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発明の名称 非接触ICカードリーダライタ装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2003−242451(P2003−242451A)
公開日 平成15年8月29日(2003.8.29)
出願番号 特願2002−42088(P2002−42088)
出願日 平成14年2月19日(2002.2.19)
代理人 【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
【テーマコード(参考)】
2C005
5B058
5J046
【Fターム(参考)】
2C005 MA40 MB10 NA06 NA09 TA22 
5B058 CA15 CA17 CA22 KA02 KA24
5J046 AA04 AB07 AB11 PA04
発明者 三岡 広昌
要約 課題
カードリーダの出力電力を大きくすることなく、従来よりカードリーダから遠い位置でも、ICカードに十分な電力を供給できるようにする。

解決手段
アンテナが、基板30上のそれぞれ異なる領域に配置された複数のアンテナ素子31,32を有する。これにより、アンテナの指向性をシャープにし、それに応じてアンテナ利得を大きくすることができる。よって、カードリーダの出力電力を大きくしなくても、従来よりカードリーダから離れた位置でICカードに電力を供給することができる。
特許請求の範囲
【請求項1】 発振器と、この発振器に接続されたアンテナとを備え、このアンテナに近接する非接触ICカードに対し電磁誘導により電力を供給する非接触ICカードリーダライタ装置において、前記アンテナは、前記基板上のそれぞれ異なる領域に配置された複数のアンテナ素子を有することを特徴とする非接触ICカードリーダライタ装置。
【請求項2】 請求項1に記載された非接触ICカードリーダライタ装置において、前記アンテナと前記発振器とのインピーダンスの整合をとる整合回路を備えたことを特徴とする非接触ICカードリーダライタ装置。
【請求項3】 請求項1または2に記載された非接触ICカードリーダライタ装置において、前記アンテナ素子は、前記基板の面内で折り返された導線を2本有するダイポールアンテナであることを特徴とする非接触ICカードリーダライタ装置。
【請求項4】 請求項3に記載された非接触ICカードリーダライタ装置において、前記導線は、コの字形に折り返されていることを特徴とする非接触ICカードリーダライタ装置。
【請求項5】 請求項1または2に記載された非接触ICカードリーダライタ装置において、前記アンテナ素子は、前記基板上の一点の周りを複数回周回する導線からなるループを有するループアンテナであることを特徴とする非接触ICカードリーダライタ装置。
【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載された非接触ICカードリーダライタ装置において、前記アンテナ素子は、前記基板上にマトリクス状に配置されていることを特徴とする非接触ICカードリーダライタ装置。
【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載された非接触ICカードリーダライタ装置において、前記アンテナと離間しかつ対向した位置に配置された導波器を備えたことを特徴とする非接触ICカードリーダライタ装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非接触ICカードリーダライタ装置に関し、より詳しくは、非接触ICカードに対し電磁誘導により電力を供給する非接触ICカードリーダライタ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】非接触ICカードリーダライタ装置(以下、カードリーダという)は、電磁波を用いて非接触ICカード(以下、ICカードという)と通信を行い、ICカード内部のメモリへのデータの書き込みや、メモリからのデータの読み出しを行なうものである。ICカードは電源を内蔵しておらず、カードリーダから電磁誘導により電力の供給を受ける。すなわち、カードリーダから交流磁界を発生させた状態で、カードリーダにICカードをかざすと、ICカード内部のアンテナを貫く磁束の変化によりアンテナに誘導起電力が発生する。