(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホスト装置と顧客装置が近接関係にある場合に、一部がホスト装置に含まれ一部が顧客装置に含まれる電気回路の間に形成された容量性インターフェースを介した電気信号の二方向無線伝送システムであって、
前記容量性インターフェースは、前記ホスト装置（１０）と前記顧客装置（４０）内の第１（Ａ１；Ｂ１）、第２（Ａ２；Ｂ２）および第３（Ａ３；Ｂ３）の導電領域を含み、
前記ホスト装置の前記第１の導電領域（Ａ１）は、前記ホスト装置（１０）内の周波数発生共振回路（１６）に接続されて、前記顧客装置（４０）に信号を送信し、
前記ホスト装置の前記第２の導電領域（Ａ２）は大地に接続されており、
前記ホスト装置の前記第３の導電領域（Ａ３）は、前記ホスト装置内のインピーダンス回路（３０）に接続されて、前記顧客装置から信号を受信し、
前記顧客装置の前記第１と第２の導電領域（Ｂ１，Ｂ２）は、前記顧客装置内のインピーダンス回路（４４）に接続されて、前記ホスト装置から信号を受信し、
前記顧客装置の前記第１と第３の導電領域（Ｂ１，Ｂ３）は、相互に接続されている、
前記システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記周波数発生共振回路は、複素負荷インピーダンスにほぼ無関係に自己の最大出力で動作するように自己同調できるようになっている前記システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記周波数発生共振回路は、シュミット・トリガと、フィードバック用抵抗器、インダクタンス、およびシュミット・トリガの出力にあるコンデンサを含む共振回路とを含む前記システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のシステムにおいて、前記導電領域は、各ホスト装置および顧客装置内で直線的に連続して配置され、信号伝送機能の損失を伴わずに、前記容量性インターフェースの１側が180°回転できるようにする前記システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のシステムであって、前記顧客装置内の前記インピーダンス回路に並列に接続され、前記ホスト装置に信号を送信するトランジスタをさらに含む前記システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、データ読取り器のようなホスト装置と、情報運搬装置のような移動顧客装置（mobile guest unit）、特にボール紙の箱（cardboard box）のような容器（packaging）との間の電気信号の二方向無線伝送システムに関する。電気信号は主としてデジタル・データ情報を表すために使用されるのであるから、このシステムも静止装置から移動顧客装置へ電気エネルギーを伝送するために使用されうる。
【０００２】
この種の先行システムは、米国特許第4,876,535号および第5,847,447号により公知である。
【０００３】
（発明の背景）
移動計算装置における今日の進歩により、一般に電池で駆動される小型の携帯装置が大量につくり出された。セルラ電話、携帯コンピュータから、電子料金計測装置、データ・ロガー（logger）などのようなデータ収集装置に及ぶ用途においては、今や十分満足できるデータ処理機能が組み込まれて、携帯装置とホスト・コンピュータの間で直接データ交換を実行する。情報は両方向で伝送されることが多く、そこではパラメータの設定、メモや現場のデータなどの転送はホスト・コンピュータからの情報であり、測定値のような結果はホスト装置に送り返される。
【０００４】
また、識別装置（スマート・カードやICカード）または容器識別子（packaging identifier）のような受動型携帯装置もあり、これらの装置が現場に出されている場合や電池による電力が供給されない場合は、一般に電源が落とされる。この装置がホスト・コンピュータに接続されると、電力が供給されてデータ交換が可能になる。情報は一般に不揮発性メモリに蓄積される。
【０００５】
データ交換を実行する直接的方法はケーブルで直接接続することであり、そこにはいくつかの標準化されたインターフェースとプロトコルが存在している。CCITT V.24/V.28 / EIA RS-232は最も共通な電気的仕様であり、その中ではデータ伝送処理を制御する場合、標準化され、工業所有権で保護されているいくつかのプロトコルメカニズムが存在する。
【０００６】
