JP3956520B2 - Ｉｃカードリーダライタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣカードとデータの授受を行うためのＩＣカードリーダライタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、従業員証、定期券、テレホンカード等を磁気カード方式から非接触式ＩＣカード方式とすることが試みられている。この種のＩＣカードは電源を内蔵していないことから、リーダライタから電力用電波信号をＩＣカードに送信することにより給電し、その給電状態でリーダライタがＩＣカードとデータの授受を行うもので、リーダライタの共振回路の共振周波数は電力用信号の周波数と一致しているのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リーダライタにＩＣカードが近接するに従ってコイルの電磁結合による相互誘導作用により共振回路の共振周波数が低下するという現象を生じる。また、カードリーダライタが複数枚のＩＣカードと通信するような場合もＩＣカードの互いの相互誘導作用により共振回路の共振周波数が低下するという現象を生じる。このため、このようにリーダライタの共振回路の共振周波数が低下するような場合は、共振周波数のずれによりアンテナ出力が大きく低下してＩＣカードに対する給電電力が低下し、ＩＣカードとの通信距離が低下したり、通信が行えなくなってしまうという欠点がある。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ＩＣカードが接近した状態或いは枚数にかかわらずＩＣカードと確実に通信することができるＩＣカードリーダライタを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、送信回路から共振回路に電力用信号が与えられると、共振回路から電力用電波信号が送信され、ＩＣカードに給電されて当該ＩＣカードとのデータの授受が可能となる。
【０００６】
ここで、共振回路にＩＣカードが接近する程、或いは通信するＩＣカードが複数枚存在するような場合は、共振回路の共振周波数が低下するものの、共振回路の共振周波数は電力用信号の周波数よりも高く設定されているので、図３に示すように共振周波数が低くなったときはアンテナ出力は増大することになり、十分なアンテナ出力を確保してＩＣカードと確実に通信することができる。
【０００７】
ところで、共振周波数の低下に伴ってアンテナ出力が増大した場合は、それだけ共振回路の消費電力が大きくなるものの、図４に示すように電圧制限回路が共振回路の共振信号の振幅を抑制するので、共振回路の消費電力を抑制することができる。
【０００８】
請求項２の発明によれば、送信回路から共振回路に与えられる電力用信号と基準電圧との電圧差が所定のクランプ電圧を超えたときは共振回路はクランプ回路によりクランプ電圧にクランプされるので、共振回路の共振信号の振幅がクランプ電圧を超えてしまうことはない。この場合、電圧制限回路をクランプ回路から構成することができるので、簡単に実施することができる。
【０００９】
請求項３の発明によれば、送信回路から共振回路に与えられる電力用信号の電圧が基準電圧を超えたときは共振回路はダイオードにより基準電圧にクランプされるので、共振回路の共振信号の振幅が基準電圧を超えてしまうことはない。この場合、電圧制限回路をダイオードから構成することができるので、簡単に実施することができる。
【００１０】
請求項４の発明によれば、ダイオードと抵抗とを直列接続することにより共振回路の共振信号の振幅を抵抗の電圧降下分だけ高めることができるので、抵抗値を変更することにより共振信号の振幅を任意に調整することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の概要を説明する。
図２は本発明の全体構成を概略的に示している。この図２において、リーダライタ１はアンテナコイル２を備えていると共に、ＩＣカード３はアンテナコイル４を備えており、リーダライタ１のアンテナコイル２から電力用電波信号をＩＣカード３のアンテナコイル４に送信した状態でリーダライタ１はＩＣカード３とデータの授受を行うことができる。尚、アンテナコイル４はＩＣカード３に内蔵されているのが一般的である。
【００１２】
図１はリーダライタ１の共振回路を示している。この図１において、送信回路５は、所定周波数の電力用信号を出力する。送信回路５にはアンテナコイル２とコンデンサ６とからなる共振回路７が接続されており、共振回路７が発振状態となることによりアンテナコイル２から電力用電波信号が送信される。
