JP5093388B2

JP5093388B2 - 通信装置

Info

Publication number: JP5093388B2
Application number: JP2011159650A
Authority: JP
Inventors: 浩一中村; 巧成瀬; 二三夫福島; 邦昭清末
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: JP2011205718A

Description

本発明は、アンテナを実装した携帯電話等の小型の通信装置に関し、とりわけ、ＮＦＣ（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）機能を有する携帯電話等の通信装置に関するものである。

従来より、近接通信を行うシステムとしては、例えば、ＩＣカードシステムが広く知られている。ＩＣカードシステムにおいては、リーダ／ライタが電磁波を発生することにより、いわゆるＲＦフィールド（磁界）を形成する。そして、リーダ／ライタに、ＩＣカードが近づくと、ＩＣカードは電磁誘導によって電源の供給を受けるとともに、リーダ／ライタとの間でデータ伝送を行う。

かかるＩＣカードシステムに代表される近接通信を行うための通信プロトコルとしては、例えばＮＦＣがある。近年、携帯電話にこのＮＦＣによる通信プロトコルに従って近接通信を実行させ、携帯電話等の通信装置にカード機能を持たせるようにしている。さらに、対象物に取り付けられているタグ内の情報をＮＦＣ通信プロトコルを利用して携帯電話で読み取ることも提案されている（リーダ機能）。ＮＦＣに従う通信プロトコルを実行するためのアンテナ装置の一例は特許文献１に開示されている。

特開２００８−４８３７６号公報

携帯電話にアンテナ装置を実装する場合、携帯電話のサイズに合わせてアンテナ装置も小さなものでなければならない。携帯電話に実装するのに適したアンテナ装置としてチップアンテナが考えられる。しかしながら、チップアンテナを用いた場合、サイズに関するメリットはあるものの、所定の通信距離を確保することが困難になる。実験によるとチップアンテナを用いて近接通信を行った場合、約５ｍｍの距離までしか安定した通信を実行することができなかった。この距離で携帯電話を利用して近接通信を行うとなると、携帯電話の筐体の厚み等により実際には通信を行うことができない。仮に、極度に薄い筐体を用いた場合でも、ほとんど携帯電話と対象物（リーダ／ライタ及びタグ）とを接触させなければならず、ユーザにとって使い勝手がよくないシステムとなっていた。

ＮＦＣを実行するためのアンテナ装置としては、ある程度の距離（一般に約３０ｍｍ）間において近接通信が行えることが望ましい。

本発明は、リーダ／ライタモード時と受信モード時でアンテナのターン数を切り換えることにより、ＩＣチップからの伝送信号をアンテナに及びアンテナからの受信信号をＩＣチップへ効率よく伝達することができ、かつサイズも携帯電話等への実装に適したサイズのアンテナを有した通信装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、アンテナが実装され、タグあるいはリーダ／ライタを対象物として通信を行う通信装置であって、前記アンテナは、アンテナ開口面を含む平面上に形成され、外から内へ第１、第２のターンが順に巻回されてなる１本のコイルと、前記第１のターンの始点に設けられた第１の接続端子と、前記第１のターンの終点かつ前記第２のターンの始点に設けられた第２の接続端子と、前記第２のターンの終点に設けられた第３の接続端子と、前記第１の接続端子と常に接続し、前記第２あるいは第３の接続端子のいずれか一方と選択的に接続するスイッチング手段とを備え、装置がリーダ／ライタモードとして動作する場合は、前記スイッチング手段は前記第１の接続端子と前記第２の接続端子とを選択し、装置がタグモードとして動作する場合は、前記スイッチング手段は前記第１の接続端子と前記第３の接続端子とを選択して、各モードのアンテナ開口面積を異ならせるよう制御するものである。

本発明によれば、携帯電話等への実装に適したサイズのアンテナを有した通信装置を得ることができ、かつ近接通信に適した通信距離を確保できるアンテナを有した通信装置を得ることができる。また、本発明によれば、リーダ／ライタモード時と受信モード時でアンテナのターン数を切り換えることにより、ＩＣチップからの伝送信号及びアンテナからの受信信号をＩＣチップへ効率よく伝達することができる。

