WO2014199477A1 - 非接触通信装置 - Google Patents

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日下部　進
久保野　文夫
正信 佐藤
南部　啓一
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Quadrac株式会社
Ｊｒ東日本メカトロニクス株式会社
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    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/72—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for local intradevice communication
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    • H04L27/02—Amplitude-modulated carrier systems, e.g. using on-off keying; Single sideband or vestigial sideband modulation
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    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/79—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for data transfer in combination with power transfer
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/80—Services using short range communication, e.g. near-field communication [NFC], radio-frequency identification [RFID] or low energy communication

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact communication device such as a non-contact IC card.
  • Non-contact communication devices used in station ticket gates and supermarket cash registers transmit and receive data using a load modulation method (Non-Patent Document 1).
  • an object of the present invention is to provide a non-contact communication apparatus that can use a conventional IC chip as it is, eliminates the need for power transmission to the IC chip, and can increase the communication distance.
  • the present invention is a non-contact communication device connectable to an IC chip, wherein an antenna unit, a first detection unit that extracts a first detection signal from a signal received by the antenna unit, and a first detection unit An amplitude modulation unit that modulates the clock signal using the first detection signal and inputs the amplitude-modulated signal to the IC chip; and a second detection unit that extracts the second detection signal from the output signal of the IC chip; A load modulation unit for load-modulating a carrier wave extracted from the antenna unit using the second detection signal extracted by the second detection unit and inputting the carrier wave to the antenna unit; and a power supply unit. It is a non-contact communication device.
  • FIG. 1 is a schematic logic circuit diagram of a contactless communication apparatus according to an embodiment of the present invention. It is a general
  • FIG. 1 is a schematic logic circuit diagram of a contactless communication apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic timing chart of the contactless communication apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a non-contact communication device 1 is a non-contact communication device that can be connected to an IC chip 40, and includes an antenna unit 10, a first detection unit 20, and amplitude modulation. Unit 30, second detection unit 50, load modulation unit 60, and power supply unit 70. Hereinafter, it demonstrates in order.
  • the non-contact communication device 1 performs half-duplex communication with a reading device (not shown).
  • the antenna unit 10 transmits and receives signals to and from a reading device (for example, a reader provided in a ticket gate at a station or a supermarket cash register).
  • the antenna unit 10 includes, for example, an antenna coil 11 and a tuning capacitor 12, and transmits and receives signals using a magnetic field across the antenna coil 11.
  • the first detection unit 20 extracts the first detection signal (FIG. 2: B) from the signal (FIG. 2: A) received by the antenna unit 10.
  • the first detection unit 20 includes, for example, an amplifier 21, a detection diode 22, a resistor 23, capacitors 24 and 25, and a comparator 26, and whether the signal received by the antenna unit 10 is higher than a predetermined threshold value. Outputs “1” or “0” when the value is low. This output signal becomes the first detection signal.
  • the first detection unit 20 operates with the power supplied from the power supply unit 70.
  • the amplitude modulation section 30 amplitude-modulates the clock signal (FIG. 2: C) using the first detection signal (FIG. 2: B) extracted by the first detection section 20, and this amplitude-modulated signal (FIG. 2: D3) is input to the IC chip 40.
  • the amplitude modulation unit 30 is configured as a differential circuit, and includes, for example, a first circuit including a current buffer 31a, an AND input type current buffer 32a, and resistors 33a and 34a, an inverted current buffer 31b, and an inverted AND input.
  • a second circuit including a type current buffer 32b and resistors 33b and 34b.
  • the signal shown in D1 of FIG. 2 is output from the first circuit, and the signal shown in D2 of FIG. 2 is output from the second circuit, but the IC chip 40 has impedance inside, so As a result, the output signal as a whole of the amplitude modulation unit 30 is the signal indicated by D3 in FIG.
  • the differential circuit is an example of the amplitude modulation unit 30.
