(57)【要約】【課題】簡便な構成で、受電電力の電力差による発熱を軽減できる非接触型通信システムを提供する。【解決手段】本発明は、リーダライタ装置に設けられた送電用アンテナコイルと、ＩＣカードに設けられた受電用アンテナコイルとが電磁結合することにより、リーダライタ装置からＩＣカードに非接触で電力が供給される非接触型通信システムにおいて、リーダライタ装置とＩＣカードとの間の電磁結合特性を調整する方法である。給電装置は、送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子をさらに備えている。送電用アンテナコイルから受電用アンテナコイルまでの通信距離が０より大きい所定値であるときに半導体装置の受け取る受電電力が最大となるように、調整用インピーダンス素子のインピーダンスが決定される。【選択図】  図１
2004166384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電装置に設けられた送電用アンテナコイルと、半導体装置に設けられた受電用アンテナコイルとが電磁結合することにより、前記給電装置から前記半導体装置に非接触で電力が供給される非接触型給電システムにおいて、前記給電装置と前記半導体装置との間の電磁結合特性を調整する非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法であって、
前記給電装置は、前記送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子をさらに備えており、
前記送電用アンテナコイルから前記受電用アンテナコイルまでの距離である送電距離が０より大きい所定値であるときに前記半導体装置の受け取る受電電力が最大となるように、前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することを特徴とする非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法。
【請求項２】
前記インピーダンスを決定することは、
前記送電用アンテナコイルおよび前記受電用アンテナコイルの電磁結合係数と前記送電距離との対応関係を決定し、
前記送電距離の所定値に対応する電磁結合係数において前記受電電力が最大となるように前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法。
【請求項３】
前記送電距離が所定範囲内であるときに、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るように、前記給電装置から供給する送電電力を決定することを特徴とする請求項１に記載の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法。
【請求項４】
給電装置に設けられた送電用アンテナコイルと、半導体装置に設けられた受電用アンテナコイルとが電磁結合することにより、前記給電装置から前記半導体装置に非接触で電力が供給される非接触型給電システムにおいて、前記給電装置と前記半導体装置との間の電磁結合特性を調整する非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法であって、
前記給電装置は、前記送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子をさらに備えており、
前記送電用アンテナコイルから前記受電用アンテナコイルまでの距離である送電距離が所定範囲内であるときに、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るように、前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することを特徴とする非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法。
【請求項５】
前記インピーダンスを決定することは、
前記送電用アンテナコイルおよび前記受電用アンテナコイルの電磁結合係数と前記送電距離との対応関係を決定し、
前記送電距離の所定範囲に対応する電磁結合係数において、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るように、前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することにより行われることを特徴とする請求項４に記載の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法。
【請求項６】
前記調整用インピーダンス素子はコンデンサであることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法。
【請求項７】
半導体装置に設けられた受電用アンテナコイルと電磁結合する送電用アンテナコイルを備えることにより、前記半導体装置に非接触で電力を供給する給電装置において、
前記送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子を備えており、
前記調整用インピーダンス素子は、前記送電用アンテナコイルから前記受電用アンテナコイルまでの距離である送電距離に関して、前記半導体装置にて受け取る受電電力が最大となる送電距離が、下限が０より大きい所定範囲内にあるようなインピーダンスであることを特徴とする給電装置。
【請求項８】
前記送電距離が前記所定範囲内である場合に、
前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るような送電電力を前記送電アンテナコイルに供給することを特徴とする請求項７に記載の給電装置。
【請求項９】
前記調整用インピーダンス素子はコンデンサであることを特徴とする請求項７または８に記載の給電装置。
【請求項１０】
請求項７ないし９の何れか１項に記載の給電装置と、該給電装置の送電用アンテナコイルと電磁結合する受電用アンテナコイルを備える半導体装置とを備えることを特徴とする非接触型給電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣカードなどの半導体装置と、該半導体装置と電磁結合することにより前記半導体装置に非接触で電力を供給する給電装置とを備えた非接触型給電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プラスチック製のカードに、不揮発性メモリやＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などからなるＩＣチップなどを埋め込んだＩＣカードが普及しつつある。前記ＩＣカードは、現在広く利用されている磁気カードと比較して、より大量のデータを扱うことが可能であること、セキュリティに優れていることなどの利点を有しており、次世代のカードとして注目を集めている。
