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JP4218519B2 - 磁界アンテナ、それを用いて構成したワイヤレスシステムおよび通信システム - Google Patents

磁界アンテナ、それを用いて構成したワイヤレスシステムおよび通信システム Download PDF

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Description

本発明は、磁界成分を受信し、そして送信する磁界アンテナに係り、特に、ＩＣタグ等のワイヤレスシステムや一般の通信システムに用いて好適な磁界アンテナ、それを用いて構成したワイヤレスシステムおよび通信システムにに関する。
従来のＩＣタグ等に使用する磁界アンテナは、磁界の方向に肉厚が薄く直径を大きくとったコイルを具えた磁界アンテナが多く、これを用いてＩＣタグを構成する場合、図５に示すように、コイル５１の内側に、基板５２上に形成された符号５３で示す情報記憶および読み出しの機能を具えたＩＣを配置している。
特開２００３−３１７０５２号公報
しかし、図５に示す磁界の方向に肉厚が薄く直径を大きくとったコイルを具えた磁界アンテナでは、これを金属面上に配置した場合、金属面に垂直に入射する磁界はミラー効果により逆起電力が発生し、コイルによる磁界は発生せず、従って、磁界アンテナとして用をなさないことになる。
そこで、上記特開２００３−３１７０５２号公報に記載されているように、ＩＣタグが付着する平面と平行な磁界成分と、この平面に対して垂直の断面積成分を有するコイルとからコイルに電圧を誘起させる磁界アンテナは知られている。
しかしながら、この特開２００３−３１７０５２号公報に記載の磁界アンテナは、コイルのコア材料である磁性体をＩＣタグを取り付けたい被対象物に直接貼り付けるようにしているので、貼り付ける被対象物が金属や磁性体の場合には影響を受け、コイルを用いて構成した磁界アンテナの共振周波数が移動し、ＩＣタグとして致命的な問題となっていた。
本発明の目的は、コイルを貼り付ける被対象物の如何にかかわらず共振周波数が移動しないようにした磁界アンテナを提供し、もって、そのアンテナを使用したＩＣタグ等のワイヤレスシステムや通信システムの信頼度を高めることにある。
上記目的を達成するために、本発明磁界アンテナは、磁界が到来することにより金属面上に誘導される前記金属面に平行な磁界成分を受信し、そして前記金属面に平行な磁界成分を送信するために、前記金属面に垂直の断面積成分を有するコイルが前記金属面上に配置され、前記コイルは前記金属面との間に絶縁物を介して密着固定されるとともに、使用周波数において磁界アンテナを共振させるために前記コイルに並列または直列にコンデンサが装荷されていることを特徴とするものである。
また、本発明磁界アンテナは、前記金属面を有する金属板の前記金属面とは反対側の面に磁性体が被着されていることを特徴とするものである。
また、本発明磁界アンテナは、前記コイルが、磁性体からなるコアを有することを特徴とするものである。
また、本発明磁界アンテナは、前記磁性体が、フェライト磁性体またはフェライト磁性体以外の金属磁性体であることを特徴とするものである。
また、本発明磁界アンテナは、前記磁性体が、球状、扁平状および破砕状のうちのいずれかの形状にして粉体化した磁性体を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂中に分散し、固体化したものであることを特徴とするものである。
また、本発明磁界アンテナは、前記金属面を有する金属の前記金属面とは反対側の面に接着剤を塗布し、該接着剤により磁界アンテナを被対象物に貼り付けるようにしたことを特徴とするものである。
また、本発明磁界アンテナは、前記磁性体の前記金属が被着されているのとは反対側の面に接着剤を塗布し、該接着剤により磁界アンテナを被対象物に貼り付けるようにしたことを特徴とするものである。
