(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触型ＩＣカードの送信アンテナコイル手段と磁気的に結合され、該非接触型ＩＣカードから送られる信号を受信するリーダライタ用アンテナ装置に配設されたアンテナ装置であって、
少なくとも４つ以上の複数個の基本コイルを備えており、前記複数個の基本コイルの夫々においては、時計回りの巻線の向きを有する第１の小ループコイルと、反時計回りの巻線の向きを有する第２の小ループコイルとに分類される複数の小ループコイルを、隣り合う小ループコイルの巻線の向きが互いに逆向きになるようにして一辺を接して配置して構成されるとともに、
前記複数個の基本コイル同士は、前記非接触型ＩＣカードの送信アンテナコイル手段から発生した磁束に垂直な面内において、第２の基本コイルは第１の基本コイルに対して上方向にずらされ、第３の基本コイルは第１の基本コイルに対して右方向にずらされ、第４の基本コイルは第１の基本コイルに対して上方向と右方向にずらされて配置されることにより、
前記第１の基本コイル〜第４の基本コイルにおける小ループコイルが互いに接している領域において発生する不感帯と、前記複数の基本コイルのうちの何れかのコイルの内部領域である信号感知部とを重ねるようにしたことを特徴とするリーダライタ用アンテナ装置。
【請求項２】
前記複数の基本コイルを、前記小ループコイルの長さの半分の長さだけ相互にずらして配置したことを特徴とする請求項１に記載のリーダライタ用アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリーダライタ用アンテナ装置に関し、さらに詳しくは、アンテナ装置及びそれと同等な装置における雑音を相殺する装置に関し、特に非接触型ＩＣカードの送信アンテナコイル手段と磁気的に結合され、該非接触型ＩＣカード送られる信号を受信するリーダライタ用アンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報化時代にあって、電子マネーやクレジットカード等カード分野においては、ＩＣを搭載したいわゆるＩＣカードの実用化が進んできている。このＩＣカードに記録媒体書き込み／読み取り装置（リーダライタ）から電力を供給したり、データをやりとりする方法としては、アンテナコイルを用いて磁気的に非接触で行うものが提案されている。この方法は、電気接点を必要とする接触型の方法に比べて取り扱いの容易さや耐久性などにおいて優れているため、今後の主流となることが期待されている。
【０００３】
図６に、この非接触型のＩＣカードとリーダライタの一例を示す。また、図６中のリーダライタ２の送信コイル６、受信コイル７及びＩＣカード３のアンテナコイル８の部分を拡大した立体斜視図を図７に示し、図７のＸ−Ｚ方向での断面図を図８に示す。
【０００４】
図６において、リーダライタ２とＩＣカード３の動作関係は、▲１▼リーダライタ２からＩＣカード３へ電力のみが供給される状態（スタンバイモード）、▲２▼リーダライタ２からＩＣカード３へデータが送信される状態（送信モード）、▲３▼ＩＣカード３からリーダライタ２へデータが送信される状態（受信モード）、の３つの状態に大別される。
【０００５】
以下、各状態におけるリーダライタ２とＩＣカード３の内部動作の概略を図面を用いて説明する。
【０００６】
まず、リーダライタ２からＩＣカード３へ電力のみが供給される場合、すなわちスタンバイモードについて説明する。図６において、リーダライタ２では一定振幅の高周波信号が発振回路１１から送信回路１２へ供給され、ドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。
【０００７】
このとき、リーダライタ２にＩＣカード３が装着されている場合には、リーダライタ２の送信コイル６とＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。
【０００８】
そこで、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。この高周波信号は、整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【０００９】
次に、リーダライタ２からＩＣカード３へデータが送信される場合、すなわち送信モードについて説明する。図６において、リーダライタ２ではホスト１などからのデータがＣＰＵ１５で処理されて送信回路１２へ送られる。
