JP4264534B2

JP4264534B2 - データ通信装置、非接触データ送受信システム、及びアンテナ装置

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Publication number: JP4264534B2
Application number: JP2003020997A
Authority: JP
Inventors: 章浩菊地; 淳一澤田; 裕岡崎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP2004235884A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁場を誘導結合する無線タグに対してデータの書き込み及び読み出しを行うデータ通信装置、また、電磁場を誘導結合する無線タグに対してデータの書き込み及び読み出しを行う非接触データ送受信システム、電磁場を誘導結合する無線タグと通信するためのアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄道の自動改札機や、建物への入退出におけるセキュリティシステム、電子マネーシステム等の分野では、非接触式のＩＣカードや無線タグ等を用いた、いわゆるＲＦＩＤ(Radio Frequency IDentification)システムが導入され始めている。このＲＦＩＤシステムは、図２０に模式的に示すように、非接触式ＩＣカード１００と、このＩＣカード１００に対してデータの書き込みや読み出しを行うリーダライタ１０１とから構成されている。
【０００３】
このＲＦシステムでは、電磁誘導の原理に基づいて、リーダライタ１０１側のループアンテナ１０２とＩＣカード１００側のループアンテナ１０３とが誘導結合によって磁気的に結合し、ＩＣカード１００とリーダライタ１０１との間で通信が行われる。
【０００４】
このようなＲＦＩＤシステムは、従来の接触型ＩＣカードシステムのようにリーダライタに対してＩＣカードを装填したり金属接点を接触させたりする手間が省けるため、簡易且つ高速にデータの書き込みや読み出しを行うことができる。また、このＲＦＩＤシステムは、リーダライタ１０１に励起される電磁場によってＩＣカード１００に誘導電流が生じるため、ＩＣカード内に電池等の電源を持つ必要がない。そのため、メンテナンス性に優れ動作信頼性が高いうえに、低価格である。
【０００５】
ところで、上述したＲＦＩＤシステムでは、ＩＣカード１００とリーダライタ１０１との十分な通信可能な範囲を確保するために、ある程度の磁界強度を持った電磁場を放射することのできるループアンテナ１０２をリーダライタ１０１側に設ける必要がある。
【０００６】
一般に、リーダライタ１０１用のループアンテナ１０２は、図２１に示すような平面状に導線が巻線されたループコイル２００からなっており、このループコイル２００は、その中心部を挟んで相対向する各巻線間の間隔及び線幅を等しくした対称形状を有している。なお、これらの具体例としては、Reader/Writerモジュール９１に接続された本体側アンテナ９０（例えば、特許文献１を参照。）や、リードライト装置ＲＷ２のＡＧ１，ＡＧ２，ＡＧ３（例えば、特許文献２を参照。）等があげられる。
【０００７】
これらリーダライタアンテナにおいて、アンテナ駆動回路を効率よく駆動させて、通信用搬送波を無線タグ側アンテナまたはＩＣカード側アンテナに効率的に電磁結合させるために、リーダライタＩＣの駆動回路方式や使用電源電圧回路の特徴に応じてＬＣ直列共振型アンテナ回路やＬＣ並列共振型アンテナ回路が使用されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１４４０４８号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３１８２９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ＬＣ直列共振型アンテナ回路は、共振周波数においてインピーダンスが大幅に下がるため、コイルに大電流を供給できれば非常に効率的である。例えば、駅改札口等で既に使用されている大型のリーダライタ装置のように、据置型であってある程度の装置サイズが許されるようなリーダライタ装置に用いるには好適である。しかし、実際にはリーダライタ装置のＩＣ回路は、アンテナ回路に対して無制限に電流を供給することはできないため、特に、電源電力にある程度制約がある小型携帯機器に用いる場合には、容量によって電流値が事実上制限され、ＩＣ回路の出力インピーダンスと共振により低下するアンテナ回路インピーダンスとの間に多大なずれが生じる。いわゆるインピーダンスミスマッチングである。このインピーダンスミスマッチングによって引き起こされる反射現象により搬送波波形が歪み、伝送信号ＳＮＲが劣化するといった問題点がある。
【００１０】
そのため、ＰＣ（Personal Computer）等にＵＳＢ（Universal Serial Bus）接続して使用するような微弱電波出力型非接触リーダライタ装置に対しては、部品点数を抑えて、できる限りシンプルに微弱電波の法規制内で使用できる回路構成にする必要がある。そこで、低電圧低消費電力のシステムに使用しやすいシンプルな回路構成として、並列共振回路が適用されている。
【００１１】
並列共振型アンテナ回路は、共振周波数においてインピーダンスが大幅に上がるため、コイルに励起される磁場及びコイルに流れる電流量が不足する。そのため、リーダライタ装置のＩＣ回路内蔵の駆動回路のみでは駆動できず、外付けのトランジスタによる駆動回路を別途用意する等の対策が必要となる。また、駆動回路とアンテナ回路との間のインピーダンスのミスマッチングも大きく、効率よい電力伝送ができない。
