JP5727971B2 - 電界通信システムおよび携帯端末 - Google Patents

Description

本発明は人体などの電界伝達媒体に電界を誘起し、その誘起された電界を検出して通信を行う電界通信システムおよび携帯端末に関するものであり、特に大気中への電磁波の不要放射を抑えつつ、「信号（Signal）」対「雑音（Noise）」比（以下「ＳＮＲ」と記す）を改善（増大）して良好な通信を提供する技術に関する。

近年、電波を空中に伝搬させる無線通信に代わる通信手段として、人体を介して電界を伝搬させる人体通信の研究が活発化してきている（先行技術文献を参照）。これは一対の対向電極を利用して送信内容に応じた電界を人体などの電界伝達媒体に誘起し、別の一対の対向電極を介して人体に誘起された電界を検出して通信内容を受信するものである。

図８は、従来の電界通信システムの構成図である。人体３（ユーザ）は一対の対向電極Ｐ１とＰ２と送受信器ＴＲＸ１で構成された携帯端末３’を携帯しており、環境に埋め込まれるようにして設置された一対の対向電極Ｐ３（人体側電極）とＰ４（環境側電極）にユーザが触れると、電極Ｐ３およびＰ４に同軸ケーブル等の信号ケーブルで接続された送受信器ＴＲＸ２までの通信路が開かれ、送受信器ＴＲＸ１と送受信器ＴＲＸ２の間で通信が行われる。

例えば、送受信器ＴＲＸ２がＩＤ要求信号を送信し、これを送受信器ＴＲＸ１が受信すると、送受信器ＴＲＸ１はＩＤ信号を返信（送信）し、これを送受信器ＴＲＸ２が受信して一組の通信を終える。通信には交番信号を用いるので、各電極は絶縁物で被覆されていてもよい。

符号６は建物の床下等に設けられる、導電性の建物骨材である。符号Ｃ１とＣ２はそれぞれ電極間の寄生容量、Ｃ３'は携帯端末３’の人体側電極Ｐ１と人体３の間の浮遊容量、Ｃ４は設置端末８の人体側電極Ｐ３と人体３の間の浮遊容量、Ｃ５’は携帯端末３’の環境側電極Ｐ２と建物骨材６の間の浮遊容量、Ｃ７は設置端末８の環境側電極Ｐ４と建物骨材６との間の浮遊容量、Ｃ８'は人体３（特に、建物骨材６に近い左脚若しくは右脚部位）と建物骨材６との間の浮遊容量である。送受信器ＴＲＸ１（携帯端末３’側の送受信器）と送受信器ＴＲＸ２（設置端末８側の送受信器）の間の通信は、図９の等価回路で表現できる。符号Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ６は回路節点であり、それぞれ図８中の電極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、建物骨材６に対応する。またＲ１は人体３の等価抵抗である。

図８において、設置端末８が送信状態、かつ携帯端末３’が受信状態の時の信号（電界）の流れについて以下に説明する。設置端末８の人体側電極Ｐ３から送出された電界は適宜、変位電流若しくは電流に姿を変えて破線で経路を示すように浮遊容量Ｃ４、人体３、浮遊容量Ｃ３'、携帯端末３’の人体側電極Ｐ１、受信状態の送受信器ＴＲＸ１、携帯端末３’の環境側電極Ｐ２、浮遊容量Ｃ５'、建物骨材６、浮遊容量Ｃ７を経由して、設置端末の環境側電極Ｐ４に戻る。送信状態の送受信器ＴＲＸ２は上記の電界に送信内容に応じた信号を重畳し、受信状態の送受信器ＴＲＸ１は寄生容量Ｃ１の両端に発生する電圧を検出・増幅することによって、設置端末８から携帯端末３’への通信を行う。携帯端末３’から設置端末８への通信は送受信器ＴＲＸ１を送信状態、送受信器ＴＲＸ２を受信状態に設定することによって、同様に行われる。

特開２００７−１７４５７０号公報

朝日他、社会インフラ化を目指すネットワーク技術「レッドタクトン(RedTacton)」, NTT技術ジャーナル, vol. 19, no.3, pp. 14-17, March 2007.

