JP2004125710A

JP2004125710A - 電界検出光学装置

Info

Publication number: JP2004125710A
Application number: JP2002292916A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Hirata; 枚田　明彦; Aiichiro Sasaki; 佐々木　愛一郎; Mitsuru Shinagawa; 品川　満; Tadao Nagatsuma; 永妻　忠夫
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: JP3720800B2

Abstract

【課題】電気光学素子の厚みに関わらずに高い感度を得られる電界検出光学装置を提供する。
【解決手段】電界検出光学装置１１にあっては、第１電極３７ａと第２電極３７ｂはともに、電気光学素子２７の一方の面に設けられ、入射したレーザ光は、第１電極３７ａと第２電極３７ｂの設けられた電極面寄りの箇所を、実際には電極の間隙の下部を進行する。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばウェアラブルコンピュータ（身体につけるコンピュータ）間のデータ通信のために使用されるトランシーバにおいて送信情報に基づいて生体である電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯端末の小型化および高性能化によりウェアラブルコンピュータが注目されてきているが、図６はこのようなウェアラブルコンピュータを人間に装着して使用する場合の例を示している。同図に示すように、ウェアラブルコンピュータ１はそれぞれトランシーバ３を介して人間の腕、肩、胴体などに装着されて互いにデータの送受信を行うとともに、更に、壁や床などに設けられて手足の先端で触れられるトランシーバ３ａ，３ｂやケーブルを介して外部に設けられたパソコン（ＰＣ）５と通信を行うようになっている。
【０００３】
このようにウェアラブルコンピュータ１はトランシーバ３を介して生体である人間に装着してデータ通信を行うが、このトランシーバ３ではウェアラブルコンピュータ１からの送信データを電界として電界伝達媒体である生体に誘起し、電界として生体の他の部位に伝達し、また生体に誘起され伝達されてくる電界を受信データとしてトランシーバ３で受信してウェアラブルコンピュータ１に送るようになっている。
【０００４】
トランシーバ３は、図７に示すように構成され、ウェアラブルコンピュータ１からの送信データを入出力（Ｉ／Ｏ）回路１０１を介して受け取ると、この送信データを送信部１０３を介して送信電極１０５に供給し、該送信電極１０５から電界伝達媒体である生体１００に電界を誘起させ、この電界を生体１００を介して生体１００の他の部位に伝達させる。
【０００５】
また、トランシーバ３は、生体１００の他の部位に装着された別のトランシーバから生体１００に誘起させられて伝達されてくる電界を受信電極１１１で受信し、この受信した電界を電界検出光学部１１０に結合して電気信号に変換する。この電気信号は、信号処理回路１１５で増幅、雑音除去、波形整形などの信号処理を施されてから、入出力回路１０１を介してウェアラブルコンピュータ１に供給されるようになっている。
【０００６】
上記トランシーバ３の電界検出光学部１１０は、生体１００に誘起されて伝達され、受信電極１１１を介して結合される電界を検出し、電気信号に変換して信号処理回路１１５に出力するように機能するものであるが、検出感度をアップさせるために様々な工夫がされている。
【０００７】
電界検出光学部１１０は、レーザ光と電気光学結晶を用いた電気光学的手法により電界を検出するものであり、レーザ光源を構成するレーザダイオードおよび電気光学結晶からなる電気光学素子を有する。なお、電気光学素子は、レーザダイオードからのレーザ光の光路に対して直角方向に結合される電界にのみ感度を有し、この電界強度によって光学特性、すなわち複屈折率が変化し、この複屈折率の変化によりレーザ光の偏光が変化するようになっている。
【０００８】
図８は、従来の電界検出光学装置１５の要部断面図である。
【０００９】
電界検出光学装置１５では、レーザダイオードから出力されるレーザ光は、コリメートレンズで平行光にされ、平行光となったレーザ光は第１波長板で偏光状態を調整され、電気光学素子２７に入射する。
【００１０】
受信電極１１１をなす信号電極３５に接続された第１電極３７ｅと、グランド電極３９に接続された第２電極３７ｆにより、図のｙ方向の電界が結合されるので、電気光学素子２７のレーザ光の偏光が変化する。
【００１１】
このように偏光変化を受けて電気光学素子２７から出射されたレーザ光は、第２波長板で偏光状態を調整され、偏光ビームスプリッタでレーザ光の偏光変化がレーザ光の強度変化に変換され、集光レンズで集光される。そしてフォトダイオードでこのレーザ光を基に電気信号が生成される。
