JP4712615B2

JP4712615B2 - 近接非接触通信機器

Info

Publication number: JP4712615B2
Application number: JP2006153779A
Authority: JP
Inventors: 功石垣; 利治米田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: JP2007325015A

Description

本発明は、身分証明カードやプリペイドカード等のＩＣカードに対するカードリーダ／ライタ又はカードリーダとして使用される近接非接触通信機器に関する。

この種の近接非接触通信機器はＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）等の通信技術を使用して、ＩＣカードやＩＣタグ等の間にて送受信をなすものであり、この送受信のためにアンテナを備えている。ＲＦＩＤでは送受信の周波数が１３．５６ＭＨｚと低いため、一般的にアンテナは樹脂製の基板上にてループ状に形成されたループアンテナとなっている。さらに基板にはフレキシブルなシート状の磁性体が備えてられており、このような磁性体はループアンテナのための磁束ヨークとして働き、通信機器の通信感度を高めることができる（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−２９８０９５（図１）

通信機器の通信感度をさらに増加させるためには、ループアンテナの無負荷Ｑを向上させるのはもちろんのこと、ループアンテナの大形化（体積の増加）が必要となる。

しかしながら、この種の近接非接触通信機器にあっては、携帯の利便性に対する要求からさらなる小形化が望まれており、このためループアンテナそのものの大形化による通信感度の増加を図ることは現実的でない。

そこで本発明は、アンテナの大形化によらず、通信感度の向上を容易に達成することができる近接非接触通信機器の提供を課題とする。

本発明は、回路基板に設置されたループ状のアンテナ（アンテナループ）を多重化することで上記の課題を解決する。すなわち本発明の近接非接触通信機器は、回路基板の板厚方向に離間したアンテナ面にそれぞれ配置されることで、回路基板の板厚方向に多重化された複数のアンテナループから構成されるアンテナを備える。

本発明の近接非接触通信機器によれば、そのアンテナが回路基板の板厚方向に多重化されたアンテナループから構成されているので、これらアンテナループはアンテナ全体の表面積を増加させ、アンテナを通過する磁束密度の増大に寄与する。

また回路基板にはアンテナ面に沿って磁性体が設けられているため、その磁束のヨーク効果によりアンテナループによるアンテナとしての感度を高めている。

アンテナループは、対応するアンテナ面内にて内外に複重（例えば２重，３重）をなす複数のアンテナトラックから形成することもできる。この場合、アンテナ全体の表面積をさらに増加させることができる。

上記の磁性体は、アンテナ面と平行なシートとして構成することができ、このようなシート状の磁性体は、回路基板の電気回路が形成される面とは反対側の面に配置することができる。

各アンテナ面は導体層から形成でき、この導体層はアンテナループを形成する導電パターンを有する。この場合、各アンテナループはスパイラル形状をなすことができ、このようなスパイラル形状は単位面積あたり、アンテナループの表面積を増加させる。

好ましくは、近接非接触通信機器は、各アンテナループにおける外周端同士及び内周端同士をそれぞれ互いに電気的に接続するスルーホールをさらに備える。このようなスルーホールは、個々のアンテナループの厚みが薄くても、アンテナ全体を立体的な導体と等価なものにし、アンテナを通過する磁束密度を増加させる。なお、ここでの導体の厚みは、回路基板の板厚方向でみて互いに最も離れたアンテナループ同士の間隔に相当する。

アンテナループのスパイラル形状は多角形状であってもよい。この場合、近接非接触通信機器は、各アンテナループ間にて対応する角部同士及び同一のアンテナ面内のアンテナトラック間にて対応する角部同士の少なくとも一方を互いに電気的に接続する接続部を有することができる。

上記の接続部は、多角形状のスパイラルを描くアンテナループの角部やアンテナトラックの角部にて発生するキャパシタ効果を低減する。

さらに、アンテナループの少なくとも一方は導電板及び導電箔の一方から形成することもでき、この場合、磁性体は各アンテナループ間に配置されている態様が好ましい。

本発明の近接非接触通信機器は、多重化されたアンテナループが回路基板の板厚方向に厚みを増加させた立体的なアンテナを構成するので、平面的な大形化を図ることなく全体としての表面積が増加し、この結果、アンテナループで構成されるアンテナ全体としての電磁波の放射性能が著しく向上し、その通信感度の向上を図ることができる。

