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
【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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