JP2009152862A - 可変インダクタンスコイル、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インダクタンスコイル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】可変インダクタンスコイルは、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、回転位置に応じてインダクタンスが変化する。この可変インダクタンスコイル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２

Description

この発明は、可変インダクタンスコイル、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インダクタンスコイル、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２５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１００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１００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。アンテナコイル部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１００は、アンテナコイル１０１と、キャパシタ１０２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１００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１００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との間の通信可能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３０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、通信可能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、上述の特許文献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インダクタンスコイル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、コイル部と、
コイル部と重なり合う位置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の媒体と透磁率および／または導電率の異なる第２の媒体とを備え、
回転状態に応じてインダクタンスが変化することを特徴とする可変インダクタンスコイルである。

第２の発明は、回転状態に応じてインダクタンスが変化する可変インダクタンスコイルと、
可変インダクタンスコイルと接続されるキャパシタとを備え、
可変インダクタンスコイルは、コイルと、
コイルと重なり合う位置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の媒体と透磁率および／または導電率の異なる第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、
回転状態に応じてインダクタンスが変化する可変インダクタンスコイルと、
可変インダクタンスコイルと接続されるキャパシタとを備え、
可変インダクタンスコイルは、コイルと、
コイルと重なり合う位置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の媒体と透磁率および／または導電率の異なる第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インダクタンスコイルのインダクタンスを変化させることができる。したがって、回転状態に応じてブースターアンテナおよび読取書込装置の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、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インダクタンスコイルは、可変インダクタンスコイルの向き（回転状態）に応じてインダクタンス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インダクタンスコイル１の構成を示す略線図である。図１に示すように、この可変インダクタンスコイル１は、コイル部２と、コイル部２と重なり合うように設けられた密閉部３と、密閉部３の内部に収容された第１の媒体４および第２の媒体５とにより構成される。コイル部２の端部は例えば電極に接続される。

第１の媒体４は、例えば磁性液体、磁性粉体、あるいは磁性固体等の磁性媒体により構成される。また、第１の媒体４を導電性液体、導電性粉体、あるいは導電性固体等の導電性媒体により構成してもよい。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と透磁率および／または導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として導電性液体を用いた場合、第２の媒体５として第１の媒体よりも導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として磁性粉体や磁性固体を用いた場合、第２の媒体５として第１の媒体よりも透磁率が低く、粘性の低い液体や気体等を用いることができる。

第１の媒体４は、可変インダクタンスコイル１の回転に伴って密閉部３内を移動する。図１中の矢印ａは、第１の媒体４の移動による位置の変化を示し、例えば第１の媒体４は可変インダクタンスコイル１の回転位置に応じて、点線で示す位置に移動する。すなわち、可変インダクタンスコイル１の回転位置に応じて、第１の媒体４とコイル部２とが重なり合わない状態のときと、重なり合う状態のときが生じる。これにより、コイル部２の磁束分布が変化し、インダクタンスが変化する。

このような可変インダクタンスコイル１は、例えば、ブースターアンテナや読取書込装置に用いられる。

＜第１の例＞
第１の例では、可変インダクタンスコイル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２に、可変インダクタンスコイル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、可変インダクタンスコイル１と、可変インダクタンスコイルと接続されるキャパシタ６とを備えた共振回路により構成され、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、可変インダクタンスコイル１およびキャパシタ６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、可変インダクタンスコイル１およびキャパシタ６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、可変インダクタンスコイル１のインダクタンスをＬ、キャパシタ６の静電容量をＣとすると、下記の数１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、回転位置によってインダクタンスの変化する可変インダクタンスコイル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３乃至図５を参照して、回転位置に応じて変化する可変インダクタンスコイル１のインダクタンス、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３に、可変インダクタンスコイル１を回転させたときの第１の媒体４、第２の媒体５、およびコイル部２の位置関係を示す。なお、図３Ａの回転位置をθ＝０°とし、図３Ｂをθ＝９０°、図３Ｃをθ＝１８０°、図３Ｄをθ＝２７０°とする。

