JP5835360B2 - アンテナ装置、カード型通信デバイス及び通信端末装置 - Google Patents

アンテナ装置、カード型通信デバイス及び通信端末装置 Download PDF

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Description

本発明は、特に、ＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)システムに用いられるアンテナ装置、カード型通信デバイス及び通信端末装置に関する。
近年、物品の管理システムとして、誘導電磁界を発生するリーダライターと物品や容器などに付された所定の情報を記憶したＩＣチップ（ＲＦＩＤタグ、無線ＩＣチップ、無線通信デバイスとも称する）とを非接触方式で通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが開発されている。このＲＦＩＤシステムでは、ＨＦ帯（１３ＭＨｚ帯の高周波信号）を利用するのが一般的である。
ＨＦ帯のＲＦＩＤシステムでは、リーダライターやＲＦＩＤタグに用いられるアンテナ素子として、コイルアンテナが利用されている。しかし、ＲＦＩＤタグのコイルアンテナをリーダライターのコイルアンテナに近接させたとき、本来通信可能なエリア内であるにも拘わらず、あるポイント（ヌル点）では通信できない状態（ヌル状態）が発生することがある。例えば、二つのコイルアンテナが反発して共振周波数がずれたり、位相がずれたり、あるいは、ＲＦＩＤタグに導体や誘電体が近接することでそのコイルアンテナの共振周波数がずれることによる。共振周波数は導体が近接すると高くなり、誘電体が近接すると低くなる。
そこで、例えば、特許文献１，２には、コイルアンテナにスイッチング素子や発振器を接続し、スイッチング素子を順次切り替えることによって、あるいは、発振器の発振周波数を順次切り替えることで、コイルアンテナ自身の共振周波数をシフトさせ、ヌル状態を回避する手法が記載されている。しかし、この場合、コイルアンテナそのものの共振周波数をシフトさせるため、コイルアンテナのＱ値が低下したり、スイッチング素子や発振器のノイズがコイルアンテナに重畳してしまう不具合を有している。
特開２００６−２３８３９８号公報 特開２０１０−１５４２５５号公報
本発明の目的は、コイルアンテナのＱ値の低下を抑え、ノイズを少なくしてヌル状態の発生を回避でき、電気特性に優れたアンテナ装置、カード型通信デバイス及び通信端末装置を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明の第１の形態であるアンテナ装置は、
給電回路に接続され、固定された共振周波数を持つアンテナ共振回路を含む無線通信タグと、
前記無線通信タグとは別体に構成されたデバイスであって、前記アンテナ共振回路に電磁界を介して結合する共振回路を含み、さらに、該共振回路自体の共振周波数を所定の周波数帯域の範囲でスイープさせるための制御回路を有している周波数可変共振素子と、
を備え、
前記周波数可変共振素子の前記共振回路の共振周波数が連続的にスイープすることにより、前記無線通信タグの前記アンテナ共振回路の共振周波数が連続的にスイープすること、
を特徴とする。
本発明の第２の形態であるカード型通信デバイスは、
給電回路に接続され、固定された共振周波数を持つアンテナ共振回路を含む無線通信タグとともに使用され、
前記無線通信タグとは別体に構成されたデバイスであって、前記アンテナ共振回路に電磁界を介して結合する共振回路を含み、さらに、該共振回路自体の共振周波数を所定の周波数帯域の範囲でスイープさせるための制御回路を有している周波数可変共振素子を備え、
前記周波数可変共振素子の前記共振回路の共振周波数が連続的にスイープすることにより、前記無線通信タグの前記アンテナ共振回路の共振周波数が連続的にスイープすること、
を特徴とする。
本発明の第３の形態である通信端末装置は、
給電回路に接続され、固定された共振周波数を持つアンテナ共振回路を含む無線通信タグを備えた通信端末装置であって、
前記無線通信タグとは別体に構成されたデバイスであって、前記アンテナ共振回路に電磁界を介して結合する共振回路を含み、さらに、該共振回路自体の共振周波数を所定の周波数帯域の範囲でスイープさせるための制御回路を有している周波数可変共振素子を備え、
