JP2020162072A

JP2020162072A - 送信装置

Info

Publication number: JP2020162072A
Application number: JP2019062180A
Authority: JP
Inventors: 葵一新津; Kiichi Niitsu; 賢哉林; Masaya Hayashi; 敦希小林; Atsuki Kobayashi
Original assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP7265756B2

Abstract

【課題】キャリア信号の周波数よりも低い周波数を使用しながら消費電力を低減する技術を提供する。【解決手段】信号器２１６は、第１状態において第１周波数の信号を送信し、第２状態において送信を停止する。スイッチ回路２２４は、信号器２１６における第１状態と第２状態とを切りかえる。発振回路２１２は、受けつけた電圧に含まれた情報に応じた発振信号２５０を生成する。制御回路２２６は、発振信号２５０をもとに、第１状態と第２状態のいずれかを選択するための制御信号２５２を生成し、制御信号２５２をスイッチ回路２２４に供給する。コンデンサ２２０は、配線２１８と、固定電位２２２との間に設けられる。信号器２１６が第１状態から第２状態に切りかえられた場合の第１周波数の信号の包絡線は、第１周波数よりも低い第２周波数を有し、コンデンサ２２０の容量に応じて第２周波数が定められる。【選択図】図２

Description

本開示は、送信技術に関し、特に信号を送信する送信装置に関する。

パルスを用いた短時間の通信は、低消費電力であるので、コイン型バッテリやエナジーハーベスタのような限られたエネルギー源により動作するセンサノードでの使用に適する。このような通信では、キャリア生成器によって生成されるキャリア信号が、送信データに応じて生成されたエンベロープ信号によって変調される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８−６７８２０号公報

キャリア信号に使用される周波数は、回路サイズ等を考慮すると、例えば、数百ＭＨｚからＧＨｚにされる。しかしながら、それよりも低い周波数の使用が望まれる場合もある。その場合においても低消費電力化が求められる。

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところの１つは、キャリア信号の周波数よりも低い周波数を使用しながら消費電力を低減する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本開示のある態様の送信装置は、送信すべき情報が含まれた電圧を受けつける入力回路と、入力回路において受けつけた電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路によって昇圧された電圧が供給され、第１状態において第１周波数の信号を送信し、第２状態において送信を停止する信号器と、信号器における第１状態と第２状態とを切りかえるスイッチ回路と、入力回路において受けつけた電圧に含まれた情報に応じた発振信号を生成する発振回路と、発振回路において生成された発振信号をもとに、第１状態と第２状態のいずれかを選択するための制御信号を生成し、制御信号をスイッチ回路に供給する制御回路と、昇圧回路と信号器とを接続する配線と、固定電位との間に設けられるコンデンサとを備える。信号器が第１状態から第２状態に切りかえられた場合の第１周波数の信号の包絡線は、第１周波数よりも低い第２周波数を有する。コンデンサの容量に応じて第２周波数が定められる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

本開示によれば、キャリア信号の周波数よりも低い周波数を使用しながら消費電力を低減できる。

本実施例に係る情報収集システムの構成を示す図である。図１の送信部の構成を示す図である。図３（ａ）−（ｂ）は、図２における信号を示す図である。図４（ａ）−（ｂ）は、図２の送信部から送信される信号を示す図である。図２の送信部から送信される信号のスペクトルを示す図である。

本開示の実施例を具体的に説明する前に、基礎となった知見を説明する。本実施例は、生体の状態の観察、あるいは研究に有用なデータの取得等を目的として、生体から生体情報を計測しながら、得られた生体情報を送信する送信装置に関する。このような送信装置は、受信装置、サーバとともに情報収集システムに含まれる。例えば、送信装置は、血糖値のセンサ機能を備え、装着者の血液中の血糖値濃度を取得し、血糖値濃度の情報を受信装置に送信する。受信装置はサーバに接続されて、サーバは血糖値を収集する。装着者に取り付けられる送信装置には、小型・軽量化が望まれる。そのため、送信装置は、バッテリから供給される電力により駆動するのではなく、グルコースバイオ燃料電池により発電された電力により駆動する。つまり、センサ機能とグルコースバイオ燃料電池とが一体化されるので小型・軽量化が可能になるが、グルコースバイオ燃料電池により発電される電力は大きくないので、送信装置には低消費電力化が求められる。