図４は、可変インダクタンスコイル１を図３Ａ→図３Ｂ→図３Ｃ→図３Ｄ→図３Ａの状態に順次回転させたときの、可変インダクタンスコイル１の回転位置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θであり、図３に示す回転角度θと対応している。縦軸はインダクタンスの相対値であり、可変インダクタンスコイル１のインダクタンスＬｃ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）と一致するときのインダクタンスＬｏで規格化した値（Ｌｃ／Ｌｏ）を示す。

また、図５は、可変インダクタンスコイル１を順次回転させてインダクタンス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３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４および図５では、第１の媒体４として、磁性媒体を用いた場合および導電性媒体を用いた場合の変化を示している。

図４および図５に示すように、回転位置（角度θ）に応じて可変インダクタンスコイル１のインダクタンス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。例えば、第１の媒体４として導電性媒体を用いた場合、図３Ｂに示すように、第１の媒体４とコイル部２とが重なり合うような回転位置のときは、可変インダクタンスコイル１のインダクタンスが減少して、共振周波数Ｆｃが搬送周波数Ｆｏよりも高周波に変化する。一方、第１の媒体４として磁性媒体を用いた場合、図３Ｂに示すように、第１の媒体４とコイル部２とが重なり合うような回転位置のときは、可変インダクタンスコイル１のインダクタンスが増加して、共振周波数Ｆｃが搬送周波数Ｆｏよりも低い周波に変化する。

図６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６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２５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６に示すように、ブースターアンテナ１０のコイル部２と、ＩＣカード２０のアンテナコイル部２１とが、重なり合うように配置される。

図７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７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７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のコイル部２と、ＩＣカード２０のアンテナコイル部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８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８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動作状態となり、角度θ１および角度θ２が所定の角度以上になると不動作状態となるように設定することができる。なお、図８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９は、ＩＣカード２０にブースターアンテナ１０を設けた場合の読取書込装置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のインダクタンスＬｑ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９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のアンテナコイル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のアンテナコイル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のアンテナコイル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の静電容量Ｃｑ・・・４６ｐＦ
ＩＣカード２０が動作するのに必要な電圧Ｖｃ・・・３Ｖ

図１０に、ブースターアンテナ１０のインダクタンスと共振周波数、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、インダクタンスは相対値で示し、ブースターアンテナ１０のインダクタンスＬｑ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と一致するときのインダクタンスＬｑｏで規格化した値（Ｌｑ／Ｌｑｏ）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１０中の矢印ｂおよびｂ’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ｂおよびｂ’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ｃ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ｃ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のインダクタンスＬｑ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のインダクタンスを設定する。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の主面が鉛直状態付近の回転位置では矢印ｃ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の主面が鉛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ことで、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１１および図１２を参照して、ブースターアンテナ１０のコイル部２とＩＣカード２０のアンテナコイル部２１との間に、第１の媒体４として磁性媒体を含む密閉部３を配置した場合の、回転位置に応じたブースターアンテナ１０とＩＣカード２０との結合係数の変化について説明する。ブースターアンテナ１０のコイル部２とＩＣカード２０のアンテナコイル部２１との間に磁性媒体が存在する場合は、ブースターアンテナ１０とＩＣカード２０との磁気的結合が低下して結合係数が変化する。したがって、図１１に示すようにブースターアンテナ１０のコイル部２とＩＣカード２０のアンテナコイル部２１との間に磁性媒体を含む密閉部３を配置することで、回転位置に応じてブースターアンテナ１０とＩＣカード２０との結合係数を変化させることができ、回転位置に応じてＩＣカード２０の動作状態を制御することができる。

