JP4256468B2

JP4256468B2 - 通信機器

Info

Publication number: JP4256468B2
Application number: JP2008542120A
Authority: JP
Inventors: 広行蛇口; 光晴中里; 真佐々木; 大地井上; 喜晴斉藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2028-04-17
Also published as: CN101663846A; US8185048B2; US20100029203A1; JPWO2008130007A1; JP4469914B2; WO2008130007A1; CN101663846B; KR20090128567A; JP2009118524A

Description

本発明は、人体のような伝送媒体を介して送受信を行う通信システムに用いる通信機器に関する。

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（いわゆる電界通信）が提案されている。このような通信システムとしては、特許文献１に開示されているものがある。この通信システムにおいては、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機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機において検出し、その電界に対応する信号を復調する。
特表平１１−５０９３８０号公報

上記のような電界通信においては、伝送媒体に貫通電流を流すのではなく、容量結合によって信号を伝送するので、伝送媒体と送信機の送信回路とを容量結合する送信電極及び伝送媒体と受信機の受信回路とを容量結合する受信電極は、伝送媒体との間の容量結合が大きいことが望ましい。

しかしながら、携帯電話のような電子機器の筐体内に前述した送信機や受信機を配設する場合、筐体の内面と送信機の送信電極又は受信機の受信電極との間に隙間ができてしまい、電極と伝送媒体との間の容量結合が小さくなって伝送する信号が弱くなるという問題がある。また、筐体の内面と電極との間の隙間のばらつきにより信号強度がばらつくという問題もある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電界通信用の送信機又は受信機を配設しており、安定して電界通信を行うことができる通信機器を提供することを目的とする。

本発明の通信機器は、伝送媒体に対して情報信号を電界として付与する送信機と、前記伝送媒体を介して前記電界を検出して前記情報信号を得る受信機と、前記送信機又は前記受信機を収容する絶縁性を持つ筐体と、前記筐体と前記送信機又は前記受信機との間に配置された充填部材と、を具備し、前記筐体に収容された前記送信機又は前記受信機は、前記充填部材を介して前記筐体の内面と対向して配置される電極を有し、前記内面の一部が薄肉部を含むことを特徴とする。

この構成によれば、送信電極又は受信電極が伝送媒体との間で静電容量が大きくなるので、信号減衰を抑えることができる。また、筐体の内面と送信機又は受信機との間にエアギャップが形成されないので、エアギャップの容量のばらつきに起因した信号強度のばらつきを抑えることができる。その結果、安定して電界通信を行うことができる。また、この構成によれば、充填剤の体積比を高くすることができ、それにより信号減衰を効率良く抑えることができる。

本発明の通信機器においては、前記充填部材は、前記筐体の誘電率よりも大きい誘電率を有する材料で構成されていることが好ましい。この構成によれば、筐体の内面と送信機又は受信機とをエアギャップなく密着させた場合に比べて、より信号減衰を抑えることができ、良好な通信状態を実現することができる。

本発明の通信機器は、伝送媒体に対して情報信号を電界として付与する送信機と、前記伝送媒体を介して前記電界を検出して前記情報信号を得る受信機と、前記送信機又は前記受信機を収容する絶縁性を持つ筐体と、前記筐体と前記送信機又は前記受信機との間に配置された充填部材と、を具備し、前記筐体に収容された前記送信機又は前記受信機は、前記充填部材を介して前記筐体の内面と対向して配置される電極を有し、前記筐体に開口部が形成されており、前記開口部に前記充填部材が埋め込まれていることを特徴とする。この構成によれば、充填剤の体積比を高くすることができ、それにより信号減衰を効率良く抑えることができる。

本発明の通信機器においては、前記筺体に前記送信機が収容されることが好ましい。

本発明の通信機器は、伝送媒体に対して情報信号を電界として付与する送信機と、前記伝送媒体を介して前記電界を検出して前記情報信号を得る受信機と、前記送信機及び／又は前記受信機を収容する絶縁性を持つ筐体と、前記筐体と前記送信機及び／又は前記受信機の少なくとも一方との間に配置された充填部材と、を具備するので、安定して電界通信を行うことができる。

電界通信による通信システムの等価回路を示す図であり、（ａ）は受信機を筐体内に配設した場合の等価回路図であり、（ｂ）は送信機を筐体内に配設した場合の等価回路図である。筐体の内面と送信機の送信電極又は受信機の受信電極との間隔を変えたときの出力電圧の変化を示す図である。本発明に係る通信機器の機器本体を示す図である。図３におけるIV−IV線に沿う断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る通信機器の他の例を示す図である。電極−人体間の距離と通信速度との間の関係を示す特性図である。