  • the amplitude modulation unit 30 operates with electric power supplied from the power supply unit 70.
  • the IC chip 40 receives the signal (FIG. 2: D3) amplitude-modulated by the amplitude modulation unit 30, and outputs a response signal (FIG. 2: E).
  • the IC chip 40 does not have a power supply terminal, and operates by using the signal input from the amplitude modulation unit 30 to generate power used by itself.
  • the second detection unit 50 extracts the second detection signal (FIG. 2: F) from the output signal (FIG. 2: E) of the IC chip 40.
  • the second detection unit 50 includes, for example, rectifier diodes 51a and 51b, a resistor 52, a capacitor 53, a capacitor 54, and a comparator 55, and the output signal of the IC chip 40 is higher or lower than a predetermined threshold value. "1" or "0" is output. This output signal becomes the second detection signal.
  • the second detection unit 50 operates with the power supplied from the power supply unit 70.
  • the input characteristics for example, SN ratio and input level
  • the input characteristics for example, SN ratio and input level
  • the load modulation unit 60 performs load modulation on the carrier wave (FIG. 2: G) received by the antenna unit 10 using the second detection signal (FIG. 2: F) extracted by the second detection unit 50, and the load modulation is performed.
  • a signal (FIG. 2: H) is input to the antenna unit 10.
  • the antenna unit 10 transmits this load-modulated signal (FIG. 2: H).
  • the load modulation unit 60 includes, for example, a FET (Field Effect Transistor) 61 and a resistor 62.
  • the resistor 62 is provided.
  • the resistor 62 should be as small as possible so that a large load modulation can be applied, and can be omitted if the FET 61 has a required on-resistance. As long as the clock signal can be extracted from the clock extraction unit 81, the resistor 62 and the on-resistance of the FET 61 can be reduced as much as possible to perform large load modulation.
  • the load modulation magnitude Y (FIG. 2: H) by the load modulator 60 is equal to the load modulation magnitude X (FIG. 2: A) by the reader (not shown).
  • the power supply unit 70 supplies power to the first detection unit 20, the amplitude modulation unit 30, and the second detection unit 50. Accordingly, each of these units operates with the power supplied from the power supply unit 70.
  • the conventional IC chip 40 can be used as it is. Further, since the power supply unit 70 is used, power transmission to the IC chip 40 becomes unnecessary. Furthermore, since a large load modulation can be applied, the communication distance can be increased.
  • the clock extraction unit 81 extracts a clock signal (FIG. 2: C) from the signal received by the antenna unit 10.
  • the clock extraction unit 81 includes, for example, a differential amplifier 81a and a comparator 81b.
  • the clock device 82 is a device that generates and outputs a clock signal (FIG. 2: C).
  • a clock device 82 for example, a crystal oscillator can be used.
  • the clock device 82 outputs a clock signal from the clock extraction unit 81 when communicating with an external device (not shown) such as a mobile phone or a smartphone, not with a reading device (not shown). It is used because it is not done.
  • the first switch unit 91 is a switch that switches between the clock extraction unit 81 and the clock device 82.
  • the first switch unit 91 connects the clock extraction unit 81 and the amplitude modulation unit 30 when communicating with a reading device (not shown), and an external device (not shown) such as a mobile phone or a smartphone. ),
  • the clock device 82 and the amplitude modulation unit 30 are connected.
  • the amplitude modulation unit 30 amplitude-modulates the clock signal (FIG. 2: C) extracted from the clock extraction unit 81, and the external device (FIG.
  • the clock signal (FIG. 2: C) generated by the clock device 82 is amplitude-modulated.
  • the 2nd switch part 92 is a switch which switches the 1st detection part 20 and external apparatuses (not shown), such as a mobile telephone and a smart phone.
  • the second switch unit 92 connects the first detection unit 20 and the amplitude modulation unit 30 and communicates with an external device (not shown) when communicating with a reading device (not shown).
