JP5896450B2 - 非接触信号伝送システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、非接触信号伝送システムに関するものであり、より詳細には、環境センシングや状態モニタリングにおける非接触信号伝送システムに関するものである。

最も一般にセンサは、環境や自然現象の機械的、電磁気的、熱的もしくは化学的状態を、入力として感知して、入力に相応する電気信号を出力するものであるから、しばしば、厳しい環境下で使用されるので、物理的、化学的に耐環境性を備えることのほか、ノイズの検出への影響を最小限に抑えると同時にセンサからの出力信号を適切に処理する回路部が必要である。

特に、ＭＥＭＳセンサにおいては、小型化、複雑化が進む中、センサ素子自身以外の要素、例えば電気系である信号処理系を、ＭＥＭＳ内部に設けるのは得策ではない。また、信号処理ユニットは、センサから隔離して配置すれば、厳しい環境にさらされることもなく、その上電気回路であるから、化学的、機械的要素と異なり、比較的寿命が長い。一方、センサは、前述の通り、その目的から、耐環境性が要求されるが、それでも使用時間に伴い性能の劣化や故障を伴いやすく、比較的寿命が短いと言える。

また、センサユニットと信号処理ユニットを同一要素内に構成すると、信号処理ユニットの寿命が来る前にセンサユニットの寿命が来ると、全体として、使用不可能になってしまう。センサユニットと信号処理ユニットを分離して構成した場合、電線等を用いて電気的に直接接続すると、センサから電線をＭＥＭＳの外側まで引き出さなければならないこととなり、構造が複雑になってしまうという欠点があった。

また、電気的に非接触である信号伝送として光を用いた場合、伝送路が光透過性でなければないことに加え、光源および受光部に、電気・光および光・電気変換機構が必要になるという問題があった。（特許文献１）

特開平６−３０７９５７

上記の問題を解決するために、本発明は、センサユニットと信号処理ユニットとを着脱可能に接合することができ、容量結合によりセンサユニットから信号処理ユニットへ信号を伝送する、非接触信号伝送システムを提供することを目的とする。

本発明に基づき、第１の電極と、前記第１の電極に電気的に接続された少なくとも１つのセンサ素子とを含むセンサユニットと、前記第１の電極と容量結合された第２の電極と、増幅器とを含む信号処理ユニットと、を備え、前記センサユニットと前記信号処理ユニットとは、着脱可能である、非接触信号伝送システムを提供する。
また、本発明に基づき、前記増幅回路は、ブートストラップ回路を含み、高い入力インピーダンスを有する。
さらに、前記少なくとも１のセンサ素子が複数のセンサ素子である場合に、１または複数種類のセンサからなることを特徴とする非接触信号伝送システムを提供する。
さらに、前記信号伝送システムに用いる信号処理ユニットとセンサユニットとを提供する。
またさらには、非接触で信号を伝送する方法であって、少なくとも１つのセンサ素子から出力された信号を、増幅器を備えた信号処理ユニットへ、前記少なくとも１つのセンサ素子に電気的に接続された少なくとも第１の電極と、前記信号部に接続された第２の電極とが絶縁体を挟み着脱可能に配置されることで形成された容量結合を介して、伝送する方法を提供する。

本発明の第１実施形態に係わる容量結合を用いた信号伝送システムの断面の模式図。 本発明の第１実施形態の一変形例に係わる容量結合を用いた信号伝送システムの断面の模式図。 図１に示した容量結合を用いた信号伝送システムにおいて、センサユットと信号処理ユニットを分離した状態を表す模式図。 本発明の第２実施形態に係わる容量結合を用いた信号伝送システムの断面の模式図。 本発明の第２実施形態の一変形例に係わる容量結合を用いた信号伝送システムの断面の模式図。 本発明の第２実施形態の一変形例に係わる容量結合を用いた信号伝送システムの断面の模式図。 本発明の第２実施形態のさらなる変形例に係わる容量結合を用いた信号伝送システムの断面の模式図。 図７に示した容量結合を用いた信号伝送システムにおいて一センサユニットを分離した状態を示す模式図。 本発明の第２実施形態のまたさらなる変形例に係わる容量結合を用いた信号伝送システムの断面の模式図。 本発明の一実施例に係わる、容量結合を用いた信号伝送システムの回路図。 入出力電圧比ｒと周波数との関係を示すグラフ。 通常のＤＣリターンパスの回路図（ａ）および改良したＤＣリターンパスの回路図（ｂ） 本発明に係わる一実施例に係わる、信号処理ユニットの回路図。 本発明に係わる一実施例に係わる、信号処理ユニットの増幅器の周波数−ゲインのグラフ。 本発明の一応用実施例に係わる、焦電型赤外線センサを用いた容量結合を用いた信号伝送システムの模式図。 図１５に示した焦電型赤外線センサを用いた容量結合を用いた信号伝送システムにおける信号伝送の説明図。 本発明の一応用実施例に係わる、流体センサを用いた容量結合を用いた信号伝送システムの模式図。 本発明の一応用実施例に係わる信号処理ユニットの心電測定のための回路図。 図１８に示した本発明に係わる信号回路ユニットを用いて測定した心電図（肌に直接電極を張った場合）。 図１８に示した本発明に係わる信号回路ユニットを用いて測定した心電図（衣服１枚の上から測定した場合）。 図１８に示した本発明に係わる信号回路ユニットを用いて測定した心電図（衣服２枚の上から心電活動を測定した場合）。 本発明の第３実施形態に係わる、信号伝送試験に用いた誘電体と電極の構成を表す平面図。 図２０に示した誘電体と電極６ｄの構成を用いて行った、受信された信号の波形図（図２１（ａ）は、１２２Ｈｚ信号の受信された波形図、図２１（ｂ）は２３３Ｈｚ信号の受信された波形図である。）および１２２Ｈｚ信号と２３３Ｈｚ信号とのスペクトル振幅図（図２１（ｃ））。 電極間の最短距離に対するスペクトル振幅の最大値を示すグラフ。 本発明の第２応用実施例に係わる信号処理ユニットを有する移動体を示す模式図。

