JP4949333B2 - 読み書き装置および携帯機器 - Google Patents

Description

本発明は、読み書き装置および携帯機器に関する。特に、非接触ＩＣカード、ＲＦ（Radio Frequency）タグなどの可搬記録媒体の記録内容を読み書きする読み書き装置（リーダライタ）、および、該読み書き装置を搭載して各種情報の処理や通信を行う携帯機器（情報処理装置や情報通信装置等）に好適に適用することができる。

非接触ＩＣカード、ＲＦタグなどの可搬記録媒体の記録内容を読み書きする読み書き装置としては、特許文献１の特開２００１−２２９３４７号公報「リーダライタ」、特開２００３−２５６７７９号公報「コンタクトレスメディア用アンテナシートおよびリーダ／ライタシステム」に記載されているように、フレキシブル基板にアンテナコイルを実装することによって、設置の柔軟性を確保する技術が公開されているが、従来のこれらの技術は、携帯機器に組み込むことを可能とするような程度の小型化を実現するまでには至っていない。

具体的には、読み書き装置（リーダライタ）のアンテナコイルと制御回路とは、それぞれ、別の基板へ実装しており、また、上位装置（情報処理装置、情報通信装置など）に接続するための接続ケーブルの読み書き装置（リーダライタ）への収納場所も別構成となっているので、占有サイズが大きくなり、設置の柔軟性のみならず、より一層の小型化が必須である携帯機器への組み込みは困難な状況にある。

また、携帯機器へ組み込むことが可能な程度に小型化を実現しようとした読み書き装置（リーダライタ）として、非特許文献１の本発明者らによる「携帯機器への組み込みに適したマルチインタフェース超小型リーダライタ」（電子情報通信学会、信学技報ＵＳＮ２００７−６４（２００８−０１），ｐｐ．５５−６０）に記載の技術がある。しかしながら、該非特許文献１の記載の技術においても、アンテナコイル部分と制御回路との実装基板が、分離したセパレート型を前提としているため、益々小型化が追求されている携帯機器に対して、十分に搭載可能とするような小型化を達成するまでには至っていない状況にある。

以上のごとき状況より、「アンテナ回路と制御回路との一体化」および「設置の柔軟性」の両方の構成要件を兼ね備えた超小型の読み書き装置（リーダライタ）の実現が強く求められている。
特開２００１−２２９３４７号公報 特開２００３−２５６７７９号公報 山本英朗、池田実、細田泰弘；「携帯機器への組み込みに適したマルチインタフェース超小型リーダライタ」、電子情報通信学会、信学技報ＵＳＮ２００７−６４（２００８−０１），ｐｐ５５−６０

従来の技術においては、前述したように、読み書き装置（リーダライタ）のアンテナコイルと制御回路とを、それぞれ、別の基板に実装するという構成であり、また、読み書き装置と上位装置（情報処理装置や情報通信装置など）の例えば携帯機器とを接続する接続ケーブルを読み書き装置内に収納する場所も別途用意する構成としているため、読み書き装置全体として、小型軽量化が益々進展する携帯機器への収納を容易に可能とするまでの小型化を図ることができないという問題点がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、携帯機器への搭載が十分に可能な柔軟性と小型化とを兼ね備えた読み書き装置を提供し、さらに、該読み書き装置を搭載して多機能化を可能とする携帯機器を提供することを、その目的としている。

本発明は、前述の課題を解決するために、可搬記録媒体の記録内容を読み書きする読み書き装置（リーダライタ）を、携帯機器内の狭い空間に組み込むことを考慮して、携帯機器内面の曲面に沿って搭載することができるように、該読み書き装置を構成するアンテナコイルおよび制御回路を、可塑性を有するフレキシブル基板に実装することはもとより、従来技術においては、アンテナ基板、制御回路基板の２枚の基板に分離して構成していたものを、１枚の基板に一体化して実装すること、および、上位装置との接続を行う接続ケーブルも、フレキシブル基板の可塑性を利用して、アンテナコイルと制御回路とが実装されるフレキシブル基板をあらかじめ定めた適当な長さだけ延在させて、上位装置との接続を行う上位装置接続用端子を有する接続ケーブルとして利用することにより、小型化を図っていることを特徴としている。

この際、アンテナコイルと制御回路とを１枚のフレキシブル基板に実装して一体化することにより、アンテナコイルが発する磁界が、制御回路のグランド面（接地面）などによって悪影響を受けることを避けるために、制御回路をアンテナコイル内側の磁界強度が最も弱くなるアンテナコイルの中心軸と一致する位置の近傍に集中的に設置すること、また、グランド面のグランドパタンとしてアンテナコイルの中心軸に一致するグランド面の中心から放射状に複数の切れ込みを形成して、渦（うず）電流を抑止することとしている。

具体的には、本発明は、以下のごとき各技術手段から構成されている。

第１の技術手段は、可搬記録媒体の記録内容を読み書きする読み書き装置において、複数の階層からなる可塑性を有する１枚のフレキシブル基板に、前記可搬記録媒体と電磁結合するアンテナコイル、前記アンテナコイルを介して前記可搬記録媒体との間でデータの読み書き動作を行う制御回路、および、該制御回路の動作を制御する上位装置に電気的に接続する接続手段を実装し、さらに、前記制御回路の接地電位を与えるグランド面が、前記アンテナコイルの中心軸と一致する位置を中心にして、前記制御回路の配置領域を覆うように、前記フレキシブル基板のいずれかの階層上に形成され、かつ、前記グランド面の中心から外周側に向かって放射状に複数の切れ込みが形成されていることを特徴とする。

