JP2010045570A

JP2010045570A - 通信装置

Info

Publication number: JP2010045570A
Application number: JP2008207872A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hebiguchi; 広行蛇口; Masahito Nakamura; 雅仁中村; Daichi Inoue; 大地井上
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-08-12
Also published as: JP5026367B2

Abstract

【課題】受信回路部における共振周波数を安定させることができると共に、配線を長く引き回しても情報信号の減衰を抑えることができ、通信品質を向上させることができる通信装置を提供すること。
【解決手段】人体２を介して通信を行う通信装置３において、人体２の一部と接続または容量結合される受信電極５と、一端が受信電極５に接続されたケーブル部６と、ケーブル部６の他端に接続され、通信信号帯域で共振して必要な周波数成分を取り出す受信回路部８と、ケーブル部６と受信回路部８との間に設けられた結合用コンデンサ７と、ケーブル部６と受信回路の基準電位との間に形成される寄生容量Ｃ_ｓに対して並列に接続され、寄生容量Ｃ_ｓと共に共振してケーブル部共振回路１５を構成するケーブル部用インダクタ９とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体のような伝送媒体を介して通信を行う通信装置に関する。

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。このような通信方法においては、情報信号を変調して得られた変調信号に対応した電界を送信器から伝送媒体である人体に付与して、人体を伝送した電界を受信器において検出し、その電界に対応する情報信号を復調している。

従来、上記の通信方法を用いた通信装置として、人体を介して受信した情報信号から通信用の周波数成分を取り出すものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の通信装置は、人体と接続または容量結合する受信電極と、受信電極の後段に設けられた共振回路とを備えており、人体を介して受信電極から受信した情報信号から通信用の周波数成分を取り出すように共振回路の共振周波数が設定されている。
特開２００５−９４４６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された通信装置は、人体と受信電極との距離に応じて人体と受信電極との間の静電容量が変動することにより共振回路の共振周波数が不安定になり、通信品質が安定しないという問題があった。
さらに、応用分野が広がり、通信装置を搭載する機器の大型化に伴い受信電極と共振回路との間が離れ、配線が長く引き回されている場合には、配線と機器の金属筺体（グランド）との間の寄生容量が大きくなって情報信号が減衰すると共に、外来ノイズが混入しやすくなり、通信エラーの確立が著しく増大するという問題があった。この場合、同軸ケーブルを配線として用いることで外来ノイズの混入を減少させることができるが、芯線とシールドとの間で寄生容量がさらに大きくなって情報信号が大きく減衰するという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、共振回路における共振周波数を安定させることができると共に、配線を長く引き回しても情報信号の減衰を抑えることができ、通信品質を向上させることができる通信装置を提供することを目的とする。

本発明の通信装置は、伝送媒体を介して通信を行う通信装置において、前記伝送媒体の一部と接続または容量結合される受信電極と、一端が前記受信電極に接続されたケーブル部と、前記ケーブル部の他端に接続され、通信信号帯域で共振して必要な周波数成分を取り出す受信回路部と、前記ケーブル部と前記受信回路部との間に設けられた第１の結合容量と、前記ケーブル部と受信回路の基準電位との間に形成される寄生容量に対して並列に接続され、前記寄生容量と共に共振してケーブル部共振回路を構成するケーブル部用インダクタとを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、ケーブル部と受信回路部との間に第１の結合容量を備え、ケーブル部共振回路と受信回路部とでそれぞれ共振をとるため、受信回路部における人体等の伝送媒体と受信電極との間の静電容量の変動の影響が減少し、受信回路部における共振動作が安定する。
また、ケーブル部共振回路を設け、ケーブル部とグランドとの間に形成される寄生容量と共にケーブル部用インダクタを共振させるようにしたため、寄生容量による信号の減衰が抑制される。特に、ケーブル部として同軸ケーブルを用いた場合には、寄生容量による信号の減衰を抑制すると共に、外来ノイズの混入を防止することができる。
したがって、人体等の伝送媒体を介して通信する通信装置において通信品質を向上させることができる。

また本発明は、上記通信装置において、前記受信電極と前記ケーブル部共振回路との間に第２の結合容量を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、受信電極とケーブル部共振回路との間にさらに第２の結合容量を備えたため、ケーブル部共振回路における人体等の伝送媒体と受信電極との間の静電容量の変動の影響が減少し、ケーブル部共振回路の共振動作が安定し、さらに通信品質を向上させることができる。

