JP5670976B2

JP5670976B2 - 通信装置

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Publication number: JP5670976B2
Application number: JP2012205056A
Authority: JP
Inventors: 崇文大石; 和弘井上; 尾林　秀一; 秀一尾林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2032-09-18
Also published as: JP2014060628A; US20140080429A1; US9369216B2

Description

本発明の実施形態は通信装置に関する。

従来、人体を伝送路の一部として利用し、電極間の電位差を結合現象によって伝達する技術がある。例えば、２つの電極を有する通信装置であって、１つの電極が信号線に接続された信号電極であり、他の電極が基準電位を持つ通信装置のグランドに接続された基準グランド電極である送信機および受信機がある。この送信機と受信機は、信号電極同士が主に人体を介して結合し、基準グランド電極同士が主に空間や大地を介して結合することで、通信機器は信号電極と基準電極間の電位差を伝達している。しかしながら、送受信機のそれぞれの基準グランド電極は、空間や大地を介した結合によって基準電位を伝達するため、他のシステムからのノイズによる影響や近くに存在する人体との結合により人体表面上の信号の電位変動の影響を受ける。その結果、基準電位が不安定となり、通信品質が劣化する。

特開平１０−２２９３５７号公報特開２００１−７７７３５号公報特開２００３−３７５６６号公報

本発明は、電極間の電位差を結合現象によって伝達するときの通信品質を向上させる通信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態による通信装置は、グランドを有する基板と、前記基板の一面に設けられた通信回路と、前記通信回路に接続された第１の信号線と、前記基板を取り囲むように設けられる絶縁体と、前記絶縁体を取り囲むように設けられる第１の導電体とを有し、前記絶縁体と前記第１の導電体にはこれらを貫通する貫通孔が設けられており、前記第１の信号線と前記第１の導電体の外表面は電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の第１の実施形態に係る通信装置１００の模式図。本発明の実施形態に係る通信装置１００の使用例を示す図。比較例の通信装置の模式図。本発明の第２の実施形態に係る通信装置の模式図。本発明の第３の実施形態に係る通信装置の模式図。本発明の第３の実施形態に係る通信装置を腕時計に適用した例を示す図。本発明の第３の実施形態に係る通信装置をネックストラップ付きのカードに適用した例を示す図。本発明の第３の実施形態に係る通信装置の変形例の模式図。本発明の第３の実施形態に係る通信装置の変形例を腕時計に適用した例を示す図。本発明の第４の実施形態に係る通信装置の変形例の模式図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る通信装置１００の模式図である。図１（ａ）は模式的な通信装置１００の斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す通信装置１００の２つの側面を切断した状態を示す図である。通信装置１００は、送信装置であっても良いし、受信装置であっても良いし、送受信装置であっても良い。

通信装置１００は、基板１０３と、通信回路１０５と、導電体１１０を含む。基板１０３は、誘電体１０１と第１のグランド１０２を有する。第１のグランド１０２は、基準電位を有する導電体であって、例えば銅や金などの金属層で構成される。

通信回路１０５は、通信装置１００が送信装置である場合には、高周波信号の信号源や変調器や増幅器を有する。また、通信装置１００が受信装置である場合には、通信回路１０５は増幅器や復調器を有する。

導電体１１０は、例えば、銅箔などの導電シート、導電性インク、透明導電材などの導電性物質で構成される。導電体１１０は、他の通信装置の導電体と人体などを介して結合する信号電極である。導電体１１０と基板１０３との間には、絶縁体が設けられて絶縁されている。例えば、通信回路１０５と基板１０３の周囲を囲うようにプラスチックの筐体１０９が設けられ、筐体１０９の表面を覆うように導電体１１０が設けられる。この場合、導電体１１０として導電性インクを用いれば、筐体１０９がいかなる構造であっても、容易に導電体１１０を筐体１０９の外表面に設けることができる。また、透明導電材料を利用すれば、通信装置１００にディスプレイや操作部が設けられた場合に、これらのディスプレイや操作部上に透明導電材料を重ねても、ユーザはディスプレイや操作部の表示を視認することができる。