【００１２】
なお、類似の技術が下記文献に記載されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−３５２２９８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このとき、電界検出光学装置では電界強度は、電極間の電圧を電極間の距離すなわち電気光学素子の厚みで除した値になるので、かかる距離を短くすれば、高い感度を得ることができる。
【００１５】
しかしながら、現状の電気光学素子の厚みは１００μｍ〜２００μｍであり、検出感度もこの厚み相当のものに留まっている。
【００１６】
そこで本発明は、上記の従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電気光学素子の厚みに関わらずに高い感度を得られる電界検出光学装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために、請求項１の本発明は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、結合される電界で光学特性の変化する電気光学素子と、該電気光学素子に光を入射させる手段と、当該電気光学素子から出射された光により電気信号を生成する手段と、前記電界を当該電気光学素子に結合させる一対の電極とを有し、前記一対の電極が前記電気光学素子の一方の側に設けられたことを特徴とする電界検出光学装置をもって解決手段とする。
【００１８】
請求項１の電界検出光学装置によれば、電極が電気光学素子の一方の側に設けられているので、電気光学素子の厚さに関わらずに電極の間隙を狭くすることができ、これにより検出感度を高めることができる。
【００１９】
請求項２の本発明は、前記電気光学素子内での光が前記一方の側寄りを進行するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の電界検出光学装置をもって解決手段とする。
【００２０】
請求項２の電界検出光学装置によれば、電気光学素子内での光が電界強度の高いその一方の側寄りを進行するように構成されているので、これにより検出感度を高めることができる。
【００２１】
請求項３の本発明は、前記電気光学素子内での光が前記一対の電極により形成された間隙の下部を進行するように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の電界検出光学装置をもって解決手段とする。
【００２２】
請求項３の電界検出光学装置によれば、電気光学素子内での光が一対の電極により形成された間隙の下部を進行するように構成されているので、主に電極が設けられた面に平行な電界を検出することができる。
【００２３】
請求項４の本発明は、前記間隙が平行に２本形成され、一方の間隙の下部において進行した光を他方の間隙の下部において進行するように折り返す手段を有することを特徴とする請求項３記載の電界検出光学装置をもって解決手段とする。
【００２４】
請求項４の電界検出光学装置によれば、一方の間隙の下部において進行した光を他方の間隙の下部において進行するように折り返す手段を有するので、電気光学素子における光路が長くなり、これにより感度を高めることができる。
【００２５】
請求項５の本発明は、前記一対の電極の一方が線状の部分を含み、前記電気光学素子内での光が当該線状の部分の下部を進行するように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の電界検出光学装置をもって解決手段とする。
【００２６】
請求項５の電界検出光学装置によれば、一対の電極の一方が線状の部分を含み、電気光学素子内での光が当該線状の部分の下部を進行するように構成されているので、主に電極が設けられた面に垂直な電界を検出することができる。
【００２７】
請求項６の本発明は、前記線状の部分が平行に２本形成され、一方の部分の下部において進行した光を他方の部分の下部において進行するように折り返す手段を有することを特徴とする請求項５記載の電界検出光学装置をもって解決手段とする。
【００２８】
請求項６の電界検出光学装置によれば、一方の部分の下部において進行した光を他方の部分の下部において進行するように折り返す手段を有するので、電気光学素子における光路が長くなり、これにより感度を高めることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す図である。同図に示す電界検出光学装置１１は、図６に示すようにウェアラブルコンピュータ１を電界伝達媒体である生体１００に装着して、他のウェアラブルコンピュータやデータ通信装置とデータ通信を可能とするために使用されるトランシーバ３における電界検出光学部１１０として使用されるものである。
