WO2020039941A1 - 生体センサ装置 - Google Patents

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WO2020039941A1
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signal
antenna
circuit
matching circuit
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紗希 和田
西本　研悟
西岡　泰弘
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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    • A61B5/16—Devices for psychotechnics; Testing reaction times ; Devices for evaluating the psychological state
    • A61B5/18—Devices for psychotechnics; Testing reaction times ; Devices for evaluating the psychological state for vehicle drivers or machine operators

Definitions

  • the present invention relates to a biological sensor device for acquiring a heartbeat and a respiratory waveform in a non-contact manner using radio waves.
  • a Doppler sensor is generally used for a sensor using radio waves.
  • a high frequency is used, it is difficult to accurately obtain a heartbeat and a respiratory waveform due to a large influence of reflection from a surrounding environment and external noise.
  • Patent Document 1 discloses a sensor in which an input signal has a plurality of frequencies so that a change in sensitivity is reduced even when a resonance frequency changes due to an influence of a human body.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and adaptively controls the input impedance of a biosensor antenna that changes depending on the installation surrounding conditions such as a human body, and automatically adjusts the input impedance to match the installation surroundings. It is an object of the present invention to obtain a biosensor device having a high detection accuracy and a simple configuration adapted to environmental changes.
  • the biosensor device is a signal generation unit that generates a continuous wave signal, an antenna that radiates the continuous wave signal as radio waves, a variable matching circuit that matches impedance of the signal generation unit and the antenna, A detection circuit that outputs a detection signal based on a continuous wave signal and a reflection signal of a radio wave incident on the antenna, and a predetermined period of time equal to or longer than one cycle in which a heartbeat and a respiratory waveform can be measured based on the detection signal.
  • a control unit for controlling an element value of the variable matching circuit from the detection signal.
  • the present invention adaptively controls the input impedance of the biosensor antenna that changes depending on the installation surrounding conditions such as the human body, and has a simple configuration with high detection accuracy adapted to changes in the installation surrounding environment by automatically matching.
  • a biological sensor device can be obtained.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a biosensor device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is an example of a configuration diagram of a variable matching circuit 21 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an example of a configuration diagram of a quadrature detection circuit 31 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an example of a hardware configuration diagram of a control unit 41 according to the first embodiment.
  • 5 is a flowchart illustrating an operation of a control unit 41. 3 is an example of a heartbeat and a respiratory waveform measured using the biological sensor device according to the first embodiment. It is an example of the heartbeat and the respiratory waveform measured using the conventional biosensor device.
  • variable matching circuit 21 in the case where the first variable capacitance element 222 and the second variable capacitance element 223 are replaced with capacitor elements in the variable matching circuit 21 shown in FIG.
  • variable matching circuit 21 when the third variable capacitance element 221 is replaced with a capacitor element in the variable matching circuit 21 shown in FIG.
  • FIG. 10 is an example of the variable matching circuit 21 when the inductor element is removed from the variable matching circuit 21 shown in FIG.
  • FIG. 9 is a configuration diagram illustrating a biosensor device according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a configuration diagram illustrating a biosensor device according to a third embodiment.
  • FIG. 9 is a configuration diagram illustrating a biosensor device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a configuration diagram illustrating a biosensor device according to a fifth embodiment.
  • the hardware configuration shown in FIG. 4 is provided with a conversion coefficient.
  • 15 is a flowchart illustrating an operation of a control unit 41 according to Embodiment 6.
  • 11 is an example of the variable matching circuit 21 when the antenna impedance of the antenna 1 is connected to the variable matching circuit 21 shown in FIG. 20 is an example of an equivalent circuit of the variable matching circuit 21 shown in FIG. 15 is a flowchart illustrating an operation of a control unit 41 according to Embodiment 7.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the biosensor device according to the present embodiment.
  • the biosensor device according to the present embodiment includes an antenna 1, a signal generation unit 11, a variable matching circuit 21, a quadrature detection circuit 31, a control unit 41, and distribution circuits 51 and 52. Is provided.
  • the antenna 1 is a small antenna that is smaller than the wavelength, and may be a loop antenna, a dipole antenna, or the like.
  • the installation position of the antenna 1 is not limited in the present embodiment. For example, it is possible to improve the detection accuracy of the heartbeat and respiratory waveform by installing the antenna 1 near the heart of the subject.
  • the signal generator 11 is a signal generator that generates a continuous wave of a frequency, and has an output terminal 1101.
  • the variable matching circuit 21 has two terminals 2101 and 2102, and sets the load impedance connected to the terminal 2102 (the second terminal connected to the antenna 1 and the third terminal) to the terminal 2101 (the first terminal). This is a circuit that matches the impedance of the circuit to be connected, and is a circuit that can vary its passing and reflection characteristics. In the present embodiment, a case will be described in which the variable matching circuit 21 includes three variable capacitance elements and one inductor. FIG. 2 shows an example of the variable matching circuit 21.
  • 221 is a third variable capacitance element
  • 222 is a first variable capacitance element
  • 223 is a second variable capacitance element
  • 23 is an inductor. Note that a variable capacitance diode may be used as the variable capacitance element.
  • the third variable capacitance element 221 has a terminal 2211 and a terminal 2212
  • the first variable capacitance element 222 has a terminal 2221 and a terminal 2222
  • the second variable capacitance element 223 has a terminal 2231 and a terminal 2232.
  • the inductor element 23 has a terminal 2301 and a terminal 2302. Note that the terminal 2212 is connected to the ground.
  • the terminal 2211 of the third variable capacitance element 221 is connected to the terminal 2221 of the first variable capacitance element 222, the terminal 2212 of the third variable capacitance element 221 is connected to the terminal 2231 of the second variable capacitance element 223,
  • the terminal 2222 of the first variable capacitance element 222 and the terminal 2301 of the inductor element 23 are connected, and the terminal 2232 of the second variable capacitance element 223 and the terminal 2302 of the inductor element 23 are connected.
  • variable matching circuit 21 controls the values of the third variable capacitance element 221, the first variable capacitance element 222, and the second variable capacitance element 223 according to a control signal sent from the control unit 41.
