JP6238351B2

JP6238351B2 - 人体通信装置

Info

Publication number: JP6238351B2
Application number: JP2013257289A
Authority: JP
Inventors: 熊原　稔; 稔熊原; 剛志梶本; 元宏南野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: JP2015115827A

Description

本発明は、人体を通信媒体とする人体通信装置に関する。

人体を通信媒体とする人体通信装置は、人体(例えば、掌や指など)と接触する電極を備えている。例えば、特許文献１には、電極と人体との接触面積を増やすため、電極の接触面(人体と接触する面)が半円筒面に形成されたもの(電極構造体)が記載されている。特許文献１記載の電極構造体は、半円筒状に形成された一対の電極と、一対の電極の間に介装された絶縁層とを有する。

而して、特許文献１記載の電極構造体は、人体と接触する接触面が曲面(半円筒面)に形成されているため、接触面が平面である場合と比較して、人体(特に掌)との接触面積を増やし、人体通信の通信品質の向上を図ることができる。

特開２０１１−２２３０９１号公報

ところで、特許文献１記載の従来例では、電極が半円筒状に形成されなければならないので、電極の形成に手間がかかるという問題がある。また、接触面の形状を変更しようとすれば、電極の形状を変更しなければならないために電極間の静電容量の大きさが変化する。故に、接触面の形状の変更に合わせて電極構造体の特性(電極間の静電容量値)を調整する手間が必要になる。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、人体と電極との接触面積の増大を図りつつ電極の製造工程の簡素化と電極の電気的特性の安定化を図ることを目的とする。

本発明の人体通信装置は、電極と、前記電極を通して通信信号を送受信する通信部とを備え、前記電極は、平板状の第１導電体と、平板状であって誘電体を挟んで前記第１導電体と対向する第２導電体と、前記第２導電体における前記第１導電体に対向する面と反対側の面に対向する接触部とを有し、前記接触部は、導電性を有する材料により、前記第２導電体との対向面が平坦面であり、且つ前記第２導電体と反対側の面が、前記第２導電体から遠離る向きに突出する立体形状に形成されることを特徴とする。

この人体通信装置において、前記第２導電体は、導電性を有する前記材料によって前記接触部と一体に形成されることが好ましい。

この人体通信装置において、前記接触部は、複数の領域に分割され、且つ前記複数の領域同士が電気的に絶縁されていることが好ましい。

この人体通信装置において、前記通信部の動作を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記複数の領域同士が人体を介して短絡されたときに前記通信部を動作させるように構成されることが好ましい。

本発明の人体通信装置は、接触部の表面(接触面)の形状を人の掌の形状に近付けることができ、しかも、電極を構成する部材のうち、接触部以外の部材(第１導電体及び第２導電体、誘電体)については従来通りの簡単な構成で構わないので、人体と電極との接触面積の増大を図りつつ電極の製造工程の簡素化と電極の電気的特性の安定化を図ることができるという効果がある。

本発明に係る人体通信装置の実施形態１を示し、(ａ)は電極の断面図、(ｂ)は別の構成の電極の断面図である。同上の人体通信の原理を説明するための説明図である。同上のブロック図である。同上を利用する入力デバイスの一部破断した側面図である。本発明に係る人体通信装置の実施形態２を示し、(ａ)は電極の断面図、(ｂ)は電極の平面図である。同上のブロック図である。同上の動作説明用のタイムチャートである。

以下、本発明に係る人体通信装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

(実施形態１)
本実施形態の人体通信装置Ａは、例えば、人Ｈが身につけている通信タグＴＧとの間で当該人Ｈ(人体)を通信媒体として通信するものである。具体的には、図２に示すように、電極に交流電圧を印加することで人体表面に交流電界を誘導し、当該交流電界を変調することにより、人体通信装置Ａと通信タグＴＧとの間で情報を伝送するように構成される。

人体通信装置Ａは、図３に示すように電極１、送信部２、受信部３、処理部４、電源部５、電源スイッチ６などを備える。

電極１は、図１(ａ)に示すように平板状の第１導電体１０と、平板状であって誘電体１２を挟んで第１導電体１０と対向する第２導電体１１と、第２導電体１１における第１導電体１０に対向する面と反対側の面に対向する接触部１３とを有する。

接触部１３は、導電性を有する材料により、第２導電体１１との対向面が平坦面であり、且つ第２導電体１１と反対側の面(人Ｈの掌が接触する面。以下、接触面と呼ぶ。)が、第２導電体１１から遠離る向きに突出する立体形状に形成される。本実施形態における接触部１３は、例えば、金属や導電性シリコーンゴムなどの導電性材料により、接触面が凸曲面(例えば、球面)となるように形成される。なお、本実施形態においては、接触部１３の接触面が球面とされているが、接触面が球面以外の曲面(例えば、回転放物面など)であってもよいし、角錐や円錐などの多面体であってもよい。

