JP2009153045A - Audio signal communication system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人体や空間のような伝送媒体を介して音声信号を送受信して出力する音声信号用通信システムに関する。 The present invention relates to an audio signal communication system that transmits and receives audio signals via a transmission medium such as a human body or space and outputs the audio signals.
音声信号を再生するシステムにおいては、例えば、AM、FM、ASK、FSKなどの方法で変調された音声信号が送信機から電磁波信号として送信され、人体や空間などの伝送媒体を介して受信機に伝送され、この受信機で音声信号に復調され、復調された音声信号がスピーカのような出力手段から音声として再生される。このシステムにおいて、受信機は、変調された音声信号を検出する信号検出回路と、検出された音声信号を復調する復調回路と、復調された音声信号を増幅する増幅回路と、音声を出力するスピーカ及びこのスピーカを駆動するボイスコイルとから主に構成されている。 In a system for reproducing an audio signal, for example, an audio signal modulated by a method such as AM, FM, ASK, or FSK is transmitted as an electromagnetic wave signal from a transmitter, and is transmitted to a receiver via a transmission medium such as a human body or space. It is transmitted and demodulated into an audio signal by this receiver, and the demodulated audio signal is reproduced as audio from an output means such as a speaker. In this system, a receiver includes a signal detection circuit that detects a modulated audio signal, a demodulation circuit that demodulates the detected audio signal, an amplification circuit that amplifies the demodulated audio signal, and a speaker that outputs audio. And a voice coil that drives the speaker.
伝送媒体(主に人体)を介して送受信する通信システムについて、電界を用いて通信する方法が特許文献1などで開示されており、特に共振回路の構成について特許文献2に開示されている。この構成においては、所定の周波数を抽出する共振回路がコイルとコンデンサとで構成され、そのコイルの一端が受信電極に接合されている。また、人体を介した通信技術を応用して音声信号を伝送する例として、特許文献3に開示されているワイヤレス・ヘッドフォンがある。人体通信においては、人体を介して信号を送受信する送信電極及び受信電極が必要であり、これらの電極は人体と密接に容量結合することが重要である。このため、特許文献3の技術においては、導電性材料を用いたイヤーパッドを電極として用いた例が示されている。
特許文献2に示されているように、受信電極が共振回路に直結されている回路では、人体と受信電極が僅かに離れるだけで通信できなくなるという問題があり、ワイヤレス・ヘッドフォンと音楽再生機を身につけ動きながら使う場合には安定した音楽再生が困難であった。その対策としては、受信電極を非常に大きくする、あるいは、特許文献3に示されているように、人体と受信電極とが確実に密接するようにイヤーパッドを電極にするという方法も提案されているが、導電性材料に金属を使う場合は、装着した感触が硬いとか金属アレルギーを持った人には使えず、また、金属以外の導電性材料を使うと非常に高価であるといった問題があるので、実用化には至っていなかった。
As shown in
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型なシステムでありながら、安定した音楽再生ができ、かつ、部品点数も減らしてコストも削減することができる音声信号用通信システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and provides an audio signal communication system capable of stably reproducing music and reducing the number of parts and costs while being a small system. For the purpose.
本発明の音声信号用通信システムは、音声信号を変調し電磁界信号に変換して送信する送信機と、前記電磁界信号から前記音声信号を復調し、復調された音声信号を出力する受信機と、前記電磁界信号を介して前記音声信号を前記送信機から前記受信機に伝送する伝送媒体と、を具備し、前記受信機は、前記電磁界信号を受信すると共に前記復調された音声信号を通過させるボイスコイルを有する出力手段と、前記ボイスコイルを通過した前記電磁界信号を検出し、検出後の信号を前記音声信号に復調する電界通信用回路と、を有することを特徴とする。 The audio signal communication system according to the present invention includes a transmitter that modulates an audio signal, converts the signal into an electromagnetic field signal, and transmits the signal, and a receiver that demodulates the audio signal from the electromagnetic field signal and outputs the demodulated audio signal. And a transmission medium for transmitting the audio signal from the transmitter to the receiver via the electromagnetic field signal, wherein the receiver receives the electromagnetic field signal and the demodulated audio signal. Output means having a voice coil that passes the voice coil, and an electric field communication circuit that detects the electromagnetic field signal that has passed through the voice coil and demodulates the detected signal into the voice signal.
