JP2019509542A - Ｒｆｉｄリーダによる目標物検出 - Google Patents

Abstract

アンテナ（６）を使用してキャリア周波数でＨＦ磁界（１０）を送信し、変調周波数で負荷変調され得るアナログ入力信号（１１）を受信し、前記入力信号（１１）中で検出されたデジタルデータを出力する前記アンテナ（６）を有するリーダ（５）であって、前記リーダ（５）は、前記入力信号（１１）をキャリア周波数信号（９，１６）と混合し、混合出力信号（１４）を提供するミキサ（１３，１５）と、前記ＨＦ磁界（１０）内の目標物の存在を検出し、目標物と通信するために、前記入力信号（１１）の処理を起動する目標物検出手段（２２）と、を備え、前記目標物検出手段（２２）は、前記変調周波数以上の前記混合出力信号（１４）の信号成分を除去し、フィルタ処理された出力信号（２４）を提供するローパスフィルタ手段（２３，２５）と、前記フィルタ処理された出力信号（２４）を定量化し、定量化された検出データ（３３）を提供する定量化手段（３２）と、前記定量化された検出データ（３３）を閾値（３７）と比較して目標物検出情報（３８）を提供する決定手段（３６）であって、前記閾値（３７）が、前記ＨＦ磁界（１０）内に目標物が存在して受信される定量化された検出データ（３３）と、目標物が存在せずに受信される定量化された検出データ（３３）との中間に設定される、決定手段（３６）と、を備える、リーダ（５）。【選択図】 図２

Description

本発明は、アンテナを使用してキャリア周波数でＨＦ磁界を送信し、変調周波数で負荷変調され得るアナログ入力信号を受信し、入力信号中で検出されたデジタルデータを出力するアンテナを有するリーダに関し、このリーダは、入力信号をキャリア周波数信号と混合し、混合出力信号を提供するミキサと、ＨＦ磁界内の目標物の存在を検出し、目標物と通信するために、負荷変調されたアナログ入力信号の処理を起動する目標物検出手段とを備える。

そのようなリーダ用の集積回路は、タイプＡＳ３９１１Ｂ ＮＦＣ／ＨＦリーダＩＣとして、ＡＭＳ社によって販売されている。この無線周波数識別（ＲＦＩＤ）リーダは支払いアプリケーションに使用される。ＲＦＩＤリーダは、アクティブまたはパッシブトランスポンダあるいはスマートカードと通信する。典型的なアプリケーションでは、パッシブスマートカードは、スマートカードで電子的に支払うためのユーザの支払い情報を記憶する。リーダは給電され、そのアンテナで高周波（ＨＦ）磁界を生成する。リーダとスマートカードが互いに近接している場合、リーダ生成磁界はスマートカードのアンテナに誘導され、スマートカードに給電するために使用される。スマートカードはまた、リーダから信号を受信し、リーダに応答を返送するためのトランシーバを有する。

ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０００−３またはＩＳＯ／ＩＥＣ１４．４４３タイプＡおよびＢ、またはＩＳＯ１５．６９３またはＥＣＭＡ−３４０ １３，５６ＭＨｚ近距離通信（ＮＦＣ）のような規格、あるいはタグまたはスマートカードとリーダとの間で情報を送信するために使用されるプロトコルおよび変調のタイプを定義するＳｏｎｙ社によるＦｅｌｉｃａなどの企業規格がある。これらの規格の一部または全部は、リーダがその送信電力の大きさを変えることによって、タグにデータを送信することを定義する。タグは、送信された信号を受信し、受信データを処理する。次に、活性化されたタグまたはスマートカードは、データをリーダに送信することによって応答する。典型的な技術は、タグが共振周波数およびその品質係数を変えることによって、そのコイルの負荷インピーダンスを変化させる負荷変調を使用する。この動作は、リーダアンテナでの電圧変動をもたらす。

