JP2005516510A - タグのコイル電圧の電磁界強度への適応 - Google Patents

Abstract

【課題】 データキャリアと基地局との間の大きな距離、および両アンテナコイルの小さな誘導結合にもかかわらず、基地局内の伝送データを信頼性をもって復調する。
【解決手段】 基地局（２）によって発生される電磁界（ＨＦ）を介して基地局（２）との無接触通信を行うデータキャリア（１）において、コイル電圧制御手段（１６）が受信信号（ＥＳ）の変調されていないコイル電圧（ＵＳ）を制御するように構成され、またコイル電圧制御手段（１６）は電磁界（ＨＦ）の強度が増大したとき実質的に減少するコイル電圧（ＵＳ）に応じて制御するように構成される。

Description

本発明は、第１のコイル端子および第２のコイル端子に接続され、電磁界が実効状態にあるとき第１および第２のコイル端子間のコイル電圧を有する受信信号が誘導され得る、アンテナコイルと、電磁界を基地局に通信されるべき伝送データで変調し、受信信号のコイル電圧が変調振幅分だけ時々減少されて第１および第２のコイル端子に少なくとも間接的に接続された変調負荷の抵抗値が時々変化させられるようにその負荷を変調する、変調手段と、を備えた、基地局によって発生される電磁界を介して基地局との無接触通信を行うデータキャリアに関する。

本発明はまた、次の特徴的構成部分、すなわちアンテナコイルが接続可能であり、電磁界が実効状態にあるとき、第１および第２のコイル端子間のコイル電圧を有する受信信号が誘導され得るアンテナコイルが接続され得る、第１のコイル端子および第２のコイル端子と、基地局に伝送されるべき伝送データを介して電磁界を変調し、受信信号のコイル電圧が変調振幅によって時々減少されて第１および第２のコイル端子に少なくとも間接的に接続された変調負荷の抵抗値が時々変化させられるようにその負荷を変調する変調手段と、を備えた、基地局によって発生される電磁界を介して基地局との無接触通信を行うデータキャリアの集積回路に関する。

この種のデータキャリアおよびこの種の集積回路は文献・米国特許第５８７４８２９号明細書によって公知であり、いわゆるスマートカードのトランスポンダによって形成される。公知のトランスポンダはアンテナコイルに接続される第１のコイル端子および第２のコイル端子を有するＩＣの形形をしている。そのＩＣはＩＣの素子部品に対して一定の電源電圧を保証するために、エネルギー蓄積コンデンサおよび２つの並列コントローラを有する電圧供給回路を含んでいる。この目的のために２つの並列コントローラはアンテナコイルの第１および第２のコイル端子に間接的に接続され、第１のコイル端子から第２のコイル端子へと並列電流をリークするように構成されている。エネルギー蓄積コンデンサは第１および第２のコイル端子に整流器回路を介して間接的に接続され、整流され並列コントローラによって制御されたコイル電圧を蓄積するように構成されている。

トランスポンダが基地局の近くに保持され、したがって電磁界が比較的（ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ）大きな電磁界強度を持っているときは、コイル電圧つまりエネルギー蓄積コンデンサへの供給電圧は勢いよく増大するであろうが、それは望ましくないことである。これを回避するために、その場合、並列コントローラは比較的大きな電流値を有する並列電流をリークし、それによりコイル電圧がほぼ一定の電圧値に応じて制御される。

上記文献に開示されている２つの並列コントローラは異なるコントローラ特性を持っており、一方の並列コントローラはコイル電圧の変化に比較的急速に反応し、他方の並列コントローラはコイル電圧の変化に比較的緩慢に反応する。２つの並列コントローラはコイル電圧をほぼ一定の電圧値に応じて制御し、それにより電磁界中のスマートカードの急速な動きと緩慢な動きとの両方に一定の供給電圧が保証される。

並列コントローラにおいて並列電流から導出され電磁界からアンテナコイルを介して受信された過剰エネルギーは熱損失の形でリークされなければならない。排出されるべき熱損失は並列電流の大きさとコイル電圧の値との積から決定される。かくしてトランスポンダが基地局の近くに配置されると、この損失はますます増大する。

さらに公知のトランスポンダは上述の変調手段を含んでおり、この変調手段を用いて電磁界の負荷変調が変調負荷の開閉によって行われる。コイル電圧の電圧値が大きいとき変調振幅は大きくなる。