また、本発明ワイヤレスシステムは、磁界が到来することにより金属面上に誘導される前記金属面に平行な磁界成分を受信し、そして前記金属面に平行な磁界成分を送信するために、前記金属面に垂直の断面積成分を有するコイルが前記金属面上に配置され、前記コイルは前記金属面との間に絶縁物を介して密着固定されるとともに、使用周波数において磁界アンテナを共振させるために前記コイルに並列または直列にコンデンサが装荷されている磁界アンテナのコイルの両端に、ワイヤレスシステム用ＩＣチップが装着されていることを特徴とするものである。
また、本発明ワイヤレスシステムは、磁界が到来することにより金属面上に誘導される前記金属面に平行な磁界成分を受信し、そして前記金属面に平行な磁界成分を送信するために、前記金属面に垂直の断面積成分を有するコイルが前記金属面上に配置され、前記コイルは前記金属面との間に絶縁物を介して密着固定され、かつ前記金属面を有する金属板の前記金属面とは反対側の面に磁性体が被着されるとともに、使用周波数において磁界アンテナを共振させるために前記コイルに並列または直列にコンデンサが装荷されている磁界アンテナのコイルの両端に、ワイヤレスシステム用ＩＣチップが装着されていることを特徴とするものである。
また、本発明ワイヤレスシステムは、前記ＩＣチップが有する入力容量を使用して前記コイルと共振させるために、コイルの巻線を調整して前記ワイヤレスシステムが使用する周波数に共振させるようにしたことを特徴とするものである。
また、本発明通信システムは、磁界が到来することにより金属面上に誘導される前記金属面に平行な磁界成分を受信し、そして前記金属面に平行な磁界成分を送信するために、前記金属面に垂直の断面積成分を有するコイルが前記金属面上に配置され、前記コイルは前記金属面との間に絶縁物を介して密着固定されるとともに、使用周波数において磁界アンテナを共振させるために前記コイルに並列または直列にコンデンサが装荷されている磁界アンテナのコイルの両端に、通信システム用送受信回路が接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明通信システムは、磁界が到来することにより金属面上に誘導される前記金属面に平行な磁界成分を受信し、そして前記金属面に平行な磁界成分を送信するために、前記金属面に垂直の断面積成分を有するコイルが前記金属面上に配置され、前記コイルは前記金属面との間に絶縁物を介して密着固定され、かつ前記金属面を有する金属板の前記金属面とは反対側の面に磁性体が被着されるとともに、使用周波数において磁界アンテナを共振させるために前記コイルに並列または直列にコンデンサが装荷されている磁界アンテナのコイルの両端に、通信システム用送受信回路が接続されていることを特徴とするものである。
本発明によれば、コイルを貼り付ける被対象物の如何にかかわらず共振周波数が移動しない磁界アンテナが得られるので、そのアンテナを使用して構成したＩＣタグ等のワイヤレスシステムや通信用送受信機の信頼度を高めることができる。
しかしながら、請求項１記載の本発明磁界アンテナのように、コイルが絶縁物を介して金属面に密着固定された磁界アンテナは、金属面を設けたことにより共振周波数が高い方に移動する。請求項１記載の本発明磁界アンテナはこの状態で共振周波数を調整することになるが、これでも貼り付ける対象となるものが金属で、磁界アンテナを構成している金属板より広い面積になると、周波数が移動し感度が低下する。
これを防止するために、請求項２記載の本発明磁界アンテナのように、金属板のコイルが配置される側とは反対側の面に磁性体の層を設けることにより、磁性体に磁束を集め、磁界アンテナを貼り付ける対象となる金属面に流れる磁束を抑えることができ、従って、磁界アンテナを貼り付ける対象となる金属が広い面積を有するものであっても、周波数の移動が起こらず安定した感度を得ることができる。
以下に添付図面を参照し、発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
まず、本発明による第１の磁界アンテナについて説明する。
図１は、本発明による第１の磁界アンテナの一実施形態を斜視図で示している。
