JP4358242B2

JP4358242B2 - ブースターアンテナコイル

Info

Publication number: JP4358242B2
Application number: JP2007032368A
Authority: JP
Inventors: 泰雄大島; 進繁田; 快男鹿野
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2027-02-13
Also published as: JP2008199306A

Description

本発明は、例えば、ＲＦＩＤ（無線周波数識別：Radio Frequency Identification）システムなどに、通信距離の延長のために用いられるブースターアンテナコイルに関する。

近年、情報を電子的に記憶することができるＩＣチップと、このＩＣチップと外部との間で情報をやり取りするインタフェースを備えたカードやタグを利用したシステムが、その多様な可能性から注目を集めている。かかるシステムは、一般的には、ＲＦＩＤシステムと呼ばれ、小型の記録媒体（カードやタグ）とこれに読み書きを行うＲＦＩＤリーダライタとの組み合わせによって、様々な場面での固体認証やデータの送受信に利用することができる。

小型の記録媒体については、ＲＦＩＤカード、ＩＣカード、ワイヤレスカード、ＲＦＩＤタグ、ＩＣタグ等、種々の称呼がある。以下、ＲＦＩＤタグと呼ぶが、特定の種類のものに限定する意図ではなく、上記のような種々のカードやタグ等を全て含む広い概念である。このようなＲＦＩＤタグは、従来のカードに用いられていた磁気記録方式のものに比べて、ＩＣチップのメモリに大量の情報を記憶しておくことができ、偽造の防止も可能となるため、クレジットカード、電子マネー、電子乗車券、テレフォンカード、ＩＤカード、貨物管理用タグ等として、広く利用されている。

また、ＲＦＩＤリーダライタとの間で情報を送受信するための方式としては、ＲＦＩＤタグの表面に設けられた電極接点とＲＦＩＤリーダライタに設けられた接触端子とを接触させる接触型、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダライタに設けられたアンテナコイルを介して無線により行う非接触型がある。特に、非接触型のＲＦＩＤタグは、接触による磨耗がないこと、ＲＦＩＤリーダライタ側にＲＦＩＤタグを移動させる機構が必要ないこと、送受信の際の方向性の自由度が高いことなどから、高い耐久性と利便性を有するものとして、普及が期待されている。

ところで、上記のような非接触型のＲＦＩＤリーダライタとＲＦＩＤタグとの通信距離は、数ｃｍである。しかし、上述のように、種々の用途が考えられるＲＦＩＤシステムは、多様な用途が考えられるものであり、適用分野によっては、通信距離をさらに延長できることが望ましい。これに対処するため、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダライタとの間に、ブースターアンテナを配置することが提案されている。これは、基本的には、共振用回路を含むＲＦＩＤリーダライタ用のアンテナコイル（以下、Ｐコイルと呼ぶ）と、共振用コンデンサを含むＲＦＩＤブースターアンテナコイル（以下、Ｑコイルと呼ぶ）とを用いる技術である。

例えば、Ｐコイルの法線方向にＱコイルを配置して、通信距離を延長する技術が特許文献１に開示されている。また、ＲＦＩＤタグの前方に、ＲＦＩＤタグ用のＱコイルを配置して、通信距離を延長する技術が特許文献２に開示されている。さらに、非接触ＩＣカード用カードケースに、ブースターを設けたブースター付カードケースが、特許文献３に開示されている。

特開２０００−１３８６２１号公報特開２００５−３２３０１９号公報特開２００５−３３２０１５号公報電気工学ハンドブック、日本国、電気学会、再版３昭和４６年（初版昭和４２年）、１３２−１３３頁

ところで、上記のように、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダライタとの間にブースターを配置しても、十分な延長を望めない場合が生じる。例えば、ＲＦＩＤリーダライタ用のＰコイルとブースター用のＱコイルとによって構成される結合共振回路において、その結合係数が大きい場合には、共振周波数が２つに分かれることにより、いわゆる双峰特性を示す（非特許文献１参照）。この状態においては、ブースターを用いているにも係わらず、共振周波数において電流が小さくなり、通信距離の十分な延長ができない。

一方、結合係数を小さくすることにより、単峰特性を得ることができるが、その場合には、ＲＦＩＤリーダライタ用のＰコイルと、ブースター用のＱコイルとの結合が小さくなり、通信ができなくなる可能性がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、結合係数を大きくして通信を確保しつつ、電流も大きくすることができ、通信距離を十分に延長可能なブースターアンテナを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のブースターアンテナコイルは、所定の搬送周波数により外部と通信可能な第１のアンテナコイルに対して、双峰特性が生じる結合共振回路を構成するように配設された第２のアンテナコイルを有し、前記双峰特性のピークのうちの一方が、前記搬送周波数に合っていることを特徴とする。

