JP4769972B2 - 無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置及び無線通信方法に関し、特に、非接触ＩＣカード又は携帯端末に設けられる無線通信装置、及び無線通信装置とリーダライタとの間の無線通信方法に関する。

非接触ＩＣカードに設けられた無線通信装置は、リーダライタとの間で無線通信を行う。図９は、非接触ＩＣカードに搭載された従来の無線通信装置の構成を示すブロック図である。図９を参照すると、無線通信装置１１０は、リーダライタに対してデータを返信する際に、単一のアンテナ１４１を用いている。このとき、アンテナ１４１の大きさ及び巻数、並びに、無線通信装置１１０及びリーダライタ間の距離に依存して、無線通信装置１１０とリーダライタとの間で通信を行うことができない領域が生じうる。

上記の通信不能領域が発生する場所は、アンテナの形状及び巻数によって変化するため、単一のアンテナ１４１によって通信不能領域の発生を防ぐことは困難である。また、無線通信装置１１０が搭載される非接触ＩＣカード及び携帯端末（例えば、携帯電話）の小型化及び薄型化に伴い、通信不能領域はさらに発生しやすくなっている。

ＩＣカードの機能を携帯端末に内蔵する場合には、金属の影響によって、通信性能が著しく低下する。良好な通信特性を保つために、例えば、アンテナの裏面及び電池裏蓋に磁性体シートが貼り付けられる。特に、通信特性を良くするには磁性体シートを厚くしたり、金属との距離を広げたりする必要がある。しかし、高密度の実装及び薄さが要求される携帯端末においては、これらを実現することは困難である。

なお、特許文献１において、リーダライタとの距離に応じた必要な電力を得るとともに、必要なデータを互いに授受できるようにした非接触ＩＣカードが記載されている。

特開２００７−２８１８１８号公報

以下の分析は、本発明者によってなされたものである。一般に、リーダライタと通信する際に、ＩＣカード側の無線通信装置のアンテナの巻数を増やす、又はアンテナのサイズを大きくすると通信可能な距離は長くなるものの、リーダライタとの距離が短いときに通信不能となりやすい。一方、ＩＣカード側の無線通信装置のアンテナの巻数を減らす、又はアンテナのサイズを小さくすると通信可能な距離は短くなるものの、リーダライタとの距離が短いときに通信不能となり難いという特性がある。

特許文献１に記載された非接触ＩＣカードにおいては、リーダライタとの間で無線通信用に設けられた小型アンテナから得られる第１受信電圧と、小型アンテナよりもアンテナ長の長い大型アンテナから得られる第２受信電圧との合成電圧が基準電圧よりも大きいか小さいかを比較し、リーダライタとの距離に応じて変化する合成電圧が基準電圧よりも大きいときに大型アンテナのアンテナ機能を停止させ、合成電圧が基準電圧よりも小さいときに大型アンテナのアンテナ機能を動作させる。

図１０は、特許文献１に記載された非接触ＩＣカードにおけるアンテナの構造を示す図である。図１０を参照すると、非接触ＩＣカードは、大型のアンテナＡ１２１及び小型のアンテナＢ１２２を備えている。図１０において、アンテナＣはリーダライタ側のアンテナＣ２０１を示し、携帯端末１７０は典型的な携帯端末（例えば、携帯電話）を示す。

特許文献１に記載された非接触ＩＣカードによると、大型のアンテナＡ１２１の幅は、リーダライタ側のアンテナＣ２０１の幅よりも大きくなる。ところで、改札機等に設けられているリーダライタのアンテナＣ２０１の幅は携帯端末１７０の筐体の幅よりも大きい。したがって、特許文献１に記載された方法によると、図１０に示すように、大型のアンテナＡ１２１の幅は、携帯端末１７０の筐体の幅よりも大きくなってしまう。したがって、特許文献１に記載された非接触ＩＣカードと同様のアンテナを携帯端末１７０に対して実装することは困難となる。

