JP4103684B2 - アンテナユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触で信号を送受信するためのループコイルを備えたアンテナユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＩＣを内蔵した非接触式情報記録媒体から無線により非接触で通信可能な非接触キャリアシステムの導入が盛んになりつつある。例えば、カードにＩＣを内蔵した「ＩＣカード」を用いた交通ゲート入退装置や入退出室管理装置、ＩＣを内蔵した「ＩＣタグ」を物品に付けて物品管理を行う物流管理装置、腕時計にＩＣを内蔵した「ＩＣリストバンド」を用いた入退出室管理装置、などのように大小さまざまな形状の非接触式記録媒体が利用されている。
【０００３】
そのような非接触式記録媒体（以下、「記録媒体」と略記する）との通信を行うリーダーライタ等の情報処理装置には、その通信を選択的に行えるように、通常、指向性を有するループコイルを備えたアンテナが採用される。そのアンテナを構成するループコイルは、図１３に示すように矩形状に巻かれているのが普通である。また、図１６に示すように、１次コイル（ループ）と相互誘導により結合する２次コイル（ループ）とでトランスを形成したアンテナも一般的に採用される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−８５９２６号公報
【特許文献２】
特開平８−１９４７８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
記録媒体と通信を行う情報処理装置では、その通信距離を延ばすことが望まれている。通信距離を延ばすためには、アンテナに発生させる磁界を大きくする必要がある。図１３、及び図１６に示すアンテナ１３０１、及び１６０１のループコイルは矩形状に巻かれており、折れ曲がった部分（以下、「角部分」と呼ぶ）が存在する。その角部分に磁界が集中することが知られている。
【０００６】
角部分に磁界が集中するために、記録媒体をこの角部分に近づけた時、記録媒体のアンテナに過電流が流れることにより媒体の形状が変形したり、記録媒体内のＩＣが破壊されてしまう恐れがある。そのため、従来は、例えば図１４に示すように、角部分の全てに対し、ループコイルを含む面上でそのループコイルの内側に向けた方向に凸となっている凸状部分を形成させていた。以降、特に断らない限り、内側とはその意味で用いることにする。
【０００７】
図１５は、従来のアンテナの角部分を拡大して示す図である。図１５（ａ）は図１３に示す従来例（以下、「第１の従来例」と呼ぶ）、図１５（ｂ）は図１４に示す従来例（以下、「第２の従来例」と呼ぶ）にそれぞれ対応する。
【０００８】
ループコイルを構成するループ（ターン）１〜３に図１５（ａ）に示すように電流が流れると、Ａ点に生じる磁界は全て、見る者に向かう方向となる。一方、図１５（ｂ）では、Ａ点に生じる磁界はその逆向きの方向となり、ループコイルの内側に発生する磁界の向きとは逆向きとなる。それにより、角部分における磁界の集中が抑えられることとなる。
【０００９】
しかし、図１４に示すように角部分に内側に凸の部分を形成すると、それに伴い、アンテナ面積（ループコイルを含む面上でそのループコイルによって囲まれる部分の面積）が減少する。このため、通信を行える通信領域が狭くなるという問題点があった。それは、記録媒体のアンテナが小さい場合（例えばＩＣリストバンドではアンテナの直径は十数ｍｍ程度である）などに特に顕在化する。
【００１０】
ところで、アンテナのループコイルは、通常プリント基板上の同一平面に所定の幅（例えば１ｍｍ）でパターン形成されている。そのループコイルは銅等の導体（導電性部材）で作製されるが、周知のとおり導体は抵抗を持っており、ループコイルを流れる電流に対して抵抗損失が発生する。この損失の低減はパターンの幅を広くすることで行えるが、その幅を広くすることによりコイル内側の面積のなかでそのコイル自身が占める割合が増大するため、通信領域は狭くなる。
【００１１】
