JP2010004257A

JP2010004257A - ループアンテナ及び無線送受信装置

Info

Publication number: JP2010004257A
Application number: JP2008160524A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ide; 諭井出
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2010-01-07

Abstract

【課題】ＩＣカード２枚重ねに対応したループアンテナ及び無線送受信装置
【解決手段】アンテナ部１は、受信用ループアンテナ１０、送信用ループアンテナ１１、自己共振用ループアンテナ１２、１３を有し、同一平面基板上に配置される。受信用ループアンテナは、１０５ｍｍ×７０ｍｍの基板内の最外周に配置した巻数ｎ＝１のコイルにコンデンサＣ１が接続されて共振回路が形成される。送信用ループアンテナは、受信用ループアンテナ１０の内側に配置した巻数ｎ＝２のコイルにコンデンサＣ２が接続されて共振回路を形成し、駆動回路に接続され、１３．５６ＭＨｚのキャリア磁界を出力する。自己共振用ループアンテナは、受信用ループアンテナ及び送信用ループアンテナの内側に２個並置され、並置されたそれぞれのループアンテナは、外側及び内側に配置されたループコイルにコンデンサが接続されてそれぞれ共振回路が形成され、約２０ＭＨｚで共振する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動改札システムなどにおいて、定期券として用いられる非接触型ＩＣカードと非接触で送受信を行うループアンテナ及び無線送受信装置に関する。

近年、駅務機器における自動改札装置や係員処理装置などには、定期券として用いられる非接触型ＩＣカード（以下、ＩＣカードと称する。）と送受信を行い、通行の可否を判別する無線送受信装置としての非接触型ＩＣカードリーダ・ライタ（以下、Ｒ／Ｗ装置と称する。）が備えられている場合が多い。

このＲ／Ｗ装置は、装置の内部に配置したループアンテナから磁界を発生することによって上記ＩＣカードと非接触で通信を行う（例えば、特許文献１参照。）。

このループアンテナは、送信用ループアンテナと受信用ループアンテナが同一平面状に配置されて構成されている。この種のループアンテナは、自動改札装置に搭載されて用いられることから、通過する利用客が当該自動改札装置の読取・書込部（Ｒ／Ｗ装置のアンテナ部）にかざしたＩＣカードとは安定して通信が可能であるが、その他の利用客が携帯するＩＣカードとは通信しないことが望ましい。

そのためには、ＩＣカードとＲ／Ｗ装置との通信距離を延ばし、通信可能領域を広げることが望ましい。その理由は、近年、ＩＣカードの発行メーカが増え、特性の異なるＩＣカードが出回っており、これらのＩＣカードに対応するためには、通信距離を大きく（通信可能領域を大きく）しながら、通信不能領域を少なくし、通信特性を向上することが課題になっている。特に、カードを２枚重ねて使用した場合に通信性能が低下するという課題がある。
特許第３５７９８９９号公報（１０−１１頁、図６）

