JP4452583B2 - ループアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はループアンテナ装置に関し、特に、複数のデータキャリアと非接触でデータの送受信を行なう電磁誘導型非接触データキャリアシステムのリーダ／ライタ装置に用いて好適なものである。

従来、リーダ／ライタ装置とデータキャリアとからなるデータキャリアシステムにおいては、リーダ／ライタ装置のアンテナ装置からサービスエリアに供給する交番磁界に変調をかけることにより、データやコマンドをデータキャリアに送るようにしている。

そして、データキャリアにおいては、上記サービスエリアに供給された交番磁界を、内蔵するコイルで受けることにより発生する起電圧を整流してデータキャリアの動作電源としている。また、上記交番磁界にかけられた変調を復調してリーダ／ライタ装置から送られたデータやコマンドを受け取り、上記コマンドに従ってリーダライタにデータを送信する等の所定の動作を行なうようにしている。

このようなデータキャリアシステムにおいては、上記リーダライタから所定のサービスエリアに供給する交番磁界の強度を所定の範囲内に制限するとともに、上記サービスエリアの外部には可及的に弱い磁界しか出ないようにすることが望ましい。

上記サービスエリア内に所定の範囲内の強い交番磁界を供給する必要があるのは自明であるが、上記サービスエリア外に達する交番磁界を可及的に弱くするのが望ましいことは、例えば駅の自動改札システムのように、上述のようなリーダ／ライタ装置を複数個並べて設置したときに、互いの動作に干渉しないようにするため、或いは他の機器に対する悪影響を減らすためである。従来のこの種のアンテナ装置としては、例えば、特許文献１がある。

従来は、複数のループアンテナセルを下記の条件で組み合わせて、上述したような要求を満たすようにしていた。

ここで、Ｎｉは各ループアンテナセルの巻き数、Ｉｉは各ループアンテナセルに流れる電流であり、流れる方向によって正負をつけて扱う。また、Ｓｉは各ループアンテナセルの面積であり、「ＮｉＩｉＳｉ」はｉ番目のループアンテナセルが発生する磁気モーメントである。

上記従来のループアンテナ装置は、各ループアンテナセルのサイズよりも遠くに届く交番磁界を弱くできることを利用していた。このようなループアンテナ装置から発生する交番磁界の強度を測定すると、ループサイズよりも遠ざかると交番磁界の強度が急激に下がることが確認できた。

特開平１０−２０９７３７号公報

しかしながら、このような作用を安定的に再現するためには、ループアンテナ装置が単体で測定環境に設置されているときだけである。すなわち、上述のように、ループサイズよりも遠ざかると交番磁界の強度が急激に下がるように設計されたループアンテナ装置であっても、周囲の環境の影響で各ループアンテナセル間のバランスが崩れると、ループサイズよりも遠ざかった位置まで強い磁界が届いてしまう問題があった。

すなわち、ループアンテナ装置における各ループアンテナセル間のバランスは、アンテナの近くに金属等が非対称に設置されると、上記金属に誘導電流が流れて磁界が発生することにより崩れてしまうことがある。このため、ループアンテナ装置をリーダ／ライタ装置に組み込むときに、各ループアンテナセル間のバランスが崩れてしまう問題があった。

また、例えバランスよくリーダ／ライタ装置にループアンテナ装置を組み込んだ場合であっても、上記リーダ／ライタ装置を設置する際に、ループアンテナ装置の周囲環境まで含めてバランスを取るのは、実質上は不可能であった。

また、タグを特定のアンテナセル上に置いたときに、タグのコイルに流れる誘導電流によっても、各ループアンテナセル間のバランスが上述の場合と同様に崩れてしまう問題があった。すなわち、複数のループアンテナセルを組み合わせて磁気モーメントの総和を「０」にする調整を行っただけでは、各ループアンテナセル間のバランスが運用中に崩れてしまいやすい問題があった。