図１１に、可変インダクタンスコイル１を回転させたときの第１の媒体４、第２の媒体５、およびコイル部２の位置関係を示す。なお、図１１Ａの回転位置をθ＝０°とし、図１１Ｂをθ＝９０°、図１１Ｃをθ＝１８０°、図１１Ｄをθ＝２７０°とする。

図１２は、可変インダクタンスコイル１を図１１Ａ→図１１Ｂ→図１１Ｃ→図１１Ｄ→図１１Ａの状態に順次回転させたときの、可変インダクタンスコイル１の回転位置および結合係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１１に示す回転角度θと対応している。縦軸は結合係数の相対値である。

図１２に示すように、回転位置（角度θ）に応じてブースターアンテナ１０とＩＣカード２０との結合係数を変化させることができる。図１１Ｂに示すように、コイル部２とアンテナコイル部２１との間に、磁性を帯びた第１の媒体４が存在するような回転位置の場合は、磁気的結合が低下し、結合係数が小さくなる。このような結合係数の変化を利用して、ある特定の回転位置では結合係数を小さくし、別の回転位置では大きくすることが可能となるため、ＩＣカード２０の動作状態を制御することができる。

同様に、ブースターアンテナ１０のコイル部２と、図２５に示すような読取書込装置３０の備えるアンテナコイル３１との間に密閉部３を配置することで、回転位置に応じてブースターアンテナ１０と読取書込装置３０との結合係数を変化できる。

下記条件において、読取書込装置３０のアンテナコイル３１とブースターアンテナ１０のコイル部２との間に密閉部３を配置して、密閉部３の厚みを変化させたときの結合係数の変化を求めた。なお、ここでは、密閉部３の厚みに比例して、磁性を有する第１の媒体４の量が変化するものとする。

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のコイル部２・・・半径１８ｍｍ、巻数３Ｔ、共振周波数１３．５６ＭＨｚ
密閉部３の大きさ・・・４０ｍｍ×４０ｍｍ

結合係数は、以下のようにして求められる。

読取書込装置３０のアンテナコイル３１と、ブースターアンテナ１０のコイル部２との相互インダクタンスは、下記の数２に示す式で表すことができ、結合係数ｋは、相互インダクタンスＭに比例する。なお、数２において、Ｍは相互インダクタンス、Ｎｐは読取書込装置３０のアンテナコイル３１の巻き数、Ｎｑはブースターアンテナ１０のコイル部２の巻き数、ａは読取書込装置３０のアンテナコイル３１の半径、ｂはブースターアンテナ１０のコイル部２の半径、ｚは読取書込装置３０のアンテナコイル３１とブースターアンテナ１０のコイル部２との間の中心軸の距離、ｋは結合係数を表す。

結合係数は、下記の数３に示す式で表せるので、読取書込装置３０のアンテナコイル３１とブースターアンテナ１０のコイル部２との位置関係から、結合係数が計算によって導かれる。なお、数３において、Ｌｐは読取書込装置３０のアンテナコイル３１のインダクタンス、Ｌｑはブースターアンテナ１０のコイル部２のインダクタンスを表す。

図１３に、密閉部３の厚みと結合係数との関係を示したグラフを示す。なお、図１３では、磁性を帯びた第１の媒体４がコイル部２とアンテナコイル部３１との間に存在するときの結合係数の変化を示している。

図１３において、横軸は密閉部３の厚みであり、縦軸は結合係数である。密閉部３の厚みが０μｍのときとは、すなわち、読取書込装置３０のアンテナコイル３１と、ブースターアンテナ１０のコイル部２との間に密閉部３が存在しないときである。図１３に示すように、密閉部３の厚みが大きくなり、磁性を帯びた第１の媒体４の量が多くなるほど、結合係数の低下率が大きくなる。したがって、可変インダクタンスコイル１において密閉部３の厚みを大きくすることにより、回転位置に応じて結合係数の変化を大きくすることができる。なお、密閉部３内に収容される第１の媒体４として例えば液体を使用した場合などは、密閉部３の厚みと磁性を有する第１の媒体４の量とが必ずしも比例関係にあるわけではないが、この場合でも、磁性を有する第１の媒体４の量が増加するほど結合係数の低下率は大きくなる。

