電界通信システム
【課題】信号量の設置場所依存性を排除して信号量を増強すると共に、放射性の雑音の取り込みを極力抑えた高ＳＮＲの電界通信システムを提供する。
【解決手段】設置端末２は、第１電極２１、第１電極２１より面積において大きく、かつ第１電極２１の周囲に配置され、かつ電極１２に浮遊容量Ｃ１を介して容量結合する第２電極２２および通信部２３を有する。
【解決手段】設置端末２は、第１電極２１、第１電極２１より面積において大きく、かつ第１電極２１の周囲に配置され、かつ電極１２に浮遊容量Ｃ１を介して容量結合する第２電極２２および通信部２３を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体などの電界伝達媒体に電界を誘起し、その誘起された電界を検出して通信を行う電界通信システムに関するものであり、特に「信号（Signal）」対「雑音（Noise）」比（以下「ＳＮＲ」と記す）を改善して良好な通信を提供する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電波を空中に伝搬させる無線通信に代わる通信手段として、人体を介して電界を伝搬させる人体通信の研究が活発化してきている（先行技術文献を参照）。これは一対の対向電極を利用して通信内容に応じた電界を人体などの電界伝達媒体に誘起し、別の一対の対向電極を介して人体に誘起された電界を検出して通信内容を受信するものである。
【０００３】
図１７は、従来の電界通信システムの構成図である。
【０００４】
ユーザＵは、対向する一対の電極１１、１２と通信部１３を有する携帯端末１を携帯しており、携帯端末１から送信される識別情報（ＩＤ）などを含む信号は、対向する一対の第１電極２１、第２電極２２’とこれらの電極に同軸ケーブル等の信号ケーブル３で接続された通信部２３を有する設置端末２’で受信される。通信には交番信号を用いるので、各電極は絶縁物で被覆されていてもよい。
【０００５】
ここで、第１電極２１、第２電極２２’は同一形状、同一寸法であり、上方からこれらの電極を見下ろした場合、床側の第２電極２２’は第１電極２１の影に完全に隠れることになる。終端抵抗２３２は信号ケーブル３の終端抵抗であり、受信器２３１の入力部での受信信号の反射を抑えて良好な受信を実現する。第２電極２２’の下側、例えば、建物の床下等には、導電性の建物骨材４が配置される。床が内部に導電性の部材を含む場合はこれが建物骨材４に相当する。第２電極２２’と建物骨材４は浮遊容量Ｃ２’を介して容量結合する。電極１２と建物骨材４は浮遊容量Ｃ３を介して容量結合する。
【０００６】
携帯端末１の通信部１３は、電極１２を基準として、電界を電極１１に印加する。電界は、電流（変位電流など）、電圧等に変化しながら、経路Ｒ１’を進んでいく。
【０００７】
つまり、電界は、人体Ｂ、第１電極２１、信号ケーブル３の一方の線路、終端抵抗２３２、信号ケーブル３の他方の線路、第２電極２２’、浮遊容量Ｃ２’、建物骨材４、浮遊容量Ｃ３を経由して、電極１２に戻ってくる。
【０００８】
通信部１３は、上記の電界に対し、送信内容に応じた信号を重畳する。通信部２３においては、受信器２３１が終端抵抗２３２の両端に発生した電圧を検出し増幅して、送信内容を取得する。こうして、携帯端末１と設置端末２’の間で通信が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１７４５７０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】F. Y. Shih et al., IEEE Trans. Power Electron., vol. 11, no.1, pp. 170-181, 1996.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここで、送信信号のキャリア周波数をｆｃ、浮遊容量Ｃ２’の容量値をＣ２’とすると、浮遊容量Ｃ２’には、式（１）に示す交流抵抗があり、これは信号電流を減少させる要因になる。
【００１２】
１／(２・π・ｆｃ・Ｃ２’) （１）
さらに、容量値Ｃ２’は、第２電極２２’から建物骨材４までの距離に依存するので、設置端末２’の設置場所毎に信号の損失量が異なることになり、通信回線の設計が極めて難しいという課題があった。
【００１３】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は信号量の設置場所依存性を排除して信号量を増強すると共に、放射性の雑音の取り込みを極力抑えた高ＳＮＲの電界通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、人体に誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムであって、人体に電界を誘起するための対向する一対の電極、および当該一対の電極に信号を送信する通信部を有する携帯端末と、人体に誘起された電界を検出するための第１電極、当該第１電極より面積において大きく、かつ当該第１電極の周囲に配置され、かつ前記一対の電極の一方に容量結合する第２電極、および当該第１電極、当該第２電極から信号を受信する通信部を有する設置端末とを備えることを特徴とする電界通信システムをもって解決手段とする。
【００１５】
例えば、前記第２電極に孔が形成され、前記第１電極が前記孔に配置され、前記第１電極と前記第２電極とが空間における同一平面を構成するように配置されている。
【００１６】
例えば、前記第２電極が分割され、かつ当該分割により生じた各分割片が互いに電気的に接続されている。
【００１７】
例えば、人体を含んで構成されるアンテナの共振周波数を調整するためのリアクタンスが前記第１電極と前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線に挿入されている。
【００１８】
例えば、前記リアクタンスは、前記第１電極に対向する第３電極と前記第１電極とから構成される平板コンデンサである。
【００１９】
例えば、前記リアクタンスと前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線および前記第２電極と前記設置端末の通信部と接続する第２信号線にコモンモードチョークが挿入されている。
【００２０】
