JP4784794B2 - 電子装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子装置に関し、特に、例えば、IC(Integrated Circuit)カードを複数枚重ねて、非接触によりデータの書き込み、または読み出しを行うような場合において、受信効率の低下を極力抑え、歪みの少ない信号で処理できるようにした電子装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、非接触ICカードが普及し、地下鉄、バス、もしくはフェリー等の交通機関の共通乗車券、または電子マネーシステム等に導入されている。このICカードに対するデータの書き込み、あるいは読み出しは、電磁誘導の原理に基づいて、非接触で行われる。
【0003】
すなわち、非接触ICカードシステムでは、ICカードにデータの書き込み、あるいは読み出しを行うリーダライタが内蔵するループアンテナから電磁波が放射される。放射された電磁波は、ICカード内部に設けられたループアンテナで受信される。これにより、ICカードとリーダライタとの間で通信が行なわれる。
【0004】
また、ICカードのメンテナンスを行わなくて済むようにするため、ICカードには、電池が設けられておらず、受信した電磁波から必要な電力が取得されるようになっている。従って、ICカードは、電磁波をできるだけ効率良く受信する必要がある。
【0005】
一般的に、図1に示すように、ICカードの内部には、可能な限り大きな長方形状に、2巻き以上に巻かれたループアンテナ1が設けられる。ループアンテナ1は、リーダライタから放射される電磁波のキャリア周波数(搬送周波数)に、共振回路を共振させることにより信号を受信する。
【0006】
ICカードは、基本的には1枚だけで使用されるが、2枚重ねた状態で使用される場合もある。例えば、ユーザは、定期券区間を通過して、定期券区間以外の駅で下車した場合、乗り越し区間分の清算を行うために、定期券と、イオカード(商標)(いずれもICカードで構成されているものとする)を2枚重ねて、リーダライタに提示する。このとき、リーダライタ、またはそれが接続されている非接触ICカードシステムは、提示された定期券の区間を認識した後、乗り越し区間の距離を計算し、さらに乗り越し区間の距離に基づいて不足金額を計算し、その清算をイオカードにて行うような処理を実行する。
【0007】
1枚のICカードが提示された場合は勿論、ICカードがこのように、複数枚重ねられたような場合においても、それぞれのICカードが、所望の通信動作を行えるように、効率良く電磁波が受信される必要がある。
【0008】
例えば、図1に示した構成のループアンテナ1を有する2つのICカードを、図2に示すように、ICカードを2枚とも表面を上にし、上から見たとき両者が完全に重なるように重ね合わせた場合(2枚のICカードを、一方の表面が他方の裏面と対向するように重ね合わせた場合)、一方のICカードのループアンテナ1−1を構成する導体のうち、長方形の各辺を構成する直線部L1乃至L9が、他方のICカードのループアンテナ1−2の対応する直線部L11乃至L19と、それぞれ重なり合う。このとき、ループアンテナ1−1,1−2と共振回路の共振周波数は、ループアンテナ1が1つのとき(ICカードが1枚のとき)の共振周波数の2の1/2乗分の1(1/√2)に低下する。
【0009】
すなわち、ICカードを重ね合わせると、それぞれの共振回路の間に結合が発生する。そのため、共振周波数は、ICカードが1枚の場合、1/(2π√(LC))であるが、2枚重ねられた場合、1/(2π√(L・(2C))=(1/√2)・1/(2π√(LC))となる。すなわち、ICカードを重ね合わせた場合、各ICカードの共振回路の共振周波数が、電磁波のキャリア周波数から1/√2だけずれ、受信効率が低下する。
【0010】
しかしながら、リーダライタから放射される電磁波のキャリア周波数が、例えば、13.56MHzである場合、各ICカードの共振回路の共振周波数を、キャリア周波数より高い17.5MHzに予め設定することにより、ICカードが1枚で使用されても、同一方向に向けて2枚重ねて使用されても、電磁波は受信される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図3に示すように、ICカードの1枚は表面を上にして、かつ、他方の1枚は裏面を上にして重ね合わせた場合(2枚のICカードを、表面同士、または裏面同士が対向するように重ね合わせた場合)、ループアンテナ1−1の直線部L1がループアンテナ1−2の直線部L13と、ループアンテナ1−1の直線部L2がループアンテナ1−2の直線部L12と、そしてループアンテナ1−1の直線部L3がループアンテナ1−2の直線部L11と、それぞれ基本的に重なるが、その重なりは、図2における場合より複雑となる。
