JP2005033817A - 無接点受動カード - Google Patents

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Abstract

【課題】無接点受動カード、及びこの無接点受動カードと電磁気的に結合するステーションを提供する。
【解決手段】無接点受動カードCSCのコンポーネントのコイルL2は、誘導によりエネルギーを受けると共に、データを表す信号をステーションとの間で双方向に転送する。無接点受動カードCSCは、例えば、5ガウス又はそれ以上の磁界CMを介して遠隔ステーションSDと電磁気的に結合している。遠隔ステーションは、無接点受動カードに電力供給すると共に、データ交換の機能を果たす。動作期間中、無接点カードは、ステーションのソレノイドL1及びその軸から2ミリメートルのオーダの距離だけ離れている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、無接点受動カード、及びこの無接点受動カードと電磁気的に結合するステーションに関する。
無接点受動カード及び遠隔ステーションの間でデータを一方向又は双方向に転送することは、一般的用途である。一般的に、無接点カードは、内部エネルギー源を含んでいる場合もあるし、含んでいない場合もある。前者の場合のカードが能動カードであり、後者の場合のカードが受動カードである。
無接点受動カードは、かかるカードが必要とするエネルギーを、遠隔ステーションから電磁結合により受ける。ステーションからのカードの動作距離が、一般に数ミリメートル以下ならば、そのカードは近接カードとして知られている。
実際的には、無接点受動カードは、コンポーネントに誘導を与えると共に、データを表す信号をステーションに誘導的に転送するコイル(アンテナ又は自己インダクタとしても知られている)と、このコイルにより誘導を受け、転送された又は転送される信号を処理可能な手段とを有するマイクロエレクトロニクス・コンポーネントを具えている。
技術的な観点から、無接点受動カードは、2つの異なるカテゴリに分けられる。第1カテゴリでは、マイクロエレクトロニクス・コンポーネントとは異なる基板上に形成された1個(又は数個)のアンテナで電磁気結合を行う。より正確には、カードの構成材料(PVC:ポリ塩化ビニル、ABS:アクリルニトリルブタジエンスチレン、ポリカーバネートなど)内に配置し、選択された基板上にアンテナを刻む。半田付けした導線により、マイクロエレクトロニクス・コンポーネント自体をアンテナに取り付ける。この第1カテゴリは、組立コイルを有する無接点受動カードに望ましい。導線の組立作業のために、このカードの製造方法は複雑である。
第2カテゴリでは、通常はシリコン材料であるマイクロエレクトロニクス・コンポーネント上にコイルが直接刻まれる。この第2カテゴリは、一体コイル又は「チップ上コイル」を有する無接点受動カードに望ましい。この一体カードの製造方法は、特に、マイクロエレクトロニクス・コンポーネントをアンテナに接続する作業などの種々の組立作業を省略できるので、組立カードの製造方法に比べて非常に簡単である。
しかし、一体(integral)コイルの表面は、一般的には組立アンテナの表面よりも小さいく、その範囲では、一体コイルの表面は、コンポーネントの表面により制限される。これは、できるだけ小さくて製造コストを低減できるのが好ましい。また、この一体コイルの表面は、コンポーネントの処理手段が占めるのに必要な領域にも制限される。これは、無接点受動カードに転送されるエネルギーを制限する。
一体コイルの導電巻回の3次元構造により、特に、寄生コンポーネントの製造、例えば、コンデンサの構成に、多くの困難が問題が生じる。なお、このコンデンサの容量は微々たるものではないが、かかるコンポーネントで利用可能な電力が減少する。
非特許文献1には、内部電源がなく、遠隔ステーションに転送するデータを表す信号を処理する処理手段を有する集積回路と、この集積回路にエネルギーを供給するためにシリコン上に設けた一体コイルとを記載している。
集積回路用の従来の金属被覆(metallisation )処理を用いて、単に少ない数の巻き線を形成する。これでは、充分なエネルギーを誘導により処理手段に供給して、データの双方向転送を確実にするのを妨げる。
