JP4048360B2

JP4048360B2 - Reader / writer antenna and reader / writer equipped with the antenna

Info

Publication number: JP4048360B2
Application number: JP2002194560A
Authority: JP
Inventors: 貴則遠藤; 隆土田; 誠朗八幡
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: JP2004040456A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実装されたＩＣチップに対して非接触でデータの読み書きを行うことを特徴とするＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムのアンテナの構造に関し、特に、金属に近接して使用することができるリーダ／ライタ用アンテナの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣチップを備えたタグとリーダ／ライタ（又はリーダ）との間でデータの交信を行うＲＦＩＤシステムが普及している。このＲＦＩＤシステムは、タグ及びリーダ／ライタの各々に備えたアンテナを用いてデータの交信を行うため、タグをリーダ／ライタから離した状態でも通信可能であることから、様々な用途、例えば、入退場管理や個人認証等の用途に利用されるようになってきている。
【０００３】
このＲＦＩＤシステムに用いるリーダ／ライタ用アンテナとして、安価で優れた性能を有することから、従来は空芯のコイルが用いられていた。この空芯コイルのアンテナは、例えば、絶縁層で被覆された導線を渦巻き状に巻回してベース板に貼り付けて形成したものや、ベース板に堆積したアルミニウム箔や銅箔等の金属箔をエッチングにより除去して形成したもの等が知られている。
【０００４】
上記空芯コイルのアンテナでは、磁束がベース板を貫通する方向に生じるため、例えば、図７に示すように、空芯構造のリーダ／ライタ用アンテナ３ａを金属ケース１等の金属製の部材に密着させて設置する場合、磁束５が金属ケース１を貫通し、これにより金属内に渦電流が発生し、タグのアンテナの電波が渦電流による磁束により相殺されるためＲＦＩＤシステムが正常に作動しなくなる。そこで、従来はリーダ／ライタ回路のケースをプラスチック製としてアンテナ３ａを組み込んでいた。回路のケースを金属製にする場合はアンテナ３ａを回路のケースに組み込まず外部に配置し、アンテナはケーブルで接続していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ＲＦＩＤシステムの性能向上、小型化、低価格化に伴って、リーダ／ライタは単独の装置としてのみならず、各種電子機器内に搭載されるようになってきている。電子機器は、内部の部品を保護するために一般に金属製のケースに収納されるが、電子機器にリーダ／ライタを組み込む場合、リーダ／ライタ用アンテナは金属ケース表面に設置する必要があり、この場合、渦電流により電波が相殺されタグとのデータの交信に支障が生じてしまうという問題があった。
【０００６】
しかし、金属ケースにタグを近づけると金属ケースの影響によりタグ用アンテナのインダクタンスが減少し、共振周波数が高くなって通信が不可能になるという問題がある。特に、携帯端末機器等の電子機器にリーダ／ライタを組み込む場合は、リーダ／ライタ用アンテナのサイズを大きくすることができず、必然的にタグをリーダ／ライタ用アンテナに密着又は近接させて用いることになるため、金属ケースの影響が顕著となってインダクタンスが著しく減少し、その結果、通信できない領域が生じてしまう。
【０００７】
上記タグと金属ケースとの相互作用を防止するために、タグが金属ケースに近づきすぎないようにスペーサを設置する方法もあるが、スペーサを用いると金属ケース自体のサイズが大きくなってしまい、携帯端末機器の小型化の大きな障害となる。また、タグを金属ケースに近接した状態で所望の共振周波数となるようにタグの共振回路定数を設定することもできるが、この場合はタグが金属ケースから離れてしまうと正常に読み取りができなくなってしまい、また、金属製でないケースを用いる場合にも読み取りができない。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、電子機器の金属ケース表面にリーダ／ライタ用アンテナを設置する場合であっても、金属ケースの影響によるタグのインダクタンスの減少を抑制することができるリーダ／ライタ用アンテナを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のリーダ／ライタ用アンテナは、電磁誘導又は電磁結合を利用してアンテナ間でデータの通信を行うＲＦＩＤシステムにおけるリーダ／ライタ用アンテナであって、前記アンテナは、金属又は金属を含む部材により構成されるケース上に設置される、平板状の磁性材からなる磁芯と、該磁芯の偏った位置においてその表裏面を巻回するように形成されるアンテナコイルとを備え、前記磁芯には、前記アンテナコイルが形成される領域と、前記リーダ／ライタ用アンテナと交信するタグの、前記ケースとの相互作用によるインダクタンスの減少を抑制するインダクタンス補償領域とを備えるものである。このアンテナの磁束の方向は平板の面方向、即ち金属板に平行であるため金属に流れる渦電流に相殺されることはない。
【００１０】
また、本発明のリーダ／ライタ用アンテナは、電磁誘導又は電磁結合を利用してアンテナ間でデータの通信を行うＲＦＩＤシステムにおけるリーダ／ライタ用アンテナであって、前記アンテナは、金属又は金属を含む部材により構成されるケース上に設置される、平板状の磁性材からなる磁芯と、該磁芯の偏った位置においてその一方の面に渦巻き状に形成されるアンテナコイルとを備え、前記磁芯には、前記アンテナコイルが形成される領域と、前記リーダ／ライタ用アンテナと交信するタグの、前記ケースとの相互作用によるインダクタンスの減少を抑制するインダクタンス補償領域とを備えるものである。
【００１４】
このように、本発明では、電子機器の金属ケースに設置するリーダ／ライタ用アンテナの磁芯材として、所定の厚さ、面積の平板状の磁性材を用いることにより、金属ケースによるインダクタンスの減少と、磁芯を兼ねる磁性材によるインダクタンスの増加とを相殺してタグのインダクタンスの変動を抑制し、それによりタグの読み取り可能範囲を広げてリーダ／ライタとタグとの通信性能を向上させることができる。
