JP5244042B2 - Icカードリーダ及び扉開閉装置 - Google Patents
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Description
なお、本発明に関係すると思われる先行技術文献を特許文献1に示す。
図1(a)は、箱の蓋を閉じた状態における、箱の全体斜視図である。
箱101は蓋102と容器103で構成されている。そして、蓋102と容器103の両方とも、周知のステンレススチールの板を板金加工することによって形成されている。ステンレスの板の厚みはおよそ1.2mmである。
この箱101には、本発明の実施形態である、ICカードリーダが内蔵されている。
箱101の蓋102の裏側には、ICカードリーダの一部を構成するコイルL104が貼り付けられている。コイルL104はICカードリーダの回路が収納される回路部105に接続されている。更に、回路部105は周知のソレノイドアクチュエータよりなる開錠機構106に接続されている。
通常、電磁波は金属板を通過しないことが知られている。
しかし、本発明では、金属板の材質と厚みを選択することと、コイルL104を金属板に密着させることと、検出された信号に特別な信号処理を施すことで、ICカードとICカードリーダとの間に金属板を介在させた状態でのICカードリーダを実現している。金属板で遮蔽されたICカードを、何故本発明のICカードリーダで読み取りが可能になるかについての詳細については、後述する。
図2(a)はコイルL104を横から見た図であり、図2(b)は上面図であり、図2(c)は斜視図である。
アクリル或はプラスチック等の板202aと板202bの間に、同じくアクリル或はプラスチック等のボビン203が挟み込まれている。このボビン203に、コイルの巻線204が巻かれている。つまり、このコイルは周知の空心コイルである。この空心コイルが、ステンレスの板金である箱101の蓋102に貼り付けられる。
なお、板の厚みは薄ければ薄いほど望ましい。これは、コイルL104をステンレスの蓋102に密着させることにより、電磁波受信特性をより良好にすることができるからである。ここで、コイルL104は、巻線204がほどけないように樹脂等でモールド成型されていればよく、特にコイル内部に金属板を設ける必要はない。
交流信号源302は125kHzの交流を発生する。交流は正弦波でも矩形波でも良い。
交流信号源302には、電磁波を発生させるために、抵抗R303、コンデンサC304、そしてコイルL104が直列接続されている。コンデンサC304とコイルL104は直列共振回路を構成し、125kHzの交流においてインピーダンスが最小になるように、コンデンサC304の静電容量及びコイルL104の誘導係数(インダクタンス)が決められている。このように回路が構成されることで、コイルL104から125kHzの電磁波が出力される。
なお、これ以降は、コイルL104からICカードに出力される125kHzの電磁波を「搬送波」と呼ぶこととする。
なお、この変調波のAM変調信号成分は、コイルL104から発信される搬送波125kHzより低い周波数であり、通常数kHz程度とされる。
また、電磁波は透磁率の高い磁性材料にぶつかると、磁性材料に吸収されてしまう。
しかし、金属板の材質と厚みによっては、コイルL104から発する電磁波が全て渦電流にならず、或は金属板に捉えられず、その一部が金属板を透過することができる。但し、この金属板を透過することができる電磁波は、非常に微弱な交流磁界であり、距離の二乗に反比例して減衰する。これを確認するため、発明者らが、コイルL104をステンレス板から僅かな距離(例えば5mm程度)浮かせて同様の実験を行ったところ、ICカード107を読み取ることができなくなってしまった。このことから、本発明の実施形態においては、コイルL104をステンレスの蓋102に接触して配置することが極めて重要な意味を持つことが分かる。
なお、合成信号に含まれる搬送波の信号成分は極めて大きな振幅であるのに対し、変調波の信号成分はステンレス板によって大幅に減衰された、極めて微弱な振幅である。
このLPF306からの出力信号は、増幅及び波形整形部307に送られ、ここで増幅と波形整形がなされる。上述の通り、変調波の信号成分は極めて微弱であるので、ICカードの識別番号を正確に認識するためにも、増幅及び波形整形部307において適切な電圧に増幅することが必要である。
