JP3650317B2 - 電磁場受信装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁誘導を用いて非接触状態で電力供給を行うリーダライタ等の電磁場送信装置と非接触ＩＣカード等の電磁場受信装置とからなる非接触通信システムに係り、特に自装置のインピーダンスを動的に変化させることにより、電磁場送信装置からの受信電力量を制御することができる電磁場受信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非接触型のＩＣカードやＲＦタグに代表される、電磁誘導を用いて電力伝送と通信を行う電磁場受信装置が注目されている。電磁場受信装置は、電池を内蔵せず、リーダライタ等の電磁場送信装置から電磁誘導により供給される電力を用いて内部回路を駆動し、内部処理および通信動作を行う。電力伝送に電磁誘導を利用する利点としては、電磁場送信装置と通信する際に、機械的な接触端子が不要なため、端子の接触不良等の故障が少ないという点がある。さらに、電磁場送信装置に挿入したり、電磁場送信装置と有線接続したりする必要が無く、電磁場送信装置にかざして使用すればよいので、使い勝手が良く、操作性に優れているという点が挙げられる。
【０００３】
電磁場受信装置は、高いセキュリティを実現する手段として、本人認証や電子決済等のサービスでの利用が期待されている。しかし、このような高度な処理を行うには、複雑な演算処理や暗号処理等の高機能な動作が必要となり、ＩＣチップ内部のＣＰＵが高速に演算処理を行ったり、専用演算回路が動作したりするために、ＩＣチップの消費電力が大きくならざるを得ない。しかるに、電磁誘導を用いて電力伝送を行う電磁場受信装置では、電波法等の法規によって電磁場送信装置の出力が制限されていたり、電磁場送信装置と電磁場受信装置のインピーダンスの整合が狭い範囲内でしか効率が高くなく、電磁場受信装置の電力受信効率が低かったりするために、往々にして電磁場受信装置の電力が不足し、操作が制限されていた。
【０００４】
すなわち、電磁場受信装置を電磁場送信装置から離れた状態で使用するなどの高い操作性と、電磁場受信装置にて高機能な処理を行うことは相反する関係にある。実際、電子マネー等のサービスで使用する高機能処理を行う非接触ＩＣカードでは、電磁場送信装置に密着した状態でしか動作せず、入退室管理サービス等で使用するＩＤカード等の低機能な非接触ＩＣカードしか、かざして使用する等の高い操作性を得ることはできなかった。電磁場受信装置の特長のひとつは、電磁場送信装置から離れた状態で操作できることにあるため、このように電磁場受信装置が動作できる範囲が狭いと、利用者にとっては不便であり、また誤動作の原因であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の電磁場受信装置では、電磁場送信装置から電力供給を受けて動作することができる動作可能領域が狭いという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、通信距離や対向角度の幅広い範囲において電力伝送の効率を高めることにより、動作可能領域の拡大を図ることができる電磁場受信装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電磁場送信装置から送信された電磁波を受信するアンテナ回路（２０，２１）と、このアンテナ回路で受信した前記電磁波から自装置の駆動用電力を得る整流回路（２２）と、この整流回路の出力電圧を定電圧化する定電圧回路（２３）とを備え、電磁誘導を用いて非接触状態で前記電磁場送信装置から電力供給を受ける電磁場受信装置において、前記電磁場送信装置から見た自装置のインピーダンスを変化させるインピーダンス制御回路（３１）を有し、このインピーダンス制御回路は、前記電磁場送信装置から見た自装置のインピーダンスを変化させるインピーダンス制御回路を有し、このインピーダンス制御回路は、前記自装置のインピーダンスを所定量変化させ、この制御によって変動した前記整流回路の出力電圧が所望の電圧設定値に接近したか否かを判定し、この判定結果に応じて前記整流回路の出力電圧が前記電圧設定値に近づくように次回の制御において前記インピーダンスを変化させる方向を決定する動作を繰り返し行うことにより、前記電磁場送信装置からの受信電力量を制御するものである。
本発明の電磁場受信装置の動作を概して言うと、電磁場受信装置の入出力インピーダンスを微小に変化させた際の、整流回路の出力電圧の変動と、あらかじめ設定した所望の電圧設定値から、あらかじめ設定したプログラムに基づき、整流回路の出力電圧が所望の電圧設定値に近づくよう電磁場受信装置の入出力インピーダンスの微小な変化の方向を決定し、再び電磁場受信装置の入出力インピーダンスを微小に変化させる、という動作を連続的に行い、内部回路の消費電力量が変動したり、電磁場送信装置と電磁場受信装置との間の距離や角度の変動により受信電力量が変動したりしても、内部回路の駆動に過不足ない適切な電力量を受信するよう動作することを特徴とする。整流回路の出力電圧を検出するのは、電磁場受信装置が受信する電力量と、電磁場受信装置の内部回路の動作に必要な電力量との差を検知するためである。定電圧回路は、内部回路の駆動に必要な電力を供給しており、内部回路の消費電力が変動しても、その出力電圧値は一定である。この一定の出力電圧値を得るためには、整流回路の出力電圧値はあるしきい値以上無ければならず、そのしきい値は定電圧回路の性能によって決まるが、やはり一定である。よって、内部回路の消費電力量にかかわらず、整流回路の出力電圧値が前記しきい値以上であれば、電磁場受信装置が受信する電力量が、内部回路の動作に必要な電力量を上回っており、内部回路が駆動できると検知することができる。よって、該しきい値より大きく、また過剰な電力を受信しないような、整流回路の出力電圧値をあらかじめ電圧設定値として設定しておき、整流回路の出力電圧を前記所望の電圧設定値に近づけることで、内部回路の駆動に過不足ない適切な電力量を受信する。
また、前記インピーダンス制御回路は、前記所望の電圧設定値を含む、下限値ＶＬ及び上限値ＶＨの第１の電圧許容範囲を設定し、｜ＶＨ−ＶＬ｜を１回の前記制御動作による前記整流回路の出力電圧の変動量よりも大きく設定し、前記下限値ＶＬを前記定電圧回路の出力が定格値を得るのに最低限必要な前記整流回路の出力電圧Ｖｔｈよりも大きく設定し、｜ＶＬ−Ｖｔｈ｜を１回の前記制御動作による前記整流回路の出力電圧の変動量よりも大きく設定し、前記整流回路の出力電圧が前記第１の電圧許容範囲内である場合に、前記制御動作を停止するものである。
また、前記インピーダンス制御回路は、前記第１の電圧許容範囲に加えて、下限値ＶＬ−ΔＶ２（ＶＬ−ΔＶ２＜ＶＬ）及び上限値ＶＨ＋ΔＶ１（ＶＨ＋ΔＶ１＞ＶＨ）の第２の電圧許容範囲を設定し、制御動作停止中に、前記整流回路の出力電圧が前記第２の電圧許容範囲から外れたとき、前記制御動作を再開するものである。
【０００９】
また、本発明の電磁場受信装置の１構成例として、前記インピーダンス制御回路は、容量素子と電子スイッチとを直列に接続した直列接続回路を前記アンテナ回路と並列に複数個配置した可変容量回路（２８）と、前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路（２６）と、この電圧検出回路の検出結果に基づいて、前記整流回路の出力電圧が前記所望の電圧設定値となるよう前記可変容量回路の各電子スイッチの状態を決定するプログラム回路（２７）と、このプログラム回路の決定に従って前記可変容量回路の各電子スイッチのオン／オフを制御するスイッチ制御回路（２９）と、前記電子スイッチのスイッチングクロックを生成するスイッチングクロック生成回路（３０）とを含み、前記電圧検出回路は、前記整流回路の出力電圧を所定のしきい値と比較する出力電圧比較部（２６ｂ）を含み、この出力電圧比較部は、前記整流回路の出力電圧が低下するときのしきい値として前記ＶＬ−ΔＶ２が設定され、前記整流回路の出力電圧が上昇するときのしきい値として前記ＶＬが設定された第１のシュミットトリガ（２６ｂ−１）と、前記整流回路の出力電圧が低下するときのしきい値として前記ＶＨが設定され、前記整流回路の出力電圧が上昇するときのしきい値として前記ＶＨ＋ΔＶ１が設定された第２のシュミットトリガ（２６ｂ−２）と、この第２のシュミットトリガの出力を論理反転させるインバータ（２６ｂ−３）と、前記第１のシュミットトリガの出力と前記インバータの出力の論理和をとるＯＲ回路（２６ｂ−４）とからなるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
