JP5236694B2

JP5236694B2 - 非接触情報記録媒体用アンテナ

Info

Publication number: JP5236694B2
Application number: JP2010146216A
Authority: JP
Inventors: 大介斎藤; 誉之湯浅
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2030-06-28
Also published as: JP2011166729A

Description

本発明は、非接触情報記録媒体用アンテナに関し、さらに詳しくは、離間した位置に配置されたリーダライタとＩＣタグ等のＲＦＩＤとの交信を可能とする信号伝達技術に関するものである。

近年、駅の改札、建造物への入出ゲート等に設けられたリーダライタにより、入退場者が所持するＩＣカードに記録された情報を読み書きして管理するシステムが普及している。これらのシステムを構築する場合は、必ずリーダライタを設置する必要がある。そこで、特定の設置環境に合わせてサイズや構成を決めた特注品としてのリーダライタもあるが、汎用的に使用される目的で製作されたリーダライタも多く出回っている。従って、これらの汎用的なリーダライタを使用してシステムを構築する際は、使用するリーダライタのサイズや形状に合わせた設置スペースの確保や、性能を確認するための測定治具の設計が必要であった。また、ＩＣカード側が固定され、可動する側にリーダライタを設置する要望がある場合に、リーダライタの形状や重量により可動部に負荷がかかり設置が困難になるといった問題も発生していた。
上記のようなリーダライタの設置仕様に対する課題を解決する一つの手法として特許文献１には、リーダライタの送受信アンテナに電磁結合させる一次コイルと、ＩＣチップのアンテナに電磁結合させる二次コイルと、直列共振用のコンデンサと、キーを適切に位置決めするガイド用の凹部付きのアダプタとを設けたリーダライタ用のアンテナアダプタ装置について開示されている。

特開２００４−９４５３２公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、全ての構成要件の配置が固定的であり、技術の汎用性に乏しいといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、リーダライタ本体と電磁結合する受電側アンテナを、所定の長さに設定可能な通信ケーブルにより出力側アンテナと接続することにより、リーダライタ本体の形状に左右されることなくＩＣカードとの交信を可能とする非接触情報記録媒体用アンテナを提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、非接触情報記録媒体の記録情報を読み書きするための電磁波を放射するループアンテナを備えたリーダライタ本体と、前記ループアンテナのループ周辺に配置され、前記ループアンテナと電磁結合する受電側アンテナと、該受電側アンテナにより受電した電磁波により起電した電流を伝達する通信ケーブルと、該通信ケーブルにより伝達された電流により電磁波を発生する出力側アンテナと、を備え、前記受電側アンテナのループ径が前記ループアンテナのループ径よりも小さくなるように構成し、且つ前記受電側アンテナを前記ループアンテナのループ内に配設したことを特徴とする。
ループアンテナから放射される電磁波と最も効率よく電磁結合させるためには、ループアンテナの径と略同じ径のコイルを重ねるように結合させるのがよい。また、受電側アンテナのループ径がループアンテナのループ径より小さく構成すれば、最も磁束密度が高いループアンテナのループ周辺に受電側アンテナを配置することができる。しかし、各社で製作されているリーダライタ本体の形状（つまり、ループアンテナの径の大きさ）は様々であり、一義的にループ径のサイズを決定することはできない。そこで一つの目安として、ＩＣカードのループ径が現在の技術では最も小さいと判断した場合、受電側アンテナのループ径をＩＣカードのループ径とすることもできる。これにより、ループアンテナのループ径より受電側アンテナのループ径を小さくすることにより、ループアンテナの磁束密度が最も高い位置に受電側アンテナを配置することができる。

