JP5216565B2 - 送信装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁界を用いて通信を行う通信システム、特に、人体に誘起させた電磁界を用いて通信を行う通信システムの送信装置に関するものである。

人体に誘起させた電磁界を用いて通信を行う通信システムとしては、送信機において、通信情報で変調した電位信号を容量結合により人体に印加することにより、人体周りに電界を誘起させると共に、受信機において、人体が誘起した電界を検出し、検出した電界から通信情報を復調する通信システムが知られている（たとえば、特許文献１、２、３）。

また、このような通信システムにおける送信機に関する技術としては、送信機に、送信機の人体側に配置される電位信号を人体に印加するための送信電極とは別に、送信機のグランドと接続した電極を、送信機の人体と反対側に配置することにより、送信機のグランドと受信機のグランドとの結合を強化する技術が知られている（たとえば、特許文献４）。
特開2001-298425号公報 特開2001-352298号公報 特開2004-282733号公報 特開平10-229357号公報

前記送信機に送信電極とは別に、送信機のグランドと接続した電極を、送信機の人体と反対側に配置する技術によれば、送信機のグランドと接続した電極を設ける必要性のために送信機の形状や使用形態に自ずと制限が生じる。
また、送信機と受信機との位置関係によっては、送信機のグランドと受信機のグランドとの結合を強化することができなかったり、送信機のグランドよりも送信機の送信電極の方が強く受信機のグランドと結合してしまい、安定的に通信を行えない場合が生じ得る。
そこで、本発明は、より安定的に通信を行うことのできる、人体通信に適した送信装置を提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、生体を介して信号を送受する通信システムに用いられる送信装置に、前記生体に近接配置される送信電極と、送信情報を変調した変調信号を生成し、生成した変調信号で前記送信電極を駆動する送信回路と、供給された入力電源を安定化し、前記送信回路の動作電源として供給するレギュレータと、リアクタンスと、前記リアクタンスを介して前記入力電源を前記レギュレータに供給するバッテリとを備えたものである。

ここで、前記レギュレータは三端子レギュレータとしてもよく、この場合には、前記リアクタンス１を、第１のリアクタンスと第２のリアクタンスとより構成し、前記第１のリアクタンスを、バッテリの正極端子と前記レギュレータの入力端子の間に配置し、前記第２のリアクタンスを、バッテリの負極端子と前記レギュレータのグランド端子の間に配置すると共に、前記送信回路の電源端子に、前記レギュレータの出力端子を接続し、前記送信回路のグランド端子に、前記レギュレータのグランド端子を接続するようにする。また、この場合には、前記第１のリアクタンスを、一端がバッテリの正極端子に他端が前記レギュレータの入力端子に接続された第１のコイルとし、前記第２のリアクタンスを、一端がバッテリの負極端子に他端が前記レギュレータのグランド端子に接続された第２のコイルとするようにしてもよい。

このような送信装置によれば、リアクタンスの働きにより、バッテリ、したがって、レギュレータの出力電位の、生体のグランドや受信装置のグランドに対する変動が抑えられるので、バッテリやレギュレータの出力電位の変動によって、送信装置が生体に印加する電位信号や、受信装置で受信する電位信号が弱小化してしまうことを抑制することができる。

よって、このような送信装置によれば、より安定的に通信を行うことができるようになる。

以上のように、本発明によれば、より安定的に通信を行うことのできる、人体通信に適した送信装置を提供することができる。

以下、本発明の通信システムの一実施形態について人体通信への適用を例にとり説明する。
まず、第１の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る通信システムの構成を示す。
図示するように、通信システムは、ユーザの人体３に近接した形態でユーザによって携帯される、たとえばカード型の送信装置１と、通信実行時に、ユーザの人体３（手など）が接近される受信装置２とより構成される。
このような構成において、通信実行時には、送信装置１から、通信データを変調した送信信号が容量結合を介してユーザの人体３に印加され、人体周りに、送信信号に応じて変動する電界を誘起する。
一方、人体３が接近されると、受信装置２は、人体周りの電界の変動に基づいて送信信号を検出し、通信データを復調する。
次に、図２ａに、送信装置１の構成を示す。
図示するように、送信装置１は、バッテリ１１、第１コイル１２、第２コイル１３、レギュレータ１４、データ出力部１５、ＡＭ変調器１６、ドライバ１７、送信電極１８とを有している。
ここで、データ出力部１５は、送信する通信データを出力する。ＡＭ変調器１６とドライバ１７は、送信回路を形成しており、ＡＭ変調器１６は、データ出力部１５から出力された通信データをＡＭ変調して送信信号を生成し、ドライバ１７は、ＡＭ変調器１６で生成された送信信号を増幅して送信電極１８に印加することにより送信電極１８を駆動する。

ここで、送信電極１８は、送信装置１がユーザに携帯された状態で、ユーザの人体３に近接する位置に配置され、送信電極１８から容量結合を介して送信信号が人体３に印加され、送信信号に応じた強さの電界が人体周りに誘起されることになる。

