JP2010233009A - 通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＲＦＩＤシステムなどに使用される通信装置において、アンテナ部の共振周波数にばらつきがあっても、通信可能距離が大きく変動することのない構造にする。
【解決手段】 アンテナ部と磁性層およびその背部に位置する金属部を含む共振部での共振周波数を、外部装置から送られる規定周波数ｆｃ（１３．５６ＭＨｚ）よりも高い周波数帯域に設定することにより、共振周波数にばらつきが生じても通信可能な最大距離の変動を抑えることが可能である。共振周波数は、規定周波数ｆｃよりも５００ｋＨｚ以上高いことが好ましく、さらには１ＭＨｚ以上で２ＭＨｚ以下の範囲で高いことが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＲＦＩＤシステムなどに使用される通信装置に係り、特に、アンテナ部の背部に磁性層が備えられた通信装置に関する。

ＲＦＩＤシステムに使用される通信装置には、コイルとコンデンサを有するＬＣ共振部を備えたアンテナ部が設けられており、前記アンテナ部が外部機器から送られる規定周波数の電磁波と同調することで前記電磁波の信号を受信できるようにしている。日本国で使用されるＲＦＩＤシステムでは、前記規定周波数が１３．５６ＭＨｚである。

この通信装置は、携帯用機器などに搭載されるために、アンテナ部の背部に金属部が設けられることが多い。アンテナ部の背部に金属部が設けられていると、前記外部装置から送られる電磁波によって前記金属部に渦電流が発生し、この渦電流に起因する反磁界によって記電磁波が打ち消される現象が生じやすい。その結果、通信装置の感度が鈍り、アンテナ部を有する通信装置と外部装置との間の通信可能な距離を長くできなくなる。そこで、以下の特許文献１ないし特許文献３に記載された発明は、アンテナ部と金属部との間に、所定の透磁率の磁性シートを配置することで、外部装置から送られてくる電磁波を磁性シートの内部に誘導して、金属部の薄電流による反磁界の発生を抑制できるようにしている。

しかしながら、アンテナ部の背部に前記磁性シートが設けられていると、その分だけインダクタンスが変化するために、通信装置のアンテナ部で同調すべき共振周波数に影響を与えることになる。そこで、以下の特許文献３には、前記磁性シートの透磁率と厚さを選択することで、アンテナ部での共振周波数を適正な値に調整するという発明が開示されている。

また、以下の特許文献２にも記載されているように、従来の通信装置は、アンテナ部で同調する共振周波数を、外部装置から送られてくる電磁波の基本周波数に合わせるようにしている。すなわち、ＲＦＩＤシステムの場合に、アンテナ部で同調する共振周波数が、１３．５６ＭＨＺとなるように調整している。

特開２００７−２１４７５４号公報 特開２００７−２９５５５７号公報 特開２００８−２１９９１号公報

しかし、実際にＲＦＩＤシステムなどの通信装置を製造するにあたり、磁性シートの透磁率や厚さ寸法のばらつき、さらには通信装置と背部の金属部との距離などによって、アンテナ部で同調する共振周波数にばらつきが発生するのを避けることができない。

従来は、アンテナ部で同調すべき共振周波数を、１３．５６ＭＨｚなどの規定周波数に一致させるように調整しているが、共振周波数が前記規定周波数から少しずれるだけで、アンテナ部のインピーダンスが大きく変化し、その結果、通信装置と外部装置との間の通信可能な距離が、個々の通信装置ごとに大きくばらつくようになって、品質を安定させることが難しいという課題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、アンテナ部で同調する共振周波数を常に安定さることができ且つ外部装置との間の通信可能な距離が極端に低下することがない通信装置を提供することを目的としている。

本発明は、外部装置から送られる規定周波数の電磁波に同調するＬＣ共振部を有するアンテナ部と、前記外部装置と逆側から前記アンテナ部に対向する磁性層とが設けられた通信装置において、
前記アンテナ部と前記磁性層とを含む共振部の共振周波数が、前記規定周波数よりも高い周波数帯域に設定されていることを特徴とするものである。

本発明は、外部装置から送られてくる電磁波の規定周波数が、アンテナ部と磁性層とを含む共振部の共振周波数よりも低い値に設定される。ＬＣ共振部のリアクタンスは、共振周波数よりも低い周波数帯は誘導性リアクタンスであり、共振周波数よりも高い周波数帯は容量性リアクタンスである。本発明は、同調すべき規定周波数を誘導性リアクタンスの周波数帯域に設定することで、規定周波数の電磁波が与えられたときにアンテナ部のコイルに誘導される電流を比較的多くでき、その結果、比較的に高感度で規定周波数の電磁波と同調できるようになる。

