JP2001507549A - 変調補償クランプ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグは、遠隔質問機ユニットにより無線周波数（ＲＦ）搬送波上で送信されるパワー信号を受信するためのタンク回路（１２０）を含む。タンク回路にかかる抵抗負荷（１２９）をメモリから読出されるデータの関数として変動させることによって、タグから質問機へ情報が伝えられる。反射された信号の対応する変動は次に質問機によって検出される。過電圧回路（１２２）が、過電圧条件においてもデータ送信を行なうため変調回路（１１７）と協働し、それによってそのような条件下においても信号の阻止を回避する。

Description

【発明の詳細な説明】 変調補償クランプ回路 発明の分野 この発明は一般に、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）装置に関し、特に、近接動作 用ＲＦＩＤに関する。 背景技術 遠隔電子識別装置は、離して配置されるトランスポンダと質問機ユニットとか らなるのが典型的である。このような装置の動作範囲は、トランスポンダユニッ トの基本アーキテクチャに依存する。たとえば、バイゲル（Beigel）に対する米 国特許第４，３３３，０７２号においては、遠隔識別システムは、挿入回路（ト ランスポンダ）に近接して動作するプローブ回路（質問機）を含む。プローブ回 路が挿入回路に近づけられるとき、挿入回路にエネルギが供給され、挿入回路内 のコイルにかかる誘導によって電圧が生成される。挿入回路のコイルにかかる誘 導負荷を変動させプローブにおいてこのような変動を検出することによって、挿 入回路からプローブ回路へと情報が伝えられる。この動作モードにおいては、プ ローブ回路が挿入回路の極めて近くに間隔をおいて位置づけられることが必要で あり、そのため、このような装置の動作範囲は極めて限定される。 他の遠隔識別システムは、質問機とトンラスポンダとの間の通信リンクを設け るため無線周波数信号送信を使用する。こうした無線周波数識別（ＲＦＩＤ）装 置の一類においては、ＲＦ信号は、トランスポンダ装置に送信されるパワー信号 を含む。このパワー信号はトランスポンダ内の電源キャパシタに充電し、このキ ャパシタがトランスポンダの電源として働く。トランスポンダからのデータの送 信は、無線周波数エネルギの発生および送信を含む。電源キャパシタは、このよ うな送信のための適切なパワーを提供できる十分な大きさのものでなければなら ない。このようなトランスポンダでは、２メートルのオーダの読取距離が許容さ れる。しかし、このような種類のトランスポンダは、装置を皮下に埋込むことで 家畜を識別するなど、小型の装置であることが必要な応用においては実用的でな い。 ＲＦＩＤの第３のカテゴリにおいては、代替的な方策が上記２つの設計の特徴 を組合せる。質問機が、パワー信号を含むＲＦ信号を送信する。受信されたパワ ー信号によってトランスポンダのコイルにわたって誘導される電圧は、トランス ポンダの回路を動作させるのには十分であるが、それ自身の無線信号を発生させ るためには十分でない。コイルと並列に結合されるキャパシタはタンク回路を形 成し、このタンク回路のＱはタンク回路にかけられる抵抗負荷を変動させること で変動させられる。これによってタンク回路の同調が変化させられ、反射される 信号が変動し、それを質問機が検出できる。このように、単に、対応して抵抗負 荷を変調させ、反射された信号の変動を質問機が検出できるようにすることによ って、トランスポンダはそのデータを質問機に伝えることができる。 装置を過電圧条件から保護するために、典型的には過電圧回路が用いられる。 従来技術による解決策は、そのレベルを超えると電圧がトランスポンダに対し好 ましくなくなる、あるレベルの降伏電圧を有するツェナーダイオードの使用を含 む。ダイオードは、トランスポンダのコイルのピンの間に結合される。コイルに かかる過電圧条件が存在すると、ツェナーダイオードが導通させられ、それによ ってＶ_ddが接地に駆動され装置が実効的にオフにされる。米国特許第５，４７９ ，１７２号は、Ｖ_ddが基準電圧と比較され整流器から接地への電流を分流させる ために分流トランジスタがオンにされ、それによってＶ_ddが基準電圧に限定され る、他の方策を開示する。 