送信器、通信システム、通信方法
【課題】静電界通信において、伝送媒体または電極の周囲の環境に依存することなく、高い伝達利得を安定して維持すること。
【解決手段】
本発明のある観点によれば、静電界を用いて伝送を行う送信器であって、伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、を備える送信器が提供される。
【解決手段】
本発明のある観点によれば、静電界を用いて伝送を行う送信器であって、伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、を備える送信器が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に送信器、通信システム、通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、送信器と受信器の間の電界を変化させることで信号を伝達する、静電界通信と呼ばれる技術が提案されている。静電界通信では、放射性の電波を利用して無線通信を行うのではなく、アンテナや伝送媒体間の静電結合を利用して無線通信を行う。
【０００３】
下記特許文献１〜３には、静電界通信の伝送媒体として人体を用いる技術が開示されている。こうした技術は人体通信と呼ばれ、携帯機器や人体に装着可能な機器と他の機器との間のデータ伝送などへの応用が期待されている。
【０００４】
下記特許文献４、５は、静電界通信の伝送媒体を人体に限らず、また電位差の基準としての経路を不要とすることで利用環境の制約を除去し安定した通信の実現を図っている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２２８５２４
【特許文献２】特開平１０−２２９３５７
【特許文献３】特表平１１−５０９３８０
【特許文献４】特開２００６−３２４７７４
【特許文献５】特開２００６−３２４７７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、通信システムにおいては、伝達利得を高めてより良い通信特性を実現することが求められる。静電界通信では、伝達利得は送受信器の電極及び伝送媒体が空間または大地に対して持つ静電容量に支配される。しかしながら、これら静電容量は電極の形状、電極と伝送媒体間の距離、その他電極の周囲の環境に依存して大きく変わることから、安定して高い伝達利得を維持することが困難であった。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、静電界通信において、高い伝達利得を安定して維持することの可能な、新規かつ改良された送信器、通信システム、通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、静電界を用いて伝送を行う送信器であって、伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、を備えることを特徴とする送信器が提供される。
【０００９】
かかる構成によれば、前記第１の電極と前記第２の電極の前記静電結合の静電容量は、前記伝送媒体の特性または周囲の環境に応じて変化し、そのように変化する静電容量を含む前記正帰還回路により前記搬送波が発振される。このとき、当該搬送波の発振周波数は、前記正帰還回路の特性に応じた共振周波数となる。従って、伝送媒体の特性または周囲の環境が変化する場合にも安定して、第１の電極から伝送媒体上に出力される搬送波を共振周波数で発振させることが可能となる。
【００１０】
前記送信器は、さらに情報に応じて変調される信号を生成する変調部を備え、前記搬送波によって前記信号を伝送してもよい。かかる構成によれば、安定して共振周波数で発振する搬送波により変調された前記信号を伝送することができる。
【００１１】
前記変調部は、前記搬送波の発振状態を変化させることにより前記信号を変調してもよい。かかる構成によれば、変化する前記搬送波の周波数に影響されずに高い伝達利得で情報を伝送することが可能となる。
【００１２】
さらに、前記変調部は、前記発振部の出力電圧に加えるオフセットを制御することで、前記搬送波の前記発振状態を変化させてもよい。かかる構成によれば、前記発振部の出力電圧をオフセットにより飽和させて前記搬送波の発振を停止させ、オフセットを無くすことで発振を再開させることができる。
【００１３】
その代わりに、前記変調部は、前記発振部の１つ以上の回路定数を制御することで、前記搬送波の前記発振状態を変化させてもよい。かかる構成によれば、回路の発振条件を充足しないように前記発振部の１つ以上の回路定数を変化させて発振を停止させ、再び発振条件を充足させることで発振を再開させることができる。
【００１４】
前記変調部は、前記発振部の電源をスイッチングさせることにより前記信号を変調してもよい。かかる構成によれば、変化する前記搬送波の周波数に影響されずに情報を伝送することが可能となる。
【００１５】
前記送信器は、前記搬送波によって電力を伝送してもよい。安定して共振周波数で発振する搬送波により電力を供給することができる。
【００１６】
前記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、送信器と受信器とが静電界を用いて伝送を行う通信システムであって、前記送信器は、伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、を備えることを特徴とする通信システムが提供される。
【００１７】
かかる構成によれば、静電界を用いて伝送を行う通信システムにおいて、伝送媒体の特性または周囲の環境が変化する場合にも安定して、送信器と受信器との間の伝送媒体上に出力される搬送波を共振周波数で発振させることが可能となる。
【００１８】
前記課題を解決するために、本発明のさらに別の観点によれば、静電界を用いて伝送を行う通信方法であって、第１の電極と第２の電極とを少なくとも伝送媒体の一部を介して静電結合させ、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて形成する正帰還回路により搬送波を発振させ、発振させた前記搬送波を前記第１の電極から出力して伝送を行う、通信方法が提供される。
【００１９】
かかる構成によれば、静電界を用いて伝送を行う通信方法において、伝送媒体の特性または周囲の環境が変化する場合にも安定して、伝送媒体上に出力される搬送波を共振周波数で発振させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、静電界通信において、高い伝達利得を安定して維持することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２２】
まず、図１は、本発明の一実施形態に係る通信システム１０の適用場面の一例を示す概念図である。図１を参照すると、通信システム１０は、送信器１００と受信器２００とを備える。送信器１００は、典型的には据え置き型の機器に相当し、例えばＰＣ（パーソナルコンピュータ）やワークステーションなどの汎用目的のコンピュータ、またはＩＣカードの読取装置などの特定目的の通信装置であってもよい。受信器２００は、典型的には携帯型の機器に相当し、例えば携帯電話、ＰＤＡ（携帯情報端末）、または通信機能を備えたゲーム機器若しくは音楽再生機などであってもよい。送信器１００は、給電回路１０２、送信電極１１０、及び送信電極１２０を備える。受信器２００は、負荷回路２０２、受信電極２１０、及び受信電極２２０を備える。
【００２３】
図１の通信システム１０において通信を行う場合には、図示しているように、送信電極１１０と受信電極２１０、送信電極１２０と受信電極２２０がそれぞれ相対するように人為的に配置される。これにより相対する電極間に静電結合が生じ、送信器１００の両電極間の位相差が静電結合を介して受信器２００の両電極間に伝わることにより、通信が成立する。
【００２４】
図２は、通信システム１０の適用場面の他の例を示す概念図である。図２に示した送信器１００及び受信器２００は、典型的にはいずれも前述したような携帯型の機器に相当する。
【００２５】
図２の通信システム１０において通信を行う場合には、図示しているように、送信器１００の一方の電極（例えば送信電極１１０）と受信器２００の一方の電極（例えば受信電極２１０）が相対するように人為的に配置される。これにより相対する一組の電極間に静電結合が生じる。また、送信器１００と受信器２００の他方の電極（例えば送信電極１２０と受信電極２２０）も共に空間に対して静電容量を持ち、これら電極間にも空間を介した静電結合が生じる。よって、通信システム１０は閉ループを形成し、通信が可能となる。
【００２６】
図３は、通信システム１０の適用場面のさらに別の例を示す概念図である。図３を参照すると、送信器１００と受信器２００の間に伝送媒体としての人体が存在する。ここでは伝送媒体として人体を示しているが、伝送媒体として例えば銅、鉄等の金属に代表される導電体、純水、ガラス等に代表される誘電体、またはこれらの複合体を用いてもよい。また、本発明の一実施形態として、図１または図２に示しているような送信器１００と受信器２００の間の空間を伝送媒体として用いてもよい。
【００２７】
送信器１００及び受信器１００は、それぞれ一方の電極（例えば送信電極１１０と受信電極２１０）が伝送媒体に相対するように人為的に配置される。これにより、伝送媒体に相対して配置された２つの電極と伝送媒体との間に静電結合が生じる。さらに、送信器１００及び受信器１００の他方の電極（例えば送信電極１２０と受信電極２２０）が伝送媒体から相対的に離れた位置に人為的に配置される。これら２つの電極は空間に対して静電容量を持ち、空間を介して静電結合を生じる。よって、通信システム１０は閉ループを形成し、通信が可能となる。
【００２８】
図４は、図１〜図３を用いて説明した通信システムについて、各電極の周囲に生じる静電結合の静電容量を構成要素として示した概略図である。
【００２９】
図４に示した通信システム１０は、前述の例と同様、送信器１００と受信器２００とを備える。送信器１００と受信器２００の間には、伝送媒体３００が存在する。伝送媒体３００は、図１または図２においては相対する一組の電極間の伝送路（送受信器間の空間の一部、及び／または送受信器の筐体（図１、図２には示していない）の一部を含む）、図３においては例えば図中の人体などに相当する。さらに、送受信器の周辺には空間、あるいは大地を意味する空間４００が存在する。
【００３０】
通信システム１０の送信器１００は、給電回路１０２、及び２つの電極１１０、１２０を備える。受信器２００は、負荷回路２０２、及び２つの電極２１０、２２０を備える。これら送信器１００と受信器２００の４つの電極のうち、伝送媒体３００の近くに配置される電極を信号電極１１０、２１０、伝送媒体３００から相対的に離れて配置される電極を基準電極１２０、２２０とする。
