JP2011175311A

JP2011175311A - 無線通信媒体

Info

Publication number: JP2011175311A
Application number: JP2010036801A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Honda; 洋一郎本田; Futoshi Deguchi; 太志出口
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2011-09-08

Abstract

【課題】受信時の受信性能を維持しつつ、送信時の送信性能を向上させる無線通信媒体を提供することを目的とする。
【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明は、誘電体シート８と、誘電体シート８に設けられた第１のループアンテナ９と、第１のループアンテナ９に接続されたＩＣチップ１１と、第１のループアンテナ９とは非接触状態で近接配置された第２のループアンテナ１０と、第２のループアンテナ１０の両端に接続された共振用コンデンサ１２とを備え、第１のループアンテナ９は１回巻きのループを有する構成にするとともに、第２のループアンテナ１０は複数回巻きのループを有する構成とした無線通信媒体。
【選択図】図２

Description

本発明は、商品や書籍に貼付されたＩＣタグや、個人認証等に用いられる非接触ＩＣカード等の無線通信媒体に関するものである。

一般に非接触ＩＣカードシステムと呼ばれているシステムは、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数帯を利用し、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、個人認証システム等において、実用化されつつある。

具体的には、商品や書籍に貼付されたＩＣタグや、個人認証等に用いられる非接触ＩＣカード等の無線通信媒体に、送受信装置の送受信アンテナから、電力と送信データを供給する。

また、無線通信媒体からの受信データは、前記送受信アンテナで受信し、送受信装置によって受信処理するようになっている。

ここで、上記無線通信媒体としては（特許文献１）のようなものが挙げられる。

特開２００４−２４６８１６号公報

しかしながら、上記従来の無線通信媒体は、送受信装置からの受信する特定の周波数に特化した送受信性能となっているため、送受信装置から効率よく受信できたとしても、無線通信媒体から送受信装置へデータ信号を送信するときの効率が悪く、送受信装置において無線通信媒体からの信号を受信できない恐れがあった。

そこで、本発明は上記従来の課題を鑑みて、受信時の受信性能を維持しつつ、送信時の送信性能を向上させる無線通信媒体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の無線通信媒体は、誘電体基板と、前記誘電体基板に設けられた第１のループアンテナと、前記第１のループアンテナに接続された制御部と、前記第１のループアンテナとは非接触状態で近接配置された第２のループアンテナと、前記第２のループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサとを備え、前記第１のループアンテナは１回巻きのループを有する構成にするとともに、前記第２のループアンテナは複数回巻きのループを有する構成とする。

以上のごとく本発明の無線通信媒体は、受信時の受信性能を維持しつつ、送信時の送信性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１にかかる非接触ＩＣカードシステムを示すブロック図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の概観図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の拡大図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の断面図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体をトランス回路を用いて表現した等価回路図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体をコイルを用いて表現した等価回路図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の結合係数Ｋと一次側電流Ｉ１の周波数特性図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の結合係数Ｋと二次側電流Ｉ２の周波数特性図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の動作概念図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の結合係数Ｋと送信出力、受信感度の周波数特性図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の結合係数Ｋと送信出力、受信感度の周波数特性図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の結合係数Ｋと通信総合評価図本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の拡大図

以下、本発明の実施の形態１について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかる非接触ＩＣカードシステムを示すブロック図で、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数帯を利用し、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、個人認証システム等に活用されるものである。

具体的には、商品や書籍に貼付されたＩＣタグや、個人認証等に用いられる非接触ＩＣカード等の無線通信媒体１に、送受信アンテナ２から、電力と送信データを供給し、ＩＣタグやＩＣカードからの信号を読み取る。

送受信アンテナ２には、整合回路３が設けられ、同軸ケーブル４を介して、リーダライタ装置５に接続されている。

また、リーダライタ装置５は、制御装置６を介してネットワーク回線７に接続され、無線通信媒体１に送るデータや無線通信媒体１から読み取ったデータをネットワーク回線７を通じてやり取りできるようになっており、送受信アンテナ２からネットワーク回線７までの構成で送受信装置を構成している。

