(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触ＩＣカードのアンテナと自装置のアンテナの電磁結合によって非接触ＩＣカードへ電力を供給する機能を有したリーダ／ライタ装置であって、
自装置のアンテナへ供給する高周波供給電力を制御するための電力制御手段と、
自装置のアンテナへの入力高周波電圧又は電流を検出するための検出手段と、
該手段により検出された入力高周波電圧又は電流と前記電力制御手段の出力電圧とから非接触ＩＣカードのアンテナと自装置のアンテナの結合係数を求めるための結合係数算出手段と、
該手段により求められた結合係数から非接触ＩＣカードの受電電力が予め定められた値となるように前記電力制御手段の出力電圧を制御するための制御手段と、
を備えると共に、
前記検出手段で検出した高周波電圧又は電流が予め定めた時間以上変化がないことを条件に、前記電力制御手段の出力電圧を低下させる第２の制御手段を設けたことを特徴とする非接触ＩＣカード用リーダ／ライタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触ＩＣカード用リーダ／ライタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非接触ＩＣカードは、ＩＣカード内に電源を持たず、リーダ／ライタ装置から電磁結合により電力が供給され、その電力で動作する。また、データ通信も同じ電磁結合により非接触で行われる。図８は、リーダ／ライタ装置側の電力供給部と、非接触ＩＣカード側の受電系統を示したもので、発振器１から出力された周波数ｆｃの高周波が増幅器２で増幅され、整合回路３を介して自己インダクタンスＬ１のアンテナコイルへ供給される。このアンテナコイルには、伝送効率を上げるため、容量Ｃ１の同調コンデンサが直接接続されている。図中Ｒ１はこのアンテナコイルの損失抵抗を表している。
【０００３】
非接触ＩＣカード側のアンテナコイルにも同調コンデンサＣ２が並列接続されており、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。この非接触ＩＣカード側のアンテナコイルがリーダ／ライタ装置側のアンテナコイルと電磁結合すると誘起電圧が発生し、これがダイオード回路４で整流され、レギュレータ５で所定の電圧に調整され、ＩＣ回路６へ供給される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
非接触ＩＣカードでは、リーダ／ライタ装置のアンテナコイルからＩＣカードが動作可能な距離の範囲が決められており、その動作範囲の中では電力を最も多く受電する位置と最も少ない電力を受電する位置があり、この動作範囲内で受電する電力に差がある。そして非接触ＩＣカードが動作範囲内で安定するためには、最も少ない電力を受電する位置で非接触ＩＣカードが動作するために必要な電力を受電できるように、リーダ／ライタ装置の出力が設定されている。従って最小の電力を受電する位置以外では、非接触ＩＣカード内のＩＣ回路が必要とする電力以外のエネルギーは余分となり、レギュレータはこの余分の電力を熱放散して所定の出力電圧が得られるようにしている。このために非接触ＩＣカードの動作範囲内であっても、その位置によってはレギュレータから発生する熱量が大きくなり、電力を最も多く受電する位置で最大になる。この際、レギュレータで発生する熱により直接ＩＣを破損したり、その熱によりＩＣカードの形成材である合成樹脂等が変形することによってＩＣを破損する恐れがある、また、レギュレータが許容する入力電圧より大きい電圧がかかると、レギュレータを破損してしまう恐れがある。特に非接触ＩＣカードがリーダ／ライタ装置の動作範囲内に長時間放置された場合にはこうした問題が発生しやすくなる。
