JP2016021687A

JP2016021687A - 切替回路及びアンテナ装置

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Publication number: JP2016021687A
Application number: JP2014144768A
Authority: JP
Inventors: 良子中田; Ryoko Nakada; 中村　康行; Yasuyuki Nakamura; 康行中村
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-02-04

Abstract

【課題】通信性能を向上させる。
【解決手段】複数のコイルアンテナを有するアンテナ装置において、前記複数のコイルアンテナから通信に用いられるアンテナを選択するアンテナ選択部と、選択されたアンテナを当該切替回路の上位回路と導通させる切替部と、を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のコイルアンテナの接続先を切り替える切替回路及びアンテナ装置に関する。

近年では、近接型無線通信の通信端末として、携帯電話等の端末の他に、腕等に装着するウェアラブル端末が知られている。ウェアラブル端末は、携帯端末等と比べて小型である場合が多く、小型のアンテナが必要となる。

従来では、小型のアンテナとして、例えば、磁性体に導体コイルを巻きつけた形状の磁性体コイルを用いたものや、腕時計の時計盤に装着できる平面のループアンテナ等が既に知られている（特許文献１、２）。

磁性体コイルを用いたアンテナは、小型であるがゆえに通信範囲が狭く、また磁性体の中心付近では磁力線の向きが磁性体と平行になるため、アンテナの中心付近で読み取り装置のアンテナの磁束と鎖交することができず通信が途絶える可能性がある。

平面のループアンテナは、結合度を高くするために、読み取りを行うリーダライタ側のアンテナに対して読まれる側の端末の導体開口部位置を合わせる必要があるが、腕時計の時計板程度の大きさのループアンテナでは、お互いのアンテナの通信可能な箇所を検出することが困難である。

開示の技術は、複数のコイルアンテナを有するアンテナ装置において、前記複数のコイルアンテナから通信に用いられるアンテナを選択するアンテナ選択部と、選択されたアンテナを当該切替回路の上位回路と導通させる切替部と、を有する。

開示の技術によれば、通信性能を向上させることができる。

ウェアラブル端末の一例を示す図である。アンテナの選択を説明する第一の図である。アンテナの選択を説明する第二の図である。第一の実施形態の切替回路を説明する図である。第一の実施形態の極性判定器の一例を示す図である。ループアンテナに跨るアンテナが１つの場合を説明する図である。第二の実施形態のアンテナを説明する図である。共振周波数と出力電圧との関係を示す第一の図である。読み取り対象のアンテナとの結合を説明する図である。共振周波数と出力電圧との関係を示す第二の図である。第二の実施形態の切替回路を説明する図である。第二の実施形態の極性判定器の例を示す図である。第三の実施形態の切替回路を説明する図である。第三の実施形態の加算減算切替回路の一例を示す図である。第三の実施形態の加算減算切替回路の動作を説明する図である。第三の実施形態の加算減算回路の出力を説明する第一の図である。第三の実施形態の加算減算回路の出力を説明する第二の図である。

（第一の実施形態）
以下に図面を参照して第一の実施形態について説明する。図１は、ウェアラブル端末の一例を示す図である。

本実施形態のウェアラブル端末１００は、例えばウェアラブル端末１００の利用者の手首等に装着することが可能なリストバンド型の端末である。

本実施形態のウェアラブル端末１００は、アンテナ装置２００を搭載しており、ＮＦＣ（Near Field Communication）に準拠した近接無線通信を行う。また、本実施形態のウェアラブル端末１００は、カード・エミュレーションモードによる通信を行うものとした。カード・エミュレーションモードとは、ウェアラブル端末１００をＩＣ（integrated circuit）カード／ＮＦＣタグとして利用するモードであり、リーダライタから発信された信号を受けて、この信号に応答するモードである。

本実施形態のアンテナ装置２００は、通信相手のアンテナが発生する磁束と、磁気的に結合することで、通信相手との通信を行う磁気結合型のアンテナである。また、本実施形態のアンテナ装置２００は、例えば通信距離を１メートル以下程度とし、周波数が１３．５６ＭＨｚの信号の送受信を行う。

本実施形態のアンテナ装置２００は、５つのアンテナ２１、２２、２３、２４、２５を含む。アンテナ２１〜２５は、磁性体に導体コイルを巻きつけた形状の磁性体コイルを用いた磁性体コイルアンテナであり、略直線上に並べられて配置される。

本実施形態のアンテナ２１〜２５に用いられる磁性体としては、板状のフェライトがある。フェライトは、例えば焼結フェライト等である。また、磁性体が強磁性体である場合、磁性体は、鉄、ニッケル、コバルト、又はこれらの合金を用いても良い。さらに、磁性体は、可撓性を有するフレキシブルなシート状の部材であってもよい。

本実施形態のアンテナ２１〜２５に用いられるコイルとしては、例えば、銅線を用いることができるが、これに限定されない。本実施形態のコイルは、銀やアルミなどの導電性を持つ材料であれば良い。また、コイルに用いる導線の表面にはエナメルコートなどの保護皮膜が施してあっても良く、コイルの巻方向は一定でなくても良く、任意に決めることができる。

本実施形態のコイルの形状は、例えば、短手方向の長さが１０ｍｍ程度、長手方向の長さＢが１２ｍｍ程度、厚さが０．２ｍｍ程度であっても良い。尚、上記の数値は、これに限定されるものではなく、ウェアラブル端末１００の大きさや形状に応じて任意に設定されて良い。

