(57)【要約】【課題】空間に伝わる振動エネルギーをエネルギー源の一部として利用するＩＣカード・ＩＣタブセンサ装置に於いてより安定した電力を得る電源装置とその電源装置を用いた照合装置とを組み込んだ薄型ＩＣカード・ＩＣタグセンサを提供すること。【解決手段】非接触型ＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置用の電源として太陽電池セルとこれに並列に接続された電気二重層コンデンサと組み合わせて構成した電源システムを用いる。蓄電用コンデンサ電圧よりセル出力電圧を高く調整し、アンテナ・コイル電圧より蓄電用コンデンサ電圧を高く調整することでＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置から数ｍの範囲に信号を安定に放射することが可能となる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池セルと並列に電圧制御回路を介して蓄電用コンデンサを接続し、
更に前記セルと蓄電用コンデンサとに並列にアンテナ・コイルを接続したものを薄型プラスチックカード内に収納し、
更に蓄電用コンデンサ電圧よりセル出力電圧を高く調整し、アンテナ・コイル電圧より蓄電用コンデンサ電圧を高く調整してなるＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置。
【請求項２】
蓄電用コンデンサは電気二重層コンデンサである特許請求の範囲１記載のＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置。
【請求項３】
太陽電池セルと並列に接続された蓄電用コンデンサと並列に応答信号発生回路を接続し、該応答信号発生回路には応答信号発信用アンテナ・コイルを接続し、
アンテナ・コイルからの応答電波をメートル単位に飛ばすことを特徴とするＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置。
【請求項４】
応答信号発生用アンテナ・コイルは振動エネルギー受信アンテナと同一のものを用い、両者は間歇的に駆動することを特徴とする特許請求の範囲１記載のＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は内部に電源を有し、電波の到達距離を拡大した非接触式ＩＣカード・ＩＣタグ装置に関するもので、特にＩＣカードに内蔵される電源の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非接触式ＩＣカードの発明は１９７３年３月に日本で生まれ（技術文献１参照）、最初の実施も日本であった。しかしながら日本では当時磁気カードによるオンライン化、オフライン化が進み、且つセキュリティの面で自信過剰であったこと及び非接触式ＩＣカードはコストが磁気カードに比較し数百倍から数千倍もの高価であったことのために１９９７年頃までは余り普及していなかった。また米国ではインターネットの普及が盛んで、これまでＩＣカードは余り重要視されなかった。
【０００３】
一方、ヨーロッパ、特にフランスでは、日本での特許発明後４年にしてＩＣカードの発明をみたが、イ）コインを無くすようにすること、ロ）オンライン化が日米より遅れていること、ハ）セキュリティ（テレフォンボックスの盗難や破壊の頻発）の面から官、産、学が一体となってこのアイディアを尊重し、独、英、オランダ、フィンランド、スエーデン、イタリーが追いかけるようになり、たちまち広がった。
【０００４】
ここで非接触式カードの種類と仕様並びに標準化に関して図５に説明する。非接触型ＩＣカードは通信の相手方装置（リーダ・ライタ）との通信時の距離により規格が区別され、通信時の距離が２ｍｍ以下の密着型、２０ｃｍ以下の近接型、約１ｍ以下の近傍型、数ｍのマイクロ波型に分けられる。またカードサイズは５４×８５．６×０．７６ｍｍに規定されている。
【０００５】
