JP4717143B2 - 電界通信用電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、人体や空間のような伝送媒体を介して電界信号を送受信するシステムに用いる電子機器に関する。

伝送媒体（主に人体）を介して送受信する通信システムについて、電界を用いて通信する方法が特許文献１などで開示されている。この特許文献１に開示されたシステムにおいては、電極対、すなわち人体に密接に容量結合する人体側（内部）電極と、ルームアースに対する結合が人体側（内部）電極よりも大きくなるように配向された外側（外部）電極との対を、送信機及び受信機がそれぞれ１対ずつ備えている。

また、特許文献２においては、電界通信用の携帯端末の電子回路やディスプレイから発生する不要な電磁波が人体に混入して通信品質が劣化する問題に着目し、電界通信用の携帯端末の回路要素（ディスプレイ、操作キー、電界通信トランシーバ、コンピュータなど）から離れた位置に人体通信専用の送受信電極を新たに設けることで、回路要素から発生する不要な電磁波が生体に混入することを抑えて通信品質の向上を図ることが開示されている。
特表平１１−５０９３８０号公報 特開２００５−３０３９２２号公報

従来の電界通信システムは、ユーザーが電子機器を手で持った時に通信を確実に行えることに主眼を置き、このような観点で信号電極に着目したものが多く、この信号電極は伝送媒体（主に人体）に面していることが前提となっていた。そのため、信号電極が人体に向くように設計された電界通信用の電子機器は、特にポケットなどに入れることを想定すると、信号電極が人体に向いてポケットに挿入された場合と、その逆向きでポケットに挿入された場合とで送信パワーや受信感度が変わってしまい、逆向きでポケットに挿入された際に通信が成り立たなくなるという問題がある。また、逆向きでポケットに挿入されることを前提として設計してしまうと、信号電極が人体に向いてポケットに挿入された際に送信パワーが設計以上に大きくなってしまうという問題もある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、伝送媒体に対面する電子機器の面が信号電極側の面以外でも通信が可能であり、ユーザーが電子機器の表か裏かを意識せずに通信を行うことができる使い易い電界通信用電子機器を提供することを目的とする。

本発明の電界通信用電子機器は、伝送媒体を介して電界通信するシステムにおける送信機又は受信機として用いる電子機器であって、前記電子機器は、互いに対向する第１面及び第２面を有し、前記第１面側に、電界信号を送信又は受信する信号電極、並びに前記信号電極に接続又は容量結合された第１機器構成要素が配設され、前記第２面側に、前記電子機器の基準電位に接続又は容量結合され、電池を含む第２機器構成要素が配設されており、前記第１面が前記伝送媒体と対面した際の前記信号電極及び前記第１機器構成要素と前記伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃst）と、前記第２面が前記伝送媒体と対面した際の前記第２機器構成要素と前記伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃgt）とがほぼ等しいことを特徴とする。

この構成によれば、信号電極側の第１面に限定されず、第２面を伝送媒体に対面させた場合でも同等レベルの通信が可能になる。したがって、ユーザーも電子機器の第１面と第２面を区別する必要がなく、扱い易くなる。

本発明の電界通信用電子機器においては、前記基準電位を持つ基準電極を有することが好ましい。この構成によれば、基準電位に接続した基準電極と伝送媒体との間に発生する静電容量が付加されるので、電池や回路基板などで形成される伝送媒体との静電容量では不足する場合でも、電界通信のための十分な静電容量を得ることができる。また、基準電極を設けることにより、第１面と第２面との間の静電容量のバランスを容易に取ることができる。

本発明の電界通信用電子機器においては、前記第１面の面積と前記第２面の面積が互いにほぼ同じで、かつ、前記電子機器の他の面の面積よりも大きいことが好ましい。この構成によれば、通常、面積の大きい面を伝送媒体に対向させることが自然な状態であるので、ユーザーは特に意識せずに第１面、第２面を伝送媒体に対向させるため、より扱い易くなる。

本発明の電界通信用電子機器においては、前記第１面の面積と前記第２面の面積が互いにほぼ同じで、かつ、前記電子機器の他の面の面積に比べて最大ではないことが好ましい。この構成によれば、ユーザーが意図して第１面又は第２面を伝送媒体に対面させるような用途に適する。この場合においても、第１面と第２面の区別は不要であり、扱い易い電子機器を実現することができる。