本実施形態において、アンテナ２１〜２５の配置は、例えば、５ｍｍの間隔で設置しても良い。また、例えば、アンテナ２１〜２５のそれぞれ１１ｍｍの間隔をあけて配置されても良い。

また、本実施形態において、アンテナ２１〜２５は、等間隔に配置されなくても良い。
本実施形態のアンテナ２１〜２５は、ウェアラブル端末１００が、ウェアラブル端末１００と通信を行うリーダライタに翳されたとき、少なくとも２つのアンテナがリーダライタと重なるように配置されていれば良い。また、図１の本実施形態のアンテナ装置２００は、５つのアンテナ２１〜２５を有するものとしたが、アンテナ装置２００の有するアンテナの数は、５つに限定されず、任意の数であって良い。

本実施形態のウェアラブル端末１００は、リーダライタとの通信を行う際、アンテナ装置２００の有する複数のアンテナ２１〜２５から出力される電流又は電圧の大きさに応じて通信に用いるアンテナを選択する。

以下に、図２を参照して本実施形態のウェアラブル端末１００におけるアンテナの選択について説明する。

図２は、アンテナの選択を説明する第一の図である。図２（Ａ）は、ウェアラブル端末１００がリーダライタに翳された際の、アンテナ装置２００とリーダライタに設けられたループアンテナ３０の状態と、この状態におけるループアンテナ３０とアンテナ２１〜２５の断面の一例を示す図である。図２（Ｂ）は、アンテナ２１〜２５の出力（電流）を示す図である。図２（Ｃ）は、各アンテナのそれぞれのコイルに生じる負荷抵抗間の最大電圧を示す図である。

アンテナ装置２００では、リーダライタの導電部をアンテナ２１〜２５の何れかが跨ぐ状態となったとき、通信能力が最も大きくなる。本実施形態における通信能力とは、例えばアンテナから出力される電流又は電圧の大きさを示す。

また、図２に示すアンテナ２１〜２５の有するそれぞれのコイルの巻き方向は同じ向きとした。

図２（Ａ）の例では、アンテナ２２とアンテナ２４が、ループアンテナ３０に跨っている。

したがって、図２（Ａ）のループアンテナ３０において、アンテナ２２が跨る部分に流れる電流の向きは、アンテナ２４が跨る部分に流れる電流の向きと逆向きとなる。したがって、ループアンテナ３０において、アンテナ２２が跨る部分に発生する磁界の向きと、アンテナ２４が跨る部分に発生する磁界の向きとは、断面図に示すように逆向きとなる。よって、アンテナ２１のコイルに流れる電流Ｉ２２と、アンテナ２４のコイルに流れる電流Ｉ２４は、それぞれ逆向きとなる。

したがって、アンテナ２２の出力電流と、アンテナ２４の出力電流は、図２（Ｂ）に示すように、１８０度の位相差を有する波形となる。

また、図２の例では、ループアンテナ３０に跨っているアンテナ２２とアンテナ２４の出力電流の振幅が最も大きい。したがって、アンテナ２２、２４のコイルに生じる負荷抵抗間の出力電圧は、アンテナ２２、２４が最も大きくなる。

本実施形態のウェアラブル端末１００では、ウェアラブル端末１００がリーダライタに翳された際に、アンテナ装置２００において出力電流が大きいアンテナから順に、２つのアンテナを通信に用いるアンテナとして選択する。尚、ウェアラブル端末１００は、アンテナ装置２００のアンテナにおける負荷抵抗間の最大電圧が高い順に２つのアンテナを選択しても良い。

したがって、図２の例では、アンテナ２２とアンテナ２４が、リーダライタとの通信に用いるアンテナとして選択される。ウェアラブル端末１００は、選択されたアンテナ２２とアンテナ２４のそれぞれの出力電流の向きが異なる場合、両者を減算してリーダライタから受信した信号のレベルを増幅させる。

図３は、アンテナの選択を説明する第二の図である。図３（Ａ）は、ウェアラブル端末１００がリーダライタに翳された際の、アンテナ装置２０とリーダライタに設けられたループアンテナ３０の状態と、この状態におけるループアンテナ３０とアンテナ２１〜２５の断面の一例を示す図である。図３（Ｂ）は、アンテナ２１〜２５の出力（電流）を示す図である。図３（Ｃ）は、各アンテナのそれぞれのコイルに生じる負荷抵抗間の最大電圧を示す図である。

図３に示すアンテナ２１〜２５は、アンテナ２１、２３、２５がそれぞれ有するコイルの巻き方向が同じ方向であり、アンテナ２２、２４がそれぞれ有するコイルの巻き方向は、アンテナ２１、２３、２５の巻き方向と逆の方向とした。

図３（Ａ）の例では、アンテナ２２とアンテナ２４が、ループアンテナ３０に跨っている。

図３（Ａ）の例では、アンテナ２２とアンテナ２５が、ループアンテナ３０に跨っている。したがって、図３（Ａ）のループアンテナ３０において、アンテナ２２が跨る部分に流れる電流の向きは、アンテナ２５が跨る部分に流れる電流の向きと同じ向きとなる。したがって、ループアンテナ３０において、アンテナ２２が跨る部分に発生する磁界の向きと、アンテナ２５が跨る部分に発生する磁界の向きとは、断面図に示すように逆向きとなる。