【００３１】
図４に容量素子の記号で示しているように、２つの信号電極１１０、２１０は共に伝送媒体３００と静電結合し、静電容量Ｃｓを持つ。また、２つの基準電極１２０、２２０は共に空間４００と静電結合し、静電容量Ｃｒを持つ。この結果、給電回路１０２、伝送媒体３００、負荷回路２０２、空間４００を経由する閉じた回路が形成され、送信器１００の両電極間の位相差が静電結合を介して受信器２００の両電極間に伝わることにより、後述するように給電回路から負荷回路へ信号、または電力を供給することができる。なお、伝送媒体３００も空間４００に対して静電容量Ｃｍを持つ。この経路は、給電回路１０２から負荷回路２０２への伝送の観点からは損失にあたる。一方、各信号電極が空間４００に対して持つ静電容量、及び各基準電極が伝送媒体に対して持つ静電容量は、回路全体に対する寄与が小さいことを想定し、図示を省略している。
【００３２】
通信システム１０の通信の特性を良好なものとするためには、伝達利得を高くすることが望ましい。通信システム１０の伝達利得は前述の静電容量Ｃｓ及びＣｒに支配されるが、これら静電容量は電極の形状、信号電極と伝送媒体間の距離、基準電極と空間の間の距離等に依存して変動し安定しない。また、低周波数帯域では、周波数の低下に比例して伝達利得も低下する。
【００３３】
そこで、図４に示しているように給電回路１０２及び負荷回路２０２に誘導素子Ｌを実装し、インピーダンス整合により送信器１００と受信器２００との間にＬＣ共振を発生させて、伝達利得を向上させることが有効である。
【００３４】
給電回路１０２及び負荷回路２０２に誘導素子を実装しない場合の回路の伝送特性を式（１）に表す。
【００３５】
【数１】
【００３６】
なお、式（１）では、伝送媒体３００は完全導体であり、給電回路１０２の信号源インピーダンスｒ１と負荷回路２０２の負荷インピーダンスｒ２は共にｒである（ｒ１＝ｒ２＝ｒ）と仮定している。ここでＣｐは、各信号電極が伝送媒体３００に対して持つ静電容量Ｃｓと各基準電極が空間４００に対して持つ静電容量Ｃｍの直列合成容量であって、式（２）で表される。
【００３７】
【数２】
【００３８】
図５は、式（１）の伝送特性をプロットしたものである。横軸は通信に用いる搬送波の周波数［ＭＨｚ］、縦軸は周波数に対する送受信器間の伝達利得［ｄＢ］である。ここでは、給電回路１０２の信号源インピーダンスｒ１、負荷回路２０２の負荷インピーダンスｒ２を、ｒ１＝ｒ２＝５０Ωとした。また、各信号電極と伝送媒体３００の間の静電容量Ｃｓ＝７ｐＦとした。この数値は、半径５ｃｍの導体円板２枚を１ｃｍの間隔を置いて平行に対向させたときの静電容量に等しい。また、各基準電極と空間４００の間の静電容量Ｃｒ＝３．５ｐＦとした。この数値は、半径５ｃｍの導体円板が空間（または充分に離れた大地）に対して持つ静電容量に等しい。さらに、伝送媒体３００と空間４００の間の静電容量をＣｍ＝１５０ｐＦとした。この数値は、人体が空間に対して持つ静電容量が１００ｐＦ程度であることを参考にした値である。図５を参照すると、例えば５０ＭＨｚの搬送波を用いて通信を行った場合の伝達利得は、約−６０ｄＢであることが分かる。
【００３９】
一方、伝送媒体３００を完全導体と仮定し、図４の給電回路１０２及び負荷回路２０２に誘導素子Ｌを実装する場合の回路の伝送特性を式（３）に表す。
【００４０】
【数３】
【００４１】
ここで、式（３）の伝送特性は、ＬＣ共振を起こしている場合を前提としている。式（３）におけるＬＣ共振の共振周波数は、式（４）で表される。
【００４２】
【数４】
【００４３】
図６は、式（３）の伝送特性をプロットしたものである。ここでは、実装するインダクタンスの大きさをＬ＝４０００μＨとした。図６を参照すると、５０ＭＨｚ付近で搬送波がＬＣ共振を生じ、伝達利得のピーク値が約−５ｄＢとなっている。このことから、通信システム１０の給電回路１０２及び負荷回路２０２に誘導素子Ｌを実装することで、誘導素子Ｌを実装しない場合よりも一定の周波数帯域（図６の場合は５０ＭＨｚ付近）の伝送効率を大きく改善できることが分かる。
【００４４】
しかしながら、図６において、伝送効率のよい周波数帯域（即ち高い伝達利得を示す周波数帯域）は５０ＭＨｚ付近の狭い帯域に限られている。これは、式（３）の伝送特性を決定付けるパラメータ（例えばＣｐ、Ｃｍなど）が僅かに変化するだけでも急激に伝送効率が低下することを意味している。そして、式（３）の伝送特性を決定付けるこれらパラメータは、前述の通り電極の配置等に依存して大きく変動し得る。よって、図１〜図３に例示した通信システム１０の様々な適用場面を想定すると、図４の回路構成において誘導素子のインダクタンスの値を適切に設定するだけでは、持続的に伝送効率の高い通信を行うことは困難であると理解される。
【００４５】
そこで、本発明の一実施形態として以下にさらに詳しく説明するように、通信システム１０の送信器１００において、信号電極１１０と基準電極１２０の間の少なくとも伝送媒体３００の一部を介する静電結合の静電容量を用いて発振回路を構成する。そのようにして送受信器間の搬送波をインピーダンス整合した共振周波数で発振させ、高い伝達利得を安定して維持することを可能とする。以下、送信器１００の詳細な構成に係る６つの実施例について図７〜１２を用いて説明する。
【００４６】
［第１の実施例］
図７は、第１の実施例における送信器１００の構成を示している。図７を参照すると、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図７の通り配置される増幅器１３２、抵抗器ｒ、及び誘導素子Ｌを備える。変調部１４０は、変調器１４２、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４、及び抵抗器Ｒを備える。
【００４７】
本実施例は、ＬＣ直列共振回路を応用したものである。本実施例では、図示しているように、増幅器１３２の出力端子から順に、抵抗器ｒ、誘導素子Ｌ、信号電極１１０を直列に接続する。また、基準電極１２０を増幅器１３２の入力端子に接続する。通常のＬＣ直列共振回路では、これら信号電極１１０と基準電極１２０の代わりに静電容量素子を配置するが、本実施例では、両電極を配置して寄生容量を大きくし、伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合させてこれを搬送波の発振に活用する。これにより、等価回路上では、信号電極１１０、基準電極１２０、増幅器１３２、抵抗器ｒ、及び誘導素子Ｌによって一巡する正帰還回路が構成されたことになる。
【００４８】
信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量をＣｘとすると、Ｃｘは図４におけるＣｓ、Ｃｍ、Ｃｒの直列合成容量に相当する。このＣｘを用いて、本実施例に係るＬＣ直列共振回路の一巡伝達関数Ｈ（ω）は式（５）で表される。なお、式中のｋは増幅器１３２の増幅率である。
【００４９】
【数５】
【００５０】
このとき、発振周波数ωは式（６）で表される。
【００５１】
【数６】
【００５２】
発振条件は式（７）で表される。
【００５３】
【数７】
【００５４】
ここで式（７）の発振条件を満たすようにｋ、ｒ、及びＲの値を設定すると、信号電極１１０から伝送媒体３００へ出力される搬送波は、式（６）の周波数で発振する。式（６）の周波数は式（４）の共振周波数に一致している。よって、本実施例に係る送信器１００において発振する搬送波は、信号電極１１０と基準電極１２０の間の静電容量によらず共振周波数で発振し得ることが分かる。なお、搬送波を発振させるためには、式（７）の左辺が１に等しくなるように各回路定数を設定すれば十分である。しかしながら、正帰還回路内に遅延がある場合には、式（５）の一巡伝達関数が変化するため、当該遅延による影響を考慮し、式（７）の左辺が１より大きくなるように各回路定数を設定するのが好適である。正帰還回路内の遅延の考慮については、後述する他の実施形態についても同様である。
【００５５】
一方、図７に示した増幅器１３２の入力端子は、基準電極１２０に加えて、変調部１４０のＦＥＴ１４４に接続される。変調器１４２は、伝送対象の信号に応じてＦＥＴ１４４をスイッチングさせることができる。このスイッチングの結果、増幅器１３２の入力電圧レベルが変化すると、増幅器１３２の出力電圧に伝送対象の信号に応じたオフセットが生じる。このオフセットを例えば発振部１３０の電源電圧（図示していない）と同等のレベルにまで大きくすると、出力電圧が飽和して一定となり、発振は停止する。そして、オフセットを無くすと出力電圧が元のレベルに戻って再度発振が生じる。こうした原理を用いて、発振部１３０、信号電極１１０及び基準電極１２０により構成する前述のＬＣ直列発振回路の発振と停止を制御し、その発振状態（発振／停止）に信号を変調して伝送することが可能となる。
【００５６】
なお、搬送波の発振状態を制御する方法は、ＦＥＴ１４４をスイッチングさせる方法に限定されない。例えば、ＦＥＴ１４４の代わりに発振部１３０の電源をスイッチングさせてもよい。また、式（７）の発振条件を満たさないように１つ以上の回路定数（ｒ、Ｌ、Ｒなど）を信号に応じて変化させて発振状態を制御してもよい。
【００５７】
留意すべき点として、本実施例（本明細書にて後述する他の実施例についても同様）に係る発振回路により発振する搬送波の周波数は、適用環境の特性の変動に応じて変化し、一定とならない。そのため、図４に示した受信器２００の負荷回路においては、広帯域にわたる周波数の搬送波を受信できるように、入力インピーダンスを高くし、負荷回路２０２にインダクタンスを実装しないことが望ましい。
【００５８】
また、搬送波の周波数を調整する余地を残しておくために、回路の一部に容量素子を配置して共振周波数の変化する範囲を狭め、または可変容量素子を配置して共振周波数を制御し安定化させてもよい。共振周波数の安定化については、後述する第３の実施例に関連してより詳しく説明する。
【００５９】
以上説明した第１の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【００６０】
なお、送受信器間で高い伝達利得を安定して維持することのできるという本発明の効果は、情報信号を伝送するための通信のみならず、送受信器間の電力の伝送にも適用し得る。一例として、図１に示したような適用場面においてＰＣから携帯機器へ電力を供給するような場合には、機器間を接続するケーブル等を要することなく、本発明を適用して伝達利得の高い状態で電力を供給することができる。
【００６１】
［第２の実施例］