本発明の電界通信用電子機器は、伝送媒体を介して電界通信するシステムにおける送信機及び／又は受信機として用いる電子機器であって、前記電子機器は、互いに対向する第１面及び第２面を有し、前記第１面側に、電界信号を送信及び／又は受信する信号電極、並びに前記信号電極に接続又は容量結合された第１機器構成要素が配設され、前記第２面側に、前記電子機器の基準電位に接続又は容量結合され、電池を含む第２機器構成要素が配設されており、前記第１面が前記伝送媒体と対面した際の前記信号電極及び前記第１機器構成要素と前記伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃst）と、前記第２面が前記伝送媒体と対面した際の前記第２機器構成要素と前記伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃgt）とがほぼ等しいので、伝送媒体に対面する電子機器の面が信号電極側の面以外でも通信が可能であり、ユーザーが電子機器の表か裏かを意識せずに通信を行うことができる使い易いものである。

本発明の実施の形態に係る電子機器を用いた電界通信システムを示す概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る電子機器を示す概略断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る電子機器の使用状態における静電容量を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る電子機器の一例を示す図である。 図４に示す電子機器の使用態様を説明するための図である。 図４に示す電子機器の他の使用態様を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る電子機器の他の例を示す図である。 図７に示す電子機器の使用態様を説明するための図である。

携帯電話のように機器内において電池の占める体積が大きい電子機器を電界通信システムの送信機及び／又は受信機に応用する場合、電池と伝送媒体との間の静電容量を考慮することが特に重要である。単純に信号電極と基準電極の面積を同じにすると、第１面が伝送媒体と対面した際の信号電極及び機器構成要素と伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃst）と、第２面が伝送媒体と対面した際の機器構成要素と伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃgt）とは、Ｃst＜Ｃgtのような関係となり、伝送媒体に対面する面が第１面か第２面かで通信性能が大きく異なってしまうことになる。特に、電子機器を送信機として用いる場合、Ｃgtが想定より大きい場合には、信号電極（送信電極）から伝送媒体に供給される送信パワーが想定より大きくなってしまう。また、折り畳み式の携帯電話では、ポケットに入れた状態で電界通信することも考えられる。このような場合、通常は折り畳んだ状態で携帯電話をポケットに入れるため、その状態でのＣstとＣgtでバランスをとる必要がある。

本発明者らはこのような点に着目し、電池や回路基板なども含めて第１面側と第２面側の静電容量のバランスをとって、第１面が伝送媒体と対面した際の信号電極及び機器構成要素と伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃst）と、第２面が伝送媒体と対面した際の機器構成要素と伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃgt）とを、Ｃst＝Ｃgtのような関係にすることにより、信号電極側の第１面に限定されず、第２面を伝送媒体に対面させた場合でも同等レベルの通信が可能にな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、伝送媒体を介して電界通信するシステムにおける送信機及び／又は受信機として用いる電子機器において、電池や回路基板なども含めて互いに対向する第１面側と第２面側の静電容量のバランスをとって、第１面が伝送媒体と対面した際の信号電極及び機器構成要素と伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃst）と、第２面が伝送媒体と対面した際の機器構成要素と伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃgt）とを、Ｃst＝Ｃgtのような関係にして、信号電極側の第１面に限定されず、第２面を伝送媒体に対面させた場合でも同等レベルの通信を可能にすることである。

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電子機器を用いた電界通信システムを説明するための図である。

上述したように、伝送媒体（主に人体）２を介して送受信する電界通信システムにおいては、人体２に密接に容量結合する人体側（内部）電極と、アース４に対する結合が人体側（内部）電極よりも大きくなるように配向された外側（外部）電極との対を、送信機１及び受信機３がそれぞれ１対ずつ備えている。また、電界を使った人体通信においては、送信機−人体−受信機との容量結合を介して信号が流れる往路（図１におけるパスＡ）と、受信機−空気などの誘電体又はグランドなどの導体−受信機との容量結合を介して信号が流れる復路（図１におけるパスＢ）が必要である。

