JP2011180846A - 非接触通信システム及びこれに用いられる誘導コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ安価な改良で大幅に通信領域及び通信距離を拡張し、通信品質を向上させることのできる非接触通信システムを提供する。
【解決手段】 記憶媒体１とリーダ／ライタ装置２との間で非接触に情報の送受信を行う非接触通信システムにおいて、記憶媒体１及びリーダ／ライタ装置２のいずれか一方又は双方のアンテナ１１，２１と実質的に同一の平面内に無給電の誘導コイル３１を配置するとともに、この誘導コイル３１がアンテナ１１，２１の周囲に巻回されるようにし、かつ、誘導コイル３１に共振回路３２を設けた。記憶媒体１とリーダ／ライタ装置２との間に、一つ又は複数の誘導コイルをさらに設け、各前記中間誘導コイルに共振回路を設けてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非接触の近距離無線通信によって、ＩＣタグ等の記録媒体とリーダ／ライタ装置（以下Ｒ／Ｗ装置と記載する）との間で情報の送受信を行う非接触通信システムに関し、特に、既存の非接触通信システムの基本構成を変えることなく、簡単な改良を施すだけで通信距離を拡大することのできる非接触通信システム及びこれに用いられる誘導コイル装置に関する。

ＩＣタグ等の記録媒体とリーダ／ライタ装置（以下Ｒ／Ｗ装置と記載する）との間で非接触の無線通信を行う非接触通信システムが知られており、物流や人の出入り管理等の多様な用途に利用されている（例えば特許文献１，２，３参照）。
このようなＲＦＩＤシステムにおいては、用途に応じて種々の形状やサイズのＩＣタグおよび、リーダ／ライタ用アンテナがメーカーによってラインナップされている。

しかし、ＩＣタグに使用される制御チップの価格が未だ高価であることから、種々の形状やサイズのＩＣタグをラインナップし、大量に在庫として保持することは、非接触通信システムを未だ高価格なものにしている問題の一因になっている。特に大型や特殊な形状のＩＣタグは絶対的な需要が少なく、特に大型のタグでは、コイルのＬ値が相対的に大きくなる。そして、それに伴う共振回路のＣ値を小さくする必要が生じるが、タグでは電極でＣ値を構成するため、電極の製造誤差によるＣ値のバラつきによる特性への影響が増加するため歩留まりが悪化しやすくなる。また、リーダ／ライタ装置においても、ユーザーの要求にマッチした性能のアンテナを備える製品をラインナップすることは製造・在庫コストの増加に繋がるため望ましくない。

特開２００３−１８７１９５号公報 特開２００５−１０２１８５号公報 特開２００２−３１２７３８号公報

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、既存のＩＣタグ及びリーダ／ライタ装置をほとんどそのまま使うことができ、簡単かつ安価な改良で大幅に通信領域及び通信距離を拡張し、通信品質を向上させることのできる非接触通信システム及びこれに用いられる誘導コイル装置の提供を目的とする。

一般に、Ｒ／Ｗ装置の周囲に誘導コイルを配置すると、誘導コイルにはＲ／Ｗ装置から発生する磁束密度の変化に比例する誘導電流が流れる。また、この誘導電流により誘導コイルにも磁界（誘導磁界）が発生するが、この誘導磁界はＲ／Ｗ装置から発生する磁界（駆動磁界）を打ち消す方向に発生するため、Ｒ／Ｗ装置のアンテナの周囲を取り囲む金属面やコイルを配置すると、Ｒ／Ｗ装置の性能を低下させる原因となるのが一般的である。

しかし、本願発明の発明者が鋭意研究を行った結果、誘導コイル径をＲ／Ｗ装置のアンテナ径よりも一定以上に大きくすると、両者を実質的に同一平面上に配置しても、共振回路により誘導磁界の強度を適切に調整することにより、特に遠距離における通信性能を格段に向上できることを見いだした。
これは、Ｒ／Ｗ装置のアンテナと誘導コイルを実質的に同一平面上に配置した場合は、Ｒ／Ｗ装置のアンテナ近傍では駆動磁界が支配的であるが、駆動用のアンテナ径が小さいと、遠距離では駆動磁界の影響範囲よりも誘導磁界の影響範囲が支配的になるためと考えられる。