次に、第２の実施例について説明する。図８は、第２の実施例における送信器１００の構成を示している。本実施例においても、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図８の通り配置される増幅器１３２、誘導素子Ｌ、及び抵抗器ｒ、Ｒ、Ｒ１、Ｒ２を備える。変調部１４０は、変調器１４２、及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【００６２】
本実施例は、第１の実施例と同様にＬＣ直列発振回路を応用し、増幅器としてオペアンプを使用している。本実施例では、図示しているように、増幅器１３２の出力端子から順に、抵抗器ｒ、誘導素子Ｌ、信号電極１１０を直列に接続する。また、基準電極１２０を増幅器１３２の非反転入力端子と抵抗器Ｒに接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合する。これにより、等価回路上では、信号電極１１０、基準電極１２０、増幅器１３２、抵抗器Ｒ、及び誘導素子Ｌによって一巡する正帰還回路が構成されたことになる。抵抗器Ｒは他方で基準電位点（以下、回路ＧＮＤとする）に接続され、増幅器１３２、即ちオペアンプの入力電位が確定される。増幅器１３２の反転入力端子は抵抗器Ｒ１、Ｒ２に接続される。また、他方で抵抗器Ｒ１は変調部１４０のＦＥＴ１４４に、抵抗器Ｒ２は増幅器１３２の出力端子に接続され、これによりオペアンプを利用した電圧の増幅が実現される。
【００６３】
本実施例に係る発振回路の一巡伝達関数は、第１の実施例と同様に式（５）で表される。ここで、式（５）の増幅比ｋは、本実施例の場合には式（８）で表される。
【００６４】
【数８】
【００６５】
よって、本実施例の場合、式（７）の発振条件を満たすようにｒ、Ｒ、Ｒ１、及びＲ２の値を設定することにより、送信器１００において発振する搬送波が、信号電極１１０と基準電極１２０の間の静電容量によらず共振周波数で発振し得ることが分かる。なお、本実施形態では、増幅器１３２を用いて非反転増幅回路を構成した場合について図示している。しかしながら、前述の正帰還回路内の遅延が位相に換算してπ以上となる場合には、増幅比ｋが０以下となるように、必要に応じて非反転増幅回路ではなく反転増幅回路を増幅器１３２を用いて構成してもよい。
【００６６】
本実施例に係る変調部１４０の役割は、前述の実施例１における役割と同様である。即ち、変調器１４２は、伝送対象の信号に応じてＦＥＴ１４４をスイッチングさせ、発振部１３０、信号電極１１０及び基準電極１２０により構成するＬＣ直列発振回路の発振と停止を制御し、その発振状態（発振／停止）に信号を変調して伝送することができる。その代わりに、ＦＥＴ１４４の代わりに発振部１３０の電源をスイッチングさせ、または式（７）の発振条件を満たさないように１つ以上の回路定数（ｒ、Ｒ、Ｒ１、及びＲ２など）を信号に応じて変化させて発振状態を制御してもよい。
【００６７】
以上説明した第２の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【００６８】
［第３の実施例］
次に、第３の実施例について説明する。図９は、第３の実施例における送信器１００の構成を示している。図９を参照すると、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図９の通り配置される増幅器１３２、抵抗器Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、誘導素子Ｌ、及び容量素子Ｃｖを備える。変調部１４０は、変調器１４２及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【００６９】
本実施例は、ＬＣ発振回路の一形態として知られるコルピッツ型発振回路を応用したものである。一般的に、コルピッツ型発振回路は、誘導素子及び容量素子を含む正帰還回路と、増幅回路から構成される。本実施例では、図示しているように、信号電極１１０を誘導素子Ｌと抵抗器Ｒに接続する。また、基準電極１２０を回路ＧＮＤと容量素子Ｃｖの間に接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合する。これにより、等価回路上では、信号電極１１０、基準電極１２０、容量素子Ｃｖ、及び誘導素子Ｌによって一巡する正帰還回路が構成されたことになる。
【００７０】
一方、増幅器１３２、抵抗器Ｒ、Ｒ１、及びＲ２は、増幅回路を構成するために用いられる。本実施例では、増幅器１３２の反転入力端子を抵抗器Ｒ１とＲ２の間に、非反転入力端子を変調部１４０のＦＥＴ１４４に、出力端子を抵抗器ＲとＲ２の間に接続する。このように構成した増幅回路により、変調部１４０からの入力電圧は増幅された上で前述の正帰還回路に伝達される。そして、正帰還回路により帰還する電圧との時間差によって、搬送波を発振させることができる。
【００７１】
信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量Ｃｘを用いると、本実施例に係る発振回路の一巡伝達関数Ｈ（ω）は式（９）で表される。
【００７２】
【数９】
【００７３】
このとき、発振回路の発振周波数ωは式（１０）で表される。なお、記号／／は並列合成容量を表す。
【００７４】
【数１０】
【００７５】
式（９）の発振条件は式（１１）で表される。
【００７６】
【数１１】
【００７７】
よって、この発振条件を満たすように図９に示した回路を構成することで、本実施例に係る送信器１００において、搬送波を共振周波数で発振させることができる。
【００７８】
一方、前述したように、図９に示した増幅器１３２の非反転入力端子は、変調部１４０のＦＥＴ１４４に接続される。これにより、第１の実施例に関連して説明した原理を用いて、伝送対象の信号に応じて変調器１４２によりＦＥＴ１４４をスイッチングさせ、発振回路の発振と停止を制御し、その発振状態に信号を変調して伝送することが可能となる。搬送波の発振状態を制御する方法は、前述のＦＥＴ１４４をスイッチングさせる方法に限定されず、ＦＥＴ１４４の代わりに発振部１３０の電源（図示していない）をスイッチングさせてもよい。また、式（１１）の発振条件を満たさないように１つ以上の回路定数（Ｒ１、Ｒ２など）を信号に応じて変化させて発振状態を制御してもよい。
【００７９】
以上説明した第３の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【００８０】
ここで、図９に示した静電容量Ｃｖを用いて搬送波の周波数を調整してもよい。この場合の発振周波数は、静電容量Ｃｖと電極間の静電容量との合成容量で決定される。さらにこの静電容量Ｃｖを可変とし、前述の合成容量を一定になるように制御することで、搬送波の周波数の安定化を図ってもよい。例えば、所定の周波数で発振するローカル発振器、ローカル発振器の出力周波数と信号電極１１０の出力周波数の位相差を検出する位相比較器、及び前記位相差に基づいて可変静電容量Ｃｖの両端の電圧を変化させるループフィルタをさらに備えることで、帰還ループを構成して発振周波数を安定化させることができる。
【００８１】
［第４の実施例］
次に、第４の実施例について説明する。図１０は、第４の実施例における送信器１００の構成を示している。本実施例においても、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図１０の通り配置されるトランジスタ１３４、電源１３６、誘導素子Ｌ、及び容量素子Ｃ、Ｃｖを備える。変調部１４０は、変調器１４２及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【００８２】
本実施例は、第３の実施例と同様にコルピッツ型発振回路を応用しているが、増幅回路としてトランジスタ１３４を使用している点で第３の実施例と異なっている。本実施例では、図示しているように、信号電極１１０をトランジスタ１３４のエミッタと容量素子Ｃｖの間に接続する。また、基準電極１２０を回路ＧＮＤ、及び誘導素子Ｌと回路ＧＮＤの間に接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合する。これにより、等価回路上では、信号電極１１０、基準電極１２０、誘導素子Ｌ、及び容量素子Ｃｖによって一巡する正帰還回路が構成されたことになる。
【００８３】
また、トランジスタ１３４のベースは誘導素子Ｌと容量素子Ｃｖの間に、エミッタは容量素子Ｃｖと信号電極１１０の間に、コレクタは電源１３６に接続される。これにより、変調部１４０からの入力電圧は増幅された上で前述の正帰還回路に伝達される。そして、正帰還回路により帰還する電圧との時間差によって、搬送波を発振させることができる。
【００８４】
図１０の容量素子Ｃｖは、信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量Ｃｘよりも小さい静電容量を持つものとする。第３の実施例と同様、本実施例の構成する発振回路の伝達関数は式（９）、発振周波数は式（１０）で表される。よって、式（１１）の発振条件を満たすように図１０に示した回路を構成することで、本実施例に係る送信器１００において、搬送波を共振周波数で発振させることができる。
【００８５】
本実施例においては、第３の実施例と異なり、変調部１４０のＦＥＴ１４４は発振部１３０の電源１３６に接続される。そして、伝送対象の信号に応じて変調器１４２によりＦＥＴ１４４の出力を制御することで、電源１３６からの発振部への電力の供給をスイッチングさせることができる。それにより、本実施例の構成する発振回路の発振と停止を制御し、発振状態に信号を変調して伝送することが可能となる。
【００８６】
以上説明した第４の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【００８７】
［第５の実施例］
次に、第５の実施例について説明する。図１１は、第５の実施例における送信器１００の構成を示している。図１１を参照すると、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図１１の通り配置される増幅器１３２、抵抗器Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、及び誘導素子Ｌ１、Ｌ２を備える。変調部１４０は、変調器１４２及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【００８８】
