JP4539469B2

JP4539469B2 - 通信装置

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Publication number: JP4539469B2
Application number: JP2005202819A
Authority: JP
Inventors: 健一神山; 玄一郎大賀; 幸男田中; 勝宮下; 悟近藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: JP2007027829A

Description

本発明は、通信装置に係り、特に、非接触ＩＣカードの機能とリーダライタの機能を搭載した携帯端末に関するものである。

非接触ＩＣカードは、その情報の読み取りや書き込みを行う装置（以降、リーダライタと表記する）との間で無線通信により簡単に情報のやり取りを行うことが可能であるととともに、磁気カードに比べて記憶容量が大きく、また、格納した情報の不正な読み出しやや改竄に対する耐性が高いなど、数々の優れた特徴を有している。そのため、近年では、例えば金融機関のクレジットカードや、電子マネーの格納用カード、交通機関の定期券などの用途で、広く一般に利用されている。

一方、携帯電話機に代表されるような、個人が持ち歩いて使用できる携帯端末の普及率が非常に高くなっている。そのため、上述した非接触ＩＣカードに加え、リーダライタの機能も携帯端末に内蔵させて利用することへの要望が強くなっている。

図３は携帯端末５とサーバ９とを通信網７で接続した通信システムを説明するもので、図３（ａ）は携帯端末５に内蔵の非接触ＩＣカードに、外部のリーダライタ６から前記非接触ＩＣカードにデータを読み書きするシステムであり、図３（ｂ）はリーダライタの機能を内蔵させた携帯端末５のリーダライタを用いて外部の非接触ＩＣカード１０に対して情報の読み書きをするシステムであり、携帯端末５と通信網７との間に基地局８が介在している。

図３（ａ）において、携帯端末５に内蔵の非接触ＩＣカードにデータを読み書きするには、携帯端末５に非接触ＩＣカードを搭載し、携帯端末５の非接触ＩＣカードは、外部のリーダライタ６との間で無線通信を行って、コネクションを確立し、次いで、外部のリーダライタ６及び通信網７を経由してサーバ９に接続し、必要な認証処理を行う。非接触ＩＣカードとサーバ９との間で相互の認証に成功すると、非接触ＩＣカードに格納される情報をサーバ９に読み出す処理や、非接触ＩＣカードに格納される情報をサーバ９の指示に従って、書き換える処理が行われる。

図３（ａ）に示す携帯端末５の内蔵の非接触ＩＣカードは、図４に示すように、コイルＬとキャパシタＣからなるアンテナ回路１２、ダイオードＤ、ＡＳＫ（ＡｍｐｌｉｔｕｄｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）復調回路１３、クロック生成回路１４、負荷変調回路１５、及びクランプ回路１６から構成されている。

図４は非接触ＩＣカード１１で、外部のリーダライタ６から信号を受信する場合は、外部のリーダライタ６から送出された電波（例えば１３．５６ＭＨｚ）をアンテナ回路１２で受信して電圧に変換した後、ダイオードＤで整流する。ＡＳＫ復調回路１３は、リーダライタ６において振幅変調された信号をデジタル信号に復調し、ベースバンド信号を再生する。クロック生成回路１４は、整流された受信信号に含まれるキャリア成分に基づいてｄｕｔｙ比が５０％に近いクロック信号を再生する。

非接触ＩＣカード１１から外部のリーダライタ６へ信号を送る場合は、負荷変調回路１５が電波（例えば１３．５６ＭＨｚ）を変調率１０％程度でＡＳＫ変調して情報をアンテナ回路１２から伝送する。負荷変調回路１５の変調部は、例えば図５（ａ）に示したように、抵抗Ｒとスイッチング用のＦＥＴで構成される。かかる構成により、リーダライタ６に信号を送る場合、ＦＥＴがオンになると抵抗Ｒに電流が流れて負荷が増大するため、搬送される電波の振幅は小さくなり、ＦＥＴのオンオフの繰り返しによりＡＳＫ変調を行う。

クランプ回路１６は、例えば図５（ｂ）に示したように、抵抗Ｒと複数個のダイオードＤを直列接続したものであり、整流された受信信号を所定の値で制限し、ＡＳＫ復調回路１３、クロック生成回路１４、負荷変調回路１５を保護する。