図１において、１は本発明磁界アンテナ、２はコイル、３は絶縁物、４は金属板、および５は磁界アンテナが貼り付けられる被対象物の表面を示している。また、同図に示される矢印は金属板４の表面に平行な磁界成分を示している。
この本発明による第１の磁界アンテナは、図１に示すように、金属板４の絶縁物３側でない面に接着剤を塗布し被対象物５に貼り付けて使用する。
コイル２は空芯でもよいが、コイルのコア（芯）にフェライト磁性体やフェライト磁性体以外の金属磁性体を用いることにより、金属板４の表面に平行な磁界成分（矢印）の強度が同じであっても材質の透磁率によりコイル２に高い電圧を誘起することができる。
また、コイル２の断面形状は、図１に示す矩形に限られず円形断面などとしてももよいが、要するに、コイル２に起電力を生じさせるために、金属板４の表面に垂直の断面積成分を有することが必要である。
また、コイル２のコアに使用する磁性体として、球状、扁平状および破砕状のうちのいずれかの形状にして粉体化した磁性体を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂中に分散し、固体化したものを使用することにより、完成したアンテナがフレキシブルになり、従って、曲面を有する被対象物へも貼り付けて使用することも可能になる。
また、絶縁物３は、コイル２が金属板４の表面で短絡するのを防止するためのものである。
また、図１中のコイル２の左方で巻線が施されていない部分には、ワイヤレスシステム用ＩＣチップや通信用送受信回路（ともに図示されない）が形成される。この場合、コイル２の巻線の両端には、例えば、ワイヤレスシステム用ＩＣチップの場合、磁界アンテナを１３．５６ＭＨｚに並列共振させるためにチップ化されたコンデンサが介挿される。これは、直列共振を利用してもよく、その場合には、コイル２にコンデンサが直列に介挿される。
本発明による磁界アンテナ１（図１に示される磁界アンテナ）は、コイル２、絶縁物３および金属板４が順次積層され、一体化されているところに特徴があり、コイル２が金属板４の表面に配置されていることから、本発明磁界アンテナは、それが貼り付けられる被対象物５の材質を選ばず、あらかじめ周波数設定してある周波数のままで使用することができる。
これは、非常に重要なことで、もし、磁界アンテナがＩＣタグ（ワイヤレスシステムの１つ）に組み込まれている場合、それを貼り付ける被対象物によって周波数が変化し、再調整し直さなければならないとすると、これは大変なことで、メーカーから出荷されＩＣタグをユーザー（店舗など）が使用に際し調整し直すのは容易でない。本発明による磁界アンテナは、磁界アンテナの最下部に金属板を具え、貼り付ける被対象物の材質の影響を受けないようにしている。
図２は、本発明による磁界アンテナを使用して構成した本発明ワイヤレスシステム（ＩＣタグ）の一構造例を示している。
図２において、６はコンデンサ、７はメモリと書き込み、読み出しの機能を具えたＩＣである。ここで、コンデンサ６はコイル２と共振させることによって、１３．５６ＭＨｚの磁界を選択受信するためのものである。
その他の部分は、図１と同じであるので同じ符号を付して示してある。
図３は、図２に示す本発明ワイヤレスシステムの大略の回路図を示し、図３においても、図２と同じ回路要素には同じ符号を付して示している。
図３において、符号７で示されるＩＣは、電源回路８、変復調回路９、制御回路１０、およびメモリ１１から構成されている。
動作につき説明する。
コイル２とコンデンサ６からなる磁界アンテナで選択受信された信号は電源回路８に供給され、整流、平滑化されＤＣ電圧が取り出され、変復調回路９および制御回路１０にそれらの回路を駆動するための電源として供給される。変復調回路９は磁界アンテナによって受信された信号を復調して制御回路１０に供給するとともに、制御回路１０から受信した情報信号で搬送波を変調して磁界アンテナに供給するように構成されている。制御回路１０は、メモリ１１に受信された信号を書き込み、また、すでに書き込まれている情報信号を読み出して変復調回路９に供給する。
