JP4976271B2 - 音声信号用通信システム - Google Patents

Description

本発明は、人体や空間のような伝送媒体を介して音声信号を送受信して出力する音声信号用通信システムに関する。

音声信号を再生するシステムにおいては、例えば、ＡＭ、ＦＭ、ＡＳＫ、ＦＳＫなどの方法で変調された音声信号が送信機から電磁波信号として送信され、人体や空間などの伝送媒体を介して受信機に伝送され、この受信機で音声信号に復調され、復調された音声信号がスピーカのような出力手段から音声として再生される。このシステムにおいて、受信機は、変調された音声信号を検出する信号検出回路と、検出された音声信号を復調する復調回路と、復調された音声信号を増幅する増幅回路と、音声を出力するスピーカ及びこのスピーカを駆動するボイスコイルとから主に構成されている。

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などで開示されており、特に共振回路の構成について特許文献２に開示されている。この構成においては、所定の周波数を抽出する共振回路がコイルとコンデンサとで構成され、そのコイルの一端が受信電極に接合されている。また、人体を介した通信技術を応用して音声信号を伝送する例として、特許文献３に開示されているワイヤレス・ヘッドフォンがある。人体通信においては、人体を介して信号を送受信する送信電極及び受信電極が必要であり、これらの電極は人体と密接に容量結合することが重要である。このため、特許文献３の技術においては、導電性材料を用いたイヤーパッドを電極として用いた例が示されている。
特表平１１−５０９３８０号公報 特開２００５−９４４６６号公報 特開２００１−１４４６６２号公報

特許文献２に示されているように、受信電極が共振回路に直結されている回路では、人体と受信電極が僅かに離れるだけで通信できなくなるという問題があり、ワイヤレス・ヘッドフォンと音楽再生機を身につけ動きながら使う場合には安定した音楽再生が困難であった。その対策としては、受信電極を非常に大きくする、あるいは、特許文献３に示されているように、人体と受信電極とが確実に密接するようにイヤーパッドを電極にするという方法も提案されているが、導電性材料に金属を使う場合は、装着した感触が硬いとか金属アレルギーを持った人には使えず、また、金属以外の導電性材料を使うと非常に高価であるといった問題があるので、実用化には至っていなかった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型なシステムでありながら、安定した音楽再生ができ、かつ、部品点数も減らしてコストも削減することができる音声信号用通信システムを提供することを目的とする。

本発明の音声信号用通信システムは、音声信号を変調し電磁界信号に変換して送信する送信機と、前記電磁界信号から前記音声信号を復調し、復調された音声信号を出力する受信機と、前記電磁界信号を介して前記音声信号を前記送信機から前記受信機に伝送する伝送媒体と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体と容量結合されて前記電磁界信号を受信すると共に前記復調された音声信号を通過させるボイスコイルを有する出力手段と、前記ボイスコイルで受信した前記電磁界信号を検出し、検出後の信号を前記音声信号に復調する電界通信用回路と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、スピーカのボイスコイルを人体通信用受信電極と兼用させ、人体とボイスコイルとの間の容量結合によって信号を受信する。ボイスコイルと人体は分布定数的な容量結合になるため、人体と受信電極との距離の変動に対して安定した通信が実現できる。すなわち、受信電極を共振回路に直結する方法では、人体と受信電極が僅かに離れるだけで通信できないという問題があるが、分布定数的な容量結合にすることによって人体と受信電極との距離が変動しても共振周波数がずれにくくなり、安定した通信が可能になる。

本発明の音声信号用通信システムにおいては、前記受信機は、復調後の音声信号から高周波成分を除去するローパスフィルタ又はバンドパスフィルタを含み、前記ボイスコイルと信号検出回路の間に電磁界信号を通すハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタを含むことが好ましい。この構成によれば、電磁界信号と音声信号とをより確実に分離することができ、良好な音声再生を行うことができる。

本発明の音声信号用通信システムにおいては、前記ボイスコイルの内側に磁性体が配置されていることが好ましい。この構成によれば、伝送媒体とボイスコイルとの間の容量結合の妨げになるものがないため、良好な通信品質を得ることができる。