上述のＡＭＳ社のリーダＩＣは、図１に示す目標物検出手段を備え、ＨＦ磁界内のスマートカードの存在を検出してリーダを起動させる。ＨＦ磁界においてスマートカードを検出すると、リーダＩＣは、スマートカードと通信するために、負荷変調されたアナログ入力信号の処理を起動する。目標物検出手段は、数百ｋＨｚの範囲の電磁界を放出する励振電極２に接続された発振器１と、電磁界を感知する感知電極３とを備える。目標物検出手段は、容量性の原理に基づいており、感知電極３に発生する電荷の量は、２つの電極２および３の間の静電容量を表す。目標物の存在、特に電磁界におけるスマートカードまたはタグの存在は、２つの電極２および３の間のそのような静電容量を変化させる。感知電極３に接続された同期整流器４は、発生した電荷を検出するために使用される。これにより、励振電極２と感知電極３との間の静電容量に線形に比例するＤＣ出力電圧が得られる。同期整流器４の出力ＤＣ電圧は、リーダを起動させてスマートカードまたはタグとの通信を開始するために使用される。

ＡＭＳのリーダＩＣを備えたこのリーダの欠点は、２つの金属電極と追加の発振器および同期整流器を備えた目標物検出手段が、ハードウェアオンチップ追加コストを追加することである。さらに、タグ検出手段は、スマートカードと通信するために使用される電磁界に加えて、リーダ領域において電磁ノイズを増加させる電磁界を生成する。

本発明は、リーダおよび、リーダの信号処理の残りの部分とより良く統合され、実現するのがより容易なリーダ用の目標物検出手段の提供を目的とする。

この目標は、リーダおよびそのようなリーダ用の目標物検出手段で達成され、目標物検出手段は、
変調周波数以上の混合出力信号の信号成分を除去し、フィルタ処理された出力信号を提供するローパスフィルタ手段と、
フィルタ処理された出力信号を定量化し、定量化された検出データを提供する定量化手段と、
定量化された検出データを閾値と比較して目標物検出情報を提供する決定手段であって、閾値が、ＨＦ磁界内に目標物が存在して受信される定量化された検出データと、目標物が存在せずに受信される定量化された検出データとの中間に設定される、決定手段と
を備える。

これは、ＨＦ磁界内の目標物の存在を検出するために、リーダとスマートカードまたはタグとの間の通信に使用されるＨＦ磁界とは別の周波数を有する追加のＨＦ磁界が使用されないという利点を提供する。したがって、スマートカードまたはタグとの通信のためのリーダのアンテナおよび発振器部分を目標物検出手段にも使用することができる。ローパスフィルタリングのために、ＨＦ磁界内の別の目標物の負荷変調あるいはより高い周波数におけるノイズまたは不適切な振幅によるＨＦ磁界中の目標物の検出に対する外乱効果はない。

目標物検出手段は、ＨＦ磁界内の目標物の誘導検出の原理に基づいている。ＨＦ磁界内の目標物は、ＨＦ磁界を生成するためにリーダで生成されたキャリア周波数信号と、アンテナで受信されたキャリア周波数との間の位相オフセットをもたらす。この位相オフセットは、特許請求される目標物検出手段によって検出される。

本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して明らかになるであろう。当業者は、様々な実施形態を組み合わせることができることを理解するであろう。

図１は、技術水準による目標物検出手段を示している。 図２は、本発明による目標物検出手段を有するリーダの一部を示している。

図２は、アンテナ６を有するＲＦＩＤリーダ５の一部を示す。本発明のこの実施形態によるリーダ５は、ＥＣＭＡ−３４０ １３，５６ＭＨｚ近距離通信ＮＦＣ規格に従ってタグまたはスマートカードと通信し、ＮＦＣ規格は、ＩＳＯ／ＩＥＣ１４．４４３タイプＡおよびＢならびにＳｏｎｙ社の企業規格であるＦｅｌｉｃａに基づく通信と協働する。リーダ５は、アンテナ６を介して１３．５６ＭＨｚでＨＦ磁界１０を放射し、データを１つまたは複数のタグまたはスマートカードに送信するためのキャリア周波数信号９を生成する発振器７および増幅器８をさらに備える。そのようなタグは、例えば、米国特許第７，８９０，０８０Ｂ２号明細書に開示されており、当業者の知識の開示は、本開示に組み込まれる。

