JP4234177B2 - 人体経由情報伝達システム及び送受信器 - Google Patents

Description

本発明は、人体を介して情報伝達行う人体経由情報伝達システム及び送受信器に関する。

近年、人体を伝送路として利用した通信が盛んに提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
図６は、特許文献１に記載された人体経由情報伝達システムのシステム構成図である。図６において、人体４０１の一方の腕には、送信器４０２が装着され、他方の腕には受信器４０５が装着されている。送信器４０２の一方の電極４０３は人体４０１に接触又は静電容量結合し、他方の電極４０４は人体４０１の外側に向けて取り付けられている。また、受信器４０５の一方の電極４０６は人体４０１に接触又は静電容量結合し、他方の電極４０７は人体４０１の外側に向けて取り付けられている。
信号線側においては、送信器４０２は、電極４０３、人体４０１及び電極４０６を介して受信器４０５に接続されている。また、基準電位線（例えば接地電位）側においては、受信器４０５は、破線で示すような静電容量結合による経路によって、電極４０７、基準電位点（例えば、接地）、電極４０４を介して送信器４０２に接続されている。

以上のように構成された人体経由情報伝達システムにおいては、送信器４０２から送信された信号は、電極４０３、人体４０１及び電極４０６を介して受信器４０５に伝達される。このようにして、送信器４０２から出力された信号を受信器４０５に伝達させることが可能であるが、静電容量結合を利用する距離が長いため信号伝達動作が不安定であり又、電極４０３、４０４、４０６、４０７の面積を大きくする必要があるため小型化が困難という問題がある。

図７は、特許文献２に記載された人体経由情報伝達システムのシステム構成図である。図７において、人体５０１の腕には、送信器５０２が取り付けられ、指には受信器５０５が取り付けられている。送信器５０２の一方の電極５０３は人体５０１に接触又は静電容量結合し、他方の電極５０４は人体５０１の外側に向けて取り付けられている。また、受信器５０５の一方の電極５０６は人体５０１に接触又は静電容量結合し、他方の電極５０７は人体５０１の外側に向けて取り付けられている。
信号線側においては、送信器５０２は、破線で示すような静電容量結合の経路により、電極５０４、電極５０７を介して受信器５０５に電気的に接続されている。また、基準電位線（例えば、接地電位）側においては、受信器５０５は電極５０６、人体５０１及び電極５０３を介して送信器５０２に接続されている。

以上のように構成された人体経由情報伝達システムにおいては、送信器５０２から送信された信号は、静電容量結合による経路によって、電極５０４及び電極５０７を介して受信器５０５に伝達される。このようにして、送信器５０２から出力された信号を受信器５０５に伝達させることが可能であるが、電極５０４及び電極５０７の双方を人体５０１の外側に向けて取り付けた構成であるため、人の動作によって静電容量結合の強度が変化し信号伝達動作が不安定になるという問題がある。また、送信器５０２及び受信器５０５間の距離を長く出来ないという問題がある。

図８は、特許文献３に記載された人体経由情報伝達システムのシステム構成図である。図８において、人体６０１の一方の腕には第１の通信器６０２が装着されている。基準電位（例えば、接地電位）に接続された導体の支柱６０８には、第２の通信器６０５が取り付けられている。通信器６０２の２つの電極６０３、６０４は、人体６０１に接触又は静電容量結合している。また、通信器６０５の一方の電極６０６は空間に向けて取り付けられ又、他方の電極６０７は支柱６０８に電気的に接続するように取り付けられている。
信号線側においては、通信器６０５は、電極６０６、人体６０１及び電極６０４を介して通信器６０２に接続される。また、基準電位線（例えば接地電位）側においては、通信器６０２は、電極６０３、人体６０１、破線で示す静電容量結合による経路、基準電位（接地電位）、支柱６０８及び電極６０７を介して通信器６０５に接続されている。