なお、両者を組み合わせた場合にタグに発生する誘導起電力は、Ｒ／Ｗ装置のアンテナ近傍で駆動磁界と誘導磁界とが打ち消しあいタグへの供給電力が低下する領域が生じるが、本発明の発明者は、供給電力の低下がタグの動作電力を下回らないように誘導コイルや共振回路を調整することで均一な読取性能を確保できることを見いだした。また、本発明の発明者は、誘導アンテナの共振回路は、主に発生する誘導電流の増幅率に影響し、発生する誘導磁界の周波数には影響を与えないことも見いだした。上記の考え方は、Ｒ／Ｗ装置側における誘導コイルとアンテナとの関係におけるものだが、ＩＣタグ等の記憶媒体側においても同様である。

以上から、本発明の発明者は、ＩＣタグ等の記録媒体のアンテナ又はリーダ／ライタ装置のアンテナの周囲に誘導コイルを巻回し、この誘導コイルに共振回路を設けることで、通信領域及び通信距離が飛躍的に拡大し、通信品質も向上することに想到した。

具体的に、請求項１に記載の発明は、記憶媒体とリーダ／ライタ装置との間で非接触に情報の送受信を行う非接触通信システムにおいて、前記記憶媒体及び前記リーダ／ライタ装置のいずれか一方又は双方のアンテナと実質的に同一の平面内に無給電の誘導コイルを配置するとともに、この誘導コイルが前記アンテナの周囲に巻回されるようにし、かつ、前記誘導コイルに共振回路を設けた構成としてある。
この場合、請求項２に記載するように、前記記憶媒体と前記リーダ／ライタ装置との間に、一つ又は複数の誘導コイルを設け、各前記中間誘導コイルに共振回路を設けてもよい。

このようにすることで、さらに通信領域及び通信距離を拡大し、通信品質を高めることができる。
アンテナと誘導コイルとの関係は、誘導コイルの中央にアンテナを配置するようにしてもよいが、請求項３に記載するように、誘導コイルの中央から偏心した位置にアンテナを配置するようにしてもよい。誘導コイルの近傍にアンテナを配置してもよい。

なお、本発明の非接触通信システムに用いられる誘導コイル装置は、請求項４に記載するように、非接触通信システムに用いられる誘導コイル装置において、前記記憶媒体及び前記リーダ／ライタ装置のアンテナを保持する保持部材のいずれか一方又は双方に貼り付けられるシート状部材と、このシート状部材に形成された誘導コイル及び共振回路とを有し、前記誘導コイルは、前記シート状部材を前記保持部材に貼り付けたときに、前記アンテナが前記誘導コイルの中に位置するように前記シート状部材に形成されている構成とするとよい。

本発明の非接触通信システムによれば、既存のＩＣタグ又は／及びＲ／Ｗ装置のアンテナの周囲に共振回路を備えた誘導コイルを付加するだけで、通信距離や通信領域及び通信品質を大幅に向上させることが可能になる。従って、制御チップを搭載した小型のタグ本体部分と、タグ本体から独立した誘導コイルの組み合わせにより、柔軟な製品の供給が可能になるとともに、制御チップを搭載した高価なタグ本体の製品を絞り込むことが可能になり、在庫コストを削減することが可能になる。

本発明の誘導コイルは安価に製造することができ、組合せる誘導コイルを種々変更するだけで市場の様々なニーズに対応することが可能になる。特にカスタムタグの要求があった場合に、誘導コイルの設計のみで対応することが可能になるため、従来のような制御チップを搭載するための設計や変更が不要となり、安価かつ短時間で対応が可能になる。
また、本発明の誘導コイル装置によれば、薄いシート状部材に誘導コイルと共振回路とが形成されているので、携帯電話を含めてあらゆる種類の電子機器における非接触通信システムへの適用が可能である。

