JP5118249B2

JP5118249B2 - 通信システム

Info

Publication number: JP5118249B2
Application number: JP2011506004A
Authority: JP
Inventors: 広行蛇口; 重俊松田; 勝小石; 英之根日屋
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: WO2010110157A1; EP2413522A1; EP2413522A4; US20110294421A1; JPWO2010110157A1

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。この通信システムにおいては、送信機と受信機の少なくとも一方が交流電源などに接続されている場合には、大地グランドに接地されているため、送信効率や受信効率が高く良好な通信を実現することができる。

一方、この通信システムにおいて、送信機と受信機の両方が電池駆動で人体に装着されて、大地グランドから電気的（直流的）に浮いた状態で使う場合には、送信回路グランドと大地グランドとの間の浮遊容量（Ｃｇ）や人体と大地グランド間の浮遊容量（Ｃｂ）により信号が減衰する。このため、送信効率や受信効率が低下して、送信電極の電位が小さくなったり、受信電極で受ける電界が小さくなり、通信品質が低下する、あるいは、通信不可になるという問題がある。

この問題を解決する方法として、特許文献２では、送信回路グランドと大地グランドとの間の浮遊容量Ｃｇと直列共振をする共振手段を設けた送信機の構成が提案されている。

特表平１１−５０９３８０号公報特開２００４−１５３７０８号公報

しかしながら、特許文献２で開示されているような構成では、共振回路に送信回路グランドと大地グランドとの間の浮遊容量Ｃｇ及び人体と大地グランドとの間の浮遊容量Ｃｂが含まれており、共振回路の経路に大地グランドが入っているため、人体の姿勢が変わって浮遊容量Ｃｇや浮遊容量Ｃｂが変動すると、共振回路の共振状態も変動し、通信が不安定になるという問題がある。そのため、安定した通信が成り立つためには、使う場合の姿勢を限定するか、姿勢の変化があっても共振状態が変動しないように自動制御するための大規模な回路を追加するなどの対策が必要である。

近年、健康のためにウォーキングやランニングする人が増えているが、より正確な消費カロリーを算出するために、両手、両足などに加速度センサを装着したり、負荷が過剰にならないように心拍をモニターし、測定結果をデータロガーに蓄積するというニーズが増えてきた。そのような用途において、身に付けたセンサとデータロガーで電界通信を行う場合、送信回路グランドと大地グランドとの間の浮遊容量Ｃｇや、人体と大地グランドとの間の浮遊容量Ｃｂの変動の影響を受ける従来の技術では、安定した通信を実現することはできず、実用化されていない。また、共振回路の経路の大地グランドが含まれているため、カード型などの小さな送信機を手で覆うように保持すると、共振状態が崩れ、送信効率が著しく低下し通信できない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、大地グランドに対する浮遊容量が変動しても送信効率が安定しており、通信で使うキャリア周波数での送信電極の電位変動が少なく、運動しているときの用途への適用を可能にし、手で覆うように保持しても通信が可能な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電界として付与する送信機と、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を得る受信機と、を具備し、前記送信機は、前記伝送媒体との間でそれぞれ静電容量を形成する２つの電極と、前記２つの電極を結ぶインダクタとで共振回路が形成される共振部を含むことを特徴とする。

この構成によれば、伝送媒体を含んだ共振回路を構成しているため、伝送媒体への信号供給効率が高く、かつ、共振回路に大地グランドとの間の浮遊容量を含まないため、送信効率が大地グランドの影響を受けにくく、送信機を手で覆うように保持しても通信が可能であり、姿勢をかえても安定した通信が可能である。

本発明の通信システムにおいては、前記共振部にトランスによる磁気結合あるいはコンデンサによる容量結合によって結合されている送信回路を有し、前記送信回路から前記共振部に信号伝達されることが好ましい。この構成によれば、送信回路を介した大地グランドの影響をさらに抑えることができる。

本発明の通信システムにおいては、前記２つの電極の少なくとも一方が複数の電極で構成されることが好ましい。この構成によれば、凹凸のある伝送媒体の表面に対しても電極が追従し易く、電極と伝送媒体との間の静電容量を大きくすることができる。また、電極と伝送媒体との間の静電容量を確実なものにすることができるので、通信が安定する。