【００１２】
アンテナの大きさを変えることによってもインピーダンスマッチングをとることは可能であるが、例えば、クレジットカードサイズのＩＣカード、またこのＩＣカードに対応するリーダライタ装置のサイズ、リーダライタＩＣ回路側の伝送路抵抗等の制約の中でＩＣ回路とアンテナ回路とのインピーダンスマッチングをとることには限界があった。
【００１３】
このように、従来知られているＬＣ並列共振型アンテナ回路では、リーダライタＩＣ回路における出力インピーダンスとアンテナ駆動回路のインピーダンスとの間の整合が悪く、波形歪みが少なく且つ大きなアンテナ駆動電流を得ることは困難であった。
【００１４】
また、ＲＦＩＤリーダライタ装置は、送信回路と受信回路とが同時に動作するものである。これらは、不要輻射の低減という観点からみると、アナログ振幅変調に準ずるため、送信波のスプリアス（高調波）強度を抑えるためには、通常のＡＭ送信機と同様に考えることができる。
【００１５】
送信回路では、法規上の問題、他者へ妨害波を防止する等の点から、ＬＰＦ（Low Pass Filter）またはＢＰＦ（Band Pass Filter）等を併用して送信波のスプリアス（高調波）強度の低減を図ることが通常である。
【００１６】
微弱電波出力型非接触リーダライタ装置のアンテナ回路として並列共振型アンテナ回路を使用した場合、並列共振の特徴から振幅が増大し、振幅がＩＣに設けられた受信端保護回路の設定電圧を超えると、波形がクリップして歪み、スプリアス（高調波）を発生させる。この信号がアンテナに逆流して、アンテナのＱが十分高くない場合はフィルタ効果が不十分で空中に高調波が輻射される。
【００１７】
また、アンテナ回路へ効率よく送信電力を供給するためには、送信回路の駆動部分の出力インピーダンスとアンテナ回路のインピーダンスとの間の整合をとることは既知である。例えば、特開平１１−１２０３０３には、非接触ＩＣカードシステムにおいて、マッチング回路により伝送系の負荷のマッチングをとることによって、伝送系上に閾値以上の反射波が生じないようにしてアンテナ周辺の雑音電界の影響を低減しアンテナ効率を改善する技術が示されている。
【００１８】
高入力インピーダンスである並列共振型アンテナ回路でも同様であって、並列共振型アンテナ回路へ効率よく送信電力を供給するためには、送信回路の駆動部分の出力インピーダンスとアンテナ回路のインピーダンスとの間の整合をとればよい。送信回路の駆動部分の出力インピーダンスは一般的に非常に低く、これに対して並列共振型アンテナ回路のインピーダンスは高いため、アンテナ効率を向上するためには、インピーダンスマッチングをとるために何らかのインピーダンス変換をすることも必要となる。
【００１９】
従来は、アンテナ回路にＱ値の大きいものを使用することで必要な不要輻射の低減を図っていたが、アンテナ回路の小型化、金属筐体に近接させての使用等のように何らかの要因でＱ値の大きいアンテナ回路を用いることができない場合には、不要輻射の低減を図ることが困難であった。
【００２０】
そこで、本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、アンテナ回路と駆動回路との間のインピーダンスマッチングをとるとともに回路構成に由来するスプリアス（高調波）を抑制して不要輻射を低減し、アンテナ効率を向上できる非接触データ送受信システム、データ送受信装置、携帯型情報端末を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明に係るデータ通信装置は、他のデータ通信装置と電磁誘導結合により非接触データ通信を行うデータ通信装置において、他のデータ通信装置との間で信号が通信されるアンテナ手段と、アンテナ手段にて受信される他のデータ通信装置から送信された送信信号から受信データを復調する復調手段と、他の通信装置に対してアンテナ手段から送信されるデータが変調される変調手段と、復調手段に入力される信号強度が所定値を越える場合に復調手段に入力される信号強度を抑制して復調手段を保護する保護手段と、保護手段によって生じる高調波を吸収するフィルタ手段とを有し、アンテナ手段は、巻き線間の間隔が狭い幅狭部と巻き線間の間隔が広い幅広部からなる構造である所定の巻き線数のループコイルと、該ループコイルの両端に接続されるコンデンサからなる並列共振型回路であって、該ループコイルの両端の間に設けられた接続タップと該ループコイルの一端とに上記変調手段が接続されることによりオートトランス式昇圧回路となる。
【００２２】
ここで、フィルタ手段を、変調手段とアンテナ手段との間に挿入し、データ通信装置は、変調手段とアンテナ手段との間にフィルタ手段をさらに備えるとよい。
【００２３】
また、変調手段の出力部と保護手段が接続された復調手段の入力部とを接続し、接続された入力部と出力部とアンテナ手段との間にフィルタ手段を挿入する。フィルタ手段は、アンテナ手段と接続される第１の接続部と、復調手段に接続される第２の接続部とを備え、第１の接続部のインピーダンスは、アンテナ手段のインピーダンスと略等しく、第２の接続部のインピーダンスは、復調手段の入力インピーダンスと略等しい。
【００２４】
