JP2022512298A - 磁気ストライプに格納された情報を読み取る読み取り装置及び読み取られた情報を復号する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗センサ要素を備える磁気ストライプ読み取り装置と、バイナリデータを抽出するシステム及び方法を提供する。【解決手段】本開示は、各分極磁石が磁束を提供する複数の分極磁石を備える磁気ストリップに保存された情報を読み取る読み取り装置（１０）において、前記読み取り装置（１０）は、複数の磁気抵抗素子（２１）を備えて、磁気ストリップに記憶された情報を読み取り、読み取り信号（２２）を出力するように構成された磁気抵抗センサ（２０）と、読み取り信号（２２）を復号し、バイナリデータ（３０）を抽出するように構成された処理モジュール（１２）とを備え、読み取り信号（２２）は、磁束の振幅情報を含み、処理モジュール（１２）は、読み取り信号（２２）の振幅情報を使用して読み取り信号（２２）を復号するようにさらに構成されている。本開示はさらに読み取り装置（１０）によって出力された読み取り信号（２２）を復号する振幅復号方法に関する。

Description

本発明は、磁気ストライプ読み取り装置（リーダー）、特に磁気抵抗センサ要素を使用して磁気ストライプを復号するように構成された装置及びシステムに関する。本発明はさらに、装置及びシステムを使用して磁気ストライプを復号する方法に関する。

磁気ストライプは典型的には、クレジットカードやデビットカード、ギフトカード、ホテルのキーカード、メンバーシップカード、ポイントカードに見られる。これらの磁気ストライプは、典型的には、カード所有者に関連する情報を格納するために使用される。データは、標準国際規格又はカスタムプロトコルを使用してこれらの磁気ストライプに保存可能である。

磁気ストライプは、磁化を切り替えることでプログラム可能な、複数の小さな磁気要素で構成されている。典型的には、クレジットカードは、トラックに応じて１インチ当たり７５ビット又は１インチ当たり２１０ビットを保存可能である。１インチあたりのビット数は、ストライプ上のトラックを構成する磁気要素の幅（又はピッチ）に関連している。磁気ストライプは、カセットやハードドライブなどの長期記憶装置にも見られる。

典型的には、磁気ストライプから情報を抽出するには、磁気読み取りヘッド（ＭＲＨ）が使用される。図１は、典型的なＭＨＲ１００の断面図を示す。ＭＲＨ１００は、典型的には、通常は銅でできているコイル１０１、通常は積み重ねられた鉄（Ｆｅ）のシートでできているフェライトコア１０２、及びアルミニウムハウジング１０３を備える。

図２ａ及び２ｂは、ＭＲＨ１００によって送達される磁気ストライプ２００（図２ａ）及び読み取り信号２２（図２ｂ）の断面図を示す。ＭＲＨ１００は、以下のように動作する。フェライトコア１０２は、磁気ストライプ２００と接触させられる。フェライトコア１０２は空気よりも透磁率が高いので、ストライプ２００上の磁石２０２によって生成された磁場２０１は、フェライトコア１０２を通して運ばれる。フェライトコア１０２の透磁率は６．３×１０^－２Ｈ／ｍであり、空気の透磁率は１．２５６６７３５３×１０^－６Ｈ／ｍである。

磁気ヘッド１００が磁気ストライプ２００上で一方の磁石２０２から他方の磁石２０２に交差するとき、磁場２０１（又は磁場の符号）の向きが逆になる。これにより、コイルの出力電圧スパイク（２２１）が発生する。これは、コイルの出力電圧Ｖが式（１）に示すようにファラデーの法則に従うためである。

ここで、Ａはコイル１０１の面積であり、Ｂは磁場であり、Ｂ_１は第１の期間ｔ_１の間に測定された第１の極性を有する磁場であり、Ｂ_２は第１の極性とは反対の第２の極性を有して第２の周期ｔ_２で計測される磁場であり、Ｎはコイル１０１の巻数である。

Ｂ１とＢ２は極性が逆であるため、短時間でコイル出力電圧Ｖがスパイク２２１する。このスパイクは、ストライプ２００の磁石２０２のエッジを決定するので、復号アルゴリズムにとって非常に重要である。

図３は、ＭＲＨ１００と、読み取り信号２２を処理する典型的な回路とを概略的に示す。次に、ＭＲＨ１００によって送達された読み取り信号２２は、フィルタ増幅器回路１１０に供給され、フィルタリングされたアナログ信号２６を提供し、次に、復号器１１１に供給されて、バイナリデータ３０を抽出する。復号は通常、２周波数コヒーレント位相（Ｆ２Ｆ）技術を使用して実行される。これにより、復号器は信号から基準周期Ｔを抽出し、この基準周期を取得中の周期と比較する。