【０００３】
また、ＩＣカードは、現在の磁気カードで行われているような様々なアプリケーションを実現できるだけでなく、技術的な制限から磁気カードの機能として利用することができなかったアプリケーションにも広く応用することができることから、急速に普及しつつある。また、１枚のカードに複数のアプリケーションを搭載可能な多目的ＩＣカードの利用が期待されている。
【０００４】
ＩＣカードに対する電力の供給と情報の読み書きとはリーダライタ装置によって行われる。ＩＣカードおよびリーダライタ装置は、両者のインターフェースによって接触型と非接触型とに分類される。
【０００５】
接触型の場合には、ＩＣカードおよびリーダライタ装置にそれぞれ金属製の接続端子が設けられている。ＩＣカードの接続端子をリーダライタ装置の接続端子に接触させることにより、リーダライタ装置はＩＣカードに対して電力を供給するとともにデータを送受信することができる。
【０００６】
一方、非接触型の場合には、ＩＣカードおよびリーダライタ装置にそれぞれアンテナコイルが設けられている。リーダライタ装置のアンテナコイルが変動磁界を発生し、発生した変動磁界にＩＣカードのアンテナコイルを進入させることによって、電磁誘導技術によりリーダライタ装置はＩＣカードに対して電力を供給するとともにデータを送受信することができる。
【０００７】
非接触型ＩＣカードは、アンテナコイルにて発生した誘起電圧を、ダイオードブリッジにて整流した後に、各機能ブロックに供給している。なお、非接触型リーダライタ装置のアンテナコイルから非接触型ＩＣカードのアンテナコイルに伝搬する電磁波としては、例えば、キャリア周波数が数ＭＨｚ（メガヘルツ）〜数１０ＭＨｚ程度である電波が挙げられる。
【０００８】
非接触型ＩＣカードは、外部装置との接続端子を持たないので、接続端子の接点部の破損などが生じる心配がなく、また、非接触型リーダライタ装置に対して近づけるだけで電力の供給およびデータの送受信を行うことが可能となっている。よって、非接触型ＩＣカードは、メンテナンスコストの低減、取り扱いの容易性、処理の高速性などの利点を有することになる。
【０００９】
さらに、非接触型リーダライタ装置は、非接触型ＩＣカードを固定する構造を有するものと、有しないものとに大別される。前者は密閉型（クローズ型）と称され、後者は開放型（オープン型）と称されている。
【００１０】
密閉型リーダライタ装置とＩＣカードとの通信距離は、約５ｍｍ以下であり、約１ｍｍで頻繁に利用されている。このように、密閉型リーダライタ装置およびＩＣカードは、その通信距離が非常に短いので、情報のセキュリティを重視する金融分野での利用が注目されてきた。このため、従来は、密閉型の方が開放型よりも頻繁に利用されてきた。
【００１１】
近年、交通分野や、入退室管理システムへの非接触型ＩＣカードの利用が進むにつれて、密閉型より利便性の高い開放型への移行が行われている。例えば、ＩＣカードを鉄道やバスなどの乗車券に適用するとともに、開放型リーダライタ装置を改札ゲートに配備しておき、ＩＣカードを改札ゲートにかざしてデータ処理を行ったり（かざし処理）、改札ゲートに瞬間的に接触させてデータ処理を行ったり（タッチ＆ゴー処理）する利用方法が考えられている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−３３８９８３号公報（発行日：１９９９年１２月１０日）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、開放型の場合は、リーダライタ装置とＩＣカードとの通信距離が固定されないことに起因して、リーダライタ装置からＩＣカードへの電力供給の点で問題が生じる。図８は、開放型リーダライタ装置からの送電電力を一定とした場合における、開放型リーダライタ装置からＩＣカードまでの通信距離と、ＩＣカードの受電電力との関係を示している。同図を参照すると、通信距離が０の場合に受電電力が最大であり、通信距離が長くなるにつれて受電電力が減少していくことが理解できる。
【００１４】
このため、使用が想定される通信距離の範囲内において、近距離に存在するＩＣカードは、遠距離に存在するＩＣカードに比べて受電電力が大きくなる。この電力差は熱に変換されるため、ＩＣカードは、近距離に長時間放置されると発熱する問題が生じる。
【００１５】
また、前述のように、多目的ＩＣカードの利用が期待されているが、多目的ＩＣカードには、１ＭＢ（メガバイト）以上の不揮発性メモリを内蔵することが必要とされており、この場合には消費電力が増大することになる。このため、多目的ＩＣカードは、従来のＩＣカードに比べて、動作可能な最低電圧が増加するので、リーダライタ装置からの受電電力を増加する必要がある。
【００１６】
図９は、前記送電電力を増加した場合における前記通信距離と前記受電電力との関係を示している。同図を参照すると、通信距離が同じで受電電力を増加させるには、送電電力を増加させればよいことが理解できる。
【００１７】
しかしながら、送電電力を増加させると、異なる通信距離における受電電力の電力差もまた増加することになる。また、送電電力を過度に増加させると、他の機器に悪影響を及ぼすおそれがある。したがって、多目的ＩＣカードを利用するためにも、受電電力の電力差による発熱を軽減することが求められている。
【００１８】
また、近時、さらなる利便性のために、ＩＣカードが動作可能な通信距離を延長することが求められている。しかしながら、通信距離を延長するには、図９に示されるように、送電電力を増加させる必要があり、上記と同様の問題が発生する。
【００１９】
前記発熱の問題に対して、リーダライタ装置からＩＣカードまでの通信距離に応じて、リーダライタ装置からの送電電力を調整する方法があり、例えば、特開平１１−３３８９８３号公報に開示されている。図７は、前記公報に開示されたリーダライタ装置およびＩＣカードの構成例を示している。図中の破線から左側がリーダライタ装置１００の構成例であり、右側がＩＣカード１０１の構成例である。
【００２０】
