JP3873350B2

JP3873350B2 - 非接触ｉｃカード

Info

Publication number: JP3873350B2
Application number: JP03249197A
Authority: JP
Inventors: 進五十嵐; 英実中島; 晋江森; 茂深井
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1997-02-17
Filing date: 1997-02-17
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2017-02-17
Also published as: JPH10233717A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触型情報媒体に関し、詳しくは、オフィスオートメーション（office Automation,OA）、ファクトリーオートメーション（Factory Automation ,FA）、セキュリティ（Security）分野等で使用されるＩＣカード等の情報媒体において、電磁結合方式によって電源電力の受電並びにデータの授受を、ＩＣカードに電気接点を設けることなく非接触状態で行う非接触ＩＣカードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体メモリ等を内蔵するＩＣカードの登場により、従来の磁気カード等に比べて記億容量が飛躍的に増大すると共に、マイクロコンピュータ等の半導体処理装置を内蔵することによってＩＣカード自体が演算処理機能を有することで情報媒体に高いセキュリティ性を付与することができるようになった。一般のＩＣカードは、プラスチック等のカード本体に半導体メモリ等のＩＣが内蔵され、カード表面に読み書き装置との接続用の導電性端子が設けられている。
【０００３】
しかしながら、外部接続端子を設けたＩＣカードでは、端子が外部に露出しているため、その端子の接触部の汚れ，酸化，腐蝕，摩擦，破損等による接触不良が発生しやすい。また、この種のＩＣカードは、人体やカードに蓄積された静電気が人体と接続端子との接触等により放電され、誤って高電圧を接続端子に印加してしまうことによる損傷に対しては無防備である。
【０００４】
これらの問題を解決するために、空間に高周波電磁界や超音波、光等の振動エネルギーの場を設け、そのエネルギーを吸収・整流してカードに内蔵された電子回路を駆動するための直流電力源とすると共に、この場の交流成分の周波数をそのまま用いるか、あるいは、逓倍や逓降して識別信号となし、この識別信号をコイルやコンデンサ等の結合器を介してデータをマイクロコンピュータ等の情報処理回路に伝送するような非接触ＩＣカードが提案されている。
【０００５】
この非接触ＩＣカードにおける電力の供給手段としては、カード本体に電池を内蔵する手段も提案されているが、電池を内蔵することによりカード本体が厚くなったり、電池交換等の問題が生じるため、カードに電池等を搭載せず、受信したエネルギーを電力に変換する方法が多く採用され、また、各種の結合方式が提案されている。これら各種結合方式のうち、実用的な結合方式としては容量結合方式と磁気結合方式があるが、コンデンサを用いた容量結合方式は、エネルギーの伝達効率が良くないため、現在では磁気結合方式が主流となっている。同様に、データの伝送手段における実用的な結合方式についても、容量結合方式と磁気結合方式がある。
【０００６】
さらに、前述した電力の供給やデータの伝送に関する結合系統についても、データ系と、電力系というように、２系統あるいは３系統にそれぞれ分離されているものがある。また最近では、結合系統が多くなると非接触ＩＣカード側に内蔵される結合系の回路も多くなり、カード本体の小型化が困難になるという理由等から、電力の供給とデータの伝送をすべて１系統の結合で行う方式も提案されている。また、それに伴い、データの伝送に関する変調方式の組み合わせも各種提案されている。
【０００７】
