专利名称：短距离通信天线以及制造和使用短距离通信天线的方法
技术领域：
本发明涉及用于读/写卡机的通信天线以及制造和使用该通信天线的方法。更具体地说，本发明涉及一种用于读/写卡机的通信天线，通过把电磁感应产生的感应电磁场看作传输介质，该读/写卡机用于发射信息信号到非接触信息卡，或者发射信息信号到非接触信息卡和从非接触信息卡接收信息信号，并涉及制造和使用该通信天线的方法。
IC卡系统，例如自动票证检验系统和自动入口管理系统，具有以前使用的非接触信息卡，例如磁卡和读/写卡机，以发送例如识别(ID)号码、由电磁感应的非接触信息卡和读/写卡机之间的输入日期和到期日期。
图1表示例如自动票证检验系统、输入管理系统和IC(集成电路)卡系统的一种信息卡系统的实例方框图，下面将参照图1描述信息卡系统。
如图1所示，该信息卡系统由读/写卡机1和非接触信息卡2组成，非接触信息卡2利用电磁感应发送和接收它与读/写卡机1之间的信息信号。
如图1所示，读/写卡机1包括由CPU(中央处理单元)如高阶接口控制器11构成的主控制单元10，从主控制单元10传送信息的数字信号是以例如ASK(键控幅度位移)调制或FSK(键控频率位移)调制的数字调制方式通过P/S(并到串)变换器12处理的。从P/S变换器12输出的调制的数字信号送到数字调制器/放大器13。在数字调制器/放大器13的输出端获得的数字调制信号送到发射天线14。载波振荡器15连接到数字调制器/放大器13，并且产生具有几十万H2频率的载波信号。
读写卡1包括接收天线16。在接收天线16接收的数字调制信号送到放大器/调制器17，在其中放大和解调。在放大器/调制器17的输出端得到的已解调的数字信号通过S/P(串/并)变换器18变换成并联数据形式，并送到主控制单元10。
非接触信息卡2包括以电磁感应方式从读/写卡1的发射天线14接收数字调制信号的接收天线20。图2表示电磁感应的发送和接收具有几十万H2频率的载波信号的实例。
如图2所示，发射天线14可以由环形天线构成和接收天线可以由带有磁芯的天线构成。由于加到环形天线14的几十万H2的RF电流使接近环形天线14处产生磁场的变化，在环行天线14和接收天线20之间通过在接收天线(具有磁芯的天线)20的感应信号进行通信。
再参照图1，在接收天线20获得的数字调制信号通过放大器/解调器21，例如ASK或FSK解调器放大和解调。在放大器/解调器21的输出端获得的数字信号通过S/P(串/并)变换器22变换成并联数据形式，然后送到CPU构成的主控制单元23。
由主控制单元23根据数字信号确定信息是否是读命令信号，写命令信号或者写信息。然后，主控制单元23根据识别结果把预定信号送到数据存贮器24，在主控制单元23控制下，信息被写入数据存贮器24和从数据存贮器24读出。
从数据存贮器24读出的数字信号送到主控制单元23。然后，从主控制单元23读出的数字信号通过P/S(并/串)变换器25变换成串联数字形式，并通过数字调制器/放大器26以数字方式调制例如ASK调制然后放大。在数字调制器/放大器26的输出端获得的数字调制信号以电磁感应方式通过发射天线27发射到读/写卡1的接收天线16。振荡器28连接到数字调制器/放大器26，并产生具有几十万H2频率的载波信号。在图1中，虚线框29是提供该非接触信息卡工作电压的电池。
由于信息卡系统是按上述布置的，当信息写入非接触信息卡时，写命令信号和写信息信号从读/写卡机1的主控制单元10通过P/S变换器12送到数字调制器/放大器13，用数字调制后送到发射天线14。
由于电磁场感应，在非接触信息卡2的接收天线20感应的信号是与送到发射天线14的信号是一样的，从而，该感应的信号通过非接触信息卡2的放大器/解调器21解调为信息信号的数字信号。然后，已解调的数字信号通过变换器22变换为并联数据形式，并送到主控制单元23。
主控制单元23识别传输的写命令信号和数字信号的写信息信号，从而在存贮器24中写入和存储该写信息信号。
当指定的信息从非接触信息卡2的数据存贮器24读出时，同样，当指定的信息写入数据存贮器24时，数字读命令信号作为数字调制信号从读/写卡1发射到非接触信息卡2。
非接触信息卡2的主控制单元23检测从读/写卡1发射的读命令信号。在读命令信号指定的区域，指定信息从数据存贮器24读出。读出的数字信号通过P/S变换器25变换为串联信号，并通过数字调制器/放大器26数字化调制，得出该信息信号的数字化调制信号。该数字调制信号以电磁感应的方式，通过发射天线27发射到读/写卡1的接收天线16。
发射到接收天线16的数字调制信号通过放大器/解调器17解调为信息信号的数字信号。然后，信息信号的数字信号通过S/P变换器18变换为并联信号，于是，原来的数字信号的信息信号供给到主控制单元10。
上述信息卡系统使用如发射天线14、27那样的环形天线，通过电磁感应，在读/写卡1和非接触信息卡2之间发射和接收信息信号，由于作为发射天线14、27的环形天线与波长相比较是足够小。因此，由于环形天线14(27)的通信区域与波长相比是足够小。则电磁场能够接近于电/磁静态。于是，该环形天线14的磁场分布如图3所示，在图3中，标号14a表示磁力线。
其结果，该通信范围成为前后、左右和上下对称。在这种情况下，如果辐射的磁场强度限制到无线电定律的规定内得到的辐射电磁场强度(在离通信范围3米的位置处为500μV/m)，则通信距离受到限制，通信质量难以保证。
由于环行天线方向性弱，则环行天线往往容易受到靠近该环行天线的金属材料的影响。
