(57)【要約】【課題】消費電力を低減し、ＵＳＢインタフェースによるホストコンピュータからの電力受給で動作する非接触ＩＣカード用のリーダライタを提供する。【解決手段】リーダライタの低消費電力化を図るため、もっとも電力消費の大きい送信用の電力アンプに効率の高いＥ級アンプを用いる。Ｅ級アンプが入力信号のパルス幅に応じて出力信号の振幅を変化させる特性に合わせて、本リーダライタでは、変調期間と非変調期間とで２値のパルス幅を持つ被変調信号Ｄを入力して、その振幅変調出力である送信信号Ｅを得る。この結果送信信号Ｅは変調期間と非変調期間で２値の振幅値を取るようになる。【選択図】図１
2006067159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触データキャリアとの電磁誘導結合による無線通信を行う振幅変調方式のリーダライタであって、
クロック信号と、該クロック信号を遅延させた遅延信号とを論理合成して同クロック信号より小さなパルス幅のパルス信号を生成するパルス生成手段と、
前記クロック信号を基に、振幅変調の変調期間と非変調期間とを有した変調信号を生成する手段と、
少なくとも前記パルス生成手段を含み、前記クロック信号と、前記パルス信号とを切り替えて出力することにより、前記変調信号の変調期間と非変調期間においてパルス幅が変化する非変調信号を生成するパルス幅変調手段と、
前記パルス幅が変化する信号を入力し、該信号をＤ級またはＥ級増幅することにより、同入力信号のパルス幅に対応する振幅の出力信号を得る増幅手段と
を有することを特徴とするリーダライタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触Integrated Circuit Card(以下、ＩＣカードと称する)などの非接触データキャリアと通信を行うリーダライタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来のリーダライタについて図３及び図４を参照しながら説明する。
【０００３】
図３は従来のリーダライタの回路動作を示す波形図、図４は従来のリーダライタの回路構成図である。
【０００４】
リーダライタ１４とＩＣカード２０との間では、ＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された符号化方式及び変調方式に基づく通信が行われる。
【０００５】
まず、ＩＣカード２０の構成及び動作について説明する。ＩＣカード２０は、ＩＣカードアンテナ２２とＩＣカードチップ２１から構成されており、ＩＣカードアンテナ２２はＩＣカードチップ２１に設けられたアンテナ端子に電気的に接続されている。
【０００６】
ＩＣカード２０は、電力受給手段として、リーダライタ１４のリーダライタアンテナ１０から送信された信号をＩＣカードアンテナ２２で受信し、この受信信号を整流、平滑化及び安定化して電力を得る手段を用いており、この得られた電力でＩＣカードチップ２１の回路を動作させている。
【０００７】
また、ＩＣカード２０は、クロック信号の受給手段として、受信された信号から搬送波成分を抽出し、波形整形してクロック信号を得る手段を用いており、このクロック信号でＩＣカードチップ２１に内蔵されているMicro Processing Unit(以下、ＭＰＵと称する)をはじめとした内部回路を動作させている。
【０００８】
また、ＩＣカード２０は、コマンド受信手段として、ＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された符号化方式及び変調方式に基づいた符号化及び振幅変調がなされた受信信号を、ＩＣカードチップ２１の内部回路で復調及び復号化してコマンドデータを認識している。
【０００９】
また、ＩＣカード２０は、内部処理動作として、前記認識したコマンドデータに応じた処理を行い、その処理結果をレスポンスデータとして用意する。
【００１０】
さらに、ＩＣカード２０は、レスポンス送信動作として、ＩＣカードチップ２１の内部回路で、このレスポンスデータを前記ＩＳＯ規格に基づく符号化方式及び変調方式で符号化及び変調し、ＩＣカードアンテナ２２からリーダライタアンテナ１０に向けて送信している。このレスポンス送信動作では、ＩＳＯ規格に基づき、リーダライタアンテナ１０から見たＩＣカードアンテナ２２のインピーダンスを変化させる負荷変調方式を用いている。
【００１１】