送信装置の低消費電力化を実現するために、前述のような、パルスを用いた短時間の通信が実行される。一方、送信装置のようなウエアラブルデバイスにおける通信方式は、国際標準規格のＩＥＥＥ８０２．１５．６により標準化されており、例えば、２１ＭＨｚの周波数の使用が求められる。しかしながら、パルスを用いた短時間の通信におけるキャリア生成器において２１ＭＨｚのキャリア信号を生成させる場合、キャリア生成器のサイズが大きくなってしまい、実現性が低くなる。そのため、送信装置には、２１ＭＨｚのような低い周波数を使用しながら、消費電力を低減することが求められる。

図１は、情報収集システム１０００の構成を示す。情報収集システム１０００は、送信装置１００、受信装置５００、サーバ６００を含み、送信装置１００には生体液接触部１０が接続され、送信装置１００は糖発電部２０、送信部２００を含む。送信装置１００は、生体分子検出装置であり、装着者に取り付けられる。装着者に取り付けられる送信装置１００の数は「１」より多くてもよい。

生体液接触部１０は、例えば針であり、装着者に挿入され、装着者の血液を吸引する。糖発電部２０は、生体液接触部１０からの血液を受けつける。糖発電部２０は、前述のグルコースバイオ燃料電池であり、受けつけた血液に対して、白金触媒による血糖値分解反応を起こさせる。この血糖値分解反応によって発電がなされる。ここで、血糖値濃度により、白金触媒が接する血糖値の量が変化するので、糖発電の発電量は、血糖値濃度に応じて変化する。つまり、血糖値濃度が高くなるほど、電子伝達効率が高くなるので、発電量が多くなる。糖発電部２０は、発電した電力を送信部２００に供給する。送信部２００に供給される電力は血糖値濃度に応じて変化するので、電力は、血糖値濃度の情報を含むといえる。

送信部２００は、電圧に含まれた血糖値濃度の情報をパルス信号の頻度にコード化して受信装置５００に送信する。例えば、送信部２００は、検出可能な血糖値濃度の範囲、または着目する血糖値濃度の範囲内において、血糖値濃度に応じてパルス信号の頻度を変化させる。例えば、血糖値濃度が高い場合は、低い場合と比べて、より高い頻度でパルス信号が送信される。また、血糖値濃度に応じてパルス信号の頻度が変化するものであれば、パルス列に生体情報をコード化する方法は限定されない。さらに、パルス信号の形状や無線送信信号の周波数等に生体情報がコード化されてもよい。

受信装置５００は、例えば、スマートフォン等の携帯端末であり、送信部２００からのパルス信号を受信する。受信装置５００は、受信したパルス信号から血糖値濃度の情報を抽出する。受信装置５００は、血糖値濃度の情報が含まれた信号をサーバ６００に送信する。また、受信装置５００は、ディスプレイを備え、ディスプレイに血糖値濃度の情報を表示してもよい。

サーバ６００は、受信装置５００からの信号を受信することによって、送信装置１００の装着者の血糖値濃度の情報を取得する。サーバ６００は、血糖値濃度を解析し、解析結果あるいは生活上のアドバイス等が含まれた信号を受信装置５００に送信する。受信装置５００のディスプレイは、サーバ６００からの解析結果、あるいは生活上のアドバイス等を表示する。

この構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ハードウエアとソフトウエアの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

図２は、送信部２００の構成を示す。送信部２００は、入力回路２１０、発振回路２１２、昇圧回路２１４、信号器２１６、配線２１８、コンデンサ２２０、固定電位２２２、スイッチ回路２２４、制御回路２２６を含む。入力回路２１０は、図１の糖発電部２０に接続され、糖発電部２０から電圧（Ｖ_ＩＮ）を受けつける。前述のごとく、電圧には、送信すべき情報、つまり血糖値濃度の情報が含まれており、血糖値濃度に応じて電圧の大きさが変動する。図３（ａ）−（ｂ）は、信号を示す。図３（ａ）は、入力回路２１０に入力される電圧の時間変化の一例を示す。これは、血糖値濃度の時間変化ともいえる。図３（ｂ）は後述し、図２に戻る。

入力回路２１０には発振回路２１２が接続されるとともに、入力回路２１０と発振回路２１２との配線と、固定電位２２２、例えば接地電位との間には、コンデンサ２２８が接続される。発振回路２１２は、第１ループ２３０と第２ループ２３２とが並列に配置された自己発振電圧ダブラ（Ｓｅｌｆ−ＯｓｃｉｌｌａｔｉｎｇＶｏｌｔａｇｅＤｏｕｂｌｅｒ）であり、第１ループ２３０と第２ループ２３２は複数のコンデンサ２４４により接続される。第１ループ２３０と第２ループ２３２は、１より大きい奇数のＮＯＴゲート２４０と１より大きい奇数の遅延素子２４２とが環状に接続されるリング発振器である。第１ループ２３０は、発振回路２１２に入力した電圧の２倍の電圧（Ｖ_２Ｘ）を生成し、生成した電圧を昇圧回路２１４に供給する。