例えば、前記携帯端末の通信部と前記設置端末の通信部は双方向で信号を送信でき、前記設置端末の通信部から送信される信号のうちの前記第１電極と前記第２電極とで反射する信号成分を減少させる終端回路が、前記第１電極と前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線および前記第２電極と前記設置端末の通信部とを接続する第２信号線の、前記第１電極および前記第２電極側の終端部に設けられている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の電界通信システムによれば、信号量の設置場所依存性を排除して信号量を増強すると共に、放射性の雑音の取り込みを極力抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図２】第１の実施の形態における電界通信システムの電極の上面図である。
【図３】第２の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図４】第２の実施の形態における電界通信システムの電極の上面図である。
【図５】第３の実施の形態における電界通信システムの電極の上面図である。
【図６】第１〜第３の実施の形態における課題を説明するための図である。
【図７】モノポール・アンテナの周波数特性を説明するための図である。
【図８】人体をモノポール・アンテナに見立てた時の第１の設計指針を示す図である。
【図９】人体をモノポール・アンテナに見立てた時の第２の設計指針を示す図である。
【図１０】モノポール・アンテナの共振周波数の調整方法を説明するための図である。
【図１１】第４の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１２】第５の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１３】第６の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１４】第７の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１５】第８の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１６】第９の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１７】従来の電界通信システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における電界通信システムの構成図であり、図２は、電界通信システムで使用される電極の上面図である。
【００２５】
図１に示すように、電界通信システムは、人体Ｂに誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムであって、人体ＢをもつユーザＵに携帯される携帯端末１と、例えば床に設けられる設置端末２とを備える。
【００２６】
携帯端末１は、人体Ｂに電界を誘起するための対向する一対の電極１１、１２および電極１１、１２に信号を送信する通信部１３を有する。
【００２７】
設置端末２は、人体Ｂに誘起された電界を検出するための第１電極２１、第１電極２１より面積において大きく、かつ第１電極２１の周囲に配置され、かつ電極１２に浮遊容量Ｃ１を介して容量結合する第２電極２２、および第１電極２１、第２電極２２から信号を受信する通信部２３を有する。
【００２８】
第１電極２１、第２電極２２は、通信部２３に対し、同軸ケーブル等の信号ケーブル３で接続される。
【００２９】
第１電極２１は第２電極２２の上側つまり人体Ｂ側、第２電極２２は第１電極２１の下側つまり床側に配置される。第２電極２２の下側、例えば、建物の床下等には、導電性の建物骨材４が配置される。床が内部に導電性の部材を含む場合はこれが建物骨材４に相当する。第２電極２２と建物骨材４は浮遊容量Ｃ２を介して容量結合する。
【００３０】
通信部２３は、受信器２３１と終端抵抗２３２を備える。受信器２３１は、電源ＶＤＤから給電され、受信信号を増幅し、端子Ｏｕｔから出力する。終端抵抗２３２は、受信器２３１の入力部での受信信号の反射を抑えて良好な受信を実現する。
【００３１】
図２に示すように、第２電極２２は、大面積化され、よって、第１電極２１より面積において大きい。また、第２電極２２は、第１電極２１の下側に配置されている。よって、上方から見下ろした場合、第２電極２２は、第１電極２１の影には隠れない。
【００３２】
携帯端末１の通信部１３は、電極１２を基準として、電界を電極１１に印加する。電界は、電流（変位電流など）、電圧等に変化しながら、経路Ｒ１を進んでいく。
【００３３】
つまり、電界は、人体Ｂ、第１電極２１、信号ケーブル３の一方の線路、終端抵抗２３２、信号ケーブル３の他方の線路、第２電極２２、浮遊容量Ｃ１を経由して、電極１２に戻ってくる。
【００３４】
通信部１３は、上記の電界に対し、送信内容に応じた信号を重畳する。通信部２３においては、受信器２３１が終端抵抗２３２の両端に発生した電圧を検出し増幅して、送信内容を取得する。こうして、携帯端末１と設置端末２の間で通信が行われる。
【００３５】
経路Ｒ１には、信号量の損失の原因となる浮遊容量Ｃ２が含まれないが、このことは重要である。つまり、第２電極２２を大面積化して、電極１２と建物骨材４との間を遮断し、さらに、第１電極２１を取り囲むように第２電極２２を配置したので、建物骨材４を経由する電流の経路が発生しない。また、第２電極２２を大面積化したので、浮遊容量Ｃ１の容量値が大きくなる。すなわち、損失が減って大きな受信信号（終端抵抗２３２に流れる電流によって、その両端に発生する電圧）を得られるだけでなく、第１電極２１および第２電極２２の設置場所によって受信信号量が変わるという不確定性要素を排除することができる。
【００３６】
［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態における電界通信システムの構成図であり、図４は、電界通信システムで使用される第１電極２１、第２電極２２の上面図である。
【００３７】
第１の実施の形態の電界通信システムとの違いは、第２電極２２に孔２２１が形成され、第１電極２１が孔２２１に配置され、第１電極２１と第２電極２２とが空間における同一平面を構成するように配置されていることである。第１電極２１が孔２２１に配置されることにより、第１電極２１、第２電極２２により段差が生じるのを防止することができる。また、第１電極２１と第２電極２２の間の浮遊容量が、第１の実施の形態の電界通信システムの場合に比べて非常に小さくなるので、損失が減り、終端抵抗２３２の両端に大きな受信信号を得ることができる。
【００３８】
［第３の実施の形態］
