JP2008263405A - 通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる通信システムを提供すること。
【解決手段】伝送媒体２と、伝送媒体２に対して情報信号を変調した電界を付与する送信機１と、伝送媒体２を介して電界を検出し、その電界を情報信号に復調する受信機３とから主に構成されている。受信機３は、伝送媒体２からの電界を受ける受信電極３１と、受信電極３１と接続したセンサ３２と、センサ３２に接続した信号検出回路３３とを有する。センサ３２は、受信電極３１と電気的に接続されたセンサ電極３２３と巻回したコイル３２４からなり、センサ電極３２３はコイル３２４の螺旋軸に対し平行に近接配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、人体のような伝送媒体を介して送受信を行う通信システムに関する。

近年の技術発達に伴い、全く新しい通信方法として人体などに誘導される電界を用いる通信方法が提案されている。このような通信システムとしては、特許文献１に開示されているものがある。この通信システムにおいては、情報信号を変調して得られた変調信号を電界として伝送媒体である人体に付与して、受信機の電界センサにより当該電界を検出し、その電界に対応する信号を復調する。この電界センサは、電気光学結晶と屈折率検出器で構成されており、屈折率検出器は、電気光学結晶にレーザ光を照射するレーザと、電気光学結晶に照射されたレーザ光を受光する受光部とを備えている。

このような構成においては、電気光学結晶の屈折率に変化が生じたときには、その屈折率の変化に伴って受光量が変化する。このため、屈折率検出器では、この受光量の変化に基づいて電気光学結晶の屈折率の変化を検出することができる。このとき、情報信号を送信すると、その変調信号に対応する電界が電気光学結晶の屈折率に変化を及ぼすので、この屈折率の変化に基づいて、伝送媒体を伝送した信号を取得する。
特開２００１−２９８４２５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された通信システムにおいては、電界センサとして、電気光学結晶と屈折率検出器とを用いている。このような電界センサは、偏光検出器、光増幅器、光学バンドパスフィルタ、偏光制御器、偏波保持ファイバ、受光素子などから構成されている（例えば、特開平８−２６２１１７号公報）。このような構成が必要であるとすると、受信機の構成が複雑になり、小型化、薄型化、軽量化を図ることができず、ウェアラブルな機器に応用することができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる通信システムを提供することを目的とする。

本発明の通信システムは、伝送媒体に情報信号を電界として印加する送信機と、前記電界を検出して前記情報信号を取得する受信機と、を具備し、前記送信機は、情報信号を電界に変換する変換手段と、前記電界を送出する送信電極を備え、前記受信機は、前記伝送媒体からの電界を受ける受信電極と、前記受信電極と電気的に接続されたセンサ電極と、巻回したコイルと、該コイルからの出力信号から前記情報信号を検出する受信回路を備え、前記センサ電極は、前記コイルの螺旋軸に対し平行に近接配置されていること、を特徴とする。

この構成によれば、電気光学結晶や複雑な構成の屈折率検出器を用いる必要がないので、受信機の構成が簡単になり、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる。さらに、このような構成によれば、低消費電力化、低コスト化も可能となる。

本発明の通信システムにおいては、前記コイルは、前記コア及び前記センサ電極の外側に巻回されたことが好ましい。

本発明の通信システムにおいては、前記センサ電極を前記巻回したコイルの内側に配置することが好ましい。

本発明の通信システムにおいては、前記コイル内の磁路が実質的に閉じていることが好ましい。この構成によれば、漏曳磁束が非常に少なくなり、コア内の磁束がコア外の状態の変化に影響を受けにくく、高感度で安定して情報通信を行うことができる。また、漏洩磁束が減ることにより周囲にある他の回路との干渉が減り、特性が改善され、周辺回路への悪影響を抑えられる。

本発明の通信システムにおいては、前記コイルの螺旋軸の方向が前記コアの表面と略平行であることが好ましい。この構成によれば、コアの厚さを変えることなく、巻き数を多くすることができ、厚さを変えずにインダクタンスを大きくして感度を高くすることができる。このため、薄型化を図ることができるので、ウェアラブルな機器にも応用することができる。

本発明の通信システムにおいては、前記コアの材料が酸化物系磁性材料、金属結晶系材料、金属アモルファス材料、圧粉磁心材料及び前記圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料からなる群より選ばれた軟磁性材料であることが好ましい。この構成によれば、磁気回路の感度が高くなる。また、圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料を用いることにより、周波数特性が改善される。

