(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信搬送周波数に共振する第１のアンテナを備える第１の非接触通信装置と、
前記通信搬送周波数に共振する第２のアンテナを備える第２の非接触通信装置と、
前記通信搬送周波数に共振する第３のアンテナを備える非接触通信補助装置と
からなり、
前記第１および前記第３のアンテナが、法線方向の第１の磁界により電磁結合するとともに、前記第１の磁界により前記第２または前記第３のアンテナの導線に線電流が流れ、その線電流により発生した前記導線の周辺を循環する第２の磁界により、前記第２および前記第３のアンテナが電磁結合し、
前記第１および前記第２の非接触通信装置は、電磁結合した前記第１および前記第３のアンテナ、並びに前記第３および前記第２のアンテナを介して相互に非接触通信し、
前記第１乃至第３のアンテナは、ループアンテナであり、前記第２のアンテナのループ面積は、前記第１および前記第３のアンテナのループ面積より小さく、
前記第２のアンテナは、前記第２のアンテナの法線方向と前記第３のアンテナの法線方向が垂直となるように、前記第３のアンテナの前記導線に近接して配置され、
前記第１および前記第３のアンテナが電磁結合する場合における幾何学的結合係数の第１の値が所定値となるように、前記第１および前記第３のアンテナの間の第１の距離が調整されており、
前記第２および前記第３のアンテナが電磁結合する場合における幾何学的結合係数の第２の値が前記所定値となるように、前記第１および前記第３のアンテナのループ面積比、並びに、前記第１の距離より短い前記第２および前記第３のアンテナ間の第２の距離が調整されている
ことを特徴とする非接触通信システム。
【請求項２】
前記第１の非接触通信装置は、
前記通信搬送周波数の搬送信号を生成する生成手段と、
前記生成手段により生成された前記搬送信号に第１の情報を重畳して送信する搬送信号送信手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の非接触通信システム。
【請求項３】
前記第２の非接触通信装置は、
前記第１の非接触通信装置の前記搬送信号送信手段により送信された前記搬送信号を、前記第１乃至前記第３のアンテナを介して受信する受信手段と、
前記受信手段により受信された前記搬送信号から電力を取得する電力取得手段と、
前記受信手段により受信された前記搬送信号に重畳されている前記第１の情報を取得する第１の情報取得手段と、
第２の情報を出力する情報出力手段と、
前記情報出力手段により出力された前記第２の情報に基づいて、前記第２のアンテナの受端インピーダンスを変化させる変調手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の非接触通信システム。
【請求項４】
前記第１の非接触通信装置は、
前記第２の非接触通信装置の前記変調手段により変化された前記第２のアンテナの前記受端インピーダンスの変化量を、前記第１乃至前記第３のアンテナを介して検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記第２のアンテナの前記受端インピーダンスの変化量に基づいて、前記第２の非接触通信装置の前記情報出力手段により出力された前記第２の情報を取得する第２の情報取得手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の非接触通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触通信システムに関し、特に、通信距離を延長することができるようにした非接触通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触通信技術が応用されたIC（Integrated Circuit）カードシステムは、携帯可能なICカード、および、そのICカードに記憶されている情報を非接触で読み出すとともに、所定の情報をそのICカードに非接触で記憶させることが可能ないわゆるリーダライタ装置（以下、R/W装置と記述する）から構成されている。
【０００３】
即ち、ICカードシステムは、非接触で情報の読み書きが可能な利便性の高いシステムであり、近年、定期券や認証カードに代表される従来の磁気式カードシステムの代替システム、または物流システム等として使用されている。
【０００４】
また、ランダムアクセスが不可能なテープ系の記憶装置（例えば、ビデオカセットテープ）には、所定の情報をインディックス的にICメモリに記憶させ、記憶媒体へのアクセスなしに、かつ非接触で容易にその所定の情報を把握できるようにした非接触通信システムが使用されている。
【０００５】
このような非接触通信システムは、R/W装置が発生する磁界内にICカード等のトランスポンダ装置（以下、TAG装置と記述する）をかざすだけで瞬時に動作することが実用上不可欠である。
【０００６】
従って、非接触通信システムの実用化においては、その瞬時動作が可能な距離（R/W装置とTAG装置との間の距離）、即ち実用的な通信距離が確保される必要がある。
【０００７】
一方、非接触通信技術の有用性からその応用範囲は大きく広がり、さまざまなTAG装置が考案されている。例えば、通常のカードサイズのTAG装置に比較して、非常に小型のTAG装置が考案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この超小型のTAG装置が使用される非接触通信システムにおいては、通信距離が非常に短距離に限定され、実用的な通信距離の確保が困難であるという課題があった。
