターアンテナ１０をＩＣカード２０と読取書込装置３０との間に配置することにより、ＩＣカード２０と読取書込装置３０との間の通信距離を延長させることができる。

ところで、ＩＣカード２０は読取書込装置から電力を得て自動的に動作することから、ＩＣカード２０の所有者の知らないうちにＩＣカード２０の記録情報が不正に読み出されてしまい（スキミング）、情報漏洩や不正な取り引き等のトラブルが発生するという問題がある。特に、通信距離が延長されると、このようなスキミングによるトラブルが多発する可能性が高くなると考えられる。

このようなトラブルを防止するため、暗号化などによりデータの漏洩を防止する処置が講じられる。しかしながら、暗号化は解読により破られる危険性を伴うため、その危険性を取り除くことが要望されている。

そこで、例えば下記特許文献４および特許文献５には、ＩＣカードを保持するカードケース自体を電磁波シールド材料で作製することにより、ＩＣカードをカードケースに保持している状態において、外部から非接触通信媒体に届く電磁気的信号を全て遮断し、スキミングを防止する方法が提案されている。

特開平１０−３０７９０２号公報

特開平１１−０４５３１６号公報

しかしながら、特許文献４および特許文献５に記載のものは、ＩＣカードを利用する際には、ＩＣカードをカードケースから取り出して使用しなければならないため、利便性に欠けるという問題があった。

したがって、この発明の目的は、手間のかからず利便性の良い方法で、ＩＣカードをはじめとする非接触通信媒体のデータの漏洩などを抑制し、安全性を向上させることが可能なブースターアンテナおよび読取書込装置、並びにそれらに用いられる可変容量素子を提供することにある。

上述の課題を解決するために、第１の発明は、一対の電極と、
電極間に設けられた密閉部と、
密閉部内に収納される第１の媒体、および第１の媒体と誘電率の異なる第２の媒体とを備え、
回転状態に応じて静電容量が変化することを特徴とする可変容量素子である。

第２の発明は、回転状態に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、
可変容量素子と接続されるアンテナコイルとを備え、
可変容量素子は、一対の電極と、
電極間に設けられた密閉部と、
密閉部内に収納される第１の媒体、および第１の媒体と誘電率の異なる第２の媒体とを有し、
回転状態に応じて共振周波数が変化することを特徴とするブースターアンテナである。

第３の発明は、非接触通信媒体とデータ通信を行う読取書込装置であって、
回転状態に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、
可変容量素子と接続されるアンテナ部とを備え、
可変容量素子は、一対の電極と、
電極間に設けられた密閉部と、
密閉部内に収納される第１の媒体、および第１の媒体と誘電率の異なる第２の媒体とを有し、
回転状態に応じて共振周波数が変化することを特徴とする読取書込装置である。

この発明によれば、回転状態に応じて可変容量素子の静電容量を変化させることができる。したがって、この可変容量素子を用いたブースターアンテナおよび読取書込装置は、回転状態に応じて共振周波数を変化させることができるので、手間のかからず利便性の良い方法で、非接触通信媒体と読取書込装置との間で行われるデータ通信を制御することができる。したがって、非接触通信媒体のデータの漏洩を抑制して安全性を向上させることができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。

（第１の実施形態）
この発明の第１の実施形態による可変容量素子は、可変容量素子の向き（回転状態）に応じて静電容量が変化するものである。

図１は、第１の実施形態による可変容量素子１の構成を示す略線図である。図１に示すように、この可変容量素子１は、対向して設けられる一対の電極２ａおよび２ｂと、この電極２ａおよび電極２ｂの間に設けられた密閉部３と、密閉部３の内部に収納される第１の媒体４および第２の媒体５とにより構成される。なお、図１において、電極２ｂは密閉部３を介して電極２ａと対向して位置するため図示を省略している。電極２ａおよび電極２ｂは、リード線を介して各電極に接続される。

第１の媒体４は、例えば誘電性液体、誘電性粉体、あるいは誘電性固体等の誘電性媒体により構成される。第２の媒体５は、第１の媒体４と非相溶性であり、第１の媒体４と誘電率の異なる媒体により構成される。このような第１の媒体４と第２の媒体５との組み合わせは特に限定されるものではないが、例えば第１の媒体４として誘電性液体を用いた場合、第２の媒体５として第１の媒体よりも誘電率の小さい液体や気体等を用いることができる。また、例えば第１の媒体４として誘電性粉体や誘電性固体を用いた場合、第２の媒体５として第１の媒体よりも誘電率が低く、粘性の低い液体や気体等を用いることができる。

参考として、図１８に主な物質の比誘電率εｓの表を示す。第１の実施形態による可変容量素子１の第１の媒体４および第２の媒体５には、これらの比誘電率の異なる物質を組み合わせて用いることができる。

第１の媒体４および第２の媒体５は、可変容量素子１の回転に伴って密閉部３内を移動する。これにより、可変容量素子１の静電容量が変化する。以下、可変容量素子１の回転位置に応じた静電容量について説明する。

