JP2009302895A

JP2009302895A - 通信システム及びそれに用いられる受信装置

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Publication number: JP2009302895A
Application number: JP2008155013A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hasegawa; 和男長谷川; Hirohisa Suzuki; 裕久鈴木
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: JP5290633B2; US20090309708A1; US8452234B2; CN101604988B; CN101604988A

Abstract

【課題】人体等を介して通信を行う通信システムの通信特性を高める。
【解決手段】主として生体と容量結合する生体側電極３６と、主として外部環境と容量結合する環境側電極３４と、生体側電極３６及び環境側電極３４の少なくとも一方から出力される信号を処理する回路を実装した回路基板５２と、を備え、回路基板５２を生体側電極３６と環境側電極３４との間に配置しない構造とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、人体等を介して通信を行うための通信システム及びそれに用いられる受信装置に関する。

人体等の生物の組織を介して通信を行う通信装置が知られている。例えば、送信装置を搭載した携帯電話等の携帯電気機器をユーザの衣服のポケットに入れた状態や首から提げた状態で受信装置に手をかざすだけでデータをやり取りすることができる技術が知られている（非特許文献１，２等）。

例えば、図１０に示すように、送信装置１００は符号化部１０、送信アンプ１２、環境側電極１４及び生体側電極１６を備え、受信装置１０２は復号化部１８、受信アンプ２０、環境側電極２２及び生体側電極２４を備える。送信装置１００は、ユーザが携帯する携帯電気機器等に搭載される。受信装置１０２は、駅の改札、自動販売機、店頭等に設置される。

図１１に、通信を行う際の送信装置１００、受信装置１０２及び人体等との関係を示す。また、図１２に、これらの関係の等価回路を示す。

送信装置１００は、人体等の生物の組織（以下、人体等という）を介して受信装置１０２と容量結合する。送信装置１００の環境側電極１４は、外部環境グランド電位との間で容量結合Ａ、人体等との間で容量結合Ｂ、外部環境との間で容量結合Ｄを形成する。また、受信装置１０２の環境側電極２２は、外部環境グランド電位との間で容量結合Ｈ、外部環境との間で容量結合Ｇを形成する。このように、環境側電極１４，２２は、通信時に外部環境との間に容量結合を形成する電極である。

また、送信装置１００の生体側電極１６は、人体等との間で容量結合Ｃを形成する。受信装置１０２の生体側電極２４は、人体等との間で容量結合Ｆを形成する。さらに、人体等と外部環境との間で容量結合Ｅが形成される。このように、生体側電極１６，２４は、通信時に人体等との間に容量結合を形成する電極である。

送信装置１００の送信アンプ１２は、符号化部１０で符号化された情報を受けて、環境側電極１４と生体側電極１６との電位差として出力する。上記のように人体等を介して送信装置１００と受信装置１０２とが電気的に結合している場合、送信装置１００の環境側電極１４と生体側電極１６との間の電位差が受信装置１０２の環境側電極２２と生体側電極２４との電位差を変化させる。受信装置１０２の受信アンプ２０は、環境側電極２２と生体側電極２４との電位差を増幅して出力する。受信アンプ２０の出力は復号化部１８により復号化される。このようにして通信が成立する。

例えば、駅の改札に設置された受信装置１０２の生体側電極２４に送信装置１００を携帯したユーザが手をかざす（又は、触れる）等することによって通信を行うことが可能となる。

"Personal Area Networks (PAN): Near-Field Intra-Body Communication", Thomas Guthrie Zimmerman, B.S. Humanities and Engineering Massachusetts Institute of Technology (1980) 日経エレクトロニクス,no 690, pp.141-148,(1997)

ところで、従来の携帯電話やＰＤＡ等の携帯端末では、図１３の断面図に示すように、携帯端末の筐体の内面に貼り付けるように環境側電極１４及び生体側電極１６が配置され、その筐体の内部に環境側電極１４及び生体側電極１６からの信号を処理する受信アンプ２０、復号化部１８等の回路を実装した回路基板２６が配置される。このとき、回路基板２６から発せられる電磁波が環境側電極１４及び生体側電極１６で受信される信号に影響を及ぼすことがないように、回路基板２６を導電体からなるシールドケース２８に収納する構造を採用している。

