JP4528650B2 - 無線通信装置及び非接触式ｉｃカードリーダライタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触式ＩＣカードや携帯電話等の無線通信媒体に対して情報を送信したり、無線通信媒体からの情報を受信したりする無線通信装置及び非接触式ＩＣカードリーダライタ装置に関する。

近年、情報の安全性と携帯の利便性の面から非接触で利用可能な非接触式ＩＣカードの普及が進んでおり、このような非接触式ＩＣカードを利用した非接触情報送受信に関する各種提案がなされている（特許文献１参照）。

例えば、送受信で共通な１つのループアンテナを備えたリーダライタが知られている。このような送受信共通ループアンテナの共振周波数は、この送受信共通ループアンテナに接続されたコンデンサの容量により一意に決定する。

リーダライタの制御部及びループアンテナは、コネクタを介して２本線のケーブルにより接続されている。これにより、リーダライタは、ループアンテナを介してＩＣカードと通信を行うことが可能である。

上記したリーダライタは、送受信共通ループアンテナに接続されたコンデンサの値を調整することでアンテナ共振周波数を調整することができ、ＩＣカードとの安定な通信特性及び広範囲な通信領域（想定される所定の通信範囲での良好な通信特性）を確保することを目的としている。

駅務等の交通システムや電子マネーシステム等の特定のＩＣカードあるいはＩＣカード側の共振周波数が小さい範囲で異なる（数十ｋＨｚ程度）ＩＣカードに対しては固定されたアンテナ共振周波数にて対応可能で、良好な通信特性を得ることが可能であった。
特許第３５７９８９９号公報（特開平８−１９４７８５号公報）

特定のＩＣカードあるいはＩＣカード側の共振周波数が小さい範囲で異なる（数十ｋＨｚ程度）ＩＣカードに対しては固定されたアンテナ共振周波数にて対応可能で、良好な通信特性を得ることが可能であった。しかしながら、アンテナ共振周波数の大きく異なる（数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）ＩＣカードに対して、全てのカードで通信不能領域を含まない通信可能領域を確保することが困難となる。

その原因として、リーダライタとＩＣカードのアンテナ間にて結合を起こす際に発生する位相反転ポイントが通信領域内に発生することが挙げられる。これにより、受信信号を正確に復調できなくなり、ヌル点として通信不能領域が発生してしまう。その結果、通信の途中でエラーが発生し、通信未了や通信エラー率の高い通信特性を持ったリーダライタとなってしまう。

本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、通信性能の低下を防止することが可能な無線通信装置及び非接触式ＩＣカードリーダライタ装置を提供することにある。

この発明の無線通信装置及び非接触式ＩＣカードリーダライタ装置は、以下のように構成されている。

（１）この発明は、異なる共振周波数を有する複数種類の無線通信媒体との通信を可能にする無線通信装置であって、送信データを変調する変調回路と、前記変調回路により変調された信号を出力する出力ライン回路と、無線通信媒体に対して前記出力ライン回路からの信号を送信するとともに、無線通信媒体からの信号を受信する送受信アンテナと、前記送受信アンテナからの信号を入力する入力ライン回路と、前記入力ライン回路からの信号の位相を制御する位相制御回路と、前記位相制御回路からの出力を復調する復調回路とを備えたことを特徴とする無線通信装置である。

（２）この発明は、ＩＣカードとのデータの送信、受信を無線通信により行い、所定のデータ処理を行う非接触式ＩＣカードリーダライタ装置であって、ＩＣカードへの送信データを変調し送信信号を出力する送信回路と、ＩＣカードとの所定の通信範囲でＩＣカードの共振周波数に対して同調して共振する第１の共振周波数を有し、前記送信回路からの出力をＩＣカードに対して送信するアンテナ部と、前記アンテナ部にて受信したＩＣカードからの受信信号を入力し、ＩＣカードとの所定の通信範囲でＩＣカードの共振周波数に対して非共振となるよう位相制御する位相制御回路と、前記位相制御回路からの出力を受信データに復調する受信回路と、前記送信回路および受信回路を介してＩＣカードとデータの送受信を行い所定のデータ処理を行う制御回路とを備えたことを特徴とする非接触式ＩＣカードリーダライタ装置である。