ケーブル接続はいくつかの欠点のあることが一般に理解されているが、最も明らかなことは、
ケーブル・コネクタを揃え、接続し、接続をはずすための緩慢な手動処理。
接点と接点素子の機械的品質劣化。
湿度、水分、塵埃および腐食に起因する環境による品質劣化。
装置の重要部品を、塵埃や静電放電のような電磁障害に暴露するオープン・スロット。
であると要約することができる。
【０００７】
多くの用途においては、無線によるデータ伝送を実行することが望ましい。無線周波（RF）や赤外線のような普通に使用されているいくつかの方法を利用可能である。RF装置は遠距離に情報を伝送できるという明瞭な利点があるが、一般に大電力を必要とし、選択度を維持するとともに公衆用帯域における他の装置の干渉を受けないようにするため、アンテナと発振器の設計を注意深く選択する必要がある。赤外線ビームを使用することは、簡単に実施できるという利点があるが、送端と受端の間で位置が揃っていることに注意するとともに間に障害物が無いことが必要である。
【０００８】
２つの装置の間に近接関係が存在している場合、電磁波伝搬の近接効果（near-field effects）に依存して、情報を送信するために開発され、工業所有権で保護されている方法がいくつか存在する。一般に、これは誘導性（磁界）伝搬（inductive (magnetic field) propagation）と容量性（電界）伝搬（capacitive (electric field ) propagation）に分類される。いくつかの方法は、これら両者の組み合わせを含む。
【０００９】
磁界伝搬は、第１の巻き線を交流で励磁することに依存しており、この場合、磁気エネルギーが放射される。第１の巻き線の近傍に第２の巻き線を配置することによって、誘導電流により第２の巻き線に交流電圧が発生する。
【００１０】
容量性電界伝搬（Capacitive field propagation）は、第１の導電性表面に交流電圧を印加することに依存する。第２の導電性表面を第１の導電性表面に接近させることによって、第２の表面と共通接地との間で両表面の間の交流電圧の形をした静電荷を測定することができる。携帯装置に対する電流を得るためには、導電性表面の対応する第２のセットが形成されループを閉じることが必要である。
【００１１】
周波数によってインダクタンスのインピーダンスが増加すると、良好な電磁結合（magnetic coupling）が低周波で得られる。携帯システムにおける誘導性伝送の欠点はエネルギー損失が大きいことであるが、これは主として巻き線の抵抗性損失と磁束損失（resistive and flux losses）に関連する。巻き線の製造にも比較的高額の費用がかかる。
【００１２】
対照的に、周波数の増加に伴ってコンデンサのインピーダンスは減小する。実際のコンデンサにおける損失は、直列抵抗および並列抵抗の値が小さいために、巻き線と比較して相対的に小さい。容量性伝送の欠点は、容量性表面間の距離が増加すると容量が減少するので、良好な結合を得るために、高電圧と広い表面積が必要なことである。
【００１３】
容量性データ伝送の現行システムは、装置間の良好な容量結合（capacitive coupling）に依存する。追加される距離に空気が等しいと考えられる場合に容量素子を形成するために使用される導電性材料は、抵抗性導電率（resistive conductivity）または容量素子間の距離および媒体の誘電特性またはそれらのいずれかの点で弱体である用途においては、これらの方法は正しい動作に対して十分ではない。
【００１４】
本発明によって対処されるいくつかの用途においては、次に示す特性、すなわち、
微小入力電流の条件。望ましくは、携帯装置は実質的にゼロ入力電流でなければならない。
V.24/V.28シリアル・ポートから利用可能な微小量の電力を受け取ることができるように、ホスト装置のインターフェースは低電力でなければならない。
数ミリメートルまでの距離で正しく動作しなければならない。
結合面が完全に平滑でなくても正しく動作しなければならない。
両装置間に存在する誘電性媒体の種類に関係なく正しく動作しなければならない。
コンデンサの極板が、導電性高分子材料、グラファイトまたはインジウム−錫酸化物（ITO）のような、低品位の導電性材料で作られていても正しく動作しなければならない。
トランシーバのアンバランスに対して比較的低感度でなければならない。
180°づつの軸方向変位に対して比較的低感度でなければならない。
簡単かつ低費用で実施でき、手動同調を必要とせず構成部品の許容範囲が狭いことを当てにしない。
ことが望ましい。
【００１５】
（発明の目的）