図１は、本発明に係わる一実施形態における容量結合を用いた信号伝送システム１０１の断面の模式図である。

ここで、センサユニット１は、センサ素子３と、第１の電極４とを有し、さらに第１の電極４の表面を保護する目的の非導電性の被覆膜７を有している。一方、信号処理ユニット２は、増幅器５と、第２の電極６を有し、さらに第２の電極６の表面を保護する目的の非導電性の被覆膜８を有している。ここで、被覆膜７と８は、例えば、接着剤を被覆膜７および８の双方あるいは一方に塗布することで、着脱可能に接合されており、接合界面９を形成している。接合方法は、接着剤以外の化学的手法でもよく、また機械的に第１の電極４と第２の電極６を被覆膜７および８を介して固定する手法であってもよい。そして、増幅器５は、導線１０によりコンピュータ１１に接続されている。

センサ素子３に刺激２０が与えられた場合を説明する。ここで、例えば、センサ素子３が光センサであれば、刺激２０は光であり、センサ素子３が圧力センサ、熱センサ、化学センサであれば、それぞれ、刺激２０は、圧力、熱、化学物質となる。センサ素子３は、上記の例に限らず、その他、匂いセンサ素子、味センサ素子、光センサ素子、赤外線センサ素子等、どのようなセンサ素子でもよく、刺激２０は各々のセンサ素子がセンシングすべき刺激２０と解するものである。

また、増幅器５には、信号処理の種類、信号処理ユニット内の電気回路の物理的配置などに応じて、増幅目的以外の信号処理回路を組み込んでもよい。

刺激２０を受けたセンサ３は電気信号を出力し、この電気信号は第１の電極４に電荷を与える。第１の電極４と第２の電極６は、絶縁層である被覆膜７および８を挟み、容量結合を形成しているので、第１の電極４に現れた電荷に対応した反対電荷が、第２の電極６に生じることとなる。この第２の電極６に生じた電荷すなわち電気信号は、信号増幅部５の増幅器９で増幅され、導線１０を通して、コンピュータ１１に送られる。コンピュータ１１では、さらにフィルタリングやノイズ減少などの信号処理が行われこととなる。

上記の実施形態では、増幅器５は、第２の電極６と物理的に接触して、あるいはその近傍に配置されているが、図２に示すように、増幅器５の一変形例に係わる増幅器５Ａを、第２の電極６とは物理的に分離し導線１０で結合し、増幅器５Ａから出力された信号をコンピュータ１１にさらなる導線１０を通して送信するように信号処理ユニット２Ａを構成してもよい。図２に示す本変形例において、センサ素子３から増幅器５Ａまでの信号伝送は、図１で説明する実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

以下の実施形態および変形例を説明するに当たり、図面において増幅器は図１と同様に第２の電極に物理的に接触しているように示すが、これに限定されず、増幅器は図３のように第２の電極から物理的に分離されている構成をとってもよいものである。

本発明に係わるセンサユニット１と信号処理ユニット２とは、各々の電極４と６とで容量結合を形成するように構成されるが、必要に応じて分離することができる。分離するのは、例えばセンサユニット１が故障した場合や、寿命などの一定の使用期限が到来した場合が挙げられるが、その他の理由でもよい。信号処理ユニット２は、主に電気系であり、センサ素子を含み測定対象に物理的に接するセンサユニット１とくらべ、長い寿命を有する場合が多いが、故障により修理のために、未だ取り外す必要のないセンサユニット１から分離する必要も生じる。

当該伝送システムは、センサ素子３が上記説明のように、例えば被覆膜７と８とを接着剤を用いて接合してもよい。その他、機械的、化学的等なんらかの手法を用い、第１の電極４と第２の電極６との間に所定の容量結合が維持されればよい。例えば、接着剤を用いた場合に、接合力が適当な接着剤を用いることで、センサユニット１と信号処理ユニット２を、分離することが可能となる。すなわち、接着剤の接着力を、信号伝送をする際には被覆膜７と８を接合した状態に保ち、センサユニットを交換する際には引っ張り力やせん断力を与えて分離することが考えられる。

図３は、図１に示した信号伝送システムにおいて、センサユニット１と信号処理ユニット２とを接合界面９で分離したものを示す。当然、容量結合はもはやされていない。

図３は、また、図１に示した信号伝送システムを、センサユニット１と信号処理ユニット２とを容量結合するように、組み立てる一段階も示している。例えば、センサユニット１と信号処理ユニット２は、各々独立に製造することができるので、製品の出荷時に、図１に示したような信号伝送システム１０１として組み立てられている必要はない。例えば、センシングすべき環境が動かせない場合は、そこにセンサユニット１を配置し、その後信号処理ユニット２を容量結合させるように配置してもよい。あるいは、信号処理ユニット２をある箇所に固定しておき、その後センサユニット１を容量結合させてもよい。つまり、その用途に応じ、センサユニット１と信号処理ユニット２とのどちらを先にどこに固定するかは、自由に設計することができる。

以上から明らかなように、センサユニット１と信号処理ユニット２が、容量結合された状態（図１）にしたり分離された状態（図３）にしたりできるように、互いに着脱可能に構成されている。以下の実施形態および変形例において、分離された状態が図示または説明されていない場合も、センサユニットと信号処理ユニットとは、互いに着脱可能に構成されており、着脱の方法や態様については説明を省略してある。

上記の実施態様および変形例においては、被覆膜を、第１の電極４と第２の電極６との双方の表面に形成したが、この態様に限られない。一変形例として、一方の電極のみに被覆膜を形成してもよい。さらに、被覆膜として、誘電体材料を塗布してもよいし、あるいは電極とは分離した材料として、例えば基板などの板状に形成し、２つの電極の間に挟む態様にしてもよい。すなわち、第１の電極と第２の電極が、直接電気的に接触せず、誘電体を挟んで容量結合を形成すればよいのであって、その他の技術により、接着と分離が可能なように、両電極を容量結合すれば足りるものである。材料も、絶縁体なら、ガラス、プラスチック、樹脂、コンクリート、衣類、書籍、紙類などの固体、さらには空気や真空など気体を含む流体など、各種誘電体材料を用途に応じて選択することができる。

