JP2011022923A

JP2011022923A - 非接触ｉｃカード及び無線システム

Info

Publication number: JP2011022923A
Application number: JP2009169221A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Honma; 友之本間; Tetsuro Iwamura; 鉄郎岩村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-02-03
Also published as: US20110011934A1

Abstract

【課題】リーダライタに返信する際に、返信レベルを大きくしてキャリア振幅が小さくなっても、キャリア抽出を確実に行える非接触ＩＣカード及び無線システムを提供することである。
【解決手段】非接触ＩＣカード１０Ａは、電磁波を受信し、交流信号が誘起されるアンテナ１０-1と、アンテナからの交流信号を整流する整流回路１１と、整流回路からの整流信号より受信データを復調する復調回路１２と、交流信号又は整流信号からキャリアを抽出し、動作クロックを生成するキャリア抽出回路１３Ａと、キャリア抽出回路からの動作クロックで動作し、復調回路からの受信データを受けた後、リーダライタへの返信データを出力する返信データ生成部１５１と、交流信号のキャリアを返信データにて負荷変調する変調部１４と、リーダライタへの返信期間中は、キャリア抽出回路のキャリア抽出感度を上げるように制御する感度制御部１５２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触ＩＣカード及び無線システムに係り、特に電磁界を媒介として非接触通信するモバイル機器に搭載される非接触ＩＣカードなどにおいてキャリア抽出及びクロック生成を確実に行えるようした非接触ＩＣカード及び無線システムに関する。

電磁界や電波を用いた近距離の無線通信によって情報をやり取りする無線通信手段として、ＩＣカードやＲＦタグが各方面で使用されている。
電磁界を媒介として通信する非接触型のＩＣカード及びＲＦタグには、電力を電磁界から得るパッシブ型と、電池などから電力の供給を受けるアクティブ型がある。

なお、以下の説明では、説明を簡略にするために、非接触ＩＣカード及びＲＦタグのうち非接触ＩＣカードについて説明するが、非接触ＩＣカードに代えて非接触ＲＦタグを用いても構成及び作用効果は同様である。

パッシブ型の非接触ＩＣカードでは、無線周波部(RF I/F)は、リーダライタから搬送波(キャリア)として放出される電磁界をループアンテナで受信し、整流後、データ、クロック、電源電圧(電力)に変換し、主たる処理を行う処理部(ロジック及びメモリ)に供給する。従って、パッシブ型の非接触ＩＣカードでは、その動作に必要な条件として、ループアンテナで発生する搬送波電圧振幅が電源電圧以上であることが必要となる。例外的ではあるが、整流出力を昇圧したり、整流回路に倍電圧整流回路を使用する等の方法で動作に必要な電圧を得ることも行われるが、それらは効率が悪いため一般的には使用されない。

一方、最近の動向として、携帯電話などのモバイル機器に非接触ＩＣカードの機能を搭載する動きが活発であり、この様な場合はアクティブ型が採用される。この背景には、モバイル機器が元々電力源を備えていることもあるが、パッシブ型では機器内の金属部が電磁界に影響を与え、電力を得にくいと言う理由がある。

アクティブ型は、アンテナで得られる電力と動作電力に直接的な関係は薄く、データとクロックのみを得られれば良いので、それらに対する感度を回路的に向上させることによって良好な通信特性を得ることが可能となる。言い換えれば、データとクロックに対する抽出感度をパッシブ型に比べて飛躍的に向上させることによって、電磁界の状態が悪い状態であっても、パッシブ型よりも優れた通信特性を得られる可能性が出てくる。

一方、アクティブ型のＩＣカードにおいて、自身の感度をいくら高めても、リーダライタに対して返信できなければ通信としては成立せず、結局は通信特性の向上に繋がらない。従って、ＩＣカード自身のデータ復調、キャリア抽出感度を高めつつ、送信能力も向上させる必要がある。

ＩＣカードがリーダライタ側に返信する手段は、負荷変調と呼ばれる方法で行われる。これは、リーダライタ側のループアンテナとＩＣカード側のループアンテナが相互インダクタンスで結合している状態の下で、ＩＣカード側のインピーダンスを変化させると、リーダライタ側のループアンテナで発生している搬送波電圧振幅も変化することを利用している。なお、一般的には、リーダライタ側での変調も、ＩＣカード側での負荷変調も、搬送波の振幅を二値的に変化させるＡＳＫ変調が採用されている。

従って、ＩＣカードからリーダライタ側へより強いレベルで返信させる場合、返信データに応じて大きなインピーダンス変化をさせることになる。これは、インピーダンスが下がる状態の時に、ＩＣカード側のループアンテナで発生する搬送波電圧振幅が抑圧されて非常に小さくなることを意味する。従って、返信レベルをより高めるために、搬送波電圧振幅が非常に小さいレベルにまで抑圧される(変調が深くなる)期間が生じる結果、キャリア抽出も難しくなる。そこで、アクティブ型ＩＣカードでは、ＩＣカード自身のループアンテナで発生する搬送波電圧振幅に対するキャリア抽出感度も飛躍的に向上させることが必要である。

従来の非接触型のＩＣカードに関しては、例えば特許文献１〜３に示すような技術が開示されている。
特許文献１は、ＲＦＩＤタグにおいて、アンテナとＲＦＩＤタグ用ＩＣの間に抵抗を挿入可能な構成とすることにより、受信感度を調整できるようにしている。
特許文献２は、無線タグ情報読み取り装置(リーダライタ)において、コマンド種別やノイズレベルに応じて、復調回路の閾値を可変とし、受信感度を調整できるようにしている。

