JP2009302615A - 負荷変調回路、集積回路、及び、ｉｃカード - Google Patents

Abstract

【課題】 様々なインピーダンス特性を持ったリーダライタ装置に対しても、同一の集積回路を用いたＩＣカードにおいて、コミュニケーションホールができない設定を可能とする。
【解決手段】 負荷変調方式によって外部の通信装置と非接触でデータ通信を行う集積回路の負荷変調回路１０が、１対のアンテナ端子の一方と接地電位ノードとの間に、実数インピーダンスによる第１の負荷変調手段１２と、虚数インピーダンスによる第２の負荷変調手段１３を、並列に接続して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、負荷変調方式によって外部の通信装置と非接触でデータ通信を行う非接触ＩＣカード用の半導体集積回路に関し、より詳しくは、例えば、様々なアンテナインピーダンスを持ったリーダライタ装置に対しても、コミュニケーションホールができないように通信条件を設定可能な負荷変調回路に関する。

近年、電子マネー、電子乗車券、社員証、ＰＣセキュリティ、国民ＩＤカード、電子パスポート等、非接触ＩＣカードシステムを利用したシステムが普及しつつある。

非接触ＩＣカードは、外部のリーダライタ装置と、ＩＣカード内に搭載された半導体集積回路装置との間で、非接触で情報交換を行うことが可能となっている。非接触での情報交換は、ＩＣカード及びリーダライタ装置に夫々設けられたアンテナコイルを通じて行われる。リーダライタ装置のアンテナコイルから発生する所定の周波数の電磁界にＩＣカードのアンテナコイルを進入させると、電磁誘導作用によってリーダライタ装置からＩＣカードへ電力が供給されるとともに、リーダライタ装置との間でデータの送受信が可能となる。例えば、非接触ＩＣカードの規格の一つであるＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３では、電磁界の周波数は１３．５６ＭＨｚと規定されている。

非接触ＩＣカードシステムでは、リーダライタ装置からＩＣカードにデータを送信する場合、リーダライタ装置は発生させた電磁界にＡＳＫ変調（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を掛けることによってデータをＩＣカードに送信する。また、ＩＣカードがリーダライタ装置にデータを送信する場合、ＩＣカードは受信した電磁界に負荷変調を掛けることによってデータをリーダライタ装置に送信する。負荷変調は一般に、ＩＣカードに設けられた抵抗性または容量性の負荷のインピーダンスを、スイッチ回路のオンオフ動作で変化させることによって行われている。ＩＣカードが負荷変調を掛けると、反射波の影響で電磁界に変化が現れる。リーダライタ装置は、電磁界の当該変化を電圧や位相の変化として検出することによってＩＣカードが送信した信号を受け取ることができる。

このような通信に関する規格はＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３やＩＳＯ／ＩＥＣ１０３７３のような国際規格で規定されている。例えば、ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３では、ＩＣカードがリーダライタ装置にデータを送信する場合、ＩＣカードの負荷変調強度は３０／Ｈ^１．２ｍＶｐｅａｋ（Ｈは磁界強度）以上であることが規定されている。また、ＩＳＯ／ＩＥＣ１０３７３では、負荷変調強度の測定方法等について規定されている。この規格では、負荷変調度の測定は、５０Ωに整合され、規定の特性を持った試験用アンテナコイルから電磁界を発生させ、所定の距離に配置されたＩＣカードからの応答信号のレベルを測定することにより行われる。

一方、リーダライタ装置の受信回路は、少なくとも前記規格の負荷変調強度の信号が受信可能に設計されている。従って、規格上、ＩＣカードとリーダライタ装置の特性が共に規格内であれば互いに問題なく通信できることになる。

しかしながら、上述の関係は、前記試験用アンテナコイルとの間でのみ妥当するのであり、実際のリーダライタ装置のアンテナコイルは、必ずしも試験用アンテナコイルと同じ特性ではなく、アンテナインピーダンスも５０Ωに整合されているとは限らない。また、使用状況や用途によって、リーダライタ装置のアンテナコイルの大きさも様々であるため、ＩＣカードとのアンテナ間の結合度（結合係数ｋ）も様々な状態が考えられる。

リーダライタ装置は、用途によって様々な種類が存在する。例えば、パーソナルコンピュータや小型端末等に接続して使用されるような小型のリーダライタ装置の場合、ＩＣカードとは比較的近い距離（アンテナ間の結合度は高い）で通信が行われるため、アンテナコイルの口径も小さく出力電力も小さい。一方、電子乗車券等のように、タッチアンドゴーと呼ばれる方式で使用されるような大型のリーダライタ装置の場合、ＩＣカードとは比較的遠い距離（アンテナ間の結合度は低い）でも通信を行う必要があるため、アンテナコイルの口径も大きく出力電力も大きい。また、近年実用化された電子パスポートシステムでは、非接触型ＩＣチップとアンテナが内蔵されたＩＤ−３サイズの冊子と通信する必要があるため、使用されるリーダライタ装置は、通信距離よりも通信エリアが広くなるように設計されている。