図４は、磁気ヘッド１００のアナログ読み取り信号２２が最初にデジタル化され、次に復号（バイナリデータ３０）される方法を示す。バイナリデータ３０の周期が基準周期Ｔと同じである場合、ビットは「０」として復号される。バイナリデータ３０の周期が基準周期Ｔの２倍である場合、ビットは「１」として復号される（すなわち、周波数が２倍になる）。

全ての磁気ストライプは、通常６０前後の多くのビット「０」（すなわち、大きな磁石）で始まる。これらのビットは、ストライプの残りの部分を復号するために使用される参照期間を決定するために使用される。

この装置は、磁石間の遷移を感知するだけであり、磁気ストライプ上のさまざまな磁石によって生成される、符号と振幅の観点からの絶対磁場の表現を提供しない。

ＭＲＨ設計の製造上のボトルネックには、磁気ヘッドの全体的なサイズ及び費用と、高電圧出力のために銅線の巻き数を多くする必要があることと、磁束ガイドが渦電流の制限によって帯域幅を増やすための多くの小板を備えることと、高電圧出力を得るには１０μｍあたりで間隙を厳密に制御することと、コイル内に磁束ガイドを取り付ける必要があることとが含まれる。

周波数ベースの復号アルゴリズム（Ｆ２Ｆ復号アルゴリズムともいう）には、特にカードを読み取り機に手で掃引する場合に、いくつかの制限がある。すなわち、カードをゆっくり掃引すると、磁束が変化するまでの時間が長くなり、電圧出力が低くなる。掃引が速すぎると、帯域幅の制限に達し、電圧出力レベルが低下する。

掃引加速度が変化した場合（１つ又は複数の加速や減速）、周波数ベースの復号スキームは失敗する。掃引が停止した場合、ユーザーは再起動する必要がある。

ストライプの磁石サイズは最大±２２％変化する可能性がある。これにより、アルゴリズムで磁石サイズの変動を考慮する必要があるため、周波数ベースの復号が困難になる。

本開示は、磁気抵抗センサ要素を備える磁気ストライプ読み取り装置と、バイナリデータを抽出するシステム及び方法に関する。

一態様では、磁気ストライプ読み取り装置は完全に封入可能（すなわち、単一チップ解決手段）であり、センサ要素と、センサからの生信号を復号する後続の回路を備えている。

磁気ストライプ読み取り装置は、スタンドアロンのセンサ要素とそれに続く回路を別のチップ又はＳｏＣ（システムオンチップ）解決手段で使用して、マルチチップ解決手段をさらに備えてよい。

別の態様では、磁気抵抗センサの生信号は、標準のＦ２Ｆ方法を使用して、又は新規の「振幅ベースの復号」アルゴリズムによって、あるいは両方の組み合わせによって復号できる。磁気抵抗センサは、磁場（Ｈ）の方向（つまり符号）と振幅に敏感である。磁気抵抗センサの振幅感度を使用すると、磁気ストライプの読み取り中の可変速度と加速度、掃引中の完全な停止からの回復、可変データビットピッチの磁気ストライプに対する許容度の向上といった、新しい機能が可能になる。

本発明は、例として与えられ、図によって示される実施形態の説明の助けを借りて、よりよく理解されるであろう。

図１は、従来のＭＲＨの断面図を示す。 図２は、磁気ストライプの断面図（ａ）及び従来のＭＲＨによって運ばれる読み取り信号（ｂ）を示す。 図３は、読み取り信号を処理する従来のＭＲＨ及び回路の概略図である。 図４は、アナログ読み取り信号のデジタル化及び復号を示す。 図５は、一実施形態による複数の磁気抵抗要素を含む磁気抵抗センサを備える読み取り装置の概略図を示す。 図６は、ホイートストン構成に配置された磁気抵抗素子を示す。 図７は、磁気ストライプの断面図（ａ）及び運ばれる読み取り信号（ｂ）を示す。 （ａ）から（ｅ）は、一実施形態による、読み取り装置によって出力された読み取り信号を復号する振幅復号方法のステップを表す。 図９は、振幅復号方法と組み合わせて読み取り装置を使用することによって復号される磁気ストリップの実際の例を示す。 図１０は、Ｆ２Ｆ技術と組み合わせて読み取り装置を使用して復号される磁気ストリップの実際の例である。