  • the quadrature detection circuit 31 has two input terminals (a first input terminal 3101 and a second input terminal 3102) and two output terminals (a first output terminal 3103 and a second output terminal 3104). 2 is subjected to quadrature detection based on the local signal input to the first input terminal 3101, and an I (In @ Phase) signal is output from the output terminal 3103. Are output to the output terminal 3104.
  • FIG. 3 shows an example of the quadrature detection circuit 31.
  • 321 is a first distribution circuit
  • 322 is a second distribution circuit
  • 331 is a first mixer
  • 332 is a second mixer
  • 34 shifts the phase of an input signal by 90 degrees.
  • the distribution circuit 321 is a high-frequency circuit having three terminals 3101, 3211, and 3212.
  • the signal input to the terminal 3101 is divided into two and output to the terminals 3211 and 3212 as a detection signal. Further, the terminals 3211 and 3212 are isolated from each other, so that when a signal is input to the terminal 3211, no signal is output to the terminal 3212 and a signal is output only from the terminal 3101.
  • the distribution circuit 322 is a high-frequency circuit having three terminals 3102, 3221, and 3222.
  • the signal input to the terminal 3102 is divided into two and output to the terminals 3221 and 3222.
  • the terminals 3221 and 3222 are isolated from each other, when a signal is input to the terminal 3221, no signal is output to the terminal 3222 and a signal is output only from the terminal 3102. Since the distribution circuits 321 and 322 only need to have isolation between the output terminals, a Wilkinson distributor or a directional coupler in which the isolation terminals are connected to a terminating resistor may be used.
  • the first mixer 331 has three terminals 3311, 3312, and 3313, multiplies signals input from the input terminals 3311 and 3312, and outputs a signal from the output terminal 3313.
  • the second mixer 332 has three terminals 3321 to 3323, multiplies signals input from the input terminal 3321 and the input terminal 3322, and outputs a signal from the output terminal 3323.
  • the # 90-degree phase shifter 34 has two terminals 3401 and 3402, and outputs a signal obtained by shifting the phase of the signal input from the input terminal 3401 by 90 degrees from the output terminal 3402.
  • the signal output from the terminal 3313 of the first mixer 331 and the signal output from the terminal 3323 of the second mixer 332 are output as an I signal and a Q signal, respectively.
  • the terminal 3211 of the first distribution circuit 321 is connected to the terminal 3311 of the first mixer 331, and the terminal 3221 of the second distribution circuit 322 is connected to the terminal 3312 of the first mixer 331.
  • the terminal 3212 of the first distribution circuit 321 is connected to the terminal 3401 of the 90-degree phase shifter 34, the terminal 3222 of the second distribution circuit 322 is connected to the terminal 3321 of the second mixer, and the 90-degree phase shift is performed.
  • the terminal 3402 of the mixer 34 and the terminal 3322 of the second mixer are connected.
  • an LPF Low Pass Filter
  • an LPF Low Pass Filter
  • a signal input as a local signal from the terminal 3101 of the first distribution circuit 321 is distributed to terminals 3211 and 3212. Further, a signal input as a signal of a reflected wave reflected by the human body from the terminal 3102 of the second distribution circuit 322 is divided into two terminals 3221 and 3222.
  • the signal output from the output terminal 3211 of the first distribution circuit 321 is input to the input terminal 3311 of the first mixer 331, and the signal output from the terminal 3221 of the second distribution circuit 322 is 331 is input to the input terminal 3312.
  • the signal input to the input terminal 3311 and the signal input to the input terminal 3312 are multiplied by the first mixer 331 and output from the output terminal 3313.
  • the signal output from the output terminal 3212 of the first distribution circuit 321 is input to the input terminal 3401 of the 90 degree phase shifter 34.
  • the 90-degree phase shifter 34 outputs a signal whose phase is shifted by 90 degrees to the output terminal 3402.
  • the output signal is input to input terminal 3322 of second mixer 332.
  • the signal output from the output terminal 3222 of the second distribution circuit 322 is input to the mixer 332 from the terminal 3321 of the second mixer 332.
  • the mixer 332 multiplies the signals input from the input terminal 3321 and the input terminal 3322 and outputs the result to the output terminal 3323.
  • the reflected signal from the human body input to the terminal 3102 of the quadrature detection circuit 31 is subjected to quadrature detection by the local signal input to the terminal 3101, and the I signal and the Q signal whose phases are different from each other by 90 degrees are subjected to the quadrature detection.
  • the signals are output from terminals 3103 and 3104 of the circuit 31, respectively.
  • the I signal and the Q signal are input to the control unit 41 as information such as amplitude.
  • the control unit 41 receives two waves of the I signal and the Q signal output from the quadrature detection circuit 31, and records the values of the I signal and the Q signal. Further, the control unit 41 calculates an average value of the I signal and the Q signal input during a predetermined minute time (T), and the absolute value of the time average value of the I signal and the Q signal is small. , And outputs a control signal to the variable matching circuit 21 so as to be less than a certain threshold.
  • the time (T) needs at least one cycle of time in which a heartbeat and a respiratory waveform can be measured. Since the heartbeat and respiratory waveform greatly vary depending on the gender and age of the human body to be measured, what kind of mental state, etc., it is desirable to use numerical values as large as possible.
  • FIG. 4 is a block diagram schematically showing a specific example of the hardware configuration of the control unit 41.
  • the control unit 41 includes an analog-to-digital converter 420 that converts analog signals I and Q output from the quadrature detection circuit 31 into digital signals, and values of the I and Q signals. , A processor 411 that controls a variable matching circuit based on the I signal and the Q signal, and a digital-to-analog converter 430 that converts digital data to an analog signal.
  • the storage device 412 is a general term for memories such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) and an external storage device such as a hard disk.
  • the processor 411 reads and writes programs and data, and stores temporary data. Is also used as a storage location for The storage device 412 also reads and writes the I signal and the Q signal output from the quadrature detection circuit 31 to the control unit 41. Further, a program (control program) for matching the variable matching circuit 21 is also stored in the storage device 412.