これらのリーダライタ装置は、内蔵している受信回路も様々であり、受信方式も様々である。受信方式の中には、負荷変調によって変化した電磁界から電圧変化として受信する方式や、位相変化として受信する方式等が挙げられる。ＩＣカードからの負荷変調信号を受信する場合、この受信方式によっては通信に大きな影響を与える場合がある。

例えば、ＩＣカードからの負荷変調信号を受信する場合、負荷変調によって変化した電磁界から電圧変化として受信するタイプのリーダライタ装置では、ＩＣカードの消費電流の変化等による負荷の変動が検出し易くなる。このようなリーダライタ装置では抵抗性の負荷変調回路を備えたＩＣカードとの通信は良好となる。

ＩＣカードが抵抗性の負荷変調を掛けた場合、ＩＣカードでは消費電流が大きく変化し、この消費電流の変化によってＩＣカードの共振周波数も僅かながら変化する。この場合、リーダライタ装置から見たＩＣカードのインピーダンス変化は、実数インピーダンスの変化が支配的になるため、負荷変調によって変化した電磁界から電圧変化の検出が容易となるのである。

一方、ＩＣカードからの負荷変調信号を受信する場合、負荷変調によって変化した電磁界から位相変化として受信するタイプのリーダライタ装置では、ＩＣカードの共振周波数の変化等による負荷の変動が検出し易くなる。このようなリーダライタ装置では容量性の負荷変調回路を備えたＩＣカードとの通信は良好となる。

ＩＣカードが容量性の負荷変調を掛けた場合、ＩＣカードでは共振周波数が大きく変化し、この共振周波数の変化によってＩＣカードの電力給電特性も僅かながら変化する。この場合、リーダライタ装置から見たＩＣカードのインピーダンス変化は、虚数インピーダンスの変化が支配的になるため、負荷変調によって変化した電磁界からＩＣカードの位相変化の検出が容易となるのである。

しかしながら、上述の関係が逆の場合、即ち、負荷変調によって変化した電磁界から電圧変化として受信するタイプのリーダライタ装置と容量性の負荷変調回路を備えたＩＣカードの組み合わせ、或いは、負荷変調によって変化した電磁界から位相変化として受信するタイプのリーダライタ装置と抵抗性の負荷変調回路を備えたＩＣカードの組み合わせにおいては、通信不能となる場合が発生するという問題がある。

このような問題に関して、従来のＩＣカードシステムにおいては、システムで使用するＩＣカードの特性に合わせて、リーダライタ装置のアンテナ特性や受信特性を調整する等の対策が必要となっている。

更に、このような様々なリーダライタ装置とＩＣカードが通信を行う場合、負荷変調方式が同じであっても、或る組み合わせでは正常に通信できるが別の組み合わせでは通信ができない場合や、ＩＣカードを或る位置にかざしたときだけ動作しない場合がある。

これは、リーダライタ装置から見たＩＣカードのインピーダンスの絶対値がアンテナ間結合度の変動によって大きく変化し、その中で、ＩＣカードが負荷変調を掛けても負荷の変動によるインピーダンス変化が丁度相殺されてしまう状態が存在するためである。このような状態が存在することは、既に一般に知られており、特に、通信不能となる場所はコミュニケーションホールと呼ばれている。コミュニケーションホールは、或る特定の場所で発生するものではなく、また、リーダライタ装置及びＩＣカードが共に規格内であっても発生し得る。

このようなコミュニケーションホールに対する対策技術として、ＩＣカードの共振容量及びアンテナコイルのインダクタンスを調整し、ＩＣカードの共振周波数が所定の範囲に収まるように調整する方法が、下記の特許文献１に開示されている。

特開２００７−３０６２４０号公報

しかしながら、共振周波数を調整することによってＩＣカードのインピーダンスを変え、コミュニケーションホールができないようにする方法は、或る前提条件が必要となる。特に、所定のインピーダンス特性を持ったリーダライタ装置との間でコミュニケーションホールができないように設定することは可能であっても、様々なインピーダンス特性を持ったリーダライタに夫々適用することは困難であるという問題があった。

ＩＣカードは、リーダライタ装置から放射される所定の電磁界から電力を受電し、受電した電力を使用して通信動作や所定のコマンド処理動作を行うが、コマンド処理を行うと、コマンド処理に依存して所定の電力を消費する。ＩＣカードが動作する電磁界は、動作磁界強度として、ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３に規定されている。例えば、当該規格におけるＩＣカードの動作磁界強度の範囲は、１．５Ａ／ｍから７．５Ａ／ｍと規定されている。従って、当該規格に準拠したＩＣカードでは、動作可能な磁界強度の下限（最低動作磁界）が、少なくとも当該規格の下限以下となるように、アンテナや共振回路が設計されている。