この構成によれば、スピーカのボイスコイルを人体通信用受信電極と兼用させ、人体とボイスコイルとの間の容量結合によって信号を受信する。ボイスコイルと人体は分布定数的な容量結合になるため、人体と受信電極との距離の変動に対して安定した通信が実現できる。すなわち、受信電極を共振回路に直結する方法では、人体と受信電極が僅かに離れるだけで通信できないという問題があるが、分布定数的な容量結合にすることによって人体と受信電極との距離が変動しても共振周波数がずれにくくなり、安定な通信が可能になる。 According to this configuration, the voice coil of the speaker is also used as a human body communication receiving electrode, and a signal is received by capacitive coupling between the human body and the voice coil. Since the voice coil and the human body are capacitively coupled in a distributed constant manner, stable communication can be realized against fluctuations in the distance between the human body and the receiving electrode. In other words, the method in which the receiving electrode is directly connected to the resonance circuit has a problem that communication is not possible because the human body and the receiving electrode are slightly separated from each other, but the distance between the human body and the receiving electrode varies due to the distributed constant capacitive coupling. However, the resonance frequency is not easily shifted, and stable communication is possible.
本発明の音声信号用通信システムにおいては、前記受信機は、復調後の音声信号から高周波成分を除去するローパスフィルタ又はバンドパスフィルタを含み、前記ボイスコイルと信号検出回路の間に電磁界信号を通すハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタを含むことが好ましい。この構成によれば、電磁界信号と音声信号とをより確実に分離することができ、良好な音声再生を行うことができる。 In the audio signal communication system of the present invention, the receiver includes a low-pass filter or a band-pass filter that removes a high-frequency component from the demodulated audio signal, and an electromagnetic field signal is provided between the voice coil and the signal detection circuit. It is preferable to include a high-pass filter or a band-pass filter. According to this configuration, the electromagnetic field signal and the audio signal can be more reliably separated, and good audio reproduction can be performed.
本発明の音声信号用通信システムにおいては、前記ボイスコイルの内側に磁性体が配置されていることが好ましい。この構成によれば、伝送媒体とボイスコイルとの間の容量結合の妨げになるものがないため、良好な通信品質を得ることができる。 In the audio signal communication system of the present invention, it is preferable that a magnetic material is disposed inside the voice coil. According to this configuration, there is nothing that hinders the capacitive coupling between the transmission medium and the voice coil, so that good communication quality can be obtained.
本発明の音声信号用通信システムにおいては、前記磁性体が前記電界通信用回路と電気的に絶縁されていることが好ましい。この構成によれば、受信電極であるボイスコイルと電界通信用回路の基板との間の容量結合を減らすことができ、受信電極であるボイスコイルと電界通信用回路との間の容量を介した信号のロスを抑えて、通信品質を向上させることができる。 In the audio signal communication system of the present invention, it is preferable that the magnetic body is electrically insulated from the electric field communication circuit. According to this configuration, capacitive coupling between the voice coil as the reception electrode and the substrate of the electric field communication circuit can be reduced, and the capacitance between the voice coil as the reception electrode and the electric field communication circuit can be reduced. Signal loss can be suppressed and communication quality can be improved.
本発明の音声信号用通信システムにおいては、前記伝送媒体と前記ボイスコイルとの間の空間の少なくとも一部に誘電体が配設されていることが好ましい。この構成によれば、伝送媒体とボイスコイルとの間の容量結合が強化されるので、良好な通信品質を得ることができる。 In the audio signal communication system according to the present invention, it is preferable that a dielectric is disposed in at least a part of a space between the transmission medium and the voice coil. According to this configuration, since the capacitive coupling between the transmission medium and the voice coil is strengthened, good communication quality can be obtained.