【００１５】
特に、磁芯材として、金属粒または金属のフレークを含む塗料をＰＥＴフィルムに塗布乾燥し、必要によっては積層したものを用いることにより磁性材の厚みを薄くすることができ、これによりリーダ／ライタ用アンテナの厚みを小さくすることができ、携帯端末機器等の小型の電子機器にリーダ／ライタを組み込むことが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
従来技術において記載したように、ＲＦＩＤリーダ／ライタを電子機器を組み込む場合、金属ケース上にリーダ／ライタ用アンテナを設置することになるが、この場合、リーダ／ライタのアンテナの磁束が金属面に垂直になるため金属内に流れる渦電流により相殺されるという第１の問題と、金属ケースとタグとの相互作用により、タグのインダクタンスが減少するという第２の問題とが生じる。
【００１７】
上記第１の問題に対して、本願出願人は先願（特願２００２−８１４６号）において、リーダ／ライタのアンテナの磁束が金属面に垂直になるため金属に流れる渦電流による磁束により相殺されるという課題に対し、軟磁性部材からなる板状の磁芯材にコイルを巻き、金属の面に平行に配置することにより、リーダ／ライタの電波の磁気成分が金属の面に平行になる構造のアンテナ及び平面状の渦巻き状アンテナの金属に接する方向に磁芯材を配置し、磁束がその磁芯材を通り金属を通過しない構造のアンテナを提案している。
【００１８】
上記先願の構造は、所定の材料、製法で形成した所定の厚さの軟磁性材からなる平板状の磁芯にアンテナコイルを形成するものであり、この構造では、磁束が磁芯内を通過するために、どちらの構造でも、リーダ／ライタ用アンテナを金属ケース表面に直接設置した状態でも使用することができる。
【００１９】
しかしながら、先願記載の構造は、リーダ／ライタ用アンテナに関するものであるため、その構造のリーダ／ライタ用アンテナを用いても金属ケースとタグとの相互作用を十分に抑制できない場合もありえる。
【００２０】
そこで、本発明のＲＦＩＤリーダ／ライタでは、金属ケースとリーダ／ライタ用アンテナとの相互作用のみならず、金属ケースとタグとの相互作用も抑制することができるように、磁芯材の面積、厚さを特定することを特徴としている。
【００２１】
具体的には、金属ケース表面に設置するリーダ／ライタ用アンテナの磁芯材の面積を、表裏面を巻回する形状又は渦巻き状のアンテナに対して３０ｃｍ^２以上とし、磁芯材の厚さを０．１６〜６ｍｍ、好ましくは０．４８〜１．１２ｍｍの範囲とし、通常のリーダ／ライタ用アンテナ３ａよりも大きなサイズの磁芯材を用いることにより、金属ケースによるタグのインダクタンスの減少を、磁芯を兼ねる磁性材によるインダクタンスの増加で相殺することができ、これによりタグのインダクタンスの変動を抑制して読み取り可能範囲を広げ、タグを金属ケースに密着又は近接して用いる場合であっても良好な交信状態を保つことができるようにしている。以下、上記実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００２２】
【実施例】
本発明の一実施例について、図１乃至図６を参照して説明する。図１は、電子機器の金属ケースに組み込んだリーダ／ライタの構成を示す図である。また、図２乃至図５は、本発明の一実施例に係るリーダ／ライタ用アンテナの構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。また、図６は、本実施例の磁性材の構造を模式的に示す断面図である。
【００２３】
図１に示すように、電子機器に組み込まれるＲＦＩＤシステムは、リーダ／ライタ用アンテナ３ａと、送受信信号を変換するための通信回路や送受信信号をデコードするための演算処理回路等の制御部３ｂとからなるリーダ／ライタ（又はリーダ）３と、タグ用アンテナ４ａを備えたラベル型、シート型、スティック型等の種々の形状のタグ４とからなり、リーダ／ライタ用アンテナ３ａは、携帯端末機器の金属ケース１表面に取り付けられ、制御部３ｂは、金属ケース１の内部に組み込まれている。そして、タグ４をリーダ／ライタ用アンテナ３ａに近づけるとタグ４内に備えたＩＣに記録されたデータがリーダ／ライタ３に読み取られ、例えば、ＩＣに顧客情報を書き込んでおけば、このＲＦＩＤシステムを用いて顧客の認証等の処理を行うことができる。
【００２４】
通常、タグ用アンテナ４ａは平面上に配置された渦巻き状の空芯コイルで形成され、このようなコイルは導体である金属板１ａに近接するとその影響によりインダクタンスが減少する。一方、このようなコイルは磁性体に近接するとその影響によりインダクタンスが増加することが知られている。そこで、リーダ／ライタ用アンテナ３ａの磁芯材２を大きな寸法で形成することにより、磁芯材２をアンテナの磁芯として機能させると共に、金属ケース１の影響を相殺してインダクタンスの変動を抑制する手段として機能させている。
【００２５】
この磁芯材２は、アモルファス合金、パーマロイ、電磁鋼、珪素鋼、センダスト合金、Ｆｅ−Ａｌ合金又は軟磁性フェライトの急冷凝固材、鋳造材，圧延材，鍛造材又は焼結材や、アモルファス箔やアモルファス箔の積層材、金属粉、カーボニル鉄粉、還元鉄粉、アトマイズ粉（純鉄、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ等を含む鉄、パーマロイ、Ｃｏ−Ｆｅ等）、アモルファス粉（Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、Ｃｒ等を含む鉄、コバルト、ニッケルを水またはガスアトマイズして製造したもの）等の粒状の粉体若しくはフレークとプラスチック、ゴム等の有機物との複合材、又は上記粉体若しくはフレークを含む塗料の塗膜等により形成することができる。
【００２６】
上記複合材を製造する方法としては、射出成形、塗布、圧縮成形、圧延等を用いることができる。射出成形又は圧縮成形により形成された磁芯材２はフェライトにより形成されたものと比較して、強靭であるため薄くしても割れ難いという特徴がある。塗布の場合は、例えば、粒状粉体をアトラター、ボールミル、スタンプミル等で扁平化してフレークとした後、フレーク又は粒状粉体を含む塗料をフィルム上に塗布／乾燥を繰り返して形成することができ、その際、塗布中に磁場を印加することによりフレークを一定の方向に配向させることができ、特性を向上させることができる。
【００２７】
