非接触ＩＣカードシステム

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、各領域毎に配置された地上機と対応する領域に進入してきた移動体側の非接触ＩＣカードとの間で無線によるデータ伝送を行う非接触ＩＣカードシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、有料道路での料金収受を、電波を利用した非接触ＩＣカードで行うという試みがなされており、そのための各種システム（非接触ＩＣカードシステム）が各社で頻繁に開発されている。
【０００３】非接触ＩＣカードシステムとは、例えば図５R>５に示すように、車両３３の利用者が持つ非接触ＩＣカード３２と、料金所３１の近傍に設けられたアンテナ３０と、地上機３４とを主構成要素とし、無線によりデータ伝送を行い、料金収受をノンストップ且つキャッシュレスで行うためのものである。
【０００４】料金の支払いの方式には、テレホンカードのように料金を前払いして、非接触ＩＣカード３２のメモリに記憶し、利用毎にメモリ上の残額（の情報）を更新するタイプと、クレジットカードのように、非接触ＩＣカード３２のＩＤ番号から利用者を認識し、銀行口座から引き去る、後払いタイプとがある。
【０００５】ここで、従来の非接触ＩＣカードシステムの動作原理を説明する。まず、図６は非接触ＩＣカードシステムの地上機の構成を示すもので、発振器４０、変調器４１、アンプ４２、カプラ４３、送信アンテナ４４、受信アンテナ４５、アンプ４６、ミキサ４７およびフィルタ４８から構成されている。送信アンテナ４４および受信アンテナ４５は、図５の非接触ＩＣカードシステム中のアンテナ３０に相当する。
【０００６】図７は非接触ＩＣカードの構成を示すもので、送受信アンテナ５０、変調器５１、検波器５２、終端器５３およびアンプ５４から構成されている。次に、図６および図７の構成における各部の動作を図８および図９を参照して説明する。
【０００７】まず、Ａ１は図６に示した地上機側から図７R>７に示した非接触ＩＣカードに送信するためのデータ列である。またＡ２は発振器４０の出力波形であり、搬送波である。これを変調器４１を用いて変調すると、波形Ａ３を得ることができる。この波形Ａ３はアンプ４２を用いて増幅され、カプラ４３を介して送信アンテナ４４から電波となって放射される。このカプラ４３は、搬送波（Ａ２）を電磁波の結合を利用して分配し、ミキサ４７に出力するものである。
【０００８】そして、図７に示した非接触ＩＣカード側では、地上機側（の送信アンテナ４４）からの電波を、送受信アンテナ５０にて受信する。その受信波形Ａ３は変調器５１を素通りし、検波器５２に入力する。検波器５２では、ダイオードにより波形Ａ３を半波整流し、その後低周波フィルタで、高周波成分がカットされ、波形Ａ４が得られる。
【０００９】このようにして、データを地上機側から非接触ＩＣカード側に伝送することができる。一方、非接触ＩＣカード側から地上機側にデータを送信する場合には、地上機側の搬送波にデータを変調して送り返すことになる。これは、反射型方式と一般的には称されており、電波法では、特定の周波数帯において、この反射型が義務付けられている。
【００１０】波形Ｂ１は、非接触ＩＣカードから地上機に送信するデータであり、これを変調器５１に入力する。この変調器５１は、“変調”というよりも、むしろ通過ゲートの役割を果たしており、送信データ（波形Ｂ１）がハイレベルの場合には、ゲートをＯＦＦし、送受信アンテナ５０にて受信された地上機からの搬送波を反射し送り返す。また、変調器５１は、データがローレベルであれば、ゲートをＯＮさせ搬送波を検波器５２側に通過させる。先の送受信アンテナ５０における受信時の説明で、受信波形Ａ３が変調器５１を素通りしたのは、送信データ（波形Ｂ１）が、ローレベルであったためである。この通過波形（のエネルギー）は検波器５２によって検波されるが、不要なデータであるため殆どが終端器５３によって吸収される。
