JP2010114563A - アンテナ装置、及び、トランスポンダ - Google Patents

Abstract

【課題】通信感度を良好に保ちつつ、薄型化を実現することが可能なトランスポンダを提供する。
【解決手段】リーダーライター２から発信される磁界を受けて、当該リーダーライター２と誘導結合されて通信可能となるアンテナコイル１１と、リーダーライター２から発信される磁界をアンテナコイル１１に引き込むように、このアンテナコイル１１の形状に合わせて重畳する位置に形成され、中空部１２ａを有する良導体の磁性膜１２と、アンテナコイル１１に流れる電流により駆動し、リーダーライター２との間で通信を行う通信処理部１３とを備え、磁性膜１２は、アンテナコイル１１に流れる電流に対して直交する方向に、中空部１２ａから切れ込まれた少なくとも１箇所の切れ込み部１２ｂが形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電磁波を発信する発信器との間で発生する電磁誘導により通信可能状態となるアンテナ装置、及び、このアンテナ装置が組み込まれたトランスポンダに関するものである。

近年、ＩＣチップを備えたトランスポンダと、リーダーライターとして適用された電磁波を発信する発信器との間でデータの通信を行うＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）に関する技術が広く普及している。このようなＲＦＩＤを適用したシステムの中には、リーダーライターから発信される磁界をアンテナで受けて、リーダーライターとアンテナと誘導結合することによって、アンテナに電流が流れ、この電流によりアンテナと電気的に接続されたＩＣを駆動しているものがある。このような無線通信システムにおいて、確実に通信を行うには、アンテナ側がリーダーライターからのある値以上の磁束を受けて電力に変換することが必要となる。

ところが、携帯電話機等の電子機器にこのアンテナを搭載する際には、携帯電話機内部の基板やバッテリーパックなどの金属があると、リーダーライターと通信するときに、この金属内に渦電流が発生するため、リーダーライターからの磁束が跳ね返されてしまう。そのため、リーダーライターが発生する磁束がアンテナが駆動するために必要な量が届かなくなる。

このような問題を解決するために、携帯電話機にトランスポンダを組み込む場合、アンテナの後ろ側と回路基板の間に磁性シートを設けている（特許文献１）。

特開２００６―１７４２２３号公報

上述した磁性シートは、機器の内部に入れる都合上、割れて特性が劣化したり、割れた破片が機器内に散乱しないように、磁性粉を樹脂に練り込んだタイプの物が使われる場合が多い。このようなタイプのシートは、例えば厚みが１００［μｍ］以上のものが使われているが、携帯電話機等の電子機器の小型、薄型化の流れでは、この磁性シートの厚みも極力薄くすることが望まれる。

しかし、従来から用いられている磁性粉を樹脂に練り込むことで形成される磁性シートでは、電気抵抗が高いため、上述した渦電流の発生を防止することができるが、製法上の問題から薄くするには限度がある。また、その特性からも、あまり薄くすると、磁気的な特性、具体的には透磁率や飽和磁束密度が低下してしまう。そのため、仮に非常に薄い膜を製造したとしても、磁気的な特性が劣化してしまい、トランスポンダに組み込んでも十分にアンテナ側に磁束を引き込ませることができない。

これに対して、磁性材料で、磁気特性が高い材料は電気抵抗が低い導電性のものが多いが、このような材料をアンテナの近傍に配置すると、膜の面内に渦電流が発生するため、アンテナの通信感度を低下させてしまう。

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、磁界を発信する発信器との間で誘導結合することにより通信を行う通信システムにおいて、通信感度を良好に保ちつつ、薄型化を実現することが可能なアンテナ装置、及び、このアンテナ装置が組み込まれたトランスポンダを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための手段として、本発明に係るアンテナ装置は、発信器から発信される磁界を受けて、当該発信器と誘導結合されて通信可能となるアンテナコイルと、発信器から発信される磁界をアンテナコイルに引き込むように、このアンテナコイルの形状に合わせて重畳する位置に形成され、中空部を有する良導体の磁性膜とを備え、磁性膜は、アンテナコイルに流れる電流に対して直交する方向に、中空部から切れ込まれた少なくとも１箇所の切れ込み部が形成されている。

また、本発明に係るトランスポンダは、発信器から発信される磁界を受けて、当該発信器と誘導結合されて通信可能となるアンテナコイルと、発信器から発信される磁界をアンテナコイルに引き込むように、このアンテナコイルの形状に合わせて重畳する位置に形成され、中空部を有する良導体の磁性膜と、アンテナコイルに流れる電流により駆動し、発信器との間で通信を行う通信処理部とを備え、磁性膜は、アンテナコイルに流れる電流に対して直交する方向に、中空部から切れ込まれた少なくとも１箇所の切れ込み部が形成されている。

