JP4733782B2

JP4733782B2 - 電界通信用電子機器

Info

Publication number: JP4733782B2
Application number: JP2010505886A
Authority: JP
Inventors: 広行蛇口; 雅仁中村; 真佐々木; 大地井上
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: WO2009123087A1; US20110021141A1; CN101981835A; JPWO2009123087A1

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。

上述のようにそれぞれの役割から、図９に示すように、電子機器９１の表面かその近傍に電極対９２が対向して、例えば、一方が上面であれば他方は下面に、配置されることが多い。このような通信システムのための電子機器としては、携帯電話や携帯ゲームなどの他に、自動車用のキーレスエントリーシステムに代表される電子キー、ＩＣカードなどがあり、これらの電子機器は薄型化が要求されてきている。
特表平１１−５０９３８０号公報

カード型のキーのような応用を想定した検討において、図１０に示すように、静電気で帯電した人１０２が、導電性の机１０１の上に置いていたキーを持ち上げる際に、外側電極１０３あるいは人体側電極１０４に指が触れ、カード内の回路に大きな電圧が加わって動作に不具合が発生したり、場合によっては静電破壊１０５が発生するとことがわかってきた。このような問題は、人体通信を応用した携帯機器を充電した後に、携帯機器を充電機から取り外す場合に、静電気で帯電した人が携帯機器を持ち上げる際にも発生する。

この問題は、カード応用において、ポケットなどに入れた状態でも通信が安定化するように人体と電極との結合を大きくするために、電極をできるだけ表面に配置して電極面積を極力大きくすること、表裏の区別をしなくてよいようにするために電極面積をほぼ等しくすること、さらに薄型にするため人体側電極と外側電極の間隔が短くなったことなどによって、より顕著になるため対策が必要である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、静電気で帯電した状態でも静電気による影響を受けにくく、かつ十分な性能を維持できる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、少なくとも伝送媒体側電極及び外側電極を有し、前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間のインピーダンスが、前記電界通信で用いる周波数において略極大であることを特徴とする。

この構成によれば、電界通信で用いる周波数以外の周波数では、伝送媒体側電極と外側電極との間のインピーダンスが小さくなり、静電気で帯電した状態で電極に触れてしまっても、その電荷を逃がすことができ、静電気による電子機器への影響を防ぐことができる。この効果は電子機器が送信機に用いられる場合も、受信機に用いられる場合にも有効である。一方、電界通信で用いる周波数帯域においては、伝送媒体側電極と外側電極との間のインピーダンスが極大になるため、伝送媒体側電極と外側電極との間の容量を介したロスが低減して、電子機器が送信機として用いられる場合では送信効率が向上し、受信機として用いられる場合では受信感度が向上する。このため、システムとしての通信品質が改善する。また、通信品質を同程度に抑えて、送信機の消費電力を小さくし、バッテリー寿命を長くすることも可能である。

本発明の電界通信用電子機器においては、前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間に、電界通信用の回路基板が配設されており、前記回路基板は、前記伝送媒体側電極及び前記外側電極の一方の電極と接続されており、他方の電極が前記回路基板のグランドと容量結合していることが好ましい。

本発明の電界通信用電子機器においては、前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間の静電容量と並列共振回路を構成するインダクタを有し、前記並列共振回路の共振周波数が、前記電界通信で用いる周波数と略同じであることが好ましい。

この構成によれば、伝送媒体側電極と外側電極との間の容量及びインダクタで並列共振回路を構成しているので、共振回路のＱ値が高く、電界通信で用いる周波数以外の周波数でインピーダンスを著しく小さくでき、静電気対策効果が大きくなる。また、電界通信で用いる周波数帯域では、インピーダンスがより大きくなるため、送信効率が向上し、受信感度が向上して通信品質もさらに向上する。

本発明の電界通信用電子機器においては、前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間に容量結合部材が存在しており、前記容量結合部材を介した静電容量について、インピーダンスが前記電界通信で用いる周波数において略極大であることが好ましい。

伝送媒体側電極と外側電極との間に基板や部品などの容量結合部材が存在する場合に、それら基板や部品を介した静電容量に思わぬ電圧が生じ、静電破壊などが発生することが考えられる。この構成によれば、それぞれの容量結合部材間の静電容量においてもインピーダンスを、電界通信で用いる周波数帯域で極大、それ以外の周波数では小さくするので、上記効果を確実に得ることができる。