本発明の通信システムにおいては、前記２つの電極の少なくとも一方が柔軟性のある導電材料で構成されていることが好ましい。この構成によれば、凹凸のある伝送媒体の表面に対しても電極が追従し易く、電極と伝送媒体との間の静電容量を大きくすることができる。また、電極と伝送媒体との間の静電容量を確実なものにすることができるので、通信が安定する。

本発明の通信システムにおいては、前記２つの電極と前記伝送媒体との間のそれぞれの静電容量がほぼ等しいことが好ましい。この構成によれば、限られた面積の中で、共振部に含まれる静電容量を最大にすることができる。

本発明の通信システムにおいては、前記２つの電極間の浮遊容量が前記電極と伝送媒体との間で形成される静電容量よりも小さいことが好ましい。この構成によれば、２つの電極間の浮遊容量による信号減衰を抑え、信号供給効率を高くすることができる。

本発明の通信システムは、伝送媒体に対して情報信号を電界として付与する送信機と、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を得る受信機と、を具備し、前記送信機は、前記伝送媒体との間でそれぞれ静電容量を形成する２つの電極と、前記２つの電極とを結ぶインダクタとで共振回路が形成される共振部を含むので、大地グランドに対する浮遊容量が変動しても送信効率が安定しており、通信で使うキャリア周波数での送信電極の電位変動が少なく、運動しているときの用途への適用を可能にし、手で覆うように保持しても通信が可能である。

本発明の実施の形態１に係る通信システムの送信機側の一部を示す概略構成図である。図１に示す通信システムの送信機側の一部の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態１に係る通信システムの送信機側の一部を示す概略構成図である。本発明の実施の形態１に係る通信システムの浮遊容量Ｃｇの許容範囲を示す図である。本発明の実施の形態１に係る通信システムの浮遊容量Ｃｂの許容範囲を示す図である。本発明の実施の形態２に係る通信システムの送信機側の一部の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態２に係る通信システムの浮遊容量Ｃｇの許容範囲を示す図である。本発明の実施の形態２に係る通信システムの浮遊容量Ｃｂの許容範囲を示す図である。本発明の実施の形態３に係る通信システムの送信機側の一部の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態３に係る通信システムの浮遊容量Ｃｇの許容範囲を示す図である。本発明の実施の形態３に係る通信システムの浮遊容量Ｃｂの許容範囲を示す図である。従来の通信システムの送信機側の一部の等価回路を示す図である。従来の通信システムの浮遊容量Ｃｇの許容範囲を示す図である。従来の通信システムの浮遊容量Ｃｂの許容範囲を示す図である。

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。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態に係る通信システムの送信機側の一部を示す概略構成図である。また、図２は、図１に示す通信システムの送信機側の一部の等価回路を示す図である。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１と、伝送媒体１に対して情報信号を電界として付与する送信機２と、伝送媒体１を介して電界を検出し、その電界を情報信号として受信する受信機（図示せず）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２と伝送媒体（ここでは人体）１との間、及び受信機と伝送媒体（ここでは人体）１との間は、コンデンサを介して電気的に容量結合（送信機２と伝送媒体１との間は容量Ｃ_１，Ｃ_２）しており、搬送波により変調された情報信号を電界として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２は、伝送媒体に対して変調された情報信号を電界として付与する。送信機２は、送信回路２１と、共振部２２とから主に構成されている。送信回路２１は、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含む。共振部２２においては、伝送媒体１との間でそれぞれ静電容量Ｃ_１，Ｃ_２を形成する第１の電極２２１及び第２の電極２２２と、第１及び第２の電極２２１，２２２を結ぶインダクタＬ２２３とで共振回路が形成される。

本発明においては、送信回路２１と共振部２２とは、トランスによる磁気結合あるいはコンデンサによる容量結合によって結合された状態で、送信回路２１から共振部２２に信号伝達されることが好ましい。これにより、送信回路２１を介した大地グランドの影響をさらに抑えることができる。

また、本発明においては、図３に示すように、第１の電極２２１及び第２の電極２２２の少なくとも一方が複数の電極で構成されることが好ましい（図３においては第１の電極２２１及び第２の電極２２２のいずれも２つの電極で構成されている）。これにより、凹凸のある伝送媒体１の表面に対しても電極が追従し易く、複雑な曲面からなる人体の表面と電極との結合を安定なものにすることができる。また、これにより、電極２２１，２２２と伝送媒体１との間の静電容量を大きくすることができる。さらに、電極２２１，２２２と伝送媒体１との間の静電容量を確実なものにすることができるので、通信が安定する。

