(57)【要約】  ノイズによる誤動作がなく、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れても安定して通信を行うことができる通信システムを提供すること。本発明の通信システムは、人体に対して情報信号を電界に変換して付与する送信機（１）と、人体を介して前記電界を検出して前記情報信号を受信する受信機（３）と、を具備し、前記受信機（３）は、人体に面する受信電極（３１）と、受信電極（３１）に接続した一次コイル（Ｌ1）と、一次コイル（Ｌ1）と交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイル（Ｌ2）と、二次コイル（Ｌ2）に接続された受信回路（３２）と、を有し、一次コイル（Ｌ1）と二次コイル（Ｌ2）との間の静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合している。
2009107455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送媒体に対して情報信号を電界に変換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受信する受信機と、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した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合していることを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記一次コイル及び前記二次コイルが交互に巻回されることを特徴とする請求項１記載の通信システム。
【請求項３】
前記一次コイル及び前記二次コイルは、巻き数が少ない方のコイルを巻き数が多い方のコイルで挟むように巻回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。
【請求項４】
前記一次コイル及び前記二次コイルがそれぞれスパイラル状に構成されており、これらのスパイラル状の一次コイル及び二次コイルが積層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。
【請求項５】
前記一次コイル及び前記二次コイルがそれぞれスパイラル状に構成されており、同一平面内で前記一次コイル及び二次コイルの一方のコイルの線間に他方のコイルが配置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。
【請求項６】
前記一次コイル及び前記二次コイルの磁路が閉じていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（特許文献１）。このような通信システムにおいて、特に共振回路の構成としては、特許文献２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、受信機側に、信号源から発生された信号を受信する受信電極と、所定の周波数の信号を抽出する共振回路と、を有する。この共振回路は、空芯コイルとチップコンデンサとで構成されており、空芯コイルの一端が人体に面する受信電極に接続されている。
【特許文献１】特表平１１−５０９３８０号公報
【特許文献２】特開２００５−９４４６６号公報
【発明の開示】
【０００３】
しかしながら、特許文献２に開示された通信システムを携帯電話に代表されるような携帯機器に搭載した場合、人体と受信機の受信電極が僅かに離れるだけで通信ができなくなったり、通信のキャリア周波数に近いノイズ（例えば、携帯機器が発するノイズ）により通信が妨害されたりするという問題がある。
【０００４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ノイズによる誤動作がなく、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れても安定して通信を行うことができる通信システムを提供することを目的とする。
【０００５】
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に変換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受信する受信機と、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した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合していることを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、分布定数的な容量結合による共振周波数が安定する効果と、それに加えて磁気的な結合により感度が向上する効果とが発揮され、非常に安定した通信が可能である。すなわち、受信電極と受信回路とが２段以上の分布定数的な容量結合になるため、伝送媒体と受信電極との間の距離が変動しても、安定した通信を実現することができる。上記特許文献２に開示されている受信電極を共振回路に直結する方法では、伝送媒体と受信電極とが僅かに離れるだけで通信できないという問題があったが、分布定数的な容量結合にすることによって伝送媒体と受信電極との間の距離が変動しても共振周波数がずれにくくなり、安定な通信が可能になる。本出願人は、より詳しくは特願２００７−６９２６５号において、受信電極を共振回路に直結した場合と、インダクタに分布定数的に容量結合させて場合とを比較した説明をしている。この内容はすべてここに含めておく。また、この構成では、共振周波数シフトの対策として共振周波数をブロードにする場合に比べて、ノイズの影響を受けず、より信頼性の高い通信が可能になる。
【０００７】
本発明の通信システムにおいては、前記一次コイル及び前記二次コイルが交互に巻回されることが好ましい。また、本発明の通信システムにおいては、前記一次コイル及び前記二次コイルは、巻き数が少ない方のコイルを巻き数が多い方のコイルで挟むように巻回されていることが好ましい。また、本発明の通信システムにおいては、前記一次コイル及び前記二次コイルがそれぞれスパイラル状に構成されており、これらのスパイラル状の一次コイル及び二次コイルが積層されていることが好ましい。また、本発明の通信システムにおいては、前記一次コイル及び前記二次コイルがそれぞれスパイラル状に構成されており、同一平面内で前記一次コイル及び二次コイルの一方のコイルの線間に他方のコイルが配置されていることが好ましい。