本発明は、発信器から発信される磁界をアンテナコイルに引き込むための磁性膜が、膜厚を薄くしても磁気特性が変化しにくい良導体の磁性膜からなり、さらに、アンテナコイルに流れる電流に対して直交する方向に、中空部から切れ込まれた少なくとも１箇所の切れ込み部が磁性膜に形成されているので、この磁性膜が渦電流の発生を抑制することができ、結果として、高い磁性特性により通信感度を良好に保ちつつ、薄型化を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみ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内において種々の変更が可能であることは勿論である。

＜無線通信システム＞
本発明が適用されたアンテナ装置は、電磁波を発信する発信器との間で発生する電磁誘導により通信可能状態となる装置であって、例えば図１に示すような無線通信システム１００に組み込まれて使用される。

無線通信システム１００は、本発明が適用されたアンテナ装置が組み込まれたトランスポンダ１と、トランスポンダ１に対するアクセスを行うリーダーライター２とからなる。

リーダーライター２は、トランスポンダ１に磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、磁界をトランスポンダ１に向けて発信するアンテナ２ａと、アンテナ２ａを介して誘導結合されたトランスポンダ１と通信を行う制御基板２ｂとを備える。

すなわち、リーダーライター２は、アンテナ２ａと電気的に接続された制御基板２ｂが配設されている。この制御基板２ｂには、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、トランスポンダ１から受信されたデータ等のデータに基づいて、各種の処理を実行する。例えば、制御回路は、トランスポンダ１にデータを書き込む場合、データを符号化し、符号化したデータに基づいて、所定の周波数（例えば、１３．５６［ＭＨｚ］）の搬送波を変調し、変調した変調信号を増幅し、増幅した変調信号でアンテナ２ａを駆動する。また、制御回路は、トランスポンダ１からデータを読み出す場合、アンテナ２ａで受信されたデータの変調信号を増幅し、増幅したデータの変調信号を復調し、復調したデータを復号する。なお、制御回路では、一般的なリーダーライターで用いられる符号化方式及び変調方式が用いられ、例えば、マンチェスタ符号化方式やＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調方式が用いられている。

トランスポンダ１は、携帯電話機などの電子機器の筐体の壁面３ｂと、当該電子機器内に設けられたステンレス板３ａとの間に組み込まれる。ここで、ステンレス板３ａは、電子機器内部の基板に、リーダーライター２から発信される磁界を受けて誤動作が発生するのを防止するための仕切板として機能する。なお、ステンレス板３ａは、リーダーライター２から受けた磁界によって生じる渦電流の影響で、リーダーライター２からアンテナコイル１１に加えられる磁界を跳ね返してしまうが、後述する磁性膜１２により通信感度の低下を抑制している。

このようにして電子機器に組み込まれるトランスポンダ１は、誘導結合されたリーダーライター２との間で通信可能となるアンテナコイル１１と、磁界をアンテナコイル１１に引き込むようにアンテナコイル１１と重畳する位置に形成された磁性膜１２と、アンテナコイル１１に流れる電流により駆動してリーダーライター２との間で通信を行う通信処理部１３とを備える。

アンテナコイル１１は、ユーザ等によりアンテナコイル１１がリーダーライター２から発信される磁界を垂直方向に受けるようにかざされると、リーダーライター２と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受信して、受信信号を通信処理部１３に供給する。

磁性膜１２は、リーダーライター２から発信される磁界をアンテナコイル１１に引き込むように、このアンテナコイル１１の形状に合わせて重畳する位置に形成され、中空部１２ａを有する磁性膜である。具体的に、磁性膜１２は、アンテナコイル１１の形状に合わせて重畳するように、略リング形状に形成されている。

通信処理部１３は、アンテナコイル１１に流れる電流により駆動し、リーダーライター２との間で通信を行う。具体的には、通信処理部１３は、受信された変調信号を復調し、復調したデータを復号して、復号したデータを、当該通信処理部１３が有する内部メモリに書き込む。また、通信処理部１３は、リーダーライター２に送信するデータを内部メモリから読み出し、読み出したデータを符号化し、符号化したデータに基づいて搬送波を変調し、誘導結合によって磁気的に結合されたアンテナコイル１１を介して変調された電波をリーダーライター２に送信する。

以上のような構成からなる無線通信システム１００において、本実施形態に係るトランスポンダ１は、高い磁性特性により通信感度を良好に保ちつつ、薄型化を実現するため、図２に示すような構成を有している。以下では、トランスポンダ１が備える磁性膜１２に係る構成に注目して説明する。

＜トランスポンダの構成＞
図２は、アンテナコイル１１と磁性膜１２との積層構造を示す図である。すなわち、図２に規定された三次元直交座標ｘｙｚにおいて、壁面３ｂからステンレス板３ａに亘って、ｘｙ平面上にアンテナコイル１１、磁性膜１２の順に積層されているものとする。ここで、リーダーライター２から発信される磁界Ａは、−ｚ方向に入力されることで、アンテナコイル１１とリーダーライター２のアンテナ２ａとが誘導結合するものとする。

