JP5384987B2

JP5384987B2 - データ通信装置

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Publication number: JP5384987B2
Application number: JP2009090881A
Authority: JP
Inventors: 英雄近藤
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: JP2010244233A; US8224245B2; US20100255777A1

Description

本発明はデータ通信装置に関し、例えば、ＩＣカードと、ＩＣカードのリードライト装置との間のデータ通信に用いられるデータ通信装置に関する。

従来、非接触型のＩＣカードと、ＩＣカードのリードライト装置の間でデータ通信を行う場合、一般にＩＣカード側にアンテナが設けられる。このアンテナは導電線ループで構成され、このループに電流を流すことにより生じる誘導起電力を利用してデータ通信を行っている。この種のデータ通信装置については、特許文献１に記載されている。

特開平１１−２３４１６４号公報

しかしながら、上述のデータ通信装置では、導電ループに電流を流さなければならず、消費電力が大きいという問題がある。特に低消費電力が要求される小型機器等においてはその問題は深刻である。

また、導電ループを形成するアンテナは、使用する周波数によりアンテナの利得、放射電力を最大にするためにその形状を最適化しなければならない。そのため、ＩＣカード上におけるアンテナの面積の増大、コストの増大といった問題がある。

本発明のデータ通信装置は、第１の静電誘導電極と、前記第１の静電誘導電極に対向して配置される第２の静電誘導電極と、前記第１の静電誘導電極に配線を介して接続された受信増幅回路と、を備え、前記受信増幅回路は、前記第２の静電誘導電極に印加されるデータ信号に応じて前記第１の静電誘導電極に生じる静電誘導信号を受信し、かつ増幅するデータ通信装置であって、前記第１の静電誘導電極に近接して配置されたフィードバック電極を備え、前記受信増幅回路の出力信号を前記フィードバック電極に印加し、静電誘導により前記第２の静電誘導電極に誘導電荷を誘起し、前記第１の静電誘導電極に生じる前記静電誘導信号の信号強度を増強することを特徴とする。

本発明のデータ通信装置によれば、低消費電力で低コストのデータ通信を実現することができる。

本発明の実施形態によるデータ通信装置の構成を説明する図である。本発明の実施形態によるデータ通信装置の回路図である。本発明の実施形態によるデータ通信装置の動作を説明する波形図である。

本発明の実施形態によるデータ通信装置は、静電誘導を利用して、ＩＣカードとリードライト装置の間の双方向のデータ通信を行うものである。ＩＣカードとリードライト装置は接触又は近接させるが、電極同士を直接接触させることはないので、基本的には非接触のデータ通信である。まず、データ通信装置の基本構成を説明し、その後、その詳細な回路構成を説明する。

［データ通信装置の基本構成］
図１は、リードライト装置上にＩＣカードが載置された状態を示す図であり、図１（ａ）は側面図（透視図）、図１（ｂ）は平面図（透視図）である。

図示のように、樹脂製のＩＣカード１０の中に、第１の静電誘導電極１１、第１のフィードバック電極１２、第１の送受信回路２０がそれぞれ埋め込まれている。一方、リードライト装置１００の中にも同様に、第２の静電誘導電極１０１、第２のフィードバック電極１０２、第２の送受信回路１２０がそれぞれ埋め込まれている。すなわち、これらの電極は、樹脂の中に埋め込まれ露出しないようになっている。

リードライト装置１００上にＩＣカード１０が載置された状態において、第１の静電誘導電極１１と第２の静電誘導電極１０１とは、それらの間に挟まれた樹脂を介して互いに対向し、第１のフィードバック電極１２と第２のフィードバック電極１０２とは、それらの間に挟まれた、誘電体である樹脂を介して互いに対向する。第１のフィードバック電極１２は、第１の静電誘導電極１１に近接して配置され、第２のフィードバック電極１０２は、第２の静電誘導電極１０１に近接して配置される。なお、図１ではＩＣカード１０はリードライト装置１００上に載っている場合を示したが、リードライト装置１００にスリットを形成し、そのスリットにＩＣカード１０を差し込むようにしても良い。

