JP4717157B2 - Communications system - Google Patents
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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。 The present invention relates to a communication system that performs transmission and reception via a transmission medium such as a human body.
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の伝送媒体に誘導される電界を用いる通信方法が提案されている(特許文献1)。このような通信システムにおいて、特に共振回路の構成としては、特許文献2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、受信機側に、信号源から発生された信号を受信する受信電極と、所定の周波数の信号を抽出する共振回路と、を有する。この共振回路は、空芯コイルとチップコンデンサとで構成されており、空芯コイルの一端が人体に面する受信電極に接続されている。
しかしながら、特許文献2に開示された通信システムを携帯電話に代表されるような携帯機器に搭載した場合、人体と受信機の受信電極が僅かに離れるだけで通信ができなくなったり、通信のキャリア周波数に近いノイズ(例えば、携帯機器が発するノイズ)により通信が妨害されたりするという問題がある。
However, when the communication system disclosed in
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ノイズによる誤動作がなく、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れても安定して通信を行う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。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a communication system that is free from malfunction due to noise and that can perform stable communication even when the distance between the transmission medium and the reception electrode is long. Objective.
本発明の通信システムは、伝送媒体に対して情報信号を電界に変換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受信する受信機と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体に面する受信電極と、前記受信電極に接続した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイル及び前記二次コイルがそれぞれスパイラル状に構成されており、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において2ヶ所以上で容量結合していることを特徴とする。 The communication system of the present invention includes a transmitter that converts an information signal into an electric field and gives it to a transmission medium, and a receiver that detects the electric field and receives the information signal through the transmission medium. The receiver includes a receiving electrode facing the transmission medium, a primary coil connected to the receiving electrode, a secondary coil arranged so that a magnetic flux intersecting the primary coil is magnetically coupled, and A receiving circuit connected to a secondary coil , wherein the primary coil and the secondary coil are each configured in a spiral shape, and a capacitance between the primary coil and the secondary coil is a coil. It is characterized by capacitive coupling at two or more locations.
この構成によれば、分布定数的な容量結合による共振周波数が安定する効果と、それに加えて磁気的な結合により感度が向上する効果とが発揮され、非常に安定した通信が可能である。すなわち、受信電極と受信回路とが2段以上の分布定数的な容量結合になるため、伝送媒体と受信電極との間の距離が変動しても、安定した通信を実現することができる。上記特許文献2に開示されている受信電極を共振回路に直結する方法では、伝送媒体と受信電極とが僅かに離れるだけで通信できないという問題があったが、分布定数的な容量結合にすることによって伝送媒体と受信電極との間の距離が変動しても共振周波数がずれにくくなり、安定な通信が可能になる。本出願人は、より詳しくは特願2007−69265号において、受信電極を共振回路に直結した場合と、インダクタに分布定数的に容量結合させて場合とを比較した説明をしている。この内容はすべてここに含めておく。また、この構成では、共振周波数シフトの対策として共振周波数をブロードにする場合に比べて、ノイズの影響を受けず、より信頼性の高い通信が可能になる。
According to this configuration, the effect of stabilizing the resonance frequency due to distributed-capacitance coupling and the effect of improving sensitivity due to magnetic coupling are exhibited, and very stable communication is possible. In other words, since the receiving electrode and the receiving circuit are two or more stages of distributed constant capacitive coupling, stable communication can be realized even if the distance between the transmission medium and the receiving electrode varies. In the method of directly connecting the receiving electrode disclosed in
本発明の通信システムにおいては、前記スパイラル状の一次コイル及び前記スパイラル状の二次コイルが積層されていることが好ましい。また、本発明の通信システムにおいては、同一平面内で前記一次コイル及び前記二次コイルの一方のコイルの線間に他方のコイルが配置されていることが好ましい。 In the communication system of the present invention, it is preferable that the spiral primary coil and the spiral secondary coil are stacked. Further, in the communication system of the present invention, it is preferable that between the lines of one of the coils of the primary coil and the secondary coil in the same plane and the other coil is disposed.