第２の技術手段は、前記第１の技術手段に記載の読み書き装置において、前記制御回路として、あらかじめ定めた周波数で発振する発振回路、前記アンテナコイルを接続し、少なくともインピーダンスマッチングを行うアンテナ回路、前記可搬記録媒体との間で読み書きするデータを変復調する変復調回路、を少なくとも含んでいることを特徴とする。

第３の技術手段は、前記第１または第２の技術手段に記載の読み書き装置において、前記アンテナコイルが、複数の階層からなる前記フレキシブル基板の少なくとも２階層以上の複数の階層に分割して配置され、かつ、複数の階層に分割して配置された各アンテナコイル同士がスルーホールによって接続されることを特徴とする。

第４の技術手段は、前記第３の技術手段に記載の読み書き装置において、複数の階層に分割して配置された各前記アンテナコイル同士を接続する場合、若番側の階層のアンテナコイルの巻き終わりと老番側の階層のアンテナコイルの巻き始めとを順次接続していくことを特徴とする。

第５の技術手段は、前記第３または第４の技術手段に記載の読み書き装置において、複数の階層に分割して配置された各前記アンテナコイルは、それぞれ、同一の中心軸を中心にして、各階層の外周に沿うように、同一方向に向かって巻かれていることを特徴とする。

第６の技術手段は、前記第５の技術手段に記載の読み書き装置において、前記フレキシブル基板に実装される前記制御回路が、前記アンテナコイルの中心軸と一致する位置の近傍に集中して配置されることを特徴とする。

第７の技術手段は、前記第１ないし第６の技術手段のいずれかに記載の読み書き装置において、前記グランド面が形成された階層の外周側に近いほど前記切れ込みの個数が多くなる形状、および／または、前記グランド面が形成された階層の外周側に近いほど前記切れ込みの幅が広くなる形状、および／または、いずれの前記切れ込みも前記グランド面の中心までは達していない形状とすることを特徴とする。

第８の技術手段は、前記第１ないし第７の技術手段のいずれかに記載の読み書き装置において、前記上位装置と電気的に接続する前記接続手段が、前記フレキシブル基板のいずれかの階層上に形成され、かつ、当該階層をあらかじめ定めた長さだけ延在させて、前記上位装置との接続を行う上位装置接続用端子を一端に有する接続ケーブルを形成し、かつ、該接続ケーブルを、当該階層の中央まで延長して前記制御回路の接続端子との間をスルーホールによって接続することを特徴とする。

第９の技術手段は、前記第２ないし第８の技術手段のいずれかに記載の読み書き装置において、前記発振回路は、水晶発振器またはＭＥＭＳ（微小電気機械素子）発振器のいずれかの発振器を搭載し、かつ、前記上位装置から給電される電源電圧を当該発振器の動作電圧に変換する電圧変換回路を備えていることを特徴とする。

第１０の技術手段は、前記第２ないし第９の技術手段のいずれかに記載の読み書き装置において、前記アンテナコイルは、第１アンテナ素子および第２アンテナ素子からなり、前記アンテナコイルを接続する前記アンテナ回路が、前記第１アンテナ素子の一端を、第１コンデンサを介して、前記変復調回路の第１アンテナ接続端に接続するとともに、第３コンデンサを介して、グランドに接続し、かつ、前記第２アンテナ素子の一端を、第２コンデンサを介して、前記変復調回路の第２アンテナ接続端に接続するとともに、第４コンデンサを介して、グランドに接続し、かつ、前記第１アンテナ素子の他端および前記第２アンテナ素子の他端をグランドに接続し、かつ、前記第１コンデンサと前記第３コンデンサとの接続点を、前記可搬記録媒体からの受信信号を受け取る前記変復調回路の受信端に接続して構成されていることを特徴とする。

第１１の技術手段は、前記第１０の技術手段に記載の読み書き装置において、前記第１アンテナ素子と前記第２アンテナ素子とのインダクタンスは相等しく、かつ、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの静電容量は相等しく、かつ、前記第３コンデンサと前記第４コンデンサとの静電容量は相等しいことを特徴とする。

第１２の技術手段は、前記第１１の技術手段に記載の読み書き装置において、前記可搬記録媒体との間で送受信する信号のキャリア周波数が１３．５６ＭＨｚであり、かつ、前記第１アンテナ素子と前記第２アンテナ素子とは１．０μＨのインダクタンスであり、かつ、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとは２２ｐＦの静電容量の固定コンデンサまたは２２ｐＦの静電容量が可変範囲に含まれる可変コンデンサであり、かつ、前記第３コンデンサと前記第４コンデンサとは６８ｐＦの静電容量の固定コンデンサまたは６８ｐＦの静電容量が可変範囲に含まれる可変コンデンサであることを特徴とする。

第１３の技術手段は、前記第１ないし第１２の技術手段のいずれかに記載の読み書き装置において、前記制御回路を構成する各部品が、前記フレキシブル基板の一方の面上にのみ配置され、前記上位装置の内側の壁面に当該読み書き装置を取り付けることができる取付手段が、前記フレキシブル基板の他方の面に形成されていることを特徴とする。

第１４の技術手段は、可搬記録媒体の記録内容を読み書きする読み書き装置を備え、各種の情報処理や情報通信を行う携帯型の携帯機器において、前記読み書き装置が前記第１ないし第１３の技術手段のいずれかに記載の読み書き装置によって構成されていることを特徴とする。

第１５の技術手段は、前記第１４の技術手段に記載の携帯機器において、当該携帯機器が、携帯電話機、ＰＨＳ端末、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯音楽プレーヤ、携帯ノートＰＣのいずれかを少なくとも含むことを特徴とする。

