(57)【要約】【課題】  複数のアンテナコイルを備えており、且つ簡易な配線構造を有するアンテナを提供する。【解決手段】  本発明の実施の形態のアンテナ１０は、複数の第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄと、複数の第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄに電磁的に結合された第１のアンテナコイル１４とを備えている。この実施の形態のアンテナ１０では、第２のアンテナコイル１４からの磁束によって第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄが励起される。したがって、アンテナ１０によれば、配線構造が簡易なものとなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１のアンテナコイルと、
前記複数の第１のアンテナコイルに電磁的に結合されており、且つ、送受信器に電気的に接続されるアンテナコイルと、
を備えるアンテナ。
【請求項２】
前記複数の第１のアンテナコイルによって構成されるアレイアンテナの中心軸線は、前記第２のアンテナコイルを通過する請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記第２のアンテナコイルは、前記アレイアンテナのサイズと同等サイズである請求項２のアンテナ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のアンテナと、
前記第２のアンテナコイルに電気的に接続された送受信器と、
を備える、リーダライタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ、及びリーダライタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘導方式を用いたＲＦＩＤ（RadioFrequency IDentification）システムが知られている。このようなＲＦＩＤシステムに用いられるリーダライタやＲＦＩＤタグにはアンテナが用いられている。下記特許文献１〜４には、アンテナを用いたリーダライタが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１１０１３１号公報
【特許文献２】特開２００４−１６４５４７号公報
【特許文献３】特開２００５−１０８１１０号公報
【特許文献４】特開２００４−１９９２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ＲＦＩＤシステムには、リーダライタが複数のＲＦＩＤタグと同時にまたは順次に通信することができるアンチコリジョン機能（複数読み取り機能）を備えたものがある。このようなＲＦＩＤシステムに用いられるリーダライタには、複数のアンテナコイルを配列したアレイアンテナを用いることができる。しかしながら、アレイアンテナでは、それぞれのアンテナコイルへ電力を供給するために、複雑な給電用配線パターンが必要である。
【０００４】
そこで、本発明は、複数のアンテナコイルを備えており、且つ簡易な配線構造を有するアンテナを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のアンテナは、複数の第１のアンテナコイルと、第２のアンテナコイルを備えている。第２のアンテナコイルは、複数の第１のアンテナコイルに電磁的に結合されており、且つ、送受信器に電気的に接続されている。
【０００６】
このアンテナによれば、第２のアンテナコイルに給電することによって、複数の第１のアンテナコイルから電磁波を放射することができる。したがって、このアンテナでは、複雑な給電用配線パターンを必要としない。
【０００７】
なお、第１のアンテナコイルおよび第２のアンテナコイルには、線状の導体を一巻き以上巻いてなるアンテナが適用可能である。かかるアンテナとしては、ループアンテナ、うずまきアンテナ、ヘリカルアンテナ、アンテナコイル、スパイラルインダクタ等が例示される。
【０００８】
複数の第１のアンテナコイルによって構成されるアレイアンテナの中心軸線は、第２のアンテナコイルを通過していることが好ましい。より好ましくは、複数の第１のアンテナコイルによって構成されるアレイアンテナの中心軸線と第２のアンテナコイルの中心軸線とがほぼ同一線上にあることである。
【０００９】
また、第２のアンテナコイルは、アレイアンテナのサイズと同等サイズであることが好ましい。
【００１０】
また、本発明のアンテナは、磁性体シートを更に備えており、複数の第１のアンテナコイルは第１の基板に設けられており、第２のアンテナコイルは第２の基板に設けられており、第２の基板は、磁性体シート及び第１の基板と対向するように当該磁性体シートと第１の基板との間に設けられていることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、磁性体シートの側における第２のアンテナコイルからの磁束は、当該磁性体シートに集中する。したがって、第２のアンテナコイルに対して磁性体シートの裏側に、金属筐体や回路基板といった金属を含む部材を配置しても、当該金属による渦電流の発生を抑制することができる。
