JP4364000B2

JP4364000B2 - 無線通信アンテナ

Info

Publication number: JP4364000B2
Application number: JP2004026620A
Authority: JP
Inventors: 淳中川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-02-03
Also published as: JP2005223402A

Description

この発明は、例えば、非接触ＩＣカードなどの通信対象との間で無線通信をする無線通信装置のアンテナに関する。

従来、無線通信装置として、複数のループアンテナを同一面内に並設した２組のアンテナ組立体を通信対象となる無線タグが通過する経路を挟んで対向配置したアンテナ装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このアンテナ装置は、複数のループアンテナのうち特定のループアンテナを定期的に位相反転することにより、無線タグを検出できない不検出領域を最小化することを特徴としている。尚、この種のアンテナ装置として、例えば万引き防止のためのゲートなどに利用されているものがある。

しかし、上述した従来のアンテナ装置では、２組のアンテナ組立体の間の全てのエリアに関して不検出領域、すなわち無線タグとの間の通信が不能な領域を完全に無くすことはできなかった。
特開２００２−２３７７２０号公報（要約書、図１）

この発明の目的は、通信対象の姿勢に拘わらず通信不能領域を無くすことができる無線通信アンテナを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の無線通信アンテナは、第１の導電線に電流を流すことにより、特定姿勢の通信対象に起電力を生出させることができる一定方向の磁束成分を有する第１の磁界を生じる第１コイルと、この第１のコイルに重ねて配置され、第２の導電線に電流を流すことにより、上記特定姿勢のまま位置を変えた通信対象に上記第１の磁界を少なくとも部分的に補う上記一定方向の磁束成分を有する第２の磁界を生じる第２コイルと、上記第１の磁界に含まれる上記一定方向の磁束成分を形成可能な上記第１の導電線の第１の部分と非平行に延びた上記第１の導電線の第２の部分に設けられる第１の共振回路と、上記第２の磁界に含まれる上記一定方向の磁束成分を形成可能な上記第２の導電線の第３の部分と非平行に延びた上記第２の導電線の第４の部分に設けられる第２の共振回路と、を備えている。

上記発明によると、特定姿勢の通信対象に起電力を生出させることのできる一定方向の磁束成分を形成する第１（第３）の部分と別の第２（第４）の部分に共振回路を設けたため、第１コイルと第２コイルを重ねた状態で特定姿勢の通信対象に作用する有効な一定方向の磁束成分が弱まることを防止でき、アンテナの特性が劣化することを防止でき、通信不能領域を無くすことができる。

この発明の無線通信アンテナは、上記のような構成および作用を有しているので、通信対象の姿勢に拘わらず通信不能領域を無くすことができる。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１には、この発明の実施の形態に係る無線通信アンテナ（後述する）を組み込んだ無線通信装置１の概略ブロック図を示してある。この無線通信装置１は、有線或いは無線により接続された上位装置２およびリーダライタ４を有する。

無線通信装置１の上位装置２は、リーダライタ４に対して信号伝送に関する種々のコマンドを送信するとともに、通信対象としての非接触ＩＣカード６（以下、単に、ＩＣカード６と称する）からの応答結果をリーダライタ４から受信する。

リーダライタ４は、通信可能エリア内にあるＩＣカード６との間で無線通信するための４つのアンテナ１１、１２、１３、１４を有する。４つのアンテナ１１〜１４は、図２に示すように重ねて配置され、本実施の形態の無線通信アンテナ１０として機能する。また、リーダライタ４は、これら４つのアンテナ１１、１２、１３、１４を一定時間毎にサイクリックに切り換える切換部１５を有する。さらに、リーダライタ４は、送信回路１６、受信回路１７、および制御回路１８を有する。

送信回路１６は、制御回路１８を介して上位装置２から送信されるコマンドに基づいてキャリア信号を変調して送出する。キャリア信号は、制御回路１８の制御によって切換部１５が切り換えたアンテナを介して送信され、通信可能エリア内にあるＩＣカード６の図示しないＬＳＩに電力を生出させる。受信回路１７は、キャリア信号に応答したＩＣカード６から返信される応答信号をそのとき切換部１５によって切り換えられているアンテナを介して受信し、この応答信号を復調して応答結果として制御回路１８へ送出する。そして、制御回路１８は、この復調された応答結果に関する応答データを上位装置２へ返信する。

以下、上述した４つのアンテナ１１、１２、１３、１４を重ねた無線通信アンテナ１０についてさらに詳細に説明する。
図３には、無線通信アンテナ１０の１つのアンテナ１１の概略構造を代表して示してある。尚、他の３つのアンテナ１２、１３、１４も基本構造はこのアンテナ１１と同じであるため、その詳細な説明を省略する。

アンテナ１１は、略矩形の基板２１に略矩形のアンテナコイル２２をプリント配線し、且つアンテナコイル２２の途中に共振回路２３を接続して構成されている。共振回路２３は、２つの抵抗素子２４、２５、および３つのコンデンサ２６、２７、２８を図４に示すように接続して構成されている。共振回路２３については周知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

