JP2006511111A

JP2006511111A - 移動型データキャリアのエネルギー蓄積器のエネルギー状態検出装置

Info

Publication number: JP2006511111A
Application number: JP2004559682A
Authority: JP
Inventors: クイレン、ミヒァエル
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2006-03-30
Also published as: EP1573664A1; EP1573664B1; WO2004055722A1; CN1685361A; CA2510501A1; DE10259384B3; US20050001609A1; AU2003302944A1; ATE329326T1; US7064552B2; DE50303751D1

Abstract

【解決手段】本発明はデータキャリアのエネルギー蓄積器のエネルギー状態を検出するための装置に関し、エネルギー蓄積器において利用可能な安定化されていない直流電圧からデータ安定器によってデータキャリアの給電のための安定化された直流電圧が導出される。エネルギー蓄積器に接続された評価回路が設けられ、評価回路は補助コンデンサ、補助コンデンサの充電時間を測定するための測定回路を有する。評価回路の出力端に、エネルギー蓄積器のエネルギー状態を記述する量が供給される。

Description

本発明は、移動型データキャリアのエネルギー蓄積器のエネルギー状態を検出するための装置に関する。この種の装置は例えば無接触式同定システムと関連して使用することができる。

無接触式同定システムは、無接触式の伝送技術に基づいて作動する。この無接触式の伝送技術は、電磁式伝送又は光信号、赤外線信号もしくは超音波信号による伝送に基づくことができる。この種のシステムは、例えば、人間又は例えば輸送手段のような移動する貨物の確認に使用される。そのため、必要なデータは送信／受信装置から無接触のデータ伝送路、例えばエアー・インタフェースを介してデータキャリアに伝送され、また返送される。その際、無接触式の同定技術は、データキャリアが送信／受信装置を通過する間に、データキャリアが読取り／書込み装置に挿入されたり、又は引き込まれたりする必要なしに、データを検出することが可能である。この種のデータキャリアは、例えば電子式にチャージ可能な預金を含む乗車券として使用され、交通機関を利用した際の金額は自動的に差し引かれる。

独国特許第69123887 T2号明細書から、組込み電池の電圧降下を検知し得るＩＣカードが知られている。このＩＣカードはそのため、とりわけ、データ伝送／受信装置、データ処理装置、充電装置、比較装置及び時間測定装置を有する。

独国出願公開第10054970 A1号明細書から、保護コンデンサの充電相及び放電相を制御するための方法が知られている。回路装置において、定電流源が電流ミラー回路により形成され、コンパレータを介して保護コンデンサの電圧がバンドギャップリファレンスと比較される。

データキャリアを時間的に制限されることなく使用し得るようにするため、データキャリアには例えば電池のような化学的なエネルギー蓄積器と統合することは断念される。それ故データキャリアの必要な電気エネルギーは、外部から、即ち送信／受信装置に由来するエネルギーキャリア、例えば電界又は磁界から無接触に取り出される。それ故、この種のデータキャリアと送信／受信装置との情報伝達のために適切な伝送及びコード化方法が必要である。一方では、データの伝送のために一般に特定の周波数帯のみ、例えば産業、科学及び医療用のためにＩＳＭ（Industrial，Scientific ＆ Medical）周波数帯、が許されている。可能な国家固有の無線規定は、とりわけ守るべき変調帯幅及び電界強度を定めることができる。他方、伝送及びコード化方法は、データキャリア上の電子装置のエネルギー供給をも保障しなければならない。

