JP2007241395A - 非接触型ｉｃカードリーダライタ - Google Patents

Abstract

【課題】 非接触型ＩＣカードに必要以上の電力を供給することなく発熱を抑制しながら、通信距離の拡大が可能で、かつ簡単な回路構成を有する非接触型ＩＣカードリーダライタを提供する。
【解決手段】 コイルアンテナ１１のループの途中に、スイッチ１３を配して、前記スイッチ１３を切り替えることによって、コイルアンテナ１１の通信に寄与する実効巻き数を変更し、コイルアンテナ１１が発生する磁界を制御可能に構成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、非接触型ＩＣカードリーダライタに関し、特に、非接触型ＩＣカードのＩＣモジュールにおける、高出力電磁波の影響による発熱や破損などの損傷の軽減に関する。

非接触型ＩＣカードリーダライタ（以下、リーダライタとも表記）は、そのアンテナ部を介して、非接触型ＩＣカード（以下、ＩＣカードとも表記）と、電波で情報の送受信を行うことにより、非接触でデータの読み込み、およびデータの書き込み動作を行う。

この種の非接触型ＩＣカードリーダライタは、キャリア周波数ｆ＝１３.５６ＭＨｚで動作し、ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３に準拠した近接型通信、またはＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３に準拠した近傍型通信に対応する。通信距離性能は、近接型通信で最大約１０ｃｍ前後、近傍型通信で最大約７０ｃｍ前後である。

前記非接触型ＩＣカードリーダライタは、非接触型ＩＣカードの存在を常時把握している必要があるために、待機中であっても、間断なく電波を発生しており、その送信出力は一定レベルに固定されている。

また、通信距離が特定されている使用環境、すなわち、通信距離が、一定距離以下あるいは一定距離以上であることがあらかじめわかっている使用環境においては、通信距離にあわせて送信出力を切り替えるように構成した非接触型ＩＣカードリーダライタもある。

しかしながら、このような非接触型ＩＣカードリーダライタであっても、常に一定の電波が前記非接触型ＩＣカードリーダライタから放射されていることにかわりはなく、送信出力は常時一定レベルに固定されている。

さらに、近年の通信距離拡大要求に伴い、送信電波は高出力化する傾向にある。従って、非接触型ＩＣカードに対する送信電波の影響は、無視することができなくなってきた。

非接触型ＩＣカードリーダライタに非接触型ＩＣカードをかざす位置あるいは時間は、利用者によってまちまちである。例えば、一定出力で電磁波が放射されている環境下において、利用者が、非接触型ＩＣカードを、非接触型ＩＣカードリーダライタのコイルアンテナ面に所定の距離以上に近づける、もしくは、長時間かざしたままの状態にしておいた場合には、過度の電力を非接触型ＩＣカードに与えることになる。その結果、非接触型ＩＣカード内のＩＣモジュールが発熱して破損し、非接触型ＩＣカードの機能が損なわれることが懸念されている。

しかしながら、上記懸念解消のために非接触型ＩＣカードリーダライタの送信出力を低下させると、所定の通信距離が確保されず通信自体に支障をきたすという別の問題が生じる。

上記問題の解決のために、非接触型ＩＣカードリーダライタ側からの搬送波出力レベルを検出して非接触型ＩＣカードの位置を割り出し、マイコンによる電力制御により最適な電力を非接触型ＩＣカードに送信することにより、該ＩＣカードの発熱や障害を回避しようとする技術があり、例えば特許文献１に開示されている。

また、非接触型ＩＣカードリーダライタのコイルアンテナの負荷インピーダンス変動を検出し、この負荷インピーダンス変動から非接触型ＩＣカードの接近を割り出して、該リーダライタの送信出力を低下させるという技術もあり、例えば特許文献２に開示されている。

特開２０００−２４２７３９号公報 特開２００５−１０７７８１号公報

しかしながら、マイコン制御を採用すればマイコン部への負担が過大となり、負荷インピーダンス変動を利用すればネガティブフィードバック回路が必要となる。いずれにしても、回路構成が複雑になるという問題があった。

