JP5223403B2

JP5223403B2 - 非接触式カードリーダ／ライタ

Info

Publication number: JP5223403B2
Application number: JP2008071888A
Authority: JP
Inventors: 信寿伊澤; 雅広河崎
Original assignee: サクサ株式会社
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: JP2009230228A

Description

本発明は隣接したリーダ／ライタにかざしたカードからの信号の誤信（混信）を防止して、隣接配置可能にしたリーダ／ライタに関する。

非接触式カードリーダ／ライタ、例えば非接触式ＩＣカードリーダ／ライタは、ＩＣカードと信号の授受を行うためのアンテナ、このアンテナと、ゲートアレイ等から成り信号の変調又は復調等を行う動作回路部とを接続するＲＦＩ／Ｆ（アナログインターフェース）、及び動作回路部との間でデータの授受を行いかつＩＣカードリーダライタ１全体の制御を行うＣＰＵ、及び読み取ったデータを格納するメモリから成っている。

非接触式ＩＣカードリーダ／ライタは、非接触型ＩＣカードの存在を常時把握している必要があるため、リーダ送信アンテナコイルから高周波電力信号を常に送信しており、データキャリアであるＩＣカードのアンテナで上記電力信号（磁界の変動）を受信すると、その電力回路でＩＣカード駆動電力に変換すると共に、受信データに対応した応答信号を発生する。
図１１は、従来の非接触式ＩＣカードリーダ１０における、送信アンテナで発生する磁界（交流磁界）の範囲を説明するための図である。
非接触式ＩＣカードのリーダ１０のアンテナ１２で発生したキャリア周波数で変化する交流磁界は、図示矢印Ｇの方向に伝搬していく。そのため、非接触式ＩＣカードリーダ１０が隣接して設置されている場合には、その隣接した近接非接触ＩＣカードのリーダ１０からの磁界の移動がかざしたＩＣカードに伝わり、無関係なＩＣカードからの信号を誤って受けてしまう虞がある。そのため、非接触式ＩＣカードのリーダ１０をそのまま隣接して配置することはできない。

その対策として、リーダからの信号送信による他のシステムへの混信を防止するため、信号伝送効率の高いリーダのアンテナ構成を備えた非接触データキャリア用リーダが知られている（特許文献１参照）。
このリーダにおいては、そのアンテナに対し、非接触ＩＣカード挿入用のスリットを挟んで磁性体コアが配置され、スリットに非接触ＩＣカードが挿入されたとき、非接触ＩＣカードのアンテナが、磁性体コアとリーダのアンテナの間に配置されて、リーダのアンテナから放出された電磁波が磁性体コアに収束され、非接触ＩＣカードのアンテナへのみに伝送されるようにしている。
しかし、この方式はリーダにＩＣカード挿入用のスリットが設けられたものに限定されるため、現在のように、ＩＣカードをリーダにかざすだけで交信を行うシステムには適用できない。

また、別の例としては、非接触式ＩＣカードシステムにおいて、複数の隣接リーダ及び／又はライタ（ここではリーダ／ライタと記す）間の混信および複数の隣接非接触ＩＣカードの誤動作を防止するため、隣接配置した複数のリーダ／ライタに配設したリーダ／ライタアンテナの放射電磁界を隣接配置したリーダ／ライタの間において相対的に位相が反転関係となる様にリーダ／ライタアンテナを駆動するものも知れている（特許文献２参照）
しかし、この方式では、隣接するリーダ毎にアンテナの駆動を変更しなければならないから、設定が煩雑であり、例えば、多くのリーダ／ライタを隣接して配置しておくような使用環境では使用しづらいという問題がある。

更に、特許文献に記載されているものではないが、別の例として、ＩＣカードリーダ／ライタの周囲を金属で覆う対策を行ったものも知られている。しかし、金属で周囲を覆う場合は、アンテナ面よりも前面を覆う必要があるため、機構構造に制限があるという問題がある。
特開２００１−２１７６４０号公報特開平１１−３４５２９４号公報