また、アンテナ手段は、所定の巻き線数の第１のコイル部と、第１のコイル部の一端に一端が接続される所定の巻き数の第２のコイル部と、第１のコイル部の他端と上記第２のコイル部の他端とに各々の端部が接続されるコンデンサとを備え、第１のコイル部と第２のコイル部の接続点と、第１のコイル部の他端とが各々変調手段に接続されることを特徴とする。また、第１のコイル部と第２のコイル部との直列インダクタンスと、コンデンサとの並列共振周波数とが変調手段の変調周波数と略同一である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明を適用した非接触データ通信システム１は、図１に示すように、ＩＣカード１０と、このＩＣカード１０に対して非接触によりデータの書き込み及び読み出しを行うリーダライタ５０とから構成される。ＩＣカード１０は、本具体例では、ＩＳＯ７８１０に準拠した電池等の電源を持たないバッテリレスのＩＣカードであり、いわゆるクレジットカードと同サイズである。
【００２８】
ＩＣカード１０は、その内部に設けられた基板上に、電磁場と結合してデータを送受するカード側アンテナ回路１１と、データの書き込み及び読み出しを行うための各種処理を行う電子回路が集積されたＩＣ(Integrated Circuit)１２とを備えている。
【００２９】
カード側アンテナ回路１１は、平面状に導線が巻線されたループコイル１３と、コンデンサ１４とが並列に接続された共振型アンテナ回路になっている。このカード側アンテナ回路１１は、後述するリーダライタ５０側のリーダライタアンテナ回路５４から放射された電磁場と結合し、結合された電磁場を電気信号に変換し、ＩＣ１２に供給する。
【００３０】
ＩＣ１２は、ループコイル１３から供給された電気信号を整流平滑する整流回路１５と、整流回路１５から供給された電気信号を直流電力に変換するレギュレータ１６と、整流回路１５から供給された電気信号の高域成分を抽出するＨＰＦ(High Pass-Filter)１７と、ＨＰＦ１７から入力された高周波成分の信号を復調する復調回路１８と、この復調回路１８から供給されるデータに対応してデータの書き込み及び読み出しを制御するシーケンサ１９と、復調回路１８から供給されるデータを記憶するメモリ２０と、ループコイル１３により送信するデータを変調する変調回路２１とを有する。
【００３１】
整流回路１５は、ダイオード２２、抵抗２３及びコンデンサ２４から構成されている。このうち、ダイオード２２のアノード端子がループコイル１３及びコンデンサ１４の一端に接続され、ダイオード２２のカソード端子が抵抗２３及びコンデンサ２４の一端に接続され、抵抗２３及びコンデンサ２４の他端がループコイル１３及びコンデンサ１４の他端に接続されている。そして、この整流回路１５は、ループコイル１３から供給された電気信号を整流平滑した電気信号をレギュレータ１６及びＨＰＦ１７に出力する。
【００３２】
レギュレータ１６は、上述した整流回路１５のダイオード２２のカソード端子、抵抗２３及びコンデンサ２４の一端と接続されている。そして、このレギュレータ１６は、整流回路１５から供給された電気信号の電圧変動（データ成分）を抑制し、安定化した後、直流電力としてシーケンサ１９に供給する。これにより、シーケンサ１９等の誤動作の原因となる、例えばＩＣカード１０の位置が動くことにより発生する電圧変動、並びにＩＣカード１０内の消費電力の変化により発生する電圧変動が抑制される。
【００３３】
ＨＰＦ１７は、コンデンサ２５及び抵抗２６により構成されており、上述した整流回路１５から供給された電気信号の高域成分を抽出し、復調回路１８に出力する。
【００３４】
復調回路１８は、上述したＨＰＦ１７のコンデンサ２５の他端及び抵抗２６の一端と接続されており、このＨＰＦ１７から入力された高周波成分の信号を復調し、シーケンサ１９に出力する。
【００３５】
シーケンサ１９は、ＲＯＭ(Read Only Memory)やＲＡＭ(Random Access Memory)を内部に有しており、上述した復調回路１８と接続されている。そして、このシーケンサ１９は、復調回路１８から入力された信号（コマンド）をＲＡＭに記憶させ、ＲＯＭに内蔵されているプログラムにしたがってこれを解析し、解析された結果に基づいて、必要に応じてメモリ２０に格納されているデータを読み出す。或いはメモリ２０に復調回路１８から供給されるデータを書き込む。また、このシーケンサ１９は、コマンドに対応するレスポンスを返すために、レスポンス信号を生成し、変調回路２１に供給する。
【００３６】
メモリ２０は、データの保持に電力を必要としないＥＥＰＲＯＭ(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等の不揮発性メモリからなり、上述したシーケンサ１９と接続されている。そして、このメモリ２０は、シーケンサ１９の解析結果に基づいて、復調回路１８から供給されるデータを記憶する。
【００３７】
変調回路２１は、インピーダンス２７とＦＥＴ(Field Effect Transistor)２８との直列回路から構成されており、このうち、インピーダンス２７の一端が上述した整流回路１５のダイオード２２のカソード端子に接続され、インピーダンス２７の他端がＦＥＴ２８のドレイン端子と接続され、ＦＥＴ２８のソース端子が接地点に接続され、ＦＥＴ２８のゲート端子がシーケンサ１９と接続されている。また、この変調回路２１は、上述した共振回路を構成するループコイル１３と並列に接続されており、ＦＥＴ２８をシーケンサ１９からの信号に対応してスイッチング動作させ、ループコイル１３に対するインピーダンス２７の負荷を変動させる、いわゆる付加変調方式を採用している。
【００３８】
一方、リーダライタ５０は、データの変調及び復調を行う変調回路５２及び復調回路５３と、電磁場と結合してデータを送受信するリーダライタアンテナ回路５４とを備えており、送受するデータの変復調等は、制御回路５１によって統括制御されている。復調回路５３には、大信号が入力された場合にこれを低減するための保護回路５５が設けられている。
