(57)【要約】【課題】市販されているＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣセンサアンテナの整合特性を改善し、１３．５６ＭＨｚを利用したＩＣカードとのデータ通信性能を向上させるＮＦＣアンテナ整合器を有したＮＦＣセンサアンテナを提供することを目的とする。【解決手段】アンテナコイルが配線されたプリント基板、磁性体シート、金属板を貼り合わせたＮＦＣアンテナ部と、プリント基板上に送受信用ＩＣ素子と周辺回路素子からなる通信部が構成された１３．５６ＭＨｚの周波数帯域を使用するＩＣカード、タグ及びＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣセンサアンテナであって、アンテナコイルとのインピーダンス整合を行うＮＦＣアンテナ整合器の共振周波数が１３．５６ＭＨｚとなるアンテナコイルのインピーダンス値が、抵抗成分が５〜２０Ω、リアクタンス成分が２００〜３００Ωであることを特徴とするＮＦＣセンサアンテナ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナコイルが周回状に複数ターン配線されたプリント基板と金属板との間に磁性体シートを挟み込むように貼り合わせて一体化して構成されるＮＦＣアンテナ部と、前記プリント基板に実装された送受信用ＩＣ素子、及びその周辺回路素子からなる通信部とから構成され、１３．５６ＭＨｚの周波数帯域を使用するＩＣカード、タグ及びＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣセンサアンテナであって、
該ＮＦＣセンサアンテナが前記アンテナコイルとのインピーダンス整合を行う複数の整合回路定数からなるＮＦＣアンテナ整合器を有し、
該ＮＦＣアンテナ整合器の共振周波数が前記周波数１３．５６ＭＨｚとなる前記アンテナコイルのインピーダンス値が、挿入抵抗を含む抵抗成分が５〜２０Ω、リアクタンス成分が２００〜３００Ωの範囲内であることを特徴とするＮＦＣセンサアンテナ。
【請求項２】
前記アンテナコイルのインピーダンス値の使用範囲内に亘って前記ＮＦＣアンテナ整合器の複数の整合回路定数を計算により求めたインピーダンス値をグラフにすることで、該グラフより決まる前記整合回路定数とすることを条件として前記アンテナコイルのインピーダンス値を測定し、前記グラフに当てはめて整合回路定数を決定することを特徴とする請求項１記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【請求項３】
前記プリント基板上の前記アンテナコイルの共振周波数１３．５６ＭＨｚの場合に、前記挿入抵抗が１〜５Ωの範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【請求項４】
前記ＮＦＣアンテナ部の前記金属板と、前記プリント基板に実装された送受信用ＩＣ素子、及びその周辺回路素子からなる通信部とが、同じ電位となるように共通の接地で接続
されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【請求項５】
前記ＮＦＣアンテナ部において、前記アンテナコイルを形成したプリント基板上には送受信用ＩＣ素子及びその周辺回路素子は一切実装せず、これらの部品を別基板に実装し、この基板とアンテナコイルの基板をアンテナ給電線で接続するようにし、磁性体シートと金属板を含めたアンテナ全体の厚みを薄くしたことを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【請求項６】
前記磁性体シートの中央部分に窓のような切り欠きを入れ、前記プリント基板に実装される前記送受信用ＩＣ素子及びその周辺素子からなる前記通信部が、前記磁性体シートの切り欠きの中に収まるように前記プリント基板に実装することで厚みが緩和され、前記ＮＦＣアンテナ部を更に薄くしたことを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【請求項７】