したがって、本発明は、非接触型ＩＣカードに必要以上の電力を供給することなく発熱を抑制しながら、通信距離の拡大が可能で、かつ簡単な回路構成を有する非接触型ＩＣカードリーダライタの提供を目的とする。

このような課題を解決するために、本発明は、非接触型ＩＣカードリーダライタの送信回路における電源の電圧値および電流値を検出し、これらからコイルアンテナの負荷インピーダンスを演算し、閾値以上または閾値以下の値への負荷インピーダンスの変動に対応させて、非接触型ＩＣカードリーダライタのコイルアンテナの実効巻き数を切り替えることにより、該コイルアンテナが発生する磁界を増加または減少させるよう構成した非接触型ＩＣカードリーダライタとする。

具体的には、本発明の非接触型ＩＣカードリーダライタは、ループ状のコイルアンテナを有し、非接触型ＩＣカードとの通信に際して、データ交換および電源供給を行う時に、前記コイルアンテナの負荷インピーダンス値を検出し、検出した負荷インピーダンス値の変動に対応させて、前記コイルアンテナの実効領域、すなわち実効巻き数（ループ数）を切り替える。

前記コイルアンテナの巻き数の切り替えは、スイッチを用いて行う。すなわち、前記コイルアンテナのループの途中に、任意の巻き数毎に、スイッチを配して、前記１以上のスイッチを切り替えることによって、コイルアンテナの、通信に寄与する有効な巻き数、すなわち実効巻き数を変更する。なお、前記スイッチの切り替えは、ヒステリシス特性を備えた比較回路を用いて制御するのが好ましい。

本発明によれば、ループ状のコイルアンテナを有し、非接触型ＩＣカードとの間で通信および電源供給を行う非接触型ＩＣカードリーダライタにおいて、前記コイルアンテナの負荷インピーダンス値を検出する手段と、前記負荷インピーダンス値に基づき、前記非接触型ＩＣカードリーダライタの前記コイルアンテナの実効巻き数を増減させる手段とを有することを特徴とする非接触型ＩＣカードリーダライタが得られる。

本発明によれば、前記コイルアンテナの実効巻き数を増減させる手段は、前記コイルアンテナに１以上のスイッチを接続し、該スイッチを切り替えることを特徴とする非接触型ＩＣカードリーダライタが得られる。

本発明によれば、前記スイッチは、ヒステリシス特性を備えた比較回路によって切り替えられることを特徴とする非接触型ＩＣカードリーダライタが得られる。

上記構成とすることにより、非接触型ＩＣカードが非接触型ＩＣカードリーダライタ検出面に接近し過ぎた場合は、発生磁界を減少させて、余分な電力供給を防止し、ＩＣモジュールの発熱を抑制する。

また、非接触型ＩＣカードが検出面から離れて、良好な通信状態を保つことができない場合は、発生磁界を増加させることにより通信距離を拡大し、良好な通信状態を回復させる。

さらに、非接触型ＩＣカードリーダライタのコイルアンテナの実効巻き数変更は、スイッチを用いただけの簡単な回路構成により実現できる。

したがって、非接触型ＩＣカードの取扱い上の安全性と通信の信頼性を両立させることができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、発明による非接触型ＩＣカードリーダライタと非接触型ＩＣカードの構成の説明図である。

リーダライタ１０の表面には、ＩＣカード２０との通信に用いるループ状のコイルアンテナ１１が内蔵され、コイルアンテナ１１は、図示しないスイッチを有している。また、ＩＣカード２０は、ＩＣモジュール２２に接続されたコイルアンテナ２１が内蔵されている。

コイルアンテナ１１は、ＩＣカード２０を、リーダライタ１０の表面に近接させた際、コイルアンテナ２１を介して、ＩＣカード２０とリーダライタ１０の間のデータを授受し、ＩＣカード２０へ電力を供給するための電波を発する。

