JP2006031508A

JP2006031508A - 非接触通信装置および保護回路

Info

Publication number: JP2006031508A
Application number: JP2004211149A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Tsushima; 貴晃津嶋; Kanjiro Shimizu; 貫二郎清水; Masahiro Kurosawa; 政寛黒澤; Toshiyuki Takahashi; 俊行高橋
Original assignee: Sony Ericsson Mobile Communications Japan Inc
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-20
Also published as: JP4562445B2

Abstract

【課題】静電気保護素子の端子間容量によるアンテナヘの影響を低減する。
【解決手段】ＲＦＩＤ用ＬＳＩ１３に対して、ＲＦＩＤ用アンテナ１１および同調用コンデンサ１２を含む同調回路が接続される。アンテナ１１の一端には静電気対策部２０が接続される。静電気対策部２０は、通常非導通で一定値以上の電圧が印加されたとき導通するツェナーダイオード１５（定電圧素子）と、非導通時に容量性素子とみなすことができるスイッチングダイオード１６（一方向導通素子）とを直列接続してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤ用回路に接続されるＲＦＩＤ用アンテナを備えた非接触通信装置に係り、特に、その静電気対策を行う保護回路に関するものである。

非接触ＩＣカード等、電磁波や電波を利用して比較的近距離の無線通信を行うシステムとして、ＲＦＩＤ(RFID: Radio Frequency IDentification)システムが普及してきている。このシステムは、カード型、シール型、円筒型等種々の形状のデータキャリアと、リーダ（またはリーダ／ライタ）との間でデータの送受信を行うものである。

ＲＦＩＤシステムを実現するためには、データキャリアには無線通信のためのループアンテナ（ＲＦアンテナ）が必要であるが、携帯電話機にこれを組み込む場合は筐体金属の影響やメカ的制約を受けるため、一般にアンテナ設計が困難になる。

また、無線通信を行う都合上、ループアンテナは携帯電話機筐体の最も表層に搭載されるため静電気放電（ＥＳＤ: Electro-Static Discharge）の影響を受けやすく、対策が必要となる。

半導体等の電子部品やＩＣを保護するためにツェナーダイオードを静電気対策手段として用いられている（例えば特許文献１参照）。ツェナーダイオードは、通常非導通で過大電圧の発生時に導通することにより、電子部品を静電気による破壊から保護する。
特開昭６２−３７７９１号公報

しかし、ループアンテナ上に静電気保護用のツェナーダイオードを追加した場合、ツェナーダイオードの端子間容量によってアンテナの共振周波数が影響を受ける。特に、アンテナの特性向上のために巻き数を大きくするとインダクタンスが増加するため、アンテナと共振回路を構成する同調用コンデンサの容量を小さくする必要があり、この同調用コンデンサの容量に対するツェナーダイオードの端子間容量の影響が相対的に大きくなり、その影響が無視できなくなる。

そのため、この影響の大きさによっては、その状態に合わせてアンテナの特性（形状、巻き数、パターン厚、パターン幅、パターン間隔等による）も変更する必要が生じる。

一方、ＥＳＤの影響もまたアンテナ特性の影響を受けるため、最終的にアンテナ特性と静電気保護を両立した最適解を見出すのは困難であった。

本発明はこのような背景においてなされたものであり、その目的は、静電気保護素子の端子間容量によるアンテナヘの影響を低減することができる非接触通信装置および保護回路を提供することにある。

本発明による非接触通信装置は、ＲＦＩＤ用回路と、このＲＦＩＤ用回路に接続される、ＲＦＩＤ用アンテナおよび同調用コンデンサを含む同調回路と、前記アンテナの一端に接続された静電気対策手段とを備え、前記静電気対策手段は、通常非導通で一定値以上の電圧が印加されたとき導通する定電圧素子と、非導通時に容量性素子とみなすことができる一方向導通素子とを直列接続してなることを特徴とする。