前記アンテナコイルのインピーダンス値を測定し、前記グラフに当てはめて整合回路定数を決定する際、予め金属板上で調整して金属面の影響を予め考慮することで、金属板を設ける必要がなくなり金属板の厚み分を薄くできることを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＦＩＤ規格（ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３、１５６９３、１８０９２）に準拠した周波数１３．５６ＭＨｚを使用したＩＣカード、タグおよびＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣアンテナのインピーダンス整合特性を改善するＮＦＣアンテナ整合器を有したＮＦＣセンサアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在市販されている１３．５６ＭＨｚ帯の周波数を使用するＩＣカードやＲＦＩＤタグとＩＣカード読取／書込装置との間のデータ通信を行う場合、ＲＦＩＤタグに関する互換性を確保する近接型通信インターフェース実装に関する規約が非特許文献１に開示されており、その中には互換性評価試験方法等が紹介されている。この評価試験で互換性を達成した製品が流通している。
【０００３】
図６は、ＩＣカードとＩＣカード読取／書込装置との間のデータ通信の動作原理図である。ＩＣカードは、ＩＣカード読取／書込装置のアンテナコイルの電磁誘導による電力供給とデータ通信が行われる。
【０００４】
図７は、ＲＦＩＤ規格（ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３）のＩＣカードのＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢそれぞれのデータ通信の周波数帯域を示している。ＩＣカード読取／書込装置からＮＦＣアンテナを介して搬送周波数１３．５６ＭＨｚに共振周波数の設定することでＩＣカードやＲＦＩＤタグには、電磁誘導による電圧が発生し電力供給がなされる。
【０００５】
ＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢ、及びＴｙｐｅＣのＩＣカーから読取／書込されるデータ信号は、最初にＡＳＫ変調（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）した後、更に搬送周波数１３．５６ＭＨｚに合成する負荷変調を行うことで１３．５６ＭＨｚ±３４０ＫＨｚの副搬送波にデータを乗せた信号波を送受信することでデータ通信が行なわれる。しかしＴｙｐｅＢのＩＣカードの場合は、アップリンクの際はＢＰＳＫ変調方式（Ｂｉｎａｒｙ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）でデータ通信が行われ、１３．５６ＭＨｚ±１０６ＫＨｚの副搬送波によってデータ通信が行われている。
【０００６】
市販されているＮＦＣアンテナは、この搬送周波数１３．５６ＭＨｚとデータ信号が含まれる１３．５６ＭＨｚ±３４０ＫＨｚの副搬送波の周波数帯をカバーできるように共振特性（Ｑ係数）を設定されている。例えば、特許文献１に開示されているＮＦＣ素子とアンテナとの結合するための方法が紹介されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２５９２００号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】近接型通信インターフェース実装規約書、財団法人ニューメディア開発協会、平成１６年３月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、市販されているＩＣカード読取／書込装置を使用して１３．５６ＭＨｚを利用した既存のＩＣカードの交信距離の評価を行った所、市販されている汎用のＩＣカード読取／書込装置ではＴｙｐｅＢのＥＬＷＩＳＥカードを読み取ることができなかった。原因として図８に示すように、ＩＣカードをＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣセンサアンテナにかざした時に、ＩＣカードの金属板の影響でＮＦＣセンサアンテナのインピーダンスが変動し、搬送周波数１３．５６ＭＨｚのピーク周波数値が高くなる方向へズレが生じてしまう。そのためＱ特性の高いＩＣカードでは、共振周波数が変動することで電力供給が低下し必要な起電力を得られないためデータ通信ができなくなる課題があった。