本発明によれば、通信性能の低下を防止することが可能な無線通信装置及び非接触式ＩＣカードリーダライタ装置を提供できる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１は、この発明の非接触式ＩＣカードリーダライタ装置、無線通信装置の一例に係るリーダライタの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、リーダライタは、リーダライタ制御部１、接続部２、アンテナ部３を備えている。

リーダライタ制御部１は、制御回路１１、送信回路１２、受信回路１３、位相制御回路１４、送信信号ライン１５、受信信号ライン１６、コネクタ１７を備えている。送信回路１２は、変調回路１２１、増幅回路１２２、整合回路１２３を備えている。受信回路１３は、整流回路１３１、ローパスフィルタ回路１３２、受信信号増幅回路１３３、二値化回路１３４を備えている。位相制御回路１４は、受信信号ライン１６と接地回路１４１、１４２との間にコンデンサＣ１、Ｃ２を備え、受信信号ライン１６の間にコンデンサＣ３を備えている。

接続部２は、コネクタ２１、２２、送信信号ライン２３、受信信号ライン２４を備えている。

アンテナ部３は、ループアンテナ３１、コンデンサＣ０、コネクタ３２を備えている。アンテナ部３は、コンデンサＣ０により１３．５６ＭＨｚ付近の周波数にて同調する回路となっている。

リーダライタ制御部１及びアンテナ部３は、接続部２を介して４極のケーブルにて接続されている。つまり、リーダライタの２極の送信信号ライン１５は、リーダライタ制御部１のコネクタ１７（送信信号出力ライン回路）、接続部のコネクタ２１、接続部のコネクタ２２、アンテナ部のコネクタ３２を介して、ループアンテナ３１の両端に接続されている。また、リーダライタの２極の受信信号ライン１６は、リーダライタ制御部１のコネクタ１７（受信信号入力ライン回路）、接続部のコネクタ２１、接続部のコネクタ２２、アンテナ部のコネクタ３２を介して、ループアンテナ３１のアンテナ両端から分岐して接続されている。

つまり、リーダライタ制御部１において、送信信号ラインと受信信号ラインとが独立した回路構成となっている。さらに、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の値を調整することにより、受信回路側だけで受信信号の位相を変化（制御）することができる。

次に、上記説明したリーダライタの動作について説明する。

リーダライタ制御部１及びアンテナ部３は、４極のケーブルにより接続されており、アンテナ部３のループアンテナ３１はコンデンサＣ０により共振周波数ｆ１を有する共振回路となっている。なお、リーダライタは、異なる共振周波数を有する複数種類のＩＣカード（無線通信媒体）をターゲットとして通信するものであり、これら無線通信媒体の共振周波数に対して同調して共振する共振周波数が、上記した共振周波数ｆ１である。

また、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を備えた位相制御回路１４は、コンデンサＣ０によるアンテナ同調（共振周波数ｆ１）に対して、はるか遠方の共振周波数ｆ２（例えば１３．５６ＭＨｚの共振周波数ｆ１に対し、数１００ＭＨｚ以上離れた共振周波数ｆ２）を有し、アンテナ同調周波数（共振周波数ｆ１）には影響を及ぼさない。

なお、本発明のリーダライタは、図１に示す構成に限定されるものではなく、例えば、図２に示すように構成してもよい。つまり、図２に示すように、リーダライタ制御部１の送信ライン１５から、受信ライン１６を分岐するように構成してもよい。

図３は、リーダライタの共振周波数ｆ１及び共振周波数ｆ２と、ターゲットとなるＩＣカードａの共振周波数ｆａ及びＩＣカードｂの共振周波数ｆｂとの関係を示す図である。上記したように、１３．５６ＭＨｚ程度の共振周波数ｆ１に対して、共振周波数ｆ２は数百ＭＨｚ以上に設定される。これにより、ターゲットとなるＩＣカードａの共振周波数ｆａが１６ＭＨｚ〜１７．５ＭＨｚ程度、ＩＣカードｂの共振周波数ｆｂが１８ＭＨｚ〜１９ＭＨｚ程度であるとすると、共振周波数ｆ２は、ＩＣカードａ、ｂに対して非共振となる。

次に、図４〜図６を参照して、強結合による通信不能領域の発生の問題、及び本発明の効果である通信不能領域の除外について説明する。図４は、通信可能領域内に通信不能領域を発生させてしまうおそれのあるリーダライタの概略構成を示す図である。図５は、本発明の効果である通信不能領域の除外を説明するための図である。図６は、強結合により発生する通信不能領域を示す図である。

