(57)【要約】【課題】アンテナを大型化せずに、複数の規格のＮＦＣシステムに利用可能なＮＦＣ用アンテナ装置を構成する。【解決手段】巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状のコイル導体と、コイル導体に接続されて、コイル導体とともに共振回路を構成するキャパシタと、を有するＮＦＣ用アンテナ装置であって、共振回路の共振周波数に関する回路定数は、複数のＮＦＣシステムの規格において通信可能となる、特異値に設定されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状のコイル導体と、前記コイル導体に接続されて、前記コイル導体とともに共振回路を構成するキャパシタと、を有するアンテナ装置であって、
前記共振回路の共振周波数に関する回路定数は、複数のＮＦＣシステムの規格において通信可能となる、特異値に設定されていることを特徴とするＮＦＣ用アンテナ装置。
【請求項２】
前記キャパシタは、前記共振周波数に関する回路定数が前記特異値になる、外部信号によってキャパシタンスを変えることができる可変容量素子である、または可変容量素子を含む回路である、請求項１記載のＮＦＣ用アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近距離無線通信（ＮＦＣ：Near Field Communication）システムに用いられるアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リーダライタとＲＦＩＤタグとを非接触方式で通信し、リーダライタとＲＦＩＤタグとの間で情報を伝達するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムが利用されている。リーダライタおよびＲＦＩＤタグは、無線信号を送受するためのアンテナ装置をそれぞれ備えていて、例えばＨＦ帯ＲＦＩＤシステムであれば、ＲＦＩＤタグのアンテナ装置とリーダライタのアンテナ装置とは、主に誘導磁界を介して結合し、所定の情報が送受される。
【０００３】
近年、携帯電話等の通信端末装置にＲＦＩＤシステムを導入し、この通信端末装置をリーダライタやＲＦＩＤタグとして利用することがある。通信端末装置にＲＦＩＤ機能を付与する技術としては、たとえば特許文献１に記載されているように、通信端末装置にアンテナモジュールを内蔵する技術が知られている。ここで、アンテナモジュールは、平面状の基板に平面状のコイルアンテナを形成したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３６４１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＲＦＩＤ技術の１つであるＮＦＣシステムは１３．５６ＭＨｚ帯を利用した無線通信規格の一つであり、携帯通信端末をはじめ、さまざまな端末へ搭載されている。このＮＦＣには様々な標準化団体が策定した複数の仕様がある。例えばISO仕様、NFC Forum仕様、EMVCo仕様等がある。これらの仕様のいずれも、中心周波数および必要帯域幅は同じである。しかし、変調度や特性の評価基準に違いがある。例えば、相手側アンテナとの通信感度が規格に定められている。また、相手側アンテナの大きさや、どのような状態（相手側アンテナとの距離や位置関係、変調度など）で通信できればよいのかといった評価基準が規格に定められている。これらは規格によってそれぞれ異なる。
【０００６】
上記複数の仕様のＮＦＣシステムを利用可能にするためには、アンテナ回路の共振特性の中心周波数や帯域幅を定めて、それぞれの規格を満足するようなアンテナ装置が必要となる。その対策の１つとしてアンテナサイズを大きくして、広帯域で良好なアンテナ特性を得る方法が有効である。
【０００７】
しかし、最近の電子機器の小型化に伴って十分な大きさのアンテナスペースを確保することは難しくなってきている。小型のアンテナでは広帯域に亘って良好なアンテナ特性を得ることは難しく、そのため、すべての仕様を満足することは困難になってきている。
【０００８】
本発明の目的は、アンテナを大型化せずに、複数の規格のＮＦＣシステムに利用可能なＮＦＣ用アンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のＮＦＣ用アンテナ装置は次のように構成される。
【００１０】
