JP4099484B2 - 通信システム。 - Google Patents

Description

本発明は、電磁界を用いて通信を行う通信システムに関し、特に、人体に誘起させた電磁界を用いて通信を行う通信システムに関するものである。

人体に誘起させた電磁界を用いて通信を行う通信システムとしては、送信機において、通信情報を変調して生成した電位信号を容量結合などにより人体に印加することにより、人体周りに電界を誘起させると共に、受信機において、人体が誘起した電界強度を検出し、検出した電界強度から通信情報を復調する通信システムが知られている（たとえば、特許文献１、２、３）。

ここで、これらの通信システムでは、受信機における電界強度の検出は、人体近傍に配置した電極を介して人体周りの電界を電気光学結晶に結合し、電界強度を電気光学結晶の偏光特性の変化として検出（特許文献１、特許文献２）したり、人体周りの電界下に配置した電極にゲートを接続したFETを設け、当該FETの出力から電界強度を検出（特許文献３）することにより行われている。
特開2001-298425号公報 特開2001-352298号公報 特開2004-282733号公報

前記電気光学結晶を電界強度の検出に用いる技術によれば、電気光学結晶の他に電気光学結晶の偏光特性を測定するためのレーザ装置などが必要となるため、受信機が複雑、高コストになる。
一方、人体周りの電界下に配置した電極にゲートを接続したFETを設ける技術によれば、ゲート電圧がFETのグランドから浮遊し、その動作範囲が保証されないために、安定した通信動作は望めない。
また、一般環境では各種電気製品の発生する電界ノイズが比較的大きいために、人体に誘起した電界を検出する前記各技術によれば、安定した通信を行えない場合が生じえる。
そこで、本発明は、人体に誘起させた電磁界を用いて通信を行う通信システムにおいて、安定した受信動作を、より簡易な受信機の構成によって実現することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、導電性のある伝送媒体に通信情報を変調した送信信号を印加し、前記伝送媒体周辺に電界を誘起させる送信装置と、前記伝送媒体が誘起した電界強度を検出し、検出した電界強度から前記通信情報を復調する受信装置とを有する通信システムにおいて、前記受信装置に、前記伝送媒体が誘起した電界強度を検出する電界検出部を設け、当該電界検出部を、前記送信装置と当該受信装置との通信時に前記伝送媒体が近接または接触される受信電極と、コイルと、前記コイルの中央孔に近接させて配置したセンサ電極と、前記受信電極と前記センサ電極を接続する導電線と、前記コイルに誘起された電流に基づいて、前記電界強度を表す信号を出力する電界強度信号生成回路とより構成したものである。

このような通信システムによれば、電界によってセンサ電極等に誘起された電流が誘起する磁束をコイルを用いて検出する、電界強度を電気光学結晶の偏光特性の変化として検出する構成に比べ、極めてシンプルで低コストの受信機の構成によって、電界強度の変化を安定的に検出することができるようになる。

ここで、このような通信システムは、前記電界検出部に、前記コイルの中央孔に挿入された形態で配置された磁性体コアを設け、前記センサ電極を、前記磁性体コアの端面上に当該端面に密着させて配置することが好ましい。
このようにすることにより、電界検出部の感度をより向上することができる。

また、この場合には、たとえば、前記センサ電極の全体または前記センサ電極の周縁部を前記磁性体コア上に封止する、空気よりも透磁率の大きい封止体を備えて構成するようにしてもよい。
このようにすることにより、磁束のコイル外への漏洩を軽減して、電界検出部の感度を向上することができる。
または、たとえば、前記磁性体コアと当該磁性体に巻き回されたコイルとの組を複数設けると共に、前記センサ電極を、前記磁性体コアと当該磁性体に巻き回されたコイルの各組の磁性体コアの端面の間に挟まれた形態で、前記各組の磁性体コアの端面に密着させるようにしてもよい。
このようにしても、磁束のコイル外への漏洩を軽減して、電界検出部の感度を向上することができる。

また、前記課題達成のために、本発明は、導電性のある伝送媒体に通信情報を変調した送信信号を印加し、前記伝送媒体周辺に電磁界を誘起させる送信装置と、前記伝送媒体が誘起した電磁界強度を検出し、検出した電磁界強度から前記通信情報を復調する受信装置とより通信システムを構成すると共に、前記受信装置に、前記伝送媒体が誘起した電磁界強度を検出する電磁界検出部を備え、当該電磁界検出部を、コイルと、前記コイルの中央孔に近接させて配置した、前記送信装置と当該受信装置との通信時に前記伝送媒体が近接または接触されるセンサ電極と、前記コイルに誘起された電流に基づいて、前記電磁界強度を表す信号を出力する電磁界強度信号生成回路とより構成したものである。