一方、図１６に示す従来例（以下、「第３の従来例」と呼ぶ）のように１次コイルと２次コイルが存在する場合にも、それらのコイルは同一平面上にパターン形成される。それらの間のトランス結合は、パターン（導体）間距離が小さいほうが良いことが知られている。その結合が良いということは、効率が良いことを意味する。しかし、導体間の距離は、パターンの幅を広くすると、それに伴い離れてしまうことになる。例えば、１次ループの外側のループと２次ループの内側のループとの距離が小さくとも、１次ループの外側のループと２次ループのそれより外側のループとの距離はパターンの幅が広がるにつれて大きくなる。このことから、抵抗損失を抑えるためにパターンの幅を広くすると、１次コイルと２次コイルを有するアンテナでは効率が低下するという別の問題が発生することになる。
【００１２】
本発明は、通信領域の減少を回避しつつ、抵抗損失を抑えたアンテナユニットを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のアンテナユニットは、非接触で信号を送受信するためのループコイルを備えていることを前提とし、ループコイルは、１次コイルと該１次コイルと相互誘導により結合する２次コイルとで構成され、そのループコイルは、該ループコイルを含む面の交差方向上に間隔を隔てて複数、配置すると共に、該ループコイルを構成する２次コイルは該交差方向上に間隔を隔ててＮ（２以上の整数）個、配置し、該配置した複数のループコイルを直列に接続し、Ｎ個の２次コイルは、角部分を少なくとも一つ有し、該Ｎ個のうち１以上Ｎ−１個以下、該角部分に、該２次コイルを含む面上で該２次コイルの内側に向けた方向に凸となっている凸状部分を形成している。
【００１６】
なお、上記交差方向上に間隔を隔てて複数、配置したループコイルは、同一、或いは略同一形状に形成させている、ことが望ましい。また、２次コイルは１次コイルの外側に配置している、ことが望ましい。
【００１９】
本発明では、ループコイルを、そのループコイルを含む面の交差方向上に間隔を隔てて複数、配置し、配置した複数のループコイルを直列に接続する。そのように配置すると、ループコイルのパターンの幅をより広くした際のアンテナ面積の減少を実質的に回避することが可能となる。その結果、通信領域の減少を回避しつつ、抵抗損失を抑えることが可能となる。ループコイルが１次コイルと２次コイルとから構成されている場合には、それらの間の結合をより良くすることが可能となって、効率をより向上させられるようになる。
また、ループコイルに電流が流れたとき、交差方向上に間隔を隔ててＮ（２以上の整数）個、配置した２次コイルのうち１以上Ｎ−１個以下の２次コイルに形成させた凸状部分の外側に発生する磁界の向きは、その内側に発生する磁界の向きとは逆となる。凸状部分を形成させることで、それが形成された部分とその外側に位置するそれが形成されていない部分とで囲まれる範囲はより広くなる。この結果、より広い範囲で磁界が集中するのが抑えられ、通信領域の減少は回避されることになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態によるアンテナユニットが採用された情報処理システムの構成を示す図である。
【００２１】
そのシステムは、例えば入退出室管理、或いは物流管理用に構築されたものであり、図１に示すように、本実施の形態によるアンテナユニット（図中「ループアンテナ」と表記。以降「アンテナ」と略記する）１０１を用いて通信を行う信号処理回路１１０と、その処理回路１１０から信号を受信して処理を行うコンピュータ１２０と、その処理回路１１０が通信を行う対象である非接触式記録媒体１５０と、を備えた構成となっている。その記録媒体１５０は、例えばＩＣカード、ＩＣリストバンド、或いはＩＣタグである。
【００２２】
上記信号処理回路１１０は、例えばリーダーライタ等の情報処理装置に搭載されたものである。アンテナ１０１は、プリント基板１０２上にループコイルをパターン形成することにより作製されている。
【００２３】
その信号処理回路１１０は、キャリア信号発生器１１１で所定のキャリア信号を発生させ、その信号を増幅器１１２により所定の電圧レベルに増幅させてアンテナ１０１に磁界を発生させる。このとき、記録媒体１５０のアンテナ１５１が十分に電磁誘導を引き起こす範囲内に存在すると、そのアンテナ１５１上に発生した電流が整流されてデジタル信号処理部１５２に供給される。
【００２４】
その信号処理部１５２は、送信する情報に応じて、アンテナ１５１と並列に接続されたスイッチ（トランジスタ）をオン／オフする。そのオン／オフに伴いキャリア信号レベルが変化する。信号処理回路１１０の検波回路１１３は、そのキャリア信号の検波を行い、増幅回路１１４はその検波後の信号の増幅を行う。デジタル信号処理部１１５は、その増幅後の信号からキャリア信号の変動を特定し、記録媒体１５０から送信された情報を認識する。
