JP4997250B2 - 無線レシーバ、無線トランスミッタおよび補聴器 - Google Patents

Description

本発明は、トランスミッタにより送信された、ある波長を有する信号をとらえるアンテナ回路を備える無線レシーバに関し、このアンテナ回路は、信号をとらえることにより、信号波長に対応する周波数を有する電流を生成するコイルを備える。本発明はさらに、同種の無線トランスミッタに関する。最後に、本発明は、本発明のレシーバおよびトランスミッタのうち少なくとも一方を有するＲＦＩＤタグ、スマートカード、携帯デバイス、補聴器に関する。

今日、約１．５ｍ以内の非常に短い距離において無線信号を送信するのに、種々の無線システムが利用可能である。このようなシステムの例として、ブルートゥース、ＮＦＣ（近距離場通信）、ＷＬＡＮ（無線ＬＡＮ）などがあげられる。一般に、すべての無線システムは一つの共通する問題を抱えている。つまり、出来る限り低い電力消費でどのように無線範囲を最大化するか、という問題である。トランスミッタとレシーバとの距離が離れすぎる、または無線電力が弱すぎる場合、データ送信において誤りを発生し、無線リンクの完全な断絶につながる可能性さえある。

トランスミッタ／レシーバシステムの無線範囲を広げるため、様々な方法が考案されている。特許文献１（欧州特許出願公開第１０２６７７９号）には、第１ポールとしてのループ、および第２ポールとしてのパッドで終端する細条を有する付属器を有するダイポールアンテナが開示されている。ループの外周は動作周波数に対応する波長の半分のオーダであり、付属器の有効な長さは波長の少なくとも０．１５倍である。アンテナのループが動作周波数に対応する波長の半分のオーダであるため、ループは電磁波を発生し、電荷はループに一様に分布しない。しかし、そのようなアンテナの使用はさらに、無線通信において選択した周波数が比較的小さい場合、アンテナが比較的大きくなるため、それに相当するだけ装置がかさばることになる。今日の装置のサイズがこれまで縮小していることと、無線リンクにおける比較的高い周波数の選択の必要性は、未割り当ての周波数が初期の頃と比べて少なくなっているため、明らかにこのような装置の設計を制限している。
欧州特許出願公開第１０２６７７９号明細書

本発明の目的は、トランスミッタから送信した比較的短距離内での入力信号をよりよく受信するレシーバを得るにある。

本発明の目的はまた、比較的短距離内でよりよい信号送信を行うトランスミッタを得るにある。

上述の目的は、トランスミッタにより送信された、ある波長を有する信号をとらえるアンテナ回路を備えるレシーバにより達成することができる。アンテナ回路は、信号をとらえ、この信号から前記波長に対応する周波数を有する電流を発生するコイルであって、各時点で電流が一様に分布するような寸法を有する該コイルと、コイルに接続したモノポールまたはダイポールとを有するものとする。本発明レシーバは、とくにレシーバから比較的短距離、好適には１．５ｍ以内、さらに好適には２または３ｃｍ〜約５０ｃｍ以内、にあるトランスミッタからの信号を受信するよう設計する。本発明におけるレシーバは、従ってとくにトランスミッタの近距離内において動作するよう設計する。コイルは小さいため、受信信号により誘導される電流は各時点で一様に分布する。この目的で、コイルはトランスミッタと磁気結合するよう設計する。これは、アンテナ長さを、波長範囲または受信信号の１／２波長のオーダである範囲としたループアンテナと対照的である。これらのアンテナは電磁波をとらえるように設計する。本発明のアンテナ回路は、コイルに加えて、ダイポールまたはモノポールを備える。ダイポールまたはモノポールは受信信号の電界をとらえるのに使用される。結果として、レシーバはトランスミッタの近傍で使用されるとき、コイルのみにより構成されたアンテナ回路より高い性能を示す。ダイポールまたはモノポールは直線や蛇行線など、任意の適切な形状を有する。ダイポールまたはモノポールはまたアンテナ回路に接続する短い導線でもよい。

