JP4356846B2 - 変調補償クランプ回路 - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は一般に、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）装置に関し、特に、近接動作用ＲＦＩＤに関する。
背景技術
遠隔電子識別装置は、離して配置されるトランスポンダと質問機ユニットとからなるのが典型的である。このような装置の動作範囲は、トランスポンダユニットの基本アーキテクチャに依存する。たとえば、バイゲル（Beigel）に対する米国特許第４，３３３，０７２号においては、遠隔識別システムは、挿入回路（トランスポンダ）に近接して動作するプローブ回路（質問機）を含む。プローブ回路が挿入回路に近づけられるとき、挿入回路にエネルギが供給され、挿入回路内のコイルにかかる誘導によって電圧が生成される。挿入回路のコイルにかかる誘導負荷を変動させプローブにおいてこのような変動を検出することによって、挿入回路からプローブ回路へと情報が伝えられる。この動作モードにおいては、プローブ回路が挿入回路の極めて近くに間隔をおいて位置づけられることが必要であり、そのため、このような装置の動作範囲は極めて限定される。
他の遠隔識別システムは、質問機とトンラスポンダとの間の通信リンクを設けるため無線周波数信号送信を使用する。こうした無線周波数識別（ＲＦＩＤ）装置の一類においては、ＲＦ信号は、トランスポンダ装置に送信されるパワー信号を含む。このパワー信号はトランスポンダ内の電源キャパシタに充電し、このキャパシタがトランスポンダの電源として働く。トランスポンダからのデータの送信は、無線周波数エネルギの発生および送信を含む。電源キャパシタは、このような送信のための適切なパワーを提供できる十分な大きさのものでなければならない。このようなトランスポンダでは、２メートルのオーダの読取距離が許容される。しかし、このような種類のトランスポンダは、装置を皮下に埋込むことで家畜を識別するなど、小型の装置であることが必要な応用においては実用的でない。
ＲＦＩＤの第３のカテゴリにおいては、代替的な方策が上記２つの設計の特徴を組合せる。質問機が、パワー信号を含むＲＦ信号を送信する。受信されたパワー信号によってトランスポンダのコイルにわたって誘導される電圧は、トランスポンダの回路を動作させるのには十分であるが、それ自身の無線信号を発生させるためには十分でない。コイルと並列に結合されるキャパシタはタンク回路を形成し、このタンク回路のＱはタンク回路にかけられる抵抗負荷を変動させることで変動させられる。これによってタンク回路の同調が変化させられ、反射される信号が変動し、それを質問機が検出できる。このように、単に、対応して抵抗負荷を変調させ、反射された信号の変動を質問機が検出できるようにすることによって、トランスポンダはそのデータを質問機に伝えることができる。
装置を過電圧条件から保護するために、典型的には過電圧回路が用いられる。従来技術による解決策は、そのレベルを超えると電圧がトランスポンダに対し好ましくなくなる、あるレベルの降伏電圧を有するツェナーダイオードの使用を含む。ダイオードは、トランスポンダのコイルのピンの間に結合される。コイルにかかる過電圧条件が存在すると、ツェナーダイオードが導通させられ、それによってＶ_ddが接地に駆動され装置が実効的にオフにされる。米国特許第５，４７９，１７２号は、Ｖ_ddが基準電圧と比較され整流器から接地への電流を分流させるために分流トランジスタがオンにされ、それによってＶ_ddが基準電圧に限定される、他の方策を開示する。
質問機が近い距離で動作するとき問題が生じる。質問機からの強い信号がトランスポンダ内の過電圧回路を導通させる。したがってタンク回路への電流は、過電圧回路の動作と変調された抵抗負荷との両方により影響される。トランスポンダが負荷抵抗を変動させることによってデータを送信しようと試みるとき、これによってタンク回路への電流が変動し、このような電流の変動は過電圧回路の動作によって阻止されることになる。