現状ではＩＣカードの電源はＩＣカードへのデータの書き込み・読み出しを行なうリーダ・ライタより電磁誘導で電力を供給する方式が列車輸送システムの改札やクリーンルーム、工場の入退室管理等で普及するに至ってる。
【０００６】
また非接触型に限定せず、ＩＣカードの電源を見た場合、空間伝播によるマイクロ波エネルギーをエネルギー源としてＩＣカードやＩＣタグ内にある電気二重層コンデンサに蓄電する方式や電気二重層コンデンサと二次電池による電源システムに蓄電する方式が本願発明者により開示されている（技術文献２参照）。更に太陽電池と電気二重層コンデンサを組み合わせた電源が本願発明者により開示されている（技術文献３参照）。
また、蓄電要素と太陽電池とを備え前記蓄電素子に蓄えられた電力を用いてＣＰＵを駆動するとともに前記蓄電素子は太陽電池セルから得られる電力により充電されるように構成した発明も知られている（技術文献４参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第９４０５４８号公報  （第１項、第２項、第３項、第１図）
【特許文献２】
特開２００１−１３６６８４号公報  （第３項、第４項、第２図）
【特許文献３】
米国特許第４９５９６０３号明細書  （第６項、第１図）
【特許文献４】
特開平０２−１６５３１１号公報  （第３項、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記の電磁誘導でＩＣカードに電力を供給しこの電力によりＩＣカードへのデータの書き込み、ＩＣカードからのデータ送信を行なう方式に於いては使用距離を離すために電磁誘導の出力を大きくすると、電界により周囲にある精密機器への影響等が心配される。そのため電磁誘導のパワーを制限してリーダ・ライタとＩＣカードを近接させる密着型が実用化されているのみである。
従って密着型ではＩＣカードとリーダ・ライタを密着させる必要が当然に生じ、利用者が多数の場合リーダ・ライタ装置前で順番待ちをしなけばならない欠点があった。
【０００９】
ＩＣタグに於いては、金属板にタグを近づけると、コイルの電流が該金属板のイメージによって打ち消され、金属板に垂直な磁界は発生しなくなる。一方、コピーマシン、ＯＡ、ＦＡ機器は殆ど金属でできている。そのためこれらの機器の管理やメンテナンスを電磁誘導型のＩＣカードで管理することは困難であった。
また自動車等の板金加工、部品の管理など、タグで行なうことができれば工程が自動化されるし、製品になった場合でもメンテナンスが容易になるので金属に取り付けられるタグが待望されていた。同様な理由で、金属に取り付けられるセンサも金属の影響を受け、感度が低下するのでカード同様の改善が求められていた。
【００１０】
これらの課題を解決するためにはＩＣカード内に大きな電池を組み込み数ｍの電波到達距離を確保する必要が生じる。しかしＩＣカードは通常電池交換ができないため一次電池では電気容量の制限に加え、電池寿命によりカードの寿命が制約されるという大きな欠点があった。
また二次電池の厚みは２ｍｍが最小で、ＩＳＯ規格、ＪＩＳ規格で定めるＩＣカードの外形寸法（５４×８５．６×０．７６ｍｍ）に適合させるのは全く無理である。
【００１１】
更に本願発明者が技術文献２に開示したマイクロ波エネルギーをエネルギー源としてＩＣカードやＩＣタグ内にある電気二重層コンデンサに蓄電する方式では通常μＡクラスの電流を得るのがせいぜいで、数ｍの電波到達距離を得るのに最低限必要な２．４Ｖ、０．０５Ｆ程度の電気二重層コンデンサを充電、蓄電することは困難であった。
【００１２】
更に技術文献３に記載された構成では太陽電池セルを小さくしただけでは電気二重層コンデンサへの満充電は非接触ＩＣカードに於いては全く不能であり、且つマイクロ波伝播におけるアンテナ・コイルの構成が全く不明であり数ｍの電波到達距離を得るのに必要な非接触ＩＣカードの構成は把握できるものでは無い。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願第１請求項に記載した発明は、空間に伝わる振動エネルギーを受信及び発振するアンテナ・コイルと、このアンテナ・コイルと並列に接続した充電用コンデンサを備え、更にこの充電用コンデンサに充分な電力を供給するための方式としてコンデンサ電圧よりも高い電圧とした（電流は低くなる）太陽電池セル側回路を用いたＩＣカード・ＩＣタグ装置とすることを特徴とする。