以降では、導電体１１０と基板１０３の間に設けられる絶縁体は筐体１０９であるとして説明する。この筐体１０９には、アクリル製の樹脂材などの絶縁体で形成された支持材１０４によって基板１０３が固定される。なお、支持材１０４を設けず、筐体１０９に基板１０３が固定されるとしても良い。

通信回路１０５と導電体１１０の外表面は、第１の信号線１０６、端子１０７、第２の信号線１０８、および導電体１１０と筐体１０９を貫通して設けられたスルーホールを介して接続される。これによって、通信装置１００が送信装置の場合には、通信回路１０５から信号が導電体１１０に供給される。また、通信装置１００が受信装置の場合には、導電体１１０から通信回路１０５に伝えられる。なお、端子１０７を設けず、第１の信号線１０６と第２の信号線１０８をはんだ付け等によって直接接続しても良い。また、通信回路１０５と導電体１１０の外表面が１本の信号線とスルーホールを介して接続されても良い。

通信回路１０５には、基板上に配置された第１の信号線１０６の一端と、第１のグランドと同じ電位を有する第２のグランド（図示しない）が接続される。第２のグランドは、第１のグランドとスルーホールなどによって貫通する。なお、端子１０７にも第１の信号線１０６と第２のグランドが接続されるが、第１の信号線１０６が接続される内導体部と第２のグランドが接続される外導体部とは電気的に絶縁される。

図２を用いて、以上のように構成された通信装置を用いた通信について説明する。ここでは、送信装置２００から受信装置３００へ信号を送信する場合を例とする。なお、送信装置２００と受信装置３００の構成は、いずれも通信装置１００と同様である。図２は、人が送信装置２００の導電体２１０と、受信装置３００の導電体３１０に手で触れた状態または、手をかざした状態を示す図である。

このとき、送信装置２００の通信回路により信号が導電体２１０へ供給されると、導電体２１０と人体２０の間で生じる容量結合によって、人体２０の表面上に信号に応じた電界が発生する。この信号は人体２０の表面上を伝搬し、受信装置３００に接触または近接している手の表面へ到達する。すると、受信装置３００の導電体３１０と人体２０との間でも容量結合が生じ、導電体３１０に人体２０の表面上の電界に応じた電位が発生する。この電位は、導電体３１０から第１および第２の信号線を介して受信装置３００の通信回路に入力される。受信装置３００の通信回路は、導電体３１０から第１および第２の信号線を介して入力された電位と、第２のグランドの電位の電位差を検出する。

受信装置３００の第２のグランドは、基板を構成する第１のグランドに接続されており、基板は導電体３１０によって全方位を囲われている。このため、導電体３１０内に設けられた第１のグランドの電位は人体２０の表面の電界の影響が低減され、安定した状態となる。

受信装置３００の導電体３１０内に導電体３１０の外側で発生した電界が存在しないようにするためには、導電体３１０の厚さを式（１）で求められる値よりも厚くする。

ωは通信で用いる信号の搬送周波数における角周波数、μは導電体の透磁率、σは導電体の導電率を表わす。導電体３１０の厚みが式（１）で示される値以上の場合に、この導電体３１０は、式（１）の角周波数ω以上の角周波数を有する電磁波を通さない。このため、導電体３１０で囲われた内部には、外部で発生した電界が存在せずに、第１のグランドの電位が安定した状態となる。

本実施形態の通信装置１００と比較例の通信装置における受信電力の比較実験を行った。図３に比較例を示す。比較例の通信装置１００ａは、導電体１１０ａが筐体の上面のみに設けられ、第１のグランド１０２と導電体１１０ａが対向するように構成されている。通信装置１００ａでは、第１のグランド１０２は導電体１１０ａによって囲われてはいない。そのため、導電体１１０ａが人体と接触または近接したとき、第１のグランド１０２は人体表面上の電界の中に存在する。このため、人体表面上の電界の影響を受けて、基準グランド電極の電位が不安定となり、受信した信号の強度が弱くなるため、通信品質が劣化する。