ＩＣカードの電力給電特性は、アンテナ特性の中でも共振周波数に大きく支配される。例えば、電磁界の周波数が１３．５６ＭＨｚのＩＣカードシステムでは、ＩＣカードの共振周波数が１３．５６ＭＨｚよりも高くなるほど給電効率は悪くなり、１３．５６ＭＨｚに近づくほど給電効率は良くなることが一般に知られている。但し、ＩＣカードの共振周波数は、ＩＣカードに内蔵されている集積回路の消費電力等との関係により、１３．５６ＭＨｚに設定することが必ずしも最適な条件とは限らない。ＩＣカードの共振周波数は、ＩＣカードの負荷電力が増えると低くなる特性を持っているため、ＩＣカードに内蔵する集積回路の消費電力分を考慮し、通常１３．５６ＭＨｚよりも高めに設定することが一般的である。従って、ＩＣカードの共振周波数は、内蔵する集積回路の特性によって最適な値も異なるため、ＩＣカード毎に最適な共振周波数が設定されている。

従来のＩＣカードシステムでは、上述のＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３に準拠したＩＣカードを動作させるためのリーダライタ装置との組み合わせにおいて、コミュニケーションホールができないように、ＩＣカードの共振周波数を所定の範囲内に収まるように調整する技術が開示されている（上記特許文献１参照）。

しかし、ＩＣカードの共振周波数を所定の範囲内に収めても、リーダライタ装置のアンテナのインピーダンス特性によっては、コミュニケーションホールができてしまう可能性がある。この場合、コミュニケーションホールができない共振周波数を探し出し、その共振周波数をＩＣカードに設定したとしても、その共振周波数がＩＣカードの最適値であるとは限らない。従って、様々なインピーダンス特性を持ったリーダライタ装置に対しては、同一の集積回路を搭載したＩＣカードでは対応しきれないという問題があった。

以下に示す負荷変調回路、集積回路、及び、ＩＣカードは、非接触ＩＣカードにおける上記問題点に鑑みて考案されたものであり、その目的は、様々なインピーダンス特性を持ったリーダライタ装置に対しても、同一の集積回路を用いたＩＣカードにおいて、コミュニケーションホールができない設定を可能とする点にある。

上記目的を達成するための負荷変調回路は、負荷変調方式によって外部の通信装置と非接触でデータ通信を行う集積回路の負荷変調回路であって、１対のアンテナ端子の一方と接地電位ノードとの間に、実数インピーダンスによる第１の負荷変調手段と、虚数インピーダンスによる第２の負荷変調手段が、並列に接続されていることを第１の特徴とする。

上記第１の特徴の負荷変調回路によれば、負荷として、実数インピーダンスによる第１の負荷変調手段と、虚数インピーダンスによる第２の負荷変調手段が、１対のアンテナ端子の一方と接地電位ノードとの間に並列に接続されており、第１及び第２の負荷変調手段が夫々負荷変調動作することにより、夫々のインピーダンス変化を、実数インピーダンスと虚数インピーダンスの合成インピーダンスの変化にすることができる。この結果、第１の特徴の負荷変調回路によれば、ＩＣカードからの負荷変調信号が、実数インピーダンスの変化であった場合には応答できるが、虚数インピーダンスの変化であった場合には応答できないリーダライタ装置にも、逆に、ＩＣカードからの負荷変調信号が、虚数インピーダンスの変化であった場合には応答できるが、実数インピーダンスの変化であった場合には応答できないリーダライタ装置にも、コミュニケーションホールができることなく安定した通信が可能なＩＣカードを構成することが可能となる。更に、第１及び第２の負荷変調手段は、１対のアンテナ端子の内、少なくとも何れか一方のアンテナ端子と接地電位ノードとの間にだけ接続すれば良く、集積回路の面積を小さく抑えることができる。

上記目的を達成するための負荷変調回路は、上記第１の特徴に加えて、更に、前記第１の負荷変調手段と前記第２の負荷変調手段が、何れか一方の単独動作と両方の同時動作が選択可能に構成されていることを第２の特徴とする。

上記第２の特徴の負荷変調回路によれば、負荷インピーダンスの種類として、実数インピーダンス、虚数インピーダンス、及び、これらの合成インピーダンス（複素インピーダンス）の中から任意に選択可能になるため、ＩＣカードシステムで使用するリーダライタ装置の特性に応じて、最適な負荷インピーダンスを選択できる。この結果、コミュニケーションホールができることなく安定した通信が可能なＩＣカードを構成することが可能となる。

上記目的を達成するための負荷変調回路は、上記第１または第２の特徴に加えて、更に、前記第１の負荷変調手段が、複数の重み付けされた抵抗素子を備え、前記第２の負荷変調手段が、複数の重み付けされた容量素子を備え、前記複数の抵抗素子を任意に組み合わせて、前記第１の負荷変調手段の実数インピーダンスを所定の分解能で複数通りに設定し、前記複数の容量素子を任意に組み合わせて、前記第２の負荷変調手段の虚数インピーダンスを所定の分解能で複数通りに設定するインピーダンス設定手段を備えることを第３の特徴とする。