特許文献３は、非接触ＩＣカードにおいて、リーダライタから受けたＲＦレベルに応じて、非接触ＩＣカード内の同調コンデンサの容量を可変とし、受信感度を調整できるようにしている。
上述のように、特許文献１〜３は、何れも受信感度を調整できるようにして、データ復調を改善するものであり、キャリア抽出感度を調整してキャリア抽出及びクロック生成を改善するものではなかった。

特開２００６−３１４７３号公報特開２００７−１４８９５７号公報特開平５−１２８３１９号公報

そこで、本発明は、上述した問題に鑑み、リーダライタに対して返信する場合に、返信レベルを大きくすることによってキャリア振幅が小さくなっても、キャリア抽出を確実に行うことができる非接触ＩＣカード及び無線システムを提供することを目的とするものである。

本発明の一態様によれば、電磁波を受信し、交流信号が誘起されるアンテナと、前記アンテナからの交流信号を整流する整流回路と、前記整流回路からの整流信号より受信データを復調する復調回路と、前記交流信号又は整流信号からキャリアを抽出し、動作クロックを生成するキャリア抽出回路と、前記キャリア抽出回路からの動作クロックで動作し、前記復調回路からの受信データを受けた後、リーダライタへの返信データを生成して出力する返信データ生成部と、前記交流信号のキャリアを前記返信データにて負荷変調する変調部と、前記キャリア抽出回路からの動作クロックで動作し、リーダライタへの返信期間中は、感度制御信号を出力して、前記キャリア抽出回路のキャリア抽出感度を上げるように制御する感度制御部と、を具備したことを特徴とする非接触ＩＣカードが提供される。

本発明の他の態様によれば、上述した非接触ＩＣカードと、第２のアンテナを備え、前記交流信号に含まれる前記非接触ＩＣカードからの負荷変調された返信データを読み取るリーダライタと、を具備したことを特徴とする無線システム提供される。

本発明によれば、リーダライタに対して返信する場合に、返信レベルを大きくすることによってキャリア振幅が小さくなっても、キャリア抽出を確実に行うことができる非接触ＩＣカード及び無線システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る非接触ＩＣカードを備えた無線システムを示すブロック図。リーダライタ側から送信される交流信号のキャリアに対してリーダライタ側及びＩＣカード側で変調をかけた状態を示す波形図。図２におけるリーダライタのデータ送信休止期間においてＩＣカード側から返信する際に負荷変調に用いる変調信号と、負荷変調時にキャリア抽出回路に供給する感度制御制御信号を示す図。図１の第１の実施形態の非接触ＩＣカードの一構成例を示す回路図。図４のキャリア抽出の動作原理を説明するタイミング図。図４の負荷変調時のキャリア抽出感度切替えを説明するタイミング図。図１の第１の実施形態の非接触ＩＣカードの他の構成例を示す回路図。図７におけるシュミットトリガ回路の構成を示す回路図。図７及び図８のキャリア抽出の動作原理を説明するタイミング図。図７及び図８の負荷変調時のキャリア抽出感度切替えを説明するタイミング図。本発明の第２の実施形態に係る非接触ＩＣカードを備えた無線システムを示すブロック図。一般的なパッシブ型のＩＣカードを備えた無線システムを示すブロック図。図１２のパッシブ型ＩＣカードにおいてリーダライタ側からの搬送波(キャリア)をＩＣカード側で負荷変調したアンテナ波形を示す図。一般的なアクティブ型のＩＣカードを備えた無線システムを示すブロック図。図１４のアクティブ型ＩＣカードにおいてリーダライタ側からの搬送波(キャリア)をＩＣカード側で負荷変調したアンテナ波形を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１乃至図１１で本発明の実施形態を説明する前に、図１２乃至図１５を参照して一般的な非接触ＩＣカード及び無線システムについて簡単に説明する。
図１２及び図１３は一般的なパッシブ型の非接触ＩＣカードを備えた無線システムを示している。図１２は構成を、図１３は搬送波(キャリア)をＩＣカード側で二値的に負荷変調したアンテナ波形を示している。なお、ＩＣカードに代えてＲＦタグを用いてもよいことは前述した通りである。

図１２において、符号１０'はパッシブ型の非接触ＩＣカード、１１は整流回路、１２は復調回路、１３はキャリア抽出回路、１４は負荷変調トランジスタで構成される変調部、１５はロジック及びメモリで構成される処理部、１６'は定電圧回路、２０はリーダライタ、２１は制御用ＰＣ(パーソナルコンピュータ)、２０-1はループアンテナで構成される一次側アンテナ、１０-1はループアンテナで構成される二次側アンテナである。

図１２に示すパッシブ型の非接触ＩＣカードでは、無線周波部(ＲＦＩ／Ｆ)は、リーダライタ２０に接続したループアンテナ２０-1から搬送波(キャリア)として放出される電磁界をループアンテナ１０-1で受信し、整流回路１１を経て、データ、クロック、電力に変換し、主たる処理を行う処理部１５に供給する。整流回路１１の後段には、定電圧回路１６'が配設され、受信したキャリアを整流して得られる整流電圧を用いて定電圧を生成している。従って、パッシブ型の非接触ＩＣカード１０'の動作に必要な条件として、ループアンテナ１０-1で発生する搬送波電圧振幅が電源電圧(ＶDD)以上であることが必要となる。そのため、変調信号による変調度は、図１３に示すように必要な電源電圧ＶDDのレベルを維持できる程度の深さとされている。例外的ではあるが、整流出力を昇圧したり、整流回路に倍電圧整流回路を使用する等の方法で動作に必要な電圧を得ることも行われるが、それらは効率が悪いため一般的には使用されない。