リーダライタ装置１００は、発振器１１０、電力制御回路１１１、増幅器１１２、整合回路１１３、電圧検知回路１１４、リーダライタ用ＩＣ１１５、同調コンデンサ１１６、およびアンテナコイル１１７を備える構成である。発振器１１０から出力された高周波が増幅器１１２にて増幅され、整合回路１１３を介してアンテナコイル１１７へ供給される。アンテナコイル１１７には、伝送効率を上げるため、同調コンデンサ１１６が直接接続されている。なお、図７の回路図では、アンテナコイル１１７は、インダクタンス成分Ｌ１と抵抗成分Ｒ１とに分けて描かれている。
【００２１】
また、ＩＣカード１０１は、アンテナコイル１２０、同調コンデンサ１２１、整流回路部１２２、およびＩＣカードロジック部１２３を備える構成である。リーダライタ装置１００と同様に、アンテナコイル１２０にも、同調コンデンサ１２１が並列接続されており、アンテナコイル１２０の自己インダクタンスＬ２と共振して伝送効率を高めるようにしている。ＩＣカード１０１のアンテナコイル１２０がリーダライタ装置１００のアンテナコイル１１７と電磁結合すると、誘起電圧が発生し、発生した誘起電圧は、整流回路部１２２にて整流されるとともに所定の電圧に調整され、ＩＣカードロジック部１２３に供給される。
【００２２】
上記構成のリーダライタ装置１００は、アンテナコイル１１７への供給電力を制御する電力制御回路１１１と、自装置のアンテナコイル１１７への入力電圧を検出するための電圧検知回路１１４と、リーダライタ用ＩＣ１１５に記憶された第１のテーブルおよび第２のテーブルとを備えることを特徴としている。
【００２３】
ここで、第１のテーブルは、電力制御回路１１１からの出力電圧Ｖｓと、電圧検知回路１１４が検出したアンテナコイルへの入力電圧Ｖとから結合係数ｋを導出するためのものである。これは、関係式Ｖ＝Ｖｓ・ｆ（ｋ）（ｆは或る関数である。）に基づいている。
【００２４】
また、第２のテーブルは、前記結合係数ｋと最適な受電電力Ｐとから、結合係数ｋに対する最適な（余分な熱を発生しない）電圧Ｖｓを導出するためのものである。これは、関係式Ｐ＝ｇ（Ｖｓ，ｋ）（ｇは或る関数である。）に基づいている。
【００２５】
上記の構成において、電圧検知回路１１４は、或る制御タイミングで増幅器１１２の出力電圧Ｖ（自装置のアンテナコイル１１７への入力電圧）を検出する。検出された出力電圧Ｖの値は、リーダライタ用ＩＣ１１５に送信される。また、リーダライタ用ＩＣ１１５は、電力制御回路１１１の出力電圧Ｖｓを制御するから、該出力電圧Ｖｓを既に取得していることになる。
【００２６】
次に、リーダライタ用ＩＣ１１５は、増幅器１１２の出力電圧Ｖと電力制御回路１１１の出力電圧Ｖｓとを用いて、第１テーブルを参照することにより結合係数ｋを取得する。次に、リーダライタ用ＩＣ１１５は、取得された結合係数ｋと、ＩＣカードが受電するのに最適な受電電力Ｐとを用いて、第２テーブルを参照することにより結合係数ｋに対する最適な（余分な熱を発生しない）電力制御回路１１１の出力電圧Ｖｓを取得する。
【００２７】
そして、リーダライタ用ＩＣ１１５は、取得した出力電圧Ｖｓを出力するように電力制御回路１１１を制御する。これにより、余分な電力の供給を削除し、電力差による発熱を防止することができる。
【００２８】
しかしながら、上記構成のＩＣカード１０１およびリーダライタ装置１００は、受電電力の電力差による発熱防止に効果があるものの、リーダライタ装置１００は、電力制御回路１１１および電圧検知回路１１４を備える必要があるから、回路規模が拡大するとともに消費電力が増大することになる。
【００２９】
また、ＩＣカード１０１およびリーダライタ装置１００は、通信距離を延長するには、依然として送電電力を増加する必要がある。このため、送電電力の増加による他の機器への悪影響という問題が依然として残ることになる。
【００３０】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、簡便な構成で、受電電力の電力差による発熱を軽減できる非接触型給電システムを提供することにある。また、本発明の別の目的は、半導体装置が動作可能な給電装置からの距離を、送電電力を増加することなく延長できる非接触型給電システムを提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、給電装置に設けられた送電用アンテナコイルと、半導体装置に設けられた受電用アンテナコイルとが電磁結合することにより、前記給電装置から前記半導体装置に非接触で電力が供給される非接触型給電システムにおいて、前記給電装置と前記半導体装置との間の電磁結合特性を調整する非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法であって、前記給電装置は、前記送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子をさらに備えており、前記送電用アンテナコイルから前記受電用アンテナコイルまでの距離である送電距離が０より大きい所定値であるときに前記半導体装置の受け取る受電電力が最大となるように、前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することを特徴としている。
【００３２】
ここで、送電距離の所定値は、利用が想定される送電距離の付近であることが望ましい。例えば、半導体装置がＩＣカードであり、給電装置がリーダライタ装置である非接触型通信システムの場合には、ＩＣカードおよびリーダライタ装置間の通信距離に応じて、密着型、近接型、および近傍型に分類され、それぞれＩＳＯ１０５３６、ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３、およびＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３において標準化が進められている。密着型、近接型、および近傍型において利用が想定されている通信距離は、それぞれ約１ｍｍ（ミリメートル）、約１００ｍｍ、および約７００ｍｍである。したがって、非接触型通信システムの場合には、前記送電距離の所定値は、密着型では約１ｍｍ付近、近接型では約１００ｍｍ付近、近傍型では約７００ｍｍ付近であることが望ましい。
【００３３】