ここで、変調方式について簡単に述べる。変調方式には大きく分けると、基本的に振幅変調方式と角度変調方式の２つの方式がある。このうち角度変調方式は、周波数変調方式と位相変調方式とに分けて考えることができる。したがって、変調方式には、振幅，周波数，位相という３つの変調方式がある。そして、データ伝送は、上記の３つの変調方式を基本とし、それらを単独でまたは組み合わせて、伝送するデータを様々な物理現象に置き換えることによって行なわれる。
【０００８】
上述した電力の供給とデータの伝送をすべて１系統の結合で行う場合におけるデータ伝送方法の一例として、電力伝送用の磁気結合に用いられたコイルの負荷の変化によってデータの伝送を実現する方法が提案されている。この種のデータ伝送方法は、例えばドイツ連邦共和国特許ＤＥ−ＰＳ３２４２５５１号に記載されており既知である。この伝送方法では、非接触ＩＣカードから外部読み取り装置へ送信するデータに基づいて、非接触ＩＣカード内のコイルの負荷を変化させることにより、外部読み取り装置から伝送された交流磁界に影響を及ぼし、この交流磁界の変化を外部読み取り装置が検出することにより、非接触ＩＣカードからの送信データを非接触で（無接点で）読み取ることができるようになっている。この場合、非接触ＩＣカードから外部読み取り装置へ伝送されるデータの基本的な変調方式は振幅変調である。すなわち、交流磁界の変化という物理現象を、読み取り装置側のコイルにおけるコイル電圧またはコイル電流の振幅変化として検出している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、データに依存する負荷の変化による交流磁界の変化の評価において、非接触ＩＣカード側のコイルと、読み取り装置との結合が強くなればなるほど、さらに、データによる負荷の変化が大きくなればなるほどデータの信頼性が向上する。しかしながら、コイルと読み取り装置の結合の強さは、機械的な理由等により自由に設定することができないため、データによる負荷変化をできるだけ大きくする必要がある。ところが、非接触ＩＣカード内の各回路に供給される電圧はコイルから取り出しているため、コイルがすでにある程度まで負荷状態になっており、その分、データによる負荷変化の範囲が狭められていることになる。
【００１０】
さらに、データによる負荷変化を妨げる要因として以下のことが考えられる。まず第一に、高いセキュリティ性を持たせるために、マイクロコンピュータ等の半導体処理装置を内蔵している非接触ＩＣカードでは、その回路規模によっては消費電流が大きくなり、３０ｍＡ程度の電流が消費される。このため、コイルに接続される整流回路の整流用コンデンサの容量も大きくなり、具体的には、０．１μＦ程度の容量を必要とする。そして、整流用コンデンサの容量が大きくなると、整流用コンデンサのインピーダンスが低下して、負荷発生回路に対する整流用コンデンサの負荷が重くなってしまい、データによる負荷変化の波形が著しく悪化する。
【００１１】
第二に、非接触ＩＣカードでは、前述したように非接触ＩＣカードのコイルと読み取り装置の結合の強さは、機械的な理由等により自由に設定することができない。これは、非接触ＩＣカードが、読み書き装置から伝送される交流磁界に対して、位置的に不安定な状態になり得るためである。すなわち、この位置的に不安定な状態は、結果として読み書き装置から伝送される交流磁界に変化を与え、読み書き装置が検出する伝送データの信頼性の低下を招く。
【００１２】
しかし、このような位置的に不安定な状態でのデータ伝送は、従来の接点を持つＩＣカードでは実現困難であり、非接触ＩＣカード特有の優位性を示すものである。このような問題を解決するために、データにより直接に負荷変化を起こさせるのではなく、データをまず周波数変化（周波数変調）や、位相変化（位相変調）に置き換え、その後、この信号により前述したような負荷の変化を起こさせて、データ伝送する副搬送波方式を用いる方法が提案されている。
【００１３】
この方法を用いると、読み書き装置における最終的な復調の段階では、データが周波数変化や位相変化に置き換えられているので、前述したような位置的に不安定な状態を原因とする、読み書き装置が検出する伝送データの信頼性の低下を回避することができる。しかし、この副搬送波方式では、データ伝送速度よりも高い周波数の副搬送波信号を用いて、前述した負荷変化によりデータ伝送を行っている。このため、整流用コンデンサのインピーダンスが低下して、負荷発生回路に対する整流用コンデンサの負荷が重くなってしまい、データによる負荷変化の波形が著しく悪化すると共に、結果としてデータの信頼性が劣化する。