付加的なダイポールまたはモノポールにより、アンテナ回路において比較的小さいコイルを使用することが可能になる。従って、コイルの直径または非円形コイルの軸線に直交する方向の最大長さが波長の５％未満である大きさのコイルを使用することが可能となる。直径が受信信号の波長の１．５％未満、１％未満、０．５％未満といった、さらに小さいコイルも可能である。これにより、広範囲にわたる製品に使用することができる比較的小さいレシーバを製造することが可能になる。

本発明の限定されたバージョンによると、モノポールは受信信号の波長の５％未満、さらには１％未満に相当する長さを有する。本発明のさらに限定されたバージョンによると、ダイポールは受信信号の波長の１０％未満、さらには２％未満に相当する長さを有する。このように、ダイポールまたはモノポールはレシーバの大きさにあまり寄与しない。

本発明のレシーバを受信信号の周波数に同調させるため、本発明のレシーバは少なくとも１個の、ＬＣ同調回路を構成するコイルおよびコンデンサを有する構成とすることができる。この構成は本発明のレシーバの性能を強化する。

本発明の目的は、また、ある波長を有する信号を送信するアンテナ回路を備えるトランスミッタによっても達成することができる。このアンテナ回路は、各時点においてコイルを流れ、送信信号に関係する電流が一様に分布するような大きさをもつ該コイルと、このコイルに接続するモノポールまたはダイポールとを有する。本発明のレシーバと同様、本発明のトランスミッタもレシーバの近傍で動作するよう設計する。すなわち、本発明のトランスミッタは、好適には１．５ｍ以内、さらに好適には２または３ｃｍ〜約５０ｃｍ以内、にあるレシーバに信号を送信するよう設計する。本発明におけるトランスミッタのアンテナ回路は、コイルと、ダイポールまたはモノポールを有する。コイルは小さいため、電流が各時点において一様に分布する。従って、コイルはトランスミッタと磁気結合するよう設計する。これは送信信号の波長もしくは送信信号の１／２波長オーダである長さをもつループアンテナと対照的である。これらのアンテナは電磁波を発生するように設計している。本発明におけるトランスミッタのアンテナ回路は、コイルに加えて、ダイポールまたはモノポールを有する。モノポールの長さは送信された無線信号の波長の５％に相当する長さを超えないものとする。（ダイポールの合計長は１０％未満）ダイポールまたはモノポールは電界を発生するのに使用する。結果として、トランスミッタは、レシーバ付近で使用された時に、コイルのみにより構成されたアンテナ回路を有するトランスミッタより高い性能を示す。ダイポールまたはモノポールは直線や蛇行線など、任意の適切な形状を有することができる。ダイポールまたはモノポールはまたアンテナ回路に接続される短い導線でもよい。

付加的なダイポールまたはモノポールにより、アンテナ回路で比較的小さいコイルを使用することが可能になる。従って、寸法が波長の５％未満であるコイルを使用することが可能となる。直径が送信信号の波長の１．５％未満、１％未満、０．５％未満といった、さらに小さいコイルも可能である。これにより、広範囲にわたる製品に使用することができる比較的小さいトランスミッタを製造することができる。

本発明の限定されたバージョンによると、モノポールは送信信号の波長の５％未満、さらには１％未満に相当する長さを有する。本発明のさらに限定されたバージョンによると、ダイポールは送信信号の波長の１０％未満、さらには２％未満に相当する全長を有する。このように、ダイポールまたはモノポールは、レシーバの大きさにあまり関与しない。

本発明のトランスミッタを特別な周波数に同調させるため、本発明のトランスミッタはＬＣ同調回路を構成する少なくとも１個のコイル、ならびにコンデンサを有することができる。この構成は本発明のトランスミッタの性能を強化する。

本発明におけるレシーバまたはトランスミッタは広範囲にわたる製品に使用することができる。これらは、別々に使用する、または１個の製品に一緒に組み込むことができる。組み合わせとしては、本発明レシーバおよび本発明トランスミッタは、ＲＦＩＤタグ、スマートカード、携帯デバイス、とくにいわゆるＮＦＣ（近距離通信）インターフェイスを有する携帯デバイスの部材となる場合がある。

