JP3652497B2 - リーダライタ用アンテナ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナ装置及びそれと同等な装置における雑音を相殺するための装置に関し、特に、非接触型ＩＣカードの送受信アンテナコイル手段と磁気的に結合され、該ＩＣカードに信号を送信するリーダライタ用の送信アンテナ装置、及びこれと対にして用いる受信アンテナ装置に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報化時代にあって、電子マネーやクレジットカード等のカード分野においては、ＩＣを搭載したいわゆるＩＣカードの実用化が進んできている。このＩＣカードに対して記録媒体書き込み／読み取り装置（リーダライタ）から電力を供給したり、データをやりとりしたりする方法としては、アンテナコイルを用いて磁気的に非接触で行うものが提案されている。この方法は、電気接点を必要とする接触型の方法に比べて、取り扱いの容易さや耐久性などにおいて優れているため、今後の主流となることが期待されている。
【０００３】
図１０に、この非接触型のＩＣカードとリーダライタとの一例を示す。また、図１０中のリーダライタ２の送信コイル６、受信コイル７及びＩＣカード３のアンテナコイル８の部分を拡大した立体斜視図を、図１１に示す。
【０００４】
リーダライタ２とＩＣカード３との動作関係は、▲１▼リーダライタ２からＩＣカード３へ電力のみが供給される状態（スタンバイモード）、▲２▼リーダライタ２からＩＣカード３へとデータが送信される状態（送信モード）、▲３▼ＩＣカード３からリーダライタ２へとデータが送信される状態（受信モード）の３つの状態に大別される。以下、各状態におけるリーダライタ２とＩＣカード３との内部動作の概略を図面を用いて説明する。
【０００５】
まず、リーダライタ２からＩＣカード３へ電力のみが供給される場合、すなわちスタンバイモードについて説明する。
図１０において、リーダライタ２では、一定振幅の高周波信号が発振回路１１から送信回路１２へ供給され、ドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。このとき、リーダライタ２にＩＣカード３が装着されている場合には、リーダライタ２の送信コイル６とＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。
【０００６】
そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。この高周波信号は、整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【０００７】
次に、リーダライタ２からＩＣカード３へデータが送信される場合、すなわち送信モードについて説明する。
図１０において、リーダライタ２では、ホスト１などからのデータがＣＰＵ１５で処理されて送信回路１２へ送られる。この送信回路１２には、上述したスタンバイモードと同様に一定振幅の高周波信号が発振回路１１から供給されており、この高周波信号が上記データで変調されて変調高周波信号が出力される。この変調高周波信号がドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。
【０００８】
このとき、リーダライタ２にはＩＣカード３が装着されており、リーダライタ２の送信コイル６とＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して変調高周波信号が送受信回路４に供給される。
【０００９】
この変調高周波信号は、上述したスタンバイモードと同様に整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。また、アンテナコイル８の出力信号は受信回路２３にも供給され、この部分でデータが復調されてＣＰＵ５に供給される。ＣＰＵ５は、タイミング回路２５及びリセット回路２６の出力に基づいて動作し、供給されるデータを処理して所定のものを図示しないメモリに書き込む。
【００１０】
最後に、ＩＣカード３からリーダライタ２へデータが送信される場合、すなわち受信モードについて説明する。
図１０において、リーダライタ２の送信回路１２からは上述したスタンバイモードと同様に無変調で一定振幅の高周波信号が出力され、ドライバ１３、送信コイル６、アンテナコイル８を介してＩＣカード３に送られる。
【００１１】
このとき、リーダライタ２にはＩＣカード３が装着されており、リーダライタ２の送信コイル６とＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。この高周波信号は、整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【００１２】
一方、ＩＣカード３においては、図示しないメモリから読み出されたデータがＣＰＵ５で処理されて送信回路２４に供給される。送信回路２４は、例えば負荷抵抗とスイッチとからなり、データの“１”、“０”ビットに応じてこのスイッチがオン、オフする。このように送信回路２４のスイッチがオン、オフすると、アンテナコイル８に対する負荷が変動する。
【００１３】
このため、リーダライタ２においては、受信コイル７に流れる高周波電流の振幅が変動する。すなわち、この高周波電流は、ＩＣカード３のＣＰＵ５から送信回路２４に供給されるデータによって振幅変調される。この変調高周波信号が受信回路１４で復調されてデータが得られる。このデータはＣＰＵ１５で処理されて、ホスト１などに送られる。
【００１４】
ところで、このＩＣカード３の用途としては、上述したクレジットカードや電子マネーのように、一度に１枚のカードを取り扱うもののほかに、書籍の管理や商品在庫管理のように、複数の本または商品にＩＣカード３を１枚ずつ取り付け、これらの本または商品の情報をリーダライタ２で読み取る、あるいはこれらの本または商品の中から特定のものを検索するといったように、一度に複数のカードを取り扱う場合がある。
【００１５】
このような場合には、ＩＣカード３を小さくし、リーダライタ２の送受信コイル６，７を大きくする必要がある。また、ＩＣカード３を小さくした場合、当然に内蔵されているアンテナコイル８も小さくなるので、ＩＣカード３を動作させるのに必要な電力を供給するためには、リーダライタ２の送信コイル６に発生させる磁界強度を強くする必要がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、リーダライタ２の送信コイル６を円形コイルと仮定した場合のコイル軸上に発生する磁界強度を、図１２に示す。この図１２は、下記の（１）式に基づき計算されたものである。
円形コイル軸上の点Ａにおける磁界強度ＨA
＝Ｉ×ｒ2 ／２×（ｒ2 ＋ａ2 ）3/2
（Ｉ：コイルに流れる電流、ｒ：コイルの半径、ａ：コイルの中心から点Ａまでの距離）……（１）
【００１７】
図１２中の●印は標準コイル、■印は標準コイルに比べてコイル半径を２倍に、コイルに流す電流量を３倍として強磁界を発生させるための強磁界コイルについてプロットしている。また、図の縦軸は標準コイルのコイル中心に発生する磁界強度で規格化した磁界強度を表し、横軸はコイルからの距離を表している。
【００１８】
ここで、コイルからサービスエリア境界部までの最大距離をＴSAとすると、標準コイルに変えて強磁界コイルを用いると、距離ＴSAまでの範囲、すなわちサービスエリア内部領域での磁界強度は強まるが、サービスエリア外部領域の磁界強度まで強まってしまい、遠くまで強力な磁界が保たれることになる。
【００１９】
この状態で複数のリーダライタ２を近接して使用すると、各リーダライタ２の送信コイル６から発せられた磁界が互いに影響しあってＩＣカード３が誤動作してしまう可能性がある。よって、ＩＣカード３の情報を検出しなければならない領域（サービスエリア）の外の磁界強度をできるだけ微弱に抑えたい。
【００２０】
そこで本発明は、リーダライタの送信アンテナ近傍領域では強い磁界を発生させ、送信アンテナから遠ざかると急激に磁界強度が下がる特性を持つリーダライタ用アンテナ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明のリーダライタ用アンテナ装置は、非接触型ＩＣカードのアンテナコイル手段と磁気的に結合され、該非接触型ＩＣカードへ信号を送信する送信コイルを複数個有する送信用アンテナ装置と、前記該非接触型ＩＣカードから送られる信号を受信する受信コイルを複数個有する受信用アンテナ装置とを備えたリーダライタ用アンテナ装置において、前記送信用アンテナ装置は、送信コイルとして使用される一つの基本コイルが、一辺を接して隣り合うコイルに発生する磁界の向きが互いに逆になるように配置された複数の小ループコイルから構成されるとともに、前記基本コイルを複数個積層して構成され、前記複数個の基本コイルのうち、少なくとも１つの基本コイルは他の基本コイルに対し、前記基本コイルから発生する磁束に垂直な面内で一定距離オフセットして重ね合わさっており、前記受信用アンテナ装置は、前記送信用アンテナ装置の各基本コイルと対にして用いられるように同じ数だけ配設された複数個の受信コイルを有し、前記受信用アンテナ装置を構成する前記受信コイルも複数の小ループコイルから構成されており、前記各送信コイルから発生する磁束の通過する方向から投影した場合に、前記受信コイルを構成する複数の小ループコイルは、前記送信アンテナ装置における対応する基本コイルを構成する複数の小ループコイルのうちの、隣りあった小ループコイルを偶数個分足しあわせた形状と重なるループ形状となっており、
