JP5914368B2 - 携帯端末装置および無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、携帯端末装置および無線通信システムに関するものである。

近年では、意図的に通信エリアを限定した無線通信（エリア限定無線)に対するニーズが高まっている。例えば，特許文献１に開示された「電界通信システム」は、エリア限定無線を実現するための一手段である。

特開２００７‐１７４５７０号公報

電界通信では、環境に設置された設置端末の近傍エリアに存在する携帯端末装置だけが、設置端末との通信を行うことができる。しかし、設置端末の近傍の電界分布は設置環境やユーザの姿勢などに大きく依存するため、通信エリアの境界を明確に設定することが困難であった。

したがって，通信すべき位置に存在している携帯端末装置が設置端末と通信できなかったり、また逆に通信すべきでない位置に存在している携帯端末装置が設置端末と通信してしまったり、安定で信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することができなかった。
このような困難が生じる原因の一つは、通信媒体として電界を用いていることであると考えられる。なぜならば、電界分布は周囲に存在する導体や誘電体の影響を強く受けるためである。

一方で，低周波(およそ10MHz以下)磁界は，人体や周囲環境との相互作用が電界と比べて著しく低いという特徴を有する。

したがって、低周波磁界を生成するアンテナを設置端末の近傍に設置すれば、設置端末近傍に人体や他の物体があろうとなかろうと、設置端末近傍の磁界分布は不変である。
そこで，携帯端末装置には磁界強度を検出する機能が搭載されているとする。設置端末近傍の磁界分布は不変なので、携帯端末装置が検出した磁界強度の値から、設置端末からの距離を推定することができる。
したがって、磁界を利用したエリア限定無線が可能になる。

ただし磁界はベクトル場なので、携帯端末の角度によらず磁界強度を検出するには、互いに直交した３つのループアンテナ（３軸アンテナ)が必要となる。
最近ではNear-Field Communication (NFC) 用として、１つのループアンテナ(１軸アンテナ)がスマートフォンに標準搭載されるようになってきている。

３軸アンテナをスマートフォンなどの携帯端末に搭載するのは容易ではないので、この
１軸アンテナを利用したエリア限定無線の実現が求められている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、３軸アンテナを使わずに、磁界を利用したエリア限定通信を可能とする携帯端末装置および無線通信システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、第１の本発明は、予め設定された無線通信エリアに配置される設置端末と通信する携帯端末装置であって、前記設置端末は、重力加速度ベクトルと平行な磁界成分を有する交流磁界を前記無線通信エリアに発生させるものであり、前記携帯端末装置は、前記交流磁界を検出するループアンテナと、前記ループアンテナを含む面の法線ベクトルと重力加速度ベクトルのなす角度θの余弦cosθを検出する手段と、前記ループアンテナで検出された電圧振幅V_rcvを前記余弦の絶対値|cosθ|で除算した電圧振幅V _cmp を算出する手段とを備え、前記余弦を検出する手段は、前記携帯端末装置に固定したｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなる直交座標系を、前記法線ベクトルが前記ｚ軸と平行になるように設定し、前記重力加速度ベクトルのｘ成分、ｙ成分、成分をそれぞれg _x 、g _y 、g _z とした場合、前記余弦を次式により算出し、

前記電圧振幅V_cmpが予め設定された閾値V_th1以上なら、前記携帯端末装置が前記無線通信エリアに存在すると判定することを特徴とする。

第２の本発明は、無線通信システムであり、第１の本発明の携帯端末装置に加え、前記設置端末を備える。

本発明によれば、３軸アンテナを使わずに、磁界を利用したエリア限定通信が可能となる。

本実施の形態に係る携帯端末装置を示す斜視図である。 本実施の形態に係る携帯端末装置を示す平面図である。 本実施の形態に係る無線通信システムの一例を示す図である。 携帯端末装置の構成の一例を示すブロック図である。 携帯端末装置の構成の別な一例を示すブロック図である。