以上のように構成された人体経由情報伝達システムにおいては、人体６０１の指先を電極６０６に接触させると、通信器６０５は、電極６０６、人体６０１及び電極６０４を介して通信器６０２に情報を送信する。尚、このとき、２つの電極６０３、６０４は人体６０１に接触又は静電容量結合するように取り付けられているが、電極６０３と電極６０４との間は短絡されているわけではなく、ある程度の大きさのインピーダンスが存在しているため、通信器６０５から出力された信号を通信器６０２に伝達させることが可能である。
しかしながら、図８のシステムは、ＩＤタグとしての用途を目的とするシステムであるため、一方の通信器のみを人体に装着して使用するように構成されており、複数の通信器を人体に装着し、該複数の通信器間で通信を行うような構成は考慮されていない。

米国特許第５９１４７０１号公報第１欄第６０行目〜第６欄第３７行目、図１〜図４ 特許第３４２５３４７号公報段落［００３４］〜［００４６］、図１〜図３ 特開２００１−３０８８０３号公報段落［００１９］〜［００３０］、図１〜図６

本発明は、人体を介して複数の通信手段間で情報伝達を行う人体経由情報伝達システムにおいて、前記複数の通信手段を人体に取り付けて使用するように構成すると共に、情報伝達をより安定して行えるようにすることを課題としている。
また、本発明は、前記人体経由情報伝達システムにおいて、構成を簡単にすることを課題としている。
また、本発明は、前記人体経由情報伝達システムを構築するに好適な送受信器を提供することを課題としている。

本発明によれば、人体を介して複数の通信手段間で情報伝達行う人体経由情報伝達システムにおいて、人体の内側に向けて配置され前記人体に接触又は静電容量結合する第１、第２の電極を有し前記人体に取り付けて使用する第１の通信手段と、人体の内側に向けて配置され前記人体に接触または静電容量結合する第３の電極と前記人体の外側に向けて配置された第４の電極を有し前記人体に取り付けて使用する第２の通信手段とを備え、前記第１の電極と前記第３の電極は前記人体を介して電気的に接続されると共に、前記第２の電極と前記第４の電極は静電容量結合によって電気的に接続されることにより、前記第１、第２の通信手段間で通信が行われることを特徴とする人体経由情報伝達システムが提供される。

人体に接触又は静電容量結合する第１、第２の電極を有する第１の通信手段と、前記人体に接触または静電容量結合する第３の電極と前記人体の外側に向けて配置された第４の電極を有する第２の通信手段は前記人体に取り付けて使用される。前記第１の電極と前記第３の電極は前記人体を介して電気的に接続され、前記第２の電極と前記第４の電極は静電容量結合によって電気的に接続され、これにより、前記第１、第２の通信手段間での通信が行われる。

ここで、前記第１の通信手段と前記第２の通信手段間では前記人体の生体情報が伝達されると共に、前記第１の通信手段の第１、第２の電極は、前記人体の生体情報を検出する電極と前記生体情報の伝達を行う電極とに兼用されて成るように構成してもよい。
また、前記第１の通信手段と前記第２の通信手段間の通信で使用するキャリア信号の周波数は、前記人体の生体情報の周波数とは異なる周波数に設定されて成るように構成してもよい。

また、前記キャリア信号の周波数は５ＭＨｚ〜４５ＭＨｚの範囲内の周波数であるように構成してもよい。
また、前記生体情報は心拍の情報であるように構成してもよい。
また、前記第１の通信手段はチェストバンドによって前記人体に取り付けられているように構成してもよい。

本発明に係る人体経由情報伝達システムによれば、静電容量結合する距離を短くすることが可能になるので、情報伝達動作をより安定させることが可能になる。
また、生体情報の検出に使用する電極と通信に使用する電極を共用することにより、新たな通信手段を設ける必要が無くなり、簡単な構成で、廉価に構成することが可能になる。
また、本発明によれば、前記人体経由情報伝達システムを構築するに好適な送受信器を提供することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態に係る人体経由情報伝達システム及び送受信器について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る人体経由情報伝達システムのシステム構成図であり、人体経由情報伝達システムとして心拍計システムの例を示している。
また、図２は送受信器１０２の詳細ブロック図であり又、図３は受信器１０６の詳細ブロック図である。尚、図１〜図３において同一部分には同一符号を付している。