まず、図２を参照して、可変容量素子１の静電容量の計算式について説明する。ここで、第１の媒体４の比誘電率をε１、第２の媒体５の比誘電率をε２、真空中の誘電率をε０とする。また、電極２ａおよび２ｂ間の密閉部３の厚みをｄとし、図２Ａに示すように、密閉部３の厚みｄのうち、第１の媒体４の厚みをｄ１、第２の媒体５の厚みをｄ２とする。また、電極２ａあるいは電極２ｂの電極面積をＡとし、図２Ｂに示すように、電極面積Ａのうち、第１の媒体４と接する電極面積をＡ１、第２の媒体５と接する電極面積をＡ２とする。

図２Ａは、電極２ａと電極２ｂとが互いに水平となる状態の可変容量素子１を示す。以下、このように電極２ａと電極２ｂとが互いに水平の位置関係となる状態を、可変容量素子１の水平状態と適宜称する。可変容量素子１が水平状態のとき、電極２ａは例えば第２の媒体５とのみ接し、電極２ｂは第１の媒体４とのみ接する。水平状態の可変容量素子１の静電容量Ｃ１は、下記の数１の計算式により求められる。

一方、図２Ｂは、電極２ａと電極２ｂとが鉛直に並列している状態の可変容量素子１を示す。以下、このように電極２ａと電極２ｂとが鉛直に並列している位置関係となる状態を、可変容量素子１の鉛直状態と適宜称する。可変容量素子１が鉛直状態のとき、電極２ａおよび電極２ｂは、例えば第１の媒体４および第２の媒体５とそれぞれ接する。鉛直状態の可変容量素子１の静電容量Ｃ２は、下記の数２の計算式により求められる。

なお、電極面積Ａ１および電極面積Ａ２は、下記の数３および数４により求められる。

次に、図３を参照して、第１の媒体４および第２の媒体５の厚みを変えたときの、水平状態における可変容量素子１の静電容量Ｃ１と鉛直状態における可変容量素子１の静電容量Ｃ２の変化について説明する。横軸は、第１の媒体４の厚みｄ１と第２の媒体５の厚みｄ２との厚み比率（ｄ２／ｄ１）である。縦軸は静電容量の相対値であり、水平状態における可変容量素子１の静電容量Ｃ１と鉛直状態における可変容量素子１の静電容量Ｃ２との静電容量比率（Ｃ１／Ｃ２）を示す。なお、ここでは、第１の媒体４の比誘電率ε１が第２の媒体５の比誘電率ε２に比して大きいものとし、ε１／ε２＝５、ε１／ε２＝２０、ε１／ε２＝８０のときの静電容量比率の変化をそれぞれ示す。

図３に示すように、厚み比率ｄ２／ｄ１の値が大きいほど、静電容量比率（Ｃ１／Ｃ２）が小さくなる。すなわち、第２の媒体５に比して誘電率の大きい第１の媒体４の厚みｄ１を大きくするほど、水平状態における静電容量Ｃ１と鉛直状態における静電容量Ｃ２との差を大きくすることができる。第１の媒体４の厚みｄ１と第２の媒体５の厚みｄ２との厚みが等しい（ｄ１／ｄ２＝１）場合でも、水平状態における静電容量Ｃ１と鉛直状態における静電容量Ｃ２とを十分に変化させることができる。

また、第１の媒体４の比誘電率ε１と第２の媒体５の比誘電率ε２との比率（ε１／ε２）が大きいほど、静電容量比率（Ｃ１／Ｃ２）が小さくなる。すなわち、第１の媒体４の比誘電率ε１と第２の媒体５の比誘電率ε２との差を大きくするほど、水平状態における静電容量Ｃ１と鉛直状態における静電容量Ｃ２との差を大きくすることができ、静電容量の変化が大きくなる。

このように、可変容量素子１の静電容量は、回転位置に応じて変化する。可変容量素子１は、例えば、ブースターアンテナや読取書込装置のアンテナコイルが備えるキャパシタとして用いられる。

＜第１の例＞
第１の例では、可変容量素子１をブースターアンテナに用いる例について説明する。図４に、可変容量素子１を備えるブースターアンテナ１０の構成の一例を示す。ブースターアンテナ１０は、可変容量素子１と、電極２ａおよび電極２ｂと接続されたアンテナコイル１１とを備え、これらは基材７に内蔵されている。なお、第１の例によるブースターアンテナ１０は、可変容量素子１およびアンテナコイル１１が基材７に内蔵された構成としたが、他の装置等に内蔵される構成としてもよい。また、可変容量素子１およびアンテナコイル１１のみでブースターアンテナ１０を構成してもよい。

このようなブースターアンテナ１０の共振周波数Ｆｃは、アンテナコイル１１のインダクタンスをＬ、可変容量素子１の静電容量をＣとすると、下記の数５の関係を満たす。

この発明の第１の実施形態によるブースターアンテナ１０は、回転位置によって静電容量の変化する可変容量素子１を備えることにより、回転位置によって共振周波数を変化させるものである。