このような通信システムによれば、受信電極を省略した、より簡易な構成において安定した通信を行うことが可能となる。
なお、このような通信システムにおいて、電磁界検出部の前記コイルの中央孔に挿入された形態で配置された磁性体コアを設け、前記センサ電極は、前記磁性体コアの端面上に当該端面に密着させて配置するようにすることも好ましい。
このようにすることにより、電磁界強度検出部の感度をより向上することができる。
ここで、以上の通信システムにおける、前記伝送媒体は、人体または生体であってもよい。
また、前記課題達成のために、本発明は、生体に通信情報を変調した送信信号を印加し、前記生体周辺に静電磁界または誘導電磁界を誘起させる送信装置と、受信装置とより通信システムを構成すると共に、前記受信装置に、前記生体が誘起した電磁界の磁界成分強度を検出する磁界検出部を設け、前記磁界検出部を、前記送信装置と当該受信装置との通信時に前記伝送媒体が近接または接触される磁界センサと、前記磁界センサの出力に基づいて、前記磁界成分強度を表す信号を出力する磁界強度信号生成回路とより構成したものである。ここで、前記磁界センサとしては、たとえば、ループアンテナを用いることができる。

このような通信システムによれば、生体と受信装置間の伝送に、電界ではなく、電界に比べ周辺ノイズの少ない磁界を用いるので電界を用いて伝送を行う場合に比べ、安定した通信を行えるようになる。

以上のように、本発明によれば、人体に誘起させた電磁界を用いて通信を行う通信システムにおいて、安定した受信動作を、より簡易な受信機の構成によって実現することができる。

以下、本発明の通信システムの一実施形態について人体通信への適用を例にとり説明する。
まず、第１の実施形態について説明する。
図１ａに、本実施形態に係る通信システムの機能構成を示す。
図示するように、通信システムは、アンテナ体３を介して通信を行う送信機１と受信機２とを含んで構成される。
また、送信機１は、受信機２に送信する情報である通信情報を生成する送信側データ処理部１１、通信情報を変調し送信信号として出力する変調器１２、送信信号をアンテナ体３に印加する送信電極１３とを有する。そして、受信機２は、アンテナ体３が誘起した電界強度を検出し受信信号として出力する信号受信部２１、受信信号から通信情報を復調する復調器２２、復調された通信情報を処理する受信側データ処理部２３とを有する。また、受信機２の信号受信部２１は、受信電極２１１とコイルセンサ２１２とを含む。

ここで、図１ｂに送信機１の外観を示す。
図示するように、送信機１は、送信側データ処理部１１と変調器１２と送信電極１３を収容した送信機本体部１０１と、送信機本体部１０１を図１ｃに示すように人体腕に装着するためのバンド１０２を有している。そして、送信電極１３は、図１ｄの送信機本体部１０１の断面図に示すように、送信機本体部１０１を人体腕に装着したときに人体腕に近接するように、本体部裏面側に非導電性のカバー１０３で覆われた形態で設けられている。そして、このような構造によって、送信機本体部１０１を人体腕に装着したとき、送信電極１３と人体とが容量結合するようになっている。

次に、図１ｅに、受信機２の外観を示す。
図示するように、受信機２は、受信電極２１１を収容したパネル部２０１と、コイルセンサ２１２と復調器２２と受信側データ処理部２３を収容した受信機本体部２０２とを有する。そして、受信電極２１１は、図１ｆのパネル部２０１の上面図と図１ｇのパネル部２０１の断面図に示すように、人体の手をかざして、その上に近接することができるように、パネル部２０１の表側に非導電性のカバー２０３で覆われた形態で設けられている。そして、このような構造によって、人体の手がパネル部２０１上にかざされたときに、受信電極２１１に人体周りの電界が作用するようになっている。

次に、図２ａ、ｂに受信機２の信号受信部２１のコイルセンサ２１２の構成を模式的に示す。
図示するように、コイルセンサ２１２は、フェライト製のコア２１２０が中央孔に挿入された形態で配置されたコイル２１２１と、コア２１２０の上部の端面に固定した銅性のセンサ電極２１２２と、センサ電極２１２２をコア２１２０の端面上に封止する比較的透磁率の大きな封止体２１２３を有している。ここで、センサ電極２１２２は導線を介して受信電極２１１に接続されている。なお、封止体２１２３としては、磁性粉末を混合したエポキシ樹脂などを用いることができる。

