JP2017529010A - 身体結合通信装置及び方法 - Google Patents

Abstract

身体結合通信装置(100)は、装置(100)及び身体(200)の間で信号(S)をつなぐように構成される複数のカプラー(11,12,13)を含むカプラー配列(10)を有する。信号電子回路(20)は、装置の動作モード(OT,OR,OW)に依存して、信号を処理及び/又は生成するように構成される。ルーティング・ネットワーク(40)は、信号電子回路(20)及びカプラー(11,12,13)の間で信号(S)の可変ルーティングを提供し、これにより、カプラー配列(10)の個々のカップリング・モード(CT,CR,CW)の間で選択肢を提供する。モード・セレクタ(30)は、動作モード(OT,OR,OW)の間で装置(100)を切り替え、装置の動作モード(OT,OR,OW)に基づいて個々のカップリング・モード(CT,CR,CW)の間で選択を行うためにルーティング・ネットワーク(40)を制御するように構成される。

Description

本開示は身体結合通信の技術分野に関連し、特に、身体結合通信のための装置及び方法に関連する。

身体結合通信(Body-Coupled Communication：BCC)は、新たに出現した近距離通信技術であり、この技術は、人間又は(又は動物)の体を利用して、体の上又は体に近接した位置にあるデバイス間でその体を越えて無線通信によりデータを伝搬する。BCC技術は幾つもの重要な特徴を有し、その特徴は、広範囲に及ぶウェアラブル・コンシューマー及びメディカル・デバイスにとって特に相応しい。例えば、使いやすいこと、プライバシー、セキュリティ、高いエネルギー効率による高いデータレート等のような現在の通信技術が取り組んでいる要請に応じることができる。

現在のBCCデバイスはカプラーを使用しており、カプラーは、ある種のアプリケーションにとっては良好なパフォーマンスをもたらすが、別のアプリケーションにとっては、過剰なエネルギー消費を招き、より大きな信号レベルを送信する或いは非常に低い振動レベルを検出することになる可能性がある。送信機の側に関し、より高い信号レベルは、優れた信号伝搬性、及び、ノイズや干渉に対する強い耐性を保証する。送信機が生成することが可能な信号レベルは、一般に、利用可能な供給電圧によって制限される。電圧ブースト(又は昇圧)のような複雑な技術により、信号レベルは増加させること(例えば、二倍にすること)が可能である。しかしながら、電圧の昇圧は、追加的なエネルギー消費及び複雑な回路構成に結びついてしまう。カプラーを経由する送信機から環境への信号の最適なカップリングは、エネルギーの最適な活用という結果をもたらす。受信機の側では、様々な信号の状態は、一般に、可変利得増幅器により実現され、可変利得増幅器のゲインは到来する信号の強度に適合させられる。ゲインの適合化は、信号強度を定常的に監視し且つそれに応じてゲインを適合させる制御ループを必要とする。このループは更なる複雑化、更なるコスト及び更なる電力消費を招いてしまう。更に、ループの動作は反応時定数(reaction time constant)に関連付けられ、応答が遅い場合、データの過剰負担(オーバーロード)及び欠落を招いてしまう。

BCCにおける電力消費を減らす一方、それでも様々な状況で信頼性の高い通信をもたらすことが望まれている。

本開示の第1側面は身体結合通信装置を提供し、本装置は人間又は動物の身体の場所又はその近辺に配置され、身体を介して信号を送信及び/又は受信するように構成される。本装置は、装置及び身体の間で信号をつなぐように構成される複数のカプラーを含むカプラー配列を有する。本装置は、装置の動作モードに依存して、信号を処理及び/又は生成するように構成される信号電子回路を有する。本装置は、信号電子回路及びカプラーの間で信号の可変ルーティングを提供するように構成されるルーティング・ネットワークを有し、可変ルーティングにより、カプラー配列の個々のカップリング・モードの間で選択肢を提供する。個々のカップリング・モードの各々は、装置及び身体の間において、その間で信号をつなぐために個々のカップリング・インピーダンスを提供する。本装置は、動作モード間で装置を切り替え、装置の動作モードに基づいて個々のカップリング・モード間で選択を行うためにルーティング・ネットワークを制御するように構成されるモード・セレクタを有する。

本開示の第2側面は身体結合通信のための方法を提供する。本方法は、人間又は動物の身体の場所又はその近辺に身体結合通信装置を配置することを含む。本方法は、装置を第1動作モードに設定し、動作モードに応じて信号を処理及び/又は生成することを更に含む。本方法は、装置及び身体の間のカップリング・インピーダンスを決定する第1カップリング・モードを選択することを更に含む。本方法は、第1カップリング・モードで装置及び身体の間で信号をつなぐことによって、第1動作モードで身体を介して信号を送信及び/又は受信することを更に含む。本方法は、装置を第2動作モードに切り替え、装置の第2動作モードに基づいて第2カップリング・モードを選択することを更に含み、第2カップリング・モードは、装置における信号の異なるルーティングにより、装置及び身体の間で、第1カップリング・モードの場合とは異なる別のカップリング・インピーダンスを提供する。

