JP5580245B2

JP5580245B2 - 電界通信システムおよび電界通信方法

Info

Publication number: JP5580245B2
Application number: JP2011087904A
Authority: JP
Inventors: 愛一郎佐々木; 隆子石原; 信太郎柴田; 満品川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2031-04-12
Also published as: JP2012222676A

Description

本発明は、人体などの電界伝達媒体に電界を誘起し、その誘起された電界を検出して通信を行う電界通信システムおよび電界通信方法に関し、詳しくは、コモンモードチョークコイルを利用した電界通信システムおよび電界通信方法に関する。

近年、電波を空中に伝搬させる無線通信などに代わるものとして、人体を介して電界を伝搬させる人体通信の研究が行われている（特許文献１参照）。

図７は、従来の電界通信システムの構成図である。設置された受信器３には、一般にＡＣ電源を介して電力が供給される。この場合、受信器３の回路グラウンドＧ１とＡＣ電源を挿入するコンセントのグラウンドＧ２の間に電気的結合４が生じる。設置された電極Ｐ３およびＰ４の付近には、一般に、建物を構成する導電性部材（建物グラウンドＧ３）が存在する。また一般に、建物グラウンドＧ３とコンセントグラウンドＧ２の間には雑音電圧（雑音源）２０が発生しており、経路Ｒ４に沿って雑音電流Ｉ２が流れる。一方、信号電流Ｉ１は経路Ｒ１に沿って流れ、信号電流Ｉ２は経路Ｒ２に沿って流れ、信号電流Ｉ３は経路Ｒ３に沿って流れる。図７では、トータルの信号電流Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３を「Ｉｔ」と記載している。受信器３は、負荷抵抗Ｒに印加された電圧を検出する。雑音電流Ｉ２が大きい場合には、受信信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）が低下し、通信品質が低下する。

このような雑音はコモンモード雑音として知られるものであり、コモンモード電流を低減するためのデバイスとしてコモンモードチョークコイル（ＣＭＣ）５が知られている（非特許文献１参照）。ＣＭＣ５を利用した電界通信システムの従来例を図８に示す。ＣＭＣ５を図８のように利用した場合、回路グラウンドＧ１からコンセントグラウンドＧ２に流れる電流が減少する。したがって、雑音電流Ｉ２（経路Ｒ４）が減少する。

特開２００７−１７４５７０号公報

F.-Y. Shih et al., IEEE Trans. Power Electron., vol. 11, no. 1, pp. 170-181, 1996.

しかし、ＣＭＣ５を利用した場合、雑音電流Ｉ４が減少すると同時に、信号電流Ｉ１も減少する。したがって、信号電流Ｉ２＋Ｉ３が十分に大きくないと、ＣＭＣ５を挿入すると信号と雑音の双方が減少し、ＳＮＲが向上しないという課題があった。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＣＭＣを利用した場合において、信号電流の減少を最小限に留め、雑音電流のみを劇的に減少させることのできる電界通信システムおよび電界通信方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明の実施の形態における電界通信システムは、コモンモードチョークコイルを利用した電界通信システムであって、通信経路のうち所定の経路のインピーダンスを本電界通信システムの設置状況に応じた態様で動的に調整するインピーダンス調整部と、ユーザが所定の電極に触れている場合に限って前記インピーダンス調整部によりインピーダンスが調整された経路を使ってデータ信号を送信する送信部と、前記送信部により送信されたデータ信号を受信する受信部とを備え、前記送信部は、前記ユーザが携帯する送信器であり、自身に搭載された電極Ｐ１と電極Ｐ２の間に電圧を印加することにより前記データ信号を送信し、前記受信部は、前記コモンモードチョークコイルを介して電極Ｐ３と電極Ｐ４に接続され、前記ユーザが前記電極Ｐ３に触れている間に限って前記電極Ｐ３と前記電極Ｐ４の間に生じた電位差を検出することにより前記データ信号を受信し、前記インピーダンス調整部は、前記電極Ｐ４と前記電極Ｐ２の間の静電容量、または前記電極Ｐ４とグラウンドの間の静電容量を大きくすることにより、前記所定の経路のインピーダンスを小さくする。