以上説明したシステムにおける無線通信媒体について、図２〜図４を用いて詳細に説明する。図２は本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の概観図、図３は本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の拡大図、図４は本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の断面図、図５は本発明の実施の形態１にかかる無線通信媒体の断面図である。

図２に示すように、無線通信媒体１は、誘電体シート８上に、１回巻きの矩形状のループである第１のループアンテナ９と、第１のループアンテナ９の内外を囲むように設けられた複数回巻きの矩形状のループである送受信用の第２のループアンテナ１０と、第１のループアンテナ９の両端に接続されたＩＣチップ１１と、第２のループアンテナ１０の両端に接続された共振用コンデンサ１２とが設けられて構成されている。

また、第１のループアンテナ９、第２のループアンテナ１０の巻き軸（第１のループアンテナ９、第２のループアンテナ１０の中心）がほぼ一致するように構成されている。

なお、上記第１のループアンテナ９、第２のループアンテナ１０は、電気的に非接触状態で設けられている。

さらに具体的には、図３に示すように第１のループアンテナ９と第２のループアンテナ１０とが交差する部分の前後にスルーホール等を設けて、裏面等の異なる層に配線を行い、電気的に非接触に成るようにしている。

また、第２のループアンテナは、第１のループアンテナ９よりＩＣチップ１１や共振用コンデンサ１２が設けられている内周側に設けた内側ループアンテナ１０ａと、第１のループアンテナ９の外周側に設けられた外側ループアンテナ１０ｂにより構成され、第１のループアンテナ９は、内側ループアンテナ１０ａと外側ループアンテナ１０ｂとの間に配置されている。

また、図４に示すように、第１のループアンテナは同一平面上に設けられている。

なお、本実施の形態では、第１のループアンテナ９と第２のループアンテナ１０とは同一平面状に設けられているが、誘電体シート８の裏面や誘電体シート内に設けても良い。

また、本実施例では、第１のループアンテナ９、第２のループアンテナ１０ともに矩形状のアンテナとしているが、正方形状、三角形状、円形状であっても良く、開口部を有するループ形状であれば良い。

以上の構成により、無線通信媒体１は、送受信装置からの信号を第２のループアンテナ１０により受信し、第１のループアンテナ９と第２のループアンテナ１０の磁界結合により、第１のループアンテナ９に電力が供給され、これによりＩＣチップ１１が起動され、負荷変調により、送受信装置から信号の周波数とは異なる周波数にて送信信号を送受信装置へ送信する。

以上の構成となった第１のループアンテナ９と第２のループアンテナ１０を、トランス回路にて置き換えた等価回路を図５に、トランス回路を用いないでコイルを用いた等価回路を図６に示す。

これらの図５、図６に示すインダクタンス値Ｌ１が、第１のループアンテナ９が有するインダクタンス値Ｌ１を示している。また、インダクタンス値Ｌ２が、第２のループアンテナ１０が有するインダクタンス値Ｌ２を示している。

インダクタンス値Ｌ１とインダクタンス値Ｌ２の間には、電磁結合による相互誘導Ｍが存在する。

相互誘導Ｍとインダクタンス値Ｌ１とインダクタンス値Ｌ２の間には次の（式１）が成り立つ。

Ｍ＝Ｋ×√（Ｌ１×Ｌ２）・・・（式１）
ここでＫは結合係数である。Ｋは０≦Ｋ≦１の範囲の値と成る。よって結合係数Ｋが大きい程、相互誘導Ｍの値は大きく成る。

今、第１のループアンテナ９に流れる電流Ｉ１により生じる磁束により、相互誘導Ｍを介して、第２のループアンテナ１０の開放端に誘起電圧Ｖ２が生じる。第２のループアンテナ１０の開放端には共振用コンデンサ１２（Ｃ１）が接続されているため、インダクタンスＬ２とコンデンサＣ１から成る閉回路に電流Ｉ２が流れる。