また、複合材におけるプラスチックとしては加工性の良い熱可塑性のプラスチックを用いたり、或いは耐熱性の良い熱硬化性のプラスチックを用いたりすることができ、また、絶縁性を有するアクリル、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、エポキシ等の樹脂を用いることもできる。
【００２８】
磁芯材２の構造を図示すると図６のようになる。例えば、複合材の場合は、図６（ａ）に示すように、プラスチック、ゴム等の樹脂バインダー７中に粉体、フレーク６が分散され、その粉体若しくはフレーク６が相互に絶縁されているため、磁芯材２全体としては導電性を有せず、高周波の電波を受けても渦電流損失を減少させることができる。また、アモルファス箔の積層材の場合は、図６（ｂ）に示すように、アモルファス箔８と絶縁層９とが交互に積層された構造となり、製造が容易であるがアモルファス箔８は周波数が高い場合損失が大きいため、アモルファス箔８は低周波たとえば１２５ＭＨｚでのみ使用できる。
【００２９】
上記材料、製法で製作される各種磁芯材２は、その厚さ及び面積によりタグ４のインダクタンスを増加させる効果が異なることが推測される。そこで、まず、本発明の用途に用いる磁芯材２の適切な厚さを求めるために、図２の構造において、磁芯材２の厚さと、タグ４と磁芯材２との距離（図の距離Ｒ）を各々変化させた場合のタグ４のインダクタンスを測定した。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
なお、タグ用アンテナ４ａとしては、８６ｍｍ×５４ｍｍの板上の周囲に沿って１ｍｍ間隔で導体を６回巻いたアンテナとした。また、磁芯材２として、１．６ｍｍ以下のものは０．０５ｍｍのＰＥＴフィルムの両面に磁性フレークを含む塗料を塗布した全体の厚さが０．１６ｍｍの複合材を積層したものを用い、３ｍｍ、６ｍｍのものは射出成形した複合材を用いた。このタグ用アンテナ４ａは作動距離を最大にするためにカードの周囲に沿った空芯の巻線としており、使用するタグ４の種類により巻線数は異なるが、インダクタンスの変化率としては同様であり、ある巻線数で磁芯材２の厚さを決定すれば、同じ寸法のタグ４全てに適用することができる。
【００３２】
表１より、磁芯材２を用いない試料では、タグ４とリーダ／ライタ用アンテナ３ａとの距離が小さくなるに従って金属板１ａの影響を受けて徐々にタグ４のインダクタンスが減少し、読み取り可能な範囲の下限を下回るが、磁性材からなる磁芯材２を用いた試料では距離が小さくなっても磁芯材２によるインダクタンスの増大効果により金属板１ａの影響が相殺されて読み取り可能な範囲（表の網掛け部分）が広がっていることがわかる。また、磁芯材２の厚さが厚くなるに従って磁芯材２の影響によるインダクタンスの増大効果が顕著となり、距離が小さい部分では逆にインダクタンスの値が読み取り上限を上回ることが分かる。
【００３３】
以上の結果をまとめると、▲１▼磁性材の厚さは０．１６ｍｍでも読み取り可能な範囲を広げる効果がある、▲２▼０．４８ｍｍ、０．６４ｍｍでは、距離に係わらず密着した状態でも読み取り可能である、▲３▼０．４８ｍｍ〜１．１２ｍｍでは、金属ケース１表面を更に保護部材で覆う使用形態では、事実上距離に係わらず読み取り可能な範囲にある、▲３▼６ｍｍまで効果は認められるが、これ以上厚くしても読み取り範囲を広げる効果はなく、逆に磁芯材２のコストが高くなり、また、金属ケース１表面からの突出量も大きくなるため好ましくない、ということが言え、磁芯材２の厚さとしては、０．１６ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは、０．１６ｍｍ〜１．１２ｍｍが適切であることが判明した。
【００３４】
次に、本発明の用途に用いる磁芯材２の適切な面積を求めるために、磁芯材２の面積と、タグ４と磁芯材２との距離（図の距離Ｒ）を各々変化させた場合のタグ４のインダクタンスを測定した。
【００３５】
実験条件としては、１２０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの工業用純アルミ製の金属ケース１上に、長さ３０、４０、５０、６０ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ０．６４ｍｍの磁芯に幅３ｍｍ、厚さ３０μｍの箔線を磁気的軸が長さ方向に２回巻いたリーダ／ライタ用アンテナ３ａを配置した。また、タグ４は、ＪＩＳ規格に準拠した８６ｍｍ×４５ｍｍ、厚さ０．７４ｍｍの平板に巻数６回のエッチングしたアンテナコイルを形成したものを用いた。なお、リーダ／ライタ用アンテナ３ａ及びタグ用アンテナ４ａはバリアブルコンデンサを用いて共振周波数を１３．５６ＭＨｚに調整した。
【００３６】
また、比較例として、長さ１０、２０ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ０．６４ｍｍの磁芯に幅３ｍｍ、厚さ３０μｍの箔線を磁気的軸が幅方向に２回巻いたものを配置した。そして、各々のリーダ／ライタ用アンテナ３ａに対して、タグ４をリーダ／ライタ用アンテナ３ａに密着させた状態から２０ｍｍ離した範囲まで動かし、タグ４のインダクタンスを測定した。その結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】

【００３８】
表２より、長さ３０ｍｍのリーダ/ライタ用アンテナ３ａでは、タグ４をリーダ/ライタ用アンテナ３ａに密着させた状態（距離０）ではタグ４を感知せず、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で読み取り可能（表の網掛け領域）であることを確認した。なお、タグ４及びリーダ/ライタ用アンテナ３ａには各々外装があり、リーダ/ライタ用アンテナ３ａとタグ４とが密着することはなく、実際の使用形態では１ｍｍ程度の間隔が生じるため、１ｍｍ程度の距離で感知できれば実用上問題ないと言える。
【００３９】
また、長さ４０、５０、６０ｍｍのリーダ/ライタ用アンテナ３ａでは、タグ４をリーダ/ライタ用アンテナ３ａに密着させた状態でもタグ４を感知することができ、０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で読み取り可能であることを確認した。
【００４０】