【００１０】
本願発明は、上記課題を解決するためになされたもので一般に市販されているＩＣカード及びＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣセンサアンテナの整合特性を改善し、既存の１３．５６ＭＨｚを利用したＩＣカードとのデータ通信性能を向上させるＮＦＣアンテナ整合器を有したＮＦＣセンサアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上述の目的を達成するため、以下（１）〜（７）の構成を備えるものである。
【００１２】
（１）アンテナコイルが周回状に複数ターン配線されたプリント基板と金属板との間に磁性体シートを挟み込むように貼り合わせて一体化して構成されるＮＦＣアンテナ部と、前記プリント基板に実装された送受信用ＩＣ素子、及びその周辺回路素子からなる通信部とから構成され、１３．５６ＭＨｚの周波数帯域を使用するＩＣカード、タグ及びＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣセンサアンテナであって、該ＮＦＣセンサアンテナが前記アンテナコイルとのインピーダンス整合を行う複数の整合回路定数からなるＮＦＣアンテナ整合器を有し、該ＮＦＣアンテナ整合器の共振周波数が前記周波数１３．５６ＭＨｚとなる前記アンテナコイルのインピーダンス値が、挿入抵抗を含む抵抗成分が５〜２０Ω、リアクタンス成分が２００〜３００Ωの範囲内であることを特徴とするＮＦＣセンサアンテナ。
【００１３】
（２）前記アンテナコイルのインピーダンス値の使用範囲内に亘って前記ＮＦＣアンテナ整合器の複数の整合回路定数を計算により求めたインピーダンス値をグラフにすることで、該グラフより決まる前記整合回路定数とすることを条件として前記アンテナコイルのインピーダンス値を測定し、前記グラフに当てはめて整合回路定数を決定することを特徴とする前記（１）記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【００１４】
（３）前記プリント基板上の前記アンテナコイルの共振周波数１３．５６ＭＨｚの場合に、前記挿入抵抗が１〜５Ωの範囲内であることを特徴とする前記（１）または（２）記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【００１５】
（４）前記ＮＦＣアンテナ部の前記金属板と、前記プリント基板に実装された送受信用ＩＣ素子、及びその周辺回路素子からなる通信部とが、同じ電位となるように共通の接地で接続されていることを特徴とする前記（１）乃至（３）いずれか記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【００１６】
（５）前記ＮＦＣアンテナ部において、前記アンテナコイルを形成したプリント基板上には送受信用ＩＣ素子及びその周辺回路素子は一切実装せず、これらの部品を別基板に実装し、この基板とアンテナコイルの基板をアンテナ給電線で接続するようにし、磁性体シートと金属板を含めたアンテナ全体の厚みを薄くしたことを特徴とする前記（１）乃至（４）いずれか記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【００１７】
