JP4885093B2

JP4885093B2 - ブースターアンテナコイル

Info

Publication number: JP4885093B2
Application number: JP2007231149A
Authority: JP
Inventors: 泰雄大島; 進繁田
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: JP2009021970A

Description

本発明は、例えば、ＲＦＩＤ（無線周波数識別：Radio Frequency Identification）システムなどに、通信距離の延長のために用いられるブースターアンテナコイルに関する。

近年、情報を電子的に記憶することができるＩＣチップと、このＩＣチップと外部との間で情報をやり取りするインタフェースを備えたカードやタグを利用したシステムが、その多様な可能性から注目を集めている。かかるシステムは、一般的には、ＲＦＩＤシステムと呼ばれ、小型の記録媒体（カードやタグ）とこれに読み書きを行うＲＦＩＤリーダライタとの組み合わせによって、様々な場面での固体認証やデータの送受信に利用することができる。

小型の記録媒体については、ＲＦＩＤカード、ＩＣカード、ワイヤレスカード、ＲＦＩＤタグ、ＩＣタグ等、種々の称呼がある。以下、ＲＦＩＤタグと呼ぶが、特定の種類のものに限定する意図ではなく、上記のような種々のカードやタグ等を全て含む広い概念である。このようなＲＦＩＤタグは、従来のカードに用いられていた磁気記録方式のものに比べて、ＩＣチップのメモリに大量の情報を記憶しておくことができ、偽造の防止も可能となるため、クレジットカード、電子マネー、電子乗車券、テレフォンカード、ＩＤカード、貨物管理用タグ等として、広く利用されている。

また、ＲＦＩＤリーダライタとの間で情報を送受信するための方式としては、ＲＦＩＤタグの表面に設けられた電極接点とＲＦＩＤリーダライタに設けられた接触端子とを接触させる接触型、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダライタに設けられたアンテナコイルを介して無線により行う非接触型がある。特に、非接触型のＲＦＩＤタグは、接触による磨耗がないこと、ＲＦＩＤリーダライタ側にＲＦＩＤタグを移動させる機構が必要ないこと、送受信の際の方向性の自由度が高いことなどから、高い耐久性と利便性を有するものとして、普及が期待されている。

ところで、上記のような非接触型のＲＦＩＤリーダライタとＲＦＩＤタグとの通信距離は、数ｃｍである。しかし、上述のように、種々の用途が考えられるＲＦＩＤシステムは、多様な用途が考えられるものであり、適用分野によっては、通信距離をさらに延長できることが望ましい。これに対処するため、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダライタとの間に、ブースターアンテナを配置することが提案されている。これは、基本的には、共振用回路を含むＲＦＩＤリーダライタ用のアンテナコイル（以下、Ｐコイルと呼ぶ）と、共振用コンデンサを含むＲＦＩＤブースターアンテナコイル（以下、Ｑコイルと呼ぶ）とを用いる技術である。

例えば、Ｐコイルの法線方向にＱコイルを配置して、通信距離を延長する技術が特許文献１に開示されている。また、ＲＦＩＤタグの前方に、ＲＦＩＤタグ用のＱコイルを配置して、通信距離を延長する技術が特許文献２に開示されている。さらに、非接触ＩＣカード用カードケースに、ブースターを設けたブースター付カードケースが、特許文献３に開示されている。

特開２０００−１３８６２１号公報特開２００５−３２３０１９号公報特開２００５−３３２０１５号公報電気工学ハンドブック、日本国、電気学会、再版３昭和４６年（初版昭和４２年）、１３２−１３３頁

ところで、上記のように、ＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダライタとの間にブースターアンテナを構成しても、通信距離の十分な延長を望めない場合が生じる。例えば、ＲＦＩＤリーダライタ用のＰコイルとブースター用のＱコイルとによって構成される結合共振回路において、その結合係数が大きい場合には、共振周波数が２つに分かれることにより、いわゆる双峰特性を示す（非特許文献１参照）。この状態においては、ブースターアンテナを用いているにも係わらず、搬送周波数において電流が小さくなり、発生磁界強度が小さくなるため、通信距離の十分な延長ができない。