本発明レシーバおよび本発明トランスミッタは、単独で、または一緒に、とくに補聴器システムの部材を形成することができる。このような補聴器システムは、とくにある波長を有する信号を送信するトランスミッタを備える第１モジュールと、スピーカを有する第２モジュールであって、本発明によるレシーバ、受信信号を処理するため、またスピーカを制御する信号処理装置とを備える該第２モジュールとを有する。スピーカはとくに耳内スピーカとすることができる。本発明における補聴器の第１モジュールは、トランスミッタと、場合によって音声または音楽を受信し、増幅するマイクロホンまたは増幅器を有する。トランスミッタは第２モジュールに音楽または音声に対応する信号を送信する。本発明レシーバにより、第２モジュールが比較的小さくなる、特に現在利用可能な耳内補聴器よりは大きくない設計にすることができる。さらに、第２モジュールは受動素子として設計することができる。すなわち、電池のような能動的エネルギー蓄積媒体を有さない。第２モジュールは好適には、受信信号によって充電することのできるキャパシタのような受動的なエネルギー蓄積素子を有する場合がある。このことにより第２モジュールの大きさを減らし、本発明における補聴器に、より大きくて長持ちする電池を使用することが可能になる。これは、すなわち電池は第１モジュールのみで使われ、第１モジュールの大きさは第２モジュールの大きさより重要でないからである。しかしながら、第１モジュールは、追加的にまたは補完的にＭＰ３プレーヤといった音楽記憶媒体を有するものとする。

これらと他の本発明の態様は、以下に記述されている実施態様から明らかであり、これらを参照にして説明される。
以下に、図面で示した例示的な実施例につき、より詳細に説明する。

図１は、レシーバ２に信号を送信するトランスミッタ１の回路図を示す。トランスミッタ１およびレシーバ２は磁気的に結合する、すなわち、レシーバ２および送信機１を比較的短距離内で互いに離して配置する。

トランスミッタ１は、信号を発生する信号発生器Ｇを有する。この信号を、コイル３および２個のキャパシタ４，５からなるＬＣ同調回路に供給する。コイル３は、トランスミッタ１のアンテナとして機能する。トランスミッタ１は、さらに出力抵抗６を有する。

信号発生器Ｇが発生する信号は、コイル３を流れる一定の周波数を有する電流を発生する。従って、コイル３を流れる電流は、このコイル３を流れる電流の周波数に対応する所定の波長を有する磁界（磁場）を発生する。

レシーバ２は、コイル７および２個のキャパシタ８，９を有する。レシーバ２のコイル７は、レシーバ２のアンテナとして機能する。コイル７は、空気コイルまたはフェライトコアを有するコイルとすることができる。２個のコンデンサ８，９とコイル７の組み合わせは、例えば５０Ωの低インピーダンス負荷１０に供給するよう構成したＬＣ同調回路を構成する。レシーバ２のコイル７はトランスミッタ１のコイル３が発生した磁界（磁場）をとらえる。これにより、レシーバ２のコイル７を流れる電流が誘導される。

例示的実施形態として、レシーバ２およびトランスミッタ１のＬＣ同調回路のパラメータを同一とする。コイル３，７はそれぞれフェライトコアに対して円筒状に巻回し、それぞれ１．５ｍｍの直径および３ｍｍの長さを有する。これらの寸法は、例えば補聴器製品において代表的である。

図２は、図１のトランスミッタ１とレシーバ２との組み合わせによる磁気結合の挿入損失を示す。遠隔通信において、用語「挿入損失」は、伝送路にデバイスを挿入することに起因する損失と定義され、伝送路におけるデバイスに続く部分まで配給される信号電力の、デバイスを挿入する以前の同一部分に配給される信号パワーに対する比の逆数として表現する。もしトランスミッタ１が発生する電力が０ｄｂｍであり、レシーバ２が検出する信号が９０ｄｂｍであることを必要とするならば、図１のトランスミッタ１およびレシーバ２の組み合わせは、２０ｃｍ以内の距離範囲内で使用することができる。また、図１に示す構成に対して、近接磁界の強度が、例えば４０ｃｍの距離では６μＡ／ｍである、と計算することもできる。