【００１４】
ここで、当ＩＣカード・ＩＣタグ用アンテナ・コイルによって飛ばす電波（マイクロウエーブ）の飛距離は３ｍ〜１０ｍ内外である。このような短距離とするのは、必要充分な飛距離とし出来るだけ相互干渉を少なくするためである。
【００１５】
本願第２請求項に記載した発明は充電用コンデンサとして電気二重層コンデンサを用いる点を特徴とする。
【００１６】
本願第３請求項に記載した発明は太陽電池セルと並列に接続された蓄電用コンデンサと並列に応答信号発生回路を接続し、アンテナ・コイルからの応答電波をメートル単位に飛ばすＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置としたことを特徴とする。
【００１７】
このときにアンテナパワーは３．０Ｖ×５０ｍＡ＝０．１５Ｗ程度を必要とする。これだけのパワーを応答信号発生回路に与えなければならないのでそのための電源でもある。
【００１８】
本願第４請求項に記載した発明は応答信号発生用アンテナ・コイルは振動エネルギー受信アンテナと同一のものを用い、両者は間歇的に駆動することを特徴とする特許請求の範囲１記載のＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の具体例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１には本願発明のＩＣカード（ａ）の主要部品の配置図（表面のカバーを取り除いた状態）が示されている。尚、図２には本願発明のＩＣカードの回路図が示されている。
ＩＣカードの筐体は薄型のプラスチックカードでありその内部の基板８上に太陽電池セル１、電気二重層コンデンサ３、応答信号発生回路５、振動エネルギー送受信アンテナ・コイル６、７が配置されている。
【００２０】
太陽電池セルは、電卓や腕時計などの日用電気製品や、家庭用省エネ機器として一般家屋に取り付けられるなど、今日、きわめてポピュラーな製品となっている。
これらの製品に組み込まれている太陽電池は、板状に形成された半導体を幾層も重ね合わせた太陽電池セルと呼ばれるものによって作られており、これを複数つなぎ合わせることによって目的の電力を得ている。
【００２１】
セルは光を電気に変換する最小単位であるが、”電池”という名こそついているものの、常に光を受けていないと電気を得ることができない、それ自体では蓄電することができないなど、乾電池などのいわゆる化学電池とは一線を画す、発電素子とでもいうべきものである。
【００２２】
よく知られているように光には波動および粒子の二つの性質がある、光自体を扱う際は、波動として扱うのが一般的であるが、太陽電池セルによる発電のメカニズムを説明するには光の粒子としての性質に注目することが不可欠となる。なぜらな太陽電池セルによる発電は光電効果を利用したものに他ならないからである。
【００２３】
光電効果とは、物質（とくに金属）にある一定以上のエネルギーの光を当てるとその表面から電子が飛び出してくる現象をいい、金属内に囚われた自由電子が粒子としての光子の衝突により、そのエネルギーを受け取って（励起することによって）、その束縛から逃れ出てくる現象である。
【００２４】
半導体に光を当てた場合もこの光電効果が起こる。マイナスの電荷を持った電子と、光子（フォトン）とがｐｎ接合近傍でエネルギー授受されることによって電位が発生するのである。太陽電池セルとは、簡単にいえば、こうしてできた電荷を半導体を使って分離してやることによって電位差を得て、電気を発生させるしくみである。
【００２５】
ところで太陽電池セルはそれが結晶系であれアモルファス系であれＳｉ材料で形成されている場合は出力電圧は約０．５Ｖである、また電流容量は表面積に従う。一般に約１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．５ｍｍで１Ｗの出力が得られる。即ち出力電圧０．５Ｖ、出力電流２Ａである。