  • an external device (not shown) and the amplitude modulation unit 30 are connected.
  • the amplitude modulation part 30 amplitudes a clock signal (FIG. 2: C) with the 1st detection signal output from the 1st detection part 20, when communicating with a reader (not shown).
  • the clock signal (FIG. 2: C) is amplitude-modulated with a signal input from the external device (not shown).
  • the second detection unit 50 is configured to be connectable to an external device (not shown) such as a mobile phone or a smartphone. When communicating with the external device (not shown), the second detection unit 50 The second detection signal output from 50 is input to an external device (not shown).
  • the first switch unit 91, the second switch unit 92, the current buffer 31a, the AND input type current buffer 32a, the inverting current buffer 31b, and the inverting AND input type current buffer 32b can be constituted by, for example, an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • Non-contact communication apparatus 10 Antenna part 11 Antenna coil 12 Capacitor 20 1st detection part 21 Amplifier 22 Detection diode 23 Resistance 24 Capacitor 25 Capacitor 30 Comparator 30 Amplitude modulation part 31a Current buffer 32a AND input type current buffer 33a Resistance 34a Resistance 31b Inversion Current buffer 32b Inverted AND input type current buffer 33b Resistor 34b Resistor 40 IC chip 50 Second detector 51a Rectifier diode 51b Rectifier diode 52 Resistor 53 Capacitor 54 Capacitor 55 Comparator 60 Load modulator 61 FET 62 resistor 70 power supply unit 81 clock extraction unit 81a differential amplifier 81b comparator 82 clock device 91 first switch unit 92 second switch unit

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

　従来のＩＣチップをそのまま使用しつつ、ＩＣチップへの電力伝送を不要とし、通信距離も長くすることができる非接触通信装置を提供する。　ＩＣチップに接続可能な非接触通信装置であって、アンテナ部と、前記アンテナ部で受信した信号から第１検波信号を取り出す第１検波部と、前記第１検波部で取り出した第１検波信号を用いてクロック信号を振幅変調し、この振幅変調された信号を前記ＩＣチップに入力する振幅変調部と、前記ＩＣチップの出力信号から第２検波信号を取り出す第２検波部と、前記第２検波部で取り出した第２検波信号を用いて前記アンテナ部から取り出した搬送波を負荷変調し前記アンテナ部に入力する負荷変調部と、電源部と、を備える。

