送受信アンテナとそれを用いた送受信装置
【課題】消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができるようにする。
【解決手段】磁性体１１と、この磁性体に設けられた励振用ループアンテナ１２と、この励振用ループアンテナと非接触状態で近接配置された送受信用ループアンテナ１３と、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサ１４と、を有し、磁性体は、基板２１に固着される台座部２２と、この台座部から中心軸が基板に略直交するように突出した柱状部２３と、を備え、励振用ループアンテナは１回巻きのループ部１２ａを有し、送受信用ループアンテナは複数回巻きのループ部１３ａを有し、これらの励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが、磁性体の柱状部に同軸的に巻き付けられた態様で設けられたものとする。
【解決手段】磁性体１１と、この磁性体に設けられた励振用ループアンテナ１２と、この励振用ループアンテナと非接触状態で近接配置された送受信用ループアンテナ１３と、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサ１４と、を有し、磁性体は、基板２１に固着される台座部２２と、この台座部から中心軸が基板に略直交するように突出した柱状部２３と、を備え、励振用ループアンテナは１回巻きのループ部１２ａを有し、送受信用ループアンテナは複数回巻きのループ部１３ａを有し、これらの励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが、磁性体の柱状部に同軸的に巻き付けられた態様で設けられたものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信アンテナとそれを用いた送受信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、個人認証システム、および電子マネーシステムなどにおいて、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体を用いて、物品の識別や個人認証などを行う技術が広く普及している。このような無線通信媒体を利用したシステムでは、無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信装置が用いられているが、種類が異なるシステムの無線通信媒体との通信を１台の送受信装置で共用することができると都合がよい。
【０００３】
ところが、システムの種類が異なると、無線通信媒体の通信方式も異なる場合があり、この場合、送受信装置との間での通信で用いられる帯域幅も異なることがあるため、送受信装置において周波数特性の広帯域化が望まれる。そこで、このような要望にこたえるべく、送受信アンテナの送受信経路に介在させた複数の抵抗体（抵抗値）を順次切り換えることで周波数特性の広帯域化を図るようにした技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９９８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の技術では、送受信アンテナの送受信経路に常時抵抗体が介在する結果として、抵抗体による電力損失が生じて、消費電力を大きくしてしまうという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができるように構成された送受信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の送受信アンテナは、磁性体と、この磁性体に設けられた励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナと非接触状態で近接配置された送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を有し、前記磁性体は、基板に固着される台座部と、この台座部から中心軸が前記基板に略直交するように突出した柱状部と、を備え、前記励振用ループアンテナは１回巻きのループ部を有し、前記送受信用ループアンテナは複数回巻きのループ部を有し、これらの励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが、前記磁性体の柱状部に同軸的に巻き付けられた態様で設けられた構成とする。
【０００８】
また、本発明の送受信装置は、前記のように構成された送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、前記励振用ループアンテナが前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナが前記受信処理部と接続された構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができ、通信方式が異なる別のシステムの無線通信媒体との通信を１台の送受信装置で対応することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態にかかる送受信装置が適用された送受信システムを示す全体構成図
【図２】送受信アンテナ４を示す斜視図
【図３】送受信アンテナ４の分解斜視図
【図４】基板２１の要部斜視図
【図５】送信時に励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３に生じる電流の状態を示す斜視図
【図６】送受信アンテナ４をトランス回路を用いて表現した等価回路を示す図
【図７】送受信アンテナ４をコイルを用いて表現した等価回路を示す図
【図８】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１の周波数特性との関係を示す図
【図９】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２の周波数特性との関係を示す図
【図１０】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに応じた送信出力および受信感度の周波数特性を示す図
【図１１】結合係数Ｋ＝０．７の場合の周波数特性と、抵抗Ｒを用いて周波数特性の広帯域化を図った従来例による周波数特性とを示す図
【図１２】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに関する通信総合評価を示す図
【図１３】送受信装置２の要部模式図
【図１４】送受信アンテナ４を携帯電話装置５１に適用した例を示す斜視図
【図１５】携帯電話装置５１の分解斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
前記課題を解決するためになされた第１の発明は、磁性体と、この磁性体に設けられた励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナと非接触状態で近接配置された送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を有し、前記磁性体は、基板に固着される台座部と、この台座部から中心軸が前記基板に略直交するように突出した柱状部と、を備え、前記励振用ループアンテナは１回巻きのループ部を有し、前記送受信用ループアンテナは複数回巻きのループ部を有し、これらの励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが、前記磁性体の柱状部に同軸的に巻き付けられた態様で設けられた構成とする。
【００１２】
これによると、送信信号が励振用ループアンテナに入力されると、その送信信号が磁気誘導により励振用ループアンテナから送受信用ループアンテナに伝達され、このとき送信信号が増幅されて送受信用ループアンテナから出力される。
【００１３】
この構成により、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとを近接配置して、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの結合係数を比較的大きく設定することで、周波数特性の広帯域化を図ることができる。また、周波数特性の広帯域化のために送受信アンテナの送受信経路に抵抗体を介在させる必要がないため、消費電力が増大することを避けることができる。
【００１４】