【００２６】
ＩＣカード内の回路の駆動には一般に２〜３Ｖの電圧が必要である。また図２（５３）は太陽電池セルに組み合わされる電圧制御器であるが、最低ダイオード１つで構成しても０．５Ｖのドロップを生ずる。そのため太陽電池セルでの出力電圧は３〜５Ｖが必要となる。
【００２７】
従って、５Ｖ、１００ｍＡの出力をもつ太陽電池セルを造るとすると、１０枚のセルを直列に接続し、表面積を２０分の１つまり５ｃｍ２内外とすれば良い。つまり２．２ｃｍ×２．２ｃｍ内外の表面積を有するセルを切り出せば良いこととなる。本実施例では５ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのフィルム状セルを１０枚直列にしたものを用意した。
【００２８】
尚、太陽電池セルは結晶系とアモルファス系に大別され、結晶系では現在変換効率１４％程度以上のものができているのに対し、アモルファス系では変換効率８％内外である。ここでアモルファス系は結晶系の太陽電池セルより大型なので非接触型ＩＣカードの規格寸法である５４ｍｍ×８５．６ｍｍ×０．７６ｍｍの基板８（図１）内におさめるのに少し難がある場合には結晶系のものを使用すれば良い。結晶系は太陽光（１２０，０００ｌｘ程度）にさらすと効率が良く、アモルファスは紫外線でも動作するので（１０，０００ｌｘ程度）屋内で照射が可能である。
【００２９】
図２で（３）は電気二重層コンデンサである。電気二重層コンデンサとは電力を瞬時に放電する一般的なコンデンサと比較して、静電容量が極めて大きいものであり、充電放電が繰り返し可能な二次電池の機能をはたすコンデンサである。
具体的には電界液自身が電気分解しやすい性質を有し、且つイオン化傾向とは関連しない電極（周期率表４族の炭素系電極）を備えたものであって、その電界液を、両電極間にあって小イオン（例えば水素イオン）のみを通過せしめるスペーサ（例えばポリプロピレン）で区画したものである。
ちなみにここで使用される電気二重層コンデンサの電極としての活性炭は１ｇあたり１５００〜２０００ｍ２の表面積をもつものが使用されている。
【００３０】
すなわち電気二重層コンデンサは比較的急激なチャージにも対応できるとともに、放電を瞬時に行なう一般コンデンサよりも遥かに大きな電力を蓄えることができるという利点を有し、コイルで受信した振動エネルギーを電力として効率よく蓄えることが可能である。
【００３１】
コンデンサであれ、二次電池であれ、充電に要するファクターは電圧が基準であり、放電に要するファクターは電流が基準である。つまり、コンデンサの充電に於いてはコンデンサの飽和電圧により大きな電圧を以って充電することが肝要となる。電気二重層コンデンサは２．４Ｖ、０．０５Ｆのもので１８ｍｍ×２１ｍｍ×０．５ｍｍの大きさのものが最近得られるようになった。上記のように太陽電池セルの出力電圧は３〜５Ｖが得られるので本電気二重層コンデンサを組合わせることで蓄電用コンデンサ電圧よりセル出力電圧を高く調整し充電が可能となる。
尚、太陽電池セルの出力電圧がかなり高い場合は必要に応じて図２に示すように太陽電池セル１と電気二重層コンデンサ３の間に電圧調整用のダイオード４を設けてもよい。逆に太陽電池セル１の出力電圧が電気二重層コンデンサ３の蓄電電圧よりも低い場合はダイオード４に代わって電圧調整器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を設けて昇圧してもよい。
【００３２】
図２で（６、７）は応答信号発生用アンテナ・コイルである。ＩＣカード・ＩＣタグセンサでは外部からの信号を受信し且つその内容を把握した後、そのレスポンスを応答信号として発信しこれを振動エネルギー発生側にある照合装置に返してやる必要がありそのためのアンテナ・コイルである。
【００３３】