前記周波数可変共振素子の前記共振回路の共振周波数が連続的にスイープすることにより、前記無線通信タグの前記アンテナ共振回路の共振周波数が連続的にスイープすること、
を特徴とする。
前記アンテナ装置においては、共振周波数が所定の周波数帯域の範囲で可変である周波数可変素子を、アンテナ共振回路に電磁界を介して結合するため、周波数可変素子の周波数がスイープすることにより、アンテナ共振回路の共振周波数がスイープする。それゆえ、ヌル状態が発生することなく、良好な状態での周波数での通信が可能となる。特に、アンテナ共振回路と周波数可変素子とは電磁界を介して結合しているため（ＤＣ的に直接接続されていないため）、コイルアンテナのＱ値の低下が抑えられ、ノイズが少なくなり、電気特性に優れたアンテナ装置となる。
本発明によれば、コイルアンテナのＱ値の低下を抑え、ノイズを少なくしてヌル状態の発生を回避できる。
第１実施例であるアンテナ装置を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は等価回路図、（Ｃ）は周波数可変共振素子の回路図である。 第１実施例であるアンテナ装置の周波数特性を示すチャート図である。 周波数可変共振素子の共振回路における種々の回路図である。 周波数可変共振素子の他の例を示す回路図である。 第２実施例であるアンテナ装置を示す斜視図である。 第３実施例であるアンテナ装置の周波数特性を示すチャート図である。 第４実施例であるアンテナ装置を示す斜視図である。 第４実施例であるアンテナ装置の周波数特性を示すチャート図である。 第５実施例であるアンテナ装置を示す斜視図である。 第５実施例であるアンテナ装置の周波数特性を示すチャート図である。 第６実施例であるアンテナ装置を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は等価回路図である。 第６実施例であるアンテナ装置を備えた通信端末装置を示し、（Ａ）は模式的な平面図、（Ｂ）は断面図である。
以下、本発明に係るアンテナ装置、カード型通信デバイス及び通信端末装置の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
（第１実施例、図１〜図４参照）
第１実施例であるアンテナ装置は、図１に示すように、カード型の無線通信タグ１０と、周波数可変共振素子２１を備えたカード型通信デバイス２０とで構成されている。無線通信タグ１０は、給電回路１１に接続されたアンテナ共振回路１２を備え、該アンテナ共振回路１２は並列接続されたコンデンサ１３とコイルアンテナ１４とで形成されている。コイルアンテナ１４は少なくとも一つのループ導体を含むコイルパターンによって形成され、ＨＦ帯の高周波信号の送受信が可能な放射素子として機能する。
給電回路１１は、ＲＦＩＤ用ＩＣチップにて構成されており、メモリー回路やロジック回路を有しており、ベアチップＩＣとして構成されていてもよく、パッケージＩＣとして構成されていてもよい。
周波数可変共振素子２１は並列接続された可変容量素子２２とコイル素子２３とからなる並列共振回路を備え、可変容量素子２２はバッテリー２４を有する制御回路２５に接続されている。この並列共振回路は前記アンテナ共振回路１２に電磁界を介して結合している。コイル素子２３は少なくとも一つのループ導体を含むコイルパターンによって形成され、前記コイルアンテナ１４と磁界Ｍにて結合している。
また、並列共振回路は、制御回路２５から印加される駆動電圧により可変容量素子２２（例えば、バリキャップとして知られている素子）の容量値を連続的に切り替えることでその共振周波数が所定の周波数帯域の範囲で可変である。制御回路２５は、ＤＡコンバータなどが用いられ、電圧を一定の周期で連続的に変化させるものが用いられる。駆動電圧は、図１（Ｃ）に示す構成では、コイン型電池のような小型バッテリー２４から供給される。
ここで、無線通信タグ１０とカード型通信デバイス２０とは重ねて（コイルアンテナ１４とコイル素子２３とが磁界Ｍで結合した状態で）用いられ、これにリーダライター３０のコイル状をなすアンテナ３１が近接することにより（図１（Ａ）参照）、リーダライター３０のアンテナ３１と無線通信タグ１０のコイルアンテナ１４とが結合して高周波信号の送受信が行われる。