特に、励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナにそれぞれ流れる電流が互いに逆向きとなるため、励振用ループアンテナに流れる電流で生じる磁束が、送受信用ループアンテナに流れる電流で生じる磁束を弱めるように作用するが、送受信用ループアンテナを複数回のループを有する構成とする一方で、励振用ループアンテナを１回巻きのループを有する構成とすることで、送受信用ループアンテナの磁束が弱められることを抑制することができ、これにより、励振用ループアンテナの送信パワーを高めなくても、送受信用ループアンテナから十分な強度の送信信号が出力されるため、消費電力を低く抑えることができる。
【００１５】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記励振用ループアンテナは、前記台座部に近接した前記柱状部の基部側に配置され、前記送受信用ループアンテナは、前記台座部から離反した前記柱状部の先端側に配置された構成とする。
【００１６】
これによると、送受信用ループアンテナによる信号の送信および無線通信媒体からの信号の受信を能率よく行うことができる。
【００１７】
また、第３の発明は、前記第１若しくは第２の発明において、前記磁性体の台座部は、前記励振用ループアンテナおよび前記送受信用ループアンテナより大径に形成された構成とする。
【００１８】
これによると、基板側、特に基板を挟んで送受信アンテナと相反する側に配置された部品による磁気的な影響を抑えることができる。
【００１９】
また、第４の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記励振用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ１と、前記送受信用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定された構成とする。
【００２０】
これによると、励振用ループアンテナの磁束により送受信用ループアンテナの磁束が弱められることを十分に抑制して、送受信用ループアンテナから出力される送信信号の強度を高めることができるため、消費電力を低く抑えることができる。
【００２１】
また、第５の発明は、前記第１乃至第４の発明において、前記励振用ループアンテナと前記送受信用ループアンテナとの間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが０．５から０．７の範囲に収まるように設定された構成とする。
【００２２】
これによると、送信性能と受信性能とを両立させた高い総合通信性能を実現することができる。
【００２３】
また、第６の発明は、前記第１乃至第５の発明にかかる送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、前記励振用ループアンテナが前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナが前記受信処理部と接続された構成とする。
【００２４】
これによると、前記と同様の理由により、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態にかかる送受信装置が適用された送受信システムを示す全体構成図である。この送受信システムは、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、および個人認証システム等に活用されるものであり、無線通信媒体１と、この無線通信媒体１に電力を供給するとともに、その無線通信媒体１との間で信号を送受信する送受信装置２とを有している。
【００２７】
無線通信媒体１は、商品や書籍に貼付されたＩＣタグや、個人認証等に用いられる非接触ＩＣカード等の周知のものであり、その詳しい説明は省略するが、送受信用ループアンテナ３と、それに接続された制御ＩＣ（図示せず）により構成されており、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数帯を利用して送受信装置２との間で通信を行う。
【００２８】
送受信装置２は、送受信アンテナ４と、この送受信アンテナ４に接続されたリーダライタ装置５と、このリーダライタ装置５に接続された制御装置６とにより構成され、制御装置６はネットワーク回線７に接続されている。リーダライタ装置５は、送受信アンテナ４に送信信号を出力する送信処理部８と、送受信アンテナ４からの受信信号が入力される受信処理部９と、送信処理部８および受信処理部９を制御する制御部１０とにより構成され、制御部１０は制御装置６に接続されている。
【００２９】
送受信アンテナ４は、磁性体１１と、この磁性体１１に互いに非接触状態で近接配置された励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３と、この送受信用ループアンテナ１３の両端に接続された共振用コンデンサ１４と、を備えた構成となっている。
【００３０】
励振用ループアンテナ１２には、フィルタ回路１７を介してリーダライタ装置５の送信処理部８が接続され、また送受信用ループアンテナ１３には、フィルタ回路１８を介してリーダライタ装置５の受信処理部９が接続されている。
【００３１】
また、この送受信装置２においては、送受信用ループアンテナ１３で受信した信号を受信処理部９に導く受信信号路上にカップリングコンデンサ１９が設けられている。特にここでは、フィルタ回路１８と受信処理部９との間にカップリングコンデンサ１９が設けられている。
【００３２】
この送受信装置２においては、送信処理部８からの送信信号が、フィルタ回路１７を介して励振用ループアンテナ１２に入力され、これに応じて励振用ループアンテナ１２に生じる電流による磁気誘導で、送信信号が励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に伝達されて、この送受信用ループアンテナ１３から送信信号が無線通信媒体１に送信される。無線通信媒体１では、送受信用ループアンテナ１３からの送信信号を送受信用ループアンテナ３で受信し、これにより受信と電力供給が行われる。
【００３３】
一方、無線通信媒体１からの送信信号は、送受信用ループアンテナ１３で受信され、その受信信号が、フィルタ回路１８とカップリングコンデンサ１９を介して受信処理部９に入力される。
【００３４】
図２は、送受信アンテナ４を示す斜視図である。送受信アンテナ４を構成する磁性体１１は、基板２１に固着される台座部２２と、この台座部２２から中心軸が基板２１に略直交するように突出した柱状部２３と、を備えている。台座部２２は円板状に形成されている。柱状部２３は円柱状に形成されている。
【００３５】
励振用ループアンテナ１２は１回巻きの円形状のループ部１２ａを有し、送受信用ループアンテナ１３は複数回（ここでは４回）巻きの円形状のループ部１３ａを有し、これらの励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３が、磁性体１１の柱状部２３の外面に同軸的に巻き付けられた態様で設けられている。
【００３６】
励振用ループアンテナ１２は、台座部２２に近接した柱状部２３の基部側に配置され、送受信用ループアンテナ１３は、台座部２２から離反した柱状部２３の先端側に配置されている。これにより、送受信用ループアンテナ１３による信号の送信および無線通信媒体１からの信号の受信を能率よく行うことができる。
【００３７】
磁性体１１の台座部２２は、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３より大径に形成されている。これにより、基板２１側、特に基板２１を挟んで送受信アンテナ４と相反する側に配置された部品による磁気的な影響を抑えることができる。
【００３８】
図３は、送受信アンテナ４の分解斜視図である。磁性体１１の柱状部２３には、励振用ループアンテナ１２のループ部１２ａおよび送受信用ループアンテナ１３のループ部１３ａがそれぞれ巻き付けられる位置に沿って溝３１，３２が形成されている。これにより、励振用ループアンテナ１２のループ部１２ａおよび送受信用ループアンテナ１３のループ部１３ａを確実に位置決めすることができる。
【００３９】
励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３は、磁性体１１の台座部２２の裏面側を通って各々の末端（接続端子）１２ｂ，１３ｂが台座部２２の外周側に引き出されるように配設されいる。具体的には、磁性体１１の台座部２２に、励振用ループアンテナ１２の引出部１２ｃおよび送受信用ループアンテナ１３の引出部１３ｃがそれぞれ挿通される４つの孔３５が並んで形成されており、台座部２２の裏面側には、励振用ループアンテナ１２の引出部１２ｃおよび送受信用ループアンテナ１３の引出部１３ｃがそれぞれ嵌り込む４つの溝３６が互いに平行に形成されている。これにより、励振用ループアンテナ１２の引出部１２ｃおよび送受信用ループアンテナ１３の引出部１３ｃを確実に位置決めすることができる。
【００４０】
