JP2008028791A - Ｅ級増幅器およびそれを用いたリーダライタならびに書類管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】出力負荷の変動に影響されにくいＥ級増幅器を提供する。
【解決手段】基準電圧とスイッチング素子２０からの出力電圧とを比較してその結果を出力する電圧比較部２５と、基準となるクロック信号２８を発生する基準クロック生成部２７とを備え、電圧比較部２５の出力信号２６がハイレベルになったときにスイッチング素子２０をオンにし、クロック信号２８がローレベルになったときにスイッチング素子２０をオフにするスイッチング信号３０を生成することにより、出力負荷２３が変動しても非効率領域が発生しないＥ級増幅器を構成する。このＥ級増幅器は、ＲＦＩＤタグのリーダライタとして用いることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、Ｅ級動作を行う増幅器およびそれを用いたリーダライタならびに書類管理システムに関する。

近年、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれる、電波や磁束を用いて固有のＩＤなどを持つタグとの通信を行う方式を、人の認証や物の管理、電子マネーなどに利用する手法が注目されてきている。

主な例を挙げると、タグの中に電子マネーとしての情報を持たせ、切符を購入する代わりにその電子マネーを用いて改札で清算するシステムや、棚に収納されている書類などをタグで管理するシステム、タグを利用した物流業界のトレーサビリティやサプライチェーンマネージメントなどのシステムである。

これらのシステムでは、タグとの通信を行うためのリーダライタが必要となる。そのリーダライタからの送信信号を増幅する増幅器として、Ｅ級増幅器が用いられることがある。

Ｅ級増幅器は、効率のよい増幅器として知られ、図５のように基本的に入力電源１０１、チョークコイル１０２、クロック信号発生部１０３、スイッチング素子１０４、スイッチング素子１０４の並列キャパシタ１０５、ＬＣ共振回路１０６、出力負荷１０７で構成される。

また、（特許文献１）では、さらに効率よく動作させるようにする技術が開示されている。

図６は（特許文献１）に開示されているＥ級増幅器の構成を示すものであり、２０１は入力電源、２０２はチョークコイル、２０６は主スイッチ、２０７は補助スイッチ、２１０、２１１はスイッチの並列キャパシタ、２１２、２１３は並列ダイオードを示す。

以上のように構成されたＥ級増幅器について、その動作を説明する。主スイッチ２０６、補助スイッチ２０７をチョークコイル２０２の一方の端子２０４とアース２０８の間に直列に接続し、正弦波の出力電圧２１７が正の極性の場合に主スイッチ２０６をオフにし、補助スイッチ２０７をオンにして並列キャパシタ２１０に充電するとともに他方の並列キャパシタ２１１を放電する。

正弦波の出力電圧２１７が負の極性の場合には主スイッチ２０６をオンにし、補助スイッチ２０７をオフにして並列キャパシタ２１１に充電するとともに他方の並列キャパシタ２１０を放電する。このように、スイッチ２０６，２０７のスイッチング動作と並列ダイオード２１２、２１３のスイッチング動作の２つのスイッチを用いてゼロ電圧スイッチングを効率的に行い、高効率な動作、スイッチのデューティ比の調整を行うことが可能となっている。
特開平６−３３４４４６号公報

しかし、ＲＦＩＤでは負荷変調というタグの負荷の変動を利用した通信方式を用いる。そのため、送信信号を増幅するＥ級増幅器においては、アンテナとタグの負荷とが出力負荷１０７に相当する。

ここでまずＲＦＩＤの通信方式を説明する。ＲＦＩＤでは電波をコマンドの送受信のためのキャリアとして用いるためと、タグへの電力供給という２つの目的のために、常に送信電波を出しておかなければならない。すなわち、送信電波を利用した負荷変調を用いている。