一方、近年の動向として、携帯電話などのモバイル機器に非接触ＩＣカードの機能を搭載する傾向があり、このような機器搭載の仕様の場合はアクティブ型が採用されていることは前述した通りである。
図１４及び図１５は一般的なアクティブ型のＩＣカードを備えた無線システムの形態を示している。図１２と同一部分には同一符号を付してある。図１４は構成を、図１５は搬送波(キャリア)をＩＣカード側で二値的に負荷変調したアンテナ波形を示している。

図１４において、符号１０は非接触ＩＣカード、１１は整流回路、１２は復調回路、１３はキャリア抽出回路、１４は負荷変調トランジスタで構成される変調部、１５はロジック及びメモリで構成される処理部、１６は定電圧回路、２０はリーダライタ、２１は制御用ＰＣ、２０-1はループアンテナで構成される一次側アンテナ、１０-1はループアンテナで構成される二次側アンテナ、１０-2及び１０-3は電池(バッテリー)等の外部電源に接続する外部電源供給端子である。

図１４に示すアクティブ型の非接触ＩＣカード１０は、アンテナ１０-1で得られる電力と回路部分の動作電力とは直接的な関係は薄いので、データとクロックに対する感度を回路的に向上させることによって良好な通信特性を得ることが可能である。ＩＣカード１０は、電池等の外部電源を接続するための外部電源供給端子１０-2，１０-3を備えている。変調信号による変調度は、図１５に示すようにグランド(GND)レベル近くまで深くすることが可能となる。更に言えば、データとクロックに対する抽出感度をパッシブ型に比べて大きく向上させることによって、電磁界の状態が悪い状態であっても、パッシブ型よりも優れた通信特性を得られる可能性が出てくる。

一方、アクティブ型の非接触ＩＣカードにおいては、前述したとおり、ＩＣカード自身のデータ復調、及びキャリア抽出感度を高めつつ、返信能力も向上させる必要がある。

ＩＣカードがリーダライタ側に返信する手段は、前述したように負荷変調方法である。これは、リーダライタ側のループアンテナ２０-1とＩＣカード側のループアンテナ１０-1が相互インダクタンスで結合している状態で、ＩＣカード側のインピーダンスを変化させることによって、リーダライタ側のループアンテナ２０-1で発生している搬送波電圧振幅も変化させるものである。

従って、より強いレベルでＩＣカードから返信させる場合、返信データに応じて大きなインピーダンス変化をさせることになる。これは、インピーダンスが下がる状態の時に、ＩＣカード側ループアンテナ１０-1で発生する搬送波電圧振幅が抑圧されて非常に小さくなることを意味する。従って、ＩＣカード側において返信レベルをより高めるために、搬送波電圧振幅が非常に小さいレベルにまで抑圧される期間が生じる結果として、その期間、キャリア抽出も難しくなる。それ故、ＩＣカード自身のループアンテナ１０-1で発生する搬送波電圧振幅に対するキャリア抽出感度を飛躍的に向上させる必要となる。
以下に示す実施形態では、例えば、電磁界を媒介として非接触通信するモバイル機器に搭載される非接触ＩＣカード及びそれを用いた無線システムについて説明する。なお、ＲＦタグ及びそれを用いた無線システムに対しても同様に適用できることは、前述したとおりである。

［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係る非接触ＩＣカードを備えた無線システムを示している。図１４と同一部分には同一符号を付して説明する。本実施形態は、アクティブ型の非接触ＲＦタグを備えた無線システムについても同様に適用することができる。

図１に示す非接触ＩＣカード１０Ａは、図１４に示した非接触ＩＣカード１０とは異なり、図１４の処理部１５に対して感度制御機能を追加した処理及び制御部１５Ａを備えている。処理及び制御部１５Ａは、ロジック，メモリ及びマイコンを組み合わせたＩＣで構成され、ロジック及びメモリを備えた処理機能にマイコンなどによる制御機能が付加された構成となっている。具体的には、処理及び制御部１５Ａは、キャリア抽出回路１３Ａからの動作クロックで動作し、復調回路１２からの受信データを受けてこれを解読した後、リーダライタへの返信データを生成して出力する返信データ生成部１５１と、キャリア抽出回路１３Ａからの動作クロックで動作し、ＩＣカードの返信期間に対応した負荷変調期間においては感度制御信号を生成してキャリア抽出回路１３Ａに供給し、キャリア抽出回路１３Ａのキャリア抽出感度を上げるように制御する感度制御部１５２とを備える。感度制御部１５２は、負荷変調期間以外の期間においてはキャリア抽出感度を下げるように制御する。実際には、キャリア抽出感度は、負荷変調期間では、負荷変調期間以外の期間での標準レベル(第１のレベル)からそれよりも高い第２のレベルに上げるように制御され、負荷変調期間以外の期間では、再び第１のレベルに戻すように制御される。

従って、キャリア抽出回路１３Ａは、処理及び制御部１５Ａからの感度制御信号によってキャリア抽出感度が上げ下げ(制御)されるようになっている。これにより、例えばアクティブ型の非接触ＩＣカードにおいて負荷変調時にキャリア振幅が小さくなっても、キャリア抽出感度を上げることによってキャリア抽出が確実に行われ、常に確実にクロック生成することが可能となる。
図１に示す無線システムは、非接触ＩＣカード１０Ａと、ホスト機器である制御用ＰＣ２１に接続されたリーダライタ２０と、を備えている。