本発明の目的は、低品位の誘電材料、接点パッドの劣悪な導電率および接点パッド間の比較的大きなギャップという条件で良好な信号伝送機能（signal transfer ability）を得るため、顧客装置の高インピーダンスを勘案した容量性インターフェースを介した電気信号の二方向無線伝送のための低コストのシステムを提供することである。
【００１６】
他の目的は、協調動作する複数対の接点パッドが機能上の損失を伴わずに無意図的にシフトされ得るように、180°回転する移動装置を勘案したシステムを提供することである。このことは、箱形の容器と静止装置の間で情報を伝送する場合に重要である。
【００１７】
（発明の要約）
本発明の一態様によれば、ホスト装置と顧客装置が近接関係にある場合、部分的にホスト装置に含まれ、部分的に顧客装置に含まれる電気回路間で形成される容量性インターフェースを介した電気信号の二方向無線伝送用システムが提供されている。この容量性インターフェースは、ホスト装置と顧客装置における第１、第２および第３の導電領域（conductive area）からなる。ホスト装置の第１の導電領域は、ホスト装置内の周波数を発生する共振回路（frequency generating resonant circuit：以下、周波数発生共振回路と記す）に接続され、顧客装置に送信される大振幅信号を結合する。ホスト装置の第２および第３の導電領域はホスト装置内のインピーダンス回路に接続され、顧客装置から信号を受信する。顧客装置の第１と第２の導電領域は顧客装置内のインピーダンス回路に接続され、ホスト装置から信号を受信する。顧客装置の第１と第３の導電領域は相互に接続される。
【００１８】
周波数発生共振回路は、ホスト装置の第１の導電領域に対して搬送波を出力する。抵抗性フィードバックにより、この設計は、導電領域の複素インピーダンス負荷にほぼ無関係にピーク出力振幅で動作するように共振回路に自動同調機能を付与する。この構成によって、ホスト装置から比較的大振幅の出力が得られている。特にホスト装置の回路と導電領域を、導電性高分子材料のような廉価な比較的低導電性材料から製造することができ、このことは回路と導電領域用の基板に印刷することによって利用されうる。
【００１９】
導電領域が連続して一列に配置されている場合、顧客装置の第１と第３の導電領域を相互接続することによって、信号伝送機能の損失を伴わずに容量性インターフェースの１側を180°回転させることができる。
【００２０】
（好適実施例の説明）
このシステムは、各装置がトランシーバ・インターフェースを備えた２つの装置からなる。以下の説明においては、両装置をそれぞれ、「ホスト」装置と「顧客」装置と呼ぶことにする。「ホスト」という用語は、搬送周波数出力を供給する装置に関する。「顧客」という用語は、ここでは説明を容易にするために使用されており、本発明による顧客装置は移動装置または携帯装置である。ホスト装置の動作電流は大きいのであるから、電力使用量を最小にする条件が最も厳しい装置は携帯装置であることが望ましい。
【００２１】
プロトコル・レベルでは、ホスト装置と顧客装置の間にはマスター・スレーブ関係が存在するという含意（implication）は存在しない。
【００２２】
本発明自体は、ホスト装置と顧客装置のインターフェースの統合部分であるトランシーバに、いかなる含意も与えていない。
【００２３】
図１に示されている本システムを表す図において、ホスト・コンピュータ６０は、インターフェース５８を介して接続されたマイクロプロセッサ５６を含む顧客装置４０に密接している容量性インターフェースを共用する外部のホスト装置１０が装備されている。３対の導電領域、すなわち、第１の導電領域Ａ１-Ｂ１、第２の導電領域Ａ２-Ｂ２および第３の導電領域Ａ３-Ｂ３は、共通な容量性インターフェースを形成する。図２に示すように、容量性極板（capacitive plate）を含む各導電領域は、四角形の極板または各装置１０、４０を収容するカバーの内部の平らな面に印刷された印刷パッチ（printed patch）の形状にしてもよい。
【００２４】
顧客装置４０は、クレジットカード・サイズのトランザクション装置からボール紙素材の容器に搭載または統合積された識別装置（identifier devices）に及ぶ各種の移動型または携帯型の低価格なデータ収集装置であってもよい。
【００２５】
ホスト・コンピュータ６０は、標準的なパーソナルコンピュータであって、一般に標準としてV.24/V.28インターフェースを装備していると考えられる。しかし、ラップトップ・コンピュータ、携帯情報端末（Personal digital Assistant：PDA）およびプログラマブル・ロジック・コントローラ（PLC）を含むいくつかの装置もV.24/V.28インターフェースを装備している。