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、通信距離を延長することができるようにするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の非接触通信システムは、通信搬送周波数に共振する第１のアンテナを備える第１の非接触通信装置と、通信搬送周波数に共振する第２のアンテナを備える第２の非接触通信装置と、通信搬送周波数に共振する第３のアンテナを備える非接触通信補助装置とからなり、第１および第３のアンテナが、法線方向の第１の磁界により電磁結合するとともに、第１の磁界により第２または第３のアンテナの導線に線電流が流れ、その線電流により発生した導線の周辺を循環する第２の磁界により、第２および第３のアンテナが電磁結合し、第１および第２の非接触通信装置は、電磁結合した第１および第３のアンテナ、並びに第３および第２のアンテナを介して相互に非接触通信し、第１乃至第３のアンテナは、ループアンテナであり、第２のアンテナのループ面積は、第１および第３のアンテナのループ面積より小さく、第２のアンテナは、第２のアンテナの法線方向と第３のアンテナの法線方向が垂直となるように、第３のアンテナの導線に近接して配置され、第１および第３のアンテナが電磁結合する場合における幾何学的結合係数の第１の値が所定値となるように、第１および第３のアンテナの間の第１の距離が調整されており、第２および第３のアンテナが電磁結合する場合における幾何学的結合係数の第２の値が所定値となるように、第１および第３のアンテナのループ面積比、並びに、第１の距離より短い第２および第３のアンテナ間の第２の距離が調整されていることを特徴とする。
【００１６】
第１の非接触通信装置は、通信搬送周波数の搬送信号を生成する生成手段と、生成手段により生成された搬送信号に第１の情報を重畳して送信する搬送信号送信手段とをさらに備えるようにすることができる。
【００１７】
第２の非接触通信装置は、第１の非接触通信装置の搬送信号送信手段により送信された搬送信号を、第１乃至第３のアンテナを介して受信する受信手段と、受信手段により受信された搬送信号から電力を取得する電力取得手段と、受信手段により受信された搬送信号に重畳されている第１の情報を取得する第１の情報取得手段と、第２の情報を出力する情報出力手段と、情報出力手段により出力された第２の情報に基づいて、第２のアンテナの受端インピーダンスを変化させる変調手段とをさらに設けるようにすることができる。
【００１８】
第１の非接触通信装置は、第２の非接触通信装置の変調手段により変化された第２のアンテナの受端インピーダンスの変化量を、第１乃至第３のアンテナを介して検出する検出手段と、検出手段により検出された第２のアンテナの受端インピーダンスの変化量に基づいて、第２の非接触通信装置の出力手段により出力された第２の情報を取得する第２の情報取得手段とをさらに設けるようにすることができる。
【００１９】
本発明の非接触通信システムにおいては、通信搬送周波数に共振する第１の非接触通信装置の第１のアンテナと、通信搬送周波数に共振する非接触通信補助装置の第３のアンテナとが、法線方向の第１の磁界により電磁結合されるとともに、その第１の磁界により、通信搬送周波数に共振する第２の非接触通信装置の第２のアンテナまたは第３のアンテナの導線に線電流が流れ、その線電流により発生した導線の周辺を循環する第２の磁界により、第２および第３のアンテナが電磁結合され、電磁結合された第１および第３のアンテナ、並びに第３および第２のアンテナを介して、第１および第２の非接触通信装置間で相互に非接触通信される。また、第１および第３のアンテナが電磁結合する場合における幾何学的結合係数の第１の値が所定値となるように、第１および第３のアンテナの間の第１の距離が調整され、第２および第３のアンテナが電磁結合する場合における幾何学的結合係数の第２の値が所定値となるように、第１および第３のアンテナのループ面積比、並びに、第１の距離より短い第２および第３のアンテナ間の第２の距離が調整される。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用される非接触通信基礎システム１の構成例を表している。
【００３４】
図１に示されるように、非接触通信基礎システム１は、R/W主装置２１およびR/Wアンテナ２２からなるR/W装置１１と、TAGアンテナ２３、ＬＳ（Load Switching）変調回路２４、およびTAG主装置２５からなるTAG装置２５とが、相互に非接触通信するシステムである。
【００３５】
R/W主装置２１には、図示はしないが、通信を制御する為のマイコン、マンチェスター符号等へ符号化する符号化回路、マンチェスター符号等を復号するための復号回路、所定の通信搬送周波数の搬送波（搬送信号）を生成する搬送波生成回路、ASK（Amplitude Shift Keying）変調回路、ASK復調回路、および電力増幅回路等が設けられている。なお、R/W主装置２１として、従来のR/W主装置が使用されることができる。従って、R/W主装置２１の構成要素の構成や動作は当業者に容易に理解できるため詳しい説明は省略する。
【００３６】
R/Wアンテナ２２は、抵抗Ra、コイルLa、およびキャパシタCaから構成される共振回路を有している。即ち、R/Wアンテナ２２は、そのコイルLaの部分がループアンテナとして動作するとともに、かつ所定の通信搬送周波数に共振するLCR共振回路としても動作する。
【００３７】
TAGアンテナ２３は、R/Wアンテナ２２と同様に、抵抗Rb、コイルLb、およびキャパシタCbから構成される共振回路を有している。即ち、TAGアンテナ２３は、そのコイルLb部分がR/Wアンテナ２２と相互インダクタンスＭで電磁結合するためのループアンテナとして動作するとともに、かつ所定の通信搬送周波数に共振すLCRC共振回路としても動作する。
【００３８】
TAG主装置２５には、図示はしないが、IC用電源生成回路、クロック抽出回路、ロジック回路、ＡＳＫ復調回路、およびデータを記憶する為のメモリ等が設けられている。なお、TAG主装置２５として、従来のTAG主装置が使用されることができる。従って、TAG主装置２５の構成要素の構成や動作は当業者に容易に理解できるため詳しい説明は省略する。
【００３９】
ＬＳ変調回路２５は、負荷抵抗RcとMOS（Metal Oxide Semiconductor）スイッチ３８とが直列に接続された回路である。
【００４０】
次に、非接触通信基礎システム１の動作を説明する。
【００４１】
TAG装置１２のTAGアンテナ２３が、R/W装置１１のR/Wアンテナ２２に所定の距離（通信距離）で対向されて配置されると、TAGアンテナ２３とR/Wアンテナ２２とは、R/Wアンテナ２２の法線方向に発生された磁界により相互インダクタンスＭで電磁結合するとともに、R/W主装置２１より出力された通信搬送信号の通信搬送周波数にそれぞれ共振する。これにより、R/W装置１１とTAG装置１２とは、R/Wアンテナ２２およびTAGアンテナ２３を介して、相互に非接触通信することができるようになる。