磁性体１１は、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３が巻き付けられた上で、接着剤や両面テープなどを用いて基板２１に固着される（図２参照）。
【００４１】
図４は、基板２１の要部斜視図である。基板２１には、励振用ループアンテナ１２の末端１２ｂおよび送受信用ループアンテナ１３の末端１３ｂがそれぞれ接続される４つの銅箔パターン４１〜４４が形成されている。励振用ループアンテナ１２の末端１２ｂが接続される２つの銅箔パターン４１，４２は、磁性体１１の台座部２２から離反する向きに延出されており、ここに基板２１上に実装されたフィルタ回路１７（図１参照）が接続される。
【００４２】
送受信用ループアンテナ１３の末端１３ｂが接続される２つの銅箔パターン４３，４４には共振用コンデンサ１４が接続されており、この２つの銅箔パターン４３，４４の一方４３は、銅箔パターン４１との干渉を避けるために一旦磁性体１１の台座部２２に近接する向きに延出された後、Ｕ字形状に湾曲して磁性体１１の台座部２２から離反する向きに延出されており、ここに基板２１上に実装されたフィルタ回路１８（図１参照）が接続される。
【００４３】
図５は、送信時に励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３に生じる電流の状態を示す斜視図である。送信時に、送信信号が励振用ループアンテナ１２の末端（接続端子）１２ｂに入力されると、励振用ループアンテナ１２に実線矢印で示すように電流Ｉ１が生じ、これに応じて送受信用ループアンテナ１３には磁気誘導により破線矢印で示すように励振用ループアンテナ１２の電流Ｉ１と逆向きの電流Ｉ２が生じ、これにより送信信号が増幅されて送受信用ループアンテナ１３から出力される。
【００４４】
次に、送受信アンテナ４の特性について等価回路を用いて説明する。図６は、送受信アンテナ４をトランス回路を用いて表現した等価回路を示す図である。図７は、送受信アンテナ４をコイルを用いて表現した等価回路を示す図である。
【００４５】
励振用ループアンテナ１２が有するインダクタンス値Ｌ１と、送受信用ループアンテナ１３が有するインダクタンス値Ｌ２との間には、電磁結合による相互誘導Ｍが存在する。相互誘導Ｍとインダクタンス値Ｌ１およびインダクタンス値Ｌ２との間には次式が成り立つ。
Ｍ＝Ｋ×√（Ｌ１×Ｌ２） （式１）
ここで、結合係数Ｋは、０≦Ｋ≦１の範囲の値となる。式１より明らかなように、結合係数Ｋが大きい程、相互誘導Ｍの値は大きくなる。
【００４６】
ここで、励振用ループアンテナ１２に一次側電流Ｉ１が流れると、この一次側電流Ｉ１により生じる磁束により、相互誘導Ｍを介して、送受信用ループアンテナ１３の開放端に誘起電圧Ｖ２が生じる。送受信用ループアンテナ１３の開放端には共振用コンデンサ１４（Ｃ１）が接続されているため、インダクタンスＬ２とコンデンサＣ１からなる閉回路に二次側電流Ｉ２が流れる。
【００４７】
図８は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１の周波数特性との関係を示す図である。図９は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２の周波数特性との関係を示す図である。
【００４８】
図８から明らかなように、一次側電流Ｉ１は共振周波数ｆｏ（ここでは、１３．５６ＭＨｚ）でピーク値（最小値）をとり、結合係数Ｋの値が０．１から１．０に向けて大きくなるのに応じて、一次側電流Ｉ１のピーク値が小さくなり、これに伴って一次側電流Ｉ１の値が全帯域で小さくなっており、特に共振周波数ｆｏから離れた周波数でも一次側電流Ｉ１の値が小さくなっており、周波数帯域が広がっていることが分かる。
【００４９】
また、図９から明らかなように、二次側電流Ｉ２は共振周波数ｆｏでピーク値（最大値）をとり、この二次側電流Ｉ２のピーク値と、その近傍の周波数での二次側電流Ｉ２の値は、結合係数Ｋの値が０．１から０．４の範囲で、結合係数Ｋの値が大きくなるのに応じて大きくなるが、結合係数Ｋの値が０．４を超えると逆に小さくなる。一方、共振周波数ｆｏから離れた周波数帯での二次側電流Ｉ２の値は、結合係数Ｋの値が０．１から１．０に向けて大きくなるのに応じて一様に大きくなっており、周波数帯域が広がっていることが分かる。
【００５０】
次に、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３から発生する磁束（磁界強度）について説明する。一般的にコイル導体を流れる電流Ｉにより発生する磁界強度Ｈとコイル導体のインダクタンスＬとは次式の関係を有している。
Ｈ∝Ｌ×Ｉ （式２）
すなわち、磁界強度Ｈはインダクタンス値Ｌとコイル導体を流れる電流Ｉの積に比例する。
【００５１】
したがって、共振周波数ｆｏおいて、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１により発生する磁界強度Ｈ１は、励振用ループアンテナ１２のインダクタンス値Ｌ１と一次側電流Ｉ１の積に比例する。同様に、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２により発生する磁界強度Ｈ２は、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２と二次側電流Ｉ２の積に比例する。
【００５２】
ここで、図５に示したように、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１と、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２とは、電流の向きが逆方向となるため、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３にそれぞれ発生する磁束の向きも逆方向となり、相殺現象が生じる。この相殺現象を考慮した送受信アンテナ４としての磁界強度Ｈは、送受信用ループアンテナ１３の磁界強度Ｈ２から、励振用ループアンテナ１２の磁界強度Ｈ１を減じた値となる。換言すると、励振用ループアンテナ１２に電流が流れる結果として発生する磁束が、送受信用ループアンテナ１３に電流が流れる結果として発生する磁束を弱める状態となる。
【００５３】
そこで、本第１実施形態においては、送受信用ループアンテナ１３を複数回のループ部１３ａを有する構成とする一方で、励振用ループアンテナ１２を１回巻きのループ部１２ａを有する構成とすることで、送受信用ループアンテナ１３の磁束が弱められることを抑制するようにしている。これにより、励振用ループアンテナ１２からの送信パワーを高めなくても、送受信用ループアンテナ１３からは十分な磁束が発生するため、消費電力を低く抑えることができる。
【００５４】
本第１実施形態では、送受信用ループアンテナ１３の巻き数を４としたが、この送受信用ループアンテナ１３の巻き数はこれに限定されるものではなく、適宜に設定すればよいが、特に励振用ループアンテナ１２のインダクタンス値Ｌ１と、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定するとよい。
【００５５】
図１０は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに応じた送信出力および受信感度の周波数特性を示す図である。ここで、送信出力および受信感度は、図９に示した二次側電流Ｉ２の特性に、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２を乗じた値と略同一となる。図１１は、結合係数Ｋ＝０．７の場合の周波数特性と、抵抗Ｒを用いて周波数特性の広帯域化を図った従来例による周波数特性とを示す図である。
【００５６】
図１１に示すように、本実施形態（Ａ線）と従来例（Ｂ線）とを比較すると、本実施形態では送信電力及び受信感度が従来例よりも高く、しかも周波数特性が広帯域であることが分かる。このように本実施形態では、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋを適切に設定することで、周波数特性の広帯域化を図ることができ、従来例のように送受信アンテナの送受信経路に抵抗体を介在させてはいないので、消費電力を低く抑えることができる。
【００５７】
次に、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋの最適値について説明する。図１２は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに関する通信総合評価を示す図である。ここでは、結合係数Ｋをパラメータとして、無線通信媒体１に信号を送信する際の送信性能をＡ線で、無線通信媒体１からの応答信号を受信する際の受信性能をＢ線で、送信性能および受信性能の双方を勘案した総合通信性能をＣ線でそれぞれ示している。