図５は、第３の実施の形態における電界通信システムで使用される第１電極２１、第２電極２２の上面図である。
【００３９】
第１および第２の実施の形態の変形として、第２電極２２を分割し、分割により生じた各分割片２２ａを、導線、ケーブル等（図示せず）を用い、互いに電気的に接続してもよい。第１および第２の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４０】
［第１〜第３の実施の形態における課題の説明］
ここで、第２電極２２を大面積化する際に発生する課題を図面を参照して詳細に説明する。
【００４１】
図６は、第１〜第３の実施の形態における課題を説明するための図である。第１の実施の形態において、ユーザＵが立位にて第１電極２１の上に乗った状態を図６（ａ）に示す。人体Ｂは良導体であるので、図６（ｂ）に示すように、第２電極２２を大地面（導電性）、身長をアンテナ長とするモノポール・アンテナ５が構成される。モノポール・アンテナ５の等価回路は、図６（ｃ）に示すように、抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣからなる直列共振回路である。共振周波数ｆ０、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの関係は、式（２）の通りである。
【００４２】
ｆ０＝１/（２π（Ｌ・Ｃ）１/２） （２）
無線通信において、モノポール・アンテナは共振周波数ｆ０、すなわちアンテナ高（導体長）ｈが波長λの１/４となる周波数で使用される。人体Ｂを線状アンテナ近似（導体幅ゼロ）すると、アンテナ高ｈと共振周波数ｆ０には、式（３）の関係が成り立つ。
【００４３】
ｆ０＝ｃ／（４・ｈ） （３）
式（３）に光速：ｃ＝３×１０８［ｍ/ｓ］、身長：ｈ＝１.７［ｍ］を代入して、
ｆ０＝４４［ＭＨｚ］
を得る。
【００４４】
モノポール・アンテナは概して狭帯域であり、図７に示すように、共振周波数ｆ０の近傍のみでアンテナ利得が高くなる。これは電波として空気中を伝搬する放射性雑音の内、特に共振周波数ｆ０の近傍の雑音を拾い易いことを意味しており、共振周波数ｆ０が電界通信で用いるキャリア周波数ｆｃに接近していると雑音の大きい電界通信システムになる。
【００４５】
キャリア周波数ｆｃを中心とする通信帯域の雑音を下げるには図８に示す、共振周波数ｆ０の高域側シフト、もしくは図９に示す、共振周波数ｆ０の低域側シフトが有効である。共振周波数ｆ０の高域側シフトは図１０に示すように、モノポール・アンテナ５に容量性のリアクタンス６（すなわちキャパシタンスＣ６）を直列接続して、キャパシタンスＣとキャパシタンスＣ６の合成容量を下げることで実現できる。合成容量は式（４）で与えられる。
【００４６】
Ｃ・Ｃ６／（Ｃ＋Ｃ６） （４）
図１０において、リアクタンス６として、誘導性のリアクタンス（すなわちインダクタンスＬ６）を接続した場合は、インダクタンスＬとインダクタンスＬ６の合成インダクタンスは式（５）で与えられる。
【００４７】
Ｌ＋Ｌ６ （５）
すなわちインダクタンスが大きくなるので、共振周波数ｆ０は低域側にシフトする。以下では説明が煩雑になるのを避けるために、主に第２の実施の形態を例に、リアクタンスの適用法を示すが、第１および第３の実施の形態でも同様な効果がある。
【００４８】
［第４の実施の形態］
図１１は、第４の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００４９】
第１の実施の形態の電界通信システムとの違いは、人体Ｂを含んで構成されるアンテナの共振周波数を調整するためのリアクタンス６が第１電極２１と設置端末２の通信部２３とを接続する第１信号線３１に挿入されていることである。リアクタンス６は、上記のキャパシタンスＣ６またはインダクタンスＬ６である。リアクタンス６を調整することで、アンテナの共振周波数ｆ０と信号のキャリア周波数ｆｃの差を大きくでき、これにより、通信帯域の雑音を下げることができる。
【００５０】
［第５の実施の形態］
図１２は、第５の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００５１】
第２の実施の形態の電界通信システムとの違いは、人体Ｂを含んで構成されるアンテナの共振周波数を調整するためのリアクタンス６が第１電極２１と設置端末２の通信部２３とを接続する第１信号線３１に挿入されていることである。リアクタンス６を調整することで、アンテナの共振周波数ｆ０と信号のキャリア周波数ｆｃの差を大きくでき、これにより、通信帯域の雑音を下げることができる。
【００５２】
［第６の実施の形態］
図１３は、第６の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００５３】
第５の実施の形態の電界通信システムとの違いは、リアクタンス６は、第１電極２１に対向する第３電極２４と第１電極２１とから構成される平板コンデンサであることである。
【００５４】
こうすることで、リアクタンス６を第１電極２１と一体に構成にでき、リアクタンス６を外付けしなくてよく、設置端末２を容易に製造することができる。
【００５５】
［第７の実施の形態］
図１４は、第７の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００５６】
第６の実施の形態の電界通信システムとの違いは、リアクタンス６と通信部２３とを接続する第１信号線３１および第２電極２２と通信部２３と接続する第２信号線３２にコモンモードチョーク７が挿入されていることである。信号ケーブル３を伝搬する信号からコモンモードチョーク７により同相雑音成分が除去されるので、通信部２３の入力雑音（終端抵抗２３２の両端の雑音に相当）が減少し、高いＳＮＲを得ることができる。
【００５７】
［第８の実施の形態］
図１５は、第８の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００５８】
第８の実施の形態では、携帯端末１の通信部１３と設置端末２の通信部２３は双方向で信号を送信できるようになっている。
【００５９】
このため、通信部２３は、受信器２３１と終端抵抗２３２と送信器２３３と切り替えスイッチ２３４とを有する。送信器２３３は、電源ＶＤＤから給電され、端子Ｉｎに入力された信号を切り替えスイッチ２３４の端子Ｔに出力する。
【００６０】
切り替えスイッチ２３４において、通信部２３から信号を送信する送信モードのときは、端子Ｎ、Ｔが接続され、一方、通信部２３が信号を受信する受信モードのとき、端子Ｎ、Ｒが接続される。
【００６１】