この誘導起電力により、ICカードを動作させることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】カードリーダが発生する磁界の強度は、カードリーダから離れるにしたがって弱くなるので、カードリーダの近くでICカードをかざすほど、ICカードに大きな電力を供給することができる。従来の微弱電力カードリーダの場合、カードリーダから1cm程度の位置にICカードを近づければ、ICカードに十分な電力を供給することができる。カードリードから遠い位置で、ICカードに十分な電力を供給するには、カードリーダの出力電力を大きくすればよい。しかし、カードリーダは電波法の制限を受けるため、出力電力を大きくするには、煩雑な手続きを行わなければならないという問題がある。
【0004】本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、カードリーダの出力電力を大きくすることなく、従来よりカードリーダから遠い位置でも、ICカードに十分な電力を供給できるようにすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成するために、本発明の非接触ICカードリーダライタ装置は、アンテナが、基板上のそれぞれ異なる領域に配置された複数のアンテナ素子を有することを特徴とする。アンテナを構成する複数のアンテナ素子を基板上の異なる領域にそれぞれ配置することにより、指向性をシャープにし、それに応じてアンテナ利得を大きくすることができる。このカードリーダにおいて、アンテナと発振器とのインピーダンスの整合をとる整合回路を設けてもよい。この整合回路を設けることにより、発振器からアンテナへ効率よく電力を供給することができる。
【0006】アンテナ素子は、基板の面内で折り返された導線を2本有するダイポールアンテナであってもよい。ここで、導線は、コの字形に折り返されていてもよい。また、アンテナ素子は、基板上の一点の周りを複数回周回する導線からなるループを有するループアンテナであってもよい。ダイポールアンテナの導線を折り返すこと、または、ループアンテナの導線を複数回周回させることにより、限られた基板上の領域に複数のアンテナ素子を形成することができる。
【0007】また、複数のアンテナ素子は、基板上にマトリクス状に配置されてもよい。また、アンテナと離間しかつ対向した位置に配置された導波器を設けてもよい。これにより、アンテナから放射された電磁波を導波器の方向に導くことができる。したがって、指向性を更にシャープにし、アンテナ利得を更に大きくすることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明の一実施の形態である非接触ICカードリーダライタ装置を含むICカードシステムの全体構成を示すブロック図である。図1(a)に示す非接触ICカードリーダライタ装置(以下、カードリーダという)1は、図1(b)に示す非接触ICカード(以下、ICカードという)2と電磁波を用いて通信を行い、ICカード2内部のメモリ24へのデータの書き込みや、メモリ24からのデータの読み出しを行なうものである。
【0009】具体的には、カードリーダ1は、カードリーダ1の全体の制御を行なう制御部11と、発振器12と、制御部11および発振器12の出力側に接続された変調回路13と、制御部11の入力側に接続された復調回路16と、アンテナ15と、変調回路13および復調回路16とアンテナ15との間に接続された整合回路14とから構成される。また、ICカード2は、アンテナ21と、アンテナ21に接続された無線インタフェース22と、無線インタフェース22に接続されたCPU23と、無線インタフェース22およびCPU23に接続されたメモリ24とから構成される。
【0010】ICカード2には電源が内蔵されておらず、カードリーダ1とICカード2との通信に先立ち、カードリーダ1からICカード2へ電磁誘導により電力を供給する。この際、発振器12で発生された高周波電力を、変調回路13で変調せず、そのまま整合回路14を介してアンテナ15に与え、共振によりアンテナ15近傍に交流磁界を発生させる。カードリーダ1のアンテナ15にICカード2をかざすと、ICカード2では、アンテナ21を貫く磁束の変化により、アンテナ21に誘導起電力が発生する。この誘導起電力から無線インタフェース22で電力POWER を生成してCPU23およびメモリ24に供給するとともに、クロック信号CLK を生成してCPU23に与え、ICカード2を起動させる。