【００１０】
この送信回路１２では、上述したスタンバイモードと同様に一定振幅の高周波信号が発振回路１１から供給されており、この高周波信号をデータで変調させて変調高周波信号が出力される。この変高周波信号がドライバ１３を介して送信コイル６に送られる。このとき、リーダライタ２にＩＣカード３が装着されており、リーダライタ２の送信コイル６とＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。
【００１１】
そこで、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。この高周波信号は、上述したスタンバイモードと同様に整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【００１２】
また、アンテナコイル８の出力信号は受信回路２３にも供給され、この部分でデータが復調されてＣＰＵ５に供給される。ＣＰＵ５はタイミング回路２５、リセット回路２６の出力に基づいて動作し、供給されるデータを処理して所定のものを図示しないメモリに書き込む。
【００１３】
最後に、ＩＣカード３からリーダライタ２へデータが送信される場合、すなわち受信モードについて説明する。図６において、リーダライタ２の送信回路１２からは無変調で一定振幅の高周波信号が出力され、ドライバ１３、送信コイル６、アンテナコイル８を介してＩＣカード３に送られる。
【００１４】
このときには、リーダライタ２にＩＣカード３が装着されており、リーダライタ２の送信コイル６とＩＣカード３のアンテナコイル８とが電磁結合されている。
【００１５】
そこで、ＩＣカード３においては、リーダライタ２の送信コイル６からＩＣカード３のアンテナコイル８を介して高周波信号が送受信回路４に供給される。この高周波信号は、整流回路２１で整流され、電源回路２２に供給されてＩＣカード３の各部に必要な所定の電源電圧が生成される。
【００１６】
一方、ＩＣカード３においては、図示しないメモリから読み出されたデータがＣＰＵ５で処理されて送信回路２４に供給される。送信回路２４は、例えば付加抵抗とスイッチとからなり、データの“１”、“０”ビットに応じてこのスイッチがオン、オフする。
【００１７】
リーダライタ２においては、上記のように送信回路２４のスイッチがオン、オフすると、アンテナコイル８に対する負荷が変動し、このため、受信コイル７に流れる高周波電流の振幅が変動する。即ち、この高周波電流はＩＣカード３のＣＰＵ５から送信回路２４に供給されるデータによって振幅変調される。この変調高周波信号は受信回路１４で復調されてデータが得られる。このデータはＣＰＵ１５で処理されて、ホスト１などに送られる。
【００１８】
ところで、上述したように、ＩＣカード３はアンテナコイル８で受けて誘導された電圧をもとに動作しており、ＩＣカード３で使用できる電力は通常数ｍＷ以下という非常に小さいレベルである。したがって、送信回路２４の動作に基づくアンテナコイル８の負荷の変動幅も小さく、リーダライタ２への送信信号はリーダライタ２からの受信信号に比べて非常に小さい。
【００１９】
ここで、図７に示すように、送信コイル６、受信コイル７、及びアンテナコイル８はＸ−Ｙ平面に水平に積み重ねられるように配置されることが多く、この場合、図８に示すように受信コイル７には送信コイル６からの磁束３０とアンテナコイルからの磁束３１とが共に通過することになる。したがって、送信コイル７からの信号に対して非常に微弱なアンテナコイル８からの信号を検出するのが困難であるという問題があった。
【００２０】
更に、受信コイル７には上述した信号以外にも周囲の雑音信号３２を拾ってしまう可能性があり、これらの雑音信号がアンテナコイル８からの信号と同じ周波数帯である場合には検出感度を高めても受信コイルが誤動作してしまうとう問題があった。
【００２１】
そこで、これらの送信コイル６からの信号や周囲の環境からの雑音を相殺する方法として、特開平７−３０３１９号公報に記載されているようなアンテナ装置を受信コイル７として使用することが考えられる。図９にこの雑音相殺性を有するアンテナ装置の概略平面図を示す。
【００２２】
図９において、アンテナは、２個の半分体４１及び４２に分割されており、これらの半分体はおのおの同じ表面積と巻数とを有し、半分体４１は半分体４２に対して巻線の向きを１８０度反対にして接続されている。よって、アンテナに密度の等しい磁束が通過する場合、半分体４１と半分体４２には向きが反対で同じ量の電流が流れるため、アンテナループ全体として見ると事実上電流が相殺される。