图4表示发射天线14、27的另一实例，如图4所示，天线线31绕在由铁磁材料制的罐形磁芯30a的凹槽部分，在这种情况，磁力线从凸出的磁芯30a的中心延伸到环行磁芯30b的外边缘，如图4的实线所示，然后，与此同时如图4的虚线所示，在所有方向产生漏磁通，并且环行天线容易受靠近该环行天线的金属材料的影响。
如图5所示，当图4的天线用作读/写卡1的发射天线14时(例如用作自动票据系统的信息卡系统)，非接触信息卡2能从任意方向检查。然而，由于在所有方向产生漏磁通，则由非接触信息卡2接收的磁通强度减小了。在这种情况，为了增加磁通强度，罐形磁芯30是小型化磁芯。就存在通信范围减小的缺点。
鉴于上述的一个方面，本发明的目的是提供一种不受非接触信息卡置入磁通的倾斜角的限制和能够有效传输电能的通信天线，以及制造和使用该通信天线的方法。
本发明的另一目的是提供一种为了限制通信范围而具有方向性的通信天线，以及制造和使用该通信天线的方法。
本发明的还一目的是提供一种通信天线，其中，用于非接触信息和读/写卡天线的通信范围能够足以保证，以及制造和使用该天线的方法。
本发明的再一个目的是提供一种通信天线，其中，不管非接触信息卡接收时的位置方向都能有效发射电能，以及制造和使用该天线的方法。
根据本发明的第一方面，设置在读/写卡的通信天线通过电磁感应，从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡，或者从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡和从非接触信息卡接收信息信号该通信天线包括多个设置在磁件上的磁极，该磁件发送和接收磁通，和用于发送或者发射和接收固定在至少一个磁极上的信息信号的线圈。
根据本发明的第二方面，设置在读/写卡的通信天线通过电磁感应，从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡，或者从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡和从非接触信息卡接受信息信号。该通信天线包括带有孔的外壳，通过该孔发射和接收磁通；和用于发送或者发射和接收信息信号安装在该外壳上的线圈。
根据本发明的第三方面，设置在读/写卡的通信天线通过电磁感应，从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡，或者从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡和从非接触信息卡接收信息信号。该通信天线包括带有孔的外壳，通过该孔发射和接收磁通；和插入在外壳内由绕在磁件上导线构成的线圈。
根据本发明的第四方面，设置在读/写卡的通信天线通过电磁感应，从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡，或者从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡和从非接触信息卡接收信息信号。该天线包括构成通信天线的环形天线，其中，环形天线把天线导线向上弯曲成环形构成，以便反向电流流到邻近的环形线圈。
根据本发明的第五方面，所提供的制造通信天线的方法包括步骤天线导线是绕在以预定间隔固定的多个线轴上，而天线导线是在线轴之间交替往返。
根据本发明的第六方面，设置在读/写卡的通信天线通过电磁感应，从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡，或者从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡和从非接触信息卡接收信息信号。该天线包括天线导线、导线图形，该导线图形具有其上形成天线导线和调节条的绝缘材料的基片，其中在绝缘基座的两个表面上形成导线图形并且通过通孔连接，以致在相邻环行天线中的电流以相反方向流动。
根据本发明的第七方面，提供了一种使用通信天线的方法，该通信天线是这样使用的该环形天线设置在使该天线的磁通方向沿着移动的非接触信息卡方向延伸。
本发明的上述和其它目的，特征和优点通过对下面结合附图的实施例的详细描述中将更为显而易见。其中，在各附图中使用的相同标号，则表示同一的和类似的部件。
图1是表示信息卡系统实例的方框图；图2是用于解释电磁感应的透视图；图3是用于解释环形天线的示意图；图4是表示短距离通信天线实例的透视图；图5是用于解释图4所示的短距离通信天线的平面图；图6是根据本发明的和一实施例表示短距离通信天线的透视图；图7是用于解释图6所示短距离通信天线的图；图8是表示在环形天线中产生的磁通状态的示意图；图9A是用于解释在非接触信息卡相对于环形天线水平放置之间关系的示意图；图9B是用于解释在非接触信息卡相对于环形天线直角放置之间关系的示意图；图10是根据本发明的第二实施例的短距离通信天线的平面图；图11是图10所示的短距离通信天线的横截面图；图12是用于解释在根据本发明短距离通信系统中产生的磁通状态的示意图；图13根据本发明的第三实施例的短距离通信天线的平面图；图14是图13所示的短距离通信天线的横截面图；图15是根据本发明第四实施例短距离通信天线的平面图；图16是根据本发明第五实施例短距离通信天线的平面图；图17是图16所的短距离通信天线的透视图；图18是根据本发明第六实施例短距离通信天线的平面图；图19A是根据本发明的第一制造方法用于绕制短距离通信天线的装置实例的平面图；图19B是该装置的前视图；图19C是该装置的侧视图；图20是根据本发明的第二制造方法用于制造短距离通信天线的自动绕制机的前视图；图21是图20所示的自动绕制机的平面图；图22是结合图19A至19C的绕制装置的自动绕制机的绕制头的操作次序表；图23A是根据本发明的第三制造方法的用于制造短距离通信天线的绕制装置另一实例的平面图；图23B是该装置的前视图；图23C是该装置的侧视图；图24是结合图23A至23C所示的绕制装置的自动绕制机的绕制头的操作次序图；图25是根据本发明第七实施例的短距离通信天线的透视图；图26是用于解释图25所的短距离通信天线的透视图27是用于解释图2 