【００４２】
R/W主装置２１より送信されるデータ（以下、第1の情報と称する）は、例えば、R/W主装置２１において、符号化されるとともにかつASK変調され、ASK変調信号（第１の情報が重畳された通信搬送信号）として、電磁結合しているR/Wアンテナ２２およびTAGアンテナ２３、並びにＬＳ変調回路２４を介して、TAG主装置２５に供給される。
【００４３】
TAG主装置２５において、供給されたASK変調信号は、復調されるとともに復号されて元の第１の情報となり、この第１の情報がメモリに記憶されるデータであった場合、第１の情報はメモリに記憶され、一方、この第１の情報が情報読み出し指示データであった場合、第１の情報に基づいて、メモリより所定の情報が読み出される。
【００４４】
なお、ASK変調信号が復調された際に除去された直流成分の信号はIC（図示せず）等の電源となる。
【００４５】
これらのレスポンスまたはメモリから読み出されたデータ（以下、第２の情報と称する）は、以下のようにTAG装置１２からR/W装置１１に供給される。
【００４６】
即ち、ＬＳ変調回路２４において、第２の情報（０または１のデータ）に応じてスイッチ３８がスイッチングされ、R/Wアンテナ２２からみたTAG装置１２のアンテナの等価的な負荷（TAGアンテナ２３とＬＳ変調回路２４（抵抗Rc）とからなる回路の負荷）が変動される。
【００４７】
この負荷変動は、R/W装置１１においては、R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３との間の非接触な電磁結合により、R/Wアンテナ２２の負荷変動として現れる。従って、R/W主装置２１は、この負荷変動を、通信搬送信号の振幅変動成分、即ちASK変調信号（第２の情報が重畳された通信搬送信号）として検出し、これを復調するとともに復号することで、第２の情報を取得する。
【００４８】
このように、非接触通信基礎システム１は、電磁結合を利用して非接触通信を行うシステムであり、この電磁結合の強さが、非接触通信基礎システム１の通信距離に密接に関連している。
【００４９】
そこで、本出願人は、上述したようなR/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３との間の電磁結合の様相をいわゆる複同調として解析した。以下、その解析結果について説明する。
【００５０】
即ち、これらのアンテナ間の電磁結合には、それぞれのアンテナ回路の損失Ｑ（Quality Factor）により物理的に決定される臨界時の結合係数（以下、臨界結合係数k0と称する）が存在し、これがちょうどアンテナ形状、距離等の幾何学的要因で決定される結合係数（以下、幾何学的結合係数kと称する）と一致した時点で最大の伝達ゲインとなることを利用して、本出願人は、R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３との間の電磁結合の様相を解析した。
【００５１】
具体的には、臨界結合係数k0は、それぞれのアンテナ回路のQ値によって次式（１）に示されるように求められるアンテナの電気的特性を表す係数である。
【００５２】
【数１】
0004478366.tif 000002
【００５３】
ただし、Q1は、R/Wアンテナ２２のQ値を表しており、また、Q2は、TAGアンテナ２３のQ値を表している。
【００５４】
一方、幾何学的結合係数kは、上述したように、両者のアンテナの幾何学的な配置に対応する係数である。
【００５５】
一方のアンテナから発生された全ての磁束がもう一方のアンテナを横切るとき、即ち、同じ大きさの２つのアンテナがそれぞれ対抗して接し合わせられたときに、幾何学的結合係数kの値は最大値である1をとり、また、図２Ａに示されるように、２つのアンテナが１つの軸上の真中に並べられたとき（２つのアンテナのそれぞれの幾何学的センターが一致したとき）、幾何学的結合係数kの値は、次式（２）に示されるように概算される。
【００５６】
【数２】
0004478366.tif 000003
【００５７】
ただし、図２Ａに示されるように、r1は、R/Wアンテナ２２の径（コイルLaのループ径）を、r2は、TAGアンテナ２３の径（コイルLbのループ径）を、ｘは、R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３との間の距離を、それぞれ表している。即ち、k(x)は、R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３との間の距離xにおける幾何学的結合係数kを表している。
【００５８】
R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３との間の距離xと、この式（２）により演算された幾何学的結合係数k(x)との対応関係が、図２Ｂに示されている。
【００５９】
ただし、曲線（アンテナ径3.6mm）４１は、R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３の径がそれぞれ3.6ｍｍである場合（両アンテナの径がそれぞれ小さい場合）の幾何学的結合係数k(x)を表している。
【００６０】
曲線（アンテナ径10mm）４２は、R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３の径がそれぞれ10mmである場合（両アンテナの径がそれぞれ大きい場合）の幾何学的結合係数k(x)を表している。
【００６１】
曲線（アンテナ径3.6mmと10mmの組合せ）４３は、R/Wアンテナ２２およびTAGアンテナ２３のうち、一方の径が3.6mmであり、もう一方の径が10mmである場合（大きい径と小さい径とが組合された場合）の幾何学的結合係数k(x)を表している。
【００６２】
さて、R/Wアンテナ２２およびTAGアンテナ２３のような共振系アンテナのQ値は一般的に高い値であるため、その結果、式（１）に示されるように、臨界結合係数k0の値は小さい値となる。従って、非接触通信基礎システム１においては、最適な通信状態となる幾何学的結合係数kの値として、小さい値が適用されることができる。例えば、R/Wアンテナ２２およびTAGアンテナ２３のQ値がそれぞれ10とされた場合、臨界結合係数k0の値は0.1となり、非接触通信基礎システム１は、幾何学的結合係数kの値が0.1のとき最適な通信状態となる。