【００１１】このようにして、データＢ１の変化に応じた変調波Ｂ２を得ることができる。この変調波（波形）Ｂ２は、電波となって送受信アンテナ５０から放射される。アンテナ５０から放射された波形Ｂ２の電波は、図６R>６に示した地上機の受信アンテナ４５で受信され、アンプ４６で増幅されて、ミキサ４７に入る。ミキサ４７は、波形Ｂ２と搬送波Ａ２を乗算し、周波数シフトを行い、波形Ｂ３を得る。この波形Ｂ３をバンドパスフィルタ４８を通し、波形Ｂ４を得る。
【００１２】これで、非接触ＩＣカードの送信データを地上機で受信できたことになる。以上のように、全く同一の周波数を持つ搬送波を用いて復調を行う方法は、ホモダイン検波方式と呼ばれる。
【００１３】このホモダイン検波を図１０および図１１を参照して説明する。図１０は、図９に示した波形Ｂ２の周波数スペクトラムを示すもので、搬送波Ｆ２と信号成分が含まれた変調波Ｆ１，Ｆ３が見られる。これ（波形Ｂ２）に、ミキサ４７にて搬送波Ａ２を乗算すると、図１１のような周波数シフトが生じ、Ｆ２が直流成分までシフトされ、変調波Ｆ３がＦ４にシフトされる。また、Ｆ２は同時にＦ６にもシフトし、Ｆ１がＦ５に、Ｆ３がＦ７にシフトされる。したがって、波形Ｂ３には、直流成分と、Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６，Ｆ７が含まれることになる。
【００１４】ここで、目的とするデータ列の周波数成分はＦ４であるので、符号６０に示されるような特性を持ったバンドパスフィルタ４８で、Ｆ４のみを抽出し、データを復調している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の非接触ＩＣカードシステムでは、複数の通行車線に非接触ＩＣカードシステムを導入した場合には、電波干渉のために、各車線側の地上機と非接触ＩＣカードとの間の通信ができなかったり、通信距離が減少したりすることがある。
【００１６】この原因は、図１２に示すように、或る（車線側の）地上機（＃１）６１の搬送波６２が直接別の（車線側の）地上機（＃２）６３の受信アンテナ６４に侵入し、妨害波となってＳ／Ｎ比（信号対ノイズ比）を低下させるためである。ここでは、信号（Ｓ）は非接触ＩＣカード６５からの反射波６６であり、ノイズ（Ｎ）は地上機（＃１）６１からの搬送波６２になる。
【００１７】これを周波数軸上で説明する。図１３は、地上機（＃２）６３で受信した電波の周波数スペクトルを示すもので、Ｆ２が地上機（＃２）６３の搬送波かつ非接触ＩＣカード６５からの反射波であり、Ｆ１とＦ３が非接触ＩＣカードの変調波である。また、ＦＮ１は地上機（＃１）６１からの搬送波である。
【００１８】このようなスペクトラムを持った受信波をＦ２にてホモダイン検波すると、Ｆ２は直流成分およびＦ６に、Ｆ１はＦ５に、Ｆ３はＦ４およびＦ７に、そしてＦＮ１はＦＮ２およびＦＮ３に周波数シフトされることが分かる。
【００１９】したがって、ＦＮ２がバンドパスフィルタの内部に侵入し、ノイズとなって信号成分Ｆ４とのＳ／Ｎ比が低下してしまう。このような、Ｓ／Ｎ比の低下は、地上機と非接触ＩＣカードの無線回線の低下を意味し、通信距離の減少などの悪影響を及ぼす。
【００２０】以上が、有料道路での料金収受に際しての車線（毎に設けられた地上機相互）間の電波干渉である。この電波干渉は、他に、物流管理システム、駐車場システムなど、各領域毎に配置された地上機と対応する領域に進入してきた移動体側の非接触ＩＣカードとの間で無線によるデータ伝送を行う非接触ＩＣカードシステム全般に共通の問題であった。
【００２１】本発明は上記事情を考慮してなされたものでその目的は、各領域毎に配置された地上機と対応する領域に進入してきた移動体側の非接触ＩＣカードとの間で無線によるデータ伝送を行う際の、各地上機相互間の電波干渉をなくすことができる非接触ＩＣカードシステムを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決するために、各領域毎に配置された地上機の搬送波の発振周波数を同一にしたことを特徴とするものである。本発明はまた、各地上機の搬送波の発振周波数を同一にするために、上記搬送波の基準クロックを各地上機に供給するためのの、各地上機に共通の唯一の基準クロック発生器を設けると共に、各地上機には、この基準クロック発生器からの基準クロックに追従して搬送波を出力する位相同期器を設けたことを特徴とする。