一般にアンテナ・コイル６，７の発振には瞬間５０ｍＡ〜８０ｍＡの電流を要するため１００ｍＡ程度の供給電流が必要となる。また、本願発明の非接触型ＩＣカードは数ｍの通信距離を確保することを目的としており、そのためにはアンテナパワーは３．０Ｖ×５０ｍＡ＝０．１５Ｗ程度を要する。
【００３４】
ここでコンデンサからの放電に於いては単位時間当たりの電流と消費時間との関連が強くなるのであることに注目すべきである。言うなればコンデンサに於いても電池同様パワー（Ｗ）が重要であることを認識すべきである。
【００３５】
本願発明においては２．４Ｖ、０．０５Ｆの電気二重層コンデンサを用いて、この電圧を電圧調整器５３（ＤＣ／ＤＣコンバータ）で３．０Ｖに昇圧してアンテナに供給することでこの要求パワーの供給を可能としている。
【００３６】
ここでこの昇圧の必要性を説明する。図３の回路においてコンデンサ充電時間を計算する。コンデンサ充電時間ｔ１は以下の式により与えられる。
ｔ１＝−Ｃ（ＲＤ＋（Ｖ１／ｉ２））ｌｎ（１−（Ｖｃ／Ｖ１））
ここで各記号は以下を意味する。
ｔ１：コンデンサ充電時間（ｓ）
Ｃ：コンデンサ容量（Ｆ）
ＲＤ：ダイオード順方向抵抗（Ω）
Ｖ１：コンデンサに加わる電圧（Ｖ）
Ｖｃ：アンテナ両端の最低電圧（Ｖ）
Ｉ：太陽電池セルからの出力電流（Ａ）
ｉ１：負荷（アンテナ・コイル）に流れる電流（Ａ）
ｉ２：コンデンサに流れる電流（Ａ）
【００３７】
本実施例における具体的な電圧値、電流値をあてはめると
Ｃ：０．０５（Ｆ）
ＲＤ：０．１５（Ω）
Ｖ１：２．４（Ｖ）
Ｖｃ：３．０（Ｖ）
ｉ１：０．０５（Ａ）
ｉ２：Ｉ−ｉ１＝０．１−０．０５＝０．０５（Ａ）
ｔ１＝−０．０５（０．１５＋（２．４／０．０５））ｌｎ（１−（３．０／２．４））
ｔ１＝−２．４ｌｎ（−０．２５）＝不能
これはＤＣ／ＤＣコンバータで一旦電圧を上げて電流を落としてから使用しなければならないことを意味する。従って前記のように昇圧が不可欠となる。また前記のように電気二重層コンデンサをアンテナ・コイル電圧より高く調整することでアンテナからの信号放射が可能となる。
【００３８】
またコンデンサの放電時間ｔ２は以下の式により与えられる。
ｔ２＝Ｆ×Ｖ１／Ｉ
ここで各記号は以下を意味する。
ｔ２：コンデンサの放電時間（ｓ）
Ｃ：コンデンサ容量（Ｆ）
Ｉ：太陽電池セルからの出力電流（Ａ）
Ｖ１：コンデンサに加わる電圧（Ｖ）
【００３９】
本実施例における具体的な電圧値、電流値をあてはめると
Ｃ：０．０５（Ｆ）
Ｉ：０．１（Ａ）
Ｖ１：２．４（Ｖ）
ｔ２＝０．０５×２．４／０．１＝１．２（ｓ）
信号のやりとりは普通マイクロ秒からミリ秒であるのでこの時間で数百〜数千回の信号放射が可能であり実用上充分である。従って本願発明によりＩＣカードの長期間の使用が可能となる。
【００４０】
尚、図２で（４）は逆流防止回路（ダイオード）、（５）は応答信号発生回路、（５１）は間歇的に応答信号発生器に電力を送るためのスイッチ、（６）（７）は振動エネルギー受信／応答信号発信用アンテナ・コイルである。
【００４１】
次にリーダ／ライタ（ｂ）側の動作も含めてシステムの動作について説明する。図２で１０は電源で、１０１の商用電源からパワーを取るもよし１０２の大容量電池からパワーを得てもよい。１１は照合装置、１１１は振動エネルギー発生回路、１１２は照合回路、１１３は表示装置、１２、１３は振動エネルギー発生／応答信号受信用コイルとアンテナである。
すなわち、リーダ／ライタ（ｂ）は振動エネルギーを発生する機能と応答信号を受信する機能を交互に果たすものである。
【００４２】
ここで図２に加え同図をリーダ／ライタを機能別に分けて示し、魚の「ひらき」の如く展開した図４も加え動作を説明する。詳細は前記技術文献２に示すので、ここでは簡単に説明する。
【００４３】
リーダ／ライタ（ｂ）に於ける振動エネルギー発生回路１１は例えばドアの周囲の空間に振動エネルギーを間歇的に常時放出しており、ＩＣカード（ａ）は特定の人物が携帯している。この人物がドアに接近すると応答信号発生回路が前記振動エネルギーを受信して応答信号を発信し、更に応答信号を受信したリーダ／ライタ（ｂ）における照合回路１１２がこれを照合する。例えばドアロックは照合した応答信号が的確であるときに解除される。