【００６３】
このように、非接触通信基礎システム１が使用される場合（共振系が構成されているシステムが使用される場合）、共振系が構成されていないシステムが使用される場合に比べて、臨界結合係数k0の値は小さくなり、その結果、最適な通信状態となる幾何学的結合係数kの値も小さい値が適用されることができる。
【００６４】
なお、幾何学的結合係数ｋ(x)と２つのアンテナ間の距離ｘとの関係の様相は、曲線（アンテナ径3.6mmと10mmの組合せ）４３と曲線（アンテナ径3.6mm）４１とでは大差がない。即ち、いずれか一方（片方）のアンテナのみが大きくされても、最適な通信状態となる幾何学的結合係数ｋの値が得られる通信距離（２つのアンテナ間の距離）xはさほど延長されない。
【００６５】
一方、最適な通信状態となる幾何学的結合係数ｋの値が大きい場合（例えば、曲線４３と曲線４１との比較では、幾何学的結合係数kが0.15以上の場合）、片方のアンテナのみが大きくされると、最適な通信状態となる幾何学的結合係数ｋが得られる通信距離xはむしろ短くなる。
【００６６】
このように（図２Ｂに示されるように）、超小型のTAG装置１２が使用される非接触通信システム１においては、即ち、TAGアンテナ２３が通常のそれより小さい場合、通信に十分な幾何学的結合係数kの値が得られるように、R/W装置１１と超小型のTAG装置１２とが通常より近距離に配置される（R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３との間の距離xが短くされる）必要がある。
【００６７】
そこで、本出願人は、中継アンテナ（通信範囲を広げることが目的とされたアンテナ）として、例えば、図３に示されるようなアンテナシート６１を採用した。
【００６８】
即ち、アンテナシート６１とは、例えば、アンテナコイルLcとキャパシタCcとがシート状の基板７１にパターンとして形成されたものである。
【００６９】
なお、キャパシタCcは、薄型のものであればその形式は限定されない。例えば、チップ部品などでもよい。
【００７０】
このアンテナシート６１は、アンテナコイルLcの部分がループアンテナとして動作するとともに、図３Ｂに示されるように、アンテナコイルLcおよびキャパシタCcから構成される閉回路、即ち、所定の通信搬送周波数に共振するLC共振回路としても動作する。
【００７１】
なお、この例においては、アンテナシート６１の大きさ（コイルLcのループ径（ループ面積））は、R/Wアンテナ２２の大きさ（コイルLaのループ径（ループ面積））とほぼ等しいものとされる。
【００７２】
また、この例においては、アンテナシート６１は、シートとして構成されているが、上述した２つの動作（ループアンテナとしての動作、およびLC共振回路としての動作）が可能な構成であれば、その構成は限定されない。
【００７３】
ところで、仮にTAGアンテナ２３とR/Wアンテナ２２の大きさ（それぞれのコイルLbとLaのループ径（ループ面積））がほぼ等しい場合、即ち、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３の大きさ（それぞれのコイルLcとLbのループ径（ループ面積））がほぼ等しい場合であれば、アンテナシート６１は、図４に示されるように配置されることが理論上可能である。
【００７４】
即ち、アンテナシート６１、TAGアンテナ２３、およびR/Wアンテナ２２（それぞれのコイルLc、Lb、およびLaのループ面）が平行になるとともに、それぞれのアンテナの幾何学的センター（それぞれのコイルLc、Lb、およびLaのループの中心）からのそれぞれの法線が一致されるように、アンテナシート６１が、TAGアンテナ２３とR/Wアンテナ２２の間に配置されることで、アンテナシート６１は理論上中継アンテナの機能を果たすことができる。
【００７５】
しかしながら、超小型のTAG装置１２が使用される非接触通信基礎システム１は、上述したように、TAGアンテナ２３とR/Wアンテナ２２の大きさ（それぞれのコイルLbとLaのループ径（ループ面積））が甚だ異なる。
【００７６】
従って、超小型のTAG装置１２が使用される非接触通信基礎システム１にアンテナシート６１が適用された場合、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３との大きさ（それぞれのコイルLcとLbのループ径（ループ面積））は甚だ異なることになり、図２Ｂの曲線（アンテナ径3.6mmと10mmの組合せ）４３に示されるように、アンテナシート６１が図４に示されるように配置されても、十分な幾何学的結合係数ｋの値は得られない。
【００７７】
即ち、超小型のTAG装置１２が使用される非接触通信システム１に対して、アンテナシート６１が図４に示されるように配置された場合、アンテナシート６１は、中継アンテナとしての機能を十分に発揮することができない。
【００７８】
なお、図４に示されるような配置は、実際には、R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３との間の空間に、アンテナシート６１が配置されることを意味している。即ち、仮に図４に示される配置が実用性のある配置だとされても、製造者等は、アンテナシート６１を図４に示されるように実際に配置することは困難である。
【００７９】
そこで、本出願人は、幾何学的結合係数kを臨界結合係数k0にマッチングさせるという観点から、TAGアンテナ２３とアンテナシート６１との大きさが甚だ異なる場合のアンテナシート６１の配置位置について解析し、アンテナシート６１の適切な配置位置を解明した。以下、この解析結果、即ち、アンテナシート６１の適切な配置位置について説明する。
【００８０】
なお、前提条件として、上述したように、TAGアンテナ２３に対して、R/Wアンテナ２２が甚だ大きいものとされ、アンテナシート６１は、R/Wアンテナ２２に対して十分な幾何学的結合係数kの値が得られることを目的として、R/Wアンテナ２２と同等程度の大きさを持つものとされる。
【００８１】
なお、R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３とは双対の関係にあることから、R/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３とが置き換えられても以下の議論は成立する。