以下、本発明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。
上述したように、携帯電話のような電子機器の筐体内に送信機や受信機を配設する場合において、筐体の内面と送信機の送信電極又は受信機の受信電極との間に隙間ができると不安定な容量が形成される。図１は、電界通信による通信システムの等価回路を示す図であり、（ａ）は受信機を筐体内に配設した場合の等価回路図であり、（ｂ）は送信機を筐体内に配設した場合の等価回路図である。

図１（ａ），（ｂ）において、容量Ｃｔは、送信機１と伝送媒体である人体２との間に形成される容量であり、容量Ｃrは、受信機３と人体２との間に形成される容量である。また、容量Ｃhgは、人体２とグランドとの間の容量であり、容量Ｃxは、筐体の内面と送信機の送信電極又は受信機の受信電極との間に形成される不安定な直列容量である。

受信機３を電子機器の筐体内に配設すると、図１（ａ）に示すように、筐体の内面と受信機３の受信電極との間に不安定な直列容量Ｃxが形成される。例えば、受信機３の受信電極の面積が４ｃｍ²（２ｃｍ×２ｃｍ）であり、受信機３を配設する筐体が比誘電率３で厚さ約０．３ｍｍのＡＢＳ樹脂で構成されている場合において、容量Ｃhgを１１０ｐＦと想定（足を床に固定させたと想定）し、受信機３での検出容量を１ｐＦとすると、筐体の内面と受信機の受信電極との間隔１ｍｍ以下に形成される不安定な直列容量Ｃxは３ｐＦ以上となる。

また、送信機１を電子機器の筐体内に配設すると、図１（ｂ）に示すように、筐体の内面と送信機１の送信電極との間に不安定な直列容量Ｃxが形成される。例えば、送信機１の送信電極の面積が４ｃｍ²（２ｃｍ×２ｃｍ）であり、送信機１を配設する筐体が比誘電率３で厚さ約０．３ｍｍのＡＢＳ樹脂である場合において、容量Ｃhgを１１０ｐＦと想定（足を床に固定させたと想定）し、受信機３での検出容量を１ｐＦとすると、筐体の内面と受信機の受信電極との間隔１ｍｍ以下に形成される不安定な直列容量Ｃxは３ｐＦ以上となる。

本発明者らは、電子機器に電界通信用の送信機又は受信機を配設する場合に、送信電極や受信電極が電子機器の筐体の内面に対して隙間（エアギャップ）を持っていると、不安定な直列容量を形成し、この不安定な直列容量が安定な電界通信を阻害することに着目し、送信電極や受信電極と筐体の内面との間のエアギャップを誘電材料で埋めることにより、不安定な直列容量をなくして安定な電界通信を行わせることができることを見出し本発明をするに至った。

すなわち、本発明の骨子は、伝送媒体に対して情報信号を電界として付与する送信機と、前記伝送媒体を介して前記電界を検出して前記情報信号を得る受信機と、前記送信機又は前記受信機を収容する絶縁性を持つ筐体と、前記筐体と前記送信機又は前記受信機との間に配置された充填部材と、を具備する通信機器により、安定して電界通信を行うことである。

図１（ａ），（ｂ）に示す条件において、筐体の内面と送信機の送信電極又は受信機の受信電極との間隔を変えたときの出力電圧の変化を調べた。その結果を図２に示す。図２から分かるように、筐体の内面と送信機の送信電極との間に隙間があると、出力電圧に大きく影響して通信に大きな影響を及ぼす。したがって、本発明に係る構成は、電子機器の筐体に送信機が配設される場合により高い効果を発揮する。

ここで、電界通信を行うシステムについて説明する。このシステムは、電界を介して情報信号を伝送する人体などの伝送媒体と、伝送媒体に対して情報信号を電界として付与する送信機と、伝送媒体を介して電界を検出し、その電界を受信して情報信号を得る受信機とから主に構成されている。このシステムにおいては、送信機と伝送媒体（例えば、人体）との間、及び受信機と伝送媒体との間は、コンデンサを介して電気的に容量結合しており、情報信号は電界に変換されて伝送媒体上を伝送されるようになっている。この場合、伝送媒体には、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無い。したがって、例えば送信機をポケットに入れたままでも、薄い布を介して送信機と伝送媒体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。

送信機は、伝送媒体に対して情報信号を一端所定の変調方式で変調し、その変調した情報信号を電界として付与する。このため、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、伝送媒体に対して電界を付与する送信電極と、を有する。