ここで、図３（Ａ）の例では、アンテナ２２の有するコイルの巻き方向と、アンテナ２５の有するコイルの巻き方向が逆である。よって、アンテナ２１のコイルに流れる電流Ｉ２２と、アンテナ２５のコイルに流れる電流Ｉ２５は、それぞれ同じ向きとなる。

したがって、アンテナ２２の出力電流と、アンテナ２５の出力電流は、図３（Ｂ）に示すように、１８０度の位相差を有する波形となり、図３の例ではアンテナ２２とアンテナ２５が通信に用いるアンテナとして選択される。

本実施形態のウェアラブル端末１００は、選択されたアンテナ２２とアンテナ２５のそれぞれの出力電流の向きが同じである場合、両者を加算してリーダライタから受信した信号のレベルを増幅させる。

本実施形態のウェアラブル端末１００は、通信に用いるアンテナを選択すると、選択されたアンテナを介してリーダライタと通信を行えるように、選択されたアンテナを通信を行う通信部へ接続させる切替回路を有している。本実施形態の通信部とは、切替回路３００の上位回路であり、例えばリーダライタへ送信するデータが格納されたメモリであっても良い。

図４は、第一の実施形態の切替回路を説明する図である。本実施形態の切替回路３００は、アンテナ装置２００と、アンテナ装置２００を介してリーダライタと通信を行う通信部との間に接続されている。

本実施形態の切替回路３００は、アンテナ選択部３１０、第一切替部３２０、第二切替部３３０、極性判定部３４０、加算減算回路３５０を有する。

本実施形態の切替回路３００は、アンテナ選択部３１０により、通信に用いるアンテナとを選択し、第一及び第二切替部３２０、３３０により選択されたアンテナと加算減算回路３５０とを接続し、両者の出力電流を加算又は減算して通信部へ出力する。

本実施形態のアンテナ選択部３１０は、整流器３１１、３１２、３１３、３１４、３１５と、比較器３１６と、を有する。整流器３１１はアンテナ２１の一端と、整流器３１２はアンテナ２２の一端と、整流器３１３はアンテナ２３の一端と、整流器３１４はアンテナ２４の一端と、整流器３１５はアンテナ２５の一端とそれぞれ接続されている。尚、アンテナ２１〜２５の他端は、通信部と接続されている。

本実施形態の整流器３１１〜３１５は、アンテナ２１〜２５の出力電流を電圧へ変換する。整流器３１１〜３１５の出力は、比較器３１６に供給される。比較器３１６は、整流器３１１〜３１５のうち、出力電圧が最も大きい整流器と、次に出力電圧が大きい整流器とを選択する。そして比較器３１６は、選択された整流器と対応するアンテナの識別子を第一及び第二切替部３２０、３３０へ通知する。

より具体的には、本実施形態の比較器３１６は、整流器３１１〜３１５のそれぞれに接続されたアンテナ２１〜２５を識別する識別子を対応付けたテーブル等を有していても良い。比較器３１６は、例えば整流器３１２の出力電圧が最大で、整流器３１４の出力電圧がその次に大きかった場合、整流器３１２と対応するアンテナ２２の識別子（例えばＡＴ２２等）を第一切替部３２０へ通知する。また比較部３１６は、整流器３１４と対応するアンテナ２４の識別子（例えばＡＴ２４等）を第二切替部３３０へ通知する。

尚、本実施形態の比較器３１６は、出力電圧の大きい順に２つの整流器を選択するものとしたが、これに限定されない。本実施形態では、例えば出力電圧が大きい順に３つの整流器を選択しても良いし、出力電圧が最大の整流器を１つ選択しても良い。選択される整流器が１つである場合には、極性判定器３４０と加算減算回路３５０とは、設けられていなくても良い。

本実施形態の第一切替部３２０は、スイッチ素子ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＷ２３、ＳＷ２４、ＳＷ２５を有する。スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２５の一端は、アンテナ２１〜２５の出力とそれぞれ接続されており、スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２５の他端は、第一切替部３２０の出力端子と接続されている。

本実施形態の第一切替部３２０は、アンテナ選択部３１０から通知を受けたアンテナと接続されたスイッチ素子を導通させて、通知を受けたアンテナと加算減算回路３５０とを接続させる。

本実施形態の第二切替部３３０は、スイッチ素子ＳＷ３１、ＳＷ３２、ＳＷ３３、ＳＷ３４、ＳＷ３５を有する。スイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３５の一端は、アンテナ２１〜２５の出力とそれぞれ接続されており、スイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３５の他端は、第二切替部３３０の出力端子と接続されている。

本実施形態の第二切替部３３０は、アンテナ選択部３１０から通知を受けたアンテナと接続されたスイッチ素子を導通させて、通知を受けたアンテナと加算減算回路３５０とを接続させる。

本実施形態の加算減算回路３５０は、極性判定器３４０を参照し、第一切替部３２０の出力電流と、第二切替部３３０の出力電流とを加算するか又は減算するか判定し、判定した結果に基づく処理を行う。加算減算回路３５０の出力は、アンテナ装置２００が受信した信号として、通信部へ供給される。

本実施形態の極性判定器３４０は、例えばメモリ等で実現されるものであり、選択されたアンテナのコイルの巻き方向の組み合わせと、加算又は減算とが対応付けらたれ判定テーブルが格納されている。

