JP5547582B2

JP5547582B2 - 中抜き非接触ｉｃカード用アンテナによる統合アンテナ

Info

Publication number: JP5547582B2
Application number: JP2010186162A
Authority: JP
Inventors: 國孝有村; 峰内藤; 康行木村
Original assignee: Smart Co Ltd Korea
Current assignee: Smart Co Ltd Korea
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: JP2012044591A

Description

本発明は、電界通信用アンテナと非接触ＩＣカード用アンテナ或いはＲＦＩＤ用アンテナを、同一面に配置する統合アンテナに関する。

今日では、自動販売機や売店のレジで使用される非接触ＩＣカード（以下、ＩＣカードと記す）やＲＦＩＤタグを用いた電子マネーによる決済システムが一般的となっている。

例えば、図３（ａ）に示す自動販売機などに備えられたアンテナ回路４１と基板４２と磁性体４３が積層された非接触ＩＣカード用アンテナ４０に対して、ＩＣカードをかざすことで自動販売機とＩＣカードとの間で通信を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

また、人体を通信路とする電界通信を利用した自動販売機の電子決済システムが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

この電子決済システムでは、電子マネーを記憶した電界通信用装置を所持した顧客が、図３（ｂ）に示す自動販売機等に搭載された電界通信用装置の、金属電極５１ａ、５１ｂとの間に誘電体５２を挟み込んだ構造の電界通信用アンテナ５０に手をかざすことで、顧客が所持する電界通信用装置と自動販売機の電界通信用アンテナ５０との間で静電結合によって通信が行われ、記憶された電子マネーから決済が行われる。

一般に市販されているＩＣカードやＲＦＩＤタグは、非接触ＩＣカード用アンテナ４０との間のデータ通信に１３．５６ＭＨｚ帯の周波数が使用され、ＩＣカードやＲＦＩＤタグの互換性を確保する近接型通信用インターフェースとして利用されている。非接触ＩＣカード用アンテナ４０は、搬送周波数１３．５６ＭＨｚとデータ信号が含まれる１３．５６ＭＨｚ±３４０ＫＨｚの副搬送波の周波数帯をカバーできるようにおおよその共振特性（Ｑ係数）が設定されている。

現在、顧客の利便性を考慮して、従来の非接触ＩＣカード用アンテナと電界通信用アンテナの両方を装備した統合アンテナの普及が始まろうとしている。

特開２００４−３０３９３号公報特開２００４−１４５８７３号公報

しかし、ＩＣカードの通信と電界通信の両方を利用するためには、自動販売機等に特性の異なる従来の非接触ＩＣカード用アンテナと電界通信用アンテナを搭載する必要がある。

非接触ＩＣカード用アンテナと電界通信用アンテナを配置する際、特性を最大限に発揮させるため別々の位置に配置すると、アンテナの設置面が広くなるという問題がある。

また、非接触ＩＣカード用アンテナと電界通信用アンテナを別々の位置に配置すると、顧客がどちらを利用して良いか戸惑う可能性があり、顧客の利便性を損なわないためには、従来の非接触ＩＣカード用アンテナと電界通信用アンテナとを同一位置に配置する必要がある。

非接触ＩＣカード用アンテナと電界通信用アンテナを同一位置に配置した場合、単に非接触ＩＣカード用アンテナの上、或いは下に電界通信用アンテナを重ね合わせ、または非接触ＩＣカード用アンテナを電界通信用アンテナの誘電体（絶縁体）と共に両電極で挟むと、非接触用ＩＣカード用アンテナから発生する磁界が、電界通信用アンテナの金属面電極により遮断されてしまい、非接触ＩＣカード用アンテナとＩＣカードやＲＦＩＤタグとの通信を阻害するという問題がある。

また、図４に示すように、単純に従来の非接触ＩＣカード用アンテナ４０の下に電界通信用アンテナ５０を配置した場合は、非接触ＩＣカード用アンテナ４０を構成する積層構造が、アンテナ回路４１と電界通信用アンテナ５０金属面電極５１ａとの間に基板４２と磁性体４３を挟み込む構造のコンデンサを形成する。このコンデンサの阻害容量Ｃ１が直列に入ることにより、電界通信用アンテナ５０に異種層コンデンサが形成され電界通信用アンテナ５０の通信の障壁になるという問題がある。