【0011】その後、カードリーダ1では、変調回路13において、制御部11から与えられたデータD1により、発振器12からの高周波電力を変調し、得られた被変調信号を整合回路14を介してアンテナ15より電磁波にして送信する。ICカード2では、カードリーダ1のアンテナ15から送信された被変調信号をアンテナ21で受信すると、受信された被変調信号を無線インタフェース22で復調し、その結果得られたデータD1をCPU23に出力する。ここで、データD1がメモリ24への書き込みデータの場合には、CPU23によりデータD1をメモリ24に記録する。一方、データD1がメモリ24のデータD2を読み出すコマンドデータの場合には、CPU23によりメモリ24からデータD2を読み出し、無線インタフェース22に出力する。そして、データD2により変調された被変調信号をアンテナ21より電磁波にして送信する。
【0012】カードリーダ1では、ICカード2のアンテナ21から送信された被変調信号をアンテナ15で受信すると、受信された被変調信号を整合回路14を介して復調回路16に送る。受信された被変調信号を復調回路16により復調すると、ICカード2のメモリ24から読み出されたデータD2が得られ、そのデータD2を制御部11に出力する。このようにして、カードリーダ1は、ICカード2に対してデータD1の書き込みと、データD2の書き込みを行なうことができる。
【0013】次に、カードリーダ1のアンテナ15および整合回路14の構成について説明する。図2は、アンテナ15および整合回路14の第1の構成例を示す平面図である。アンテナ15は、基板30上の互いに異なる領域に配置された2つのダイポールアンテナ(アンテナ素子)31,32から構成される。ダイポールアンテナ31は、2本の導線31A,31Bを有する。これらの導線31A,31Bは、基板30の面内で「コ」の字形に複数回折り返され、線対称に配置される。導線31A,31Bの長さ(電気長を意味する。以下同じ)はλ/2程度(λは、発振器12で発生する高周波電力の波長である)であるが、導線31A,31Bを複数回折り返すことにより、基板30上におけるアンテナ素子自体の専有面積を小さくすることができる。なお、導線31A,31Bの長さをλ/2より短くしてもよい。
【0014】また、導線31A,31Bは、接続部33を介して同軸ケーブル35の一端に接続される。接続部33では、導線31A,31Bの一方が同軸ケーブル35の内部導体に接続され、他方が外部導体に接続される。ダイポールアンテナ32もまた、ダイポールアンテナ31と同様に、基板30の面内で「コ」の字形に複数回折り返された2本の導線32A,32Bを有し、これらの導線32A,32Bは、接続部34を介して同軸ケーブル36の一端に接続される。
【0015】ダイポールアンテナ31に接続された同軸ケーブル35の他端およびダイポールアンテナ32に接続された同軸ケーブル36の他端は、接続部37を介して、同軸ケーブル38の一端に接続される。接続部37では、同軸ケーブル35,36,38のそれぞれの内部導体同士が接続され、それぞれの外部導体同士が接続される。同軸ケーブル38の他端は、さらに接続部39を介して同軸ケーブル40に接続される。同軸ケーブル40は、変調回路13および復調回路16に接続される。
【0016】整合回路14は、上述した同軸ケーブル35,36,38から構成される。例えば、ダイポールアンテナ31,32のインピーダンスを75Ωとすると、同軸ケーブル35,36のインピーダンスを75Ω、長さをλ/2×0.67、同軸ケーブル38のインピーダンスを50Ω、長さをλ/4×0.67、同軸ケーブル40のインピーダンスを75Ωとすることにより、ダイポールアンテナ31,32からなるアンテナ15と、発振器12および変調回路13とのインピーダンスの整合をとることができる。これにより、アンテナ15へ高周波電力を効率よく供給することができる。
【0017】また、2つのダイポールアンテナ31,32を基板30上の互いに異なる領域に配置し、それぞれを同相で励振可能なように接続しているので、アンテナ15はダイポールアンテナを2段スタックした構成となる。このような構成とすることにより、アンテナ15の指向性をシャープにし、それに応じてアンテナ利得を大きくすることができる。すなわち、カードリーダ1上でICカード2をかざす方向の電力密度が大きくなるので、カードリーダ1の出力電力を大きくしなくても、従来よりカードリーダ1から離れた位置で、ICカード2に十分な電力を供給することができる。これにより、例えばICカード2をパスケースや鞄に入れたままの状態で使用することができるようになり、ICカードの利便性が向上する。