  • the analog-to-digital converter 420 converts an analog signal output from the quadrature detection circuit 31 into digital data that can be controlled by the processor 411.
  • the digital-to-analog converter 430 converts digital data obtained as a result of the calculation by the processor 411 into an analog signal that can be received by the variable matching circuit 21. Note that the analog-to-digital converter 420 and the digital-to-analog converter 430 may use hardware that performs dedicated processing, or may use a program that performs the processing.
  • FIG. 5 is an example of a processing flow of a matching program operated by the control unit 41.
  • the control program receives the I signal and the Q signal output from the quadrature detection circuit 31, the analog / digital converter 420 converts the I signal and the Q signal into digital signals (S101).
  • the control program stores the values of the I signal and the Q signal converted into digital signals in the storage device 412 (S102).
  • the control program determines whether a preset time (T) has elapsed (S103). As a result, if the time (T) has not yet elapsed (S103: NO), the process returns to S101, and if the time (T) has elapsed (S103: YES), the time (T103) has elapsed from the current time. T) While going back, the average value of the I signal and Q signal values stored in the storage device 412 is calculated (S104).
  • the control program compares this average value with a preset threshold value (S105). If the average value is smaller than the threshold value (S105: YES), the control program returns to the process of S101, and returns to the processing of S101. If the value is equal to or greater than the threshold value (S105: NO), an adjustment value is calculated so that the load impedance connected to the terminal 2102 of the variable matching circuit 21 matches the impedance of the circuit connected to the terminal 2101. (S106). Then, finally, the control program outputs the adjustment value to the variable matching circuit 21 (S107).
  • S105 preset threshold value
  • the process of S101 is repeated each time the I signal and the Q signal output from the quadrature detection circuit 31 are received again.
  • a method of obtaining a time average a method is used in which a certain measurement time is set to T seconds and a total time average of the I signal and the Q signal is obtained.
  • a method in which the waveform is weighted and averaged in the section and the section may be used.
  • a (S) is a time average of S seconds (S ⁇ T) in T seconds
  • a (S) is averaged between Tu ⁇ S ⁇ T (u ⁇ T), and an I signal
  • the threshold value is determined by the influence of noise in the environment where the measurement is actually performed. For example, several values of the surrounding noise may be measured and the maximum value thereof may be obtained, or a value obtained by calculating the standard deviation, or an appropriate value may be obtained as appropriate from the maximum value and the average value or the mode value. good.
  • the threshold value may not be fixed but may be changed according to the situation. For example, noise may be measured at regular intervals and reset.
  • the variation of A (S) with respect to S is reduced, so that the error in taking the average value is reduced.
  • the following method can be considered to calculate the adjustment value so that the load impedance connected to the terminal 2102 of the variable matching circuit 21 matches the impedance of the circuit connected to the terminal 2101.
  • the values of the I signal and the Q signal input to the control unit 41 and the values of the variable capacitance elements 221 to 223 of the variable matching circuit 21 are set so that the Z characteristic impedance (Z 0 ) of the variable matching circuit 21 becomes 50 ⁇ .
  • Calculation, and adjusting the capacitance of the variable capacitance elements 221 to 223 so that the absolute value of the time average of the I signal and the Q signal is below the threshold.
  • the capacitance value of each of the variable capacitors may be adjusted by sweeping the values of the variable capacitors 221 to 223 so that the absolute value of the time average of the I signal and the Q signal is less than the threshold value.
  • the value of the first variable capacitance element 222 is C1
  • the value of the second variable capacitance element 223 is C2.
  • the capacitance values of C1 and C2 assume values between a1 ⁇ C1 ⁇ a2 and b1 ⁇ C2 ⁇ b2
  • the value of C1 is fixed to a1
  • the value of C2 is set to b1.
  • b2 in order, and in the variable matching circuit in a state where the values of C1 and C2 are combined, it is determined whether or not the total value of the time average of the I signal and the Q signal is less than the threshold value.
  • the matching circuit determines whether the total value of the time average of the I signal and the Q signal is below a threshold value. Furthermore, a method is conceivable in which a table in which appropriate values are stored as possible capacitance values of C1 and C2 is prepared in advance from the value of the I signal, the value of the Q signal, and the average value of the values received by the control unit 41.
  • the control unit 41 When receiving the values of the I signal and the Q signal, the control unit 41 refers to this table and uses the capacitance value to which C1 and C2 indicated by the table are to be set, thereby obtaining the absolute value of the time average of the I signal and the Q signal.
  • the value of the variable element of the variable matching circuit 21 can be adjusted in a short time so that the value falls below the threshold.
  • the distribution circuit 51 is a high-frequency circuit having three terminals 5101 to 5103. When a signal is input to the terminal 5101, the signal is distributed to the terminals 5102 and 5103 and output. Further, the terminals 5102 and 5103 are isolated from each other, so that when a signal is input to the terminal 5102, no signal is output to the terminal 5103 and a signal is output only from the terminal 5101.
  • the distribution circuit 52 is a high-frequency circuit having three terminals 5201 to 5203.
  • the signal is distributed to the terminals 5202 and 5201 and output.
  • the terminals 5202 and 5201 are isolated from each other, when a signal is input to the terminal 5201, no signal is output to the terminal 5202 and a signal is output only from the terminal 5203.
  • the distribution circuit 51 and the distribution circuit 52 need only have isolation between the output terminals, it is possible to use a Wilkinson distributor or a directional coupler in which the isolation terminal is connected to a terminating resistor. .
  • the output terminal 1101 of the signal generator 11 is connected to the terminal 5101 of the first distribution circuit 51, the terminal 5102 of the first distribution circuit 51 is connected to the terminal 5201 of the second distribution circuit 52, and the first Terminal 5103 of distribution circuit 51 is connected to terminal 3101 of quadrature detection circuit 31, terminal 5202 of second distribution circuit 52 is connected to terminal 3102 of quadrature detection circuit 31, and terminal 5203 of second distribution circuit 52 is connected. And the terminal 2101 of the variable matching circuit 21 are connected, and the terminal 2102 of the variable matching circuit and the antenna 1 are connected.
