JP5040620B2 - 通信システム並びに通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触により近距離の無線通信を行なう通信システム並びに通信装置に係り、特に、自ら電波の発生源を持たない通信端末（トランスポンダ）が無線で通信相手となる装置（リーダライタ）へデータを送信する非接触の通信システム並びに通信装置に関する。

さらに詳しくは、本発明は、電極間の小さい静電容量をカップラとして信号を通す静電結合方式による非接触通信を行なう通信システム並びに通信装置に係り、特に、安価で且つ簡易に構成され、低速のデータから高速のデータにわたる連続した広い許容範囲において静電結合方式の非接触通信を行なう通信システム並びに通信装置に関する。

自ら電波の発生源を持たない通信端末が無線で通信相手となる装置へデータを送信する通信システムとしてＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれる非接触通信システムが知られている。ＲＦＩＤの他の呼び方として、ＩＤシステム、データ・キャリア・システムなどがあるが、世界的に共通なのがＲＦＩＤシステム、略してＲＦＩＤである。日本語に訳すると「高周波（無線）を使用した認識システム」となる。

ＲＦＩＤシステムは多くの非接触ＩＣカードに適用されている。ＩＣカード・システムは、トランスポンダとしてのＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）カードと、ＩＣカードからの情報の読み出しや、又はＩＣカードへの情報の書込みを行なう装置（以下、「リーダライタ」と呼ぶ）から成る。かかるＩＣカード・システムは、ＩＣカードとリーダライタ間で非接触により情報の読み書きを行なうことから利便性が高く、最近では、非接触伝送のＩＣカードとして、乗車券や定期券、コンビニエンスストアでの支払いなど、その利用範囲は拡大している。

非接触伝送は、伝送距離に応じて、密着型（０〜２ｍｍ以下）、近接型（０〜１０ｃｍ以下）、近傍型（０〜７０ｃｍ以下）の３種類に分類することができ、それぞれＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３、ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３、ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３などの国際規格によって規定されている。例えばＪＲの電子乗車券に適用されている非接触ＩＣカードは近接型に属し、伝送距離は２１２ｋｂｐｓと比較的低速度である。また、密着型の非接触ＩＣカードの国際規格であるＩＳＯ／ＩＥＣ１０５３６では、送信キャリアを使い変調回路及び復調回路を有するため構造が複雑となり、且つ、伝送速度が９６００ｂｐｓと比較的遅いなどの短所がある。

また、密着型の非接触伝送には、誘導結合又は静電結合のどちらかが使用される。後者の静電結合方式は、電極間の小さい静電容量をカップラとして信号を通す方式である。例えば、ベースバンド信号をマンチェスタ符号化して広域の周波数スペクトラムに変換することで高速通信を実現した通信システムについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。

ここで、マンチェスタ符号は、２進値“０”を送るときはビット区間の中央でハイ・レベルからロー・レベルに変化させ、一方、２進値“１”を送るときは逆にビット区間の中央でロー・レベルからハイ・レベルに変化させる。言い換えれば、マンチェスタ符号は２倍の帯域に広げることで伝送信号のＤＣ成分をなくしている。このため、上記の通信システムでは、マンチェスタ符号化によって送受信の伝送速度が２倍に変換され、高価で高速に動作する回路が要求されることや、低いデータ速度では受信波形のレベルが小さくなり動作が不安定になる、といった欠点がある。

特開２００５−７９７８３号公報

本発明の目的は、自ら電波の発生源を持たない通信端末（トランスポンダ）が無線で通信相手となる装置（リーダライタ）へデータを好適に送信することができる、優れた非接触の通信システム並びに通信装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、電極間の小さい静電容量をカップラとして信号を通す静電結合方式による非接触通信を好適に行なうことができる、優れた非接触の通信システム並びに通信装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、安価で且つ簡易に構成され、低速のデータから高速のデータにわたる連続した広い許容範囲において静電結合方式の非接触通信を行なうことができる、優れた非接触の通信システム並びに通信装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、静電結合方式により密着型の非接触伝送を行なう通信システムであって、
送信用電極と、前記送信用電極に送信データのベースバンド信号を印加する手段を備えた送信装置と、
受信用電極と、前記受信用電極に現れた受信信号をベースバンド信号に２値化復調する復調手段を備えた受信装置と、
を備え、
前記送信用電極と前記受信用電極が密着した際に、コンデンサ結合回路と等価となる静電容量カップラを構成して、
該電極間に生じる微小容量を通して信号を伝達する、ことを特徴とする通信システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

