JP6808105B2

JP6808105B2 - 生体センサ装置

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Publication number: JP6808105B2
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Inventors: 紗希和田; 西本　研悟; 研悟西本; 西岡　泰弘; 泰弘西岡
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Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2021-01-06
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Description

この発明は、心拍および呼吸波形を非接触で電波を用いて取得する生体センサ装置に関するものである。

近年、少子高齢化社会の進展に伴い、突発的あるいは加齢による体調急変に起因した交通事故が増加している。また、労働人口の減少に伴い、運輸業ではドライバー１人あたりの負荷が過大となっており、疲労や居眠り運転に起因した事故もたびたび発生している。このような背景から、心拍および呼吸波形などの生体情報から体調および健康状態を推定する技術に関する研究が盛んになっており、心拍および呼吸波形を安定して取得可能な生体センサ装置の開発が期待されている。また、車載用装置としては、乗員に対し非接触かつ非拘束であることが望ましいため、電波を用いた生体センサ装置が有望である。

電波を用いたセンサでは一般にドップラーセンサが使用されるが、高周波が利用されているため、周囲環境からの反射や外来ノイズの影響が大きく、心拍および呼吸波形を正確に取得することが難しい。

また、車載用装置として用いるためには、小型化が求められるが、波長に比べて小さい小形アンテナを用いた場合は、人体の影響によりアンテナの共振周波数が変化し、センサ感度が劣化する。このため、心拍および呼吸波形を正確に取得することが困難である。

このような問題に対し、特許文献１では、入力信号を複数周波数とすることで、人体の影響で共振周波数が変化しても感度変化を低減するセンサが開示されている。

ＷＯ２０１５−０５６７４０

特許文献１の心拍センサ装置では、複数の周波数を入力波としているため、装置構成要素の直交検波回路内のミキサのローカル波も複数周波数となる。このため、ミキサの非線形性によりＩＭ（ＩｎｔｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：相互変調）成分が多数発生し、心拍および呼吸波形の精度よい測定および検知が困難である。また、複数の周波数を用いるためには、信号生成部とバンドパスフィルタからなる送信回路の構成を複雑化する必要があり、その結果コストがかかるという課題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、人体等の設置周囲条件によって変化する生体センサ用アンテナの入力インピーダンスを適応的に制御し、自動で整合させることで設置周囲環境の変化に適応した検知精度の高い、簡易な構成の生体センサ装置を得ることを目的とする。

この発明による生体センサ装置は、連続波信号を生成する信号発生部と、前記連続波信号を電波として放射するアンテナと、前記信号発生部と前記アンテナのインピーダンスの整合を取る可変整合回路と、前記連続波信号と前記アンテナに入射した電波の反射信号に基づき、検波信号を出力する検波回路と、前記検波信号に基づき、心拍および呼吸波形が測定できる一周期分以上の時間となる所定の期間の前記検波信号から、前記可変整合回路の素子値を制御する制御部とを備え、検波回路は、前記連続波信号と前記反射信号を乗算する第１のミキサと、前記連続波信号の位相を９０度変換する移相器と、前記移相器の出力と前記反射信号を乗算する第２のミキサとを備え、前記制御部は、振幅・位相情報を備えた複素数の変換係数を予め備え、前記検波信号は、前記検波回路の前記第１のミキサから出力されるＩ信号と、前記第２のミキサから出力されるＱ信号であり、前記変換係数は、心拍および呼吸波形が測定できる一周期分以上の時間となる所定の期間の前記検波信号Ｉ、Ｑの２信号のそれぞれの時間平均値ＶＩおよびＶＱと、心拍波形信号Ｖｒ＝ＶＩ−ｊＶＱであり、前記可変整合回路と前記アンテナを含む反射係数をΓｍとしたとき、前記反射係数Γｍは、前記心拍波形信号Ｖｒで除算したΓｍ／Ｖｒによって算出される。

本発明は、人体等の設置周囲条件によって変化する生体センサ用アンテナの入力インピーダンスを適応的に制御し、自動で整合させることで設置周囲環境の変化に適応した検知精度の高い、簡易な構成の生体センサ装置を得ることができる。

実施の形態１に係る生体センサ装置を示す構成図である。実施の形態１に係る可変整合回路２１の構成図の一例である。実施の形態１に係る直交検波回路３１の構成図の一例である。実施の形態１に係る制御部４１のハードウェア構成図の一例である。制御部４１の動作を説明するフローチャートである。実施の形態１に係る生体センサ装置を用いて測定した心拍および呼吸波形の一例である。従来の生体センサ装置を用いて測定した心拍および呼吸波形の一例である。図２に示す可変整合回路２１に対し、第１の可変容量素子２２２と第２の可変容量素子２２３をキャパシタ素子に置き換えた場合の可変整合回路２１の一例である。図２に示す可変整合回路２１に対し、第３の可変容量素子２２１をキャパシタ素子に置き換えた場合の可変整合回路２１の一例である。図２に示す可変整合回路２１から、インダクタ素子を取り除いた場合の可変整合回路２１の一例である。図８に示す可変整合回路２１から、インダクタ素子を取り除いた場合の可変整合回路２１の一例である。図９に示す可変整合回路２１から、インダクタ素子を取り除いた場合の可変整合回路２１の一例である。実施の形態２に係る生体センサ装置を示す構成図である。実施の形態３に係る生体センサ装置を示す構成図である。実施の形態４に係る生体センサ装置を示す構成図である。実施の形態５に係る生体センサ装置を示す構成図である。実施の形態６に係るハードウェア構成の一例で、図４に示すハードウェア構成に変換係数を備えた場合である。実施の形態６に係る制御部４１の動作を説明するフローチャートである。図１０に示す可変整合回路２１に対し、アンテナ１のアンテナインピーダンスをＺａとして接続した場合の可変整合回路２１の一例である。図１９に示す可変整合回路２１の等価回路の一例である。実施の形態７に係る制御部４１の動作を説明するフローチャートである。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る生体センサ装置を示す構成図である。図１において、本実施の形態に係る生体センサ装置には、アンテナ１と、信号発生部１１と、可変整合回路２１と、直交検波回路３１と、制御部４１と、分配回路５１、５２とが設けられている。

アンテナ１は、波長に比べて小さい小形アンテナであり、ループアンテナやダイポールアンテナなどが考えられる。アンテナ１の設置位置は、本実施の形態で限定するものではなく、例えば、被測定者の心臓近傍に設置することで心拍および呼吸波形の検知精度を向上させることが可能である。

信号発生部１１は、周波数の連続波を生成する信号発生器であり、出力端子１１０１を有する。
可変整合回路２１は、２つの端子２１０１と２１０２を有し、端子２１０２（アンテナ１と接続する第２の端子、第３の端子）に接続される負荷インピーダンスを端子２１０１（第１の端子）に接続される回路のインピーダンスに整合させる回路であり、その通過および反射特性を可変できる回路である。
なお、本実施の形態では、可変整合回路２１が、可変容量素子を３つとインダクタを１つ備えた場合について説明する。可変整合回路２１の一例を図２に示す。

図２において、２２１は第３の可変容量素子、２２２は第１の可変容量素子、２２３は第２の可変容量素子で、２３はインダクタである。なお、可変容量素子として可変容量ダイオードを用いても良い。

