JP2004088506A - リーダライタ - Google Patents

Abstract

【課題】本体装置仕様の供給電力のままで、従来のリーダライタより有効通信距離を伸ばすことができるリーダライタを提供する。
【解決手段】入力された振幅偏移変調信号を増幅して出力端子から出力する増幅回路と、前記増幅回路の出力端子から出力された振幅偏移変調信号を無線送信するアンテナ部とを備え、トランスポンダとの距離に応じて前記アンテナ部の等価インピーダンスが増加すると、前記増幅回路の出力端子から出力された振幅偏移変調信号の電圧の振幅が増大するように当該アンテナ部と当該増幅回路とが接続されており、前記増幅回路は、前記アンテナ部の等価インピーダンスが所定値より大きい場合に、入力された振幅偏移変調信号の変調度より小さい変調度で増幅した振幅偏移変調信号を出力端子から出力する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁誘導結合を通じて誘起された電力により駆動されるトランスポンダに、振幅偏移変調信号を無線送信するリーダライタに関し、特にリーダライタとトランスポンダとの有効通信距離を延長する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、メモリや制御回路等が集積された無線通信ＩＣチップとコイル等のアンテナ部とにより構成されたトランスポンダ（ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ）と、所定周波数のＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ：振幅偏移）変調信号のデータを電磁誘導結合により無線送信するリーダライタとから成るＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）システムの開発が盛んに行われている。
【０００３】
ここで言うリーダライタとは、トランスポンダにデータを電磁誘導結合により無線送信し、トランスポンダ内蔵のメモリにデータの書き込みを行う機能と、トランスポンダからの応答である所定周波数の副搬送波を無線受信してデータの読み取りを行う機能とを備えた装置のことをいう。
トランスポンダは、リーダライタのアンテナ部から発生するＡＳＫ変調信号の磁界をトランスポンダのアンテナ部で受けて、電磁誘導結合により誘起された電力で無線通信ＩＣチップが駆動してリーダライタとデータの送受信を行う。
【０００４】
トランスポンダとリーダライタから成るＲＦＩＤシステムの一例としては、非接触方式自動改札システムが挙げられる。従来の自動改札装置は、磁気カードである定期券カードを装置内に取り込んで磁気情報を読み書きし、送り出すといった一連の処理を行う為の機構部を有しており、当該機構部のメンテナンスに多くの費用がかかっていた。しかし、非接触方式自動改札システムの自動改札装置においては当該機構部が無くなるため、メンテナンスコストの削減が期待できる。
【０００５】
ここで非接触方式自動改札システムを簡単に説明すると、電車の定期券カードに定期券所有者の氏名、定期券ＩＤ、有効区間、有効期間等の情報をメモリに記憶したトランスポンダを付加しており、トランスポンダとデータを送受信するリーダライタが自動改札装置に組み込まれている。
トランスポンダが付加された定期券カードを所有するユーザは、自動改札装置を通る際に、自動改札装置に組み込まれたリーダライタのアンテナ部に定期券カードを近付ける。図４は、その時の概要を表す図である。リーダライタ１のアンテナ部からは、所定周波数のＡＳＫ変調信号の磁界が発生している。そして、定期券カード２０のトランスポンダとリーダライタ１がデータの送受信を行うことが実質的に可能な距離が、有効通信距離ｒとして示されている。
【０００６】
定期券カード２０がリーダライタ１に接近して有効通信距離ｒ内に入ると、定期券カード２０のトランスポンダは電磁誘導結合により電力が誘起されて駆動し、リーダライタと通信を行う。リーダライタが組み込まれた自動改札装置は、トランスポンダから受信したデータに基づいてユーザの改札通行の許可不許可を判定する。
【０００７】
ここで有効通信距離とは、トランスポンダを構成する無線通信ＩＣチップが駆動するために必要な最低電圧（リセット電圧）以上の電圧を、トランスポンダのアンテナ部において誘起するのに十分な磁界強度を受けることができる、リーダライタのアンテナ部からの最長距離をいう。有効通信距離を伸ばすには、リーダライタのアンテナ部から発せられる磁界強度を上げればよく、アンテナ部を構成するコイルに流れる電流を増大させれば磁界強度は上がる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、リーダライタが組み込まれる本体装置の設計仕様により、リーダライタに供給できる電力は限られている場合が多い。これは、非接触方式自動改札システムに限らずＲＦＩＤシステム全般において言えることである。