第２ループ２３２は、入力回路２１０において受けつけた電圧に含まれた情報に応じた発振信号２５０を生成する。具体的に説明すると、各ＮＯＴゲート２４０を構成するインバータ素子は、糖発電部２０からの電圧を電源電圧として動作する。第２ループ２３２は、一定の時間間隔で、その時の糖発電による電圧に応じた周波数で発振する。インバータ素子は、電源電圧が高ければ高い程高速に動作する。そのため、糖発電量が大きい、つまり糖発電部２０が接する血糖値濃度が高ければ、一定の時間間隔で検出される糖発電部２０からの電圧が大きくなるので、第２ループ２３２において生成される発振信号２５０の周波数は高くなる。第２ループ２３２において生成された発振信号２５０は昇圧回路２１４と制御回路２２６に出力される。

昇圧回路２１４は、発振信号２５０において２倍にされた電圧（Ｖ_２Ｘ）を受けつける。昇圧回路２１４には、複数のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ−ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２６０が直列に接続され、発振信号２５０をもとに、受けつけた電圧を段階的に昇圧する。昇圧回路２１４は、昇圧した電圧（Ｖ_ＯＵＴ）を信号器２１６に供給する。

信号器２１６は、ＭＯＳＦＥＴ２６０、コイル２８０を含み、単安定のクロスカップル回路として、パワーアンプ、またはパワーオシレータ等の増幅回路、発振回路として動作する。このような信号器２１６は、昇圧回路２１４によって昇圧された電圧を受け、第１状態において第１周波数の信号を送信し、第２状態において送信を停止する。ここで、第１状態は、信号器２１６が動作する状態を示し、第２状態は、信号器２１６が動作しない状態を示す。第１状態と第２状態は、スイッチ回路２２４と制御回路２２６とによって制御されるので後述する。また、第１周波数の信号は、例えば、２．４ＧＨｚ帯〜数十ＧＨｚ周波数帯のマイクロ波であり、ここでは約１０ＧＨｚであるとする。また、信号器２１６と昇圧回路２１４とを接続する配線２１８と、固定電位２２２との間には、コンデンサ２２０が設けられる。コンデンサ２２０については後述する。

制御回路２２６は、分周器２７０、パルス発生回路２７２、レベルシフタ２７４、ＮＯＴゲート２４０を含む。分周器２７０は、発振回路２１２からの発振信号２５０を受けつけ、発振信号２５０の周波数を整数分の１に低下させる。パルス発生回路２７２は、分周器２７０において分周された発振信号２５０を受けつけ、低オン・オフ比のパルス列を生成する。レベルシフタ２７４は、パルス発生回路２７２において生成されたパルス列のレベルを変換する。ＮＯＴゲート２４０は、レベルシフタ２７４においてレベルが変換されたパルス列を制御信号２５２としてスイッチ回路２２４に供給する。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の電圧の時間変化、つまり血糖値濃度の時間変化に対応した制御信号２５２の時間変化を示す。制御信号２５２は、「Ｈｉ」レベルと「Ｌｏｗ」レベルによって示されるパルス信号であり、血糖値濃度が高くなるほど、つまり発振信号２５０の周波数が高くなるほど、「Ｈｉ」レベルを有するパルス信号の間隔を短くする。図示のごとく、血糖値濃度に応じて、「Ｈｉ」レベルを有するパルス信号の間隔が、「Ｔ１」、「Ｔ２」、「Ｔ３」のように変えられる。「Ｔ１」＜「Ｔ２」＜「Ｔ３」である。ここで、「Ｈｉ」レベルを第１値と呼ぶ場合、「Ｌｏｗ」レベルは第２値と呼ばれる。第１値が前述の第１状態に対応し、第２値が前述の第２状態に対応する。そのため、制御信号２５２は、第１状態と第２状態のいずれかを選択するための信号であるといえる。図２に戻る。

