JP3834666B2

JP3834666B2 - リーダ・ライタ用アンテナ回路

Info

Publication number: JP3834666B2
Application number: JP02559197A
Authority: JP
Inventors: 昭七斉藤; 勝久折原; 進柳掘
Original assignee: Sony Chemical and Information Device Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2017-02-07
Also published as: JPH10224277A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リーダ・ライタ（質問器）とカード（応答器）との間で、電磁誘導により近距離通信を行う非接触式データキャリアシステムの当該リーダ・ライタに使用するアンテナ回路に関する。さらに詳しくは、カードが電池などの電源を持たず、リーダ・ライタからの信号電力により動作する受動型カードであり、かつ、カードが送信器を持たず、カードからリーダ・ライタへの返信信号は、カードにおけるリーダ・ライタからの信号の反射量を変えることにより形成される非接触式データキャリアシステムのリーダ・ライタに使用するアンテナ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リーダ・ライタ（質問器）とカード（応答器）との間で、近距離通信を行う非接触式データキャリアシステムは、自動改札や入退室管理システム等で使用されている。非接触式データキャリアシステムには種々の方式があるが、その一つに、図７に示したように、リーダ・ライタRWを送信器１、アンテナ回路２及び受信器３から構成し、一方、カードCDにはアンテナ回路２_CDと受信器は形成するが、送信器は形成せず、また電池等の電源も付与せず、リーダ・ライタRWからの信号電力によって動作する受動式カードとしたものが知られている。またこの場合の信号の送信と返信の態様としては、リーダ・ライタRWが数百ＫＨｚ〜数ＭＨｚの周波数の情報信号あるいは電力信号をカードCDに送信し、電磁誘導によってカードCDを動作させ、カードCDはそのアンテナ用共振容量を切り替えることによりリーダ・ライタRWからの信号のカードCDによる反射量を変え、それをリーダ・ライタRWが返送情報として検出するものが知られている。
【０００３】
非接触式データキャリアシステムには、質問器だけでなく応答器も印刷電池等の電源で動作し、また、応答器も送信器を有し、応答器は、質問器から応答器への信号と異なる周波数で応答器へ返信信号を送信する方式のものも知られている。
【０００４】
しかし、この方式によると、電池の寿命がつきると、カ−ドも新しいものに交換する必要がある。これに反し、前述の受動式カードを用いる方式は、特に電池寿命を気にすることがないので、最近、広く普及している。
【０００５】
ところで、受動式カードを使用する非接触式データキャリアシステムのリーダ・ライタにおいては、図８に示したように、リーダ・ライタRWからカードCDへ信号を送るための送信アンテナと、カードからの返送信号を受けるための受信アンテナとの兼用アンテナとして、アンテナ近傍でエネルギー授受効率が高いループアンテナＬが使用されている（同図（ａ））。また、カードCDにおいても、例えば、同図（ｂ）に示したように印刷回路からなるループアンテナＬ_CDが使用されている。
【０００６】
このリーダ・ライタRWのループアンテナＬは、カードCDへの命令時には情報信号を送信し、またカードCDからの返送信号の待受時には待受時信号を送信しつつカードCDからの返送信号を検出する。この場合、カードCDへの情報信号及び待受時信号の送信電流を流しやすくすると共に、カードCDへの待受時信号の送信電流が、カードCDからの返送信号を検出する受信器３の検出端子に漏れないようにするため、図７に示したように、コンデンサーＣが送信器１及びループアンテナＬに直列に挿入されている。このようにコンデンサーＣを直列に挿入すると、コンデンサーＣの電圧降下とループアンテナＬのインダクタンスによる電圧降下とが逆向きなので、これらは互いに相殺し、カードCDへ送信する待受時信号の固定分による電圧が受信器３の検出端子に電圧Ｖ_rとして現れることが抑制される。
【０００７】
即ち、リーダ・ライタRWがカードCDからの返送信号を受信するとき、リーダ・ライタRWは無変調の待受時信号を送り、カードCDはそのアンテナ回路２_CDのコンデンサーＣ_datを入／切してリーダ・ライタRWからの待受時信号の反射量を変え、それをリーダ・ライタRWは返送情報として検出するが（ＰＳＫ方式）、ここで図７のリーダ・ライタRWのアンテナ回路２に、コンデンサーＣがない場合とある場合の受信器３の検出端子における信号電圧Ｖ_r1とＶ_r2とを比較すると、それぞれ次式(1),(2) で表される。
【０００８】
【数１】