図４は、本発明に係わる一実施形態（第２実施形態）における容量結合を用いた伝送システム２０１の断面を模式的にあらわしたものである。本実施形態では、図１で示した実施形態と異なり、センサユニット２１において、複数のセンサ素子２３が設けられ、それぞれのセンサ素子２３につき一の第１の電極２４が形成されている。そして、これら複数の組のセンサ素子２３と第１の電極２４が、誘電体基板２７上に形成されている。一方、信号処理ユニット２２は、被覆膜２８に覆われた第２の電極２６、増幅器２５を有し、第１の電極２４は第２の電極２６と、誘電体基板２７と被覆膜２８とを介して、着脱可能に容量結合を形成している。本実施形態の信号処理ユニット２２の構成および機能は、図１の信号処理ユニット２と同様である。また、図１で示した導線１０とコンピュータ１１も接続されているが、図１と同様であるので、省略する。

これら、センサ素子２３として、同一の種類のセンサ素子を形成する場合もあり、また、複数の種類のセンサ素子を形成する場合もありえる。

まず、同一の種類のセンサ素子を形成するのは、例えば、一のセンサ素子だけでは十分な出力信号の強度を確保することができずＳ／Ｎ比が比較的小さくなってしまう場合に、複数のセンサ素子を形成することでＳ／Ｎ比の増大が実現できる。また、複数のセンサ素子の内、一部のセンサ素子が故障等により機能しなくなった場合にでも、他のセンサ素子が機能している限り、信号を取り出すことが可能である。

さらには、複数のセンサ素子を誘電体基板２７上に所定の２次元構成に配置することで、センサリングする対象の状態の２次元的分布を得ることが可能になる。ただし、本実施例のように、信号処理ユニット２２の第２の電極２６が一つのみである場合、これら複数のセンサ素子が同様の信号の出力形式を有していると、信号処理ユニットにとって、どのセンサ素子からの信号であるかについて特定することが困難である。従って、以下に述べるが、センサ素子ごとに変調方式を変えたりして、信号処理ユニットにおいてどのセンサ素子からの出力信号であるか特定できるような機構を設ける必要がある。

本実施形態の一変形例として、上記の複数のセンサ素子として、複数の種類のセンサ素子を形成すれば、複数の種類の状態をセンシングすることが可能になる。そして、上記と同様に、区別可能な変調方式を採用するなどして、信号処理ユニットにおいてどのセンサ素子からの出力信号であるか特定できるような機構を設ければ、同時に複数の種類のセンシングが可能になる。

複数のセンサ素子が信号を同様のあるいは類似した電圧レベルあるいは周波数で出力する場合、信号処理ユニットは受信信号がどのセンサ素子からのものか特定できなければならない。そこで、第２実施例の一変形例として、センサごとに、そのセンサに固有の周波数を割り当て、センサからの出力信号を変調する信号伝送システム２０１Ｍを、図５に模式的に示す。ここで、図４と同様に、センサユニット２１Ｍにおいては、誘電体基板２７Ｍ上に複数のセンサ素子２３Ｍと第１の電極２４Ｍが設けられている。ここで、センサユニット２１Ｍにおいては、各センサ素子２３Ｍと第１の電極２４Ｍとの間に変調器２１２Ｍが設けられている。一方、信号処理ユニット２２Ｍにおいては、被覆膜２８Ｍが形成された第２の電極２６Ｍと増幅器２５Ｍが設けられており、さらに増幅器２５Ｍの出力側に、復調器２１３Ｍが設けられている。ここで、第１の電極２４Ｍと第２の電極２６Ｍとは、誘電体基板２７Ｍと被覆膜２８Ｍとを介して、着脱可能に容量結合を形成している。このように構成することで、各センサに対応した周波数ごとに信号を取り出すことができ、すなわち、一のセンサからの出力は、他のセンサからの出力から、分離、摘出することが可能になる。

この変調方法としては、振幅変調（ＡＭ）でもよいし、周波数変調（ＦＭ）でもよい。また、変調の態様は、上記の振幅、周波数変調に限られず、その他の変調方式を用いることもできる。

さらには、本実施例のように複数のセンサ素子を配置し、その上、各センサ素子からの信号出力を信号処理ユニットにおいて区別し特定できる機構を設けている場合は、一のセンサ素子と一の電極からなる容量結合を複数ならべて配置した場合と比べ、隣接するセンサ素子間のクロストークを低減することができる。

図６は、第２実施形態のさらなる変形例に係わる、容量結合を用いた信号伝送システム３０１の断面の模式図である。図４で示した変形例と異なり、センサユニット３１において、複数のセンサ３３が、誘電体基板２７上に形成された１つの第１の電極３４に設けられ、それぞれのセンサ素子２３につき一の第１の電極２４が形成されている。一方、信号処理ユニット３２は、被覆膜３８に覆われた第２の電極３６、増幅器３５を有し、第１の電極３４と第２の電極３６とは、誘電体基板３７と被覆膜３８とを介して、着脱可能に容量結合を形成している。本実施形態の信号処理ユニット３２の構成および機能は、図１の信号処理ユニット２と同様であるので説明を省略する。図６では、変調器および復調器が示されていないが、上記および図５で説明した変調器および復調器を配置することもできる。

図７は、第２実施形態のさらなる変形例に係わる、容量結合を用いた信号伝送システム４０１の断面の模式図である。図４と図６で示した変形例と異なり、センサユニット４１において、１つのセンサ４３と１つの第１の電極とからなる組が、１つの誘電体基板４７上に形成されている。一方、信号処理ユニット４２は、被覆膜４８に覆われた第２の電極４６、増幅器４５を有し、第１の電極４４と第２の電極４６とは、誘電体基板４７と被覆膜４８とを介して、着脱可能に容量結合を形成している。本実施形態の信号処理ユニット４２の構成および機能は、図１の信号処理ユニット２と同様であるので説明を省略する。