本発明の参考例におけるアンテナ装置を示す構成図本発明の参考例におけるアンテナの概略構成図本発明の参考例におけるアンテナ装置の回路図本発明の参考例におけるターン数と誘起電圧の関係図本発明の参考例におけるアンテナ装置の上面図本発明の参考例における上下に２つのアンテナを用いた場合の構成図本発明の実施例におけるアンテナの概略構成図

本発明における請求項１記載の発明は、アンテナが実装され、タグあるいはリーダ／ライタを対象物として通信を行う通信装置であって、前記アンテナは、アンテナ開口面を含む平面上に形成され、外から内へ第１、第２のターンが順に巻回されてなる１本のコイルと、前記第１のターンの始点に設けられた第１の接続端子と、前記第１のターンの終点かつ前記第２のターンの始点に設けられた第２の接続端子と、前記第２のターンの終点に設けられた第３の接続端子と、前記第１の接続端子と常に接続し、前記第２あるいは第３の接続端子のいずれか一方と選択的に接続するスイッチング手段とを備え、装置がリーダ／ライタモードとして動作する場合は、前記スイッチング手段は前記第１の接続端子と前記第２の接続端子とを選択し、装置がタグモードとして動作する場合は、前記スイッチング手段は前記第１の接続端子と前記第３の接続端子とを選択して、各モードのアンテナ開口面積を異ならせるよう制御することを特徴とする。

以下、本発明の参考例１について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の参考例におけるアンテナ装置を示す構成図である。

１は、１ターンのループ形状をしているアンテナ１である。２はアンテナの下に設けられ、アンテナ周辺の金属の影響を低減するための磁性シート２である。なお、本実施例ではアンテナ装置の小型化を実現すべく、磁性シート２の三辺の好ましいサイズを図１に表示している。このサイズは、携帯電話等の小型の通信端末に備え付けるには適したサイズである。なお、このサイズでは複数ターンのアンテナを構成するとなると、アンテナの開口面積を十分に確保することができず、要求される通信距離を得ることが困難である。以下に、図１を用いてアンテナ装置を構成する各部の詳細について説明する。

まず、アンテナ１について説明する。

アンテナ１は、１ターンのループアンテナで形成される。アンテナ１の構造としては、中央に開口部を備えた形状であればよく、その形状は円形または略矩形または多角形のいずれであってもよい。このような構造とすることで、十分な磁界を得て、誘導電力の発生と相互インダクタンスによる無線通信媒体と無線通信媒体処理装置との通信を可能とするものである。

さらに、アンテナ１の材質としては、金、銀、銅、アルミ、ニッケル等の導電性の金属製線材、金属製板材、金属製箔材、または金属製筒材等から適宜選択することができ、金属線、金属箔、導電性ペースト、めっき転写、スパッタ、蒸着、もしくは、スクリーン印刷により形成することができる。

次に、磁性シート２について説明する。

磁性シート２は、フェライトやパーマロイ、センダスト、珪素合板等の金属材料で構成される。磁性材としては、軟磁性フェライトが好ましく、フェライト粉体を乾式プレス成形し、焼成することにより焼成体、高密度のフェライト焼成体とすることができ、軟磁性フェライトの密度が３．５ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。更に軟磁性フェライトの磁性体の大きさが、結晶粒界以上であることが好ましい。また磁性シート２は、０．０５ｍｍ〜３ｍｍ程度で形成されるシート状（あるいは板状、膜状、層状）のものである。

軟磁性フェライトとしては、Ｎｉ−ＺｎＯ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、または、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯからなっていてもよい。更にアモルファス合金、パーマロ
イ、電磁鋼、珪素鉄、Ｆｅ−Ａｌ合金、センダスト合金のいずれかの磁性体の単層であってもよく、フェライト、アモルファス箔、パーマロイ、電磁鋼、センダストの積層体であってもよく、また、様々な磁性体を組み合わせた積層体であってもよい。磁性材を積層する際には、樹脂、紫外線硬化型樹脂、可視光硬化型樹脂、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、耐熱性樹脂、合成ゴム、両面テープ、粘着層、またはフィルムの少なくとも１つの手段により、磁性材が接着され積層構造となる。