また、前記電極Ｐ４が建物を構成する建物グラウンドに接続されていてもよい。

また、前記電極Ｐ３の面積よりも前記電極Ｐ４の面積の方が大きくてもよい。

また、前記電極Ｐ４に接続された電極Ｐ５をさらに備えてもよい。

また、前記電極Ｐ４が前記電極Ｐ３の直下にならないように配置されていてもよい。

前記課題を解決するために、本発明の実施の形態における電界通信方法は、コモンモードチョークコイルを利用した電界通信システムにおける電界通信方法であって、通信経路のうち所定の経路のインピーダンスを本電界通信システムの設置状況に応じた態様で動的に調整するインピーダンス調整ステップと、ユーザが所定の電極に触れている場合に限って前記インピーダンス調整ステップでインピーダンスが調整された経路を使ってデータ信号を送信する送信ステップと、前記送信ステップで送信されたデータ信号を受信する受信ステップとを備え、前記送信ステップでは、前記ユーザが携帯する送信器に搭載された電極Ｐ１と電極Ｐ２の間に電圧を印加することにより前記データ信号を送信し、前記受信ステップでは、前記コモンモードチョークコイルを介して電極Ｐ３と電極Ｐ４に接続され、前記ユーザが前記電極Ｐ３に触れている間に限って前記電極Ｐ３と前記電極Ｐ４の間に生じた電位差を検出することにより前記データ信号を受信し、前記インピーダンス調整ステップでは、前記電極Ｐ４と前記電極Ｐ２の間の静電容量、または前記電極Ｐ４とグラウンドの間の静電容量を大きくすることにより、前記所定の経路のインピーダンスを小さくする。

本発明によれば、通信経路のうち所定の経路のインピーダンスを調整するようにしているので、ＣＭＣを利用した場合において、信号電流の減少を最小限に留め、雑音電流のみを劇的に減少させることのできる電界通信システムおよび電界通信方法を提供することが可能である。

第１の実施の形態における電界通信系の等価回路モデルを示す図である。第１の実施の形態における電界通信システムの構成図である。第１の実施の形態における電界通信システムの動作を示すフローチャートである。第２の実施の形態における電界通信システムの構成図である。第３の実施の形態における電界通信システムの構成図である。第４の実施の形態における電界通信システムの構成図である。従来の電界通信システムの構成図である。従来のＣＭＣを利用した電界通信システムの構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

[第１の実施の形態]
第１の実施の形態における電界通信システムは、人体などの電界伝達媒体に電界を誘起し、その誘起された電界を検出して通信を行うシステムである。ここでも、従来と同様、コモンモード電流を低減するためにコモンモードチョークコイル（ＣＭＣ）を利用する。

この電界通信系の等価回路モデルを図１に示す。図中のパラメータは下記の物理量を表す。

Ｃ_０：電極Ｐ３と電極Ｐ４の間の静電容量
Ｃ_１：建物グラウンドＧ３と電極Ｐ２の間の静電容量
Ｃ_２：電極Ｐ４と電極Ｐ２の間の静電容量
Ｃ_３：電極Ｐ１と人体の間の静電容量
Ｃ_４：電極Ｐ３と人体の間の静電容量
Ｃ_５：電極Ｐ４と建物グラウンドＧ３の間の静電容量
Ｃ_６：人体と建物グラウンドＧ３の間の静電容量
ω：角周波数
Ｌ：ＣＭＣのコモンモードインダクタンス
Ｒ：受信器の入力抵抗（負荷抵抗Ｒ）
Ｘ（ω）：送信信号電圧のフーリエ変換
Ｙ（ω）：受信信号電圧のフーリエ変換
Ｎ（ω）：雑音電圧のフーリエ変換
図１のモデルを使って受信信号Ｙ（ω）を計算すると、次のようになる。

（１）式の分母は複雑な式になるので、具体的な関数形を示さず関数Ｆとしてまとめた。（１）式を使って信号対雑音比（Signal-to-Noise Ratio；ＳＮＲ）を計算すると、（４）式のようになる。（４）式の右辺第１項は、ＣＭＣ５を利用しない場合のＳＮＲを表す。第２項は、ＣＭＣ５によるＳＮＲの増分を表す。

まず、ＣＭＣ５を用いないでＳＮＲを向上するための条件を考察する。そのためには、（３）式のＡを小さくすることが必要である。この場合、制御できる可能性があるパラメータはＣ_２だけであり、Ｃ_２を大きくすることが有効であることがわかる。ただし、（３）式の右辺第１項のために、Ｃ_２を大きくするだけでＡを小さくするのには限界がある。したがって、ＣＭＣ５を用いない場合には、一般にＳＮＲを十分に向上するのは困難である。

