JP3587185B2

JP3587185B2 - 誘導無線アンテナ、およびこれを用いた非接触データ通信装置

Info

Publication number: JP3587185B2
Application number: JP2001301401A
Authority: JP
Inventors: 道明谷口; 敏哉北川
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: EP1298761A2; US20030063034A1; JP2003110338A; EP1298761A3; US7342548B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は誘導無線アンテナ、これを用いたデータ通信方法および非接触データ通信装置に関し、特に、物流システムや電子回数券システムなどの非接触識別装置に用いられる誘導無線アンテナ、これを用いたデータ通信方法および非接触データ通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、組立搬送ラインや物流システムで用いられる物品識別システムや電子回数券システムなどにおいては、物品を識別して管理するシステムが必要となる。
【０００３】
図２１はそのようなシステムにおける概略の構成を示す図である。図２１に示すように、非接触識別装置のデータキャリア（以下、タグと称する）２０１，２０２はカード型やコイン型に加工されており、内部にプリントコイル２０３，２０４とＩＣチップ２０５，２０６を含んで構成されている。これらのタグ２０１，２０２は管理したい商品２０７に貼り付けられ、アンテナゲート２０８，２０９を通過する際に、非接触でデータの送受信が行なわれ、物流，セキュリティなどの分野で商品管理や搬送履歴管理ツールとして使用されている。
【０００４】
図２１に示す非接触識別装置のアンテナゲート２０８，２０９には誘導無線アンテナが内蔵されており、このような誘導無線アンテナに要求される最重要項目は、読取領域内でのすべての点において通信に必要な磁界強度を確保することである。非接触識別装置の読み書き装置とタグ２０１，２０２との通信は、送受信アンテナとタグ２０１，２０２に形成されたループアンテナ２０３，２０４との相互インダクタンスによる結合を利用している。
【０００５】
タグ２０１，２０２のループアンテナ２０３，２０４に発生する誘導起電力は送受信アンテナとタグ２０１，２０２側のループアンテナ２０３，２０４との相互インダクタンスをＭ、送信アンテナに発生する電流をｉとすると、−Ｍ（ｄｉ／ｄｔ）と表わすことができる。このことは、ｉ＝一定のとき、所定の磁界強度を確保するためには、所定値以上の相互インダクタンスＭを発生させなければならないことを意味する。すなわち、Ｍ＝０の場合、読出アンテナの電流をいくら大きくしても、タグ２０１，２０２には電力が供給されず、読み書きアンテナとタグ２０１，２０２との通信は不可能となる。
【０００６】
しかし、平面上に構成されることが多い従来のアンテナでは、読み書き領域内にＭ＝０またはＭが非常に小さい領域が必ず存在する。
【０００７】
図２２は１回巻きのループアンテナ同士の相互インダクタンスについて図示したものである。図２２において、送信アンテナ２２０から出る磁束線を矢印付きの実線で示しており、単位面積当りの磁束線が多いほど磁束密度が大きいことを示している。また、送信アンテナ２２０の電流により発生した磁束がタグのアンテナループを貫く磁束密度は、読み書きアンテナとタグのアンテナとのＭに比例する。したがって、タグのループ内を貫く磁束線の本数が多いほど、相互インダクタンスＭが大きいことを示して示している。
【０００８】
図２２に示すタグ２１１は送信アンテナ２２０と同一軸上にあって、送信アンテナループとタグのループが平行になるような位置にある。この位置関係の場合、送信アンテナ２２０が発生する磁束の鎖交数が多く、相互インダクタンスＭが大きいことを示している。これに対して、タグ２１２のように、送信アンテナ２２０のループとタグのループがそれぞれ直交するようにタグを配置した場合、鎖交する磁束は０となり、Ｍ＝０となることを示している。
【０００９】
また、タグ２１３の場合は、送信アンテナ２２０と平行ではあるが、送信アンテナ２２０の中心軸方向の投影面から外れた位置にある場合である。このような場合、タグ２１３を鎖交する磁束の数が非常に少なく、相互インダクタンスＭが小さくなる。送信アンテナ２２０と給電点がただ１つのアンテナシステムの場合は、このようにタグの位置と方向により、相互インダクタンスＭが０になるか非常に小さい領域が必ず存在する。したがって、より広い領域でタグの方向性を限定せず、所定の相互インダクタンスＭを発生させるようなアンテナシステムに使用とすると、必然的に読み書きアンテナや給電点の数を増やす必要があった。
【００１０】