リーダライタ２０は、非接触ＩＣカード１０Ａとの間でデータの授受を行う。リーダライタ２０と非接触ＩＣカード１０Ａとの間のデータの授受は、互いにアンテナ２０-1，１０-１を介して非接触の状態で行われる。
非接触ＩＣカード１０Ａは、二次側アンテナ１０-1に接続された整流回路１１と、整流回路１１からの整流出力が供給される復調回路１２と、整流回路１１の入力側と同じ信号が供給されるキャリア抽出回路１３Ａと、負荷変調トランジスタで構成される変調部１４と、ロジック及びメモリ並びにマイコンを備えた処理及び制御部１５Ａと、定電圧回路１６と、図示しない電池(バッテリー)の正負の各電極が接続される外部電源供給端子１０-2，１０-3とを備えている。定電圧回路１６には、電池等の外部電源からの電源電圧が供給される。

二次側アンテナ１０-1は、一次側アンテナ２０-1から送信される電磁波を受信し、交流信号(例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ信号)が誘起され、この交流信号は整流回路１１へ供給される。ここで、交流信号とは、データを含んだ搬送波(キャリア)の信号、即ち搬送波(キャリア)をリーダライタ側の送信データ又はＩＣカード側の返信データの変調信号で変調した信号、或いは、無変調の搬送波(キャリア)のみの信号を言う。

非接触ＩＣカード１０Ａとしては、カード型の形状に限らず、箱型、円筒型、円盤型、スティック型、又はラベル型等の形状を採用可能である。アンテナ１０-1は、基板実装上は、例えばＩＣカード１０Ａを取り囲むようにして形成される。
整流回路１１は、例えばダイオードブリッジによる全波整流回路で構成されており、アンテナ１０-1からの交流信号を整流して、その整流信号を復調回路１２に出力する。
キャリア抽出回路１３Ａは、リーダライタ２０から送信された電磁波のキャリア成分を抽出し、処理及び制御部１５Ａの動作クロックとして用いられるクロックＣＬＫを生成する。

なお、キャリア抽出回路１３ＡによるクロックＣＬＫを生成するための動作については、本出願人が特許出願した特開2007-142873号公報に一例が記載されている。
定電圧回路１６は、外部電源供給端子１０-2，１０-3からの直流電圧を定電圧安定化することによって内部動作電圧ＶDDを生成する。生成された内部動作電圧ＶDDは、復調回路１２、キャリア抽出回路１３Ａ、並びに、処理及び制御部１５Ａの電源電圧として用いられる。
復調回路１２は、整流回路１１から出力される整流信号の包絡線検波電圧から受信データを復調し、復調した受信データを処理及び制御部１５Ａへ供給する。

処理及び制御部１５Ａは、マイクロプロセッサ(ＭＰＵ)、論理回路(ロジック)、ＲＯＭ及びＲＡＭのメモリを備えている。ＲＯＭは論理回路及びＭＰＵにおいて実行される処理及び制御等を実行するためのプログラムを格納している。ＲＡＭは、論理回路及びＭＰＵにおけるプログラム実行処理及び制御中に利用されるデータ等の格納領域及び作業領域として利用される。機能的には、処理及び制御部１５Ａは、前述したように、キャリア抽出回路１３Ａからの動作クロックで動作し、リーダライタへの返信データを出力する返信データ生成部１５１と、キャリア抽出回路１３Ａからの動作クロックで動作し、返信期間は、キャリア抽出回路１３Ａのキャリア抽出感度を上げるように制御する感度制御部１５２とを備える。

リーダライタ２０に対するデータ送信(返信)時においては、負荷変調(ロードスイッチング)方式が利用される。負荷変調方式は、ＩＣカード１０Ａのアンテナ１０-1のインピーダンスを変化させることによって、リーダライタ２０側のアンテナ２０-1の負荷を増減させるものである。この結果、リーダライタ２０側のアンテナ２０-1において生じるキャリア振幅の変動が、ＩＣカード１０Ａからの返信データとして検出されることになる。

変調部１４は、負荷変調トランジスタである例えばＮチャンネルＭＯＳトランジスタで構成されており、そのＭＯＳトランジスタのドレインが整流回路１１の入力端側の一方のラインに接続され、ソースが整流回路１１の入力端側の他方のラインに接続され、ゲートにはリーダライタ２０側への返信期間に処理及び制御部１５Ａから返信データとして送出される送信データが入力される。これによって、負荷変調トランジスタは、そのゲートに入力される送信データとしての変調信号(図３参照)における例えばハイレベル(以下、Ｈレベル)時には整流回路１１の入力端側の２つのライン間の抵抗値が非常に低くなり、ローレベル(以下、Ｌレベル)時にはライン間は高抵抗となる結果、図１５で示したように返信時のキャリアが送信データ(変調信号)に応じて変調されることになる。

以下に、図２及び図３を参照して、図１の動作を説明する。
図２は、リーダライタ側から送信する交流信号(例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ信号)のキャリアがそのリーダライタ送信期間に送信データで変調されてリーダライタ側から送信データとして送信される。そして、リーダライタ側から送信データを送信する送信期間と次の送信期間との間のデータ送信休止期間には、リーダライタ側から無変調のキャリアのみが送信されるが、このデータ休止期間にＩＣカード側から負荷変調によって返信データが送信される。従って、通信方式は、送信側と受信側がデータの伝送を交互に行う半二重通信方式となっている。但し、無変調のキャリアの送信は、リーダライタ側から常時行われており、またリーダライタ送信期間には、リーダライタ側から送信データによるキャリア変調が行われ、ＩＣカード１０Ａのアンテナがリーダライタ２０のアンテナに近づき相互インダクタンス結合した状態となっているとき、リーダライタのデータ送信休止期間に入るとＩＣカード１０Ａからの返信データによるキャリア変調が行われる。

なお、図２中の符号Ａで示す期間は、リーダライタ２０からリーダライタ送信期間において送信された送信データによって要求された処理が、ＩＣカード１０Ａ側において終わるまでの期間に相当し、この期間Ａが終了した時点でＩＣカード１０Ａは負荷変調による返信データの送信を開始することになる。