このように回路基板２６をシールドケース２８に収納する構造を採用した場合、シールドケース２８により製造コストが増大するだけでなく、図１４の等価回路に示すように、環境側電極１４及び生体側電極１６とシールドケース２８との間の寄生容量Ｃ１，Ｃ２の影響で環境側電極１４及び生体側電極１６から検波できる信号の強度が小さくなるという欠点がある。

そこで、図１５の断面図に示すように、回路基板２６をシールドケース２８に収納せず、環境側電極１４と生体側電極１６との間に配置する構成も採用されている。

例えば、図１３の構成において図１６（ａ）に示すような受信信号が得られる場合、同様のシステムで図１５のようにシールドケース２８を取り除いた構成では図１６（ｂ）に示すような受信信号となる。

すなわち、シールドケース２８が不要になると共に、環境側電極１４及び生体側電極１６と回路基板２６との間の寄生容量はシールドケース２８を設けた場合に比べて小さくなって受信信号の絶対的な強度は強くできるが、回路基板２６から発せられる電磁波が環境側電極１４及び生体側電極１６で受信される信号にノイズとして重畳されてＳ／Ｎ比が劣化する。

特に、携帯端末が小型化されるにつれて環境側電極１４又は生体側電極１６と回路基板２６との距離が近づくと、回路基板２６から放射される電磁波ノイズの影響が大きくなり、受信信号のＳ／Ｎが低下する問題が顕著になる。

本発明の１つの態様は、生体を介した容量結合を利用して携帯可能な送信装置と固定された受信装置との間で通信を行うための通信システムであって、前記受信装置は、主として生体と容量結合する生体側電極と、主として外部環境と容量結合する環境側電極と、前記生体側電極及び前記環境側電極の少なくとも一方から出力される信号を処理する回路を実装した回路基板と、を備え、前記回路基板は前記生体側電極と前記環境側電極との間に配置されていないことを特徴とする。

このような通信システムは、生体を介した容量結合を利用して携帯可能な送信装置と固定された受信装置との間で通信を行うための通信システム、で使用される携帯型の受信装置であって、前記受信装置は、主として生体と容量結合する生体側電極と、主として外部環境と容量結合する環境側電極と、前記生体側電極及び前記環境側電極の少なくとも一方から出力される信号を処理する回路を実装した回路基板と、を備え、前記回路基板は前記生体側電極と前記環境側電極との間に配置されていないことを特徴とする受信装置により実現することができる。

ここで、前記生体側電極及び前記環境側電極は板状の電極であって、互いに少なくとも一部が重なるように向かい合わせて配置されていることが好適である。

また、前記生体側電極及び前記環境側電極の少なくとも一部に前記回路基板が重なるように配置されていることが好適である。

また、前記回路は、前記生体側電極と前記環境側電極間の電位差を増幅する差動増幅回路を含むことが好適である。

本発明によれば、人体等を介して通信を行う通信システムの通信特性を高めることができる。

本発明の実施の形態における通信システムにおける送受信装置２００は、図１の回路図に示すように、符号化部３０、送信アンプ３２、環境側電極３４、生体側電極３６、復号化部４０、受信アンプ４２、切替スイッチ４４、及び制御部４６を含んで構成される。

送受信装置２００は、携帯電話やＰＤＡ等の携帯電気機器に組み込まれて携帯通信端末として使用できる。また、送受信装置２００は、駅の改札、自動販売機、店頭等のインフラに設置されて通信端末として使用することもできる。

例えば、送受信装置２００を搭載した携帯通信端末を携帯したユーザ同士が身体の一部を接触又は近接させ合うことにより、互いの送受信装置２００間で情報のやり取りを行うことができる。また、送受信装置２００を搭載した携帯通信端末を携帯したユーザが改札等のインフラに設置されている送受信装置２００の生体側電極３６に身体の一部を接触又は近接させることにより互いの送受信装置２００間で情報のやり取りを行うことができる。

符号化部３０は、外部から入力されるデータを所定の符号化方式で符号化し送信アンプ３２に出力する。外部から入力されるデータは高周波のベース波に重畳させて入力させる。ベース波の周波数は、例えば、５ＭＨｚ以上１５ＭＨｚ以下に設定することが好適である。

送信アンプ３２は、差動増幅回路を含み、差動増幅回路の反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）が符号化部３０の出力端子に接続される。送信アンプ３２の反転出力端子及び非反転出力端子は切替スイッチ４４を介して環境側電極３４及び生体側電極３６に接続される。送信アンプ３２は、切替スイッチ４４により反転出力端子及び非反転出力端子が環境側電極３４及び生体側電極３６に接続された状態において、符号化部３０から入力された信号を増幅して環境側電極３４及び生体側電極３６に差動出力する。環境側電極３４と生体側電極３６と電位差は送信アンプ３２の出力に応じて変動する。