図３に示す回路は、従来技術のトランスポンダの一典型例であり、どのようにこのマスキング効果が生じるかを示している。変調信号はトランジスタＲの導電率（抵抗）を変動させ、それによって、トランスポンダ内にストアされるデータによって、タンク回路Ｌ／Ｃの同調を変化させる。過電圧回路２２は、比較器２１および分路２３を含む。過電圧回路２２がオンになったとき、電流の変化が過電圧条件によるものなのかまたはトランジスタＲの変調によるものなのかわからない。変調器がトランジスタＲをオンするとき、過電圧分路２３を通って流れるはずであった電流が代わりにトランジスタＲを通って流れるということが考えられる。全体としての電流の大きさは変化していないため、タンク回路のＱに変化はない。Ｑ（したがって同調）が変化しないままであるため、質問機が検出するべき反射された信号の変化はなく、したがってデータ送信もない。
したがって、質問機に近接して動作可能であり広い範囲の有効距離をもつトランスポンダが所望とされる。近くに位置づけられる質問機から受信される強い信号によってオンされ得る過電圧回路の動作による影響を受けないトランスポンダが必要である。
発明の概要
この発明により、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグは、遠隔質問機ユニットによって無線周波数（ＲＦ）搬送波上で送信されるパワー信号を受信するためのタンク回路を含む。タンク回路にかけられる抵抗負荷をメモリから読出されるデータの関数として変動させることによって、タグから質問機へ情報が伝えられる。反射された信号のこれに対応する変動は、次に質問機により検出される。
電圧クランプが、過電圧から保護する。クランプのトリガは、データによっての変調で行なわれる。クランプは、変調回路に関連して動作する分流手段を含み、したがって過電圧条件においてもデータ送信が可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明によるＲＦＩＤタグのブロック図である。
図２は、この発明の変調回路の図である。
図３は、従来技術による変調方式を示す図である。
発明を実施するためのベストモード
図１を参照し、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システム１００は、質問機ユニット１０２とトランスデューサユニット（タグ）１０４とを含む。質問機１０２は、ＲＦ信号をタグ１０４に送信するための送信コイル１０３を含む。
タグ１０４は、ピックアップコイルＬ_Tを含み、ピックアップコイルはキャパシタＣ_Tとともにタンク回路１２０を形成する。タンク回路にかかるよう、電圧クランプ１２２、負荷変調回路１２４、および全波ブリッジ整流器１２６が結合される。電圧クランプ１２２は、タンク回路１２０にわたり発生される最大電圧を制限する過電圧保護装置である。このような装置においては、特に負荷が低くタンク回路のＱが高いときに、コイルＬ_Tにかかる電圧が極めて高いレベルまで増加し得る。このような高電圧は装置のエレクトロニクスの故障を生じさせる可能性がある。コイルにかかる電圧が装置の上限に近づくとき、クランプ１２２はオンし、クランプにかかる電流を増加させ、それによって電圧をより安全なレベルに下げる。
変調回路１２４は、タンク回路１２０にかかる負荷を変動させ、これがタンク回路のＱ係数を変動させる。変調回路は、質問機１０２に伝えられるべきデータによってタンク回路１２０のＱを変動させるコントローラ１３４の制御下で動作する。Ｑの変動によって反射される信号が変化する。したがって、質問機が反射される信号の対応する変化を検出するに伴って、データが「送信」される。
ブリッジ整流器１２６は、タグが必要とする電源電圧Ｖ_ddを提供するため小さな電源キャパシタＣ_Fに充電する。この電源電圧は、プログラミング電圧Ｖ_ppを与えるための電圧ポンプを含む不揮発性メモリ１３２にパワーを供給する。ブリッジ回路１２６は、トランスデューサ１０４に内部パワーを提供するのに加えて、質問機１０２からの入来信号に基づいてクロック発生器１３６にクロック信号を与える。