また本発明は、上記通信装置において、前記受信電極は複数であり、前記ケーブル部は前記複数の受信電極と前記受信回路部とを接続し、前記ケーブル部共振回路は前記複数の受信電極に対応して複数設けられており、前記複数の受信電極のうち、前記受信回路部に対して適切な受信電極を接続する受信電極切替部が設けられたことを特徴とする。

この構成によれば、複数の受信電極を切り替えて使用することができる。また、各受信電極から受信回路部までのケーブル部の長さが異なって寄生容量の大きさが異なる場合であっても、各受信電極に対応して設けられたケーブル部共振回路を各寄生容量の大きさを考慮して設計することにより、受信回路部に対する入力電極が複数の受信電極のうちいずれの受信電極に切り替えられても、寄生容量による信号の減衰を抑制することができる。

また本発明は、上記通信装置において、前記受信電極切替部が、前記複数の受信電極のうち前記伝送媒体の一部と最も強く接続または容量結合した受信電極に切り替えることを特徴とする。

この構成によれば、複数の受信電極を有する場合であっても、複数の受信電極のうち伝送媒体の一部と最も強く接続または容量結合した受信電極に切り替えて信号が受信されるため、人体等の伝送媒体がいずれの受信電極に容量結合しても通信することができる。

また本発明は、上記通信装置において、前記ケーブル部は、同軸ケーブルであることを特徴とする。

この構成によれば、寄生容量による信号の減衰を抑制すると共に、外来ノイズの混入を防止することができる。

本発明によれば、受信回路部における共振周波数を安定させることができると共に、配線を長く引き回しても情報信号の減衰を抑えることができ、通信品質を向上させることができる。

以下、本発明の第１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、本発明に係る通信装置の第１の実施の形態を示す図であり、通信システムの概略構成図である。

図１に示す通信システム１は、人体２等の伝送媒体を介して情報信号を送受信するものであり、人体２に対して情報信号を変調した電界を付与する図示しない送信側の通信装置と、電界を介して情報信号を伝送する人体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通信装置３とから構成されている。

この通信システム１においては、送信側の通信装置と人体２との間、および通信装置３と人体２との間は、電気的に容量結合（通信装置３と人体２との間は静電容量Ｃ_ｘ）しており、情報信号を変調した電界により情報信号を伝送するようになっている。この場合、人体２には、変位電流は流れるが定常電流は流れないので、電気的に導通している必要がない。したがって、例えば、送信側の通信装置をポケットにいれたままでも、薄い布を介して送信側の通信装置と人体２との間が容量結合するので、情報信号の伝送が可能である。

送信側の通信装置は、搬送波を情報信号で変調する変調回路と、この変調信号を増幅し、電圧変化に変換する変換回路とを有し、人体２に対して情報信号を変調してなる電界を付与する。

通信装置３は、図１に示すように、受信電極５と、受信電極５に接続されたケーブル部６と、結合用コンデンサ７を介してケーブル部６に接続された受信回路部８と、ケーブル部６とグランドとの間の寄生容量Ｃ_ｓと共に共振するように設けられたケーブル部用インダクタ９とから構成されている。なお、結合用コンデンサ７は静電容量Ｃ_ｃであり、ケーブル部用インダクタ９はインダクタンスＬ_ｓである。

受信電極５は、平板電極により形成されており、人体２からの電界を受けて人体２の一部と接続または容量結合されるようになっている。また、受信電極５は、対向する人体２との距離に応じて、静電容量が変動するようになっている。

ケーブル部６は、同軸ケーブルで構成されており、芯線の周囲を、絶縁体を介してシールドで覆い、さらにその周囲を絶縁膜で覆って構成されている。シールドは、芯線を外部環境から電気的に離隔しており、芯線に対する外来ノイズの混入を防止している。なお、本実施の形態においては、ケーブル部６を同軸ケーブルで構成したが、この構成に限定されるわけではなく、シールドを有さない銅線ケーブルで構成してもよい。