例えば、送信すること、受信すること又はリスニングすること(スリープ・モード)等のような装置の特定の動作モードに関し、身体への最適なカップリングを提供するように、カップリング・モードの最適化が可能であることが認められる。様々なカップリングに複数のカップリング・モードを提供することにより、装置は、状況に依存してカップリング効率を順応させてもよい。動作モードに基づいてカップリング・モードを制御することにより、カップリングは、各々の動作モードについて最適化されることが可能である。信号電子回路とカプラーとの間で変化することが可能なルーティングをルーティング・ネットワークに提供することで、カップリング・モードは、例えば様々なノードとカプラーとの間で及び/又は追加的な回路を経由して、様々なルーティングの提供による影響を受けることが可能になる。実現手段の適応化により、様々な動作モードについて最適な信号カップリングの実現が可能になり、その実現は、通信に関して緩和(又は削減)されたエネルギー条件という結果をもたらすことが可能になる。

典型的には、カプラー配列は、カプラーとして動作する個々に接続可能な複数の導電性プレート又は電極を含む。プレートは装置の外側表面に平行に配置されてもよい。また、他の導電性の構造又は方向性を利用することも可能である。カプラーは、様々な動作モードで様々な信号電子回路に接続されることが可能である。理論に拘束される旨の意向ではないが、様々なプレート構成による改善は、信号の伝搬を決定する等価容量(equivalent capacitances)の変化に起因し得る。例えば、プレートの垂直な(重なった)構成は、(身体から遠ざかる方に向く)外的な外側プレートを介して、グランドに対する優れたカップリングを提供することが見出される一方、プレートの水平な(隣り合った)構成は、身体に対する優れたカップリングを与えることが見出される。更に、より大きなカップリング・プレートは低い周波数に対する優れたカップリングをもたらす結果となることが見出される一方、より小さなプレート及び櫛型構造は、より高い周波数の信号を適切に結合する。更に、最適なカプラーのサイズ又は形状は、カプラーに最も近い身体部分のサイズに関連するかもしれない。例えば、カプラーが一本の指で触られる場合、櫛型構造のカプラーは、板状のカプラーよりも優れたパフォーマンスをもたらすかもしれない。そこで、動作モードは、接触の仕方に依存して設定されてもよく、ルーティング・ネットワークは、対応する最適なカップリング・モードを決定するように構成されることが可能である。

或るカプラーは1つより多いカップリング・モードで使用されることが可能である一方、他のカプラーは何らかのカップリング・モードでは分離されてもよい(又は接続を切断してもよい)。様々なカップリング構成の一部分として、1つ以上の同じカプラーを利用することで、カプラーの総数を減らすことが可能である。カプラーの配列は3次元的であるとすることが可能であり、その配列は、接触する身体に対して異なる距離にある及び/又は隣り合って並べられる(複数の)プレートを含んでよい。組み合わせも可能である。水平に並ぶプレートのペアを構成することで、第1のカップリング・モードは、プレートのペアの間に電圧を印加することにより提供されることが可能である。最初の2つのプレートから或る距離の位置に平行に第3の(又は別の)プレートを設けることで、別のカップリング・モードは、第1ペアのプレートの双方又は一方に第1電圧を、そして、第3プレートに第2電圧を印加することにより、提供されることが可能である。

従って、接続されるカプラーの個数、形状、面積及び/又は相対的な向きは、装置の動作モードに応じて変更されることが可能である。例えば、或る送信機動作モードでは、信号電子回路のうちの送信機部分が信号を生成し、その信号は送信機カップリング・モードに応じて構成される1つ以上のカプラーにルーティングされる。同じ複数のカプラー/プレートのうちの幾つかは別のモード(例えば、受信モード)で再利用されることが可能であり、受信モードではカプラーは到来する信号を処理する受信機部分に接続される。カプラーの配列は、受信モードでは、送信モードの場合と異なっていることが可能である。例えば、送信モードでは隣り合った(水平な)プレート構成の利用が好ましい一方、受信モードでは重なった(垂直な)プレート構成を利用することが好ましいとすることが可能である。デバイスは別の動作モードを有することも可能である。例えば、僅かなエネルギーのスリープ・モードが用意されることが可能であり、その場合、信号電子回路のうちのウェークアップ部分は、ウェークアップ信号を検出するように制御される。従って、ルーティング・ネットワークは適切なウェークアップ・カップリング・モードを提供することが可能であり、その場合、1つ以上のカプラーがウェークアップ部分に接続される。

可変ルーティングは、カプラーと信号電子回路との間の接続変更を含むだけでなく、更なるインピーダンス制御をも含んでよい。例えば、ルーティング・ネットワークはカップリング・モードを提供するように構成されることが可能であり、その場合、インピーダンス制御回路は、信号電子回路と1つ以上のカプラーとの間の電気経路に接続される。インピーダンス制御回路は、例えば、カプラーの入力又は出力インピーダンスに影響を及ぼす。例えば、回路は共振回路を含んでよい。スリープ・モードでは、共振回路は、電子回路のウェークアップ部分と1つ以上のカプラーとの間に接続されることが可能である。共振回路は、ウェークアップ信号の周波数に一致する共振周波数を有し、ウェークアップ信号は、スリープ動作モードから装置を目覚めさせるように、信号電子回路のウェークアップ部分にトリガを与える。装置がスリープ・モードから目覚めると、共振回路はカプラーから分離されることが可能になり、そのため、例えばメイン受信モードのような他の動作モードに干渉しないようになる。