公知のデータキャリアおよび公知の集積回路には、コイル電圧がほぼ一定の電圧値に応じて制御されるので、変調振幅がデータキャリアから基地局までの距離とはほぼ無関係に生ずるという欠点がある。データキャリアおよび基地局が互いに離れれば離れるほど、電磁界を介して行われるデータキャリアおよび基地局の両アンテナコイルの誘導結合が弱くなるので、距離が増大したとき負荷変調時に伝送される伝送データの信頼性も低下する。

本発明の目的は、データキャリアおよび集積回路の上述の欠点が回避される第１段落に定義された形式のデータキャリアおよび第２段落に定義された形式の集積回路を提供することである。

この目的を達成するために、受信信号の変調されていないコイル電圧を制御するコイル電圧制御手段がそのようなデータキャリアおよびそのような集積回路を備え、コイル電圧制御手段は電磁界の強度が増大したとき実質的に減少するコイル電圧に応じて制御するように構成される。

本発明による特徴的構成は、基地局の近くにおけるように大きな電磁界強度の場合にコイル電圧制御手段が比較的小さな電圧値に応じてコイル電圧を制御することを可能にすることである。ここで比較的小さい変調振幅は、負荷変調手段によってデータキャリアから電磁界を介して基地局に伝送される伝送データを信頼性をもって復調するのに基地局にとって十分である。なぜなら、両アンテナコイルの誘導結合が比較的大きいからである。

他方、データキャリアのアンテナコイルの領域内の電磁界が比較的小さいとき、つまりデータキャリアが基地局から比較的遠くに離れているときは、コイル電圧制御手段が比較的大きな電圧値に応じてコイル電圧を制御する。その結果、データキャリアと基地局との間の大きな距離、および両アンテナコイルの小さな誘導結合にもかかわらず、基地局内の伝送データは信頼性をもって復調され得る。かくして本発明によるデータキャリアは極めて大きな伝送レンジを提供することができる。

本発明のさらなる利点は、コイル電圧制御手段から排出されるべき熱損失が公知のデータキャリアのそれより小さいことである。この利点は、電磁界の強度が増大したとき、つまり基地局の近くに配置されるとき、コイル電圧制御手段がコイル電圧の小さい電圧値に応じて制御する故に得られる。これはデータキャリアが集積回路として配置される場合に特に有利である。

請求項２に記載の構成によれば、コイル電圧制御手段の特に有利な制御特性が得られる。

請求項３および４に記載の構成によれば、コイル電圧制御手段の特に実用上有利な構成が得られる。

請求項５に記載の構成によれば、基準電圧源がコイル電圧を相応の電圧範囲で制御し、それによりデータキャリアの構成素子のエネルギー蓄積コンデンサからの電気エネルギーの供給が保証される利点が得られる。

本発明のこれらの技術思想および他の技術思想は以下に説明される実施例から明らかになり、またそれを参照して明瞭になるであろう。

図１は、基地局２と無接触通信を行うように構成されたデータキャリア１を示すものである。このため基地局２は基地局２のアンテナコイル３を介して電磁界ＨＦを発生し、その電磁界ＨＦによってデータキャリア１のアンテナコイル４との誘導結合が確立される。データキャリア１の構成部品を駆動するためのエネルギーおよびデータキャリア１に伝送されるべきデータは電磁界ＨＦを介して伝送され得る。このようなシステムは古くから知られているところであり、例えば１３．５６ＭＨｚまたは１２５ｋＨｚの電磁界ＨＦの周波数で通信する。

データキャリア１は集積回路５およびアンテナコイル４によって形成されており、アンテナコイル４はその両コイル端の一方が集積回路５の第１のコイル端子６に、また他方が第２のコイル端子７に接続されている。データキャリア１が電磁界ＨＦの中に挿入されると、アンテナコイル４に受信信号ＥＳが誘導され、コイル電圧ＵＳが現れる。そのときコイル電圧ＵＳの発生電圧値は第１のコイル端子６および第２のコイル端子７から見た集積回路５の入力抵抗に依存する。