次に、図１４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１４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を説明するための概略図である。図１４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１４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１４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４により求められる。なお、数４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５により求められる。なお、数５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はアンテナコイルの断面積、Ｈは磁界強度、μ₀は４π×１０^-7Ｔ／（Ａ／ｍ）、αは比例定数を示す。

数５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のインダクタンスＬｑ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のコイル部２・・・半径１８ｍｍ、巻数３Ｔ、静電容量Ｃｑ＝１２５ｐＦ
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９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のコイル部２に流れる電流Ｉｑをシミュレーションして、数４の式を用いて求めた。数４において、コイル部２の中心からの距離ｚは５０ｍｍとした。

結果を図１５に示す。なお、インダクタンスは相対値で示し、ブースターアンテナ１０のインダクタンスＬｑ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と一致するときのインダクタンスＬｑｏで規格化した値（Ｌｑ／Ｌｑｏ）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１５に示すように、ブースターアンテナ１０のインダクタンスＬｑ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の主面が水平状態で、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、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。

また、密閉部３をブースターアンテナ１０のコイル部２と読取書込装置３０のアンテナコイル３１との間に配置して、下記に示す条件においてブースターアンテナ１０と読取書込装置３０との結合係数を変化させたときの、ブースターアンテナ１０の磁界強度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のコイル部２・・・半径１８ｍｍ、巻数３Ｔ、インダクタンスＬｑ＝１．１μＨ、共振周波数１３．５６ＭＨｚ

なお、磁界強度は、図１５と同様にして求められる。また、結合係数は上述の数２および数３の式を用いて求められる。

結果を図１６に示す。横軸は結合係数である。縦軸は磁界強度であり、図１５と同様に相対値で示す。

図１６に示すように、ブースターアンテナ１０と読取書込装置３０との結合係数が変化することにより、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３０との通信可能な距離を変化させることができる。ブースターアンテナ１０は回転位置に応じて結合係数を変化させることができるため、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２５に示すような読取書込装置３０のアンテナコイル３１として、可変インダクタンスコイル１を備える例について説明する。図１７は、第２の例による読取書込装置３０の等価回路である。図１７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、Ｌｒｗは可変インダクタンスコイル１のインダクタンスである。

下記に示す条件において、読取書込装置３０の備える可変インダクタンスコイル１のインダクタンスＬｒｗを変化させたときの、読取書込装置３０の共振周波数Ｆｒｗおよび発生する磁界強度Ｈｆｒｗ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１７に示す等価回路を用いて、可変インダクタンスコイル１のインダクタンスＬｒｗを変化させて可変インダクタンスコイル１に流れる電流をシミュレーションし、上述の数４の式を用いて求めた。数４において、アンテナコイル３１の中心からの距離ｚは５０ｍｍとした。

結果を図１８に示す。なお、インダクタンスは相対値で示し、読取書込装置のインダクタンスＬｒｗを、読取書込装置３０の共振周波数Ｆｒｗが搬送周波数Ｆｏと一致するときのインダクタンスＬｒｗｏ（１．３２μＨ）で規格化した値（Ｌｒｗ／Ｌｒｗｏ）である。また、共振周波数は相対値で示し、読取書込装置３０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３０の備える可変インダクタンスコイル１から発生する磁界強度Ｈｆｒｗを、読取書込装置３０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１８に示すように、読取書込装置３０のインダクタンスＬｒｗ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３０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、読取書込装置３０の回転位置によって読取書込装置３０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の実施形態）
この発明の第２の実施形態による可変インダクタンスコイルは、可変インダクタンスコイルの向き（回転状態）に応じてインダクタンスおよび静電容量が変化するものである。

