JP2011030106A - 非接触ｉｃカードリーダ・ライタのシールドアンテナ、そのアンテナ・シールド - Google Patents

Abstract

【課題】非接触ＩＣカードとの通信に必要な磁界成分の抑圧を最小限に抑えつつ、かつ電界成分の漏洩を最小限に抑える。
【解決手段】アンテナコイル１を挟むような形で、電界シールドパターンであるシールドパターン２およびシールドパターン３を配置する。シールドパターン２、３は、アンテナコイル１全体の幅Ｔよりも非常に幅狭のシールドパターンを何重にも巻くことで、全体として、アンテナコイル１全体を覆う形となっている。そして、シールドパターン２とシールドパターン３とが互いに逆向きに巻かれている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、非接触ＩＣカード・リーダ／ライタのアンテナのシールドに関する。

近年、電子マネーや電子乗車券などの分野において、非接触ＩＣカードの普及が進んでいる。
図４は、一般的な非接触ＩＣカードシステムの構成図である。

図４に示す非接触ＩＣカードシステムは、非接触ＩＣカード・リーダ／ライタ５０と非接触ＩＣカード６０から構成される。
非接触ＩＣカード・リーダ／ライタ５０は、通信制御部５１、送信回路５２、受信回路５３、アンテナ部（共振周波数調整用コンデンサ５４、調整用抵抗５５、アンテナコイル５６）等を有する。また、非接触ＩＣカード６０は、通信制御部６１、検波回路６２、受信回路６３、負荷変調回路６４、共振周波数調整用コンデンサ６５、アンテナコイル６６等を有する。

本発明は非接触ＩＣカード・リーダ／ライタ５０のアンテナコイル５６に係るものであり、上述した非接触ＩＣカード・リーダ／ライタ５０及び非接触ＩＣカード６０の各構成要素は、一般的なものであるので、ここでは特に説明しない。

以下、上述した各構成要素には特に触れることなく、非接触ＩＣカード・リーダ／ライタ５０と非接触ＩＣカード６０との通信について概略的に説明する。
まず、非接触ＩＣカード・リーダ／ライタ５０から放射される磁界により、非接触ＩＣカード６０は内蔵するＩＣが動作する為の電力を得て当該ＩＣを起動する。

リーダ・ライタ５０から非接触ＩＣカード６０への通信は、上記リーダ／ライタ５０が放射する磁界の振幅に変調をかけることによりを実現し、非接触ＩＣカード６０からリーダ・ライタ５０への通信は、リーダ・ライタ５０が放射する磁界に対して非接触ＩＣカード６０内で負荷を切り替えを行い、これをリーダ・ライタ５０が検出することにより行われる（負荷変調）。

つまり、非接触ＩＣカード・リーダ／ライタ５０−非接触ＩＣカード６０間の通信には磁界のみが必要であるが、実際にはリーダ・ライタ５０のアンテナコイル５６を流れる高周波電流により電界も放射され、これが周辺の他の電子機器に対して悪影響を及ぼす恐れがある、と言う問題があった。

上記の問題を解決するために、特許文献１の方式が提案されている。これは、アンテナコイルを覆う形で、コイルの上下に電界シールドパターンで挟むような構造により、電界の漏洩を抑制するものである。

特許文献１では、例えばその図１や図２に示すような(そして、後述する図５に示すような)形状の電界シールドを用いている。すなわち、そのシールドパターンの幅がアンテナコイルの全体幅と略同様となる、幅広の電界シールドを用いている。そして、この幅広のシールドパターンによりアンテナコイル全体が覆われることになる。

特開２００１−３２６５２６号公報

しかしながら、従来より、磁界により（電磁誘導効果により）導体内に渦電流が発生することが知られており、シールドにおいても渦電流が発生することになる。特に、アンテナコイルを特許文献１のような形状の（幅広の；面積の大きい）シールドで覆うと、例えば図５に示すようにシールドパターンに局所的に多数の渦電流が流れることにより、本来、放射されるべき磁界が抑圧される作用を及ぼす（渦電流による磁力線の打消し効果が大きい）と言う問題があった。つまり、通信可能距離が短くなるという問題があった。

