JP4602266B2 - 電界検出光学システム、およびトランシーバ - Google Patents

Description

本発明は、電気信号の電位を調整する電位調整技術に関し、特に、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界から変換された電気信号の電位を調整する技術に関する。

携帯端末の小型化および高性能化によりウェアラブルコンピュータが注目されているが、図５はこのようなウェアラブルコンピュータを人間に装着して使用する場合の例を示している。同図に示すように、ウェアラブルコンピュータ７はそれぞれトランシーバ９を介して人間の腕、肩、胴体などに装着されて互いにデータの送受信を行うとともに、更に手足の先端で触れられるよう壁や床に設けられたトランシーバ９ａ、９ｂとケーブルとを介して外部に設けられたパソコン（ＰＣ）８と通信を行っている。

ここで、このようなウェアラブルコンピュータ７間、およびウェアラブルコンピュータ７とＰＣ８間とのデータ通信に使用されるトランシーバ９は、例えば、図６に示すような構成をしており、レーザ光と電気光学結晶を用いた電気光学的手法による信号検出技術を利用していて、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体である生体に誘起させ、この誘起した電界を用いて情報の送受信を行うものである。

より詳しくは、トランシーバ９は、コンピュータ６からの送信データを入出力（Ｉ／Ｏ）回路９０１を介して受け取ると、この送信データを送信部９０２を介して送受信電極９０３に供給し、該送受信電極９０３および絶縁膜９０４を介して電界伝達媒体に電界を誘起させ、この電界を電界伝達媒体の他の部位に伝達させるようになっている。また、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を絶縁膜９０４を介して送受信電極９０３で検出し、この電界を電界検出光学部９０５に結合して電気信号に変換するようになっている。そして、この電気信号は、信号処理回路９０６で増幅、雑音除去などの信号処理を施され、更に波形整形回路９０７で波形整形されてから、入出力（Ｉ／Ｏ）回路９０１を介してコンピュータ６に出力されるようになっている。

尚、この出願に関連する先行技術文献情報としては、例えば次のものがある。
特開２００１−３５２２９８号公報

図６に示すトランシーバにおいて、電界検出光学部９０５の光学モジュールには電界伝達媒体の個体差によるバラツキがあるため、電界検出光学部９０５から信号処理回路９０６に入力される２つの信号には電位差が発生する。電位差を吸収し、電界検出光学部９０５の性能を維持するために、信号処理回路９０６は、例えば、図７に示すような差動バランス調整回路を備える。

差動バランス調整回路図は、電界検出光学部９０５から入力される２つの信号の電圧（電位）のバランスを調整するための回路である。図示する差動バランス調整回路は、第１の信号が入力される第１の入力端子Ｐ１と、第１の抵抗１０１と、第１のコンデンサ１０２と、第２の信号が入力される第２の入力端子Ｐ２と、第２の抵抗２０１と、第２のコンデンサ２０２と、差動アンプ３００と、出力端子４００とを備える。なお、第２の抵抗２０１は、手動での調整が可能な可変抵抗である。

図示する差動バランス調整回路図の場合、電界検出光学部９０５の部品（光学モジュール等）の製造バラツキをなくすために、トランシーバ９の製造時（出荷時）において、あらかじめ手動で第２の抵抗２０１を調整する必要がある。これにより、作業負荷および作業コストが発生してしまうという問題がある。

本発明は、上記目的を解決するためになされたものであり、電界検出光学部９０５から入力される２つの信号電圧のバランスを自動調整し、作業負荷および作業コストをより低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の本発明は、電界検出光学装置と、差動バランス調整回路とを有する電界検出光学システムであって、前記電界検出光学装置は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して複数の電気信号に変換し、前記差動バランス調整装置は、複数の電位調整回路と、差動増幅器とを有し、前記電位調整回路各々は、前記電界検出光学装置が変換した電気信号を入力し、当該入力信号の電流を電圧に変換するインピーダンス変換器と、前記インピーダンス変換器が変換した入力信号に直流電圧が含まれているか否かを検出し、直流電圧が含まれている場合、所定の電圧と等しい負電位または所定の電圧を超える負電位を生成する電位検出器と、前記電位検出器が生成した負電位を前記入力信号に印加して負帰還を行う調整電位印加器と、を有し、前記差動増幅器は、前記各電位調整回路が出力した電位調整後の出力信号を入力し、当該出力信号の差分を出力する。