【００５８】
送信性能（Ａ線）は、結合係数Ｋ＝０．３〜０．７の範囲で良好な結果を示しており、受信性能（Ｂ線）は、結合係数Ｋ＝０．５〜０．９の範囲で良好な結果を示している。よって、送信性能および受信性能の双方を勘案した総合通信性能（Ｃ線）は、結合係数Ｋ＝０．５〜０．７の範囲で最適となる。本第１実施形態の構成では、前記のように、結合係数Ｋが概ね０．７となることから、良好な通信性能を実現することができる。
【００５９】
以上のように本第１実施形態によれば、上記の構成により、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋが比較的大きく設定されるため、周波数特性の広帯域化を実現することができる。また、送受信アンテナ４における磁性体１１の柱状部２３を、高さを低くした扁平な形状とすることで、基板２１からの突出寸法を小さくすることができる。このため、例えばノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末、携帯電話等に搭載することも可能になる。
【００６０】
次に、図１３を参照して、受信信号路上に設けたカップリングコンデンサ１９について説明する。図１３は、送受信装置２の要部模式図である。
【００６１】
送受信アンテナ４では、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３とを近接させて、磁気誘導により励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に送信信号を伝達して増幅するようにしている。このため、励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に伝達される送信信号が受信処理部９に回り込む。一方、送受信用ループアンテナ１３では無線通信媒体１から送信される信号を受信し、その受信信号が受信処理部９に入力される。よって、送受信用ループアンテナ１３自体は無給電であるが、送信信号と受信信号との間で大きな信号強度のレベル差が生じる。
【００６２】
特に、前記のように、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋを０．５から０．７の範囲とすると、受信処理部９に回り込む送信信号の信号強度が受信信号より高くなることがあり、この場合、送信信号が受信処理部９での受信信号の処理の支障となる。
【００６３】
そこで、本第１実施形態では、送受信用ループアンテナ１３と受信処理部９とをカップリングコンデンサ１９を介して接続するようにしている。これにより、受信処理部９に回り込む送信信号の強度が低くなるため、送信信号と受信信号との干渉を抑制し、受信処理部９での受信信号の処理を正常に行うことができる。カップリングコンデンサ１９には、送信信号および受信信号の周波数などの特性に基づいて、送信信号に対して高周波的に高いインピーダンスとなるような所要の容量（例えば３ｐＦ）のものが用いられる。
【００６４】
以上のように構成された送受信アンテナ４は、例えば携帯電話装置に適用することができる。図１４は、送受信アンテナ４を携帯電話装置５１に適用した例を示す斜視図である。なお、図１４では、携帯電話装置５１の筐体５２を透視して内部に収容された部品を示している。図１５は、携帯電話装置５１の分解斜視図である。
【００６５】
図１４および図１５に示すように、携帯電話装置５１の筐体５２内には、送受信アンテナ４が取り付けられた基板２１と、電池パック５３と、磁性体シート５４と、無給電ループアンテナ５５と、が収容されており、筐体５２の開口部が蓋体５６で覆われる。
【００６６】
図１５に示すように、送受信アンテナ４は、磁性体１１の柱状部２３がその中心軸が筐体５２の厚さ方向となるように配置される。無給電ループアンテナ５５は、筐体５２に全体に渡って均等な感度が得られるようにするものであり、送受信アンテナ４を中心にして周回する小ループ５５ａと、筐体５２の側縁部に沿って周回する大ループ５５ｂとを備えている。磁性体シート５４は、電池パック５３の金属面による磁気的な影響が無給電ループアンテナ５５に及ぶことを抑えるものであり、電池パック５３と無給電ループアンテナ５５との間に配置されている。
【００６７】
なお、前記の例では、図２に示したように、柱状部２３が円柱状、すなわち断面が円形をなし、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３が円形状のループ部を有するものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば柱状部が角柱状、すなわち断面が方形状をなし、励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが方形状のループ部を有するものも可能である。
【００６８】
また、前記の例では、柱状部２３は円形の一定断面となり、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３とが同一径となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、励振用ループアンテナが配設される部分と、送受信用ループアンテナが配設される部分とが異なる径となるようにしてもよい。
【００６９】
すなわち、柱状部において、励振用ループアンテナが配設される部分が、送受信用ループアンテナが配設される部分より小断面で、励振用ループアンテナが送受信用ループアンテナより小径となるようにしてもよい。また、これとは逆に、励振用ループアンテナが配設される部分が、送受信用ループアンテナが配設される部分より大断面で、励振用ループアンテナが送受信用ループアンテナより大径となるようにしてもよい。この他に、柱状部は、先端側に向けて次第に拡径する形態など、種々の形態が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明にかかる送受信アンテナとそれを用いた送受信装置は、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができる効果を有し、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信アンテナとそれを用いた送受信装置などとして有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 無線通信媒体
２ 送受信装置
４ 送受信アンテナ
８ 送信処理部
９ 受信処理部
１０ 制御部
１２ 励振用ループアンテナ、１２ａ ループ部
１３ 送受信用ループアンテナ、１３ａ ループ部
１４ 共振用コンデンサ
２２ 台座部
２３ 柱状部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信アンテナとそれを用いた送受信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、個人認証システム、および電子マネーシステムなどにおいて、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体を用いて、物品の識別や個人認証などを行う技術が広く普及している。このような無線通信媒体を利用したシステムでは、無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信装置が用いられているが、種類が異なるシステムの無線通信媒体との通信を１台の送受信装置で共用することができると都合がよい。
【０００３】
ところが、システムの種類が異なると、無線通信媒体の通信方式も異なる場合があり、この場合、送受信装置との間での通信で用いられる帯域幅も異なることがあるため、送受信装置において周波数特性の広帯域化が望まれる。そこで、このような要望にこたえるべく、送受信アンテナの送受信経路に介在させた複数の抵抗体（抵抗値）を順次切り換えることで周波数特性の広帯域化を図るようにした技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９９８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の技術では、送受信アンテナの送受信経路に常時抵抗体が介在する結果として、抵抗体による電力損失が生じて、消費電力を大きくしてしまうという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができるように構成された送受信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の送受信アンテナは、磁性体と、この磁性体に設けられた励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナと非接触状態で近接配置された送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を有し、前記磁性体は、基板に固着される台座部と、この台座部から中心軸が前記基板に略直交するように突出した柱状部と、を備え、前記励振用ループアンテナは１回巻きのループ部を有し、前記送受信用ループアンテナは複数回巻きのループ部を有し、これらの励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが、前記磁性体の柱状部に同軸的に巻き付けられた態様で設けられた構成とする。