本発明は上述の問題点にかんがみ、複数の小ループアンテナセルを組み合わせたループアンテナ装置において、動作環境の変化により生じる各ループアンテナセル間のバランスの崩れを補償して、各ループアンテナセルから発生する磁気モーメントの総和を常に最小限に低減できるようにすることを目的とする。

本発明のループアンテナ装置は、非接触型のデータキャリアのアンテナコイルと磁気的に結合し、前記非接触型のデータキャリアへ信号を送信するループアンテナ装置であって、１）基板と、２）前記基板上に配設され、前記非接触型のデータキャリアへ送信する信号の磁気モーメントの方向が相互に逆向きとなるように構成された複数個の小ループアンテナセルと、３）前記複数個の小ループアンテナセルの各々に対して配設され、前記複数個の小ループアンテナセルに上に電気絶縁層を介在させて配設される前記複数個と同一個数の複数個の電界シールド用導体と、４）前記複数個の小ループアンテナセル及び前記複数個の電界シールド用導体に重ねて、かつ、前記複数個の電界シールド用導体と電気絶縁層を介在させて配設され、前記複数個の小ループアンテナセルに対してまとめたパターンとなっているショートリングパターンと、を有し、５）前記複数個の電界シールド用導体の各々にはギャップが設けられており、前記ショートリングパターンは、前記電界シールド用導体の各々に設けられた前記ギャップに重なるように前記複数個の小ループアンテナセル上に前記電気絶縁層を介在させて設けられていることを特徴とする。
さらに、前記複数個の小ループアンテナセルは、総ての小ループアンテナセルから発生される磁気モーメントの和が０となるように構成されてもよい。
さらに、前記基板の前記複数個の小ループアンテナセルが配置された面と反対側に、さらにショートリングパターンが配設されてもよい。

本発明によれば、非接触型のデータキャリアのアンテナコイルと磁気的に結合する複数個の小ループアンテナセルを有し、上記非接触型のデータキャリアへ信号を送信するループアンテナ装置において、上記複数個の小ループアンテナセルを、上記非接触型のデータキャリアへ送信する信号の磁気モーメントの方向が相互に逆向きとなるように構成して、総ての小ループアンテナセルから発生される磁気モーメントの和が０となるように構成するとともに、上記複数個の小ループアンテナセルに対してショートリングを構成する導体を配設したので、周囲の環境の影響で各ループアンテナセル間のバランスが崩れた場合は、上記ショートリングを構成する導体に誘導電流が流れ、この誘導電流によって発生する磁界により、各ループアンテナセル間のバランスの崩れを補償することができる。これにより、アンテナの近くに金属等が非対称に設置されたり、データキャリアが特定のアンテナセル上に置かれたりしても、複数のループアンテナセルを組み合わせて磁気モーメントの総和を「０」にするようにしたループアンテナ装置において、各ループアンテナセル間のバランスが運用中に崩れた場合でも良好に補償して不要な電磁波が遠方に放射されてしまうのを防止することができる。

次に、添付図面を参照しながら本発明のループアンテナ装置の実施の形態を説明する。

図１は、本実施の形態のループアンテナ装置が用いられる状況の一例を示し、リーダ／ライタ装置２のサービスエリアＳＡにデータキャリア３を近づけている様子を示している。

図２に示すように、本実施の形態の送信ループアンテナ装置は、基板６０上に第１の小ループコイル６１、第２の小ループコイル６２、第３の小ループコイル６３の３個の小ループコイルが形成されている。本発明のループアンテナ装置においては、更に多くの小ループコイルを有する構造に適用することも可能である。

上記第１の小ループコイル６１は、上記第２の小ループコイル６２及び第３の小ループコイル６３の２倍の面積で構成されている。また、図２に示したように、上記第１の小ループコイル６１で発生する交番磁界６１ａと、上記第２の小ループコイル６２及び第３の小ループコイル６３で発生する交番磁界６２ａ、６３ａとは向きが逆になっている。