【０００５】
本発明の目的は、非接触ＩＣカードへの過電力伝送による発熱でＩＣを破損したり、またはレギュレータの過電圧による破損が生じないようにした非接触ＩＣカード用リーダ／ライタ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非接触ＩＣカードのアンテナと自装置のアンテナの電磁結合によって非接触ＩＣカードへ電力を供給する機能を有したリーダ／ライタ装置であって、
自装置のアンテナへ供給する高周波供給電力を制御するための電力制御手段と、
自装置のアンテナへの入力高周波電圧又は電流を検出するための検出手段と、
該手段により検出された入力高周波電圧又は電流と前記電力制御手段の出力電圧とから非接触ＩＣカードのアンテナと自装置のアンテナの結合係数を求めるための結合係数算出手段と、
該手段により求められた結合係数から非接触ＩＣカードの受電電力が予め定められた値となるように前記電力制御手段の出力電圧を制御するための制御手段と、
を備えると共に、
前記検出手段で検出した高周波電圧又は電流が予め定めた時間以上変化がないことを条件に、前記電力制御手段の出力電圧を低下させる第２の制御手段を設けたことを特徴とする非接触ＩＣカード用リーダ／ライタ装置を開示する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明になるリーダ／ライタ装置の構成例を示すブロック図で、電力伝送に関係する部分のみを図示している。従来の図８と同一回路は同一符号で示されており、それら同一符号で示された回路の他に、増幅器２の出力高周波の電圧Ｖ（実効値）を検知するための電圧検知回路１１と、出力電力を可変制御するための電力制御回路１３とが付加されている。リーダ／ライタ装置用ＩＣ１２は、従来からリーダ／ライタ装置の動作制御を行うために設けられているものであるが、前記の電圧検知回路１１の出力信号もこのＩＣ１２へ入力される。
【００１０】
図２は、図１の電力伝送系統の等価回路である。この等価回路で、電源２０は図２の発振器１及び電力制御回路１３からなる回路で、その出力電圧をＶｓとする。周波数ｆｃ＝１３．５６ＭHz、増幅器２の出力インピーダンスＲS＝５０Ω、リーダ／ライタ装置のアンテナの自己インダクタンスＬ１＝６．８μＨ、カードアンテナの自己インダクタンスＬ２＝１．５μＨ、リーダ／ライタ装置のアンテナの損失Ｒ１＝１２．５Ωとし、Ｃ１はＬ１と、Ｃ２はＬ２とそれぞれ周波数ｆｃに共振がとれており、整合回路３はリーダ／ライタ装置のアンテナと発信機の出力インピーダンスＲｓとの整合を取っているものとし、さらにカードＩＣの疑似負荷であるＲL＝２．５６ｋΩとする。両アンテナの相互インダクタンスをＭとすると両アンテナの結合係数ｋは
【数１】
ｋ＝Ｍ／（Ｌ１・Ｌ２）1/2
であるから、この結合係数ｋを与えればＭが決まる。そこで電源２０の出力電圧Ｖｓをパラメータとし、結合係数ｋを０〜０．１まで、０．０１間隔で変化させた場合の出力電圧Ｖを図２の等価回路を用いてシミュレートすると、図３のような結果が得られる。即ち、結合係数ｋが増大するにつれて増幅器２の出力電圧Ｖは増大する。但しこのような電圧Ｖは、増幅器２の出力インピーダンスＲｓがあまり小さいと変化が殆ど現れないが、通常はＲｓ＝５０Ωあるいは７５Ωのものが用いられるので、電圧Ｖが結合係数ｋの変化に伴って変化する。
【００１１】
図３の結果から、電源２０の出力電圧、即ち電力制御回路１３の出力電圧Ｖｓと増幅器２の出力Ｖが与えられと、そのときの結合係数ｋの値が一意に決まることがわかる。電力制御回路１３の出力電圧ＶｓはＩＣ１２により制御されるので、ＩＣ１２にはＶｓの値はわかっており、また電圧検知回路１１の出力信号から増幅器２の出力電圧ＶもＩＣ１２にはわかっている。従って図３のような回路特性が与えられれば、ＩＣ１２は各時点に於ける結合係数ｋの値を知ることができる。