上述したように、近年、ＩＣカードを２枚重ねて使用するシステムが増えてきている。このＩＣカードを２枚重ねて使用した場合、上記Ｒ／Ｗ装置が受信するＩＣカードからの返信信号の振幅が１枚のみの場合と比べて極端に小さくなり、この受信信号を正常に復調できない場合には、通信不良が発生するという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＩＣカードを２枚重ねて使用した場合であってもＲ／Ｗ装置が受信するＩＣカードからの返信信号の振幅が十分確保でき、通信不良の発生を低減することが可能なるループアンテナ及びループアンテナを備えた無線送受装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の無線送受信装置は、磁界を発生することによってＩＣカードとの通信を非接触で行う無線送受信装置であって、ＩＣカードのサイズより大きく、そのサイズの２倍より小さい平面状基板の最外周に配置した受信用ループアンテナと、この受信用ループアンテナの内側に配置した送信用ループアンテナと、この送信用アンテナの内側に並置して配置した２個の自己共振用ループアンテナ部と、前記送信用ループアンテナと接続され、この送信用ループアンテナにキャリア周波数の電圧を供給することによって、当該送信用ループアンテナからキャリア周波数の磁界を輻射する駆動回路と、前記受信用ループアンテナで受信した信号を処理する処理回路と、を備え、前記送信用ループアンテナは、第１の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第１の共振回路を形成するコンデンサと、を有し、前記受信用ループアンテナは、第２の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第２の共振回路を形成するコンデンサと、を有し、前記自己共振用ループアンテナ部は、外部に配置した第３の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第３の共振回路を形成するコンデンサと、により無端ループを形成した第１の自己共振用ループアンテナと、この第１の自己共振用ループアンテナの内側に配置した第４の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第４の共振回路を形成するコンデンサと、により無端ループを形成した第２の自己共振ループアンテナと、を備え、前記第１の自己共振用ループアンテナ及び前記第２の自己共振用ループアンテナの共振周波数を前記送信用ループアンテナの共振周波数より数ＭＨｚ高い周波数に設定したことを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載のループアンテナは、磁界を発生することによってＩＣカードとの通信を非接触で行う無線送受信装置のループアンテナであって、ＩＣカードのサイズの２倍より小さい平面状基板の最外周に配置した受信用ループアンテナと、この受信用ループアンテナの内側に配置した送信用ループアンテナと、この送信用アンテナの内側に並置して配置した２個の自己共振用ループアンテナ部と、前記送信用ループアンテナは、第１の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第１の共振回路を形成するコンデンサと、を有し、前記受信用ループアンテナは、第２の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第２の共振回路を形成するコンデンサと、を有し、前記自己共振用ループアンテナ部は、外部に配置した第３の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第３の共振回路を形成するコンデンサと、により無端ループを形成した第１の自己共振用ループアンテナと、この第１の自己共振用ループアンテナの内側に配置した第２の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第４の共振回路を形成するコンデンサと、により無端ループを形成した第２の自己共振用ループアンテナと、を備え、前記第１の自己共振用ループアンテナ及び前記第２の自己共振用ループアンテナの共振周波数を前記送信用ループアンテナの共振周波数より数ＭＨｚ高い周波数に設定したことを特徴とする。

本発明によれば、ＩＣカードを２枚重ねて使用した場合であってもＲ／Ｗ装置が受信するＩＣカードからの返信信号の振幅が十分確保でき通信不良の発生を低減することが可能なループアンテナ及び無線送受装置を提供することを目的とする。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るループアンテナを備えた無線送受信装置１００である。この無線送受信装置１００は、ループアンテナを構成するアンテナ部１、送信部２、受信部３を有して構成される。

図２は、アンテナ部１の構成をわかりやすく表現した説明図である。以下、この図も参照して説明する。

アンテナ部１は、受信用ループアンテナ１０（ループアンテナ１０）、送信用ループアンテナ１１（ループアンテナ１１）及び自己共振用ループアンテナ部で構成される。

自己協信用ループアンテナ部は、自己共振用ループアンテナ１２（第１の自己共振用ループアンテナ）及び自己共振用ループアンテナ１３（第２の自己共振用ループアンテナ）を有し、同一平面基板上に配置して構成される。本実施例では、プリント板配線基板によって実現している。

なお、プリント配線基板のサイズはＩＣカードと磁界による通信を行うためそのサイズと同程度であることが好ましい。その理由は、受信用ループアンテナの外周がＩＣカードより小さいと、受信用ループアンテナからの距離に対して変化が大きくなり不特定多数の利用客が携帯して利用する場合には通信の安定性が悪くなる場合がある。一方大きすぎる場合には、受信ループ内で均一な受信をすることが困難になる。以上の理由により、本実施例では、プリント基板配線のサイズをＩＣカードのサイズよりは大きくその２倍よりは小さい平面基基板に設定してある。