本実施例は、ＬＣ発振回路の一形態として知られるハートリー型発振回路を応用したものである。一般的に、ハートリー型発振回路は、前述のコルピッツ型発振回路の容量素子と並列に接続された誘導素子の中間から電圧の一部を正帰還させる構成をとる。本実施例では、誘導素子Ｌ１及びＬ２のそれぞれ一方の端を回路ＧＮＤに接続し、ここを電圧の一部を帰還させる中間点とする。信号電極１１０は、誘導素子Ｌ２と抵抗器Ｒの間に接続する。また、基準電極１２０は、誘導素子Ｌ１と抵抗器Ｒ１の間の配線、及び回路ＧＮＤに接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合し、誘導素子Ｌ１及びＬ２と並列に接続される容量素子の役割を果たす。
【００８９】
一方、増幅器１３２、抵抗器Ｒ、Ｒ１、及びＲ２は、第３の実施例と同様に増幅回路を構成するために用いられる。本実施例においても、増幅器１３２の反転入力端子を抵抗器Ｒ１とＲ２の間に、非反転入力端子を変調部１４０のＦＥＴ１４４に、出力端子を抵抗器ＲとＲ２の間に接続する。このように構成した増幅回路により変調部１４０からの入力電圧は増幅され、さらに正帰還される電圧の入出力の時間差によって搬送波を発振させることができる。
【００９０】
信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量Ｃｘを用いて、本実施例に係る発振回路の一巡伝達関数Ｈ（ω）は式（１２）で表される。
【００９１】
【数１２】
【００９２】
このとき、発振周波数ωは式（１３）で表される。
【００９３】
【数１３】
【００９４】
式（１２）の発振条件は式（１４）で表される。
【００９５】
【数１４】
【００９６】
ここで、誘導素子Ｌ１、Ｌ２を回路ＧＮＤを中間点とする１つの誘導素子（インダクタンスはＬ１＋Ｌ２となる）と見なすと、式（１３）で表される発振周波数ωは式（４）の共振周波数と同等となる。よって、式（１４）の発振条件を満たすように図１１に示した回路を構成することで、本実施例に係る送信器１００において、搬送波を共振周波数で発振させることができる。
【００９７】
本実施例においても、第３の実施例と同様に、発振部１３０の増幅器１３２の非反転入力端子は変調部１４０のＦＥＴ１４４と接続される。これにより、第１の実施例に関連して説明した原理を用いて、伝送対象の信号に応じて変調器１４２によりＦＥＴ１４４をスイッチングさせ、発振回路の発振と停止を制御し、その発振状態に信号を変調して伝送することが可能となる。搬送波の発振状態を制御する方法は、前述のＦＥＴ１４４をスイッチングさせる方法に限定されず、ＦＥＴ１４４の代わりに発振回路の電源をスイッチングさせてもよい。また、式（１４）の発振条件を満たさないように１つ以上の回路定数（Ｒ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２など）を信号に応じて変化させて発振状態を制御してもよい。
【００９８】
また、搬送波の周波数を調整するために、Ｌ１−Ｒ１間の配線とＬ２−Ｒ間の配線をつなぐ静電容量Ｃｖ（図示していない）を追加的に備えてもよい。この場合、発振周波数は静電容量Ｃｖと信号電極１１０−基準電極１２０間の静電結合容量Ｃｘの並列合成容量により決定される。但し、共振周波数で発振させる通信を維持するためには、追加する静電容量ＣｖをＣｘよりも小さい値とすることが望ましい。また、共振周波数を安定化させるために、第３の実施例に関連する前述の説明と同様、静電容量Ｃｖを可変とし、ローカル発振器、位相比較器、及びループフィルタをさらに備えて静電容量Ｃｖを制御してもよい。
【００９９】
以上説明した第５の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【０１００】
［第６の実施例］
次に、第６の実施例について説明する。図１２は、第６の実施例における送信器１００の構成を示している。前述の実施例と同様、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図１２の通り配置されるトランジスタ１３４、電源１３６、誘導素子Ｌ１、Ｌ２、及び容量素子Ｃｖを備える。変調部１４０は、変調器１４２及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【０１０１】
本実施例は、第５の実施例と同様にハートリー型発振回路を応用しているが、増幅回路としてトランジスタ１３４を使用している点で、第５の実施例と異なっている。本実施例では、誘導素子Ｌ１及びＬ２の中間点をトランジスタ１３４のエミッタに接続して電圧の一部を帰還させる。信号電極１１０は、トランジスタ１３４のベースと容量素子Ｃｖに接続する。また、基準電極１２０は、回路ＧＮＤ、及び容量素子Ｃｖと誘導素子Ｌ２に接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合し、誘導素子Ｌ１及びＬ２と並列に接続される容量素子の役割を果たす。
【０１０２】
図１２の容量素子Ｃｖは、信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量Ｃｘよりも小さい静電容量を持つものとする。本実施例の構成する発振回路の発振周波数は、第５の実施例と同様、式（１３）で決定される。よって、式（１４）の発振条件を満たすように図１２に示した回路を構成することで、本実施例に係る送信器１００において、搬送波を共振周波数で発振させることができる。
【０１０３】
本実施例においては、第５の実施例と異なり、変調部１４０のＦＥＴ１４４は発振部１３０の電源１３６に接続される。そして、伝送対象の信号に応じて変調器１４２によりＦＥＴ１４４の出力を制御することで、電源１３６からの発振部への電力の供給をスイッチングさせることができる。それにより、本実施例の構成する発振回路の発振と停止を制御し、発振状態に信号を変調して伝送することが可能となる。
【０１０４】
以上説明した第６の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【０１０５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかである。そして、そうした変更例についても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１０６】
例えば、一般に、発振回路において配線部分が持つ浮遊静電容量を電極などを接続することにより積極的に大きくし、これを発振に積極的に活用して通信を行う送信器、通信システム及び通信方法は、本発明の技術的範囲に属すると理解されるべきである。
【０１０７】
また、例えば搬送波の変調方法として、信号に応じて（ｉ）発振部の増幅器の入力電圧レベルを変化させる、（ｉｉ）発振部の電源をスイッチングさせる、（ｉｉｉ）１つ以上の回路定数を変化させる、という３つの方法について説明したが、その代わりに発振回路の配線の一部をスイッチングさせてもよい。
【０１０８】
さらに、前述したように、本発明を静電界通信による情報信号の伝送に適用する代わりに、送信器から受信器への電力の供給に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の一実施形態に係る通信システムの適用例を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る通信システムの別の適用例を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る通信システムのさらに別の適用例を示す概略図である。
【図４】一実施形態に係る通信システムの構成を示すブロック図である。
【図５】送受信器にインダクタンスを導入しない場合の通信特性をプロットした特性図である。
【図６】送受信器にインダクタンスを導入してＬＣ共振を生じ得る場合の通信特性をプロットした特性図である。
【図７】第１の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図８】第２の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図９】第３の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図１０】第４の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図１１】第５の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図１２】第６の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０ 通信システム
１００ 送信器
１１０ 信号電極
１２０ 基準電極
１３０ 発振部
１４０ 変調部
２００ 受信器
３００ 伝送媒体
４００ 空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に送信器、通信システム、通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、送信器と受信器の間の電界を変化させることで信号を伝達する、静電界通信と呼ばれる技術が提案されている。静電界通信では、放射性の電波を利用して無線通信を行うのではなく、アンテナや伝送媒体間の静電結合を利用して無線通信を行う。
【０００３】
下記特許文献１〜３には、静電界通信の伝送媒体として人体を用いる技術が開示されている。こうした技術は人体通信と呼ばれ、携帯機器や人体に装着可能な機器と他の機器との間のデータ伝送などへの応用が期待されている。
【０００４】
下記特許文献４、５は、静電界通信の伝送媒体を人体に限らず、また電位差の基準としての経路を不要とすることで利用環境の制約を除去し安定した通信の実現を図っている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２２８５２４
【特許文献２】特開平１０−２２９３５７
【特許文献３】特表平１１−５０９３８０
【特許文献４】特開２００６−３２４７７４
【特許文献５】特開２００６−３２４７７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、通信システムにおいては、伝達利得を高めてより良い通信特性を実現することが求められる。静電界通信では、伝達利得は送受信器の電極及び伝送媒体が空間または大地に対して持つ静電容量に支配される。しかしながら、これら静電容量は電極の形状、電極と伝送媒体間の距離、その他電極の周囲の環境に依存して大きく変わることから、安定して高い伝達利得を維持することが困難であった。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、静電界通信において、高い伝達利得を安定して維持することの可能な、新規かつ改良された送信器、通信システム、通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、静電界を用いて伝送を行う送信器であって、伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、を備えることを特徴とする送信器が提供される。