送信部２は、例えば、電圧制御発振器(ＶＣＯ:Voltage Controlled Oscillator)からなり、ＲＦ(Radio Frequency)の交流信号(高周波信号)を発振する。処理部４は、マイクロコントローラを主構成要素とし、例えば、送信部２を制御して前記高周波信号(搬送波)をＦＳＫ(周波数シフトキーイング)変調して種々の情報(送信データ)を含む伝送信号を生成し、生成した伝送信号を電極１に印加させるように構成される。そして、伝送信号が印加されることで電極１の周囲に発生する電界が変化し、当該電界の変化が人Ｈ(人体)を介して伝搬し、その結果、伝送信号が人体通信装置Ａから通信タグＴＧに伝送される。

受信部３は、人Ｈを介して電極１に誘導される電界の変化を電気信号(伝送信号)に変換し、且つ伝送信号から送信データを復調して処理部４に渡すように構成される。

電源部５は、電池(一次電池又は二次電池)を電源として各部２〜４に動作用の電源を供給する。また、電源スイッチ６は、一方の接点(図示せず)がグランドに接地され、他方の接点(図示せず)が処理部４の入力ポートに接続されており、接点同士が短絡されてオンとなったときに電源部５から動作用電源が供給されるように構成される。

一方、通信タグＴＧも電極７０、送信部７１、受信部７２、処理部７３、電源部７４などを備えている。

電極７０は、２枚の平板状の導電体７００(図２参照)を誘電体を挟んで対向させて構成される。送信部７１は、送信部２と同様に電圧制御発振器からなり、ＲＦの交流信号を発振する。処理部７３は、マイクロコントローラを主構成要素とし、例えば、送信部７１を制御して高周波信号(搬送波)をＦＳＫ変調して種々の情報(例えば、固有の識別符号＜ＩＤ情報＞)を含む伝送信号を生成し、生成した伝送信号を電極７０に印加させるように構成される。そして、伝送信号が印加されることで電極７０の周囲に発生する電界が変化し、当該電界の変化が人Ｈ(人体)を介して伝搬し、その結果、伝送信号が通信タグＴＧから人体通信装置Ａに伝送される。

受信部７２は、人Ｈを介して電極７０に誘導される電界の変化を電気信号(伝送信号)に変換し、且つ伝送信号から送信データを復調して処理部７３に渡すように構成される。電源部７４は、電池(一次電池又は二次電池)を電源として各部７１〜７３に動作用の電源を供給する。

次に、本実施形態の人体通信装置Ａの動作を説明する。通信タグＴＧは、例えば、衣服のポケットに収められることで人Ｈに携帯される。そして、電源スイッチ６がオンされている状態で通信タグＴＧを携帯する人Ｈの手(例えば、掌)が電極１の接触部１３に触れると、処理部４から識別符号を問い合わせるメッセージを含む伝送信号を送信される。

通信タグＴＧの処理部７３は、受信部７２で前記伝送信号を受信して前記問い合わせメッセージを取得すると、メモリに格納されている識別符号を読み出し、当該識別符号を含む伝送信号を送信部７１から送信させる。

人体通信装置Ａの処理部４は、受信部３で前記伝送信号を受信して通信タグＴＧの識別符号を受け取ると、受け取った識別符号をメモリに格納する。さらに、処理部４は、メモリに格納した識別符号を外部のコントローラ(図示せず)に出力する。当該コントローラは、人体通信装置Ａから受け取る識別符号と、予め登録されている識別符号とを照合することで人Ｈを認証し、認証した人Ｈ(識別符号)に対応した処理を実行するように構成される。

ここで、人体通信装置Ａは、例えば、コンピュータの入力デバイス(いわゆるトラックボール)Ｂに組み込まれる。この入力デバイスＢは、図４に示すように合成樹脂成形体からなるハウジング８０と、ハウジング８０に対して回動可能に保持されるボール(球体)８１と、ボール８１の回転方向や回転速度などを検出する検出器(図示せず)などを備える。人Ｈが指でボール８１を回転させたとき、ボール８１の回転方向及び回転速度が検出器で検出され、その検出結果が有線又は無線の通信媒体を介して入力デバイスＢからコンピュータに伝送される。コンピュータは、入力デバイスＢから受け取る検出結果に対応して、例えば、ディスプレイに表示されるポインタの移動方向や移動量を制御する。