図２３は送信アンテナを２つにしたときのループアンテナ同士の相互インダクタンスについて図示したものである。図２２と同様にして、送信アンテナ２２０の他に、送信アンテナ２２１から放射される磁界を矢印付き破線の磁束線として示している。このように、２つの送信アンテナ２２０，２２１を設置した場合、送信アンテナ２２０との相互インダクタンスＭが十分でなかったタグ２１２，２１３に対しても、送信アンテナ２２１によって生じた磁束線が貫くようになり、送信アンテナ２２１との相互インダクタンスＭが発生する。したがって、アンテナの数を増やせば増やすほど、より複雑な磁界を発生することができて、タグの方向や位置にかかわらず、交信可能にできる可能性が高くなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法には大きな問題点がある。図２３に示したように、送信アンテナ２２０と送信アンテナ２２１は互いに多くの磁束が鎖交しており、送信アンテナ同士の相互インダクタンスＭが大きくなっていることを示している。すなわち、送信アンテナ２２０に給電した電力の一部が、相互誘導により送信アンテナ２２１にも供給されてしまい、送信アンテナ２２０に給電した電力がすべて送信アンテナ２２０のアンテナ電流として供給されないばかりか、送信アンテナ２２１から遠方電磁界強度を増加させてしまう。
【００１２】
このように、複数のアンテナを互いに重なり合うような配置にして、独立制御することは非常に難しい。このことから、従来、複数のアンテナを用いる場合は、アンテナ同士の相互インダクタンスが小さくなるように、アンテナ同士に一定距離をおいて配置していたが、安定した読み書き可能領域を十分確保できないという問題がある。
【００１３】
また、特開２０００−２５１０３０号公報に記載されているように、アンテナを空間的に直交させて配置する方法がある。しかし、このような構造のアンテナは、構造が複雑で高価になり、実用的ではなかった。
【００１４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、アンテナ同士の相互インダクタンスの総和が小さく、安価で通信品質の優れた誘導無線アンテナ、これを用いたデータ通信方法および非接触データ通信装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の観点に係る誘導無線アンテナは、互いに別々に給電可能である第１、第２、および第３のアンテナを備える。第１および第２のアンテナは、各々が、給電時に互いに逆方向に電流を流す第１および第２の領域を有し、かつ、第１のアンテナは、その第１の領域が第２のアンテナの第１および第２の領域と電磁結合するように配置されかつその第２の領域が第２のアンテナの第１および第２の領域と電磁結合するように配置される。第２のアンテナへの給電時、第１のアンテナの第１および第２の領域がそれぞれ第２のアンテナの第１の領域との電磁結合により生じる誘導起電力が、第１のアンテナの第１および第２の領域が前記第２のアンテナの第２の領域との電磁結合により生じる誘導起電力と実質的に相殺される。第３のアンテナは、第１のアンテナの第１および第２の領域と電磁結合され、第１のアンテナは給電時、第３のアンテナにその第１および第２の領域からの電磁結合により実質的に互いに相殺される誘導起電力を生じさせる。この第３のアンテナは、さらに、第２のアンテナの第１および第２の領域と電磁結合され、第２のアンテナへの給電時、第２のアンテナの第１および第２の領域との電磁結合により、第３のアンテナには互いに相殺される誘導起電力が生じる。
この発明の第２の観点に係る誘導無線アンテナは、互いに別々に給電可能である第１、第２、および第３のアンテナを備える。第１および第２のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となるような位置関係に配置され、第２および第３のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となる位置関係に配置され、かつ第１および第３のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となるような位置関係に配置される。残留相互インダクタンスは、逆方向の起電力を生じさせる領域の相互インダクタンスの差を示す。第１のアンテナは、概８の字形状に形成され、第２のアンテナは、概８の字形状に形成されかつ前記第１のアンテナと実質的に９０度回転して配置される。
この発明の第３の観点に係る誘導無線アンテナは、互いに別々に給電可能である第１、第２、および第３のアンテナを備える。第１および第２のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となるような位置関係に配置され、第２および第３のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となる位置関係に配置され、かつ第１および第３のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となるような位置関係に配置される。残留相互インダクタンスは、前記逆方向の起電力を生じさせる領域の相互インダクタンスの差を示す。第１および第２のアンテナは、各々、概８の字形状を形成するように配置され、かつ給電時互いに逆方向に電流を流す第１および第２の領域を有し、前記第１のアンテナは、前記第２のアンテナに対して９０度回転されて配置され、第３のアンテナは、前記第１および第２のアンテナ各々の第１および第２の領域それぞれと電磁結合されるように配置される。
【００１６】