図１９は、第２の実施形態による可変インダクタンスコイル４０の構成を示す略線図である。図１９に示すように、この可変インダクタンスコイル４０は、対向して設けられる一対の電極８ａおよび８ｂと、この電極８ａおよび電極８ｂ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部２とにより構成される。コイル部２の一方の端部は電極８ａと接続され、他方の端部は電極８ｂ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として磁性体の微粉末、第２の媒体４５として油等を用いて、磁性体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。磁性体の微粉末としては、フェライト、カルボニル鉄、珪素鋼、センダスト、パーマロイ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、磁性体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１９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、可変インダクタンスコイル４０のインダクタンスおよび静電容量が変化する。

図２０乃至図２３を参照して、回転位置に応じて変化する可変インダクタンスコイル４０のインダクタンスおよび静電容量について説明する。

図２０に、可変インダクタンスコイル４０を図１９に示す角度θ１の方向に回転させたときの、コイル部２、第１の媒体４４、第２の媒体４５、および電極８ａ、電極８ｂの位置関係を示す。なお、図２０Ａの回転位置をθ１＝０°とし、図２０Ｂをθ１＝９０°、図２０Ｃをθ１＝１８０°、図２０Ｄをθ１＝２７０°とする。

図２１は、可変インダクタンスコイル４０を図２０Ａ→図２０Ｂ→図２０Ｃ→図２０Ｄ→図２０Ａの状態に順次回転させたときの、可変インダクタンスコイル４０の回転位置と、インダクタンス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θ１であり、図２０に示す回転角度θ１と対応している。インダクタンスは相対値で示し、可変インダクタンスコイル４０のインダクタンスＬｃを、可変インダクタンスコイル４０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。また、静電容量は相対値で示し、可変インダクタンスコイル４０の静電容量Ｃｃを、可変インダクタンスコイル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。

図２１に示すように、可変インダクタンスコイル４０の回転位置（角度θ１）の変化に伴い、インダクタンスおよび静電容量が変化する。インダクタンスが増加すると、静電容量は減少する。インダクタンスが減少すると、静電容量が増加する。

また、図２２に、可変インダクタンスコイル４０を図１９に示す角度θ２の方向に回転させたときの、コイル部２、第１の媒体４４、第２の媒体４５、および電極８ａ、電極８ｂの位置関係を示す。なお、図２２Ａの回転位置をθ２＝０°とし、図２２Ｂをθ２＝９０°、図２２Ｃをθ２＝１８０°、図２１Ｄをθ２＝２７０°とする。

図２３は、可変インダクタンスコイル１を図２２Ａ→図２２Ｂ→図２２Ｃ→図２２Ｄ→図２２Ａの状態に順次回転させたときの、可変インダクタンスコイル４０の回転位置と、インダクタンス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θ２であり、図２２に示す回転角度θ２と対応している。インダクタンスおよび静電容量は、図２１と同様に相対値で示す。

図２３に示すように、可変インダクタンスコイル４０の回転位置（角度θ２）の変化に伴い、インダクタンスおよび静電容量が変化する。インダクタンスが減少すると、静電容量は減少する。インダクタンスが増加すると、静電容量も増加する。

図２４に、可変インダクタンスコイル４０を角度θ１あるいは角度θ２の方向に順次回転させてインダクタンスおよび静電容量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２０および図２２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、可変インダクタンスコイル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２４に示すように、可変インダクタンスコイル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が１８０°〜３６０°となるような回転位置では、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。

