(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間又は動物の身体を伝送媒体として利用してデータ通信を実行するデュアル・モダリティ通信デバイスであって、
送信機及び受信機のうち少なくとも何れかを有するトランシーバー；
身体結合通信プロトコルを利用して、前記身体に接触する又は近辺にある１つ以上のユーザー・デバイスとの前記身体の表面によるデータ通信を可能にする静電トランスデューサー；及び
超音波を利用して前記身体を通るデータ通信を可能にする超音波トランスデューサーであって、前記静電トランスデューサー及び超音波トランスデューサーは、前記トランシーバーに接続され且つ前記トランシーバーを介して操作される容量型のトランスデューサーである、通信デバイス。
【請求項２】
前記トランシーバーは、１００ｋＨｚないし３０ＭＨｚの周波数帯域幅のうちの無線周波数で通信するように構成される、請求項１に記載の通信デバイス。
【請求項３】
前記トランシーバーは、前記送信機と協働する少なくとも何れかのエンコーダ又は前記受信機と協働する少なくとも何れかのデコーダを更に有し、前記エンコーダ又はデコーダのうち少なくとも何れかは、ＤＣフリー符合化法によりデータをエンコード又はデコードするようにそれぞれ構成される、請求項１に記載の通信デバイス。
【請求項４】
エンコーダ又はデコーダのうち少なくとも何れかは、マンチェスター符合化法又はバイポーラ符合化法に従ってデータをエンコード又はデコードするようにそれぞれ構成される、請求項１に記載の通信デバイス。
【請求項５】
前記静電トランスデューサー及び前記超音波トランスデューサーの各々は、インピーダンス・マッチング又はバイアシングのために構成されるドライバ電子装置を有する、請求項１に記載の通信デバイス。
【請求項６】
前記超音波トランスデューサーは、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサーである、請求項１に記載の通信デバイス。
【請求項７】
前記超音波トランスデューサーのドライバ電子装置は、崩壊モードで前記超音波トランスデューサーを作動させるために、直流バイアス電圧を前記超音波トランスデューサーに印加するように構成される、請求項４に記載の通信デバイス。
【請求項８】
少なくとも何れかの前記受信機は、前記超音波トランスデューサー及び前記静電トランスデューサーから受信した信号を増幅する低雑音増幅器を有する、請求項１に記載の通信デバイス。
【請求項９】
前記静電トランスデューサーは、身体結合通信プロトコルを利用してデータ通信を可能にする少なくとも１つの容量性カプラを有する、請求項１に記載の通信デバイス。
【請求項１０】
前記通信デバイスは追加的なトランシーバーを有し、各々の追加的なトランシーバーは、複数の通信チャネルを介した同時通信を可能にするように、前記超音波トランスデューサー及び前記静電トランスデューサーに接続される、請求項１に記載の通信デバイス。
【請求項１１】
人間又は動物の身体を伝送媒体として利用して複数のデバイスの間でデータ通信を実行する方法であって：
前記複数のデバイスのうちの第１デバイスを提供するステップであって、前記第１デバイスは前記人間又は動物の身体の中に配置されている、ステップ；
前記複数のデバイスのうちの第２デバイスを提供するステップであって、前記第２デバイスは前記人間又は動物の身体の上又は近辺に配置されている、ステップ；
前記複数のデバイスの間で前記データ通信を実行するためにデュアル・モダリティ通信デバイスを利用するステップ；
前記通信デバイスのトランシーバーの送信機を利用して、データ信号を生成するステップ；
前記通信デバイスの複数のトランスデューサーのうちの少なくとも何れかのトランシーバーを利用して、前記データ信号を、前記第１デバイス又は前記第２デバイスに送信するステップであって、前記複数のトランスデューサーは、静電トランスデューサー及び超音波トランスデューサーを有する、ステップ；
前記データ信号が身体結合通信プロトコルを利用して前記第２デバイスへ送信される場合に、前記デュアル・モダリティ通信デバイスが、前記静電トランスデューサーを選択するステップ；及び
前記データ信号が前記第１デバイスへ送信される場合に、前記超音波トランスデューサーを選択するステップ；
を有し、前記静電トランスデューサー及び前記超音波トランスデューサーは、トランシーバーにより作動させられる容量性のトランスデューサーである、方法。
【請求項１２】
前記トランシーバーは、前記静電トランスデューサー及び前記超音波トランスデューサーが接続される少なくとも１つの受信機を更に有し、当該方法は：
前記静電トランスデューサー又は前記超音波トランスデューサーにより前記データ信号を受信するステップ；及び
前記データ信号により搬送されるデータを取得するために、前記少なくとも１つの受信機を利用して前記データ信号を処理するステップ；