第３の可変容量素子２２１は、端子２２１１と端子２２１２を有し、第１の可変容量素子２２２は端子２２２１と端子２２２２を有し、第２の可変容量素子２２３は端子２２３１と端子２２３２を有し、インダクタ素子２３は端子２３０１と端子２３０２を有する。なお、端子２２１２はグラウンドに接続される。

第３の可変容量素子２２１の端子２２１１と第１の可変容量素子２２２の端子２２２１が接続され、第３の可変容量素子２２１の端子２２１２と第２の可変容量素子２２３の端子２２３１が接続され、第１の可変容量素子２２２の端子２２２２とインダクタ素子２３の端子２３０１が接続され、第２の可変容量素子２２３の端子２２３２とインダクタ素子２３の端子２３０２が接続される。

次に可変整合回路２１の動作について説明する。
可変整合回路２１は、制御部４１から送られてくる制御信号に従い、第３の可変容量素子２２１、第１の可変容量素子２２２、第２の可変容量素子２２３の値を制御する。

直交検波回路３１は、２つの入力端子（第１の入力端子３１０１、第２の入力端子３１０２）と２つの出力端子（第１の出力端子３１０３、第２の出力端子３１０４）を有し、第２の入力端子３１０２に入力された信号を、第１の入力端子３１０１に入力されたローカル信号により、直交検波し、Ｉ（ＩｎＰｈａｓｅ）信号を出力端子３１０３から出力し、Ｉ信号と９０度位相の異なるＱ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）信号を出力端子３１０４に出力する。直交検波回路３１の一例を図３に示す。

図３において、３２１は第１の分配回路、３２２は第２の分配回路、３３１は第１のミキサ、３３２は第２のミキサ、３４は（入力された信号の位相を９０度移相する）９０度移相器である。

分配回路３２１は、３つの端子３１０１、３２１１、３２１２を有する高周波回路で、端子３１０１に入力された信号は、２分配して端子３２１１、３２１２へ検波信号として出力する。また、端子３２１１と端子３２１２は、互いにアイソレーションが取れているので、端子３２１１に信号が入力された場合は端子３２１２には信号は出力せず、端子３１０１からのみ信号が出力される。

同様に、分配回路３２２は、３つの端子３１０２、３２２１、３２２２を有する高周波回路で、端子３１０２に入力された信号は、２分配して端子３２２１、３２２２へ出力する。また、端子３２２１と端子３２２２は互いにアイソレーションが取れているので、端子３２２１に信号が入力された場合は端子３２２２には信号は出力せず、端子３１０２からのみ信号が出力される。
分配回路３２１と分配回路３２２は、出力端子間のアイソレーションが取れていればよいので、ウィルキンソン型分配器やアイソレーション端子が終端抵抗に接続された方向性結合器を用いてもよい。

第１のミキサ３３１は、３つの端子３３１１、３３１２と３３１３を有し、入力端子３３１１と入力端子３３１２から入力された信号を乗算し、出力端子３３１３から信号を出力する。
同様に、第２のミキサ３３２は、３つの端子３３２１〜３３２３を有し、入力端子３３２１と入力端子３３２２から入力された信号を乗算し、出力端子３３２３から信号を出力する。

９０度移相器３４は、２つの端子３４０１、３４０２を有し、入力端子３４０１から入力された信号の位相を９０度移相した信号を出力端子３４０２から出力する。

以上のように、第１のミキサ３３１の端子３３１３から出力された信号、第２のミキサ３３２の端子３３２３から出力された信号をそれぞれＩ信号とＱ信号として出力する。

第１の分配回路３２１の端子３２１１と第１のミキサ３３１の端子３３１１とが接続され、第２の分配回路３２２の端子３２２１と第１のミキサ３３１の端子３３１２とが接続される。

第１の分配回路３２１の端子３２１２と９０度移相器３４の端子３４０１とが接続され、第２の分配回路３２２の端子３２２２と第２のミキサの端子３３２１とが接続され、９０度移相器３４の端子３４０２と第２のミキサの端子３３２２とが接続される。

ここで、第１のミキサ３３１の端子３３１３と制御部４１との間、および、第２のミキサの端子３３２３と制御部４１との間にＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ：低域通過フィルタ）が設置されていてもよい。

次に、直交検波回路３１の動作について説明する。
本実施の形態において、第１の分配回路３２１の端子３１０１からローカル信号として入力された信号は、端子３２１１と３２１２に２分配される。また、第２の分配回路３２２の端子３１０２から人体によって反射された反射波の信号として入力された信号は、端子３２２１と３２２２に２分配される。

第１の分配回路３２１の出力端子３２１１から出力された信号は、第１のミキサ３３１の入力端子３３１１に入力され、第２の分配回路３２２の端子３２２１から出力された信号は、第１のミキサ３３１の入力端子３３１２に入力される。
入力端子３３１１に入力された信号と入力端子３３１２に入力された信号は、第１のミキサ３３１で乗算され、出力端子３３１３から出力される。

第１の分配回路３２１の出力端子３２１２から出力された信号は、９０度移相器３４の入力端子３４０１へ入力される。
９０度移相器３４は、９０度位相が移相した信号を出力端子３４０２へ出力する。出力された信号は、第２のミキサ３３２の入力端子３３２２に入力される。

第２の分配回路３２２の出力端子３２２２から出力された信号は、第２のミキサ３３２の端子３３２１からミキサ３３２に入力される。
ミキサ３３２は、入力端子３３２１と入力端子３３２２から入力された信号を乗算し、出力端子３３２３へ出力する。

以上のように、直交検波回路３１の端子３１０２に入力された人体からの反射信号は、端子３１０１に入力されたローカル信号により直交検波され、位相が互いに９０度異なるＩ信号、Ｑ信号を直交検波回路３１の端子３１０３、３１０４からそれぞれ出力する。Ｉ信号、Ｑ信号は振幅等の情報として、制御部４１に入力される。

制御部４１は、直交検波回路３１から出力されたＩ信号およびＱ信号の２波を入力として受け取り、Ｉ信号とＱ信号の値を記録する。
さらに制御部４１では、予め定められた一定の微小な時間（Ｔ）の間に入力されたＩ信号とＱ信号の平均値を算出し、Ｉ信号とＱ信号の時間平均値の絶対値が小さい、ある閾値以下となるよう可変整合回路２１に対し制御信号を出力する。
時間（Ｔ）は、少なくとも心拍および呼吸波形が測定できる一周期分の時間が必要である。なお、心拍および呼吸波形は、測定対象である人体の性別や年齢、どのような精神状態なのか、等により、大きく変動するため、なるべく大きめの数値を用いることが望ましい。
制御部４１のハードウェア構成の具体例を概略的に示すブロック図を図４に示す。

図４に示されるように、制御部４１は、直交検波回路３１から出力されるアナログ信号であるＩ信号とＱ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器４２０と、Ｉ信号とＱ信号の値を記憶する記憶装置４１２と、Ｉ信号とＱ信号から可変整合回路の制御を行うプロセッサ４１１と、デジタルデータをアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換器４３０を有する。

