(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記軟磁性部材は、シート状に形成されて、前記保持部材の制御基板側の面に貼り付けた状態で配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の通信装置。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、通信装置の小型軽量化等を図るために、アンテナ基板等を保持する保持部材として、アルミニウム製の板材に代えて樹脂部材を採用することが考えられる。しかしながら、単に樹脂製の保持部材によりアンテナ基板等を保持する構成では、周囲金属に通信装置の磁束が誘導されることから損失が生じ、通信距離が短くなり必要な通信距離を確保できなくなってしまう場合がある。
【0006】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、アンテナ基板と制御基板とを樹脂製の保持部材により保持する構成であっても必要な通信距離を確保し得る通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】
上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項1に記載の発明は、アンテナ(24)を介して非接触通信媒体(C)と無線通信する通信装置(10)であって、前記アンテナとして機能するアンテナパターンが形成されるアンテナ基板(40)と、前記アンテナを介して前記非接触通信媒体と無線通信する無線通信手段として機能する制御基板(30)と、前記アンテナ基板と前記制御基板との間に介在して前記アンテナ基板と前記制御基板とを保持する樹脂製の保持部材(60)と、を備え、前記制御基板には、他の導体パターンよりも幅が広いベタパターン(32)が設けられ、前記アンテナ基板と前記制御基板との間
であって前記保持部材の制御基板側の面には軟磁性部材(70)が配置され
、前記保持部材のアンテナ基板側の面には、前記アンテナ基板を位置決めするための位置決め部と台座とが設けられ、前記保持部材の制御基板側の面には、前記制御基板をねじ止めするためのねじ止め部が設けられ、前記アンテナ基板は、前記位置決め部によって位置決めされた状態で前記台座に固定されることを特徴とする。
なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明の効果】
【0008】
請求項1の発明では、アンテナ基板と制御基板との間に介在してアンテナ基板と制御基板とを保持する樹脂製の保持部材が設けられており、制御基板には、基板表面の配線パターンなどの他の導体パターンよりも幅が広いベタパターンが設けられ、アンテナ基板と制御基板との間には軟磁性部材が配置されている。
【0009】
このように樹脂製の保持部材によりアンテナ基板を保持する保持構造を採用することで、従来のアルミニウム製の板材による保持構造と比較して、通信装置の軽量化等を図ることができる。特に、アンテナの保持部材側には、軟磁性部材と制御基板のベタパターンとが配置されることとなり、この軟磁性部材およびベタパターンが従来のアルミニウム製の板材と同様に周囲金属への磁束の誘導を抑制するように機能する。したがって、アンテナ基板と制御基板とを樹脂製の保持部材により保持する構成であっても必要な通信距離を確保することができる。
【0010】
請求項2の発明では、アンテナ基板の制御基板側の面と制御基板のアンテナ基板側の面との距離が3mm以上5mm以下に設定されている。アンテナ基板の制御基板側の面と制御基板のアンテナ基板側の面との距離が3mm未満になると、アンテナにて発生した磁束が軟磁性部材やベタパターンに誘導されて通信距離が短くなる場合がある。一方、アンテナ基板の制御基板側の面と制御基板のアンテナ基板側の面との距離が5mmを超えると、通信装置自体が大型化してしまい、通信装置の小型軽量化が困難となる。このため、アンテナ基板の制御基板側の面と制御基板のアンテナ基板側の面との距離を3mm以上5mm以下、例えば、4mmに設定することで、軟磁性部材やベタパターンに起因する通信距離の低下を抑制しつつ、通信装置の小型化を図ることができる。
【0011】