［実施の形態の１］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態となる非接触通信システムの構成を示すブロック図である。図１の非接触通信システムは、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２とから構成される。電磁場送信装置１は、電磁場受信装置２への電力供給のためにデータ送信時以外のときにも無変調のキャリア波を送信している。そして、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２は、データを送信するとき、キャリア波を変調してデータを重畳する。
【００１１】
電磁場送信装置１は、無変調のキャリア波を発生するキャリア波発生回路１０と、キャリア波発生回路１０から出力された無変調のキャリア波または変調されたキャリア波を送信したり、電磁場受信装置２から送信された応答波を受信したりするためのアンテナコイル１１と、アンテナコイル１１の共振状態を得るための同調回路１２とを有している。
【００１２】
なお、図１では、データの送信時にキャリア波を変調する変調回路、電磁場受信装置２からの応答波を受信して復調する復調回路、電磁場受信装置２へのデータを生成したり、復調回路で復調されたデータを処理したりする制御回路等の回路については記載を省略している。アンテナコイル１１と同調回路１２はアンテナ回路を構成している。
【００１３】
電磁場受信装置２は、電磁場送信装置１から送信されたキャリア波を受信したり、応答波を送信したりするためのアンテナコイル２０と、アンテナコイル２０が電磁場送信装置１のキャリア波の周波数で共振して同調状態を得るための同調回路２１と、アンテナ回路２０，２１で受信されたキャリア波を整流して電磁場受信装置２の各回路駆動用の電力を得る整流回路２２と、この整流回路２２の出力電圧を定電圧化する定電圧回路２３と、キャリア波から自装置に対する質問データを取得したとき、この質問データに対する応答データを生成して、アンテナ回路２０，２１から応答波として送信させる内部ロジック回路２４とを有している。
【００１４】
また、電磁場受信装置２は、整流回路２２の出力電圧を検出する電圧検出回路２６と、電圧検出回路２６の検出結果と所定のインピーダンス制御プログラムに従って、電磁場送信装置１から見た自装置のインピーダンスを変化させるインピーダンス制御を行い、電磁場受信装置２の受信電力量を制御するプログラム回路２７と、容量素子と電子スイッチとを直列に接続した直列接続回路をアンテナ回路２０，２１と並列に複数個有し、電磁場受信装置２の入出力インピーダンスを電子スイッチのオン／オフによって調整可能な可変容量回路２８と、プログラム回路２７の出力に応じて可変容量回路２８の電子スイッチを制御するスイッチ制御回路２９と、プログラム回路２７及びスイッチ制御回路２９の基準動作クロックであるスイッチングクロック信号を生成するスイッチングクロック生成回路３０とを有している。
【００１５】
アンテナコイル２０と同調回路２１はアンテナ回路を構成している。また、電圧検出回路２６、プログラム回路２７、可変容量回路２８、スイッチ制御回路２９及びスイッチングクロック生成回路３０は、電磁場受信装置２の入出力インピーダンスを制御するインピーダンス制御回路３１を構成している。
インピーダンス制御回路３１の動作に必要な動作電圧は、内部ロジック回路２４の駆動用の定電圧回路２３の出力を用いてもよいし、定電圧回路２３とは別に、インピーダンス制御回路３１の駆動用の定電圧回路を設けてもよい。
【００１６】
スイッチングクロック生成回路３０は、予め設定されたクロック周波数に基づき自発的に発振動作を行ってもよい。ただし、通常の電磁場受信装置は、通信および内部ロジック回路２４の動作に必要なクロックをアンテナコイル２０に誘起した電圧から生成する内部回路クロック生成回路（不図示）を有しており、この内部回路クロック生成回路の出力を分周することでもスイッチングクロック信号が得られるので、電磁場受信装置２の構成を簡略化するためにはこの方法を用いるのが良い。
【００１７】
ここで、本発明の概念を図２を用いて説明する。整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇは、電磁場送信装置１の送信出力、電磁場受信装置２の内部回路の消費電力、電磁場送信装置１及び電磁場受信装置２の回路パラメータ、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度等の影響を受ける。電磁場受信装置２の入出力インピーダンス以外のパラメータを固定して考えると、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇと電磁場受信装置２の入出力インピーダンスの関係は、図２のように単調に上に凸の特性となり、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが局所的に高くなるような入出力インピーダンスの特性値、つまり特異点は持たない。
【００１８】
いま、電磁場受信装置２の入出力インピーダンスをＳとし、このときの整流回路２２の出力電圧ＶｒｅｇをＶ１とする。ここで、インピーダンス制御回路３１により電磁場受信装置２の入出力インピーダンスを△Ｓだけ変化させ、Ｓ＋△Ｓにすると、図２の特性に応じて、整流回路２２の出力電圧ＶｒｅｇはＶ２に変動する。
【００１９】
プログラム回路２７は、この整流回路２２の出力電圧ＶｒｅｇのＶ１からＶ２への変動と、あらかじめ設定された所望の電圧設定値Ｖｓと現在の出力電圧Ｖ２との差に基づいて、電磁場受信装置２の入出力インピーダンスをＳからＳ＋△Ｓへ変化させた制御によって整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓに接近したか否かを判定し、この判定結果に応じて次回の入出力インピーダンスの制御方向（インピーダンスの増加または減少）を決定して、再び電磁場受信装置２の入出力インピーダンスを変化させる。
【００２０】
プログラム回路２７は、電磁場受信装置２の入出力インピーダンスを制御し、この制御によって変動する整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇに基づいて次回の入出力インピーダンスの制御方向を決定する、という一連の動作を繰り返し行うことで、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇをあらかじめ設定された電圧設定値Ｖｓに近づける。
【００２１】
この繰り返し動作を高速に行うことで、電磁場受信装置２の内部回路の消費電力が変動したり、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度が変化して、整流回路２２の出力電圧−電磁場受信装置２の入出力インピーダンス特性が変化したりしても、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇを所望の電圧設定値Ｖｓの近傍に保持することができ、電磁場受信装置２の内部回路の駆動に過不足ない適切な電力量を電磁場送信装置１から受けることができる。
【００２２】
次に、本実施の形態の電磁場受信装置２の動作を図３を用いて説明する。図３は電磁場受信装置２のインピーダンス制御回路３１の動作を説明するためのフローチャート図である。
電磁場受信装置２が電磁場送信装置１に接近して、アンテナ回路２０，２１が電磁場送信装置１からの無変調のキャリア波を受信すると、整流回路２２は、このキャリア波を全波整流し、定電圧回路２３は、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇを定電圧化する。また、図示しない内部回路クロック生成回路は、キャリア波からクロック成分を抽出してクロック信号を生成する。
【００２３】
内部ロジック回路２４は、定電圧回路２３から電力供給を受け、クロック信号に同期して動作する。
次に、電磁場送信装置１から発せられた質問に対して、電磁場受信装置２は応答を返送する。すなわち、電磁場送信装置１の図示しない変調回路は、キャリア波発生回路１０から出力された無変調のキャリア波を質問コマンドで変調する。これにより、変調されたキャリア波（質問波）が電磁場送信装置１のアンテナ回路１１，１２から送信される。
【００２４】
電磁場受信装置２のアンテナ回路２０，２１が変調されたキャリア波を受信すると、内部ロジック回路２４内の復調回路（不図示）は、このキャリア波を復調する。内部ロジック回路２４内のＣＰＵ（不図示）は、この復調により電磁場送信装置１からの質問コマンドを受信した場合、質問コマンドに対する内部演算処理を行う。
【００２５】
質問コマンドに対する内部演算処理としては、ＣＰＵによる演算、内部ロジック回路２４内の不揮発メモリ（不図示）からのデータ読み出し、不揮発メモリへのデータ書き込みもしくは消去、応答データの生成などがある。