メモリ１３２は、８つの３２ビットページからなる２５６ビットＥＥＰＲＯＭである。ページ０は、２４ビットのデータと８つの書込ロックビットとで編成される。ページ１から７はユーザページである。書込ロックビットは、対応する３２ビットのページが書込可能であるか否かを決定する。パスワードによる保護が利用可能である。パスワードはユーザページ７にストアされる。メモリ１３２への読出および書込アクセスは、コントローラ１３４を通じて行なわれる。復調器１３８は入来データ信号を復調し、データをコントローラ１３４に与え、コントローラ１３４はそれをメモリ１３２へ書込む。データ信号は、コマンドビットのシーケンスと、それに続く任意のデータビットのシーケンスとを含む。
図２を参照し、変調回路１２４は、負荷トランジスタ１２９のゲートを駆動するエンコーダ／変調器１１７を含む。負荷トランジスタ１２９のドレインとソースとはタンク回路１２０の端子にわたって結合される。エンコーダ／変調器１１７の変調信号１１９を含む出力パルスが、負荷トランジスタ１２９を変調し、トランジスタをオンおよびオフにする。負荷トランジスタ１２９が交互に導通および非導通になるに伴い、対応してタンク回路１２０のＱ（すなわちその同調）が変動する。エンコーダ／変調器１１７は、マンチェスター（２相）、ミラー、微分２相、および変形微分２相エンコーディングを含むさまざまな周知のエンコーディング方式が可能である。エンコードされた信号はさらに、位相シフトキーイングまたは周波数シフトキーイングによって変調され得る。
この発明により、電圧クランプ１２２はタンク回路１２０にかかるソースとドレインとの接続を有する分流トランジスタ１２３を含む。比較器１２１の出力は、分流トランジスタ１２３のゲートを駆動する。
検出器１２７は、比較器の第１の入力Ａに与えられる、コイルＬ_Tにかかる電位差Ｖ_cを検出する。電圧セレクタ１２５は、２つの基準電圧Ｖ_ref1およびＶ_ref2の一方を比較器１２１の第２の入力Ｂへと切換える。変調信号１１９はＶ_ref1とＶ_ref2とを切換えるようセレクタ１２５へ与えられる。Ａ入力の電圧がＢ入力の電圧を超えるとき、比較器１２１は分流トランジスタ１２３のしきい値電圧Ｖ_tよりも高い電圧を出力し、分流トランジスタをオンにする。Ａ入力の電圧がＢ入力の電圧よりも低いとき、比較器１２１はＶ_tよりも低い電圧を出力し、これによって分流トランジスタ１２３がオフ状態に維持される。
さらに図２を参照し、変調回路１２４と電圧クランプ回路１２２とは以下の態様で協働する。コントローラ１３４は、メモリ１３２から読出を行ない、変調器１１７を通じてデータの１および０を表わす対応する一連のパルス１１９を生成する。「１」パルスが負荷トランジスタ１２９をオンし、「０」パルスがこれをオフにすると仮定する。したがって、「１」ビットについては負荷トランジスタはオンし、負荷電流Ｉ_Lがタンク回路１２０から電流を「取り」そのＱを減じることになる。逆に、「０」ビットについては、負荷トランジスタはオフし、タンク回路にかかる負荷をなくしそのＱを増加させる。
これが非過電圧条件におけるタグの典型的な動作である。しかし、パルス１１９はその出力が比較器１２１に与えられるセレクタ１２５も駆動することを想起されたい。説明のために、「１」パルスがＶ_ref1を選択し、「０」パルスがＶ_ref0を選択し、Ｖ_ref1がＶ_ref0よりも大きいと仮定する。非過電圧条件においては、コイルの電圧Ｖ_cはＶ_ref1およびＶ_ref0のいずれよりも低くなるであろう。したがって、比較器１２１の出力はマイナスとなり（すなわち、分流トランジスタ１２３のＶ_tよりも低くなり）、そのため、分流トランジスタは非導通のままとなろう。
次に、コイルＬ_Tにかかる電位Ｖ_cが、それを超えると装置の故障が生じ得るタグの上限電圧Ｖ_limに等しくなるかまたはそれよりも高くなる過電圧条件について考える。
過電圧条件において「１」ビットが発生すると、その各々に対して、上述のように負荷トランジスタ１２９はオンし、負荷電流Ｉ_Lがタンクから流れ出される。さらに、Ｖ_ref1が比較器へと切換えられ、出力が（Ｖ_c−Ｖ_ref1）となる。Ｖ_cとＶ_ref1とを適切に選択すると、ある量で分流トランジスタ１２３がオンし、タンク回路１２０から付加的な電流Ｉ_ref1を引出す。これは、非過電圧の場合と同様にＱを下げる効果を持つ。しかし、過電圧の場合には、付加的な負荷電流Ｉ_ref1のためＱはさらに低くなる。付加的な負荷電流Ｉ_ref1は、コイル電圧Ｖ_cをＶ_limを下回る値に下げる効果をさらに有し、これによって過電圧条件が緩和される。