本発明は、非接触式ＩＣカードリーダ／ライタにおける上記従来の問題を解決して、上記ＩＣカードリーダ／ライタを隣接配置した場合でも、容易かつ確実に混信を防止できるようにすることである。

請求項１の発明は、非接触式のカードとの間で通信を行うカードリーダ／ライタであって、前記通信のための磁界を発生するループアンテナと、前記ループアンテナの磁界エリアを抑制するため、前記ループアンテナを囲むように配置され、それぞれ前記ループアンテナから外方に向かって異なる位置に配置され異なる磁界エリアを備えた複数の導電体と、磁界エリアを切り替える切替手段と、を備え、前記カードとの通信エラー発生率が予め定めた値に達したとき、抑制された磁界エリアを大きくするよう前記切替手段により磁界エリアを切り替えることを特徴とする。
請求項２の発明は、非接触式のカードとの間で通信を行うカードリーダ／ライタであって、前記通信のための磁界を発生するループアンテナと、前記ループアンテナの磁界エリアを抑制するため、前記ループアンテナを囲むように配置され、それぞれ前記ループアンテナから外方に向かって異なる位置に配置され異なる磁界エリアを備えた複数の導電体と、磁界エリアを切り替える切替手段と、を備え、隣接配置したカードリーダ／ライタ同士が通信して磁界エリアの切替を行うテストモードを有し、前記テストモードにおける通信において、隣接したカードリーダ／ライタから何らかの応答を受信したとき、磁界エリアを小さくするよう、前記切替手段により磁界エリアを切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成でＩＣカードリーダ／ライタが発生する磁界エリアを制限できるため、ＩＣカードリーダ／ライタ同士を隣接して配置できる。
また磁界エリアを多段に切り替えできるようにしたため、隣接するＩＣカードリーダ／ライタ間における最適な磁界エリアの設定が可能であるため、通信精度を確保しつつ他のＩＣカードリーダ／ライタとの混信を効果的に防止することができる。

図１は、本願発明の非接触式ＩＣカードリーダ／ライタ１０の要部を模式的に示す平面図である。
非接触式ＩＣカードリーダ／ライタ１０は、その中央部に配置されたループアンテナ１２の周りに、そのループアンテナ１２を囲んで、ループアンテナ１２と同様、例えば導電性金属材料からなるループ状の導電性パターン１４が配置されている。
このループ状の導電性パターン１４は、ループアンテナ１２で発生する磁界エリアを制限する目的で配置したものである。即ち、ループアンテナ１２で発生した磁界はループ状の導電性パターン１４で補足され、ループ状の導電性パターン１４に誘導電流が誘起される。誘起された誘導電流はループ状の導電性パターン１４中を流れ、その抵抗によって熱となって放出される。
このように、ＩＣカードリーダ／ライタ１０のループアンテナ１２の周りにループ状の導電性パターン１４を配置したことにより、磁界エリアが抑制され、そのため隣接したＩＣカードリーダ／ライタ１０にかざした例えばＩＣカードが、この磁界に感応することが防止できる。