を更に有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記通信デバイスは、ウェアラブル・デバイス、ポータブル・デバイス及び埋め込みデバイスによる群中の少なくとも何れかにより構成される、請求項１に記載の通信デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送媒体として人間又は動物の身体を利用してデータ通信を実行するための通信デバイスに関連し、通信デバイスは送信機及び受信機のうち少なくとも何れかを有するトランシーバー・ユニットを有し、通信デバイスは、身体に接触している又は近辺にある1つ以上のユーザー・デバイスと、身体の表面を介してデータ通信を実行できるようにする静電トランスデューサーを有する。本発明は通信デバイスのシステムにも関連し、システムは、伝送媒体として人間又は動物の身体を利用するデータ通信により、通信デバイス間で相互通信するように構成される。
【背景技術】
【０００２】
埋め込み可能な及び装着可能なデバイスの数及び機能の増加とともに、身体の内部及び周辺で信頼性が高く高スループットであること及び安全な通信であることに対する必要性が増加している。これらの必要性に応じることが可能な幾つかの技術的な選択肢が存在し、それらの適合性は、個々のタイプの信号に対する通信チャネル(人体)の特性、実施に必要なサイズ、達成可能なパワー対パフォーマンスの比率によって判断される。短期的及び長期的な利用に関し、人体に対するダメージを防ぐために、信号の振幅及びデューティー・サイクルに対する安全性限界(セーフティ・リミット)が各々の信号タイプに存在する。
【０００３】
医療アプリケーションでは、人体を伝送媒体として利用して人体に装着されている又は近辺にあるデバイス同士の間で通信する、というデータ通信方法が存在する。これは、例えば、患者の身体の特定の場所から取得されるローカルなセンサー・データを、それらの信号を収集する中央受信デバイスへ送信することを可能にする。当然に、そのような通信方法についての他の多くのアプリケーションも可能である。一般に、身体を伝送媒体として利用するそのような通信ネットワークは、ボディ・エリア・ネットワーク(BAN)として言及されてよい。最近、そのような方法は、身体結合通信(body  coupled  communication：BCC)と呼ばれる新たなタイプの通信に進化しており、BCCは100MHzにも及ぶ非常に高い周波数(HF)でデータ通信を可能にする。
【０００４】
BCCタイプのデータ通信では、データ信号は身体の表面(すなわち、皮膚)を介して送信される。HFキャリア周波数を利用可能にすることで、この種の通信は、高いデータ・レートを得る可能性が生じ、この種の通信を、多くの種類のウェアラブル・デバイス間でのデータ通信に相応しいものにする。しかしながら、場合によっては(例えば、医療用途の場合)、身体内部にあるデバイスとのデータ通信を許容することも望ましい。その具体例は、動作のフィードバックを得るためのペースメーカーとのデータ通信や、医学的な診断中に身体内部に持ち込まれたワイヤレス・プローブからデータを取得すること等である。BCCタイプの通信も無線電波タイプの通信もこのタスクに相応しいものではなく、なぜなら、信号は、身体の表面(BCCの場合)又は空中を介して搬送されるに過ぎず、通信の目的で身体内部を突き抜けることはできないからである。
【０００５】
今のところ、そのようなデバイスが身体の上に、近辺に又は内部に位置するか否かによらず、デバイス間で「ボディ・バウンド(body  bound)」データ通信を許容する適切な利用可能なソリューションは存在しない。様々な場所にあるデバイスに到達するのに相応しい通信タイプの様々な性質に起因して、異なる状況では異なるタイプの通信システムが頼りになる。
【０００６】
文献US2004/202339は、補聴器を他のデバイスに、そのデバイスを装着している人の身体を介して接続する技術を説明している。この文献は超音波又は無線通信を利用することを説明している。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の課題は、人間又は動物の身体の中、上又は近辺に位置する他のデバイスとのデータ通信を可能にするのに適した通信デバイスを提供することである。更に、費用効果及びエネルギ効率に優れた方法でそのような通信を可能にする必要性がある。
【０００８】
この目的のため、人間又は動物の身体を伝送媒体として利用してデータ通信を実行する通信デバイスが本願で提供される。通信デバイスは、送信機及び受信機のうち少なくとも何れかを有するトランシーバー・ユニットを有する。通信デバイスは、身体に接触する又は近辺にある(例えば近接した位置にある(例えばそこから0-10mmの範囲内にある))1つ以上のユーザー・デバイスと、身体の表面を通じてデータ通信を可能にする静電トランスデューサーを有する。通信デバイスは、超音波を利用して身体を通り抜けるデータ通信を可能にする超音波トランスデューサーを更に有する。静電トランスデューサー及び超音波トランスデューサーの双方は、トランシーバー・ユニットに接続され且つそれにより操作される容量型のトランスデューサーである。従って、静電トランスデューサー及び超音波トランスデューサーの双方により、同じトランシーバー・ユニットが共有される。