第１のコイル端子６に第１のダイオード８が接続され、この第１のダイオード８はさらにエネルギー蓄積コンデンサ９を介して第２のコイル端子７にリンクされ、第１のサーキットブランチを形成している。第１のダイオード８はＭＯＳ技術によって配置され、受信信号ＥＳの正の半波を介してエネルギー蓄積コンデンサ９を動作電圧ＵＢにまで充電する単方向整流器を形成する。第１のダイオード８の順方向電圧ＵＤＩは約１．５Ｖであり、そのためエネルギー蓄積コンデンサ９は、最大限、コイル電圧ＵＳの正の半波の電圧振幅から順方向電圧ＵＤＩを差し引いた電圧振幅に相当する動作電圧ＵＢに充電される。

集積回路５は、エネルギー蓄積コンデンサ９によって動作電圧ＵＢが供給される処理手段１０および蓄積手段１１を備えている。処理手段１０は、いわゆるマイクロコントローラを含んでおり、エネルギー蓄積手段１１内に格納された、当該分野において以前から知られているソフトウェアプログラムを実行するように構成されている。処理手段１０およびエネルギー蓄積手段１１への損傷を回避するために、動作電圧ＵＢは処理手段１０および蓄積手段１１の絶縁強度によって予め設定される最高電圧ＵＢＭＡＸを超えてはならない。ソフトウェアプログラムの信頼性ある実行を保証し、蓄積手段１１の特により信頼性ある蓄積動作を保証するために、動作電圧ＵＢは最低電圧ＵＢＭＩＮを下回ってはならない。

集積回路５はさらに、第２のダイオード１２、第１のトランジスタ１３、および処理手段１０によって構成される変調手段を含んでいる。この変調手段は電磁界ＨＦを基地局２に伝送されるべき伝送データＵＤで変調するように構成されている。コイル電圧ＵＳが時々低減され、そのため第１のコイル端子６および第２のコイル端子７に少なくとも間接的に接続される第１のトランジスタ１３によって形成される変調負荷の抵抗値の一時的な変調の結果として負荷変調が行われる。

処理手段１０はエネルギー蓄積手段１１に蓄積された伝送データＵＤを読み出し、また場合によっては、読み出された伝送データＵＤを処理するように構成されている。データキャリア１の送信モードにおいては、処理手段１０は第１のトランジスタ１３のデータ端子に伝送されるべき伝送データＵＤの特徴をなす変調情報ＭＩを送出するように構成されている。変調情報ＭＩはディジタル情報であり、第１のトランジスタ１３を導通状態か阻止状態かのいずれかに制御する。

第２のダイオード１２および第１のトランジスタ１３は第１のコイル端子６および第２のコイル端子７に接続された第２のサーキットブランチを形成している。第１のトランジスタ１３がカットオフ状態にされると、第２のサーキットブランチは実質的に無限大抵抗を呈し、集積回路５の入力抵抗に影響を与え、それにより第１のコイル端子６と第２のコイル端子７との間のコイル電圧ＵＳに作用を及ぼす。他方、トランジスタ１３がターンオン状態にされると、第２のサーキットブランチは例えば２００オームという抵抗を呈し、第１のコイル端子６および第２のコイル端子７に印加するコイル電圧ＵＳに大きく影響を与える。この場合、コイル電圧ＵＳは、図３に示されているように、コイル電圧ＵＳＭで変調された変調振幅ＵＭによって低減される。変調されたアンテナコイル４上のこの小さなコイル電圧ＵＳＭは負荷変調が行われる電磁界ＨＦに影響を与える。

基地局２は、本件に関しては重要でなくそのため図１には示されていない他の構成部品に加えて、復調手段１４を備えており、この復調手段１４には、アンテナコイル３内に誘導された基地局受信信号ＢＥＳはアンテナコイル３によって印加され得る。復調手段１４は、負荷変調によって引き起こされる、基地局受信信号ＢＥＳの振幅変動を検出し、かつデータキャリア１から基地局２に伝送される伝送データＵＤを復調するように構成されている。基地局２で復調された伝送データＵＤはさらに図１には示されていない処理手段によって処理され、次いで蓄積手段１５に蓄積される。