本発明の音声信号用通信システムは、音声信号を変調し電磁界信号に変換して送信する送信機と、前記電磁界信号から前記音声信号を復調し、復調された音声信号を出力する受信機と、前記電磁界信号を介して前記音声信号を前記送信機から前記受信機に伝送する伝送媒体と、を具備し、前記受信機は、前記電磁界信号を受信すると共に前記復調された音声信号を通過させるボイスコイルを有する出力手段と、前記ボイスコイルを通過した前記電磁界信号を検出し、検出後の信号を前記音声信号に復調する電界通信用回路と、を有するので、小型なシステムでありながら、安定した音楽再生ができ、かつ、部品点数も減らしてコストも削減することができる。 The audio signal communication system according to the present invention includes a transmitter that modulates an audio signal, converts the signal into an electromagnetic field signal, and transmits the signal, and a receiver that demodulates the audio signal from the electromagnetic field signal and outputs the demodulated audio signal. And a transmission medium for transmitting the audio signal from the transmitter to the receiver via the electromagnetic field signal, wherein the receiver receives the electromagnetic field signal and the demodulated audio signal. An output means having a voice coil that passes through the voice coil, and an electric field communication circuit that detects the electromagnetic field signal that has passed through the voice coil and demodulates the detected signal into the voice signal. Nevertheless, stable music playback can be achieved, and the number of parts can be reduced and the cost can be reduced.
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音声信号用通信システムを示す概略構成図である。図1に示す音声信号用通信システムは、音声信号を変調し、電磁界(電磁波)信号に変換して送信する送信機1と、その電磁界信号を介して音声信号を伝送する人体や空間などの伝送媒体2と、伝送媒体2を介して電磁界信号を検出し、その電磁界信号を音声信号に復調し、復調された音声信号を出力する受信機3とから主に構成されている。ここで、伝送媒体2は、人体であり、具体的には耳を想定している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an audio signal communication system according to an embodiment of the present invention. The communication system for audio signals shown in FIG. 1 includes a transmitter 1 that modulates an audio signal, converts it into an electromagnetic field (electromagnetic wave) signal, and transmits it, and a human body or space that transmits the audio signal through the electromagnetic field signal. The
受信機3は、電磁界信号を受信すると共に復調された音声信号を通過させるボイスコイル311を有するスピーカ31(出力手段)と、電磁界信号を音声信号に復調する電界通信用回路32とを有する。電界通信用回路32は、ボイスコイル311を通過した電磁界信号を検出する信号検出回路321と、信号検出回路321による検出後の信号を音声信号に復調する復調回路322と、復調後の音声信号を増幅する音声増幅回路323とを有する。なお、ボイスコイル311は、受信電極を兼用するので、電極として適当な材料で構成される必要がある。
The
図2は、本発明に係る音声信号用通信システムにおける受信機3であるインナーイヤー型ワイヤレス・ヘッドフォンの基本構成を示す図である。このヘッドフォンは、ボイスコイル311の内部に配設された、すなわち、巻回された線状体に内挿された磁性体である磁石312と、磁石312に取り付けられた振動板313と、ボイスコイル311と電気的に接続された電界通信用回路32に取り付けられた電池33とを含む。
FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of an inner-ear wireless headphone that is the
このような構成のワイヤレス・ヘッドフォンを耳に装着した状態を図3に示す。図3に示すように、耳と受信電極であるワイヤレス・ヘッドフォンのボイスコイル311との間は容量結合されている。このような容量結合により、十分な通信品質を確保できる。伝送媒体である耳と、この耳に面する受信電極であるボイスコイル311との間の静電容量の変化による共振回路(ボイスコイル311と信号検出回路321におけるキャパシタとで構成される)における共振周波数のシフトを抑制することができる。
FIG. 3 shows a state in which the wireless headphones having such a configuration is worn on the ear. As shown in FIG. 3, the ear and the