よく知られているように渦電流の大きさは周波数に比例する。そして、ＩＣカードシステムではアンテナコイルを高周波信号が流れることになる。
本発明の課題は、非接触ＩＣカード・リーダ／ライタに係り、非接触ＩＣカードとの通信に必要な磁界成分の抑圧を最小限に抑えつつ、かつ他の機器に影響を及ぼす恐れのある電界成分の漏洩を最小限に抑えるためのシールドアンテナ、そのアンテナ・シールドを提供することである。

本発明による非接触ＩＣカード リーダ・ライタのシールドアンテナは、ループ状のアンテナコイルと、該アンテナコイルを挟むように配置される１対の電界シールドとを有し、該各電界シールドは、そのシールドパターンが一端は接地され他端は開放となっているループ状のパターンであり、該シールドパターンの幅は前記アンテナコイルの全体幅に比べて充分に狭く、且つ、前記アンテナコイルからの磁界により前記シールドパターン上に発生する誘導電流の向きが、前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなることを特徴とする。あるいは、ループ状のアンテナコイルと、該アンテナコイルを挟むように配置される１対の電界シールドとを有し、該各電界シールドは、そのシールドパターンが一端は接地され他端は開放となっており、かつ細い導線を複数回ループ状に巻き回すパターンであり、該シールドパターンの幅は前記アンテナコイルの全体幅と略同一であり、且つ、前記アンテナコイルからの磁界により前記シールドパターン上に発生する誘導電流の向きが、前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなることを特徴とする。 上記構成のシールドアンテナでは、ループ状のアンテナコイルを挟むような形で２つの電界シールドを形成すると共に、「アンテナコイルによる磁界によって電界シールドパターン上に生じる電流の向きが、２つの電界シールドで相互に逆向きになる」ように構成することで、磁界および電界に対する影響は、互いに相殺されることになる。

更に、幅狭のシールドパターンを用いる構成としたことで、局所的に渦電流が流れるにしても、特許文献１の構成に比べればその影響は小さなものとなる。
このように、本発明によれば、シールドパターン上に発生する電流による悪影響を抑制することができ磁界の抑圧を最小限に抑えることができる電界シールドを提供することができる。

上記構成は、一例としては、例えば、前記１対の電界シールドの前記シールドパターンが、相互に逆向きに巻かれていることにより、上記誘導電流の向きが前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなる。

あるいは、他の一例としては、前記１対の電界シールドの前記シールドパターンが同一パターンであり、一方のシールドパターンにおいて接地されている端は、他方のシールド
パターンにおいては開放されていることにより、上記誘導電流の向きが前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなる。

本発明のシールドアンテナ、そのアンテナ・シールドによれば、非接触ＩＣカードシステムのリーダ・ライタにおいて、通信に必要な磁界の抑圧を最小限に抑えつつ、つまり非接触ＩＣカードとの通信距離の低下を最小限に抑えつつ、他の電子機器へ影響を及ぼす恐れのある、電界の漏洩を最小限に抑えることが可能となる。

本例のリーダ／ライタのシールドアンテナの基本構成である。 本例のリーダ／ライタのシールドアンテナの構成図（その１）である。 本例のリーダ／ライタのシールドアンテナの構成図（その２）である。 一般的な非接触ＩＣカードシステムの構成図である。 特許文献１のシールドアンテナの問題点を説明する為の図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本例の非接触ＩＣカード リーダ／ライタのシールドアンテナの基本構成を示す。

図１において、アンテナコイル１は、上記従来で説明した図４に示す非接触ＩＣカード
リーダ／ライタ５０のアンテナコイル５６に相当するものであり、ループアンテナである。アンテナコイル１に例えば図４に示す送信回路５２から高周波電流が入力されることにより、電界及び磁界を発生させる。

本手法では、このアンテナコイル１にシールドを施しているものである。すなわち、図示の通り、アンテナコイル１を挟むような形で、電界シールドであるシールドパターン２およびシールドパターン３を配置している。この様にアンテナコイル１を挟むような形で２つの電界シールドパターンを形成すること自体は、上記特許文献１等に既に開示されていることである。但し、特許文献１はデータキャリアのアンテナに係るものであり、リーダ／ライタのアンテナに係るものではない。