この負荷変調方式は、電波を利用してリーダライタからタグへコマンドを送信する場合には、コマンドによって変調した電波を送信する。タグからリーダライタへ応答信号を返す場合には送信電波の反射の有無による変調を利用する方式である。

負荷変調方式においては、リーダライタの受信部ではタグからの応答の無い状態の受信信号レベルを基準とし、その基準からタグの負荷変調による信号レベルの変化分とその変化している時間を利用する。

負荷変調方式での通信においてその負荷のインピーダンスは、タグの大きさやタグ内部のアンテナの形状、読み取る時の枚数などによって常に変化する。

このためＲＦＩＤのリーダライタにおいてＥ級増幅器を用いた場合、Ｅ級増幅器の出力負荷はアンテナとタグの負荷に相当し、そのアンテナとタグの負荷変調の負荷のインピーダンスは上述したようにタグの大きさや内部のアンテナの形状、読み取る時の枚数などによって変化してしまう。

その時の出力負荷のインピーダンスが変動した場合のＥ級増幅器の動作波形について図７を用いて説明する。図５における出力負荷１０７に対し、スイッチング素子１０４の最適なデューティ比をもつスイッチング信号を１０９、そのスイッチング信号を用いてスイッチング素子１０４をスイッチング動作させた時のチョークコイル１０２とスイッチング素子１０４の間の接続点１０８の波形を図７（Ａ）の１１０に示す。また波形１１０における点１１１はゼロ電圧スイッチング動作点を示す。

上記の波形１１０が出力できる出力負荷１０７のインピーダンスから、インピーダンスが変動してしまった場合の波形を図７（Ｂ）の１１２に示す。負荷が変動することによりＱ値が変わり、元の波形１１０に対して、波形１１２は振幅が変わる。出力負荷１０７のインピーダンスが変動した場合でも、スイッチング信号１０９は波形１１０を出力する信号でデューティ比が最適化されている。そうすると、図７（Ｂ）に示すように、スイッチング信号１０９がハイレベル（スイッチング素子１０４がオン）になる前の１１１の時点で波形１１２がゼロとなるが、スイッチング信号１０９はローレベル（スイッチング素子はオフ）のままであるので、共振回路１０６の共振周波数をもつ自由振動の次のサイクルの波形が現れ、１１３の斜線で示される非効率領域が発生する。このように、出力負荷１０７のインピーダンスが変動することにより、あらかじめ最適にデューティ比が選定されたスイッチング信号１０９では、ゼロ電圧スイッチング動作点１１１においてゼロ電圧スイッチングが出来なくなるという不都合が生じる。

そのためＲＦＩＤにおいて出力負荷１０７の変動は、読み取り範囲にあるタグのアンテナサイズの違うものや、それぞれの枚数の違い、タグの移動など日常的であるため、リーダライタにＥ級増幅器を用いるのは困難であった。

本発明は、タグの移動などに代表される出力負荷の変動が起こってもその負荷の変動を考慮し、出力負荷の負荷変動に影響されにくいＥ級増幅器およびそれを用いたリーダライタならびに書類管理システムを提供することを目的とする。

本発明は、非効率領域を発生させないために、チョークコイルとスイッチング素子の間の接続点における電圧波形のゼロ電圧スイッチング動作点を判定する電圧比較部と、クロック信号を生成する基準クロック生成部と、電圧比較部からの出力信号と基準クロック生成部からのクロック信号からスイッチング素子をスイッチング動作させるスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部を付加してＥ級増幅器を構成することを主要な特徴とする。

本発明のＥ級増幅器は、スイッチング信号のずれによって非効率領域が発生する前に、電圧比較部でゼロ電圧スイッチング動作点を判定し、その判定結果とクロック信号から最適なスイッチング信号を生成し、そのスイッチング信号でスイッチング動作させることで、負荷が変動しても非効率領域が発生する前にスイッチング動作させることが出来るようになるため、負荷変動に強いＥ級増幅器を構成することが可能となる。

