JP2007228299A - Data transmission apparatus and data transmission system - Google Patents

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祥文 渡部
Yoshiaki Honda
由明 本多
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To raise the transmission speed compared with that using a piezoelectric element for generating compressional waves, and to improve the quality of the data transmission. <P>SOLUTION: A data processor circuit 10 generates transmission data and reads the contents of received data. A transmission circuit 11 converts the transmission data generated by the data processor circuit 10 into transmission signals of impulsive voltages, corresponding to bit series in the transmission circuit 11. A transmission element 1 has a structure of a heating body 23 laminated via an insulating layer 22 on a board 21 made of a radiative material, and locally changes the temperature of a medium contacted with the heating body 23, to generate a compressional wave according to the density change accompanying with the temperature change, when the heating body 23 is energized. The transmission signal outputted from the transmission circuit 11 is applied to the heating body 23 of the transmission element 1, to generate compressional wave corresponding to one cycle with sinusoidal variation in the density. Since there is no reverberation in transmission element 1, high-speed data transmission can be conducted. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、媒質中を伝播する疎密波を伝送媒体としてデータ伝送を行うデータ伝送装置およびデータ伝送システムに関するものである。   The present invention relates to a data transmission apparatus and a data transmission system that perform data transmission using a dense wave propagating in a medium as a transmission medium.

一般に、疎密波を用いてデータ伝送を行う技術は、超音波を伝送媒体とするリモコン装置などに採用されている。また、この技術を情報処理機器におけるワイヤレスデータ通信に採用することも知られている(たとえば、特許文献1参照)。   In general, a technique for performing data transmission using a sparse / dense wave is employed in a remote control device using ultrasonic waves as a transmission medium. It is also known to employ this technology for wireless data communication in information processing equipment (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1には、伝送媒体である音波または超音波の送信と受信とを行うために圧電素子を用いたデータ通信装置が記載されており、とくに送信時の搬送波の周波数を、圧電素子の固有共振周波数に合わせるのが望ましい旨の説明がなされている。
特開平9−18377号公報(第0012−0014段落、図1)
Patent Document 1 describes a data communication device that uses a piezoelectric element to transmit and receive a sound wave or an ultrasonic wave, which is a transmission medium. In particular, the frequency of a carrier wave at the time of transmission is set to a characteristic of the piezoelectric element. It is explained that it is desirable to match the resonance frequency.
JP-A-9-18377 (paragraph 0012-0014, FIG. 1)

ところで、図9(a)のようにインパルス状の電圧を印加したときの30cm離れた位置での圧電素子のインパルス応答について考察すると、図9(b)のように、音速に対応して約1ms後に立ち上がり始めるがピークに達するのは3〜4波数後で、その後の数msの残響を生じることがわかる。立ち上がりに3〜4波数を必要とし、その後も非常に長い残響が生じるのは圧電素子の共振による。   By the way, considering the impulse response of the piezoelectric element at a position 30 cm away when an impulse voltage is applied as shown in FIG. 9A, about 1 ms corresponding to the speed of sound as shown in FIG. 9B. Although it starts to rise later, the peak is reached after 3 to 4 wavenumbers, and the subsequent reverberation of several ms occurs. It takes 3 to 4 wave numbers to rise, and a very long reverberation occurs thereafter due to resonance of the piezoelectric element.

したがって、圧電素子を用いて音波や超音波のような疎密波を発生させ、この疎密波を伝送媒体としてデータ伝送を行うために搬送波をデジタル変調する場合には、残響時間よりも長い時間を単位として搬送波に変調をかける必要がある。つまり、データ伝送の伝送媒体として疎密波を用いる場合に、疎密波の発生源として圧電素子を採用すると、残響時間により伝送速度が制限され、伝送速度の向上が困難になるという問題を有している。また、データ伝送の際に残響による疎密波も送信されるから、残響が意味のある情報と誤認される場合があり、データ伝送の品質が低下するという問題もある。   Therefore, when a sparse wave such as a sound wave or an ultrasonic wave is generated using a piezoelectric element, and the carrier wave is digitally modulated in order to transmit data using this sparse wave as a transmission medium, a unit of time longer than the reverberation time is used. It is necessary to modulate the carrier wave. In other words, when using a sparse wave as a transmission medium for data transmission, if a piezoelectric element is used as the source of the sparse wave, the transmission rate is limited by the reverberation time, which makes it difficult to improve the transmission rate. Yes. In addition, since sparse waves due to reverberation are also transmitted during data transmission, reverberation may be mistaken for meaningful information, and there is a problem that the quality of data transmission deteriorates.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、疎密波の生成に圧電素子を用いる場合に比較して伝送速度を高めることが可能であり、しかもデータ伝送の品質が高いデータ伝送装置およびデータ伝送システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and the object thereof is to increase the transmission speed as compared with the case where a piezoelectric element is used for generation of a dense wave, and the quality of data transmission is high. A data transmission apparatus and a data transmission system are provided.

請求項1の発明は、ビット列からなる送信データのビット値に対応付けた送信信号を発生する送信回路と、送信回路から送信信号が与えられると接触している媒質の温度を局所的に変化させる熱誘起により送信信号に対応した疎密波を発生させる送信素子とを備えることを特徴とする。   According to the first aspect of the present invention, a transmission circuit that generates a transmission signal associated with a bit value of transmission data including a bit string, and a temperature of a medium in contact with the transmission signal when the transmission signal is given from the transmission circuit are locally changed. A transmission element that generates a dense wave corresponding to the transmission signal by thermal induction.

この構成によれば、熱誘起で疎密波を発生させる送信素子を用いたことにより、固有共振周波数による残響が発生せず、疎密波を発生させる時間間隔を圧電素子に比較して短縮することができる。すなわち、疎密波の生成に圧電素子を用いる場合に比較すると、伝送速度を高めることが可能になり、しかも残響によるノイズ成分が生じないから伝送誤りの発生が低減され、データ伝送の品質が高くなる。   According to this configuration, by using a transmission element that generates a dense wave by heat induction, reverberation due to the natural resonance frequency does not occur, and the time interval for generating the dense wave can be shortened compared to the piezoelectric element. it can. In other words, compared to the case where a piezoelectric element is used to generate a sparse / dense wave, it is possible to increase the transmission speed, and since noise components due to reverberation do not occur, transmission errors are reduced and data transmission quality is improved. .