本変形例の構成により、図８に示すように、例えば１つのセンサ素子４３Ｘのみが故障等により取り外す必要が生じた場合に、そのセンサ素子４３Ｘに関連する部分（センサ素子４３Ｘ，第１の電極４４Ｘ，および誘電体基板４７Ｘ）のみを分離することを可能にするものである。そして分離した箇所には交換用のセンサ素子等を接着などにより容量接合することができるが、明らかであるので、図示はしていない。

図９は、第２実施形態のさらなる変形例に係わる、容量結合を用いた信号伝送システム５０１の断面を模式的に表したものである。図４、６および７で示した変形例と異なり、センサユニット５０１において、センサ５３と第１の電極５４とからなる組が複数組、グルーピングされて一つのセンサグループ５１Ｇとして、１つの誘電体基板５７上に形成されている。一方、信号処理ユニット５２は、被覆膜５８に覆われた第２の電極５６、増幅器５５を有しいる。そして、上記の各センサグループ５１Ｇは、信号処理ユニット５２の被覆膜５８に覆われた第２の電極５６上に接合され、各第１の電極５４と第２の電極５６とは、誘電体基板５７と被覆膜５８との接合界面５９において着脱可能に、容量結合されている。

本変形例の構成によって、モニタすべき環境を、複数の測定方法により測定し、得られた複数の測定値を総合的に換算した指標（「総合指標」とよぶこととする）によって、常に適切に評価することが可能になる。車両内の環境を例にとると、快適さや乗り心地をそれぞれ総合指標とした場合、それぞれの総合指標を評価するために測定しなければならない温度、湿度、音の周波数特性、振動の強さなどを同時に測定する各センサ５１をグルーピングし、快適さの評価のためのセンサグループ５１Ｇと、乗り心地の評価のためのセンサグループ５１Ｇとを個別に形成することが可能になる。すなわち、複数の総合指標を同時に得るために、各々の総合指標に適したセンサグループ５１Ｇを作成し、複数のセンサグループ５１Ｇを配置することが可能になる。用途に応じて、これらセンサグループ５１Ｇは、個別に信号処理ユニット５２から着脱可能であるから、総合指標の組合せを自由に変更することができる。上記の例は、快適さなどの人間の感覚にうったえる環境の評価をするための総合指標に係わるものだが、その他、自然現象や製造工程の複数の状態を同時に測定し総合評価する場合など、実際の個々の応用に即して、独自の総合指標を定義しセンサグループ５１を形成することができる。

また、センサグループ５１Ｇのセンサ５１のグルーピングの態様として、センサ５１の寿命ごとにグルーピングしてもよいし、センサ５１が同一の製造ラインで製造できるといった製造簡便性によってグルーピングしてもよい。

＜信号処理ユニットの回路＞
信号処理ユニットのインピーダンスについて考察する。
本発明に係わる信号伝送システムの電気回路は、等価回路として、図１０のように表すことができる。ここで、センサユニットの出力電圧をＶ_ｍ、出力電流をｉ、センサユニットの内部抵抗と内部静電容量をそれぞれ、Ｃ_ｍ、Ｒ_ｍ、そして容量結合部の静電容量をＣ_Ｅ、信号処理ユニットの増幅器の入力抵抗と入力容量をＲ_ｉｎ、Ｃ_ｉｎ、増幅器からの出力電圧をＶ_ｍとする。

ここで、Ｘ_Ｃｍとは、Ｃ_ｍのリアクタンスである。そして、増幅器のインピーダンス、Ｚ_ｉｎ
は、

となる。ここで、Ｘ_Ｃｉｎとは、Ｃ_ｍのリアクタンスである。
ここで、一実施例として、センサユニットの出力周波数が１Ｈｚで、電極の面積を５ｃｍ×５ｃｍ、電極間の誘電体の誘電率を３．５、厚さを０．４ｍｍと仮定し、センサユニットの静電容量Ｃ_ｍを１μＦ、抵抗Ｒ_ｍを１０ｋΩとし、前置増幅器として用いたオペアンプの入力容量と入力抵抗をそれぞれＣ_ｉｎを０．４×１０^−１２Ｆ、Ｒ_ｉｎを１０^−１５Ωとし、上記式（１）および（２）と容量結合部のリアクタンスＸ_ＣＥを計算すると以下のようになる。
Ｚ_ｍ ＝９．４×１０^３Ω
Ｚ_ｉｎ＝７．９×１０^１１Ω
Ｘ_ＣＥ＝８．２×１０^８Ω
Ｃ_Ｅ ＝１９５ｐＦ
以上の計算結果より、この実施例では、Ｚ_ｍ＜＜Ｘ_ＣＥとなり、センサユニットの起電力の電圧損失はＸ_ＣＥに依存すると考えて差し支えない。つまり、信号伝送システム全体のＳ／Ｎ比を高めるためには、出来るだけ入力インピーダンスＺ_ｉｎを高くし、容量結合部での電圧損失を小さくすることが必要である。

次に、入力インピーダンスを具体例として算出する。
入出力電圧比
ｒ = |Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｍ| = 1
であればセンサ素子と同じ電圧の信号がボルテージフォロア部の出力に現れることとなる。

ここで、容量結合部と信号処理ユニットのインピーダンスは、

より、

また、Ｖ_ｍ＝ｉＺ、Ｖ_ｏｕｔ＝ｉＺより、

であるから、ω＝２πｆとして、周波数ｆと入出力電圧比ｒとの関係は、各Ｚ_ｉｎの値に対して、図１１のようになる。入力インピーダンスＺ_ｉｎが大きいほど、低周波でのｒの立ちあがりが急峻になっていくことがわかる。Ｚ_ｉｎ＝１０^７Ωまでは、ｒの立ち上がりが非常に遅いことが分かる。Ｚ_ｉｎ＝１０^８Ωにおいて、ｒの立ち上がりは、向上しているものの、低周波数においても一定し、かつ高い入出力電圧比，すなわちｒ＝１を実現するためには、入力インピーダンスが、Ｚ_ｉｎ＝１０^９Ω以上であることが必要であることが分かる。