また、通信部２３から送信される信号のうちの第１電極２１と第２電極２２とで反射する信号成分を減少させる終端回路８が、第１電極２１と通信部２３とを接続する第１信号線３１および第２電極２２と通信部２３とを接続する第２信号線３２の、第１電極２１および第２電極２２側の終端部に設けられている。
【００６２】
電界通信は、大気中への電波の放射を極力抑えるべく、理想的にはゼロにすべく、図８および図９に示したように、人体Ｂにより構成されるアンテナの利得が低い状態で使用するので、送信電力はアンテナから大気中に放射されずに第１電極２１、第２電極２２で全反射される。終端回路８は、この不要電力を吸収（熱に変換）して、送信波形の歪を抑えるという作用効果をもたらす。終端回路８の設計に関しては、信号ケーブル３からアンテナ（人体Ｂ）側を見たインピーダンスが信号ケーブル３の特性インピーダンスに整合するように回路定数を選べばよく、市中技術にて容易に実現可能である。
【００６３】
［第９の実施の形態］
図１６は、第９の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００６４】
第８の実施の形態の電界通信システムとの違いは、第１電極２１、第２電極２２を壁面に設けたことである。携帯端末１を携帯したユーザＵ（人体Ｂ）は、手などの身体部位を壁面の第１電極２１に接触させることにより、携帯端末１と設置端末２の間の通信経路を形成して、識別情報（ＩＤ）を用いた通信による認証を行う。符号Ｆは電気的にフローティング状態に設定された床であり、オフィス等の２重床構造にて容易に実現できる。床Ｆと設置端末２の設置環境内の金属物（建物骨材４等）の間の浮遊容量を小さく設定することにより、静電結合による雑音の混入を抑えることができる。
【００６５】
以上のように、各実施の形態の電界通信システムによれば、携帯端末１の電極１２の主たる容量結合先が建物骨材４ではなく、設置端末２の第２電極２２になるように、第２電極２２の大きさと形状を設定しているので、受信信号量の設置場所依存性のない、再現性の良い通信が可能である。また、設置端末２の第２電極２２と建物骨材４との間の浮遊容量（図１７に示す浮遊容量Ｃ２’に相当）を通信のクリティカルパスから排除したことにより、信号の損失（浮遊容量Ｃ２’における電圧降下に起因する信号電流の減少）が減って、受信信号量が大きくなる。
【００６６】
また、第２電極２２に孔２２１が形成され、第１電極２１が孔２２１に配置され、第１電極２１と第２電極２２とが空間における同一平面を構成するように配置されているので、段差が生じるのを防止することができる。
【００６７】
また、第１電極２１と通信部２３とを接続する第１信号線３１にリアクタンス６を挿入して、人体Ｂにより構成されるアンテナの共振周波数をキャリア周波数を中心とする通信周波数帯域から遠ざけているので、放射性雑音の少ない、高ＳＮＲが得られる。
【００６８】
また、リアクタンス６と設置端末２の通信部２３とを接続する第１信号線３１および第２電極２２と通信部２３と接続する第２信号線３２にコモンモードチョーク７を挿入して、同相雑音成分を除去しているので、高ＳＮＲが得られる。
【００６９】
また、設置端末２の通信部２３から送信される信号のうちの第１電極２１と第２電極２２とで反射する信号成分を減少させる終端回路８が、第１信号線３１および第２信号線３２の、第１電極２１および第２電極２２側の終端部に設けられているので、送信波形の歪を抑えることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１…携帯端末
２…設置端末
３…信号ケーブル
４…建物骨材
５…モノポール・アンテナ
６…リアクタンス
７…コモンモードチョーク
８…終端回路
１１、１２…電極
１３、２３…通信部
２１…第１電極
２２…第２電極
２２ａ…分割片
２４…第３電極
３１…第１信号線
３２…第２信号線
２２１…孔
２３１…受信器
２３２…終端抵抗
２３３…送信器
２３４…スイッチ
Ｂ…人体
Ｕ…ユーザ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体などの電界伝達媒体に電界を誘起し、その誘起された電界を検出して通信を行う電界通信システムに関するものであり、特に「信号（Signal）」対「雑音（Noise）」比（以下「ＳＮＲ」と記す）を改善して良好な通信を提供する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電波を空中に伝搬させる無線通信に代わる通信手段として、人体を介して電界を伝搬させる人体通信の研究が活発化してきている（先行技術文献を参照）。これは一対の対向電極を利用して通信内容に応じた電界を人体などの電界伝達媒体に誘起し、別の一対の対向電極を介して人体に誘起された電界を検出して通信内容を受信するものである。
【０００３】
図１７は、従来の電界通信システムの構成図である。
【０００４】
ユーザＵは、対向する一対の電極１１、１２と通信部１３を有する携帯端末１を携帯しており、携帯端末１から送信される識別情報（ＩＤ）などを含む信号は、対向する一対の第１電極２１、第２電極２２’とこれらの電極に同軸ケーブル等の信号ケーブル３で接続された通信部２３を有する設置端末２’で受信される。通信には交番信号を用いるので、各電極は絶縁物で被覆されていてもよい。
【０００５】
ここで、第１電極２１、第２電極２２’は同一形状、同一寸法であり、上方からこれらの電極を見下ろした場合、床側の第２電極２２’は第１電極２１の影に完全に隠れることになる。終端抵抗２３２は信号ケーブル３の終端抵抗であり、受信器２３１の入力部での受信信号の反射を抑えて良好な受信を実現する。第２電極２２’の下側、例えば、建物の床下等には、導電性の建物骨材４が配置される。床が内部に導電性の部材を含む場合はこれが建物骨材４に相当する。第２電極２２’と建物骨材４は浮遊容量Ｃ２’を介して容量結合する。電極１２と建物骨材４は浮遊容量Ｃ３を介して容量結合する。
【０００６】
携帯端末１の通信部１３は、電極１２を基準として、電界を電極１１に印加する。電界は、電流（変位電流など）、電圧等に変化しながら、経路Ｒ１’を進んでいく。
【０００７】
つまり、電界は、人体Ｂ、第１電極２１、信号ケーブル３の一方の線路、終端抵抗２３２、信号ケーブル３の他方の線路、第２電極２２’、浮遊容量Ｃ２’、建物骨材４、浮遊容量Ｃ３を経由して、電極１２に戻ってくる。
【０００８】
