JP4924332B2 - 無線システム、無線装置及びアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は無線システム、無線装置及びアンテナ装置に係り、特にループ型アンテナ素子を含むアンテナ装置並びに該アンテナ装置を用いる無線装置及び無線システムに関する。

無線を利用した個体識別（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ、以下ＲＦＩＤと略す。）の技術が、鉄道の自動出改札、企業や事務所の出退勤管理、各種の電子マネー等に広く用いられている。ＲＦＩＤにおいては、リーダ／ライタと呼ばれる装置とカード又はタグと呼ばれる情報媒体との間の無線通信を介して情報がやり取りされる。リーダ／ライタの内蔵するループアンテナとカードの内蔵するループアンテナを対向させて通信可能な状態におくことにより、リーダ／ライタがカードに対して情報を書き込み、またカードから情報を読み取ることができる。

携帯電話の一部にも、このようなＲＦＩＤに対応する機能が搭載されている。当初は携帯電話にカード機能が搭載され、最近ではリーダ／ライタ機能も搭載されるようになっている。携帯電話をはじめとして、リーダ／ライタの装置小型化への要求は根強いが、小型化のため装置の金属部分がループアンテナと近接して交流磁界による渦電流を発生し、カードとの間の通信可能距離を縮めてしまうという問題が指摘されている。

上記のような渦電流の発生を、磁性体を利用して抑えるという技術が知られている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照。）。上記の特許文献１に開示された非接触ＩＣカードリーダ装置は、筐体の壁面取り付け用取り付け枠（金属製）にベースを介して化粧パネルを取り付け、ベースに磁性体層を介してループアンテナを積層することにより、アンテナと取り付け枠間を磁性体層で遮へいする形にして取り付け枠における渦電流の発生を抑えるというものである。

上記の特許文献２に開示された情報処理装置は、基板の上に導電性板、磁性体、アンテナ基板を順に層状に配置して、アンテナの磁束を基板に対して遮へいし、渦電流の発生を抑えるというものである。

ところで、リーダ／ライタの内蔵するループアンテナとカードの内蔵するループアンテナはそれぞれ共振器を構成し、それらの共振周波数は公称値が等しく設定されている。一般に共振周波数が等しい２つの共振器を相互に近づけていくと、周波数が徐々に分離してｆ１、ｆ２（ｆ１＜ｆ２）の２つの周波数が現れることが知られている（たとえば、非特許文献１又は非特許文献２参照。）。この現象は周波数スプリットと呼ばれ、上記のリーダ／ライタ及びカード間でも相互の間隔がある程度以上狭まって結合が強まったときに発生する。周波数スプリットの値が限度を超えて大きくなると、リーダ／ライタ及びカード間の通信ができなくなる場合がある。

上記の周波数スプリットに関して、ＲＦＩＤシステムを例にとって図１１ないし図１３を参照して説明する。図１１は、ＲＦＩＤシステム用のカード単体のリターンロスの周波数特性の実測例である。図の横軸は周波数を表し、中央が１３．５６メガヘルツ（ＭＨｚ）に、一目盛りが１ＭＨｚにそれぞれ対応する。図の縦軸はリターンロスを表し、最大値が０デシベル（ｄＢ）、一目盛りが１ｄＢにそれぞれ対応する。

図１２は、ＲＦＩＤシステム用の従来のリーダ／ライタ装置単体のリターンロスの周波数特性の実測例である。図の横軸は図１１の横軸と同じである。図の縦軸はリターンロスを表し、最大値が０ｄＢ、一目盛りが０．２ｄＢにそれぞれ対応する。

図１３は、図１１に単体の特性を表したカードと、図１２に単体の特性を表したリーダ／ライタ装置のループアンテナどうしを対向、近接させた場合の、それぞれのリターンロスの周波数特性の実測例である。図の横軸、縦軸は、図１２の横軸、縦軸とそれぞれ同じである。図中の左側、右側の共振点は、それぞれカード、リーダ／ライタ装置の共振点を表す。この場合は、前述した周波数スプリットの値が約５．５ＭＨｚに達し顕著に表れている。このような条件下では、カードとリーダ／ライタ装置の間で通信を行うことが極めて困難である。
特開第２００７−１２２２２５号公報（第２、４ページ、図１） 特開第２００６−１７８７１３号公報（第２、４、５ページ、図１） 河口、小林、馬、「分布定数共振器間電磁結合の等価回路表示に関する研究」、電子情報通信学会技術研究報告ＥＭＣＪ２００３−７８／ＭＷ２００３−１７５、２００３年１０月 伊藤、峯邑、天野、「ＨＦ帯ＲＦＩＤにおける不感領域と結合係数の関係」、電子情報通信学会総合大会Ｂ−１−１４３、２００７年３月