記憶装置４１２は、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などのメモリや、ハードディスクなどの外部記憶装置の総称であり、プロセッサ４１１によってプログラムやデータの読み書きが行われ、また、一時データの格納先としても使用される。また、記憶装置４１２は、直交検波回路３１から制御部４１に対して出力されるＩ信号とＱ信号の読み書きも行われる。さらに、可変整合回路２１の整合を行うプログラム（制御プログラム）も記憶装置４１２に格納される。

アナログデジタル変換器４２０は、直交検波回路３１から出力されるアナログ信号をプロセッサ４１１が制御できるデジタルデータに変換するものである。
デジタルアナログ変換器４３０は、プロセッサ４１１が演算した結果のデジタルデータを可変整合回路２１が受け取れるアナログ信号に変換するものである。
なお、アナログデジタル変換器４２０とデジタルアナログ変換器４３０は専用の処理を行うハードウェアを用いても良いし、同処理を行うプログラムを用いても良い。

プロセッサ４１１が実行する制御プログラムの動作について図５を用いて説明する。
図５は、制御部４１で動作する整合プログラムの処理フローの一例である。
制御プログラムは、直交検波回路３１から出力されたＩ信号とＱ信号を受け取ると、アナログデジタル変換器４２０で、Ｉ信号とＱ信号をデジタル信号に変換する（Ｓ１０１）。
次に制御プログラムは、デジタル信号に変換したＩ信号とＱ信号の値を、記憶装置４１２に記憶する（Ｓ１０２）。

制御プログラムは、予め設定しておいた時間（Ｔ）が経過したか判断する（Ｓ１０３）。
その結果、時間（Ｔ）がまだ経過していない場合（Ｓ１０３：ＮＯ）には、Ｓ１０１の処理に戻り、時間（Ｔ）が経過した場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）には、現在の時刻から時間（Ｔ）遡った間、記憶装置４１２に記憶させておいたＩ信号とＱ信号の値の平均値を計算する（Ｓ１０４）。

次に制御プログラムは、この平均値と、予め設定しておいた閾値と比較を行い（Ｓ１０５）、平均値が閾値よりも小さかった場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）には、Ｓ１０１の処理に戻り、平均値が閾値以上だった場合（Ｓ１０５：ＮＯ）には、可変整合回路２１の端子２１０２に接続される負荷インピーダンスを端子２１０１に接続される回路のインピーダンスに整合するよう、調整値の計算を行う。（Ｓ１０６）。
そして、最後に制御プログラムは、可変整合回路２１へ調整値を出力する（Ｓ１０７）。

以後、直交検波回路３１から出力されたＩ信号とＱ信号を再度受け取るたびにＳ１０１の処理を繰り返す。
なお、本実施の形態では、時間平均の取り方として、ある測定時間をＴ秒間とし、Ｉ信号とＱ信号の全時間平均を取る方法としたが、このほかに、Ｔ秒間を更に細かい区間に区切り、その区間で波形を加重平均する方法でもよい。

例えば、Ｔ秒間中Ｓ秒（Ｓ≦Ｔ）までの時間平均をＡ（Ｓ）とすると、Ａ（Ｓ）をＴ−ｕ≦Ｓ≦Ｔ（ｕ≦Ｔ）の間で平均化し、Ｉ信号、Ｑ信号の時間平均値の絶対値が十分小さいある閾値以下になるか判定する。
閾値は、実際に測定を行う環境のノイズの影響によって決定する。例えば、周囲のノイズの数値を幾つか測定しておき、その最大値としても良いし、標準偏差を求めた値、もしくは最大値と平均値あるいは最頻値から、適宜適切な値を求めても良い。また、閾値は固定とせず、状況に応じて変化できるよう、例えば、一定間隔でノイズの測定を行い、再設定できるようにしてもよい。
これにより、Ｓに対するＡ（Ｓ）の変動が小さくなるため平均値を取る際の誤差が小さくなる。
また、可変整合回路２１の端子２１０２に接続される負荷インピーダンスを端子２１０１に接続される回路のインピーダンスに整合するよう、調整値の計算を行うには、以下のような方法が考えられる。
まず、可変整合回路２１のＺ特性インピーダンス（Ｚ_０）が５０Ωとなるよう、制御部４１に入力されたＩ信号とＱ信号の値と、可変整合回路２１の可変容量素子２２１〜２２３の値から、計算し、Ｉ信号とＱ信号の時間平均の絶対値が閾値を下回るよう可変容量素子２２１〜２２３の容量を調整する方法が考えられる。

また、Ｉ信号とＱ信号の時間平均の絶対値が閾値を下回るように可変容量素子２２１〜２２３の値を掃引することで各可変容量素子の容量値を調整してもよい。
例えば、第１の可変容量素子２２２の値をＣ１とし、第２の可変容量素子２２３の値をＣ２とする。そして、Ｃ１とＣ２それぞれの容量値が、ａ１≦Ｃ１≦ａ２、ｂ１≦Ｃ２≦ｂ２の間の値をとるとした場合、まず、最初にＣ１の値をａ１に固定し、Ｃ２の値をｂ１からｂ２の間で順に変化させ、そのＣ１とＣ２の値を組み合わせた状態の可変整合回路で、Ｉ信号とＱ信号の時間平均の全体値が、閾値を下回るか判断する。

Ｃ２がｂ１からｂ２の間の全ての値を用いても下回らなかった場合、Ｃ１の値を変え、再度Ｃ２の値をｂ１からｂ２まで変化させ、そのＣ１とＣ２の値を組み合わせた状態の可変整合回路で、Ｉ信号とＱ信号の時間平均の全体値が閾値を下回るか判断する。
更に、制御部４１が受け取るＩ信号の値とＱ信号の値とその平均値から、Ｃ１とＣ２の取りうる容量値として適切な値が格納されたテーブルを予め用意しておく方法が考えられる。

制御部４１は、Ｉ信号とＱ信号の値を受け取ると、このテーブルを参照し、テーブルが指し示すＣ１とＣ２が設定されるべき容量値を用いることにより、Ｉ信号とＱ信号の時間平均の絶対値が閾値を下回るよう可変整合回路２１の可変素子の値を短時間で調整することが可能となる。

分配回路５１は、３つの端子５１０１〜５１０３を有する高周波回路で、端子５１０１に信号が入力された場合は端子５１０２、５１０３に信号を２分配して出力する。
また、端子５１０２と端子５１０３は、互いにアイソレーションが取れているので、端子５１０２に信号が入力された場合は端子５１０３には信号は出力せず、端子５１０１からのみ信号が出力される。

分配回路５１と同様に、分配回路５２も、３つの端子５２０１〜５２０３を有する高周波回路で、端子５２０３に信号が入力された場合は端子５２０２、５２０１に信号を２分配して出力する。
また、端子５２０２と端子５２０１は互いにアイソレーションが取れているので、端子５２０１に信号が入力された場合は端子５２０２には信号は出力せず、端子５２０３からのみ信号が出力される。

なお、分配回路５１と分配回路５２は、出力端子間のアイソレーションが取れていればよいので、ウィルキンソン型分配器やアイソレーション端子が終端抵抗に接続された方向性結合器を用いることが考えられる。

