JP2008108043A

JP2008108043A - 非接触データキャリア読み書き装置、アンテナ出力回路およびアンテナ回路。

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Publication number: JP2008108043A
Application number: JP2006289766A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yamamoto; 英朗山本; Minoru Ikeda; 実池田; Yasuhiro Hosoda; 泰弘細田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: JP5047583B2

Abstract

【課題】小型で安価、かつ電源効率の良い非接触データキャリア読み書き装置、アンテナ出力回路およびアンテナ回路を提供することにある。
【解決手段】
搬送波信号Ａと同一の周波数を有する位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂに基づいて、第１の電力増幅信号を出力するパルス増幅器３と、位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃに基づいて、第２の電力増幅信号を出力するパルス増幅器４と、送信データに基づいて電源電圧を変調した電圧を、パルス増幅器３および４に供給する変調回路７と、第１および第２の電力増幅信号の高調波成分を減衰させる低域フィルタ５とを有するアンテナ出力回路１１と、低域フィルタ５から出力される第１および第２の入力信号とに対して対称的な構成となる、３個のコンデンサを有する整合回路８と、第１および第２の入力信号を合成し、非接触ＩＣカード１０に送信するアンテナコイル９を有するアンテナ回路１２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触データキャリアにデータを読み書きするアンテナ回路およびアンテナ出力回路を備える非接触データキャリア読み書き装置、当該アンテナ出力回路および当該アンテナ回路に関する。

従来、非接触ＩＣカードやＲＦタグは、鉄道改札などの交通分野をはじめ、在庫管理、運転免許証やパスポートなどで利用されている。上記利用に伴い、非接触ＩＣカードやＲＦタグ用のリーダライタも固定機器または電池駆動の携帯端末に組み込まれている。携帯端末が密着に近い状態で使用されることから、交通改札に求められる大きな通信距離は不要であるため、携帯端末での非接触ＩＣカード等のリーダライタでは、低電圧、低消費電力で駆動可能であることがより重要となる。ここで、携帯端末に内蔵される非接触ＩＣカード等のリーダライタへの電源供給手段は一般に電池であり、単一セルのリチウムイオン電池が多く使われている。そのため、利用可能な駆動電圧や消費電力に大きな制限を受けることとなる。しかし、従来技術のＩＣカードリーダライタでは、５Ｖ以上の高い電圧を必要とするうえ、リニア増幅器を使用したものでは電力効率が悪いため、電池駆動とするには、昇圧が必要であったり、発熱したり、使用可能時間が短いなどの欠点があった。そこで、上記の問題に対処するため、ＩＣカードリーダライタの電力増幅器としてＤ級アンプやＥ級アンプのようなパルス増幅器で構成したり、設置環境に応じて動的にアンテナ出力を制御したり、動的にアンテナ回路の整合を行ったりすることが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−３５５２１２号公報

しかしながら、上記の非接触データキャリア読み書き装置では、スイッチング動作による電力増幅により電力効率を改善することは可能であるが、電力増幅を１つの増幅素子を使用するシングル構成で行っているため、携帯機器に組み込んで使用する場合、大きな電源電圧が必要となり、非接触データキャリア読み書き装置用に電源電圧の昇圧が必要となり、昇圧のための電力ロスの発生、昇圧回路による大型化、コストアップなどの問題があった。当該問題における具体的な解決手段は、特許文献１に開示されていなかった。また、アンテナ回路を動的にアンテナ出力回路に整合させることにより効率化を図ることが開示されているが、アンテナ回路には可動部品が必要となり、アンテナ回路が大型化するといった問題があった。更に、パルス増幅器の使用時、アンテナ出力回路の出力制御の方法として方形波パルスのデューティー比を変えることが提案されているが、デューティー比を変えると、同時に高調波も増加し、当該高調波を除去する低域フィルタが大掛かりなものになり、アンテナ出力回路が大型化するといった問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、小型で安価、かつ電源効率の良い非接触データキャリア読み書き装置、アンテナ出力回路およびアンテナ回路を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置では、所定の搬送波を出力する搬送波発振器と、送信データに基づいて電源電圧を変調する変調回路と、前記変調回路で変調された電圧に基づいて、前記搬送波と同一の周波数を有する第１の方形波パルス信号を振幅変調するとともに増幅し、第１の電力増幅信号として出力する第１のパルス増幅器と、前記搬送波と同一の周波数を有し、前記第１の方形波パルス信号と逆位相の第２の方形波パルス信号を、前記変調回路で変調された電圧に基づいて振幅変調するとともに増幅し、第２の電力増幅信号として出力する第２のパルス増幅器と、前記第１の電力増幅信号および前記第２の電力増幅信号の高調波成分を減衰させる低域フィルタとを有するアンテナ出力回路と、
前記低域フィルタから出力される第１の入力信号と第２の入力信号とに対して対称的な構成となる、少なくとも３個のコンデンサを有する整合回路と、前記コンデンサに入力された前記第１の入力信号と前記第２の入力信号を合成し、非接触データキャリアに送信するアンテナを有するアンテナ回路とを備えることを特徴としている。

また、請求項２に記載のように、請求項１に記載の本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置では、前記アンテナ回路と前記アンテナ出力回路との間に整合状態を検出する整合状態検出手段とを備え、前記変調回路は、前記整合状態検出手段からの状態信号に基づいて、前記非接触データキャリアが前記アンテナ回路との通信可能範囲に存在しない場合に、前記第１のパルス増幅器および前記第２のパルス増幅器に供給する電圧を、前記変調した電圧より低下させることを特徴としている。

