JP5074240B2 - 交流信号検出装置及び受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、人体通信に用いられる受信装置に適用可能な交流信号検出装置に関するものである。

人体通信に用いられる受信装置に適用可能な交流信号検出装置としては、コイルと、前記コイル上に配置した、交流信号が印加される電極と、前記コイルの誘起電圧に基づいて、前記交流信号を検出する検出回路とを備えた装置が知られている（特許文献１）。
特開２００６-２２２５９６号公報

本発明は、コイルと、前記コイル上に配置した、交流信号が印加される電極と、前記コイルの誘起電圧に基づいて、前記交流信号を検出する検出回路とを備えた交流信号検出装置の感度をより向上することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、交流信号が印加される第１電極と、コイルと、第２電極と、前記コイルの誘起電圧による交流信号を位相調整して前記第２電極に印可する帰還回路とを有し、前記第１電極と第２電極とが、前記コイルの軸方向について前記コイルに対して相互に反対側において前記コイルに近接するように配置されている交流信号検出装置を提供する。

ここで、このような交流信号検出装置は、第１のコンデンサを設けると共に、前記帰還回路を、前記コイルの誘起電圧による交流信号を反転増幅する反転増幅回路と、抵抗と、第１のコンデンサとより構成し、前記反転増幅回路の出力を、前記抵抗と前記第１のコンデンサとを介して前記第２電極に印可し、前記反転増幅回路の出力を前記第２のコンデンサを介して、当該交流信号検出装置の出力として出力するように構成してもよい。また、この場合に、前記第２のコンデンサは、基盤上に離間して形成した二つの近接配置された導電体パターンによって形成されたものとしてもよい。

これらのような交流信号検出装置によれば、コイルに生じる誘起電圧は、前記特許文献１記載のように第１電極のみを設け第２電極を設けなかった場合に比べ、大きなものとなる。これは、交流信号によって第１電極から発生する磁束の磁束変化と、反転した交流信号によって第２電極から発生する磁束の磁束変化とを適当な位相差をもってコイルに対して作用させることにより、交流信号検出装置のＱ値が向上することによるものと考えられる。

なお、このような交流信号検出装置に、交流電界を誘起する媒体が近接または接触される受信電極と、前記第１電極と前記受信電極を接続する導線を設け、前記交流電界によって受信電極に誘起された交流信号が前記導線を介して前記第１電極に印加されるものとしてもよく、この場合、この交流信号検出装置は、人体または生物体である伝送媒体を介して交流信号を伝送する伝送システムに用いられる受信装置などに適用することができる。すなわち、この場合には、たとえば、前記伝送媒体を、交流信号によって駆動された交流電界を、当該伝送媒体の周辺に誘起するものとし、当該交流信号検出装置の前記受信電極を、前記伝送媒体が近接または接触されるものとすればよい。

本発明によれば、コイルと、交流信号が印加される、前記コイル上に配置した電極と、前記コイルの誘起電圧に基づいて、前記交流信号を検出する検出回路とを備えた交流信号検出装置の感度をより向上することができる。

以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る交流信号検出装置の構成を示す。
図示するように、交流信号検出装置１は、コイル１１と、コイル１１に近接させて配置した第１電極１２と、コイル１１に近接させて配置した第２電極１３とより構成される交流センサ１０を備えている。ここで、第１電極１２と第２電極１３は、コイル１１の軸方向について相互に反対側に、間にコイル１１を挟み込むように配置されている。そして、第１電極１２の入力INに、交流信号検出装置１で検出する交流信号が印可される。

また、交流信号検出装置１は、ＦＥＴ２１と抵抗２２と抵抗２３と周波数特性調整用のコンデンサ２４とより構成される反転増幅回路２０を備え、コイル１１の一端がＦＥＴ２１のゲートに接続され、コイル１１の他端が接地されている。そして、ＦＥＴ２１は、ゲート電圧であるコイル１１の誘起電圧に応じてＦＥＴ２１のソース-ドレイン電流の大きさを変化させ、抵抗２２、抵抗２３は、ＦＥＴ２１のソース-ドレイン電流の大きさを、大小が反転（位相反転）した電圧に変換し、反転増幅回路２０の出力とする。そして、コンデンサ３１で反転増幅回路２０の出力の交流成分が抽出され、交流信号検出装置１の出力OUTとなる。