【００８２】
それぞれの大きさが甚だ異なるTAGアンテナ２３とアンテナシート６１とが使用される場合、システムが非共振系であると臨界結合係数k0の値は大きな値となるため、十分な幾何学的結合係数kの値が得られない。
【００８３】
そこで、システムが共振系となるように、ここでは、TAGアンテナ２３とアンテナシート６１とが、図５Ａに示されるように、それぞれ配置されるものとする。
【００８４】
即ち、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３とのそれぞれの中心軸（幾何学的センター）が合わせられて配置された位置（TAGアンテナ２３の中心が、（０，０，０）に配置された位置）が基準とされた場合、TAGアンテナ２３が、x軸方向にx1だけ、またはz軸方向にz1だけシフトされて配置される（TAGアンテナ２３の中心が、座標（ｘ１，０，０）、または（０，０，z1）に配置される）ものとする。
【００８５】
図５Bは、このようにアンテナシート６１とTAGアンテナ２３とが配置された場合におけるアンテナシート６１とTAGアンテナ２３との幾何学的結合係数kの様相を表している。
【００８６】
図５Bにおいて、曲線（ｘシフト）８１は、TAGアンテナ２３がx軸方向にx1だけシフトされて配置された場合におけるアンテナシート６１とTAGアンテナ２３との幾何学的結合係数k(x1)（x1は、０乃至３０mm）を表しており、一方、曲線（ｚシフト）８２は、TAGアンテナ２３がｚ軸方向にｚ1だけシフトされて配置された場合におけるアンテナシート６１とTAGアンテナ２３との幾何学的結合係数k(z1)（z1は、０乃至３０mm）を表している。
【００８７】
曲線（ｚシフト）８２に示されるように、TAGアンテナ２３がz軸方向にシフトされて配置された場合、または、曲線（ｘシフト）８１に示されるように、TAGアンテナ２３がx軸方向にさほどシフトされずに配置された場合（TAGアンテナ２３がアンテナシートの幾何学的センター付近に配置された場合）、十分な幾何学的結合係数kの値は得られない。
【００８８】
一方、８１―１点に示されるように、TAGアンテナ２３が、x軸方向に約17mmシフトされて配置されたとき、即ち、アンテナシート６１の同一平面上、かつアンテナシート６１の導線の近傍に配置されたとき、比較的大きな幾何学的結合係数kの値（k（17）＝0.08）が得られる。
【００８９】
このように配置されると、TAGアンテナ２３は、アンテナシート６１の導線の周囲に発生されるループ磁界の影響をより強く受けることができるようになる。
即ち、TAGアンテナ２３の平面（TAGアンテナ２３のコイルLbのループ面）が、アンテナシート６１の導線に流れる線電流により生成された磁束ループをより多く横切るように、TAGアンテナ２３が配置されれば、電磁結合がより強くなる。
【００９０】
具体的には、図６Ａに示されるように、アンテナシート６１（アンテナコイルLc）は、R/Wアンテナ２２からの磁界Ｈｒを受け、電圧が誘起され、誘導電流irを発生する。この誘導電流irが、アンテナシート６１の導線の周囲にループ磁界Ｈａをつくる。
【００９１】
従って、図５においては、TAGアンテナ２３とアンテナシート６１とが同一平面上である場合の解析のみが行われたが、上述したように、アンテナシート６１のアンテナコイルLcの導線周囲のループ磁界Haの利用が可能な位置であれば、TAGアンテナ２３の配置位置は限定されない。即ち、TAGアンテナ２３とアンテナシート６１とが同一平面に配置される必要はない。
【００９２】
例えば、図６Bに示されるように、TAGアンテナ２３は、アンテナシート６１の長方形のアンテナパターン（アンテナコイルLc）のうち、いずれかの一辺に接するとともに、その一辺の周囲に発生されるループ磁界Ｈａに大きく作用されるように設置されるとよい。この場合、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３との幾何学的結合係数kの値が最も高められる。
【００９３】
またこのようなTAGアンテナ２３の配置（図６Ｂに示されるような配置）は、図６Ｃに示されるように、逆にTAGアンテナ２３からの磁界Htが、アンテナシート６１に効率良く伝達される。
【００９４】
なお、上述したように（図５Ｂの曲線（ｘシフト）８１に示されるように）、TAGアンテナ２３とアンテナシート６１とが、図６Bに示されるように配置され（例えば、TAGアンテナ２３の中心が、座標（１７、０、０）に配置され）、幾何学的結合係数kの値が最大値となった場合（８１−１点に示されるように、k(17)＝0.08となった場合）であっても、幾何学的結合係数kの値は遥か1には満たないが、TAGアンテナ２３とアンテナシート６１とが共振系を有することで比較的小さな結合係数においても十分な誘起電圧が得られることができる。
【００９５】
一方、TAGアンテナ２３がアンテナシート６１の幾何学的センターに配置されていた場合（TAGアンテナ２３の中心が（０、０、０）に配置されていた場合）、アンテナシート６１の導線周囲に発生されるループ磁界HaのTAGアンテナ２３に対する影響、およびTAGアンテナ２３からの磁界Htのアンテナシート６１に対する影響が非常に小さくなり、その結果、幾何学的結合係数kの値はむしろ小さくなる（k(0)=約0.015となる）。
【００９６】
これはTAGアンテナ２３とアンテナシート６１との大きさが非常に異なる場合において特徴的なことである。
【００９７】
ところで、非接触通信技術は非常に応用範囲が広く、様々な応用技術が提案されているが、上述したように、いったん設計された非接触通信システムにおいては、R/Wアンテナ２２、またはTAGアンテナ２３の仕様が決定された時点でシステムの通信距離が規定されてしまう。
【００９８】
即ち、TAGアンテナ２３が小さく設計された非接触通信システムにおいては、その後いくらR/Wアンテナ２２が大きく設計されたとしても、図２Ｂの曲線（アンテナ径3.6mmと10mmの組合せ）４３に示されるように、TAGアンテナ２３が小さい限り通信距離はTAGアンテナ２３に見合って非常に短くなってしまう。逆も同様であり、図２Ｂの曲線（アンテナ径3.6mm）４１と曲線（アンテナ径10mm）４２とに示されるように、通信距離が拡大されるためには、双方のアンテナが大型化される必要がある。