前記送信用アンテナ装置を構成する任意の一個の基本コイルから発生する磁界に対して、これと対になる前記受信用アンテナ装置の基本コイルに発生する起電力がほぼゼロとなるようにされていることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の他の特徴とするところは、前記基本コイルの他の基本コイルに対してオフセットされる距離は、前記小ループコイルを形成する辺の最小長さより短い距離であることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明のその他の特徴とするところは、前記複数個の基本コイルは、磁束の通過する方向から投影した場合に、前記基本コイルの各小ループコイルがそのループ内に他の基本コイルの少なくとも１つの小ループコイルの少なくとも１つの辺が存在するように互いにずらして積層されていることを特徴としている。
【００２５】
前述したように、本発明においては、任意の１つの基本コイルは他の基本コイルに対し、コイルから発生する磁束に垂直な面内で一定距離オフセットして重ね合わせることにより、１つの基本コイルの上方においては磁界が及ばない領域が存在するが、この部分については別の基本コイルで補完することができる。また、オフセットされる距離は、前記小ループコイルを形成する辺の最小長さより短い距離であることが好ましい。他の形態では、複数個の基本コイルは、磁束の通過する方向から投影した場合に、基本コイルの各小ループコイルがそのループ内に他の基本コイルの少なくとも１つの小ループコイルの少なくとも１つの辺が存在するように互いにずらして積層して配置されている。
【００２６】
前述したように、本発明によると、リーダライタ用アンテナ装置における送信用アンテナ装置を複数の基本コイルで構成し、一つの基本コイルを、一辺を接して隣り合うコイルに発生する磁界の向きが互いに逆になるように配置された複数の小ループコイルから構成するとともに、前記複数個の基本コイルのうち、少なくとも１つの基本コイルは他の基本コイルに対し、前記基本コイルから発生する磁束に垂直な面内で一定距離オフセットして重ね合わされることで、各小ループコイルに大きな電流を流して強い磁界を発生させた場合にも、隣接する小ループコイル同士の反対向きの磁界が干渉しあい、隣接する小ループコイルに向かって磁束が曲げられるので、基本コイルから遠ざかると急激に磁界強度を下げることが可能となる。
また、前記受信用アンテナ装置は、前記送信用アンテナ装置の各送信コイルと対にして用いられるように同じ数だけ配設された複数個の受信コイルを配設し、前記受信コイルは前記各送信コイルから発生する磁束の通過する方向から投影した場合に、前記受信コイルを構成する複数の小ループコイルは、前記送信アンテナ装置における対応する基本コイルを構成する複数の小ループコイルのうちの、隣りあった小ループコイルを偶数個分足しあわせた形状と重なるループ形状となっているので、前記送信用アンテナ装置を構成する任意の一個の基本コイルから発生する磁界に対して、これと対になる前記受信用アンテナ装置の基本コイルに発生する起電力がほぼゼロとなるようにすることが可能となる
また、複数の基本コイルを磁束が通過する方向から投影した場合に小ループコイルの辺が重ならないよう層状に配置してアンテナ装置を構成することで、１つの基本コイルの上方においては磁界が及ばない領域が存在するが、この部分については別の基本コイルに補完することが可能である。
【００２７】
すなわち本発明によれば、サービスエリア内には全域に渡って強力な磁界を発生させ、サービスエリア外では急激に磁界強度が下がる特性を持つリーダライタ用送信アンテナ装置が得られる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態によるリーダライタ用送信アンテナ装置の立体斜視図、図２は、図１に示した４層のコイルのうち任意の１個（ここではコイル５１）を上方からみた平面図、図３は、図２のコイルに発生する磁界を模式的に示した図、図４は、図１の各コイルを上方からみた平面図である。なお、本実施の形態による送信アンテナ装置をリーダライタの送信コイルとして用いる場合の回路ブロック図は図１０と同様であり、アンテナコイル及び送信コイルとの位置関係は図１１と同様であるので、記載を省略する。
【００２９】
図１に示すように、本実施の形態の送信アンテナ装置は、４個の基本コイル５１〜５４から構成されており、各基本コイル５１〜５４はＸ−Ｙ平面に水平に配置され、Ｚ方向に所定間隔をもって層状に重ねられている。４個の基本コイル５１〜５４は、全て図２に示すような複数の小ループコイル５５〜５８を結合した構造をとっている。
【００３０】
巻線数と表面積とが互いに等しい小ループコイル５５〜５８において、隣接する小ループコイルでは、コイルの巻線の向きが逆になるように配置される。例えば、図２の小ループコイル５５の巻線方向が時計回り方向である場合には、その右隣の小ループコイル５６の巻線方向及び下方の小ループコイル５７の巻線方向は、共に反時計回りとなる。また、対角に位置する小ループコイル５８の巻線方向は、小ループコイル５５と同じ時計回り方向となる。つまり、小ループコイル５５，５８は第１の小ループコイル群、小ループコイル５６，５７は第２の小ループコイル群を形成していると言える。
【００３１】
この図２に示す基本コイル５１に端子ａから端子ｂの方向へ電流を流すと、小ループコイル５５，５８には時計回りに電流が流れるため、図面手前から裏側方向へ垂直磁界が発生する。一方、小ループコイル５６、５７には反時計回りに電流が流れるため、図面裏側から手前方向へ垂直磁界が発生する。
【００３２】
図３は、１つの小ループコイルに発生する磁束を模式的に示す図である。同図に示すように、小ループコイルに発生する磁束は、コイル面から近い位置ではコイルに対して垂直方向にのびているが、コイルから離れるに従ってその向きを変え、コイルの外方に向かって広がっていく。図３（ｂ）に示す本実施の形態の場合では、隣接する小ループコイルに逆向きの磁界が生じているために、この磁界の影響を受けて、小ループコイルに発生する磁束が図３（ａ）に示す従来の場合よりも、コイル面に近い位置で隣接する小ループコイルの方に向かって曲げられている。
【００３３】
このため、コイル面に近い位置では、ＩＣカード３ａまたは３ｃが受ける磁束の量は従来の場合と本実施の形態とで変わらないが、コイルから離れた位置では、ＩＣカード３ｂまたは３ｄが受ける磁束の量は、従来の場合よりも本実施の形態のほうが少なくなる。すなわち、本実施の形態の送信アンテナ装置を用いると、コイルに近い位置では強力な磁界を発生させ、コイルから離れるにつれて急激に磁界強度を弱めることができる。
【００３４】
なお、小ループコイルの１辺の長さＬは、以下の（２）式に基づき設定される。
Ｌ＝（ＩＣカードのアンテナコイルのコイルサイズ）＋最大通信距離×係数Ａ
（但し、１≦Ａ≦２）……（２）
【００３５】
上記（２）式より求められた値Ｌより１辺の長さを短くすると、一つの小ループコイルに発生する磁束のうち、隣接する小ループコイルの磁束と干渉しあって消滅してしまう磁束の割合が増える。そのため、本来ＩＣカードを動作させなくてはならない領域であるサービスエリアにおいて必要な磁界強度が得られなくなってしまうため、実用的でない。
【００３６】
また、上記（２）式より求められた値Ｌより１辺の長さを長くすると、逆に、一つの小ループコイルに発生する磁束のうち、隣接する小ループコイルの磁束と干渉しあって消滅してしまう磁束の割合が減り、サービスエリア外部まで必要以上に磁界強度が強くなってしまう。そのため、本来動作してはいけないＩＣカードまでが誤動作する恐れがあるので、やはり実用的でない。
【００３７】
図４に示すように、本実施の形態のアンテナ装置を上面から見た場合、基本コイル５１を基準とすると、基本コイル５２はＸ及びＹ方向にＬ×７／８、基本コイル５３はＹ方向にＬ×７／８、基本コイル５４はＸ方向にＬ×７／８だけずらして配置されている。基本コイルをずらす量は、ＩＣカード３のアンテナコイル８へ信号を送信してＩＣカード３を駆動させたい領域８１と、各基本コイル５１〜５４の大きさとから決定されるものであるので、Ｌ×７／８に固定されるものではなく、０からＬまでの間であれば可変である。
【００３８】
このような配置をすることで、１つの基本コイルでは小ループコイルの境界部の上部に磁界が及ばない領域、つまり、ＩＣカード３を駆動できない領域ができてしまうが、この境界部には他の３つの基本コイルのうちのいずれかのコイルの小ループコイルの内部領域が重ねられているので、他の基本コイルから発生する磁界が及ぶことになる。よって、ＩＣカード３を駆動させたいサービスエリア８１の全域に磁界を発生させることができる。
【００３９】
次に、本実施の形態のリーダライタ用送信アンテナ装置を用いてＩＣカード３を駆動させる方法について、図１及び図１０を用いて説明する。
図１０において、リーダライタ２では、一定振幅の高周波信号が発振回路１１から送信回路１２へ供給され、ドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。ここで、リーダライタ２の送信コイル６は、図１に示したように４層の基本コイル５１〜５４から構成されており、上述の高周波信号は、まず基本コイル５１のみに送られる。
