JP3800091B2 - 非接触通信媒体及び非接触通信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、非接触で通信を行う非接触通信媒体に関する。例えば、スマートカードと呼ばれる非接触通信媒体は、識別番号や本人認証のための身体的情報に代表される識別情報、金銭情報に代表される価値情報、クレジットカードで使用される信用情報などを通信したりこれらの情報を記憶したり、これらの情報に基づいてあらかじめ記憶している情報を変更したりする。また、例えば、非接触通信媒体の形状がカード型である非接触ＩＣカード、人や車、荷物などに付けて使用されるデータキャリアに関する。そして、非接触通信媒体が、本人認証装置などの識別装置、自動改札機、現金または電子的現金取引処理装置、利用料金徴収装置などと通信を行う非接触通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触ＩＣカードは、共振回路を備えている。この共振回路の一部であるアンテナコイルが情報読出／書込機から発生される磁束に対して鎖交されると、そのアンテナコイルから誘導起電力が発生し、共振回路によって大きな電圧が発生する。この非接触ＩＣカードを情報読出／書込機のアンテナ部に近づけることによって、そのアンテナ部から電磁波を受信することによって共振回路が共振状態になり、この共振状態を利用して情報読出／書込機と非接触ＩＣカードとの間でデータ通信を行う。また、共振回路が共振することによって発生する電圧によって非接触ＩＣカード内の他の回路に電力が供給されその回路が動作する。
【０００３】
ここで、非接触ＩＣカードの実際の使用状況を考えてみる。例えば、鉄道の定期券、銀行で使用するキャッシュカードおよび買い物に使用するクレジットカードなどとして使用される非接触ＩＣカードの場合、これらの非接触ＩＣカードは、厚さが薄いため、財布や定期入れなどに複数の非接触ＩＣカードを重ねて入れ、そのまま情報読出／書込機のアンテナ部に近づけて使用されることが多い。
【０００４】
この場合、二枚以上の非接触ＩＣカードが重なった状態で使用されるため、非接触ＩＣカード間の相互インダクタンスによって、各非接触ＩＣカードの共振周波数が情報読出／書込機からの信号の搬送波周波数に対してずれる。これにより、共振回路に発生する電圧が低下し、非接触ＩＣカード内の回路に充分な受信電力が供給されず、情報読出／書込機と非接触ＩＣカードとの間で通信できない場合が生じる。
【０００５】
これについて図１１を用いて説明する。図１１のグラフの横軸は、非接触ＩＣカードの共振回路の周波数を示している。縦軸は、その共振回路に発生する受信電圧の絶対値を示している。後述する図１２のグラフの横軸および縦軸も同様である。
【０００６】
図１１（Ａ）は、一枚の非接触ＩＣカードを情報読出／書込機に接近させたときの周波数と受信電圧との関係を示している。この場合、非接触ＩＣカードは一枚だけで使用されている。そのため、共振回路の共振周波数ｆ０と情報読出／書込機からの搬送信号の搬送波周波数ｆｃとが一致しており、その周波数で高い受信電圧が発生している。
【０００７】
図１１（Ｂ）は、二枚の非接触ＩＣカードを重ねて情報読出／書込機に接近させたときの周波数と受信電圧との関係を示している。この場合、非接触ＩＣカードは二枚で使用されており、二枚の非接触ＩＣカード間で、相互インダクタンスの影響を受けるため、共振回路の共振周波数が変化し、図に示すように、共振周波数ｆ０' が情報読出／書込機からの搬送信号の搬送波周波数ｆｃからずれる。これにより、搬送波周波数ｆｃでは、共振周波数ｆ０' での受信電圧に比べて低い受信電圧しか発生していない。このため、非接触ＩＣカード内の回路に充分な電力が供給されず、リーダライタと非接触ＩＣカードとの間で通信できない問題が生じる。
【０００８】
このような問題を解決するために、非接触ＩＣカードを二枚重ねても、受信電圧が低下しないよう、あらかじめ各非接触ＩＣカードの共振周波数を搬送波周波数に比べて高い周波数にずらして設定しておく。これにより、非接触ＩＣカードを二枚重ねたときに、共振周波数が低下しても共振周波数が搬送波周波数から大きくずれないようにするという方法がある。
【０００９】
これについて図１２を用いて説明する。非接触ＩＣカードを一枚だけで使用した場合には、図１２（Ａ）に示すように、非接触ＩＣカードの共振回路の共振周波数ｆ０が搬送波周波数ｆｃよりも高い状態で設定されている。
【００１０】
一方、非接触ＩＣカードを二枚重ねて使用した場合を、図１２（Ｂ）に示す。非接触ＩＣカードは二枚で使用されており、二枚の非接触ＩＣカードにおいて、相互インダクタンスの影響を受けるため、共振周波数ｆ０' が、搬送波周波数ｆｃに比べて、低下している。
【００１１】
しかし、非接触ＩＣカードを一枚で使用した場合と二枚で使用した場合のいずれでも、共振周波数が搬送波周波数から、図１１で説明したものに比べて大きくずれない。このため、図１１で説明した場合に比べて、誘導起電力の低下を防ぐことができる。
【００１２】
また、共振回路に対して直列にスイッチを接続し、このスイッチをランダムにオン／オフしたときの共振回路の電圧を監視することによって非接触ＩＣカードが重なっているかどうかを検出し、重なっていると判断した場合には、一方の非接触ＩＣカードのスイッチをオフにし、他方の非接触ＩＣカードの共振回路のみを共振状態にする方法が提案されている。この方法では、重なっている状態では、一方の非接触ＩＣカードが共振状態にあって他方の非接触ＩＣカードが共振状態にない。
【００１３】
これにより、一方の非接触ＩＣカードは単独で使用した場合と同様な受信電圧を得ることができる。さらに、他方の非接触ＩＣカードは、一方の非接触ＩＣカードにおける共振回路のエネルギーを相互インダクタンスによる電磁結合によって得ることができる。したがって、二枚の非接触ＩＣカードともに想定した電圧を得ることができる（特開平１０−１２６３１８号参照）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各方法は次に述べる欠点がある。
【００１５】
（１）非接触ＩＣカードの共振周波数を搬送波周波数からずらしておく方法では、使用する非接触ＩＣカードが一枚のときでも共振周波数が搬送波周波数からずれているため、そのずれの分だけ誘導起電力が低下し、通信距離が短くなる。
【００１６】
（２）共振回路に接続されているスイッチをランダムにオン／オフする方法では、重なっていることを検出するために非接触ＩＣカード内の受信部やクロック回路を常に動作させておかねばならない。このため非接触ＩＣカードの消費電力が増え、非接触ＩＣカードは大きな磁界を必要とする。非接触ＩＣカードがこの大きな磁界を受信するには近距離で通信する必要がある。このため、（１）の方法と同様に通信距離が短くなってしまう。
【００１７】
本発明の目的は、複数の非接触通信媒体を重ねた場合でも、消費電力の大幅な増加を伴わず、通信距離性能を損なわない非接触通信媒体を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明の非接触通信媒体は、上記の課題を解決するために以下の構成を備えている。
【００１９】
（１）電磁波を受信することで誘導起電力を発生し信号を送受信するアンテナコイルと共振コンデンサとからなる共振回路と、
前記共振回路の出力から所定の信号を復調する復調回路と、
前記復調回路で得られた信号を処理する処理回路と、
前記処理回路から出力される信号を変調し共振回路に出力する変調回路と、
前記共振回路を、前記共振コンデンサが前記アンテナコイルに接続された接続状態と、前記共振コンデンサが前記アンテナコイルから切断された非接続状態とに切り換えるスイッチ部と、
前記共振回路に発生する出力電圧の大きさに基づいて前記スイッチ部を切り換え制御するスイッチ制御部とを備え、
前記スイッチ制御部は、前記共振回路が非接続状態である初期状態において、前記出力電圧が所定のしきい値以上に上昇したときに、前記スイッチ部を制御することで前記共振回路を接続状態にし、その後、前記出力電圧が前記しきい値未満の電圧に下降したときに前記スイッチ部を制御することで前記共振回路を非接続状態にすることを特徴とする。
【００２０】
共振回路は、アンテナコイルに所定の周波数の電磁波を受けると、共振し、誘導起電力のＱ倍の電圧を発生する。ここでＱとは、クオリティファクタである。また、共振回路は信号を無線で送受信する。スイッチ部は、共振回路を接続状態と非接続状態とに切り換えるアナログスイッチで構成される。アナログスイッチは、共振回路において、コンデンサに直列に挿入される。スイッチ部がオンされると共振回路にコンデンサが接続されて接続状態となる。一方、スイッチ部がオフされると共振回路からコンデンサの接続が開放されて非接続状態となる。スイッチ部は、初期状態において、非接続状態である。
接続状態とは、共振回路が成立するように回路の素子同士が電気的に接続されている状態をいう。一方、非接続状態とは、共振回路が成立しないように回路の素子同士が電気的に切断されている状態をいう。
【００２１】
スイッチ制御部は、従来の非接触通信媒体にないものであって、上記共振回路の出力電圧の大きさが所定のしきい値以上に上昇したかどうかに基づいてスイッチ部を切り換え制御する。
【００２２】
非接触通信媒体が一つだけの場合、その通信対象である外部の通信装置と非接触通信媒体の共振回路が電磁結合すると、共振回路からの出力電圧は所定のしきい値以上に上昇した後、共振回路が接続状態となり、さらに上昇する。したがって、共振回路は共振状態を維持して、充分な電力を変調回路、復調回路、処理回路などへ供給することによって、非接触通信媒体は、通信装置との間で、非接触通信を行う。
【００２３】
一方、非接触通信媒体が二つある場合、例えば、非接触通信媒体がカード形状で、それを二枚重ねて通信装置に接近させ電磁結合させると、それぞれの非接触通信媒体における出力電圧がともに所定のしきい値以上に上昇した状態になる。この場合、双方の非接触通信媒体のスイッチ部がスイッチ制御部によってオンされるため、双方の非接触通信媒体の共振回路は、ともに接続状態になる。このとき、二つの非接触通信媒体における共振回路の相互インダクタンスの作用によってこれら二つの共振回路の共振周波数が搬送波周波数より大きく低下し、双方の共振回路の出力電圧が下降し始める。そして、どちらかの出力電圧が先に所定のしきい値未満に下降する。この非接触通信媒体において、出力電圧が一旦所定のしきい値以上になり、その後、この所定のしきい値未満に下降した場合に、スイッチ制御部はスイッチ部をオフする。これにより、非接触通信媒体の共振回路は非接続状態になる。したがって、一方の非接触通信媒体の共振回路において、他方の非接触通信媒体の共振回路から受ける影響が小さくなる。そして、共振周波数は、非接触通信媒体が一つだけの場合と同じ周波数になる。このため、この非接触通信媒体では、共振回路の出力電圧の下降が止まり、再び上昇に転じる。その後、この非接触通信媒体は、その共振回路の出力電圧が急激に上昇して充分な電圧になったときに復調回路や処理回路などが動作し、非接触通信が可能な状態となる。また、他方の非接触通信媒体は、上記一方の非接触通信媒体における共振回路の出力電圧が上昇するのに応じて、共振回路のコイルの電磁結合によって出力電圧が上昇し、その電圧が充分に上昇したときに非接触通信が可能な状態となる。
【００２４】
このように、スイッチ制御部は、共振回路の出力電圧の大きさに基づいて非接触通信媒体の共振回路を接続状態と非接続状態とに切り換えることによって、二つの非接触通信媒体が近接している（重なっている）場合でも、双方の非接触通信媒体とも通信装置との間で非接触通信ができるようになる。
【００２５】
なお、非接触通信媒体の外観が形状をカード形状にすることにより、非接触通信媒体同士を重ねやすくすることができる。また、非接触通信媒体を財布や定期入れなどに収納しやすくなる。この発明はカード形状に限定されるものではなく、どのような形状のものであっても適用することが可能である。また、共振回路の出力電圧を非接触通信媒体本体の電源として利用すれば、電池が不用になる。
【００２６】
（２）前記共振回路で生成された交流電力から前記処理回路で使用する電力を生成する電源回路と、この電源回路と前記処理回路の電力供給端子との間に、前記処理回路への電力の供給を接続または遮断する電力供給スイッチ部と、を設け、前記スイッチ部が制御された後、前記出力電圧が前記しきい値より大きな第２のしきい値以上に上昇したときに、前記電力供給スイッチ部を接続し、前記処理回路に電力を供給することを特徴とする。
【００２７】