一般に市販されている１３．５６ＭＨｚを利用した既存のＩＣカードやＲＦＩＤタグは、図４に示す非接触ＩＣカード用アンテナ４０と電界通信用アンテナ５０を単純に同一位置に配置した場合、電界通信用アンテナ５０の金属面電極５１ａの影響で非接触ＩＣカード用アンテナ４０のインピーダンスが変動し、近接する金属面の影響で搬送周波数１３．５６ＭＨｚのピーク周波数値にズレが生じてしまう現象が知られている。そのためＱ特性の高いＩＣカードやＲＦＩＤタグでは、共振周波数が変動し電界も弱くなることで、電力供給が低下し必要な起電力が得られず、データ通信ができなくなる課題がある。

本発明は、以上の課題に着目して成されたもので、電界通信用アンテナと非接触ＩＣカード用アンテナとを同一位置に配置し、且つ相互の通信を阻害することなく良好な通信環境を確保した中抜き非接触ＩＣカードアンテナによる統合アンテナを提供することを目的とする。

本発明は上述の目的を達成するため、以下（１）、（２）の構成を備えるものである。

（１）電界通信用アンテナと非接触ＩＣカード用アンテナからなる統合アンテナであって、前記電界通信用アンテナは、金属面電極と誘電体と金属面電極との順に重ねた積層構造を有し、前記非接触ＩＣカード用アンテナは、環状に形成されたアンテナ部と該アンテナ部の形状に沿って環状に形成された基板と該基板に沿った環状の磁性体とが積層された環状構造を有し、前記電界通信用アンテナの前記金属面電極の上面に、金属面が見えるように前記非接触ＩＣカード用アンテナの前記磁性体が載置されることを特徴とする中抜き非接触ＩＣカード用アンテナによる統合アンテナ。

（２）電界通信用アンテナと非接触ＩＣカード用アンテナからなる統合アンテナであって、前記電界通信用アンテナは、金属面電極と誘電体と金属面電極との順に重ねた積層構造を有し、前記非接触ＩＣカード用アンテナは、環状に形成されたアンテナ部と該アンテナ部の形状に沿って環状に形成された基板と該基板に沿った環状の磁性体とが積層された環状構造を有し、前記電界通信用アンテナの両側の前記金属面電極に、金属面が見えるように前記非接触ＩＣカード用アンテナの前記磁性体が対向して載置されることを特徴とする中抜き非接触ＩＣカード用アンテナによる統合アンテナ。

本発明によれば、非接触ＩＣカード用アンテナと電界通信用アンテナを同一位置に配置することで、顧客の利便性を損なわず、且つ其々のアンテナが相互の通信を阻害することなく良好な通信環境を確保した中抜き非接触ＩＣカードアンテナによる統合アンテナを提供することができる。

（ａ）枠形非接触ＩＣカード用アンテナを使用した本発明に係る中抜き非接触ＩＣカード用アンテナによる統合アンテナの構成図、（ｂ）円形非接触ＩＣカードアンテナを使用した本発明に係る中抜き非接触ＩＣカード用アンテナによる統合アンテナの構成図、（ｃ）Ａ−Ａ拡大断面図（ａ）従来の電界通信用アンテナに非接触ＩＣカード用アンテナを載置した場合の回路構成を示す図、（ｂ）本発明に係る中抜き非接触ＩＣカード用アンテナによる統合アンテナの回路構成を示す図（ａ）従来の非接触ＩＣカード用アンテナの構成図、（ｂ）従来の電界通信用アンテナの構成図従来の電界通信用アンテナの金属面上部に従来の非接触ＩＣカード用アンテナを載置した構成を示す斜視図