【００１２】
磁性体シートは、鉄、ニッケルおよびパーマロイのいずれか一つを含んでいることが好ましい。
【００１３】
なお、第１のアンテナコイルと第２のアンテナコイルを同一基板上に作成する場合も考えられる。この場合は、基板の表面に第１のアンテナを配置し、裏面に第２のアンテナを配置する。
【００１４】
また、本発明のリーダライタは、上述の本発明のアンテナと、第２のアンテナコイルに電気的に接続された送受信器と、を備える。このリーダライタでは、第２のアンテナコイルが、送受信器によって給電され、第１のアンテナコイルが、第２のアンテナコイルとの電磁的な結合によって励起される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数のアンテナコイルを備えており、且つ簡易な配線構造を有するアンテナが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。以下に説明する実施の形態は、本発明のアンテナを用いたリーダライタに係るものである。なお、以下の説明において、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１７】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るリーダライタを示す分解斜視図であり、図２は、図１に示すリーダライタの側面図であり、図３は、図１に示すアンテナの平面図である。
【００１８】
図１に示すリーダライタ１は、ＲＦＩＤシステム用のリーダライタとして用いられるものであり、アンテナ１０と、リーダライタ本体部１１とを備えている。
【００１９】
アンテナ１０は、第１のアンテナコイル１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ及び１２Ｄと、第２のアンテナコイル１４とを備えている。
【００２０】
第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄは、第１の基板１６の一方の主面上に形成されたスパイラル形状の配線パターンである。この配線パターンは、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、および、パーマロイ等の導電体を含む材料からなる。これらの材料は磁性体でもある。例えば、アルミニウムは軟磁性を有する常磁性体であり、銅は軟磁性を有する反磁性体であり、鉄、ニッケル、および、パーマロイは軟磁性を有する強磁性体である。また、第１の基板１６は、例えば、ガラスエポキシ樹脂（ＦＲ−４）、テフロン（登録商標）、および、アルミナ等の誘電体を含む材料からなる。
【００２１】
これら第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄは、第１の基板１６の一方の主面上に配列されている。すなわち、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄは、所謂アレイアンテナを構成している。
【００２２】
第１の基板１６の他方の主面には、第２の基板１８が接着部材２０によって固定されている。なお、接着部材２０は、電磁波に対する損失が小さい誘電体であることが好ましい。かかる接着部材２０としては、粘着テープが例示される。接着部材を用いず、第１の基板１６と、第２の基板１８を、ネジ等で固定しても良い。また、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄと第２のアンテナコイル１４とを同一基板上に作成することもできる。この場合には、基板の表面に第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄを配置し、裏面に第２のアンテナコイル１４を配置すればよい。
【００２３】
第２の基板１８の一方の主面上には、第２のアンテナコイル１４が形成されている。第２のアンテナコイル１４は、スパイラル形状の配線パターンである。この配線パターンは、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、および、パーマロイ等の導電体を含む材料からなる。上述したように、これらの材料は磁性体でもある。また、第２の基板１８は、例えば、ガラスエポキシ樹脂（ＦＲ−４）、テフロン（登録商標）、および、アルミナ等の誘電体を含む材料からなる。
【００２４】
第２のアンテナコイル１４は、図３に示すように、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄのそれぞれとほぼ均等に電磁的に結合されていることが好ましい。具体的には、図１に示すように、複数の第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの中心軸線Ｘは、第２のアンテナコイル１４を通過するように、第２のアンテナコイル１４と軸線Ｘ方向に重ねられており、このアレイアンテナの中心軸線Ｘと第２のアンテナコイルの中心軸線Ｙとがほぼ同一線上にあることが好ましい。