また、携帯端末１７０に対して非接触ＩＣカードの機能を搭載する場合には、アンテナのサイズが異なる様々なリーダライタに対して良好な通信特性が得られるようにする必要がある。しかしながら、リーダライタにおけるアンテナのサイズが一定でない場合には、特許文献１のように、大型のアンテナＡ１２１の受信電圧と小型のアンテナＢ１２２の受信電圧の合成電圧が基準電圧よりも大きいか否かによってアンテナを切り替えることは困難となる。なぜなら、非接触ＩＣカード及びリーダライタ間の距離を変えた場合における合成電圧は、非接触ＩＣカード側のアンテナＡ１２１及びアンテナＢ１２２と、リーダライタ側のアンテナＣ２０１のサイズの大小関係に依存して複雑な振る舞いを示すからである。

そこで、無線通信装置において、リーダライタに対する通信特性を良好に保ちつつ、アンテナのサイズを小型化することが課題となる。本発明の目的は、かかる課題を解決する無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。

本発明の第１の視点に係る無線通信装置は、リーダライタとの間で信号を送受信する第１のアンテナと、リーダライタに対する信号の送受信特性がリーダライタとの距離が短い領域において第１のアンテナよりも良好な第２のアンテナと、第１のアンテナを介して受信した信号に基づいて受信電圧を検出する電圧検出部と、受信電圧が所定の閾値電圧以下である場合には、リーダライタへ送信すべき信号を第１のアンテナを介して送信するとともに、それ以外の場合には、リーダライタへ送信すべき信号を第２のアンテナを介して送信するアンテナ切替部と、を備えている

本発明の第２の視点に係る非接触ＩＣカードは、上記の無線通信装置を備えている。

本発明の第３の視点に係る携帯端末は、上記の無線通信装置を備えている。

本発明の第４の視点に係る無線通信方法は、リーダライタとの間で信号を送受信する第１のアンテナを介して受信した信号に基づいて受信電圧を検出する工程を含むとともに、受信電圧が所定の閾値電圧以下である場合には、リーダライタへ送信すべき信号を第１のアンテナを介して送信する工程を含み、それ以外の場合には、リーダライタへ送信すべき信号をリーダライタに対する信号の送受信特性が前記リーダライタとの距離が短い領域において第１のアンテナよりも良好な第２のアンテナを介して送信する工程を含む。

本発明に係る無線通信装置、及び無線通信方法によると、リーダライタに対する通信特性を良好に保ちつつ、アンテナのサイズを小型化することができる。

本発明の第１の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線通信装置におけるアンテナ切替回路の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線通信装置における閾値電圧の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線通信装置の効果について説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線通信装置におけるアンテナの構造の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線通信装置におけるアンテナの構造の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。 従来の無線通信装置の構成を示すブロック図である。 特許文献１に記載された非接触ＩＣカードにおけるアンテナの構造を示す図である。 無線通信装置及びリーダライタ間の距離と受信電圧との関係を概略的に示す図である。

第１の展開形態の無線通信装置は、上記第１の視点に係る無線通信装置であることが好ましい。

第２の展開形態の無線通信装置は、第１のアンテナ及び第２のアンテナが、ループアンテナであってもよい。

第３の展開形態の無線通信装置は、第１のアンテナの巻数が、第２のアンテナの巻数よりも多いことが好ましい。

第４の展開形態の無線通信装置は、第１のアンテナのループのサイズが、第２のアンテナのループのサイズよりも大きいことが好ましい。

第５の展開形態の無線通信装置は、第１のアンテナが、ループアンテナと第１の負荷変調回路とを備え、第２のアンテナが、当該ループアンテナと第２の負荷変調回路とを備えていてもよい。