本発明は、出力負荷の負荷変動に影響されにくいＥ級増幅器およびそれを用いたリーダライタならびに書類管理システムを提供するという目的を、チョークコイルとスイッチング素子の間の接続点における電圧波形のゼロ電圧スイッチング動作点を判定する電圧比較部と、クロック信号を生成する基準クロック生成部と、電圧比較部からの出力信号と基準クロック生成部からのクロック信号からスイッチング素子をスイッチング動作させるスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部を付加してＥ級増幅器を構成することにより実現した。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、入力電源と、負荷のインピーダンスが変動する出力負荷部と、入力電源に接続されたチョークコイルと、チョークコイルに接続されたスイッチング素子と、スイッチング素子に並列なキャパシタと、チョークコイルとスイッチング素子との接続点と出力負荷部との間に接続されたＬＣ共振回路と、を有するＥ級増幅器において、基準電圧と接続点の電圧（出力電圧）とを比較する電圧比較部と、基準となるクロック信号を発生する基準クロック発生部と、出力電圧が基準電圧よりも低くなったときに電圧比較部が出力する信号と同期してスイッチング素子をオンにし、クロック信号の終端と同期してスイッチング素子をオフにするスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部と、を備えたことを特徴とするＥ級増幅器である。

この第１の発明においては、スイッチング信号のずれによって非効率領域が発生する前に、電圧比較部でゼロ電圧スイッチング動作点を判定し、その判定結果とクロック信号から最適なスイッチング信号を生成し、そのスイッチング信号でスイッチング動作させることにより、負荷が変動しても非効率領域が発生する前にスイッチング動作させることが出来るようになるため、負荷変動に強いＥ級増幅器を構成することが可能となる。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、上記電圧比較部の基準電圧を０ボルトとしたものであり、一般的なゼロクロス回路を採用した回路構成とすることができる。

上記課題を解決するためになされた第３の発明は、上記の構成のＥ級増幅器を備え、出力負荷部が、タグおよびアンテナのインピーダンスとして機能するリーダライタである。これにより、出力負荷が変動するタグに対しても、構成が簡単で高効率なＥ級増幅器を使用したリーダライタを実現することができる。

上記課題を解決するためになされた第４の発明は、上記のリーダライタを使用し、タグが書類に付設され、書類の設置箇所にアンテナが設置される書類管理システムである。これにより、構成が簡単で高高率なリーダライタを用いた書類管理システムを実現することができる。

（実施の形態）
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１から図４を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る書類管理システムの構成例を示す概略図、図２は本発明の実施の形態に係る書類管理システムに用いるＲＦＩＤシステムのブロック図、図３は本発明の実施の形態に係るリーダライタに用いるＥ級増幅器のブロック図、図４は本発明の実施の形態に係るＥ級増幅器の各部の波形図である。

図１において、１は管理の対象となる書類、２は書類１を管理するためのタグ、３はタグ２との送受信を行うためのアンテナ、４はアンテナ３を通じてタグ２と通信を行うためのリーダライタ、５は書類１を管理するためのホストＰＣ、６は書類などを保管・管理する筐体である。

以上のように構成されたＲＦＩＤを用いた書類管理システムについてその動作を説明する。

筐体６内にアンテナ３を配置し、そのアンテナ３上にタグ２を貼り付けた書類１を並べて配置する。その書類１を管理するために、書類１に貼り付けられたタグ２のデータを、リーダライタ４からの信号をアンテナ３を介して送受信することにより読み取る。その読み取ったタグ２のデータをホストＰＣ５に送り、このホストＰＣ５で管理する。