このような方法は、規格ISO/IEC 15693 Part 2「エアー・インタフェース及び初期化（Air Interface and Initialization）」に記載されている。この種の方法は、送信／受信装置の当てられた搬送周波数のエネルギーに由来する、データキャリア電子装置の連続したエネルギー供給を可能にする。その際、送信すべきデータの変調のための搬送周波数は、最大時限に対してのみスイッチオフされる。この時限内において、電界又は磁界により充電されるエネルギー蓄積器はデータキャリア電子装置のエネルギー供給を行い得るものでなければならない。データキャリア上の一時的なエネルギー蓄積器として一般にコンデンサが用いられる。その際データのコード化が、周期的な時間ラスタ内の、確定された位置におけるキャリアの短時間切り離しにより行われる。規格はさらに、上述の最大時限を考慮に入れて、特定の搬送周波数における変調により引き起こされる側波帯に対するフィールドの強度限界値を確定する。側波帯変調の高さについては、一方ではスイッチオンされる搬送周波数とスイッチオフされる搬送周波数との時間比が重要である。それに加えてさらに、スイッチオンされる搬送周波数からスイッチオフされる搬送周波数の連続する入れ代わりは、側波帯変調を明白に高めことに寄与する。規格において確定された側波限界を守る必要性は、最大可能なデータ処理速度に通じる。

しかしながら、無接触式の伝送技術におけるデータ伝送は、不十分な結合によって望ましくない影響を受ける可能性がある。このような不十分な結合は、例えば、移動型データキャリアが非常に速くフィールド（電界又は磁界）を通過するか、エネルギー伝送が僅かなフィールド境界部を移動する場合に存在し得る。

このことは例えば、移動型データキャリアの読出し／書込みメモリへの書き込みプロセスが移動型データキャリアと固定された読出し／書込み装置との間に十分な結合が存在するときに開始されたが、移動型データキャリアの固定された読出し／書込み装置に対する相対的動きに基いて移動型データキャリアのエネルギー蓄積器の十分な再充電が行われ得ない場合に不利に導く。このことは、移動型データキャリアにおいて書き込みプロセスのために必要なエネルギーが得られず、そのため書き込みプロセスが正しく終了できない結果になり得る。

本発明の課題は、上述の欠点を避けることのできる手段を示すことにある。

この課題は請求項１に記載の特徴を有する装置によって解決される。本発明の構成及び発展は従属請求項２〜７からもたらされる。請求項８は移動型データキャリアに本発明の装置を使用する方法に関する。請求項９は同定システムに本発明の装置を使用する方法に関する。

本発明の利点は特に、ユーザに対し各所望の時点に移動型データキャリアのエネルギー状態に関する情報を自由に提供し得ることにある。従って、移動型データキャリアのエネルギー蓄積器の不十分なエネルギー状態に気付き、不十分なエネルギー状態に基く不完全な又は誤りを含むデータ交換を再度正しくかつ完全に行う可能性が存在する。この可能性は、ごく僅かの付加費用で移動型データキャリアに実施可能である。本発明による装置は、移動型データキャリアのエネルギー蓄積器のエネルギー状態に関する迅速かつ正しい内容を提供する。本発明の他の利点は、その得られた内容が関与するスイッチング素子の許容差とほとんど完全に無関係であることにある。

本発明の他の有利な性質は、図面に基く実施例の説明から明らかである。

図１は同定システムの本発明を理解するため主要な構成要素を示すブロックダイヤグラムである。

図示のシステムは、書込み／読出し装置１及び移動型データキャリア４を備える。書込み／読出し装置１と移動型データキャリア４との間において、エアー伝送路３を介してデータＤの双方向交換が行われる。さらに、書込み／読出し装置からエアー伝送路３を介して移動型データキャリア４にエネルギーＥも伝送され、その際このエネルギー伝送はデータの交換が行われない時限に行われる。データ及びエネルギーの伝送は誘導結合の原理に従い行われる。このため、書込み／読出し装置１はコイル２を、移動型データキャリア４はコイル５を備える。

移動型データキャリア４において、伝送されたエネルギーはコンデンサとして構成されたエネルギー蓄積器に整流器６を介して導かれる。コンデンサ７に加わる安定化されていない直流電圧は電圧安定器９に導かれ、その出力端に移動型データキャリア４の給電に必要な安定化された直流電圧が得られる。