【００３０】
具体的には、図７に示すトランシーバ３は、ウェアラブルコンピュータ１から入力される送信データに基づく電界を生体１００に誘起し、この誘起した電界を用いてデータの送受信を行うものであり、ウェアラブルコンピュータ１からの送信データを入出力（Ｉ／Ｏ）回路１０１を介して受け取ると、この送信データを送信部１０３を介して送信電極１０５に供給し、該送信電極１０５を介して生体１００に電界を誘起させ、この電界を生体１００を介して生体１００の他の部位に伝達させるものである。
【００３１】
また、図７に示すトランシーバ３は、生体１００の他の部位に装着された別のトランシーバから生体１００に誘起させられて伝達されてくる電界を受信電極１１１で検出し、この電界を電界検出光学部１１０に結合して電気信号に変換する。この電気信号は、信号処理回路１１５で増幅、雑音除去、波形整形などの信号処理を施され、入出力回路１０１を介してウェアラブルコンピュータ１に出力されるようになっている。
【００３２】
なお、図示してないが、送信電極１０５及び受信電極１１１における生体への接触面には絶縁膜が設けられて、生体における金属アレルギー等の発生を防止している。
【００３３】
上述したトランシーバ３においては、図１に示す本発明の第１の実施形態の電界検出光学装置１１から構成される電界検出光学部１１０は、生体１００に誘起されて伝達され、受信電極１１１を介して結合される電界を検出し、電気信号に変換して信号処理回路１１５に出力するように機能するものである。
【００３４】
この電界検出光学部１１０を有するトランシーバ３を用いて、生体１００にウェアラブルコンピュータ１を取り付けた場合には、トランシーバ３はウェアラブルコンピュータ１からの送信情報に基づいて生体に電界を誘起し、相手のトランシーバ３に伝達し、これにより各ウェアラブルコンピュータ１はトランシーバ３を介してデータ通信を行なうようになっている。また、手先や足先に接触されるトランシーバ３ａ，３ｂは、他のトランシーバ３を介してウェアラブルコンピュータ１から伝達されてくる電界を検出すると、この電界を電気信号に変換し、ケーブルを介してパソコン（ＰＣ）５に送信し、またパソコン５からケーブルを介して受信した送信情報を電界として生体に誘起して他のトランシーバ３に伝達するようになっている。
【００３５】
次に、図１乃至図３を参照して、トランシーバ３に使用される電界検出光学部１１０を構成する第１の実施形態の電界検出光学装置１１について詳細に説明する。
【００３６】
［第１の実施形態］
図１は、電界検出光学装置１１の構成図、図２は、電界検出光学装置１１の要部斜視図、図３は、電界検出光学装置１１の要部断面図である。
【００３７】
電界検出光学装置１１は、レーザダイオード２１と、レーザダイオード２１からのレーザ光の光路上に順次に並べられたコリメートレンズ２３、第１波長板２５を備える。
【００３８】
なお、本実施形態では、レーザダイオード２１から出力されるレーザ光を用いているが、本発明はレーザ光に限られるものでなく、単一波長光を発生するものであればよく、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）でもよいものであり、このことは後述する他の実施形態のすべてに適用し得ることである。
【００３９】
電界検出光学装置１１は、厚み方向にみて長方形の板状に形成された電気光学素子２７と、受信電極１１１をなす信号電極３５と、グランド電極３９と、電気光学素子２７の一方の面に設けられ、信号電極３５に接続された第１電極３７ａと、当該一方の面に設けられ、グランド電極３９に接続された第２電極３７ｂとを備える。なお、第１電極３７ａ及び第２電極３７ｂを設けられた面を「電極面」という。
【００４０】
第１電極３７ａは、電気光学素子２７の厚み方向にみて２本の歯を有する櫛型に形成されている。この歯のような線状の部分を以下、適宜「歯」と略す。また、第２電極３７ｂは、当該厚み方向にみて３本の歯を有する櫛型に形成され、第１電極３７ａの２本の歯と第２電極３７ｂの３本の歯とを噛み合わせるようにして、電気光学素子２７の長手方向に延びる平行な４本の間隙（間隙は１０μｍ程度のもの）が形成されている。
【００４１】
また、電界検出光学装置１１は、電気光学素子２７の一方の長辺寄りに隣合う２本の間隙の延長線を覆うように一方の短辺に相当する箇所に設けられたプリズム３４ａと、中央で隣合う２本の間隙の延長線を覆うように他方の短辺に相当する箇所に設けられたプリズム３４ｂと、他方の長辺寄りに隣合う２本の間隙の延長線を覆うように前記一方の短辺に相当する箇所に設けられたプリズム３４ｃとを有する。
【００４２】
電気光学素子２７は、レーザダイオード２１からのレーザ光の光路に対して直角方向に結合される電界にのみ感度を有し、この電界強度によって光学特性、すなわち複屈折率が変化し、この複屈折率の変化によりレーザ光の偏光が変化するようになっている。このことは全実施形態の電気光学素子に共通である。