ＩＣカード１０からリードライト装置１００にデータ信号を送信する場合は、第１の送受信回路２０からデータ信号を第１の静電誘導電極１１に出力する。すると、第１の静電誘導電極１１はデータ信号に応じた電荷により帯電し、第１の静電誘導電極１１と対向した第２の静電誘導電極１０１には、静電誘導により逆極性の電荷が誘起される。データ信号がＨレベルとＬレベルを繰り返すシリアルデータ信号であるとすると、第２の静電誘導電極１０１には、ＨレベルとＬレベルが反転されたデータ信号が現れることになる。リードライト装置１００の第２の送受信回路１２０は、この反転されたデータ信号を受信し、かつ増幅する。

逆に、リードライト装置１００からＩＣカード１０にデータ信号を送信する場合は、第２の送受信回路１２０からデータ信号を第２の静電誘導電極１０１に出力する。すると、第２の静電誘導電極１０１はデータ信号に応じた電荷により帯電し、第２の静電誘導電極１０１と対向した第１の静電誘導電極１１には、静電誘導により逆極性の電荷が誘起される。データ信号がＨレベルとＬレベルを繰り返すシリアルデータ信号であるとすると、第１の静電誘導電極１１には、ＨレベルとＬレベルが反転されたデータ信号が現れることになる。ＩＣカード１０の第１の送受信回路２０は、この反転されたデータ信号を受信し、かつ増幅する。

このようにして、ＩＣカード１０とリードライト装置１００との間で、双方向のデータ通信を行うことができる。

ところで、ＩＣカード１０とリードライト装置１００とは互いに電気的に絶縁されているので、両者の接地電位は必ずしも一致しない。両者の接地電位が一致しない場合には、データの受信エラーが発生する恐れがある。

そのような受信エラーを抑制するために、第１のフィードバック電極１２と第２のフィードバック電極１０２を設ける。第１のフィードバック電極１２には、第１の送受信回路２０によって受信、増幅されたデータ信号がフィードバックして印加される。第２のフィードバック電極１０２には、第２の送受信回路１２０によって受信、増幅されたデータ信号がフィードバックして印加される。

ＩＣカード１０からリードライト装置１００にデータ信号を送信する場合を考えると、リードライト装置１００の第２の送受信回路１２０によって増幅されたデータ信号が第２のフィードバック電極１０２に印加される。この場合、静電誘導によりＩＣカード１０の第１の静電誘導電極１１上に元のデータ信号と同じ極性の信号が再現される。

そうすると、この再現信号による更なる静電誘導により、リードライト装置１００の第２の静電誘導電極１０１に再現信号の反転信号が現れる。つまり、第２の静電誘導電極１０１のデータ信号の大きさが増強されることになる。これにより、ＩＣカード１０とリードライト装置１００の接地電位に多少の差があっても、受信エラーを抑制することができる。

逆に、リードライト装置１００からＩＣカード１０にデータ信号を送信する場合も同様である。上述のフィードバック効果を高めるために、図１（ｂ）に示すように、第１のフィードバック電極１２は、平面的にみて第１の静電誘導電極１１を囲んで配置し、第１のフィードバック電極１２と斜め方向に対向した第２の静電誘導電極１０１との容量結合を強くし、両者の間で静電誘導を起きやすくすることが好ましい。同様の理由から、第２のフィードバック電極１０２は、第２の静電誘導電極１０１を囲んで配置し、第２のフィードバック電極１０２と斜め方向に対向した第１の静電誘導電極１１との容量結合を強くし、両者の間で静電誘導を起きやすくすることが好ましい。

［データ通信装置の回路構成］
図２は、データ通信装置の回路図である。ＩＣカード１０の第１の送受信回路２０は、第１の受信増幅回路２１、第１の入力閾値調整回路２２、第１の信号発生回路２３及び第１のフィードバック回路２４を備える。また、リードライト装置１００の第２の送受信回路１２０は、第２の受信増幅回路１２１、第２の入力閾値調整回路１２２、第２の信号発生回路１２３及び第２のフィードバック回路１２４を備える。第１及び第２の送受信回路２０，１２０は基本的に同じ構成を有しているので、以下では、第１の送受信回路２０の構成について説明する。