以上のような積層構造からなるトランスポンダ１において、磁性膜１２は、高い磁性特性により通信感度を良好に保ちつつ、薄型化を実現するため、次のように形成されている。

すなわち、磁性膜１２は、膜厚を薄くしても磁気特性が変化しない良導体の膜からなる。具体的に、磁性膜１２は、Ｎｉ−Ｆｅのパーマロイ、Ｃｏ系アモルファス、Ｆｅ系アモルファスからなる。このような物質は、数μｍ程度の薄い膜になっても、磁気特性（透磁率）が高い。したがって、磁性膜１２は、このような物質から構成されるので、数μｍの膜厚でも、具体的には後述するように、リーダーライター２とトランスポンダ１との通信感度を良好に保つことができる。特に、Ｎｉ−Ｆｅのパーマロイからなる膜は、メッキにより成膜することができ、成膜時の温度も高温を必要としないので、樹脂を基材とするアンテナでも活用することができる。

また、磁性膜１２は、リーダーライター２から発信される磁界を受けることによって、図２に示す方向Ｂに発生する渦電流の発生を抑制するために、アンテナコイル１１に流れる電流の方向Ｂに対して直交する方向に、中空部１２ａから切れ込まれた少なくとも１箇所の切れ込み部１２ｂが形成されている。このようにして、渦電流の発生を抑えるのは、アンテナコイル１１とリーダーライター２のアンテナ２ａとの誘導結合を妨げるように、渦電流に応じた磁界が発生して、通信感度を低下させてしまうからである。

磁性膜１２は、アンテナコイル１１に流れる電流の方向Ｂに対して直交する方向に、１箇所の切れ込み部１２ｂが形成されているが、図３に示すように、複数の切れ込み部が形成された磁性膜を用いても、高い磁性特性により通信感度を良好に保ちつつ、薄型化を実現することができる。

＜切れ込み部の数に応じた通信特性の変化＞
例えば、トランスポンダ１は、上述した１箇所の切れ込み部１２ｂが形成された磁性膜１２に代えて、図３（Ａ）に示すような、２箇所の切れ込み部２１ａ、２１ｂが形成された磁性膜２１を用いてもよい。また、トランスポンダ１は、図３（Ｂ）に示すような、３箇所の切れ込み部２２ａ、２２ｂ、２２ｃが形成された磁性膜２２を用いてもよい。また、トランスポンダ１は、図３（Ｃ）に示すような、５箇所の切れ込み部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅが形成された磁性膜２３を用いてもよい。

以上のような構成からなる磁性膜１２を用いることで磁界が効率よく引き込まれるアンテナコイル１１の通信感度に係る特性は、Ｑ値（Ｑ=ωＬ／Ｒ）を用いて評価することができる。ここで、ω［ｒａｄ／ｓ］は、アンテナコイル１１の共振角周波数である。また、Ｌ［Ｈ］は、アンテナコイル１１のインダクタンスである。また、Ｒ［Ω］は、アンテナコイル１１の抵抗値である。本実施形態においては、Ｑ値を評価指標として、トランスポンダ１に係るアンテナ特性について評価する。

ここで、比較例として、中空部を有さないベタ状の磁性膜を用いた場合と、図３（Ｃ）で示した磁性膜２３を用いた場合とを用いる。測定条件として、アンテナコイルとステンレス板の間に、上述した２つの比較例のパーマロイで形成された磁性膜を挿入した場合のアンテナコイルのＱ値を求める。この測定条件においては、リーダーライターから発信される磁界の周波数として、パッシブ型のＲＦＩＤの無線システムで従来から広く用いられている１３．５６［ＭＨｚ］を用いるものとする。

図４は、この測定条件下において、磁性膜の厚さを変化させたときの、Ｑ値の変化を示す図である。なお、ベタ状の磁性膜を用いた変化は、ＬｉｎｅＡであり、切れ込み部を有するリング状の磁性膜２３を用いた変化は、ＬｉｎｅＢである。

図４に示すように、ベタ状の磁性膜の場合でも、膜厚が薄くなると、Ｑ値は高くなる。１０［μｍ］以下になると、Ｑ値は急激に改善され、１［μｍ］では１３近くまで大きくなる。これに対して、リング状の磁性膜２３を用いた場合には、膜厚が５０［μｍ］くらいの厚さでも、Ｑ値が大きくなり始め、１［μｍ］くらいまで薄くすると、Ｑ値が１６近くまで大きくなる。