【００２３】
一方、ＩＣカード３からの信号は、アンテナコイル８の面積を受信コイル７の半分体４１及び４２の面積に比べて小さくし、且つ、アンテナコイル８と受信コイル７とを近距離に配置することで相殺されるのを防ぐことができる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したアンテナ装置を受信コイルとして用いる場合には、半分体４１と半分体４２との境界部に受信感度がなくなる不感帯４３が生じるため、ＩＣカード３のアンテナコイル８からの信号がこの不感帯にあたる場合には信号が検出できなくなるという問題があった。
【００２５】
また、アンテナコイル８からの信号が、半分体４１及び半分体４２に均等に通過する場合、雑音や送信コイル６からの信号と同様相殺されてしまい、検出ができなくなるという問題があった。
【００２６】
そこで、本発明の目的は、非接触型ＩＣカードの送信アンテナコイルと磁気的に結合され、該非接触ＩＣカードから送られる信号を受信するリーダライタ用受信アンテナ装置において、該非接触ＩＣカードからリーダライタに送られる信号以外の信号を効率よく相殺しつつ、該ＩＣ非接触カードからリーダライタに送られる信号を効率よく検出するアンテナ装置を提供することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明のリーダライタ用アンテナ装置は、非接触型ＩＣカードの送信アンテナコイル手段と磁気的に結合され、該非接触型ＩＣカードから送られる信号を受信するリーダライタ用アンテナ装置に配設されたアンテナ装置であって、少なくとも４つ以上の複数個の基本コイルを備えており、前記複数個の基本コイルの夫々においては、時計回りの巻線の向きを有する第１の小ループコイルと、反時計回りの巻線の向きを有する第２の小ループコイルとに分類される複数の小ループコイルを、隣り合う小ループコイルの巻線の向きが互いに逆向きになるようにして一辺を接して配置して構成されるとともに、前記複数個の基本コイル同士は、前記非接触型ＩＣカードの送信アンテナコイル手段から発生した磁束に垂直な面内において、第２の基本コイルは第１の基本コイルに対して上方向にずらされ、第３の基本コイルは第１の基本コイルに対して右方向にずらされ、第４の基本コイルは第１の基本コイルに対して上方向と右方向にずらされて配置されることにより、前記第１の基本コイル〜第４の基本コイルにおける小ループコイルが互いに接している領域において発生する不感帯と、前記複数の基本コイルのうちの何れかのコイルの内部領域である信号感知部とを重ねるようにしたことを特徴とする。
【００２８】
また、本発明のリーダライタ用アンテナ装置の他の特徴とするところは、複数の基本コイルを、前記小ループコイルの長さの半分の長さだけ相互にずらして配置したことを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のリーダライタ用アンテナ装置の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態によるアンテナ装置の立体斜視図であり、図２は図１に示した４層の基本コイルのうちの任意の１個（ここでは基本コイル５１）を上方からみた平面図、図３は図１を上方からみた平面図である。
【００３８】
尚、本実施の形態によるアンテナ装置をリーダライタの受信コイルとして用いる場合の回路ブロック図は図６と同様であり、アンテナコイル及び送信コイルとの位置関係は図７及び図８と同様であるので、記載を省略する。また、本実施の形態によるアンテナ装置をリーダライタの受信コイルとして用いる場合の、ＩＣカードからの信号を受信する方法は、図６〜８の説明のところで既に述べている方法と同様であるので、記載を省略する。
【００３９】
図１に示すように、本実施の形態のアンテナ装置は４個の基本コイル５１〜５４から構成されており、各コイルはＸ−Ｙ平面に水平に配置され、Ｚ方向に所定間隔をもって層状に重ねられている。４個のコイルは全て図２に示すような複数の小ループコイルを結合した構造を取っている。
【００４０】