【００１２】
その具体的な方法として例えば次のものがある。まず図３からも容易にわかるが、Ｖｓとｋの関数である電圧ＶはＶｓの値に比例している。従って
【数２】
Ｖ＝Ｖｓ・ｆ（ｋ）
とかける。従って例えば図３の任意のＶｓに対して各ｋの値にたいするｆ（ｋ）をＶ／Ｖｓから求めておけば、この関数ｆ（ｋ）はＶｓに依存しない曲線である。そこでこの関数ｆ（ｋ）とＶ／Ｖｓの関数を予め等価回路を用いて計算により求めておくか、あるいは実験的に求めて第１テーブルとし、ＩＣ１２内のＲＯＭに格納しておく。そうすれば各時点のＶとＶｓの値から結合係数ｋの値をそのテーブルを参照して容易に求めることができる。またｆ（ｋ）の逆関数
【数３】
ｋ＝ｆ-1（Ｖ／Ｖｓ）
をテーブルではなく、理論式あるいは近似式として求め、ＩＣ１２内のプログラムに持たせておいてもよい。
【００１３】
リーダ／ライタ用ＩＣ１２にはもう一つのテーブルもしくは数式を用意する。非接触ＩＣカードの受信電力として、カードが安定に動作し、かつ余分な熱を放出しなくてよいような受信電力をＰ0とする。非接触ＩＣカードの受信電力Ｐは、リーダ／ライタ装置の増幅器２の出力電圧Ｖと結合係数ｋで決まるが、（数２）の関係を考えるとある関数ｇがあって
【数４】
Ｐ＝ｇ（Ｖｓ，ｋ）
とかける。従って
【数５】
Ｐ0＝ｇ（Ｖｓ，ｋ）
となるＶｓとｋの関係を予め求めて第２テーブルとしてＩＣ１２内のＲＯＭに格納しておく。それもテーブルではなく近似関数で表しておいてもよい。
【００１４】
リーダ／ライタ用ＩＣ１２は、以上の第１及び第２テーブルを利用して図４に示したフローに従って送信電力の制御を行う。同図において、まず電力制御回路１３の出力電圧Ｖｓの設定値を初期化する（ステップ４１）。このときの初期値は適当に定めればよく、例えば（数４）でｋ＝０．０５のときのＶｓ値とする。次に電力制御回路１３へ制御信号を出力してその出力電圧が初期化した設定値Ｖｓとなるようにし（ステップ４２）、制御タイミングを待つ（ステップ４３）。制御タイミングになると電圧検知回路１１の出力信号を取り込んで増幅器２の出力電圧Ｖを求め（ステップ４４）、次いで前記した第１テーブルからＶ／Ｖｓに対する結合係数ｋを求める（ステップ４５）。そしてその求めた結合係数ｋに対するＶｓの値を第２テーブルから求め（ステップ４６）、ステップ４２へ戻って電力制御回路１３出力電圧が今求めたＶｓとなるように制御する。
【００１５】
以上のサイクルを繰り返すことで、非接触ＩＣカードの受電電力は常にほぼ設定値Ｐ0となるように制御されるので、発熱や過電圧による非接触ＩＣカード回路の損傷を確実に防止でき、安定な動作を実現できる。なお図４の制御サイクルの周期としては、非接触ＩＣカードが人に所持されて移動したときの結合係数の変化に追従できればよいから、例えば２０ｍsec程度に設定しておけばよく、ＩＣ１２のＣＰＵへのオーバーヘッドとしてはわずかなものでよく、他の動作の妨害となることはない。
【００１６】
図５は、本発明になるリーダ／ライタ装置の別の構成例を示すブロック図で、図１の構成と異なるのは、図１の電圧検知回路１１に変わって電流検知回路１４を設けていることである。この構成例では増幅器２の出力電流Ｉを電流検知回路１４で検出して電流信号を出力するが、２つのアンテナの結合度ｋと増幅器２の出力電流Ｉとの間の関係は、電力制御回路１３出力電圧Ｖｓをパラメータとして求めると図６のようになる。この関係はやはり図２の等価回路を用いて図３のときと同じ回路定数を与えてシミュレートした結果である。
【００１７】
図５にみられるように、両アンテナの結合係数ｋの増大とともに出力電流Ｉは単調に減少していて、電力制御回路出力電圧Ｖｓと出力電流Ｉがわかれば結合係数ｋが一意に定まる。そして出力電流Ｉが電圧Ｖｓに比例するのも図３の場合と同様である。