【００２５】
第２のアンテナコイル１４は、例えば、第２の基板１８の他方の主面の配線パターン２２を介してコネクタ２３に電気的に接続されている。コネクタ２３には、本体部１１のコネクタが電気的に接続されている。
【００２６】
本体部１１は、アンテナ１０の第２の基板１８の他方の主面に対向するように配置されている。この本体部１１は、第３の基板２４、送受信器２６、及びコネクタ２９を有している。
【００２７】
コネクタ２９は、第３の基板２４の一方の主面に設けられており、当該コネクタ２９はコネクタ２３と電気的に接続されている。また、この第３の基板２４の一方の主面上には、ＲＦＩＤシステムに用いられる送受信器２６が搭載されている。この送受信器２６は、配線パターン２８を介してコネクタ２９に接続されている。送受信器２６は、第２のアンテナコイル１４に電力を出力し、また、第２のアンテナコイル１４から電力を受ける。
【００２８】
ここで、「電力」とは、送受信器が出力する交流信号または送受信器が受ける交流信号のことであり、キャリア周波数成分と変調周波数成分とを含んでいる。なお、以下の動作説明では、「電力」の代わりに「信号」を用いることとする。
【００２９】
以下、リーダライタ１におけるアンテナ１０の動作を説明する。送受信器２６から電圧信号が出力されると、この電圧信号の強度に応じた電流信号が第２のアンテナコイル１４に流れる。
【００３０】
第２のアンテナコイル１４に電流信号が流れると、この電流に誘起された磁束が発生する。この磁束によって、第２のアンテナコイル１４に電磁的に結合された第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄのそれぞれが励起され、これら第１のアンテナコイルから電磁波が放射される。このようにして、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄから放射された電磁波が、アンテナ１０の出力信号となる。
【００３１】
以上、アンテナ１０および送受信器２６の送信動作について説明したが、受信動作も同様である。第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄのうち少なくとも何れかに電磁波が照射されると、当該第１のアンテナコイルに電磁的に結合されている第２のアンテナコイル１４に磁束が発生する。この磁束によって、第２のアンテナコイル１４には、誘導電流が生じる。この誘導電流は送受信器２６に入力されて電圧信号に変換される。このようにして、アンテナ１０は、電磁波の信号を受信する。
【００３２】
以上説明したように、アンテナ１０では、送受信器２６に電気的に接続された第２のアンテナコイル１４とアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄが電磁的に結合されているので、複数の第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄを配列しても、複雑な給電用配線パターンを必要としない。したがって、アンテナ１０によれば、配線構造が簡易なものとなる。
【００３３】
また、本実施の形態のアンテナ１０によれば、複雑な給電用配線パターンを必要としないので、単層基板上にアレイアンテナを形成することができる。したがって、本実施の形態のアンテナは、低価格化が要求されているＲＦＩＤシステムに好適に適用される。
【００３４】
なお、本実施の形態では、本体部１１は、アンテナ１０の第２の基板１８の他方の主面に対向するように配置されていたが、本体部１１の位置は、リーダライタ１の形状によって変更可能である。例えば、本体部１１は、アンテナ１０の横に配置されていてもよい。
【００３５】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るリーダライタの側面図である。図４に示すリーダライタ１Ａは、アンテナ１０Ａと、リーダライタ本体部１１とを備えている。
【００３６】
アンテナ１０Ａは、第１の実施の形態のアンテナ１０に磁性体シート４０を備えたものである。アンテナ１０ａの他の構成はアンテナ１０と同一である。
【００３７】
磁性体シート４０は、第２の基板１８の他方の主面と本体部１１の間に設けられている。すなわち、アンテナ１０Ａにおいては、第２の基板１８が、第１の基板１６と磁性体シート４０とに対向するように、当該第１の基板１６と磁性体シート４０との間に設けられている。磁性体シート４０は、例えば粘着テープといった接着部材４２によって第２の基板１８の他方の主面に固定されている。
【００３８】
磁性体シート４０は、例えば、鉄、ニッケルおよびパーマロイ等のうちいずれか一つを主成分として含む材料からなる。このような磁性体シートは軟磁性を有する強磁性体である。
【００３９】
この磁性体シート４０は、第２のアンテナコイル１４のサイズより大きいことが好ましく、第２の基板１８の他方の主面側から第２のアンテナコイル１４を覆うように設けられていることが好ましい。
【００４０】