これらの構成によれば、一次コイルと二次コイルとの間の結合容量がコイル内で均一に分布するため、共振周波数の安定化の効果が非常に大きく、より安定した通信を実現することができる。 According to these configurations, since the coupling capacitance between the primary coil and the secondary coil is uniformly distributed in the coil, the effect of stabilizing the resonance frequency is very large, and more stable communication can be realized. it can.
本発明の通信システムにおいては、前記一次コイル及び前記二次コイルの磁路が閉じていることが好ましい。この構成によれば、磁路が閉じているため、周囲からくる電磁ノイズの影響を受けにくく、また、周辺回路に与える影響も少ない。それにより、周辺の回路部品と非常に近接させてもノイズなどの影響が少なく、通信性能を犠牲にすることなく、小型化、薄型化を実現することができる。 In the communication system of the present invention, it is preferable that the magnetic paths of the primary coil and the secondary coil are closed. According to this configuration, since the magnetic path is closed, it is not easily affected by electromagnetic noise coming from the surroundings, and has little influence on the peripheral circuits. As a result, even if it is very close to the peripheral circuit components, there is little influence of noise and the like, and a reduction in size and thickness can be realized without sacrificing communication performance.
本発明の通信システムは、伝送媒体に対して情報信号を電界に変換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受信する受信機と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体に面する受信電極と、前記受信電極に接続した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイル及び前記二次コイルがそれぞれスパイラル状に構成されており、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において2ヶ所以上で容量結合しているので、ノイズによる誤動作がなく、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れても安定して通信を行うことができる。 The communication system of the present invention includes a transmitter that converts an information signal into an electric field and gives it to a transmission medium, and a receiver that detects the electric field and receives the information signal through the transmission medium. The receiver includes a receiving electrode facing the transmission medium, a primary coil connected to the receiving electrode, a secondary coil arranged so that a magnetic flux intersecting the primary coil is magnetically coupled, and A receiving circuit connected to a secondary coil , wherein the primary coil and the secondary coil are each configured in a spiral shape, and a capacitance between the primary coil and the secondary coil is a coil. Since the capacitive coupling is performed at two or more locations, no malfunction due to noise occurs, and stable communication can be performed even if the distance between the transmission medium and the reception electrode is increased.
本発明者は、上記特許文献2に開示されている技術の課題である伝送媒体と受信電極との間の距離が離れると通信ができなくなること、及びノイズにより誤動作すること、を解決するにあたり、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れると通信ができなくなる原因が、伝送媒体と、この伝送媒体に面する受信機の受信電極との間の静電容量の変化による、受信機の共振回路における共振周波数のシフトであることを見出した。また、本発明者は、単に共振回路の共振特性をブロードにして低Q値化して、共振周波数がシフトしても利得が大きく変化しないようにすると、情報信号の搬送波の周波数に近いノイズに影響されて誤動作が起こることも見出した。特に、この通信システムを、小型化、薄型化する携帯機器に応用する場合においては、各種部品が非常に近接して実装されるため、それぞれが出すノイズによる影響はより顕著になる。したがって、本発明者は、このような観点を考慮して検討を行って、受信機において、受信電極に接続した一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように二次コイルを配置して、一次コイルと二次コイルとの間の静電容量がコイル内において2ヶ所以上で容量結合させることにより、分布定数的な容量結合による共振周波数が安定する効果と、それに加えて磁気的な結合により感度が向上する効果とを発揮させることができることを見出し本発明をするに至った。
In order to solve the problem of the technology disclosed in
すなわち、本発明の骨子は、伝送媒体に対して情報信号電界に変換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受信する受信機と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体に面する受信電極と、前記受信電極に接続した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において2ヶ所以上で容量結合させることにより、ノイズによる誤動作がなく、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れても安定して通信を行うことができる通信システムを実現することである。 That is, the essence of the present invention includes a transmitter that converts and applies an information signal electric field to a transmission medium, and a receiver that receives the information signal by detecting the electric field via the transmission medium. The receiver includes a receiving electrode facing the transmission medium, a primary coil connected to the receiving electrode, a secondary coil arranged so that a magnetic flux intersecting the primary coil is magnetically coupled, and A receiving circuit connected to the secondary coil, and the capacitance between the primary coil and the secondary coil is capacitively coupled at two or more locations in the coil, thereby preventing malfunction due to noise, An object of the present invention is to realize a communication system capable of performing stable communication even when a distance between a transmission medium and a reception electrode is increased.