この図４に示した結果から、電気抵抗が低く、渦電流の影響で膜厚が厚いときには磁気特性が満足に得られないパーマロイのような良導体の磁性材料でも、渦電流を流さないように磁性膜に切れ込み部を形成すると、Ｑ値を改善することができる。いずれの場合の膜厚は５０［μｍ］以下にすることが望ましい。すなわち、ベタ状の磁性膜を用いた場合でも膜厚を１０［μｍ］以下にすれば、Ｑ値を大きな値にすることができる。

パーマロイの膜厚が１００［μｍ］以上の十分厚い場合、Ｑ値は３程度であるが、１［μｍ］まで薄くすると１６近くまで向上する。このように大きくＱ値が改善できるので、通信特性を確保することができる。

また、図５（Ａ）は、膜厚１［μｍ］のリング状のパーマロイの磁性膜を用いた場合のＱ値を示す図である。この図では、磁性膜に形成される切れ込み部の数の変化に応じたＱ値の変化を示している。図５（Ａ）に示すように、切れ込み部の数を少なくとも一箇所形成することで、切れ込み部が形成されていないリング状の磁性膜に比べて、Ｑ値の特性が向上していることが分かる。なお、図５（Ａ）の計測条件においては、トランスポンダ１の背面には、ステンレス板３ａがないものとした。

なお、図５（Ｂ）は、他の比較例として、膜厚３５［μｍ］のリング状のＣｕの磁性膜を用いた場合のＱ値を示す図である。パーマロイに代えて、さらに導電特性の高いＣｕ系アモルファスの磁性膜を用いても、同様に、切れ込み部の数を少なくとも一箇所形成することで、Ｑ値の特性が向上していることが分かる。また、図５（Ｂ）において、「ｎａｓｉ」は、トランスポンダ１の背面にステンレス板３ａがない場合であり、「２ｍｍ」は、トランスポンダ１とステンレス板３ａとの間隔が２［ｍｍ］である場合である。

以上のように、トランスポンダ１では、発信器として機能するリーダーライター２から発信される磁界をアンテナコイル１１に引き込むため、膜厚を薄くしても磁気特性が変化しにくい良導体の磁性膜からなり、少なくとも１箇所の切れ込み部１２ｂが形成されているので、この磁性膜１２において渦電流の発生を抑制することができ、結果として、高い磁性特性により通信感度を良好に保ちつつ、薄型化を実現することができる。

＜磁性膜の膜厚に応じた通信特性の変化＞
また、トランスポンダ１では、磁界を受けることにより膜内で生じる渦状の電流が所定の値よりも小さくように磁性膜の膜厚を調整する、すなわち、膜厚が所定の値よりも薄く形成されることで通信感度の向上を図ることができる。よって、以下では、磁性膜の膜厚と、磁性膜とともに一体して用いられるアンテナコイルの通信感度との関係に注目して説明する。

パーマロイからなる磁性膜は電解メッキで膜付けすることができ、比較的低い温度で成膜することができる。そこで、パーマロイからなる磁性膜の磁気特性について説明する。

パーマロイからなる磁性膜はその電気伝導率が５×１０^６［ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］位の良導体である。なお、Ｃｕ系アモルファスの電気伝導率は、５．８×１０^７［ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］である。こういう材料を１３．５６［ＭＨｚ］の高周波で動作させると渦電流の影響で、透磁率が著しく劣化する。

具体的に、パーマロイからなる磁性体の厚みをｈ、比抵抗をρとしたときの膜の透磁率は、次の（１）式のようになる。

ここで、Ｂ_０は、表面の磁束密度であり、μ_ｄ、ω_ｇは、次の値である。

上述した（１）式から、パーマロイからなる磁性膜の膜厚の変化に応じた磁気特性について、図６を参照して説明する。図６は、磁性膜の電気伝導率が１×１０^４［Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］の場合、磁性膜の電気伝導率が１×１０^６［Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］の場合、磁性膜の電気伝導率が１×１０^７［Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］の場合のそれぞれについて、膜厚に応じた透磁率の変化を示す図である。なお、透磁率の虚部μ’’は、磁性体に磁束が吸収される抵抗成分に相当する。

たとえば、３種類の磁性膜の中で、パーマロイからなる磁性膜と電気伝導特性が最も近い電気伝導率が１×１０^６［Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］の場合、図６に示すように、膜厚が１０［μｍ］より厚くなると、透磁率の実部μ’が急激に小さくなり、逆に透磁率の虚部μ’’が大きくなり、極大を経てから、小さくなる。このような傾向があるので、１０［μｍ］以下の薄い膜厚にすれば、透磁率も高い状態に保たれ、透磁率の虚部の小さくしておくことができる。