ループアンテナ１０は、アンテナ部１の最外周に、１０４ｍｍ×６７ｍｍの四角形に配置し、コイルの巻数ｎはｎ＝１に設定してある（第１の巻数）。アンテナを構成するコイルの巻き始めとコイルの巻き終わりとの間には、コンデンサＣ_２が配置され、受信した信号に対して共振回路(第１の共振回路)が形成されている。

ループアンテナ１１は、アンテナ１０の内側に配置され、コイルの巻数ｎはｎ＝２に設定してある(第２の巻数)。アンテナを構成するコイルの巻き始めとコイルの巻き終わりとの間には、コンデンサＣ_１が接続され、送信信号に対して共振回路（第２の共振回路）が形成されている。このように構成されたループアンテナ１１は、駆動回路２に接続されており、キャリア発生器（図示しない）から出力された１３．５６ＭＨｚのキャリアを磁界として発生させる。

ループアンテナ１２及び１３は、ループアンテナ１０及びループアンテナ１１の内側に並置されて配置される。ループアンテナ１２は、外側に配置されたループアンテナ１２ａ及び内側に配置された１２ｂで構成される。同様にループアンテナ１３は、外側に配置されたループアンテナ１３ａ及び内側に配置された１３ｂで構成される。

外側に配置されたループアンテナ１２ａ及び１３ａは同様に構成あされ、ループアンテナを構成するコイルの巻数ｎ＝３（第３の巻数）に設定され、前者はコイルの巻き始めとコイルの巻き終わりとの間にコンデンサＣ_３が接続されて第３の共振回路が形成され、後者はコンデンサＣ_５が接続されて第４の共振回路が形成される。これらは共に、ループアンテナ１１の共振周波数（１３．５６ＭＨｚの近傍に設定された周波数）より数ＭＨｚ高い約２０ＭＨｚで共振する。

内側に配置されたループアンテナ１２ｂ及び１３ｂは同様に構成され、ループアンテナを構成するコイルの巻数ｎ＝４（第４の巻数）に設定され、前者はコイルの巻き始めとコイルの巻き終わりとの間にコンデンサＣ_４が接続されて第５の共振回路が形成され、後者はコンデンサＣ_６が接続されて第６の共振回路が形成される。これらは共に、ループアンテナ１１の共振周波数（１３．５６ＭＨｚ）より数ＭＨｚ高い約２０ＭＨｚで共振する。

図３は、図１に示すアンテナ部１の受信時の概略等価回路である。ループアンテナ１０が受ける磁界（鎖交磁束数）は同一平面上に形成されたループアンテナ１１及びアンテナ１２、１３も受けることになる。

この結果、ループアンテナ１０のコイルのインダクタンスＬ_１、コンデンサＣ_１、電流Ｉ_１、誘起された起電力をＵ１とすると、等価回路は概略下式（１）で示すことができる。受信回路に誘導起電力以外の電源がないため、下式（２）で示すＵ１＝０となる。受信部のインピーダンスをＺとするとき、このＺに取り出される電圧は下式（３）で示すことができる。ここで、相互インダクタンスＭ_１２、Ｍ_１３、Ｍ_１４、Ｍ_１５、Ｍ_１６はそれぞれループアンテナ１０のコイルＬ_１に対するコイルＬ_２、Ｌ_３、Ｌ_４、Ｌ_５との相互インダクタンスである。

ここで、ループアンテナ１０が誘起する起電力Ｌ_１（ｄＩ_１／ｄｔ）に対して、ループアンテナ１２、１３は、それぞれ閉回路からなる共振回路を構成する。また、磁界の中にあるコイルの特性上、そのときの磁界を打ち消す方向に起電力が発生する（逆起電力）ため、見かけ上アンテナ１２、１３があることによって磁界の強さが弱められる。

アンテナ１２、１３は上述したように直列共振回路を構成している。従って、共振時回路のインピーダンスが低下し、電流値が増加することにより、当該共振周波数の磁界を弱める効果がある。