請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記送信回路は、送信データのビット値に対応付けたインパルス状の電圧を送信信号として出力することを特徴とする。   According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the transmission circuit outputs an impulse voltage associated with a bit value of transmission data as a transmission signal.

この構成によれば、送信信号をインパルス状としたことによって送信素子の熱飽和が生じにくくなり、送信データにおけるビット列を送信する時間間隔を短くすることができ、結果的にデータ伝送の高速化が期待できる。   According to this configuration, since the transmission signal is in the form of an impulse, the transmission element is less likely to be thermally saturated, the time interval for transmitting the bit string in the transmission data can be shortened, and as a result, the data transmission speed can be increased. I can expect.

請求項3の発明では、請求項1または請求項2の発明において、前記送信信号は、20kHz以上の周波数成分からなることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the transmission signal comprises a frequency component of 20 kHz or more.

この構成によれば、送信信号に可聴域の周波数成分が含まれないからデータ伝送の際に騒音が発生しない。   According to this configuration, since no frequency component in the audible range is included in the transmission signal, no noise is generated during data transmission.

請求項4の発明では、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明において、前記送信素子に送信信号を与える直流電源に補助電源となるコンデンサが並列に接続されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects of the present invention, a capacitor serving as an auxiliary power source is connected in parallel to a DC power source that supplies a transmission signal to the transmitting element.

この構成によれば、送信素子に短時間でピーク値の大きい電流を流す際に直流電源の電流容量の不足をコンデンサの電荷で補うことができるから、直流電源として容量の小さい小型のものを用いる場合でも送信素子に通電する電流を確保することができる。   According to this configuration, when a current having a large peak value is passed through the transmitting element in a short time, the shortage of the current capacity of the DC power supply can be compensated for by the charge of the capacitor. Therefore, a small DC power supply having a small capacity is used. Even in this case, it is possible to secure a current to be applied to the transmitting element.

請求項5の発明では、請求項1ないし請求項4のいずれかの発明において、前記送信素子は、放熱性材料からなる基板と、基板に積層された断熱層と、基板に断熱層を介して積層された発熱体とからなり、前記送信信号により発熱体にジュール熱を発生させることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the transmitting element includes a substrate made of a heat dissipating material, a heat insulating layer laminated on the substrate, and a heat insulating layer on the substrate. The heating element is laminated, and Joule heat is generated in the heating element by the transmission signal.

この構成によれば、送信素子の発熱体に通電したときに発生するジュール熱が断熱層の存在により基板側に逃げることなく媒質に伝達されるから、入力電力を効率よく疎密波に変換することができ、しかも断熱層に伝達された熱は放熱性材料である基板を通して放熱されるから、断熱層の温度が上昇することがなく、全体としての熱容量を小さくすることができる。その結果、発熱体に通電する時間間隔を短くすることができ、データ伝送の高速化が可能になる。   According to this configuration, Joule heat generated when the heating element of the transmitting element is energized is transmitted to the medium without escaping to the substrate side due to the presence of the heat insulating layer, so that input power can be efficiently converted into a dense wave. In addition, since the heat transferred to the heat insulating layer is dissipated through the substrate, which is a heat dissipating material, the temperature of the heat insulating layer does not rise, and the overall heat capacity can be reduced. As a result, the time interval for energizing the heating element can be shortened, and the data transmission can be speeded up.

請求項6の発明では、請求項1ないし請求項5のいずれかの発明において、送信素子により発生した疎密波を受信し受信信号を出力するマイクロホンからなる受信素子と、受信素子から出力される受信信号からビット列を抽出する受信回路とを備えることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects of the present invention, a receiving element including a microphone that receives a sparse wave generated by a transmitting element and outputs a reception signal, and a reception output from the receiving element. And a receiving circuit for extracting a bit string from the signal.

この構成によれば、マイクロホンを用いた受信素子で疎密波を受信することにより、受信側の構成を低コストで実現することができる。   According to this configuration, the configuration on the receiving side can be realized at low cost by receiving the sparse / dense wave with the receiving element using the microphone.

請求項7の発明では、請求項6の発明において、前記受信素子は前記送信素子から出力される疎密波のピーク波長を含む波長領域が他の波長領域よりも高感度であることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the invention, in the sixth aspect of the invention, the receiving element is characterized in that a wavelength region including a peak wavelength of the dense wave output from the transmitting element is more sensitive than other wavelength regions. .

この構成によれば、受信素子が疎密波に対して高感度になるから、データ伝送の可能な距離を長くとることができる。   According to this configuration, since the receiving element is highly sensitive to sparse and dense waves, it is possible to take a long distance for data transmission.

請求項8の発明では、請求項6または請求項7の発明において、前記送信素子と前記受信素子とが1つの器体に収納され、器体は送信素子と受信素子とを互いに音響的に分離する個別の収納室を備えることを特徴とする。   In the invention of claim 8, in the invention of claim 6 or claim 7, the transmitting element and the receiving element are housed in one container, and the container acoustically separates the transmitting element and the receiving element from each other. It is characterized by comprising a separate storage chamber.

この構成によれば、送信素子から受信素子への疎密波の回り込みを抑制することができるから、疎密波を出力している期間において受信素子で受信する不要成分を低減することができ、データ伝送の品質を高めることができる。   According to this configuration, it is possible to suppress the sneak wave from the transmitting element to the receiving element, and therefore, it is possible to reduce unnecessary components received by the receiving element during the period when the sparse wave is being output, and to transmit data. Can improve the quality.

請求項9の発明では、請求項6ないし請求項8の発明において、前記送信素子と前記受信素子とは同数で複数個ずつ設けられ、各送信素子と各受信素子とが一対一に対応付けて配置され、互いに対応する送信素子と受信素子との間でそれぞれ異なるビット列からなる送信データのデータ伝送が行われることを特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, in the sixth to eighth aspects of the present invention, a plurality of the transmitting elements and the receiving elements are provided in the same number, and each transmitting element and each receiving element are associated with each other on a one-to-one basis. It is arranged that data transmission of transmission data composed of different bit strings is performed between a transmission element and a reception element that are arranged and correspond to each other.