【0018】図3は、アンテナ15および整合回路14の第2の構成例を示す平面図である。この図では、上述した第1の構成例と同一の部材に対しては、図2と同一符号で示している。図3に示す構成例では、整合回路49が設けられている。整合回路49は、例えば図4(a)に示すような1個のコイルLと2個のコンデンサC1,C2とからなるπ形回路や、図4(b)に示すような2個のコイルL1,L2と1個のコンデンサCとからなるT形回路などを用いることができる。
【0019】このような整合回路49を設け、リアクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方を調整することにより、ダイポールアンテナ31,32の導線31A,31B,32A,32Bの長さをλ/2より短くしても、アンテナ15と発振器12および変調器13とのインピーダンスの整合をとることができる。この構成例では、同軸ケーブル45,46,48と整合回路49とから整合回路14が構成されるが、整合回路49による調整が可能であるから、同軸ケーブル45,46,48のそれぞれの長さは任意でよい。なお、図3において、43,44,47は接続部である。
【0020】図5は、アンテナ15および整合回路14の第3の構成例を示す平面図である。この図では、上述した第1の構成例と同一の部材に対しては、図2と同一符号で示している。この構成例では、アンテナ15を構成する2つのダイポールアンテナ(アンテナ素子)51,52の形状が、図2に示した第1の構成例と異なる。すなわち、ダイポールアンテナ51が有する2本の導線51A,51Bは、基板30の面内で、「コ」の字形を2つ組み合わせた「己」の字形に複数回折り返され、線対称に配置される。ダイポールアンテナ52の導線52A,52Bもまた、ダイポールアンテナ51の導線51A,51Bと同様の形状をしている。
【0021】このように、導線51A,51B,52A,52Bを「己」の字形に折り返しても、基板30上におけるアンテナ素子自体の専有面積を小さくすることができる。さらに、ダイポールアンテナの導線を、「コ」の字形を3つ以上組み合わせた形状に折り返してもよい。なお、ダイポールアンテナの導線の折り返しパターンは、「コ」の字形を基本としたものでなくてもよい。例えば、渦巻き状に折り返してもよい。また、導線31A,51Aのように、導線を全体として矩形に折り返すだけでなく、全体として三角形または半円形に折り返してもよい。
【0022】図6は、アンテナ15および整合回路14の第4の構成例を示す平面図である。この図では、上述した第1の構成例と同一の部材に対しては、図2と同一符号で示している。この構成例では、アンテナ15は、多層基板60上の互いに異なる領域に配置された2つのループアンテナ(アンテナ素子)61,62から構成される。ループアンテナ61は、多層基板60上のP点の周りを複数回周回する導線61Aからなるループを有する。導線61Aの長さはλ程度であるが、導線61Aを複数回周回させることにより、基板60上におけるループアンテナ61の専有面積を小さくすることができる。ただし、導線61Aが交差する部分Rで接触しないように、導線61Aを多層基板60の2層に分けて形成する必要がある。なお、導線61Aの長さをλより短くしてもよい。
【0023】導線61Aは、接続部33を介して同軸ケーブル35の一端に接続される。接続部33では、導線61Aの一端が同軸ケーブル35の内部導体に接続され、他端が外部導体に接続される。ループアンテナ62もまた、ループアンテナ61と同様に、P点と離間したQ点の周りを複数回周回する導線62Aからなるループを有し、導線62Aは、接続部34を介して同軸ケーブル36の一端に接続される。このように、アンテナ15をループアンテナを2段スタックした構成とすることにより、アンテナ15の指向性をシャープにし、それに応じてアンテナ利得を大きくすることができる。したがって、カードリーダ1の出力電力を大きくしなくても、従来よりカードリーダ1から離れた位置で、ICカード2に十分な電力を供給することができる。
