CN100583554C - 环形天线装置 - Google Patents

Abstract

多个小型环形天线单元(61、62、63)与无触点型数据载体(3)的天线线圈(8)磁性耦合。在该多个小型环形天线单元中，传送到无触点型数据载体(3)的信号的磁矩方向彼此相对，所有该小型环形天线单元(61-63)所产生的磁矩总和为零，并且为该多个小型环形天线单元共同提供导体，该导体形成短路环图案(67)。因此，该小型环形天线单元(61-63)间导致的不平衡可以由该短路环图案(67)来补偿。

Description

环形天线装置

技术领域

本发明涉及一种环形天线装置，特别是涉及一种更适用于电磁感应型无触点数据载体系统的读取/记录器设备的环形天线装置，其中，数据传送和接收是在多个数据载体与环形天线装置之间以无触点状态执行的。

背景技术

一般而言，数据载体系统包括读取/记录器设备和数据载体。该读取/记录器设备的天线装置提供已调制的交变磁场给服务区，来将数据或指令传送给该数据载体。

该数据载体利用组合线圈接收供给该服务区的已调制的交变磁场来产生电动势，该电动势经整流并被用作该数据载体的操作电源。该数据载体还执行规定操作，如将已调制的交变磁场解调，以从新得到读取/记录器设备发出的数据或指令，以及依照该指令传送数据到读取/记录器设备。

这样的数据载体系统必需把来自读取/记录器设备的、供给规定服务区的交变磁场的强度限制在规定范围内，以使服务区以外产生的磁场尽可能的弱。

为什么必须供给服务区的交变磁场要足够强但要属于规定范围内的理由是清楚的。为什么到达服务区以外的交变磁场期望尽可能的弱的理由是要消除对其他装置的干扰或反作用。例如，当在车站的自动检票系统中将多个上述的读取/记录器设备布置和安装得彼此相邻时，就必须消除其彼此运行中的干扰或反作用。和相关现有技术中的这种天线装置一样，如专利文献1中所公开的装置，是已知的。

相关现有技术中的该天线装置是由多个环形天线单元构成的，这些单元是在下述条件下组合在一起以满足上述要求的。

公式1

$\underset{i=0}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{NiIiSi}=0$

其中，Ni表示每个环形天线单元的绕组数目；Ii表示供给每个环形天线单元的电流，并且依其供给的方向通过附上正负来指定；Si表示每个环形天线单元的面积。“NiIiSi”表示由第i个环形天线单元产生的磁矩。

上述相关现有技术中的环形天线装置在使用时有这样的现象，交变磁场在延伸到远离每个环形天线单元尺寸以外的地方会变弱。来自一个对这样的环形天线装置所产生的交变磁场强度的测试，所测结果证实，交变磁场在远离该环的尺寸以外时其强度急剧地下降。

专利文献1：JP-A-10-209737

但该测试也显示出，只有当环形天线装置单独布置在测试环境中时，才能稳定获得上述优势。就是说，即使环形天线装置以这样的一种方式来设计，使得其交变磁场的强度如上所述，在远离环的尺寸以外时突然降低，但环形天线装置周围环境的影响仍旧引起环形天线单元之间的不平衡，而导致一个强磁场非期望地出现在远离环的尺寸以外的某个位置。

特别的，当金属等物质不对称地放置在环形天线装置附近时，感应电流会流过金属等物质，而产生一个磁场，该磁场使环形天线装置中的环形天线单元之间期望的平衡被破坏。因此，当把环形天线装置安装入读取/记录器设备时，环形天线单元之间期望的平衡会被非期望地破坏掉。

进一步地，即使环形天线装置以一种好的平衡方式安装入读取/记录器设备，当读取/记录器设备安装好时，考虑到环形天线装置周围的环境，实际上仍不可能维持或者获得平衡。

再进一步地，当在特定的一个天线单元上放置标签时，和上述的例子相似，标签单元的线圈中流过的感应电流还是会产生环形天线单元之间的平衡被破坏的问题。

简而言之，设法将多个环形天线单元组装在一起时调节磁矩总和为“0”，也仍然会遇到这个问题，即环形天线单元之间期望的平衡在实际使用中容易受破坏。

就是考虑到上述的问题，本发明的一个目标是提供一种环形天线单元，其具有组装在一起的多个小型环形天线单元，可以补偿由于操作环境的变化引起的环形天线单元之间的不平衡，并且可以固定地将环形天线单元产生的磁矩总和减少到最小值，最好为“0”。

