(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印刷配線基板の一方の面に所定の開口面積を持つループアンテナ本体を印刷形成し、このループアンテナ本体の前記印刷配線基板が位置する面とは反対側の面側に、間隔調整用の絶縁性のスペーサを介して板状の磁性体を配設するとともに、前記印刷配線基板の前記ループアンテナ本体が位置する面とは反対側の他方の面側に、当該印刷配線基板で前記ループアンテナ本体と絶縁性を保ったまま、前記ループアンテナ本体に沿う形で板状の導体を配設し、この導体を接地してなることを特徴とするループアンテナ。
【請求項２】
前記磁性体は、ループアンテナ本体の外形サイズと同一もしくは大きなサイズのフェライト板からなることを特徴とする請求項１記載のループアンテナ。
【請求項３】
前記磁性体のループアンテナ本体側の面とは反対側の面に板状の導体を配設してなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のループアンテナ。
【請求項４】
前記ループアンテナ本体の形状が長辺および短辺が存在する矩形状の場合、その給電点を長辺の中心部に配設し、前記導体は、前記給電点の反対側の長辺中心部を前記給電点の方向に向けて延出させて、前記給電点のグランド端子の部分で接地することを特徴とする請求項１記載のループアンテナ。
【請求項５】
ループアンテナを構成する共振コンデンサおよびＱ調整用の抵抗器は、ループアンテナ本体と一直線上になるように、また、ループアンテナ本体の長辺の中心付近で、かつ、給電点の近傍に実装することを特徴とする請求項４記載のループアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、無線通信機能を有する携帯可能情報記憶媒体との間で無線による送受信を行なうことにより、携帯可能情報記憶媒体に対してデータの送信および受信など、所定の情報処理を行なう無線通信機能を有する情報処理装置に用いられるループアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、無線電波を使用して通信を行なう無線通信システムにあっては、ノイズなどの環境の影響を受けずに安定的に通信を行なうために、強い電界強度の電波を使用する必要がある。しかしながら、電波法の規定により自由に情報処理装置から強い電界強度の電波を放射することが不可能である。このため、電波法において、特定の周波数について強い電波を放射することが許されている。しかしながら、本周波数は規定が厳しく、使用に関しては充分な注意が必要である。
【０００３】
上記特定の周波数は、波長をλとすると、λ／２πが電波法で規定している測定距離３ｍ付近の周波数である。放射電界強度を計算する際に、距離がλ／２π付近は理論計算と実測値とを一致させることが困難である。また、測定する環境においても大きく影響を受ける。したがって、机上でアンテナを設計し、実際に３ｍ付近で測定を行なうと、設計値と大きく異なり、電波法を満足することができないことが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、強い電界強度を送信可能な特定周波数は、λ／２πが電波法で規定している測定距離３ｍ付近の周波数である。放射電界強度を計算する際に、距離がλ／２π付近は理論計算と実測値とを一致させることが困難である。また、測定する環境においても大きく影響を受ける。したがって、机上でアンテナを設計し、実際に３ｍ付近で測定を行なうと、設計値と大きく異なり、電波法を満足することができないことが多い。
【０００５】
そこで、本発明は、電波法における特定周波数を使用し、アンテナの設計値と実測値とを一致させ、電波法を満足させることが可能となるループアンテナを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のループアンテナは、印刷配線基板の一方の面に所定の開口面積を持つループアンテナ本体を印刷形成し、このループアンテナ本体の前記印刷配線基板が位置する面とは反対側の面側に、間隔調整用の絶縁性のスペーサを介して板状の磁性体を配設するとともに、前記印刷配線基板の前記ループアンテナ本体が位置する面とは反対側の他方の面側に、当該印刷配線基板で前記ループアンテナ本体と絶縁性を保ったまま、前記ループアンテナ本体に沿う形で板状の導体を配設し、この導体を接地してなることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のループアンテナは、磁性体は、ループアンテナ本体の外形サイズと同一もしくは大きなサイズのフェライト板からなることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のループアンテナは、磁性体のループアンテナ本体側の面とは反対側の面に板状の導体を配設してなることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のループアンテナは、ループアンテナ本体の形状が長辺および短辺が存在する矩形状の場合、その給電点を長辺の中心部に配設し、導体は、給電点の反対側の長辺中心部を給電点の方向に向けて延出させて、給電点のグランド端子の部分で接地することを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明のループアンテナは、ループアンテナを構成すちむむる共振コンデンサおよびＱ調整用の抵抗器は、ループアンテナ本体と一直線上になるように、また、ループアンテナ本体の長辺の中心付近で、かつ、給電点の近傍に実装することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態に係る無線通信システムの構成を概略的に示している。