装置の動作モードは、生成又は処理される信号の周波数に依存して分けられることも可能である。例えば、高周波モードは相対的に高いデータスループットをもたらす一方、低周波モードは、より高い信頼性又はエネルギー効率にすることが可能である。高周波数モードから低周波数モードへ又は逆方向へ切り替える場合、例えば周波数に応じてカップリング面積を変更するように、カプラーの個数又は面積の変更が可能である。結合面の形状又は相対的な配置は、周波数に応じて変更されることが可能である。例えば、より小さなプレート及び櫛型構造は、高周波信号を効率的に結合するために有用であることが見出される一方、より大きなプレートは低周波数信号を適切に結合する。

本開示による装置、システム及び方法についてのこれら及び他の特徴、側面及び利点は、以下の記述、添付の特許請求の範囲及び添付図面から更に明らかになるであろう。

図1は体結合通信装置の概略的な形態を示す。 図2A及び2Bはそれぞれ送信及び受信モードにおける本装置の形態を示す。 図3はウェークアップ・モードにおける本装置の形態を示す。 図4A及び4Bはそれぞれ高周波及び低周波モードにおける本装置の形態を示す。 図5Aないし5Cはカプラーの配置形態を示す。 図6A及び6Bはカプラーの別の配置形態を示す。 図7AはBCCシステムにおける様々な通信経路のモデルを示す。 図7BはBCCシステムにおける様々な通信経路のモデルを示す。 図7CはBCCシステムにおける様々な通信経路のモデルを示す。

本発明は添付図面に関連して更に十分に説明される。本説明及び図面において、同様な番号は全体を通じて同様な要素を指している。相対的な用語(例えば、水平、垂直など)及びその派生語は、説明対象の図面に記述されている又は示されている向きを指すように解釈されるべきである。構造同士又はコンポーネント同士の間の(電気的な)コネクションが説明される場合、別段の言及がない限り、そのコネクションは、直接的に設定されていてもよいし、或いは、中間的な構造又はコンポーネントを経由して設定されてもよいことが、理解されるであろう。

図1は身体結合通信装置100の概略的な形態を示す。装置は、身体200を介して信号Sを送信及び/又は受信するために、人間又は動物の場所又は非常に近くの場所に配置されるように構成される。一実施形態において、装置はカプラー配列10を有し、カプラー配列10は、装置100と身体200との間で信号Sを結び付ける(又はつなぐ)ように構成される複数のカプラー11，12，13を有する。別の又は更なる形態では、カプラー配列10は、カプラー11，12，13として動作する接続可能な複数の個別的な導電性プレートを有する。別の又は更なる実施形態では、プレートは装置100の外側表面に平行に配置される。

一実施形態では、装置は、装置の動作モードOT，OR，OWに依存して、信号を処理及び/又は生成するように構成される信号エレクトロニクス(又は電子回路)20を有する。信号電子回路20は、例えば、送信回路TX、受信回路RX及び/又はウェークアップ回路WUのうちの1つ以上を有してよい。一実施形態では、送信回路TXは、例えば電源又は電流源のような信号生成部を有する又はそれに結合する。一実施形態において、受信回路RXは、電圧センサー又は電流センサーを有する又はそれに結合する。一実施形態において、ウェークアップ回路は、電圧センサー又は電流センサーを有する又はそれに結合する。センサーは、受信回路のものを共有してもよいし、或いは、別個のものであってもよい。回路TX，RX，WYも例えばパッシブ又はアクティブな回路である共有の又は専用の電子回路を有してもよい。例えば、受信又は送信される信号をブースト(又は昇圧)するために、1つ以上の増幅器の利用が可能である。また、受動回路が、例えば、特定の信号を選択して通過させるために使用されることも可能である。一実施形態において、装置は、信号電子回路20とカプラー11，12，13との間で信号Sの可変ルーティングを提供するように構成されるルーティング・ネットワーク40を有する。可変ルーティングは、カプラー配列10の個々のカップリング・モードCT，CR，CWの間で選択肢を提供することが可能である。個々のカップリング・モードCT，CR，CWの各々は、装置と身体200との間で、その間で信号Sをカップリングするために、例えば異なるインピーダンスのような個々のカップリングを提供することが可能である。一実施形態において、カップリング・モードCT，CR，CWは、信号電子回路20のノードTTx，TRx，TWxとカプラー11，12，13のノードTC1，TC2，TC3との間の電気接続の様々な組み合わせにより区別される。別の又は更なる実施形態では、カップリング・モードCT，CR，CWは、例えば、身体に対する入力又は出力インピーダンスのような異なるカップリング・インピーダンスにより区別される。