この発明では、処理回路がまだ作動していない状態において電力の無駄な消費がないため、通信可能な状態になるまでの時間を短縮することができる。また、処理回路が動作するために必要な電圧上昇してはじめて、処理回路に電力が供給されるため、不十分な電力による処理回路の誤作動を防止することができる。
【００２８】
なお、共振回路は、コイルとコンデンサとの並列共振回路で構成することが好ましい。なぜなら、共振回路に対する負荷（非接触通信媒体）の入力インピーダンスが高いため、インピーダンスの整合をとるため、出力インピーダンスが高い並列共振回路を用いることが望ましいからである。
【００２９】
また、共振回路の出力電圧が所定のしきい値以上でかつ第２のしきい値以上にならない場合には、このような状態の時間を計測するタイマーを設け、タイマーが所定時間を計測した場合に、非接触通信媒体を初期状態、すなわち、共振回路が非接続状態で電力供給スイッチ部が電力供給を遮断している状態に戻すことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施形態である非接触通信媒体としての非接触ＩＣカードおよび同非接触ＩＣカードと通信を行う非接触式自動改札機を示している。
【００３１】
この自動改札機１は、改札通路２を隔てて相対向する一対の改札機本体３を備えている。両改札機本体３の側面それぞれには、改札通路２における利用者の通過を許可あるいは阻止する扉（図示せず）が配置されている。
【００３２】
各改札機本体３には、乗車情報読取／書込機４が設けられている。乗車情報読取／書込機４の一部であるアンテナ部５が広い通信領域が得られるように各改札機本体３の上面に臨んで配置されている。乗車券としての非接触ＩＣカード６が、乗車情報読取／書込機４の通信領域内に位置したときに、その非接触ＩＣカード６と乗車情報読取／書込機４の間で非接触データ通信を行う。すなわち、非接触ＩＣカード６を携帯する利用者である乗客などが、乗車情報読取／書込機４のアンテナ部５によってつくられている通信領域内に、非接触ＩＣカード６をかざしたときに、非接触ＩＣカード６は、乗車情報読取／書込機４との間で乗車情報に関する非接触データ通信を行う。この通信結果に応じて、自動改札機１は、扉を開閉制御することにより、乗客などの通過を許可したりしなかったりする。
【００３３】
図２は、上記乗車情報読取／書込機４の構成図である。
【００３４】
乗車情報読取／書込機４は、アンテナ部５、送信部１１、受信部１２、ＣＰＵ１４、ＲＯＭ１５、ＲＡＭ１６を備えている。
【００３５】
送信部１１は、非接触ＩＣカード６への電力を伝送するための搬送波およびデータを伝送するための前記搬送波を変調させた高周波信号を生成してアンテナ部５に供給する。
【００３６】
受信部１２は、アンテナ部５で受信した信号を復調する。
【００３７】
アンテナ部５は、アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えている。そして、アンテナ部５は、共振回路を介して、電力送信部１１からの変調された搬送波を電磁波として送信する。そして、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５に接近すると、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５からの電磁波を受け、非接触ＩＣカード６の共振回路で電圧が発生する。それを非接触ＩＣカード６は電源とする。また、前記搬送波は変調されているため、アンテナ部５からの磁界が変化し、非接触ＩＣカード６は、その信号を受信する。一方、非接触ＩＣカード６からアンテナ部５へ送信される磁界が変化することによって、アンテナ部５で誘導起電力が発生し、その誘導起電力が変化することによって受信部１２は、非接触ＩＣカード６からの信号を受信する。
【００３８】
ＲＯＭ１５にはＣＰＵの処理に必要なプログラム、利用者の識別情報や非接触ＩＣカード自体の識別番号などのデータが記憶されている。
【００３９】
ＲＡＭ１６には、自動改札機１へ送信するデータや受信した信号に基づいたデータなどが記憶されている。
【００４０】
また、ＣＰＵ１４は、ＲＯＭ１５およびＲＡＭ１６に記憶されているデータに基づいて乗車情報読取／書込機４の各構成を制御する。
【００４１】
図３は非接触ＩＣカードの構成図である。
【００４２】
この非接触ＩＣカード６は、アンテナコイルＬ、コンデンサＣ、スイッチ素子ＳＷ、電源回路６２、電力供給スイッチ素子ＰＳＷ、スイッチ制御回路６１、復調回路６４、変調回路６５、データ処理回路６３を備えている。
【００４３】
アンテナコイルＬとコンデンサＣとが並列に接続された回路を共振回路６０と呼ぶ。共振回路６０がアンテナ部５を構成しており、アンテナコイルＬがアンテナ部５のアンテナ面を形成する。そして、スイッチ素子ＳＷは、共振回路６０のコンデンサＣに直列に接続されている。スイッチ制御回路６１がスイッチ素子ＳＷをオンに制御することによって、共振回路６０を共振接続可能な状態にする。また、スイッチ制御回路６１がスイッチ素子ＳＷをオフに制御することによって、共振回路６０を共振接続不可能な状態にする。
【００４４】
電源回路６２は、共振回路６０で生成された交流電力を直流電力に整流することによって、スイッチ制御回路６１、復調回路６４、変調回路６５およびデータ処理回路６３で使用される電力を生成する。
【００４５】
電源回路６２と復調回路６４、変調回路６５、データ処理回路６３との間に電力供給スイッチ素子ＰＳＷが設けられている。スイッチ制御回路６１が電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンに制御することによって、復調回路６４、変調回路６５およびデータ処理回路６３に電力を供給する。
【００４６】
また、スイッチ制御回路６１が電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオフに制御することによって、復調回路６４などへの電力供給を遮断する。
【００４７】
復調回路６４は、共振回路６０から入力される変調された搬送波を復調し、復調された信号をデータ処理回路６３に出力する。
【００４８】
変調回路６５は、データ処理回路６３から入力される信号を変調し、共振回路６０に出力する。
【００４９】
データ処理回路６３は、所定のデータを記憶しており、復調回路６４から入力される信号に応じて、所定の信号を変調回路６５に出力したり、または入出力信号に応じた所定のデータを記憶したり、記憶しているデータを変更するなどの処理を行う。復調回路６４、変調回路６５およびデータ処理回路６３を総称してデータ処理部６６と呼ぶ
前記スイッチ制御回路６１は、電源回路６２で整流された出力電圧Ｖを監視し、この出力電圧Ｖの大きさに基づいてスイッチ素子ＳＷまたは電力供給スイッチ素子ＰＳＷのオン／オフを切り換え制御する。具体的には、このスイッチ制御回路６１は、非接触ＩＣカード６が改札機本体３のアンテナ部５に接近することによって前記出力電圧が所定のしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇すると、スイッチ素子ＳＷをオンする。この状態を便宜上、状態１と呼ぶ。このスイッチ素子ＳＷがオンされることによって、共振回路６０は接続状態となる。次に、この状態１から、前記出力電圧がしきい値Ｖｔｈ１未満に下降すると、スイッチ素子ＳＷをオフにする。このように状態１からスイッチ素子ＳＷがオフになった状態を、状態２と呼ぶ。このスイッチ素子ＳＷがオフされることによって共振回路６０は非接続状態となる。
【００５０】
スイッチ制御回路６１は、さらに電力供給スイッチ素子ＰＳＷを以下のように制御する。スイッチ制御回路６１は、前記状態１において、前記出力電圧が所定のしきい値Ｖｔｈ２（＞Ｖｔｈ１）以上に上昇すると、電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。状態１から電力供給スイッチ素子ＰＳＷがオンになった状態を状態３と呼ぶ。
【００５１】
また、前記状態２において前記出力電圧が所定のしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇すると、電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。状態２から電力供給スイッチ素子ＰＳＷがオンになった状態を状態４と呼ぶ。
【００５２】
非接触ＩＣカード６が状態３または状態４のいずれの状態になるかは、状態３または状態４の直前の状態が状態１と状態２のどちらかになっているかによる。状態１から状態３に移行した場合には、共振回路６０は接続状態で本来の共振状態となっている。状態２から状態４に移行した場合には、共振回路６０は非接続状態となっている。いずれの場合も、電源回路６２の出力電圧が所定のしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇してデータ処理部６６を駆動するのに充分な電圧を得ている。このようになる理由を以下に詳述する。
【００５３】
図４は、非接触ＩＣカード６が一枚だけ改札機本体３のアンテナ部５に近づいたときのスイッチ制御回路６１のスイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷに対する制御動作結果を示す。
【００５４】
初期状態では、スイッチ素子ＳＷはオフされている。また、電力供給スイッチ素子ＰＳＷもオフされている。この初期状態において、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５に近づくと、非接触ＩＣカード６における共振回路６０に電圧Ｖが発生する。そして、この電圧Ｖがスイッチ制御回路６１で検出され、この電圧Ｖが所定のしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇すると、スイッチ制御回路６１がスイッチ素子ＳＷをオンする。この状態が、状態１である。これによって、共振回路６０は接続状態となるため、電源回路６２の出力電圧が急激に上昇する。
【００５５】
さらに、出力電圧Ｖが所定のしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇すると、スイッチ制御回路６１は電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。この状態が状態３である。
【００５６】
このようにして、初期状態、状態１、状態３の順に推移し、非接触ＩＣカード６を改札機本体３のアンテナ部５に近づけたとき、非接触データ通信を行える状態となる。
【００５７】
図５は、非接触ＩＣカード６が二枚重なって改札機本体３のアンテナ部５に近づいたときのスイッチ制御回路６１のスイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷに対する制御動作結果を示す。ここでは、二枚の非接触ＩＣカードをそれぞれカード６ａおよびカード６ｂと呼ぶ。
【００５８】
初期状態では、二枚のカード６ａ、６ｂはともに、それぞれのスイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷがオフ状態にある。この初期状態にある二枚のカード６ａ、６ｂがアンテナ部５に近づくと、両カードの共振回路６０から発生する出力電圧がしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇する。なお、このとき、二つのカードの出力電圧が、ほとんど同時にアンテナコイルに発生する誘導起電力だけによってしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇するか、または一方のカードの出力電圧がしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇して接続状態となってから、他方のカードの出力電圧が相互誘導によりしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇する。
【００５９】
いずれの場合でも、二枚のカード６ａ、６ｂとも出力電圧がしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇すると、カード６ａ、６ｂとも、スイッチ素子ＳＷがスイッチ制御回路６１によってオンされる。したがって、このとき二つのカード６ａ、６ｂはともに状態１となっている。二つのカード６ａ、６ｂがともに状態１となると、すなわち、二つのカード６ａ、６ｂが接近した状態で、それぞれのカードの共振回路６０が接続状態となると、共振周波数が低下し、共振回路に発生する電圧が低下する。
