JP2008028506A - 非接触ｉｃカードのリーダライタの通信領域拡張装置およびそれを用いたリーダライタ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｒ／Ｗモジュールの構成自体は一切変更することなく、ＩＣカードとＲ／Ｗモジュールとの間の通信可能領域を拡張できる、アタッチメント提供する。
【解決手段】 非接触ＩＣカードのリーダライタのアタッチメント２６は、Ｒ／Ｗモジュール２８のアンテナより大きい平面形状を有するコイルをたとえば塩化ビニルのような合成樹脂外装で被覆したものであり、使用状態ではＲ／Ｗモジュール２８の下方に重ねられる。
【選択図】図３

Description

この発明は、非接触ＩＣカードリーダライタの通信領域拡張装置およびそれを用いたリーダライタに関し、特にたとえば、リーダライタ(Ｒ／Ｗ)モジュールによって非接触ＩＣカード(ＩＣタグ含む。以下、単に「ＩＣカード」と呼ぶことがある。)から情報を読み取りまたはそれに情報を書き込む際のＩＣカードとＲ／Ｗモジュールとの間の通信領域を拡張すことのできる、新規なＩＣカードリーダライタの通信領域拡張装置およびそれを用いたリーダライタに関する。

この種のＩＣカードとそれの読取装置の一例が、たとえば非特許文献１に開示されている。

汎用性を高めるために、ＩＣカードのＲ／Ｗのモジュールは小さくなる一方である。多くの場合、アンテナ（通常はコイル）は、Ｒ／Ｗ用の半導体チップが装着されるものと同一の回路基板上に設けている。そのため、Ｒ／Ｗモジュールが小さくなるにつれて、アンテナのサイズも小さくなってきている。したがって、このようなＲ／Ｗモジュールを組み込んだ製品においては、モジュールが小型化できたために組み込みやすくなるという利点はあるものの、アンテナが小さくなったことによってＩＣカードとの通信可能領域が狭くなり、それらの製品における様々な制約（サイズ、位置または配置など）もあり、そのままではＩＣカードからの情報の読取りまたはそれへ情報書込みがやりにくくなっている。
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それゆえに、この発明の主たる課題は、新規な、ＩＣカードのリーダライタの通信領域拡張装置およびそれを用いたリーダライタを提供することである。

この発明の他の課題は、Ｒ／Ｗモジュールの構成自体は一切変更することなく、通信可能領域を拡張できる、ＩＣカードリーダライタの通信領域拡張装置およびそれを用いたリーダライタを提供することである。

請求項１の発明は、Ｒ／Ｗモジュールを用いて非接触ＩＣカードの情報を読み取りまたはそれへ情報を書き込むリーダライタの通信領域を拡張するための装置であって、平面視においてＲ／Ｗモジュールのアンテナと同等またはそれ以上の大きさを有するコイルを備え、コイルを含む電気回路がアンテナから見て容量性のインピーダンスを有する、非接触ＩＣカードのリーダライタの通信領域拡張装置である。

請求項１の発明では、Ｒ／Ｗモジュール（２８：実施例において相当する部分を例示する参照符号。以下、同様。）は、ＩＣカード（１６）と通信しながら、ＩＣカードの情報を読み取りあるいはＩＣカードへ情報を書き込む。通信領域拡張装置つまり実施例のアタッチメント（２６）はＲ／Ｗモジュール２８のアンテナ（３２）と同等またはそれ以上の大きさのコイルを有し、そのコイルを含む電気回路をＲ／Ｗモジュールのアンテナから見て容量性のインピーダンスを有するように設定する。

そして、Ｒ／Ｗモジュールのアンテナ（３２）には、ＩＣカードとの通信時には、キャリア周波数(たとえば１３．５６ＭＨｚ、１２５ｋＨｚ等)を中心周波数とする電流が流れ、アンテナ（３２）の近傍に交流磁界が形成される。その交流磁界中に、上記アタッチメント（２６）のコイル（３６）を近づけると、そのコイルに誘導電流が流れる。通常は、その交流磁界を打ち消す方向に誘導電流が流れるが、このコイル（３６）を含む電気回路を容量性の回路とすることで、交流磁界と同相の誘導電流がコイル（３６）に流れ、この誘導電流がアンテナ（３２）の交流磁界を強めることになる。したがって、ＩＣカード１６をアタッチメント（２６）の近傍にもたらすだけで、ＩＣカード（１６）とＲ／Ｗモジュール（２８）との間の通信が可能となる。