一方、結合係数を小さくすることにより、単峰特性を得ることができるが、その場合には、ＲＦＩＤリーダライタ用のＰコイルと、ブースター用のＱコイルとの結合が小さくなり、通信距離が低下する。また、結合係数を小さくするためＰコイルとＱコイル間の距離を大きくすると、所要スペースが大きくなる。

さらに、上記のようなブースター用のコイルは、コイルのインダクタンスＬとキャパシタの静電容量ＣによるＬＣ共振であり、共振周波数は、部品の製造精度、Ｌ、Ｃの温度特性により変化する。そのため、コイルの共振周波数に誤差が生じた場合には、安定した通信距離が得られない可能性がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、通信距離を十分に延長できるとともに、安定した通信距離を確保でき、所要スペースが小さいブースターアンテナコイルを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、第１のアンテナコイル、キャパシタ及び電源を含み、所定の共振周波数により共振する第１の共振回路と、第２のアンテナコイル及びキャパシタを含み、所定の共振周波数により共振する第２の共振回路とを有する結合共振回路を備えたブースターアンテナコイルにおいて、以下のような特徴のいずれかを有する。

(1) 前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルは、双峰特性が生じる位置に配設されている。
(2) 前記第１の共振回路は、外部との通信用の搬送周波数が、双峰特性の２つのピークの間に設定されている。
(3) 前記第１のアンテナコイルを流れる電流による誘導電流により前記第２のアンテナコイルから発生する磁界の磁界強度に対し、前記第２のアンテナコイルを含む前記第２の共振回路が無い場合に前記第１のアンテナコイルから発生する磁界の磁界強度の比の値が１を超えるように、前記電源により前記第１のアンテナコイルを流れる電流値が設定されている。
(4) 前記第１のアンテナコイルを含む前記第１の共振回路と前記第２のアンテナコイルを含む前記第２の共振回路との結合係数が、概ね０．０１５〜０．１となるように、前記第１のアンテナコイルのインダクタンス、前記第２のアンテナコイルのインダクタンス、前記第１のアンテナコイル及び前記第２のアンテナコイルの相互インダクタンスが設定されている。
(5) 前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルとの間に磁性部材が配置されている。

以上のような発明では、第１のアンテナコイルと第２のアンテナコイルにより構成される結合共振回路において、双峰特性の２ピークの間に搬送周波数を合わせるとともに、結合係数を０．０１５〜０．１に調整することで、第２のアンテナコイルに流れる電流が増加し、発生磁界強度が大きくなり、通信距離を十分延長できる。さらに、第２のアンテナコイルの共振周波数に誤差が生じても、安定した通信が得られる。これは、第２のアンテナコイルの磁界強度と、第２のアンテナコイルがない状態での第１のアンテナコイルの磁界強度との比が１を超えるように設定した場合も同様である。

なお、搬送周波数が双峰特性の２つのピークの外に外れている場合、第１のアンテナコイルと第２のアンテナコイルの共振周波数が異なっている場合であっても、磁界強度比が１を超える場合には通信距離の延長効果は期待できる。

また、第１のアンテナコイルと第２のアンテナコイルとの間に磁性部材を配置することで、両コイル間の結合係数をコントロールできるので、第１のアンテナコイルと第２のアンテナコイルとの間のスペースを縮小できる。

以上の通り、本発明では、通信距離を十分に延長できるとともに、安定した通信距離を確保でき、所要スペースが小さいブースターアンテナコイルを提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態とする）を説明する。なお、各実施形態は、例えば、ＲＦＩＤリーダライタに適用されるブースターアンテナであるが、ＲＦＩＤリーダライタ及びこれと通信を行うＲＦＩＤタグの具体的構造については、特定のものには限定されないため、説明を省略する。

また、以下の説明では、各実施形態の基本構成を説明し、それぞれに対応して作製した実施例に基づく測定結果によって、各実施形態の作用効果を説明する。

［第１の実施形態］
［構成］
まず、本実施形態の基本構成を、図１及び図２を参照して説明する。すなわち、本実施形態は、ＲＦＩＤリーダライタ１側に設けられたＰコイル１１及び共振用回路１２、ブースターアンテナ２を構成するＱコイル２１及びキャパシタ２２、ＲＦＩＤリーダライタ１との通信を行うＲＦＩＤタグ３等によって構成されている。