5所示的短距离通信天线中产生的磁场作用的示意图；图28是短距离通信天线的相应实例的透视图；图29是使用根据本发明的短距离天线的方法的平面图；图30是根据本发明第八实施例的短距离天线的透视图；图31是根据本发明的第九实施例的短距离天线的分解透视图；图32是图31所示的短距离天线的横截面图；图33是根据本发明的第十实施例的短距离通信天线的分解示意图；图34A至35G是用于根据本发明的短距离通信信道的铁氧体磁芯实例的横截面图；图36是根据本发明第十一实施例的短距离通信天线的分解透视图；图37是图36所示的短距离通信天线的横截面图；图38是根据本发明的第十二实施例的短距离通信天线的分解透视图；图39是图38所示的短距离通信天线的横截面图；图40是用于解释扁平型导线线圈的实例示意图；图41是用于解释圆型导线线圈的实例示意图；参照附图1，6和7，将开始详细描述根据本发明的第一实施例短距离通信天线45。
如图1所示的该实施例中，来自主控单元10的传输信息的数字信号通过P/S变换器12变换成串联数据送到数字调制器/放大器13。其中，它是以数字调制方式调制例如ASK调制，然后放大。在数字调制器/放大器13的输出端得到的数字调制信号送到发射天线14。
根据这个实施例，短距离通信天线45，如图6和7安排的信息卡系统的发射天线14。
如图6和7所示，由铁氧体材料制成的U形磁芯40包括两个磁极40a、40b。U形磁芯40是这样设置的它的两个磁极40a和40b放在沿着如图7所示的非接触信息卡2扫描的方向。
因此，根据这个实施例，天线导线41绕在U形磁芯40的磁极40a上，在数字调制器/放大器13的输出端得到的数字调制信号送到天线导线41。
根据这个实施例，连续磁芯40的磁极40a和40b的方向设置至扫描方向a，即，非接触信息卡2的预定表面安排成如图7所示的对着天线45。
如上所述，根据这个实施例，由于U形磁芯40的两个磁极40a和40b设置在沿非接触信息卡2的扫描方向，则由天线导线41产生的主磁通和漏磁通仅产生在处于磁极40a和40b之间的非接触信息卡2的扫描方向上。如图6的实线和虚线所示。由于该磁场强度具有方向性，通信区域之外的磁通泄漏是小的。因此在天线电定律的规定范围内通信区域能够延伸，由它发射和接收信息可令人满意。由于磁通泄漏是小的。所以，基本上能够防止因靠近通信天线的金属材料而影响通信。
根据这个实施例，由于磁场强度具有非接触信息卡2的扫描方向的方向性，则磁通密度能够改善，并能提高发射和接收的效率。
当具有两个磁极40a和40b的U形磁芯用于上述的磁芯40时，本发明并不因此受到限制，该磁芯可以具有三个或者更多沿着一个方向设置的磁极。在这种情况，如果磁芯具有四个或者更多磁极，则天线导线41将优选地绕在多个磁极上。
如上所述，根据本发明的第一实施例，由于磁场泄漏到通信区域外面的磁通是小的，能够在无线电定律的规则范围内令人满意地发射和接收。即，由于磁通泄漏小，则基本上能防止因靠近通信天线的金属材料而影响通信。
根据本发明的第一实施例，由于磁场强度具有非接触信息卡的扫描方向的方向性，则磁通密度能够改善，能提高发射和接收的效率。
如果图8所示的圆环形天线51用作如图1所示读/写卡1的通信天线的相应实例，则环形天线51产生围绕环形天线51的圆环的磁通52，如图8的虚线所示。
因此，如图9A所示，如果非接触信息卡2与环形天线51平行放置，则在读/写卡1和非接触信息卡2之间能最有效地传输电能。然而，对于非接触信息卡2来说以这种保持不变的位置与通信卡2通信，基本上是不可能的。
例如，当非接触信息卡2放置在如图9B所示的与环形天线51成直角时，电能效率就能降低很多。
为提高电能效率，建议提高由通信天线51产生的磁能级，这种以前建议的方法是不可取的，因为它往往影响靠通信天线51的装置，并且稍受无线电定律的限制。
因此，要求增加新技术，该技术在接收有关的通信天线时不管非接触信息天线位置方向而能有效地传输电能。
能满足上述要求的本发明的第二实施例的通信天线将在下面描述。
图10是根据本发明第二实施例的用于读/写卡1的通信天线，即作为发射天线14和发射及接收天线16的短距离通信天线的平面图；图11是它的横截面图。
本发明的短距离通信天线61包括邻近的两个环形线圈63A和63B，这两个线圈是由把天线导线62向上扭转成环形构成的。以致在它的中间部分互相交叉，即象平面的无穷大符号。在两个线圈63A和63B中，电流i是反向流动的。馈电端64A和64B由天线导线62的两端分别引出。