スイッチ回路２２４は、信号器２１６と固定電位２２２との間に配置される。スイッチ回路２２４は、ＭＯＳＦＥＴ２６０を含み、ＭＯＳＦＥＴ２６０のゲート端子には、制御回路２２６からの制御信号２５２が入力される。スイッチ回路２２４におけるＭＯＳＦＥＴ２６０は、制御回路２２６からの制御信号２５２が第１値を示す場合にオン状態になるので、信号器２１６を第１状態にさせる。その結果、信号器２１６から第１周波数の信号が発振される。一方、スイッチ回路２２４におけるＭＯＳＦＥＴ２６０は、制御回路２２６からの制御信号２５２が第２値を示す場合にオフ状態になるので、信号器２１６を第２状態にさせる。その結果、信号器２１６における発振が停止される。つまり、制御信号２５２によって、信号器２１６における第１状態と第２状態とが切りかえられる。このように制御回路２２６は、血糖値濃度等の情報に応じてパルス間隔変調を実行することによって、第１周波数の信号を生成する。

図４（ａ）−（ｂ）は、送信部２００から送信される信号を示す。図４（ａ）は、図３（ｂ）に対応した第１周波数の信号の時間変化を示す。図示のごとく、第１周波数のパルス信号の間隔が、「Ｔ１」、「Ｔ２」、「Ｔ３」のように変えられる。ここでも、「Ｔ１」＜「Ｔ２」＜「Ｔ３」である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示される第１周波数の信号に含まれる１つのパルス信号を示す図である。制御信号２５２が第１値から第２値に切りかえられることによって、スイッチ回路２２４がオン状態からオフ状態に切りかえられると、信号器２１６が第１状態から第２状態に切りかえられる。このような状態遷移によって、パルス信号に対する包絡線２５４が、第１周波数よりも低い第２周波数を示す。第２周波数は、図２のコンデンサ２２０の容量に応じて定められる。具体的に説明すると、信号器２１６での電流を「Ｉ」と示し、第２周波数を「ｆ」とすると、コンデンサ２２０の容量Ｃは、Ｃ＝Ｉ／（Ｖ_ＯＵＴ・ｆ）のように示される。ここでは、第２周波数「ｆ」が「２１ＭＨｚ」となるようにコンデンサ２２０の容量Ｃが定められる。

図５は、送信部２００から送信される信号のスペクトルを示す。スペクトルは、１０ＧＨｚと２１ＭＨｚにピークを有する。１０ＧＨｚのピークは、信号器２１６から送信される第１周波数の信号に対応し、２１ＭＨｚのピークは、包絡線２５４に対応する。つまり、前述のごとくコンデンサ２２０の容量Ｃを設定することによって、送信部２００から送信される信号には、２１ＭＨｚのような低い周波数が含まれる。

本実施例によれば、第１周波数の信号の包絡線が、第１周波数よりも低い第２周波数を有し、かつコンデンサの容量に応じて第２周波数が定められるので、キャリア信号の周波数よりも低い周波数を使用できる。また、制御信号によって第２状態にされる場合には信号器からの送信が停止されるので、消費電力を低減できる。また、信号器は、２．４ＧＨｚ帯〜数十ＧＨｚ周波数帯のマイクロ波を発振するので、回路のサイズの増加を抑制できる。また、コンデンサの容量Ｃは、第２周波数ｆを使用して定められるので、所望の第２周波数ｆとなるようにコンデンサの容量Ｃを設定できる。また、供給されると電圧と、送信すべき情報とが兼用されるので、構成を簡易にできる。また、電圧の大きさに応じて、発振信号の周波数、制御信号の第１値の間隔が調節されるので、第１状態あるいは第２状態になるように信号器を制御できる。

本開示の一態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様の送信装置は、送信すべき情報が含まれた電圧を受けつける入力回路と、入力回路において受けつけた電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路によって昇圧された電圧が供給され、第１状態において第１周波数の信号を送信し、第２状態において送信を停止する信号器と、信号器における第１状態と第２状態とを切りかえるスイッチ回路と、入力回路において受けつけた電圧に含まれた情報に応じた発振信号を生成する発振回路と、発振回路において生成された発振信号をもとに、第１状態と第２状態のいずれかを選択するための制御信号を生成し、制御信号をスイッチ回路に供給する制御回路と、昇圧回路と信号器とを接続する配線と、固定電位との間に設けられるコンデンサとを備える。信号器が第１状態から第２状態に切りかえられた場合の第１周波数の信号の包絡線は、第１周波数よりも低い第２周波数を有する。コンデンサの容量に応じて第２周波数が定められる。

この態様によると、第１周波数の信号の包絡線が、第１周波数よりも低い第２周波数を有し、かつコンデンサの容量に応じて第２周波数が定められるので、キャリア信号の周波数よりも低い周波数を使用しながら消費電力を低減できる。