図１において、１は無線通信機能を有する情報処理装置、２は情報処理装置１のループアンテナ、３は情報処理装置１の上位装置、４は無線通信機能を有する携帯可能情報記憶媒体、５は携帯可能情報記憶媒体４のループアンテナであり、情報処理装置１が、携帯可能情報記憶媒体４との間で無線による送受信を行なうことにより、携帯可能情報記憶媒体４に対してデータの送信および受信など、所定の情報処理を行なうようになっている。
【００１２】
図２は、情報処理装置１の基本的構成の一例を概略的に示している。図２において、１１は変調回路・送信ドライバ、１２は復調回路・受信アンプで、これらにはループアンテナ２が接続されている。１３は各種処理を実行する制御回路で、これには変調回路・送信ドライバ１１および復調回路・受信アンプ１２が接続されている。
【００１３】
以下に、動作の概略を簡単に説明する。上位装置３で生成されるデータを制御回路１３に送り、制御回路１３においてデータ化された信号を変調回路・送信ドライバ１１において変調、増幅し、ループアンテナ２に供給する。ループアンテナ２は、変調回路・送信ドライバ１１からの信号を電波として空間に放射する。
【００１４】
一方、携帯可能情報記憶媒体４から送信される電波は、情報処理装置１のループアンテナ２で受信され、復調回路・受信アンプ１２に送られる。復調回路・受信アンプ１２では、受信した信号に対して増幅、復調などの処理を行なうことにより、受信データを得る。得られた受信データは制御回路１３に送られ、制御回路１３において受信データに基づく所定の処理が行なわれる。
【００１５】
図３は、携帯可能情報記憶媒体４の基本的構成の一例を概略的に示している。図３において、２１は復調回路・受信アンプ、２２は変調回路・送信ドライバで、これらにはループアンテナ５が接続されている。２３は各種処理を実行する制御回路で、これには復調回路・受信アンプ２１および変調回路・送信ドライバ２２が接続されている。２４は電池などの電源部で、各回路に動作電源を供給する。
【００１６】
以下に、動作の概略を簡単に説明する。情報処理装置１から空間に放射された電波は、ループアンテナ５により受信され、受信信号は復調回路・受信アンプ２１に送られる。復調回路・受信アンプ２１では、受信した信号に対して増幅、復調などの処理を行なうことにより、受信データを得る。得られた受信データは制御回路２３に送られ、制御回路２３において受信データに基づく所定の処理が行なわれる。
【００１７】
一方、制御回路２３において作成された送信データ、たとえば、受信信号のデータ処理の結果に基づく返信データは、変調回路・送信ドライバ２２に送られる。変調回路・送信ドライバ２２では、送信データを変調、増幅し、ループアンテナ５に供給する。ループアンテナ５は、変調回路・送信ドライバ２２からの信号を電波として空間に放射する。
【００１８】
なお、情報処理装置１としては、たとえば、無線カードリーダ・ライタへの適用が考えられ、携帯可能情報記憶媒体４としては、たとえば、定期券などとして用いられる無線カードへの適用が考えられる。その場合、上位装置３としては、たとえば、自動改札装置への適用が考えられる。
【００１９】
また、電源部２４として電池を用いているが、たとえば、情報処理装置１から電力波をも送信し、携帯可能情報記憶媒体４において、この電力波を受信することにより、この電力波から、携帯可能情報記憶媒体４の内部で用いる電源を生成するようにしてもよい。
【００２０】
以下、情報処理装置１で用いられるループアンテナ２について詳細に説明する。
図４は、ループアンテナの一般的な例を示している。図４において、３１がループアンテナであり、回路素子に置き換えるとインダクタとなる。この図においては、巻数が２ターンの方形ループコイルで、マッチング回路３２が接続されている。マッチング回路３２は、共振回路およびインピーダンス変換回路であり、通常、無線通信機の分野においては５０Ωにインピーダンス変換される。なお、３３は信号源である。
【００２１】
図５に、ループアンテナの放射と測定系を示す。以下の説明では、簡略化のため巻数が１ターンのループアンテナとして考えることとする。図５において、４１は巻数が１ターンのループアンテナ、４２はマッチング回路、４３はシグナルジェネレータ、４４は測定用のアンテナ、４５はスペクトラムアナライザである。
【００２２】