第６の展開形態の非接触ＩＣカードは、上記第２の視点に係る非接触ＩＣカードであることが好ましい。

第７の展開形態の携帯端末は、上記第３の視点に係る携帯端末であることが好ましい。

第８の展開形態の無線通信方法は、上記第４の視点に係る無線通信方法であることが好ましい。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る無線通信装置について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る無線通信装置１０の構成を示すブロック図である。図１を参照すると、無線通信装置１０は、アンテナＡ１１、アンテナＢ１２、電圧検出部１４、及びアンテナ切替部１６を備えている。

アンテナＡ１１は、リーダライタ（非図示）との間で信号を送受信する。アンテナＢ１２は、リーダライタに対する信号の送受信特性がリーダライタとの距離が短い領域においてアンテナＡ１１よりも良好である。電圧検出部１４は、アンテナＡ１１を介して受信した信号に基づいて受信電圧を検出する。アンテナ切替部１６は、受信電圧が所定の閾値電圧以下である場合には、リーダライタへ送信すべき信号をアンテナＡ１１を介して送信するとともに、それ以外の場合には、リーダライタへ送信すべき信号をアンテナＢ１２を介して送信する。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る無線通信装置について図面を参照して説明する。図２は、本実施形態に係る無線通信装置２０の構成を示すブロック図である。図２を参照すると、無線通信装置２０は、アンテナＡ２１、アンテナＢ２２、容量調整回路Ａ３１、容量調整回路Ｂ３２、アンテナ制御回路２３、制御線３４、及び制御部３５を備えている。アンテナ制御回路２３は、電圧検出回路２４、受信データ復調回路２５、アンテナ切替回路２６、負荷変調回路Ａ２７、及び負荷変調回路Ｂ２８を備えている。

リーダライタと通信する際、アンテナＡ２１で返信すると通信不可になってしまう場合にはアンテナＢ２２で返信し、アンテナＢ２２で返信すると通信不可になってしまう場合にはアンテナＡ２１で返信するようにして、２つのアンテナの返信時の特性の短所を補うように返信用のアンテナを切り替えながら通信することによって、無線通信装置２０の通信性能を向上させることができる。したがって、無線通信装置２０によると、通信特性の確保が厳しい、薄型の携帯端末などの実装条件下においても良好な通信特性を保持することができる。

図２を参照すると、無線通信装置２０は、交通機関の改札機などで使用されるリーダライタとの通信においては、外部のリーダライタから出力された変調データを、アンテナＡ２１を経由して受信する。アンテナ制御回路２３は、この変調データを受信データ復調回路２５によって復調し、必要に応じて、復調したデータを制御線３４を介して制御部３５へ送信する。アンテナ制御回路２３から外部のリーダライタへの応答は、アンテナ切替回路２６により選択された負荷変調回路及びアンテナによって行う。

図４は、本実施形態に係る無線通信装置２０における閾値電圧の一例を示す図である。図４を参照すると、アンテナ切替回路２６によってリーダライタと無線通信装置２０との距離が返信アンテナを切り替えるべき距離であるか否かを判定する基準として、受信電圧に閾値（閾値電圧）を設ける。

図３は、本実施形態に係る無線通信装置２０におけるアンテナ切替回路２６の構成の一例を示すブロック図である。図３を参照すると、アンテナ切替回路２６は、スイッチ３６を備えている。アンテナ切替回路２６は、電圧検出回路２４からの信号に基づいて制御される。図３を参照すると、アンテナ切替回路２６は、電圧検出回路２４によって検出されたリーダライタ側からの受信電圧が閾値電圧Ｖｔよりも大きいか否かによって、負荷変調回路Ａ２７又は負荷変調回路Ｂ２８のいずれかを選択し、各負荷変調回路に接続されたアンテナを介して返信を行う。

リーダライタにかざした場合に、得られた受信電圧が設定した閾値電圧Ｖｔよりも大きい（すなわち、距離Ｌｔよりも短い距離である）ときには、スイッチ３６は、接点３８と繋がる。このとき、負荷変調回路Ｂ２８によって変調が行われ、アンテナＢ２２を介してリーダライタへの返信が行われる。