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づいて詳しく説明する。

図１は中抜き非接触ＩＣカードアンテナによる統合アンテナ（以下、統合アンテナと記す）の構成図で、１ａは枠形非接触ＩＣカードアンテナ２を使用した枠形統合アンテナであり、１ｂは円形非接触ＩＣカードアンテナ８を使用した円形統合アンテナである。

図１（ａ）に示す枠形統合アンテナ１ａは、枠形非接触ＩＣカードアンテナ２の枠形アンテナ部２ａ、基板２ｂ、磁性体２ｃが、電界通信用アンテナ５の両面の金属面電極７ａ，７ｂの内、金属面電極７ａ上に積層され、枠形非接触ＩＣカードアンテナ２の中心部が、アンテナの形成幅に沿って環状に切り取られ中空ホールＨが形成された統合アンテナである。金属面電極７ａの金属面上に載置された磁性体２ｃは、枠形非接触ＩＣカードアンテナ２で発生する磁界Ｍの磁路を確保するため比透磁率が１００以上のものを使用する。

図１（ｂ）に示す円形統合アンテナ１ｂは、円形非接触ＩＣカードアンテナ８の円形のアンテナ部８ａ、基板８ｂ、磁性体８ｃが、電界通信用アンテナ５の金属面電極７ａ上に積層され、アンテナの形成幅をさけて中心部がくり抜かれて中空ホールＨが形成された環状の統合アンテナである。

図１（ｃ）に示す枠形統合アンテナ１ａのＡ−Ａ断面図で、本実施例の統合アンテナの機能について説明すると、電界通信用アンテナ５の金属面電極７ａ上に形成された枠形非接触ＩＣカードアンテナ２は、枠形アンテナ部２ａの形成幅に沿って周辺と中心部の基板２ｂと磁性体２ｃが切り取られ中空ホールＨが形成されており、中空ホールＨと枠形アンテナ部２ａの周辺との部分に、電界通信用アンテナ５の金属面電極７ａを広い範囲で露出させる構造とすることが可能である。

電界通信用装置を所有する顧客が統合アンテナに手をかざした際、枠形非接触ＩＣカードアンテナ２により、金属面電極７ａの金属面が絶縁されることで発生する通信阻害を回避し、電界通信用アンテナ５の通信に必要な電界Ｅの強さが得られることで良好な通信感度を確保することができる。

アンテナ回路として図４で示した従来の統合アンテナでは、顧客が統合アンテナに手をかざした際に、従来の非接触ＩＣカード用アンテナ４０の載置面積Ｓ１が、アンテナ回路４１と電極５１との間に、基板４１と磁性体４３の誘電体を挟み込む構造で形成されたコンデンサにより直列に加わる障害容量Ｃ１が発生し、電界通信用アンテナ５０の通信を阻害するという問題がある。

即ち、従来の電界通信用アンテナ５０と非接触ＩＣカード用アンテナ４０の接続が、図２（ａ）に示すように従来の非接触ＩＣカード用アンテナ４０が形成するコンデンサによって発生する障害容量Ｃ１と、電界通信用アンテナ５０のコンデンサＣ２とが直列接続された回路となるため、顧客が手をかざした際に電界通信用アンテナ５０のコンデンサＣ２は、インピーダンスが変化して電界通信に必要な電界強度が変動する。

また、平行板コンデンサの静電容量Ｃは、電界アンテナの面積Ｓに誘電体の誘電率εをかけて電極間の距離Ｌで割った値Ｃ＝εＳ／Ｌで求められるため、露出する金属面電極の表面積Ｓが重要となる。従って、通信に必要な電界Ｅの強さは、従来の非接触ＩＣカード用アンテナ４０の載置領域Ｓ１が広くなると、障害領域が増えて電界通信用アンテナ５０の通信を阻害することになり、必要な電界強度が確保できないため電界通信用アンテナ５０の感度が低下する。