更に本発明の磁性シート２は、フェライト、アモルファス合金、パーマロイ、電磁鋼、珪素鉄、Ｆｅ−Ａｌ合金、センダスト合金の単体、または積層体を樹脂、紫外線硬化型樹脂、可視光硬化型樹脂、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、耐熱性樹脂、合成ゴム、両面テープ、粘着層、またはフィルムの少なくとも１つの手段によりコーティングをおこなったものでもよい。

また、フェライト、アモルファス箔、パーマロイ、電磁鋼、センダスト単体および積層体が、磁性体固片の集合体であってもよく、整合配置することにより、磁性シート２総厚に対して磁性体を効率よく形成できる。

更に、全ての磁性体固片がその上下面を略同一面となるように配置することで、磁性シート２に要求される厚み寸法や、機械的強度、その他の物理的性能の範囲において磁性体の最大限の体積を利用することができ、高い磁気性能を得ることができる。

本発明の磁性シート２は、単層、多層構造、または固片からなり、樹脂、紫外線硬化型樹脂、可視光硬化型樹脂、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、耐熱性樹脂、合成ゴム、両面テープ、粘着層、またはフィルムの少なくとも１つの手段によりコーティングを行うことで
、柔軟性が高くて耐久性に優れる上、表面抵抗が高く、表面にアンテナ印刷やめっきなどによる回路形成を行うことが容易である。

本実施例において磁性シート２は、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトまたは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト材を８００℃〜１０００℃で焼成したもので、焼成した磁性シート２を保護テープ、両面テープ等の保護部材によりコーティングし、ローラー等で磁性シート２を粉砕することで柔軟性を有した磁性シート２を作製する。

また、保護部材によりコーティングされた磁性シート２は、非常に優れた柔軟性を有しているので、パンチング等により、容易に打ち抜き成形加工ができるので、複雑な形状の加工も低コストで、しかも大量に成形できるという特徴も有する。

更に、磁性シート２の形状としては、略三角柱、略四角柱、略円柱、略球等の形状で構成されていてもよい。

本発明の磁性シート２は、両面テープまたは微粘着テープ等に固定されローラーにて粉砕されることにより、磁性シート２に柔軟性を与えることができる。また、ローラーにて粉砕されることで磁性シート２の加工性がよくなり、加工時の負荷も少なくなるので、製品の低コスト化も実現できる。更に、磁性シート２がローラーにより粉砕されることで、磁性シート２に隙間ができ、磁性シート２の上に樹脂を印刷した際に、樹脂が磁性シート２に滲みこみ、樹脂がバインダーの役割を果たし磁性シート２に更に柔軟性をもたせることが可能となる。

また、本発明の磁性シート２は、磁性材にスリットを設けることにより、磁性シート２を容易に分割することができ、柔軟性及び加工性に優れた磁性シート２を実現できる。

今回の発明では磁性シートをもちいたが、アンテナ装置の周辺に金属体等がなければ樹脂、紫外線硬化型樹脂、可視光硬化型樹脂、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、耐熱性樹脂、合成ゴム、両面テープ、粘着層でもかまわない。

次に、図２について説明する。

図２は、本発明の参考例におけるアンテナ１の概略構成図であり、１ターンのコイルを形成している。アンテナ１の寸法サイズは、ＳＩＭカードのサイズを基準になされていて、アンテナ１の幅は、アンテナ１の通信特性とアンテナ１のＱ値による電磁界シミュレーションの最適値から３ｍｍとなった。

本実施例における図１、図５、図６、図７では、アンテナ装置に背面金属を設けていないが、アンテナ装置が周囲の環境により共振周波数が変化しないようにする目的から、アンテナ装置の背面に金属を設ける構成にしてもよい。その時の背面金属の材料としては一般的に銅箔が用いられるが、金、銀、銅、アルミ、ニッケル等の導電性の金属製線材、金属製板材、金属製箔材、または金属製筒材等から適宜選択することができ、金属板、金属線、金属箔、導電性ペースト、めっき転写、スパッタ、蒸着、もしくは、スクリーン印刷により形成することができる。