次に、図７に示すような解析モデル５０を用いて磁性膜の膜厚の変化に応じた通信特性について解析する。

図７（Ａ）は、解析モデル５０の平面図である。図７（Ｂ）は、解析モデル５０の断面構造を示す図である。解析モデル５０におけるアンテナコイル５１は、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、幅３００［μｍ］、厚み７０［μｍ］、巻き線の間隔が２００［μｍ］で巻き数が４である。アンテナコイル５１の下には膜厚が３５０［μｍ］のＦＲ４基板５２があり、その下にパーマロイの磁性膜５３を置き、その下に膜厚が５０［μｍ］のＦＲ４基板５４を付けた。ここで、ＦＲ４基板５２、５４は、電気的な絶縁を目的としたものである。さらにＦＲ４基板５４の下に、膜厚が５００［μｍ］のステンレス板５５を置いた。なお、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５は、測定条件に応じて離間させるものとする。

このような解析モデル５０において、磁性膜５３の膜厚を変化させたときのアンテナコイル５１の通信特性は、次のようになる。

まず、比較例として、５つの切れ込み部を有するリング状の磁性膜２３を適用した磁性膜５３と、中空部を有さないベタ状の磁性膜とを用いる。

図８は、リング状の磁性膜が重畳されたアンテナコイル５１の通信特性Ｑ１と、ベタ状の磁性膜が重畳されたアンテナコイル５１の通信特性Ｑ２を示す図である。なお、Ｑ１１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＱ１の実測値であり、Ｑ２１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＱ２の実測値である。また、パーマロイからなる磁性膜は、その電気伝導率が５×１０^６［ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］、比透磁率が２５００とした。また、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５との間隔は０［ｍｍ］とした。図８に示すように、Ｑ値は、磁性膜に切れ込み部を形成することによって、渦電流を流れにくくした方が高くなる。すなわち、渦電流が磁性膜に流れることに起因して、アンテナコイル５１の通信特性が悪くなる。

また、図９（Ａ）に、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５との間隔が０［ｍｍ］の場合におけるアンテナコイル５１の抵抗値を示し、図９（Ｂ）に、アンテナコイル５１のインダクタンスを示す。ここで、抵抗値Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ、５つの切れ込み部を有する磁性膜５３を用いた場合と、中空部を有さないベタ状の磁性膜を用いた場合の値である。なお、Ｒ１１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＲ１の実測値であり、Ｒ２１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＲ２の実測値である。また、インダクタンスＬ１、Ｌ２は、それぞれ、５つの切れ込み部を有する磁性膜５３を用いた場合と、中空部を有さないベタ状の磁性膜を用いた場合の値である。なお、Ｌ１１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＬ１の実測値であり、Ｌ２１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＬ２の実測値である。

ベタ状の磁性膜では、切れ込み部が形成されているリング状の磁性膜５３に比べて、図９（Ａ）に示すように、アンテナコイル５１の抵抗が高くなる。これは、磁性膜の渦電流の影響で大きくなった透磁率の虚部μ’’が影響しているからである。また、アンテナコイル５１のインダクタンスも、ベタ状の磁性膜では、膜厚が厚くなった場合に、切れ込み部が形成されているリング状の磁性膜５３に比べて、より小さくなる。このように、アンテナコイル５１のインダクタンスは、磁性膜の透磁率に応じて変化する。

次に、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５との間隔が２［ｍｍ］の場合のアンテナコイル５１のＱ値の計算結果を図１０に示す。すなわち、リング状の磁性膜５３が重畳されたアンテナコイル５１の通信特性Ｑ３と、ベタ状の磁性膜が重畳されたアンテナコイル５１の通信特性Ｑ４を示す図である。なお、Ｑ３１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＱ３の実測値であり、Ｑ４１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＱ４の実測値である。

図１０に示すように、ベタ状の磁性膜を用いた場合では、Ｑ値がかなり低くなる。これに対して、リング状の磁性膜５３を用いた場合では、渦電流が抑制されているので、Ｑ値の特性が改善される。

また、図１１（Ａ）に、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５との間隔が２［ｍｍ］の場合のアンテナコイル５１の抵抗値を示し、図１１（Ｂ）に、アンテナコイル５１のインダクタンスを示す。ここで、抵抗値Ｒ３、Ｒ４は、それぞれ、５つの切れ込み部を有するリング状の磁性膜を用いた場合と、中空部を有さないベタ状の磁性膜を用いた場合の値である。なお、Ｒ３１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＲ３の実測値であり、Ｒ４１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＲ４の実測値である。また、インダクタンスＬ３、Ｌ４は、それぞれ、５つの切れ込み部を有するリング状の磁性膜５３を用いた場合と、中空部を有さないベタ状の磁性膜を用いた場合の値である。なお、Ｌ３１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＬ３の実測値であり、Ｌ４１は、磁性膜の膜厚が３［μｍ］のときのＬ４の実測値である。