質問機が近い距離で動作するとき問題が生じる。質問機からの強い信号がトラ ンスポンダ内の過電圧回路を導通させる。したがってタンク回路への電流は、過 電圧回路の動作と変調された抵抗負荷との両方により影響される。トランスポン ダが負荷抵抗を変動させることによってデータを送信しようと試みるとき、これ によってタンク回路への電流が変動し、このような電流の変動は過電圧回路の動 作によって阻止されることになる。 図３に示す回路は、従来技術のトランスポンダの一典型例であり、どのように このマスキング効果が生じるかを示している。変調信号はトランジスタＲの導電 率（抵抗）を変動させ、それによって、トランスポンダ内にストアされるデータ によって、タンク回路Ｌ／Ｃの同調を変化させる。過電圧回路２２は、比較器２ １および分路２３を含む。過電圧回路２２がオンになったとき、電流の変化が過 電圧条件によるものなのかまたはトランジスタＲの変調によるものなのかわから ない。変調器がトランジスタＲをオンするとき、過電圧分路２３を通って流れる はずであった電流が代わりにトランジスタＲを通って流れるということが考えら れる。全体としての電流の大きさは変化していないため、タンク回路のＱに変化 はない。Ｑ（したがって同調）が変化しないままであるため、質問機が検出する べき反射された信号の変化はなく、したがってデータ送信もない。 したがって、質問機に近接して動作可能であり広い範囲の有効距離をもつトラ ンスポンダが所望とされる。近くに位置づけられる質問機から受信される強い信 号によってオンされ得る過電圧回路の動作による影響を受けないトランスポンダ が必要である。 発明の概要 この発明により、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグは、遠隔質問機ユニットに よって無線周波数（ＲＦ）搬送波上で送信されるパワー信号を受信するためのタ ンク回路を含む。タンク回路にかけられる抵抗負荷をメモリから読出されるデー タの関数として変動させることによって、タグから質問機へ情報が伝えられる。 反射された信号のこれに対応する変動は、次に質問機により検出される。 電圧クランプが、過電圧から保護する。クランプのトリガは、データによって の変調で行なわれる。クランプは、変調回路に関連して動作する分流手段を含み 、したがって過電圧条件においてもデータ送信が可能である。 図面の簡単な説明 図１は、この発明によるＲＦＩＤタグのブロック図である。 図２は、この発明の変調回路の図である。 図３は、従来技術による変調方式を示す図である。 発明を実施するためのベストモード 図１を参照し、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システム１００は、質問機ユニッ ト１０２とトランスデューサユニット（タグ）１０４とを含む。質問機１０２は 、 ＲＦ信号をタグ１０４に送信するための送信コイル１０３を含む。 タグ１０４は、ピックアップコイルＬ_Tを含み、ピックアップコイルはキャパ シタＣ_Tとともにタンク回路１２０を形成する。タンク回路にかかるよう、電圧 クランプ１２２、負荷変調回路１２４、および全波ブリッジ整流器１２６が結合 される。電圧クランプ１２２は、タンク回路１２０にわたり発生される最大電圧 を制限する過電圧保護装置である。このような装置においては、特に負荷が低く タンク回路のＱが高いときに、コイルＬ_Tにかかる電圧が極めて高いレベルまで 増加し得る。このような高電圧は装置のエレクトロニクスの故障を生じさせる可 能性がある。コイルにかかる電圧が装置の上限に近づくとき、クランプ１２２は オンし、クランプにかかる電流を増加させ、それによって電圧をより安全なレベ ルに下げる。 変調回路１２４は、タンク回路１２０にかかる負荷を変動させ、これがタンク 回路のＱ係数を変動させる。変調回路は、質問機１０２に伝えられるべきデータ によってタンク回路１２０のＱを変動させるコントローラ１３４の制御下で動作 する。Ｑの変動によって反射される信号が変化する。したがって、質問機が反射 される信号の対応する変化を検出するに伴って、データが「送信」される。 ブリッジ整流器１２６は、タグが必要とする電源電圧Ｖ_ddを提供するため小さ な電源キャパシタＣ_Fに充電する。この電源電圧は、プログラミング電圧Ｖ_ppを 与えるための電圧ポンプを含む不揮発性メモリ１３２にパワーを供給する。