さらにコンデンサ７は、コンデンサ７のエネルギー状態を検出するための装置８と結ばれている。

図２は、移動型データキャリア４のコンデンサ７のエネルギー状態を検出するための装置８が詳細に表された回路図を示す。装置８は、トランジスタ１１及び１２を含む電流ミラー１０を備える。この電流ミラーは２つの互いに並列な電流路を有する。トランジスタ１２が存在する第１の電流路には電流Ｉ₀が流れる。トランジスタ１１が配置されている第２の電流路には電流Ｉ_Rが流れる。第２の電流路にはさらにトランジスタ１１に接続されたオーム抵抗１４が設けられ、その他端は装置８の高レベル／低レベル信号入力端２０と結ばれている。この入力端２０を介して、装置８には図示されていない論理素子から高レベル信号又は低レベル信号が供給される。

第１の電流路において、トランジスタ１２には補助コンデンサ１３が接続され、その他端は接地されている。補助コンデンサ１３の接地側と反対側の端子は排他的論理和素子１６の入力端及びｎｐｎトランジスタ１５のコレクタと結ばれている。トランジスタ１５のエミッタは接地されている。トランジスタ１５のベースはオーム抵抗２１を介して装置８の入力端１７と結ばれている。入力端１７では測定時間入力端がかかわり、この入力端を介して装置８に測定時限を定義する信号が供給される。この測定時間信号は既に述べた図示されていない論理素子において発生され、この論理素子はまた高レベル／低レベル信号入力端２０で用いられる信号をも供給する。この論理素子には、入力端１７及び２０に供給される信号を発生するために必要なシステムクロックについての情報が存在する。入力端１７に加わる測定時間信号は排他的論理和素子１６の他の入力端に、またオーム抵抗２１を介してｎｐｎトランジスタ１５のベースに供給される。

補助コンデンサ１３の充電時間に関する情報が扱われる排他的論理和素子１６の出力信号は、評価論理素子１８に導かれる。この評価論理素子１８はいわゆる充電時間から、コンデンサ７のエネルギー状態についての情報を与える数値の形の量を計算する。特にこの数値は、コンデンサ７に加わる安定化されていない供給電圧の、移動型データキャリアによって供給電圧として必要とされる安定化された直流電圧に対する比についてのデータを含む。後者は例えば３Ｖの大きさであり、移動型データキャリアのチップの作動電圧である。評価論理素子１８の出力端に存在する情報に基いて、特に移動型データキャリアのエネルギーの蓄えが測定の時点にどのような大きさかということが適切に表現され得る。

以下に図２に示される装置の機能について詳細に説明する。

図２においてトランジスタ１１及び１２によって構成されている電流ミラーにおいては、次の一般式が成立する。
Ｉ₀／Ｉ_R＝１−２／（β＋２）≒１

さらに、定電流Ｉ₀で充電されるコンデンサＣの電圧Ｕに対して次式が成立する。
Ｕ＝Ｉ₀・ｔ／Ｃ
この式から換算によって次の関係が得られる。
ｔ＝Ｕ・Ｃ／Ｉ₀ （式１）
この関係は補助コンデンサ１３の充電プロセスに対しても成立し、コンデンサ７のエネルギー状態を本発明により検出する際に考慮される。

図２に従って、コンデンサ７にかかる電圧をＵ１、トランジスタ１１にかかる電圧をＵ２、抵抗１４にかかる電圧をＵ３、入力端２０に用いられる電圧をＵＨ又はＵＬとすると、次式が成立する。
Ｕ３＝Ｕ１−Ｕ２―ＵＬ入力端２０にＵＬが加わるとき
Ｕ３＝Ｕ１−Ｕ２―ＵＨ入力端２０にＵＨが加わるとき
ＵＬ＝０のときは次式が成立する。
Ｕ３＝Ｕ１−Ｕ２
電流Ｉ_Rに対し、入力端２０にＵＨが加わるとき次式が成立する。
Ｉ_R(UH)＝（Ｕ３−ＵＨ）／Ｒ₁₄
入力端２０にＵＬが加わるとき、電流Ｉ_Rに対し次式が成立する。
Ｉ_R(UL)＝（Ｕ３−ＵＬ）／Ｒ₁₄
ＵＬ＝０に対しては次式が成立する。
Ｉ_R(UL)／Ｉ_R(UH)＝Ｕ３／（Ｕ３−ＵＨ）（式２）
したがって、電流Ｉ_R(UL)及び電流Ｉ_R(UH)の商を形成するとき抵抗１４の値は消去される。

