JP2016040881A - 検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、電界の検出感度を向上し得る検出装置を提案する。
【解決手段】
本発明の検出装置１は、差動アンプ１１と、当該差動アンプ１１の一方の入力端に接続される第１電極１２と、当該差動アンプ１１の他方の入力端に接続される第２電極１３とを備える。第１電極１２は、誘電体ＤＬ１に覆われる。第２電極１３は、第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の誘電率よりも小さい誘電率を有する誘電体ＤＬ２に覆われる。このような検出装置１が例えば人体の手で握られた場合、人体と第１電極１２との結合が、当該人体と第２電極１３との結合よりも強くなり、第１電極１２と第２電極１３との間には電位差が生じ、差動アンプ１１の利得が高まる。
【選択図】 図１

Description

本発明は検出装置に関し、例えば、人体などの通信媒体に誘起される電界を用いて通信する場合に好適なものである。

従来、人体などの通信媒体に誘起される電界を用いて信号を送受信するカード装置が提案されている（特許文献１参照）。このカード装置では、人体に誘起される電界が、平板状の筺体において対向する面に配置された一対の電極間の電位差として捉えられ、これが差動アンプで増幅される。

特開２００４−２８２７３３号公報

しかしながら、上記特許文献１のカード装置が利用者によって握られた場合、その端末内で平行に配置される一対の電極が人体を介して短絡することによって差動アンプの利得が著しく低下し、電界の検出感度が悪くなる問題があった。

本発明はこのような問題を解決することを目的として、電界の検出感度を向上し得る検出装置を提案する。

かかる課題を解決するため本発明の検出装置は、差動アンプと、前記差動アンプの一方の入力端に接続される第１電極と、前記差動アンプの他方の入力端に接続される第２電極とを備え、前記第１電極は、誘電体に覆われ、前記第２電極は、前記第１電極を覆う誘電体の誘電率よりも小さい誘電率を有する誘電体に覆われることを特徴とする。

このような検出装置では、当該検出装置が例えば人体の手で握られた場合、人体と第１電極との間に介在する誘電体の誘電率が、当該人体と第２電極との間に介在する誘電体の誘電率よりも大きい。このため、人体と第１電極との結合が、当該人体と第２電極との結合よりも強くなり、第１電極と第２電極との間には電位差が生じることになる。したがって、検出装置が人体の手で握られたとしても差動アンプの利得を高めることができ、当該人体を通信媒体として誘起される電界を電位差として良好に捕捉することができる。こうして、電界の検出感度を向上し得る検出装置が実現される。
なお、このような検出装置を防水性の袋に入れて塩水中に配置しても、所定の発振源から発振される交番電界を電位差として良好に捕捉することが本発明者らにより確認されている。

本実施形態における検出装置を示す図である。 検出装置が人体の手で握られた場合における電気的結合の様子を示す図である。 図２における等価回路を示す図である。 他の実施形態における検出装置を示す図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明における実施形態について図面を用いながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の検出装置１を示す図である。図１に示すように、本実施形態の検出装置１は、差動アンプ１１、第１電極１２、第２電極１３、一対の平滑部材１４及び１５を主な構成要素として備える。

第１電極１２は、差動アンプ１１における第１の入力端ＩＮ１に電線２１を通じて接続されており、当該第１電極１２と隙間を隔てることなく誘電体ＤＬ１に覆われる。なお、電線２１のうち第１電極１２の接続端から入力端ＩＮ１の途中部位までの電線部分は、当該電線部分と隙間を隔てることなく誘電体ＤＬ１に覆われる。また、図１では、便宜上、電線２１が平滑部材１４を貫通しているように示されているが、当該電線２１は平滑部材１４を貫通しておらず、一対の平滑部材１４及び１５と誘電体ＤＬ１及びＤＬ２に囲まれる領域を介して差動アンプ１１と第１電極１２とが接続される。

本実施形態の場合、第１電極１２は板状とされ、誘電体ＤＬ１は導電性よりも誘電性が優位となる固形部材とされる。この固形部材の材料としては、例えば、アクリロニトリル(Acrylonitrile)、ブタジエン(Butadiene)及びスチレン(Styrene)の共重合合成樹脂（ＡＢＳ樹脂）、フェノール樹脂、セラミックなどが挙げられる。

第２電極１３は、差動アンプ１１における第２の入力端ＩＮ２に電線２２を通じて接続されており、当該第１電極１２の厚さ方向とは直交方向であって第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の側方に配置される。このように第２電極１３が配置されることで検出装置１を薄厚化することが可能となる。本実施形態の場合、第２電極１３は第１電極１２と同一の形状及び同一の大きさとされ、第１電極１２における広面と第２電極１３の広面とが同じ直線上を通るように、第１電極１２の側方へ並べて配置される。