一方、比較例として作成した長さ１０、２０ｍｍのリーダ/ライタ用アンテナ３ａでは、タグ４をリーダ/ライタ用アンテナ３ａに密着させた状態から１５ｍｍ未満の範囲までは感知することができず、１５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲でのみ読み取り可能であった。なお、１５ｍｍ未満で感知しないのは金属ケース１の影響でインダクタンスが減少し共振周波数が高くなるためであり、２０ｍｍを超える範囲で作動しないのは電波が微弱となるためである。
【００４１】
以上の結果から、リーダ／ライタ用アンテナの磁芯材として、幅１００ｍｍに対して長さ３０ｍｍ以上、面積に換算すると３０ｃｍ^２以上であれば、金属ケース１によるタグ４のインダクタンスの減少を相殺することができることが分かった。
【００４２】
この結果は、磁芯材２の表裏面にアンテナコイルを巻回させた図２に示す構造に対するものであるが、リーダ／ライタ用アンテナ３ａの形状としては、図２の形状の他に、図３に示すように、磁芯材２の一方の面に周囲に沿って渦巻き状に巻線を形成した構造であっても良い。そこで、渦巻き状の巻線構造のリーダ／ライタ用アンテナ３ａについても同様に面積を変えてタグ４の読み取り可能範囲を調べたところ、データは記載しないが、磁芯材２の面積を３０ｃｍ^２以上とすれば、タグ４をリーダ／ライタ用アンテナ３ａに近接又は密着させた状態でも事実上読み取り可能とすることができることを確認している。
【００４３】
更に、本発明の構造は、リーダ／ライタ用アンテナ３ａの磁芯材２を、磁束５が金属ケース１に侵入しないようにする手段（金属ケース１とリーダ／ライタ用アンテナ３ａとの相互作用を抑制する目的）の他に、金属ケース１の影響によるタグ４のインダクタンスの減少を抑制する手段（金属ケース１とタグ４との相互作用を抑制する目的）として機能させるものであり、磁芯材２の全てをアンテナの磁芯として機能させる必要はない。
【００４４】
そこで、例えば、図４に示すように、磁芯材２を、アンテナとして機能させるアンテナ領域２ａと、タグ４のインダクタンスの補償手段として機能させるインダクタンス補償領域２ｂとに分け、アンテナ領域２ａにのみアンテナコイルを形成し、インダクタンス補償領域２ｂは磁芯材２を露出させ、両方の領域を合わせた面積を３０ｃｍ^２以上とする構成としても良い。また、渦巻き状の巻線構造においても、図５に示すように、アンテナ領域２ａにのみ渦巻き状アンテナコイルを形成し、インダクタンス補償領域２ｂは磁芯材２を露出させ、両方の領域を合わせた面積を３０ｃｍ^２以上とする構成としても良い。
【００４５】
このように、電子機器の金属ケース１に設置するリーダ／ライタ用アンテナ３ａを、その磁芯材２として平板状の軟磁性部材を用い、磁芯材２の面積を、３０ｃｍ^２以上とし、磁芯材２の厚さを０．１６〜６ｍｍ、好ましくは０．１６〜１．１２ｍｍとすることによって、金属板１ａによるインダクタンスの減少を磁芯材２で相殺することができ、タグ４を金属ケース１に近接又は密着して使用する場合であっても、良好な交信状態を維持することができる。
【００４６】
なお、図２乃至図５に示す構造は例示であり、面積及び厚さの条件を満たす限りにおいて、磁芯材２はどのような形状であってもよく、磁芯材２に巻回する巻線の太さ、巻回する方向も任意に設定することができる。また、上記各実施例では、本発明のリーダ／ライタ用アンテナ３ａを電子機器の金属ケース１に設置する場合について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、金属又は金属材料を含む任意の構造体にリーダ／ライタ用アンテナ３ａを設置する場合に適用することができるのは明らかである。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のリーダ／ライタ用アンテナの構造によれば、アンテナを金属ケース表面に設置する場合であっても、金属板の影響によるタグのインダクタンスの減少を抑制して読み取り可能範囲を広げることができる。
【００４８】
その理由は、リーダ／ライタ用アンテナの磁芯材として平板状の軟磁性部材を用い、その面積を３０ｃｍ^２以上とし、かつ、厚さを０．１６ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは０．１６ｍｍ〜１．１２ｍｍとすることによって、タグが金属ケースに近接又は密着した状態においてタグのインダクタンスを増加させ、金属板の影響によるインダクタンスの減少を相殺することができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかるＲＦＩＤシステムの構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施例に係るリーダ／ライタ用アンテナ（表裏面巻回形状）の構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施例に係るリーダ／ライタ用アンテナ（渦巻き形状）の構造を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係るリーダ／ライタ用アンテナ（表裏面巻回形状）の他の構造を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係るリーダ／ライタ用アンテナ（渦巻き形状）の他の構造を示す図である。
【図６】本発明の一実施例に係る磁性材の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】従来のリーダ／ライタ用アンテナの構造を示す図である。
【符号の説明】
１金属ケース
２磁芯材
２ａアンテナ領域
２ｂインダクタンス補償領域
３リーダ／ライタ
３ａリーダ／ライタ用アンテナ
３ｂ制御部
４タグ
４ａタグ用アンテナ
５磁束
６フレーク
７樹脂バインダー
８アモルファス箔
９絶縁層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an antenna structure of an RFID (Radio Frequency Identification) system characterized in that data is read from and written to a mounted IC chip in a non-contact manner, and can be used particularly close to a metal. The present invention relates to the structure of a reader / writer antenna.