この構成によれば、複数ビットを同時に並列して伝送することができ、パラレル伝送によってシリアル伝送の場合よりもデータの伝送速度を向上させることができる。   According to this configuration, a plurality of bits can be transmitted in parallel at the same time, and the data transmission speed can be improved by parallel transmission as compared to serial transmission.

請求項10の発明は、データ伝送システムであって、請求項6ないし請求項9のいずれか1項に記載のデータ伝送装置を複数台備え、データ伝送装置間でデータ伝送を行うことを特徴とする。   A tenth aspect of the present invention is a data transmission system comprising a plurality of the data transmission devices according to any one of the sixth to ninth aspects, wherein data transmission is performed between the data transmission devices. To do.

この構成によれば、データ伝送装置の間で疎密波を伝送媒体に用いてデータ伝送を行うから、電波を伝送媒体に用いる場合に比較すると、傍受される可能性が低減される。   According to this configuration, data transmission is performed between the data transmission apparatuses using the dense wave as a transmission medium, so that the possibility of interception is reduced as compared with the case where radio waves are used as the transmission medium.

請求項11の発明では、請求項10の発明において、前記データ伝送装置は、それぞれ固有の識別情報を持つID保持部と、前記送信データに識別情報を付加するID付加部と、受信信号に含まれる識別情報をID保持部に保持されている識別情報とを照合するID照合部とを備え、ID照合部で照合により規定の結果が得られたときにデータを受信することを特徴とする。   In the invention of claim 11, in the invention of claim 10, the data transmission device includes an ID holding unit having unique identification information, an ID adding unit for adding identification information to the transmission data, and a reception signal. An ID collating unit that collates the identification information to be identified with the identification information held in the ID holding unit, and receives data when a prescribed result is obtained by the ID collating unit.

この構成によれば、識別情報を用いてデータ伝送を行うデータ伝送装置を識別するから、互いに対応付けられていないデータ伝送装置の間ではデータ伝送が成立せず、データ伝送におけるデータの保全性が高くなる。   According to this configuration, since the data transmission device that performs data transmission is identified using the identification information, data transmission is not established between data transmission devices that are not associated with each other, and data integrity in data transmission is reduced. Get higher.

請求項12の発明では、請求項10の発明において、前記データ伝送装置のうちデータ伝送を行う2台のデータ伝送装置に関して、互いに他方の前記送信素子と前記受信素子とを音響的に結合したことを特徴とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, in the tenth aspect of the invention, the other transmitting element and receiving element are acoustically coupled to each other with respect to two data transmitting apparatuses that perform data transmission among the data transmitting apparatuses. It is characterized by.

この構成によれば、2台のデータ伝送装置の間で送信素子と受信素子とを音響的に結合しているから、特定のデータ伝送装置の間で識別情報を用いることなくデータ伝送が可能である。   According to this configuration, since the transmitting element and the receiving element are acoustically coupled between the two data transmission apparatuses, data transmission is possible without using identification information between the specific data transmission apparatuses. is there.

本発明の構成によれば、熱誘起で疎密波を発生させる送信素子を用いているので、圧電素子を用いる場合のように固有共振周波数による残響が発生せず、疎密波を発生させる時間間隔を圧電素子に比較して短縮することができるという利点がある。その結果、疎密波の生成に圧電素子を用いる場合に比較すると、伝送速度を高めることが可能になるという利点を有し、しかも残響によるノイズ成分が生じないから伝送誤りの発生が低減され、データ伝送の品質が高くなるという利点を有する。   According to the configuration of the present invention, since a transmitting element that generates a dense wave by heat induction is used, reverberation due to the natural resonance frequency does not occur as in the case of using a piezoelectric element, and a time interval for generating a dense wave is set. There is an advantage that it can be shortened as compared with the piezoelectric element. As a result, it has the advantage that the transmission speed can be increased compared to the case where a piezoelectric element is used for the generation of the dense wave, and the generation of transmission errors is reduced because no noise component due to reverberation occurs. It has the advantage that the quality of transmission is high.

(実施形態1)
本実施形態は、疎密波を伝送媒体としてデータ伝送を行うデータ伝送装置であって、図1(a)に示すように、送信データを生成するとともに受信データの内容を読み出すデータ処理回路10を備える。
(Embodiment 1)
The present embodiment is a data transmission apparatus that performs data transmission using a sparse / dense wave as a transmission medium, and includes a data processing circuit 10 that generates transmission data and reads the contents of reception data, as shown in FIG. .

データ処理回路10で生成された送信データは送信回路11に入力され、送信素子1を駆動する送信信号に変換される。データ処理回路10で生成される送信データは、デジタル値のビット列を矩形波のパルス列に対応付けた形のデータであって、たとえば矩形波のHレベルを送信データの「1」に対応させ、Lレベルを送信データの「0」に対応させてある。   Transmission data generated by the data processing circuit 10 is input to the transmission circuit 11 and converted into a transmission signal for driving the transmission element 1. The transmission data generated by the data processing circuit 10 is data in which a bit string of a digital value is associated with a rectangular wave pulse string. For example, the H level of the rectangular wave is associated with “1” of the transmission data, and L The level corresponds to “0” of the transmission data.