ここで、波長をλとすると、λ／２πが３ｍ付近、つまり、周波数でいうと十数ＭＨｚ付近であるので、一般的にはアンテナ４４もループアンテナを使用することが多い。シグナルジェネレータ４３から送信された信号は、マッチング回路４２においてインピーダンス変換および共振回路を通じ、ループアンテナ４１から放射される。
【００２３】
ループアンテナ４１から放射された電波は、アンテナ４４によって受信され、スペクトラムアナライザ４５において、受信信号のレベルを確認する。ここで、アンテナ４４のファクタなどを用いてループアンテナ４１の放射電界強度を算出することが可能である。
【００２４】
図６は、微小ループコイルからの放射電界強度モデルを示す。５１は設計値として考える微小ループコイル、５２は電磁気学などで使用する極座標表示である。なお、点Ｐにおける電界および磁界強度に関する数式は文献などにより既知であるので、ここでは省略する。
【００２５】
図７は、微小ループアンテナからの放射を解いたものである。アンテナ間距離をｒとすると、特性６１は磁界Ｈｒ成分、特性６２は磁界Ｈθ成分、特性６３は１／ｒ3 のラインである。ここで、３ｍ付近に注目すると、Ｈｒ成分、Ｈθ成分中の１／ｒ項と、１／ｒ2 項と、１／ｒ3 項が等しい領域であり、計算値と実測値とはなかなか一致しない。性能が悪い送信アンテナを使用して、このポイントでの電界強度を測定すると、設計値と大幅に異なる電界強度が測定される。
【００２６】
図８は、性能の悪いアンテナを使用した場合の距離対放射電界（磁界）強度特性の一例を示す。本来、アンテナはＨｒ成分が重要であるので、図８のグラフにはＨｒ成分のみを記載した。特性７１は測定値を、特性７２は１／ｒ3 のラインを示す。図８から明らかなように、特性７１は設計値を大きく外れ、３ｍ付近でディップしているから、それ以降は大きく成分が乱れている。
【００２７】
そこで、本発明を適用することにより上記問題を解決することが可能であり、以下に具体的に説明する。
図９は、第１の実施の形態に係るループアンテナで、板状の導体としてのグランドパターンをループアンテナ本体に沿う形で設置したものである。なお、本例ではプリント配線基板により実現しているが、通常の線材などを使用しても特性に変化はない。以下に説明する実施の形態には、プリント配線基板で実現した場合について記載する。
【００２８】
図９において、８１は所定の開口面積を持つループアンテナ本体であり、本例では、たとえば、巻数が１ターンの矩形状のループコイルとする。８２は板状の導体としてのグランドパターンで、ループアンテナ本体８１とでプリント配線基板８３を挟み、ループアンテナ本体８１と反対側に、ループアンテナ本体８１に沿う形で形成されている。グランドパターン８２は、ループアンテナ本体８１のグランド端子（接地点）に接続される。
【００２９】
図１０は、第２の実施の形態に係るループアンテナで、図９において示したアンテナ本体の背面側に板状の磁性体としてのフェライト板を設置したものである。すなわち、アンテナ本体８１のプリント配線基板８３が位置する面とは反対側の面に、スペーサ８４を介して板状の磁性体としてのフェライト板８５が設置されている。スペーサ８４は、フェライト板８５とプリント配線基板８３との間隔を調整するための絶縁性のスペーサである。
【００３０】
フェライト板８５は誘電率が高く、ループアンテナ本体８１の近傍における磁界強度が大きくなる傾向がある。したがって、３ｍ先での電界強度がアンテナ近傍と併せて相対的に減衰する。また、グランドパターン８２を設置することにより、３ｍ先での放射電界強度の乱れが抑えられる。
【００３１】
図１１は、第３の実施の形態に係るループアンテナで、図９において示したアンテナ構成において、フェライト板の裏側に板状の導体としての銅板を貼り付けたものである。すなわち、フェライト板８５の裏側に、フェライト板８５との電気的接続を保持した状態で、板状の導体としての銅板８６が貼り付けられている。銅板８６は、ループアンテナ本体８１のグランドと電気的に接続される。また銅板８６はフェライト板８５と電気的に接続されている。
【００３２】
上記銅板８６が無い場合は、フェライト板８５の材質によっては距離対電界強度特性が乱れることがあるが、銅板８６を設置することによって、上記問題点は解決される。
【００３３】
図１２は、第４の実施の形態に係るループアンテナで、矩形状のループアンテナ本体の給電点とグランドパターンの配置に関するものである。ループアンテナ本体８１が短辺ａおよび長辺ｂを有する矩形状の場合、すなわち、ｂ／ａ＞１の場合は、必ず長辺ｂの中心近傍に給電点を設置する必要がある。給電点を短辺ａに設置したり、長辺ｂの端に設置した場合、やはり３ｍ先での放射電界強度パターンが乱れる。特に、３ｍの地点で送信アンテナを回転させると、理想通りの放射パターンが観測されず、いびつな形となる。
【００３４】
そこで、本例では、ループアンテナ本体８１の長辺ｂにおける中心部の給電点に対して反対側からグランドパターン８２の一部を給電点に向けて延出し、この延出部８２ａを給電点付近でスルーホール８７を介してループアンテナ本体８１のグランドと接続している。スルーホール８７は、グランドパターン８２の延出部８２ａとループアンテナ本体８１のグランドとを接続するためのもので、プリント配線基板８３に形成されている。