【００２５】
図２は、上記信号処理回路１１０に接続されたアンテナ１０１の構成を説明する図である。
そのアンテナ１０１のループコイルは、図２に示すように、全ターン（ループ）数（ここでは３巻）のうち最内側の１ターンのみ、全ての折れ曲がった部分（角部分。矩形状のループコイルの直角に曲がったところとその周辺に対応する部分）に内側に向けて凸となっている凸状部分が形成されている。
【００２６】
最内側のターンを対象に凸状部分を形成させるのは、最外側のターンを対象にするような場合とは異なり、アンテナ面積の減少を回避できるためである。このことから、２ターン以上、凸状部分を形成させる場合には、その凸状部分を形成させる対象は最内側からその数分のターンとすることが望ましい。
【００２７】
図３は、上記アンテナ１０１のループコイルの折れ曲がった部分を拡大して示す図である。
ループコイルを構成するループ１〜３に図３に示すように電流が流れると、ループ３とループ２の間に存在するＡ点では、ループ１、及び２によって見る者に向かう方向の磁界と、ループ３によってその逆向きの磁界と、がそれぞれ発生する。しかし、全体としては前者の方向の磁界のほうが大きいため、Ａ点、及びその周辺の磁界の向きはループコイルの中心（ループコイルを含む面上でそのループコイルが囲む面積における中心である）におけるそれと同じとなる。凸状部分を形成させることで、それが形成された部分では、ループ３とループ２の間に形成される面積がより広くなる。その結果、角部分における磁界の集中は広範囲に抑制され、通信領域の広さは維持されることになる。
【００２８】
図４は、ループコイルの中心から角部分に向かう方向上の距離と磁界強度の関係を示す図である。横軸はその中心から最も離れたループ１の角部分までの距離を１として表す距離の比率、縦軸は距離が０（中心）における磁界強度を１として表す磁界強度の比率である。図４中の「曲線１」は図１３に示す第１の従来例であるアンテナ１３０１の場合を示し、同様に「曲線２」は図１４に示す第２の従来例であるアンテナ１４０１の場合、「曲線３」は第１の実施の形態によるアンテナ１０１の場合をそれぞれ示している。以降、便宜的に、ループコイルを含む面と直交する方向を軸方向、その軸方向と直交する方向を径方向とそれぞれ呼ぶことにする。
【００２９】
曲線１から明らかなように、第１の従来例では、角部分で磁界が集中し磁界強度が非常に大きくなっている。第２の従来例では、その角部分の全てに内側に向かって凸状部分を形成したことにより、磁界の集中はせず、逆に角部分で磁界強度が大きく低下し、それによって通信領域が狭まっていることが判る。これに対し、本実施の形態では、角部分での磁界の集中がより広範囲に抑えられて磁界強度が低下しているが、第２の従来例と比較して中心からより遠い範囲まで磁界強度が維持されていることが判る。
【００３０】
例えば記録媒体１５０が動作可能な磁界強度がアンテナの中心での磁界強度と同じ１．０とすると、第１の従来例では距離比率が約０．９２まで通信可能である。第２の従来例では通信可能な距離比率が約０．６８となり、通信領域が大きく減少する。本実施の形態では、通信可能な距離比率は約０．８８であり、第１の従来例と近い通信領域が維持される。このようなことから、角部分に対して選択的に凸状部分を形成することによって、通信領域を維持させつつ、角部分における磁界の集中をより広範囲に、且つよりなだらかに抑えられることが判る。
【００３１】
磁界の集中が抑えられることで、記録媒体１５０をどのようにアンテナ１０１に近づけても、その媒体１５０のアンテナ１５１に過電流が流れるようなことは確実に回避される。このため、媒体１５０が過電流によって発生する熱で変形したり、デジタル信号処理部１５２を有するＩＣが破壊されるといったことも確実に回避されることとなる。
【００３２】
なお、角部分に形成した凸状部分は直線で折り曲げているが、図５に示すように、曲線で折り曲げるようにしても良い。また、ループコイルが１次コイルとそれとの相互誘導により結合する２次コイルからトランスを構成している場合には、図６に示すように、２次コイルの全ターン数（ここでは３巻）のうち一部（ここでは最内側のループ３）の角部分に凸状部分を形成しても良い。そのようにしても、上述の理由により、磁界の集中を抑制しつつ、通信領域を維持させることができる。図５、及び図６に示すアンテナ５０１、及び６０１でも各角部分の全てに凸状部分を形成させているが、必ずしもそうしなくとも良い。