図５乃至図７を参照して、回転位置に応じて変化する可変容量素子１の静電容量、およびブースターアンテナ１０の共振周波数について説明する。図５に、可変容量素子１を回転させたときの第１の媒体４、第２の媒体５、および電極２ａ、電極２ｂの位置関係を示す。なお、図５Ａの回転位置をθ＝０°とし、図５Ｂをθ＝９０°、図５Ｃをθ＝１８０°、図５Ｄをθ＝２７０°とする。図５に示すように、可変容量素子１を回転させたときの第１の媒体４、第２の媒体５、および電極２ａ、電極２ｂの位置関係は、回転位置に応じて変化する。

図６は、可変容量素子１を図５Ａ→図５Ｂ→図５Ｃ→図５Ｄ→図５Ａの状態に順次回転させたときの、可変容量素子１の回転位置および静電容量の変化を示すグラフである。横軸は回転角度θであり、図５に示す回転角度θと対応している。縦軸は静電容量の相対値であり、可変容量素子１の静電容量Ｃｃを、ブースターアンテナ１０の共振周波数Ｆｃが搬送周波数Ｆｏ（例えば１３．５６ＭＨｚ）と一致するときの静電容量Ｃｏで規格化した値（Ｃｃ／Ｃｏ）を示す。

また、図７は、可変容量素子１を順次回転させて静電容量Ｃｃを変化させたときの、ブースターアンテナ１０の共振周波数の変化を示すグラフである。横軸は回転角度θであり、図５に示す回転角度θと対応している。縦軸は共振周波数の相対値であり、ブースターアンテナ１０の共振周波数Ｆｃを搬送周波数Ｆｏで規格化した値（Ｆｃ／Ｆｏ）を示す。なお、図６および図７では、第１の媒体４の比誘電率ε１が第２の媒体５の比誘電率ε２に比して大きいものとし、ε１／ε２＝５、ε１／ε２＝２０、ε１／ε２＝８０のときの静電容量および共振周波数の変化をそれぞれ示す。

図６および図７に示すように、回転位置（角度θ）に応じて可変容量素子１の静電容量を変化させることができると共に、ブースターアンテナ１０の共振周波数を変化させることができる。図５Ｄに示すように、電極２ａおよび電極２ｂとの間に第１の媒体４が存在するような回転位置の場合は、可変容量素子１の静電容量が増加して、共振周波数Ｆｃが搬送周波数Ｆｏよりも低周波に変化する。第１の媒体４と第２の媒体５との比誘電率の差が大きいほど、静電容量、共振周波数の変化量が大きくなる。

図８に、ブースターアンテナ１０をＩＣカード２０に貼り付けた使用例を示す。図８は、ブースターアンテナ１０およびＩＣカード２０の断面図である。ＩＣカード２０の構成は図２４を用いて説明した構成と同様であるので、説明を省略する。図８に示すように、ブースターアンテナ１０のアンテナコイル１１と、ＩＣカード２０のアンテナコイル２１とが、重なり合うように配置される。

また、図９に、ブースターアンテナ１０をカードケース２４に貼り付けた使用例を示す。図９は、ブースターアンテナ１０、カードケース２４、およびＩＣカード２０の断面図である。このカードケース２４には、図９中の矢印に示すようにＩＣカード２０が収納される。これにより、ブースターアンテナ１０のアンテナコイル１１と、ＩＣカード２０のアンテナコイル２１とが、重なり合うように配置される。

このようにＩＣカード２０にブースターアンテナ１０を設けることにより、特定の回転位置においてＩＣカード２０の受信機能を失わせることができる。例えば、図１０に示すように、読取書込装置３０とＩＣカード２０の主面とが水平状態で通信が可能となり、ＩＣカード２０の主面が鉛直状態で通信が不可能となるように設定することができる。

また、ＩＣカード２０において、図１０に示すように座標軸としてｘ軸、ｙ軸、ｚ軸をそれぞれ定め、ｘ軸またはｙ軸からｚ軸方向への傾斜角をそれぞれ角度θ１および角度θ２とすると、角度θ１および角度θ２が所定の角度より小さい場合は通信が可能となり、角度θ１および角度θ２が所定の角度以上になると通信が不可能となるように設定することができる。なお、図１０において、ＩＣカード２０に設けられるブースターアンテナ１０は、簡単のため、図示を省略している。

図１１は、読取書込装置３０、ＩＣカード２０、およびブースターアンテナ１０の等価回路モデルである。この等価回路モデルを用いて、ブースターアンテナ１０の静電容量Ｃｑを変化させたときの、ブースターアンテナ１０の共振周波数およびＩＣカード２０に誘起される電圧をシミュレーションした。なお、図１１において、Ｒ１、Ｒｒｗは読取書込装置３０の抵抗を表し、Ｃｒｗ１、Ｃｒｗ２は読取書込装置３０の静電容量を表し、Ｌｒｗは、読取書込装置３０のインダクタンスを表す。また、Ｒｐ、ＲｉｃはＩＣカード２０の抵抗を表し、ＣｐはＩＣカード２０の静電容量を表し、ＬｐはＩＣカード２０のインダクタンスを表す。また、Ｒｑはブースターアンテナ１０の抵抗を表し、Ｃｑはブースターアンテナ１０の静電容量を表し、Ｌｑは、ブースターアンテナ１０のインダクタンスを表す。