また、図３に示すように、上記第１〜第３の小ループコイル６１、６２、６３上には電界シールド６４〜６６が配設されている。これらの電界シールド６４〜６６は、上記第１〜第３の小ループコイル６１、６２、６３から放射される電界成分をシールドするために配設されているものである。

すなわち、各小ループコイル６１、６２、６３からは電界及び磁界という形で高周波電力信号が放射される。しかし、データキャリアシステムにおける動作や通信に必要となるのは磁界成分であり、電界成分は他のリーダライタとデータキャリア間の通信や、他の無線装置における通信の妨げになるので好ましくない。

そこで、図３に示すように、本実施の形態においては上記第１の小ループコイル６１に対して第１の電界シールド用導体６４を、第２の小ループコイル６２に対して第２の電界シールド用導体６５を、第３の小ループコイル６３に対して第３の電界シールド用導体６６をそれぞれ配設している。図示しないが、第１の電界シールド用導体６４、６５、６６と各小ループコイル６１、６２、６３の間には、電気絶縁層を介在させて電気的に絶縁している。

上記第１の電界シールド用導体６４にはギャップ６４ａが設けられており、第２の電界シールド用導体６５にはギャップ６５ａが設けられており、第３の電界シールド用導体６６にはギャップ６６ａが設けられている。

これにより、上記第１の小ループコイル６１〜第３の小ループコイル６３から放射される電磁波において、電界成分は上記第１の電界シールド用導体６４〜第３の電界シールド用導体６６によって遮蔽し、磁界成分の発生に対しては上記ギャップ６４ａ、６５ａ及び６６ａを設けて妨害しないようにしている。

さらに、上記電界シールド用導体６４、６５、６６に重ねてショートリングパターン６７が配設されている。上記ショートリングパターン６７は上記３つの小ループコイル６１、６２、６３に対してはまとめてショートリングのパターンとなっている。また、図示しないが、電界シールド用導体６４、６５、６６とショートリングパターン６７の間には、電気絶縁層を配置している。

上記ショートリングパターン６７は、ギャップ６７ａ、６７ｂを有しているため、上記３つの小ループコイル６１、６２、６３それぞれの個別に対してはショートリングになっていない。このため、上記３つの小ループコイル６１、６２、６３間のバランスが崩れた場合には上記ショートリングパターン６７に誘導電流が流れて磁界が発生して、ループアンテナ装置全体としての磁気モーメントが０になるようにしている。

すなわち、本実施の形態のループアンテナ装置においては、データキャリアシステムにおける動作や通信において妨げとなる電界成分の放射を可及的に少なくして、データキャリアとの間において良好な通信を行なうことができるようにしている。また、複数のループアンテナセル６１，６２，６３を組み合わせたループアンテナ装置の外周にシールドを兼ねたショートリングパターン６７を設けている。

すなわち、本実施の形態のループアンテナ装置の場合には、複数のループアンテナセル６１，６２，６３から放射される磁気モーメントの総和は「０」になっているため、外周のシールドを兼ねたショートリングパターン６７には本来は電流が流れない。

ところが、周囲に金属等がきて各小ループアンテナセル６１〜６３間のバランスが崩れると、上記ショートリングパターン６７に電流が誘導されて磁界を発生し、この発生した磁界により全体のバランスが崩れるのを補正するように作用させている。これは、特定のアンテナセルの上にデータキャリアがきたことにより、全体のバランスが崩れた場合も同様である。

すなわち、本実施の形態においては、複数のループアンテナセル６１〜６３を組み合わせて、総てのループアンテナセルから発生する磁気モーメントの和を０にするとともに、外周にシールドを兼ねたショートリングパターン６７を設けることで、近傍には強い磁界を供給し、遠方には弱い磁界しか出さないループアンテナの特性が設置時に金属やデータキャリアが近づいてバランスが崩れた場合でも維持できる効果がある。また、特定のアンテナセルにデータキャリアが集中して多数近づいてそのアンテナセル領域の磁界強度が変化する変化巾を抑える効果を得ることができる。