図１の構成が２個のコイル３，７の磁気結合を意図し、かつトランスミッタ１のコイル３が比較的小さい場合でも、コイル３は磁界だけでなく、著しい近接電界を発している。コイル３は物理的に比較的小さく、磁界のみを発生するよう意図するが、近接電界は、回路接地面、コイル３の端子間電圧およびコイル３の寸法に由来する。

トランスミッタ１が発する電界を活用し、図１の構成を強化するために、レシーバ２を図３に示す本発明のレシーバ３０に置き換える。レシーバ３０は図１のトランスミッタ１と通信する。

図３のレシーバ３０は、ＬＣ回路を構成するコイル３１および２個のキャパシタ３２，３３を有し、このＬＣ回路は例示的実施形態として、５０Ωの低インピーダンス負荷３４に供給するよう構成する。例示的実施形態においては、コイル３１は、円筒状とし、１．５ｍｍの直径および３ｍｍの長さを有し、フェライトコアに巻回したものとする。もし受信信号が３０ＭＨｚもの周波数を有する場合、コイル３１の巻回直径は、受信信号の波長の０．００５倍未満になる。しかし、フェライトコアを有するコイル３０を、空気コイルと置き換えることもできる。やはり、トランスミッタ１のコイル３はコンデンサ４，５およびコイル７から構成される同調回路によって生成される場を発生する。送信される場は磁界成分と電界成分を有する。レシーバ３０のコイル３１は磁界成分をとらえ、受信信号の波長に対応する波長を持つ電流を誘導する。

さらに、レシーバ３０はコイル３１に接続するモノポールアンテナ３５を有する。この実施形態例では、モノポールアンテナ３５は３ｃｍの長さを有し、この長さは受信信号の波長の１％未満に対応する。モノポールアンテナ３５は受信信号の電界成分に対する感度が高いため、図１に示すレシーバ２と比較して、図３に示すレシーバ３０の近接場の受信信号に対する感度が上がる。

図４は、挿入損失の測定結果を、トランスミッタ１とレシーバ３０との間における距離の関数として示す。明らかに、図３のレシーバ３０の方が図１のレシーバ２より感度が高い。例えば、図３のレシーバ３０は、４７ｃｍで−９０ｄｂｍの挿入損失がある。レシーバの挿入損失が−９０ｄｂｍよりも良好であることが必要である場合、図１のレシーバ２は２０ｃｍ以内の距離でしか使用できないが、図３のレシーバ３０はモノポールアンテナ３５を有するため、４７ｃｍの距離まで使用することができる。

レシーバ３０は、ＲＦＩＤタグ、スマートカード、携帯デバイス、補聴器といった広範囲にわたる製品に利用することができる。レシーバ３０におけるコイル３１とモノポールアンテナ３５の組み合わせは、磁界および電界を有する信号の受信に使用されるだけでなく、送信アンテナ回路として使用することもできる。さらに、モノポールアンテナ３５は、受信信号の波長の１０％未満に相当する合計長を有するダイポールアンテナに置き換えることができる。（従って、ダイポールアンテナの脚部はそれぞれ５％未満となる。）

図５は、第１モジュール５１と、この第１モジュールと無線通信する第２モジュール５２を有する補聴器５０の例示的実施形態である。

この例示的実施形態において、第１モジュール５１は、トランスミッタ１、ＭＰ３プレーヤモジュール５３の形態をした音楽・音声記憶媒体、ＭＰ３プレーヤモジュールの下流域に接続したマイクロコントローラ５４を有する。マイクロコントローラ５４は、この実施形態において約３０ＭＨｚの搬送周波数を有するトランスミッタ１により変調信号を送信できるよう、ＭＰ３プレーヤ５３により周知の順番に記憶、複製された音楽または音声信号を変調する。ＭＰ３モジュール５３，マイクロコントローラ５４，信号発生器Ｇへのバッテリーの形式としたエネルギー源は、説明を分かり易くするため図示しない。