図１１に示すように、抵抗値Ｒ４が、抵抗値Ｒ３に比べてかなり高くなる。また、インダクタンスＬ４が、インダクタンスＬ３に比べてかなり低くなる。

次に、解析モデル５０において、パーマロイからなる磁性膜に代えて、スパッタアモルファスからなる磁性膜を用いた測定例について説明する。ここで、スパッタアモルファスの電気伝導度は、１×１０^２［ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］である。また、磁性膜５３として、５つの切れ込み部が形成されたリング状の磁性膜２３を用いる。Ｑ値の計算結果Ｑ５と測定結果Ｑ５１を図１２に示す。ここで、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５との間隔は０．５［ｍｍ］である。計算値Ｑ５と測定値Ｑ５１は、ほぼ一致している。

図１３は、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５との間隔が０．５［ｍｍ］の場合のアンテナコイル５１の抵抗とインダクタンスについて、計算結果Ｒ５、Ｌ５と測定結果Ｒ５１、Ｌ５１を比較した図である。抵抗、インダクタンスともに、測定値と計算値がほぼ一致している。

図１４は、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５との間隔が２．５［ｍｍ］の場合のアンテナコイル５１のＱ値について、計算結果Ｑ６と測定結果Ｑ６１を比較した図である。計算値Ｑ６と測定値Ｑ６１は、ほぼ一致している。

図１５は、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５との間隔が２．５［ｍｍ］の場合のアンテナコイル５１の抵抗とインダクタンスについて、計算結果Ｒ６、Ｌ６と測定結果Ｒ６１、Ｌ６１を比較した図である。抵抗、インダクタンスともに、測定値と計算値がほぼ一致している。

以上のようにして、磁性膜の膜厚と、磁性膜とともに一体して用いられるアンテナコイルの通信感度との関係について、解析モデル５１を用いて解析した。

＜磁性膜の面積に応じた通信特性の変化＞
次に、磁性膜の面積について検討する。図１６（Ａ）に示すように、複数の切れ込み部が形成されたリング状の磁性膜６０ａが、合計４辺の膜６１、６２、６３、６４から構成されているものとする。このような磁性膜６０に対して、段階的に面積を変化させるため、図１６（Ｂ）に示すような合計３辺の膜６１、６２、６４から構成される磁性膜６０ｂと、図１６（Ｃ）に示すような合計２辺の膜６２、６４から構成される磁性膜６０ｃと、図１６（Ｄ）に示すような合計１辺の膜６１から構成される磁性膜６０ｄとを用いて通信特性の変化について説明する。

図１７は、図１６（Ａ）〜図１６（Ｄ）に示すように磁性体の面積を変えた場合のＱ値の計算値を示す図である。図１７に示すように、１辺にした磁性膜６０ｄでも、膜厚が数μｍ程度まで薄けれくなれば、他の磁性膜６０ａ、６０ｂ、６０ｃと比べて同様の特性となる。なお、この計測結果においては、ＦＲ４基板５４とステンレス板５５との間隔は２［ｍｍ］であるものとする。

以上のような、解析モデル５０を用いた計算結果と実測結果から、アンテナコイル５１の抵抗とインダクタンスが比較的良く一致するので、次に通信距離について検討する。

通信距離の測定結果を下記の表１に示す。

上記の表１は、アンテナコイル５１が携帯電話機などの電気機器の中に入っている条件を代表的な使用形態として、ステンレス板ＳＵＳとＦＲ４基板との間隔が、２［ｍｍ］の場合の通信特性を示している。

ここで、Ｒは、アンテナコイル５１の抵抗であり、Ｌはアンテナコイル５１のインダクタンスであり、Ｑ値は、アンテナコイル５１の通信感度の評価指標値である。また、ｔは、リーダーライターとトランスポンダ間において１３．５６［ＭＨｚ］の搬送波を用いたときの最大通信可能距離である。

また、上記の表１において、磁性膜の種類を示した。表１において、「従来の磁性シート」は、従来から用いられている金属粉を樹脂に練り込むことで形成される磁性膜であり、「パーマロイ」とは、パーマロイにより形成される磁性膜であり、「アモルファス」とは、アモルファスにより形成される磁性膜である。また、「ベタ状」、「リング状」とは、上述したように磁性膜の形状である。また、「３辺」、「２辺」、「１辺」とは、それぞれ上述した磁性膜６０ｂ、６０ｃ、６０ｄに対応する形状である。

「従来の磁性シート」において１１［ｃｍ］〜１２［ｃｍ］が最大通信距離である点と、Ｑ値が４０程度である点とを考慮して、好適な通信特性として、アンテナコイル５１のＱ値が３０以上としている。この条件を満たすことで、結果としてアンテナコイル５１とリーダーライタとの距離が少なくとも１０［ｃｍ］離れていても、互いに通信することができるという「好適な通信可能条件」が満たすことができる。