[0002]
[Prior art]
In recent years, RFID systems that perform data communication between a tag including an IC chip and a reader / writer (or a reader) have become widespread. Since this RFID system communicates data using the antenna provided in each of the tag and the reader / writer, it can communicate even when the tag is separated from the reader / writer. It has come to be used for purposes such as exit management and personal authentication.
[0003]
As a reader / writer antenna used in the RFID system, an air-core coil has been conventionally used because it is inexpensive and has excellent performance. This air-core coil antenna is formed, for example, by winding a conductive wire covered with an insulating layer in a spiral shape and attaching it to a base plate, or a metal foil such as aluminum foil or copper foil deposited on the base plate. Those formed by removing by etching are known.
[0004]
Since the air core coil antenna generates magnetic flux in a direction penetrating the base plate, for example, as shown in FIG. 7, an air core structure reader / writer antenna 3a is used as a metal member such as a metal case 1 or the like. When installed in close contact, the magnetic flux 5 penetrates the metal case 1, thereby generating an eddy current in the metal, and the radio waves of the tag antenna are offset by the magnetic flux generated by the eddy current, so that the RFID system operates normally. Disappear. Therefore, conventionally, the case of the reader / writer circuit is made of plastic and the antenna 3a is incorporated. When the circuit case is made of metal, the antenna 3a is not installed in the circuit case but arranged outside, and the antenna is connected by a cable.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, with the improvement in performance, miniaturization, and cost reduction of RFID systems, reader / writers are being installed not only as a single device but also in various electronic devices. Electronic devices are generally housed in metal cases to protect internal components. However, when a reader / writer is incorporated into an electronic device, the reader / writer antenna must be installed on the surface of the metal case. In such a case, there is a problem that the radio wave is canceled by the eddy current and the data communication with the tag is hindered.
[0006]
However, when the tag is brought close to the metal case, there is a problem that the inductance of the tag antenna decreases due to the influence of the metal case, the resonance frequency becomes high, and communication becomes impossible. In particular, when a reader / writer is incorporated in an electronic device such as a portable terminal device, the size of the reader / writer antenna cannot be increased, and the tag is inevitably used in close contact with the reader / writer antenna. As a result, the influence of the metal case becomes significant and the inductance is remarkably reduced. As a result, an area where communication is impossible occurs.
[0007]
In order to prevent the interaction between the tag and the metal case, there is a method of installing a spacer so that the tag does not get too close to the metal case. This is a major obstacle to miniaturization of terminal equipment. In addition, it is possible to set the resonance circuit constant of the tag so that the desired resonance frequency is obtained when the tag is close to the metal case, but in this case, if the tag moves away from the metal case, reading cannot be performed normally. In addition, reading is not possible when a non-metal case is used.
[0008]
The present invention has been made in view of the above problems, and the main object of the present invention is to provide a tag that is affected by a metal case even when a reader / writer antenna is installed on the surface of the metal case of an electronic device. An object of the present invention is to provide a reader / writer antenna that can suppress a decrease in inductance.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a reader / writer antenna of the present invention is a reader / writer antenna in an RFID system that performs data communication between antennas using electromagnetic induction or electromagnetic coupling. the antenna coil is formed so as to wind the member comprises a metal or metal Ru is placed on the case constituted a magnetic core consisting of a flat plate-like magnetic material, the front and rear surfaces thereof at the biased position of the magnetic core with the door, the magnetic core includes a region where the antenna coil is formed, the tag to communicate with the antenna for the reader / writer, and a suppressing inductance compensation region a reduced inductance due to interaction with the casing It is to be prepared. Since the direction of the magnetic flux of the antenna is parallel to the plane direction of the flat plate, that is, the metal plate, it is not canceled out by the eddy current flowing through the metal.
[0010]
The reader / writer antenna of the present invention is a reader / writer antenna in an RFID system that performs data communication between antennas using electromagnetic induction or electromagnetic coupling, and the antenna includes metal or metal. Ru is placed on the case constituted by the members, comprising a magnetic core made of a flat magnetic material, and an antenna coil formed in a spiral shape on one surface of the biased position of the magnetic core, the magnetic the core includes a region where the antenna coil is formed, the tag to communicate with the antenna for the reader / writer, in which and a suppressing inductance compensation region a reduced inductance due to interaction with the casing.
[0014]
As described above, in the present invention, by using a flat magnetic material having a predetermined thickness and area as the magnetic core material of the antenna for the reader / writer installed in the metal case of the electronic device, the inductance is reduced by the metal case. And offsetting the increase in inductance due to the magnetic material that also serves as a magnetic core to suppress fluctuations in the inductance of the tag, thereby expanding the readable range of the tag and improving the communication performance between the reader / writer and the tag. it can.
