JP3900299B2 - 非接触icカード - Google Patents
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Description
なお、この種の非接触ICカードを開示したものとして下記特許文献1、2がある。
特に、実施の形態11〜16のアンテナ共振回路において振幅をより大きくとることができるようにする等して、より正確な処理が行える非接触ICカードを提供することを目的とする。
図1はこの発明の一実施の形態による非接触ICカードシステムの構成を示す図である。図において、100は非接触ICカードシステム、10は電池レスの非接触ICカード(以下カードとする)、20はリーダライタ(以下R/Wとする)である。
実施の形態1では、電力供給はR/W20とカード10との距離によって大きく変動するので、その変動を吸収するため、カード10側において、整流後の電圧に応じてアンテナ共振回路4のクオリティファクタQを変化させ、カード10に誘起される電圧を安定化するようにした。
カード10からR/W20へのデータ伝送は、送信電力の大きいR/W20からの送信を停止して行うが、この場合には電力供給が停止するため、カード10に蓄えられたエネルギを効率良く使うことが必要となる。そこでこの実施の形態では、カード10のアンテナ共振回路4に発生している自由振動をそのまま利用し、アンテナ共振回路4にエネルギ蓄積用コンデンサ6a、6bに蓄えられたエネルギを少しずつ補給して、自由振動が減衰する時間を長くするようにした。
カード10からR/W20へのデータ伝送のための変調方式についても、エネルギの消耗が少ないことが必要である。そのためこの実施の形態では、アンテナ共振回路4の定数を変化させて変調を行う。送信すべきデータの変化に対応してアンテナ共振回路4の定数を変化させて、位相変調方式を実現する。
さらに、整流回路の整流方式として半波方式やブリッジ方式等のその他の方式のものでも実現可能である。
カード10bの消費電流が大きい場合、R/W20aからカード10bへ効率的に電力伝送するにはアンテナ共振回路4Aのインピーダンスを低くする必要がある。
R/W20aからカード10bへ電力を供給しながらデータを伝送するには、振幅変調では、連続的な電力供給は不可能である。そこで、位相変調もしくは周波数変調が必要となる。
なお、上記説明では図4のカード10bに従って説明したが、この発明の図1に示すカード10等でも実施可能である。
カード10bからR/W20aへのデータ伝送のための変調方式についても、エネルギの消耗が少ないことが必要である。そのためこの実施の形態では、カード10bからR/W20aへのデータの伝送は、カード10bの直列共振回路で構成されたアンテナ共振回路4Aの両端、すなわち負荷の両端を出力用トランジスタ9により、伝送すべきデータに応じて短絡することにより行う。出力用トランジスタ9は制御部17からの出力データによりオン/オフされる。
さらに、整流回路の整流方式として半波方式やブリッジ方式等のその他の方式のものでも実現可能である。
R/Wからカードへのデータ伝送速度に関し、上記実施の形態のような位相変調による非接触ICカードシステムの場合、R/Wの直列共振回路からなる送信用アンテナ共振回路(図1の201参照)のドライブ抵抗を小さくし、Qを高くする程、アンテナ共振回路の両端の電圧が大きくなり、遠くへ電力を送ることができる。しかしながら、R/W側でその信号を変調する時には、Qが高い程、変調するのに時間がかかるようになり、データ送信の速度が遅くなる。すなわち、通信距離が長くなる程、通信速度は遅くなる。
上記実施の形態1のカードではカードをR/Wに近付けると、カードの電源電圧が上がり過ぎないようにQが低くなるように動作するが、Qがどんどん低下すると、R/Wのアンテナ共振回路の波形からの遅れが小さくなり、カードのアンテナ共振回路の波形がR/Wのアンテナ共振回路の波形に近付いていく。
実施の形態7はR/Wからカードへのデータ伝送速度を上げることに関し、特にR/W側での変調に関するものであったが、実施の形態9は同様のデータ伝送速度に関し、特にカード側でR/Wからのデータを受信した時の復調に関するものである。