信号発生部１１の出力端子１１０１と第１の分配回路５１の端子５１０１とが接続され、第１の分配回路５１の端子５１０２と第２の分配回路５２の端子５２０１とが接続され、第１の分配回路５１の端子５１０３と直交検波回路３１の端子３１０１とが接続され、第２の分配回路５２の端子５２０２が直交検波回路３１の端子３１０２とが接続され、第２の分配回路５２の端子５２０３と可変整合回路２１の端子２１０１が接続され、可変整合回路の端子２１０２とアンテナ１とが接続される。

次に、本実施の形態における生体センサ装置の全体の動作について説明する。まず、信号発生部１１の出力端子１１０１から出力される周波数の信号が、第１の分配回路５１の端子５１０１に入力され、端子５１０２と端子５１０３に信号が２分配される。

ここで、信号の通過する経路ａを、端子５１０２→端子５２０１→分配回路５２→端子５２０３→端子２１０１→可変整合回路２１→２１０２の経路とする。
また、信号の通過する経路ｂを、端子２１０２→可変整合回路２１→端子２１０１→端子５２０３→分配回路５２→端子５２０２→端子３１０２の経路とする。

第１の分配回路５１の端子５１０２から出力された信号は、経路ａを通りアンテナ１へ入力され、第１の分配回路５１の端子５１０３から出力された信号は、直交検波回路３１の端子３１０１から直交検波回路３１にローカル信号として入力される。

経路ａを通過した信号は、アンテナ１から電波として放射され、人体によって反射された反射波の信号がアンテナ１に入力し、経路ｂを通り直交検波回路３１の端子３１０２から直交検波回路３１に入力される。

直交検波回路３１の端子３１０２に入力された人体からの反射信号は、端子３１０１に入力されたローカル信号により直交検波され、位相が互いに９０度異なるＩ信号、Ｑ信号として、直交検波回路３１の端子３１０３、３１０４からそれぞれ出力する。
Ｉ信号、Ｑ信号は制御部４１に入力される。

制御部４１では、入力されたＩ信号とＱ信号の２波をある時間測定し、Ｉ信号、Ｑ信号の時間平均を算出する。両信号の時間平均値の絶対値が十分小さい、ある閾値以下となるか判定を行う。
両信号の時間平均値の絶対値が閾値よりも大きい場合、制御部４１から可変整合回路２１へ制御信号を発信し、両信号の時間平均の絶対値が閾値以下となるように可変整合回路２１の通過および反射特性を調整する。

以上のように、アンテナから放射した電波の信号と、人体によって反射された反射波の信号を直交検波して求めたＩ信号、Ｑ信号の時間平均値の絶対値を十分小さくし、０に近づけるほど、アンテナのインピーダンスの不整合損が低減され、センサ感度を向上させることができる。

また、生体センサ装置が作動中、常に制御部４１を実施することにより、人体等の設置周囲環境が変化しても常時心拍に対してセンシング感度の高い状態で測定を行うことが可能となる。
本実施の形態で用いた生体センサ装置で、実際に測定した被測定者の心拍および呼吸波形を取得した場合の波形を図６に示す。
また、比較対象として、可変整合回路を持たず自由空間でアンテナのインピーダンスを整合させた生体センサ装置を用いて心拍および呼吸波形を取得した場合の波形を図７に示す。どちらの図にも、被測定者の正しい心拍および呼吸波形（リファレンス波形）として、接触型光電脈波計を用いた結果を波線で表示している。

図６、図７はともに、得られたＩ信号、Ｑ信号の振幅を計算し、その振幅の最大値からの変位量を描画したものである。

図６は、上述した構成の生体センサ装置を使用した心拍および呼吸波形であり、リファレンス波形とピークの位置が一致していることが確認できる。これに対し、図７は、可変整合回路を持たない生体センサ装置を使用した心拍および呼吸波形であり、図６と比べ心拍および呼吸波形の振幅は小さく、また、リファレンスとは異なった挙動を示すことが確認できる。

心拍波形のピークが正確に検知されれば、被測定者の心拍間隔の変動値を精度よく測定することができ、体調および健康状態の推定等に幅広く応用できる。
なお、本実施の形態では、制御部４１において、予め設定しておいた時間（Ｔ）が経過したかで判断を行い、時間（Ｔ）が経過した場合には、現在の時刻から時間（Ｔ）遡った間、記憶装置４１２に記憶させておいたＩ信号とＱ信号の値の平均値を計算する場合について説明したが、時間（Ｔ）が経過したか判断するのではなく、制御部４１がＩ信号とＱ信号の値を受け取った回数を予め設定しておき、制御部４１において、その回数だけＩ信号とＱ信号の値を受けった場合には、予め設定しておいた回数分のＩ信号とＱ信号の値から平均値を計算するようにしてもよい。

また、計算したＩ信号とＱ信号の値の平均値が閾値を越えたか越えなかったかの結果を毎回記憶しておき、その結果に応じて、時間（Ｔ）もしくは、回数を変更してもよい。例えば、Ｉ信号とＱ信号の値の平均値が閾値を越えなかった状態が例えば３回連続した場合、時間（Ｔ）もしくは回数を増やし、逆に例えば３回連続してＩ信号とＱ信号の値の平均値が閾値を越えた場合には、時間（Ｔ）もしくは回数を減らすようにしてもよい。
このように、時間（Ｔ）もしくは回数を増減させることにより、制御部の動作を効率的に行うことが可能となる。

また、本実施の形態では、可変整合回路２１として、図２に示すような、３つの可変容量素子と１つのインダクタを備えた場合について説明したが、可変整合回路２１の構成はこれに限られるものではない。
可変整合回路２１は、図８、図９、図１０、図１１、図１２に示すような構成であってもよい。
例えば、図８に示す可変整合回路２１は、図２に示す可変整合回路２１の第１の可変容量素子２２２と第２の可変容量素子２２３をある固定の値としたキャパシタ素子２２２Ａ、２２３Ａに置き換えたものであり、図９に示す可変整合回路２１は、図２の第３の可変容量素子２２１をある固定の値としたキャパシタ素子２２１Ａに置き換えたものである。

また、図１０に示す可変整合回路２１は、図２に示す可変整合回路２１のインダクタ素子２３を取り除いたもので、図１１に示す可変整合回路２１は図９に示す可変整合回路２１のインダクタ素子２３を取り除いたもので、図１２に示す可変整合回路２１は、図１０に示す可変整合回路２１からインダクタ素子２３を取り除いたものである。

さらに、図８、図９、図１０、図１１、図１２において、第３の可変容量素子２２１もしくはある固定の値としたキャパシタ素子２２１Ａはオープン（開放）でもよく、また第１の可変容量素子２２２もしくはある固定の値としたキャパシタ素子２２２Ａ、第２の可変容量素子２２３もしくはある固定の値としたキャパシタ素子２２３Ａはショート（短絡）でもよい。ただし、第２の可変容量素子と第２の可変容量素子の値および状態は、同一であるとする。

以上のように、生体センサ装置をアンテナ１と、信号発生部１１と、可変整合回路２１と、直交検波回路３１と、制御部４１と、分配回路５１、５２とで構成し、制御部４１において、Ｉ信号とＱ信号の時間平均値の絶対値がある閾値以下になるように、可変整合回路２１を制御することで設置周囲環境の変化に適応した、検知精度の高い、簡易な構成の生体センサ装置が得られるという効果を有する。

