JP2014135633A - 人体通信用受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】人体通信では、近傍の電力線や電子機器から誘起される高度の環境ノイズが存在して、有意な電界搬送波を弁別する為に高度の環境ノイズ除去特性が求められる。
電極構成の選択と接続方法により簡易な受信回路を提供する。
【解決手段】受信電極として三層の導電層を設けて、その二層目の電極を受信回路の電気的基準電位点に接続する。人体に接する側の第１の導電層と第２の導電層との間隔は、２層目電極と第３の導電層との間隔より広くとる。第１の導電層と第３の導電層にはより構成される静電容量と搬送周波数に対応する共振インダクタンスを接続して、共振信号を増幅する。
【選択図】図２

Description

本発明は、人体の電界伝搬性を利用した、人体を介在して通信する通信システムの受信機に関する。

近年情報処理機器の技術進捗により小型化・省電力化が進み、人体に携帯が容易な通信機器が実用製品化されて、情報交換のみならず個人認証機能や娯楽機器など生活利便性を向上している。

携帯型の通信機器では、従来から電波又は空間電場を十分な強度で発生させて情報を送信し、電波波長に応じた空中線で受信して情報を得る無線通信形態が用いられてきた。
無線通信技術は、短時間内で広範囲の機器間通信を可能とした。
しかしながら、携帯個人に固有のデータなどの秘守情報を取り扱う用途が発展し、情報の暗号化手法や通信対象を特定の機器間に留める手段が実用化されている。

通信対象機器を限定する一手段として、直近範囲又は接触での通信手段があり、かつ人体が高周波電界の導電体となり得る事から、人体を電界伝達媒体とした微弱電力による人体通信が提案されている。

人体通信の具体例を示せば、例えば、特許文献１がある。
これは、送受信電極に一対の導電層と差動増幅器を用いて、人体を介した電界通信を微弱電力で行うことが提案されている。
受信電極には、近傍の電力線や電子機器から誘起される環境ノイズが存在して、有意であるが微弱な電界搬送波を弁別する必要があり、高度の環境ノイズ除去特性が求められる。
環境ノイズで同相成分は、複雑な差動増幅機能により除去される。
高度の差動増幅機能を持たせた受信回路に関して、更に特許文献２に示されている如く複雑な光変換方式が提案されている。

特許第４６５３２００号公報 特開２００１−３５２２９８号公報

本発明は上記のような従来の技術に鑑みて開発されたものであり、受信電極の構成と簡易な受信回路により、人体を介した電界通信での搬送波の検出感度と環境ノイズ除去に有効とする人体通信用受信機を提供するものである。

すなわち本発明は、第１の導電層／第１の絶縁層／第２の導電層／第２の絶縁層／第３の導電層からなる、電界搬送波を検出する為の電極と、前記検出した電界搬送波を増幅する為の受信回路とを備えた、人体を介在して通信する通信システムの受信機であって、
前記第１の導電層が、介在する人体側にあり、前記第２の導電層が、前記回路の基準電位と導通していることを特徴とする人体通信用受信機に関する。

また本発明は、第１の絶縁層の厚みが、第２の絶縁層の厚みより厚く構成されていることを特徴とする上記人体通信用受信機に関する。

また本発明は、第１の絶縁層の厚みが、第２の絶縁層の厚みの２倍から４倍で構成されていることを特徴とする上記人体通信用受信機に関する。

また本発明は、回路が、電界搬送波を検出するためのインダクタンスを有し、第１の導電層と第３の導電層とが、前記インダクタンスに接続されている上記人体通信用受信機に関する。

本発明は、人体通信用受信機で重要な必要案件である環境ノイズ除去を、簡易な共振回路と中間電極の配線とで行い、所望方向への距離感度の制御を導電層間隔の配置により簡易に実現するものである。従って、従来必要であった複雑で高級回路である差動増幅器を不要とすることができる。

図１は、本発明の受信機の電極の模式断面図である。 図２は、本発明による電極と受信回路の構成例を示す。 図３は、人体通信での本発明の受信機の使用例のイメージ図である。 図４は、実施例１での第２の導電層位置による電極表裏方向による感度差を示す。ここで前面とは、人体側（第１の導電層側）を表す。 図５は、本発明の受信機の具体的使用例としての受信回路図を示す。 図６は、実施例２での第２の導電層位置による電極表裏方向による感度差を示す。