ブリ ッジ回路１２６は、トランスデューサ１０４に内部パワーを提供するのに加えて 、質問機１０２からの入来信号に基づいてクロック発生器１３６にクロック信号 を与える。 メモリ１３２は、８つの３２ビットページからなる２５６ビットＥＥＰＲＯＭ である。ページ０は、２４ビットのデータと８つの書込ロックビットとで編成さ れる。ページ１から７はユーザページである。書込ロックビットは、対応する３ ２ビットのページが書込可能であるか否かを決定する。パスワードによる保護が 利用可能である。パスワードはユーザページ７にストアされる。メモリ１３２へ の読出および書込アクセスは、コントローラ１３４を通じて行なわれる。復調器 １３８は入来データ信号を復調し、データをコントローラ１３４に与え、コント ローラ１３４はそれをメモリ１３２へ書込む。データ信号は、コマンドビットの シーケンスと、それに続く任意のデータビットのシーケンスとを含む。 図２を参照し、変調回路１２４は、負荷トランジスタ１２９のゲートを駆動す るエンコーダ／変調器１１７を含む。負荷トランジスタ１２９のドレインとソー スとはタンク回路１２０の端子にわたって結合される。エンコーダ／変調器１１ ７の変調信号１１９を含む出力パルスが、負荷トランジスタ１２９を変調し、ト ランジスタをオンおよびオフにする。負荷トランジスタ１２９が交互に導通およ び非導通になるに伴い、対応してタンク回路１２０のＱ（すなわちその同調）が 変動する。エンコーダ／変調器１１７は、マンチェスター(２相)、ミラー、微分 ２相、および変形微分２相エンコーディングを含むさまざまな周知のエンコーデ ィング方式が可能である。エンコードされた信号はさらに、位相シフトキーイン グまたは周波数シフトキーイングによって変調され得る。 この発明により、電圧クランプ１２２はタンク回路１２０にかかるソースとド レインとの接続を有する分流トランジスタ１２３を含む。比較器１２１の出力は 、分流トランジスタ１２３のゲートを駆動する。 検出器１２７は、比較器の第１の入力Ａに与えられる、コイルＬ_Tにかかる電 位差Ｖ_cを検出する。電圧セレクタ１２５は、２つの基準電圧Ｖ_ref1およびＶ_{ref 2} の一方を比較器１２１の第２の入力Ｂへと切換える。変調信号１１９はＶ_ref1 とＶ_ref2とを切換えるようセレクタ１２５へ与えられる。Ａ入力の電圧がＢ入力 の電圧を超えるとき、比較器１２１は分流トランジスタ１２３のしきい値電圧Ｖ_t よりも高い電圧を出力し、分流トランジスタをオンにする。Ａ入力の電圧がＢ 入力の電圧よりも低いとき、比較器１２１はＶ_tよりも低い電圧を出力し、これ によって分流トランジスタ１２３がオフ状態に維持される。 さらに図２を参照し、変調回路１２４と電圧クランプ回路１２２とは以下の態 様で協働する。コントローラ１３４は、メモリ１３２から読出を行ない、変調器 １１７を通じてデータの１および０を表わす対応する一連のパルス１１９を生成 する。「１」パルスが負荷トランジスタ１２９をオンし、「０」パルスがこれを オフにすると仮定する。したがって、「１」ビットについては負荷トランジスタ はオンし、負荷電流Ｉ_Lがタンク回路１２０から電流を「取り」そのＱを減じる こ とになる。逆に、「０」ビットについては、負荷トランジスタはオフし、タンク 回路にかかる負荷をなくしそのＱを増加させる。 これが非過電圧条件におけるタグの典型的な動作である。しかし、パルス１１ ９はその出力が比較器１２１に与えられるセレクタ１２５も駆動することを想起 されたい。説明のために、「１」パルスがＶ_ref1を選択し、「０」パルスがＶ_{re f0} を選択し、Ｖ_ref1がＶ_ref0よりも大きいと仮定する。非過電圧条件においては 、コイルの電圧Ｖ_cはＶ_ref1およびＶ_ref0のいずれよりも低くなるであろう。し たがって、比較器１２１の出力はマイナスとなり(すなわち、分流トランジスタ １２３のＶ_tよりも低くなり)、そのため、分流トランジスタは非導通のままとな ろう。 次に、コイルＬ_Tにかかる電位Ｖ_cが、それを超えると装置の故障が生じ得るタ グの上限電圧Ｖ_limに等しくなるかまたはそれよりも高くなる過電圧条件につい て考える。 過電圧条件において「１」ビットが発生すると、その各々に対して、上述のよ うに負荷トランジスタ１２９はオンし、負荷電流Ｉ_Lがタンクから流れ出される 。