【０００９】
かかる構成によれば、前記第１の電極と前記第２の電極の前記静電結合の静電容量は、前記伝送媒体の特性または周囲の環境に応じて変化し、そのように変化する静電容量を含む前記正帰還回路により前記搬送波が発振される。このとき、当該搬送波の発振周波数は、前記正帰還回路の特性に応じた共振周波数となる。従って、伝送媒体の特性または周囲の環境が変化する場合にも安定して、第１の電極から伝送媒体上に出力される搬送波を共振周波数で発振させることが可能となる。
【００１０】
前記送信器は、さらに情報に応じて変調される信号を生成する変調部を備え、前記搬送波によって前記信号を伝送してもよい。かかる構成によれば、安定して共振周波数で発振する搬送波により変調された前記信号を伝送することができる。
【００１１】
前記変調部は、前記搬送波の発振状態を変化させることにより前記信号を変調してもよい。かかる構成によれば、変化する前記搬送波の周波数に影響されずに高い伝達利得で情報を伝送することが可能となる。
【００１２】
さらに、前記変調部は、前記発振部の出力電圧に加えるオフセットを制御することで、前記搬送波の前記発振状態を変化させてもよい。かかる構成によれば、前記発振部の出力電圧をオフセットにより飽和させて前記搬送波の発振を停止させ、オフセットを無くすことで発振を再開させることができる。
【００１３】
その代わりに、前記変調部は、前記発振部の１つ以上の回路定数を制御することで、前記搬送波の前記発振状態を変化させてもよい。かかる構成によれば、回路の発振条件を充足しないように前記発振部の１つ以上の回路定数を変化させて発振を停止させ、再び発振条件を充足させることで発振を再開させることができる。
【００１４】
前記変調部は、前記発振部の電源をスイッチングさせることにより前記信号を変調してもよい。かかる構成によれば、変化する前記搬送波の周波数に影響されずに情報を伝送することが可能となる。
【００１５】
前記送信器は、前記搬送波によって電力を伝送してもよい。安定して共振周波数で発振する搬送波により電力を供給することができる。
【００１６】
前記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、送信器と受信器とが静電界を用いて伝送を行う通信システムであって、前記送信器は、伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、を備えることを特徴とする通信システムが提供される。
【００１７】
かかる構成によれば、静電界を用いて伝送を行う通信システムにおいて、伝送媒体の特性または周囲の環境が変化する場合にも安定して、送信器と受信器との間の伝送媒体上に出力される搬送波を共振周波数で発振させることが可能となる。
【００１８】
前記課題を解決するために、本発明のさらに別の観点によれば、静電界を用いて伝送を行う通信方法であって、第１の電極と第２の電極とを少なくとも伝送媒体の一部を介して静電結合させ、前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて形成する正帰還回路により搬送波を発振させ、発振させた前記搬送波を前記第１の電極から出力して伝送を行う、通信方法が提供される。
【００１９】
かかる構成によれば、静電界を用いて伝送を行う通信方法において、伝送媒体の特性または周囲の環境が変化する場合にも安定して、伝送媒体上に出力される搬送波を共振周波数で発振させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、静電界通信において、高い伝達利得を安定して維持することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２２】
まず、図１は、本発明の一実施形態に係る通信システム１０の適用場面の一例を示す概念図である。図１を参照すると、通信システム１０は、送信器１００と受信器２００とを備える。送信器１００は、典型的には据え置き型の機器に相当し、例えばＰＣ（パーソナルコンピュータ）やワークステーションなどの汎用目的のコンピュータ、またはＩＣカードの読取装置などの特定目的の通信装置であってもよい。受信器２００は、典型的には携帯型の機器に相当し、例えば携帯電話、ＰＤＡ（携帯情報端末）、または通信機能を備えたゲーム機器若しくは音楽再生機などであってもよい。送信器１００は、給電回路１０２、送信電極１１０、及び送信電極１２０を備える。受信器２００は、負荷回路２０２、受信電極２１０、及び受信電極２２０を備える。
【００２３】
図１の通信システム１０において通信を行う場合には、図示しているように、送信電極１１０と受信電極２１０、送信電極１２０と受信電極２２０がそれぞれ相対するように人為的に配置される。これにより相対する電極間に静電結合が生じ、送信器１００の両電極間の位相差が静電結合を介して受信器２００の両電極間に伝わることにより、通信が成立する。
【００２４】
図２は、通信システム１０の適用場面の他の例を示す概念図である。図２に示した送信器１００及び受信器２００は、典型的にはいずれも前述したような携帯型の機器に相当する。
【００２５】
図２の通信システム１０において通信を行う場合には、図示しているように、送信器１００の一方の電極（例えば送信電極１１０）と受信器２００の一方の電極（例えば受信電極２１０）が相対するように人為的に配置される。これにより相対する一組の電極間に静電結合が生じる。また、送信器１００と受信器２００の他方の電極（例えば送信電極１２０と受信電極２２０）も共に空間に対して静電容量を持ち、これら電極間にも空間を介した静電結合が生じる。よって、通信システム１０は閉ループを形成し、通信が可能となる。
【００２６】
図３は、通信システム１０の適用場面のさらに別の例を示す概念図である。図３を参照すると、送信器１００と受信器２００の間に伝送媒体としての人体が存在する。ここでは伝送媒体として人体を示しているが、伝送媒体として例えば銅、鉄等の金属に代表される導電体、純水、ガラス等に代表される誘電体、またはこれらの複合体を用いてもよい。また、本発明の一実施形態として、図１または図２に示しているような送信器１００と受信器２００の間の空間を伝送媒体として用いてもよい。
【００２７】
送信器１００及び受信器１００は、それぞれ一方の電極（例えば送信電極１１０と受信電極２１０）が伝送媒体に相対するように人為的に配置される。これにより、伝送媒体に相対して配置された２つの電極と伝送媒体との間に静電結合が生じる。さらに、送信器１００及び受信器１００の他方の電極（例えば送信電極１２０と受信電極２２０）が伝送媒体から相対的に離れた位置に人為的に配置される。これら２つの電極は空間に対して静電容量を持ち、空間を介して静電結合を生じる。よって、通信システム１０は閉ループを形成し、通信が可能となる。
【００２８】
図４は、図１〜図３を用いて説明した通信システムについて、各電極の周囲に生じる静電結合の静電容量を構成要素として示した概略図である。
【００２９】
図４に示した通信システム１０は、前述の例と同様、送信器１００と受信器２００とを備える。送信器１００と受信器２００の間には、伝送媒体３００が存在する。伝送媒体３００は、図１または図２においては相対する一組の電極間の伝送路（送受信器間の空間の一部、及び／または送受信器の筐体（図１、図２には示していない）の一部を含む）、図３においては例えば図中の人体などに相当する。さらに、送受信器の周辺には空間、あるいは大地を意味する空間４００が存在する。
【００３０】
通信システム１０の送信器１００は、給電回路１０２、及び２つの電極１１０、１２０を備える。受信器２００は、負荷回路２０２、及び２つの電極２１０、２２０を備える。これら送信器１００と受信器２００の４つの電極のうち、伝送媒体３００の近くに配置される電極を信号電極１１０、２１０、伝送媒体３００から相対的に離れて配置される電極を基準電極１２０、２２０とする。
【００３１】
図４に容量素子の記号で示しているように、２つの信号電極１１０、２１０は共に伝送媒体３００と静電結合し、静電容量Ｃｓを持つ。また、２つの基準電極１２０、２２０は共に空間４００と静電結合し、静電容量Ｃｒを持つ。この結果、給電回路１０２、伝送媒体３００、負荷回路２０２、空間４００を経由する閉じた回路が形成され、送信器１００の両電極間の位相差が静電結合を介して受信器２００の両電極間に伝わることにより、後述するように給電回路から負荷回路へ信号、または電力を供給することができる。なお、伝送媒体３００も空間４００に対して静電容量Ｃｍを持つ。この経路は、給電回路１０２から負荷回路２０２への伝送の観点からは損失にあたる。一方、各信号電極が空間４００に対して持つ静電容量、及び各基準電極が伝送媒体に対して持つ静電容量は、回路全体に対する寄与が小さいことを想定し、図示を省略している。
【００３２】
通信システム１０の通信の特性を良好なものとするためには、伝達利得を高くすることが望ましい。通信システム１０の伝達利得は前述の静電容量Ｃｓ及びＣｒに支配されるが、これら静電容量は電極の形状、信号電極と伝送媒体間の距離、基準電極と空間の間の距離等に依存して変動し安定しない。また、低周波数帯域では、周波数の低下に比例して伝達利得も低下する。
【００３３】
そこで、図４に示しているように給電回路１０２及び負荷回路２０２に誘導素子Ｌを実装し、インピーダンス整合により送信器１００と受信器２００との間にＬＣ共振を発生させて、伝達利得を向上させることが有効である。
【００３４】
給電回路１０２及び負荷回路２０２に誘導素子を実装しない場合の回路の伝送特性を式（１）に表す。
【００３５】
【数１】
【００３６】
なお、式（１）では、伝送媒体３００は完全導体であり、給電回路１０２の信号源インピーダンスｒ１と負荷回路２０２の負荷インピーダンスｒ２は共にｒである（ｒ１＝ｒ２＝ｒ）と仮定している。ここでＣｐは、各信号電極が伝送媒体３００に対して持つ静電容量Ｃｓと各基準電極が空間４００に対して持つ静電容量Ｃｍの直列合成容量であって、式（２）で表される。
【００３７】
【数２】
【００３８】
図５は、式（１）の伝送特性をプロットしたものである。横軸は通信に用いる搬送波の周波数［ＭＨｚ］、縦軸は周波数に対する送受信器間の伝達利得［ｄＢ］である。ここでは、給電回路１０２の信号源インピーダンスｒ１、負荷回路２０２の負荷インピーダンスｒ２を、ｒ１＝ｒ２＝５０Ωとした。また、各信号電極と伝送媒体３００の間の静電容量Ｃｓ＝７ｐＦとした。この数値は、半径５ｃｍの導体円板２枚を１ｃｍの間隔を置いて平行に対向させたときの静電容量に等しい。また、各基準電極と空間４００の間の静電容量Ｃｒ＝３．５ｐＦとした。この数値は、半径５ｃｍの導体円板が空間（または充分に離れた大地）に対して持つ静電容量に等しい。さらに、伝送媒体３００と空間４００の間の静電容量をＣｍ＝１５０ｐＦとした。この数値は、人体が空間に対して持つ静電容量が１００ｐＦ程度であることを参考にした値である。図５を参照すると、例えば５０ＭＨｚの搬送波を用いて通信を行った場合の伝達利得は、約−６０ｄＢであることが分かる。