そして、この容量結合は、ボイスコイル311と並列に分布定数的に結合されている。すなわち、ボイスコイル311の個々の線と耳との間の距離が変わる状態で結合されている。本発明者らは、人体通信において、人体と受信電極との間の静電容量(伝送媒体と受信電極との間の距離に相当)の変化が出力変化(共振周波数のシフト)に影響を及ぼすことを見出しており、さらに、本発明者らは、この共振周波数のシフトは、人体と受信電極との間隔が変動しても、共振用インダクタが分割されていれば、共振周波数シフトを抑えることができることを見出している。この知見については、本出願人の特願2007−69265号に詳しく記載されている。したがって、このような知見によれば、図3に示す構成においては、耳と受信電極であるボイスコイル311との間隔が変動しても共振周波数(ボイスコイル311と信号検出回路321におけるキャパシタとで構成される共振回路の共振周波数)がずれにくく、安定した通信を保つことができる。なお、前記知見において、共振用インダクタの分割数が多いほど共振周波数シフトをより効果的に抑えることができることが分っているので、ボイスコイル311の巻き数を多くすることにより、より安定した通信を実現することができる。
This capacitive coupling is coupled in a distributed constant manner in parallel with the
本発明に係る音声信号用通信システムのように、ボイスコイル311と人体(耳)との間の容量結合により、人体通信用の受信電極を兼ねる場合、ボイスコイル311の外側に磁石312を配置すると、人体とボイスコイル311との間に磁石312が介在することになり、ボイスコイル(受信電極)−人体間の容量結合の妨げになり、磁石312によってノイズを拾い易くなどの問題が起こる。したがって、スピーカ31における磁石312は、ボイスコイル311の内側に配置することが望ましい。
When the
なお、電界通信用回路基板32とボイスコイル(受信電極)311との間の容量結合が大きい場合、ボイスコイル311で受けた電磁界信号が回路基板32との間の容量を介して回路基板32のグランドに逃げてしまうため、受信感度が低下することが考えられる。図2に示す構成において、磁石312を介してボイスコイル311と回路基板32との間が容量結合することが考えられるため、それを防ぐために、磁石312が電界通信用回路と電気的に絶縁されていることが望ましい。例えば、磁石312を絶縁体で構成することが好ましい。
When the capacitive coupling between the electric field
このように、本発明の音声信号用通信システムでは、受信機3のボイスコイル311が人体通信用受信電極を兼ねているため、新規に受信電極を追加する必要が無く、部品点数を減らすことができ、しかも小型化を図ることができる。また、ボイスコイル311と人体とが並列に分布定数的に結合されているので、通信の安定性が高く、安定した音楽再生が可能となる。また、受信電極として、高価な材料を用いることがなく、コストも削減することができる。
Thus, in the audio signal communication system of the present invention, the
上記構成を有する音声信号用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。ここでは、本通信システムがワイヤレスのヘッドフォンシステムである場合について説明する。 An operation in the case of performing communication in the audio signal communication system having the above configuration will be described. Here, a case where the communication system is a wireless headphone system will be described.
まず、音声信号源である送信機1において、例えば音声信号(20kHz以下)を、人体が導電性を示す周波数(数百kHz〜数十MHz)の搬送波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磁界信号となる。そして、この電磁界信号が伝送媒体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。
First, in the transmitter 1 which is an audio signal source, for example, an audio signal (20 kHz or less) is modulated with a carrier wave having a frequency (several hundred kHz to several tens of MHz) at which the human body exhibits conductivity to obtain a modulated signal. This modulated signal is amplified and converted into a voltage change, thereby becoming an electromagnetic field signal corresponding to the modulated signal. This electromagnetic field signal is applied to the human body that is the
人体に付与された電磁界信号は、受信機3のボイスコイル311で受信される。ボイスコイル311に加わった電磁界信号(高周波信号)は、信号検出回路321に送られる。このとき、ボイスコイル311に流れる信号は、図4に示すように、音声増幅回路323で増幅された音声信号と受信した高周波信号である。ここで、音声信号については、数mA以上の電流がボイスコイル311に流れ、高周波信号については、数μA程度の微小な電流が流れる。このように、高周波信号の通過により流れる電流は、音声信号の通過により流れる電流よりも非常に小さいので、高周波信号はボイスコイル311によるスピーカ31の駆動には殆ど影響を与えない。なお、図4において、縦軸の信号強度は各信号のピークを100として規格化したものである。
The electromagnetic field signal applied to the human body is received by the
ボイスコイル311を流れた電流は、ボイスコイル311、信号検出回路321内のインダクタ及びキャパシタよりなるLC共振回路で高周波信号だけが検出される。そしてこの高周波信号は信号検出回路321内の増幅回路で増幅されて復調回路322に送られ、復調回路322において送信機1で使用した搬送波を用いて復調して、図5に示すような音声信号のみが出力される。この音声信号は、音声増幅回路323で増幅された後に、スピーカ31のボイスコイル311に送られることにより、スピーカ31が駆動されて音声として出力される。