Ｐコイル１１、Ｑコイル２１は、導体が巻回するように形成された電波の送受信用のアンテナコイルであり、図示しないＲＦＩＤの回路に電気的に接続されている。このＰコイル１１及びＱコイル２１は、例えば、絶縁性の基板上に銅若しくはアルミニウム等によってエッチングや印刷等で形成したり、ワイヤやリードで構成することが考えられるが、これらには限定されない。

そして、Ｐコイル１１及びＱコイル２１は、互いに法線方向がほぼ同一（同軸且つ平行）となるように配置されている。但し、Ｐコイル１１及びＱコイル２１の位置関係はこれには限定されない。Ｐコイル１１及びＱコイル２１の支持構造については、用途に応じて種々のものが考えられる。どのような形状及び材質のケース、フレーム等を用いるか、一部若しくは全部を外部へ露出するか否か、携帯型、可搬型若しくは設置型とするか等は、自由である。

上記のＲＦＩＤリーダライタ１とブースターアンテナ２によって構成される結合共振回路の一例を、図２の回路図に示す。共振周波数は、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、キャパシタＣ１〜Ｃ３の仕様等に従うので、所望の共振周波数が得られる部品を選択する。例えば、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１、抵抗Ｒ１〜Ｒ３の仕様を固定とすると、キャパシタＣ１〜Ｃ３の容量を選択することにより、各コイルの共振周波数を所望の値に変えることができる。可変コンデンサ等を用いることにより、所望の周波数への変更が容易となるように構成してもよい。実験の際には、可変コンデンサを用いることが便宜である。

本実施形態においては、双峰特性を示すように、共振回路の結合係数を大きく設定する。このとき、搬送周波数は双峰特性の２つのピークの間に来るようにして、結合係数は０．０１５〜０．１の磁気結合となるように設定する。

なお、Ｐコイル１１とＱコイル２１の特性を求める式を示すと、以下の通りとなる。まず、Ｐコイル１１とＱコイル２１の相互インダクタンスは、下記の条件によると、式１で表すことができる。
Ｍ：相互インダクタンス
Ｎｐ：Ｐコイルの巻き数
Ｎｑ：Ｑコイルの巻き数
ａ：Ｐコイルの半径
ｂ：Ｑコイルの半径
ｚ：中心軸上の距離
ｋ：結合係数

したがって、結合係数ｋは、相互インダクタンスＭに比例する。また、結合係数ｋは、下記の条件で、式２により表せる。
Ｌｐ：Ｐコイルのインダクタンス
Ｌｑ：Ｑコイルのインダクタンス

したがって、Ｐコイル１１とＱコイル２１の位置関係から、結合係数ｋを計算によって導くことができる。

さらに、Ｑコイル２１の共振周波数ｆｏは、Ｑコイル２１のインダクタンスＬｑ、キャパシタの静電容量Ｃｑである場合、式３で表すことができる。

［作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果を、実際に作製した複数の実施例と比較例に基づいて説明する。

［通信距離の安定…実施例１〜９］
まず、比較例１と、本実施形態を適用した実施例１〜９について、所定の入力電圧による磁界強度について、シミュレーションを行った結果のデータを示す。ここで、シミュレーションを磁界強度に着目して行ったのは、次の理由による。

まず、以下の式４に示すように、アンテナ中心軸上の磁界はアンテナコイル部分の電流に比例する。

なお、式４における条件は、次の通りである。
Ｚ：コイル中心からの距離（ｍ）
ａ：コイルの半径
Ｈ（ｚ）：コイル中心からの距離Ｚでの磁界の強さ（Ａ／ｍ）
Ｎ：巻き数
Ｉ：コイル電流（Ａ）

そして、以下の式５に示すように、ＲＦＩＤタグ３の誘起電圧Ｖｍは、磁界の強さＨに比例する。つまり、磁界を強くすれば、それだけ誘起電圧が大きくなり、通信距離の更なる改善が見込める。従って、Ｑコイル２１が有る場合と無い場合との磁界強度の差異を示すことによって、通信距離の長短が判断できることになる。

なお、式５における条件は、次の通りである。
Ｖｍ：誘起電圧
Ｆ：周波数
Ｎ：巻き数
Ｓ：受信コイル断面積
Ｈ：磁界強度
μ_０：4π×１０^−７Ｔ／（Ａ／ｍ）
α：比例定数