これにより、アンテナ同士の結合はわずかな相互誘導による結合と静電結合だけとなり、アンテナ同士を平行平面上に配置したり、あるアンテナへの給電状態を時間的に変化させたりした場合でも、別のアンテナに与える影響を小さくすることができる。すなわち、簡単な構造で給電された電力を効率よく電磁界に変換できると同時に、遠方電磁界強度も小さく押さえることができるので、小型，軽量，安価で通信品質の優れた誘導無線アンテナを実現することができる。
【００２０】
さらに、第１のアンテナは相反する向きの磁束を発生するために概８の字形状に形成されることを特徴とする。
【００２１】
また、第２のアンテナは、概８の字形状に形成され、第１のアンテナに対して９０度回転して配置されることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態のシステム構成を示すブロック図である。この図１に示したシステム構成は振幅変調方式を採用した好ましい実施形態として電源回路を除外して示したものである。
【００２９】
図１において、非接触識別装置は第１のアンテナ１と、第２のアンテナ２と、コントローラ３と、アンテナ周辺回路４とから構成される。コントローラ３は主としてタグ６の記憶回路６２に対してデータを読み書きするための質問器として機能する。このために、コントローラ３は制御回路３１とＣＰＵ３２と搬送波発生回路３３と変調回路３４と増幅回路３５と復調回路３６と濾波回路３７とを含む。また、アンテナ周辺回路４はアンテナ選択回路４１とインピーダンス整合回路４２と４３とを含み、アンテナ１はインピーダンス整合回路４２に接続され、アンテナ２はインピーダンス整合回路４３に接続される。
【００３０】
コントローラ３は上位システム５に接続されており、ＣＰＵ３２の記憶装置から符号化されたデータが制御回路３１を介して変調回路３４に与えられる。変調回路３４は搬送波発生回路３３から与えられる搬送波と、基本波に重畳されたデータとを混合し、混合された変調済みの搬送波は増幅回路３５で増幅され、アンテナ選択回路４１からインピーダンス整合回路４２または４３を介してアンテナ１または２に給電される。そして、選択されたアンテナ１または２から空中へ電磁界として放出される。
【００３１】
一方、タグ６はプリントコイルからなるアンテナ６１と記憶回路６２と制御回路６３と変調回路６４とインピーダンス整合回路６５と復調回路６６と検波回路６７とを含む。なお、タグによってはインピーダンス整合回路６５を持たないものもある。非接触識別装置のアンテナ１または２から放出された電磁界により、タグ６のアンテナ６１に誘導起電力が発生し、タグに必要な電力が供給される。同時に、アンテナ６１に発生した誘導起電力はインピーダンス整合回路６５を介して復調回路６６に与えられ、復調回路６６によって搬送波が除去され、検波回路６７によって復号化され、制御回路６３にデータが与えられる。制御回路６３はそのデータを記憶回路６２に記憶させる。
【００３２】
次に、タグ６からデータを読出す場合は、タグ６の制御回路６３に対してコントローラ３から読出命令が送信される。タグ６の制御回路６３は記憶回路６２からコントローラ３により指示された領域のデータを読出し、タグ６の変調回路６４によってアンテナ６１のインピーダンスを変化させる。タグ６のアンテナ６１と非接触識別装置のアンテナ１または２とは相互インダクタンスを介して結合しており、タグ６のアンテナ６１のインピーダンスが変化すると、非接触識別装置側のアンテナインピーダンスが変化するので、アンテナ周辺回路４から検波回路３７を介して復調回路３６に入力される電圧も変化し、復調回路３６によって搬送波が除去され、復号化されてデータが取出され、そのデータが制御回路３１によってＣＰＵ３２内の記憶装置に書込まれる。
【００３３】
このように、タグ６と非接触識別装置との間でデータの読み書きを繰返すことにより、データ通信が行なわれる。なお、ここでは一例として振幅変調方式について説明したが、これに限定されるものではない。
【００３４】
図２は図１に示したコントローラ３のＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。図２において、ＣＰＵ３２は電源投入後ステップ（図示ではＳＰと略称する）ＳＰ１において初期化され、ステップＳＰ２においてアンテナ切換であるか否かが判別され、アンテナの切換命令であればステップＳＰ３において所定のアンテナを選択状態にする。ステップＳＰ４において電力が安定するまで待機する。これは、タグ６側で電磁結合により供給される電力が安定化するまで所定の時間待機するものである。
【００３５】
ＣＰＵ３２は上位システム５から受けた命令に基づき、ステップＳＰ５において書込命令であるかあるいは読出命令であるかを判別する。書込命令であればステップＳＰ６において書込命令を送信し、ステップＳＰ７において書込データを送信する。読出命令であれば、ステップＳＰ８において読出命令を送信し、ステップＳＰ９において読出データを受信したか否かを判別し、読出データを受信していればステップＳＰ１０において読出データをＣＰＵ３２内の記憶装置に書込む。読出データを未受信であれば、ステップＳＰ１１において読出待ち時間が経過したか否かを判別し、その待ち時間を経過するまでステップＳＰ９，ステップ１１を繰返す。もし、読出待ち時間を経過していればステップＳＰ２に進む。
【００３６】
このようにして非接触識別装置とタグ６との間でデータの書込みまたは読出しが行なわれる。
【００３７】