【００３９】
送信信号が入力側に逆流してこの保護回路５５の設定電圧を超えると、波形がクリップしてスプリアス（高調波）を発生させる。この保護回路で発生したスプリアスをアンテナに逆流することを防止するため、本具体例では、この保護回路５５にて発生した受信波のスプリアス（高調波）強度を低減するための受信側フィルタ回路５６を設ける。なお、送信側フィルタ回路５７は、送信波のスプリアス（高調波）強度の低減を図るフィルタである。
【００４０】
このフィルタ回路５６，５７としては、基本的に所定周波数のみを通すＬＰＦ（Low Pass Filter）またはＢＰＦ（Band Pass Filter）を用いることができる。特に本具体例では、図２に示すようなフィルタ回路を用いる。図２に示す回路は両フィルタ回路に対して区別なく使用できるため、ここでは、受信側フィルタ回路５６に関して説明する。受信側フィルタ回路５６は、第１のインダクタ５６１と第２のインダクタ５６２とコンデンサ５６３とからなり、第１のインダクタ５６１が保護回路５５を介して復調回路５３に接続され、第２のインダクタ５６２がリーダライタ側アンテナ回路５４に接続されいる。コンデンサ５６３は、第１のインダクタ５６１と第２のインダクタ５６２との間に接続されて接地されている。すなわち、受信側フィルタ回路５６は、Ｔ型３次ローパスフィルタである。なお、本具体例では各極が複線であるため、受信側フィルタ回路５６には第１のインダクタ５６４と、第２のインダクタ５６５と、コンデンサ５６６とからなる同様のＴ型３次ＬＰＦフィルタ構成がもう一つ設けられている。
【００４１】
一般的に、受信端は非常にインピーダンスが高く、低インピーダンスの送信出力端と結線しても殆どインピーダンスが変化しないことから、フィルタ回路５６，５７は、スプリアス（高調波）を吸収するほかインピーダンスマッチング回路としても働いている。
【００４２】
送信回路の駆動部分の出力インピーダンスとアンテナ回路のインピーダンスとの間の整合をとることによってアンテナ効率が向上できる点は既知であるが、上述のように、受信側であるリーダライタアンテナ回路５４と変調回路５２との間にインピーダンス変換とスプリアスを低減することができるフィルタ回路（受信側フィルタ回路５６）を挿入することで保護回路５５によって生じる受信波のスプリアスが抑制でき、且つ効率のよいアンテナが実現できる。
【００４３】
制御回路５１は、例えば、外部からの指令や内蔵するプログラムにしたがって、各種制御用のコントロール信号を生成し、変調回路５２及び復調回路５３を制御するとともに、指令に対応した送信データを生成し、変調回路５２に供給する。また、制御回路５１は、復調回路５３からの応答データに基づいて再生データを生成し、外部に出力している。
【００４４】
変調回路５２は、制御回路５１から入力された送信データを発信器が変調し、この変調した信号をリーダライタアンテナ回路５４に供給する。復調回路５３は、リーダライタアンテナ回路５４からの変調波を復調し、この復調したデータを制御回路５１に供給する。
【００４５】
リーダライタアンテナ回路５４は、平面状に導線が巻線されたループコイルを備えており、変調回路５２より供給された変調波に対応した電磁場を放射するとともにＩＣカード１０側のループコイル１３の負荷変動を検出する。リーダライタアンテナ回路５４の具体例は、図６乃至図８を用いて詳説する。
【００４６】
以上のように構成される非接触データ通信システム１では、ＩＣカード１０に対して所定データの書き込みが指令されると、この指令に基づいてリーダライタ５０の制御回路５１が書き込みのためのコマンド信号を生成するとともに指令に対応した送信データ（書き込みデータ）を生成し、変調回路５２に供給する。変調回路５２は、入力信号に基づいて発振信号の振幅を変調し、リーダライタアンテナ回路５４に供給する。リーダライタアンテナ回路５４は、入力された変調信号に対応する電磁波を放射する。
【００４７】
ＩＣカード１０のループコイル１３及びコンデンサ１４からなる並列共振型アンテナ回路の共振周波数は、リーダライタ５０からの発振周波数（キャリア周波数）に対応する値（本具体例では、１３．５６ＭＨｚである。）に設定されている。そのため、この並列共振型アンテナ回路は、放射された電磁場を共振動作によって受信し、受信した電磁場を電気信号に変換した後、ＩＣ１２に供給する。ここで変換された電気信号は、整流回路１５に入力されて整流平滑された後、レギュレータ１６に供給される。レギュレータ１６は、整流回路１５から供給された電気信号の電圧変動（データ成分）を抑制、安定化した後、直流電力としてシーケンサ１９に供給する。
【００４８】
整流回路１５により整流平滑された信号は、変調回路２１を介してＨＰＦ１７に供給され、高域成分が抽出された後、復調回路１８に供給される。復調回路１８は、入力された高周波成分の信号を復調し、シーケンサ１９に供給する。シーケンサ１９は、復調回路１８から入力された信号（コマンド）をＲＡＭに記憶させ、ＲＯＭに内蔵されているプログラムにしたがってこれを解析し、解析して得た結果に基づいて、復調回路１８から供給された書き込みデータをメモリ２０に書き込む。
【００４９】
一方、シーケンサ１９は、復調回路１８から入力された信号（コマンド）が読み出し指令である場合に、その指令に対応する読み出しデータをメモリ２０から読み出す。また、シーケンサ１９は、読み出しデータに対応して変調回路２１のＦＥＴ２８がスイッチング動作される。すなわち、変調回路２１では、ＦＥＴ２８がオンされるとインピーダンス２７とループコイル１３とが並列に接続され、ＦＥＴ２８がオフされるとインピーダンス２７とループコイル１３との並列接続が解除される。