送信回路11では送信素子1に対してインパルス状の電圧を送信信号として出力する。矩形波からインパルス状の電圧である送信信号を生成するには、たとえば、矩形波の立ち上がりエッジを微分したり、矩形波の立ち上がりエッジをトリガとするワンショット回路を用いて入力された矩形波よりも時間幅の短い矩形波を生成したりすればよい。この種の構成を採用する場合は、図2に示すように、送信素子1に電圧を印加する直流電源DCに補助電源となるコンデンサC1を並列に接続しておけば、発熱体23に突入電流のような大電流が流れてもコンデンサC1の電荷によって電荷量の不足を補うことができるから、直流電源DCの電圧低下を防止することができる。図2におけるスイッチSW1は送信信号により開閉され、オン時に直流電源DCから送信素子1に通電することにより疎密波を発生させる。   The transmission circuit 11 outputs an impulse voltage as a transmission signal to the transmission element 1. To generate a transmission signal that is an impulse voltage from a rectangular wave, for example, from a rectangular wave input using a one-shot circuit that differentiates the rising edge of the rectangular wave or uses the rising edge of the rectangular wave as a trigger Alternatively, a rectangular wave with a short time width may be generated. In the case of adopting this type of configuration, as shown in FIG. 2, if a capacitor C1 serving as an auxiliary power source is connected in parallel to a DC power source DC that applies a voltage to the transmitting element 1, an inrush current is supplied to the heating element 23. Even when such a large current flows, the shortage of the charge amount can be compensated for by the charge of the capacitor C1, so that the voltage drop of the DC power source DC can be prevented. The switch SW1 in FIG. 2 is opened and closed by a transmission signal, and generates a dense wave by energizing the transmission element 1 from the DC power source DC when turned on.

また、図3に示すように、コンデンサC2の充放電を利用して送信素子1にインパルス状の電圧を印加する構成を採用することもできる。図3に示す回路は、2個のトランジスタQ1,Q2からなるウィドラー型のカレントミラー回路を用いて定電流源Isの電流よりも小さい定電流でコンデンサC2を充電した後、コンデンサC2の電荷を送信素子1に流す構成であって、コンデンサC2に接続した切換スイッチSW2によってコンデンサC2の充放電を切り換えるように構成してある。すなわち、切換スイッチSW2によりコンデンサC2をa側に接続するとコンデンサC2が充電される。コンデンサC2の充電電流は一定に保たれているから充電時間によってコンデンサC2の電荷量が決定される。   Moreover, as shown in FIG. 3, the structure which applies an impulse-like voltage to the transmission element 1 using charging / discharging of the capacitor | condenser C2 is also employable. The circuit shown in FIG. 3 transmits the electric charge of the capacitor C2 after charging the capacitor C2 with a constant current smaller than the current of the constant current source Is using a Widdler type current mirror circuit composed of two transistors Q1 and Q2. It is configured to flow through the element 1, and is configured such that charging / discharging of the capacitor C2 is switched by a changeover switch SW2 connected to the capacitor C2. That is, when the capacitor C2 is connected to the a side by the changeover switch SW2, the capacitor C2 is charged. Since the charging current of the capacitor C2 is kept constant, the charge amount of the capacitor C2 is determined by the charging time.

一方、コンデンサC2の充電後に切換スイッチSW2をb側に接続するとコンデンサC2に充電された電荷が送信素子1に流れ、コンデンサC2に蓄積された電荷量に応じたエネルギの疎密波が送信素子1で生成される。つまり、コンデンサC2の充電時間を管理することにより、送信素子1で生成される疎密波のエネルギを管理することができる。切換スイッチSW2は高速なスイッチングが必要であるから、アナログスイッチが用いられており、送信素子1に流れる電流波形は、コンデンサC2の電荷量と、発熱体23の抵抗値と切換スイッチSW2のオン抵抗とにより決定される。   On the other hand, when the changeover switch SW2 is connected to the b side after the capacitor C2 is charged, the charge charged in the capacitor C2 flows to the transmission element 1, and a density wave of energy corresponding to the amount of charge accumulated in the capacitor C2 is generated in the transmission element 1. Generated. That is, by managing the charging time of the capacitor C2, the energy of the dense wave generated by the transmitting element 1 can be managed. Since the change-over switch SW2 requires high-speed switching, an analog switch is used, and the current waveform flowing through the transmission element 1 includes the charge amount of the capacitor C2, the resistance value of the heating element 23, and the on-resistance of the change-over switch SW2. And determined by

この構成を採用すれば、コンデンサC2の充電時の電荷量を調節することにより、送信素子1にピーク値の大きい電流を流すことができるから、エネルギ密度の高い(周波数成分に高周波成分を多く含む)疎密波を送波することができる。つまり、直進性に優れ遠方まで到達する疎密波を生成することができる。   If this configuration is adopted, a current having a large peak value can be caused to flow through the transmitting element 1 by adjusting the amount of charge when the capacitor C2 is charged. ) Can transmit dense waves. In other words, it is possible to generate a dense wave that is excellent in straightness and reaches far away.

本実施形態で用いる送信素子1は、熱誘起圧力波発生装置あるいは熱誘起型音波放射素子と称する形態のものであって、この送信素子1の構造の一例を示すと、図1(b)に示すように、単結晶シリコンからなる基板21の一表面に多孔質シリコンからなる断熱層22を形成し、さらに断熱層22の上にタングステンからなる発熱体23を設けた構造を有している。発熱体23の両端部にはそれぞれ信号端子24が設けられる。ここに示した材料は一例であって、基板21としては放熱性が高い材料を選択すればよく、各部位の機能を満足する限り他の材料を選択することが可能である。   The transmission element 1 used in the present embodiment has a form called a heat-induced pressure wave generator or a heat-induced acoustic wave radiating element. An example of the structure of the transmission element 1 is shown in FIG. As shown, a heat insulating layer 22 made of porous silicon is formed on one surface of a substrate 21 made of single crystal silicon, and a heating element 23 made of tungsten is provided on the heat insulating layer 22. Signal terminals 24 are provided at both ends of the heating element 23, respectively. The material shown here is only an example, and a material with high heat dissipation may be selected as the substrate 21. Other materials can be selected as long as the function of each part is satisfied.