本発明の電界通信用電子機器においては、前記電子機器は、複数の姿勢をとる複数の筐体を備えており、各姿勢における前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間のインピーダンスが前記電界通信で用いる周波数において略極大となるように、容量又はインダクタンスを制御する制御手段を有することが好ましい。この構成によれば、例えば、折り畳み式の携帯電話のような電子機器でも、開いた状態、折り畳んだ状態の複数の姿勢のどちらでも、十分な静電気対策ができ、良好な通信品質を得ることができる。

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、少なくとも伝送媒体側電極及び外側電極を有し、前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間のインピーダンスが、前記電界通信で用いる周波数において略極大であるので、静電気で帯電した状態でも静電気による影響を受けにくく、かつ十分な性能を維持することができる。

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。（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る電界通信用電子機器の基本構成を示す概略図である。本発明の実施の形態に係る電界通信用電子機器におけるインピーダンスを説明するための図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る電界通信用電子機器を示す概略図である。人体側電極と外側電極との間に導入するインダクタンストランジスタを説明するための図である。人体側電極と外側電極との間に導入するスタブを説明するための図である。電界通信用電子機器における容量結合部材を説明するための図である。（ａ）〜（ｃ）は、電界通信用電子機器である折り畳み式携帯電話の筐体間の姿勢を示す図である。電界通信用電子機器の一例を示す図である。図９における電界通信用電子機器における課題を説明するための図である。

電界通信システムに用いる電子機器がＩＣカードや各種キーのように小型化されると、上述したように伝送媒体側電極と外側電極とが対向することが多く、伝送媒体側電極と外側電極との間の容量（信号電極−基準電極間容量Ｃｓｇ）を小さくすることができず、このため、この容量Ｃｓｇを介して電界信号がロスしてしまうことが想定される。

本発明者らはこのような点に着目し、伝送媒体側電極と外側電極との間にインダクタンスＬを導入し、伝送媒体側電極と外側電極との間の容量Ｃｓｇと並列共振させることにより、容量Ｃｓｇを介した電界信号のロスを抑え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が、少なくとも伝送媒体側電極及び外側電極を有し、前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間のインピーダンスが、前記電界通信で用いる周波数において略極大として、静電気で帯電した状態でも静電気による影響を受けにくく、かつ十分な性能を維持することである。

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（ａ）は、図１に示すシステムにおいて送信機１として用いられる電子機器を示す概略図であり、図２（ｂ）は、図１に示すシステムにおいて受信機３として用いられる電子機器を示す概略図である。電子機器である送信機１又は受信機３は、それぞれ少なくとも伝送媒体側電極（ここでは人体側電極）１１，３１及び外側電極１２，３２を有する。また、伝送媒体側電極（ここでは人体側電極）１１，３１と外側電極１２，３２との間には、それぞれ電界通信用回路基板１３，３３がそれぞれ配設されている。この構成において、この人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２とは、インピーダンス素子Ｚで接続されているが、図３に示すように、電界通信で用いる周波数ｆ₀において略極大である。なお、通常はピークから−３ｄＢまで小さくなる帯域が、電界通信で用いる周波数をカバーしていることが望ましい。また、電界通信用回路基板１３，３３は、一方の電極（ここでは外側電極１２，３２）と接続されており、他方の電極（ここでは人体側電極１１，３１）が電界通信用回路基板１３，３３のグランドと容量結合している。

このように構成することにより、電界通信で用いる周波数以外の周波数では、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間のインピーダンスが小さくなり、静電気で帯電した状態で電極に触れてしまっても、静電気は電界通信用回路基板１３，３３側には流れず、インピーダンス素子Ｚ側に流れるので、その電荷を逃がすことができ、静電気による電子機器への影響を防ぐことができる。一方、電界通信で用いる周波数帯域においては、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間のインピーダンスが極大になるため、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間の容量を介したロスが低減して、電子機器が送信機として用いられる場合では送信効率が向上し、受信機として用いられる場合では受信感度が向上する。このため、システムとしての通信品質が改善する。また、通信品質を同程度に抑えて、送信機の消費電力を小さくし、バッテリー寿命を長くすることも可能である。

このように人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間のインピーダンスＺが、電界通信で用いる周波数ｆ₀において略極大にするために、例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間の静電容量と並列共振回路を構成するインダクタＬを設け、この並列共振回路の共振周波数が、電界通信で用いる周波数と略同じにする。この場合において、インダクタＬとして、Ｑ値の大きい空芯コイルなどを用いることにより、電界通信システムにおける送信効率を向上させ、受信感度を向上させる効果がより大きくなる。また、この場合において、インダクタンスＬは、電子機器としての送信機・受信機がそれぞれ人体に装着されたときのＣｓｇで共振する値に設定することが望ましい。