そして、内部ロジック回路２４内の変調回路（不図示）は、ＣＰＵによって生成された応答データでキャリア波を変調する。これにより、変調されたキャリア波（応答波）が電磁場受信装置２のアンテナ回路２０，２１から送信される。
【００２６】
以上のように、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間で質問と応答のシーケンスが行われる一方で、インピーダンス制御回路３１は、電磁場受信装置２の入出力インピーダンスの制御を開始している。本実施の形態では、電磁場受信装置２の入出力インピーダンスの制御を可変容量回路２８の回路特性を変化させることで実現する。
【００２７】
電磁場受信装置２が電磁場送信装置１に接近して、定電圧回路２３（あるいは図示しない他の定電圧回路）の出力電圧がインピーダンス制御回路３１の駆動に最低限必要な電圧に達したとき、インピーダンス制御回路３１は動作を開始する。動作開始時、プログラム回路２７は、可変容量回路２８の回路特性Ｓn を初期値Ｓstart に設定する（図３ステップ１０１）。
【００２８】
通常、インピーダンス制御回路３１が動作を開始するのは、電磁場受信装置２が電磁場送信装置１の送信電磁界内にあって、かつ電磁場送信装置１と距離が離れているときであるため、電磁場送信装置１と距離が離れていても、電磁場受信装置２の受信電力量が大きくなるような値に初期値Ｓstart を設定することが好ましい。
そして、プログラム回路２７は、電圧検出回路２６によって検出された整流回路２２の出力電圧値ＶｒｅｇをＶａとして保持する（ステップ１０２）。
【００２９】
次に、プログラム回路２７は、スイッチングクロック信号に同期して、前記可変容量回路２８の回路特性Ｓn を微小量変化させてＳn+1 にする（ステップ１０３）。なお、ここでは説明の都合上、インピーダンス制御回路３１が動作を開始した後の最初の制御方向をＳn+1 の方向としたが、Ｓn-1 の方向に変化させてもよい。
【００３０】
このように可変容量回路２８の回路特性Ｓn を変化させると、電磁場受信装置全体のインピーダンスが変わるため、電力伝送状態が変動し、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが変動する。このときの出力電圧Ｖｒｅｇは、可変容量回路２８の変化後の回路特性Ｓn によって一意に決定されるので、出力電圧変動に要する一定の時間が経過した後、出力電圧Ｖｒｅｇは概略一定となる。
【００３１】
前記出力電圧変動に要する一定の時間は、電磁場受信装置２の回路パラメータによって決定されるが、特に整流回路２２に含まれる、出力電圧Ｖｒｅｇを平滑化するための平滑容量素子（不図示）の充電時間が主な要因となって決定される。通常の電磁場受信装置２では、この平滑容量素子が数十ｐＦから数ｎＦ程度であることを考慮すると、前記出力電圧変動に要する一定の時間は概略１μｓｅｃとなる。
【００３２】
そこで、プログラム回路２７は、可変容量回路２８の回路特性Ｓn を変化させてから前記一定の時間よりも長い時間Δｔが経過した後（ステップ１０４）、電圧検出回路２６によって検出された整流回路２２の出力電圧値ＶｒｅｇをＶｂとして保持する（ステップ１０５）。
【００３３】
そして、プログラム回路２７は、出力電圧ＶｒｅｇのＶａからＶｂへの変動が所望の電圧設定値Ｖｓに近づく変動であるか否かを判定し（ステップ１０６，１０７，１１３）、回路特性Ｓn の次回の制御方向（Ｓn+1 またはＳn-1 ）を決定する。
【００３４】
出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓに接近したか否かは、Δｔ時間前の出力電圧Ｖａと現在の出力電圧Ｖｂを比較し（ステップ１０６，１１２）、さらに出力電圧Ｖｂと電圧設定値Ｖｓを比較することによって判定する（ステップ１０７，１１３）。具体的な判定のアルゴリズムは図３のフローチャートに従うが、この判定のアルゴリズムを表形式で表すと表１のようになる。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１において、処理Ａは、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓに近づいたと判定して、インピーダンス制御回路３１の次回の制御方向を今回と同方向にすることを意味する。また、処理Ｂは、出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓから遠ざかったと判定して、インピーダンス制御回路３１の次回の制御方向を今回と逆方向にすることを意味する。
【００３７】
すなわち、Δｔ時間前の出力電圧Ｖａと現在の出力電圧Ｖｂの大小を比較することで、出力電圧Ｖｒｅｇが増えたか減ったかの増減方向を判定し、出力電圧Ｖｂと電圧設定値Ｖｓの大小を比較することで、電圧設定値Ｖｓが現在の出力電圧Ｖｒｅｇを増やす方向にあるのか減らす方向にあるのかを判定する。
【００３８】
これら２つの判定結果より、表１に基づいて、出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓに近づいたと判定した場合は、次回の制御において可変容量回路２８の回路特性Ｓn を今回と同方向に変化させ、電圧設定値Ｖｓから遠ざかったと判定した場合は、次回の制御において可変容量回路２８の回路特性Ｓn を今回と逆方向に変化させる。
【００３９】
実際の判定では、プログラム回路２７は、ステップ１０６においてＶｂ−Ｖａ＞０が成立し、かつステップ１０７においてＶｓ−Ｖｂ≧０が成立した場合、またはＶｂ−Ｖａ＞０が不成立で、かつステップ１１３においてＶｓ−Ｖｂ≧０が不成立の場合、次回の制御方向を今回と同方向のＳn+1 としてステップ１０２に戻る。
【００４０】
また、プログラム回路２７は、ステップ１０６においてＶｂ−Ｖａ＞０が不成立で、かつステップ１１３においてＶｓ−Ｖｂ≧０が成立した場合、またはステップ１０６においてＶｂ−Ｖａ＞０が成立し、かつステップ１０７においてＶｓ−Ｖｂ≧０が不成立の場合、次回の制御方向を今回と逆方向のＳn-1 としてステップ１０８に進む。
【００４１】
ステップ１０８〜１１１の処理は、ステップ１０９において制御方向をＳn-1 とする以外はステップ１０２〜１０５と同じである。
そして、プログラム回路２７は、ステップ１１２においてＶｂ−Ｖａ＞０が成立し、かつステップ１１３においてＶｓ−Ｖｂ≧０が成立した場合、またはステップ１１２においてＶｂ−Ｖａ＞０が不成立で、かつステップ１０７においてＶｓ−Ｖｂ≧０が不成立の場合、次回の制御方向を今回と同方向のＳn-1 としてステップ１０８に戻る。
【００４２】
また、プログラム回路２７は、ステップ１１２においてＶｂ−Ｖａ＞０が不成立で、かつステップ１０７においてＶｓ−Ｖｂ≧０が成立した場合、またはＶｂ−Ｖａ＞０が成立し、かつステップ１１３においてＶｓ−Ｖｂ≧０が不成立の場合、次回の制御方向を今回と逆方向のＳn+1 としてステップ１０２に進む。
以上のステップ１０２〜１１３の処理がΔｔごとに行われる。
【００４３】
なお、図３、表１では、Ｖａ＝ＶｂのときにはＶｂ＜Ｖａと同じ処理を行い、Ｖｂ＝ＶｓのときにはＶｂ＜Ｖｓと同じ処理を行っているが、Ｖａ＝ＶｂのときにＶｂ＞Ｖａと同じ処理を行い、Ｖｂ＝ＶｓのときにＶｂ＞Ｖｓと同じ処理を行うようにしてもよい。
【００４４】
以上のように、電磁場受信装置２のインピーダンス制御回路３１は、可変容量回路２８の回路特性Ｓn の制御と、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇの検出と、この検出結果に基づく回路特性Ｓn の次回の制御方向の決定とを繰り返し行うことで、出力電圧Ｖｒｅｇを電圧設定値Ｖｓに近づける。前述のように、整流回路２２の出力電圧変動に要する一定の時間が概略１μｓｅｃなので、インピーダンス制御回路３１の繰り返し動作周波数、すなわちスイッチングクロック周波数（＝１／Δｔ）の上限は概略１ＭＨｚである。
【００４５】
また、電磁場受信装置２は人が携帯するものなので、インピーダンス制御回路３１は、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度が変化しても、電磁場受信装置２の内部回路の駆動に過不足ない適切な受信電力量が電磁場送信装置１から得られるよう追従動作する必要があるので、ある程度高速に動作しなければならない。また、電圧設定値Ｖｓが電磁場送信装置１との通信に最低限必要な電圧値である場合、出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓに達する時間が長くなると、通信のオーバーヘッドになり得る。したがって、インピーダンス制御回路３１の繰り返し動作周波数の下限は１ｋＨｚ程度が妥当である。