また、請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置では、前記非接触データキャリアと前記アンテナとの通信時、前記非接触データキャリアと前記アンテナとの相互インダクタンスが存在する状態で整合するように、前記整合回路の回路定数を決定することを特徴としている。

また、請求項４に記載のように、請求項１に記載の本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置では、前記非接触データキャリアが前記アンテナ回路との通信可能範囲に存在しないことを検出する非接触データキャリア検出手段とを備え、前記変調回路は、前記非接触データキャリア検出手段からの検出信号に基づいて、前記非接触データキャリアが前記アンテナ回路との通信可能範囲に存在しない場合に、前記第１のパルス増幅器および前記第２のパルス増幅器に供給する電圧を、前記変調した電圧より低下させることを特徴としている。

また、請求項５に記載のように、請求項１乃至４のいずれかに記載の本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置では、前記アンテナ出力回路は、前記搬送波に基づいて、前記第１の方形波パルス信号および前記第２の方形波パルス信号を出力するパルス生成回路を備えることを特徴としている。

また、請求項６に記載のように、本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置のアンテナ出力回路では、所定の搬送波を出力する搬送波発振器と、送信データに基づいて電源電圧を変調する変調回路と、前記変調回路で変調された電圧に基づいて、前記搬送波と同一の周波数を有する第１の方形波パルス信号を振幅変調するとともに増幅し、第１の電力増幅信号として出力する第１のパルス増幅器と、前記搬送波と同一の周波数を有し、前記第１の方形波パルス信号と逆位相の第２の方形波パルス信号を、前記変調回路で変調された電圧に基づいて振幅変調するとともに増幅し、第２の電力増幅信号として出力する第２のパルス増幅器と、前記第１の電力増幅信号および前記第２の電力増幅信号の高調波成分を減衰させる低域フィルタを備えることを特徴としている。

また、請求項７に記載のように、請求項６に記載の本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置のアンテナ出力回路では、前記搬送波に基づいて、前記第１の方形波パルス信号および前記第２の方形波パルス信号を出力するパルス生成回路を備えることを特徴としている。

また、請求項８に記載のように、本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置のアンテナ回路では、第１の入力信号と、前記第１の入力信号と同一周波数で逆位相を有する第２の入力信号とに対して対称的な構成となる、少なくとも３個のコンデンサを有する整合回路と、前記コンデンサに入力された前記第１の入力信号と前記第２の入力信号を合成し、非接触データキャリアに送信するアンテナを備えることを特徴としている。

また、請求項９に記載のように、請求項８に記載の本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置のアンテナ回路では、前記非接触データキャリアと前記アンテナとの通信時、前記非接触データキャリアと前記アンテナとの相互インダクタンスが存在する状態で整合するように、前記整合回路の回路定数を決定することを特徴としている。

本発明により、非接触データキャリア読み書き装置は、所定の搬送波に対する送信データに基づいて電源電圧を変調する変調回路と、変調回路で変調された電圧に基づいて、上記搬送波と同一の周波数を有する第１の方形波パルス信号を振幅変調するとともに増幅し、第１の電力増幅信号として出力する第１のパルス増幅器と、上記搬送波と同一の周波数を有し、第１の方形波パルス信号と逆位相の第２の方形波パルス信号を、変調回路で変調された電圧に基づいて振幅変調するとともに増幅し、第２の電力増幅信号として出力する第２のパルス増幅器と、第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号の高調波成分を減衰させる低域フィルタとを有するアンテナ出力回路と、低域フィルタから出力される第１の入力信号と第２の入力信号とに対して対称的な構成となる、少なくとも３個のコンデンサを有する整合回路と、上記コンデンサに入力された第１の入力信号と第２の入力信号を合成し、非接触データキャリアに送信するアンテナを有するアンテナ回路とを備えているので、電源電圧を昇圧することなく非接触データキャリアの動作に必要な磁界を得ることができる。これから、昇圧による電力損失の発生、昇圧回路によるアンテナ出力回路の大型化を防止できる。更に、昇圧回路が不要であるので、安価なアンテナ出力回路を実現できる。また、方形波パルスのデューティー比を変える必要がなく、低域フィルタの大型化を防止でき、アンテナ出力回路の大型化を防止できる。

また、本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置は、アンテナ回路とアンテナ出力回路との間に整合状態を検出する整合状態検出手段とを備え、変調回路は、整合状態検出手段からの状態信号に基づいて、非接触データキャリアがアンテナ回路との通信可能範囲に存在しない場合に、第１のパルス増幅器および第２のパルス増幅器に供給する電圧を、上記変調した電圧より低下させるので、消費電力を減少させることができる。

また、本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置は、非接触データキャリアとアンテナとの通信時、非接触データキャリアとアンテナとの相互インダクタンスが存在する状態で整合するように整合回路の回路定数を決定するので、非接触データキャリアと上記アンテナとの通信時、最良の整合を得ることができる。これから、アンテナ回路を動的にアンテナ出力回路に整合させなくとも、電源効率の改善が図られ、消費電力を低減できる。更に、アンテナ回路に可動部品が不要となり、アンテナ回路の小型化につながる。