【０００８】
また、本発明の送受信装置は、前記のように構成された送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、前記励振用ループアンテナが前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナが前記受信処理部と接続された構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができ、通信方式が異なる別のシステムの無線通信媒体との通信を１台の送受信装置で対応することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態にかかる送受信装置が適用された送受信システムを示す全体構成図
【図２】送受信アンテナ４を示す斜視図
【図３】送受信アンテナ４の分解斜視図
【図４】基板２１の要部斜視図
【図５】送信時に励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３に生じる電流の状態を示す斜視図
【図６】送受信アンテナ４をトランス回路を用いて表現した等価回路を示す図
【図７】送受信アンテナ４をコイルを用いて表現した等価回路を示す図
【図８】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１の周波数特性との関係を示す図
【図９】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２の周波数特性との関係を示す図
【図１０】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに応じた送信出力および受信感度の周波数特性を示す図
【図１１】結合係数Ｋ＝０．７の場合の周波数特性と、抵抗Ｒを用いて周波数特性の広帯域化を図った従来例による周波数特性とを示す図
【図１２】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに関する通信総合評価を示す図
【図１３】送受信装置２の要部模式図
【図１４】送受信アンテナ４を携帯電話装置５１に適用した例を示す斜視図
【図１５】携帯電話装置５１の分解斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
前記課題を解決するためになされた第１の発明は、磁性体と、この磁性体に設けられた励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナと非接触状態で近接配置された送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を有し、前記磁性体は、基板に固着される台座部と、この台座部から中心軸が前記基板に略直交するように突出した柱状部と、を備え、前記励振用ループアンテナは１回巻きのループ部を有し、前記送受信用ループアンテナは複数回巻きのループ部を有し、これらの励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが、前記磁性体の柱状部に同軸的に巻き付けられた態様で設けられた構成とする。
【００１２】
これによると、送信信号が励振用ループアンテナに入力されると、その送信信号が磁気誘導により励振用ループアンテナから送受信用ループアンテナに伝達され、このとき送信信号が増幅されて送受信用ループアンテナから出力される。
【００１３】
この構成により、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとを近接配置して、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの結合係数を比較的大きく設定することで、周波数特性の広帯域化を図ることができる。また、周波数特性の広帯域化のために送受信アンテナの送受信経路に抵抗体を介在させる必要がないため、消費電力が増大することを避けることができる。
【００１４】
特に、励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナにそれぞれ流れる電流が互いに逆向きとなるため、励振用ループアンテナに流れる電流で生じる磁束が、送受信用ループアンテナに流れる電流で生じる磁束を弱めるように作用するが、送受信用ループアンテナを複数回のループを有する構成とする一方で、励振用ループアンテナを１回巻きのループを有する構成とすることで、送受信用ループアンテナの磁束が弱められることを抑制することができ、これにより、励振用ループアンテナの送信パワーを高めなくても、送受信用ループアンテナから十分な強度の送信信号が出力されるため、消費電力を低く抑えることができる。
【００１５】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記励振用ループアンテナは、前記台座部に近接した前記柱状部の基部側に配置され、前記送受信用ループアンテナは、前記台座部から離反した前記柱状部の先端側に配置された構成とする。
【００１６】
これによると、送受信用ループアンテナによる信号の送信および無線通信媒体からの信号の受信を能率よく行うことができる。
【００１７】
また、第３の発明は、前記第１若しくは第２の発明において、前記磁性体の台座部は、前記励振用ループアンテナおよび前記送受信用ループアンテナより大径に形成された構成とする。
【００１８】
これによると、基板側、特に基板を挟んで送受信アンテナと相反する側に配置された部品による磁気的な影響を抑えることができる。
【００１９】
また、第４の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記励振用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ１と、前記送受信用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定された構成とする。
【００２０】
これによると、励振用ループアンテナの磁束により送受信用ループアンテナの磁束が弱められることを十分に抑制して、送受信用ループアンテナから出力される送信信号の強度を高めることができるため、消費電力を低く抑えることができる。
【００２１】
また、第５の発明は、前記第１乃至第４の発明において、前記励振用ループアンテナと前記送受信用ループアンテナとの間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが０．５から０．７の範囲に収まるように設定された構成とする。
【００２２】
これによると、送信性能と受信性能とを両立させた高い総合通信性能を実現することができる。
【００２３】
また、第６の発明は、前記第１乃至第５の発明にかかる送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、前記励振用ループアンテナが前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナが前記受信処理部と接続された構成とする。
【００２４】
これによると、前記と同様の理由により、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態にかかる送受信装置が適用された送受信システムを示す全体構成図である。この送受信システムは、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、および個人認証システム等に活用されるものであり、無線通信媒体１と、この無線通信媒体１に電力を供給するとともに、その無線通信媒体１との間で信号を送受信する送受信装置２とを有している。
【００２７】
無線通信媒体１は、商品や書籍に貼付されたＩＣタグや、個人認証等に用いられる非接触ＩＣカード等の周知のものであり、その詳しい説明は省略するが、送受信用ループアンテナ３と、それに接続された制御ＩＣ（図示せず）により構成されており、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数帯を利用して送受信装置２との間で通信を行う。
【００２８】