次に、リーダライタ１４の回路動作を説明する。
【００１２】
リーダライタ１４の回路は、コマンドデータを生成して出力し、かつレスポンスデータを入力して判断する専用Integrated Circuit (以下、ＩＣと称する)２と、振幅変調回路１５と、Ｂ級プッシュプルアンプ１６と、整合回路９と、リーダライタアンテナ１０と、発振回路６と、水晶振動子７と、フィルタ回路１１と、検波回路１２と、２値化回路１３とから構成されている。
【００１３】
発振回路６は、水晶振動子７を発振させて、Ｄｕｔｙ比が５０％である１３．５６ＭＨｚのクロック信号Ｂを出力する。クロック信号Ｂは、専用ＩＣ２に対して内部動作クロック信号として供給され、かつ、振幅変調回路１５に対して搬送波として供給される。
【００１４】
まず、リーダライタ１４がＩＣカード２０へコマンドデータを送信する動作について説明する。専用ＩＣ２は、コマンドデータをＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された符号化方式により符号化して、変調信号Ａとして出力する。振幅変調回路１５は、この変調信号Ａにより搬送波であるクロック信号Ｂを振幅変調し、振幅変調方式による被変調信号Ｋを出力する。Ｂ級プッシュプルアンプ１６は、この振幅変調方式による被変調信号ＫをＢ級プッシュプル増幅して送信信号Ｅを出力する。整合回路９は、ＩＣカード２０へのコマンド送信動作において、送信信号Ｅが、国内電波法で定められた適正な空中線電力で、かつＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された変調度でリーダライタアンテナ１０から送信されるように整合を図るものであり、振幅変調回路１５の変調度、及びＢ級プッシュプルアンプ１６の増幅度は、整合回路９が、前記適正な空中線電力、及び前記ＩＳＯ規格で規定された変調度に整合でき得る値に設定される。
【００１５】
同時に、整合回路９は、ＩＣカード２０からのレスポンス信号の受信動作において、リーダライタアンテナ１０から回路動作上、適正な振幅で受信信号Ｆが得られるように整合を図るものである。
【００１６】
次に、リーダライタ１４がＩＣカード２０からレスポンスデータを受信する動作について説明する。
【００１７】
リーダライタアンテナ１０で受信されたレスポンスの受信信号は、上述したように整合回路９から受信信号Ｆとして取り出される。フィルタ回路１１は、中心周波数が４２３．７５ｋＨｚのバンドパスフィルタであり、受信信号Ｆから、レスポンスデータを含む４２３．７５ｋＨｚの副搬送波成分であるフィルタ出力信号Ｇを抽出する。検波回路１２は、このフィルタ出力信号Ｇをさらにエンベロープ検波し、通信速度２６．４８ｋｂｉｔ／ｓｅｃ（以下、ｋｂｐｓと称する）の検波信号Ｈを出力する。この検波信号を２値化回路１３で２値化することにより、レスポンスデータの符号化信号である２値化信号Ｊが得られる。
【００１８】
専用ＩＣ２では、２値化信号Ｊのレスポンスデータのサンプリングを行うため、回路動作クロック信号として入力した１３．５６ＭＨｚのクロック信号Ｂを分周して２６．４８ｋＨｚのサンプリングタイミングを生成し、このサンプリングタイミングで入力された２値化信号Ｊをサンプリングしてサンプリングデータを得ている。
【００１９】
専用ＩＣ２は、さらに得られたサンプリングデータを復号化し、レスポンスデータの認識を行い、ＩＣカード２０からのレスポンスの受信を完了する。
【００２０】
このような一連の動作により、リーダライタ１４とＩＣカード２０とのＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された通信を行っている。
【特許文献１】特開平１１−３３８９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
近年、ＩＣカード市場では、電子マネーカードや公共カードに対するニーズが高まっており、これに対応したパーソナルユースの小型リーダライタが求められるようになっている。中でも、パーソナルコンピュータの周辺機器として使用される普及型リーダライタのニーズが高まっており、パーソナルコンピュータとUniversal Serial Bus (以下、ＵＳＢと称する)インタフェースで接続される仕様が求められている。
【００２２】