図５は、一実施形態による読み取り装置１０の概略図を示す。読み取り装置１０は、複数の磁気抵抗素子２１を含み、磁気ストリップに記憶された情報を読み取り、読み取り信号２２を出力するように構成された磁気抵抗センサ２０を備える。読み取り装置１０は、読み取り信号２２を復号し、バイナリデータ３０を抽出するように構成されている処理モジュール１２をさらに備える。

読み取り装置１０は、それぞれが磁場２０１を提供する複数の分極磁石２０２を含む磁気ストリップ２００（図７を参照）に記憶された情報を読み取るように構成される。読み取り信号２２は、磁束の振幅情報を含み、処理モジュール１２は、読み取り信号２２の振幅情報を使用して読み取り信号２２を復号するように構成される。

図６は、複数の磁気抵抗要素２１がホイートストン（フルブリッジ）構成に従って接続されている、可能な実施形態を示す。この構成では、読み取り信号２２は、磁気抵抗要素２１Ｒ_１とＲ_２との間に形成されたノードと、磁気抵抗要素２１Ｒ_３とＲ_４との間に形成されたノードとの間（測定対角線）で測定可能である。読み出し信号２２の値は、磁気抵抗素子２１の抵抗Ｒ_１：Ｒ_２及びＲ_４：Ｒ_３の比に依存する。もちろん、ハーフブリッジ構成を含む他の直列及び／又は並列配置も可能である。

磁気抵抗要素２１は、ホール効果センサを備えてもよい。代替的に、磁気抵抗要素２１は、ｘＭＲセンサ、すなわち、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、又は磁気トンネル接合（ＴＭＲ）ベースのセンサのいずれか１つ又はそれらの組み合わせを備え得る。

図７ａ及び図７ｂは、磁気抵抗センサ２０によって送達される磁気ストライプ２００（図７ａ）及び読み取り信号２２（図７ｂ）の断面図を示す。磁気ストリップ２００は、各分極磁石２０２が磁場２０１を提供する複数の分極磁石２０２を含んでいる。

図７ｂの例では、読み取り信号２２は、ＴＭＲベースの磁気抵抗素子２１を含む磁気抵抗センサ２０によって出力されると想定されている。ＴＭＲベースの磁気抵抗要素２１は、磁石２０２によって生成される磁場２０１の大きさ及び極性を変化させることによって変わる抵抗を有する。その結果、読み取り信号２２は、磁場２０１の振幅及び極性情報を含む。例えば、読み取り信号２２は、第１の極性を有する磁石２０２１の近くにあるとき、読み取り信号２２は正の振幅Ａ_１を有し、読み取り信号２２は、読み取り装置１０が、第１の極性とは反対の第２の極性を有する磁石２０２２の近くにあるとき、負の振幅Ａ_２を有する。

したがって、磁気抵抗素子２１は、コイルを使用する場合などの磁場の変化だけでなく、磁場の大きさ及び極性を測定するように適合されている。これは、従来のＭＲＨ（図２ｂを参照）によって送達される読み取り信号が、磁場２０１の極性の変化に対応するスパイクのみを含むこととは対照的である。

図８ａから図８ｅは、一実施形態による、磁気ストリップ２００（図８ａ）を読み取るときに、読み取り装置１０の磁気抵抗センサ２０によって出力される読み取り信号２２を復号する振幅復号方法を表す。振幅復号方法は、
磁気ストリップ２００に沿って読み取り装置１０を動かし、磁気抵抗センサ２０から対応する読み取り信号２２を出力するステップ（図８ｂ）と、
読み取り信号２２から絶対値信号２３を決定するステップ（図８ｃ）と、
絶対値信号２３から、しきい値２４を決定するステップ（図８ｄ）と、
絶対値信号２３の導関数からピーク２５（振幅最大値２５）を検出することによってバイナリデータ３０を提供するステップ（図８ｅ）と、
検出されたピーク２５ごとに、絶対値信号をしきい値２４と比較するステップと、
絶対電圧値がしきい値より高い場合はビット「０」を割り当て、絶対電圧値がしきい値より低い場合はビット「１」を割り当てるステップと、
を備える。