ここで、上記第１の実施形態に係るＩＣカードリーダ／ライタ１０では、ループ状導電性パターン１４はＩＣカードリーダ／ライタ１０のループアンテナ１２との位置関係は固定であるため、抑制できる磁界エリアも固定される。そのため、隣接したＩＣカードリーダ／ライタ１０のＩＣカードとの距離、或いはＩＣカードの感度如何によっては、隣接したＩＣカードリーダ／ライタ１０にかざしたＩＣカードから応答信号を受けて混信が生じることがあり得る。
そこで、第２の実施形態では、ループアンテナ１２の周りに、ループアンテナ１２からの距離が異なる複数の導電性ループを配置して、これらを適宜切り替えることで、ＩＣカードリーダ／ライタ１０で発生する磁界エリアを変更可能にしている。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る非接触式ＩＣカードリーダ／ライタ１０の要部を模式的に示す平面図である。
即ち、第２の実施形態に係る非接触式ＩＣカードリーダ／ライタ１０は、その中央部に配置されたループアンテナ１２の周りに、そのループアンテナ１２を囲むように、例えばループアンテナ１２と同様の導電性金属材料からなる複数（図示の例では２つの）のループ状の導電性パターン１４ａ、１４ｂが配置されている。
ループ状の導電性パターン１４ａ、１４ｂは、それぞれその一箇所にループを開放したり閉鎖したりするための切替手段である自動又は手動スイッチ１６ａ、１６ｂが設けられており、スイッチ１６ａ又は１６ｂを閉じたときは、閉ループとなった導電性パターン１４ａ又は１４ｂがアンテナ１２で発生した磁界を吸収して、磁界がそれよりも外部に漏れるのを防止する機能（磁界エリア抑制機能）を有している。

図３〜図５は、本非接触式ＩＣカードリーダ／ライタのループ状のパターンの切替手段とカードとの通信距離を説明する模式図である。
図３Ａは、ループ状の導電性パターン１４ａ、１４ｂのスイッチ１６ａ、１６ｂが全て解放状態にあることを示す。
この状態は、例えば、非接触式ＩＣカードリーダ／ライタ１０を単独で用いる場合、つまり、図３Ｂに示すようにＩＣカードとの通信距離を出来るだけ長い距離を確保する場合に適合する。この場合、非接触式ＩＣカードリーダ／ライタ１０は、そのループアンテナ１２から出た磁界を遮るものがないから、ＩＣカード２０との距離を最大限（磁界エリア非抑制機能）にして用いることができる。

図４Ａは、ループ状の導電性パターン１４ａ、１４ｂのスイッチ１６ｂを閉成して、非接触式ＩＣカードリーダ／ライタ１０の外側のループ状の導電性パターン１４ｂで、そのアンテナ１２で発生する磁界を吸収する場合を示す。
この状態は、例えば、ＩＣカードリーダ／ライタ１０を単独で用いる場合であっても、誤通信（混信）を避けるために通信距離を抑制したい場合、又は、例えば、ポケットなどにＩＣカードを入れた状態で、そのＩＣカードが容易にＩＣカードリーダ／ライタ１０のアンテナ位置に接近してしまうような配置環境で用いる場合には、ＩＣカードリーダ／ライタ１０の通信距離をある程度の範囲に抑える必要がある。このような場合に、外側の導電性パターン１４ｂを閉じて、閉ループを作ることにより通信距離を抑え、誤動作が起こらないようにすることができる。
図４Ｂは、図３Ｂと同様の図であり、ＩＣカード２０との通信距離が図３Ｂで示す場合よりも短くなっていることを示す。

図５Ａは、ループ状の導電性パターン１４ａ、１４ｂの内側のスイッチ１６ｂを閉成して、ＩＣカードリーダ／ライタ１０の内側のループ状の導電性パターン１４ａで、アンテナ１２で発生する磁界を吸収する場合を示す。
この状態は、ＩＣカードリーダ／ライタ１０を複数台隣接して配置して使用する場合に適合する。つまり、様々なＩＣカードに対応するために、やむなくリーダ／ライタ１０を隣接して配置する場合でも、このようにスイッチ１６ａを閉じて、内側の導電性パターン１４ａの閉ループを形成することにより、磁界エリアをより狭い範囲に抑えることができる。そのため、隣接したＩＣカードリーダ／ライタ１０とＩＣカードとの通信に悪影響を及ぼすことを無くすことができる。