この場合、リーダライタは、ＵＳＢインタフェースによりパーソナルコンピュータと通信を行うとともに、パーソナルコンピュータからＵＳＢバスパワードで電力を供給されるという使い勝手の良い仕様が求められており、このためのリーダライタの低消費電力化が求められている。
【００２３】
以下、従来のリーダライタの消費電力について、説明する。
【００２４】
図４に示す従来のリーダライタ１４は、振幅変調方式による被変調信号Ｋの増幅をＢ級プッシュプルアンプ１６で行っているが、このＢ級プッシュプルアンプ１６の電力効率、すなわちＢ級プッシュプルアンプ１６への供給電力に対する送信出力である送信信号Ｅの電力の比は、実動作で５６％である。
【００２５】
一方、リーダライタ１４からＩＣカード２０への無線通信による電力伝送効率は２０％であり、かつ、ＩＣカード２０の最大消費電力は５０ｍＷである。
【００２６】
ここで、リーダライタ１４の回路において電力消費の大きい回路は、Ｂ級プッシュプルアンプ１６と、専用ＩＣ２であり、これらの回路の消費電力と比較して他の回路の消費電力は無視することができる値である。
【００２７】
Ｂ級プッシュプルアンプ１６の定格として求められる送信信号Ｅの最大出力電力は、
（数１）
５０ ÷ ０.２０ ＝ ２５０ 〔ｍＷ〕
となる。
【００２８】
前記の如く、Ｂ級プッシュプルアンプ１６の電力効率は５６％であるので、このＢ級プッシュプルアンプ１６に必要な最大供給電力は、
（数２）
２５０ ÷ ０.５６ ＝ ４４６ 〔ｍＷ〕
となる。
【００２９】
一方、専用ＩＣ２の消費電力は２００ｍＷであるので、リーダライタ１４の回路全体の最大消費電力は、
（数３）
４４６ ＋ ２００ ＝ ６４６ 〔ｍＷ〕
となる。
【００３０】
ＵＳＢバスパワードでは５Ｖの電源電圧で電力が供給され、リーダライタ１４の内部回路はすべて電源電圧５Ｖで動作する。このため、リーダライタ１４全体の電源電流は、
（数４）
６４６ ÷ ５ ＝ １２９ 〔ｍＡ〕
となる。
【００３１】
ＵＳＢバスパワードで電力供給を受ける場合、無電源のＵＳＢハブを介してホストコンピュータと接続されるケースを考慮すると、リーダライタのＵＳＢバスパワードによる供給電流は１００ｍＡ以下であることが要求される。
【００３２】
前記の如く、従来のリーダライタではこの値を超えてしまうため、ＵＳＢバスパワードで電源供給を受けることができないという問題がある。
【００３３】
本発明は、前記課題を解決するものであり、ホストコンピュータとＵＳＢインタフェースで通信を行い、かつ、ＵＳＢバスパワードで電力供給を受けることができる使い勝手の良いリーダライタを実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
前記課題を解決するため本発明のリードライタは、非接触データキャリアとの電磁誘導結合による無線通信を行う振幅変調方式のリーダライタであって、クロック信号と、同クロック信号を遅延させた遅延信号とを論理合成して該クロック信号より小さなパルス幅のパルス信号を生成するパルス生成手段と、前記クロック信号を基に、前記振幅変調の変調期間と非変調期間とを有した変調信号を生成する手段と、少なくとも前記パルス生成手段を含み、前記クロック信号と、前記パルス信号とを切り替えて出力することにより、前記変調信号の変調期間と非変調期間でパルス幅が変化する非変調信号を生成するパルス幅変調手段と、前記パルス幅が変化する信号を入力し、該信号をＤ級またはＥ級増幅することにより、同入力信号のパルス幅に対応する振幅の出力信号を得る増幅手段とを有している。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の振幅変調方式のリーダライタは、パルス幅変調された信号をＤ級或いはＥ級増幅することにより、振幅変調された出力パルスを得るため、電源利用効率の良い増幅動作によって振幅変調がなされる。従って、リーダライタの低消費電力化が図れるため、ホストコンピュータからのＵＳＢバスパワードでの電源供給によるリーダライタ駆動が可能となり、ホストコンピュータとのＵＳＢインタフェースのみで動作する、使い勝手の良いリーダライタを実現するという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について図１及び図２を参照しながら説明する。
【００３７】
図１は本発明の実施の形態におけるリーダライタの回路動作を示す波形図であり、図２は本発明の実施の形態におけるリーダライタの回路構成図である。
【００３８】