このような条件下において、上記の表１の各磁性膜を用いたトランスポンダの通信特性について検討すると、膜厚が比較的厚い４０［μｍ］のアモルファスからなる磁性膜では、上述した「好適な通信可能条件」を満たすことができない。また、膜厚が比較的薄い５［μｍ］のパーマロイからなる「ベタ状」の磁性膜も、切れ込み部が形成されていないため渦電流の発生を抑制できず、上述した「好適な通信可能条件」を満たすことができない。

これに対して、膜厚が比較的薄い０．５〜３［μｍ］のアモルファスからなる磁性膜では、上述した「好適な通信可能条件」を満たしている。これは、膜厚が薄くなるのに伴って渦電流の流れを抑制することができ、形状も「ベタ状」ではなく渦電流の発生も抑制でき、結果としてアンテナコイルのＱ値を向上させることができるからである。

以上のような表１の検討結果から明らかなように、アモルファスを用いた磁性膜では、渦電流の発生を抑えることで、薄型化を図りつつ、「従来の磁性シート」を用いた場合と同様の通信特性を実現することができる。さらに、上述したように渦電流が流れないように切れ込み部を形成することで、高い磁性特性により通信感度を良好に保ちつつ、薄型化を実現することができる。

以上の計算結果及び実測結果から明らかなように、トランスポンダ１では、磁界を受けることにより膜内で生じる渦状の電流が所定の値よりも小さくなるように、膜厚が所定の値よりも薄く形成されることで、更なる通信感度の向上を図ることができる。

なお、本実施形態においては、良導体の磁性膜を用いて、アンテナコイルのＱ値が３０以上を満たし、最大通信距離が少なくとも１０［ｃｍ］という通信条件を満たせば、上述したアモルファスからなる磁性膜を適用したトランスポンダに限定されるものではない。

＜磁性膜の幅に応じた通信特性の変化＞
トランスポンダ１に係る製造工程を考慮すると、磁性膜１２の幅は、アンテナコイル１１の幅より広くなってしまうが、トランスポンダ１では、磁性膜１２の幅を、アンテナコイル１１の幅に応じて調整することで、上述した「好適な通信可能条件」を確保することができる。

例えば、１つの切れ込み部１２ｂが形成された磁性膜１２の外枠を、幅が２．５［ｍｍ］のアンテナコイル１１の外枠に一致させた状態で、磁性膜１２の内枠を、図１８（Ａ）に示すように、アンテナコイル１１の内枠に対して距離ａ［ｍｍ］内側に延ばすと、アンテナコイル１１のＱ値とインダクタンスＬは、それぞれ図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）のようにその特性が変化する。

図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）から明らかなように、上述した「好適な通信可能条件」である「Ｑ＞３０」の条件を満たすためには、アンテナコイル１１の内枠に対して、磁性膜１２の内枠を延ばす距離ａ［ｃｍ］は、アンテナコイル１１の幅の６０％以内であることが好ましい。換言すれば、トランスポンダ１では、アンテナコイル１１の幅の６０％以内の範囲内で、アンテナコイル１１の内枠に対して磁性膜１２の内枠を延ばしても、好適な通信可能条件を確保することができる。

また、磁性膜１２の外枠を、図１９（Ａ）に示すように、アンテナコイル１１の外枠に対して距離ｂ［ｍｍ］外側に延ばすと、アンテナコイル１１のＱ値は、図１９（Ｂ）のようになる。

図１９（Ｂ）から明らかなように、上述した「好適な通信可能条件」である「Ｑ＞３０」の条件を満たすためには、アンテナコイル１１の外枠に対して磁性膜１２の外枠を延ばす距離ａ［ｃｍ］は、アンテナコイル１１の幅の１００％以内であることが好ましい。換言すれば、トランスポンダ１は、アンテナコイル１１の幅の１００％以内の範囲内で、アンテナコイル１１の外枠に対して磁性膜１２の外枠を延ばしても、好適な通信可能条件を確保できる。

以上のように、トランスポンダ１は、アンテナコイル１１の内枠に対して磁性膜１２の内枠がはみ出る範囲が、アンテナコイル１１の幅の６０パーセント以内に収まるように、アンテナコイル１１の外枠に対して磁性膜１２の外枠がはみ出る範囲が、アンテナコイル１１の幅の１００パーセント以内に収まるようにしてアンテナコイル１１と磁性膜１２とが重畳されることで、好適な通信可能条件を確保することができる。

