JP4316670B2 - 通信システム - Google Patents

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伝送媒体である人体に付与して、電界センサにより電界を検出し、その電界に対応する信号を復調する。この電界センサは、電気光学結晶と屈折率検出器で構成されており、屈折率検出器は、電気光学結晶にレーザ光を照射するレーザと、電気光学結晶に照射されたレーザ光を受光する受光部とを備えている。

このような構成においては、電気光学結晶の屈折率に変化が生じたときには、その屈折率の変化に伴って受光量が変化する。このため、屈折率検出器では、この受光量の変化に基づいて電気光学結晶の屈折率の変化を検出することができる。このとき、情報信号を送信すると、その変調信号に対応する電界が電気光学結晶の屈折率に変化を及ぼすので、この屈折率の変化に基づいて、伝送媒体を伝送した信号を取得する。
特開２００１−２９８４２５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された通信システムにおいては、電界センサとして、電気光学結晶と屈折率検出器とを用いている。このような電界センサは、偏光検出器、光増幅器、光学バンドパスフィルタ、偏光制御器、偏波保持ファイバ、受光素子などから構成されている（例えば、特開平８−２６２１１７号公報）。このような構成が必要であるとすると、受信機の構成が複雑になり、小型化、薄型化、軽量化を図ることができず、ウェアラブルな機器に応用することができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる通信システムを提供することを目的とする。

本発明の通信システムは、情報信号を電界に変調する変調手段を有する送信機と、前記電界を介して前記情報信号を伝送する伝送媒体と、前記電界を前記情報信号に復調する復調手段を有する受信機と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体からの電界を受ける電極と、コアに巻回され、一端を前記電極と電気的に接続すると共に他端を電気的に浮かせた第１コイルと、前記コアに巻回され、前記第１コイルと磁気的に結合した第２コイルと、前記第２コイルで誘起された物理量を検出する検出回路と、を有することを特徴とする。本発明の通信システムにおいては、前記第１コイルの他端がコンデンサを介して電気的に浮いていることが好ましい。

この構成によれば、電気光学結晶や複雑な構成の屈折率検出器を用いる必要がないので、受信機の構成が簡単になり、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる。さらに、このような構成によれば、低消費電力化、低コスト化も可能となる。

本発明の通信システムにおいては、前記第１コイル及び前記第２コイルの磁路が実質的に閉じていることが好ましい。この構成によれば、漏曳磁束が非常に少なくなり、コア内の磁束がコア外の状態の変化に影響を受けず、高感度で安定して情報通信を行うことができる。また、漏洩磁束が減ることにより周囲にある他の回路との干渉が減り、特性が改善され、周辺回路への悪影響を抑えられる。

本発明の通信システムにおいては、前記コアに巻回された前記第１コイル及び前記第２コイルのそれぞれの螺旋軸の方向が前記コアの表面と略平行であることが好ましい。この構成によれば、コアの厚さを変えることなく、巻き数を多くすることができ、大きさを変えずにインダクタンスを大きくして感度を高くすることができる。このため、薄型化を図ることができるので、ウェアラブルな機器にも応用することができる。

本発明の通信システムにおいては、前記コアの材料が酸化物系磁性材料、金属結晶系材料、金属アモルファス材料、圧粉磁心材料及び前記圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料からなる群より選ばれた軟磁性材料であることが好ましい。この構成によれば、磁気回路の感度が高くなる。また、圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料を用いることにより、周波数特性が改善される。

本発明の通信システムは、情報信号を電界に変調する変調手段を有する送信機と、前記電界を介して前記情報信号を伝送する伝送媒体と、前記電界を前記情報信号に復調する復調手段を有する受信機と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体からの電界を受ける電極と、コアに巻回され、前記電極と電気的に接続した第１コイルと、前記コアに巻回され、前記第１コイルと磁気的に結合した第２コイルと、前記第２コイルで誘起された物理量を検出する検出回路と、を有するので、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる通信システムを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る通信システムを示す図である。 図１に示す通信システムの等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態に係る通信システムの受信機における磁気回路の他の例を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る通信システムの受信機における磁気回路の他の例を示す図である。

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。
図１は、本発明の実施の形態に係る通信システムを示す概略構成図である。また、図２は、図１に示す通信システムの等価回路を示す図である。図１に示す通信システムは、電界を介して情報信号を伝送する人体などの伝送媒体２と、伝送媒体２に対して情報信号を変調した電界を付与する送信機１と、伝送媒体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受信機３とから主に構成されている。