一方、人体通信装置Ａは、ハウジング８０の上面においてボール８１の後方に接触部１３が露出するようにしてハウジング８０内に収納される。つまり、人Ｈがボール８１を指先で操作しようとすると、自然に掌を接触部１３の上に載せることになる。そして、コンピュータは、人体通信装置Ａから受け取る識別符号を認証した場合に入力デバイスＢの検出器から受け取る検出結果を有効とし、識別符号を認証しない場合は検出結果を無効とする。つまり、人体通信装置Ａと通信タグＴＧとでユーザー認証を行うことにより、コンピュータのセキュリティを向上することができる。なお、本実施形態の人体通信装置Ａの使用形態はコンピュータの入力デバイスに限定されるものではない。また、人体通信装置Ａと通信タグＴＧとの間で授受される情報は識別符号に限定されるものではない。

上述のように本実施形態の人体通信装置Ａは、電極１と、電極１を通して通信信号を送受信する通信部(送信部２及び受信部３)とを備える。電極１は、平板状の第１導電体１０と、平板状であって誘電体１２を挟んで第１導電体１０と対向する第２導電体１１と、第２導電体１１における第１導電体１０に対向する面と反対側の面に対向する接触部１３とを有する。接触部１３は、導電性を有する材料により、第２導電体１１との対向面が平坦面であり、且つ第２導電体１１と反対側の面が、第２導電体１１から遠離る向きに突出する立体形状に形成される。

上記構成によれば、接触部１３の表面(接触面)の形状を人Ｈの掌の形状に近付けることができるので、人体と電極との接触面積の増大を図ることができる。しかも、電極１を構成する部材のうち、接触部１３以外の部材(第１導電体１０及び第２導電体１１、誘電体１２)については従来通りの簡単な構成で構わないので、電極１の製造工程の簡素化と電極１の電気的特性の安定化を図ることができる。

なお、本実施形態の人体通信装置Ａでは、第２導電体１１と接触部１３を密着させているが、図１(ｂ)に示すように第２導電体１１と接触部１３の間に空隙ｇを設けても構わない。つまり、空隙ｇを介して第２導電体１１と接触部１３が容量結合していれば、電極１として機能することが可能である。

また、本実施形態の人体通信装置Ａでは、第２導電体１１と接触部１３が異なる材料で形成されているが、第２導電体１１と接触部１３が同一の材料(例えば、金属材料)で一体に形成されても構わない。

(実施形態２)
本実施形態の人体通信装置Ａは、図５(ａ)，(ｂ)に示すように接触部１３が複数(図示例では４つ)の領域１３０〜１３３に分割され、且つ複数の領域１３０〜１３３同士が電気的に絶縁されるように構成される。つまり、各領域１３０〜１３３の間に空隙１３４が設けられるとともに、接触部１３と第２導電体１１との間にも空隙ｇが形成されており、この空隙１３４，ｇによって各領域１３０〜１３３同士が電気的に絶縁される。ただし、接触部１３と第２導電体１１とは空隙ｇを介して容量結合される。

また、本実施形態の人体通信装置Ａは、図６に示すように、電源スイッチ６の代わりに電源制御ブロック８及び電源オン検知部９を備えている。ただし、実施形態１の人体通信装置Ａと共通の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

電源制御ブロック８は、電源制御部８０、短絡検出部８１、第１スイッチＳＷ１、一対の第２スイッチＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂなどを有している。第１スイッチＳＷ１は、ノーマリオフ形のスイッチであって、電源部５から各部(処理部４、送信部２、受信部３、電源オン検知部９など)への動作電源(電源電圧ＶＤＤ)の給電路に挿入される。一方の第２スイッチＳＷ２ａは、接触部１３の何れか２つの領域(例えば、１３１と１３３)と、短絡検出部８１との間に挿入される。また、他方の第２スイッチＳＷ２ｂは、接触部１３の残り２つの領域(例えば、１３０と１３１)と、グランドＧＮＤとの間に挿入される。なお、これら一対の第２スイッチＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂは、ノーマリオン形のスイッチであって、連動してオン・オフするように構成される。

短絡検出部８１は、一対の第２スイッチＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂがオンしているとき、接触部１３の領域１３０と領域１３２、又は領域１３１と領域１３３が電気的に短絡したことを検出して短絡検出信号を電源制御部８０に出力するように構成される。すなわち、接触部１３の領域１３０と領域１３２、又は領域１３１と領域１３３は、人Ｈの手が各領域１３０〜１３３に触れているときに電気的に短絡するから、いわゆるタッチスイッチとして機能する。