比較実験では、本実施形態の通信装置１００と比較例の通信装置１００ａは、同一の体積であるとし、同一の送信電極から送信され場合の受信電力を比較した。実験の結果、本実施形態の通信装置１００は、比較例の通信装置１００ａと比べて受信電力が１７ｄＢ高い値となった。これは、上述したように、第１のグランド１０２が人体表面の電界の影響を受けず、安定した状態が保たれるためである。

このように、第１のグランド１０２を導電体１１０の内部に設けることにより、第１のグランド１０２への導電体１１０の外部からの電界の影響を低減し、第１のグランド１０２の電位を安定にすることが可能となる。これにより、受信電力が増加し、通信品質を改善することができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る通信装置の模式図である。図４（ａ）は模式的な通信装置４００の斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す通信装置４００の２つの側面を切断した状態を示す図である。図４において、図１と同じ構成要素には同じ記号を付し、詳細な説明を省略する。

通信装置４００は導電体４１０を有しており、この導電体４１０には開口部４１１が設けられる。導電体４１０には、第１の実施形態の導電体１１０と同じ材料を使うことができる。導電体４１０に設けられる開口部４１１は、複数であっても１つであっても良い。図４では、一例として、４つの長方形の開口部４１１が設けられた導電体４１０を示す。

各開口部４１１は、最も長い辺の長さｌがｌ＜λ／２を満たす。λは通信で用いる信号の搬送周波数における波長の長さを表わす。開口部４１１の最も長い辺の長さｌがλ／２よりも短い場合、開口部４１１は、λよりも長い波長を持つ周波数の電磁波を通さない。そのため、開口部４１１が設けられていたとしても、第１のグランド１０２は、導電体４１０の外部の電界を受けず、安定した状態が保たれる。つまり、通信装置４００の第１のグランド１０２は、ｌ＜λ／２を満たす開口部４１１が設けられた導電体４１０に囲われている。本実施形態では、導電体４１０に設けられた開口部４１１がｌ＜λ／２を満たすならば、導電体４１０は第１のグランド１０２を「囲む」と表現する。

このように開口部４１１を設けることによって、開口部４１１にディスプレイを設置して情報を表示することができる。また、スイッチ等を設けることによって、通信装置４００に対するユーザ操作が入力できるようにしても良い。

なお、導電体４１０の面に対して垂直方向に開口部４１１を見たときの形状は長方形に限らない。例えば台形、三角形、円でも良い。開口部４１１の縁上で最も離れた２点間の距離が、通信装置４００の通信で用いる信号の最大の搬送周波数における波長の１／２以下であればよい。通信装置４００の通信で用いる信号の最大の搬送周波数における波長とは、通信装置４００によって人体表面に発生する電磁波で最大周波数となる電磁波の波長である。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る通信装置の模式図である。通信装置５００は、第１の導電体５０１と、第１の導電体５０１上に設けられた第２の端子５０２、一方の端部が端子５０２と接続された第３の信号線５０３、第３の信号線５０３の他方の端部が接続された第２の導電体５０４を備える。第１の導電体５０１と第２の導電体５０４は例えば、銅箔などの導電シート、導電性インク、透明導電材などの導電性物質で構成される。通信装置５００の第１の導電体５０１内の構成は通信装置１００の導電体１０１内の構成と同様であるため、詳細な説明を省略する。

第２の端子５０２は、第１の導電体５０１と電気的に接続される。第２の端子５０２は、第１の実施形態にて説明した導電体１１０と筐体１０９を貫通して設けられたスルーホールと接して設けられても良いし、スルーホールとは離れた場所に設けられても良い。

このように第２の導電体５０４と導電体５０１を接続することで、筐体１０９から離れた位置で電界を受信することができる。これによって、本実施形態に係る通信装置をさまざまな機器に適用することができる。