なお、他の具体的態様としては、以下のブースターアンナコイルが考えられる。
(1) 第１のアンテナコイルに対する第２のアンテナコイルの面積比が１を超える。
(2) 結合共振回路の結合係数が、概ね０．００１５以上の双峰特性が出現する磁気結合である。

以上のような発明では、第１のアンテナコイルと第２のアンテナコイルとの通信を確保するために結合係数を大きく保持しながら、これにより生じる双峰特性のいずれか一方のピークに搬送周波数を合わせて、電流を大きくすることにより、発生磁束を大きくすることができ、通信距離の十分な延長が可能となる。

以上の通り、本発明では、第１及び第２のアンテナコイルの双峰特性により電流を大きくすることができ、両コイル間の結合係数を大きくすることにより、通信を確保しつつ通信距離を十分に延長可能なブースターアンテナを提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態とする）を説明する。なお、本実施形態は、例えば、ＲＦＩＤリーダライタに適用されるブースターアンテナであるが、ＲＦＩＤリーダライタ及びこれと通信を行うＲＦＩＤタグの具体的構造については、特定のものには限定されないため、説明を省略する。

また、以下の説明では、本実施形態の基本構成を説明し、それぞれに対応して作製した実施例に基づく測定結果によって、本実施形態の作用効果を説明する。

［構成］
まず、本実施形態の基本構成を、図１及び図２を参照して説明する。すなわち、本実施形態は、ＲＦＩＤリーダライタ１側に設けられたＰコイル１１及び共振用回路１２、ブースターアンテナ２を構成するＱコイル２１及びキャパシタ２２、ＲＦＩＤリーダライタ１との通信を行うＲＦＩＤタグ３等によって構成されている。

Ｐコイル１１、Ｑコイル２１は、導体が巻回するように形成された電波の送受信用のアンテナコイルであり、図示しないＲＦＩＤの回路に電気的に接続されている。このＰコイル１１及びＱコイル２１は、例えば、絶縁性の基板上に銅若しくはアルミニウム等によってエッチングや印刷等で形成したり、ワイヤやリードで構成することが考えられるが、これらには限定されない。

そして、Ｐコイル１１及びＱコイル２１は、互いに法線方向がほぼ同一（同軸且つ平行）となるように配置されている。但し、Ｐコイル１１及びＱコイル２１の位置関係はこれには限定されない。Ｐコイル１１及びＱコイル２１の支持構造については、用途に応じて種々のものが考えられる。どのような形状及び材質のケース、フレーム等を用いるか、一部若しくは全部を外部へ露出するか否か、携帯型、可搬型若しくは設置型とするか等は、自由である。

上記のＲＦＩＤリーダライタ１とブースターアンテナ２によって構成される結合共振回路の一例を、図２の回路図に示す。共振周波数は、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、キャパシタＣ１〜Ｃ３の仕様等に従うので、所望の共振周波数が得られる部品を選択する。例えば、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１、抵抗Ｒ１〜Ｒ３の仕様を固定とすると、キャパシタＣ１〜Ｃ３の容量を選択することにより、各コイルの共振周波数を所望の値に変えることができる。可変コンデンサ等を用いることにより、所望の周波数への変更が容易となるように構成してもよい。実験の際には、可変コンデンサを用いることが便宜である。

本実施形態においては、双峰特性を示すように、共振回路の結合係数を大きくする。そして、Ｐコイル１１とＱコイル２１のそれぞれの共振周波数を調節することにより、ＲＦＩＤシステムの搬送周波数に、双峰特性のピークの一方が合うように設定する。

なお、Ｐコイル１１とＱコイル２１の特性を求める式を示すと、以下の通りとなる。まず、Ｐコイル１１とＱコイル２１の相互インダクタンスは、下記の条件によると、式１で表すことができる。
Ｍ：相互インダクタンス
Ｎｐ：Ｐコイルの巻き数
Ｎｑ：Ｑコイルの巻き数
ａ：Ｐコイルの半径
ｂ：Ｑコイルの半径
ｚ：中心軸上の距離
ｋ：結合係数

したがって、結合係数ｋは、相互インダクタンスＭに比例する。また、結合係数ｋは、下記の条件で、式２により表せる。
Ｌｐ：Ｐコイルのインダクタンス
Ｌｑ：Ｑコイルのインダクタンス