リーダライタにかざした場合に、得られた受信電圧が設定した閾値電圧Ｖｔよりも小さい（すなわち、距離Ｌｔよりも長い距離である）ときには、スイッチ３６は接点３７と繋がる。このとき、負荷変調回路Ａ２７によって変調が行われ、アンテナＡ２１を介してリーダライタへの返信が行われる。

アンテナＡ２１は、リーダライタとの通信可能な距離は長いものの、短距離において通信不能な領域が発生しやすいアンテナとする。一方、アンテナＢ２２は、リーダライタとの通信可能な距離は短いものの、短距離において通信不能な領域が発生し難いアンテナとする。アンテナＡ２１の巻数を増やし、かつ／又は、アンテナＡ２１のサイズを大きし、アンテナＢ２２の巻数を減らし、かつ／又は、アンテナＢ２２のサイズを小さくすることによって、このような特性が得られることが、実測及び数値シミュレーションによって確認されている。

両アンテナの特長を生かし、リーダライタとの距離が長い場合にはアンテナＡ２１によってリーダライタへ返信し、短い場合にはアンテナＢ２２によって返信することにより、近距離及び長距離のいずれにおいても良好な通信特性が得られる。

図６は、本実施形態に係る無線通信装置２０におけるアンテナの構造の一例を示す図である。アンテナＡ２１及びアンテナＢ２２は、一例として、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのプリント基板及び銅線によって形成することができる。薄型のループアンテナを２つ搭載する場合には、図６に示すように、両アンテナを同一面上に配置してもよい。

無線通信装置２０は、無線通信装置２０を設けた携帯端末と、交通機関の改札機などに設けられたリーダライタとの通信中に、リーダライタへデータを返信する際に用いるアンテナを切り替える。本実施形態に係る無線通信装置２０によると、次の効果がもたらされる。

図２において、アンテナ切替回路２６は、電圧検出回路２４によって検出されたリーダライタから得られた電磁誘導に基づく受信電圧を参照して、リーダライタと無線通信装置２０との距離が短いか長いかを判定するとともに、判定結果にしたがって距離が短い場合に通信特性が良好なアンテナと距離が長い場合に通信特性が良好なアンテナとを切り替える。

図５は、本実施形態に係る無線通信装置２０の効果について説明するための図である。図５を参照すると、状況に応じて適切なアンテナを選択してデータを返信することによって、各アンテナの有する短所を互いに補うことができる。リーダライタとの通信時において、状況に応じてアンテナを切り替えることによって、良好な通信特性を維持することができ、従来よりも厳しい環境（例えば、携帯端末を薄型化した場合、磁性体を削減した場合）においても、リーダライタとの通信が可能となる。

図７は、本実施形態に係る無線通信装置２０におけるアンテナの構造の一例を示す図である。図７を参照すると、巻数が多くサイズが大きいアンテナＡ２１と、巻数が少なくサイズが小さいアンテナＢ２２を使うことによって、長距離及び短距離のいずれにおいても良好な通信特性を実現することができる。また、アンテナＡ２１及びアンテナＢ２２は、いずれも、携帯端末７０内に実装することができるサイズとすることができる。

また、本実施形態の無線通信装置２０においては、受信アンテナを共通にし、返信アンテナのみを切り替えているため、アンテナを切り替えても受信電圧は変化しない。

図１１は、無線通信装置２０及びリーダライタ間の距離と受信電圧との関係を概略的に示す図である。無線通信装置２０及びリーダライタ間の距離に対して、単一の受信アンテナが受ける受信電圧は図１１に示すように振舞う。本実施形態の無線通信装置２０においては、図１１に示すような単一の受信アンテナからの受信電圧と閾値電圧Ｖｔとの大小に基づいて、アンテナの切り替え動作を行う。したがって、無線通信装置２０におけるアンテナの切り替え方法は、複数のアンテナの受信電圧の合成電圧に基づいてアンテナを切り替える方法（特許文献１）と比較して、アンテナのサイズの異なる様々なリーダライタに対して適用しやすい。