【００１３】
ここで、共振回路７の共振周波数は、送信回路５から出力される電力用信号の周波数よりも高くなるように設定されている。つまり、共振回路７の共振周波数は１／（２・π・（ＬＣ）１／２ ）で表すことができるので、斯様な式で表される共振周波数を電力用信号の周波数よりも高く設定しているのである。
【００１４】
このように共振回路７の共振周波数を電力用信号の周波数よりも大きく設定した場合は、図３に実線で示すように電力用信号の周波数ｆ0 におけるアンテナ出力はＰ1 となっている。
【００１５】
さて、リーダライタ１にＩＣカード３が接近するに従って、互いのアンテナコイル２，４の相互誘導作用によりリーダライタ１の共振回路７の共振周波数が低下するという現象を生じる。
【００１６】
ここで、共振回路７の共振周波数が低下すると、図３から分るように共振周波数が電力用信号の周波数ｆ0 と一致するに従ってアンテナ出力は徐々に増加し、一致したところで最大となる。そして、共振周波数が電力用信号の周波数ｆ0 よりも低下するに従ってアンテナ出力は徐々に低下する。従って、リーダライタ１の共振回路７の共振周波数が低下するにしても、その共振周波数が過度に低くならない限りはアンテナ出力が十分な状態が継続されるので、リーダライタ１からＩＣカード３に与えられる電力用電波信号の強度が低下することはなく、リーダライタ１はＩＣカード３と確実にデータの授受を行うことができる。
【００１７】
この場合、アンテナ出力が十分な強度が図３に示すＰ3 であるとすると、図３から分るように、ＩＣカード３の接近に伴って共振周波数が比較的大きく低下してしまうにしてもアンテナ出力を十分に維持できることが分る。
【００１８】
また、リーダライタ１が複数枚のＩＣカード３と通信するような場合も、共振周波数が低下するという現象を生じるものの、この場合も、上述した場合と同様にして、アンテナ出力を十分に維持することができる。
【００１９】
ところで、本発明では、上述したようにして共振周波数が低下した場合、アンテナ出力がＩＣカード３との通信に要するアンテナ出力よりも過度に大きな状態となるので、共振回路７の消費電力が過度に大きくなったり、ＩＣカード３との通信特性が変動する虞がある。
【００２０】
そこで、本発明では、図１に示すように送信回路５に電圧制限回路８を接続して共振回路７の共振信号の振幅を制限するようにした。即ち、図４に示すように共振回路７の共振信号の共振周波数が低下して電力用信号の周波数ｆ0 となったときは、電力用信号の周波数ｆ0 におけるアンテナ出力はＰ2 となるものの、共振回路７の共振信号の振幅を制限することにより、共振回路７での消費電力を抑制すると共に、アンテナ出力を安定化してＩＣカード３との通信特性の安定化を図るようにした。
【００２１】
（第１の実施の形態）
次に、本発明の第１の実施の形態を図５乃至図８を参照して説明する。
図５はリーダライタ１の構成を示している。この図５において、送信回路５を含むリーダライタ本体は以下のように構成されている。即ち、ＣＰＵ９はインタフェース１０を介して上位機器本体１１と接続されており、ＲＯＭ１２に記憶されたプログラムに従って動作すると共にＲＡＭ１３にワーキングデータを記憶する。このＣＰＵ９は、発振器１４からのクロック信号に基づいて動作するもので、所定タイミングでアンド回路１５にハイレベル信号を出力する。このアンド回路１５には発振器１４からのパルス信号が与えられており、ＣＰＵ９からハイレベル信号が与えられた状態でパルス信号を出力する。
【００２２】
アンド回路１５から出力されたパルス信号はインバータ回路１６により波形成形されてからフィルタ１７に与えられ、そのフィルタ１７によりサイン波形に波形成形された状態で共振回路７に与えられる。この場合、アンド回路１５、インバータ回路１６及びフィルタ１７から送信回路５が構成されている。
受信回路２５は、共振回路７が受信した受信信号から信号を抽出してＣＰＵ９に与える。
【００２３】
一方、電圧制限回路８は以下のように構成されている。即ち、送信回路５と電源ラインとの間には図示極性のツェナーダイオード１８とダイオード１９とからなるクランプ回路２０が接続されていると共に、送信回路５とグランドラインとの間には図示極性のツェナーダイオード２１とダイオード２２とからなるクランプ回路２３が接続されている。また、送信回路５と共振回路７との間には直流カット用コンデンサ２４が接続されている。
【００２４】