次に、ＣＭＣ５を用いてＳＮＲを向上するための条件を考察する。（４）式より、１<<ω^２ＬＣ_ｅｆｆならばＣＭＣ５の挿入によってＳＮＲが大きく改善することがわかる。ωは通信システム方式に依存するパラメータであり、一般に設計の自由度は無い。Ｌは、可能な限り値の大きい物を選択すべきである。また同様に、Ｃ_ｅｆｆを大きくすることが重要である。このＣ_ｅｆｆに影響を与えるパラメータで制御可能なのはＣ_２とＣ_５であり、少なくともいずれか一方を大きくする必要がある。逆に、Ｃ_２とＣ_５が共に小さい場合には、ＣＭＣ５を挿入してもＳＮＲが十分に改善しないことがわかる。また（２）〜（４）式から、図１のモデル化を行った場合には、ＳＮＲはＣ_０とＣ_４には依存しないことがわかる。

そこで、本発明では、通信経路のうち所定の経路のインピーダンスを調整するインピーダンス調整部１０を備えている。このインピーダンス調整部１０は、Ｃ_２やＣ_５などを大きくすることにより、経路Ｒ３や経路Ｒ２などのインピーダンスを小さくするようにしている。

具体的には、本電界通信システムを床などに設置する際に、その設置場所に応じて適切な実施形態で作り込まれる。言い換えると、インピーダンス調整部１０は、本電界通信システムの設置状況に応じた態様で動的にインピーダンスを調整するようになっている。この点については後に詳しく説明する。

図２は、第１の実施の形態における電界通信システムの構成図である。従来の構成図と同じ部分については同じ符号を用いている。図中の符号１０に示すように、電極Ｐ４が建物などを構成する大きな金属（建物グラウンドＧ３）に短絡されているため、経路Ｒ２のインピーダンスは小さく、したがって経路Ｒ２を流れる信号電流Ｉ２が大きい。よって経路Ｒ１を流れる信号電流Ｉ１がＣＭＣ５によって遮断された場合においても、負荷抵抗Ｒを流れる信号電流Ｉｔが十分に確保されるため、ＣＭＣ５を導入することによって受信信号のＳＮＲが向上する。

このように第１の実施の形態では電極Ｐ４と建物グラウンドＧ３を短絡することにより、これらの間のインピーダンスを小さくしている。このインピーダンスを小さくすることは、Ｃ_５を大きくすることと等価であり、結果としてＣ_ｅｆｆが増大するのでＳＮＲが向上する。

ところで、このような電界通信システムは、典型的には、人の出入りを管理する入退室管理システムに適用される。この場合、ユーザは、携帯端末を首から下げたり、ポケットに入れたりして携帯する。このように端末を携帯したユーザは、オフィスのドア付近の床に設置された電極（Ｐ３に相当）の上に立つだけで、電界通信によって認証を行うことができる。従来のＩＣカードシステムのように、携帯端末をリーダにかざす必要はない。

図３は、第１の実施の形態における電界通信システムの動作を示すフローチャートである。ここでは、本電界通信システムの設置状況に応じた態様で、経路Ｒ３や経路Ｒ２などのインピーダンスが既に調整されているものとする。

まず、設置端末は、定期的に設置電極に対してリンク信号を送っている（ステップＳ３１→Ｓ３２）。ここでいう設置端末とは、受信器３や電極Ｐ３、Ｐ４など、環境に設置されている端末である。一方、ユーザが携帯する携帯端末（送信器２に相当）は、待ち受け状態になっており、ユーザが設置端末上に立つと、電界通信によってリンク信号を受信する（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）。リンク信号を受信した携帯端末は、設置端末にＡＣＫを送信した後に、送るべきデータ信号を送信する（ステップＳ２２→Ｓ２３）。ＡＣＫを受信した設置端末は、一定期間だけリンク信号の送信を停止し、携帯端末からのデータ信号を受信する（ステップＳ３３→Ｓ３４）。具体的には、電極Ｐ３と電極Ｐ４の間に生じた電位差を検出することによりデータ信号を受信するようになっている。設置端末は、データ信号の受信が終わったら、再びリンク信号を定期的に送信する（ステップＳ３５→Ｓ３６）。

以上のように、第１の実施の形態における電界通信システムでは、電極Ｐ４がグラウンドに接続されているので、Ｃ_５が大きくなり、経路Ｒ２のインピーダンスが小さくなる。これにより、ＣＭＣを利用した場合において、信号電流の減少を最小限に留め、雑音電流のみを劇的に減少させることができる。すなわち、受信信号のＳＮＲを高めて、より安定した通信を確保することが可能である。