【００６０】
したがって、電源回路６２の出力電圧Ｖが共振状態となって急激に上昇した直後、急激に下降し始める。すると、カード６ａまたはカード６ｂのいずれかの上記出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１未満に下降する。なお、このとき両方のカードの出力電圧Ｖが同時にしきい値Ｖｔｈ１未満に下降することはなく、通常はどちらかが先にしきい値Ｖｔｈ１に達する。なぜなら、回路内に発生する雑音、すなわち内部雑音（熱雑音、ショット雑音など）や、非接触ＩＣカードの製造工程で生まれる回路の電子的特性の差異などが存在するため、出力電圧の上昇および下降の度合いに差異が生じるからである。
【００６１】
ここで、カード６ｂの出力電圧Ｖが先にＶｔｈ１未満に達したとすると、そのカード６ｂのスイッチ制御回路６１は、その瞬間にスイッチ素子ＳＷをオフにする。これにより、カード６ｂの共振回路６０が非接続状態になり、二つの共振回路６０が相互に影響し合わなくなり、もう一方のカード６ａの共振回路６０は再び本来の接続状態となる。すなわち、カード６ａは状態１を維持し、カード６ｂはスイッチ素子ＳＷがオフされることによって状態１から状態２に遷移する。
【００６２】
カード６ａが状態１、カード６ｂが状態２になっているとき、カード６ａの共振回路６０のみが接続状態となっているために、このカード６ａの出力電圧Ｖは急激に上昇して、しきい値Ｖｔｈ２以上に達する。また、状態２にあるカード６ｂにおいては、カード６ａの共振回路６０の出力電圧が急激に上昇するために、電磁結合している非接続状態にあるカード６ｂの共振回路６０の出力電圧も急激に上昇する。
【００６３】
その結果、カード６ａ、６ｂとも出力電圧Ｖが急激に上昇して、両方ともしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇することとなって、両方のカードとも、スイッチ制御回路６１が電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。このとき、カード６ａは状態３である。また、カード６ｂは、状態４である。
【００６４】
以上のスイッチ制御回路６１の動作によって、非接触ＩＣカード６が二枚重なって改札機本体３のアンテナ部５に近づけられても、充分な電力がデータ処理部６６に供給され、両方の非接触ＩＣカード６とも非接触データ通信が可能となる。
【００６５】
図６は、非接触ＩＣカード６の状態遷移を示している。初期状態では、スイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷはオフである。非接触ＩＣカード６を改札機本体３のアンテナ部５に近づけると、非接触ＩＣカード６の共振回路６０の出力電圧Ｖが上昇し、その出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇した状態すなわち状態１に遷移する。この状態１のとき、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷをオンする。
【００６６】
状態１で非接触ＩＣカード６がアンテナ部５から離れるなど何らかの障害が生じ、出力電圧ＶがＶｔｈ１からＶｔｈ２の間に留まったまま所定時間以上経過すると時間切れとなる。時間切れとなったときに、スイッチ制御回路６１がスイッチ素子ＳＷをオフすることによって、非接触ＩＣカード６は、初期状態に戻る。
【００６７】
一方で、状態１から出力電圧Ｖが、所定時間内にしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇すると状態３となる。この状態３のとき、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷのオンを維持し、かつ電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。これにより、充分な出力電圧Ｖがデータ処理部６６に供給されて通信が開始される。
【００６８】
通信が終了し、または、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５から離れると共振回路からの出力電圧が低下し、データ処理部６６に充分な出力電圧Ｖが供給されなくなる。このとき、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオフする。これによって、非接触ＩＣカード６は初期状態に戻る。
【００６９】
また、前記状態１において、出力電圧Ｖが所定時間内にしきい値Ｖｔｈ１未満に低下すると状態２となる。この状態２のとき、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷをオフする。
【００７０】
状態２において、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５から離れるなど何らかの障害が生じることによって、所定時間内に出力電圧ＶがＶｔｈ２以上に上昇しない場合には、初期状態に戻る。
【００７１】
また、この状態２において、出力電圧がしきい値Ｖｔｈ２以上になると状態４になる。この状態４のとき、出力電圧がデータ処理回路６３を駆動するに充分な大きさとなるため、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷのオフを維持し、電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。そして、データ処理部６６に充分な電力が供給されて通信が開始される。
【００７２】
この状態４において、通信が終了し、または、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５から離れると出力電圧が低下し、データ処理部６６に充分な出力電圧Ｖが供給されなくなり、初期状態に戻る。
【００７３】
なお、電力供給スイッチ素子ＰＳＷは、非接触ＩＣカード６が通信を行うためだけには存在しなくてもよく、電源回路６２からデータ処理部６６に対して常時電力を供給しておいてもよい
電力供給スイッチ素子ＰＳＷを設けた理由は、非接触ＩＣカード６における消費電力を低減させることにより、弱い電磁波からでもスイッチ制御回路６１の動作電圧を得るためである。通常、スイッチ制御回路６１よりデータ処理部６６の方が、大きな電力を消費する。したがって、データ処理部６６への電力供給を遮断することによって消費電力を低減させることができる。
【００７４】
以上の状態遷移図において、非接触ＩＣカード６が一枚のときには、通常は、初期状態、状態１、状態３、初期状態の順に遷移して、非接触ＩＣカード６は乗車情報読取／書込機４と非接触データ通信を行う。
【００７５】
また、非接触ＩＣカード６が二枚重なって使用されるときには、一方の非接触ＩＣカード６については、初期状態、状態１、状態３、初期状態の順に遷移する。また、このとき、他方の非接触ＩＣカード６については、初期状態、状態１、状態２、状態４、初期状態の順に遷移する。そして、それぞれの非接触ＩＣカード６は、状態３または状態４のときに、双方の非接触ＩＣカード６は乗車情報読取／書込機４と非接触データ通信を行う。
【００７６】
ここで、複数の非接触ＩＣカードと情報読取／書込機４とが通信する方法について説明する。
【００７７】
最初に、複数の非接触ＩＣカード６が存在する場合に、情報読取／書込機４が、非接触ＩＣカード６と一枚ずつ通信する方法を以下に示す。
【００７８】
まず、情報読取／書込機４がポーリングコマンドを送信する。
【００７９】
カード６ａおよびカード６ｂは、このポーリングコマンドを受信すると、情報／読取書込機に対してそれぞれのカードの識別情報を含んだレスポンスを送信する。このとき、カード６ａが先の時刻にレスポンスを送信した場合を考える。すると、情報読取／書込機４は、先にカード６ａからのレスポンスを受信する。その後、カード６ｂからのレスポンスを受信する。情報読取／書込機４では、受信したレスポンスの識別情報から、どのカードからのレスポンスを受信したのかを判断する。情報読取／書込機４は、先にレスポンスを受信したカード６ａと通信を開始するために、通信確立のコマンド（カード６ａの識別情報を含んでいる）をカード６ａに対して送信する。カード６ａは、通信確立のコマンドを受信することによって、それに対するレスポンスを情報読取／書込機４に送信する。情報読取／書込機４は、通信確立のコマンドに対するカードからのレスポンスを受信するまで、上述したポーリングコマンドや通信確立のコマンドの送信を繰り返す。
【００８０】
そして、情報読取／書込機４からリードコマンドなどがカード６ａに対して送信され、カード６ａでは、このリードコマンドに対応するレスポンスを送信することによって、カード６ａに対する通信処理が完了する。
【００８１】
情報読取／書込機４では、カード６ａとの通信が完了したため、再度、ポーリングコマンドを送信する。カード６ａは通信が完了しているため、このポーリングコマンドに対しては、レスポンスを送信しない。カード６ｂでは、ポーリングコマンドを受信することによって、 それに対応するレスポンスを情報読取/ 書込機４に対して送信する。情報読取／書込機４は、このレスポンスを受信することによって、カード６ｂに対して通信確立のコマンド（カード６ｂの識別情報を含んでいる）を送信する。カード６ｂは、通信確立のコマンドを受信することによって、そのレスポンスを情報読取／書込機４に送信する。情報読取／書込機４は、このレスポンスを受信することによって、カード６ｂに対して、リードコマンドなどを送信し、カード６ｂはこのコマンドに対するレスポンスを送信することによってカード６ｂに対する通信処理が完了する。
【００８２】
次に、情報読取／書込機４が、複数の非接触ＩＣカード６と二枚同時に通信する方法を示す。
【００８３】
まず、情報読取／書込機４がポーリングコマンドを送信する。カード６ａおよびカード６ｂは、このポーリングコマンドを受信すると、情報／読取書込機に対してそれぞれカードの識別情報を含んだレスポンスを送信する。
【００８４】
このとき、カード６ａが先にレスポンスコマンドを送信した場合を考える。すると、情報読取／書込機４は、初めにカード６ａからのレスポンスを受信する。その後、カード６ｂからのレスポンスを受信する。
【００８５】
ここで、二つのカードからのレスポンスを受信した情報読取/ 書込機４は、他にカードが存在し、通信できるかどうかを判断するため、再度、ポーリングコマンドを送信する。ここで、他のカードからのレスポンスがないと判断した場合に、次のように、カード６ａおよびカード６ｂと通信を行うための処理を行う。
【００８６】
情報読取／書込機４は、受信したレスポンスの識別情報から、どのカードからのレスポンスを受信したのかを判断する。情報読取／書込機４は、それぞれのカードに対して、通信確立のコマンド（カードの識別情報を含んでいる）をそれぞれのカードに対して送信する。カード６ａでは、通信確立のコマンドを受信することによって、それに対するレスポンスを情報読取／書込機４に送信する。また、カード６ｂでも、通信確立のコマンドを受信することによって、それに対するレスポンスを情報読取/ 書込機４に送信する。情報読取／書込機４は、通信確立のコマンドに対するカードからのレスポンスを受信するまで、上に説明した。ポーリングコマンドや通信確立のコマンドの送信を繰り返す。
【００８７】
そして、情報読取／書込機４からリードコマンドなどがカード６ａに対して送信され、カード６ａでは、このリードコマンドに対応するレスポンスを送信することによって、カード６ａに対する通信処理が完了する。そして、次に、情報読取／書込機４からリードコマンドなどがカード６ｂに対して送信され、カード６ｂは、このリードコマンドに対応するレスポンスを送信することによって、カード６ｂに対する通信処理が完了する。
【００８８】
また、非接触ＩＣカード６が三枚以上重ね合わせられて使用された場合も、各非接触ＩＣカード６が上記の状態遷移のいずれかの経緯を辿る。すなわち、複数の非接触ＩＣカード６が重なって使用された場合には、その一枚の非接触ＩＣカード６については、初期状態、状態１、状態３、初期状態の順に遷移する。また、この場合、他の複数の非接触ＩＣカード６については、初期状態、状態１、状態２、状態４、初期状態の順に遷移する。
【００８９】