一実施形態では、装置はモード・セレクタ30を有し、モード・セレクタ30は、動作モードOT，OR，OWの間で装置100を切り替え、装置の動作モードOT，OR，OWに基づいて、個々のカップリング・モードCT，CR，CWの間で選択を行うためにルーティング・ネットワーク40を制御するように構成される。別の又は更なる実施形態では、モード・セレクタ30は、例えば、図2A、図2B及び図3に関連して説明されるような送信機動作モードOT、受信機動作モードOW及び/又はスリープ動作モードOWのうちの2つ以上の間で装置を切り替えるように動作することが可能である。代替的又は追加的に、モード・セレクタ30は、例えば図4A及び図4Bに関連して説明されるような低周波モードLFM及び高周波モードHFMの間で装置を切り替えるように動作することが可能である。別の側面において、図面は身体結合通信の方法を示している。一実施形態において、本方法は、人間又は動物の身体200の場所又はその近くに身体結合通信装置100を配置することを含む。本方法は、装置100を第1動作モードOTに設定し、動作モードOTに応じて信号Sを処理及び/又は生成することを含んでよい。本方法は、装置100及び身体200の間のカップリング・インピーダンスを決定する第1カップリング・モードCTを選択することを更に含んでよい。本方法は、第1カップリング・モードCTで装置100及び身体200の間で信号Sをつなぐことによって、第1動作モードOTで身体200を介して信号Sを送信及び/又は受信することを更に含んでよい。本方法は、装置100を第2動作モードORに切り替え、装置の第2動作モードORに基づいて第2カップリング・モードCRを選択することを含み、第2カップリング・モードCRは、装置100における信号の異なるルーティングにより、装置100及び身体200間で、第1カップリング・モードCTの場合とは異なる別のカップリング・インピーダンスを提供する。

実施例は、統合されたアナログ及び/又はディジタル電子回路、或いは、コンピュータ・ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせで実現されてもよい。一形態では、非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体がプログラム命令を有し、プログラム命令は、コンピュータにより実行されると、本願で説明されるような方法をコンピュータに実行させる。一形態では、オペレーションは、コンピュータ・プログラムを実行する1つ以上のプログラマブル・プロセッサにより実行され、入力データを処理して出力を生成することで機能を実行してもよい。例えば、FPGA(field programmable gate array)又はASIC(application-specific integrated circuit)等のような特定の目的の論理回路により、方法のオペレーションが実行されてもよく、実施例に係る装置がその論理回路として実現されてもよい。

図2Aは、送信機動作モードOTにおける装置100の概略的な形態を示す。送信機モードでは、信号電子回路のうちの送信機部分(図1では「TX」として示されている)が、信号Sを生成するように制御される。ルーティング・ネットワーク(図1において「40」により示されている)は、送信機カップリング・モードCTを提供するように制御される。カプラー11，12，13のうちの1つ以上が送信機部分TXに接続される。本実施形態では、隣り合うカプラー12，13の水平配置は接続されるが、カプラー11は分離されている。

図2Bは、受信機動作モードORにおける装置100の概略的な形態を示す。受信機モードでは、信号電子回路のうちの受信機部分(図1では「RX」として示されている)が、信号Sを処理するように制御され、ルーティング・ネットワークは受信機カップリング・モードCRを提供するように制御される。受信機カップリング・モードCRでは、カプラー11，12，13のうちの1つ以上が受信機部分RXに接続される。本実施形態では、積み重なるカプラー11及び12/13の垂直配置が接続される。

一形態では、ルーティング・ネットワーク40は、少なくとも、第1カップリング・モードCT(例えば、図2A)(カプラーのうちの第1セット12，13が信号電子回路20に接続される)と、第2カップリング・モードCR(例えば、図2B)(カプラーのうちの第2セット11，12，13が信号電子回路20に接続される)とを提供するように動作することが可能である。カプラー12，13は、カプラーの第1セット12，13及び第2セット11，12，13双方の一部分であることが、理解されるであろう。別のカップリング・モードが提供されることも可能であり、その場合、カプラーのうちの全部又は一部が1つより多いモードで使用される。

一実施形態では、ルーティング・ネットワーク40は、少なくとも、(i)第1カップリング・モードCT(例えば、図2A)(カプラー配列10のうちの第1カプラー12が信号電子回路20の第1信号ノードTT1に接続される)と、(ii)第2カップリング・モードCR(例えば、図2B)(カプラー配列10のうちの第1カプラー12が信号電子回路20の第2信号ノードTR2に接続され、第2信号ノードTR2は第1信号ノードTT1と異なる)とを提供するように動作することが可能である。別のカップリング・モードが提供されることも可能であり、その場合、カプラーのうち全部又は一部が、異なる信号ノード、又は、同じ信号ノード、又は、それらの組み合わせに接続される。

図3は、スリープ動作モードOWにおける装置100の概略的な形態を示す。リスニング・モードとも言及されるスリープ・モードでは、信号電子回路20のうちのウェークアップ部分WUが、ウェークアップ信号WUSを検出するように制御される。ルーティング・ネットワーク40は、ウェークアップ・カップリング・モードCWを提供するように制御され、カプラー11，12，13のうちの1つ以上がウェークアップ部分WUに接続される。

一形態では、ルーティング・ネットワーク40は、カップリング・モードCWを提供するように構成され、インピーダンス回路41は、信号電子回路20と1つ以上のカプラー11，12，13との間の電気的な経路に接続される。一形態では、モード・セレクタ30は、低インピーダンス・モードと高インピーダンス・モードとの間で装置を切り替えるように動作することが可能であり、モード・セレクタ30は、信号電子回路20とカプラー11，12，13との間のインピーダンス制御回路41を切り替えることにより、カプラーの入力又は出力インピーダンスを変更するために、ルーティング・ネットワーク40を制御するように構成される。