このワイヤレスシステムは、外部磁界のなかで動作するもので、コイル２が金属板４の表面に平行な磁界成分を受信し、その磁界が第１の情報信号により変調されている場合、その情報信号をメモリ１１に書き込み、また、メモリ１１に書き込まれている第２の情報信号を取り出して変調し磁界アンテナから放射する。放射された信号は外部の受信アンテナによって受信され、復調される。
ＩＣタグを代表とするワイヤレスシステムはよく知られているので、これ以上の説明は省略する。
また、本発明による通信システムは、図２に符号７で示すＩＣが送受信回路になっただけで、それ以外の変更点はない。また、送受信回路は、ＩＣ化されていてもよいし、音声や映像、あるいはデータなどの変復調部を具えていてもよい。
本発明ワイヤレスシステムおよび通信システムは、また、本発明による第１の磁界アンテナを以下に説明する本発明による第２の磁界アンテナに置き換えても同様に実現できる。
次に、本発明による第２の磁界アンテナについて説明する。
図４は、本発明による第２の磁界アンテナの一実施形態を斜視図で示している。
図４において、１２は本発明磁界アンテナ、２はコイル、３は絶縁物、４は金属板、１３は磁性体、および５は磁界アンテナが貼り付けられる被対象物の表面を示している。また、同図に示される矢印は金属板４の表面に平行な磁界成分を示している。
なお、本発明による第２の磁界アンテナと上述の第１の磁界アンテナとの構造上の違いは、第２の磁界アンテナでは、第１の磁界アンテナの最下層に、フェライト磁性体やフェライト磁性体以外の金属磁性体からなる磁性体１３の層を設けたことである。
なお、第２の磁界アンテナにおいても、コイル２は空芯でもよいが、コイルのコア（芯）にフェライト磁性体やフェライト磁性体以外の金属磁性体を用いることにより、金属板４の表面に平行な磁界成分（矢印）の強度が同じであっても材質の透磁率によりコイル２に高い電圧を誘起することができる。
この本発明による第２の磁界アンテナの最下層の磁性体１３およびコイルのコアをなす磁性体は、球状、扁平状および破砕状のうちのいずれかの形状にして粉体化した磁性体を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂中に分散し、固体化したものを使用することによって、アンテナがフレキシブルになり、平面上はもとより、曲面を有する被対象物へも貼り付けが容易になる。
本発明による第２の磁界アンテナのように、磁界アンテナを構成するコイルの下部（実際には、絶縁物を介して）に磁性体を配置すると、金属板や磁性体を配置しない、例えば、特開２００３−３１７０５２号公報に記載の磁界アンテナと比較して見かけ上インダクタンスＬが大きくなり、共振させるために同じ容量のコンデンサを使用したとすると、共振周波数が低くなる方向にある。
実際には、第２の磁界アンテナの場合、コイルの下部に金属板があるので、これがインダクタンスＬを見かけ上小さくし、それとの兼ね合いになる。
また、本発明による第１の磁界アンテナのように、磁界アンテナを構成するコイルの下部（実際には、絶縁物を介して）に金属板を配置すると、見かけ上インダクタンスＬが小さくなり、従って、特開２００３−３１７０５２号公報に記載の磁界アンテナと比較して、共振させるために同じ容量のコンデンサを使用したとすると、共振周波数が高くなる方向にある。
以上の説明においては、共振用のコンデンサ６（図３参照）をワイヤレスシステムのＩＣ製作時に別個に製作するように説明したが、これは、ワイヤレスシステム用のＩＣがもつ浮遊容量を利用してもよい。
また、本発明による磁界アンテナは、共振周波数の調整にコンデンサの容量調整のみによることなく、コイルの巻線の一部を短絡させるなどインダクタンスＬを調整してもよいこと勿論である。
また、本発明による第２の磁界アンテナを用いてワイヤレスシステムや通信システムを構成する場合は、本発明による第１の磁界アンテナを用いてワイヤレスシステムや通信システムを構成する場合と全く同様に構成でき、従って、図２の構造で、金属板４と磁界アンテナが貼り付けられる被対象物５の間に磁性体（図４に符号１３で示す）が入るだけである。
本発明による磁界アンテナは、コイルの下部に金属板や磁性体を配置されているので、磁界アンテナを貼り付ける被対象物５によつて共振周波数が移動することがなく、あらかじめ設定してある周波数のままで使用することができる。