図７は非接触ＩＣカード６が一枚だけ使用された場合、非接触ＩＣカード６を乗車情報読取／書込機４のアンテナ部５に近づけたときの非接触ＩＣカード６における共振回路からの出力電圧Ｖの時間的推移を示す。出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１に達すると、スイッチ素子ＳＷがオンになるので、すなわち状態１になるので共振回路６０が共振状態となって急激に上昇する。そして、ある電圧に達した段階で緩やかとなり、さらに上昇を続けてしきい値Ｖｔｈ２に達してから電源回路６２内の定電圧回路により一定の飽和電圧となる。点Ｐでの電圧の上昇する傾きが緩やかになる理由は、共振回路が最初から共振状態であった場合の上昇曲線Ｑに沿って出力電圧が上昇するからである。この実施形態では、しきい値Ｖｔｈ２の値は、データ処理回路６３を安定して駆動可能な電圧の最低電圧に設定される。
【００９０】
図８は、非接触ＩＣカード６を二枚重ねた場合の各非接触ＩＣカード６における共振回路からの出力電圧Ｖの時間的推移を示す。
【００９１】
一枚目の非接触ＩＣカードをカード６ａ、二枚目の非接触ＩＣカードをカード６ｂとする。一枚目のカード６ａが、時刻ｔ１で電圧ｖ１（Ｖｔｈ１以上）の点Ｐ１に達すると、カード６ａが状態１となって出力電圧Ｖが急激に上昇する。これにより、双方のカードにおける共振回路の相互インダクタンスによって二枚目のカード６ｂの出力電圧も急激に上昇する。すると、この二枚目のカード６ｂの出力電圧がＶｔｈ１を超えるから二枚目のカード６ｂも状態１となる。二枚のカード６ａ、６ｂがともに状態１となると、二枚のカード６ａ、６ｂの共振回路は、相互に影響し合うため、時刻ｔ２で、共振回路からの出力電圧は急激に下降し始める。そして、最初に二枚目のカード６ｂの出力電圧がＶｔｈ１未満に達する。この時刻ｔ２で電圧ｖ２の点Ｐ２においては、二枚目のカード６ｂは状態２となる。一枚目のカード６ａは、まだ状態１である。すると、二枚目のカード６ｂが状態２になることによって、カード相互間の影響がなくなり、共振回路の出力電圧が急激に上昇する。
【００９２】
また、状態２にある二枚目のカード６ｂも相互インダクタンスによって一枚目のカードにおける共振回路の誘導を受けて出力電圧が急激に上昇する。こうして、二枚のカード６ａ、６ｂともＶｔｈ２を超えてそれぞれ、状態３、状態４となって通信可能状態となる。
【００９３】
図９は、図３に示す非接触ＩＣカード６のデータ処理部６６を除く部分の詳細な回路図である。
【００９４】
アンテナコイルＬとコンデンサＣからなる共振回路のコンデンサＣに直列にＭＯＳ ＦＥＴからなるアナログスイッチ素子ＳＷ１が接続され、このスイッチ素子ＳＷ１のゲートにＳＷ１制御信号が入力する。電源回路６２は、整流ダイオードＤ１と、ツェナーダイオードＤ２とコンデンサＣ１とで構成され、このうちツェナーダイオードＤ２は出力電圧を定電圧化するものである。
【００９５】
スイッチ制御回路６１において、抵抗Ｒ１とツェナーダイオードＤ３とによって、しきい値Ｖｔｈ１を形成している。また、抵抗Ｒ２とツェナーダイオードＤ４とによって、しきい値Ｖｔｈ２を形成している。さらに、コンパレータＣＰ１は、電源回路６２からの出力電圧とＶｔｈ１とを比較し、コンパレータＣＰ２はＶｔｈ２と電源回路６２からの出力電圧とを比較する。コンパレータＣＰ１の出力は、２個のフリップフロップＦ１、Ｆ２とその他のゲート回路を経てＳＷ１制御信号を形成し、コンパレータＣＰ２の出力はＳＷ２制御信号を形成している。また、２個のタイマーＴ１、Ｔ２で時間監視を行う。
【００９６】
前記電源回路６２の出力端子には電力供給スイッチ素子ＳＷ２が接続され、この出力がデータ処理部６３の電力供給端子に接続されている。前記ＳＷ２制御信号は、このスイッチ素子ＳＷ２のゲートに入力され、また、スイッチ制御回路６１から出力される他の信号であるＳＷ１制御信号は前記スイッチ素子ＳＷ１のゲートに入力される。
【００９７】
スイッチ素子ＳＷ１は、図３で示したスイッチ素子ＳＷに相当する。また、スイッチ素子ＳＷ２は、図３で示した電力供給スイッチ素子ＰＳＷに相当する。
【００９８】
なお、スイッチ制御回路６１内のフリップフロップＦ１、Ｆ２およびタイマーＴ１、Ｔ２は後述のスイッチ制御回路６１の動作を制御するために使用されるものであって、ＳＷ１制御信号やＳＷ２制御信号を形成するために、また、時間監視を行うために使用される。
【００９９】
図１０は、スイッチ制御回路６１の動作を示すフローチャートである。
【０１００】
ステップ１００では、共振回路６０の出力、すなわち電源回路６２の出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１以上となるかどうかを判断する。出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１以上となればステップ１０１においてスイッチ素子ＳＷ１をオンするためのＳＷ１制御信号を形成する。具体的には、図９において、コンパレータＣＰ１の出力が「Ｈ」となり、ゲートＧ１によってフリップフロップＦ１がセットする。このとき、フリップフロップＦ２のＱ( バー) 端子は「Ｈ」であるために、ゲートＧ２の出力として「Ｈ」のＳＷ１制御信号が出力される。これによってスイッチ素子ＳＷ１がオンする。
【０１０１】
続いて、タイマーＴ１をリセットしてこのタイマーを起動する。すなわち、図９においてゲートＧ１の出力が「Ｈ」となることによって、タイマーＴ１がスタートする。なお、ステップ１０１で状態１が設定される。
【０１０２】
ステップ１０３では、上記状態１において出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１未満になるかどうかが判断される。もしそうでなければ、ステップ１０５に進み出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となるかどうかを判断する。出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となれば、ステップ１０９に進んで電力供給スイッチ素子ＳＷ２をオンするべくＳＷ２制御信号をコンパレータＣＰ２から出力する。ステップ１０７においては、ステップ１０２で起動したタイマーＴ１でタイムアップするまでの間に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上になるのを監視する。すなわち、タイマーＴ１が、あらかじめ設定したタイマー時間ｔｉｍｅ１に達するまでの間に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となればステップ１０９に進んで電力供給スイッチ素子ＳＷ２をオンさせるが、このタイマー監視期間内に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上とならない場合には、タイムアップすることによって、もとのステップ１００の初期状態に戻る。なお、ステップ１０９では状態３が設定される。また、ステップ１０３で出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１未満となったことが判断された場合には状態１から状態２に設定される。
【０１０３】
上記状態２においては、ステップ１０４においてスイッチ素子ＳＷ１をオフするためにＳＷ１制御信号を「Ｌ」にする。すなわち、ゲートＧ１の出力が「Ｌ」になることによって、フリップフロップＦ１がオフする。これによって、ゲートＧ２の出力が「Ｌ」となって、スイッチ素子ＳＷ１がオフする。またこのときフリップフロップＦ２がセットする。ステップ１０４でスイッチ素子ＳＷ１をオフすると、ステップ１０６でタイマーＴ２をリセットして起動する。そして、ステップ１０８において、出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となるかどうかを判断する。さらに、この判断をタイマーＴ２によって一定の時間ｔｉｍｅ２の時間だけ行う。そして、そのタイマー監視時間内に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となれば、ステップ１０９に進んで電力供給スイッチ素子ＳＷ２をオンする。この状態が状態３である。もし、そのタイマー監視時間内に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上とならなければ、タイムアップしてステップ１００のもとの初期状態に戻る。
【０１０４】
なお、スイッチ制御回路６１は、出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇したときを状態１とし、この状態１から再びしきい値Ｖｔｈ１未満に下降したときに状態２に遷移するようにしたが、状態２に遷移するときのしきい値は、Ｖｔｈ１未満の電圧であれば任意の電圧であってもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
この発明によれば、複数の非接触通信媒体（非接触ＩＣカードなど）が接近した状態（重なった状態）で同時に情報読取／書込装置などの通信装置に接近させても、それぞれの媒体で非接触データ通信を行うことができる。
【０１０６】
また、複数の非接触通信媒体（非接触ＩＣカードなど）のうち一つの非接触通信媒体が共振回路を接続状態と非接続状態とに切り換える構成を有していなくても、それぞれの通信媒体で非接触データ通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態である非接触ＩＣカードを使用する非接触自動改札機の外観図
【図２】改札機本体の乗車情報読出／書込機の構成図
【図３】非接触ＩＣカードの構成図
【図４】一枚の非接触ＩＣカードが通信可能となるまでのスイッチのオン／オフ動作を説明する図
【図５】二枚の非接触ＩＣカードを重ねて使用する場合における各カードのスイッチのオン／オフ動作を説明する図
【図６】非接触ＩＣカードの状態遷移図
【図７】一枚の非接触ＩＣカードが通信可能となるまでの出力電圧の変化を示す図
【図８】二枚の非接触ＩＣカードが使用される場合における各カードの出力電圧の変化を示す図
【図９】スイッチ制御回路の回路図
【図１０】スイッチ制御回路の動作を示すフローチャート
【図１１】従来の非接触ＩＣカードの欠点を説明するための図
【図１２】従来の非接触ＩＣカードの欠点を説明するための図
【符号の説明】
６０−共振回路
６１−スイッチ制御回路
６２−電源回路
６３−データ処理回路
６４−復調回路
６５−変調回路
６６−データ処理部
ＳＷ−スイッチ素子
ＰＳＷ−電力供給スイッチ素子
【発明の属する技術分野】
この発明は、非接触で通信を行う非接触通信媒体に関する。例えば、スマートカードと呼ばれる非接触通信媒体は、識別番号や本人認証のための身体的情報に代表される識別情報、金銭情報に代表される価値情報、クレジットカードで使用される信用情報などを通信したりこれらの情報を記憶したり、これらの情報に基づいてあらかじめ記憶している情報を変更したりする。また、例えば、非接触通信媒体の形状がカード型である非接触ＩＣカード、人や車、荷物などに付けて使用されるデータキャリアに関する。そして、非接触通信媒体が、本人認証装置などの識別装置、自動改札機、現金または電子的現金取引処理装置、利用料金徴収装置などと通信を行う非接触通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触ＩＣカードは、共振回路を備えている。この共振回路の一部であるアンテナコイルが情報読出／書込機から発生される磁束に対して鎖交されると、そのアンテナコイルから誘導起電力が発生し、共振回路によって大きな電圧が発生する。この非接触ＩＣカードを情報読出／書込機のアンテナ部に近づけることによって、そのアンテナ部から電磁波を受信することによって共振回路が共振状態になり、この共振状態を利用して情報読出／書込機と非接触ＩＣカードとの間でデータ通信を行う。また、共振回路が共振することによって発生する電圧によって非接触ＩＣカード内の他の回路に電力が供給されその回路が動作する。
【０００３】
ここで、非接触ＩＣカードの実際の使用状況を考えてみる。例えば、鉄道の定期券、銀行で使用するキャッシュカードおよび買い物に使用するクレジットカードなどとして使用される非接触ＩＣカードの場合、これらの非接触ＩＣカードは、厚さが薄いため、財布や定期入れなどに複数の非接触ＩＣカードを重ねて入れ、そのまま情報読出／書込機のアンテナ部に近づけて使用されることが多い。
【０００４】
この場合、二枚以上の非接触ＩＣカードが重なった状態で使用されるため、非接触ＩＣカード間の相互インダクタンスによって、各非接触ＩＣカードの共振周波数が情報読出／書込機からの信号の搬送波周波数に対してずれる。これにより、共振回路に発生する電圧が低下し、非接触ＩＣカード内の回路に充分な受信電力が供給されず、情報読出／書込機と非接触ＩＣカードとの間で通信できない場合が生じる。