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(a),(b)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。図1(a),(b)において、受信機内については一部を等価回路として示す。図1(a)は、結合用キャパシタCcを2段に分けた場合を示す図であり、図1(b)は、結合用キャパシタCcを5段に分けた場合を示す図である。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1A and 1B are schematic configuration diagrams showing a communication system according to an embodiment of the present invention. 1A and 1B, a part of the receiver is shown as an equivalent circuit. FIG. 1A is a diagram showing a case where the coupling capacitor C c is divided into two stages, and FIG. 1B is a diagram showing a case where the coupling capacitor C c is divided into five stages.
図1(a),(b)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に対して変調された情報信号を電界に変換して付与する送信機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。
In the communication system shown in FIGS. 1A and 1B, a
この通信システムにおいては、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、電気的に容量結合しており、変調された情報信号に対応する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1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。
In this communication system, the transmitter 1 and the
送信機1は、伝送媒体2に対して変調され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を有する。なお変調方式としては、AM、FM、ASK,FSK、PSKやその他の変調方式が使用可能である。
The transmitter 1 applies the modulated information signal to the
受信機3は、伝送媒体2を介して電界を検出・復調して情報信号を得る。受信機3は、伝送媒体2に面しており、伝送媒体2からの電界を受ける受信電極31と、受信電極31に接続した一次コイルL1と、一次コイルL1と交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルL2と、二次コイルL2に接続された受信回路32と、一次コイルL1と二次コイルL2とを容量結合する結合用キャパシタCcと、を有する。なお、受信回路32には、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変調された情報信号を復調する復調回路が含まれる。The receiver 3 detects and demodulates the electric field via the
この構成においては、一次コイルL1と二次コイルL2が磁気的に結合しており、かつ、一次コイルL1と二次コイルL2は結合用キャパシタCcによってコイル内において2ヶ所以上に分布して容量結合している。In this configuration, the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 are magnetically coupled, and the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 are connected to two or more locations in the coil by the coupling capacitor C c . Distributed and capacitively coupled.
結合用キャパシタCcは、伝送媒体2と、この伝送媒体2に面する受信電極31との間の静電容量の変化による共振回路における共振周波数のシフトを抑制することができる。また、結合用キャパシタCcは、受信機3が通信可能な最大距離まで伝送媒体から離れたときの受信機3と伝送媒体2との間の静電容量値以下であることが好ましい。これにより、受信機3と伝送媒体2との間の結合容量を小さくすることができ、通信可能な伝送媒体2と受信電極31との間の距離を拡大することができる。さらに、結合用キャパシタCcは、可変容量型キャパシタであることが好ましい。これにより、伝送媒体2と受信電極31との間の距離を制御することが可能となり、ユーザの意思で通信可能な伝送媒体2と受信電極31との間の距離を設定することができる。The coupling capacitor C c can suppress a shift in the resonance frequency in the resonance circuit due to a change in capacitance between the
受信電極31と受信回路32の間に、結合用キャパシタを導入することによって、受信電極31と伝送媒体2との距離が変動しても通信性能が変動しにくくなることと、この結合用キャパシタCcを複数段に分けることでより安定することは、本出願人の先願である特願2007−69265号に記載されている。この内容はすべてここに含めておく。本発明においては、受信電極31と受信回路32の間に、結合用キャパシタCcに加えて、互いに交差する磁束が磁気結合されるように配置された一次コイルL1(受信電極31側)及び二次コイルL2(受信回路32側)を導入している。これにより、受信電極31と受信回路32の間に、結合用キャパシタCc1,Cc2による容量結合に加えて、一次コイルL1及び二次コイルL2の磁気的結合を付与している。このため、容量結合と磁気的結合の2つの結合効果が働き、受信感度が向上する。また、結合容量は、段数を多くして分布させることにより、より通信性能が安定化する。By introducing a coupling capacitor between the