Description

非接触通信装置
　本発明は、非接触ＩＣカードなどの非接触通信装置に関する。
　駅の改札機やスーパーのレジなどで利用される非接触通信装置は、負荷変調方式によりデータを送受信する（非特許文献１）。
苅部浩著、「トコトンやさしい　非接触ＩＣカードの本」、初版３刷、日刊工業新聞社、２００５年１１月２０日
　従来の非接触通信装置では、信号の送受信のみならず、ＩＣチップへの電力伝送が必要であったために、大きな負荷変調を掛けることができず、結果的に、通信距離も短くせざるを得なかった。
　そこで、本発明は、従来のＩＣチップをそのまま使用しつつ、ＩＣチップへの電力伝送を不要とし、通信距離も長くすることができる非接触通信装置を提供することを目的とする。
　本発明によれば、上記課題は、次の手段により解決される。
　本発明は、ＩＣチップに接続可能な非接触通信装置であって、アンテナ部と、前記アンテナ部で受信した信号から第１検波信号を取り出す第１検波部と、前記第１検波部で取り出した第１検波信号を用いてクロック信号を振幅変調し、この振幅変調された信号を前記ＩＣチップに入力する振幅変調部と、前記ＩＣチップの出力信号から第２検波信号を取り出す第２検波部と、前記第２検波部で取り出した第２検波信号を用いて前記アンテナ部から取り出した搬送波を負荷変調し前記アンテナ部に入力する負荷変調部と、電源部と、を備えたことを特徴とする非接触通信装置である。
本発明の一実施形態に係る非接触通信装置の概略論理回路図である。 本発明の一実施形態に係る非接触通信装置における概略タイミングチャートである。
　以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態について説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る非接触通信装置の概略論理回路図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る非接触通信装置における概略タイミングチャートである。
　図１に示すように、本発明の一実施形態に係る非接触通信装置１は、ＩＣチップ４０に接続可能な非接触通信装置であり、アンテナ部１０と、第１検波部２０と、振幅変調部３０と、第２検波部５０と、負荷変調部６０と、電源部７０と、を備えている。以下、順に説明する。なお、非接触通信装置１は、読取装置（図示せず）との間で半二重通信を行う。
［アンテナ部１０］
　アンテナ部１０は、読取装置（例：駅の改札機やスーパーのレジなどに備え付けられたリーダ）との間で信号を送受信する。アンテナ部１０は、例えば、アンテナコイル１１と同調用のコンデンサ１２とを備え、アンテナコイル１１を横切る磁界を用いて信号を送受信する。
［第１検波部２０］
　第１検波部２０は、アンテナ部１０で受信した信号（図２：Ａ）から第１検波信号（図２：Ｂ）を取り出す。第１検波部２０は、例えば、増幅器２１と、検波ダイオード２２と、抵抗２３と、コンデンサ２４、２５と、コンパレータ２６と、を備え、アンテナ部１０で受信した信号が所定の閾値よりも高いか低いかで「１」または「０」を出力する。この出力信号が第１検波信号となる。
　第１検波部２０は、電源部７０から供給された電力で動作する。
［振幅変調部３０］
　振幅変調部３０は、第１検波部２０で取り出した第１検波信号（図２：Ｂ）を用いてクロック信号（図２：Ｃ）を振幅変調し、この振幅変調された信号（図２：Ｄ３）をＩＣチップ４０に入力する。
　振幅変調部３０は、差動回路として構成されており、例えば、電流バッファ３１ａ、ＡＮＤ入力型電流バッファ３２ａと、抵抗３３ａ、３４ａと、を備える第１回路と、反転電流バッファ３１ｂ、反転ＡＮＤ入力型電流バッファ３２ｂと、抵抗３３ｂ、３４ｂと、を備える第２回路と、を有している。第１回路からは図２のＤ１に示した信号が出力され、第２回路からは図２のＤ２に示した信号が出力されるが、ＩＣチップ４０は内部にインピーダンスを有しているため、結果として、振幅変調部３０の全体としての出力信号は、図２のＤ３に示した信号となる。なお、差動回路は、振幅変調部３０の一例である。