由于在短距离通信天线61的两个环形线圈63A和63B中电流i是反向流动的，如图12所示，因此从一个环形线圈63A产生的磁通65返回到邻近的另一环形线圈63B，这样，相应于邻近的环形线圈63A和63B之间的部分66和67的磁通65是闭合的。而且，磁通65比从线圈63A和63B的左和右产生的磁通倍增，以致66和67部分的磁通密度增加。因此，设置在66和67部分中的非接触信号卡2通过电磁感应能产生足够的感应电压。
在通信时，非接触信息卡2移过相对于天线61有一倾斜角的66和67部分，在这种情况，由于天线61的磁道65是闭合的，则非接触信息卡能与读/写卡1可靠地通信，而不管其方向，即非接触卡2相对于天线61的倾斜角。
尤其是，当非接触信息卡2处于相对于环形天线61的平面成直角时，也就是短距离通信天线处于图12中实线所示的66或67部分(在图12中是部分66)时，或者当非接触信息卡2处于相对于环形天线61的平面平行时，如图12中双点链线所示，即在任何情况下，读/写卡1和非接触信息卡2互相能可靠地通信。
根据本发明的第二实施例，不管非接触天线信息卡2相对于环形天线61的倾斜角，其电能的传输效率比具有单环的天线有所提高。
当通信是通过利用如图12所示的短距离通信天线61的磁通是闭合的部分66和67有效地进行时，如果将部分66和67的磁通65抑制到最小，则相应于天线终端部分68的磁场65a变弱。因此，尽量减少对附加装置的干扰是可能的。
在短距离通信天线61中，非接触信息卡2仅受到相应于相邻环形线圈63A和63B之间的区域的部分66和67的区域的限制。
图13是根据本发明第三实施例表示短距离通信天线71的平面图，图14是它的横截面图。
本发明的短距离通信天线71包括邻近的两个环形线圈63A和63B，这两个线圈是由把在线导线62向上扭转成环形构成的，以致在它的中间部分相互交叉，即象类似于图10的图13平面图中的无究大符号。实际上，两个线圈63A和63B弯成一个由两个线圈63A和63B构成的小于180°θ角。
当两个环形线圈63A和63B弯成上述形状时，通信天线71具有方向性，以致非接触信息卡2的操作区域减小。因而，用于安装通信天线71的空间也能减小。
图15是根据本发明的第四实施例的短距离通信天线83的平面图。
如图15所示，短距离通信天线83包括多于三个环形线圈，在这个实施例中，相邻的三个环形线圈84A、84B和84C是由单根天线导线62绕成环形构成的。在这三个环形线圈84A、84B和84C中，电流i是反向流动的。馈电端64A和64B由天线导线62的两端分别引出。
在短距离通信天线83中，由中心环形线圈84B产生的磁通分别返回到连接中心环形线圈84B的环形线圈84A和84B。因此，磁通的相应于邻近的环形线圈84A和84B以及相邻的环形线圈84B和84C之间的天线导线62的交叉部分的区域中是闭合的。其结果，高磁通密度的区域扩大了，以致非接触信息卡2的操作区域能够延伸任意距离，那就是说，非接触信息卡2的操作区域能够扩大。
同时，在环形线圈84A和84B绕一圈时，仅环形线圈84B是绕二圈，这样，环形线圈84A环形线圈84B环形线圈84C的圈数之比是1∶2∶1。
如上所述，通过选择上述实施例，自由设置非接触信息卡2的操作区域是可能的。
图16是根据本发明第五实施例的短距离通信天线的平面图，图17是它的透视图。
本发明短距离通信天线90包括绝缘基座91，作为天线导线倒S形的导线图形92形成在绝缘基座91的上表面91a上，和作为天线导线倒S形的导线图形9 3形成在基座91的下表面91b，以致在上表面91a上构成的倒S形的导线图形92在中间部分交叉。导线图形92和93的一端经过通孔94连接。两个导线图形，即由相邻两个环形线圈95A和95B形成的导线图形92和93中的电流i是反向流动的，如图16的平面图所示。导线图形形成的馈电端96A和96B是从环形线圈95A和95B的终端分别引出的。
在这个短距离通信天线90中，由于在相邻的环形线圈95A和95B中电流i是以类似于图10的实例反向流动的，所以从一个环形线圈95A产生的磁通返回到另一环形线圈95B，由此磁通是闭合的。
与图10的实例相同，在非接触信息卡2中能够产生足够的感应电压。因而，不管非接触信息卡2相对于通信天线90的平面的倾斜角，读/写卡1和非接触信息卡2能够互相可靠地通信。
图18是根据本发明第六实施例的短距离通信天线的平面图。
如图18所示，发明的短距离通信天线100与短距离通信天线90的区别仅在于，多个调节条(金属箔条)101形成在与导线图形即天线导线图形92和93一起的绝缘基座91的上表面上。
当短距离通信天线100能够取得类似于图16所示实例的短距离通信天线90的作用和效果时，由于短距离通信天线100包含调节条101，则能消除施加在天线周围的装置上的影响，和校正制造天线导线图形92、93时引起的偏差。
适当地移动调节条101，就很容易完成调整。
如图16和18所示的天线导线图形92、93或调节条101能够由沉积在绝缘基座91上的处理过的导电箔和导电层通过化学局部蚀刻构成，根据短距离通信天线90和100，天线导线图形92、93或调节条101能够通过化学蚀刻高精度地设置和校正。因此，同样尺寸的多个环形线圈95A、95B能够在预定的位置构成，并且适合于大量生产。
在短距离通信天线90中，环形线圈95A、95B是由绝缘基座91的两个表面91a、91b上构成的导线图形92、93组成，两个环形线圈95A、95B能够高精度小型化地制造。而且短距离通信天线能够容易安装。
两个环行线圈95A和95B以上述图16和18的实例构成时，本发明并不限制可由三个线圈或更多线圈构成。
