人体通信における送信機電極間隔が伝送特性に及ぼす影響と等価回路モデル

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(1)第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会. 7A3-2. 人体通信における送信機電極間隔が伝送特性に及ぼす影響と等価回路モデル Influence of Distance between Transmitter electrodes on Transmission Characteristics and Equivalent Circuit Model in Human Body Communication 西田欣史† 佐々木健† 山本健太郎† 村松大陸†† 越地福朗††† † 東京大学 †† 東京理科大学 ††† 東京工芸大学. 1. はじめに人体通信は WBAN(Wireless Body Area Network)を構成する通信のひとつであり, 主にウェアラブル機器を対象に信号の伝送路として人体を用いる無線通信である. 人体内部を流れる電流と人体近傍に形成される電界が通信に寄与しており, その特性から人体通信は秘匿性が高く, 消費電力の小さい通信であると言える. 人体通信の実用化に際しては機器設計の指針を確立する Fig. 1 Simplified equivalent circuit model. ことが必要であり, 特にこれまで送信機の電極構造がゲインに影響を与えることが報告されている[1][2]. 送信機 2 電極を伝送路に沿う方向に人体に接触させること, さらに送信機 2 電極の間隔を大きくすることでゲインが増大することが報告されているが, そのメカニズムは完全には説明されていない[1][2]. 人体通信に用いる周波数帯においては波長が人体に比べ非常に大きく, 通信に寄与する電界を準静電界と見なすことができる. したがって, 通信は人体内のインピーダンスと. Fig.. 空間的な容量結合からなる等価回路で表すことができ, 伝. transmitter and stationary receiver. 2. Transmission. model. between. wearable. 送特性はこれらのインピーダンスによって決定されると考えられる. また, この等価回路は Fig. 1 に示すように受信機から見た等価的な信号源𝑣, 出力インピーダンス𝑍, 入力インピーダンス𝑍!" の受信機からなる簡単な回路に書き換えることができ, 受信機で得られる受信電圧𝑉は等価回路中のパラメータを用いて式(1)のように表される. 𝑍!" 𝑉= 𝑣 𝑍 + 𝑍!". (1) Fig. 3 Configuration of transmitter electrodes. 等価的な信号源𝑣, 出力インピーダンス𝑍は伝送特性を解析する上でも最適な受信回路を設計する上でも重要なパラ. 2. 実験. メータであり, 荒井らは送信機の電極間隔が Fig. 1 の等価回. Fig. 2 に示すように, 本研究では腕時計型ウェアラブル送. 路における等価出力インピーダンスに与える影響を評価し. 信機を左手首に装着し, 据置型受信機に左手人差し指で触. ているが, 実験的な検討に留まっており, 理論的な説明はな. れることで行う通信を想定する. 受信機側から見た等価出. されていない[3].. 力インピーダンス𝑍 = 𝑍!" – 𝑗𝑍!" , 信号源電圧𝑣は受信回路に直列にインダクタ, 抵抗素子を挿入したときの受信電圧変. 本研究では送信機電極間隔が等価回路における各パラメータに与える影響を実験的に評価するとともに, その影響を. 化を測定することで推定することができる.. 電磁界シミュレーションと詳細な等価回路モデルを用いて説明する.. 2. 1 実験装置送信機には 2 電極間に 10 MHz の正弦波を出力するバッテリ駆動のコルピッツ発振回路を用いた. 送信機の開放端電. 118.