請求項１の発明に係る通信領域拡張装置を用いれば、Ｒ／Ｗモジュールを変更することなく、ＩＣカードとＲ／Ｗモジュールとの間の通信可能距離すなわち通信可能領域を拡張することができる。

請求項２の発明は、電気回路はＲ／Ｗモジュールの中心周波数付近であってそれより高い周波数で共振する、請求項１記載の通信領域拡張装置である。

請求項２の発明のようにコイルを含む電気回路の共振周波数を設定することによって、この電気回路を容量性回路にすることができる。

請求項３の発明は、コイルは、平面視「８」の字形状である、請求項１または２記載の通信領域拡張装置である。

請求項３の発明では、アタッチメントのコイルの平面形状「８」の字形状とすることによって、各コイル辺に形成される磁界の向きが逆になるので、Ｒ／Ｗモジュールの近傍では磁界は強いが、遠方では磁界が打ち消し合い、距離に対して急激に磁界強度(電波の放射)が減少する。したがって、アタッチメントを用いた場合の外部への影響を小さくできる。

請求項４の発明は、非接触ＩＣカードの情報を読み取りまたはそれへ情報を書き込むリーダライタであって、アンテナを有するＲ／Ｗモジュール、および平面視においてＲ／Ｗモジュールのアンテナと同等またはそれ以上の大きさを有するコイルを含み、コイルを含む電気回路がアンテナから見て容量性のインピーダンスを有するようにしたアタッチメントを備え、コイルがアンテナと結合するようにアタッチメントとＲ／Ｗモジュールとを配置した、非接触ＩＣカードのリーダライタである。

この発明によれば、Ｒ／Ｗモジュールを変更することなく、ＩＣカードとＲ／Ｗモジュールとの間の通信可能距離すなわち通信可能領域を拡張することができる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１に示すこの発明の一実施例としての電子秤１０は、たとえばステンレスなどの金属からなる筐体１２を含み、この筐体1２の前面は上方に向かうにつれて後方に傾斜され、その前面には操作パネル１４が取り付けられる。操作パネル１４は、詳しくは図示しないが、ＩＣカード１６を電子マネーとしたたとえば代金決済するなどのために操作するための操作キーを含む。

ＩＣカード１６はこの実施例では、受動型非接触ＩＣカードである。ただし、この発明によるリーダライタの通信領域拡張装置およびリーダライタは、他の任意の形式または構成のＩＣカードにも利用できるものであることを予め指摘しておく。

ＩＣカード１６は、図２に示すように、たとえば合成樹脂からなるカード１８からなり、そのカード１８に内蔵された平面視形状が矩形のループアンテナ２０およびカード１８に内蔵されかつループアンテナ２０に電気的に接続されたＩＣチップ２２を含む。ＩＣチップ２２は、後述の図５に示すようにメモリや送受信回路などを含み、ループアンテナ２０を介して後述のＲ／Ｗモジュール２８（図４）との間で各種データのやり取りができるように構成されている。

図１に戻って、筐体１２は上述のように金属であり、したがって、筐体1２の上記前面を除くすべての側面および上面は金属で封止され、底面は、金属でではなく、合成樹脂で封止されている。筐体１２の上面上方には重量を計測するための物品（図示せず）を載置するための載置台ないし上皿２４が設けられる。そして、筐体１２に内蔵される図示しない電子回路とともに、この上皿２４が秤機構を構成する。

秤機構としては、たとえば、上皿２４がその上に載置される物品の重量に応じて下方に変位し、電子回路でその変位量を検出することによって当該物品の重量を計算する機構、あるいはストレインゲージなどの電気的手段を用い、上皿２４に載せられた物品の重量に応じた大きさの電気信号から物品重量を算出する機構などが考えられる。ただし、秤機構それ自体はこの発明の要点ではないので、任意の秤機構を適用することができる。

筐体１２の下面は上述のように樹脂で封止されているが、その下面から前方に、通信領域拡張装置の一実施例であるアタッチメント２６の一部が突出している。このアタッチメント２６は、この実施例では、図３に示すように、Ｒ／Ｗモジュール２８の下方（上方であってもよい）に重ねて使用されるものである。つまり、Ｒ／Ｗモジュール２８が筐体1２の内部に収納され、それに重ねられたアタッチメント２６の先端側の一部が筐体１２の底面から前方に出される。上述のように筐体１２は、金属であり、電磁波を透過しないが、筐体１２の一部（底面）は電磁波を透過し得る樹脂で封止されているので、結局、Ｒ／Ｗモジュール２６は、少なくとも一部が電磁波透過性材料で作られる筐体内に配置されていることになる。