受信回路部８は、フィルタとしての共振回路１１を有して構成されており、共振回路１１の後段には図示しないアンプおよび制御回路が接続されている。共振回路１１は、結合用コンデンサ７とグランドとの間に並列に接続された共振用インダクタ１３と共振用コンデンサ１４とから構成されており、通信用の周波数成分に応じた共振周波数が設定されている。受信回路部８は、受信電極５により受信された情報信号から共振回路１１の共振周波数に応じた周波数成分を取り出し、アンプで増幅してから受信信号処理が行われる。なお、共振用インダクタ１３はインダクタンスＬ_０であり、共振用コンデンサ１４は静電容量Ｃ_０である。

結合用コンデンサ７は、ケーブル部６と受信回路部８とを容量結合しており、受信電極５と受信電極５に対向する人体２との間の静電容量の変動による共振回路１１の共振周波数のシフトを抑制している。ここで、簡単に共振周波数のシフト抑制について説明する。なお、ここでは説明の便宜上、図１の概略構成図からケーブル部用インダクタ９を除いた回路構成とし、共振回路１１における共振周波数は１０ＭＨｚに設定されているものとする。

図２は、共振周波数のシフト量の説明図であり、人体２と受信電極５との間の静電容量Ｃ_ｘが低下した場合（標準状態よりもギャップが大きい場合）を示している。ここで、波形Ｓ１は結合用コンデンサを設けた上記した便宜上の回路構成における波形、波形Ｓ２は上記した便宜上の回路構成から結合用コンデンサを除いた比較構成における波形をそれぞれ示している。図２から分かるように、波形Ｓ１と波形Ｓ２とを比較すると、共振回路１１に設定された共振周波数１０ＭＨｚを基準として、波形Ｓ１に示される共振周波数のシフト量が波形Ｓ２に示される共振周波数のシフト量に比べて小さく抑えられている。よって、ケーブル部６と受信回路部８との間に結合用コンデンサ７を設けることにより、共振周波数のシフト量を抑制することが判明した。なお、説明は省略するが、静電容量Ｃ_ｘが増加した場合（標準状態よりもギャップが小さい場合）にも同様に共振周波数のシフトを抑制することが判明した。

図１に戻り、ケーブル部用インダクタ９は、ケーブル部６とグランドとの間で発生した寄生容量Ｃ_ｓに対して並列に接続されており、寄生容量Ｃ_ｓと共にケーブル部共振回路１５を構成している。また、ケーブル部用インダクタ９は、受信回路部８の共振回路１１における共振周波数と同値または近接値となるように設計されており、通信用の周波数成分の減衰を抑制している。すなわち、ケーブル部用インダクタ９と寄生容量Ｃ_ｓとの共振時には、ケーブル部共振回路１５の抵抗が無限大となり、ケーブル部６が寄生容量Ｃ_ｓを介してグランドに導通しないため、通信用の周波数成分の減衰が抑制される。

上記構成を有する通信システム１で通信を行う場合には、送信側の通信装置において人体２の導電性を示す周波数（数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚ）に情報信号が変調され、変調信号が生成される。この変調信号は、増幅され、電圧変化に変換される。この電圧変化が送信側の通信装置の電極に印加されることにより、この電極の周囲に変調信号に対応する電界信号が発生する。そして、この電界信号が人体２に付与され、通信装置３の受信電極５で受けられる。

受信電極５に電界が加わると、受信回路部８の後段の図示しない検出回路で変調信号が検出される。そして、検出回路の後段に位置する復調回路において、送信側の通信装置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２を通信媒体として情報信号の送受信を行っている。

次に、本発明に係る通信装置における情報信号の減衰抑制効果について説明する。本実施の形態では、図３に示す３つの回路モデルでシミュレーションを行った。図３（ａ）は図１の通信システムにおいて結合用コンデンサおよびケーブル部用インダクタを除いた回路モデル（第１の比較例）であり、図３（ｂ）は図１の通信システムにおいてケーブル部用インダクタを除いた回路モデル（第２の比較例）であり、図３（ｃ）は図１の通信システムの回路モデル（本発明）である。