上述した特許文献１に開示された従来の技術は、金属製の取り付け枠における渦電流の発生を抑えてアンテナ特性への悪影響を減らし、通信可能距離を確保しようとするものである。しかし、上述したリーダ／ライタとカードの近接によって生じる周波数スプリットの問題については、考慮されていない。

上述した特許文献２に開示された従来の技術は、アンテナから漏れた磁束を導電性板によって渦電流に変換することにより磁束の基板への到達を妨げ、渦電流も生じないようにする。しかし、上述したリーダ／ライタとカードの近接によって生じる周波数スプリットの問題については、考慮されていない。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、無線装置のループアンテナどうしの近接によって生じる周波数スプリットを抑え、通信の安定を確保することのできる無線システム、無線装置及びアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の無線システムは、
第１のループアンテナを備えた第１の無線装置と、
第２のループアンテナを備え、該第２のループアンテナを前記第１のループアンテナと対向させて前記第１の無線装置と通信を行う第２の無線装置と
を備え、
前記第２の無線装置は、
前記第１のループアンテナと前記第２のループアンテナとの間に配設された第１の磁性体と、
前記第２のループアンテナの少なくとも一部を巻回するように配設された第２の磁性体と
を有する。

また、本発明の無線装置は、
内蔵ループアンテナを備え、前記内蔵ループアンテナを外部装置のループアンテナと対向させて前記外部装置との間で通信を行う無線装置において、
前記内蔵ループアンテナと、前記外部装置のループアンテナとの間に配設された第１の磁性体と、
前記内蔵ループアンテナの少なくとも一部を巻回するように配設された第２の磁性体と
を備える。

さらに、本発明のアンテナ装置は、
無線装置に内蔵され、前記無線装置が外部装置との間で通信を行うとき前記外部装置のループアンテナに対向して使用されるアンテナ装置において、
ループをなして形成されたアンテナ素子と、
前記アンテナ素子と、前記外部装置のループアンテナとの間に配設された第１の磁性体と、
前記アンテナ素子の少なくとも一部を巻回するように配設された第２の磁性体と
を備える。

本発明によれば、無線システムを構成する一方の無線装置において、そのループアンテナの少なくとも一部を他方の無線装置のループアンテナに対して遮へいするように磁性体を配設することにより、無線装置のループアンテナどうしの近接によって生じる周波数スプリットを抑え、通信の安定を確保することができる。

以下、図１ないし図１０を参照して、本発明の実施例を説明する。なお以下の各図を参照しながら上下左右又は水平、垂直（鉛直）をいうときは、特に断らない限り、図が表された紙面における上下左右又は水平、垂直（鉛直）を意味するものとする。また、各図の間で同一の符号は、同一の構成を表すものとする。

図１は、本発明の実施例に係る無線システム１の構成を表すブロック図である。無線システム１は、無線装置１０と無線装置２０を備えている。一例として、無線システム１は無線を利用した個体識別（ＲＦＩＤ）システム、無線装置１０はＲＦＩＤシステム用のカード、無線装置２０はリーダ／ライタ装置又はリーダ／ライタ機能内蔵の携帯電話と考えてもよい。

無線装置１０は、ループアンテナ１１を内蔵している。無線装置２０は、ループアンテナ２１を内蔵している。無線装置２０は、ループアンテナ２１をループアンテナ１１に対向させて無線装置１０との間で通信を行うことができる。なお、ここでいう通信には、ＲＦＩＤシステムに代表される情報媒体に対する情報の書き込み又は情報媒体からの情報の読み出しのような情報のやり取りを含む。

図２は、無線装置２０に含まれる基板２２とその周辺の構成（ループアンテナ２１を含む。）を表す平面図である。図３は、図２における右側面から見た基板２２とその周辺の構成の側面図である。図３に示すように、基板２２の一方の面に電池２３が取り付けられている。電池２３は、金属製の外囲器に収容されている。基板２２と反対の側を向く電池２３の面には、磁性体２４が設けられている。磁性体２４は例えばシート状に形成され、上記の電池２３の面に貼付されたものである。なお、図２においては、電池２３が磁性体２４に覆われて見えない状態を表す。