上記の方法によると、送電距離の所定値において受電電力が最大となるように、給電装置における調整用インピーダンス素子のインピーダンスが決定される。ところで、一般的な関数ｙ＝ｆ（ｘ）では、極大または極小の付近では、従属変数ｙの変化量は小さい。また、間に極大または極小を挟む場合には、従属変数ｙは、増加および減少の両方を伴うから、従属変数ｙの差が小さくなる。すなわち、一般に、所定範囲内において、単調減少または単調増加する関数よりも、極大または極小が存在する関数の方が、従属変数の範囲が狭いことになる。
【００３４】
したがって、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、送電距離が０である場合に受電電力が最大となり、送電距離が長くなるにつれて受電電力が単調に減少する従来の場合に比べて、異なる送電距離における受電電力の電力差を小さくすることができる。その結果、調整用インピーダンス素子を設けるという簡便な構成で、受電電力の電力差による発熱を軽減することができる。
【００３５】
また、半導体装置が動作可能な給電装置からの送電距離を延長する場合には、延長された送電距離と、受電電力が最大となる送電距離との差が、従来よりも小さくなるので、延長された送電距離における受電電力を従来よりも大きくすることができる。したがって、送電電力を増加することなく、前記送電距離を延長することができる。
【００３６】
さらに、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、上記の方法において、前記インピーダンスを決定することは、前記送電用アンテナコイルおよび前記受電用アンテナコイルの電磁結合係数と前記送電距離との対応関係を決定し、前記送電距離の所定値に対応する電磁結合係数において前記受電電力が最大となるように前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することにより行われることを特徴としている。
【００３７】
電磁結合係数は、アンテナコイル同士の幾何学的配置によって決定する。したがって、送電距離は、電磁結合係数に対応させることができる。また、電磁結合係数と受電電力との関係は、等価回路図から容易に求めることができる。
【００３８】
したがって、上記の方法によると、送電距離と電磁結合係数との対応関係を求めることにより、調整用インピーダンス素子のインピーダンスを容易に決定することができる。
【００３９】
さらに、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、上記の方法において、前記送電距離が所定範囲内であるときに、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るように、前記給電装置から供給する送電電力を決定することを特徴としている。
【００４０】
ここで、送電距離の所定範囲内は、利用が想定される送電距離の範囲内であることが望ましい。例えば、半導体装置がＩＣカードであり、給電装置がリーダライタ装置である非接触型通信システムにおいて、密着型では約５ｍｍ以下、近接型では約１００ｍｍ以下、近傍型では約７００ｍｍ以下であることが望ましい。
【００４１】
従来は、送電距離の下限が固定（０）であるので、送電電力を増加しても、送電距離の範囲の上限が増加するのみである。これに対し、本発明では、受電電力が最大となる送電距離が０より大きいので、送電電力を増加すると、送電距離の範囲の上限が増加するとともに下限が減少する。したがって、上記の方法によると、送電電力を少し増加するのみで、送電距離の範囲を従来よりも拡大することができるので、送電距離が所定範囲内において最低電力を受電電力が上回るような送電電力を容易に決定することができる。
【００４２】
また、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、給電装置に設けられた送電用アンテナコイルと、半導体装置に設けられた受電用アンテナコイルとが電磁結合することにより、前記給電装置から前記半導体装置に非接触で電力が供給される非接触型給電システムにおいて、前記給電装置と前記半導体装置との間の電磁結合特性を調整する非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法であって、前記給電装置は、前記送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子をさらに備えており、前記送電用アンテナコイルから前記受電用アンテナコイルまでの距離である送電距離が所定範囲内であるときに、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るように、前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することを特徴としている。
【００４３】
上記の方法によると、送電距離の所定範囲内において最低電力を受電電力が上回るように、調整用インピーダンス素子のインピーダンスが決定される。この場合でも、前述のように従来の場合に比べて、異なる送電距離における受電電力の電力差を小さくすることができるから、調整用インピーダンス素子を設けるという簡便な構成で、受電電力の電力差による発熱を軽減することができる。
【００４４】
さらに、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、上記の方法において、前記インピーダンスを決定することは、前記送電用アンテナコイルおよび前記受電用アンテナコイルの電磁結合係数と前記送電距離との対応関係を決定し、前記送電距離の所定範囲に対応する電磁結合係数において、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るように、前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することにより行われることを特徴としている。
【００４５】
上記の方法によると、前述のように、送電距離と電磁結合係数との対応関係を求めることにより、調整用インピーダンス素子のインピーダンスを容易に決定することができる。
【００４６】
なお、前記調整用インピーダンス素子はコンデンサであることが望ましい。
【００４７】
また、本発明の給電装置は、半導体装置に設けられた受電用アンテナコイルと電磁結合する送電用アンテナコイルを備えることにより、前記半導体装置に非接触で電力を供給する給電装置において、前記送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子を備えており、前記調整用インピーダンス素子は、前記送電用アンテナコイルから前記受電用アンテナコイルまでの距離である送電距離に関して、前記半導体装置にて受け取る受電電力が最大となる送電距離が、下限が０より大きい所定範囲内にあるようなインピーダンスであることを特徴としている。