【0012】
このとき、理論的根拠は必ずしも明確ではないが、少なくとも実験の結果、共振周波数は、図2に示すように重ね合わせた場合に比べてさらに低下する。このように、ICカードが複数枚重なる場合を考慮して、共振回路の共振周波数をキャリア周波数より予め高く設定する方法は、ICカードが1枚の場合、および2枚のICカードを、図2に示すように、同一方向に向けて重ねられた場合には充分な効果が得られるが、図3に示すように、逆方向に向けて重ねられた場合には、充分な効果が得られないといった課題があった。
【0013】
また、2枚のICカードを重ね合わせた場合、受信した信号が歪みを含むものとなってしまうといった課題があった。
【0014】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ICカードがどのように重ね合わされた場合においても、ループアンテナが結合し難くなるような形状にすることにより、受信効率を低下させないようにし、受信した信号の歪みを低減させることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子装置は、ループアンテナを含む略四角形状で略板状の電子装置において、前記ループアンテナは、複数の前記電子装置を、その表面と表面の少なくとも一部が対向するように、または、裏面と裏面の少なくとも一部が対向するように重ね合わせた場合に、前記略四角形状の電子装置の角の近傍に位置する前記ループアンテナの部分を構成する導体同士が重ならない形状とされ、第1の直線に続き第1の曲線が形成され、前記第1の曲線に続き第2の直線が形成され、前記第2の直線に続き第2の曲線が形成されたループの形状であり、前記第1の直線と前記第2の曲線が接続される部分と、前記第2の直線と前記第1の曲線が接続される部分は、それぞれ略直角形状とされている。
【0016】
前記ループアンテナにより受信された信号を処理する処理部は、前記ループアンテナの内側に配置されるようにすることができる。
【0019】
本発明の電子装置においては、ループアンテナを含む略四角形状で略板状の電子装置のループアンテナが、複数の電子装置を、その表面と表面の少なくとも一部が対向するように、または、裏面と裏面の少なくとも一部が対向するように重ね合わせた場合に、略四角形状の電子装置の角の近傍に位置するループアンテナの部分を構成する導体同士が重ならない形状とされ、第1の直線に続き第1の曲線が形成され、第1の曲線に続き第2の直線が形成され、第2の直線に続き第2の曲線が形成されたループの形状であり、第1の直線と第2の曲線が接続される部分と、第2の直線と第1の曲線が接続される部分は、それぞれ略直角形状とされている。
【0024】
【発明の実施の形態】
図4は、非接触ICカードシステムの構成例を表わしている。ICカード11は、電源供給用のバッテリを有しないバッテリーレス型のICカードである。コンデンサ12とともに共振回路を構成するループアンテナ1は、リーダライタ21から放射された電磁波(実線で示す)を受信し、受信した電磁波を電気信号に変換した後、IC13に供給する。IC13の内部の構成は、図5を参照して後述する。
【0025】
ホストコンピュータ31は、リーダライタ21のDPU(Digital Processing Unit)41を制御し、ICカード11に所定のデータを書き込むか、または、ICカード11から所定のデータを読み出す。また、ホストコンピュータ31は、DPU41より入力されたICカード11から読み出されたデータを処理し、必要に応じて図示せぬ表示部に表示する。
【0026】
DPU41は、ホストコンピュータ31からの指令に基づいて、各種制御用のコントロール信号を生成し、変復調回路42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、変復調回路42に供給する。さらに、DPU41は、変復調回路42からの応答データに基づいて、再生データを生成し、ホストコンピュータ31に出力する。
【0027】
変復調回路42は、DPU41から入力された送信データを変調し、ループアンテナ43に供給する。変復調回路42はまた、ループアンテナ43からの変調波を復調し、復調データを、DPU41に入力する。ループアンテナ43は、変復調回路42から入力された変調信号に対応する電磁波を放射する。