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、図２は、本実施の形態に係る携帯端末装置を示す図である。
携帯端末装置１は、予め設定された無線通信エリアに配置される設置端末（図示せず）と通信するための装置であり、ループアンテナ１１とＩＣ１２を備える。ＩＣ１２は、ループアンテナ１１を貫いた磁束に比例した電圧を受信するものである。
携帯端末装置１に固定した座標系(x,y,z)を図１のように設定する。

ここでは一例として、ループアンテナ１１を含む面の法線とz軸が平行になるように座標系を設定した。

ループアンテナ１１は正方形状であるが、x-y平面に平行な面内に収まる閉ループであれば、正方形に限らず、長方形・円・楕円その他どのような形状の閉ループであっても構わない。

また、図示しないが、携帯端末装置１は、加速度センサと、重力加速度ベクトルgとz軸がなす角度θの余弦(cosθ)を検出する手段を有する。

交流磁界が存在する空間にループアンテナ１１が存在すると、ループアンテナ１１を貫く磁束に比例した交流起電力がループアンテナ１１に発生し、振幅V_rcvの受信電圧として
ＩＣ１２で検出される。

図３は、本実施の形態に係る無線通信システムの一例を示す図であり、交流磁界を利用したエリア限定システムの一例である。

ここで，床に固定した(X,Y,Z)系を設定する。
床には、交流磁界を空間に発生する磁界源である２つの設置端末２が設置されている。これにより、設置端末２の上方には磁界分布が形成される。一般に、磁界ベクトルHは３
つの成分(H_X,H_Y,H_Z)を有するが、適切な磁界源(例えばループ面が床と平行になるように設置されたループアンテナ)を設置することにより、磁界源の上方近傍(すなわちユーザＡと
Ｂの近傍)で近似的にH_Z＝一定、かつ、H_X≪H_Z、H_Y≪H_Zとなるように磁界分布を形成することが可能である。

したがって、以降の説明では、磁界源の上方近傍でH≒(0,0,H_Z)であるとして説明する。

図３を見ればわかるとおり、携帯端末装置１がH_Zを検出する機能を有していれば、ユーザが磁界源の上に居るか否かを判別できるので、エリア限定無線通信システムの実現が可能になる。

しかし実際には、携帯端末装置１は様々な角度で鞄や衣服のポケットに収納されるので、携帯端末装置１に搭載されたループアンテナ１１とHのなす角度も様々な値を取り得る。

したがって受信振幅も様々な値を取り得るが、重力加速度ベクトルとZ軸が平行であることを考慮すると、具体的には下記の関係が成立することがわかる。

ここで、αはループアンテナの構造に依存する定数である。式（１）を変形すると、

となる。つまりV_rcvを|cosθ|で除算した値を得ることは、H_Zを検出することと等価である。

そこで式(2)の左辺をV_cmpと置くことにする。

先に述べたように、携帯端末装置１は、加速度センサを利用してcosθを得ることができるので、検出したV_rcvからV_cmpを算出することは可能である。
ユーザが磁界源の上に居ない場合には、そもそも磁界が存在せずV_rcv≒0となるので、したがってV_cmp≒0を得る。

一方、ユーザが磁界源の上に居る場合には、V_cmp≒αH_Zを得る。
次式を満たす適当な第１の閾値V_th1を予め設定し、

V_cmpとV_th1の大小関係を比較すれば、ユーザが磁界源の上方近傍に居るか居ないかを判定できるので、エリア限定無線の実現が可能になる。

［第１の実施例］
図４は、携帯端末装置１の構成の一例を示すブロック図である。
携帯端末装置１は、ループアンテナ１１と、バラン１０１と、送受切替スイッチ１０２と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０３と、負荷抵抗１０４と、アンプ１０５と、振幅検出回路１０６と、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１０７と、デジタル信号処理部１０８と、加速度センサ１０９と、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）１１０とを備える。図１のＩＣ１２には、例えば、ループアンテナ１１以外の回路が集積される。