実施の形態２．
実施の形態１では、分配器を用いた生体センサ装置について説明したが、本実施の形態では、分配器の代わりに方向性結合器を用いた場合について説明する。
図１３は、本実施の形態に係る生体センサ装置の構成図である。
図１３において、６１は方向性結合器である。本実施の形態では、方向性結合器６１が４つの端子６１０１〜６１０４を有した場合について説明する。
なお、図１３において、図１と同一符号は、同一または、相当部分を示している。

方向性結合器６１は、端子６１０１に信号が入力された場合には、端子６１０３、端子６１０４に信号を２分配して出力し、端子６１０３に信号が入力された場合には、端子６１０１、端子６１０２に信号を２分配して出力する。また、端子６１０１と端子６１０２間、端子６１０３と端子６１０４間は、アイソレーションが取れている。
本実施の形態では、図１３に示されるように、信号発生部１１の出力端子１１０１と方向性結合器６１の端子６１０１が接続され、方向性結合器６１の端子６１０２と直交検波回路３１の端子３１０２が接続され、方向性結合器の端子６１０３と可変整合回路２１の端子２１０１が接続され、方向性結合器の６１０４と直交検波回路３１の端子３１０１が接続されている。

本実施の形態における動作について説明する。
信号発生部１１の出力端子１１０１から出力された信号は、方向性結合器６１の端子６１０１に入力され、端子６１０３と端子６１０４に信号が２分配される。
方向性結合器６１の端子６１０４から出力された信号は、直交検波回路３１の端子３１０１にローカル信号として入力される。また、方向性結合器６１の端子６１０３から出力された信号は、可変整合回路２１に端子２１０１から入力し、端子２１０２からアンテナ１へ出力され、アンテナ１から電波として放射される。

アンテナ１から放射された信号は、人体で反射され、反射信号としてアンテナ１に入力される。この反射信号は、可変整合回路２１の端子２１０２へ入力され、端子２１０１から出力され、方向性結合器６１の端子６１０３に入力される。
この端子６１０３に入力された反射信号の一部が、端子６１０２から出力され、直交検波回路３１の端子３１０２に入力される。

実施の形態１の場合と同様に、直交検波回路３１の端子３１０２に入力された人体からの反射信号は、端子３１０１に入力されたローカル信号により直交検波され、位相が互いに９０度異なるＩ信号、Ｑ信号を直交検波回路３１の端子３１０３、３１０４からそれぞれ出力する。Ｉ信号、Ｑ信号は制御部４１に入力される。

以上のように本実施の形態では生体センサ装置を、アンテナ１と、信号発生部１１と、可変整合回路２１と、直交検波回路３１と、制御部４１と、方向性結合器６１とで構成し、制御部４１において、Ｉ信号とＱ信号の時間平均値の絶対値がある閾値以下になるように、可変整合回路２１を制御することで設置周囲環境の変化に適応した、検知精度の高い、より簡易な構成の生体センサ装置が得られるという効果を有する。

実施の形態３．
実施の形態１では、直交検波回路を用いた生体センサ装置について説明したが、本実施の形態では、直交検波回路の代わりにミキサを用いた場合について説明する。
図１４は、本実施の形態に係る生体センサ装置の構成図である。
図１４において、７１はミキサである。本実施の形態では、ミキサ７１が３つの端子７１０１〜７１０３を有した場合について説明する。なお、７１０１と７１０２は入力端子、７１０３は出力端子とする。

ミキサ７１は、入力端子７１０１と入力端子７１０２から入力された信号を乗算し、出力端子７１０３から信号を出力する。
本実施の形態では、図１４に示されるように、第１の２分配回路５１の端子５１０３と第２の２分配回路５２の端子５２０２との間に３つの端子７１０１〜７１０３を有するミキサ７１が設置されている。
なお、図１４において、図１と同一符号は、同一または、相当部分を示している。

本実施の形態では、第１の２分配回路５１の端子５１０３とミキサ７１の端子７１０１が接続され、第２の分配回路５２の端子５２０２とミキサ７１の端子７１０２とが接続されている。このとき、ミキサ７１と端子７１０３間にＬＰＦを設置してもよい。

本実施の形態における動作について説明する。
信号発生部１１の出力端子１１０１から出力された信号は、第１の２分配回路５１の端子５１０１に入力され、端子５１０２と端子５１０３に信号が２分配される。

ここで、信号の通過する経路ａを、端子５１０２→端子５２０１→２分配回路５１→端子５２０３→端子２１０１→可変整合回路２１→２１０１の経路とする。また、信号の通過する経路ｂを、端子２１０１→可変整合回路２１→端子２１０１→端子５２０３→２分配回路５２→端子５２０２→端子７１０２の経路とする。

第１の２分配回路５１の端子５１０２から出力された信号は、経路ａを通り、アンテナ１へ入力される。
第１の２分配回路５１の端子５１０３から出力された信号は、ミキサ７１の端子７１０１からミキサ７１にローカル信号として入力される。

経路ａを通過した信号は、アンテナ１から電波として放射される。そして、人体によって反射された反射波の信号が、今度はアンテナ１への入力として戻ってきて、経路ｂを通り、ミキサ７１の端子７１０２からミキサ７１に入力される。

ミキサ７１の端子７１０１から入力されたローカル信号と端子７１０２から入力された人体からの反射信号は、ミキサ７１で乗算され、Ｉ信号としてミキサ７１の端子７１０３から出力される。このＩ信号は制御部４１に入力される。
制御部４１では、入力されたＩ信号をある時間測定し、Ｉ信号の時間平均を算出する。Ｉ信号の時間平均値の絶対値が十分小さい、ある閾値以下となるか判定を行う。Ｉ信号の時間平均値の絶対値が閾値よりも大きい場合、制御部４１から可変整合回路２１へ制御信号を発信し、Ｉ信号の時間平均の絶対値が閾値以下となるように可変整合回路２１の通過および反射特性を調整する。

以上のように、本実施の形態では、生体センサ装置をアンテナ１と、信号発生部１１と、可変整合回路２１と、制御部４１と、２つの２分配回路５１、５２と、ミキサ７１とで構成し、制御部４１において、Ｉ信号の時間平均値の絶対値がある閾値以下になるように、可変整合回路２１を制御することで設置周囲環境の変化に適応した、より簡易な構成の生体センサ装置が得られるという効果を有する。

実施の形態４．
本実施の形態では、移相回路を更に追加した場合について説明する。
図１５は、本実施の形態に係る生体センサ装置の構成図である。
図１５において、８１は移相回路である。本実施の形態では、移相回路８１が２つの端子８１０１、８１０２を有した場合について説明する。なお、８１０１は入力端子、８１０２は出力端子とする。

移相回路８１は、入力端子８１０１から入力されたローカル信号の位相を変化させる機能を有する。移相回路８１によって位相が変化したローカル信号は、端子８１０２から出力される。
本実施の形態では、図１５に示されるように、第１の２分配回路の端子５１０３と移相回路８１の端子８１０１とが接続され、移相回路８１の端子８１０２と直交検波回路３１の端子３１０１が接続されている。
なお、図１５において、図１と同一符号は、同一または、相当部分を示している。