請求項２は、前記受電側アンテナ及び前記出力側アンテナは、インピーダンス整合器を介して前記通信ケーブルによりそれぞれ接続されることを特徴とする。
アンテナはコイルで構成されているため、効率よく信号を送受信するためにＬＣ共振回路を構成することが重要である。また、受電側アンテナから得られた磁界電流を効率よく出力側アンテナに伝達するためには、通信ケーブルとのインピーダンスとマッチングさせることが重要である。そこで本発明では、通信ケーブルの両端にインピーダンス整合器を備えて、それぞれを受電側アンテナ及び出力側アンテナに接続する。これにより、各アンテナ間に効率よく信号を伝達することができる。
請求項３は、前記受電側アンテナは、該受電側アンテナにより受電したレベルをモニタする受電レベル検出器を備えていることを特徴とする。
受電側アンテナは、ループアンテナの径より小さく構成されているので、最も磁束密度が高いループアンテナの周辺に配置することができる。しかし、ループアンテナはケース内に収容されている場合が多く、外部から見ることができない。そこで本発明では、受電側アンテナにより受電したレベルをモニタする受電レベル検出器を備え、磁束密度の高低を目視或いは音で検知する。これにより、最も電磁結合が強い位置を容易に確認することができる。

請求項４は、前記出力側アンテナ及び／又は受電側アンテナは、導線を巻き回して構成したループコイルと、該ループコイルに密着して配設し、該ループコイルから発生する電磁波の磁路を形成する磁性部材と、該磁性部材に密着して配設した金属部材と、を備えたことを特徴とする。
出力側アンテナを配置する場合、周辺の環境は様々である。即ち、周辺の磁気的なノイズを拾うと、それだけＳ／Ｎが劣化してしまい信号を誤検知する虞がある。また、周辺に金属部材が存在するとインピーダンス整合が崩れ、信号の伝達効率が低下してしまう。そこで本発明では、出力側アンテナ及び／又は受電側アンテナに磁性部材と金属部材を予め積層配置する。これにより、外部の磁気的ノイズを除去し、且つ周辺の金属部材への耐性も強化することができる。
請求項５は、前記受電側アンテナは、前記受電レベル検出器によりモニタした受電レベルが最も大きくなる場所に配設されることを特徴とする。
最も磁束密度が高いのはループアンテナのループ周辺である。そこで、受電側アンテナのループ径がループアンテナのループ径より小さい場合は、受電レベル検出器によりモニタした受電レベルが最も大きくなる場所がループアンテナのループ周辺と見做すことができる。これにより、容易に受電側アンテナの最適位置を決定することができる。
請求項６は、前記出力側アンテナのループ径が前記ループアンテナのループ径より大きくなるように構成し、且つ前記ループアンテナのループ径が前記受電側アンテナのループ径より大きくなるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、ループアンテナのループ径より受電側アンテナのループ径を小さくするので、ループアンテナの磁束密度が最も高い位置に受電側アンテナを配置することができる。
また、通信ケーブルの両端にインピーダンス整合器を備えてそれぞれを受電側アンテナ及び出力側アンテナに接続するので、各アンテナ間に効率よく信号を伝送することができる。
また、受電側アンテナにより受電したレベルをモニタする受電レベル検出器を備えるので、最も電磁結合が強い位置を容易に確認することができる。
また、出力側アンテナ及び／又は受電側アンテナに磁性部材と金属部材を積層配置するので、外部の磁気的ノイズを除去し、且つ周辺の金属部材への耐性も強化することができる。
また、受電レベル検出器によりモニタした受電レベルが最も大きくなる場所がループアンテナのループ周辺と見做すことができるので、容易に受電側アンテナの最適位置を決定することができる。