また、コイルセンサ２１２は、コイル２１２１に流れる電流を電圧信号に変換する電流検出回路２１２４を含んでいる。図では、コイル２１２１に流れる電流をゲート信号とするＦＥＴ２１２５と、電源２１２６によってゲート信号に応じた大きさで流れることになるＦＥＴ２１２５のソース-ドレイン電流を電圧に変換するための抵抗２１２７と、コイルセンサ２１２の周波数特性調整用のコンデンサ２１２８などより、この電流検出回路２１２４を構成している。

以下、このような通信システムの動作について説明する。
送信側データ処理部１１が生成した通信情報は、変調器１２によってたとえば振幅２Ｖ、１ＭＨｚの搬送波でAM変調され送信信号として送信電極１３に出力される。そして、送信信号は、送信電極１３から容量結合を介して人体に印加され、人体はアンテナ体３として機能し、送信信号に応じた強さの静電磁界または誘導電磁界を人体周りに誘起する。

一方、受信機２において、人体の手がパネル部２０１にかざされると、人体周りの電界が、パネル部２０１の受信電極２１１からコイルセンサ２１２のセンサ電極２１２２に結合され、センサ電極２１２２に交流が発生し、この交流によりコイル２１２１の中央孔中に、人体周りの電界の強さに応じた磁束が発生する。そして、この磁束の変化に応じてコイル２１２１に電流が流れ、このコイル２１２１に流れた電流が、コイルセンサ２１２の電流検出回路２１２４によって電圧信号に変換され、受信信号として復調器２２に送られる。結果、受信信号として、人体周りの電界、したがって送信機１の送信信号に追従する信号が得られる。

復調器２２では、受け取った受信信号をＡＭ復調して通信情報を復調し、受信側データ処理部２３に引き渡す。また、受信側データ処理部２３は、渡された通信情報を処理する。
以上、本発明の第１実施形態に係る通信システムの動作について説明した。
ここで、コイルセンサ２１２の封止体２１２３の役割は、コイル２１２１における磁束の検出感度を向上するために設けられている。
図３は、この封止体２１２３の効果を示すために行った実験を表している。
いま、図３ａに示すように、信号発生器３０１で発生した振幅２Ｖ、１ＭＨｚの正弦波を送信信号として送信電極１３に出力する。そして、絶縁体で被服した電線３０２を人体にみたて、送信電極１３から容量結合を介して電線３０２の一端に送信信号を印加する。そして、電線３０２の他端において、受信電極２１１で電線３０２周りに発生する電界を受け、これをコイルセンサ２１２に結合する。そして、コイルセンサ２１２の出力をオスロスコープ３０３で観測する。

このような実験の結果、図３ｂ１のように封止体２１２３を設けなかった場合のコイルセンサ２１２の出力の振幅が図３ｂ２に示すように１.１０Ｖであったのに対して、図３ｃ１のように封止体２１２３をセンサ電極２１２２の周縁部のみを覆うように設けた場合のコイルセンサ２１２の出力の振幅は図３ｃ２に示すように１.３８Ｖとなり、図３ｄ１のように封止体２１２３をセンサ電極２１２２の全体を覆うように設けた場合のコイルセンサ２１２の出力の振幅は図３ｄ２に示すように１.４８Ｖとなった。

そして、このような実験結果は、このような封止体２１２３を、少なくともセンサ電極２１２２の一部を覆うように設けることにより、コイル２１２１における磁束の検出感度を向上することができることを示している。なお、この磁束の検出感度向上のメカニズムは、比較的透磁率の高い（少なくとも周辺空気よりも透磁率の高い）封止体２１２３によって、封止体２１２３を設けなかった場合には、センサ電極２１２２上方の空気中に逃れてしまことになる磁束を、コイル２１２１のコア２１２０中に誘導することができることによるものと考えられる。

以上、本発明の第１実施形態について説明した。
さて、このように本第１実施形態によれば、電界強度を電気光学結晶の偏光特性の変化として検出する構成に比べ、電界によって誘起された電流が誘起する磁束をコイル２１２１を用いて検出するという極めてシンプルで低コストの受信機２の構成によって、電界を安定的に検出することができるようになる。

