(57)【要約】【課題】  共振周波数のずれによる性能劣化を低減することができる、広範囲での安定した通信が可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】  通信ライン３に並列に接続され、通信ライン３を介してそれぞれに電力が供給されるアンテナ１２、１４と、アンテナ１２のインダクタンスと共振を持つように構成された直列共振回路１１と、アンテナ１４のインダクタンスを通信ライン３のインピーダンスと整合させるためのインピーダンス整合回路１３とを有する。アンテナ１２、１４は、ターン方向が同一のループアンテナよりなり、該ループアンテナの中心位置が同一軸上にある。【選択図】  図１
2006020207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信ラインに並列に接続され、該通信ラインを介してそれぞれに電力が供給される第１および第２のアンテナと、
前記第１のアンテナのインダクタンスと共振を持つように構成された直列共振回路と、
前記第２のアンテナのインダクタンスを前記通信ラインのインピーダンスと整合させるためのインピーダンス整合回路とを有し、
前記第１および第２のアンテナは、ターン方向が同一のループアンテナよりなり、該ループアンテナの中心位置が同一軸上にあることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記第１および第２のアンテナはアンテナのサイズが異なる、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記第１のアンテナのサイズが前記第２のアンテナより大きい、請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記第１および第２のアンテナは、同一プリント基板の表面および裏面に別々に形成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記第１および第２のアンテナは、同一プリント基板の一方の面に形成されている、請求項２または３に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置と、
通信ラインを介して前記アンテナ装置に電力を供給する送信回路とを有し、
前記送信回路の出力インピーダンスが前記通信ラインのインピーダンスと整合するように構成されている、非接触ＩＣカードリーダライタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触ＩＣカードリーダライタのアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カードにＩＣチップを埋め込んだ非接触ＩＣカード（以下、単にＩＣカードと呼ぶ。）との間で電波を用いて電力および信号をやり取りする非接触ＩＣカードリーダライタ（以下、単にリーダライタと呼ぶ。）が知られている。最近では、このＩＣカードおよびリーダライタを利用した様々なシステムが提案され実用化されている。その代表的なものに、認証システムや自動改札機などがある。
【０００３】
リーダライタは、本体装置とこれに接続されるアンテナ装置とからなる。アンテナ装置には、ループアンテナが用いられる（特許文献１参照）。図６に、ループアンテナの一例を示す。図６を参照すると、ループアンテナは、プリント基板上にループ状の配線を形成してなるコイル１００と、抵抗およびコンデンサから構成される同調回路（共振回路）２００とからなる。コイル１００の両端は、同調回路（共振回路）２００を介して本体装置側の電力増幅回路に接続されている。電力増幅回路からコイル１００に電力が供給されることで、ループアンテナから電波が放射される。
【特許文献１】特開２００２−３５３７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したリーダライタにおいて、ＩＣカードとの間で安定した広範囲の通信を実現するためには、空中線出力をできるだけ大きくして通信距離を長くする必要がある。ループアンテナのコイルに供給される電力を大きくすることで、空中線出力を大きくすることができるが、この場合は、電波障害等の問題が懸念される。特に、リーダライタには、電波法により規定される微弱無線局や高周波利用設備（具体的には誘導式読み書き通信設備）が適用されることから、電界強度がその規定範囲を超えることは許されない。
【０００５】
通信距離を長くするという観点からすれば、比較的に通信距離の長い、直列共振による駆動方式のアンテナを用いることが望ましい。しかしながら、このようなループアンテナにおいては、共振時には磁界強度が最大となって遠方まで通信を行うことができるが、アンテナ近傍に金属があると、その金属の影響によりアンテナの共振周波数がずれてしまい、その結果、磁界強度が低下してアンテナ性能が劣化する、という問題がある。金属の他、ＩＣカードによっても共振周波数のずれが生じる。すなわち、ＩＣカードは、リーダライタ側のアンテナ装置からの電波を受信するためのアンテナを備えているため、このＩＣカードをリーダライタのアンテナ装置に近づけると、相互インダクタンスによりアンテナの共振周波数がずれることになる。この場合も、磁界強度が低下してアンテナ性能が劣化する。
【０００６】