环形线圈63A、63B、84A、84B、84C、95A和95B的每个形状如平面图所示的适当的圆形时，本发明并不限制他们可以是适合的形状，如椭圆形和短形。然而，如图10、13和15所示的天线导线62可由线形的天线导线构成，因此，能多倍绕在天线的厚度方向。
根据本发明的制造短距离通信天线的方法将在下面描述。
如图19A至19C所示，首先，准备一包括在其上有一对线轴的公共基座201的绕线装置204，线轴202、203以互相对置设置在预定的空间中。把天线导线绕在绕线装置204的一对线轴202、203上，例如手工地绕成S形。尤其是，天线导线以相反的方向交替地绕在两个线轴202、203上，以致这个天线导线以逆时针方向绕在左线轴上，那个天线导线以顺时针方向绕在右线轴203上。
通过使用绕线装置204，很容易地，例如用手工就能制造如图10所示的发明的短距离通信天线61。
当在左和右天线环之间交叉部天线导线重叠而频率下降时，在天线导线以几倍(例如二或更大)作为一个单元绕左线轴202之后，天线导线也应以相同数绕右线轴203，由此使得制造目标短距离通信天线成为可能。
根据本发明其它制造方法将在下面描述。在该制造方法中，使用如图20和21所示的自动绕线机制造短距离通信天线是可能的。
根据该实施例，如图20和21所示，自动绕线机209包括安装在工作台206上如图19A至19C所示的绕线装置204，使绕线装置204仅能以一个方向往复移动。该自动绕线机209包括附加的旋转臂208安装在工作台206上。旋转臂208具有天线导线供给头(也称为绕线头)207。如图21所示，旋转臂208能够围绕旋转轴210旋转，以致旋转臂208能以与绕线装置204的往复方向交叉垂直于往返方向b的C方向上往返。
天线导线62沿着旋转臂208移动，并供给到附加在旋转臂208的天线导线供给头207。
在自动绕线机209中，当旋转臂208围绕旋转轴210旋转时，旋转装置204仅以一个方向b往返，类似于手工操作，天线导线62以S形绕在绕线装置204的线轴202、203上，用于制造例如包括两个环形圈63A、63B的图10所示的发明的短距离通信天线61。当然，天线导线62也可以多倍绕在线轴202、203上。
图22表示天线导线供给头207的操作次序。该天线导线供给头207的操作次序和它的位置通过(1)至(8)表示。(A)栏表示当天线导线供给头根据绕线装置204以方向b左右移动操作时，该天线导线供给头207顺闪所处的位置。(B)栏表示当天线导线供给头207根据旋转臂208以C方向旋转移动操作时，该天线导线供给头207顺次所处的位置，当天线导线供给装置207和绕线装置204相对于水平轴相间隔时，(例如，在(A)栏中(1)和(2)与在(B)栏中(2)和(3))，其移动量或旋转位移量是大的。当天线导线供给头207和绕线装置204处于并排放置时(例如，在(A)栏中(2)和(3)与在(B)栏中(1)和(2))，其移动量或旋转位移量是小的。
通过以图22所示的方式使用往复绕线装置204和旋转臂208，制造如图10所示的短距离通信天线61是可能的。
在根据栏(A)和(B)改变操作时，通过类似手工方式以天线导线62的几倍作为一个单元绕在左和右线轴202、203上，减小在交叉部分天线导线62重叠频率是可能的。
如图20和21所示的自动绕线机209中，如果绕线装置204和旋转臂208的能源是由合适的电机构成。例如以直线方式工作的步进电机，则自动绕线机能够做成简单的和便宜的。而环形线圈绕制的类型，例如一圈或二圈不同的绕制是很容易转换的，并且是非常经济的。
图23A至23C和图24表示由三环形线圈组成的制造短距离通信天线的另一个方法的例子。
如图23A至23C所示，所提供的绕线装置具有在其上设有三个线轴212、213、214的公共基认211，而这三个线轴是按相邻线轴之间的预定的间隔排列的。
如图20和21所示的安装在自动绕线机209上的绕线装置215代替绕线装置204。通过往复绕线装置215和旋转臂208沿着操作位置(a)至(h)和天线导线供给头207如图24所示的操作次序(1)至(12)，制造例如图15所示的发明的短距离通信天线是可能的。
图24的表所描述的方法与图22的表所描述的方法相同，不需详细描述。
在图24所示的表的情况下，在天线导线绕在线轴212、213、214的圈数经是1∶1∶1。在该情况下，如果仅在操作次序(1)至(4)中天线导线绕在线轴212、213、214上是重复的两倍，则用这种方法制造三环形线圈，中央环形线圈的圈数成为左和右环形线圈圈数的两倍。根据这种环形线圈的安排，所产生的磁通量能很好地对称。
根据本发明的短距离通信天线，由形成多环线圈所构成的部分磁通是闭合的。由于来自相邻线圈磁通的最佳协作，那部分磁通密度增加了。使得满足用于读/写卡1和非接触信息卡2互相通信是可能的。即，不管非接触信息卡2在接收时的方向(倾斜角)，非接触信息卡2能有效地接受伴有信息信号的磁场是可能的。
因此，非接触信息卡的方向能够相对于读/写卡的通信天线自由地选择。
当IC卡系统按预定的区域工作时取得设定的通信范围将成为可能，即在装置附加IC卡系统时，尽量减少干扰是可能的。
根据本发明制造短距离通信天线的方法，制造具有高精度短距离通信天线是可能的，该天线由交叉的天线导线构成的多个环形线圈组成，而天线导线中电流是反向流动的。
根据下面的本发明的实施例的短距离通信天线包括具有一个或两个以上通过磁通的孔的金属外壳和安装在该金属外壳上的天线线圈。该外壳由导体制成，优选地由金属材料制成，更优选地由铜板制成。外壳的材料并不限制，只要具有屏蔽功能的材料就可以了。