巻線数と表面積が等しい小ループコイル５５〜５８において、隣接する小ループコイルでは、コイルの巻線の向きが逆になるように配置される。図２の小ループコイル５５の巻線方向が時計回り方向である場合には、図２の右隣の小ループコイル５６の巻線方向及び図２の下方の小ループコイル５７の巻線方向は反時計回りとなる。対角に位置する小ループコイル５８の巻線方向は小ループコイル５５と同じ時計回り方向となる。つまり、小ループコイル５５、５８は第１の小ループコイル郡、小ループコイル５６、５７は第２の小ループコイル郡を形成しているといえる。
【００４１】
図面裏側から手前方向への垂直磁界が発生している場合において、小ループコイル５５〜５８には図２中の矢印で示すようにそれぞれ時計回りの電流が発生する。小ループコイル５５、５８は巻線方向と同じ向きの電流が発生するが小ループコイル５６及び５７では巻線方向と逆向きの電流が発生することになる。
【００４２】
したがって、各小ループコイル内を通過する磁界の強さが等しい場合には小ループコイル５５、５８で発生した電流と小ループコイル５６及び５７で発生した電流が互いに打ち消し合い、端子ａ、ｂ間に出力される電流はゼロとなる。
【００４３】
尚、小ループコイルの１辺の長さ（Ｌ）は、以下の（１）式に基づき設定される。
（ＩＣカードのアンテナコイルのコイルサイズ）＋最大通信距離×係数Ａ…（１）式
（但し、１≦Ａ≦２）
【００４４】
（１）式より求められた値より１辺の長さを短くすると、ＩＣカードのアンテナコイルから発せられる磁力線が複数の小ループコイルにまたがって通過する恐れがあり、相殺されて検出感度が低下するために実用的ではない。
【００４５】
また、上記（１）式より求められた値より１辺の長さを長くすると、雑音に対する相殺能力が低下したり、ＩＣカードのアンテナコイルから発せられる磁力線が一つの小ループコイルを通過しても、同じコイルを再度通過してアンテナコイル側へ戻ってしまうことで磁力線が相殺されて検出感度が低下する恐れがあるために、実用的ではない。
【００４６】
図３において、アンテナ装置を上面から見た場合、基本コイル５１を基準とすると、基本コイル５２はＸ及びＹ方向にＬ×７／８、基本コイル５３はＹ方向にＬ×７／８、基本コイル５４はＸ方向にＬ×７／８だけずらして配置されている。
【００４７】
基本コイルをずらす量を大きくとればとるほどアンテナコイル８からの信号を検出する領域７１も大きくすることができるが、基本コイル同士が重なっている面積を小さくすると、その部分での検出感度が低下する恐れがある。よって、本実施の形態では両者のバランスをとって基本コイルをずらす量をＬ×７／８としている。ただし、この量はＬ×７／８に固定されるものではなく、０からＬまでの間であれば可変である。
【００４８】
尚、ＩＣカードのアンテナコイル８から発せられる磁力線は、受信コイル７に対して垂直に入射するだけでなく、アンテナコイル８から遠ざかるほど外方に広がる特性を持つために、信号検出領域７１は基本コイル５１〜５４の外部領域にまで及んでいる。この外部領域はアンテナコイル８の大きさやアンテナコイル８と受信コイル７との間の距離に依存する。
【００４９】
このような配置をすることで、１つの基本コイル内の小ループコイルの境界部には他の３つの基本コイルのうちのいずれかのコイルの信号感知部（コイルの内部領域）が重なる。よって、従来のように１枚の基本コイル５１のみをアンテナ装置として使用した場合、例えば、図３中のＢ部分は不感帯となりＩＣカードからの信号を検出することができなかったのに対し、本実施の形態では、この部分は基本コイル５３で検出することができる。
【００５０】
言い換えれば、１枚の基本コイルには必ず不感帯が存在するが、同一の形状の複数の基本コイルを不感帯の位置をずらして重ね合わせることにより、全体としてみた場合に不感帯がなくなり、アンテナ装置の検出領域の全てにおいてＩＣカードからの信号を検出することができる。
【００５１】
また、各々の基本コイルを表面積及び巻数の等しい複数の小ループコイルで構成し、辺が隣り合う小ループコイル同士の巻線方向反対にして接続することで、送信コイルからの信号や外部からの雑音は相殺することができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態のアンテナ装置は、表面積及び巻数の等しい複数の正方形の小ループコイルを、その辺が隣り合うもの同士の巻線方向を反対にして接続したものを１個の基本コイルとし、複数の基本コイルを磁束が通過する方向から投影した場合に該基本コイルの小ループコイルの辺が重ならないよう層状に配置して構成することで、送信コイルからの信号や外部からの雑音は相殺され、ＩＣカードから送られる信号のみを効率よく検出することができる。
【００５３】
