JP2009124546A - 通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＣカード機能とリーダ／ライタ機能を有する通信装置で、生産上で共振周波数のバラツキがあっても安定した通信が行えるようにする。
【解決手段】アンテナ回路として送信用アンテナ部と受信用アンテナ部を備える構成であって、送信用アンテナ部に、リーダ／ライタ機能で動作する第１の変調信号発生部と、ＩＣカード機能で動作する第２の変調信号発生部（負荷変調回路）を接続する。これによって受信信号に影響させないで負荷変調を深くかけることができるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は通信装置に関し、特に、リーダ／ライタ装置と非接触ＩＣカードの間の非接触通信で用いることのできる通信装置に関するものである。

特許第３５７９８９９号公報 特開２００７−２７８２９号公報

非接触ＩＣカードは、その情報の読み取りや書き込みを行う装置（以降、リーダ／ライタ装置と表記する）との間で無線通信により簡単に情報のやり取りを行うことが可能であるととともに、磁気カードに比べて記憶容量が大きく、また、格納した情報の不正な読み出しや改竄に対する耐性が高いなど、数々の優れた特徴を有している。そのため、近年では、例えば金融機関のクレジットカードや、電子マネーの格納用カード、交通機関の定期券などの用途で、広く一般に利用されている。
また、非接触ＩＣカードと同等の通信機能を、携帯電話機やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの機器に内蔵し、これらの機器がＩＣカードと同様に使用できるようにしたものも開発されている。

ここで、例えば携帯電話機などの機器に内蔵される通信装置として、ＩＣカードとしてもリーダ／ライタ装置としても使用できるようにする通信装置を新たに考える。
つまり、その通信装置は、外部のリーダ／ライタ装置と近接された際にはＩＣカードとして機能して通信を行う。また外部のＩＣカードと近接された際にはリーダ／ライタ装置として機能して通信を行うものである。

このように、ＩＣカード機能とリーダ／ライタ機能を備えた通信装置のフロントエンドの構成例を図５に示す。
アンテナ回路５０は、コイルＬ１０、コンデンサＣ１０の並列共振回路と、コンデンサＣ１１を有して構成される。
このアンテナ回路５０に対して並列に、抵抗Ｒ１０及び変調信号発生回路５１が接続される。変調信号発生回路５１については、信号源として簡略化して示しているが、この通信装置がリーダ／ライタ装置として機能する際に、外部のＩＣカードに対して送信するＡＳＫ（Amplitude Shift Keying)変調信号を発生させる回路部である。例えば周波数１３．５６ＭＨｚのキャリア信号を、送信するデータによりＡＳＫ変調する回路である。

アンテナ回路５０に対して、ダイオードＤ１０を介してＡＳＫ復調回路５３，及びクロック生成回路５４が接続される。ＡＳＫ復調回路５３，及びクロック生成回路５４は、この通信装置の復調系となる。
例えば外部のリーダ／ライタ装置から信号を受信する場合は、外部のリーダ／ライタ装置から送出された電波（例えばキャリア周波数１３．５６ＭＨｚの変調信号）をアンテナ回路５０で受信し、電圧信号に変換した後、ＡＳＫ復調回路５３の復調処理でＡＳＫ変調信号をデジタル信号に復調し、ベースバンド信号Ｓｄを再生し、後段の制御ロジック回路５６へ供給する。
また外部のＩＣカードから信号を受信する場合は、外部のＩＣカードでのキャリア信号の負荷変調として送出された電波をアンテナ回路５０で受信し、電圧信号に変換した後、ＡＳＫ復調回路５３の復調処理でＡＳＫ変調信号をデジタル信号に復調し、ベースバンド信号Ｓｄを再生し、制御ロジック回路５６へ供給する。
また、クロック生成回路５４では、受信信号から復調処理に用いるクロックを生成し、制御ロジック回路５６に供給する。

また、アンテナ回路５０に対して、ダイオードＤ２０を介して負荷変調回路５５が接続される。例えば負荷変調回路５５は、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２と、例えばＦＥＴによるスイッチ素子Ｔｒ１０で形成される。
この負荷変調回路５５は、この通信装置がＩＣカードとして機能する場合に送信信号（変調信号）を発生させる回路部となる。
外部のリーダ／ライタ装置に対して信号を送信する場合は、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，スイッチ素子Ｔｒ１０から成る負荷変調回路５５が、キャリア信号を変調する。即ち送信のための変調制御信号Ｓｍに応じてスイッチ素子Ｔｒ１０がオン／オフされることで、負荷抵抗値が変化するが、これが外部のリーダ／ライタ装置側でキャリア信号のＡＳＫ変調信号、つまりＩＣカード側からの送信情報として検出される。