ループアンテナ２１は、電池２２の周囲を取り囲むようにループ状に形成されて配設されたアンテナ素子を有している。実際には当該アンテナ素子のいずれかの部分に図示しない給電点が設けられ、無線装置２０の図示しない無線回路に接続されて給電される。ループアンテナ２１の少なくとも一部を巻回して、磁性体２５が配設されている。

次に、磁性体２４及び磁性体２５を設けたことによる効果について、図４及び図５も参照して説明する。図４は、図１に示したようにループアンテナ２１をループアンテナ１１に対向させたときの、ループアンテナ１１、ループアンテナ２１、磁性体２４及び磁性体２５の位置関係を、図３と同じ向きから見て表す図である。図５は、ループアンテナ１１を上にして同様の位置関係を表す斜視図である。

磁性体２４は、ループアンテナ２１が励振されたときに生じる交流磁界によって電池２３の金属製の外囲器に生じる渦電流を抑える効果を有する。しかし図５を参照すれば推察されるように、ループアンテナ１１又はループアンテナ１２が励振されたときに両方のループを貫く磁束密度が磁性体２４の存在によって強められるから、ループアンテナ１１とループアンテナ２１の結合が強まる（このときループアンテナ１１とループアンテナ２１のＱ値も高まる）。その結果、周波数スプリットを生じやすくなる。

一方、磁性体２５はループアンテナ２１の少なくとも一部を巻回するように配設されており、ループアンテナ２１が励振されたとき当該磁性体２５が巻回している一部に分布するアンテナ電流から励起される交流磁界は、磁性体２５の遮へい作用によって外部へ漏れ出る程度が低いから、ループアンテナ１１への影響を抑えることができる。つまり、ループアンテナ１１とループアンテナ２１の結合を抑えて周波数スプリットを緩和することができる。

ループアンテナ２１のどの部分をどの程度磁性体２５によって巻回するかは、設計又は使用上の条件（ループアンテナ１１とループアンテナ２１の間隔、送信電力、受信感度等）に応じて適宜選択することができる。

図６ないし図８を参照して、本発明の実施例の変形例を説明する。なお、当該変形例は上述した実施例の磁性体２５の変形に係るものであるから、磁性体２５以外の構成はそれぞれ上述したのと同一の符号を付して表すものとする。図６は、当該変形例において無線装置２０に含まれる基板２２とその周辺の構成（ループアンテナ２１を含む。）を表す平面図である。図７は、図６における右側面から見た基板２２とその周辺の構成の側面図である。

図６及び図７において、ループアンテナ２１、基板２２、電池２３及び磁性体２４の位置関係は、図２及び図３を参照して説明したのと同じである。図７においてループアンテナ２１の少なくとも一部を覆うように、磁性体２６が配設されている。磁性体２６は、図７に破線で表した無線装置２０の筐体ケース２７の内面に取り付けられたとしてもよい。

図８は、図１に示したようにループアンテナ２１をループアンテナ１１に対向させたときの、ループアンテナ１１、ループアンテナ２１、磁性体２４及び磁性体２６の位置関係を、図７と同じ向きから見て表す図である。

磁性体２４の存在により周波数スプリットを生じやすくなる点は、既に説明したとおりである。一方、磁性体２６はループアンテナ２１の少なくとも一部をループアンテナ１１に対して遮へいするように配設されており、ループアンテナ２１が励振されたとき当該磁性体２６によって遮へいされている一部に分布するアンテナ電流から励起される交流磁界は外部へ漏れ出る程度が低いから、ループアンテナ１１への影響を抑えることができる。つまり、ループアンテナ１１とループアンテナ２１の結合を抑えて周波数スプリットを緩和することができる。

ループアンテナ２１のどの部分をどの程度磁性体２６によって遮へいするかは、設計又は使用上の条件（ループアンテナ１１とループアンテナ２１の間隔、送信電力、受信感度等）に応じて適宜選択することができる。

本発明の効果をＲＦＩＤシステムに適用して実験により検証した結果を、図９及び図１０を参照して説明する。

図９は、本発明が適用されたリーダ／ライタ装置単体のリターンロスの周波数特性の実測例である。図の横軸は周波数を表し、中央が１３．５６メガヘルツ（ＭＨｚ）に、一目盛りが１ＭＨｚにそれぞれ対応する。図の縦軸はリターンロスを表し、最大値が０デシベル（ｄＢ）、一目盛りが０．２ｄＢにそれぞれ対応する。