送受信装置２は、送受信アンテナ４と、この送受信アンテナ４に接続されたリーダライタ装置５と、このリーダライタ装置５に接続された制御装置６とにより構成され、制御装置６はネットワーク回線７に接続されている。リーダライタ装置５は、送受信アンテナ４に送信信号を出力する送信処理部８と、送受信アンテナ４からの受信信号が入力される受信処理部９と、送信処理部８および受信処理部９を制御する制御部１０とにより構成され、制御部１０は制御装置６に接続されている。
【００２９】
送受信アンテナ４は、磁性体１１と、この磁性体１１に互いに非接触状態で近接配置された励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３と、この送受信用ループアンテナ１３の両端に接続された共振用コンデンサ１４と、を備えた構成となっている。
【００３０】
励振用ループアンテナ１２には、フィルタ回路１７を介してリーダライタ装置５の送信処理部８が接続され、また送受信用ループアンテナ１３には、フィルタ回路１８を介してリーダライタ装置５の受信処理部９が接続されている。
【００３１】
また、この送受信装置２においては、送受信用ループアンテナ１３で受信した信号を受信処理部９に導く受信信号路上にカップリングコンデンサ１９が設けられている。特にここでは、フィルタ回路１８と受信処理部９との間にカップリングコンデンサ１９が設けられている。
【００３２】
この送受信装置２においては、送信処理部８からの送信信号が、フィルタ回路１７を介して励振用ループアンテナ１２に入力され、これに応じて励振用ループアンテナ１２に生じる電流による磁気誘導で、送信信号が励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に伝達されて、この送受信用ループアンテナ１３から送信信号が無線通信媒体１に送信される。無線通信媒体１では、送受信用ループアンテナ１３からの送信信号を送受信用ループアンテナ３で受信し、これにより受信と電力供給が行われる。
【００３３】
一方、無線通信媒体１からの送信信号は、送受信用ループアンテナ１３で受信され、その受信信号が、フィルタ回路１８とカップリングコンデンサ１９を介して受信処理部９に入力される。
【００３４】
図２は、送受信アンテナ４を示す斜視図である。送受信アンテナ４を構成する磁性体１１は、基板２１に固着される台座部２２と、この台座部２２から中心軸が基板２１に略直交するように突出した柱状部２３と、を備えている。台座部２２は円板状に形成されている。柱状部２３は円柱状に形成されている。
【００３５】
励振用ループアンテナ１２は１回巻きの円形状のループ部１２ａを有し、送受信用ループアンテナ１３は複数回（ここでは４回）巻きの円形状のループ部１３ａを有し、これらの励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３が、磁性体１１の柱状部２３の外面に同軸的に巻き付けられた態様で設けられている。
【００３６】
励振用ループアンテナ１２は、台座部２２に近接した柱状部２３の基部側に配置され、送受信用ループアンテナ１３は、台座部２２から離反した柱状部２３の先端側に配置されている。これにより、送受信用ループアンテナ１３による信号の送信および無線通信媒体１からの信号の受信を能率よく行うことができる。
【００３７】
磁性体１１の台座部２２は、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３より大径に形成されている。これにより、基板２１側、特に基板２１を挟んで送受信アンテナ４と相反する側に配置された部品による磁気的な影響を抑えることができる。
【００３８】
図３は、送受信アンテナ４の分解斜視図である。磁性体１１の柱状部２３には、励振用ループアンテナ１２のループ部１２ａおよび送受信用ループアンテナ１３のループ部１３ａがそれぞれ巻き付けられる位置に沿って溝３１，３２が形成されている。これにより、励振用ループアンテナ１２のループ部１２ａおよび送受信用ループアンテナ１３のループ部１３ａを確実に位置決めすることができる。
【００３９】
励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３は、磁性体１１の台座部２２の裏面側を通って各々の末端（接続端子）１２ｂ，１３ｂが台座部２２の外周側に引き出されるように配設されいる。具体的には、磁性体１１の台座部２２に、励振用ループアンテナ１２の引出部１２ｃおよび送受信用ループアンテナ１３の引出部１３ｃがそれぞれ挿通される４つの孔３５が並んで形成されており、台座部２２の裏面側には、励振用ループアンテナ１２の引出部１２ｃおよび送受信用ループアンテナ１３の引出部１３ｃがそれぞれ嵌り込む４つの溝３６が互いに平行に形成されている。これにより、励振用ループアンテナ１２の引出部１２ｃおよび送受信用ループアンテナ１３の引出部１３ｃを確実に位置決めすることができる。
【００４０】
磁性体１１は、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３が巻き付けられた上で、接着剤や両面テープなどを用いて基板２１に固着される（図２参照）。
【００４１】
図４は、基板２１の要部斜視図である。基板２１には、励振用ループアンテナ１２の末端１２ｂおよび送受信用ループアンテナ１３の末端１３ｂがそれぞれ接続される４つの銅箔パターン４１〜４４が形成されている。励振用ループアンテナ１２の末端１２ｂが接続される２つの銅箔パターン４１，４２は、磁性体１１の台座部２２から離反する向きに延出されており、ここに基板２１上に実装されたフィルタ回路１７（図１参照）が接続される。
【００４２】
送受信用ループアンテナ１３の末端１３ｂが接続される２つの銅箔パターン４３，４４には共振用コンデンサ１４が接続されており、この２つの銅箔パターン４３，４４の一方４３は、銅箔パターン４１との干渉を避けるために一旦磁性体１１の台座部２２に近接する向きに延出された後、Ｕ字形状に湾曲して磁性体１１の台座部２２から離反する向きに延出されており、ここに基板２１上に実装されたフィルタ回路１８（図１参照）が接続される。
【００４３】
図５は、送信時に励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３に生じる電流の状態を示す斜視図である。送信時に、送信信号が励振用ループアンテナ１２の末端（接続端子）１２ｂに入力されると、励振用ループアンテナ１２に実線矢印で示すように電流Ｉ１が生じ、これに応じて送受信用ループアンテナ１３には磁気誘導により破線矢印で示すように励振用ループアンテナ１２の電流Ｉ１と逆向きの電流Ｉ２が生じ、これにより送信信号が増幅されて送受信用ループアンテナ１３から出力される。
【００４４】
次に、送受信アンテナ４の特性について等価回路を用いて説明する。図６は、送受信アンテナ４をトランス回路を用いて表現した等価回路を示す図である。図７は、送受信アンテナ４をコイルを用いて表現した等価回路を示す図である。
【００４５】
励振用ループアンテナ１２が有するインダクタンス値Ｌ１と、送受信用ループアンテナ１３が有するインダクタンス値Ｌ２との間には、電磁結合による相互誘導Ｍが存在する。相互誘導Ｍとインダクタンス値Ｌ１およびインダクタンス値Ｌ２との間には次式が成り立つ。
Ｍ＝Ｋ×√（Ｌ１×Ｌ２） （式１）
ここで、結合係数Ｋは、０≦Ｋ≦１の範囲の値となる。式１より明らかなように、結合係数Ｋが大きい程、相互誘導Ｍの値は大きくなる。
【００４６】
ここで、励振用ループアンテナ１２に一次側電流Ｉ１が流れると、この一次側電流Ｉ１により生じる磁束により、相互誘導Ｍを介して、送受信用ループアンテナ１３の開放端に誘起電圧Ｖ２が生じる。送受信用ループアンテナ１３の開放端には共振用コンデンサ１４（Ｃ１）が接続されているため、インダクタンスＬ２とコンデンサＣ１からなる閉回路に二次側電流Ｉ２が流れる。
【００４７】
図８は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１の周波数特性との関係を示す図である。図９は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２の周波数特性との関係を示す図である。
【００４８】
図８から明らかなように、一次側電流Ｉ１は共振周波数ｆｏ（ここでは、１３．５６ＭＨｚ）でピーク値（最小値）をとり、結合係数Ｋの値が０．１から１．０に向けて大きくなるのに応じて、一次側電流Ｉ１のピーク値が小さくなり、これに伴って一次側電流Ｉ１の値が全帯域で小さくなっており、特に共振周波数ｆｏから離れた周波数でも一次側電流Ｉ１の値が小さくなっており、周波数帯域が広がっていることが分かる。
【００４９】