シミュレーションの条件は、以下の通りである。
出力電圧・・・２．４Ｖ
読取書込装置３０の共振周波数・・・１３．５６ＭＨｚ
ＩＣカード２０の共振周波数・・・１３．５６ＭＨｚ
読取書込装置３０とＩＣカード２０との結合係数Ｋ１・・・０．０５
読取書込装置３０とブースターアンテナ１０との結合係数Ｋ２・・・０．０５
ブースターアンテナ１０とＩＣカード２０との結合係数Ｋ３・・・０．３
搬送周波数Ｆｏ・・・１３．５６ＭＨｚ
ブースターアンテナ１０のインダクタンスＬｑ・・・３μＨ
ＩＣカード２０が動作するのに必要な電圧Ｖｃ・・・３Ｖ

図１２に、ブースターアンテナ１０の静電容量と共振周波数、およびＩＣカード２０に誘起される電圧のシミュレーション結果を示す。なお、静電容量は相対値で示し、ブースターアンテナ１０の静電容量Ｃｑを、ブースターアンテナ１０の共振周波数Ｆｃが搬送周波数Ｆｏと一致するときの静電容量Ｃｑｏで規格化した値（Ｃｑ／Ｃｑｏ）である。また、電圧は相対値で示し、ＩＣカード２０に誘起される電圧Ｖｉｃを、ＩＣカード２０が動作するのに必要な電圧Ｖｃで規格化した値（Ｖｉｃ／Ｖｃ）である。また、共振周波数は相対値で示し、ブースターアンテナ１０の共振周波数Ｆｑを搬送周波数Ｆｏで規格化した値（Ｆｑ／Ｆｏ）である。

図１２中の矢印ａおよびａ’は、電圧の相対値（Ｖｉｃ／Ｖｃ）が１．０以上となる範囲、すなわち、ＩＣカード２０に誘起される電圧ＶｉｃがＩＣカード２０を動作させるのに必要な電圧Ｖｃ以上となる範囲を示している。したがって、矢印ａおよびａ’で示す範囲内では、ＩＣカード２０は動作状態となる。一方、矢印ｂは、電圧の相対値（Ｖｉｃ／Ｖｃ）が１．０より小さい範囲、すなわち、ＩＣカード２０に誘起される電圧ＶｉｃがＩＣカード２０を動作させるのに必要な電圧Ｖｃより小さい範囲を示している。したがって、矢印ｂで示す範囲内では、ＩＣカード２０は非動作状態となる。

ブースターアンテナ１０の静電容量Ｃｑを変化させることにより、共振周波数Ｆｑが変化する。このようにしてブースターアンテナ１０の共振周波数を変化させることで、ＩＣカード２０の動作状態を制御することができる。例えば、ＩＣカード２０の主面が鉛直状態において、ＩＣカード２０に誘起される電圧Ｖｉｃが最小となるようにブースターアンテナ１０の静電容量を設定する。この場合、ＩＣカード２０の主面が鉛直状態から水平状態へと回転するに伴い、ＩＣカード２０に誘起される電圧Ｖｉｃは大きくなる。したがって、ＩＣカード２０の主面が垂直状態付近の回転位置では矢印ｂで示す範囲内となり、通信ができなくなる。そして、ＩＣカード２０の主面が垂直状態から所定の傾きより大きくなり、水平状態付近の回転位置に変化した場合には、通信が可能となる。

このように、回転位置によってブースターアンテナ１０の共振周波数を変化させることにより、ＩＣカード２０は特定の回転位置では読取書込装置３０から送信された電磁気的信号を受信して電力を発生することができなくなる。したがって、ブースターアンテナ１０およびＩＣカード２０を特定の回転位置に保持するという手間のかからない方法で、誤動作や不正な読み取り等を防止することができる。また、既存のＩＣカード２０の構成を変えることなく、ＩＣカード２０のデータの漏洩を抑制して安全性を向上させることができる。

次に、図１３を参照して、ブースターアンテナ１０の他の使用例について説明する。図１３は、ブースターアンテナ１０によって通信距離を延長させる使用例について説明するための模式図である。図１３に示すように、ブースターアンテナ１０は、ＩＣカード２０と読取書込装置３０との間に配置される。ブースターアンテナ１０は、図１３中の矢印に示すように、角度θ１方向や角度θ２方向等に回転自在である。

このようにブースターアンテナ１０を配置することにより、ブースターアンテナ１０が特定の回転位置において、ＩＣカード２０と読取書込装置３０との通信距離を延長させることができる。例えば、図１３に示すように、ブースターアンテナ１０の主面が水平状態では通信距離が延長され、ブースターアンテナ１０の主面が鉛直状態では通信距離が延長されないように設定することができる。また、ブースターアンテナ１０の角度θ１または角度θ２方向への回転位置に応じて、通信距離を変化させることもできる。