本発明の読み書き装置および携帯機器によれば、読み書き装置のアンテナコイルと制御回路とを１枚のフレキシブル基板上に一体化して実装するとともに、上位装置との接続を行う接続ケーブルも該フレキシブル基板を利用した構成を採用しているので、読み書き装置の実装上の柔軟性を確保するとともに一層の小型化を図ることができるとともに、掌に収まるような超小型の携帯機器に搭載する場合であっても、携帯機器の狭い筐体内部の形状に合わせて読み書き装置を搭載することが可能になり、多機能化を可能とする携帯機器を実現することができるという効果を奏することができる。

さらに、読み書き装置の制御回路をアンテナコイルの内側の磁界強度が最も弱くなる中心軸に一致する位置の近傍に集中して配置すること、また、制御回路のグランド（接地）用のグランドパタンとして、制御回路の配置範囲を覆うように配置されたグランド面の中心位置（アンテナコイルの中心軸に一致する位置）から放射状に複数の切れ込みを形成して、渦（うず）電流を抑止するという構造としているので、読み書き装置のアンテナコイルが発する磁界として、大きな磁界強度を得ることができ、小型の携帯機器に搭載した超小型の読み書き装置であっても、また、大きな電力を消費する可搬記録媒体の記録内容を読み書きする場合であっても、可搬記録媒体の記録内容を確実に読み書きすることができる。

以下に、本発明に係る読み書き装置（リーダライタ）および携帯機器の最良の実施形態について、その一例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明による読み書き装置は、非接触ＩＣカードやＲＦ（Radio Frequency）タグなどの可搬記録媒体の記録内容を読み書きする装置であり、一方、本発明による携帯機器は、前記読み書き装置と接続する上位装置の一つとして位置付けられ、当該読み書き装置を内蔵し、各種の情報処理や情報通信を行う携帯用の情報処理装置・情報通信装置であって、携帯電話機、ＰＨＳ（Personal Handy-Phone System）端末、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants：携帯情報端末）、携帯音楽プレーヤ、携帯ノートＰＣ（Personal Computer）など、前記読み書き装置を収容して、可搬記録媒体の記録内容を利用することを可能とするものであれば、如何なる形態のものであっても構わない。

（本発明の特徴）
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の特徴についてその概要をまず説明する。本発明に係る読み書き装置（リーダライタ）は、可塑性を有する１枚のフレキシブル基板上の外周に沿ってアンテナコイルを配置し、該アンテナコイルの内側の中心軸と一致する位置の近傍に制御回路を集中して配置する（望ましくは、さらに、制御回路の中心がアンテナコイルの中心軸と一致している）とともに、該制御回路の配置領域全体をカバーするように形成されるグランド面のグランドパタンとして、アンテナコイルの中心軸に一致する位置に相当する当該グランド面の中心位置から外周に向かって放射状に複数の切れ込みを形成することによって、アンテナコイルが発する磁界によって生じる渦（うず）電流を抑止して、アンテナコイルが発する磁界への悪影響を抑えることを主要な特徴としている。

而して、フレキシブル基板の利用による読み書き装置の実装上の柔軟性の獲得、および、アンテナコイルと制御回路との実装基板の一体化による読み書き装置の小型化を可能とし、小型軽量化が益々進展するとともに機能の多様化が進む傾向にある携帯機器に、読み書き装置を容易に搭載することができ、かつ、携帯機器の付加価値の向上（多機能化）を図ることができる。

（本発明による読み書き装置の構成例）
本発明による読み書き装置の一構成例として、読み書き装置を構成する各構成要素の実装形態について図１に示す。図１の模式図において、図１（ａ）は、読み書き装置の実装基板であるフレキシブル基板１のおもて面を示し、図１（ｂ）は、フレキシブル基板１の裏面を示している。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の読み書き装置は、可塑性を有する１枚のフレキシブル基板１上に、可搬記録媒体との電磁結合により情報の読み書きを行うアンテナコイル２と、アンテナコイル２を介して可搬記録媒体との間でデータの読み書き動作を行う制御回路３とを実装し、さらに、当該読み書き装置の制御回路３の動作を制御する上位装置の一例である携帯機器に電気的に接続する接続手段として、該上位装置に接続する上位装置接続用端子５を一端に備えた接続ケーブル４を、当該フレキシブル基板１の一部をあらかじめ定めた適当な長さまで延在させた形式で装備している。

また、フレキシブル基板１は、可塑性に富むポリイミド膜やフォトソルダレジスト膜や液晶ポリマなどの素材が２階層以上の多層に積層されて形成されており、ｎ階層（ｎ≧２）の多層基板として構成される。なお、可塑性の観点から言えば、フレキシブル基板１に実装する各構成要素間の配線に用いられる銅箔も、可塑性に富む材質であることは言うまでもない。

アンテナコイル２は、図２に示すように、多層のフレキシブル基板１の少なくとも２階層以上の複数の階層（図２の場合、第１層１１、第２層１２、…、第ｎ層１ｎ）に分割して配置されている。また、複数の階層に分割して配置された各階層のアンテナコイル同士はそれぞれのスルーホール１０によって接続される。さらに、複数の階層に分割して配置された各階層のアンテナコイル（第１層アンテナコイル２１、第２層アンテナコイル２２、…、第ｎ層アンテナコイル２ｎ）の中心は、同一の中心軸上に配置され、かつ、分割して配置された各階層のアンテナコイルは、同一の中心軸を中心にして、それぞれの階層の外周に沿うように同一方向に向かって巻かれている。また、分割して配置された各階層のアンテナコイルをスルーホール１０によって直列に接続するために、若番側の階層のアンテナコイルの巻き終わりと老番側の階層のコンテナコイルの巻き始めとが、それぞれのスルーホール１０によって順次接続されている。