コイルアンテナ１１は、前記スイッチを切り替えることにより、前記データの授受や電力供給に寄与するループの有効巻き数が変わる。すなわち、前記スイッチの切り替えによって、コイルアンテナ１１の見かけ上のコイル巻き数を増減させ、コイル巻き数の増減によって発生磁界の強弱を制御する。

磁界強度Ｈは、ＩＣカード２０とリーダライタ１０間の距離ｄの３乗に反比例する。つまり、磁界強度Ｈは、リーダライタ１０の検出面で最大となり、リーダライタ１０の検出面から離れるにしたがって減衰する。そのため、リーダライタ１０の検出面にＩＣカード２０を近づけ過ぎると、ＩＣカード２０は、過大な電磁界環境にさらされ、逆に離れ過ぎると通信に必要な電力が不足しデータの送受信が困難になる。なお、コイルアンテナ１１から発せられる磁界強度は、コイル巻き数が多い場合には大きく、コイル巻き数が少ない場合には小さくなる。

よって、ＩＣカード２０とリーダライタ１０の距離ｄが短い場合にはコイル巻き数が少なく、長い場合にはコイル巻き数が多くなるように、前記スイッチを設けることで、ＩＣカード２０に対して適切な電力量を送信することが可能となる。

図２は、本発明による非接触型ＩＣカードリーダライタと非接触型ＩＣカード間の距離と、非接触型ＩＣカードが受ける磁界強度および電力の関係を示す図である。

縦軸は磁界強度Ｈを示し、横軸はＩＣカード２０とリーダライタ１０間の距離ｄを示す。相関曲線４１は、スイッチの切り替え前の、コイルアンテナ１１のコイル巻き数を多く設定した場合の、距離ｄと磁界強度Ｈの関係を示し、相関曲線４０は、スイッチの切り替え後の、コイルアンテナ１１のコイル巻き数を少なく設定した場合の、距離ｄと磁界強度Ｈの関係を示す。

最適電力時の磁界強度４２より磁界強度Ｈが大きい領域は、余分な電力領域４３であり、最適電力時の磁界強度４２より磁界強度Ｈが小さい領域は、不足する電力領域４４を示す。また、相関曲線４１と最適電力時の磁界強度４２との交点は、相関曲線４１における最適距離ｄ２、相関曲線４０と最適電力時の磁界強度４２との交点は、相関曲線４０における最適距離ｄ１を示す。

コイルアンテナ１１が、ＩＣカード２０に無駄のない電力量を供給するためには、距離ｄによって適宜スイッチを切り替える。例えば、ＩＣカード２０が近づき過ぎた場合、すなわち、距離ｄが、最適距離ｄ２より短く、最適距離ｄ１に近い場合は、スイッチを切り替えて、相関曲線４０で示す関係となるように調整する。これにより、コイルアンテナ１１の実効巻き数が減少し、発生磁界も減少して無駄な消費電力を省くことができる。

また、ＩＣカード２０が離れ過ぎている場合、すなわち、距離ｄが、最適距離ｄ２より長い場合は、必要に応じてスイッチを切り替えて、相関曲線４１で示す関係となるように調整する。これにより、コイルアンテナ１１の実効巻き数が増加し、発生磁界も増加して、通信を行うために必要な電力を供給することができる。

なお、ＩＣカード２０とコイルアンテナ１１の最大想定使用距離と最小想定使用距離が、通常の使用範囲外にある場合に、本発明は特に有効である。

図３は、本発明による非接触型ＩＣカードリーダライタと非接触型ＩＣカードの構成を示すブロック図である。

リーダライタ１０は、発振器１７と、変調回路１６と、駆動回路１５と、ループ状コイルからなる送受信用のコイルアンテナ１１と、送信回路部における電源電圧値および電流値を検出および演算してコイルアンテナ１１の負荷インピーダンスを検出する負荷インピーダンス検出器１４と、復調回路１８と、データ処理のためのＣＰＵ３１を含む制御回路部１９と、上位機３０と接続するためのインターフェース部３２とから構成される。