【０００９】
【数２】

【００１０】
式中、
Ｒ_aは、ループアンテナＬの内部抵抗、
Ｌ_aは、ループアンテナＬのインダクタンス、
Ｉ_aは、ループアンテナＬに流れる信号電流、
ｊＸ_S2は、カードCDのコンデンサーＣ_datのｏｎ／ｏｆｆによってリーダ・ライタRWに現れるインピーダンスの変化分、
である。
【００１１】
また、ループアンテナＬとコンデンサーＣとが共振するように設定すると、
【００１２】
【数３】

【００１３】
となるから、式(2) は
【００１４】
【数４】

【００１５】
となる。
【００１６】
通常、リーダ・ライタRWのループアンテナＬの損失率１／Ｑは、
【００１７】
【数５】

【００１８】
程度であるから、受信器３の検出端子における信号電圧Ｖ_rの固定分につき、コンデンサーＣを設けた場合の信号電圧Ｖ_r2を、コンデンサーＣを設けない場合の信号電圧Ｖ_r1の１／３０程度に圧縮できることとなる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようにリーダ・ライタRWのアンテナ回路２にコンデンサーＣを挿入することにより、受信器３の検出端子における信号電圧Ｖ_rの固定分を圧縮しても、ループアンテナＬの内部抵抗Ｒ_aによる電圧降下分は圧縮されない。このため、カードCDがリーダ・ライタRWに極端に近付かない限り返送信号は非常に微弱なので、強烈な待受時信号に埋もれてしまい、結果として非接触とは名ばかりの通信距離が極めて短いデータキャリアシステムにしかならないという問題があった。
【００２０】
なお、リーダ・ライタと受動式カードからなる非接触式データキャリアシステムに関するものではないが、ａ地点とｂ地点との双方向通信において、双方の地点で送信器、アンテナ及び受信器からなる送受信機を使用し、ａ地点からｂ地点への送信には周波数Ａを使用し、ｂ地点からａ地点への送信には周波数Ｂを使用するものがある。この通信システムでは、送受信地点で周波数Ａと周波数Ｂとの干渉による自己妨害が生じ、受信品質の低下が問題となる。そこでこれに対し、自局の送信出力の一部を受信回路に注入し、自局の送信信号の受信信号に対する干渉作用をキャンセルすることが提案されている（特開昭５８−９６４３１号公報）。また、同様の双方向通信システムにおいて、送信アンテナと受信アンテナとの相互干渉を抑制するため、送信アンテナと受信アンテナとのアンテナ結合により生じた信号で、送信信号をキャンセルすることも提案されている（特公昭６３−５０２３９５号公報）。送信アンテナと受信アンテナとの相互干渉を抑制するため、干渉波と同振幅、逆位相の相殺信号を生成し、これを受信アンテナからの受信信号と重畳させることも提案されている（特開平６−３３４５５６号公報）。
【００２１】
しかしながら、これらの方法は、各局が受信器と送信器との双方を有し、各局に送信アンテナと受信アンテナとが別個に形成されている点で、前述のリーダ・ライタRWと受動式のカードCDからなるデータキャリアシステムとは異なり、また、これらの方法は送信周波数と受信周波数とが異なることから、受信品質を向上させるには送信周波数の成分が受信器に入らないようにすればよい点でも異なり、これらの方法をリーダ・ライタRWと受動式のカードCDとからなるデータキャリアシステムにそのまま適用することはできない。
【００２２】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解決しようとするものであり、リーダ・ライタと受動式のカードからなる非接触式データキャリアシステムの当該リーダ・ライタにおいて、受信器の検出端子における待受時信号を抑圧し、それによりカードからの返送信号が弱くてもリーダ・ライタでは確実に読み取れるようにし、通信距離を延ばし、かつ読取り間違いのない良好な通信システムを提供することを目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的を達成するため、リーダ・ライタのアンテナ回路において、ループアンテナに直接にインダクタンス、キャパシタンス又は抵抗の少なくとも一つを挿入することによりカードへの送信信号に比例する電圧を発生させ、さらにこの電圧と逆極性の電圧（即ち、相殺電圧）をトランス、差動アンプ、微分回路等により発生させ、この相殺電圧を受信器に供給することにより、受信器の検出端子における待受時信号を定率的にあるいは自動的に抑圧できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２４】