本実施の形態の無線通信アンテナ１０は、いかなる姿勢のＩＣカード６に対しても通信可能となるように、４つのアンテナ１１、１２、１３、１４のアンテナコイル２２を図５に示すように異なる形状のループアンテナとした。尚、４つのアンテナ１１、１２、１３、１４は、図５の姿勢のまま図２に示すように重ねられて無線通信アンテナ１０が構成されている。図５では、図示を簡略化するため、基板２１および共振回路２３の図示を省略したが共振回路２３の最適位置については後述する。

アンテナ１１は、１本の導電線１１ａ（第１の導電線）を途中で１回交差させて概略８の字に折り曲げて略矩形の外形をなすように構成したアンテナコイル２２（以下、アンテナ１１と称する）（第１コイル）を有する。つまり、このアンテナ１１は、導電線１１ａに図中矢印方向の電流を流したとき、電磁誘導によって、アンテナ１１の２つのループそれぞれの中心位置において、面方向（±Ｚ方向）に異なる２方向の磁束３１、３２を有する磁界が形成されることになる。尚、図中矢印３３は、上述した２つの磁束３１、３２をつなぐ一定方向の磁束成分を示している。

より具体的には、図５に示す姿勢のアンテナ１１に対し、ＸＹ平面に略平行な姿勢でＩＣカード６を翳したとき、少なくとも磁束３１、３２がＩＣカード６を面方向に貫くように作用するため、ＩＣカード６のＬＳＩに電圧が生じて通信が可能となる。また、ＸＺ平面に略平行な姿勢のＩＣカード６を翳したときも、例えば磁束３１、３２をつなぐ方向の磁束３３がＩＣカード６を面方向に貫くように作用し、通信が可能となる。

しかし、ＸＺ平面に略平行な姿勢のＩＣカード６をアンテナ１１に翳した場合であっても、磁束３１、３２の真上にＩＣカード６を翳すとＩＣカード６を面方向に貫く磁束が作用しないため、ＩＣカード６に電圧を生じさせることはできない。つまり、この領域が上述した姿勢のＩＣカード６に対する通信不能エリアとなる。従って、この領域をカバーするため、アンテナ１２を図５に示す構造とした。

つまり、アンテナ１２（第２コイル）は、１本の導電線１２ａ（第２の導電線）を途中で２回交差させて３つのループを有する構造とした。これにより、上述したアンテナ１１の通信不能エリアで有効な方向、すなわち上述した特定姿勢のＩＣカードを面方向に貫く一定方向の磁束成分３４、３５を形成でき、２つのアンテナ１１、１２を重ねた場合、ＸＺ平面に略平行な姿勢の全てのＩＣカード６に対し、電圧を生じさせることができ、通信が可能となる。

以上のように、２つのアンテナ１１、１２を重ねることにより、ＸＹ平面に略平行な姿勢の全てのＩＣカード６、およびＸＺ平面に略平行な姿勢の全てのＩＣカード６に対して、電圧を生じさせることができるが、ＹＺ平面に略平行な姿勢のＩＣカード６に対しては２つのアンテナ１１、１２では電圧を生じさせることはできない。

このため、アンテナ１１をその中心に対して９０度回転させて位相を異ならせたアンテナ１３、およびアンテナ１２をその中心に対して９０度回転させて位相を異ならせたアンテナ１４を用意し、合計４つのアンテナ１１〜１４を図２に示すように重ねて無線通信アンテナ１０とした。これにより、３６０度全ての方向に傾斜したいかなる姿勢のＩＣカード６であっても、４つのアンテナ１１〜１４の組み合わせによって、通信が可能となる。

ところで、上述した積層タイプのアンテナ装置では、例えば図７に示すように合同な形状の２つのアンテナ１３、１１を同位相で重ねて、アンテナ１３、１１の導電線１３ａ、１１ａ同士がその長手方向に沿って重なると、いわゆる“結合”と呼ばれる現象が起きてアンテナ１３、１１の特性が変化してしまうことが知られている。この結合現象とは、コイルのインダクタンス成分が変化することを言う。このため、本実施の形態では、この結合現象を防止するため、図６に示すように、重ね合わせるアンテナの形状を異ならせてずらして配置するようにした。

具体的には、図６に示すように、アンテナ１３をＸ方向に僅かに延ばして長方形状にし、アンテナ１１をＹ方向に僅かに延ばして長方形状にし、各アンテナ１３、１１の中心が一致し且つ位相が９０度異なる姿勢で重ねて配置した。これにより、合同な形状のアンテナ１３の導電線１３ａとアンテナ１１の導電線１１ａが合計５ヶ所で交差するものの、長手方向に沿って重なることがなく、結合現象を防止でき、アンテナ１３、１１の特性を変化させることなく重ねて配置することができ、あらゆる姿勢のＩＣカード６に対しても良好な通信が可能となる。