次に、バッテリ１１は、第１コイル１２と第２コイル１３を介してレギュレータ１４に電源を供給し、レギュレータ１４は供給された電源の電圧を安定化して、データ出力部１５と、ＡＭ変調器１６とドライバ１７により構成される送信回路との動作電源として出力する。

すなわち、たとえば、レギュレータ１４として三端子レギュレータを用いる場合には、図２ａに示すように、第１コイル１２の一端をバッテリ１１の正極VB+の端子に第１コイル１２の他端を三端子レギュレータの入力端子INに接続し、第２コイル１３の一端をバッテリ１１の負極VB-の端子に第２コイル１３の他端を三端子レギュレータのグランド端子GNDに接続する。そして、データ出力部１５とＡＭ変調器１６とドライバ１７の電源端子を、三端子レギュレータの出力端子OUTに接続し、データ出力部１５とＡＭ変調器１６とドライバ１７のグランド端子を三端子レギュレータのグランド端子GNDに接続するようにする。

なお、図示した例では第１コイル１２と第２コイル１３を設けたが、この第１コイル１２と第２コイル１３に代えて、バッテリ１１とレギュレータ１４の間に任意のリアクタンス素子を、当該リアクタンス素子を介してバッテリ１１からの電源がレギュレータ１４に供給されるように設けるようにしてもよい。

さて、ここで、本実施形態に係る送信装置１では、第１コイル１２、第２コイル１３、レギュレータ１４、データ出力部１５、ＡＭ変調器１６、ドライバ１７を一つの回路基盤１０上に形成している。
そして、図２ｂに示すように、この回路基盤１０の片側に、ボタン電池などのバッテリ１１を脱着可能に装着するように構成している。また、この回路基盤１０のバッテリ１１を装着する側と反対側に、回路基盤１０上のドライバ１７と接続した送信電極１８を設けると共に、導電板１９を、この導電板１９と回路基盤１０との間にバッテリ１１が配置されるように設けている。なお、導電板１９は、回路基盤１０とは電気的に接続されていない。

そして、これらの、バッテリ１１を装着した回路基盤１０、送信電極１８、導電板１９を、図２ｃに示すように、薄型カード形状のケース１００に収容して、送信装置１は構成される。なお、送信電極１８と導電板１９のケースの外側に露出する面は、人体３と直接接触しないように、絶縁性のカバーで覆うことが好ましい。

次に、以上のような送信装置１における第１コイル１２と第２コイル１３の役割について説明する。
いま、ＡＭ変調器１６の搬送波の周波数を２ＭＨｚ、バッテリ１１の定格電圧とレギュレータ１４の出力電圧を３Ｖ、第１コイル１２と第２コイル１３のリアクタンスを２２０μＨとして、図３ａに示すように、送信装置１の送信電極１８を、鉄板４の上に通常の靴を履いて立ったユーザの人体３に近接させた状態で、オシロスコープのグランド(GND)を鉄板４に接続し、測定チャネル１（CH1)でバッテリ１１の正極VB+の鉄板電位に対する電位を、測定チャネル２（CH2)でバッテリ１１の負極VB-の鉄板電位に対する電位を測定した結果を図３ｂに示す。ただし、通信データは、ＡＭ変調器１６で変調後の送信信号が最大振幅を維持するように固定している。図３ｂに示すように、このときのバッテリ１１の正極VB+と負極VB-の鉄板電位に対する電位の変動は、ピークツーピークで、各々８４０mＶ、８００mＶであった。

次に、図３ａと同じ条件で、図４ａに示すように、送信装置１の第１コイル１２と第２コイル１３とを廃して、バッテリ１１の正極VB+をレギュレータ１４の入力端子INに、バッテリ１１の負極VB-をレギュレータ１４のグランド端子GNDに各々直接接続した場合に、測定チャネル１（CH1)でバッテリ１１の正極VB+の鉄板電位に対する電位を、測定チャネル２（CH2)でバッテリ１１の負極VB-の鉄板電位に対する電位を測定した結果を図４ｂに示す。図４ｂに示すように、このときのバッテリ１１の正極VB+と負極VB-の鉄板電位に対する電位の変動は、ピークツーピークで、各々２.５６Ｖ、２.４Ｖであった。

次に、ＡＭ変調器１６の搬送波の周波数を２ＭＨｚ、バッテリ１１の定格電圧とレギュレータ１４の出力電圧を３Ｖ、第１コイル１２と第２コイル１３のリアクタンスを２２０μＨとして、図５ａに示すように、送信装置１の送信電極１８を、通常の床上に通常の靴を履いて立ったユーザの人体３の手に近接させた状態で、人体３のもう一方の手を受信装置２に近接させた状態で、オシロスコープのグランド(GND)を受信装置２のグランドに接続し、測定チャネル１（CH1)で受信装置２で検出された受信信号RXを測定した結果を図５ｂに示す。ただし、受信装置２のグランドは、商用電源などを介して、受信装置２の設置位置近傍の地面、したがって、通信時の人体３下の地面の電位に接地されていると見なせるものとする。図５ｂに示すように、このときの受信信号RXの振幅は、ピークツーピークで、４.３２Ｖであった。