この場合においても、伝送媒体側電極（ここでは人体側電極）１１，３１と外側電極１２，３２との間には、それぞれ電界通信用回路基板１３，３３がそれぞれ配設され、電界通信用回路基板１３，３３は、一方の電極（ここでは外側電極１２，３２）と接続されており、他方の電極（ここでは人体側電極１１，３１）が電界通信用回路基板１３，３３のグランドと容量結合している。これにより、電界通信で用いる周波数以外の周波数では、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間のインピーダンスが小さくなり、静電気で帯電した状態で電極に触れてしまっても、静電気は電界通信用回路基板１３，３３側には流れず、インピーダンス素子Ｚ側に流れるので、その電荷を逃がすことができ、静電気による電子機器への影響を防ぐことができる。一方、電界通信で用いる周波数帯域においては、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間のインピーダンスが極大になるため、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間の容量を介したロスが低減して、電子機器が送信機として用いられる場合では送信効率が向上し、受信機として用いられる場合では受信感度が向上する。このため、システムとしての通信品質が改善する。また、通信品質を同程度に抑えて、送信機の消費電力を小さくし、バッテリー寿命を長くすることも可能である。

また、図４の構成の他に、図５に示すように、インダクタンストランジスタを用いて上記と同様に並列共振回路を構成しても良い。電子機器がＩＣカードや各種キーの場合、より薄型、小型化が要求されるので、構成部品を半導体チップに作り込むことが望ましいが、コイルは半導体プロセスで作りにくく、強引にコイルを形成しても大きくなり、コストも増えてしまう。しかしながら、図５に示すように、コイルを用いないでインダクタンスとして働くトランジスタ回路を用いることにより、半導体チップに作り込みやすく、素子も小さくすることができ安価となる。なお、このトランジスタ回路がインダクタンスとして働くためには、ＣＲ時定数が十分に大きく、ωＣＲ≫１を満たすことが条件である。

図５には、インダクタトランジスタの基本的な構成例を示しているが、Ｑ値を高めるための工夫を施したものなど、これ以外にもインダクタンスとして働くトランジスタ回路はすべて用いることができる。また、このインダクタンストランジスタは、インダクタンス値をコントロールすることも可能なので、静電容量が変化してもインピーダンスを極大値に自動制御するように構成しても良い。

また、図６に示すように、電界通信で用いる周波数での波長λに対して、λ／４、３λ／４、５λ／４・・の長さをもつショートスタブ４１を、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間に設けてもインピーダンスを極大にすることができる。特に、電界通信で用いる周波数が高い場合には、波長が短くスタブのサイズが小さくて良いため、スタブ４１を用いる構成が有効となる。また、スタブ４１をインダクタンスとして用いて並列共振回路を構成することも可能であり、その場合にはショートスタブに限らずオープンスタブを用いても良い。さらに、ノッチフィルタ（あるいはバンドエリミネーションフィルタ）を用いても良い。このようなフィルタを用いても、電界通信で用いる周波数で入力インピーダンスを大きくして、その他の周波数で入力インピーダンスを著しく小さくすることができ、本発明の効果を発揮することができる。

このように、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間の容量及びインダクタで並列共振回路を構成することにより、共振回路のＱ値が高く、電界通信で用いる周波数以外の周波数でインピーダンスを著しく小さくでき、静電気対策効果を発揮することができる。また、電界通信で用いる周波数帯域では、インピーダンスがより大きくなるため、送信効率が向上し、受信感度が向上して通信品質もさらに向上する。

電子機器内には、図７に示すように、電界通信用の人体側電極１１，３１、外側電極１２，３２や、容量結合部材である電界通信用回路基板４３、その他の回路基板４２、バッテリー４４などが高密度に実装されており、それらの間隔は非常に小さくなっている。従来の大きめの電子機器では、それぞれの間隔が大きく、静電気による悪影響もあまり気にする必要がなかった。しかしながら、高密度実装が必要な小型、薄型の電子機器（ＩＣカードや各種キー）では、それぞれの間隔は非常に小さくなり、本発明のようにインピーダンスを最適化することが重要である。