近年、非接触伝送のＩＣカードの利用範囲が拡大してきている。例えば、伝送距離が短い密着型の非接触ＩＣカードの国際規格としてＩＳＯ／ＩＥＣ１０５３６が挙げられるが、送信キャリアを使い変調回路及び復調回路を有するため構造が複雑となり、且つ、伝送速度が９６００ｂｐｓと比較的遅いなどの短所がある。

また、密着型の非接触伝送には、誘導結合又は静電結合のどちらかが使用される。後者の静電結合方式において、ベースバンド信号をマンチェスタ符号化して広域の周波数スペクトラムに変換して通信する通信システムについて提案がなされているが、マンチェスタ符号化によって送受信の伝送速度が２倍に変換され、高価で高速に動作する回路が要求されることや、低いデータ速度では受信波形のレベルが小さくなり動作が不安定になる、といった欠点がある。

これに対し、本発明によれば、密着型の非接触通信システムにおいて、送信側と受信側にそれぞれ配置した平板電極を対向させて形成される静電容量をカップラとして用い、送信側は直接ベースバンド信号を送信側の電極に加え、一方の受信側では受信側の電極に伝達された送信波形をヒステリシス特性を有するコンパレータで２値化復調するように構成されている。

本発明に係る通信システムは、例えば、送信側はＩＣカードなどのトランスポンダに相当するとともに、受信側はリーダライタに相当し、静電結合方式により密着型の非接触伝送を行なう。そして、送受信側にそれぞれ配置された一対の電極からなる静電容量カップラは、コンデンサ結合回路と等価であり、電極間に生じる微小容量を通じて信号を伝達することができる。

ここで、微小容量の静電容量カップラはハイパス・フィルタと等価の周波数特性を持ち、静電容量カップラを通過する２値の矩形波であるベースバンド信号は微分波形に変形され受信側の電極に受信信号として現れる。

したがって、受信側では、静電容量カップラを通して前記受信用電極に伝達された送信波形を、ヒステリシス特性を有するコンパレータを用いて２値化復調することができる。

静電容量カップラを通して得られる受信信号は、送信信号の変化点で微分信号が発生する。そして、ヒステリシス特性を有するコンパレータからなる復調手段は、シンボル時間にわたる受信信号の（電圧）レベルではなくレベルが反転するエッジしか見ていないので、変復調性能は伝送レートに依存せず、コンパレータの応答特性次第である。よって、高速で動作するコンパレータを用いれば低速のデータから高速のデータにわたる連続した広い許容範囲において静電結合方式の非接触通信が実現する。

本発明によれば、自ら電波の発生源を持たない通信端末（トランスポンダ）が無線で通信相手となる装置（リーダライタ）へデータを好適に送信することができる、優れた非接触の通信システム並びに通信装置を提供することができる。

また、本発明によれば、電極間の小さい静電容量をカップラとして信号を通す静電結合方式による非接触通信を好適に行なうことができる、優れた非接触の通信システム並びに通信装置を提供することができる。

また、本発明によれば、安価で且つ簡易に構成され、低速のデータから高速のデータにわたる連続した広い許容範囲において静電結合方式の非接触通信を行なうことができる、優れた非接触の通信システム並びに通信装置を提供することができる。

本発明に係る通信システムは、静電結合方式により非接触を行なうが、マンチェスタ符号化などを行なわず、ベースバンド信号を直接伝送するように構成されているので、送信キャリア発生回路や変調回路、復調回路が不要であり、且つ送受信双方においてデジタル信号処理回路が不要であることから、頗る低コストで且つ簡素に構成することができる。

また、本発明は、密着型の非接触伝送を行なう通信システムに適用することで、低速のデータから高速のデータにわたる連続した広い許容範囲において動作することができる。送信データは、連続、バーストに関係なく動作可能である。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

本発明は、カード（若しくはトランスポンダ）とリーダライタの電極間の小さい静電容量をカップラとして信号を通す静電結合方式による非接触通信を行なう通信システムに関するものであり、特に、密着型の非接触伝送を行なう通信システムに好適に適用することができる。