ここで、通信距離と磁界強度との関係について説明する。ブースターアンテナ１０、ＩＣカード２０、および読取書込装置３０等の備えるアンテナコイルの中心軸上の磁界は、アンテナコイル部分の電流に比例し、下記の数６により求められる。なお、数６において、ｚはアンテナコイル中心からの距離（ｍ）、ａはアンテナコイルの半径（ｍ）、Ｈ（ｚ）はアンテナコイル中心からの距離ｚにおける磁界の強さ（Ａ／ｍ）、Ｎはアンテナコイルの巻数、Ｉは電流（Ａ）を示す。

また、ＩＣカード２０の誘起電圧は、下記の数７により求められる。なお、数７において、Ｖｍは誘起電圧、Ｆは周波数、Ｎはアンテナコイルの巻き数、Ｓは受信コイルの断面積、Ｈは磁界強度、μ₀は４π×１０^-7Ｔ／（Ａ／ｍ）、αは比例定数を示す。

数７に示すように、ＩＣカード２０の誘起電圧Ｖｍは磁界の強さＨに比例する。したがって、磁界が強ければＩＣカード２０の誘起電圧が大きくなり、ＩＣカード２０と読取書込装置３０との間の通信距離をより延長させることができる。

下記に示す条件において、ブースターアンテナ１０の静電容量Ｃｑを変化させたときの、ブースターアンテナ１０の共振周波数Ｆｑおよび発生する磁界強度Ｈｑを求めた。

条件は、以下の通りである。
読取書込装置３０のアンテナコイル３１・・・半径３．５ｍｍ、巻数７Ｔ、共振周波数１３．５６ＭＨｚ
ブースターアンテナ１０のアンテナコイル１１・・・半径１８ｍｍ、巻数３Ｔ、インダクタンスＬｑ＝１．１μＨ
読取書込装置３０とブースターアンテナ１０との結合係数Ｋ・・・０．１５

なお、磁界強度は、図１１に示す等価回路モデルを用いて、読取書込装置３０のアンテナコイル３１に流れる電流Ｉｐ、ブースターアンテナ１０のアンテナコイル１１に流れる電流Ｉｑをシミュレーションして、数６の式を用いて求めた。数６において、アンテナコイル中心からの距離ｚは５０ｍｍとした。

結果を図１４に示す。なお、静電容量は相対値で示し、ブースターアンテナ１０の静電容量Ｃｑを、ブースターアンテナ１０の共振周波数Ｆｑが搬送周波数Ｆｏと一致するときの静電容量Ｃｑｏで規格化した値（Ｃｑ／Ｃｑｏ）である。また、共振周波数は相対値で示し、ブースターアンテナ１０の共振周波数Ｆｑを搬送周波数Ｆｏで規格化した値（Ｆｑ／Ｆｏ）である。また、磁界強度は相対値で示し、ブースターアンテナ１０のアンテナコイル１１から発生する磁界強度Ｈｑを、ブースターアンテナ１０が無い状態での磁界強度Ｈｐで規格化して、下記の式１により求めた。
（式１）
磁界強度（相対値）＝（ブースターアンテナ１０がある状態での磁界強度）／（ブースターアンテナ１０がない状態での磁界強度）

図１４に示すように、ブースターアンテナ１０の静電容量Ｃｑを変化させることにより、共振周波数Ｆｑが変化すると共に、磁界強度Ｈｑが変化する。したがって、ＩＣカード２０と読取書込装置３０との通信可能な距離を変化させることができる。例えばブースターアンテナ１０の主面が水平状態において磁界強度が最大となるように設定した場合、通信可能な距離を最長にすることができる。このように、回転位置に応じてブースターアンテナ１０の共振周波数を変化させることにより、特定の回転位置において通信距離を延長させることができる。

＜第２の例＞
第２の例では、図２４に示すような読取書込装置３０の回路部３２に可変容量素子１を備える例について説明する。図１５は、第２の例による読取書込装置の等価回路である。図１５において、Ｒ１、Ｒｒｗは抵抗を表し、Ｌｒｗはインダクタンスを表し、Ｃｒｗ１、Ｃｒｗ２は静電容量を表す。なお、Ｃｒｗ２は可変容量素子１の静電容量である。

下記に示す条件において、読取書込装置の備える可変容量素子１の静電容量Ｃｒｗ２を変化させたときの、読取書込装置の共振周波数および発生する磁界強度を求めた。

条件は、以下の通りである。
読取書込装置のアンテナコイル・・・半径５０ｍｍ、巻数３Ｔ、共振周波数１３．５６ＭＨｚ
搬送周波数Ｆｏ・・・１３．５６ＭＨｚ

なお、磁界強度は、図１５に示す等価回路を用いて、可変容量素子１の静電容量Ｃｒｗ２を変化させてアンテナコイルに流れる電流をシミュレーションし、上述の数６の式を用いて求めた。数６において、アンテナコイル中心からの距離ｚは５０ｍｍとした。