第２モジュール５２は、レシーバ３０、信号処理ユニット５５、この信号処理ユニット５５の下流域に接続した増幅器５６，エネルギー源５７、および増幅器５６の下流域に接続した耳内スピーカ５８を有する。信号処理ユニット５５は受信信号を復調し、ＭＰ３モジュール５３の音楽または音声信号に対応する復調信号を増幅器５６に渡す。増幅器５６は音楽または音声信号を増幅して耳内スピーカ５８に増幅した信号を渡す。

エネルギー源５７は、整流器５９および充電キャパシタ６０を有する。整流器５９は、充電キャパシタ６０を充電するために、レシーバ３０のＬＣ回路の電流を周知の方法で整流する。充電キャパシタ６０は信号処理ユニット５５および増幅器５６に電気エネルギーを供給する。

最後に、上述の実施態様は本発明を限定するものではなく、例示するものであり、当業者は添付の特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、多くの他の実施例を実施することが可能である点に留意されたい。特許請求の範囲において、括弧で括られる任意の参照符号は、請求項を限定するものとして解釈すべきでない。動詞「有する」「備える」およびその活用形は、任意の請求項または明細書において定められた以外の要素やステップの存在を除外するものではない。単数形の要素の言及は、複数形の該当要素の言及を除外するものではなく、その逆もまた真である。いくつかの手段を列挙している装置請求項において、これらの手段の一部はソフトウェアやハードウェアの単一かつ同一要素によって実現することができる。一部の手段が相互に異なる従属請求項において詳述されるからといって、これらの手段の組み合わせが有効に利用されないということは意味しない。

本発明の一般的な技術分野を示す、従来技術によるトランスミッタ−レシーバの組み合わせである。 図１の組み合わせにおける磁気結合の挿入損失を示す。 本発明のレシーバをレシーバとするトランスミッタ−レシーバの組み合わせである。 図３の組み合わせにおけるトランスミッタ−レシーバの挿入損失電磁結合を示す。 補聴器システムを示す。

Claims (6)

1. トランスミッタによって送信される、ある波長を有する信号をとらえるアンテナ回路を有するレシーバにおいて、
   前記アンテナ回路は、
   ・前記信号をとらえ、またこの信号から前記波長に対応する周波数を有する電流を発生するコイルであって、前記電流が前記コイル内において各時点で一様に分布するよう、前記の波長の５％未満に対応する長さの寸法にした該コイルと、
   ・前記コイルに接続したモノポールであって、前記モノポールの脚部が前記波長の５％に対応する長さの寸法とした、該モノポールと
   を有する構成としたことを特徴とするレシーバ。
2. ある波長を有する信号を送信するアンテナ回路を備えるトランスミッタにおいて、前記アンテナ回路は、
   コイルを流れ、前記送信された信号に関連する電流が各時点で一様に分布するよう、前記波長の５％未満に対応する長さとした該コイルと、
   前記コイルに接続したモノポールであって、前記モノポールの脚部が前記波長の５％に対応する長さの寸法とした、該モノポールと、
   を有する構成としたことを特徴とするトランスミッタ。
3. レシーバおよびトランスミッタを有するＲＦＩＤタグにおいて、前記レシーバおよび前記トランスミッタのうち少なくとも一方を、請求項１記載のレシーバおよび／または請求項２記載のトランスミッタとしたことを特徴とするＲＦＩＤタグ。
4. レシーバおよびトランスミッタを有するスマートカードにおいて、前記レシーバおよび前記トランスミッタのうち少なくとも一方を、請求項１記載のレシーバおよび／または請求項２記載のトランスミッタとしたことを特徴とするスマートカード。
5. レシーバおよびトランスミッタを有する携帯デバイスにおいて、前記レシーバおよび前記トランスミッタのうち少なくとも一方を、請求項１記載のレシーバおよび／または請求項２記載のトランスミッタとしたことを特徴とする携帯デバイス。
6. 補聴器システムにおいて、
   ・ある波長を有する信号を送信するトランスミッタを備える第１モジュールと、
   ・第２モジュールであって、スピーカ、前記信号を受信する請求項１記載のレシーバ、及び前記受信信号を処理して前記スピーカを制御する信号処理装置を備える該第２モジュールと、
   を有することを特徴とした補聴器システム。

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