本発明の音声信号用通信システムにおいては、前記磁性体が前記電界通信用回路と電気的に絶縁されていることが好ましい。この構成によれば、受信電極であるボイスコイルと電界通信用回路の基板との間の容量結合を減らすことができ、受信電極であるボイスコイルと電界通信用回路との間の容量を介した信号のロスを抑えて、通信品質を向上させることができる。

本発明の音声信号用通信システムにおいては、前記伝送媒体と前記ボイスコイルとの間の空間の少なくとも一部に誘電体が配設されていることが好ましい。この構成によれば、伝送媒体とボイスコイルとの間の容量結合が強化されるので、良好な通信品質を得ることができる。

本発明の音声信号用通信システムは、音声信号を変調し電磁界信号に変換して送信する送信機と、前記電磁界信号から前記音声信号を復調し、復調された音声信号を出力する受信機と、前記電磁界信号を介して前記音声信号を前記送信機から前記受信機に伝送する伝送媒体と、を具備し、前記受信機は、前記電磁界信号を受信すると共に前記復調された音声信号を通過させるボイスコイルを有する出力手段と、前記ボイスコイルで受信した前記電磁界信号を検出し、検出後の信号を前記音声信号に復調する電界通信用回路と、を有するので、小型なシステムでありながら、安定した音楽再生ができ、かつ、部品点数も減らしてコストも削減することができる。

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音声信号用通信システムを示す概略構成図である。図１に示す音声信号用通信システムは、音声信号を変調し、電磁界（電磁波）信号に変換して送信する送信機１と、その電磁界信号を介して音声信号を伝送する人体や空間などの伝送媒体２と、伝送媒体２を介して電磁界信号を検出し、その電磁界信号を音声信号に復調し、復調された音声信号を出力する受信機３とから主に構成されている。ここで、伝送媒体２は、人体であり、具体的には耳を想定している。

受信機３は、電磁界信号を受信すると共に復調された音声信号を通過させるボイスコイル３１１を有するスピーカ３１（出力手段）と、電磁界信号を音声信号に復調する電界通信用回路３２とを有する。電界通信用回路３２は、ボイスコイル３１１を通過した電磁界信号を検出する信号検出回路３２１と、信号検出回路３２１による検出後の信号を音声信号に復調する復調回路３２２と、復調後の音声信号を増幅する音声増幅回路３２３とを有する。なお、ボイスコイル３１１は、受信電極を兼用するので、電極として適当な材料で構成される必要がある。

図２は、本発明に係る音声信号用通信システムにおける受信機３であるインナーイヤー型ワイヤレス・ヘッドフォンの基本構成を示す図である。このヘッドフォンは、ボイスコイル３１１の内部に配設された、すなわち、巻回された線状体に内挿された磁性体である磁石３１２と、磁石３１２に取り付けられた振動板３１３と、ボイスコイル３１１と電気的に接続された電界通信用回路３２に取り付けられた電池３３とを含む。

このような構成のワイヤレス・ヘッドフォンを耳に装着した状態を図３に示す。図３に示すように、耳と受信電極であるワイヤレス・ヘッドフォンのボイスコイル３１１との間は容量結合されている。このような容量結合により、十分な通信品質を確保できる。伝送媒体である耳と、この耳に面する受信電極であるボイスコイル３１１との間の静電容量の変化による共振回路（ボイスコイル３１１と信号検出回路３２１におけるキャパシタとで構成される）における共振周波数のシフトを抑制することができる。

そして、この容量結合は、ボイスコイル３１１と並列に分布定数的に結合されている。すなわち、ボイスコイル３１１の個々の線と耳との間の距離が変わる状態で結合されている。本発明者らは、人体通信において、人体と受信電極との間の静電容量（伝送媒体と受信電極との間の距離に相当）の変化が出力変化（共振周波数のシフト）に影響を及ぼすことを見出しており、さらに、本発明者らは、この共振周波数のシフトは、人体と受信電極との間隔が変動しても、共振用インダクタが分割されていれば、共振周波数シフトを抑えることができることを見出している。この知見については、本出願人の特願２００７−６９２６５号に詳しく記載されている。したがって、このような知見によれば、図３に示す構成においては、耳と受信電極であるボイスコイル３１１との間隔が変動しても共振周波数（ボイスコイル３１１と信号検出回路３２１におけるキャパシタとで構成される共振回路の共振周波数）がずれにくく、安定した通信を保つことができる。なお、前記知見において、共振用インダクタの分割数が多いほど共振周波数シフトをより効果的に抑えることができることが分っているので、ボイスコイル３１１の巻き数を多くすることにより、より安定した通信を実現することができる。