一般的なリーダライタ本体の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るリーダライタの使用状況を説明する図である。ループアンテナと受電側アンテナの位置関係を示す図である。本発明の受電レベル検出器の回路例を示す図である。受電レベル検出器の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。本発明のリーダライタを改札機に使用した実施例について説明する図である。本発明の出力側アンテナの構成を示す断面図である。ループアンテナ、受電側アンテナ、及び出力側アンテナのループ径サイズの関係を示す図である。本発明の電磁結合型送受信アンテナを陳列棚に使用した実施例について説明する図である。本発明の電磁結合型送受信アンテナをタクシーに使用した実施例について説明する図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図１は、一般的なリーダライタ本体の構成を示すブロック図である。このリーダライタ本体４は、リーダライタ本体４との間でデータの授受を行ってシステム全体を制御するＰＣ５０によって制御される。リーダライタ本体４は、外部のＰＣ５０とのデータの通信プロトコルを司る送受信装置４１と、リーダライタ本体４全体の動作を制御する制御装置４２と、制御装置４２を動作させる手順を記録したファームウェアと読み取ったデータを格納するメモリ装置４３と、制御装置４２からのデータを搬送波に乗せて変調する変調器４４と、操作コマンドを入力する入力装置４５と、制御装置４２により制御された情報を表示する表示装置４６と、制御装置４２からの交流信号である電力供給用信号と変調器４４からの書き込みコマンドを電力増幅する電力増幅器４７と、ループアンテナ３から受信した搬送波から２値化データに変換する検波復調器４８と、図示しないＩＣカード（ＲＦタグ）との電力用搬送波とデータの授受をするループアンテナ３とを備えて構成されている。

図２は、本発明の実施形態に係るリーダライタの使用状況を説明する図である。このリーダライタ５１は、リーダライタ本体４のループアンテナ３から放射される電磁波２と電磁結合する受電側アンテナ１と、受電側アンテナ１により受電した電磁波２により起電した電流を伝達する通信ケーブル６と、通信ケーブル６により伝達された電流により電磁波を発生する出力側アンテナ１０と、通信ケーブル６とのインピーダンスをマッチングさせるインピーダンス整合器５、７と、を備えて構成されている。そして、受電側アンテナ１のループ径をループアンテナ３のループ径より小さくなるように構成した。
即ち、リーダライタ本体４から放射された電磁波２は、矢印のようにループを描いて放射されている。その電磁波２を横切るように受電側アンテナ１を配置することにより、受電側アンテナ１に起電力が発生する。その電流はインピーダンス整合器５を介して通信ケーブル６を伝達してインピーダンス整合器７を介して出力側アンテナ１０に電磁波９を生成する。電磁波９は矢印のようにループを描いて放射されているので、その電磁波９を横切るように非接触ＩＣカード（以下、単にＩＣカードと呼ぶ）８のループアンテナを配置することにより、ＩＣカード８とリーダライタ４との交信が成立する。
また、アンテナはコイルで構成されているため、信号を効率よく伝達させるためにはＬＣ共振回路を構成することが重要である。また、受電側アンテナ１から得られた磁界電流を効率よく出力側アンテナ１０に伝達するためには、通信ケーブル６とのインピーダンスがマッチングすることが重要である。そこで本実施形態では、通信ケーブル６の両端にインピーダンス整合器５、７を備えて、それぞれを受電側アンテナ１及び出力側アンテナ１０に接続する。これにより、各アンテナ間を効率よく信号を伝送することができる。

図３は、ループアンテナと受電側アンテナの位置関係を示す図である。受電側アンテナ１のループ径がループアンテナ３のループ径より小さい場合は、図のように、ループアンテナ３のループ周辺Ａが最も磁束密度が高くなる。そこで、最も磁束密度が高いループアンテナ３のループ周辺Ａに受電側アンテナ１を配置する。
即ち、ループアンテナ３から放射される電磁波２と最も効率よく電磁結合させるためには、ループアンテナ３の径と略同じ径のコイルを重ねるように結合させるのがよい。また、受電側アンテナ１のループ径がループアンテナ３のループ径より小さい場合は、最も磁束密度が高いループアンテナ３のループ周辺Ａに受電側アンテナ１を配置することができる。しかし、各社で製作されているリーダライタ本体の形状（つまり、ループアンテナの径の大きさ）は様々であり、一義的にループ径のサイズを決定することはできない。そこで一つの目安として、ＩＣカード８のループ径が現在の技術では最も小さいと判断して、受電側アンテナ１のループ径とすることもできる。これにより、ループアンテナ３のループ径より受電側アンテナ１のループ径を小さくすることにより、ループアンテナ３の磁束密度が最も高い位置に受電側アンテナ１を配置することができる。