尚、アンテナに対してシールドが施された構成を、シールドアンテナと呼ぶものとする。上記の例では、アンテナコイル１と、シールドパターン２およびシールドパターン３とから成る構成を、シールドアンテナと呼ぶことになる。また、アンテナに対するシールド構成（本例ではシールドパターン２およびシールドパターン３によるシールド構成）を、アンテナ・シールドと呼ぶものとする。

また、尚、図示しないが、アンテナコイル１と各シールドパターン２，３との間には、例えば電気絶縁層を介在させて電気的に絶縁している。これは、例えば、アンテナコイル１、及びシールドパターン２，３は、プリント基板に形成されている。これは、一般的なことであり、特に図示等しないが、例えば３層以上の導体層が積層された基板を使用するものである。尚、アンテナコイル１と各シールドパターン２，３との距離については特に言及しないが、出来るだけ距離が短いことが望ましい。

特許文献１等に開示のシールドパターンとの違いは、特許文献１等ではアンテナコイル全体を覆う形の幅の広いシールドパターンであるのに対して、本例では幅の狭い（少なくとも特許文献１のものに比べて非常に狭い）シールドパターンを何重にも巻いた形状となっている。つまり、１本の細い導線（金属線等）をループ状に何重にも巻いた形状（複数回ループ状に巻き回した形状）となっている。

図１に示すようにアンテナコイル１の全体幅をＴとした場合、特許文献１のシールドパターンの幅Ｔ１は、ほぼＴと同じとなる。一方、図１に示すシールドパターン２およびシールドパターン３は、その幅Ｔ２がＴやＴ１に比べて非常に（充分に）狭くなっている。そして、この様な幅狭のシールドパターンを何重にも巻くことでループパターンを形成し、シールドパターン２およびシールドパターン３は、全体として、アンテナコイル１全体を覆う形となっている。これは、アンテナコイル１パターンに対する法線方向（図示の矢印で示す）から見て、アンテナコイル１パターン全体を覆う形となっている。換言すれば、シールドパターン２，３の全体幅が、アンテナコイル１の全体幅と同程度（略同一）となっている。

但し、“アンテナコイル１パターン全体を覆う”といっても、従来の特許文献１のように隙間無く覆うものではなく、図１を見れば明らかなように、上記幅狭のシールドパターン間に隙間が生じている。換言すれば、全体としてシールドパターンの面積が特許文献１のものより小さい。

尚、上記「アンテナコイル１の全体幅Ｔ等に比べて非常に（充分に）狭い幅」に関する明確な定義や具体的な数値は示せないが、シールドパターン２、３は二重巻き以上の巻き数とするものと考えられるので、仮に二重巻きとしたならば、“２×Ｔ２＋隙間の幅”がＴやＴ１と略同様になることになるので、少なくともＴやＴ１の半分よりも狭い幅となるものと考えられる。図１〜図３に示すように三重巻きとするならば、幅Ｔ２は、少なくともＴやＴ１の１／３よりも狭い幅となるものと考えられる。

この様に、シールドパターン２およびシールドパターン３を例えばアンテナコイル１と同様のループパターンとし、このループパターンの幅を狭くすることにより、パターンを通過する磁束の本数が上記特許文献１に比べて少ないことから、結果として局所的に流れる渦電流の発生も抑制され（減少し）、磁界への影響を抑えることが可能となる。その一方で、上記の通り、シールドパターン２およびシールドパターン３は、全体として、（上記の通り隙間があるにせよ）アンテナコイル１全体を覆う形となるので、電界の漏洩を抑制する機能が極端に低下するようなことはない。

尚、上記幅狭のシールドパターンの幅の具体的数値については、特に言及しない。例えば、設計者等が、実験等により電界抑制の効果を確認しながら、適宜決定すればよい。
このようにして、本例のシールドアンテナによれば、遠方における電界成分を抑圧しつつ、非接触ＩＣカードとの通信に必要な磁界への影響を抑えることが可能となる。