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の非接触通信システムの第一の実施形態にかかり、非接触通信システムの概略構成を説明する斜視図である。
記憶媒体であるＩＣタグ１とＲ／Ｗ装置２はそれぞれアンテナ１１，２１を有している。
この実施形態では、Ｒ／Ｗ装置２のアンテナ２１と同一の平面内に無給電の誘導コイル３１を配置している。

誘導コイル３１のコイル径は、Ｒ／Ｗ装置２のアンテナ２１の径より大きくする。前記したように、一般に、アンテナ２１の周りに誘導コイル３１を巻回すると、誘導コイル３１にはＲ／Ｗ装置２のアンテナ２１から発生する磁界を打ち消す方向に誘導磁界が発生するが、誘導コイル３１のコイル径を、Ｒ／Ｗ装置２のアンテナ２１の径に対して一定以上に大きくすると、両者を実質的に同一平面上に配置しても、後述の共振回路３２を利用して誘導磁界の強度を適切に調整することにより、通信距離や通信領域を拡大し、通信品質を高めることができる。

誘導コイル３１のコイル径がアンテナ２１の径に対して小さすぎると、通信領域や通信距離が十分に拡大できず、大きすぎると通信品質が低下する。誘導コイル３１のコイル径とＲ／Ｗ装置２のアンテナ２１の径との比は、アンテナ２１に印加される電圧やアンテナ２１の径，巻き数，周波数等の条件によって異なり、各条件に従って実験を行うことで、通信距離，通信領域，通信品質が最適となる径比を見つけだすことができる。

誘導コイル３１には共振回路３２を接続する。共振回路３２は、一つ又は複数のキャパシタを誘導コイル３１に直列又は接続したものでよい。前記キャパシタの容量は、誘導コイル３１を介してＩＣタグ１とリーダ／ライタ装置２との間で通信を行う周波数に同調をとるように設定される。

誘導コイル３１及び共振回路３２は、Ｒ／Ｗ装置２のアンテナ２１が形成された基板内に形成するものとしてもよいが、誘導コイル３１と共振回路３２とを有する平板状の誘導コイル装置を、前記基板の上又はＲ／Ｗ装置２の筐体に取り付けるものとしてもよい。
また、アンテナ２１は、誘導コイル３１のほぼ中心に位置していてもよいが、
ＩＣタグ１とＲ／Ｗ装置２との間の通信条件等によっては、誘導コイル３１の中心からいずれかの方向に偏心した位置にあってもよく、誘導コイル３１の極近傍に位置していてもよい。

図２は、誘導コイル装置の一例を示す斜視図である。
矩形状のシート３０の周縁部分に誘導コイル３１が巻回され、シート３０内の誘導コイル３の近傍に共振回路３２が形成されている。
シート３０は、柔軟性を有する非導電性の樹脂材から形成され、その一面には前記基板に貼り付けるための接着剤が塗布されている。
このような誘導コイル装置３を用いれば、携帯電話等の電子機器Ｍの筐体にシート３０を貼り付けるだけで、内部のアンテナ２１による通信領域や通信距離を簡単に拡大することができる。

図３は、本発明の非接触通信システムの第二の実施形態を説明する斜視図である。
この実施形態では、電子機器Ｍの筐体の表面に図２の誘導コイル装置３を貼り付け、さらに、ＩＣタグ１と電子機器Ｍとの間に別の誘導コイル装置４を配置している。
誘導コイル装置４は、基体４０の表面に誘導コイル４１と共振回路４２とを設けたもので、基本構成は誘導コイル３と同じある。
このように、実施形態の非接触通信システムでは、ＩＣタグ１と電子機器Ｍとの通信領域及び通信距離をさらに拡大することができ、通信品質もさらに高めることが可能になる。

［実施例１］
図４（ａ）のように、誘導コイル３１にキャパシタＣ１を直列接続し、共振回路３２を形成した。Ｒ／Ｗ装置２のアンテナ２１の径（直径）１８ｍｍに対し、誘導コイル３１の径はその３．３倍の６０ｍｍとした。アンテナ２１が誘導コイル３１のほぼ中心に位置するように誘導コイル３１を配置し、通信距離及び通信領域を検出した。
その結果、通信距離は誘導コイル３１を用いない場合の約二倍に向上にした。また、通信領域も約二倍に拡大した。
この実施例での特徴は、約二倍に拡大した通信可能領域の末端に至るまで、通信率ほぼ１００％の高品質の通信領域を確保できた点にある。