【００４６】
図４は、インピーダンス制御回路３１による繰り返し制御と整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇとの関係の１例を示す図である。ここでは、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度、電磁場送信装置１の送信出力、及び電磁場受信装置２の内部回路の所要電力量に時間的な変動がないものとする。また、図４に示す時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７，ｔ８，ｔ９の各間隔は、スイッチングクロック周期Δｔと等しい。
【００４７】
整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇは、インピーダンス制御回路３１の繰り返し制御により、初期値Ｖ１から次第に増加して電圧設定値Ｖｓに近づき、時刻ｔ４以降は電圧設定値Ｖｓを挟んでＶ３とＶ４の間を往復している。これは、時刻ｔ１，ｔ２では、インピーダンス制御回路３１の次回の制御方向が同一方向に決定され、時刻ｔ３以降の各時刻では、次回の制御方向が逆方向に決定されたことを意味する。
【００４８】
このように、インピーダンス制御回路３１の動作により、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇは、電圧設定値Ｖｓに近づき、電圧設定値Ｖｓを超えると、インピーダンス制御回路３１の制御方向が周期的に反転（図４の例ではΔｔ毎に反転）するのに合わせて、電圧設定値Ｖｓの近傍で振動状態となる。
【００４９】
電磁場送信装置１の送信出力が小さい場合や、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度が大きい場合には、出力電圧Ｖｒｅｇが取りうる最大値が電圧設定値Ｖｓを下回る場合がある。この場合のインピーダンス制御回路３１による繰り返し制御と出力電圧Ｖｒｅｇとの関係を図５に示す。
【００５０】
整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇは、インピーダンス制御回路３１の繰り返し制御により、初期値Ｖ１から次第に増加して電圧設定値Ｖｓに近づく。しかし、可変容量回路２８の回路特性Ｓn を制御しても電圧設定値Ｖｓに達しない条件であるため、出力電圧Ｖｒｅｇは、電圧設定値Ｖｓに最大限近づいたところで、インピーダンス制御回路３１の制御方向が周期的に反転（図５の例では２Δｔ毎に反転）するのに合わせて、電圧設定値Ｖｓに最大限近づいたＶ５の近傍で振動状態となる。
【００５１】
以上のように、インピーダンス制御回路３１は、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓに近づくよう動作し、与えられた条件下で最大限接近させた後は、制御方向を周期的に反転（以下、この動作を周回動作と呼ぶ）させる。電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度が変化すると、可変容量回路２８の容量値に対する出力電圧Ｖｒｅｇの特性が変動するため、電磁場送信装置１から受ける受信電力量が変動する。しかし、本実施の形態の電磁場受信装置２においては、インピーダンス制御回路３１の繰り返し動作を高速に行うため、このような特性変化にも十分追従し、内部回路の駆動に過不足ない適切な電力量を受信するよう動作する。
【００５２】
図５、図６の例では、出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓに最大限近づいたところで、インピーダンス制御回路３１が周回動作を始め、出力電圧Ｖｒｅｇが振動状態を示すが、このような振動状態は、電磁場受信装置２の受信電力的には問題が無くても、通信にとってはあまり好ましくない。ここで、周回動作が通信にとって好ましくない理由を説明する。非接触ＩＣカードシステムに代表される非接触通信システムでは、通常、電磁場送信装置１から電磁場受信装置２への通信に振幅変調を用いる。電磁場受信装置２では、アンテナ回路２０，２１に誘起する電圧または整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇの変動を復調することで電磁場送信装置１から送信されたデータを得る。しかしながら、インピーダンス制御回路３１による周回動作によっても受信電力は変動する。復調回路単体では、周回動作による受信電力の変動と電磁場送信装置１の変調出力による受信電力の変動の区別がつかないため、周回動作による受信電力の変動が大きいと、変調信号と誤って復調してしまい、通信エラーの原因となる。一方、電磁場受信装置２から電磁場送信装置１への通信時には、負荷変調方式と呼ばれる方式を使用しており、電磁場受信装置２側で自装置の入出力インピーダンスを変動させることで、電磁場送信装置１側の出力電圧の振幅を変動させ、その変動を検出することで電磁場受信装置２からのデータを取得している。よって、電磁場送信装置１側から見れば、出力電圧の変動が負荷変調によるものなのか、周回動作によるものなのかを区別できないため、通信エラーの原因となる。以上の点から、周回動作は通信にとって好ましくないと言える。
【００５３】
そこで、可変容量回路２８の回路特性Ｓn がＳn+1 とＳn-1 の間を繰り返し往復する状態、若しくは出力電圧Ｖｒｅｇの振動状態を検知することで、インピーダンス制御回路３１の周回動作を検知し、周回動作を検知したとき回路特性Ｓn の制御を停止する動作停止手段をインピーダンス制御回路３１（プログラム回路２７）に設けることが望ましい。あるいは、電圧設定値Ｖｓを含む、下限値ＶＬ及び上限値ＶＨの電圧許容範囲をあらかじめ設定し、出力電圧Ｖｒｅｇがこの電圧許容範囲内である場合に制御を停止する動作停止手段を設けてもよい。
【００５４】
なお、動作停止手段による制御の停止後に、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度が変化したり、電磁場受信装置２の内部回路の駆動に必要な電力量が変化したりして、出力電圧Ｖｒｅｇが変動する場合がある。よって、プログラム回路２７は、制御の停止後も、出力電圧Ｖｒｅｇの変動を検知して、出力電圧Ｖｒｅｇが前記電圧許容範囲を外れたときは、可変容量回路２８の回路特性Ｓn の制御を再開するのがよい。
【００５５】
整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが前記電圧許容範囲内である場合に制御を停止する動作停止手段をプログラム回路２７に設ける場合、｜ＶＨ−ＶＬ｜、すなわち上限値ＶＨと下限値ＶＬの差の絶対値は、可変容量回路２８の回路特性Ｓn を１回制御することによる出力電圧Ｖｒｅｇの変動量よりも大きい必要がある。その理由は、前記電圧許容範囲が１回の制御による出力電圧Ｖｒｅｇの変動量より小さいと、出力電圧Ｖｒｅｇが前記電圧許容範囲内に入らず、制御を停止することができなくなるためである。
【００５６】
また、下限値ＶＬは、定電圧回路２３の出力が定格値を得るのに最低限必要な整流回路２２の出力電圧Ｖｔｈより大きく、かつ｜ＶＬ−Ｖｔｈ｜が１回の制御による出力電圧Ｖｒｅｇの変動量より大きくなるように設定するのがよい。その理由は、動作停止手段による制御の停止後に、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度が変化したり、電磁場受信装置２の内部回路の駆動に必要な電力量が変化したりして、出力電圧Ｖｒｅｇが下限値ＶＬを下回り、制御動作を再開したとき、１回の制御により出力電圧Ｖｒｅｇが最低限必要な電圧Ｖｔｈを下回ってしまうのを防ぐためである。
【００５７】
図６は、動作停止手段を有する場合のインピーダンス制御回路３１の動作を説明するためのフローチャート図であり、図３と同一の処理には同一の符号を付してある。プログラム回路２７は、ステップ１０２において電圧検出回路２６で検出された整流回路２２の出力電圧Ｖａ＝Ｖｒｅｇが前記電圧許容範囲内であるか否かを判定し（ステップ１１４）、出力電圧Ｖａが前記電圧許容範囲外である場合はステップ１０３に進み、前記電圧許容範囲内である場合は、可変容量回路２８の回路特性Ｓn の制御を行わずに、一定時間Δｔだけ待機した後（ステップ１１５）、ステップ１０２に戻る。
【００５８】
同様に、プログラム回路２７は、ステップ１０８において検出された出力電圧Ｖａが前記電圧許容範囲内であるか否かを判定し（ステップ１１６）、出力電圧Ｖａが前記電圧許容範囲外である場合はステップ１０９に進み、前記電圧許容範囲内である場合は時間Δｔだけ待機した後（ステップ１１７）、ステップ１０８に戻る。以上のステップ１０２〜１１７の処理がΔｔごとに行われる。
【００５９】