また、本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置は、非接触データキャリアがアンテナ回路との通信可能範囲に存在しないことを検出する非接触データキャリア検出手段とを備え、変調回路は、非接触データキャリア検出手段からの検出信号に基づいて、非接触データキャリアがアンテナ回路との通信可能範囲に存在しない場合に、第１のパルス増幅器および第２のパルス増幅器に供給する電圧を、上記変調した電圧より低下させるので、消費電力を減少させることができる。

本発明に係る非接触データキャリア読み書き装置の一例として、非接触ＩＣカード内のデータを読み書きするアンテナ回路およびアンテナ出力回路を備える非接触ＩＣカードリーダライタについて説明する。以下に、本発明の第１および第２の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタについて、図１乃至図４を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタについて図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタ用アンテナ出力回路１１およびアンテナ回路１２の構成を示す図である。図１では、第１の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタの一部であるアンテナ出力回路１１とアンテナ回路１２のみ示している。

図１に示すように、第１の実施形態のアンテナ出力回路１１は、非接触ＩＣカード１０に電力を送ったり通信したりする基となる周波数１３．５６ＭＨｚを有する搬送波信号Ａ（図２参照）を出力する搬送波発振器１と、搬送波信号Ａと同一の周波数を有する第１の方形波パルス信号である位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂ（図２参照）と、搬送波信号Ａと同一の周波数を有し、位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂと逆位相の第２の方形波パルス信号である位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃ（図２参照）とを、搬送波信号Ａに基づいて、同時に生成する２相パルス生成回路２を備えている。また、位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂに基づいて第１の電力増幅信号を出力する第１のパルス増幅器であるパルス増幅器３と、位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃに基づいて第２の電力増幅信号を出力する第２のパルス増幅器であるパルス増幅器４と、パルス増幅器３および４で振幅変調されるのと同時に電力増幅された第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号から高調波成分を減衰させて、搬送波信号Ａと同じ周波数１３．５６ＭＨｚの基本波成分ＦおよびＧ（図２参照）を取り出す低域フィルタ５を有する。更に、アンテナ出力回路１１とアンテナ回路１２との間に整合状態を監視して、状態信号を出力する整合状態検出手段である整合状態検出回路６と、送信データＤ（図２参照）に基づいて電源電圧を振幅変調し、パルス増幅器３および４に上記変調した電圧Ｅ（図２参照）を供給する変調回路７を備えている。

具体的には、２相パルス生成回路２は、搬送波信号Ａを波形整形してデューティー比５０％の位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂと、位相反転した位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃとを生成する。遅延回路を挿入するなどにより、位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂと位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃの位相差が正確にπ［ｒａｄ］となるようにする。パルス増幅器３および４は、一方が電流ソースとなるときはもう一方が電流シンクとなるようなプッシュプル動作をするように、ＣＭＯＳインバータなどで構成されている。低域フィルタ５は、上記の通り、パルス増幅器３および４で電力増幅された第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号から、搬送波信号Ａと同じ周波数１３．５６ＭＨｚの基本波成分ＦおよびＧを取り出す。リニア増幅を行う場合に比べ、多くの高調波成分が含まれるため、当該高調波成分を十分に低減できるような特性とする。

整合状態検出回路６は方向性結合器などで実現可能であり、アンテナ出力回路１１とアンテナ回路１２との間の電圧定在波比ＶＳＷＲ（図３参照）を検出する方法により、アンテナ回路１２への進行波電圧に対する反射波電圧を監視する。これから、アンテナ回路１２との整合状態を監視し、上記整合状態を示す状態信号を変調回路７に出力する。変調回路７では、０または１で表される送信データＤの値に応じて、使用する非接触データキャリアである近接型非接触ＩＣカード１０の規格ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３で規定される変調度に対応した振幅の異なる２種類の電圧Ｖ１およびＶ２（図２参照）を発生させ、電圧Ｖ１およびＶ２からなる上記変調した電圧Ｅをパルス増幅器３および４に供給する。具体的には、外部から供給される電源電圧より低い２種類の電圧Ｖ１およびＶ２を作り、トランジスタなどのスイッチング素子を使って送信データＤの値に応じて電圧Ｖ１およびＶ２を切り替えて、上記変調した電圧Ｅを生成する。また、上記状態信号に応じて電圧Ｖ１およびＶ２より更に低い電圧Ｖ３およびＶ４を作り、上記状態信号の値が不整合を示す範囲となるときは、電圧Ｖ３およびＶ４をパルス増幅器３および４に供給する。これより、パルス増幅器３および４から、送信データＤの値に応じた２種類の電圧Ｖ１およびＶ２で電力増幅された方形波パルス信号である第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号が得られる。また、上記状態信号の値が不整合を示す範囲となるときは、２種類の電圧Ｖ３およびＶ４により、パルス増幅器３および４から、第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号よりも低減した出力が得られる。これから、消費電力を減少させることができる。