カードがR/Wに近い時のカードのデータ受信を確実にすることに関し、上記実施の形態9において、カードがR/Wに近い時には、カードのアンテナ共振回路のQは低くなり、アンテナ共振回路による遅れが極めて少なくなる。また、R/Wの送信用アンテナ共振回路の変調速度も速いため、図15に示すように位相の変化があることをAの位置で検出して、実施の形態9のように位相を変えるようにしても、既に変化しているため、Bで示すように再度、振幅が小さくなることが発生する。
図17には、この実施の形態によるカードの構成の一部を示す。この実施の形態では整流回路をブリッジ整流回路5Aとすることにより、アンテナ共振回路4の振幅を電源電圧Vccまで、すなわち図1に示す半波倍電圧整流回路の場合の2倍にとることができるようにしたものである。
半波倍電圧整流回路の場合は入力された信号を倍にして使用するため、カードの回路が3Vで動作する場合には、R/Wとカードとの間でやり取りされる信号は1.5Vのものであったが、ブリッジ整流回路5Aを使用した場合にはカードの回路の動作電圧すなわち3Vの信号を扱うことができるため、より確実な信号の授受が行える。
また、図19には、アンテナ共振回路4の低い方の端子を接地する切換回路31への切換信号を発生する信号発生回路の一例を示す。図において、34は比較器、35はD型フリップフロップである。また、図20には図17および19の回路の波形を示す。入力信号Bが破線で示す接地レベルより低下したことを比較器34で検出し、アンテナ共振回路4の低い方を接地する信号を反転させる。このように構成することにより、自律的に低い方を接地し高い方を信号として取り出すことができる。
この実施の形態は特に、位相変調によるデータ伝送を行うカードにおいて、R/Wとカードの距離が変動することによるカードの受信電圧の変動に強い検波を行うことを実現するものである。上述の実施の形態では位相の変化を信号の振幅から判断していたのに対し、この実施の形態では、位相ロックループ回路により基準位相信号を得て、この基準位相信号と受信した信号との位相を比較することにより、これらの位相の差から位相の変化を検出するようにしたものである。これにより信号の振幅の変化による影響を受けることがない。
図21にはこの実施の形態によるカードの制御部(例えば図17の回路の左側)に設けられる検波部分(検波手段)の構成、図22には波形図を示す。図21において、36はPLL(位相ロックループ回路)、37はEX−OR回路、38a、38bはD型フリップフロップである。また信号C、Dは、それぞれ例えば図19の回路から得ることができる。
この実施の形態では特に、R/Wとカードの距離がある程度ひらいても高速で通信を行うために、R/W側からカード側へ連続的に電力を送りながらカードからのデータをR/Wで受信することができるように、R/Wからカードへの電力用の周波数と、カードからR/Wへの通信用の周波数(キャリア)をそれぞれ異なる周波数にするようにしたものである。図23にはその時の波形図を示す。
ゼロクロス前 ゼロクロス後
低い方はGND、高い方は信号 → 高い方はGND、低い方は信号
高い方はGND、低い方は信号 → 低い方はGND、高い方は信号
となる。高い方の信号はブリッジ整流回路5Aを介してVccを充電し、低い方の信号はブリッジ整流回路5Aを介してGND−α(GNDより少し低い)でクランプされる。
また、後述するようにデータ送信用キャリアは電力用受信波の1/2の周波数に限らず、例えば電力用受信波を分周することで、電力用受信波の1/4、1/8等の周波数とすることも可能であり、この場合においても同様の効果を奏する。
この実施の形態では特に、実施の形態14で発生したキャリアの変調を実現する。これは、実施の形態14において、変調する時点での切換信号Cの長さを図25に示すように2倍にすることにより、2相PSK(Binary Phase Shift Keying)方式での変調を実現する。別の言い方で言えば、実施の形態14で1つ置きに反転させるところを変調する時には3つ置いて(図25のDの部分参照)反転させる。また図26の(a)と(b)にはAとFの実際の信号を示し、Dは変調された部分を示す。