また、抵抗Ｒ１０及び変調信号発生回路５１に対しては、例えばＦＥＴによるスイッチ素子５２が並列に接続される。
このスイッチ素子５２は、選択信号Ｓｓｅｌによってオン／オフされる。選択信号Ｓｓｅｌは、カード機能とリーダ／ライタ機能を選択する信号である。

この図５の構成においては、外部のリーダ／ライタ装置に対するＩＣカードとして機能する場合は、スイッチ素子５２がオンとされる。スイッチ素子５２が導通することで、変調信号発生回路５１は機能しない状態となる。
そしてＡＳＫ復調回路５３で受信信号の復調が行われ、また負荷変調回路５５により外部のリーダ／ライタ装置に対する送信のための変調が行われる。

一方、外部のＩＣカードに対するリーダ／ライタ装置として機能する場合は、スイッチ素子５２がオフとされる。この場合、変調信号発生回路５１が機能して、アンテナ回路５０から外部のＩＣカードに対する送信が行われる。
また外部のＩＣカードからの送信情報は、ＡＳＫ復調回路５３で復調される。なお、リーダ／ライタ機能時は、負荷変調回路５５での変調動作は行われない。

ＩＣカード及びリーダ／ライタ装置の両機能を備えるようにする場合、例えばこのような回路が考えられる。
ところがこのような構成の場合、リーダ／ライタ機能として電波送信を行う際に、アンテナ回路５０と、ＡＳＫ復調回路５３、クロック生成回路５４、負荷変調回路５５等との接続により電流のロスが生じ、なるべく遠距離に電波を送信したいということに対して不利となっていた。

そこで、図６のような回路が考えられた。これはアンテナ回路を、アンテナ回路６１，６２に分けたものである。アンテナ回路６１はコイルＬ２１とコンデンサＣ２１で構成する。またアンテナ回路６２は、コイルＬ２２とコンデンサＣ２２，Ｃ２３で構成する。
そしてアンテナ回路６１には、ダイオード１０を介してＡＳＫ復調回路５３、クロック生成回路５４を接続し、またダイオードＤ２０を介して負荷変調回路５５を接続する。
アンテナ回路６２については、抵抗Ｒ１０及び変調信号発生回路５１を接続する。
この構成により、リーダ／ライタ機能時の送信電波のロスを解消する。

ところが、以上の図５，図６の構成では、以下のような問題がある。
非接触ＩＣカードでは、外部のリーダ／ライタ装置に対する通信可能距離として、最低限の距離が規格上、定められている。
リーダ／ライタ装置としては多数のメーカーが多種多様な機種を提供しているが、例えば非接触ＩＣカードは、それらの多様な機種のそれぞれに対して、通信可能な最低限の距離を確保していなければならない。

図７（ａ）（ｂ）は、図６の構成により非接触ＩＣカードとして機能する機器について、外部のリーダ／ライタ装置としての機種Ａ、機種Ｂとの間の通信可能距離を示したものである。
この場合、横軸を周波数とし、非接触ＩＣカードの設計上の共振周波数をｆｃとしている。共振周波数はアンテナ回路６１とアンテナ回路６２で構成される共振回路の共振周波数である。
また縦軸は非接触ＩＣカードとリーダ／ライタ装置の離間距離を示しているが、規格上で最低限クリアする必要のある離間距離をｄ１とする。
例えば図７（ａ）の場合、図６の通信装置が非接触ＩＣカードとして機能する場合、機種Ａのリーダ／ライタ装置に対して距離ｄ２まで通信可能であったことを示している。また図７（ｂ）では、機種Ｂのリーダ／ライタ装置に対して距離ｄ３まで通信可能であったことを示している。
この場合、いずれのリーダ／ライタ装置に対しても、距離ｄ１以上の通信が実現されているため、非接触ＩＣカードとして問題ないものとなる。

但し、この図７は、あくまでアンテナ回路６１とアンテナ回路６２で構成する共振回路の共振周波数が、正しく「ｆｃ」となっている場合である。ところが実際には、生産上のバラツキ（例えばコンデンサＣ２１の容量バラツキ等）により、実際の共振周波数がばらつく。例えば製品毎に、図８（ａ）（ｂ）に示すｆ１〜ｆ２の範囲での共振周波数のバラツキが生じる。
この図８（ａ）（ｂ）は、図７（ａ）（ｂ）と同様に機種Ａ、Ｂに対する非接触ＩＣカード機能時の特性であるが、共振周波数がｆ１〜ｆ２にばらつくことを想定し、それぞれの共振周波数での通信距離を示している。