図３は図１に示したアンテナ１，２の好ましい実施形態を示した図である。図３において、第１のアンテナ１はアンテナ導体１０１，１０２を概８の字型に形成したものであり、遠方電磁界強度を低減させる効果を狙って、採用されている。第１のアンテナ１はアンテナ導体１０１と１０２とによって上半分と下半分の領域に分割されている。一方、第２のアンテナ２はアンテナ導体１０３から構成されており、第１のアンテナ１と同一平面上または平行平面上に形成されているが、第１のアンテナ１と交差するいずれの交点でも第１のアンテナ１には接続されず、第１のアンテナ１の上半分と下半分とそれぞれ領域Ｓ１，Ｓ２を介して電磁誘導結合している。
【００３８】
第１のアンテナ１には、第１の給電点１１１から電力が供給され、第１のアンテナ１のアンテナ電流として増加が観測される。アンテナ１上に示した矢印は、ある時刻に観測されるアンテナ電流の向きを示したものである。また、アンテナ２には、第２の給電点１１２から電力が供給される。アンテナ２上に示した矢印はアンテナ１との相互インダクタンスに起因する誘導起電力の向きをその誘導起電力により流そうとする誘導電力の向きとして示している。
【００３９】
アンテナ２に生ずる誘導起電力の向きは領域Ｓ１とＳ２において、正反対の向きに誘導電流を流す向きに発生している。すなわち、領域Ｓ１と領域Ｓ２にそれぞれ生じる誘導起電力は互いに他方の誘導起電力を打消す向きに生じる。ここで、特にＳ１／Ｓ２＝１（Ｓ１＝Ｓ２）である場合、アンテナ２の全体に生じる誘導起電力は０となる。すなわち、アンテナ１とアンテナ２との残留相互インダクタンスが０となる状態である。
【００４０】
アンテナ２に第２の給電点１１２から電力を供給した場合も同様に、相互インダクタンス領域Ｓ１，Ｓ２が重なり合っているので、アンテナ１に誘導起電力が発生するが、これも特にＳ１／Ｓ２＝１である場合、残留相互インダクタンスが０になり、アンテナ１に誘導起電力は発生しない。このことは、給電された電力を別のアンテナに奪われたり、別のアンテナに給電された電力により、アンテナ電流を発生させられたりすることがなく、独立した２系統の給電点およびアンテナがあるのと等価であることを意味している。
【００４１】
すなわち、あるアンテナのインピーダンスや給電状態が変化しても、別のアンテナは、その影響を受けてインピーダンスやアンテナ電流が変化することがないため、アンテナへ供給された電力を極めて効率よく電磁界に変換できる上、遠方電磁界強度も極めて低いレベルで制御しながら、複数のアンテナを設置することができる。
【００４２】
ここで、この発明の無線誘導アンテナの自己インダクタンスと相互インダクタンスの関係について詳細に説明する。アンテナ１のアンテナ導体１０１，１０２で生じる自己インダクタンスをＬ_１とし、アンテナ１からの電磁誘導作用によりアンテナ２にそれぞれ逆向きの誘導起電力を生じさせる第１の相互インダクタンスＭ_１と第２の相互インダクタンスＭ_２の差（｜Ｍ_１−Ｍ_２｜）を残留相互インダクタンスＭ_ｒとすると、アンテナ１の等価インダクタンスはＬ_１−Ｍ_ｒと表わされることから、Ｍ_ｒ＝（Ｌ_１／２）の場合、アンテナ１の等価インダクタンスはＬ_１／２となる。すなわち、アンテナ１の等価インダクタンスと残留相互インダクタンスが等しい状態であるから、アンテナ１に給電された信号電力とアンテナ２にアンテナ１からの電磁誘導を受けて発生した信号誘導起電力とが等しい状態になる。
【００４３】
また、Ｍ_ｒ＞（Ｌ_１／２）となると、アンテナ１に給電した信号電力の半分以上をアンテナ２に誘導することになるので、アンテナ１から発生させる電磁界が大幅に減少し、アンテナ２から出る電磁界が遠方電磁界強度として目立ってきて、もはや送受信アンテナとしての性能を発揮できなくなる。これらを鑑みると、最も好ましくは、残留インダクタンスＭ_ｒ＝０とするのが良いが、残留インダクタンスＭ_ｒをアンテナ１が有する自己インダクタンスの１／２以下にすれば、アンテナとして効率よく電磁界を発生させ、遠方電磁界強度を抑えるアンテナとすることができる。
【００４４】
また、さらに好ましくは残留自己インダクタンスＭ_ｒをアンテナ１が有する自己インダクタンスＬ_１の１／３以下にすれば、アンテナ１に給電される信号電力が、アンテナ２に誘導される信号電力の２倍となって、さらに効率よいアンテナとすることができる。
【００４５】
図４および図５は図３に示したアンテナからでる磁界の様子を示しており、この発明によるアンテナ配置がタグと通信に有効な様子を示したものである。特に、図４は図３におけるアンテナ１からある時刻に発生する磁束のみを図示したものであり、図５は図３におけるアンテナ２からある時刻に発生する磁束のみを図示したものである。
【００４６】
図４において、実線の磁束はアンテナ１が有する上下２つのループのうち、下側のループから発生する磁束であり、破線の磁束は同じく上側のループから発生する磁束である。タグ２１１には実線と破線の磁束がほぼ同数だけ鎖交しており、鎖交する実線と破線の磁束は常時大きさが等しく互いに反対向きであるので、タグ２１１に発生する誘導起電力はほぼ０となり、タグ２１１はアンテナ１とは常時交信困難である。また、タグ２１３は下側ループに対して直交した位置にあり、実線の磁束は鎖交しない。また、破線の磁束は極めて弱いものがタグ２１３に鎖交する（極めて弱い磁束線は図示していない）が、交信困難である要素を示したものである。タグ２１２は鎖交する破線の磁束が多く、アンテナ１と良好な交信可能状態であることを示している。