（１）巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状のコイル導体と、このコイル導体に接続されて、コイル導体とともに共振回路を構成するキャパシタと、を有するアンテナ装置であって、
前記共振回路の共振周波数に関する回路定数は、複数のＮＦＣシステムの規格において通信可能となる、特異値に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
このようにコイル導体とキャパシタとで構成される共振回路（アンテナ回路）の共振周波数に関する回路定数の設定によって、複数の規格のＮＦＣシステムに利用可能とすることで、アンテナを大型化せずに、複数の規格のＮＦＣシステムに利用可能なＮＦＣ用アンテナ装置を構成できる。
【００１２】
（２）前記キャパシタは、共振周波数に関する回路定数が前記特異値になるように、外部信号によってキャパシタンスを変えることができる可変容量素子であること、または可変容量素子を含む回路であることが好ましい。これにより、コイル導体とキャパシタによる共振回路の共振周波数に関する回路定数を特異値に正確に設定できるようになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、コイル導体とキャパシタとで構成される共振回路（アンテナ回路）の共振周波数の設定によって、複数の規格のＮＦＣシステムに利用可能とすることで、アンテナを大型化せずに、複数の規格のＮＦＣシステムに利用可能なＮＦＣ用アンテナ装置を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は第１の実施形態に係る通信回路１０１の回路図である。
【図２】図２（Ａ）はアンテナコイル１３の平面図、図２（Ｂ）はアンテナコイル１３の正面図である。
【図３】図３は２つのタイプのアンテナコイルを用いた場合のキャパシタＣ１，Ｃ２ａ，Ｃ２ｂの値について示す図である。
【図４】図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、２つのタイプのアンテナコイルについて、各キャパシタの値のもとで、共振周波数設定用キャパシタＣ２ａの値を変化させたときの、各ＮＦＣ規格に対する適合関係について示している。
【図５】図５は第２の実施形態に係る通信回路１０２の回路図である。
【図６】図６は可変容量素子１４の内部の全体の回路図である。
【図７】図７は２つのタイプのアンテナコイルを用いた場合のキャパシタＣ１，Ｃ２ｂおよび可変容量素子１４の値について示す図である。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、２つのタイプのアンテナコイルについて、各キャパシタの値のもとで、可変容量素子１４の値を変化させたときの、４つのＮＦＣ規格に対する適合関係について示す図である。
【図９】図９は第３の実施形態に係る通信装置１０３の筐体内部の構造を示す図であり、上部筐体５１と下部筐体５２とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係る通信回路１０１の回路図である。この通信回路１０１はＮＦＣモジュールの一例である。通信回路１０１は、ＲＦＩＣ１１、アンテナコイル１３、ＥＭＣフィルタ１５、および整合回路１６を備えている。ＲＦＩＣ１１は、送信信号端子Ｔｘ１，Ｔｘ２、送信信号のグランド端子ＴＶＳＳ端子およびカードモード用アンテナ端子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２を備えている。
【００１６】
ＲＦＩＣ１１はベースバンド信号と高周波信号との間の変復調を行う。また、このＲＦＩＣ１１は通信データを含むデータの入出力も行う。
【００１７】
ＥＭＣフィルタ１５はEMC（Electro magnetic Compatibility）対策用フィルタであり、シリーズ接続のインダクタＬ０およびシャント接続のキャパシタＣ０で構成されている。このＥＭＣフィルタ１５は、ＲＦＩＣ１１により生じるノイズの放出およびＲＦＩＣ１１へのノイズの侵入を抑制する。
【００１８】
整合回路１６は、ＥＭＣフィルタ１５が接続されたＲＦＩＣ１１とアンテナコイル１３とのインピーダンス整合およびアンテナ回路の共振周波数を設定する回路である。整合回路１６は、シャント接続された共振周波数設定用キャパシタＣ２ａおよびシリーズ接続されたキャパシタＣ１を備える。