そして機種Ａのリーダ／ライタ装置に対しては、共振周波数がｆ２の近辺となっていると、距離ｄ１での通信が維持できない。つまり通信距離が足りないという結果になる。
また機種Ｂのリーダ／ライタ装置に対しては、共振周波数がｆ１の近辺となっていると、通信距離が足りないという結果になる。
通信距離を伸ばすには、負荷変調を深くかけるようにすればよいが、負荷変調を深くすると受信波形を潰してしまい、クロック再生に支障が出るなどの影響があるため、むやみに変調度を上げるわけにはいかない。

つまり、非接触ＩＣカード機能の際には、製造上の原因で共振周波数のバラツキが生ずると、十分な通信距離を得られない場合がある。
そこで本発明では、共振周波数のバラツキがあっても、安定した通信ができるようにすることを目的とする。

本発明の通信装置は、外部のＩＣカードに対してリーダ／ライタ装置として非接触通信を行うリーダ／ライタ機能と、外部のリーダ／ライタ装置に対してＩＣカードとして非接触通信を行うＩＣカード機能とを備えた通信装置である。そして、コイルと容量素子による共振回路を有して形成され、外部装置との非接触通信での受信に用いられる受信用アンテナ部と、コイルと容量素子による共振回路を有して形成され、外部装置との非接触通信での送信に用いられる送信用アンテナ部と、上記受信用アンテナ部で受信した変調信号を復調する復調回路部と、上記リーダ／ライタ機能としての動作の際に送信情報としての変調信号を発生する第１の変調信号発生部と、上記ＩＣカード機能としての動作の際に送信情報としての変調信号を発生する第２の変調信号発生部とを備える。そして、上記リーダ／ライタ機能としての動作の際には、上記第１の変調信号発生部が、上記送信用アンテナ部の共振回路に対して並列接続されて機能し、上記ＩＣカード機能としての動作の際には、上記第２の変調信号発生部が、上記送信用アンテナ部の共振回路に対して並列接続されて機能する構成とする。例えば上記第２の変調信号発生部は、常時、上記送信用アンテナ部に接続されているようにする。

即ち本発明では、アンテナ回路として送信用アンテナ部と受信用アンテナ部を備える構成であって、送信用アンテナ部に、リーダ／ライタ機能で動作する第１の変調信号発生部と、ＩＣカード機能で動作する第２の変調信号発生部（負荷変調回路）を接続するようにする。

本発明の構成により、共振周波数のバラツキがあっても、十分な通信距離を確保できる。
特に、ＩＣカード機能時に動作する第２の変調信号発生部は送信用アンテナ部に接続され、復調回路部は受信用アンテナ部に接続されているため、より深い負荷変調をかけることができ、これによって通信距離を伸ばすことができる。
また、生産上で生ずる或る程度の共振周波数のバラツキも許容できるため、製造の効率化や歩留まりの向上といった利点も得られる。

本発明の通信装置の実施の形態を説明する。
実施の形態の通信装置１１は、図１に示すように、携帯端末１０として例えば携帯電話機やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの機器に内蔵される。そしてこの通信装置１１は、ＩＣカードとしてもリーダ／ライタ装置としても使用できるものである。
つまり本例の通信装置１１は、外部のリーダ／ライタ装置２００と近接された際にはＩＣカードとして機能して非接触通信を行う。例えばＩＣカード機能として、鉄道等の改札通過に使用できたり、店頭での代金支払いに使用できる。
また外部のＩＣカード１００と近接された際にはリーダ／ライタ装置として機能して非接触通信を行うものである。例えば外部のＩＣカード１００の使用履歴の読み取りなどを行い、使用履歴を携帯機器１０の表示部に表示させることなどができる。

このように、ＩＣカード機能とリーダ／ライタ機能を備えた本実施の形態の通信装置１１のフロントエンド１の構成例を図２に示す。
非接触通信に用いるアンテナとして、受信用アンテナ回路２と、送信用アンテナ回路３が設けられる。
受信用アンテナ回路２は、コイルＬ１、コンデンサＣ１の並列共振回路で構成される。
送信用アンテナ回路３は、コイルＬ２、コンデンサＣ２の並列共振回路と、コンデンサＣ３を有して構成される。