【００１４】
また、この負荷変化の悪化を改善するために、非接触ＩＣカードのコイルをさらに過大な負荷状態とした場合は、整流回路によって発生される供給電圧があまりにも小さくなってしうので、既知の装置では、許容し得る負荷変化の範囲が制限されてしまう。
【００１５】
本発明の目的は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、半導体処理装置を内蔵する非接触ＩＣカードや、負荷変化の頻度が高いデータ伝送を行う装置において、整流回路によって発生される供給電圧の著しい低下を防ぐと共に、コイルの負荷変化の波形が適正に保たれる非接触ＩＣカードを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、読み書き装置とのデータの授受を非接触で行う非接触ＩＣカードであって、前記読み書き装置が発生する交流磁界を受け交流電圧を発生するコイル（１０）と、このコイルに接続され、前記非接触ＩＣカードの各回路用の供給電圧を発生する整流回路（１１）および整流用コンデンサ（１２）と、発生した供給電圧を安定化する電圧安定化回路（１４）と、前記コイルによって発生された交流電圧をデータに変換する復調回路（１６）と、該変換されたデータを格納し処理すると共に、読み書き装置へ伝送するデータを生成するデータ処理装置（１８）と、このデータ処理装置が生成したデータを変調する変調回路（１５）と、この変調回路からの信号に応じて前記整流回路の負荷を変化させる負荷発生回路（１３）とを具備する非接触ＩＣカードにおいて、前記整流回路と前記整流用コンデンサとの間に抵抗回路（４０）を具備することを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の非接触ＩＣカードにおいて、前記抵抗回路（４０）が抵抗素子であることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の非接触ＩＣカードにおいて、前記抵抗回路（４０）が半導体を用いた能動抵抗であることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の非接触ＩＣカードにおいて、前記抵抗回路（４０）に用いられる能動素子が、少なくとも１つのトランジスタより構成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の非接触ＩＣカードにおいて、前記抵抗回路（４０）は、トランジスタ（５１）と抵抗素子（５２）とを備えており、前記トランジスタのコレクタ端子とベースとの間に前記抵抗素子が接続されていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明における非接触ＩＣカードには、読み書き装置から送信された高周波信号を受信するためのスパイラル状のコイルが形成されており、このスパイラル状コイルには、カード本体内の各回路用の供給電圧を発生する整流回路が接続される。また整流回路の出力には、整流用コンデンサと、外部読み取り装置への伝送データに基づいてスパイラル状コイルの負荷に変化を生じさせる負荷発生回路と、電圧安定化回路とが接続される。
【００２３】
また、負荷発生回路には半導体処理装置から出力される送信データが供給され、半導体処理装置には、スパイラル状コイルによって受信された高周波信号が復調回路を経た後、読み書き装置からの受信データとして供給される。また、半導体処理装置用のクロック信号は、クロック生成回路によって、受信した高周波信号より生成される。
【００２４】
さらに、前述した整流用コンデンサのインピーダンス低下の影響を回避するために、上述した負荷発生回路と整流用コンデンサとの間に、抵抗回路を配置する。このようにすることで、負荷発生回路によるスパイラル状コイルの負荷変化範囲が狭められることがなく、また、スパイラル状コイルの負荷変化の波形が適正に保たれる。また、上記抵抗回路は、整流用コンデンサのインピーダンスの低下が、負荷発生回路によって制御されるスパイラル状コイルの負荷変化に影響を及ばないようにするためのものであるため、同一の機能を有するのであれば、スパイラル状コイルと整流回路の間に配置されてもよい。
【００２５】
以下、図面を用いて本発明における非接触ＩＣカードの一実施形態について詳細に説明する。まず、図１に本実施形態における非接触ＩＣカードおよび読み書き装置の構成ブロック図を示す。図１において、１は非接触ＩＣカードであり、２は読み書き装置である。また、３０は、読み書き装置２のインターフェイス（Ｉ／Ｆ）回路２５を介して読み書き装置２と情報の授受を行うホストコンピュータである。
【００２６】
非接触ＩＣカード１において、１０は読み書き装置２と交信するための送受信コイルであり、読み書き装置２から送信された高周波信号を受信すると共に、読み書き装置２への伝送データを送信する。また、１１は送受信コイル１０が受信した高周波信号を整流する整流回路、１２は整流用コンデンサである。１４は安定化回路であり、整流回路１１から整流用コンデンサ１２を介して出力される電圧を安定化して、非接触ＩＣカード１の各回路に電源電圧Ｖｃｃとして供給する。さらに、４０は後述する負荷発生回路１３に対する、整流用コンデンサ１２のインピーダンス低下による影響を阻止するための抵抗回路である。
【００２７】
１９は送受信コイル１０が受信した高周波信号に重畳されている情報を受信する受信回路であり、１６は受信回路１９から出力された受信信号を復調し、受信データとして出力する復調回路である。１８は図示しない半導体メモリを内蔵したデータ処理装置（ＭＰＵ；Micro Processor Unit）であり、復調回路１６によって復調された受信データを解読すると共に、解読した受信データと半導体メモリ内に格納されているデータとに基づいて適宜演算処理等を行い、読み取り装置２へ送信する送信データを出力する。
【００２８】
また、１５はデータ処理装置１８から出力される送信データの変調を行う変調回路、１３は変調回路１５から出力される変調信号により負荷変化を起こす負荷発生回路である。さらに、１７はクロック生成回路であり、送受信コイル１０により受信された高周波信号の搬送波に同期した信号を再生することによってクロック信号を生成し、上述したデータ処理装置１８，変調回路１５，復調回路１６に供給する。
【００２９】
次に、読み書き装置２において、２４は読み書き装置２におけるデータ処理装置（ＭＰＵ）であり、図示しない半導体メモリを内蔵し、非接触ＩＣカード１へ送信するデータ、および、非接触ＩＣカード１から送信されたデータの処理を行う。２２はクロック生成回路である発振器である。この発振器２２は、１〜３０ＭＨｚ程度の搬送波信号を発生し、この搬送波信号を、非接触ＩＣカード１の送受信コイル１０が磁気エネルギーとして受信することで電力の伝達がなされる。なお、この搬送波信号の周波数は、データ伝送周波数に比べて十分高い周波数に設定されている。
【００３０】
２３は非接触ＩＣカード１との交信により授受される送受信データの変調および復調を行う変復調回路である。ここで、読み書き装置２における変調方式は、非接触ＩＣカード１と双方向同時伝送を行う場合、定包絡線変調である周波数変調方式または位相変調方式であることが好ましい。これは、前述したように非接触ＩＣカードからのデータ送信が、負荷変化を利用した振幅変調方式によって行われるため、同一の変調方式の使用が困難であるという理由と、非接触ＩＣカード１において、読み書き装置２からの変調信号を包絡線検波し電力を得るには、振幅の変動が少ない方が有利であるという理由とによる。本実施形態では、非接触ＩＣカード１において、受信した高周波信号からデータ処理装置１８用のクロックを生成しているため、周波数が一定となる位相変調方式が用いられている。
【００３１】
２１は変復調回路２３によって変調された信号を増幅する交流増幅器であり、増幅された信号は、送受信コイル２０によって非接触ＩＣカード１へ送信される。２６は検波回路であり、読み書き装置２の送受信コイル２０で受信された非接触ＩＣカード１からの高周波信号に対して包絡線検波を行い、非接触ＩＣカード１の負荷発生回路１３における負荷変動を検出する。また、検波回路２６から出力された検波信号は上述した変復調回路２３へ出力され、変復調回路２３において、ＰＬＬ回路を用いて副搬送波が再生され、再生された副搬送波と、上記検波信号とにより非接触ＩＣカード１からの送信データを復調する。
【００３２】
次に、上述した非接触ＩＣカード１の動作について説明する。まず、非接触ＩＣカード１は、その電源となる電力を、読み書き装置２から送信された高周波信号から得る。すなわち、送受信コイル１０により受信された読み書き装置２からの高周波信号は、整流回路１１で検波され、抵抗回路４０を通して整流用コンデンサ１２で直流再生された後、安定化回路１４で直流電力に変換される。この安定化された電源電圧Ｖｃｃは非接触ＩＣカード１の各回路に供給される。
【００３３】
また、送受信コイル１０で受信された高周波信号は、受信回路１９にも供給される。そして、受信回路１９において波形整形された受信信号は、復調回路１６において、クロック生成回路１７から出力される搬送波に同期した信号によって位相復調が行われ、受信データとしてデータ処理装置１８に送出される。復調回路１６から出力された受信データは、データ処理装置１８において所定のデータ処理がなされ、必要なデータが内蔵されたメモリに記憶される。
【００３４】
また、データ処理装置１８から送出された送信データは変調回路１５に送出され、変調回路１５において、送信データに基づいて、クロック生成回路１７からのタイミング信号、すなわちクロック信号から生成された副搬送波を位相変調し、その変調出力を負荷発生回路１３に送出する。負荷発生回路１３では、変調回路１５からの変調出力に応じてインピーダンスが制御され、その変化が送受信コイル１０と非接触に結合された読み書き装置２の送受信コイル２０へ、非接触ＩＣカード１の変調信号として伝送される。
【００３５】
そして、送受信コイル２０で受信された変調信号は、変復調回路２３によって非接処理ＩＣカード１からの受信データに復調され、このデータは、データ処理装置２４で適宜処理が施された後、インターフェイス回路２５を介してホストコンピュータ３０に送出される。
【００３６】
次に、非接触ＩＣカード１の抵抗回路４０について詳しく説明する。図２は、前述した図１の抵抗回路４０の構成の一例であり、図２（ａ）は、抵抗回路４０を抵抗素子５０としたものであり、図２（ｂ）は、抵抗回路４０を半導体能動素子を用いた抵抗回路としたものである。そして、図２（ａ）に示す抵抗回路４０において、抵抗素子５０の一方の端子は整流回路１１の端子に接続され、他方の端子は安定化回路１４の入力と接続されている。
【００３７】
また、図２（ｂ）に示す抵抗回路４０は、ＮＰＮ型トランジスタ５１と抵抗素子５２とによって構成されており、ＮＰＮ型トランジスタ５１のコレクタ端子は、整流回路１１の出力に接続され、エミッタ端子は、安定化回路１４の入力と接続されている。また、ベース端子は、抵抗素子５２を介して整流回路１１の出力に接続されている。ここで、図２（ａ）の抵抗素子５０および図２（ｂ）の抵抗素子５２の抵抗値は、特に本実施形態により限定されるものではなく、必要な負荷変化が得られるように適宜に決定される。
【００３８】
次に、図１に示す非接触ＩＣカード１の構成において、図２（ａ）の抵抗回路４０を具備した場合と、図２（ｂ）の抵抗回路４０を具備した場合と、さらに、抵抗回路４０を具備せずに整流回路１１の出力を整流コンデンサ１２を介して安定化回路１４に供給した場合とについて、図１中、測定点Ａにおける負荷変化の波形を図３に示す。ここで、図３（ａ）は、抵抗回路４０を具備しない場合、図３（ｂ）は、図２（ａ）の抵抗回路４０を具備した場合、図３（ｃ）は、図２（ｂ）の抵抗回路４０を具備した場合の負荷変化の波形である。
【００３９】
なお、図３に示す各負荷変化の波形は、搬送波周波数を約５ＭＨｚ、副搬送波周波数を約３００ＫＨｚとし、図１の安定化回路１４に流れ込む電流を約３０ｍＡ、整流用コンデンサ１２の値を０．１μＦとした時の波形である。
【００４０】
図３から明らかなように、抵抗回路４０を持たない構成においては、整流用コンデンサ１２の影響によって負荷変化の波形が鈍り、振幅も小さくなってしまう。一方、図２（ａ）または（ｂ）の抵抗回路４０を具備する構成においては、整流用コンデンサ１２の影響を無視することができ、波形の鈍りもなく適正な負荷変化の波形を得ることができる。
【００４１】