この送信素子1では、信号端子24に印加する電圧を制御し発熱体23に通電する電流を変化させると、発熱体23に接している媒質(一般に空気)の密度がジュール熱によって局所的に変化することを利用して疎密波を発生させる。したがって、上述のように送信回路11からインパルス状の電圧を発生させ、信号端子24に印加すると、正弦波状に疎密が変化する1周期分の疎密波を発生させることができる。送信素子1は、発熱体23に通電することにより疎密波を発生させる構成であるから、矩形波のパルス状の電圧を短い時間間隔で繰り返し印加すると熱的に飽和し、発熱体23に通電しても熱変化が生じなくなり疎密波を発生させることができなくなる可能性があるが、送信信号をインパルス状の電圧としたことにより、熱飽和が発生しにくく、インパルス状の電圧を印加する時間間隔を短くすることが可能になって、高速なデータ伝送が可能になる。   In this transmission element 1, when the voltage applied to the signal terminal 24 is controlled to change the current supplied to the heating element 23, the density of the medium (generally air) in contact with the heating element 23 changes locally due to Joule heat. It generates a dense wave by using Therefore, when an impulse-like voltage is generated from the transmission circuit 11 and applied to the signal terminal 24 as described above, one cycle of sparse / dense waves whose density changes in a sine wave shape can be generated. Since the transmission element 1 is configured to generate a dense wave by energizing the heating element 23, it is thermally saturated when a pulsed voltage of a rectangular wave is repeatedly applied at short time intervals, and the heating element 23 is energized. However, there is a possibility that a thermal change does not occur and a dense wave cannot be generated. However, by setting the transmission signal as an impulse voltage, thermal saturation is unlikely to occur, and the time interval during which the impulse voltage is applied Can be shortened, and high-speed data transmission becomes possible.

ここに、発熱体23の一面に断熱層22が接触していることにより、発熱体23で発生する短期間のジュール熱はその熱が発生している短い期間内では基板側に逃げにくくなり、発熱体23に接触している媒質に発熱体23からの熱を効率よく伝達することができ、その後の短い期間で発熱体23から断熱層22に伝送された熱は放熱性の高い材料からなる基板20を通して迅速に放熱される。つまり、送信素子1のジュール熱の発生に伴い温度変化する部分で熱容量を考慮すべき部分は発熱体23とジュール熱が発生する短い期間に温度が変化する断熱層22の部分のみで、その熱容量は小さく、発熱体23への電圧の印加を停止した後に長い時間を待つことなく送信素子1が冷却されるから、電圧の印加を繰り返しても疎密波を発生させることが可能になる。発生したジュール熱が完全に放熱されずに一部が発熱体23に残っている場合においても定常的に断熱層22から基板21側へ放熱しつづけるため、送信素子1は比較的常温に近い状態に維持され、次に加えられるジュール熱に対応した発熱体23の温度変化により発熱体23に接触している媒質に疎密波が形成される。そのため、電圧の印加を繰り返すことが可能な最短周期は、送信素子1の熱容量、発熱体23が発生するジュール熱、周囲温度などに依存するが、常温において繰り返しの最短周期をμsのオーダとする送信素子1を作成することが可能である。   Here, since the heat insulating layer 22 is in contact with one surface of the heating element 23, the short-term Joule heat generated in the heating element 23 is less likely to escape to the substrate side within a short period in which the heat is generated. Heat from the heating element 23 can be efficiently transferred to the medium in contact with the heating element 23, and the heat transmitted from the heating element 23 to the heat insulating layer 22 in a short period thereafter is made of a material with high heat dissipation. Heat is quickly radiated through the substrate 20. That is, the heat capacity of the portion that changes in temperature due to the generation of Joule heat of the transmitting element 1 is the heat capacity 23 and the heat insulating layer 22 where the temperature changes in a short period when Joule heat is generated. The transmission element 1 is cooled without waiting for a long time after the application of the voltage to the heating element 23 is stopped, so that it is possible to generate a dense wave even if the voltage application is repeated. Even when the generated Joule heat is not completely dissipated and a part of the Joule heat remains in the heating element 23, the heat is constantly radiated from the heat insulating layer 22 to the substrate 21 side. Thus, a density wave is formed in the medium in contact with the heating element 23 due to the temperature change of the heating element 23 corresponding to the Joule heat applied next. Therefore, the shortest cycle in which the voltage application can be repeated depends on the heat capacity of the transmission element 1, the Joule heat generated by the heating element 23, the ambient temperature, and the like, but the shortest cycle of repetition at room temperature is on the order of μs. The transmission element 1 can be created.

送信素子1の動作の一例を図4に示す。図4(a)のようにインパルス状の電圧である送信信号を送信素子1に与えると、図4(b)のように疎密波が発生する。圧電素子と同様に電圧の印加から音速に対応して約1ms後に立ち上がり、1波数であるインパルス状の疎密波が発生し、図4(b)から明らかなように実質的に残響は生じない。つまり、インパルス状の電圧を印加すると、インパルス状の電圧と同程度の時間幅を有したパルス状の疎密波を発生させることができる。また、信号端子24に対して時間経過とともに電圧の変化する送信信号を与えると、電圧変化に応じて圧力の変化する疎密波を発生させることができる。たとえば、20kHz以上の繰り返し周波数でインパルス状の電圧を印加すれば、疎密波として超音波を発生させることが可能である。ただし、本実施形態では、送信信号として20kHz以上の周波数成分からなるインパルス信号を用いる。   An example of the operation of the transmitting element 1 is shown in FIG. When a transmission signal having an impulse voltage as shown in FIG. 4A is applied to the transmission element 1, a dense wave is generated as shown in FIG. 4B. Similar to the piezoelectric element, an impulse-shaped dense wave having a single wave number rises about 1 ms from the voltage application corresponding to the speed of sound, and substantially no reverberation occurs as is apparent from FIG. 4B. That is, when an impulse voltage is applied, a pulsed dense wave having a time width similar to that of the impulse voltage can be generated. In addition, when a transmission signal whose voltage changes with the passage of time is given to the signal terminal 24, a dense wave whose pressure changes according to the voltage change can be generated. For example, if an impulse voltage is applied at a repetition frequency of 20 kHz or higher, it is possible to generate an ultrasonic wave as a dense wave. However, in this embodiment, an impulse signal composed of frequency components of 20 kHz or higher is used as the transmission signal.