［受信増幅回路の回路構成］
第１の受信増幅回路２１は、第１の静電誘導電極１１に配線２５を介して接続されており、リードライト装置１００側の第２の静電誘導電極１０１に印加されるデータ信号に応じて第１の静電誘導電極１１に生じる静電誘導信号を受信し、かつ増幅するという機能を有する。第１の受信増幅回路２１は、入力コンデンサＣ１、インバータＩＮＶ１及び帰還抵抗Ｒ１からなる。

入力コンデンサＣ１は、第１の電極及び第２の電極を有し、第１の電極が配線２５を介して第１の静電誘導電極１１に接続される。これにより、前記静電誘導信号が配線２５を通して、入力コンデンサＣ１の第１の電極に入力されるようになっている。

インバータＩＮＶ１は入力端子と出力端子を有し、その入力端子に入力コンデンサＣ１の第２の電極が接続される。インバータＩＮＶ１は低消費電力化のためにＣＭＯＳインバータで構成されることが好ましい。帰還抵抗Ｒ１は、インバータＩＮＶ１の入力端子と出力端子の間に接続される。これにより、インバータＩＮＶ１の入力端子の電位は、インバータＩＮＶ１の入力閾値の付近に設定される。インバータＩＮＶ１の出力信号は、バッファ回路２６を通して出力される。

［入力閾値調整回路の回路構成］
第１の入力閾値調整回路２２は、インバータＩＮＶ１の入力閾値を可変にする機能を有している。この第１の入力閾値調整回路２２は、バイパス抵抗Ｒ２、スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４のスイッチングを制御するスイッチング制御回路２７、容量分離抵抗Ｒ３を備える。

バイパス抵抗Ｒ２はインバータＩＮＶ１の入力端子と配線２５とを接続し、インバータＩＮＶ１の出力端子から配線２５までの電流経路を形成する。ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４において、各ソースは、それぞれソース抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４を介して第１の接地電位ＶＳＳ１に接続され、各ドレインは容量分離抵抗Ｒ３を介して配線２５に接続される。容量分離抵抗Ｒ３は、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４のドレインに付随した寄生容量ＣＰ２が配線２５に付加されるのを抑止するために設けられる。

配線２５はそれ自身で寄生容量ＣＰ１を持っているが、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４のドレインを直接、配線２５に接続すると、寄生容量ＣＰ１に寄生容量ＣＰ２がプラスされる結果、配線２５の寄生容量が増加し、第１の静電誘導電極１１からの静電誘導信号は更に減衰してしまう。そこで、容量分離抵抗Ｒ３を設けることで、配線２５に対する寄生容量ＣＰ２の影響を抑制している。

スイッチング制御回路２７は、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４のオンオフを制御する回路であり、制御信号ＳＡ〜ＳＤがＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４の対応するゲートに印加される。制御信号ＳＡ〜ＳＤがＨレベルの時、対応するＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４はオンし、制御信号ＳＡ〜ＳＤがＬレベルの時、対応するＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４はオフするように構成されている。即ち、制御信号ＳＡ〜ＳＤにより、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４の中、何個のトランジスタがオンするかが決定される。

ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４がいずれもオフの時は、インバータＩＮＶ１の出力端子から第１の接地電位ＶＳＳ１へ至る電流経路は生じず、インバータＩＮＶ１の入力閾値は変化しないが、ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４の中、いずれかのトランジスタがオンすると、インバータＩＮＶ１の出力端子から、そのオンしているトランジスタを経由して第１の接地電位ＶＳＳ１へ至る電流経路が生じる。これにより、インバータＩＮＶ１の入力閾値は低下することになる。ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ４の中で、オンするトランジスタの数が多いほど、当該電流経路を流れる電流は増加するので、インバータＩＮＶ１の入力閾値はより大きく低下する。