図７は、動作停止手段を有する場合のインピーダンス制御回路３１の制御と整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇとの関係の１例を示す図である。ここでは、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度、電磁場送信装置１の送信出力、及び電磁場受信装置２の内部回路の所要電力量に時間的な変動がないものとする。
【００６０】
整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇは、インピーダンス制御回路３１の繰り返し制御により、初期値から次第に増加して電圧設定値Ｖｓに近づき、下限値ＶＬ及び上限値ＶＨの電圧許容範囲内に入る。このとき、動作停止手段が制御動作を停止させることにより、以降は出力電圧Ｖｒｅｇの時間変動がなくなる。これに対して、動作停止手段がない場合には、前述のように出力電圧Ｖｒｅｇは電圧設定値Ｖｓの近傍で振動状態となる。
【００６１】
電磁場送信装置１がキャリア波を振幅変調して信号を送信するなどして、送信電力が時間経過に伴って等価的に変動する場合には、この変動に合わせて出力電圧Ｖｒｅｇも変動する。したがって、出力電圧ＶｒｅｇがＶＨまたはＶＬの近傍にある場合には、送信電力の変動に伴って、制御動作の停止と再開とが繰り返され、通信エラーを起こす可能性がある。
【００６２】
そこで、インピーダンス制御回路３１が制御動作を停止するときのしきい値と制御動作を再開するときのしきい値とを変えることで、通信エラーを防ぐことができる。すなわち、プログラム回路２７には、ＶＨ，ＶＬが制御を停止するときのしきい値として予め設定され、ＶＨ＋ΔＶ１，ＶＬ−ΔＶ２が制御を再開するときのしきい値として予め設定されている。
【００６３】
そして、プログラム回路２７は、図８に示すように、制御動作中に整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが下限値ＶＬ及び上限値ＶＨの第１の電圧許容範囲内に入った場合（ＶＬ＜Ｖｒｅｇ＜ＶＨ）、制御動作を停止し、動作停止後、出力電圧Ｖｒｅｇが下限値ＶＬ−ΔＶ２及び上限値ＶＨ＋ΔＶ１の第２の電圧許容範囲から外れた場合（Ｖｒｅｇ＞ＶＨ＋ΔＶ１またはＶｒｅｇ＜ＶＬ−ΔＶ２）、制御動作を再開する。上記ΔＶ１およびΔＶ２を、電磁場送信装置１が振幅変調することで変動する出力電圧Ｖｒｅｇの変動幅より大きくなるように適切に設定することで、出力電圧ＶｒｅｇがＶＨまたはＶＬの近傍で変動しても、制御動作の停止と再開とが繰り返されることがなくなる。
【００６４】
次に、以上のような電磁場受信装置２のインピーダンス制御を実現する可変容量回路２８の構成について詳細に説明する。図９は可変容量回路２８の構成を示す回路図である。可変容量回路２８は、容量素子Ｃ０をアンテナ回路２０，２１と並列に配置し、さらに容量素子Ｃｖ（Ｃｖ１，Ｃｖ２，Ｃｖ３，・・・，Ｃｖｉ）と例えばトランジスタ等からなる電子スイッチＳ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・，Ｓｉ）とを直列に接続した直列接続回路をアンテナ回路２０，２１と並列に複数個配置したものである。なお、容量素子Ｃ０は必須の構成ではない。
【００６５】
プログラム回路２７は、図２〜図８を用いて説明した制御アルゴリズムに従って可変容量回路２８の回路特性Ｓn を制御すべく各電子スイッチＳのオン／オフ状態を決定する。スイッチ制御回路２９は、プログラム回路２７の決定を受けて、可変容量回路２８の電子スイッチＳをオン／オフさせるための制御信号ＣＴＬをスイッチングクロック生成回路３０からのスイッチングクロック信号に同期して出力する。
【００６６】
可変容量回路２８の電子スイッチＳは、制御信号ＣＴＬに応じてオンまたはオフ状態となる。電子スイッチＳがオン／オフすることにより、可変容量回路２８の回路特性Ｓn 、すなわち可変容量回路２８の容量値が変化するので、これにより電磁場送信装置１から見た電磁場受信装置２の入出力インピーダンスが変化する。
【００６７】
図３、図６のステップ１０３で説明した回路特性Ｓn+1 がオン状態の電子スイッチＳを１個増したときの回路特性であるとすれば、ステップ１０９で説明した回路特性Ｓn-1 はオン状態の電子スイッチＳを１個減らしたときの回路特性である。こうして、可変容量回路２８の回路特性Ｓn を変化させ、電磁場受信装置２の入出力インピーダンスを変化させることができる。
【００６８】
可変容量回路２８の回路特性Ｓn の可変範囲（容量値の可変範囲）及び回路特性Ｓn がとり得る状態の数（可変容量回路２８内の直列接続回路の個数）は、以下のように設定するのが良い。すなわち、電磁場受信装置２の内部回路の動作に必要な所要電力量と、電磁場送信装置１の送信出力とから、可変容量回路２８の回路特性Ｓn を制御することによって得られる最大の動作距離や対向角度を決定する。
【００６９】
そして、決定した動作距離や対向角度の範囲内において電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度が変化し、可変容量回路２８の回路特性Ｓn に対する出力電圧Ｖｒｅｇの特性が変動したとしても、回路特性Ｓn を制御すれば出力電圧Ｖｒｅｇを電圧設定値Ｖｓの近傍に到達させることができるように前記回路特性Ｓn の可変範囲を設定すればよい。
【００７０】
また、この回路特性Ｓn の可変範囲内において、回路特性Ｓn がとり得る状態の数を決定する。この際、１回の制御による出力電圧Ｖｒｅｇの変動量が大きいと、出力電圧Ｖｒｅｇを低下させるときに電磁場受信装置２の内部回路の駆動に最低限必要な電圧Ｖｔｈを下回って動作不良を起こす危険性があるので、このような危険性を避け得る程度に出力電圧Ｖｒｅｇが変動するよう、１制御当たりの回路特性Ｓn の変化量を設定する。
【００７１】
さらに、１回の制御による出力電圧Ｖｒｅｇの変動量が大きいと、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２間の通信エラーを起こし誤動作する可能性があるので、１回の制御による出力電圧Ｖｒｅｇの変動量の上限を通信エラーが起こらない程度に抑えることとし、これに基づいて１制御当たりの回路特性Ｓn の変化量を設定するのがよい。
【００７２】
また、スイッチングクロック周波数との兼ね合いであるが、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離や角度の変動速度に、可変容量回路２８の回路特性制御による受信電力量制御が追従できるよう回路特性Ｓn の状態数を少なく設定するのがよい。
【００７３】
このように、回路パラメータや使用目途等によって１制御当たりの回路特性Ｓn の変化量及び回路特性Ｓn がとり得る状態数の最適値は異なるが、概して言うと、回路特性Ｓn がとり得る状態数は概略３〜１００程度がよい。また、電磁場受信装置２を人間が手に持って動作させることと、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２間の通信の安定性とを考慮すると、前記状態数は概略５〜５０程度である方がより好ましい。さらに、本実施の形態の電磁場受信装置２を１つのＩＣチップ内で構成するためには、回路規模等をかんがみ、前記状態数は概略１０〜３０程度であるほうがより好ましい。
【００７４】
可変容量回路２８の各容量素子Ｃ０，Ｃｖ１〜Ｃｖｉに対する容量値の分配は、荒く決めるなら全て等量な容量値を用いても差し支えない。しかし、より望ましくは、回路パラメータを用いて図２に示すような入出力インピーダンスに対する出力電圧Ｖｒｅｇの特性をシミュレーション等を用いて計算し、所望の動作範囲内で可変容量回路２８の回路特性Ｓn を変化させながら上記特性を調べ、その範囲をカバーするように各容量値を割り振るのが良い。このようにして容量値を決定すると、等間隔や指数関数的な数値列等の単純な配列にはならず、各容量素子Ｃ０，Ｃｖ１〜Ｃｖｉの容量値は概略数ｐＦから数十ｐＦ程度となる。
【００７５】
［実施の形態の２］
本発明は、非接触で通信を行う携帯可搬の電磁場受信装置なら、どのようなものであっても差し支えなく、ＲＦタグ、携帯情報端末などにも利用できる。しかし、より有用な適用領域はＩＣカードシステムである。そこで、本実施の形態では、電磁場送信装置１をＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３で標準化されたリーダライタとし、電磁場受信装置２をＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３で標準化された非接触ＩＣカードとして、非接触通信システム（非接触ＩＣカードシステム）を詳細に説明する。
【００７６】