［実施例２］
図４（ｂ）のように、誘導コイル３１にキャパシタＣ１を直列に接続し、キャパシタＣ２を誘導コイルの中間点に接続し、共振回路３２を形成した。また、Ｒ／Ｗ装置のアンテナの径（直径）１８ｍｍに対し、誘導コイル３１の径はその４.４倍の８０ｍｍとした。誘導コイル３１の巻き数及びアンテナ２１に印加する電圧は、実施例１と同じとした。アンテナ２１が誘導コイル３１のほぼ中心に位置するように誘導コイル３１を配置し、通信距離及び通信領域を検出した。
その結果、通信距離は誘導コイル３１を用いない場合の約三倍に向上にした。また、通信領域も約三倍に拡大した。なお、この実施例では、約三倍に拡大した通信可能領域のうち、末端域側の２０％ほどの領域を除く領域で、通信率ほぼ１００％の高品質の通信領域を確保することができた。また、末端域の２０％ほどの領域では若干通信の品質が低下するが、誘導コイル３１を用いない場合に比して、同様の領域における通信品質は向上した。
このように、上記の実施例１，２では、誘導コイル３１の大きさをＲ／Ｗ装置２のアンテナ２１の径に対して３倍〜５倍の範囲内とすることで、通信距離及び通信領域の拡大と通信品質の向上が確認できた。

本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記の例では、Ｒ／Ｗ装置２側に誘導コイル３１及び共振回路３２を設けているが、ＩＣタグ１側に設けてもよい。また、Ｒ／Ｗ装置２及びＩＣタグ１の双方に誘導コイル３１及び共振回路３２を設けてもよい。
また、ＩＣタグ１とリーダ／ライタ装置２との間に、別の誘導コイル装置３を一つまたは複数配置するようにしてもよい。このようにすることで、通信距離や通信領域をさらに拡張することができる。

本発明は、物流や人の管理等に利用される非接触通信システムに広範に適用が可能である。

本発明の非接触通信システムの第一の実施形態を説明する斜視図である。 誘導コイル装置の一例を示す斜視図である。 本発明の非接触通信システムの第二の実施形態を説明する斜視図である。 （ａ）は実施例１で使用した共振回路の構成図で、（ｂ）は実施例２で使用した共振回路の構成図である。

１ ＩＣタグ
１１ アンテナ
２ Ｒ／Ｗ装置
２１ アンテナ
３ 誘導コイル装置
３１ 誘導コイル
３２ 共振回路
Ｍ 電子機器
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ

Claims (4)

1. 記憶媒体とリーダ／ライタ装置との間で非接触に情報の送受信を行う非接触通信システムにおいて、
   前記記憶媒体及び前記リーダ／ライタ装置のいずれか一方又は双方のアンテナと実質的に同一の平面内に無給電の誘導コイルを配置するとともに、この誘導コイルが前記アンテナの周囲に巻回されるようにし、かつ、前記誘導コイルに共振回路を設けたこと、
   を特徴とする非接触通信システム。
2. 前記記憶媒体と前記リーダ／ライタ装置との間に、一つ又は複数の誘導コイルを設け、各前記中間誘導コイルに共振回路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の非接触通信システム。
3. 前記アンテナを前記誘導コイルの中心から偏心した位置に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触通信システム。
4. 非接触通信システムに用いられる誘導コイル装置において、
   前記記憶媒体及び前記リーダ／ライタ装置のアンテナを保持する保持部材の一方又は双方に貼り付けられるシート状部材と、
   このシート状部材に形成された誘導コイル及び共振回路とを有し、
   前記誘導コイルは、前記シート状部材を前記保持部材に貼り付けたときに、前記アンテナが前記誘導コイルの中に位置するように前記シート状部材に形成されていること、
   を特徴とする誘導コイル装置。
   
   

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