【０００５】
これについて図１１を用いて説明する。図１１のグラフの横軸は、非接触ＩＣカードの共振回路の周波数を示している。縦軸は、その共振回路に発生する受信電圧の絶対値を示している。後述する図１２のグラフの横軸および縦軸も同様である。
【０００６】
図１１（Ａ）は、一枚の非接触ＩＣカードを情報読出／書込機に接近させたときの周波数と受信電圧との関係を示している。この場合、非接触ＩＣカードは一枚だけで使用されている。そのため、共振回路の共振周波数ｆ０と情報読出／書込機からの搬送信号の搬送波周波数ｆｃとが一致しており、その周波数で高い受信電圧が発生している。
【０００７】
図１１（Ｂ）は、二枚の非接触ＩＣカードを重ねて情報読出／書込機に接近させたときの周波数と受信電圧との関係を示している。この場合、非接触ＩＣカードは二枚で使用されており、二枚の非接触ＩＣカード間で、相互インダクタンスの影響を受けるため、共振回路の共振周波数が変化し、図に示すように、共振周波数ｆ０' が情報読出／書込機からの搬送信号の搬送波周波数ｆｃからずれる。これにより、搬送波周波数ｆｃでは、共振周波数ｆ０' での受信電圧に比べて低い受信電圧しか発生していない。このため、非接触ＩＣカード内の回路に充分な電力が供給されず、リーダライタと非接触ＩＣカードとの間で通信できない問題が生じる。
【０００８】
このような問題を解決するために、非接触ＩＣカードを二枚重ねても、受信電圧が低下しないよう、あらかじめ各非接触ＩＣカードの共振周波数を搬送波周波数に比べて高い周波数にずらして設定しておく。これにより、非接触ＩＣカードを二枚重ねたときに、共振周波数が低下しても共振周波数が搬送波周波数から大きくずれないようにするという方法がある。
【０００９】
これについて図１２を用いて説明する。非接触ＩＣカードを一枚だけで使用した場合には、図１２（Ａ）に示すように、非接触ＩＣカードの共振回路の共振周波数ｆ０が搬送波周波数ｆｃよりも高い状態で設定されている。
【００１０】
一方、非接触ＩＣカードを二枚重ねて使用した場合を、図１２（Ｂ）に示す。非接触ＩＣカードは二枚で使用されており、二枚の非接触ＩＣカードにおいて、相互インダクタンスの影響を受けるため、共振周波数ｆ０' が、搬送波周波数ｆｃに比べて、低下している。
【００１１】
しかし、非接触ＩＣカードを一枚で使用した場合と二枚で使用した場合のいずれでも、共振周波数が搬送波周波数から、図１１で説明したものに比べて大きくずれない。このため、図１１で説明した場合に比べて、誘導起電力の低下を防ぐことができる。
【００１２】
また、共振回路に対して直列にスイッチを接続し、このスイッチをランダムにオン／オフしたときの共振回路の電圧を監視することによって非接触ＩＣカードが重なっているかどうかを検出し、重なっていると判断した場合には、一方の非接触ＩＣカードのスイッチをオフにし、他方の非接触ＩＣカードの共振回路のみを共振状態にする方法が提案されている。この方法では、重なっている状態では、一方の非接触ＩＣカードが共振状態にあって他方の非接触ＩＣカードが共振状態にない。
【００１３】
これにより、一方の非接触ＩＣカードは単独で使用した場合と同様な受信電圧を得ることができる。さらに、他方の非接触ＩＣカードは、一方の非接触ＩＣカードにおける共振回路のエネルギーを相互インダクタンスによる電磁結合によって得ることができる。したがって、二枚の非接触ＩＣカードともに想定した電圧を得ることができる（特開平１０−１２６３１８号参照）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各方法は次に述べる欠点がある。
【００１５】
（１）非接触ＩＣカードの共振周波数を搬送波周波数からずらしておく方法では、使用する非接触ＩＣカードが一枚のときでも共振周波数が搬送波周波数からずれているため、そのずれの分だけ誘導起電力が低下し、通信距離が短くなる。
【００１６】
（２）共振回路に接続されているスイッチをランダムにオン／オフする方法では、重なっていることを検出するために非接触ＩＣカード内の受信部やクロック回路を常に動作させておかねばならない。このため非接触ＩＣカードの消費電力が増え、非接触ＩＣカードは大きな磁界を必要とする。非接触ＩＣカードがこの大きな磁界を受信するには近距離で通信する必要がある。このため、（１）の方法と同様に通信距離が短くなってしまう。
【００１７】
本発明の目的は、複数の非接触通信媒体を重ねた場合でも、消費電力の大幅な増加を伴わず、通信距離性能を損なわない非接触通信媒体を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明の非接触通信媒体は、上記の課題を解決するために以下の構成を備えている。
【００１９】
（１）電磁波を受信することで誘導起電力を発生し信号を送受信するアンテナコイルと共振コンデンサとからなる共振回路と、
前記共振回路の出力から所定の信号を復調する復調回路と、
前記復調回路で得られた信号を処理する処理回路と、
前記処理回路から出力される信号を変調し共振回路に出力する変調回路と、
前記共振回路を、前記共振コンデンサが前記アンテナコイルに接続された接続状態と、前記共振コンデンサが前記アンテナコイルから切断された非接続状態とに切り換えるスイッチ部と、
前記共振回路に発生する出力電圧の大きさに基づいて前記スイッチ部を切り換え制御するスイッチ制御部とを備え、
前記スイッチ制御部は、前記共振回路が非接続状態である初期状態において、前記出力電圧が所定のしきい値以上に上昇したときに、前記スイッチ部を制御することで前記共振回路を接続状態にし、その後、前記出力電圧が前記しきい値未満の電圧に下降したときに前記スイッチ部を制御することで前記共振回路を非接続状態にすることを特徴とする。
【００２０】
共振回路は、アンテナコイルに所定の周波数の電磁波を受けると、共振し、誘導起電力のＱ倍の電圧を発生する。ここでＱとは、クオリティファクタである。また、共振回路は信号を無線で送受信する。スイッチ部は、共振回路を接続状態と非接続状態とに切り換えるアナログスイッチで構成される。アナログスイッチは、共振回路において、コンデンサに直列に挿入される。スイッチ部がオンされると共振回路にコンデンサが接続されて接続状態となる。一方、スイッチ部がオフされると共振回路からコンデンサの接続が開放されて非接続状態となる。スイッチ部は、初期状態において、非接続状態である。
接続状態とは、共振回路が成立するように回路の素子同士が電気的に接続されている状態をいう。一方、非接続状態とは、共振回路が成立しないように回路の素子同士が電気的に切断されている状態をいう。
【００２１】
スイッチ制御部は、従来の非接触通信媒体にないものであって、上記共振回路の出力電圧の大きさが所定のしきい値以上に上昇したかどうかに基づいてスイッチ部を切り換え制御する。
【００２２】
非接触通信媒体が一つだけの場合、その通信対象である外部の通信装置と非接触通信媒体の共振回路が電磁結合すると、共振回路からの出力電圧は所定のしきい値以上に上昇した後、共振回路が接続状態となり、さらに上昇する。したがって、共振回路は共振状態を維持して、充分な電力を変調回路、復調回路、処理回路などへ供給することによって、非接触通信媒体は、通信装置との間で、非接触通信を行う。
【００２３】
一方、非接触通信媒体が二つある場合、例えば、非接触通信媒体がカード形状で、それを二枚重ねて通信装置に接近させ電磁結合させると、それぞれの非接触通信媒体における出力電圧がともに所定のしきい値以上に上昇した状態になる。この場合、双方の非接触通信媒体のスイッチ部がスイッチ制御部によってオンされるため、双方の非接触通信媒体の共振回路は、ともに接続状態になる。このとき、二つの非接触通信媒体における共振回路の相互インダクタンスの作用によってこれら二つの共振回路の共振周波数が搬送波周波数より大きく低下し、双方の共振回路の出力電圧が下降し始める。そして、どちらかの出力電圧が先に所定のしきい値未満に下降する。この非接触通信媒体において、出力電圧が一旦所定のしきい値以上になり、その後、この所定のしきい値未満に下降した場合に、スイッチ制御部はスイッチ部をオフする。これにより、非接触通信媒体の共振回路は非接続状態になる。したがって、一方の非接触通信媒体の共振回路において、他方の非接触通信媒体の共振回路から受ける影響が小さくなる。そして、共振周波数は、非接触通信媒体が一つだけの場合と同じ周波数になる。このため、この非接触通信媒体では、共振回路の出力電圧の下降が止まり、再び上昇に転じる。その後、この非接触通信媒体は、その共振回路の出力電圧が急激に上昇して充分な電圧になったときに復調回路や処理回路などが動作し、非接触通信が可能な状態となる。また、他方の非接触通信媒体は、上記一方の非接触通信媒体における共振回路の出力電圧が上昇するのに応じて、共振回路のコイルの電磁結合によって出力電圧が上昇し、その電圧が充分に上昇したときに非接触通信が可能な状態となる。
【００２４】
このように、スイッチ制御部は、共振回路の出力電圧の大きさに基づいて非接触通信媒体の共振回路を接続状態と非接続状態とに切り換えることによって、二つの非接触通信媒体が近接している（重なっている）場合でも、双方の非接触通信媒体とも通信装置との間で非接触通信ができるようになる。
【００２５】
なお、非接触通信媒体の外観が形状をカード形状にすることにより、非接触通信媒体同士を重ねやすくすることができる。また、非接触通信媒体を財布や定期入れなどに収納しやすくなる。この発明はカード形状に限定されるものではなく、どのような形状のものであっても適用することが可能である。また、共振回路の出力電圧を非接触通信媒体本体の電源として利用すれば、電池が不用になる。
【００２６】
（２）前記共振回路で生成された交流電力から前記処理回路で使用する電力を生成する電源回路と、この電源回路と前記処理回路の電力供給端子との間に、前記処理回路への電力の供給を接続または遮断する電力供給スイッチ部と、を設け、前記スイッチ部が制御された後、前記出力電圧が前記しきい値より大きな第２のしきい値以上に上昇したときに、前記電力供給スイッチ部を接続し、前記処理回路に電力を供給することを特徴とする。
【００２７】
この発明では、処理回路がまだ作動していない状態において電力の無駄な消費がないため、通信可能な状態になるまでの時間を短縮することができる。また、処理回路が動作するために必要な電圧上昇してはじめて、処理回路に電力が供給されるため、不十分な電力による処理回路の誤作動を防止することができる。
【００２８】
なお、共振回路は、コイルとコンデンサとの並列共振回路で構成することが好ましい。なぜなら、共振回路に対する負荷（非接触通信媒体）の入力インピーダンスが高いため、インピーダンスの整合をとるため、出力インピーダンスが高い並列共振回路を用いることが望ましいからである。
【００２９】
また、共振回路の出力電圧が所定のしきい値以上でかつ第２のしきい値以上にならない場合には、このような状態の時間を計測するタイマーを設け、タイマーが所定時間を計測した場合に、非接触通信媒体を初期状態、すなわち、共振回路が非接続状態で電力供給スイッチ部が電力供給を遮断している状態に戻すことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施形態である非接触通信媒体としての非接触ＩＣカードおよび同非接触ＩＣカードと通信を行う非接触式自動改札機を示している。
【００３１】
この自動改札機１は、改札通路２を隔てて相対向する一対の改札機本体３を備えている。両改札機本体３の側面それぞれには、改札通路２における利用者の通過を許可あるいは阻止する扉（図示せず）が配置されている。
【００３２】
各改札機本体３には、乗車情報読取／書込機４が設けられている。乗車情報読取／書込機４の一部であるアンテナ部５が広い通信領域が得られるように各改札機本体３の上面に臨んで配置されている。乗車券としての非接触ＩＣカード６が、乗車情報読取／書込機４の通信領域内に位置したときに、その非接触ＩＣカード６と乗車情報読取／書込機４の間で非接触データ通信を行う。すなわち、非接触ＩＣカード６を携帯する利用者である乗客などが、乗車情報読取／書込機４のアンテナ部５によってつくられている通信領域内に、非接触ＩＣカード６をかざしたときに、非接触ＩＣカード６は、乗車情報読取／書込機４との間で乗車情報に関する非接触データ通信を行う。この通信結果に応じて、自動改札機１は、扉を開閉制御することにより、乗客などの通過を許可したりしなかったりする。
【００３３】
図２は、上記乗車情報読取／書込機４の構成図である。