図５Ｂは、図４Ｂと同様の図であるが、ＩＣカードリーダ／ライタ１０を隣接して配置した状態を示す。ＩＣカード２０との通信距離は、図４Ｂで示す場合よりも短くなっていることを示す。
この距離では、ＩＣカードリーダ／ライタ１０の内側の導電性パターン１４ａを閉ループに形成したため、互いに隣接配置しても、隣のＩＣカードリーダ／ライタ１０の送受信の妨げにならない。

以上、本ＩＣカードリーダ／ライタ１０の磁界エリアを抑制する機能を用いることにより、様々な配置環境に対応することができる。

次に、第２の実施形態に係るＩＣカードリーダ／ライタ１０の磁界エリアの切り替えについて説明する。
本実施形態に係るＩＣカードリーダ／ライタ１０は、通信エラーの頻度により磁界エリアを切り替えることができる。
即ち、通信特性はＩＣカードにより、また非接触ＩＣチップを搭載した例えば携帯電話機により異なる。
そこで、隣接して設置した２台のＩＣカードリーダ／ライタ１０を制御するとき、通常は最大能力にて磁界エリアを形成するが、その場合でも、感度の悪いＩＣカードを用いる場合は正常に通信を行うことができる。
図６は、感度の悪いＩＣカードを用いた場合における通信の状態を示す。ＩＣカード２０の感度が悪いため、隣接したＩＣカードリーダ／ライタ１０からの信号には応答しない。

しかしながら、感度の良好なＩＣカード２０を用いる場合は、ＩＣカードリーダ／ライタ１０を最大能力にセットしたままにしておくと、ＩＣカード２０の通信特性が良すぎてしまい、隣のＩＣカードリーダ／ライタ１０の磁界に反応して信号を返信することから誤動作が起こる。つまり、隣接した２台のＩＣカードリーダ／ライタ１０が同時に反応する結果となる。
図７Ａは、感度が良いＩＣカード２０を用いた場合における通信の状態を示すもので、ＩＣカード２０の感度が良すぎるためにＩＣカード２０が隣のＩＣカードリーダ／ライタ１０の磁界に反応して返信する状態を示している。
このような場合は、図７Ｂに示すように、本実施形態のＩＣカードリーダ／ライタ１０の上記一方の導電性パターンのスイッチを閉成してＩＣカードリーダ／ライタ１０の磁界を抑制することができる。

次に、ＩＣカードを用いずに切替の要否を検出する方法について説明する。
但し、この場合は、ＩＣカードリーダ／ライタ１０同士が磁界エリアの切替を行うテストモードを持つ必要がある。
ここで、テストモード１では、ＩＣカードリーダ／ライタ１０はキャリアを送出し、同時にテストコマンドを送信する。
テストモード２では、テストモードを待ち状態にする（即ち、キャリアの送出は行わない。）
図８は、ＩＣカードを用いずＩＣカードリーダ／ライタ１０同士で上記ループ状パターンの切替の要否を判断する処理を説明するフロー図である。
まず、２台のＩＣカードリーダ／ライタ１０を隣接配置しておき、第１のＩＣカードリーダ／ライタ１０をテストモードに遷移させ（Ｓ１０１）、第２のＩＣカードリーダ／ライタ１０はテストモード２に遷移させておく（Ｓ１０２）。次に、第１のＩＣカードリーダ／ライタ１０のキャリアの送出磁界エリアを「大」に設定して（Ｓ１０３）、テストコマンドを第２のＩＣカードリーダ／ライタ１０に送信する（Ｓ１０４）。
ここで、第１のＩＣカードリーダ／ライタ１０が第２のＩＣカードリーダ／ライタ１０からレスポンスを受信した場合は（Ｓ１０５）、隣接による障害があると判断して（Ｓ１０６）、外側のループのスイッチを閉成してキャリアの送出磁界エリアを「中」に設定して（Ｓ１０７）、再びテストコマンドを第２のＩＣカードリーダ／ライタ１０に送信する（Ｓ１０８）。