Ｒ／Ｗモジュール２８は、図４に示すように、基板３０、基板３０の上に形成された平面視形状が矩形のループアンテナ３２、その基板３０上に装着されかつループアンテナ３２に電気的に接続された送受信回路３３、送受信回路３３に接続されるＣＰＵ３４およびＣＰＵ３４と協働するメモリ３５を含む。したがって、Ｒ／Ｗモジュール２８は、後述の図５に示すように、ループアンテナ３２を介して前述のＩＣカード１６のとの間で各種データのやり取りができるように構成されている。

つまり、図５に示すように、ＩＣカード１６のアンテナ２０とＲ／Ｗモジュール２８のアンテナ３２とを通して、ＩＣカード１６のＩＣチップ２２に含まれる送受信回路とＲ／Ｗモジュール２８の送受信回路３３とが通信し、ＩＣカード１６とＲ／Ｗモジュール２８との間でデータや情報の授受が行なわれる。

アタッチメント２６は、このようなＩＣカード１６とＲ／Ｗモジュール２８とが通信できる範囲または領域もしくは距離を拡大するために用いるものであり、図３に示すように、Ｒ／Ｗモジュール２８の下方に、このＲ／Ｗモジュール２８の下面とそれの上面とが密着するように、配置され、さらにその一部（Ｒ／Ｗモジュール２８と重なっていない部分）が図１に示すように、実施例の電子秤１０の筐体１２の下部から前方にはみ出すように、置かれる。

つまり、この実施例のアタッチメント２６はこのように電磁波を通さない筐体内にＲ／Ｗモジュール２８が封止されている場合などに特に有効である。このような場合に、上記のように筐体底面を通してアタッチメント２６の一部を筐体1２の外部に露出させ、他方でアタッチメント２６の一部を筐体１２の内部でＲ／Ｗモジュール２８に電磁結合させることによって、以下に詳しく説明するように、ＩＣカード１６とＲ／Ｗモジュール２８との間の通信可能範囲を実質的に拡張することができる。

アタッチメント２６は図６に示すように、平面視形状が矩形のコイル３６をたとえば塩化ビニルのような合成樹脂からなる外装３８で被覆したものである。

たとえば、ＩＣカード１６の平面矩形のループアンテナ２０のサイズ横×縦を一例として５０mm×８０mmとし、Ｒ／Ｗモジュール２８の平面矩形のループアンテナ３２のサイズ横×縦を一例として同じく５０mm×８０mmとした場合、アタッチメント２６の平面矩形のコイル３６のサイズ横×縦は一例として１２０mm×８０mmとする。

このように、実施例ではアタッチメント２６のコイル３６のサイズは、ＩＣカード１６およびＲ／Ｗモジュール２８のループアンテナ２０および３２の１．５〜２倍程度に設定しているが、それらのサイズ比率は弧の比率に限られるものではなく、必要な通信可能領域または距離や空スペースの大きさなどを勘案して設計すればよい。

図１に示す実施例において、Ｒ／Ｗモジュール２８のアンテナ３２にはＩＣカード１６のアンテナ２０との通信時には、キャリア周波数(１３．５６ＭＨｚ、１２５ｋＨｚ等)を中心周波数とする電流が流れ、アンテナ３２の近傍に交流磁界が形成される。その交流磁界中に、上記アタッチメント２６のコイル３６を近づけると、そのコイル３６に誘導電流が流れる。

アタッチメントコイル３６には、通常は、その交流磁界を打ち消す方向に誘導電流が流れるが、このコイル３６を含む電気回路をＲ／Ｗモジュール２８のアンテナ３２すら見て容量性の回路とすることで、交流磁界と同相の誘導電流がコイル３６に流れ、この誘導電流がアンテナ３２の交流磁界を強めることになる。したがって、ＩＣカード１６を図１に示すようにアタッチメント２６の近傍にもたらすだけで、Ｒ／Ｗモジュール２８のアンテナ３２から離れていても、ＩＣカード１６のアンテナ２０が上記増強された交流磁界と磁界結合でき、それによってＩＣカード１６とＲ／Ｗモジュール２８との間の通信が可能となる。つまり、通信可能距離が拡大され得る。

具体的に、図７のような等価回路を考える。図７の等価回路において、回路Ａが電子秤１０に内蔵するＲ／Ｗモジュール２８のコイルアンテナ３２の部分のみを示し、回路Ｂが実施例の読み取り領域の拡張のためのアタッチメント２６のコイル３６の部分を示す。なお、実際にはコイル（Ｌ）の抵抗分（ｒ）やコンデンサの損失（ｔａｎδ）による損失抵抗分Ｒが回路には存在するが、簡単のため、ここでは省いている。