拡大図１２は、コイルアンテナ１１付近を拡大したもので、コイルアンテナ１１の中間部に、スイッチ１３を配して、コイルアンテナ１１の巻き数を、少なくとも２段階に変更できるよう構成している。

リーダライタ１０の発振器１７は、ｆ＝１３．５６ＭＨｚで一定の周波数信号を発生している。変調回路１６は、発振器１７からの信号を用いてＣＰＵ３１を中心として構成された制御回路部１９からの送信データを変調する。変調された信号は、駆動回路１５に入力され、電力増幅されてコイルアンテナ１１に入力される。コイルアンテナ１１は、入力された信号により電波を発生する。

ＩＣカード２０のコイルアンテナ２３は、リーダライタ１０のコイルアンテナ１１が発生した電波を受けて、電流信号を発生する。電源回路２５は、入力された電流信号を整流、安定化し、図示しない線路を経由して、各部に電源として供給する。

ＩＣカード２０の復調回路２７は、入力された電流信号を復調し、制御回路２８へ出力する。ＣＰＵを中心として構成される制御回路２８は、入力された復調信号を解釈し、メモリ２９からデータの読み出しや、書き込みを行う。メモリ２９から読み出されたデータは、制御回路２８を介して変調回路２６で変調され、コイルアンテナ２３からリーダライタ１０のコイルアンテナ１１に向けて送信される。

コイルアンテナ１１が受信した信号はリーダライタ１０の復調回路１８にて復調され、制御回路部１９へ送られる。

ＩＣカード２０と、リーダライタ１０の検出面との相対位置により、リーダライタ１０のコイルアンテナ１１の負荷インピーダンスが変動する。

図４は、本発明による非接触型ＩＣカードリーダライタのコイルアンテナの負荷インピーダンスと、非接触型ＩＣカードリーダライタと非接触型ＩＣカード間の距離との関係を示す図である。

縦軸は、負荷インピーダンスＺＬを示し、横軸は距離ｄを示す。相関曲線５０は、スイッチ１３の切り替えによって、コイルアンテナ１１のコイル巻き数を多く設定した場合の距離ｄと負荷インピーダンスＺＬの関係を示し、相関曲線５１は、スイッチ１３の切り替えによって、コイルアンテナ１１のコイル巻き数を少なく設定した場合の距離ｄと負荷インピーダンスＺＬの関係を示す。

ＺＬ１は、コイルアンテナ１１の巻き数を少ない値に切り替えるための負荷インピーダンスの閾値、ＺＬ２は、コイルアンテナの巻き数を多い値に切り替えるための負荷インピーダンスの閾値を示す。

相関曲線５０および相関曲線５１は、ＩＣカード２０がリーダライタ１０の検出面に近い位置にある場合には、リーダライタ１０のコイルアンテナ１１の負荷インピーダンスＺＬは増大し、逆に離れた位置にある場合には負荷インピーダンスが減少する特性を示している。

このように、負荷インピーダンスＺＬ値とＩＣカード２０の相対位置から、間接的に、リーダライタ１０の検出面とＩＣカード２０間の距離を求めることができる。なお、コイルアンテナ１１の負荷インピーダンスＺＬは、負荷インピーダンス検出器１４内の図示しない電圧電流検出回路を用いて送信回路部の電源電圧値および電流値を検出し、図示しない演算回路（割算回路）を用いて、電源電圧値／電源電流値の計算式により算出する。また、この演算はアナログ方式またはデジタル方式のいずれかで実施される。