ここでは、下記のＡに対応する比較例１、Ｂ〜Ｊに対応する実施例１〜９について、表１に示す条件、図２の回路図で、Ｐコイル１１の電流Ｉ_ｐ、Ｑコイル２１の電流Ｉ_ｑのシミュレーションを実行した（搬送周波数１３．５６ＭＨｚ）。シミュレーションの入力電圧は１Ｖとした。

そして、式４、表２に示す計算条件で、搬送周波数１３．５６ＭＨｚにおけるＰコイル１１及びＱコイル２１の磁界強度を計算した。

さらに、磁界強度の相対値は、Ｑコイルから発生する磁界強度Ｈｑ（Ｚ＝５０ｍｍ）をＱコイルが無い状態での（Ｐコイルから発生する）磁界強度Ｈｐ（Ｚ＝５０ｍｍ）で規格化して、式６のように求めた。

以上のように求めた磁界強度（相対値）と結合係数との関係を、図３及び図４のグラフに示す。図３は、Ｑコイルの共振周波数が高周波側に変化した場合（Ｂ→Ｃ→Ｅ→Ｇ→Ｉ）を示すグラフである。図４は、Ｑコイルの共振周波数が低周波側に変化した場合（Ｂ→Ｄ→Ｆ→Ｈ→Ｊ）を示すグラフである。

この図３及び図４から明らかな通り、結合係数Ｋが約０．０１５〜０．１において、確実に磁界強度（相対値）が１を超える、つまりＱコイル２１がない場合よりも磁界が強くなるので、Ｑコイル２１がない場合よりも通信距離を伸ばすことが期待できる。

そして、結合係数Ｋが約０．０１５〜０．１の範囲では、Ｑコイルの共振周波数が±０．５ＭＨｚずれていても、安定した通信が得られる。具体的なＱコイルの共振周波数の誤差の範囲Ｘと、これに適した結合係数Ｋとの関係は、以下の通りである。
・Ｘ＝１３．５６±０．０５ＭＨz → Ｋ＝０．０１５が最適
・Ｘ＝１３．５６±０．１ＭＨz → Ｋ＝０．０１５〜０．０３が最適
・Ｘ＝１３．５６±０．２５ＭＨz → Ｋ＝０．０３〜０．０４が最適
・Ｘ＝１３．５６±０．５ＭＨz → Ｋ＝０．０４〜０．０６が最適

なお、図３、図４によれば、結合係数Ｋが０．０１５よりも小さい場合や０．１よりも大きい場合であっても、上記の相対値が１を超える範囲が存在する。従って、かかる範囲も本発明に含まれ、結合係数Ｋは厳密に０．０１５〜０．１に限定されるわけではない。

［双峰特性の有無］
なお、上記の設定で、双峰特性が発生していることを実証するために、Ｑコイル２２の共振周波数が１３．５６ＭＨｚの場合（上記のＢ）、Ｑコイル２２に流れる電流Ｉｑの周波数特性をシミュレーションした結果を、表３及び図５のグラフに示す。この表３及び図５から明らかな通り、結合係数が０．０１の場合（Ｂ４）には単峰特性を示すが、０．０１より大きい場合（Ｂ１〜Ｂ３）には、双峰特性となり、搬送周波数１３．５６ＭＨｚは、双峰特性の２つのピークの中間に来ていることが判る。

［第２の実施形態］
［構成］
本実施形態は、上記の第１の実施形態とほぼ同様の構成を有している。但し、図６に示すように、Ｐコイル１１とＱコイル２１との間に、磁性部材４を配置したことを特徴としている。この磁性部材４は、例えば、軟磁性フェライトゴムや軟磁性金属等のシートとすることが考えられるが、これらには限定されない。また、磁性部材４をＰコイル１１若しくはＱコイル２１から離すか、Ｐコイル１１若しくはＱコイル２１に密着させるかも自由である。なお、図７は、磁性部材４の上にＱコイル２１を配置した例である。