請求項3の発明では、ベタパターンの面積は、2400平方ミリメートル以上4000平方ミリメートル以下に設定されている。ベタパターンの面積が2400平方ミリメートル未満になると、ベタパターンによる周囲金属への磁束の誘導を抑制する効果が低下してしまう場合がある。一方、ベタパターンの面積が4000平方ミリメートルを超えると、アンテナにて発生した磁束がベタパターン自身に誘導されやすくなり、通信距離が短くなる場合がある。このため制御基板におけるベタパターンの面積を2400平方ミリメートル以上4000平方ミリメートル以下に設定することで、ベタパターンによる周囲金属への磁束の誘導抑制を図りつつ通信距離の低下を抑制することができる。
【0012】
請求項4の発明では、軟磁性部材は、シート状に形成されて、保持部材の制御基板側の面に貼り付けた状態で配置されるため、軟磁性部材を保持部材に対して決められた所定の位置に容易に配置することができ、かつ、軟磁性部材とアンテナ基板との距離を一定に保つことができる。
【発明を実施するための形態】
【0014】
[第1実施形態]
以下、本発明に係る通信装置を具現化した第1実施形態について、図面を参照して説明する。
図1に示す通信装置10は、ICカード等の非接触通信媒体と無線通信する装置であり、本実施形態では、入退室管理システムにおいて入室を許可された使用者が有するICカードCに記録される固有ID等を読み取る据え置き型の入退室管理用端末として構成されている。
【0015】
通信装置10は、外郭を構成する略箱状のケース11の内部に
図2に示す回路部20が収容されてなるものであり、この回路部20は、通信装置10全体を制御する制御部21を備えている。この制御部21は、マイコンを主体として構成されるものであり、CPU、システムバス、入出力インタフェース等を有し、メモリ22とともに情報処理装置を構成している。また、回路部20は、
図2に示すように、通信処理部23、アンテナ24、操作部25、表示部26、発光部27、スピーカ28、通信部29等を備えている。
【0016】
通信処理部23は、
図2に示すように、送信回路23a、受信回路23b等を備えており、送信回路23aは、例えば、キャリア発振器、符号化部、変調部及び増幅器等によって構成されている。キャリア発振器は、所定周波数のキャリア(搬送波)を出力しており、符号化部は、制御部21に接続され、制御部21より出力される送信データを符号化して変調部に出力している。変調部は、キャリア発振器からのキャリア(搬送波)及び符号化部からの送信データが入力されるものであり、キャリア発振器より出力されるキャリア(搬送波)に対し、通信対象へのコマンド送信時に符号化部より出力される符号化された送信符号(変調信号)によってASK(Amplitude Shift Keying)変調された被変調信号を生成し、増幅器に出力している。また、増幅器は、入力信号(変調部によって変調された被変調信号)を設定された増幅率で増幅しており、その増幅信号が送信信号としてアンテナ24に出力されるようになっている。
【0017】
また、アンテナ24には、受信回路23bの入力端子が接続されており、アンテナ24によって受信された電波信号(受信信号)は、受信回路23bに入力されるようになっている。受信回路23bは、例えば、増幅器、復調部、二値化処理部、複号化部等によって構成されており、アンテナ24によって受信された受信信号を増幅器によって増幅し、その増幅信号を復調部によって復調している。更に、その復調された信号波形を二値化処理部によって二値化すると共に、復号化部にて復号化し、その復号化された信号を受信データとして制御部21に出力している。また、アンテナ24は、
図1に示すようにかざし面11aとして形成されるケース11の前面部付近に配置され、このかざし面11aにかざされたICカードCとの間で電波を送受信するように構成されている。
【0018】
アンテナ24は、アンテナ基板40に設けられており、このアンテナ基板40に形成されるC型アンテナパターン、または、導線を多数回巻回して構成されたループアンテナパターンがアンテナ24として機能する。アンテナ基板40は、
図3に示すように、制御部21等が実装されることで無線通信手段として機能する制御基板30にアンテナケーブル50を介して接続された状態で、制御基板30とともに樹脂製のホルダ60に保持された状態でケース11内に収容されている。ここで、制御基板30は、絶縁層と導体層とが交互に積層される多層基板として構成されており、内層の一部の導体層を構成するベタパターン32(
図3参照)がグランド層として機能するように形成されている。本実施形態では、ベタパターン32は、基板表面の配線パターンなどの他の導体パターンよりも幅が広く、その面積が4000平方ミリメートルとなるように形成されている。このホルダ60の詳細形状や当該ホルダ60による両基板30,40の保持構造等については後述する。
【0019】
操作部25は、例えば操作ボタンとして構成され、