式１及び式２を考慮に入れて、図２に示される装置に対し次の関係が得られる。
ｔ＝Ｃ₁₃・Ｕ４／Ｉ₀；
Ｉ₀≒Ｉ_R；
ｔ_UH＝Ｃ₁₃・Ｕ_th／Ｉ_R(UH)；
ｔ_UL＝Ｃ₁₃・Ｕ_th／Ｉ_R(UL)
それから次の結果が得られる。
ｔ_UH／ｔ_UL＝Ｉ_R(UL)／Ｉ_R(UH)＝Ｕ３／（Ｕ３−ＵＨ）（式３）
ここでｔ_UH及びｔ_ULは、排他的論理和素子の入力端に電圧しきい値Ｕ_thが得られるまで電流Ｉ_R(UH)ないしＩ_R(UL)により補助コンデンサ１３が充電される場合の補助コンデンサ１３の充電時間である。その際入力条件として、補助コンデンサ１３が導通状態のトランジスタ１５を介して測定過程の開始前にそのつど完全に放電されていることが前提された。このことはなお図６及び図７と関連して説明される。

式３から、補助コンデンサ１３の容量値もしきい電圧Ｕ_thの電圧値もこの式には影響を持たないことが明らかである。充電時間ｔ_UH、ｔ_ULは充電電流Ｉ_R(UH)、Ｉ_R(UL)に逆比例する。

式３の適用範囲は、ＵＨ≪Ｕ３及びＵ３―ＵＨ＞０の範囲である。

図３は図２の種々の電圧を具体的に説明するためのダイヤグラムである。横座標に沿って書込み／読出し装置１の移動型データキャリア４からの距離Ｓ、縦座標に沿って誘導結合ないし結合率ｋが示されている。低レベル信号ＵＬ及び高レベル信号ＵＨは距離Ｓに無関係にそれぞれ一定であり、コンデンサ７にかかる電圧Ｕ１は距離Ｓの増大とともに小さくなることが明らかである。

コンデンサ７にかかる安定化されていない電圧Ｕ１から、図１の回路ブロック９において行われる安定化により移動型データキャリア４の給電電圧が得られる。僅かな負荷状態では次の関係が成立することが前提される。
ＵＬ≒０Ｖ
ＵＨ≒Ｕ_CHIP
ここでＵ_CHIPは移動型データキャリア４の給電電圧である。

図４は図２のコンデンサ７にかかる安定化されていない電圧Ｕ１の電圧経過と、書込み／読出し装置１と移動型データキャリア４との間の距離との関係を具体的に説明するためのダイヤグラムである。この釣鐘状の電圧経過は、移動型データキャリア４が書込み／読出し装置１に平行に同じ距離をおいて傍を通過する場合にも存在する。

図５は２つの測定時点ないし測定時限の位置を具体的に説明するためのダイヤグラムである。移動型データキャリア４が書込み／読出し装置１に平行に同じ距離Ｓをおいて傍を移動する場合には、コンデンサ７にかかる電圧Ｕ１は釣鐘状の図示された時間的経過を有する。本発明によれば、２つの任意の測定時点ないし測定時限が確定され、その際測定時点ｔ１における電圧値は比較的小さく、測定時点ｔ２における電圧値は比較的大きい。測定時点により確定される測定時限の間、補助コンデンサ１３の電圧経過の測定が行われる。図６及び図７から明らかなように、測定時点において異なる充電時間が生じ、それから移動型データキャリア４のコンデンサ７のエネルギー状態及び従って移動型データキャリア４の仕事容量を逆推理することができる。

図６は、比較的小さい電圧Ｕ１がコンデンサ７に加わる第１の測定時点ｔ１における測定の際に測定された充電時間を具体的に説明するためのダイヤグラムである。図６の軌跡ａには入力端２０に加わる信号ＵＨないしＵＬが示され、軌跡ｂには積分時間信号、軌跡ｃには入力端１７に加わる測定時間信号、軌跡ｄにはしきい電圧Ｕ_th、そして軌跡ｅには補助コンデンサ１３に加わる電圧Ｕ４が示されている。