一方、第１の実施形態のアンテナ回路１２は、基本的に、低域フィルタ５から出力される第１の入力信号Ｆと第２の入力信号Ｇとに対して対称的な構成となる、３個のコンデンサを有する整合回路８と、上記コンデンサに入力された第１の入力信号Ｆと第２の入力信号Ｇを合成し、非接触ＩＣカード１０に送信するアンテナであるアンテナコイル９を有する。第１の入力信号Ｆと第２の入力信号Ｇを合成することにより、大きな出力Ｈ（図２参照）を獲得している。これにより、電源電圧の昇圧を不要とすることができる。これから、昇圧による電力損失の発生、昇圧回路によるアンテナ出力回路１１の大型化を防止できる。更に、昇圧回路が不要であるので、安価なアンテナ出力回路１１を実現できる。また、方形波パルスのデューティー比を変える必要がなく、低域フィルタ５の大型化を防止でき、アンテナ出力回路１１の大型化を防止できる。なお、第１の入力信号Ｆと第２の入力信号Ｇは、互いに位相がπ［ｒａｄ］異なる。また、整合回路８の３個のコンデンサの内、アンテナ出力回路１１に接続される２つのコンデンサについて、静電容量を互いに等しくしている。これにより、アンテナ出力回路１１から送信される位相が互いにπ［ｒａｄ］異なる波形の振幅を対称にすることが可能となる。なお、アンテナ回路１２の品質係数Ｑを調整するときは、アンテナコイル９に並列に抵抗を加える。

更に、第１の実施形態では、非接触ＩＣカード１０とアンテナコイル９との通信時、非接触ＩＣカード１０とアンテナコイル９との相互インダクタンスが存在する状態で、アンテナコイル９のインピーダンスとアンテナ出力回路１１が整合するように、整合回路８の回路定数を決定している。具体的には、非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲にあるとき、非接触ＩＣカード１０のアンテナコイル（不図示）とアンテナコイル９との間に相互インダクタンスが発生するので、当該相互インダクタンスが存在する状態で、アンテナコイル９の高いインピーダンスとアンテナ出力回路１１の出力インピーダンスが整合するように、整合回路８のコンデンサの静電容量を決定する。上記のようにすることで、非接触ＩＣカード１０がアンテナコイル９に接近し、非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲に存在するとき、最良の整合が得られるため、アンテナ回路１２を動的にアンテナ出力回路１１に整合させなくとも、電源効率の改善が図られ、消費電力を低減できる。更に、アンテナ回路１２に可動部品が不要となり、安価なアンテナ回路１２を実現でき、アンテナ回路１２の小型化にもつながる。

一方、非接触ＩＣカード１０がアンテナコイル９から離れ、非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲に存在しないときには、アンテナ出力回路１１とアンテナ回路１２が不整合となり、効率が悪化する。そこで、第１の実施形態の整合状態検出回路６は、上述のように、アンテナ回路１２との整合状態を示す状態信号を変調回路７に出力し、変調回路７から電圧Ｖ３およびＶ４を供給させている。これから、電圧Ｖ３およびＶ４によって、パルス増幅器３および４から、第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号よりも低減した出力が得られ、消費電力を減少させることができ、発熱も減少させることができる。

次に、第１の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタの各構成部品の出力波形について図２を参照して説明する。図２は、図１に示すアンテナ出力回路１１およびアンテナ回路１２の各構成部品の出力を示す図である。ここで、図２（ｉ）は搬送波発振器１の出力波形Ａを、図２（ｉｉ）は２相パルス生成回路２の出力波形ＢおよびＣを、図２（ｉｉｉ）は変調回路７に送信される送信データの波形Ｄを示している。更に、図２（ｉｖ）は変調回路７の出力波形Ｅを、図２（ｖ）は低域フィルタ５の出力波形ＦおよびＧを、図２（ｖｉ）はアンテナコイル９の両端出力波形Ｈを示している。なお、図２に示すＡ〜Ｈは図１のＡ〜Ｈに対応している。

搬送波発振器１は、図２（ｉ）に示す周波数１３．５６ＭＨｚの搬送波信号Ａを２相パルス生成回路２に送信する。２相パルス生成回路２は、例えばインバータによる位相反転、シュミットトリガー回路による波形整形を行い、抵抗器、コンデンサによるＣＲ時定数を利用した遅延回路を挿入することにより、図２（ｉｉ）に示すように、正確に位相がπ［ｒａｄ］異なる位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂと位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃを生成する。そして、位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂをパルス増幅器３に出力し、位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃをパルス増幅器４に出力する。変調回路７は、図２（ｉｉｉ）に示すハイレベル「１」、ローレベル「０」で表されるシリアル送信データＤに応じて、パルス増幅器３および４を駆動する電圧Ｖ１およびＶ２を生成する。例えば、図２（ｉｖ）に示すように、送信データＤの信号レベルがハイのとき電圧Ｖ１を、信号レベルがローのとき電圧Ｖ２を生成する。これから、送信データＤに基づいて電源電圧を振幅変調した、電圧Ｖ１およびＶ２からなる電圧Ｅをパルス増幅器３および４に供給している。

パルス増幅器３は、電圧Ｅに基づいて、位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂを増幅した第１の電力増幅信号を低域フィルタ５に出力する。同様に、パルス増幅器４は、電圧Ｅに基づいて、位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃを増幅した第２の電力増幅信号を低域フィルタ５に出力する。低域フィルタ５は、第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号から高調波成分を減衰させて、図２（ｖ）に示すように、搬送波信号Ａと同じ周波数１３．５６ＭＨｚの基本波成分ＦおよびＧを取り出す。そして、基本波成分Ｆを第１の入力信号として、基本波成分Ｇを第２の入力信号として、整合状態検出回路６を介してアンテナ回路１２に出力する。ここで、図２（ｖ）は時間軸を長く選びエンベロープを表示している。また、図２（ｖ）のグレーで示す部分は、１３．５６ＭＨｚの基本波成分で埋め尽くされている。また、アンテナ回路１２では、第１の入力信号Ｆと第２の入力信号Ｇを、整合回路８を介してアンテナコイル９に出力する。その際、アンテナコイル９の両端に逆位相で加え、プッシュプルで駆動することにより、アンテナコイル９の両端に加わる出力として、図２（ｖｉ）に示すような大きな振幅の波形Ｈを得る。ここで、図２（ｖｉ）は時間軸を長く選びエンベロープを表示している。また、図２（ｖｉ）のグレーで示す部分は、１３．５６ＭＨｚの基本波成分で埋め尽くされている。