図1に示すようにケース11の前面部付近に配置されている。この操作部25は、ユーザによる操作内容に応じた情報が制御部21に入力されるようになっている。なお、
図1では、操作部25を簡略的に図示しているが、この操作部25は、複数のボタンや十字キーなどによって構成されていてもよく、タッチパネルなどによって構成されていてもよい。
【0020】
表示部26は、液晶表示器等から構成されており、制御部21により制御されて所定の情報を表示して報知する機能を有するものである。発光部27は、例えばLEDであって、制御部21からの信号に応じて点灯するように構成されている。スピーカ28は、公知のスピーカ等によって構成されており、制御部21からの信号に応じて、予め設定された音声やアラーム音等の各種音声を発する構成をなしている。通信部29は、有線通信又は無線通信を行う公知の通信インタフェースとして構成されており、制御部21と協働して入退室管理用サーバ等の外部装置と通信を行い、外部装置への情報送信又は外部装置からの情報受信を行うように機能している。
【0021】
次に、本発明の特徴的部分であるホルダ60等の詳細構成について、
図3〜
図5を用いて説明する。
図3に示すように、ホルダ60は、アンテナ基板40の下面(制御基板30側の面)41と制御基板30の上面(アンテナ基板40側の面)31との間に介在して、アンテナ基板40と制御基板30との双方を保持する樹脂製の保持部材として構成されている。ホルダ60は、
図5に示すように、略長方形状の樹脂板として形成されており、アンテナ基板40側に位置する上面61には、中央から略方形状に突出する台座63と、アンテナ基板40を位置決めするための3つの円柱部64a〜64cとが形成されている。これら各円柱部64a〜64cに対応して、アンテナ基板40には、3つの貫通穴43a〜43cが形成されている。
【0022】
また、ホルダ60の制御基板30側に位置する下面62には、制御基板30をねじ止めするための4つの円柱部65a〜65dが形成されている。また、ホルダ60の下面62の中央には、軟磁性部材として、フェライトシート70がシート状に形成されて貼り付けられている。また、ホルダ60には、上面61から下面62まで貫通するアンテナケーブル50用の貫通穴66が形成されている。また、ホルダ60の四隅には、アンテナ基板40および制御基板30を保持したホルダ60をケース11に組み付けるための取付穴67a〜67dが形成されている。
【0023】
ホルダ60は、アンテナ基板40と制御基板30とを保持したとき、アンテナ基板40の下面41と制御基板30の上面31との距離t1(
図3参照)が、例えば4mmとなるようにその厚さが形成されている。また、ホルダ60は、アンテナ基板40を保持したとき、アンテナ基板40の下面41とフェライトシート70との距離t2(
図3参照)が、例えば2.5mmとなるように形成されている。
【0024】
また、ホルダ60は、
図5に示すように、長辺A1が例えば104mm、短辺B1が例えば67mmに設定されており、取付穴67a〜67dの長辺側のピッチPaが例えば96mm、短辺側のピッチPbが例えば59mmに設定されている。また、取付穴67a〜67dの近傍は薄肉状の取付け部として形成されており、取付け部間の長辺側の長さA2が例えば88mmに設定されており、取付け部間の短辺側の長さB2が例えば51mmに設定されている。制御基板30およびアンテナ基板40は、平面視した形状(
図3の上側から見た形状)が上記取付け部を除いてホルダ60とほぼ同じ形状となるように形成されている。
【0025】
次に、制御基板30およびアンテナ基板40とホルダ60との組み付けについて説明する。
まず、ホルダ60の台座63上にアンテナ基板固定用の両面テープ68を貼り付ける。次に、
図4に示すように、貫通穴66を挿通するアンテナケーブル50にて接続された制御基板30およびアンテナ基板40を、ホルダ60を介して対向するように配置する。そして、ホルダ60の各円柱部64a〜64cをアンテナ基板40の対応する貫通穴43a〜43cに嵌め込んだ状態でアンテナ基板40の下面41の中央と台座63とを両面テープ68により固定することで、アンテナ基板40をホルダ60に組み付ける。また、ホルダ60における各円柱部65a〜65dの端面を制御基板30の上面31の所定の位置に当接させた状態で制御基板30の下面からねじ69を用いて締結することで、制御基板30をホルダ60に組み付ける。
【0026】
これにより、