この場合は、図８に示すように、第１のＩＣカードリーダ／ライタ１０は、正常レスポンスはないが、何らかの応答をしているものと判断して（Ｓ１０９）、内側のループのスイッチを閉成してキャリア送出磁界エリアを小さくする（Ｓ１１０）。
ここで、第２のＩＣカードリーダ／ライタ１０にテストコマンドを送信する（Ｓ１１１）。この場合、第２のＩＣカードリーダ／ライタ１０は、コマンドを受信できず、従ってレスポンスは行わない（Ｓ１１２）。
第１のＩＣカードリーダ／ライタ１０は、一定時間第２のＩＣカードリーダ／ライタ１０からの応答を待ち、タイムアウトで応答なしを確認する。つまり、この場合は、磁界エリア「小」に設定して問題なしと判断する（Ｓ１１３）。

続いて、第１と第２のＩＣカードリーダ／ライタ１０を逆にして同様の感度テストを行い、それぞれの磁界エリアレベルを決定する。
なお、テストモードへの遷移は、テストスイッチ、外部端末装置からの制御により行うことができる。

次に、磁界エリアを切り替える機能を有し、磁界エリアをデフォルトで小さくした場合に、その磁界エリアを切り替えるためのＩＣカード通信からのエラー検出方法について説明する。
図９は、ＩＣカードリーダ／ライタ１０の導電性ループ１４の配置状況を説明するための要部の概略平面図である。
第１のＩＣカードリーダ／ライタ１０の設置時に設定した値で運用する中で、ＩＣカードとの通信エラー発生率が基準とする予め定めた値を超える頻度が高い場合、即ち所定の頻度数（閾値）に達したとき、現状の通信磁界エリアでは小さいことが原因であると考えられる。そこで、自動で磁界エリアを大きくすることにより、ＩＣカードとのエラー率を下げるようにする。
本実施形態ではループで切り替わる磁界エリアの数は２つしかないが、例えば磁界エリアを８つ以上にして、設定値から＋−３の磁界エリアの範囲で自動調整を行うようにすることができる。

次に、どのような場合に第１のＩＣカードリーダ／ライタ１０の隣接による障害（エラー）が起こっているかを判断して磁界エリアを切り替えるかについて説明する。
ＩＣカードとの通信時のエラーについては、大きく分けて以下のエラーが考えられる。
即ち、
（１）フレームとＣＲＣ（cyclic redundancy check）信号は合っているがデータが間違っている場合、
（２）フレーム、ＣＲＣとも間違っている場合、
（３）レスポンスなし（タイムアウト時）

ここで、（１）の場合は、ＲＦ（Radio Frequency）通信は正常に行われていると判断できる。また（３）の場合は、そもそも応答がないので、ＩＣカードリーダ／ライタ１０はＩＣカードがかざされたか否かは分からないため、磁界エリア切り替えのトリガーとなるのは（２）のエラーだけである。

図１０は、障害発生に伴う磁界エリア切り替え処理を示すフローチャートである。
ＩＣカードリーダ／ライタ１０の磁界の磁界エリアのデフォルト値を「小」にして（Ｓ２０１）、ＩＣカードに対してポーリング送信を繰り返し行う（Ｓ２０２）。ＩＣカードをＩＣカードリーダ／ライタ１０にかざすと（Ｓ２０３）、ＩＣカードからレスポンス信号がＩＣカードリーダ／ライタ１０に送信される（Ｓ２０４）。ここで、ＩＣカードリーダ／ライタ１０側で上記（２）のエラーが発生すると、ＲＦ通信特性をよくするために、ループのスイッチを切り替えることにより磁界エリアを大きくする（Ｓ２０５）。その状態でＩＣカードリーダ／ライタ１０はエリアを「中」にしてキャリアを送出し（Ｓ２０６）、ＩＣカード２０に対してテストコマンドを送信する（Ｓ２０７）。テストコマンドを受信したＩＣカード２０は、レスポンス信号をＩＣカードリーダ／ライタ１０に送信する（Ｓ２０８）。ここで、ＩＣカードリーダ／ライタ１０の正常受信が行われれば、磁界エリアを拡大したことにより、ＲＦ通信特性が良くなったと判断する（Ｓ２０９）。
以上のようにして、本実施形態では、通信エラーに基づきＩＣカードリーダ／ライタ１０の磁界エリアの調整を行うことができる。

