JP4218044B2 - 3次元アンテナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、物品に付けるタグ等の無接触形のICカードや、小形の携帯用通信端末等に特に好適に使用することができる3次元アンテナに関する。
【0002】
【従来の技術】
物流システムや在庫管理システム等において、物品の種類や送り先等を識別するために物品に付けて使用する無接触形のICカード式のタグや、小形の携帯用通信端末等には、使用周波数に適合するアンテナが組み込まれている。
【0003】
従来のアンテナは、2次元のコイル状に形成され、ループアンテナとして機能し、通信用のICモジュールと組み合わせることにより、外部からの到来電波を受信してICモジュールに作動用の電力を供給したり、外部機器との間において情報伝達用の電波を送受信したりすることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来技術によるときは、アンテナは、ループアンテナとして機能しているから、指向特性が鋭く、電波の送受信方向が狭く限定され、通信の安定性に欠けることがあるという問題があった。
【0005】
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に配置する第1、第2、第3のコイルを組み合わせることによって、3次元空間の全方向に対して良好な無指向特性を簡単に実現することができる3次元アンテナを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に向けて配置する第1、第2、第3のコイルをそれぞれアンテナエレメントとしてなり、第1、第2のコイルは、それぞれ個別の円柱状のコア入りのコイルとし、第3のコイルは、軸方向の長さが巻径より短い円板状のコア入りのコイルとし、各コアは、フェライトによって形成し、第1、第2、第3のコイルは、順不同に直列接続して共通の通信用のICモジュールに接続することをその要旨とする。
【0008】
また、第1、第2、第3のコイルは、共通の基板に搭載してもよく、第3のコイル用のコアは、軸方向の長さを第1、第2のコイル用の各コアの同一の径相当に設定してもよい。
【0009】
【作用】
かかる発明の構成によるときは、第1、第2、第3のコイルは、それぞれX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に向けて配置され、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に指向特性を有するアンテナエレメントとして作動するから、それらを組み合わせることによりそれぞれの指向特性を合成し、全体として、3次元空間の全方向に対して良好な無指向特性を実現することができる。
【0010】
第1、第2、第3のコイルは、直列接続することにより、全体のインダクタンスを大きくし、使用周波数に対して容易に共振させ、外部回路に対して容易に整合させることができる。なお、第1、第2、第3のコイルは、順不同に直列接続してよいものとする。
【0011】
第1、第2、第3のコイルは、コア入りのコイルとしてそれぞれのインダクタンスを一層大きくすることができる。なお、このときのコアは、フェライトを含む低損失の高磁性材料によって形成することが好ましい。
【0012】
共通の基板に搭載する第1、第2、第3のコイルは、基板を介して相対位置を正しく位置決めし、基板上のパターンを介して簡単に接続することができる。ただし、基板は、絶縁性のプリント基板を使用することができる。
【0013】
第3のコイルの軸方向の長さを第1、第2のコイルの径相当に設定すれば、第3のコイルは、第1、第2のコイルを含むX−Y平面に設置するとき、上下に過大に突出することがなく、全体厚さを最小にすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。
【0015】
3次元アンテナATは、第1、第2、第3のコイルLx 、Ly 、Lz をX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に向けて配置してなる(図1、図2)。ただし、X軸、Y軸、Z軸は、適当な3次元空間における仮想軸である。また、第1、第2、第3のコイルLx 、Ly 、Lz は、共通の基板11上に搭載されている。
【0016】
基板11は、適当な絶縁性のプリント基板から形成され、線状のパターン11a、11b、ランド11cが形成されている。第1、第2のコイルLx 、Ly は、それぞれ個別の円柱状のコアCAx 、CAy が挿入されており、径Dx =Dy のコア入りのコイルに形成されている。また、第3のコイルLz は、上下のフランジ付きの円板状のコアCAz に保持されている。円板状のコアCAz は、軸方向の長さHz が巻径より短く、軸方向の長さHz ≒Dx =Dy に設定されており、コアCAz の一方のフランジには、通信用のICモジュールMが搭載されている。
【0017】