【０００８】
これらの構成によれば、一次コイルと二次コイルとの間の結合容量がコイル内で均一に分布するため、共振周波数の安定化の効果が非常に大きく、より安定した通信を実現することができる。
【０００９】
本発明の通信システムにおいては、前記一次コイル及び前記二次コイルの磁路が閉じていることが好ましい。この構成によれば、磁路が閉じているため、周囲からくる電磁ノイズの影響を受けにくく、また、周辺回路に与える影響も少ない。それにより、周辺の回路部品と非常に近接させてもノイズなどの影響が少なく、通信性能を犠牲にすることなく、小型化、薄型化を実現することができる。
【００１０】
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に変換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受信する受信機と、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した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合しているので、ノイズによる誤動作がなく、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れても安定して通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ），（ｂ）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２】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す受信機における等価回路を実現する具体的な構成例を示す。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す受信機における等価回路を実現する具体的な構成例を示す。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す受信機における等価回路を実現する具体的な構成例を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明者は、上記特許文献２に開示されている技術の課題である伝送媒体と受信電極との間の距離が離れると通信ができなくなること、及びノイズにより誤動作すること、を解決するにあたり、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れると通信ができなくなる原因が、伝送媒体と、この伝送媒体に面する受信機の受信電極との間の静電容量の変化による、受信機の共振回路における共振周波数のシフトであることを見出した。また、本発明者は、単に共振回路の共振特性をブロードにして低Ｑ値化して、共振周波数がシフトしても利得が大きく変化しないようにすると、情報信号の搬送波の周波数に近いノイズに影響されて誤動作が起こることも見出した。特に、この通信システムを、小型化、薄型化する携帯機器に応用する場合においては、各種部品が非常に近接して実装されるため、それぞれが出すノイズによる影響はより顕著になる。したがって、本発明者は、このような観点を考慮して検討を行って、受信機において、受信電極に接続した一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように二次コイルを配置して、一次コイルと二次コイルとの間の静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合させることにより、分布定数的な容量結合による共振周波数が安定する効果と、それに加えて磁気的な結合により感度が向上する効果とを発揮させることができることを見出し本発明をするに至った。【００１３】
すなわち、本発明の骨子は、伝送媒体に対して情報信号電界に変換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受信する受信機と、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した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合させることにより、ノイズによる誤動作がなく、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れても安定して通信を行うことができる通信システムを実現することである。【００１４】
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（ａ），（ｂ）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（ａ），（ｂ）において、受信機内については一部を等価回路として示す。図１（ａ）は、結合用キャパシタＣcを２段に分けた場合を示す図であり、図１（ｂ）は、結合用キャパシタＣcを５段に分けた場合を示す図である。【００１５】
図１（ａ），（ｂ）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に対して変調された情報信号を電界に変換して付与する送信機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。【００１６】
この通信システムにおいては、送信機１と伝送媒体２との間、及び受信機３と伝送媒体２との間は、電気的に容量結合しており、変調された情報信号に対応する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２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１をポケットに入れたままでも、薄い布を介して送信機１と伝送媒体２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。【００１７】
送信機１は、伝送媒体２に対して変調された情報信号を電界として付与する。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。なお変調方式としては、ＡＭ、ＦＭ、ＡＳＫ，ＦＳＫ、ＰＳＫやその他の変調方式が使用可能である。【００１８】