また、アンテナ装置における端子は、アンテナ装置の上面、側面もしくは裏面のいずれの面に設置されていてもよく、アンテナ装置を組み込む機器の設置状態に応じて端子位置を変更することができる。また、図５、図６、図７に示されているようなスイッチング回路２４、３４、４３によるアンテナ１との接続でもよいし、さらにはコネクター等によるアンテナ１との接続でも問題ない。

図１で示した好適なサイズを用いた磁性シート２を用いるために本実施例のアンテナ１の寸法サイズを図２に表示している。これらのサイズを用いたアンテナ１及び磁性シート２を用いることにより携帯電話等の小型の通信端末に簡単に備え付けることができる。

次に、図３について説明する。

図３は、本発明の参考例におけるアンテナ装置に適用された送・受信回路図であり、図３に示されているようにＩＣチップ１１・アンテナ１２・コンデンサー１３、１４、１５、１８・インダクター１６・抵抗１７からなる。

この回路は、送信時にはＩＣチップ１１から出た送信信号が、矢印１９のようにローパスフィルターや整合用コンデンサー１４を通過してアンテナ１２に達し、アンテナ１２に磁界を生じさせて通信が行なわれる。一方、受信時にはアンテナコイルを通過する磁界により誘起電圧が生じ、矢印２０のように受信回路の抵抗１７・コンデンサー１８を通過してＩＣチップ１１に受信信号が伝達される。

本発明では、アンテナ装置のリーダ／ライタモード時の電力伝達を最大にするためにアンテナ１２のＱ値を高くする必要から、１ターンのコイルをアンテナ１２として用いている。なお、リーダ／ライタモードとは、アンテナ装置がリーダ／ライタとして機能することであり、相手側であるタグ（ＩＣカード）にむけて信号を送信し、タグからの情報を受信する通信モードのことである。従来のアンテナ装置のように３ターンから４ターンのループアンテナを形成するアンテナ１２では、ＳＩＭサイズ（４０×２０ｍｍ）のように小型化すると、アンテナ１２の開口面積を十分に確保できず、また、アンテナ１２のターン数が増えることで、アンテナ１２のインピーダンスが増加する。その結果、アンテナ１２のＱ値が低下し、ＩＣチップ１１からの信号が十分にアンテナ１２に伝達することが出来ず、通信特性が３０ｍｍ以下になってしまっていた。

本発明では、上記問題を解決するためにアンテナ１２を１ターンのコイルにし、アンテナのＱ値および回路定数のＱ値を高めることで、ＩＣチップ１１からの信号をアンテナ１２に最大限に伝達し、ＳＩＭサイズのアンテナ装置においても通信特性が３０ｍｍ以上確保することが可能となった。

一方、アンテナ１２を１ターンにすることで、アンテナ装置のタグモードにおける誘起電圧が低下する問題が生じる。ここで、タグモードとは、アンテナ装置がタグ（ＩＣカード）として機能することであり、相手側である外部のリーダ／ライタ装置から信号を受信し、アンテナ装置内部の情報を送信する通信モードのことである。

アンテナ１２における誘起電圧は、Ｅｍ＝Ｅ０×Ｑ×μｅ×（２π×Ｎ×Ａ／λ）Ｅｍ：誘起電圧、Ｅ０：電界強度Ｑ：アンテナ性能 μｅ：実効透磁率Ｎ：ターン数Ａ：アンテナ面積 λ：波長で表され、図４に示されているようにアンテナコイルのターン数Ｎが減ることで、誘起電圧が減少することが分かる。したがって、アンテナ装置のアンテナ１２を１ターンにした場合、アンテナ装置のタグモードにおける誘起電圧が低下してしまい、十分な受信信号が得られなくなり、通信できなくなってしまう。