受信用アンテナ回路２に対しては、ダイオードＤ１を介してＡＳＫ復調回路４，及びクロック生成回路５が接続される。ＡＳＫ復調回路４，及びクロック生成回路５は、この通信装置がＩＣカードとして機能する場合と、リーダ／ライタ装置として機能する場合とで共通して復調系として動作する。
例えば外部のリーダ／ライタ装置２００から信号を受信する場合は、外部のリーダ／ライタ装置２００から送出された電波（例えばキャリア周波数１３．５６ＭＨｚの変調信号）を受信用アンテナ２で受信し、電圧信号に変換された後、ＡＳＫ復調回路４の復調処理でＡＳＫ変調信号をデジタル信号に復調し、ベースバンド信号Ｓｄを再生し、後段の制御ロジック回路９へ供給する。
また外部のＩＣカード１００から信号を受信する場合は、外部のＩＣカード１００でのキャリア信号の負荷変調として送出された電波を受信用アンテナ回路２で受信し、電圧信号に変換された後、ＡＳＫ復調回路４の復調処理でＡＳＫ変調信号をデジタル信号に復調し、ベースバンド信号Ｓｄを再生し、制御ロジック回路９へ供給する。
また、クロック生成回路５では、受信信号から復調処理に用いるクロックを生成し、制御ロジック回路９に供給する。

送信用アンテナ回路３に対しては、並列に抵抗Ｒ３及び変調信号発生回路７が接続される。変調信号発生回路３については、信号源として簡略化して示しているが、この通信装置１１がリーダ／ライタ装置として機能する際に、外部のＩＣカード１００に対して送信するＡＳＫ変調信号を発生させる回路部である。例えば周波数１３．５６ＭＨｚのキャリア信号を、送信するデータによりＡＳＫ変調して送信信号を生成する。

また、抵抗Ｒ３及び変調信号発生回路７に対しては、例えばＦＥＴによるスイッチ素子８が並列に接続される。
このスイッチ素子８は、選択信号Ｓｓｅｌによってオン／オフされる。選択信号Ｓｓｅｌは、カード機能とリーダ／ライタ機能を選択する信号である。

また、送信用アンテナ回路３に対して、ダイオードＤ２を介して負荷変調回路６が接続される。例えば負荷変調回路６は、抵抗Ｒ１，Ｒ２と、例えばＦＥＴによるスイッチ素子Ｔｒ１で形成される。
この負荷変調回路６は、本例の通信装置１１がＩＣカードとして機能する場合に送信信号（変調信号）を発生させる回路部となる。
外部のリーダ／ライタ装置２００に対して信号を送信する場合は、抵抗Ｒ１，Ｒ２，スイッチ素子Ｔｒ１から成る負荷変調回路６が、キャリア信号を変調する。即ち送信のための変調制御信号Ｓｍに応じてスイッチ素子Ｔｒ１がオン／オフされることで、負荷抵抗値が変化するが、これが外部のリーダ／ライタ装置２００側でキャリア信号のＡＳＫ変調信号、つまりＩＣカード側からの送信情報として検出される。

このような本例の構成においては、外部のリーダ／ライタ装置２００に対するＩＣカードとして機能する場合は、スイッチ素子８がオンとされる。
スイッチ素子８がオンとされた際（ＩＣカード機能時）の等価回路を図３（ａ）に示す。図のように、送信用アンテナ回路３において、コンデンサＣ３はコンデンサＣ２に対して並列となる。そして、コイルＬ２、コンデンサＣ２、Ｃ３の並列回路に対して並列に、ダイオードＤ２及び負荷変調回路６が接続されることになる。なお、この図３（ａ）では負荷変調回路６を可変抵抗器の記号で示している。
この等価回路からわかるように、スイッチ素子８が導通することで、変調信号発生回路７は機能せず、また負荷変調回路６が送信用アンテナ回路３に並列接続された状態となる。
そして受信用アンテナ回路２での受信とＡＳＫ復調回路５３で受信信号の復調が行われ、また負荷変調回路６と送信用アンテナ回路３により外部のリーダ／ライタ装置２００に対する送信が行われる。
なお、コンデンサＣ３がコンデンサＣ２に対して並列となることで、インピーダンスが高く電流量が少なくなり、ＩＣカードとして適した状態となっている。