図１に示した部位に付与した符号と内容を記述する。
１‥人体側の導電層、第１の導電層
２‥人体側の絶縁層、第１の絶縁層
３‥中間の導電層、第２の導電層
４‥裏面側の絶縁層、第２の絶縁層
５‥裏面側の導電層、第３の導電層

本発明について、具体的に説明する。

本発明は、電界通信の受信電極として２層の絶縁層を介在させて導電層を３層設けた少なくとも５層の構造で構成する。
図１は、本発明の受信機の模式電極断面図であり、５層の構造を通信対象の人体に近い配置順に１から５と番号付けをした。それぞれ、第１の導電層、第１の絶縁層、第２の導電層、第２の絶縁層、第３の導電層に対応する。

図２は、本発明の受信機の電極と受信回路との関係を示した構成例であり、第２の導電層を受信回路の電気的基準電位点に接続され、第１の導電層と第３の導電層で成る静電容量値と搬送周波数に合せた共振インダクタンスで構成したものである。
図２による接続により、第１の導電層である電極１と第３の導電層である電極５に誘起された電位差を共振インダクタが検出する。
人体通信は、送信機と受信機の間で人体を介在して行う情報伝達手段であり、図３に実施例の模式図を示す。

第１の導電層と第２の導電層と第３の導電層に誘起される電位は、外部信号源からの距離に反比例して減衰した値とみなせる。誘起電位を考えるに、電界強度を示す下記簡易式がマクスウェルの電磁方程式から導かれ一般に使われており、参照できる。

ここで、電界強度Ｅ（μＶ）、距離ｄ（ｍ）、アンテナ利得Ｇ（ｄｂ）、送信出力Ｐ（Ｗ）である。

今、外部信号発生源と第１の導電層との距離をＤとし、第１の導電層と第３の導電層の間隔をｇとするならば、第１の導電層と第３の導電層に誘起される電位の差分をとると、間隔ｇに比例して距離Ｄの２乗に反比例する電位差が得られる。但し電極間隔ｇは距離Ｄと比較して無視できる小さな値とする。

従って、第１の導電層と第３の導電層の電位差（Ｅ₁−Ｅ₅）を取ると、発生源の比較的離れた環境ノイズより信号発生源の近い人体通信の微弱電界が有利に得られる事が示される。
しかしながら、電位差を取る回路の基準電位点を一般的な大地とするならば、先行文献（文献１及び文献２）で述べられている通りに高い同相電位が重畳しており、同相電位を除去して電位差を取るには高度な差動増幅機能が必要であった。

本発明では、第１の導電層と第３の導電層の中間に第２の導電層とした中間導電層を設けて、第２の導電層を受信回路の電気的基準電位点に接続して電位差を取る回路の基準点とする。このために、第１の導電層と第２の導電層と第３の導電層の各々に略同様に重畳する環境ノイズを除く事が出来る。

更に、第１の導電層と第２の導電層と第３の導電層の相互間隔が電極方向による受信感度に影響することが、上記式で同様に示される。
従って、第１の絶縁層の厚み（人体側の第１の導電層と第２の導電層の間隔）を第２の絶縁層の厚み（後方の第２の導電層と第３の導電層の間隔）より大きく取ることにより、所望する人体側への受信感度を高くし、好ましくない後方の感度を低下させる事が可能となる。

本発明では、人体側になる第１の絶縁層の厚みと裏面側になる第２の絶縁層の厚みを変更する事で、導電層間隔比率が２から４が好ましい事を明らかにする。

前記受信電極において、人体に沿って配置が可能とする柔軟性のある導電層および絶縁層で構成される事が好ましい。

また、前記受信電極が、人体に直接接触させて使用される場合は、第１の導電層と人体との間に絶縁層が設けられていることが好ましい。

本発明の受信回路は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、さらに、復調機能などのそのほかの機能が付加されていてもよい。