【００４８】
上記の構成によると、調整用インピーダンス素子により、受電電力が最大となる送電距離が０より大きくなっている。したがって、前述のように、従来の場合に比べて、異なる送電距離における受電電力の電力差を小さくすることができるので、調整用インピーダンス素子を設けるという簡便な構成で、受電電力の電力差による発熱を軽減することができる。
【００４９】
また、半導体装置が動作可能な給電装置からの送電距離を延長する場合には、延長された送電距離と、受電電力が最大となる送電距離との差が、従来よりも小さくなるので、延長された送電距離における受電電力を従来よりも大きくすることができる。したがって、送電電力を増加することなく、前記送電距離を延長することができる。
【００５０】
さらに、本発明の給電装置は、上記の構成において、前記送電距離が前記所定範囲内である場合に、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るような送電電力を前記送電アンテナコイルに供給することを特徴としている。
【００５１】
上記の構成によると、前述のように、送電電力を少し増加するのみで、送電距離の範囲を従来よりも拡大することができるので、送電距離が所定範囲内において最低電力を受電電力が上回るような送電電力を容易に決定することができる。
【００５２】
なお、前記調整用インピーダンス素子はコンデンサであることが望ましい。
【００５３】
また、本発明の非接触型給電システムは、上記構成の給電装置と、該給電装置の送電用アンテナコイルと電磁結合する受電用アンテナコイルを備える半導体装置とを備えることを特徴としている。
【００５４】
上記構成の非接触型給電システムは、上記構成の給電装置を備えるから、前述と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図３は、本実施形態に用いられる非接触型ＩＣカードシステムの回路構成例を示している。図中の破線部から左側がリーダライタ装置１（給電装置）の構成例であり、右側がＩＣカード２（半導体装置）の構成例である。
【００５６】
リーダライタ装置１は、発振器１０、増幅器１１、調整用コンデンサ１２・１３、およびアンテナコイル１４を備える構成である。発振器１０から出力された高周波が増幅器１１にて増幅されてアンテナコイル１４へ供給される。本実施形態では、リーダライタ装置１には、アンテナコイル１４に直列接続された調整用コンデンサ（調整用インピーダンス素子）１２と、アンテナコイル１４に並列接続された調整用コンデンサ（調整用インピーダンス素子）１３とが配備される。
【００５７】
一方、ＩＣカード２は、アンテナコイル２０、同調コンデンサ２１、整流回路部２２、およびＩＣカードロジック部２３を備える構成である。アンテナコイル２０には、同調コンデンサ２２が並列接続されており、アンテナコイル２０の自己インダクタンスＬ２と共振して伝送効率を高めるようにしている。ＩＣカード２のアンテナコイル２０がリーダライタ装置１のアンテナコイル１４と電磁結合すると誘起電圧が発生し、発生した誘起電圧は、整流回路部２２にて整流されるとともに所定の電圧に調整され、ＩＣカードロジック部２３に供給される。
【００５８】
本実施形態の非接触型ＩＣカードシステムは、通信距離が０ｍｍ〜５０ｍｍの近接型である。以下、前記通信距離内においてリーダライタ装置１のアンテナコイル１４とＩＣカード２のアンテナコイル２０との電磁結合特性を計算する方法について説明する。なお、アンテナコイル１４・２０の形状により電磁結合特性が変化するから、以下では、アンテナコイル１４・２０の形状は固定されているものとする。
【００５９】
本実施形態では、以上の手順に沿って、通信距離を０ｍｍから５０ｍｍへ拡大させる。
（１）            通信距離に応じた結合係数ｋを求める。
（２）            受電出力が最大となる通信距離が所定の通信距離内に存在するように調整用コンデンサ１２・１３の容量ＣＡ・ＣＢを求める。
（３）            受電出力が所定の通信距離内で、常にＩＣカード動作最大消費電力を供給することが可能なようにリーダライタ装置の出力電圧Ｖ０を決定する。
【００６０】
前述のように、結合係数ｋは、アンテナコイル１４・２０同士の幾何学的配置によって決定されるから、シミュレーション等で計算可能である。また、アンテナコイル１４・２０を固定形状としているから、結合係数ｋは、通信距離ｌに依存することになる。
【００６１】
結合係数ｋと通信距離ｌとの関係を図６に示す。同図を参照すると、結合係数ｋは、通信距離ｌに対して単調減少する関数であり、通信距離ｌに対して一意に定まることが理解できる。すなわち、通信距離ｌの範囲を定めると、結合係数ｋの範囲が一意に定まることになる。
【００６２】
同図の場合では、通信距離ｌを０ｍｍ〜５０ｍｍとすると、結合係数ｋが０．０５〜０．２７となる。この結合係数ｋの範囲内で受電電力が最大となるように調整用コンデンサ１２・１３の容量ＣＡ・ＣＢを求める。この算出には、図４に示されるような、本システム構成に対応する電磁結合等価回路が利用される。
【００６３】
図４および図５は、リーダライタ装置１とＩＣカード２との電磁結合等価回路を示している。以下、回路の各構成要素について説明する。抵抗ＲＬは、ＩＣカード２に備えられている半導体装置の最大負荷抵抗であり、ＩＣカード２に利用される半導体装置の動作電流値から算出している。抵抗ＲＬの両端に印加される電圧ＶＢは、リーダライタ装置１との電磁結合により供給された受電電力により生成される。
【００６４】
容量Ｃ２は、アンテナコイル２０に並列接続された同調コンデンサ２１の容量であり、容量Ｃ３はチップ内蔵のコンデンサの容量である。なお、容量Ｃ３は内蔵されていない場合もある。本実施形態においては、ＩＣカード２のアンテナコイル２０のコイル定数は特に変更しないため、容量Ｃ２には、ＩＣカード２に実装されているコイル定数から適当な値が設定される。
【００６５】
抵抗Ｒ２は、アンテナコイル２０の損失抵抗であり、インダクタンスＬ２は、アンテナコイル２０の自己インダクタンスである。抵抗Ｒ２およびインダクタンスＬ２−Ｍは、上記と同様の理由により、コイル定数から値が固定される。
【００６６】
インダクタンスＭは、アンテナコイル１４・２０の相互インダクタンスであり、結合係数ｋと相互インダクタンスＭとの間には、一般に、次式のような関係式が成立している。