上記構成を有する通信システムで通信を行う場合、送信機1において、伝送媒体2、例えば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3の受信電極31で受けられる。受信電極31に電界が加わると、共振回路(一次コイルL1、結合用キャパシタCc及び二次コイルL2)を介して受信回路32で前記変調された情報信号を検出し、送信機1で使用した搬送波を用いて復調して元の情報信号を取得する。このようにして、人体を伝送媒体2として情報信号の送受信を行うことができる。When communication is performed using the communication system having the above-described configuration, the transmitter 1 modulates a
図2〜図4は、図1に示す受信機における等価回路を実現する具体的な構成例を示す。図2(a)〜(c)は、フェライトなどの磁性材料からなるコア41にソレノイド型の一次コイルL1(図中破線)及び二次コイルL2(図中実線)が一部重複して巻回された構成を示す図である。図2(a),(c)に示す構成は、巻き数が少ない方のコイルである一次コイルL1を巻き数が多い方のコイルである二次コイルL2で挟むように巻回されている構成である。2 to 4 show specific configuration examples for realizing an equivalent circuit in the receiver shown in FIG. FIGS. 2A to 2C show that a core 41 made of a magnetic material such as ferrite is partially overlapped with a solenoid type primary coil L 1 (broken line in the figure) and a secondary coil L 2 (solid line in the figure). It is a figure which shows the structure wound. The configurations shown in FIGS. 2A and 2C are wound so that the primary coil L 1 that is the coil with the smaller number of turns is sandwiched between the secondary coil L 2 that is the coil with the larger number of turns. It is the composition which is.
図3(a)〜(c)は、フェライトなどの磁性材料からなる環状のコア41にトロイダル型の一次コイルL1(図中破線)及び二次コイルL2(図中実線)が一部重複して巻回された構成を示す図である。図3(a)〜(c)に示す構成は、巻き数が少ない方のコイルである一次コイルL1を巻き数が多い方のコイルである二次コイルL2で挟むように巻回されている構成である。3A to 3C, a toroidal primary coil L 1 (broken line in the figure) and a secondary coil L 2 (solid line in the figure) are partially overlapped with an
図3(a)〜(c)に示すトロイダル型のコイルの場合、ソレノイド型に比べて磁路が閉じているため、外部のノイズの影響を受けにくく、また周囲へ影響を及ぼし難い特徴がある。そのため、各種部品と非常に近接して実装して小型化、薄型化を実現する用途においては、他の部品と干渉しにくい特徴をもつトロイダル型コイルが有効である。また、このコイルは、薄膜プロセスで作製することが可能であるので、より薄型化する場合には有効である。特に、IC上に薄膜プロセスでコイルを作り込む場合には、ICに影響を与えないトロイダル型が好適である。 In the case of the toroidal type coils shown in FIGS. 3A to 3C, the magnetic path is closed as compared with the solenoid type, so that it is less susceptible to external noise and less likely to affect the surroundings. . Therefore, a toroidal coil having a feature that hardly interferes with other components is effective in applications in which the components are mounted in close proximity to achieve miniaturization and thinning. Further, since this coil can be manufactured by a thin film process, it is effective for making the coil thinner. In particular, when a coil is formed on an IC by a thin film process, a toroidal type that does not affect the IC is preferable.
なお、図2及び図3に示す構成において、一次コイルL1と二次コイルL2の巻き数が同じである場合には、両コイルを交互に巻いても良い。また、コア41のない空芯コイルで構成しても本発明の効果が得られる。2 and 3, when the number of turns of the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 is the same, both coils may be wound alternately. Further, the effect of the present invention can be obtained even if the air-core coil without the
図4(a)は、スパイラルコイルで構成された一次コイルL1及び二次コイルL2が積層した構成を示す。また、図4(b),(c)は、スパイラルコイルで構成された一次コイルL1及び二次コイルL2が、同一平面内で一次コイルL1及び二次コイルL2の一方のコイルの線間に他方のコイルが配置されている構成を示す。FIG. 4A shows a configuration in which a primary coil L 1 and a secondary coil L 2 configured by spiral coils are stacked. Further, FIG. 4 (b), (c), the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 composed of a spiral coil, the one coil of the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 in the same plane The structure by which the other coil is arrange | positioned between wires is shown.