当外壳具有多个两个孔时，通过外壳形成缝(槽)，以使孔之间相互连接。
外壳的尺寸和形状并不特别限制，如果外壳是U形或E形，磁通容易在一个方向闭合，然而天线的磁通方向沿着非接触信息卡的移动方向延伸。这样，通信范围能够扩大。
磁件(磁芯)能插入到外壳内。该磁件能插入到外壳的一部分或全部。
一般，磁件是铁氧体磁芯，和磁件的形状并不限制，只要能插入到外壳内就可以了。
所述的线圈，可以用由绕制导线构成的线圈、导线绕在磁芯上构成的线圈、导线绕制在线轴上构成的线圈和通过蚀刻导体成螺旋形构成的线圈。
该线圈将优选采用设有空间的扁平型导线绕制而构成。
参照图25和下面的附图，将描述根据本发明实施例的短距离天线和使用该天线的方法。
在下面实施例中，按照以前参照图1的说明，从主控制单元10传输信息的数字信号通过P/S变换器12变换成并/串数据，并且送到数字调制器/放大器13，在数字调制器/放大器13中，被处理成数字调制形式，例如ASK调制，然后被放大。在数字调制器/放大器13的输出端得到的调制被送到发射天线14。
在下面实施例中，图1所示的读/写卡1中的发射天线14和接收天线16能够形成作为发射和接收天线的单一天线。在非接触信息卡2中的接收天线20和发射天线27能够形成作为发射天线和接收天线的单一天线。在非接触信息卡2上的发射和接收天线能够由蚀刻金属薄膜或金属箔构成。
根据下面实施例，本发明适用于短距离通信天线，该天线成为发射天线14或者作为信息卡系统的发射天线14和接收天线16的发射和接收天线。
图25表示根据本发明的第七实施例的短距离通信天线，并参照本发明的原理进行解释。
如图25所示，发明的短距离通信天线331是由U形圆柱状的金属外壳335和安装在外壳335上的发射和接收线圈(称为天线线圈)336组成，在金属外壳中，从水平部分332的两端延伸的垂直部分333a、333b的上端表面构成孔334a和334b。该外壳335是由其有磁屏蔽功能，即非磁导体，例如铜、金属构成的。该外壳335用于把从天线线圈336产生的磁通沿着外壳335的内部引导而成为导磁圆柱。外壳335由通过空气或塑料材料的磁通流通部分和被金属板围绕的围绕部分制成。
线圈336绕在外壳335的一个垂直部分333b的内周围表面。
线圈336能够安装在外壳335中的其它位置或者能够绕在外壳335的外面。
如图26所示，圆柱形外壳335包括为了防止感应电流i1、i2、i3而与由线圈336形成的磁通路交叉的短路环路，即缝(槽)337。该缝337通过U形内侧的导磁圆柱的整个长度延伸，即通过水平部分332和两个连接到两个孔334a和334b的垂直部分333a、333b。
短距离通信天线331的作用将在下面描述。
线圈336设置在金属外壳335内，产生伴随着全部方向的信息信号的磁通。如图26所示，磁通一般分为磁通S和磁通P，磁通S由一个孔334a产生到外壳335的外边并从另一孔334b返回到外壳335的内侧和磁通P企图通过外壳335的金属板。
考虑具有高频交流磁通，如图27所示，磁通P企图通过外壳335的金属板，它的分量R垂直于外壳335的金属板，在外壳335金属板中产生涡流。通过涡流产生的磁通-R产生消除原来磁通R的方向，其结果，外壳335的金属板起着抗磁材料的作用，以消除通过外壳335的金属板的磁通R。这样，磁通P的大部分成为沿外壳335的金属板流动的分量Q。
其结果，由线圈336产生的大部分磁通形成一个磁通路，该通路通过外壳335的内侧，即导磁圆柱内侧从一个孔334a延伸到外壳335的外侧并从另一孔334b退回到外壳335的内侧。这样，磁通是闭合的，并且有害的泄漏磁通几乎被抑制。
由于缝337通过外壳335构成，电流i1、i2、i3与图26所示的磁通路交叉。以防止如图26所示的外壳335中的感应。因此，抑制由电流i1、i2、i3产生的磁通的出现是可能的，其原因是电流i1、i2、i3产生的磁通与通过磁通路流动的原来磁通的方向相反。
在另一方面，在如图28所示由绕在U形磁件(例如铁氧体磁芯)341上的线圈342构成的U形磁路的天线(比较实例)的情况下，磁效率是高的，并且灵敏度也是高的。通过流过两端的U形磁通路，就能获得有用的磁通343。另外，也产生从U形磁件的一端流到其后表面的泄漏磁通334。由于泄漏磁通334的存在，如果导线(体)或噪声源靠近该U型磁路的周围，则它们容易受到泄漏磁通334的影响。这将存在产生读数误差的危险。
根据如图25所示的第七实施例的短距离通信天线331中，由金属板构成的外壳335具有磁屏蔽能力，以避免从孔3346流到外壳后表面的有害泄漏磁通339的出现。
如上所述，根据本发明短距离通信天线331，从线圈336产生的伴随信息信号的主磁通340仅发生在两个孔334a和334b之间的方向上。由于该磁场强度具有方向性，通信区域能足以保证在无线电定律的规定范围内，并且流到通信区域外面的泄漏磁通能够被抑制。这样就能获得基本上防止置于靠近天线的导线(体)(例如金属材料)干扰的高性能天线。
当天线与短距离的某地通信时，甚至如果外壳335的内部磁阻有些增加的话，由于原来的外部磁阻很大，所以也能防止天线性能的很大降低。
当外壳335制成空心时，该天线非常轻，并且是便宜的。
另一方面，根据这个实施例，如图29所示，使用中的短距离通信天线331是这样设置的，以致在孔334a和334b之间天线的磁通方向沿着如图1所示的非接触信息卡2的移动向延伸。
