JP4733667B2 - 通信システム - Google Patents

Description

本発明は、人体のような伝送媒体を介して送受信を行う通信システムに関する。

近年の技術発達に伴い、全く新しい通信方法として人体などの伝送媒体に誘導される電界を用いる通信方法が提案されている。このような通信システムとしては、特許文献１に開示されているものがある。また、この通信システムに用いる受信機の構成として、特許文献２に開示されているものがある。特許文献２に開示されている受信機では、受信電極を介して伝送媒体から受けた電界に対応してセンサ電極から生じる磁束をコイルで受け、コイルに流れる誘導電流を検出する構成を有する。また、特許文献２には、センサ電極から生じる磁束を効率良く捕捉して検出感度を高くするために、センサ電極を共通としてコイルと電流検出回路との組を２組あるいは３組設ける構成も開示されている。
特表平１１−５０９３８０号公報 特開２００６−２２２５９６号公報

しかしながら、特許文献２に開示された通信システム用の受信機においては、コイルと電流検出回路との組を複数設けるので、電流検出回路がコイルの数だけ必要となる。また、電流検出回路は、コイルに生じた誘導電流を電圧に変換する回路であり、複数の電流検出回路からの電圧信号を加算する機能が必要となる。このような電圧信号を加算する回路は複雑である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な回路構成であり、しかも高感度である受信機を備えた通信システムを提供することを目的とする。

本発明の通信システムは、伝送媒体に対して情報信号を変調してなる電界を付与する送信機と、前記伝送媒体を介して前記電界を検出して前記情報信号に対応した復調信号を得る受信機と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体に面する受信電極と、前記受信電極に接続された複数のセンサ電極と、前記複数のセンサ電極のそれぞれに設けられ、直列に接続された複数のコイルと、を有することを特徴とする。

この構成によれば、インダクタであるコイルを直列に接続することにより、コイルの両端に生じる電圧が大きくなり、これにより受信感度が向上する。また、コイルを直列に接続することにより、コイル毎に検出回路を設ける必要がなく、加算回路も不要となる。このため、簡単な回路構成で受信感度を向上させることができる。

また、この構成によれば、従来の構成に比べて大きなインダクタンスを持つコイルが不要となる。大きなインダクタンスを持つコイルは、一般に線間容量が大きくなり、自己共振周波数が低くなるという問題がある。本構成においては、複数のコイルの個々のインダクタンスは小さくできるため、自己共振周波数の高いコイルを使うことができ、コイル間の寄生容量を小さくするように十分な距離をとって配置すれば、全体としても自己共振周波数の高い回路を構成することができる。したがって、上記従来技術における受信機構成では、感度を高くすると周波数を高くできないために、データ通信速度の高速化ができなかったが、本発明の構成により、高感度化と通信速度の高速化の両立が可能になる。さらに、大きなインダクタンスを持つコイルが不要となるため、受信機全体として薄型化を図ることができる。特に、携帯電話やＩＣカードに本受信機を搭載する場合には非常に有利となる。

本発明の通信システムにおいては、前記複数のコイルは、それぞれスイッチを有し、これらのスイッチが並列接続されていることが好ましい。この構成によれば、共振周波数を切り替えることができるので、共振周波数の可変幅が拡大し、検出回路の可変容量では対応できない広い周波数範囲でも検出が可能となる。

本発明の通信システムにおいては、直列に接続された複数のコイル全体に対して複数のキャパシタが並列に接続されており、前記複数のキャパシタは、それぞれスイッチを有し、これらのスイッチが直列接続されていることが好ましい。この構成によれば、インダクタンス及び容量を独立して制御することができ、共振周波数だけでなく、Ｑ値も独立に変えることが可能となる。

本発明によれば、伝送媒体に対して情報信号を変調してなる電界を付与する送信機と、前記伝送媒体を介して前記電界を検出して前記情報信号に対応した復調信号を得る受信機と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体に面する受信電極と、前記受信電極に接続された複数のセンサ電極と、前記複数のセンサ電極のそれぞれに設けられ、直列に接続された複数のコイルと、を有するので、簡単な回路構成であり、しかも高感度である受信機を備えた通信システムを提供することができる。