次に、回路設計について説明する。
図１０のように、容量結合部と増幅器の間に、ＤＣリターンパスを設けない場合、入力インピーダンスは増幅器の入力インピーダンスとなる。しかし、このままでは容量結合部に入力バイアス電流が流れ込んでコンデンサを充電し、最終的には増幅器の入力回路の同相電圧の定格を越え、あるいは出力が限界値に達してしまうことになる。

これを防ぐ方法として、図１２（ａ）のように増幅器の入力とグラウンドの間に抵抗を接続して入力デバイス電流のパスを設けることが考えられる。しかし、この場合の入力インピーダンスは、ほぼＲｃに決まってしまい、さらにドリフト等の制約からＲｃの値をそれほど大きくすることができず、結果として入力インピーダンスが著しく低下してしまうことになる。

そこで、図１２（ｂ）のようにブートストラップという構成を用いることで、入力インピーダンスの低下をある程度防ぎつつ、出力の飽和を避けることができる。
図１２（ｂ）の構成の入力インピーダンスは、以下の通りである。

そこで信号処理ユニットの増幅器の一実施態様として、初段増幅器でボルテージフォロワ、次段増幅器でゲイン５０倍の作動増幅器を配置する構成を採用した（図１３）。ここで、Ｒ１＝１０ＭΩ、Ｃ１＝３．３５μＦであり、アンプＡ１としてＴＬ０７２を用いた。

信号の周波数を１Ｈｚと仮定すると、この回路の入力インピーダンスは、上記の式より、２．１×１０^９Ωとなり、高い入力インピーダンスが得られる。

回路シミュレータを用いて得られた、本回路の周波数−ゲイン特性を、図１４に示す。本回路によれば、約１０Ｈｚから約１０ｋＨｚの周波数で、ほぼ一定した十分なゲインを維持することができる。よって、信号の周波数を操作して上記の周波数の範囲で信号伝送をすると、低周波数領域におけるゲインの低下が問題とならない。

＜実施例１＞
本発明の第１実施形態の一実施例として、焦電型赤外線センサを用いた、人間の通過に対応する信号を非接触で検出する信号伝送システム６０１を実際に作成した。図１５は、その概要図であり、図１６は、信号の伝達を説明するための図である。ここで、例えば第１の電極６４と第２の電極６６の間にある絶縁体として壁６８がある。この壁６８を有する家の内側に信号処理ユニット６２やコンピュータ６１１を配置し、壁６８の外側に焦電型赤外線センサ６３を有するセンサユニット６１を配置してある。こうすることで、このセンサ６３の箇所に人間６２０Ｈが接近したという情報を、壁を介して家の中で検知することができるようにした実施例である。当然、家の壁とした状況設定は一例であり、他のさまざま状況に使用することができる。

この信号伝送システム６０１では、人間６２０Ｈが近づいたときに、人間の体温による赤外線６２０が焦電型赤外線センサ６３に入射されると、焦電センサは、通常直流信号６３Ｓを発生させる。直流信号や交流信号であっても周波数１Ｈｚのほぼ直流と考えることのできる信号は、本発明に係わる信号伝送システムでは、容量結合の性質上、そして信号処理ユニットの性質上（図１６）、容量結合を介して信号伝送し、かつ信号を検出するのは困難な場合がある。そこで、センサユニット６１には、その直流電流をＡＤコンバータ６１２を焦電センサ６３と第１の電極６４との間に配置し、信号処理ユニット６２には、ＤＡコンバータ６１３を第２の電極６６と増幅器６５との間に配置することで、容量結合により伝送される信号が適切な周波数の交流信号となるような構成をとった。そうすることにより、焦電センサ６３から出力される信号６３ＳをＡＤコンバータ６１２がこの直流信号をパルス信号６１２Ｓに変換し、絶縁体を介してその信号を伝送させる（６８Ｓ）。信号処理ユニット６２において、信号６８Ｓを第２の電極６６を受信し、この受信信号６６Ｓは、ＤＡコンバータ６１３により再び直流信号６１３Ｓに変換される。

本実施例により、人体を検知した時には、コンピュータ６１１が相当する信号を受信する設計にした。壁の外側にセンサを設置し、壁の内側に信号処理ユニットを設置し、簡便な防犯センサとして利用することができる。

絶縁体として、壁の他にも、厚さ３ｃｍの書籍や、厚さ２ｃｎのガラスを用いた場合も、信号伝送システムの動作確認したところ、正常な作動が確認された。

＜実施例２＞
本発明の第２実施形態に係わる複数のセンサ素子を含む信号伝送システムとして、流体センサを有する信号伝送システム７０１の断面の模式図を図１７に示す。

壁７１４と７１５により規定される流路７１６を流れる流体７２０Ｆを、アコースティックエミッションセンサ（振動センサ）である流体センサ素子７３によりセンシングするシステムである。本実施例においては、壁７１５の中に、流体センサ素子７３と第１の電極７４とからなる対が、複数個、流体７２０Ｆの流れる方向に沿って、壁７１５の中で表面下に埋め込んで形成されている。そして、第１の電極７４は、絶縁層７７を介して、センサユニットの外部に配置された第２の電極７６と容量結合している。さらに、第２の電極７６は、増幅器７５を介してコンピュータ７１１へ接続されている。

ここで、流体７２０Ｆが流路７１６を流れると、振動が生じ、流体センサ素子７３により音波として検知され、電気信号が第２の電極７４に電荷として現れ、対応する反対電荷を第２の電極７６に生じさせることとなる。この電気信号が、増幅器７５により増幅され、コンピュータ７１１で処理され、流体７２０Ｆの流れ７２０が検出されることとなる。このように、流路７１６に生じた音波特性により、流体７２０Ｆの有無や流量が測定できる。