本発明の通信システムにおいては、前記コアの材料を非磁性の絶縁材で構成することが好ましい。この構成によれば、コアのインダクタンスへの寄与分が小さくなるため、共振回路としてのＱ値が大きくなる。このため、Ｓ／Ｎ比を良くすることができる。

本発明の通信システムは、伝送媒体に情報信号を電界として印加する送信機と、前記電界を検出して前記情報信号を取得する受信機とを具備し、前記送信機は、情報信号を電界に変換する変換手段と、前記電界を送出する送信電極を備え、前記受信機は、前記伝送媒体からの電界を受ける受信電極と、前記受信電極と電気的に接続されたセンサ電極と、巻回したコイルと、該コイルからの出力信号から前記情報信号を検出する受信回路を備え、前記センサ電極は、前記コイルの螺旋軸に対し平行に近接配置されているので、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる通信システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る通信システムを示す概略構成図である。また、図２は、図１に示す通信システムの等価回路を示す図である。図１に示す通信システムは、電界を介して情報信号を伝送する人体などの伝送媒体２と、変調された情報信号を伝送媒体２に電界として付与する送信機１と、伝送媒体２を介して前記電界を検出して情報信号を検出する受信機３とから主に構成されている。

この通信システムにおいては、図２に示すように、送信機１と伝送媒体２との間、及び受信機３と伝送媒体２との間は、コンデンサを介して電気的に容量結合している。そして、送信機１では、所定の搬送周波数を情報信号で変調し、この変調信号に対応した電圧を送信電極１１に印加する。これにより、送信機１と容量結合している伝送媒体２には、前記変調信号に対応した電界が誘起される。したがって、例えば送信機をポケットに入れたままでも、薄い布を介して送信機１と人体（伝送媒体２）との間が容量結合するので、情報信号を電界として伝送可能となる。

受信機３は、伝送媒体２からの電界を受ける受信電極３１と、受信電極３１で受けた電界を検出するセンサ３２と、センサ３２からの出力信号より前記情報信号を取得する受信回路としての信号検出回路３３及び復調回路３４を有する。この信号検出回路３３では、センサ３２からの出力信号より、前記送信機１からの変調信号に相当する信号を検出する。そして、後段の復調回路３４がこの信号を変調信号に対応した復調方式で復調することにより、情報信号を得ている。なお、受信電極３１は伝送媒体２に面するように配置される。これにより、受信電極３１は伝送媒体２と容量結合し、伝送媒体２に付与された電界を受けることが可能となる。

図３は、本発明の実施の形態に係る通信システムの受信機におけるセンサの概略構成を示す図である。図３に示すセンサ３２は、基板３２１上に配設されている。基板３２１上には、コア３２２、センサ電極３２３及びコイル３２４で構成されたセンサブロックが配設されている。このセンサブロックは、センサ電極３２３が矩形状のコア３２２上に配置されており、受信電極３１と電気的に接続される。また、このコア３２２及びセンサ電極３２３の外側にコイル３２４が巻回されている。なお、センサ電極３２３とコイル３２４の表面は絶縁膜に覆われており、電気的に絶縁状態にあるが、センサ電極３２３がコイル３２４の螺旋軸方向に平行になるように配置されているため、センサ電極３２３とコイル３２４は容量結合する。なお、基板３２１は必須の構成要素ではなく、用いなくても良い。

本発明の通信システムの上記センサブロックでは、センサ電極３２３とコイル３２４は、電気的に容量結合している。また、受信電極３１、センサ電極３２３、コア３２２、コイル３２４、信号検出回路３３等は、そのインダクタンス（Ｌ）成分とキャパシタンス（Ｃ）成分により、共振回路が構成されていると思われる。このため、受信電極３１、センサ電極３２３、コア３２２、コイル３２４の大きさやコア３２２の材質、コイル３２４の巻数などは、前記変調信号の搬送周波数に合うように、適宜決定される。またコイル３２４には、センサ電極３２３での電圧変化に伴う電磁誘導も起きていると思われる。これらにより、上記センサブロックでは、受信電極３１で受信した電界を効率よく出力信号に変換できていると思われる。またこのセンサブロックでは、コイルのインダクタンスを大きくすることにより、受信機３の感度が高くなることが確認されている。このためには、コイルの巻数を多くする必要がある。この場合、図３に示すように、コア３２２に巻回されたコイル３２４の螺旋軸の方向（図３における矢印方向）がコア３２２の表面と略平行であるように構成することが好ましい。これにより、コア３２２の厚さを変えることなく、巻き数を多くすることができ、厚さを変えずにインダクタンスを大きくして感度を高くすることができる。このような構成にすることにより、薄型化を図ることができるので、ウェアラブルな機器にも応用することができる。