(2) 第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会. 圧は 2.14 V, 出力インピーダンス𝑍!" は260– 𝑗250 Ωであった. 送信機電極は 8×24 mm のステンレス製で, 2 電極の中心. インピーダンスには影響を及ぼさず, その値は1170– 𝑗640 Ω程度であると推定される.. 間隔が 16 mm, 32 mm, 48 mm の 3 種類の電極を用いた. 送信. また, 式(1)を用いて等価信号源電圧𝑣を計算することがで. 機電極は SMA コネクタを介して送信回路から取り外し可能. き, 送信機電極間隔と信号源電圧の関係を Fig. 5 に示す. 送. であり, Fig. 3 に示すように信号電極と指先の距離を 200 mm. 信機の電極間隔が大きくなることで, 受信機側から見た等. に固定し, 2 電極が腕に沿うように配置した.. 価出力インピーダンスは変化しないが信号源電圧が増加す. 受信回路は増幅回路, バンドパスフィルタで構成され, 出. るため, 受信電圧が増加することが今回の実験により確認. 力はオシロスコープに接続した. このとき測定機器とケー. された.. ブル間の容量結合を防ぐためにバッテリ駆動のオシロスコ. 実験で求めた値を用いて式(1)から求められる受信電圧の. ープを用いた. 受信機電極は 5×5 mm のステンレス板であり,. 計算値を Fig. 4 にそれぞれ実線で示す.. グラウンドは受信回路を収納する金属性ケースと受信機を置いた金属製台に接続した. 受信機の入力インピーダンス 𝑍!" は 100 Ωである.. 16mm(calcutated). 32mm(calcutated). 48mm(calcutated). 16mm(measured). 32mm(measured). 48mm(measured). 25. 2.2 実験方法等価出力インピーダンスの虚部𝑍!" を求めるために, 受信. 20. Received voltage [mV]. 機電極と入力の間に直列に 4.7 µΗから 18.0 µΗの計 6 種類のインダクタを挿入し, 受信電圧を測定する. 等価回路内のリアクタンス成分, つまり等価出力インピーダンスの虚部が挿入したインダクタによって完全に打ち消されたときに受信電圧が最大となる.. 15. 10. 次に, 同様にして受信機電極と入力の間に 1500 Ωの抵抗素子を挿入し, 受信電圧を測定する. 式(1)より, 抵抗を挿入しないときの受信電圧𝑉!! と 1500 Ωの抵抗を挿入したときの受信電圧𝑉!"##! は式(2), (3)で表される. 100 𝑉!! = 𝑣 𝑍!" + 100 ! + 𝑍!" ! 𝑉!"##! =. 100 𝑍!" + 1600. 0. 5. 10. 15. 20. Inserted inductance [μH]. (2). Fig. 4 Relationship between inserted inductance and received voltage. 𝑣 !. 5. + 𝑍!" !. (3) Table 1 Relationship between inserted resistance and received voltage. これより, 等価出力インピーダンスの実部 Re[Z]は式(4)を 16 mm 32 mm 48 mm. 解くことで得られる. 𝑉!"##! = 𝑉!!. 𝑍!" + 100 𝑍!" + 1600. !. + 𝑍!" !. !. (4). 𝑉! [mV] 7.99 14.0 19.7. 𝑉!"## /𝑉! 0.48 0.48 0.48. 𝑉!"## [mV] 3.85 6.74 9.38. + 𝑍!" ! 300. Equivalent signal source [mV]. 2.1 で述べた電極間隔の異なる 3 種類の送信機についてこれらの測定を行った. 被験者は身長 170 cm の 20 代男性 1 名であり, 全ての測定は 3 回ずつ行った. 3. 実験結果 Fig. 4 に挿入したインダクタンスと受信電圧の関係を示す. いずれの場合も 10.2 µΗ, つまり+𝑗640 Ωのインダクタを挿入したときに受信電圧が最大となることが確認された. し. 250 200 150 100 50 0 0. たがって, 𝑍!" は送信機の電極間隔に依らず約– 𝑗640 Ωと推定される.. 10. 20. 30. 40. 50. Distance between transmitter electrodes [mm]. Table 1 に挿入した抵抗と受信電圧の平均の関係を示す.. Fig.. 式(4)を用いて, 等価出力インピーダンスの実部𝑍!" は送信機. 5. Relationship. between. distance. between. transmitter electrodes and equivalent signal source. 電極間隔が 16 mm のとき 1162 Ω, 32 mm のとき 1162 Ω, 48 mm のとき 1176 Ωと計算される. 送信機電極間隔は受信電圧に影響を及ぼすが, 等価出力. 119.