【００２３】本発明はまた、各地上機の搬送波の発振周波数を同一にするための他の構成として、各地上機に共通の唯一の搬送波発振器を設け、この搬送波発振器から上記搬送波を発振出力して各地上機に供給するようにしたことをも特徴とする。
【００２４】本発明はまた、各地上機の搬送波の発振周波数を同一にするための更に他の構成として、各地上機に共通の唯一の搬送波発振器および同発振器からの搬送波を電波にて放射するための搬送波送信アンテナを設けると共に、各地上機側には、上記搬送波送信アンテナからの搬送波を受信するための搬送波受信アンテナと、この搬送波受信アンテナで受信された搬送波を増幅するアンプとを設け、この増幅後の搬送波を対応する地上機で用いるようにしたことをも特徴とする。
【００２５】
【作用】上記の構成においては、各領域（有料道路の料金収受システムに適用される非接触ＩＣカードシステムの例では、料金所の各通行車線）毎に配置された各地上機の搬送波は同一となり、したがって各地上機から（非接触ＩＣカードに対して）は全く同一の周波数の搬送波が出力される。このため、各地上機が、図１２の例と同様に、たとえ他の地上機からの搬送波を受信アンテナで受信したとしても、従来とは異なって自身の搬送波と周波数が同一であることから、ホモダイン検波を行うと、直流成分まで周波数シフトされ、バンドパスフィルタで取り除くことができるようになる。したがって、他の地上機との電波干渉は全くなくなる。
【００２６】
【実施例】以下、本発明の第１実施例を、有料道路の料金所近傍に各通行車線毎に設けられた地上機と、そこに進入してきた車両（移動体）の利用者が持つ非接触ＩＣカードとの間で、有料道路の料金収受をノンストップで、かつキャッシュレスで行うために、無線によりデータ伝送を行う非接触ＩＣカードシステムに実施した場合について、図１および第２を参照して説明する。
【００２７】図１は、本発明の第１実施例を示す非接触ＩＣカードシステムのブロック構成を示す。この第１実施例における非接触ＩＣカードシステムは、図１に示すように、地上機７の外部に基準クロック発生器１を持ち、地上機７の内部に位相比較器２、フィルタ４、電圧制御発振器５および分周器３から構成された位相同期器６を持つことにより、以下に詳述するように、各地上機７の搬送波の周波数が同一になるようにしたものである。なお、地上機７は、各車線毎に配置されるものであるが、図１では１つだけが示されている。また、非接触ＩＣカードは省略されている。
【００２８】図１において、基準クロック発生器１は、図２の波形図中のＣ１のような安定した周波数の波形を出力する。この基準クロック発生器１からの波形Ｃ１は、各地上機７に設けられた位相同期器６内の位相比較器２に、例えばケーブルを介して供給される。
【００２９】位相比較器２は、同じ位相同期器６内の分周器３から出力される波形Ｃ２と、基準クロック発生器１からの波形Ｃ１とを比較し、Ｃ１の方がＣ２より位相が進んでいるならば、Ｃ１の立ち上がり時間からＣ２の立ち上がり時間まで、ハイレベルのパルスを出力する。これとは逆に、Ｃ２の方がＣ１より位相が進んでいるならば、位相比較器２は、Ｃ２の立ち上がり時間からＣ１の立ち上がり時間まで、ローレベルのパルスを出力する。
【００３０】このようにして、位相比較器２は、図２中のＣ３のような波形を出力する。位相比較器２から出力された波形Ｃ３は、フィルタ４に供給される。このフィルタ４は、ローパスフィルタである。したがって、フィルタ４に供給された波形Ｃ３は、同フィルタ４により波形を鈍らされ、図２中のＣ４のような波形としてフィルタ４から出力される。この波形Ｃ４は電圧制御発振器５に供給される。