また、第２の本発明は、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させるとともにこの誘起した電界を検出して情報の送受信を行うトランシーバであって、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して複数の電気信号に変換する電界検出光学装置と、前記各電気信号を入力し、当該入力信号の電位を調整する複数の電位調整回路と、前記各電位調整回路が出力した複数の出力信号を入力し、当該複数の出力信号の差分を出力する差動増幅器と、を備え、前記電位調整回路各々は、前記入力信号の電流を電圧に変換するインピーダンス変換器と、前記インピーダンス変換器が変換した入力信号に直流電圧が含まれているか否かを検出し、直流電圧が含まれている場合、所定の電圧と等しい負電位または所定の電圧を超える負電位を生成する電位検出器と、前記電位検出器が生成した負電位を前記入力信号に印加して負帰還を行う調整電位印加器と、を有する。

本発明によれば、入力される２つの信号電圧のバランスを自動調整することにより、作業負荷および作業コストをより低減することができる。また、本発明によれば、電界検出光学部の性能を確保し、光路雑音をより低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るトランシーバ１の概略構成図である。図１に示すトランシーバ１は、レーザ光と電気光学結晶を用いた電気光学的手法による信号検出技術を利用していて、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体である生体に誘起させ、この誘起した電界を用いて情報の送受信を行うトランシーバである。

より詳しくは、トランシーバ１は、コンピュータ６からの送信データを入出力（Ｉ／Ｏ）回路９０１を介して受け取ると、この送信データを送信部９０２を介して送受信電極９０３に供給し、該送受信電極９０３および絶縁膜９０４を介して電界伝達媒体に電界を誘起させ、この電界を電界伝達媒体の他の部位に伝達させる。また、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を絶縁膜９０４を介して送受信電極９０３で検出し、この電界を電界検出光学部９０５に結合して電気信号に変換する。そして、この電気信号は、信号処理回路９０６で増幅、ノイズ除去などの信号処理を施され、更に波形整形回路９０７で波形整形がなされる。

そして、本実施形態のトランシーバ１は、電界検出光学部９０５と信号処理回路９０６との間に、差動バランス自動調整回路１１０を備える。差動バランス自動調整回路１１０は、電界検出光学部９０５から出力される２つの電気信号の電圧（電位）を自動調整し、調整後の逆位相の電気信号を差動増幅して信号処理回路９０６に出力する。これにより、光路雑音をより低減することができる。

以下に、差動バランス自動調整回路１１０について説明する。

図２は、差動バランス自動調整回路１１０が基本構成として備える電位調整回路を示す図である。電位調整回路は、当該電位調整回路に入力された電気信号の電流に影響をされることなく、電気信号の電圧（電位）を一定に保つように制御する。図示する電位調整回路は、入力端子Ｐと、トランスインピーダンスアンプ（インピーダンス変換機）２０２と、フィードバックアンプ（ＦＢ）２０４と、トランジスタ（Ｔｒ）２０５と、出力端子２０９と、を有する。

トランスインピーダンスアンプ（以下、「ＴＩＡ」）２０２は、入力端子Ｐを介して電界検出光学部９０５から入力された信号（微小電流信号）を増幅する。すなわち、ＴＩＡ２０２の反転入力端子に、電界検出光学部９０５の出力電流を入力し、当該出力電流を電圧（電位）に変換する。なお、この場合のトランスインピーダンスゲインの絶対値は、抵抗Ｒの値と等しくなる。

フィードバックアンプ２０４は、ＴＩＡ２０２から出力された信号を入力し、定電圧源２０３により設定された設定電圧を直流電圧検出のための参照電圧として用いて、入力した信号に直流電圧が含まれているか否かを検出する。そして、直流電圧が含まれていない場合、フィードバックアンプ２０４は、入力した信号をそのまま出力端子２０９に出力する。

一方、直流電圧が含まれている場合、フィードバックアンプ２０４は、入力した信号をＴＩＡ２０２に負帰還させる。すなわち、フィードバックアンプ２０４は、入力した信号電圧と定電圧源の設定電圧とを比較し、入力した信号電圧が一定電圧と等しくなるように、直流電圧に応じて負電圧（負電位）を生成し、トランジスタ２０５を制御して負帰還を行う。なお、フィードバックアンプ２０４は、入力した信号電圧が一定電圧を超えるように、直流電圧に応じて負電圧（負電位）を生成し、トランジスタ２０５を制御して負帰還を行うこととしてもよい。
トランジスタ２０５は、フィードバックアンプ２０４の制御に基づいて、フィードバックアンプ２０４から出力された信号に負電圧（負電位）を印加する。すなわち、トランジスタ２０５は、入力された信号の直流成分のみを調整し、交流成分（信号成分）をＴＩＡ２０２に負帰還する。なお、トランジスタ２０５は、直流成分を接続されたグランドに流すことにより、入力された信号から直流成分を取り除く。