図１０は、本発明の第２の実施の形態となる非接触通信システムの構成図である。本実施の形態においても、電磁場送信装置１及び電磁場受信装置２の構成は実施の形態の１と同様であるので、実施の形態の１の符号を用いて説明する。
電磁場送信装置１は、図１０に示すようにコンピュータ等の制御端末３によってその動作を制御されている。電磁場送信装置１と電磁場受信装置２は電磁誘導で結合されており、これを用いて、電磁場送信装置１から電磁場受信装置２に電力を供給している。また、同時に通信も電磁誘導で行う。
【００７７】
電磁場送信装置１は周波数１３．５６ＭＨｚのキャリヤ周波数の電磁波をアンテナコイル１１から送信しており、その出力は概略１Ｗ程度である。また、電磁場送信装置１からのデータ送信は、１３．５６ＭＨｚのキャリア波を概略１０６ｋｂａｕｄの速度で概略１０％のＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調することによって行う。
【００７８】
電磁場受信装置２のアンテナコイル２０は、銅エッチングによって印刷形成されたスパイラルコイルを図１０のようにカード部材内部に埋め込んだもので、その外周寸法は最大でも概略５ｃｍ×８ｃｍ程度である。ターン数は電磁場送信装置１のキャリヤ周波数が１３．５６ＭＨｚであり、これに対してアンテナコイル２０と同調回路２１と可変容量回路２８とで受信することをかんがみ、４ターンで自己インダクタンスが０．９１７μＨのアンテナコイル２０を使用した。なお、電磁場送信装置１については、５ターンで自己インダクタンスが２．８９μＨのアンテナコイル１１を使用した。
【００７９】
図１１は整流回路２２及び定電圧回路２３の構成を示す回路図である。整流回路２２は、４つのダイオード２２ａを用いた全波整流回路と、出力電圧Ｖｒｅｇを平滑化するための平滑容量素子２２ｂとから構成される。平滑容量素子２２ｂの容量値は１０ｎＦとした。
定電圧回路２３は、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇを入力とするレギュレータ２３ａによって構成され、出力電圧Ｖｒｅｇを電磁場受信装置２の内部回路の動作電圧に定電圧化して出力する。
【００８０】
同調回路２１は、図９に示すように、アンテナコイル２０と並列に接続された６５ｐＦの容量素子Ｃａと、アンテナコイル２０と直列に接続された１２０ｐＦの容量素子Ｃｂとから構成される。なお、容量素子ＣａもしくはＣｂの１つを取り除いて、この容量素子を取り除いた箇所に可変容量回路２８を挿入することも可能であるが、アンテナ回路２０，２１に近づくに従って、電子スイッチＳに印加される電圧が高くなり、電子スイッチＳの耐圧を上回る可能性が高くなる。この電圧は同調回路２１で降圧されるので、可変容量回路２８は同調回路２１の後段に配することが好ましい。
【００８１】
また、可変容量回路２８については、容量素子Ｃｖと電子スイッチＳとからなる直列接続回路の数を２０個とし、容量素子ＣｖにＣｖ１〜Ｃｖ２０、容量素子Ｃｖ１〜Ｃｖ２０と接続された電子スイッチＳにそれぞれＳ１〜Ｓ２０の符号を付与するものとする。表２に容量素子Ｃ０，Ｃｖ１〜Ｃｖ２０の容量値を示す。容量素子Ｃ０については必ずしも必要ではないが、ここでは２０ｐＦとした。
【００８２】
【表２】

【００８３】
内部ロジック回路２４は、その駆動電力を定電圧回路２３から得ており、内部には、主にカードの機能動作を行うＣＰＵ等のディジタル回路と、電磁場送信装置１との通信を行うための変調回路及び復調回路を有する。通常、ＣＰＵ等のディジタル回路は、制御端末３との通信手段、クロックを自立発振で生成する基準周波数発生回路、バッファメモリ、初期応答や衝突防止等の通信プロトコルの制御手段、内部ロジック回路２４の動作に必要な内部クロック信号をキャリア波から生成する内部回路クロック生成回路、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、電気的に書き換え／消去可能な不揮発メモリ（ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、強誘電体メモリ等）を含む。
【００８４】
復調回路は、電磁場送信装置１によって変調されアンテナ回路２０，２１で受信したキャリヤ波から通信信号を抽出し、変調回路は、電磁場受信装置２の入出力インピーダンスを変化させることにより、キャリヤ波に対して負荷変調を行う。内部ロジック回路２４の動作に必要な電力は概略５０ｍＷである。
【００８５】
図１２はインピーダンス制御回路３１の詳細な構成を示すブロック図である。スイッチ制御回路２９は、プログラム回路２７の決定に基づいて、制御信号ＣＴＬを可変容量回路２８へ出力する。ここで、制御信号ＣＴＬにより可変容量回路２８の全ての電子スイッチＳ１〜Ｓ２０をオンにした状態を初期状態Ｓ０とすると、初期状態Ｓ０から電子スイッチＳ１〜Ｓ２０を１つずつ順次オフにしていったときの可変容量回路２８の等価容量値は、表２に示す各容量素子Ｃ０，Ｃｖ１〜Ｃｖ２０の容量値から表３のようになる。表３において、Ｓ１は初期状態Ｓ０から電子スイッチＳ１をオフにした状態を示し、Ｓ２は電子スイッチＳ１，Ｓ２をオフにした状態を示す。
【００８６】
【表３】

【００８７】
電圧検出回路２６は、１スイッチングクロック毎に整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇの変動を検出して、検出結果をプログラム回路２７に出力する出力電圧変動検出部２６ａと、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇを所定のしきい値と比較して比較結果をプログラム回路２７に出力する出力電圧比較部２６ｂとから構成される。
【００８８】
出力電圧変動検出部２６ａは、スイッチングクロック生成回路３０から出力されたスイッチングクロック信号に同期して整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇを保持するサンプルホールド回路２６ａ−１と、サンプルホールド回路２６ａ−１によって保持された１スイッチングクロック前の整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇと現在の出力電圧Ｖｒｅｇとを比較して、この比較結果をプログラム回路２７に出力するコンパレータ２６ａ−２とを有している。
【００８９】
サンプルホールド回路２６ａ−１によって保持された１スイッチングクロック前の出力電圧Ｖｒｅｇは、図３、図６で説明した出力電圧Ｖａに相当する。したがって、プログラム回路２７は、コンパレータ２６ａ−２の比較結果に基づいてステップ１０６，１１２の処理を実行することができる。
【００９０】
出力電圧比較部２６ｂは、第１のシュミットトリガ２６ｂ−１と、この第１のシュミットトリガ２６ｂ−１としきい値が異なる第２のシュミットトリガ２６ｂ−２と、この第２のシュミットトリガ２６ｂ−２の出力を論理反転させるインバータ２６ｂ−３と、シュミットトリガ２６ｂ−１の出力とインバータ２６ｂ−３の出力の論理和をとるＯＲ回路２６ｂ−４とを有している。
【００９１】
第１のシュミットトリガ２６ｂ−１の２つのしきい値としては、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが低下するときのしきい値として前述のＶＬ−ΔＶ２が設定され、出力電圧Ｖｒｅｇが上昇するときのしきい値としてＶＬが設定される。
また、第２のシュミットトリガ２６ｂ−２の２つのしきい値としては、出力電圧Ｖｒｅｇが低下するときのしきい値としてＶＨが設定され、出力電圧Ｖｒｅｇが上昇するときのしきい値としてＶＨ＋ΔＶ１が設定される。
【００９２】
図１３は、シュミットトリガ２６ｂ−１の出力Ｘ、シュミットトリガ２６ｂ−２の出力Ｙ、インバータ２６ｂ−３の出力Ｚ及びＯＲ回路２６ｂ−４の出力ＯＵＴと整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇとの関係を示す図である。図１２のような回路構成とすることで、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが下限値ＶＬ及び上限値ＶＨの第１の電圧許容範囲内に入った場合（ＶＬ＜Ｖｒｅｇ＜ＶＨ）、出力電圧比較部２６ｂ（ＯＲ回路２６ｂ−４）の出力ＯＵＴは「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変わり、出力電圧Ｖｒｅｇが下限値ＶＬ−ΔＶ２及び上限値ＶＨ＋ΔＶ１の第２の電圧許容範囲から外れた場合（Ｖｒｅｇ＞ＶＨ＋ΔＶ１またはＶｒｅｇ＜ＶＬ−ΔＶ２）、出力電圧比較部２６ｂの出力ＯＵＴは「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変わる。