【００５０】
その結果、このＩＣカード１０側のカード側アンテナ回路１１と磁気的に結合しているリーダライタ５０側のリーダライタアンテナ回路５４のインピーダンスが読み出しデータに対応して変化する。したがって、リーダライタアンテナ回路５４の端子電圧は、そのインピーダンスの変化に応じて変動することとなり、リーダライタ５０は、この変動分を復調回路５３が復調することで読み出しデータを受信できる。以上のようにして、ＩＣカード１０とリーダライタ５０との間のデータの書き込み及び読み出しが非接触で行われる。
【００５１】
図１に示す非接触データ通信システム１では、受信側フィルタ回路５６をリーダライタアンテナ回路５４と復調回路５３との間に設け、送信側フィルタ回路５７をリーダライタアンテナ回路５４と変調回路５２との間に設けた例について説明したが、フィルタ回路の設置位置は限定されない。以下の説明では、図１と同様の機能を有する構成に関しては、同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
【００５２】
フィルタ回路を他の位置に設置する例として、図３に示すように、受信側フィルタ回路５６と送信側フィルタ回路５７とを１つのフィルタ回路５８としてもよい。フィルタ回路を送信側と受信側とで共用すれば、部品点数を削減できる。
【００５３】
また、図４に示すように、送信側フィルタ回路５７の設置位置は、図１と同一とし、フィルタ回路５９をリーダライタアンテナ回路５４の直後に設けてもよい。さらに、図５に示すように、リーダライタアンテナ回路５４の直後に設けたフィルタ回路５９と図１に示した位置に設けた受信側フィルタ回路５６との組み合わせでもよい。このように、受信側と送信側とで共用するフィルタ回路の後段であって復調回路５３（保護回路５５）のリーダライタアンテナ回路５４側にフィルタ回路を設けることによっても図１の場合と同様の利点が得られる。
【００５４】
続いて、非接触データ通信システム１におけるリーダライタアンテナ回路５４について、図６及び図７を用いて具体的に説明する。
【００５５】
リーダライタアンテナ回路５４は、図６及び図７に示すように、導線が平面状に巻線されたループコイル５４１とコンデンサ５４２とを備えている。ループコイル５４１とコンデンサ５４２は直列に接続され、さらにループコイル５４１の一端とコンデンサ５４１の一端とが結線されて並列共振回路を形成していて、もう一方の端子５４３がループコイル５４１の中途部分から導出されている。すなわち、ループコイル５４１が３端子化されている。
【００５６】
端子５４３の引き出し位置は、図示しないリーダライタの駆動回路の出力インピーダンス、ループコイルの巻数、コイル形状等に応じて、通信に最適なインピーダンスが得られるように設計時点で変更可能である。
【００５７】
リーダライタアンテナ回路５４の実際の仕様を図７に示す。本具体例では、リーダアンテナ回路５４のループコイル５４１は、平面状に５回巻回されており、巻回部の２ターン目から端子５４３が導出されている。また、ループコイル５４１には、この各巻線間の間隔及び線幅が狭くなる幅狭部５４０ａと、その各巻線間の間隔及び線幅が広くなる幅広部５４０ｂとがある。すなわち、図７に示すように、ループコイル５４１は、その巻回開口部を挟んで互いに対向する各巻線間の間隔及び線幅が異った非対称形状になっている。
【００５８】
さらに、ループコイル５４１は、クレジットカードサイズのＩＣカード１０のアンテナ形状に合わせて、巻回平面の長辺が約４０ｍｍ、短辺が３０ｍｍとされ、通常の巻回コイルにおけるコア材に相当する軟磁性材シート５４４がループコイルの開口部を横切って配置されている。軟磁性材シート５４４としては、アモルファス磁性材料、鉄ニッケル合金、珪素鋼、アモルファス合金、パーマロイ、電磁軟鉄、センダスト合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、軟磁性フェライトがあげられる。
【００５９】
コイル形状を非対称形状とすることで、ループコイル５４１の発生磁界分布が、図８に示すように、矩形アンテナの長辺における中央断面において、従来のループコイル２００の磁場分布と異なり、ループコイル５４１の各巻線間の間隔及び線幅が広くなる幅広部５４０ｂが強調された非対称となるため、放射磁界分布をシフトさせるとともに通信可能領域を拡げることができる。また、単純ループアンテナと比較してヌルポイントが出にくい特徴を有する。
【００６０】
ループコイル５４１は、例えば、ポリイミドやマイカ等の可撓性を有する絶縁フィルムまたは基板両面に形成された電解銅等の導体金属箔膜をエッチングするなどして形成されている。ループコイル５４１の作製する方法は、上述の例に限定されず、例えば銀ペースト等の導体ペーストを用いてループコイル５４１の巻回パターンを印刷する方法、或いは金属ターゲットを基板上にスパッタして巻回パターンを形成する方法等があげられる。
【００６１】
非対称型アンテナであるループコイル５４１では、ループコイル型アンテナの動作原理に基づいてループコイルに流す電流が大きいほど強い磁界が放射される。一般的に、同一電流であればループコイルの巻回数が多いほど発生磁界も大きくなる。すなわち、電源電圧が一定のとき、アンテナに流すことのできる電流は、ループコイルの巻回数に関連して決定される。これは、ループコイル自身のインダクタンスと直流抵抗成分による影響である。
【００６２】