ここで、非接触ＩＣカード１０がアンテナコイル９に接近し、通信可能範囲に
入ると、非接触ＩＣカード１０に内蔵されるアンテナコイル（不図示）とアンテナ回路１２のアンテナコイル９との間に相互インダクタンスが発生し、アンテナコイル９のインピーダンスが変化する（変化後のインピーダンスをＺとする。）。整合回路８の回路定数は、インピーダンスＺの状態におけるアンテナコイル９とアンテナ出力回路１１が整合するように決定される。一方、非接触ＩＣカード１０がアンテナコイル９から離れ、通信可能範囲に存在しないときには、上記相互インダクタンスが発生しないことから、アンテナコイル９のインピーダンスはインピーダンスＺと異なり、不整合となる。このため、電源効率が悪化するとともに発熱する。整合状態検出回路６は、上記の不整合状態を検出し、変調回路７に状態信号を出力し、変調回路７からパルス増幅器３および４に電圧Ｖ３およびＶ４を供給させている。ただし、この不整合状態では、送信データＤからの信号レベルがハイのとき電圧Ｖ３を、信号レベルがローのとき電圧Ｖ４を生成する。これから、電圧Ｖ３およびＶ４によって、パルス増幅器３および４から、第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号よりも低減した出力が得られ、消費電力を減少させることができ、発熱も減少させることができる。なお、電圧Ｖ３およびＶ４は、整合状態検出回路６で整合状態が判定可能な程度とする。

次に、整合状態検出回路６の動作について図３を参照して説明する。図３は、図１に示す整合状態検出回路６の動作を説明する状態遷移図である。図３に示すように、非接触ＩＣカード１０がアンテナコイル９との通信可能範囲に移動すると（ステップＳ０１０）、アンテナ回路１２は、非接触ＩＣカード１０の相互インダクタンスの影響を受けて、整合状態（ＶＳＷＲ≒１）となる（ステップＳ０２０）。一方、非接触ＩＣカード１０がアンテナコイル９との通信可能範囲から離れると（ステップＳ０１１）、非接触ＩＣカード１０の相互インダクタンスがなくなることから、アンテナ回路１２は不整合状態（ＶＳＷＲ≫１）となる（ステップＳ０２１）。なお、非接触ＩＣカード１０は、アンテナコイル９との通信可能範囲に移動した状態と当該通信可能範囲から離れた状態をループする。アンテナ回路１２は、整合状態（ＶＳＷＲ≒１）と不整合状態（ＶＳＷＲ≫１）をループする。

整合状態検出回路６は、アンテナ出力回路１１とアンテナ回路１２との間の電圧定在波比ＶＳＷＲを検出する方法により、進行波電圧に対する反射波電圧を時々刻々と監視する（ステップＳ０３０）。次に、整合状態検出回路６は、整合状態（ＶＳＷＲ≒１）または不整合状態（ＶＳＷＲ≫１）になったと判定した場合、当該状態信号を変調回路７に出力する機能を有している。なお、第１の実施形態では、整合状態／不整合状態であることを判定する基準として、予め、電圧定在波比ＶＳＷＲの閾値、例えば、定在波比閾値ＶＳＷＲｔｈ＝３を設定し、整合状態検出回路６に定在波比閾値ＶＳＷＲｔｈを格納しておく（ステップＳ０３１）。次に、整合状態検出回路６は、進行波電圧および反射波電圧から電圧定在波比ＶＳＷＲを算出する（ステップＳ０３２）。更に、算出した電圧定在波比ＶＳＷＲと上記格納された定在波比閾値ＶＳＷＲｔｈを比較する（ステップＳ０３３）。電圧定在波比ＶＳＷＲと定在波比閾値ＶＳＷＲｔｈを比較した結果、電圧定在波比ＶＳＷＲが定在波比閾値ＶＳＷＲｔｈより小さい場合（ステップＳ０３３でＹｅｓ）、アンテナ回路１２は「整合状態」であると判定する（ステップＳ０３４）。その後、「整合」を示す状態信号を生成し（ステップＳ０３５）、当該状態信号を変調回路７に送信する（ステップＳ０３６）。一方、電圧定在波比ＶＳＷＲが定在波比閾値ＶＳＷＲｔｈ以上の場合（ステップＳ０３３でＮｏ）、アンテナ回路１２は「不整合状態」であると判定する（ステップＳ０３７）。その後、「不整合」を示す状態信号を生成し（ステップＳ０３８）、当該状態信号を変調回路７に送信する（ステップＳ０３９）。送信後、整合状態検出回路６は、ステップＳ０３０に戻り、ステップＳ０３０〜Ｓ０３９の動作を繰り返し実行する。