通信部１３は、上記の電界に対し、送信内容に応じた信号を重畳する。通信部２３においては、受信器２３１が終端抵抗２３２の両端に発生した電圧を検出し増幅して、送信内容を取得する。こうして、携帯端末１と設置端末２’の間で通信が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１７４５７０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】F. Y. Shih et al., IEEE Trans. Power Electron., vol. 11, no.1, pp. 170-181, 1996.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここで、送信信号のキャリア周波数をｆｃ、浮遊容量Ｃ２’の容量値をＣ２’とすると、浮遊容量Ｃ２’には、式（１）に示す交流抵抗があり、これは信号電流を減少させる要因になる。
【００１２】
１／(２・π・ｆｃ・Ｃ２’) （１）
さらに、容量値Ｃ２’は、第２電極２２’から建物骨材４までの距離に依存するので、設置端末２’の設置場所毎に信号の損失量が異なることになり、通信回線の設計が極めて難しいという課題があった。
【００１３】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は信号量の設置場所依存性を排除して信号量を増強すると共に、放射性の雑音の取り込みを極力抑えた高ＳＮＲの電界通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、人体に誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムであって、人体に電界を誘起するための対向する一対の電極、および当該一対の電極に信号を送信する通信部を有する携帯端末と、人体に誘起された電界を検出するための第１電極、当該第１電極より面積において大きく、かつ当該第１電極の周囲に配置され、かつ前記一対の電極の一方に容量結合する第２電極、および当該第１電極、当該第２電極から信号を受信する通信部を有する設置端末とを備えることを特徴とする電界通信システムをもって解決手段とする。
【００１５】
例えば、前記第２電極に孔が形成され、前記第１電極が前記孔に配置され、前記第１電極と前記第２電極とが空間における同一平面を構成するように配置されている。
【００１６】
例えば、前記第２電極が分割され、かつ当該分割により生じた各分割片が互いに電気的に接続されている。
【００１７】
例えば、人体を含んで構成されるアンテナの共振周波数を調整するためのリアクタンスが前記第１電極と前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線に挿入されている。
【００１８】
例えば、前記リアクタンスは、前記第１電極に対向する第３電極と前記第１電極とから構成される平板コンデンサである。
【００１９】
例えば、前記リアクタンスと前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線および前記第２電極と前記設置端末の通信部と接続する第２信号線にコモンモードチョークが挿入されている。
【００２０】
例えば、前記携帯端末の通信部と前記設置端末の通信部は双方向で信号を送信でき、前記設置端末の通信部から送信される信号のうちの前記第１電極と前記第２電極とで反射する信号成分を減少させる終端回路が、前記第１電極と前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線および前記第２電極と前記設置端末の通信部とを接続する第２信号線の、前記第１電極および前記第２電極側の終端部に設けられている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の電界通信システムによれば、信号量の設置場所依存性を排除して信号量を増強すると共に、放射性の雑音の取り込みを極力抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図２】第１の実施の形態における電界通信システムの電極の上面図である。
【図３】第２の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図４】第２の実施の形態における電界通信システムの電極の上面図である。
【図５】第３の実施の形態における電界通信システムの電極の上面図である。
【図６】第１〜第３の実施の形態における課題を説明するための図である。
【図７】モノポール・アンテナの周波数特性を説明するための図である。
【図８】人体をモノポール・アンテナに見立てた時の第１の設計指針を示す図である。
【図９】人体をモノポール・アンテナに見立てた時の第２の設計指針を示す図である。
【図１０】モノポール・アンテナの共振周波数の調整方法を説明するための図である。
【図１１】第４の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１２】第５の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１３】第６の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１４】第７の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１５】第８の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１６】第９の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【図１７】従来の電界通信システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における電界通信システムの構成図であり、図２は、電界通信システムで使用される電極の上面図である。
【００２５】
図１に示すように、電界通信システムは、人体Ｂに誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムであって、人体ＢをもつユーザＵに携帯される携帯端末１と、例えば床に設けられる設置端末２とを備える。
【００２６】
携帯端末１は、人体Ｂに電界を誘起するための対向する一対の電極１１、１２および電極１１、１２に信号を送信する通信部１３を有する。
【００２７】
設置端末２は、人体Ｂに誘起された電界を検出するための第１電極２１、第１電極２１より面積において大きく、かつ第１電極２１の周囲に配置され、かつ電極１２に浮遊容量Ｃ１を介して容量結合する第２電極２２、および第１電極２１、第２電極２２から信号を受信する通信部２３を有する。