図３（ｂ）は、携帯端末５にリーダライタを搭載し、外部の非接触ＩＣカード１０に対し情報の読み書きを行う構成を示したもので、携帯端末５のリーダライタは外部の非接触ＩＣカード１０からの応答を受信すると、外部の非接触ＩＣカード１０との間で無線通信を行ってコネクションを確立させる。携帯端末５と外部の非接触ＩＣカード１０との間でコネクションが確立すると、携帯端末５は、基地局８から通信網７を経由してサーバ９に接続し、外部の非接触ＩＣカード１０とサーバ９との通信を中継する。両者の相互認証に成功すると、携帯端末５のリーダライタはサーバ９からの指示に従って、外部の非接触ＩＣカード１０に格納される情報の読み書き処理を行う。

図６は、携帯端末５に搭載されるリーダライタ６の構成を示すもので、当該リーダライタ６はコイルＬとキャパシタＣからなるアンテナ回路１２、ダイオードＤ、ＡＳＫ復調回路１３、クロック生成回路１４、負荷変調回路１５、クランプ回路１６、及び駆動回路１７からなっている。

リーダライタ６は、図４に示す非接触ＩＣカード１１の構成に駆動回路１７を加えたものである。リーダライタとして動作する場合に、駆動回路１７は通信相手の非接触ＩＣカード１０に対して当該ＩＣカードを駆動するための電力とともに、通信用のＡＳＫ変調された電波（例えば１３．５６ＭＨｚ）を送信する。駆動回路１７は、例えばインバータアンプの駆動能力を切り替えることによりＡＳＫ変調を行う。

近年の携帯端末の多機能化の要請により、携帯端末に非接触ＩＣカードとリーダライタの機能の両方を内蔵させたものが望まれている。図４，６で説明したように非接触ＩＣカード１１を構成する回路とリーダライタ６の駆動回路１７は共にコイルＬとキャパシタＣからなるアンテナ回路１２を使用する。そこで、携帯端末に非接触ＩＣカードとリーダライタの機能の両方を内蔵させる場合は、アンテナ回路を共用させることがスペース上望ましい。

しかし、非接触ＩＣカードのＡＳＫ復調回路が受信電波を受信する場合、及び、クロック生成回路が整流された受信信号に含まれるキャリア成分に基づいてクロック信号を再生する場合は、アンテナ回路で受信した信号の電圧が十分高いことが必要である。すなわち、外部のリーダライタとアンテナ回路の距離が遠いと、受信電圧が低くなり、復調やクロック信号の再生が不完全となってしまう。そこで、受信電圧を高くするために、アンテナ回路のコイルＬのコイル巻き数を増やしインピーダンスを大きくする必要がある。

一方で、駆動回路でＡＳＫ変調された信号をアンテナ回路から電波として送信する場合は、非接触ＩＣカードに対して電力も送らなければならないので、コイルＬから十分な強度の磁界を発生させる必要がある。携帯端末の２Ｖ程度の低電圧でも磁界を十分に発生させられるためには、コイルＬのインピーダンスを小さくして、電流が多く流れるようにしなければならない。そのため、コイルＬのコイル巻き数を減らす必要がある。

したがって、携帯端末に非接触ＩＣカードとリーダライタの機能の両方を内蔵させるためには、非接触ＩＣカード用アンテナ回路のコイルＬと駆動回路用アンテナ回路のコイルＬを別々に設けなければ、上述した相反する条件を満たさないことになる。しかし、このようにした場合は、携帯端末内においてコイルＬの体積が増大し、また経済的でない。

本発明が解決しようとする課題は、電波を受信する回路と電波を送信する回路を有する通信装置においてアンテナ回路を共用した場合であっても、電波を送信する回路は十分な強度の電波の送信ができ、また、電波を受信する回路は十分な感度を得ることができることである。また特に、非接触ＩＣカードとリーダライタの機能の両方を内蔵させた携帯端末において、アンテナ回路を共用とした場合であっても、十分な機能が発揮できることである。

本発明に係る通信装置は、直列に接続された第１コイルおよび第２コイルに対して第１キャパシタが並列に接続される第１共振回路を有し、受信電波に応じた電圧を前記第１共振回路により発生するアンテナ部と、前記アンテナ部に接続され、前記第１共振回路により発生された前記受信電波に応じた電圧が入力される復調回路およびクロック生成回路を有する受信部と、前記アンテナ部に接続され、変調信号を前記アンテナ部へ出力する駆動部とを有し、前記アンテナ部は、前記第２コイルと並列に接続された第２キャパシタを有し、前記第２コイルおよび前記第２キャパシタによる第２共振回路の共振周波数が、前記第１共振回路の共振周波数と一致し、前記駆動部は、前記第２共振回路に対して前記変調信号を出力する。