ここで、図２は、本発明による読み書き装置のアンテナコイルの構造の一例を示す模式図であり、アンテナコイル２が、フレキシブル基板１のｎ階層（ｎ≧２）それぞれの階層に分割して配置されており、それぞれの階層の外周に沿って、中心軸が互いに一致するように、略同一形状で、かつ、同一方向（図２では反時計方向）に向かって、巻線されている例を示している。

図２に示すごとく、第１層１１の第１層アンテナコイル２１の巻き終わり９１が次の第２層１２の第２層アンテナコイル２２の巻き始め８２に接続され、第２層１２の第２層アンテナコイル２２の巻き終わり９２が次の階層のアンテナコイルの巻き始めに接続されていくというように、各階層のアンテナコイルの巻き終わりと巻き始めとがスルーホール１０を用いて順次接続されることによって、アンテナコイル全体の巻き数を増加させるような場合であっても、各階層に分割して配置しているので、各アンテナコイルの直径が小さくならなく、磁界強度の低下を防ぐことができる。

なお、最初の階層である第１層１１の第１層アンテナコイル２１の巻き始め８１と、最終の階層である第ｎ層１ｎの第ｎ層アンテナコイル２ｎの巻き始め８ｎにその前の階層（第（ｎ−１）層）のアンテナコイルの巻き終わりが接続された第ｎ層アンテナコイル２ｎの巻き終わり９ｎとは、フレキシブル基板１の表（おもて）面となる階層の第１層１１に実装される制御回路３のアンテナ接続端子に接続される。

さらに、第１層１１に実装される制御回路３は、図１（ａ）に示すように、フレキシブル基板１の中心つまり各階層に分割配置したアンテナコイル２の中心軸６と一致する位置の近傍に集中するように配置されており（望ましくは、さらに、制御回路３の中心位置がアンテナコイル２の中心軸と一致するように配置されており）、制御回路３に流れる電流によって生じる、アンテナコイル２が発する磁界への影響が最も小さくなるように配慮している。

なお、制御回路３を構成する回路素子等の各部品は、フレキシブル基板１の一方の面つまり表面にのみ配置されており、フレキシブル基板１の他方の面つまり裏面は、回路素子等の部品が一切実装されない滑らかな面となっており、該裏面には、当該読み書き装置を実装する他の機器（つまり上位装置）の内側の壁面に当該読み書き装置すなわちフレキシブル基板１を取り付けることができる取付手段が形成されている。具体的には、図１（ｂ）に示すように、該取付手段として例えば両面テープ７をフレキシブル基板１の裏面に貼付しておき、他の機器（つまり上位装置）に当該読み書き装置を内蔵させるときに、両面テープ７の被覆を剥がして、当該他の機器の内側の壁面に貼り付けることによって、固定して取り付けることができる。

次に、図１のような構成の読み書き装置と上位装置とを電気的に接続する接続手段である接続ケーブルの構成例について、図３を用いて説明する。図３は、本発明による読み書き装置の接続ケーブルの一構成例を示す模式図である。図３に示すように、読み書き装置の接続ケーブル４は、多階層のフレキシブル基板１のいずれか１つの階層に配線を行うことによって形成される。

図３に示す例の場合、例えばアンテナコイル２を配置していない階層の第ｉ層１ｉ（１＜ｉ＜ｎ）を、上位装置との電気的な接続を行う接続手段を形成するための階層とし、上位装置と接続する上位装置接続用端子５を一端に有する接続ケーブル４として、あらかじめ定めた適当な長さまで、可塑性を有する第ｉ層１ｉを延在させて形成するとともに、該接続ケーブル４を該第ｉ層１ｉ上の中央まで延長させて配置し、該接続ケーブル４を、フレキシブル基板１の表面の第１層１１に配置している制御回路３の接続端子とスルーホール１０によって接続する。

かくのごとく、多階層のフレキシブル基板１のいずれかの階層（図３の場合は、第ｉ層１ｉ）を用いて、上位装置との電気的な接続を行う接続ケーブル４を形成することにより、アンテナコイル２、制御回路３、接続ケーブル４の各実装箇所の一体化を実現することができる。

次に、フレキシブル基板１の表面となる階層例えば第１層１１に実装される制御回路３の電気的な配線系統などを示すプリントパタンの一例について図４を用いて説明する。図４は、本発明による読み書き装置の制御回路３のフレキシブル基板１上の配線系統などを示すプリントパタンの一例を示す模式図である。図４に示すように、制御回路３としての電気的な接続を行うために、銅箔を用いたプリントパタンとして、各回路部品の実装用のランド、各回路部品間の配線やジャンパ線、電源ライン、接続ケーブル、グランド面などが、フレキシブル基板１の各階層に配置される。

図４の例では、制御回路３が実装される第１層１１には、回路部品実装用のランドや回路部品間の配線を行うプリントパタンとして部品実装面・部品間配線面５１が形成され、上位装置との接続を行う接続ケーブル４を形成する第ｉ層１ｉには、接続ケーブル４や該接続ケーブル４への引き出し線や回路部品間のジャンパ配線を行うプリントパタンとして接続ケーブル設置面・部品間配線面５ｉが形成され、最後の第ｎ層１ｎには、制御回路３の電気的なグランド電位を与えるためのグランド面５ｎが形成されている例を示している。なお、グランド面５ｎを、本実施形態では、最終の第ｎ層に形成しているが、制御回路３に対する電気的な接地面を形成することができるならば、第ｎ層以外の階層に形成するようにしても良い。