図４は本発明の受電レベル検出器の回路例を示す図である。この受電レベル検出器５１は、ハイレベル（適正レベル）とローレベル（不適正レベル）をデジタル的にＬＥＤにより表示する方式である。図５は、受電レベル検出器の各部の信号波形を示すタイミングチャートである。
図４と図５を併用して説明する。アンテナ部１５から発生する入力信号は、図５に示すように、受電側アンテナ１の位置によりレベルが変化する。その信号はコンデンサＣ１６を介してダイオード１７、１８で構成される整流回路により直流に整流される。そして、コンデンサＣ１９で脈流成分が取り除かれて、図５のダイオード出力として回路に供給される。このダイオード出力は、ツェナーダイオードＺＤ２０に供給されると共に、抵抗Ｒ２６、Ｒ２７、Ｒ２８を介してトランジスタＴｒ２９のベースに供給される。ダイオード出力がツェナーダイオードＺＤ２０の閾値レベルＶｔより低い場合は、Ｔｒ２９がＯＮしてＬＥＤ３１（Ｌレベル）を点灯する。

受電側アンテナ１の位置を移動して、ダイオード出力がＶｔより高くなると、その電圧はＺＤ２０、Ｒ２１、Ｒ２２を介してＴｒ２３のベースに供給される。その結果、Ｔｒ２３がＯＮしてＬＥＤ３０（Ｈレベル）を点灯する。そのとき、ダイオードＤ２５がＴＲ２３のコレクタに接続されているので、Ｔｒ２９のベース電圧が略グランドレベルとなり、Ｔｒ２９をＯＦＦしてＬＥＤ３１（Ｌレベル）を消灯する。以下、ダイオード出力に応じてＬＥＤ３０とＬＥＤ３１が相補的にＯＮ、ＯＦＦする。尚、ＬＥＤ３０が点灯して、受電側アンテナ１の最適な場所を決定した後は、受電レベル検出器５１を動作させておくと、その分本来の信号レベルが低下してしまうので、図示は省略するが、通信ケーブ６側に切り替えるスイッチを設けてもよい。また、ＬＥＤ３０、ＬＥＤ３１に代わって、ブザー等で音により報知する方法でも構わない。
即ち、受電側アンテナ１は、ループアンテナ３の径より小さく構成されているので、最も磁束密度が高いループアンテナ３の周辺に配置することができる。しかし、ループアンテナ３はケース内に収容されている場合が多く、外部から見ることができない。そこで本実施形態では、受電側アンテナ１により受電したレベルをモニタする受電レベル検出器５１を備え、磁束密度の高低を目視或いは音で検知する。これにより、最も電磁結合が強い位置を容易に確認することができる。

図６は、本発明の非接触通信ケーブルを改札機に使用した実施例について説明する図である。同じ構成要素には図２と同じ参照番号を付して説明する。改札機３３は、リーダライタ本体４を配置するスペースが小さく、例えば、リーダライタ本体４を配置できない場合について説明する。このような時は、出力側アンテナ１０を改札機３３のＩＣカードを近接する場所Ａに配置し、通信ケーブル６で延長して受電側アンテナ１と接続する。そして、受電レベル検出器５１の切換スイッチ３２を検出器側に接続して、受電側アンテナ１をループアンテナ３の上を移動させ、ＬＥＤ３０が点灯する位置を探す。ＬＥＤ３０とＬＥＤ３１は、受信レベルによりＯＮ、ＯＦＦを繰り返すので、ＬＥＤ３０が安定的に点灯する位置を受電側アンテナ１の最適位置として固定する。この状態で切換スイッチ３２をＯＦＦとする。尚、受電側アンテナ１を固定した後は、基本的に動かさないため、受電レベル検出器５１は不要となるので、コネクタにより切り離せるように構成しても良い。
即ち、最も磁束密度が高いのはループアンテナ３のループ周辺Ａである。そこで、受電側アンテナ１のループ径がループアンテナ３のループ径より小さい場合は、受電レベル検出器５１によりモニタした受電レベルが最も大きくなる場所がループアンテナ３のループ周辺と見做すことができる。これにより、容易に受電側アンテナ１の最適位置を決定することができる。