[0015]
In particular, as a magnetic core material, a coating material containing metal particles or metal flakes is applied to a PET film and dried, and if necessary, a laminated material can be used to reduce the thickness of the magnetic material. The thickness of the antenna can be reduced, and the reader / writer can be incorporated into a small electronic device such as a portable terminal device.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As described in the prior art, when an RFID reader / writer is incorporated into an electronic device, a reader / writer antenna is installed on a metal case. In this case, the magnetic flux of the reader / writer antenna is applied to the metal surface. There is a first problem that it is offset by eddy current flowing in the metal because it is vertical, and a second problem that the inductance of the tag is reduced due to the interaction between the metal case and the tag.
[0017]
In the first application (Japanese Patent Application No. 2002-8146), the applicant of the present application counteracted the first problem by the magnetic flux generated by the eddy current flowing in the metal because the magnetic flux of the reader / writer antenna is perpendicular to the metal surface. A structure in which the magnetic component of the radio wave of the reader / writer is parallel to the metal surface by winding a coil around a plate-shaped magnetic core material made of a soft magnetic member and arranging it parallel to the metal surface. The antenna of the structure which arrange | positions a magnetic core material in the direction which touches the metal of this antenna and a planar spiral antenna, and a magnetic flux passes through the magnetic core material but does not pass a metal is proposed.
[0018]
In the structure of the above-mentioned prior application, an antenna coil is formed on a flat magnetic core made of a soft magnetic material having a predetermined thickness and formed by a predetermined material and manufacturing method. In this structure, the magnetic flux passes through the magnetic core. In order to pass through, either structure can be used with the reader / writer antenna installed directly on the surface of the metal case.
[0019]
However, since the structure described in the prior application is related to the reader / writer antenna, the interaction between the metal case and the tag may not be sufficiently suppressed even when the reader / writer antenna having the structure is used.
[0020]
Therefore, in the RFID reader / writer of the present invention, not only the interaction between the metal case and the reader / writer antenna, but also the interaction between the metal case and the tag can be suppressed, It is characterized by specifying the thickness.
[0021]
Specifically, the area of the magnetic core material of the reader / writer antenna to be installed on the surface of the metal case is set to 30 cm ² or more with respect to the shape of the front or back surface wound or the spiral antenna, and the thickness of the magnetic core material Is in the range of 0.16 to 6 mm, preferably 0.48 to 1.12 mm, and a magnetic core material having a size larger than that of the normal reader / writer antenna 3a is used, thereby reducing the inductance of the tag due to the metal case. This can be offset by an increase in inductance due to the magnetic material that also serves as the magnetic core, thereby suppressing fluctuations in the inductance of the tag and expanding the readable range, and using the tag in close contact with or close to the metal case. Even keep in good communication. Hereinafter, the above embodiment will be described in more detail.
[0022]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a reader / writer incorporated in a metal case of an electronic device. 2 to 5 are views showing the structure of the reader / writer antenna according to one embodiment of the present invention, in which (a) is a perspective view and (b) is a cross-sectional view. Moreover, FIG. 6 is sectional drawing which shows typically the structure of the magnetic material of a present Example.
[0023]
As shown in FIG. 1, an RFID system incorporated in an electronic device includes a reader / writer antenna 3a and a control unit 3b such as a communication circuit for converting transmission / reception signals and an arithmetic processing circuit for decoding transmission / reception signals. A reader / writer (or reader) 3 and a tag 4 of various shapes such as a label type, a sheet type, and a stick type provided with a tag antenna 4a. The reader / writer antenna 3a is a portable terminal device. The control unit 3 b is incorporated in the metal case 1. When the tag 4 is brought close to the reader / writer antenna 3a, the data recorded in the IC provided in the tag 4 is read by the reader / writer 3, for example, if customer information is written in the IC, the RFID system Can be used to perform processing such as customer authentication.
[0024]
Usually, the tag antenna 4a is formed of a spiral air-core coil arranged on a plane, and when such a coil is close to the metal plate 1a which is a conductor, the inductance decreases due to the influence. On the other hand, it is known that when such a coil is close to a magnetic body, the inductance increases due to the influence. Therefore, by forming the magnetic core material 2 of the reader / writer antenna 3a with a large size, the magnetic core material 2 functions as the magnetic core of the antenna, and the influence of the metal case 1 is offset to suppress the variation in inductance. It functions as a means to do.
[0025]
This magnetic core material 2 is made of amorphous alloy, permalloy, electromagnetic steel, silicon steel, sendust alloy, Fe-Al alloy or soft magnetic ferrite rapidly solidified material, cast material, rolled material, forged material or sintered material, amorphous foil And amorphous foil laminates, metal powder, carbonyl iron powder, reduced iron powder, atomized powder (iron containing pure iron, Si, Cr, Al, etc., permalloy, Co-Fe, etc.), amorphous powder (B, P, Si) Of granular powders or flakes such as iron, cobalt containing nickel, etc. manufactured by water or gas atomization) and organic materials such as plastics, rubber, etc., or paints containing the above powders or flakes It can be formed by a coating film or the like.
[0026]
As a method for producing the composite material, injection molding, coating, compression molding, rolling, or the like can be used. Since the magnetic core material 2 formed by injection molding or compression molding is tougher than that formed by ferrite, it has a feature that even if it is thin, it is difficult to break. In the case of coating, for example, the granular powder can be flattened with an attractor, ball mill, stamp mill or the like to form flakes, and then a coating containing flakes or granular powder can be repeatedly applied / dried on the film. At that time, by applying a magnetic field during coating, the flakes can be oriented in a certain direction, and the characteristics can be improved.
[0027]
As the plastic in the composite material, a thermoplastic plastic having good processability or a thermosetting plastic having a good heat resistance can be used, and insulating acrylic, polyester, polychlorinated Resins such as vinyl, polyethylene, polystyrene, and epoxy can also be used.