[第２の実施の形態]
第２の実施の形態では、Ｃ_２とＣ_５を大きくすることにより、経路Ｒ３と経路Ｒ２のインピーダンスを小さくするようにしている。インピーダンスの調整方法が異なる点以外は前記第１の実施の形態と同じである。以下、本実施の形態を前記第１の実施の形態と異なる点のみ説明する。

図４は、第２の実施の形態における電界通信システムの構成図である。この場合、電極Ｐ４の面積が図８の場合と比べて大きいので、電極Ｐ４と建物グラウンドＧ３の間の容量が図８の場合よりも大きくなる。また、電極Ｐ４の面積が電極Ｐ３の面積より大きいので、電極Ｐ４と電極Ｐ２の間の容量は、図８の場合に比べて大きくなる。これらの効果によって、経路Ｒ２およびＲ３のインピーダンスが小さくなるので、経路Ｒ２およびＲ３を流れる信号電流Ｉ２およびＩ３が大きくなる。よって経路Ｒ１を流れる信号電流Ｉ１がＣＭＣ５によって遮断された場合においても、負荷抵抗Ｒを流れる信号電流Ｉｔが十分に確保されるため、ＣＭＣ５を導入することによって受信信号のＳＮＲが向上する。

以上のように、第２の実施の形態における電界通信システムでは、電極Ｐ３の面積よりも電極Ｐ４の面積の方が大きいので、Ｃ_２とＣ_５が大きくなり、経路Ｒ３と経路Ｒ２のインピーダンスが小さくなる。これにより、ＣＭＣを利用した場合において、信号電流の減少を最小限に留め、雑音電流のみを劇的に減少させることができる。すなわち、受信信号のＳＮＲを高めて、より安定した通信を確保することが可能である。

[第３の実施の形態]
第３の実施の形態では、Ｃ_２とＣ_５を大きくすることにより、経路Ｒ３と経路Ｒ２のインピーダンスを小さくするようにしている。インピーダンスの調整方法が異なる点以外は前記第１の実施の形態と同じである。以下、本実施の形態を前記第１の実施の形態と異なる点のみ説明する。

図５は、第３の実施の形態における電界通信システムの構成図である。電極Ｐ４は、新たな電極Ｐ５に接続されているので、電極Ｐ４とＰ５は一体化しているとみなせる。それに伴い、図４と同様な効果を得ることができるので、受信信号のＳＮＲが向上する。第２の実施の形態に示したように、電極Ｐ４を十分に大きくすることができれば良いのだが、例えば電極Ｐ４の設置場所が狭い場合には、電極Ｐ４を十分に大きくできるとは限らない。しかし第３の実施の形態を利用すれば、設置場所から離れて十分にスペースの確保された場所に電極Ｐ５を配置することによって、第２の実施の形態を適用することができない環境においても、十分なＳＮＲを確保することができる。なお、電極Ｐ５を設置する場所に制限は無いが、建物グラウンドＧ３に近い方が望ましい。また電極Ｐ５の面積は大きい方が有利であるが、一般には１００ｃｍ^２〜２０００ｃｍ^２程度であれば、十分なＳＮＲが得られる場合が多い。また電極Ｐ５と建物グラウンドＧ３との距離が近いほど、少ない面積で大きな効果が得られる。

以上のように、第３の実施の形態における電界通信システムでは、電極Ｐ４に接続された電極Ｐ５をさらに備えているので、Ｃ_２とＣ_５が大きくなり、経路Ｒ３と経路Ｒ２のインピーダンスが小さくなる。これにより、ＣＭＣを利用した場合において、信号電流の減少を最小限に留め、雑音電流のみを劇的に減少させることができる。すなわち、受信信号のＳＮＲを高めて、より安定した通信を確保することが可能である。

[第４の実施の形態]
第４の実施の形態では、Ｃ_２を大きくすることにより、経路Ｒ３のインピーダンスを小さくするようにしている。インピーダンスの調整方法が異なる点以外は前記第１の実施の形態と同じである。以下、本実施の形態を前記第１の実施の形態と異なる点のみ説明する。

図６は、第４の実施の形態における電界通信システムの構成図である。例えば図８のような例では、電極Ｐ４が電極Ｐ３の直下に配置されているため、電極Ｐ４と電極Ｐ２の間の容量は一般に小さい。しかし図６のように、電極Ｐ４が電極Ｐ３の直下にならないように配置することにより、図８の場合に比べて、電極Ｐ４と電極Ｐ２の間の容量が増大する。故に経路Ｒ２のインピーダンスが図８に比べて小さくなるので、経路Ｒ２に沿って流れる信号電流Ｉ２が大きくなる。したがって負荷抵抗Ｒを流れる信号電流Ｉｔが増大し、受信信号のＳＮＲ向上に寄与する。このような効果は、電極Ｐ４が電極Ｐ３の直下でありさえなければ得られるので、図６における電極Ｐ４は、図８における電極Ｐ４と同一面上に配置されている必要は無い。