なお、第１の比較例の回路モデルにおいては、共振回路１１の共振周波数が１０ＭＨｚとなるように共振用インダクタ１３のインダクタンスＬ_０を２２．０μＨ、共振用コンデンサ１４の静電容量Ｃ_０を１０．０ｐＦとして共振回路１１を構成した。また、人体２とグランドとの静電容量Ｃ_ｈを１００．０ｐＦ、人体２と受信電極５との静電容量Ｃ_ｘを１．０ｐＦとし、ケーブル部６とグランドとの間に１０．０ｐＦの寄生容量Ｃ_ｓが形成された場合を想定した。そして、交流電源１６の周波数を１０ＭＨｚ、振幅を１．０Ｖｐｐに設定し、共振回路１１の後段に電圧計１７を設けて出力電圧を計測することによりシミュレーションを行った。

また、第２の比較例の回路モデルにおいては、第１の比較例の回路モデルのケーブル部６と共振回路１１との間に１．０ｐＦの静電容量Ｃ_ｃを有する結合用コンデンサ７を設けてシミュレーションを行った。本発明の回路モデルにおいては、第２の比較例の回路モデルの寄生容量Ｃ_ｓに共振するように寄生容量Ｃ_ｓに対して並列に２２．０μＨのインダクタンスＬ_ｓを有するケーブル部用インダクタ９を設けてシミュレーションを行った。

図４は、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示される回路モデルによるシミュレーション結果を示している。図３のシミュレーション結果において、縦軸は出力、横軸は経過時間、破線Ｗ１は第１の比較例のシミュレーション結果、一点鎖線Ｗ２は第２の比較例のシミュレーション結果、実線Ｗ３は本発明のシミュレーション結果をそれぞれ示している。

第１の比較例と第２の比較例とを比較すると、破線Ｗ１は約０．５μＶの振幅であるのに対し、一点鎖線Ｗ２は約１０．０μＶの振幅である。よって、ケーブル部６と受信回路部８との間に結合用コンデンサ７を設けることにより、受信特性を向上させることが判明した。さらに、第２の比較例と本発明とを比較すると、一点鎖線Ｗ２は約１０．０μＶの振幅であるのに対し、本発明の実線Ｗ３は約５８．０μＶの振幅である。よって、ケーブル部６と受信回路部８との間に結合用コンデンサ７を設けると共に、ケーブル部６とグランドとの間に発生する寄生容量Ｃ_ｓと共に共振するように寄生容量Ｃ_ｓに対して並列にケーブル部用インダクタ９を設けることにより、受信特性をさらに向上させることが判明した。

以上のように、本実施の形態に係る通信装置３によれば、ケーブル部６と受信回路部８との間に結合用コンデンサ７を備え、ケーブル部共振回路１５と受信回路部８の共振回路１１とでそれぞれ共振をとるため、受信回路部８における人体と受信電極５との間の静電容量の変動の影響が減少し、受信回路部８の共振回路１１における共振動作が安定する。また、ケーブル部共振回路１５を設け、ケーブル部６とグランドとの間に形成された寄生容量Ｃ_ｓと共にケーブル部用インダクタ９を共振させるようにしたため、寄生容量による情報信号の減衰が抑制される。したがって、人体２を介して通信する通信装置３において通信品質を向上させることができる。

なお、図５に示すように、通信システム２１のケーブル部６と受信回路部８との間に静電容量Ｃ_ｃ１の結合用コンデンサ２３を設ける他、受信電極５とケーブル部共振回路１５との間に静電容量Ｃ_ｃ２の結合用コンデンサ２４を設けるようにしてもよい。この構成により、結合用コンデンサ２４は、受信電極５と受信電極５に対向する人体２との間の静電容量Ｃ_ｘの変動よるケーブル部共振回路１５の共振周波数のシフトが抑制される。よって、ケーブル部共振回路１５の共振動作が安定化し、通信装置２２の通信品質を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本発明の第２の実施の形態に係る通信装置は、上述した第１の実施の形態に係る通信装置と複数の受信電極により選択的に通信可能な点において相違している。したがって、特に相違点についてのみ説明する。

図６は、本発明に係る通信装置の第２の実施の形態を示す図であり、通信システムの概略構成図である。図６に示すように、この通信システム３１における通信装置３２は、複数の受信電極５と、一端が複数に分岐して複数の受信電極５に接続され、他端が結合用コンデンサ７に接続されたケーブル部３３と、結合用コンデンサ７を介してケーブル部３３に接続された受信回路部８とを備えている。また、ケーブル部３３から分岐した各枝ケーブル３４には、各枝ケーブル３４とグランドとの間の寄生容量Ｃ_ｓと共に共振するケーブル部用インダクタ９と、各受信電極５と受信回路部８とを電気的に離接するスイッチ部３５とが設けられている。