［作用効果］
［通信距離の延長…実施例１３〜１６］
比較例３，４と、本実施形態の実施例１３〜１６について、通信距離の測定を行った結果のデータを、表４及び図８のグラフに示す。測定対象である比較例３，４、実施例１３〜１６は、以下のＬ，Ｍ１〜Ｍ４，Ｎである（搬送周波数１３．５６ＭＨｚ）。
Ｌ：ＰコイルのみでＱコイルがない場合（比較例３）
Ｍ１〜Ｍ４：ＰコイルとＱコイルがあり、結合係数Ｋを変化させたもの（実施例１３〜１５）
Ｎ：ＰコイルとＱコイルがあり、ＰコイルとＱコイルの間に磁性部材を配置したもの（実施例１６）

そして、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１、磁性部材４の条件は、以下の通りである。
・Ｐコイル：半径３．５ｍｍ、巻き数７Ｔ、共振周波数１３．５６ＭＨｚ
・Ｑコイル：半径１８ｍｍ、巻き数３Ｔ、共振周波数１３．５６ＭＨｚ
・磁性部材：軟磁性フェライトゴムシート、厚み５００μｍ、大きさ半径２０ｍｍ、Ｑコイルに密着

この表４及び図８から明らかな通り、従来方法であるＱコイル２１を用いないでＰコイル１１のみとした比較例３の通信距離は４０ｍｍであり、Ｑコイル２１を用いた場合でも、結合係数Ｋが０．１５の比較例４では、通信距離が４２ｍｍと比較例３と同程度である。しかしながら、結合係数Ｋが０．１以下になると、通信距離が６８〜７８ｍｍと飛躍的に伸びていることがわかる。

特に、Ｐコイル１１とＱコイル２１との間に磁性シートを配置することによって、結合係数Ｋを下げ、Ｐコイル１１とＱコイル２１との距離を短くしても、通信距離は７２ｍｍまで伸びている。したがって、小型化に有利である。

［通信距離の安定…実施例１７〜２６］
本実施形態の実施例１７〜２６について、通信距離の測定を行った結果のデータを、表５及び図９のグラフに示す。測定対象である実施例１７〜２６は、Ｐコイル１１とＱコイル２１との間に磁性部材（磁性シート）を配置したものであり、以下のＳ１〜Ｓ７，Ｔ１〜Ｔ３に対応する（搬送周波数１３．５６ＭＨｚ）。
Ｓ１〜Ｓ７：磁性シートとして、軟磁性フェライトゴムシートを用いたものであり、Ｑコイル２１の共振周波数の誤差を、＋０．４６〜−０．４４ＭＨｚとしたもの
Ｔ１〜Ｔ３：磁性シートとして、軟磁性金属シートを用いたものであり、Ｑコイル２１の共振周波数の誤差を、±０．１５ＭＨｚとしたもの

そして、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１、磁性部材４の条件は、以下の通りである。
・Ｐコイル条件：半径３．５ｍｍ、巻き数７Ｔ、共振周波数１３．５６ＭＨｚ
・Ｑコイル条件：外形３８×２６ｍｍ、巻き数３Ｔ
・ＰコイルとＱコイルの距離：５ｍｍ
・磁性シート：大きさ４０×２８ｍｍ、Ｑコイルに密着

この表５、図９から明らかな通り、Ｐコイル１１とＱコイル２１との間に磁性シートを介在させることにより、Ｑコイル２１の共振周波数が変化しても、安定した通信が得られる。具体的には、Ｑコイルの２１の共振周波数が０．５ＭＨｚずれても、十分な通信距離が得られる。

［結合係数の調整…実施例２４，２７，２８］
本実施形態の実施例２４，２７，２８について、通信距離の測定を行った結果のデータを、表６及び図１０のグラフに示す。測定対象である実施例２４，２７，２８は、Ｐコイル１１とＱコイル２１との間に磁性部材（磁性シート）を配置したものであり、以下のＴ１，Ｔ４，Ｔ５に対応する（搬送周波数１３．５６ＭＨｚ）。
Ｔ１：上記の通り、磁性シートとして、軟磁性金属を用いたものであり、磁性シートの厚みを１００μｍとしたもの
Ｔ４：磁性シートとして、軟磁性金属を用いたものであり、磁性シートの厚みを２５０μｍとしたもの
Ｔ５：磁性シートとして、軟磁性金属を用いたものであり、磁性シートの厚みを５００μｍとしたもの