モブガヘッド・ダーウイシュ(MOVGAHED DARWISH)により1993年2月にパリで発行された「エレクトロニク(ELECTRONIQUE)」第25巻の第49〜51頁XP00334566の論文(Choisir sa technologie pour un asic mixte ) 特開平6−337737号公報 特開平7−99464号公報 特開平1−181179号公報 実開平7−29649号公報 実開平6−25949号公報
本願出願人は、無接点受動カード用の一体コイルを有するマイクロエレクトロニクス・コンポーネントを製造する問題を考察した。なお、この無接点受動カードは、十分に高いエネルギーをコンポーネントの処理手段に供給して、カード及びステーション間でデータの双方向性転送を処理できる一方、寄生成分が生じるのを防いで、接点付きカードや、組立コイルを有する無接点受動カードよりも製造コストを大幅に下げることができるものである。
したがって、本発明の目的は、後述のコンポーネントにより構成された無接点受動カードを提供することである。
本発明の他の目的は、無接点受動カードと電磁気的に結合するステーションを提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明の受動カードは、遠隔ステーションに無接点で電磁気的に結合して、受動カードと前記ステーションとの間で双方向にデータ転送を行う手段を具える受動カードであって、該カードは、前記遠隔ステーションから電磁気的結合によって、エネルギーを受け、前記ステーションは、前記エネルギーと前記データの前記カードへの同時転送が可能な高周波信号を転送し、前記カードは、復調レベルがデータの10%である振幅復調手段を備えることを特徴とする。
また、本発明の受動カードは、インダクタの出力に配置され、前記インダクタの端子間に交流電圧を再生するクロック再生手段を更に具えることを特徴とする。
また、本発明の受動カードは、前記クロック再生手段にリンクして、前記クロック再生手段が供給するロジック信号を分周する分周する手段を更に具えたことを特徴とする。
また、本発明の受動カードは、前記信号は、マンチェスター形式の情報コード化で変調されることを特徴とする。
また、本発明の受動カードは、前記振幅復調手段は、整流ブリッジと、負荷抵抗と、平滑コンデンサとを具えることを特徴とする。
また、本発明のステーションは、受動カードに無接点で電磁気的に結合して、遠隔ステーションと前記カードとの間で双方向にデータ転送をおこなう手段を具えるステーションであって、前記カードは前記遠隔ステーションから電磁気的結合によってエネルギーを受け、前記ステーションは、前記エネルギーとデータを前記カードに同時転送が可能な高周波信号を転送し、前記ステーションは、変調レベルがデータの10%である周波数信号の振幅変調手段を更に具えることを特徴とする。
また、本発明のステーションは、前記高周波信号を前記カードに転送するためのソレノイドを更に有し、前記ソレノイドは、前記高周波信号を生成するため発振器に結合された増幅手段に結合されることを特徴とする。
また、本発明のステーションは、前記カードは、前記ソレノイドから2ミリメートルのオーダの距離だけ離間していることを特徴とする。
また、本発明のステーションは、前記カードから信号を受信するための受信手段を更に有することを特徴とする。
また、本発明のステーションは、前記受信手段は、前記ソレノイドに結合された減衰器/位相シフト器回路網を具えることを特徴とする。
本発明の受動カードによれば、十分に高いエネルギーをコンポーネントの処理手段に供給して、カード及びステーション間でデータの双方向性転送を処理できる一方、寄生成分が生じるのを防いで、接点付きカードや、組立コイルを有する無接点受動カードよりも製造コストを大幅に下げることができる。
また、本発明のステーションによれば、受動カードに対して、エネルギーとデータを同時転送が可能な高周波信号を転送するステーションを提供することができる。
本発明の他の特徴及び効果は、添付図を参照した以下の詳細な説明から明らかになろう。