図４に示すように、送受信で共通な１つのループアンテナを備えたリーダライタを想定する。このような送受信共通ループアンテナの共振周波数は、この送受信共通ループアンテナに接続されたコンデンサの容量により一意に決定する。ループアンテナ及びリーダライタ制御部は、２極のケーブルにより接続されている。リーダライタ制御部の受信回路はハイインピーダンスであるため、リーダライタ制御部の送信回路側からみると接続されていない構成となる。しかし、受信回路側からみると送信回路からの信号（ノイズ等も含む）が見える構成となっている。

図４に示すリーダライタは、特定のＩＣカードあるいはＩＣカード側の共振周波数が小さい範囲で異なる（数十ｋＨｚ程度）ＩＣカードに対しては固定されたアンテナ共振周波数にて対応可能で、良好な通信特性を得ることが可能である。しかしながら、アンテナ共振周波数の大きく異なる（数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）ＩＣカードに対してはリーダライタ側のアンテナ共振周波数が固定された状態であるため、共振周波数ｆａのＩＣカードａに対し特性が良好になるようリーダライタのアンテナ回路定数、共振周波数等を調整しても、別の共振周波数ｆｂを持つＩＣカードｂに対しては性能が得られず、逆にＩＣカードｂに対しリーダライタ側を調整した場合、ＩＣカードａの通信特性が落ちてしまう、といった具合に両カードがともに良好な特性を得るような設定が難しい。

図５の上側の（ａ）〜（ｇ）の波形は、図４に示すリーダライタのＡ点での受信信号の位相変化の一例を示す図である。図５の上側に示すように、送受信共用アンテナとＩＣカードとの通信可能範囲内に位相反転ポイントが発生してしまう。つまり、通信可能範囲内に正確な復調ができなくなる通信不能範囲（図６参照）が発生してしまう。この結果、図４に示すリーダライタは、条件によっては良好な通信特性を得ることができなくなる。

図５の上側の（ａ）〜（ｇ）の波形のうち、（ａ）及び（ｇ）の波形が理想的な受信信号波形である。（ａ）及び（ｇ）の波形は、スレッシュレベルと比較して「１」、「０」を確実に判定できる波形である。つまり、（ａ）及び（ｇ）の波形は、二値化回路にて「１」、「０」信号へ変換可能であり制御回路にて復調可能な波形である。

（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）の波形は、理想的な波形に比べ、やや崩れた波形である。しかし、これら（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）の波形も、スレッシュレベルと比較して「１」、「０」を判定できる波形である。つまり、（ａ）及び（ｇ）の波形は、二値化回路にて「１」、「０」信号へ変換可能であり制御回路にて復調可能な波形である。

（ｄ）の波形は、位相反転ポイントであり、信号振幅が０Ｖに近い状態となる。この状態はリーダライタの送受信共用アンテナ及びＩＣカードのアンテナが電磁誘導を起こす範囲まで近づいた場合に起こる現象である。通信可能範囲内に（ｄ）の波形が生じた場合、（ｄ）の波形の発生箇所では受信信号を正確に復調することができない。つまり、図４に示すリーダライタは、通信可能領域内に（ｄ）の波形を発生させるおそれがあり、（ｄ）の波形の発生箇所（通信不能領域）で良好な通信特性を得ることができなくなる。

図５の下側の（ａ）〜（ｇ）の波形は、図１に示すリーダライタのＡ点での受信信号の位相変化の一例を示す図である。図１に示すリーダライタのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の値を調整することにより、ループアンテナ３１にてＩＣカードより受信した信号の波形を変化（制御）させることができる。これにより、位相反転ポイント（通信不能領域）を通信可能領域外に追いやることができ、通信可能領域内では安定した通信が可能となる。つまり、図１に示すリーダライタによる通信可能領域内から、通信不能領域を排除することができ、その結果、良好な通信特性を得ることができる。

以下に、本発明のリーダライタによる作用効果についてまとめる。

本発明のリーダライタは、送信信号ラインと受信信号ラインとを独立させ、送信回路と受信回路とを互いに切り離した構成とする。さらに、受信信号ラインと接地回路及び受信信号ライン間に、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を挿入する。これにより、このコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を調整することにより、受信回路単体での通信特性の調整が可能となる。

