(57)【要約】【課題】小型のケースに設けられ、送受信アンテナが小径のものであっても、異なる方向で通信距離と通信可能範囲の拡大が可能なブースターアンテナを提供する。【解決手段】ケース２０内部に非接触ＲＦＩＤカードとの情報の送受信アンテナ１２と、送受信アンテナ１２を介して送受信される情報を処理する制御用ＩＣ１４等と、送受信アンテナ１２及び制御用ＩＣ１４等を収容したケース２０とを有する。ケース２０には、送受信アンテナ１２よりも大径の共振アンテナコイル２３が設けられている。送受信アンテナ１２と共振アンテナコイル２３との間には、磁性部材２２が配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部と情報を送受信するための送受信アンテナと、前記送受信アンテナを介して送受信される情報を処理する制御部と、前記送受信アンテナ及び前記制御部を収容したケースとを有し、
前記ケースに、前記送受信アンテナよりも大径の共振アンテナが設けられ、
前記送受信アンテナと前記共振アンテナとの間には、磁性部材が配置されていることを特徴とするブースターアンテナ。
【請求項２】
前記共振アンテナは、前記磁性部材上に配置され、前記ケース内面に貼り付けられたループコイルであることを特徴とする請求項１記載のブースターアンテナ。
【請求項３】
前記共振アンテナは、前記ケースに埋設されていることを特徴とする請求項１記載のブースターアンテナ。
【請求項４】
前記磁性部材は、アモルファス合金、パーマロイ、珪素鋼、センダスト合金及び軟磁性フェライトのうち、少なくとも一種の軟磁性材料を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のブースターアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、パソコン等の外部機器に着脱することにより、ＲＦＩＤカードに対して非接触で情報の読み書きを行うことができるＲＦＩＤリーダライタに設けられ、共振アンテナを利用することにより通信距離を犠牲にすることなく小型化を可能としたブースターアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報を電子的に記憶することができるＩＣチップと、このＩＣチップと外部との間で情報をやり取りするインタフェースを備えたカードやタグを利用したシステムが、その多様な可能性から注目を集めている。かかるシステムは、一般的には、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｃａｔｉｏｎ）システムと呼ばれ、小型の記録媒体（カードやタグ）とこれに読み書きを行うリーダライタとの組み合わせによって、様々な場面での固体認証やデータの送受信に利用することができる。
【０００３】
小型の記録媒体については、ＲＦＩＤカード、ＩＣカード、ワイヤレスカード、ＲＦＩＤタグ、ＩＣタグ等、種々の称呼がある。本発明では、ＲＦＩＤカードと呼ぶが、特定の種類のものに限定する意図ではなく、上記のようなカードやタグ等を全て含む広い概念である。このようなＲＦＩＤカードは、従来のカードに用いられていた磁気記録方式のものに比べて、ＩＣチップのメモリに大量の情報を記憶しておくことができ、偽造の防止も可能となるため、クレジットカード、電子マネー、電子乗車券、テレフォンカード、ＩＤカード、貨物管理用タグ等として、広く利用されている。
【０００４】
また、リーダライタとの間で情報を送受信するための方式としては、ＲＦＩＤカードの表面に設けられた電極接点とリーダライタに設けられた接触端子とを接触させる接触型、ＲＦＩＤカードとリーダライタに設けられたアンテナ（コイル）を介して無線により行う非接触型がある。特に、非接触型のＲＦＩＤカードは、接触による磨耗がないこと、リーダライタ側にＲＦＩＤカードを移動させる機構が必要ないこと、送受信の際の方向性の自由度が高いことなどから、高い耐久性と利便性を有するものとして、普及が期待されている。
【０００５】
更に、このような読み書きを行うリーダライタとしては、商店のレジや駅の改札等に設置された固定式のものから、手に持って使用できる小型のハンディタイプのもの（特許文献１参照）など、様々なものが利用されている。
【０００６】
ところで、上記のようなＲＦＩＤシステムを導入する際には、既存の管理システムのアプリケーション、データベース、ハードウェア等を有効に活用できるようにすることが望ましい。また、ＲＦＩＤカードに対する読み書きを行うリーダライタは、今後、港湾、空港、工場、商店等の様々な拠点等において、自由に移動して使用できるように、安価で小型のものが好ましい。
【０００７】
