JP6474098B2 - 電界通信磁界通信共用アンテナ、通信システムおよび通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、電界通信磁界通信共用アンテナ、通信システムおよび通信方法に関する。

電界を利用した通信方式としては人体通信の研究が盛んである。電界通信においては、送信ノードの電極に対し、送信データに応じた電気信号が印加され、それにより電界が誘起される。受信ノードはその電界の変化を検知する。ここで送信ノードと受信ノードはそれぞれ電界を誘起、検知するための信号電極と浮遊状態にされているＧＮＤ電極を備える。電界通信のネットワークは準静電界であり、電磁波のような信号の伝搬は存在しない。そのためネットワークの伝送路モデルは近似的に端末と人体、静電容量が接続された回路と考えられる。このとき、送信ノードから印加した信号が受信ノード側に反映されるためには、送信ノードと受信ノードの両方を通過する閉路を構成していなくてはならない（図８）。

一方、コイル間の誘導性結合を信号チャネルとした磁界通信も近接界では利用されてきた（図９）。送信機のコイルが生成した磁束が受信機のコイルを通過することで、受信機側のコイルに誘導起電力が生じ、その電圧をアンプで増幅してセンスすることで通信を行う。この通信では、コイルのＱ値が通信品質に影響するため、Ｑ値の高いコイルを用いる必要がある。

T. G. Zimmerman, "Personal Area Networks: Near-field intrabody communication" ISSCC 2010 / SESSION 24 / DRAM & FLASH MEMORIES / 24.3

ここで、前述の電界通信と磁界通信の両方を用いたい場合、電界通信向けの電極ペア、ならびにコイルを送信側、受信側が持つ必要がある。しかし、端末の小型化を考えた場合、電極ペアとコイルの両方を有することは難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、端末の小型化に寄与できる電界通信磁界通信共用アンテナ、通信システムおよび通信方法を提供することを目的とする。

本発明の電界通信磁界通信共用アンテナは、平面上に渦巻きを形成する第１コイルと、前記第１コイルの成す平面と対向する平面上に渦巻きを形成する第２コイルを備え、前記第１コイルの一方端と前記第２コイルの一方端の間に電界通信用のドライバが接続され、前記第１コイルの一方端と前記第１コイルの他方端の間に磁界通信用のドライバが接続されることを特徴とする。

本発明の通信システムは、電界通信磁界通信共用アンテナを２つ備えることを特徴とする。

本発明の磁界通信の通信方法は、一方の電界通信磁界通信共用アンテナの磁界通信用のドライバが信号を送信し、当該電界通信磁界通信共用アンテナの電界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、他方の電界通信磁界通信共用アンテナの電界通信用のドライバと磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、当該磁界通信用のドライバが当該ドライバの両端の電位差を検出することを特徴とする。

本発明の電界通信の通信方法は、一方の電界通信磁界通信共用アンテナの電界通信用のドライバが信号を送信し、当該電界通信磁界通信共用アンテナの磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、他方の電界通信磁界通信共用アンテナの電界通信用のドライバと磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、当該電界通信用のドライバが当該ドライバの両端の電位差を検出することを特徴とする。

本発明によれば、電極ペアとコイルの両方がなくても磁界通信と電界通信を行え、よって、電界通信磁界通信共用アンテナを使用して通信する端末の小型化に寄与できる。

本実施の形態に係る電界通信磁界通信共用アンテナを示す回路図である。 通信時における２つの電界通信磁界通信共用アンテナの構造と配置の一例を示す図である。 ２つの電界通信磁界通信共用アンテナにより磁界通信を行う様子を示す図である。 ２つの電界通信磁界通信共用アンテナにより電界通信を行う様子を示す図である。 磁界通信時の透過係数Ｓ２１を本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナと比較例のアンテナとで比較した結果を示す図である。 電界通信時の透過係数Ｓ２１を本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナと比較例の電極とで比較した結果を示す図である。 電界通信の比較例である平板電極の構造と配置を示す図である。 従来の電界通信の様子を示す図である。 従来の磁界通信の様子を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る電界通信磁界通信共用アンテナを示す回路図である。

電界通信磁界通信共用アンテナは、互いに対向する渦巻き状の第１コイル１および第２コイル２を備え、第１コイル１の一方端１ａと第２コイル２の一方端２ａの間に電界通信用のドライバ３が接続され、第１コイル１の一方端１ａと第１コイル１の他方端１ｂの間に磁界通信用のドライバ４が接続される。