本実施例では、この共振周波数を約２０ＭＨｚに設定してあり、基準となる搬送波１３．５６ＭＨｚに対して良好であることが確かめられている。

次に、自己共振用ループアンテナが複数あることの効果を説明する。受信アンテナが例えば１個のみの場合には、ＩＣカード４をアンテナ部１に近づけると、ＩＣカードとループアンテナ１０との距離の二乗に反比例して磁界の強さが変化するのは知られている。ここで、ＩＣカード４と無線通信する場合には、磁界の強さが上記距離に応じて大きく変化するため、安定した通信を行うためには、設定した通信範囲及び通信距離の間で、距離に応じて磁界が急激な変化を行わないことが望ましい。

そのためには、ＩＣカード４に対して受信ループアンテナ１０の感度を上げると共に、このループアンテナ１０で通信できる範囲を広げながら安定した受信を行うことが望まれる。本実施例では、そのために、ループアンテナ１０の内側を２分割にし、空間磁界に対して共振点を複数配置(実施例では４箇所)し、広い範囲で磁界の強さの変動を低減するようにした。

また、自己共振用アンテナ１２、１３を複数にすることにより、各ループアンテナのインダクタンスＬ_３、Ｌ_４，Ｌ_５、Ｌ_６の値を小さくすることができるため、コンデンサＣ_３、Ｃ_４、Ｃ_５、Ｃ_６の値を実務上選択しやすい値にする効果がある。

図４は、図１に示すアンテナ部１の送信時の概略等価回路である。ループアンテナ１１による磁界はループアンテナ１０及びループアンテナ１２、１３と一部共通の磁束鎖交数を有する。

この結果、ループアンテナ１１のコイルのインダクタンスＬ_２，コンデンサＣ_２、電流Ｉ_２、各コイル間の相互インダクタンスをＭ_２１、Ｍ_２３、Ｍ_２４、Ｍ_２５、Ｍ_２６とし、ドライバから供給される電源Ｕ＝Eとすると、下式（４）で示すことができる。

この場合の動作は、電磁気学で一般的に知られているため、詳細の説明は省略するが、そのエッセンスのみ説明すると以下のようになる。

ループアンテナ１０及びループアンテナ１２、１３はそれぞれ閉回路からなる共振回路を構成する。上述したように、これらのループアンテナはアンテナ１１による磁束を打ち消す方向に発生する（逆起電力）、しかしながら、ドライバの供給能力が十分である場合には、この磁束を補うように電流が供給される。結果的には、ループアンテナ１０及びアンテナ１２、１３による逆起電力の効果は考慮しなくてもよいことになる。すなわち、自己共振用ループアンテナが複数ある場合の効果は、受信時には効果が得られるが、送信するときには送信回路の系に影響を与えない。

図５は、以上説明したアンテナ部１に係るプリント配線基板の実体配線図である。本実施例では、ＩＣカードサイズ（５４ｍｍ×８５ｍｍ）に対してプリント配線基板サイズ（６７ｍｍ×１０４ｍｍ）とし、ＩＣカードサイズの2倍以内とし、従来に比べて小型のプリント配線基板により要求される機能を達成している。

以上説明したように、本発明の自己共振用ループアンテナを分割することにより受信距離によって磁界の強度が急激な変化をした場合であっても、安定した受信信号を確保することができる。この結果、ＩＣカードを２枚重ねて使用した場合であってもＲ／Ｗ装置が受信するＩＣカードからの返信信号の振幅が十分確保でき通信不良の発生を低減することが可能なループアンテナ及びループアンテナを備えた無線送受信装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係るループアンテナを備えた無線送受信装置。図１に示すアンテナ部の構成をわかりやすく説明した説明図。図１に示すアンテナ部の受信時の概略等価回路。図１に示すアンテナ部の送信時の概略等価回路。図１に示すアンテナ部のプリント配線基板の実体配線図。