リーダライタ１とＩＣカード２０との間では、ＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された符号化方式及び変調方式に基づく通信が行われる。
【００３９】
データキャリア２０の構成及び回路動作は、図３，図４に示す従来技術と同様であるため、説明は省略する。
【００４０】
次に、本実施の形態におけるリーダライタ１の回路動作を説明する。
【００４１】
リーダライタ１の回路は、コマンドデータを生成して出力し、かつレスポンスデータを入力して判断する専用ＩＣ２と、パルス幅変調回路３と、Ｅ級アンプ８と、整合回路９と、リーダライタアンテナ１０と、発振回路６と、水晶振動子７と、フィルタ回路１１と、検波回路１２と、２値化回路１３とから構成されている。さらに、パルス幅変調回路３は、ゲート回路４と、遅延回路５とから構成されている。
【００４２】
ここで、発振回路６、水晶振動子７と、整合回路９、リーダライタアンテナ１０、フィルタ回路１１、検波回路１２および２値化回路１３は、図４に示す従来技術と同様であるため、説明は省略する。
【００４３】
クロック信号Ｂは、図４に示す従来技術と同様のＤｕｔｙ比が５０％である１３．５６ＭＨｚのクロック信号であり、専用ＩＣ２に対して内部動作クロック信号として供給され、かつ、パルス幅変調回路３に対して基準パルス幅の信号として供給される。
【００４４】
次に、リーダライタ１がデータキャリア２０へコマンドデータを送信する動作について説明する。
【００４５】
専用ＩＣ２は、コマンドデータをＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された符号化方式により符号化して、図４に示す従来技術と同様の変調信号Ａとして出力する。本実施の形態のパルス幅変調回路３は、変調信号Ａにより示される変調期間と非変調期間で出力信号のパルス幅を変化させる回路である。Ｅ級アンプ８は、パルス幅変調回路の出力信号であるパルス幅変調方式による被変調信号Ｄを入力してＥ級増幅を行うことにより、入力したパルス幅変調方式による被変調信号Ｄのパルス幅に応じて出力信号の振幅を変化させ、送信信号Ｅとして出力するものである。整合回路９は、データキャリア２０へのコマンド送信動作において、送信信号Ｅが、国内電波法で定められた適正な空中線電力で、かつＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された変調度でリーダライタアンテナ１０から送信されるように整合を図るものであり、パルス幅変調回路３のパルス幅の変化量、及びＥ級アンプ８のパルス幅−出力振幅特性は、整合回路９が、前記適正な空中線電力、及び前記ＩＳＯ規格で規定された変調度に整合でき得る値に設定される。
【００４６】
同時に、整合回路９は、ＩＣカード２０からのレスポンス信号の受信動作において、リーダライタアンテナ１０から回路動作上適正な振幅で受信信号Ｆが得られるように整合を図るものである。
【００４７】
リーダライタ１がＩＣカード２０からレスポンス信号を受信し、かつ処理する動作は従来のリーダライタと同様である。
【００４８】
次に、本実施の形態におけるパルス幅変調回路３の動作について説明する。
【００４９】
遅延回路５は、パルス幅の基準信号であるクロック信号Ｂを遅延し、遅延信号Ｃを出力する。ここで、遅延回路５の遅延時間は、クロック信号Ｂの（１／２）周期より小さい値である。
【００５０】
ゲート回路４は、図１に示すように、変調信号Ａが論理“１”である変調期間においてクロック信号Ｂと遅延信号Ｃの反転信号との論理積の信号Ｂ・（−Ｃ）を選択し、かつ、変調信号Ａが論理“０”である非変調期間にクロック信号Ｂを選択して出力してパルス幅変調方式による被変調信号Ｄを出力する回路である。すなわち、パルス幅変調方式による被変調信号Ｄは、周波数が常に１３．５６ＭＨｚであるとともに、変調期間にパルス幅が遅延回路５で設定されるＤｕｔｙ比が５０％より小さい信号Ｂ・（−Ｃ）となり、かつ、非変調期間にＤｕｔｙ比が５０％のクロック信号Ｂとなるものである。
【００５１】
Ｅ級アンプ８は、入力信号であるパルス幅変調による被変調信号Ｄのパルス幅が増大すると出力信号である送信信号Ｅの振幅が増大する特性を持つものである。
【００５２】