しかし、本実施例の統合アンテナでは、非接触ＩＣカード用アンテナ２の環状構造により、枠状のアンテナ部２ａの形成幅の領域のみとなり電界通信用アンテナ５の金属面電極７ａの露出領域である人体が直接触れる面積を大幅に拡大し、枠状のアンテナ部２ａの形成幅を可能な限り細く形成することで、非接触ＩＣカードアンテナ２により発生する障害容量Ｃ１が無視できるようになるため（Ｃ４＞＞Ｃ１）、合成インピーダンスの変化による電界強度の変動は軽微であり、また金属面電極７ａの金属面上に占める領域も小さくなり電界通信用アンテナ５の感度に影響を与えない。

従って本実施例の統合アンテナでは、磁界Ｍを利用した非接触ＩＣカード用アンテナ２のコンデンサＣ３と、電界Ｅを利用した電界通信用アンテナ５のコンデンサＣ４との回路接続は、図２（ｂ）に示すように、其々が独立した回路構成とすることができる。電界通信用アンテナ５のコンデンサＣ４には、電界通信用装置を所有する顧客が手をかざした際、電界通信用アンテナ５の金属面電極７が、広い範囲で露出した構造により通信に必要な電界Ｅが十分確保されるため、電界通信に影響を与えることがない。

次に中抜き非接触ＩＣカード用アンテナの機能は、例えば枠形非接触ＩＣカード用アンテナ２の場合、電界通信用アンテナ５の金属面電極７の上面に載置される構造により、ＩＣカードを接近させた際に電界通信用アンテナ５による影響を受けない構造にする必要がある。

しかし、枠形非接触ＩＣカード用アンテナ２を電界通信用アンテナ５の金属面電極７ａ上に載置すると、金属面の影像効果で渦電流が発生し逆相の磁界が発生し、枠形非接触ＩＣカード用アンテナ２の磁界Ｍを打ち消して遮蔽する問題がある。

本実施例では、基板２ｂ上にパタン形成された枠形アンテナ部２ａにＩＣカードをかざした際、図１（ｃ）に示す枠形非接触ＩＣカード用アンテナ２の基板に貼り付けられた透磁率が数１０〜数１００の磁性体２ｃを積層することで、枠形アンテナ部２ａで発生する磁界の磁路を確保し、金属面電極７ａに磁界を遮蔽されることなく安定した磁界を発生させて、金属面電極７ａの影響を抑える構造とし、ＩＣカードの電磁誘導による起電力を十分に確保して良好なデータ通信を可能にする。

尚、枠形アンテナ部２ａに積層される磁性体２ｃの種類には、様々な厚さや透磁率を備えた多種類のシート状の磁性材が市販されているため、用途に応じて選定することが可能であり、本実施例を制限するものではない。

また、図４に示す近接する金属面電極７ａの影響により非接触ＩＣカード用アンテナ２のインピーダンスが変動し、周波数にズレが生じる周波数シフトが発生する問題について、特にＱ特性の高いＩＣカードやＲＦＩＤタグでは、共振周波数のズレにより電磁誘導による起電力が得られない。或いは起電力が得られても、有効電力が大きく減少するためＩＣカードやＲＦＩＤタグと、非接触ＩＣカード用アンテナ２との接近間隔が狭い範囲に限定され、或いはデータ通信の周波数帯が外れることでデータ通信にエラーが生じてしまう場合がある。

この金属面の影響による周波数シフトの現象を回避するため、枠形非接触ＩＣカード用アンテナ２の整合回路のインピーダンスを、予め金属面電極７ａの影響を考慮した値に設定し、枠形アンテナ部２ａのＱ特性の値を抑えて通信に必要な帯域幅を広くした特性を持たせることができる。その結果、電界強度を低下させることなく、有効な電力を供給できる共振周波数帯域幅が広く取られたＱ特性を持つ枠形非接触ＩＣカード用アンテナ２を形成することで、電界通信用アンテナ５の金属面電極７ａの影響である周波数シフトに対応した統合アンテナを提供することができる。

更に、電界通信用アンテナ５の金属面電極７ａの影像効果で発生する渦電流を防止するため、金属面電極７ａを中央で分割して２枚の水平板で構成し、２枚の水平板を導線で接続して、枠形非接触ＩＣカード用アンテナ２を２枚の水平板の金属面電極７ａをまたぐように載置することで、渦電流の発生を防止する構成の統合アンテナを提供することができる。