図９及び図１０に同一電流を流したときの一般的な３回巻回コイル６０と５回巻回コイル６１の発生磁界分布の違いを示す。各コイルは、非対称形状を有しており、各巻線間の間隔及び線幅が狭くなる幅狭部ａと、その各巻線間の間隔及び線幅が広くなる幅広部ｂとがある。また、通常の巻回コイルにおけるコア材に相当する軟磁性材シート６２がコイルの開口部を横切って配置されている。
【００６３】
図９（ａ）は３回巻回コイル６０の上面図であり、図９（ｂ）は３回巻回ループコイルの幅広部６０ｂに発生する磁場分布を示す断面図である。また、図１０（ａ）は５回巻回コイル６１であり、図１０（ｂ）は５回巻回コイル６１の幅広部６１ｂに発生する磁場分布を示す断面図である。図９（ｂ）及び図１０（ｂ）において、破線Ｇ１は、各コイルから発生する磁界を示しており、破線Ｇ２は、合成磁界を示す。
【００６４】
図９及び図１０に示すように、ループコイルに流す電流量が同一であれば、合成磁界はループコイルの巻回数が多いほど大きくなる。
【００６５】
ところで、ループコイルに流すことのできる電流値は、以下の式にて求めることができる。すなわち、電源電圧が制限された環境下では、ループコイルに流すことのできる電流は、電源電圧に依存する。
【００６６】
Ｉ＝Ｅ／（２πｆＬ）
ただし、Ｉ：コイルに流れる電流［Ａ］
Ｅ：電源電圧（有効電圧）
ｆ：周波数［Ｈｚ］
Ｌ：ループコイルのインダクタンス
【００６７】
上式によれば、電源電圧Ｅが一定であれば、巻回数が多い（インダクタンスの大きい）ほどコイルに流れる電流は減少し、発生する磁界は巻回数が少ないほど大きくなる。この式に基づけば、発生する磁界を大きくするためには、巻回数を少なくすればよいのであるが、図９（ｂ）に示すように、３回巻回コイル６０の合成磁界は、アンテナ平面と水平方向に斑ができてしまう。この磁界斑は、ＩＣカードとの距離を一定としたときの水平方向への通信範囲に影響する。そこで実際は、安定した合成磁界を得るために、ループコイルをできる限り密に配置する必要があるのであるが、これでは、上述したように必要な電流量が大きくなってしまう。
【００６８】
本具体例では、このような背反する命題を解決するために、図６に示すリーダライタアンテナ回路５４を用いた。図６に示すリーダライタアンテナ回路５４では、信号源からみた負荷インピーダンスは、図９（ｂ）に示したアンテナ回路と等価になり、３ターン目に接続された端子５４３に流れる電流は、ループコイル５４１の端子間Ｒ１に励起される電流となる。
【００６９】
このリーダライタアンテナ回路５４では、３端子のループコイル５４１は、オートトランス式昇圧回路と同様の構成となっており、給電されていないコイル部分にも巻回数比に応じた電圧が生じている。端子間Ｒ２に与えられている電圧をＥとすると、リーダライタアンテナ回路５４の端子５４１ａ，５４１ｃ間には、５Ｅ／３の電圧が生じている。同時に、端子５４１ａ，５４１ｃ間には、コンデンサ５４２が接続されているため、並列共振回路を形成し、このループコイル全体に万遍なく共振電流が流れ、図１１に示す、本具体例のリーダライタアンテナ回路５４のようなＧ１、Ｇ２ともに安定した強い磁界が発生する。
【００７０】
したがって、このリーダライタアンテナ回路５４は、低電圧にもかかわらず低インピーダンス・高電流を生じ、カード側アンテナ回路１１と非常に効率よく結合できる。
【００７１】
実際には、リーダライタ駆動回路（図１でのＩＣ１２）は、市販の回路を用いるため、この回路の特性に応じてアンテナ回路を使い分けることになるのであるが、この場合も、リーダライタアンテナ回路５４は、端子５４３の引き出し位置を設計時点に変更するだけでリーダライタ駆動回路の出力インピーダンス、ループコイルの巻数、コイル形状等に応じて通信に最適なインピーダンスが得られる。
【００７２】
上述のように構成されたリーダライタアンテナ回路５４は、変調回路５２からの変調波に対応した電磁場を放射することができる。また、ＩＣカード１０のループコイル１３によって励起された電磁場に同調して、ＩＣカード１０側のループコイル１３に与えられた負荷変動を検出することができる。
【００７３】
本発明の課題でもあるように、リーダライタに要求されるアンテナ回路（ループアンテナ）のサイズに係る制約等からサイズを変更することによってアンテナ特性の不利点を解決することが困難であるが、本具体例のように、ループコイルの中途部分から端子をとって３端子コイルとすることによって、アンテナ自体を小型化してもループコイル５４１に効率よく電流が励起される。
【００７４】
以下では、リーダライタアンテナ回路５４の特性と、従来のアンテナ回路の特性とを実際の測定結果に基づいて比較した。
【００７５】
まず、比較対象として、コンデンサ８２とループコイル８３とが並列接続された従来の並列共振型アンテナ回路（従来例１、図１２）８１と、コンデンサ８５とループコイル８６とが直列接続された直列共振型アンテナ回路（従来例２、図１３）８４とを用意した。ループコイルは、ともに５回巻回コイルとした。
【００７６】
図１２及び図１３における給電点Ａ，Ｂには、アンテナ駆動回路、すなわちリーダライタアンテナ回路５４以降の回路構成に相当する回路を接続した。また、この試験では、従来例１、従来例２及び本具体例ともに同仕様のＩＣカードを用い、図１４（ａ）に示すように、各アンテナ回路のアンテナ面と３ｍｍの間隔をおいて接近させ、各アンテナ回路における給電点ＡＢ間のアンテナインピーダンスと通信可能範囲、通信周波数とインピーダンスとの関係について調べた。ここで通信可能範囲とは、アンテナ面の中心線に対してＩＣカード１２をどの程度ずらしても読み取ることができるかを示す範囲であって、図１４（ｂ）にて説明するようにズレ分を長さ単位Ｌで示す。各アンテナ回路における通信周波数とインピーダンスとの関係を図１５乃至図１７に示す。また、図１８には試験結果を纏めた。なお、このとき各アンテナ回路の給電点Ａ，Ｂ、及びリーダライタアンテナ回路５４に接続したリーダライタ駆動回路の出力インピーダンスは５０Ωであった。