受信機３は、伝送媒体２を介して電界を検出・復調して情報信号を得る。受信機３は、伝送媒体２に面しており、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に接続した一次コイルＬ1と、一次コイルＬ1と交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルＬ2と、二次コイルＬ2に接続された受信回路３２と、一次コイルＬ1と二次コイルＬ2とを容量結合する結合用キャパシタＣcと、を有する。なお、受信回路３２には、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変調された情報信号を復調する復調回路が含まれる。【００１９】
この構成においては、一次コイルＬ1と二次コイルＬ2が磁気的に結合しており、かつ、一次コイルＬ1と二次コイルＬ2は結合用キャパシタＣcによってコイル内において２ヶ所以上に分布して容量結合している。【００２０】
結合用キャパシタＣcは、伝送媒体２と、この伝送媒体２に面する受信電極３１との間の静電容量の変化による共振回路における共振周波数のシフトを抑制することができる。また、結合用キャパシタＣcは、受信機３が通信可能な最大距離まで伝送媒体から離れたときの受信機３と伝送媒体２との間の静電容量値以下であることが好ましい。これにより、受信機３と伝送媒体２との間の結合容量を小さくすることができ、通信可能な伝送媒体２と受信電極３１との間の距離を拡大することができる。さらに、結合用キャパシタＣcは、可変容量型キャパシタであることが好ましい。これにより、伝送媒体２と受信電極３１との間の距離を制御することが可能となり、ユーザの意思で通信可能な伝送媒体２と受信電極３１との間の距離を設定することができる。【００２１】
受信電極３１と受信回路３２の間に、結合用キャパシタを導入することによって、受信電極３１と伝送媒体２との距離が変動しても通信性能が変動しにくくなることと、この結合用キャパシタＣcを複数段に分けることでより安定することは、本出願人の先願である特願２００７−６９２６５号に記載されている。この内容はすべてここに含めておく。本発明においては、受信電極３１と受信回路３２の間に、結合用キャパシタＣcに加えて、互いに交差する磁束が磁気結合されるように配置された一次コイルＬ1（受信電極３１側）及び二次コイルＬ2（受信回路３２側）を導入している。これにより、受信電極３１と受信回路３２の間に、結合用キャパシタＣc1，Ｃc2による容量結合に加えて、一次コイルＬ1及び二次コイルＬ2の磁気的結合を付与している。このため、容量結合と磁気的結合の２つの結合効果が働き、受信感度が向上する。また、結合容量は、段数を多くして分布させることにより、より通信性能が安定化する。【００２２】
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、伝送媒体２、例えば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する。この変調された情報信号は、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された情報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、共振回路（一次コイルＬ1、結合用キャパシタＣc及び二次コイルＬ2）を介して受信回路３２で前記変調された情報信号を検出し、送信機１で使用した搬送波を用いて復調して元の情報信号を取得する。このようにして、人体を伝送媒体２として情報信号の送受信を行うことができる。【００２３】
図２〜図４は、図１に示す受信機における等価回路を実現する具体的な構成例を示す。図２（ａ）〜（ｃ）は、フェライトなどの磁性材料からなるコア４１にソレノイド型の一次コイルＬ1（図中破線）及び二次コイルＬ2（図中実線）が一部重複して巻回された構成を示す図である。図２（ａ），（ｃ）に示す構成は、巻き数が少ない方のコイルである一次コイルＬ1を巻き数が多い方のコイルである二次コイルＬ2で挟むように巻回されている構成である。【００２４】
図３（ａ）〜（ｃ）は、フェライトなどの磁性材料からなる環状のコア４１にトロイダル型の一次コイルＬ1（図中破線）及び二次コイルＬ2（図中実線）が一部重複して巻回された構成を示す図である。図３（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、巻き数が少ない方のコイルである一次コイルＬ1を巻き数が多い方のコイルである二次コイルＬ2で挟むように巻回されている構成である。【００２５】
図３（ａ）〜（ｃ）に示すトロイダル型のコイルの場合、ソレノイド型に比べて磁路が閉じているため、外部のノイズの影響を受けにくく、また周囲へ影響を及ぼし難い特徴がある。そのため、各種部品と非常に近接して実装して小型化、薄型化を実現する用途においては、他の部品と干渉しにくい特徴をもつトロイダル型コイルが有効である。また、このコイルは、薄膜プロセスで作製することが可能であるので、より薄型化する場合には有効である。特に、ＩＣ上に薄膜プロセスでコイルを作り込む場合には、ＩＣに影響を与えないトロイダル型が好適である。【００２６】
なお、図２及び図３に示す構成において、一次コイルＬ1と二次コイルＬ2の巻き数が同じである場合には、両コイルを交互に巻いても良い。また、コア４１のない空芯コイルで構成しても本発明の効果が得られる。【００２７】
図４（ａ）は、スパイラルコイルで構成された一次コイルＬ1及び二次コイルＬ2が積層した構成を示す。また、図４（ｂ），（ｃ）は、スパイラルコイルで構成された一次コイルＬ1及び二次コイルＬ2が、同一平面内で一次コイルＬ1及び二次コイルＬ2の一方のコイルの線間に他方のコイルが配置されている構成を示す。【００２８】
図４（ａ）に示す構成において、一次コイルＬ1と二次コイルＬ2との間は、何も介在せずに空隙としても良いが、積極的に誘電体を介在させても良い。一次コイルＬ1と二次コイルＬ2との間に誘電体が存在することにより、結合容量を大きくすることが可能となる。また、機械的強度を保ちつつ結合容量を適度に抑える場合には、誘電体として空孔を持つ多孔質材料を用いても良い。【００２９】