上記方法で、求めた負荷インピーダンスＺＬ値を、図示しない比較回路に入力し、この比較回路の判断に基づきコイルアンテナ１１のスイッチ１３を切り替え、コイルアンテナ１１の実効巻き数を制御する回路を構成する。前記比較回路は、負荷インピーダンス検出器１４に接続され、負荷インピーダンスが閾値以上であればコイルアンテナ１１の巻き数の少ない値に、閾値以下であればコイルアンテナ１１の巻き数の多い値に切り替えるようにスイッチ１３の制御を行うように設計し、簡単なアナログ回路で構成する。

なお、上記構成において、スイッチ１３を用いて、コイルアンテナ１１の実効巻き数を切り替えると、負荷インピーダンスＺＬ値も変化する。従って、負荷インピーダンスＺＬ値の増減が、上記切り替えの閾値をまたいで変動し、スイッチ切り替えによる発振現象が発生する恐れがある。

そこで、前記比較回路による制御には、閾値ＺＬを二つ設定して、ヒステリシス特性を持たせる。すなわち、図４に示したように、コイルアンテナ１１の実効巻き数を少なくするための負荷インピーダンスの閾値ＺＬ１と、コイルアンテナ１１の実効巻き数を多くするための負荷インピーダンスの閾値ＺＬ２との、二つの閾値を定め、負荷インピーダンスの閾値ＺＬ１を、負荷インピーダンスの閾値ＺＬ２に対し十分大きい値に設定する。これにより、ＩＣカードとリーダライタ間の距離ｄと対応付けられた、コイルアンテナ１１の負荷インピーダンスＺＬ値をもとに、前記発振現象を起こすことなくコイルアンテナ１１から送信される出力の制御を行うことができる。

以上、図面を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの図面に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。

本発明の非接触型ＩＣカードリーダライタを用いることにより、省電力化を図った各種の非接触ＩＣカード応用システムを構築することができる。

本発明による非接触型ＩＣカードリーダライタと非接触型ＩＣカードの構成の説明図。 本発明による非接触型ＩＣカードリーダライタと非接触型ＩＣカード間の距離と、非接触型ＩＣカードが受ける磁界強度および電力の関係を示す図。 本発明による非接触型ＩＣカードリーダライタと非接触型ＩＣカードの構成を示すブロック図。 本発明による非接触型ＩＣカードリーダライタのコイルアンテナの負荷インピーダンスと、非接触型ＩＣカードリーダライタと非接触型ＩＣカード間の距離との関係を示す図。

符号の説明

１０ リーダライタ
１１、２１、２３ コイルアンテナ
１２ 拡大図
１３ スイッチ
１４ 負荷インピーダンス検出器
１５ 駆動回路
１６、２６ 変調回路
１７ 発振器
１８、２７ 復調回路
１９ 制御回路部
２０ ＩＣカード
２２ ＩＣモジュール
２５ 電源回路
２８ 制御回路
２９ メモリ
３０ 上位機
３１ ＣＰＵ
３２ インターフェース部
４０、４１、５０、５１ 相関曲線
４２ 最適電力時の磁界強度
４３ 余分な電力領域
４４ 不足する電力領域
ｄ 距離
ｄ１、ｄ２ 最適距離
ＺＬ１、ＺＬ２ 負荷インピーダンスの閾値

Claims (3)

1. ループ状のコイルアンテナを有し、非接触型ＩＣカードとの間で通信および電源供給を行う非接触型ＩＣカードリーダライタにおいて、前記コイルアンテナの負荷インピーダンス値を検出する手段と、前記負荷インピーダンス値に基づき、前記非接触型ＩＣカードリーダライタの前記コイルアンテナの実効巻き数を増減させる手段とを有することを特徴とする非接触型ＩＣカードリーダライタ。
2. 前記コイルアンテナの実効巻き数を増減させる手段は、前記コイルアンテナに１以上のスイッチを接続し、該スイッチを切り替えることを特徴とする請求項１記載の非接触型ＩＣカードリーダライタ。
3. 前記スイッチは、ヒステリシス特性を備えた比較回路によって切り替えられることを特徴とする請求項２に記載の非接触型ＩＣカードリーダライタ。

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