ICモジュールMには、共振用、インピーダンス整合用のコンデンサC1 、C2 と、通信用ICチップM1 とが一体に組み込まれている(図1、図3)。ICモジュールMは、第3のコイルLz の一端に直接接続され、基板11上のパターン11bを介して第2のコイルLy の一端に接続されている。第3のコイルLz の他端は、基板11上のパターン11aを介して第1のコイルLx の一端に接続され、第1のコイルLx の他端は、基板11上のランド11cを介して第2のコイルLy の他端に接続されている。すなわち、第1、第2、第3のコイルLx 、Ly 、Lz は、パターン11a、11b、ランド11cを介して直列接続されている。なお、第1、第2、第3のコイルLx 、Ly 、Lz は、それぞれのインダクタンスがほぼ同一に設定されており、ICモジュールMとともに、適当なシール材SLを介して基板11上に固定されている(図2)。
【0018】
3次元アンテナATの送受信感度試験データの一例を図4に示す。ただし、図4(A)は、同図(B)のように、3次元アンテナATと、周波数125kHz の電波Sを送受信するリードライタTとを横方向に相対移動させるとき、両者間の安定の通信可能範囲を水平距離Lh 、垂直距離Lv により図示している。なお、図4(A)の一点鎖線は、第3のコイルLz だけによる比較データである。
【0019】
すなわち、図4(A)によれば、3次元アンテナATは、第3のコイルLz だけの場合(同図の一点鎖線)に比して、垂直方向の送受信感度がやや劣るものの、水平方向に約30%増の範囲にまで安定な通信可能範囲を拡大することができ、垂直距離Lv を過大にしない限り、水平距離Lh の広い範囲に対して良好な通信性能を維持し得ることがわかる。
【0020】
また、図5は、他の送受信感度試験データである。図5(A)は、同図(B)のように、3次元アンテナATとの相対角度θ方向に図4と同様のリードライタTを移動させ、両者間の安定な通信可能範囲を送受信距離Ls 、水平距離Lh 、垂直距離Lv として図示している。図5(A)によれば、3次元アンテナATは、第3のコイルLz だけの場合(同図の一点鎖線)に比して、相対角度θ=90°において送受信距離Ls が約10%減となるが、相対角度θ=60°において送受信距離Ls がほぼ同一となり、相対角度θ=45°、θ=30°において、それぞれ約50%増、約75%増の送受信距離Ls が得られ、相対角度θ=0°において、約200%増の送受信距離Ls が得られることがわかる。
【0021】
すなわち、3次元アンテナATは、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向を含む3次元空間の全方向に対し、良好な無指向特性を実現することができる。
【0022】
この発明に係る3次元アンテナATは、通勤、通学用の定期券や、携帯者の身分を証明するための身分証明カード、物品に付けるタグ等に通信用のICモジュールMとともに組み込んで無接触形のICカードとし、その移動方向や姿勢等に拘らず、対応するリードライタTとの間に良好な通信性能を確保することができる。外部機器と交信する携帯用通信端末等についても、全く同様である。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に向けて配置する第1、第2、第3のコイルをアンテナエレメントとすることにより、第1、第2、第3のコイルは、それぞれの指向特性を合成し、全体として、3次元空間の全方向に対して良好な無指向特性を実現することができるから、無接触形のICカードや小形の携帯用通信端末等に応用するとき、電波の送受信方向に制約がなく、通信の安定性を大きく向上させることができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 全体構成分解斜視説明図
【図2】 図1のA−A線矢視相当拡大断面図
【図3】 等価回路図
【図4】 指向特性説明線図(1)
【図5】 指向特性説明線図(2)
【符号の説明】
Dx 、Dy …径
Hz …長さ
Lx …第1のコイル
Ly …第2のコイル
Lz …第3のコイル
CAx 、CAy 、CAz …コア
11…基板
Claims (3)
- X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に向けて配置する第1、第2、第3のコイルをそれぞれアンテナエレメントとしてなり、前記第1、第2のコイルは、それぞれ個別の円柱状のコア入りのコイルとし、前記第3のコイルは、軸方向の長さが巻径より短い円板状のコア入りのコイルとし、前記各コアは、フェライトによって形成し、前記第1、第2、第3のコイルは、順不同に直列接続して共通の通信用のICモジュールに接続することを特徴とする3次元アンテナ。
- 前記第1、第2、第3のコイルは、共通の基板に搭載することを特徴とする請求項1記載の3次元アンテナ。
- 前記第3のコイル用のコアは、軸方向の長さを前記第1、第2のコイル用の各コアの同一の径相当に設定することを特徴とする請求項1または請求項2記載の3次元アンテナ。
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