【００４０】
基本コイル５１に信号が送信され、サービスエリア８１内にあるＩＣカード３との通信完了後に、図示しないタイミング回路により、信号の送信されるコイルが基本コイル５２へと切り替わる。同様にして、高周波信号は基本コイル５２から基本コイル５３へ、基本コイル５３から基本コイル５４へ、基本コイル５４から基本コイル５１へと、それぞれ応答のあったＩＣカード３との通信終了後に順次切り替わるように設定されている。
【００４１】
言い換えると、送信コイル６を構成している４つの基本コイル５１〜５４のどれか一つにのみ高周波信号が送信され、一度に複数の基本コイルに信号が送信されることがないように設定されている。よって、基本コイル間では磁界の干渉がなく、サービスエリア８１内には基本コイル５１〜５４のうちのどれか一つから発せられる強力な磁界が及んでいることになる。
【００４２】
このとき、リーダライタ２にＩＣカード３が装着されている場合には、リーダライタ２の送信コイル６を構成する各基本コイル５１〜５４のいずれかとＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。この高周波信号は、整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態のアンテナ装置は、表面積及び巻数が互いに等しい複数の正方形の小ループコイルを、その辺が隣り合うもの同士の巻線方向を反対にして接続したものを１個の基本コイルとし、複数の基本コイルを磁束が通過する方向から投影した場合に該基本コイルを構成している小ループコイルの辺が重ならないよう層状に配置して構成することで、ＩＣカードを駆動させたいサービスエリアの全域に強力な磁界を発生させることができ、且つサービスエリア外では磁界強度が急激に低下する特性を得ることができる。
【００４４】
また、本発明の第２の実施の形態として、ＩＣカード３を駆動させたい領域が広い場合は、図５に示すように、第１の実施の形態の送信アンテナ装置で用いた基本コイル５１〜５４をそれぞれ４個ずつつなぎ合わせて、１６個の小ループコイルから構成されている基本コイル５９〜６２を形成する。そして、これらの４枚の基本コイル５９〜６２をＸ及びＹ方向にＬ／２づつずらすように配置してアンテナ装置を構成することも可能である。
【００４５】
この場合も各基本コイル５９〜６２はＸ−Ｙ平面に水平に配置され、この平面に垂直なＺ方向に所定間隔をもって層状に重ねられている。本実施の形態においても第１の実施の形態と同様、基本コイルをずらす量はＬ／２に固定されるものではなく、０からＬの間で可変である。但し、小ループコイル数が多くなると、基本コイルの長さに対する小ループコイルの長さの比が小さくなるために、基本コイルをずらす量を変化させてもサービスエリア８２の広さはそれほど変化しない。
【００４６】
また、第３の実施の形態として、全ての小ループコイルの巻線方向を同じ向きにしても、各小ループコイルの接続を工夫することで、隣接する小ループコイルに発生する磁界の向きが互いに逆になるようにすることができる。
【００４７】
図６に、本実施の形態における送信アンテナ装置を構成する複数の基本コイルのうち任意の１個を上方からみた平面図を示す。巻線数、巻線方向（ここでは反時計回り方向）及び表面積が互いに等しい小ループコイル６３〜６６において、コイルの巻始めをそれぞれ端子ｄ，ｆ，ｈ，ｊ、コイルの巻終わりをそれぞれ端子ｃ，ｅ，ｇ，ｉとする。
【００４８】
ここで、２つの小ループコイルを接続する際に、片方のコイルの巻終わりを他方のコイルの巻始め、あるいは片方のコイルの巻始めを他方のコイルの巻終わりに接続する場合を順方向接続、片方のコイルの巻終わりを他方のコイルの巻終わりに、あるいは片方のコイルの巻始めを他方のコイルの巻始めに接続する場合を逆方向接続と呼ぶことにすると、対角に位置する小ループコイル同士の接続はすべて順方向接続であり、隣接する小ループコイル同士の接続はすべて逆方向接続になるように、各小ループコイル間で接続がなされている。
【００４９】
すなわち、図６においては、小ループコイル６３の端子ｄと小ループコイル６６の端子ｉ、小ループコイル６４の端子ｆと小ループコイル６５の端子ｇをそれぞれ接続することで、対角に位置する小ループコイル同士の接続を順方向接続とする。また、小ループコイル６４の端子ｃと小ループコイル６４の端子ｅを接続することで、隣接する小ループコイル同士の接続を逆方向接続としている。
【００５０】
この状態で端子ｊから端子ｈの方向へ電流を流すことで、第１の小ループコイル群である小ループコイル６３，６６には時計回り方向の電流が流れて図面手前から裏側方向へ垂直磁界が発生し、第２の小ループコイル群である小ループコイル６４，６５には反時計回り方向の電流が流れて図面裏側から手前方向へ垂直磁界が発生することになる。
【００５１】
この図６に示した基本コイルを複数枚用意し、図１及び図４に示した第１の実施の形態や図５に示した第２の実施の形態と同様に、各基本コイルを一定距離オフセットして層状に重ね合わせることで、送信アンテナ装置が構成される。
【００５２】
更に、第４の実施の形態としては、図５に示した第２の実施の形態の送信アンテナ装置と対にして、図７に示すアンテナ装置をリーダライタの受信アンテナ装置（図１０の例では受信アンテナ７）として用いると、ＩＣカード３からの信号を効率よく検出することができる。
【００５３】
図７において、本実施の形態の受信アンテナ装置は、図５に示す送信アンテナ装置の各基本コイル５９〜６２を構成している小ループコイルの２個分の大きさを持つ小ループコイルから成る４枚の基本コイル６７〜７０を用い、これら４枚の基本コイルをＸ及びＹ方向に一定距離ずらして配置されている。
【００５４】
これら基本コイル６７〜７０は、送信アンテナ装置を構成している基本コイル５９〜６２とそれぞれ対応している。すなわち、磁束が通過する方向から投影した場合に基本コイル５９と６７、基本コイル６０と６８、基本コイル６１と６９、基本コイル６２と７０とがそれぞれ重なるように配置されている。
【００５５】
図８に基本コイル５９と６７を上方からみた平面図を示し、図９に図８中の基本コイルの１／４部分を拡大した平面図示す。
図８において、送信コイルである基本コイル５９に、図９中の端子ａから端子ｂへ向かって電流を流した場合、巻線方向が時計回りの方向である小ループコイル５５と５８には図面手前から裏側方向の磁界が発生し、巻線方向が反時計回り方向である小ループコイル５６と５７にはこれとは逆向き、すなわち図面裏側から手前方向の磁界が発生する。この場合、各小ループコイルの巻数は等しくなされているため、どの小ループコイル５５〜５８においても磁界強度は同じ大きさである。
【００５６】
一方、受信コイルである基本コイル６７を構成している小ループコイル７１には、送信コイルの小ループコイル５５と５７から発生する磁界が通過し、小ループコイル７２には小ループコイル５６と５８から発生する磁界が通過する。上述したように、小ループコイル５５と５７から発生する磁界は大きさが等しく向きが逆であるので、お互いに打ち消しあい、小ループコイル７１には電流は流れない。同様にして小ループコイル７２にも電流は流れない。
【００５７】
このバランスは基本コイル６７を全体としてみても成立するので、送信コイルである基本コイル５９から発生する磁界は、受信コイルである基本コイル６７になんら影響を及ぼさない。同じように、受信コイルを構成している他の基本コイル６８〜７０は、磁束が通過する方向から投影した場合に重なるように配置された送信コイルを構成している各基本コイル６０〜６２から発生する磁界に対しては、なんら影響を受けない。
【００５８】
次に、本実施の形態におけるリーダライタ用の送受信アンテナを用いてＩＣカード３との間で信号をやりとりする方法について、図５、図７及び図１０を用いて説明する。まず、リーダライタ２からＩＣカード３へ信号を送信する方法について説明する。
【００５９】
図１０において、リーダライタ２では、ホスト１などからのデータがＣＰＵ１５で処理されて送信回路１２へ送られる。この送信回路１２には、第１の実施の形態において説明したスタンバイモードと同様に一定振幅の高周波信号が発振回路１１から供給されており、この高周波信号が上記データで変調されて変調高周波信号が出力される。この変調高周波信号がドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。
【００６０】
ここで、リーダライタ２の送信コイル６は、図５に示したように４層の基本コイル５９〜６２から構成されており、上述の変調高周波信号は、まず基本コイル５９のみに送られる。基本コイル５９に信号が送信されてから一定時間が経過すると、図示しないタイミング回路により、信号の送信されるコイルが基本コイル６０へと切り替わる。同様にして、変調高周波信号は基本コイル６０から基本コイル６１へ、基本コイル６１から基本コイル６２へ、基本コイル６２から基本コイル５９へと一定時間が経過する毎に順次切り替わるように設定されている。
【００６１】
言い換えると、送信コイル６を構成している４つの基本コイル５９〜６２には、常にどれか一つにのみ変調高周波信号が送信され、一度に複数の基本コイルに信号が送信されることがないように設定されている。別の言い方をすれば、基本コイル５９〜６２のうちの何れか一つが送信コイル６として選択され、選択される基本コイルがタイミング回路によって一定時間毎に切り替わっていく。よって、基本コイル間では磁界の干渉がなく、サービスエリア８２内には基本コイル５９〜６２のうちのどれか一つから発せられる強力な磁界が及んでいることになる。