電力供給回路の出力インピーダンスとアンテナのインピーダンスとの整合をとることで、ＩＣカードや金属による影響を受け難いアンテナとすることができる。しかし、このようなインピーダンス整合をとるアンテナの場合は、上記直列共振による駆動方式のアンテナと比べて、アンテナからの磁界強度が小さいため、どうしても通信距離が短くなる、という問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題を解決し、共振周波数のずれによるアンテナ性能の劣化を低減することができる、広範囲での安定した通信が可能なアンテナ装置およびそれを備える非接触ＩＣカード用リーダライタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明のアンテナ装置は、通信ラインに並列に接続され、該通信ラインを介してそれぞれに電力が供給される第１および第２のアンテナと、前記第１のアンテナのインダクタンスと共振を持つように構成された直列共振回路と、前記第２のアンテナのインダクタンスを前記通信ラインのインピーダンスと整合させるためのインピーダンス整合回路とを有し、前記第１および第２のアンテナは、ターン方向が同一のループアンテナよりなり、該ループアンテナの中心位置が同一軸上にあることを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、第１および第２のアンテナは、ターン方向が同一のループアンテナよりなり、該ループアンテナの中心位置が同一軸上にあるように構成されているので、アンテナ装置全体において発生する磁界は、第１および第２のアンテナから発生した磁界を加算したものとなる。このため、１つのアンテナより構成されるものと比較して、より大きな発生磁界を得られ、通信距離をより長いものとすることが可能である。
【００１０】
また、金属やＩＣカードが近くにない場合は、直列共振回路を備える第１のアンテナにおいて、共振周波数にずれを生じることなく通信を行うことができる。よって、第１のアンテナによる広範囲での通信が可能である。
【００１１】
一方、金属やＩＣカードが近くにある場合は、共振周波数のずれにより、上記のような第１のアンテナによる通信距離の拡大は見込めないものの、第２のアンテナによる安定した通信が可能である。すなわち、第２のアンテナにおいては、インピーダンス整合回路によって通信ラインのインピーダンスとの整合がとられているので、金属やＩＣカードが近くにあってもその影響を受け難い。
【００１２】
本発明の非接触ＩＣカードリーダライタは、上記のアンテナ装置と、通信ラインを介して前記アンテナ装置に電力を供給する送信回路とを有し、前記送信回路の出力インピーダンスが前記通信ラインのインピーダンスと整合するように構成されていることを特徴とする。この構成においても、上記アンテナ装置と同様の作用を奏し、ＩＣカードとの間で広範囲での安定した通信が可能となっている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、直列共振で駆動される第１のアンテナおよびインピーダンス整合が取られた第２のアンテナのそれぞれ利点を活かすことで、通信距離を長くすることができるとともに、金属やＩＣカードが近くにある場合でも、安定した通信を行うことができる。よって、従来に比べて、より広範囲で、安定した通信を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態であるアンテナ装置の概略構成を示すブロック図である。このアンテナ装置は、非接触ＩＣカードリーダライタに適用されるものであって、リーダライタ本体に設けられた制御部２に特定のインピーダンス（高周波の場合は５０Ω）の通信ライン３を介して接続されたアンテナ部１よりなる。
【００１６】
アンテナ部１は、アンテナ１２が接続された直列共振回路１１と、アンテナ１４が接続されたインピーダンス整合回路１３とを通信ライン３に並列に接続したものである。制御部２は、アンテナ１２、１４における電波の送受信を制御する部分であって、通信ライン３に並列に接続された送信回路１１および受信回路１２を有する。送信回路１１は、通信ライン３を介してアンテナ１２、１４のそれぞれに電力を供給して、予め設定された搬送波周波数での信号の送信を行う。受信回路１２は、ＩＣカードからの信号をアンテナ１２、１４にて受信するための処理を行う。送信回路２１の出力インピーダンスは、通信ライン３のインピーダンスに一致するように設定されている。
【００１７】
アンテナ１２、１４は、左回りまたは右回りに巻かれたループアンテナであり、それぞれのループアンテナのターン方向（左回りまたは右回り）は同一とされている。また、アンテナ１２、１４のループ中心位置は同一軸上にある（またはループアンテナ１２、１４の中心軸が同一とされている。）。
【００１８】
図２に、アンテナ１２、１４の一例を示す。図２を参照すると、アンテナ１２、１４はともに内側から外側に向かって左回りに巻かれたループコイルよりなり、それぞれのループ中心位置１２ａ、１４ａは同一の直線Ａ上に位置する（互いのコイルの中心軸が直線となるように配置されている）。アンテナ１２、１４のループコイルの巻き数（ターン数）およびアンテナサイズ（ループコイルの直径または半径もしくは面積）は、同じであっても、異なっていてもよい。このようなアンテナ１２、１４は、ループ状の導体よりなる通常のループアンテナの他、プリント基板上にループ状の導線を形成してなるループアンテナにより構成することができる。
【００１９】
直列共振回路１１は、アンテナ１２のインダクタンスと共振を持つように構成されている。インピーダンス整合回路１３は、アンテナ１４のインダクタンスを通信ライン３のインピーダンスと整合させるためのものである。図３に、直列共振回路１１およびインピーダンス整合回路１３の回路構成を具体的に示す。
【００２０】
図３を参照すると、直列共振回路１１は、ダンピング抵抗Ｒ１と、コイルＬ１（インダクタンス）で表わされるアンテナ１２を直列共振させるためのコンデンサＣ１とを直列に接続した回路である。この直列共振回路１１の共振周波数（ｆｒ）は、以下の式で求められる。
【００２１】
ｆｒ＝１／｛２π（Ｃ１×Ｌ１）1/2｝