このように第１の入力閾値調整回路２２を設けることにより、インバータＩＮＶ１の入力閾値を調節し、第１の受信増幅回路２１の消費電流を最小にすることができる。即ち、インバータＩＮＶ１の入力閾値付近の信号が継続的に入力される場合、インバータＩＮＶ１の貫通電流が増加し、その消費電流が増加してしまう。そこで、第１の入力閾値調整回路２２を用いて、インバータＩＮＶ１の入力閾値を調整すること、つまり入力信号のレベルと入力閾値をずらすことにより、そのような貫通電流を抑えることができる。

なお、第１の入力閾値調整回路２２は第１の接地電位ＶＳＳ１側に設けられ、インバータＩＮＶ１の入力閾値が減少する方向に調整可能にしているが、反対に、第１の入力閾値調整回路２２を第１の電源電位ＶＤＤ１側に設けて、インバータＩＮＶ１の入力閾値が増加する方向に調整可能にても良い。また、スイッチング制御回路２７としては、ＩＣカード１０に内蔵されるマイクロコンピュータを用いプログラムで制御するようにしても良い。

［フィードバック回路の回路構成］
第１のフィードバック回路２４は、基本的にはインバータＩＮＶ２の出力信号を第１のフィードバック電極１２にフィードバックするという構成である。即ち、第１の受信増幅回路２１のインバータＩＮＶ１の出力信号は、バッファ回路２６を通して、フィードバック・インバータＩＮＶ２に入力される。フィードバック・インバータＩＮＶ２の出力信号は第１のフィードバック電極１２に印加される。

いま、リードライト装置１００からＩＣカード１０にデータ信号を送信する場合を考えると、ＩＣカード１０の第１の受信増幅回路２１によって反転増幅されたデータ信号がフィードバック・インバータＩＮＶ２によって更に反転されて第１のフィードバック電極１２に印加される。これにより、リードライト装置１００の第２の静電誘導電極１０１上に逆極性の誘導電荷が生じる。つまり、リードライト装置１００からの元のデータ信号と同じ極性の信号が再現される。

そうすると、この再現信号による更なる静電誘導により、リードライト装置１００の第２の静電誘導電極１０１に、再現信号の反転信号が現れる。つまり、第１の静電誘導電極１１上のデータ信号の大きさが増強されることになる。これにより、ＩＣカード１０の第１の接地電位ＶＳＳ１とリードライト装置１００の第２の接地電位ＶＳＳ２に多少の差があっても、受信エラーを抑制することができる。

最後に、ＩＣカード１０からリードライト装置１００からにデータ信号を送信する場合の詳しい動作を図３に基づいて説明する。なお、逆に、リードライト装置１００からＩＣカード１０にデータを送信する場合も同様である。

まず、図３（ａ）に示すように、ＩＣカード１０の第１の信号発生回路２３から第１の静電誘導電極１１上にＨレベルとＬレベルを繰り返すデータ信号が印加される。この場合、Ｈレベルは、ＩＣカード１０の第１の電源電位ＶＤＤ１であり、Ｌレベルは第１の接地電位ＶＳＳ１である。

すると、静電誘導により、リードライト装置１００の第２の静電誘導電極１０１上に逆極性の誘導電荷が発生する。そして、この誘導電荷による静電誘導信号はデータ信号を反転した信号になり、第２の静電誘導電極１０１に接続された配線１２５上を伝播する。この配線１２５上の静電誘導信号は、図３（ｂ）に示すように、元のデータ信号を反転した信号である。また、その振幅は配線１２５に付随する寄生容量ＣＰ１の影響で減衰される。

そして、配線１２５上の静電誘導信号は第２の受信増幅回路１２１により反転増幅される。つまり、図３（ｃ）に示すように、静電誘導信号は入力コンデンサＣ１を通過することにより、微分波形に変化する。この場合、入力コンデンサＣ１の容量値をある程度大きくすることにより、当該微分波形は、図３（ｃ）のような滑らかになり、インバータＩＮＶ１の入力信号として入力される。