【0028】
次に、図5を参照して、リーダライタ21とIC13の具体的な構成について説明する。この図においては、図4に示したリーダライタ21の変復調回路42が、変調回路としての発振器42Aと、復調回路42Bとして図示されている。
【0029】
ICカード11のループアンテナ1とコンデンサ12よりなる共振回路に接続されているIC13は、整流回路61を有している。整流回路61は、ダイオード71、抵抗72、およびコンデンサ73により構成されている。整流回路61は、ループアンテナ1より供給された信号を整流平滑し、正のレベルの電圧を、レギュレータ64に供給している。レギュレータ64は、入力された正のレベルの電圧を、安定化させ、所定のレベルの直流電圧に変換し、シーケンサ66、その他の回路に電力源として供給する。
【0030】
整流回路61の後段には、変調回路62が接続されている。変調回路62は、インピーダンス素子81とFET(Field Effect Transistor)82の直列回路により構成されており、共振回路のコイルを構成するループアンテナ1と並列に接続されている。FET82は、シーケンサ66からの信号に対応してオン、またはオフし、インピーダンス素子81がループアンテナ1に対して並列に挿入された状態、または挿入されない状態にする。これにより、リーダライタ21のループアンテナ43に対してループアンテナ1を介して電磁結合している回路のインピーダンス(ループアンテナ43の負荷)が変化される。
【0031】
整流回路61により整流平滑された信号は、コンデンサ91と抵抗92により構成されるハイパスフィルタ(以下、HPF(High pass-Filter)と称する)63に供給され、その高域成分が抽出され、復調回路65に供給されている。復調回路65は、入力された高周波成分の信号を復調し、シーケンサ66に出力する。
【0032】
シーケンサ66は、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)(いずれも不図示)を内部に有しており、復調回路65より入力された信号(コンマンド)をRAMに記憶させ、ROMに内蔵されているプログラムに従ってこれを解析し、解析された結果に基づいて、必要に応じてメモリ67に格納されているデータを読み出す。シーケンサ66はさらに、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62に供給する。
【0033】
次に、図5に示したリーダライタ21とICカード11との動作について、リーダライタ21からICカード11に情報を書き込む場合およびICカード11から読み出す場合を例に挙げて説明する。ホストコンピュータ31は、リーダライタ21のDPU41を制御し、ICカード11に所定のデータの書き込みを指令する。DPU41は、ホストコンピュータ31からの指令に基づいて、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、発振器42Aに供給する。発振器42Aは、入力された信号に基づいて発振信号の振幅を変調し、ループアンテナ43に供給する。ループアンテナ43は、入力された変調信号に対応する電磁波を放射する。
【0034】
ICカード11のループアンテナ1とコンデンサ12よりなる共振回路の共振周波数は、発振器42Aの発振周波数(キャリア周波数)に対応する値に設定されている。従って、この共振回路は、放射された電磁波を共振動作により受信し、受信した電磁波を電気信号に変換した後、IC13に供給する。変換された電気信号は、IC13が有する整流回路61に入力される。整流回路61のダイオード71は、入力された信号を整流し、コンデンサ73はこれを平滑し、正のレベルの電圧を、レギュレータ64に供給する。レギュレータ64は、入力された正のレベルの電圧を、安定化させ、所定のレベルの直流電圧に変換し、シーケンサ66、その他の回路に電力源として供給する。
【0035】
また、整流回路61により整流平滑された信号は、変調回路62を介してHPF63に供給され、高域成分が抽出され、復調回路65に供給される。復調回路65は、入力された高周波成分の信号を復調し、シーケンサ66に出力する。シーケンサ66は、復調回路65より入力された信号(コンマンド)をRAMに記憶させ、ROMに内蔵されているプログラムに従ってこれを解析し、解析された結果に基づいて、メモリ67に、復調回路65から供給されてきた書き込みデータを書き込む。