しかしながら、従来のＲＦＩＤカード用のリーダライタは、専用の装置として構成されていたために、装置を新たに導入する場合のコストが高くなる。また、リーダライタを小型化しても、用途に汎用性を持たせて通信距離を確保するためには、アンテナのサイズを大きくする必要がある（特許文献１参照）。ノートパソコン等に接続して利用する形態も考えられるが、ノートパソコンにリーダライタと大型のアンテナとを接続した場合には、持ち運びがしにくく、移動しながら利用することは、必ずしも容易ではない。
【０００８】
このような観点から、本出願人は、特許文献２に示すように、外部機器との接続用のコネクタと、非接触ＲＦＩＤカードとの情報の送受信用のアンテナと、前記アンテナを介して送受信される情報を処理する制御部とを有するＲＦＩＤリーダライタにおいて、コネクタをリーダライタ本体の一方の端部側に配設し、アンテナをコネクタと反対側の端部の近傍に配設したものを提案した。
【０００９】
以上のような特許文献２の発明では、アンテナがコネクタと反対端にあるため、外部機器にコネクタを接続した際に、外部機器とアンテナとの間の距離を長く確保することができ、ＲＦＩＤカードをアンテナに近づける際に、外部機器が邪魔にならず、十分な受信感度を得ることができる。
【特許文献１】特開２００４−１８００３９号公報
【特許文献２】特開２００６−８５２８８号公報
【特許文献３】特開２００５−３２３０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特許文献２の発明は、コネクタを一体としてＲＦＩＤリーダライタの小型化を可能とするものではある。しかし、その送受信アンテナの寸法は、ＲＦＩＤリーダライタの寸法、特にＲＦＩＤリーダライタをスティック状とした場合にはその幅寸法に制限されることから、大径のアンテナを用意することができず、その通信距離は短い。
【００１１】
特に、特許文献２のＲＦＩＤリーダライタは、コネクタとしてＵＳＢ端子を設けることで、パソコンのＵＳＢ端子に直接挿入して使用されることが多く、その場合、前記のような通信距離が短いという理由から、パソコンをテーブルなどに置いた状態で、ＲＦＩＤカードをＲＦＩＤリーダライタにほとんど接触するまで近づけて、データの授受を行う必要がある。
【００１２】
これに対処するため、特許文献３に示すように、ＲＦＩＤカード側に近接してブースターアンテナを設けることも提案されている。しかし、商品に付されたＲＦＩＤカード側にブースターアンテナを設けることは、商品自体が大きなものや商品の収納庫にブースターアンテナを設けることができる場合はいざ知らず、商品のタグに組み込まれるような小型のＲＦＩＤカードについては、適用不可能であった。
【００１３】
さらに、ブースターアンテナとしての共振アンテナコイルをＲＦＩＤリーダライタ側に内蔵することも可能である。例えば、図１０に示すように、送受信アンテナ１２の上部におけるケース２０の内面に、共振アンテナコイル２３を貼り付けたり、図１１に示すように、ケース２０に共振アンテナコイル２３を埋め込むことが考えられる。かかる場合には、共振アンテナコイル２３の径を可能な限り大きくすることにより、通信距離の延長を図ることが可能となる。
【００１４】
しかし、図１０及び図１１に示すように、ＲＦＩＤリーダライタの内部には、基板１０の回路パターン、基板１０上に配置されている金属を使用している部品（制御用ＩＣ１４のリード、発振子１３、コネクタ１１など）が存在する。かかる金属部品が共振アンテナコイル２３の下部に存在すると、金属部品の影響で通信距離が十分に延長できない。
【００１５】
また、パソコンのＵＳＢ端子の方向は、機種によって縦であったり、横であったりする。このため、ＲＦＩＤリーダライタのコネクタを、パソコンのＵＳＢ端子に直接挿入した場合、ＲＦＩＤリーダライタのケースがどのような向きになるかは、必ずしも一定の方向に定まらない。従って、ケースの上面に限らず、側面においても長い通信距離が確保できることが望ましい。
【００１６】
しかし、例えば、図１２に示すように、ＲＦＩＤカード４０を共振アンテナコイル２３に対して垂直に置いた場合、ＲＦＩＤカード４０のアンテナコイル４１に入る方向の磁界と、出る方向の磁界が相殺され、コイルに発生する誘起電圧が減少する。このため、ＲＦＩＤカードにはＩＣが動作する為の十分な電力が供給されず、かかる方向での通信が困難になる。
【００１７】
本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、小型のケースに設けられ、送受信アンテナが小径のものであっても、異なる方向での通信距離と通信可能範囲の拡大が可能なブースターアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するため、本発明は、外部と情報を送受信するための送受信アンテナと、前記送受信アンテナを介して送受信される情報を処理する制御部と、前記送受信アンテナ及び前記制御部を収容したケースとを有し、前記ケースに、前記送受信アンテナよりも大径の共振アンテナが設けられ、前記送受信アンテナと前記共振アンテナとの間には、磁性部材が配置されていることを特徴とする。