また、この反転増幅回路２０の出力電圧は、抵抗４１、低キャパシタンスのコンデンサ４２を介して、第２電極１３に印可される。
また、この他、交流信号検出装置１は、コイル１１の共振周波数を設定するためのコンデンサ５１や、不要周波数成分を減衰するためのコイル５２なども備えている。
ここで、このような交流信号検出装置１の全体は、プリント基板を用いて実現したり、集積回路として実現することができる。また、交流信号検出装置１の交流センサ１０は、プリント基板や半導体基板の導体パターンとして形成することができる。
すなわち、プリント基板の導体パターンとして、交流センサ１０を形成する場合には、たとえば、次のように交流センサ１０を形成する。
すなわち、図２ａに示すようなプリント基板１００の層構造を、図２ｂに示すようにプリント基板１００を板状またはフィルム状の基材１０１の上に、第１パターン層１０２、第１絶縁層１０３、第２パターン層１０４、第１絶縁層１０５、第３パターン層１０６を当該順序で積層したものとする。

そして、図２ｃに示すように、第１パターン層１０２に設けた導電体パターンにより第２電極１３を形成し、第２パターン層１０４に設けた渦巻き形状を有する導電体パターンによってコイル１１を形成し、第３パターン層１０６に設けた導電体パターンにより第１電極１２を形成する。

ここで、第１電極１２、第２電極１３の導電体パターンは、図２ｄにプリント基盤を鉛直方向から見た配置を示すように、コイル１１のパターンを覆うように形成する。
なお、交流センサ１０において、第１電極１２、第２電極１３の導電体パターンは、必ずしも、コイル１１のパターンの全てを覆うように形成しなくてもよく、コイル１１のパターンの一部のみを覆うように形成してもよいし、コイル１１のパターンの中央部分を除く部分を覆うように形成してもよい。

なお、図２には、プリント基板を用いて交流センサ１０を形成する場合について説明したが、交流センサ１０は、半導体基板上にも、同様に形成することができる。
また、低キャパシタンスのコンデンサ４２は、図２ｃに示すように、パターン層に設けた、近接配置した二つの並行する導電体パターン４２１、４２２によって形成することもできる。すなわち、コンデンサ４２は、たとえば、並行している部分の長さが10mm、間隔が0.2mmの二つの導電体パターン４２１、４２２によって形成することができる。

さて、このような交流信号検出装置１の構成によれば、入力INから第１電極１２に交流信号が印加されると、当該交流信号によって第１電極１２から発生する、コイル１１の軸方向にコイル１１を貫く磁束に変化が発生する。
一方で、コイル１１を貫く磁束に変化が生じると、コイル１１の誘起電圧による交流信号が反転増幅回路２０に入力され、入力された交流信号は反転増幅回路２０で反転増幅された上で抵抗４１、コンデンサ４２を介して第２電極１３に帰還される。
そして、当該第２電極１３に帰還された交流信号によって第２電極１３から発生するコイル１１の軸方向にコイル１１を貫く磁束の変化も発生する。

そして、コイル１１を貫く磁束の変化は、第１電極１２から発生する磁束の磁束変化と第２電極１３から発生する磁束の磁束変化によってもたらさせることになる。
また、反転増幅回路２０で反転増幅された交流信号がコンデンサ３１を介して出力OUTとして出力される。

ここで、このような構成によって、コイル１１に生じる誘起電圧は、第２電極に帰還する交流信号の位相を適当に設定することにより、第２電極１３を設けなかった場合に比べ、大きなものとなる。これは、コイル１１に、第１電極１２から発生する磁束の磁束変化と第２電極１３から発生する磁束の磁束変化とを適当な位相差をもって働かせることによって、交流信号検出装置１のＱ値が向上することによるものと推定される。
そこで、これを踏まえ、交流信号検出装置１の設計に当たっては、たとえば、正弦波の交流信号を入力INから第１電極１２に印可しつつ、コイル１１に生じる誘起電圧すなわち交流信号検出装置１の出力OUTを観測し、その利得やＱ値が最も向上するように、抵抗４１の抵抗値やコンデンサ４２の容量を選定し設定するようにする。

さて、このような交流信号検出装置１は、たとえば、人体を介して通信を行う通信システムなどに適用することができる。
すなわち、この場合には、図３ａに示すように、通信システムを、人体３００を介して通信を行う送信機２００と受信機４００とより構成する。
また、送信機２００を、受信機４００に送信する情報である通信情報を生成する送信側データ処理部２０１、通信情報を変調し送信信号として出力する変調器２０２、送信信号を人体３００に印加し人体周りの電界を誘起する送信電極２０３とを含めて構成する。
また、受信機４００を、通信時に、人体廻りに誘起した電界下におかれる受信電極４０１と、以上の実施形態で示した交流信号検出装置１と、復調器４０２と、受信側データ処理部４０３とを含めて構成する。そして、受信電極４０１と交流信号検出装置１の交流センサ１０の入力INを導線で接続し、人体周りの電界によって受信電極４０１に誘起された交流信号が導線によって第１電極１２に導かれるようにする。そして、交流信号検出装置１において、第１電極１２に導かれた交流信号を検出し受信信号として、出力OUTによって復調器４０２に出力し、復調器４０２において受信信号から通信情報を復調し、受信側データ処理部４０３において復調された通信情報を処理する。