上記構成の通信システムにおいては、上記センサブロックを備えた受信機を有するので、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる。また、センサブロックにおいて、図３に示すように、コイル３２４内にコア３２２を配設させ、このコア材として軟磁性材を用いることにより、コイル３２４内を貫く磁束密度が高まるため、センサ３２の感度を向上させることができる。また、コイル３２４とセンサ電極３２３とが近接して配設されているので、コイル３２４とセンサ電極３２３間で容量結合がなされている。この結合容量がセンサ３２からの出力信号に影響を与え、センサブロックから出力される出力を増加させていると思われる。この結果として、センサ感度がより高まっていると考えられる。さらに、上記構成のセンサブロックは、トランスの構成を採らないので、共振周波数が一つであるので、トランス構成に比べて回路設計の自由度が増大する。

コア３２２、センサ電極３２３及びコイル３２４の配置関係は適宜変更することができる。例えば、図３及び図５（ａ）に示すように、コア３２２上にセンサ電極３２３が設けられ、そのコア３２２及びセンサ電極３２３の外側にコイル３２４が巻回された構成であっても良い。また図５（ｂ）に示すように、分割されたコア３２２の間にセンサ電極３２３が挟持され、そのコア３２２及びセンサ電極３２３の外側にコイル３２４が巻回された構成であっても良い。さらに図５（ｄ）に示すように、コア３２２が２つのセンサ電極３２３で挟持され、そのコア３２２及びセンサ電極３２３の外側にコイル３２４が巻回された構成であっても良い。

また、センサ電極３２３がコア３２２の外側を巻回したコイル３２４上に配置された構成でも良い。すなわち、図５（ｃ）に示すように、コア３２２の外側にコイル３２４が巻回され、その片側のコイル３２４上にセンサ電極３２３が配設された構成でも良い。さらに図５（ｅ）に示すように、コア３２２の外側にコイル３２４が巻回され、その両側のコイル３２４上に２つのセンサ電極３２３がそれぞれ配設された構成でも良い。

コア３２２、センサ電極３２３及びコイル３２４の配置関係は、電磁誘導の効果を最大限に得ることを考えると、センサ電極３２３がコイル３２４の内側に配設されることが好ましい。なお、コア３２２及びセンサ電極３２３の枚数や形状、位置関係、及び、受信電極３１と接続される電極部分の形状や位置関係などについては特に制限はなく、センサ特性を考慮して適宜設定することができる。

図４は、本発明の実施の形態に係る通信システムの受信機におけるセンサの他の例の概略構成を示す図である。図４に示すセンサ３２は、基板３２５上に配設されている。なお、この基板３２５は必須の構成要素ではなく、用いなくても良い。基板３２５上には、コア３２６、センサ電極３２７及びコイル３２８で構成されたセンサブロックが配設されている。このセンサブロックは、センサ電極３２７がコア３２６上に配置されており、受信電極３１と電気的に接続され、このセンサ電極３２７に近接してコイル３２８が配設されている。図４に示す構成においては、リング状のコア３２６上にセンサ電極３２７が設けられており、そのコア３２６及びセンサ電極３２７の外側にコイル３２８が巻回されている。

この場合、図４に示すように、コイル３２８の螺旋軸の方向がコア３２６（センサ電極３２７）の表面と略平行であることが好ましい。この場合においても、コア３２６に巻回されたコイル３２８の螺旋軸の方向（図４における矢印方向）がコア３２６の表面と略平行であるように構成することにより、コア３２６の厚さを変えることなく、巻き数を多くすることができ、厚さを変えずにインダクタンスを大きくして感度を高くすることができる。このような構成にすることにより、薄型化を図ることができるので、ウェアラブルな機器にも応用することができる。

上記構成の通信システムにおいては、上記センサブロックを備えた受信機を有するので、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる。また、センサブロックにおいて、図４に示すように、コイル３２８内にコア３２６を配設させ、このコア材として軟磁性材を用いることにより、コイル３２８内を貫く磁束密度が高まるため、センサ３２の感度を向上させることができる。また、図４に示す構成においては、コイル３２８とセンサ電極３２７とが近接して配設されているので、コイル３２８とセンサ電極３２７間で容量結合がなされている。この結合容量がセンサ３２からの出力信号に影響を与え、センサブロックから出力される出力を増加させていると思われる。この結果として、センサ感度がより高まっていると考えられる。さらに、上記構成のセンサブロックも、トランスの構成を採らないので、共振周波数が一つであるので、トランス構成に比べて回路設計の自由度が増大する。