図４の各階層に形成されるプリントパタンのうち、最後の第ｎ層１ｎに形成されるグランド面５ｎのグランドパタンは、一般に、アンテナコイル２の中心軸と一致する位置を中心にして、第１層の制御回路３が配置されている配置範囲全体を覆うような広い銅箔面とすることが望ましい。しかしながら、グランド面５ｎを、広い範囲を覆う連続した平面として形成した場合、アンテナコイル２が発生する磁界が、該グランド面５ｎと交わり、大きな渦（うず）電流が流れてしまい、その結果、アンテナコイル２が発する磁界強度を弱めてしまうという悪影響が生じる。

かくのごとき渦（うず）電流の発生を抑制するために、図５に示すように、アンテナコイル２の中心軸すなわちグランド面５ｎの中心６ｎ_ｃから外周側に向かって、放射状に複数の切れ込み７ｎを形成している。図５は、本発明による読み書き装置のグランド面５ｎを形成するグランドパタン６ｎの一例を示す模式図であり、アンテナコイル２の中心軸すなわちグランド面５ｎの中心６ｎ_ｃから外周側に向かって放射状に１６本の切れ込み７ｎを形成している例を示している。

なお、該グランド面５ｎの切れ込み７ｎは、アンテナコイル２に近いフレキシブル基板１の周辺側（外周側）に近づくほど、つまり、アンテナコイル２の磁界強度が高く、渦（うず）電流の電流密度が高くなる部分ほど、図５に示すように切れ込み７ｎの個数を多くする形状、および／または、フレキシブル基板１の周辺側（外周側）に近づくほど切れ込み７ｎの幅を広くした形状、および／または、いずれの切れ込み７ｎもグランド面５ｎの中心６ｎ_ｃまでは達していない形状とすることが望ましい。

グランド面５ｎにかくのごとき切れ込み７ｎを形成したグランドパタン６ｎとすることにより、グランド面５ｎが広い範囲に亘って連続した銅箔面とならないようにし、而して、渦（うず）電流の発生を抑止する効果を得ることができる。

次に、本発明による読み書き装置の一構成例を示す図１の制御回路３の回路構成について、その一例を図６を用いて説明する。図６は、本発明による読み書き装置の制御回路３の回路構成の一例を示す回路図であり、図６（ａ）は、制御回路３の全体の回路構成の一例を示し、図６（ｂ）は、制御回路３の変復調回路３１に接続されるアンテナ回路４０の回路構成の一例を示している。

図６（ａ）の回路図に示すように、制御回路３は、主として、可搬記録媒体との間で読み書きするデータを変復調する変復調回路３１、発振回路３３へ供給する電圧値に変換する電圧変換回路３２、あらかじめ定めた周波数で発振する発振回路３３、アンテナコイル２を接続するアンテナ回路４０、および、上位装置５０との接続用の上位装置接続用端子５によって構成される。ここで、読み書き装置にて読み書きするデータに関するデジタル信号の処理は、上位装置５０側にて行うように構成されている。

変復調回路３１は、図６の「電源」に示すように、上位装置接続用端子５を介して上位装置５０から給電され、可搬記録媒体との間で授受される読み書きデータの変復調を行う。また、変復調回路３１と上位装置５０との間の上位装置接続用端子５を介した読み書きデータに関する通信は、図６に示す「デジタル信号入力」および「デジタル信号出力」の信号線を用いて行う。また、変復調回路３１には上位装置５０との同期を取るための端子を備えており、図６の「上位装置との同期」に示すように、上位装置接続用端子５を介して上位装置５０のクロック出力端子（図示していない）と接続されている。

電圧変換回路３２は、上位装置接続用端子５を介して上位装置５０から給電されてくる電源電圧を、発振回路３３の発振器へ給電すべき動作電圧に変換する回路であり、例えば、コンバータ・ダイオードなどによって構成される。なお、電圧変換回路３２は、発振回路３３内に収容して、発振回路３３の一部として構成しても良い。

発振回路３３は、搬送周波数（本実施形態の場合は、当該読み書き装置により読み書きされる可搬記録媒体の一つとしてＩＳＯ規格において規定されている非接触ＩＣカード用の１３．５６ＭＨｚの周波数）の無変調キャリアを発生するためのものである。なお、発振回路３３は、１３．５６ＭＨｚの無変調キャリアを生成することができる手段であれば、如何なる発振器であっても良く、現在広く用いられている水晶発振器のみならず、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems：微小電気機械素子）発振器であっても、同等の効果が得られる。ここで、１３．５６ＭＨｚの周波数は、可搬記録媒体との間で送受信する信号のキャリア周波数である。

次に、アンテナコイル２として第１アンテナ素子Ｌ１、第２アンテナ素子Ｌ２からなる場合のアンテナ回路４０の構成を、図６（ｂ）に示した回路図を用いて説明する。

アンテナ回路４０に接続されるアンテナコイル２は、望ましくはインダクタンスが互いに相等しい第１アンテナ素子Ｌ１・第２アンテナ素子Ｌ２からなり、アンテナ回路４０は、図６（ｂ）に示すように、主として、望ましくは静電容量が互いに相等しい第１コンデンサＣ１・第２コンデンサＣ２、望ましくは静電容量が互いに相等しい第３コンデンサＣ３・第４コンデンサＣ４、第１アンテナ素子Ｌ１の一端と第２アンテナ素子Ｌ２の一端との間に接続する抵抗Ｒ１を備えて構成されている。

さらに、アンテナ回路４０は、アンテナコイル２側の第１アンテナ素子Ｌ１・第２アンテナ素子Ｌ２の他端を接地するためのグランド（ＧＮＤ）端子、第１アンテナ素子Ｌ１の一端を第１コンデンサＣ１を介して変復調回路３１の第１アンテナ接続端３１_１に接続するための第１接続端子４１、第２アンテナ素子Ｌ２の一端を第２コンデンサＣ２を介して変復調回路３１の第２アンテナ接続端３１_２に接続するための第２接続端子４２、第１アンテナ素子Ｌ１の一端が接続されている第１コンデンサＣ１と第３コンデンサＣ３との接続点に変復調回路３１の受信端３１_３を接続するための第３接続端子４３を含んで構成される。第３接続端子４３には、可搬記録媒体例えば非接触ＩＣカードからの読み取りデータに関する受信信号が入力されてくる。