上記目的を達成するための負荷変調回路は、上記第３の特徴に加えて、更に、前記インピーダンス設定手段が、実数インピーダンスと虚数インピーダンスの夫々の設定値を記憶する不揮発性記憶手段を備えることを第４の特徴とする。

上記第３または第４の特徴の負荷変調回路によれば、負荷の実数インピーダンスと虚数インピーダンスを夫々独立して所定の分解能で複数通りに設定できるため、ＩＣカードシステムで使用するリーダライタ装置の特性に応じて、最適な負荷インピーダンスの組み合わせに調整できる。この結果、同一の集積回路を内蔵したＩＣカードであっても、リーダライタ装置に合わせて、コミュニケーションホールができることなく安定した通信が可能なＩＣカードを構成することが可能となる。

特に、上記第４の特徴の負荷変調回路によれば、集積回路の製造工程、特に検査工程で、実数インピーダンスと虚数インピーダンスの夫々の設定値を不揮発性記憶手段に記憶することにより、負荷変調特性を用途に合わせて設定することが可能となるため、様々なインピーダンスを持ったリーダライタ装置との組み合わせにおいてもコミュニケーションホールができることなく安定した通信が可能なＩＣカードを同一の集積回路を用いて構成すること可能となる。

上記目的を達成するための負荷変調回路は、上記何れかの特徴に加えて、更に、前記第１の負荷変調手段と前記第２の負荷変調手段が同時に動作する場合において、虚数インピーダンスの絶対値が、実数インピーダンスの絶対値よりも小さいことを第５の特徴とする。

上記第５の特徴の負荷変調回路によれば、実数インピーダンスとして、ＩＣカードを動作させるための電力が不足しないような設定値を採用でき、また、虚数インピーダンスとして、共振周波数に影響を与えないような小さな設定値を採用できるようになる。

上記目的を達成するための集積回路は、負荷変調方式によって外部の通信装置と非接触でデータ通信を行う集積回路であって、上記何れかの特徴の負荷変調回路を内蔵することを特徴とする。

上記目的を達成するためのＩＣカードは、負荷変調方式によって外部の通信装置と非接触でデータ通信を行うＩＣカードであって、上記特徴の集積回路を搭載することを特徴とする。

上記第１の特徴の集積回路或いはＩＣカードによれば、負荷変調回路が、実数インピーダンスによる第１の負荷変調手段と虚数インピーダンスによる第２の負荷変調手段が並列に接続された構成となっているため、負荷変調によって変化した電磁界から電圧変化として受信するタイプのリーダライタ装置、或いは、負荷変調によって変化した電磁界から位相変化として受信するタイプのリーダライタ装置の何れのタイプであっても、共に安定した通信が可能となる。

更に、負荷変調回路が、前記第１の負荷変調手段が複数の重み付けされた抵抗素子を備え、前記第２の負荷変調手段が複数の重み付けされた容量素子を備え、前記複数の抵抗素子を任意に組み合わせて、前記第１の負荷変調手段の実数インピーダンスを所定の分解能で複数通りに設定し、前記複数の容量素子を任意に組み合わせて、前記第２の負荷変調手段の虚数インピーダンスを所定の分解能で複数通りに設定するインピーダンス設定手段を備えることにより、同一の集積回路を用いたＩＣカードにおいて、負荷変調方式及び負荷変調強度が夫々独立して任意に設定可能となるため、様々なインピーダンス特性を持ったリーダライタ装置に対しても、コミュニケーションホールができることなく、安定した通信特性を提供することができる。

次に、本発明に係る負荷変調回路、集積回路、及び、ＩＣカードの実施形態について、図面を参照して説明する。

〈第１実施形態〉
図１に、第１実施形態に係る負荷変調回路１０の回路構成例を示す。負荷変調回路１０は、非接触ＩＣカードに搭載される半導体集積回路１を構成する。

図１に示すように、第１実施形態に係る半導体集積回路１は、アンテナ回路（不図示）を接続するための１対のアンテナ端子４、５の間に、アンテナの共振周波数を所定の値に設定するための共振容量素子６が接続されており、アンテナから受信した電磁界を直流電圧に整流するための整流回路７と、非接触通信におけるコマンド受信を行うための受信回路８と、受信したデータの演算処理を行い送信すべきデータを生成する制御回路９と、負荷変調回路１０を備えて構成される。尚、受信回路８と制御回路９は、一般的な非接触ＩＣカードで使用される既存の回路構成によって実現できるため、詳細な説明は割愛する。