図５は、第一の実施形態の極性判定器の一例を示す図である。本実施形態の極性判定器３４０は、選択される２つのアンテナのコイルの巻き方向の組み合わせのパターンと、加算又は減算が対応付けられている。本実施形態の極性判定器３４０では、２つのアンテナのコイルの巻き方向が一致しているパターン１とパターン４には減算が対応付けられており、２つのアンテナのコイルの巻き方向が逆のパターン２とパターン３には加算が対応付けられている。

尚、本実施形態の極性判定器３４０は、図示していないが、予めアンテナ２１〜２５のそれぞれのコイルの巻き方向が格納されたテーブルを有していても良い。

以下に、図２（Ａ）に示す状態における切替回路３００の動作について説明する。本実施形態のウェアラブル端末１００がリーダライタの近傍に翳されると、アンテナ装置２００のアンテナ２１〜２５は、リーダライタから受信した信号（出力電流）を出力する。アンテナ２１〜２５の出力電流は、アンテナ選択部３１０に供給される。

本実施形態のアンテナ選択部３１０は、整流器３１１〜３１５によりアンテナ２１〜２５の出力電流を整流して電圧へ変換し、比較器３１６へ出力する。比較器３１６は、整流器３１１〜３１５から、出力電圧が大きい順に２つの整流器を選択する。そして、比較器３１６は、選択された整流器の対応するアンテナの識別子を第一切替部３２０と第二切替部３３０のそれぞれへ通知する。

すなわち、本実施形態のアンテナ選択部３１０は、アンテナ２１〜２５の出力信号のレベルに応じて、通信に用いるアンテナを選択する。より具体的には、アンテナ２１〜２５の出力信号のレベルが高い方から順に２つのアンテナを選択する。

図２（Ａ）の状態では、比較器３１６は、アンテナ２２と接続された整流器３１２と、アンテナ２４と接続された整流器３１４とを選択し、アンテナ２２の識別子ＡＴ２２を第一切替部３２０へ通知する。また、比較器３１６は、アンテナ２４の識別子ＡＴ２４を第二切替部３３０へ通知する。

第一切替部３２０は、通知を受けて、アンテナ２２の接続されたスイッチ素子ＳＷ２２をオンさせる。また、第二切替部３３０は、通知を受けて、アンテナ２４の接続されたスイッチ素子ＳＷ３４をオンさせる。

本実施形態では、この第一及び第二切替部３２０、３３０のスイッチ素子の制御により、アンテナ２２とアンテナ２４とが加算減算回路３５０に接続される。

アンテナ２２とアンテナ２４の出力電流は、それぞれ加算減算回路３５０へ供給される。加算減算回路３５０は、極性判定部３４０を参照し、両者を加算するか減算するかを判定する。図２（Ａ）では、アンテナ２２、２４のコイルの巻き方向は同一であるため、加算減算回路３５０は、アンテナ２２、２４の出力電流を減算した結果を出力する。

本実施形態では、以上のように、出力電圧が大きい順にアンテナを選択し、選択したアンテナの出力電流を加算又は減算させることで、リーダライタから受信した信号を増幅させる。したがって、本実施形態では、通信性能を向上させることができる。

また、本実施形態では、上述の動作により選択されたアンテナを用いてリーダライタとの通信を行う。すなわち本実施形態では、リーダライタとの通信に適したアンテナを用いて通信を行うことができる。したがって、本実施形態によれば、通信性能を向上させることができる。

尚、本実施形態では、アンテナ装置２００の有するアンテナ２１〜２５において、リーダライタのループアンテナ３０に跨るアンテナが２つある場合を説明したが、これに限定されない。本実施形態は、ループアンテナ３０に跨るアンテナが１つの場合にも適用できる。

図６は、ループアンテナに跨るアンテナが１つの場合を説明する図である。図６（Ａ）は、ウェアラブル端末１００がリーダライタに翳された際の、アンテナ装置２０とリーダライタに設けられたループアンテナ３０の状態と、この状態におけるループアンテナ３０とアンテナ２１〜２５の断面の一例を示す図である。図６（Ｂ）は、各アンテナのそれぞれのコイルに生じる負荷抵抗間の最大電圧を示す図である。

図６の例では、ループアンテナ３０に跨るアンテナは、アンテナ２５のみである。したがって、図６（Ｂ）に示すように、負荷抵抗間に電圧が生じるのはアンテナ２５のみである。

この場合、切替回路３００は、アンテナ２５と、アンテナ２１〜２４の何れかを選択しても良いし、アンテナ２５のみを選択しても良い。

また、本実施形態のアンテナ選択部３１０は、出力電流が大きい順に２つのアンテナを選択するものとしたが、これに限定されない。本実施形態のアンテナ選択部３１０は、例えば出力電流又は出力電圧が予め設定された閾値以上のアンテナを、通信に用いるアンテナとして選択しても良い。

（第二の実施形態）
以下に図面を参照して第二の実施形態について説明する。本実施形態では、ウェアラブル端末が、リーダライタモードによる通信を行う点が第一の実施形態と相違する。以下の第二の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明し、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、説明を省略する。

リーダライタモードとは、例えばタグやＩＣカード等に対して情報の読み書きを行う。すなわち、本実施形態のウェアラブル端末１００は、データの送信を行う。

図７は、第二の実施形態のアンテナを説明する図である。本実施形態のウェアラブル端末１００の有するアンテナ装置２００Ａは、アンテナ２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ、２５Ａを有する。アンテナ装置２００Ａの有する各アンテナの構成はそれぞれ同様であるから、図７ではアンテナ２１Ａについて説明する。