図５に、本実施の形態のループアンテナ装置の分解斜視図を示す。図５に示したように、本実施の形態のループアンテナ装置は、基板６０上に第１の小ループコイル６１、第２の小ループコイル６２及び第３の小ループコイル６３を形成して複数のループアンテナを構成している。

また、上記複数のループアンテナの上側及び下側に電界シールドを兼ねたショートリング６７を設けている。また、上述した実施の形態のループアンテナ装置においては、上記ショートリングパターン６７が電界シールドの効果も有しているので、図５の分解斜視図においては電界シールド６４〜６６を省略している。

また、図５に記載の実施例における、基板６０の小ループコイル６１，６２，６３が形成された面と反対側のショートリングパターン６７を、基板６０と小ループコイル６１，６２，６３の間に位置を変えて配置することも可能である。この場合も上述のように、小ループコイル６１，６２，６３と各ショートリングパターン６７の間に電気絶縁層を配置する。

次に、図６を参照しながら本実施の形態のループアンテナ装置を使用したデータキャリアシステムの一例を説明する。

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、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、基板６０上に構成された送信コイル６に送られる。上記送信コイル６を、本実施の形態においては第１の小ループコイル６１、第２の小ループコイル６２及び第３の小ループコイル６３によって構成している。

上記リーダライタ２には、データキャリア３が接近しており、リーダライタ２の送信コイル６と上記データキャリア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、データキャリア３においては、リーダライタ２の送信コイル６からデータキャリア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、整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてデータキャリア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。

最後に、データキャリア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。

リーダライタ２の送信回路１２からは、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を介してデータキャリア３に送られる。

このとき、リーダライタ２にはデータキャリア３が接近しており、リーダライタ２の送信コイル６とデータキャリア３のアンテナコイル８とが磁気結合されている。そのため、データキャリア３においては、リーダライタ２の送信コイル６からデータキャリア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に供給されてデータキャリア３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。

一方、データキャリア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。

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、データキャリア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。

ところで、このデータキャリア３の用途としては、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他に、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データキャリア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。

このような場合には、データキャリア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、データキャリア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、データキャリア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。

その反面において、上述したようにサービスエリアＳＡ外には不要な電磁波が放射されないようにする必要がある。本実施の形態の送信コイル６は、上述したように、複数のループアンテナセル６１〜６３を組み合わせて、総てのループアンテナセルから発生する磁気モーメントの和を０にするとともに、外周にシールドを兼ねたショートリングパターン６７を設けている。

これにより、近傍には強い磁界を供給し、遠方には弱い磁界しか出さないループアンテナの特性が設置時に金属やデータキャリアが近づいてバランスが崩れても維持することができるので、上述したような要求を十分に満足させることができる。

以下に、具体的な効果の測定例を示す。

図７に示すように、６０ｍｍ×１２０ｍｍのループコイル７１，７２を並列に並べる。ここで、第１のループコイル７１、及び第２のループコイル７２の「巻き数は１５Ｔ」であり、「インダクタンスＬ値は１３０μＨ」であり、「Ｑ値は３３」である。これらの値はショートリングの有無によらず一定である。また、「測定周波数は１２５ＫＨｚ」であり、中心点でバランスが取れているところの検出点７３の磁界が０点のところで磁界を検出する。

そして、ショートリングパターンが無いときに、第１のループコイル７１側の２０ｍｍ下方位置に、４０ｍｍ角で、厚さが１ｍｍのアルミ板７４を置くと、第１のループコイル７１とバランスが崩れて磁界が検出されるようになる。

図８は、ショートリングパターンが有る場合に、ループアンテナ間のバランスが崩れたときに発生する磁界の強度を検出する実験例を示す図である。

図８に示したように、ショートリングパターン７５が有るときにも、第１のループコイル７１側の下２０ｍｍに４０ｍｍ角のアルミ板１ｍｍ厚さを置くと、第１のループコイル７１と第２のループコイル７２とのバランスが崩れて磁界が検出されるようになるが、検出点での磁界強度はショートリングパターンを付けなかった場合の半分に押さえられていてバランスの崩れが少なくなっていることが確認できた。