負荷変調回路１０は、送信信号の出力を制御する送信信号制御回路１１を備え、１対のアンテナ端子４、５の一方のアンテナ端子５と接地電位ノードとの間に、実数インピーダンスを有する抵抗素子１２（第１の負荷変調手段に相当）と虚数インピーダンスを有する容量素子１３（第２の負荷変調手段に相当）とが並列に接続された並列回路と、データ送信時に負荷を送信信号制御回路１１からの制御信号ＣＳ１の信号レベルに応じてオンオフするためのＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ回路１４が直列に接続して構成される。

図２に、送信信号制御回路１１の回路構成例を示す。送信信号制御回路１１は２入力のＡＮＤ論理回路１５で構成され、送信信号ＴＳと負荷変調動作時に活性化する負荷変調動作信号ＥＮを入力とし、制御信号ＣＳ１を出力する。

次に、図１に示す構成の集積回路１を備えたＩＣカードがリーダライタ装置（不図示）にデータを送信する場合の負荷変調動作について詳細に説明する。

負荷変調動作を行わない時、即ち、送信動作を行わない場合、ＩＣカードは、所定の電力を消費しながら、コマンド受信動作や演算処理動作を行っている。この時、スイッチ回路１４はオフ状態になっている。

負荷変調動作を行う時、即ち、送信動作を行う場合、ＩＣカードは、制御回路９で生成された送信データを、送信信号制御回路１１を介してスイッチ回路１４に伝えられ、送信データに応じてスイッチ回路１４をオンオフするスイッチング動作を行う。スイッチ回路１４のオンオフが変化するスイッチング時におけるアンテナ端子５と接地電位ノード間のインピーダンスの変化量をΔＺとし、抵抗素子１２の抵抗値をＲ、容量素子１３の容量値をＣとし、スイッチ回路１４のインピーダンスが無視できる程度に小さいとすると、インピーダンス変化量ΔＺは、下記の数１で表される。尚、数１中のωは、リーダライタ装置から供給される電磁界の角周波数で、リーダライタ装置とＩＣカード間のデータ送受信に使用される搬送周波数ｆの２π倍（ω＝２πｆ）となっている。

［数１］
ΔＺ＝Ｒ／（１＋ｊωＣＲ）

更に、数１を、実数成分と虚数成分に分離するよう変形すると、下記の数２で表される。従って、負荷変調動作におけるＩＣカードの負荷変動は、実数インピーダンスと虚数インピーダンスの合成インピーダンスの変動となる。

［数２］
ΔＺ＝Ｒ／｛１＋（ωＣＲ）^２｝−ｊ｛ωＣＲ^２／（１＋（ωＣＲ）^２）｝

ここで、実数インピーダンスを持った抵抗性負荷変調と、虚数インピーダンスを持った容量性負荷変調の特徴について説明する。

抵抗性負荷変調は、ＩＣカードの消費電流を変動させて変調を掛けるため、ＩＣカードに十分な電力が供給されている場合、例えば、リーダライタ装置との距離が近い場合等においては問題無いが、ＩＣカードが動作マージンの限界付近でぎりぎり動作しているような場合、例えば、リーダライタ装置との距離が遠い場合等においては、抵抗性負荷変調をかけると電力消費が更に大きくなるため、ＩＣカードを動作させるための電力が不足し、動作しなくなるという問題がある。この場合、抵抗素子の抵抗値を大きくして、電力消費を抑える必要があるが、抵抗素子の抵抗値を大きくすると、所定の負荷変調強度が得られないという問題が同時に発生する。

一方、容量性負荷変調は、ＩＣカードの共振周波数を変動させて変調を掛けるため、リーダライタ装置との距離が遠い場合においても電力供給上の問題はなく、正常に通信することができる。しかしながら、負荷変調強度はＩＣカードの共振周波数に依存して変動するため、負荷変調強度のばらつきが大きくなるという問題や、リーダライタ装置の種類やアンテナとの結合度の変動等による影響を受け易いという問題がある。

従って、本実施形態では、これらの問題を克服すべく、所定の抵抗値を持った抵抗素子１２と、所定の容量値を持った容量素子１３を並列に接続することによって、実数インピーダンスと虚数インピーダンスの合成インピーダンスによる負荷変調を掛けることができる構成となっている。

また、当該構成の場合、抵抗素子１２と容量素子１３による合成インピーダンスの値については、容量素子１３による虚数インピーダンスの絶対値が、抵抗素子１２による実数インピーダンスの絶対値よりも小さいことが好ましい。例えば、抵抗素子１２の抵抗値はＩＣカードを動作させるための電力が不足しないように、つまり、負荷変調回路１０での電流消費が抑制されるような大きな値に設定する必要があり、他方、容量素子１３は共振周波数に影響を与えるため、共振容量素子６よりも大きな容量値に設定する必要があるためである。