【００４４】
具体的には前記振動エネルギー発生回路１１１で生成された振動エネルギーは振動エネルギー発生応答信号受信用コイル、アンテナ１２、１３より常時間歇的に放出されている。
【００４５】
この振動エネルギーはカード（ａ）の振動エネルギーを受信するアンテナ・コイル６、７で受信され、アンテナ・コイル６、７に接続される応答信号発生回路５２に送られる。この両者は太陽電池セル１と電気二重層コンデンサ３から成る電源装置と並列に接続されている。すなわち、応答信号発生器５２は、振動エネルギー受信コイルアンテナ６，７を介して振動エネルギーを受信すると電源装置からの電力とともに応答信号発生器５２によって応答信号を発生し、この応答信号をスイッチ５１によって間歇的に切り替わった応答信号発信アンテナ・コイル６，７（振動エネルギー受信アンテナ・コイルと同一体）から放射するように構成されている。
【００４６】
電気二重層コンデンサ３は太陽電池セル１によって電力を常に満杯になるように調整されているため、前記応答信号発信後は直ちに太陽電池セル１の動力を以って補充されるようになっている。本例の電気二重層コンデンサ３の容量は先に言及した程度のもので十分である。
【００４７】
更に前記応答信号は応答信号受信コイル、アンテナ１２、１３（振動エネルギー発生コイル、アンテナと同一体）を介して、リーダ／ライタ（ｂ）側の照合回路１１２に入り、ここで前記振動エネルギー発生回路１１１より発せられた信号と照合される。照合された結果、両者が適合すればこれに接続して負荷（ロック回路や表示装置回路１１３）が動作することになる。
【００４８】
尚、上記実施例では、本発明をＩＣカードに適用した場合を説明したが、それ以外にＩＣタグセンサ装置等の電子機器に応用できることは言うまでもない。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明は太陽電池セルと並列に電圧制御回路を介して蓄電用コンデンサを接続し、更に前記説と蓄電用コンデンサと並列にアンテナ・コイルを接続したものを薄型プラスチックカード内に収納したので数ｍの電波到達距離可能としつつ長期に亘って使用可能なＩＣカード・ＩＣタグを得ることができる。
このためＩＣカードの利用の利便性を向上させ、また従来の電磁誘導型では採用が困難であった工場の組立て工程での部品管理等への用途展開を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係るＩＣカードの概略説明図である。
【図２】本願発明に係るＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置用電源の概略回路図である。
【図３】電気二重層コンデンサへの充放電を説明するための概略図である。
【図４】本願発明に係るＩＣカード・ＩＣタグセンサ装置とリーダ／ライタ側装置との関係を示す展開図である。
【図５】非接触型ＩＣカードの種類を説明する図である。
【符号の説明】
ａ    カード（タグ）
ｂ    リーダ／ライタ
１    太陽電池セル
２    電圧調整回路
３    電気二重層コンデンサ
４    逆流防止回路
５    応答信号発生回路
５１  スイッチ
５２  応答信号発生器
５３  電圧調整器
６    振動エネルギー受信／応答信号発信アンテナ
７    振動エネルギー受信／応答信号発信コイル
８    基板
１０  電源
１０１  商用電源
１０２  大容量電池
１１  照合回路
１１１  振動エネルギー発生回路
１１２  照合回路
１１３  表示装置
１２  振動エネルギー発生／応答信号受信コイル
１３  振動エネルギー発生／応答信号受信アンテナ
【図１】
2004252537.tif 000003
【図２】
2004252537.tif 000004
【図３】
2004252537.tif 000005
【図４】
2004252537.tif 000006
【図５】
2004252537.tif 000007