（実施形態３）
本発明の第３の実施形態に係る無線通信装置について図面を参照して説明する。図８は、本実施形態に係る無線通信装置４０の構成を示すブロック図である。図８を参照すると、無線通信装置４０は、アンテナ４１、容量調整回路５１、及びアンテナ制御回路４３を備えている。アンテナ制御回路４３は、電圧検出回路４４、受信データ復調回路４５、アンテナ切替回路４６、負荷変調回路Ａ４７、及び負荷変調回路Ｂ４８を備えている。

実施形態２のように特性の異なる複数のアンテナ（例えば、アンテナＡ２１及びアンテナＢ２２）を切り替える代わりに、負荷の異なる複数の負荷変調回路（例えば、負荷変調回路Ａ４７及び負荷変調回路Ｂ４８）を単一のアンテナ４１へ接続し、リーダライタへのデータ送信時に使用する負荷変調回路を切り替えるようにしてもよい。

以上の記載は実施形態に基づいて行ったが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る無線通信装置は、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術において利用することができる。また、本発明に係る無線通信装置を備えた携帯端末及び非接触ＩＣカードは、交通機関の改札機及びコンビニエンスストアのレジにおける料金の支払いに利用される。

１０、２０、４０、１１０ 無線通信装置
１１、２１、１２１ アンテナＡ
１２、２２、１２２ アンテナＢ
１４ 電圧検出部
１６ アンテナ切替部
２３、４３、１２３ アンテナ制御回路
２４、４４ 電圧検出回路
２５、４５、１２５ 受信データ復調回路
２６、４６ アンテナ切替回路
２７、４７ 負荷変調回路Ａ
２８、４８ 負荷変調回路Ｂ
３１ 容量調整回路Ａ
３２ 容量調整回路Ｂ
３４、１３４ 制御線
３５、１３５ 制御部
３６ スイッチ
３７、３８ 接点
４１、１４１ アンテナ
５１、１３１ 容量調整回路
７０、１７０ 携帯端末
１２７ 負荷変調回路
２０１ アンテナＣ

Claims (8)

1. リーダライタとの間で信号を送受信する第１のアンテナと、
   前記リーダライタに対する信号の送受信特性が前記リーダライタとの距離が短い領域において前記第１のアンテナよりも良好な第２のアンテナと、
   前記第１のアンテナを介して受信した信号に基づいて受信電圧を検出する電圧検出部と、
   前記受信電圧が所定の閾値電圧以下である場合には、前記リーダライタへ送信すべき信号を前記第１のアンテナを介して送信するとともに、それ以外の場合には、前記リーダライタへ送信すべき信号を前記第２のアンテナを介して送信するアンテナ切替部と、を備えている無線通信装置。
2. 前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナは、ループアンテナである、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記第１のアンテナの巻数は、前記第２のアンテナの巻数よりも多い、請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記第１のアンテナのループのサイズは、前記第２のアンテナのループのサイズよりも大きい、請求項２又は３に記載の無線通信装置。
5. 前記第１のアンテナは、ループアンテナと第１の負荷変調回路とを備え、
   前記第２のアンテナは、前記ループアンテナと第２の負荷変調回路とを備えている、請求項１に記載の無線通信装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の無線通信装置を備えている非接触ＩＣカード。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の無線通信装置を備えている携帯端末。
8. リーダライタとの間で信号を送受信する第１のアンテナを介して受信した信号に基づいて受信電圧を検出する工程を含むとともに、
   前記受信電圧が所定の閾値電圧以下である場合には、前記リーダライタへ送信すべき信号を前記第１のアンテナを介して送信する工程を含み、それ以外の場合には、前記リーダライタへ送信すべき信号を前記リーダライタに対する信号の送受信特性が前記リーダライタとの距離が短い領域において前記第１のアンテナよりも良好な第２のアンテナを介して送信する工程を含む無線通信方法。

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