【００６２】
このとき、リーダライタ２にＩＣカード３が装着されている場合には、リーダライタ２の送信コイル６を構成する各基本コイル５９〜６２のいずれかとＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して変調高周波信号が送受信回路４に供給される。この変調高周波信号は、スタンバイモードと同様に整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【００６３】
また、アンテナコイル８の出力信号は受信回路２３にも供給され、この部分でデータが復調されてＣＰＵ５に供給される。このとき、ＩＣカード３のアンテナコイル８へは、送信コイル６を構成している基本コイル５９〜６２から別々に信号が送信されるため、そのままではＩＣカード３は複数回信号を受信したものと認識してしまうが、リーダライタ２側で識別して処理することが可能である。ＣＰＵ５は、タイミング回路２５及びリセット回路２６の出力に基づいて動作し、供給されるデータを処理して所定のものを図示しないメモリに書き込む。
【００６４】
次に、ＩＣカード３からリーダライタ２へデータが送信される場合、すなわち受信モードについて説明する。
まず、第１の実施の形態で説明した方法でＩＣカード３に電源電圧を供給し、ＩＣカード３を駆動させる。ＩＣカード３においては、図示しないメモリから読み出されたデータがＣＰＵ５で処理されて送信回路２４に供給される。送信回路２４は、例えば負荷抵抗とスイッチとからなり、データの“１”、“０”ビットに応じてこのスイッチがオン、オフする。このように送信回路２４のスイッチがオン、オフすると、アンテナコイル８に対する負荷が変動する。
【００６５】
このため、リーダライタ２においては、受信コイル７に流れる高周波電流の振幅が変動する。すなわち、この高周波電流は、ＩＣカード３のＣＰＵ５から送信回路２４に供給されるデータによって振幅変調される。ここで、受信コイル７は図７に示すように４枚の基本コイル６７〜７０から構成されており、このうち、送信コイル６を構成する基本コイル５９〜６２のうちアンテナコイル８へ信号を送っている基本コイルと、磁束が通過する面から投影した場合に重ね合わされている基本コイルで検出される変調高周波信号が受信回路１４へ送られる。
【００６６】
ここで、例えば基本コイル６７が受信コイル７として選択されている場合を考えると、この基本コイル６７は複数の小ループコイルから構成されているので、小ループコイルの境界領域の上方にアンテナコイル８の中心部があるときは信号が検出できないことになる。しかし、この境界領域は、送信コイル６として選択されている基本コイル５９を構成している小ループコイルの境界領域と重なっており、この領域ではアンテナコイル８に信号が送られていない。したがって、ＩＣカード３が駆動しておらずアンテナコイル８からリーダライタ２に信号が送信されないため、この領域では信号を検出する必要がないことになる。ただし、基本コイル６７で検出できない領域は、他の基本コイル６８〜７０でカバーされているため、全体としてみればサービスエリア全域に渡って信号を検出することができる。
【００６７】
最後に、上述の変調高周波信号は、受信回路１４で復調されてデータが得られる。このデータはＣＰＵ１５で処理されて、ホスト１などに送られる。
【００６８】
以上説明したように、本実施の形態では、表面積及び巻数が互いに等しい複数の正方形の小ループコイルを、その辺が隣り合うもの同士の巻線方向を反対にして接続したものを１個の基本コイルとし、複数の基本コイルを磁束が通過する方向から投影した場合に該基本コイルを構成している小ループコイルの辺が重ならないよう層状に配置して構成した送信アンテナ装置と、これと同じ構成で小ループコイルの大きさだけが送信アンテナ装置の小ループコイルの２個分の大きさを持つ受信アンテナ装置とを組み合わせて使用し、磁束が通過する方向から投影して送信アンテナ装置を構成する基本コイルの一つと受信アンテナ装置を構成する基本コイルの一つとが重なるように配置することで、ＩＣカードを駆動させたいサービスエリアの全域に強力な磁界を発生させることができ、且つサービスエリア外では磁界強度が急激に低下する特性を得ることができるとともに、更にＩＣカードからの信号を効率よく検出することが可能となる。
【００６９】
また、受信アンテナ装置においては、近距離であるサービスエリア内の信号源からの信号を感度よく受信することができるとともに、遠くからの雑音に対しては、受信アンテナ装置を構成する各小ループコイルに一様に電圧が誘導されるため、トータルループ内ではキャンセルされ、サービスエリア内にあるＩＣカードからの信号に対して高い検出感度が得られるという利点がある。
【００７０】
なお、本実施の形態において、受信アンテナ装置の基本コイルを構成する小ループコイルの大きさは、送信アンテナ装置の基本コイルを構成する小ループコイルの２個分でなくてもよい。すなわち、送信アンテナ装置の一つの基本コイルで発生する磁界に対して、この基本コイルと対になる受信アンテナ装置の一つの基本コイルのトータルループ内で発生する電流がゼロになるように構成すればよい。
【００７１】
また、本発明は上記した各実施の形態に限定される主旨のものではなく、例えば小ループコイルの形状を正方形や長方形でなく三角形にするなど、本発明の主旨において様々な設計変更が可能である。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非接触型ＩＣカードと磁気的に結合され、ＩＣカードへ信号を送信する送信コイルを複数個有する送信用アンテナ装置と、前記非接触型ＩＣカードから送られる信号を受信する受信コイルを複数個有する受信用アンテナ装置とを備えたリーダライタ用アンテナ装置において、送信用アンテナ装置近傍領域では強い磁界を発生させ、送信用アンテナ装置から遠ざかると急激に磁界強度が下がる特性を持つリーダライタ用アンテナ装置を得ることができる。よって、本発明のリーダライタ用送信アンテナ装置を用いることで、複数の小さな非接触型ＩＣカードを誤作動なく一度に駆動させることが可能となる。また、受信用アンテナ装置についても同様に、受信用アンテナ装置の近傍領域では検出感度が高く、一方、遠くからの雑音に対しては感度を下げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるリーダライタ用送信アンテナ装置の立体斜視図である。
【図２】図１中の１個の基本コイルの平面図である。
【図３】図２中の隣接する小ループコイルに通過する磁束を従来のコイルに通過する磁束と比較して模式的に示した図である。
【図４】図１に示した送信アンテナ装置の平面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態によるリーダライタ用送信アンテナ装置の平面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態によるリーダライタ用送信アンテナ装置を構成する１個の基本コイルの平面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態によるリーダライタ用受信アンテナ装置の平面図である。
【図８】図７中の１個の基本コイルとこれと対になる送信アンテナ装置の１個の基本コイルを抜粋した平面図である。
【図９】図８中の１／４部分を拡大した平面図である。
【図１０】非接触型のＩＣカードとリーダライタの回路構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０中に示した送受信コイル及びアンテナコイルの部分を拡大した立体斜視図である。
【図１２】円形のコイルの中心軸におけるコイルからの距離と磁界の強度との関係を示した図である。
【符号の説明】
２ リーダライタ
３ ＩＣカード
６ 送信コイル
７ 受信コイル
８ アンテナコイル
５１〜５４ 基本コイル
５５〜５８ 小ループコイル
８１ ＩＣカード駆動領域（サービスエリア）
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナ装置及びそれと同等な装置における雑音を相殺するための装置に関し、特に、非接触型ＩＣカードの送受信アンテナコイル手段と磁気的に結合され、該ＩＣカードに信号を送信するリーダライタ用の送信アンテナ装置、及びこれと対にして用いる受信アンテナ装置に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報化時代にあって、電子マネーやクレジットカード等のカード分野においては、ＩＣを搭載したいわゆるＩＣカードの実用化が進んできている。このＩＣカードに対して記録媒体書き込み／読み取り装置（リーダライタ）から電力を供給したり、データをやりとりしたりする方法としては、アンテナコイルを用いて磁気的に非接触で行うものが提案されている。この方法は、電気接点を必要とする接触型の方法に比べて、取り扱いの容易さや耐久性などにおいて優れているため、今後の主流となることが期待されている。
【０００３】
図１０に、この非接触型のＩＣカードとリーダライタとの一例を示す。また、図１０中のリーダライタ２の送信コイル６、受信コイル７及びＩＣカード３のアンテナコイル８の部分を拡大した立体斜視図を、図１１に示す。