そこで本発明では、図４に示されているようにアンテナコイルのターン数の低下にともないインピーダンス変換器をもちいて抵抗値１７の値を低下させることで、十分な受信信号をＩＣチップ１１に伝達させ、受信させるものである。図４から明らかなように、好適な誘起電圧（２００ｍＶ）を確保するためには抵抗１７の抵抗値を約０．５４ｋΩする必要がある。

上記のように抵抗値１７を低下させるインピーダンス変換器を用いる方法の他に、トランスにより受信回路の電圧を昇圧させる方法や、コンパレータにて受信回路の電流を検知し、バラクターダイオードにて電流量を変える方法で受信感度と高めさせる手段等がある。

これらの手段をもちいることで、従来なら複数ターンが必要であったアンテナ１２が、１ターンのアンテナ１２でリーダ／ライタモード・タグモードにおいて３０ｍｍ以上の通信特性を得ることが可能となった。

次に、図５について説明する。

図５は、本発明の別の参考例におけるアンテナ装置の上面図である。図５において、リーダ／ライタモード時のアンテナ２１とタグモード時のアンテナ２２が同一平面上に構成されており、アンテナ２１、２２の下には磁性シート２３が形成されている。

この磁性シート２３は、アンテナ周辺に金属体がない場合は樹脂層であってもかまわない。

また、アンテナ２１、２２にはスイッチング回路２４が接続されており、リーダ／ライタモード時およびタグモード時において端子の切り替えをおこなう。２５と２８はアンテナ装置がリーダ／ライタモード時の端子であり、それぞれアンテナ２１に接続されており、同様に２６と２７はアンテナ装置がタグモード時の端子であり、それぞれアンテナ２２に接続されている。

リーダ／ライタモード時には、１ターンのアンテナ２１をもちいることでアンテナ２１のＱ値を低下させて、ＩＣチップからの伝送信号を最大限に伝達させてやる。一方、受信時にはスイッチング回路にてアンテナを複数ターンのアンテナ２２にすることで、受信時の誘起電圧を上げてやり、アンテナ２２からの受信信号をＩＣチップ１１に伝達してやる。なお、これらのモード時の切り替えにおいては、モードを検出しスイッチング回路２４にて自動的に行うようにしてもよいし、利用者が手動にて切り替えを行ってもよい。

リーダ／ライタモード時のアンテナ２１が外側でタグモード時のアンテナ２２が内側であるのは、リーダ／ライタモードのアンテナ２１は、無給電のタグのＩＣチップを駆動させる必要があることから、すこしでも大きなアンテナ２１が好ましく、一方、タグモードのアンテナは、電力を供給された相手側のリーダ／ライタから信号が送られてくることから、リーダ／ライタモード時のアンテナ２１より大きくなくてもよいからである。

図５のようにアンテナ２１、２２を配置することで、アンテナ装置の厚みを薄くすることができ、また、受信回路にインピーダンス変換器等を配置する必要がなくなる。このように、アンテナに接続された回路を工夫することなく、アンテナ自体と回路への接続を工夫することにより、アンテナのサイズを大きくすることなく、上記２つのモードに対応できるアンテナ装置を提供することができる。

次に、図６について説明する。

図６は、リーダ／ライタモード時のアンテナ３１とタグモード時のアンテナ３２が上下に構成されており、リーダ／ライタモード時のアンテナ３１とタグモード時のアンテナ３２との間には、絶縁層３９が形成されている。これらのアンテナ３１、３２の下には磁性シート３３が形成されているが、アンテナ周辺に金属体がない場合は樹脂層であってもか
まわない。また、アンテナ３１、３２にはスイッチング回路３４が接続されており、リーダ／ライタモード時およびタグモード時において端子の切り替えをおこなう。

リーダ／ライタモード時には、１ターンのアンテナ３１をもちいることでアンテナ３１のＱ値を低下させて、ＩＣチップ１１からの伝送信号を最大限に伝達させてやる。一方、受信時には複数ターンのコイルのアンテナ３２をもちいることで、受信時の誘起電圧を上げてやり、アンテナ３２からの受信信号をＩＣチップ１１に伝達してやる。