（６）前記磁性体シートの中央部分に窓のような切り欠きを入れ、前記プリント基板に実装される前記送受信用ＩＣ素子及びその周辺素子からなる前記通信部が、前記磁性体シートの切り欠きの中に収まることで厚みが更に緩和され、アンテナ全体を更に薄形となるようにしたことを特徴とする前記（１）乃至（４）いずれか記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【００１８】
（７）前記アンテナコイルのインピーダンス値を測定し、前記グラフに当てはめて整合回路定数を決定する際、予め金属板上で調整して金属面の影響を予め考慮することで、金属板を設ける必要がなくなり金属板の厚み分を薄くできることを特徴とする前記（１）乃至（６）いずれか記載のＮＦＣセンサアンテナ。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、上記構成を有することで周波数１３．５６ＭＨｚを使用したＩＣカード及びＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣセンサアンテナのインピーダンス整合特性を改善することで、ＩＣカードとのデータ通信性能が向上させるＮＦＣアンテナ整合器を有したＮＦＣセンサアンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施例の係るＮＦＣセンサアンテナ図、（ａ）ＮＦＣセンサアンテナ外観図、（ｂ）ＮＦＣセンサアンテナ回路図
【図２】本実施例の係るＮＦＣセンサアンテナの整合回路定数、（ａ）整合回路定数（１）、（ｂ）整合回路定数（２）
【図３】本実施例の係るＮＦＣセンサアンテナと市販品との交信距離比較図
【図４】本実施例の係るＮＦＣセンサアンテナの薄型構成例
【図５】本実施例の係るＮＦＣセンサアンテナの別の薄型構成例
【図６】ＩＣカードとＩＣカード読取／書込装置との基本動作回路図
【図７】ＲＦＩＤ規格のＩＣカードの周波数特性
【図８】金属板の影響によるインピーダンスの変化を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明を実施するための形態を、実施例により詳しく説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本実施例の係るＮＦＣセンサアンテナである。図１（ａ）はＮＦＣセンサアンテナの外観図である。図１（ｂ）はＮＦＣセンサアンテナの回路図である。図中において、１は四角あるいは矩形のプリント基板である。プリント基板１には一辺が２５〜７０ｍｍ程度の長さ（パソコンの場合４０〜５０ｍｍ角程度、携帯電話の場合２５〜３０ｍｍ角程度の大きさ）、厚さ０．４ｍｍ以下０．１ｍｍ程度のものを用いる。１ａはプリント基板１に周回状に複数ターン配線し形成されたＮＦＣアンテナコイルである。１ｂはプリント基板１に実装されたＮＦＣの周辺回路素子である。８はプリント基板１に実装されたＮＦＣの送受信用ＩＣ（例えばＰＮ５３１、ＰＮ５３２、ＰＮ５３３等）を示す。整合回路を含む周辺回路素子１ｂの実装位置はこのＩＣ周辺で行いこのプリント基板の領域７を７ａ、７ｂで示す。１ｃはパソコン等の機器のＵＳＢと接続するための信号線である。２は磁性体シートで、大きさはプリント基板１とほぼ同じである。磁性体シート２の厚さは０．５ｍｍ程度以下で比透磁率は１００以上のものを使用する。３は金属板で、大きさはプリント基板１と大体同じ、厚さは０．１ｍｍ程度、材質はアルミニウムやステンレスのものを使用する。銅箔やアルミ箔でもよい。プリント基板１、磁性体シート２、金属板３は接着剤でお互いに貼り合わせ一体化させている。４は本実施例に係るＮＦＣセンサアンテナの本体である。
【００２４】
ＲＦＩＤ規格（ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３，１５６９３，１８０９２）のＴｙｐｅＡ及びＴｙｐｅＣのＩＣカードでは共振周波数１３．５６ＭＨｚと、１３．５６ＭＨｚ±３４０ＫＨｚの副搬送波に負荷変調によりデータを乗せた信号波を送受信することでデータ通信が行なわれ、ＴｙｐｅＢのＩＣカードでは、アップリンクの際はＢＰＳＫ変調方式でデータ通信が行われ、１３．５６ＭＨｚ±１０６ＫＨｚの副搬送波によってデータ通信が行われている。ＩＣカードをＩＣカード読取／書込装置に付属するＮＦＣセンサアンテナ４にかざすことで、電磁誘導によりＩＣカードへの電力供給は共振周波数１３．５６ＭＨｚによって行われる。