また、予め共振周波数を規定周波数よりも高い周波数帯域に設定しておくことで、アンテナ部の共振周波数にばらつきが生じたとしても、規定周波数が共振周波数よりも高い領域、すなわち容量性リアクタンスの領域となるのを防止できる。つまり、個々の通信装置ごとに共振周波数がばらついたとしても、外部装置との通信距離が極端に低下するのを防止しやすくなる。

本発明は、前記磁性層は、前記アンテナ部の背部に位置する金属部と前記アンテナ部との間に配置されており、前記アンテナ部と前記磁性層および前記金属部を含む共振部の共振周波数が、前記規定周波数よりも高い周波数帯域に設定されていることが好ましい。

上記のように、アンテナ部と磁性層のみではなく、さらに磁性層の背部に位置する金属部の存在を加味したときの共振周波数を、規定周波数よりも高く設定することにより、アンテナ部と磁性層とが携帯用機器などに搭載された状態において、規定周波数の電磁波を同調する際に、外部装置との通信距離が極端に低下するのを防止できるようになる。

本発明は、前記共振周波数は、前記規定周波数よりも５００ｋＨｚ以上高く設定されることが好ましく、さらに好ましくは、前記共振周波数は、前記規定周波数よりも１ＭＨｚ以上高く設定される。

アンテナ部で同調すべき電磁波の規定周波数が、通信装置の共振周波数よりも５００ｋＨｚ以上または１ＭＨｚ以上低いと、誘導性リアクタンスの領域で、しかも周波数の変動に対してインピーダンスの変動の少ない領域で、規定周波数の電磁波を同調させることができる。そのために、通信装置において設定される共振周波数がばらついても、外部装置との通信可能な距離の大きな変動を抑制できるようになる。

本発明は、例えば、前記規定周波数が、１３．５６ＭＨｚである。
また、本発明は、前記共振周波数は、前記アンテナ部と前記磁性層の間の距離と、前記磁性層の透磁率との、いずれか一方の数値を変えることで設定される。

本発明は、通信装置の共振周波数を、予め同調すべき規定周波数よりも高く設定することで、共振周波数がばらついても通信装置ごとに通信可能な距離が大きく変動するのを防止できる。また、通信可能な距離が極端に低下することがなく、安定した通信品質を保つことができるようになる。

本発明の通信装置の構造の概略を示す側面図、 ＬＣ並列共振回路の周波数とリアクタンスとの関係を示す説明図、 通信装置のインピーダンスの周波数特性を示す線図、 実施例１の共振周波数と最大通信距離との関係を示す線図、 実施例２の共振周波数と最大通信距離との関係を示す線図、

図１に示す通信装置１はＲＦＩＤシステムの一部として使用されるものであり、携帯用の電子機器またはＩＤカードなどに搭載される。

この通信装置１は、アンテナ部２を有している。このアンテナ部はタグと称されるものであり、フレキシブルな基板に平面的に巻かれたコイルが設けられ、また基板にコンデンサが搭載されて、ＬＣ並列共振部が構成されている。また、基板にはＩＣチップが搭載されている。

通信装置１が送信側の外部機器に接近すると、外部機器から送られてくる規定周波数の電磁波によってＬＣ並列共振部が同調して発振し、同調した受信信号がＩＣチップ内の検出回路などに与えられる。ＲＦＩＤシステムでは、規定周波数ｆｃが１３．５６ＭＨｚである。

携帯用の電子機器やＩＣカードなどには、アンテナ部２の他に各種回路や表示装置や入力部などの各種電子機能部が搭載されており、アンテナ部２の背後に金属部３が設けられるのが一般的である。この金属部３は、電子機器のシャーシやブラケットまたはカバーの一部などであり、またはフレキシブルな配線基板などである。

アンテナ部２と金属部３との間には磁性層４が介在している。磁性層４は、比較的高抵抗で高透磁率の軟磁性材料で形成されている。例えば、磁性層４はセンダストやＦｅ−Ｍ−Ｃｒ−Ｐ−Ｃ（Ｍは、Ｓｎ，Ｉｎ，Ｚｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｂ，Ｓｉのいずれか一種または二種以上）などの軟磁性材料の粉体や鱗片が合成樹脂バインダーで結合された磁性シートである。アンテナ部２と磁性シートとの間には、接着層などのスペーサ５が介在している。