【０００９】
双方のタイプのトランスデューサーの間でトランシーバー・ユニットを共有することにより、効率的な電力消費が達成可能である一方、それと同時に、エレガントでいっそうシンプルなデザインを許容する(双方のトランスデューサーを動作させるために1つのトランシーバーしか必要とされないからである)。簡略化されたデザインは、通信デバイスが低コストで生産されることを可能にし、これにより、全ての種類の機器で利用可能性を増やすことができる。更に、デバイスは、より小さくできるが、その有用性を向上させる。
【００１０】
超音波通信は、最も小さな形状因子、及び、体内でのエネルギ消費の観点から最良の信号伝搬を提示する一方、身体結合通信は、身体接触型及び接触通信に関し、電力効率及びユーザー・フレンドリー性に優れている。(身体表面及び身体内部という)2つの異なる伝送媒体の境界(又はエッジ)では、(例えば、水中から空中へのように)通信チャネルの特性は劇的に変化する。従来、このことは、1つの及び同じタイプの信号の伝搬を、不可能又は非現実的にしている。しかしながら、本願実施例では、電気信号を、指定された媒体の中で最適に伝搬する信号に、例えば体内では超音波的な信号に、そして、身体上では静電的な信号に変換するトランスデューサーが利用される。
【００１１】
特に、本発明によれば、適用される超音波及び静電トランスデューサーは、容量性のタイプであり、従って、動作周波数及び信号タイプの観点から類似する特性を有する。トランスデューサーは、従って、同じトランシーバーにより操作されることが可能であり、これにより、トランシーバー・ユニットが共有されるという設計を許容できる。静電トランスデューサー(例えば、身体結合通信装置のタイプによるもの)及び超音波トランスデューサーの双方に関し、同じ通信プロトコルの適用が可能である。これは、本発明の通信デバイスに基づいて、身体に出入りする統一された通信ネットワークの構築を可能にする。従って、通信は更に速やかに且つ更に効率的に実行され、双方のタイプのトランスデューサーを、(少なくとも1つの)共有されるトランシーバーを有するデバイスに組み込むことに起因して、本技術の適用分野が増える。単独のトランシーバーのみを必要とすることは、すなわち半二重の形態において、例えば、(各々のタイプの信号及び関連するプロトコルについて1つずつという)2つの異なるトランシーバーを当てにする実現手段と比較して、重要なサイズ削減効果をもたらす。従って、双方の技術が、本発明の結果として、(例えば、ウェアラブル・ユーザー・デバイス又は医療機器のような)単独のデバイスに容易に統合される。
【００１２】
一実施形態によれば、トランシーバー・ユニットは、100kHzないし30MHz、好ましくは100kHzないし10MHz、更に好ましくは1MHzないし10MHzの周波数帯域幅のうちの無線周波数で通信するように構成される。身体についての最適な超音波伝送特性は、約100kHzないし約10MHzの周波数範囲内にある。低い超音波周波数での通信は、空間解像度の劣化、或いは、トランスデューサーのサイズの増加を招く。より高い周波数では、信号の減衰が増加し、低電力デバイスで到達可能な最大通信距離が減少してしまう。同様に、身体結合通信の場合、最適な伝搬周波数は100kHzより高く30MHzより低い。低い周波数の場合、スペクトルは、典型的には、ノイズ及び干渉に強く影響されてしまう一方、30MHzより高いと、身長が信号の波長に近付き、身体がアンテナとして機能し始めてしまう。従って、確認された実施形態の上記の周波数範囲内で、双方のトランスデューサーが最適に動作することが可能である。この周波数マッチングは、デュアル・モダリティ通信の最適化の観点から特に興味深い。本発明のデバイスのトランスデューサーは両方とも容量性のタイプのトランスデューサーであるという事実を合わせて考慮すると、電子装置及び適用される通信プロトコルは同一であるとすることが可能であり、ただし、トランスデューサーに適用されるインピーダンス・マッチング及びバイアシングを除く。所与の周波数範囲外では、減衰、空間解像度の低下又はノイズを補償するために、何らかの追加的な適合性が必要とされるかもしれないが、本発明は依然として或る程度拡張して機能する。従って、指定された範囲は本発明に本質的ではないが、上記の範囲は追加的な利点の観点から好ましい。
【００１３】
従って、別の実施形態によれば、静電トランスデューサー及び超音波トランスデューサーの各々は、ドライバ電子装置を有し、そのドライバ電子装置は、各々のトランスデューサーのインピーダンス・マッチング及びバイアシングのうち少なくとも何れかのために構成される。更に、ドライバ電子装置は、状況に依存して、各トランスデューサーの他の動作パラメータを最適化するように備わっていてもよい。効果的に、少なくともインピーダンス・マッチング及び適用されるバイアス電圧は、双方のトランスデューサーにとって相違し、従って、各トランスデューサーにより構成されるドライバ電子装置により実行されてよいことが、判明している。例えば、崩壊モード(又はコラプス・モード)(collapse  mode)で動作するために、容量性の超音波トランスデューサーは、100ボルトというDC電圧でバイアスされるかもしれない。