【００１９】
以上のような発明では、ケースに共振アンテナを設けて小型化を図った場合であっても、送受信アンテナと共振アンテナとの間に磁性部材を配置することにより、制御部等に用いられている金属部品の影響を低減することができ、通信距離の延長が可能となる。また、磁性部材により、共振アンテナから発生した磁界が磁性部材の中を通り、共振アンテナと平行方向に指向性を持たせることができるため、通信方向が増えて、通信可能範囲が拡大する。
【００２０】
また、他の態様では、前記共振アンテナは、前記磁性部材上に配置され、前記ケース内面に貼り付けられたループコイルであることを特徴とする。
以上のような態様では、共振アンテナ及び磁性部材を薄く形成することができるので、小型化しやすい。
【００２１】
また、他の態様では、前記共振アンテナは、前記ケースに埋設されていることを特徴とする。
以上のような態様では、ケース内に共振アンテナのためのスペースが不要となるので、さらに小型化できる。
【００２２】
また、他の態様では、前記磁性部材は、アモルファス合金、パーマロイ、珪素鋼、センダスト合金及び軟磁性フェライトのうち、少なくとも一種の軟磁性材料を含むことを特徴とする。
以上のような態様では、磁性部材として、最適なものを選択することにより、金属部品の影響を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上のような本発明によれば、小型のケースに設けられ、送受信アンテナが小径のものであっても、異なる方向での通信距離と通信可能範囲の拡大が可能なブースターアンテナ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】
【００２４】
［実施形態の構成］
以下、本発明の実施形態を、図１及び図２を参照して具体的に説明する。すなわち、図１に示すように、本実施形態のブースターアンテナは、ＲＦＩＤリーダライタに適用されるものである。このＲＦＩＤリーダライタは、基板１０にリーダライタに必要な部品を配設し、ケース２０に収容することによって構成されている。基板１０は、略直方体形状のプリント配線板であり、長手方向の一端にコネクタ１１が設けられている。
【００２５】
このコネクタ１１は、例えば、パーソナルコンピュータ等のコネクタに挿入することにより、プラグ＆プレイ等を実現できるＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）のインタフェースである。但し、本発明は、現在又は将来において利用可能なあらゆるインタフェースを適用できる。
【００２６】
なお、一般的には、雄側と雌側を合わせて「コネクタ」と呼び、雄側を「プラグ」と呼ぶが、請求項及び以下の説明では、便宜的に「プラグ」についても「コネクタ」と呼ぶ。また、コネクタ１１は、ケース２０の一端から露出しており、ケース２０に着脱自在なキャップ（図示せず）によって保護される構成となっている。
【００２７】
基板１０の上面（パソコンとの接続時に上側となる面）には、送受信アンテナ１２が、コイル状のパターンにより形成されている。この送受信アンテナ１２は、基板１０のコネクタ１１とは反対側の端部の近傍に配設されている。
【００２８】
また、基板１０には、発振子１３、制御用ＩＣ１４等を含む制御回路及び電波インタフェースが構成されている。発振子１３は、搬送波となる高周波を発生させ、増幅器による増幅後、送受信アンテナ１２に供給するための水晶発振子であり、これらは基板１０の上面側におけるコネクタ１１と送受信アンテナ１２との間に配設されている。
【００２９】
制御用ＩＣ１４は、モールド封止されたＩＣチップであり、ＵＳＢ接続及びリーダライタに必要な処理を行うＣＰＵ、メモリ等を構成している。この制御用ＩＣ１４は、基板１０の下面側におけるコネクタ１１と送受信アンテナ１２との間に配設されている。
【００３０】
そして、ケース２０の内面には、ＲＦＩＤリーダライタの回路とは電気的に独立した回路である共振アンテナ２１が設けられている。本実施形態では、この共振アンテナ２１は、基板１０上の送受信アンテナ１２に対向した内面に配設されている。これにより、共振アンテナ２１は、ＲＦＩＤカード４０を近づけた場合に、送受信アンテナ１２とＲＦＩＤカード４０との間に来る。
【００３１】
共振アンテナ２１は、図２に示すように、磁性部材２２上にループ状に巻回された共振アンテナコイル２３と、この共振アンテナコイル２３に接続されたキャパシタ２４とから構成され、磁性部材２２をケース２０の内面に貼り付けることにより、ケース２０に固定されている。
【００３２】