図１〜図３において、第１の通信手段としての送受信器１０２及び第２の通信手段としての受信器１０６は、ともに人体１０１に取り付けて使用される。人体１０１の胸部には、送受信器１０２がチェストバンド１１０によって取り付けられている。人体１０１の一方の腕（例えば、左腕の手首）には受信器１０６が取り付けられている。
送受信器１０２は、送受信器本体１０３、人体１０１に接触又は静電容量結合する第１の電極１０４及び人体１０１に接触又は静電容量結合する第２の電極１０５を有している。また、受信器１０６は、受信器本体１０７、人体１０１に接触又は静電容量結合する第３の電極１０８及び人体１０１の外側（人体１０１とは反対側）に向けて配置された第４の電極１０９を有している。

第１の電極１０４と第３の電極１０８は人体１０１（主として胸部及び受信器１０６を取り付けた腕である左腕）を介して電気的に接続されると共に、第２の電極１０５と第４の電極１０９は破線で示すように静電容量結合によって電気的に接続されている。これによって、送受信器１０２と受信器１０６間での通信が可能なように構成されている。
即ち、信号線側においては、送受信器１０２は、電極１０４、人体１０１及び電極１０８を介して受信器１０６に接続されている。また、基準電位線（例えば接地電位）側においては、受信器１０６は、破線で示すような静電容量結合による経路によって、電極１０９、人体１０１及び電極１０５を介して送受信器１０２に接続されている。
電極１０４や電極１０５が人体に接触するように取り付けられた場合や、人体に静電容量結合するように取り付けられた場合のいずれの場合でも、電極１０４と電極１０５との間は短絡されているのではなく、インピーダンスが存在しているため、送受信器１０２と受信器１０６との間の信号伝送が可能になる。

送受信器本体１０３は、第１の電極１０４で受信した信号を増幅して出力する増幅部２０１、増幅部２０１の出力信号中の所定周波数の信号を通過するフィルタ（本実施の形態では低域フィルタ）２０２、フィルタ２０２の出力信号から心拍信号を検出する心拍検出部２０３、心拍検出部２０３で検出した心拍信号に基づいて心拍数を算出して心拍数を表す心拍数データ信号を出力する第１の演算処理部２０４、心拍数データ信号を変調して出力する変調部２０５、変調部２０５で変調された心拍数データ信号を電極１０４から出力するデータ送信部２０６を有している。

フィルタ２０２は心拍信号以外のノイズ信号を除去するためのフィルタである。また、変調部２０５が心拍数データ信号を変調するために使用するキャリア信号の周波数、即ち、送受信器１０２と受信器１０６間の通信で使用するキャリア信号の周波数は、心拍信号の周波数と異なるように設定されている。これにより、送受信器１０２と受信器１０６間で通信される信号と心拍信号とが混信しないように構成されている。尚、前記キャリア信号の周波数の決定方法については後述する。

受信器本体１０７は、第３の電極１０８で受信した心拍数データ信号を増幅して出力する増幅部３０１、増幅部３０１の出力信号を復調する復調部３０２、記憶手段としてのメモリ３０４、表示手段としての表示部３０５、復調部３０２で復調した心拍数データ信号から心拍数を得て該心拍数をメモリ３０４に記憶すると共に、前記心拍数を表示部３０５に表示処理する第２の演算処理部３０３を有している。

以上のように構成された心拍計システムにおいて、送受信器１０２が検出モードにある場合、増幅部２０１は、電極１０４で受信（検出）した心拍信号を増幅して出力する。フィルタ２０２は、増幅部２０１の出力信号中の所定周波数の信号を通過して出力する。心拍検出部２０３は、フィルタ２０２の出力信号から心拍信号を検出して出力する。演算処理部２０４は、心拍検出部２０３で検出した心拍信号に基づいて心拍数を算出する。

次に、送受信器１０２が送信モードになると、演算処理部２０４は、心拍検出部２０３で検出した心拍信号に基づいて算出した心拍数を表す心拍数データ信号を変調部２０５に出力する。変調部２０５は、演算処理部２０４からの心拍数データ信号を所定周波数のキャリア信号で変調して出力する。データ送信部２０６は、変調部２０５で変調された心拍数データ信号を電極１０４から出力する。