電源制御部８０は、第１スイッチＳＷ１と一対の第２スイッチＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂをオン・オフ制御するように構成される。

次に、図７のタイムチャートを参照して本実施形態の人体通信装置Ａの動作を説明する。

まず、人Ｈが電極１に接触していないとき(時刻ｔ＝ｔ１以前)、ノーマリオフ形の第１スイッチＳＷ１がオフしているので電源部５から処理部４等への給電が停止している。また、ノーマリオン形の第２スイッチＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂはオンしている。

そして、人Ｈが電極１に接触すると(時刻ｔ＝ｔ１)、短絡検出部８１が接触部１３の各領域１３０〜１３３が短絡したことを検出してハイレベルの短絡検出信号を電源制御部８０に出力する。電源制御部８０は、短絡検出信号を受け取った後、第１スイッチＳＷ１をオンする(時刻ｔ＝ｔ２)。

電源部５は、第１スイッチＳＷ１がオンすると給電を開始し、電源電圧ＶＤＤを徐々に定格電圧まで上昇させる(時刻ｔ＝ｔ３)。そして、電源電圧ＶＤＤが定格電圧に達した後、電源オン検知部９がハイレベルの電源オン検知信号を電源制御部８０に出力する(時刻ｔ＝ｔ４)。

電源制御部８０は、電源オン検知信号を受け取ると、第２スイッチＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂをオフする。そして、第２スイッチＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂがオフすることにより、短絡検出部８１が接触部１３の短絡を検出できなくなるので、短絡検出信号の出力が停止する(ローレベルに立ち下がる)。

処理部４は、電源電圧ＶＤＤが定格電圧に安定した後、送信部２及び受信部３を制御して通信タグＴＧとの人体通信を行う(時刻ｔ＝ｔ５〜ｔ６)。処理部４は、人体通信を終了したら電源制御部８０に人体通信の終了を通知する。なお、人体通信の終了時にスピーカからブザー音を鳴動したり、あるいは発光素子(例えば、発光ダイオード)を発光させて利用者(人Ｈ)に人体通信が終了したことを報知するようにしても構わない。

電源制御部８０は、処理部４から人体通信の終了通知を受け取ると、その時点(時刻ｔ＝ｔ６)からタイマ(図示せず)を起動して待機時間の限時を開始する。そして、待機時間の限時が完了してタイマからパルス信号が出力されると(時刻ｔ＝ｔ７)、電源制御部８０は、第１スイッチＳＷ１をオフして電源部５から処理部４等への給電を停止し、且つ第２スイッチＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂをオンして元の状態に戻る。

上述のように本実施形態の人体通信装置Ａは、接触部１３が複数の領域１３０〜１３３に分割され、且つ複数の領域１３０〜１３３同士が電気的に絶縁されているので、接触部１３をタッチスイッチとして利用することができる。

また、本実施形態の人体通信装置Ａは、通信部(送信部２，受信部３)の動作を制御する制御部(処理部４及び電源制御部８０)を備える。そして、制御部(処理部４及び電源制御部８０)は、複数の領域１３０〜１３３同士が人体Ｈを介して短絡されたときに通信部(送信部２，受信部３)を動作させるように構成される。

上記構成によれば、人Ｈが電極１に触れていないときに電源部５を停止して電池の消耗を抑えることができる。しかも、人Ｈが電極１に触れるだけで電源部５の給電が開始されるので、人体通信装置Ａの使い勝手が低下することもない。

１電極
１０第１導電体
１１第２導電体
１２誘電体
１３接触部

Claims

電極と、前記電極を通して通信信号を送受信する通信部とを備え、前記電極は、平板状の第１導電体と、平板状であって誘電体を挟んで前記第１導電体と対向する第２導電体と、前記第２導電体における前記第１導電体に対向する面と反対側の面に対向する接触部とを有し、
前記接触部は、導電性を有する材料により、前記第２導電体との対向面が平坦面であり、且つ前記第２導電体と反対側の面が、前記第２導電体から遠離る向きに突出する立体形状に形成されることを特徴とする人体通信装置。
前記第２導電体は、導電性を有する前記材料によって前記接触部と一体に形成されることを特徴とする請求項１記載の人体通信装置。
前記接触部は、複数の領域に分割され、且つ前記複数の領域同士が電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１又は２記載の人体通信装置。
前記通信部の動作を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記複数の領域同士が人体を介して短絡されたときに前記通信部を動作させるように構成されることを特徴とする請求項３記載の人体通信装置。