  • a signal of the frequency output from the output terminal 1101 of the signal generator 11 is input to the terminal 5101 of the first distribution circuit 51, and the signal is divided into two terminals 5102 and 5103.
  • the path a through which the signal passes is a path from the terminal 5102 ⁇ the terminal 5201 ⁇ the distribution circuit 52 ⁇ the terminal 5203 ⁇ the terminal 2101 ⁇ the variable matching circuit 21 ⁇ 2102.
  • a path b through which a signal passes is a path from the terminal 2102 ⁇ the variable matching circuit 21 ⁇ the terminal 2101 ⁇ the terminal 5203 ⁇ the distribution circuit 52 ⁇ the terminal 5202 ⁇ the terminal 3102.
  • the signal output from the terminal 5102 of the first distribution circuit 51 is input to the antenna 1 through the path a, and the signal output from the terminal 5103 of the first distribution circuit 51 is output from the terminal 3101 of the quadrature detection circuit 31.
  • the signal is input to the quadrature detection circuit 31 as a local signal.
  • the signal passing through the path a is radiated from the antenna 1 as a radio wave, and a signal of a reflected wave reflected by a human body is input to the antenna 1 and is input to the quadrature detection circuit 31 from the terminal 3102 of the quadrature detection circuit 31 through the path b. Is done.
  • the reflected signal from the human body input to the terminal 3102 of the quadrature detection circuit 31 is subjected to quadrature detection by the local signal input to the terminal 3101, and the signals of the quadrature detection circuit 31 are converted into I signal and Q signal having phases different from each other by 90 degrees. Output from 3103 and 3104 respectively.
  • the I signal and the Q signal are input to the control unit 41.
  • the control unit 41 measures two waves of the input I signal and Q signal for a certain time, and calculates a time average of the I signal and the Q signal. It is determined whether or not the absolute value of the time average value of both signals is sufficiently small and equal to or less than a certain threshold value. When the absolute value of the time average value of both signals is larger than the threshold value, a control signal is transmitted from the control unit 41 to the variable matching circuit 21 so that the variable matching circuit 21 The transmission and reflection characteristics of the light.
  • the absolute values of the time average values of the I signal and the Q signal obtained by orthogonally detecting the signal of the radio wave radiated from the antenna and the signal of the reflected wave reflected by the human body are reduced sufficiently to approach 0.
  • FIG. 6 shows waveforms when the heartbeat and respiration waveforms of the subject who are actually measured are acquired by the biological sensor device used in the present embodiment.
  • FIG. 7 shows, as a comparison target, a waveform obtained when heartbeat and respiratory waveforms are obtained using a biological sensor device in which the impedance of an antenna is matched in free space without a variable matching circuit.
  • the results of using a contact-type photoplethysmograph are indicated by wavy lines as correct heartbeat and respiration waveforms (reference waveforms) of the subject.
  • FIGS. 6 and 7 both show the amplitudes of the obtained I signal and Q signal and plot the displacement from the maximum value of the amplitude.
  • FIG. 6 shows the heartbeat and respiration waveforms using the biological sensor device having the above-described configuration, and it can be confirmed that the reference waveform and the peak position match.
  • FIG. 7 shows a heartbeat and respiratory waveform using a biosensor device having no variable matching circuit. The amplitude of the heartbeat and respiratory waveform is smaller than that of FIG. 6 and shows a behavior different from that of the reference. Can be confirmed.
  • the control unit 41 determines whether or not a preset time (T) has elapsed. If the time (T) has elapsed, the control unit 41 determines the time (T) from the current time. Although the case where the average value of the I signal and the Q signal stored in the storage device 412 is calculated while going back has been described, the control unit 41 does not determine whether the time (T) has elapsed.
  • the average value may be calculated from the values of the I signal and the Q signal.
  • the result of whether the calculated average value of the I signal and the Q signal exceeds or does not exceed the threshold value may be stored each time, and the time (T) or the number of times may be changed according to the result. For example, when the state in which the average value of the I signal and the Q signal does not exceed the threshold value continues, for example, three times, the time (T) or the number of times is increased. When the average value exceeds the threshold value, the time (T) or the number of times may be reduced. As described above, by increasing or decreasing the time (T) or the number of times, the operation of the control unit can be efficiently performed.
  • variable matching circuit 21 may have a configuration as shown in FIG. 8, FIG. 9, FIG. 10, FIG. 11, and FIG.
  • the variable matching circuit 21 shown in FIG. 8 replaces the first variable capacitance element 222 and the second variable capacitance element 223 of the variable matching circuit 21 shown in FIG.
  • the variable matching circuit 21 shown in FIG. 9 is obtained by replacing the third variable capacitance element 221 in FIG. 2 with a capacitor element 221A having a fixed value.
  • variable matching circuit 21 shown in FIG. 10 is obtained by removing the inductor element 23 of the variable matching circuit 21 shown in FIG. 2, and the variable matching circuit 21 shown in FIG.
  • variable matching circuit 21 shown in FIG. 12 is obtained by removing the inductor element 23 from the variable matching circuit 21 shown in FIG.
  • the third variable capacitance element 221 or the capacitor element 221A having a fixed value may be open (open).
  • the capacitor element 222A having a fixed value 222 or the second variable capacitance element 223 or the capacitor element 223A having a fixed value may be short-circuited.
  • the biosensor device includes the antenna 1, the signal generation unit 11, the variable matching circuit 21, the quadrature detection circuit 31, the control unit 41, and the distribution circuits 51 and 52. , By controlling the variable matching circuit 21 so that the absolute value of the time average value of the I signal and the Q signal is equal to or less than a certain threshold value, a living body having a high detection accuracy and a simple configuration adapted to changes in the installation environment. There is an effect that a sensor device can be obtained.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of the biosensor device according to the present embodiment.
  • reference numeral 61 denotes a directional coupler.
  • directional coupler 61 has four terminals 6101 to 6104 will be described.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts.