図1は、遠隔ステーション及び無接点受動カード間の誘導結合を示す回路図である。遠隔ステーションSDのアンテナ(以下、回路又はソレノイドとも呼ぶ)L1は、無接点受動カードCSCのインダクタ(コイル)L2に電磁気的に結合する。アンテナL1は、磁気材料に空隙を設けたロッド又はトーラスの形式とし、電流I1が流れる複数の巻回をその磁気材料に設ける。インダクタL2は、カードのコンポーネント内に刻んだ1組の巻回であるが、詳細は後述する。電流I2は、一体コイルL2の巻回を流れる。
回路L1及びL2間の相互インダクタンスMにより、誘導結合が決まる。この結合は、2個の電圧発生器、即ち、ステーション側でアンテナL1の端子に電圧V1を供給する電圧発生器jMωI2と、カード側でインダクタL2の端子に電圧V2を供給する電圧発生器jMωI1とにより行われる。カード回路の特徴は、インダクタL2、アンテナ容量C2及び損失抵抗R2により決まる。整流ブリッジD2がインダクタL2の誘導電圧V2を整流し、平滑コンデンサCLがろ波を行う。
平滑コンデンサCLに並列に接続された抵抗器RUは、ここでは、等価負荷抵抗、即ち、このコンポーネントの総ての電気回路を表し、このコンポーネントの消費電力が抵抗RUの消費電力に等しい。
抵抗器RMは、詳細に後述する負荷変調抵抗を表す。
トランジスタT2は、コンポーネントが遠隔ステーションに送るデータのリズム(周期)にて導電性になったり非導電性になる。これら抵抗器RM及びトランジスタT2により変調手段を構成する。
詳細に後述するように、コンポーネント要素の数値は、所定の規則により選択する。実際には、抵抗器RUは、9キロオームのオーダであり、連続的な(直流)電圧V2は、3ボルトのオーダであり、コンポーネントが利用可能な電力は、1ミリワットのオーダである。
図2は、本発明に係る、無接点受動カードのコンポーネントに電磁気的に結合するステーションの基本的手段のブロック図である。無接点受動カードCSCは、例えば、5ガウス又はそれ以上の磁界CMを介して遠隔ステーションSDと電磁気的に結合している。遠隔ステーションは、無接点受動カードに電力供給すると共に、データ交換の機能を果たす。動作期間中、無接点カードは、ステーションのソレノイドL1及びその軸から2ミリメートルのオーダの距離だけ離れている。
発振器10は、増幅器(増幅手段)8を介して、高周波交番(交流)信号F1をソレノイドL1に供給する。
例えば、発振器の周波数F1は、4.9152MHzである。
実際には、ソレノイドL1は、磁気コアによる心棒に作成する。これは、夫々長さが9ミリメートルで、直径が9ミリメートルの16個の巻回を具えている。高周波信号F1により、エネルギー、クロック及びデータをコンポーネントCSCに同時に転送できる。
カードが転送した信号を受けるように、減衰器/位相シフト器回路網14を設ける。この減衰器/位相シフト器回路網14は、ソレノイドL1の端子における先頭値・先頭値電圧が120ボルトに近い入力レベルを、先頭値・先頭値電圧が40ミリボルト付近とする。これは、70dBの減衰に相当する。例えば、減衰器/位相シフト器回路網14は、100分の1に分圧する容量回路網であるLRC(インダクタ、抵抗器、コンデンサ)減衰器と、信号を発振器10からの周波数F1、即ち、4.9152MHzの信号と同相にする位相シフト回路網とを具えている。
混合器20は、減衰器/位相シフト器回路網14からの信号を受ける入力端16と、発振器10からの信号を受ける入力端18とを具えている。この混合器20の変換利得は、16dBのオーダである。
増幅器26を混合器20の出力端に配置する。この増幅器26の利得は80dBであり、通過帯域は50KHzである。これは、3個のセルで構成されており、第1のセルは、混合器の出力に対してインピーダンスが一致した受動RCフィルタである。残りの2個のセルは、夫々の通過帯域が50KHzで、利得が40dBの演算増幅器で構成される。安定性の理由から、第1演算増幅器を反転器モードとし、第2演算増幅器を非反転器モードとする。
再生手段(図示せず)を増幅器手段の出力端に接続して、データを再生し、2進データとして元に戻す。
図1を再び参照する。コンポーネントからステーションへのデータの転送を、負荷変調の原理とする。要するに、電源端子に現れる負荷を変化させる。