図１０は、背景技術の説明において図１１に単体の特性を表したカードと、図９に単体の特性を表したリーダ／ライタ装置のループアンテナどうしを対向、近接させた場合の、それぞれのリターンロスの周波数特性の実測例である。図中の左側、右側の共振点は、それぞれカード、リーダ／ライタ装置の共振点を表す。この場合、リーダ／ライタ装置には本発明が適用されているので、図１３と比較すれば明らかなように前述した周波数スプリットの値が約３ＭＨｚ強にまで改善されている。このような条件下では、従来の場合よりも確実にカードとリーダ／ライタ装置の間で通信を行うことができる。

以上に説明した本発明の実施例によれば、一方のループアンテナの少なくとも一部を他方のループアンテナに対して遮へいするように磁性体を配設することにより、双方のループアンテナが近接したときに生じる周波数スプリットを緩和し、通信可能の状態を保つことができる。

以上の実施例の説明において、各構成要素の形状、配置、位置関係等、また実験において設定した条件は一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲でさまざまな変形が可能である。

本発明の実施例に係る無線システムのブロック図。 本発明の実施例に係る無線装置に含まれる基板とその周辺の構成を表す平面図。 本発明の実施例に係る無線装置に含まれる基板とその周辺の構成を表す側面図。 本発明の実施例に係るループアンテナ及び磁性体の位置関係を表す側面図。 本発明の実施例に係るループアンテナ及び磁性体の位置関係を表す斜視図。 本発明の実施例の変形例に係る無線装置に含まれる基板とその周辺の構成を表す平面図。 本発明の実施例の変形例に係る無線装置に含まれる基板とその周辺の構成を表す側面図。 本発明の実施例の変形例に係るループアンテナ及び磁性体の位置関係を表す側面図。 本発明の実施例に係るＲＦＩＤシステム用のリーダ／ライタ装置単体のリターンロスの周波数特性の実測例。 本発明の実施例に係るＲＦＩＤシステム用のリーダ／ライタ装置とＲＦＩＤシステム用のカードのループアンテナどうしを対向、近接させた場合の、それぞれのリターンロスの周波数特性の実測例。 ＲＦＩＤシステム用のカードのリターンロスの周波数特性の実測例。 ＲＦＩＤシステム用の従来のリーダ／ライタ装置単体のリターンロスの周波数特性の実測例。 ＲＦＩＤシステム用の従来のリーダ／ライタ装置とＲＦＩＤシステム用のカードのループアンテナどうしを対向、近接させた場合の、それぞれのリターンロスの周波数特性の実測例。

符号の説明

１ 無線システム
１０、２０ 無線装置
１１、２１ ループアンテナ
２２ 基板
２３ 電池
２４、２５、２６ 磁性体
２７ 筐体ケース

Claims (3)

1. 第１のループアンテナを備えた第１の無線装置と、
   第２のループアンテナを備え、該第２のループアンテナを前記第１のループアンテナと対向させて前記第１の無線装置と通信を行う第２の無線装置と
   を備え、
   前記第２の無線装置は、
   前記第１のループアンテナと前記第２のループアンテナとの間に配設された第１の磁性体と、
   前記第２のループアンテナの少なくとも一部を巻回するように配設された第２の磁性体と
   を有することを特徴とする無線システム。
2. 内蔵ループアンテナを備え、前記内蔵ループアンテナを外部装置のループアンテナと対向させて前記外部装置との間で通信を行う無線装置において、
   前記内蔵ループアンテナと、前記外部装置のループアンテナとの間に配設された第１の磁性体と、
   前記内蔵ループアンテナの少なくとも一部を巻回するように配設された第２の磁性体と
   を備えたことを特徴とする無線装置。
3. 無線装置に内蔵され、前記無線装置が外部装置との間で通信を行うとき前記外部装置のループアンテナに対向して使用されるアンテナ装置において、
   ループをなして形成されたアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子と、前記外部装置のループアンテナとの間に配設された第１の磁性体と、
   前記アンテナ素子の少なくとも一部を巻回するように配設された第２の磁性体と
   を備えたことを特徴とするアンテナ装置。

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