【００１４】
更に別の実施形態では、超音波トランスデューサーは、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサー(a  capacitive  micromachined  ultrasonic  transducer：CMUT)を有する。容量性マイクロマシン超音波トランスデューサーは、単独の通信デバイスに、容量性結合により、簡易に一緒に統合することが可能であり、なぜなら、双方のタイプのトランスデューサーが、容量及び所望の動作帯域幅の観点から類似する特性を有するからである。理解されるように、容量性カプラは、本発明の実施形態では身体結合通信(BCC)を可能にする静電トランスデューサーとして適用される。
【００１５】
CMUTは、通常、シリコン基板に形成されるキャビティにより構成される。シリコン基板は、トップ電極として機能するメンブレン(membrane)の最上部にあるメタライズ層又はメンブレン自体、及び、底部電極により支持される。この構成は全体として容量を形成する。電極間に交流(AC)信号を印加すると、メンブレンを振動させ、超音波を生じさせる。
【００１６】
生成される超音波の波長は、メンブレンのサイズ及び張力に依存する。CMUTが崩壊モードで動作する場合、要素は、(例えば、上述したような)十分に高いDC電圧でバイアスされ、それにより、メンブレンの中央部分が底部電極(又は基板)に接触し、メンブレンの中央周辺の円周リングのみが、超音波を生成する。その結果、得られる周波数は高く、要素の伝送特性は異なる。
【００１７】
従って、更なる実施形態によれば、超音波トランスデューサーのドライバ電子装置は、崩壊モードでトランスデューサーを動作させるために、超音波トランスデューサーに、直流バイアス電圧を印加するように構成される。原理的には、CMUTが崩壊モードで作動させられることは本質的ではないが、CMUTのより高い共振周波数及び生成されるより高い音響パワーは、他の通信デバイスとの通信リンクの適切な動作を得るために有利である。CMUTが(崩壊モードでない)通常モード(又はノーマル・モード)で動作する場合、これらの共振周波数は低く、信号パワーとなる。これは、当然に、電子的に補償されるが、そのような理由から、崩壊モードでの動作は多くの実施形態で有利であることが認められる。
【００１８】
本発明の更なる実施形態によれば、トランシーバー・ユニットは、送信機と協働するエンコーダ又は受信機と協働するデコーダのうち少なくとも何れかを有し、エンコーダ又はデコーダのうち少なくとも何れかは、DCフリー符合化法によりデータをエンコード又はデコードするように構成される。特に、更なる実施形態によれば、エンコーダ又はデコーダは、或る符合化法に従ってデータをエンコード又はデコードするように構成され、或る符合化法は、マンチェスター符合化法、及び、高密度バイポーラ符合化法(high  density  bipolar  coding)のようなバイポーラ符合化法を有する群のうちの要素である。マンチェスター符合化は、DCフリー・タイプの符合化方法である(すなわち、信号状態の極性(高/低)の非一定性は、DC成分の発生を防止する)。更に、マンチェスター符合化は、セルフ・クロッキング符合化方法であり、データ通信信号の受信機による同期が、その信号自体に基づいて実行されることを許容する。DCフリー符合化方法の利点は、それがアンテナの容量性に相応しい点である。特に、DC成分が生じない場合、送信機及び受信機の動作は、動作中、一定しており、更なるコンポーネントはドライバ電子装置に必要とされない。
【００１９】
通信デバイスのトランシーバーにおける受信機ユニットは、CMUT及び静電カプラの受信信号における低いピーク・ツー・ピーク電圧に対処するために低雑音増幅器を更に有する。CMUTの場合は特に、受信信号は、数十mVのピーク・ツー・ピーク(例えば、10-90mV)となり、低雑音増幅器が信号対雑音比(SNR)を改善する点で有利である。本実施形態で示されるように、低雑音増幅器の選択的な利用とともに、タイミング生成部、クロック復元部、データ補正部及びデコーディング部は、共有されるトランシーバー電子装置の中で共有及び統合されてよい。
【００２０】
本発明の更なる実施形態によれば、静電トランスデューサーは、身体結合通信プロトコルを利用してデータ通信を可能にする1つ以上の容量性カプラを有する。上述したように、身体結合通信のアプリケーションは、超音波トランスデューサーと同じ周波数帯域幅で動作することを可能にする。更に、BCCは、超音波トランスデューサーに類似する容量性を有する静電トランスデューサーを利用しながら応用されることが可能であり、この点は本発明の利点の1つである。