図８において、設置端末側の送受信器ＴＲＸ２が送信状態の時に、設置端末８の人体側電極Ｐ３から人体３の胴体部へ流入する電流には右脚を経る電流Ｉ１’と、左脚を経る電流Ｉ２'がある。ここで、Ｉ１'とＩ２'の電流の向きは同じ（同相）である。これらの電流は人体３と建物骨材６の間の浮遊容量（Ｃ５'やＣ８'）を介して、建物骨材６に流出する。ここで、浮遊容量Ｃ５'とＣ８'の間には（Ｃ５'≪Ｃ８'）の関係があるので、人体から電流が流出する際に、Ｃ３'−Ｃ１（送受信器ＴＲＸ１）−Ｃ５'を経由する電流I３は少なく、大部分はＣ８'を経由して通信に関与しない無駄な電流Ｉ４となる（Ｉ３≪Ｉ４）。携帯端末３’の送受信器ＴＲＸ１の受信信号量は電流I３の大きさで決まることから、送受信器ＴＲＸ２からの送信出力は有効に利用されていない。

別の観点からは、Ｉ１'とＩ２'（まとめて「往路電流」）が真の「電流」であるのに対して、Ｉ４とＩ３（まとめて「復路電流」）は仮想的な「変位電流」である。往路電流と復路電流の向きは互いに逆向きであるが、変位電流は電磁波の放射を伴わないので、結果的に人体からは往路電流による電磁波が不必要に放射される。以下では人体のモノポールアンテナ・モデルを用いて、放射電磁波の特徴を詳細に説明する。

人体は良導体であるので、図１０（ａ）に示すように、環境側電極Ｐ４や建物骨材６を大地面（導電性）、身長をアンテナ長とするモノポール・アンテナ（図の線状アンテナ７）に見立てることができる。モノポール・アンテナの等価回路は図１０（ｂ）に示すように、抵抗Ｒ０（放射抵抗を含む）、インダクタンスＬ０，キャパシタンスＣ０からなる直列共振回路である。共振周波数ｆ_０とＬ０、Ｃ０の関係は以下の通りである。

ｆ_０＝１/（２π(Ｌ０・Ｃ０)^１/２） （１）

無線通信において、モノポール・アンテナは共振周波数ｆ_０、すなわちアンテナ高（導体長）ｈが波長λの１/４となる周波数で使用される。人体を線状アンテナ近似（導体幅ゼロ）すると、アンテナ高ｈと共振周波数（ｆ_０）には以下の関係が成り立つ。

ｆ_０＝ｃ/（４ｈ） （２）

（２）式に光速：ｃ＝３×１０^８［ｍ/ｓ］、身長：ｈ＝１.７［ｍ］を代入して、
ｆ_０＝４４［ＭＨｚ］
を得る。モノポール・アンテナは概して狭帯域であり、図９（ｃ）に示すように、共振周波数ｆ_０の近傍でアンテナ利得が高くなる。それ故、電界通信システムで使用する周波数帯域がｆ_０に近いと、不必要に電磁波として空気中に放射され易くなる。これは送信出力（信号量）の損失となり、受信信号のＳＮＲの低下要因になるだけでなく、他の通信システムにとって妨害波になるので問題である。

以上まとめると、従来の電界通信システムには、設置端末の送信出力が携帯端末に効率的に供給されないために、携帯端末の入力信号のＳＮＲが悪い（小さい）だけでなく、人体がモノポール・アンテナになるために、設置端末が送信状態の時に不要電磁波を大気中に放射し易い、という課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、不要電磁波の放射を抑えつつ、送信出力の利用効率を改善することにより、高ＳＮＲの電界通信システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電界通信システムは、人体に誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムであって、電界を誘起する若しくは誘起された電界を検出するための一対の対向電極と、当該一対の対向電極を介して信号を送受信する送受信部とを備えた履物型の携帯端末と、人体に誘起された電界を検出する若しくは電界を誘起するための第１の床電極と、該第１の床電極と重ならないように近接配置され、かつ上記第１の床電極と対をなす第２の床電極と、当該第１の床電極と第２の床電極を介して信号を送受信する送受信部とを備えた設置端末とを有することを特徴とする。