〈第２実施形態〉
図３に、第２実施形態に係る負荷変調回路２０の回路構成例を示す。負荷変調回路２０は、非接触ＩＣカードに搭載される半導体集積回路２を構成する。

図３に示すように、第２実施形態に係る半導体集積回路２は、アンテナ回路（不図示）を接続するための１対のアンテナ端子４、５の間に、アンテナの共振周波数を所定の値に設定するための共振容量素子６が接続されており、アンテナから受信した電磁界を直流電圧に整流するための整流回路７と、非接触通信におけるコマンド受信を行うための受信回路８と、受信したデータの演算処理を行い送信すべきデータを生成する制御回路９と、負荷変調回路２０を備えて構成される。第１実施形態の半導体集積回路１とは、負荷変調回路２０において異なる。

負荷変調回路２０は、送信信号の出力を制御する送信信号制御回路２１を備え、１対のアンテナ端子４、５の一方のアンテナ端子５と接地電位ノードとの間に、実数インピーダンスを有する抵抗素子２２とデータ送信時に抵抗性負荷を送信信号制御回路２１からの制御信号ＣＳ２の信号レベルに応じてオンオフするためのＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ回路２４の直列回路（第１の負荷変調手段に相当）と、虚数インピーダンスを有する容量素子２３とデータ送信時に容量性負荷を送信信号制御回路２１からの制御信号ＣＳ３の信号レベルに応じてオンオフするためのＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ回路２５の直列回路（第２の負荷変調手段に相当）が、並列に接続して構成される。

図４に、送信信号制御回路２１の回路構成例を示す。送信信号制御回路２１は、２つの２入力ＡＮＤ論理回路２６、２７と、２ビットのレジスタ回路２８を備えて構成される。ＡＮＤ論理回路２６は、送信信号ＴＳと抵抗性負荷変調動作時に高レベルとなって活性化するレジスタ回路２８の上位ビットを入力とし、制御信号ＣＳ２を出力する。ＡＮＤ論理回路２７は、送信信号ＴＳと容量性負荷変調動作時に高レベルとなって活性化するレジスタ回路２８の下位ビットを入力とし、制御信号ＣＳ３を出力する。

図４に示す送信信号制御回路２１の回路構成によって、第１及び第２の負荷変調手段の何れか一方の単独動作と両方の同時動作が、つまり、負荷変調方式の種類がレジスタ回路２８の設定値によって選択可能となる。

例えば、レジスタ回路に“０１ｂ”を設定すると容量性変調となり、“１０ｂ”を設定すると抵抗性変調となる。また、“１１ｂ”を設定することにより、実数インピーダンスと虚数インピーダンスの合成インピーダンスによる負荷変調を掛けることができる。従って、第２実施形態では、リーダライタ装置の種類や用途等によって、負荷変調方式の種類を切り替え可能な構成となっている。

〈第３実施形態〉
図５に、第３実施形態に係る負荷変調回路３０の回路構成例を示す。負荷変調回路３０は、非接触ＩＣカードに搭載される半導体集積回路３を構成する。

図５に示すように、第３実施形態に係る半導体集積回路３は、アンテナ回路（不図示）を接続するための１対のアンテナ端子４、５の間に、アンテナの共振周波数を所定の値に設定するための共振容量素子６が接続されており、アンテナから受信した電磁界を直流電圧に整流するための整流回路７と、非接触通信におけるコマンド受信を行うための受信回路８と、受信したデータの演算処理を行い送信すべきデータを生成する制御回路９と、負荷変調回路３０を備えて構成される。第１実施形態の半導体集積回路１及び第２実施形態の半導体集積回路２とは、負荷変調回路３０において異なる。

負荷変調回路３０は、送信信号の出力を制御する送信信号制御回路３１と、１対のアンテナ端子４、５の一方のアンテナ端子５と接地電位ノードとの間に並列に接続する、実数インピーダンスによる第１の負荷変調手段３２と、虚数インピーダンスによる第２の負荷変調手段３３を備えて構成される。

第１の負荷変調手段３２は、送信信号制御回路３１から出力されるｍビット（ｍは２以上の任意の自然数）の制御信号ＣＳ４ｉ（ｉ＝１〜ｍ）によって、実数インピーダンスの設定値が所定の分解能で２^ｍ通りに設定可能に構成されている。具体的には、図６に示すように、第１の負荷変調手段３２は、ｍ個の段階的に重み付けされた抵抗素子３４ｉ（ｉ＝１〜ｍ）の直列回路の各抵抗素子に対して、制御信号ＣＳ４ｉ（ｉ＝１〜ｍ）の信号レベルに応じて個別にオンオフするためのＭＯＳＦＥＴからなるｍ個のスイッチ回路３５ｉ（ｉ＝１〜ｍ）の対応するもの同士が並列に接続して構成される。