以上のように、第４の実施の形態における電界通信システムでは、電極Ｐ４が電極Ｐ３の直下にならないように配置されているので、Ｃ_２が大きくなり、経路Ｒ３のインピーダンスが小さくなる。これにより、ＣＭＣを利用した場合において、信号電流の減少を最小限に留め、雑音電流のみを劇的に減少させることができる。すなわち、受信信号のＳＮＲを高めて、より安定した通信を確保することが可能である。

なお、前記に述べた実施の形態においては電極Ｐ３およびＰ４は床に置かれているが、これらの設置場所は床に限らず、壁などでも良い。また人体が電極Ｐ３に触れるのは足に限らず、人体のどの部分でも構わない。

なお、前記に述べた実施の形態においては入退室管理システムを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ＣＭＣを利用した電界通信システムであれば、前記と同様に本発明を適用することが可能である。もちろん、電界伝達媒体も人体に限定されるものではない。すなわち、他の動物や誘電体を電界伝達媒体とすることも可能である。

２…送信部（送信器）
３…受信部（受信器）
５…コモンモードチョークコイル（ＣＭＣ）
１０…インピーダンス調整部
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…経路
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４…電極

Claims

コモンモードチョークコイルを利用した電界通信システムであって、
通信経路のうち所定の経路のインピーダンスを本電界通信システムの設置状況に応じた態様で動的に調整するインピーダンス調整部と、
ユーザが所定の電極に触れている場合に限って前記インピーダンス調整部によりインピーダンスが調整された経路を使ってデータ信号を送信する送信部と、
前記送信部により送信されたデータ信号を受信する受信部と、
を備え、
前記送信部は、前記ユーザが携帯する送信器であり、自身に搭載された電極Ｐ１と電極Ｐ２の間に電圧を印加することにより前記データ信号を送信し、
前記受信部は、前記コモンモードチョークコイルを介して電極Ｐ３と電極Ｐ４に接続され、前記ユーザが前記電極Ｐ３に触れている間に限って前記電極Ｐ３と前記電極Ｐ４の間に生じた電位差を検出することにより前記データ信号を受信し、
前記インピーダンス調整部は、前記電極Ｐ４と前記電極Ｐ２の間の静電容量、または前記電極Ｐ４とグラウンドの間の静電容量を大きくすることにより、前記所定の経路のインピーダンスを小さくする
ことを特徴とする電界通信システム。
前記電極Ｐ４が建物を構成する建物グラウンドに接続されている
ことを特徴とする請求項１記載の電界通信システム。
前記電極Ｐ３の面積よりも前記電極Ｐ４の面積の方が大きい
ことを特徴とする請求項１記載の電界通信システム。
前記電極Ｐ４に接続された電極Ｐ５をさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の電界通信システム。
前記電極Ｐ４が前記電極Ｐ３の直下にならないように配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の電界通信システム。
コモンモードチョークコイルを利用した電界通信システムにおける電界通信方法であって、
通信経路のうち所定の経路のインピーダンスを本電界通信システムの設置状況に応じた態様で動的に調整するインピーダンス調整ステップと、
ユーザが所定の電極に触れている場合に限って前記インピーダンス調整ステップでインピーダンスが調整された経路を使ってデータ信号を送信する送信ステップと、
前記送信ステップで送信されたデータ信号を受信する受信ステップと、
を備え、
前記送信ステップでは、前記ユーザが携帯する送信器に搭載された電極Ｐ１と電極Ｐ２の間に電圧を印加することにより前記データ信号を送信し、
前記受信ステップでは、前記コモンモードチョークコイルを介して電極Ｐ３と電極Ｐ４に接続され、前記ユーザが前記電極Ｐ３に触れている間に限って前記電極Ｐ３と前記電極Ｐ４の間に生じた電位差を検出することにより前記データ信号を受信し、
前記インピーダンス調整ステップでは、前記電極Ｐ４と前記電極Ｐ２の間の静電容量、または前記電極Ｐ４とグラウンドの間の静電容量を大きくすることにより、前記所定の経路のインピーダンスを小さくする
ことを特徴とする電界通信方法。