【０００４】
リーダライタ２とＩＣカード３との動作関係は、▲１▼リーダライタ２からＩＣカード３へ電力のみが供給される状態（スタンバイモード）、▲２▼リーダライタ２からＩＣカード３へとデータが送信される状態（送信モード）、▲３▼ＩＣカード３からリーダライタ２へとデータが送信される状態（受信モード）の３つの状態に大別される。以下、各状態におけるリーダライタ２とＩＣカード３との内部動作の概略を図面を用いて説明する。
【０００５】
まず、リーダライタ２からＩＣカード３へ電力のみが供給される場合、すなわちスタンバイモードについて説明する。
図１０において、リーダライタ２では、一定振幅の高周波信号が発振回路１１から送信回路１２へ供給され、ドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。このとき、リーダライタ２にＩＣカード３が装着されている場合には、リーダライタ２の送信コイル６とＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。
【０００６】
そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。この高周波信号は、整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【０００７】
次に、リーダライタ２からＩＣカード３へデータが送信される場合、すなわち送信モードについて説明する。
図１０において、リーダライタ２では、ホスト１などからのデータがＣＰＵ１５で処理されて送信回路１２へ送られる。この送信回路１２には、上述したスタンバイモードと同様に一定振幅の高周波信号が発振回路１１から供給されており、この高周波信号が上記データで変調されて変調高周波信号が出力される。この変調高周波信号がドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。
【０００８】
このとき、リーダライタ２にはＩＣカード３が装着されており、リーダライタ２の送信コイル６とＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して変調高周波信号が送受信回路４に供給される。
【０００９】
この変調高周波信号は、上述したスタンバイモードと同様に整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。また、アンテナコイル８の出力信号は受信回路２３にも供給され、この部分でデータが復調されてＣＰＵ５に供給される。ＣＰＵ５は、タイミング回路２５及びリセット回路２６の出力に基づいて動作し、供給されるデータを処理して所定のものを図示しないメモリに書き込む。
【００１０】
最後に、ＩＣカード３からリーダライタ２へデータが送信される場合、すなわち受信モードについて説明する。
図１０において、リーダライタ２の送信回路１２からは上述したスタンバイモードと同様に無変調で一定振幅の高周波信号が出力され、ドライバ１３、送信コイル６、アンテナコイル８を介してＩＣカード３に送られる。
【００１１】
このとき、リーダライタ２にはＩＣカード３が装着されており、リーダライタ２の送信コイル６とＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。この高周波信号は、整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【００１２】
一方、ＩＣカード３においては、図示しないメモリから読み出されたデータがＣＰＵ５で処理されて送信回路２４に供給される。送信回路２４は、例えば負荷抵抗とスイッチとからなり、データの“１”、“０”ビットに応じてこのスイッチがオン、オフする。このように送信回路２４のスイッチがオン、オフすると、アンテナコイル８に対する負荷が変動する。
【００１３】
このため、リーダライタ２においては、受信コイル７に流れる高周波電流の振幅が変動する。すなわち、この高周波電流は、ＩＣカード３のＣＰＵ５から送信回路２４に供給されるデータによって振幅変調される。この変調高周波信号が受信回路１４で復調されてデータが得られる。このデータはＣＰＵ１５で処理されて、ホスト１などに送られる。
【００１４】
ところで、このＩＣカード３の用途としては、上述したクレジットカードや電子マネーのように、一度に１枚のカードを取り扱うもののほかに、書籍の管理や商品在庫管理のように、複数の本または商品にＩＣカード３を１枚ずつ取り付け、これらの本または商品の情報をリーダライタ２で読み取る、あるいはこれらの本または商品の中から特定のものを検索するといったように、一度に複数のカードを取り扱う場合がある。
【００１５】
このような場合には、ＩＣカード３を小さくし、リーダライタ２の送受信コイル６，７を大きくする必要がある。また、ＩＣカード３を小さくした場合、当然に内蔵されているアンテナコイル８も小さくなるので、ＩＣカード３を動作させるのに必要な電力を供給するためには、リーダライタ２の送信コイル６に発生させる磁界強度を強くする必要がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、リーダライタ２の送信コイル６を円形コイルと仮定した場合のコイル軸上に発生する磁界強度を、図１２に示す。この図１２は、下記の（１）式に基づき計算されたものである。
円形コイル軸上の点Ａにおける磁界強度ＨA
＝Ｉ×ｒ2 ／２×（ｒ2 ＋ａ2 ）3/2
（Ｉ：コイルに流れる電流、ｒ：コイルの半径、ａ：コイルの中心から点Ａまでの距離）……（１）
【００１７】
図１２中の●印は標準コイル、■印は標準コイルに比べてコイル半径を２倍に、コイルに流す電流量を３倍として強磁界を発生させるための強磁界コイルについてプロットしている。また、図の縦軸は標準コイルのコイル中心に発生する磁界強度で規格化した磁界強度を表し、横軸はコイルからの距離を表している。
【００１８】
ここで、コイルからサービスエリア境界部までの最大距離をＴSAとすると、標準コイルに変えて強磁界コイルを用いると、距離ＴSAまでの範囲、すなわちサービスエリア内部領域での磁界強度は強まるが、サービスエリア外部領域の磁界強度まで強まってしまい、遠くまで強力な磁界が保たれることになる。
【００１９】
この状態で複数のリーダライタ２を近接して使用すると、各リーダライタ２の送信コイル６から発せられた磁界が互いに影響しあってＩＣカード３が誤動作してしまう可能性がある。よって、ＩＣカード３の情報を検出しなければならない領域（サービスエリア）の外の磁界強度をできるだけ微弱に抑えたい。
【００２０】
そこで本発明は、リーダライタの送信アンテナ近傍領域では強い磁界を発生させ、送信アンテナから遠ざかると急激に磁界強度が下がる特性を持つリーダライタ用アンテナ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明のリーダライタ用アンテナ装置は、非接触型ＩＣカードのアンテナコイル手段と磁気的に結合され、該非接触型ＩＣカードへ信号を送信する送信コイルを複数個有する送信用アンテナ装置と、前記該非接触型ＩＣカードから送られる信号を受信する受信コイルを複数個有する受信用アンテナ装置とを備えたリーダライタ用アンテナ装置において、前記送信用アンテナ装置は、送信コイルとして使用される一つの基本コイルが、一辺を接して隣り合うコイルに発生する磁界の向きが互いに逆になるように配置された複数の小ループコイルから構成されるとともに、前記基本コイルを複数個積層して構成され、前記複数個の基本コイルのうち、少なくとも１つの基本コイルは他の基本コイルに対し、前記基本コイルから発生する磁束に垂直な面内で一定距離オフセットして重ね合わさっており、前記受信用アンテナ装置は、前記送信用アンテナ装置の各基本コイルと対にして用いられるように同じ数だけ配設された複数個の受信コイルを有し、前記受信用アンテナ装置を構成する前記受信コイルも複数の小ループコイルから構成されており、前記各送信コイルから発生する磁束の通過する方向から投影した場合に、前記受信コイルを構成する複数の小ループコイルは、前記送信アンテナ装置における対応する基本コイルを構成する複数の小ループコイルのうちの、隣りあった小ループコイルを偶数個分足しあわせた形状と重なるループ形状となっており、
前記送信用アンテナ装置を構成する任意の一個の基本コイルから発生する磁界に対して、これと対になる前記受信用アンテナ装置の基本コイルに発生する起電力がほぼゼロとなるようにされていることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の他の特徴とするところは、前記基本コイルの他の基本コイルに対してオフセットされる距離は、前記小ループコイルを形成する辺の最小長さより短い距離であることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明のその他の特徴とするところは、前記複数個の基本コイルは、磁束の通過する方向から投影した場合に、前記基本コイルの各小ループコイルがそのループ内に他の基本コイルの少なくとも１つの小ループコイルの少なくとも１つの辺が存在するように互いにずらして積層されていることを特徴としている。
【００２５】