なお、第３コンデンサＣ３・第４コンデンサＣ４の一端は、それぞれ、第１アンテナ素子Ｌ１・第２アンテナ素子Ｌ２の一端に接続され、他端は、いずれも、接地するためのグランド(ＧＮＤ)端子に接続される。

次に、ＩＳＯ規格に準拠のＥＬＷＩＳＥ（登録商標）カードなどのような消費電力が大きい（例えば３．５Ａ／ｍ程度の最低動作磁界を要する）可搬記録媒体例えば非接触ＩＣカード（つまり、最低動作磁界が高い非接触ＩＣカード）の記録内容を読み書きすることが可能であって、かつ、アンテナコイル２の開口面積を小さくし（例えば３５ｍｍ×２５ｍｍ以下とし）、読み書き装置の小型化を図ることを可能とする図６のアンテナコイル２、アンテナ回路４０の各回路パラメータ値（すなわち、第１アンテナ素子Ｌ１・第２アンテナ素子Ｌ２それぞれのインダクタンス、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４それぞれの静電容量）について、説明する。

一般に、アンテナを小型化するためには、アンテナコイル２の開口面積をできる限り小さくすることが必要である。しかし、読み書き装置のアンテナコイル２の開口面積を小さくし過ぎると、十分な磁界を確保することができなくなり、非接触ＩＣカードを近接させても、非接触ＩＣカードの記録内容を読み書きすることができなくなるという問題点が発生する。

ここで、本実施形態においては、携帯機器に十分に収容可能な大きさを前提として、アンテナコイル２を形成する第１アンテナ素子Ｌ１・第２アンテナ素子Ｌ２それぞれに想定されるインダクタンスは、前述のように、互いに相等しく、いずれも１．０μＨである。

また、本実施形態においては、前述のように、ＥＬＷＩＳＥ（登録商標）カードなどのような大きな電力を要する可搬記録媒体例えば非接触ＩＣカードに関する記録内容を読み書きすることを可能としつつ、かつ、読み書き装置の小型化を図るべく、次のような実験手順を用いて、図６（ｂ）のアンテナ回路４０の回路パラメータ値（第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４の静電容量）を算出している。

アンテナコイル２の開口面積を最も小さくすることができ、かつ、可搬記録媒体に対して最も効率の良い電力伝送を可能とするためには、図６における変復調回路３１とアンテナ回路４０との間でインピーダンスマッチングを取ることが必要である。ここで、両者のインピーダンスマッチングが取られた状態とは、「変復調回路３１の出力側からみたインピーダンス」と「アンテナ回路４０側のインピーダンス」とが複素共役になっている状態である。つまり、両者のインピーダンスマッチングが取られた状態においては、「変復調回路３１の出力側からみたインピーダンス」が判明すれば、その複素共役となる「アンテナ回路４０側のインピーダンス」を求めることができる。

したがって、該「アンテナ回路４０側のインピーダンス」に合致するように、アンテナ回路４０の第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４の静電容量を設定すれば、第１アンテナ素子Ｌ１・第２アンテナ素子Ｌ２からなり、超小型の携帯機器への搭載を十分に可能とする所定の開口面積を有するアンテナコイル２に関して、磁界強度が最も大きくなり、最も効率の良い電力伝送を行う状態になる。

アンテナ回路４０の整合回路を形成する第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４のかかる静電容量を算出するための具体的な実験手順は、以下の通りである。

（１）フレキシブル基板１にアンテナ回路４０の整合回路以外の部品（図６のアンテナ回路４０の整合回路以外の制御回路３の部品、アンテナコイル２および接続ケーブル４）を実装した後、図６のアンテナ回路４０の第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、第３コンデンサＣ３、第４コンデンサＣ４それぞれの位置に最大容量１００ｐＦ程度の手動調整が可能なトリマコンデンサを実装する。

（２）しかる後、ＩＳＯ規格に準拠した１３．５６ＭＨｚのキャリア（搬送周波数）をアンテナコイル２から実際に発し、得られる磁界強度が最大になるように、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、第３コンデンサＣ３、第４コンデンサＣ４それぞれの位置に実装されている４つのトリマコンデンサを手動調整しつつ、オシロスコープによって、磁界強度の振幅を観測する。

なお、ここで、アンテナコイル２（つまり、互いに相等しい１．０μＨのインダクタンスに設定した図６の第１アンテナ素子Ｌ１・第２アンテナ素子Ｌ２）の２つの整合回路の設定を平準化させるために、前述したように、「第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２」の静電容量ならびに「第３コンデンサＣ３および第４コンデンサＣ４」の静電容量がそれぞれでできる限り同一の値になるように、トリマコンデンサの回転角がそれぞれで極力揃うように手動調整する。

（３）各トリマコンデンサの容量値を手動調整しながら、オシロスコープで磁界強度の振幅を観測した結果として、磁界強度の振幅が最大になったタイミングで、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、第３コンデンサＣ３、第４コンデンサＣ４それぞれのトリマコンデンサの容量値の手動調整を停止する。