【００２１】
本発明の更なる実施形態によれば、通信デバイスは複数のトランシーバー・ユニットを有し、各々のトランシーバー・ユニットは、複数の通信チャネルを介した同時通信を可能にするように、超音波トランスデューサー及び静電トランスデューサーの各々に接続され、同時通信チャネルの数は、トランシーバー・ユニットの数以下である。単一のトランシーバー・ユニットが利用される実施形態では、通信の可能なモードは半二重(half  duplex)である。同じデータ信号が、超音波トランスデューサー及び静電トランスデューサーの一方又は双方により同時に送信されることが可能である。単独の送信機による異なる(すなわち、同一でない)データ信号の送信は、異なる時間スロットでの送信を許容するように、時間的に多重化することを要するであろう。受信側では、受信機は、送信機にロックし、一度に一つの信号しか受信できない。複数の異なるデータ信号を同時に受信することは、複数の受信機を必要とする。多重化せずに、何れかのトランシーバーにより複数のデータ信号を全二重通信できるようにするには、少なくとも2つのトランシーバーが、送信及び受信される信号を同時に生成及び処理すること等のために必要である。
【００２２】
本発明の他の実施形態によれば、トランシーバー・ユニットは、複数の受信機、複数の送信機、及び、マルチプレクサ・ユニットを有する群のうちの少なくとも何れかの要素を有する。
【００２３】
本発明の第2形態によれば、上記の特徴による通信デバイスを複数個有する装置が提供される。
【００２４】
本発明の第3形態によれば、複数の通信デバイスによるシステムが提供され、通信デバイスは、人間又は動物の身体を伝送媒体として利用するデータ通信により、通信デバイス間で相互通信を行うように構成され、通信デバイスは、ウェアラブル・デバイス、ポータブル・デバイス、及び、人間又は動物の身体への埋め込みに適した埋め込みデバイスを含むグループのうちの少なくとも何れかを含む又はそれにより構成される。
【００２５】
第4形態によれば、人間又は動物の身体を伝送媒体として利用して複数のデバイス間でデータ通信を実行する方法が提供され、複数のデバイスのうち少なく1つの第1デバイスは人間又は動物の身体の中に配置され、複数のデバイスのうち少なくとも1つの第2デバイスは人間又は動物の身体の上又は近辺に配置され、当該方法は、複数のデバイスの間でデータ通信を実行するために、身体に接触する通信デバイスを利用することを含み、当該方法は：通信デバイスのトランシーバー・ユニットの送信機を利用して、データ信号を生成するステップ；及び、通信デバイスの複数のトランスデューサーのうちの少なくとも何れかを利用して、データ信号を、第1デバイス又は第2デバイスのうちの少なくとも何れかに送信するステップ；を有し、複数のトランスデューサーは、静電トランスデューサー及び超音波トランスデューサーを有し、当該方法は：通信デバイスのコントローラにより、データ信号を送信するトランスデューサーのうち全部又は何れかを選択するステップであって、静電トランスデューサーは、データ信号が少なくとも1つの第2デバイスへ送信されるべき場合に選択され、超音波トランスデューサーは、データ信号が少なくとも1つの第1デバイスへ送信されるべき場合に選択される、ステップを有し；静電トランスデューサー及び超音波トランスデューサーは何れも、同じトランシーバー・ユニットにより作動させられる容量性のトランスデューサーである。通信デバイスは、個別的なデバイスであるとすることが可能であり、又は、複数のデバイスのうちの何れかによる一部分として、すなわち、統合された通信ユニットとして包含されることが可能である。理解されるように、トランスデューサーは、送信を許容するように身体に接触しており、例えば、超音波トランスデューサーが身体に接触している。
【００２６】
一実施形態によれば、通信デバイスのトランシーバー・ユニットは、静電トランスデューサー及び超音波トランスデューサーの各々が接続される少なくとも1つの受信機を更に有し、当該方法は：静電トランスデューサー又は超音波トランスデューサーのうち双方又は一方によりデータ信号を受信するステップ；及び、データ信号により搬送されるデータを取得するために、少なくとも1つの受信機を利用してデータ信号を処理するステップ；を更に有する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明は、添付図面に関連するいくつかの具体的な形態の記述により更に明確になるであろう。詳細な説明は本発明の可能な実現についての具体例を提供するが、発明の範囲に属する実施形態をそれらに限定するように解釈されてはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲に規定されており、本説明は発明を限定するものではなく例示として解釈されるべきである。
【図１】信号の送信に関するレイヤを示す本発明の通信デバイスの概略図。