図３は図２におけるリーダライタのデータ送信休止期間において負荷変調によって変調信号(返信データ)をリーダライタへ送信する際にＩＣカード内の感度制御部１５２が生成する感度アップのための感度制御信号の開始／終了と、変調信号(返信データ)の開始／終了とのタイミング関係を示している。感度制御信号は、負荷変調期間(カード側返信期間)にキャリア抽出感度を上げ、それ以外の期間に感度を下げる(即ち標準的な感度とする)ための制御を行う制御信号である。

図３の変調信号のＨレベルが実際に一定振幅のキャリアに対して負荷変調レベルを与える期間であり、このＨレベル期間が図１５に示すキャリアの振幅を凹状に抑圧している期間に対応している。
なお、図３のタイミングチャートでは、キャリア抽出感度の制御信号の開始／終了のタイミングと、変調信号の開始／終了のタイミングが全く同時のタイミングとなっているが、感度制御信号のパルス幅(図示の感度制御期間)を負荷変調期間よりも若干長くとり、感度制御期間を実際の負荷変調期間に対して時間的に広目に設定する(図示点線にて示す)ことによって感度制御の幅に余裕を持たせて感度制御が確実に行えるようにしてもよい。

図４及び図５は第１の実施形態における一構成例及びその動作例を示している。
図４は図１に示した外部電源供給端子及び定電圧回路は省略し、本発明の技術的な特徴部分及びその関連部分を示している。図５は図４の構成例に対応した整流信号、及びキャリア抽出回路１３Ａで生成されるクロックＣＬＫを示している。

アンテナ１０-1は、例えば、コイルＬとコンデンサＣからなる並列共振回路で構成される。整流回路１１は、例えば、第１〜第４のダイオードＤ1〜Ｄ4からなるダイオードブリッジによる全波整流回路で構成されている。整流回路１１の全波整流出力は、平滑コンデンサＣ1にて平滑され、包絡線検波電圧となって復調回路１２に入力される。復調回路１２でデジタル復調された受信データは処理及び制御部１５Ａに供給される。
整流回路１１から出力される半波の整流信号はキャリア抽出回路１３Ａに供給されている。キャリア抽出回路１３Ａは、整流信号を閾値を用いて二値化することによって、キャリア周波数と同じ周波数のクロックＣＬＫを生成する。

キャリア抽出回路１３Ａは、コンパレータ回路で構成されている。コンパレータ回路は、非反転入力端子(＋)に整流回路１１からの整流電圧が入力され、反転入力端子(−)に閾値となる電圧が入力されるコンパレータＣＯＭと、コンパレータＣＯＭの反転入力端子(−)に接続されて、この反転入力端子に対して電圧源の電圧Ｖ^＋を抵抗Ｒ1，Ｒ2で分圧した電圧を閾値として与える分圧回路と、この分圧回路の基準電位点ＧＮＤ側の抵抗Ｒ2に並列に接続されて、抵抗Ｒ2の両端を開放又は短絡させるスイッチＳＷと、を備えている。スイッチＳＷは、処理及び制御部１５Ａからの感度制御信号に応じてオンオフが制御される。なお、スイッチＳＷに直列に小抵抗を接続した構成としてもよい。

処理及び制御部１５Ａは、キャリア抽出回路１５ＡからのクロックＣＬＫにて動作され、ＩＣカード１０Ａをリーダライタ２０に近づけ、アンテナ１０-1でリーダライタ２０からの送信データを受信した後に、その返信データとしての送信データを変調部１４へ送出すると共に、感度制御信号ＣＴＬをキャリア抽出回路１５Ａへ送出する機能を有している。

次に、図５及び図６を参照して、図４の動作を説明する。
図５において、(a)の実線はアンテナ１０-1の一方の端子、即ち整流回路１１におけるダイオードＤ3とダイオードＤ4との接続点での電圧波形を示し、点線の波形はアンテナ１０-1のもう一方の端子、即ち整流回路１１におけるダイオードＤ1とダイオードＤ2との接続点での電圧波形を示している。なお、点線の波形は実線の波形に対して１８０°位相がずれた波形となっいる。また、図５(a)の波形で、電位の下位側のレベルはグランドレベルＧＮＤよりもダイオードのＶF（順方向降伏電圧：一般的には０．７V程度）分低くなっている。

図５(b)は、図５(a)の整流信号をキャリア抽出回路１３Ａを構成するコンパレータ回路の非反転入力端子(＋)に入力し、反転入力端子(−)に閾値として高い電位の閾値Ｖth1を与えた状態で生成されるクロックＣＬＫ1を示している。また、図５(c)は、図５(a)の整流信号をキャリア抽出回路１３Ａを構成するコンパレータ回路の非反転入力端子(＋)に入力し、閾値を切り替えて反転入力端子(−)に閾値として低い電位の閾値Ｖth2を与えた状態で生成されるクロックＣＬＫ2を示している。閾値がＶth1の場合に比べて、閾値がＶth2の場合の方が半波整流信号(整流キャリア)のより広い幅の波形部分を検出することになり、キャリア検出がより確実に行われるので、キャリア抽出感度を上げた状態と言うことができる。