結果を図１６に示す。なお、静電容量は相対値で示し、読取書込装置の静電容量Ｃｒｗを、読取書込装置の共振周波数Ｆｒｗが搬送周波数Ｆｏと一致するときの静電容量Ｃｒｗｏ（８９ｐＦ）で規格化した値（Ｃｒｗ／Ｃｒｗｏ）である。また、共振周波数は相対値で示し、読取書込装置の共振周波数Ｆｒｗを、搬送周波数Ｆｏで規格化した値（Ｆｒｗ／Ｆｏ）である。また、磁界強度は相対値で示し、読取書込装置のアンテナコイルから発生する磁界強度Ｈｆｒｗを、読取書込装置の共振周波数Ｆｒｗが搬送周波数Ｆｏと一致するときの磁界強度Ｈｆｏで規格化した値（Ｈｆｒｗ／Ｈｆｏ）である。

図１６に示すように、読取書込装置の静電容量Ｃｒｗ２を変化させることにより、共振周波数が変化すると共に、磁界強度が変化する。したがって、ＩＣカード２０と読取書込装置との通信可能な距離を変化させることができる。このように、回転位置に応じて読取書込装置の共振周波数を変化させることにより、特定の回転位置において通信距離を延長させることができる。

このように、この発明の第１の実施形態による可変容量素子１を備えたブースターアンテナ１０および読取書込装置は、回転位置に応じてＩＣカード２０の動作状態を制御したり、ＩＣカード２０と読取書込装置３０との通信可能距離を延長させたりすることができる。したがって、ＩＣカード２０の構成を変えることなく、利便性の良い方法で、ＩＣカード２０のデータの漏洩などを抑制して安全性を向上させることができる。

（第２の実施形態）
この発明の第２の実施形態による可変容量素子は、可変容量素子の向き（回転状態）に応じて静電容量およびインダクタンスが変化するものである。

図１７は、第２の実施形態による可変容量素子４０の構成を示す略線図である。図１７に示すように、この可変容量素子４０は、対向して設けられる一対の電極２ａおよび２ｂと、この電極２ａおよび電極２ｂの間に設けられた密閉部３と、密閉部３の内部に収納される第１の媒体４４および第２の媒体４５と、密閉部３と重なり合うように設けられたコイル４６とにより構成される。コイル４６の一方の端部は電極２ａと接続され、他方の端部は電極２ｂと接続される。

第１の媒体４４は、例えば誘電性液体、誘電性粉体、あるいは誘電性固体等の誘電性媒体により構成され、比誘電率が１以上である磁性媒体である。比誘電率が１以上である磁性媒体としては、例えば、ＮｉＺｎフェライト、ＮｉＣｕＺｎフェライト等のフェライトが好適に用いられる。これらのフェライトには、周波数１３．５６ＭＨｚにおいて、比誘電率が１０〜２０程度で、比透磁率が３０〜１００程度のものがある。

第２の媒体４５は、第１の媒体４４と非相溶性であり、第１の媒体４４と誘電率の異なる媒体により構成される。第２の媒体４５には、比誘電率が１以上の媒体が用いられる。

このような第１の媒体４４と第２の媒体４５との組み合わせは特に限定されるものではないが、例えば第１の媒体４４としてフェライト、第２の媒体４５として気体を用いることができる。

また、例えば、第１の媒体４４として磁性の微粉末、第２の媒体４５として油を用いて、磁性の微粉末を油に分散させることにより、磁性流体を構成してもよい。磁性の微粉末としては、例えば、フェライト、カルボニル鉄、珪素鋼等の鉄粉が用いられる。このような磁性流体の比透磁率は、磁性の微粉末として用いた材料の比透磁率である。また、油の比誘電率が２〜３程度であることから、比誘電率も１以上となる。

第１の媒体４４および第２の媒体４５は、図１７中の矢印に示すように、角度θ１方向や角度θ２方向への回転に伴って密閉部３内を移動する。これにより、可変容量素子４０の静電容量およびインダクタンスが変化する。

図１９乃至図２２を参照して、回転位置に応じて変化する可変容量素子４０の静電容量およびインダクタンスについて説明する。

図１９に、可変容量素子４０を図１７に示す角度θ１の方向に回転させたときの、コイル４６、第１の媒体４４、第２の媒体４５、および電極２ａ、電極２ｂの位置関係を示す。なお、図１９Ａの回転位置をθ１＝０°とし、図１９Ｂをθ１＝９０°、図１９Ｃをθ１＝１８０°、図１９Ｄをθ１＝２７０°とする。