また、AM変調信号は元々デジタル信号であり、最終的には「0」と「1」を表現するデジタル信号に変換する必要があるので、シュミットトリガ等を用いてマイコン等のコンピュータが扱い易い矩形波形状の信号に直す必要がある。
この反転部308を設ける理由は以下の通りである。コイルL104から出力される搬送波は、ステンレス板を通過するとおよそ90°位相が遅れる。そしてICカード107が返信する変調波も、ステンレス板を通過しておよそ90°位相が遅れる。つまり、変調波には合わせておよそ180°の位相遅れが含まれる。反転部308は、この位相遅れによって反転した信号の論理を元に戻すために設けられている。
なお、位相遅れの詳細については後述する。
ダイオードD402は、検波部305を構成するものであり、AM復調回路としての周知のダイオード検波を行う。
ダイオードD402のカソードには、コンデンサC403と抵抗R404とコンデンサC405が接続されている。これらはπ型のLPFであり、図3のLPF306を構成する。また、コンデンサC403には、蓄積された電荷を放電するために抵抗R406が並列接続されている。
カップリングコンデンサC407の出力信号は、抵抗R408を通じて、第一段のオペアンプ409のプラス側入力端子に接続される。第一段のオペアンプ409は非反転増幅器を構成すると共に、マイナス側入力端子と出力端子の間に接続されている帰還抵抗R412とダイオードD413及びD414によって出力信号がクリップし、矩形波の信号に近くなる。
つまり、第一段のオペアンプ409は、非反転増幅器と波形整形回路を兼用しているので、増幅及び波形整形部307の機能を提供する。
なお、第一段のオペアンプ409のプラス側入力端子に接続されているコンデンサC410は、抵抗R408と併せてLPF306の機能を提供する。
なお、図3では反転部308の前段に増幅及び波形整形部307が設けられているが、LPF306以降の増幅及び波形整形部307と反転部308は、その順番等が必ずしも一致していなければならない訳ではなく、その機能が満たされれば順番等は問わない。勿論、回路の機能も分離されている必要はなく、周知の設計の範囲で複合的に構成することが可能である。
コイルL104から出力される電磁波(搬送波)は、ステンレスの蓋102を隔ててICカード107のコイルL502に到達する。ICカード107の中には、コンデンサC503とスイッチ504がコイルL502と並列に接続されている。スイッチ504は図示しないROMを含む制御回路によって駆動され、ROMに書き込まれているID情報のパターンにてオン・オフ制御される。
このID情報が、図3に示すカードID310の内容と等しい場合には、ソレノイドアクチュエータ313が駆動され、箱101が開錠される。
スイッチ504がオンの状態ではスイッチ504がコンデンサC503とコイルL502との端子間をショートするため、並列共振回路が成り立たなくなる。したがって、コイルL502から125kHzの交流磁界は発されない。
以上のように、スイッチ504のオン・オフによってICカード107から125kHzのAM変調された交流磁界が発生する。
ダイオードD402以降の信号の処理については、既に図4にて説明しているのでその説明を割愛する。
電磁波は、コイルL104からコイルL502へ伝達する時に金属板を通過して、位相の遅れが発生する。そして、コイルL502からコイルL104へ伝達して戻る時に再び金属板を通過して、位相の遅れが発生する。つまり、電磁波がICカードリーダ301のコイルL502を介して往復する際に、位相遅れが二回発生する。
ステンレス板の厚みが1mmの場合、およそ82°程度の位相遅れが発生することが判る。
図5で説明したように、ICカードリーダ301の信号処理では、電磁波が金属板を往復することで、電磁波に生じる位相遅れが二倍になるので、合わせて164°程度の位相遅れが発生すると考えられる。
(1)ダイオードD402に入力される信号には、二つの信号が含まれる。それぞれは同一の周波数でありながら、一方は微弱で、且つ位相が所定の角度だけずれている。
搬送波をAsinθ、変調波をBsin(θ+α)とする。αは電磁波が金属板を往復した結果の位相遅れである。
また、Bsin(θ+α)は、振幅がBの時と、B′の時があるとする。これはICカード107の変調波を想定している。
そこで、以下のように計算してみる。
また、位相遅れが90°より大きく、270°より小さい場合には、Bの項の値は負の値になる。したがって、変調波の論理を反転させる必要が生じる。これが、反転部308を設ける理由である。