コンデンサの容量Ｃは、信号器での電流Ｉ、昇圧回路によって昇圧された電圧Ｖ、第２周波数ｆをもとに、Ｃ＝Ｉ／（Ｖ・ｆ）にされてもよい。この場合、コンデンサの容量Ｃは、第２周波数ｆを使用して定められるので、所望の第２周波数ｆとなるようにコンデンサの容量Ｃを設定できる。

入力回路において受けつける電圧の大きさは情報に応じて変動してもよい。この場合、供給されると電圧と、送信すべき情報とが兼用されるので、構成を簡易にできる。

発振回路において生成される発振信号の周波数は、入力回路において受けつける電圧の大きさが大きくなると高くなり、制御回路において生成される制御信号は、第１値あるいは第２値によって示されるパルス信号であり、発振回路において生成される発振信号の周波数が高くなると、第１値の間隔を短くし、スイッチ回路は、制御回路からの制御信号が第１値を示す場合に、信号器を第１状態にさせ、制御回路からの制御信号が第２値を示す場合に、信号器を第２状態にさせてもよい。この場合、電圧の大きさに応じて、発振信号の周波数、制御信号の第１値の間隔が調節されるので、第１状態あるいは第２状態になるように信号器を制御できる。

以上、本開示を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本実施例において、糖発電部２０は、血液中の血糖値濃度をもとに発電を実行している。しかしながらこれに限らず例えば、糖発電部２０は、涙中の血糖値濃度をもとに発電を実行してもよい。本変形例によれば、構成の自由度を向上できる。

本実施例において、送信装置１００は、血糖値濃度のセンサ機能を有する。しかしながらこれに限らず例えば、送信装置１００は、照度センサ機能を有してもよい。その際、送信装置１００では、フォトダイオードによる光検出がなされるとともに、光による発電もなされる。本変形例によれば、本開示の適用範囲を拡大できる。

１０生体液接触部、２０糖発電部、１００送信装置、２００送信部、２１０入力回路、２１２発振回路、２１４昇圧回路、２１６信号器、２１８配線、２２０コンデンサ、２２２固定電位、２２４スイッチ回路、２２６制御回路、２２８コンデンサ、２３０第１ループ、２３２第２ループ、２４０ＮＯＴゲート、２４２遅延素子、２４４コンデンサ、２５０発振信号、２５２制御信号、２５４包絡線、２６０ＭＯＳＦＥＴ、２７０分周器、２７２パルス発生回路、２７４レベルシフタ、２８０コイル、５００受信装置、６００サーバ、１０００情報収集システム。

Claims

送信すべき情報が含まれた電圧を受けつける入力回路と、
前記入力回路において受けつけた電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路によって昇圧された電圧が供給され、第１状態において第１周波数の信号を送信し、第２状態において送信を停止する信号器と、
前記信号器における第１状態と第２状態とを切りかえるスイッチ回路と、
前記入力回路において受けつけた電圧に含まれた情報に応じた発振信号を生成する発振回路と、
前記発振回路において生成された発振信号をもとに、第１状態と第２状態のいずれかを選択するための制御信号を生成し、制御信号を前記スイッチ回路に供給する制御回路と、
前記昇圧回路と前記信号器とを接続する配線と、固定電位との間に設けられるコンデンサとを備え、
前記信号器が第１状態から第２状態に切りかえられた場合の第１周波数の信号の包絡線は、第１周波数よりも低い第２周波数を有し、
前記コンデンサの容量に応じて第２周波数が定められることを特徴とする送信装置。
前記コンデンサの容量Ｃは、前記信号器での電流Ｉ、前記昇圧回路によって昇圧された電圧Ｖ、第２周波数ｆをもとに、Ｃ＝Ｉ／（Ｖ・ｆ）にされることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
前記入力回路において受けつける電圧の大きさは情報に応じて変動することを特徴とする請求項１または２に記載の送信装置。
前記発振回路において生成される発振信号の周波数は、前記入力回路において受けつける電圧の大きさが大きくなると高くなり、
前記制御回路において生成される制御信号は、第１値あるいは第２値によって示されるパルス信号であり、前記発振回路において生成される発振信号の周波数が高くなると、第１値の間隔を短くし、
前記スイッチ回路は、前記制御回路からの制御信号が第１値を示す場合に、前記信号器を第１状態にさせ、前記制御回路からの制御信号が第２値を示す場合に、前記信号器を第２状態にさせることを特徴とする請求項３に記載の送信装置。