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通信システムを示す概略構成図である。図１に示す通信システムは、電界を介して情報信号を伝送する人体などの伝送媒体２と、伝送媒体２に対して情報信号を変調した電界を付与する送信機１と、伝送媒体２を介して電界を検出し、その電界を情報信号に復調する受信機３とから主に構成されている。

この通信システムにおいては、送信機１と伝送媒体（ここでは人体）２との間、及び受信機３と伝送媒体（ここでは人体）２との間は、コンデンサを介して電気的に容量結合（送信機１と伝送媒体２との間は容量Ｃth、受信機３と伝送媒体２との間は容量Ｃrh）しており、情報信号を変調した電界により情報信号を伝送するようになっている。この場合、伝送媒体には、変位電流は流れるが定常電流は流れないので、電気的に導通している必要が無い。したがって、例えば送信機をポケットに入れたままでも、薄い布を介して送信機と伝送媒体との間が容量結合するので、情報信号の伝送が可能である。

送信機１は、伝送媒体２に対して情報信号を変調してなる電界を付与する。このため、搬送波を情報信号で変調する変調回路と、この変調信号を増幅し、電圧変化に変換する変換回路とを有する。

受信機３は、伝送媒体２を介して電界を検出して情報信号に対応した復調信号を得る。受信機３は、伝送媒体２に近接配置さた、伝送媒体２からの電界を受ける受信電極３１と、受信電極３１に接続された複数のセンサ電極３２ａ，３２ｂと、複数のセンサ電極３２ａ，３２ｂのそれぞれに設けられ、直列に接続された複数のコイル３３ａ，３３ｂと、コイル３３ａ，３３ｂで発生した誘導起電力を検出する検出回路３４とを有する。また、検出回路３４の後段には、復調回路（図示せず）が設けられている。センサ電極３２ａ，３２ｂは、個々のコイル３３ａ，３３ｂに対応して設けられている。それぞれのセンサ電極３２ａ，３２ｂは、コイル３３ａ，３３ｂに効率良く誘導起電力を発生させるために、コイル３３ａ，３３ｂの中央の孔を含む領域上に設けられることが好ましい。

上記構成を有する通信システムで通信を行う場合、送信機１において、人体が導電性を示す周波数（数十ｋＨｚ〜数十ＭＨｚ）の搬送波を情報信号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。この電圧変化を送信機１の電極に印加することにより、この電極の周囲に変調信号に対応する電界を発生する。そして、この電界が人体に付与される。人体に付与された電界は、受信機３の受信電極３１で受けられる。受信電極３１に電界が加わると、その電界に対応してセンサ電極３２ａ，３２ｂから磁束や電位変化が生じる。この変化要因がコイル３３ａ，３３ｂに影響を与えてコイル３３ａ，３３ｂに誘導起電力（電圧）を出力信号として発生させる。この出力信号は検出回路３４で検出される。具体的には、検出回路３４では、当該出力信号を検出するとトランジスタ３４ａがＯＮになり、当該出力信号を増幅する構成となっている。そして、検出回路の後段に位置する復調回路において、送信機１で使用した搬送波を用いて復調して情報信号を取得する。このようにして、人体を伝送媒体として情報信号の送受信を行うことができる。

このように、インダクタであるコイルを直列に接続することにより、コイルの両端に生じる電圧が大きくなり、これにより受信感度が向上する。また、コイルを直列に接続することにより、コイル毎に検出回路を設ける必要がなく、加算回路も不要となる。このため、簡単な回路構成で受信感度を向上させることができる。

図２は、本発明の実施の形態に係る通信システムにおける受信機の他の例を示す概略構成図であり、図３は、図２に示す受信機の等価回路を示す図である。図２及び図３に示す構成においては、受信電極３１と接続される３つのセンサ電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃを設け、それぞれのセンサ電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、コイル３３ａ，３３ｂ，３３ｃに取り付けられている。また、コイル３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、直列に接続されており、これらのコイル３３ａ，３３ｂ，３３ｃと一つの検出回路３４とが接続されている。このような場合においても、簡単な回路構成により、受信感度を向上させることができる。