【００２８】
第１電極２１、第２電極２２は、通信部２３に対し、同軸ケーブル等の信号ケーブル３で接続される。
【００２９】
第１電極２１は第２電極２２の上側つまり人体Ｂ側、第２電極２２は第１電極２１の下側つまり床側に配置される。第２電極２２の下側、例えば、建物の床下等には、導電性の建物骨材４が配置される。床が内部に導電性の部材を含む場合はこれが建物骨材４に相当する。第２電極２２と建物骨材４は浮遊容量Ｃ２を介して容量結合する。
【００３０】
通信部２３は、受信器２３１と終端抵抗２３２を備える。受信器２３１は、電源ＶＤＤから給電され、受信信号を増幅し、端子Ｏｕｔから出力する。終端抵抗２３２は、受信器２３１の入力部での受信信号の反射を抑えて良好な受信を実現する。
【００３１】
図２に示すように、第２電極２２は、大面積化され、よって、第１電極２１より面積において大きい。また、第２電極２２は、第１電極２１の下側に配置されている。よって、上方から見下ろした場合、第２電極２２は、第１電極２１の影には隠れない。
【００３２】
携帯端末１の通信部１３は、電極１２を基準として、電界を電極１１に印加する。電界は、電流（変位電流など）、電圧等に変化しながら、経路Ｒ１を進んでいく。
【００３３】
つまり、電界は、人体Ｂ、第１電極２１、信号ケーブル３の一方の線路、終端抵抗２３２、信号ケーブル３の他方の線路、第２電極２２、浮遊容量Ｃ１を経由して、電極１２に戻ってくる。
【００３４】
通信部１３は、上記の電界に対し、送信内容に応じた信号を重畳する。通信部２３においては、受信器２３１が終端抵抗２３２の両端に発生した電圧を検出し増幅して、送信内容を取得する。こうして、携帯端末１と設置端末２の間で通信が行われる。
【００３５】
経路Ｒ１には、信号量の損失の原因となる浮遊容量Ｃ２が含まれないが、このことは重要である。つまり、第２電極２２を大面積化して、電極１２と建物骨材４との間を遮断し、さらに、第１電極２１を取り囲むように第２電極２２を配置したので、建物骨材４を経由する電流の経路が発生しない。また、第２電極２２を大面積化したので、浮遊容量Ｃ１の容量値が大きくなる。すなわち、損失が減って大きな受信信号（終端抵抗２３２に流れる電流によって、その両端に発生する電圧）を得られるだけでなく、第１電極２１および第２電極２２の設置場所によって受信信号量が変わるという不確定性要素を排除することができる。
【００３６】
［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態における電界通信システムの構成図であり、図４は、電界通信システムで使用される第１電極２１、第２電極２２の上面図である。
【００３７】
第１の実施の形態の電界通信システムとの違いは、第２電極２２に孔２２１が形成され、第１電極２１が孔２２１に配置され、第１電極２１と第２電極２２とが空間における同一平面を構成するように配置されていることである。第１電極２１が孔２２１に配置されることにより、第１電極２１、第２電極２２により段差が生じるのを防止することができる。また、第１電極２１と第２電極２２の間の浮遊容量が、第１の実施の形態の電界通信システムの場合に比べて非常に小さくなるので、損失が減り、終端抵抗２３２の両端に大きな受信信号を得ることができる。
【００３８】
［第３の実施の形態］
図５は、第３の実施の形態における電界通信システムで使用される第１電極２１、第２電極２２の上面図である。
【００３９】
第１および第２の実施の形態の変形として、第２電極２２を分割し、分割により生じた各分割片２２ａを、導線、ケーブル等（図示せず）を用い、互いに電気的に接続してもよい。第１および第２の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４０】
［第１〜第３の実施の形態における課題の説明］
ここで、第２電極２２を大面積化する際に発生する課題を図面を参照して詳細に説明する。
【００４１】
図６は、第１〜第３の実施の形態における課題を説明するための図である。第１の実施の形態において、ユーザＵが立位にて第１電極２１の上に乗った状態を図６（ａ）に示す。人体Ｂは良導体であるので、図６（ｂ）に示すように、第２電極２２を大地面（導電性）、身長をアンテナ長とするモノポール・アンテナ５が構成される。モノポール・アンテナ５の等価回路は、図６（ｃ）に示すように、抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣからなる直列共振回路である。共振周波数ｆ０、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの関係は、式（２）の通りである。
【００４２】
ｆ０＝１/（２π（Ｌ・Ｃ）１/２） （２）
無線通信において、モノポール・アンテナは共振周波数ｆ０、すなわちアンテナ高（導体長）ｈが波長λの１/４となる周波数で使用される。人体Ｂを線状アンテナ近似（導体幅ゼロ）すると、アンテナ高ｈと共振周波数ｆ０には、式（３）の関係が成り立つ。
【００４３】
ｆ０＝ｃ／（４・ｈ） （３）
式（３）に光速：ｃ＝３×１０８［ｍ/ｓ］、身長：ｈ＝１.７［ｍ］を代入して、
ｆ０＝４４［ＭＨｚ］
を得る。
【００４４】
モノポール・アンテナは概して狭帯域であり、図７に示すように、共振周波数ｆ０の近傍のみでアンテナ利得が高くなる。これは電波として空気中を伝搬する放射性雑音の内、特に共振周波数ｆ０の近傍の雑音を拾い易いことを意味しており、共振周波数ｆ０が電界通信で用いるキャリア周波数ｆｃに接近していると雑音の大きい電界通信システムになる。
【００４５】
キャリア周波数ｆｃを中心とする通信帯域の雑音を下げるには図８に示す、共振周波数ｆ０の高域側シフト、もしくは図９に示す、共振周波数ｆ０の低域側シフトが有効である。共振周波数ｆ０の高域側シフトは図１０に示すように、モノポール・アンテナ５に容量性のリアクタンス６（すなわちキャパシタンスＣ６）を直列接続して、キャパシタンスＣとキャパシタンスＣ６の合成容量を下げることで実現できる。合成容量は式（４）で与えられる。
【００４６】
Ｃ・Ｃ６／（Ｃ＋Ｃ６） （４）
図１０において、リアクタンス６として、誘導性のリアクタンス（すなわちインダクタンスＬ６）を接続した場合は、インダクタンスＬとインダクタンスＬ６の合成インダクタンスは式（５）で与えられる。
【００４７】
Ｌ＋Ｌ６ （５）
すなわちインダクタンスが大きくなるので、共振周波数ｆ０は低域側にシフトする。以下では説明が煩雑になるのを避けるために、主に第２の実施の形態を例に、リアクタンスの適用法を示すが、第１および第３の実施の形態でも同様な効果がある。
