通信系统的制作方法

专利名称：通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通信系统并且优选地可应用于例如用于经由电场发送和接收信息的通信系统。
背景技术：
通常，通信系统已经适用于例如在移动电话之间使用辐射场(无线电波)发送和接收信息，以及例如在提供于站台的验票和收票机上的数据读卡器/写卡器中的线圈和IC卡中的线圈之间经由电磁感应发送和接收信息。
最近，提出了下述通信系统，如下面的表1中所示该通信系统具有与人体皮肤相接触地安装的人体侧通信设备和在用户附近的装备侧通信设备。在这些通信系统中，经由人体侧通信设备的电极将交流电压施加给人体，结果，通过使用介入人体侧的通信设备以及装备侧的通信设备的电极之间的人体作为介质的电容器的作用在装备侧通信设备的电极处引起静电感应现象。使用该静电感应现象，信息被发送和接收(例如，参见非专利文献1)。
表1
除了表1中所示的通信系统外，还提出了许多适于利用下述静电感应现象发送和接收信息的通信系统，该静电感应现象是通过使用介入发送电极和接收电极之间的人体作为介质的电容器的作用在接收电极处引起的(参见专利文献1-9以及非专利文献2-5)。
国际专利申请的国家公布No.11-509380[专利文献2]专利No.3074644[专利文献3]日本专利特开No.10-228524[专利文献4]日本专利特开No.10-229357[专利文献5]日本专利特开No.2001-308803[专利文献6]日本专利特开No.2000-224083[专利文献7]日本专利特开No.2001-223649[专利文献8]日本专利特开No.2001-308803[专利文献9]日本专利特开No.2002-9710[非专利文献1]因特网<URLhttp//www.mew.co.jp/press/0103/0103-7.htm>(于2003年1月20日检索)[非专利文献2]“Development of Information Communication Devicewith Human Body Used as Transmission Line(利用人体作为传送线路的信息通信设备的开发)”作者Keisuke Hachisuka，Anri Nakata，Kenji Shiba，Ken sasaki，Hiroshi Hosaka and Kiyoshi Itao(东京大学)；2002年3月1日(Micromechatronics学术演讲会演讲文集，vol.，2002，春季，pp.27-28)[非专利文献3]“Development of Communicaiton System withinOrganism(生物体内通信系统的开发)”作者Anrinakata，Keisuke Hachisuka，Kenji Shiba，Ken Sasaki，Hiroshi Hosaka，Kiyoshi Itao(东京大学)；2002年(日本精密工程会议学术演讲文集，春季，p.640)[非专利文献4]“Review on Modeling of Communicaiton SystemUtilizing Human Body as Transmission Line(关于利用人体作为传送线路的通信系统的建模的综述)”，作者Katsuyuki Fujii(千叶大学)，KoichiDate(千叶大学)，Shigeru Tajima(索尼计算机科学实验室，有限公司)；2002年3月1日(图像信息与视觉工程学院的科技报告Vol.26，No.20，pp.13-18)[非专利文献5]“Development of Information Communication Devicewith Human Body Used as Transmission Line(利用人体作为传送线路的信息通信设备的开发)”作者Keisuka Hachisuka，Anri Nakata，KentoTakeda，Ken Sasaki，Hiroshi Hosaka，Kiyoshi Itao(东京大学，新领域创建科学研究学院)，Kenji Shiba(Science and Engineering Course，TokyoUniversity of Science(东京理工大学理工课程))；2002年3月18日(Micromechatronics，Vol.46；No.2；pp.53-64)在具有这种配置的这些通信系统中，由于使用介入发送电极和接收电极之间的人体作为介质的电容器的作用是物理作用的前提，所以电极之间的通信中的通信强度依赖于电极的面积。