本実施の形態における動作について説明する。
信号発生部１１の出力端子１１０１から出力される信号は、第１の２分配回路５１の端子５１０１に入力され、端子５１０２と端子５１０３に信号が２分配される。

ここで、信号の通過する経路ａを、端子５１０２→端子５２０１→２分配回路５１→端子５２０３→端子２１０１→可変整合回路２１→２１０１の経路とする。また、信号の通過する経路ｂを、端子２１０１→可変整合回路２１→端子２１０１→端子５２０３→２分配回路５２→端子５２０２→端子３１０２の経路とする。

第１の２分配回路５１の端子５１０２から出力された信号は、経路ａを通りアンテナ１へ入力され、第１の２分配回路５１の端子５１０３から出力された信号はローカル信号として、移相回路８１の端子８１０１から移相回路８１に入力され、端子８１０２から出力され、直交検波回路３１の端子３１０１から直交検波回路３１に入力される。

経路ａを通過した信号はアンテナ１から電波として放射され、人体によって反射された反射波の信号がアンテナ１に入力し、経路ｂを通り直交検波回路３１の端子３１０２から直交検波回路３１に入力される。

直交検波回路３１の端子３１０２に入力された人体からの反射信号は、端子３１０１に入力されたローカル信号により直交検波され、位相が互いに９０度異なるＩ信号、Ｑ信号を直交検波回路３１の端子３１０３、３１０４からそれぞれ出力する。Ｉ信号、Ｑ信号は制御部４１に入力される。

制御部４１では、入力されたＩ信号とＱ信号の２波をある時間測定し、Ｉ信号、Ｑ信号の時間平均を算出する。両信号の時間平均値の絶対値が十分小さい、ある閾値以下となるか判定を行う。両信号の時間平均値の絶対値が閾値よりも大きい場合、制御部４１から可変整合回路２１へ制御信号を発信し、両信号の時間平均の絶対値が閾値以下となるように可変整合回路２１の通過および反射特性を調整する。

さらに制御部４１では、ある時間内のＩ信号の最大値と最小値の差が最大となるように移相回路８１の移相量を調整する。
このように、ある時間内のＩ信号の最大値と最小値が最大となるように移相回路８１の移相量を調整することで、心拍波形の振幅の最大化し、ＳＮ比を向上させることができる。

以上のように、実施の形態４では、生体センサ装置をアンテナ１と、信号発生部１１と、可変整合回路２１と、直交検波回路３１と、制御部４１と、２つの２分配回路５１、５２と、移相回路８１とで構成し、制御部４１において、ある時間内のＩ信号の最大値と最小値の差が最大となるように移相回路８１の移相量を調整することで、心拍波形の振幅の最大化し、ＳＮ比を向上させ、検知精度の高い、簡易な構成の生体センサ装置が得られるという効果を有する。

実施の形態５．
本実施の形態では、増幅回路を更に追加した場合について説明する。
図１６は、本実施の形態に係る生体センサ装置の構成図である。
図１６において、９１は増幅回路である。本実施の形態で用いる増幅回路９１は、２つの端子９１０１、９１０２を有し、端子９１０１に入力された信号を増幅し、端子９１０２から出力する。

本実施の形態では、図１６に示されるように、第２の２分配回路５２の端子５２０２と増幅回路９１の端子９１０１とが接続され、増幅回路９１の端子９１０２と直交検波回路３１の端子３１０２が接続される。
なお、図１６において、図１と同一符号は、同一または、相当部分を示している。

ここで、信号の通過する経路ａを、端子５１０２→端子５２０１→２分配回路５２→端子５２０３→端子２１０１→可変整合回路２１→２１０２の経路とする。また、信号の通過する経路ｂを、端子２１０２→可変整合回路２１→端子２１０１→端子５２０３→２分配回路５２→端子５２０２→端子９１０１の経路とする。

第１の２分配回路５１の端子５１０２から出力された信号は、経路ａを通りアンテナ１へ入力され、第１の２分配回路５１の端子５１０３から出力された信号はローカル信号として、直交検波回路３１の端子３１０１から直交検波回路３１に入力される。

経路ａを通過した信号はアンテナ１から電波として放射され、人体によって反射された反射波の信号がアンテナ１に入力し、経路ｂを通り増幅回路９１の入力端子９１０１から増幅回路９１に入力され、増幅された信号が出力端子９１０２から出力され、直交検波回路３１の端子３１０２から直交検波回路３１に入力される。

直交検波回路３１の端子３１０２に入力された、増幅回路９１で増幅された人体からの反射信号は、端子３１０１に入力されたローカル信号により直交検波され、位相が互いに９０度異なるＩ信号、Ｑ信号として直交検波回路３１の端子３１０３、３１０４からそれぞれ出力する。このＩ信号、Ｑ信号は制御部４１に入力される。
このように、増幅回路９１で人体からの反射波の信号を増幅することで、ＳＮ比を向上させることができる。

以上のように、実施の形態５では、生体センサ装置をアンテナ１と、信号発生部１１と、可変整合回路２１と、直交検波回路３１と、制御部４１と、２つの２分配回路５１、５２と、増幅回路９１とで構成し、人体からの反射波の信号を増幅回路９１で増幅させることで、ＳＮ比を向上させ、検知精度の高い、簡易な構成の生体センサ装置が得られるという効果を有する。

実施の形態６
本実施の形態では実施の形態１において、制御部４１に変換係数を備えた場合を説明する。
図１７は、制御部４１のハードウェア構成を概略的に示すブロック図で、実施の形態１の図４の記憶装置４１２に変換係数４１２１を備えた場合を示している。

変換係数４１２１は、記憶装置４１２に予め格納されている係数で、図１の回路構成に依存する振幅・位相情報を備えている。また、変換係数４１２１は、Ｉ信号、Ｑ信号の２つの信号の時間平均値を可変整合回路２１の端子２１０１からみたアンテナの反射係数Γｍに変換する。変換係数は、たとえば、本生体センサ装置の出荷前に予め求め記憶装置４１２に格納してもよい。
また、図１の回路構成が変更されたときは、変換係数４１２１を再設定する必要がある。例えば、可変整合回路２１と分配回路５２を同軸ケーブルで接続するとき、そのケーブル長が変化した場合には変換係数４１２１を再設定する。

変換係数４１２１の求め方を説明する。変換係数４１２１を決定するときには、アンテナ１を心臓近傍等に設置するのではなく、アンテナ１の周囲に動くもののない、Ｉ信号、Ｑ信号が時間的にほとんど変動しない環境で行う。
図１の回路構成を用いて、可変整合回路２１の設定値を変化させて得られる可変整合回路２１の端子２１０１からみたアンテナの反射係数ΓｍをＶＮＡ（ベクトルネットワークアナライザ）などで測定し、同一設定値でのＩ信号、Ｑ信号を同様に測定し、互いに対応する値を記録しておく。
ここで、Ｉ信号、Ｑ信号に対応する電圧をそれぞれＶＩ、ＶＱ、心拍波形信号Ｖｒ＝ＶＩ-ｊＶＱとすると、変換係数４１２１は（１）式から計算できる。