このような一連の動作の結果、送信信号Ｅは、非変調期間と比較して変調期間にその振幅が小さくなることになる。すなわち、パルス幅変調による被変調信号Ｄを振幅変調による送信信号Ｅに変換する、パルス幅−振幅変換が行われることになる。前記一連の動作により、リーダライタ１とＩＣカード２０とのＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された通信を行うことができるようになる。
【００５３】
次に、本実施の形態のリーダライタの消費電力について説明する。
【００５４】
リーダライタ１は、上述したように電力増幅をＥ級アンプ８により行っているが、このＥ級アンプ８の電力効率、すなわちＥ級アンプ８への供給電力に対する送信出力である送信信号Ｅの電力の比は、実動作で９２％である。
【００５５】
リーダライタ１の回路において、電力を大きく消費する回路は、従来のリーダライタ１４と同様に専用ＩＣ２と、Ｅ級アンプ８であり、これらの回路の消費電力と比較して他の回路の消費電力は無視できる値である。
【００５６】
一方、リーダライタ１からＩＣカード２０への無線通信による電力伝送効率は従来のリーダライタと同様の２０％であり、かつ、ＩＣカード２０の最大消費電力も従来と同様の５０ｍＷである。
【００５７】
Ｅ級アンプ８に必要とされる送信信号Ｅの最大出力電力は、従来のリーダライタ１４と同様に、
（数５）
５０ ÷ ０.２０ ＝ ２５０ 〔ｍＷ〕
となる。
【００５８】
上述したように、Ｅ級アンプ８の電力効率は９２％であるので、このＥ級アンプ８に必要な最大供給電力は、
（数６）
２５０ ÷ ０.９２ ＝ ２７２ 〔ｍＷ〕
となる。
【００５９】
一方、専用ＩＣ２の消費電力は従来と同様の２００ｍＷであるので、リーダライタ１の回路全体の最大消費電力は、
（数７）
２７２ ＋ ２００ = ４７２ 〔ｍＷ〕
となる。
【００６０】
図４に示す従来のリーダライタ１４と同様に、ＵＳＢバスパワードでは電源電圧で電力が供給され、リーダライタ１の内部回路はすべて電源電圧５Ｖで動作する。このため、リーダライタ１全体の電源電流は、
（数８）
４７２ ÷ ５ = ９４ 〔ｍＡ〕
となる。
【００６１】
すなわち、前述したＵＳＢバスパワードによる供給電流が１００ｍＡ以下である条件を満たすようになるので、リーダライタ１は、ＵＳＢバスパワードにより電源供給を受けることが可能となるのである。
【００６２】
本実施の形態では、ＩＳＯ14443 TypeＢ規格で規定された通信方式に対する応用例を示したが、本発明は、前述した実施の形態に限るものではなく、ＩＣカードへ送信する送信信号の変調方式が振幅変調方式であるすべてのリーダライタに応用することができるため、さらにＩＣカードとＩＳＯ15693規格、またはＩＳＯ14443 TypeＡ規格で規定された通信を行うリーダライタに応用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、リーダライタの低消費電力化を図り、この結果、ホストコンピュータからのＵＳＢバスパワードでの電源供給によるリーダライタ駆動が可能となることにより、ホストコンピュータとのＵＳＢインタフェースのみで動作する、使い勝手の良いリーダライタを実現するという優れた効果を奏するものであり、パーソナルコンピュータの周辺機器として使用される普及型リーダライタ等の分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明のリーダライタの回路動作を示す波形図
【図２】本発明のリーダライタの回路構成図
【図３】従来のリーダライタの回路動作を示す波形図
【図４】従来のリーダライタの回路構成図
【符号の説明】
【００６５】
１  （本発明の）リーダライタ
２  専用ＩＣ
３  パルス幅変調回路
４  ゲート回路
５  遅延回路
６  発振回路
７  水晶振動子
８  Ｅ級アンプ
９  整合回路
１０  リーダライタアンテナ
１１  フィルタ回路
１２  検波回路
１３  ２値化回路
１４  （従来の）リーダライタ
１５  振幅変調回路
１６  Ｂ級プッシュプルアンプ
２０  ＩＣカード
２１  ＩＣカードチップ
２２  ＩＣカードアンテナ
Ａ  変調信号
Ｂ  クロック信号
Ｃ  遅延信号
Ｄ  パルス幅変調方式による被変調信号
Ｅ  送信信号
Ｆ  受信信号
Ｇ  フィルタ出力信号
Ｈ  検波信号
Ｊ  ２値化信号
Ｋ  振幅変調方式による被変調信号
【図１】
2006067159.tif 000003
【図２】
2006067159.tif 000004
【図３】
2006067159.tif 000005
【図４】
2006067159.tif 000006