【0036】
一方、シーケンサ66は、復調回路65より供給されたコンマンドが読み出しコマンドである場合、そのコマンドに対応するデータをメモリ67から読み出す。シーケンサ66は、読み出したデータに対応して、FET82をオン、またはオフする。FET82がオンされると、インピーダンス素子81がループアンテナ1に並列に接続され、FET82がオフされると、その並列接続が解除される。その結果、ループアンテナ1を介して電磁結合しているループアンテナ43の負荷回路のインピーダンスが、読み出しデータに対応して変化される。
【0037】
ループアンテナ43の端子電圧は、その負荷のインピーダンスの変化に応じて変化する。復調回路42Bは、この変化を読み取ることにより、読み出されたデータを復調し、DPU41に出力する。DPU41は、入力されたデータを適宜処理し、ホストコンピュータ31に出力する。ホストコンピュータ31は、DPU41より入力された読み出しデータを処理し、必要に応じて図示せぬ表示部に表示する。
【0038】
図6は、図4および図5のICカード11に内蔵されているループアンテナ1の構成例を示しており、従来の場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。図6に示すループアンテナ1は、基本形状が長方形状とされ、4巻きに巻かれている。4つの角の内角θの値は、いずれの巻きにおいても全て90°−αとされる。すなわち、直線部L1と直線部L2、直線部L2と直線部L3、直線部L3と直線部L4、直線部L4と直線部L5といった内角は、すべて90°−αとされている。ここで、定数αの値は、0以外の正または負の任意の値に設定することができる。これにより、四角形の各辺において、各直線部は非平行な状態となる。例えば、四角形の上辺において、直線部L2,L6,L10,およびL14は相互に非平行な状態となっている。
【0039】
端子14−A,14−BはIC13に接続されている。ループアンテナ1をこのような形状に構成することにより、2枚のICカード11が図2に示すように、同一方向に向けて重ね合わされた場合、および図3に示すように、逆方向に向けて重ね合わされた場合のいずれの場合においても、ループアンテナ1の直線部が結合し難くなり(上から見たとき、直線部の重なる部分が少なくなり)、受信効率の低下を抑えることができる。
【0040】
その結果、ICカード11を1枚で使用する場合、2枚を同一方向に向けて重ねた場合、および2枚を逆方向に向けて重ねた場合のいずれの場合においても、通信するのに充分な受信感度を得ることができる。
【0041】
次に、図7に示したような波形をもつ信号をリーダライタ21からICカード11に対して送信した場合に、図6に示したようなループアンテナ1が適用されたICカード11が受信する受信電圧の測定結果を図8に示す。図7において縦軸は、送信電圧(V)を示し、横軸は、経過時間(秒)を示す。図8において縦軸は、受信電圧(V)を示し、横軸は、経過時間(秒)を示す。
【0042】
なお、図7における電圧V1と図8における電圧V2は、異なる値であり、図7と図8の縦軸のスケールは異なっている。また、図8に示した測定結果は、図6に示したようなループアンテナ1を備えた、2枚のICカード11を、図3に示したように、逆方向に向けて重ね合わした場合における測定結果である。
【0043】
図7に示したような、綺麗な波形をもつ信号をリーダライタ21からICカード11に対して送信しても、ICカード11側では、図8に示したような歪みが生じた波形の信号として処理されてしまう。この歪みの原因を考えるために、図9に示したような、ICカード11の模式的な等価回路を考える。
【0044】
この場合、2枚のICカード11が重ね合わされた状態であり、同様の構成をもつICカード11が、コンデンサ101−1とコンデンサ101−2を介して接続されていると考えることができる。IC13−1,13−2の内部構成は、それぞれ、図5に示したIC13の内部構成と同様であり、整流回路61や変調回路62などから構成されている。
【0045】
図7に示したような波形の信号をリーダライタ21からICカード11に送信した場合に、ICカード11側で処理される信号が、図8に示したような歪みを含む信号になってしまうのは、2枚のループアンテナ1−1(ICカード1−1)とループアンテナ1−2(ICカード1−2)を重ね合わせることにより生じる、コンデンサ101−1,101−2により表される容量に関係している。この容量を小さくすることにより、歪みを小さくすることができる。