【００１９】
アンテナコイル１３は、ループ状または渦巻き状のコイル導体によるインダクタＬａｎｔで構成されている。このインダクタＬａｎｔおよびキャパシタＣ２ａにより共振回路が構成されている。
【００２０】
ＲＦＩＣ１１の二つのアンテナ端子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２とアンテナコイル１３との間にはキャパシタＣ２ｂがそれぞれ接続されている。
【００２１】
図２（Ａ）はアンテナコイル１３の平面図、図２（Ｂ）はアンテナコイル１３の正面図である。アンテナコイル１３は、フレキシブル基材１３ｓ、この基材１３ｓに形成された矩形スパイラル状のコイル導体１３ｃおよびフェライトシート１３ｆで構成されている。フェライトシート１３ｆは基材１３ｓと同サイズであり、フェライトシート１３ｆと基材１３ｓとは張り合わされている。
【００２２】
本実施形態において上記アンテナコイル１３のサイズは次の２タイプある。
【００２３】
［タイプ１のアンテナコイル］
平面サイズ：30×50mm
フェライトシート１３ｆの厚み：100μm
インダクタンス：1.5μH
Ｑ値：30
［タイプ２のアンテナコイル］
平面サイズ：40×50mm
フェライトシート１３ｆの厚み：100μm
インダクタンス：1.5μH
Ｑ値：30
図３は上記２つのタイプのアンテナコイルを用いた場合のキャパシタＣ１，Ｃ２ａ，Ｃ２ｂの値について示している。図３中のＶＣは次に示す範囲で定めた値である。
【００２４】
図４（Ａ）（Ｂ）は、上記２つのタイプのアンテナコイルについて、上記各キャパシタの値のもとで、共振周波数設定用キャパシタＣ２ａの値を変化させたときの、各ＮＦＣ規格に対する適合関係について示している。図４（Ａ）はタイプ１のアンテナコイルを用いた場合に、共振周波数設定用キャパシタＣ２ａのキャパシタンスC2aを94pF〜114pFの範囲で変化させた例である。図４（Ｂ）はタイプ２のアンテナコイルを用いた場合に、共振周波数設定用キャパシタＣ２ａのキャパシタンスC2aを80pF〜104pFの範囲で変化させた例である。ここではＮＦＣ規格として、NFC Forum，EMVCo，ISO14443，NFC PTについて示している。図４（Ａ）（Ｂ）においてハッチングなどのパターンで塗りつぶした範囲は該当のＮＦＣ規格に適合していることを表している。
【００２５】
上記評価には、ＲＦＩＣとしてＮＸＰセミコンダクターズ社製のＮＦＣコントローラＩＣであるNXP PN544チップを用いた。
【００２６】
タイプ１のアンテナコイルを用いる場合、図４（Ａ）に示すように、C2a＝94〜106pFの範囲であれば、NFC Forumの規格に適合し、C2a＝98〜104pFの範囲であれば、EMVCoの規格に適合し、C2a＝102〜111pFの範囲であれば、ISO14443の規格に適合し、C2a＝97〜114pFの範囲であれば、NFC PTの規格に適合する。タイプ１のアンテナコイルを用いる場合、上記共振周波数設定用キャパシタＣ２ａのキャパシタンスC2aは102〜104pFの範囲内の値に定める。これにより、上記４つのＮＦＣ規格の全てに適合する。
【００２７】
タイプ２のアンテナコイルを用いる場合、図４（Ｂ）に示すように、C2a＝97〜104pFの範囲であれば、NFC ForumおよびEMVCoの規格に適合し、C2a＝86〜104pFの範囲であれば、ISO14443の規格に適合し、C2a＝80〜104pFの範囲であれば、NFC PTの規格に適合する。タイプ２のアンテナコイルを用いる場合、上記共振周波数設定用キャパシタＣ２ａのキャパシタンスC2aは97〜104pFの範囲内の値に定める。これにより、上記４つのＮＦＣ規格の全てに適合する。
【００２８】
キャパシタンスC2aの上記範囲が本発明に係る「特異値」の一例である。
【００２９】
《第２の実施形態》
図５は第２の実施形態に係る通信回路１０２の回路図である。この通信回路１０２はＮＦＣモジュールの一例である。通信回路１０２は、ＲＦＩＣ１１、アンテナコイル１３、ＥＭＣフィルタ１５、および整合回路１６を備えている。ＲＦＩＣ１１は、送信信号端子Ｔｘ１，Ｔｘ２、送信信号のグランド端子ＴＶＳＳ端子、カードモード用アンテナ端子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２および制御電圧出力端子Ｖを備えている。
【００３０】