外部装置から規定周波数の電磁波が送られてくると、アンテナ部２のコイルとコンデンサとによるＬＣ並列共振回路が前記電磁波に同調して受信され、電磁波を変調して送信されたデータが、ＩＣチップ内の検出回路によって解読される。

アンテナ部２と金属部３との間に磁性層４が介在しているため、外部装置から送られてくる電磁波が磁性層４の内部に誘導され、金属部３に到達する電磁波を減少させることができる。その結果、金属部３の渦電流による反磁界を減少させることができ、アンテナ部２で電磁波を受信する感度の低下を抑制することができる。

図３は、ＬＣ並列共振回路におけるインピーダンスと周波数との関係を示している。
図３は、共振周波数ｆ０が１５．５６ＭＨｚとなるＬＣ並列共振回路のシミュレーション結果を示しており、横軸がＬＣ並列共振回路に与えられる信号の周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸がインピーダンスＺ（Ω）である。ＬＣ並列共振回路では、共振周波数ｆ０においてインピーダンスが最大になり、最大の端子電圧を得ることができる。与えられる信号の周波数が共振周波数ｆ０よりも高くなるにしたがってインピーダンスＺが低下していき、共振周波数ｆ０よりも低くなるにしたがって、インピーダンスＺが同じようにして低下していく。

図２はＬＣ並列共振回路のリアクタンスと周波数との関係を示している。ＬＣ並列共振回路では、共振周波数ｆ０よりも低い周波数帯が誘導性リアクタンスであり、共振周波数ｆ０よりも高い周波数帯が容量性リアクタンスである。そして、共振周波数ｆ０において誘導性リアクタンスが最大値になり、且つ容量性リアクタンスが最小になる。

図３に示すように、共振周波数ｆ０よりも高い周波数帯と低い周波数帯で、ＬＣ並列共振回路全体のインピーダンスＺがほぼ同等に低下しているが、図２に示すように、共振周波数ｆ０よりも低い周波数帯は誘導性リアクタンスであるために、コイルのインピーダンスは、共振周波数ｆ０を超える周波数帯よりも共振周波数ｆ０より低い周波数帯において高くなる。その結果、共振周波数ｆ０よりも高い周波数帯よりも、共振周波数ｆ０よりも低い周波数帯の方が、コイルでの起電力が大きくなり、コイルの電流が増加する。

そのため、共振周波数ｆ０よりも低い周波数帯の電磁波に対しての同調感度は、共振周波数ｆ０よりも高い周波数帯の電磁波に対する同調感度よりも高くなる。この通信装置１では、アンテナ部２と磁性層４とを含む共振部の共振周波数ｆ０を、受信する電磁波の規定周波数ｆｃよりも高い周波数に設定している。あるいは、アンテナ部２と磁性層４とが電子機器に搭載する際に磁性層４の背部に位置する金属部３も含めた共振部全体の共振周波数ｆ０を、受信する電磁波の規定周波数よりも高い値に設定している。

通信装置１の共振周波数ｆ０を規定周波数ｆｃよりも高い領域に設定することで、通信装置１の製造時のばらつきや使用環境の変化に応じて共振周波数ｆ０が変動しても、同調すべき規定周波数ｆｃを、常に共振周波数ｆ０よりも低い周波数帯に位置させて、共振周波数ｆ０が規定周波数ｆｃよりも低くならないようにしている。そのため、共振周波数ｆ０が変動しても、受信感度が極端に低下することのないようにしている。

図３に示すように、ＬＣ並列共振回路の共振周波数ｆ０よりも低い周波数帯であっても、共振周波数ｆ０に近い領域では、周波数が少し変動したときのインピーダンスＺの変化が大きく、図２に示すように、周波数が少し変動したときの誘導性リアクタンスの変化も大きくなる。

そこで、共振周波数ｆ０を規定周波数ｆｃよりも５００ｋＨｚ以上高くすると、すなわち、規定周波数ｆｃを、共振周波数ｆ０よりも５００ｋＨｚ以上低い周波数帯域で同調させると、周波数が少し変動したときのインピーダンスＺの変化量が少なくなり、誘導性リアクタンスの変化量も少なくなる。さらに、共振周波数ｆ０を規定周波数ｆｃよりも１ＭＨｚ以上高くすると、さらに、インピーダンスＺと誘導性リアクタンスの周波数特性が安定した領域で、規定周波数ｆｃの電磁波を同調させることができるようになる。