また、非接触ＩＣカード用アンテナのアンテナ整合回路のインピーダンスを、予め金属面電極７ａの影響を考慮した値に設定し、枠形アンテナ部２ａのＱ特性の値を抑えて帯域幅を広くして、ＩＣカードやＲＦＩＤタグの誘導起電力を低下させることなく、有効な電力を供給できる共振周波数帯域幅のＱ特性を備えた枠形非接触ＩＣカード用アンテナ２を形成することで、電界通信用アンテナ５の金属面電極７ａの影響である周波数シフトに対応した統合アンテナを提供することができる。

本実施例の統合アンテナは、自動販売機等に搭載することを目的として、電界通信用アンテナの金属面電極の片面に中抜き非接触ＩＣカードアンテナが形成された構成で説明したが、セキュリティ施設の認証装置にも使用可能であり、オートロック機構の付いたガラス扉等に本実施例の統合アンテナを扉の開閉用に設置する際は、扉の形成された認証装置用の穴に電界通信用アンテナ５の両側の金属面７ａ，７ｂに中抜き非接触ＩＣカード用アンテナが形成された統合アンテナを取り付けることで、扉の両側から認証装置にアクセスすることができる。

或いはガラス扉の構造を利用して、ガラスを電界通信用アンテナの誘電体に利用し、ガラス扉の両面に中抜き非接触ＩＣカードアンテナと電界通信用アンテナが形成された統合アンテナを設置することも可能である。

また、本実施例の統合アンテナは、電界通信用アンテナと中抜き非接触ＩＣカードアンテナを、樹脂上に蒸着処理することでアンテナパターンと金属面電極をフィルム状に形成し、それらを積層して一体化した統合アンテナを作成することで、曲面にも設置可能な薄く柔軟なシート材によるラミネート構造の統合アンテナとすることも可能である。

１ａ枠形統合アンテナ
１ｂ円形統合アンテナ
２枠形非接触ＩＣカードアンテナ
２ａ枠形アンテナ部
２ｂ基板
２ｃ磁性体
５電界通信用アンテナ
６誘電体
７金属面電極
８円形非接触ＩＣカードアンテナ
８ａ円形アンテナ部
８ｂ基板
８ｃ磁性体
４０非接触ＩＣカード用アンテナ
４１アンテナ部
４２基板
４３磁性体
５０電界通信用アンテナ
５１電極
５２誘電体
Ｃ１阻害容量
Ｅ電界
Ｍ磁界
Ｈ中空ホール

Claims

電界通信用アンテナと非接触ＩＣカード用アンテナからなる統合アンテナであって、
前記電界通信用アンテナは、金属面電極と、誘電体と、金属面電極との順に重ねた積層構造を有し、
前記非接触ＩＣカード用アンテナは、環状に形成されたアンテナ部と、該アンテナ部の形状に沿って環状に形成された基板と、該基板に沿った環状の磁性体とが積層された環状構造を有し、
前記電界通信用アンテナの前記金属面電極の上面に、金属面が見えるように前記非接触ＩＣカード用アンテナの前記磁性体が載置されることを特徴とする中抜き非接触ＩＣカード用アンテナによる統合アンテナ。
電界通信用アンテナと非接触ＩＣカード用アンテナからなる統合アンテナであって、
前記電界通信用アンテナは、金属面電極と、誘電体と、金属面電極との順に重ねた積層構造を有し、
前記非接触ＩＣカード用アンテナは、環状に形成されたアンテナ部と、該アンテナ部の形状に沿って環状に形成された基板と、該基板に沿った環状の磁性体とが積層された環状構造を有し、
前記電界通信用アンテナの両側の前記金属面電極に、金属面が見えるように前記非接触ＩＣカード用アンテナの前記磁性体が対向して載置されることを特徴とする中抜き非接触ＩＣカード用アンテナによる統合アンテナ。