第１のループアンテナ９に流れる電流Ｉ１の周波数特性と結合係数Ｋの関係を計算した結果を、図７に示す。

図７より結合係数Ｋの値がＫ＝１に近づくにつれ、すなわちＫが大きい程、共振周波数ｆｏを中心にその電流Ｉ１の値が小さくなり、またその周波数特性もＫが大きい程広帯域に渡って電流Ｉ１の値が小さくなっている事が分かる。

次に第２のループアンテナ１０に流れる電流Ｉ２の周波数特性と結合係数Ｋの関係を計算した結果を、図８に示す。

図８より、結合係数Ｋの値がＫ＝０に近い程、すなわちＫの値が小さい程その電流Ｉ２の値が小さく、結合係数Ｋの値が大きく成るにつれて徐々に電流Ｉ２の値は増加し、尚且つその周波数帯域も共振周波数ｆｏを中心に広がり、Ｋがある値で電流Ｉ２のピーク値（最大値）を取り、その後電流Ｉ２のピーク値は徐々に低下しつつも周波数帯域は、継続して広がっていることが分かる。

また、第１のループアンテナ９と、第２のループアンテナ１０から発生する磁束（磁界強度）について説明する。

一般にコイル導体を流れる電流Ｉにより発生する磁界強度Ｈは、コイル導体のインダクタンスをＬとすると次の（式２）で表される。

Ｈ∝Ｌ×Ｉ・・・（式２）
すなわち、磁界強度Ｈはインダクタンス値Ｌとコイル導体を流れる電流Ｉの積に比例する。

したがって、共振周波数ｆｏおいて、第１のループアンテナ９のインダクタンスＬ１を流れる電流Ｉ１により、発生する磁界強度をＨ１とすると、磁界強度Ｈ１はインダクタンス値Ｌ１とコイル導体を流れる電流Ｉ１の積に比例する。

同様に、第２のループアンテナ１０のインダクタンスＬ２を流れる電流Ｉ２により、発生する磁界強度をＨ２とすると、磁界強度Ｈ２はインダクタンス値Ｌ２とコイル導体を流れる電流Ｉ２の積に比例する。

しかしながら、図９に示すように電流Ｉ１と電流Ｉ２の流れる向きが逆方向であるため、それぞれの磁束の向きも逆となり、相殺現象が生じる。

その相殺現象を考慮した第１のループアンテナ９と第２のループアンテナ１０により構成される送受信アンテナとしての磁界強度Ｈは、磁界Ｈ２からＨ１を減じた値と成る。

すなわち、第１のループアンテナ９に流れる電流と、第２のループアンテナ１０に流れる電流の向きは反対方向と成るので、第１のループアンテナ９に電流が流れる結果として発生する磁束は、第２のループアンテナ１０に電流が流れる結果として発生する磁束を弱める状態と成る。

このため、本実施の形態１においては、第１のループアンテナ９を１回巻きのループを有する構成とすることで、第２のループアンテナ１０の磁束が弱められるのを抑制するようにしている。

具体的には、Ｌ２はＬ１の１０倍以上の値（Ｌ２≧１０×Ｌ１）とすることが好ましい。

さらに、本実施の形態１の周波数特性を示したものが図１０であり、前記図８に示した電流Ｉ２の特性にＬ２を乗じた値と略同一と成る。

ここで図１１を用いて、受信感度を無線通信媒体１が受信する受信周波数に特化した場合の従来例（Ｂ線）と本実施の形態１（Ａ線）とを比較すると、この図１１のごとく受信感度（受信性能）を維持しつつ、図１１中のｆｔで表される無線通信媒体１から送受信装置への送信信号を送る際の送信周波数の通信特性が大きく改善していることが分かる。