【図２】信号の受信に関するレイヤを示す本発明の通信デバイスの概略図。
【図３】本発明の通信デバイスの概略図。
【図４】本発明のアプリケーションについての概略図。
【図５】本発明のアプリケーションについての概略図。
【図６Ａ】本発明の通信方法を利用して送信することを示す図。
【図６Ｂ】本発明の通信方法を利用して受信することを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図1及び図2は、本発明の通信デバイスを示し、特に、信号の送信に関する可能なレイヤ(図1)及び信号の受信に関する可能なレイヤ(図2)を示す。図1は、本発明のデュアル・モダリティ通信システム1の送信側の主要なコンポーネントを説明するブロック図を提供する。送信機22は、トランシーバー・ユニット3の入力(部)20を介して制御信号を受信し、そのような制御信号に応答して、送信するデータを生成する。送信機論理部22により生成されるデータは、先ず、データ・エンコーダ25によりエンコードされる。エンコーダ25は、例えば、マンチェスター符合化(Manchester  encoding)を利用して、トランスデューサー6及び10の容量性に対処する。しかしながら、他のタイプのDCフリー符合化(DC  free  encoding)がその代わりに使用されてもよい。エンコードされた送信信号は、2つのモダリティ固有ドライバ・ブロック5及び9に提供され、それらのブロックは、ドライバ電子装置並びに適切なバイアス及びインピーダンス整合ネットワークを組み込む。トランシーバー6は、超音波データ信号15を生成する容量性マイクロマシン超音波トランスデューサー(CMUT)である。超音波データ信号15は、図1及び図2では水分の環境100として概略的に示されている例えば人間又は動物の身体の中を通って、伝達されてよい。静電トランスデューサー10は、例えば、身体結合通信(BCC)データ信号のような静電データ信号18を生成するための容量性カプラである。静電データ信号18は、図1及び図2では媒体200として概略的に示されている、人間又は動物の身体の表面を横切って(又は表面に沿って)伝達されてよい。
【００２９】
CMUT6は、十分に大きな音響信号15を生成するために、大きな電圧励起を必要とするので、エンコードされる信号は、先ず、ドライバ電子装置で増幅されなければならない。更に、崩壊モードでCMUT6を動作させるために、大きなバイアス電圧がドライバ5により印加される必要がある。そして、CMUT6の正しい動作を行わせるために、そのバイアス及びドライバ・ブロック5の出力インピーダンスは注意深く設計されなければならない。容量性カプラ10を介するBCC通信のためのドライバ・ブロック9は、信号をブーストするだけでよい。インピーダンス・マッチングは、ドライバ5との相互運用性を保証するためのドライバ9の入力と、身体表面200に対する信号18のカップリングを促すためのカプラ10の側とに区分されることが可能である。BCCタイプの通信は、身体表面の近辺でのデータ通信を許容し、すなわち、その通信は身体から数センチメートル(例えば、10cm)程度でも動作する。
【００３０】
このデュアル・モダリティの実現は、身体の内側及び外側に位置する複数のデバイス(同士の間)に対するそれぞれの同期及び同時送信を可能にすることに留意すべきである。と同時に、(上述したように)使用される通信プロトコルは半二重なので、一度に一つのデバイスが、何れかのデュアル・モダリティ・モードで送信する他の何れかのデバイスから(それに限って)受信を行うことが可能である。
【００３１】
送信の側では、送信データがCMUTデバイス6に与えられる。このデータは、CMUTデバイス6により送信される前に、ドライバ電子装置5により増幅される。実験ステップにおいては、トランシーバー3の送信機22により生成される200mVのピーク・ツー・ピーク信号が、ドライバ5の「50dB  RF増幅器」により増幅される。更に、CMUTデバイス6を崩壊モードで動作させるために、約100Vのバイアス電圧が、ドライバ電子装置5により、CMUTデバイスに与えられる。上述したように、CMUTデバイス6は、適切な周波数帯域幅で十分な電力を生成するために、崩壊モードで動作してよい。CMUTデバイス6が崩壊モードで動作しない場合に、通信が為される可能性があるが、共振周波数は崩壊モードより低く、生成される低い音響パワーは、通信リンクの所望の動作を悪化させる可能性がある。バイアス電圧及びAC入力電圧をCMUTデバイス6に同時に提供するために、ドライバ電子装置5において、通常のバイアスT回路が実装されてもよい。
【００３２】