静電気放電によるアンテナ端子への過大電圧の発生時に前記静電気対策手段の定電圧素子と一方向導通素子とはＧＮＤに対して導通する。これにより、ＲＦＩＤ用回路を過大電圧から保護する。

定電圧素子と一方向導通素子とは非導通時に容量素子としてみなすことができるとともに、直列接続されることにより合成容量値は元の容量より小さくなる。非導通時の前記一方向導通素子の容量値を前記定電圧素子の容量値より小さくすることにより、両者の結合容量は前記一方向導通素子の容量値よりさらに小さくなる。

本発明による保護回路は、ＲＦＩＤ用アンテナに接続される同調用コンデンサと、前記同調用コンデンサに接続される静電気対策手段とを備え、前記静電気対策手段は、通常非導通で一定値以上の電圧が印加されたとき導通する定電圧素子と、非導通時に容量性素子とみなすことができる一方向導通素子とを直列接続してなることを特徴とする。この保護回路の作用は上記非接触通信装置と同様である。

本発明によれば、ＲＦＩＤ用アンテナの特性に対して非常に軽微な影響で静電気対策手段を講じることができるため、アンテナ特性と静電気対策の両立が容易になる。これにより非接触通信装置の開発期間の短縮が図れる。

また、本発明の利用により静電気対策部品の選択肢が増える。これは、部品コストの低下や部品入手性の向上につながる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施の形態における非接触通信装置の概略の構成を示している。この非接触通信装置は、非接触ＩＣカードのようなＲＦカードやＲＦタグと呼ばれるＲＦＩＤ用トランスポンダ（またはデータキャリア）に相当する。

非接触通信装置１０は、ＲＦアンテナとして機能するループアンテナ部１１、このループアンテナ部１１と並列に接続され共振回路を構成する同調用コンデンサ１２、同調用コンデンサの両端が接続されるＲＦＩＤ用ＬＳＩ１３、このＲＦＩＤ用ＬＳＩ１３の端子１３ａ、１３ｂの一方（ここでは１３ｂ）に接続される整流ダイオード１４、ループアンテナ部１１の一端（アンテナ端子１１ｂ）に接続されるＥＳＤ対策部２０により構成される。

ループアンテナ部１１は、リーダ・ライタからの搬送波１３．５６ＭＨｚを受信し、アンテナ端子１１ａ，１１ｂ間に搬送波の磁界変化に応じた波形の電位差を発生させるものである。同調用コンデンサ１２は、ループアンテナ部１１の持つインダクタンス成分と合わせて１３．５６ＭＨｚの共振周波数を得るための容量成分を有するコンデンサである。

ＲＦＩＤ用ＬＳＩ１３は、本実施例の形態では、ＡＳＫ(Amplitude Shift Keying)変調されたリーダ・ライタからの搬送波から２１２ｋＨｚの副搬送波を取り出すための復調回路、負荷スイッチング用スイッチ回路、クロック抽出回路、及び無線通信プロトコルの上位レイヤを実現するＭＰＵシステム、不揮発メモリ等が内蔵されたＬＳＩである。この構成自体は公知であり、特にその内部回路を図示することはしない。

本実施の形態において、整流ダイオード１４のカソードがＲＦＩＤ用ＬＳＩ１１の端子１３ｂに接続され、アノードが接地される。この整流ダイオード１４は、アンテナ部１１上の電圧波形をＧＮＤよりもプラス側にシフトさせ、単電源のＬＳＩにとって扱いやすくするためのダイオードであり、搬送波からＤＣ電源を抽出する目的にも使用される。