ところで、以上で示したコイルセンサ２１２は、たとえば、図２ｃに示すように、センサ電極２１２２を二つのコイル２１２１のコア２１２０の間に挟んで各コア２０２０に接続したり、図３ｃに示すように、センサ電極２１２２を三つのコイル２１２１のコア２１２０の間に配置して各コア２１２０に接続することにより、コイル２１２１外の空気中に逃れてしまことになる磁束を減少させ、より検出感度良く、センサ電極２１２２に結合された電界を検出できるようにしてもよい。なお、この場合には、たとえば、コイル毎に電流検出回路２１２４を設けると共に、各電流検出回路２１２４の出力から、各出力の加算などにより受信信号を生成して受信信号生成回路を２２００を設けるようにする。

以下、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４ａに、本実施形態に係る通信システムの機能構成を示す。
図示するように、本第２実施形態に係る通信システムは、前記第１実施形態に係る通信システムにおいて、受信機２の受信電極２１１を廃した構成となっている。
次に、図４ｂに、受信機２の外観構成を示す。
図示するように、受信機２は、コイルセンサ２１２、復調器２２、受信側データ処理部２３を一つのケース４０１に収容した形態を有している。また、このようなケース４０１の上面直下に、コイルセンサ２１２がコイル２１２１の軸が垂直となるように配置されている。

このような受信機２によれば、人体の手がケース４０１にかざされると、人体周りの電磁界が、ケース４０１の上面直下に配置されたコイルセンサ２１２に作用し、コイル２１２１に電流が流れ、このコイル２１２１に流れた電流が、コイルセンサ２１２の電流検出回路２１２４によって電圧信号に変換され、受信信号として復調器２２に送られる。結果、受信信号として、人体周りの電磁界、したがって送信機１の送信信号に追従する信号が得られる。

そこで、復調器２２では、受け取った受信信号をＡＭ復調して通信情報を復調し、受信側データ処理部２３に引き渡し、受信側データ処理部２３で通信情報を処理する。
以上、本発明の第２の実施形態について説明した。
以上のように本第２実施形態によれば、第１実施形態における受信電極２１１を省略することができる。
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。
図５ａに、本実施形態に係る通信システムの機能構成を示す。
図示するように、通信システムは、前記第１実施形態に係る通信システムにおいて、受信機２の信号受信部２１に、受信電極２１１とコイルセンサ２１２に代えて、磁界検出アンテナ５０１と磁界強度検出部５０２を設けたものである。
図５ｂに、受信機２の外観を示す。
図示するように、受信機２は、磁界検出アンテナ５０１を収容したアンテナパネル５０３と、磁界強度検出部５０２と復調器２２と受信側データ処理部２３を収容した受信機筐体５０４とを有する。そして、磁界検出アンテナ５０１は、たとえば、ループアンテナなどの磁界型のアンテナであり、図５ｃのアンテナパネル５０３の上面図と図５ｄのアンテナパネル５０３の断面図に示すように、人体の手をその上に近接することができ、また、パネル内部に上下方向の磁束を感知するように配置されている。そして、このような構造によって、人体の手がパネル部２０１上にかざされたときに、磁界検出アンテナ５０１に人体周りの磁界が作用するようになっている。

このような受信機２によれば、人体の手がアンテナパネル５０３にかざされると、人体周りの磁界が、アンテナパネル５０３内部に配置された磁界検出アンテナ５０１に作用し、磁界検出アンテナ５０１に磁界に応じた信号を電流を流す。磁界強度検出部５０２は、この磁界検出アンテナ５０１に流れた電流から、磁界強度を表す電圧信号を生成し、受信信号として復調器２２に送る。結果、受信信号として、人体周りの磁界、したがって送信機１の送信信号に追従する信号が得られる。

そこで、復調器２２では、受け取った受信信号をＡＭ復調して通信情報を復調し、受信側データ処理部２３に引き渡し、受信側データ処理部２３で通信情報を処理する。
なお、磁界検出アンテナ５０１としては、ホール効果により、磁界に追従する電圧信号を生成するホール素子などを用いるようにすることもできる。この場合には、磁界強度検出部５０２は、ホール素子の生成した電圧信号から、磁界強度を検出する動作を行う。
以上、本発明の第３実施形態について説明した。
このような第３実施形態によれば、生体と受信装置間の伝送に、電界ではなく電界に比べ周辺ノイズの少ない磁界を用いるので、電界を用いて伝送を行う場合に比べ、安定した通信を行えるようになる。
ところで、以上の各実施形態では、送信電極１３から容量結合を介して人体に送信信号を印加したが、これは、送信電極１３を直接人体に接触させて、送信電極１３から人体に送信信号を印加するようにしてもよい。
また、以上の第１、第２実施形態では、人体の手を受信電極２１１やコイルセンサ２１２上にかざさせることにより受信機２における受信を行うようにしたが、これは、人体の手を受信電極２１１に直接接触させるように受信機２における受信を行うようにしてもよい。
また、以上の実施形態は、アンテナ体３として、動物や植物などの生物その他の導電体などの人体以外の物体を使用するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る通信システムの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るコイルセンサの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態のコイルセンサの封止体の効果を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る通信システムの構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る通信システムの構成を示す図である。