また、第２電極１３は、当該第２電極１３と隙間を隔てることなく誘電体ＤＬ２に覆われる。なお、電線２２のうち第２電極１３の接続端から入力端ＩＮ２の途中部位までの電線部分は、当該電線部分と隙間を隔てることなく誘電体ＤＬ２に覆われる。

誘電体ＤＬ２は、第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の誘電率よりも小さい誘電率を有するものとされる。本実施形態の場合、誘電体ＤＬ２は、導電性よりも誘電性が優位となる固形部材とされる。この固形部材の材料としては、例えば、誘電体ＤＬ１と同様のものが挙げられ、誘電体ＤＬ１の材料がフェノール樹脂である場合にはＡＢＳ樹脂などが挙げられる。

このような第１電極１２と第２電極１３との相対的な位置関係は固定とされ、検出装置１内での第１電極１２及び第２電極１３の配置位置も固定とされる。

一対の平滑部材１４及び１５は、第１電極１２及び第２電極１３に生じる電荷の分布の偏りを低減して滑らかにする部材であり、当該第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１及び第２電極１３を覆う誘電体ＤＬ２を挟んで対向される。

本実施形態の場合、平滑部材１４及び１５は、誘電性よりも導電性が優位となる固形部材とされる。具体的には、例えば、銅やタングステンなどの単一金属、あるいは、金属同士や金属と炭素とを含む合金などが挙げられる。また、平滑部材１４と平滑部材１５との形状及び大きさは同一とされ、平滑部材１４から第１電極１２及び第２電極１３までの距離と、平滑部材１５から第１電極１２及び第２電極１３までの距離とも同一とされる。

図２は、検出装置１が人体ＨＵの手で握られた場合における電気的結合の様子を示す図である。図２に示すように、人体ＨＵと平滑部材１４との間には静電容量Ｃ１が形成され、当該人体ＨＵと平滑部材１５との間には静電容量Ｃ２が形成される。

なお、検出装置１が人体ＨＵの手で握られているか否かにかかわらず、平滑部材１４と第１電極１２との間には静電容量Ｃａが形成され、当該平滑部材１４と第２電極１３との間には静電容量Ｃｂが形成される。同様に、平滑部材１５と第１電極１２との間には静電容量Ｃａが形成され、当該平滑部材１５と第２電極１３との間には静電容量Ｃｂが形成される。

上述したように、第１電極１２と一対の平滑部材１４及び１５とに介在する誘電体ＤＬ１は、第２電極１３と一対の平滑部材１４及び１５とに介在する誘電体ＤＬ２の誘電率よりも大きい。
このため、第１電極１２と一対の平滑部材１４及び１５との間の静電容量Ｃａは、第２電極１３と一対の平滑部材１４及び１５との間の静電容量Ｃｂよりも大きい。つまり、第１電極１２と一対の平滑部材１４及び１５との結合が、第２電極１３と一対の平滑部材１４及び１５との結合よりも強い状態である。
したがって、一対の平滑部材１４及び１５が人体ＨＵの手で包含されることで、当該人体ＨＵと平滑部材１４との間の静電容量Ｃ１、及び、人体ＨＵと平滑部材１５との間の静電容量Ｃ２が同程度となっても、第１電極１２と第２電極１３との間には電位差が生じることになる。

ところで、一対の平滑部材１４及び１５が省略された場合であっても、第１電極１２と第２電極１３との間には電位差が生じる。
すなわち、一対の平滑部材１４及び１５が省略された場合、人体ＨＵと第１電極１２との間に静電容量が形成され、当該人体ＨＵと第２電極１３との間に静電容量が形成されることになるが、人体ＨＵと第１電極１２との間に介在する誘電体ＤＬ１は、人体ＨＵと第２電極１３との間に介在する誘電体ＤＬ２の誘電率よりも大きい。
このため、人体ＨＵと第１電極１２との間に形成される静電容量は、当該人体ＨＵと第２電極１３との間に形成される静電容量よりも大きい状態となり、一対の平滑部材１４及び１５がある場合と同様に、第１電極１２と第２電極１３との間には電位差が生じることになる。
ただし、一対の平滑部材１４及び１５があるほうが好ましい。例えば、第２電極１３だけを摘むように検出装置１が把持される場合が生じ得る。この場合、一対の平滑部材１４及び１５が省略されていると、第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の誘電率が、第２電極１３を覆う誘電体ＤＬ２の誘電率よりも大きくても、人体ＨＵと第１電極１２との間に形成される静電容量と、当該人体ＨＵと第２電極１３との間に形成される静電容量とが同程度となることが想定し得る。このように、人体ＨＵの持ち方などによって第１電極１２と第２電極１３との間に電位差が生じる場合と生じない場合とを低減する観点では、一対の平滑部材１４及び１５があるほうが好ましい。