(3) 第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会. 4. 考察前章で求めた送信機の電極間隔が等価出力インピーダンス, 信号源電圧に与える影響についてより詳細な等価回路モデルを用いて議論する. 等価回路を人体内のインピーダンスと空間的な容量結合で表す際に, 通信時の伝送経路は人体近傍の電界分布を用いる必要がある. 本研究では, FDTD(Finite Difference Time Domain )法を用いて実験と同じ状況における人体近傍の電界分布を解析した. Fig. 6 に解析モデルを示す. 人体は全身を電気定数が 10 MHz における筋肉（比誘電率 170, 導電率 0.62 S/m）と等しい均質なモデルとし, 据置型機器は完全導体とした. Fig. 7(a)(b)にそれぞれ送信機電極間隔が 16 mm, 48 mm のと. (a). きの人体近傍の電界の流線を示す. 機電極間隔に依らず概. Fig. 7 Electric line of flow when the distance between. (b). 形が変わらないことから, 人体通信の等価回路は送信機電. transmitter electrodes is (a)16 mm and (b)48 mm. 極間隔に依らず Fig. 8 のように表すことができると考えられる. それぞれの四角が人体内部または空間中のインピーダンスを表しており, これを Fig. 1 のように受信機側から見た等価回路に書き換えると Fig. 9 のようになる. 送信機電極間隔が大きくなると, 等価回路中のインピーダンス B が増加すると考えられる. しかし, このインピーダンス B は伝送経路となる人体中のインピーダンスや胴体と受信機筐体間のインピーダンスに比べて非常に小さいため, 等価出力インピーダンスは送信機電極間隔に依らずほとんど一定となったと考えられる. 等価信号源電圧𝑣は送信機の出力電圧𝑉!" を用いて式(5)の Fig. 8 Equivalent circuit model. ように表される. 𝐵 𝐸 𝑣= ∙ 𝑍!" + 𝐴 + 𝐵 𝑋 + 𝐶 + 𝐸 𝐹 ∙ 𝑉 𝑌 + 𝐷 + 𝐹 + 𝐺 + 𝐻 !". (5). ここで, インピーダンス B は伝送経路となる人体中のインピーダンスや胴体と受信機筐体間のインピーダンスに比べて非常に小さいため, 送信機電極間隔変化によるインピーダンス B の変化が Fig. 9 におけるインピーダンス X, Y に与える影響は十分小さいと見なすことができる. したがって, 等価信号源電圧は 𝐵/(𝑍!" + 𝐴 + 𝐵) に比例すると考えられる. 送信機電極間隔が大きくなるとインピーダンス B が単調. Fig. 9 Equivalent circuit model viewed from receiver. に増加するため 𝐵/(𝑍!" + 𝐴 + 𝐵) も単調に増加すると考え. side. られ, 実験結果を十分説明できていると考えられる. 5. 結論腕時計型ウェアラブル送信機と据置型受信機間の人体通信について, 受信機側から見た等価的な出力インピーダンス, 信号源電圧を実験的に評価した. 送信機電極間隔が大きくなると信号源電圧は単調に増加する一方, 等価出力インピーダンスは送信機電極間隔に依らず1170– 𝑗640 Ω程度で一定となることが確認された. また, これらの結果について人体内のインピーダンスと空間的な容量結合で表される等価回路モデルを用いてその妥当性を議論した. 本研究で得られた知見は人体通信の最適な受信機設計の際に有用であると考えられる. 機器設計に際してはユーザーによる差異を考慮することも必要であり, 今後の課題と. Fig. 6 Model of numerical simulation. したい.. 120.

(4) 第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会. 謝辞本研究は JST, A-STEP AS272S001a の助成を受けて行われた. ここに謝意を表する. 参考文献 [1]. K. Fujii, M. Takahashi and K. Ito, “Electric Field Distributions of Wearable Devices Using the Human Body as a Transmission Channel,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, no. 7, pp. 2080-2087, July 2007.. [2]. N. Haga, K. Saito, M. Takahashi and K. Ito, “Equivalent Circuit of Intrabody Communication Channels Inducing Conduction Currents Inside the Human Body,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 5, pp. 2807-2816, May 2013.. [3]. N. Arai, D. Muramatsu, K. Sasaki, “Maximization of received Signal Power by Impedance Matching in Human Body Communication Receiver,” 10th EAI International Conference on Body Area Networks (Bodynets 2015), pp. 206-209, September 2015.. 連絡先：〒277-8563 千葉県柏市柏の葉 5-1-5 環境室 262 室西田欣史 Te1: 04-7136-4618 Fax: 04-7136-4619 E-mail: [email protected]. 121.

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