図４（ｂ），（ｃ）に示す構成においては、同一平面内で一次コイルＬ1及び二次コイルＬ2の一方のコイルの線間に他方のコイルが配置されている。図４（ａ）に示す構成においては、コイルの積層方向に結合容量Ｃcが形成されるが、図４（ｂ），（ｃ）に示す構成においては、同一平面内の各コイルの線間での容量が主な結合容量として働く。図４（ｃ）に示す構成においては、一次コイルＬ1及び二次コイルＬ2をフェライトなどの磁性体４２で覆うことで磁路を閉じている。図４（ｃ）においては、一次コイルＬ1及び二次コイルＬ2を磁性体４２で挟んだ構成としているが、コイルの厚さが薄ければこの構造でも磁路はほぼ閉じる。また、パーマロイなどのメッキで形成できる磁性材料を用いて、一次コイルＬ1及び二次コイルＬ2コイルの表面に磁性材料をメッキして覆っても良い。この場合には、強力に磁路を閉じることができる。【００３０】
図４（ａ）〜（ｃ）に示す構成いずれも、結合容量がコイル内でほぼ均一に分布するため、非常に安定した通信を得ることができる。また、薄型化の要求が強い用途では、図４（ｂ）に示す構成が適している。この場合において、結合容量を増やす場合には、誘電率の大きな材料を基板として用いるか、上面から誘電材料で覆うことが好ましい。【００３１】
このように、図２〜図４に示す構成においては、２つのコイルが磁気的に結合し、かつその一部が重複しているので、磁気的結合及び容量結合の双方の効果が得られ、通信感度が向上する。また、静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合しているので、２段の分布定数的結合の効果が得られ、感度向上の効果に加えて、共振周波数が安定化するという効果も発揮することができる。【００３２】
なお、本発明は、ベースバンド伝送等の無変調の伝送方式にも適用可能である。また、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、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材質、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。
【図１】
2009107455.tif 000003
【図２】
2009107455.tif 000004
【図３】
2009107455.tif 000005
【図４】
2009107455.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月6日(2010.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送媒体に対して情報信号を電界に変換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受信する受信機と、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した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイル及び前記二次コイルがそれぞれスパイラル状に構成されており、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合していることを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記スパイラル状の一次コイル及び前記スパイラル状の二次コイルが積層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。
【請求項３】
同一平面内で前記一次コイル及び前記二次コイルの一方のコイルの線間に他方のコイルが配置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。
【請求項４】
前記一次コイル及び前記二次コイルの磁路が閉じていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の通信システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
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に変換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受信する受信機と、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した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイル及び前記二次コイルがそれぞれスパイラル状に構成されており、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合していることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の通信システムにおいては、前記スパイラル状の一次コイル及び前記スパイラル状の二次コイルが積層されていることが好ましい。また、本発明の通信システムにおいては、同一平面内で前記一次コイル及び前記二次コイルの一方のコイルの線間に他方のコイルが配置されていることが好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
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に変換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受信する受信機と、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した一次コイルと、前記一次コイルと交差する磁束が磁気結合されるように配置された二次コイルと、前記二次コイルに接続された受信回路と、を有し、前記一次コイル及び前記二次コイルがそれぞれスパイラル状に構成されており、前記一次コイルと前記二次コイルとの間の静電容量がコイル内において２ヶ所以上で容量結合しているので、ノイズによる誤動作がなく、伝送媒体と受信電極との間の距離が離れても安定して通信を行うことができる。
【国際調査報告】
2009107455.tif 000007
2009107455.tif 000008
2009107455.tif 000009