例えば、搬送波周波数を１３．５６ＭＨｚとした場合、共振周波数ｆｒが１３．５６ＭＨｚとなるように直列共振回路１１を決定する。このときのインピーダンス特性を図４に示す。図４から分かるように、共振時（１３．５６ＭＨｚ時）は、インピーダンスがダンピング抵抗Ｒ１の最小値となって、コイルＬ１に流れる電流が最大となる。その結果、アンテナ１１から発生する磁界強度が最大となる。
【００２２】
インピーダンス整合回路１３は、アンテナ１４のインダクタンス（コイルＬ２）と通信ライン３のインピーダンスＺ０の整合を取るものであって、通信ライン３とコイルＬ２とを接続するラインに対して、コンデンサＣ２を直列接続し、コンデンサＣ３を並列接続した回路よりなる。これらコンデンサＣ２、Ｃ３の回路により、インピーダンスが通信ライン３と同一となるように整合させている。このようにインピーダンス整合回路１３により、通信ライン３のインピーダンスＺ０とアンテナ１４側のインピーダンスＺ２の整合を取ることで、送信回路２１の出力が最も効率良くアンテナ１４へ伝送されることになる。
【００２３】
上述のように構成した本実施形態のアンテナ装置では、直列共振回路１１を備えたアンテナ１２と、インピーダンス整合回路１３を備えたアンテナ１４とを併用することで、広範囲での安定した通信が可能である。以下に、その理由を具体的に説明する。
【００２４】
通信ライン３に接続されるアンテナ部１のインピーダンスＺ３（通信ライン３側からみたアンテナ部１の入力インピーダンス）は、以下のように与えられる。
【００２５】
Ｚ３＝（Ｚ１×Ｚ２）／（Ｚ１+Ｚ２）
Ｚ１：アンテナ１２側のインピーダンス
Ｚ２：アンテナ１４側のインピーダンス
アンテナ１２、１４からの発生磁界は、それぞれのインピーダンスＺ１、Ｚ２によって決まる。また、アンテナ１２、１４は、互いのターン方向が同一で、ループ中心位置も同じであることから、アンテナ部１全体で発生する磁界は、それぞれのアンテナ１２、１４から発生した磁界を加算したものとなる。
【００２６】
通常の通信条件（金属やＩＣカードによる影響のない状態）の場合は、直列共振回路１１によってアンテナ１２からの発生磁界を大きく取ることができるので、アンテナ部１とＩＣカードとの間の通信距離を長くすることができる。
【００２７】
一方、アンテナ部１の周囲に金属やＩＣカードがある場合は、直列共振回路１１において、その共振周波数がずれる現象が発生する。例えば、アンテナ部１にＩＣカードを近づけた場合は、アンテナ１２のインダクタンス（コイルＬ１）とＩＣカード側のアンテナ（コイル）との相互インダクタンスの影響で、インダクタンス（コイルＬ１）が見た目に大きくなり、その結果、図５に示すような共振周波数のずれ（共振周波数が１３．５６ＭＨｚからずれる現象）が発生する。このため、アンテナ１２側での通信距離の拡大は期待することはできない。このような場合においては、アンテナ１２に代わってアンテナ１４による通信が有効に作用する。すなわち、アンテナ１４のインピーダンスＺ２と通信ライン３のインピーダンスＺ０との整合が取れているため、このアンテナ１４では、金属やＩＣカードが近くにあってもその影響を受け難いので、ＩＣカードとの安定した通信を提供することができる。
【００２８】
以上説明した本実施形態のアンテナ装置は一例であって、その構成は発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。例えば、直列共振回路１１を備えるアンテナ１２を複数設けてもよいし、インピーダンス整合回路１３を備えるアンテナ１４を複数設けてもよい。
【００２９】
また、アンテナ１２、１４のアンテナサイズは同じであっても、異なっていてもよい。アンテナ１２の直列共振によって通信距離を伸ばしたい場合は、アンテナ１２のサイズを大きくすることが有効である。この場合は、アンテナ１２のサイズをアンテナ１４より大きくすることで、より通信距離の長いアンテナ装置を実現することができる。
【００３０】
アンテナ１２、１４は、同一プリント基板の表面および裏面に別々に形成されてもよいし、同一プリント基板の一方の面に一緒に形成されてもよい。アンテナ１２、１４を同一プリント基板の一方の面に形成する場合は、アンテナ１２、１４を１つの処理で同時に形成することができるので、その分だけ処理時間が短くなり、コストも削減される。
【００３１】
さらに、アンテナ１２、１４のループ形状は、図２に示したような円状のもの他、四辺形など、種々のループ形状のものを適用することができる。
【００３２】
以上の本発明のアンテナ装置は、認証システムや自動改札機などのシステムですでに使用されている汎用の非接触ＩＣカードリーダライタに容易に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態であるアンテナ装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すアンテナの一例を示す模式図である。
【図３】図１に示す直列共振回路およびインピーダンス整合回路の構成を具体的に示す回路図である。
【図４】図３に示す直列共振回路のインピーダンス特性を示す特性図である。
【図５】図３に示す直列共振回路の共振周波数のずれを説明するための図である。
【図６】従来のアンテナ装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  アンテナ部
２  制御部
３  通信ライン
１１  直列共振回路
１２、１４  アンテナ
１３  インピーダンス整合回路
２１  送信回路
２２  受信回路
【図１】
2006020207.tif 000003
【図２】
2006020207.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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