したがって、Ｐコイル１１とＱコイル２１の位置関係から、結合係数ｋを計算によって導くことができる。

さらに、Ｑコイル２１の共振周波数ｆｏは、Ｑコイル２１のインダクタンスＬｑ、キャパシタの静電容量Ｃｑである場合、式３で表すことができる。

［作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果を、実際に作製した複数の実施例と比較例に基づいて説明する。

［実施例１］
まず、比較例１，２と、本実施形態を適用した実施例１について、アンテナ電流についてシミュレーションを行った結果のデータを示す。ここで、シミュレーションをアンテナ電流について行ったのは、次の理由による。

まず、以下の式４に示すように、アンテナ中心軸上の磁界はアンテナ電流に比例する。

そして、通信距離は磁界の強さに比例する。従って、アンテナ電流を示すことによって、通信距離の長短が判断できることになる。

ここでは、下記のＡ，Ｂの比較例１，２、Ｃの実施例１について、表１に示す条件、図２の回路図で、Ｐコイル１１の電流Ｉ_ｐ、Ｑコイル２１の電流Ｉ_ｑのシミュレーションを実行した。
Ａ：Ｑコイルがない場合（比較例１）
Ｂ：Ｑコイルがある場合（比較例２）
Ｃ：Ｑコイルがあり、双峰特性の一方を１３．５６ＭＨｚにした場合（実施例１）

シミュレーションの結果として、電流Ｉ_ｐの周波数特性を、図３のグラフに示し、電流Ｉ_ｑの周波数特性を、図４のグラフに示す。この結果から明らかな通り、比較例２では、Ｐコイル１１とＱコイル２１が結合（結合係数ｋ＝０．１５）することで双峰特性となり、周波数１３．５６ＭＨｚにおいて電流が低下する。しかし、実施例１のように、双峰特性の一方を周波数１３．５６ＭＨｚに合わせることによって、大きな電流が得られる。

なお、実施例１では、Ｐコイル１１とＱコイル２１ともに、共振周波数を１４．１５ＭＨｚにすることによって、双峰特性のピークが１３．５６ＭＨｚに合うようになっている。しかし、双峰特性のピークを搬送周波数に合わせるために、Ｐコイル１１とＱコイル２１の共振周波数を具体的にどのような値とするかは、他の諸条件によって異なる。また、図４とは別の（他方の）ピークに合わせてもよいが、その場合には、当然に共振周波数の値も異なってくる。

次に、上記の比較例１，２、実施例１について、表２のＡ〜Ｃの条件で、アンテナ中心軸からの距離Ｚと磁界の強さの関係を、式４に基づいて計算した結果を図５のグラフに示す。

比較例２は、Ｐコイル１１よりも半径の大きいＱコイル２１を用いることによって、比較例１よりも磁界強度が大きくなっている。そして、実施例１は、比較例２よりも電流Ｉが大きいため、比較例２よりも磁界強度が大きくなっている。

このことから、双峰特性の一方を周波数１３．５６ＭＨｚに合わせることで、大きな電流が得られて、強い磁界が発生することがわかる。特に、以下の式５に示すように、ＲＦＩＤタグ３の誘起電圧Ｖｍは、磁界の強さＨに比例するため、磁界が強ければ、誘起電圧が大きくなり、通信距離の更なる改善が見込める。

なお、式５における条件は、次の通りである。
Ｖｍ：誘起電圧
Ｆ：周波数
Ｎ：巻き数
Ｓ：受信コイル断面積
Ｈ：磁界強度
μ_０：4π×１０^−７Ｔ／（Ａ／ｍ）
α：比例定数

さらに、上記の実施例１について、下記条件のＱコイル２１を作成して、Ｐコイル１１から距離６ｍｍ離れた場所に配置（結合係数ｋ＝０．１５）して、通信距離の測定を行った。
半径…１０ｍｍ
巻き数…５巻
抵抗…０．１５Ω
インダクタンスＬ…１．１μＨ
キャパシタＣ…１１５ｐＦ
共振周波数…１４．１５ＭＨｚ

そして、上記の比較例１，２についても、同様に通信距離を測定した。この測定結果を、表３及び図６のグラフに示す。

この表３及び図６から明らかな通り、Ｑコイル２１を配置するだけでも、通信距離は伸びる。そして、双峰特性の一方を周波数１３．５６ＭＨｚに合わせることによって、さらに通信距離が伸びることがわかる。このことは、上記のシミュレーションと一致する。