よって、磁気ストライプを復号する振幅復号方法は、Ｆ２Ｆ技術のように周波数ではなく、信号の振幅に基づいている。

しきい値２４は、検出されたピーク２５がビット「０」又はビット「１」に対応するかどうかの評価を可能にする決定レベル（又は決定基準）と見なせる。

一実施形態では、しきい値２４は、絶対値信号２３から移動（又は実行）平均値を計算することによって決定可能である。

平均値は、絶対値信号２３のパーセンテージ値に対応する場合がある。パーセンテージ値は約７５％にすることがある。換言すると、移動平均は、ウィンドウ内で継続的に測定することによって得られる最大値のパーセンテージ値（７５％など）を示すことがある。

本発明を実施する可能なモードでは、処理モジュール１２は、絶対値信号２３、しきい値２４及びしきい値２４を決定するように構成された信号調整モジュール１２１、及びピーク２５を検出するように構成されたデコーダモジュール１２２を備えてよい。

図９は、振幅復号アルゴリズムと組み合わせて読み取り装置１０を使用することによって復号される（クレジットカードの）磁気ストリップ２００の実際の例を示す。国際規格ＩＳＯ ７８１１－４によれば、クレジットカード磁気ストリップ２００は、先行ゼロ３０１、開始センチネル３０２、及びデータ３０３（プライマリアカウント番号、名前、追加データなど）を含む英数字のデータ文字を備える。

国際規格ＩＳＯ ７８１１－４によると、クレジットカード番号、有効期限、カード所有者のフルネームを保持するトラック１は、１インチ当たり２１０ビットである。複数トラックで、ストライプから６０μｍでセンサがあることを必要とする。

磁気抵抗センサ２０と磁気ストリップ２００との間の距離が磁石２０２のピッチよりも大きい場合、磁気抵抗センサ２０内の磁気抵抗要素２１は、磁気ストリップ２００上の各磁石２０２によって生成された磁場２０１を拾えない可能性がある。

磁気抵抗センサ２０と磁気ストリップ２００との間の距離を減少させ、読み取り解像度を増加できるように、読み取り装置１０の厚さを減少させてもよい。読み取り装置１０の厚さは、磁気抵抗センサ２０、調整モジュール１２１及びデコーダモジュール１２２は、単一チップパッケージで垂直に（図５を参照）積み重ねることによって減らせる（図５参照）。

別の実施形態では、読み取り信号を復号することは、Ｆ２Ｆ技術と組み合わせて振幅復号方法を使用することをさらに備えてよい。振幅復号法とＦ２Ｆ技術の組み合わせにより、故障率を低減できる。

振幅復号法は、標準のＦ２Ｆ技術に対する「補完的な」復号方法として使用し得る。スタンドアロンの復号方法に替えて、振幅復号方法を使用して復号を強化できる。

実際、周波数ベースの復号Ｆ２Ｆ技術は、磁気ストライプ２００の磁性磁石２０２のサイズに敏感である。国際規格ＩＳＯの仕様では、ピッチに最大±２０％の差がある。速度と加速度の変動性と組み合わせることで、周波数のみに基づく復号の失敗率が増加する。他方、振幅復号方法は、磁気ストライプ２００の磁性磁石２０２によって生成される磁場２０１の振幅に敏感であり、これらの磁石２０２の磁化の質は、振幅復号の失敗率に影響を与える。

Ｆ２Ｆ技術と振幅復号法を組み合わせて使用することで、復号システムの全体的な故障率を減らせる。

図１０は、Ｆ２Ｆ技術と組み合わせて読み取り装置１０を使用することによって復号されている（クレジットカードの）磁気ストリップ２００の実際の例である。

バイナリデータ３０は暗号化できる。このような暗号化は、中間者攻撃を阻止できる。

一実施形態では、磁気抵抗センサ２０及び処理モジュール１２は、単一のモノリシックチップ上に形成される。単一チップ解決手段は、磁場２０１を読み取り、標準の通信プロトコルを使用してバイナリデータ３０を出力可能であって完全に統合されている読み取り装置１０を可能にする（すなわち、ＳＰＩ、Ｉ２Ｃなど）。

磁気抵抗センサ２０は、磁束ガイドを備えてもよい。磁束ガイドは、磁気ストリップ２００又は標準のＭＲＨで使用されるものなどの他の構成の隣り（又は近く）に配置された少なくとも磁束ガイド層（図示せず）を備えてよい。

磁気抵抗センサ２０は、ＤＣ（直流）上向きに（任意の周波数で）読み取り信号２２を測定可能なので、読み取り装置１０は、任意の速度で磁気ストライプ２００を掃引可能である。換言すると、磁気抵抗センサ２０の電圧出力は、任意の読み取り装置１０の掃引速度に追従可能である。