データキャリア１はさらに受信信号ＥＳの変調されていないコイル電圧ＵＳを制御するコイル電圧制御手段１６を備えている。このコイル電圧制御手段１６は、電磁界ＨＦの強度が増大したとき、実質的に減少するコイル電圧ＵＳに応じて制御するように構成されている。第１のコイル端子６に接続された第３のダイオード１７がコイル電圧制御手段１６を介して第２のコイル端子７に接続されることにより第３のサーキットブランチが形成されている。

ここで図２ないし図４に示されている特性曲線を参照してコイル電圧制御手段１６の動作をさらに説明する。図２には電磁界ＨＦの強度が増大したとき第３のサーキットブランチを通って流れる並列電流ＩＰの特性曲線が示されている。データキャリア１から見てデータキャリア１が基地局に近接して配置されればされるほど、電磁界ＨＦの強度は増大する。またデータキャリア１が基地局の近くに保持さればされるほど、２つのアンテナコイル３および４の誘導結合がより強くなる。電磁界ＨＦの強度増大に伴ってコイル電圧制御手段１６は第３のサーキットブランチの抵抗、つまりはコイル端子６および７から見た入力抵抗を減少させ、それにより図３の特性曲線に従ってコイル電圧ＵＳを調整するとともに、他方、並列電流ＩＰの大きさを図２に示されているように増大させる。

図３には、コイル電圧制御手段１６によって制御され、従来技術によるコイル電圧制御手段によって制御されるコイル電圧ＵＳ１に対してプロットされたコイル電圧ＵＳの特性曲線が示されている。公知のコイル電圧制御手段は電磁界の強度が変化したときほぼ一定のコイル電圧ＵＳ１に応じて制御して、一定の動作電圧ＵＢを保証する。

他方、コイル電圧制御手段１６は実質的に減少するコイル電圧ＵＳに応じて制御する。このことは、データキャリア１が基地局２の近くにあり、電磁界ＨＦの強度が大きいとき、コイル電圧が比較的小さく制御されるようにする。ここではアンテナコイル３および４の誘導結合が比較的良好なので、比較的低い変調振幅ＵＭ＠でデータキャリア１から基地局２へとデータを伝送し、それを基地局２において高信頼性をもって復調することが可能である。

図４に示されているように、データキャリア１が基地局２の近くに配置される場合は、コイル電圧制御手段１６内に生ずる浪費電力ＰＶ２が従来技術によるコイル電圧制御手段に生ずる浪費電力ＰＶ１より相当に小さいという利点が得られる。この浪費電力はコイル電圧ＵＳ（ＵＳ１＞ＵＳ２）および並列電流ＩＰの積から計算することもできる。結果として、データキャリア１と通信する基地局２は、基地局２の近くにもたらされたデータキャリア１が熱的に妨害されるという懸念を持つことなく、相当大きな磁界強度を有する電磁界ＨＦを発生することができる。電磁界ＨＦのこの大きな強度はデータキャリア１を基地局２と相当長い距離にわたって通信することを可能にする。このことは大きな利点となるものである。

本発明によるデータキャリア１が基地局２から比較的長い距離の所にある基地局の電磁界中に挿入される場合、本発明によるコイル電圧制御手段１６は図３に示されているように、比較的大きな電圧値に応じてコイル電圧ＵＳを制御する。このことは、この場合負荷変調の間に比較的大きな変調振幅ＵＭ１に到達し、この場合アンテナコイル３および４の誘導結合が比較的弱いにもかかわらず、データキャリア１から基地局２に伝送される伝送データＵＤが基地局２内で信頼性をもって復調され得るようにすることができる。

コイル電圧制御手段１６は第２のトランジスタ１８、制御段１９、基準電圧源２０、および並列電流センサ２１からなっている。並列電流センサ２１はコイル電圧制御手段１６によって発生された並列電流ＩＰを監視し、各センサ情報ＳＩを制御段１９に送出するように構成されている。制御段１９にはさらにデータキャリア１の動作温度または周囲温度とは無関係にコイル電圧ＵＳを制御可能とするために、基準電圧源２０による基準電圧ＵＲＥＦが供給される。この種の基準電圧源２０は当業者にとっては例えば、いわゆるバンドギャップソースとして知られているところであり、そのためここではこれ以上の説明は省略する。