【００３９】
一方、伝送媒体３００を完全導体と仮定し、図４の給電回路１０２及び負荷回路２０２に誘導素子Ｌを実装する場合の回路の伝送特性を式（３）に表す。
【００４０】
【数３】
【００４１】
ここで、式（３）の伝送特性は、ＬＣ共振を起こしている場合を前提としている。式（３）におけるＬＣ共振の共振周波数は、式（４）で表される。
【００４２】
【数４】
【００４３】
図６は、式（３）の伝送特性をプロットしたものである。ここでは、実装するインダクタンスの大きさをＬ＝４０００μＨとした。図６を参照すると、５０ＭＨｚ付近で搬送波がＬＣ共振を生じ、伝達利得のピーク値が約−５ｄＢとなっている。このことから、通信システム１０の給電回路１０２及び負荷回路２０２に誘導素子Ｌを実装することで、誘導素子Ｌを実装しない場合よりも一定の周波数帯域（図６の場合は５０ＭＨｚ付近）の伝送効率を大きく改善できることが分かる。
【００４４】
しかしながら、図６において、伝送効率のよい周波数帯域（即ち高い伝達利得を示す周波数帯域）は５０ＭＨｚ付近の狭い帯域に限られている。これは、式（３）の伝送特性を決定付けるパラメータ（例えばＣｐ、Ｃｍなど）が僅かに変化するだけでも急激に伝送効率が低下することを意味している。そして、式（３）の伝送特性を決定付けるこれらパラメータは、前述の通り電極の配置等に依存して大きく変動し得る。よって、図１〜図３に例示した通信システム１０の様々な適用場面を想定すると、図４の回路構成において誘導素子のインダクタンスの値を適切に設定するだけでは、持続的に伝送効率の高い通信を行うことは困難であると理解される。
【００４５】
そこで、本発明の一実施形態として以下にさらに詳しく説明するように、通信システム１０の送信器１００において、信号電極１１０と基準電極１２０の間の少なくとも伝送媒体３００の一部を介する静電結合の静電容量を用いて発振回路を構成する。そのようにして送受信器間の搬送波をインピーダンス整合した共振周波数で発振させ、高い伝達利得を安定して維持することを可能とする。以下、送信器１００の詳細な構成に係る６つの実施例について図７〜１２を用いて説明する。
【００４６】
［第１の実施例］
図７は、第１の実施例における送信器１００の構成を示している。図７を参照すると、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図７の通り配置される増幅器１３２、抵抗器ｒ、及び誘導素子Ｌを備える。変調部１４０は、変調器１４２、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４、及び抵抗器Ｒを備える。
【００４７】
本実施例は、ＬＣ直列共振回路を応用したものである。本実施例では、図示しているように、増幅器１３２の出力端子から順に、抵抗器ｒ、誘導素子Ｌ、信号電極１１０を直列に接続する。また、基準電極１２０を増幅器１３２の入力端子に接続する。通常のＬＣ直列共振回路では、これら信号電極１１０と基準電極１２０の代わりに静電容量素子を配置するが、本実施例では、両電極を配置して寄生容量を大きくし、伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合させてこれを搬送波の発振に活用する。これにより、等価回路上では、信号電極１１０、基準電極１２０、増幅器１３２、抵抗器ｒ、及び誘導素子Ｌによって一巡する正帰還回路が構成されたことになる。
【００４８】
信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量をＣｘとすると、Ｃｘは図４におけるＣｓ、Ｃｍ、Ｃｒの直列合成容量に相当する。このＣｘを用いて、本実施例に係るＬＣ直列共振回路の一巡伝達関数Ｈ（ω）は式（５）で表される。なお、式中のｋは増幅器１３２の増幅率である。
【００４９】
【数５】
【００５０】
このとき、発振周波数ωは式（６）で表される。
【００５１】
【数６】
【００５２】
発振条件は式（７）で表される。
【００５３】
【数７】
【００５４】
ここで式（７）の発振条件を満たすようにｋ、ｒ、及びＲの値を設定すると、信号電極１１０から伝送媒体３００へ出力される搬送波は、式（６）の周波数で発振する。式（６）の周波数は式（４）の共振周波数に一致している。よって、本実施例に係る送信器１００において発振する搬送波は、信号電極１１０と基準電極１２０の間の静電容量によらず共振周波数で発振し得ることが分かる。なお、搬送波を発振させるためには、式（７）の左辺が１に等しくなるように各回路定数を設定すれば十分である。しかしながら、正帰還回路内に遅延がある場合には、式（５）の一巡伝達関数が変化するため、当該遅延による影響を考慮し、式（７）の左辺が１より大きくなるように各回路定数を設定するのが好適である。正帰還回路内の遅延の考慮については、後述する他の実施形態についても同様である。
【００５５】
一方、図７に示した増幅器１３２の入力端子は、基準電極１２０に加えて、変調部１４０のＦＥＴ１４４に接続される。変調器１４２は、伝送対象の信号に応じてＦＥＴ１４４をスイッチングさせることができる。このスイッチングの結果、増幅器１３２の入力電圧レベルが変化すると、増幅器１３２の出力電圧に伝送対象の信号に応じたオフセットが生じる。このオフセットを例えば発振部１３０の電源電圧（図示していない）と同等のレベルにまで大きくすると、出力電圧が飽和して一定となり、発振は停止する。そして、オフセットを無くすと出力電圧が元のレベルに戻って再度発振が生じる。こうした原理を用いて、発振部１３０、信号電極１１０及び基準電極１２０により構成する前述のＬＣ直列発振回路の発振と停止を制御し、その発振状態（発振／停止）に信号を変調して伝送することが可能となる。
【００５６】
なお、搬送波の発振状態を制御する方法は、ＦＥＴ１４４をスイッチングさせる方法に限定されない。例えば、ＦＥＴ１４４の代わりに発振部１３０の電源をスイッチングさせてもよい。また、式（７）の発振条件を満たさないように１つ以上の回路定数（ｒ、Ｌ、Ｒなど）を信号に応じて変化させて発振状態を制御してもよい。
【００５７】
留意すべき点として、本実施例（本明細書にて後述する他の実施例についても同様）に係る発振回路により発振する搬送波の周波数は、適用環境の特性の変動に応じて変化し、一定とならない。そのため、図４に示した受信器２００の負荷回路においては、広帯域にわたる周波数の搬送波を受信できるように、入力インピーダンスを高くし、負荷回路２０２にインダクタンスを実装しないことが望ましい。
【００５８】
また、搬送波の周波数を調整する余地を残しておくために、回路の一部に容量素子を配置して共振周波数の変化する範囲を狭め、または可変容量素子を配置して共振周波数を制御し安定化させてもよい。共振周波数の安定化については、後述する第３の実施例に関連してより詳しく説明する。
【００５９】
以上説明した第１の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【００６０】
なお、送受信器間で高い伝達利得を安定して維持することのできるという本発明の効果は、情報信号を伝送するための通信のみならず、送受信器間の電力の伝送にも適用し得る。一例として、図１に示したような適用場面においてＰＣから携帯機器へ電力を供給するような場合には、機器間を接続するケーブル等を要することなく、本発明を適用して伝達利得の高い状態で電力を供給することができる。
【００６１】
［第２の実施例］
次に、第２の実施例について説明する。図８は、第２の実施例における送信器１００の構成を示している。本実施例においても、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図８の通り配置される増幅器１３２、誘導素子Ｌ、及び抵抗器ｒ、Ｒ、Ｒ１、Ｒ２を備える。変調部１４０は、変調器１４２、及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【００６２】
本実施例は、第１の実施例と同様にＬＣ直列発振回路を応用し、増幅器としてオペアンプを使用している。本実施例では、図示しているように、増幅器１３２の出力端子から順に、抵抗器ｒ、誘導素子Ｌ、信号電極１１０を直列に接続する。また、基準電極１２０を増幅器１３２の非反転入力端子と抵抗器Ｒに接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合する。これにより、等価回路上では、信号電極１１０、基準電極１２０、増幅器１３２、抵抗器Ｒ、及び誘導素子Ｌによって一巡する正帰還回路が構成されたことになる。抵抗器Ｒは他方で基準電位点（以下、回路ＧＮＤとする）に接続され、増幅器１３２、即ちオペアンプの入力電位が確定される。増幅器１３２の反転入力端子は抵抗器Ｒ１、Ｒ２に接続される。また、他方で抵抗器Ｒ１は変調部１４０のＦＥＴ１４４に、抵抗器Ｒ２は増幅器１３２の出力端子に接続され、これによりオペアンプを利用した電圧の増幅が実現される。
【００６３】
本実施例に係る発振回路の一巡伝達関数は、第１の実施例と同様に式（５）で表される。ここで、式（５）の増幅比ｋは、本実施例の場合には式（８）で表される。
【００６４】
【数８】
【００６５】
よって、本実施例の場合、式（７）の発振条件を満たすようにｒ、Ｒ、Ｒ１、及びＲ２の値を設定することにより、送信器１００において発振する搬送波が、信号電極１１０と基準電極１２０の間の静電容量によらず共振周波数で発振し得ることが分かる。なお、本実施形態では、増幅器１３２を用いて非反転増幅回路を構成した場合について図示している。しかしながら、前述の正帰還回路内の遅延が位相に換算してπ以上となる場合には、増幅比ｋが０以下となるように、必要に応じて非反転増幅回路ではなく反転増幅回路を増幅器１３２を用いて構成してもよい。
【００６６】
本実施例に係る変調部１４０の役割は、前述の実施例１における役割と同様である。即ち、変調器１４２は、伝送対象の信号に応じてＦＥＴ１４４をスイッチングさせ、発振部１３０、信号電極１１０及び基準電極１２０により構成するＬＣ直列発振回路の発振と停止を制御し、その発振状態（発振／停止）に信号を変調して伝送することができる。その代わりに、ＦＥＴ１４４の代わりに発振部１３０の電源をスイッチングさせ、または式（７）の発振条件を満たさないように１つ以上の回路定数（ｒ、Ｒ、Ｒ１、及びＲ２など）を信号に応じて変化させて発振状態を制御してもよい。
【００６７】