また、各アンテナループが導電パターンから形成されていれば、近接非接触通信機器を簡単に製造することができる。しかも、アンテナループ自体もまた対応するアンテナ面内にて複重化されていれば、アンテナ全体の表面積をさらに増加させることができる。そして、ループアンテナ又はアンテナトラックが角部を有する場合、隣接する角部が互いに電気的に接続されていれば、アンテナ全体を通過する磁束密度をさらに高め、通信感度の向上にさらに寄与する。

〔第１実施形態〕図１は、ＩＣカードリーダ／ライタとして使用される第１実施形態の近接非接触通信機器を示している。

近接非接触通信機器は合成樹脂製の回路基板２を備える。この回路基板２の表面にはスパイラル形状をなしたアンテナ４が配置されている。第１実施形態の場合、アンテナ４のスパイラル形状は多角形（四角形）を基本としたものであり、その内端及び外端に接続ランド６，８が形成されている。アンテナ４は、接続ランド６，８を介して電気回路（図示しない）に電気的に接続される。この電気回路は回路基板２の表面に配置され、アンテナ４の給電機能をも有する。

図２は、アンテナ４の接続ランド８の近傍部分を拡大して示している。また図３は、図２中のIII−III線に沿う近接非接触通信機器の断面を示している。図３に示されるように、アンテナ４は回路基板２の板厚方向に多重化（ここでは二重化）されている。アンテナ４は、回路基板２の表面に露出した表面アンテナループ１０と、回路基板２内に埋設された埋設アンテナループ１２とを有する。これら表面及び埋設アンテナループ１０，１２はともに前述したスパイラル形状をなし、回路基板２の板厚方向でみて互いに重なり合っている。なお、接続ランド６，８は表面アンテナループ１０の内端及び外端に連なっている（埋設アンテナループ１２に接続ランドはない。）。

回路基板２は多層（積層）構造を有している。具体的には、回路基板２には埋設アンテナループ１２を担持する下側基板層１４ａと、表面アンテナループ１０を担持する上側基板層１４ｂとが含まれる。これら下側基板層１４ａ及び上側基板層１４ｂは、いずれも回路基板２の表面に平行なアンテナ面を形成する。表面及び埋設アンテナループ１０，１２は、対応する基板層１４ａ，１４ｂのアンテナ面に形成された導電層、つまり導電パターンからなる。このような構成によれば、アンテナ４を簡単かつ容易に形成することができる。

図２及び図３に示されるように表面アンテナループ１０の内端及び外端は埋設アンテナループ１２の内端及び外端にそれぞれスルーホール１６を介して電気的に接続されており、これらスルーホール１６は、表面及び埋設アンテナループ１０，１２からなるアンテナ４をその全体として立体的な導体と等価なものにする。ここでのアンテナ４の厚みは、表面及び埋設アンテナループ１０，１２間の間隔に相当する。なお、図２及び図３には表面及び埋設アンテナループ１０，１２の内端同士を接続するスルーホール１６のみが示されている。

さらに、図３に示されているように回路基板２の裏面には磁性体としての磁性シート１８が張り付けられている。この磁性シート１８はフェライトからなり、アンテナ４の領域をカバーする大きさを有するとともに、アンテナ４に対する磁束ヨークとして機能する。

図４は、近接非接触通信機器を用いた通信時の作用をモデル化して示している。図４に示されるように、第１実施形態の近接非接触通信機器に対して、例えばＩＣカードＣがそのアンテナＡと非接触に
して近接された場合を想定する。この場合、アンテナ４が生成する磁束Ｂにより、近接非接触通信機器のアンテナ４とＩＣカードＣのアンテナＡとが互いに電磁結合されることで、両者間での無線通信が行われる。

さらに、近接非接触通信機器は磁性シート１８を備えているので、磁性シート１８はアンテナ４ための磁束ヨークとして機能し、アンテナ４を通過する磁束Ｂの密度を増加させる効果をもたらす。

しかも、磁性シート１８の存在に加えて、アンテナ４は多重化された表面及び埋設アンテナループ１０，１２から構成されているので、アンテナ４の表面的な大形化を招くことなく、全体としてアンテナ４の表面積を増加させることができる。さらに、アンテナ４は立体形状の導体と等価であるから、アンテナ４を通過する磁束Ｂの密度をさらに増大させることができる。この結果、近接非接触通信機器の通信感度は著しく向上する。