そして、ＴＩＡ２０２は、トランジスタ２０５から負帰還された信号（交流成分）を、前述のとおり電圧に変換し、フィードバックアンプ２０４に出力する。フィードバックアンプ２０４は、前述のとおりＴＩＡ２０２から入力した信号に直流電圧が含まれているかを検出し、直流電圧が含まれていない場合は、入力した信号を出力端子２０９に出力する。
このような電位調整回路を用いることにより、電界検出光学部９０５から入力された信号の電圧（電位）を、常に一定の値に保つことができる。

図３は、差動バランス自動調整回路１１０を示す図である。

図示する差動バランス自動調整回路１１０は、第１の電位調整回路２１０と、第２の電位調整回路２２０と、第１のコンデンサ２３０と、第２のコンデンサ２４０と、差動アンプ（差動増幅器）２５０と、を有する。電位調整回路２１０、２２０は、図２の電位調整回路と同様である。各電位調整回路２１０、２２０は、図２で説明したように、一定の値に電位を調整した信号を、コンデンサ２３０、２４０を経由して差動アンプ２５０に出力する。

差動アンプ２５０は、第１の電位調整回路２１０から出力された信号と、第２の電位調整回路２２０から出力された信号を入力し、これら２つの信号を差動増幅し出力端子に出力する。例えば、第１の電位調整回路２１０から入力される信号が正極の信号であって、第２の電位調整回路２２０から入力される信号が負極の信号の場合、差動アンプ２５０により倍増された信号が出力端子２６０に出力される。

各電位調整回路が入力信号の電圧（電位）を一定に調整することにより、差動アンプ２５０には、電位調整回路各々から一定の電圧に保たれた等しい電位の信号が入力されることとなる。

図４は、電界検出光学部９０５と差動バランス自動調整回路１１０とを有する電界検出光学システムを示す図である。

図示する差動バランス自動調整回路１１０は、図３で説明した電位調整回路と同様である。電界検出光学部９０５は、電界伝達媒体に誘起されて伝達され、送受信電極９０３を介して結合される電界を検出し、電気信号に変換して差動バランス自動調整回路１１０に出力するように機能する。なお、電界検出光学部９０５については、例えば、特開平2004-012202に記載されている。

電界検出光学部９０５は、レーザ光と電気光学結晶とを用いた電気光学的手法により電界を検出するものであり、レーザ光源を構成するレーザダイオードおよび電気光学結晶からなる電気光学素子を有する。なお、電気光学素子は、レーザダイオードからのレーザ光の進行方向に対して直角方向に結合される電界にのみ感度を有し、この電界強度によって光学特性、すなわち複屈折率が変化し、この複屈折率の変化によりレーザ光の偏光が変化するようになっている。

電気光学素子の対向する両側面には第一および第二の電極が設けられている。この第一および第二の電極は、レーザダイオードからのレーザ光の電気光学素子内における進行方向を両側から挟み、レーザ光に対して電界を直角に結合させるようになっている。電界検出光学部９０５は、送受信電極９０３を構成する信号電極を有し、当該信号電極は第一の電極に接続されている。また、第一の電極に対向する第二の電極は、グランド電極に接続され、第一の電極に対してグランド電極として機能するように構成されている。信号電極は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出すると、この電界を第一の電極に伝達し、第一の電極を介して電気光学素子に結合するようになっている。

レーザダイオードから出力されるレーザ光は、コリメートレンズを介して平行光にされ、平行光となったレーザ光は第一の波長板で偏光状態を調整されて電気光学素子に入射する。電気光学素子に入射したレーザ光は、電気光学素子内で第一、第二の電極の間を伝播するが、このレーザ光の伝播中において信号電極が電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出し、この電界を第一の電極を介して電気光学素子に結合すると、この電界は第一の電極からグランド電極に接続されている第二の電極に向かって形成されて、レーザダイオードから電気光学素子に入射したレーザ光の進行方向に直角であるため、電気光学素子の光学特性である複屈折率が変化し、これによりレーザ光の偏光が変化する。