このため、人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間に容量結合部材が存在しており、容量結合部材を介した静電容量Ｃ１〜Ｃ５について、インピーダンスが電界通信で用いる周波数において略極大であることが好ましい。すなわち、電界通信で用いる周波数帯域においては人体側電極１１，３１と外側電極１２，３２との間のインピーダンスを極大化し、それ以外の周波数ではインピーダンスを小さくする際にインダクタＬなどを導入する部分は、図７に示す静電容量Ｃ２〜Ｃ５の合成容量も考慮する必要がある。この場合において、静電容量Ｃ２〜Ｃ５の合成容量も考慮した上で一か所に導入しても良いが、それぞれの容量に応じて分散させてインダクタＬを導入することが効果的である。これにより、それぞれの容量結合部材間の静電容量においてもインピーダンスを、電界通信で用いる周波数帯域で極大、それ以外の周波数では小さくするので、本発明の効果を確実に得ることができる。

このように、個々の容量結合部材を考慮して、電界通信で用いる周波数においてインピーダンスを極大にすることは、通信品質を向上する観点においても重要である。特に、ＩＣカードのような用途においては、外側電極と人体側電極との間の直接的な結合の他に、バッテリーを介した結合も考慮する必要があり、このような場合にこの構成は非常に有効である。

次に、電子機器が図８（ａ）〜（ｃ）に示すような折り畳み式の携帯電話である場合について説明する。図８（ａ）は２つの筐体が開いた状態を示し、図８（ｃ）は２つの筐体が閉じた状態を示し、図８（ｂ）はその中間の状態を示している。外側電極をＬＣＤ側の筐体５１に、人体側電極を入力部側の筐体５２に設けた場合、人体側電極と外側電極との間の静電容量はそれぞれ異なり、開いた状態（図８（ａ））＜中間状態（図８（ｂ））＜閉じた状態（図８（ｃ））となる。

このような複数の姿勢をとる複数の筐体（ここでは２つ）を備えた電子機器においては、各姿勢における人体側電極と外側電極との間のインピーダンスが電界通信で用いる周波数において略極大となるように、容量又はインダクタンスを制御することが好ましい。この構成によれば、開いた状態、折り畳んだ状態の複数の姿勢のどちらでも、十分な静電気対策ができ、常に良好な通信品質を得ることができる。

すなわち、筐体間の各姿勢により人体側電極と外側電極との間の静電容量が異なると、インピーダンスを極大にするためのインダクタンス値はそれぞれ異なる。このため、それぞれの姿勢における静電容量値をあらかじめ把握しておき、姿勢に応じて最適なインダクタンス値に切り替える制御する制御部（図示せず）を設けることが好ましい。この場合において、筐体間の各姿勢は、開閉センサなどにより検出する。あるいは、電子機器に各姿勢において静電容量を検出する機能を持たせ、制御部で、検出された静電容量に対応する最適なインダクタンス値を自動制御しても良い。この場合において、インダクタとしては、インダクタンス値を制御できるインダクタンストランジスタを用いることが望ましい。また、可変容量を用いて人体側電極と外側電極との間の静電容量の変化を相殺して、インピーダンスが極大になるようにしても良い。

また、この携帯電話の例では、折り畳んだ状態でポケットに入れ、その状態で電界通信を行う場合が想定されるため、人体側電極と外側電極のどちらが人体側に位置しても、人体と電極との間の静電容量はほぼ等しくなるようにすることで、携帯電話の向きにかかわらず安定した通信ができる。具体的には、人体側電極の面積と外側電極の面積を同じにするか、人体側電極の面積と外側電極の面積が異なる場合には、静電容量が等しくなるように筺体の厚さや誘電率などで調整することが好ましい。

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

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、少なくとも伝送媒体側電極及び外側電極を有し、前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間のインピーダンスが、前記電界通信で用いる周波数において略極大であることを特徴とする電界通信用電子機器。
前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間に、電界通信用の回路基板が配設されており、前記回路基板は、前記伝送媒体側電極及び前記外側電極の一方の電極と接続されており、他方の電極が前記回路基板のグランドと容量結合してい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。
前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間の静電容量と並列共振回路を構成するインダクタを有し、前記並列共振回路の共振周波数が、前記電界通信で用いる周波数と略同じである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。
前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間に容量結合部材が存在しており、前記容量結合部材を介した静電容量について、インピーダンスが前記電界通信で用いる周波数において略極大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電界通信用電子機器。
前記電子機器は、複数の姿勢をとる複数の筐体を備えており、各姿勢における前記伝送媒体側電極と前記外側電極との間のインピーダンスが前記電界通信で用いる周波数において略極大となるように、容量又はインダクタンスを制御する制御手段を有す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電界通信用電子機器。