【0024】図7は、アンテナ15および整合回路14の第5の構成例を示す平面図である。この図では、上述した第1または第2の構成例と同一の部材に対しては、図2または第3と同一符号で示している。この構成例では、アンテナ15は、基板30上にマトリクス状に配置された4つのダイポールアンテナ31,32,71,72からなり、ダイポールアンテナを4段スタックした構成となっている。アンテナをスタックする数が多いほど、指向性がシャープになり、それに応じてアンテナ利得も大きくなる。したがって、ダイポールアンテナを4段スタックした構成とすることにより、カードリーダ1の出力電力を大きくしなくても、カードリーダ1から更に離れた位置で、ICカード2に十分な電力を供給することができる。
【0025】なお、「己」の字形などに折り返された導線を有するダイポールアンテナを同様にスタックしてもよいし、ループアンテナなどの他のアンテナ素子を同様にスタックしてもよい。また、アンテナ素子を5段以上スタックしてもよい。また、アンテナ素子をマイクロストリップ線路で形成してもよい。基板30,60として高誘電体基板を用いることにより、アンテナ素子を流れる高周波電力の波長λを短くし、アンテナ素子を小型化することができる。したがって、基板上の限られた面積内に、アンテナ素子を容易に高集積化することができる。なお、この構成例では、同軸ケーブル45,46,48,75,76,78,80と整合回路49とから整合回路14が構成される。図3において、73,74,77,79は接続部である。
【0026】図2、図3、図5〜図7において、同軸ケーブル35,36,38,40,45,46,48,75,76,78,80を、配線パターンで形成してもよい。
【0027】次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図8は、本発明の他の実施の形態である非接触ICカードリーダライタ装置の構成を概念的に示す側面図である。この図では、上述した一実施の形態と同一の部材に対しては、図2と同一符号で示している。図8に示す非接触ICカードリーダライタ装置(以下、カードリーダという)91は、導波器92を有している。導波器92は、基板30上に配置されたアンテナ15と離間しかつ対向した位置に支持される。
【0028】また、導波器92は、アンテナ15と同種のアンテナで構成される。例えば、アンテナ15が図2に示したようにダイポールアンテナを2段スタックしたものであれば、導波器92もまたダイポールアンテナを2段スタックしたものとする。ただし、この場合、導波器92を構成するダイポールアンテナの導線の長さを、アンテナ15を構成するダイポールアンテナの導線の長さより、やや短めにする。例えば、導波器92を構成するダイポールアンテナの導線の長さを、アンテナ15を構成するダイポールアンテナの導線の長さの90〜92%程度とする。また、アンテナ15は、発振器12から変調器13を介して給電されるのに対し、導波器92は接地され、給電を受けない。
【0029】このような構成の導波器92を設けることにより、アンテナ15から放射された電磁波を導波器92の方向に導くことができる。したがって、アンテナ15の指向性を更にシャープにし、アンテナ利得を更に大きくすることができる。したがって、カードリーダ91の出力電力を大きくしなくても、カードリーダ1から更に離れた位置で、ICカード2に十分な電力を供給することができる。なお、電磁波の放射方向に所定の間隔をおいて導波器92を複数配置してもよい。また、導波器92とアンテナ15とは、同種のアンテナで構成されるとしたが、例えばループアンテナとダイポールアンテナのように、別種のアンテナで構成される場合もある。
【0030】以上で説明したアンテナ15、整合回路14および導波器92は、ICカード2のアンテナや、非接触ICタグに応用することもできる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の非接触ICカードリーダライタ装置では、アンテナを構成する複数のアンテナ素子を基板上の異なる領域にそれぞれ配置することにより、指向性をシャープにし、それに応じてアンテナ利得を大きくすることができる。よって、出力電力を大きくしなくても、従来よりカードリーダから離れた位置でICカードに電力を供給することができ、ICカードの利便性を向上させることができる。




 

 


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