変調回路７は、「整合」を示す状態信号を受信した場合（ステップＳ０４０）、電圧Ｖ１およびＶ２（図２参照）からなる変調した電圧Ｅをパルス増幅器３および４に供給する（ステップＳ０４１）。パルス増幅器３は、非接触ＩＣカード１０と通信可能なように、通常出力、すなわち、電圧Ｖ１およびＶ２（図２参照）からなる変調した電圧Ｅに基づいて、位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂを増幅した第１の電力増幅信号を低域フィルタ５に出力する（ステップＳ０５０）。同様に、パルス増幅器４は、非接触ＩＣカード１０と通信可能なように、電圧Ｖ１およびＶ２（図２参照）からなる変調した電圧Ｅに基づいて、位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃを増幅した第２の電力増幅信号を低域フィルタ５に出力する（ステップＳ０５０）。一方、「不整合」を示す状態信号を受信した場合（ステップＳ０４２）、電圧Ｖ３およびＶ４（図２参照）からなる変調した電圧Ｅをパルス増幅器３および４に供給する（ステップＳ０４３）。パルス増幅器３および４は、低減出力、すなわち、第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号よりも低減した出力を低域フィルタ５に出力する（ステップＳ０５１）。ここで、電圧Ｖ３およびＶ４の値は整合状態検出回路６で整合状態が判定可能な程度とし、再度非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲に移動してきたとき、整合状態と判定可能なものとする。なお、変調回路７は、「整合」を示す状態信号を受信し、パルス増幅器３および４に電圧Ｖ１およびＶ２（図２参照）からなる変調した電圧Ｅを供給する状態と、「不整合」を示す状態信号を受信し、パルス増幅器３および４に電圧Ｖ３およびＶ４（図２参照）からなる変調した電圧Ｅを供給する状態とをループする。また、パルス増幅器３および４は、通常出力状態と低減出力状態とをループする。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタについて、第１の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタと異なる点を中心に図４を参照して説明する。また、第２の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタについて、第１の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタと同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第２の実施形態では、非接触ＩＣカードリーダライタを内蔵する携帯機器などのポケットに非接触ＩＣカード１０を挿入して使う場合について説明している。図４は、本発明の第２の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタ用アンテナ出力回路２１およびアンテナ回路２２の構成を示す図である。図４では、第２の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタの一部であるアンテナ出力回路２１とアンテナ回路２２のみ示している。

図４に示すように第２の実施形態のアンテナ出力回路２１は、第１の実施形態と同様に、搬送波信号Ａを出力する搬送波発振器１と、搬送波信号Ａと同一の周波数を有する位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂと、搬送波信号Ａと同一の周波数を有し、位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂと逆位相の位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃとを、搬送波信号Ａに基づいて、同時に生成する２相パルス生成回路２を備えている。また、位相０［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｂに基づいて第１の電力増幅信号を出力するパルス増幅器３と、位相π［ｒａｄ］方形波パルス信号Ｃに基づいて第２の電力増幅信号を出力するパルス増幅器４と、パルス増幅器３および４で電力増幅された第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号から高調波成分を減衰させて、搬送波信号Ａと同じ周波数１３．５６ＭＨｚの基本波成分ＦおよびＧを取り出す低域フィルタ５を有する。更に、送信データＤに基づいて電源電圧を振幅変調し、パルス増幅器３および４に上記変調した電圧Ｅを供給する変調回路７を備えている。なお、第２の実施形態のアンテナ出力回路２１は、第１の実施形態と異なり、整合状態検出回路６を備えていない。

一方、第２の実施形態のアンテナ回路２２は、低域フィルタ５から出力される第１の入力信号Ｆと第２の入力信号Ｇとに対して対称的な構成となる、３個のコンデンサを有する整合回路８と、上記コンデンサに入力された第１の入力信号Ｆと第２の入力信号Ｇを合成し、非接触ＩＣカード１０に送信するアンテナコイル９を有する。第１の入力信号Ｆと第２の入力信号Ｇを合成することにより、大きな出力Ｈを獲得している。これから、第１の実施形態と同様に、昇圧による電力損失の発生、昇圧回路によるアンテナ出力回路２１の大型化を防止できる。更に、昇圧回路が不要であるので、安価なアンテナ出力回路２１を実現できる。また、方形波パルスのデューティー比を変える必要がなく、低域フィルタ５の大型化を防止でき、アンテナ出力回路２１の大型化を防止できる。なお、整合回路８の３個のコンデンサの内、アンテナ出力回路２１に接続される２つのコンデンサについて、静電容量を互いに等しくしている。これにより、アンテナ出力回路２１から送信される位相が互いにπ［ｒａｄ］異なる波形の振幅を対称にすることが可能となる。また、アンテナ回路２２の品質係数Ｑを調整するときは、アンテナコイル９に並列に抵抗を加える。

更に、第２の実施形態では、非接触ＩＣカード１０とアンテナコイル９との通信時、非接触ＩＣカード１０とアンテナコイル９との相互インダクタンスが存在する状態で、アンテナコイル９のインピーダンスとアンテナ出力回路２１が整合するように、整合回路８の回路定数を決定している。具体的には、非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲にあるとき、非接触ＩＣカード１０のアンテナコイル（不図示）とアンテナコイル９との間に相互インダクタンスが発生するので、当該相互インダクタンスが存在する状態で、アンテナコイル９の高いインピーダンスとアンテナ出力回路２１の出力インピーダンスが整合するように、整合回路８のコンデンサの静電容量を決定する。上記のようにすることで、第１の実施形態と同様に、非接触ＩＣカード１０がアンテナコイル９に接近し、非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲に存在するとき、最良の整合が得られるため、アンテナ回路２２を動的にアンテナ出力回路２１に整合させなくとも、電源効率の改善が図られ、消費電力を低減できる。更に、アンテナ回路２２に可動部品が不要となり、安価なアンテナ回路２２を実現でき、アンテナ回路２２の小型化にもつながる。