リーダ／ライタモード時のアンテナ３１が上側でタグモード時のアンテナ３２が下側であるのは、リーダ／ライタモード時のアンテナ３１は、無給電のタグのＩＣチップを駆動させる必要があることから、すこしでもアンテナ３１がタグに近い方が好ましく、一方、タグモード時のアンテナ３２は、電力を供給された相手側のリーダ／ライタから信号が送られてくることから、リーダ／ライタモード時のアンテナ３１より近くなくてもよいからである。

図６のようにアンテナ３１、３２を配置することで、アンテナ３１、３２の端子位置を自由にアンテナ装置に配置することが可能となる。また、タグモード時のアンテナ３２の大きさを図５のアンテナ２２よりも大きくすることができ、またタグモード時のアンテナ３２のターン数を自由に増やすことが可能となる。

次に、図７について説明する。図７は本発明の一実施例における概略構成図である。

図７は、同一平面上に形成された１本のアンテナ４０において、アンテナ４０の所々に設置された接続端子４１からアンテナ信号を送・受信することにより、アンテナ４０が１ターンのコイルにも複数ターンのコイルにも自由に変化することのできるアンテナ装置である。これらのアンテナ４０の下には磁性シート４２が形成されているが、アンテナ周辺に金属体がない場合は樹脂層であってもかまわない。また、アンテナ４０にはスイッチング回路４３が接続されており、リーダ／ライタモード時およびタグモード時において端子の切り替えをおこなう。

リーダ／ライタモード時には、端子４４と端子４５をもちいて、１ターンのアンテナ４０にすることでアンテナ４０のＱ値を低下させて、ＩＣチップ１１からの伝送信号を最大限に伝達させてやる。一方、受信時には端子４４と端子４６をもちいて、複数ターンのコイルのアンテナ４０にすることで、受信時の誘起電圧を上げてやり、アンテナ４０からの受信信号をＩＣチップ１１に伝達してやる。

図７のようにアンテナ４０を形成することで、同一平面上にリーダ／ライタモードおよびタグモードの機能をもったアンテナを容易に作製することが可能であり、薄くて低コストのアンテナ装置を提供することができる。

上記のように本発明によるアンテナ１、２１、２２、３１、３２、４０を設定することで、小型で低コストのアンテナ装置を作製することができ、しかもアンテナ装置の通信距離を３０ｍｍ以上確保することが可能となる。

本発明のアンテナ装置は、商品棚などに収納される非接触ＩＣカードやＩＣタグなどの無線通信媒体に電力と送信データを供給し、無線通信媒体から受信データを負荷変動により取得する無線通信媒体処理装置であって、特に自動で商品管理、書籍管理等が可能となる収納棚、展示棚以外の医薬品管理、危険物管理、貴重品管理システム等々などの、通信範囲を拡大させることが必要な用途にも適用できる。

１アンテナ
２磁性シート
１１ＩＣチップ
１２アンテナ
１３共振用コンデンサー
１４整合用コンデンサー
１５フィルター用コンデンサー
１６インダクター
１７抵抗
１８コンデンサー

Claims

アンテナが実装され、タグあるいはリーダ／ライタを対象物として通信を行う通信装置であって、
前記アンテナは、アンテナ開口面を含む平面上に形成され、外から内へ第１、第２のターンが順に巻回されてなる１本のコイルと、前記第１のターンの始点に設けられた第１の接続端子と、前記第１のターンの終点かつ前記第２のターンの始点に設けられた第２の接続端子と、前記第２のターンの終点に設けられた第３の接続端子と、前記第１の接続端子と常に接続し、前記第２あるいは第３の接続端子のいずれか一方と選択的に接続するスイッチング手段とを備え、
装置がリーダ／ライタモードとして動作する場合は、前記スイッチング手段は前記第１の接続端子と前記第２の接続端子とを選択し、装置がタグモードとして動作する場合は、前記スイッチング手段は前記第１の接続端子と前記第３の接続端子とを選択して、各モードのアンテナ開口面積を異ならせるよう制御することを特徴とする通信装置。