流体センサとして、上記のアコースティックエミッションセンサに限定する必要はなく、電磁誘導式センサや圧力センサなどを用いることもできる。

＜応用実施例１＞
本発明の実施形態に係わる信号処理ユニットは、さまざまなセンサのいわゆるプラットフォームとして提供されうるものである。

例えば、ＭＥＭＳへの応用において、同一の信号処理ユニットに対して、さまざまなセンサユニットを開発用意することで、応用に応じたセンサの選択が出来、さらに信号処理の効率化を図ることができる。

また、例えば、人間の居住環境についてセンシングをしたい場合、壁の内側に、信号処理ユニットを設けておき、壁を誘電体して、壁の外側にセンサユニットとして上記の赤外線センサあるいは温度、湿度、匂いセンサ等を設ければ、センサの寿命による取り替え、月や季節に応じたセンサ種類の取り替え、などが可能となる。取り替えはあくまでセンサユニットであり、信号処理ユニットはその寿命まで半永久的に最初の設置場所に設けられるのである。

従って、信号処理ユニットの設置箇所として、壁以外にも、電柱やビルなどの建物、あるいは椅子やベッドなどの家具の内部が挙げられる。

そして、応用範囲は、上記の温度以外にも、人体の有無や通過の判断をすることで防犯や、通過量の計測から、湿度や匂いといった生活環境の計測などが、挙げられる。

＜応用実施例２＞
本発明に係わる信号処理ユニットは、パルスを発する物体をセンサユニットに対応するものとして、信号処理に使用することができる。そこで、まず心電計への応用例を、図１８および１９を参照して以下に説明する。

図１８は、本応用実施例に係わる信号処理ユニット８２の構成を示している。上記の実施形態および実施例、特に図１３で示した信号処理ユニットを２つ用いて増幅回路８５が形成されている。２つの第２の電極８６の間の電位差は、増幅回路８５の後で差動増幅回路８５Ｄにより増幅される。本応用実施例に係わる増幅回路８５は、上記のボルテージフォロワ（ゲインＧ１＝０）とブートストラッピングによる構成され、Ｃ１＝３．３５μＦ、Ｒ１＝１０ＭΩであり、アンプＡ１にはＴＬ０７２を用いた。そして、差動増幅回路８５Ｄ（ゲインＧ２＝３４ｄＢ）においては、Ｒ２＝１ｋΩであり、アンプＡ２はＩＮＡ１２１を用いた。そのあとにＡ／Ｄコンバータ８１３が設けられ、コンピュータ８１１に接続されている。

皮膚８１に現れた心電信号は、衣服あるいは皮脂８７を介して容量結合された第２の電極８６へ伝送されて、増幅回路８５と８５ＤおよびＡ／Ｄコンバータ８１３を通り、最終的にコンピュータ８１１で読み取られる。

本実施例では、心電図の誘電法としてＮＡＳＡ誘導法を採用した。この誘導法は、筋電図の混入が最も少なく、Ｐ波を観察するのに適しており、不整脈の判断等に利用されている。また、信号をＰＣで取得した後、デジタルフィルタとして、５次のローパスフィルタ（カットオフ周波数ｆｃ＝４０Ｈｚ）を設定した。

図１８に示した本発明に係わる信号回路部による心電計を用いて、肌に直接電極を張った場合の結果を、同図（ａ）に、衣服１枚の上から測定した結果を同図（ｂ）に、そして衣服２枚の上から心電活動を測定した結果を同図（ｃ）に示す。いずれの場合も、Ｒ波が計測できており、心拍計として十分に機能することが分かった。

＜応用実施例３＞
上記の応用実施例に係わる信号処理ユニット８２の一応用例として、上記の応用実施例の神経細胞の活動の測定への応用が挙げられる。神経細胞がその機能として情報処理や情報伝達を行う際に、細胞内外の電位差がほぼ一定の振幅で非常に短時間に急速に変化すること、すなわち活動電位の変化がパルスとして生じることが知られている。そこで、本発明における信号処理ユニットの第２の電極上に、例えば測定対象としての神経細胞を載せると、神経細胞を本発明に係わるセンサユニットに見立てることができる。そして、神経細胞の発する活動電位変化を、容量結合を介して、パルス信号として信号処理ユニットが受信することで、検知することが可能となる。

次に、上記実施形態および実施例より、さらに自由度が高く、使い勝手のよい実施形態について説明する。

本実施形態（第３実施形態）においては、容量結合による信号伝送をするためには、誘電体を介して互いに対向しないように配置された電極（第１の電極と第２の電極）を備えている。すなわち、誘電体の電極と接する面に垂直な方向から見た場合に、第１の電極と第２の電極が、重なり合わなくてもよい。

本実施形態の一変形例として、第１の電極と第２の電極とが誘電体を挟んで平行に配置され、第１の電極と第２の電極との間の最短距離が、誘電体の厚さより大きくてもよい。

本実施形態の他の変形例として、第１の電極と第２の電極との中心間の距離が、誘電体の厚さの８倍以上でもよい。

本実施形態の一実施例として、縦（Ｌ）６０ｃｍ、横（Ｗ）３０ｃｍ、厚さ（ｈ）６ｍｍの市販の透明板ガラスを本願発明の誘電体として使用し、信号処理ユニットとセンサユニットの電極が、相対的に離間して配置される場合の、これら電極間での信号伝送の可能性を試験した。

図２０は、試験に用いた透明板ガラス８のガラス面に対して垂直な方向から見た、この透明板ガラスに対する信号処理ユニットの電極４とセンサユニットの電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの配置を示すものである。図２０の透明板ガラス８の右下、表面に、約８ｃｍｘ８ｃｍの金属電極４を透明板ガラス面に直接設け、この金属電極の上に、１２２Ｈｚの信号と２３３Ｈｚの信号を発する信号発生源に接続された電極をそれぞれ設けた。透明板ガラスの裏面には、信号処理ユニットに接続される信号受信電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）を設けた。