【００４７】
図５においてアンテナ１と交信困難であったタグ２１１およびタグ２１３に鎖交する磁束が多く、アンテナ２と良好な交信状態であることを示している。一方、アンテナ１と良好な交信状態であったタグ２１２に鎖交する磁束が極めて弱く、交信困難であることを示している。
【００４８】
図６は図３に示したアンテナの好ましい構造図であり、特に、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は（ｂ）の線Ｃ−Ｃに沿う断面図であり、（ｄ）は側面図であり、（ｅ）は背面図である。
【００４９】
図６において板状の絶縁物１０の一方主表面に薄い帯状のアンテナ導体１０１，１０２が矩形状となるように貼り付けられてアンテナ１が形成され、これらのアンテナ導体１０１，１０２の接続部分に給電点１１１が設けられる。絶縁物１０の他方主表面には薄い帯状のアンテナ導体１０３が矩形状となるように貼り付けてアンテナ２が形成され、下部に給電点１１２が設けられる。
【００５０】
絶縁物１０の例としては、プリント配線板やその他汎用プラスチックなどを用いることができる。また、アンテナ導体１０１，１０２の例としては、銅，アルミ，黄銅などの金属板の他、プリント配線板に用いる銅箔であってもよい。
【００５１】
図７は図３のアンテナの他の構造図であり、特に、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は（ｂ）の線Ｃ−Ｃに沿う断面図であり、（ｄ）は側面図である。
【００５２】
図７においてアンテナ１とアンテナ２を絶縁物１０のいずれかの同一平面に配置し、アンテナ１のアンテナ導体１０１，１０２と、アンテナ２のアンテナ導体１０３が交差する場所を絶縁するために立体交差１１０を設けたものである。このように構成することによって、図７に比較してアンテナ１とアンテナ２はともにタグとの距離をほぼ同じにすることができる。図７に示した例では、アンテナ１とアンテナ２のいずれか一方がタグとの距離が遠くなり、交信の安定度が得られにくい場合は、図７に示した構造が有効になる。
【００５３】
図８は図３に示したアンテナのさらに他の変形例を示す図であり、特に、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は（ｂ）の線Ｃ−Ｃに沿う断面図であり、（ｄ）は側面図であり、（ｅ）は背面図である。
【００５４】
この図８に示した例は、図３とアンテナ形状がほぼ同じであるが、第１の給電点１１１と第２の給電点１１２とを同じく絶縁物１０の下側に配置したものである。このようにすると、２つの給電点１１１，１１２が近くなるので、配線的に好ましくなる。すなわち、アンテナ１の相反する磁束を発生させる２つの領域を形成するために、概８の字形状領域を有するアンテナ１の中央を立体交差させて実現したものである。
【００５５】
図９はこの発明のさらに他の実施形態のアンテナ形状を示す図である。図９において、アンテナ１は図３と同様にして概８の字アンテナであって、アンテナ２はアンテナ１に対して９０°回転したものである。この場合も、図３の説明と同様にして、アンテナ１に給電された場合について説明する。
【００５６】
アンテナ１とアンテナ２は領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３およびＳ４において重なり合っている。ある時刻において、アンテナ１に矢印で示した向きにアンテナ電流の増加が観測されたとすると、アンテナ２には領域Ｓ１〜Ｓ４に起因する相互インダクタンスによって、それぞれ矢印で示した向きにアンテナ電流を流そうとする誘導起電力が生じる。この誘導起電力の向きは、領域Ｓ１とＳ２がアンテナ２に同一方向にアンテナ電流を流そうとする起電力を生じ、領域Ｓ３とＳ４に起因する誘導起電力は領域Ｓ１とＳ２に起因する誘導起電力とは逆向きとなる。
【００５７】
したがって、特にＳ１＋Ｓ２＝Ｓ３＋Ｓ４の場合、残留相互インダクタンスは０となって、アンテナ１がアンテナ２に生じさせる誘導起電力は見かけ上０となる。同様にして、アンテナ２に給電した場合にアンテナ１に生じる誘導起電力も同様となる。
【００５８】
図１０は図９に示したアンテナのより具体的な構造を示す図であり、特に、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は（ｂ）の線Ｃ−Ｃに沿う断面図であり、（ｄ）は側面図であり、（ｅ）は背面図である。
【００５９】
図１０において、絶縁物１０の一方主表面にアンテナ導体１０１，１０２によってアンテナ１が概８の字形状に形成されており、絶縁物１０の他方主表面にアンテナ導体１０４，１０５によってアンテナ２がアンテナ１に対して９０°回転して概８の字形状に形成されている。
【００６０】
図１１はこの発明の誘導無線アンテナの応用例を示す図であり、図３に示した構成と図９に示した構成を組合せたものである。それぞれのアンテナは給電点が異なり、互いに絶縁された３組のアンテナ１１，１２および１３で構成されている。すなわち、（ａ）は３組のアンテナ全体を示し、（ｂ）はアンテナ１１とアンテナ１２のみを示し、（ｃ）はアンテナ１１とアンテナ１３を示し、（ｄ）はアンテナ１２とアンテナ１３のみを図示したものである。各アンテナ１１，１２，１３にはそれぞれ給電点１１３，１１４，１１５が形成されている。