（４）前記（３）の状態で第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、第３コンデンサＣ３、第４コンデンサＣ４それぞれの位置に実装されていたトリマコンデンサをフレキシブル基板１から取り外し、微小容量計を用いて、トリマコンデンサそれぞれの静電容量を測定する。本実験における第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４それぞれに実装されていたトリマコンデンサの静電容量値の測定結果は、Ｃ１＝２５ｐＦ，Ｃ２＝１６ｐＦ，Ｃ３＝８０ｐＦ，Ｃ４＝６０ｐＦであった。

（５）したがって、前記（４）の測定結果から、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２の最も望ましい値として、１６〜２５ｐＦの範囲内の容量値を、あるいは、両者の平均値の２０．５ｐＦに最も近い市販コンデンサの容量値２２ｐＦを設定することが望ましく、また、第３コンデンサＣ３および第４コンデンサＣ４の最も望ましい値として、６０〜８０ｐＦの範囲内の容量値を、あるいは、両者の平均値の７０ｐＦに最も近い市販コンデンサの容量値６８ｐＦを設定することが望ましいものと判断することができる。

つまり、望ましくは静電容量が互いに相等しい第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とは、２２ｐＦの静電容量の固定コンデンサまたは２２ｐＦの静電容量が可変範囲に含まれる可変コンデンサであることが望ましく、かつ、望ましくは静電容量が互いに相等しい第３コンデンサＣ３と第４コンデンサＣ４とは、６８ｐＦの静電容量の固定コンデンサまたは６８ｐＦの静電容量が可変範囲に含まれる可変コンデンサであることが望ましいと言うことができる。

かくのごとき実験結果に基づいて、可塑性を有する１枚のフレキシブル基板上にアンテナコイル２、制御回路３、上位装置との接続ケーブル４を一体化して実装し、かつ、アンテナコイル２の内側の磁界強度が最も弱くなる中心軸に一致する位置の近傍に集中するように制御回路３を配置する構造を採用し、かつ、制御回路３の接地電位を付与するグランド面５ｎのグランドパタン６ｎとしてグランド面５ｎの中心から外周に向かって放射状に複数の切れ込み７ｎを形成した構造を採用し、かつ、回路パラメータ値として、前述のごとき第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４の静電容量値を有するアンテナ回路４０を含む制御回路３と前述のごとき第１・第２アンテナ素子Ｌ１・Ｌ２のインダクタンスを有するアンテナコイル２との構成とすることにより、アンテナコイル２の開口面積を小さくし、小型化を図ることが可能なだけでなく、最も効率が良い電力伝送が行うことを可能にし、消費電力が大きい非接触ＩＣカードの記録内容の読み書きも可能な読み書き装置（リーダライタ）を提供することができる。

（本実施形態の効果）
以上のように、読み書き装置の構成要素であるアンテナコイル２、制御回路３、接続ケーブル４を１枚のフレキシブル基板１に実装することにより一体化して、超小型化が可能でかつ可塑性を有する構造とすることにより、掌に収まる超小型の携帯機器のような極めて狭い筐体内部であっても、該筐体内部の形状に合わせて、当該読み書き装置を、内蔵することが可能となる。

また、磁界強度が最も弱くなるアンテナコイル２の内側の中心軸に一致する位置の近傍に制御回路３を集中的に配置し、かつ、アンテナコイル２の中心軸と一致するグランド面５ｎの中心から外周側に向かって放射状に切れ込み７ｎを形成したグランドパタン６ｎを備えることにより、アンテナコイル２として大きな磁界強度を得ることができ、記録内容の読み書きに大きな電力を要する可搬記録媒体であっても、確実に動作させることができ、記録内容を正確に読み書きすることができる。

さらに、かくのごとき読み書き装置（リーダライタ）を内蔵することによって、小型化が可能で、かつ、多様な機能を有する携帯機器を実現することができる。

本発明による読み書き装置の一構成例を示す模式図である。 本発明による読み書き装置のアンテナコイルの構造の一例を示す模式図である。 本発明による読み書き装置の接続ケーブルの一構成例を示す模式図である。 本発明による読み書き装置の制御回路のフレキシブル基板上の配線系統などを示すプリントパタンの一例を示す模式図である。 本発明による読み書き装置のグランド面を形成するグランドパタンの一例を示す模式図である。 本発明による読み書き装置の制御回路の回路構成の一例を示す回路図である。

符号の説明

１…フレキシブル基板、２…アンテナコイル、３…制御回路、４…接続ケーブル、５…上位装置接続用端子、６…アンテナコイルの中心軸、７…両面テープ、１０…スルーホール、１１…第１層、１２…第２層、１ｉ…第ｉ層、１ｎ…第ｎ層、２１…第１層アンテナコイル、２２…第２層アンテナコイル、２ｎ…第ｎ層アンテナコイル、３１…変復調回路、３１_１…第１アンテナ接続端、３１_２…第２アンテナ接続端、３１_３…受信端、３２…電圧変換回路、３３…発振回路、４０…アンテナ回路、４１…第１接続端子、４２…第２接続端子、４３…第３接続端子、５０…上位装置、５１…部品実装面・部品間配線面、５ｉ…接続ケーブル設置面・部品間配線面（ジャンパ）、５ｎ…グランド面、６ｎ…グランドパタン、６ｎ_ｃ…グランドパタンの中心、７ｎ…切れ込み（放射状）、８１，８２，…，８ｎ…巻き始め、９１，９２，…，９ｎ…巻き終わり。

Claims (15)