リーダライタ２０からの電磁波をアンテナ１０-1で受信し、整流回路１１で整流し、復調回路１２で受信データを復調する。これと同時に、整流回路１１で整流された整流信号は、キャリア抽出回路１３Ａに送られ、コンパレータＣＯＭで構成されるコンパレータ回路はスイッチＳＷの開放状態では整流信号を閾値Ｖth1に対して比較し、閾値Ｖth1を超えた整流信号期間をＨレベルとするクロックＣＬＫ1を生成する。このクロックＣＬＫ1は、キャリアの周波数と同じ周波数のクロックである。そして、前述の復調データとクロックＣＬＫ1は、処理及び制御部１５Ａへ送られる。処理及び制御部１５Ａは、クロックＣＬＫ1を動作クロックとして用いて復調データの判定を行い、リーダライタ２０からの受信データであると判定した後に、感度制御信号ＣＴＬを生成してキャリア抽出回路１３Ａを構成するコンパレータ回路へ送出すると同時にメモリ内に予め用意された返信データを送信データとして変調部１４へ送出する。

キャリア抽出回路１３Ａへ送られた感度制御信号ＣＴＬ(図３参照)は、変調部１４による負荷変調期間と同じ時間幅かそれより若干広い時間幅に形成されており、その感度制御信号のＨレベル期間においてキャリア抽出回路１３Ａに設けられたスイッチＳＷをオン状態にする。スイッチＳＷのオンによって、コンパレータＣＯＭの反転入力端子(−)に与えられる閾値は図５に示すＶth1から基準電位点ＧＮＤの電位又はそれに近い電位の閾値Ｖth2へ下降する。この閾値Ｖth2への下降によってコンパレータＣＯＭによるキャリア抽出感度が向上されることになる。この閾値の切替えによって、これとほぼ同時に変調部１４による負荷変調が開始されて図６(及び図１５)に示すように半波整のキャリアの振幅が負荷変調によって抑圧されてＷ1からＷ2へ小さくされる。このようにキャリア振幅が極端に小さくされても、その小さい振幅のキャリアを基準電位点ＧＮＤと同じ(又はそれに近い)閾値Ｖth2を用いることによって抽出でき、図５(c)に示すようにクロックＣＬＫ2を生成することができる。このクロックＣＬＫ2は、キャリアの周波数と同じ周波数である。

なお、アンテナの片側端子での波形は図６のようになっています。図示Ａの波形が変調をかけていないときの振幅が大きい状態、図示Ｂの波形が負荷変調を掛けて振幅が小さくなった状態である。何れも基準電位点ＧＮＤからダイオードブリッジの１つダイオードの順方向降伏電圧ＶFだけ下がった電位が基準となっている。従いまして、閾値を下方へシフトすることによって、見かけ上の感度が上がったように見える。但し、キャリア抽出回路１３Ａに対して、図７に示すような入力カップリングコンデンサＣ2が無いことが前提となる。

図７乃至図１０は第１の実施形態における他の構成例及びその動作例を示している。
図７は図１に示した外部電源供給端子及び定電圧回路は省略し、本発明の技術的な特徴部分及びそれに関連した部分を示している。図８は図７におけるシュミットトリガ回路の構成を示し、図９は図７の構成例に対応した整流信号及びキャリア抽出回路１３Ａで生成されるクロックＣＬＫを示し、図１０は図７における無変調時の半波整流信号と閾値ＶH1，ＶL1、及び、負荷変調時の半波整流信号と閾値ＶH2，ＶL2を示している。

アンテナ１０-1は、例えば、コイルＬとコンデンサＣからなる並列共振回路で構成される。整流回路１１は、例えば、第１〜第４のダイオードＤ1〜Ｄ4からなるダイオードブリッジによる全波整流回路で構成されている。整流回路１１の全波整流出力は、平滑コンデンサＣ1にて平滑されて、包絡線検波電圧となって復調回路１２に入力される。復調回路１２でデジタル復調された受信データは処理及び制御部１５Ａに供給される。

整流回路１１から出力される半波整流信号は直流カット用コンデンサＣ2を介してキャリア抽出回路１３Ａに供給される。キャリア抽出回路１３Ａは、シュミットトリガ回路で構成され、入力される半波整流信号を、ヒステリシス幅を規定する２つの閾値と比較し、二値化することによって、キャリア周波数と同じ周波数のクロックＣＬＫを生成する。

キャリア抽出回路１３Ａを構成するシュミットトリガ回路は、入力される整流信号が低電位側から高電位側へ変化するとき(立上り時)と、高電位側から低電位側へ変化するとき(立下り時)とでコンパレータＣＯＭの閾値が異なる特性(ヒステリシス)を有するもので、その２つの閾値の差に相当するヒステリシス幅(範囲)を、感度制御部からの感度制御信号ＣＴＬのＨレベル及びＬレベルに応じて変えることが可能とされる。

シュミットトリガ回路は、図８に示すように、コンパレータＣＯＭを備え、反転入力端子(−)と、直流バイアスＶ^＋／２が与えられる端子との間に、入力交流信号(キャリア信号)Ｅiが供給され、非反転入力端子(＋)には直流電位Ｖ^＋／２が抵抗Ｒ12を介して供給される一方コンパレータＣＯＭの出力が抵抗Ｒ11を介して供給され、抵抗Ｒ12の両端に抵抗Ｒ12の両端を開放、又は短絡若しくは短絡に近い小抵抗が並列接続された状態にさせるスイッチＳＷが接続された構成となっている。図８では、入力端子間に入力される入力信号Ｅiは直流バイアスＶ^＋／２が与えられており、この直流電位Ｖ^＋／２が抵抗Ｒ12のＧＮＤ側に与えられる。Ｖ^＋／２はＩＣカード１０Ａの電源電圧Ｖ^＋とＧＮＤ間の中点電圧を与えるものである。なお、図９及び図１０の波形図と論理を合わせる場合は、出力端子側にインバータＩＮＶを入れて反転させる必要がある。