【００７７】
従来例１の並列共振型アンテナ回路８１では、ＡＢ間のアンテナインピーダンスが共振周波数１３．５６ＭＨｚにおいて１２４０Ωであった。また、電圧５Ｖでの通信可能範囲は１８ｍｍ、３．３Ｖでは１０ｍｍであった。
【００７８】
従来例２の直列共振型アンテナ回路８４では、ＡＢ間のアンテナインピーダンスが共振周波数１３．５６ＭＨｚにおいて８Ωであった。また、電圧５Ｖでの通信可能範囲は１９ｍｍ、３．３Ｖでは１３ｍｍであった。
【００７９】
これに対して、本具体例として示すリーダライタアンテナ回路５４を用いた場合、共振周波数１３．５６ＭＨｚにおいて、端子５４１ａ，５４３のインピーダンスが２２３Ωであった。また、電圧５Ｖでの通信可能範囲は２５ｍｍ、３．３Ｖでは２０ｍｍであった。
【００８０】
直列共振型アンテナ回路８４では、回路共振時に系のインピーダンスは最小になる。このときのインピーダンスは実験で８Ωと出ており、この負荷を５０Ω出力の駆動回路に接続するには無理があるのは明白である。電力の殆どがロスになり、過負荷状態に陥った駆動回路は波形ひずみを起こす原因ともなりえる。アンテナ駆動回路には低出力インピーダンスである必要があるため、回路規模も大きくなり携帯機器への対応が難しくなる欠点も持っている。結果的に効率よくコイルに電流を流せるとは言えない。
【００８１】
並列共振型アンテナ回路８１は、回路共振時に系のインピーダンスは最大となるが、本具体例のように３端子化を行ってタップダウンをすれば、インピーダンスを任意に低下させることができる。
【００８２】
並列共振型アンテナ回路を３端子化したリーダライタアンテナ回路５４は、系全体で巡回電流が流れるため、図６のＲ１にのみ電流が流れるわけではなく、全体に巡回電流が流れ、コイル全体を励起することが可能である。さらに、適切なインピーダンスを自由に選べる点は、回路設計、電源事情の両面において自由度が広くなる。よって、駆動回路も簡略化が可能である。
【００８３】
ところで、図１３に示す直列共振型アンテナ回路８４は、タップ出しをした３端子コイルで共振回路を形成することはできない。３端子型コイルでの給電点がコイルの両端でなくなるため、コンデンサとコイルが接続された端点が無接続になってしまい、ＬＣ共振回路の構成を失うからである。よって、直列共振回路は、３端子化によるインピーダンス整合の自由度を得ることが根本的に不可能であり、並列共振回路と比べて優位性を失う。
【００８４】
次に、上述した非接触データ通信システムを適用した通信端末装置７０について、図１９を用いて説明する。この通信端末装置７０には、非接触ＩＣカードのような無線タグとの間で通信するための通信手段として、上述したリーダライタアンテナ回路５４が搭載されている。
【００８５】
この通信端末装置７０は、ＰＤＡ(Personal Digital Assistants)と呼ばれるユーザが持ち運び可能な小型軽量の電子機器である。
【００８６】
この通信端末装置７０は、本体部７１と、パネル部７２とを有し、ヒンジ機構７３を介してパネル部７２が本体部７１に対して開閉可能とされている。本体部７１には、各種操作を行うための操作ボタン等からなる入力部７４が設けられており、この入力部７４に隣接した本体内部には、上述したリーダライタ５０のリーダライタアンテナ回路５４が配置されている。
【００８７】
また、この本体部７１の内部には、各部を制御するマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）が設けられている。一方、パネル部７２には、液晶表示パネルからなる表示部７５が設けられており、入力部７４による操作状態や、リーダライタ５０によるＩＣカード１０からの読み出しデータ等をＣＰＵの制御のもとで表示することができる。
【００８８】
また、この通信端末装置７０は、小型軽量薄型化した場合の剛性を確保するために、例えば高剛性プラスチック材等の非金属筐体からなる。なお、筐体は、このような非金属筐体に限らず、例えばＭｇ合金等の金属筐体でもよい。
【００８９】
したがって、通信端末装置７０に本発明に係るリーダライタアンテナ回路５４を設けることによって、通信可能範囲がより広められ、低電圧下で効率よく駆動する。
【００９０】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００９１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るデータ通信装置は、他のデータ通信装置との間で信号が通信されるアンテナ手段と、アンテナ手段にて受信される他のデータ通信装置から送信された送信信号から受信データを復調する復調手段と、他の通信装置に対してアンテナ手段から送信されるデータが変調される変調手段と、復調手段に入力される信号強度が所定値を越える場合に復調手段に入力される信号強度を抑制して復調手段を保護する保護手段と、保護手段によって生じる高調波を吸収するフィルタ手段と備えることにより、受信入力端の波形クリップが回避でき高調波強度が抑制される。また、外付け回路を使用することなくアンテナ回路を駆動できアンテナ回路と内部回路とのインピーダンスの整合がとれるため、アンテナ回路への電力供給率を高めることができる。これにより、非接触データ送受信装置自体の低電圧化、低消費電力化が実現できる。
【００９２】