なお、以上の説明では、ＩＣカード及び非接触式ＩＣカードリーダ／ライタに例を採って説明したが、これらのものに限定されない。つまり、携帯型の記録媒体であればＩＣカード、携帯電話機に限定する必要はないし、カードリーダ／ライタもＩＣカードリーダ／ライタに限定する必要はない。
したがって、ここでは、カードというときは携帯型の記録媒体一般を指し、カードリーダ／ライタというときは、上記携帯型の記録媒体用のリーダ／ライタを指す。

本願発明の第１の実施形態に係る非接触式ＩＣカードリーダ／ライタの要部平面図である。本発明の第２の実施形態に係る非接触式ＩＣカードリーダ／ライタの要部を模式的に示す平面図である。本非接触式ＩＣカードリーダ／ライタのループ状のパターンの切替手段とカードとの通信距離を説明する模式図である。本非接触式ＩＣカードリーダ／ライタのループ状のパターンの切替手段とカードとの通信距離を説明する他の模式図である。本非接触式ＩＣカードリーダ／ライタのループ状のパターンの切替手段とカードとの通信距離を説明する他の模式図である。感度が悪いＩＣカードを用いた場合における通信の状態を示す、ＩＣカードリーダ／ライタとＩＣカードとを示す模式図である。感度が良いＩＣカードを用いた場合における通信の状態を示す、ＩＣカードリーダ／ライタとＩＣカードとを示す模式図である。ＩＣカードを用いずＩＣカードリーダ／ライタ同士で上記ループ状パターンの切替の要否を判断する処理を説明するフロー図である。ＩＣカードリーダ／ライタの導電性ループの配置状況を説明するための要部の概略平面図である。障害発生に伴う磁界エリア切り替え処理を示すフローチャートである。従来の非接触式ＩＣカードリーダ／ライタにおける、磁界の範囲を説明するための図である。

符号の説明

１０・・・ＩＣカードリーダ／ライタ、１２・・・アンテナパターン、１４・・・ループ状導電体パターン、２０・・・ＩＣカード。

Claims

非接触式のカードとの間で通信を行うカードリーダ／ライタであって、
前記通信のための磁界を発生するループアンテナと、
前記ループアンテナの磁界エリアを抑制するため、前記ループアンテナを囲むように配置され、それぞれ前記ループアンテナから外方に向かって異なる位置に配置され異なる磁界エリアを備えた複数の導電体と、
磁界エリアを切り替える切替手段と、を備え、
前記カードとの通信エラー発生率が予め定めた値に達したとき、抑制された磁界エリアを大きくするよう前記切替手段により磁界エリアを切り替えることを特徴とするカードリーダ／ライタ。
非接触式のカードとの間で通信を行うカードリーダ／ライタであって、
前記通信のための磁界を発生するループアンテナと、
前記ループアンテナの磁界エリアを抑制するため、前記ループアンテナを囲むように配置され、それぞれ前記ループアンテナから外方に向かって異なる位置に配置され異なる磁界エリアを備えた複数の導電体と、
磁界エリアを切り替える切替手段と、を備え、
隣接配置したカードリーダ／ライタ同士が通信して磁界エリアの切替を行うテストモードを有し、
前記テストモードにおける通信において、隣接したカードリーダ／ライタから何らかの応答を受信したとき、磁界エリアを小さくするよう、前記切替手段により磁界エリアを切り替えることを特徴とするカードリーダ／ライタ。