さらに、Ｖ_ref1が比較器へと切換えられ、出力が（Ｖ_c−Ｖ_ref1）となる。Ｖ_c とＶ_ref1とを適切に選択すると、ある量で分流トランジスタ１２３がオンし、タ ンク回路１２０から付加的な電流Ｉ_ref1を引出す。これは、非過電圧の場合と同 様にＱを下げる効果を持つ。しかし、過電圧の場合には、付加的な負荷電流Ｉ_{re f1} のためＱはさらに低くなる。付加的な負荷電流Ｉ_ref1は、コイル電圧Ｖ_cをＶ_{l im} を下回る値に下げる効果をさらに有し、これによって過電圧条件が緩和される 。 過電圧条件において「０」ビットが発生すると、その各々について、負荷トラ ンジスタ１２９は非過電圧条件の場合と同様にオフのままである。Ｖ_ref0は比較 器１２１へ切換えられる。比較器１２１の出力は（Ｖ_c−Ｖ_ref0）である。Ｖ_cと Ｖ_ref0とを適切に選択すると、分流トランジスタ１２３が電流Ｉ_ref0をタンク回 路から引出す。しかし、Ｖ_ref0はＶ_ref1よりも低いので、比較器は分流トランジ スタ１２３のゲートをより高電圧で駆動することになり、分流トランジスタを通 じてより高い電流Ｉ_ref0が流れる。このように、負荷トランジスタ１２９は「０ 」ビットについてはオフするが、分流トランジスタ１２３はオンする。Ｖ_ref0は 、過電圧条件を緩和するようコイル電圧Ｖ_cをＶ_limをちょうど下回る値にまで下 げるた めに十分な値を負荷電流Ｉ_ref0のみがとるよう設定される。 負荷電流がＩ_ref0となる「０」ビットの場合には、ＱはＱ₀となると仮定し、 タンク回路１２０を通る総負荷電流がＩ_L＋Ｉ_ref1となる「１」ビットの場合に はＱはＱ₁となると仮定する。Ｑ₀とＱ₁とが十分に離れていれば、「０」ビット は「１」ビットから区別できる。したがって、Ｖ_ref1およびＶ_ref0を適切に選択 することで、タンク回路の同調を十分に変動させることができ、それによって「 ０」ビットと「１」ビットとを区別するために十分なだけ、タグにより反射され る信号を変化させられることがわかる。同時に、タグに含まれるデータを搬送す る信号を阻止しなくとも、（分流電流Ｉ_ref1、Ｉ_ref0により）過電圧条件が回避 される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．無線周波数識別システムにおいて使用される型のトランスポンダ（１０４） であって、 タンク回路（１２０）と、 タンク回路に接続され過電圧条件においてタンク回路からの電流を分岐させる ための分流手段（１２３）を有する過電圧回路（１２２）と、 トランスポンダ内に含まれるデータによりタンク回路の同調を変動させるため の同調手段（１２４）とを含み、同調手段はデータにより分岐される電流の量を 変動させるために分流手段に動作可能に結合される、トランスポンダ。 ２．分流手段は、第１の基準電圧と第２の基準電圧とのいずれかを選択するため の基準電圧セレクタ（１２５）と、基準電圧の選択に依存してバイアスがかけら れる分流トランジスタ（１２３）とを含む、請求項１に記載のトランスポンダ。 ３．同調手段は、トランスポンダ内に含まれるデータを表わす変調信号を生成す るための変調手段（１１７）と、タンク回路に可変抵抗負荷を与えるための負荷 手段（１２９）とを含み、変調信号は抵抗負荷を変化させるため結合される、請 求項１に記載のトランスポンダ。 ４．負荷手段は、タンク回路にわたって結合されるトランジスタ（１２９）であ り、トランジスタのゲートは変調信号を受信するよう結合される、請求項３に記 載のトランスポンダ。 ５．タンク回路（１２０）は、キャパシタと並列に結合される誘導子を含む、請 求項１に記載のトランスポンダ。 ６．分流手段は、トランジスタ（１２３）と比較器（１２１）とを含み、トラン ジスタはタンク回路にわたって結合され、トランジスタのゲートは比較器の出力 に結合され、比較器は基準電圧セレクタに結合される第１の入力とコイルにかか る電圧を受信するため結合される第２の入力とを有する、請求項５に記載のトラ ンスポンダ。 ７．