次に、図５ａと同じ条件で、図６ａに示すように、送信装置１の第１コイル１２と第２コイル１３とを廃して、バッテリ１１の正極VB+をレギュレータ１４の入力端子INに、バッテリ１１の負極VB-をレギュレータ１４のグランド端子GNDに各々直接接続した場合に、測定チャネル１（CH1)で受信装置２で検出された受信信号RXを測定した結果を図６ｂに示す。図６ｂに示すように、このときの受信信号RXの振幅は、ピークツーピークで、２.３６Ｖであった。

さて、図３、４の人体３下の鉄板４の電位は、人体３のグランド及び受信装置２のグランドの電位と見なすことができ、この電位を受信基準電位とすると、図３ｂと図４ｂの比較より理解されるように、送信装置１に第１コイル１２と第２コイル１３とを設けない場合には、図４ｂに示すように、バッテリ１１の電位が、受信基準電位に対して大きく変動するのに対して、送信装置１に第１コイル１２と第２コイル１３とを設けた場合には、図３ｂに示すように、バッテリ１１の電位の、受信基準電位に対する変動は小さくなる。

ここで、送信装置１に第１コイル１２と第２コイル１３とを設けない場合に、バッテリ１１の電位が、受信基準電位に対して大きく変動するのは、バッテリ１１の電位が、受信基準電位と強く結合していないことや、送信装置１の送信電極１８が受信基準電位と強く結合しているために、バッテリ１１と送信電極１８の受信基準電位との結合の強さの比に応じて、ドライバ１７による送信電極１８の駆動力が、送信電極１８の電位を変動する力と、バッテリ１１の電位を変動する力に分力され、バッテリの電位が変動してしまうことによるものと推定される。

そして、バッテリ１１の電位したがってレギュレータ１４の出力電位が受信基準電位に対して大きく変動すると、その分、送信電極１８の受信基準電位に対する振幅は小さくなり、人体周りに誘起される電界の振幅は弱小化する。また、図５ｂと図６ｂの比較より理解されるように、受信装置２で検出される送信信号の振幅も弱小化する。

一方、第１コイル１２と第２コイル１３を設けた場合には、これらコイルの平滑化作用により、バッテリ１１の電位の変動は抑制され、したがってレギュレータ１４の出力電位の変動も抑制される。そして、この結果、ドライバ１７による送信電極１８の駆動力の大部分は送信電極１８の電位を変動する力として使われ、送信電極１８の受信基準電位に対する振幅が大幅に小さくなることはない。よって、人体周りに誘起される電界の振幅や、受信装置２で検出される送信信号の振幅を大きく保つことができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。
以上のように、第１コイル１２と第２コイル１３を設けることにより、バッテリ１１、したがって、レギュレータ１４の出力電位の変動が抑えられるので、バッテリ１１やレギュレータ１４の出力電位の変動によって、送信装置１が生体に印加する電位信号が弱小化してしまうことを抑制することができる。

よって、このような送信装置１によれば、より安定的に通信を行うことができるようになる。

本発明の実施形態に係る通信システムの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る送信装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る送信装置の比較実験結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る送信装置の比較実験結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る送信装置の比較実験結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る送信装置の比較実験結果を示す図である。

符号の説明

１…送信装置、２…受信装置、３…人体、４…鉄板、１０…回路基盤、１１…バッテリ、１２…第１コイル、１３…第２コイル、１４…レギュレータ、１５…データ出力部、１６…ＡＭ変調器、１７…ドライバ、１８…送信電極、１９…導電板。

Claims (3)

1. 生体を介して信号を送受する通信システムに用いられる送信装置であって、
   前記生体に近接配置される送信電極と、
   送信情報を変調した変調信号を生成し、生成した変調信号で前記送信電極を駆動する送信回路と、
   供給された入力電源を安定化し、前記送信回路の動作電源として供給するレギュレータと、
   第１のリアクタンスと、
   第２のリアクタンスと、
   前記第１のリアクタンスと前記第２のリアクタンスとを介して前記入力電源を前記レギュレータに供給するバッテリとを有し、
   前記第１のリアクタンスは、バッテリの正極端子と前記レギュレータの入力端子の間に配置され、
   前記第２のリアクタンスは、バッテリの負極端子と前記レギュレータのグランド端子の間に配置され、
   前記送信回路の電源端子には、前記レギュレータの出力端子が接続され、
   前記送信回路のグランド端子には、前記レギュレータのグランド端子が接続されていることを特徴とする送信装置。
2. 請求項１記載の送信装置であって、
   前記レギュレータは三端子レギュレータであることを特徴とする送信装置。
3. 請求項２記載の送信装置であって、
   前記第１のリアクタンスは、一端がバッテリの正極端子に他端が前記三端子レギュレータの入力端子に接続された第１のコイルであり、
   前記第２のリアクタンスは、一端がバッテリの負極端子に他端が前記三端子レギュレータのグランド端子に接続された第２のコイルであることを特徴とする送信装置。