上記構成の送信素子1を用いるとピークになるまでの3〜4波数や残響を考慮する必要がないから、圧電素子を用いる場合に比較して、送信データを構成するビット間の時間間隔を短くすることができる。つまり、圧電素子を採用するとピークになるまでの3〜4波数の時間と残響時間には次ビットを送信することができないのに対して、本実施形態の送信素子1を用いると実質的に残響が発生しないから、圧電素子を用いる場合のような3〜4波数の時間と残響時間を待つことなく次ビットを送信することができ、結果的にビット間の時間間隔を短くし、実質的な伝送速度を向上させることができる。また、残響が生じないからデータ伝送の品質が高くなる。逆に言えば、受信側では送信データを抽出しやすくなる。   When the transmission element 1 having the above configuration is used, it is not necessary to consider 3 to 4 wave numbers and reverberation until reaching a peak, and therefore, the time interval between bits constituting transmission data is shortened as compared with the case of using a piezoelectric element. can do. In other words, when the piezoelectric element is employed, the next bit cannot be transmitted during the time of 3 to 4 wave numbers until the peak and the reverberation time, whereas the transmission element 1 of the present embodiment substantially reverberates. Therefore, the next bit can be transmitted without waiting for the time of 3 to 4 wave numbers and the reverberation time as in the case of using a piezoelectric element, and as a result, the time interval between bits is shortened, The transmission speed can be improved. Further, since reverberation does not occur, the quality of data transmission is improved. In other words, transmission data can be easily extracted on the receiving side.

ところで、疎密波の受信にはマイクロホンからなる受信素子2を用いる。受信素子2も固有共振周波数を持たない構成のものが望ましく、圧電素子を用いたマイクロホンではなくコンデンサ型のマイクロホンなどを用いるのが望ましい。ただし、受信素子2は送信素子1から出力される疎密波を受信可能な感度特性を有するものを用いる。言い換えると、送信素子1で生成される疎密波のピーク波長を含む波長領域が他の波長領域よりも高感度である受信素子2を採用する。   By the way, the receiving element 2 which consists of a microphone is used for the reception of dense waves. The receiving element 2 preferably has a configuration that does not have a natural resonance frequency, and it is preferable to use a condenser microphone instead of a microphone using a piezoelectric element. However, the receiving element 2 has a sensitivity characteristic capable of receiving the dense wave output from the transmitting element 1. In other words, the receiving element 2 is employed in which the wavelength region including the peak wavelength of the density wave generated by the transmitting element 1 is more sensitive than the other wavelength regions.

受信素子2は疎密波を検出すると疎密波に対応する電気信号である受信信号を出力し、この受信信号は受信回路12に与えられる。受信回路12では受信信号から受信データのビット列を抽出し、データ処理回路10に引き渡す。データ処理回路10では、受信データのビット列を検証し伝送誤りがあれば再送を要求する。   When the reception element 2 detects the density wave, the reception element 2 outputs a reception signal that is an electrical signal corresponding to the density wave, and this reception signal is given to the reception circuit 12. The receiving circuit 12 extracts a bit string of received data from the received signal and passes it to the data processing circuit 10. The data processing circuit 10 verifies the bit string of the received data and requests retransmission if there is a transmission error.

送信素子1と受信素子2とは、図5に示すように、データ伝送装置を構成する器体3に収納される。器体3には、送信素子1を収納する第1収納室3aと、受信素子2を収納する第2収納室3bとが形成され、第1収納室3aと第2収納室3bとは隔壁3cにより分離される。隔壁3cは送信素子1と受信素子2との間で疎密波が回り込むのを防止するように形成されている。つまり、送信素子1と受信素子2とは隔壁3cにより音響的に分離される。   As shown in FIG. 5, the transmitting element 1 and the receiving element 2 are accommodated in a container 3 constituting a data transmission apparatus. The container 3 is formed with a first storage chamber 3a for storing the transmitting element 1 and a second storage chamber 3b for storing the receiving element 2, and the first storage chamber 3a and the second storage chamber 3b are separated from each other by a partition 3c. Separated by The partition wall 3 c is formed so as to prevent a sparse wave from entering between the transmitting element 1 and the receiving element 2. That is, the transmitting element 1 and the receiving element 2 are acoustically separated by the partition wall 3c.

器体3をコネクタ状に形成しておけば、互いに他のデータ伝送装置の間で送信素子1と受信素子2とを音響的に結合してデータ伝送を行うことが可能である。また、データ通信を行う2台のデータ伝送装置のうちの一方をカード状に形成した応答器として構成しておき、他方のデータ伝送装置でカードに対する質問器を構成しておけば、非接触で応答器のデータの読み書きが可能になる。   If the container 3 is formed in a connector shape, it is possible to perform data transmission by acoustically coupling the transmitting element 1 and the receiving element 2 between other data transmission apparatuses. In addition, if one of the two data transmission devices for data communication is configured as a card-like responder, and the other data transmission device is configured as an interrogator for the card, contactless Read / write data on the transponder.

(実施形態2)
実施形態1として例示した構成では、送信素子1と受信素子2とを1個ずつ備えているから、データ伝送の伝送路が1つであって同時に1ビットずつのデータを伝送するシリアル伝送を行っている。これに対して、本実施形態は、同時に複数ビットのデータを伝送するパラレル伝送を行うことによりデータ伝送の伝送速度を実施形態1よりも高めた構成を例示する。
(Embodiment 2)
In the configuration exemplified as the first embodiment, since each of the transmitting element 1 and the receiving element 2 is provided, there is one transmission path for data transmission, and serial transmission for transmitting data of 1 bit at a time is performed. ing. In contrast, the present embodiment exemplifies a configuration in which the transmission speed of data transmission is higher than that of the first embodiment by performing parallel transmission in which a plurality of bits of data are transmitted simultaneously.