これにより、磁性部材２２は、共振アンテナコイル２３と送受信アンテナ１２との間に配置される。また、シート状の磁性部材２２に共振アンテナコイル２３を配設してケース２０内に貼り付けることにより、所要スペースを極力小さくして、小型化を実現できる。なお、共振アンテナコイル２３とキャパシタ２４とは、ＲＦＩＤリーダライタの搬送周波数で共振するように、そのコイル長及び静電容量が決定されている。
【００３３】
［実施形態の作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果を、実際に作製した複数の実施例と比較例に基づいて説明する。
【００３４】
［金属部品の影響の改善…実施例１〜３］
まず、比較例１〜５と、本実施形態を適用した実施例１〜３について、通信距離の測定を行った結果のデータを、表１及び図３のグラフに示す。表１は、共振アンテナコイル２３の作成条件と通信距離、図３は面積比と通信距離の関係を示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１において、比較例１〜５（項目Ａ〜Ｅ）は、磁性部材２２が無く、面積が異なる５種類の共振アンテナコイル２３を用いたものである。実施例１〜３（項目Ｆ〜Ｈ）は、共振アンテナコイル２３の面積と、磁性部材２２の大きさを変えたものである。図３において、面積比は、以下のように求めた。
面積比＝(共振アンテナコイルの面積）／（送受信アンテナコイル面積）
【００３７】
その他の条件は、次の通りである。
（共振アンテナコイル）
・共振周波数…１３．５６ＭＨｚ
・送受信アンテナコイルとの結合係数…０．０８６
（送受信アンテナコイル）
・インダクタンスＬ…０．７２μＨ
・巻き数…７Ｔ（７巻き）
・アンテナ半径…３．５ｍｍの円形
（磁性部材）
・軟磁性フェライトゴムシート・・・厚み５００μｍ
【００３８】
この表１及び図３から明らかな通り、磁性部材２２の有無以外は条件が同じ比較例３と実施例１、比較例４と実施例２、比較例５と実施例３をそれぞれ比較すると、いずれも実施例の方が通信距離が伸びている。したがって、共振アンテナ２１を設けることによる通信距離の延長の効果は、磁性部材２２を介在させることによって、より一層高まることがわかる。
【００３９】
また、比較例１〜５から明らかな通り、共振アンテナコイル２３の面積を大きくすると、通信距離は延長できるが、面積比１０以上で、飽和状態となる（比較例４，５参照）。これは、共振アンテナコイル２３の直下に、基板１０の回路パターン、基板１０に配置されている金属を使用している部品（制御用ＩＣ１４のリード、発振子１３、コネクタ１１など）が存在し、これらの金属の影響によって、通信距離が十分に延長できていないと考えられる。
【００４０】
一方、磁性部材２２の有無以外は比較例４，５と条件が同じ実施例２，３では、通信距離が大きく伸びている。これは、磁性部材２２が介在することによって、金属の影響を低減できているためと考えられる。
【００４１】
［アンテナコイルの指向性の改善…実施例３］
上記の比較例５と実施例３について、異なる位置で通信距離の測定を行った結果のデータを、表２及び図４のグラフに示す。ここで、異なる位置とは、以下の位置Ａ及び位置Ｂであり、図５〜７に図示する。
・位置Ａ（図５及び図６参照）…ＲＦＩＤカードと共振アンテナコイルが同軸上に位置（ケース上面２０ａからの通信）
・位置Ｂ（図５及び図７参照）…ＲＦＩＤカードと共振アンテナコイルが垂直に位置（ケース側面２０ｂからの通信）
【００４２】
【表２】
2008306689.tif 000004
【００４３】
表２及び図４から明らかな通り、磁性部材２２が存在しない比較例５では、位置Ｂでの通信距離が著しく低下している。しかし、実施例３では、磁性部材２２が介在することによって、位置Ｂでの通信距離は、比較例５と比べて著しく伸びており、位置Ａとの差も小さくなっている。
【００４４】
このような効果が得られるのは、以下のような原理によると考えられる。すなわち、実施例３では、図８に示すように、共振アンテナコイル２３下に、磁性部材２２を配置すると、共振アンテナコイル２３から発生した磁界が、磁性部材２２の中を通ることで、共振アンテナコイル２３と平行方向（コイルの面内方向）に指向性を持たせることができる。
【００４５】
このため、ＲＦＩＤカード４０を共振アンテナ２１に対して垂直方向に置いたときでも、ＲＦＩＤカード４０のアンテナコイル４１を貫く磁界を増やすことができて、共振アンテナコイル２３とアンテナコイル４１の結合係数を大きくすることが可能となり、通信距離も延長できる。
【００４６】
［他の実施形態］
本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、次のような他の実施形態も包含するものである。
【００４７】
(a) 共振アンテナ２１の共振点波、共振周波数をｆ、インダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとすると、