この特徴を活かして本発明による磁界アンテナは、物の生産現場や流通の段階、あるいは、人の出入りをチェックするシステムなど、広範囲に利用できるものである。
本発明による第１の磁界アンテナの一実施形態を斜視図で示している。 本発明による磁界アンテナを使用して構成した本発明ワイヤレスシステム（ＩＣタグ）の一構造例を示している。 本発明ワイヤレスシステムの大略の回路図を示している。 本発明による第２の磁界アンテナの一実施形態を斜視図で示している。 従来のＩＣタグの構成例を示している。
符号の説明
１ 磁界アンテナ
２ コイル
３ 絶縁物
４ 金属板
５ 磁界アンテナが貼り付けられる被対象物の表面
６ コンデンサ
７ メモリと書き込み、読み出しの機能を具えたＩＣ
８ 電源回路
９ 変復調回路
１０ 制御回路
１１ メモリ
１２ 磁界アンテナ
１３ 磁性体
５１ コイル
５２ 基板
５３ 情報記憶および読み出しの機能を具えたＩＣ

Claims (8)

  1. 磁界が到来することにより金属面上に誘導される前記金属面に平行な磁界成分を受信し、そして前記金属面に平行な磁界成分を送信するために、前記金属面に垂直の断面形状を有するコイルが前記金属面上に配置され、前記コイルは前記金属面との間に絶縁物を介して密着固定され、かつ前記金属面を有する金属板の前記金属面とは反対側の面に磁性体が被着されるとともに、使用周波数において磁界アンテナを共振させるために前記コイルに並列または直列にコンデンサが装荷されていることを特徴とする磁界アンテナ。
  2. 請求項１記載の磁界アンテナにおいて、前記コイルは、磁性体からなるコアを有することを特徴とする磁界アンテナ。
  3. 請求項１または２記載の磁界アンテナにおいて、前記磁性体は、フェライト磁性体またはフェライト磁性体以外の金属磁性体であることを特徴とする磁界アンテナ。
  4. 請求項１または２記載の磁界アンテナにおいて、前記磁性体は、球状、扁平状および破砕状のうちのいずれかの形状にして粉体化した磁性体を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂中に分散し、固体化したものであることを特徴とする磁界アンテナ。
  5. 請求項１記載の磁界アンテナにおいて、前記磁性体の前記金属が被着されているのとは反対側の面に接着剤を塗布し、該接着剤により磁界アンテナを被対象物に貼り付けるようにしたことを特徴とする磁界アンテナ。
  6. 磁界が到来することにより金属面上に誘導される前記金属面に平行な磁界成分を受信し、そして前記金属面に平行な磁界成分を送信するために、前記金属面に垂直の断面形状を有するコイルが前記金属面上に配置され、前記コイルは前記金属面との間に絶縁物を介して密着固定され、かつ前記金属面を有する金属板の前記金属面とは反対側の面に磁性体が被着されるとともに、使用周波数において磁界アンテナを共振させるために前記コイルに並列または直列にコンデンサが装荷されている磁界アンテナのコイルの両端に、ワイヤレスシステム用ＩＣチップが装着されていることを特徴とするワイヤレスシステム。
  7. 請求項６記載のワイヤレスシステムにおいて、前記ＩＣチップが有する入力容量を使用して前記コイルと共振させるために、コイルの巻線を調整して前記ワイヤレスシステムが使用する周波数に共振させるようにしたことを特徴とするワイヤレスシステム。
  8. 磁界が到来することにより金属面上に誘導される前記金属面に平行な磁界成分を受信し、そして前記金属面に平行な磁界成分を送信するために、前記金属面に垂直の断面形状を有するコイルが前記金属面上に配置され、前記コイルは前記金属面との間に絶縁物を介して密着固定され、かつ前記金属面を有する金属板の前記金属面とは反対側の面に磁性体が被着されるとともに、使用周波数において磁界アンテナを共振させるために前記コイルに並列または直列にコンデンサが装荷されている磁界アンテナのコイルの両端に、通信システム用送受信回路が接続されていることを特徴とする通信システム。
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