また、図９から明らかなように、二次側電流Ｉ２は共振周波数ｆｏでピーク値（最大値）をとり、この二次側電流Ｉ２のピーク値と、その近傍の周波数での二次側電流Ｉ２の値は、結合係数Ｋの値が０．１から０．４の範囲で、結合係数Ｋの値が大きくなるのに応じて大きくなるが、結合係数Ｋの値が０．４を超えると逆に小さくなる。一方、共振周波数ｆｏから離れた周波数帯での二次側電流Ｉ２の値は、結合係数Ｋの値が０．１から１．０に向けて大きくなるのに応じて一様に大きくなっており、周波数帯域が広がっていることが分かる。
【００５０】
次に、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３から発生する磁束（磁界強度）について説明する。一般的にコイル導体を流れる電流Ｉにより発生する磁界強度Ｈとコイル導体のインダクタンスＬとは次式の関係を有している。
Ｈ∝Ｌ×Ｉ （式２）
すなわち、磁界強度Ｈはインダクタンス値Ｌとコイル導体を流れる電流Ｉの積に比例する。
【００５１】
したがって、共振周波数ｆｏおいて、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１により発生する磁界強度Ｈ１は、励振用ループアンテナ１２のインダクタンス値Ｌ１と一次側電流Ｉ１の積に比例する。同様に、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２により発生する磁界強度Ｈ２は、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２と二次側電流Ｉ２の積に比例する。
【００５２】
ここで、図５に示したように、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１と、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２とは、電流の向きが逆方向となるため、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３にそれぞれ発生する磁束の向きも逆方向となり、相殺現象が生じる。この相殺現象を考慮した送受信アンテナ４としての磁界強度Ｈは、送受信用ループアンテナ１３の磁界強度Ｈ２から、励振用ループアンテナ１２の磁界強度Ｈ１を減じた値となる。換言すると、励振用ループアンテナ１２に電流が流れる結果として発生する磁束が、送受信用ループアンテナ１３に電流が流れる結果として発生する磁束を弱める状態となる。
【００５３】
そこで、本第１実施形態においては、送受信用ループアンテナ１３を複数回のループ部１３ａを有する構成とする一方で、励振用ループアンテナ１２を１回巻きのループ部１２ａを有する構成とすることで、送受信用ループアンテナ１３の磁束が弱められることを抑制するようにしている。これにより、励振用ループアンテナ１２からの送信パワーを高めなくても、送受信用ループアンテナ１３からは十分な磁束が発生するため、消費電力を低く抑えることができる。
【００５４】
本第１実施形態では、送受信用ループアンテナ１３の巻き数を４としたが、この送受信用ループアンテナ１３の巻き数はこれに限定されるものではなく、適宜に設定すればよいが、特に励振用ループアンテナ１２のインダクタンス値Ｌ１と、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定するとよい。
【００５５】
図１０は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに応じた送信出力および受信感度の周波数特性を示す図である。ここで、送信出力および受信感度は、図９に示した二次側電流Ｉ２の特性に、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２を乗じた値と略同一となる。図１１は、結合係数Ｋ＝０．７の場合の周波数特性と、抵抗Ｒを用いて周波数特性の広帯域化を図った従来例による周波数特性とを示す図である。
【００５６】
図１１に示すように、本実施形態（Ａ線）と従来例（Ｂ線）とを比較すると、本実施形態では送信電力及び受信感度が従来例よりも高く、しかも周波数特性が広帯域であることが分かる。このように本実施形態では、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋを適切に設定することで、周波数特性の広帯域化を図ることができ、従来例のように送受信アンテナの送受信経路に抵抗体を介在させてはいないので、消費電力を低く抑えることができる。
【００５７】
次に、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋの最適値について説明する。図１２は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに関する通信総合評価を示す図である。ここでは、結合係数Ｋをパラメータとして、無線通信媒体１に信号を送信する際の送信性能をＡ線で、無線通信媒体１からの応答信号を受信する際の受信性能をＢ線で、送信性能および受信性能の双方を勘案した総合通信性能をＣ線でそれぞれ示している。
【００５８】
送信性能（Ａ線）は、結合係数Ｋ＝０．３〜０．７の範囲で良好な結果を示しており、受信性能（Ｂ線）は、結合係数Ｋ＝０．５〜０．９の範囲で良好な結果を示している。よって、送信性能および受信性能の双方を勘案した総合通信性能（Ｃ線）は、結合係数Ｋ＝０．５〜０．７の範囲で最適となる。本第１実施形態の構成では、前記のように、結合係数Ｋが概ね０．７となることから、良好な通信性能を実現することができる。
【００５９】
以上のように本第１実施形態によれば、上記の構成により、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋが比較的大きく設定されるため、周波数特性の広帯域化を実現することができる。また、送受信アンテナ４における磁性体１１の柱状部２３を、高さを低くした扁平な形状とすることで、基板２１からの突出寸法を小さくすることができる。このため、例えばノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末、携帯電話等に搭載することも可能になる。
【００６０】
次に、図１３を参照して、受信信号路上に設けたカップリングコンデンサ１９について説明する。図１３は、送受信装置２の要部模式図である。
【００６１】
送受信アンテナ４では、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３とを近接させて、磁気誘導により励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に送信信号を伝達して増幅するようにしている。このため、励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に伝達される送信信号が受信処理部９に回り込む。一方、送受信用ループアンテナ１３では無線通信媒体１から送信される信号を受信し、その受信信号が受信処理部９に入力される。よって、送受信用ループアンテナ１３自体は無給電であるが、送信信号と受信信号との間で大きな信号強度のレベル差が生じる。
【００６２】
特に、前記のように、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋを０．５から０．７の範囲とすると、受信処理部９に回り込む送信信号の信号強度が受信信号より高くなることがあり、この場合、送信信号が受信処理部９での受信信号の処理の支障となる。
【００６３】
そこで、本第１実施形態では、送受信用ループアンテナ１３と受信処理部９とをカップリングコンデンサ１９を介して接続するようにしている。これにより、受信処理部９に回り込む送信信号の強度が低くなるため、送信信号と受信信号との干渉を抑制し、受信処理部９での受信信号の処理を正常に行うことができる。カップリングコンデンサ１９には、送信信号および受信信号の周波数などの特性に基づいて、送信信号に対して高周波的に高いインピーダンスとなるような所要の容量（例えば３ｐＦ）のものが用いられる。
【００６４】
以上のように構成された送受信アンテナ４は、例えば携帯電話装置に適用することができる。図１４は、送受信アンテナ４を携帯電話装置５１に適用した例を示す斜視図である。なお、図１４では、携帯電話装置５１の筐体５２を透視して内部に収容された部品を示している。図１５は、携帯電話装置５１の分解斜視図である。
【００６５】
図１４および図１５に示すように、携帯電話装置５１の筐体５２内には、送受信アンテナ４が取り付けられた基板２１と、電池パック５３と、磁性体シート５４と、無給電ループアンテナ５５と、が収容されており、筐体５２の開口部が蓋体５６で覆われる。
【００６６】