この磁性体シート４０は、本体部１１における金属のように、第２の基板１８に対して磁性体シート４０の裏側に設けられる金属を通過する磁束を減少させる。すなわち、第２のアンテナコイル１４からは磁性体シート４０に向けた磁束が発生するが、この磁束は磁性体シート４０に集中する。したがって、磁性体シート４０の更に裏側に設けられた金属表面を通過する磁束が減少する。その結果、当該金属に発生する渦電流の発生が抑制され、第２のアンテナコイル１４から第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄに向かう磁束の減少を防止することができる。
【００４１】
なお、金属は、例えば、第３の基板２４の配線パターン、第３の基板２４に搭載される回路部品の電極、および、金属筐体等が想定され、その材料は、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、および、パーマロイ等の導電体が想定される。上述したように、これらの材料は磁性体でもある。
【００４２】
以下、第２のアンテナコイル１４のサイズとアンテナの磁界強度との関係を説明する。図５は、第１の実施例のアンテナのシミュレーションモデルを示す図であり、図６は、第２の実施例のアンテナのシミュレーションモデルを示す図であり、図７は、第３の実施例のアンテナのシミュレーションモデルを示す図である。
【００４３】
第１の実施例のアンテナでは、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄは、外形Ａ１×Ｂ１＝２０ｍｍ×２０ｍｍ、配線パターン幅Ｗ１＝１ｍｍ、配線パターン間隔Ｓ１＝１ｍｍ、巻数３ターンのアンテナコイルであり、それぞれＤ１＝Ｄ２＝２ｍｍの間隔で２次元配列されている。また、第２のアンテナコイル１４は、第１のアンテナコイルと同サイズ（外形Ａ２×Ｂ２＝２０ｍｍ×２０ｍｍ、配線パターン幅Ｗ２＝１ｍｍ、配線パターン間隔Ｓ２＝１ｍｍ、巻数３ターン）のアンテナコイルである。すなわち、第１の実施例の第２のアンテナコイル１４の面積は、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの面積より小さい。また、第２のアンテナコイル１４の中心は、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの中心と同軸に設けられている。
【００４４】
第２の実施例のアンテナでは、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄは、第１の実施例と同一のものである。第２のアンテナコイル１４は、外形Ａ３×Ｂ３＝４２ｍｍ×４２ｍｍ、配線パターン幅Ｗ３＝１ｍｍ、配線パターン間隔Ｓ３＝１ｍｍ、巻数３ターンのアンテナコイルである。すなわち、第２の実施例の第２のアンテナコイル１４の面積は、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの面積と一致している。また、第２のアンテナコイル１４の中心は、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの中心と同軸に設けられている。
【００４５】
第３の実施例のアンテナでは、第１の放射用アンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄは、第１の実施例と同一のものである。第２のアンテナコイル１４は、外径Ａ４×Ｂ４＝８０ｍｍ×８０ｍｍ、配線パターン幅Ｗ４＝１ｍｍ、配線パターン間隔Ｓ４＝１ｍｍ、巻数３ターンのアンテナコイルである。すなわち、第３の実施例の第２のアンテナコイル１４の面積は、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの面積より大きい。また、第２のアンテナコイル１４の中心は、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの中心と同軸に設けられている。
【００４６】
図８は、第１、第２および第３の実施例のアンテナから放射される磁界強度のシミュレーション結果を示す図である。曲線Ａは第１の実施例のアンテナから放射される磁界強度のシミュレーション結果であり、曲線Ｂは第２の実施例のアンテナから放射される磁界強度のシミュレーション結果である。また、曲線Ｃは第３の実施例のアンテナから放射される磁界強度のシミュレーション結果である。
【００４７】
横軸の角度は、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナからの放射角度を示している。すなわち、図８は、これらのアンテナの指向性を示している。
【００４８】
放射角度が０度の方向では、隣り合うアンテナコイルによって生成される磁界がお互いに弱め合うので、電界強度が低下している。具体的には、放射角度が０度の方向では、第１のアンテナコイル１２Ａおよび１２Ｂによって生成される磁界の向きと第１のアンテナコイル１２Ｃおよび１２Ｄによって生成される磁界の向きとが逆方向であるので、それぞれの磁界が互いに弱め合う。また、第１のアンテナコイル１２Ａおよび１２Ｃによって生成される磁界の向きと第１のアンテナコイル１２Ｂおよび１２Ｄによって生成される磁界の向きとが逆方向であるので、それぞれの磁界が互いに弱め合う。