制御手段１９は並列電流ＩＰの大きさを特徴づけるセンサ情報ＳＩに依存しており、第２のトランジスタ１８のゲート端子に制御情報ＲＩを送出するように基準電圧ＵＲＥＦによって「補正」される。第２のトランジスタ１８は制御情報ＲＩに依存してその抵抗を変え、そのようにするにおいて第３のサーキットブランチの抵抗を変えて、集積回路５の入力抵抗が第１のコイル端子６および第２のコイル端子７のところで変えられる。制御情報ＲＩによって変えられた入力抵抗は、電磁界ＨＦの強度が増大したき、図３に減少するコイル電圧として示されているコイル電圧ＵＳが維持されるように作用する。単調に増加する電磁界ＨＦの強度とともに単調に減少するコイル電圧ＵＳは実際上高度に有益なものである。

制御段１９はさらにコイル電圧ＵＳを最高コイル電圧ＵＳＭＡＸに制限し、かつ蓄積コンデンサ９によって発生される動作電圧ＵＢを最高動作電圧ＵＢＭＡＸに制限するように構成されている。このことは、過電圧の結果として引き起こされる処理手段１０および蓄積手段１１への損傷が回避されるという利点をもたらす。

制御段１９はさらにまた処理手段１０および蓄積手段１１によって伝送されたデータＵＤの信頼性ある処理がなお保証されるところまでコイル電圧ＵＳを最低コイル電圧ＵＳＭＩＮに制限するように構成されている。このことは、データキャリア１が基地局２に対して比較的接近している場合に比較的小さいコイル電圧ＵＳＭＩＮが最低動作電圧ＵＢＭＩＮを保障するのになお十分であるという利点をもたらす。

本発明によるコイル電圧制御手段は、図１に示されているように、整流器ダイオードの出力側、いわゆるＤＣ側に配置可能であることは明らかである。しかしながら、本発明によるコイル電圧制御手段はいわゆるＡＣ側のコイル端子と整流器ダイオードとの間に挿入することも好ましいことである。この構成の場合も上述と同様の利点が得られる。

本発明によるコイル電圧制御手段は、受信信号の負の半波のみをコイル電圧制御手段に供給する双方向整流器（two-way rectifier）または単方向整流器（one-way rectifier）に接続され得ることは明らかである。さらに、３並列サーキットブランチを有する配置構成は必ずしも必要という訳ではない。これに関して、当業者は多数の可能な配置構成を知っている。

さらに当業者は電磁界ＨＦの強度が増大したとき減少するコイル電圧ＵＳに応じて本発明による制御のためにコイル電圧制御手段の多数の他の可能な構成を知っている。

基地局によって発生される電磁界を互いに介して通信する基地局、およびコイル電圧制御手段を含むデータキャリアを示す。 コイル電圧制御手段によって制御され、電磁界の強度の増大とともに単調に増大する並列電流を示す。 コイル電圧制御手段によって制御され、電磁界の強度の増大とともに単調に減少するコイル電圧のパターンを示す。 電磁界の強度が増大したときにコイル電圧制御手段で排出されるべき熱損失のパターンを示す。

Claims (10)