本発明に係る音声信号用通信システムのように、ボイスコイル３１１と人体（耳）との間の容量結合により、人体通信用の受信電極を兼ねる場合、ボイスコイル３１１の外側に磁石３１２を配置すると、人体とボイスコイル３１１との間に磁石３１２が介在することになり、ボイスコイル（受信電極）−人体間の容量結合の妨げになり、磁石３１２によってノイズを拾い易くなるなどの問題が起こる。したがって、スピーカ３１における磁石３１２は、ボイスコイル３１１の内側に配置することが望ましい。

なお、電界通信用回路（基板）３２とボイスコイル（受信電極）３１１との間の容量結合が大きい場合、ボイスコイル３１１で受けた電磁界信号が回路基板３２との間の容量を介して回路基板３２のグランドに逃げてしまうため、受信感度が低下することが考えられる。図２に示す構成において、磁石３１２を介してボイスコイル３１１と回路基板３２との間が容量結合することが考えられるため、それを防ぐために、磁石３１２が電界通信用回路と電気的に絶縁されていることが望ましい。例えば、磁石３１２を絶縁体で構成することが好ましい。

このように、本発明の音声信号用通信システムでは、受信機３のボイスコイル３１１が人体通信用受信電極を兼ねているため、新規に受信電極を追加する必要が無く、部品点数を減らすことができ、しかも小型化を図ることができる。また、ボイスコイル３１１と人体とが並列に分布定数的に結合されているので、通信の安定性が高く、安定した音楽再生が可能となる。また、受信電極として、高価な材料を用いることがなく、コストも削減することができる。

上記構成を有する音声信号用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。ここでは、本通信システムがワイヤレスのヘッドフォンシステムである場合について説明する。

まず、音声信号源である送信機１において、例えば音声信号（２０ｋＨｚ以下）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、この電磁界信号が伝送媒体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磁界信号は、受信機３のボイスコイル３１１で受信される。ボイスコイル３１１に加わった電磁界信号（高周波信号）は、信号検出回路３２１に送られる。このとき、ボイスコイル３１１に流れる信号は、図４に示すように、音声増幅回路３２３で増幅された音声信号と受信した高周波信号である。ここで、音声信号については、数ｍＡ以上の電流がボイスコイル３１１に流れ、高周波信号については、数μＡ程度の微小な電流が流れる。このように、高周波信号の通過により流れる電流は、音声信号の通過により流れる電流よりも非常に小さいので、高周波信号はボイスコイル３１１によるスピーカ３１の駆動には殆ど影響を与えない。なお、図４において、縦軸の信号強度は各信号のピークを１００として規格化したものである。

ボイスコイル３１１を流れた電流は、ボイスコイル３１１、信号検出回路３２１内のインダクタ及びキャパシタよりなるＬＣ共振回路で高周波信号だけが検出される。そしてこの高周波信号は信号検出回路３２１内の増幅回路で増幅されて復調回路３２２に送られ、復調回路３２２において送信機１で使用した搬送波を用いて復調して、図５に示すような音声信号のみが出力される。この音声信号は、音声増幅回路３２３で増幅された後に、スピーカ３１のボイスコイル３１１に送られることにより、スピーカ３１が駆動されて音声として出力される。

この音声信号用通信システムにおいては、スピーカのボイスコイルを人体通信用受信電極と兼用させ、人体とボイスコイルとの間の容量結合によって信号を受信する。ボイスコイルと人体は分布定数的な容量結合になるため、人体と受信電極との距離の変動に対して安定した通信が実現できる。すなわち、受信電極を共振回路に直結する方法では、人体と受信電極が僅かに離れるだけで通信できないという問題があるが、分布定数的な容量結合にすることによって人体と受信電極との距離が変動しても共振周波数がずれにくくなり、安定した通信が可能になる。