電極１０４から出力された心拍数データ信号は、人体１０１（主として胸部及び左腕）を通って受信器１０６の第３の電極１０８で受信される。
受信器本体１０７は、電極１０８で受信した心拍数データ信号を増幅部３０１で増幅して出力する。復調部３０２は、増幅部３０１から出力された心拍数データ信号を復調して出力する。第２の演算処理部３０３は、復調部３０２から出力された心拍数データ信号から心拍数を得て、前記心拍数データ信号を受信した順序で、前記心拍数を順次メモリ３０４に記憶すると共に、表示部３０５に該心拍数を表示させる。

以上述べたように、本発明の実施の形態に係る人体経由情報伝達システムは、人体１０１に接触または静電容量結合する２つの電極１０４、１０５を有し人体１０１に取り付けて使用される第１の通信手段としての送受信器１０２と、人体１０１に接触または静電容量結合する１つの電極１０８と人体１０１の外側に向けて配置された１つの電極１０９を有し人体１０１に取り付けて使用される第２の通信手段としての受信器１０６とを備えている。
したがって、静電容量結合する距離をある程度短く構成することが可能になるため、送受信器１０２と受信器１０６間での通信動作がより安定するようになる。

また、送受信器１０２と受信器１０６を、各々、胸と腕に取り付けると共に、人体１０１を経由する信号経路が長いため、静電容量結合による伝送経路が長い場合に比べて、人の姿勢等による影響を低減することが可能になる。
また、送受信器１０２の２つの電極１０４、１０５は、信号の送受信を行なう電極と人体１０１の生体情報を検出する電極とに兼用しているため、簡単な構成で、信号の通信及び生体情報の検出が可能になる。また、新たにＲＦ回路などの通信用回路を設ける必要が無くなり大幅なコストダウンが可能となる。

また、送受信器１０２のキャリア周波数と生体情報（例えば心拍信号）の周波数が異なるように構成しているため、送信信号と生体情報信号との混信抑制することが可能になる等の効果を奏する。
また、送受信器１０２を人体１０１の胸に取り付けると共に、受信器１０６を人体１０１の腕に取り付けるように構成しており、送受信器１０２と受信器１０６間の距離を大きくするような構成が可能である。
また、本発明の実施の形態に係る送受信器１０２によれば、前記人体経由情報伝達システムを構築できると共に、特に、電極を通信用と生体情報検出用とに兼用しているため、構成を簡略化することが可能になるという効果を奏する。

次に、送受信器１０２のキャリア信号周波数の決定方法について説明する。
図４は、前記実施の形態において、送受信器１０２のキャリア周波数を決定する際の説明図である。図４において、図１と同一部分には同一符号を付しており、送受信器１０２から所定距離離れた測定点１１１には測定用のアンテナ（図示せず）が配設される。
また、図５は前記実施の形態の周波数特性を示す特性図であり、実線は、受信器１０６の電極１０８によって送受信器１０２から受信した信号の受信強度を表し、破線は、測定点１１１における前記アンテナによって受信した信号の受信強度を表している。

図４及び図５において、受信器１０６は主として人体を通して送受信器１０２からの信号を受信する。一方、測定点１１１においては、送受信器１０２から空中を伝搬した信号がアンテナで受信し測定される。信号の送信を良好に行うと共に不要輻射を低減するという観点からは、受信器１０６が送受信器１０２から受信した信号の強度は大きく、且つ、測定点１１１における強度は小さい方が好ましい。

本実施の形態では、係る観点から、受信器１０６が送受信器１０２から受信した信号の強度は低下せずに且つ測定点１１１において測定した信号の強度が大きく低下する周波数である５ＭＨｚから、受信器１０６が送受信器１０２から受信した信号の強度が低下開始し且つ測定点１１１において測定した信号の強度があまり上昇しない周波数である４５ＭＨｚの範囲内のキャリア信号を使用するようにしている。
このように、送受信部１０２の変調部２０５が前記心拍数データ信号を変調するために使用するキャリア信号の周波数を、５ＭＨｚ〜４５ＭＨｚの範囲内の周波数とすることにより、受信器１０６は送受信器１０２から一定強度の信号を受信できるため良好な信号伝達が可能になると共に、不要輻射を低く抑えることが可能になる。