つまり、従来と比較して無線通信媒体１の送信性能が大きく向上していることが分かる。

また、周波数特性が広帯域となっているため、無線通信媒体が他のカードと重ねられるなどして共振周波数がずれた場合にも、著しい性能劣化は無く、効率よく受信することができる。

すなわち、無線通信媒体１の受信性能を維持しつつ、送信性能を大きく向上させることができる。

また、本実施の形態１においては、第１のループアンテナ９と、第２のループアンテナ１０との結合係数Ｋを調整することで、周波数特性の広帯域化を図ることができ、送受信性を向上させることができる。

次に、結合係数Ｋの最適値について図１２を用いて説明する。

図１２は結合係数Ｋをパラメータに、無線通信媒体１における送受信装置の送受信アンテナ２からの信号の受信性能と、送受信装置への送信性能と、それらの総和の総合性能を示したカーブである。

なお、Ａ線は受信性能、Ｂ線は送信性能、Ｃ線は総合通信性能を示している。

図１２を基に考察すると、受信性能（Ａ線）はＫ＝０．３〜０．７の範囲で、送信性能（Ｂ線）はＫ＝０．５〜０．９の範囲で良好なカーブを示している。

よって、送受信とも見た総合通信性能（Ｃ線）は結合係数Ｋ＝０．５〜０．７が最適である。本実施の形態１の構成において、概ねＫ＝０．７となり、良好な通信性能を有することが出来る。

以上のように本実施の形態１によれば、上記の構成により、第１のループアンテナ９と、第２のループアンテナ１０との結合係数Ｋを大きく取り、第２のループアンテナ１０に大きな電流を流す事により、周波数特性の広帯域化を実現することが出来る。

つまり、受信時の受信性能を維持しつつ、送信時の送信性能を向上させることができる。

なお、共振用コンデンサ１２は、上述したように共振用コンデンサ１２をチップとして設けるのではなく、図１３のように、誘電体シートを挟んで、表裏面に電極を設けることで、共振用コンデンサとして利用可能である。

また、本実施の形態では、第１のループアンテナ９を第２のループアンテナ１０に内外を囲むようにしているが、上述したＫの範囲であれば、第２のループアンテナ１０の最内周の内側に配置しても良いし、第２のループアンテナ１０の最外周の外側に配置しても良い。

以上のごとく本発明の無線通信媒体は、周波数特性の広帯域化を可能としたところから、受信時の受信性能を維持しつつ、送信時の送信性能を向上させることができ、ＩＣタグやＩＣカード等の利便性を向上させることができる。

１無線通信媒体
８誘電体シート
９第１のループアンテナ
１０第２のループアンテナ
１１ＩＣチップ
１２共振用コンデンサ

Claims

誘電体基板と、
前記誘電体基板に設けられた第１のループアンテナと、
前記第１のループアンテナに接続された制御部と、
前記第１のループアンテナとは非接触状態で近接配置された第２のループアンテナと、
前記第２のループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサとを備え、前記第１のループアンテナは１回巻きのループを有する構成にするとともに、前記第２のループアンテナは複数回巻きのループを有する構成とした無線通信媒体。
第１のループアンテナのインダクタンス値をＬ１、第２のループアンテナのインダクタンス値Ｌ２とし、Ｌ２はＬ１の１０倍以上の値（Ｌ２≧１０×Ｌ１）とした請求項１に記載の無線通信媒体。
第１のループアンテナと第２のループアンテナ間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋの値を、Ｋ＝０．５〜０．７とした請求項１、または２に記載の無線通信媒体。
第１のループアンテナは、第２のループアンテナを構成する内側ループアンテナと、その外側に配置された外側ループアンテナとの間に配置された請求項１〜３のいずれか一つに記載の無線通信媒体。
第１のループアンテナは第２のループアンテナの内側に配置した請求項１〜３のいずれか一つに記載の無線通信媒体。
第１のループアンテナは第２のループアンテナの外側に配置した請求項１〜３のいずれか一つに記載の無線通信媒体。