反射係数Γｍと対応する心拍波形信号Ｖｒは、たとえば、ＶＳＷＲが２〜５程度となる、互いが可能な限り離れた２点を用いて（１）式から振幅項と位相項をそれぞれ算出し、平均化したものを変換係数４１２１とする。ＶＳＷＲが大きすぎると分配回路５２が理想特性からずれ、誤差が大きくなる。また、ＶＳＷＲが小さいとＶＩ，ＶＱ、Ｓ１１の測定誤差が大きくなる。したがって、計算に用いる値は、ＶＳＷＲは２〜５程度のものが望ましい。
また、変換係数４１２１は、反射係数Γｍと対応する心拍波形信号Ｖｒを用いて可変整合回路２１の設定値ごとにそれぞれ算出してもよいし、反射係数Γｍと対応する心拍波形信号Ｖｒを用いて可変整合回路２１の設定値ごとに振幅項・位相項をそれぞれ計算し、すべての点の平均値から算出してもよい。

（１）式から求めた変換係数４１２１を記憶装置４１２に予め備えることで、図１の構成のみで、ほかに特別な測定機器がない環境であっても、心拍波形の検知信号Ｉ信号、Ｑ信号に変換係数４１２１（＝Ａｅ^ｊθ）を乗算することで、対応する可変整合回路２１の端子２１０１からみたアンテナの反射係数Γｍを求めることが可能となる。

図１７におけるプロセッサ４１１が実行する制御プログラムの動作について図１８を用いて説明する。
図１８は、制御部４１で動作する整合プログラムの処理フローの一例である。
制御プログラムは、直交検波回路３１から出力されたＩ信号とＱ信号を受け取ると、アナログデジタル変換器４２０で、Ｉ信号とＱ信号をデジタル信号に変換する（Ｓ１０１）。
次に制御プログラムは、デジタル信号に変換したＩ信号とＱ信号の値を、記憶装置４１２に記憶する（Ｓ１０２）。

次に制御プログラムは、この平均値と、予め設定しておいた閾値と比較を行い（Ｓ１０５）、平均値が閾値よりも小さかった場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）には、Ｓ１０１の処理に戻り、平均値が閾値以上だった場合（Ｓ１０５：ＮＯ）には、記憶装置４１２に記憶させておいたＩ信号とＱ信号の値に変換係数４１２１（＝Ａｅ^ｊθ）を乗算することで、可変整合回路２１の端子２１０１からみたアンテナ１の反射係数Γｍを算出する（Ｓ１０６１）。算出した反射係数Γｍを用いて、可変整合回路２１の端子２１０１からみたアンテナ１側のインピーダンスが端子２１０１に接続される回路のインピーダンス（５０Ω）になるよう、整合回路部２１の調整値の計算を行う（Ｓ１０６）。
そして、最後に制御プログラムは、可変整合回路２１へ調整値を出力する（Ｓ１０７）。

変換係数４１２１を導入することで、図１の構成のみで、ほかに特別な測定機器がない環境であっても、直交検波回路３１の検波信号から、可変整合回路２１の端子２１０１からみたアンテナの反射係数Γｍを求められることで、可変整合回路２１の調整値を正確に設定することが可能となり、検知精度の高い、簡易な構成の生体センサ装置が得られるという効果を有する。

実施の形態７
本実施の形態では実施の形態６において可変整合回路２１の一例を用いて、制御部４１で可変整合回路２１を調整する場合を説明する。
図１９に、本実施の形態で説明する可変整合回路２１の構成を示し、図２０に、図１９の等価回路を示す。
また、図２１に、本実施の形態で説明する制御フローの一例を示す。

図１９は、実施の形態１の図１０において、第２、第３の可変素子の端子２２２２と端子２２３２とをアンテナ１の端子２１０２と接続したものである。端子２１０２と接続するアンテナ１をアンテナ１の負荷インピーダンスＺａとして示した。

図２０は、図１９の等価回路を示している。図１９で示す回路を構成するとき、実際には図２０に示すように第１、第２、第３の可変容量素子２２２、２２３、２２１には寄生抵抗が存在する。そのため、第１、第２、第３の可変容量素子２２２、２２３、２２１の値を正確に算出する際には考慮する必要がある。ここで、寄生抵抗は第１、第２、第３の可変容量素子２２２、２２３、２２１に直列に接続すると考える。
２２４は第３の可変容量素子２２１に接続する第３の寄生抵抗、２２５は第１の可変容量素子２２２に接続する第１の寄生抵抗、２２６は第２の可変容量素子２２３に接続する第２の寄生抵抗である。

第３の寄生抵抗２２４は、端子２２４１と端子２２４２を有し、第１の寄生抵抗２２５は端子２２５１と端子２２５２を有し、第２の寄生抵抗２２６は端子２２６１と端子２２６２を有する。なお、端子２２４２はグラウンドに接続される。

第３の寄生抵抗２２４の端子２２４１と第３の可変容量素子２２１の端子２２１２が接続され、第３の寄生抵抗２２４の端子２２４２と第２の可変容量素子２２３の端子２２３１が接続され、第１の寄生抵抗２２５の端子２２５１と第１の可変容量素子２２２の端子２２２２とが接続され、第２の寄生抵抗２２６の端子２２６１と第２の可変容量素子２２３の端子２２３２が接続され、第１の寄生抵抗２２５の端子２２５２と第２の寄生抵抗２２６の端子２２６２とがアンテナ１の端子２１０２に接続される。なお、第１の可変容量素子２２２および第２の可変容量素子２２３の可変容量値をＣ１、第３の可変容量素子２２１の可変容量値をＣ２、第１の寄生抵抗２２５および第２の寄生抵抗２２６の抵抗値をＲ１、第３の寄生抵抗２２４の抵抗値をＲ２とする。

本実施の形態において、図１７のプロセッサ４１１が実行する制御プログラムの動作について図２１を用いて説明する。
制御プログラムは、直交検波回路３１から出力されたＩ信号とＱ信号を受け取ると、アナログデジタル変換器４２０で、Ｉ信号とＱ信号をデジタル信号に変換する（Ｓ１０１）。
次に制御プログラムは、デジタル信号に変換したＩ信号とＱ信号の値を、記憶装置４１２に記憶する（Ｓ１０２）。

次に制御プログラムは、この平均値と、予め設定しておいた閾値と比較を行い（Ｓ１０５）、平均値が閾値よりも小さかった場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）には、Ｓ１０１の処理に戻り、平均値が閾値以上だった場合（Ｓ１０５：ＮＯ）には、可変整合回路部２１の調整値の計算を実施する（Ｓ１０６１〜Ｓ１０６３）。そして、最後に制御プログラムは、可変整合回路２１へ調整値を出力する（Ｓ１０７）。

図１９の等価回路である図２０を用いて制御プログラムの可変整合回路部２１の調整値の計算を実施する（Ｓ１０６１〜Ｓ１０６３）について具体的に説明する。
まず、はじめに、制御プログラムのサブルーチンＳ１０６１での計算について説明する。
記憶装置４１２に記憶させておいたＩ信号とＱ信号の時間平均値をそれぞれＶＩ、ＶＱ、心拍波形信号Ｖｒ＝ＶＩ-ｊＶＱとすると、心拍波形信号Ｖｒに変換係数４１２１（＝Ａｅ^ｊθ）を乗算することで、可変整合回路２１の参照面ｔ１からみたアンテナ１の反射係数Γｍを算出する。