図１５に示すように、送受信アンテナ４は、磁性体１１の柱状部２３がその中心軸が筐体５２の厚さ方向となるように配置される。無給電ループアンテナ５５は、筐体５２に全体に渡って均等な感度が得られるようにするものであり、送受信アンテナ４を中心にして周回する小ループ５５ａと、筐体５２の側縁部に沿って周回する大ループ５５ｂとを備えている。磁性体シート５４は、電池パック５３の金属面による磁気的な影響が無給電ループアンテナ５５に及ぶことを抑えるものであり、電池パック５３と無給電ループアンテナ５５との間に配置されている。
【００６７】
なお、前記の例では、図２に示したように、柱状部２３が円柱状、すなわち断面が円形をなし、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３が円形状のループ部を有するものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば柱状部が角柱状、すなわち断面が方形状をなし、励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが方形状のループ部を有するものも可能である。
【００６８】
また、前記の例では、柱状部２３は円形の一定断面となり、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３とが同一径となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、励振用ループアンテナが配設される部分と、送受信用ループアンテナが配設される部分とが異なる径となるようにしてもよい。
【００６９】
すなわち、柱状部において、励振用ループアンテナが配設される部分が、送受信用ループアンテナが配設される部分より小断面で、励振用ループアンテナが送受信用ループアンテナより小径となるようにしてもよい。また、これとは逆に、励振用ループアンテナが配設される部分が、送受信用ループアンテナが配設される部分より大断面で、励振用ループアンテナが送受信用ループアンテナより大径となるようにしてもよい。この他に、柱状部は、先端側に向けて次第に拡径する形態など、種々の形態が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明にかかる送受信アンテナとそれを用いた送受信装置は、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができる効果を有し、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信アンテナとそれを用いた送受信装置などとして有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 無線通信媒体
２ 送受信装置
４ 送受信アンテナ
８ 送信処理部
９ 受信処理部
１０ 制御部
１２ 励振用ループアンテナ、１２ａ ループ部
１３ 送受信用ループアンテナ、１３ａ ループ部
１４ 共振用コンデンサ
２２ 台座部
２３ 柱状部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体と、この磁性体に設けられた励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナと非接触状態で近接配置された送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を有し、
前記磁性体は、基板に固着される台座部と、この台座部から中心軸が前記基板に略直交するように突出した柱状部と、を備え、
前記励振用ループアンテナは１回巻きのループ部を有し、前記送受信用ループアンテナは複数回巻きのループ部を有し、これらの励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが、前記磁性体の柱状部に同軸的に巻き付けられた態様で設けられたことを特徴とする送受信アンテナ。
【請求項２】
前記励振用ループアンテナは、前記台座部に近接した前記柱状部の基部側に配置され、前記送受信用ループアンテナは、前記台座部から離反した前記柱状部の先端側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の送受信アンテナ。
【請求項３】
前記磁性体の台座部は、前記励振用ループアンテナおよび前記送受信用ループアンテナより大径に形成されたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の送受信アンテナ。
【請求項４】
前記励振用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ１と、前記送受信用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の送受信アンテナ。
【請求項５】
前記励振用ループアンテナと前記送受信用ループアンテナとの間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが０．５から０．７の範囲に収まるように設定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の送受信アンテナ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、
前記励振用ループアンテナが前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナが前記受信処理部と接続されたことを特徴とする送受信装置。
【請求項１】
磁性体と、この磁性体に設けられた励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナと非接触状態で近接配置された送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を有し、
前記磁性体は、基板に固着される台座部と、この台座部から中心軸が前記基板に略直交するように突出した柱状部と、を備え、
前記励振用ループアンテナは１回巻きのループ部を有し、前記送受信用ループアンテナは複数回巻きのループ部を有し、これらの励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナが、前記磁性体の柱状部に同軸的に巻き付けられた態様で設けられたことを特徴とする送受信アンテナ。
【請求項２】
前記励振用ループアンテナは、前記台座部に近接した前記柱状部の基部側に配置され、前記送受信用ループアンテナは、前記台座部から離反した前記柱状部の先端側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の送受信アンテナ。
【請求項３】
前記磁性体の台座部は、前記励振用ループアンテナおよび前記送受信用ループアンテナより大径に形成されたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の送受信アンテナ。
【請求項４】
前記励振用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ１と、前記送受信用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の送受信アンテナ。
【請求項５】
前記励振用ループアンテナと前記送受信用ループアンテナとの間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが０．５から０．７の範囲に収まるように設定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の送受信アンテナ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、
前記励振用ループアンテナが前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナが前記受信処理部と接続されたことを特徴とする送受信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１６９７２４（Ｐ２０１２−１６９７２４Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６７７４（Ｐ２０１１−２６７７４）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【特許番号】特許第４８２２３０２号（Ｐ４８２２３０２）
【特許公報発行日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【特許番号】特許第４８２２３０２号（Ｐ４８２２３０２）
【特許公報発行日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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