【００６７】
ｋ＝Ｍ／（Ｌ１×Ｌ２）１／２−−−−−（ａ）
すなわち、Ｍ＝ｋ（Ｌ１＊Ｌ２）１／２−−−−（ａ’）
インダクタンスＬ１は、リーダライタ装置１のアンテナコイル１４の自己インダクタンスであり、抵抗Ｒ１は、アンテナコイル１４の損失抵抗である。抵抗Ｒ１およびインダクタンスＬ１−Ｍは、上記と同様の理由により、コイル定数から値が固定される。
【００６８】
したがって、本実施形態において抵抗ＲＬに供給される電力ＰＢ、すなわちＩＣカード２の受電電力ＰＢに対する変動パラメータは、調整用コンデンサ１２・１３の容量ＣＡ・ＣＢ、および結合係数ｋとなる。
【００６９】
なお、リーダライタ装置１の増幅器１１の出力抵抗Ｒ０は５０Ωに設定している。ただし、出力抵抗Ｒ０が虚数成分を持ったインピーダンス（Ｒ＋ｊＸ）であっても、同様に計算が可能である。
【００７０】
図５において、簡略図は以下のように示される。回路ブロックをＡ点、Ｇ点、Ｅ点、Ｃ点、Ｂ点に分け、それぞれの点からＩＣカード側を見たインピーダンスをそれぞれ、ＺＡ、ＺＧ、ＺＥ、ＺＣ、ＺＢとする。
【００７１】
Ａ点から見たＩＣカード側インピーダンスＺＡは、コイル定数（Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ２）、ＩＣカード側定数ＲＬ、Ｃ３を決めておけば、次式のように、ＣＡ、ＣＢ、ｋを変数（パラメータ）とした関数とすることができる。
【００７２】
ＺＡ＝ｆＡ（ＣＡ，ＣＢ，ｋ）  −−−（式０）
したがって、コイル定数（Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ２）、カード側定数ＲＬ、Ｃ３にある数値を代入することで関数ｆＡが求められる。なお、ＺＢ，ＺＣ，は定数、ＺＥはｋを変数とする関数、ＺＧはＣＢ，ｋを変数とする関数であることは明白である。
【００７３】
次に、Ａ点での電位ＶＡは、起電力Ｖ０をＲ０とＺＡで分割した電圧となるので、次式のようになる。
【００７４】
ＶＡ＝Ｖ０（ＺＡ／（Ｒ０＋ＺＡ））  −−−（式１）
次に、Ｇ点（Ｆ点）での電位ＶＧは、Ａ点での電位ＶＡをＣＡのインピーダンスとＺＧで分割した電圧となるので、次式のようになる。
【００７５】
ＶＧ＝ＶＡ（ＺＧ／（（１／ｊｗＣＡ）＋ＺＧ）  −−−（式２）
次に、Ｅ点での電圧ＶＥは、Ｇ点（Ｆ点）の電圧ＶＧをＲ１、（Ｌ１−Ｍ）のインピーダンス、およびＺＥで分割した電圧となるので、次式のようになる。
【００７６】
ＶＥ＝ＶＧ（ＺＥ／Ｒ１＋ｊｗ（Ｌ１−Ｍ）＋ＺＥ）  −−−（式３）
次に、Ｃ点での電圧ＶＣは、Ｅ点（Ｄ点）の電圧ＶＥをＲ２、（Ｌ２−Ｍ）のインピーダンスとＺＣで分割した電圧となるので、次式のようになる。
【００７７】
ＶＣ＝ＶＥ（ＺＣ／Ｒ２＋ｊｗ（Ｌ２−Ｍ）＋ＺＣ）  −−−（式４）
次に、Ｂ点での電圧ＶＢは、Ｃ点での電圧ＶＣをＣ３のインピーダンス（１／ｊｗＣ３）とＲＬで分割した電圧となるので、次式のようになる。
【００７８】
ＶＢ＝ＶＣ（ＲＬ／（（１／ｊｗＣ３）＋ＲＬ））  −−−（式５）
そして、Ｂ点での電力ＰＢは次式のようになる。
【００７９】
ＰＢ＝ＶＢ２／ＲＬ  −−−（式６）
また、詳細は省略するが、コイル定数（Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ２）、カード側定数ＲＬ、Ｃ３を採用し、（式０）〜（式６）および（ａ’）を変形することにより、（式６）は、次式のように、ＣＡ、ＣＢ、ｋを変数とする関数ｆ２とすることができる。
ＰＢ＝ｆ２（ＣＡ，ＣＢ，ｋ）  −−−（式７）
以上の調整によりリーダライタ側およびＩＣカード側コイル定数をある数値に設定しておいた場合における通信距離と受電電力との関係を図１に示す。同図において、縦軸はＩＣカード２の受電電力を示しており、受電電力Ａ１はＩＣカード用の半導体装置が消費する電力を示している。すなわち、受電電力Ａ１は、非接触型ＩＣカードが動作可能な最低電力を示しており、受電電力がＡ１より少ないとＩＣカード２は動作しない。
【００８０】
また、横軸は結合係数ｋを示している。上述のように結合係数ｋは通信距離ｌに対して単調減少な関数であるから、結合係数ｋの増加に伴い、通信距離ｌは減少する。例えば、或るアンテナ形状では、ｋ＝０．０５のとき、ｌ＝５０ｍｍ程度であり、ｋ＝０．１０のとき、ｌ＝３２ｍｍ程度であり、ｋ＝０．２７のとき、ｌ＝０ｍｍ程度であった。
【００８１】
図１において、曲線ａは従来の受電電力特性を示している。曲線ａでは、通信距離ｌ＝０ｍｍで受電電力が最大となるように構成されており，通信距離が長くなるにつれて受電電力が小さくなっていき、通信距離１５ｍｍで半導体装置の消費電力を下回っている。従って、通信距離の最大値は１５ｍｍ程度となる。
【００８２】
通信距離の最大値を５０ｍｍ程度とするには、送電電力を著しく増加させればよいが、通信距離ｌ＝０ｍｍにおける最大の受電電力と受電電力Ａ１との差が著しく大きくなるため、前述のような発熱の問題が生じることになる。
【００８３】
次に、変数ＣＡ・ＣＢを変更して受電電力特性をプロットし、これを繰り返すことにより最適な受電電力特性を求める。容量ＣＡ＝１０ｐＦ（ピコファラッド）、容量ＣＢ＝６０ｐＦの場合の受電電力特性を図１の曲線ｂに示す。
【００８４】
曲線ｂでは、ｋ＝０．１０、すなわち通信距離ｌ＝３２ｍｍ程度において、受電電力が最大となる。従って、通信距離が３２ｍｍ付近においてＩＣカードを頻度よく使用することが可能である。このとき、余分な電力（Ａ２−Ａ１）は発熱に寄与することとなるが、この発熱量は、ＩＣカード２が故障することなく動作可能な許容範囲内であった。
【００８５】
なお、上述のように、リーダライタ装置１の出力電圧Ｖ０を変更すると、受電電力特性は縦方向に変化することになる。図１の曲線ｂの設定では、通信距離が０ｍｍおよび５０ｍｍにおいて受電電力Ａ１を確保するように、リーダライタ装置１の出力電圧Ｖ０を設定している。
【００８６】
本調整により、通信距離ｌ＝０ｍｍの密着状態においても、ＩＣカード２を動作させることが可能である。これは、前述した密閉型リーダライタ装置への適用が可能であることを示している。
【００８７】
また、通信距離ｌ＝０ｍｍにおける受電電力は、ＩＣカードの半導体装置の消費電力を僅かに上回る数値に設計しているために、余分な電力による発熱、または、発熱により発生する不具合を防止する効果がある。
【００８８】