このような電界通信システムにおいては、送信機１において、例えば情報信号を、人体が導電性を示す周波数（数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚ）の搬送波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磁界信号となる。そして、この電界信号が伝送媒体２である人体に付与される。なお、送信機１及び受信機３における変・復調方式については特に制限はなく、変・復調しないベースバンド伝送でも良い。人体に付与された電界信号は、受信機３の信号電極で受信される。信号電極に加わった電界信号は、増幅され、送信機１で使用した搬送波を用いて復調して情報信号として出力される。

図２は、図１に示すシステムにおいて送信機１又は受信機３として用いられる電子機器を示す概略断面図である。図２に示す電子機器は、互いに対向する第１面及び第２面を持つ筐体１１を備えている。筐体１１の内部には、回路基板１２が配設されている。また、筐体１１の第１面側には、電界信号を送信及び／又は受信する信号電極（送信電極、受信電極、あるいは送受信電極）１３が配設されている。この信号電極１３は、機器構成要素である回路基板１２の導電部１６と電気的に接続されている。なお、信号電極１３と回路基板１２の導電部１６とは、有線もしくは容量結合などの手段により、電気的に接続されていれば良い。また、筐体１１の第２面側には、機器構成要素である電池１４及び電界の基準電位を持つ基準電極１５が配設されている。なお、機器構成要素としては、電極などの導電部、導電部と基板とを接続する配線、電池、電子部品、回路基板なども挙げられる。また、本明細書において、必ずしも筐体の露出面に機器構成要素が配設されている必要はなく、各機器構成要素が筐体１１内の中心に対して相対的に第１面側又は第２面側に寄って配設されている場合も含むものとする。

第２面側には基準電極１５を持つ。この基準電極１５は、電池や回路基板などで形成される伝送媒体との静電容量では不足する場合に設けられるもので、基準電極と伝送媒体との間に発生する静電容量を付加して、電界通信のための十分な静電容量を得るようにすることができるものである。また、この基準電極を設けることにより、第１面と第２面との間の静電容量のバランスを容易に取ることができる。なお、例えば電池１４が充分に大きく、第１面と第２面との間の静電容量のバランスが取れているのであれば、この基準電極１５は必ずしも設けなくとも良い。

図３（ａ）は、電子機器の第１面が伝送媒体に対面した状態を示す図であり、図３（ｂ）は、電子機器の第２面が伝送媒体に対面した状態を示す図である。本発明の実施の形態に係る電子機器においては、第１面が伝送媒体２と対面した際の信号電極１３及び機器構成要素と伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃst）と、第２面が伝送媒体２と対面した際の機器構成要素と伝送媒体２との間に生じる静電容量の総和（Ｃgt）とがほぼ等しいことを特徴とする。

例えば、図３（ａ）に示すように、電子機器の第１面が伝送媒体２に対面した状態において、信号電極１３と伝送媒体２との間の静電容量をＣs1とし、信号電極１３に接続する導電部（配線及び回路基板の一部）１６と伝送媒体２との間の静電容量をＣs2とすると、その総和はＣst＝Ｃs1＋Ｃs2となる。

一方、電子機器の第２面が伝送媒体２に対面した状態においては、基準電位を持つ電池１４と伝送媒体２との間の静電容量をＣg1とし、基準電位を持つ回路基板１２の一部と伝送媒体２との間の静電容量をＣg2、基準電位を持つ基準電極１５と伝送媒体２との間の静電容量をＣg3とすると、その総和はＣgt＝Ｃg1＋Ｃg2＋Ｃg3となる。

そこで、ＣstとＣgtとをほぼ等しくすることにより、伝送媒体２に対面する面が第１面と第２面のどちらであっても同等レベルの通信を可能にすることができる。したがって、ユーザーも電子機器の第１面と第２面を区別する必要がなく、扱い易くなる。また、上述したように、電池１４や回路基板１２によるＣg1、Ｃg2でＣstを満たす場合には基準電極１５を除くように機器構成要素を選択しても良い。なお、ＣstとＣgtとをほぼ等しくする場合ＣstとＣgtとの間の差は１０％以内であることが望ましい。

また、折り畳み式の携帯電話では、折り畳んだ状態で表に出ているサブディスプレイ、カメラモジュールなども、信号電極１３あるいは基準電極１５のどちらに寄与するか評価した上で、ＣstとＣgtのバランスを取る必要がある。