【数６】
Ｉ＝Ｖｓ・ｈ（ｋ）
従ってこの場合は図１の場合と違ってＩ／Ｖｓとｈ（ｋ）の関係を前述の第１テーブルに代わるテーブル（第３テーブルという）として用意しておけば、ＶｓとＩの検出値から結合係数ｋが求められる。そうすると求めたｋに対して適切な受電電力Ｐ0を非接触ＩＣカードに与える電圧Ｖｓが前述の第２テーブル（数４）の関係から求められので、やはり図１と同様な制御が可能となる。このときのＩＣ１２における制御フローを図７に示す。これはステップ７４で電圧Ｖに変わって電流Ｉを求め、ステップ７５で参照するテーブルを前述の第３テーブルとしたものであって、他の部分は図４と同じである。なお、図４、図７のいずれにおいても、テーブルに代わって近似関数を用いてもよいことはいうまでもない。
【００１８】
以上のようにして、非接触ＩＣカードでの過剰な発熱や過電圧による損傷を防止することができるが、そのための出力電力の制御にあたっては、非接触ＩＣカードでの所要電力に多少の余裕を持たせて制御誤差があっても確実に非接触ＩＣカードの動作を保証するようにする。従ってレギュレータ４に於ける多少の余分な発熱は避けられず、正規動作による各回路からの発熱もある。このため、非接触ＩＣカードを動作範囲内に長時間放置したときには、電圧検知回路１１または電流検知回路１４の出力信号をＩＣ１２で監視し、その変化分ΔＶまたはΔＩが所定値をこえたときにタイマーを起動し、その後そのタイマーの設定時間をオーバーして検出値ＶまたはＩが所定値以上の変化しないときは、非接触ＩＣカードが動作範囲内に放置されたものと判断して電力制御回路１３の出力電圧Ｖｓを０かあるいは大幅に低下させるようにする。上記のタイマーとしてはＩＣ１２の内臓タイマーあるいはソフトで実現すればよく、またタイマー設定時間としては通常の非接触ＩＣカードの処理に要する時間の例えば１０倍程度の値にして於けばよい。このような機構を組み込めば、非接触ＩＣカードが動作範囲に放置されたときでも、不要な電力消費を防止し、また発熱等による破損をより確実に防止できる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、非接触ＩＣカードが動作範囲のどこにあっても、また動作範囲の中に長時間放置されても、発熱や過電圧のために損傷を受けるのを確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になるリーダ／ライタ装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】非接触ＩＣカードへの電力伝送系統の等価回路である。
【図３】リーダ／ライタ装置のアンテナと非接触ＩＣカードのアンテナの結合係数ｋに対する増幅器出力電圧Ｖの関係を示す図である。
【図４】  図１のＩＣ１２による電力制御のフローである。
【図５】本発明になるリーダ／ライタ装置の別の構成例を示すブロック図である。
【図６】リーダ／ライタ装置のアンテナと非接触ＩＣカードのアンテナの結合係数ｋに対する増幅器出力電流Ｉの関係を示す図である。
【図７】図４のＩＣ１２による電力制御のフローである。
【図８】従来のリーダ／ライタ装置の構成説明図である。
【符号の説明】
２  増幅器
１１  電圧検知回路
１２  リーダ／ライタ用ＩＣ
１３  電力制御回路
１４  電流検知回路
【図１】
0003884565.tif 000002
【図２】
0003884565.tif 000003
【図３】
0003884565.tif 000004
【図４】
0003884565.tif 000005
【図５】
0003884565.tif 000006
【図６】
0003884565.tif 000007
【図７】
0003884565.tif 000008
【図８】
0003884565.tif 000009