環境側電極３４及び生体側電極３６は導電体で形成される。例えば、アルミニウム、ステンレス、銅箔、銅シート等の導電体でシート状、板状に形成される。環境側電極３４と生体側電極３６は、誘電体層３８を挟み込むように互いに電気的に絶縁された状態で配置することが好適である。

受信アンプ４２は、差動増幅回路を含み、差動増幅回路の反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）が切替スイッチ４４を介して環境側電極３４及び生体側電極３６に接続される。また、差動増幅回路の反転出力端子及び非反転出力は復号化部４０の入力端子に接続される。受信アンプ４２は、切替スイッチ４４により反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）が環境側電極３４及び生体側電極３６に接続された状態において、環境側電極３４と生体側電極３６との間の電位差を増幅して反転出力端子と非反転出力端子との電位差として出力する。復号化部４０は、受信アンプ４２からの出力信号を受けて、符号化部３０で用いられた符号化方式に対応する復号化方式で信号を復号化して出力する。

送受信装置２００では、環境側電極３４及び生体側電極３６は送信及び受信において共用される。制御部４６は、データ送信を行う際には切替スイッチ４４を送信アンプ３２に切り替え、データ受信を行う際には切替スイッチ４４を受信アンプ４２に切り替える。切替スイッチ４４の切り替えのタイミングは所定時間毎であってもよいし、ユーザ自身が切り替えるものとしてもよい。

例えば、図２に示すように、ポーリング処理を行うことによって通信セッションを実行することができる。以下の説明において固定器及び携帯機器に設けられた送受信装置２００は所定の周期で送信状態と受信状態を切り替えるものとする。

送信側となる送受信装置２００は受信側となる送受信装置２００に対して呼び出しを行う。送信側の送受信装置２００からの呼び出し信号の受信範囲に受信側の送受信装置２００がない場合には呼び出しが繰り返される。送信側の送受信装置２００からの呼び出し信号を受信側の送受信装置２００ができる状態にある場合には、呼び出し信号を受けた受信側の送受信装置２００が起動される。起動された受信側の送受信装置２００からは送信側の送受信装置２００へ接続要求信号が送信される。送信側の送受信装置２００は接続要求信号を受信すると、接続が可能であれば接続応答信号を返信する。受信側の送受信装置２００は接続応答信号を受信すると、送信側の送受信装置２００へ接続応答信号を返信する。送信側の送受信装置２００が接続応答信号を受信するとデータの通信セッションが開始される。データの通信が終了すると、送信側の送受信装置２００から終了信号が受信側の送受信装置２００へと送信され、受信側の送受信装置２００がスリープモードとされる。

また、送受信装置２００は、図３に示すように構成してもよい。送信アンプ３２は、シングル増幅回路を含み、符号化部３０の出力端子は増幅回路の入力端子に接続され、出力端子が切替スイッチ４４を介して生体側電極３６に接続される。また、環境側電極３４は接地される。送信アンプ３２は、切替スイッチ４４により出力端子が生体側電極３６に接続されている状態において、符号化部３０から入力された信号を増幅して生体側電極３６に増幅出力する。環境側電極３４と生体側電極３６と電位差は送信アンプ３２の出力に応じて変動する。また、受信アンプ４２は、シングル増幅回路を含み、増幅回路の入力端子が切替スイッチ４４を介して生体側電極３６に接続され、出力端子が復号化部４０に接続される。また、環境側電極３４は接地される。受信アンプ４２は、切替スイッチ４４により入力端子が生体側電極３６に接続されている状態において、生体側電極３６から入力された信号を増幅して復号化部４０に増幅出力する。復号化部４０は、受信アンプ４２の出力を符号化部３０で用いられた符号化方式に対応する復号化方式で復号化して出力する。

本実施の形態における送受信装置２００は、図４に示すように、筐体５０内に実装される。このような構成は、例えば、送受信装置２００を携帯電話やＰＤＡ等の携帯用通信端末として用いる場合に特に好適である。