【００３１】電圧制御発振器５は、入力される電圧に応じて周波数を発振させるものであり、図１の構成では、入力される波形Ｃ４の電圧が基準値より大きい場合には、発振周波数を大きくし、これとは逆に、入力される波形Ｃ４の電圧が基準値より小さい場合には、発振周波数を小さくするようにしている。
【００３２】このようにして、電圧制御発振器５は、入力される波形Ｃ４の電圧に応じて、図２中のＣ５のような波形を出力する。この波形Ｃ５は、搬送波として用いられる。分周器３は、この電圧制御発振器５からの出力波形Ｃ５、即ち搬送波Ｃ５を、分周して上記したＣ２のような波形を位相比較器２に出力する。この例では、分周器３からは、搬送波Ｃ５が４分周された波形Ｃ２が出力されるようになっている。
【００３３】以上に述べたように、本発明の第１実施例によれば、地上機７内に位相同期器６を設けて位相比較器２、フィルタ４、電圧制御発振器５および分周器３からなる帰還系を構成することにより、搬送波Ｃ５を基準クロック発生器１からの基準クロック（波形Ｃ１）の周波数に追従して発振出力させることができる。したがって、基準クロック発生器１からの基準クロック（波形Ｃ１）を、上記したように、外部から各車線毎の地上機７に供給することにより、各地上機７の搬送波（Ｃ５）の周波数を全く同一にすることができる。
【００３４】また、このような構成においては、基準クロック発生器１からの基準クロック（波形Ｃ１）と地上機７の搬送波（Ｃ５）の周波数の分周比を、位相同期器６内の分周器３で適当に選ぶことができ、分周比を大きくし、基準クロック（波形Ｃ１）の周波数を小さくすることにより、基準クロック（波形Ｃ１）の地上機７へのケーブル伝送が容易になるという利点がある。
【００３５】さて、地上機７には、位相同期器６の他に、同位相同期器６（内の電圧制御発振器５）にて生成出力された上記搬送波（波形Ｃ５）と送信データとを入力する変調器８、更には、アンプ９、カプラ１０、送信アンテナ１１、受信アンテナ１２、アンプ１３、ミキサ１４およびフィルタ（バンドパスフィルタ）１５が設けられている。これら、位相同期器６を除く各要素は、図６R>６に示した従来の非接触ＩＣカードシステムにおける地上機の（発振器４０を除く）構成要素（変調器４１、更には、アンプ４２、カプラ４３０、送信アンテナ４４、受信アンテナ４５、アンプ４６、ミキサ４７およびフィルタ４８）と同様である。
【００３６】また、地上機７と無線によりデータ伝送を行う非接触ＩＣカード自体の構成は、図７に示した従来の非接触ＩＣカードシステムにおける非接触ＩＣカードの構成と同様である。
【００３７】更に、上記した搬送波出力を除く地上機７の動作原理、非接触ＩＣカードの動作原理は、従来の非接触ＩＣカードシステムにおける地上機の動作原理、非接触ＩＣカードの動作原理と同様である。
【００３８】したがって、本発明の第１実施例に係る非接触ＩＣカードシステムにおける、上記した地上機７での搬送波出力以降の動作については、説明を省力する。次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００３９】図３は、本発明の第２実施例を示す非接触ＩＣカードシステムのブロック構成を示す。この第２実施例における非接触ＩＣカードシステムは、図３に示すように、搬送波発振器１６それ自体を地上機７ａの外部に持ったことを特徴としている。なお、地上機７ａは、各車線毎に配置されるものであるが、図３では１つだけが示されている。また、非接触ＩＣカードは省略されている。
【００４０】図３において、搬送波発振器１６から出力される搬送波は、例えばケーブルを介して各地上機７ａに供給される。これにより、各地上機７ａの搬送波の発振周波数を同一にすることができる。
【００４１】搬送波発振器１６からの搬送波は、地上機７ａに設けられたアンプ１７に供給される。アンプ１７は、この搬送波を増幅して、搬送波発振器１６からのケーブル伝送での減衰分を補うことにより、地上機７ａでの搬送波の使用を可能とする。