ＲＦＩＣ１１はベースバンド信号と高周波信号との間の変復調、通信データを含むデータの入出力および後に示す可変容量素子１４の制御を行う。
【００３１】
ＥＭＣフィルタ１５の構成は第１の実施形態で示したものと同じである。
【００３２】
整合回路１６は、ＥＭＣフィルタ１５が接続されたＲＦＩＣ１１とアンテナコイル１３とのインピーダンス整合およびアンテナ回路の共振周波数を設定する回路である。整合回路１６は、アンテナコイル１３に並列接続された共振周波数設定用キャパシタである可変容量素子１４およびシリーズ接続されたキャパシタＣ１を備える。可変容量素子１４はＲＦＩＣ１１の制御電圧出力端子Ｖから制御電圧が印加され、その制御電圧に応じたキャパシタンスとなる。
【００３３】
アンテナコイル１３の構成は第１の実施形態で示したものと同じである。このアンテナコイル１３のインダクタＬａｎｔおよび可変容量素子１４により共振回路が構成されている。
【００３４】
ＲＦＩＣ１１の二つのアンテナ端子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２とアンテナコイル１３との間にはキャパシタＣ２ｂがそれぞれ接続されている。
【００３５】
図６は可変容量素子１４の内部の全体の回路図である。可変容量素子１４は容量素子Ｃおよび抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９で構成されている。
【００３６】
可変容量素子１４において、容量素子Ｃの両端には抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９を介して制御電圧が印加される。抵抗素子Ｒ１２〜Ｒ１８の抵抗値は等しい。これらのＲＦ抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９は、容量素子Ｃに制御電圧を印加するとともに、ポートＰ１１−Ｐ１２間に印加されるＲＦ信号がポートＰ１３，Ｐ１４へ漏れるのを抑制する。容量素子Ｃは対向する電極間に強誘電体膜が挟み込まれた強誘電体キャパシタである。強誘電体膜は印加される電界の強度に応じて分極量が変化して、見かけ上の誘電率が変化するので、制御電圧によって容量値が定まる。強誘電体膜に使用される薄膜材料としては、高誘電率を有する誘電体材料が使用される。具体的には、前記強誘電体膜に使用される薄膜材料としては、高誘電率を有する誘電体材料が使用される。具体的には、(Ba,Sr)TiO3 (BST)、SrTiO3、BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等のペロブスカイト化合物、SrBi4Ti4O15等のビスマス層状化合物等を使用することができる。
【００３７】
図７は２つのタイプのアンテナコイルを用いた場合のキャパシタＣ１，Ｃ２ｂおよび可変容量素子１４の値について示している。C14は可変容量素子１４のキャパシタンスである。この２つのタイプは第１の実施形態で示したタイプ１のアンテナコイル、およびタイプ２のアンテナコイルである。図７においてＶＣは次に示す範囲で定めた値である。
【００３８】
図８（Ａ）（Ｂ）は、上記２つのタイプのアンテナコイルについて、上記各キャパシタの値のもとで、可変容量素子１４の値を変化させたときの、４つのＮＦＣ規格に対する適合関係について示している。図８（Ａ）はタイプ１のアンテナコイルを用いた場合に、可変容量素子１４のキャパシタンスC14を47pF〜57pFの範囲で変化させた例である。図８（Ｂ）はタイプ２のアンテナコイルを用いた場合に、可変容量素子１４のキャパシタンスC14を40pF〜52pFの範囲で変化させた例である。ここではＮＦＣ規格として、NFC Forum，EMVCo，ISO14443，NFC PTについて示している。図８（Ａ）（Ｂ）においてハッチングなどのパターンで塗りつぶした範囲は該当のＮＦＣ規格に適合していることを表している。
【００３９】
第１の実施形態で図４に示した結果と同様に、タイプ１のアンテナコイルにおいては、可変容量素子１４のキャパシタンスC14が51〜52pFの範囲内の値であれば、上記４つのＮＦＣ規格に適合する。同様に、タイプ２のアンテナコイルにおいては、可変容量素子１４のキャパシタンスが48.5〜52pFの範囲内の値であれば、上記４つのＮＦＣ規格に適合する。第１の実施形態で示したように、共振周波数設定用のキャパシタが固定キャパシタンスの素子であると、タイプ１のアンテナコイルを用いる場合、上記キャパシタンスの範囲は51.5±0.5pFであり、要求公差が非常に狭いキャパシタが必要である。タイプ２のアンテナコイルを用いる場合、上記キャパシタンスの範囲は48.5〜52pFであり、やはり要求公差が非常に狭いキャパシタが必要である。