金属電極と電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとの、透明板ガラスのガラス面に対して垂直な方向から見た場合の、電極の中心間の距離（ｄ_ｃ）は、それぞれ、おおよそ０ｃｍ、８ｃｍ、２９ｃｍ、５２ｃｍであった。透明板ガラスのガラス面に対して垂直な方向から見た場合の、金属電極と各電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとの最も近い縁間の距離（ｄ_ｅ）は、それぞれ、おおよそ、０ｃｍ、１．７ｃｍ、１７．５ｃｍ、４４．２ｃｍであった。また、金属電極と各電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとの空間的な最短距離（ｄ_ｍｉｎ＝（ｄ_ｅ ^２＋ｈ^２）^１/２）は、それぞれ、おおよそ、０．６ｃｍ、１．８ｃｍ、１７．５ｃｍ、４４．２ｃｍであった。

また、透明板ガラスの厚み（ｈ）に対する、金属電極と電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの中心間の距離（ｄ_ｃ）の比率（ｄ_ｃ／ｈ）は、それぞれ、おおよそ、０、８、２９、５２であった。そして、透明板ガラスの厚み（ｈ）に対する、金属電極と電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの最も近い縁間の距離（ｄ_ｅ）の比率（ｄ_ｅ／ｈ）は、それぞれ、おおよそ、０、１４、４９、８６であった。したがって、金属電極と電極６ｂ、６ｃ、６ｄとを結ぶ線と、ガラス面とが、それぞれなす角度として、ａｒｃｔａｎ(ｈ／ｄ_ｃ)は、それぞれ、おおよそ、２０度、２．０度、０．８度、ａｒｃｔａｎ(ｈ／ｄ_ｅ)は、それぞれ、おおよそ、４．１度、１．２度、０．７度であった。

各電極６ａから６ｄで受信された信号は、中心周波数１２２Ｈｚおよび２３３Ｈｚのバンドパスフィルタで処理された。図２１（ａ）、図２１（ｂ）は、それぞれ、バンドパスフィルタで処理された後の１２２Ｈｚ、２３３Ｈｚの信号を示す。図２１（ｃ）は、図２１（ａ）、図２１（ｂ）で示された信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）によりスペクトル信号処理した、いわゆるスペクトル振幅値を、両方の周波数を合わせて表示したものである。図２１（ａ）から（ｃ）の結果から、いずれの周波数においても、明瞭な正弦波が受信されたことを示すともに、二つの周波数の信号が、信号処理ユニットにより分離できることが示された。

金属電極と最も遠い電極６ｄにおいて、信号伝送が確認された。図示しないが、電極６ａから６ｃにおいては、より明瞭な正弦波が受信され、かつ、二つの周波数の信号が、信号処理ユニットにより分離できた。

図２１（ｃ）において、各周波数での電極６ｄからのスペクトル振幅の最大値が計算できる。他の電極６ａから６ｃについても、同様に、各周波数での電極６ｄからの振幅の最大値を計算した。各周波数１２２Ｈｚと２３３Ｈｚの各々の周波数について、電極間の最短距離に対するスペクトル振幅の最大値を、それぞれプロットしたものを図２２に示す。ただし、スペクトル振幅の最大値は、処理信号ユニットの特性と周波数に依存して変化することがありえる。したがって、図２２は、電極間距離と受信信号強度との間の特定の定量的な関係を示していると理解する必要はない。図２２は、むしろ、数十ｃｍ離れて配置され、容量結合されている電極間で、正確な信号伝送を行うことが可能であることを示している。

電極間の離間距離をいかなる値まで大きくして信号伝送ができるかは、入力信号の電圧の大きさや波形の正確さ、あるいは誘電体の特性に依存するほか、信号処理ユニットの回路設計やフィルタリングにも依存する。しかし、図２２に示す実験結果は、数十ｃｍよりはるかに大きい離間間隔で容量結合された電極間でも、正確な信号伝送が可能であることを示している。例えば、上記電極間距離の１０倍程度に相当する、１ｍから５ｍの電極間距離においても、十分に信号伝送が可能であると考えるべきである。しかし、さらに大きい電極間距離において信号伝送ができないことを示唆する事実は見当たらない。したがって、電極間の離間距離は、信号検出限界まで可能であるということができる。

上記離間した電極を有する、非接触伝送システムは、様々な用途に応用することができる。例えば、車両やモバイル電子機器などの移動体において、ガラス窓やタッチパネルなどの誘電体板の内側に、信号処理ユニットを内臓させて、様々な移動先にセンサユニットとして情報発信源と接続された電極を配備することができる。移動体は、車両と電子機器に限られず、誘電体とこの誘電体に接続された信号処理ユニットを内臓し、恒常的設置されない装置を含む概念である。

図２３は、本発明の一応用実施例（応用実施例４）として、タッチパネル９０８Ｔに誘電体基板９０８が使用されているモバイル電子機器９０１Ａであって、信号処理ユニット（図示せず）を内臓し、信号処理ユニットに接続され誘電体基板９０８に接着された電極９０６を有するモバイル電子機器の鳥瞰図を示す。このような移動体９０１Ａを携帯することで、各移動先で、最新あるいは移動先固有の情報を簡便に交信して取得することができる。あるいは、他のモバイル機器９０１Ｂとの交信も可能となる。この他のモバイル機器９０１Ｂは、モバイル電子機器９０１Ａのタッチパネル９０８Ｔに接着される電極９０４を有している。それぞれの電子機器のユーザが信号伝送をするときには、モバイル機器９０１Ｂの電極９０４をモバイル電子機器９０１Ａのタッチパネル９０８Ｔに一時的に、あるいは着脱可能に接着して、電極９０４と電極９０６間に容量結合を形成することができる。あるいはまた、モバイル電子機器に、信号を受信して処理する信号処理ユニットと信号を発信するセンサユニットとの両方を配備することにより、複数のモバイル電子機器間で、容量結合を用いた信号伝送が可能になる。

容量結合による信号伝送は、無線、電磁波、光などによる信号伝送と比較して、消費電力が低く、信号発信装置が簡便であるので、本実施形態の非接触信号伝送システムは簡単にそして安価に配置することができる。そして、電極間で信号を傍受される確率も低いので、信号伝送として安全な方法である。