無線通信タグ１０単体での共振周波数は、図２（Ａ）の曲線Ａに示すように、１３．５６ＭＨｚの動作周波数に合わされている。無線通信タグ１０単体にリーダライター３０のアンテナ３１が近接すると、図２（Ｂ）に示すように、例えば、互いに反発して無線通信タグ１０の共振周波数は曲線Ａ’にずれ、リーダライター３０のアンテナ３１の共振周波数は曲線Ｂ’にずれてしまう。これに対して、本第１実施例のごとく、無線通信タグ１０とカード型通信デバイス２０（周波数可変共振素子２１）とが重ねられて磁界結合しており、周波数可変共振素子２１の共振周波数が図２（Ｃ）の曲線Ｃに示すように動作周波数の近辺の周波数帯域Ｘでスイープすると、無線通信タグ１０の共振周波数も共振してスイープし（図２（Ｃ）の曲線Ａ’、周波数帯域Ｙ参照）、リーダライター３０のアンテナ３１との通信が可能なタイミングが発生することになる。
つまり、従来では、無線通信タグ１０の共振周波数は固定であったため、動作周波数からのずれが発生すると、ヌル点が発生していた。しかし、本第１実施例では、無線通信タグ１０の共振周波数が周波数可変共振素子２１との結合によってスイープすることによりヌル点の発生が回避され、良好な通信状態が維持される。また、無線通信タグ１０のアンテナ共振回路１２と周波数可変共振素子２１とは電磁界を介して結合しているため、コイルアンテナ１４のＱ値の低下が抑えられ、ノイズが少なくなる。なお、コイル素子２３は、コイルアンテナ１４と磁気的に結合しておればよく、コイルアンテナ１４の外形寸法より小さくても構わない。
また、コイルアンテナ１４の共振周波数を狭い偏差で調整する必要がなくなり、無線通信タグ１０の製造工数が削減され、広い偏差のアンテナを使用することが可能になる。例えば、財布に複数の無線通信タグ１０が入れられていても、周波数可変共振素子２１を備えた１枚のカード型通信デバイス２０を重ねて入れておくだけで、複数の無線通信タグ１０のそれぞれがリーダライター３０と送受信可能となる。この点は、第５実施例として以下に説明する。
周波数可変共振素子２１の共振回路は図１（Ｂ）に示す以外に種々の回路構成を採用することができる。例えば、図３（Ａ）には、コイル素子２３に対してそれぞれ容量素子２２Ａ及び可変容量素子２２を並列に接続した共振回路を示す。図３（Ｂ）にはコイル素子２３に対してそれぞれ容量素子２２Ａ及び可変インダクタ素子２６を並列に接続した共振回路を示す。図３（Ｃ）にはコイル素子２３に対してそれぞれ容量素子２２Ａ及び可変容量素子２２を直列に接続した共振回路を示す。図３（Ｄ）にはコイル素子２３に対してそれぞれ容量素子２２Ａ及び可変インダクタ素子２６を直列に接続した共振回路を示す。
また、前記制御回路２５はリーダライター３０のアンテナ３１から放射される高周波信号を整流して電力として用いるものであってもよい。例えば、図４に示すように、四つのダイオードでブリッジ整流回路２７を構成し、共振回路と制御回路２５との間に挿入してもよい。リーダライター３０のアンテナ３１から放射された高周波信号がコイル素子２３に入力され、整流された電流が制御回路２５に供給される。
（第２実施例、図５参照）
第２実施例であるアンテナ装置は、図５に示すように、リーダライター３０のカード型アンテナ３１に前記第１実施例に示したカード型通信デバイス２０（周波数可変共振素子２１）を重ねて使用するようにしたものである。この場合、周波数可変共振素子２１の共振周波数が図２（Ｃ）の曲線Ｃに示したように動作周波数の近辺の周波数帯域Ｘでスイープすると、リーダライター３０のアンテナ３１の共振周波数も共振してスイープし、無線通信タグ１０のコイルアンテナ１４との通信が可能なタイミングが発生することになる。
（第３実施例、図６参照）
第３実施例であるアンテナ装置は、前記第１実施例と同様に、無線通信タグ１０とカード型通信デバイス２０（周波数可変共振素子２１）とを重ねることによりコイルアンテナ１４とコイル素子２３とを電磁界結合させて用いるものである。本第３実施例では、周波数可変共振素子２１の共振周波数帯域を動作周波数である１３．５６ＭＨｚよりも低い周波数から高い周波数までの範囲で、前記アンテナ共振回路１２の共振周波数を含むように変化させるようにした（図６（Ａ）参照）。
これにて、無線通信タグ１０の共振周波数が周囲環境の影響で動作周波数よりも高い方に変化した場合（図６（Ｂ）の曲線Ｄ１参照）と、低い方に変化した場合（図６（Ｃ）の曲線Ｄ２参照）のいずれであっても、周波数可変共振素子２１の共振周波数が帯域Ｘの範囲でスイープすることにより、無線通信タグ１０の共振周波数も帯域Ｙでスイープし、共振周波数が１３．５６ＭＨｚとなるタイミングが発生し、ヌル点の発生が回避される。