此外，由于使用介入发送电极和接收电极之间的人体作为介质的电容器的作用是物理作用的前提，所以例如当将发送电极安装在人的右手腕时，在除了从人的右手腕到手指尖的方向外的方向上通信在物理上是不可能的。当发送电极安装在人的胸部近旁时，在除了从人的胸部向前的方向外的方向上的通信在物理上是不可能的。
如上所述，在通信系统中，由于使用介入发送电极和接收电极之间的人体作为介质的电容器的作用是物理作用的前提，所以存在下述问题通信方向受电极安装在人体的位置的限制，以及由于通信强度依赖于电极面积所以通信中的自由度低。

发明内容
考虑到上面的问题提出了本发明，并且本发明提出了一种能够增强通信中自由度的通信系统、通信设备和通信方法。
在本发明中，为了解决上述问题，一种通信系统被配置为具有第一通信设备，用于通过产生根据待发送的信息调制的准静电场(quasi-electrostatic field)而使具有带电(electrification)属性的标识目标带电；以及第二通信设备，用于检测标识目标的带电状态的变化并且基于该变化解调该信息。
在这种情况下，在该通信系统中，可以通过根据特定信息使标识目标带电而使得标识目标用作距标识目标的表面各向同性的准静电场中的天线。因而，可以在通信方向不受第一通信设备的电极的位置约束的条件下以及在通信强度不依赖于电极面积的条件下执行通信，并且由此可以增强通信中的自由度。
在本发明中，即使当标识目标是人体时，也可以使得人体用作距离人体表面各向同性的准静电场中的天线，而不管人体运动存在与否，这是因为由于人体的性质使得人体良好地带电。
此外，在本发明中，通过形成具有根据参考频率的结构的电极使得电场的感应场的强度低于根据通信频段规定的噪声基底，可以通过减少对准静电场通信不必要的感应场分量和辐射场分量来减少通信所需的能量，并且可以防止不必要的传播以增强空间分辨率，这使得通信稳定。这样，可以使通信稳定。
如上所述，根据本发明，通过产生根据待发送的信息调制的准静电场而使具有带电属性的标识目标带电，以及基于标识目标的带电状态中的变化解调信息，从而可以通过根据特定信息使标识目标带电而使得标识目标用作距离标识目标的表面各向同性的准静电场中的天线。因而，可以在通信方向不受发送侧电极的位置约束的条件下以及在通信强度不依赖于电极面积的条件下执行通信，并且由此可以增强通信中的自由度。
此外，根据本发明，即使当标识目标是人体时，也可以使得人体用作距离人体表面各向同性的准静电场中的天线，而不管人体运动存在与否，这是因为由于人体的性质使得人体良好地带电。这样，可以增强通信中的自由度。
此外，根据本发明，通过形成具有根据参考频率的结构的电极使得电场的感应场的强度低于根据通信频段规定的噪声基底，可以通过减少对准静电场通信不必要的感应场分量和辐射场分量来减少通信所需的能量，并且可以防止不必要的传播以增强空间分辨率，这使得通信稳定。这样，可以使通信稳定并且可以增强通信中的自由度。


图1是供以解释极坐标系统的示意图；图2是示出相对于距离每个电场的相对强度变化(1)的图；图3是示出相对于距离每个电场的相对强度变化(2)的图；图4是示出波长和距离之间的关系的图；图5是示出根据第一实施例的通信系统的整体配置的示意图；图6是示出验票和收票机的配置的示意图/框图；
图7是供以解释作为天线的人体的作用的示意图；图8是示出通信系统中的电连接关系的示意图；图9是示出卡设备的配置的电路框图；图10是供以解释验票和收票机的基面(floor surface)的示意图；图11是示出当使人体用作理想的偶极天线时形成的准静电场的等电位面的示意图；图12是示出根据本实施例形成的准静电场的等电位面的示意图；图13是供以解释防止漏电的示意图；图14是示出另一实施例中安装卡设备的示例的示意图；图15是示出噪声吸收/接地线路的配置的示意图；图16是示出另一实施例中的验票和收票机的配置(1)的示意图/框图；图17是示出另一实施例中的通信系统中的电连接关系(1)的示意图；图18是示出另一实施例中的卡设备的配置的电路框图；图19是示出另一实施例中的验票和收票机的配置(2)的示意图/框图；图20是示出根据第二实施例的通信系统的整体配置的示意图；图21是示出声音再现器的配置的框图；图22是示出头戴式听筒设备的配置的框图；图23是示出用于使用FDTD方法进行模拟的人体模型示例的示意图；图24是示出接收侧的电极面积与电极间电位之间关系的示意图；图25是示出接收侧的电极间距离与电极间电位之间关系的示意图；图26是示出发送侧的电极面积与接收侧的电极间电位之间关系的示意图；图27是示出发送侧的电极间距离与接收侧的电极间电位之间关系的示意图；图28是示出合成电场的电场强度与距离电场源的距离之间的关系的示意图；图29是示出感应场的电场强度与距离电场源的距离之间关系的示意图；图30是示出施加电位和频率之间关系的示意图；以及图31是示出设计过程的流程图。