　振幅変調部３０は、電源部７０から供給された電力で動作する。
［ＩＣチップ４０］
　ＩＣチップ４０は、振幅変調部３０で振幅変調された信号（図２：Ｄ３）を受けて、応答信号（図２：Ｅ）を出力する。
　ＩＣチップ４０は、電力供給端子を有しておらず、振幅変調部３０から入力された信号を用いて、自らが使用する電力を作り出し動作する。
［第２検波部５０］
　第２検波部５０は、ＩＣチップ４０の出力信号（図２：Ｅ）から第２検波信号（図２：Ｆ）を取り出す。第２検波部５０は、例えば、整流ダイオード５１ａ、５１ｂと、抵抗５２と、コンデンサ５３と、コンデンサ５４と、コンパレータ５５と、を備え、ＩＣチップ４０の出力信号が所定の閾値よりも高いか低いかで「１」または「０」を出力する。この出力信号が第２検波信号となる。
　第２検波部５０は、電源部７０から供給された電力で動作する。
　第２検波部５０は、ＩＣチップ４０に有線で接続されているため、ＩＣチップ４０から出力される信号を受ける入力特性（例：ＳＮ比や入力レベル）が変動しない。
［負荷変調部６０］
　負荷変調部６０は、第２検波部５０で取り出した第２検波信号（図２：Ｆ）を用いてアンテナ部１０で受信した搬送波（図２：Ｇ）を負荷変調し、この負荷変調された信号（図２：Ｈ）をアンテナ部１０に入力する。アンテナ部１０からは、この負荷変調された信号（図２：Ｈ）が送信される。負荷変調部６０は、例えば、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果型トランジスタ）６１と、抵抗６２と、を備えている。
　抵抗６２がない場合は、ＦＥＴ６１がオンした時に、差動増幅器８１ａにおける２つの差動入力が短絡するために、クロック取出部８１からクロック信号を取り出すことができなくなり、ＩＣチップ４０に電力が供給できなくなる。そこで、本発明の一実施形態では抵抗６２を設けている。しかし、抵抗６２は、大きな負荷変調を掛けることができるようになるべく小さい値がよく、ＦＥＴ６１に必要とされるオン抵抗がある場合は省くこともできる。クロック取出部８１からクロック信号を取り出せる限り、抵抗６２とＦＥＴ６１のオン抵抗とを限りなく小さくして、大きな負荷変調を掛けることができる。
　従来の非接触通信装置では、大きな負荷変調を掛けようとすると、ＩＣチップ４０の内部にある電力受信回路で得られる電力が小さくなり、ＩＣチップ４０の動作に必要な電力に達せず、ＩＣチップ４０が動作を停止してしまう。これに対して、本発明の一実施形態では、抵抗６２とＦＥＴ６１のオン抵抗とを限りなく小さくしても、クロック取出部８１からクロック信号を取り出せる限り、ＩＣチップ４０が動作を停止することはないので、大きな負荷変調を掛ける場合の制約が緩和される。したがって、本発明の一実施形態によれば、大きな負荷変調を掛けることができる。なお、本発明の一実施形態では、負荷変調部６０による負荷変調の大きさＹ（図２：Ｈ）が、読取装置（図示せず）による負荷変調の大きさＸ（図２：Ａ）の９倍程度になる形態を一例として示したが、これは一例である。
［電源部７０］
　電源部７０は　第１検波部２０、振幅変調部３０、及び第２検波部５０に電力を供給する。したがって、これら各部は、電源部７０から供給された電力で動作する。
　以上述べたとおり、本発明の一実施形態に係る非接触通信装置１によれば、従来のＩＣチップ４０をそのまま使用することができる。また、電源部７０を用いるため、ＩＣチップ４０への電力伝送が不要となる。さらに、大きな負荷変調を掛けることができるため、通信距離も長くすることができる。
　以下、さらに詳細に説明する。
［クロック取出部８１、クロック装置８２］
　クロック取出部８１は、アンテナ部１０で受信した信号からクロック信号（図２：Ｃ）を取り出す。クロック取出部８１は、例えば、差動増幅器８１ａとコンパレータ８１ｂとを備える。
　クロック装置８２は、クロック信号（図２：Ｃ）を生成し出力する装置である。クロック装置８２は、例えば、クリスタルオシレータを用いることができる。クロック装置８２は、読取装置（図示せず）との間ではなく、携帯電話やスマートフォンなどの外部装置（図示せず）との間で通信を行う場合に、クロック取出部８１からクロック信号が出力されなくなるため、用いられる。
［第１スイッチ部９１、第２スイッチ部９２］