無線通信システムの全体構成を示す図である。 トランスポンダに係る構成を示す図である。 磁性膜の変形例について説明するための図である。 磁性膜の厚さを変化させたときのＱ値の変化を示す図である。 磁性膜に形成される切れ込み部の数の変化に応じたＱ値の変化を示す図である。 磁性膜の電気伝導率が１×１０^４［Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］の場合、磁性膜の電気伝導率が１×１０^６［Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］の場合、磁性膜の電気伝導率が１×１０^７［Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］の場合のそれぞれについて、膜厚に応じた透磁率の変化を示す図である。 磁性膜の膜厚の変化に応じた通信特性について解析するための解析モデルについて説明するための図である。 リング状の磁性膜が重畳されたアンテナコイルの通信特性と、ベタ状の磁性膜が重畳されたアンテナコイルの通信特性を示す図である。 磁性膜の膜厚の変化に応じた、アンテナコイルの抵抗値及びインダクタンスの変化を示す図である。 リング状の磁性膜が重畳されたアンテナコイルの通信特性と、ベタ状の磁性膜が重畳されたアンテナコイルの通信特性を示す図である。 磁性膜の膜厚の変化に応じた、アンテナコイルの抵抗値及びインダクタンスの変化を示す図である。 スパッタアモルファスからなる磁性膜が重畳されたアンテナコイルの通信特性を示す図である。 磁性膜の膜厚の変化に応じた、アンテナコイルの抵抗値及びインダクタンスの変化を示す図である。 スパッタアモルファスからなる磁性膜が重畳されたアンテナコイルの通信特性を示す図である。 磁性膜の膜厚の変化に応じた、アンテナコイルの抵抗値及びインダクタンスの変化を示す図である。 磁性膜に係る変形例について説明するための図である。 磁性体の面積を変えた場合のＱ値の計算値を示す図である。 磁性膜の外枠とアンテナコイルの外枠とを一致させた状態で、磁性膜の内枠をアンテナコイルの内枠に対して内側に延ばしたときの通信特性の変化について説明するための図である。 磁性膜の内枠とアンテナコイルの内枠とを一致させた状態で、磁性膜の外枠をアンテナコイルの外枠に対して外側に延ばしたときの通信特性の変化について説明するための図である。

符号の説明

１ トランスポンダ、１１、５１ アンテナコイル、１２、２１、２２、２３、５３、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 磁性膜、１２ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａ 中空部、１２ｂ 切れ込み部、１３ 通信処理部、２ リーダーライター、２ａ アンテナ、２ｂ 制御基板、３ａ 壁面、３ｂ ステンレス板、５０ 解析モデル、５２、５４ ＦＲ４基板、５５ ステンレス板、６１−６４ 膜、１００ 無線通信システム

Claims (6)

1. 発信器から発信される磁界を受けて、当該発信器と誘導結合されて通信可能となるアンテナコイルと、
   上記発信器から発信される磁界を上記アンテナコイルに引き込むように、このアンテナコイルの形状に合わせて重畳する位置に形成され、中空部を有する良導体の磁性膜とを備え、
   上記磁性膜は、上記アンテナコイルに流れる電流に対して直交する方向に、上記中空部から切れ込まれた少なくとも１箇所の切れ込み部が形成されているアンテナ装置。
2. 上記磁性膜は、Ｎｉ−Ｆｅのパーマロイ、Ｃｏ系アモルファス、又は、Ｆｅ系アモルファスにより形成された良導体の磁性膜である請求項１記載のアンテナ装置。
3. 上記発信器から磁界が発信される発信周波数は、１３．５６［ＭＨｚ］であり、
   上記アンテナコイルは、下記の（１）式で算出されるＱ値が３０以上で通信可能となる請求項１又は２記載のアンテナ装置。
   Ｑ＝ωＬ／Ｒ ・・・（１）
   ω［ｒａｄ／ｓ］は上記アンテナコイルの共振周波数であり、Ｌ［Ｈ］は上記アンテナコイルのリアクタンス値であり、Ｒ［Ω］は上記アンテナコイルの抵抗値である。
4. 上記アンテナコイルと上記発信器との距離が少なくとも１０［ｃｍ］離れた位置でも通信可能状態である請求項３記載のアンテナ装置。
5. 上記磁性膜は、上記アンテナコイルの内枠に対して当該磁性膜の内枠がはみ出る範囲が、当該アンテナコイルの幅の６０パーセント以内に収まるように、かつ、当該アンテナコイルの外枠に対して当該磁性膜の外枠がはみ出る範囲が、当該アンテナコイルの幅の１００パーセント以内に収まるようにして、当該アンテナコイルと重畳されている請求項１乃至３のうち何れか１項記載のアンテナ装置。
6. 発信器から発信される磁界を受けて、当該発信器と誘導結合されて通信可能となるアンテナコイルと、
   上記発信器から発信される磁界を上記アンテナコイルに引き込むように、このアンテナコイルの形状に合わせて重畳する位置に形成され、中空部を有する良導体の磁性膜と、
   上記アンテナコイルに流れる電流により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備え、
   上記磁性膜は、上記アンテナコイルに流れる電流に対して直交する方向に、上記中空部から切れ込まれた少なくとも１箇所の切れ込み部が形成されているトランスポンダ。

Images