そして、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１、磁性部材４の条件は、以下の通りである。
・Ｐコイル条件：半径３．５ｍｍ、巻き数７Ｔ、共振周波数１３．５６ＭＨｚ
・Ｑコイル条件：外形３８×２６ｍｍ、巻き数３Ｔ、共振周波数１３．５６ＭＨｚ
・ＰコイルとＱコイルの距離：５ｍｍ
・磁性シート：大きさ４０×２８ｍｍ、Ｑコイルに密着

この表６、図１０から明らかな通り、Ｐコイル１１とＱコイル２１との間に介在させた磁性シートの厚みを変えることにより、結合係数を調整することができる。

［金属対応型アンテナへの適用…実施例１３〜２０］
Ｐコイル１１に金属板が近付くと、アンテナコイルからの磁束によって渦電流が生じ、反対向きの磁界（反磁界）発生する。この反磁界の影響でアンテナコイルのＬ値が減少して、共振周波数が高周波側にシフトした場合でも同じ効果が得られる。これは、Ｑコイル２１の共振周波数がシフトし（ズレ）ても安定した通信が得られることと同じ原理である。

上記の比較例３，４、実施例１３〜２０について、Ｐコイル１１から２ｍｍ離れた場所に金属板を配置したもの（外部金属あり）と、金属板がないもの（外部金属なし）との通信距離の測定を行った結果を、表７に示す(搬送周波数１３．５６ＭＨｚ）。金属板は、アルミニウム製の板で、厚さ２ｍｍ、大きさ１２０×１２０ｍｍとした。なお、比較例３，４はＬ，Ｍ１に対応し、実施例１３〜２０は、Ｍ２〜Ｍ４、Ｓ１〜Ｓ４に対応する。

この表７から明らかな通り、本実施形態によれば、Ｐコイル１１の下に金属がある状態でも十分な通信距離を得られるため、金属対応型のアンテナとして用いることができる。また、Ｐコイル１１の下に金属がある状態で、さらにＱコイル２１の共振周波数にズレが生じても、安定した通信が可能となる。

［第３の実施形態］
［構成］
本実施形態は、上記の第１の実施形態とほぼ同様の構成を有しているが、搬送周波数の設定範囲が異なっている。すなわち、上記の実施形態では、双峰特性の２つのピークの間に搬送周波数を設定している。しかし、２つのピークの外に外れた場合であっても、磁界強度比が１を超える場合には通信距離の延長効果は期待できる。

したがって、本実施形態においては、式６で示した磁界強度の比が、１を超える範囲に搬送周波数を設定することにより、通信距離の延長を図っている。例えば、図１１〜１３に示すように、磁界強度比が１を超える範囲に、搬送周波数を設定したものである。

ここで、図１１は、双峰特性のピークが対称型である場合、図１２は、双峰特性のピークが非対称型である場合、図１３は、双峰特性のピークが対称型であるとともに、２つのピーク間においても、磁界強度比が１を越えている場合である。いずれも、図示した設定範囲内に搬送周波数が設定されていれば、通信距離の延長が可能となる。

［作用効果］
比較例１，５と、本実施形態の実施例２９，３０について、磁界強度の測定を行った結果のデータを、表８及び図１４のグラフに示す。測定対象である比較例１，５、実施例２９，３０は、以下のＬ，Ｒ，Ｔ，Ｕである。
Ｌ：ＰコイルのみでＱコイルがない場合（比較例１）
Ｒ：ＰコイルとＱコイルがあり、Ｐコイル及びＱコイルの共振周波数を１３．５６ＭＨｚ、結合係数Ｋを０．１２としたもの（比較例５）
Ｕ：ＰコイルとＱコイルがあり、磁界強度比が１を超えるように、Ｐコイル及びＱコイルの共振周波数を１３．５６ＭＨｚ、結合係数を０．０５としたもの（実施例２９）
Ｗ：ＰコイルとＱコイルがあり、磁界強度比が１を超えるように、Ｐコイル及びＱコイルの共振周波数を１４．３２ＭＨｚ、結合係数を０．１２としたもの（実施例３０）

そして、Ｐコイル１１、Ｑコイル２１の条件は、以下の通りである。
・Ｐコイル：半径３．５ｍｍ、巻き数７Ｔ
・Ｑコイル：半径１５ｍｍ、巻き数３Ｔ
・搬送周波数：１３．５６ＭＨｚ
・磁界強度の観察点：Ｑコイル中心から４０ｍｍ