一形態では、ルーティング・ネットワーク40は、ウェークアップ・カップリング・モードCWを提供するように構成され、共振回路41が、ウェークアップ部分WUと1つ以上のカプラー11，12，13との間の電気的な経路に接続される。例えば、共振回路41は、ウェークアップ信号WUSの周波数に一致する共振周波数frを有し、その信号は、スリープ動作モードOWから装置100を起こすために、信号電子回路20のウェークアップ部分WUをトリガする。一形態では、インピーダンス制御回路及び/又は共振回路は例えばRLC回路のような受動回路であり、そのRLC回路は、キャパシタ、レジスタ及び/又はインダクタ等のような1つ以上の受動的な電気要素を有する。起動した後、モード・セレクタ30は、例えばメイン受信モードのような別の動作モードに装置を切り替え、別のカップリング・モードを選択するようにルーティング・ネットワーク40を制御し、例えば、共振回路41を介する経路を省略又は置換する。

図4Aは、高周波モードHFMにおける装置100の概略的な形態を示し、信号電子回路20は相対的に高い周波数の信号SHで動作するように構成される。

図4Bは、低周波モードLFMにおける装置100の概略的な形態を示し、信号電子回路20は相対的に低い周波数(例えば、高周波信号SHより低い周波数)の信号SLで動作するように構成される。一形態では、モード・セレクタは、高周波モードHFMと低周波モードLFMとの間で装置を切り替えるように動作することが可能であり、ルーティング・ネットワーク40は、高周波モードHFMの場合と比較して低い周波数のモードLFMで、信号電子回路20に1つ以上の追加的なカプラー12，14を接続するように制御される。追加的なカプラーを付加することにより、全体のカップリング面積を増やすことが可能になり、面積の増加は、相対的に低い周波数における高効率カップリングをもたらす。

図5Aは、カプラー11，12の垂直配置(重ねられた配置)を有するカプラー配列の一形態を示す。一形態では、(複数の)導電性カプラーは、平行なプレートとして形成され、非導電性材料5により分離される。

図5Bは、非導電性材料5により分離された水平配置(又は隣り合う配置)のカプラー11，12を有するカプラー配列10の一形態を示す。

図5Cは、カプラー配列10の別の形態を示し、カプラー11，12，13，14は、互いに且つ装置の表面101に対して、水平に(隣り合って)及び垂直に(重なって)構成される。

一形態では、カプラー配列10は、装置100の外側表面から第1距離X1の位置に配置される少なくとも第1及び第2カプラー12，13と、外側表面101から第2距離X2の位置に配置される第3カプラーとを含み、第2距離X2は第1距離X2より長い。当然に、異なるカップリング・モードの組み合わせをもたらす他の構成を想定することも可能である。例えば、追加的なカプラーは、重ねられる形式又は隣り合う形式で付加されることが可能である。また、カプラーは組み合わせられることも可能であり、例えば、カプラー11及び12は、図1及び図2に示される形態と同様に、単独のカプラーを形成するように接続されてもよい。

図6Aは、櫛型構造のカプラー配列の形態を示す。一形態では、第1カプラーは第1櫛型構造11を有し、第2カプラーは第2櫛型構造12を有する。各々の櫛型構造は、互いに平行に配置される複数の導電性ライン11a，12aにより形成され、複数の導電性ライン11a，12aは、並列的な導電性ライン11a，12aを横断する導電性ベース・ライン11b，12bにより接続される。第1及び第2櫛型構造11，12は、(この図では示されていない)装置の表面の場所又はその近辺に配置され、第1櫛型構造11の並列的なライン11aが第2櫛型構造12の並列的なライン12aと絡み合って(又は噛み合って)互いに対面している。別の形態では、モード・セレクタはルーティング・ネットワークを制御するように構成され、ルーティング・ネットワークは、高周波モードに切り替わる場合に、第1及び第2カプラーを櫛型構造11，12に接続し、及び、低周波モードに切り替わる場合に、第1及び第2カプラーのうち少なくとも何れかを櫛型構造11，12から分離する。

図6Bは、カプラー配列の一形態を示し、第1カプラー11が第2カプラー12により包囲されている。第1カプラー11、又は、双方のカプラー11及び12を選択的に接続することにより、カップリング面積の拡大が可能になり、例えば、低周波数で優れたカップリングを提供する。