一方、外部のＩＣカード１００に対するリーダ／ライタ装置として機能する場合は、スイッチ素子８がオフとされる。
スイッチ素子８がオフとされた際（リーダ／ライタ機能時）の等価回路を図３（ｂ）に示す。図のように、送信用アンテナ回路３において、コンデンサＣ３はコンデンサＣ２に対して直列となる。そして、この送信用アンテナ回路３に対して、抵抗Ｒ３と変調信号発生回路７が並列接続される。
負荷変調回路６については、リーダ／ライタ機能時には負荷変調回路６のスイッチ素子Ｔｒ１がオン／オフ制御されない（例えば常時オフ）ため、単なる抵抗器の記号で示している。
この等価回路からわかるように、スイッチ素子８がオフとなることで、変調信号発生回路７が機能して、外部のＩＣカード１００に対するＡＳＫ変調信号の送信が行われる。負荷変調回路６による負荷変調は行われない。また受信用アンテナ回路２での受信とＡＳＫ復調回路５３で受信信号の復調が行われる。
なお、コンデンサＣ３がコンデンサＣ２に対して直列となることで、送信用アンテナ回路３のインピーダンスが低くなり、電流量を多くできるため、送信距離を伸ばしたいリーダ／ライタ装置として適した状態となる。

フロントエンド２が、このような構成とされる本例の通信装置１１でのカード機能時の通信距離の特性を、上述した図８の場合と同様に、機種Ａ，Ｂのリーダ／ライタ装置２００に対する場合として測定した結果を図４（ａ）（ｂ）に示す。
この場合、送信用アンテナ回路３のコイルＬ２、コンデンサＣ２のバラツキにより共振周波数がｆ１〜ｆ２にばらつくことを想定し、それぞれの共振周波数での通信距離を示している。
この図４（ａ）（ｂ）と、上述した図８と比較してわかるように、本例の場合、共振周波数がｆ１〜ｆ２の範囲でばらついても、機種Ａ、機種Ｂのいずれのリーダ／ライタ装置２００に対しても、距離ｄ１の通信を確保できている。

通信距離を伸ばすには、負荷変調を深くかけるようにすればよい。そして本例の場合は、負荷変調回路６における負荷変調を深くしても、受信波形に直接的な影響を与えない。負荷変調回路６が送信用アンテナ回路３側に接続されているためである。
このため、例えば抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値の設定により負荷変調を深くかけるようにすることができ、これによって図４に示した特性を実現できる。
またこのことは、共振周波数が或る程度ばらついてもよいということを意味する。従って生産上で生ずる或る程度の共振周波数のバラツキも許容できることとなり、製造の効率化や歩留まりの向上が実現される。

以上、実施の形態について説明してきたが、本発明の通信装置としてはさらに多様な構成が考えられる。
そして実施の形態で説明した通信装置構成は、非接触ＩＣカード機能とリーダ／ライタ機能を兼ね備える機器に広く適用できる。

本発明の実施の形態の通信装置の機能の説明図である。 実施の形態の通信装置の構成のブロック図である。 実施の形態の通信装置の各機能時の等価回路図である。 実施の形態の通信特性の説明図である。 ＩＣカード機能とリーダ／ライタ機能を備えた通信装置の構成の説明図である。 ＩＣカード機能とリーダ／ライタ機能を備えた通信装置の他の構成の説明図である。 設計上の共振周波数での通信特性の説明図である。 共振周波数のバラツキを考えた場合の通信特性の説明図である。

符号の説明

１ フロントエンド、２ 受信用アンテナ回路、３ 送信用アンテナ回路、４ ＡＳＫ復調回路、５ クロック生成回路、６ 負荷変調回路、７ 変調信号発生回路、８ スイッチ素子、１１ 通信装置

Claims (2)

1. 外部のＩＣカードに対してリーダ／ライタ装置として非接触通信を行うリーダ／ライタ機能と、外部のリーダ／ライタ装置に対してＩＣカードとして非接触通信を行うＩＣカード機能とを備えた通信装置であって、
   コイルと容量素子による共振回路を有して形成され、外部装置との非接触通信での受信に用いられる受信用アンテナ部と、
   コイルと容量素子による共振回路を有して形成され、外部装置との非接触通信での送信に用いられる送信用アンテナ部と、
   上記受信用アンテナ部で受信した変調信号を復調する復調回路部と、
   上記リーダ／ライタ機能としての動作の際に送信情報としての変調信号を発生する第１の変調信号発生部と、
   上記ＩＣカード機能としての動作の際に送信情報としての変調信号を発生する第２の変調信号発生部と、
   を備え、
   上記リーダ／ライタ機能としての動作の際には、上記第１の変調信号発生部が、上記送信用アンテナ部の共振回路に対して並列接続されて機能し、
   上記ＩＣカード機能としての動作の際には、上記第２の変調信号発生部が、上記送信用アンテナ部の共振回路に対して並列接続されて機能する構成とされていることを特徴とする通信装置。
2. 上記第２の変調信号発生部は、常時、上記送信用アンテナ部に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。

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