符号の説明

１…送信機、２…受信機、３…アンテナ体、１１…送信側データ処理部、１２…変調器、１３…送信電極、２１…信号受信部、２２…復調器、２３…受信側データ処理部、１０１…送信機本体部、１０２…バンド、２０１…パネル部、２０２…受信機本体部、２１１…受信電極、２１２…コイルセンサ、５０１…磁界検出アンテナ、５０２…磁界強度検出部、５０３…アンテナパネル、２１２０…コア、２１２１…コイル、２１２２…センサ電極、２１２３…封止体、２１２４…電流検出回路、２１２５…ＦＥＴ、２１２６…電源、２１２７…抵抗、２１２８…コンデンサ。

Claims (9)

1. 導電性のある伝送媒体に通信情報を変調した送信信号を印加し、前記伝送媒体周辺に電界を誘起させる送信装置と、前記伝送媒体が誘起した電界強度を検出し、検出した電界強度から前記通信情報を復調する受信装置とを有する通信システムであって、
   前記受信装置は、
   前記伝送媒体が誘起した電界強度を検出する電界検出部を有し、
   当該電界検出部は、
   前記送信装置と当該受信装置との通信時に前記伝送媒体が近接または接触される受信電極と、
   コイルと、
   前記コイルの中央孔に近接させて配置したセンサ電極と、
   前記受信電極と前記センサ電極を接続する導電線とを有し、
   前記コイルは前記受信電極に作用する電界の電界強度を表す信号を出力することを特徴とする通信システム。
   
2. 請求項１記載の通信システムであって、
   前記電界検出部は、前記コイルの中央孔に挿入された磁性体コアを有し、
   前記センサ電極は、前記磁性体コアの端面上に当該端面に密着させて配置されていることを特徴とする通信システム。
   
3. 請求項２記載の通信システムであって、
   前記電界検出部は、
   前記センサ電極の全体または前記センサ電極の周縁部を前記磁性体コア上に封止する、空気よりも透磁率の大きい封止体を有することを特徴とする通信システム。
   
4. 請求項２記載の通信システムであって、
   前記電界検出部は、
   前記磁性体コアと当該磁性体に巻き回された前記コイルとの組を複数備え、
   かつ、
   前記センサ電極は、前記磁性体コアと当該磁性体に巻き回された前記コイルの各組の磁性体コアの端面の間に挟まれた形態で、前記各組の磁性体コアの端面に密着していることを特徴とする通信システム。
   
5. 請求項１、２、３または４記載の通信システムであって、
   前記伝送媒体は、人体または生体であることを特徴とする通信システム。
   
6. 電界強度を検出する電界検出装置であって、
   電界中に配置される受信電極と、
   コイルと、
   前記コイルの中央孔に近接させて配置したセンサ電極と、
   前記受信電極と前記センサ電極を接続する導電線とを有し、
   前記コイルは前記受信電極に作用する電界の電界強度を表す信号を出力することを特徴とする電界検出装置。
   
7. 請求項６記載の電界検出装置であって、
   前記コイルの中央孔に挿入された磁性体コアを有し、
   前記センサ電極は、前記磁性体コアの端面上に当該端面に密着させて配置されていることを特徴とする電界検出装置。
   
8. 請求項７記載の電界検出装置であって、
   前記センサ電極の全体または前記センサ電極の周縁部を前記磁性体コア上に封止する、空気よりも透磁率の大きい封止体を有することを特徴とする電界検出装置。
   
9. 請求項７記載の電界検出装置であって、
   前記磁性体コアと当該磁性体に巻き回された前記コイルとの組を複数備え、
   かつ、
   前記センサ電極は、前記磁性体コアと当該磁性体に巻き回された前記コイルの各組の磁性体コアの端面の間に挟まれた形態で、前記各組の磁性体コアの端面に密着していることを特徴とする電界検出装置。