发明内容

根据本发明的一种环形天线装置，具有多个小型环形天线单元，该单元与无触点型数据载体的天线线圈磁性耦合，以传送信号到该无触点型数据载体。

该小型环形天线单元在互相相对的方向产生磁矩，以将信号传送到无触点型数据载体。所有小型环形天线单元所产生的磁矩总和为零。为所有小型环形天线单元共同提供一个导体，该导体形成短路环。

本发明进一步的特征为，形成该小型环形天线单元的导体和形成该短路环的导体被叠置在一个基座上。

本发明进一步的特征为，该多个小型环形天线单元分别提供有电场屏蔽导体，该导体可以减少由该小型环形天线单元发出的电场分量。每个电场屏蔽导体具有间隙，用来防止短路环的形成。

当前公开的内容涉及日本专利申请2003-209684(提交于2003年8月29日)中包含的主题，该申请在这里全文引用，特别将其引入。

附图说明

图1显示了本发明的一个实施例，描述了允许数据载体接近环形天线装置的服务区时的状态。

图2显示了这个实施例的环形天线装置，图示了三个小型环形线圈安装在一个基座上的状态。

图3显示了在这三个小型环形线圈上提供有电场屏蔽导体时的状态。

图4显示了一种在天线线圈图案上提供有短路环图案的视图。

图5显示了该实施例的改进例，并显示了一种环形天线装置的主要结构的分解透视图。

图6是显示数据载体系统示意结构的方框图。

图7是用于检测在没有布置短路环图案且由于环形天线之间的不平衡所产生的磁场强度的实验例的示意图。

图8是用于检测在布置有短路环图案且由于环形天线之间的不平衡所产生的磁场强度的实验例的示意图。

具体实施方式

现在，将参照附图描述根据本发明的环形天线装置的实施例。

图1显示了使用这个实施例中的环形天线装置，并允许数据载体3接近读取/记录器2的服务区SA时的状态。

如图2所示，依照该实施例的环形天线装置具有三个小型环形线圈用于数据传送，即形成在基座60上的第一小型环形线圈61、第二小型环形线圈62和第三小型环形线圈63。依据本发明的环形天线装置可以具有更多数量的小型环形线圈。

第一小型环形线圈61的面积是第二小型环形线圈62或第三小型环形线圈63的两倍。进一步，如图2所示，在第一小型环形线圈61中所产生的交变磁场61a的方向与在第二小型环形线圈62和第三小型环形线圈63中所产生的交变磁场62a、63a的方向相对。这使得第一至第三小型环形线圈(单元)61、62和63的平衡很容易获得，即将产生自小型环形天线线圈(单元)61、62和63的磁矩的和设为0。依据本发明，小型环形线圈的方向可以设置为任意方式只要产生自小型环形天线线圈的磁矩和为0。

再进一步，如图3所示，在第一、第二、第三小型环形线圈61、62和63上，分别布置了电场屏蔽64、65和66。提供这些电场屏蔽64、65和66以屏蔽来自第一、第二和第三小型环形线圈61、62和63发出的电场分量。电场屏蔽64、65和66与第一、第二和第三小型环形线圈61、62和63电绝缘。为此，电绝缘层最好插入第一、第二和第三小型环形线圈61、62和63与电场屏蔽64、65和66之间。

以电场和磁场的形式从小型环形线圈61、62和63中的每一个输出高频电功率信号。但是，数据载体系统只需要磁场分量以执行其包括通信的操作。由于电场分量干扰了其他读取/记录器与数据载体之间的通信或者其他无线装置间的通信，所以最好不产生电场分量。

因此，如图3所示，在本实施例中，分别为第一小型环形线圈61提供了第一电场屏蔽导体64，为第二小型环形线圈62提供了第二电场屏蔽导体65，为第三小型环形线圈63提供了第三电场屏蔽导体66。