また、実験の結果によれば同じコイルであっても、一方のアンテナセル側だけにデータキャリアを１０個置いた場合も、左右からの磁界強度比はショートリングパターン無しでは、「１００：１００→９２：１００」となる。

一方、ショートリングパターン付の場合には、「１００：１００→９６：１００」となる。これらの結果から明らかなように、ショートリングパターン付の方がバランスの崩れが小さくなっているのが分かる。

本発明の実施の形態を示し、ループアンテナ装置のサービスエリアにデータキャリアを近づけている様子を示す図である。 本発明の実施の形態のループアンテナ装置を示し、３つの小ループコイルを基板上に配設している様子を示す図である。 ３つの小ループコイル上に電界シールド用導体を配設している様子を示す図である。 アンテナコイルパターン上にショートリングパターンを配設している様子を示す図である。 実施の形態の変形例を示し、ループアンテナ装置の主要な構成を説明するための分解斜視図である。 データキャリアシステムの概略構成を示すブロック図である。 ショートリングパターンが無い場合に、ループアンテナ間のバランスが崩れたときに発生する磁界の強度を検出する実験例を示す図である。 ショートリングパターンが有る場合に、ループアンテナ間のバランスが崩れたときに発生する磁界の強度を検出する実験例を示す図である。

符号の説明

１ ホスト
２ リーダ／ライタ装置
３ データキャリア
４ 送受信回路
５ ＣＰＵ
６ 送信コイル
７ 受信コイル
８ アンテナコイル
１１ 発振回路
１２ 送信回路
１３ ドライバ
１５ ＣＰＵ
２１ 整流回路
２２ 電源回路
２３ 受信回路
２４ 送信回路
２５ タイミング回路
２６ リセット回路
６０ 基板
６１ 第１の小ループコイル
６２ 第２の小ループコイル
６３ 第３の小ループコイル
６４ 第１の電界シールド用導体
６４ａ ギャップ
６５ 第２の電界シールド用導体
６５ａ ギャップ
６６ 第３の電界シールド用導体
６６ａ ギャップ
６７ ショートリングパターン
６７ａ ギャップ
６７ｂ ギャップ

Claims (3)

1. 非接触型のデータキャリアのアンテナコイルと磁気的に結合し、前記非接触型のデータキャリアへ信号を送信するループアンテナ装置であって、
   １）基板と、
   ２）前記基板上に配設され、前記非接触型のデータキャリアへ送信する信号の磁気モーメントの方向が相互に逆向きとなるように構成された複数個の小ループアンテナセルと、
   ３）前記複数個の小ループアンテナセルの各々に対して配設され、前記複数個の小ループアンテナセルに上に電気絶縁層を介在させて配設される前記複数個と同一個数の複数個の電界シールド用導体と、
   ４）前記複数個の小ループアンテナセル及び前記複数個の電界シールド用導体に重ねて、かつ、前記複数個の電界シールド用導体と電気絶縁層を介在させて配設され、前記複数個の小ループアンテナセルに対してまとめたパターンとなっているショートリングパターンと、を有し、
   ５）前記複数個の電界シールド用導体の各々にはギャップが設けられており、前記ショートリングパターンは、前記電界シールド用導体の各々に設けられた前記ギャップに重なるように前記複数個の小ループアンテナセル上に前記電気絶縁層を介在させて設けられていることを特徴とするループアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のループアンテナ装置であって、
   前記複数個の小ループアンテナセルは、総ての小ループアンテナセルから発生される磁気モーメントの和が０となるように構成されている、ことを特徴とするループアンテナ装置。
3. 請求項１に記載のループアンテナ装置であって、
   前記基板の前記複数個の小ループアンテナセルが配置された面と反対側に、さらにショートリングパターンが配設されていることを特徴とするループアンテナ装置。

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