また、この実施の形態においても後述するように、データ送信用キャリアは電力用受信波の1/2の周波数に限らず、例えば電力用受信波を分周することで、電力用受信波の1/4、1/8等の周波数とすることも可能であり、この場合においても同様の効果を奏する。
この実施の形態では特に、1つの信号の情報量を増やすことにより、実施の形態15による方式よりも一層のデータ伝達速度の向上を計った。実施の形態15においては、図25に示されるように、切換信号Cを、アンテナ共振回路4の両端の電圧波形Aのゼロクロスポイントを3つ間を置いて切り換えることで(3つ飛ばし)、2相PSK方式を実現している。この実施の形態では、図27の(a)に示す、アンテナ共振回路4の両端の電圧波形Aのゼロクロスポイントを2つ間を置く場合(2つ飛ばし)と、(b)に示す間を置かずに連続する場合(0飛ばし)を追加することにより、4相PSK(Quad Phase Shift Keying)方式(0°、90°、180°、270°の4種類の位相に基づく位相変調)を実現する。
実施の形態3では出力用コンデンサ11を半周期の間、アンテナ共振回路4に接続して行う位相変調が示されている。また、実施の形態7ではR/W側で送信用アンテナ共振回路201の両端を半周期の間、短絡する位相変調が示されている。この実施の形態では、実施の形態13に示すようにカード内にPLL36(図21参照)を内蔵した場合、PLL36の出力により半周期の幅を得て、さらにアンテナ共振回路4の両端間を短絡することで変調を行う。
実施の形態9ではカード側においてアンテナ共振回路4の振幅が低下してデータ変化点を検出すると、共振回路4に出力用コンデンサ11を半周期の間接続して共振周波数を1/2にして強制的な復調を行っている。この実施の形態では、実施の形態13に示すようにカード内にPLL36(図21参照)を内蔵した場合、PLL36の出力により半周期の幅を得て、さらにアンテナ共振回路4の両端間を短絡することで高速な復調を実現する。
この実施の形態では、実施の形態3や実施の形態9で示した出力用コンデンサ11による位相変調回路をもとに、受信波の1/2周波数の送信用キャリアを発生させるものである。図38にカードの構成、図39に波形を示す。
この実施の形態では、実施の形態19において変調を実現する。この実施の形態では、図38の回路において、図41に示すように、変調する時点で、出力用コンデンサ11を接続しない周期を1周期とすることにより、実施の形態19において、2相PSK方式の変調が実現できる。
Claims (6)
- 通信媒体として電磁波を使用する電池を内蔵しない非接触ICカードであって、データ送受信用のアンテナ共振回路からの信号を整流するブリッジ整流回路と、上記アンテナ共振回路の両端の電圧の低い方を接地し、高い方の電圧を信号として選択するように切換信号に従って切り換えを行う切換手段と、を備えたことを特徴とする非接触ICカード。
- 上記切換手段が、上記アンテナ共振回路の高い方の信号が負のレベルになった時に出力が反転する切換信号を発生する信号発生回路を備えたことを特徴とする請求項1に記載の非接触ICカード。
- 上記アンテナ共振回路の高い方の信号が負のレベルになったことを示す信号を入力としこれに同調した出力を発生するPLLを有し、位相変調信号を受けた時の上記切換信号を上記PLLの出力に基づいて半周期毎にサンプリングして復調を行う検波手段を備えたことを特徴とする請求項2に記載の非接触ICカード。
- 上記切換信号の反転を、アンテナ共振回路の波形のゼロクロスポイトの所定の数おきに実行し、電力用の周波数と異なる送信用の周波数を発生し、電力の供給を受けながら送信が行えることを特徴とする請求項1に記載の非接触ICカード。
- 上記切換信号の反転を、アンテナ共振回路の波形のゼロクロスポイトの1つおきに実行し、変調する時点ではアンテナ共振回路の波形のゼロクロスポイトを3つ置いて上記切換信号を反転させることにより位相変調を行うことを特徴とする請求項4に記載の非接触ICカード。
- 変調する時点では、アンテナ共振回路の波形のゼロクロスポイトの0ないし3のいずれかの間を置いて上記切換信号を反転させることにより4種類の位相に基づく位相変調を行うことを特徴とする請求項4に記載の非接触ICカード。
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