【００６１】
これら３組のアンテナ１１，１２，１３の残留相互インダクタンスをそれぞれの２組アンテナ同士の関係に分解して考えると、アンテナ１１とアンテナ１２の関係はＳ１＋Ｓ２＝Ｓ３＋Ｓ４であるから、図９に示した２組のアンテナ同士の関係と同等であり、残るアンテナ１１とアンテナ１３の関係およびアンテナ１２とアンテナ１３との関係はＳ５＝Ｓ６かつＳ７＝Ｓ８であるから、図３に示す２組のアンテナ同士の関係と同等となる。したがって、これら３組のアンテナ１１，１２，１３同士は互いに残留相互インダクタンスが０となっており、遠方電磁界強度が少なく、高効率で給電できるアンテナとして使用できる。これら３組のアンテナはすべてを送受信用のアンテナとして使用してもよく、あるいは１つを受信専用のアンテナとして使用してもよい。
【００６２】
図１２はこの発明における誘導無線アンテナのさらに他の実施形態を示す図である。図１２において、アンテナ１とアンテナ２は図３に示した誘導無線アンテナと同様にして構成されているが、アンテナ２には給電点が設けられておらず受信回路８が接続されている。そして、アンテナ１からの誘導結合と静電結合による電流がアンテナ２に流れるようにされている。この例も、アンテナ１とアンテナ２の結合度が小さいため、アンテナ１へ給電した電力は高効率でアンテナ１から電磁界として放射される。また、受信回路８に接続されるアンテナ２に発生した受信電流はアンテナ１に著しく吸収されることなく、効率よく受信回路８へ入力することができる。
【００６３】
図１３はアンテナをゲート型に対向させて設置した応用例を示す図である。それぞれ片側のゲートの構造は図６と同一であり、図１３（ａ）は右斜め方向よりゲートを見通した図であり、図１３（ｂ）は左側斜め方向よりゲートを見通した図である。アンテナ１には給電点１１１を介して送信信号が同軸ケーブルによって供給されており、アンテナ２も給電点１１２を介して同軸ケーブルが接続されている。この実施形態の場合、アンテナ２は送受信用として用いることもでき、受信専用アンテナとして用いることもできる。
【００６４】
なお、アンテナ１，２はインピーダンスが５Ω程度であるのに対して、同軸ケーブルはインピーダンスが５０Ωであるため、各給電点１１１，１１２にはインピーダンス変換回路（図示せず）を介してアンテナ１，２と同軸ケーブルが接続される。
【００６５】
図１４は図１３に示した実施形態におけるアンテナ１，２と受信距離との関係を示す図である。図１４（ａ）においてアンテナ１からの磁界分布Ａとアンテナ２からの磁界分布をＢとすると、図１４（ｂ）に示すように、２つのアンテナ１，２からの磁界分布が合成されて図１４（ｃ）に示すようになり、通信を安定化させることができる。
【００６６】
図１５は図１３に示した２つのアンテナ１，２からなるゲートＧ１，Ｇ２の配置例を示す図である。（ａ）は２つのゲートＧ１，Ｇ２を平行に配置したものであり、（ｂ）は２つのゲートＧ１，Ｇ２を対向させつつその中心距離をずらせて配置したものである。（ｃ）は１対のＧ１，Ｇ２を平行状態から傾けて配置したものであり、（ｄ）はさらに多数のゲートＧ１〜Ｇ４を交互に配置し、その間の細長いハンチングで示す領域を通信可能領域としたものである。このようなゲート構成は、万引き防止，セキュリティ，物流管理用途など幅広い分野への応用を期待できる。また、（ｅ）に示すように（ｂ）とアンテナの位置は同一で、ゲートの両端を揃えるべく延長した形状であっても、この発明の本質を損なうものではなく、その他の配置についても同様である。
【００６７】
図１６はこの発明の誘導無線アンテナのより好ましい実施形態を示す図であり、図１６（ａ）は上面から見た図であり、図１６（ｂ）は裏面より見た図である。
【００６８】
図１６（ａ）に示すように、プリント基板２１のような絶縁部材の表面にアンテナ導体１０１，１０２によってアンテナ１が形成されており、プリント基板２１にはその他に電子部品２２やコネクタ２３が取付けられている。プリント基板２１の裏面には図１６（ｂ）に示すように、アンテナ導体１０３によってアンテナ２が形成されており、その他に電子部品２２が取付けられている。これらの電子部品２２やコネクタ２３などにより、図１に示したコントローラ３，アンテナ周辺回路４が構成され、これらとアンテナ１，２を一体化して構成することができる。
【００６９】
なお、プリント基板２１に限ることなく、基板の他の例として絶縁性フィルムや絶縁材料上に金属ペーストなどを塗布し、基板同等の機能を有する材料なども用いることができる。
【００７０】
この図１６からわかるように、誘導無線アンテナを用いて通信システムを構成することにより、小型，軽量で高性能な通信システムを提供できる。
【００７１】
図１７は２つのアンテナの両方同時に送信信号を給電する通信システムのブロック図である。この図１７は図１に示したアンテナ周辺回路４のアンテナ選択回路４１が省略され、インピーダンス整合回路４２，４３がコントローラ３に直接接続されている。したがって、コントローラ３からインピーダンス整合回路４２，４３を介してそれぞれアンテナ１，２両方に同時に送信信号が給電され、またアンテナ１，２の両方のアンテナから受信信号がコントローラ３に与えられる。これにより、アンテナ１，２ともに送受信兼用のアンテナとして利用される。