この通信システムにおいては、図２に示すように、送信機１と伝送媒体２との間、及び受信機３と伝送媒体２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、伝送媒体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１と人体（伝送媒体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。

受信機３は、伝送媒体２からの電界を受ける電極３１と、コア３２に巻回され、電極３１と電気的に接続した第１コイル３３と、コア３２に巻回され、第１コイル３３と磁気的に結合した第２コイル３４と、第２コイル３４で誘起された物理量を検出する検出回路３５と、を有する。受信機３はまた、検出回路３５で検出された物理量を用いて情報信号を復調する復調回路３６を有する。

電極３１は伝送媒体２に面するように配置される。これにより、伝送媒体２に付与された電界を受けることが可能となる。

第１コイル３３は、リング状のコア３２に巻回されると共に、その一方の端子が電極３１に電気的に接続されている。また、第１コイル３３の他方の端子は、受信機３内のグランド（ＧＮＤ）あるいは電源ラインに電気的に接続されるか、コンデンサを介して電気的に浮かせる。感度を高くする場合には、第１コイル３３をＧＮＤあるいは電源ラインに接続し、受信機３と伝送媒体２である人体との間の距離に依存した感度の変動を小さくする場合には、第１コイル３３を電気的に浮かせる。

第２コイル３４は、リング状のコア３２に巻回されると共に、その両端子が検出回路３５に電気的に接続されている。検出回路３５では、第１コイル３３からの磁気的影響により第２コイル３４に発生した物理量、例えば誘導起電力あるいは誘導電流を検出する。検出回路３５は復調回路３６に電気的に接続されており、復調回路３６では、検出回路３５で検出された物理量を用いて情報信号を復調する。

なお、第１コイル３３あるいは第２コイル３４には、搬送周波数に応じてコンデンサを接続して、直列あるいは並列で共振回路を構成しても良い。また、図１では、コア３２に対して第１コイル３３を巻回する領域と、第２コイル３４を巻回する領域とを分けているが、本発明はこれに限定されず、第１コイル３３と第２コイル３４とを二重螺旋となるようにコア３２に対して巻回しても良い。

第１コイル３３及び第２コイル３４の磁路は実質的に閉じていることが好ましい。このように第１コイル３３及び第２コイル３４の磁路を実質的に閉じた状態にするためには、図１に示すようなリング状のコア３２や、矩形リング状のコア（図示せず）や、図３に示すような部分的に切り欠き３２ａを有するコア３２を用いる。このようなコアを用いたトロイダルコイルや、コアが基材に埋め込まれたポケットコアを用いたコイルを使用することにより、磁路が実質的に閉じている磁気回路を構成することができる。

通常の電波を使った通信では、周囲の磁束を効率よく拾うために磁路の開いたソレノイドコイルを使うが、周囲の磁束を拾うということは、同時に周囲の回路素子とも強く磁気的に結合することを意味するので、不要な磁束に反応したり、周囲の回路に悪影響を及ぼすことになる。これに対して、本発明における通信システムでは、コアの磁路を実質的に閉じることによって、漏曳磁束が非常に少なくなり、コア内の磁束がコア外の状態の変化に影響を受けず、高感度で安定して情報通信を行うことができる。また、漏洩磁束が減ることにより周囲にある他の回路との干渉が減り、特性が改善され、周辺回路への悪影響を抑えられる。磁路が開いたソレノイドコイルなどに比べて、磁路の閉じたコイルでは、同じ巻数、同じコア断面積、同じ磁路長でも多くの磁束を発生するため、同じインダクタンスであればより小さくすることができる。特に、トロイダルコイルは構造も単純であるため、小型化、薄型化に適している。

また、コアに巻回された第１コイル及び第２コイルのそれぞれの螺旋軸の方向がコアの表面と略平行であることが好ましい。このために、磁気回路（コア及びコイル）の構造を、例えば図４（ａ），（ｂ）に示すようにすることが好ましい。本発明の通信システムにおいては、受信機３の感度を高くするために、コイルのインダクタンスを大きくすることが望ましい。このためには、コイルの巻数を多くする必要がある。この場合、コア４１に巻回された第１コイルであるコイル４２及び第２コイルであるコイル４３のそれぞれの螺旋軸の方向（図４（ａ），（ｂ）の矢印方向）がコア４１の表面と略平行であるように構成することにより、コア４１の厚さを変えることなく、巻き数を多くすることができ、大きさを変えずにインダクタンスを大きくして感度を高くすることができる。このような構成にすることにより、薄型化を図ることができるので、ウェアラブルな機器にも応用することができる。