【００９９】
しかしながら、R/W装置１１は機器の設計自由度があり、大きなアンテナを有すことも可能であるが、一方、規格化されたカセットなどのTAG装置１２は、機器の設計自由度が小さく、大きなアンテナを有することは困難である。
【０１００】
そこで、上述したように、共振現象を利用したアンテナシート６１が非接触通信基礎システム１に用いられるとともに、かつそれが適切にTAGアンテナ２３の近傍に配置されることによって、R/Wアンテナ２１とTAGアンテナ２３とが、アンテナシート６１を介して十分な通信距離で通信することが可能になる。
【０１０１】
また、アンテナシート６１がTAGアンテナ２３の近傍に配置されることによって、TAGアンテナ２３とアンテナシート６１が一緒に取り扱われることができる。
【０１０２】
ただし、アンテナシート６１が中継アンテナとして有効に利用されるためには、アンテナシート６１とR/Wアンテナ２２との幾何学的結合係数kの値と、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３との幾何学的結合係数kの値とがそれぞれ適切に調整される必要がある。
【０１０３】
この例においては、これら２つの幾何学的結合係数kの値は、それぞれ臨界結合係数k0の値にマッチングされるものとする。このアンテナシート６１による臨界結合係数kと幾何学的結合係数k0のマッチングの様子が、図７に示されている。
【０１０４】
なお、図７Ｂは、上述した図５Bに対応し、一方、図７Cは、上述した図２Bに対応している。
【０１０５】
図７Cの曲線k(z)１０２に示されるように、共振の効果によって下げられた臨界結合係数k0の値に対して、R/Wアンテナ２２とアンテナシート６１とでは遠距離z1において幾何学的結合係数k(z)がマッチングされ、一方、図７Bの曲線k(x)１０１に示されるように、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３とでは甚だ異なるアンテナ径の大きさの差異が利用されて、アンテナシート６１の導線の近傍において幾何学的結合係数k(x)がマッチングされている。
【０１０６】
ところで、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３との大きさが同程度である場合、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３とが近傍に配置されると、両者は密結合の状態となり、共振周波数が通信搬送周波数から外れてしまい、通信搬送周波数において十分な共振が得られないという現象が起こる。即ち、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３との近傍におけるマッチングに関しては、両者の大きさの違いが非常に効果的であることがわかる。
【０１０７】
このようにしてマッチングされたそれぞれのアンテナは、実際には、例えば、図７Ａに示されるように配置される。
【０１０８】
即ち、アンテナシート６１が基準とされた場合、R/Wアンテナ２２は、その中心とアンテナシート６１の中心との距離がz1となるとともに、その面（コイルLaのループ面）とアンテナシート６１の面（コイルLcのループ面）とが平行になるように配置される（R/Wアンテナ２２とアンテナシート６１とは、距離ｚ１だけ離れて、対向するようにそれぞれ配置される）。
【０１０９】
また、TAGアンテナ２３は、アンテナシート６１の中心との距離がx1に、即ち、アンテナシート６１のアンテナパターン（コイルLc）の任意の一辺の近傍に配置されるとともに、そのアンテナパターンの一辺（導線）の周囲のループ磁界に大きく作用されるように配置される。
【０１１０】
具体的には、図８Ａに示されるように、例えば、TAG装置１２は、アンテナシート６１の辺６１ａに接するように同一平面上に配置されることができる。
【０１１１】
このように、図１の非接触通信基礎システム１にアンテナシート６１が付加された非接触通信システム１１１は、図８Ｂに示されるように構成される。なお、図８Ｂにおいて、図１の非接触通信基礎システム１に対応する部分には、対応する符号が付してある。
【０１１２】
この構成例においては、上述したように、中継アンテナであるアンテナシート６１が、R/W装置１１のR/Wアンテナ２２とTAG装置１２のTAGアンテナ２３との間に配置されている。
【０１１３】
アンテナシート６１は、上述したように、コイルLcおよびキャパシタCcからなる閉回路として形成されている。即ち、アンテナシート６１は、そのコイルLcの第１の結合部１１２がR/Wアンテナ２２と相互インダクタンスＭで電磁結合するためのループアンテナとして動作するとともに、そのコイルLcの第２の結合部１１３がTAGアンテナ２３と相互インダクタンスＭで電磁結合するためのアンテナとして動作し、さらに所定の通信搬送周波数に共振するLC共振回路としても動作する。
【０１１４】
第１の結合部１１２は、図８Ａでは、アンテナシート６１のアンテナパターン（コイルLc）のループ全体に相当し、一方、第２の結合部１１３は、主にアンテナシート６１のアンテナパターンの１つの辺６１ａに相当する。即ち、上述したように、第２の結合部１１３の導線に流れる線電流が生成するループ磁界により、第２の結合部１１３とTAGアンテナ２３（コイルLb）とが電磁結合される。
【０１１５】
その他の構成は、図１と同様である。
【０１１６】
アンテナシート６１の動作は、上述した通りであり、また、非接触通信システム１１１の動作は、基本的に図１の非接触通信基礎システム１の動作と同様であるので、それらの説明は省略する。
【０１１７】
なお、アンテナシート６１とTAGアンテナ１２とは、上述した条件、即ち、アンテナシート６１のアンテナパターン（コイルLc）の任意の辺の導線、またはTAGアンテナ１２のコイルLbの導線に流れる電流がこれらの導線の周辺に生成した循環磁界により、アンテナシート６１とTAGアンテナ１２が相互インダクタンスＭで電磁結合されるという条件が満たされれば、自在に配置されることができる。
【０１１８】
例えば、アンテナシート６１とTAGアンテナ１２とはそれぞれ、図９に示されるように配置されることができる。
【０１１９】
図９Ａは、TAG装置１２とアンテナシート６１−１がそれぞれ独立した平面上に配置された例である。ただし、図８Ｂの第２の接続部１１３は、主にアンテナパターン（コイルLc）の辺６１−１ａに相当する。