続いて、サブルーチンＳ１０６２での計算について説明する。
Ｓ１０６１で算出した反射係数Γｍから、可変整合回路２１の参照面ｔ１からみたアンテナ１のインピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸを計算し、このインピーダンスＺと現在の可変整合回路２１の回路定数と、信号発生部１１から発生する信号の周波数をωとを用いて、端子２１０２に接続するアンテナのインピーダンスをＺａ＝Ｒａ+ｊＸａを計算する。

Ｓ１０６２における具体的な計算は、図２０に示す、参照面ｔ１および参照面ｔ２からみたアンテナ１のインピーダンスについて連立方程式を解くことで算出する。
アンテナ１のインピーダンスＺａ＝Ｒａ+ｊＸａの実部と虚部はそれぞれ（３）、（４）式となる。

続いて、サブルーチンＳ１０６３での計算について説明する。
サブルーチンＳ１０６２で求めたアンテナ１のインピーダンスＺａと、参照面ｔ１からみたアンテナ１の反射係数Γｍが０になる条件（Ｚ＝Ｒ0＝５０Ω）から可変整合回路２１の各容量値を計算し、それぞれ（５）、（６）式となる。

（５）、（６）式を用いて、可変容量値Ｃ１、Ｃ２を調整することでΓｍを低減することができる。

そして、最後に制御プログラムは、可変整合回路２１へ調整値を出力する（Ｓ１０７）。
たとえば可変素子が可変容量ダイオードであるとき、調整値は、予め制御部４１に可変容量ダイオードとその容量値とする印加電圧のテーブルを備え、算出された容量値からテーブルの情報により調整値となる印加電圧値を可変整合回路２１に指示しても良い。

可変整合回路部２１の調整値の計算を実施する（Ｓ１０６１〜Ｓ１０６３）ことで、可変整合回路２１の調整値を正確に設定することが可能となり、検知精度の高い、簡易な構成の生体センサ装置が得られるという効果を有する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る生体センサ装置は、連続波信号を生成する信号発生部と、前記連続波信号を電波として放射するアンテナと、前記信号発生部と前記アンテナのインピーダンスの整合を取る可変整合回路と、前記連続波信号と前記アンテナに入射した電波の反射信号に基づき、検波信号を出力する検波回路と、前記検波信号に基づき、心拍および呼吸波形が測定できる一周期分以上の時間となる所定の期間の前記検波信号から、前記可変整合回路の素子値を制御する制御部とを備え、人体等の設置周囲条件によって変化する生体センサ用アンテナの入力インピーダンスを適応的に制御することができ、心拍および呼吸波形を非接触で電波を用いて取得する生体センサ装置に適している。

１アンテナ、１１信号発生部、２１可変整合回路、２３インダクタ素子、３１直交検波回路、３４９０度移相器、４１制御部、５１分配回路、５２分配回路、６１方向性結合器、７１ミキサ、８１移相回路、９１増幅回路、２２１第３の可変容量素子、２２１Ａある固定の値としたキャパシタ素子、２２２第１の可変容量素子、２２２Ａある固定の値としたキャパシタ素子、２２３第２の可変容量素子、２２３Ａある固定の値としたキャパシタ素子、２２４第３の寄生抵抗、２２５第１の寄生抵抗、２２６第２の寄生抵抗、３２１第１の分配回路、３２２第２の分配回路、３３１第１のミキサ、３３２第２のミキサ、４１１プロセッサ、４１２記憶装置、４２０アナログデジタル変換器、４３０デジタルアナログ変換器。

Claims

連続波信号を生成する信号発生部と、
前記連続波信号を電波として放射するアンテナと、
前記信号発生部と前記アンテナのインピーダンスの整合を取る可変整合回路と、
前記連続波信号と前記アンテナに入射した電波の反射信号に基づき、検波信号を出力する検波回路と、
前記検波信号に基づき、心拍および呼吸波形が測定できる一周期分以上の時間となる所定の期間の前記検波信号から、前記可変整合回路の素子値を制御する制御部と、
を備え、
前記検波回路は、前記連続波信号と前記反射信号を乗算する第１のミキサと、
前記連続波信号の位相を９０度変換する移相器と、
前記移相器の出力と前記反射信号を乗算する第２のミキサと、
を備え、
前記制御部は、振幅・位相情報を備えた複素数の変換係数を予め備え、
前記検波信号は、前記検波回路の前記第１のミキサから出力されるＩ信号と、前記第２のミキサから出力されるＱ信号であり、
前記変換係数は、心拍および呼吸波形が測定できる一周期分以上の時間となる所定の期間の前記検波信号Ｉ、Ｑの２信号のそれぞれの時間平均値ＶＩおよびＶＱと、心拍波形信号Ｖｒ＝ＶＩ−ｊＶＱであり、
前記可変整合回路と前記アンテナを含む反射係数をΓｍとしたとき、前記反射係数Γｍは、前記心拍波形信号Ｖｒで除算したΓｍ／Ｖｒによって算出されること
を備えたことを特徴とする生体センサ装置。
前記制御部は、
心拍および呼吸波形が測定できる一周期分以上の時間となる所定の期間の前記検波信号の時間平均に、複素数で与えられる前記変換係数を乗算することで求められる前記可変整合回路と前記アンテナを含む反射係数Γｍと、前記可変整合回路の回路定数と、で算出された前記アンテナの負荷インピーダンスとを用いて、前記可変整合回路と前記アンテナを含む反射係数が低減するように、前記可変整合回路の回路定数値を調整すること
を特徴とする請求項１に記載の生体センサ装置。
前記可変整合回路は、
前記信号発生部と接続する第１の端子、
前記アンテナと接続する第２の端子、第３の端子、
グラウンドと接続する第４の端子とを備え、
前記第１の端子と前記第２の端子との間に接続された第１の可変容量素子と、
前記第３の端子と前記第４の端子との間に接続された第２の可変容量素子と、
前記第１の端子と前記第４の端子との間に接続された第３の可変容量素子と、
を備え、
前記制御部は、
前記検波信号に基づき、心拍および呼吸波形が測定できる一周期分以上の時間となる所定の期間の前記検波信号の時間平均に、前記変換係数を乗算することで求められる前記可変整合回路と前記アンテナを含む反射係数Γｍと、前記可変整合回路の回路定数と、を用いて、前記アンテナの負荷インピーダンスＺａを算出し、
前記アンテナの負荷インピーダンスＺａのとき、前記可変整合回路と前記アンテナのインピーダンスを含む反射係数Γｍが０になる条件（５０Ω）を用いて、
前記可変整合回路の調整値を、
前記第１の可変容量素子および前記第２の可変容量素子の容量値をＣ１、前記第１の可変容量素子および前記第２の可変容量素子に寄生する直列抵抗の値をＲ１、前記第３の可変容量素子の容量値をＣ２、前記第３の可変容量素子に寄生する直列抵抗の値をＲ２、前記連続波信号を生成する信号発生部から発生する信号の周波数をωとしたとき、

となるように設定すること
を特徴とした請求項１に記載の生体センサ装置。