本実施形態のアンテナ２１Ａは、磁性体コイルを用いたアンテナ２１と、コンデンサ７１と、定電流源７２とを有する共振回路である。本実施形態のアンテナ２１Ａは、定電流源７２から供給される定電流により駆動される。

本実施形態のアンテナ２１Ａでは、共振周波数のうち、振幅が最大値となる周波数をＦ０としたとき、周波数Ｆ０における振幅は、図８に示すように、波形成型後にＤＣ変換を行うことにより最大出力電圧Ｖ０となる。尚、本実施形態では、アンテナ２１の両端の電位差を出力電圧Ｖとした。図８は、共振周波数と出力電圧との関係を示す第一の図である。

本実施形態のウェアラブル端末１００は、ウェアラブル端末１００が読み取り対象のアンテナと接近すると、アンテナ２１Ａと読み取り対象のアンテナとが結合する。

図９は、読み取り対象のアンテナとの結合を説明する図である。

図９の例では、読み取り対象のアンテナ９０は、コイル９１とコンデンサ９２とを有している。アンテナ９０は、例えばウェアラブル端末１００により情報の読み書きが行われる対象となるタグやＩＣカード等に設けられたものであり、例えばループアンテナである。

ところで、従来から、共振回路を構成するアンテナと、共振周波数の略等しい読取対象のアンテナとが対向した至近距離にあって、結合係数が強まった場合、共振する周波数が元々のピークを持つ周波数とは異なる周波数二つに分離することが知られている。

例えば、リーダライタ側のアンテナと読み取り対象のアンテナにおいて、それぞれの固有の周波数Ｆ０を１３．５６ＭＨｚとして、２つのアンテナを近接させた場合、図１０に示すように周波数Ｆ０における振幅が結合係数に比例して下がっていく。すなわち、アンテナ間の距離が近くなるにつれて、リーダライタ側のアンテナ周波数Ｆ０における振幅は小さくなる。図１０は、共振周波数と出力電圧との関係を示す第二の図である。

本実施形態では、上記の現象に着目し、アンテナ装置２００Ａの有する各アンテナ２１Ａ〜２５Ａのうち、各アンテナ固有の共振周波数Ｆ０における出力電流の振幅が最も小さいアンテナが読み取る対象のアンテナ９０と最も距離が近いと判断する。

したがって、本実施形態では、例えばアンテナ９０がカード形状のループアンテナであった場合に、アンテナ２１Ａ〜２５Ａのうち出力電流の振幅が小さい順に２つのアンテナがループアンテナに跨っているアンテナであることがわかる。

本実施形態のウェアラブル端末１００は、上述したように、アンテナ装置２００Ａのアンテナ２１Ａ〜２５Ａにおいて出力電流の振幅が小さい順に２つのアンテナを選択し、通信に用いるアンテナとする。

本実施形態のウェアラブル端末１００は、選択されたアンテナを通信部と接続させるための切替回路３００Ａを有する。以下に、図１１を参照して本実施形態の切替回路３００Ａを説明する。本実施形態の通信部は、例えばリーダライタから発信されたデータもしくはタグやＩＣカード等から読み取ったデータの処理を行うものであり、切替回路３００Ａの上位回路である。

図１１は、第二の実施形態の切替回路を説明する図である。

本実施形態の切替回路３００Ａは、アンテナ選択部３１０Ａ、第一切替部３２０、第二切替部３３０、極性判定器３４０Ａ、極性切替部３６０を有する。

本実施形態のアンテナ選択部３１０Ａは、比較器３１６Ａを有する。比較器３１６Ａは、アンテナ２１Ａ〜２５Ａのそれぞれに接続された整流器３１１〜３１５から、出力電圧の小さい順に２つの整流器を選択する。

すなわち、本実施形態のアンテナ選択部３１０は、アンテナ２１Ａ〜２５Ａの出力信号のレベルに応じて、通信に用いるアンテナを選択する。より具体的には、アンテナ２１Ａ〜２５Ａの出力信号のレベルが低い方から順に２つのアンテナを選択する。

そして比較器３１６Ａは、選択された整流器と接続されたアンテナを識別する識別子を第一切替部３２０と第二切替部３３０へ通知する。本実施形態の比較部３１６Ａは、最も出力電圧が小さい整流器と対応するアンテナの識別子を第一切替部３２０へ通知し、次に出力電圧の小さい整流器と対応するアンテナの識別子を第二切替部３３０へ通知する。

本実施形態の極性切替部３６０は、第二切替部３３０の後段に設けられており、極性判定器３４０Ａを参照し、第二切替部３３０を介して出力されるアンテナの出力電流の極性を反転させる。

本実施形態の極性判定器３４０Ａは、選択される２つのアンテナのコイルの巻き方向の組み合わせのパターンと、アンテナの極性を反転させるか否かを対応付けたテーブルが格納されている。また、本実施形態の極性判定器３４０Ａは、アンテナ２１Ａ〜２５Ａのそれぞれの識別子と、アンテナ２１Ａ〜２５Ａのそれぞれの有するコイルの巻き方向とが対応付けられたテーブルを保持していても良い。