Ｉ１、Ｉ２は各々の回路Ａ、Ｂに流れる電流(交流)であり、Ｌはコイルのインダクタンス(ヘンリー；Ｈ:通常はμＨオーダ)であり、Ｃはコンデンサの静電容量(ファラッド；Ｆ、通常はｐＦオーダ)である。Ｍは２つのコイルＬ１、Ｌ２の相互インダクタンスである。

コイルＬ１およびコイルＬ２の磁束が互いに鎖交する場合（２つのコイルの中心軸が共通であるとか、コイル面どうしが軸方向に見通した場合にある程度重なっているとか、の場合）は、たとえば、コイルＬ１に流れた電流によって交流磁界が発生し、その磁束がコイルＬ２に交わり(鎖交し)、その交流磁界によって、ファラデーの電磁誘導の法則（Ｖ＝−ｄφ／ｄｔ）に従って、コイルＬ２にその磁界変化を妨げるように誘導電圧が発生し、回路に電流Ｉ２が流れる。

このとき、回路方程式は、最も単純には数１となる。
［数１］
ｊωＭ・Ｉ１＋（ｊωＬ・Ｉ２＋１／（ｊ／ωＣ・Ｉ２））＝０
数１において静電容量値Ｃが小さい場合には、付加回路は容量性となり、数１は数２に近似できる。
［数２］
ｊωＭ・Ｉ１＋１／（ｊ／ωＣ・Ｉ２）＝０
ｊωＭ・Ｉ１−ｊＸ・Ｉ２＝０ （Ｘ＝1／ωＣ）
ｊωＭ・Ｉ１＝ｊＸ・Ｉ２
となり、電流Ｉ１とＩ２との位相が一致する。

正確には、数３で示す回路方程式となる。
［数３］
ｊωＭ・Ｉ１＋（ｊωＬ・Ｉ２＋１／（ｊ／ωＣ・Ｉ２）＋Ｒ・Ｉ２）＝０
数３において、ω＝１／√（Ｌ／Ｃ）のとき、すなわち、共振周波数で付加回路のインピーダンスは最小となり、最大の電流が流れる。

共振点を１３．５６ＭＨｚ付近の高めの周波数、たとえば１４ＭＨｚに設定するとアタッチメント２６のコイル３６を含む付加回路は上記同様に容量性と見なせて同位相の電流が流れることになり、磁界を強めることができる。このように、アタッチメント２６のコイル３６を好ましくは、１３．５６ＭＨｚ付近であってそれより少し高めの周波数、たとえば上述の１４ＭＨｚで共振させることによって、電気回路Ｂのインピーダンスが小さくなり、より大きな電流がコイル３６に誘導され、磁界をさらに強めることができる。したがって、Ｒ／Ｗモジュール２８のアンテナ３２上だけでなく、拡張のために用いたアタッチメント２６のコイル３６上でもＩＣカード１６とＲ／Ｗモジュール２８との間の通信が可能となるので、結局、両者の間の通信可能距離が長くなる。

実際にアタッチメントを製作する場合はおおむね次のような要領となる。

適当な大きさの数ターンのコイルを巻き、数μＨに調整する。

容量を変化できる(半固定の)コンデンサをそのコイルの両端に接続する。静電容量値は通常、数１０ｐＦ程度である。

実際の数字を使って、以下、簡単に各定数を求めてみる。

今、インダクタンスを５μＨとして、１４ＭＨｚで共振させるためには、容量値は数４に従って、数５で与えられる。
［数４］
ｆｏ＝１／２π√（Ｌ・Ｃ）
Ｃ＝１／（４π^２・ｆｏ^２・Ｌ）
［数５］
Ｃ＝１／（４×３．１４^２×１４^２×１０^１２×５×１０^−６）
＝２５．８×１０^−１２＝２５．８ｐＦ
図８は、発明者等が行なった、通信可能領域拡張用アタッチメント２６を用いて通信可能距離がどの程度長くなるかの一実験例を示す図解図であり、実験では、この図８に示すように、Ｒ／Ｗモジュール２８のアンテナ３２およびＩＣカード１６のアンテナ２０をともに、５０mm×８０mmとし、アタッチメント２６のコイル３６を１２０mm×８０mmとし、ＩＣカード１６はそれのアンテナがＲ／Ｗモジュール２８のアンテナ３２と平行になるように配置した。実験では、ＩＣカード１６をアタッチメント２６のコイル３６の遠方（図8では左方）から順次近づけて、Ｒ／Ｗモジュールが読取りを開始する距離を測定した。その結果が図９に示される。