すなわち本発明は第１の発明として、リーダ・ライタとカードからなる非接触式データキャリアの当該リーダ・ライタ用のアンテナ回路であって、
該リーダ・ライタが、送信器、受信器、及び該送信器と該受信機の双方に接続されたループアンテナ又は該送信器と該受信機に別個にそれぞれ接続されたループアンテナを有し、該カードに情報信号あるいは待受時信号を送信し、該待受時信号の送信時に該カードからの反射信号を受信し、
該カードが、前記リーダ・ライタとは別個に受信器及び該受信器に接続されたループアンテナを有し、前記リーダ・ライタからの信号電力によって動作し、前記リーダ・ライタからの信号を反射量を変えて前記リーダ・ライタに反射するものであり、
前記リーダ・ライタの送信器と該送信器に接続したループアンテナとの間に、前記カードへの送信信号の強度に比例する電圧を発生させる第１の電圧発生手段を有すると共に、前記リーダ・ライタの受信器と該受信器に接続したループアンテナとの間に該第１の電圧発生手段により発生した電圧と逆極性の相殺電圧を発生させる第２の電圧発生手段を有し、該相殺電圧が前記リーダ・ライタの受信器に供給されるようにしたことを特徴とするリーダ・ライタ用アンテナ回路を提供する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。
【００２６】
本発明は、図７に示した従来のリーダ・ライタRWとカードCDとのデータキャリアシステムと同様に、リーダ・ライタが、送信器、ループアンテナ及び受信器からなり、カードCDに情報信号あるいは待受時信号（電力信号）を送信し、カードCDからの反射信号を受信するものであり、カードCDが、ループアンテナＬ_CD及び受信器からなり、リーダ・ライタRWからの信号電力によって受動式に動作し、リーダ・ライタRWからの信号を反射量を変えて当該リーダ・ライタRWに反射するものである。第１の本発明においては、このリーダ・ライタRWのアンテナ回路２に、カードCDへの送信信号に比例する電圧を発生させる第１の電圧発生手段と、この第１の電圧発生手段により発生した電圧と逆極性の相殺電圧を発生させる第２の電圧発生手段とを設け、この相殺電圧が受信回路に供給されるようにしていることを特徴としている。
【００２７】
ここで、第１の電圧発生手段としては、アンテナに直接に挿入したインダクタンス、キャパシタンス又は抵抗の少なくとも一つをあげることができる。
【００２８】
第２の電圧発生手段としては、トランス、微分器、作動アンプ、積分器等の少なくとも一つをあげることができる。
【００２９】
また、リーダ・ライタRWのループアンテナＬとしては、必要に応じて送信用と受信用の兼用アンテナを１つ設けてもよく、送信用ループアンテナと受信用ループアンテナとを別個に設けてもよい。例えば、アンテナの簡略化の点からは兼用アンテナを１つ設けることが好ましく、また、より高い通信品質を得る点からは送信用と受信用とを別個に設けることが好ましい。
【００３０】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例のアンテナ回路図である。同図に示したように、この実施例のリーダ・ライタRWには、送信用と受信用の兼用アンテナとして一つのループアンテナＬが設けられている。また，第１の電圧発生手段として抵抗Ｒ_P及びインダクタンスＬ_Pが、リーダ・ライタRWのループアンテナＬに直列に挿入され、これらの両端にカードCDへの送信信号電流Ｉ_aに比例する電圧Ｖ₁
【００３１】
【数６】