例えば、第１コイル１の一方端１ａと他方端１ｂの間には、キャパシタ５が形成される。例えば、第２コイル２の一方端２ａと他方端２ｂの間には、キャパシタ６が形成される例えば、第１コイル１の一方端１ａとドライバ４の間には、例えば、キャパシタ７が形成される。

図２は、通信時における２つの電界通信磁界通信共用アンテナの構造と配置の一例を示す図である。

例えば、第１コイル１、第２コイル２それぞれの直径は、２ｍｍである。同じ電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイル１と第２コイル２の間の距離は、例えば、１ｍｍである。

２つの電界通信磁界通信共用アンテナを用いる通信システムでは、一方の電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイル１と第２コイル２と他方の電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイル１と第２コイル２とが平行であることが好ましい。このような配置により平行でない場合よりも透過係数を高めることができる。

図３は、２つの電界通信磁界通信共用アンテナにより磁界通信を行う様子を示す図である。

左の送信側では、ドライバ３はハイインピーダンス（Ｈｉ−Ｚ）になる。右の受信側では、ドライバ３、４はハイインピーダンス（Ｈｉ−Ｚ）になる。

送信側では、ドライバ４が信号を発生し、信号により、第１コイル１が磁界を発生する。

受信側では、磁界が第１コイル１を貫通することにより、第１コイル１に誘導起電力が発生する。誘導起電力により、ドライバ４の両端に電位差Ｖが発生する。ドライバ４は、電位差Ｖを検出する。こうして、通信が行われる。

このように、電界通信用のドライバが信号を送信する場合は、磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、磁界通信用のドライバが信号を送信する場合は、電界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、電界通信用のドライバが信号を受信する場合は、電界通信用のドライバと磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、磁界通信用のドライバが信号を受信する場合は、電界通信用のドライバと磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになる。

仮にこのようなインピーダンス制御を行わない場合は、スイッチ等を用いて、必要時に抵抗を付加するような回路構成が必要であり、第１コイル１のＱ値が低下する可能性がある。

しかし、実際には、上記のようにインピーダンスを調整することでＱ値の低下を防止できる。また、各電界通信磁界通信共用アンテナの第２コイル２は、磁界通信を妨げることなく、逆に通信品質を高める効果がある。これについては後述する。

図４は、２つの電界通信磁界通信共用アンテナにより電界通信を行う様子を示す図である。

左の送信側では、ドライバ４はハイインピーダンス（Ｈｉ−Ｚ）になる。右の受信側では、ドライバ３、４はハイインピーダンス（Ｈｉ−Ｚ）になる。

送信側、受信側それぞれの第１コイル１、第２コイル２は、渦巻き状であるから、相互容量を有する。つまり、各コイルは電極として機能する。

送信側では、ドライバ３が信号を発生し、信号により、送信側、受信側それぞれの第１コイル１、第２コイル２に電荷が注入される。これにより、各コイルは静電容量結合する。

受信側では、第１コイル１と第２コイル２が静電容量結合することにより、ドライバ３の両端に電位差Ｖが発生する。ドライバ３は、電位差Ｖを検出する。こうして、通信が行われる。

このような電界通信において、信号の周波数は、第１コイル１、第２コイル２の共振周波数と異なるように設定されるので、磁界通信への影響を防止できる。

図５は、磁界通信時の透過係数Ｓ２１を本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナと比較例のアンテナとで比較した結果を示す図である。

本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナとしては、図２に示す構造のものを使用し、図２の配置とした。キャパシタ５、６、７の値は、例えば、第１コイル１、第２コイル２が３４０ＭＨｚで共振するように設定した。

比較例のアンテナとしては、本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナから第２コイル２、ドライバ３およびキャパシタ６を取り除いたものを使用し、第１コイル１同士を対向させて配置した。また、第１コイル１同士の距離は、図２の第１コイル１同士の距離に等しくした。

符号５１は、本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナの透過係数Ｓ２１を示し、符号５２は、比較例のアンテナの透過係数Ｓ２１を示す。

グラフの縦軸は透過係数Ｓ２１であり、横軸は、図２における一方の電界通信磁界通信共用アンテナの第２コイル２と他方の電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイル１の距離である。各透過係数Ｓ２１は共に、距離が長くなるにしたがって減少する。

図５に示すように、本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナの透過係数Ｓ２１は、比較例のアンテナの透過係数Ｓ２１より悪化することはなく、寧ろ向上している。したがって、比較例のアンテナと同様に磁界通信を行うことができる。

図６は、電界通信時の透過係数Ｓ２１を本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナと比較例の電極とで比較した結果を示す図である。

本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナとしては、図２に示す構造のものを使用し、図２の配置とした。