  • the directional coupler 61 divides the signal into two when the signal is input to the terminal 6101 and outputs the signal to the terminal 6103 and the terminal 6104.
  • the directional coupler 61 uses the terminal 6101 and the terminal
  • the signal is divided into two signals and output to 6102.
  • the terminals 6101 and 6102 are isolated from each other, and the terminals 6103 and 6104 are isolated from each other.
  • the output terminal 1101 of the signal generator 11 is connected to the terminal 6101 of the directional coupler 61, and the terminal 6102 of the directional coupler 61 is connected to the terminal of the quadrature detection circuit 31.
  • the terminal 6103 of the directional coupler is connected to the terminal 2101 of the variable matching circuit 21, and the terminal 6104 of the directional coupler is connected to the terminal 3101 of the quadrature detection circuit 31.
  • the signal output from the output terminal 1101 of the signal generator 11 is input to the terminal 6101 of the directional coupler 61, and the signal is split into two terminals 6103 and 6104.
  • the signal output from the terminal 6104 of the directional coupler 61 is input to the terminal 3101 of the quadrature detection circuit 31 as a local signal.
  • the signal output from the terminal 6103 of the directional coupler 61 is input to the variable matching circuit 21 from the terminal 2101, output from the terminal 2102 to the antenna 1, and emitted from the antenna 1 as a radio wave.
  • the signal radiated from the antenna 1 is reflected by a human body and is input to the antenna 1 as a reflected signal.
  • This reflected signal is input to terminal 2102 of variable matching circuit 21, output from terminal 2101, and input to terminal 6103 of directional coupler 61.
  • a part of the reflection signal input to the terminal 6103 is output from the terminal 6102 and input to the terminal 3102 of the quadrature detection circuit 31.
  • the reflected signal from the human body input to the terminal 3102 of the quadrature detection circuit 31 is quadrature-detected by the local signal input to the terminal 3101, and the I signal whose phase is different from each other by 90 degrees;
  • the Q signal is output from terminals 3103 and 3104 of the quadrature detection circuit 31, respectively.
  • the I signal and the Q signal are input to the control unit 41.
  • the control unit 41 measures two waves of the input I signal and Q signal for a certain time, and calculates a time average of the I signal and the Q signal. It is determined whether or not the absolute value of the time average value of both signals is sufficiently small and equal to or less than a certain threshold value. When the absolute value of the time average value of both signals is larger than the threshold value, a control signal is transmitted from the control unit 41 to the variable matching circuit 21 so that the variable matching circuit 21 The transmission and reflection characteristics of the light.
  • the biosensor device includes the antenna 1, the signal generation unit 11, the variable matching circuit 21, the quadrature detection circuit 31, the control unit 41, and the directional coupler 61.
  • the control unit 41 controls the variable matching circuit 21 so that the absolute value of the time average value of the I signal and the Q signal is equal to or less than a certain threshold value, thereby adapting to a change in the installation environment, and having high detection accuracy. There is an effect that a biosensor device having a simpler configuration can be obtained.
  • FIG. 14 is a configuration diagram of the biosensor device according to the present embodiment.
  • reference numeral 71 denotes a mixer.
  • mixer 71 has three terminals 7101 to 7103 will be described. Note that 7101 and 7102 are input terminals, and 7103 is an output terminal.
  • the mixer 71 multiplies signals input from the input terminal 7101 and the input terminal 7102 and outputs a signal from the output terminal 7103.
  • a mixer 71 having three terminals 7101 to 7103 between a terminal 5103 of the first two distribution circuit 51 and a terminal 5202 of the second two distribution circuit 52 is provided. is set up.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts.
  • the terminal 5103 of the first two distribution circuit 51 and the terminal 7101 of the mixer 71 are connected, and the terminal 5202 of the second distribution circuit 52 and the terminal 7102 of the mixer 71 are connected.
  • an LPF may be provided between the mixer 71 and the terminal 7103.
  • the signal output from the output terminal 1101 of the signal generation unit 11 is input to the terminal 5101 of the first two-way distribution circuit 51, and the signal is split into two by the terminal 5102 and the terminal 5103.
  • the path a through which the signal passes is a path from the terminal 5102 ⁇ the terminal 5201 ⁇ the two distribution circuit 51 ⁇ the terminal 5203 ⁇ the terminal 2101 ⁇ the variable matching circuit 21 ⁇ 2101.
  • the path b through which the signal passes is a path from the terminal 2101 ⁇ the variable matching circuit 21 ⁇ the terminal 2101 ⁇ the terminal 5203 ⁇ the two distribution circuits 52 ⁇ the terminal 5202 ⁇ the terminal 7102.
  • the signal output from the terminal 5102 of the first two distribution circuit 51 is input to the antenna 1 via the path a.
  • the signal output from the terminal 5103 of the first two distribution circuit 51 is input from the terminal 7101 of the mixer 71 to the mixer 71 as a local signal.
  • the signal passing through the path a is radiated from the antenna 1 as a radio wave. Then, the signal of the reflected wave reflected by the human body returns as input to the antenna 1 this time, passes through the path b, and is input to the mixer 71 from the terminal 7102 of the mixer 71.
  • the local signal input from the terminal 7101 of the mixer 71 and the reflection signal from the human body input from the terminal 7102 are multiplied by the mixer 71 and output from the terminal 7103 of the mixer 71 as an I signal.
  • This I signal is input to the control unit 41.
  • the control unit 41 measures the input I signal for a certain time, and calculates a time average of the I signal. It is determined whether the absolute value of the time average value of the I signal is sufficiently small and equal to or less than a certain threshold value. When the absolute value of the time average value of the I signal is larger than the threshold value, a control signal is transmitted from the control unit 41 to the variable matching circuit 21 so that the absolute value of the time average value of the I signal becomes equal to or less than the threshold value.
  • the transmission and reflection characteristics of the light are described by the light.
  • the biosensor device includes the antenna 1, the signal generation unit 11, the variable matching circuit 21, the control unit 41, the two distribution circuits 51 and 52, and the mixer 71.