（第４実施例、図７及び図８参照）
第４実施例であるアンテナ装置は、図７に示すように、１枚の無線通信タグ１０に対して周波数可変共振素子２１Ａ，２１Ｂを備えたカード型通信デバイス２０Ａ，２０Ｂを重ねて使用するようにしたものである。第１の周波数可変共振素子２１Ａは、図８（Ａ）の曲線Ｃ１に示すように、共振周波数が動作周波数である１３．５６ＭＨｚよりも高い帯域Ｘ１でスイープする。第２の周波数可変共振素子２１Ｂは、図８（Ａ）の曲線Ｃ２に示すように、１３．５６ＭＨｚよりも低い帯域Ｘ２でスイープする。
無線通信タグ１０の共振周波数が高い帯域に変化した場合は（図８（Ａ）の曲線Ｄ１参照）、第１の周波数可変共振素子２１Ａの共振周波数のスイープの影響で無線通信タグ１０の共振周波数が１３．５６ＭＨｚとなるタイミングが発生する。また、無線通信タグ１０の共振周波数が低い帯域に変化した場合は（図８（Ｂ）の曲線Ｄ２参照）、第２の周波数可変共振素子２１Ｂの共振周波数のスイープの影響で無線通信タグ１０の共振周波数が１３．５６ＭＨｚとなるタイミングが発生する。これにて、いずれの場合も、ヌル点の発生が回避される。
（第５実施例、図９及び図１０参照）
第５実施例であるアンテナ装置は、図９に示すように、複数枚（本例では２枚を例示している）の無線通信タグ１０Ａ，１０Ｂに対して１枚のカード型通信デバイス２０（周波数可変共振素子２１）を重ねて使用するようにしたものである。
２枚の無線通信タグ１０Ａ，１０Ｂにあっては、図１０（Ａ）に示すように、二つのずれた共振点Ａ１，Ａ２が生じ得る。これに対して、周波数可変共振素子２１の共振周波数の可変帯域は前記共振点Ａ１，Ａ２を含むような広い範囲（図１０の帯域Ｘ参照）に設定されている。これにて、２枚の無線通信タグ１０Ａ，１０Ｂのそれぞれの共振周波数は、いずれも、周波数可変共振素子２１の共振周波数のスイープの影響でスイープし（図１０（Ｃ），（Ｃ’）参照）、１３．５６ＭＨｚとなるタイミングが発生し、ヌル点の発生が回避される。
（第６実施例、図１１及び図１２参照）
第６実施例であるアンテナ装置は、図１１（Ａ）に示すように、小型の無線通信タグ１０と、該無線通信タグ１０に比較して大きな面積のカード型通信デバイス２０とで構成されている。カード型通信デバイス２０に内蔵されている周波数可変共振素子２１のコイル素子２３の外形寸法は無線通信タグ１０のアンテナコイル１４の外形寸法よりも大きく、コイル素子２３はアンテナコイル１４のブーストアンテナとして機能する。本第６実施例における無線通信タグ１０及び周波数可変共振素子２１の基本的な構成は前記第１実施例と同様である。
このアンテナ装置は携帯電話機などの通信端末装置に搭載される。詳しくは、図１２に示すように、通信端末装置４０の筺体４１に内蔵されたプリント配線板４２に、バッテリー２４、制御回路２５、可変容量素子２２が搭載され、コイル素子２３（ブーストアンテナ）は基板４３に設けられている。さらに、給電回路１１がプリント配線板４２に搭載されている。コイルアンテナ１４は小さな基板４４に設けられており、コイル素子２３と電磁結合している。
本第６実施例における周波数特性は、前記第１実施例で示した図２と同様である。即ち、ブーストアンテナ付き無線通信タグ１０単体での共振周波数は、図２（Ａ）の曲線Ａに示すように、１３．５６ＭＨｚの動作周波数に合わされている。無線通信タグ１０単体にリーダライター３０のアンテナ３１が近接すると、図２（Ｂ）に示すように、例えば、互いに反発して無線通信タグ１０の共振周波数は曲線Ａ’にずれ、リーダライター３０のアンテナ３１の共振周波数は曲線Ｂ’にずれてしまう。これに対して、本第６実施例のごとく、無線通信タグ１０とカード型通信デバイス２０（周波数可変共振素子２１）とが重ねられて磁気結合しており、周波数可変共振素子２１の共振周波数が図２（Ｃ）の曲線Ｃに示すように動作周波数の近辺の周波数帯域でスイープすると、無線通信タグ１０の共振周波数も共振してスイープし（図２（Ｃ）の曲線Ａ’、周波数帯域Ｙ参照）、リーダライター３０のアンテナ３１との通信が可能なタイミングが発生することになる。その他の作用効果は、前記第１実施例で説明したとおりである。
（他の実施例）
なお、本発明に係るアンテナ装置、カード型通信デバイス及び通信端末装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