リーダ５とスマートカードが互いに近接している場合、リーダ５生成ＨＦ磁界１０はスマートカードのアンテナに誘導され、スマートカードに給電するために使用される。スマートカードはまた、リーダ５からＨＦ磁界内で送信されたデータを受信し、リーダ５に負荷変調応答を送信するためのトランシーバを有する。負荷変調は、１０６，２１２，４２４または８４８ｋｂｐｓのような規格で定義された変調周波数の１つで処理される。リーダ５は、負荷変調アナログ入力信号１１として受信されたスマートカードからの応答を増幅するための増幅器１２を備える。リーダ５は、入力信号１１を１３．５６ＭＨｚのキャリア周波数信号９と混合し、ダウンコンバート入力信号の同相成分１４を提供する同相用ミキサ１３をさらに備える。リーダ５は、入力信号１１を９０°位相シフトされたキャリア周波数信号１６と混合し、ダウンコンバート入力信号の直交位相成分１７を提供する直交用ミキサ１５をさらに備える。同相成分１４および直交位相成分１７は、以下から構成される。
・目標物がＨＦ磁界１０に入ったときに変化する、キャリア周波数信号９と入力信号１１との間の位相オフセットに起因するＤＣ成分。
・ＤＣ成分の頂部に乗る振幅変調。
・より高い周波数混合産物ｎ×１３，５６ＭＨｚ（ここでｎ＝１，２，３．．．）。

リーダ５は、フィルタ１９と増幅器２０と、入力信号１１内の負荷変調されたデータを検出するために同相成分１４および直交位相成分１７を処理する復調器２１とを有する処理手段１８をさらに備える。このようにして、リーダ５は、ＨＦ磁界１０に存在するタグまたはスマートカードからの情報を有するデータを受信することができる。処理手段１８は、ＨＦ磁界１０内に存在するタグまたはスマートカードに情報を送信して、リーダ５とＨＦ磁界１０内のそのようなタグまたはスマートカードとの間の通信を可能にする要素（図２には図示せず）をさらに備える。処理手段１８の電力消費を低減するために、ある期間タグまたはスマートカードがＨＦ磁界１０に存在しない場合、電力節約モードが起動される。

リーダ５は、ＨＦ磁界１０内のスマートカードまたはタグのような目標物の存在を検出し、処理手段１８を起動する目標物検出手段２２を備える。目標物検出手段２２は、変調周波数の約１／１０より高い同相成分１４の信号成分を除去し、フィルタ処理された出力信号２４を提供する同相ローパスフィルタ手段２３を備える。目標物検出手段２２は、変調周波数より高い直交位相成分１７の信号成分を除去し、フィルタ処理された出力信号２６を提供するための直交位相ローパスフィルタ手段２５をさらに備える。

このローパスフィルタ手段２３および２５を実現するために、ループに配置されたＨＦ増幅器２７と、ローパスフィルタ２８と、ＤＣ増幅器２９とを備える。ＨＦ増幅器２７は、同相成分１４および直交位相成分１７を増幅する。増幅された成分１４および１７は、例えば変調周波数の１／１０であるカットオフ周波数を有するローパスフィルタ２８に供給され、振幅変調およびより高い周波数の混合産物をカットオフする。ＤＣ増幅器２９は、フィルタ処理された出力信号２４および２６を増幅して提供する。ローパスフィルタ手段２３および２５は、さらに、同相成分１４から増幅されたフィルタ処理された出力信号２４と、直交位相成分１７から増幅されたフィルタ処理された出力信号２６とを減算し、これらの信号をＨＦ増幅器２７にフィードバックしてループを閉じるように構築される。これは、フィルタ処理された出力信号２４および２６が、ＨＦ磁界１０内の目標物の存在によって影響を受けるＤＣ成分を備えるという利点を提供する。これは、ＤＣ成分が大きく減衰されるため、処理手段１８でさらに処理する同相データ信号３０および直交位相データ信号３１が、ハイパスフィルタ処理されるという利点をさらに提供する。