【００３４】
乗車情報読取／書込機４は、アンテナ部５、送信部１１、受信部１２、ＣＰＵ１４、ＲＯＭ１５、ＲＡＭ１６を備えている。
【００３５】
送信部１１は、非接触ＩＣカード６への電力を伝送するための搬送波およびデータを伝送するための前記搬送波を変調させた高周波信号を生成してアンテナ部５に供給する。
【００３６】
受信部１２は、アンテナ部５で受信した信号を復調する。
【００３７】
アンテナ部５は、アンテナコイルとコンデンサとからなる共振回路を備えている。そして、アンテナ部５は、共振回路を介して、電力送信部１１からの変調された搬送波を電磁波として送信する。そして、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５に接近すると、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５からの電磁波を受け、非接触ＩＣカード６の共振回路で電圧が発生する。それを非接触ＩＣカード６は電源とする。また、前記搬送波は変調されているため、アンテナ部５からの磁界が変化し、非接触ＩＣカード６は、その信号を受信する。一方、非接触ＩＣカード６からアンテナ部５へ送信される磁界が変化することによって、アンテナ部５で誘導起電力が発生し、その誘導起電力が変化することによって受信部１２は、非接触ＩＣカード６からの信号を受信する。
【００３８】
ＲＯＭ１５にはＣＰＵの処理に必要なプログラム、利用者の識別情報や非接触ＩＣカード自体の識別番号などのデータが記憶されている。
【００３９】
ＲＡＭ１６には、自動改札機１へ送信するデータや受信した信号に基づいたデータなどが記憶されている。
【００４０】
また、ＣＰＵ１４は、ＲＯＭ１５およびＲＡＭ１６に記憶されているデータに基づいて乗車情報読取／書込機４の各構成を制御する。
【００４１】
図３は非接触ＩＣカードの構成図である。
【００４２】
この非接触ＩＣカード６は、アンテナコイルＬ、コンデンサＣ、スイッチ素子ＳＷ、電源回路６２、電力供給スイッチ素子ＰＳＷ、スイッチ制御回路６１、復調回路６４、変調回路６５、データ処理回路６３を備えている。
【００４３】
アンテナコイルＬとコンデンサＣとが並列に接続された回路を共振回路６０と呼ぶ。共振回路６０がアンテナ部５を構成しており、アンテナコイルＬがアンテナ部５のアンテナ面を形成する。そして、スイッチ素子ＳＷは、共振回路６０のコンデンサＣに直列に接続されている。スイッチ制御回路６１がスイッチ素子ＳＷをオンに制御することによって、共振回路６０を共振接続可能な状態にする。また、スイッチ制御回路６１がスイッチ素子ＳＷをオフに制御することによって、共振回路６０を共振接続不可能な状態にする。
【００４４】
電源回路６２は、共振回路６０で生成された交流電力を直流電力に整流することによって、スイッチ制御回路６１、復調回路６４、変調回路６５およびデータ処理回路６３で使用される電力を生成する。
【００４５】
電源回路６２と復調回路６４、変調回路６５、データ処理回路６３との間に電力供給スイッチ素子ＰＳＷが設けられている。スイッチ制御回路６１が電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンに制御することによって、復調回路６４、変調回路６５およびデータ処理回路６３に電力を供給する。
【００４６】
また、スイッチ制御回路６１が電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオフに制御することによって、復調回路６４などへの電力供給を遮断する。
【００４７】
復調回路６４は、共振回路６０から入力される変調された搬送波を復調し、復調された信号をデータ処理回路６３に出力する。
【００４８】
変調回路６５は、データ処理回路６３から入力される信号を変調し、共振回路６０に出力する。
【００４９】
データ処理回路６３は、所定のデータを記憶しており、復調回路６４から入力される信号に応じて、所定の信号を変調回路６５に出力したり、または入出力信号に応じた所定のデータを記憶したり、記憶しているデータを変更するなどの処理を行う。復調回路６４、変調回路６５およびデータ処理回路６３を総称してデータ処理部６６と呼ぶ
前記スイッチ制御回路６１は、電源回路６２で整流された出力電圧Ｖを監視し、この出力電圧Ｖの大きさに基づいてスイッチ素子ＳＷまたは電力供給スイッチ素子ＰＳＷのオン／オフを切り換え制御する。具体的には、このスイッチ制御回路６１は、非接触ＩＣカード６が改札機本体３のアンテナ部５に接近することによって前記出力電圧が所定のしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇すると、スイッチ素子ＳＷをオンする。この状態を便宜上、状態１と呼ぶ。このスイッチ素子ＳＷがオンされることによって、共振回路６０は接続状態となる。次に、この状態１から、前記出力電圧がしきい値Ｖｔｈ１未満に下降すると、スイッチ素子ＳＷをオフにする。このように状態１からスイッチ素子ＳＷがオフになった状態を、状態２と呼ぶ。このスイッチ素子ＳＷがオフされることによって共振回路６０は非接続状態となる。
【００５０】
スイッチ制御回路６１は、さらに電力供給スイッチ素子ＰＳＷを以下のように制御する。スイッチ制御回路６１は、前記状態１において、前記出力電圧が所定のしきい値Ｖｔｈ２（＞Ｖｔｈ１）以上に上昇すると、電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。状態１から電力供給スイッチ素子ＰＳＷがオンになった状態を状態３と呼ぶ。
【００５１】
また、前記状態２において前記出力電圧が所定のしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇すると、電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。状態２から電力供給スイッチ素子ＰＳＷがオンになった状態を状態４と呼ぶ。
【００５２】
非接触ＩＣカード６が状態３または状態４のいずれの状態になるかは、状態３または状態４の直前の状態が状態１と状態２のどちらかになっているかによる。状態１から状態３に移行した場合には、共振回路６０は接続状態で本来の共振状態となっている。状態２から状態４に移行した場合には、共振回路６０は非接続状態となっている。いずれの場合も、電源回路６２の出力電圧が所定のしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇してデータ処理部６６を駆動するのに充分な電圧を得ている。このようになる理由を以下に詳述する。
【００５３】
図４は、非接触ＩＣカード６が一枚だけ改札機本体３のアンテナ部５に近づいたときのスイッチ制御回路６１のスイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷに対する制御動作結果を示す。
【００５４】
初期状態では、スイッチ素子ＳＷはオフされている。また、電力供給スイッチ素子ＰＳＷもオフされている。この初期状態において、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５に近づくと、非接触ＩＣカード６における共振回路６０に電圧Ｖが発生する。そして、この電圧Ｖがスイッチ制御回路６１で検出され、この電圧Ｖが所定のしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇すると、スイッチ制御回路６１がスイッチ素子ＳＷをオンする。この状態が、状態１である。これによって、共振回路６０は接続状態となるため、電源回路６２の出力電圧が急激に上昇する。
【００５５】
さらに、出力電圧Ｖが所定のしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇すると、スイッチ制御回路６１は電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。この状態が状態３である。
【００５６】
このようにして、初期状態、状態１、状態３の順に推移し、非接触ＩＣカード６を改札機本体３のアンテナ部５に近づけたとき、非接触データ通信を行える状態となる。
【００５７】
図５は、非接触ＩＣカード６が二枚重なって改札機本体３のアンテナ部５に近づいたときのスイッチ制御回路６１のスイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷに対する制御動作結果を示す。ここでは、二枚の非接触ＩＣカードをそれぞれカード６ａおよびカード６ｂと呼ぶ。
【００５８】
初期状態では、二枚のカード６ａ、６ｂはともに、それぞれのスイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷがオフ状態にある。この初期状態にある二枚のカード６ａ、６ｂがアンテナ部５に近づくと、両カードの共振回路６０から発生する出力電圧がしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇する。なお、このとき、二つのカードの出力電圧が、ほとんど同時にアンテナコイルに発生する誘導起電力だけによってしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇するか、または一方のカードの出力電圧がしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇して接続状態となってから、他方のカードの出力電圧が相互誘導によりしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇する。
【００５９】
いずれの場合でも、二枚のカード６ａ、６ｂとも出力電圧がしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇すると、カード６ａ、６ｂとも、スイッチ素子ＳＷがスイッチ制御回路６１によってオンされる。したがって、このとき二つのカード６ａ、６ｂはともに状態１となっている。二つのカード６ａ、６ｂがともに状態１となると、すなわち、二つのカード６ａ、６ｂが接近した状態で、それぞれのカードの共振回路６０が接続状態となると、共振周波数が低下し、共振回路に発生する電圧が低下する。
【００６０】
したがって、電源回路６２の出力電圧Ｖが共振状態となって急激に上昇した直後、急激に下降し始める。すると、カード６ａまたはカード６ｂのいずれかの上記出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１未満に下降する。なお、このとき両方のカードの出力電圧Ｖが同時にしきい値Ｖｔｈ１未満に下降することはなく、通常はどちらかが先にしきい値Ｖｔｈ１に達する。なぜなら、回路内に発生する雑音、すなわち内部雑音（熱雑音、ショット雑音など）や、非接触ＩＣカードの製造工程で生まれる回路の電子的特性の差異などが存在するため、出力電圧の上昇および下降の度合いに差異が生じるからである。
【００６１】
ここで、カード６ｂの出力電圧Ｖが先にＶｔｈ１未満に達したとすると、そのカード６ｂのスイッチ制御回路６１は、その瞬間にスイッチ素子ＳＷをオフにする。これにより、カード６ｂの共振回路６０が非接続状態になり、二つの共振回路６０が相互に影響し合わなくなり、もう一方のカード６ａの共振回路６０は再び本来の接続状態となる。すなわち、カード６ａは状態１を維持し、カード６ｂはスイッチ素子ＳＷがオフされることによって状態１から状態２に遷移する。
【００６２】
カード６ａが状態１、カード６ｂが状態２になっているとき、カード６ａの共振回路６０のみが接続状態となっているために、このカード６ａの出力電圧Ｖは急激に上昇して、しきい値Ｖｔｈ２以上に達する。また、状態２にあるカード６ｂにおいては、カード６ａの共振回路６０の出力電圧が急激に上昇するために、電磁結合している非接続状態にあるカード６ｂの共振回路６０の出力電圧も急激に上昇する。
【００６３】
その結果、カード６ａ、６ｂとも出力電圧Ｖが急激に上昇して、両方ともしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇することとなって、両方のカードとも、スイッチ制御回路６１が電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。このとき、カード６ａは状態３である。また、カード６ｂは、状態４である。
【００６４】
以上のスイッチ制御回路６１の動作によって、非接触ＩＣカード６が二枚重なって改札機本体３のアンテナ部５に近づけられても、充分な電力がデータ処理部６６に供給され、両方の非接触ＩＣカード６とも非接触データ通信が可能となる。