図７は本発明の出力側アンテナ及び／又は受電側アンテナの構成を示す断面図である。この出力側アンテナ１０は、導線を巻き回して構成したループコイル３５と、ループコイル３５に密着して配設し、ループコイル３５から発生する電磁波３８の磁路を形成する磁性部材３６と、磁性部材３６に密着して配設した金属部材３７と、を備えている。
出力側アンテナ１０を配置する場合、周辺の環境は様々である。即ち、周辺の磁気的なノイズを拾うと、それだけＳ／Ｎが劣化してしまい信号を誤検知する虞がある。そこで本実施形態では、ループコイル３５に磁性部材３６と金属部材３７を積層配置する。これにより、外部の磁気的ノイズ３９を除去し、且つ出力側アンテナ１０から効率よく磁界３８を放射させることができる。
具体的には、汎用のリーダライタは、周囲に金属物体が存在すると、磁路が形成できなくなり、ＩＣカードやＲＦタグと正しく交信ができなくなる場合がある。その場合、金属から離れた位置にリーダライタを設置するか、金属面への設置が可能なリーダライタへの変更が必要である。本発明の電磁結合型送受信アンテナ５１を使用した場合、汎用のリーダライタをあらかじめ金属の影響を受けない位置に設置し、本発明の出力側アンテナ１０を図７の構成にして金属物体の近傍に設置する。
このように、本発明は、金属環境に設置できない汎用リーダライタに手を加えることなく、金属物体の近傍にカードタッチ部を設けることを実現できる。

図８は、ループアンテナ、受電側アンテナ、及び出力側アンテナのループ径サイズの関係を示す図である。前述の通り、ループアンテナのループ径をＢ、受電側アンテナループ径をＡ、及び出力側アンテナループ径をＣとすると、Ａ＜Ｂの関係により、ＡはＢのループ径のサイズに関わらず、最も磁束密度が高い部分で効率よく受電することができる。それに加え、運用条件によってはＢ＜Ｃ、更にＡ＜Ｂ＜Ｃであることが望ましい。即ち、ループアンテナから放射される電磁波はループ径に依存するため、Ｂ＜Ｃの関係により、ＩＣカードやＲＦタグの交信距離を伸ばすことができる。また、Ａ−Ｃ間のケーブルで伝達ロスが発生する場合、そのロスによる交信距離の減衰をＢ＜Ｃの関係により、補うこともできる。

図９は本発明の電磁結合型送受信アンテナを陳列棚に使用した実施例について説明する図である。図９では、ガラス棚５４を構成するガラス板５５の上面又は下面に出力側アンテナ１０を配置し、出力側アンテナ１０は、通信ケーブル６を介して受電側アンテナ１によりリーダライタ４と電磁結合させる。図示は省略するが、ガラス板５５上の服５３には、ＲＦタグがそれぞれ取り付けられ、各服の情報が記録されている。
汎用のリーダライタは、入退室向けや物品管理向けなど、様々な用途に合わせて販売が行なわれているが、必ずしもそのデザインや形状が目的の用途に合致するとは限らず、それらを用途に合わせてリーダライタメーカに変更してもらうことは、費用や変更期間などの関係から困難である。例えば、アパレル業界などで使用される服を陳列するガラス棚５４に、服５３の管理用としてリーダライタを取り付ける場合、ガラス棚５４上に設置できるデザインの汎用リーダライタは少ない。
そこで、本発明の電磁結合型送受信アンテナ５１を使用することにより、出力側アンテナ１０の基材を透明に構成して、ガラス板５５の上面又は下面に貼付することで、リーダライタ４のデザインや形状によらない対応が可能である。また、受電側アンテナを取り付けるリーダライタは、既存品を使用することもできる。このように、本発明は、汎用のリーダライタに手を加えることなく、ＩＣカードやＲＦタグと交信するアンテナ面のデザインを変換するアダプタの役割を果たすことができる。また、同様に、下記のようなケースにも容易に対処できる。
１）様々なメーカが参入するビルの入退室リーダのカードタッチ部のデザインを共通化できる。
２）スーパーやコンビニエンスストアのレジに設置済みのリーダライタのデザイン性を向上させることができる。