受信機は、伝送媒体を介して電界を検出して情報信号を得る。受信機は、伝送媒体に面しており、伝送媒体からの電界を受ける受信電極と、電界を増幅して検出する検出回路や検出された物理量を用いて、先の変調された情報信号を復調する復調回路と、を有する。

このような構成を有するシステムで電界通信を行う場合、送信機において、人体が導電性を示す周波数（数十ｋＨｚ〜数十ＭＨｚ）の搬送波を情報信号で変調する。この変調された情報信号は、増幅され、電圧変化に変換される。この電圧変化を送信機の電極に印加することにより、この電極の周囲に変調された情報信号に対応する電界を発生する。そして、この電界が人体に付与される。人体に付与された電界は、受信機の受信電極で受けられる。受信電極に電界が加わると、検出回路で前記変調された情報信号を検出する。そして、検出回路の後段の復調回路において、送信機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、人体を伝送媒体として情報信号の送受信を行うことができる。なお、上記の変調方式としては、ＡＭ、ＦＭ、ＡＳＫ、ＰＳＫ、ＱＳＫ等の種々の変調方式を用いることが可能である。

本発明の通信機器は、上記電界通信を行うシステムの送信機又は受信機を図３に示す機器本体１１の筐体内部に配設するものである。この機器本体１１は、ディスプレイ１２と操作ボタン１３とを有する。図４は、図３におけるIV−IV線に沿う断面図である。図４において、絶縁性を有する筐体２１内には送信機が配設されている。この送信機は、送信電極２２と、回路基板２３とから主に構成されている。具体的には、筐体２１の内面上には、充填剤２４を介して送信電極２２が設けられており、この送信電極２２上にスペーサ２５を介して回路基板２３が配置されている。送信電極２２は、回路基板２３と電気的に接続されている。このように、図４に示す構成においては、送信機を筐体２１内に配設する際に、筐体２１の内面と送信電極２２との間に形成される隙間に充填剤２４が充填されており、筐体２１の内面と送信電極２２との間に不安定な容量が形成されることを防止している。これにより、筐体２１の内面と送信電極２２との間での電界損失をできるだけ少なくすることができる。

筐体２１の内面と送信電極２２との間には充填剤２４を介在させる。これにより、送信電極又は受信電極が伝送媒体との間で静電容量が大きくなるので、信号減衰を抑えることができる。また、筐体２１の内面と送信電極２２との間にエアギャップが形成されないので、エアギャップの容量のばらつきに起因した信号強度のばらつきを抑えることができる。その結果、安定して電界通信を行うことができる。

充填剤２４を構成する材料としては、相対的に高い誘電率を持つ高誘電性材料が好ましい。高誘電性材料としては、例えば、エポキシ系接着剤（比誘電率２．５〜６）、アクリル系接着剤（比誘電率２．７〜４．５）、シリコーン系接着剤（比誘電率３．５〜５）、ウレタン系接着剤（比誘電率６．５〜７．１）などの接着剤；シリコーンゴム（比誘電率３〜３．５）などのゴム；ＡＢＳ樹脂（比誘電率２．４〜４．１）、ウレタン樹脂（比誘電率６．５〜７．１）などの樹脂などを挙げることができる。

また、充填剤２４は、筐体２１の誘電率よりも大きい誘電率を有する材料で構成されていることが好ましい。このようにすることにより、筐体２１の内面と送信電極２２とをエアギャップなく密着させた場合に比べて、より信号減衰を抑えることができ、良好な通信状態を実現することができる。例えば、筐体２１を比誘電率３のＡＢＳ樹脂で構成した場合には、充填剤２４としては比誘電率４以上の材料を選択する。

また、充填剤２４を構成する材料としては、相対的に高い導電率を持つ導電性材料を用いても良い。高導電性材料としては、例えば、エポキシ系導電性接着剤、ポリイミド系導電性接着剤などの導電性接着剤や、銀ペーストなどを挙げることができる。

図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る通信機器の他の例を示す図である。図５（ａ），（ｂ）に示す構成においては、筐体２１に収容された送信機の送信電極２２が筐体２１の内面と対向して配置されており、その内面の一部が薄肉部２１ａを含む。そして、その薄肉部２１ａを含む領域に充填剤２４が充填されている。すなわち、筐体２１の内面に薄肉部２１ａが設けられており、その薄肉部２１ａを含む領域上に充填剤２４を介して送信電極２２が配置されている。このように、送信電極２２が対向する領域の筐体２１に薄肉部２１ａを設け、その薄肉部２１ａ上に充填剤２４を充填することにより、充填剤２４の体積比を高くすることができ、それにより信号減衰を効率良く抑えることができる。