また、上記一対の対向電極の寄生容量と反共振回路を構成するインダクタが上記一対の対向電極の間に接続されていてもよい。

また、上記第１の床電極と第２の床電極の間の寄生容量と反共振回路を構成するインダクタが上記第１の床電極と第２の床電極の間に接続されていてもよい。

また、上記携帯端末は、一組の履物の一方に設けられ、上記各対向電極が、当該一方の履物に設けられ、かつ、中敷き形状をしていてもよい。

また、上記一組の履物の他方に中敷き形状のダミー電極が設けられていてもよい。

また、本発明に係る携帯端末は、人体に誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムで使用される携帯端末であって、上記電界通信システムは、人体に誘起された電界を検出する若しくは電界を誘起するための第１の床電極と、該第１の床電極と重ならないように近接配置され、かつ上記第１の床電極と対をなす第２の床電極と、当該第１の床電極と第２の床電極を介して信号を送受信する送受信部とを備えた設置端末を有し、上記携帯端末は、電界を誘起する若しくは誘起された電界を検出するための一対の対向電極と、当該一対の対向電極を介して信号を送受信する送受信部とを備えた履物型の携帯端末であることを特徴とする。

本発明によれば、携帯端末（４）の環境側の対向電極（Ｐ２）を設置端末（９）の環境側の床電極（Ｐ４）に近づけることができるので、浮遊容量（Ｃ５）を浮遊容量（Ｃ８）に比べて十分大きくできる（Ｃ５≫Ｃ８）。その結果、復路電流（Ｉ２）の殆ど全てが送受信器（ＴＲＸ１）の入力部の容量（Ｃ１）を経るので、送受信器（ＴＲＸ２）の送信出力の利用効率が向上して、携帯端末（４）の入力信号のＳＮＲを改善（増大）できる。また、人体（３）の右脚と左脚に大きさが等しく向きが逆の電流（Ｉ１とＩ２）が流れるようにしたので、電流（Ｉ１）が波源となる放射電磁界と電流（Ｉ２）が波源となる放射電磁界が相殺されて、人体（ここでは人体３の脚部）からの不要電磁波の放射を抑えられる。

第１の実施の形態における電界通信システムの構成図である。 第１の実施の形態における電界通信システムの等価回路を示す図である。 第１の実施の形態における携帯端末の詳細図である。 第２の実施の形態における電界通信システムの構成図である。 第２の実施の形態における電界通信システムの等価回路を示す図である。 第２の実施の形態における右靴の詳細図である。 第１および第２の実施の形態における電界通信システムの床電極の例を示す図である。 従来の電界通信システムの構成図である。 従来の電界通信システムの等価回路を示す図である。 モノポール・アンテナの周波数特性を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態における電界通信システムを図１に示す。人体３（ユーザ）は一対の対向電極Ｐ１とＰ２（単に電極ともいう）と送受信器ＴＲＸ１が内蔵された履物型の携帯端末４（ここでは説明の都合により靴型）を装着しており、環境に埋め込まれるようにして設置された一対の床電極Ｐ３とＰ４（単に電極ともいう）のそれぞれにユーザが両足で触れると、対向電極Ｐ３およびＰ４に同軸ケーブル等の信号ケーブルで接続された送受信器ＴＲＸ２までの通信路が開かれ、送受信器ＴＲＸ１と送受信器ＴＲＸ２の間で通信が行われる。

例えば、送受信器ＴＲＸ２がＩＤ要求信号を送信し、これを送受信器ＴＲＸ１が受信すると、送受信器ＴＲＸ１はＩＤ信号を返信（送信）し、これを送受信器ＴＲＸ２が受信して一組の通信を終える。通信には交番信号を用いるので、各電極は絶縁物で被覆されていてもよい。

符号Ｃ１とＣ２はそれぞれ電極間の寄生容量、Ｃ３は携帯端末４の人体側の対向電極Ｐ１（人体側電極Ｐ１ともいう）と人体３の間の浮遊容量、Ｃ４は設置端末９の人体側の床電極Ｐ３（人体側電極Ｐ３ともいう）と人体３の間の浮遊容量、Ｃ５は携帯端末４の環境側の対向電極Ｐ２（環境側電極Ｐ２ともいう）と設置端末９の環境側の床電極Ｐ４（環境側電極Ｐ４ともいう）との間の浮遊容量、Ｃ８は設置端末９の環境側電極Ｐ４と人体３との間の浮遊容量である。