また、上述した積層タイプのアンテナ装置では、ＩＣカード６の姿勢に拘わらず通信不能領域を無くすためには、各アンテナコイル２２に接続する共振回路２３の取付位置が重要となる。

具体的には、図８に示すように、ＸＺ平面に略平行な姿勢のＩＣカード６に対する通信可能領域を形成する２つのアンテナ１１、１２について、通信を目的とする姿勢のＩＣカード６を面方向に貫く一定方向（±Ｙ方向）の磁束成分を形成可能な導電線１１ａ（１２
ａ）の第１（第３）の部分４１（Ｘ方向に延びた導電線の部分）とは別の第２（第４）の部分４２（Ｙ方向に延びた導電線の部分）に（第１および第２の）共振回路２３をそれぞれ設けた。これにより、ＸＺ平面に略平行な姿勢のＩＣカード６に対するアンテナ１３の通信可能領域（図中斜線部）とアンテナ１１の通信可能領域とが少なくとも部分的に重なることになり、当該姿勢のＩＣカード６に対する通信不能領域が無くなる。

これに対し、図９に示すように、上述した２つのアンテナ１１、１２に関して、一定方向の磁束成分を形成可能な第１および第３の部分４１に共振回路２３を配置すると、導電線１１ａ、１２ａと共振回路２３との間の接続部分の近くで磁束が弱まり、通信可能領域が狭くなってしまう。この場合、２つのアンテナ１１、１２を重ねたとき、狭くなった通信領域の間に通信不能領域が発生してしまう。この現象は、第１（第３）の部分４１と平行な他の部分４１に関しても同様に生じる。

このため、本実施の形態では、第１（第３）の部分４１と非平行な第２（第４）の部分に共振回路２３を配置し、通信を目的とする有効な一定方向の磁束成分を弱めることなく、通信不能領域を無くすようにした。

なお、この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。

例えば、上述した実施の形態では、合同な形状のアンテナをずらして重ねた場合について説明したが、これに限らず、相似形のアンテナの中心を一致させて一方のアンテナの内側に他方のアンテナを配置することにより導電線が長手方向に重ならないようにしても良い。

また、上述した実施の形態では略矩形の外形を有するアンテナを重ねた構造について説明したが、これに限らず、例えば、回転により位相が変わる楕円形などのアンテナコイルを位相を異ならせて配置するようにしても良い。いずれにしても、複数のアンテナコイルが長手方向に重なることのない形状および位置に各アンテナを配置すれば良い。

さらに、上述した実施の形態では、通信対象として非接触ＩＣカード６を適用した場合について説明したが、これに限らず、無線タグなどの他の通信対象との間の通信に本発明を適用しても良い。

この発明の実施の形態に係る無線通信アンテナを組み込んだ無線通信装置の概略構成を示すブロック図。図１の無線通信装置に組み込まれた本実施の形態に係る無線通信アンテナの概略構造を示す斜視図。図２の無線通信アンテナの１つのアンテナの構造を説明するための概略図。図３のアンテナに接続される共振回路を示す回路図。図２の無線通信アンテナの４つのアンテナのコイルパターンを示す概略図。２つのアンテナをずらして重ねた状態を説明するための図。２つのアンテナを重ねた結合状態を示す図。各アンテナコイルに接続する共振回路の最適な取付位置を説明するための図。アンテナコイルの特性が劣化する位置に共振回路を設けた例を示す図。

符号の説明

１…無線通信装置、２…上位装置、４…リーダライタ、６…非接触ＩＣカード、１０…無線通信アンテナ、１１、１２、１３、１４…アンテナ、１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ…導電線、１５…切換部、２２…アンテナコイル、２３…共振回路、３１〜３５磁束、４１…第１（第３）の部分、４２…第２（第４）の部分。

Claims

第１の導電線に電流を流すことにより、特定姿勢の通信対象に起電力を生出させることができる一定方向の磁束成分を有する第１の磁界を生じる第１コイルと、
この第１のコイルに重ねて配置され、第２の導電線に電流を流すことにより、上記特定姿勢のまま位置を変えた通信対象に上記第１の磁界を少なくとも部分的に補う上記一定方向の磁束成分を有する第２の磁界を生じる第２コイルと、
上記第１の磁界に含まれる上記一定方向の磁束成分を形成可能な上記第１の導電線の第１の部分と非平行に延びた上記第１の導電線の第２の部分に設けられる第１の共振回路と、
上記第２の磁界に含まれる上記一定方向の磁束成分を形成可能な上記第２の導電線の第３の部分と非平行に延びた上記第２の導電線の第４の部分に設けられる第２の共振回路と、
を備えていることを特徴とする無線通信アンテナ。
上記第１および第２の共振回路は、上記第１および第２の導電線それぞれに接続された抵抗素子およびコンデンサをそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載の無線通信アンテナ。
上記第２コイルは、上記第２の導電線が上記第１の導電線と交差するものの長手方向に沿って重ならないようにずらして上記第１コイルに重ねて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無線通信アンテナ。