図6を参照すると、金属板の遅れ角度は45°より大きく、135°より小さいことが求められることがわかる。
搬送波と変調波の振幅が等しい場合、変極点はsinθ=0.5の時、すなわち角度θは30°或は150°になると考えられる。搬送波の位相が30°、変調波の位相が150°のとき、その位相差は150°−30°=120°となる。これに加え、180°+30°+30°=240°が、変調波が全く検出できなくなる角度になると考えられる。この場合、金属板の遅れ角度は60°より大きく、120°より小さいことが求められることとなる。
前述の通り、金属板に交流磁界を与えると、金属板の表面に渦電流が発生し、交流磁界は減衰してしまう。この減衰が小さければ小さいほど、金属板を通過できる交流磁界が強くなる。そこで、本実施形態のICカードリーダ301を適用可能な金属板には、以下の特性が求められる。
(1)透磁率(μ)が小さいこと。
およそ1に近い値が望ましい。透磁率が大きいと、磁力線の大部分が金属板に捉えられ、金属板表面に拡散してしまい、金属板を通過できなくなってしまうからである。
(2)電気抵抗率(ρ)が大きいこと。
つまり、渦電流が発生し難いことが求められる。
以上の特性を備える金属としては、上述の実施形態にて開示したステンレス鋼以外では、白銅(銅−ニッケル合金)、チタン等が挙げられる。なお、ステンレス鋼は金属組織で幾つかの種類に分類されるが、その中で磁性材であるフェライト系は好ましくない。
銅やアルミニウム等は電気抵抗率が小さく、鉄やコバルト等は透磁率が大きいので、本実施形態の用途には向いていない。
(1)図3及び図4では、ICカードリーダ301を直列共振回路で構成していたが、並列共振回路であってもよい。直列共振回路では電流駆動で電磁波を発していたが、並列共振回路の場合では電圧駆動となる。また、検波部305であるダイオードD402は、図4と同様に、並列共振回路を構成するコイルとコンデンサとの接続点に接続される。
透磁率μが小さく、且つ電気抵抗率ρが大きい金属板にコイルL104を密着させて、このコイルL104でICカード107の搬送波周波数に共振する直列共振回路を構成する。そして、金属板の厚みに応じて発生する位相遅れを考慮して、直列共振回路から変調波の検波出力に位相反転回路を介することで、ICカード107から得られるデータを正しく検出できる。
Claims (3)
- 外部から搬送波電力を受け取り、情報をAM変調して出力するICカードが近接される、磁界が通過する際に生じる位相遅れが45°より大きく135°より小さい金属板と、
前記金属板の前記ICカードが近接される面とは反対の面に貼り付けられて、前記ICカードに前記搬送波電力を供給するコイルと、
前記コイルに接続されて共振回路を構成するコンデンサと、
前記コイル及び前記コンデンサに前記共振回路の共振周波数である交流信号を供給する交流信号源と、
前記コイルから得られる信号を検波する検波部と、
前記検波部の出力信号から前記ICカードの出力信号を抽出するローパスフィルタと、
前記ICカードの出力信号の論理を反転する反転部と
よりなるICカードリーダ。 - 前記金属板は銅よりも電気抵抗率が大きく、且つ鉄よりも透磁率が小さい金属である、請求項1記載のICカードリーダ。
- 外部から搬送波電力を受け取り、情報をAM変調して出力するICカードが近接される、磁界が通過する際に生じる位相遅れが45°より大きく135°より小さい金属板よりなる扉と、
前記扉の、前記金属板の前記ICカードが近接される面とは反対の面に貼り付けられて、前記ICカードに前記搬送波電力を供給するコイルと、
前記コイルに接続されて共振回路を構成するコンデンサと、
前記コイル及び前記コンデンサに前記共振回路の共振周波数である交流信号を供給する交流信号源と、
前記コイルから得られる信号を検波する検波部と、
前記検波部の出力信号から前記ICカードの出力信号を抽出するローパスフィルタと、
前記ICカードの出力信号の論理を反転する反転部と、
前記反転部の出力信号と、不揮発性メモリに記憶されているカードIDとの一致を検出する一致検出部と、
前記一致検出部が前記反転部の出力信号と前記カードIDとの一致を検出したことに基づいて前記扉の施錠を解除する開錠機構と
よりなる扉開閉装置。
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