理論に拘束される旨の意向ではないが、電場の生成及びその電場内の信号の伝搬は、キャパシタンスのネットワーク(又は容量網)により理解及び可視化されることが可能である。このネットワークは、キャパシタンスが形成される両端のノードと、チャネル及び個々の通信品質に対する影響を決定する要因とを明らかにすることが可能である。BCCチャネル及び信号伝搬の容量モデルは、シミュレーション及び測定により導出及び検証されることが可能である。そのようなモデルは、最少数のキャパシタンスの容量ネットワークの存在を明らかにすることが可能であり、その容量ネットワークは、様々な利用形態におけるBCCの動作を高精度に表現する。モデルの具体例は図7Aないし7Cに与えられており、注釈は以下の略語を利用している：
b：人体
g：接地基準面
it：送信機のうちの(人体の方に向けられている)内側プレート
ot：送信機のうちの(人体から離れる方に向けられている)外側プレート
ir：受信機のうちの(人体の方に向けられている)内側プレート
or：受信機のうちの(人体から離れる方に向けられている)外側プレート
図面は様々な通信経路の可能性を示しており、その通信経路は、システムの較正により、或いは、ユーザーがBCCデバイスを利用する仕方により決定される。特に：
図7Aは、受信機RX及び送信機TXが近接していない場合におけるBCCシステムのメイン通信経路「P」を示し；
図7Bは、受信機RX及び送信機TXが近接している場合におけるBCCシステムのメイン通信経路「P」を示し；
図7Cは、受信機RX及び送信機TXが(例えば、スマートフォン、ラップトップ等のような)他のデバイスの一部分である場合におけるBCCシステムのメイン通信経路「P」を示す。TX及びRXの間が「近接している」という語句は、それらの間の直接的な容量結合(Cotorとして表現される)が、グランドに対する容量結合(Cotg及びCorgにより与えられる)より高いシステム状態を示す。一形態では、BCC装置は、メイン通信経路を決定するためのセンサーを有し、モード・セレクタは、決定された通信経路に応じて動作モード(例えば、高周波又は低周波)を選択し、そして、対応するカップリング・モードを選択するためにルーティング・ネットワークを制御するように構成される。代替的又は追加的に、センサーは、モード・セレクタを制御するために、装置の身体上の位置を決定するように構成されてよい。モード・セレクタは、他の方法で(例えばユーザー入力に基づいて)、特定のモードを選択し、そして、対応するカップリング・モードを選択するためにルーティング・ネットワークを制御するように、トリガを受けてもよい。

測定例では、TX及びRX双方が水平プレート構成を利用する場合に、減衰は最高であることが見出された。これに対して、水平TXプレート構成が使用される一方、RXは垂直プレート構成を使用する場合、ある周波数範囲に関し、信号強度の観点から約10dBの改善が達成可能である。この効果が生じる実際の周波数は、身体及びチャネル周辺に関するプレートのサイズ及び位置にも依存する。

一実施形態において、システムは、通信動作モードに応じてカプラーの構成を変更し、それにより、TXモードでは全てのカプラーが身体の方に向かって最大の面積を有する一方(図2A)、RXモードではグランド(FGND又はGND)に対するカプラーの面積が、身体の方に向く面積に少なくとも等しい(図2B)。別の形態では、カプラー及び入力インピーダンス回路網が、ウェークアップ信号に関する最良パフォーマンスのために構成される(例えば、図3)。狭帯域ウェークアップ受信機の場合、これは、専用のWU信号のみを処理する受動的なLC/RC共振器により効率的に実現されることが可能である。代替的又は追加的に、能動回路が、WU信号を増幅するために使用されることが可能である。別の形態では、図5及び図6に示されるように、特定のユースケースを有する幾つかの主要なカプラー構成が説明される。これらのカプラーのユースケースは、例えば、特定のBCCリンクを目的として監視し、動作モードを決定することにより、ソフトウェアで確立されることが可能である。場合によっては、BCCが携帯デバイス(例えば、スマートフォン)に組み込まれることに起因して、BCCの用途が変わり得る場合、携帯装置に関する測定が使用され、人体又は環境に対するカプラーの3D位置を決定することが可能である。そのような測定は、加速度計により又は光学的に行われることが可能である。一形態では、モード・セレクタは、身体の位置に基づいて動作モードの間で装置を切り替え、それに応じてカップリング・モードを調整するように構成される。

カプラーの適合は、複数のカプラーがシステムに存在している物理的な構成によって達成される。更に、一組のコンフィギュレーション・スイッチが、例えば、カプラーが接続される仕方を再設定するために、ソフトウェアによって制御されることが可能である。カプラーは、人体及び環境に対して規定される特定の形状又は3D位置を有する物理的な導電性要素を表現してもよい。送信機(Tx)、受信機(Rx)、ウェークアップ(WU)、フローティング・グランド(FGND)及び接地グランド(GND)等のような幾つかの通信ノードの各々は、ルーティング・ネットワークによりカプラーの何れか又はカプラーの組み合わせに接続されることが可能である。インピーダンス制御ブロックは、受動的又は能動的な電子回路のスイッチング・オン/オフにより、ノード・インピーダンスの修正を許容する。カップリング・モード選択ユニットは、所望のルーティングを実現するためにモード設定を解釈する。ソフトウェア及びハードウェア・コンポーネントを有するモード選択ユニットは、特定の動作モードで動作するようにシステム全体を制御してもよい。実施形態で説明されるように、モードは、受信機、ウェークアップ、送信などのような特定の機能を有することが可能であり、或いは、手首、手元、環境内等のような特定のデバイス配置あるいは送信周波数に関連付けられることが可能である。