前述したように、本発明においては、任意の１つの基本コイルは他の基本コイルに対し、コイルから発生する磁束に垂直な面内で一定距離オフセットして重ね合わせることにより、１つの基本コイルの上方においては磁界が及ばない領域が存在するが、この部分については別の基本コイルで補完することができる。また、オフセットされる距離は、前記小ループコイルを形成する辺の最小長さより短い距離であることが好ましい。他の形態では、複数個の基本コイルは、磁束の通過する方向から投影した場合に、基本コイルの各小ループコイルがそのループ内に他の基本コイルの少なくとも１つの小ループコイルの少なくとも１つの辺が存在するように互いにずらして積層して配置されている。
【００２６】
前述したように、本発明によると、リーダライタ用アンテナ装置における送信用アンテナ装置を複数の基本コイルで構成し、一つの基本コイルを、一辺を接して隣り合うコイルに発生する磁界の向きが互いに逆になるように配置された複数の小ループコイルから構成するとともに、前記複数個の基本コイルのうち、少なくとも１つの基本コイルは他の基本コイルに対し、前記基本コイルから発生する磁束に垂直な面内で一定距離オフセットして重ね合わされることで、各小ループコイルに大きな電流を流して強い磁界を発生させた場合にも、隣接する小ループコイル同士の反対向きの磁界が干渉しあい、隣接する小ループコイルに向かって磁束が曲げられるので、基本コイルから遠ざかると急激に磁界強度を下げることが可能となる。
また、前記受信用アンテナ装置は、前記送信用アンテナ装置の各送信コイルと対にして用いられるように同じ数だけ配設された複数個の受信コイルを配設し、前記受信コイルは前記各送信コイルから発生する磁束の通過する方向から投影した場合に、前記受信コイルを構成する複数の小ループコイルは、前記送信アンテナ装置における対応する基本コイルを構成する複数の小ループコイルのうちの、隣りあった小ループコイルを偶数個分足しあわせた形状と重なるループ形状となっているので、前記送信用アンテナ装置を構成する任意の一個の基本コイルから発生する磁界に対して、これと対になる前記受信用アンテナ装置の基本コイルに発生する起電力がほぼゼロとなるようにすることが可能となる
また、複数の基本コイルを磁束が通過する方向から投影した場合に小ループコイルの辺が重ならないよう層状に配置してアンテナ装置を構成することで、１つの基本コイルの上方においては磁界が及ばない領域が存在するが、この部分については別の基本コイルに補完することが可能である。
【００２７】
すなわち本発明によれば、サービスエリア内には全域に渡って強力な磁界を発生させ、サービスエリア外では急激に磁界強度が下がる特性を持つリーダライタ用送信アンテナ装置が得られる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態によるリーダライタ用送信アンテナ装置の立体斜視図、図２は、図１に示した４層のコイルのうち任意の１個（ここではコイル５１）を上方からみた平面図、図３は、図２のコイルに発生する磁界を模式的に示した図、図４は、図１の各コイルを上方からみた平面図である。なお、本実施の形態による送信アンテナ装置をリーダライタの送信コイルとして用いる場合の回路ブロック図は図１０と同様であり、アンテナコイル及び送信コイルとの位置関係は図１１と同様であるので、記載を省略する。
【００２９】
図１に示すように、本実施の形態の送信アンテナ装置は、４個の基本コイル５１〜５４から構成されており、各基本コイル５１〜５４はＸ−Ｙ平面に水平に配置され、Ｚ方向に所定間隔をもって層状に重ねられている。４個の基本コイル５１〜５４は、全て図２に示すような複数の小ループコイル５５〜５８を結合した構造をとっている。
【００３０】
巻線数と表面積とが互いに等しい小ループコイル５５〜５８において、隣接する小ループコイルでは、コイルの巻線の向きが逆になるように配置される。例えば、図２の小ループコイル５５の巻線方向が時計回り方向である場合には、その右隣の小ループコイル５６の巻線方向及び下方の小ループコイル５７の巻線方向は、共に反時計回りとなる。また、対角に位置する小ループコイル５８の巻線方向は、小ループコイル５５と同じ時計回り方向となる。つまり、小ループコイル５５，５８は第１の小ループコイル群、小ループコイル５６，５７は第２の小ループコイル群を形成していると言える。
【００３１】
この図２に示す基本コイル５１に端子ａから端子ｂの方向へ電流を流すと、小ループコイル５５，５８には時計回りに電流が流れるため、図面手前から裏側方向へ垂直磁界が発生する。一方、小ループコイル５６、５７には反時計回りに電流が流れるため、図面裏側から手前方向へ垂直磁界が発生する。
【００３２】
図３は、１つの小ループコイルに発生する磁束を模式的に示す図である。同図に示すように、小ループコイルに発生する磁束は、コイル面から近い位置ではコイルに対して垂直方向にのびているが、コイルから離れるに従ってその向きを変え、コイルの外方に向かって広がっていく。図３（ｂ）に示す本実施の形態の場合では、隣接する小ループコイルに逆向きの磁界が生じているために、この磁界の影響を受けて、小ループコイルに発生する磁束が図３（ａ）に示す従来の場合よりも、コイル面に近い位置で隣接する小ループコイルの方に向かって曲げられている。
【００３３】
このため、コイル面に近い位置では、ＩＣカード３ａまたは３ｃが受ける磁束の量は従来の場合と本実施の形態とで変わらないが、コイルから離れた位置では、ＩＣカード３ｂまたは３ｄが受ける磁束の量は、従来の場合よりも本実施の形態のほうが少なくなる。すなわち、本実施の形態の送信アンテナ装置を用いると、コイルに近い位置では強力な磁界を発生させ、コイルから離れるにつれて急激に磁界強度を弱めることができる。
【００３４】
なお、小ループコイルの１辺の長さＬは、以下の（２）式に基づき設定される。
Ｌ＝（ＩＣカードのアンテナコイルのコイルサイズ）＋最大通信距離×係数Ａ
（但し、１≦Ａ≦２）……（２）
【００３５】
上記（２）式より求められた値Ｌより１辺の長さを短くすると、一つの小ループコイルに発生する磁束のうち、隣接する小ループコイルの磁束と干渉しあって消滅してしまう磁束の割合が増える。そのため、本来ＩＣカードを動作させなくてはならない領域であるサービスエリアにおいて必要な磁界強度が得られなくなってしまうため、実用的でない。
【００３６】
また、上記（２）式より求められた値Ｌより１辺の長さを長くすると、逆に、一つの小ループコイルに発生する磁束のうち、隣接する小ループコイルの磁束と干渉しあって消滅してしまう磁束の割合が減り、サービスエリア外部まで必要以上に磁界強度が強くなってしまう。そのため、本来動作してはいけないＩＣカードまでが誤動作する恐れがあるので、やはり実用的でない。
【００３７】
図４に示すように、本実施の形態のアンテナ装置を上面から見た場合、基本コイル５１を基準とすると、基本コイル５２はＸ及びＹ方向にＬ×７／８、基本コイル５３はＹ方向にＬ×７／８、基本コイル５４はＸ方向にＬ×７／８だけずらして配置されている。基本コイルをずらす量は、ＩＣカード３のアンテナコイル８へ信号を送信してＩＣカード３を駆動させたい領域８１と、各基本コイル５１〜５４の大きさとから決定されるものであるので、Ｌ×７／８に固定されるものではなく、０からＬまでの間であれば可変である。
【００３８】
このような配置をすることで、１つの基本コイルでは小ループコイルの境界部の上部に磁界が及ばない領域、つまり、ＩＣカード３を駆動できない領域ができてしまうが、この境界部には他の３つの基本コイルのうちのいずれかのコイルの小ループコイルの内部領域が重ねられているので、他の基本コイルから発生する磁界が及ぶことになる。よって、ＩＣカード３を駆動させたいサービスエリア８１の全域に磁界を発生させることができる。
【００３９】
次に、本実施の形態のリーダライタ用送信アンテナ装置を用いてＩＣカード３を駆動させる方法について、図１及び図１０を用いて説明する。
図１０において、リーダライタ２では、一定振幅の高周波信号が発振回路１１から送信回路１２へ供給され、ドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。ここで、リーダライタ２の送信コイル６は、図１に示したように４層の基本コイル５１〜５４から構成されており、上述の高周波信号は、まず基本コイル５１のみに送られる。
【００４０】
基本コイル５１に信号が送信され、サービスエリア８１内にあるＩＣカード３との通信完了後に、図示しないタイミング回路により、信号の送信されるコイルが基本コイル５２へと切り替わる。同様にして、高周波信号は基本コイル５２から基本コイル５３へ、基本コイル５３から基本コイル５４へ、基本コイル５４から基本コイル５１へと、それぞれ応答のあったＩＣカード３との通信終了後に順次切り替わるように設定されている。
【００４１】
言い換えると、送信コイル６を構成している４つの基本コイル５１〜５４のどれか一つにのみ高周波信号が送信され、一度に複数の基本コイルに信号が送信されることがないように設定されている。よって、基本コイル間では磁界の干渉がなく、サービスエリア８１内には基本コイル５１〜５４のうちのどれか一つから発せられる強力な磁界が及んでいることになる。
【００４２】