特に、無線通信タグのアンテナ共振回路や周波数可変共振素子の共振回路は様々な構成のものを採用できることは勿論である。また、本発明は、ＨＦ帯のＲＦＩＤシステム用のアンテナ装置に限定されるものではなく、ＵＨＦ帯など他の周波数帯や、他の通信システムにも利用できる。
以上のように、本発明は、アンテナ装置、カード型通信デバイス及び通信端末装置に有用であり、特に、コイルアンテナのＱ値の低下を抑え、ノイズを少なくしてヌル状態の発生を回避できる点で優れている。
１０…無線通信タグ
１１…給電回路
１２…アンテナ共振回路
１４…コイルアンテナ
２０…カード型通信デバイス
２１…周波数可変共振素子
２２…可変容量素子
２３…コイル素子
２４…バッテリー
２５…制御回路
３０…リーダライター
３１…アンテナ
４０…無線端末装置

Claims (8)

  1. 給電回路に接続され、固定された共振周波数を持つアンテナ共振回路を含む無線通信タグと、
    前記無線通信タグとは別体に構成されたデバイスであって、前記アンテナ共振回路に電磁界を介して結合する共振回路を含み、さらに、該共振回路自体の共振周波数を所定の周波数帯域の範囲でスイープさせるための制御回路を有している周波数可変共振素子と、
    を備え、
    前記周波数可変共振素子の前記共振回路の共振周波数が連続的にスイープすることにより、前記無線通信タグの前記アンテナ共振回路の共振周波数が連続的にスイープすること、
    を特徴とするアンテナ装置。
  2. 前記アンテナ共振回路はコイルアンテナを含み、
    前記周波数可変共振素子は可変容量素子とコイル素子とを含み、該コイル素子は前記コイルアンテナに磁界結合すること、
    を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記周波数可変共振素子は、さらにバッテリーを含み、前記制御回路は前記可変容量素子に接続されていること、を特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
  4. 前記制御回路はリーダライターのアンテナから放射される高周波信号を整流して電力として用いるものであること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
  5. 前記コイル素子の外形寸法は前記コイルアンテナの外形寸法よりも大きく、
    前記コイル素子は前記コイルアンテナのブーストアンテナとして機能すること、
    を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置。
  6. 前記周波数可変共振素子における可変周波数帯域は前記アンテナ共振回路の共振周波数を含むこと、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置。
  7. 給電回路に接続され、固定された共振周波数を持つアンテナ共振回路を含む無線通信タグとともに使用され、
    前記無線通信タグとは別体に構成されたデバイスであって、前記アンテナ共振回路に電磁界を介して結合する共振回路を含み、さらに、該共振回路自体の共振周波数を所定の周波数帯域の範囲でスイープさせるための制御回路を有している周波数可変共振素子を備え、
    前記周波数可変共振素子の前記共振回路の共振周波数が連続的にスイープすることにより、前記無線通信タグの前記アンテナ共振回路の共振周波数が連続的にスイープすること、
    を特徴とするカード型通信デバイス。
  8. 給電回路に接続され、固定された共振周波数を持つアンテナ共振回路を含む無線通信タグを備えた通信端末装置であって、
    前記無線通信タグとは別体に構成されたデバイスであって、前記アンテナ共振回路に電磁界を介して結合する共振回路を含み、さらに、該共振回路自体の共振周波数を所定の周波数帯域の範囲でスイープさせるための制御回路を有している周波数可変共振素子を備え、
    前記周波数可変共振素子の前記共振回路の共振周波数が連続的にスイープすることにより、前記無線通信タグの前記アンテナ共振回路の共振周波数が連続的にスイープすること、
    を特徴とする通信端末装置。
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