以上説明した第２の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【００６８】
［第３の実施例］
次に、第３の実施例について説明する。図９は、第３の実施例における送信器１００の構成を示している。図９を参照すると、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図９の通り配置される増幅器１３２、抵抗器Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、誘導素子Ｌ、及び容量素子Ｃｖを備える。変調部１４０は、変調器１４２及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【００６９】
本実施例は、ＬＣ発振回路の一形態として知られるコルピッツ型発振回路を応用したものである。一般的に、コルピッツ型発振回路は、誘導素子及び容量素子を含む正帰還回路と、増幅回路から構成される。本実施例では、図示しているように、信号電極１１０を誘導素子Ｌと抵抗器Ｒに接続する。また、基準電極１２０を回路ＧＮＤと容量素子Ｃｖの間に接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合する。これにより、等価回路上では、信号電極１１０、基準電極１２０、容量素子Ｃｖ、及び誘導素子Ｌによって一巡する正帰還回路が構成されたことになる。
【００７０】
一方、増幅器１３２、抵抗器Ｒ、Ｒ１、及びＲ２は、増幅回路を構成するために用いられる。本実施例では、増幅器１３２の反転入力端子を抵抗器Ｒ１とＲ２の間に、非反転入力端子を変調部１４０のＦＥＴ１４４に、出力端子を抵抗器ＲとＲ２の間に接続する。このように構成した増幅回路により、変調部１４０からの入力電圧は増幅された上で前述の正帰還回路に伝達される。そして、正帰還回路により帰還する電圧との時間差によって、搬送波を発振させることができる。
【００７１】
信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量Ｃｘを用いると、本実施例に係る発振回路の一巡伝達関数Ｈ（ω）は式（９）で表される。
【００７２】
【数９】
【００７３】
このとき、発振回路の発振周波数ωは式（１０）で表される。なお、記号／／は並列合成容量を表す。
【００７４】
【数１０】
【００７５】
式（９）の発振条件は式（１１）で表される。
【００７６】
【数１１】
【００７７】
よって、この発振条件を満たすように図９に示した回路を構成することで、本実施例に係る送信器１００において、搬送波を共振周波数で発振させることができる。
【００７８】
一方、前述したように、図９に示した増幅器１３２の非反転入力端子は、変調部１４０のＦＥＴ１４４に接続される。これにより、第１の実施例に関連して説明した原理を用いて、伝送対象の信号に応じて変調器１４２によりＦＥＴ１４４をスイッチングさせ、発振回路の発振と停止を制御し、その発振状態に信号を変調して伝送することが可能となる。搬送波の発振状態を制御する方法は、前述のＦＥＴ１４４をスイッチングさせる方法に限定されず、ＦＥＴ１４４の代わりに発振部１３０の電源（図示していない）をスイッチングさせてもよい。また、式（１１）の発振条件を満たさないように１つ以上の回路定数（Ｒ１、Ｒ２など）を信号に応じて変化させて発振状態を制御してもよい。
【００７９】
以上説明した第３の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【００８０】
ここで、図９に示した静電容量Ｃｖを用いて搬送波の周波数を調整してもよい。この場合の発振周波数は、静電容量Ｃｖと電極間の静電容量との合成容量で決定される。さらにこの静電容量Ｃｖを可変とし、前述の合成容量を一定になるように制御することで、搬送波の周波数の安定化を図ってもよい。例えば、所定の周波数で発振するローカル発振器、ローカル発振器の出力周波数と信号電極１１０の出力周波数の位相差を検出する位相比較器、及び前記位相差に基づいて可変静電容量Ｃｖの両端の電圧を変化させるループフィルタをさらに備えることで、帰還ループを構成して発振周波数を安定化させることができる。
【００８１】
［第４の実施例］
次に、第４の実施例について説明する。図１０は、第４の実施例における送信器１００の構成を示している。本実施例においても、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図１０の通り配置されるトランジスタ１３４、電源１３６、誘導素子Ｌ、及び容量素子Ｃ、Ｃｖを備える。変調部１４０は、変調器１４２及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【００８２】
本実施例は、第３の実施例と同様にコルピッツ型発振回路を応用しているが、増幅回路としてトランジスタ１３４を使用している点で第３の実施例と異なっている。本実施例では、図示しているように、信号電極１１０をトランジスタ１３４のエミッタと容量素子Ｃｖの間に接続する。また、基準電極１２０を回路ＧＮＤ、及び誘導素子Ｌと回路ＧＮＤの間に接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合する。これにより、等価回路上では、信号電極１１０、基準電極１２０、誘導素子Ｌ、及び容量素子Ｃｖによって一巡する正帰還回路が構成されたことになる。
【００８３】
また、トランジスタ１３４のベースは誘導素子Ｌと容量素子Ｃｖの間に、エミッタは容量素子Ｃｖと信号電極１１０の間に、コレクタは電源１３６に接続される。これにより、変調部１４０からの入力電圧は増幅された上で前述の正帰還回路に伝達される。そして、正帰還回路により帰還する電圧との時間差によって、搬送波を発振させることができる。
【００８４】
図１０の容量素子Ｃｖは、信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量Ｃｘよりも小さい静電容量を持つものとする。第３の実施例と同様、本実施例の構成する発振回路の伝達関数は式（９）、発振周波数は式（１０）で表される。よって、式（１１）の発振条件を満たすように図１０に示した回路を構成することで、本実施例に係る送信器１００において、搬送波を共振周波数で発振させることができる。
【００８５】
本実施例においては、第３の実施例と異なり、変調部１４０のＦＥＴ１４４は発振部１３０の電源１３６に接続される。そして、伝送対象の信号に応じて変調器１４２によりＦＥＴ１４４の出力を制御することで、電源１３６からの発振部への電力の供給をスイッチングさせることができる。それにより、本実施例の構成する発振回路の発振と停止を制御し、発振状態に信号を変調して伝送することが可能となる。
【００８６】
以上説明した第４の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【００８７】
［第５の実施例］
次に、第５の実施例について説明する。図１１は、第５の実施例における送信器１００の構成を示している。図１１を参照すると、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図１１の通り配置される増幅器１３２、抵抗器Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、及び誘導素子Ｌ１、Ｌ２を備える。変調部１４０は、変調器１４２及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【００８８】
本実施例は、ＬＣ発振回路の一形態として知られるハートリー型発振回路を応用したものである。一般的に、ハートリー型発振回路は、前述のコルピッツ型発振回路の容量素子と並列に接続された誘導素子の中間から電圧の一部を正帰還させる構成をとる。本実施例では、誘導素子Ｌ１及びＬ２のそれぞれ一方の端を回路ＧＮＤに接続し、ここを電圧の一部を帰還させる中間点とする。信号電極１１０は、誘導素子Ｌ２と抵抗器Ｒの間に接続する。また、基準電極１２０は、誘導素子Ｌ１と抵抗器Ｒ１の間の配線、及び回路ＧＮＤに接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合し、誘導素子Ｌ１及びＬ２と並列に接続される容量素子の役割を果たす。
【００８９】
一方、増幅器１３２、抵抗器Ｒ、Ｒ１、及びＲ２は、第３の実施例と同様に増幅回路を構成するために用いられる。本実施例においても、増幅器１３２の反転入力端子を抵抗器Ｒ１とＲ２の間に、非反転入力端子を変調部１４０のＦＥＴ１４４に、出力端子を抵抗器ＲとＲ２の間に接続する。このように構成した増幅回路により変調部１４０からの入力電圧は増幅され、さらに正帰還される電圧の入出力の時間差によって搬送波を発振させることができる。
【００９０】
信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量Ｃｘを用いて、本実施例に係る発振回路の一巡伝達関数Ｈ（ω）は式（１２）で表される。
【００９１】
【数１２】
【００９２】
このとき、発振周波数ωは式（１３）で表される。
【００９３】
【数１３】
【００９４】
式（１２）の発振条件は式（１４）で表される。
【００９５】
【数１４】
【００９６】
ここで、誘導素子Ｌ１、Ｌ２を回路ＧＮＤを中間点とする１つの誘導素子（インダクタンスはＬ１＋Ｌ２となる）と見なすと、式（１３）で表される発振周波数ωは式（４）の共振周波数と同等となる。よって、式（１４）の発振条件を満たすように図１１に示した回路を構成することで、本実施例に係る送信器１００において、搬送波を共振周波数で発振させることができる。
【００９７】
本実施例においても、第３の実施例と同様に、発振部１３０の増幅器１３２の非反転入力端子は変調部１４０のＦＥＴ１４４と接続される。これにより、第１の実施例に関連して説明した原理を用いて、伝送対象の信号に応じて変調器１４２によりＦＥＴ１４４をスイッチングさせ、発振回路の発振と停止を制御し、その発振状態に信号を変調して伝送することが可能となる。搬送波の発振状態を制御する方法は、前述のＦＥＴ１４４をスイッチングさせる方法に限定されず、ＦＥＴ１４４の代わりに発振回路の電源をスイッチングさせてもよい。また、式（１４）の発振条件を満たさないように１つ以上の回路定数（Ｒ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２など）を信号に応じて変化させて発振状態を制御してもよい。
【００９８】