【００２６】
ホスト・コンピュータ６０は、工業所有権で保護され、ホスト・インターフェース１０へのデータの流れを制御するソフトウエア・ドライバ（図示されず）を装備している。必要とする機能に依存して、このドライバは、インストールしたドライバ・モジュールでもよいし、アプリケーション・プログラムの一部であってもよい。
【００２７】
CCITT V.24/V.28の電気的仕様は、規定した負荷における最小出力電圧の振幅（swing）を規定している。この仕様書自体は、規定した最大負荷を超過しない限り、接続される装置がインターフェースから電源を供給されうることを規定していないが、外部電源と独立していることは利点である。シリアル・ポートへのさらなる負荷をかけることが望ましくない場合、またはシリアル・ポート自体が仕様書に規定されたドライバの条件を完全には満たしていない場合の用途における外部電源は、ホスト装置１０に含まれるAC/DCアダプタ、または電池から供給される。必要に応じてインターフェース制御信号を使用し、ホスト装置１０の電力を制御してもよく、この場合の１つの状態は電力のスタンバイ条件であり、他の条件はアクティブで全電力状態（full-power state）である。
【００２８】
ホスト装置１０の主回路の概要は以下のように実現されうる。
【００２９】
ホスト装置１０は、標準的なV.24/V.28シリアル・ポートに接続されるように設計されており、ここでは出力RST、DTRの電圧レベルは、ハイ・レベルになるようにシステム・ソフトウエアによってプログラムされ、回路素子に正の電圧を供給する。Receive Data Input（RxD）のマーク・レベルは負のレベルであり、レベル・シフタ２８に対して負の電圧を供給する。その他のタンク・コンデンサ１２や平滑コンデンサ２６が追加されているが、並列ツエナーダイオード（図示されず）のような電圧安定化素子によって補完してもよい。
【００３０】
レベル・シフタ１４は、ホスト装置に対する入力電圧をシフトし、入力がマーク・レベルの場合、即ちインアクティブの場合、論理出力をハイにする。発振器のシュミット・トリガNAND回路１６は、抵抗器２０、インダクタンス２２およびシュミット・トリガ１８の出力に存在するコンデンサ２４を含むLC共振回路によって最初に設定された周波数で発振する。この共振回路は、導電領域Ａ１に搬送波を出力する。抵抗性フィードバックを用いることによって、この設計は、共振回路に自動同調機能を付与して、Ａ１の複素インピーダンスの負荷とほぼ関係なく共振回路をピーク出力振幅で動作させる。CMOS/HCMOSのシュミット・トリガ１８を選択することによって、抵抗性フィードバックの値をハイに維持し共振回路の負荷を減少することができる。HCMOSデバイスを使用することのさらなる利点は、低動作電力、低出力インピーダンス、レール・ツー・レール出力振幅、および入力保護ダイオードを含むことによって、設計の複雑性が最小になり共振回路の出力振幅が大きくなることである。
【００３１】
レベル・シフタ１４の入力にスペース・レベルが存在する場合、共振回路の出力が弱くなってDCレベルが端子Ａ１に現れるように、論理出力をローにして発振器の機能を動作不能にする。レベル・シフタ１４の入力でシリアルなデータ・ストリームが受信される場合は、共振回路の出力がパルス変調搬送波を提供すると、この搬送波は携帯装置に容量的に結合する。
【００３２】
顧客装置４０の入力インピーダンスが高いことは、以下、顧客装置の説明の中でさらによく説明する。
【００３３】
図３におけるオッシロスコープの測定結果は、ホスト・コンピュータ６０から２進数0x55のパターンが送られている場合のレベル・シフタ１４の入力に対する共振回路の出力を示している。
【００３４】
オッシロスコープの測定結果では、供給電圧が5Vであると波高値が80Vの振幅を出力する。供給電圧をさらに高めることによって、出力振幅が大きくなる。
【００３５】
容量性インターフェースの極板Ｂ２と、Ｂ１およびＢ３またはそのいずれかとが、対応する極板Ａ２、Ａ１およびＡ３の近傍に配置されると、極板Ａ１−Ｂ１、Ａ２−Ｂ２およびＡ３−Ｂ３によってコンデンサが形成される。このコンデンサの実際の値は、主として極板のサイズ、極板間の距離および極板間に存在する誘電体の種類によって与えられる。
【００３６】