このような可変インダクタンスコイル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や読取書込装置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インダクタンスコイルを、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インダクタンスコイルの構成の一例を示す略線図である。 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インダクタンスコイルを回転させたときの、第１の媒体、第２の媒体、およびコイル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インダクタンスコイルの回転位置とインダクタンスの変化を示すグラフである。 第１の実施形態による可変インダクタンスコイル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インダクタンスコイル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インダクタンスコイル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インダクタンスコイルを備えたブースターアンテナのインダクタンス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インダクタンスコイルを回転させたときの、第１の媒体、第２の媒体、およびコイル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インダクタンスコイルの回転位置と結合係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インダクタンスコイルの厚みと結合係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インダクタンスコイル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模式図である。 第１の実施形態による可変インダクタンスコイルを備えたブースターアンテナのインダクタンス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インダクタンスコイルを備えたブースターアンテナと読取書込装置との結合係数と磁界強度との関係を示すグラフである。 第１の実施形態による可変インダクタンスコイル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インダクタンスコイルを備えた読取書込装置のインダクタンス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インダクタンスコイルの構成の一例を示す略線図である。 第２の実施形態による可変インダクタンスコイルを回転させたときの、コイル、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２の実施形態による可変インダクタンスコイルを回転させたときの、回転位置とインダクタンスおよび静電容量の変化を示すグラフである。 第２の実施形態による可変インダクタンスコイルを回転させたときの、コイル、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２の実施形態による可変インダクタンスコイルを回転させたときの、回転位置とインダクタンスおよび静電容量の変化を示すグラフである。 第２の実施形態による可変インダクタンスコイル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・・・可変インダクタンスコイル
２・・・コイル部
３・・・密閉部
４、４４・・・第１の媒体
５、４５・・・第２の媒体
６・・・キャパシタ
７・・・基材
８ａ、８ｂ・・・電極
１０・・・ブースターアンテナ
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
１００・・・ブースターアンテナ
１０１・・・アンテナコイル
１０２・・・キャパシタ

Claims (22)

1. コイル部と、
   上記コイル部と重なり合う位置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の媒体と透磁率および／または導電率の異なる第２の媒体とを備え、
   回転状態に応じてインダクタンスが変化することを特徴とする可変インダクタンスコイル。
2. 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つにより構成されることを特徴とする請求項１記載の可変インダクタンスコイル。
3. 上記第１の媒体は、導電性の液体、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記載の可変インダクタンスコイル。
4. 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または請求項３記載の可変インダクタンスコイル。
5. 上記密閉部を介して設けられた一対の電極を備え、
   上記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請求項１記載の可変インダクタンスコイル。
6. 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５記載の可変インダクタンスコイル。
7. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項６記載の可変インダクタンスコイル。
8. 回転状態に応じてインダクタンスが変化する可変インダクタンスコイルと、
   上記可変インダクタンスコイルと接続されるキャパシタとを備え、
   上記可変インダクタンスコイルは、コイルと、
   上記コイルと重なり合う位置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の媒体と透磁率および／または導電率の異なる第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。
9. 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. 上記第１の媒体は、導電性の液体、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８記載のブースターアンテナ。
11. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項９または請求項１０記載のブースターアンテナ。
12. 上記一対の電極は、上記密閉部を介して設けられ、
    上記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請求項８記載のブースターアンテナ。
13. 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１２記載のブースターアンテナ。
14. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項１３記載のブースターアンテナ。
15. 上記密閉部が読取書込装置または非接触通信媒体の備えるアンテナ部と上記コイルとの間に配置されたときに、回転状態に応じて上記アンテナ部と上記コイルとの結合係数が変化す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。
16. 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、
    回転状態に応じてインダクタンスが変化する可変インダクタンスコイルと、
    上記可変インダクタンスコイルと接続されるキャパシタとを備え、
    上記可変インダクタンスコイルは、コイルと、
    上記コイルと重なり合う位置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の媒体と透磁率および／または導電率の異なる第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。
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１の媒体は、導電性の液体、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１６記載の読取書込装置。
19. 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または請求項１８記載の読取書込装置。
20. 上記一対の電極は、上記密閉部を介して設けられ、
    上記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請求項１６記載の読取書込装置。
21. 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２０記載の読取書込装置。
22. 上記第２の媒体は、気体であることを特徴とする請求項２１記載の読取書込装置。

Images