さらに、通信距離ｌ＝３２ｍｍ付近において、受電電力はＡ２程度に達しており、この場合の動作電力としては十分なマージンを確保しているので、使用頻度の多い通信距離として利用可能である。
【００８９】
また、通信距離＝５０ｍｍ付近を越えると、最低動作電圧を下回るようになる。したがって、この距離が、この調整条件での最大通信距離になると考えられる。
【００９０】
このようにして、ＩＣカード２の受電電力を増大させ、通信距離を拡大させる効果を求めた非接触型カードシステムにおいて、近接型ＩＣカードが最もよく使用され得る通信距離（約３２ｍｍ）において、受電電力が最大となるとともに、非接触型のリーダライタ装置１およびＩＣカード２が密着した状態（通信距離ｌ＝０）においては、ＩＣカード２の最低動作電圧を上回る程度の受電電力を発生させることが可能なインピーダンスの調整方法が確立できた。これにより、通信距離の拡大および発熱の問題が解決される。
【００９１】
さらに、密着状態でのＩＣカード２の動作を保証しない場合には、図１にて曲線ｃに示すような受電電力特性を示すようにインピーダンスを調整することで特定通信距離を持つＩＣカード仕様を実現可能である。
【００９２】
この場合、通信距離ｌ＝０においては、受電電力Ａ１を下回るように設定しており、通信距離の上限は約４５ｍｍとなる。
【００９３】
さらに、図２には、容量ＣＡをある数値に固定し、容量ＣＢをＣＢ１、ＣＢ２、およびＣＢ３（ＣＢ１：ＣＢ２：ＣＢ３＝８：１３：９）にそれぞれ変更した場合の受電電力特性を示している。
【００９４】
図２を参照すると、容量ＣＢにより受電電力が最大となるときの結合係数ｋ、すなわち通信距離ｌが変化することが理解できる。
【００９５】
ＣＢ＝ＣＢ１に設定した場合、ｋ＝０．１５で緩やかな最大値を取っている。この特性は、比較的良好な特性であるが、電力的なマージンが確保されていないので、ノイズ等の外乱に対しては比較的弱いシステムとなる可能性がある。
【００９６】
ＣＢ＝ＣＢ２に設定した場合、ｋ＝０．２５（通信距離ｌ＝１０ｍｍ付近）で受電電力は最大となっているが、この特性では、ＩＣカード２がリーダライタ装置１付近で受電電力の最大値が得られる特性であり、通信距離の拡大という本発明の効果は見出せない。
【００９７】
ＣＢ＝ＣＢ３に設定した場合、ｋ＝０．１０（通信距離＝４０ｍｍ付近）で受電電力は最大となっている。この特性では、動作に十分な電力が通信距離５０ｍｍ付近まで確保されており、またＩＣカード２の最多使用距離において受電電力は最大になっており、良好な特性に調整されている。
【００９８】
以上のように、ＣＡ，ＣＢの設定により、さまざまな動作通信距離仕様に応じたＩＣカードが提供可能となる。
【００９９】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。
【０１００】
例えば、図１および図２に示されるような、受電電力特性のピーク値の設定等は、ＩＣカード２に使用される半導体装置の消費電流の仕様と、非接触型ＩＣカードシステムの通信距離の仕様とにより決定され得る。
【０１０１】
また、図２の場合では、調整用コンデンサ１２の容量ＣＡを固定して調整用コンデンサ１３の容量ＣＢを変化させることによりインピーダンスの調整を行っているが、容量ＣＢを固定して容量ＣＡを変化させることにより行うこともできるし、両方の容量ＣＡ・ＣＢを変化させることにより行うこともできる。
【０１０２】
また、容量ＣＡ・ＣＢを自動調整する回路を設け、非接触通信の初期応答時の情報によってインピーダンスを自動調整する等の応用も考えられる。これらの自動調整により、使用モードの異なるＩＣカードへも容易に対応可能となり得る。
【０１０３】
また、上記実施形態では、ＩＣカード２とリーダライタ装置１とを用いた非接触型ＩＣカードシステムについて説明したが、非接触タグなど、電磁誘導を利用したＲＦ通信全般に本発明を利用することが可能である。
【０１０４】
また、上記実施形態では、電力を供給するリーダライタ装置と、電力を受け取るＩＣカードとの間で通信を行っているが、給電装置から半導体装置への給電のみを行い、通信を行わないシステムにも、本発明を適用することができる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、給電装置と半導体装置との間の電磁結合特性を調整する非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法であって、前記給電装置は、送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子をさらに備えており、前記送電用アンテナコイルから前記半導体装置の受電用アンテナコイルまでの距離である送電距離が０より大きい所定値であるときに前記半導体装置の受け取る受電電力が最大となるように、前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定している。
【０１０６】
これにより、従来の場合に比べて、異なる送電距離における受電電力の電力差を小さくできるので、調整用インピーダンス素子を設けるという簡便な構成で、受電電力の電力差による発熱を軽減できるという効果を奏する。また、半導体装置が動作可能な給電装置からの送電距離を延長する場合には、延長された送電距離における受電電力を従来よりも大きくできるので、送電電力を増加することなく、前記送電距離を延長できるという効果を奏する。
【０１０７】
さらに、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、以上のように、上記の方法において、前記インピーダンスを決定することは、前記送電用アンテナコイルおよび前記受電用アンテナコイルの電磁結合係数と前記送電距離との対応関係を決定し、前記送電距離の所定値に対応する電磁結合係数において前記受電電力が最大となるように前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することにより行われる。
【０１０８】
これにより、送電距離と電磁結合係数との対応関係を求めることで調整用インピーダンス素子のインピーダンスを容易に決定できるという効果を奏する。
【０１０９】
さらに、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、以上のように、上記の方法において、前記送電距離が所定範囲内であるときに、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るように、前記給電装置から供給する送電電力を決定している。