上記のように構成されたリーダライタ１は上位機器に内蔵されており、共振回路７のアンテナコイル２はＩＣカード挿入用の図示しないホルダに対応して配設されている。
【００２５】
図６はＩＣカード３の電気回路を示している。この図６において、ＩＣカード３は、電波信号を送受信するためのアンテナコイル４、共振コンデンサ２６、整流回路２７、受信回路２８、変調回路２９、ロジック回路３０、平滑用コンデンサ３１から構成されている。
【００２６】
アンテナコイル４は共振コンデンサ２６と並列に接続されて共振回路３２を構成しており、その共振回路３２においてリーダライタ１から所定周波数の電力用電波信号を受信して電力用信号に変換する。整流回路２７は、共振回路３２から出力された電力用信号を整流し、平滑用コンデンサ３１により一定電圧の直流電力（動作用電力）に平滑化して各回路に供給する。
【００２７】
リーダライタ１から送信されてくるデータなどの信号は、電力用電波信号に重畳して送信されるようになっており、その信号は、受信回路２８により復調されてロジック回路３０に与えられる。ロジック回路３０は、受信回路２８から入力される信号に応じた処理を実行し、処理データを変調回路２９により変調してアンテナコイル４から電波信号として送信する。
【００２８】
次に上記構成の作用について説明する。
図示しない上位機器のホルダにＩＣカード３を挿入すると、上位機器本体１１は、送信回路５に対してＩＣカード３の読取りを指令する。すると、送信回路５のＣＰＵ９は上位機器本体１１からの指令に応じてハイレベル信号をアンド回路１５に出力するので、送信回路５からは所定周波数の電力用信号が共振回路７に出力され、それに伴って共振回路７のアンテナコイル２から電力用電波信号が送信される。
【００２９】
このとき、図３に示すように共振回路７の共振周波数が低下することに伴ってアンテナ出力が増大するようになるものの、図７に示すように共振回路７に与えられる電力用信号の電圧が電源電圧からツェナー電圧Ｖz とダイオードの順方向電圧Ｖf との合成電圧を差引いた電圧よりも低くなったときは、ツェナーダイオード１８にツェナー電流が流れるので、共振回路７の共振信号の電圧が電源電圧からツェナー電圧Ｖz とダイオードの順方向電圧Ｖf との合成電圧を差引いたクランプ電圧よりも低くなることはない。また、共振回路７に与えられる電力用信号の電圧がグランド電圧にツェナー電圧Ｖz とダイオードの順方向電圧Ｖf との合成電圧を加算した電圧よりも高くなったときは、ツェナーダイオード２１にツェナー電流が流れるので、共振回路７の共振信号の電圧がグランド電圧にツェナー電圧Ｖz とダイオードの順方向電圧Ｖf との合成電圧を加算したクランプ電圧よりも高くなることはない。
【００３０】
以上のような動作の結果、送信回路５から共振回路７に図７中に破線で示す電力用信号が与えられるにしても、共振回路７に流れる共振信号の振幅は、図中に実線で示すように電圧制限回路８の作用により電力用信号よりも小さな振幅に制限されるようになる。
【００３１】
従って、リーダライタ１にＩＣカード３が近接することにより共振回路７の共振周波数が低下するのに伴ってアンテナ出力が増大するにしても、共振回路７の共振信号の振幅が制限されることにより図４に示すようにアンテナ出力が抑制されるので、共振回路７の消費電力を抑制することができる。また、ＩＣカード３に過度に大きな出力の電力用信号が与えられることはないので、ＩＣカード３との通信特性が変動してしまうこともない。
【００３２】
ところで、上位機器のホルダにはＩＣカード３が複数枚挿入可能となっており、リーダライタ１は、ホルダに挿入された複数のＩＣカード３を個別に識別して通信可能となっている。このようにリーダライタ１が複数枚のＩＣカード３と通信を行う場合も、ＩＣカード３のアンテナコイル４の相互誘導作用により共振回路７の共振周波数が低下するものの、上述した場合と同様にして、十分なアンテナ出力を確保しながら共振回路７の消費電力を抑制した状態で複数枚のＩＣカード３と確実に通信することができる。
【００３３】
このような実施の形態によれば、リーダライタ１の共振回路７の共振周波数を電力用信号の周波数よりも高く設定するようにしたので、ＩＣカード３の接近或いは複数枚のＩＣカード３との通信により共振回路７の共振周波数が低下するにしても、十分なアンテナ出力を確保してＩＣカード３と確実に通信することができる。
【００３４】
しかも、電圧制限回路８により共振回路７の共振信号の振幅を制限するようにしたので、ＩＣカード３との通信に十分なアンテナ出力を確保しながら、共振回路７の消費電力を抑制することができる。