汎用のリーダライタはその機器構成上、露出して設置されることが一般的である。例えば、コンビニエンスストアのレジにあるリーダライタなどは、各規格ごとにレジ台上に配置されている。このように、リーダライタは制御部を含む高価な端末でありながら、容易に盗難やいたずらができる状況になっている。
そこで本発明の電磁結合型送受信アンテナ５１を使用することにより、従来より使用しているリーダライタをレジの下など隠れた場所に設置し、本発明の出力側アンテナ１０をレジ上に設置することで、露出する部分をアンテナだけの安価な構成に変換することができる。
図１０は、本発明の電磁結合型送受信アンテナをタクシーに使用した実施例について説明する図である。タクシー５６は、運転席５９にリーダライタ４を設置し、リーダライタ４のループアンテナと電磁結合する受電側アンテナ１から、通信ケーブル６を介して運転席５９と客席５７を隔てる隔壁５８に、出力側アンテナ１０を設置する。この構成により、ＩＣカードでタクシー料金を精算する乗客は、出力側アンテナ１０にＩＣカードをタッチすることで精算を済ますことができるため、運転手の安全を守りつつ、高価なリーダライタを手元に配置することができる。
このように、本発明は汎用のリーダライタに手を加えることなく、リーダライタ本体を人目から隠れた位置に配置したり、手元に配置したりすることができるため、盗難やいたずらから高価なリーダライタを保護することができる。
同様に、下記のようなケースも容易に対応できる。
１）リーダライタによる施錠の自宅ドアの場合、リーダライタを宅内へ設置し、本発明の出力側アンテナを外へ設置する。
２）自動販売機においては、精算用リーダライタを販売機の内部に配置し、本発明の出力側アンテナを外へ設置する。

１受電側アンテナ、２電磁波、３ループアンテナ、４リーダライタ本体、５、７インピーダンス整合器、６通信ケーブル、８非接触ＩＣカード、９電磁波、１０出力側アンテナ、３５ループコイル、３６磁性部材、３７金属部材、３８電磁波、３９外部ノイズ、５０ＰＣ、５１電磁結合型送受信アンテナ、５２受電レベル検出器、５４ガラス棚、５５ガラス板、５６タクシー、５７客席、５８隔壁、５９運転席

Claims

非接触情報記録媒体の記録情報を読み書きするための電磁波を放射するループアンテナを備えたリーダライタ本体と、
前記ループアンテナのループ周辺に配置され、前記ループアンテナと電磁結合する受電側アンテナと、
該受電側アンテナにより受電した電磁波により起電した電流を伝達する通信ケーブルと、
該通信ケーブルにより伝達された電流により電磁波を発生する出力側アンテナと、を備え、
前記受電側アンテナのループ径が前記ループアンテナのループ径よりも小さくなるように構成し、且つ前記受電側アンテナを前記ループアンテナのループ内に配設したことを特徴とする非接触情報記録媒体用アンテナ。
前記受電側アンテナ及び前記出力側アンテナは、インピーダンス整合器を介して前記通信ケーブルによりそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１に記載の非接触情報記録媒体用アンテナ。
前記受電側アンテナは、該受電側アンテナにより受電したレベルをモニタする受電レベル検出器を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触情報記録媒体用アンテナ。
前記出力側アンテナ及び／又は受電側アンテナは、導線を巻き回して構成したループコイルと、該ループコイルに密着して配設し、該ループコイルから発生する電磁波の磁路を形成する磁性部材と、該磁性部材に密着して配設した金属部材と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の非接触情報記録媒体用アンテナ。
前記受電側アンテナは、前記受電レベル検出器によりモニタした受電レベルが最も大きくなる場所に配設されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の非接触情報記録媒体用アンテナ。
前記出力側アンテナのループ径が前記ループアンテナのループ径より大きくなるように構成し、且つ前記ループアンテナのループ径が前記受電側アンテナのループ径より大きくなるように構成したことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の非接触情報記録媒体用アンテナ。