【０１１０】
これにより、送電電力を少し増加するのみで、送電距離の範囲を従来よりも拡大することができるので、送電距離が所定範囲内において最低電力を受電電力が上回るような送電電力を容易に決定できるという効果を奏する。
【０１１１】
また、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、以上のように、前記給電装置は、前記送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子をさらに備えており、前記送電用アンテナコイルから前記受電用アンテナコイルまでの距離である送電距離が所定範囲内であるときに、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るように、前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定している。
【０１１２】
これにより、従来の場合に比べて、異なる送電距離における受電電力の電力差を小さくすることができるから、調整用インピーダンス素子を設けるという簡便な構成で、受電電力の電力差による発熱を軽減できるという効果を奏する。
【０１１３】
さらに、本発明の非接触型給電システムにおける電磁結合特性調整方法は、以上のように、上記の方法において、前記インピーダンスを決定することは、前記送電用アンテナコイルおよび前記受電用アンテナコイルの電磁結合係数と前記送電距離との対応関係を決定し、前記送電距離の所定範囲に対応する電磁結合係数において、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るように、前記調整用インピーダンス素子のインピーダンスを決定することにより行われている。
【０１１４】
これにより、送電距離と電磁結合係数との対応関係を求めることで調整用インピーダンス素子のインピーダンスを容易に決定できるという効果を奏する。
【０１１５】
なお、前記調整用インピーダンス素子はコンデンサであることが望ましい。
【０１１６】
また、本発明の給電装置は、以上のように、送電用アンテナコイルに直列接続および並列接続する調整用インピーダンス素子を備えており、前記調整用インピーダンス素子は、前記半導体装置にて受け取る受電電力が最大となる送電距離が、下限が０より大きい所定範囲内にあるようなインピーダンスである構成である。
【０１１７】
これにより、従来の場合に比べて、異なる送電距離における受電電力の電力差を小さくできるので、調整用インピーダンス素子を設けるという簡便な構成で、受電電力の電力差による発熱を軽減できるという効果を奏する。また、半導体装置が動作可能な給電装置からの送電距離を延長する場合には、延長された送電距離における受電電力を従来よりも大きくできるので、送電電力を増加することなく、前記送電距離を延長できるという効果を奏する。
【０１１８】
さらに、本発明の給電装置は、以上のように、上記の構成において、前記送電距離が前記所定範囲内である場合に、前記半導体装置が動作可能な最低電力を前記受電電力が上回るような送電電力を前記送電アンテナコイルに供給する構成である。
【０１１９】
これにより、送電電力を少し増加するのみで、送電距離の範囲を従来よりも拡大できるので、送電距離が所定範囲内において最低電力を受電電力が上回るような送電電力を容易に決定できるという効果を奏する。
【０１２０】
なお、前記調整用インピーダンス素子はコンデンサであることが望ましい。
【０１２１】
また、本発明の非接触型給電システムは、以上のように、上記構成の給電装置と、該給電装置の送電用アンテナコイルと電磁結合する受電用アンテナコイルを備える半導体装置とを備える構成である。
【０１２２】
これにより、上記構成の非接触型給電システムにおいても、前述と同様の効果を奏することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非接触型通信システムにおけるＩＣカードの受電電力特性を示すグラフであり、曲線ａは、従来の受電電力特性を比較例として示しており、曲線ｂは、本発明の一実施形態である非接触型通信システムにおける受電電力特性を示しており、曲線ｃは、密着状態でのＩＣカードの動作を保証しない場合の受電電力特性を示している。
【図２】本実施形態のリーダライタ装置において、アンテナコイルに直列接続した調整用コンデンサの容量を固定し、アンテナコイルに並列接続した調整用コンデンサの容量をＣＢ１、ＣＢ２、およびＣＢ３（ＣＢ１：ＣＢ２：ＣＢ３＝８：１３：９）にそれぞれ変更した場合の受電電力特性を示すグラフである。
【図３】本実施形態の非接触型通信システムの概略構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示される非接触型通信システムの等価回路図である。
【図５】図４と同じ等価回路図であり、ＩＣカードの内部抵抗から各地点までのインピーダンスを示している。
【図６】図３に示される非接触型通信システムにおいて、結合係数と通信距離との対応関係を示すグラフである。
【図７】従来の非接触型通信システムの概略構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示される非接触型通信システムにおいて、受電電力と通信距離との関係を示すグラフである。
【図９】図８に示されるグラフと同様のグラフであり、送電電力を増加した場合の受電電力と通信距離との関係を示している。
【符号の説明】
１    リーダライタ装置（給電装置）
２    ＩＣカード（半導体装置）
１２・１３    調整用コンデンサ（調整用インピーダンス素子）
１４    アンテナコイル（送電用アンテナコイル）
２０    アンテナコイル（受電用アンテナコイル）
ｋ    電磁結合係数
ｌ    通信距離（送電距離）
Ａ１  動作可能最低電力
【図１】
2004166384.tif 000003
【図２】
2004166384.tif 000004
【図３】
2004166384.tif 000005
【図４】
2004166384.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004166384.tif 000008
【図７】
2004166384.tif 000009
【図８】
2004166384.tif 000010
【図９】
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