一方、非接触ＩＣカード１０がアンテナコイル９から離れ、非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲に存在しないときには、アンテナ出力回路２１とアンテナ回路２２が不整合となり、効率が悪化する。そこで、第２の実施形態では、第１の実施形態の整合状態検出回路６の代わりに、非接触データキャリア検出手段であるＩＣカード検出センサ２３をアンテナ回路２２に備えている。ＩＣカード検出センサ２３は、非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲に存在するか否か判定し、「通信可能状態」を示す検出信号または「通信不可能状態」を示す検出信号を変調回路７に出力する。具体的には、ＩＣカード検出センサ２３は、非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲に存在するか否かを、フォトダイオードなどを使用した光学的方法その他の方法により検出して、当該検出情報を電気的信号に変換し、アンテナ出力回路２１の変調回路７に送信する。変調回路７は、「通信可能状態」を示す検出信号を受信した場合、パルス増幅器３および４に電圧Ｖ１およびＶ２（図２参照）からなる変調した電圧Ｅを供給する。一方、「通信不可能状態」を示す検出信号を受信した場合、パルス増幅器３および４に電圧Ｖ３およびＶ４（図２参照）からなる変調した電圧Ｅを供給する。これから、第１の実施形態と同様に、電圧Ｖ３およびＶ４（図２参照）からなる変調した電圧Ｅによって、パルス増幅器３および４から、第１の電力増幅信号および第２の電力増幅信号よりも低減した出力が得られ、消費電力を減少させることができ、発熱も減少させることができる。

なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第１乃至第２の実施形態では、非接触データキャリアとして、非接触ＩＣカード１０を採用しているが、特にこれに限定されるものでなく、非接触でデータを読み書き可能な媒体であれば、例えば、ＲＦタグ等でも適用可能である。

また、第１乃至第２の実施形態では、非接触データキャリア読み書き装置の構成部品として、アンテナ出力回路とアンテナ回路のみ示しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の構成部品を備えていても良い。

また、第１の実施形態のアンテナ出力回路１１は、搬送波発振器１と、２相パルス生成回路２と、パルス増幅器３および４と、低域フィルタ５と、整合状態検出回路６と、変調回路７を備えているが、特にこれに限定されるものでなく、他の構成部品を備えていても良い。同様に、第２の実施形態のアンテナ出力回路２１は、搬送波発振器１と、２相パルス生成回路２と、パルス増幅器３および４と、低域フィルタ５と、変調回路７を備えているが、特にこれに限定されるものでなく、他の構成部品を備えていても良い。

また、第１の実施形態のアンテナ回路１２は、整合回路８とアンテナコイル９を備えているが、特にこれに限定されるものでなく、他の構成部品を備えていても良い。同様に、第２の実施形態のアンテナ回路２２は、整合回路８と、アンテナコイル９と、ＩＣカード検出センサ２３を備えているが、特にこれに限定されるものでなく、他の構成部品を備えていても良い。

また、第１の実施形態では、整合状態検出回路６はアンテナ出力回路１１に設けられているが、特にこれに限定されるものでなく、アンテナ回路１２に設けられていても良いし、アンテナ出力回路１１、アンテナ回路１２以外の非接触データキャリア読み書き装置に設けられていても良い。同様に、第２の実施形態では、ＩＣカード検出センサ２３はアンテナ回路２２に設けられているが、特にこれに限定されるものでなく、アンテナ出力回路２１に設けられていても良いし、アンテナ出力回路２１、アンテナ回路２２以外の非接触データキャリア読み書き装置に設けられていても良い。

また、第１の実施形態では、電圧Ｖ３およびＶ４について、具体的な波形および電圧値を説示していないが、電圧Ｖ１およびＶ２より低く、低減出力時、非接触ＩＣカード１０が通信可能範囲に移動してきた場合に、整合状態検出回路６が整合状態と判定可能であれば、任意の波形および電圧値を用いることができる。同様に、第２の実施形態でも、電圧Ｖ３およびＶ４について、具体的な波形および電圧値を説示していないが、任意の波形および電圧値を用いることができる。

また、第２の実施形態では、非接触ＩＣカードリーダライタを内蔵する携帯機器などのポケットに非接触ＩＣカード１０を挿入して使う場合について示しているが、特にこれに限定されるものでなく、携帯機器以外の装置についても適用可能である。また、第２の実施形態では、携帯機器本体の機能（例えば、ディスプレイ表示機能やダイヤルボタン入出力装置）と、アンテナ出力回路２１の機能が明確に分離されている場合について説明しているが、特にこれに限定されるものでなく、上記の携帯機器本体の機能とアンテナ出力回路２１の機能を融合した１チップＬＳＩにも適用可能である。

また、第２の実施形態では、ＩＣカード検出センサ２３について具体的な回路構成を説示していないが、ＩＣカード検出センサ２３は、検出情報を電気的信号に変換する機能およびアンテナ出力回路２１の変調回路７に送信する機能を備えていれば、任意の装置を用いることができる。例えば、特許第３５２９０８７号の図８に示すような、投光部から受光部に随時、投光された光線をＩＣカードが遮断したことを検出してＩＣカードの存在を判定するリーダライタでも良い。また、同特許の図９に示すような、ＩＣカード挿入部の開放端対向端に設けられた圧電素子に印加された応力を検出してＩＣカードの存在を判定するリーダライタなどでも良い。