この構成では、シュミットトリガ回路における２つの閾値ＶH1，ＶL1は、抵抗Ｒ12の両端に発生する電圧をＥR2とすると、ＶH1＝(Ｖ^＋／２)＋ＥR2，ＶL1 ＝(Ｖ^＋／２)−ＥR2と表され、ヒステリシス幅(＝ＶH1−ＶL1)は電圧ＥR2の２倍と表されるので、ヒステリシス幅を変える(言い換えればキャリア抽出感度を変える)には抵抗Ｒ12の値を変えればよい。中間電位Ｖ^＋／２を中心として交流信号の振幅の中間位置が中点電位Ｖ^＋／２とされるので、図１０に示すように負荷変調時にキャリア振幅の振幅がＷ11からＷ12へ抑圧された場合でも、Ｖ^＋／２を中心とする２つの閾値ＶH2，ＶL2の差であるヒステリシス幅が狭いほど２つの閾値が接近して閾値ＶH2，ＶL2がキャリア信号の振幅外に外れることがなく、小振幅のキャリアに対してもキャリア抽出が可能である(即ちキャリア抽出感度が高くなる)。逆に、ヒステリシス幅が広いほど２つの閾値がＶ^＋／２を中心として離間し、閾値がキャリア信号の振幅外に外れる事態も生じる可能性が大きく、感度が悪くなると言うことができる。

従って、シュミットトリガ回路内の抵抗Ｒ12の両端に並列に、小抵抗を直列接続した小抵抗付きのスイッチＳＷを接続し、抵抗Ｒ12の両端を開放又は短絡させる構成とすれば、抵抗Ｒ12の両端の開放時は閾値が(Ｖ^＋／２)＋ＥR2と(Ｖ^＋／２)−ＥR2の２つ存在し、ヒステリシス幅が２×ＥR2と表される或る程度の広い幅を有する。また、抵抗Ｒ12の両端の短絡時はＥR2の値が小さくなり即ちヒステリシス幅が非常に狭くなる。或いは、ヒステリシス幅が殆ど０となり、２つの閾値が中間電位Ｖ^＋／２の１つのみに近い状態となる。

次に、図９及び図１０を参照して、図７及び図８の動作を説明する。
リーダライタ２０からの電磁波をアンテナ１０-1で受信し、整流回路１１で全波整流し、復調回路１２で受信データをデジタル復調する。これと同時に、整流回路１１のダイオードＤ3及びＤ4の接続点からの整流された半波の整流信号は、キャリア抽出回路１３Ａに送られる。シュミットトリガ回路で構成されるキャリア抽出回路１３ＡはスイッチＳＷの開放状態では広いヒステリシス幅とされ、ノイズに強い(ノイズの影響の受けにくい)状態とされているが、広いヒステリシス幅のためにキャリア抽出感度は良好とは言えない。しかしながら、２つの異なった閾値ＶH1，ＶL1において整流信号と比較し、閾値ＶH1を超えた高いレベルの整流信号期間をＨレベルとし閾値ＶL1を超えた低いレベルの整流信号期間をＬレベルに置き換えた二値化パルスであるクロックＣＬＫaを生成する。このクロックＣＬＫaは、キャリアの周波数と同じ周波数である。

そして、前述の復調データとクロックＣＬＫaは、処理及び制御部１５Ａへ送られる。処理及び制御部１５Ａは、クロックＣＬＫaを用いて復調データを判定し、リーダライタ２０からの受信データであることが判った後に、感度制御信号ＣＴＬを生成してキャリア抽出回路１３Ａへ供給すると同時にメモリ内に予め用意された返信データを送信データとして変調部１４へ送出する。変調部１４は、返信データが変調信号(図３参照)として変調トランジスタのゲートに加えられることによって、返信データのＨレベルの期間において半波整流のキャリアの振幅を図１０のようにＷ11からＷ12に抑圧する。キャリア抽出回路１３Ａへ送られた感度制御信号ＣＴＬ(図３参照)は変調部１４の負荷変調期間と同じか負荷変調期間より若干広い時間幅に形成されており、その感度制御期間においてキャリア抽出回路１３Ａであるシュミットトリガ回路に設けられたスイッチＳＷをオン状態にする。即ち、処理及び制御部１５Ａは、リーダライタからの送信データを受信後、その送信データによって要求された処理が終わった時点で、負荷変調による返信データの送信開始の前にキャリア抽出回路１３Ａへ感度制御信号を送ってスイッチＳＷをオンにする。このスイッチＳＷのオンによってキャリア抽出回路１３Ａであるシュミットトリガ回路に与えられるヒステリシス幅は図１０に示すように２つの閾値ＶH1，ＶL1による広いヒステリシス幅ａから、２つの閾値ＶH2，ＶL2による狭いヒステリシス幅ｂへ切り替わる。これによって、これとほぼ同時に変調部１４による負荷変調が開始され、図1５に示したようにキャリアが負荷変調によってその振幅が極端に小さくされても、その小さい振幅のキャリアを狭いヒステリシス幅を形成する２つの閾値ＶH2，ＶL2を用いて抽出し、二値化パルス即ちクロックＣＬＫb(図９参照)として検出することができる。そして、クロックＣＬＫbは処理及び制御部１５Ａへ供給される。このクロックＣＬＫbは、キャリアの周波数と同じ周波数である。

なお、キャリア抽出回路としては、比較器(コンパレータ)のほかに、バッファアンプやインバータを用いて構成することも可能であり、それらの閾値を変えることによってキャリア抽出感度を制御することもできる。
以上に述べた第１の実施形態では、電力が電池などの電源から供給されるアクティブ型非接触ＩＣカードであって、動作クロックをアンテナ端子に誘起する交流電圧又はその整流電圧からキャリアを抽出し、動作クロックを生成するキャリア抽出回路１３Ａを有し、ＩＣカード自身が負荷変調(ロードスイッチング)で送信する場合にキャリア抽出回路の感度を向上させ、確実にキャリア抽出及びクロック生成を行うことができる。即ち、非接触ＩＣカードが負荷変調をするタイミングは、ＩＣカード自身で既知であり、負荷変調期間のみキャリア抽出感度を向上させ、それ以外のときは感度を下げるという制御を容易に行うことができる。