目標物検出手段２２は、増幅されたフィルタ処理された出力信号２４および２６を定量化し、定量化された検出データ３３を提供する定量化手段３２をさらに備える。この定量化手段３２を達成するために、定量化された検出データ３３を提供するＡ／Ｄコンバータ３４を備える。１つの方法は、０Ｖから例えば５Ｖの入力電圧を適切な検出データ３３に変換する高分解能のＡ／Ｄコンバータ３４を使用することである。もう１つの方法は、例えば４から５Ｖの電圧のみ適切な検出データ３３に変換するより限定された分解能を有するＡ／Ｄコンバータ３４を使用することである。このような低分解能Ａ／Ｄコンバータ３４の使用を可能にするために、プログラマブル利得増幅器３５を使用して、増幅されたフィルタ処理された出力信号２４および２６を増幅または減衰し、それをＡ／Ｄコンバータ３４の入力範囲に適合させる。「プログラマブル」は、図２には示されていないリーダのステアリング手段が、フィルタ処理された出力信号２４および２６をＡ／Ｄコンバータ３４の限定された範囲に適合させることができるプログラマブル利得増幅器３５の利得をプログラムすることができることを意味する。

目標物検出手段２２はさらに、定量化された検出データ３３を閾値３７と比較して、目標物がＨＦ磁界１０内で検出された場合例えばビット「１」であり、ＨＦ磁界１０内に目標物が検出されない場合ビット「０」である目標物検出情報３８を提供する決定手段３６をさらに備える。閾値３７は、ＨＦ磁界１０内に目標物が存在し、またＨＦ磁界１０内に目標物が存在せずに受信された、定量化された検出データ３３の中間に設定される。利得増幅器３５のためにプログラムされた利得が考慮されなければならない。目標物検出情報３８は、目標物がＨＦ磁界１０で検出された場合、スリープモードの処理手段１８を起動するために使用される。起動後、起動処理手段１８は、ＨＦ磁界１０内の目標物との通信をセットアップしようとする。

フィルタ処理された出力信号２４および２６に基づいて目標物検出情報３８を生成するさらに別の方法は、単純な比較器を１ビットＡ／Ｄコンバータ３４として使用することである。この実施形態では、プログラマブルＶＲＥＦ３９は閾値を設定する必要がある。この場合、１ビットＡ／Ｄコンバータ３４は、既に目標物検出情報３８を提供しているであろう。

本発明の別の実施形態では、ローパスフィルタ手段２３または２５のみが、同相成分１４または直交位相成分１７のいずれかを処理するために使用される。これにより、目標物検出手段のハードウェアおよびコストが低減される。同相成分１４および直交位相成分１７を処理するためにローパスフィルタ手段２３および２５の両方を使用することによって、リーダと目標物との間の相互作用によって引き起こされる受信キャリアの位相シフトとは無関係に目標物が検出されるという利点が得られる。

リーダ５の目標物検出手段２２は、同相成分１４および直交位相成分１７のＤＣ成分の頂部に乗る振幅変調と、ＤＣ成分のみが処理されるため、より高い周波混合産物が、目標物検出情報３８に影響を与えないという利点を提供する。さらに、目標物検出手段２２は、すべてがＤＣ領域にある最小量の追加の回路で実現され得る。この追加の回路は低電力しか必要とせず、目標物が目標物検出手段２２によって検出されるまで、処理手段１８を節電モードにすることができるので、リーダ５の全体的な電力消費がさらに低減される。さらに、目標物検出手段２２は、その検出結果がアンテナ６で受信した情報に直接基づいているので、迅速な応答を提供するという利点もある。目標物検出手段２２は、アンテナ６から同相成分１４および直交位相成分１７を直接受信するので、検出結果の精度は高い。

閾値３７をリーダ５の異なる環境に適合させ、適合した閾値３７をプログラムまたは記憶するように目標物検出手段２２を実現することはさらに有利である。

同相ローパスフィルタ手段２３および直交位相フィルタ手段２５は、変調周波数の約１／１０以上の同相成分１４および直交位相成分１７の信号成分を除去するように説明してきた。これらのローパスフィルタ手段は、他の実施形態では、変調周波数以上でフィルタ処理してもよいし、変調周波数の１／５０以上でフィルタ処理して上述した利点を達成してもよいことを述べておく必要がある。

Claims (10)