本発明の通信装置は、電波を送信する回路と電波を受信する回路がアンテナ回路の一部を共用しているのでアンテナ回路の体積を縮小でき、経済的に優れた装置となる。しかも、電波を送信する回路において使用されるコイルのインピーダンスが電波を受信する回路において使用されるコイルのインピーダンスよりも小さい。そのため、電波を送信する回路は十分な強度の電波を送信でき、また、電波を受信する回路は十分な感度を得ることができる。

本発明に係る通信装置の実施形態について図１を参照して説明する。図１に示した通信装置１は、コイルＬ１、Ｌ２とキャパシタＣ１、Ｃ２からなるアンテナ回路２、第一の回路３、及び第二の回路４からなっている。なお、本実施形態では第一の回路３は電波を受信する回路、第二の回路４は電波を送信する回路として扱う。

本実施形態では、電波を受信する第一の回路３は（アンテナ回路２を構成する）直列接続されたコイルＬ１とコイルＬ２からなる第一のコイルを使用して電波を受信する。一方、電波を送信する第二の回路４は（アンテナ回路２を構成する）コイルＬ２からなる第二のコイルを使用して電波を送信する。

上述したように、本実施形態では第一のコイルがＬ１とＬ２とで構成され、第二のコイルがＬ２で構成されている。このように第二のコイルは、直列接続されたコイルＬ１とコイルＬ２のうち、Ｌ２を共用しているため、第二のコイルのインピーダンスは第一のコイルのインピーダンスよりも小さい。またこの場合、第二のコイルは第一コイルよりもコイルの巻き数が少なくなる。

このように、電波を受信する第一の回路３が使用する第一のコイルのインピーダンスは大きく、電波を送信する第二の回路４が使用する第二のコイルのインピーダンスは小さい。そのため、電波を受信する第一の回路３が使用する第一のコイルが電波を受信したときの受信電圧が高くなり、電波を送信する第二の回路４が使用する第二のコイルから発生する磁界の強度が大きくなる。こうして、低電圧でアンテナ回路２を駆動した場合であっても電波を送信する回路は十分な強度の電波を送信できる。また、電波を受信する回路は十分な感度を得ることができる。

なお、上記実施形態ではコイルＬ１とＬ２とに分けて直列接続したが、一連となったコイルを使用して、該コイルの任意の点、すなわち第二のコイルに相当する部分を構成する長さのところで中間タップを設け、該中間タップに電波を送信する第二の回路４を接続するように構成することもできる。

図１において、電波を送信する第二の回路４の送信端Ｏ１にキャパシタＣ´を直列に接続している。このようにすることで、電波を送信する第二の回路４とアンテナ回路２とのインピーダンスの整合がとりやすくなり、電波の送信効率が向上する。

なお、電波を受信する第一の回路３が動作するときに、電波を送信する第二の回路４の送信端の一端が接地し他端が開放されることで、直列接続されたコイルＬ１とコイルＬ２からなる第一のコイルのインピーダンスの低下を防ぐことができる。

図２は本発明に係る通信装置の実施形態として、非接触ＩＣカードとリーダライタの機能の両方を内蔵した携帯端末５を示すものである。
図２に示した携帯端末５は、コイルＬ１、Ｌ２とキャパシタＣ１、Ｃ２からなるアンテナ回路２、ダイオードＤ、ＡＳＫ復調回路１３、クロック生成回路１４、負荷変調回路１５、クランプ回路１６、及び、駆動回路１７からなっている。

本携帯端末５は非接触ＩＣカードとリーダライタの機能の両方を内蔵したものであり、外部の非接触ＩＣカード又は外部のリーダライタと通信可能なものである。
ここでまず、本携帯端末５の非接触ＩＣカードの機能について説明する。
外部のリーダライタから非接触ＩＣカードへ信号が送られる場合は、外部のリーダライタから送出された１３．５６ＭＨｚの電波をアンテナ回路２で受信して電圧に変換した後ダイオードＤで整流する。ＡＳＫ復調回路１３は、リーダライタにおいて振幅変調された信号をデジタル信号に復調し、ベースバンド信号を再生する。クロック生成回路１４は、整流された受信信号に含まれるキャリア成分に基づいてクロック信号を再生する。すなわち、ＡＳＫ復調回路１３とクロック生成回路１４は、電波を受信する第一の回路３としての機能を有する。