具体实施例方式
现在参考附图详细描述本发明。
(1)发明概要根据本发明，使用电场发送和接收信息。现在按照与电场的关系来描述本发明的概要。
(1-1)电场通常，当电流流过电偶极(偶极天线)时，根据到天线的距离r而产生的电场E可以以如下所示的简化公式给出E0=A(1r3+jkr2+k2r1)...(1)]]>其中A和j是常数，k是波数(number of waves)。
如上面的公式(1)所示，电场E可以粗略划分成与距离r的三次幂成反比的分量(下文中，称该分量为准静电场)、与距离r的二次幂成反比的分量(下文中，称该分量为感应场)、线性地与距离r成反比的分量(下文中，称该分量为辐射场)。
辐射场是传播能力优越的分量，由于其仅线性地与距离r成反比，所以即使在距离r长的时候也不迅速衰减，因而，其在信息通信领域已用作常用的信息传送介质。
尽管感应场是传播能力很弱的分量，当距离r加长时其与距离r的二次幂成反比地衰减，但是其近来在一部分信息通信领域已用作信息传送介质。
准静电场是与距离r的三次幂成反比地迅速衰减的分量，因而不具有传播能力并且其仅作为振动出现在振动源近旁。因而，其在其中辐射场和感应场是前提的信息通信领域中不曾被利用。
本发明适于利用使用电场之中的准静电场的邻近通信(下文中称作近场通信)方法而在邻近的通信范围内发送和接收信息。
(1-2)准静电场现在更详细地描述准静电场。首先，如图1所示，将上述公式(1)中所示的电场E表示为在距离原点预定距离处的位置P(r，θ，φ)处的电场。
在这种情况下，如果假设电荷q和电荷-q彼此分开距离δ存在，并且在时刻t电荷q变为“Qcosωt”，则将电荷q的位置作为原点，可以分别将位置P(r，θ，φ)处的电场Er、Eθ、Eφ表示为下面的公式Er=Qcosωtσcosθ2πϵr3(1+jkr)exp(-jkr)]]>
Eθ=Qcosωtσsinθ2πϵr3(1+jkr+(jkr)2)exp(-jkr)]]>Eφ＝0 ......(2)在公式(2)中，电场Eφ是“零”，并且这意味着位置P的φ方向上没有产生任何电场(图1)。
如果将线性地与距离r成反比的分量(即，辐射场)从公式(2)中表示的电场Er和Eθ分离出来，则位置P(r，θ，φ)处的辐射场E1r和E1θ以下述公式表示E1r＝0E1θ=Qcosωtσsinθ4πϵr(jk)2exp(-jkr)...(3)]]>如果将与距离r的二次幂成反比的分量(即，感应场)从公式(2)中表示的电场Er和Eθ分离出来，则位置P(r，θ，φ)处的感应场E2r和E2θ以下述公式表示E2r=Qcosωtσcosθ2πϵr2jk·exp(-jkr)]]>E2θ=Qcosωtσsinθ4πϵr2jk·exp(-jkr)...(4)]]>此外，如果将与距离r的三次幂成反比的分量(即，准静电场)从公式(2)中表示的电场Er和Eθ分离出来，则位置P(r，θ，φ)处的准静电场E3r和E3θ以下述公式表示E3r=Qcosωtσcosθ2πϵr3]]>E3θ=Qcosωtσsinθ4πϵr3...(5)]]>在公式(3)中，只有辐射场E1r是“零”，这意味着在位置P的切线方向上没有产生任何辐射场(图1)。
现在，为了示出在距离r处的辐射场、感应场、准静电场的每个的电场强度的分量，现在更详细地描述公式(3)到(5)中的辐射场E1θ、感应场E2θ和准静电场E3θ。
波数k[m-1]符合下面的公式所示的关系，其中ω表示角频率，c表示光速k=ωc...(6)]]>如果将波数k代入公式(6)，消去“j.exp(-jkr)”因为其超出了本文讨论的范围，并且由于要考虑电荷q和电荷-q之间的最大时间变化故假定“cosωt”是一(1)，则可以得到下面的公式辐射场E1θ=Qσsinθ4πϵr3(ωcr)2]]>感应场E2θ=Qσsinθ4πϵr3ωcr]]>准静电场E3θ=Qσsinθ4πϵr3...(7)]]>如果通过将距离δ、电荷q(＝Q)和θ分别用一(1)、0.001[C]和π/2代入而重新整理公式(7)，则获得了下面的公式辐射场E1θ=0.0014πϵ0r(ωc)2]]>感应场E2θ=0.0014πϵ0r2ωc]]>准静电场E3θ=0.0014πϵ0r3...(8)]]>图2和图3示出了通过基于公式(8)定性地绘制辐射场E1θ、感应场E2θ、准静电场E3θ的分量电场强度所获得的结果。