【００３２】
が発生するようにしている。そして、第２の電圧発生手段としてトランスＴ_Pを使用し、抵抗Ｒ_P及びインダクタンスＬ_Pの両端に発生させた電圧Ｖ₁と逆極性で、この電圧Ｖ₁を相殺する相殺電圧Ｖ₂を発生させ、これを、ループアンテナＬと受信器３の検出端子との間に直列に供給している。この場合、抵抗Ｒ_PやインダクタンスＬ_Pの大きさ、トランスＴ_Pの巻数比（Ｎ₂／Ｎ₁）_TPには、概略次式(3) 、(4) の関係をもたせ、これにより相殺電圧Ｖ₂を設定すればよい。
【００３３】
【数７】

【００３４】
【数８】

【００３５】
【数９】

【００３６】
このように相殺電圧Ｖ₂を設定すると、抵抗Ｒ_PやインダクタンスＬ_Pの大きさ、トランスＴ_Pの巻数比（Ｎ₂／Ｎ₁)² により定まる定率的な比率で、受信器の検出端子における待受時信号を抑圧することができ、次式(5) に示す信号電圧Ｖ_r3で、返送信号を良好に検出することが可能となる。
【００３７】
【数１０】

【００３８】
（式中、
Ｖ_r2は、アンテナ回路２に図１のようにコンデンサーＣは挿入されているが、受信器３の検出端子に相殺電圧Ｖ₂は供給しない場合の信号電圧、
ｊＸ_S2は、カードCDのコンデンサーＣ_datのｏｎ／ｏｆｆによってリーダ・ライタRWに現れるインピーダンスの変化分、
である。）
また、このように第１の電圧発生手段として抵抗Ｒ_P及びインダクタンスＬ_Pを使用すると、カードCDのばらつきに対応するなどの目的で送信周波数を変えた場合や、リーダ・ライタRWの送信周波数にジッター（周波数変動）が生じた場合でも、リーダ・ライタRWのループアンテナＬのインダクタンスＬ_aと第１の電圧発生手段として使用するインダクタンスＬ_Pとは周波数変動が同方向に効くので、リーダ・ライタRWの受信器３の検出端子における待受時信号を抑圧することが可能となる。これに対し、図７に示した従来例では、周波数変動が生じた場合の待受時信号の抑圧効果が極端に低下する。
【００３９】
（実施例２）
図２は、第１の電圧発生手段として設けた抵抗Ｒ_P及びインダクタンスＬ_Pのそれぞれに対して、相殺電圧Ｖ₂を発生させる第２の電圧発生手段とするトランスＴ_p1，Ｔ_p2を設けた例である。このようにトランスＴ_p1，Ｔ_p2を別個に設けても、上述の実施例１と同様にアンテナ回路２を動作させることができる。
【００４０】
（実施例３）
図３は、第１の電圧発生手段として抵抗Ｒ_Pを実施例１あるいは実施例２と同様にリーダ・ライタRWのループアンテナＬと送信器との間に挿入し、実施例１あるいは実施例２のインダクタンスＬ_Pに相当する第１の電圧発生手段、即ち抵抗Ｒ_Pの両端の電圧に対して位相を９０°回転させた電圧を発生する電圧発生手段として、積分器を抵抗Ｒ_Pと並列に設けた例である。
【００４１】
