JP2005056202A - 情報処理装置、及びアンテナユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 全体的なコストの上昇や自由度の制限を抑えつつ、金属などの導電体にアンテナユニットが覆われた場合の通信可能距離の低下を回避する技術を提供する。
【解決手段】 １次コイル１０１に電流を流すことにより２次コイル１０２に電流Ｉ_１ が流れると、金属板２０１にはその向きと反対の向きにうず電流Ｉ_２ が流れる。３次コイル１０３には、コンデンサＣｋの静電容量を調節することにより、うず電流Ｉ_２ とは反対の向きに電流Ｉ_３ が流れる。それにより、うず電流Ｉ_３ によって発生する磁界を３次コイル１０３に流れる電流Ｉ_２ によって発生する磁界と相殺させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＩＣカードやＩＣタグ等のＩＣを内蔵した情報記録媒体と非接触で通信を行うための技術に関する。

近年、ＩＣを内蔵した情報記録媒体と無線により非接触で通信可能な非接触キャリアシステムの導入が盛んになっている。それにより、カードにＩＣを内蔵した「ＩＣカード」を用いた交通ゲート入退装置や入退出室管理装置、ＩＣを内蔵した「ＩＣタグ」を物品に付けて物品管理を行う物流管理装置、腕時計にＩＣを内蔵した「ＩＣリストバンド」を用いた入退出室管理装置、などのように大小さまざまな形状の非接触式記録媒体が利用されている。

そのような非接触式記録媒体（以下「ＩＣメディア」と呼ぶ）との通信を行う情報処理装置であるリーダライタ装置には、その通信を選択的に行えるように、通常、指向性を有するループコイルを備えたアンテナが採用（搭載）される。そのアンテナを構成するループコイルは、図８に示すように、不図示の信号処理回路と接続された１次コイル８０１、及びその１次コイル８０１と電磁気的に結合する２次コイル８０２が矩形（ループ）状に巻かれているのが普通である。その２次コイル８０２はコンデンサＣｂと接続されている。

従来のリーダライタ装置は、図８に示すようなアンテナを介してＩＣメディアと電磁結合し、電力を供給する。電磁結合したＩＣメディアにコマンドを送信し、そのコマンド送信に対してＩＣメディア側からレスポンスを受信すると、ＩＣメディアとの間で通信を開始し、ＩＣメディアからのデータの読み出しやデータの書き込みを行うようになっている。

そのリーダライタ装置が組み込まれる自動販売機や取引端末装置等は、金属からなる筐体で構成されることが多い。その金属などの導電体では、その中で磁束が変化するとうず電流が発生する。アンテナの磁界によって発生するうず電流は、その磁界とは反対方向の磁界を生じさせる。このため、金属などの筐体内にリーダライタ装置が組み込まれた場合（アンテナが金属などの導電体によって覆われた場合）、うず電流の発生によってアンテナの磁界は弱められ、通信可能距離は短くなる。これを避けるために、従来は、例えば図９に示すように、１次コイル８０１や２次コイル８０２が形成されたアンテナ基板９０１に対し、数ｍｍの厚さのフェライト等の強磁性体９０２を密着させた構成としている。

強磁性体９０２を密着させると、アンテナから発生する磁界の大部分が強磁性体９０２内に分布することになるので、金属がその近傍にあっても貫く磁束が抑えられる。それにより、金属に発生するうず電流は抑えられ、アンテナから発生する磁界が弱められることも回避される結果、通信可能距離の低下も抑えられることとなる。しかし、強磁性体９０２は、機械的強度が低く、取り扱いが難しいことから（振動対策等が必要となることから）、それを設けることによって全体的なコストは大きく上昇するという問題点があった。

うず電流が流れなくなるように、筐体とする金属の一部を切り欠く方法も従来、行われている（特許文献２）。しかし、その方法を採用すると、金属の一部を切り欠けなければならないために、装置としての自由度が制限される。情報処理装置を組み込む装置の製造工程は煩雑となる。このようなことから、通信可能距離の低下は、コストを抑えるだけでなく、自由度の制限も抑えつつ回避させることが重要であると考えられる。

なお、強磁性体９０１の代わりに金属板をアンテナに取り付けることにより、他の金属構造物の影響を低減する方法も従来、行われているが、その方法では通信可能距離が大きく低下する。このため、その方法を採用することは望ましくない。