図4(a)に示す構成において、一次コイルL1と二次コイルL2との間は、何も介在せずに空隙としても良いが、積極的に誘電体を介在させても良い。一次コイルL1と二次コイルL2との間に誘電体が存在することにより、結合容量を大きくすることが可能となる。また、機械的強度を保ちつつ結合容量を適度に抑える場合には、誘電体として空孔を持つ多孔質材料を用いても良い。In the configuration shown in FIG. 4A, a gap may be formed between the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 without interposing anything, but a dielectric may be positively interposed. Since the dielectric exists between the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 , the coupling capacitance can be increased. In order to moderately suppress the coupling capacity while maintaining the mechanical strength, a porous material having pores may be used as a dielectric.
図4(b),(c)に示す構成においては、同一平面内で一次コイルL1及び二次コイルL2の一方のコイルの線間に他方のコイルが配置されている。図4(a)に示す構成においては、コイルの積層方向に結合容量Ccが形成されるが、図4(b),(c)に示す構成においては、同一平面内の各コイルの線間での容量が主な結合容量として働く。図4(c)に示す構成においては、一次コイルL1及び二次コイルL2をフェライトなどの磁性体42で覆うことで磁路を閉じている。図4(c)においては、一次コイルL1及び二次コイルL2を磁性体42で挟んだ構成としているが、コイルの厚さが薄ければこの構造でも磁路はほぼ閉じる。また、パーマロイなどのメッキで形成できる磁性材料を用いて、一次コイルL1及び二次コイルL2コイルの表面に磁性材料をメッキして覆っても良い。この場合には、強力に磁路を閉じることができる。In the configuration shown in FIGS. 4B and 4C, the other coil is disposed between the wires of one of the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 in the same plane. In the configuration shown in FIG. 4A, the coupling capacitance C c is formed in the coil stacking direction. In the configurations shown in FIGS. 4B and 4C, the line spacing between the coils in the same plane is set. Capacitance at is the main coupling capacity. In the configuration shown in FIG. 4C, the magnetic path is closed by covering the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 with a
図4(a)〜(c)に示す構成いずれも、結合容量がコイル内でほぼ均一に分布するため、非常に安定した通信を得ることができる。また、薄型化の要求が強い用途では、図4(b)に示す構成が適している。この場合において、結合容量を増やす場合には、誘電率の大きな材料を基板として用いるか、上面から誘電材料で覆うことが好ましい。 In any of the configurations shown in FIGS. 4A to 4C, since the coupling capacitance is distributed almost uniformly in the coil, very stable communication can be obtained. In applications where there is a strong demand for thinning, the configuration shown in FIG. 4B is suitable. In this case, in order to increase the coupling capacitance, it is preferable to use a material having a large dielectric constant as the substrate or to cover the upper surface with a dielectric material.
このように、図2〜図4に示す構成においては、2つのコイルが磁気的に結合し、かつその一部が重複しているので、磁気的結合及び容量結合の双方の効果が得られ、通信感度が向上する。また、静電容量がコイル内において2ヶ所以上で容量結合しているので、2段の分布定数的結合の効果が得られ、感度向上の効果に加えて、共振周波数が安定化するという効果も発揮することができる。 As described above, in the configurations shown in FIGS. 2 to 4, since the two coils are magnetically coupled and a part thereof is overlapped, the effects of both magnetic coupling and capacitive coupling are obtained. Communication sensitivity is improved. In addition, since the capacitance is capacitively coupled at two or more locations in the coil, the effect of two-stage distributed constant coupling is obtained, and in addition to the effect of improving sensitivity, the effect of stabilizing the resonance frequency is also achieved. It can be demonstrated.
なお、本発明は、ベースバンド伝送等の無変調の伝送方式にも適用可能である。また、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、送信機における変調回路や変換回路、受信機における検出回路や復調回路などの構成については適宜変更することができる。また、上記実施の形態における材質、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。 The present invention can also be applied to an unmodulated transmission system such as baseband transmission. The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented with various modifications. For example, the configuration of the modulation circuit and conversion circuit in the transmitter and the detection circuit and demodulation circuit in the receiver can be changed as appropriate. Further, the materials, numerical values, and the like in the above embodiment are not particularly limited and can be changed within the scope of the present invention. Other modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
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