これらの構成によれば、従来の構成に比べて大きなインダクタンスを持つコイルが不要となる。大きなインダクタンスを持つコイルは、一般に線間容量が大きくなり、自己共振周波数が低くなるという問題がある。本構成においては、複数のコイルの個々のインダクタンスは小さくできるため、自己共振周波数の高いコイルを使うことができ、コイル間の寄生容量を小さくするように十分な距離をとって配置すれば、全体としても自己共振周波数の高い回路を構成することができる。したがって、上記従来技術における受信機構成では、感度を高くすると周波数を高くできないために、データ通信速度の高速化ができなかったが、本発明の構成により、高感度化と通信速度の高速化の両立が可能になる。

さらに、このような構成によれば、大きなインダクタンスを持つコイルが不要となるため、受信機全体として小型化を図ることができる。また、コイルは積層せずに、平面的に配置することにより、薄型化を実現することができる。特に、コイルをスパイラルコイルにすることにより、さらなる薄型化を図ることができる。コイルにスパイラルコイルを用いる場合においては、複数のスパイラルコイル全体にわたって一枚の大きなセンサ電極を配置してセンサを構成しても良い。このように薄型化を図ることができると、携帯電話やＩＣカードに本受信機を搭載する場合には非常に有利となる。

なお、本実施の形態においては、コイルが２つ又は３つである場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、コイルが４つ以上である場合にも同様に適用することができる。また、複数のコイルの個々のインダクタンス値は、等分であっても良く、等分でなくても良い。

図４は、本発明の実施の形態に係る通信システムにおける受信機の他の例の等価回路を示す図である。図４に示す構成においては、複数のコイル（ここでは３つ）３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、それぞれスイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを有し、これらのスイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃが並列接続されている。

この構成によれば、複数のコイル３３ａ，３３ｂ，３３ｃの組み合わせをスイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃで切り替えることができる。それぞれのコイル３３ａ，３３ｂ，３３ｃに並列にスイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを接続した場合、スイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃで導通したコイルは、スイッチを通じて電流が流れるため、インダクタとしては機能しない。このため、回路全体としての合成インダクタンスを減少させることができる。したがって、回路全体としてのインダクタンス値を切り替えることができる。その結果、これらのスイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃにより共振周波数を切り替えることができるので、共振周波数の可変幅が拡大し、検出回路３４の可変容量では対応できない広い周波数範囲でも検出が可能となる。

また、電界通信状態を監視する手段と、スイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃの切替制御とを連動させることにより、ノイズなどの影響で電界通信が不安定になったときに、自動でスイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを切り替えて、電界通信が良好となる共振周波数を探すようにしても良い。

図５は、本発明の実施の形態に係る通信システムにおける受信機の他の例の等価回路を示す図である。図５に示す構成においては、直列に接続された複数のコイル（ここでは３つ）全体に対して複数のキャパシタ３６ａ,３６ｂ，３６ｃが並列に接続されており、これらの複数のキャパシタ３６ａ,３６ｂ，３６ｃは、それぞれスイッチ３７ａ,３７ｂ，３７ｃを有し、これらのスイッチ３７ａ,３７ｂ，３７ｃが直列接続されている。

これにより、下記式（１），（２）に基づいて、共振回路２２において、インダクタンス及び容量を独立して制御することができ、共振周波数だけでなく、Ｑ値も独立に変えることが可能となる。このため、検出回路３４の可変容量では対応できない広い周波数範囲でも検出が可能となると共に、同じ共振周波数において、合成されたインダクタンス及び容量の組み合わせにより、Ｑ値を制御することができる。例えば、同じ共振周波数において、共振用インダクタのインダクタンスを大きくすることより、Ｑ値を高くすることができ、逆に共振用キャパシタの容量を大きくすることにより、Ｑ値を低くすることができる。具体的には、通信速度を上げるときなど帯域を広くする場合は、容量を大きくしてＱ値を小さくし、ノイズが共振周波数の近くにある場合は、インダクタンスを大きくしてＱ値を大きくする。
Ｆ＝１／｛（２π√（ＬＣ）｝ 式（１）
Ｑ＝（１／Ｒ）√（Ｌ／Ｃ） 式（２）
ここで、Ｆは周波数であり、Ｌはインダクタンスであり、Ｃは容量である。