[0028]
The structure of the magnetic core material 2 is shown in FIG. For example, in the case of a composite material, as shown in FIG. 6A, powder and flakes 6 are dispersed in a resin binder 7 such as plastic and rubber, and the powder or flakes 6 are insulated from each other. Therefore, the magnetic core material 2 as a whole does not have conductivity, and eddy current loss can be reduced even when receiving high-frequency radio waves. In the case of a laminated material of amorphous foil, as shown in FIG. 6 (b), the amorphous foil 8 and the insulating layer 9 are alternately laminated. Since the loss is large when it is high, the amorphous foil 8 can be used only at a low frequency, for example, 125 MHz.
[0029]
It is presumed that the effects of increasing the inductance of the tag 4 differ depending on the thickness and area of various magnetic core materials 2 manufactured by the above materials and manufacturing methods. Therefore, in order to obtain an appropriate thickness of the magnetic core material 2 used for the application of the present invention, in the structure of FIG. 2, the thickness of the magnetic core material 2 and the distance between the tag 4 and the magnetic core material 2 (see FIG. The inductance of the tag 4 was measured when the distance R) was changed. The results are shown in Table 1.
[0030]
[Table 1]

[0031]
The tag antenna 4a is an antenna in which a conductor is wound six times at intervals of 1 mm along the circumference on a 86 mm × 54 mm plate. Further, as the magnetic core material 2, one having a thickness of 1.6 mm or less is obtained by laminating a composite material having a total thickness of 0.16 mm obtained by applying a coating containing magnetic flakes on both sides of a 0.05 mm PET film, For 3 mm and 6 mm, an injection molded composite material was used. This tag antenna 4a has an air core winding along the periphery of the card in order to maximize the working distance, and the number of windings varies depending on the type of tag 4 used, but the rate of change in inductance is the same. Yes, if the thickness of the magnetic core material 2 is determined with a certain number of windings, it can be applied to all tags 4 having the same dimensions.
[0032]
According to Table 1, in the sample that does not use the magnetic core material 2, the inductance of the tag 4 gradually decreases due to the influence of the metal plate 1a as the distance between the tag 4 and the reader / writer antenna 3a becomes smaller and can be read. However, in the sample using the magnetic core material 2 made of a magnetic material, the influence of the metal plate 1a is offset by the effect of increasing the inductance by the magnetic core material 2 even if the distance is reduced. It can be seen that (shaded part of the table) is spreading. Further, it can be seen that as the thickness of the magnetic core material 2 increases, the effect of increasing the inductance due to the influence of the magnetic core material 2 becomes more prominent, and conversely, the inductance value exceeds the reading upper limit at a portion where the distance is small.
[0033]
The above results are summarized as follows: (1) Even if the thickness of the magnetic material is 0.16 mm, the reading range is effective. (2) At 0.48 mm and 0.64 mm, the magnetic material is in close contact regardless of the distance. In the case of (3) 0.48 mm to 1.12 mm, which can be read, in the usage form in which the surface of the metal case 1 is further covered with a protective member, it is practically in a readable range regardless of the distance, and (3) is effective up to 6 mm. Although thicker than this, there is no effect of widening the reading range, and conversely, the cost of the magnetic core material 2 increases, and the amount of protrusion from the surface of the metal case 1 also increases, which is not preferable. However, it has been found that the thickness of the magnetic core material 2 is 0.16 mm to 6 mm, preferably 0.16 mm to 1.12 mm.
[0034]
Next, in order to obtain an appropriate area of the magnetic core material 2 used in the application of the present invention, the area of the magnetic core material 2 and the distance between the tag 4 and the magnetic core material 2 (distance R in the figure) are changed. In this case, the inductance of the tag 4 was measured.
[0035]
As experimental conditions, on a metal case 1 made of industrial pure aluminum having a size of 120 mm × 70 mm and a thickness of 1.2 mm, a magnetic core having a length of 30, 40, 50, 60 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 0.64 mm is provided. A reader / writer antenna 3a in which a magnetic wire of 3 mm and a thickness of 30 μm is wound twice in the length direction is arranged. Moreover, the tag 4 used what formed the antenna coil etched six times to the flat plate of 86 mm x 45 mm and thickness 0.74mm based on JIS specification. Note that the resonance frequency of the reader / writer antenna 3a and the tag antenna 4a was adjusted to 13.56 MHz using a variable capacitor.
[0036]
Further, as a comparative example, a magnetic core having a length of 10, 20 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 0.64 mm and a foil wire having a width of 3 mm and a thickness of 30 μm wound twice in the width direction was disposed. Then, with respect to each reader / writer antenna 3a, the tag 4 was moved to a range 20 mm away from the state where the tag 4 was in close contact with the reader / writer antenna 3a, and the inductance of the tag 4 was measured. The results are shown in Table 2.
[0037]
[Table 2]

[0038]
From Table 2, with the reader / writer antenna 3a having a length of 30 mm, the tag 4 is not detected when the tag 4 is in close contact with the reader / writer antenna 3a (distance 0), and can be read in the range of 1 mm to 20 mm. (Shaded area in the table). Note that the tag 4 and the reader / writer antenna 3a each have an exterior, and the reader / writer antenna 3a and the tag 4 are not in close contact with each other. It can be said that there is no practical problem if it can be detected at a distance of.
[0039]
Further, the reader / writer antenna 3a having a length of 40, 50, or 60 mm can detect the tag 4 even when the tag 4 is in close contact with the reader / writer antenna 3a, and can read in the range of 0 mm to 20 mm. It was confirmed that.