【００４８】
［第４の実施の形態］
図１１は、第４の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００４９】
第１の実施の形態の電界通信システムとの違いは、人体Ｂを含んで構成されるアンテナの共振周波数を調整するためのリアクタンス６が第１電極２１と設置端末２の通信部２３とを接続する第１信号線３１に挿入されていることである。リアクタンス６は、上記のキャパシタンスＣ６またはインダクタンスＬ６である。リアクタンス６を調整することで、アンテナの共振周波数ｆ０と信号のキャリア周波数ｆｃの差を大きくでき、これにより、通信帯域の雑音を下げることができる。
【００５０】
［第５の実施の形態］
図１２は、第５の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００５１】
第２の実施の形態の電界通信システムとの違いは、人体Ｂを含んで構成されるアンテナの共振周波数を調整するためのリアクタンス６が第１電極２１と設置端末２の通信部２３とを接続する第１信号線３１に挿入されていることである。リアクタンス６を調整することで、アンテナの共振周波数ｆ０と信号のキャリア周波数ｆｃの差を大きくでき、これにより、通信帯域の雑音を下げることができる。
【００５２】
［第６の実施の形態］
図１３は、第６の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００５３】
第５の実施の形態の電界通信システムとの違いは、リアクタンス６は、第１電極２１に対向する第３電極２４と第１電極２１とから構成される平板コンデンサであることである。
【００５４】
こうすることで、リアクタンス６を第１電極２１と一体に構成にでき、リアクタンス６を外付けしなくてよく、設置端末２を容易に製造することができる。
【００５５】
［第７の実施の形態］
図１４は、第７の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００５６】
第６の実施の形態の電界通信システムとの違いは、リアクタンス６と通信部２３とを接続する第１信号線３１および第２電極２２と通信部２３と接続する第２信号線３２にコモンモードチョーク７が挿入されていることである。信号ケーブル３を伝搬する信号からコモンモードチョーク７により同相雑音成分が除去されるので、通信部２３の入力雑音（終端抵抗２３２の両端の雑音に相当）が減少し、高いＳＮＲを得ることができる。
【００５７】
［第８の実施の形態］
図１５は、第８の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００５８】
第８の実施の形態では、携帯端末１の通信部１３と設置端末２の通信部２３は双方向で信号を送信できるようになっている。
【００５９】
このため、通信部２３は、受信器２３１と終端抵抗２３２と送信器２３３と切り替えスイッチ２３４とを有する。送信器２３３は、電源ＶＤＤから給電され、端子Ｉｎに入力された信号を切り替えスイッチ２３４の端子Ｔに出力する。
【００６０】
切り替えスイッチ２３４において、通信部２３から信号を送信する送信モードのときは、端子Ｎ、Ｔが接続され、一方、通信部２３が信号を受信する受信モードのとき、端子Ｎ、Ｒが接続される。
【００６１】
また、通信部２３から送信される信号のうちの第１電極２１と第２電極２２とで反射する信号成分を減少させる終端回路８が、第１電極２１と通信部２３とを接続する第１信号線３１および第２電極２２と通信部２３とを接続する第２信号線３２の、第１電極２１および第２電極２２側の終端部に設けられている。
【００６２】
電界通信は、大気中への電波の放射を極力抑えるべく、理想的にはゼロにすべく、図８および図９に示したように、人体Ｂにより構成されるアンテナの利得が低い状態で使用するので、送信電力はアンテナから大気中に放射されずに第１電極２１、第２電極２２で全反射される。終端回路８は、この不要電力を吸収（熱に変換）して、送信波形の歪を抑えるという作用効果をもたらす。終端回路８の設計に関しては、信号ケーブル３からアンテナ（人体Ｂ）側を見たインピーダンスが信号ケーブル３の特性インピーダンスに整合するように回路定数を選べばよく、市中技術にて容易に実現可能である。
【００６３】
［第９の実施の形態］
図１６は、第９の実施の形態における電界通信システムの構成図である。
【００６４】
第８の実施の形態の電界通信システムとの違いは、第１電極２１、第２電極２２を壁面に設けたことである。携帯端末１を携帯したユーザＵ（人体Ｂ）は、手などの身体部位を壁面の第１電極２１に接触させることにより、携帯端末１と設置端末２の間の通信経路を形成して、識別情報（ＩＤ）を用いた通信による認証を行う。符号Ｆは電気的にフローティング状態に設定された床であり、オフィス等の２重床構造にて容易に実現できる。床Ｆと設置端末２の設置環境内の金属物（建物骨材４等）の間の浮遊容量を小さく設定することにより、静電結合による雑音の混入を抑えることができる。
【００６５】
以上のように、各実施の形態の電界通信システムによれば、携帯端末１の電極１２の主たる容量結合先が建物骨材４ではなく、設置端末２の第２電極２２になるように、第２電極２２の大きさと形状を設定しているので、受信信号量の設置場所依存性のない、再現性の良い通信が可能である。また、設置端末２の第２電極２２と建物骨材４との間の浮遊容量（図１７に示す浮遊容量Ｃ２’に相当）を通信のクリティカルパスから排除したことにより、信号の損失（浮遊容量Ｃ２’における電圧降下に起因する信号電流の減少）が減って、受信信号量が大きくなる。
【００６６】
また、第２電極２２に孔２２１が形成され、第１電極２１が孔２２１に配置され、第１電極２１と第２電極２２とが空間における同一平面を構成するように配置されているので、段差が生じるのを防止することができる。
【００６７】
また、第１電極２１と通信部２３とを接続する第１信号線３１にリアクタンス６を挿入して、人体Ｂにより構成されるアンテナの共振周波数をキャリア周波数を中心とする通信周波数帯域から遠ざけているので、放射性雑音の少ない、高ＳＮＲが得られる。
【００６８】
また、リアクタンス６と設置端末２の通信部２３とを接続する第１信号線３１および第２電極２２と通信部２３と接続する第２信号線３２にコモンモードチョーク７を挿入して、同相雑音成分を除去しているので、高ＳＮＲが得られる。
【００６９】