特開２００２−１２３７９９号公報 特開２００１−３３８２７０号公報

本発明は、全体的なコストの上昇や自由度の制限を抑えつつ、金属などの導電体にアンテナが覆われた場合の通信可能距離の低下を回避する技術を提供することを目的とする。

本発明の情報処理装置は、ＩＣを内蔵した情報記録媒体とアンテナユニットを介して非接触で通信を行うことを前提とし、アンテナユニットと電磁気的に結合させるループ状のループコイルを具備し、該ループコイルを用いて共振回路を構成させている。

なお、上記アンテナユニットは、通信用の回路に接続された１次コイル、及び該１次コイルと電磁気的に結合する２次コイルを有する、ことが望ましい。また、ループコイルは、アンテナユニットを構成する１次コイル、及び２次コイルが形成された平面上、或いは該平面の垂直方向に間隔を隔てた平面上に設けている、ことが望ましい。アンテナユニットを構成する１次コイル、及び２次コイルが形成された平面の垂直方向に間隔を隔てた平面上にループコイルを設ける場合、ループコイルを金属等の導電体に取り付けることにより、或いは上記回路が形成された基板上に設けることによりそれを実現させることが望ましい。

本発明のアンテナユニットは、情報処理装置がＩＣを内蔵した情報記録媒体と非接触で通信を行うために用いられることを前提とし、情報処理装置から信号が供給される１次コイル、及び該１次コイルと電磁気的に結合する２次コイルと、１次コイル、及び２次コイルのうちの少なくとも一方と電磁気的に結合し、共振回路を構成するループ状のループコイルと、を具備する。

本発明は、アンテナユニットと電磁気的に結合させるループ状のループコイルを用意し、そのループコイルを用いて共振回路を構成させる。その共振回路によってループコイルに、アンテナユニットの磁界によってそれを覆う金属などの導電体に発生するうず電流がつくる磁界を相殺させるように磁界を発生させることができる。フェライト等の機械的強度が弱い強磁性体を採用する必要性は回避される。これらのことから、全体的なコストの上昇や自由度の制限を抑えつつ、金属などの導電体に覆われた場合の通信可能距離の低下を回避することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。
図１は、本実施例による情報処理装置（リーダライタ装置）に搭載されたアンテナユニットの構成を説明する図である。

そのアンテナユニット１００は、図１に示すように、それぞれがループ状に巻かれた１次コイル１０１、２次コイル１０２、及び３次コイル１０３をその順序で内側から同一平面上に形成することで構成されている。それらコイル１０１〜１０３は、不図示のアンテナ基板上にパターン形成されることにより、同一平面上に形成されている。このような構成のアンテナユニット１００は、本発明を適用させたものであり、本実施の形態による情報処理装置は、そのアンテナユニット１００を搭載することで実現されている。

上記１次コイル１０１は、情報処理装置に搭載された信号処理回路と接続されている。その信号処理回路は、アンテナユニット１００を介して、例えばＩＣカード、ＩＣリストバンド、或いはＩＣタグといった非接触式記録媒体（ＩＣメディア）と通信を行うためのものであり、所定のキャリア信号を発生させ、その信号を所定の電圧レベルに増幅させて１次コイル１０１に供給することにより磁界を発生させる。

複数、巻回された２次コイル１０２は、１次コイル１０１と電磁気的に結合するコイルであり、コンデンサＣｂが接続されている。それにより、アンテナユニット１００は、１次コイル１０１と２次コイル１０２とでトランスを形成したアンテナとして機能するようになっている。そのコンデンサＣｂの静電容量は、アンテナユニット１００が金属等の導電体で覆われない場合に通信が最良に行えるように調整されている。

３次コイル（ループコイル）１０３は、１次コイル１０１、及び２次コイル１０２と電磁気的に結合するコイルである。可変のコンデンサＣｋが接続されることで共振回路を構成している。

上記の構成のアンテナユニット１００は、それを搭載した情報処理装置（リーダライタ装置）が自動販売機、或いは取引端末装置などに組み込まれて、その金属（磁性体でもある導電体）製の筐体に覆われることを想定して作製したものである。以下、そのような筐体に覆われた場合における動作（機能）や通信可能距離について、図２、及び図３を参照して具体的に説明する。