【0046】
コンデンサ101−1,101−2で表される容量は、ループアンテナ1−1とループアンテナ1−2の、物理的に重なっている部分に依存する。すなわち、ループアンテナ1−1とループアンテナ1−2が重なる部分が大きいほど、コンデンサ101−1,101−2により表される容量が大きくなる。特に、図6に示したような形状のループアンテナ1において、直線部L1乃至L16以外の部分、すなわち、4つの角の部分は、直線部の部分に比べて線が密集している。この4つの角の部分において重なり合うことを防ぐようにすれば、コンデンサ101−1,102−2により表される容量を小さくすることが可能である。
【0047】
そこで、図10のような形状のループアンテナ1を考える。図10に示したループアンテナ1において、図6に示したループアンテナ1と対応する部分には、同一の符号を付してある。図10に示したループアンテナ1の形状は、4辺のうち2辺が、略円弧状の曲線L1,L5,L9,L13,L17と、それに対向する位置に、略円弧状の曲線L3,L7,L11,L15から構成され、残り2辺が、直線部L2,L6,L10,L14と、それに対向する位置に、直線部L4,L8,L12,L16から構成されている。
【0048】
なお、図10においては、図示していなが、端子14−Aと端子14−Bとの間にIC13が接続され、そのIC13と並列にコンデンサ12が接続される。
【0049】
このように、4つの角の内の2つの角を直角に、残り2つの角を曲線にすることにより、2枚のループアンテナ1を逆方向に重ねたとしても、図11に示すように、線が密集している角の部分において重なり合うことがなく、受信した信号を歪みが少ない信号として処理することが可能となる。
【0050】
図12は、図10に示した形状のループアンテナ1を備えるICカード11を、2枚、逆方向に重ね合わせた、実質1枚のICカード11(すなわち、図11に示したように2つのループアンテナ1が重なり合っているICカード11)により、図7に示したような波形をもつ信号をリーダライタ21から受信した場合の、ICカード11おいて処理される信号を表した図である。
【0051】
図8に示した波形と、図12に示した波形とを比較するに、図12に示した波形の方が、図8に示した波形に比べて歪みが少ないことがわかる。このように、ループアンテナ1を2枚、逆方向に重ねてICカード11を構成する場合、重なり合う部分を少なくする、特に、4つの角の部分が重ならないような形状にすることにより、受信した信号を歪みが少ない信号として処理することが可能となる。4つの角の部分が重ならないような形状にすると、結果として、全体としても重なる部分が少なくなる。
【0052】
4つの角の部分(線の密度が高い部分)が重ならないということを考慮したループアンテナ1の形状としては、図10に示したような形状の他に、図13に示したような形状でも良い。図13(A)に示した形状は、平行四辺形であり、図中の上下の辺は、ICカード11の辺に対して平行になるように配置される。
【0053】
図13(B)に示した形状は、図13(A)に示した平行四辺形の4辺の内、2辺を曲線にした形状となっており、図中の上下の直線部の辺は、ICカード11の辺に対して平行になるように配置される。図13(C)に示した形状は、図13(A)に示した平行四辺形の4辺を、全て曲線にした形状であり、この形状の1つの対角線が、ICカード11の1つの対角線と一致するように配置される。
【0054】
図13(D)に示した形状は、図形を構成する4辺の内、2辺が曲線、2辺が直線から構成されおり、ICカード11の角に対して曲線が近い位置にいちするように配置される。図13(E)に示した形状は、2辺の曲線から構成されており、曲線の反転する位置(角に相当する位置)を結んだ線(対角線)がICカード11の1つの対角線と一致するように配置される。さらに、図13(F)に示した形状は、楕円形であり、楕円形の長軸が、ICカード11の対角線と一致するように配置される。
【0055】
図10または図13に示したループアンテナ1の形状は、上述したように、2枚のICカード11を逆向きに重ね合わせたときに、ループアンテナ1の角(曲線により示される角も含む)の部分が重ならない形状とされている。
【0056】
換言すれば、ループアンテナ1の形状は、ICカード11の中心線を挟んで対向する角部のうち、一方(例えば、図10において曲線部L3と直線部L4により構成される角部)は中心線から遠く、他方(例えば、図10において直線部L4と曲線部L5により構成される角部)は中心線から近くになるように配置された形状とされている。