さらに、振幅復号方法は、読み取り装置１０の掃引における加速度に完全に鈍感である。読み取り装置１０の掃引は、読み取り信号２２の取得を中断することなく、完全に停止可能であり、再実施可能である。

振幅復号法は、磁気ストライプ内の磁石サイズの不均一性の問題を回避することを可能にする。例えば、国際規格ＩＳＯの仕様では２０％の変動が許容される。

読み取り信号２２の振幅は、磁気ストライプの磁石の保磁力への洞察を与える（全ての掃引スキャンでの品質チェック）。

本明細書に記載の読み取り装置１０及び振幅復号方法は、最小、最薄、及び最軽量のカード読み取り機を可能にし、携帯型ＰＯＳ機器及び付属品にとって非常に重要な利点である。

１０ 読み取り装置
１００ 磁気読み取りヘッド（ＭＲＨ）
１０１ コイル
１０２ （フェライト）コア
１０３ ハウジング
１１０ フィルタ増幅回路
１１１ 復号器
１２ 処理モジュール
１２１ 信号調整モジュール
１２２ 復号モジュール
２０ 磁気抵抗センサ
２１ 磁気抵抗素子
２２ 読み取り信号
２３ 絶対値信号
２４ しきい値
２５ ピーク
２６ フィルタリングされたアナログ信号
２００ 磁気ストライプ
２０１ 磁場
２０２ 磁石
２２１ スパイク
３０ バイナリデータ

Claims (13)

1. 各分極磁石が磁束を提供する複数の分極磁石を備える磁気ストリップに保存された情報を読み取る読み取り装置において、前記読み取り装置は、
   複数の磁気抵抗素子を備えて、磁気ストリップに記憶された情報を読み取り、読み取り信号を出力するように構成された磁気抵抗センサと、
   読み取り信号を復号し、バイナリデータを抽出するように構成された処理モジュールと
   を備え、
   読み取り信号は、磁束の振幅情報を含み、
   処理モジュールは、読み取り信号の振幅情報を使用して読み取り信号を復号するようにさらに構成されている
   ことを特徴とする、読み取り装置。
2. 前記複数の磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ又はフルブリッジ構成に従って、直列と、並列との少なくとも一つで接続されている、請求項１に記載の読み取り装置。
3. 磁気抵抗センサと処理モジュールは単一のチップ上に形成されている、請求項１に記載の読み取り装置。
4. 処理モジュールは、信号調整モジュール及び復号モジュールを備える、請求項１に記載の読み取り装置。
5. 磁気抵抗センサと、調整モジュールと、復号モジュールとは、単一チップパッケージに垂直に積み重ねられている、請求項４に記載の読み取り装置。
6. 磁気抵抗センサは、磁束ガイドを備える、請求項１に記載の読み取り装置。
7. 磁気抵抗要素は、ホール効果センサを備える、請求項１に記載の読み取り装置。
8. 磁気抵抗要素は、異方性磁気抵抗と、巨大磁気抵抗と、磁気トンネリング接合ベースのセンサとの中の１つ又は組み合わせを備える、請求項１に記載の読み取り装置。
9. 複数の磁気抵抗素子を備えて、磁気ストリップに記憶された情報を読み取り、読み取り信号を出力するように構成された磁気抵抗センサと、読み取り信号を復号し、バイナリデータを抽出するように構成された処理モジュールと
   を備え、読み取られた信号は、磁束の振幅情報を含み、処理モジュールは、読み取り信号の振幅情報を使用して読み取り信号を復号するようにさらに構成されている、読み取り装置によって出力された、読み取り信号を復号する振幅復号方法が、
   読み取り信号から絶対値信号を決定することと、
   絶対値から、しきい値を決定することと、
   絶対値信号の導関数からピークを検出することと、
   検出されたピークごとに、絶対値信号をしきい値と比較することと、
   絶対電圧値がしきい値より高い場合はビット「０」を割り当て、絶対電圧値がしきい値より低い場合はビット「１」を割り当てることと
   を備える、前記振幅復号方法。
10. 前記しきい値を決定することは、絶対値から平均値を計算することを含む、請求項９に記載の振幅復号方法。
11. 前記平均値は、前記絶対値のパーセンテージ値に対応している、請求項１０に記載の振幅復号方法。
12. 前記パーセンテージ値は、約７５％である、請求項１１に記載の振幅復号方法。
13. 前記読み取り信号を復号することは、２周波数コヒーレント位相技術を使用することをさらに含む、請求項９に記載の振幅復号方法。

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