軌跡ａに描かれた信号ＵＨないしＵＬ、及び軌跡ｃに描かれた測定時間信号は、図に示されていない論理素子によってあらかじめ与えられており、この論理素子にはシステムクロックに関する情報が存在する。測定時間信号は、軌跡ａに示された信号が高レベル状態から低レベル状態へ移行するときスタートされる。この時点に軌跡ｂに示されう積分時限もスタートする。軌跡ｅから分かるように、この時点に充電電流Ｉ_0(UL)による補助コンデンサ１３の充電も始まる。充電プロセスは、補助コンデンサ１３の電圧が軌跡ｄに描かれたしきい電圧Ｕ_thに達するまで継続される。この時点に、軌跡ｂから分かるように、積分時間は終了し、充電時間ｔ_ULとして評価論理素子１８に用いられる。この時点後、軌跡ｃから分かるように、測定時限は終了する。測定時限の直後に、補助コンデンサ１３の放電が導通状態のトランジスタ１５を通して行われる。

軌跡ａに示される高・低レベル信号が高レベルを持ち補助コンデンサ１３が放電されている場合には、軌跡ｃに示される測定時間信号の第２の立下り側縁により明らかなように、第２の測定時限がスタートされる。この時点に、軌跡ｂに示される積分時間信号の第２の立ち上り側縁から明らかなように、新たに積分時間の測定が始まる。さらに、この時点に補助コンデンサ１３の充電電流Ｉ_0(UH)による充電が始まる。充電プロセスは、補助コンデンサ１３の電圧が軌跡ｄに示されるしきい電圧Ｕ_thに達するまで継続される。この時点に、軌跡ｂから分かるように、積分時間が終了し、充電時間ｔ_UHとして評価論理素子１８に用いられる。この時点後、測定時間信号が再び高レベル状態に移行すると、この測定時限も終了し、補助コンデンサ１３の放電が導通状態のトランジスタ１５を介して行われる。

図７は比較的大きい電圧Ｕ１がコンデンサ７に加わる第２の測定時点ｔ２における測定の際に測定された充電時間を具体的に説明するためのダイヤグラムである。図７の軌跡ａには入力端２０に加わる信号ＵＨないしＵＬが示され、軌跡ｂには積分時間信号、軌跡ｃには入力端１７に加わる測定時間信号、軌跡ｄにはしきい電圧Ｕ_th、そして軌跡ｅには補助コンデンサ１３に加わる電圧Ｕ４が示されている。

評価論理素子１８はそのつど充電時間ｔ_ULとｔ_UHとの商を形成し、この商をコンデンサ７のエネルギー状態を記述する量として装置８の出力端１９において用いられる。そこからこの量は移動型データキャリア４の送信ユニットに供給され、エアー伝送路３を介して書込み／読出し装置１に伝送される。そこでこの量は表示のために使用され、その表示に基づいてユーザーは移動型データキャリア４のコンデンサ７のエネルギー状態を判断し、必要な場合には適切な処置を導入することができる。それに代えて、書込み／読出し装置１に伝送されたコンデンサ７のエネルギー状態を記述する量が書込み／読出し装置１において自動化ユニットにより評価され、必要な場合にはその自動化ユニットが自動的に適切な処置を準備することもできる。

識別システムの本発明を理解するため主要な構成要素を示すブロックダイヤグラムである。移動型データキャリアのエネルギー蓄積器のエネルギー状態を検出するための装置を示す回路図である。種々の電圧を具体的に説明するためのダイヤグラムである。図２のコンデンサ７に加わる電圧Ｕ１の書込み／読出し装置と移動型データキャリアとの間の距離に対する電圧経過を具体的に説明するためのダイヤグラムである。２つの測定時点の位置を具体的に説明するためのダイヤグラムである。比較的低い電圧がコンデンサ７にかかる第１の測定時点における測定の際の測定された充電時間を具体的に説明するためのダイヤグラムである。比較的高い電圧がコンデンサ７にかかる第２の測定時点における測定の際の測定された充電時間を具体的に説明するためのダイヤグラムである。