また、設置端末２の通信部２３から送信される信号のうちの第１電極２１と第２電極２２とで反射する信号成分を減少させる終端回路８が、第１信号線３１および第２信号線３２の、第１電極２１および第２電極２２側の終端部に設けられているので、送信波形の歪を抑えることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１…携帯端末
２…設置端末
３…信号ケーブル
４…建物骨材
５…モノポール・アンテナ
６…リアクタンス
７…コモンモードチョーク
８…終端回路
１１、１２…電極
１３、２３…通信部
２１…第１電極
２２…第２電極
２２ａ…分割片
２４…第３電極
３１…第１信号線
３２…第２信号線
２２１…孔
２３１…受信器
２３２…終端抵抗
２３３…送信器
２３４…スイッチ
Ｂ…人体
Ｕ…ユーザ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体に誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムであって、
人体に電界を誘起するための対向する一対の電極、および当該一対の電極に信号を送信する通信部を有する携帯端末と、
人体に誘起された電界を検出するための第１電極、当該第１電極より面積において大きく、かつ当該第１電極の周囲に配置され、かつ前記一対の電極の一方に容量結合する第２電極、および当該第１電極、当該第２電極から信号を受信する通信部を有する設置端末と
を備えることを特徴とする電界通信システム。
【請求項２】
前記第２電極に孔が形成され、前記第１電極が前記孔に配置され、前記第１電極と前記第２電極とが空間における同一平面を構成するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の電界通信システム。
【請求項３】
前記第２電極が分割され、かつ当該分割により生じた各分割片が互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の電界通信システム。
【請求項４】
人体を含んで構成されるアンテナの共振周波数を調整するためのリアクタンスが前記第１電極と前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線に挿入されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電界通信システム。
【請求項５】
前記リアクタンスは、前記第１電極に対向する第３電極と前記第１電極とから構成される平板コンデンサであることを特徴とする請求項４記載の電界通信システム。
【請求項６】
前記リアクタンスと前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線および前記第２電極と前記設置端末の通信部と接続する第２信号線にコモンモードチョークが挿入されていることを特徴とする請求項４または５記載の電界通信システム。
【請求項７】
前記携帯端末の通信部と前記設置端末の通信部は双方向で信号を送信でき、前記設置端末の通信部から送信される信号のうちの前記第１電極と前記第２電極とで反射する信号成分を減少させる終端回路が、前記第１電極と前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線および前記第２電極と前記設置端末の通信部とを接続する第２信号線の、前記第１電極および前記第２電極側の終端部に設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電界通信システム。
【請求項１】
人体に誘起される電界を利用して通信を行う電界通信システムであって、
人体に電界を誘起するための対向する一対の電極、および当該一対の電極に信号を送信する通信部を有する携帯端末と、
人体に誘起された電界を検出するための第１電極、当該第１電極より面積において大きく、かつ当該第１電極の周囲に配置され、かつ前記一対の電極の一方に容量結合する第２電極、および当該第１電極、当該第２電極から信号を受信する通信部を有する設置端末と
を備えることを特徴とする電界通信システム。
【請求項２】
前記第２電極に孔が形成され、前記第１電極が前記孔に配置され、前記第１電極と前記第２電極とが空間における同一平面を構成するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の電界通信システム。
【請求項３】
前記第２電極が分割され、かつ当該分割により生じた各分割片が互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の電界通信システム。
【請求項４】
人体を含んで構成されるアンテナの共振周波数を調整するためのリアクタンスが前記第１電極と前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線に挿入されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電界通信システム。
【請求項５】
前記リアクタンスは、前記第１電極に対向する第３電極と前記第１電極とから構成される平板コンデンサであることを特徴とする請求項４記載の電界通信システム。
【請求項６】
前記リアクタンスと前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線および前記第２電極と前記設置端末の通信部と接続する第２信号線にコモンモードチョークが挿入されていることを特徴とする請求項４または５記載の電界通信システム。
【請求項７】
前記携帯端末の通信部と前記設置端末の通信部は双方向で信号を送信でき、前記設置端末の通信部から送信される信号のうちの前記第１電極と前記第２電極とで反射する信号成分を減少させる終端回路が、前記第１電極と前記設置端末の通信部とを接続する第１信号線および前記第２電極と前記設置端末の通信部とを接続する第２信号線の、前記第１電極および前記第２電極側の終端部に設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電界通信システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−９３８１２（Ｐ２０１３−９３８１２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６１３０（Ｐ２０１１−２３６１３０）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
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