1. アンテナ（６）を使用してキャリア周波数でＨＦ磁界（１０）を送信し、変調周波数で負荷変調され得るアナログ入力信号（１１）を受信し、前記入力信号（１１）中で検出されたデジタルデータを出力する前記アンテナ（６）を有するリーダ（５）であって、前記リーダ（５）は、
   前記入力信号（１１）をキャリア周波数信号（９，１６）と混合し、混合出力信号（１４，１７）を提供するミキサ（１３，１５）と、
   前記ＨＦ磁界（１０）内の目標物の存在を検出し、前記目標物と通信するために、前記入力信号（１１）の処理を起動する目標物検出手段（２２）と、
   を備え、
   前記目標物検出手段（２２）は、
   前記変調周波数以上の前記混合出力信号（１４，１７）の信号成分を除去し、フィルタ処理された出力信号（２４，２６）を提供するローパスフィルタ手段（２３，２５）と、
   前記フィルタ処理された出力信号（２４，２６）を定量化し、定量化された検出データ（３３）を提供する定量化手段（３２）と、
   前記定量化された検出データ（３３）を閾値（３７）と比較して目標物検出情報（３８）を提供する決定手段（３６）であって、前記閾値（３７）が、前記ＨＦ磁界（１０）内に目標物が存在して受信される定量化された検出データ（３３）と、目標物が存在せずに受信される定量化された検出データ（３３）との中間に設定される、決定手段（３６）と、
   を備えることを特徴とする、リーダ（５）。
2. 前記ローパスフィルタ手段（２５）が、さらに、９０°位相シフトされたキャリア周波数信号（１６）と混合された混合直交出力信号（１７）の前記変調周波数以上の信号成分を除去し、前記フィルタ処理された出力信号（２４）と共に供給されるフィルタ処理された直交出力信号（２６）を前記定量化手段（３２）に提供するように構築される、請求項１に記載のリーダ（５）。
3. 前記ローパスフィルタ手段（２３，２５）がループに配置され、前記混合出力信号（１４，１７）を増幅するためのＨＦ増幅器（２７）と、前記増幅された混合出力信号をフィルタ処理するローパスフィルタ（２８）と、前記フィルタ処理された出力信号（２４，２６）を増幅するＤＣ増幅器（２９）とを備え、前記ローパスフィルタ手段（２３，２５）が、前記混合出力信号（１４，１７）から前記増幅されたフィルタ処理された出力信号（２４，２６）を減算し、前記ＨＦ増幅器（２７）にフィードバックするように構築される、請求項１または２に記載のリーダ（５）。
4. 前記定量化手段（３２）が、前記定量化された検出データ（３３）を提供するＡ／Ｄコンバータ（３４）と、前記フィルタ処理された出力信号（２４，２６）を増幅または減衰し、それを前記Ａ／Ｄコンバータ（３４）の入力範囲に適合させる利得増幅器（３５）と、を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリーダ（５）。
5. 前記利得増幅器（３５）がプログラム可能である、請求項４に記載のリーダ（５）。
6. 前記決定手段（３６）における前記閾値（３７）がプログラム可能である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のリーダ（５）。
7. 前記目標物検出手段（２２）が、スマートカードおよび／またはタグおよび／または前記ＨＦ磁界（１０）内の別のＲＦＩＤ装置を検出するように構築される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のリーダ（５）。
8. 前記ローパスフィルタ手段（２３，２５）が、前記変調周波数の１／１０以上の前記混合出力信号（１４）の信号成分を除去し、前記フィルタ処理された出力信号（２４）を提供するように構築される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のリーダ（５）。
9. 前記ＨＦ増幅器（２７）の前記増幅された混合出力信号が処理手段（１８）に供給され、入力信号（１１）において変調されたデータ負荷を検出するためにハイパスフィルタリングを実行する、請求項３〜８のいずれか一項に記載のリーダ（５）。
10. リーダ（５）のＨＦ磁界（１０）内の目標物の存在を検出する目標物検出手段（２２）であって、前記目標物検出手段（２２）が、請求項１〜７のいずれか一項に記載の構成要素を備えることを特徴とする目標物検出手段（２２）。