在第一电场屏蔽导体64中提供了间隙64a，在第二电场屏蔽导体65中提供了间隙65a，在第三电场屏蔽导体66中提供了间隙66a。

在从第一小型环形线圈61、第二小型环形线圈62和第三小型环形线圈63发出的电磁波中，其电场分量由第一电场屏蔽导体64、第二电场屏蔽导体65和第三电场屏蔽导体66屏蔽，然而通过上述间隙64a、65a和66a磁场分量没有被阻碍并且被生成。

进一步，如图4所示，短路环图案67被重叠且安装在电场屏蔽导体64、65和66上。短路环图案67作为为这三个小型环形线圈61、62和63共同工作的短路环图案。另外，可以在短路环图案67与每个电场屏蔽导体64、65和66之间插入电绝缘层。

由于上述短路环图案67具有间隙67a和67b，所以短路环图案67没有给三个小型环形线圈61、62和63的每一个单独形成短路环。因此，三个小型环形线圈61、62和63之间的产生不平衡时，电路被感应出来并且流过短路环图案67产生磁场，因而，使整个环形天线装置的磁矩变为零。

特别的，本实施例的环形天线装置被设计为干扰数据载体系统的操作或通信的电场分量的发射会尽可能地减少，以在数据载体间执行良好的通信。

进一步，本实施例的环形天线装置具有短路环图案67，该图案在具有多个环形天线单元61、62和63结合在一起的环形天线装置的外围被覆盖，以形成具有多个环形天线单元61、62和63结合在一起的环形天线装置的短路环并且还被用作屏蔽。

就是说，在本实施例的环形天线装置的例子中，由于这多个环形天线单元61、62和63所发出的磁矩的总和为“0”，所以电流原来并不流过用作屏蔽的外部的短路环图案67。

但是，当金属之类的物体靠近或被设置在环形天线装置的附近导致小型环形天线单元61、62和63之间的不平衡时，在外部的短路环图案67中感应出电流以产生磁场。所产生的磁场发挥校正不平衡的作用。当数据载体接近一个特定的天线单元导致不平衡时，上述操作同样地被执行。

就是说，在本实施例中，这多个环形天线单元61-63结合在一起，所以产生自全部环形天线单元的磁矩之和为零。进一步，短路环图案67发挥屏蔽的作用并被设置在结合在一起的环形天线单元61-63的外围。因此，这个环形天线的特点是供给附近位置强磁场，而供给远处弱磁场，并且即使是金属物或数据载体在导致不平衡的安装位置靠近该环形天线装置之时也可以有效的保持。再进一步，当许多数据载体集中地靠近某个特定的天线单元，天线单元面积变化的磁场强度的改变宽度可以得到有效抑制。

图5显示了依据上述实施例的改进例的环形天线装置的分解透视图。如图5所示，改进例的环形天线装置包括，形成在基座60上的第一小型环形线圈61、第二小型环形线圈62和第三小型环形线圈63以形成多个环形天线单元。

进一步，在这多个环形天线单元61、62和63的上面和下面都提供有也发挥电场屏蔽作用的短路环图案67。由于短路环图案67具有电场屏蔽的效果，所以图5所示的改进例的环形天线装置中省略了电场屏蔽64、65和66。每个短路环图案67都与多个环形天线单元61、62和63绝缘。该改进例被设计为短路环图案67中的一个(即图5中上面的短路环图案67)被设置在基座60的表面，该处还布置有环形天线单元61、62和63，然而，其他的短路环图案67(即下面的短路环图案67)被布置在基座69的相对表面上以对应环形天线单元61、62和63的位置。其他的短路环图案67(即下面的短路环图案)可以被布置在基座60和环形天线单元61、62和63之间以使短路环图案67全部都可以设置在基座60的相同表面上，该处还布置有环形天线单元61、62和63。

现在参考图6，下文将描述一个基于本实施例的使用环形天线装置的数据载体系统的例子。

在读取/记录器2里，在CPU15中处理来自主机1的数据并传给传送电路12。具有规定幅值的高频信号从振荡电路11提供至传送电路12，且该高频信号被该被传送的数据调制以输出已调制的高频信号。

该调制高频信号通过驱动器13发送到形成在基座60上的传送线圈6。在本实施例中，发射线圈6通过第一小型环形线圈61、第二小型环形线圈62和第三小型环形线圈63构建。

数据载体3接近读取/记录器2，且读取/记录器2的传送线圈6与数据载体3的天线线圈8电磁耦合。因此，通过数据载体3的天线线圈8从读取/记录器2的传送线圈6提供调制高频信号给数据载体3的传送/接收电路4。