また、図５（ｃ）に示す構成においては、筐体２１に収容された送信機の送信電極２２が筐体２１の内面と対向して配置されており、その内面が開口部２１ｂを含む。そして、その開口部２１ｂに充填剤２４が埋め込まれており、筐体２１の外面から充填剤２４が露出している。すなわち、筐体２１に開口部２１ｂが設けられており、その開口部２１ｂに埋め込まれた充填剤２４を介して送信電極２２が配置されている。このように、送信電極２２が対向する領域の筐体２１に開口部２１ｂを設け、その開口部２１ｂ内に充填剤２４を埋め込むことにより、充填剤２４の体積比を高くすることができ、それにより信号減衰を効率良く抑えることができる。

開口部２１ｂ内に充填剤２４を埋め込む場合において、充填剤２４として導電性材料を用いるときには、送信電極２２と伝送媒体である人体とが導通する必要がないので、図５（ｄ）に示すように、導電性材料で構成された充填剤２４を絶縁性材料２６で覆っても良い。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
送信機の送信電極と人体ファントム（モデル）との間に介在する材料を変えて電界通信によりデータ通信を行い、送信電極と人体ファントムとの間の距離による通信速度の劣化を調べた。また、受信機の受信電極と人体ファントムとの間の距離による通信速度の劣化も調べた。それらの結果を図６に示す。なお、通信速度は、キャリア周波数１０ＭＨｚ、信号振幅１Ｖｐ-ｐで測定した。また、図６における縦軸は、電極と人体ファントムとが密着した場合の通信速度を１００％として規格化した。

図６から分かるように、受信電極と人体ファントムとの間には、０．５ｍｍ程度のエアギャップがあっても通信速度に影響はなかった。一方、送信電極と人体ファントムとの間では、エアギャップにより通信速度が低下して、０．０２ｍｍで４４％、０．０５ｍｍで１７％、０．１ｍｍで８％となっていた（図６におけるエア（比誘電率１）の特性曲線）。これに対して、送信電極と人体ファントムとの間に比誘電率３であるＡＢＳ樹脂を介在させることにより、エアギャップ０．０５ｍｍで１７％から５３％に通信速度が回復し、エアギャップ０．１ｍｍで８％が２７％に通信速度が回復した。また、送信電極と人体ファントムとの間に比誘電率７であるウレタン樹脂を介在させることにより、エアギャップ０．０５ｍｍで１７％から１００％に通信速度が回復し、エアギャップ０．１ｍｍで８％が６２％に通信速度が回復した。このように、電極と人体ファントムとの間に充填部材を介在させることにより通信速度の劣化を防止して電界通信を安定化させることができた。特に、誘電率の高い材料を充填剤として用いることにより、より効果があることが分かった。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、機器本体の筐体内に送信機を配設した場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、機器本体の筐体内に受信機を配設した場合にも同様に適用することができる。また、上記実施の形態における寸法、数値などについては特に限定されず、本発明の範囲内において変更することが可能である。その他、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

Claims

伝送媒体に対して情報信号を電界として付与する送信機と、前記伝送媒体を介して前記電界を検出して前記情報信号を得る受信機と、前記送信機又は前記受信機を収容する絶縁性を持つ筐体と、前記筐体と前記送信機又は前記受信機との間に配置された充填部材と、を具備し、前記筐体に収容された前記送信機又は前記受信機は、前記充填部材を介して前記筐体の内面と対向して配置される電極を有し、前記内面の一部が薄肉部を含むことを特徴とする通信機器。
前記充填部材は、前記筐体の誘電率よりも大きい誘電率を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の通信機器。
前記筐体に前記送信機が収容されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の通信機器。
伝送媒体に対して情報信号を電界として付与する送信機と、前記伝送媒体を介して前記電界を検出して前記情報信号を得る受信機と、前記送信機又は前記受信機を収容する絶縁性を持つ筐体と、前記筐体と前記送信機又は前記受信機との間に配置された充填部材と、を具備し、前記筐体に収容された前記送信機又は前記受信機は、前記充填部材を介して前記筐体の内面と対向して配置される電極を有し、前記筐体に開口部が形成されており、前記開口部に前記充填部材が埋め込まれていることを特徴とする通信機器。
前記筐体に前記送信機が収容されることを特徴とする請求項４記載の通信機器。