  • the control unit 41 controls the variable matching circuit 21 so that the absolute value of the time average value of the I signal is equal to or less than a certain threshold value, and the control unit 41 adapts to a change in the surrounding environment of installation. There is an effect that a sensor device can be obtained.
  • FIG. 15 is a configuration diagram of the biosensor device according to the present embodiment.
  • reference numeral 81 denotes a phase shift circuit.
  • the phase shift circuit 81 has two terminals 8101 and 8102 will be described. 8101 is an input terminal and 8102 is an output terminal.
  • the phase shift circuit 81 has a function of changing the phase of a local signal input from the input terminal 8101.
  • the local signal whose phase has been changed by the phase shift circuit 81 is output from a terminal 8102.
  • the terminal 5103 of the first two distribution circuit is connected to the terminal 8101 of the phase shift circuit 81, and the terminal 8102 of the phase shift circuit 81 and the terminal of the quadrature detection circuit 31 are connected. 3101 is connected.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts.
  • the signal output from the output terminal 1101 of the signal generation unit 11 is input to the terminal 5101 of the first two distribution circuit 51, and the signal is divided into two terminals 5102 and 5103.
  • the path a through which the signal passes is a path from the terminal 5102 ⁇ the terminal 5201 ⁇ the two distribution circuit 51 ⁇ the terminal 5203 ⁇ the terminal 2101 ⁇ the variable matching circuit 21 ⁇ 2101.
  • the path b through which the signal passes is a path from the terminal 2101 ⁇ the variable matching circuit 21 ⁇ the terminal 2101 ⁇ the terminal 5203 ⁇ the two distribution circuits 52 ⁇ the terminal 5202 ⁇ the terminal 3102.
  • the signal output from the terminal 5102 of the first two distribution circuit 51 is input to the antenna 1 through the path a, and the signal output from the terminal 5103 of the first two distribution circuit 51 is a local signal,
  • the signal 81 is input to the phase shift circuit 81 from the terminal 8101, output from the terminal 8102, and input to the quadrature detection circuit 31 from the terminal 3101 of the quadrature detection circuit 31.
  • the signal passing through the path a is radiated from the antenna 1 as a radio wave, and the signal of the reflected wave reflected by the human body is input to the antenna 1 and is input to the orthogonal detection circuit 31 from the terminal 3102 of the orthogonal detection circuit 31 through the path b.
  • the reflected signal from the human body input to the terminal 3102 of the quadrature detection circuit 31 is subjected to quadrature detection by the local signal input to the terminal 3101, and the I signal and the Q signal whose phases are different from each other by 90 degrees are converted to the terminal 3103 of the quadrature detection circuit 31. , 3104, respectively.
  • the I signal and the Q signal are input to the control unit 41.
  • the control unit 41 measures two waves of the input I signal and Q signal for a certain time, and calculates a time average of the I signal and the Q signal. It is determined whether or not the absolute value of the time average value of both signals is sufficiently small and equal to or less than a certain threshold. When the absolute value of the time average value of both signals is larger than the threshold value, a control signal is transmitted from the control unit 41 to the variable matching circuit 21, and the variable matching circuit 21 is controlled so that the absolute value of the time average value of both signals becomes equal to or less than the threshold value.
  • the transmission and reflection characteristics of the light are examples of the light.
  • control unit 41 adjusts the phase shift amount of the phase shift circuit 81 so that the difference between the maximum value and the minimum value of the I signal within a certain time becomes maximum. As described above, by adjusting the amount of phase shift of the phase shift circuit 81 so that the maximum value and the minimum value of the I signal within a certain time are maximized, the amplitude of the heartbeat waveform is maximized, and the SN ratio is improved. Can be.
  • the biosensor device is configured by using the antenna 1, the signal generation unit 11, the variable matching circuit 21, the quadrature detection circuit 31, the control unit 41, and the two two distribution circuits 51 and 52. And the phase shift circuit 81, and the control unit 41 adjusts the phase shift amount of the phase shift circuit 81 so that the difference between the maximum value and the minimum value of the I signal within a certain time is maximized. This has the effect of maximizing the amplitude of the heartbeat waveform, improving the S / N ratio, and obtaining a simple-structured biosensor device with high detection accuracy.
  • FIG. 16 is a configuration diagram of the biosensor device according to the present embodiment.
  • reference numeral 91 denotes an amplifier circuit.
  • the amplifier circuit 91 used in this embodiment includes two terminals 9101 and 9102, amplifies a signal input to the terminal 9101, and outputs the signal from the terminal 9102.
  • the terminal 5202 of the second two distribution circuit 52 and the terminal 9101 of the amplifier 91 are connected, and the terminal 9102 of the amplifier 91 and the terminal 3102 of the quadrature detector 31 are connected. Is connected.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts.
  • the signal output from the output terminal 1101 of the signal generation unit 11 is input to the terminal 5101 of the first two-way distribution circuit 51, and the signal is split into two by the terminal 5102 and the terminal 5103.
  • the path a through which the signal passes is a path from the terminal 5102 ⁇ the terminal 5201 ⁇ the two distribution circuit 52 ⁇ the terminal 5203 ⁇ the terminal 2101 ⁇ the variable matching circuit 21 ⁇ 2102.
  • the path b through which the signal passes is a path from the terminal 2102 ⁇ the variable matching circuit 21 ⁇ the terminal 2101 ⁇ the terminal 5203 ⁇ the two distribution circuits 52 ⁇ the terminal 5202 ⁇ the terminal 9101.
  • the signal output from the terminal 5102 of the first two-partitioning circuit 51 is input to the antenna 1 via the path a, and the signal output from the terminal 5103 of the first two-partitioning circuit 51 is used as a local signal as a quadrature detection circuit.
  • the signal is input to the quadrature detection circuit 31 from a terminal 3101 of the reference numeral 31.
  • the signal passing through the path a is radiated from the antenna 1 as a radio wave, and a signal of a reflected wave reflected by a human body is input to the antenna 1 and is input from the input terminal 9101 of the amplifier circuit 91 to the amplifier circuit 91 through the path b.