本発明のリーダライタは、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の値を調整することで受信回路に入ってくる受信信号の位相をずらし、位相反転ポイント（通信不能領域）を通信可能領域外にずらし、通信不能領域を含まない通信可能領域を得ることができる。

また、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を挿入することにより、送受信共用アンテナと受信回路との整合を調整することが可能となり、受信側のインピーダンスを低くして受信ラインのケーブルがアンテナになることを防ぎ、ケーブルより輻射するノイズを抑制する効果を得ることができる。

なお、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明の無線通信装置の一例に係るリーダライタの概略構成を示すブロック図である。 この発明の無線通信装置の一例に係るリーダライタの変形例を示すブロック図である。 リーダライタの共振周波数ｆ１及び共振周波数ｆ２と、ターゲットとなるＩＣカードａの共振周波数ｆａ及びＩＣカードｂの共振周波数ｆｂとの関係を示す図である。 通信可能領域内に通信不能領域を発生させてしまうおそれのあるリーダライタの概略構成を示す図である。 本発明の効果である通信不能領域の除外を説明するための図である。 強結合により発生する通信不能領域を示す図である。

符号の説明

１…リーダライタ制御部、２…接続部、３…アンテナ部、１１…制御回路、１２…送信回路、１３…受信回路、１４…位相制御回路、１５…送信信号ライン、１６…受信信号ライン、１７…コネクタ、２１、２２…コネクタ、２３…送信信号ライン、２４…受信信号ライン、３１…ループアンテナ、３２…コネクタ。１２１…変調回路、１２２…増幅回路、１２３…整合回路、１３１…整流回路、１３２…ローパスフィルタ回路、１３３…受信信号増幅回路、１３４…二値化回路、１４１…接地回路、１４２…接地回路、Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…コンデンサ

Claims (4)

1. 送信データを変調する変調回路と、
   前記変調回路により変調された信号を出力する出力ライン回路と、
   無線通信媒体に対して前記出力ライン回路からの信号を送信するとともに、無線通信媒体からの信号を受信する送受信アンテナと、
   前記出力ライン回路と独立し、前記送受信アンテナからの信号を入力する入力ライン回路と、
   前記入力ライン回路からの信号の位相を制御する位相制御回路と、
   前記位相制御回路からの出力を復調する復調回路と、
   を備え、
   前記送受信アンテナは、コンデンサの接続により第１の共振周波数を有し、
   前記位相制御回路は、前記入力ライン回路と前記復調回路との間に接続されたコンデンサ、及び前記入力ライン回路と接地回路との間に接続されたコンデンサにより、前記第１の共振周波数の１０倍以上の第２の共振周波数を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記出力ライン回路および前記入力ライン回路は、前記送受信アンテナが装着脱着自在な接続部を備えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. ＩＣカードとのデータの送信、受信を無線通信により行い、所定のデータ処理を行う非接触式ＩＣカードリーダライタ装置であって、
   ＩＣカードへの送信データを変調し送信信号を出力する送信回路と、
   ＩＣカードとの所定の通信範囲でＩＣカードの共振周波数に対して同調して共振する第１の共振周波数を有し、前記送信回路からの出力をＩＣカードに対して送信するアンテナ部と、
   前記出力ライン回路と独立し、前記アンテナ部にて受信したＩＣカードからの受信信号を入力する受信回路と、
   ＩＣカードとの所定の通信範囲でＩＣカードの共振周波数に対して非共振となるよう、前記受信回路からの信号を位相制御する位相制御回路と、
   前記位相制御回路からの出力を受信データに復調する復調回路と、
   前記送信回路および受信回路を介してＩＣカードとデータの送受信を行い所定のデータ処理を行う制御回路と、
   を備え、
   前記アンテナ部は、コンデンサの接続により第１の共振周波数を有し、
   前記位相制御回路は、前記受信回路と前記復調回路との間に接続されたコンデンサ、及び前記受信回路と接地回路との間に接続されたコンデンサにより、前記第１の共振周波数の１０倍以上の第２の共振周波数を有することを特徴とする非接触式ＩＣカードリーダライタ装置。
4. 前記アンテナ部を、前記送信回路および前記位相制御回路と装着脱着自在とする接続部を備えることを特徴とする請求項３に記載の非接触式ＩＣカードリーダライタ装置。

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