なお、図４及び図５に示す構成においては、コイル３３ａ，３３ｂ，３３ｃ又はキャパシタ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ毎にスイッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃを設けているが、本発明においては、少なくとも２つのコイル又はキャパシタに対してスイッチを一つ設けるように構成しても良い。

ここで、本発明に係る通信システムのアプリケーションについて従来技術と比較しながら検討する。
携帯電話とカードキーを別々のものとし、カードキーは財布などに入れるなどして常に身に着けておき、携帯電話を置き忘れたときにはカードキーと携帯電話との距離が一定以上離れると自動的に携帯電話にロックがかかり、他人に個人情報などを見られないようにする技術がある。この方式は電波を使っているため、認証信号が遠くまで飛んでしまうのでセキュリティ上あまり好ましくなく、携帯電話にロックをかける距離を短くできないという問題がある。

上記のような携帯電話のロックシステムに上記特許文献２で開示されている電界通信方式を採用すると、電界は遠くまで飛ばず、認証信号はカードキーのごく近傍でのみ受信されるので、セキュリティ性が向上し、ロックをかける距離を短くできる。しかしながら、携帯電話では種々の周波数のノイズが存在し、そのノイズの周波数は温度などで変動する。特許文献２に開示された技術では、検出感度を向上するために、２対のコイル及び電流検出回路でセンサ電極を挟む、あるいは３対のコイル及び電流検出回路でセンサ電極を囲み込む構成が提案されている。

特許文献２に開示された構成においては、電流検出回路の出力を加算することで検出感度を増大させることはできるが、共振回路のＱ値は変わらないので、キャリア周波数の近くにノイズがある場合やノイズの周波数が変動する場合は、ノイズの影響を避けることができない。携帯電話のロックシステムにおいてノイズの影響を受けた場合、携帯電話がロックされるはずの状態でロックされず、携帯電話に対するロックが解除されていなければならない状態でロックがかかってしまう問題が生じる。

本発明の構成においては、受信感度が高くなるだけでなく、インダクタが直列に接続されるため、Ｑ値を求める式（２）でのインダクタＬが大きくなる。このため、Ｑ値を高くすることができるので、ノイズの影響を排除することができる。また、ノイズ周波数が温度などにより変動しても、インダクタＬを切り替えることにより周波数を切り替えたり、インダクタＬと容量Ｃを独立に切り替えることができるの、共振周波数を変更する他に、Ｑ値も独立に切り替えることができる。このため、ノイズの少ない環境ではＱ値を小さくして周波数帯域を広げることもできる。このように本発明に係る通信システムは、特許文献２に開示された技術に対して優れた効果を発揮することができる。

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、受信機における検出回路などの構成については上記実施の形態に限定されず、適宜変更することができる。また、上記実施の形態における寸法、数値、部材の個数などについては特に限定されず、本発明の範囲内において変更することが可能である。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通信システムを示す概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る通信システムにおける受信機の他の例を示す概略構成図である。 図２に示す受信機の等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態に係る通信システムにおける受信機の他の例の等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態に係る通信システムにおける受信機の他の例の等価回路を示す図である。

符号の説明

１ 送信機
２ 伝送媒体
３ 受信機
３１ 受信電極
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ センサ電極
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ コイル
３４ 検出回路
３４ａ トランジスタ
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ スイッチ
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ キャパシタ

Claims (3)

1. 伝送媒体に対して情報信号を変調してなる電界を付与する送信機と、前記伝送媒体を介して前記電界を検出して前記情報信号に対応した復調信号を得る受信機と、を具備し、前記受信機は、前記伝送媒体に面する受信電極と、前記受信電極に接続された複数のセンサ電極と、前記複数のセンサ電極のそれぞれに設けられ、直列に接続された複数のコイルと、を有することを特徴とする通信システム。
2. 前記複数のコイルは、それぞれスイッチを有し、これらのスイッチが前記複数のコイルに並列接続されていることを特徴とする請求項１記載の通信システム。
3. 直列に接続された複数のコイル全体に対して複数のキャパシタが並列に接続されており、前記複数のキャパシタは、それぞれスイッチを有し、これらのスイッチが前記複数のキャパシタに直列接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の通信システム。

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