［実施例２〜６］
比較例３，４と、本実施形態の実施例２〜６について、通信距離の測定を行った結果のデータを示す。測定対象である比較例３，４、実施例２〜６は、以下のＤ〜Ｊである。
Ｄ：Ｑコイルがない場合（比較例３）
Ｅ：ＱコイルがＰコイルと同形状の場合で、双峰特性の一方を周波数１３．５６ＭＨｚに合わせた（比較例４）
Ｆ〜Ｊ：ＱコイルとＰコイルの比が１を超える場合で、双峰特性の一方を周波数１３．５６ＭＨｚに合わせた（実施例２〜６）

Ｅ〜Ｊは、インダクタンスが一定で、断面積が異なる６種類のＱコイル２１を用いている。具体的なＱコイル２１の特性は、次の通りである。
インダクタンスＬ…１．１μＨ
キャパシタＣ…１１５ｐＦ
共振周波数…１４．１５ＭＨｚ

表４に、Ｑコイル２１の作製条件（巻き数、半径、面積、面積比）と通信距離の関係を示す。面積は、環状のコイルが形成する領域の面積を示し、面積比＝（Ｑコイル面積）/（Ｐコイル面積）である。また、面積比と通信距離の関係を、図７のグラフに示す。

この表４、図７から明らかな通り、従来方法であるＱコイル２１を用いないでＰコイル１１のみである比較例３の通信距離は４５ｍｍであり、本発明であるＱコイル２１を用いた場合でも、Ｐコイル１１とＱコイル２１の面積比が等しい（１である）比較例４では、通信距離が４７ｍｍと比較例３と同程度である。しかしながら、図７から明らかなように、Ｐコイル１１とＱコイル２１の面積比が１を超えると、急激に通信距離が大きくなり、表４における実施例２〜６では、６２〜８３ｍｍまで伸びていることがわかる。

［実施例７，８］
比較例５と、本実施形態の実施例７，８について、双峰特性の有無を調べた結果のデータを示す。これは、表５に示すように、Ｐコイル１１とＱコイル２１の結合係数が異なる場合に、双峰特性を示すかどうかを測定したものである。測定対象である比較例５はＬ、実施例７はＭ、実施例８はＮである。Ｌ〜Ｎの出力電流の周波数特性を、図８のグラフに示す。

この表５、図８から明らかな通り、結合係数が０．００１以下では、双峰特性とならないことが分かる。このため、本発明は、結合係数が０．００１を超える場合に有効であり、特に、０．００１５以上であれば、通信距離の延長効果について、望ましい値が期待できる。

［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではなく、各部材の材質、大きさ、形状、数、配置等は、適宜変更可能である。例えば、Ｐコイル、Ｑコイルの大きさや形状は、図１で例示したものには限定されない。従って、円形、楕円形、方形、その他の形状であってもよい。ＰコイルとＱコイルとの間の距離の設定も自由である。

また、ＰコイルとＱコイルとの距離、位置及び方向についても、本発明の効果が得られる限り、どのようなものであってもよい。したがって、必ずしも互いに平行である必要はなく、軸が一致している必要もない（例えば、一方が他方に対して傾斜して配置されていてもよいし、直交する方向で配置されていてもよい）。さらに、ブースターアンテナのＱコイルを、ＲＦＩＤタグ側に適用することも可能である。

本発明の一実施形態を適用したＲＦＩＤシステムを示す斜視図である。図１の回路図である。図１の実施形態を適用した実施例とその比較例のＰコイルの周波数特性を示す説明図である。図１の実施形態を適用した実施例とその比較例のＱコイルの周波数特性を示す説明図である。図１の実施形態を適用した実施例とその比較例のアンテナ中心軸からの距離と磁界の強さの関係を示す説明図である。図１の実施形態を適用した実施例とその比較例の通信距離の実測値を示す説明図である。図１の実施形態を適用した実施例とその比較例のコイル面積と通信距離の関係を示す説明図である。図１の実施形態を適用した実施例とその比較例とのＰコイルの出力電流を示す説明図である。

符号の説明

１…リーダライタ
２…ブースターアンテナ
３…ＲＦＩＤタグ
１１…Ｐコイル
２１…Ｑコイル

Claims

所定の搬送周波数により外部と通信可能な第１のアンテナコイルに対して、双峰特性が生じる結合共振回路を構成するように配設された第２のアンテナコイルを有し、
前記双峰特性のピークのうちの一方が、前記搬送周波数に合っていることを特徴とするブースターアンテナコイル。
前記第１のアンテナコイルに対する前記第２のアンテナコイルの面積比が、１を超えることを特徴とする請求項１記載のブースターアンテナコイル。
前記結合共振回路の結合係数が、概ね０．００１５以上の双峰特性が生じる磁気結合であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブースターアンテナコイル。