JP2004235884A

JP2004235884A - Data communication device, noncontact data transmission/reception system, and antenna system

Info

Publication number: JP2004235884A
Application number: JP2003020997A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kikuchi; 章浩菊地; Junichi Sawada; 淳一澤田; Yutaka Okazaki; 裕岡崎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP4264534B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve impedance matching between an antenna circuit and a driving circuit and to suppress harmonics derived from a circuit configuration to improve antenna efficiency. <P>SOLUTION: A reader/writer 50 is provided with a reception-side filter circuit 56, and an antenna circuit 54 of the reader/writer is constituted of a loop coil 541 having a conductor wound like a plane and a capacitor 542, and the loop coil 541 and the capacitor 542 are connected in series, and one end of the loop coil 541 and one end of the capacitor 542 are connected to form a parallel resonance circuit, and a terminal 543 is led out from a halfway portion of the loop coil 541 to make the loop coil 541 have three terminals. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁場を誘導結合する無線タグに対してデータの書き込み及び読み出しを行うデータ通信装置、また、電磁場を誘導結合する無線タグに対してデータの書き込み及び読み出しを行う非接触データ送受信システム、電磁場を誘導結合する無線タグと通信するためのアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄道の自動改札機や、建物への入退出におけるセキュリティシステム、電子マネーシステム等の分野では、非接触式のＩＣカードや無線タグ等を用いた、いわゆるＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）システムが導入され始めている。このＲＦＩＤシステムは、図２０に模式的に示すように、非接触式ＩＣカード１００と、このＩＣカード１００に対してデータの書き込みや読み出しを行うリーダライタ１０１とから構成されている。
【０００３】
このＲＦシステムでは、電磁誘導の原理に基づいて、リーダライタ１０１側のループアンテナ１０２とＩＣカード１００側のループアンテナ１０３とが誘導結合によって磁気的に結合し、ＩＣカード１００とリーダライタ１０１との間で通信が行われる。
【０００４】
このようなＲＦＩＤシステムは、従来の接触型ＩＣカードシステムのようにリーダライタに対してＩＣカードを装填したり金属接点を接触させたりする手間が省けるため、簡易且つ高速にデータの書き込みや読み出しを行うことができる。また、このＲＦＩＤシステムは、リーダライタ１０１に励起される電磁場によってＩＣカード１００に誘導電流が生じるため、ＩＣカード内に電池等の電源を持つ必要がない。そのため、メンテナンス性に優れ動作信頼性が高いうえに、低価格である。
【０００５】
ところで、上述したＲＦＩＤシステムでは、ＩＣカード１００とリーダライタ１０１との十分な通信可能な範囲を確保するために、ある程度の磁界強度を持った電磁場を放射することのできるループアンテナ１０２をリーダライタ１０１側に設ける必要がある。
【０００６】
一般に、リーダライタ１０１用のループアンテナ１０２は、図２１に示すような平面状に導線が巻線されたループコイル２００からなっており、このループコイル２００は、その中心部を挟んで相対向する各巻線間の間隔及び線幅を等しくした対称形状を有している。なお、これらの具体例としては、Ｒｅａｄｅｒ／Ｗｒｉｔｅｒモジュール９１に接続された本体側アンテナ９０（例えば、特許文献１を参照。）や、リードライト装置ＲＷ２のＡＧ１，ＡＧ２，ＡＧ３（例えば、特許文献２を参照。）等があげられる。
【０００７】
これらリーダライタアンテナにおいて、アンテナ駆動回路を効率よく駆動させて、通信用搬送波を無線タグ側アンテナまたはＩＣカード側アンテナに効率的に電磁結合させるために、リーダライタＩＣの駆動回路方式や使用電源電圧回路の特徴に応じてＬＣ直列共振型アンテナ回路やＬＣ並列共振型アンテナ回路が使用されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１４４０４８号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３１８２９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ＬＣ直列共振型アンテナ回路は、共振周波数においてインピーダンスが大幅に下がるため、コイルに大電流を供給できれば非常に効率的である。例えば、駅改札口等で既に使用されている大型のリーダライタ装置のように、据置型であってある程度の装置サイズが許されるようなリーダライタ装置に用いるには好適である。しかし、実際にはリーダライタ装置のＩＣ回路は、アンテナ回路に対して無制限に電流を供給することはできないため、特に、電源電力にある程度制約がある小型携帯機器に用いる場合には、容量によって電流値が事実上制限され、ＩＣ回路の出力インピーダンスと共振により低下するアンテナ回路インピーダンスとの間に多大なずれが生じる。いわゆるインピーダンスミスマッチングである。このインピーダンスミスマッチングによって引き起こされる反射現象により搬送波波形が歪み、伝送信号ＳＮＲが劣化するといった問題点がある。
【００１０】
そのため、ＰＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）等にＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）接続して使用するような微弱電波出力型非接触リーダライタ装置に対しては、部品点数を抑えて、できる限りシンプルに微弱電波の法規制内で使用できる回路構成にする必要がある。そこで、低電圧低消費電力のシステムに使用しやすいシンプルな回路構成として、並列共振回路が適用されている。
【００１１】
並列共振型アンテナ回路は、共振周波数においてインピーダンスが大幅に上がるため、コイルに励起される磁場及びコイルに流れる電流量が不足する。そのため、リーダライタ装置のＩＣ回路内蔵の駆動回路のみでは駆動できず、外付けのトランジスタによる駆動回路を別途用意する等の対策が必要となる。また、駆動回路とアンテナ回路との間のインピーダンスのミスマッチングも大きく、効率よい電力伝送ができない。
【００１２】
アンテナの大きさを変えることによってもインピーダンスマッチングをとることは可能であるが、例えば、クレジットカードサイズのＩＣカード、またこのＩＣカードに対応するリーダライタ装置のサイズ、リーダライタＩＣ回路側の伝送路抵抗等の制約の中でＩＣ回路とアンテナ回路とのインピーダンスマッチングをとることには限界があった。
【００１３】
このように、従来知られているＬＣ並列共振型アンテナ回路では、リーダライタＩＣ回路における出力インピーダンスとアンテナ駆動回路のインピーダンスとの間の整合が悪く、波形歪みが少なく且つ大きなアンテナ駆動電流を得ることは困難であった。
【００１４】
また、ＲＦＩＤリーダライタ装置は、送信回路と受信回路とが同時に動作するものである。これらは、不要輻射の低減という観点からみると、アナログ振幅変調に準ずるため、送信波のスプリアス（高調波）強度を抑えるためには、通常のＡＭ送信機と同様に考えることができる。
【００１５】
送信回路では、法規上の問題、他者へ妨害波を防止する等の点から、ＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）またはＢＰＦ（ＢａｎｄＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）等を併用して送信波のスプリアス（高調波）強度の低減を図ることが通常である。
【００１６】
微弱電波出力型非接触リーダライタ装置のアンテナ回路として並列共振型アンテナ回路を使用した場合、並列共振の特徴から振幅が増大し、振幅がＩＣに設けられた受信端保護回路の設定電圧を超えると、波形がクリップして歪み、スプリアス（高調波）を発生させる。この信号がアンテナに逆流して、アンテナのＱが十分高くない場合はフィルタ効果が不十分で空中に高調波が輻射される。
【００１７】
また、アンテナ回路へ効率よく送信電力を供給するためには、送信回路の駆動部分の出力インピーダンスとアンテナ回路のインピーダンスとの間の整合をとることは既知である。例えば、特開平１１−１２０３０３には、非接触ＩＣカードシステムにおいて、マッチング回路により伝送系の負荷のマッチングをとることによって、伝送系上に閾値以上の反射波が生じないようにしてアンテナ周辺の雑音電界の影響を低減しアンテナ効率を改善する技術が示されている。
【００１８】
高入力インピーダンスである並列共振型アンテナ回路でも同様であって、並列共振型アンテナ回路へ効率よく送信電力を供給するためには、送信回路の駆動部分の出力インピーダンスとアンテナ回路のインピーダンスとの間の整合をとればよい。送信回路の駆動部分の出力インピーダンスは一般的に非常に低く、これに対して並列共振型アンテナ回路のインピーダンスは高いため、アンテナ効率を向上するためには、インピーダンスマッチングをとるために何らかのインピーダンス変換をすることも必要となる。
【００１９】
従来は、アンテナ回路にＱ値の大きいものを使用することで必要な不要輻射の低減を図っていたが、アンテナ回路の小型化、金属筐体に近接させての使用等のように何らかの要因でＱ値の大きいアンテナ回路を用いることができない場合には、不要輻射の低減を図ることが困難であった。
【００２０】
そこで、本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、アンテナ回路と駆動回路との間のインピーダンスマッチングをとるとともに回路構成に由来するスプリアス（高調波）を抑制して不要輻射を低減し、アンテナ効率を向上できる非接触データ送受信システム、データ送受信装置、携帯型情報端末を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明に係るデータ通信装置は、他のデータ通信装置と電磁誘導結合により非接触データ通信を行うデータ通信装置において、他のデータ通信装置との間で信号が通信されるアンテナ手段と、アンテナ手段にて受信される他のデータ通信装置から送信された送信信号から受信データを復調する復調手段と、他の通信装置に対してアンテナ手段から送信されるデータが変調される変調手段と、復調手段に入力される信号強度が所定値を越える場合に復調手段に入力される信号強度を抑制して復調手段を保護する保護手段と、保護手段によって生じる高調波を吸収するフィルタ手段と備える。
【００２２】
ここで、フィルタ手段を、変調手段とアンテナ手段との間に挿入し、データ通信装置は、変調手段とアンテナ手段との間にフィルタ手段をさらに備えるとよい。
【００２３】
また、変調手段の出力部と保護手段が接続された復調手段の入力部とを接続し、接続された入力部と出力部とアンテナ手段との間にフィルタ手段を挿入する。フィルタ手段は、アンテナ手段と接続される第１の接続部と、復調手段に接続される第２の接続部とを備え、第１の接続部のインピーダンスは、アンテナ手段のインピーダンスと略等しく、第２の接続部のインピーダンスは、復調手段の入力インピーダンスと略等しい。
【００２４】
また、アンテナ手段は、所定の巻き線数の第１のコイル部と、第１のコイル部の一端に一端が接続される所定の巻き数の第２のコイル部と、第１のコイル部の他端と上記第２のコイル部の他端とに各々の端部が接続されるコンデンサとを備え、第１のコイル部と第２のコイル部の接続点と、第１のコイル部の他端とが各々変調手段に接続されることを特徴とする。また、第１のコイル部と第２のコイル部との直列インダクタンスと、コンデンサとの並列共振周波数とが変調手段の変調周波数と略同一である。
【００２５】
上述した目的を達成するために、本発明に係る非接触データ通信システムは、第１のデータ通信装置が電磁誘導結合により第２のデータ通信装置とデータ通信を行う非接触データ通信システムにおいて、第１のデータ通信装置が共振により信号が送受信される第１のアンテナ手段と、第１のアンテナ手段にて受信される受信信号から受信データを復調する第１の復調手段と、第１のアンテナ手段から送信される送信データを変調する第１の変調手段とを有し、第２のデータ通信装置が第１のデータ通信装置との間で信号が通信される第２のアンテナ手段と、第２のアンテナ手段にて受信される第１のデータ通信装置から送信された送信信号から受信データを復調する第２の復調手段と、第１の通信装置に対して第２のアンテナ手段から送信されるデータが変調される第２の変調手段と、第２の復調手段に入力される信号強度が所定値を上回る場合に第２の復調手段に入力される信号強度を抑制して第２の復調手段を保護する保護手段と、保護手段によって生じる高調波を吸収するフィルタ手段とを備えることを特徴とする。
【００２６】
また、上述した目的を達成するために、本発明に係るアンテナ装置は、通信データが所定の変調周波数によって変調される変調回路に接続され、所定の同調周波数に同調するアンテナ装置において、所定の巻き数のコイル手段と、コイル手段の両端に接続されるコンデンサ手段とを備え、コイル手段とコンデンサ手段とが並列共振回路に形成されるとともに所定の周波数に同調し、コイルの一端とコイル手段の巻き線の所定位置のタップ部とが各々変調回路に接続されることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明を適用した非接触データ通信システム１は、図１に示すように、ＩＣカード１０と、このＩＣカード１０に対して非接触によりデータの書き込み及び読み出しを行うリーダライタ５０とから構成される。ＩＣカード１０は、本具体例では、ＩＳＯ７８１０に準拠した電池等の電源を持たないバッテリレスのＩＣカードであり、いわゆるクレジットカードと同サイズである。
【００２８】
ＩＣカード１０は、その内部に設けられた基板上に、電磁場と結合してデータを送受するカード側アンテナ回路１１と、データの書き込み及び読み出しを行うための各種処理を行う電子回路が集積されたＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）１２とを備えている。
【００２９】
カード側アンテナ回路１１は、平面状に導線が巻線されたループコイル１３と、コンデンサ１４とが並列に接続された共振型アンテナ回路になっている。このカード側アンテナ回路１１は、後述するリーダライタ５０側のリーダライタアンテナ回路５４から放射された電磁場と結合し、結合された電磁場を電気信号に変換し、ＩＣ１２に供給する。
【００３０】
ＩＣ１２は、ループコイル１３から供給された電気信号を整流平滑する整流回路１５と、整流回路１５から供給された電気信号を直流電力に変換するレギュレータ１６と、整流回路１５から供給された電気信号の高域成分を抽出するＨＰＦ（ＨｉｇｈＰａｓｓ−Ｆｉｌｔｅｒ）１７と、ＨＰＦ１７から入力された高周波成分の信号を復調する復調回路１８と、この復調回路１８から供給されるデータに対応してデータの書き込み及び読み出しを制御するシーケンサ１９と、復調回路１８から供給されるデータを記憶するメモリ２０と、ループコイル１３により送信するデータを変調する変調回路２１とを有する。
【００３１】
整流回路１５は、ダイオード２２、抵抗２３及びコンデンサ２４から構成されている。このうち、ダイオード２２のアノード端子がループコイル１３及びコンデンサ１４の一端に接続され、ダイオード２２のカソード端子が抵抗２３及びコンデンサ２４の一端に接続され、抵抗２３及びコンデンサ２４の他端がループコイル１３及びコンデンサ１４の他端に接続されている。そして、この整流回路１５は、ループコイル１３から供給された電気信号を整流平滑した電気信号をレギュレータ１６及びＨＰＦ１７に出力する。
【００３２】
レギュレータ１６は、上述した整流回路１５のダイオード２２のカソード端子、抵抗２３及びコンデンサ２４の一端と接続されている。そして、このレギュレータ１６は、整流回路１５から供給された電気信号の電圧変動（データ成分）を抑制し、安定化した後、直流電力としてシーケンサ１９に供給する。これにより、シーケンサ１９等の誤動作の原因となる、例えばＩＣカード１０の位置が動くことにより発生する電圧変動、並びにＩＣカード１０内の消費電力の変化により発生する電圧変動が抑制される。
【００３３】
ＨＰＦ１７は、コンデンサ２５及び抵抗２６により構成されており、上述した整流回路１５から供給された電気信号の高域成分を抽出し、復調回路１８に出力する。
【００３４】
復調回路１８は、上述したＨＰＦ１７のコンデンサ２５の他端及び抵抗２６の一端と接続されており、このＨＰＦ１７から入力された高周波成分の信号を復調し、シーケンサ１９に出力する。
【００３５】
シーケンサ１９は、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）を内部に有しており、上述した復調回路１８と接続されている。そして、このシーケンサ１９は、復調回路１８から入力された信号（コマンド）をＲＡＭに記憶させ、ＲＯＭに内蔵されているプログラムにしたがってこれを解析し、解析された結果に基づいて、必要に応じてメモリ２０に格納されているデータを読み出す。或いはメモリ２０に復調回路１８から供給されるデータを書き込む。また、このシーケンサ１９は、コマンドに対応するレスポンスを返すために、レスポンス信号を生成し、変調回路２１に供給する。
【００３６】
メモリ２０は、データの保持に電力を必要としないＥＥＰＲＯＭ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄ−ＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等の不揮発性メモリからなり、上述したシーケンサ１９と接続されている。そして、このメモリ２０は、シーケンサ１９の解析結果に基づいて、復調回路１８から供給されるデータを記憶する。
【００３７】
変調回路２１は、インピーダンス２７とＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２８との直列回路から構成されており、このうち、インピーダンス２７の一端が上述した整流回路１５のダイオード２２のカソード端子に接続され、インピーダンス２７の他端がＦＥＴ２８のドレイン端子と接続され、ＦＥＴ２８のソース端子が接地点に接続され、ＦＥＴ２８のゲート端子がシーケンサ１９と接続されている。また、この変調回路２１は、上述した共振回路を構成するループコイル１３と並列に接続されており、ＦＥＴ２８をシーケンサ１９からの信号に対応してスイッチング動作させ、ループコイル１３に対するインピーダンス２７の負荷を変動させる、いわゆる付加変調方式を採用している。
【００３８】
一方、リーダライタ５０は、データの変調及び復調を行う変調回路５２及び復調回路５３と、電磁場と結合してデータを送受信するリーダライタアンテナ回路５４とを備えており、送受するデータの変復調等は、制御回路５１によって統括制御されている。復調回路５３には、大信号が入力された場合にこれを低減するための保護回路５５が設けられている。
【００３９】
送信信号が入力側に逆流してこの保護回路５５の設定電圧を超えると、波形がクリップしてスプリアス（高調波）を発生させる。この保護回路で発生したスプリアスをアンテナに逆流することを防止するため、本具体例では、この保護回路５５にて発生した受信波のスプリアス（高調波）強度を低減するための受信側フィルタ回路５６を設ける。なお、送信側フィルタ回路５７は、送信波のスプリアス（高調波）強度の低減を図るフィルタである。
【００４０】
このフィルタ回路５６，５７としては、基本的に所定周波数のみを通すＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）またはＢＰＦ（ＢａｎｄＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）を用いることができる。特に本具体例では、図２に示すようなフィルタ回路を用いる。図２に示す回路は両フィルタ回路に対して区別なく使用できるため、ここでは、受信側フィルタ回路５６に関して説明する。受信側フィルタ回路５６は、第１のインダクタ５６１と第２のインダクタ５６２とコンデンサ５６３とからなり、第１のインダクタ５６１が保護回路５５を介して復調回路５３に接続され、第２のインダクタ５６２がリーダライタ側アンテナ回路５４に接続されいる。コンデンサ５６３は、第１のインダクタ５６１と第２のインダクタ５６２との間に接続されて接地されている。すなわち、受信側フィルタ回路５６は、Ｔ型３次ローパスフィルタである。なお、本具体例では各極が複線であるため、受信側フィルタ回路５６には第１のインダクタ５６４と、第２のインダクタ５６５と、コンデンサ５６６とからなる同様のＴ型３次ＬＰＦフィルタ構成がもう一つ設けられている。
【００４１】
一般的に、受信端は非常にインピーダンスが高く、低インピーダンスの送信出力端と結線しても殆どインピーダンスが変化しないことから、フィルタ回路５６，５７は、スプリアス（高調波）を吸収するほかインピーダンスマッチング回路としても働いている。
【００４２】
送信回路の駆動部分の出力インピーダンスとアンテナ回路のインピーダンスとの間の整合をとることによってアンテナ効率が向上できる点は既知であるが、上述のように、受信側であるリーダライタアンテナ回路５４と変調回路５２との間にインピーダンス変換とスプリアスを低減することができるフィルタ回路（受信側フィルタ回路５６）を挿入することで保護回路５５によって生じる受信波のスプリアスが抑制でき、且つ効率のよいアンテナが実現できる。
【００４３】
制御回路５１は、例えば、外部からの指令や内蔵するプログラムにしたがって、各種制御用のコントロール信号を生成し、変調回路５２及び復調回路５３を制御するとともに、指令に対応した送信データを生成し、変調回路５２に供給する。また、制御回路５１は、復調回路５３からの応答データに基づいて再生データを生成し、外部に出力している。
【００４４】
変調回路５２は、制御回路５１から入力された送信データを発信器が変調し、この変調した信号をリーダライタアンテナ回路５４に供給する。復調回路５３は、リーダライタアンテナ回路５４からの変調波を復調し、この復調したデータを制御回路５１に供給する。
【００４５】
リーダライタアンテナ回路５４は、平面状に導線が巻線されたループコイルを備えており、変調回路５２より供給された変調波に対応した電磁場を放射するとともにＩＣカード１０側のループコイル１３の負荷変動を検出する。リーダライタアンテナ回路５４の具体例は、図６乃至図８を用いて詳説する。
【００４６】
以上のように構成される非接触データ通信システム１では、ＩＣカード１０に対して所定データの書き込みが指令されると、この指令に基づいてリーダライタ５０の制御回路５１が書き込みのためのコマンド信号を生成するとともに指令に対応した送信データ（書き込みデータ）を生成し、変調回路５２に供給する。変調回路５２は、入力信号に基づいて発振信号の振幅を変調し、リーダライタアンテナ回路５４に供給する。リーダライタアンテナ回路５４は、入力された変調信号に対応する電磁波を放射する。
【００４７】
ＩＣカード１０のループコイル１３及びコンデンサ１４からなる並列共振型アンテナ回路の共振周波数は、リーダライタ５０からの発振周波数（キャリア周波数）に対応する値（本具体例では、１３．５６ＭＨｚである。）に設定されている。そのため、この並列共振型アンテナ回路は、放射された電磁場を共振動作によって受信し、受信した電磁場を電気信号に変換した後、ＩＣ１２に供給する。ここで変換された電気信号は、整流回路１５に入力されて整流平滑された後、レギュレータ１６に供給される。レギュレータ１６は、整流回路１５から供給された電気信号の電圧変動（データ成分）を抑制、安定化した後、直流電力としてシーケンサ１９に供給する。
【００４８】
整流回路１５により整流平滑された信号は、変調回路２１を介してＨＰＦ１７に供給され、高域成分が抽出された後、復調回路１８に供給される。復調回路１８は、入力された高周波成分の信号を復調し、シーケンサ１９に供給する。シーケンサ１９は、復調回路１８から入力された信号（コマンド）をＲＡＭに記憶させ、ＲＯＭに内蔵されているプログラムにしたがってこれを解析し、解析して得た結果に基づいて、復調回路１８から供給された書き込みデータをメモリ２０に書き込む。
【００４９】
一方、シーケンサ１９は、復調回路１８から入力された信号（コマンド）が読み出し指令である場合に、その指令に対応する読み出しデータをメモリ２０から読み出す。また、シーケンサ１９は、読み出しデータに対応して変調回路２１のＦＥＴ２８がスイッチング動作される。すなわち、変調回路２１では、ＦＥＴ２８がオンされるとインピーダンス２７とループコイル１３とが並列に接続され、ＦＥＴ２８がオフされるとインピーダンス２７とループコイル１３との並列接続が解除される。
【００５０】
その結果、このＩＣカード１０側のカード側アンテナ回路１１と磁気的に結合しているリーダライタ５０側のリーダライタアンテナ回路５４のインピーダンスが読み出しデータに対応して変化する。したがって、リーダライタアンテナ回路５４の端子電圧は、そのインピーダンスの変化に応じて変動することとなり、リーダライタ５０は、この変動分を復調回路５３が復調することで読み出しデータを受信できる。以上のようにして、ＩＣカード１０とリーダライタ５０との間のデータの書き込み及び読み出しが非接触で行われる。
【００５１】
図１に示す非接触データ通信システム１では、受信側フィルタ回路５６をリーダライタアンテナ回路５４と復調回路５３との間に設け、送信側フィルタ回路５７をリーダライタアンテナ回路５４と変調回路５２との間に設けた例について説明したが、フィルタ回路の設置位置は限定されない。以下の説明では、図１と同様の機能を有する構成に関しては、同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００５２】
フィルタ回路を他の位置に設置する例として、図３に示すように、受信側フィルタ回路５６と送信側フィルタ回路５７とを１つのフィルタ回路５８としてもよい。フィルタ回路を送信側と受信側とで共用すれば、部品点数を削減できる。
【００５３】
また、図４に示すように、送信側フィルタ回路５７の設置位置は、図１と同一とし、フィルタ回路５９をリーダライタアンテナ回路５４の直後に設けてもよい。さらに、図５に示すように、リーダライタアンテナ回路５４の直後に設けたフィルタ回路５９と図１に示した位置に設けた受信側フィルタ回路５６との組み合わせでもよい。このように、受信側と送信側とで共用するフィルタ回路の後段であって復調回路５３（保護回路５５）のリーダライタアンテナ回路５４側にフィルタ回路を設けることによっても図１の場合と同様の利点が得られる。
【００５４】
続いて、非接触データ通信システム１におけるリーダライタアンテナ回路５４について、図６及び図７を用いて具体的に説明する。
【００５５】
リーダライタアンテナ回路５４は、図６及び図７に示すように、導線が平面状に巻線されたループコイル５４１とコンデンサ５４２とを備えている。ループコイル５４１とコンデンサ５４２は直列に接続され、さらにループコイル５４１の一端とコンデンサ５４１の一端とが結線されて並列共振回路を形成していて、もう一方の端子５４３がループコイル５４１の中途部分から導出されている。すなわち、ループコイル５４１が３端子化されている。
【００５６】
端子５４３の引き出し位置は、図示しないリーダライタの駆動回路の出力インピーダンス、ループコイルの巻数、コイル形状等に応じて、通信に最適なインピーダンスが得られるように設計時点で変更可能である。
【００５７】
リーダライタアンテナ回路５４の実際の仕様を図７に示す。本具体例では、リーダアンテナ回路５４のループコイル５４１は、平面状に５回巻回されており、巻回部の２ターン目から端子５４３が導出されている。また、ループコイル５４１には、この各巻線間の間隔及び線幅が狭くなる幅狭部５４０ａと、その各巻線間の間隔及び線幅が広くなる幅広部５４０ｂとがある。すなわち、図７に示すように、ループコイル５４１は、その巻回開口部を挟んで互いに対向する各巻線間の間隔及び線幅が異った非対称形状になっている。
【００５８】
さらに、ループコイル５４１は、クレジットカードサイズのＩＣカード１０のアンテナ形状に合わせて、巻回平面の長辺が約４０ｍｍ、短辺が３０ｍｍとされ、通常の巻回コイルにおけるコア材に相当する軟磁性材シート５４４がループコイルの開口部を横切って配置されている。軟磁性材シート５４４としては、アモルファス磁性材料、鉄ニッケル合金、珪素鋼、アモルファス合金、パーマロイ、電磁軟鉄、センダスト合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、軟磁性フェライトがあげられる。
【００５９】
コイル形状を非対称形状とすることで、ループコイル５４１の発生磁界分布が、図８に示すように、矩形アンテナの長辺における中央断面において、従来のループコイル２００の磁場分布と異なり、ループコイル５４１の各巻線間の間隔及び線幅が広くなる幅広部５４０ｂが強調された非対称となるため、放射磁界分布をシフトさせるとともに通信可能領域を拡げることができる。また、単純ループアンテナと比較してヌルポイントが出にくい特徴を有する。
【００６０】
ループコイル５４１は、例えば、ポリイミドやマイカ等の可撓性を有する絶縁フィルムまたは基板両面に形成された電解銅等の導体金属箔膜をエッチングするなどして形成されている。ループコイル５４１の作製する方法は、上述の例に限定されず、例えば銀ペースト等の導体ペーストを用いてループコイル５４１の巻回パターンを印刷する方法、或いは金属ターゲットを基板上にスパッタして巻回パターンを形成する方法等があげられる。
【００６１】
非対称型アンテナであるループコイル５４１では、ループコイル型アンテナの動作原理に基づいてループコイルに流す電流が大きいほど強い磁界が放射される。一般的に、同一電流であればループコイルの巻回数が多いほど発生磁界も大きくなる。すなわち、電源電圧が一定のとき、アンテナに流すことのできる電流は、ループコイルの巻回数に関連して決定される。これは、ループコイル自身のインダクタンスと直流抵抗成分による影響である。
【００６２】
図９及び図１０に同一電流を流したときの一般的な３回巻回コイル６０と５回巻回コイル６１の発生磁界分布の違いを示す。各コイルは、非対称形状を有しており、各巻線間の間隔及び線幅が狭くなる幅狭部ａと、その各巻線間の間隔及び線幅が広くなる幅広部ｂとがある。また、通常の巻回コイルにおけるコア材に相当する軟磁性材シート６２がコイルの開口部を横切って配置されている。
【００６３】
図９（ａ）は３回巻回コイル６０の上面図であり、図９（ｂ）は３回巻回ループコイルの幅広部６０ｂに発生する磁場分布を示す断面図である。また、図１０（ａ）は５回巻回コイル６１であり、図１０（ｂ）は５回巻回コイル６１の幅広部６１ｂに発生する磁場分布を示す断面図である。図９（ｂ）及び図１０（ｂ）において、破線Ｇ１は、各コイルから発生する磁界を示しており、破線Ｇ２は、合成磁界を示す。
【００６４】
図９及び図１０に示すように、ループコイルに流す電流量が同一であれば、合成磁界はループコイルの巻回数が多いほど大きくなる。
【００６５】
ところで、ループコイルに流すことのできる電流値は、以下の式にて求めることができる。すなわち、電源電圧が制限された環境下では、ループコイルに流すことのできる電流は、電源電圧に依存する。
【００６６】
Ｉ＝Ｅ／（２πｆＬ）
ただし、Ｉ：コイルに流れる電流［Ａ］
Ｅ：電源電圧（有効電圧）
ｆ：周波数［Ｈｚ］
Ｌ：ループコイルのインダクタンス
【００６７】
上式によれば、電源電圧Ｅが一定であれば、巻回数が多い（インダクタンスの大きい）ほどコイルに流れる電流は減少し、発生する磁界は巻回数が少ないほど大きくなる。この式に基づけば、発生する磁界を大きくするためには、巻回数を少なくすればよいのであるが、図９（ｂ）に示すように、３回巻回コイル６０の合成磁界は、アンテナ平面と水平方向に斑ができてしまう。この磁界斑は、ＩＣカードとの距離を一定としたときの水平方向への通信範囲に影響する。そこで実際は、安定した合成磁界を得るために、ループコイルをできる限り密に配置する必要があるのであるが、これでは、上述したように必要な電流量が大きくなってしまう。
【００６８】
本具体例では、このような背反する命題を解決するために、図６に示すリーダライタアンテナ回路５４を用いた。図６に示すリーダライタアンテナ回路５４では、信号源からみた負荷インピーダンスは、図９（ｂ）に示したアンテナ回路と等価になり、３ターン目に接続された端子５４３に流れる電流は、ループコイル５４１の端子間Ｒ１に励起される電流となる。
【００６９】
このリーダライタアンテナ回路５４では、３端子のループコイル５４１は、オートトランス式昇圧回路と同様の構成となっており、給電されていないコイル部分にも巻回数比に応じた電圧が生じている。端子間Ｒ２に与えられている電圧をＥとすると、リーダライタアンテナ回路５４の端子５４１ａ，５４１ｃ間には、５Ｅ／３の電圧が生じている。同時に、端子５４１ａ，５４１ｃ間には、コンデンサ５４２が接続されているため、並列共振回路を形成し、このループコイル全体に万遍なく共振電流が流れ、図１１に示す、本具体例のリーダライタアンテナ回路５４のようなＧ１、Ｇ２ともに安定した強い磁界が発生する。
【００７０】
したがって、このリーダライタアンテナ回路５４は、低電圧にもかかわらず低インピーダンス・高電流を生じ、カード側アンテナ回路１１と非常に効率よく結合できる。
【００７１】
実際には、リーダライタ駆動回路（図１でのＩＣ１２）は、市販の回路を用いるため、この回路の特性に応じてアンテナ回路を使い分けることになるのであるが、この場合も、リーダライタアンテナ回路５４は、端子５４３の引き出し位置を設計時点に変更するだけでリーダライタ駆動回路の出力インピーダンス、ループコイルの巻数、コイル形状等に応じて通信に最適なインピーダンスが得られる。
【００７２】
上述のように構成されたリーダライタアンテナ回路５４は、変調回路５２からの変調波に対応した電磁場を放射することができる。また、ＩＣカード１０のループコイル１３によって励起された電磁場に同調して、ＩＣカード１０側のループコイル１３に与えられた負荷変動を検出することができる。
【００７３】
本発明の課題でもあるように、リーダライタに要求されるアンテナ回路（ループアンテナ）のサイズに係る制約等からサイズを変更することによってアンテナ特性の不利点を解決することが困難であるが、本具体例のように、ループコイルの中途部分から端子をとって３端子コイルとすることによって、アンテナ自体を小型化してもループコイル５４１に効率よく電流が励起される。
【００７４】
以下では、リーダライタアンテナ回路５４の特性と、従来のアンテナ回路の特性とを実際の測定結果に基づいて比較した。
【００７５】
まず、比較対象として、コンデンサ８２とループコイル８３とが並列接続された従来の並列共振型アンテナ回路（従来例１、図１２）８１と、コンデンサ８５とループコイル８６とが直列接続された直列共振型アンテナ回路（従来例２、図１３）８４とを用意した。ループコイルは、ともに５回巻回コイルとした。
【００７６】
図１２及び図１３における給電点Ａ，Ｂには、アンテナ駆動回路、すなわちリーダライタアンテナ回路５４以降の回路構成に相当する回路を接続した。また、この試験では、従来例１、従来例２及び本具体例ともに同仕様のＩＣカードを用い、図１４（ａ）に示すように、各アンテナ回路のアンテナ面と３ｍｍの間隔をおいて接近させ、各アンテナ回路における給電点ＡＢ間のアンテナインピーダンスと通信可能範囲、通信周波数とインピーダンスとの関係について調べた。ここで通信可能範囲とは、アンテナ面の中心線に対してＩＣカード１２をどの程度ずらしても読み取ることができるかを示す範囲であって、図１４（ｂ）にて説明するようにズレ分を長さ単位Ｌで示す。各アンテナ回路における通信周波数とインピーダンスとの関係を図１５乃至図１７に示す。また、図１８には試験結果を纏めた。なお、このとき各アンテナ回路の給電点Ａ，Ｂ、及びリーダライタアンテナ回路５４に接続したリーダライタ駆動回路の出力インピーダンスは５０Ωであった。
【００７７】
従来例１の並列共振型アンテナ回路８１では、ＡＢ間のアンテナインピーダンスが共振周波数１３．５６ＭＨｚにおいて１２４０Ωであった。また、電圧５Ｖでの通信可能範囲は１８ｍｍ、３．３Ｖでは１０ｍｍであった。
【００７８】
従来例２の直列共振型アンテナ回路８４では、ＡＢ間のアンテナインピーダンスが共振周波数１３．５６ＭＨｚにおいて８Ωであった。また、電圧５Ｖでの通信可能範囲は１９ｍｍ、３．３Ｖでは１３ｍｍであった。
【００７９】
これに対して、本具体例として示すリーダライタアンテナ回路５４を用いた場合、共振周波数１３．５６ＭＨｚにおいて、端子５４１ａ，５４３のインピーダンスが２２３Ωであった。また、電圧５Ｖでの通信可能範囲は２５ｍｍ、３．３Ｖでは２０ｍｍであった。
【００８０】
直列共振型アンテナ回路８４では、回路共振時に系のインピーダンスは最小になる。このときのインピーダンスは実験で８Ωと出ており、この負荷を５０Ω出力の駆動回路に接続するには無理があるのは明白である。電力の殆どがロスになり、過負荷状態に陥った駆動回路は波形ひずみを起こす原因ともなりえる。アンテナ駆動回路には低出力インピーダンスである必要があるため、回路規模も大きくなり携帯機器への対応が難しくなる欠点も持っている。結果的に効率よくコイルに電流を流せるとは言えない。
【００８１】
並列共振型アンテナ回路８１は、回路共振時に系のインピーダンスは最大となるが、本具体例のように３端子化を行ってタップダウンをすれば、インピーダンスを任意に低下させることができる。
【００８２】
並列共振型アンテナ回路を３端子化したリーダライタアンテナ回路５４は、系全体で巡回電流が流れるため、図６のＲ１にのみ電流が流れるわけではなく、全体に巡回電流が流れ、コイル全体を励起することが可能である。さらに、適切なインピーダンスを自由に選べる点は、回路設計、電源事情の両面において自由度が広くなる。よって、駆動回路も簡略化が可能である。
【００８３】
ところで、図１３に示す直列共振型アンテナ回路８４は、タップ出しをした３端子コイルで共振回路を形成することはできない。３端子型コイルでの給電点がコイルの両端でなくなるため、コンデンサとコイルが接続された端点が無接続になってしまい、ＬＣ共振回路の構成を失うからである。よって、直列共振回路は、３端子化によるインピーダンス整合の自由度を得ることが根本的に不可能であり、並列共振回路と比べて優位性を失う。
【００８４】
次に、上述した非接触データ通信システムを適用した通信端末装置７０について、図１９を用いて説明する。この通信端末装置７０には、非接触ＩＣカードのような無線タグとの間で通信するための通信手段として、上述したリーダライタアンテナ回路５４が搭載されている。
【００８５】
この通信端末装置７０は、ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔｓ）と呼ばれるユーザが持ち運び可能な小型軽量の電子機器である。
【００８６】
この通信端末装置７０は、本体部７１と、パネル部７２とを有し、ヒンジ機構７３を介してパネル部７２が本体部７１に対して開閉可能とされている。本体部７１には、各種操作を行うための操作ボタン等からなる入力部７４が設けられており、この入力部７４に隣接した本体内部には、上述したリーダライタ５０のリーダライタアンテナ回路５４が配置されている。
【００８７】
また、この本体部７１の内部には、各部を制御するマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）が設けられている。一方、パネル部７２には、液晶表示パネルからなる表示部７５が設けられており、入力部７４による操作状態や、リーダライタ５０によるＩＣカード１０からの読み出しデータ等をＣＰＵの制御のもとで表示することができる。
【００８８】
また、この通信端末装置７０は、小型軽量薄型化した場合の剛性を確保するために、例えば高剛性プラスチック材等の非金属筐体からなる。なお、筐体は、このような非金属筐体に限らず、例えばＭｇ合金等の金属筐体でもよい。
【００８９】
したがって、通信端末装置７０に本発明に係るリーダライタアンテナ回路５４を設けることによって、通信可能範囲がより広められ、低電圧下で効率よく駆動する。
【００９０】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００９１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るデータ通信装置は、他のデータ通信装置との間で信号が通信されるアンテナ手段と、アンテナ手段にて受信される他のデータ通信装置から送信された送信信号から受信データを復調する復調手段と、他の通信装置に対してアンテナ手段から送信されるデータが変調される変調手段と、復調手段に入力される信号強度が所定値を越える場合に復調手段に入力される信号強度を抑制して復調手段を保護する保護手段と、保護手段によって生じる高調波を吸収するフィルタ手段と備えることにより、受信入力端の波形クリップが回避でき高調波強度が抑制される。また、外付け回路を使用することなくアンテナ回路を駆動できアンテナ回路と内部回路とのインピーダンスの整合がとれるため、アンテナ回路への電力供給率を高めることができる。これにより、非接触データ送受信装置自体の低電圧化、低消費電力化が実現できる。
【００９２】
また、本発明に係る非接触データ通信システムは、受信入力端の波形クリップが回避でき、高調波強度が抑制される。また、外付け回路を使用することなくアンテナ回路を駆動できアンテナ回路と内部回路とのインピーダンスの整合がとれるため、アンテナ回路への電力供給率を高めることができる。これにより、非接触通信に係るデータ送受信装置自体の低電圧化、低消費電力化が実現できる。
【００９３】
また、本発明に係るアンテナ装置は、受信入力端の波形クリップが回避でき高調波強度が抑制される。また、外付け回路を使用することなくアンテナ回路を駆動できアンテナ回路と内部回路とのインピーダンスの整合がとれるため、アンテナ回路への電力供給率を高めることができる。これにより、非接触通信に係る携帯型情報端末の低電圧化、低消費電力化が実現でき、この携帯型情報端末の更なる小型化要求に対しても対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例として示す非接触データ通信システムを説明する構成図である。
【図２】上記非接触データ通信システムにおけるリーダライタ５０を説明する構成図である。
【図３】上記非接触データ通信システムにおけるリーダライタ５０を説明する構成図である。
【図４】上記非接触データ通信システムにおけるリーダライタ５０を説明する構成図である。
【図５】上記非接触データ通信システムにおけるリーダライタアンテナ回路を説明する構成図である。
【図６】リーダライタアンテナ回路を説明する回路図である。
【図７】リーダライタアンテナ回路の具体的な仕様を説明する外観図である。
【図８】非対称ループコイルの磁場分布を説明する断面図である。
【図９】（ａ）は、一般的な非対称３回巻回コイルの外観図であり、（ｂ）は、３回巻回ループコイルの幅広部の磁界分布を説明する断面図である。
【図１０】（ａ）は、一般的な非対称５回巻回コイルの外観図であり、（ｂ）は、５回巻回ループコイルの幅広部の磁界分布を説明する断面図である。
【図１１】リーダライタアンテナ回路の幅広部の磁界分布を説明する断面図である。
【図１２】従来の並列共振型アンテナ回路を説明する回路図である。
【図１３】従来の直列共振型アンテナ回路を説明する回路図である。
【図１４】（ａ）は、アンテナ特性試験を説明する図であり、（ｂ）は、通信可能範囲を説明する図である。
【図１５】従来の並列共振型アンテナ回路のインピーダンスと共振周波数との関係を示す図である。
【図１６】従来の直列共振型アンテナ回路のインピーダンスと共振周波数との関係を示す図である。
【図１７】本発明の具体例として示すリーダライタアンテナ回路のインピーダンスと共振周波数との関係を示す図である。
【図１８】リーダライタアンテナ回路と、並列共振型アンテナ回路と、直列共振型アンテナ回路とのアンテナ特性の結果を示す図である。
【図１９】上記非接触データ通信システムを適用した通信端末装置を説明する外観図である。
【図２０】従来のＲＦＩＤシステムを説明する構成図である。
【図２１】従来のＲＦＩＤシステムにおけるループアンテナを説明する図である。
【符号の説明】
１非接触データ通信システム、１０ＩＣカード、１１カード側アンテナ回路、１２ＩＣ、１３ループコイル、１４コンデンサ、５０リーダライタ、５４リーダライタアンテナ回路、５４１ループコイル、５４２コンデンサ、５４３端子、５５保護回路、５６受信側フィルタ回路、５７送信側フィルタ回路、[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is a data communication device that writes and reads data to and from a wireless tag that inductively couples an electromagnetic field, a non-contact data transmission and reception system that writes and reads data to and from a wireless tag that inductively couples an electromagnetic field, The present invention relates to an antenna device for communicating with a wireless tag that inductively couples an electromagnetic field.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in fields such as automatic railway ticket gates, security systems for entering and exiting buildings, and electronic money systems, so-called RFID (Radio Frequency Identification) systems using non-contact IC cards and wireless tags have been introduced. Has begun to be. As shown schematically in FIG. 20, the RFID system includes a non-contact IC card 100 and a reader / writer 101 for writing and reading data to and from the IC card 100.
[0003]
In this RF system, based on the principle of electromagnetic induction, the loop antenna 102 on the reader / writer 101 side and the loop antenna 103 on the IC card 100 side are magnetically coupled by inductive coupling, and the IC card 100 and the reader / writer 101 Communication takes place between them.
[0004]
Such an RFID system eliminates the need to load an IC card into a reader / writer or contact a metal contact as in a conventional contact IC card system, so that writing and reading of data can be performed easily and at high speed. It can be carried out. Further, in the RFID system, since an induced current is generated in the IC card 100 by an electromagnetic field excited by the reader / writer 101, it is not necessary to have a power source such as a battery in the IC card. Therefore, it is excellent in maintainability, high in operation reliability, and inexpensive.
[0005]
By the way, in the above-mentioned RFID system, in order to secure a sufficient communicable range between the IC card 100 and the reader / writer 101, the loop antenna 102 which can radiate an electromagnetic field having a certain magnetic field strength is connected to the reader / writer 101. Side.
[0006]
In general, the loop antenna 102 for the reader / writer 101 is composed of a loop coil 200 in which a conducting wire is wound in a planar shape as shown in FIG. 21, and the loop coils 200 face each other with the center thereof interposed therebetween. It has a symmetrical shape with equal spacing and line width between each winding. In addition, as these specific examples, the main body side antenna 90 connected to the Reader / Writer module 91 (for example, refer to Patent Document 1) and the AG1, AG2, AG3 of the read / write device RW2 (for example, Patent Document 2) ).) And the like.
[0007]
In these reader / writer antennas, in order to efficiently drive an antenna drive circuit and efficiently electromagnetically couple a communication carrier to a wireless tag side antenna or an IC card side antenna, a drive circuit system of a reader / writer IC and a used power supply voltage are used. An LC series resonance type antenna circuit or an LC parallel resonance type antenna circuit is used depending on the characteristics of the circuit.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-10-144048
[Patent Document 2]
JP 2001-331829 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, the impedance of the LC series resonance type antenna circuit is greatly reduced at the resonance frequency, and therefore, it is very efficient if a large current can be supplied to the coil. For example, it is suitable for use in a reader / writer device that is stationary and allows a certain device size, such as a large reader / writer device already used in a ticket gate of a station or the like. However, in practice, the IC circuit of the reader / writer device cannot supply an unlimited current to the antenna circuit. The value is effectively limited and there is a large deviation between the output impedance of the IC circuit and the antenna circuit impedance which is reduced by resonance. This is so-called impedance mismatching. There is a problem that the carrier wave waveform is distorted due to the reflection phenomenon caused by the impedance mismatch, and the transmission signal SNR is deteriorated.
[0010]
Therefore, for a weak radio wave output type non-contact reader / writer device that is connected to a PC (Personal Computer) or the like by using a USB (Universal Serial Bus), the number of components is reduced and the law of the weak radio wave is made as simple as possible. It is necessary to use a circuit configuration that can be used within regulations. Therefore, a parallel resonance circuit has been applied as a simple circuit configuration that is easy to use in a system with low voltage and low power consumption.
[0011]
Since the impedance of the parallel resonance type antenna circuit greatly increases at the resonance frequency, the magnetic field excited by the coil and the amount of current flowing through the coil are insufficient. Therefore, it cannot be driven only by a drive circuit with a built-in IC circuit of the reader / writer device, and it is necessary to take measures such as preparing a drive circuit using an external transistor separately. Further, impedance mismatch between the driving circuit and the antenna circuit is large, and efficient power transmission cannot be performed.
[0012]
Although impedance matching can be achieved by changing the size of the antenna, for example, a credit card-sized IC card, the size of a reader / writer device corresponding to this IC card, and the transmission line on the reader / writer IC circuit side are used. There is a limit to impedance matching between the IC circuit and the antenna circuit due to restrictions such as resistance.
[0013]
As described above, in the conventionally known LC parallel resonance type antenna circuit, the matching between the output impedance of the reader / writer IC circuit and the impedance of the antenna driving circuit is poor, the waveform distortion is small, and a large antenna driving current is obtained. Was difficult.
[0014]
In the RFID reader / writer device, the transmission circuit and the reception circuit operate simultaneously. These are similar to analog amplitude modulation from the viewpoint of reducing unnecessary radiation, and can be considered in the same manner as a normal AM transmitter in order to suppress the spurious (harmonic) intensity of a transmission wave.
[0015]
In the transmission circuit, from the viewpoint of legal problems and prevention of interference waves to others, LPF (Low Pass Filter) or BPF (Band Pass Filter) is used in combination to reduce the spurious (harmonic) intensity of the transmission wave. It is usual to reduce it.
[0016]
When a parallel resonance type antenna circuit is used as the antenna circuit of the weak radio wave output type non-contact reader / writer device, the amplitude increases due to the characteristic of the parallel resonance, and when the amplitude exceeds the set voltage of the receiving end protection circuit provided in the IC. As a result, the waveform is clipped and distorted, and spurs (harmonics) are generated. When this signal flows back to the antenna, and the Q of the antenna is not sufficiently high, the filtering effect is insufficient and harmonics are radiated into the air.
[0017]
In order to efficiently supply transmission power to an antenna circuit, it is known to match between the output impedance of a driving portion of the transmission circuit and the impedance of the antenna circuit. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 11-120303 discloses that in a contactless IC card system, a matching circuit matches a load of a transmission system so that a reflected wave above a threshold is not generated on the transmission system and noise around the antenna is reduced. Techniques have been shown to reduce the effects of electric fields and improve antenna efficiency.
[0018]
The same is true for a parallel resonance type antenna circuit having a high input impedance, and in order to efficiently supply transmission power to the parallel resonance type antenna circuit, the output impedance of the driving portion of the transmission circuit and the impedance of the antenna circuit must be set. What is necessary is just to match. The output impedance of the driving part of the transmission circuit is generally very low, whereas the impedance of the parallel resonance type antenna circuit is high, and therefore, in order to improve antenna efficiency, some kind of impedance conversion is performed to achieve impedance matching. You also need to do that.
[0019]
In the past, unnecessary radiation was reduced by using a large Q value for the antenna circuit.However, for some reason, such as miniaturization of the antenna circuit and use near the metal housing, etc. When an antenna circuit having a large Q value cannot be used, it has been difficult to reduce unnecessary radiation.
[0020]
Therefore, the present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and performs impedance matching between an antenna circuit and a driving circuit and suppresses spurious (harmonic) caused by the circuit configuration. An object of the present invention is to provide a contactless data transmission / reception system, a data transmission / reception device, and a portable information terminal that can reduce unnecessary radiation and improve antenna efficiency.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a data communication device according to the present invention is a data communication device that performs non-contact data communication by electromagnetic induction coupling with another data communication device, wherein a signal is transmitted between the data communication device and the other data communication device. Antenna means for communication, demodulation means for demodulating received data from a transmission signal transmitted from another data communication device received by the antenna means, and data transmitted from the antenna means to another communication device. Modulating means to be modulated, protection means for suppressing the signal strength input to the demodulation means when the signal strength input to the demodulation means exceeds a predetermined value to protect the demodulation means, and harmonics generated by the protection means. And a filter means for absorbing.
[0022]
Here, the filter means may be inserted between the modulation means and the antenna means, and the data communication device may further include a filter means between the modulation means and the antenna means.
[0023]
Further, the output section of the modulation section is connected to the input section of the demodulation section to which the protection section is connected, and the filter section is inserted between the connected input section, the output section and the antenna section. The filter unit includes a first connection unit connected to the antenna unit, and a second connection unit connected to the demodulation unit. The impedance of the first connection unit is substantially equal to the impedance of the antenna unit. The impedance of the connection portion 2 is substantially equal to the input impedance of the demodulation means.
[0024]
Further, the antenna means includes a first coil portion having a predetermined number of windings, a second coil portion having a predetermined number of turns having one end connected to one end of the first coil portion, and a first coil portion having a predetermined number of turns. A capacitor having one end connected to the other end and the other end of the second coil portion; a connection point between the first coil portion and the second coil portion; The ends are each connected to a modulating means. The series inductance of the first and second coil units and the parallel resonance frequency of the capacitor are substantially the same as the modulation frequency of the modulation unit.
[0025]
In order to achieve the above object, a non-contact data communication system according to the present invention is a non-contact data communication system in which a first data communication device performs data communication with a second data communication device by electromagnetic induction coupling. First antenna means for transmitting and receiving signals by resonance of one data communication device, first demodulation means for demodulating received data from a received signal received by the first antenna means, and first antenna means First modulation means for modulating the transmission data transmitted from the second data communication apparatus, wherein the second data communication apparatus has a second antenna means through which signals are communicated with the first data communication apparatus; Second demodulating means for demodulating received data from a transmission signal transmitted from the first data communication device and received by the antenna means, and a signal transmitted from the second antenna means to the first communication device. Second demodulating means for modulating the data to be input to the second demodulating means, and suppressing the signal intensity inputted to the second demodulating means when the signal strength inputted to the second demodulating means exceeds a predetermined value. It is characterized by comprising protection means for protecting the means, and filter means for absorbing harmonics generated by the protection means.
[0026]
In order to achieve the above-mentioned object, an antenna device according to the present invention is connected to a modulation circuit in which communication data is modulated by a predetermined modulation frequency, and tunes to a predetermined tuning frequency. A coil means and a capacitor means connected to both ends of the coil means. The coil means and the capacitor means are formed in a parallel resonance circuit and tuned to a predetermined frequency. The tap portion at a predetermined position of the line is connected to the modulation circuit.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, specific examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, a non-contact data communication system 1 to which the present invention is applied includes an IC card 10 and a reader / writer 50 that writes and reads data to and from the IC card 10 in a non-contact manner. . In this specific example, the IC card 10 is a batteryless IC card having no power supply such as a battery compliant with ISO7810, and has the same size as a so-called credit card.
[0028]
In the IC card 10, a card-side antenna circuit 11 for transmitting and receiving data in combination with an electromagnetic field and an electronic circuit for performing various processes for writing and reading data are integrated on a substrate provided therein. And an IC (Integrated Circuit) 12.
[0029]
The card-side antenna circuit 11 is a resonance-type antenna circuit in which a loop coil 13 in which a conductive wire is wound in a planar shape and a capacitor 14 are connected in parallel. The card-side antenna circuit 11 is combined with an electromagnetic field radiated from a reader / writer antenna circuit 54 of the reader / writer 50 described later, converts the combined electromagnetic field into an electric signal, and supplies the electric signal to the IC 12.
[0030]
The IC 12 includes a rectifier circuit 15 that rectifies and smoothes the electric signal supplied from the loop coil 13, a regulator 16 that converts the electric signal supplied from the rectifier circuit 15 into DC power, and a rectifier circuit 15 that converts the electric signal supplied from the rectifier circuit 15. An HPF (High Pass-Filter) 17 for extracting a high frequency component, a demodulation circuit 18 for demodulating a signal of a high frequency component input from the HPF 17, and data writing and data corresponding to data supplied from the demodulation circuit 18. It has a sequencer 19 for controlling reading, a memory 20 for storing data supplied from the demodulation circuit 18, and a modulation circuit 21 for modulating data transmitted by the loop coil 13.
[0031]
The rectifier circuit 15 includes a diode 22, a resistor 23, and a capacitor 24. The anode terminal of the diode 22 is connected to one end of the loop coil 13 and one end of the capacitor 14, the cathode terminal of the diode 22 is connected to one end of the resistor 23 and the capacitor 24, and the other end of the resistor 23 and the capacitor 24 are connected to the loop coil 13. And the other end of the capacitor 14. Then, the rectifier circuit 15 outputs an electric signal obtained by rectifying and smoothing the electric signal supplied from the loop coil 13 to the regulator 16 and the HPF 17.
[0032]
The regulator 16 is connected to the cathode terminal of the diode 22 of the rectifier circuit 15, the resistor 23, and one end of the capacitor 24. Then, the regulator 16 suppresses the voltage fluctuation (data component) of the electric signal supplied from the rectifier circuit 15, stabilizes the voltage, and then supplies it to the sequencer 19 as DC power. As a result, voltage fluctuations caused by, for example, a movement of the position of the IC card 10 and voltage fluctuations caused by a change in power consumption in the IC card 10 that cause a malfunction of the sequencer 19 and the like are suppressed.
[0033]
The HPF 17 includes a capacitor 25 and a resistor 26, extracts a high-frequency component of the electric signal supplied from the rectifier circuit 15, and outputs the extracted high-frequency component to the demodulation circuit 18.
[0034]
The demodulation circuit 18 is connected to the other end of the capacitor 25 of the HPF 17 and one end of the resistor 26. The demodulation circuit 18 demodulates a high-frequency component signal input from the HPF 17 and outputs the signal to the sequencer 19.
[0035]
The sequencer 19 has a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) therein, and is connected to the demodulation circuit 18 described above. Then, the sequencer 19 stores the signal (command) input from the demodulation circuit 18 in the RAM, analyzes the signal according to a program stored in the ROM, and, if necessary, based on the analyzed result. The data stored in the memory 20 is read. Alternatively, data supplied from the demodulation circuit 18 is written in the memory 20. Further, the sequencer 19 generates a response signal and supplies the response signal to the modulation circuit 21 in order to return a response corresponding to the command.
[0036]
The memory 20 is a non-volatile memory such as an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) that does not require power to hold data, and is connected to the sequencer 19 described above. The memory 20 stores data supplied from the demodulation circuit 18 based on the analysis result of the sequencer 19.
[0037]
The modulation circuit 21 is configured by a series circuit of an impedance 27 and an FET (Field Effect Transistor) 28, and one end of the impedance 27 is connected to the cathode terminal of the diode 22 of the rectifier circuit 15 described above. Is connected to the drain terminal of the FET 28, the source terminal of the FET 28 is connected to the ground point, and the gate terminal of the FET 28 is connected to the sequencer 19. Further, the modulation circuit 21 is connected in parallel with the loop coil 13 constituting the above-described resonance circuit, performs a switching operation on the FET 28 in response to a signal from the sequencer 19, and loads the impedance 27 on the loop coil 13 with a load. A so-called additional modulation method that fluctuates is adopted.
[0038]
On the other hand, the reader / writer 50 includes a modulation circuit 52 and a demodulation circuit 53 for modulating and demodulating data, and a reader / writer antenna circuit 54 for transmitting and receiving data in combination with an electromagnetic field. , And is generally controlled by a control circuit 51. The demodulation circuit 53 is provided with a protection circuit 55 for reducing a large signal when it is input.
[0039]
When the transmission signal flows back to the input side and exceeds the set voltage of the protection circuit 55, the waveform is clipped and spurious (harmonic) is generated. In order to prevent the spurious generated by the protection circuit from flowing back to the antenna, in this specific example, the reception-side filter circuit 56 for reducing the spurious (harmonic) intensity of the received wave generated by the protection circuit 55. Is provided. The transmission-side filter circuit 57 is a filter for reducing the spurious (harmonic) intensity of the transmission wave.
[0040]
As the filter circuits 56 and 57, an LPF (Low Pass Filter) or a BPF (Band Pass Filter) that basically allows only a predetermined frequency to pass can be used. Particularly, in this specific example, a filter circuit as shown in FIG. 2 is used. Since the circuit shown in FIG. 2 can be used for both filter circuits without distinction, only the receiving filter circuit 56 will be described here. The reception-side filter circuit 56 includes a first inductor 561, a second inductor 562, and a capacitor 563. The first inductor 561 is connected to the demodulation circuit 53 via the protection circuit 55, and the second inductor 562 It is connected to the reader / writer side antenna circuit 54. The capacitor 563 is connected between the first inductor 561 and the second inductor 562 and is grounded. That is, the receiving-side filter circuit 56 is a T-type third-order low-pass filter. In this specific example, since each pole has a double track, the receiving side filter circuit 56 has a similar T-type third-order LPF filter configuration including a first inductor 564, a second inductor 565, and a capacitor 566. Another is provided.
[0041]
In general, the receiving end has a very high impedance, and the impedance hardly changes even when connected to a low-impedance transmitting output end. Therefore, the filter circuits 56 and 57 absorb spurious (harmonics) and perform impedance matching. Also works as a circuit.
[0042]
It is known that the antenna efficiency can be improved by matching the output impedance of the driving portion of the transmission circuit with the impedance of the antenna circuit. By inserting a filter circuit (reception-side filter circuit 56) that can reduce impedance conversion and spurious between the circuit 52 and the circuit 52, spurious of a received wave generated by the protection circuit 55 can be suppressed and an efficient antenna can be realized. it can.
[0043]
The control circuit 51 generates, for example, control signals for various controls according to an external command or a built-in program, controls the modulation circuit 52 and the demodulation circuit 53, and generates transmission data corresponding to the command. The signal is supplied to the modulation circuit 52. Further, the control circuit 51 generates reproduction data based on response data from the demodulation circuit 53 and outputs the reproduction data to the outside.
[0044]
The transmitter modulates the transmission data input from the control circuit 51 in the modulation circuit 52, and supplies the modulated signal to the reader / writer antenna circuit 54. The demodulation circuit 53 demodulates the modulated wave from the reader / writer antenna circuit 54 and supplies the demodulated data to the control circuit 51.
[0045]
The reader / writer antenna circuit 54 includes a loop coil in which a conductive wire is wound in a planar shape, radiates an electromagnetic field corresponding to the modulated wave supplied from the modulation circuit 52, and loads the loop coil 13 on the IC card 10 side. Detect fluctuations. A specific example of the reader / writer antenna circuit 54 will be described in detail with reference to FIGS.
[0046]
In the non-contact data communication system 1 configured as described above, when writing of predetermined data is instructed to the IC card 10, the control circuit 51 of the reader / writer 50 issues a command signal for writing based on the command. Is generated, and transmission data (write data) corresponding to the command is generated and supplied to the modulation circuit 52. The modulation circuit 52 modulates the amplitude of the oscillation signal based on the input signal and supplies the modulated signal to the reader / writer antenna circuit 54. The reader / writer antenna circuit 54 emits an electromagnetic wave corresponding to the input modulation signal.
[0047]
The resonance frequency of the parallel resonance type antenna circuit including the loop coil 13 and the capacitor 14 of the IC card 10 corresponds to the oscillation frequency (carrier frequency) from the reader / writer 50 (in this specific example, it is 13.56 MHz). Is set to Therefore, the parallel resonant antenna circuit receives the radiated electromagnetic field by a resonance operation, converts the received electromagnetic field into an electric signal, and supplies the electric signal to the IC 12. The electric signal converted here is input to the rectifier circuit 15 and rectified and smoothed, and then supplied to the regulator 16. The regulator 16 suppresses and stabilizes the voltage fluctuation (data component) of the electric signal supplied from the rectifier circuit 15 and supplies the electric signal to the sequencer 19 as DC power.
[0048]
The signal rectified and smoothed by the rectification circuit 15 is supplied to the HPF 17 via the modulation circuit 21, and after the high frequency component is extracted, is supplied to the demodulation circuit 18. The demodulation circuit 18 demodulates the input high frequency component signal and supplies the demodulated signal to the sequencer 19. The sequencer 19 stores the signal (command) input from the demodulation circuit 18 in a RAM, analyzes the signal according to a program stored in the ROM, and supplies the signal (command) from the demodulation circuit 18 based on the analysis result. The written write data is written to the memory 20.
[0049]
On the other hand, when the signal (command) input from the demodulation circuit 18 is a read command, the sequencer 19 reads read data corresponding to the command from the memory 20. In the sequencer 19, the FET 28 of the modulation circuit 21 performs a switching operation in accordance with the read data. That is, in the modulation circuit 21, when the FET 28 is turned on, the impedance 27 and the loop coil 13 are connected in parallel, and when the FET 28 is turned off, the parallel connection between the impedance 27 and the loop coil 13 is released.
[0050]
As a result, the impedance of the reader / writer antenna circuit 54 of the reader / writer 50 magnetically coupled to the card-side antenna circuit 11 of the IC card 10 changes according to the read data. Therefore, the terminal voltage of the reader / writer antenna circuit 54 fluctuates according to the change of the impedance, and the reader / writer 50 can receive the read data by the demodulation circuit 53 demodulating the fluctuation. As described above, writing and reading of data between the IC card 10 and the reader / writer 50 are performed in a non-contact manner.
[0051]
In the non-contact data communication system 1 shown in FIG. 1, the receiving filter circuit 56 is provided between the reader / writer antenna circuit 54 and the demodulation circuit 53, and the transmitting filter circuit 57 is connected between the reader / writer antenna circuit 54 and the modulation circuit 52. Although the example provided between them has been described, the installation position of the filter circuit is not limited. In the following description, components having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0052]
As an example of installing the filter circuit at another position, the reception side filter circuit 56 and the transmission side filter circuit 57 may be one filter circuit 58 as shown in FIG. If the filter circuit is shared between the transmission side and the reception side, the number of components can be reduced.
[0053]
Also, as shown in FIG. 4, the installation position of the transmission-side filter circuit 57 may be the same as that in FIG. 1, and the filter circuit 59 may be provided immediately after the reader / writer antenna circuit 54. Further, as shown in FIG. 5, a combination of a filter circuit 59 provided immediately after the reader / writer antenna circuit 54 and a receiving filter circuit 56 provided at the position shown in FIG. As described above, by providing the filter circuit on the side of the reader / writer antenna circuit 54 of the demodulation circuit 53 (protection circuit 55) at the subsequent stage of the filter circuit shared by the reception side and the transmission side, the same as the case of FIG. Benefits are obtained.
[0054]
Next, the reader / writer antenna circuit 54 in the non-contact data communication system 1 will be specifically described with reference to FIGS.
[0055]
As shown in FIGS. 6 and 7, the reader / writer antenna circuit 54 includes a loop coil 541 in which a conductive wire is wound in a planar shape and a capacitor 542. The loop coil 541 and the capacitor 542 are connected in series, and one end of the loop coil 541 and one end of the capacitor 541 are connected to form a parallel resonance circuit, and the other terminal 543 is connected from the middle of the loop coil 541. Derived. That is, the loop coil 541 has three terminals.
[0056]
The lead-out position of the terminal 543 can be changed at the time of designing according to the output impedance of the drive circuit of the reader / writer (not shown), the number of turns of the loop coil, the coil shape, and the like so that the optimum impedance for communication is obtained.
[0057]
FIG. 7 shows actual specifications of the reader / writer antenna circuit 54. In this specific example, the loop coil 541 of the reader antenna circuit 54 is wound five times in a plane, and the terminal 543 is derived from the second turn of the winding part. Further, the loop coil 541 has a narrow portion 540a in which the distance between the windings and the line width are narrow, and a wide portion 540b in which the distance between the windings and the line width are wide. That is, as shown in FIG. 7, the loop coil 541 has an asymmetric shape in which the spacing and the line width between the windings facing each other across the winding opening are different.
[0058]
Further, the loop coil 541 has a long side of about 40 mm and a short side of 30 mm in accordance with the antenna shape of the credit card-sized IC card 10 and has a soft side corresponding to a core material in a normal wound coil. A magnetic material sheet 544 is disposed across the opening of the loop coil. Examples of the soft magnetic material sheet 544 include an amorphous magnetic material, an iron-nickel alloy, a silicon steel, an amorphous alloy, a permalloy, an electromagnetic soft iron, a sendust alloy, an Fe-Al alloy, and a soft magnetic ferrite.
[0059]
By making the coil shape asymmetric, the distribution of the magnetic field generated by the loop coil 541 differs from the magnetic field distribution of the conventional loop coil 200 in the center cross section on the long side of the rectangular antenna as shown in FIG. Since the widened portion 540b in which the distance between the windings and the line width is widened is emphasized and asymmetric, the radiated magnetic field distribution can be shifted and the communicable area can be expanded. Further, it has a feature that a null point is hardly generated as compared with a simple loop antenna.
[0060]
The loop coil 541 is formed by, for example, etching a flexible insulating film such as polyimide or mica, or a conductive metal foil film such as electrolytic copper formed on both surfaces of the substrate. The method of manufacturing the loop coil 541 is not limited to the above-described example. For example, a method of printing a winding pattern of the loop coil 541 using a conductive paste such as a silver paste, or a method of winding a metal target by sputtering on a substrate. And a method of forming a round pattern.
[0061]
In the loop coil 541, which is an asymmetric antenna, a stronger magnetic field is radiated as the current flowing through the loop coil increases based on the operation principle of the loop coil antenna. Generally, if the current is the same, the larger the number of turns of the loop coil, the larger the generated magnetic field. That is, when the power supply voltage is constant, the current that can flow through the antenna is determined in relation to the number of turns of the loop coil. This is due to the influence of the inductance of the loop coil itself and the DC resistance component.
[0062]
9 and 10 show the difference in the generated magnetic field distribution between the general three-turn coil 60 and the five-turn coil 61 when the same current flows. Each coil has an asymmetric shape, and has a narrow portion a in which the interval between the windings and the line width are narrow, and a wide portion b in which the interval between the windings and the line width are wide. In addition, a soft magnetic material sheet 62 corresponding to a core material in a normal wound coil is arranged across the opening of the coil.
[0063]
FIG. 9A is a top view of the three-turn coil 60, and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a magnetic field distribution generated in the wide portion 60b of the three-turn loop coil. FIG. 10A is a five-turn coil 61, and FIG. 10B is a cross-sectional view illustrating a magnetic field distribution generated in a wide portion 61 b of the five-turn coil 61. 9 (b) and 10 (b), a broken line G1 indicates a magnetic field generated from each coil, and a broken line G2 indicates a combined magnetic field.
[0064]
As shown in FIGS. 9 and 10, if the amount of current flowing through the loop coil is the same, the composite magnetic field increases as the number of turns of the loop coil increases.
[0065]
By the way, the current value that can be passed through the loop coil can be obtained by the following equation. That is, in an environment where the power supply voltage is limited, the current that can flow through the loop coil depends on the power supply voltage.
[0066]
I = E / (2πfL)
Here, I: current flowing through the coil [A]
E: Power supply voltage (effective voltage)
f: frequency [Hz]
L: inductance of loop coil
[0067]
According to the above equation, if the power supply voltage E is constant, the current flowing through the coil decreases as the number of turns increases (the inductance increases), and the generated magnetic field increases as the number of turns decreases. According to this equation, the number of turns may be reduced to increase the generated magnetic field. However, as shown in FIG. 9B, the combined magnetic field of the three-turn coil 60 is And a spot is formed in the horizontal direction. This magnetic field spot affects the communication range in the horizontal direction when the distance from the IC card is fixed. Thus, in practice, it is necessary to arrange the loop coils as densely as possible in order to obtain a stable combined magnetic field. However, this requires a large amount of current as described above.
[0068]
In this specific example, in order to solve such a contradictory proposition, the reader / writer antenna circuit 54 shown in FIG. 6 is used. In the reader / writer antenna circuit 54 shown in FIG. 6, the load impedance seen from the signal source is equivalent to the antenna circuit shown in FIG. 9B, and the current flowing through the terminal 543 connected to the third turn is a loop coil. 541 is a current that is excited between the terminals R1.
[0069]
In this reader / writer antenna circuit 54, the three-terminal loop coil 541 has the same configuration as that of the auto-transformer booster circuit, and a voltage corresponding to the turn ratio is generated also in the coil portion to which power is not supplied. Assuming that the voltage applied to the terminal R2 is E, a voltage of 5E / 3 is generated between the terminals 541a and 541c of the reader / writer antenna circuit 54. At the same time, since the capacitor 542 is connected between the terminals 541a and 541c, a parallel resonance circuit is formed, and a resonance current uniformly flows through the entire loop coil, and the reader / writer of this specific example shown in FIG. A stable strong magnetic field is generated in both G1 and G2 as in the antenna circuit 54.
[0070]
Therefore, the reader / writer antenna circuit 54 generates a low impedance and a high current despite the low voltage, and can be coupled with the card-side antenna circuit 11 very efficiently.
[0071]
Actually, since a commercially available circuit is used for the reader / writer drive circuit (IC12 in FIG. 1), the antenna circuit is used properly according to the characteristics of the circuit. In this case, however, the reader / writer antenna circuit is also used. The terminal 54 can obtain the optimum impedance for communication according to the output impedance of the reader / writer drive circuit, the number of turns of the loop coil, the coil shape, and the like simply by changing the drawing position of the terminal 543 at the design time.
[0072]
The reader / writer antenna circuit 54 configured as described above can emit an electromagnetic field corresponding to the modulated wave from the modulation circuit 52. Further, it is possible to detect a change in load applied to the loop coil 13 of the IC card 10 in synchronization with the electromagnetic field excited by the loop coil 13 of the IC card 10.
[0073]
As is also an object of the present invention, it is difficult to solve the disadvantages of the antenna characteristics by changing the size due to restrictions on the size of the antenna circuit (loop antenna) required for the reader / writer. As in the specific example, by taking a terminal from a middle portion of the loop coil to form a three-terminal coil, current can be efficiently excited in the loop coil 541 even if the antenna itself is downsized.
[0074]
Hereinafter, the characteristics of the reader / writer antenna circuit 54 and the characteristics of the conventional antenna circuit were compared based on actual measurement results.
[0075]
First, as a comparison object, a conventional parallel resonance type antenna circuit (conventional example 1, FIG. 12) 81 in which a capacitor 82 and a loop coil 83 are connected in parallel, and a series resonance antenna in which a capacitor 85 and a loop coil 86 are connected in series Type antenna circuit (conventional example 2, FIG. 13) 84 was prepared. Each of the loop coils was a five-turn coil.
[0076]
An antenna driving circuit, that is, a circuit corresponding to a circuit configuration after the reader / writer antenna circuit 54 is connected to the feeding points A and B in FIGS. In this test, IC cards of the same specifications were used in Conventional Example 1, Conventional Example 2, and this specific example, and approached at an interval of 3 mm from the antenna surface of each antenna circuit as shown in FIG. Then, the relationship between the antenna impedance and the communicable range between the feeding points AB in each antenna circuit and the relationship between the communication frequency and the impedance was examined. Here, the communicable range is a range that indicates how much the IC card 12 can be read with respect to the center line of the antenna surface, and as described with reference to FIG. Is represented by a length unit L. FIGS. 15 to 17 show the relationship between the communication frequency and the impedance in each antenna circuit. FIG. 18 summarizes the test results. At this time, the output impedance of the reader / writer driving circuit connected to the feeding points A and B of each antenna circuit and the reader / writer antenna circuit 54 was 50Ω.
[0077]
In the parallel resonance type antenna circuit 81 of the conventional example 1, the antenna impedance between A and B was 1240Ω at the resonance frequency of 13.56 MHz. The communicable range at a voltage of 5 V was 18 mm, and the communicable range at 3.3 V was 10 mm.
[0078]
In the series resonance type antenna circuit 84 of the second conventional example, the antenna impedance between A and B was 8Ω at the resonance frequency of 13.56 MHz. The communicable range at a voltage of 5 V was 19 mm, and the communicable range at 3.3 V was 13 mm.
[0079]
On the other hand, when the reader / writer antenna circuit 54 shown as this specific example was used, the impedance of the terminals 541a and 543 was 223Ω at the resonance frequency of 13.56 MHz. The communicable range at a voltage of 5 V was 25 mm, and the communicable range at 3.3 V was 20 mm.
[0080]
In the series resonance type antenna circuit 84, the impedance of the system becomes minimum at the time of circuit resonance. The impedance at this time was found to be 8Ω in the experiment, and it is obvious that it is impossible to connect this load to a drive circuit having a 50Ω output. Most of the power is lost, and an overloaded drive circuit can cause waveform distortion. Since the antenna drive circuit needs to have a low output impedance, it has a disadvantage that the circuit scale is large and it is difficult to handle portable devices. As a result, it cannot be said that current can be efficiently passed through the coil.
[0081]
In the parallel resonance type antenna circuit 81, the impedance of the system becomes maximum at the time of circuit resonance. However, if the terminal is formed into three terminals and the tap is made down as in this specific example, the impedance can be arbitrarily reduced.
[0082]
In the reader / writer antenna circuit 54 in which the parallel resonance type antenna circuit has three terminals, the cyclic current flows through the entire system, so that the current does not flow only through R1 in FIG. It is possible to do. Furthermore, the point that the appropriate impedance can be freely selected increases the degree of freedom in both circuit design and power supply circumstances. Therefore, the driving circuit can be simplified.
[0083]
By the way, the series resonance type antenna circuit 84 shown in FIG. 13 cannot form a resonance circuit with a tapped three-terminal coil. This is because the feeding point of the three-terminal coil is not located at both ends of the coil, so that the end point where the capacitor and the coil are connected is disconnected, and the configuration of the LC resonance circuit is lost. Therefore, it is fundamentally impossible for the series resonance circuit to obtain a degree of freedom of impedance matching by using three terminals, and loses its superiority as compared with the parallel resonance circuit.
[0084]
Next, a communication terminal device 70 to which the above-described non-contact data communication system is applied will be described with reference to FIG. The communication terminal device 70 is equipped with the reader / writer antenna circuit 54 described above as communication means for communicating with a wireless tag such as a non-contact IC card.
[0085]
The communication terminal device 70 is a small and lightweight electronic device called a PDA (Personal Digital Assistants) that can be carried by a user.
[0086]
The communication terminal device 70 has a main body 71 and a panel 72, and the panel 72 can be opened and closed with respect to the main body 71 via a hinge mechanism 73. The main body 71 is provided with an input section 74 including operation buttons and the like for performing various operations. Inside the main body adjacent to the input section 74, the reader / writer antenna circuit 54 of the reader / writer 50 described above is provided. Are located.
[0087]
Further, a microcomputer (CPU) for controlling each section is provided inside the main body section 71. On the other hand, a display unit 75 including a liquid crystal display panel is provided in the panel unit 72, and the operation state of the input unit 74, the data read from the IC card 10 by the reader / writer 50, and the like are controlled under the control of the CPU. Can be displayed.
[0088]
The communication terminal device 70 is made of a non-metallic housing such as a high-rigidity plastic material in order to secure rigidity when the communication terminal device is reduced in size, weight and thickness. The housing is not limited to such a non-metal housing, but may be a metal housing made of, for example, an Mg alloy.
[0089]
Therefore, by providing the reader / writer antenna circuit 54 according to the present invention in the communication terminal device 70, the communicable range is further expanded, and the device is efficiently driven at a low voltage.
[0090]
It should be noted that the present invention is not limited to only the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[0091]
【The invention's effect】
As described in detail above, the data communication device according to the present invention is configured such that signals are transmitted from another data communication device to another data communication device. Demodulating means for demodulating received data from the received transmission signal, modulating means for modulating data transmitted from the antenna means to another communication device, and a demodulating means when the signal strength inputted to the demodulating means exceeds a predetermined value. By providing protection means for suppressing the signal strength input to the demodulation means to protect the demodulation means and filter means for absorbing harmonics generated by the protection means, waveform clipping at the reception input end can be avoided and harmonic strength can be reduced. Be suppressed. Further, since the antenna circuit can be driven without using an external circuit and impedance matching between the antenna circuit and the internal circuit can be achieved, a power supply rate to the antenna circuit can be increased. This makes it possible to reduce the voltage and power consumption of the non-contact data transmission / reception device itself.
[0092]
Further, in the non-contact data communication system according to the present invention, waveform clipping at the reception input end can be avoided, and harmonic intensity is suppressed. Further, since the antenna circuit can be driven without using an external circuit and impedance matching between the antenna circuit and the internal circuit can be achieved, a power supply rate to the antenna circuit can be increased. This makes it possible to reduce the voltage and power consumption of the data transmission / reception device itself related to non-contact communication.
[0093]
Further, in the antenna device according to the present invention, waveform clipping at the reception input end can be avoided, and harmonic intensity is suppressed. Further, since the antenna circuit can be driven without using an external circuit and impedance matching between the antenna circuit and the internal circuit can be achieved, a power supply rate to the antenna circuit can be increased. As a result, it is possible to reduce the voltage and power consumption of the portable information terminal related to the non-contact communication, and it is possible to meet the demand for further downsizing of the portable information terminal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a contactless data communication system shown as a specific example of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a reader / writer 50 in the contactless data communication system.
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a reader / writer 50 in the contactless data communication system.
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a reader / writer 50 in the contactless data communication system.
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a reader / writer antenna circuit in the contactless data communication system.
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a reader / writer antenna circuit.
FIG. 7 is an external view illustrating specific specifications of a reader / writer antenna circuit.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a magnetic field distribution of an asymmetric loop coil.
9A is an external view of a general asymmetric three-turn coil, and FIG. 9B is a cross-sectional view illustrating a magnetic field distribution in a wide portion of the three-turn loop coil.
FIG. 10A is an external view of a general asymmetric five-turn coil, and FIG. 10B is a cross-sectional view illustrating a magnetic field distribution in a wide portion of the five-turn loop coil.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a magnetic field distribution in a wide portion of the reader / writer antenna circuit.
FIG. 12 is a circuit diagram illustrating a conventional parallel resonant antenna circuit.
FIG. 13 is a circuit diagram illustrating a conventional series resonance type antenna circuit.
14A is a diagram illustrating an antenna characteristic test, and FIG. 14B is a diagram illustrating a communicable range.
FIG. 15 is a diagram illustrating a relationship between impedance and resonance frequency of a conventional parallel resonance type antenna circuit.
FIG. 16 is a diagram illustrating a relationship between impedance and resonance frequency of a conventional series resonance antenna circuit.
FIG. 17 is a diagram illustrating a relationship between impedance and resonance frequency of a reader / writer antenna circuit shown as a specific example of the present invention.
FIG. 18 is a diagram illustrating results of antenna characteristics of a reader / writer antenna circuit, a parallel resonance antenna circuit, and a series resonance antenna circuit.
FIG. 19 is an external view illustrating a communication terminal device to which the contactless data communication system is applied.
FIG. 20 is a configuration diagram illustrating a conventional RFID system.
FIG. 21 is a diagram illustrating a loop antenna in a conventional RFID system.
[Explanation of symbols]
1 Non-contact data communication system, 10 IC card, 11 Card side antenna circuit, 12 IC, 13 loop coil, 14 capacitor, 50 reader / writer, 54 reader / writer antenna circuit, 541 loop coil, 542 capacitor, 543 terminal, 55 protection circuit , 56 receiving filter circuit, 57 transmitting filter circuit,

Claims

In a data communication device that performs non-contact data communication with another data communication device by electromagnetic induction coupling,
Antenna means by which a signal is communicated with the other data communication device,
Demodulation means for demodulating received data from a transmission signal transmitted from the other data communication device received by the antenna means,
Modulation means for modulating data transmitted from the antenna means for the other communication device,
Protection means for suppressing the signal strength input to the demodulation means when the signal strength input to the demodulation means exceeds a predetermined value to protect the demodulation means;
A data communication device comprising: a filter unit that absorbs a harmonic generated by the protection unit.

2. The data communication device according to claim 1, wherein said filter means is inserted between said modulation means and said antenna means.

3. The data communication device according to claim 2, further comprising a filter means between said modulating means and said antenna means.

The output unit of the modulation unit and the input unit of the demodulation unit to which the protection unit is connected are connected, and the filter unit is inserted between the connected input unit, the output unit, and the antenna unit. The data communication device according to claim 1, wherein

The filter unit includes a first connection unit connected to the antenna unit, and a second connection unit connected to the demodulation unit,
2. The data according to claim 1, wherein the impedance of the first connection is substantially equal to the impedance of the antenna means, and the impedance of the second connection is substantially equal to the input impedance of the demodulation means. Communication device.

The antenna means,
A first coil portion having a predetermined number of windings;
A second coil part having a predetermined number of turns, one end of which is connected to one end of the first coil part;
A capacitor having each end connected to the other end of the first coil unit and the other end of the second coil unit;
2. The data communication device according to claim 1, wherein a connection point between the first coil unit and the second coil unit and another end of the first coil unit are connected to the modulation unit. .

7. The data according to claim 6, wherein a series inductance of the first coil unit and the second coil unit and a parallel resonance frequency of the capacitor are substantially equal to a modulation frequency of the modulation unit. Communication device.

In a non-contact data communication system in which a first data communication device performs data communication with a second data communication device by electromagnetic induction coupling,
The first data communication device includes:
First antenna means for transmitting and receiving signals by resonance;
First demodulating means for demodulating received data from a received signal received by the first antenna means;
First modulation means for modulating transmission data transmitted from the first antenna means,
The second data communication device,
Second antenna means through which signals are communicated with the first data communication device;
Second demodulation means for demodulating received data from a transmission signal transmitted from the first data communication device and received by the second antenna means,
Second modulation means for modulating data transmitted from the second antenna means to the first communication device;
Protection means for suppressing the signal strength input to the second demodulation means to protect the second demodulation means when the signal strength input to the second demodulation means exceeds a predetermined value;
A non-contact data transmission / reception system, comprising: a filter unit for absorbing a harmonic generated by the protection unit.

In an antenna device connected to a modulation circuit in which communication data is modulated by a predetermined modulation frequency and tuned to a predetermined tuning frequency,
Coil means having a predetermined number of turns;
Capacitor means connected to both ends of the coil means,
The coil means and the capacitor means are formed in a parallel resonance circuit and tuned to the predetermined frequency,
An antenna device, wherein one end of the coil and a tap portion at a predetermined position of a winding of the coil means are connected to the modulation circuit, respectively.