本実施形態では、抵抗素子３４ｉ（ｉ＝１〜ｍ）の抵抗値は、抵抗素子３４１の抵抗値をＲとすると、Ｒ×２^{（ｉ−１）}となっている。

第２の負荷変調手段３３は、送信信号制御回路３１から出力されるｎビット（ｎは２以上の任意の自然数）の制御信号ＣＳ５ｊ（ｊ＝１〜ｎ）によって、虚数インピーダンスの設定値が所定の分解能で２^ｎ通りに設定可能に構成されている。具体的には、図７に示すように、第２の負荷変調手段３３は、ｎ個の段階的に重み付けされた容量素子３６ｊ（ｊ＝１〜ｎ）の各容量素子と、制御信号ＣＳ５ｊ（ｊ＝１〜ｎ）の信号レベルに応じて個別にオンオフするためのＭＯＳＦＥＴからなるｎ個のスイッチ回路３７ｊ（ｊ＝１〜ｎ）の対応するもの同士の直列回路が相互に並列に接続して構成される。

本実施形態では、容量素子３６ｊ（ｊ＝１〜ｎ）の容量値は、容量素子３６１の容量値をＣとすると、Ｃ×２^{（ｊ−１）}となっている。

図８に、送信信号制御回路３１の回路構成例を示す。送信信号制御回路３１は、第１の負荷変調手段３２に対してｍビットの制御信号ＣＳ４ｉ（ｉ＝１〜ｍ）を出力する第１回路ブロック３８と、第２の負荷変調手段３３に対してｎビットの制御信号ＣＳ５ｊ（ｊ＝１〜ｎ）を出力する第２回路ブロック３９に区分される。

第１回路ブロック３８は、ｍ個の２入力ＡＮＤ論理回路４０ｉ（ｉ＝１〜ｍ）と、ｍビットのレジスタ回路４１を備えて構成される。ＡＮＤ論理回路４０ｉの夫々（ｉ＝１〜ｍ）は、送信信号ＴＳと抵抗性負荷変調動作時に高レベルとなって活性化するレジスタ回路４１のｉ番目のビットを入力とし、制御信号ＣＳ４ｉを出力する。レジスタ回路４１のｍビットの設定値に応じたｍビットの制御信号ＣＳ４ｉ（ｉ＝１〜ｍ）が出力される。

第２回路ブロック３９は、ｎ個の２入力ＡＮＤ論理回路４２ｊ（ｊ＝１〜ｎ）と、ｎビットのレジスタ回路４３を備えて構成される。ＡＮＤ論理回路４２ｊの夫々（ｊ＝１〜ｎ）は、送信信号ＴＳと容量性負荷変調動作時に高レベルとなって活性化するレジスタ回路４３のｊ番目のビットを入力とし、制御信号ＣＳ５ｊを出力する。レジスタ回路４３のｎビットの設定値に応じたｎビットの制御信号ＣＳ５ｊ（ｊ＝１〜ｎ）が出力される。

尚、本実施形態において、第１の負荷変調手段３２の実数インピーダンスの設定通り数２^ｍを規定する数値ｍと、第２の負荷変調手段３３の虚数インピーダンスの設定通り数２^ｎを規定する数値ｎは、同数（ｍ＝ｎ）、異数（ｍ≠ｎ）の何れの場合であっても良い。

図８に示す回路構成によって、レジスタ回路４１とレジスタ回路４３に夫々ｍビットとｎビットのデータを、送信動作を行う前に設定することにより、負荷変調方式の種類とインピーダンス値を一時的に保存することができる。送信動作が開始すると、制御回路６で生成された送信信号ＴＳは、レジスタ回路４１とレジスタ回路４３に設定された各データ値に従い、例えば、“１”が設定されたビットに対応する制御信号ＣＳ４ｉ、ＣＳ５ｊに伝播されることにより、所定の設定の負荷変調を行うことができる。従って、送信信号制御回路３１は、第１の負荷変調手段３２の実数インピーダンスを所定の分解能（Ｒ）で複数通りに設定し、第２の負荷変調手段３３の虚数インピーダンスを所定の分解能（Ｃ）で複数通りに設定するインピーダンス設定手段として機能する。

例えば、レジスタ回路４１が４ビットの場合（ｍ＝４）、設定値が“００００ｂ”の場合に、抵抗性変調はオフとなる。また、設定値が“０００１ｂ”、“００１０ｂ”、“００１１ｂ”、・・・、“１１１１ｂ”の場合、夫々に対応する抵抗値は、Ｒ、２Ｒ、３Ｒ、・・・、１５Ｒとなり、レジスタ回路４１の設定値に応じて、分解能Ｒで増減する。また、レジスタ回路４３が４ビットの場合（ｎ＝４）、設定値が“００００ｂ”の場合に、容量性変調はオフとなる。また、設定値が“０００１ｂ”、“００１０ｂ”、“００１１ｂ”、・・・、“１１１１ｂ”の場合、夫々に対応する容量値は、Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、・・・、１５Ｃとなり、レジスタ回路４３の設定値に応じて、分解能Ｃで増減する。

本第３実施形態の別実施形態として、図９に示すように、負荷変調回路３０の実数インピーダンスと虚数インピーダンスの夫々の設定値を保存しておくためのフラッシュメモリ等の不揮発性記憶手段４４を、送信信号制御回路３１に併設するのも好ましい。この場合、各インピーダンスの設定値を、集積回路３０の製造工程、特に検査工程で、負荷変調特性を用途に合わせて設定することが可能となる。