負荷抵抗は、RU(トランジスタが非導通の場合)と、[RU×RM]/[RU+RM](トランジスタが導通の場合)との間で変化する。
ソレノイドL1の過剰電圧係数は、コンポーネントが消費する電力の関数で変化する。そして、ソレノイドの端子に現れる電圧V1は、わずかな変動を示す。L1の端子における負荷変調は、振幅復調に反映する。変調抵抗が16キロオームに等しい実際の場合において、変調指数は、ここでは0.2%のオーダである。
コンポーネントからステーションへの方向におけるデータ転送は、9.6Kb/s(1秒当たり9.6キロビット)である。
また、インダクタL2の端子にて利用可能な正弦波電圧は、クロック再生手段と共に、コンポーネントのロジック回路の機能に必要なそれ自体の複数のクロックを発生できる。
図3は、コンポーネントの基本的手段の一部の等価ブロック図である。なお、図3において、コイルL2を除いたものが処理手段となる。クロック再生手段RCKをインダクタL2の出力端に配置して、インダクタL2の端子に現れる交番正弦波電圧を再生する。そして、手段RCKは、周波数4.9152MHzのロジック信号を発生する。
分周手段DIVをクロック再生手段RCKにリンクして、ロジック信号を分周して適切な周波数にする。例えば、分周手段は、再生した周波数を32分の1に分周して、シーケンサSEQをタイミング調整する153.6KHzの周波数を得る。
この分周手段DIVは、再生したロジック信号を512分の1にも分周して、詳細に後述するコーディング(コード化)手段COD及びデコーディング(デコード化)手段DECをタイミング調整する9600Hzの周波数を得る。
ステーションからコンポーネントへのデータの転送は、信号の振幅変調を基本にしている。コンポーネントにおいて、復調は、整流ブリッジD2と、負荷抵抗RU及び平滑コンデンサCLから構成された組立体(アッセンブリ)とが行う。
利点としては、連続成分を除去した後、振幅復調した信号、例えば、10%の復調レベルと3ボルトの電源電圧とによる0.3ボルトを増幅手段AP2で増幅して、ロジック・レベルの信号を発生する。この増幅手段AP2は、増幅前に、V2に等しい信号の連続成分を除去して、信号のみを増幅するので、マンチェスター(Manchester)方式でのコード化を都合よく行える。
情報のコード化は、マンチェスター形式が好ましい。この形式では、ロジック状態0を連続した2個の2進要素により整列させて1を0が追うようにコード化する。一方、ロジック状態1を対の01によりコード化する。よって、この2進の流れは、情報の流れを2倍速くする。この情報コード化には、連続成分を除去することにより、データ転送を改善するという利点がある。
この2進データは、レジスタMEMに蓄積する。ステーションが転送したデータは、蓄積前に、マンチェスター・デコード化手段DCCがデコードする。逆に、ステーションに転送するデータは、トランジスタT2により送る前に、コード化手段CODによりコード化する。コンポーネントのロジック素子を正確に初期化するのに、リセット機能も利用可能である。
図4は、印刷又は写真平板技術により形成した平坦な自己誘導の巻回を具えた集積回路の上面図であり、図5は、図4の集積回路の巻回の概観を示す図である。自己インダクタL2は、処理手段に実質的に占有されていないコンポーネントの周辺で、この処理手段の周囲に、データの双方向転送ができるように、金属被覆技法により形成する。このインダクタは、図5に示す概観に応じて並置し巻いた複数の巻回から形成した磁気双極子を構成する。これら巻回は、連続ではない。2個の隣接した巻回の距離iを絶縁と呼ぶ。巻回のピッチeは、絶縁i及び巻回の幅e’の和に等しい。例えば、ピッチeは、8μmに等しく、e’=6μmで、i=2μmである。巻回の数及びそれらの幅は、複数の基準で決まる。主要基準の1つは、遠隔電源の発生量(yield )である。他の基準は、コンポーネント上で利用可能な表面領域と、データ転送中の電圧の変動に対応する。
第1に、遠隔電源の発生量は、コンポーネントのロジック要素に電源を供給するのに充分な値の誘導電圧V2を発生できる量でなければならない。
第2に、負荷の変調での(即ち、コンポーネントからステーションへ又はその逆にデータを転送する際に)電圧の変動ΔV2は、コンポーネントのロジック回路の機能を中断させない範囲で小さくなければならない。