また、搬送波の周波数を調整するために、Ｌ１−Ｒ１間の配線とＬ２−Ｒ間の配線をつなぐ静電容量Ｃｖ（図示していない）を追加的に備えてもよい。この場合、発振周波数は静電容量Ｃｖと信号電極１１０−基準電極１２０間の静電結合容量Ｃｘの並列合成容量により決定される。但し、共振周波数で発振させる通信を維持するためには、追加する静電容量ＣｖをＣｘよりも小さい値とすることが望ましい。また、共振周波数を安定化させるために、第３の実施例に関連する前述の説明と同様、静電容量Ｃｖを可変とし、ローカル発振器、位相比較器、及びループフィルタをさらに備えて静電容量Ｃｖを制御してもよい。
【００９９】
以上説明した第５の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【０１００】
［第６の実施例］
次に、第６の実施例について説明する。図１２は、第６の実施例における送信器１００の構成を示している。前述の実施例と同様、送信器１００は、信号電極１１０、基準電極１２０、発振部１３０、及び変調部１４０を備える。このうち、発振部１３０及び変調部１４０が、図４の給電回路１０２に相当する。発振部１３０は、図１２の通り配置されるトランジスタ１３４、電源１３６、誘導素子Ｌ１、Ｌ２、及び容量素子Ｃｖを備える。変調部１４０は、変調器１４２及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４４を備える。
【０１０１】
本実施例は、第５の実施例と同様にハートリー型発振回路を応用しているが、増幅回路としてトランジスタ１３４を使用している点で、第５の実施例と異なっている。本実施例では、誘導素子Ｌ１及びＬ２の中間点をトランジスタ１３４のエミッタに接続して電圧の一部を帰還させる。信号電極１１０は、トランジスタ１３４のベースと容量素子Ｃｖに接続する。また、基準電極１２０は、回路ＧＮＤ、及び容量素子Ｃｖと誘導素子Ｌ２に接続する。これら信号電極１１０と基準電極１２０は、さらに伝送媒体３００及び空間４００を経由して静電結合し、誘導素子Ｌ１及びＬ２と並列に接続される容量素子の役割を果たす。
【０１０２】
図１２の容量素子Ｃｖは、信号電極１１０から伝送媒体３００及び空間４００を経由して基準電極１２０に至る静電結合容量Ｃｘよりも小さい静電容量を持つものとする。本実施例の構成する発振回路の発振周波数は、第５の実施例と同様、式（１３）で決定される。よって、式（１４）の発振条件を満たすように図１２に示した回路を構成することで、本実施例に係る送信器１００において、搬送波を共振周波数で発振させることができる。
【０１０３】
本実施例においては、第５の実施例と異なり、変調部１４０のＦＥＴ１４４は発振部１３０の電源１３６に接続される。そして、伝送対象の信号に応じて変調器１４２によりＦＥＴ１４４の出力を制御することで、電源１３６からの発振部への電力の供給をスイッチングさせることができる。それにより、本実施例の構成する発振回路の発振と停止を制御し、発振状態に信号を変調して伝送することが可能となる。
【０１０４】
以上説明した第６の実施例に係る送信器１００の構成により、共振周波数で発振する搬送波に信号を載せて高い伝達利得を安定して維持しながら静電界通信を行うことができる。
【０１０５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかである。そして、そうした変更例についても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１０６】
例えば、一般に、発振回路において配線部分が持つ浮遊静電容量を電極などを接続することにより積極的に大きくし、これを発振に積極的に活用して通信を行う送信器、通信システム及び通信方法は、本発明の技術的範囲に属すると理解されるべきである。
【０１０７】
また、例えば搬送波の変調方法として、信号に応じて（ｉ）発振部の増幅器の入力電圧レベルを変化させる、（ｉｉ）発振部の電源をスイッチングさせる、（ｉｉｉ）１つ以上の回路定数を変化させる、という３つの方法について説明したが、その代わりに発振回路の配線の一部をスイッチングさせてもよい。
【０１０８】
さらに、前述したように、本発明を静電界通信による情報信号の伝送に適用する代わりに、送信器から受信器への電力の供給に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の一実施形態に係る通信システムの適用例を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る通信システムの別の適用例を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る通信システムのさらに別の適用例を示す概略図である。
【図４】一実施形態に係る通信システムの構成を示すブロック図である。
【図５】送受信器にインダクタンスを導入しない場合の通信特性をプロットした特性図である。
【図６】送受信器にインダクタンスを導入してＬＣ共振を生じ得る場合の通信特性をプロットした特性図である。
【図７】第１の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図８】第２の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図９】第３の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図１０】第４の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図１１】第５の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【図１２】第６の実施例に係る送信器の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０ 通信システム
１００ 送信器
１１０ 信号電極
１２０ 基準電極
１３０ 発振部
１４０ 変調部
２００ 受信器
３００ 伝送媒体
４００ 空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電界を用いて伝送を行う送信器であって、
伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、
前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、
を備える送信器。
【請求項２】
前記送信器は、さらに情報に応じて変調される信号を生成する変調部を備え、前記搬送波によって前記信号を伝送することを特徴とする、請求項１に記載の送信器。
【請求項３】
前記変調部は、前記搬送波の発振状態を変化させることにより前記信号を変調することを特徴とする、請求項２に記載の送信器。
【請求項４】
前記変調部は、前記発振部の出力電圧に加えるオフセットを制御することで、前記搬送波の前記発振状態を変化させることを特徴とする、請求項３に記載の送信器。
【請求項５】
前記変調部は、前記発振部の１つ以上の回路定数を制御することで、前記搬送波の前記発振状態を変化させることを特徴とする、請求項３に記載の送信器。
【請求項６】
前記変調部は、前記発振部の電源をスイッチングさせることにより前記信号を変調することを特徴とする、請求項２に記載の送信器。
【請求項７】
前記送信器は、前記搬送波によって電力を伝送することを特徴とする、請求項１に記載の送信器。
【請求項８】
送信器と受信器とが静電界を用いて伝送を行う通信システムであって、
前記送信器は、
伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、
前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、
を備えることを特徴とする、通信システム。
【請求項９】
静電界を用いて伝送を行う通信方法であって、
第１の電極と第２の電極とを少なくとも伝送媒体の一部を介して静電結合させ、
前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて形成する正帰還回路により搬送波を発振させ、
発振させた前記搬送波を前記第１の電極から出力して伝送を行う、
通信方法。
【請求項１】
静電界を用いて伝送を行う送信器であって、
伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、
前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、
を備える送信器。
【請求項２】
前記送信器は、さらに情報に応じて変調される信号を生成する変調部を備え、前記搬送波によって前記信号を伝送することを特徴とする、請求項１に記載の送信器。
【請求項３】
前記変調部は、前記搬送波の発振状態を変化させることにより前記信号を変調することを特徴とする、請求項２に記載の送信器。
【請求項４】
前記変調部は、前記発振部の出力電圧に加えるオフセットを制御することで、前記搬送波の前記発振状態を変化させることを特徴とする、請求項３に記載の送信器。
【請求項５】
前記変調部は、前記発振部の１つ以上の回路定数を制御することで、前記搬送波の前記発振状態を変化させることを特徴とする、請求項３に記載の送信器。
【請求項６】
前記変調部は、前記発振部の電源をスイッチングさせることにより前記信号を変調することを特徴とする、請求項２に記載の送信器。
【請求項７】
前記送信器は、前記搬送波によって電力を伝送することを特徴とする、請求項１に記載の送信器。
【請求項８】
送信器と受信器とが静電界を用いて伝送を行う通信システムであって、
前記送信器は、
伝送媒体上に搬送波を出力する第１の電極と、
前記第１の電極との間で少なくとも前記伝送媒体の一部を介して静電結合する第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて正帰還回路を形成し前記搬送波を発振させる発振部と、
を備えることを特徴とする、通信システム。
【請求項９】
静電界を用いて伝送を行う通信方法であって、
第１の電極と第２の電極とを少なくとも伝送媒体の一部を介して静電結合させ、
前記第１の電極と前記第２の電極の間の前記静電結合の静電容量を用いて形成する正帰還回路により搬送波を発振させ、
発振させた前記搬送波を前記第１の電極から出力して伝送を行う、
通信方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−２１３０６２（Ｐ２００９−２１３０６２Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５６５１０（Ｐ２００８−５６５１０）
【出願日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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