すなわち、本実施形態では、図6に示すように、送信素子1と受信素子2とを複数個ずつ備える。この構成は、各送信素子1と各受信素子2とが一対一に対応している必要があり、送信素子1と受信素子2との位置がずれているとデータ伝送を正常に行うことができない。また、送信素子1と受信素子2との距離が大きくなると、送信素子1により生成された疎密波が拡散して、異なる送信素子1からの疎密波と混信する(ビット列間のクロストークが生じる)。したがって、本実施形態は、送信素子1と受信素子2とが近接して配置される場合に適用する構成であり、各送信素子1からの疎密波にクロストークが生じない程度の範囲でのみ用いることができる。なお、送信素子1と受信素子2との距離を大きくする場合には、送信素子1にホーンを付設して指向性を高め、また送信素子1から発生させる疎密波の周波数成分に高周波成分が多く含まれるようにして疎密波の直進性を高めるのが望ましい。他の構成および動作は実施形態1と同様である。   That is, in this embodiment, as shown in FIG. 6, a plurality of transmission elements 1 and a plurality of reception elements 2 are provided. In this configuration, each transmitting element 1 and each receiving element 2 need to correspond one-to-one, and data transmission cannot be performed normally if the positions of the transmitting element 1 and the receiving element 2 are shifted. . Further, when the distance between the transmitting element 1 and the receiving element 2 is increased, the dense wave generated by the transmitting element 1 is diffused and mixed with the dense wave from different transmitting elements 1 (crosstalk between bit strings occurs). . Therefore, the present embodiment is a configuration that is applied when the transmitting element 1 and the receiving element 2 are arranged close to each other, and is used only within a range in which crosstalk does not occur in the dense wave from each transmitting element 1. be able to. When the distance between the transmitting element 1 and the receiving element 2 is increased, a horn is attached to the transmitting element 1 to enhance directivity, and the frequency component of the dense wave generated from the transmitting element 1 has a high frequency component. It is desirable to improve the straightness of the sparse wave so as to be included. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.

(実施形態3)
上述した各実施形態は、2台のデータ伝送装置が一対一でデータ伝送を行う場合を想定して説明したが、本実施形態では、図7に示すように、3台以上のデータ伝送装置Aが存在する場合について説明する。この場合、各データ伝送装置Aにおいてどのデータ伝送装置Aからのデータを受信したかを認識できるように、各データ伝送装置Aにそれぞれ固有の識別情報を持たせる必要がある。また、データ伝送装置Aから疎密波によってデータを伝送する際に、送信データに識別情報を付加する必要がある。各データ伝送装置Aでは、受信したデータに付加された識別情報を固有の識別情報と照合し、受信した識別情報が固有の識別情報と規定された関係を有するときに、データを受け取るように構成される。規定された関係とは、受信した識別情報と保有している識別情報とについて、あらかじめ定めた規則を適用した結果があらかじめ定められた結果になることを意味し、たとえば両識別情報が一致する場合を含む。
(Embodiment 3)
Each of the above-described embodiments has been described assuming that two data transmission apparatuses perform data transmission on a one-to-one basis. However, in this embodiment, as illustrated in FIG. A case will be described. In this case, each data transmission device A needs to have unique identification information so that each data transmission device A can recognize which data transmission device A has received the data. Further, when data is transmitted from the data transmission apparatus A by a sparse / dense wave, it is necessary to add identification information to the transmission data. Each data transmission device A is configured to collate the identification information added to the received data with the unique identification information and receive the data when the received identification information has a prescribed relationship with the unique identification information. Is done. The specified relationship means that the result of applying a predetermined rule for the received identification information and possessed identification information becomes a predetermined result. For example, when both identification information matches including.

すなわち、図8に示すように、データ処理回路10に、識別情報を保持したID保持部10aと、送信データに識別情報を付加するID付加部10bと、受信信号から識別情報を抽出してID保持部10aに保持されている識別情報と照合するID照合部10cとを備える。ID保持部10aは、ディップスイッチあるいは不揮発性メモリにより構成されており、各データ伝送装置Aごとに異なる識別情報が設定される。   That is, as shown in FIG. 8, an ID holding unit 10a that holds identification information, an ID adding unit 10b that adds identification information to transmission data, and ID information extracted from the received signal are stored in the data processing circuit 10. The ID collation part 10c collated with the identification information currently hold | maintained at the holding | maintenance part 10a is provided. The ID holding unit 10a is configured by a DIP switch or a non-volatile memory, and different identification information is set for each data transmission apparatus A.

本実施形態の構成では、上述した規則によって規定されたデータ伝送装置Aの間でのみデータ伝送が可能であって、データ伝送が可能なデータ伝送装置Aの組み合わせを定めておくことができるから、データ伝送装置Aを用いて入退室管理を行う場合のように、識別情報の照合が必要な用途に用いることができる。なお、3台以上のデータ伝送装置Aの間で、受信した疎密波がどのデータ伝送装置Aから送信されたものであるかを認識するために識別情報を用いているが、データの傍受による識別情報の漏洩をさらに確実に防止する場合には、容易には解読できないような高度な暗号化技術を用いればよい。他の構成および動作は実施形態1と同様である。   In the configuration of the present embodiment, data transmission is possible only between the data transmission devices A defined by the rules described above, and a combination of the data transmission devices A capable of data transmission can be determined. As in the case of entering / leaving management using the data transmission device A, it can be used for applications that require verification of identification information. In addition, the identification information is used for recognizing which data transmission apparatus A the received dense wave is transmitted among three or more data transmission apparatuses A. In order to prevent the leakage of information more reliably, a high-level encryption technology that cannot be easily decrypted may be used. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.

上述した各実施形態の構成では、データ伝送の伝送媒体として疎密波を用いるから電波を伝送媒体とする場合のように医療機器に誤動作を引き起こす可能性がない。つまり、医療現場における非接触でのデータ伝送が可能になる。また、非接触でデータ伝送を行うから、非接触型のICカードに適用したり、コンピュータのデータの入出力のインターフェースとして用いることも可能である。   In the configuration of each of the embodiments described above, since a sparse wave is used as a transmission medium for data transmission, there is no possibility of causing a malfunction in the medical device as in the case of using a radio wave as the transmission medium. That is, non-contact data transmission at a medical site becomes possible. In addition, since data transmission is performed in a non-contact manner, it can be applied to a non-contact type IC card or used as an interface for computer data input / output.