磁界強度の計算は、以下の手順により行った。図２の回路図にて、Ｑコイル２１の出力電流Ｉｑをシミュレーション（入力電圧は、１．０Ｖ）した。Ｑコイル２１がない場合は、Ｐコイル１１の出力電流Ｉｑをシミュレーションした。式４によって、Ｑコイル２１がない状態と、ある状態との磁界の強さを計算した。式６によって、磁界強度比を計算した。

この表８及び図１４に示すように、Ｐコイル１１を配置するだけの比較例１では、磁界強度比が１のままである。また、比較例５は、Ｑコイル２１を備えていても、磁界強度比が０．９の位置に搬送周波数が設定されている。

一方、実施例２９，３０では、Ｑコイル２１を備え、Ｐコイル１１とＱコイル２１の共振周波数、結合係数をコントロールすることで、磁界強度比が１を超える範囲に搬送周波数を設定している。実施例２９では、磁界強度比が２．３の位置に搬送周波数が設定されている。この実施例２９は、搬送周波数が、双峰特性の２つのピークの間となっているため、上記の第１の実施形態と同様である。実施例３０では、磁界強度比が５．３の位置に搬送周波数が設定されている。この実施例３０では、搬送周波数が、双峰特性の２つのピークから外れた位置となっている。

さらに、以上の比較例１，５と実施例２９，３０について、通信距離を実際に測定した結果のデータを、表９及び図１５のグラフに示す。

この表９及び図１５から明らかな通り、従来方法であるＱコイル２１を用いないでＰコイル１１のみとした比較例１の通信距離は４０ｍｍであり、Ｑコイル２１を用いた場合でも、磁界強度比が０．９の比較例５では、通信距離が４０ｍｍと比較例１と同じである。しかしながら、磁界強度比が１を超えるように設定すると、通信距離が飛躍的に伸びていることがわかる。つまり、実施例２９では通信距離６３ｍｍ、実施例３０では通信距離７８ｍｍが得られる。特に、搬送周波数が双峰特性の２つのピークの外にある実施例３０では、実施例２９と比較しても、さらなる通信距離の延長効果が得られる。

［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではなく、各部材の材質、大きさ、形状、数、配置等は、適宜変更可能である。例えば、Ｐコイル、Ｑコイルの大きさや形状は、図１で例示したものには限定されない。従って、円形、楕円形、方形、その他の形状であってもよい。

また、各実施形態における具体的な数値は例示であり、本発明は上記の数値には限定されない。例えば、搬送周波数は、双峰特性の２つのピークの間のいずれかに設定されていればよく、周波数の具体的な値や、２つのピーク間のどの位置に来るようにするかは自由である。なお、安定した通信のためには、搬送周波数を２つのピークの間に設定することが望ましい。しかし、上述のように、搬送周波数が２つのピークの外に外れた場合であっても、磁界強度比が１を超える場合には通信距離の延長効果は期待できる。

また、ＰコイルとＱコイルとの距離、位置及び方向の設定についても、本発明の効果が得られる限り、どのようなものであってもよい。したがって、必ずしも互いに平行である必要はなく、軸が一致している必要もない（例えば、一方が他方に対して傾斜して配置されていてもよいし、直交する方向で配置されていてもよい）。さらに、ブースターアンテナのＱコイルを、ＲＦＩＤタグ側に適用することも可能である。

本発明の第１の実施形態を適用したＲＦＩＤシステムを示す斜視図である。図１の回路図である。図１の実施形態を適用した実施例において、Ｑコイルの共振周波数が高周波側に変化した場合の結合係数と磁界強度との関係を示す説明図である。図１の実施形態を適用した実施例において、Ｑコイルの共振周波数が低周波側に変化した場合の結合係数と磁界強度との関係を示す説明図である。図１の実施形態を適用した実施例において、Ｑコイルの出力電流の周波数特性を示す説明図である。本発明の第２の実施形態を適用したＲＦＩＤシステムを示す斜視図である。図６の実施形態のＱコイルを配置した磁性部材複合型のブースタアンテナを示す平面図である。図６の実施形態を適用した実施例とその比較例の結合係数と通信距離の関係を示す説明図である。図６の実施形態を適用した実施例におけるＱコイルの共振周波数と通信距離の関係を示す説明図である。図６の実施形態を適用した実施例における磁性シートの厚みと通信距離の関係を示す説明図である。本発明の第３の実施形態における搬送周波数の設定範囲を示す説明図である。本発明の第３の実施形態における搬送周波数の設定範囲を示す説明図である。本発明の第３の実施形態における搬送周波数の設定範囲を示す説明図である。本発明の第３の実施形態におけるＱコイルの発生磁界強度比と搬送周波数との関係を示す説明図である。図１４の実施形態の磁界強度比と通信距離の関係を示す説明図である。