図２０は、可変容量素子４０を図１９Ａ→図１９Ｂ→図１９Ｃ→図１９Ｄ→図１９Ａの状態に順次回転させたときの、可変容量素子４０の回転位置と、静電容量およびインダクタンスの変化を示すグラフである。横軸は回転角度θ１であり、図１９に示す回転角度θ１と対応している。静電容量は相対値で示し、可変容量素子４０の静電容量Ｃｃを、可変容量素子４０の共振周波数Ｆｃが搬送周波数Ｆｏと一致するときの静電容量Ｃｏで規格化した値（Ｃｃ／Ｃｏ）である。また、インダクタンスは相対値で示し、可変容量素子４０のインダクタンスＬｃを、可変容量素子４０の共振周波数Ｆｃが搬送周波数Ｆｏと一致するときのインダクタンスＬｏで規格化した値（Ｌｃ／Ｌｏ）である。

図２０に示すように、可変容量素子４０の回転位置（角度θ１）の変化に伴い、静電容量およびインダクタンスが変化する。静電容量が増加すると、インダクタンスは減少する。

また、図２１に、可変容量素子４０を図１７に示す角度θ２の方向に回転させたときの、コイル４６、第１の媒体４４、第２の媒体４５、および電極２ａ、電極２ｂの位置関係を示す。なお、図２１Ａの回転位置をθ２＝０°とし、図２１Ｂをθ２＝９０°、図２１Ｃをθ２＝１８０°、図２１Ｄをθ２＝２７０°とする。

図２２は、可変容量素子１を図２１Ａ→図２１Ｂ→図２１Ｃ→図２１Ｄ→図２１Ａの状態に順次回転させたときの、可変容量素子４０の回転位置と、静電容量およびインダクタンスの変化を示すグラフである。横軸は回転角度θ２であり、図２１に示す回転角度θ２と対応している。静電容量およびインダクタンスは、図２０と同様に相対値で示す。

図２２に示すように、可変容量素子４０の回転位置（角度θ２）の変化に伴い、静電容量およびインダクタンスが変化する。静電容量が増加すると、インダクタンスも増加する。静電容量が減少すると、インダクタンスも減少する。

図２３に、可変容量素子４０を角度θ１あるいは角度θ２の方向に順次回転させて静電容量およびインダクタンスを変化させたときの共振周波数の変化を示す。横軸は回転角度であり、図１９および図２１に示す角度θ１、角度θ２の回転角度と対応している。縦軸は共振周波数の相対値であり、可変容量素子４０の共振周波数Ｆｃを、搬送周波数Ｆｏで規格化した値（Ｆｃ／Ｆｏ）である。

図２３に示すように、可変容量素子４０の回転位置（角度θ１あるいは角度θ２）の変化に伴い、共振周波数が変化する。角度θ１が１８０°〜３６０°となるような回転位置では、共振周波数がほとんど変化しない。一方、角度θ２方向への回転位置では、共振周波数が大きく変化する。角度θ２の方向に回転させた方が、角度θ１の方向に回転させたときに比して、共振周波数は大きく変化する。

このような可変容量素子４０は、第１の実施形態における第１の例および第２の例と同様に、ブースターアンテナ１０や読取書込装置３０に用いることができる。これにより、回転位置に応じて共振周波数の変化するブースターアンテナや読取書込装置を実現できる。すなわち、回転位置に応じてＩＣカード２０の動作状態を制御したり、ＩＣカード２０と読取書込装置３０との通信可能距離を延長させたりすることができる。したがって、ＩＣカード２０の構成を変えることなく、利便性の良い方法で、ＩＣカード２０のデータの漏洩などを抑制して安全性を向上させることができる。

以上、この発明の第１および第２の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、第１および第２の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、第１の実施形態における第１の例では、ブースターアンテナ１０をＩＣカード２０に設ける例について説明したが、例えば非接触通信媒体としてＩＣカード２０と同様の非接触式のＩＣチップを内蔵させた携帯電話や携帯情報端末等に設けてもよい。また、第１および第２の実施形態による可変容量素子を、他の装置等に設けて用いてもよい。

第１の実施形態による可変容量素子の構成の一例を示す略線図である。 可変容量素子の静電容量の計算式を説明するための略線図である。 第１の媒体と第２の媒体との厚み比と静電容量の変化を示すグラフである。 第１の例によるブースターアンテナの構成の一例を示す略線図である。 第１の実施形態による可変容量素子を回転させたときの、第１の媒体、第２の媒体、および電極の位置関係を示す略線図である。 第１の実施形態による可変容量素子の回転位置と静電容量の変化を示すグラフである。 第１の実施形態による可変容量素子の回転位置とブースターアンテナの共振周波数の変化を示すグラフである。 第１の実施形態による可変容量素子を備えたブースターアンテナの使用例を説明するための略線図である。 第１の実施形態による可変容量素子を備えたブースターアンテナの他の使用例を説明するための略線図である。 ブースターアンテナの設けられたＩＣカードの動作状態を説明するための略線図である。 読取書込装置、ＩＣカード、およびブースターアンテナの等価回路モデルを示す略線図である。 第１の実施形態による可変容量素子を備えたブースターアンテナの静電容量と共振周波数および電圧の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。 第１の実施形態による可変容量素子を備えたブースターアンテナの他の使用例を説明するための略線図である。 第１の実施形態による可変容量素子を備えたブースターアンテナの静電容量と磁界強度および共振周波数の関係を示すグラフである。 第１の実施形態による可変容量素子を備えた読取書込装置の等価回路モデルを示す略線図である。 第１の実施形態による可変容量素子を備えた読取書込装置の静電容量と磁界強度および共振周波数の関係を示すグラフである。 第２の実施形態による可変容量素子の構成の一例を示す略線図である。 主な物質の比誘電率を示す表である。 第２の実施形態による可変容量素子を回転させたときの、第１の媒体、第２の媒体、コイル、および電極の位置関係を示す略線図である。 第２の実施形態による可変容量素子を回転させたときの、回転位置と静電容量およびインダクタンスの変化を示すグラフである。 第２の実施形態による可変容量素子を回転させたときの、第１の媒体、第２の媒体、コイル、および電極の位置関係を示す略線図である。 第２の実施形態による可変容量素子を回転させたときの、回転位置と静電容量およびインダクタンスの変化を示すグラフである。 第２の実施形態による可変容量素子の回転位置と共振周波数の変化を示すグラフである。 従来のブースターアンテナ、読取書込装置、およびＩＣカードの構成と使用形態を説明するための概略図である。