【００４２】地上機７ａには、アンプ１７の他に、同アンプ１７で増幅された搬送波と送信データとを入力する変調器８、更には、アンプ９、カプラ１０、送信アンテナ１１、受信アンテナ１２、アンプ１３、ミキサ１４およびフィルタ（バンドパスフィルタ）１５が設けられている。これら、アンプ１７を除く各要素は、図６に示した従来の非接触ＩＣカードシステムにおける地上機の（発振器４０を除く）各要素と同様である。
【００４３】また、地上機７ａと無線によりデータ伝送を行う非接触ＩＣカード自体の構成は、図７に示した従来の非接触ＩＣカードシステムにおける非接触ＩＣカードの構成と同様である。
【００４４】更に、上記した搬送波出力を除く地上機７ａの動作原理、非接触ＩＣカードの動作原理は、従来の非接触ＩＣカードシステムにおける地上機の動作原理、非接触ＩＣカードの動作原理と同様である。
【００４５】したがって、本発明の第２実施例に係る非接触ＩＣカードシステムにおける、上記した地上機７ａでの搬送波出力以降の動作については、説明を省力する。次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００４６】図４は、本発明の第３実施例を示す非接触ＩＣカードシステムのブロック構成を示す。この第３実施例における非接触ＩＣカードシステムは、図４に示すように、地上機７ｂの外部に搬送波発振器１８を設け点は、前記第２実施例の場合と同様であるが、この搬送波発振器１８からの搬送波を、ケーブルを用いずに各地上機７ｂに供給するようにしたことを特徴としている。なお、地上機７ｂは、各車線毎に配置されるものであるが、図４では１つだけが示されている。また、非接触ＩＣカードは省略されている。
【００４７】図４において、搬送波発振器１８から出力される搬送波は、搬送波送信アンテナ１９により電波として放射される。地上機７ｂには搬送波受信アンテナ２０が設けられており、搬送波送信アンテナ１９から放射された搬送波は、同アンテナ２０で受信される。
【００４８】搬送波受信アンテナ２０で受信された搬送波送信アンテナ１９からの搬送波は、地上機７ｂに設けられたアンプ２１に供給される。アンプ２１は、この受信搬送波を増幅することにより、地上機７ｂでの搬送波の使用を可能とする。これにより、各地上機７ｂの搬送波を同一にすることができる他、ケーブル敷設の手間、敷設費が省略できるという利点がある。
【００４９】地上機７ｂには、アンプ２１の他に、同アンプ２１で増幅された搬送波と送信データとを入力する変調器８、更には、アンプ９、カプラ１０、送信アンテナ１１、受信アンテナ１２、アンプ１３、ミキサ１４およびフィルタ（バンドパスフィルタ）１５が設けられている。これら、アンプ２１を除く各要素は、図６に示した従来の非接触ＩＣカードシステムにおける地上機の（発振器４０を除く）各要素と同様である。
【００５０】また、地上機７ｂと無線によりデータ伝送を行う非接触ＩＣカード自体の構成は、図７に示した従来の非接触ＩＣカードシステムにおける非接触ＩＣカードの構成と同様である。
【００５１】更に、上記した搬送波出力を除く地上機７ｂの動作原理、非接触ＩＣカードの動作原理は、従来の非接触ＩＣカードシステムにおける地上機の動作原理、非接触ＩＣカードの動作原理と同様である。
【００５２】したがって、本発明の第３実施例に係る非接触ＩＣカードシステムにおける、上記した地上機７ｂでの搬送波出力以降の動作については、説明を省力する。以上は、本発明を、有料道路の料金所近傍に各通行車線毎に設けられた地上機と、そこに進入してきた車両の利用者が持つ非接触ＩＣカードとの間で、有料道路の料金収受をノンストップで、かつキャッシュレスで行うために、無線によりデータ伝送を行う非接触ＩＣカードシステムに実施した場合について説明したが、これに限るものではない。即ち本発明は、上記以外にも、各領域毎に配置された地上機と対応する領域に進入してきた移動体側の非接触ＩＣカードとの間で無線によるデータ伝送を行う、物流管理システム、駐車場システムなどの非接触ＩＣカードシステムにも適用可能である。
【００５３】