[0040]
On the other hand, the reader / writer antenna 3a having a length of 10 and 20 mm prepared as a comparative example cannot detect a range of less than 15 mm from the state in which the tag 4 is in close contact with the reader / writer antenna 3a. Reading was possible only in the range of ˜20 mm. Note that the reason why the sensing is not performed at less than 15 mm is that the inductance decreases due to the influence of the metal case 1 and the resonance frequency increases, and the reason why it does not operate within the range exceeding 20 mm is because the radio wave becomes weak.
[0041]
From the above results, if the magnetic core material of the reader / writer antenna is 30 mm or more in length with respect to a width of 100 mm and 30 cm ² or more in terms of area, the decrease in inductance of the tag 4 due to the metal case 1 is offset. I found out that I could do it.
[0042]
This result is for the structure shown in FIG. 2 in which the antenna coil is wound around the front and back surfaces of the magnetic core material 2, but the reader / writer antenna 3a has the shape shown in FIG. As shown in FIG. 3, a structure may be adopted in which a winding is formed in a spiral shape on one surface of the magnetic core material 2 along the periphery. Thus, the reader / writer antenna 3a having a spiral winding structure was similarly examined for the readable range of the tag 4 by changing the area. Although no data was described, the area of the magnetic core material 2 was 30 cm ² or more. Then, it has been confirmed that the tag 4 can be practically read even in a state where the tag 4 is close to or in close contact with the reader / writer antenna 3a.
[0043]
Furthermore, the structure of the present invention is a means for preventing the magnetic core 5 of the reader / writer antenna 3a from entering the metal case 1 (the interaction between the metal case 1 and the reader / writer antenna 3a). In addition to the purpose of suppressing, the magnetic core material functions as a means for suppressing a decrease in inductance of the tag 4 due to the influence of the metal case 1 (purpose of suppressing the interaction between the metal case 1 and the tag 4). It is not necessary for all 2 to function as the magnetic core of the antenna.
[0044]
Therefore, for example, as shown in FIG. 4, the magnetic core material 2 is divided into an antenna region 2 a that functions as an antenna and an inductance compensation region 2 b that functions as a compensation means for the inductance of the tag 4, and an antenna is provided only in the antenna region 2 a. A coil may be formed, and the inductance compensation region 2b may be configured such that the magnetic core material 2 is exposed and the total area of both regions is 30 cm ² or more. Also in the spiral winding structure, as shown in FIG. 5, a spiral antenna coil is formed only in the antenna region 2a, the inductance compensation region 2b exposes the magnetic core material 2, and both regions are combined. The area may be 30 cm ² or more.
[0045]
As described above, the reader / writer antenna 3a installed in the metal case 1 of the electronic device uses a flat soft magnetic member as the magnetic core material 2, and the area of the magnetic core material 2 is 30 cm ² or more. By setting the thickness of the core material 2 to 0.16 to 6 mm, preferably 0.16 to 1.12 mm, the decrease in inductance due to the metal plate 1a can be offset by the magnetic core material 2, and the tag 4 is made of metal. Even when used close to or in close contact with the case 1, a good communication state can be maintained.
[0046]
The structure shown in FIGS. 2 to 5 is an example, and the magnetic core material 2 may have any shape as long as the area and thickness conditions are satisfied. The thickness of the line and the winding direction can also be set arbitrarily. In each of the above-described embodiments, the reader / writer antenna 3a of the present invention is described as being installed in the metal case 1 of the electronic device. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the metal or metal Obviously, the present invention can be applied to the case where the reader / writer antenna 3a is installed in an arbitrary structure including a material.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the reader / writer antenna structure of the present invention, even when the antenna is installed on the surface of the metal case, reading can be performed while suppressing the decrease in the inductance of the tag due to the influence of the metal plate. The range can be expanded.
[0048]
The reason is that a flat soft magnetic member is used as the magnetic core material of the reader / writer antenna, the area is 30 cm ² or more, and the thickness is 0.16 mm to 6 mm, preferably 0.16 mm to 1. This is because by setting the thickness to 12 mm, the inductance of the tag can be increased while the tag is close to or in close contact with the metal case, and the decrease in inductance due to the influence of the metal plate can be offset.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an RFID system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the structure of a reader / writer antenna (front and back winding shape) according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a structure of a reader / writer antenna (spiral shape) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing another structure of a reader / writer antenna (front and back winding shape) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing another structure of a reader / writer antenna (spiral shape) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a magnetic material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a structure of a conventional reader / writer antenna.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal case 2 Magnetic core material 2a Antenna area | region 2b Inductance compensation area | region 3 Reader / writer 3a Reader / writer antenna 3b Control part 4 Tag 4a Tag antenna 5 Magnetic flux 6 Flakes 7 Resin binder 8 Amorphous foil 9 Insulating layer

Claims

A reader / writer antenna in an RFID system that performs data communication between antennas using electromagnetic induction or electromagnetic coupling,
The antenna is formed so as to wind the member comprises a metal or metal Ru is placed on the case constituted a magnetic core consisting of a flat plate-like magnetic material, the front and rear surfaces thereof at the biased position of the magnetic core An antenna coil to be
Said magnetic core, characterized in that said comprises a region in which the antenna coil is formed, the tag to communicate with the antenna for the reader / writer, and a suppressing inductance compensation region a reduced inductance due to interaction with the casing Reader / writer antenna.

A reader / writer antenna in an RFID system that performs data communication between antennas using electromagnetic induction or electromagnetic coupling,
The antenna, the member including a metal or metal Ru is placed on the case constituted a magnetic core consisting of a flat plate-like magnetic material is formed in a spiral shape on one surface of the biased position of the magnetic core Antenna coil ,
Said magnetic core, characterized in that said comprises a region in which the antenna coil is formed, the tag to communicate with the antenna for the reader / writer, and a suppressing inductance compensation region a reduced inductance due to interaction with the casing Reader / writer antenna.