また、本発明においては、第１の電極２２１及び第２の電極２２２の少なくとも一方が柔軟性のある導電材料で構成されていることが好ましい。これにより、凹凸のある伝送媒体１の表面に対しても電極２２１，２２２が追従し易く、複雑な曲面からなる人体の表面と電極との結合を安定なものにすることができる。また、これにより、電極２２１，２２２と伝送媒体１との間の静電容量を大きくすることができる。また、電極２２１，２２２と伝送媒体１との間の静電容量を確実なものにすることができるので、通信が安定する。

また、本発明においては、第１の電極２２１及び第２の電極２２２と伝送媒体１との間のそれぞれの静電容量Ｃ_１，Ｃ_２がほぼ等しい（Ｃ_１≒Ｃ_２）ことが好ましい。これにより、限られた面積の中で、共振部２２に含まれる静電容量を最大にすることができる。

また、本発明においては、第１の電極２２１及び第２の電極２２２間の浮遊容量Ｃｓが電極２２１，２２２と伝送媒体１との間で形成される静電容量Ｃ_１，Ｃ_２よりも小さい（Ｃｓ＜Ｃ_１≒Ｃ_２）ことが好ましい。これにより、２つの電極２２１，２２２間の浮遊容量Ｃｓによる信号減衰を抑え、信号供給効率を高くすることができる。

受信機は、伝送媒体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。受信機は、伝送媒体に面しており、伝送媒体からの電界を受ける受信電極と、共振回路と、を有する。共振回路の後段は、電界を増幅して検出する検出回路や検出された物理量を用いて情報信号を復調する復調回路が接続される。

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２において、伝送媒体２である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、受信機の受信電極で受けられる。受信電極に電界が加わると、共振回路及びその後段の検出回路で前記変調信号を検出する。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。

この通信システムにおいては、伝送媒体１を含んだ共振回路を構成しているため、伝送媒体１への信号供給効率が高く、かつ、共振回路に大地グランドとの間の浮遊容量を含まないため、送信効率が大地グランドの影響を受けにくく、送信機２を手で覆うように保持しても通信が可能であり、姿勢をかえても安定した通信が可能となる。

次に、本発明に係る通信システムの送信機の浮遊容量の許容範囲について説明する。図１及び図２に示す回路についてシミュレーションを行った。その結果を図４及び図５に示す。図１及び図２に示す回路においては、標準条件として、信号源を電圧振幅１Ｖｐｐとし、伝送媒体１と電極２２１，２２２との間の結合容量を８０ｐＦとし、送信機２と大地との間の浮遊容量Ｃｇを２５ｐＦとし、伝送媒体１と大地との間の浮遊容量Ｃｂを１００ｐＦとし、共振用キャパシタＣ_０を２０ｐＦとし、インダクタＬ２２３を１０ＭＨｚで共振するように３．９６μＨとした。このような条件の下で、浮遊容量Ｃｇ，Ｃｂを独立に変化させて１０ＭＨｚでの第１の電極２２１の電位が標準条件の０．５倍〜１．５倍になるところまでを許容するとして浮遊容量Ｃｇ，Ｃｂの許容範囲を求めた。浮遊容量Ｃｇの許容範囲を図４に示し、浮遊容量Ｃｂの許容範囲を図５に示した。

また、比較として、図１２に示す回路についてシミュレーションを行った。図１２に示す通信システムは、送信回路グランドと大地グランドとの間の浮遊容量Ｃｇと直列共振をする共振手段を設けた送信機を含む通信システム（特許文献２に開示された構成）である。その結果を図１３及び図１４に示す。図１２に示す回路においては、標準条件として、信号源を電圧振幅１Ｖｐｐとし、伝送媒体１と電極３との間の結合容量を３０ｐＦとし、送信機２と大地との間の浮遊容量Ｃｇを２５ｐＦとし、伝送媒体１と大地との間の浮遊容量Ｃｂを１００ｐＦとし、インダクタＬ４を１０ＭＨｚで共振するように２１μＨとした。このような条件の下で、浮遊容量Ｃｇ，Ｃｂを独立に変化させて１０ＭＨｚでの電極３の電位が標準条件の０．５倍〜１．５倍になるところまでを許容するとして浮遊容量Ｃｇ，Ｃｂの許容範囲を求めた。浮遊容量Ｃｇの許容範囲を図１３に示し、浮遊容量Ｃｂの許容範囲を図１４に示した。