しかしながら、このように非接触ＩＣカードにおいて負荷変調で送信する場合に、キャリア抽出感度を向上させることに伴って、一般的には、次のような問題が考えられる。第１には、アンテナに誘起するキャリア以外の電磁界ノイズを抽出してしまう点である。しかし、ループアンテナはキャリアに同調して使われるため、そのフィルタ効果により電磁界ノイズは通常は問題とならない。第２は、ロジック動作に伴う過渡電圧変動がグランドGNDを介して整流回路に周り込んでアンテナ端子のノイズとして現れる点であるが、この点も通常はキャリア電圧振幅の方がノイズに比して大きいため特に問題とはならない。従って、負荷変調による返信レベルを大きくしても、キャリア抽出回路の感度向上に伴うキャリアの誤抽出が生じにくいので、結果として通信品質を向上させることができる。

第１の実施形態によれば、非接触ＩＣカードからリーダライタに対して返信する場合に、返信レベルを大きくすることによってキャリア振幅が小さくなっても、キャリア抽出感度を自動的に上げて、キャリア抽出及びクロック生成を確実に行うことが可能となる。特に、アクティブ型の非接触ＩＣカードや非接触ＲＦタグ及びこれらを用いた無線システムに用いて有用である。

［第２の実施形態］
図１１は本発明の第２の実施形態に係る非接触ＩＣカードを備えた無線システムを示している。本実施形態は、アクティブ型の非接触ＲＦタグを備えた無線システムについても同様に適用できるものである。
図１１に示す非接触ＩＣカード１０Ｂにおいて、処理部１５は図１４の場合と同様に感度制御機能はなく主たる処理機能としての返信データ生成部１５１のみを有するものとする。図１４の非接触ＩＣカード１０と異なる点は、負荷変調期間において処理部１５から送出される返信データを変調部１４に供給すると同時に、その返信データ自体を感度制御信号ＣＴＬとしてキャリア抽出回路１３Ａの感度切替えスイッチＳＷ(図４又は図８参照)の制御端子に供給することにより、負荷変調期間において返信データの送信シンボル毎にキャリア抽出回路１３Ａのキャリア抽出感度を上げるように制御し、負荷変調期間の送信シンボル以外の期間ではキャリア抽出感度を下げるように制御する。ここで、送信シンボルとは、１つの符号(１シンボル)として送ることができる１ビット以上の情報をいう。すなわち、変調信号自体における変調(図３参照)を与えるＨレベルの期間でキャリア抽出回路１３Ａの感度を上げるように制御する。

返信データは図３に示す変調信号のように送信シンボル毎に変調を与える期間(例えばＨレベル期間)を有するので、そのＨレベルの期間毎にキャリア抽出回路１３Ａのキャリア抽出感度を上げる。これによって、例えばアクティブ型の非接触ＩＣカードにおいて負荷変調時に返信レベルを大きくして図１５に示したようにキャリア振幅が小さくなっても、送信シンボル毎にキャリア抽出感度が向上して確実にキャリア抽出を行いクロック生成を行うことができる。

第２の実施形態によれば、ＩＣカードからリーダライタに対して返信する場合に、返信レベルを大きくすることによってキャリア振幅が小さくなっても、キャリア抽出及びクロック生成を確実に行うことが可能な非接触ＩＣカード及び無線システムを実現することができる。
本発明によれば、負荷変調による返信レベルを大きくしても、キャリア抽出回路の感度向上に伴うキャリアの誤抽出が起きにくいので、通信品質を向上させることが可能となる。

１０Ａ，１０Ｂ…非接触ＩＣカード
１０-1…アンテナ
１１…整流回路
１２…復調回路
１３Ａ…キャリア抽出回路
１４…変調部
１５…処理部
１５Ａ…処理及び制御部
２０…リーダライタ
２０-1…アンテナ
１５１…返信データ生成部
１５２…感度制御部

Claims

電磁波を受信し、交流信号が誘起されるアンテナと、
前記アンテナからの交流信号を整流する整流回路と、
前記整流回路からの整流信号より受信データを復調する復調回路と、
前記交流信号又は整流信号からキャリアを抽出し、動作クロックを生成するキャリア抽出回路と、
前記キャリア抽出回路からの動作クロックで動作し、前記復調回路からの受信データを受けた後、リーダライタへの返信データを出力する返信データ生成部と、
前記交流信号のキャリアを前記返信データにて負荷変調する変調部と、
前記キャリア抽出回路からの動作クロックで動作し、前記リーダライタへの返信期間中は、感度制御信号を出力して、前記キャリア抽出回路のキャリア抽出感度を上げるように制御する感度制御部と、
を具備したことを特徴とする非接触ＩＣカード。
前記感度制御部は、前記返信期間のうちの返信シンボルの期間毎にキャリア抽出感度を上げるように制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触ＩＣカード。
前記キャリア抽出感度を制御する期間は、前記返信期間又は前記返信シンボルの期間の前後を超えて広く設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触ＩＣカード。
前記感度制御部によるキャリア抽出感度の制御は、前記キャリア抽出回路に設けられる比較器、バッファ又はインバータの閾値を変えることによって行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の非接触ＩＣカード。
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の非接触ＩＣカードと、
第２のアンテナを備え、前記交流信号に含まれる前記非接触ＩＣカードからの負荷変調された返信データを読み取るリーダライタと、
を具備したことを特徴とする無線システム。