図2には、通信デバイス1の受信機のレイヤに関するブロック図が示されている。超音波及び身体結合信号のための受信チェーンは概ね同一であるが、ただし、トランスデューサー要素6,10、及びドライバ・ブロック5,9における関連するインピーダンス・マッチング及びバイアシング電子装置が、それぞれ異なる。例えば、バイアス電圧は、CMUTデバイス6の適切な動作を保証するために、送信の場合と同様に、CMUTデバイス6に印加されてよい。CMUTデバイス6によりピックアップされる超音波信号15は、例えば、CMUT6のドライバ電子装置5により、電気信号に変換される。CMUTデバイス6は、音声入力及び電流出力を有するトランスデューサーとして取り扱われる受信モードにあってよい。受信モードでは、ドライバ電子装置5,9は、トランスデューサーからの信号を実際には増幅していない。CMUT6からの信号は小さく、典型的には、数十mVのピーク・ツー・ピークの大きさであるので、デコードされる前に、先ず、低雑音増幅器(LNA)27が信号を増幅する。同様に、容量性カプラ10により受信され及びドライバ9により処理される如何なる信号も、LNA27により増幅されてよい。ドライバ5,9から到来する信号に依存して、LNA27は、電圧型、電流型又はトランスインピーダンス型増幅器として実現されることが可能である。デュアル・モダリティ通信のための信号調整チェーンも、図2に示されている。増幅された信号は、クロック復元ユニット29及びデータ補正回路30に提供される。データ復元ユニット29及びデータ補正回路30は、タイミング生成部28と協働してもよい。データ補正回路30の出力は、以後、デコーダ32に提供される。受信したデータは、以後、出力33に関連するコントローラ又は他の回路(図示せず)に転送されてよい。
【００３３】
上述したように、受信側では、CMUTデバイス6は、受信した音響信号15を、電気信号(典型的には、電流信号)に変換する。図2に示されるように、トランシーバー3は受信モードで動作してもよい。送信モードのCMUTデバイス6と同様に、適切な周波数レンジで感度を設定するために、崩壊モードでCMUT6を動作させるように、約100Vのバイアス電圧が、ドライバ電子装置5によりCMUTデバイス6に提供される必要がある。従って、トランシーバー3の受信要素27-32とCMUTデバイス6との間のドライバ電子装置5において、バイアスT回路が適用されてもよい。ドライバ電子装置9の受信機インピーダンス・マッチング回路は、比較的簡易なものであるとすることが可能であり、例えば、直接的な単独のキャパシタのみで構成されてもよい。
【００３４】
説明されるように、受信機の信号処理チェーンについてのこの実現手段は、一度に一つの信号モダリティの送信及び受信を許容する。より多くの信号の同時受信は、例えば、複数のトランシーバー3を利用することにより、受信機の増加を必要とする。しかしながら、形成されるボディ・エリア・ネットワークのエネルギ効率を改善するためには、時間多重された動作が好ましい。これは、高いデータ転送レートを許容する選択される通信原理により促進される。従って、短い時間バーストにおいて多くのノードがデータを交換することが可能である。
【００３５】
更に、本発明のアプリケーションにおけるドライバ5,9は、例えば各々のタイプの通信に合致する異なるモード間で(例えば、送信及び受信の間で)スイッチングを行うためのスイッチング能力も有してよい点に留意を要する。ドライバ電子装置5,9において或いはトランシーバー3において或いは本発明の実施形態の他の何らかの部分において、他の要素が存在してもよく、他の要素自体は本願で更には説明されない。
【００３６】
図3は本発明による通信デバイス1を概略的に示す。図3では、デバイス1は、超音波トランスデューサー6及び静電トランスデューサー10により共有されるトランシーバー3を有する。図1及び図2と同様に、各トランスデューサー6,10は、それぞれ関連するドライバ電子装置5,9を有する。CMUTユニット6は、ボトム電極45及びメンブレン/電極40を有する。電極40及び45の間に、半導体構造43が構成され、キャパシタを形成し且つキャビティ(又は空洞)41を含む。適切なバイアス電圧を含むAC電圧を印加することにより、超音波信号が生成される。
【００３７】
水平型の容量性カプラ10により形成される静電トランスデューサー10も図3に示されている。これは第1電極35及び第2電極37を有し、それらの間に誘電体材料39が配置され、キャパシタを形成する。理解されるように、静電トランスデューサー10は、代替的又は追加的に、垂直型の容量性カプラ(図示せず)を含んでもよい。垂直型の容量性カプラの場合、複数の電極(例えば、電極35及び37)は最上部で互いに平行に配置され、サンドイッチ構造を為すように電極間に適切な誘電体を(例えば、材料39)を有する。更に、様々な実施形態で適用されてよい多種多様な有用な電極構成が存在し得る。
【００３８】