例えば、図６に示すように腕時計６００に本実施形態を適用する場合、腕時計６００の本体に通信回路１０５や導電体５０１を内蔵させ、腕時計６００のベルト６０１に第２の導電体５０４を設ける。これによって、導電体５０１を人体表面から離れた位置（腕時計の本体内）に設けても、通信回路１０５は第２の導電体５０４を介して人体表面の電界を受信することができる。また例えば、図７に示すように通信回路１０５をＩＤカードなどのカード７００に設け、カード７００を首からぶら下げるためのストラップ７０１に第２の導電体５０４を設ける。カード７００を首から下げたとき、ストラップ７０１は人体に接触するため、第２の導電体５０４によって人体表面の電界を受信することができ、安定した通信を行うことができる。

なお、第２の導電体５０４を複数設けることもできる。複数の第２の導電体５０４を設けると、ダイバーシチ効果を得ることができる。

（変形例）
図８は第３の実施形態に係る通信装置の変形例の模式図である。図８に示す通信装置５００ａは、第１の導電体５０１と第２の導電体５０４とが近接して配置される。具体的には、第１の導電体５０１と第２の導電体５０４は、静電界による結合が大きくなる範囲に配置されるのが有効である。静電界による結合が大きくなる範囲は、搬送波に用いる周波数での波長λの１／（２π）以下である。

第１の導電体５０１と第２の導電体５０４とが近接する場合、通信回路１０５から第１の導電体５０１へ信号が入力されると、第２の導電体５０４と第１の導電体５０１との間で容量結合が生じ、第１の導電体５０１の電位が第２の導電体５０４に伝わる。このとき第２の導電体５０４が人体に近接していると、第２の導電体５０４と人体との間で容量結合が生じ、人体表面上に信号に応じた電界が発生する。この信号は人体表面を伝搬し、他の通信装置へと信号が送信される。また、第２の導電体５０４が他の通信装置から信号を受信すると、第１の導電体５０１と第２の導電体５０４の間で容量結合が生じ、第１の導電体５０１を介して通信回路１０５に信号が入力される。

このように、通信回路５００ａは、図５を用いて説明した通信回路５００が備える端子５０２や第３の信号線５０３を必要とせずに、第１の導電体５０１の電位によって人体表面上に電界を発生させることができる。

なお、本変形例において、第１の導電体５０１と第２の導電体５０４の近接箇所は平行であることが好ましい。第１の導電体５０１と第２の導電体５０４の距離が近い面積が多いほど、第１の導電体５０１と第２の導電体５０４間の電圧が高くなり、信号の受信強度が強くなるためである。

図９に、第３の実施形態に係る通信装置を腕時計に適用した場合の図を示す。腕時計９００は、本体とベルトを有する。本体の内部には、基準電位を有する第１のグランドや通信回路が内蔵されており、本体は第１の導電体９０１で取り囲まれている。第１のグランドや通信回路や第１の導電体９０１は、第１〜第３の実施形態にて説明したものと同様である。本体には、ベルトを取り付ける固定部９０３が設けられている。固定部９０３は、ベルトを挿入する挿入口を有し、ベルトは２つの固定部９０３の挿入口に通されて固定される。ベルトは、第２の導電体９０２からなる。もしくは、ベルトの表面を第２の導電体９０２で覆ったような構成でも良い。ベルトが固定部９０３の挿入口に挿入されて本体に固定されることによって、本体の周囲に設けられた第１の導電体９０１とベルトに設けられた第２の導電体９０２がおおよそ平行の状態で近接する。

このように、第１の導電体９０１と第２の導電体９０２を近接させることによって、第１の導電体９０１と第２の導電体９０２の間を端子や信号線によって接続することなく、第１の導電体９０１から離れた人体表面上に第１の導電体９０１の電位によって電界を発生させることが可能となる。また、第２の導電体９０２によって人体表面上の電界を受信することができ、安定した通信を行うことができる。