例えば窓ガラスのような透明な板状の誘電体を使用する場合には視覚的に適した位置に、信号処理ユニットとセンサユニットに対応する電極を配置することができる。模様その他窓ガラスの透明性を遮る箇所（非透明領域）に、電極を配置することで、その他の透明領域は窓ガラスの透明性を確保することができる。あるいは、窓ガラスの縁部に、電極を配置してもよい。

さらに、電極を互いに離間して配置することができるので、透明な誘電体の視覚性を犠牲にすることなく電極を配置することができ、あるいは誘電体に対する電気機器の配置に自由度が高くなり、高いデザイン性を実現することができる。

その他の応用実施例として、非移動体に使用される非接触信号伝送システムがある。例えば、建物などの窓ガラスを誘電体として構成するものが挙げられるが、これに限定されない。また、誘電体は透明でなくてもよい。

１０１ 信号伝送システム
２０ 刺激
１ センサユニット
２ 信号処理ユニット
３ センサ素子
４ 第１の電極
５ 増幅器
６ 第２の電極
７ 被覆膜
８ 被覆膜
９ 接合界面
１０ 導線
１１ コンピュータ
２Ａ 信号処理ユニット
５Ａ 増幅器
２０１、３０１、４０１、５０１ 信号伝送システム
２１、３１、４１、５１ センサユニット
２２、３２、４２、５２ 信号処理ユニット
２３、３３、４３、５３ センサ素子
２４、３４、４４、５４ 第１の電極
２７、３７、４７、５７ 誘電体基板
２５、３５、４５、５５ 増幅器
２６、３６、４６、５６ 第２の電極
２８、３８、４８、５８ 被覆膜
２０１Ｍ 信号伝送システム
２１Ｍ センサユニット
２２Ｍ 信号処理ユニット
２３Ｍ センサ素子
２４Ｍ 第１の電極
２７Ｍ 誘電体基板
２５Ｍ 増幅器
２６Ｍ 第２の電極
２８Ｍ 被覆膜
２１２Ｍ 変調器
２１３Ｍ 復調期

４３Ｘ 分離するセンサ素子
４４Ｘ 分離する第１の電極
４７Ｘ 分離する分離する誘電体基板

６０１ 焦電型赤外線センサを用いた信号伝送システム
６１ センサユニット
６２ 信号処理ユニット
６３ 赤外線センサ素子
６４ 第１の電極
６５ 増幅器
６６ 第２の電極
６８ 壁
６１１ コンピュータ
６２０Ｈ 人間
６２０ 赤外線
６１２ ＡＤコンバータ
６１３ ＤＡコンバータ
６３Ｓ 赤外センサ素子の出力
６１２Ｓ ＡＤコンバータの出力
６８Ｓ 容量結合による信号伝送
６６Ｓ 信号処理ユニットへの入力
６１３Ｓ ＤＡコンバータの出力

７０１ 流体センサを用いた信号伝送システム
７３ 流体センサ素子
７４ 第１の電極
７５ 増幅器
７６ 第２の電極
７７ 絶縁層
７１０ 導線
７１１ コンピュータ
７１４ 壁
７１５ 壁
７１６ 流路
７２０Ｆ 流体
７２０ 流れ

８２ 信号処理ユニット
８１ 皮膚
８５ 増幅器
８５Ｄ 増幅器
８６ 第２の電極
８７ 衣服あるいは皮脂
８１３ ＡＤコンバータ
８１１ コンピュータ

９０１Ａ、９０１Ｂ モバイル電子機器
９０４、９０６ 電極
９０８ 誘電体基板
９０８Ｔ タッチパネル

Claims (12)

1. 複数の第１の電極と、当該複数の第１の電極に接続された複数の変調器と、当該複数の変調器に接続された複数のセンサ素子とを含むセンサユニットと、
   複数の前記第１の電極と容量結合された１つの第２の電極と、当該第２の電極に接続された１つの増幅器と、当該増幅器に接続された１つの復調器を含む信号処理ユニットと、
   を備え、
   前記センサユニットと前記信号処理ユニットとは、着脱可能であることを特徴とする非接触信号伝送システム。
2. 前記第１の電極と前記第２の電極とが誘電体を挟んで平行に配置され、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間の最短距離が、前記誘電体の厚さより大きいことを特徴とする請求項１に記載の非接触信号伝送システム。
3. 前記第１の電極と前記第２の電極との中心間の距離が、前記誘電体の厚さの８倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の非接触信号伝送システム。
4. 前記誘電体は透明であることを特徴とする請求項２または３に記載の非接触信号伝送システム。
5. 前記誘電体は板状であり、前記第１の電極と前記第２の電極の少なくともいずれか一方が当該板状誘電体の縁部に配置されることを特徴とする請求項４に記載の非接触信号伝送システム。
6. 前記複数のセンサ素子は、１または複数種類のセンサからなることを特徴とする請求項１から５いずれか一項に記載の非接触信号伝送システム。
7. 前記増幅器は、ブートストラップ回路を含み、１０^９Ω以上の入力インピーダンスを有することを特徴とする請求項１から６いずれか一項に記載の非接触信号伝送システム。
8. 請求項１から７いずれか一項に記載の非接触信号伝送システムに使用される信号処理ユニット。
9. 請求項１から７いずれか一項に記載の非接触信号伝送システムに使用されるセンサユニット。
10. 請求項８に記載の信号処理ユニットを内蔵した移動体装置。
11. 請求項９に記載のセンサユニットを内蔵した移動体装置。
12. 非接触で信号を伝送する方法であって、
    複数のセンサ素子から出力された信号を、該複数のセンサ素子に接続された複数の変調器を介して複数の第１の電極と信号部に接続された１つの第２の電極とが絶縁体を挟み着脱可能に配置されることで形成された容量結合を介して、当該第２の電極に接続された１つの増幅器と、当該増幅器に接続された１つの復調器を備えた信号処理部へ伝送することを特徴とする信号伝送方法。