【００９３】
プログラム回路２７は、制御動作中に出力電圧比較部２６ｂの出力ＯＵＴが「Ｌ」レベルに変わったとき、制御動作を停止し、動作停止後に出力電圧比較部２６ｂの出力ＯＵＴが「Ｈ」レベルに変わったとき、制御動作を再開する。こうして、図８を用いて説明した、制御動作の停止と再開の繰り返しを防止する動作を実現することができる。
【００９４】
本実施の形態では、定電圧回路２３の定格出力が２Ｖで、この定格出力が安定して得られるのに必要な整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが概略４Ｖであり、かつ電磁場送信装置１の出力の変調度が１０％であることより、この変調による出力電圧Ｖｒｅｇの変動にも誤動作しないよう、第１のシュミットトリガ２６ｂ−１のしきい値ＶＬ−ΔＶ２，ＶＬをそれぞれ４．５Ｖ，５．５Ｖとし、第２のシュミットトリガ２６ｂ−２のしきい値ＶＨ，ＶＨ＋ΔＶ１をそれぞれ６．５Ｖ，７．５Ｖとした。
【００９５】
プログラム回路２７は、図６に示すアルゴリズムに従って動作するよう内部ロジックが設定されている。ただし、プログラム回路２７の動作停止手段は、制御動作中に出力電圧比較部２６ｂの出力ＯＵＴが「Ｌ」レベルになったとき制御動作を停止させる。
スイッチングクロック生成回路３０は、アンテナ回路２０の誘起電圧（キャリア波）からクロック信号を抽出するクロック抽出回路３０ａと、クロック抽出回路３０ａによって生成されたクロック信号を分周してスイッチングクロック信号を生成する分周回路３０ｂとから構成される。スイッチングクロックの周波数は約３３３ｋＨｚに設定した。
【００９６】
可変容量回路２８の状態、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇ及び定電圧回路２３の出力電圧の時間変動の１例を図１４に示す。図１４は、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２とが正対し、電磁場送信装置１と電磁場受信装置２との間の距離がそれぞれ５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、４０ｍｍのときの動作例を示す図である。
【００９７】
図１４の例では、時刻０において電磁場送信装置１からキャリア波の送信を開始している。キャリア波は、１０６ｋｂａｕｄで１０％振幅変調されている。キャリア波を振幅変調しているビット列は１／０の繰り返しとした。電磁場送信装置１の出力が発生してから約６μｓｅｃ後に、電磁場受信装置２のインピーダンス制御回路３１が動作を開始する。この動作開始後はスイッチングクロック生成回路３０から出力される３３３ｋＨｚのスイッチングクロックに同期して可変容量回路２８の状態が変動する。
【００９８】
初期状態では、整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓ以下であるため、全ての距離において、出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓに近づくようインピーダンス制御回路３１が制御動作を行い、この結果、出力電圧Ｖｒｅｇが時間経過とともに増加する。
【００９９】
出力電圧Ｖｒｅｇが第１のシュミットトリガ２６ｂ−１のしきい値ＶＬ＝５．５Ｖを超えると、インピーダンス制御回路３１の制御動作が停止する。例えば、距離５ｍｍでは、概略７０μｓｅｃ後に出力電圧Ｖｒｅｇがしきい値ＶＬを超え、制御動作が停止している。距離５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍの場合、何れもインピーダンス制御回路３１の制御動作によって、出力電圧Ｖｒｅｇが下限値ＶＬ及び上限値ＶＨの第１の電圧許容範囲内に入り、制御動作が停止している。制御動作停止時の可変容量回路２８の状態は、電磁場送信装置１との距離によって異なることが分かる。
【０１００】
また、制御動作停止後は、電磁場送信装置１の送信出力の１０％振幅変調によって整流回路２２の出力電圧Ｖｒｅｇが周期的に上がったり下がったりしているが、シュミットトリガ２６ｂ−１，２６ｂ−２のヒステリシスにより、インピーダンス制御回路３１が制御動作を再開することは無く、上記１０％振幅変調信号を正しく受信することができる。
【０１０１】
一方、距離４０ｍｍの場合、可変容量回路２８の容量値を調整しても、出力電圧Ｖｒｅｇが前記第１の電圧許容範囲内に入らないため、出力電圧Ｖｒｅｇが電圧設定値Ｖｓに最大限近づいたところで、インピーダンス制御回路３１が周回動作をしている。この周回動作時は出力電圧Ｖｒｅｇが振動状態となるが、制御動作による出力電圧Ｖｒｅｇの変動値が５％以下と十分に小さくなるよう可変容量回路２８の各容量値を設定しているため、上記１０％振幅変調信号を正しく受信することができる。
また、いずれの距離においても、定電圧回路２３の出力電圧は定格の２Ｖとなり、内部ロジック回路２４の動作に十分な電力が供給される。
【０１０２】
次に、従来の電磁場受信装置における整流回路の出力電圧及び定電圧回路の出力電圧の時間変動の１例を図１５に示す。この従来の電磁場受信装置は、本実施の形態の電磁場受信装置２において入出力インピーダンスを固定したものであり、その他の回路パラメータ等の条件については電磁場受信装置２と同じである。ここでは、電磁場送信装置と電磁場受信装置とが正対し、電磁場送信装置と電磁場受信装置との間の距離を１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍとした。
【０１０３】
図１５の例では、電磁場送信装置と電磁場受信装置間の距離が大きくなるにつれて整流回路の出力電圧Ｖｒｅｇが低下し、距離４０ｍｍにおいては、定電圧回路の出力電圧が定格の２Ｖに達していないことから、距離４０ｍｍ以上では内部ロジック回路の動作に十分な電力が得られないことが分かる。
以上より、本発明では、電磁場送信装置から電力供給を受けて動作することができる動作可能領域（空間）を拡大できることが分かる。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明によれば、電磁場送信装置から見た自装置のインピーダンスを変化させるインピーダンス制御回路を電磁場受信装置に設け、このインピーダンス制御回路が、整流回路の出力電圧が所望の電圧設定値となるよう自装置のインピーダンスを変化させる制御動作を繰り返し行うので、電磁場受信装置の内部回路の消費電力量が増大したり、電磁場送信装置と電磁場受信装置との間の距離や角度が変化して電磁場送信装置からの受信電力量が変化したりしても、内部回路の駆動に過不足ない適切な電力量を受信することができる。その結果、電磁場受信装置の動作可能領域（空間）を拡大することができる。
【０１０５】
また、インピーダンス制御回路が、容量素子と電子スイッチとを直列に接続した直列接続回路をアンテナ回路と並列に複数個配置した可変容量回路と、整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、電圧検出回路の検出結果に基づいて、整流回路の出力電圧が所望の電圧設定値となるよう可変容量回路の各電子スイッチの状態を決定するプログラム回路と、プログラム回路の決定に従って可変容量回路の各電子スイッチのオン／オフを制御するスイッチ制御回路と、電子スイッチのスイッチングクロックを生成するスイッチングクロック生成回路とを含み、プログラム回路による電子スイッチの状態決定と、スイッチ制御回路による電子スイッチの制御と、電圧検出回路による整流回路の出力電圧検出とを１スイッチングクロック毎に繰り返し行うことにより、電磁場送信装置から見た自装置のインピーダンスを段階的、かつ容易に変化させることができ、インピーダンス制御を動的に行って、電磁場送信装置からの受信電力量を制御するインピーダンス制御回路を容易に実現することができる。
【０１０６】
また、電圧検出回路が出力電圧変動検出部を含み、出力電圧変動検出部を、スイッチングクロック生成回路から出力されたスイッチングクロックに同期して整流回路の出力電圧を保持するサンプルホールド回路と、このサンプルホールド回路によって保持された出力電圧と整流回路の現在の出力電圧との大小を比較するコンパレータとから構成することにより、整流回路の出力電圧の変動を１スイッチングクロック毎に検出することができる。
【０１０７】
また、インピーダンス制御回路が、所望の電圧設定値を含む、下限値ＶＬ及び上限値ＶＨの第１の電圧許容範囲を設定し、｜ＶＨ−ＶＬ｜を１回の制御動作による整流回路の出力電圧の変動量よりも大きく設定し、下限値ＶＬを定電圧回路の出力が定格値を得るのに最低限必要な整流回路の出力電圧Ｖｔｈよりも大きく設定し、｜ＶＬ−Ｖｔｈ｜を１回の制御動作による整流回路の出力電圧の変動量よりも大きく設定し、整流回路の出力電圧が第１の電圧許容範囲内である場合に制御動作を停止することにより、インピーダンスの制御方向が周期的に反転する周回動作を回避することができ、通信エラーの発生を回避することができる。