このとき、リーダライタ２にＩＣカード３が装着されている場合には、リーダライタ２の送信コイル６を構成する各基本コイル５１〜５４のいずれかとＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。この高周波信号は、整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態のアンテナ装置は、表面積及び巻数が互いに等しい複数の正方形の小ループコイルを、その辺が隣り合うもの同士の巻線方向を反対にして接続したものを１個の基本コイルとし、複数の基本コイルを磁束が通過する方向から投影した場合に該基本コイルを構成している小ループコイルの辺が重ならないよう層状に配置して構成することで、ＩＣカードを駆動させたいサービスエリアの全域に強力な磁界を発生させることができ、且つサービスエリア外では磁界強度が急激に低下する特性を得ることができる。
【００４４】
また、本発明の第２の実施の形態として、ＩＣカード３を駆動させたい領域が広い場合は、図５に示すように、第１の実施の形態の送信アンテナ装置で用いた基本コイル５１〜５４をそれぞれ４個ずつつなぎ合わせて、１６個の小ループコイルから構成されている基本コイル５９〜６２を形成する。そして、これらの４枚の基本コイル５９〜６２をＸ及びＹ方向にＬ／２づつずらすように配置してアンテナ装置を構成することも可能である。
【００４５】
この場合も各基本コイル５９〜６２はＸ−Ｙ平面に水平に配置され、この平面に垂直なＺ方向に所定間隔をもって層状に重ねられている。本実施の形態においても第１の実施の形態と同様、基本コイルをずらす量はＬ／２に固定されるものではなく、０からＬの間で可変である。但し、小ループコイル数が多くなると、基本コイルの長さに対する小ループコイルの長さの比が小さくなるために、基本コイルをずらす量を変化させてもサービスエリア８２の広さはそれほど変化しない。
【００４６】
また、第３の実施の形態として、全ての小ループコイルの巻線方向を同じ向きにしても、各小ループコイルの接続を工夫することで、隣接する小ループコイルに発生する磁界の向きが互いに逆になるようにすることができる。
【００４７】
図６に、本実施の形態における送信アンテナ装置を構成する複数の基本コイルのうち任意の１個を上方からみた平面図を示す。巻線数、巻線方向（ここでは反時計回り方向）及び表面積が互いに等しい小ループコイル６３〜６６において、コイルの巻始めをそれぞれ端子ｄ，ｆ，ｈ，ｊ、コイルの巻終わりをそれぞれ端子ｃ，ｅ，ｇ，ｉとする。
【００４８】
ここで、２つの小ループコイルを接続する際に、片方のコイルの巻終わりを他方のコイルの巻始め、あるいは片方のコイルの巻始めを他方のコイルの巻終わりに接続する場合を順方向接続、片方のコイルの巻終わりを他方のコイルの巻終わりに、あるいは片方のコイルの巻始めを他方のコイルの巻始めに接続する場合を逆方向接続と呼ぶことにすると、対角に位置する小ループコイル同士の接続はすべて順方向接続であり、隣接する小ループコイル同士の接続はすべて逆方向接続になるように、各小ループコイル間で接続がなされている。
【００４９】
すなわち、図６においては、小ループコイル６３の端子ｄと小ループコイル６６の端子ｉ、小ループコイル６４の端子ｆと小ループコイル６５の端子ｇをそれぞれ接続することで、対角に位置する小ループコイル同士の接続を順方向接続とする。また、小ループコイル６４の端子ｃと小ループコイル６４の端子ｅを接続することで、隣接する小ループコイル同士の接続を逆方向接続としている。
【００５０】
この状態で端子ｊから端子ｈの方向へ電流を流すことで、第１の小ループコイル群である小ループコイル６３，６６には時計回り方向の電流が流れて図面手前から裏側方向へ垂直磁界が発生し、第２の小ループコイル群である小ループコイル６４，６５には反時計回り方向の電流が流れて図面裏側から手前方向へ垂直磁界が発生することになる。
【００５１】
この図６に示した基本コイルを複数枚用意し、図１及び図４に示した第１の実施の形態や図５に示した第２の実施の形態と同様に、各基本コイルを一定距離オフセットして層状に重ね合わせることで、送信アンテナ装置が構成される。
【００５２】
更に、第４の実施の形態としては、図５に示した第２の実施の形態の送信アンテナ装置と対にして、図７に示すアンテナ装置をリーダライタの受信アンテナ装置（図１０の例では受信アンテナ７）として用いると、ＩＣカード３からの信号を効率よく検出することができる。
【００５３】
図７において、本実施の形態の受信アンテナ装置は、図５に示す送信アンテナ装置の各基本コイル５９〜６２を構成している小ループコイルの２個分の大きさを持つ小ループコイルから成る４枚の基本コイル６７〜７０を用い、これら４枚の基本コイルをＸ及びＹ方向に一定距離ずらして配置されている。
【００５４】
これら基本コイル６７〜７０は、送信アンテナ装置を構成している基本コイル５９〜６２とそれぞれ対応している。すなわち、磁束が通過する方向から投影した場合に基本コイル５９と６７、基本コイル６０と６８、基本コイル６１と６９、基本コイル６２と７０とがそれぞれ重なるように配置されている。
【００５５】
図８に基本コイル５９と６７を上方からみた平面図を示し、図９に図８中の基本コイルの１／４部分を拡大した平面図示す。
図８において、送信コイルである基本コイル５９に、図９中の端子ａから端子ｂへ向かって電流を流した場合、巻線方向が時計回りの方向である小ループコイル５５と５８には図面手前から裏側方向の磁界が発生し、巻線方向が反時計回り方向である小ループコイル５６と５７にはこれとは逆向き、すなわち図面裏側から手前方向の磁界が発生する。この場合、各小ループコイルの巻数は等しくなされているため、どの小ループコイル５５〜５８においても磁界強度は同じ大きさである。
【００５６】
一方、受信コイルである基本コイル６７を構成している小ループコイル７１には、送信コイルの小ループコイル５５と５７から発生する磁界が通過し、小ループコイル７２には小ループコイル５６と５８から発生する磁界が通過する。上述したように、小ループコイル５５と５７から発生する磁界は大きさが等しく向きが逆であるので、お互いに打ち消しあい、小ループコイル７１には電流は流れない。同様にして小ループコイル７２にも電流は流れない。
【００５７】
このバランスは基本コイル６７を全体としてみても成立するので、送信コイルである基本コイル５９から発生する磁界は、受信コイルである基本コイル６７になんら影響を及ぼさない。同じように、受信コイルを構成している他の基本コイル６８〜７０は、磁束が通過する方向から投影した場合に重なるように配置された送信コイルを構成している各基本コイル６０〜６２から発生する磁界に対しては、なんら影響を受けない。
【００５８】
次に、本実施の形態におけるリーダライタ用の送受信アンテナを用いてＩＣカード３との間で信号をやりとりする方法について、図５、図７及び図１０を用いて説明する。まず、リーダライタ２からＩＣカード３へ信号を送信する方法について説明する。
【００５９】
図１０において、リーダライタ２では、ホスト１などからのデータがＣＰＵ１５で処理されて送信回路１２へ送られる。この送信回路１２には、第１の実施の形態において説明したスタンバイモードと同様に一定振幅の高周波信号が発振回路１１から供給されており、この高周波信号が上記データで変調されて変調高周波信号が出力される。この変調高周波信号がドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。
【００６０】
ここで、リーダライタ２の送信コイル６は、図５に示したように４層の基本コイル５９〜６２から構成されており、上述の変調高周波信号は、まず基本コイル５９のみに送られる。基本コイル５９に信号が送信されてから一定時間が経過すると、図示しないタイミング回路により、信号の送信されるコイルが基本コイル６０へと切り替わる。同様にして、変調高周波信号は基本コイル６０から基本コイル６１へ、基本コイル６１から基本コイル６２へ、基本コイル６２から基本コイル５９へと一定時間が経過する毎に順次切り替わるように設定されている。
【００６１】
言い換えると、送信コイル６を構成している４つの基本コイル５９〜６２には、常にどれか一つにのみ変調高周波信号が送信され、一度に複数の基本コイルに信号が送信されることがないように設定されている。別の言い方をすれば、基本コイル５９〜６２のうちの何れか一つが送信コイル６として選択され、選択される基本コイルがタイミング回路によって一定時間毎に切り替わっていく。よって、基本コイル間では磁界の干渉がなく、サービスエリア８２内には基本コイル５９〜６２のうちのどれか一つから発せられる強力な磁界が及んでいることになる。
【００６２】
このとき、リーダライタ２にＩＣカード３が装着されている場合には、リーダライタ２の送信コイル６を構成する各基本コイル５９〜６２のいずれかとＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。そのため、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して変調高周波信号が送受信回路４に供給される。この変調高周波信号は、スタンバイモードと同様に整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【００６３】
また、アンテナコイル８の出力信号は受信回路２３にも供給され、この部分でデータが復調されてＣＰＵ５に供給される。このとき、ＩＣカード３のアンテナコイル８へは、送信コイル６を構成している基本コイル５９〜６２から別々に信号が送信されるため、そのままではＩＣカード３は複数回信号を受信したものと認識してしまうが、リーダライタ２側で識別して処理することが可能である。ＣＰＵ５は、タイミング回路２５及びリセット回路２６の出力に基づいて動作し、供給されるデータを処理して所定のものを図示しないメモリに書き込む。