また、ＥＳＤ対策部２０は、本発明による静電対策手段であり、ループアンテナ部１１の端子１１ｂとＧＮＤとの間に、静電気保護素子としてのツェナーダイオード１５と、一方向導通素子としての高速信号用のスイッチングダイオード１６とを直列接続したものである。この例では、ツェナーダイオード１５のカソードがループアンテナ部１１のアンテナ端子１１ｂに接続され、そのアノードがスイッチングダイオード１６のアノードに接続される。スイッチングダイオード１６のカソードは接地される。スイッチングダイオード１６はできるだけ端子間容量の小さいもの（例えば０．５ｐＦ）を使用することが好ましいが、ツェナーダイオードは通常の端子間容量のもの（例えば約３０ｐＦ）でよい。静電気保護素子としてはツェナーダイオードの代わりにバリスタを用いてもよい。

次に、図１の非接触通信装置の動作を説明する。

（１）静電気印加時
静電気放電により、ループアンテナ部１１から正の過大電圧がアンテナ端子に印加された場合、ツェナーダイオード１５のツェナー電圧（Ｖｚｄ）とスイッチングダイオードの順方向電圧（Ｖｆ）とを加算した電圧にてアンテナ端子からＧＮＤへ電流が流れる。このため、ＲＦＩＤ用ＬＳＩ１３のチップ端子にかかる電圧はＶｚｄ＋Ｖｆ付近に抑えられ、チップの破壊を防ぐことができる。（但し、現実には、ダイオードがＯＮするまでにわずかな時間が掛かるため、静電気放電の立ち上がりではＶｚｄ＋Ｖｆよりも大きな電圧が掛かる。よって、Ｖｚｄは、チップの最大定格に対して余裕を見る必要がある。）

また、負の過大電圧に対しても保護をかけたい場合には、ツェナーダイオード１５、スイッチングダイオード１６共に極性を逆方向としたＥＳＤ対策部を別途追加すればよい。ただし、図１の回路の場合には整流ダイオード１４が存在するため、負の過大電圧に対する保護回路は追加する必要がない。

（２）通常動作時（無線通信時）
まず前提条件として、無線通信のための電圧波形がＶｚｄ＋Ｖｆを越えないようにツェナーダイオード１５を選定する必要がある。仮に信号波形がＶｚｄ＋Ｖｆを越えてしまうと、信号がクリッピングされてしまい通信ができなくなる場合がある。

信号波形がＶｚｄ＋Ｖｆを越えない範囲で使用する限り、このＥＳＤ対策部２０は等価的に図２の様に表すことができる。すなわち、ツェナーダイオード１５は所定の端子間容量（例えば３０ｐＦ）を持ったコンデンサ２１と見なすことができ、スイッチングダイオード１６のアノードには、端子１１ｂに現れる電圧波形３１のＡＣ成分の一部が現れることになる。このスイッチングダイオード１６のアノード波形が、スイッチングダイオード１６の順方向電圧Ｖｆを越えた場合、Ｖｆを越えた部分ではＧＮＤ側に電流が流れるため、波形３２はマイナス側ヘシフトし、図３の様に、波形３３のプラス側ピークがＶｆ（この例では０．５Ｖ）と一致したところで安定する。

安定後は、スイッチングダイオード１６がＯＮしない領域での動作になるため、その等価回路は図４の様になる。この状態ではスイッチングダイオード１６も所定の端子間容量（例えば０．５ｐＦ）を有するコンデンサ２２とみなすことができ、これらのコンデンサ２１，２２が直列に並んだ状態になる。直列接続されたコンデンサの合成容量値Ｃは、スイッチングダイオード１６の持つ微小な端子間容量よりもさらに小さくなり、ツェナーダイオード１５単体の場合と比較して、アンテナの共振周波数に与える影響をほぼ誤差の範囲にまで低減することができる。一例として、容量値Ｃ１（３０ｐＦ）とＣ２（０．５ｐＦ）の直列合成容量値Ｃは、次のように求められる。
１／Ｃ＝（１／Ｃ１）＋（１／Ｃ２）
Ｃ＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）
＝（３０×０．５）／（３０＋０．５）
＝０．４９ [pF]