図４において、回路基板５２は、送受信装置２００で用いられる電気回路を実装する。本実施の形態では、回路基板５２は、少なくとも受信アンプ４２を実装するものであればよい。例えば、回路基板５２は、符号化部３０、送信アンプ３２、復号化部４０、受信アンプ４２、切替スイッチ４４及び制御部４６を実装する。

ここでは、環境側電極３４、生体側電極３６及び回路基板５２は筐体５０内に配置される。本実施の形態では、回路基板５２は、図５の斜視図に示すように、環境側電極３４及び生体側電極３６の間に挟まれないように配置される。

環境側電極３４及び生体側電極３６が板状の電極であって、互いに少なくとも一部が重なるように向かい合わせて配置されている場合、何れか一方の電極の少なくとも一部によって他方の電極の少なくとも一部から回路基板５２が空間的に隠されるような位置に回路基板５２を配置することが好適である。

例えば、図１７（ａ）に示すように、回路基板５２、環境側電極３４及び生体側電極３６を同程度の大きさとし、一方の電極によって他方の電極から回路基板５２が空間的に隠されるような構成とすることが好適である。また、図１７（ｂ）に示すように、環境側電極３４及び生体側電極３６を同程度の大きさとし、回路基板５２を環境側電極３４及び生体側電極３６より小さいものとして、一方の電極によって他方の電極から回路基板５２が空間的に隠されるような構成とすることが好適である。また、図１７（ｃ）に示すように、回路基板５２とより近い位置に配置された環境側電極３４及び生体側電極３６のいずれか一方を回路基板５２を同程度の大きさとし、他方を回路基板５２より小さいものとして、一方の電極によって他方の電極から回路基板５２が空間的に隠されるような構成とすることが好適である。また、図１７（ｄ）に示すように、環境側電極３４及び生体側電極３６を同程度の大きさとし、回路基板５２を環境側電極３４及び生体側電極３６より大きいものとして、一方の電極によって他方の電極から回路基板５２の少なくとも一部が空間的に隠されるような構成とすることが好適である。

一方、図１７（ｅ）に示すように、回路基板５２とより近い位置に配置された環境側電極３４及び生体側電極３６のいずれか一方を回路基板５２より小さくし、他方をそれより大きくした構成では、一方の電極によって他方の電極から回路基板５２が空間的に隠されない部分があるので得られる効果は低くなる。

このように環境側電極３４、生体側電極３６及び回路基板５２を相対的に配置することによって、図６に示すように、回路基板５２が環境側電極３４又は生体側電極３６の一方の電極によって遮蔽され、他方の電極と回路基板５２との容量結合Ｃ４が従来の構造における寄生容量Ｃ１，Ｃ２より小さくなり、回路基板５２から他方の電極への電磁波ノイズの影響を低減することができる。

例えば、図１６（ａ）及び（ｂ）の受信信号を示すような回路構成において、本実施の形態のように回路基板５２を環境側電極３４及び生体側電極３６の間に挟まないような構成に変更した場合には図７に示すような受信信号が得られる。本実施の形態の構成において得られる受信信号は、図１６（ａ）に示す受信信号より絶対的な強度が高く、図１６（ｂ）に示す受信信号よりＳ／Ｎが改善されている。

以上のように、本発明の実施の形態における送受信装置２００の構成とすることによって、受信時における受信信号の強度を高めることができると共に、受信信号のＳ／Ｎも改善することができる。

なお、図１８（ａ）に示すように、回路基板５２に対してより近く配置された電極を環境側電極３４とし、他方を生体側電極３６としてもよいし、図１８（ｂ）に示すように、回路基板５２に対してより近く配置された電極を生体側電極３６とし、他方を環境側電極３４としてもよい。互いに使用時に受信信号の位相が反転することとなるが、ＰＳＫ、ＦＳＫ、ＡＳＫ等の位相反転に拠らない変調方式を適用することによって逆向きに使用しても使用可能とすることができる。すなわち、環境側電極３４及び生体側電極３６という名称は便宜的なものであり、逆にして使用することも可能である。

また、図１９に示すように、アンテナとなる環境側電極３４及び生体側電極３６に挟まれる誘電体層３８はエポキシ等の樹脂のみならず、回路基板５２と同様の絶縁材料を用いてもよいし、誘電率の低い発砲樹脂を用いてもよい。