  • the amplified signal is output from the output terminal 9102 and input to the quadrature detection circuit 31 from the terminal 3102 of the quadrature detection circuit 31.
  • the reflected signal from the human body which is input to the terminal 3102 of the quadrature detection circuit 31 and amplified by the amplification circuit 91, is subjected to quadrature detection by the local signal input to the terminal 3101, and the I signal and the Q signal whose phases are different from each other by 90 degrees. Are output from the terminals 3103 and 3104 of the quadrature detection circuit 31, respectively.
  • the I signal and the Q signal are input to the control unit 41.
  • the SN ratio can be improved.
  • the biosensor device includes the antenna 1, the signal generation unit 11, the variable matching circuit 21, the quadrature detection circuit 31, the control unit 41, and the two two distribution circuits 51 and 52. And amplifying circuit 91, and the signal of the reflected wave from the human body is amplified by amplifying circuit 91, whereby the SN ratio is improved, and a biosensor device having a simple configuration with high detection accuracy can be obtained. Having.
  • FIG. 17 is a block diagram schematically showing a hardware configuration of the control unit 41, and shows a case where the storage device 412 of FIG.
  • the conversion coefficient 4121 is a coefficient stored in the storage device 412 in advance, and has amplitude / phase information depending on the circuit configuration in FIG.
  • the conversion coefficient 4121 converts the time average value of the two signals of the I signal and the Q signal into a reflection coefficient ⁇ m of the antenna viewed from the terminal 2101 of the variable matching circuit 21.
  • the conversion coefficient may be obtained in advance before shipment of the present biosensor device and stored in the storage device 412, for example.
  • it is necessary to reset the conversion coefficient 4121 For example, when the variable matching circuit 21 and the distribution circuit 52 are connected by a coaxial cable, if the cable length changes, the conversion coefficient 4121 is reset.
  • a method for obtaining the conversion coefficient 4121 will be described.
  • the antenna 1 is not installed near the heart or the like, but in an environment where there is no moving object around the antenna 1 and the I signal and the Q signal hardly vary with time.
  • the reflection coefficient ⁇ m of the antenna viewed from the terminal 2101 of the variable matching circuit 21 obtained by changing the set value of the variable matching circuit 21 is measured with a VNA (vector network analyzer) or the like, and the same setting is performed.
  • the I signal and Q signal at the values are measured in the same manner, and the values corresponding to each other are recorded.
  • the conversion coefficient 4121 can be calculated from the equation (1).
  • the heartbeat waveform signal Vr corresponding to the reflection coefficient ⁇ m calculates the amplitude term and the phase term from the equation (1) using two points that are as far apart as possible from each other and the VSWR is about 2 to 5, The averaged value is used as a conversion coefficient 4121. If the VSWR is too large, the distribution circuit 52 deviates from the ideal characteristic, and the error increases. In addition, when the VSWR is small, the measurement error of VI, VQ, and S11 increases. Therefore, it is desirable that the value used for the calculation has a VSWR of about 2 to 5.
  • the conversion coefficient 4121 may be calculated for each set value of the variable matching circuit 21 using the heartbeat waveform signal Vr corresponding to the reflection coefficient ⁇ m, or may be calculated using the heartbeat waveform signal Vr corresponding to the reflection coefficient ⁇ m.
  • the amplitude term and the phase term may be calculated for each set value of the variable matching circuit 21, and may be calculated from the average value of all points.
  • FIG. 18 is an example of a processing flow of a matching program operated by the control unit 41.
  • the control program receives the I signal and the Q signal output from the quadrature detection circuit 31, the analog / digital converter 420 converts the I signal and the Q signal into digital signals (S101).
  • the control program stores the values of the I signal and the Q signal converted into digital signals in the storage device 412 (S102).
  • the control program determines whether a preset time (T) has elapsed (S103). As a result, if the time (T) has not yet elapsed (S103: NO), the process returns to S101, and if the time (T) has elapsed (S103: YES), the time (T103) has elapsed from the current time. T) While going back, the average value of the I signal and Q signal values stored in the storage device 412 is calculated (S104).
  • the adjustment value of the matching circuit unit 21 is calculated so that the impedance on the antenna 1 side as viewed from the terminal 2101 of the variable matching circuit 21 becomes the impedance (50 ⁇ ) of the circuit connected to the terminal 2101. Perform (S106). Then, finally, the control program outputs the adjustment value to the variable matching circuit 21 (S107).
  • the antenna of the antenna viewed from the terminal 2101 of the variable matching circuit 21 can be obtained from the detection signal of the quadrature detection circuit 31.
  • the reflection coefficient ⁇ m the adjustment value of the variable matching circuit 21 can be set accurately, and there is an effect that a biosensor device having a high detection accuracy and a simple configuration can be obtained.
  • Embodiment 7 In the present embodiment, a case will be described in which the controller 41 adjusts the variable matching circuit 21 using an example of the variable matching circuit 21 in the sixth embodiment.
  • FIG. 19 shows a configuration of the variable matching circuit 21 described in the present embodiment
  • FIG. 20 shows an equivalent circuit of FIG.
  • FIG. 21 shows an example of a control flow described in the present embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram in which the terminal 2222 and the terminal 2232 of the second and third variable elements in FIG. 10 of the first embodiment are connected to the terminal 2102 of the antenna 1.
  • the antenna 1 connected to the terminal 2102 is shown as the load impedance Za of the antenna 1.
  • FIG. 20 shows an equivalent circuit of FIG.
  • a parasitic resistance actually exists in the first, second, and third variable capacitance elements 222, 223, and 221 as shown in FIG. Therefore, it is necessary to take into consideration when accurately calculating the values of the first, second, and third variable capacitance elements 222, 223, and 221.
  • the parasitic resistance is connected in series to the first, second, and third variable capacitance elements 222, 223, and 221.
  • 224 is a third parasitic resistance connected to the third variable capacitance element 221
  • 225 is a first parasitic resistance connected to the first variable capacitance element 222
  • 226 is a second parasitic resistance connected to the second variable capacitance element 223 Parasitic resistance.