上述したように、漏洩磁束のほとんどないトロイダルコイルで、螺旋軸の方向がコアの表面と略平行にする構造が望ましい。また、トロイダルコイルの場合、上述したように、周囲の回路に悪影響を及ぼさないため、例えば、回路を形成したシリコン基板上にトロイダルコイルを形成して回路と集積化することも可能である。また、高周波特性を改善するためには、誘電率の小さい絶縁体基板を用いることにより、コイルとの間の寄生容量を減らすことも可能となる。

コア３２の材料は、フェライトなどの酸化物系磁性材料；パーマロイ、センダストなどの金属結晶系材料；金属アモルファス材料；圧粉磁心材料；圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料などの軟磁性材料であることが好ましい。これにより、磁気回路の感度が高くなる。また、圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料を用いることにより、周波数特性が改善される。特に、大きな透磁率で高い周波数まで使えるため、キャリア周波数を高くする、あるいは帯域の幅を広げることができ、通信システムにおいてデータ通信速度の高速化が可能になる。

上記実施の形態においては、伝送媒体２である人体及び受信機３がともにＧＮＤから電気的に浮いた場合について説明しているが、送信機１、受信機３の少なくともどちらかがＧＮＤに接続していても良い。例えば、携帯電話と腕時計との間で通信を行う場合においては、送信機１、受信機３ともにＧＮＤから電気的に浮いた状態が想定され、携帯電話とＡＣ電源に接続したＰＣとの間で通信を行う場合においては、携帯電話側はＧＮＤから電気的に浮いた状態で、ＰＣ側はＧＮＤに接続した状態が想定される。このような場合であっても、情報信号の通信を行うことが可能である。

このように、本発明の通信システムにおいては、電気光学結晶や複雑な構成の屈折率検出器を用いる必要がないので、受信機の構成が簡単になり、小型化、薄型化、軽量化を図ることができ、ウェアラブルな機器にも応用することができる。さらに、このような構成によれば、低消費電力化、低コスト化も可能となる。

次に、上記構成を有する通信システムにおいて、通信を行う場合の動作について説明する。まず、送信機１において、伝送媒体２である人体が導電性を示す周波数（数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）の搬送波を情報信号で変調して変調信号を得る。この変調信号は、増幅され、電圧変化に変換されることにより、変調信号に対応する電界となる。そして、この電界が伝送媒体２である人体に付与される。なお、送信機１における変調方式については特に制限はない。

人体に付与された電界は、受信機３の電極３１で受けられる。電極３１に電界が加わると、コア３２に巻回された第１コイル３３に電流が流れて磁束が発生する。また、発生した磁束により、第１コイル３３と磁気的に結合した第２コイル３４に物理量（誘導起電力、誘導電流）が誘起される。このように第２コイル３４で誘起された物理量が検出回路３５で検出される。検出回路３５で検出された物理量は、復調回路３６に送られ、復調回路３６において送信機１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。

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、送信機１における変調方式や磁気回路を構成するコアの形状については上記実施の形態に限定されず、適宜変更することができる。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 (5)

1. 情報信号を電界に変調する変調手段を有する送信機と、前記電界を介して前記情報信号を伝送する伝送媒体と、前記電界を前記情報信号に復調する復調手段を有する受信機と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体からの電界を受ける電極と、コアに巻回され、一端を前記電極と電気的に接続すると共に他端を電気的に浮かせた第１コイルと、前記コアに巻回され、前記第１コイルと磁気的に結合した第２コイルと、前記第２コイルで誘起された物理量を検出する検出回路と、を有することを特徴とする通信システム。
2. 前記第１コイルの他端がコンデンサを介して電気的に浮いていることを特徴とする請求項１記載の通信システム。
3. 前記第１コイル及び前記第２コイルの磁路が実質的に閉じていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の通信システム。
4. 前記コアに巻回された前記第１コイル及び前記第２コイルのそれぞれの螺旋軸の方向が前記コアの表面と略平行であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の通信システム。
5. 前記コアの材料が酸化物系磁性材料、金属結晶系材料、金属アモルファス材料、圧粉磁心材料及び前記圧粉磁心材料を樹脂に分散させてなる材料からなる群より選ばれた軟磁性材料であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の通信システム。

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