図１２は、第二の実施形態の極性判定器の例を示す図である。本実施形態の極性判定器３４０Ａは、選択される２つのアンテナのコイルの巻き方向の組み合わせのパターンと、出力電流の極性の反転を行うか否かが対応付けられている。本実施形態の極性判定器３４０Ａでは、２つのアンテナのコイルの巻き方向が一致しているパターン１とパターン４では出力電流の極性を反転させるものと対応付け、２つのアンテナのコイルの巻き方向が逆のパターン２とパターン３では出力電流の極性を反転させないものと対応付けている。

以下に、本実施形態の切替回路３００Ａの動作を説明する。

本実施形態では、発振器２１０から出力される信号が、アンテナ装置２００Ａの有する全てのアンテナ２１Ａ〜２５Ａへ提供され、読み取り対象のアンテナ９０へ信号を送信する。そしてアンテナ装置２００Ａは、読み取り対象のアンテナ９０から、送信した信号の応答を受信する。

このとき、本実施形態の切替回路３００Ａは、比較部３１６Ａにより、整流器３１１〜３１５のうち、出力電圧が小さい順に２つの整流器を選択し、選択された整流器と対応するアンテナの識別子を第一及び第二切替部３２０、３３０へ通知する。

ここでは、アンテナ２２Ａの識別子が第一切替部３２０へ通知され、アンテナ２４Ａの識別子が第二切替部３３０へ通知されるものとした。

第一切替部３２０は、通知を受けて、アンテナ２２Ａの接続されたスイッチ素子ＳＷ２２をオンさせる。また、第二切替部３３０は、通知を受けて、アンテナ２４Ａの接続されたスイッチ素子ＳＷ３４をオンさせる。

本実施形態では、このような切替回路３００Ａの動作により、アンテナ装置２００Ａにおいて、ループアンテナであるアンテナ９０に跨っているアンテナを選択することができる。

また、本実施形態において、選択されたアンテナによりデータの送信を行う場合、アンテナ９０に対して電流が流れる方向すなわち、ループの断面から見て逆向きの磁界が発生する必要がある。

ここで、極性切替部３６０は、極性判定器３４０Ａを参照し、アンテナ２１Ａ〜２５Ａのコイルの巻き方向に基づいて、アンテナ２４Ａの出力電流の向きを切り換える。本実施形態では、２つのアンテナのコイルの巻き方向が同じ向きであれば、極性切替部３６０によってアンテナ２４Ａの出力電流を反転させる。また、本実施形態てば、コイルの巻き方向が反対の向きであれば、コイル２４Ａの出力電流の向きを変更しない。

以上のように、本実施形態では、選択された２つのアンテナのうち、何れか一方のアンテナの出力電流の向きを制御することで、ループアンテナで電流が流れる方向に磁界を発生させることができる。

尚、本実施形態では、アンテナ９０からの応答を受信する際に、アンテナ２１Ａ〜２５Ａにおいて、時分割で応答を得るための信号を送信しても良い。アンテナ２１Ａ〜２５Ａから信号を送信する際に、それぞれのアンテナから異なるタイミングで信号を送信することで、信号同士が干渉しあうことを抑制できる。

また、本実施形態は、第一の実施形態と組み合わせることができる。例えば、ウェアラブル端末１００は、近接無線通信を行う際に、カード・エミュレーションモードか、又はリーダライタモードのどちらかを選択することが可能であっても良い。

その場合、ウェアラブル端末１００の切替回路は、第一の実施形態の切替回路３００と第二の実施形態の切替回路３００Ａの両方の機能を有するように設計される。

ウェアラブル端末１００は、例えば時間帯やウェアラブル端末１００の現在位置等に応じて、カード・エミュレーションモードか、又はリーダライタモードのどちらを選択するかが予め設定されていても良い。

（第三の実施形態）
以下に図面を参照して第三の実施形態について説明する。本実施形態では、加算減算回路において行う演算の種類をアンテナの出力から自動的に判定する点が第一の実施形態と相違する。以下の第三の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明し、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、説明を省略する。

図１３は、第三の実施形態の切替回路を説明する図である。本実施形態の切替回路３００Ｂは、アンテナ選択部３１０、第一切替部３２０、第二切替部３３０、加算減算回路３５０Ａ、減算回路３７０、加算減算切替回路３８０、整流器３９１、３９２を有する。

本実施形態の加算減算回路３５０Ａは、加算減算切替回路３８０から出力される切替信号のレベルに応じて、第一切替部３２０、第二切替部３３０それぞれの出力信号の加算又は減算を行う。

本実施形態の加算減算切替回路３８０には、第一切替部３２０の出力が整流器３９１を介して入力される。以下の説明では、整流器３９１を介した第一切替部３２０の出力をアンテナ検知信号と呼ぶ。また、加算減算切替回路３８０には、減算回路３７０の出力が入力される。以下の説明では、減算回路３７０の出力を減算信号と呼ぶ。

減算回路３７０には、アンテナ検知信号と、整流器３９２を介した加算減算回路３５０Ａの出力とが入力される。本実施形態の減算回路３７０は、負極側にアンテナ検知信号が入力され、正極側に整流器３９２を介した加算減算回路３５０Ａの出力が入力され、両者の減算結果を減算信号として加算減算切替回路３８０へ出力する。