【００４３】
また、電界検出光学装置１１にあっては、電気光学素子２７からのレーザ光の光路上に順次に第２波長板２９、偏光ビームスプリッタ３０、集光レンズ３１及びフォトダイオード３３が設けられている。
【００４４】
次に、第１の実施形態の電界検出光学装置１１の動作を説明する。
【００４５】
レーザダイオード２１から出力されたレーザ光は、コリメートレンズ２３で平行光にされ、平行光となったレーザ光は第１波長板２５で偏光状態を調整されて電気光学素子２７に入射し、入射したレーザ光は、図３に示すように、電極面寄りの箇所を、実際には最も外側の間隙の下部を進行する。かかるレーザ光は、電気光学素子２７から出射され、プリズム３４ａで折り返され、折り返されたレーザ光は、電気光学素子２７に入射する。入射したレーザ光は、同様に、隣の間隙の下部を進行する。かかるレーザ光は、電気光学素子２７から出射され、プリズム３４ｂで折り返され、折り返されたレーザ光は、電気光学素子２７に入射する。入射したレーザ光は、同様に、隣の間隙の下部を進行する。かかるレーザ光は、電気光学素子２７から出射され、プリズム３４ｃで折り返され、折り返されたレーザ光は、電気光学素子２７に入射する。
【００４６】
入射したレーザ光は、同様に、隣のすなわち最も外側の間隙の下部を進行して電気光学素子２７から出射され、第２波長板２９で偏光状態を調整され、偏光ビームスプリッタ３０でレーザ光の偏光変化がレーザ光の強度変化に変換され、集光レンズ３１で集光される。そしてフォトダイオード３３でこのレーザ光を基に電気信号が生成される。
【００４７】
図３に示すように、電極面に平行な電界強度（ｘ方向の電界強度）は、電極面寄りで強くなるので、電界検出光学装置１１では高い感度が得られる。なお、電界強度が強くなるので間隙は狭くする程に好適である。
【００４８】
以上説明したように、第１の実施形態の電界検出光学装置１１によれば、電極が電気光学素子の一方の側に設けられているので、電気光学素子の厚さに関わらずに電極の間隙を狭くすることができ、これにより検出感度を高めることができる。また、電気光学素子内でのレーザ光が電界強度の高い電極面寄りを進行するように構成されているので、これにより検出感度を高めることができる。また、電気光学素子内でのレーザ光が間隙の下部を進行するように構成されているので、主に電極面に平行な電界を検出することができる。また、一方の間隙の下部において進行した光を他方の間隙の下部において進行するように折り返す手段であるプリズムを有するので、電気光学素子における光路が長くなり、これにより感度を高めることができる。
【００４９】
［第２の実施形態］
次に、図４及び図５を参照して、トランシーバ３に使用される電界検出光学部１１０を構成する第２の実施形態の電界検出光学装置１２について詳細に説明する。
【００５０】
図４は、電界検出光学装置１２の構成図、図５は、電界検出光学装置１２の要部断面図である。
【００５１】
電界検出光学装置１２は、レーザダイオード２１と、レーザダイオード２１からのレーザ光の光路上に順次に並べられたコリメートレンズ２３、第１波長板２５を備える。
【００５２】
電界検出光学装置１２は、厚み方向にみて長方形の板状に形成された電気光学素子２７と、受信電極１１１をなす信号電極３５と、グランド電極３９と、電気光学素子２７における当該長方形形状の一方の面に設けられ、信号電極３５に接続された第１電極３７ｃと、当該一方の面に設けられ、グランド電極３９に接続された第２電極３７ｄとを備える。なお、第１電極３７ｃ及び第２電極３７ｄを設けられた面を「電極面」という。
【００５３】
第１電極３７ｃは、電気光学素子２７の厚み方向にみて２本の歯を有する櫛型に形成され、第２電極３７ｄは、当該厚み方向にみて３本の歯を有する櫛型に形成され、第１電極３７ｃの２本の歯と第２電極３７ｄの３本の歯とを噛み合わせるようにしている。
【００５４】
また、電界検出光学装置１２は、第１電極３７ｃに形成された両方の歯の延長線を覆うように一方の短辺に相当する箇所に設けられたプリズム３４を有する。
【００５５】
また、電界検出光学装置１２にあっては、電気光学素子２７からのレーザ光の光路上に順次に第２波長板２９、偏光ビームスプリッタ３０、集光レンズ３１及びフォトダイオード３３が設けられている。
【００５６】
次に、第２の実施形態の電界検出光学装置１２の動作を説明する。
【００５７】
レーザダイオード２１から出力されたレーザ光は、コリメートレンズ２３で平行光にされ、平行光となったレーザ光は第１波長板２５で偏光状態を調整されて電気光学素子２７に入射し、入射したレーザ光は、図５に示すように、電極面寄りの箇所を、実際には、第１電極３７ｃの一方の歯の下部を進行する。かかるレーザ光は、電気光学素子２７から出射され、プリズム３４で折り返され、折り返されたレーザ光は、電気光学素子２７に入射する。入射したレーザ光は、同様に、他方の歯の下部を進行する。そして電気光学素子２７から出射され、第２波長板２９で偏光状態を調整され、偏光ビームスプリッタ３０でレーザ光の偏光変化がレーザ光の強度変化に変換され、集光レンズ３１で集光される。そしてフォトダイオード３３でこのレーザ光を基に電気信号が生成される。