図１には、本発明の幾つかの応用例を模式的に示している。図示の例ではリーダライタ５００は、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）４００に外付け接続される入出力装置として構成され、例えばＵＳＢやＩ²ＣなどのインターフェースによってＰＣに接続され、その上部表面の内側にはカップラとして動作する電極５１０が埋設されている。

一方、トランスポンダの一例は、カップラとして動作する電極２１０が埋設された非接触ＩＣカード２００である。また、トランスポンダの他の例は、ＩＣカード機能を搭載したデジタルスチルカメラ１００やデジタルビデオカメラ３００であり、例えばカメラ本体の底面内側にはカップラとして動作する電極１１０又は３１０が埋設されている。いずれの場合であっても、電極１１０、２１０、又は３１０をリーダライタ５００側の電極５１０と対向するように密着させて配置する（例えば、デジタルスチルカメラ１００やデジタルビデオカメラ３００をリーダライタ５００上に載せる）ことによって、電極間で静電結合作用が働き、費接触データ伝送を行なうことができる。例えば、デジタルスチルカメラ１００やデジタルビデオカメラ３００を用いた場合には、外部記憶媒体（若しくは画像ソース）として、撮影した静止画又は動画像データを高速でＰＣ４００に転送し、あるいは逆にＰＣ４００内に蓄積されたデータをこれら外部記憶媒体に書き込むことができる。

以下では、トランスポンダ機能を搭載したデジタルスチルカメラ１００からリーダライタ５００経由でＰＣ４００へスチル画像データを転送する実施形態について説明する。

図２には、デジタルスチルカメラ１００の画像データはメモリ１２０にあらかじめ記憶されている状態において、その画像データをＰＣ４００に取り込むまでの流れを示している。

デジタルスチルカメラ１００のメモリ１２０内の画像データつまり送信データは、送信アンプ１３０で適正レベルに増幅される。この送信アンプ１３０の出力は送信信号として静電容量カップラ６００に加えられる。

静電容量カップラ６００はデジタルスチルカメラ１００側の電極と、リーダライタ５００側の電極から構成され、電極間に生じる微小容量を通して信号が伝達されるためコンデンサ結合回路と等価である。但し、静電容量カップラ６００の結合容量は非常に小さいため、これを通過するベースバンドの送信信号はハイパス・フィルタ（ＨＰＦ）通過後の波形と同じような微分波形に変形して受信信号としてリーダライタ５００側の電極に現れ、次段の２値化回路で受信信号をＮＲＺ（Ｎｏｎ Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）形式のベースバンド信号に２値化復調され、この復調信号がＰＣ４００に取り込まれる。

図３は静電容量カップラを示し、対向して配置された電極１１０と電極５１０間の容量は電極サイズ、電極間の距離及び電極間の誘電率で求めることができる。図示の例では、電極１１０電極５１０とも１０ｍｍ角の電極サイズを持ち電極間隔は２ｍｍである。図３中の端子Ａと端子Ｂ間（すなわち静電容量カップラ６００）の容量は、単純に、以下の平板コンデンサの容量計算式（１）で求まる。

但し、Ｃは容量［Ｆ］、ｅ₀は真空での誘電率、ｅ_sは比誘電率（空気の場合は約１）、Ｓは電極板の面積［ｍ²］、Ｄは電極間の距離［ｍ］である。Ｓ＝１０×１０［ｍｍ²］、Ｄ＝２［ｍｍ］、ｅ₀＝８．８５４１９ｅ^-12［Ｆ／ｍ］、ｅ₀≒１を上式（１）に代入すると、静電容量カップラ６００の容量は、下式（２）に示す通り、０．４４［ｐＦ］となる。但し、ここでは電極間は空気の誘電率としている。

図４には、送信側としてのデジタルスチルカメラ１００内の送信アンプ１３０から受信側であるリーダライタ５００内の２値化回路５２０までの構成を図解している。静電容量カップラ６００は、信号ライン側の電極１１０及び５１０が対をなすとともに、グランド側の電極１１１及び５１１も対をなし、それぞれが静電容量結合を形成していることを示している。図４の例ではデジタルスチルカメラ１００側及びリーダライタ５００側共に不平衡タイプの入出力形式で構成されているが、平衡タイプであっても本質的な違いはない。