図４に示す構成においても、コア３２６、センサ電極３２７及びコイル３２８の配置関係を図５（ａ）〜（ｅ）に示すようにすることができる。すなわち、図５（ａ）に示すように、コア３２６上にセンサ電極３２７が設けられ、そのコア３２６及びセンサ電極３２７の外側にコイル３２８が巻回された構成であっても良い。また、図５（ｂ）に示すように、分割されたコア３２６の間にセンサ電極３２７が挟持され、そのコア３２６及びセンサ電極３２７の外側にコイル３２８が巻回された構成であっても良い。また図５（ｄ）に示すように、コア３２６が２つのセンサ電極３２７で挟持され、そのコア３２６及びセンサ電極３２７の外側にコイル３２８が巻回された構成であっても良い。

また図５（ｃ）に示すように、コア３２６の外側にコイル３２８が巻回され、その片側のコイル３２８上にセンサ電極３２７が配設された構成でも良い。さらに図５（ｅ）に示すように、コア３２６の外側にコイル３２８が巻回され、その両側のコイル３２８上に２つのセンサ電極３２７がそれぞれ配設された構成でも良い。

コア３２６、センサ電極３２７及びコイル３２８の配置関係は、電磁誘導の効果を最大限に得ることを考えると、センサ電極３２７がコイル３２８の内側に配設されることが好ましい。なお、コア３２６及びセンサ電極３２７の枚数や形状、位置関係、及び、受信電極３１と接続される電極部分の形状や位置関係などについては特に制限はなく、センサ特性を考慮して適宜設定することができる。

また、図４に示す構成においては、センサ電極３２７にも種々の形状を取ることができる。例えば、図６（ａ）に示すように、コア３２６とほぼ同じ形状でも良い。また、図６（ｂ）に示すように、コア３２６と異なる形状（コア３２６よりも大きい又は小さい）でも良い。さらに、図６（ｃ）に示すように、切り欠き３２７ａが形成されていても良い。

また、コイル内の磁路は実質的に閉じていることが好ましい。コイル内の磁路を閉じるためには、コイル３２８のようなリング状のコアや、矩形リング状のコアを用いれば良い。このようなコアを用いたトロイダルコイルや、コアが基材に埋め込まれたポケットコアを用いたコイルを使用することにより、磁路が実質的に閉じている磁気回路を構成することができる。

通常の電波を使った通信では、周囲の磁束を効率よく拾うために磁路の開いたソレノイドコイルを使うが、周囲の磁束を拾うということは、同時に周囲の回路素子とも強く磁気的に結合することを意味するので、不要な磁束に反応したり、周囲の回路に悪影響を及ぼすことになる。これに対して、本発明における通信システムでは、コアの磁路を実質的に閉じることによって、漏曳磁束が非常に少なくなり、コア内の磁束がコア外の不要な磁束の影響を受けにくく、高感度で安定して情報通信を行うことができる。また、漏洩磁束が減ることにより周囲にある他の回路との干渉が減り、周辺回路への悪影響を抑えられる。磁路が開いたソレノイドコイルなどに比べて、磁路の閉じたコイルでは、同じ巻数、同じコア断面積、同じ磁路長でも多くの磁束を発生するため、同じインダクタンスであればより小さくすることができる。特に、トロイダルコイルは構造も単純であるため、小型化、薄型化に適している。

また、回路を形成したシリコン基板上にトロイダルコイルを形成して回路と集積化することも可能である。また、高周波特性を改善するためには、誘電率の小さい絶縁体基板を用いることにより、コイルとの間の寄生容量を減らすことも可能となる。

コイル３２４，３２８は、その両端子が信号検出回路３３に電気的に接続されている。信号検出回路３３では、磁気的結合及び容量結合の影響によりコイル３２４，３２８に発生した出力信号（誘導起電力あるいは誘導電流）を受信し、前記変調信号を検出する。信号検出回路３３は復調回路３４に電気的に接続されており、復調回路３４では、信号検出回路３３で検出された変調信号から情報信号を復調する。

コア３２２，３２６の材料は、フェライトなどの酸化物系磁性材料；パーマロイ、センダストなどの金属結晶系材料；金属アモルファス材料；圧粉磁心材料；圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料などの軟磁性材料であることが好ましい。これにより、磁気回路の感度が高くなる。また、圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料を用いることにより、周波数特性が改善される。特に、大きな透磁率で高い周波数まで使えるため、キャリア周波数を高くする、あるいは帯域の幅を広げることができ、通信システムにおいてデータ通信速度の高速化が可能になる。