＜第２の実施の形態＞
図７は、第２の実施の形態によるアンテナ７０１の構成を説明する図である。
【００３３】
図７に示すように、第２の実施の形態では、１ターンのループコイルを、そのループコイルを含む面の交差方向（ここでは垂直方向）である軸方向上に間隔を隔てて３個、配置し、それらを直列接続させている。図７中、最上段、及び最下段に位置するループコイルはコンデンサ７０２と接続させている。
【００３４】
軸方向上に間隔を隔てた配置は、例えば積層プリント基板の各積層面にループコイルのパターンを形成したり、単層プリント基板にそれぞれそのパターンを形成し、それらをスペーサ等で離して支持させることで行うことができる。
【００３５】
そのように配置すると、ループコイルのパターンを同一平面上に形成する場合とは異なり、抵抗損失を低減するためにパターンの幅を広くしても、その幅を広くしたことによるアンテナ面積の減少は僅かに抑えられる。このため、通信領域の減少を回避しつつ、抵抗損失を低減させることができる。
【００３６】
なお、軸方向上に隔てた１箇所に配置するループコイルは１ターンでなくとも良い。例えば全６ターンのループコイルが必要であれば、例えば２ターンずつに分けて３箇所に配置しても良い。ループコイルを１次コイルと２次コイルから構成させるのであれば、例えば図８に示すアンテナ８０２のように、１次コイルと２次コイルのループコイルを同一平面上に形成し、それを複数、軸方向上に配置しても良い。１次コイルと２次コイルの全ターン数が異なるのであれば、例えば図９に示すアンテナ９０１のように、同一平面上に形成するループコイルの数を必要に応じて異ならせて、それらを軸方向上に配置しても良い。２次コイルを複数ターンにするのであれば、例えば図１０に示すアンテナ１００１のように、そのうちの少なくとも一つのループコイルの角部分に凸状部分を形成させても良い。そのようにした場合には、角部分における磁界の集中を抑制できるという効果が更に得られるようになる。図８〜図１０に示すアンテナ８０１、９０１、及び１００１の何れも、２次コイルは１次コイルの外側に配置させている。
【００３７】
図１１は、軸方向上に間隔を隔ててループコイルを配置することで得られる結合係数を説明する図である。ここでは、図８に示すように１次コイルと２次コイルを１ターンずつ同一平面上に形成させた構成のアンテナ８０１（図１１中の「発明」に対応）で得られる結合係数を、図１６に示すようにそれらのコイルを同一平面上に全て形成させた構成のアンテナ１６０１（図１１中の「従来」に対応）で得られるそれと比較して示してある。それらの構成上の違いから、ターン数は、アンテナ１６０１では巻数を表し、アンテナ８０１では、ループコイルが形成された平面の数である積層数を表している。アンテナ８０１は、その積層数分、軸方向上にループコイルを配置することで構成される。
【００３８】
図１１に示すように、アンテナ１６０１の構成（従来）ではターン数が増えるにつれて結合係数は低下する傾向にある。しかし、アンテナ８０１の構成（発明）では、ターン数（積層数）が増えても結合係数は低下せず、比較的に急激に増大している。それにより、ターン数が増えるにつれて、それらの間の差は拡大する。このことから明らかなように、結合係数を向上、つまりトランスとしての効率を向上させるうえで、ループコイルを軸方向上に配置することは非常に有効であることが判る。
【００３９】
図１２は、図１１に示す結合係数のターン数による変化を示すグラフである。横軸はターン数であり、縦軸は結合係数である。その図１２からも、上述したことを確認することができる。
【００４０】
なお、第２の実施の形態では、軸方向に配置するループコイルの形状は基本的に同じ（１次コイル、２次コイルという種類が異なるものの間では別である）としているが、必ずしも同じ、或いは略同じとしなくとも良い。つまり、目標とする特性が得られる範囲内で形状を異ならせても良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明は、ループコイルを、そのループコイルを含む面の交差方向上に間隔を隔てて複数、配置し、配置した複数のループコイルを直列に接続する。そのように配置すると、ループコイルのパターンの幅をより広くした際のアンテナ面積の減少を実質的に回避することができるようになる。このため、通信領域の減少を回避しつつ、抵抗損失を抑えることができる。ループコイルが１次コイルと２次コイルとから構成されている場合には、それらの間の結合をより良くすることができるため、効率もより向上させることができる。