なお、図２における等価回路としては図３のようになる。この図３のＲａは差動アンプ１１における一方の入力端ＩＮ１の入力インピーダンスを表し、Ｒｂは差動アンプ１１における他方の入力端ＩＮ２の入力インピーダンスを表している。また、ＥＳは交流電源であり人体ＨＵに相当している。

このように、検出装置１外部に配置される人体ＨＵ等の電気伝導体と第１電極１２及び第２電極１３とで静電容量が形成される場合に、その電気伝導体と第１電極１２とで形成される静電容量と、電気伝導体と第２電極１３とで形成される静電容量とで差が生じるように、第２電極１３を覆う誘電体ＤＬ２の誘電率が第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の誘電率よりも小さくなっている。

以上のとおり、本実施形態における検出装置１では、記第１電極１２が誘電体ＤＬ１に覆われ、第２電極１３が第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の誘電率よりも小さい誘電率を有する誘電体ＤＬ２に覆われる。

このような検出装置１では、当該検出装置１が例えば人体の手で握られた場合、人体と第１電極１２との間に介在する誘電体の誘電率が、当該人体と第２電極１３との間に介在する誘電体の誘電率よりも大きい。

このため、人体と第１電極１２との結合が、当該人体と第２電極１３との結合よりも強くなり、第１電極１２と第２電極１３との間には電位差が生じることになる。したがって、検出装置１が人体の手で握られたとしても差動アンプ１１の利得を高めることができ、当該人体を通信媒体として誘起される電界を電位差として良好に捕捉することができる。こうして、電界の検出感度を向上し得る検出装置１が実現される。

なお、このような検出装置１を防水性の袋に入れて塩水中に配置しても、所定の発振源から発振される交番電界を電位差として良好に捕捉することが本発明者らにより確認されている。このシミュレーションについては後述する。

上記実施形態が例として説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。

例えば上記実施形態では、第１電極１２及び第２電極１３の形状が板状とされた。しかしながら、第１電極１２及び第２電極１３は、例えば球、半球あるいは楕円などの形状を適用することができ、当該形状以外にも様々な形状を幅広く適用することができる。なお、第１電極１２と第２電極１３との形状、あるいは、第１電極１２と第２電極１３との大きさは同じであっても異なっていても良い。
ところで、第１電極１２の表面積が第２電極１３の表面積よりも大きくされた場合、あるいは、第１電極１２の体積が第２電極１３の体積よりも大きくされた場合、検出装置１を覆う人体等の物体と第１電極との結合が、当該物体と第１電極との結合よりも強くなる。このため、上記実施形態の場合に比べて、第１電極１２と第２電極１３との間に生じる電位の差がより一段と大きくなる。したがって、検出装置１における電界の検出感度を向上させる観点では、第１電極１２の表面積が第２電極１３の表面積よりも大きい場合、あるいは、第１電極１２の体積が第２電極１３の体積よりも大きい場合がより好ましい。

また上記実施形態では、第１電極１２とその第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１との間、及び、第２電極１３とその第２電極１３を覆う誘電体ＤＬ２との間には隙間が形成されていなかったが、当該隙間が形成されていても良い。

また上記実施形態では、第２電極１３を覆う誘電体ＤＬ２が固形部材とされた。しかしながら、図４に示すように、誘電体ＤＬ２は空気とされても良い。このように誘電体ＤＬ２が空気とされる場合、第２電極１３が固形部材に覆われることなく、第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の側方の位置で支持される。なお、図４の例では、第２電極１３の側端部が、第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の側面に固着され支持される。
このように誘電体ＤＬ２が空気とされた場合、上記実施形態の場合に比べて、誘電体ＤＬ１の誘電率との差を大きくすることができるため、検出装置１を覆う人体等の物体と第１電極との結合が、当該物体と第１電極との結合よりも強くなる。したがって、検出装置１における電界の検出感度を向上させる観点では、誘電体ＤＬ２が空気とされる場合がより好ましい。

また上記実施形態では、第２電極１３が第１電極１２の厚さ方向とは直交方向であって第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の側方に配置された。しかしながら、第２電極１３は、例えば、誘電体ＤＬ１の側方ではあるが、第１電極１２の側方へ並べて配置されていなくても良い。また、第１電極１２の厚さ方向に配置されていても良い。ただし、検出装置１を薄厚化する観点では、第１電極１２の厚さ方向とは直交方向であって第１電極１２を覆う誘電体ＤＬ１の側方に第２電極１３を配置することが好ましい。