1. 可搬記録媒体の記録内容を読み書きする読み書き装置において、複数の階層からなる可塑性を有する１枚のフレキシブル基板に、前記可搬記録媒体と電磁結合するアンテナコイル、前記アンテナコイルを介して前記可搬記録媒体との間でデータの読み書き動作を行う制御回路、および、該制御回路の動作を制御する上位装置に電気的に接続する接続手段を実装し、さらに、前記制御回路の接地電位を与えるグランド面が、前記アンテナコイルの中心軸と一致する位置を中心にして、前記制御回路の配置領域を覆うように、前記フレキシブル基板のいずれかの階層上に形成され、かつ、前記グランド面の中心から外周側に向かって放射状に複数の切れ込みが形成されていることを特徴とする読み書き装置。
2. 請求項１に記載の読み書き装置において、前記制御回路として、あらかじめ定めた周波数で発振する発振回路、前記アンテナコイルを接続し、少なくともインピーダンスマッチングを行うアンテナ回路、前記可搬記録媒体との間で読み書きするデータを変復調する変復調回路、を少なくとも含んでいることを特徴とする読み書き装置。
3. 請求項１または２に記載の読み書き装置において、前記アンテナコイルが、複数の階層からなる前記フレキシブル基板の少なくとも２階層以上の複数の階層に分割して配置され、かつ、複数の階層に分割して配置された各アンテナコイル同士がスルーホールによって接続されることを特徴とする読み書き装置。
4. 請求項３に記載の読み書き装置において、複数の階層に分割して配置された各前記アンテナコイル同士を接続する場合、若番側の階層のアンテナコイルの巻き終わりと老番側の階層のアンテナコイルの巻き始めとを順次接続していくことを特徴とする読み書き装置。
5. 請求項３または４に記載の読み書き装置において、複数の階層に分割して配置された各前記アンテナコイルは、それぞれ、同一の中心軸を中心にして、各階層の外周に沿うように、同一方向に向かって巻かれていることを特徴とする読み書き装置。
6. 請求項５に記載の読み書き装置において、前記フレキシブル基板に実装される前記制御回路が、前記アンテナコイルの中心軸と一致する位置の近傍に集中して配置されることを特徴とする読み書き装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の読み書き装置において、前記グランド面が形成された階層の外周側に近いほど前記切れ込みの個数が多くなる形状、および／または、前記グランド面が形成された階層の外周側に近いほど前記切れ込みの幅が広くなる形状、および／または、いずれの前記切れ込みも前記グランド面の中心までは達していない形状とすることを特徴とする読み書き装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の読み書き装置において、前記上位装置と電気的に接続する前記接続手段が、前記フレキシブル基板のいずれかの階層上に形成され、かつ、当該階層をあらかじめ定めた長さだけ延在させて、前記上位装置との接続を行う上位装置接続用端子を一端に有する接続ケーブルを形成し、かつ、該接続ケーブルを、当該階層の中央まで延長して前記制御回路の接続端子との間をスルーホールによって接続することを特徴とする読み書き装置。
9. 請求項２ないし８のいずれかに記載の読み書き装置において、前記発振回路は、水晶発振器またはＭＥＭＳ（微小電気機械素子）発振器のいずれかの発振器を搭載し、かつ、前記上位装置から給電される電源電圧を当該発振器の動作電圧に変換する電圧変換回路を備えていることを特徴とする読み書き装置。
10. 請求項２ないし９のいずれかに記載の読み書き装置において、前記アンテナコイルは、第１アンテナ素子および第２アンテナ素子からなり、前記アンテナコイルを接続する前記アンテナ回路が、前記第１アンテナ素子の一端を、第１コンデンサを介して、前記変復調回路の第１アンテナ接続端に接続するとともに、第３コンデンサを介して、グランドに接続し、かつ、前記第２アンテナ素子の一端を、第２コンデンサを介して、前記変復調回路の第２アンテナ接続端に接続するとともに、第４コンデンサを介して、グランドに接続し、かつ、前記第１アンテナ素子の他端および前記第２アンテナ素子の他端をグランドに接続し、かつ、前記第１コンデンサと前記第３コンデンサとの接続点を、前記可搬記録媒体からの受信信号を受け取る前記変復調回路の受信端に接続して構成されていることを特徴とする読み書き装置。
11. 請求項１０に記載の読み書き装置において、前記第１アンテナ素子と前記第２アンテナ素子とのインダクタンスは相等しく、かつ、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの静電容量は相等しく、かつ、前記第３コンデンサと前記第４コンデンサとの静電容量は相等しいことを特徴とする読み書き装置。
12. 請求項１１に記載の読み書き装置において、前記可搬記録媒体との間で送受信する信号のキャリア周波数が１３．５６ＭＨｚであり、かつ、前記第１アンテナ素子と前記第２アンテナ素子とは１．０μＨのインダクタンスであり、かつ、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとは２２ｐＦの静電容量の固定コンデンサまたは２２ｐＦの静電容量が可変範囲に含まれる可変コンデンサであり、かつ、前記第３コンデンサと前記第４コンデンサとは６８ｐＦの静電容量の固定コンデンサまたは６８ｐＦの静電容量が可変範囲に含まれる可変コンデンサであることを特徴とする読み書き装置。
13. 請求項１ないし１２のいずれかに記載の読み書き装置において、前記制御回路を構成する各部品が、前記フレキシブル基板の一方の面上にのみ配置され、前記上位装置の内側の壁面に当該読み書き装置を取り付けることができる取付手段が、前記フレキシブル基板の他方の面に形成されていることを特徴とする読み書き装置。
14. 可搬記録媒体の記録内容を読み書きする読み書き装置を備え、各種の情報処理や情報通信を行う携帯型の携帯機器において、前記読み書き装置が請求項１ないし１３のいずれかに記載の読み書き装置によって構成されていることを特徴とする携帯機器。
15. 請求項１４に記載の携帯機器において、当該携帯機器が、携帯電話機、ＰＨＳ端末、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯音楽プレーヤ、携帯ノートＰＣのいずれかを少なくとも含むことを特徴とする携帯機器。

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