携帯端末装置１は、受信モードまたは送信モードに設定でき、通常は、受信モードに設定されている。

ループアンテナ１１で受信された交流磁界は、バラン１０１、ＢＰＦ１０３、負荷抵抗１０４によって交流電圧に変換される。交流電圧はアンプ１０５で増幅された後に、振幅検出回路１０６を経由して、交流振幅に比例した受信電圧V_rcvに変換される。その後V_rcvはＡＤＣ１０７でＡＤ変換され、デジタル信号処理部１０８に入力される。また加速度センサ１０９が検出した加速度データも、デジタル信号処理部１０８に入力される。

デジタル信号処理部１０８は、式(3)の演算やV_cmpとV_th1の比較を行う。

デジタル信号処理部１０８は、V_cmp≧V_th1となれば、送受切替スイッチ１０２に対して制御信号を送信し、送信モードに切り替え、ＤＡＣ１１０に対して送信信号を送信し、ループアンテナ１１からデータを送信させる。つまり、V_cmp≧V_th1なら、携帯端末装置１が無線通信エリアに存在すると判定されたこととなる。

［第２の実施例］
図５は、携帯端末装置１の構成の別な一例を示すブロック図である。
第１の実施例で説明したように、加速度センサでgを検出することによって、磁界を利用したエリア限定通信が可能になる。

しかし、加速度センサを常時動作させるのは非効率なので、動作が必要無い時は待機状態になっていることが望ましい。
そこで、速度センサは通常待機状態になっているものとする。

また、次式の満たす第２の閾値V_th2を適切に設定する。

そしてV_rcv≧V_th2となった時だけ加速度センサ１０９を駆動し、gを検出し、cosθを算出し、V_cmpを算出し、V_th1との大小関係を比較し、ユーザが磁界源の上方近傍に居るか居ないかを判定するものとする。

第２の実施例を実現するには、例えば図５に示したように、V_rcvとV_th2の比較をデジタル信号処理部１０８で行い、V_rcv≧V_th2となった場合に、待機状態の加速度センサ１０９に対してトリガ信号を送信して加速度センサ１０９を起動し、加速度データを受信すれば良い。

［第３の実施例］
ここでは、重力加速度ベクトルgの測定結果からcosθを算出する方法の一例を説明する。

図１のような座標系を設定する。携帯端末装置１には、３軸の加速度センサが搭載されており、携帯端末装置１に固定された座標系である座標系(x,y,z)におけるgの成分(g_x(t),
g_y(t),g_z(t))を検出できるものとする。

gは時間に依存しないが、ユーザが携帯端末装置１は回転しうるので、g_x(t),g_y(t),g_z(t)は一般に時間に依存することに注意する。

ただし、gの大きさを表す

は時間に依存せず、常に一定である。

図１に示したように、ループアンテナ１１の法線ベクトルは、z軸に平行である。したがって、ループアンテナ１１の単位法線ベクトルdを(x,y,z)系で成分表示すると、

となる。

内積の性質を利用すると、dとgの間には次式が成立することがわかる。

ここでθは、dとgがなす角度である。

結局、式(6)と式(7)より、

が導かれる。したがって、式(8)を利用すれば、加速度センサが検出した(g_x(t),g_y(t),g_z(t))からcosθを算出することができる。

［第４の実施例］
携帯端末装置１に重力以外の外力が加わった場合には、加速度センサは重力加速度g
と外力に応じた加速度b(t)の和a(t)を検出する。したがって、その場合、検出された加速度a(t)からgを抽出する処理が必要になるので、その方法を説明する。