しかしながら、帯域を広げると、不要な周波数の信号まで受信する恐れもある。この様な場合は、前記コアの材料を非磁性の絶縁材などで構成してもよい。この構成によれば、コアのインダクタンスへの寄与分が小さくなるため、コイルのＬとセンサ電極のＣによる共振回路としてのＱ値が大きくなる。このため、Ｓ／Ｎ比を良くすることができる。

上記実施の形態においては、伝送媒体２である人体及び受信機３がともにＧＮＤから電気的に浮いた場合について説明しているが、送信機１、受信機３の少なくともどちらかがＧＮＤに接続していても良い。例えば、携帯電話と腕時計との間で通信を行う場合においては、送信機１、受信機３ともにＧＮＤから電気的に浮いた状態が想定され、携帯電話とＡＣ電源に接続したＰＣとの間で通信を行う場合においては、携帯電話側はＧＮＤから電気的に浮いた状態で、ＰＣ側はＧＮＤに接続した状態が想定される。このような場合であっても、情報信号の通信を行うことが可能である。

このように、本発明の通信システムにおいては、電気光学結晶や複雑な構成の屈折率検出器を用いる必要がないので、受信機の構成が簡単になり、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる。さらに、このような構成によれば、低消費電力化、低コスト化も可能となる。

次に、上記構成を有する通信システムにおいて、通信を行う場合の動作について説明する。まず、送信機１において、例えば、数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚの搬送波を情報信号で変調して変調信号を得る。この変調信号は、増幅され、電圧変化に変換されることにより、変調信号に対応する電界となる。そして、この電界が伝送媒体２である人体に付与される。なお、送信機１における変調方式については特に制限はない。

人体に付与された電界は、受信機３の受信電極３１で受けられる。受信電極３１に電界が加わることにより、コイル３２４，３２８に出力信号（誘導起電力、誘導電流）が誘起される。このようにコイル３２４，３２８で誘起された出力信号に基づき、信号検出回路３３で変調信号が検出される。信号検出回路３３で検出された変調信号は、復調回路３４に送られ、復調回路３４において送信機１で使用した搬送波を用いて復調して情報信号を取得する。このようにして、人体を伝送媒体として情報信号の送受信を行うことができる。

また、前記伝送媒体は、電界が誘起されるものであれば良く、人体の様な導電体だけではなく、誘電体や絶縁体などであっても良い。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、送信機１における変調方式や磁気回路を構成するコアの形状については上記実施の形態に限定されず、適宜変更することができる。その他、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本発明の実施の形態に係る通信システムを示す図である。 図１に示す通信システムの等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態に係る通信システムの受信機におけるセンサの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る通信システムの受信機におけるセンサの他の例の概略構成を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、受信機におけるセンサブロックの構成を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、受信機におけるセンサ電極の形状を説明するための図である。

符号の説明

１ 送信機
２ 伝送媒体
３ 受信機
１１ 送信電極
３１ 受信電極
３２ センサ
３３ 信号検出回路
３４ 復調回路
３２１，３２５ 基板
３２２，３２６ コア
３２３，３２７ センサ電極
３２４，３２８ コイル
３２７ａ 切り欠き

Claims (7)

1. 伝送媒体に情報信号を電界として印加する送信機と、前記電界を検出して前記情報信号を取得する受信機と、を具備し、前記送信機は、情報信号を電界に変換する変換手段と、前記電界を送出する送信電極を備え、前記受信機は、前記伝送媒体からの電界を受ける受信電極と、前記受信電極と電気的に接続されたセンサ電極と、巻回したコイルと、該コイルからの出力信号から前記情報信号を検出する受信回路を備え、前記センサ電極は、前記コイルの螺旋軸に対し平行に近接配置されていることを特徴とする通信システム。
2. 前記センサ電極を前記巻回したコイルの内側に配置したことを特徴とする請求項１記載の通信システム。
3. 前記センサ電極を前記巻回したコイルの外側に近接配置したことを特徴とする請求項１記載の通信システム。
4. 前記コイル内の磁路が実質的に閉じていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の通信システム。
5. 前記コイルがコアを有しており、前記コイルの螺旋軸の方向が前記コアの表面と略平行であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の通信システム。
6. 前記コアの材料が酸化物系磁性材料、金属結晶系材料、金属アモルファス材料、圧粉磁心材料及び前記圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料からなる群より選ばれた軟磁性材料であることを特徴とする請求項５記載の通信システム。
7. 前記コアの材料が非磁性の絶縁材であることを特徴とする請求項５記載の通信システム。

Images