図4及び図5では、デュアル・モダリティ通信のための2つの応用例が概略的に示されている。両者の状況は、通信媒体(50,52)に対する通信デバイス(60a/b，70a/b，72a/b，63，55及び56)の物理的な配置に関して相違している。図4に示される通信デバイス(60a/b，63，55及び56)は、身体の内部に配置される場合には、例えばデバイス63のような、或いは、イネーブルにされたBCCのみが存在する場合には、例えばスマート・ウォッチ55又はモバイル・フォン56などのような、単独のモダリティ通信デバイスであってよい。しかしながら、望まれる場合にはどこであれ、通信デバイスは、デバイス60a/bのようなデュアル・モダリティ通信デバイスであってよい。通信デバイス60a/bは、例えば、ハブ・タイプ・ノード60a/bであってもよく、そのノードは、静電トランスデューサー60bを介して体外ネットワークに、超音波トランスデューサー60aを介して体内ネットワークに、シームレスにリンクすることが可能である。超音波信号64及び静電信号58が図4,5に示されている。このアプリケーションは、移植可能な(transplantable)デバイスが、如何にして、ウェアラブルな又は携帯可能なデバイスに簡易に接続されることが可能であるかを明らかにする。これは、埋め込み可能なデバイスのネットワーキングを大幅に促進することが可能である。身体の中のノード63は、アンテナとして超音波トランスデューサーのみを有するアクティブ・トランシーバーを表現する。実際には、通信ノードは、スタンド・アローン、バッテリ給電デバイスであるとすることが可能であり、或いは、カテーテル及びその他の器具(挿入を許容するもの)に取り付けられることが可能である。
【００３９】
上記に対して追加的に、ハブ・デバイス60a/bを利用する代わりに、デュアル・モダリティ通信デバイスは、ウェアラブルな又は携帯可能なユーザー・デバイスの一部分であってもよい。超音波トランスデューサーと静電トランスデューサーとの間で共有されることが可能な単独のトランシーバーのみを必要とすることは、本技術を例えばモバイル・フォンに組み込む可能性を広げる。
【００４０】
図5では、デュアル通信モダリティがイネーブルにされたデバイス70a/b及び72a/bが身体に(及び体外に)配置される。デバイス70a/b及び72a/bは、互いに通信し、そのチャネルで最良の伝搬特性をもたらす通信モダリティを選択する。通信は、例えばトランスデューサー70b及び72bにより身体表面を横切って(又は表面に沿って)もよいし、或いは、トランスデューサー70a及び72aにより身体を突き抜けてもよい。図5には超音波信号73及び静電信号71が示されている。理解されるように、追加的な身体上の(on-body)又は身体内の(in-body)通信デバイスが図5に存在していてもよい。
【００４１】
図6A及び図6Bには、人間又は動物の身体を伝送媒体として利用して、複数のデバイス間でデータ通信を実行する方法が概略的に示されている。図6Aの方法は、ステップ110において、データ100に基づいてデータ信号を生成することで始まり、データ100は、本発明の通信デバイスにおけるコントローラ又は他の要素から受信されてもよい。ステップ110において、データ信号は、通信デバイス1のトランシーバー・ユニット3の送信機を利用して生成される。次に、ステップ120において、データ信号は、身体の中に配置された別のデバイス(例えば、埋め込まれたデバイス)、又は、身体に接する若しくは身体の近辺にあるデバイス(例えば、ウェアラブル又はハンドヘルド・デバイス)に搬送されるべきか否かが判定され、ステップ120において、適切なトランスデューサー(例えばCMUT6のような超音波トランスデューサ、又は、例えばBCCのような静電トランスデューサー)が選択される。データ信号が異なるタイプのデバイスに同時に提供されるべき場合には、双方が選択されてもよい。ステップ125及び126において、データ信号は、ステップ125ではCMUT6を介して、ステップ126ではBCCタイプの静電トランスデューサー(例えば、容量性カプラ)を介して送信される。
【００４２】
信号の受信の場合には、図6Bにおいて、データ信号が、ステップ140ではCMUT6により、ステップ145では静電トランスデューサー10により受信される。ステップ150において、トランシーバー3の受信機は、データ信号にロックしてそれを処理する。ステップ160では、搬送されたデータ170が、受信したデータ信号から取得される。
【００４３】
この用途のアプリケーション例は、腕の下に位置するノードである。この位置では、BCCは、腕の下の容量性フィールドの短絡に起因して、良好でない伝搬特性の被害を被ってしまう。これは、永続的に超音波リンクに切り替えることにより、或いは、BCCリンクのドロップ・アウトのみによって解決されることが可能である。
【００４４】
以上、本発明は特定の実施形態の観点から説明されてきた。本願で説明される及び図示される実施形態は、説明のみを目的としてなされており、本発明の限定であるようには如何なる方法又は手段によっても意図されていないことが、認められるであろう。本願で説明される本発明の意味は、添付の特許請求の範囲によって規定されるに過ぎない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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