ここで、送信機２００は、たとえば、カード状の装置であり、送信機２をポケットに入れて携帯したり、送信機２００を鞄にいれて携帯したときに、送信電極２０３と人体３００とが容量結合するように構成されている。
また、受信機４の受信電極４０１は、図３ｂに示すように、人体手をその上に近接させることができるように、非導電性のカバー４１０で覆われた形態で設けるようにする。そして、このような構造によって、送信機２００を携帯した人体３００の手が受信電極４０１の上にかざされたり、人体手が非導電性のカバー４１０に接触したときに、受信電極４０１に人体周りの電界が作用するようにする。

ここで、図４に、本実施形態に係る交流信号検出装置１の試験データを示す。
当該試験では、図４に示すように、シグナルジェネレータ５００から出力した3.0Vpp、10.7MHzのサイン波を-40dBのアッテネータ（ATT)５０１を介して送信電極５０２に印可し、送信電極５０２から、当該サイン波による交流電界を右膝部から人体３００に印可した。そして、人体３００の手を受信電極５１１上に載置した非導電性のカバー上に置き、受信電極５１１に導線を介して第１電極１２を接続した交流信号検出装置１の出力をオシロスコープ５１２で観測した。

その結果、図１に示した交流信号検出装置１によれば、10.7MHz、538mVppのサイン波を観測することができた。一方、図１に示した交流信号検出装置１から、第２電極１３を取り外した場合には、10.7MHz、88mVppのサイン波が観測された。
これにより、図１に示した第２電極１３を設けた交流信号検出装置１によれば、第２電極１３を備えない前記特許文献１記載の交流信号検出装置１よりも、交流信号検出装置１の感度を向上できることが確認された。

本発明の実施形態に係る交流信号検出装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る交流センサの構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る交流信号検出装置の適用例を示す図である。 本発明の実施形態に係る交流信号検出装置の実験データを示す図である。

符号の説明

１…交流信号検出装置、１０…交流センサ、１１…コイル、１２…第１電極、１３…第２電極、２０…反転増幅回路、２１…ＦＥＴ。

Claims (5)

1. 交流信号を検出する交流信号検出装置であって、
   検出対象の交流信号が印加される第１電極と、
   コイルと、
   第２電極と、
   前記コイルの誘起電圧による交流信号を位相調整して前記第２電極に印可する帰還回路とを有し、
   前記第１電極と第２電極とは、前記コイルの軸方向について前記コイルに対して相互に反対側において前記コイルに近接するように配置され、
   前記コイルの誘起電圧による交流信号を増幅した信号が、検出した交流信号を表す、当該交流信号検出装置の出力として出力されることを特徴とする交流信号検出装置。
2. 請求項１記載の交流信号検出装置であって、
   当該交流信号検出装置は、第１のコンデンサを有し、
   前記帰還回路は、前記コイルの誘起電圧による交流信号を反転増幅する反転増幅回路と、抵抗と、第２のコンデンサとを有し、
   前記反転増幅回路の出力が前記抵抗と前記第２のコンデンサとを介して前記第２電極に印可され、
   前記反転増幅回路の出力が前記第１のコンデンサを介して、前記交流信号検出装置の出力として出力されることを特徴とする交流信号検出装置。
3. 請求項２記載の交流信号検出装置であって、
   前記第２のコンデンサは、基盤上に離間して形成した二つの近接配置された導電体パターンによって形成されていることを特徴とする交流信号検出装置。
4. 請求項１、２または３記載の交流信号検出装置であって、
   交流電界を誘起する媒体が近接または接触される受信電極と、
   前記第１電極と前記受信電極を接続する導線を有し、
   前記交流電界によって受信電極に誘起された交流信号が前記導線を介して前記第１電極に印加されることを特徴とする交流信号検出装置。
5. 人体または生物体である伝送媒体を介して交流信号を伝送する伝送システムに用いられる受信装置であって、
   請求項４記載の交流信号検出装置を有し、
   前記伝送媒体は、交流信号によって駆動された交流電界を、当該伝送媒体の周辺に誘起し、
   当該交流信号検出装置の前記受信電極には、前記伝送媒体が近接または接触されることを特徴とする受信装置。