また、一対の対向電極Ｐ１とＰ２の間に接続したインダクタＬ１は、電極間の寄生容量Ｃ１と反共振回路を構成している。Ｌ１とＣ１の反共振周波数を人体通信に用いるキャリア周波数に選ぶことにより、送受信器ＴＲＸ１の入力インピーダンスが不必要に低くなり、受信信号量が減ってＳＮＲが低下することを防止できる。設置端末９の一対の対向電極Ｐ３とＰ４の間に接続したＬ２にも同様の目的および効果がある。

携帯端末４側の送受信器ＴＲＸ１と設置端末９側の送受信器ＴＲＸ２の間の通信は、図２の等価回路で表現できる。符号Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は回路節点であり、それぞれ図１中の電極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に対応する。またＲ１は人体３の等価抵抗である。

図１に戻り、設置端末９が送信状態、かつ携帯端末４が受信状態の時の信号（電界）の流れについて以下に説明する。設置端末９の人体側電極Ｐ３から送出された電界は適宜、変位電流若しくは電流に姿を変えて破線で経路を示すように浮遊容量Ｃ４、人体３、浮遊容量Ｃ３、携帯端末の人体側電極Ｐ１、受信状態の送受信器ＴＲＸ１、携帯端末４の環境側電極Ｐ２、そして浮遊容量Ｃ５を経由して、設置端末９の環境側電極Ｐ４に戻る。送信状態の送受信器ＴＲＸ２は上記の電界に送信内容に応じた信号を重畳し、受信状態の送受信器ＴＲＸ１はＣ１の両端に発生する電圧を検出・増幅することによって、設置端末９から携帯端末４への通信を行う。携帯端末４から設置端末９への通信は送受信器ＴＲＸ１を送信状態、送受信器ＴＲＸ２を受信状態に設定することによって、同様に行われる。

本実施の形態では、携帯端末４の環境側電極Ｐ２を設置端末９の環境側電極Ｐ４に限界まで近づけることが出来るので、浮遊容量Ｃ５の容量値の変動が少なく、かつＣ５の容量値を浮遊容量Ｃ８に比べて十分大きくできる。後者の理由により、人体３を流れる電流Ｉ２の殆ど全てがＣ３−Ｃ１（送受信器ＴＲＸ１）−Ｃ５を経由して環境側電極Ｐ４に流れ込むので、送受信器ＴＲＸ２の送信出力の利用効率を最大化できる。さらに、右脚を流れる真の電流Ｉ１と左脚を流れる真の電流Ｉ２は大きさが等しく、向きが反対であるので、Ｉ１が波源となる放射電磁界とＩ２が波源となる放射電磁界が相殺し合い、人体から不要電磁波が放射されないという利点がある。

図３は第１の実施の形態における、携帯端末４が内蔵された履物（左靴）の構造を示す図である。靴の中敷き形状の対向電極Ｐ１とＰ２を靴の底部（足裏全面）に設けることにより、図１の電界通信システムを構築できる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態における電界通信システムを図４、その等価回路を図５に示す。第１の実施の形態との違いは、一組の履物（ここでは説明の都合から靴）の片側、すなわち送受信器ＴＲＸ１が内蔵されない側に一組のダミー電極Ｐ５とＰ６を内蔵したことである。ダミー電極Ｐ５とＰ６は図示しないが導線を用いて相互接続されている。これらのダミー電極Ｐ５とＰ６を設けることにより、ダミー電極Ｐ５とＰ６間の距離だけ、設置端末９の人体側電極Ｐ３と人体３の距離を短縮できるので、電極Ｐ３と人体３の間の浮遊容量を低減できる。これにより、送受信器ＴＲＸ２の送信出力の損失が減るので、送受信器ＴＲＸ１が受信する信号量を増大できる。電極Ｐ３と人体３の間の浮遊容量は図３中の電気記号を用いて、次式の左辺の様に表わされ、既述のＣ４とは同式３の関係がある。

Ｃ４'・Ｃ６/（Ｃ４'＋Ｃ６） ＞ Ｃ４ （３）

図６は第２の実施の形態における、ダミー電極Ｐ５とＰ６が内蔵された右靴５の構造を示す図である。靴の中敷き形状のダミー電極電極Ｐ５とＰ６を右靴５の底部（足裏全面）に設けることにより、図４の電界通信システムを構築できる。なお、靴の質量に制限がない（重くなっても構わない）場合は導線を用いる代わりに、ダミー電極電極Ｐ５とＰ６の間の空間を導電材料で埋めてもよく、同等の効果を得られる。