符号の説明

１書込み／読出し装置
２コイル
３エアー伝送路
４データキャリア
５コイル
６整流器
７コンデンサ
８装置
９電圧安定器
１０電流ミラー
１１トランジスタ
１２トランジスタ
１３補助コンデンサ
１４オーム抵抗
１５トランジスタ
１６排他的論理和素子
１７装置の入力端
１８評価論理素子
１９装置の出力端
２０高レベル・低レベル信号入力端
２１オーム抵抗

Claims

エネルギー蓄積器において利用可能な安定化されていない直流電圧からデータキャリアの給電のための安定化された直流電圧が導出されるデータキャリアのエネルギー蓄積器のエネルギー状態を検出するための装置であって、エネルギー蓄積器に接続された評価回路を備え、評価回路は補助コンデンサ、補助コンデンサの充電時間を測定するための測定回路及び測定回路の出力端と結ばれた評価論理素子を含み、この評価論理素子は補助コンデンサの測定された充電時間からエネルギー蓄積器のエネルギー状態を記述する量を検出するものにおいて、
エネルギー蓄積器（７）において利用可能な安定化されていない直流電圧を安定化するための電圧安定器、及びエネルギー蓄積器（７）と測定回路（１５、１６、２１）との間に配置された電流ミラー（１１、１２）を有する評価回路（８）を備え、電流ミラーは互いに並列な電流路を有し、第１の電流路には補助コンデンサ（１３）、この補助コンデンサと結ばれた測定回路（１５、１６、２１）及び測定回路（１５、１６、２１）の出力端に接続された評価回路（１８）が配置され、第２の電流路にはオーム抵抗（１４）が設けられていることを特徴とするデータキャリアのエネルギー蓄積器のエネルギー状態を検出するための装置。
測定回路（１５、１６、２１）が測定時間信号入力端（１７）を有し、この測定時間信号入力端を介して測定回路に測定時間信号が供給可能であることを特徴とする請求項１記載の装置。
測定時間信号入力端（１７）が測定回路（１５、１６、２１）のトランジスタ（１５）の制御入力端及び測定回路（１５、１６、２１）の排他的論理和素子（１６）の入力端と結ばれ、トランジスタ（１５）はスイッチング状態において補助コンデンサ（１３）の接地側と反対側の端子を接地することを特徴とする請求項２記載の装置。
補助コンデンサ（１３）の接地側と反対側の端子は排他的論理和素子（１６）の第２の入力端と結ばれていることを特徴とする請求項３記載の装置。
測定回路（１５、１６、２１）はディジタル信号入力端（２０）を有し、この信号入力端を介して測定回路に高レベル及び低レベル信号が供給可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。
第２の電流路内に設けられたオーム抵抗（１４）がディジタル信号入力端（２０）と電流ミラー（１１、１２）との間に配置されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
測定回路（１５、１６、２１）が補助コンデンサ（１３）の第１及び第２の充電時間を測定するために設けられ、第１の充電時間はディジタル信号入力端（２０）に低レベル信号が存在するとき、第２の充電時間はディジタル信号入力端（２０）に高レベル信号が存在するとき検出されることを特徴とする請求項５又は６記載の装置。
送信及び受信装置（１）とデータを無接触式に交換するため移動型データキャリア（４）に請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置を使用する方法であって、エネルギー蓄積器（７）のエネルギー状態を記述する量を送信及び受信装置（１）に送出するための送信手段を有する装置の使用方法。
同定システムに請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置を使用する方法であって、送信及び受信装置（１）並びに送信及び受信装置（１）と無接触式の伝送路（３）を介して結ばれた移動型データキャリア（４）を有し、移動型データキャリア（４）は装置並びにエネルギー蓄積器（７）のエネルギー状態を記述する量を送信及び受信装置（１）に送出するための送信手段を有する装置の使用方法。