図４は、六面体形状を持つ一般的な電子機器を示す図である。この電子機器においては、最も面積の大きな面を上面２１、底面２２とし、これらをそれぞれ第１面と第２面とする。なお、上面２１を第２面とし、底面２２を第１面としてもよい。カード型のキーレスエントリーや、ＩＣカードを使った各種ＩＤキー、電子マネーなどの用途では、この六面体をポケットなどに入れる使用態様が考えられる。この場合、図５に示すように、通常はポケット３１の中に電子機器の厚みが薄くなるように入れることが多く、上面２１又は底面２２が人体に対面することになる。したがって、ユーザーがあまり意識しなくとも電子機器の第１面又は第２面が人体に対面する配置になる。また、図６に示す腕時計のようなリストバンド４１で装着する場合にも、上面２１か底面２２が人体に対面するように装着することになる。

このように、図５及び図６に示す使用態様においては、電子機器において、第１面の面積と第２面の面積が互いにほぼ同じで、かつ、電子機器の他の面の面積よりも大きいことが好ましい。このような構成にすることにより、通常、面積の大きい面を伝送媒体に対向させることが自然な状態であるので、ユーザーは特に意識せずに第１面、第２面を伝送媒体に対向させるため、より扱い易くなる。

図７は、六面体形状を持つ電子機器の他の例を示す図である。この電子機器においては、最も面積の大きな面以外の面、ここでは側面２３，２４をそれぞれ第１面と第２面とする。すなわち、この構成においては、上面、底面よりも面積が小さく、通常では伝送媒体に対面する可能性の少ない面を第１面、第２面としている。このように構成することにより、電子機器を立てるという意図を持った動作によって通信が可能になるようにすることができる。すなわち、ユーザーが意識しない状態で通信してしまうことを防ぐことができる。例えば、図６に示すリストバンド型の電子機器の場合、通常は横にしておいて通信は成立しないが、ユーザーが意図的に立てたときのみ通信が可能になる。

また、図８に示すように、板状の伝送媒体（導電体又は誘電体）２上に複数の電子機器があり、立てているもの同士は互いに通信が可能であるが、横に置いているものは通信不可である。これを双六のようなゲームに応用すると、駒を立てている間に通信を行い、経路の履歴をメモリーに記憶させるとか、特定の場所で止まった場合に通信によってポイントを加算、あるいは引き落とすということが可能になる。この場合においても、伝送媒体２に対面する面が側面２３，２４でも通信性能は同等であり、区別の必要がなく使い易いものである。

このように、図７に示す使用態様においては、電子機器においては、第１面の面積と第２面の面積が互いにほぼ同じで、かつ、電子機器の他の面の面積に比べて最大ではないことが好ましい。このような構成にすることにより、ユーザーが意図して第１面又は第２面を伝送媒体に対面させるような図８の用途で電界通信を行うことができる。この場合においても、第１面と第２面の区別は不要であり、扱い易い電子機器を実現することができる。

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、上記実施の形態における回路構成、部品点数、数値などは一例であり、本発明はこれに限定されず適宜変更して実施することができる。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 (4)

1. 伝送媒体を介して電界通信するシステムにおける送信機又は受信機として用いる電子機器であって、前記電子機器は、互いに対向する第１面及び第２面を有し、前記第１面側に、電界信号を送信又は受信する信号電極、並びに前記信号電極に接続又は容量結合された第１機器構成要素が配設され、前記第２面側に、前記電子機器の基準電位に接続又は容量結合され、電池を含む第２機器構成要素が配設されており、前記第１面が前記伝送媒体と対面した際の前記信号電極及び前記第１機器構成要素と前記伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃst）と、前記第２面が前記伝送媒体と対面した際の前記第２機器構成要素と前記伝送媒体との間に生じる静電容量の総和（Ｃgt）とがほぼ等しいことを特徴とする電界通信用電子機器。
2. 前記基準電位を持つ基準電極を有することを特徴とする請求項１記載の電界通信用電子機器。
3. 前記第１面の面積と前記第２面の面積が互いにほぼ同じで、かつ、前記電子機器の他の面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電界通信用電子機器。
4. 前記第１面の面積と前記第２面の面積が互いにほぼ同じで、かつ、前記電子機器の他の面の面積に比べて最大ではないことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電界通信用電子機器。

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