如果该短距离通信天线331沿着非接触信息卡2的移动方向a而设置，则通信区域能够扩大。
图30表示根据本发明的第八实施例的短距离通信天线347。
该短距离通信天线347与图25所示的短距离通信天线331的差别在于，设置在具有两个孔334a和334b的U形外壳335内的整个磁路用磁件，例如铁氧体磁芯348来替换。在所示的实例中，被绕上线圈336的长方形的铁氧体磁芯348插入外壳335的一个垂直部分333b中。
根据本发明的第八实施例的短距离通信天线347与如图25所示的短距离通信天线331相比较，由于铁氧体磁芯348插入由U形外壳335构成的磁场中，该磁路的磁阻能更加降低，磁通能更容易通过外壳335，有害的泄漏磁通也能减少更多。这样，主磁通的辐射效率能够提高。
由于铁氧体磁芯348是通过金属外壳335磁性屏蔽的，抑制由铁氧体磁芯348产生的不希望的有害泄漏磁通是可能的。由于铁氧体磁芯348插入外壳335中，虽然天线显得有些笨重，但能防止附近导线(体)的干扰，可能获得高效率、高性能的天线。
如果根据性能，重和实际成本，选择插入铁氧体磁芯的大小，然后，获得具有低有害的泄漏磁通，高质量的合适的短距离通信天线是有可能的。
图31和32表示根据本发明的第九实施例的短距离通信天线。如图31所示，发明的短距离通信天线351包括由具有三个孔352a、352b、352c的E形圆柱构成的金属外壳，即外壳353具有水平部分355和从各端垂直延伸的垂直部分356a、356b、356c，和水平部分355的中央，和形成孔352a、352b、352c的垂直部分356a、356b和356c的端面以及绕上线圈336的线圈线轴354插入外壳353中，即在这个实施例中垂直部分具有中央孔352b。
金属板构成的E形外壳353与上述E形外壳335的形状相似，E形外壳353也包括通过垂直部分356a、356b、356c和水平部分355连接孔352a和352b和孔352b和352c构成的缝357，以避免如上所述的与磁通短路交叉。
根据本发明的第九实施例的短距离通信天线351，由线圈336产生的磁通350a和350b构成的磁通路从外壳353的中央孔352b延伸到外壳353的外面，至从外壳353的各端的孔352a和352c返回到外壳353的内部，由此闭合磁通路350a和350b。这样，有害的磁通路能与图25所示的实施例一样被抑制。由线圈336产生的主磁通350a、350b仅在外壳353的中央孔352b和其它各端的孔352a、 352c之间的方向上产生。由于该磁场强度具有方向性，泄漏到通信区域外面的磁通是少的。因此，通信区域能足以保证在无线电定律的规则范围内，即通信区域能足够延伸。由于有害的泄漏磁通几乎都被抑制，获得能够基本防止邻近导线(体)的干扰的高性能天线。
图33表示根据本发明的第十实施例的短距离通信天线。
根据本发明的第十实施例的短距离通信天线357与图31所示的短距离通信天线351的差别仅在于，缠绕线轴354的线圈336由缠绕线圈336的磁件，即铁氧体磁芯348代替，并把它从中央孔352b插入到中央垂直部分356b。
根据本发明的短距离通信天线357，由于铁氧体磁芯348插入到E形外壳353组成的磁路中，与图31所示实施例相比较，磁通更容易通过磁路，磁阻能够下降，有害的泄漏磁通更能减少，并且主磁通的辐射效率能够提高。
插入外壳353的磁体，例如铁氧体磁芯348，可以采用各种形状的磁体。如果根据性能、重量和实际成本选择插入的铁氧体磁芯的量，则得到基本不产生有害的泄漏磁通的质量优秀的适合天线。
参照图34A至34D和图35E至35G，将描述铁氧体磁芯348的实例。
图34A表示具有缠绕线圈336的铁氧体磁芯348仅设置在E形外壳353的中央垂直部分356b内的实例。
图34B表示具有缠绕线圈336的铁氧体磁芯348设置在从中央垂直部分356b的上表面到水平部分355的底表面的实例。
图34C分别表示具有缠绕线圈336的铁氧体磁芯348设置在从中央垂直部分356b的上部到水平部分355的底表面的没有缠绕线圈336的铁氧体磁芯348设置在从E形、外壳353两端的垂直部分356a、356c的上表面到水平部分335的底表面部分的实例。
图34D表示E形磁芯348全部充满设置在E形外壳353中的实例。顺便说，线圈336绕在铁氧体磁芯348的中央凸出部分。
图35E表示外壳353两端的垂直部分356a、356c与设置在外壳353中的水平部分335相连结的U形铁氧体磁芯348的实例。
图35F表示仅设置在外壳353中间的水平部分335上的铁氧体磁芯348的实例。
在图35E和35F中，线圈336绕在中央垂直部分356b的内表面。
插入U形外壳335中的铁氧体磁芯348，可以采用各种形状，例如，图35G表示设置在如图25实例的外壳335中的U形磁芯的实例。如图35G所示，线圈336不绕在外壳335的内表面，却绕在外壳335的外面。
图36和37表示根据本发明的第十一实施例的短距离通信天线359。
如图36和37所示，发明的短距离通信天线359包括E形外壳360，其中，在中央垂直部分356b与左和右端垂直部分356a和356c之间构成的间隔361的侧表面是闭合的。线圈336安装在外壳360上，在这个实施例中，具有绕在E形磁芯348的中央凸出部分的E形铁氧体磁芯348插入在E形外壳360的侧边间隔中。
根据该实施例的短距离通信天线359中，由于其外壳360从侧边看具有连续的长方形结构，因此，它比包括E形外壳353的短距离通信天线的情况能更好地抑制泄漏磁通是可能的。根据这个实施例的短距离通信天线359能得到如图31和33所示的短距离通信天线相类似的作用和效果。