ただし、規定周波数ｆｃが共振周波数ｆ０から非常に低くなると、インピーダンスＺが低下しすぎることになり、誘導性リアクタンスも低下しすぎることになるため、共振周波数ｆ０は、規定周波数ｆｃよりも２ＭＨｚを越えて離れないことが好ましい。

アンテナ部２の背部に磁性層４として磁性シートを配置し、磁性シートの透磁率とスペーサ５の厚さを変えることで、共振周波数ｆ０を互いに相違させた複数の実施例の通信装置と複数の比較例の通信装置を複数個用意した。それぞれの通信装置と外部装置であるリーダー・ライターとの間で通信を行わせ、通信が可能な最大距離を測定した。なお、磁性層４の背部には、金属部３としてアルミニウムの板材を配置した。

図４は、共振周波数（ＭＨｚ）を横軸にとり、最大通信距離（ｍｍ）を縦軸にとって、それぞれの実施例および比較例の感度特性を示している。

＜実施例＞
実施例（ａ）ないし（ｄ）の通信装置に使用した磁性シート（磁性層４）は厚さが０．１ｍｍであり、規定周波数ｆｃ（１３．５６ＭＨｚ）での透磁率は、実数部μ´が６７．０２で、虚数部μ″が１５．７である。

実施例（ａ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを１枚使用し、実施例（ｂ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを２枚使用し、実施例（ｃ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを３枚使用し、実施例（ｄ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを４枚使用した。非磁性シートはＰＥＴシートを使用した。

実施例（ａ）ないし（ｄ）は、アンテナ部２と磁性層４および金属部３を含む共振部の全体の共振周波数ｆ０が、規定周波数ｆｃ（１３．５６ＭＨｚ）よりも高く設定される。実施例（ｂ）（ｃ）（ｄ）では、共振周波数ｆ０を、規定周波数ｆｃよりも１ＭＨｚ以上で２ＭＨｚ以下の範囲で高く設定することができた。

＜比較例＞
比較例（ｅ）は、前記実施例（ａ）ないし（ｄ）と同じ磁性シートを使用し、且つスペーサを使用せず、アンテナ部２と磁性層４との距離をほぼゼロとした。その結果、共振周波数ｆ０が規定周波数ｆｃよりも低く設定された。

比較例（ｆ）ないし（ｊ）の通信装置に使用した磁性シートは、厚さが０．２ｍｍであり、規定周波数ｆｃにおける透磁率の実数部μ´が５０．０で、虚数部μ″が７．１２である。

比較例（ｆ）は、スペーサ５を使用せず、比較例（ｇ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを１枚使用し、比較例（ｈ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを２枚使用し、比較例（ｉ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを３枚使用し、比較例（ｊ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを４枚使用した。

比較例に使用した非磁性シートは、前記実施例で使用したのと同じ厚さのＰＥＴシートである。

＜評価＞
実施例（ａ）ないし（ｄ）に示すように、共振周波数ｆ０を規定周波数ｆｃよりも高くすることで、共振周波数ｆ０が変動しても、最大通信距離がほとんど変わらない。特に、実施例（ｂ）ないし（ｄ）のように、共振周波数ｆ０を、規定周波数ｆｃよりも１ＭＨｚ以上で２ＭＨｚ以下の範囲で高くすると、共振周波数ｆ０が変動したときの最大通信距離の変化をわずかなものにできる。

すなわち、共振周波数ｆ０は、スペーサの厚さによって変化するとともに、磁性シートの透磁率や厚さによっても変化するものであるが、これら各要素の数値のばらつきによって共振周波数ｆ０が変動したとしても、そのときの最大通信距離のばらつきを少なくできる。

また、実施例（ａ）ないし（ｄ）で示すように、規定周波数ｆｃに対する透磁率の実数部が６０以上であると、アンテナ部２と磁性シートとの距離を変えることで、共振周波数ｆ０よりも高い周波数帯域に設定しやすくなる。

実施例１とは異なる磁性シートを使用して、実施例１と同じ評価を行った。
＜実施例＞
実施例（ｋ）ないし（ｍ）の通信装置に使用した磁性シート（磁性層４）は厚さが０．１ｍｍであり、規定周波数ｆｃ（１３．５６ＭＨｚ）での透磁率は、実数部μ´が７９．８で、虚数部μ″が１９．５である。

実施例（ｋ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを２枚使用し、実施例（ｌ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを３枚使用し、実施例（ｍ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを４枚使用した。非磁性シートはＰＥＴシートを使用した。