【０１０８】
また、インピーダンス制御回路が、第１の電圧許容範囲に加えて、下限値ＶＬ−ΔＶ２（ＶＬ−ΔＶ２＜ＶＬ）及び上限値ＶＨ＋ΔＶ１（ＶＨ＋ΔＶ１＞ＶＨ）の第２の電圧許容範囲を設定し、制御動作中に、整流回路の出力電圧が第１の電圧許容範囲内に入ったとき、制御動作を停止し、制御動作停止中に、整流回路の出力電圧が第２の電圧許容範囲から外れたとき、制御動作を再開することにより、制御動作の停止と再開とが繰り返されることを防止でき、通信エラーの危険性を回避することができる。
【０１０９】
また、電圧検出回路が出力電圧比較部を含み、出力電圧比較部を、整流回路の出力電圧が低下するときのしきい値としてＶＬ−ΔＶ２が設定され、整流回路の出力電圧が上昇するときのしきい値としてＶＬが設定された第１のシュミットトリガと、整流回路の出力電圧が低下するときのしきい値としてＶＨが設定され、整流回路の出力電圧が上昇するときのしきい値としてＶＨ＋ΔＶ１が設定された第２のシュミットトリガと、第２のシュミットトリガの出力を論理反転させるインバータと、第１のシュミットトリガの出力とインバータの出力の論理和をとるＯＲ回路とから構成することにより、出力電圧比較部を用いることで、制御動作の停止と再開の繰り返しを防止する動作を容易に実現することができる。
【０１１０】
また、アンテナ回路で誘起した電圧のクロック成分を分周してスイッチングクロックを生成することにより、スイッチングクロックを簡易な構成で生成することができる。
【０１１１】
また、スイッチングクロックの周波数を１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下とすることにより、電磁場送信装置から見た自装置のインピーダンスを変化させるインピーダンス制御とこれに付随する整流回路の出力電圧検出とを正確に実行でき、かつインピーダンス制御に要する時間を短くして、電磁場送信装置に応答を返すまでの時間を短くすることができる。
【０１１２】
また、直列接続回路の個数を３個以上１００個以下とすることにより、１つの電子スイッチの状態変化による整流回路の出力電圧変化を適切な量にすることができ、整流回路の出力電圧を低下させるときに出力電圧が電磁場受信装置の各回路の最低必要電圧を下回って動作不良を起こすという危険性及び通信の不安定性を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態となる非接触通信システムの構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の動作概念を模式的に示す図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態におけるインピーダンス制御回路の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図４】 インピーダンス制御回路による繰り返し制御と整流回路の出力電圧との関係の１例を示す図である。
【図５】 インピーダンス制御回路による繰り返し制御と整流回路の出力電圧との関係の他の例を示す図である。
【図６】 動作停止手段を有する場合のインピーダンス制御回路の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図７】 動作停止手段を有する場合のインピーダンス制御回路の制御と整流回路の出力電圧との関係の１例を示す図である。
【図８】 インピーダンス制御回路の動作としきい値との関係を示す図である。
【図９】 本発明の第１の実施の形態における可変容量回路の構成を示す回路図である。
【図１０】 本発明の第２の実施の形態となる非接触通信システムの構成図である。
【図１１】 本発明の第２の実施の形態における整流回路及び定電圧回路の構成を示す回路図である。
【図１２】 本発明の第２の実施の形態におけるインピーダンス制御回路の詳細な構成を示すブロック図である。
【図１３】 電圧検出回路の出力電圧比較部内の各回路の出力と整流回路の出力電圧との関係を示す図である。
【図１４】 本発明の第２の実施の形態における可変容量回路の状態、整流回路の出力電圧及び定電圧回路の出力電圧の時間変動の１例を示す図である。
【図１５】 従来の電磁場受信装置における整流回路の出力電圧及び定電圧回路の出力電圧の時間変動の１例を示す図である。
【符号の説明】
１…電磁場送信装置、２…電磁場受信装置、３…端末装置、１０…キャリア波発生回路、１１…アンテナコイル、１２…同調回路、２０…アンテナコイル、２１…同調回路、２２…整流回路、２３…定電圧回路、２４…内部ロジック回路、２６…電圧検出回路、２７…プログラム回路、２８…可変容量回路、２９…スイッチ制御回路、３０…スイッチングクロック生成回路、３１…インピーダンス制御回路、２６ａ…出力電圧変動検出部、２６ｂ…出力電圧比較部、２６ａ−１…サンプルホールド回路、２６ａ−２…コンパレータ、２６ｂ−１、２６ｂ−２…シュミットトリガ、２６ｂ−３…インバータ、２６ｂ−４…ＯＲ回路、３０ａ…クロック抽出回路、３０ｂ…分周回路、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃ０、Ｃｖ…容量素子、Ｓ…電子スイッチ。

Claims (2)

1. 電磁場送信装置から送信された電磁波を受信するアンテナ回路と、このアンテナ回路で受信した前記電磁波から自装置の駆動用電力を得る整流回路と、この整流回路の出力電圧を定電圧化する定電圧回路とを備え、電磁誘導を用いて非接触状態で前記電磁場送信装置から電力供給を受ける電磁場受信装置において、
   前記電磁場送信装置から見た自装置のインピーダンスを変化させるインピーダンス制御回路を有し、このインピーダンス制御回路は、前記自装置のインピーダンスを所定量変化させ、この制御によって変動した前記整流回路の出力電圧が所望の電圧設定値に接近したか否かを判定し、この判定結果に応じて前記整流回路の出力電圧が前記電圧設定値に近づくように次回の制御において前記インピーダンスを変化させる方向を決定する動作を繰り返し行うことにより、前記電磁場送信装置からの受信電力量を制御する手段と、
   前記所望の電圧設定値を含む、下限値ＶＬ及び上限値ＶＨの第１の電圧許容範囲を設定し、｜ＶＨ−ＶＬ｜を１回の前記制御動作による前記整流回路の出力電圧の変動量よりも大きく設定し、前記下限値ＶＬを前記定電圧回路の出力が定格値を得るのに最低限必要な前記整流回路の出力電圧Ｖｔｈよりも大きく設定し、｜ＶＬ−Ｖｔｈ｜を１回の前記制御動作による前記整流回路の出力電圧の変動量よりも大きく設定し、前記整流回路の出力電圧が前記第１の電圧許容範囲内である場合に、前記制御動作を停止する手段と、
   前記第１の電圧許容範囲に加えて、下限値ＶＬ−ΔＶ２（ＶＬ−ΔＶ２＜ＶＬ）及び上限値ＶＨ＋ΔＶ１（ＶＨ＋ΔＶ１＞ＶＨ）の第２の電圧許容範囲を設定し、制御動作停止中に、前記整流回路の出力電圧が前記第２の電圧許容範囲から外れたとき、前記制御動作を再開する手段とを有することを特徴とする電磁場受信装置。
2. 請求項１記載の電磁場受信装置において、
   前記インピーダンス制御回路は、
   容量素子と電子スイッチとを直列に接続した直列接続回路を前記アンテナ回路と並列に複数個配置した可変容量回路と、
   前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、
   この電圧検出回路の検出結果に基づいて、前記整流回路の出力電圧が前記所望の電圧設定値となるよう前記可変容量回路の各電子スイッチの状態を決定するプログラム回路と、
   このプログラム回路の決定に従って前記可変容量回路の各電子スイッチのオン／オフを制御するスイッチ制御回路と、
   前記電子スイッチのスイッチングクロックを生成するスイッチングクロック生成回路とを含み、
   前記電圧検出回路は、前記整流回路の出力電圧を所定のしきい値と比較する出力電圧比較部を含み、
   この出力電圧比較部は、
   前記整流回路の出力電圧が低下するときのしきい値として前記ＶＬ−ΔＶ２が設定され、前記整流回路の出力電圧が上昇するときのしきい値として前記ＶＬが設定された第１のシュミットトリガと、
   前記整流回路の出力電圧が低下するときのしきい値として前記ＶＨが設定され、前記整流回路の出力電圧が上昇するときのしきい値として前記ＶＨ＋ΔＶ１が設定された第２のシュミットトリガと、
   この第２のシュミットトリガの出力を論理反転させるインバータと、
   前記第１のシュミットトリガの出力と前記インバータの出力の論理和をとるＯＲ回路とからなることを特徴とする電磁場受信装置。

Images