図１３から分かるように、図１２に示す従来の通信システムでは、浮遊容量Ｃｇの許容範囲が２２．７ｐＦ〜２８．５ｐＦと、標準条件の２５ｐＦに対して±１０数％（９０％〜１１５％）の変動しか許容できない。このような許容範囲の通信システムにおいて、ウェアラブル機器を考えると、浮遊容量Ｃｇは送信機を身につける際の、大地から送信機の高さに対応しており、人体に装着する位置がかなり制約を受けることを意味する。

これに対して、図４から分かるように、図１及び図２に示す本発明の通信システムでは、浮遊容量Ｃｇの許容範囲が０．１ｐＦ〜８３ｐＦと、標準条件の２５ｐＦに対して大きな（０．４％〜３３２％）変動が許容される。したがって、送信機を人体に装着する際にも、装着位置に対する制約は少ない。

同様に、図１４から分かるように、図１２に示す従来の通信システムでは、浮遊容量Ｃｂの許容範囲が６８ｐＦ〜１７５ｐＦと、標準条件の１００ｐＦに対して小さい（６８％〜１７５％）の変動しか許容できない。一方、図５から分かるように、図１及び図２に示す本発明の通信システムでは、浮遊容量Ｃｂの許容範囲が２５ｐＦ〜１０００ｐＦと、標準条件の１００ｐＦに対して大きな（２５％〜１０００％）変動が許容される。浮遊容量Ｃｂは、人体の大地グランドに対する浮遊容量であり、両足を大地につけて直立している場合が標準条件の１００ｐＦ程度である。歩行中の浮遊容量Ｃｂは、片足が完全に浮いて、かつ、大地に着いている足もかかとが浮いていることを想定すると、１００ｐＦのおよそ１／４の２５ｐＦになることが想定される。したがって、従来の通信システムでは、歩行中の通信への対応は困難であるが、本発明の通信システムでは、歩行中の通信への対応が可能であると思われる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、送信回路グランドと、インダクタＬ２２３の一方の端子と、第２の電極２２２とを直接接続した構成について説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る通信システムの送信機側の一部の等価回路を示す図である。図６に示す通信システムは、送信回路グランドと、インダクタＬ２２３の一方の端子と、第２の電極２２２とを直接接続した送信機を含む通信システムである。

図６に示す回路についてシミュレーションを行った。その結果を図７及び図８に示す。図６に示す回路においては、標準条件として、信号源を電圧振幅１Ｖｐｐとし、伝送媒体１と電極２２１，２２２との間の結合容量を８０ｐＦとし、送信機２と大地との間の浮遊容量Ｃｇを２５ｐＦとし、伝送媒体１と大地との間の浮遊容量Ｃｂを１００ｐＦとし、共振用キャパシタＣ_０を２０ｐＦとし、インダクタＬ２２３を１０ＭＨｚで共振するように３．９６μＨとした。このような条件の下で、浮遊容量Ｃｇ，Ｃｂを独立に変化させて１０ＭＨｚでの第１の電極２２１の電位が標準条件の０．５倍〜１．５倍になるところまでを許容するとして浮遊容量Ｃｇ，Ｃｂの許容範囲を求めた。浮遊容量Ｃｇの許容範囲を図７に示し、浮遊容量Ｃｂの許容範囲を図８に示した。

図７から分かるように、図６に示す本発明の通信システムでは、浮遊容量Ｃｇの許容範囲が０．１ｐＦ〜３２０ｐＦと、標準条件の２５ｐＦに対して大きな（０．４％〜１２８０％）変動が許容される。また、図８に示す本発明の通信システムでは、浮遊容量Ｃｂの許容範囲が０．１ｐＦ〜１０００ｐＦと、標準条件の１００ｐＦに対して大きな（０．１％〜１０００％）変動が許容される。この結果においては、従来の通信システム及び実施の形態１の通信システムに比べても、浮遊容量Ｃｇ，Ｃｂが小さくなる場合の許容範囲が拡大している。言い換えると、送信機２、人体ともに大地からある程度遠ざかっても通信が可能であることを意味している。また、浮遊容量Ｃｂが標準条件１００ｐＦに対し０．１ｐＦでも許容できるため、歩行中の通信は当然として、ランニング中でも通信ができると考えられる。