【００５８】
図５に示すように、電極面に垂直な方向の電界強度（ｙ方向の電界強度）は、電極面寄りで強くなるので、電界検出光学装置１２では高い感度が得られる。なお、電界強度が強くなるので電極の歯にあたる部分の幅は狭い程に好適である。また、電界強度が強くなるので電極の間隙は狭い程に好適である。
【００５９】
以上説明したように、第２の実施形態の電界検出光学装置１２によれば、電極が電気光学素子の一方の側に設けられているので、電気光学素子の厚さに関わらずに電極の間隙を狭くすることができ、これにより検出感度を高めることができる。また、電気光学素子内でのレーザ光が電界強度の高い電極面寄りを進行するように構成されているので、これにより検出感度を高めることができる。また、電気光学素子内でのレーザ光が電極の歯の下部を進行するように構成されているので、主に電極面に垂直な電界を検出することができる。また、一方の歯（線状の部分）の下部において進行した光を他方の歯（線状の部分）の下部において進行するように折り返す手段であるプリズムを有するので、電気光学素子における光路が長くなり、これにより感度を高めることができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、結合される電界で光学特性の変化する電気光学素子と、電気光学素子に光を入射させる手段と、電気光学素子から出射された光により電気信号を生成する手段と、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を電気光学素子に結合させる一対の電極とを有し、一対の電極が電気光学素子の一方の側に設けられているので、電気光学素子の厚さに関わらずに電極の間隙を狭くすることができ、これにより検出感度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る電界検出光学装置の要部斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る電界検出光学装置の要部断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る電界検出光学装置の要部断面図である。
【図６】本発明の電界検出光学装置を含むトランシーバの利用形態を示す図である。
【図７】本発明の電界検出光学装置を含むトランシーバの構成を示す図である。
【図８】従来の電界検出光学装置の要部断面図である。
【符号の説明】
１　ウェアラブルコンピュータ
３　トランシーバ
１１，１２　電界検出光学装置
２１　レーザダイオード
２３　コリメートレンズ
２５　第１波長板
２９　第２波長板
３０　偏光ビームスプリッタ
３１　集光レンズ
３３　フォトダイオード
３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ　プリズム
３５　信号電極
３７ａ，３７ｃ　第１電極
３７ｂ，３７ｄ　第２電極
３９　グランド電極
２７　電気光学素子

Claims

電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、
結合される電界で光学特性の変化する電気光学素子と、該電気光学素子に光を入射させる手段と、当該電気光学素子から出射された光により電気信号を生成する手段と、前記電界を当該電気光学素子に結合させる一対の電極とを有し、
前記一対の電極が前記電気光学素子の一方の側に設けられたことを特徴とする電界検出光学装置。
前記電気光学素子内での光が前記一方の側寄りを進行するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の電界検出光学装置。
前記電気光学素子内での光が前記一対の電極により形成された間隙の下部を進行するように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の電界検出光学装置。
前記間隙が平行に２本形成され、一方の間隙の下部において進行した光を他方の間隙の下部において進行するように折り返す手段を有することを特徴とする請求項３記載の電界検出光学装置。
前記一対の電極の一方が線状の部分を含み、前記電気光学素子内での光が当該線状の部分の下部を進行するように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の電界検出光学装置。
前記線状の部分が平行に２本形成され、一方の部分の下部において進行した光を他方の部分の下部において進行するように折り返す手段を有することを特徴とする請求項５記載の電界検出光学装置。