図２は、１次コイル１０１に電流を流した際に各部に流れる電流を説明する図である。ここでは、２次コイル１０２に流れる電流の大きさは１次コイル１０１のそれより数倍、大きいことから、１次コイル１０１の図示は省略し、アンテナとして機能するコイルとしては２次コイル１０２のみ示している。金属板２０１は、情報処理装置の筐体、或いはそれを組み込んだ装置の筐体の一部である。

今、２次コイル１０２の電流Ｉ_１ が図２に示す向きに流れると、金属板２０１に流れるうず電流Ｉ_２ の向きは図２に示すように電流Ｉ_１ とは反対となる。このことから、コンデンサＣｋの静電容量は、３次コイル１０３に流れる電流Ｉ_３ の向きと金属板２０１に流れるうず電流Ｉ_２ の向きが反対となるように調節する。その調節により、うず電流Ｉ_３ によって発生する磁界を３次コイル１０３に流れる電流Ｉ_２ によって発生する磁界と相殺させることができる。それにより、通信可能距離の低下は抑えることができる。

図３は、通信可能距離の測定結果を示す図である。比較のために、金属板２０１が存在しない場合に従来のアンテナユニット（図８参照。以下、便宜的に「第１の従来例」と呼ぶ）を用いて得られた測定結果を（ａ）に示す。同様に、金属板２０１が存在する場合に従来のアンテナユニットを用いて得られた測定結果を（ｂ）、図９に示すように磁性体９０２を密着させた従来のアンテナユニット（以下、便宜的に「第２の従来例」と呼ぶ）を用いて得られた測定結果を（ｃ）に示す。本実施例によるアンテナユニット１００を用いて得られた測定結果は（ｄ）に示す。

当然のことながら、１次コイルや２次コイルの形状やターン（巻）数、その材料などは同じとし、１次コイルには同じ条件で電流を供給している。金属板２０１が存在する場合は何れも、アンテナ（１次コイル、２次コイル）からの距離は一定（ここでは２０ｍｍ）としている。そのようにして、同じ条件下での通信可能距離を測定している。

図３に示すように、第１の従来例では、金属板２０１が存在していなければ通信可能距離は６３ｍｍであるが、その金属板２０１が２０ｍｍの距離に存在すると、通信可能距離は３８ｍｍとなって通信可能距離は大幅に低下する。第２の従来例では、強磁性体（例えばフェライト）９０２を密着させることにより、金属板２０１が存在しても通信可能距離は６３ｍｍを維持し、その低減が回避されている。本実施例でも同様に、金属板２０１が存在しても６３ｍｍの通信可能距離を確保できている。このことから明らかなように、通信可能距離の低下を回避できることが判る。

本実施例では、第２の従来例とは異なり、フェライト等の強磁性体をアンテナ基板等に密着しなくとも良い。このため、アンテナユニット１００を搭載した情報処理装置、或いはそれを組み込む装置において振動対策等を講じなくとも済む。それにより、第２の従来例と比較して、全体的なコストを大幅に低減させつつ、通信可能距離の低下を回避させることができる。金属板２０１が存在しても通信可能距離の低下を回避できることから、それを存在しないようにすることで生じる自由度の制限も回避される。

３次コイル１０３やそれと接続するコンデンサＣｋは、２次コイル１０２やそれと接続するコンデンサＣｂと同様の手法で作製することができる。それにより、アンテナユニット１００を作製する際に、別の部材や種類が異なる製造プロセスを用いなくとも済む。それを搭載させる情報処理装置側における製造プロセスを煩雑にするのは回避できる。このようなことから、３次コイル１０３やそれと接続するコンデンサＣｋをアンテナユニットに追加する場合、それらの追加はより容易、且つ低コストで行うことができる。それらを有するアンテナユニット１００を作製したのはこのためである。

なお、本実施例では、３次コイル１０３を１次コイル１０１、及び２次コイル１０２と同一平面上に配置させているが、必ずしもそうしなくとも良い。つまり、例えば図４に示すように、３次コイル１０３をそれらのコイル１０１、１０２とは別の平面（コイル１０１、１０２が形成された平面の直交方向に間隔を隔てた位置の、その平面と平行、或いはほぼ並行な平面）上に配置しても良い。