【００４９】
放射角度が−４５度の方向および４５度の方向では、第１のアンテナコイル１２Ａおよび１２Ｂによって生成される磁界と第１のアンテナコイル１２Ｃおよび１２Ｄによって生成される磁界とが互いに強め合い、第１のアンテナコイル１２Ａおよび１２Ｃによって生成される磁界と第１のアンテナコイル１２Ｂおよび１２Ｄによって生成される磁界とが互いに強め合うので、電界強度が高い。
【００５０】
放射角度が−９０度の方向および９０度の方向では、放射方向に対して垂直な磁界が生成されているので、放射方向の電界強度が低い。
【００５１】
図８によれば、第２のアンテナコイル１４を大きくすると、第２のアンテナコイル１４から放射される磁界強度が増加するので、アンテナから放射される磁界強度が増加していることがわかる。このように、第２のアンテナコイル１４のサイズを調整することによって、放射される磁界強度を調整することができる。
【００５２】
また、本実施の形態のアンテナ１０によれば、複数の方向に対して電磁波を放射することができる。したがって、本実施の形態のアンテナ１０は、リーダライタが複数のＲＦＩＤタグと同時にまたは順次に通信することができるアンチコリジョン機能を有するＲＦＩＤシステムに好適に適用される。
【００５３】
また、本実施の形態のアンテナによれば、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの中心軸線と第２のアンテナコイル１４の中心軸線とがほぼ同一線上にあるので、第１のアンテナコイル１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、および、１２Ｄから放射される磁界強度をほぼ等しくすることができる。したがって、本実施の形態のアンテナによれば、読み取り位置によって通信距離のばらつきが生じることがない。
【００５４】
また、本実施例では、第３の実施例のアンテナの電界強度が第１および第２の実施例のアンテナコイルの電界強度より大きい結果が得られた。しかしながら、第３の実施例のアンテナはアンテナサイズが大きい。また、第３の実施例のアンテナのように、第２のアレイアンテナ１４の外形が第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの外形より大きい場合、第２のアレイアンテナ１４から放射される電磁波が、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄから放射される電磁波と干渉する可能性がある。しかしながら、第２の実施例のアンテナのように、第２のアンテナコイル１４の外形が、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄによって構成されるアレイアンテナの外形とほぼ等しければ、第２のアレイアンテナ１４から放射される電磁波が、第１のアンテナコイル１２Ａ〜１２Ｄから放射される電磁波と干渉することがない。また、第２の実施例のアンテナでは、第２の基板１８が第１の基板１６より大きくなることがないので、アンテナサイズが大きくなることがなく、第２の基板１８の大きさを最大限に利用するアンテナを構成することができる。
【００５５】
なお、本発明は上記した本実施の形態に限定されることなく種々の変形が可能である。本実施の形態では、スパイラル形状の第１のアンテナコイルおよび第２のアンテナコイルを有するアンテナを例示したが、第１のアンテナコイルおよび第２のアンテナコイルはループ形状のものであれば、本実施の形態に適用可能である。
【００５６】
また、本実施の形態では、４つの第１のアンテナコイルを備えるアンテナを例示したが、第１のアンテナコイルの個数は、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るリーダライタを示す分解斜視図である。
【図２】図１に示すリーダライタの側面図である。
【図３】図１に示すアンテナの平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るリーダライタの側面図である。
【図５】第１の実施例のアンテナのシミュレーションモデルを示す図である。
【図６】第２の実施例のアンテナのシミュレーションモデルを示す図である。
【図７】第３の実施例のアンテナのシミュレーションモデルを示す図である。
【図８】第１、第２および第３の実施例のアンテナから放射される磁界強度のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…アンテナ、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ…放射用アンテナコイル、１４…電磁結合用アンテナコイル、１６、１８、２４…基板、２０…接着部材、２２、２８…配線パターン、２３、２９…コネクタ、２６…送受信器、４０…磁性体シート。
【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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