明確性及び簡潔な記載を目的として、本願では同一の又は別個の実施形態の一部分として、特徴が説明されているが、本発明の範囲は、説明される特徴の全部又は一部の組み合わせを有する実施形態を含んでよいことが、理解されるであろう。例えば、実施形態は、信号電子回路及びカプラーの所定の配置又は組み合わせを有する身体結合デバイスについて示されているが、同様な機能及び結果を達成するために、本開示の利点を有する代替的な方法が当業者によって想定されてよい。例えば、電子コンポーネント及び構造は、1つ又は複数の代替的なコンポーネントに統合又は分割されてもよい。説明及び図示される実施形態の様々な要素は、動作モードに基づいて、例えばカップリング効率を適合させること等のような所定の利点を提供する。当然に、上記実施形態又はプロセスのうちの任意の何れも、設計及び利点を発見して合致させることで更なる改善を提供するように、1つ以上の他の実施形態又はプロセスと組み合わせられてもよいことが、認められるべきである。本開示は、特定の利点を身体結合通信にもたらすこと、及び、一般に如何なるアプリケーションへの適用も可能なことが認められ、カップリング効率は動作モードに応じて変化してよい。

添付の特許請求の範囲を解釈する際には、「有する(comprising)」という言葉は、所与の請求項に列挙されているもの以外の他の要素又は処理の存在を亜非除していないこと；要素に先行する「ある(“a” or “an”)」という言葉はそのような要素が複数個存在することを排除していないこと；請求項の中に何らかの参照符号が存在する場合、その参照符号は請求項の範囲を限定しないこと；複数個の「手段」は同一又は異なるアイテム又は実現構造若しくは機能により表現されてもよいこと；任意の開示されるデバイス又はその一部分は、具体的に別意の言及がされない限り、一緒に統合されてもよいし或いは複数の別の部分に分離されてもよいことが、理解されるべきである。所定の複数の事項が互いに異なる請求項で引用されているという単なる事実は、これらの事項の組み合わせが有利に使用できないことを意味しない。特に、請求項の全ての可能な組み合わせが本来的に開示されているものと考えられる。

本開示の第2側面は身体結合通信のための方法を提供する。本方法は、人間又は動物の身体の場所又はその近辺に身体結合通信装置を提供することを含む。本方法は、装置を第1動作モードに設定し、動作モードに応じて信号を処理及び/又は生成することを更に含む。本方法は第1カップリング・モードを選択することを更に含み、第1カップリング・モードを選択することは、装置及び身体の間のカップリング・インピーダンスを決定するように構成される第1カプラーを選択することを含む。本方法は、第1カップリング・モードで装置及び身体の間で信号をつなぐことによって、第1動作モードで身体を介して信号を送信及び/又は受信することを更に含む。本方法は、装置を第2動作モードに切り替え、装置の第2動作モードに基づいて第2カップリング・モードを選択することを更に含み、第2動作モードを選択することは第2カプラーを選択することを含み、第2カップリング・モードは、装置及び身体の間で、第2カップリング・インピーダンスを有する。

Claims (15)