第3に、コンポーネント上にインダクタL2の巻回を刻むのに利用可能な表面領域Sは、選択した誘導電圧V2を発生できるように充分に大きくなければならず、また、コンポーネントの製造コストを低減するのに充分なだけ小さくなければならない。
集積回路の巻回の幅及び数の選択を説明する流れ図である図7を参照した処理にて、これらパラメータの選択を最適化する。
まず、コンポーネントの物理的パラメータ、即ち、その表面領域及び巻回の金属被覆レベルの数を選択する。例えば、コンポーネントの表面領域は、正方形で8平方ミリメートルであり、a=2.83mm、l=1.7mm、d=0.565mmである。ここでは、金属被覆のレベル数は、1である。
つぎに、適切な電圧V2、即ち、最大が可能である電圧と、適切な変動ΔV2、即ち、可能な最小変動を得るために、巻回の幅を流れ図のループに応じて変化させる(ステップ1)。
ループを行うために、パラメータR2、C2及びSの値を先ず定める(ステップ2)。抵抗R2は、下記の(1)式から求める。
Figure 2005033817
ここで、nは巻回の数、e’は巻回の幅、eは巻回のピッチでe’+i、Rsquare は金属被覆の正方形抵抗、lは正方形形式の内側巻回の長さである。
表面領域Sは、下記の(2)式から求める。
Figure 2005033817
R及びSから、(jMωI1)peakを計算する(ステップ3)。この値は、巻回の表面領域の和に比例する。
容量C2の値を、例えば、電気的シミュレーション・ソフトウェアを用いて決定しなければならない。C2の理解により、Eの値を(3)式から、Zの値を(4)式から計算する(ステップ3)。
Figure 2005033817
Figure 2005033817
これら2つの値E及びZを、(5)式に変換する(ステップ4)。
Figure 2005033817
最後に、角度θ1(整流ブリッジD2の導通角度)の理解により、下記の(6)により電圧V2を計算する(ステップ5)。
Figure 2005033817
この処理を種々の巻回幅に対して実行して、V2の最大値を求める(ステップ6)。
コンポーネントの形状が正方形で、表面領域が8平方ミリメートルで、長さaが2.93mmで、内部幅lが1.7mmで、巻回の全幅dが0.565mmのオーダである第1実施例において、コイル及び自己インダクタは、コンポーネントの全表面の約60%に等しい領域を占める。図の場合、コイルを金属被覆の1レベルのみに形成する。
本願出願人は、次の値がコンポーネントに適切な値であると認める。すなわち、電圧V2は2.7V、角度θ1は52.4度、表面領域Sは367平方ミリメートル、抵抗R2は3.46キロオーム、巻回数nは69、幅e’は6μm,インダクタンスは5.6ガウスである。
図6は、金属被覆が3レベルのコンポーネントの断面図である。この図6に示す例において、本願出願人は、0.5μ技術による3レベルの金属被覆で自己インダクタンスの巻回を形成した。このコンポーネントの正方形表面は、4平方ミリメートルである。これらの条件により、自己インダクタンスは、3.5平方ミリメートルに等しい領域を占める。これは、コンポーネントの全表面領域の87%のオーダの占有に対応する。
図6において、金属被覆層はM1〜M3として識別され、巻回はSmjとして識別される。なお、mは1から3までの整数であり、jは1からRまでの整数であり、m×j=nとなる。金属被覆が複数レベルある場合、複数の巻回を互いに重ね、それらの間は所定の厚さの間隔になる。
各レベルにおいて、図5を参照して説明した概要にしたがって、複数の巻回を実質的に巻く。
レベルM1の巻回をレベルM2の巻回と直列接続でき、レベルM2の巻回をレベルM3の巻回と接続できる。
しかしながら、直列に設ける際、これら巻回の間の容量は、遠隔電源の供給量をかなり大幅に削減する。
図6に示すように、複数の巻回は、都合よく、互いに短絡回路になっている。ここでは、巻回の並列の巻きは、アンテナの容量値を減少させる。事実、巻回の間の容量をキャンセルし、レベルM1の巻回及び基板間の容量のみを維持する。この低減により、遠隔電源発生量が明らかに増加する。