1. 基地局（２）によって発生される電磁界（ＨＦ）を介して基地局（２）との無接触通信を行うデータキャリア（１）であって、
   第１のコイル端子（６）および第２のコイル端子（７）に接続され、電磁界（ＨＦ）が実効状態にあるとき前記第１および第２のコイル端子間のコイル電圧（ＵＳ）を有する受信信号（ＥＳ）が誘導され得る、アンテナコイル（４）と、
   前記電磁界（ＨＦ）を前記基地局（２）に伝送されるべき伝送データ（ＵＤ）で変調し、前記受信信号（ＥＳ）のコイル電圧（ＵＳ）が変調振幅（ＵＭ１，ＵＭ２）分だけ時々減少されて前記第１および第２のコイル端子に少なくとも間接的に接続された変調負荷（１３）の抵抗値が時々変化させられるようにその負荷を変調する、変調手段（１０，１２，１３）と、
   前記受信信号（ＥＳ）の変調されていないコイル電圧（ＵＳ）を、前記電磁界（ＨＦ）の強度が増大したとき実質的に減少する制御電圧（ＵＳ）に応じて制御するように構成された、コイル電圧制御手段（１６）と、
   を備えた、データキャリア（１）。
2. 前記コイル電圧制御手段（１６）は、前記電磁界（ＨＦ）の強度が単調に増加したとき単調に減少するコイル電圧（ＵＳ）に応じて制御するように構成されている、請求項１に記載のデータキャリア（１）。
3. 前記コイル電圧制御手段（１６）は、前記第１および第２のコイル端子（６，７）に少なくとも間接的に接続され、かつ、前記第１のコイル端子（６）から前記第２のコイル端子（７）へと送出された並列電流（ＩＰ）を制御するように構成され、前記コイル電圧制御手段（１６）は、前記電磁界（ＨＦ）の強度が増大したとき、前記並列電流（ＩＰ）の実質的に増大する電流の大きさに応じて制御するように構成されている、請求項１に記載のデータキャリア（１）。
4. 前記コイル電圧制御手段（１６）は前記並列電流（ＩＰ）の大きさを監視する並列電流センサ（２１）を備え、前記コイル電圧制御手段（１６）は前記並列電流（ＩＰ）の大きさが増大したとき、減少するコイル電圧（ＵＳ）に応じて制御するように構成されている、請求項３に記載のデータキャリア（１）。
5. 前記コイル電圧制御手段（１６）は、前記コイル電圧（ＵＳ）をデータキャリア（１）の動作温度とは無関係に、最高コイル電圧および最低コイル電圧（ＵＳＭＡＸ，ＵＳＭＩＮ）の間の電圧範囲内に制御するための基準電圧源（２０）を備えている、請求項１に記載のデータキャリア（１）。
6. 基地局（２）によって発生される電磁界（ＨＦ）を介して基地局（２）との無接触通信を行うデータキャリア（１）の集積回路（５）であって、
   第１のコイル端子（６）および第２のコイル端子（７）に接続され、前記電磁界（ＨＦ）が実効状態にあるとき前記第１および第２のコイル端子間のコイル電圧（ＵＳ）を有する受信信号（ＥＳ）が誘導され得る、アンテナコイル（４）と、
   前記電磁界（ＨＦ）を前記基地局（２）に通信されるべき伝送データ（ＵＤ）で変調し、前記受信信号（ＥＳ）のコイル電圧（ＵＳ）が変調振幅（ＵＭ１，ＵＭ２）分だけ時々減少されて前記第１および第２のコイル端子に少なくとも間接的に接続された変調負荷（１３）の抵抗値が時々変化させられるようにその負荷が変調される、変調手段（１０，１２，１３）と、
   前記受信信号（ＥＳ）の変調されていないコイル電圧（ＵＳ）を、前記電磁界（ＨＦ）の強度が増大したとき実質的に減少する制御電圧（ＵＳ）に応じて制御するように構成された、コイル電圧制御手段（１６）と、
   を備えた、データキャリア（１）の集積回路（５）。
7. 前記コイル電圧制御手段（１６）は、前記電磁界（ＨＦ）の強度が単調に増加したとき単調に減少するコイル電圧（ＵＳ）に応じて制御するように構成されている、請求項６に記載の集積回路（５）。
8. 前記コイル電圧制御手段（１６）は、前記第１および第２のコイル端子（６，７）に少なくとも間接的に接続され、かつ、前記第１のコイル端子（６）から前記第２のコイル端子（７）へと送出された並列電流（ＩＰ）を制御するように構成され、前記コイル電圧制御手段（１６）は、電磁界（ＨＦ）の強度が増大したとき、前記並列電流（ＩＰ）の実質的に増大する電流の大きさに応じて制御するように構成されている、請求項６に記載の集積回路（５）。
9. 前記コイル電圧制御手段（１６）は前記並列電流（ＩＰ）の電流の大きさを監視する並列電流センサ（２１）を備え、前記コイル電圧制御手段（１６）は、前記並列電流（ＩＰ）の大きさが増大したとき、減少するコイル電圧（ＵＳ）に応じて制御するように構成されている、請求項８に記載の集積回路（５）。
10. 前記コイル電圧制御手段（１６）は、前記コイル電圧（ＵＳ）をデータキャリア（１）の動作温度とは無関係に、最高コイル電圧および最低コイル電圧（ＵＳＭＡＸ，ＵＳＭＩＮ）の間の電圧範囲内に制御するための基準電圧源（２０）を備えている、請求項６に記載の集積回路（５）。

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