各スイッチ部３５は、図示しない制御部により制御されており、この制御部は、複数の受信電極５をスキャンして最も強く電界を受けている受信電極５を調査して、この最も強く電界を受けている受信電極５と受信回路部８とを接続するようにスイッチ部３５を切り換えている。この構成により、複数の受信電極５のうち人体２の一部と接続または容量結合した受信電極５に切り替えて情報信号が受信されるため、人体２がいずれの受信電極５に容量結合しても通信することが可能となる。なお、請求項に記載の受信電極切替部は、本実施の形態における複数のスイッチ部３５と、制御部とにより構成されている。

以上のように、本実施の形態に係る通信装置３によれば、各受信電極５から受信回路部８までの枝ケーブル３４の長さが異なって寄生容量Ｃ_ｓの大きさが異なる場合であっても、各受信電極５に対応して設けられたケーブル部共振回路１５を各寄生容量Ｃ_ｓの大きさを考慮して設計することにより、受信回路部８に対する入力電極が複数の受信電極５のうちいずれの受信電極５に切り替えられても、寄生容量Ｃ_ｓによる情報信号の減衰を抑制することができる。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

以上説明したように、本発明は、受信回路部における共振周波数を安定させることができると共に、配線を長く引き回しても情報信号の減衰を抑えることができ、通信品質を向上させることができるという効果を有し、特に人体のような伝送媒体を介して通信を行う通信装置に有用である。

本発明に係る第１の実施の形態を示す図であり、通信システムの概略構成図である。本発明に係る第１の実施の形態を示す図であり、共振周波数のシフト量の説明図である。本発明に係る第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）は図１の通信システムにおいて結合用コンデンサおよびケーブル部用インダクタを除いた回路モデル、（ｂ）は図１の通信システムにおいてケーブル部用インダクタを除いた回路モデル、（ｃ）は図１の通信システムの回路モデルである。本発明に係る第１の実施の形態を示す図であり、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示される回路モデルによるシミュレーション結果である。本発明に係る第１の実施の形態の変形例を示す図である。本発明に係る第２の実施の形態を示す図であり、通信システムの概略構成図である。

符号の説明

１、２１、３１通信システム
２人体（伝送媒体）
３、２２、３２通信装置
５受信電極
６、３３ケーブル部
７、２３結合用コンデンサ（第１の結合容量）
８受信回路部
９ケーブル部用インダクタ
１１共振回路
１３共振用インダクタ
１４共振用コンデンサ
１６交流電源
１７電圧計
２４結合用コンデンサ（第２の結合容量）
３４枝ケーブル
３５スイッチ部

Claims

伝送媒体を介して通信を行う通信装置において、
前記伝送媒体の一部と接続または容量結合される受信電極と、
一端が前記受信電極に接続されたケーブル部と、
前記ケーブル部の他端に接続され、通信信号帯域で共振して必要な周波数成分を取り出す受信回路部と、
前記ケーブル部と前記受信回路部との間に設けられた第１の結合容量と、
前記ケーブル部と受信回路の基準電位との間に形成される寄生容量に対して並列に接続され、前記寄生容量と共に共振してケーブル部共振回路を構成するケーブル部用インダクタとを備えたことを特徴とする通信装置。
前記受信電極と前記ケーブル部共振回路との間に第２の結合容量を備えたことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
前記受信電極は複数であり、前記ケーブル部は前記複数の受信電極と前記受信回路部とを接続し、前記ケーブル部共振回路は前記複数の受信電極に対応して複数設けられており、
前記複数の受信電極のうち、前記受信回路部に対して適切な受信電極を接続する受信電極切替部が設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信装置。
前記受信電極切替部が、前記複数の受信電極のうち前記伝送媒体の一部と最も強く接続または容量結合した受信電極に切り替えることを特徴とする請求項３に記載の通信装置。
前記ケーブル部は、同軸ケーブルであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の通信装置。