(x,y,z)系における検出加速度a(t)、外力加速度b(t)、重力加速度gの成分をそれぞれ

と表す。

まず、検出加速度の成分情報から、次式により検出加速度の絶対値を算出する。

一般に外力加速度のスペクトルは広い周波数にまたがっているので、低周波成分の寄与は小さい。それに対し、重力加速度は直流成分のみを有する。

したがって、式(10)で表される検出加速度の絶対値|a(t)|に対して適当なローパスフィルタリングを施すと、

となり、gの大きさを抽出することができる。

次に、a_z(t)からg_z(t)を抽出する方法を説明する。
前述のように、gは時間的に一定であるが、g_z(t)は時間に依存する。
この時間依存性は、携帯端末装置１の回転に伴うものである。

携帯端末装置１の回転速度は一般的に遅いので、g_z(t)のスペクトルは低周波側に集中している。

一方、前述のように、b_z(t)のスペクトルは広い周波数にまたがっていると考えられ
るので、b_z(t)においても低周波成分の寄与は小さい。したがって検出加速度のz成分

に対して適当なローパスフィルタリングを施すと、

となり、g_z(t)を抽出することができる。

以上の手続きで得られた式(11)と式(13)を利用して、式(8)の演算を行うことにより
、つまり、次式の演算を行うことにより、

携帯端末装置１に重力以外の外力が働いたとしても、cosθの値を正しく算出することができる。

１…携帯端末装置
２…設置端末
１１…ループアンテナ
１２…ＩＣ
１０１…バラン
１０２…送受切替スイッチ
１０３…バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１０４…負荷抵抗
１０５…アンプ
１０６…振幅検出回路
１０７…ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）
１０８…デジタル信号処理部
１０９…加速度センサ
１１０…ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）

Claims (5)

1. 予め設定された無線通信エリアに配置される設置端末と通信する携帯端末装置であって、
   前記設置端末は、
   重力加速度ベクトルと平行な磁界成分を有する交流磁界を前記無線通信エリアに発生させるものであり、
   前記携帯端末装置は、
   前記交流磁界を検出するループアンテナと、
   前記ループアンテナを含む面の法線ベクトルと重力加速度ベクトルのなす角度θの余弦cosθを検出する手段と、
   前記ループアンテナで検出された電圧振幅V_rcvを前記余弦の絶対値|cosθ|で除算した電圧振幅V _cmp を算出する手段とを備え、
   前記余弦を検出する手段は、
   前記携帯端末装置に固定したｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなる直交座標系を、前記法線ベクトルが前記ｚ軸と平行になるように設定し、
   前記重力加速度ベクトルのｘ成分、ｙ成分、成分をそれぞれg _x 、g _y 、g _z とした場合、前記余弦を次式により算出し、
   

   

   前記電圧振幅V_cmpが予め設定された閾値V_th1以上なら、前記携帯端末装置が前記無線通信エリアに存在すると判定する
   ことを特徴とする携帯端末装置。
2. 前記重力加速度ベクトルを検出する加速度センサ
   を備えることを特徴とする請求項１記載の携帯端末装置。
3. 前記余弦を検出する手段は、
   前記加速度センサで検出された、時間的に変化する加速度ベクトルのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分をそれぞれa_x(t)、a_y(t)、a_z(t)とした場合、前記加速度ベクトルの絶対値|a(t)|を次式により算出し、
   

   

   絶対値|a(t)|とｚ成分a_z(t)にローパスフィルタリングを施し、
   絶対値|a(t)|へのローパスフィルタリングの結果を|a(t)|_LPF、
   ｚ成分a_z(t)へのローパスフィルタリングの結果をa_z(t)_LPF
   とした場合、前記余弦を次式により算出する
   

   

   ことを特徴とする請求項２記載の携帯端末装置。
4. 前記ループアンテナで検出された電圧振幅V_rcvが予め設定された第２の閾値V_th2以上の場合に前記余弦が検出されるように構成された
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の携帯端末装置。
5. 請求項１記載の設置端末と請求項１ないし４のいずれかに記載の携帯端末装置とを備えることを特徴とする無線通信システム。

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