【００７２】
図１８は誘導無線アンテナを有する通信システムのさらに他の実施形態を示す図である。図１８において、アンテナ選択回路４１により選択されたアンテナのみに送信信号を給電し、選択されたアンテナのみから受信信号を有効とするものである。このために制御回路３１とアンテナ選択回路４１との間に制御信号をやりとりするための制御信号が追加されているが、それ以外の構成は図１と同じである。これにより、アンテナ１と２ともに送受信兼用のアンテナとして利用できる。
【００７３】
図１９は誘導無線アンテナを有する通信システムのさらに他の実施形態を示すブロック図である。この図１９に示した実施形態では、アンテナ１のみに送信信号が給電され、アンテナ２のみからの受信信号を有効とするものであり、アンテナ１を送信専用アンテナとし、アンテナ２を受信専用アンテナとして利用するものである。このために、アンテナ周辺回路４のインピーダンス整合回路４２にはコントローラ３の増幅回路３５の出力が接続され、インピーダンス整合回路４３の出力はコントローラ３の濾波回路３７に接続されている。
【００７４】
図２０はこの発明の実施形態による効果を磁界強度の計算により検証したものである。図２０（ａ）は検証に用いた送信アンテナ形状を示している。太線部に示す略８の字型のアンテナが略門型に対向する面にそれぞれ１つずつ配置されており、各実施形態におけるアンテナ１に近い形状となっている。また、アンテナ内部に示された矢印はある時刻における電流の向きを示している。
【００７５】
図２０（ｂ）に示す磁界強度分布は送信アンテナの導体抵抗値を１０Ωとし、概８の字型アンテナのそれぞれに５０ｍＷの信号電力を位相差０°で給電したときの、Ｚ＝０の平面における磁界強度分布を計算してＸ方向成分を図示したものである。
【００７６】
ここで、非接触データ通信装置に用いられるタグは、ある一定強度の信号磁界を生じた領域に入ったときのみ通信可能となり、通信可能となる磁界強度の最低値はタグの形状によって異なる。すなわち、通信可能となる磁界強度最低値が既知であるタグがあった場合、送信アンテナが発生させる磁界強度最低値が描く曲線は、直ちにＹＺ平面に平行に置かれたタグの通信可能領域として理解することができる。たとえば磁界強度２０ｍＡ／ｍで通信可能となるタグであった場合、アンテナを取囲む最も外側の曲線で囲まれた閉領域（図２０（ｂ）に示す塗り潰された領域＋斜線を施された領域）は通信可能領域となる。このように、図２０（ｂ）に示す磁界強度分布は、この発明の実施形態のアンテナの如く、給電された電力のすべてが第１のアンテナへ供給された場合の磁界強度分布である。このとき、アンテナ電流は７０ｍＡとなる。
【００７７】
図２０（ｃ）に示す磁界強度分布は、この発明の実施形態のように誘導アンテナを構成するのではなく、アンテナを複数配置した場合の例として、給電された信号電力の半分を第１のアンテナ以外のアンテナに奪われて、第１のアンテナには２５ｍＷしか供給されなかった場合の磁界強度を示したものである。このとき、アンテナ電流は５０ｍＡとなる。図２０（ｂ）と比較すると、大幅に通信可能領域が縮小している。磁界強度はアンテナ電流に比例するので、Ｙ軸方向成分とＺ軸方向成分も同様に弱められ、通信可能領域が縮小することになる。
【００７８】
上述の如く、この発明の実施形態に従って誘導無線アンテナを設計すると、同一の供給電力で強い強度の磁界を発生することができる。また、すべての電力は概８の字形状のアンテナに供給されるので、８の字を形成する２つのループに流れる電流バランスもよくなる。すなわち、８の字アンテナによって、遠方電磁界強度が大きく抑制され、他の機器に対する妨害電磁波を小さく抑えることができる理想的な誘導無線アンテナを構成できる。
。
【００７９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、第１から第３の観点に従う発明によれば、互いに誘導起電力が他アンテナからの電磁誘導時より生じた場合、この電磁誘導による誘導起電力を相殺するように形成配置された第１、第２および第３のアンテナで誘導無線アンテナを構成しており、簡単な構造で給電された電力を効率よく電磁界に変換することができると同時に、遠方電磁界強度も小さく抑えることができるので、小型、軽量、安価で通信品質に優れた誘導無線アンテナおよび非接触データ通信装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したコントローラ３のＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。
【図３】図１に示したアンテナ１，２の好ましい実施形態を示した図である。
【図４】図３に示したアンテナ１からある時刻に発生する磁束のみを示した図である。
【図５】図３におけるアンテナ２からある時刻に発生する磁束のみを示した図である。
【図６】図３に示したアンテナの好ましい構造図である。
【図７】図３に示したアンテナの他の構造図である。
【図８】図３に示したアンテナのさらに他の変形例を示す図である。
【図９】この発明のさらに他の実施形態のアンテナ形状を示す図である。
【図１０】図９に示したアンテナのより具体的な構造を示す図である。
【図１１】この発明の誘導無線アンテナの応用例を示す図である。
【図１２】この発明の誘導無線アンテナのさらに他の実施形態を示す図である。