（実施の形態３）
本実施の形態においては、トランスによって送信回路２１から共振部２２へ信号伝達する構成について説明する。図９は、本発明の実施の形態３に係る通信システムの送信機側の一部の等価回路を示す図である。図９に示す通信システムは、トランスによって送信回路２１から共振部２２へ信号伝達する送信機を含む通信システムである。

図９に示す回路についてシミュレーションを行った。その結果を図１０及び図１１に示す。図９に示す回路においては、標準条件として、信号源を電圧振幅１Ｖｐｐとし、伝送媒体１と電極２２１，２２２との間の結合容量を８０ｐＦとし、送信機２と大地との間の浮遊容量Ｃｇを２５ｐＦとし、伝送媒体１と大地との間の浮遊容量Ｃｂを１００ｐＦとし、共振用キャパシタＣ_０を２０ｐＦとし、トランス２２４のインダクタ成分を１０ＭＨｚで共振するように３．９６μＨとした。このような条件の下で、浮遊容量Ｃｇ，Ｃｂを独立に変化させて１０ＭＨｚでの第１の電極２２１の電位が標準条件の０．５倍〜１．５倍になるところまでを許容するとして浮遊容量Ｃｇ，Ｃｂの許容範囲を求めた。浮遊容量Ｃｇの許容範囲を図１０に示し、浮遊容量Ｃｂの許容範囲を図１１に示した。

図１０から分かるように、図９に示す本発明の通信システムでは、浮遊容量Ｃｇの許容範囲が０．１ｐＦ〜１０００ｐＦと、標準条件の２５ｐＦに対して大きな（０．４％〜４０００％）変動が許容される。また、図１１に示す本発明の通信システムでは、浮遊容量Ｃｂの許容範囲が０．１ｐＦ〜１０００ｐＦと、標準条件の１００ｐＦに対して大きな（０．１％〜１０００％）変動が許容される。この結果においては、実施の形態２の通信システムに比べても、浮遊容量Ｃｇの値が増加する方向に許容範囲が拡大している。これは、送信機２が大地グランドに触れるくらいに低く設置されても通信状態が保たれることを意味している。例えば、加速度センサなどと持った送信機を手首、足首、頭などに装着し、腰に装着したデータロガーを持った受信機と通信することを想定した場合、ダイエットのためのエクササイズを行い、マットに横になって腹筋を鍛えたり、腕立て伏せをしたとしても、立った状態と同様に通信が可能である。

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、第１の電極と第２の電極との間に可変容量を設けて、共振周波数を調整する構成としても良い。また、送信機における変調回路や変換回路、受信機における検出回路や復調回路などの構成については限定されず、適宜変更することができる。例えば、情報信号を変調・復調せずに伝送するベースバンド伝送方式を本発明に適用してもよい。この通信方式であれば、送信機・受信機から変調・復調回路を省略することができる。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。

本出願は、２００９年３月２６日出願の特願２００９−０７７２７２に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims

伝送媒体に対して情報信号を電界として付与する送信機と、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を得る受信機と、を具備し、前記送信機は、前記伝送媒体との間でそれぞれ静電容量を形成する２つの電極と、前記２つの電極を結ぶインダクタとで共振回路が形成される共振部を含むことを特徴とする通信システム。
前記共振部にトランスによる磁気結合あるいはコンデンサによる容量結合によって結合されている送信回路を有し、前記送信回路から前記共振部に信号伝達されることを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記２つの電極の少なくとも一方が複数の電極で構成されることを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記２つの電極の少なくとも一方が柔軟性のある導電材料で構成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。
前記２つの電極と前記伝送媒体との間のそれぞれの静電容量がほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記２つの電極間の浮遊容量が前記電極と伝送媒体との間で形成される静電容量よりも小さいことを特徴とする請求項５記載の通信システム。