非接触ＩＣカードから外部のリーダライタへ信号を送る場合は、負荷変調回路１５が１３．５６ＭＨｚの電波をＡＳＫ変調して情報を伝送する。負荷変調回路１５の変調部は、例えば図５（ａ）に示したように、抵抗Ｒとスイッチング用のＦＥＴで構成される。信号を送る場合、ＦＥＴがオンになると抵抗Ｒに電流が流れて電流が消費され、負荷が増大するので、搬送される電波の振幅は小さくなる。そのため、ＦＥＴのオンオフによりＡＳＫ変調を行うことができる。このように、負荷変調回路１５は外部のリーダライタへ電波を送信する回路としての機能を有するが、本実施例では、負荷変調回路１５は電力を送信しないので電波を送信する第二の回路としては考えない。電波を送信する第二の回路４は、以下に説明する駆動回路１７が該当する。

次に、本携帯端末５のリーダライタの機能について説明する。リーダライタの機能はアンテナ回路２と駆動回路１７により実現される。駆動回路１７はリーダライタとして動作する場合に、通信相手の非接触ＩＣカードに対して振幅変調された１３．５６ＭＨｚの電波と電力をアンテナ回路から送信する。駆動回路１７は、例えばインバータアンプの駆動能力を切り替えてＡＳＫ変調を行う。すなわち、駆動回路１７は、電波を送信する第二の回路４としての機能を有する。

図２において、キャパシタＣは、電波を受信する第一の回路３の受信端に並列に接続されたキャパシタＣ１と電波を送信する第二の回路４に接続されたキャパシタＣ２とからなっている。ここで、並列接続された第一のコイル（Ｌ１＋Ｌ２）とキャパシタＣ１で構成される第一の共振回路の共振周波数と、並列接続された第二のコイル（Ｌ２）とキャパシタＣ２で構成される第二の共振回路の共振周波数が１３．５６ＭＨｚに一致するように、キャパシタの容量を設定している。なお、本実施形態ではキャパシタＣ１を設けていたが、これを設けないものであってもよい。

本発明は上述したように、電波を送信する回路と電波を受信する回路がアンテナ回路を構成するコイルの一部を共用することでアンテナ回路の体積を縮小でき、経済的に優れた通信装置を提供できる。
また、電波を送信する回路において使用されるコイルのインピーダンスが電波を受信する回路において使用されるコイルのインピーダンスよりも小さいため、電波を送信する回路は十分な強度の電波を送信でき、また、電波を受信する回路は十分な感度を得ることができる。

本発明の通信装置の回路図である。本発明の実施例に係る携帯端末の回路図である。（ａ）は、携帯端末の非接触ＩＣカードにデータを読み書きするシステムであり、（ｂ）は、携帯端末のリーダライタを用いて外部の非接触ＩＣカードに対する情報の読み書きを行うシステムである。従来技術に係る携帯端末の非接触ＩＣカードの回路図である。（ａ）は、負荷変調回路の回路図であり、（ｂ）はクランプ回路の回路図である。従来技術に係る携帯端末のリーダライタの回路図である。

符号の説明

１…通信装置、２…アンテナ回路、３…第一の回路、４…第二の回路、５…携帯端末、６…リーダライタ、７…通信網、８…基地局、９…サーバ、１０…外部の非接触ＩＣカード、１１…非接触ＩＣカード、１２…アンテナ回路、１３…ＡＳＫ復調回路、１４…クロック生成回路、１５…負荷変調回路、１６…クランプ回路、１７…駆動回路

Claims

直列に接続された第１コイルおよび第２コイルに対して第１キャパシタが並列に接続される第１共振回路を有し、受信電波に応じた電圧を前記第１共振回路により発生するアンテナ部と、
前記アンテナ部に接続され、前記第１共振回路により発生された前記受信電波に応じた電圧が入力される復調回路およびクロック生成回路を有する受信部と、
前記アンテナ部に接続され、変調信号を前記アンテナ部へ出力する駆動部と
を有し、
前記アンテナ部は、
前記第２コイルと並列に接続された第２キャパシタを有し、
前記第２コイルおよび前記第２キャパシタによる第２共振回路の共振周波数が、前記第１共振回路の共振周波数と一致し、
前記駆動部は、
前記第２共振回路に対して前記変調信号を出力する
通信装置。
前記第２キャパシタの容量は、前記第１キャパシタの容量より大きい
請求項１記載の通信装置。
前記通信装置は、
前記第２共振回路と直列に接続された第３キャパシタを有し、
前記駆動部は、
前記第２共振回路と前記第３キャパシタとによる直列回路に対して、前記変調信号を出力する
請求項１または２記載の通信装置。
前記通信装置は、
前記第１共振回路と前記受信部との間に接続されたダイオードを有する
請求項１から３のいずれか一項記載の通信装置。
前記第１コイルおよび前記第２コイルは、
中間タップを有するコイルにより構成されている
請求項１から４のいずれか一項記載の通信装置。