また、図４に、図２（ａ）の抵抗回路を具備した場合と、図２（ｂ）の抵抗回路を具備した場合の、図１中、測定点Ｂにおける整流用コンデンサ１２の電圧波形を示す。ここで、図４の波形１０１は、図２（ａ）の抵抗回路を具備した場合の、波形１０２は、図２（ｂ）の抵抗回路を具備した場合の整流用コンデンサ１２の電圧波形である。図４から解るように、図２（ｂ）の抵抗回路を具備した場合の電圧波形１０２は、図２（ａ）の抵抗回路を具備した場合の電圧波形１０１よりも、約１Ｖ程度電圧が高く、かつ、電庄リップルも少なくなっている。これは、この後に配置される安定化回路１４にとって有利に働く。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の非接触ＩＣカードによれば、データ送信手段に対する負荷のうちの電源供給手段の負荷を軽減する負荷軽減手段を具備しているので、例えば、整流回路および整流用コンデンサ等からなる電源供給手段において、整流用コンデンサのインピーダンスが低下して上記電源供給手段の負荷が重くなった場合でも、データ送信手段による受信手段の負荷変化範囲が狭められることがなく、また、受信手段の負荷変化の波形が適正に保たれる。また、上述した負荷軽減手段を抵抗回路とし、さらにこの抵抗回路を半導体を用いた能動抵抗とすることにより、整流用コンデンサの電圧波形に現れるリップルをより小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における非接触ＩＣカードおよび読み書き装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同非接触ＩＣカードが具備する抵抗回路の構成を示す回路図である。
【図３】同非接触ＩＣカードと、抵抗回路を具備しない非接触ＩＣカードとにおける負荷変化の波形を示す波形図である。
【図４】同非接触ＩＣカードにおける整流電圧波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１非接触ＩＣカード
２読み書き装置
１０，２０送受信コイル
１１整流回路
１２整流用コンデンサ
１３負荷発生回路
１４安定化回路
１５変調回路
１６復調回路
１７クロック生成回路
１８，２４データ処理装置
１９受信回路
２１交流増幅器
２２発振器
２３変復調回路
２５インターフェイス回路
２６検波回路
３０ホストコンピュータ
５０３３Ω抵抗素子
５１ＮＰＮ型トランジスタ
５２３．３ＫΩ抵抗素子

Claims

読み書き装置とのデータの授受を非接触で行う非接触ＩＣカードであって、
前記読み書き装置が発生する交流磁界を受け交流電圧を発生するコイル（１０）と、
このコイルに接続され、前記非接触ＩＣカードの各回路用の供給電圧を発生する整流回路（１１）および整流用コンデンサ（１２）と、
発生した供給電圧を安定化する電圧安定化回路（１４）と、
前記コイルによって発生された交流電圧をデータに変換する復調回路（１６）と、
該変換されたデータを格納し処理すると共に、読み書き装置へ伝送するデータを生成するデータ処理装置（１８）と、
このデータ処理装置が生成したデータを変調する変調回路（１５）と、
この変調回路からの信号に応じて前記整流回路の負荷を変化させる負荷発生回路（１３）と
を具備する非接触ＩＣカードにおいて、
前記整流回路と前記整流用コンデンサとの間に抵抗回路（４０）を具備することを特徴とする非接触ＩＣカード。
前記抵抗回路（４０）が抵抗素子であることを特徴とする請求項１に記載の非接触ＩＣカード。
前記抵抗回路（４０）が半導体を用いた能動抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の非接触ＩＣカード。
前記抵抗回路（４０）に用いられる能動素子が、少なくとも１つのトランジスタより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触ＩＣカード。
前記抵抗回路（４０）は、トランジスタ（５１）と抵抗素子（５２）とを備えており、前記トランジスタのコレクタ端子とベースとの間に前記抵抗素子が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触ＩＣカード。