【００２５】
しかし、実際には図８に示すように、ＩＣカードをＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣセンサアンテナ４にかざした時に、金属板３の影響でＮＦＣセンサアンテナ４のインピーダンスが変動して搬送周波数１３．５６ＭＨｚの周波数値が高くなる方向へズレが生じることが知られている。従ってＱ特性の高いＴｙｐｅＢのＩＣカードでは、共振周波数のズレにより電磁誘導による起電力が得られず、或いは起電力が得られても有効電力は大きく減少するためＩＣカードとＩＣカード読取／書込装置との間隔が狭い範囲に限定され、或いはデータ通信の周波数帯を外れることでデータ通信にエラーが生じてしまう。
【００２６】
また、ＩＣカードやＩＣカード読取／書込装置のアンテナに貼り合わされた金属板３とプリント基板１のグランドとが接続されていない場合、プリント基板１と金属板３との間に浮遊容量が発生して共振周波数の変動要因となるため、金属板３とプリント基板１のグランドとの電位を共通にする接地が必要である。しかし、この共通接地の設定が市販のＮＦＣセンサアンテナ４ではされていないため、インピーダンスが変化して共振周波数のズレが生じる原因でもある。そのため本実施例に係るＮＦＣセンサアンテナ４では、図１（ｂ）の回路図に示すように金属板３に共通接地を設けることで金属板３とプリント基板１のグランドとの電位を共通にする接地をおこなっている。
【００２７】
次に、ＮＦＣセンサアンテナ４の整合回路定数を変更しアンテナインピーダンスの整合について検証する。図１（ｂ）のプリント基板１上の、送受信用ＩＣ素子８とＮＦＣアンテナコイル１ａとの間の周辺回路素子１ｂに含まれるＮＦＣアンテナ整合器の整合回路定数（Ｃｓ，Ｃｐ）を変更することにより検証した。
【００２８】
図２（ａ）及び図２（ｂ）はアンテナインピーダンス整合回路定数のグラフである。図１（ｂ）のＮＦＣセンサアンテナ４の回路図おいて、ＥＭＣフィルタ部の回路定数を考慮し、且つアンテナインピーダンスＺａが所定の範囲内において整合させる（Ｚｏ＝５０Ωとする）ための整合回路定数（Ｃｓ，Ｃｐ）を計算してグラフ化したものである。このグラフを使えばアンテナインピーダンスＺａを実測すれば簡単に整合回路定数が求められるため、複雑な計算式に値を代入して計算する必要がない。
【００２９】
また、グラフに示した整合回路定数（Ｃｓ，Ｃｐ）の値を、この範囲に納まるように整合回路を組まなければ整合が取れない。周波数１３．５６ＭＨｚにおいて、アンテナインピーダンスＺａの抵抗分が５Ω〜２０Ω（Ｒａを含む）、リアクタンス分が２００Ω〜３００Ωの値に設定してＮＦＣセンサアンテナ４のインピーダンス整合を行うことで、より優れた送受信性能が得られる。
【００３０】
図１（ｂ）の回路図に示す挿入抵抗Ｒａは、ＮＦＣアンテナコイル１ａのＱ特性を３０以下に押さえるためのもので１〜５Ω程度（実際は約３Ω）でなければならない。この抵抗Ｒａの働きによりＮＦＣアンテナコイル１ａの共振周波数のＱ特性を３０以下に押さえて、電界強度を低下させることなく有効な電力を供給できる共振周波数帯域が広く取れるＱ特性を持つ。その結果、図２に示す整合回路定数（Ｃｓ，Ｃｐ）を最適な設定にすることで、多種多様な既存のＩＣカード、ＩＣタグに対して夫々の金属板３の影響による搬送周波数のズレ幅をカバーすることが可能となる。
【００３１】
図３に示す市販のＮＦＣセンサアンテナとの交信距離の比較表から、本実施例のＮＦＣセンサアンテナ４はＮＦＣアンテナ整合特性を改善するＮＦＣアンテナ整合器によってデータ通信の交信距離を飛躍的に延ばすことが可能となり、更にデータ通信ができなかったＴｙｐｅＢのＥＬＷＩＳＥカードの読取／書込のデータ通信が可能となった。
【００３２】
次に、ＮＦＣセンサアンテナ４を薄くする設定方法を示す。市販のＮＦＣセンサアンテナ４の場合、図１（ａ）の外観図に示す形状が一般的である。
【００３３】