【発明の効果】以上詳述したように本発明の非接触ＩＣカードシステムによれば、各地上機の搬送波の発振周波数を同一にする構成としたので、各地上機が、他の地上機からの搬送波を受信アンテナで受信したとしても、他の地上機との間の電波干渉を招かないで済むようになる。このため、本発明を例えば有料道路の料金収受システムに適用した場合には、複数の車線を持つ料金所の各車線毎に非接触ＩＣカードシステムを設置することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る非接触ＩＣカードシステムのブロック構成図。
【図２】同実施例における動作原理を説明するため波形図。
【図３】本発明の第２実施例に係る非接触ＩＣカードシステムのブロック構成図。
【図４】本発明の第３実施例に係る非接触ＩＣカードシステムのブロック構成図。
【図５】非接触ＩＣカードシステムの代表的な運用イメ一ジを示す図。
【図６】従来の非接触ＩＣカードシステムの地上機側の構成を示すブロック図。
【図７】従来の非接触ＩＣカードシステムの非接触ＩＣカードの構成を示すブロック図。
【図８】従来の非接触ＩＣカードシステムのデータ送信時の動作原理を説明するための波形図。
【図９】従来の非接触ＩＣカードシステムのデータ受信時の動作原理を説明するための波形図。
【図１０】反射波の周波数スペクトラムを示す図。
【図１１】ホモダイン検波後の周波数スペクトラムを示す図。
【図１２】車線間の電波干渉を説明するための図。
【図１３】反射波に妨害波が侵入した場合の周波数スペクトラムを示す図。
【図１４】反射波と妨害波を同時にホモダイン検波した場合の周波数スペクトラムを示す図。
【符号の説明】
１…基準クロック発生器、２…位相比較器、３…分周器、４…フィルタ、５…電圧制御発振器、６…位相同期器、７…地上機、７ａ…地上機７ｂ…地上機、８…変調器、９…アンプ、１０…カプラ、１１…送信アンテナ、１２…受信アンテナ、１３…アンプ、１４…ミキサ、１５…フィルタ、１６…搬送波発振器、１７…アンプ、１８…搬送波発振器、１９…搬送波送信アンテナ、２０…搬送波受信アンテナ、２１…アンプ。

【特許請求の範囲】
【請求項１】各領域毎に配置された地上機と対応する領域に進入してきた移動体側の非接触ＩＣカードとの間で無線によるデータ伝送を行う非接触ＩＣカードシステムにおいて、前記各地上機の前記無線によるデータ伝送に用いられる搬送波の発振周波数を同一にしたことを特徴とする非接触ＩＣカードシステム。
【請求項２】各領域毎に配置された地上機と対応する領域に進入してきた移動体側の非接触ＩＣカードとの間で無線によるデータ伝送を行う非接触ＩＣカードシステムにおいて、前記各地上機の前記無線によるデータ伝送に用いられる搬送波の基準クロックを前記各地上機に供給するためのの、前記各地上機に共通の唯一の基準クロック発生器を設けると共に、前記各地上機内に設けられ、前記基準クロック発生器からの前記基準クロックに追従して搬送波を出力する位相同期器を設け、前記各地上機の搬送波の発振周波数を同一にしたことを特徴とする非接触ＩＣカードシステム。
【請求項３】各領域毎に配置された地上機と対応する領域に進入してきた移動体側の非接触ＩＣカードとの間で無線によるデータ伝送を行う非接触ＩＣカードシステムにおいて、前記各地上機の前記無線によるデータ伝送に用いられる搬送波を発振出力して前記各地上機に供給するためのの、前記各地上機に共通の唯一の搬送波発振器を設け、前記各地上機の搬送波の発振周波数を同一にしたことを特徴とする非接触ＩＣカードシステム。
【請求項４】各領域毎に配置された地上機と対応する領域に進入してきた移動体側の非接触ＩＣカードとの間で無線によるデータ伝送を行う非接触ＩＣカードシステムにおいて、前記各地上機の前記無線によるデータ伝送に用いられる搬送波を発振出力するための前記各地上機に共通の唯一の搬送波発振器と、この搬送波発振器からの搬送波を電波にて放射するための搬送波送信アンテナとを設けると共に、前記各地上機側に、前記搬送波送信アンテナからの前記搬送波を受信するための搬送波受信アンテナと、この搬送波受信アンテナで受信された前記搬送波を増幅するアンプとを設け、前記各地上機の搬送波の発振周波数を同一にしたことを特徴とする非接触ＩＣカードシステム。

【図１】