このＲＦＩＤシステムと、ＲＦＩＤシステムに利用するリーダライタ４について図２を用いて説明する。

図２において、７は送信信号を発生させる信号発生部、８は信号発生部７の信号を変調、あるいはタグ２の応答信号を復調するためのクロックを発生させる変復調用クロック信号発生部、９は信号発生部７からの信号を変復調用クロック信号発生部８で変調する変調部、１０は変調部９で変調した信号を増幅するＥ級増幅器、１１はアンテナ３で受信したタグ２の応答信号を変復調用クロック信号発生部８のクロック信号で復調する復調部、１２は復調部１１で復調した信号を処理する信号処理部、１３は信号発生部７と信号処理部１２からなるデータ処理部、１４はタグ２とリーダライタ４とからなるＲＦＩＤシステムである。

以上のように構成されたＲＦＩＤシステム１４におけるリーダライタ４では、タグ２と通信するために、データ処理部１３の信号発生部７よりタグ２への送信信号を発信する。その送信信号を変調部９で変復調用クロック信号発生部８のクロック信号を用いて変調し、Ｅ級増幅器１０で増幅し、アンテナ３でタグ２へ送信する。送信信号に応答したタグ２からの応答信号は、アンテナ３で受信し、変復調用クロック信号発生部８のクロック信号を用いて復調部１１で復調し、データ処理部１３の信号処理部１２で信号処理を行い、タグ２と通信を行う。

ＲＦＩＤシステム１４におけるタグ２と通信を行うリーダライタ４に用いるＥ級増幅器１０の構成について図３を用いて説明する。

図３において、１８は入力電源、１９はチョークコイル、２０はスイッチング動作を行うスイッチング素子、２１はキャパシタ、２２はＬＣ共振回路、２３は出力負荷、２４はチョークコイル１９とスイッチング素子２０との接続点、２５は接続点２４の電圧（出力電圧）と基準電圧とを比較する電圧比較部、２６は電圧比較部２５での結果を出力した出力信号、２７はクロック信号を生成する基準クロック生成部、２８は基準クロック生成部２７からのクロック信号、２９は電圧比較部２５の出力信号２６と基準クロック生成部２７からのクロック信号２８からスイッチング素子２０をスイッチング動作させるスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部、３０はスイッチング信号生成部２９で生成されたスイッチング信号、３１はグランドである。出力負荷２３は、リーダライタ４においては、アンテナ３とタグ２の負荷を意味する。

以上のように構成されたＥ級増幅器１０の動作について図４を用いて説明する。図４（ｂ）は、ある出力負荷２３のインピーダンスにおいて最適に設定されたデューティ比をもつスイッチング信号の信号波形を３２に示す。

この信号波形３２でスイッチング素子２０をスイッチング動作させている時に、意図せず出力負荷２３のインピーダンスが変動した場合、図４（ａ）に示す出力電圧の波形１１２のように、出力電圧が予定していたタイミングよりも早くゼロになり、非効率領域１１３を発生させてしまう。

この非効率領域１１３が発生する要因である出力負荷２３の変動は、図１の書類管理システムでは、書類の出し入れなどで頻繁に発生する。非効率部分１１３を発生させず、理想的なＥ級動作を行うためには、図４のゼロ電圧スイッチング動作点１１１でスイッチング信号３０を切り替える必要がある。

そのために、電圧比較部２５で基準電圧、すなわちゼロ電圧スイッチングの場合は０Ｖ（ゼロボルト）と波形１１２の電圧値を比較し、基準電圧を下回った点、すなわちゼロ電圧スイッチング動作点１１１を判別し、出力信号２６として出力する。例として波形１１２の場合の出力信号２６の信号波形３３を（図４（ｃ）参照）に示す。

出力信号２６でゼロ電圧スイッチング動作点１１１を判別でき、出力信号２６とクロック信号２８（図４（ｄ）参照）からスイッチング信号３０を生成することで、出力負荷２３が変動した場合でもゼロ電圧スイッチングが可能となるスイッチング信号３０（図４（ｅ）参照）となる。このスイッチング信号３０の生成をスイッチング信号生成部２９で行い、生成したスイッチング信号３０の信号波形を３４（図４（ｆ）参照）に示す。