また、不揮発性記憶手段４４に記憶させた設定値は、システム起動時に自動的に送信信号制御回路１４にアップロードする構成としても良く、また、制御回路６を介してレジスタ回路４１とレジスタ回路４３に設定される構成としても良い。

本発明は、負荷変調方式によって外部の通信装置と非接触でデータ通信を行う非接触ＩＣカードに利用可能であり、様々なアンテナインピーダンスを持ったリーダライタ装置に対しても、コミュニケーションホールができないように通信条件を設定するのに有効である。

本発明に係る負荷変調回路及び集積回路の第１実施形態における概略の回路構成を示す回路ブロック図 図１に示す送信信号制御回路の回路構成例を示す回路図 本発明に係る負荷変調回路及び集積回路の第２実施形態における概略の回路構成を示す回路ブロック図 図３に示す送信信号制御回路の回路構成例を示す回路ブロック図 本発明に係る負荷変調回路及び集積回路の第３実施形態における概略の回路構成を示す回路ブロック図 図５に示す第１の負荷変調手段の回路構成例を示す回路図 図５に示す第２の負荷変調手段の回路構成例を示す回路図 図５に示す送信信号制御回路の回路構成例を示す回路ブロック図 本発明に係る負荷変調回路及び集積回路の別実施形態における概略の回路構成を示す回路ブロック図

符号の説明

１〜３： 非接触ＩＣカードに搭載される半導体集積回路
４、５： アンテナ端子
６： 共振容量素子
７： 整流回路
８： 受信回路
９： 制御回路
１０： 負荷変調回路
１１： 送信信号制御回路
１２： 抵抗素子（第１の負荷変調手段）
１３： 容量素子（第２の負荷変調手段）
１４： スイッチ回路
１５： ２入力のＡＮＤ論理回路
２０： 負荷変調回路
２１： 送信信号制御回路
２２： 抵抗素子（第１の負荷変調手段）
２３： 容量素子（第２の負荷変調手段）
２４、２５： スイッチ回路
２６、２７： ２入力のＡＮＤ論理回路
２８： ２ビットのレジスタ回路
３０： 負荷変調回路
３１： 送信信号制御回路
３２： 第１の負荷変調手段
３３： 第２の負荷変調手段
３４ｉ： 抵抗素子
３５ｉ： スイッチ回路
３６ｊ： 容量素子
３７ｊ： スイッチ回路
３８： 第１回路ブロック
３９： 第２回路ブロック
４０ｉ： ２入力ＡＮＤ論理回路
４１： ｍビットのレジスタ回路
４２ｊ： ２入力ＡＮＤ論理回路
４３： ｎビットのレジスタ回路
４４： 不揮発性記憶手段
ＣＳ１： 制御信号
ＣＳ２： 制御信号
ＣＳ３： 制御信号
ＣＳ４ｉ： 制御信号
ＣＳ５ｊ： 制御信号
ＥＮ： 負荷変調動作信号
ＴＳ： 送信信号

Claims (7)

1. 負荷変調方式によって外部の通信装置と非接触でデータ通信を行う集積回路の負荷変調回路であって、
   １対のアンテナ端子の一方と接地電位ノードとの間に、実数インピーダンスによる第１の負荷変調手段と、虚数インピーダンスによる第２の負荷変調手段が、並列に接続されていることを特徴とする負荷変調回路。
2. 前記第１の負荷変調手段と前記第２の負荷変調手段が、何れか一方の単独動作と両方の同時動作が選択可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の負荷変調回路。
3. 前記第１の負荷変調手段が、複数の重み付けされた抵抗素子を備え、
   前記第２の負荷変調手段が、複数の重み付けされた容量素子を備え、
   前記複数の抵抗素子を任意に組み合わせて、前記第１の負荷変調手段の実数インピーダンスを所定の分解能で複数通りに設定し、前記複数の容量素子を任意に組み合わせて、前記第２の負荷変調手段の虚数インピーダンスを所定の分解能で複数通りに設定するインピーダンス設定手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の負荷変調回路。
4. 前記インピーダンス設定手段が、実数インピーダンスと虚数インピーダンスの夫々の設定値を記憶する不揮発性記憶手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の負荷変調回路。
5. 前記第１の負荷変調手段と前記第２の負荷変調手段が同時に動作する場合において、
   虚数インピーダンスの絶対値が、実数インピーダンスの絶対値よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の負荷変調回路。
6. 負荷変調方式によって外部の通信装置と非接触でデータ通信を行う集積回路であって、請求項１〜５の何れか１項に記載の負荷変調回路を内蔵することを特徴とする集積回路。
7. 負荷変調方式によって外部の通信装置と非接触でデータ通信を行うＩＣカードであって、請求項６に記載の集積回路を搭載することを特徴とするＩＣカード。
   

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