図９からよく分かるように、アタッチメント２６を用いない場合にはＲ／Ｗモジュールアンテナの中心からごくわずか離れただけでも、ＩＣカード１６とＲ／Ｗモジュール２８とは通信不能になってしまったが、アタッチメント２６を用いた場合には、Ｒ／Ｗモジュールのアンテナ中心から遠方（図８の左方）へ１００mm離れても通信可能であった。この実験結果は、実施例のようなアタッチメント２６を用いることによって、ＩＣカードとＲ／Ｗモジュールとの間の通信可能距離すなわち通信可能領域を拡張できたことを明確に示している。

図６の実施例では、アタッチメント２６のコイル３６を平面矩形にしたが、さらに、図１０に示すように、アタッチメント２６のコイルを平面視で「８の字」の形状のコイル３６Ａにすることによって、その各々のコイル辺に流れる電流の向きが反対になる。そのため、各コイル辺に形成される磁界の向きが逆になるので、近傍（図８では右方）では磁界は強いが、遠方では磁界が打ち消し合い、距離に対して急激に磁界強度(電波の放射)が減少して、外部への影響を小さくできる。

さらに、上述の実施例では、アタッチメント２６は平板のような２次元形状としたが、このアタッチメント２６を図１１に示す実施例のように、側面から見てたとえば「Ｌ」字状のような３次元形状とすることもできる。この実施例においても、先の実施例と同様に、ＩＣカード１６は図１１に示すように、アタッチメント２６の近傍に配置してそれのコイル３６からの電磁波を受けることができるようにすればよい。

図１はこの発明を電子秤へ適用した一実施例を示す図解図である。 図２は図１の実施例に用いるＩＣカードの内部構成一例を示す図解図である。 図３は図１に示す実施例の電子秤のリーダライタの部分だけを示す図解図である。 図４は図３の実施例に用いるＲ／Ｗモジュールの内部構成一例を示す図解図である。 図５は図１の実施例においてＩＣカードとＲ／Ｗモジュールとが相互に通信できることを示すブロック図である。 図６は図１および図３に示すアタッチメントを平面視で示す図解図である。 図７はＲ／Ｗモジュールのアンテナとアタッチメントのコイルとを図３のように結合させたときの等価回路を示す回路図である。 図８は図１に示す実施例においてＲ／ＷモジュールとＩＣカードとの通信可能領域（距離）を測定する発明者等が行った実験の一手法を示す回路図である。 図９は図１に示す実施例においてＲ／ＷモジュールとＩＣカードとの通信可能領域（距離）がアタッチメントによって拡大したことを示すグラフである。 図１０はアタッチメントの他の実施例を示す平面図解図である。 図１１はアタッチメントのさらに他の実施例を、Ｒ／ＷモジュールやＩＣカードとの関係で示す図解図である。

符号の説明

１０ …電子秤
１６ …非接触ＩＣカード（ＩＣカード）
２０，３２ …ループアンテナ
２２ …ＩＣチップ
２６ …アタッチメント
２８ …Ｒ／Ｗモジュール
３６，３６Ａ …コイル

Claims (4)

1. Ｒ／Ｗモジュールを用いて非接触ＩＣカードの情報を読み取りまたはそれへ情報を書き込むリーダライタの通信領域を拡張するための装置であって、
   平面視において前記Ｒ／Ｗモジュールのアンテナと同等またはそれ以上の大きさを有するコイルを備え、
   前記コイルを含む電気回路が前記アンテナから見て容量性のインピーダンスを有する、非接触ＩＣカードのリーダライタの通信領域拡張装置。
2. 前記電気回路は前記Ｒ／Ｗモジュールの中心周波数付近であってそれより高い周波数で共振する、請求項１記載の通信領域拡張装置。
3. 前記コイルは、平面視「８」の字形状である、請求項１または２記載の通信領域拡張装置。
4. 非接触ＩＣカードの情報を読み取りまたはそれへ情報を書き込むリーダライタであって、
   アンテナを有するＲ／Ｗモジュール、および
   平面視において前記Ｒ／Ｗモジュールのアンテナと同等またはそれ以上の大きさを有するコイルを含み、前記コイルを含む電気回路が前記アンテナから見て容量性のインピーダンスを有するようにしたアタッチメントを備え、
   前記コイルが前記アンテナと結合するように前記アタッチメントと前記Ｒ／Ｗモジュールとを配置した、非接触ＩＣカードのリーダライタ。

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