符号の説明

Ｌ１〜L６インダクタンス
Ｃ１〜C６容量
Ｚ１、Z２インピーダンス
１アンテナ部
１０受信用ループアンテナ
１１送信用ループアンテナ
１２〜１５自己共振用ループアンテナ
２送信部
２１駆動回路
３受信部
１００無線送受信装置

Claims

磁界を発生することによってＩＣカードとの通信を非接触で行う無線送受信装置であって、
ＩＣカードのサイズより大きくそのサイズの２倍より小さい平面状基板の最外周に配置した受信用ループアンテナと、
この受信用ループアンテナの内側に配置した送信用ループアンテナと、
この送信用アンテナの内側に並置して配置した２個の自己共振用ループアンテナ部と、
前記送信用ループアンテナと接続され、この送信用ループアンテナにキャリア周波数の電圧を供給することによって、当該送信用ループアンテナからキャリア周波数の磁界を輻射する駆動回路と、
前記受信用ループアンテナで受信した信号を処理する処理回路と、
を備え、
前記送信用ループアンテナは、
第１の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第１の共振回路を形成するコンデンサと、を有し、
前記受信用ループアンテナは、
第２の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第２の共振回路を形成するコンデンサと、を有し、
前記自己共振用ループアンテナ部は、
外部に配置した第３の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第３の共振回路を形成するコンデンサと、により無端ループを形成した第１の自己共振用ループアンテナと、
この第１の自己共振用ループアンテナの内側に配置した第４の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第４の共振回路を形成するコンデンサと、により無端ループを形成した第２の自己共振ループアンテナと、
を備え、前記第１の自己共振用ループアンテナ及び前記第２の自己共振用ループアンテナの共振周波数を前記送信用ループアンテナの共振周波数より数ＭＨｚ高い周波数に設定したことを特徴とする無線送受信装置。
前記送信用ループアンテナの第１の共振回路の共振周波数を送信用キャリア周波数１３．５６ＭＨｚの近傍に設定し、
前記第１の自己共振用ループアンテナに係る第３の共振回路及び第２の自己共振用ループアンテナに係る第４の共振回路の共振周波数が２０ＭＨｚであることを特徴とする請求項１記載の無線送受信装置。
磁界を発生することによってＩＣカードとの通信を非接触で行う無線送受信装置のループアンテナであって、
ＩＣカードのサイズの２倍より小さい平面状基板の最外周に配置した受信用ループアンテナと、
この受信用ループアンテナの内側に配置した送信用ループアンテナと、
この送信用アンテナの内側に並置して配置した２個の自己共振用ループアンテナ部と、
前記送信用ループアンテナは、
第１の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第１の共振回路を形成するコンデンサと、を有し、
前記受信用ループアンテナは、
第２の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第２の共振回路を形成するコンデンサと、を有し、
前記自己共振用ループアンテナ部は、
外部に配置した第３の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第３の共振回路を形成するコンデンサと、により無端ループを形成した第１の自己共振用ループアンテナと、
この第１の自己共振用ループアンテナの内側に配置した第２の巻数を有するコイルと、このコイルの巻き始めと巻き終わりとの間に接続され、第４の共振回路を形成するコンデンサと、により無端ループを形成した第２の自己共振用ループアンテナと、
を備え、前記第１の自己共振用ループアンテナ及び前記第２の自己共振用ループアンテナの共振周波数を前記送信用ループアンテナの共振周波数より数ＭＨｚ高い周波数に設定したことを特徴とするループアンテナ。
前記送信用ループアンテナの第１の共振回路の共振周波数を送信用キャリア周波数１３．５６ＭＨｚの近傍に設定し、
前記第１の自己共振用ループアンテナに係る第３の共振回路及び第２の自己共振用ループアンテナに係る第４の共振回路の共振周波数が２０ＭＨｚであることを特徴とする請求項３記載のループアンテナ。