また、電圧制限回路８をツェナーダイオードとダイオードとを組合わせたクランプ回路２０，２３から構成したので、簡単な構成で実施することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態を図８及び図９を参照して説明するに、第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分に符号を付して説明する。この第２の実施の形態は、電圧制限回路８を１個のダイオードから構成したことを特徴とする。
【００３６】
リーダライタ１の電気回路を示す図８において、電圧制限回路８は、送信回路５とグランドラインとの間に図示極性のダイオード３３と抵抗３４とを接続して構成されている。
この場合、送信回路５は、電力用信号としてグランド電圧よりも低くなる振幅を出力するようになっている。
【００３７】
さて、送信回路５から共振回路７に与えられる電力用信号の電圧がグランド電圧よりも低下したときはグランドラインからダイオード３３を介して電流が共振回路７に供給されるので、共振回路７の共振信号の振幅がグランド電圧よりも低下することはなく、共振信号の振幅は抑制されるようになる。この場合、ダイオード３３に抵抗３４が直列接続されているので、抵抗３４の電圧降下分が共振回路７の共振信号に重畳することになり、実際には、共振回路７の共振信号の振幅は図９に示すようにグランド電圧からダイオード３３の順方向電圧と抵抗３４の電圧降下分とを加算した電圧だけ増大する。
【００３８】
この第２の実施の形態によれば、電圧制限回路８を１個のダイオード３３から構成するようにしたので、第１の実施の形態に比較して、簡単な構成で実施することができる。
【００３９】
また、ダイオード３３と直列接続した抵抗３４により共振回路７の共振信号の振幅を任意に調整することができるので、共振回路７の共振信号の振幅調整を低コストで実施することができる。
【００４０】
本発明は、上記各実施の形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
第２の実施の形態において、電源ラインにダイオードを用いてクランプすることにより共振信号の振幅を抑制するようにしてもよい。
また、ダイオード３３と直列接続する抵抗３４は省略するようにしてもよいし、ダイオード３３と可変抵抗器とを直列接続するようにしてもよい。
用途としては、従業員証、定期券、テレホンカードに応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の共振回路を示す概略図
【図２】全体構成を示す概略図
【図３】カードの接近または枚数増加に伴う共振周波数の変化とアンテナ出力との関係を示す特性図
【図４】電圧制限時を示す図３相当図
【図５】本発明の第１の実施の形態におけるリーダライタを示す電気回路図
【図６】ＩＣカードを示す電気回路図
【図７】共振回路の共振信号の振幅を示す図
【図８】本発明の第２の実施の形態を示す図５相当図
【図９】図７相当図
【符号の説明】
１はリーダライタ、２はアンテナコイル、３はＩＣカード、４はアンテナコイル、５は送信回路、７は共振回路、８は電圧制限回路、２０，２３はクランプ回路、３２は共振回路、３３はダイオード、３４は抵抗である。

Claims (4)

1. 送信回路から共振回路に電力用信号を出力することにより当該共振回路からＩＣカードへの電力用電波信号による給電状態でデータを授受するＩＣカードリーダライタにおいて、
   前記共振回路の共振周波数は、前記電力用信号の周波数よりも高く設定され、
   前記共振回路の共振信号の振幅を前記電力用信号よりも抑制する電圧制限回路を備えたことを特徴とするＩＣカードリーダライタ。
2. 前記電圧制限回路は、前記送信回路から前記共振回路に与えられる電力用信号と基準電圧との電圧差が所定のクランプ電圧を超えたときは前記共振回路を上記クランプ電圧にクランプするクランプ回路から構成されていることを特徴とする請求項１記載のＩＣカードリーダライタ。
3. 前記電圧制限回路は、前記送信回路から前記共振回路に与えられる電力用信号の電圧が基準電圧を超えたときは前記共振回路を上記基準電圧にクランプするダイオードであることを特徴とする請求項１記載のＩＣカードリーダライタ。
4. 前記ダイオードと直列接続された調整用の抵抗を備えたことを特徴とする請求項３記載のＩＣカードリーダライタ。

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