次に、第２〜第５実施形態の近接非接触通信機器について説明する。なお、第２〜第５実施形態を説明するにあたり、第１実施形態で挙げた部材及び部位、又は既に説明した部材及び部位と同様な機能を発揮する部材及び部位には同一参照符号を付し、それらの説明は省略する。

〔第２実施形態〕図５及び図６は、第２実施形態の近接非接触通信機器を示している。第２実施形態の場合、表面及び埋設ループアンテナ１０，１２は、それぞれ対応する基板層１４（アンテナ面）上にて複重化（ここでは２重化）されている。具体的には、内外の２条のアンテナトラック２０ａ，２０ｂから各１つのアンテナループ１０，１２が構成されている。これら２条のアンテナトラック２０ａ，２０ｂ同士の間隔はアンテナ４のスパイラル形状に沿って一定となっている。

第２実施形態の近接非接触通信機器におけるアンテナ４についても、第１実施形態の場合と同様に通信時における磁束密度を増大することができる。また、回路基板２はこれを多層（積層）構造にすることで、アンテナ４を容易かつ簡単に形成することができる。また第２実施形態では、第１実施形態の場合に比較して、アンテナ４の表面積の増大をさらに図り、通信感度をさらに高めることができる。

〔第３，第４実施形態〕図７は第３実施形態の近接非接触通信機器を示している。第３実施形態の場合、アンテナ４は、回路基板２の板厚方向に隣接する表面及び埋設アンテナループ１０，１２の角部同士を互いに電気的に接続するスルーホール等の接続部２２をさらに有する。

次に図８は、第４実施形態の近接非接触通信機器を示している。第４実施形態の場合、同じアンテナ面内でアンテナトラック２０ａ，２０ｂの対応する角部同士を互いに電気的に接続する接続部２４が追加されている。

図７に示される接続部２２（第３実施形態）及び図８に示される接続部２４（第４実施形態）は、アンテナ４の角部に生じるキャパシタ作用（浮遊容量）を解消し、アンテナ４を通過する磁束Ｂの密度低下を阻止する働きをする。なお、アンテナ４は接続部２２，２４のいずれか一方又は両方を備えることができる。

また第３，第４実施形態の近接非接触通信機器についても、第１実施形態と同様に通信時の磁束密度を増大し、通信感度を高めることができる。

〔第５実施形態〕図９は第５実施形態の近接非接触通信機器の構造例を示す断面図である。第５実施形態の場合、アンテナ４は、回路基板２の表面及び裏面に配置されたアンテナループ２６，２８から構成される。これらアンテナループ２６，２８の少なくとも一方は導電板又は導電箔からなる。すなわち、第５実施形態の場合にも、回路基板２は上下の基板層１４ａ，１４ｂからなり、これら基板層１４ａ，１４ｂ間に磁性シート１８が挟み込まれている。

第５実施形態の近接非接触通信機器もまた第１実施形態と同様な利点を発揮する。なお、第５実施形態におけるアンテナ４にあっても、第１〜第４実施形態が有する手段を単独又は組み合わせて含むことができることは言うまでもない。

本発明の発明者等は、上述した第１〜第５実施形態の近接非接触通信機器を本発明に共通の実施例とし、これを従来の近接非接触通信機器と比較したデータを採取した。

図１０は、アンテナ４を通過する磁束Ｂの通過特性に関して、共通実施例の近接非接触通信機器と従来の近接非接触通信機器とを磁性シートの厚みを変えて比較したグラフを示す。なお、図中に「従来」とあるのは、回路基板の表面のみにアンテナループが設けられた近接非接触通信機器に関する特性を示す。また非磁性体とあるのは、磁性シートを備えていない場合の近接非接触通信機器の特性を示している。

図１０を用いた実施例と従来との比較から明らかなように、磁性体の厚さに依存して通過特性は変わるものの、磁性体の厚さが同一であれば、実施例の通過特性の方が従来に比較して常に高いことが認められる。

本発明は上述した各実施形態に制約されることなく、種々に変形や置換を伴って実施することができる。例えば、第１〜第５実施形態では何れも２重化されたアンテナループを備えているが、アンテナループは３重化以上に多重化されていてもよい。また、複重のアンテナトラックを備える場合についても、３重化以上に複重化されていてもよい。