符号の説明

１、４０・・・可変容量素子
２ａ、２ｂ・・・電極
３・・・密閉部
４、４４・・・第１の媒体
５、４５・・・第２の媒体
７・・・基材
１０・・・ブースターアンテナ
１１・・・アンテナコイル
１２・・・キャパシタ
２０・・・ＩＣカード
２１・・・アンテナコイル
２２・・・ＩＣチップ
２３・・・基板
２４・・・カードケース
３０・・・読取書込装置
３１・・・アンテナコイル
３２・・・回路部
４６・・・コイル

Claims (18)

1. 一対の電極と、
   上記電極間に設けられた密閉部と、
   上記密閉部内に収納される第１の媒体、および該第１の媒体と誘電率の異なる第２の媒体とを備え、
   回転状態に応じて静電容量が変化することを特徴とする可変容量素子。
2. 上記第１の媒体は、誘電性の液体、粉体、あるいは固体のうちいずれか１つにより構成されることを特徴とする請求項１記載の可変容量素子。
3. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項２記載の可変容量素子。
4. 上記密閉部と重なり合う位置に設けられたコイルを備え、
   上記回転状態に応じて上記コイルのインダクタンスが変化することを特徴とする請求項１記載の可変容量素子。
5. 上記第１の媒体は、磁性の液体、粉体、あるいは固体のうちいずれか１つにより構成され、該第１の媒体の比誘電率は１以上であることを特徴とする請求項４記載の可変容量素子。
6. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項５記載の可変容量素子。
7. 回転状態に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、
   上記可変容量素子と接続されるアンテナコイルとを備え、
   上記可変容量素子は、一対の電極と、
   上記電極間に設けられた密閉部と、
   上記密閉部内に収納される第１の媒体、および該第１の媒体と誘電率の異なる第２の媒体とを有し、
   上記回転状態に応じて共振周波数が変化することを特徴とするブースターアンテナ。
8. 上記第１の媒体は、誘電性の液体、粉体、あるいは固体のうちいずれか１つにより構成されることを特徴とする請求項７記載のブースターアンテナ。
9. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項８記載のブースターアンテナ。
10. 上記アンテナコイルは上記密閉部と重なり合う位置に設けられ、
    上記回転状態に応じて上記アンテナコイルのインダクタンスが変化することを特徴とする請求項７記載のブースターアンテナ。
11. 上記第１の媒体は、磁性の液体、粉体、あるいは固体のうちいずれか１つにより構成され、該第１の媒体の比誘電率は１以上であることを特徴とする請求項１０記載のブースターアンテナ。
12. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項１１記載のブースターアンテナ。
13. 非接触通信媒体とデータ通信を行う読取書込装置であって、
    回転状態に応じて静電容量が変化する可変容量素子と、
    上記可変容量素子と接続されるアンテナコイルとを備え、
    上記可変容量素子は、一対の電極と、
    上記電極間に設けられた密閉部と、
    上記密閉部内に収納される第１の媒体、および該第１の媒体と誘電率の異なる第２の媒体とを有し、
    上記回転状態に応じて共振周波数が変化することを特徴とする読取書込装置。
14. 上記第１の媒体は、誘電性の液体、粉体、あるいは固体のうちいずれか１つにより構成されることを特徴とする請求項１３記載の読取書込装置。
15. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項１４記載の読取書込装置。
16. 上記アンテナコイルは上記密閉部と重なり合う位置に設けられ、
    上記回転状態に応じて上記アンテナコイルのインダクタンスが変化することを特徴とする請求項１３記載の読取書込装置。
17. 上記第１の媒体は、磁性の液体、粉体、あるいは固体のうちいずれか１つにより構成され、該第１の媒体の比誘電率は１以上であることを特徴とする請求項１６記載の読取書込装置。
18. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項１７記載の読取書込装置。

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