このスイッチング信号波形３４でスイッチング素子２０をスイッチング動作させた時の接続点２４の波形を３５（図４（ｆ）参照）に示す。

波形３５に示すように、非効率領域１１３が発生するポイントであるゼロ電圧スイッチング動作点１１１を出力信号２６で判別し、クロック信号２８と出力信号２６からスイッチング信号生成部２９で最適なスイッチング信号３０を生成し、その信号でスイッチング素子２０をスイッチング動作させることで、非効率領域１１３が発生せず、効率のよいＥ級動作を行う増幅器となる。

また、波形３５となり、最適なＥ級動作を行っている最中に再度出力負荷２３のインピーダンスが変動した場合、ゼロ電圧スイッチング動作点１１１についても変動し、波形は１１２の状態に再度変動しようとするが、電圧比較部２５でゼロ電圧スイッチング動作点１１１を判別できるため、負荷が変動しても安定して理想的なＥ級動作を行うことが可能となる。

このように構成することで、出力負荷の変動が常に起こるようなＲＦＩＤを用いた書類管理システムなどにおいて有用である。

本発明のＥ級増幅器は、出力負荷の変動、特にＲＦＩＤシステムにおいて有用であり、物品管理や物流管理などに利用することができる。

本発明の実施の形態に係る書類管理システムの構成例を示す概略図 本発明の実施の形態に係る書類管理システムに用いるＲＦＩＤシステムのブロック図 本発明の実施の形態に係るリーダライタに用いるＥ級増幅器のブロック図 本発明の実施の形態に係るＥ級増幅器の各部の波形図 従来のＥ級増幅器の基本構成図 （特許文献１）におけるＥ級増幅器の構成図 図５におけるＥ級増幅器を用いた場合の負荷変動による波形図

符号の説明

１ 書類
２ タグ
３ アンテナ
４ リーダライタ
５ ホストＰＣ
６ 筐体
７ 信号発生部
８ 変復調用クロック信号発生部
９ 変調部
１０ Ｅ級増幅器
１１ 復調部
１２ 信号処理部
１３ データ処理部
１４ ＲＦＩＤシステム
１８ 入力電源
１９ チョークコイル
２０ スイッチング素子
２１ スイッチの並列キャパシタ
２２ ＬＣ共振回路
２３ 出力負荷
２４ 接続点
２５ 電圧比較部
２６ 出力信号
２７ 基準クロック生成部
２８ クロック信号
２９ スイッチング信号生成部
３０ スイッチング信号
３１ グランド

Claims (4)

1. 入力電源と、
   負荷のインピーダンスが変動する出力負荷部と、前記入力電源に接続されたチョークコイルと、
   前記チョークコイルに接続されたスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子に並列なキャパシタと、
   前記チョークコイルと前記スイッチング素子との接続点と前記出力負荷部との間に接続されたＬＣ共振回路と、
   を有するＥ級増幅器において、
   基準電圧と前記接続点の電圧（以下、「出力電圧」という）とを比較する電圧比較部と、
   基準となるクロック信号を発生する基準クロック発生部と、
   前記出力電圧が前記基準電圧よりも低くなったときに前記電圧比較部が出力する信号と同期して前記スイッチング素子をオンにし、前記クロック信号の終端と同期して前記スイッチング素子をオフにするスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部と、
   を備えたことを特徴とするＥ級増幅器。
2. 前記電圧比較部の基準電圧を０ボルトとしたことを特徴とする請求項１記載のＥ級増幅器。
3. 請求項１または２に記載のＥ級増幅器を備え、前記出力負荷部が、タグおよびアンテナのインピーダンスとして機能することを特徴とするリーダライタ。
4. 請求項３記載のリーダライタを使用し、前記タグが書類に付設され、書類の設置箇所に前記アンテナが設置されることを特徴とする書類管理システム。

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