本発明の第１の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタ用アンテナ出力回路およびアンテナ回路の構成を示す図である。図１に示すアンテナ出力回路およびアンテナ回路の各構成部品の出力を示す図である。図１に示す整合状態検出回路の動作を説明する状態遷移図である。本発明の第２の実施形態に係る非接触ＩＣカードリーダライタ用アンテナ出力回路およびアンテナ回路の構成を示す図である。

符号の説明

１搬送波発振器、２２相パルス生成回路、３、４パルス増幅器、
５低域フィルタ、６整合状態検出回路、７変調回路、８整合回路、
９アンテナコイル、１０非接触ＩＣカード、１１アンテナ出力回路、
１２アンテナ回路、２１アンテナ出力回路、２２アンテナ回路、
２３ＩＣカード検出センサ

Claims

所定の搬送波を出力する搬送波発振器と、送信データに基づいて電源電圧を変調する変調回路と、前記変調回路で変調された電圧に基づいて、前記搬送波と同一の周波数を有する第１の方形波パルス信号を振幅変調するとともに増幅し、第１の電力増幅信号として出力する第１のパルス増幅器と、前記搬送波と同一の周波数を有し、前記第１の方形波パルス信号と逆位相の第２の方形波パルス信号を、前記変調回路で変調された電圧に基づいて振幅変調するとともに増幅し、第２の電力増幅信号として出力する第２のパルス増幅器と、前記第１の電力増幅信号および前記第２の電力増幅信号の高調波成分を減衰させる低域フィルタとを有するアンテナ出力回路と、
前記低域フィルタから出力される第１の入力信号と第２の入力信号とに対して対称的な構成となる、少なくとも３個のコンデンサを有する整合回路と、前記コンデンサに入力された前記第１の入力信号と前記第２の入力信号を合成し、非接触データキャリアに送信するアンテナを有するアンテナ回路とを備えることを特徴とする非接触データキャリア読み書き装置。
前記アンテナ回路と前記アンテナ出力回路との間に整合状態を検出する整合状態検出手段とを備え、
前記変調回路は、前記整合状態検出手段からの状態信号に基づいて、前記非接触データキャリアが前記アンテナ回路との通信可能範囲に存在しない場合に、前記第１のパルス増幅器および前記第２のパルス増幅器に供給する電圧を、前記変調した電圧より低下させることを特徴とする請求項１に記載の非接触データキャリア読み書き装置。
前記非接触データキャリアと前記アンテナとの通信時、前記非接触データキャリアと前記アンテナとの相互インダクタンスが存在する状態で整合するように、前記整合回路の回路定数を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の非接触データキャリア読み書き装置。
前記非接触データキャリアが前記アンテナ回路との通信可能範囲に存在しないことを検出する非接触データキャリア検出手段とを備え、
前記変調回路は、前記非接触データキャリア検出手段からの検出信号に基づいて、前記非接触データキャリアが前記アンテナ回路との通信可能範囲に存在しない場合に、前記第１のパルス増幅器および前記第２のパルス増幅器に供給する電圧を、前記変調した電圧より低下させることを特徴とする請求項１に記載の非接触データキャリア読み書き装置。
前記アンテナ出力回路は、前記搬送波に基づいて、前記第１の方形波パルス信号および前記第２の方形波パルス信号を出力するパルス生成回路を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の非接触データキャリア読み書き装置。
所定の搬送波を出力する搬送波発振器と、
送信データに基づいて電源電圧を変調する変調回路と、
前記変調回路で変調された電圧に基づいて、前記搬送波と同一の周波数を有する第１の方形波パルス信号を振幅変調するとともに増幅し、第１の電力増幅信号として出力する第１のパルス増幅器と、
前記搬送波と同一の周波数を有し、前記第１の方形波パルス信号と逆位相の第２の方形波パルス信号を、前記変調回路で変調された電圧に基づいて振幅変調するとともに増幅し、第２の電力増幅信号として出力する第２のパルス増幅器と、
前記第１の電力増幅信号および前記第２の電力増幅信号の高調波成分を減衰させる低域フィルタを備えることを特徴とする非接触データキャリア読み書き装置のアンテナ出力回路。
前記搬送波に基づいて、前記第１の方形波パルス信号および前記第２の方形波パルス信号を出力するパルス生成回路を備えることを特徴とする請求項６に記載の非接触データキャリア読み書き装置のアンテナ出力回路。
第１の入力信号と、前記第１の入力信号と同一周波数で逆位相を有する第２の入力信号とに対して対称的な構成となる、少なくとも３個のコンデンサを有する整合回路と、
前記コンデンサに入力された前記第１の入力信号と前記第２の入力信号を合成し、非接触データキャリアに送信するアンテナを備えることを特徴とする非接触データキャリア読み書き装置のアンテナ回路。
前記非接触データキャリアと前記アンテナとの通信時、前記非接触データキャリアと前記アンテナとの相互インダクタンスが存在する状態で整合するように、前記整合回路の回路定数を決定することを特徴とする請求項８に記載の非接触データキャリア読み書き装置のアンテナ回路。