　第１スイッチ部９１は、クロック取出部８１とクロック装置８２とを切り替えるスイッチである。第１スイッチ部９１は、読取装置（図示せず）との間で通信を行う場合にはクロック取出部８１と振幅変調部３０とを接続し、携帯電話やスマートフォンなどの外部装置（図示せず）との間で通信を行う場合にはクロック装置８２と振幅変調部３０とを接続する。これにより、振幅変調部３０は、読取装置（図示せず）との間で通信を行う場合は、クロック取出部８１から取り出したクロック信号（図２：Ｃ）を振幅変調し、外部装置（図示せず）との間で通信を行う場合は、クロック装置８２で生成されたクロック信号（図２：Ｃ）を振幅変調する。
　第２スイッチ部９２は、第１検波部２０と携帯電話やスマートフォンなどの外部装置（図示せず）とを切り替えるスイッチである。第２スイッチ部９２は、読取装置（図示せず）との間で通信を行う場合には第１検波部２０と振幅変調部３０とを接続し、外部装置（図示せず）との間で通信を行う場合には外部装置（図示せず）と振幅変調部３０とを接続する。これにより、振幅変調部３０は、読取装置（図示せず）との間で通信を行う場合は、第１検波部２０から出力される第１検波信号でクロック信号（図２：Ｃ）を振幅変調し、外部装置（図示せず）との間で通信を行う場合は、外部装置（図示せず）から入力された信号でクロック信号（図２：Ｃ）を振幅変調する。
　なお、第１スイッチ部９１と第２スイッチ部９２とは、目的に応じて連動させてもよい。
［その他］
　第２検波部５０は、携帯電話やスマートフォンなどの外部装置（図示せず）に接続可能に構成されており、外部装置（図示せず）との間で通信を行う場合は、第２検波部５０から出力される第２検波信号が外部装置（図示せず）に入力される。
　本発明の一実施形態に係る非接触通信装置において、第１スイッチ部９１、第２スイッチ部９２、電流バッファ３１ａ、ＡＮＤ入力型電流バッファ３２ａ、反転電流バッファ３１ｂ、及び反転ＡＮＤ入力型電流バッファ３２ｂは、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）により構成することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの説明は、本発明の一例に関するものであり、本発明は、これらの説明によって何ら限定されるものではない。
１　　　非接触通信装置
１０　　アンテナ部
１１　　アンテナコイル
１２　　コンデンサ
２０　　第１検波部
２１　　増幅器
２２　　検波ダイオード
２３　　抵抗
２４　　コンデンサ
２５　　コンデンサ
２６　　コンパレータ
３０　　振幅変調部
３１ａ　電流バッファ
３２ａ　ＡＮＤ入力型電流バッファ
３３ａ　抵抗
３４ａ　抵抗
３１ｂ　反転電流バッファ
３２ｂ　反転ＡＮＤ入力型電流バッファ
３３ｂ　抵抗
３４ｂ　抵抗
４０　　ＩＣチップ
５０　　第２検波部
５１ａ　整流ダイオード
５１ｂ　整流ダイオード
５２　　抵抗
５３　　コンデンサ
５４　　コンデンサ
５５　　コンパレータ
６０　　負荷変調部
６１　　ＦＥＴ
６２　　抵抗
７０　　電源部
８１　　クロック抽出部
８１ａ　差動増幅器
８１ｂ　コンパレータ
８２　　クロック装置
９１　　第１スイッチ部
９２　　第２スイッチ部
 

Claims (3)

  1. 　ＩＣチップに接続可能な非接触通信装置であって、
    　アンテナ部と、
    　前記アンテナ部で受信した信号から第１検波信号を取り出す第１検波部と、
    　前記第１検波部で取り出した第１検波信号を用いてクロック信号を振幅変調し、この振幅変調された信号を前記ＩＣチップに入力する振幅変調部と、
    　前記ＩＣチップの出力信号から第２検波信号を取り出す第２検波部と、
    　前記第２検波部で取り出した第２検波信号を用いて前記アンテナ部から取り出した搬送波を負荷変調し前記アンテナ部に入力する負荷変調部と、
    　電源部と、
    　を備えたことを特徴とする非接触通信装置。
  2. 　前記振幅変調部は差動回路であることを特徴とする請求項１に記載の非接触通信装置。
  3. 　前記第１検波部と外部装置とを切り替えるスイッチを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の非接触通信装置。
     
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