そこで本発明は、本体装置の設計仕様の供給電力で、従来のリーダライタより有効通信距離を伸ばすことができるリーダライタを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係るリーダライタは、電磁誘導結合を通じて誘起された電力により駆動されるトランスポンダに、振幅偏移変調信号を増幅して無線送信するリーダライタであって、入力された振幅偏移変調信号を増幅して出力端子から出力する増幅回路と、前記増幅回路の出力端子から出力された振幅偏移変調信号を無線送信するアンテナ部とを備え、トランスポンダとの距離に応じて前記アンテナ部の等価インピーダンスが増加すると、前記増幅回路の出力端子から出力される振幅偏移変調信号の電圧の振幅が増大するように当該アンテナ部と当該増幅回路とが接続されており、前記増幅回路は、前記アンテナ部の等価インピーダンスが所定値より大きい場合に、入力された振幅偏移変調信号の変調度より小さい変調度で増幅した振幅偏移変調信号を出力端子から出力して、前記アンテナ部の等価インピーダンスが前記所定値より小さい場合に、入力された振幅偏移変調信号の変調度を保ったまま、増幅した振幅偏移変調信号を出力端子から出力することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るリーダライタの実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、実施の形態で説明するリーダライタは、ＩＳＯ１４４４３のＴｙｐｅＢに準拠しているものとする。
図１は、本発明の実施の形態に係るリーダライタの回路図である。リーダライタは、変調回路２、出力トランジスタ３、電源部４、アンテナ部５、カップリングコンデンサ６、負荷コイル７、抵抗８、抵抗９、抵抗１０から成る。
【００１１】
変調回路２は、搬送波の電圧の振幅を図外の制御部から入力された２値情報に応じて偏移させて、ＡＳＫ変調信号を生成する。ＡＳＫ変調の変調度は、
変調度＝｛（ｘ−ｙ）／（ｘ＋ｙ）｝×１００（％）
という式で表すことができる。なお、ｘは２値情報の値が「１」であるときの、ＡＳＫ変調信号の電圧の振幅を示し、ｙは前記２値情報の値が「０」であるときの、ＡＳＫ変調信号の電圧の振幅を示す。
【００１２】
例えば１０％の変調度のＡＳＫ変調信号とは、振幅ｘと振幅ｙとの比率を、上式に基づいて、ｘ：ｙ≒１００：８１．８とした場合のＡＳＫ変調信号である。
本実施の形態に係るリーダライタは、ＩＳＯ１４４４３のＴｙｐｅＢに準拠しており、変調度は１０±２％と規定されている。
カップリングコンデンサ６は、変調回路２から出力トランジスタ３に信号成分を伝送するために用いられている。
【００１３】
抵抗８及び抵抗１０は、出力トランジスタ３のバイアス電圧の設定に用いられ、抵抗９は出力トランジスタ３のエミッタ端子と接続され、出力トランジスタ３のコレクタ端子から出力される電圧の増幅率設定に用いられる。
出力トランジスタ３は、ｎｐｎ形トランジスタであり、アンテナ部５のインピーダンスに応じて、変調回路２において生成されたＡＳＫ変調信号の電圧の振幅を増減して、コレクタ端子から出力する。
【００１４】
アンテナ部５は、アンテナコイルと共振コンデンサとを並列接続したＬＣ並列共振回路を構成しており、出力トランジスタ３のコレクタ端子と接続されている。アンテナ部５のインピーダンスＺは、共振周波数のＡＳＫ変調信号に対して最大となり、出力トランジスタ３のコレクタ端子から出力されたＡＳＫ変調信号の電圧をＱ（Ｑ：共振の尖鋭度）倍にする。本実施の形態に係るリーダライタは、ＩＳＯ１４４４３のＴｙｐｅＢに準拠していることから、１３．５６ＭＨｚが共振周波数に設定されている。よって、アンテナ部５は、コレクタ端子から出力された１３．５６ＭＨｚのＡＳＫ変調信号に対して共振して、大きな磁界を発生する。
【００１５】
アンテナ部５の共振時のインピーダンスＺは、アンテナコイルの自己インダクタンスＬ１と比例関係にあり、自己インダクタンスＬ１は電磁誘導結合するトランスポンダのアンテナ部との距離ｘに相関して増減する。トランスポンダのアンテナ部の自己インダクタンスをＬ２、相互インダクタンスをＭとすると、Ｌ１は、
Ｌ１＝Ｍ^２／（ｋ^２・Ｌ２）