図７（ａ）は第１の実施の形態および第２の実施の形態における、一対の床電極の構成（形状）を示す上面図である。右足を床電極Ｐ３、左足を床電極Ｐ４に乗せる（踏む）ことにより、履物型携帯端末４と、当該床電極Ｐ３とＰ４に接続された設置端末９の間で通信が可能である。図７（ｂ）は図７（ａ）の床電極Ｐ３とＰ４の変形例であり、各床電極は複数の電極片から構成してもよい。ここで図示されていないが、各電極片は導線等で相互に接続されている。図７（ｃ）〜（ｆ）はその他の変形例を示す図である。各電極は同図のように分割構成されていてもよいし、一方が他方を囲むように構成されていてもよい。これらは、形状が異なるだけで、履物型携帯端末との通信に用いる床電極としての機能は同じである。

なお、本発明の第１の実施の形態および第２の実施の形態には種々の変形例が考えられる。例えば、床面を壁面、履物を手袋に置き換えれば、壁面に設置された一対のタッチ型電極に手袋型携帯端末で触れて通信を行う、電界通信システムを実現できる。通信の際に右腕を流れる電流と左腕を流れる電流は大きさが等しく、流れる方向が逆であるので、やはり人体から不要電磁波の放射はない。

３ 人体（導電性）
３’、４ 携帯端末
８、９ 設置端末
５、５’ 右靴
６ 建物骨材
７ 線状アンテナ
Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ４’、Ｃ５、Ｃ５’、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ８'
容量（キャパシタンス）
ｆ_０ アンテナの共振周波数
Ｉ１、Ｉ１’、Ｉ２、Ｉ２’ 電流
Ｉ３、Ｉ４ 変位電流
Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２ インダクタ（インダクタンス）
Ｐ１、Ｐ３ 人体側電極（対向電極、床電極）
Ｐ２、Ｐ４ 環境側電極（対向電極、床電極）
Ｐ５、Ｐ６ ダミー電極
Ｒ０、Ｒ１ 抵抗
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８ 回路節点
ＴＲＸ１ 携帯端末３’、４の送受信器
ＴＲＸ２ 設置端末８、９の送受信器

Claims (6)

1. 人体に誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムであって、
   電界を誘起する若しくは誘起された電界を検出するための一対の対向電極と、当該一対の対向電極を介して信号を送受信する送受信部とを備えた履物型の携帯端末と、
   人体に誘起された電界を検出する若しくは電界を誘起するための第１の床電極と、該第１の床電極と重ならないように近接配置され、かつ上記第１の床電極と対をなす第２の床電極と、当該第１の床電極と第２の床電極を介して信号を送受信する送受信部とを備えた設置端末と
   を有することを特徴とする電界通信システム。
2. 上記一対の対向電極の寄生容量と反共振回路を構成するインダクタが上記一対の対向電極の間に接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電界通信システム。
3. 上記第１の床電極と第２の床電極の間の寄生容量と反共振回路を構成するインダクタが上記第１の床電極と第２の床電極の間に接続されている
   ことを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の電界通信システム。
4. 上記携帯端末は、一組の履物の一方に設けられ、上記各対向電極が、当該一方の履物に設けられ、かつ、中敷き形状をしている
   ことを特徴とする請求項１若しくは請求項２若しくは請求項３記載の電界通信システム。
5. 上記一組の履物の他方に中敷き形状のダミー電極が設けられている
   ことを特徴とする請求項４記載の電界通信システム。
6. 人体に誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムで使用される携帯端末であって、
   上記電界通信システムは、
   人体に誘起された電界を検出する若しくは電界を誘起するための第１の床電極と、該第１の床電極と重ならないように近接配置され、かつ上記第１の床電極と対をなす第２の床電極と、当該第１の床電極と第２の床電極を介して信号を送受信する送受信部とを備えた設置端末を有し、
   上記携帯端末は、
   電界を誘起する若しくは誘起された電界を検出するための一対の対向電極と、当該一対の対向電極を介して信号を送受信する送受信部とを備えた履物型の携帯端末である
   ことを特徴とする携帯端末。

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