図６には、図４中の送信信号、受信信号、及び２値化回路５２０の出力信号を時間軸で表わしている。リーダライタ５００側２つの電極５１０及び５１１間に発生する受信信号は、図６に示した通り送信信号を微分した信号波形になり、このままの状態ではデータとして扱えない。そこで、２値化回路５２０に入力して２値化復号することによって、送信信号とは符号反転した２値化出力信号が得られる。

図５には、リーダライタ５００内の２値化回路５２０の構成例を示している。図示の２値化回路５２０は、コンパレータ５２１と抵抗Ｒ３及びＲ４で構成され、ヒステリシス特性を持った電圧比較回路である。

コンパレータ５２１の出力Ｖ_outは、抵抗Ｒ３及びＲ４で分圧された後、コンパレータ５２１の非反転入力端子Ｖ_in（＋）に加えられる。また、受信信号はコンパレータ５２１の反転入力端子Ｖ_in（−）へ加えられ、その電圧が非反転入力端子Ｖ_in（＋）の電圧レベルと比較される。そして、反転入力端子の入力電圧Ｖ_in（−）の方が非反転入力端子の入力電圧Ｖ_in（＋）より大きいときには、コンパレータ５２１の出力端子Ｖ_outからはＶ_o−が出力されるが、逆に反転入力端子の入力電圧Ｖ_in（−）の方が小さいときにはコンパレータ５２１の出力端子Ｖ_outからＶ_o＋が出力される。

ところで、コンパレータ５２１において反転入力電圧Ｖ_in（−）と比較される非反転入力電圧Ｖ_in（＋）は、コンパレータ５２１の出力電圧Ｖ_outに依存する。すなわち、コンパレータ５２１出力電圧Ｖ_outがＶ_o＋のときには非反転入力電圧Ｖ_in（＋）は次式（３）で表されるＶ_th＋の値になり、逆に出力電圧Ｖ_outがＶ_o−のときには非反転入力電圧Ｖ_in（＋）は次々式（４）で表されるＶ_th−の値になり、コンパレータ５２１はヒステリシス特性を持つ。

図６からも分かるように、コンパレータ５２１の反転入力電圧Ｖ_in（−）と非反転入力電圧Ｖ_in（＋）の電圧が大小逆転する時間のｔ１〜ｔ２の期間において、コンパレータ５２１の出力電圧Ｖ_outは変化し、それ以外の時間では出力電圧Ｖ_outをホールドすることで２値化を実現している。コンパレータ５２１の出力電圧Ｖ_outは送信信号の反転であるが、後段にロジックレベルへ変換用の反転アンプを配置し（図示しない）、受信データとしてＰＣ４００へ送られる。

図７には、送信信号（デジタルスチルカメラ１００のベースバンドの信号）の一例と、この送信信号が静電容量カップラ６００を通してリーダライタ５００の電極５１０に現れる受信信号と、受信信号を２値化回路５２０で復調した２値化出力信号を示している。同図において、Ｔはデータの１シンボル時間を表わしている。静電容量カップラ６００を通して得られる受信信号は、送信信号の変化点で微分信号が発生するので、基本的にシンボル時間Ｔに影響を受けない。つまり、データ速度に関係なく伝送できることを示している。

ヒステリシス特性が与えられているコンパレータ５２１は、シンボル時間にわたる受信信号の（電圧）レベルではなくレベルが反転するエッジしか見ていないので、変復調性能は伝送レートに依存せず、コンパレータの応答特性次第である。よって、低速のデータから高速のデータにわたる連続した広い許容範囲において静電結合方式の非接触通信が実現するという訳である。

図８には、送信側としてのデジタルスチルカメラ１００内の送信アンプ１３０から受信側であるリーダライタ５００内の２値化回路５２０までの構成例を示している。図示の回路は、バランス型の送信アンプとヒステリシス付きコンパレータで構成されている。

また、図９には、送信側としてのデジタルスチルカメラ１００内の送信アンプ１３０から受信側であるリーダライタ５００内の２値化回路５２０までの他の構成例を示している。図示の回路は、バランス型の送信アンプと受信アンプ及びヒステリシス付きコンパレータで構成されている。