なお、本発明の実施例としては、積分器に代えて微分器を設けてもよい。
【００４２】
（実施例４）
図４は、第１の電圧発生手段としてインダクタンスＬ_Pを実施例１あるいは実施例２と同様にリーダ・ライタRWのループアンテナＬと送信器との間に挿入し、実施例１あるいは実施例２の抵抗Ｒ_Pに相当する第１の電圧発生手段として、即ちインダクタンスＬ_Pの両端の電圧に対して位相を９０°回転させた電圧を発生する電圧発生手段として、微分器を、インダクタンスＬ_Pと並列に設けた例である。
【００４３】
なお、本発明の実施例としては、微分器に代えて積分器を設けてもよい。
【００４４】
（実施例５）
上述の実施例１〜４のアンテナ回路によると、周波数変動が生じた場合の待受時信号の抑圧効果は、図７に示した従来例に比較すると極めて向上するが、温度変化や経時変化の程度によっては待受時信号の抑圧効果が安定しない場合が考えられる。これに対しては、例えば図５に示したように、図１の実施例１のアンテナ回路に対して掛け算器からなる補償回路を設け、受信器３の検出端子の電圧中、０位相分と９０°位相分のいずれか又は双方をそれぞれ補償回路で検出し、この値が限り無く小さくなるように０位相分と９０°位相分のいずれか又は双方をそれぞれ逆相で受信器に加え、自動的に送信信号が相殺されるようにしてもよい。これにより、温度変化や経時変化によらず、上述の実施例１のアンテナ回路に比して一層安定的に待受時信号を抑圧することができる。
【００４５】
なお、この実施例では図１の実施例１のアンテナ回路に対して補償回路を使用する例を示したが、図２〜図４の実施例２〜４のアンテナ回路に対しても、同様に補償回路を使用し、温度変化や経時変化に対して安定的に効果を発揮するアンテナ回路を構成することができる。
【００４６】
（実施例６）
図６は、リーダ・ライタに送信用アンテナ及び受信用アンテナとして別個にループアンテナを設けた場合の実施例のアンテナ回路である。同図の回路においては、この送信用ループアンテナＬ₁と受信用ループアンテナＬ₂とを二本揃えて巻き、これらに同様の位置感度を付与している（インダクタンスＬ_a）。また、第１の電圧発生手段としてインダクタンスＬ_Pがリーダ・ライタRWの送信用ループアンテナＬ₁と送信器１との間に挿入され、その両端に送信信号電流Ｉ_aに比例する電圧Ｖ₁
【００４７】
【数１１】

【００４８】
を発生させている。そして、第２の電圧発生手段としてトランスＴ_P（巻数比（Ｎ₂／Ｎ₁)² _TP）を使用し、インダクタンスＬ_Pの両端に発生させた電圧Ｖ₁と逆極性で、この電圧Ｖ₁を相殺する相殺電圧Ｖ₂を発生させ、これを、受信用ループアンテナＬ₂と受信器３の検出端子との間に直列に供給する。この場合、相殺電圧Ｖ₂を発生させる条件としては、概略次式の関係がみたされるようにする。
【００４９】
【数１２】