本実施形態では、減算回路３７０により、第一切替部３２０の出力を整流器３９１を介してＤＣ電圧としたアンテナ検知信号を、第一切替部３２０及び第二切替部３３０の出力を加算又は減算した結果を整流器３９２を介してＤＣ電圧とした信号から減算する。そして、減算回路３７０の出力である減算信号の極性がプラスであった場合、加算減算回路３５０Ａの出力が、アンテナ選択部３１０で選択された最も出力電圧が大きいアンテナの振幅よりも大きいことを示す。したがって、加算減算回路３５０Ａによる演算の種類が正しいことを示す。

また、減算信号の極性がマイナスであった場合、加算減算回路３５０Ａの出力は、アンテナ選択部３１０で選択された最も出力電圧が大きいアンテナの振幅よりも小さくなる。これはすなわち、加算減算回路３５０Ａに入力される２つの信号が逆相になっているため、演算の種類を加算から減算に、又は減算から加算に切り替える必要があることを示す。

本実施形態では、加算減算回路３５０Ａは、切替信号がＬレベルのとき減算を行い、切替信号がＨレベルのとき加算を行うものとした。また、本実施形態では、初期設定として、切替信号をＬレベルとし、加算減算回路３５０Ａにおける演算の種類を減算とした。

したがって、例えば減算信号の極性がプラスであった場合、加算減算回路３５０Ａにおける演算は、減算に維持される。また、例えば減算信号の極性がマイナスであった場合、加算減算回路３５０Ａにおける演算は、加算に切り替えられる。

ここで、図１４を参照して本実施形態の加算減算切替回路３８０について説明する。図１４は、第三の実施形態の加算減算切替回路の一例を示す図である。

本実施形態の加算減算切替回路３８０は、ＯＲ回路３８１と、Ｄフリップフロップ３８２と、コンパレータ３８３と、を有する。

ＯＲ回路３８１の一方の入力にはコンパレータ３８３の出力信号が供給され、他方の入力には減算信号が供給される。ＯＲ回路３８１の出力は、Ｄフリップフロップ３８２のＣＫ端子へ供給される。Ｄフリップフロップ３８２に出力は、加算減算切替回路３８０の出力である切替信号として、加算減算回路３５０Ａへ供給される。

コンパレータ３８３は、一方の入力にアンテナ検知信号が供給され、他方の入力に基準値が供給される。コンパレータ３８３の出力信号は、アンテナ検知信号が基準値以上になったとき、ハイレベル（以下、Ｈレベル）となり、アンテナ検知信号が基準値未満の場合はローレベル（以下、Ｌレベル）となる。尚、アンテナ検出信号は、整流器３９１を介した第一切替部３２０の出力、すなわち出力の振幅が最大のアンテナの出力電圧である。

また、本実施形態の基準値は、例えば予め設けられた基準電圧源等により生成される信号であり、アンテナ装置２００の各アンテナが信号を受信したか否か判定させるための信号である。したがって、本実施形態では、例えばコンパレータ３８３の出力がＨレベルの場合には、アンテナ装置２００の各アンテナが信号を受信している状態であることを示す。

以下に、図１５を参照して、本実施形態の加算減算切替回路３８０の動作を説明する。図１５は、第三の実施形態の加算減算切替回路の動作を説明する図である。図１５（Ａ）は、減算信号の極性がプラスであった場合の動作を示す波形図であり、図１５（Ｂ）は、減算信号の極性がマイナスであった場合の動作を示す波形図である。

図１５（Ａ）に示すように、加算減算切替回路３８０において、減算信号の極性がプラス（Ｈレベル）の場合、ＯＲ回路３８１の出力は常にＨレベルとなり、Ｄフリップフロップ３８２へのクロック信号は供給されない。したがって、Ｄフリップフロップ３８２の出力は、初期設定のまま、Ｌレベルに維持される。したがって、加算減算回路３５０Ａにおける演算は、減算が維持される。

また、図１５（Ｂ）に示すように、加算減算切替回路３８０において、減算信号の極性がマイナス（Ｌレベル）であり、且つコンパレータ３８７３の出力信号がＬレベルの場合、切替信号はＨレベルとなる。したがって加算減算回路３５０Ａにおける演算は、加算となる。

また、本実施形態では、コンパレータ３８３の出力信号がＬレベルからＨレベルへ変わったとき、すなわちアンテナ装置２００が信号を受信したとき、ＯＲ回路３８１の出力がＬレベルからＨレベルへ反転し、切替信号がＤフリップフロップ３８２のＤ端子へ供給される。このため、Ｄフリップフロップ３８２の出力（切替信号）のレベルは反転し、Ｌレベルとなり、加算減算回路３５０Ａにおける演算は、減算となる。

以上のように、本実施形態では、加算減算回路３５０Ａにおける演算の種類を決める際に、アンテナ装置２００における各アンテナのコイルの巻き方向の情報を参照せずに決めることができる。

以下に、図１６、図１７を参照して、本実施形態の加算減算回路３５０Ａの出力について説明する。図１６は、第三の実施形態の加算減算回路の出力を説明する第一の図である。

図１６は、初期状態として、第一切替部３２０の出力と第二切替部３３０の出力とが逆相であり、加算減算回路３５０ＡにＬレベルの切替信号が供給された場合の加算減算回路３５０Ａの出力を示している。すなわち、図１６の例では、初期状態として、加算減算回路３５０Ａは、第一切替部３２０から出力される、出力の振幅が最大のアンテナの出力電圧と、第二切替部３３０から出力される、次に出力の振幅が大きいアンテナの出力電圧とを減算した場合を示している。