図3に示すように、アンテナ基板40と制御基板30との間に介在するホルダ60により両基板30,40が保持される。このようにホルダ60に保持されるアンテナ基板40および制御基板30は、ホルダ60の各取付穴67a〜67dを利用して、アンテナ基板40の上面42がかざし面11aのケース内面側に対して所定の隙間を介して対向するようにケース11内に収容される。この保持状態では、
図3からわかるように、アンテナ24(アンテナ基板40)に対して、ホルダ60側、すなわち、ICカードCがかざされる側と逆側に、フェライトシート70と制御基板30のベタパターン32とが位置することとなる。
【0027】
次に、制御基板30のベタパターン32による周囲金属Mへの磁束の誘導を抑制する効果について、
図6および
図7を参照して説明する。
アンテナ基板40および制御基板30が保持されたホルダ60に対して、制御基板30の下面33との距離がLとなるように周囲金属Mが配置されると(
図6参照)、距離Lが小さくなるほどアンテナ24を利用した通信距離Xが小さくなる。距離Lが小さくなるほどアンテナ24にて発生した磁束が周囲金属Mに誘導されて損失が生じてしまうからである。
【0028】
一方、通信装置10を壁面等の所定の設置面に設置する場合には、その設置面近傍の金属部材が周囲金属Mとして作用する可能性がある。このため、通信装置10は、決められた所定の通信性能を確保するため、周囲金属Mとの距離が仕様距離Lcよりも短くなる目標距離Ltにおいて、目標通信距離Xtが所定値以上となる必要がある。例えば、従来のアルミニウム製の保持部材によりアンテナ基板が保持される通信装置において、通信性能として仕様距離Lc=40mmのときに仕様通信距離Xc=30mmとなる旨の情報が明示されていることから、目標距離Lt=20mmにおいて目標通信距離Xt=40mmが確保されていると、樹脂製のホルダ60によりアンテナ基板40が保持される本願発明に係る通信装置10も同等の通信性能を確保する必要がある。
【0029】
そこで、ベタパターン32の面積を変えたときの距離Lと通信距離Xとの関係を実験的に解析した。具体的には、ベタパターン32が無いとみなされる解析用の制御基板30aを用意し、この解析用の制御基板30aの表面中央にベタパターン32に相当する所定の面積の銅箔(以下、ベタパターン32aともいう)を貼り付けて、この制御基板30aとアンテナ基板40とを距離t1=4mmとなるようにホルダ60にて保持した状態で、距離Lに応じた通信距離Xを実測した。この実験では、一般的に使用されるICカードCとして最も磁界が必要な非接触通信媒体であるeLWISEカードが採用されている。
【0030】
この実測結果を
図7に示す。
図7に示すように、ベタパターン32aが無い場合と、上記所定の面積が、2400平方ミリメートル、4000平方ミリメートル、5200平方ミリメートル、6600平方ミリメートルとなる場合のそれぞれについて、距離Lに応じた通信距離Xを実測した。なお、6600平方ミリメートルとなるベタパターン32aは、解析用の制御基板30aにおける表面のほぼ全面に銅箔を貼り付けられた状態に相当する。
【0031】
図7からわかるように、ベタパターン32aの有無やベタパターン32aの面積にかかわらず、距離Lが小さくなるほど通信距離Xが小さくなる。また、距離Lが比較的大きい場合には、ベタパターン32aの面積が大きくなるほど通信距離Xが小さくなるが、距離Lが比較的小さくなると、ベタパターン32aの面積が小さくなるほど通信距離Xが小さくなる傾向にある。例えば、
図7の例において、目標距離Lt=20mmでは、ベタパターン32aの面積が2400平方ミリメートルまたは4000平方ミリメートルでの通信距離Xが最も大きくなる。
【0032】
そこで、本実施形態では、ベタパターン32による周囲金属Mへの磁束の誘導抑制を図りつつ通信距離Xの低下を抑制するため、制御基板30におけるベタパターン32は、その面積が4000平方ミリメートルとなるように形成される。なお、
図7からわかるように、例えば上述のような仕様(仕様距離Lc=40mmのときに仕様通信距離Xc=30mm)であれば、制御基板30におけるベタパターン32の面積を2400平方ミリメートル以上4000平方ミリメートル以下の範囲(
図7のハッチング領域参照)に設定することで、ベタパターン32による周囲金属Mへの磁束の誘導抑制を図りつつ通信距離Xの低下を抑制することができる。
【0033】
なお、上述のように制御基板30におけるベタパターン32の面積を2400平方ミリメートル以上4000平方ミリメートルにすることで、周囲金属Mがない場合に、通信距離X=42mm程度を確保できた。従来のアルミニウム製の保持部材による保持構成でも周囲金属Mがない場合には通信距離X=42mm程度であり、本発明のよるホルダ60を用いた保持構成では、従来のアルミニウム製の保持部材を用いた保持構成と同等の通信性能を確保することができることがわかる。