该调制高频信号在整流电路21整流并供给电源电路22以产生为数据载体3各部分所需要的规定电源电压。更进一步，将天线线圈8的输出信号也供给接收电路23，在该接收电路中进行数据解调，解调数据供给CPU5。CPU5基于计时电路25和复位电路26的输出进行操作，处理提供的数据并将规定数据写入存储器(图中未示出)。

最后，将在下文中描述从数据载体3把数据传送到读取/记录器2的事例，也就是接收方式。

具有规定幅值的非调制高频信号从读取/记录器2的传送电路12输出，并通过驱动器13、传送线圈6和天线线圈8传送给数据载体3。

这时，数据载体3接近读取/记录器2，所以读取/记录器2的传送线圈6与数据载体3的天线线圈8磁性耦合。因此，通过数据载体3的天线线圈8从读取/记录器2的传送线圈6提供高频信号给数据载体3的传送/接收电路4。该高频信号在整流电路21整流，并且整流信号被供给电源电路22以产生为数据载体3各部分所需要的规定电源电压。

另一方面，在数据载体3中从存储器读取的数据(图中未示出)经CPU5处理并供给传送电路24。传送电路24包括如负载电阻和开关，而该开关根据数据在“1”和“0”间的变化来导通、关断。如上所述，随传送电路24的开关导通和关断，到天线线圈8的负载也在变化。

因此，在读取/记录器2中，流过接收线圈7的高频电流的幅值是变化的。就是说，在该高频电流的幅值，是通过来自数据载体3的CPU5并供至传送电路24的数据来调制的。这个已调制的高频信号在接收电路14中解调以获取数据。该数据由CPU15处理并传送给主机1。

作为数据载体3的一个应用，不仅象信用卡或电子钱币那样的一次处理一张卡片，而且可以一次处理多张卡片，例如书籍管理或货物库存管理。这种情况下，数据载体3可以一个接一个地附在大量书籍或货物上，而这些书籍或货物的信息可由读取/记录器2读取，或者在这些书籍或货物中可搜索一本特定的书籍或一件特定的货物。

在这种情况下，数据载体3必须紧凑，且读取/记录器2的传送和接收线圈6、7必须扩大。当使数据载体3紧凑时，其中包含的天线线圈8就必然紧凑了。因此，为了提供操作数据载体3所必需的电力，在读取/记录器2的传送线圈6中所产生的磁场强度必须加强。

另一方面，如上所述，在服务区SA以外必须不发出不必要的电磁波。如上所述，本实施例的传送线圈6被设计为使多个环形天线单元61-63结合在一起以使所有这些环形天线单元所产生的磁矩之和为零，并且，也作为屏蔽发挥作用的短路环图案67被布置在环形天线单元61-63结合在一起的外围部分。

因此，由于该环形天线具有供给近处强磁场和仅供给远处弱磁场的特点，并且该特点即使在安装位置有金属物或数据载体靠近该环形天线装置导致不平衡之时也可以保持，所以上述需要可以被充分满足。

现在，特定效果的测试实例如下所示。

如图7所示，60mmx120mm的环形线圈71、72平行排列。这里，第一环形线圈71和第二环形线圈72的“绕组数量”是“15T”，“电感L值为130μH”，且“Q值为33”。这些值是恒定的，与短路环存在与否无关。更进一步，“测量频率为125KHz”。磁场在检测点73被检测出来，该检测点是保持平衡的中心点，即磁场为0。

在无短路环图案的情况下，当具有40mm²、1mm厚度的铝板74放在低于第一环形线圈71侧面20mm的部位时，第一环形线圈71和第二环形线圈72之间产生不平衡，这样检测到磁场。

图8描述了检测在具有短路环图案时由于环形天线之间的不平衡所产生的磁场强度的实验例。如图8所示，即使当提供了短路环图案75，如果将具有40mm²、1mm厚度的铝板74放在低于第一环形线圈71侧面20mm的部位，第一环形线圈71和第二环形线圈72之间会导致不平衡，这样可以检测到磁场。无论如何，可以确认，在检测点的磁场强度被抑制到当没有提供短路环图案时检测到的磁场强度的一半，并且不平衡的量也被减小了。