また、本発明の第２の実施の形態として、アンテナコイルからの信号を検出したい領域が広い場合は、第１の実施の形態のアンテナ装置で用いた基本コイル５１〜５４をそれぞれ４個ずつつなぎ合わせて１６個の小ループコイルから構成されている基本コイル５９〜６２を形成し、図４に示すようにこれらの４枚の基本コイル５９〜６２をＸ及びＹ方向にＬ／２づつずらすように配置してアンテナ装置を構成することも可能である。
【００５４】
この場合も各基本コイル５９〜６２はＸ−Ｙ平面に水平に配置され、この平面に垂直なＺ方向に所定間隔をもって層状に重ねられている。本実施の形態においても第１の実施の形態と同様、基本コイルをずらす量はＬ／２に固定されるものではなく、０からＬの間で可変である。
【００５５】
但し、小ループコイル数が多くなると、基本コイルの長さに対する小ループコイルの長さの比が小さくなるために、基本コイルをずらす量を変化させても信号検出領域７２の広さはそれほど変化しない。
【００５６】
更に、本発明の第３の実施の形態として、雑音源が特定位置にある場合には、図５に示すように長方形の小ループコイルから構成される基本コイル６３〜６５を組み合わせてアンテナ装置を構成することもできる。
【００５７】
基本コイル６３、６４は等しい面積を持つ２つの小ループコイルから構成されているが、基本コイル６５は長方形の２つの小ループコイルの間に、これらの小ループコイルの面積を足した面積を持つ長方形の小ループコイルを配置した構成となっている。
【００５８】
また、各コイル６３〜６５はＸ−Ｙ平面に水平に配置され、この平面に垂直なＺ方向に所定間隔をもって層状に重ねられている。この場合、雑音源は図５においてＹ軸に垂直且つアンテナ装置の中心の上方に位置している。
【００５９】
小ループコイルの長方形の短辺の長さは前述の（１）式に従い規定されるが、長辺はこれより長くとることが可能となるため、小ループコイルの数が少なくてすむ利点がある。
【００６０】
尚、本発明は上記実施の形態に限定される主旨のものではなく、例えば小ループコイルの形状を正方形や長方形でなく三角形にするなど、本発明の主旨において様々な設計変更が可能である。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非接触型ＩＣカードの送信アンテナコイルと磁気的に結合され、ＩＣカードから送られる信号を受信するリーダライタ用アンテナ装置において、少なくとも４つ以上の複数個の基本コイルを設け、前記複数個の基本コイル同士を、前記非接触型ＩＣカードの送信アンテナコイル手段から発生した磁束に垂直な面内において、第２の基本コイルは第１の基本コイルに対して上方向にずらされ、第３の基本コイルは第１の基本コイルに対して右方向にずらされ、第４の基本コイルは第１の基本コイルに対して上方向と右方向にずらされて配置されるようにしたので、前記第１の基本コイル〜第４の基本コイルにおける小ループコイルが互いに接している領域において発生する不感帯と、前記複数の基本コイルのうちの何れかのコイルの内部領域である信号感知部とを重ねることが可能となり、ＩＣカードからリーダライタに送られる信号以外の信号を相殺しつつ、ＩＣカードからリーダライタに送られる信号を効率よく検出するアンテナ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置の立体斜視図である。
【図２】図１の１個の基本コイルの平面図である。
【図３】図１のアンテナ装置の平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるアンテナ装置の平面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態によるアンテナ装置の平面図である。
【図６】非接触型のＩＣカードとリーダライタの回路構成を示すブロック図である。
【図７】図６の送受信コイル及びアンテナコイル部分を拡大した立体斜視図である。
【図８】図７のＹ方向に垂直な断面図である。
【図９】従来のアンテナ装置の平面図である。
【符号の説明】
２  リーダライタ
３  ＩＣカード
６  送信コイル
７  受信コイル
８  アンテナコイル
５１〜５４  基本コイル
５５〜５８  小ループコイル
７１  信号検出領域
【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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