と表される。ｋは結合係数であり、リーダライタ及びトランスポンダそれぞれのアンテナコイル間の距離ｘに応じて０≦ｋ≦１の間で変化する。ｋ＝０は、アンテナコイル間の距離ｘが非常に離れている場合か、磁気シールドがなされている場合であり、ｋ＝１は、アンテナコイル間の距離ｘが限りなく０で、完全な電磁誘導結合がなされている場合である。
【００１６】
上式から、ｋ＝１の時、即ち距離ｘが０の時にＬ１は最小値となり、ｋの値が０に近づくに連れて、即ち、距離ｘが伸びるに連れて、Ｌ１は増大することがわかる。
電源部４は、負荷コイル７を介して出力トランジスタ３のコレクタ端子と接続されており、最大供給電圧はＶｏｕｔである。
【００１７】
続いて出力トランジスタ３のコレクタ端子から出力されるＡＳＫ変調信号について説明する。
図２（ａ）は、トランスポンダが、リーダライタのアンテナ部５からの有効通信距離内にある場合に、当該リーダライタの出力トランジスタ３のコレクタ端子から出力されるＡＳＫ変調信号の波形を示す概略図である。トランスポンダが限りなくリーダライタのアンテナ部５と接近した位置、すなわち、トランスポンダのアンテナ部とリーダライタのアンテナ部５が接触するような位置関係になると、結合係数ｋが限りなく１の値に近づき、トランスポンダのアンテナ部及びリーダライタのアンテナ部５において、効率の良い電磁誘導結合が行われる。
【００１８】
このときのＡＳＫ変調信号の変調度は、ＡＳＫ変調信号の２値情報の値が「１」の電圧の振幅をＡ１、２値情報の値が「０」の電圧の振幅をＢ１とすると、

である。
【００１９】
一方、図２（ｂ）は、トランスポンダが、リーダライタのアンテナ部５からの従来の有効通信距離より少し遠い位置にある場合に、出力トランジスタ３のコレクタ端子から出力されるＡＳＫ変調信号の波形を示す概略図である。トランスポンダがアンテナ部５から見て従来の有効通信距離より少し遠い位置にあると、アンテナ部５とトランスポンダのアンテナ部との電磁誘導結合の効率は悪くなり、トランスポンダのアンテナ部において誘起される電力は小さくなる。また、結合係数ｋの値が０に近づくため、アンテナ部５のインピーダンスＺが大きくなり、その分、コレクタ端子から出力されるＡＳＫ変調信号の電圧の振幅が大きくなる。
【００２０】
図２（ｂ）では、ＡＳＫ変調信号の電圧の振幅が大きくなったことにより、ＡＳＫ変調信号の２値情報の値が「１」であることを示す電圧の振幅Ａ２が、供給電圧のダイナミックレンジにより飽和している。これに対してＡＳＫ変調信号の２値情報の値が「０」であることを示す電圧の振幅Ｂ２は、ＡＳＫ変調信号の電圧の増加をそのまま反映している。その結果、変調回路２において生成されたＡＳＫ変調信号の変調度は当初の１０％より小さくなる。
【００２１】
トランスポンダとリーダライタとの距離が有効通信距離より更に離れていくと、リーダライタのアンテナ部５のインピーダンスＺは更に大きくなり、これに応じてＡＳＫ変調信号の電圧の振幅も更に大きくなって、やがて、振幅Ｂ２もダイナミックレンジに到達する大きさの振幅になる。このようになると、ＡＳＫ変調信号の変調度は０％であり、トランスポンダは、受信したＡＳＫ変調信号をデータとして読み取れなくなる。トランスポンダがＡＳＫ変調信号から２値情報を読み取ることが可能な変調度の下限値としては、ＩＳＯ１４４４３のＴｙｐｅＢの規定では８％であるが、トランスポンダによっては変調度が６％でも２値情報を読み取ることが可能なものもある。
【００２２】
続いて、リーダライタのアンテナ部５から発生している磁界を受けて、トランスポンダのアンテナ部において誘起する電力について説明する。
図３（ａ）は、トランスポンダがリーダライタのアンテナ部５からの有効通信距離内にある場合に、トランスポンダのアンテナ部において誘起された電圧を、トランスポンダに内蔵されている整流器により整流した結果の電圧波形を示す概略図である。有効通信距離内にあるトランスポンダのアンテナ部では、効率的に電磁誘導結合がなされ、リセット電圧以上の電圧が誘起されている。
【００２３】
一方、図３（ｂ）は、トランスポンダが、リーダライタのアンテナ部５からの従来の有効通信距離より少し遠い位置にある場合に、トランスポンダのアンテナ部において誘起された電圧を、トランスポンダに内蔵されている整流器により整流した結果の電圧波形を示す概略図である。有効通信距離外にあるトランスポンダのアンテナ部では、効率的な電磁誘導結合が行われないため、誘起された電圧の電圧波形は図３（ａ）に示した電圧波形より全体的に低い値で形成されるが、リーダライタから送信されたＡＳＫ変調信号の変調度が小さくなっているため、リセット電圧を上回る電圧が誘起されている。
【００２４】
以上、本発明に係るリーダライタについて実施の形態を示して説明したが、本発明はこの実施の形態に限られないことは勿論である。即ち、