本発明に従い、電極を銅箔貼りガラスエポキシ基板上で構成した例を述べる。

＜電極評価方法＞
搬送波信号源として、Ｗａｖｅ Ｆａｃｔｒｙ社のＷＦ１９４３型信号発生器により正弦波８ＭＨｚを１．２Ｖｒｍｓで発生させた。
３ｃｍ×４ｃｍ厚さ１．６ｍｍの両面銅箔貼りガラスエポキシ材（ＦＲ-４）を使用して二層の電導層から成る送信電極を有する送信機を電場発生源とした。
受信機は、図５に示す受信電極と電気回路からなり、２段目トランジスタの入力電圧であるベース電圧（２段目ＴｒＶ）を測定した。
受信電圧測定として、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社のＴＤＳ３０３２型オシロスコープにより、前項の実効値電圧を測定した。
電場発生源に接続した送信電極と受信回路に接続した受信電極の配置は、相対して並行に配置し、受信電極の位置を平行移動させることで送信電極と受信電極との距離を設定した。
受信機の受信能力の評価は、送信電極と受信電極との距離に応じて、得られる測定電圧との対比で判断した。

＜電極製作方法＞
図１の構造を持つ３層電極を、銅箔貼りガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）を用いて製作した。銅箔部分が電極に相当し、ガラスエポキシ材部分が絶縁層に相当する。
電極寸法は４ｃｍ×５ｃｍとし、絶縁層厚さを１．６ｍｍ、０．８ｍｍ、０．３ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１ｍｍとして組合わせた。第１の絶縁層の厚み：第２の絶縁層の厚みである導電層の間隔比率を２：１、４：１、５．３：１、８：１、１６：１と変えた。

図４に結果を示すごとく、導電層の間隔比率が２：１から４：１で有意な表裏方向の感度特性が得られた。
前記電場発生源とした送信電極の位置から、前記製作した受信電極までの間に設定した距離により、前記受信電極の前面側で感度曲線が上昇し、裏面側で減衰する効果が得られ、人体通信の電界通信受信に適している事が明瞭である

前記送受信システムにおいて、搬送波信号発生器の代りに搬送波の発生とテスト信号により変調波を出力する機能を持つマイクロコンピュータを用い、オシロスコープを外して受信回路の信号出力端子にコンピュータの直列信号入力端子を接続する事で、８ＭＨｚ搬送波によるテストデータ通信が人体経由で確認できた。

本発明に従い、電極を人体通信に相応しい柔軟な材料で構成した例を述べる。

＜電極評価方法＞
実施例１と同一である。

＜電極製作方法＞
図１の構造を持つ電極において、導電層としてトーヨーケム株式会社製、柔軟導電シート（０．１７Ω／□）を用い、絶縁層として東洋アドレ株式会社製社発泡粘着シート（比誘電率１．９（０．８ＧＨｚ）、弾性率１００，０００（Pa・２５℃））を使用した。
電極寸法は４ｃｍ×５ｃｍとし、絶縁層厚さを０．６ｍｍ及び１．２ｍｍとして組み合わせて、導電層の間隔比率を１：１及び２：１と変えた。

図６に結果を示すごとく、導電層の間隔比率１：１と２：１で顕著な表裏の感度特性が確認でき、実施例１での導電層の間隔比率２：１で得た優位性が再現できた。
導電層の間隔比率１：１は均等の中間位置であり、感度特性も表裏同一で距離に反比例している。
導電層の間隔比率２：１は、前面側で感度曲線が向上し、裏面側での減衰が大きく、人体通信の電界通信受信に適している事が確認出来た。

実施例１と同じく、搬送波の発生とテスト信号により変調波を出力する機能を持つマイクロコンピュータと、受信回路の信号出力端子にコンピュータの直列信号入力端子を接続する事で、８ＭＨｚ搬送波によるテストデータ通信が人体経由で確認できた。

Claims (4)

1. 第１の導電層／第１の絶縁層／第２の導電層／第２の絶縁層／第３の導電層からなる、電界搬送波を検出する為の電極と、前記検出した電界搬送波を増幅する為の回路とを備えた、人体を介在して通信する通信システムの受信機であって、
   前記第１の導電層が、介在する人体側にあり、前記第２の導電層が、前記回路の基準電位と導通していることを特徴とする人体通信用受信機。
2. 第１の絶縁層の厚みが、第２の絶縁層の厚みより厚く構成されていることを特徴とする請求項１記載の人体通信用受信機。
3. 第１の絶縁層の厚みが、第２の絶縁層の厚みの２倍から４倍で構成されていることを特徴とする請求項２記載の人体通信用受信機。
4. 回路が、電界搬送波を検出するためのインダクタンスを有し、第１の導電層と第３の導電層とが、前記インダクタンスに接続されている請求項１〜３いずれか記載の人体通信用受信機。

Images