【0034】
以上説明したように、本実施形態に係る通信装置10では、アンテナ基板40と制御基板30との間に介在してアンテナ基板40と制御基板30とを保持する樹脂製のホルダ60が設けられており、制御基板30には、他の導体パターンよりも幅が広いベタパターン32が設けられ、アンテナ基板40と制御基板30との間にはフェライトシート70が配置されている。
【0035】
このように樹脂製のホルダ60によりアンテナ基板40を保持する保持構造を採用することで、従来のアルミニウム製の板材による保持構造と比較して、通信装置10の小型軽量化等を図ることができる。特に、アンテナ24のホルダ60側には、フェライトシート70と制御基板30のベタパターン32とが配置されることとなり、このフェライトシート70およびベタパターン32が従来のアルミニウム製の板材と同様に周囲金属Mへの磁束の誘導を抑制するように機能する。したがって、アンテナ基板40と制御基板30とを樹脂製のホルダ60により保持する構成であっても必要な通信距離Xを確保することができる。
【0036】
特に、ベタパターン32の面積は、2400平方ミリメートル以上4000平方ミリメートル以下に設定されている。ベタパターン32の面積が2400平方ミリメートル未満になると、ベタパターンによる周囲金属Mへの磁束の誘導を抑制する効果が低下してしまう場合がある(
図7の距離L=20mm未満での範囲参照)。一方、ベタパターン32の面積が4000平方ミリメートルを超えると、アンテナ24にて発生した磁束がベタパターン32自身に誘導されやすくなり、通信距離Xが短くなる場合がある(
図7の距離L=20mm以上での範囲参照)。このため制御基板30におけるベタパターン32の面積を2400平方ミリメートル以上4000平方ミリメートル以下に設定することで、ベタパターン32による周囲金属Mへの磁束の誘導抑制を図りつつ通信距離Xの低下を抑制することができる。
【0037】
さらに、フェライトシート70は、シート状に形成されて、ホルダ60の制御基板30側の面に貼り付けた状態で配置されるため、フェライトシート70をホルダ60に対して決められた所定の位置に容易に配置することができ、かつ、フェライトシート70とアンテナ基板40との距離を一定に保つことができる。
【0038】
[他の実施形態]
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のように具体化してもよい。
(1)本発明に係る通信装置10は、上述したように据え置き型の入退室管理用端末として構成されることに限らず、例えば、住民票台帳用のリーダ等、非接触通信媒体と無線通信を行う据え置き型の通信装置として構成されてもよいし、RFIDタグに記録される情報について読み書きする携帯型のRFIDリーダライタ等、非接触通信媒体と無線通信を行う携帯型の通信装置として構成されてもよい。
【0039】
(2)アンテナ基板40の下面41と制御基板30の上面31との距離t1(
図3参照)は、4mmに設定されることに限らず、3mm以上5mm以下に設定されてもよい。アンテナ基板40の下面41と制御基板30の上面31との距離t1が3mm未満になると、アンテナ24にて発生した磁束がフェライトシート70やベタパターン32に誘導されて通信距離Xが短くなる場合がある。一方、アンテナ基板40の下面41と制御基板30の上面31との距離t1が5mmを超えると、通信装置自体が大型化してしまい、通信装置の小型軽量化が困難となる。このため、アンテナ基板40の下面41と制御基板30の上面31との距離t1を3mm以上5mm以下に設定することで、フェライトシート70やベタパターン32に起因する通信距離Xの低下を抑制しつつ、通信装置10の小型化を図ることができる。
【0040】
(3)2400平方ミリメートル以上4000平方ミリメートル以下となるベタパターン32は、制御基板30における内層側のグランド層により構成されることに限らず、制御基板30の上面31または下面に形成される導体パターンにより構成されてもよい。
【0041】
(4)フェライトシート70は、ホルダ60の下面62に貼り付けられることに限らず、距離t2(
図3参照)について一定距離(例えば、2mm以上3mm以下)確保できることを前提に、ホルダ60の上面61に貼り付けられてもよい。また、フェライトシート70に代えて、シート状の軟磁性部材をホルダ60の下面62または上面61に貼り付けてもよいし、軟磁性部材として機能する部材をホルダ60内に埋め込んでもよい。