（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る通信装置の断面図である。第４の実施経緯体に係る通信装置１０００の外観は第１の実施形態に係る通信装置と同様である。図１０は、通信回路１００３と第１の信号線１００４を切断するように通信装置１０００を切断した様子を示している。通信装置１０００は、第１のグランド１００２が中空の構造となっており、第１のグランド１００２で通信回路１００３の四方八方を取り囲む。絶縁体からなる筐体１０１０の内面には、第１のグランド１００２を設置するための支持材１００９が設けられる。第１のグランド１００２の内面には、誘電体１００１が設けられ、誘電体１００１の一面に通信回路１００３、第１の信号線１００４、端子１００５が設けられる。誘電体１００１、通信回路１００３、第１の信号線１００４、端子１００５などは、第１の実施形態にて説明した構成と同様である。

端子１００５は、通信回路１００３に接続される第２のグランド（図示しない）および、第１の信号線１００４が接続される。第２のグランドは、スルーホール１００８によって第１のグランド１００２と接続されている。このため、第１のグランド１００２と第２のグランドは同じ電位を有する。

導電体１０１１と筐体１０１０には、スルーホール１００８と連続するように貫通孔が設けられている。そして、この貫通孔とスルーホール１００８の側面に誘電体１００７が設けられ、誘電体１００７が設けられた孔に第２の信号線１００６が内挿される。誘電体１００７は、第２の信号線１００６を支持する。第２の信号線１００６は、一端が端子１００５を介して第１の信号線１００４に接続され、他端が導電体１０１１の外側表面に接続される。

このように、第１のグランド１００２で誘電体１００７を取り囲むことで、誘電体１００７に設けられる通信回路１００３などの実装部品から発生するノイズが外部に放射されることを低減することができる。なお、第１のグランド１００２の形状は何でも良く、例えば直方体でも良いし、球体でも良い。また、端子１００５を設けず、第１の信号線１００４と第２の信号線１００６をはんだ付け等によって直接接続しても良いし、通信回路１００３と導電体１０１１の外表面が１本の信号線によって接続されても良い。

なお、上記実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更しても良い。また、実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１００、１００ａ、２００、３００、４００、５００、５００ａ、１０００…通信装置、１０１、１００１…誘電体、１０２、１００２…第１のグランド、１０３…基板、１０４、１００９…支持材、１０５…通信回路、１０６、１００４…第１の信号線、１０７、５０２、１００５…端子、１０８、１００６…第２の信号線、１０９、１０１０…筐体、１１０、１１０ａ、２１０、３１０、４１０、１０１１…導電体、４１１…開口部、５０１、９０１…第１の導電体、５０３…第３の信号線、５０４、９０２…第２の導電体、６００、９００…腕時計、６０１…ベルト、７００…カード、７０１…ストラップ、９０３…固定部、１００７…誘電体、１００８…スルーホール

Claims

グランドを有する基板と、
前記基板の一面に設けられた通信回路と、
前記通信回路に接続された第１の信号線と、
前記基板を取り囲むように設けられる絶縁体と、
前記絶縁体を取り囲むように設けられる第１の導電体とを有し、
前記絶縁体と前記第１の導電体にはこれらを貫通する貫通孔が設けられており、前記第１の信号線と前記第１の導電体の外表面は電気的に接続されていることを特徴とする通信装置。
前記第１の信号線に接続された端子と、
前記端子に接続された第２の信号線とをさらに有し、
前記第２の信号線が、前記貫通孔を通って前記第１の導電体の外表面に接続されることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
前記第１の導電体には開口部が設けられており、
前記開口部は、この開口部の縁上の最も離れた２点間の距離が、この通信装置によって人体表面上に発生する電磁波の中で最大周波数となる電磁波の波長の１／２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
前記第１の導電体には、前記貫通孔以外に開口が設けられていないことを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
前記第１の導電体に接続された第２の端子と、
前記第２の端子に一端が接続された第３の信号線と、
前記第３の信号線に接続された第２の導電体をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の通信装置。
前記第１の導電体から搬送波に用いる周波数での波長の１／（２π）以下の範囲内に配置される第２の導電体をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の通信装置。
前記グランドは、前記通信回路を取り囲むように設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の通信装置。