Only a high-frequency signal is detected from the current flowing through the
この音声信号用通信システムにおいては、スピーカのボイスコイルを人体通信用受信電極と兼用させ、人体とボイスコイルとの間の容量結合によって信号を受信する。ボイスコイルと人体は分布定数的な容量結合になるため、人体と受信電極との距離の変動に対して安定した通信が実現できる。すなわち、受信電極を共振回路に直結する方法では、人体と受信電極が僅かに離れるだけで通信できないという問題があるが、分布定数的な容量結合にすることによって人体と受信電極との距離が変動しても共振周波数がずれにくくなり、安定な通信が可能になる。 In this audio signal communication system, a voice coil of a speaker is also used as a reception electrode for human body communication, and a signal is received by capacitive coupling between the human body and the voice coil. Since the voice coil and the human body are capacitively coupled in a distributed constant manner, stable communication can be realized against fluctuations in the distance between the human body and the receiving electrode. In other words, the method in which the receiving electrode is directly connected to the resonance circuit has a problem that communication is not possible because the human body and the receiving electrode are slightly separated from each other, but the distance between the human body and the receiving electrode varies due to the distributed constant capacitive coupling. However, the resonance frequency is not easily shifted, and stable communication is possible.
ここで、ボイスコイル311に復調前の電磁界信号(高周波信号)が加えられることによって、音声増幅回路323に影響を及ぼす可能性がある場合は、図6に示すように、復調回路322とボイスコイル311の間に、音声帯域(通常20kHz以下)を通すローパスフィルタ(LPF)34又はバンドパスフィルタを設けることが好ましい。これにより、復調前の音声信号から余分な高周波成分を除去することができ、良好な音声再生を行うことができる。この場合において、ボイスコイル311のインダクタンスをローパスフィルタの一部として利用することも可能である。これにより、フィルタを構成する際のインダクタを小型化、もしくは無くすことができ、装置を大きくすることなく性能を向上することができる。
Here, if there is a possibility that the
また、ボイスコイル311に供給される音声信号は、電磁界信号に比べて極めて大きいため、音声信号が信号検出回路321に悪影響を及ぼす可能性もある。この場合は、図6に示すように、ボイスコイル311と信号検出回路321の間に、変調された信号の周波数(数100kHz以上)を通すハイパスフィルタ(HPF)35又はバンドパスフィルタを設けることが好ましい。この場合においても、良好な音声再生を行うことができる。この場合においても、ボイスコイル311のインダクタンスをフィルタの一部とすることも可能である。これにより、フィルタを構成する際のインダクタを小型化、もしくは無くすことができ、装置を大きくすることなく性能を向上することができる。
Further, since the audio signal supplied to the
また、受信機3の受信感度を向上させるためには、人体と受信電極との間の容量結合を強化することが有効である。このため、図7に示すように、ワイヤレス・ヘッドフォンの筐体形状をできるだけ耳に沿わせ、筐体37とボイスコイル311との間の隙間を誘電体36で埋めることが好ましい。このような構成により、人体と受信電極との間の結合容量を増やすことができる。なお、誘電体36は、筐体37の材料と同じ材料で構成して、筺体37と一体的に成型しても良い。
In order to improve the reception sensitivity of the
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、上記実施の形態における回路構成、部品点数、数値などは一例であり、本発明はこれに限定されず適宜変更して実施することができる。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。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented with various modifications. For example, the circuit configuration, the number of parts, numerical values, and the like in the above embodiment are merely examples, and the present invention is not limited thereto and can be implemented with appropriate modifications. Other modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 送信機
2 伝送媒体
3 受信機
31 スピーカ
32 電界通信用回路
33 電池
34 ローパスフィルタ
35 ハイパスフィルタ
36 誘電体
37 筺体
321 信号検出回路
322 復調回路
323 音声増幅回路
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