  • the third parasitic resistor 224 has a terminal 2241 and a terminal 2242
  • the first parasitic resistor 225 has a terminal 2251 and a terminal 2252
  • the second parasitic resistor 226 has a terminal 2261 and a terminal 2262. Note that the terminal 2242 is connected to the ground.
  • the terminal 2241 of the third parasitic resistance 224 is connected to the terminal 2212 of the third variable capacitance element 221, the terminal 2242 of the third parasitic resistance 224 is connected to the terminal 2231 of the second variable capacitance element 223, and the first The terminal 2251 of the parasitic resistor 225 is connected to the terminal 2222 of the first variable capacitance element 222, the terminal 2261 of the second parasitic resistance 226 is connected to the terminal 2232 of the second variable capacitance element 223, and the first The terminal 2252 of the parasitic resistor 225 and the terminal 2262 of the second parasitic resistor 226 are connected to the terminal 2102 of the antenna 1.
  • variable capacitance value of the first variable capacitance element 222 and the second variable capacitance element 223 is C1
  • variable capacitance value of the third variable capacitance element 221 is C2
  • first parasitic resistance 225 is C2
  • second parasitic resistance is R1
  • resistance value of the third parasitic resistor 224 is R2.
  • control program executes the I signal and the Q signal output from the quadrature detection circuit 31, the analog / digital converter 420 converts the I signal and the Q signal into digital signals (S101).
  • the control program stores the values of the I signal and the Q signal converted into digital signals in the storage device 412 (S102).
  • the control program determines whether a preset time (T) has elapsed (S103). As a result, if the time (T) has not yet elapsed (S103: NO), the process returns to S101, and if the time (T) has elapsed (S103: YES), the time (T103) has elapsed from the current time. T) While going back, the average value of the I signal and Q signal values stored in the storage device 412 is calculated (S104).
  • control program compares this average value with a preset threshold value (S105). If the average value is smaller than the threshold value (S105: YES), the control program returns to the process of S101, and returns to the processing of S101. If the value is equal to or larger than the threshold value (S105: NO), the adjustment value of the variable matching circuit unit 21 is calculated (S1061 to S1063). Then, finally, the control program outputs the adjustment value to the variable matching circuit 21 (S107).
  • S105 a preset threshold value
  • the specific calculation in S1062 is performed by solving simultaneous equations for the impedance of the antenna 1 viewed from the reference plane t1 and the reference plane t2 shown in FIG.
  • ⁇ m can be reduced.
  • the control program outputs the adjustment value to the variable matching circuit 21 (S107).
  • the adjustment value is provided in advance in the control unit 41 with a table of the variable capacitance diode and an applied voltage having the capacitance value, and becomes an adjustment value from the calculated capacitance value based on information in the table.
  • the applied voltage value may be instructed to the variable matching circuit 21.
  • the adjustment value of the variable matching circuit 21 can be set accurately, and the biosensor device having a high detection accuracy and a simple configuration. Is obtained.
  • any combination of the embodiments, a modification of an arbitrary component of each embodiment, or an omission of an arbitrary component in each embodiment is possible within the scope of the invention. .
  • the biological sensor device is a signal generation unit that generates a continuous wave signal, an antenna that radiates the continuous wave signal as radio waves, a variable matching circuit that matches the impedance of the signal generation unit and the antenna, A detection circuit that outputs a detection signal based on the continuous wave signal and a reflection signal of a radio wave incident on the antenna; and a predetermined period of time equal to or longer than one cycle in which a heartbeat and a respiratory waveform can be measured based on the detection signal.
  • a control unit for controlling the element value of the variable matching circuit from the detection signal of the above it is possible to adaptively control the input impedance of the biosensor antenna that changes according to the installation surrounding conditions such as a human body, heart rate and It is suitable for a biological sensor device that acquires a respiratory waveform in a non-contact manner using radio waves.

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Abstract

本発明は、連続波信号を生成する信号発生部（１１）と、連続波信号を電波として放射するアンテナ（１）と、信号発生部（１１）とアンテナ（１）のインピーダンスの整合を取る可変整合回路（２１）と、信号発生部（１１）が生成する連続波信号とアンテナ（１）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（３１）と、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検波信号から、可変整合回路（２１）の素子値を制御する制御部（４１）とを設けた生体センサ装置を提供する。

Description

生体センサ装置
　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（Ｉｎｔｅｒ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：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設けたものである。
　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（Ｉｎ　Ｐｈａｓｅ）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（Ｌｏｗ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ：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（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）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（Ｚ０）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。
　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。
　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。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　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（＝Ａｅｊθ）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）。
　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、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（＝Ａｅｊθ）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）。
　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（＝Ａｅｊθ）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。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　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。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　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。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　（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、３４　９０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 (8)

  1. 　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
    を備えたことを特徴とする生体センサ装置。
  2. 　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のミキサを備えたことを特徴とする請求項１に記載の生体センサ装置。
  3. 　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、
    　を備えたことを特徴とする請求項１に記載の生体センサ装置。
  4. 　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の容量素子と、
    を備え、前記第１の容量素子、第２の容量素子及び第３の容量素子のうち少なくとも一つの素子の容量を可変とすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の生体センサ装置。
  5. 　前記第２の端子と前記第４の端子との間に接続されたインダクタ素子を備えたことを特徴とする請求項４に記載の生体センサ装置。
  6. 　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、前記第２のミキサから出力されるＱ信号とし、
    　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信号の時間平均値をそれぞれVＩ、VQ、心拍波形信号をVｒ=VＩ-ｊVQとし、
    前記可変整合回路と前記アンテナを含む反射係数をΓｍとするとき、
    前記反射係数Γｍを前記心拍波形信号Vｒで除算したΓｍ/ Vｒによって算出されることを特徴とした請求項３に記載の生体センサ装置。
  7. 　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６に記載の生体センサ装置。
  8. 　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とするとき、

    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    となるように設定することを特徴とした請求項６に記載の生体センサ装置。
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