【００４０】
本実施形態では可変容量素子１４を用いることにより、要求公差が狭い問題は解消される。すなわち、タイプ１のアンテナコイルを用いる場合、可変容量素子１４のキャパシタンスが47pF〜57pFの範囲で可変であれば、対象とする全てのＮＦＣ規格に適合できる。すなわち(57-47)/57≒18%の範囲でキャパシタンスが可変の可変容量素子であればよい。可変容量素子１４のキャパシタンスは各ＮＦＣ規格に応じて変化させなくても、図８（Ａ）に示す例では51〜52pFの範囲内の値となるように制御し、その値に固定すればよい。同様に、図８（Ｂ）に示す例では(52-40)/52≒23%の範囲でキャパシタンスが可変の可変容量素子であればよい。この場合、可変容量素子１４のキャパシタンスが48.5〜52pFの範囲内の値となるように制御し、その値に固定すればよい。
【００４１】
以上に示した例では、強誘電体キャパシタによる可変容量素子を用いる例を示したが、その他に、可変容量ダイオード等の他の可変容量素子であっても同様に適用できる。
【００４２】
《第３の実施形態》
図９は第３の実施形態に係る通信装置１０３の筐体内部の構造を示す図であり、上部筐体５１と下部筐体５２とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。上部筐体５１の内部にはプリント配線板２１，３１、バッテリーパック３３等が収められている。プリント配線板２１にはＮＦＣモジュール１００が実装されている。このＮＦＣモジュール１００は図５に示した回路のうちアンテナコイル１３以外の回路をモジュール化したものである。プリント配線板２１にはＵＨＦ帯アンテナ２２等も搭載されている。また、プリント配線板３１にはＵＨＦ帯アンテナ３２等が搭載されている。プリント配線板２１とプリント配線板３１とは同軸ケーブル３４を介して接続されている。
【００４３】
アンテナコイル１３の構成は図２に示したものと基本的に同じである。このアンテナコイル１３の端部はプリント配線板２１側に設けられたピン端子２５に当接して電気的に導通する。すなわち、下部筐体５２に上部筐体５１を被せることで、アンテナコイル１３はＮＦＣモジュール１００に電気的に接続される。
【００４４】
《他の実施形態》
以上に示した実施形態では、アンテナコイル１３に可変容量素子１４を並列接続した例を示したが、アンテナコイル１３に対して並列接続される容量の全体ではなく一部を可変容量素子としてもよい。また、このようにアンテナコイル１３に対して並列接続される容量の一部をＲＦＩＣ内に設け、その他をＲＦＩＣ外部に接続してもよい。なお、可変容量素子と固定容量素子は並列接続してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
ＡＮＴ１，ＡＮＴ２…カードモード用アンテナ端子
Ｃ…容量素子
Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２ａ，Ｃ２ｂ…キャパシタ
Ｌ０，Ｌａｎｔ…インダクタ
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４…ポート
Ｒ１１〜Ｒ１９…ＲＦ抵抗素子
ＴＶＳＳ…グランド端子
Ｔｘ１，Ｔｘ２…送信信号端子
Ｖ…制御電圧出力端子
１１…ＲＦＩＣ
１３…アンテナコイル
１３ｃ…コイル導体
１３ｆ…フェライトシート
１３ｓ…フレキシブル基材
１４…可変容量素子
１５…ＥＭＣフィルタ
１６…整合回路
２１，３１…プリント配線板
２２…ＵＨＦ帯アンテナ
２５…ピン端子
２６…カメラモジュール
３１…プリント配線板
３２…ＵＨＦ帯アンテナ
３３…バッテリーパック
３４…同軸ケーブル
５１…上部筐体
５２…下部筐体
１００…ＮＦＣモジュール
１０１〜１０３…通信回路
【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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【図９】
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