ここで、ボイスコイル３１１に復調前の電磁界信号（高周波信号）が加えられることによって、音声増幅回路３２３に影響を及ぼす可能性がある場合は、図６に示すように、復調回路３２２とボイスコイル３１１の間に、音声帯域（通常２０ｋＨｚ以下）を通すローパスフィルタ（ＬＰＦ）３４又はバンドパスフィルタを設けることが好ましい。これにより、復調前の音声信号から余分な高周波成分を除去することができ、良好な音声再生を行うことができる。この場合において、ボイスコイル３１１のインダクタンスをローパスフィルタの一部として利用することも可能である。これにより、フィルタを構成する際のインダクタを小型化、もしくは無くすことができ、装置を大きくすることなく性能を向上することができる。

また、ボイスコイル３１１に供給される音声信号は、電磁界信号に比べて極めて大きいため、音声信号が信号検出回路３２１に悪影響を及ぼす可能性もある。この場合は、図６に示すように、ボイスコイル３１１と信号検出回路３２１の間に、変調された信号の周波数（数１００ｋＨｚ以上）を通すハイパスフィルタ（ＨＰＦ）３５又はバンドパスフィルタを設けることが好ましい。この場合においても、良好な音声再生を行うことができる。この場合においても、ボイスコイル３１１のインダクタンスをフィルタの一部とすることも可能である。これにより、フィルタを構成する際のインダクタを小型化、もしくは無くすことができ、装置を大きくすることなく性能を向上することができる。

また、受信機３の受信感度を向上させるためには、人体と受信電極との間の容量結合を強化することが有効である。このため、図７に示すように、ワイヤレス・ヘッドフォンの筐体形状をできるだけ耳に沿わせ、筐体３７とボイスコイル３１１との間の隙間を誘電体３６で埋めることが好ましい。このような構成により、人体と受信電極との間の結合容量を増やすことができる。なお、誘電体３６は、筐体３７の材料と同じ材料で構成して、筺体３７と一体的に成型しても良い。

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。

本発明の実施の形態に係る音声信号用通信システムを示す概略構成図である。 本発明に係る音声信号用通信システムにおける受信機であるインナーイヤー型ワイヤレス・ヘッドフォンの基本構成を示す図である。 図２に示すインナーイヤー型ワイヤレス・ヘッドフォンを耳に装着した状態を示す図である。 周波数と信号強度との間の関係を示す図である。 周波数と出力強度との間の関係を示す図である。 図１に示す音声信号用通信システムの受信機の他の例を示す図である。 図１に示す音声信号用通信システムの受信機の他の例を示す図である。

符号の説明

１ 送信機
２ 伝送媒体
３ 受信機
３１ スピーカ
３２ 電界通信用回路
３３ 電池
３４ ローパスフィルタ
３５ ハイパスフィルタ
３６ 誘電体
３７ 筺体
３２１ 信号検出回路
３２２ 復調回路
３２３ 音声増幅回路

Claims (5)

1. 音声信号を変調し電磁界信号に変換して送信する送信機と、前記電磁界信号から前記音声信号を復調し、復調された音声信号を出力する受信機と、前記電磁界信号を介して前記音声信号を前記送信機から前記受信機に伝送する伝送媒体と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体と容量結合されて前記電磁界信号を受信すると共に前記復調された音声信号を通過させるボイスコイルを有する出力手段と、前記ボイスコイルで受信した前記電磁界信号を検出し、検出後の信号を前記音声信号に復調する電界通信用回路と、を有することを特徴とする音声信号用通信システム。
2. 前記受信機は、復調後の音声信号から高周波成分を除去するローパスフィルタ又はバンドパスフィルタを含み、前記ボイスコイルに接続されたハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１記載の音声信号用通信システム。
3. 前記ボイスコイルの内側に磁性体が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の音声信号用通信システム。
4. 前記磁性体が前記電界通信用回路と電気的に絶縁されてい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音声信号用通信システム。
5. 前記伝送媒体と前記ボイスコイルとの間の空間の少なくとも一部に誘電体が配設されてい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音声信号用通信システム。

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