第１実施形態の近接非接触通信機器を示した平面図である。図１のアンテナループの端部を示す平面図である。図２中、III−III線に沿う近接非接触通信機器の断面図である。近接非接触通信機器の作用を説明するための図である。第２実施形態のアンテナループの端部を示す平面図である。図５中、ＶＩ−ＶＩ線に沿う断面により第２実施形態の近接非接触通信機器の構造を示した図である。第３実施形態の近接非接触通信機器の構造例を示した断面図である。第４実施形態のアンテナループの角部を示した平面図である。第５実施形態の近接非接触通信機器の構造例を示した断面図である。アンテナを通過する磁束の通過特性に関して、実施例及び従来例を比較して示すグラフである。

符号の説明

２回路基板４アンテナ１０表面アンテナループ１２埋設アンテナループ１４ａ下側基板層１４ｂ上側基板層１６スルーホール１８磁性シート（磁性体）２０ａアンテナトラック２０ｂアンテナトラック２２接続部２４接続部２６アンテナループ２８アンテナループ

Claims

アンテナへの給電機能を有する電気回路が形成された回路基板と、
前記回路基板に対しその板厚方向に離間して形成される複数のアンテナ面にそれぞれ配置され、かつ前記回路基板の板厚方向に多重化された状態で前記電気回路に接続された複数のアンテナループを有したアンテナと、
前記回路基板の前記アンテナ面に沿って設けられ、前記アンテナのための磁束ヨークとして働く磁性体と
を備え、
前記各アンテナループは、前記アンテナ面内にてスパイラル形状をなし、前記スパイラル形状は多角形状をなしており、前記各アンテナループ間にて対応する角部同士を互いに電気的に接続する接続部を有することを特徴とする近接非接触通信機器。
アンテナへの給電機能を有する電気回路が形成された回路基板と、
前記回路基板に対しその板厚方向に離間して形成される複数のアンテナ面にそれぞれ配置され、かつ前記回路基板の板厚方向に多重化された状態で前記電気回路に接続された複数のアンテナループを有したアンテナと、
前記回路基板の前記アンテナ面に沿って設けられ、前記アンテナのための磁束ヨークとして働く磁性体と
を備え、
前記各アンテナループは、それぞれ対応するアンテナ面内にて内側とその外側とに複重をなす複数のアンテナトラックから形成され、
前記各アンテナループは、前記アンテナ面内にてスパイラル形状をなし、前記スパイラル形状は多角形状をなしており、同一の前記アンテナ面内の前記アンテナトラック間にて対応する角部同士を互いに電気的に接続する接続部を有することを特徴とする近接非接触通信機器。
請求項１又は２に記載の近接非接触通信機器において、
前記磁性体は、前記アンテナ面と平行なシート状をなしていることを特徴とする近接非接触通信機器。
請求項１から３のいずれかに記載の近接非接触通信機器において、
前記各アンテナ面は導体層からなり、この導体層は前記アンテナループを形成する導電パターンを有すること特徴とする近接非接触通信機器。
請求項１から４のいずれかに記載の近接非接触通信機器において、
前記回路基板の内部をその厚み方向に延びて形成され、前記各アンテナループにおける外周端同士及び内周端同士をそれぞれ互いに電気的に接続するスルーホールをさらに備えることを特徴とする近接非接触通信機器。
アンテナへの給電機能を有する電気回路が形成された回路基板と、
前記回路基板に対しその板厚方向に離間して形成される複数のアンテナ面にそれぞれ配置され、かつ前記回路基板の板厚方向に多重化された状態で前記電気回路に接続された複数のアンテナループを有したアンテナと、
前記回路基板の前記アンテナ面に沿って設けられ、前記アンテナのための磁束ヨークとして働く磁性体と
を備え、
前記アンテナループの少なくとも一方は導電板及び導電箔のいずれか一方から形成され、
前記磁性体は前記各アンテナループ間に配置されていることを特徴とする近接非接触通信機器。
請求項６に記載の近接非接触通信機器において、
前記各アンテナループは、前記アンテナ面内にてスパイラル形状をなし、前記スパイラル形状は多角形状をなしており、前記各アンテナループ間にて対応する角部同士を互いに電気的に接続する接続部を有することを特徴とする近接非接触通信機器。
請求項６に記載の近接非接触通信機器において、
前記各アンテナループは、それぞれ対応するアンテナ面内にて内側とその外側とに複重をなす複数のアンテナトラックから形成され、
前記各アンテナループは、前記アンテナ面内にてスパイラル形状をなし、前記スパイラル形状は多角形状をなしており、同一の前記アンテナ面内の前記アンテナトラック間にて対応する角部同士を互いに電気的に接続する接続部を有することを特徴とする近接非接触通信機器。