図１から明らかなように、コンデンサの極板、Ｂ１およびＢ３は導体５４によって電気的に接続されている。このために極板Ａ１とＡ３の間で小さくなった浮遊容量結合（stray capacitive coupling）が得られる。それだけでなく、このために容量性インターフェースが対称になる。つまり機能上の損失を伴わずに容量性インターフェースの平面で顧客装置を180°づつ回転させることができる。
【００３７】
顧客装置４０に対する極板Ａ１−Ｂ１を介し、４個のダイオード５２を有する整流器ブリッジ５０を介し、コンデンサ４６および抵抗器４８を含む並列インピーダンス回路４４を介し、さらに極板Ｂ２−Ａ２を介してホスト装置１０の大地に戻るまでホスト装置１０内の共振回路の出力を追跡することによって、第１の閉じた容量性ループ１（図２）が形成される。
【００３８】
極板Ａ１−Ｂ１、Ｂ３−Ａ３を介し、入力ダイオード３６と抵抗器３２を介し、ホスト装置１０内の整流器ダイオード３８を介してホスト装置１０の大地に落ちるまで、ホスト装置１０内の共振回路の出力を追跡することによって、第２の閉じた容量性ループ２（図３）が形成される。
【００３９】
ホスト装置１０内の発振器回路１６が動作可能になると、第１の容量性ループ１は、顧客装置４０の端子RXに電圧を誘起する。オプションとしてのピーク保持ダイオードとタンク・コンデンサ（図示されず）によって、ホスト装置１０と顧客装置４０間の信号伝送に厳しい影響を与えずに、顧客装置４０内で低電流回路に電力を供給することができる。
【００４０】
ホスト・コンピュータ６０からのデータ・ストリームによって発振器１８が変調されると、対応する復調された出力が顧客装置４０の端子RXに形成される。オプションとしての電圧リミタとシュミット・トリガ（図示されず）をRXに与えることにより、顧客装置４０内のマイクロプロセッサ５６によって復調されたきれいな信号が直接処理されうる。
【００４１】
顧客装置は、インピーダンス回路４４と並列に接続されたトランジスタ４２をさらに含む。顧客装置４０内のTX端子からトランジスタ４２を制御することによって、デジタル・データ情報を顧客装置からホスト装置１０へ送り返すことができる。トランジスタ４２が導通になると、極板Ｂ１の入力は、極板Ｂ２−Ａ２を介して効率的に大地と短絡し、極板Ａ２に結合された極板Ｂ３の電圧を減衰させる。レベル・シフタ２８に接続された入力ネットワークで濾波された搬送波の弱い入力結合（quiescent coupling）は減衰する。ヒステリシスとともにレベル・シフタ２８への入力の正しく選択された閾値は、顧客装置４０からホスト・コンピュータ６０に伝送された情報の復調を実行する。
【００４２】
ホスト装置１０から顧客装置４０への電力伝送の場合、NRZ（Non-Return to Zero）で変調されたデータが顧客装置のRX端子の電圧を動作不能にすることは、所望しない効果である。PPI、FMまたはマンチェスターのような、当業者には公知の異なる変調方式を使用することによってオフ時間が減少するので、顧客装置４０でもっと連続した電圧が使用できるようになる。
【００４３】
要約すると、この好適実施例は、高価でなく、実施が容易で、リアクタンス構成部品に対する条件が緩い自己同調型設計であることを説明している。この発明によるシステムでは、許容範囲が理想値の約±10%という比較的低品質の構成部品が使用可能であるため、これらの構成部品は、低コストで広範囲に使用が可能である。顧客装置４０によって形成される容量性負荷は各種浮遊容量と同様、出力振幅に厳しい影響を与えることなく発振器の中心周波数を僅かに移動させる。
【００４４】
ホスト装置１０は低電力で動作するので、ホスト装置１０の電力をインターフェースから直接取り込むことができ、ACアダプタや電池セットなどの外部電源の必要性は皆無になる。
【００４５】
この携帯装置は、いつでもデータを受信できるという機能に悪影響を与えることなく、事実上ゼロ入力電流で動作する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるホスト装置と顧客装置のブロック図と回路図である。
【図２】  図１のシステムにおける第１の閉じた容量性ループを示す図。
【図３】  図１のシステムにおける第２の閉じた容量性ループを示す図。
【図４】  本発明によるホスト装置内の容量性インターフェースの導電領域の構成を示す図。
【図５】  本発明によるホスト装置へ入力される信号とホスト装置からアウトされる信号を示すオッシロスコープからの情報を示す図。
【図１】
0004593050.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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