【００６５】
図６は、非接触ＩＣカード６の状態遷移を示している。初期状態では、スイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷはオフである。非接触ＩＣカード６を改札機本体３のアンテナ部５に近づけると、非接触ＩＣカード６の共振回路６０の出力電圧Ｖが上昇し、その出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇した状態すなわち状態１に遷移する。この状態１のとき、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷをオンする。
【００６６】
状態１で非接触ＩＣカード６がアンテナ部５から離れるなど何らかの障害が生じ、出力電圧ＶがＶｔｈ１からＶｔｈ２の間に留まったまま所定時間以上経過すると時間切れとなる。時間切れとなったときに、スイッチ制御回路６１がスイッチ素子ＳＷをオフすることによって、非接触ＩＣカード６は、初期状態に戻る。
【００６７】
一方で、状態１から出力電圧Ｖが、所定時間内にしきい値Ｖｔｈ２以上に上昇すると状態３となる。この状態３のとき、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷのオンを維持し、かつ電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。これにより、充分な出力電圧Ｖがデータ処理部６６に供給されて通信が開始される。
【００６８】
通信が終了し、または、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５から離れると共振回路からの出力電圧が低下し、データ処理部６６に充分な出力電圧Ｖが供給されなくなる。このとき、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷおよび電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオフする。これによって、非接触ＩＣカード６は初期状態に戻る。
【００６９】
また、前記状態１において、出力電圧Ｖが所定時間内にしきい値Ｖｔｈ１未満に低下すると状態２となる。この状態２のとき、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷをオフする。
【００７０】
状態２において、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５から離れるなど何らかの障害が生じることによって、所定時間内に出力電圧ＶがＶｔｈ２以上に上昇しない場合には、初期状態に戻る。
【００７１】
また、この状態２において、出力電圧がしきい値Ｖｔｈ２以上になると状態４になる。この状態４のとき、出力電圧がデータ処理回路６３を駆動するに充分な大きさとなるため、スイッチ制御回路６１は、スイッチ素子ＳＷのオフを維持し、電力供給スイッチ素子ＰＳＷをオンする。そして、データ処理部６６に充分な電力が供給されて通信が開始される。
【００７２】
この状態４において、通信が終了し、または、非接触ＩＣカード６がアンテナ部５から離れると出力電圧が低下し、データ処理部６６に充分な出力電圧Ｖが供給されなくなり、初期状態に戻る。
【００７３】
なお、電力供給スイッチ素子ＰＳＷは、非接触ＩＣカード６が通信を行うためだけには存在しなくてもよく、電源回路６２からデータ処理部６６に対して常時電力を供給しておいてもよい
電力供給スイッチ素子ＰＳＷを設けた理由は、非接触ＩＣカード６における消費電力を低減させることにより、弱い電磁波からでもスイッチ制御回路６１の動作電圧を得るためである。通常、スイッチ制御回路６１よりデータ処理部６６の方が、大きな電力を消費する。したがって、データ処理部６６への電力供給を遮断することによって消費電力を低減させることができる。
【００７４】
以上の状態遷移図において、非接触ＩＣカード６が一枚のときには、通常は、初期状態、状態１、状態３、初期状態の順に遷移して、非接触ＩＣカード６は乗車情報読取／書込機４と非接触データ通信を行う。
【００７５】
また、非接触ＩＣカード６が二枚重なって使用されるときには、一方の非接触ＩＣカード６については、初期状態、状態１、状態３、初期状態の順に遷移する。また、このとき、他方の非接触ＩＣカード６については、初期状態、状態１、状態２、状態４、初期状態の順に遷移する。そして、それぞれの非接触ＩＣカード６は、状態３または状態４のときに、双方の非接触ＩＣカード６は乗車情報読取／書込機４と非接触データ通信を行う。
【００７６】
ここで、複数の非接触ＩＣカードと情報読取／書込機４とが通信する方法について説明する。
【００７７】
最初に、複数の非接触ＩＣカード６が存在する場合に、情報読取／書込機４が、非接触ＩＣカード６と一枚ずつ通信する方法を以下に示す。
【００７８】
まず、情報読取／書込機４がポーリングコマンドを送信する。
【００７９】
カード６ａおよびカード６ｂは、このポーリングコマンドを受信すると、情報／読取書込機に対してそれぞれのカードの識別情報を含んだレスポンスを送信する。このとき、カード６ａが先の時刻にレスポンスを送信した場合を考える。すると、情報読取／書込機４は、先にカード６ａからのレスポンスを受信する。その後、カード６ｂからのレスポンスを受信する。情報読取／書込機４では、受信したレスポンスの識別情報から、どのカードからのレスポンスを受信したのかを判断する。情報読取／書込機４は、先にレスポンスを受信したカード６ａと通信を開始するために、通信確立のコマンド（カード６ａの識別情報を含んでいる）をカード６ａに対して送信する。カード６ａは、通信確立のコマンドを受信することによって、それに対するレスポンスを情報読取／書込機４に送信する。情報読取／書込機４は、通信確立のコマンドに対するカードからのレスポンスを受信するまで、上述したポーリングコマンドや通信確立のコマンドの送信を繰り返す。
【００８０】
そして、情報読取／書込機４からリードコマンドなどがカード６ａに対して送信され、カード６ａでは、このリードコマンドに対応するレスポンスを送信することによって、カード６ａに対する通信処理が完了する。
【００８１】
情報読取／書込機４では、カード６ａとの通信が完了したため、再度、ポーリングコマンドを送信する。カード６ａは通信が完了しているため、このポーリングコマンドに対しては、レスポンスを送信しない。カード６ｂでは、ポーリングコマンドを受信することによって、 それに対応するレスポンスを情報読取/ 書込機４に対して送信する。情報読取／書込機４は、このレスポンスを受信することによって、カード６ｂに対して通信確立のコマンド（カード６ｂの識別情報を含んでいる）を送信する。カード６ｂは、通信確立のコマンドを受信することによって、そのレスポンスを情報読取／書込機４に送信する。情報読取／書込機４は、このレスポンスを受信することによって、カード６ｂに対して、リードコマンドなどを送信し、カード６ｂはこのコマンドに対するレスポンスを送信することによってカード６ｂに対する通信処理が完了する。
【００８２】
次に、情報読取／書込機４が、複数の非接触ＩＣカード６と二枚同時に通信する方法を示す。
【００８３】
まず、情報読取／書込機４がポーリングコマンドを送信する。カード６ａおよびカード６ｂは、このポーリングコマンドを受信すると、情報／読取書込機に対してそれぞれカードの識別情報を含んだレスポンスを送信する。
【００８４】
このとき、カード６ａが先にレスポンスコマンドを送信した場合を考える。すると、情報読取／書込機４は、初めにカード６ａからのレスポンスを受信する。その後、カード６ｂからのレスポンスを受信する。
【００８５】
ここで、二つのカードからのレスポンスを受信した情報読取/ 書込機４は、他にカードが存在し、通信できるかどうかを判断するため、再度、ポーリングコマンドを送信する。ここで、他のカードからのレスポンスがないと判断した場合に、次のように、カード６ａおよびカード６ｂと通信を行うための処理を行う。
【００８６】
情報読取／書込機４は、受信したレスポンスの識別情報から、どのカードからのレスポンスを受信したのかを判断する。情報読取／書込機４は、それぞれのカードに対して、通信確立のコマンド（カードの識別情報を含んでいる）をそれぞれのカードに対して送信する。カード６ａでは、通信確立のコマンドを受信することによって、それに対するレスポンスを情報読取／書込機４に送信する。また、カード６ｂでも、通信確立のコマンドを受信することによって、それに対するレスポンスを情報読取/ 書込機４に送信する。情報読取／書込機４は、通信確立のコマンドに対するカードからのレスポンスを受信するまで、上に説明した。ポーリングコマンドや通信確立のコマンドの送信を繰り返す。
【００８７】
そして、情報読取／書込機４からリードコマンドなどがカード６ａに対して送信され、カード６ａでは、このリードコマンドに対応するレスポンスを送信することによって、カード６ａに対する通信処理が完了する。そして、次に、情報読取／書込機４からリードコマンドなどがカード６ｂに対して送信され、カード６ｂは、このリードコマンドに対応するレスポンスを送信することによって、カード６ｂに対する通信処理が完了する。
【００８８】
また、非接触ＩＣカード６が三枚以上重ね合わせられて使用された場合も、各非接触ＩＣカード６が上記の状態遷移のいずれかの経緯を辿る。すなわち、複数の非接触ＩＣカード６が重なって使用された場合には、その一枚の非接触ＩＣカード６については、初期状態、状態１、状態３、初期状態の順に遷移する。また、この場合、他の複数の非接触ＩＣカード６については、初期状態、状態１、状態２、状態４、初期状態の順に遷移する。
【００８９】
図７は非接触ＩＣカード６が一枚だけ使用された場合、非接触ＩＣカード６を乗車情報読取／書込機４のアンテナ部５に近づけたときの非接触ＩＣカード６における共振回路からの出力電圧Ｖの時間的推移を示す。出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１に達すると、スイッチ素子ＳＷがオンになるので、すなわち状態１になるので共振回路６０が共振状態となって急激に上昇する。そして、ある電圧に達した段階で緩やかとなり、さらに上昇を続けてしきい値Ｖｔｈ２に達してから電源回路６２内の定電圧回路により一定の飽和電圧となる。点Ｐでの電圧の上昇する傾きが緩やかになる理由は、共振回路が最初から共振状態であった場合の上昇曲線Ｑに沿って出力電圧が上昇するからである。この実施形態では、しきい値Ｖｔｈ２の値は、データ処理回路６３を安定して駆動可能な電圧の最低電圧に設定される。
【００９０】
図８は、非接触ＩＣカード６を二枚重ねた場合の各非接触ＩＣカード６における共振回路からの出力電圧Ｖの時間的推移を示す。
【００９１】
一枚目の非接触ＩＣカードをカード６ａ、二枚目の非接触ＩＣカードをカード６ｂとする。一枚目のカード６ａが、時刻ｔ１で電圧ｖ１（Ｖｔｈ１以上）の点Ｐ１に達すると、カード６ａが状態１となって出力電圧Ｖが急激に上昇する。これにより、双方のカードにおける共振回路の相互インダクタンスによって二枚目のカード６ｂの出力電圧も急激に上昇する。すると、この二枚目のカード６ｂの出力電圧がＶｔｈ１を超えるから二枚目のカード６ｂも状態１となる。二枚のカード６ａ、６ｂがともに状態１となると、二枚のカード６ａ、６ｂの共振回路は、相互に影響し合うため、時刻ｔ２で、共振回路からの出力電圧は急激に下降し始める。そして、最初に二枚目のカード６ｂの出力電圧がＶｔｈ１未満に達する。この時刻ｔ２で電圧ｖ２の点Ｐ２においては、二枚目のカード６ｂは状態２となる。一枚目のカード６ａは、まだ状態１である。すると、二枚目のカード６ｂが状態２になることによって、カード相互間の影響がなくなり、共振回路の出力電圧が急激に上昇する。
【００９２】
また、状態２にある二枚目のカード６ｂも相互インダクタンスによって一枚目のカードにおける共振回路の誘導を受けて出力電圧が急激に上昇する。こうして、二枚のカード６ａ、６ｂともＶｔｈ２を超えてそれぞれ、状態３、状態４となって通信可能状態となる。
【００９３】
図９は、図３に示す非接触ＩＣカード６のデータ処理部６６を除く部分の詳細な回路図である。
【００９４】
アンテナコイルＬとコンデンサＣからなる共振回路のコンデンサＣに直列にＭＯＳ ＦＥＴからなるアナログスイッチ素子ＳＷ１が接続され、このスイッチ素子ＳＷ１のゲートにＳＷ１制御信号が入力する。電源回路６２は、整流ダイオードＤ１と、ツェナーダイオードＤ２とコンデンサＣ１とで構成され、このうちツェナーダイオードＤ２は出力電圧を定電圧化するものである。