【０１２０】
図９Ｂは、アンテナシート６１−２の基板（シート）７１が、Ｌ字型の平面、即ち、ｘ−ｙ平面に平行な面６１−２ａとｘ−ｚ平面に平行な面６１−２ｂとから構成される平面状のシートにより形成された例である。TAG装置１２は、例えば、面６１−２ｂ上、かつアンテナパターン（コイルLc）の辺６１−２ｃに接するように配置される。即ち、図８Ｂの第２の接続部１１３は、主にアンテナパターン（コイルLc）の辺６１−２ｃに相当する。
【０１２１】
図９Ｃは、図９Ｂと同様に、アンテナシート６１−３の基板（シート）７１が、Ｌ字型の平面、即ち、ｘ−ｙ平面に平行な面６１−３ａとｘ−ｚ平面に平行な面６１−３ｂとから構成される平面状のシートにより形成された例である。ただし、面６１−３ｂは、図９Ｂの面６１−２ｂよりも小さく、例えば、TAG装置１２が丁度収まる程度の大きさに構成される。即ち、TAG装置１２は、例えば、面６１−３ｂ上、かつアンテナパターン（コイルLc）の辺６１−３ｃ、辺６１−３ｄ、および辺６１−３ｅの３辺に接するように配置される。即ち、図８Ｂの第２の接続部１１３は、主にアンテナパターン（コイルLc）の辺６１−３ｃ、辺６１−３ｄ、および辺６１−３ｅに相当する。
【０１２２】
このように、アンテナシート６１とTAGアンテナ１２とは、実装される場所や大きさ、または製造における工程などが考慮された様々な形での配置が可能であり、非常に近接して配置されることができることから、アンテナシート６１とTAG装置１２とは必要に応じて同一の装置として運用されることができる。
【０１２３】
換言すると、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３とは一体のアンテナとしてみなすことができる。即ち、アンテナシート６１が使用されれば、TAGアンテナ２３が変更されなくても、容易に通信範囲の拡大が達成されることができる。
【０１２４】
ただし、上述したように、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３との大きさの差は甚だ異なる必要がある。なぜならば、仮にアンテナシート６１とTAGアンテナ２３との大きさがほぼ等しい場合、幾何学的結合係数ｋが低い臨界結合係数k0にマッチングされるためには、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３とが離されて配置される必要があり、これでは実用上、容易に通信範囲の拡大が達成されたとは言いがたいからである。
【０１２５】
また、特に、図９Ａに示されるような配置方法、即ち、アンテナシート６１−１の法線方向とTAG装置１２のTAGアンテナ２３の法線方向とが垂直となるように配置させるという配置方法は、２つのアンテナを対向させて通信するという従来の通信システムでは適用不可能であり、上述したアンテナ導線周囲のループ磁界が利用される方式が採用されて初めて可能になったものである。この配置方法は、以下の応用例においてもその効果を十分に発揮している。
【０１２６】
即ち、図１０は、図８の非接触通信システム１１１が適用されたビデオカセットシステムの構成例を表している。
【０１２７】
現在、図１０Ａに示されるような小型のTAG装置１２が埋め込まれたビデオカセット１２１と、R/Wアンテナ２２が取り付けられたビデオカセットプレーヤ１２２とから構成されるビデオカセットシステムが商品化されている。
【０１２８】
このシステムにおいては、ビデオカセット１２１がビデオカセットプレーヤ１２２内に装着された場合、ビデオカセット１２１に埋め込まれたTAG装置１２（TAGアンテナ２３）と、ビデオデッキに取り付けられたR/Wアンテナ２２とが近距離において対向して、ビデオカセットプレーヤ１２２内で非接触通信が行われる。
【０１２９】
このTAGアンテナ２３は、ビデオデッキカセット１２１の形状に合わせて超小型に製作されており、主に近接距離（ビデオデカセットプレーヤ１２２内）での通信が目的とされたアンテナである。
【０１３０】
このようなビデオカセット１２１に関しても、ビデオカセット１２１本体のTAG装置１２が変更されることなく、図１０Ｂに示されるように、アンテナシート６１が追加されるだけで、容易にその通信距離が変更されることができる。
【０１３１】
即ち、図１０Ｂに示されるように、シート状に形成されたアンテナシート６１が、ビデオカセット１２１と一緒にビデオカセットケース１２２に収められると、アンテナシート６１とTAGアンテナ２３とが最適な位置関係で配置されたことになり、その結果、TAGアンテナ２３の通信距離が、見かけ上、延長される。
【０１３２】
換言すると、TAGアンテナ２３の大きさは、見かけ上、アンテナシート６１の大きさに拡張されたことになり、それに応じたR/W装置（ビデオカセットプレーヤ１２２に搭載されているR/W装置１１とは別のR/W装置）が使用されることで、遠距離での通信が可能となる。
【０１３３】
このようにして、本来、近距離通信が目的とされた非接触通信基礎システム１において、アンテナシート６１が追加されるだけで、TAG装置１２本体が変更されることなく通信距離が延長されることができる。例えば、ユーザは、ビデオカセットケース１２２をアンテナシート６１とともにビデオカセット１２１に挿入し、それをその他のR/W装置にかざすだけで、非接触通信を行わせることができる。
【０１３４】
さらに、アンテナシート６１が例えば図９Ａのような形状の場合、アンテナシート６１は、上述したように（図１０Ｂに示されるように）、１枚のシート状に形成される他、例えば、図９Ｂのような形状の場合、カセットインデックスシート状（L字型）に形成されることができる。
【０１３５】
このように、対応するR/Wアンテナ２２にあわせてアンテナシート６１の大きさが変更されることによって、通信距離の決定要因がR/Wアンテナ２２とTAGアンテナ２３の組み合わせではなく、R/Wアンテナ２２とアンテナシート６１の組み合わせになる。これはちょうどR/Wアンテナ２２からは、TAG装置１２のアンテナがアンテナシート６１になったようにみなされることを意味している。
【０１３６】