また、ループコイルに電流が流れたとき、交差方向上に間隔を隔ててＮ（２以上の整数）個、配置した２次コイルのうち１以上Ｎ−１個以下の２次コイルに形成させた凸状部分の外側に発生する磁界の向きは、その内側に発生する磁界の向きとは逆となる。凸状部分を形成させることで、それが形成された部分とその外側に位置するそれが形成されていない部分とで囲まれる範囲はより広くなる。このため、より広い範囲で磁界が集中するのをよりなだやかに抑えることができ、通信領域の減少は回避させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態によるアンテナユニットが採用された情報処理システムの構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【図３】第１の実施の形態によるアンテナユニットのループコイルの折れ曲がった部分を拡大して示す図である。
【図４】ループコイルの中心から角部分に向かう方向上の距離と磁界強度の関係を示す図である。
【図５】第１の実施の形態での第１の変形例によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【図６】第１の実施の形態での第２の変形例によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【図７】第２の実施の形態によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【図８】第２の実施の形態での第１の変形例によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【図９】第２の実施の形態での第２の変形例によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【図１０】第２の実施の形態での第３の変形例によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【図１１】交差方向上に間隔を隔ててループコイルを配置することで得られる結合係数を説明する図である。
【図１２】図１１に示す結合係数のターン数による変化を示すグラフである。
【図１３】第１の従来例によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【図１４】第２の従来例によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【図１５】従来のアンテナユニットの角部分を拡大して示す図である。
【図１６】第３の従来例によるアンテナユニットの構成を説明する図である。
【符号の説明】
１０１、５０１、６０１、７０１、８０１、９０１、１００１アンテナユニット
１０２ プリント基板
１１０ 信号処理回路
１５０ 非接触式記録媒体

Claims (3)

1. 非接触で信号を送受信するためのループコイルを備えたアンテナユニットにおいて、
   前記ループコイルは、１次コイルと該１次コイルと相互誘導により結合する２次コイルとで構成され、
   前記ループコイルは、該ループコイルを含む面の交差方向上に間隔を隔てて複数、配置すると共に、前記２次コイルは該交差方向上に間隔を隔ててＮ（２以上の整数）個、配置し、
   該配置した複数のループコイルを直列に接続し、
   前記Ｎ個の２次コイルは、角部分を少なくとも一つ有し、該Ｎ個のうち１以上Ｎ−１個以下、該角部分に、該２次コイルを含む面上で該２次コイルの内側に向けた方向に凸となっている凸状部分を形成している、
   ことを特徴とするアンテナユニット。
2. 前記交差方向上に間隔を隔てて複数、配置したループコイルは、同一、或いは略同一形状に形成させている、
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナユニット。
3. 前記２次コイルは前記１次コイルの外側に配置している、
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナユニット。

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