また上記実施形態では、一対の平滑部材１４及び１５の形状が板状とされたが、様々な形状を幅広く適用することができる。なお、平滑部材１４と平滑部材１５との形状、あるいは、平滑部材１４と平滑部材１５との大きさは同じであっても異なっていても良い。また、平滑部材１４及び１５は、第１電極１２及び第２電極１３に生じる電荷の分布の偏りを低減するのであれば、誘電性が導電性よりも優位となる部材であっても良い。ただし、第１電極１２及び第２電極１３に生じる電荷の分布の偏りをより低減する効果を高める観点では、平滑部材１４及び１５が導電性部材とされる場合がより好ましい。さらに、一対の平滑部材１４及び１５は省略されても良いが、上述したように、人体の持ち方などによって第１電極１２と第２電極１３との間に電位差が生じる場合と生じない場合とを低減する観点では、一対の平滑部材１４及び１５があるほうが好ましい。

次に、上記実施形態のシミュレーションに関して説明する。ただし、本発明は、このシミュレーションに限定されるものではない。
＜シミュレーション方法＞
塩分濃度が３．５％の塩水を水槽に貯留し、その水槽の外側に交番電界の発振源としてファンクションジェネレータを配置した。このファンクションジェネレータはGWInstek社製のSFG-2110を使用し、出力電圧を２．５２Ｖとし、周波数を５ＭＨzとした。
また、互いに異なる構造でなる複数の電極対を用意し、これら電極対をそれぞれ別の防水性の袋に入れて塩水中に浸し、当該電極対における電位差をスペクトラムアナライザで測定した。このスペクトラムアナライザはAnritsu社製のMS2721Bを使用した。
電極対としては、第１に、図４に示す第１電極１２及び第２電極１３と、図４に示す誘電体ＤＬ１をＡＢＳ樹脂でなる固形部材とした電極対（以下、第１実施例という）を用意した。第２に、図４に示す第１電極１２及び第２電極１３と、図４に示す誘電体ＤＬ１をフェノール樹脂でなる固形部材とした電極対（以下、第２実施例という）を用意した。第３に、図１に示す第１電極１２及び第２電極１３と、図１に示す誘電体ＤＬ１をフェノール樹脂でなる固形部材とし、図１に示す誘電体ＤＬ２をＡＢＳ樹脂でなる固形部材とした電極対（以下、第３実施例という）を用意した。第４に、一対の平板電極を平行に配置した電極対（以下、比較例という）を用意した。
なお、上記誘電体ＤＬ１及びＤＬ２のサイズは、それぞれ、縦幅４５ｍｍ×横幅５５ｍｍ×厚さ２ｍｍとした。また、上記第１電極１２及び第２電極１３と平板電極とのサイズは、それぞれ、縦幅４０ｍｍ×横幅４０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍとした。
＜シミュレーション結果＞
上述のシミュレーション方法で得た結果を図５に示す。図５に示す実施例１〜実施例３と、比較例との比較から、電極対の一方と他方とを覆う誘電体の誘電率に差を設ければ、当該電極対を塩水中に配置しても交番電界を電位差として良好に捕捉できることが分かった。

なお、検出装置１の各構成要素は、上記実施形態若しくは変形例に示された内容以外に限定されず、本発明の目的を達せできる範囲内において、適宜、省略、変更、周知技術の付加などできる。

本発明は、人体などの電界通信媒体に誘起された電界を用いて通信する分野などにおいて利用可能性がある。

１……検出装置
１１……差動アンプ
１２……第１電極
１３……第２電極
１４，１５……平滑部材

Claims (6)

1. 差動アンプと、
   前記差動アンプの一方の入力端に接続される第１電極と、
   前記差動アンプの他方の入力端に接続される第２電極と
   を備え、
   前記第１電極は、誘電体に覆われ、
   前記第２電極は、前記第１電極を覆う誘電体の誘電率よりも小さい誘電率を有する誘電体に覆われる
   ことを特徴とする検出装置。
2. 前記第１電極を覆う誘電体及び前記第２電極を覆う誘電体を挟んで対向され、前記第１電極及び前記第２電極に生じる電荷の分布の偏りを低減する一対の平滑部材
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記第２電極は、前記第１電極の厚さ方向とは直交方向に配置される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の検出装置。
4. 前記第１電極を覆う誘電体は固形部材であり、前記第２電極を覆う誘電体は空気である
   ことを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
5. 前記第１電極を覆う誘電体は固形部材であり、前記第２電極を覆う誘電体は前記第１電極を覆う誘電体の誘電率よりも小さい誘電率を有する固形部材である
   ことを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
6. 前記第１電極の表面積は、前記第２電極の表面積よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の検出装置。

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