過電圧条件において「０」ビットが発生すると、その各々について、負荷トランジスタ１２９は非過電圧条件の場合と同様にオフのままである。Ｖ_ref0は比較器１２１へ切換えられる。比較器１２１の出力は（Ｖ_c−Ｖ_ref0）である。Ｖ_cとＶ_ref0とを適切に選択すると、分流トランジスタ１２３が電流Ｉ_ref0をタンク回路から引出す。しかし、Ｖ_ref0はＶ_ref1よりも低いので、比較器は分流トランジスタ１２３のゲートをより高電圧で駆動することになり、分流トランジスタを通じてより高い電流Ｉ_ref0が流れる。このように、負荷トランジスタ１２９は「０」ビットについてはオフするが、分流トランジスタ１２３はオンする。Ｖ_ref0は、過電圧条件を緩和するようコイル電圧Ｖ_cをＶ_limをちょうど下回る値にまで下げるために十分な値を負荷電流Ｉ_ref0のみがとるよう設定される。
負荷電流がＩ_ref0となる「０」ビットの場合には、ＱはＱ₀となると仮定し、タンク回路１２０を通る総負荷電流がＩ_L＋Ｉ_ref1となる「１」ビットの場合にはＱはＱ₁となると仮定する。Ｑ₀とＱ₁とが十分に離れていれば、「０」ビットは「１」ビットから区別できる。したがって、Ｖ_ref1およびＶ_ref0を適切に選択することで、タンク回路の同調を十分に変動させることができ、それによって「０」ビットと「１」ビットとを区別するために十分なだけ、タグにより反射される信号を変化させられることがわかる。同時に、タグに含まれるデータを搬送する信号を阻止しなくとも、（分流電流Ｉ_ref1、Ｉ_ref0により）過電圧条件が回避される。

Claims (18)

1. 無線周波数識別システムにおいて使用される型のトランスポンダ（１０４）であって、
   タンク回路（１２０）と、
   タンク回路に接続され過電圧条件においてタンク回路からの電流を分岐させるための分流手段（１２３）を有する過電圧回路（１２２）と、
   トランスポンダ内に含まれるデータによりタンク回路の同調を変動させるための同調手段（１２４）とを含み、分流手段がデータにより分岐される電流の量を変動させるように同調手段が分流手段に動作可能に結合される、トランスポンダ。
2. 分流手段は、データにより第１の基準電圧と第２の基準電圧とのいずれかを選択するための基準電圧セレクタ（１２５）と、基準電圧の選択に依存してバイアスがかけられる分流トランジスタ（１２３）とを含む、請求項１に記載のトランスポンダ。
3. 同調手段は、トランスポンダ内に含まれるデータを表わす変調信号を生成するための変調手段（１１７）と、タンク回路に可変抵抗負荷を与えるための負荷手段（１２９）とを含み、変調信号は抵抗負荷を変化させるため結合される、請求項１に記載のトランスポンダ。
4. 負荷手段は、タンク回路にわたって結合されるトランジスタ（１２９）であり、トランジスタのゲートは変調信号を受信するよう結合される、請求項３に記載のトランスポンダ。
5. タンク回路（１２０）は、キャパシタと並列に結合される誘導子を含む、請求項１に記載のトランスポンダ。
6. 分流手段は、トランジスタ（１２３）と比較器（１２１）とを含み、トランジスタはタンク回路に接続され、トランジスタのゲートは比較器の出力に結合され、比較器は基準電圧セレクタ（１２５）に結合される第１の入力とコイルにかかる電圧を受信するため結合される第２の入力とを有し、基準電圧セレクタはデータにより第１の基準電圧と第２の基準電圧とのいずれかを選択する、請求項５に記載のトランスポンダ。
7. 無線周波数識別トランスポンダであって、
   第１および第２の端子と、
   第１および第２の端子にわたって結合されるコイルと第１および第２の端子にわたって結合されるキャパシタとを含むタンク回路（１２０）と、
   メモリアレイ（１３２）と、
   メモリアレイに結合されメモリアレイ内に含まれるデータを表わす変調信号を生成するための変調手段（１１７）と、