さらに、携帯電話等の電気機器の筐体が絶縁部材で構成されている場合、図２０に示すように、筐体自体を誘電体層３８として環境側電極３４及び生体側電極３６で挟み込んだ構成としてもよい。この場合、筐体の外部に配置された電極を絶縁フィルム５４で覆うことも好適である。このようにすることで、筐体内部での部材の配置の自由度を高めることができる。

また、本実施の形態では、送信系と受信系の両方を備えた送受信装置２０４を例に説明したが、送信系の送信装置と受信系の受信装置とを別々に構成した通信システムでも同様である。

すなわち、図８に示すように、環境側電極３４、生体側電極３６、復号化部４０及び受信アンプ４２を含んで構成される受信装置２０２において、環境側電極３４及び生体側電極３６の間に挟まれないように配置するものとしても同様の効果を得ることができる。また、図９に示すように、受信アンプ４２を差動増幅回路からシングル増幅回路に変更しても同様である。

本発明の実施の形態における通信システムの送受信装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態における送受信装置を用いた通信セッションを説明する図である。本発明の実施の形態における通信システムの送受信装置の別例の構成を示す図である。本発明の実施の形態における送受信装置の環境側電極、生体側電極及び回路基板の配置を示す図である。本発明の実施の形態における送受信装置の環境側電極、生体側電極及び回路基板の配置を示す図である。本発明の実施の形態における送受信装置の環境側電極、生体側電極及び回路基板の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態における送受信装置の受信信号の例を示す図である。本発明の実施の形態における通信システムの受信装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態における通信システムの受信装置の別例の構成を示す図である。従来の通信システムの送信装置及び受信装置の構成を示す図である。通信システムの使用時の電界形成例を示す図である。通信システムにおいて形成される容量結合の等価回路を示す図である。従来の送受信装置における環境側電極、生体側電極及び回路基板の配置を示す図である。従来の送受信装置における環境側電極、生体側電極及び回路基板の等価回路を示す図である。従来の送受信装置における環境側電極、生体側電極及び回路基板の配置の別例を示す図である。従来の通信システムの受信信号の例を示す図である。本発明の実施の形態における送受信装置の環境側電極、生体側電極及び回路基板の配置を示す図である。本発明の実施の形態における送受信装置の利用態様を示す図である。本発明の実施の形態における送受信装置の環境側電極、生体側電極及び回路基板の配置を示す図である。本発明の実施の形態における送受信装置の環境側電極、生体側電極及び回路基板の配置を示す図である。

符号の説明

１０符号化部、１２送信アンプ、１４環境側電極、１６生体側電極、１８復号化部、２０受信アンプ、２２環境側電極、２４生体側電極、２６回路基板、２８シールドケース、３０符号化部、３２送信アンプ、３４環境側電極、３６生体側電極、３８誘電体層、４０復号化部、４２受信アンプ、４４切替スイッチ、４６制御部、５０筐体、５２回路基板、５４絶縁フィルム、１００送信装置、１０２受信装置、２００送受信装置、２０２受信装置。

Claims

生体を介した容量結合を利用して携帯可能な送信装置と固定された受信装置との間で通信を行うための通信システムであって、
前記受信装置は、
主として生体と容量結合する生体側電極と、
主として外部環境と容量結合する環境側電極と、
前記生体側電極及び前記環境側電極の少なくとも一方から出力される信号を処理する回路を実装した回路基板と、
を備え、
前記回路基板は前記生体側電極と前記環境側電極との間に配置されていないことを特徴とする通信システム。
請求項１に記載の通信システムであって、
前記生体側電極及び前記環境側電極は板状の電極であって、互いに少なくとも一部が重なるように向かい合わせて配置されていることを特徴とする通信システム。
請求項２に記載の通信システムであって、
前記生体側電極及び前記環境側電極の少なくとも一部に前記回路基板が重なるように配置されていることを特徴とする通信システム。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の通信システムであって、
前記回路は、前記生体側電極と前記環境側電極間の電位差を増幅する差動増幅回路を含むことを特徴とする通信システム。
生体を介した容量結合を利用して携帯可能な送信装置と固定された受信装置との間で通信を行うための通信システム、で使用される携帯型の受信装置であって、
前記受信装置は、
主として生体と容量結合する生体側電極と、
主として外部環境と容量結合する環境側電極と、
前記生体側電極及び前記環境側電極の少なくとも一方から出力される信号を処理する回路を実装した回路基板と、
を備え、
前記回路基板は前記生体側電極と前記環境側電極との間に配置されていないことを特徴とする受信装置。