即ち、アンテナシート６１は、小さなTAGアンテナ２３の近傍に適切に設置されることにより、TAGアンテナ２３が変更されたときと同じ効果を奏することができる。従って、製造者等は、TAGアンテナ２３の大きさによらず、新たなR/Wアンテナを設計し、TAG装置１２の通信距離を延長することができる。
【０１３７】
さらに、アンテナシート６１はTAGアンテナ２３に接して使用されるために、両者は一体に扱われることができ、実際の利用において非常に利便性の高いものとなる。
【０１３８】
さらにまた、アンテナシート６１は、アンテナパターン（コイルLc）と、共振を調整するための少ない容量のキャパシタCcとの２つ素子のみといった非常に簡素な構成で実現可能であり、非常に少ないコストで製造が可能であるとともに、配置上の自由度が比較的高いアンテナ装置である。
【０１３９】
従って、アンテナシート６１が適用された非接触通信システム１１１は、スペース上の理由からやむを得ずTAGアンテナ２３が小さく設計されたが、用途に応じてTAG装置１２の通信距離の延長が要求される場合等において、特に有効なシステムである。
【０１４０】
また、非接触通信システム１１１は、１つのTAGアンテナ２３に対して、R/Wアンテナ２２以外の複数のR/Wアンテナを対応させることができる。即ち、製造者等は、配置スペースや用途に見合った通信距離に応じて複数のR/Wアンテナを設計することができ、その結果、上述したようなビデオカセットシステムの他、様々な非接触通信技術が利用されるシステムまたは装置等を製造することができる。
【０１４１】
このように、非接触通信システム１１１は、アンテナの導線周囲のループ磁界を利用することを特徴としており、従来のアンテナパターン平面（コイルのループ平面）の法線方向に発生する磁界を利用する非接触通信システムとは明らかに異なるシステムである。
【０１４２】
ところで、このアンテナの導線周囲のループ磁界を利用するという手法は、アンテナシート６１が使用されない場合であって、二つのアンテナの大きさが非常に異なるようなときにおいて、同様に適用されることができる。
【０１４３】
即ち、図１の非接触通信基礎システム１において、例えば、R/Wアンテナ２２がTAGアンテナ２３に比較して甚だ大きい場合、図１１に示されるように、TAGアンテナ２３が、その法線方向とR/Wアンテナ２２の法線方向とが一致されるように、アンテナシート６１の中心位置１３１付近に配置されたとき、R/W装置１１は、TAG装置１２から情報を読み取ることが困難となる。
【０１４４】
一方、R/Wアンテナ２２の導線の周りに発生されるループ磁界を受けるような淵、即ち、エッジ位置１３２付近に、TAGアンテナ２３が配置されたとき、R/W装置１１は、TAG装置１２から情報を読み取ることが可能となる。
【０１４５】
このように、上述した手法（アンテナの導線周囲のループ磁界を利用する手法）は、R/Wアンテナの淵にTAGアンテナを配置して通信する様な非接触通信システムに適用されることができる。
【０１４６】
なお、図１１においては、R/Wアンテナ２２がTAGアンテナ２３に比較して甚だ大きい場合について図示されているが、R/Wアンテナ２２がTAGアンテナ２３に比較して甚だ小さい場合についても、上述した手法（アンテナの導線周囲のループ磁界を利用する手法）は適用されることができる。
【０１４７】
また、本明細書において、システムとは、処理手段、および複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
【０１４８】
【発明の効果】
以上のごとく、本発明の非接触通信システムによれば、通信距離を延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される非接触通信基礎システムの構成例を示す図である。
【図２】図１の非接触通信基礎システムのR/WアンテナとTAGアンテナの、それぞれの間の距離、径、および幾何学的結合係数の関係例を示す図である。
【図３】本発明が適用されるアンテナシートの構成例を示す図である。
【図４】図３のアンテナシートの配置の構成例を示す図である。
【図５】図３のアンテナシートと図１の非接触通信基礎システムのTAGアンテナとの配置位置、および幾何学的結合係数の関係例を示す図である。
【図６】図３のアンテナシートの原理、および図３のアンテナシートと図１の非接触通信基礎システムのTAGアンテナの配置位置の関係例を説明する図である。
【図７】図３のアンテナシートと図１の非接触通信基礎システムのTAGアンテナとの幾何学的結合係数のマッチング、および、図３のアンテナシートと図１の非接触通信基礎システムのR/Wアンテナとの幾何学的結合係数のマッチングの例を模式的に示す図である。
【図８】図３のアンテナシートが図１の非接触通信基礎システムに搭載された本発明が適用される非接触通信システムの構成例を示す図である。
【図９】図８の非接触通信システムのアンテナシートとTAGアンテナの実装例の構成を示す図である。
【図１０】図８の非接触通信システムが適用されたビデオカセットシステムの構成例を示す図である。
【図１１】図１の非接触通信基礎システムのTAGアンテナとR/Wアンテナの配置の応用例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  非接触通信基礎システム，  １１  R/W装置，  １２  TAG装置，  ２１  R/W主装置，  ２２  R/Wアンテナ，  ２３  TAGアンテナ，  ２４  ＬＳ変調回路，  ２５  TAG主装置，  ６１  アンテナシート，  ７１  基板，１１１  非接触通信装置，  １１２  第１の結合部，  １１３  第２の結合部，  Ra，Rb，Rc  抵抗，  La，Lb  コイル，  Lc  アンテナコイル，  Ca,Cb,Ccキャパシタ，  Ha，Hr，Ht  磁界，  ir，it  誘導電流
【図１】
0004478366.tif 000004
【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】
0004478366.tif 000009
【図７】
0004478366.tif 000010
【図８】
0004478366.tif 000011
【図９】
0004478366.tif 000012
【図１０】
0004478366.tif 000013
【図１１】
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