   第１および第２の端子にわたって結合される可変抵抗負荷（１２９）とを含み、可変抵抗負荷は変調信号に応答してタンク回路に可変抵抗を与えるため変調手段に結合され、前記トランスポンダはさらに、
   第１および第２の端子にわたって結合され、変調信号に応答して変動する基準電圧を生成するための変調手段に結合される基準電圧回路（１２５）を含む過電圧回路（１２２）を含み、過電圧回路の活性化は、電源電圧が基準電圧を超えるとき生じる、無線周波数識別トランスポンダ。
8. 過電圧回路は、分流トランジスタ（１２３）と比較器（１２１）とを含み、分流トランジスタは第１および第２の端子にわたって結合され、分流トランジスタのゲートは比較器に結合され、比較器は電源電圧を基準電圧と比較するため結合される、請求項７に記載のトランスポンダ。
9. 可変抵抗負荷は、第１および第２の端子にわたって結合される負荷トランジスタ（１２９）であり、変調信号は負荷トランジスタのゲートに結合される、請求項８に記載のトランスポンダ。
10. 第１の基準電圧または第２の基準電圧を比較器に与えるため結合されるセレクタ（１２５）をさらに含み、セレクタは変調信号に応答して基準電圧を与えるため結合される、請求項７に記載のトランスポンダ。
11. 過電圧回路はさらに、第１および第２の端子にわたって結合される分流トランジスタ（１２３）を含み、比較器の出力はトランジスタのゲートに結合される、請求項１０に記載のトランスポンダ。
12. 可変抵抗負荷は、第１および第２の端子にわたって結合される負荷トランジスタ（１２９）であり、変調信号は負荷トランジスタのゲートに結合される、請求項１１に記載のトランスポンダ。
13. 無線周波数識別システムのトランスポンダにおいて、トランスポンダの電源電圧をクランプする方法であって、
    タンク回路にかかる抵抗負荷（１２９）を変調信号で変調するステップと、
    変調信号が第１の変調レベルにあるときは第１の基準電圧を選択（１２５）するステップと、
    変調信号が第２の変調レベルにあるときは第２の基準電圧を選択（１２５）するステップと、
    電源電圧を選択された基準電圧と比較（１２１）するステップと、
    電源電圧が選択された基準電圧を上回るならばタンク回路に電流を分岐（１２３）させるステップとを含む、トランスポンダの電源電圧をクランプする方法。
14. 変調するステップは、トランスポンダにストアされたデータを読出すステップと、データを表わす変調信号を生成するステップとを含む、請求項１３に記載のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法。
15. 抵抗負荷はタンク回路にわたって結合されるトランジスタであり、変調するステップはトランジスタのゲートに印加されるバイアス電圧を変化させるステップを含む、請求項１３に記載のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法。
16. 電流を分岐させるステップは、比較するステップに応答してトランジスタのゲートに印加されるバイアス電圧を変動させることによって、タンク回路に接続されるトランジスタを動作させるステップを含む、請求項１３に記載のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法。
17. 変調するステップは、第１のトランジスタを流れる電流を変動させるためにタンク回路に接続される第１のトランジスタのゲートに印加される第１のバイアス電圧を変動させるステップを含み、分岐させるステップは、比較するステップに応答して第２のトランジスタのゲートに印加される第２のバイアス電圧を変動させるステップを含み、第２のトランジスタはタンク回路にわたって結合される、請求項１３に記載のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法。
18. 変調するステップはさらに、トランスポンダにストアされたデータを読出すステップと、データを表わすため第１のバイアス電圧を変動させるステップとを含む、請求項１７に記載のトランスポンダの電源電圧をクランプする方法。

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