【００９５】
スイッチ制御回路６１において、抵抗Ｒ１とツェナーダイオードＤ３とによって、しきい値Ｖｔｈ１を形成している。また、抵抗Ｒ２とツェナーダイオードＤ４とによって、しきい値Ｖｔｈ２を形成している。さらに、コンパレータＣＰ１は、電源回路６２からの出力電圧とＶｔｈ１とを比較し、コンパレータＣＰ２はＶｔｈ２と電源回路６２からの出力電圧とを比較する。コンパレータＣＰ１の出力は、２個のフリップフロップＦ１、Ｆ２とその他のゲート回路を経てＳＷ１制御信号を形成し、コンパレータＣＰ２の出力はＳＷ２制御信号を形成している。また、２個のタイマーＴ１、Ｔ２で時間監視を行う。
【００９６】
前記電源回路６２の出力端子には電力供給スイッチ素子ＳＷ２が接続され、この出力がデータ処理部６３の電力供給端子に接続されている。前記ＳＷ２制御信号は、このスイッチ素子ＳＷ２のゲートに入力され、また、スイッチ制御回路６１から出力される他の信号であるＳＷ１制御信号は前記スイッチ素子ＳＷ１のゲートに入力される。
【００９７】
スイッチ素子ＳＷ１は、図３で示したスイッチ素子ＳＷに相当する。また、スイッチ素子ＳＷ２は、図３で示した電力供給スイッチ素子ＰＳＷに相当する。
【００９８】
なお、スイッチ制御回路６１内のフリップフロップＦ１、Ｆ２およびタイマーＴ１、Ｔ２は後述のスイッチ制御回路６１の動作を制御するために使用されるものであって、ＳＷ１制御信号やＳＷ２制御信号を形成するために、また、時間監視を行うために使用される。
【００９９】
図１０は、スイッチ制御回路６１の動作を示すフローチャートである。
【０１００】
ステップ１００では、共振回路６０の出力、すなわち電源回路６２の出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１以上となるかどうかを判断する。出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１以上となればステップ１０１においてスイッチ素子ＳＷ１をオンするためのＳＷ１制御信号を形成する。具体的には、図９において、コンパレータＣＰ１の出力が「Ｈ」となり、ゲートＧ１によってフリップフロップＦ１がセットする。このとき、フリップフロップＦ２のＱ( バー) 端子は「Ｈ」であるために、ゲートＧ２の出力として「Ｈ」のＳＷ１制御信号が出力される。これによってスイッチ素子ＳＷ１がオンする。
【０１０１】
続いて、タイマーＴ１をリセットしてこのタイマーを起動する。すなわち、図９においてゲートＧ１の出力が「Ｈ」となることによって、タイマーＴ１がスタートする。なお、ステップ１０１で状態１が設定される。
【０１０２】
ステップ１０３では、上記状態１において出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１未満になるかどうかが判断される。もしそうでなければ、ステップ１０５に進み出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となるかどうかを判断する。出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となれば、ステップ１０９に進んで電力供給スイッチ素子ＳＷ２をオンするべくＳＷ２制御信号をコンパレータＣＰ２から出力する。ステップ１０７においては、ステップ１０２で起動したタイマーＴ１でタイムアップするまでの間に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上になるのを監視する。すなわち、タイマーＴ１が、あらかじめ設定したタイマー時間ｔｉｍｅ１に達するまでの間に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となればステップ１０９に進んで電力供給スイッチ素子ＳＷ２をオンさせるが、このタイマー監視期間内に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上とならない場合には、タイムアップすることによって、もとのステップ１００の初期状態に戻る。なお、ステップ１０９では状態３が設定される。また、ステップ１０３で出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１未満となったことが判断された場合には状態１から状態２に設定される。
【０１０３】
上記状態２においては、ステップ１０４においてスイッチ素子ＳＷ１をオフするためにＳＷ１制御信号を「Ｌ」にする。すなわち、ゲートＧ１の出力が「Ｌ」になることによって、フリップフロップＦ１がオフする。これによって、ゲートＧ２の出力が「Ｌ」となって、スイッチ素子ＳＷ１がオフする。またこのときフリップフロップＦ２がセットする。ステップ１０４でスイッチ素子ＳＷ１をオフすると、ステップ１０６でタイマーＴ２をリセットして起動する。そして、ステップ１０８において、出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となるかどうかを判断する。さらに、この判断をタイマーＴ２によって一定の時間ｔｉｍｅ２の時間だけ行う。そして、そのタイマー監視時間内に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上となれば、ステップ１０９に進んで電力供給スイッチ素子ＳＷ２をオンする。この状態が状態３である。もし、そのタイマー監視時間内に出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ２以上とならなければ、タイムアップしてステップ１００のもとの初期状態に戻る。
【０１０４】
なお、スイッチ制御回路６１は、出力電圧Ｖがしきい値Ｖｔｈ１以上に上昇したときを状態１とし、この状態１から再びしきい値Ｖｔｈ１未満に下降したときに状態２に遷移するようにしたが、状態２に遷移するときのしきい値は、Ｖｔｈ１未満の電圧であれば任意の電圧であってもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
この発明によれば、複数の非接触通信媒体（非接触ＩＣカードなど）が接近した状態（重なった状態）で同時に情報読取／書込装置などの通信装置に接近させても、それぞれの媒体で非接触データ通信を行うことができる。
【０１０６】
また、複数の非接触通信媒体（非接触ＩＣカードなど）のうち一つの非接触通信媒体が共振回路を接続状態と非接続状態とに切り換える構成を有していなくても、それぞれの通信媒体で非接触データ通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態である非接触ＩＣカードを使用する非接触自動改札機の外観図
【図２】改札機本体の乗車情報読出／書込機の構成図
【図３】非接触ＩＣカードの構成図
【図４】一枚の非接触ＩＣカードが通信可能となるまでのスイッチのオン／オフ動作を説明する図
【図５】二枚の非接触ＩＣカードを重ねて使用する場合における各カードのスイッチのオン／オフ動作を説明する図
【図６】非接触ＩＣカードの状態遷移図
【図７】一枚の非接触ＩＣカードが通信可能となるまでの出力電圧の変化を示す図
【図８】二枚の非接触ＩＣカードが使用される場合における各カードの出力電圧の変化を示す図
【図９】スイッチ制御回路の回路図
【図１０】スイッチ制御回路の動作を示すフローチャート
【図１１】従来の非接触ＩＣカードの欠点を説明するための図
【図１２】従来の非接触ＩＣカードの欠点を説明するための図
【符号の説明】
６０−共振回路
６１−スイッチ制御回路
６２−電源回路
６３−データ処理回路
６４−復調回路
６５−変調回路
６６−データ処理部
ＳＷ−スイッチ素子
ＰＳＷ−電力供給スイッチ素子
Claims (8)
- 電磁波を受信することで誘導起電力を発生し信号を送受信するアンテナコイルと共振コンデンサとからなる共振回路と、
前記共振回路の出力から所定の信号を復調する復調回路と、
前記復調回路で得られた信号を処理する処理回路と、
前記処理回路から出力される信号を変調し共振回路に出力する変調回路と、
前記共振回路を、前記共振コンデンサが前記アンテナコイルに接続された接続状態と、前記共振コンデンサが前記アンテナコイルから切断された非接続状態とに切り換えるスイッチ部と、
前記共振回路に発生する出力電圧の大きさに基づいて前記スイッチ部を切り換え制御するスイッチ制御部とを備え、
前記スイッチ制御部は、前記共振回路が非接続状態である初期状態において、前記出力電圧が所定のしきい値以上に上昇したときに、前記スイッチ部を制御することで前記共振回路を接続状態にし、その後、前記出力電圧が前記しきい値未満の電圧に下降したときに前記スイッチ部を制御することで前記共振回路を非接続状態にすることを特徴とする非接触通信媒体。 - 前記共振回路で生成された交流電力から前記処理回路で使用する電力を生成する電源回路と、この電源回路と前記処理回路の電力供給端子との間に、前記処理回路への電力の供給を接続または遮断する電力供給スイッチ部と、を設け、前記スイッチ部が制御された後、前記出力電圧が前記しきい値より大きな第２のしきい値以上に上昇したときに、前記電力供給スイッチ部を接続し、前記処理回路に電力を供給することを特徴とする請求項１記載の非接触通信媒体。
- 前記共振回路は、前記共振回路の出力電圧が前記所定のしきい値以上に上昇して前記共振回路が接続状態となった後、近接状態にある他の非接触通信媒体の共振回路も接続状態となったときの該他の非接触通信媒体の共振回路との相互誘導により前記出力電圧が下降するよう挙動し、且つ、前記他の非接触通信媒体の共振回路が接続状態から非接続状態に移行したとき、前記相互誘導がなくなることにより前記出力電圧が再び上昇し前記第２のしきい値以上に上昇するよう挙動する、請求項２記載の非接触通信媒体。
- 前記共振回路は、前記共振回路の出力電圧が前記所定のしきい値以上に上昇して前記共振回路が接続状態となった後、近接状態にある他の非接触通信媒体の共振回路も接続状態となったときの該他の非接触通信媒体の共振回路との相互誘導により前記出力電圧が前記所定のしきい値未満に下降するよう挙動し、
前記スイッチ制御部は、前記出力電圧が前記所定のしきい値未満に下降したとき前記スイッチ部を切り換えて前記共振回路を非接続状態にし、
前記共振回路は、前記共振回路が非接続状態となった後に前記他の非接触通信媒体の共振回路の出力電圧が上昇するときに、該他の非接触通信媒体の共振回路との電磁結合により出力電圧を前記第２のしきい値電圧以上に上昇させるよう挙動する、請求項２記載の非接触通信媒体。 - 前記共振回路は、コイルとコンデンサの並列共振回路で構成され、
前記スイッチ部は、前記コンデンサに直列に接続されたアナログスイッチで構成されたことを特徴とする、請求項１記載の非接触通信媒体。 - 前記スイッチ制御部は、前記スイッチ部を制御することで前記共振回路を接続状態にした後、この接続状態を継続している所定時間内に、前記出力電圧が前記第２のしきい値以上に上昇しない場合に、前記共振回路を非接続状態にすることを特徴とする請求項１記載の非接触通信媒体。
- 外観がカード形状である請求項１に記載の非接触通信媒体。
- 非接触通信媒体と通信装置との間で非接触による通信を行う非接触通信システムであって、
前記非接触通信媒体は、前記通信装置からの電磁波を受信することで誘導起電力を発生し信号を送受信するアンテナコイルと共振コンデンサとからなる共振回路と、
前記共振回路の出力から所定の信号を復調する復調回路と、
前記復調回路で得られた信号を処理する処理回路と、
前記処理回路から出力される信号を変調し共振回路に出力する変調回路と、
前記共振回路を、前記共振コンデンサが前記アンテナコイルに接続された接続状態と、前記共振コンデンサが前記アンテナコイルから切断された非接続状態とに切り換えるスイッチ部と、
前記共振回路に発生する出力電圧の大きさに基づいて前記スイッチ部を切り換え制御するスイッチ制御部とを備え、
前記スイッチ制御部は、前記共振回路が非接続状態である初期状態において、前記出力電圧が所定のしきい値以上に上昇したときに、前記スイッチ部を制御することで前記共振回路を接続状態にし、その後、前記出力電圧が前記しきい値未満の電圧に下降したときに前記スイッチ部を制御することで前記共振回路を非接続状態にし、
前記通信装置は、前記非接触通信媒体との間で信号の送受信を行うアンテナコイルと共振コンデンサとからなる共振回路と、送受信処理を行う送受信部とを備えることを特徴とする非接触通信システム。
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