また、本発明に係る非接触データ通信システムは、受信入力端の波形クリップが回避でき、高調波強度が抑制される。また、外付け回路を使用することなくアンテナ回路を駆動できアンテナ回路と内部回路とのインピーダンスの整合がとれるため、アンテナ回路への電力供給率を高めることができる。これにより、非接触通信に係るデータ送受信装置自体の低電圧化、低消費電力化が実現できる。
【００９３】
また、本発明に係るアンテナ装置は、受信入力端の波形クリップが回避でき高調波強度が抑制される。また、外付け回路を使用することなくアンテナ回路を駆動できアンテナ回路と内部回路とのインピーダンスの整合がとれるため、アンテナ回路への電力供給率を高めることができる。これにより、非接触通信に係る携帯型情報端末の低電圧化、低消費電力化が実現でき、この携帯型情報端末の更なる小型化要求に対しても対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例として示す非接触データ通信システムを説明する構成図である。
【図２】上記非接触データ通信システムにおけるリーダライタ５０を説明する構成図である。
【図３】上記非接触データ通信システムにおけるリーダライタ５０を説明する構成図である。
【図４】上記非接触データ通信システムにおけるリーダライタ５０を説明する構成図である。
【図５】上記非接触データ通信システムにおけるリーダライタアンテナ回路を説明する構成図である。
【図６】リーダライタアンテナ回路を説明する回路図である。
【図７】リーダライタアンテナ回路の具体的な仕様を説明する外観図である。
【図８】非対称ループコイルの磁場分布を説明する断面図である。
【図９】（ａ）は、一般的な非対称３回巻回コイルの外観図であり、（ｂ）は、３回巻回ループコイルの幅広部の磁界分布を説明する断面図である。
【図１０】（ａ）は、一般的な非対称５回巻回コイルの外観図であり、（ｂ）は、５回巻回ループコイルの幅広部の磁界分布を説明する断面図である。
【図１１】リーダライタアンテナ回路の幅広部の磁界分布を説明する断面図である。
【図１２】従来の並列共振型アンテナ回路を説明する回路図である。
【図１３】従来の直列共振型アンテナ回路を説明する回路図である。
【図１４】（ａ）は、アンテナ特性試験を説明する図であり、（ｂ）は、通信可能範囲を説明する図である。
【図１５】従来の並列共振型アンテナ回路のインピーダンスと共振周波数との関係を示す図である。
【図１６】従来の直列共振型アンテナ回路のインピーダンスと共振周波数との関係を示す図である。
【図１７】本発明の具体例として示すリーダライタアンテナ回路のインピーダンスと共振周波数との関係を示す図である。
【図１８】リーダライタアンテナ回路と、並列共振型アンテナ回路と、直列共振型アンテナ回路とのアンテナ特性の結果を示す図である。
【図１９】上記非接触データ通信システムを適用した通信端末装置を説明する外観図である。
【図２０】従来のＲＦＩＤシステムを説明する構成図である。
【図２１】従来のＲＦＩＤシステムにおけるループアンテナを説明する図である。
【符号の説明】
１非接触データ通信システム、１０ＩＣカード、１１カード側アンテナ回路、１２ＩＣ、１３ループコイル、１４コンデンサ、５０リーダライタ、５４リーダライタアンテナ回路、５４１ループコイル、５４２コンデンサ、５４３端子、５５保護回路、５６受信側フィルタ回路、５７送信側フィルタ回路、

Claims

他のデータ通信装置と電磁誘導結合により非接触データ通信を行うデータ通信装置において、
上記他のデータ通信装置との間で信号が通信されるアンテナ手段と、
上記アンテナ手段にて受信される上記他のデータ通信装置から送信された送信信号から受信データを復調する復調手段と、
上記他の通信装置に対して上記アンテナ手段から送信されるデータが変調される変調手段と、
上記復調手段に入力される信号強度が所定値を越える場合に上記復調手段に入力される信号強度を抑制して上記復調手段を保護する保護手段と、
上記保護手段によって生じる高調波を吸収するフィルタ手段とを有し、
上記アンテナ手段は、巻き線間の間隔が狭い幅狭部と巻き線間の間隔が広い幅広部からなる構造である所定の巻き線数のループコイルと、該ループコイルの両端に接続されるコンデンサからなる並列共振型回路であって、該ループコイルの両端の間に設けられた接続タップと該ループコイルの一端とに上記変調手段が接続されることによりオートトランス式昇圧回路となるデータ通信装置。
上記フィルタ手段は、上記変調手段と上記アンテナ手段との間に挿入されることを特徴とする請求項１記載のデータ通信装置。
上記変調手段と上記アンテナ手段との間にフィルタ手段をさらに備えることを特徴とする請求項２記載のデータ通信装置。
上記変調手段の出力部と上記保護手段が接続された上記復調手段の入力部が接続され、上記接続された入力部と出力部と上記アンテナ手段との間に上記フィルタ手段が挿入されることを特徴とする請求項１記載のデータ通信装置。
上記フィルタ手段は、上記アンテナ手段と接続される第１の接続部と、上記復調手段に接続される第２の接続部とを備え、
上記第１の接続部のインピーダンスは、上記アンテナ手段のインピーダンスと略等しいとともに、上記第２の接続部のインピーダンスは、上記復調手段の入力インピーダンスと略等しいことを特徴とする請求項１記載のデータ通信装置。
上記アンテナ手段は、
所定の巻き線数の第１のコイル部と、
上記第１のコイル部の一端に一端が接続される所定の巻き数の第２のコイル部と、
上記第１のコイル部の他端と上記第２のコイル部の他端とに各々の端部が接続されるコンデンサと
を備え、
上記第１のコイル部と上記第２のコイル部の接続点と、上記第１のコイル部の他端とが各々上記変調手段に接続されることを特徴とする請求項１記載のデータ通信装置。