1. 人間又は動物の身体の場所又はその近辺に配置され、前記身体を介して信号を送信及び/又は受信するように構成される身体結合通信装置であって：
   装置及び身体の間で信号をつなぐように構成される複数のカプラーを含むカプラー配列；
   前記装置の動作モードに依存して、前記信号を処理及び/又は生成するように構成される信号電子回路；
   前記信号電子回路及び前記カプラーの間で前記信号の可変ルーティングを提供するように構成されるルーティング・ネットワークであって、前記可変ルーティングにより、前記カプラー配列の個々のカップリング・モードの間で選択を行い、個々のカップリング・モードの各々は、前記装置及び前記身体の間において、その間で前記信号をつなぐために個々のカップリングを提供する、ルーティング・ネットワーク；及び
   前記動作モード間で前記装置を切り替え、前記装置の動作モードに基づいて前記個々のカップリング・モード間で選択を行うために前記ルーティング・ネットワークを制御するように構成されるモード・セレクタ；
   を有する身体結合通信装置。
2. 前記モード・セレクタは：
   送信機動作モードであって、前記信号電子回路のうちの送信機部分が、前記信号を生成するように制御され、前記ルーティング・ネットワークは、送信機カップリング・モードを提供するように制御され、前記カプラーのうちの1つ以上が送信機部分に接続される、送信機動作モード；
   受信機動作モードであって、前記信号電子回路のうちの受信機部分が、前記信号を処理するように制御され、前記ルーティング・ネットワークは受信機カップリング・モードを提供するように制御され、前記カプラーのうちの1つ以上が受信機部分に接続される、受信機動作モード；及び
   スリープ動作モードであって、前記信号電子回路のうちのウェークアップ部分が、ウェークアップ信号を検出するように制御され、前記ルーティング・ネットワークは、ウェークアップ・カップリング・モードを提供するように制御され、前記カプラーのうちの1つ以上が前記ウェークアップ部分に接続される、スリープ動作モード；
   のうちの2つ以上の間で前記装置を切り替えるように動作することが可能である、請求項1に記載の身体結合通信装置。
3. 前記ルーティング・ネットワークは、少なくとも：
   前記カプラーのうちの第1セットが前記信号電子回路に接続される第1カップリング・モード；及び
   第2カップリング・モードであって、前記カプラーのうちの第2セットが前記信号電子回路に接続され、1つ以上のカプラーは、前記カプラーの第1セット及び第2セット双方の一部分である、第2カップリング・モード；
   を提供するように動作することが可能である、請求項1又は2に記載の身体結合通信装置。
4. 前記ルーティング・ネットワークは、少なくとも：
   前記カプラー配列のうちの第1カプラーが前記信号電子回路の第1信号ノードに接続される第1カップリング・モード；及び
   前記カプラー配列のうちの第1カプラーが、前記第1信号ノードとは異なる前記信号電子回路の第2信号ノードに接続される第2カップリング・モード；
   を提供するように動作することが可能である、請求項1ないし3のうちの何れか一項に記載の身体結合通信装置。
5. 前記カプラー配列は、前記カプラーとして動作する個々に接続可能な複数の導電性プレートを含む、請求項1ないし4のうちの何れか一項に記載の身体結合通信装置。
6. 前記導電性プレートは、装置の外側表面に平行に配置される、請求項5に記載の身体結合通信装置。
7. 前記カプラー配列は、少なくとも：
   装置の外側表面から第1距離の位置に配置される第1及び第2カプラー；及び
   前記外側表面から第2距離の位置に配置される第3カプラーであって、前記第2距離は前記第1距離より長い、第3カプラー；
   を有する、請求項1ないし6のうちの何れか一項に記載の身体結合通信装置。
8. 前記モード・セレクタは、前記装置を：
   前記信号電子回路が相対的に低い周波数の信号で動作するように構成される低周波モード；
   前記信号電子回路が、前記低い周波数の信号よりも相対的に高い周波数の信号で動作するように構成される高周波モード；
   の間で切り替えるように動作することが可能であり、前記ルーティング・ネットワークは、前記高周波モードと比較して低い低周波モードで、1つ以上の追加的なカプラーを前記信号電子回路に接続し、前記カプラーの全体的なカップリング面積を増やすように制御される；
   請求項1ないし7のうちの何れか一項に記載の身体結合通信装置。
9. 第1カプラーが第1櫛型構造を有し、第2カプラーが第2櫛型構造を有し；
   各々の櫛型構造は、互いに平行に配置される複数の導電性ラインにより形成され、複数の導電性ラインは、平行な導電性ラインを横断する導電性ベース・ラインにより接続され；
   前記第1及び第2櫛型構造は、前記装置の表面又はその近辺に配置され、前記第1櫛型構造11の平行なラインが前記第2櫛型構造の平行なラインと噛み合って互いに対面している；
   請求項1ないし8のうちの何れか一項に記載の身体結合通信装置。
10. 前記モード・セレクタは前記ルーティング・ネットワークを制御するように構成され、前記ルーティング・ネットワークは、高周波モードに切り替わる場合に、前記第1及び第2カプラーを櫛型構造に接続し、及び、低周波モードに切り替わる場合に、前記第1及び第2カプラーのうち少なくとも何れかを櫛型構造から分離する、請求項9に記載の身体結合通信装置。
11. 前記ルーティング・ネットワークはカップリング・モードを提供するように構成され、インピーダンス制御回路は、前記信号電子回路と1つ以上のカプラーとの間の電気経路に接続される、請求項1ないし10のうちの何れか一項に記載の身体結合通信装置。
12. 前記ルーティング・ネットワークはウェークアップ・カップリング・モードを提供するように構成され、ウェークアップ部分と1つ以上のカプラーとの間の電気経路に共振回路が接続され、前記共振回路は、ウェークアップ信号の周波数に一致する共振周波数を有し、ウェークアップ信号は、スリープ動作モードから前記装置を起こすように、前記信号電子回路のウェークアップ部分をトリガする、請求項1ないし11のうちの何れか一項に記載の身体結合通信装置。
13. 前記モード・セレクタは、低インピーダンス・モードと高インピーダンス・モードとの間で装置を切り替えるように動作することが可能であり、前記モード・セレクタはルーティング・ネットワーク40を制御するように構成され、前記ルーティング・ネットワークは、前記信号電子回路と前記カプラーとの間のインピーダンス制御回路を切り替えることにより、前記カプラーの入力又は出力インピーダンスを変更する、請求項1ないし12のうちの何れか一項に記載の身体結合通信装置。
14. 身体結合通信のための方法であって：
    人間又は動物の身体の場所又はその近辺に身体結合通信装置を配置すること；
    装置を第1動作モードに設定し、動作モードに応じて信号を処理及び/又は生成すること；
    前記装置及び前記身体の間のカップリングを決定する第1カップリング・モードを選択すること；
    前記第1カップリング・モードで前記装置及び前記身体の間で前記信号をつなぐことによって、前記第1動作モードで前記身体を介して前記信号を送信及び/又は受信すること；及び
    前記装置を第2動作モードに切り替え、前記装置の第2動作モードに基づいて第2カップリング・モードを選択すること；
    を有し、前記第2カップリング・モードは、前記装置における前記信号の異なるルーティングにより、前記装置及び前記身体の間で、前記第1カップリング・モードの場合とは異なる別のカップリングを提供する、方法。
15. 請求項14に記載の方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。
    

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