図１６では、第一切替部３２０の出力と第二切替部３３０の出力とが逆相であるため、加算減算回路３５０Ａの減算により、通信部へ供給されるアンテナ装置２００の出力信号の振幅は一切替部３２０の出力の振幅と第二切替部３３０の出力の振幅の和となる。したがって、減算回路３７０の出力である減算信号の極性はプラスとなり、加算減算回路３５０Ａでは減算が維持される。

したがって、本実施形態では、アンテナ装置２００の出力を十分な強度で後段の通信部に提供することができ、通信性能を向上させることができる。

図１７は、第三の実施形態の加算減算回路の出力を説明する第二の図である。

図１７は、初期状態として、第一切替部３２０の出力と第二切替部３３０の出力とが逆相であり、加算減算回路３５０ＡにＨレベルの切替信号が供給された場合の加算減算回路３５０Ａの出力を示している。すなわち、図１７の例では、初期状態として、加算減算回路３５０Ａは、第一切替部３２０から出力される、出力の振幅が最大のアンテナの出力電圧と、第二切替部３３０から出力される、次に出力の振幅が大きいアンテナの出力電圧とを加算した場合を示している。

図１７では、第一切替部３２０の出力と第二切替部３３０の出力とが逆送である。したがって、加算減算回路３５０Ａの加算により、通信部へ供給されるアンテナ装置２００の出力信号の振幅は、第一切替部３２０の出力の振幅を第二切替部３３０の出力の振幅で相殺した値となる。このため、減算回路３７０の出力である減算信号の極性はマイナスとなり、切替信号がＨレベルに反転する。

加算減算回路３５０Ａは、切替信号がＨレベルからＬレベルへ反転すると、演算の種類を加算から減算に切り替える。この切り替えにより、通信部へ供給されるアンテナ装置２００の出力信号の振幅は、第一切替部３２０の出力の振幅と第二切替部３３０の出力の振幅の和となる。したがって、本実施形態では、アンテナ装置２００の出力を十分な強度で後段の通信部に提供することができ、通信性能を向上させることができる。

また、本実施形態では、アンテナ選択部３１０により２つのアンテナを選択するものとしたが、これに限定されない。例えばアンテナ選択部３１０は、３つのアンテナを選択し、３つの出力信号を加算又は減算しても良い。

以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

２１〜２５、２１Ａ〜２５Ａ磁性体コイルアンテナ
１００ウェアラブル端末
２００、２００Ａアンテナ装置
３００、３００Ａ、３００Ｂ切替回路
３１０、３１０Ａアンテナ選択部
３２０第一切替部
３３０第二切替部
３４０、３４０Ａ極性判定器
３５０、３５０Ａ加算減算回路
３６０極性切替部
３７０減算回路
３８０加算減算切替回路

特許第４２１４９１３号公報特開２００７−１１５２６２号公報

Claims

複数のコイルアンテナを有するアンテナ装置において、前記複数のコイルアンテナから通信に用いられるアンテナを選択するアンテナ選択部と、
選択されたアンテナを当該切替回路の上位回路と導通させる切替部と、を有する切替回路。
前記コイルアンテナは、磁性体を用いたコイルアンテナであり、
前記アンテナ選択部は、
前記複数のコイルアンテナの出力信号のレベルが高い方から順に前記コイルアンテナを選択する請求項１記載の切替回路。
選択された前記コイルアンテナの出力信号を加算又は減算する加算減算回路と、
前記出力信号の加算又は減算のどちらを行うか判定の際に参照される判定器と、を有し、
前記判定器において、
前記コイルアンテナにおけるコイルの巻き方向の組み合わせのパターンと、加算又は減算とが対応付けられており、
前記加算減算回路は、
前記判定器を参照して前記出力信号を加算又は減算を行う請求項２記載の切替回路。
前記コイルアンテナは、
定電流源と、キャパシタと、磁性体コイルと、が並列に接続された共振回路であり、
前記アンテナ選択部は、
前記複数のコイルアンテナの出力信号のレベルが低い方から順に前記コイルアンテナを選択する請求項１記載の切替回路。
選択される前記コイルアンテナは複数であり、
選択される前記コイルアンテナの何れか一方の出力信号の極性を反転させる極性判定部と、
前記出力信号の極性を反転させるか否かを判定する際に参照される判定器と、を有し、
前記判定器において、
前記磁性体コイルの巻き方向の組み合わせのパターンと、前記出力信号の極性を反転させるか否かが対応付けられており、
前記極性判定部は、
前記判定器を参照した結果に基づく前記一方の出力信号の極性を反転させる請求項４記載の切替回路。
選択される前記コイルアンテナのうち、前記出力信号のレベルが高い方の前記コイルアンテナの出力信号と、前記加算減算回路の出力信号とを減算する減算回路と、
前記減算回路の出力信号の極性に応じた切替信号を、前記加算減算回路へ出力する加算減算切替回路と、を有し、
前記加算減算回路は、
前記切替信号に応じて加算又は減算を行う請求項３記載の切替回路。
複数のコイルアンテナと、
前記複数のコイルアンテナから通信に用いられるアンテナを選択するアンテナ選択部と、
選択されたアンテナを当該切替回路の上位回路と導通させる切替部と、を有するアンテナ装置。