根据使用现同线圈的进一步实验的结果，当10个数据载体仅放置到天线单元的一个时，在没有使用短路环图案时，从左到右的场强比例从“100∶100”变化为“92∶100”。

另一方面，在具有短路环图案的情况下，场强比例从“100∶100”变化到“96∶100”。从这些结果中显然得知，当提供短路环图案时，不平衡的量减小了。

如上所述，根据本发明，环形天线装置具有多个小型环形天线单元，该单元与无触点型数据载体的天线线圈磁性耦合，以传送信号到无触点型数据载体，还具有为所有多个小型环形天线单元共同形成短路环的导体。该多个小型环形天线单元被涉及为传送到无触点型数据载体的信号磁矩的方向彼此相对，并且所有多个小型环形天线单元所产生的磁矩之和为零。当环形天线单元之间导致不平衡时，由于环形天线装置周围的环境的影响，感应电流流过形成短路环的导体以产生磁场用来补偿环形天线单元之间的不平衡。所以，即使当金属等物不对称的放置在天线附近时，或者将数据载体放入特定天线单元中，在操作时导致环形天线单元之间的不平衡，环形天线装置可以有效补偿环形天线单元间的不平衡，并且可以防止发出不必要的电磁波到远处。

Claims (6)

1.一种环形天线装置，包括多个小型环形天线单元(61，62，63)，所述单元与无触点型数据载体的天线线圈磁性耦合，以传送信号到所述无触点型数据载体，其中，

所述小型环形天线单元(61，62，63)在互相相对的方向产生磁矩以传送信号到所述无触点型数据载体；

从所有所述小型环形天线单元(61，62，63)所产生的磁矩之和为零；

所述环形天线装置还包括为所有所述小型环形天线单元(61，62，63)共同形成短路环的导体(67)；

电场屏蔽导体(64，65，66)，分别提供给所述小型环形天线单元(61，62，63)，以减少从所述小型环形天线单元(61，62，63)发出的电场分量，每个电场屏蔽导体(64，65。66)都具有间隙(64a，65a，66a)，用来防止短路环的形成，使得每个小型环形天线单元(61，62，63)的一部分被暴露，

其中，构成短路环(67)的导体覆盖在小型环形天线单元(61，62，63)之上并且与所有的小型环形天线单元(61，62，63)电绝缘。

2.根据权利要求1所述的环形天线装置，其中，

形成所述小型环形天线单元(61，62，63)的导体和形成所述短路环(67)的导体被叠置在基座上。

3.一种环形天线装置，包括，

基座(60)，

形成多个环形天线单元(61，62，63)的第一导体，该第一导体被设置在基座的第一表面上；以及

设置在基座的第一表面的第二导体(67)，并且该第二导体具有：

外部连续环部分，其覆盖在第一导体的外围部分之上并与第一导体的外围部分电绝缘；和

内部不连续部分，其覆盖在第一导体的内部之上并与第一导体的内部电绝缘，其在每个环形天线单元(61，62，63)上限定一个或多个使第二导体变得不连续的间隙(67a，67b)。

4.根据权利要求3所述的环形天线装置，还包括，

第三导体，其形成分别提供给环形天线单元(61，62，63)的电屏蔽(64，65，66)以减少从所述小型环形天线单元发出的电场分量，并且被布置在第一和第二导体之间并与第一和第二导体电绝缘，电屏蔽被分别覆盖在其中环形天线单元(61，62，63)之上并且与环形天线单元(61，62，63)电绝缘，使得每个电屏蔽(64，65，66)的一部分是不连续的。

5.根据权利要求3或4所述的环形天线装置，还包括，

第四导体(67)，该第四导体具有：

外部连续环部分，其覆盖在第一导体的外围部分之上并与第一导体的外围部分电绝缘；和

内部不连续部分，其覆盖在第一导体的内部之上并与第一导体的内部电绝缘，其在每个环形天线单元(61，62，63)上限定一个或多个使第四导体变得不连续的间隙(67a，67b)，

该第一导体插入第二导体和第四导体之间并与第二导体和第四导体电绝缘。

6.根据权利要求5所述的环形天线装置，其中，

第四导体(67)设置在与基座(60)的第一表面相对的基座(60)的第二表面上。

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