【0057】
さらに換言すれば、ループアンテナ1の形状は、ICカード11の対角線と、ICカード11の角部に最も近い位置に位置し、対向する位置に位置するループアンテナ1の2点(例えば、図10において、曲線部L3と直線部L4が交わる点と、曲線部L5と直線部L6が交わる点)を結んだ線が一致する形状とされている。
【0058】
図10または図13に示したいずれかの形状のループアンテナ1をICカード11のアンテナとして用いることにより、ICカード11を2枚重ねて使用する場合においても、受信感度の低下を抑えることができ、1枚で使用する場合と同一の受信感度を得ることができ、また、受信し、処理する信号の歪みを抑えることができる。また、2枚以上の複数枚のICカード11を重ねて使用する場合においても、上述したような考え方が有効であり、どのような重ね合わせに対しても、受信効率の低下を極力抑え、歪みを抑えることができる。
【0059】
従って、本発明を利用することで、ICカード11を重ね合わせて使用するようなアンチコリジョンシステム(Anticollision System)を容易に構成することができる。
【0060】
以上においては、4巻き、または6巻きに巻かれたループアンテナ1を例にとり説明したが、その巻き数は任意に設定することが可能である。さらに、ループアンテナ1をICカード11に設けるようにしたが、本発明は、ICカード以外のカード状(板状)の電子装置に適用することも可能である。
【0061】
なお、本明細書においてシステムの用語は、複数の装置、手段などにより構成される全体的な装置を意味するものである。
【0062】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、受信効率の低下を抑制すると共に、受信した信号の歪みを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ループアンテナ1を説明する図である。
【図2】ループアンテナ1の重なりを説明する図である。
【図3】ループアンテナ1の重なりを説明する図である。
【図4】本発明を適用した非接触ICカードシステムの構成例を示すブロック図である。
【図5】図4のIC13の構成例を示す回路図である。
【図6】ループアンテナ1の形状について説明する図である。
【図7】リーダライタ21から送信される信号について説明する図である。
【図8】ICカード11により処理される信号について説明する図である。
【図9】2枚のループアンテナ1を重ねたときの等価回路を示す図である。
【図10】ループアンテナ1の他の形状について説明する図である。
【図11】図10に示した形状のループアンテナ1を2枚重ねたときの状態を示す図である。
【図12】ICカード11により処理される信号について説明する図である。
【図13】ループアンテナ1のさらに他の形状について説明する図である。
【符号の説明】
1 ループアンテナ, 11 ICカード, 12 IC, 21 リーダライタ, 31 ホストコンピュータ, 41 DPU, 42A 発振器, 42B 復調回路, 43 ループアンテナ, 61 整流回路, 62 変調回路, 63 HPF, 64 レギュレータ, 65 復調回路, 66 シーケンサ, 67 メモリ, 71 ダイオード, 72 抵抗, 73 コンデンサ, 81 インピーダンス素子, 82 FET, 91 コンデンサ, 92抵抗, 101 コンデンサ
Claims (2)
- ループアンテナを含む略四角形状で略板状の電子装置において、
前記ループアンテナは、複数の前記電子装置を、その表面と表面の少なくとも一部が対向するように、または、裏面と裏面の少なくとも一部が対向するように重ね合わせた場合に、前記略四角形状の電子装置の角の近傍に位置する前記ループアンテナの部分を構成する導体同士が重ならない形状とされ、
前記ループアンテナは、第1の直線に続き第1の曲線が形成され、前記第1の曲線に続き第2の直線が形成され、前記第2の直線に続き第2の曲線が形成されたループの形状であり、前記第1の直線と前記第2の曲線が接続される部分と、前記第2の直線と前記第1の曲線が接続される部分は、それぞれ略直角形状とされる
電子装置。 - 前記ループアンテナにより受信された信号を処理する処理部は、前記ループアンテナの内側に配置される
請求項1に記載の電子装置。
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