無線周波数識別トランスポンダであって、 第１および第２の端子と、 第１および第２の端子にわたって結合されるコイルと第１および第２の端子に わたって結合されるキャパシタとを含むタンク回路（１２０）と、 メモリアレイ（１３２）と、 メモリアレイに結合されメモリアレイ内に含まれるデータを表わす変調信号を 生成するための変調手段（１１７）と、 第１および第２の端子にわたって結合される可変抵抗負荷（１２９）とを含み 、可変抵抗負荷は変調信号に応答してタンク回路に可変抵抗をかけるため変調手 段に結合され、前記トランスポンダはさらに、 第１および第２の端子にわたって結合され、変調信号に応答して変動する基準 電圧を生成するための変調手段に結合される基準電圧回路（１２５）を含む過電 圧回路（１２２）を含み、過電圧回路の活性化は、電源電圧が基準電圧を超える とき生じる、無線周波数識別トランスポンダ。 ８．過電圧回路は、分流トランジスタ（１２３）と比較器（１２１）とを含み、 分流トランジスタは第１および第２の端子にわたって結合され、分流トランジス タのゲートは比較器に結合され、比較器は電源電圧を基準電圧と比較するため結 合される、請求項７に記載のトランスポンダ。 ９．可変抵抗負荷は、第１および第２の端子にわたって結合される負荷トランジ スタ（１２９）であり、変調信号は負荷トランジスタのゲートに結合される、請 求項８に記載のトランスポンダ。 １０．第１の基準電圧または第２の基準電圧を比較器に与えるため結合されるセ レクタ（１２５）をさらに含み、セレクタは変調信号に応答して基準電圧を与え るため結合される、請求項７に記載のトランスポンダ。 １１．過電圧回路はさらに、第１および第２の端子にわたって結合される分流ト ランジスタ（１２３）を含み、比較器の出力はトランジスタのゲートに結合され る、請求項１０に記載のトランスポンダ。 １２．可変抵抗負荷は、第１および第２の端子にわたって結合される負荷トラン ジスタ（１２９）であり、変調信号は負荷トランジスタのゲートに結合される、 請求項１１に記載のトランスポンダ。 １３．無線周波数識別システムのトランスポンダにおいて、トランスポンダの電 源電圧をクランプする方法であって、 タンク回路にかかる抵抗負荷（１２９）を変調信号で変調するステップと、 変調信号が第１の変調レベルにあるときは第１の基準電圧を選択（１２５）す るステップと、 変調信号が第２の変調レベルにあるときは第２の基準電圧を選択（１２５）す るステップと、 電源電圧を選択された基準電圧と比較（１２１）するステップと、 電源電圧が選択された基準電圧を上回るならばタンク回路にかかるよう電流を 分岐（１２３）させるステップとを含む、トランスポンダの電源電圧をクランプ する方法。 １４．変調するステップは、トランスポンダにストアされたデータを読出すステ ップと、データを表わす変調信号を生成するステップとを含む、請求項１３に記 載のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法。 １５．抵抗負荷はタンク回路にわたって結合されるトランジスタであり、変調す るステップはトランジスタのゲートに印加されるバイアス電圧を変化させるステ ップを含む、請求項１３に記載のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法 。 １６．電流を分岐させるステップは、比較するステップに応答してトランジスタ のゲートに印加されるバイアス電圧を変動させることによって、タンク回路にわ たって結合されるトランジスタを動作させるステップを含む、請求項１３に記載 のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法。 １７．変調するステップは、第１のトランジスタを流れる電流を変動させるため にタンク回路にわたって結合される第１のトランジスタのゲートに印加される第 １のバイアス電圧を変動させるステップを含み、分岐させるステップは、比較す るステップに応答して第２のトランジスタのゲートに印加される第２のバイアス 電圧を変動させるステップを含み、第２のトランジスタはタンク回路にわたって 結合される、請求項１３に記載のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法 。 １８．変調するステップはさらに、トランスポンダにストアされたデータを読出 すステップと、データを表わすため第１のバイアス電圧を変動させるステップと を含む、請求項１７に記載のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法。