また、シールドパターン２およびシールドパターン３の形状は、アンテナコイル１の形状と略同様の形状としてもよい。つまり、例えば図１に示す例ではアンテナコイル１は二重巻きとなっているが、シールドパターン２、３は三重巻きとなっている。これに対して、シールドパターン２、３を、アンテナコイル１の形状に合わせて二重巻きとするように構成してもよい。尚、これは、単に二重巻きとするだけでなく、アンテナコイル１の形状に合わせることが望ましい。すなわち、図１の法線上で見た場合に、アンテナコイル１のパターンがある位置の真上と真下に、シールドパターン２、３のパターン（導線）があるように配置することが望ましい。

また、図１に示す構成では、シールドパターン２とシールドパターン３は同じ形状となっており、また、シールドパターン２およびシールドパターン３は、一端が接地、他端が開放されたループパターンであることから、閉ループとはならず（開ループとなる）、したがってアンテナコイル１からの磁界の発生を妨げることはない。また、図１の構成では、図示の通り、シールドパターン２およびシールドパターン３は、同じ端が接地され、同じ端が開放されている。図示の例では、両方とも、ループの外側の端Ａが接地されており、ループの内側の端Ｂが開放されている。つまり、形状が同じだけでなく、接地、開放に関しても同じとなっている。

上記図１に示した基本的な構成に基づいて、図２、図３に示す構成を提案する。
図２、図３の構成は、その効果は同じである。勿論、どちらも上記図１の基本構成による効果も得られる。

図２、図３の構成では、アンテナコイル１から発生する磁界により微小な電流（誘導電流）がシールドパターン２，３を流れるとしても、流れる電流の向きはシールドパターン２とシールドパターン３とでは逆向きになるように構成することで、結果として上記電流による磁界および電界に対する影響が、互いに相殺されることになる。

図２、図３の構成は上記「流れる電流の向きが、シールドパターン２とシールドパターン３とで逆向きになるようにする」為の構成の一例を示すものである。
尚、図２のシールドパターンの形状は、図１とは多少異なることから、図示の通り、シールドパターン２’，３’と記している。これは、後述する図３においても同様であり、シールドパターン２’’，３’’と記している。

まず、図２の構成について説明する。
これについては図１の構成と異なる点について説明する。
上記の通り、図１の構成では、シールドパターン２の形状とシールドパターン３の形状とが同じとなっている。つまり、ループが同じ向きになっている。

これに対して、図２に示す構成では図示の通り、シールドパターン２’とシールドパターン３’とではループの向きが逆になっている。
この様に、シールドパターン２’とシールドパターン３’とが互いに逆向きに巻かれていることから、アンテナコイル１から発生する磁界により微小な電流（誘導電流）がシールドパターン２’，３’を流れるとしても、流れる電流の向きはシールドパターン２’とシールドパターン３’とでは逆向きになり（例えば図示の矢印の通り）、結果として磁界および電界に対する影響は、互いに相殺されることになる。

図３の構成は、上記「アンテナコイル１による磁界によってシールドパターン上に生じる電流の向きが、シールドパターン２とシールドパターン３とでは逆向きになる」構成の他の例である。

図３の構成では、図１の構成と同様、シールドパターン２’’の形状とシールドパターン３’’の形状とが同じとなっている。つまり、ループが同じ向きになっている。
但し、図１の構成では、シールドパターン２とシールドパターン３とで、接地する端、開放する端が、同じであった。すなわち、シールドパターン２、シールドパターン３のどちらも、ループの外側の端Ａが接地され、内側の端Ｂが開放されていた。

これに対して、図３の構成では、図示の通り、シールドパターン２’’とシールドパターン３’’とでは、接地する端、開放する端が、異なるものとなっている。図示の例では
、シールドパターン２’’に関してはループの外側の端Ａが接地、内側の端Ｂが開放であるが、シールドパターン３’’に関してはループの内側の端Ｂが接地、外側の端Ａが開放となっている。

図２、図３に示す構成例に限るものではなく、上記「アンテナコイル１による磁界によってシールドパターン上に生じる電流（誘導電流）の向きが、シールドパターン２とシールドパターン３とでは逆向きになる」ことを実現する構成であれば、他の構成であってもよい。