そのような配置は、例えば図５に示すように、金属板２０１にスペーサ５０１を介して３次コイル１０３を取り付けることで実現させても良い。その場合、アンテナユニット５００としては、図８に示すような従来例、つまりアンテナ基板上に１次コイル、及び２次コイルが形成されたアンテナユニットを採用することができる。

３次コイル１０３をコイル１０１、１０２と同じ平面上に配置する場合、通信可能エリアを維持させようとすると、アンテナユニット１００の大きさは従来のアンテナユニットと比較して大きくさせなければならない。しかし、その３次コイル１０３をそれらとは別の平面上に配置することで、３次コイル１０３は例えば２次コイル１０２と同じ大きさにすることができる。このため、アンテナユニットの大型化を回避できるようになり、その大型化による情報処理装置の大型化も回避させることができる。

上記信号処理回路は通常、広いアースパターンが形成された基板上に搭載される。このことから、アンテナユニットの近傍に位置する場合には、図６に示すように、その基板６０１上に３次コイル１０３を形成させ、図５に示すアンテナユニット５００を、スペーサ６０２を介してそれに取り付けるようにしても良い。これらのことから明らかなように、３次コイル１０３は様々な形で配置させることができる。

その３次コイル１０３と接続させるコンデンサＣｋは、例えば図７に示すように、リード線７０１を介して３次コイル１０３と接続させるようにしても良い。そのようにした場合には、コンデンサＣｋは調節を行い易い位置に配置させることができる。それにより、調節を容易に行えるようにすることができる。その３次コイル１０３のターン（巻）数は１としているが（図１、図４、及び図６参照）、２以上としても良い。

本実施例による情報処理装置（リーダライタ装置）に搭載されたアンテナユニットの構成を説明する図である。 １次コイルに電流を流した際に各部に流れる電流を説明する図である。 通信可能距離の測定結果を示す図である。 ３次コイルの他の配置方法を説明する図である。 ３次コイルの他の配置方法の具体例を説明する図である（その１）。 ３次コイルの他の配置方法の具体例を説明する図である（その２）。 ３次コイルにコンデンサを接続する他の方法を説明する図である。 従来の情報処理装置に搭載されるアンテナユニットの構成を説明する図である。 金属などの導電体が存在する場合に従来の情報処理装置に搭載されるアンテナユニットの構成を説明する図である。

符号の説明

１００ アンテナユニット
１０１ １次コイル
１０２ ２次コイル
１０３ ３次コイル
Ｃｋ コンデンサ
２０１ 金属板
５０１、６０２ スペーサ
６０１ 信号処理回路基板
７０１ リード線

Claims (6)

1. ＩＣを内蔵した情報記録媒体とアンテナユニットを介して非接触で通信を行う情報処理装置において、
   前記アンテナユニットと電磁気的に結合させるループ状のループコイルを具備し、該ループコイルを用いて共振回路を構成させている、
   ことを特徴とする情報処理装置。
2. 前記アンテナユニットは、前記通信用の回路に接続された１次コイル、及び該１次コイルと電磁気的に結合する２次コイルを有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の情報処理装置。
3. 前記ループコイルは、前記アンテナユニットを構成する１次コイル、及び２次コイルが形成された平面上、或いは該平面の垂直方向に間隔を隔てた平面上に設けている、
   ことを特徴とする請求項２記載の情報処理装置。
4. 前記ループコイルは、金属等の導電体に取り付けることにより、前記アンテナユニットを構成する１次コイル、及び２次コイルが形成された平面の垂直方向に間隔を隔てた平面上に設けている、
   ことを特徴とする請求項３記載の情報処理装置。
5. 前記ループコイルは、前記回路が形成された基板上に設けることにより、前記アンテナユニットを構成する１次コイル、及び２次コイルが形成された平面の垂直方向に間隔を隔てた平面上に設けている、
   ことを特徴とする請求項３記載の情報処理装置。
6. 情報処理装置がＩＣを内蔵した情報記録媒体と非接触で通信を行うために用いられるアンテナユニットにおいて、
   前記情報処理装置から信号が供給される１次コイル、及び該１次コイルと電磁気的に結合する２次コイルと、
   前記１次コイル、及び２次コイルのうちの少なくとも一方と電磁気的に結合し、共振回路を構成するループ状のループコイルと、
   を具備することを特徴とするアンテナユニット。

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