图38和39表示根据本发明的第十二实施例的短距离通信天线。
如图38和39所示，根据本发明的这个实施例的短距离通信天线362包括长方形结构的金属外壳364，它具有限定在外壳364上表面的孔363，和E形磁芯件，即铁氧体磁芯348，该磁芯348具有绕在其中央凸出部分的线圈336，并把磁芯插入到外壳364中。外壳364由构成上述外壳335的金属板相类似的金属板构成。
根据该实施例的短距离通信天线362中，如图39所示，由线圈336产生的磁通365a、365b，其磁路从开口部分336延伸到外壳364的外边和从开口部分363的各端返回到外壳364的内部。这样，磁通365a、365b是闭合的。在这种情况下，有害的泄漏磁通336能由外壳364屏蔽而不致于产生。因此，在保证足够的类似于上述的通信区域的同时，能够获得泄漏到通信区域外面的磁通是小的和靠近天线的导线(体)的干扰是小的天线。
根据这个实施例的短距离通信天线能够适用于内部磁通路的干扰是小的和根据特性尽量不产生显著坏影响的情况。
由于各实施例的外壳是由薄铜板构成的，虽然未示出，为了提高其机械强度，使用双结构构成外壳是可能的，即在外壳的外面复合一层机械性强的铁材料构成的外壳。
在根据如图30、31、33、34、35、36和38所示的各实施例的短距离通信天线中，当该天线使用时，天线的磁通方向沿着类似于图29的非接触信息卡2的移动方向延伸。因此通信区域能够延伸。
在另一方面，作为线圈336，优选的是如图40所示的扁平型导线线圈462，而不是图41所示的圆形导线线圈461，其理由如下，扁平型导线线圈462的一圈导线产生的局部磁通370的磁通路的长度比圆形导线线圈461的磁通路长，因此，磁阻增加和局部磁通370减少了。然而在扁平型导线线圈462的情况下，在相邻导线之间外部，局部磁通370互相抵消成为小的。在另一方面，圆形导线线圈461的情况下，局部磁通370仅在相邻导线的中央部分的外面互相抵消，但是，要在导线的周围部分的相互抵消是困难的。因此，若使用扁平型导线线圈，更多减少有害的泄漏磁通是可能的。如图40和41所示，标号371表示主磁通。
根据本发明的短距离通信天线，由于伴随信息信号的磁通是闭合的，则通信区域能够足以保持，并且采用金属外壳使泄漏到通信区域外部的泄漏磁通能够减少。因此，能在无线电定律的规则范围内满意地发射和接收。该泄漏磁通是小的，所以设置在天线附近的导线(体)的干扰也是小的。
因而，由于磁场强度具有方向性，则提高了磁通密度，也提高了发射和接收效率。
当缝(槽)通过外壳构成时，与磁通交叉的感应电流被屏蔽，和根据感应电流产生的反向磁通也被屏蔽。由此使得抑制更多的有害的泄漏磁通成为可能。
当磁件设置在外壳内时，形成在外壳内的磁路的磁阻能够降低，天线辐射磁通的效率能够提高。
由缠绕在磁件上的导线构成的线圈插入外壳中，从线圈产生的磁通通过磁件。因此，泄漏磁通能够更好抑制，并且磁阻变小。这样，提高天线辐射磁通的效率是可能的。
当采用扁平型导线作为构成线圈的导线时，在每根导线中产生的局部泄漏磁通能够被抑制。因此，获得具有更小泄漏磁通的短距离通信天线是可能的。
此外，根据使用本发明的短距离通信天线的方法，通过设置短距离通信天线扩大通信范围是可能的，以致天线的磁通方向沿着非接触信息卡的移动方向延伸。
结合附图描述了本发明的优选实施例，可以理解为本发明并不受那些明确的实施例的限制，在不脱离如附加的权利要求中所定义的。本发明的精神范围的条件下，本领域的普通技术人员能作出各种变化和改型。
权利要求
1.一种设置在读/写卡上的通信天线，通过电磁感应，从所说的读/写卡发射信息信号到非接触信息卡，或者从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡和非接触信息卡接收信息信号，包括构成所说的通信天线的环形天线，其中所说的环形天线是由把天线导线向上弯成环形构成的方式，以致至少环形线圈具有以反向流到相邻线圈的电流。
2.一种制造通信天线的方法，其步骤包括把天线导线绕在固定在预定间隔的多个线轴上，而所说的天线导线在所说的线轴之间是交错往复的。
3.根据权利要求2的一种制造通信天线的方法，其中，所说的线轴固定在能够往返的工作台上，并且，所说的天线导线通过臂缠绕在所说的线轴上，该臂具有供给所说的天线导线的往返的天线导线供给头。
4.一种设置在读/写卡上的通信天线，通过电磁感应，从所说的读/写卡发射信息信号到非接触信息卡，或者从读/写卡发射信息信号到非接触信息卡和从非接触信息卡接收信息信号，包括第一天线导线；第二天线导线；和调节条；所说的第一和第二天线导线和所说的调节条构成在绝缘材料基片的上、下表面上，以形成导线图形，所说的在绝缘基座的上、下表面上构成的导线图形是通过通孔连接的，以致在相邻环形天线的电流以反向流动。
全文摘要
一种用于读/写卡的短距离通信天线包括设置在磁件上的多个磁极，和安装在至少一个磁极上的线圈，还具有发射和接收磁通的孔径的外壳，和安装在所述外壳上的线圈，用于发送或发射和接收信息信号。其特征在于通信天线的磁通是闭合的，并且通信范围是受限的。
文档编号G06K7/08GK1392633SQ0113298
公开日2003年1月22日 申请日期1995年6月28日 优先权日1994年6月28日
发明者柳掘进, 藤本正弘, 折原胜久, 齐藤昭七 申请人:索尼化学株式会社