比較例の電極としては、図７に示す平板電極を使用した。送信側のＧＮＤ電極１Ａと信号電極２Ａと受信側のＧＮＤ電極１Ａと信号電極２Ａを平行に配置した。同一の平板電極のＧＮＤ電極１Ａと信号電極２Ａの距離は、同一の電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイル１と第２コイル２の距離に等しくした。

また、送信側のＧＮＤ電極１Ａと受信側の信号電極２Ａの距離は、図２における一方の電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイル１と他方の電界通信磁界通信共用アンテナの第２コイル２の距離に等しくした。

図６において、符号６１は、本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナの透過係数Ｓ２１を示し、符号６２は、比較例のアンテナの透過係数Ｓ２１を示す。

グラフの縦軸は透過係数Ｓ２１であり、横軸は信号の周波数である。各透過係数Ｓ２１は共に、周波数が高まるにしたがって増加する。

本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナの透過係数Ｓ２１は、比較例の電極の透過係数Ｓ２１より１ｄＢほど低いが、ほぼ同じと見なせる。したがって、比較例の電極と同様に電界通信を行うことができる。

以上のように、本実施の形態の電界通信磁界通信共用アンテナによれば、平面上に渦巻きを形成する第１コイルと、前記第１コイルの成す平面と対向する平面上に渦巻きを形成する第２コイルを備え、第１コイルの一方端と第２コイルの一方端の間に電界通信用のドライバが接続され、第１コイルの一方端と第１コイルの他方端の間に磁界通信用のドライバが接続される。これにより、電極ペアとコイルの両方がなくても磁界通信と電界通信を行え、電界通信磁界通信共用アンテナを使用して通信する端末の小型化に寄与できる。

また、電界通信用のドライバが信号を送信する場合は、磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、磁界通信用のドライバが信号を送信する場合は、電界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、電界通信用のドライバが信号を受信する場合は、電界通信用のドライバと磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、磁界通信用のドライバが信号を受信する場合は、電界通信用のドライバと磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになるので、スイッチ等を用いて、必要時に抵抗を付加するような回路構成が不要で、電界通信磁界通信共用アンテナで通信する端末の小型化に寄与できる。

１ 第１コイル
２ 第２コイル
３、４ ドライバ
５、６、７ キャパシタ

Claims (7)

1. 平面上に渦巻きを形成する第１コイルと、前記第１コイルの成す平面と対向する平面上に渦巻きを形成する第２コイルを備え、
   前記第１コイルの一方端と前記第２コイルの一方端の間に電界通信用のドライバが接続され、
   前記第１コイルの一方端と前記第１コイルの他方端の間に磁界通信用のドライバが接続される
   ことを特徴とする電界通信磁界通信共用アンテナ。
2. 前記電界通信用のドライバが信号を送信する場合は、前記磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、
   前記磁界通信用のドライバが信号を送信する場合は、前記電界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、
   前記電界通信用のドライバが信号を受信する場合は、前記電界通信用のドライバと前記磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、
   前記磁界通信用のドライバが信号を受信する場合は、前記電界通信用のドライバと前記磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになる
   ことを特徴とする請求項１記載の電界通信磁界通信共用アンテナ。
3. 請求項１または２記載の電界通信磁界通信共用アンテナを２つ備えることを特徴とする通信システム。
4. 請求項３記載の通信システムであって、
   一方の電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイルと第２コイルと他方の電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイルと第２コイルとが平行である
   ことを特徴とする通信システム。
5. 請求項１記載の電界通信磁界通信共用アンテナを２つ備える通信システムにおける通信方法であって、
   一方の電界通信磁界通信共用アンテナの磁界通信用のドライバが信号を送信し、当該電界通信磁界通信共用アンテナの電界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、
   他方の電界通信磁界通信共用アンテナの電界通信用のドライバと磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、当該磁界通信用のドライバが当該ドライバの両端の電位差を検出する
   ことを特徴とする通信方法。
6. 請求項１記載の電界通信磁界通信共用アンテナを２つ備える通信システムにおける通信方法であって、
   一方の電界通信磁界通信共用アンテナの電界通信用のドライバが信号を送信し、当該電界通信磁界通信共用アンテナの磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、
   他方の電界通信磁界通信共用アンテナの電界通信用のドライバと磁界通信用のドライバがハイインピーダンスになり、当該電界通信用のドライバが当該ドライバの両端の電位差を検出する
   ことを特徴とする通信方法。
7. 請求項５または６記載の通信方法であって、
   一方の電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイルと第２コイルと他方の電界通信磁界通信共用アンテナの第１コイルと第２コイルとが平行である
   ことを特徴とする通信方法。

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