図３（ｃ）のＶｔという記号は、インバータＩＮＶ１の入力閾値である。つまり、入力信号が入力閾値Ｖｔより低いときはインバータＩＮＶ１の出力信号はＨレベルであり、信号が入力閾値Ｖｔより高いときはインバータＩＮＶ１の出力信号はＬレベルである。この場合、Ｈレベルは、リードライト装置１００の第２の電源電位ＶＤＤ２であり、Ｌレベルは第２の接地電位ＶＳＳ２である。このようにして、静電誘導信号はインバータＩＮＶ１によって反転増幅され、ＩＣカード１０から送信されたデータ信号が再現される。

なお、上述の実施形態では、ＩＣカード１０とリードライト装置１００の間の双方向のデータ通信を行うものであるが、これに限らず、非接触のデータ通信に広く適用することができる。

また、上述の実施形態の回路構成のうち、必要な回路構成のみを使用しても良い。例えば、ＩＣカード１０とリードライト装置１００は、それぞれ同じ構成の第１及び第２の送受信回路２０，１２０を有しているが、例えば、ＩＣカード１０からリードライト装置１００へのデータ送信のみ行うような、単方向のデータ通信にも適用することができる。この場合は、単方向のデータ通信のみに必要な回路構成（例えば、ＩＣカード１０側の第１の信号発生回路２３、リードライト装置１００側の受信増幅回路１２１）だけを設ければ良い。

１０ＩＣカード１１第１の静電誘導電極
１２第１のフィードバック電極２０第１の送受信回路
２１受信増幅回路２２入力閾値調整回路
２３信号発生回路２４フィードバック回路
２５配線２６バッファ回路２７スイッチング制御回路
１００リードライト装置１０１第２の静電誘導電極
１０２第２のフィードバック電極１２０第２の送受信回路
１２１受信増幅回路１２２入力閾値調整回路
１２３信号発生回路１２４フィードバック回路１２５配線
ＩＮＶ１インバータＩＮＶ２フィードバック・インバータ

Claims

第１の静電誘導電極と、
前記第１の静電誘導電極に対向して配置される第２の静電誘導電極と、
前記第１の静電誘導電極に配線を介して接続された受信増幅回路と、を備え、前記受信増幅回路は、前記第２の静電誘導電極に印加されるデータ信号に応じて前記第１の静電誘導電極に生じる静電誘導信号を受信し、かつ増幅するデータ通信装置であって、
前記第１の静電誘導電極に近接して配置されたフィードバック電極を備え、
前記受信増幅回路の出力信号を前記フィードバック電極に印加し、静電誘導により前記第２の静電誘導電極に誘導電荷を誘起し、前記第１の静電誘導電極に生じる前記静電誘導信号の信号強度を増強することを特徴とするデータ通信装置。
前記受信増幅回路は、第１及び第２の電極を有し、前記第１の電極が前記配線を介して前記第１の静電誘導電極に接続され、前記静電誘導信号が前記配線を通して前記第１の電極に入力される入力コンデンサと、
入力端子と出力端子を有し、前記入力端子に前記入力コンデンサの前記第２の電極が接続されたインバータと、
前記インバータの前記入力端子と前記出力端子の間に接続された帰還抵抗と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のデータ通信装置。
前記受信増幅回路の入力閾値を調整するための入力閾値調整回路を備えることを特徴とする請求項２に記載のデータ通信装置。
前記入力閾値調整回路は、前記インバータの入力端子と前記配線とを接続し、前記インバータの出力端子から前記配線までの電流経路を形成するバイパス抵抗と、
前記配線と接地又は電源の間に接続された複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御するスイッチング制御回路と、を備えることを特徴とする請求項３に記載のデータ通信装置。
前記複数のスイッチング素子は、容量分離抵抗を介して前記配線に接続されたことを特徴とする請求項４に記載のデータ通信装置。
前記第１の静電誘導電極に前記配線を介して接続された信号発生回路を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のデータ通信装置。
前記フィードバック電極は、前記第１の静電誘導電極を囲んで配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のデータ通信装置。