図８並びに図９に示したいずれの回路例も、同様の動作を行なう応用回路であり、本発明に該当することを理解されたい。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本発明に係る通信システムは、密着型の非接触伝送において、低速から高速に至る幅広いデータ速度の範囲で動作することができる。また、受信信号は、送信信号の変化点で発生する微分信号で構成されるが、送信データは連続又はバーストのいずれに依らず動作することができる。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明の幾つかの応用例を模式的に示した図である。 図２は、デジタルスチルカメラ１００内のメモリ１２０に蓄積されたスチル画像データを静電結合を利用してＰＣ４００に転送するための構成を模式的に示した図である。 図３は、対向して配置されたデジタルスチルカメラ１００側の電極１１０とリーダライタ５００側の電極５１０によって構成される静電容量カップラ６００の構成を示した図である。 図４は、送信側としてのデジタルスチルカメラ１００内の送信アンプ１３０から受信側であるリーダライタ５００内の２値化回路５２０までの構成を示した図である。 図５は、リーダライタ５００内の２値化回路５２０の構成例を示した図である。 図６は、図４中の送信信号、受信信号、及び２値化回路５２０の出力信号を時間軸で表わしたタイミングチャートである。 図７は、送信信号（デジタルスチルカメラ１００のベースバンドの信号）の一例と、この送信信号が静電容量カップラ６００を通してリーダライタ５００の電極５１０に現れる受信信号と、受信信号を２値化回路５２０で復調した２値化出力信号を示した図である。 図８は、送信側としてのデジタルスチルカメラ１００内の送信アンプ１３０から受信側であるリーダライタ５００内の２値化回路５２０までの構成例を示した図である。 図９は、送信側としてのデジタルスチルカメラ１００内の送信アンプ１３０から受信側であるリーダライタ５００内の２値化回路５２０までの構成例を示した図である。

符号の説明

１００…デジタルスチルカメラ
１１０…電極
１１１…電極
１２０…メモリ
１３０…送信アンプ
２００…非接触ＩＣカード
２１０…電極
３００…デジタルビデオカメラ
３１０…電極
４００…パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）
５００…リーダライタ
５１１…電極
５１０…電極
５２０…２値化回路
５２１…コンパレータ
６００…静電容量カップラ

Claims (3)

1. 静電結合方式により密着型の非接触伝送を行なう通信システムであって、
   送信用電極と、前記送信用電極に送信データのベースバンド信号を印加する手段を備えた送信装置と、
   受信用電極と、前記受信用電極に現れた受信信号をベースバンド信号に２値化復調する復調手段を備えた受信装置と、
   を備え、
   前記送信用電極と前記受信用電極が密着した際に、コンデンサ結合回路と等価となる静電容量カップラを構成して、前記送信用電極と前記受信用電極間に生じる微小容量を通して信号を伝達し、
   前記復調手段は、前記静電容量カップラを通して前記受信用電極に伝達された受信信号を反転入力端子Ｖin（−）に加えるとともに、出力Ｖoutを所定の分圧比で分圧した後に非反転入力端子Ｖin（＋）に加え、反転入力電圧Ｖin（−）と非反転入力電圧Ｖin（＋）を比較して前記受信信号を２値化復調する、ヒステリシス特性を有するコンパレータである、
   ことを特徴とする通信システム。
2. 請求項１に記載の通信システムにおいて送信装置として動作する通信装置であって、
   送信データを蓄積するメモリと、
   送信データのベースバンド信号を適正なレベルに増幅する送信アンプと、
   該増幅されたベースバンドが印加される送信用電極と、
   を備え、
   前記送信用電極は、密着するように対向して配置された前記受信装置の受信用電極と静電結合して静電容量カップラを構成して、前記送信用電極と前記受信用電極間に生じる微小容量を通して信号を伝達する、
   ことを特徴とする通信装置。
3. 請求項１に記載の通信システムにおいて受信装置として動作する通信装置であって、
   密着するように対向して配置された前記受信装置の受信用電極と静電結合して静電容量カップラを構成するための受信用電極と、
   前記送信用電極と前記受信用電極間に生じる微小容量を通して前記受信用電極に伝達された受信信号をベースバンド信号に２値化復調する復調手段と、
   を具備し、
   前記復調手段は、前記静電容量カップラを通して前記受信用電極に伝達された受信信号を反転入力端子Ｖin（−）に加えるとともに、出力Ｖoutを所定の分圧比で分圧した後に非反転入力端子Ｖin（＋）に加え、反転入力電圧Ｖin（−）と非反転入力電圧Ｖin（＋）を比較して前記受信信号を２値化復調する、ヒステリシス特性を有するコンパレータである、
   ことを特徴とする通信装置。