【００６４】
次に、ＩＣカード３からリーダライタ２へデータが送信される場合、すなわち受信モードについて説明する。
まず、第１の実施の形態で説明した方法でＩＣカード３に電源電圧を供給し、ＩＣカード３を駆動させる。ＩＣカード３においては、図示しないメモリから読み出されたデータがＣＰＵ５で処理されて送信回路２４に供給される。送信回路２４は、例えば負荷抵抗とスイッチとからなり、データの“１”、“０”ビットに応じてこのスイッチがオン、オフする。このように送信回路２４のスイッチがオン、オフすると、アンテナコイル８に対する負荷が変動する。
【００６５】
このため、リーダライタ２においては、受信コイル７に流れる高周波電流の振幅が変動する。すなわち、この高周波電流は、ＩＣカード３のＣＰＵ５から送信回路２４に供給されるデータによって振幅変調される。ここで、受信コイル７は図７に示すように４枚の基本コイル６７〜７０から構成されており、このうち、送信コイル６を構成する基本コイル５９〜６２のうちアンテナコイル８へ信号を送っている基本コイルと、磁束が通過する面から投影した場合に重ね合わされている基本コイルで検出される変調高周波信号が受信回路１４へ送られる。
【００６６】
ここで、例えば基本コイル６７が受信コイル７として選択されている場合を考えると、この基本コイル６７は複数の小ループコイルから構成されているので、小ループコイルの境界領域の上方にアンテナコイル８の中心部があるときは信号が検出できないことになる。しかし、この境界領域は、送信コイル６として選択されている基本コイル５９を構成している小ループコイルの境界領域と重なっており、この領域ではアンテナコイル８に信号が送られていない。したがって、ＩＣカード３が駆動しておらずアンテナコイル８からリーダライタ２に信号が送信されないため、この領域では信号を検出する必要がないことになる。ただし、基本コイル６７で検出できない領域は、他の基本コイル６８〜７０でカバーされているため、全体としてみればサービスエリア全域に渡って信号を検出することができる。
【００６７】
最後に、上述の変調高周波信号は、受信回路１４で復調されてデータが得られる。このデータはＣＰＵ１５で処理されて、ホスト１などに送られる。
【００６８】
以上説明したように、本実施の形態では、表面積及び巻数が互いに等しい複数の正方形の小ループコイルを、その辺が隣り合うもの同士の巻線方向を反対にして接続したものを１個の基本コイルとし、複数の基本コイルを磁束が通過する方向から投影した場合に該基本コイルを構成している小ループコイルの辺が重ならないよう層状に配置して構成した送信アンテナ装置と、これと同じ構成で小ループコイルの大きさだけが送信アンテナ装置の小ループコイルの２個分の大きさを持つ受信アンテナ装置とを組み合わせて使用し、磁束が通過する方向から投影して送信アンテナ装置を構成する基本コイルの一つと受信アンテナ装置を構成する基本コイルの一つとが重なるように配置することで、ＩＣカードを駆動させたいサービスエリアの全域に強力な磁界を発生させることができ、且つサービスエリア外では磁界強度が急激に低下する特性を得ることができるとともに、更にＩＣカードからの信号を効率よく検出することが可能となる。
【００６９】
また、受信アンテナ装置においては、近距離であるサービスエリア内の信号源からの信号を感度よく受信することができるとともに、遠くからの雑音に対しては、受信アンテナ装置を構成する各小ループコイルに一様に電圧が誘導されるため、トータルループ内ではキャンセルされ、サービスエリア内にあるＩＣカードからの信号に対して高い検出感度が得られるという利点がある。
【００７０】
なお、本実施の形態において、受信アンテナ装置の基本コイルを構成する小ループコイルの大きさは、送信アンテナ装置の基本コイルを構成する小ループコイルの２個分でなくてもよい。すなわち、送信アンテナ装置の一つの基本コイルで発生する磁界に対して、この基本コイルと対になる受信アンテナ装置の一つの基本コイルのトータルループ内で発生する電流がゼロになるように構成すればよい。
【００７１】
また、本発明は上記した各実施の形態に限定される主旨のものではなく、例えば小ループコイルの形状を正方形や長方形でなく三角形にするなど、本発明の主旨において様々な設計変更が可能である。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非接触型ＩＣカードと磁気的に結合され、ＩＣカードへ信号を送信する送信コイルを複数個有する送信用アンテナ装置と、前記非接触型ＩＣカードから送られる信号を受信する受信コイルを複数個有する受信用アンテナ装置とを備えたリーダライタ用アンテナ装置において、送信用アンテナ装置近傍領域では強い磁界を発生させ、送信用アンテナ装置から遠ざかると急激に磁界強度が下がる特性を持つリーダライタ用アンテナ装置を得ることができる。よって、本発明のリーダライタ用送信アンテナ装置を用いることで、複数の小さな非接触型ＩＣカードを誤作動なく一度に駆動させることが可能となる。また、受信用アンテナ装置についても同様に、受信用アンテナ装置の近傍領域では検出感度が高く、一方、遠くからの雑音に対しては感度を下げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるリーダライタ用送信アンテナ装置の立体斜視図である。
【図２】図１中の１個の基本コイルの平面図である。
【図３】図２中の隣接する小ループコイルに通過する磁束を従来のコイルに通過する磁束と比較して模式的に示した図である。
【図４】図１に示した送信アンテナ装置の平面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態によるリーダライタ用送信アンテナ装置の平面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態によるリーダライタ用送信アンテナ装置を構成する１個の基本コイルの平面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態によるリーダライタ用受信アンテナ装置の平面図である。
【図８】図７中の１個の基本コイルとこれと対になる送信アンテナ装置の１個の基本コイルを抜粋した平面図である。
【図９】図８中の１／４部分を拡大した平面図である。
【図１０】非接触型のＩＣカードとリーダライタの回路構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０中に示した送受信コイル及びアンテナコイルの部分を拡大した立体斜視図である。
【図１２】円形のコイルの中心軸におけるコイルからの距離と磁界の強度との関係を示した図である。
【符号の説明】
２ リーダライタ
３ ＩＣカード
６ 送信コイル
７ 受信コイル
８ アンテナコイル
５１〜５４ 基本コイル
５５〜５８ 小ループコイル
８１ ＩＣカード駆動領域（サービスエリア）
Claims (3)
- 非接触型ＩＣカードのアンテナコイル手段と磁気的に結合され、該非接触型ＩＣカードへ信号を送信する送信コイルを複数個有する送信用アンテナ装置と、前記該非接触型ＩＣカードから送られる信号を受信する受信コイルを複数個有する受信用アンテナ装置とを備えたリーダライタ用アンテナ装置において、
前記送信用アンテナ装置は、送信コイルとして使用される一つの基本コイルが、一辺を接して隣り合うコイルに発生する磁界の向きが互いに逆になるように配置された複数の小ループコイルから構成されるとともに、前記基本コイルを複数個積層して構成され、前記複数個の基本コイルのうち、少なくとも１つの基本コイルは他の基本コイルに対し、前記基本コイルから発生する磁束に垂直な面内で一定距離オフセットして重ね合わさっており、
前記受信用アンテナ装置は、前記送信用アンテナ装置の各基本コイルと対にして用いられるように同じ数だけ配設された複数個の受信コイルを有し、前記受信用アンテナ装置を構成する前記受信コイルも複数の小ループコイルから構成されており、
前記各送信コイルから発生する磁束の通過する方向から投影した場合に、前記受信コイルを構成する複数の小ループコイルは、前記送信アンテナ装置における対応する基本コイルを構成する複数の小ループコイルのうちの、隣りあった小ループコイルを偶数個分足しあわせた形状と重なるループ形状となっており、
前記送信用アンテナ装置を構成する任意の一個の基本コイルから発生する磁界に対して、これと対になる前記受信用アンテナ装置の基本コイルに発生する起電力がほぼゼロとなるようにされていることを特徴とするリーダライタ用アンテナ装置。 - 前記送信用アンテナ装置における基本コイルの他の基本コイルに対してオフセットされる距離は、前記小ループコイルを形成する辺の最小長さより短い距離であることを特徴とする請求項１に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
- 前記送信用アンテナ装置における複数個の基本コイルは、磁束の通過する方向から投影した場合に、前記基本コイルの各小ループコイルがそのループ内に他の基本コイルの少なくとも１つの小ループコイルの少なくとも１つの辺が存在するように互いにずらして積層されていることを特徴とする請求項１また２に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
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