【図１３】アンテナをゲート型に対向させて設置した応用例を示す図である。
【図１４】図１３に示した実施形態におけるアンテナと受信距離との関係を示す図である。
【図１５】図１３に示した２つのアンテナからなるゲートＧ１，Ｇ２の配置例を示す図である。
【図１６】この発明の誘導無線アンテナのより好ましい実施形態を示す図である。
【図１７】２つのアンテナの両方同時に送信信号を給電する通信システムのブロック図である。
【図１８】誘導無線アンテナを有する通信システムのさらに他の実施形態を示す図である。
【図１９】誘導無線アンテナを有する通信システムのさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図２０】この発明の実施形態による効果を磁界強度の計算により検証した図である。
【図２１】物品を識別して管理するシステムにおける概略の構成を示す図である。
【図２２】１回巻きの送信ループアンテナとタグ側ループアンテナの相互インダクタンスについて示した図である。
【図２３】送信アンテナを２つにしたときの送信ループアンテナ同士の相互インダクタンスについて示した図である。
【符号の説明】
１，２，１１，１２，１３アンテナ、３コントローラ、４アンテナ周辺回路、５上位システム、６，２１１，２１２，２１３タグ、８受信回路、２１プリント基板、２２電子部品、２３コネクタ、３１，６３制御回路、３２ＣＰＵ、３３搬送波発生回路、３４，６４変調回路、３５増幅回路、３６，６６復調回路、３７濾波回路、４１アンテナ選択回路、４２，４３，６５インピーダンス整合回路、６１ループアンテナ、６２記憶回路、６７検波回路、１１１，１１２，１１３，１１４，１１５給電点、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５アンテナ導体、１１０立体交差。

Claims

互いに別々に給電可能である第１、第２、および第３のアンテナを備え、
前記第１および第２のアンテナは、各々が、給電時に互いに逆方向に電流を流す第１および第２の領域を有し、かつ、前記第１のアンテナは、その第１の領域が前記第２のアンテナの第１および第２の領域と電磁結合するように配置されかつその第２の領域が前記第２のアンテナの第１および第２の領域と電磁結合するように配置されて、前記第２のアンテナへの給電時、前記第１のアンテナの第１および第２の領域がそれぞれ前記第２のアンテナの第１の領域との電磁結合により生じる誘導起電力が、前記第１のアンテナの前記第１および第２の領域が前記第２のアンテナの第２の領域との電磁結合により生じる誘導起電力と実質的に相殺され、
前記第３のアンテナは、前記第１のアンテナの第１および第２の領域と電磁結合され、前記第１のアンテナは給電時、前記第３のアンテナに前記第１および第２の領域からの電磁結合により実質的に互いに相殺される誘導起電力を生じさせ、
前記第３のアンテナは、さらに、前記第２のアンテナの第１および第２の領域と電磁結合され、前記第２のアンテナへの給電時、前記第２のアンテナの第１および第２の領域との電磁結合により、前記第３のアンテナには互いに相殺される誘導起電力を生じさせる、誘導無線アンテナ。
互いに別々に給電可能である第１、第２、および第３のアンテナを備え、
前記第１および第２のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となるような位置関係に配置され、
前記第２および第３のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となる位置関係に配置され、かつ
前記第１および第３のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となるような位置関係に配置され、
前記残留相互インダクタンスは、前記逆方向の起電力を生じさせる領域の相互インダクタンスの差を示し、
前記第１のアンテナは、概８の字形状に形成され、
前記第２のアンテナは、概８の字形状に形成されかつ前記第１のアンテナと実質的に９０度回転して配置される、誘導無線アンテナ。
互いに別々に給電可能である第１、第２、および第３のアンテナを備え、
前記第１および第２のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となるような位置関係に配置され、
前記第２および第３のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となる位置関係に配置され、かつ
前記第１および第３のアンテナが、互いに残留相互インダクタンスが実質的に０となるような位置関係に配置され、
前記残留相互インダクタンスは、前記逆方向の起電力を生じさせる領域の相互インダクタンスの差を示し、
前記第１および第２のアンテナは、各々、概８の字形状を形成するように配置され、かつ給電時互いに逆方向に電流を流す第１および第２の領域を有し、前記第１のアンテナは、前記第２のアンテナに対して９０度回転されて配置され、
前記第３のアンテナは、前記第１および第２のアンテナ各々の第１および第２の領域それぞれと電磁結合されるように配置される、誘導無線アンテナ。
請求項１から３のいずれかに記載の誘導無線アンテナを用いて、対象物との間で非接触でデータを通信する、非接触データ通信装置。