本発明の実施形態1を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Embodiment 1 of this invention. 同上の要部回路図である。It is a principal part circuit diagram same as the above. 同上の要部回路図である。It is a principal part circuit diagram same as the above. 同上に用いる送信素子の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the transmission element used for the same as the above. 同上の要部断面図である。It is principal part sectional drawing same as the above. 本発明の実施形態2を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows Embodiment 3 of this invention. 同上のブロック図である。It is a block diagram same as the above. 圧電素子を用いた送信素子の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the transmission element using a piezoelectric element.

符号の説明Explanation of symbols

1 送信素子
2 受信素子
3 器体
3a 第1収納室
3b 第2収納室
10a ID保持部
10b ID付加部
10c ID照合部
11 送信回路
12 受信回路
21 基板
22 断熱層
23 発熱体
A データ伝送装置
C1 コンデンサ
DC 直流電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmission element 2 Reception element 3 Body 3a 1st storage chamber 3b 2nd storage chamber 10a ID holding | maintenance part 10b ID addition part 10c ID collation part 11 Transmission circuit 12 Reception circuit 21 Board | substrate 22 Heat insulation layer 23 Heat generating body A Data transmission device C1 Capacitor DC DC power supply

Claims (12)

ビット列からなる送信データのビット値に対応付けた送信信号を発生する送信回路と、送信回路から送信信号が与えられると接触している媒質の温度を局所的に変化させる熱誘起により送信信号に対応した疎密波を発生させる送信素子とを備えることを特徴とするデータ伝送装置。   Corresponding to the transmission signal by the thermal induction that locally changes the temperature of the medium that is in contact with the transmission circuit that generates the transmission signal corresponding to the bit value of the transmission data consisting of the bit string and the transmission circuit A data transmission device comprising: a transmission element that generates a sparse / dense wave. 前記送信回路は、送信データのビット値に対応付けたインパルス状の電圧を送信信号として出力することを特徴とする請求項1記載のデータ伝送装置。   The data transmission apparatus according to claim 1, wherein the transmission circuit outputs an impulse voltage associated with a bit value of transmission data as a transmission signal. 前記送信信号は、20kHz以上の周波数成分からなることを特徴とする請求項1または請求項2記載のデータ伝送装置。   3. The data transmission apparatus according to claim 1, wherein the transmission signal includes a frequency component of 20 kHz or more. 前記送信素子に送信信号を与える直流電源に補助電源となるコンデンサが並列に接続されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のデータ伝送装置。   4. The data transmission device according to claim 1, wherein a capacitor serving as an auxiliary power source is connected in parallel to a DC power source that supplies a transmission signal to the transmission element. 5. 前記送信素子は、放熱性材料からなる基板と、基板に積層された断熱層と、基板に断熱層を介して積層された発熱体とからなり、前記送信信号により発熱体にジュール熱を発生させることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のデータ伝送装置。   The transmission element includes a substrate made of a heat radiating material, a heat insulating layer laminated on the substrate, and a heating element laminated on the substrate via the heat insulating layer, and generates Joule heat in the heating element by the transmission signal. The data transmission apparatus according to claim 1, wherein the data transmission apparatus is a data transmission apparatus. 送信素子により発生した疎密波を受信し受信信号を出力するマイクロホンからなる受信素子と、受信素子から出力される受信信号からビット列を抽出する受信回路とを備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のデータ伝送装置。   A receiving element comprising a microphone that receives a density wave generated by a transmitting element and outputs a received signal, and a receiving circuit that extracts a bit string from the received signal output from the receiving element. 6. The data transmission device according to any one of items 5. 前記受信素子は前記送信素子から出力される疎密波のピーク波長を含む波長領域が他の波長領域よりも高感度であることを特徴とする請求項6記載のデータ伝送装置。   7. The data transmission apparatus according to claim 6, wherein the receiving element has a higher sensitivity in a wavelength region including a peak wavelength of the dense wave output from the transmitting element than in other wavelength regions. 前記送信素子と前記受信素子とが1つの器体に収納され、器体は送信素子と受信素子とを互いに音響的に分離する個別の収納室を備えることを特徴とする請求項6または請求項7記載のデータ伝送装置。   7. The transmission device and the reception device are accommodated in one container, and the container includes separate storage chambers that acoustically separate the transmission element and the reception element from each other. 8. The data transmission device according to 7. 前記送信素子と前記受信素子とは同数で複数個ずつ設けられ、各送信素子と各受信素子とが一対一に対応付けて配置され、互いに対応する送信素子と受信素子との間でそれぞれ異なるビット列からなる送信データのデータ伝送が行われることを特徴とする請求項6ないし請求項8のいずれか1項に記載のデータ伝送装置。   The same number of the transmitting elements and the receiving elements are provided, each transmitting element and each receiving element are arranged in a one-to-one correspondence, and different bit strings between the corresponding transmitting elements and receiving elements The data transmission apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein data transmission of transmission data comprising: 請求項6ないし請求項9のいずれか1項に記載のデータ伝送装置を複数台備え、データ伝送装置間でデータ伝送を行うことを特徴とするデータ伝送システム。   A data transmission system comprising a plurality of data transmission apparatuses according to any one of claims 6 to 9, wherein data transmission is performed between the data transmission apparatuses. 前記データ伝送装置は、それぞれ固有の識別情報を持つID保持部と、前記送信データに識別情報を付加するID付加部と、受信信号に含まれる識別情報をID保持部に保持されている識別情報とを照合するID照合部とを備え、ID照合部で照合により規定の結果が得られたときにデータを受信することを特徴とする請求項10記載のデータ伝送システム。   The data transmission device includes an ID holding unit having unique identification information, an ID adding unit that adds identification information to the transmission data, and identification information held in the ID holding unit. The data transmission system according to claim 10, further comprising: an ID collating unit that collates the data, and receiving data when a prescribed result is obtained by collation by the ID collating unit. 前記データ伝送装置のうちデータ伝送を行う2台のデータ伝送装置に関して、互いに他方の前記送信素子と前記受信素子とを音響的に結合したことを特徴とする請求項10記載のデータ伝送システム。   The data transmission system according to claim 10, wherein the two transmission elements that perform data transmission among the data transmission apparatuses are acoustically coupled to the other transmission element and reception element.
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