尚、前記実施の形態において、送受信器１０２における検出モードと送信モードの切換えは、所定時間毎に自動的に行うようにしてもよく又、送受信器１０２に操作部を設け、使用者が前記操作部を操作することによって、検出モードや送信モードの開始や切換えを操作するように構成する等、種々の変更が可能である。
また、第１の通信手段の例として送受信器１０２をあげ又、第２の通信手段の例として受信部１０６をあげたが、受信部１０６をデータ収集専用のデータロガーとしたり、第１、第２の通信手段の双方を送受信器にしたり、あるいは、第１、第２の通信手段を各々受信器、送受信器とするように構成する等、第１、第２の通信手段間で通信を行うことが可能な構成であれば種々の変更が可能である。

人体経由情報伝達システムとして、心拍計のみならず、脈拍計や歩数計等の生体情報測定システムをはじめとして、人体に装着した複数の通信手段間で通信を行うような各種システムに適用可能である。

本発明の実施の形態に係る人体経由情報伝達システムのシステム構成図である。 本発明の実施の形態に係る人体経由情報伝達システムに使用する送受信器の詳細ブロック図である。 本発明の実施の形態に係る人体経由情報伝達システムに使用する受信器の詳細ブロック図である。 本発明の実施の形態に係る人体経由情報伝達システムの特性を測定する際の図である。 本発明の実施の形態に係る人体経由情報伝達システムの特性を示す特性図である。 従来の人体経由情報伝達システムのシステム構成図である。 従来の人体経由情報伝達システムのシステム構成図である。 従来の人体経由情報伝達システムのシステム構成図である。

符号の説明

１０１ 人体
１０２ 第１の通信手段としての送受信器
１０３ 送受信器本体
１０４ 第１の電極
１０５ 第２の電極
１０６ 第２の通信手段としての受信器
１０７ 受信器本体
１０８ 第３の電極
１０９ 第４の電極
１１０ チェストベルト
１１１ 測定点
２０１、３０１ 増幅部
２０２ フィルタ
２０３ 心拍検出部
２０４ 第１の演算処理部
２０５ 変調部
２０６ データ送信部
３０２ 復調部
３０３ 第２の演算処理部
３０４ 記憶手段としてのメモリ
３０５ 表示手段としての表示部

Claims (6)

1. 人体を介して複数の通信手段間で情報伝達行う人体経由情報伝達システムにおいて、
   人体の内側に向けて配置され前記人体に接触又は静電容量結合する第１、第２の電極を有し前記人体に取り付けて使用する第１の通信手段と、人体の内側に向けて配置され前記人体に接触または静電容量結合する第３の電極と前記人体の外側に向けて配置された第４の電極を有し前記人体に取り付けて使用する第２の通信手段とを備え、
   前記第１の電極と前記第３の電極は前記人体を介して電気的に接続されると共に、前記第２の電極と前記第４の電極は静電容量結合によって電気的に接続されることにより、前記第１、第２の通信手段間で通信が行われることを特徴とする人体経由情報伝達システム。
2. 前記第１の通信手段と前記第２の通信手段間では前記人体の生体情報が伝達されると共に、前記第１の通信手段の第１、第２の電極は、前記人体の生体情報を検出する電極と前記生体情報の伝達を行う電極とに兼用されて成ることを特徴とする請求項１記載の人体経由情報伝達システム。
3. 前記第１の通信手段と前記第２の通信手段間の通信で使用するキャリア信号の周波数は、前記人体の生体情報の周波数とは異なる周波数に設定されて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の人体経由情報伝達システム。
4. 前記キャリア信号の周波数は５ＭＨｚ〜４５ＭＨｚの範囲内の周波数であることを特徴とする請求項３記載の人体経由情報伝達システム。
5. 前記生体情報は心拍の情報であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一に記載の人体経由情報伝達システム。
6. 前記第１の通信手段はチェストバンドによって前記人体に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の人体経由情報伝達システム。

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