このように電気光学素子において第一の電極からの電界によって偏光が変化したレーザ光は、第二の波長板で偏光状態を調整されて偏光ビームスプリッタに入射する。偏光ビームスプリッタは、第二の波長板から入射されたレーザ光をＰ波およびＳ波に分離して、光の強度変化に変換する。この偏光ビームスプリッタでＰ波成分およびＳ波成分に分離されたレーザ光は、それぞれ第一、第二の集光レンズで集光されてから、第一、第二のフォトダイオードに供給され、第一、第二のフォトダイオードにおいてＰ波光信号とＳ波光信号をそれぞれの電気信号に変換して出力するようになっている。

そして、電界検出光学部９０５の第１および第２のフォトダイオードから出力される電気信号は、入力端子Ｐ１、Ｐ２を介して、差動バランス自動調整回路１１０に入力される。

図４に示す差動バランス自動調整回路１１０は、フォトダイオードから出力される電気信号の電圧をそれぞれ一定に調整し、各電気信号を差動増幅させる。これにより、電界検出光学部９０５の性能を確保し、光路雑音をより低減することができる。

以上説明した本実施形態では、電位調整回路が、電界検出光学部９０５から入力された信号の電圧（電位）を、自動調整する。これにより、作業負荷および作業コストをより低減することができる。また、電界検出光学部９０５の部品（光学モジュール等）の製造バラツキを吸収するとともに、電界検出光学部９０５の性能を確保し、光路雑音をより低減することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施の形態に対して種々の変形や変更を施すことができる。

本発明の実施の形態に係るトランシーバの概略構成を示すブロック図である。 自動調整回路の構成を示す図である。 差動バランス自動調整回路の構成を示す図である。 電界検出光学システムの構成を示す図である。 トランシーバを介してウェアラブルコンピュータを人間に装着して使用する場合の例を示す説明図である。 従来のトランシーバの回路構成を示すブロック図である。 従来の差動バランス調整回路の構成を示す図である。

符号の説明

１，９ トランシーバ
６ コンピュータ
７ ウェアラブルコンピュータ
８ ＰＣ
１１０ 差動バランス自動調整回路
９０１ Ｉ／Ｏ回路
９０２ 送信部
９０３ 送受信電極
９０４ 絶縁膜
９０５ 電界検出光学部
９０６ 信号処理回路
９０７ 波形整形回路
９１０ 受信部

Claims (4)

1. 電界検出光学装置と、差動バランス調整回路とを有する電界検出光学システムであって、
   前記電界検出光学装置は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して複数の電気信号に変換し、
   前記差動バランス調整装置は、複数の電位調整回路と、差動増幅器とを有し、
   前記電位調整回路各々は、
   前記電界検出光学装置が変換した電気信号を入力し、当該入力信号の電流を電圧に変換するインピーダンス変換器と、
   前記インピーダンス変換器が変換した入力信号に直流電圧が含まれているか否かを検出し、直流電圧が含まれている場合、所定の電圧と等しい負電位または所定の電圧を超える負電位を生成する電位検出器と、
   前記電位検出器が生成した負電位を前記入力信号に印加して負帰還を行う調整電位印加器と、を有し、
   前記差動増幅器は、前記各電位調整回路が出力した電位調整後の出力信号を入力し、当該出力信号の差分を出力すること
   を特徴とする電界検出光学システム。
2. 請求項１記載の電界検出光学システムであって、
   前記調整電位印加器は、トランジスタであること
   を特徴とする電界検出光学システム。
3. 送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させるとともにこの誘起した電界を検出して情報の送受信を行うトランシーバであって、
   電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して複数の電気信号に変換する電界検出光学装置と、
   前記各電気信号を入力し、当該入力信号の電位を調整する複数の電位調整回路と、
   前記各電位調整回路が出力した複数の出力信号を入力し、当該複数の出力信号の差分を出力する差動増幅器と、を備え、
   前記電位調整回路各々は、
   前記入力信号の電流を電圧に変換するインピーダンス変換器と、
   前記インピーダンス変換器が変換した入力信号に直流電圧が含まれているか否かを検出し、直流電圧が含まれている場合、所定の電圧と等しい負電位または所定の電圧を超える負電位を生成する電位検出器と、
   前記電位検出器が生成した負電位を前記入力信号に印加して負帰還を行う調整電位印加器と、を有すること
   を特徴とするトランシーバ。
4. 請求項３記載のトランシーバであって、
   前記調整電位印加器は、トランジスタであること
   を特徴とするトランシーバ。

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