【００３５】
図１３は、マッチング回路の一例を示す。８１はループアンテナ本体、８２はグランドパターン、９１は共振コンデンサ、９２はＱ調整用抵抗器、９３はインピーダンス調整コンデンサ、９４はコネクタである。これらの部品は、配置により３ｍ先の電界強度特性が変化する。
【００３６】
図１４は、図１３に示したマッチング回路のレイアウトに関する図である。８１はループアンテナ本体、８２はグランドパターン、９１は共振コンデンサ、９２はＱ調整用抵抗器、９３はインピーダンス調整コンデンサ、９４はコネクタである。共振コンデンサ９１およびＱ調整用抵抗器９２は、ループアンテナ本体８１の線上に一直線状に配置する必要がある。
【００３７】
共振コンデンサ９１およびＱ調整用抵抗器９２は、共振回路の一部であり、ここには大きな電流が流れる。このため、上記部品からの輻射が問題となる。本例のように、共振コンデンサ９１およびＱ調整用抵抗器９２を配置することにより、その抵抗器９２およびコンデンサ９１からの放射も、ループアンテナ本体８１からの放射の一部と考えられるようになる。
【００３８】
図１５に、図１４に示したアンテナ構成に対する実測値の一例を示す。今回の試作においては、設計値と１ｄＢ程度の誤差内に実測値を抑えることができた。図１５において、特性７３は１／ｒ3 のラインで、特性７４は実測値である。
【００３９】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、ループアンテナ本体を形成している面と反対側にグランドパターンを構成する、アンテナ共振回路の共振コンデンサ、Ｑ調整用抵抗器をループアンテナ本体と直列的に配置する構成とする、ループアンテナ本体を形成している面と同一面に所定距離をおいてフェライト板を設置する構成とする、フェライト板の後ろに導電性を持たせ銅板を接着し、ループアンテナ本体のグランドと接続する構成とする、給電点を必ず長辺から取出す構成にすることにより、従来の問題である、３ｍ付近の設計値の不一致を防ぐことが可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、電波法における特定周波数を使用し、アンテナの設計値と実測値とを一致させ、電波法を満足させることが可能となるループアンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線通信システムの構成を概略的に示すブロック図。
【図２】情報処理装置の基本的構成の一例を概略的に示すブロック図。
【図３】携帯可能情報記憶媒体の基本的構成の一例を概略的に示すブロック図。
【図４】ループアンテナの一般的な例を模式的に示す概略構成図。
【図５】ループアンテナの放射と測定系を示す模式図。
【図６】微小ループコイルからの放射電界強度モデルを示す図。
【図７】微小ループアンテナからの放射を解いた図。
【図８】性能の悪いアンテナを使用した場合の距離対放射電界（磁界）強度特性の一例を示す図。
【図９】第１の実施の形態に係るループアンテナの構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図１０】第２の実施の形態に係るループアンテナの構成を模式的に示す側面図。
【図１１】第３の実施の形態に係るループアンテナの構成を模式的に示す側面図。
【図１２】第４の実施の形態に係るループアンテナの構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図１３】マッチング回路の一例を示す回路図。
【図１４】図１３に示したマッチング回路のレイアウトに関する図。
【図１５】図１４に示したアンテナ構成に対する実測値の一例を示す図。
【符号の説明】
１……情報処理装置、２……ループアンテナ、３……上位装置、４……携帯可能情報記憶媒体、５……ループアンテナ、１１……変調回路・送信ドライバ、１２……復調回路・受信アンプ、１３……制御回路、８１……ループアンテナ本体、８２……グランドパターン（板状の導体）、８２ａ……延出部、８３……プリント配線基板、８４……スペーサ、８５……フェライト板（板状の磁性体）、８６……銅板（板状の導体）、９１……共振コンデンサ、９２……Ｑ調整用抵抗器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0004260917.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004260917.tif 000007
【図７】
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【図８】
0004260917.tif 000009
【図９】
0004260917.tif 000010
【図１０】
0004260917.tif 000011
【図１１】
0004260917.tif 000012
【図１２】
0004260917.tif 000013
【図１３】
0004260917.tif 000014
【図１４】
0004260917.tif 000015
【図１５】
0004260917.tif 000016