図１（ａ）に示すアンテナ部を真横から見た側面図からプリント基板１と基板上の通信部の送受信用ＩＣ素子８と周辺回路素子１ｂと磁性体シート２と金属板３を含めたアンテナ全体の厚さは２ｍｍ以下（１．７ｍｍ程度）である。しかし、ＩＣカードやＩＣカード読取／書込装置のアンテナ部は、あらかじめ金属面上でＮＦＣセンサアンテナ４の整合回路定数（Ｃｓ，Ｃｐ）を最適な設定に調整した場合には、金属面の影響が考慮されるので金属板３を当てる必要がなく、金属板３の厚み分を薄くすることができる。
【００３４】
図４はＮＦＣセンサアンテナ４のアンテナ部を薄くするための構成である。図４（ａ）は、プリント基板１には送受信用ＩＣ素子８及びその周辺回路素子１ｂは一切実装せず、これらの部品を別のプリント基板の領域７を設けてパソコン等の機器の本体基板に実装し、この送受信用ＩＣ素子８、及びその周辺回路素子１ｂの通信部が実装されたプリント基板の領域７からなる本体基板と、アンテナコイルのプリント基板１をアンテナ給電線１ｄで接続するようにした。図４（ｂ）は図４(ａ)のアンテナ部を真横から見た図で、アンテナ全体の厚さを１ｍｍ以下（０．６５〜０．７ｍｍ程度）に薄くすることができる。また、前述のように金属面上で調整した場合は０．５５〜０．６ｍｍ程度となり更に薄くすることができる。
【００３５】
図５にＮＦＣセンサアンテナ４構成で別の構成例を示す。図１（ａ）に示す市販のＮＦＣセンサアンテナ４との違いは、図５（ａ）に示すように磁性体シート２の中央部分に切り欠きを入れ、プリント基板１に実装する通信部（送受信用ＩＣ素子８およびその周辺回路素子１ｂ）を磁性体シート２がある側の基板面に実装し、前記磁性体シート２ａの切り欠きの中に収まるように構成した。図５（ｂ）に示す磁性体シート２の厚みが０．３８ｍｍ程度と薄い場合、ＩＣ素子の厚みが０．８ｍｍ程度であれば、図５（ｃ）に示すように０．４２ｍｍ程の空間を埋めるため約０．４ｍｍ厚プラスチック枠１２をあてがってもよい。プラスチック枠１２を用いる代わりに磁性体シート２の厚みを増やしてもよいが、磁性体は高価なので最低限の厚みの磁性体でカバーし、この磁路により磁界を通し金属面による影響を回避させ、余分な厚みは安価なプラスチックを用いた方が経済的である。
【００３６】
上述したように実装部品の出っ張りや磁性体の厚み分を少なくすることでアンテナ全体の厚さが薄くすることが可能となる。更に、金属板（厚み約０．１ｍｍ）にも切り欠きを設け、この部分の厚みにも実装部分の突起が収まるようにすれば全体で約０．４８〜０．５ｍｍ薄くすることもできる。
【００３７】
磁性体シート２を薄くする例として、磁性体のグリーンシートを焼結し、プラスチックラミネートで固定した０．１９ｍｍ厚の磁性体シート２を１〜２枚用いることができる。１枚の場合には磁路が狭く充分な特性が得られないが、２枚用いた０．３８ｍｍ厚とする場合には充分な特性が得られる。０．１９ｍｍの磁性体１枚でも特性は劣るが通信距離１０〜２０ｍｍ程度であれば使用は可能である。０．３ｍｍ厚の磁性体シート２を１枚用いた場合は、前記の０．１９ｍｍの磁性体２枚重ねの特性に近い値が得られる。
【００３８】
以上、本願発明は一般に市販されているＩＣカード読取／書込装置のＮＦＣセンサアンテナの整合特性を改善し、既存の１３．５６ＭＨｚを利用した既存のＩＣカードとのデータ通信性能を向上させるＮＦＣアンテナ整合器を有した高感度のＮＦＣセンサアンテナを提供することができる。
【符号の説明】
【００３９】
Ｃｓ  整合回路定数
Ｃｐ  整合回路定数
Ｒａ  抵抗
Ｚａ  アンテナインピーダンス
１    プリント基板
１ａ  ＮＦＣアンテナコイル
１ｂ  周辺回路素子
１ｃ  信号線
２    磁性体シート
３    金属板
４    ＮＦＣセンサアンテナ
７    ＩＣ周辺回路領域
８    ＮＦＣ送受信用ＩＣ素子
１２  プラスチック枠
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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