（１）実施の形態では、出力トランジスタをエミッタ接地し、コレクタ端子から出力される増幅されたＡＳＫ変調信号をアンテナ部において共振していたが、出力トランジスタをベース接地し、エミッタ端子とアンテナ部を接続し、エミッタ端子から出力される増幅されたＡＳＫ変調信号をアンテナ部において共振するようにしてもよい。
（２）実施の形態では、出力トランジスタは１つだけであったが、複数のトランジスタを組み合わせた増幅回路であってもよく、リーダライタのアンテナ部のインピーダンスが増加に応じて出力を増加させるような構成の増幅回路であればよい。
（３）リーダライタのアンテナ部はＬＣ並列共振回路としていたが、これに限られず、コイルのみで構成していてもよいし、ＬＣ直列共振回路であってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように本発明に係るリーダライタは、電磁誘導結合を通じて誘起された電力により駆動されるトランスポンダに、振幅偏移変調信号を増幅して無線送信するリーダライタであって、入力された振幅偏移変調信号を増幅して出力端子から出力する増幅回路と、前記増幅回路の出力端子から出力された振幅偏移変調信号を無線送信するアンテナ部とを備え、トランスポンダとの距離に応じて前記アンテナ部の等価インピーダンスが増加すると、前記増幅回路の出力端子から出力される振幅偏移変調信号の電圧の振幅が増大するように当該アンテナ部と当該増幅回路とが接続されており、前記増幅回路は、前記アンテナ部の等価インピーダンスが所定値より大きい場合に、入力された振幅偏移変調信号の変調度より小さい変調度で増幅した振幅偏移変調信号を出力端子から出力して、前記アンテナ部の等価インピーダンスが前記所定値より小さい場合に、入力された振幅偏移変調信号の変調度を保ったまま、増幅した振幅偏移変調信号を出力端子から出力することを特徴とする。
【００２６】
これにより、トランスポンダとリーダライタとの距離が有効通信距離より遠くなるとリーダライタから送信されるＡＳＫ変調信号は変調度が小さくなるので、当該ＡＳＫ変調信号の電磁波を受信したトランスポンダにおいて、電磁誘導結合により誘起された電圧はトランスポンダの制御回路のリセット電圧を下回りにくくなる。すなわち、有効通信距離を伸ばすことができる。
【００２７】
また、前記増幅回路は１つのトランジスタを含み、前記アンテナ部は、コイルとコンデンサを並列接続したＬＣ並列共振回路であることとしてもよい。
これにより、最も簡単に本発明に係るリーダライタの送信機能を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリーダライタの送信回路の一例を示す図である。
【図２】本発明に係るリーダライタの出力トランジスタから出力されるＡＳＫ変調信号の波形図の一例である。
【図３】本発明に係るリーダライタから送信された電磁波を受信したトランスポンダにおいて生成される電圧波形図の一例である。
【図４】トランスポンダが付加された定期券カードと、リーダライタとを示す概略図である。
【符号の説明】
１　　　　　　リーダライタ
２　　　　　　変調回路
３　　　　　　出力トランジスタ
４　　　　　　電源部
５　　　　　　アンテナ部
６　　　　　　カップリングコンデンサ
７　　　　　　負荷コイル
８、９、１０　抵抗
２０　　　　　定期券カード

Claims (2)

1. 電磁誘導結合を通じて誘起された電力により駆動されるトランスポンダに、振幅偏移変調信号を増幅して無線送信するリーダライタであって、
   入力された振幅偏移変調信号を増幅して出力端子から出力する増幅回路と、
   前記増幅回路の出力端子から出力された振幅偏移変調信号を無線送信するアンテナ部とを備え、
   トランスポンダとの距離に応じて前記アンテナ部の等価インピーダンスが増加すると、前記増幅回路の出力端子から出力される振幅偏移変調信号の電圧の振幅が増大するように当該アンテナ部と当該増幅回路とが接続されており、
   前記増幅回路は、前記アンテナ部の等価インピーダンスが所定値より大きい場合に、入力された振幅偏移変調信号の変調度より小さい変調度で増幅した振幅偏移変調信号を出力端子から出力して、前記アンテナ部の等価インピーダンスが前記所定値より小さい場合に、入力された振幅偏移変調信号の変調度を保ったまま、増幅した振幅偏移変調信号を出力端子から出力する
   ことを特徴とするリーダライタ。
2. 前記増幅回路は１つのトランジスタを含み、前記アンテナ部は、コイルとコンデンサを並列接続したＬＣ並列共振回路であることを特徴とする請求項１に記載のリーダライタ。

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