例えば、V11の如く識別され、金属被覆した経路Vにより、巻回間に短絡回路を形成する。なお、V11は、S11として識別されたレベルM1の第1巻回と、S21として識別されたレベルM2の第1巻回との間に配置された経路に対するものである。
上述の如くこの無接点受動カードによれば、十分に高いエネルギーをコンポーネントの処理手段に供給して、カード及びステーション間でデータの双方向性転送を処理できる。また、寄生成分が生じるのを防ぐと共に、接点付きカードや、組立コイルを有する無接点受動カードよりも製造コストを大幅に下げることができる。
本発明による遠隔ステーション及び無接点受動カード間の誘導結合を示す回路図である。 本発明による無接点受動カードのコンポーネントに電磁気的に結合するステーションの基本的手段のブロック図である。 本発明によるコンポーネントの基本的手段の一部の等価ブロック図である。 印刷又は写真平板技術により形成した平坦な自己誘導の巻回を具えた本発明による集積回路の上面図である。 図4の集積回路の巻回の概観を示す図である。 本発明による金属被覆が3レベルのコンポーネントの断面図である。 本発明による集積回路の巻回の幅及び数の選択を説明する流れ図である。
符号の説明
CL 平滑コンデンサ
SD 遠隔ステップ
CSC 無接点受動カード(一体コイル・コンポーネント)
D2 整流ブリッジ
RU 負荷抵抗
RM 抵抗器
T2、RM 変調手段
SEQ シーケンサ(データ読み出し/書き込む手段)
RCK クロック再生手段
DIV 分周手段
MEM 蓄積手段
DEC デコード化手段
COD コード化手段
8 増幅器
10 発振器
14 減衰器/位相シフト器
20 混合器
26 増幅器

Claims (10)

  1. 遠隔ステーションに無接点で電磁気的に結合して、受動カードと前記ステーションとの間で双方向にデータ転送を行う手段を具える受動カードであって、
    該カードは、前記遠隔ステーションから電磁気的結合によって、エネルギーを受け、
    前記ステーションは、前記エネルギーと前記データの前記カードへの同時転送が可能な高周波信号を転送し、
    前記カードは、復調レベルがデータの10%である振幅復調手段を備える
    ことを特徴とする受動カード。
  2. インダクタの出力に配置され、前記インダクタの端子間に交流電圧を再生するクロック再生手段を更に具えることを特徴とする請求項1の受動カード。
  3. 前記クロック再生手段にリンクして、前記クロック再生手段が供給するロジック信号を分周する分周する手段を更に具えたことを特徴とする請求項2の受動カード。
  4. 前記信号は、マンチェスター形式の情報コード化で変調されることを特徴とする請求項1、2又は3の受動カード。
  5. 前記振幅復調手段は、整流ブリッジと、負荷抵抗と、平滑コンデンサとを具えることを特徴とする請求項1、2、3又は4の受動カード。
  6. 受動カードに無接点で電磁気的に結合して、遠隔ステーションと前記カードとの間で双方向にデータ転送をおこなう手段を具えるステーションであって、
    前記カードは前記遠隔ステーションから電磁気的結合によってエネルギーを受け、
    前記ステーションは、前記エネルギーとデータを前記カードに同時転送が可能な高周波信号を転送し、
    前記ステーションは、変調レベルがデータの10%である周波数信号の振幅変調手段を更に具えることを特徴とするステーション。
  7. 前記高周波信号を前記カードに転送するためのソレノイドを更に有し、
    前記ソレノイドは、前記高周波信号を生成するため発振器に結合された増幅手段に結合されることを特徴とする請求項6のステーション。
  8. 前記カードは、前記ソレノイドから2ミリメートルのオーダの距離だけ離間していることを特徴とする請求項7のステーション。
  9. 前記カードから信号を受信するための受信手段を更に有することを特徴とする請求項6、7又は8のステーション。
  10. 前記受信手段は、前記ソレノイドに結合された減衰器/位相シフト器回路網を具えることを特徴とする請求項9のステーション。
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