【数１】
2008306689.tif 000005
となる。この場合、インダクタンスＬとキャパシタンスＣの値の調整で、共振周波数を変更できるが、搬送周波数に対して多少高い周波数にした方が値のばらつきに対して余裕がでる。
【００４８】
なお、各実施形態における具体的な数値は例示であり、本発明は上記の数値には限定されない。また、搬送周波数の具体例としては、１３．５６ＭＨｚが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００４９】
(b) 共振アンテナ２１の効果を高くするためには、基板上に形成されている送受信アンテナ１２の共振回路のインピーダンスをＲＦ部出力インピーダンスにマッチングさせるため調整を行うが、このときに容量性となるようにＬＣＲメータ等で調整することにより、共振周波数のピークを搬送周波数より下になるようにする。
【００５０】
(c) 基板上面から見たときに、基板上の送受信アンテナ１２が共振アンテナコイル２３のループ内に収まるようにしないと、本発明の効果がない。しかし、その点に配慮すれば、送受信アンテナ１２と共振アンテナ２１との位置関係は図示のものに限定されない。例えば、両アンテナコイルは必ずしも互いに平行である必要はなく、軸が一致している必要もない。また、両アンテナコイルの形状も円形、楕円形、方形、その他の形状であってもよい。
【００５１】
(d) 共振アンテナ２１側の回路は、印刷技術を利用して粘着シート上に形成したり、フレキシブル基板上に印刷などで形成することも可能であり、薄くしかも安価に製造することができる。
【００５２】
(e) 図９に示すように、共振アンテナコイル２３をケース２０を構成する樹脂内に埋設することも可能である。かかる構成とすれば、ケース２０内部における共振アンテナコイル２３の厚みのスペースを節約することができるので、さらなる小型化が可能となる。
【００５３】
(f) 基板上の送受信アンテナ１２と共振アンテナ２１との距離は、基板上のアンテナの半径と同じ距離が最も通信距離が大きくなるが、この距離以内であれば、共振アンテナ２１を使用しない場合に比べ効果が確認できる。ただし、半径の距離より離れて共振アンテナ２１を使用した場合には、効果は必ずしも十分とはいえない。
【００５４】
(g) 共振アンテナ２１をケース２０に設ける位置は、前記のような送受信アンテナ１２との位置関係に配慮すれば、ケース２０の上面側、下面側のいずれでも良い。また、共振アンテナ２１の面積は、ケース２０に収まる限り、最大になるようにした方がより効果が大きくなる。
【００５５】
(h) 磁性部材２２の材料は、アモルファス合金、パーマロイ、珪素鋼、センダスト合金、軟磁性フェライト等の軟磁性材料を用いることが望ましいが、これに限定されない。磁性材料を一種とするか複数種とするかも自由であり、非磁性材料を含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態の構成を示す断面図である。
【図２】図１の実施形態における共振アンテナを示す平面図である。
【図３】図１の実施形態における共振アンテナコイル面積と通信距離の関係を示す説明図である。
【図４】図１の実施形態における実施例３と比較例５の通信距離の比較を示す説明図である。
【図５】図１の実施形態における異なる位置Ａ，ＢでのＲＦＩＤカードとの通信を示す説明図である。
【図６】図５の位置Ａの状態を示す斜視図である。
【図７】図５の位置Ｂの状態を示す斜視図である。
【図８】図１の実施形態の位置Ｂでの磁界を示す説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態を示す断面図である。
【図１０】従来の共振アンテナをケース内に設けたＲＦＩＤリーダライタを示す断面図である。
【図１１】従来の共振アンテナをケースに埋設したＲＦＩＤリーダライタを示す断面図である。
【図１２】従来のＲＦＩＤリーダライタとＲＦＩＤカードとの通信における磁界を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…基板
１１…コネクタ
１２…送受信アンテナ
１３…発振子
２０…ケース
２１…共振アンテナ
２２…磁性部材
２３…共振アンテナコイル
２４…キャパシタ
４０…カード
４１…アンテナコイル
【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】
2008306689.tif 000013
【図９】
2008306689.tif 000014
【図１０】
2008306689.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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