【００５０】
この実施例６の回路では、送信用ループアンテナＬ₁と受信用ループアンテナＬ₂とが別巻線となっているので、受信器３の検出端子に誘起される送信信号電圧Ｖ_rは、相互インダクタンスによる電圧のみとなり、内部抵抗Ｒ_aによる電圧降下を含まない。したがって温度変化による内部抵抗Ｒ_aの変化が無関係となり信号電圧の安定性が飛躍的に向上する。また、この実施例でも、送信用ループアンテナＬ₁のインダクタンスＬ_Pと第１の電圧発生手段として使用するインダクタンスＬ_Pとは周波数変動が同方向に効くので、受信器３の検出端子では周波数変動によらず、安定的に待受信号を抑圧することができる。
【００５１】
以上、本発明の実施例を具体的に説明したが、この他、種々の態様をとることができる。例えば、上述の実施例ではいずれも相殺電圧を発生させる第２の電圧発生手段としてトランスＴ_Pを使用したが、この他、差動アンプ、微分回路等を使用してもよい。また、リーダ・ライタのループアンテナとして、送信用と受信用とを別個に設ける例としては、実施例６に受信用ループアンテナＬ₁と受信用ループアンテナＬ₂とを二本揃えて巻いた例を示したが、これらは別個に巻いたものとしてもよい。複数ループコイルを送信用アンテナとし、単一ループコイルを受信用アンテナとしてもよい。
【００５２】
また、本発明において、ループアンテナの線材としては特に制限はなく、例えば、一点接地のシールド線を用いることができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、リーダ・ライタと受動式のカードからなる非接触式データキャリアシステムの当該リーダ・ライタにおいて、受信器の検出端子における待受時信号を確実に抑圧するので、それによりカードからの返送信号が弱くてもリーダ・ライタでは確実に読み取ることが可能となる。したがって、通信距離を延ばし、かつ読取り間違いのない良好な通信システムを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のアンテナ回路図である。
【図２】実施例のアンテナ回路図である。
【図３】実施例のアンテナ回路図である。
【図４】実施例のアンテナ回路図である。
【図５】実施例のアンテナ回路図である。
【図６】実施例のアンテナ回路図である。
【図７】従来例のアンテナ回路図である。
【図８】リーダ・ライタ及びカードに使用されているループアンテナの斜視図である。
【符号の説明】
１送信器
２アンテナ回路
３受信器

Claims

リーダ・ライタとカードからなる非接触式データキャリアの当該リーダ・ライタ用のアンテナ回路であって、
該リーダ・ライタが、送信器、受信器、及び該送信器と該受信機の双方に接続されたループアンテナ又は該送信器と該受信機に別個にそれぞれ接続されたループアンテナを有し、該カードに信号情報信号あるいは待受時信号を送信し、該待受時信号の送信時に該カードからの反射信号を受信し、
該カードが、前記リーダ・ライタとは別個に受信器及び該受信器に接続されたループアンテナを有し、前記リーダ・ライタからの信号電力によって動作し、前記リーダ・ライタからの信号を反射量を変えて前記リーダ・ライタに反射するものであり、
前記リーダ・ライタの送信器と該送信器に接続したループアンテナとの間に、前記カードへの送信信号の強度に比例する電圧を発生させる第１の電圧発生手段を有すると共に、前記リーダ・ライタの受信器と該受信器に接続したループアンテナとの間に該第１の電圧発生手段により発生した電圧と逆極性の相殺電圧を発生させる第２の電圧発生手段を有し、該相殺電圧が前記リーダ・ライタの受信器に供給されるようにしたことを特徴とするリーダ・ライタ用アンテナ回路。
前記リーダ・ライタのループアンテナとして、送信用アンテナと受信用アンテナと兼用の一つのループアンテナを有する請求項１記載のリーダ・ライタ用アンテナ回路。
前記リーダ・ライタのループアンテナとして、送信用アンテナと受信用アンテナとが別個に形成され、かつこれらを構成する２本のループアンテナが揃えて巻かれている請求項１記載のリーダ・ライタ用アンテナ回路。
前記第１の電圧発生手段として抵抗とインダクタンスの少なくとも一つ、又は抵抗若しくはインダクタンスと該抵抗若しくはインダクタンに並列に接続した微分器若しくは積分器を、送信器に接続したループアンテナに直列に挿入し、第２の電圧発生手段としてトランスを、その１次側を第１の電圧発生手段と並列に接続し、２次側を、受信器に接続したループアンテナに直列に接続する請求項１〜３のいずれかに記載のリーダ・ライタ用アンテナ回路。
相殺電圧の温度変化又は経時変化を補償回路で検出し、この変化を逆相にして受信器に供給する請求項１〜４のいずれかに記載のリーダ・ライタ用アンテナ回路。