実施例（ｋ）は、アンテナ部２と磁性層４および金属部３を含む共振部の全体の共振周波数ｆ０が、規定周波数ｆｃ（１３．５６ＭＨｚ）よりも５００ｋＨｚ以上高く設定され、実施例（ｌ）（ｍ）は、共振周波数ｆ０が、規定周波数ｆｃよりも１ＭＨｚ以上で２ＭＨｚ以下の範囲で高く設定された。

＜比較例＞
比較例（ｎ）は、前記実施例（ｋ）ないし（ｍ）と同じ磁性シートを使用し、且つスペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを１枚使用した。比較例（ｏ）は、前記実施例（ｋ）ないし（ｍ）と同じ磁性シートを使用し、且つスペーサ５を設けなかった。その結果、共振周波数ｆ０は規定周波数ｆｃよりも低く設定された。

比較例（ｐ）ないし（ｔ）の通信装置は、実施例１に記載した前記比較例（ｆ）ないし（ｊ）に使用したのと同じ磁性シートを用いた。

比較例（ｐ）は、スペーサ５を使用せず、比較例（ｑ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを１枚使用し、比較例（ｒ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを２枚使用し、比較例（ｓ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを３枚使用し、比較例（ｔ）は、スペーサ５として厚さ１１５μｍの非磁性シートを４枚使用した。

比較例に使用した非磁性シートは、前記実施例で使用したのと同じ厚さのＰＥＴシートである。

＜評価＞
実施例（ｋ）ないし（ｌ）に示すように、共振周波数ｆ０を規定周波数ｆｃよりも５００ｋＭｚ以上高くすることで、共振周波数ｆ０が変動しても、最大通信距離がほとんど変わらない。特に、実施例（ｌ）と（ｍ）のように、共振周波数ｆ０を、規定周波数ｆｃよりも１ＭＨｚ以上で２ＭＨｚ以下の範囲で高くすることで、磁性シートの透磁率や厚さなどのばらつきによって、共振周波数ｆ０が変動したとしたも、そのときの最大通信距離の変化をわずかなものにできる。

また、規定周波数ｆｃに対する透磁率の実数部μ´が８０付近であると、スペーサの厚さを変えることで、共振周波数を規定周波数ｆｃよりも５００ｋＨｚ以上の帯域に設定しやすい。

すなわち、実施例１と実施例２とから、磁性層４の規定周波数ｆｃに対する透磁率の実数部μ´が６７以上で８０以下であると、スペーサの厚さを変化させることで、共振周波数ｆ０を規定周波数ｆｃよりも高い周波数範囲に設定しやすく、しかも周波数が変動しても通信距離が大きく変化しない通信装置１を得ることができる。また、磁性シートを０．５から１．５ｍｍの範囲で薄くでき、前記実施例のように０．１ｍｍとすることが可能である。

なお、図４に示す比較例（ｊ）と図５に示す比較例（ｔ）も、共振周波数ｆ０が規定周波数ｆｃよりも高い領域にあるため、本発明の範囲に入ることはもちろんである。

１ 通信装置
２ アンテナ部
３ 金属部
４ 磁性層

Claims (6)

1. 外部装置から送られる規定周波数の電磁波に同調するＬＣ共振部を有するアンテナ部と、前記外部装置と逆側から前記アンテナ部に対向する磁性層とが設けられた通信装置において、
   前記アンテナ部と前記磁性層とを含む共振部の共振周波数が、前記規定周波数よりも高い周波数帯域に設定されていることを特徴とする通信装置。
2. 前記磁性層は、前記アンテナ部の背部に位置する金属部と前記アンテナ部との間に配置されており、前記アンテナ部と前記磁性層および前記金属部を含む共振部の共振周波数が、前記規定周波数よりも高い周波数帯域に設定されている請求項１記載の通信装置。
3. 前記共振周波数は、前記規定周波数よりも５００ｋＨｚ以上高く設定される請求項１または２記載の通信装置。
4. 前記共振周波数は、前記規定周波数よりも１ＭＨｚ以上高く設定される請求項１または２記載の通信装置。
5. 前記規定周波数は、１３．５６ＭＨｚである請求項３または４記載の通信装置。
6. 前記共振周波数は、前記アンテナ部と前記磁性層の間の距離と、前記磁性層の透磁率との、いずれか一方の数値を変えることで設定される請求項１ないし５のいずれかに記載の通信装置。

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