すなわち、ツェナーダイオード１５の容量値より十分小さい容量値を有するスイッチングダイオード１６を直列接続することにより、ツェナーダイオード１５単体の場合の容量値がスイッチングダイオード１６の容量値以下にまで低下する。

尚、スイッチングダイオード１６のアノード波形が安定するまでに掛かる時間は、スイッチングダイオード１６の微小な端子間容量０．５ｐＦをチャージするためのごくわずかな時間Δｔ（本実施の形態では例えば約８０μｓ程度）で済むため、無線通信の開始時間に与える影響は殆ど無い。

以上、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明したが、上記で言及した以外にも種々の変形、変更を行うことが可能である。例えば、携帯電話機に搭載する場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、非接触ＩＣカード等のデータキャリア単体に適用することも可能である。また、具体的な容量値はあくまで例示であり、本発明はそれらに限定されるものではない。

本発明の実施の形態における非接触通信装置の概略の構成を示す回路ブロック図である。図１の非接触通信装置の一部の等価回路を示す回路図である。図１の非接触通信装置の動作を説明するための波形図である。図１の非接触通信装置の一部の等価回路を示す回路図である。

符号の説明

１０…非接触通信装置、１１…ループアンテナ部、１１ａ，１１ｂ…アンテナ端子、１２…同調用コンデンサ、１３…ＲＦＩＤ用ＬＳＩ、１３ａ，１３ｂ…端子、１４…整流ダイオード、１５…ツェナーダイオード、１６…スイッチングダイオード、２０…ＥＳＤ対策部、２１，２２…コンデンサ、３１，３２，３３…波形

Claims

ＲＦＩＤ用回路と、
このＲＦＩＤ用回路に接続される、ＲＦＩＤ用アンテナおよび同調用コンデンサを含む同調回路と、
前記アンテナの一端に接続された静電気対策手段とを備え、
前記静電気対策手段は、
通常非導通で一定値以上の電圧が印加されたとき導通する定電圧素子と、非導通時に容量性素子とみなすことができる一方向導通素子とを直列接続してなる
ことを特徴とする非接触通信装置。
静電気放電によるアンテナ端子への過大電圧の発生時に前記静電気対策手段の定電圧素子と一方向導通素子とはＧＮＤに対して導通し、非導通時の前記一方向導通素子の容量値は前記定電圧素子の容量値より小さく、両者の結合容量は前記一方向導通素子の容量値よりさらに小さくなることを特徴とする請求項１記載の非接触通信装置。
前記定電圧素子はツェナーダイオードまたはバリスタである請求項１または２記載の非接触通信装置。
前記一方向導通素子はスイッチングダイオードである請求項１記載の非接触通信装置。
前記同調用コンデンサを含む同調回路の一端とＧＮＤとの間に整流ダイオードが接続されたことを特徴とする請求項１記載の非接触通信装置。
ＲＦＩＤ用アンテナに接続される同調用コンデンサと、
前記同調用コンデンサに接続される静電気対策手段とを備え、
前記静電気対策手段は、
通常非導通で一定値以上の電圧が印加されたとき導通する定電圧素子と、非導通時に容量性素子とみなすことができる一方向導通素子とを直列接続してなる
ことを特徴とする保護回路。
静電気放電によるアンテナ端子への過大電圧の発生時に前記静電気対策手段の定電圧素子と一方向導通素子とはＧＮＤに対して導通し、非導通時の前記一方向導通素子の容量値は前記定電圧素子の容量値より小さく、両者の結合容量は前記一方向導通素子の容量値よりさらに小さくなることを特徴とする請求項６記載の保護回路。
前記定電圧素子はツェナーダイオードまたはバリスタである請求項６または７記載の保護回路。
前記一方向導通素子はスイッチングダイオードである請求項６または７記載の保護回路。
前記同調用コンデンサを含む同調回路の一端とＧＮＤとの間に整流ダイオードが接続されたことを特徴とする請求項６記載の保護回路。