以上説明した通り、本例の非接触ＩＣカード リーダ／ライタのシールドアンテナでは、アンテナコイルを挟むような形で２つの電界シールドパターンを形成すると共に、「アンテナコイルによる磁界によって電界シールドパターン上に生じる電流の向きが、２つの電界シールドパターンで相互に逆向きになる」ように構成することで、磁界および電界に対する影響は、互いに相殺されることになるという効果が得られるようになる。

更に、この電界シールドパターンの幅を非常に狭いものとし（特許文献１の幅Ｔ１に比べて非常に狭いものとし；あるいはアンテナコイル１全体の幅Ｔに比べて非常に狭い（充分に狭い）ものとし）、また、２つの電界シールドパターンの形状は、ループ状に何重にも巻いた形状とすることで（例えばアンテナコイルと略同様の形状とすることで）、電界の漏洩を抑制しつつ、渦電流の発生を抑圧して磁界への影響を抑えることができる。

また、２つの電界シールドパターンは、一端が接地、他端が開放されたループパターンであることから、閉ループとはならず（開ループとなる）、アンテナコイル１からの磁界の発生を妨げることはない。

以上述べたことは、換言すれば、例えば特許文献１の構成に比べて、通信可能距離が長くなるという効果が得られるものとなる。

１ アンテナコイル
２ シールドパターン
３ シールドパターン

Claims (6)

1. ループ状のアンテナコイルと、
   該アンテナコイルを挟むように配置される１対の電界シールドとを有し、
   該各電界シールドは、そのシールドパターンが一端は接地され他端は開放となっているループ状のパターンであり、該シールドパターンの幅は前記アンテナコイルの全体幅に比べて充分に狭く、且つ、前記アンテナコイルからの磁界により前記シールドパターン上に発生する誘導電流の向きが、前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなることを特徴とする、非接触ＩＣカード リーダ・ライタのシールドアンテナ。
2. ループ状のアンテナコイルと、該アンテナコイルを挟むように配置される１対の電界シールドとを有し、
   該各電界シールドは、そのシールドパターンが一端は接地され他端は開放となっており、かつ細い導線を複数回ループ状に巻き回すパターンであり、
   該シールドパターンの幅は前記アンテナコイルの全体幅と略同一であり、且つ、前記アンテナコイルからの磁界により前記シールドパターン上に発生する誘導電流の向きが、前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなる
   ことを特徴とする、非接触ＩＣカード リーダ・ライタのシールドアンテナ。
3. 前記１対の電界シールドの前記シールドパターンが、相互に逆向きに巻かれていることにより、前記誘導電流の向きが前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触ＩＣカード リーダ・ライタのシールドアンテナ。
4. 前記１対の電界シールドの前記シールドパターンが同一パターンであり、一方のシールドパターンにおいて接地されている端は、他方のシールドパターンにおいては開放されていることにより、前記誘導電流の向きが前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触ＩＣカード リーダ・ライタのシールドアンテナ。
5. アンテナコイルを挟むように配置される１対の電界シールドであって、
   該各電界シールドは、そのシールドパターンが一端は接地され他端は開放となっているループ状のパターンであり、該シールドパターンの幅は前記アンテナコイルの全体幅に比べて充分に狭く、且つ、前記アンテナコイルからの磁界により前記シールドパターン上に発生する誘導電流の向きが、前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなることを特徴とする、非接触ＩＣカード リーダ・ライタのアンテナ・シールド。
6. アンテナコイルを挟むように配置される１対の電界シールドであって、
   該各電界シールドは、そのシールドパターンが一端は接地され他端は開放となっており、かつ細い導線を複数回ループ状に巻き回すパターンであり、
   該シールドパターンの幅は前記アンテナコイルの全体幅と略同一であり、且つ、前記アンテナコイルからの磁界により前記シールドパターン上に発生する誘導電流の向きが、前記１対の電界シールドで相互に異なる向きとなる
   ことを特徴とする、非接触ＩＣカード リーダ・ライタのアンテナ・シールド。