符号の説明

１…ＲＦＩＤリーダライタ
２…ブースターアンテナ
３…ＲＦＩＤタグ
４…磁性部材
１１…Ｐコイル
２１…Ｑコイル

Claims

第１のアンテナコイル、キャパシタ及び電源を含み、所定の共振周波数により共振する第１の共振回路と、第２のアンテナコイル及びキャパシタを含み、所定の共振周波数により共振する第２の共振回路とを有する結合共振回路を備え、
前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルは、双峰特性が生じる位置に配設され、
前記第１のアンテナコイルを含む前記第１の共振回路は、外部との通信用の搬送周波数が、双峰特性の２つのピークの間に設定され、
前記第１のアンテナコイルを流れる電流による誘導電流により前記第２のアンテナコイルから発生する磁界の磁界強度に対し、前記第２のアンテナコイルを含む前記第２の共振回路が無い場合に前記第１のアンテナコイルから発生する磁界の磁界強度の比の値が１を超えるように、前記電源により前記第１のアンテナコイルを流れる電流値が設定されていることを特徴とするブースターアンテナコイル。
第１のアンテナコイル、キャパシタ及び電源を含み、所定の共振周波数により共振する第１の共振回路と、第２のアンテナコイル及びキャパシタを含み、所定の共振周波数により共振する第２の共振回路とを有する結合共振回路を備え、
前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルは、双峰特性が生じる位置に配設され、
前記第１のアンテナコイルを含む前記第１の共振回路は、外部との通信用の搬送周波数が、双峰特性の２つのピークの間に設定され、
前記第１のアンテナコイルを含む前記第１の共振回路と前記第２のアンテナコイルを含む前記第２の共振回路との結合係数が、概ね０．０１５〜０．１となるように、前記第１のアンテナコイルのインダクタンス、前記第２のアンテナコイルのインダクタンス、前記第１のアンテナコイル及び前記第２のアンテナコイルの相互インダクタンスが設定されていることを特徴とするブースターアンテナコイル。
第１のアンテナコイル、キャパシタ及び電源を含み、所定の共振周波数により共振する第１の共振回路と、第２のアンテナコイル及びキャパシタを含み、所定の共振周波数により共振する第２の共振回路とを有する結合共振回路を備え、
前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルは、双峰特性が生じる位置に配設され、
前記第１のアンテナコイルを流れる電流による誘導電流により前記第２のアンテナコイルから発生する磁界の磁界強度に対し、前記第２のアンテナコイルを含む前記第２の共振回路が無い場合に前記第１のアンテナコイルから発生する磁界の磁界強度の比の値が１を超えるように、前記電源により前記第１のアンテナコイルを流れる電流値が設定されていることを特徴とするブースターアンテナコイル。
第１のアンテナコイル、キャパシタ及び電源を含み、所定の共振周波数により共振する第１の共振回路と、第２のアンテナコイル及びキャパシタを含み、所定の共振周波数により共振する第２の共振回路とを有する結合共振回路を備え、
前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルは、双峰特性が生じる位置に配設され、
前記第１のアンテナコイルを含む前記第１の共振回路と前記第２のアンテナコイルを含む前記第２の共振回路とは、互いに異なる共振周波数が設定され、
前記第１のアンテナコイルを流れる電流による誘導電流により前記第２のアンテナコイルから発生する磁界の磁界強度に対し、前記第２のアンテナコイルを含む前記第２の共振回路が無い場合に前記第１のアンテナコイルから発生する磁界の磁界強度の比の値が１を超えるように、前記電源により前記第１のアンテナコイルを流れる電流値が設定されていることを特徴とするブースターアンテナコイル。
前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルとの間に磁性部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のブースターアンテナコイル。