但是，在图2和3中，示出了频率为1[MHZ]时的分量电场强度，并且在图3中，以指数(indexes)(指数尺度(index scale))代替了图2中所示的分量电场强度。
从图3特别清楚，辐射场E1θ、感应场E2θ、准静电场E3θ的分量电场强度在某一距离r处(下文中称之为边界点(boundary point))相等，并且，在远离该边界点处辐射场E1θ占优势(dominant)。相反，在边界点之前的近旁处，准静电场E3θ占优势。
在边界点处，根据上面的公式(8)建立了下面的公式
ωc·r=1...(9)]]>光速c满足下面公式所示的关系，其中λ表示波长，f表示频率c＝λ·f ......(10)角频率ω满足下面公式所示的关系ω＝2πf ......(11)然后，通过将公式(10)和公式(11)代入公式(9)并且重新整理公式(9)，获得了下面的公式r=λ2π...(12)]]>根据公式(12)，从原点到边界点的距离r根据波长λ而变化。如图4所示，波长λ越长，其中准静电场E3θ占优势的范围(原点到边界点的距离r)越宽。
总结上述描述，如果假设空气的相对介电常数是1并且假设空气中的波长是λ，则在其中到原点的距离r符合“r＜λ/2π”的范围内准静电场E3θ占优势。
在本发明中，通过在利用近场通信方法发送和接收信息时选择满足公式(12)的范围，在其中准静电场E3θ占优势的空间中发送和接收信息。
(1-3)准静电场和人体尽管施加电流于人体以使得人体产生辐射场或感应场是必要的，但是因为人体的阻抗非常高所以物理上难于有效地施加电流于人体。而且生理学上也不希望施加电流于人体。然而，对于静电学，情形完全不同。
即，如在我们日常生活中感觉到静电的经验事实所显示的，人体是经常带电的。如公知的准静电场是响应于人体的移动通过人体表面的带电而产生的，所以不需要对人体加电以使得人体产生准静电场，而仅仅使人体带电是必要的。
即，通过极少的电荷运动(电流)使人体带电；在人体表面周围瞬间传导该带电变化；并且基本上从周围各向同性地形成了准静电场的等电位面。此外，在其中准静电场占优势的满足上面的公式(12)的范围内，辐射场和感应场没有很大影响。结果，人体有效地用作天线。这已经从申请人的实验结果得到了验证。
作为近场通信技术，本信息适于根据特定信息调制通过使人体带电而在人体附近各向同性地形成的准静电场，作为所述调制的结果，在人体的附近形成了具有信息的准静电场，通过该带有信息的准静电场来发送和接收信息。
概括本发明，如上所述，本发明利用了准静电场的性质和人体的性质；通过在其中准静电场占优势的范围内使人体带电，使得人体用作天线；由此在人体附近形成的准静电场用作信息传送介质。以下描述本发明所适用的实施例。
(2)第一实施例(2-1)根据第一实施例的通信系统的整体配置在图5中，标号1总的表示根据第一实施例的通信系统的整体配置。该通信系统包括在特定站点提供的验票和收票机2，和卡片形状的移动设备(下文中称作卡设备)3，该卡设备3插入在使用验票和收票机2的人体(下文中称作用户)衣服的口袋中。
验票和收票机2具有作为用户通道安装在站点的预定位置的入口/出口通道部分4以及在入口/出口通道部分4的出口侧提供的可开关的出口门5。在入口/出口通道部分4的入口侧的侧面提供了电极(下文中称之为侧面电极)7。
卡设备3具有位于其一个表面上的电极8(下文中称之为内部电极)和位于另一表面上的电极(下文中称之为外部电极)9。
通信系统1适于激活正通过入口/出口通道部分4的用户的卡设备3，执行卡设备3和验票和收票机2之间的近场通信，以及如果需要打开处于关闭状态的出口门5。
(2-2)近场通信下面使用示出了验票和收票机2的内部配置和卡片3的内部配置的图来详细描述通信系统1中所执行的近场通信。
(2-2-1)卡设备的激活如图6所示，验票和收票机2的控制部分20适于根据预定的通信处理程序执行验票和收票机2的总体控制，并且适于基于预先存储在信息存储存储器中的预定的通信时钟将路线切换设备(route switching device)21的切换部21a切换到发送连接端21b和接收连接端21c。
发送部分23在基于通信时钟的发送定时经由路线切换设备21将基于交流电源15产生的预定频率的交变信号S1提供给侧面电极7，以产生根据经由侧面电极7的交变信号S1振动的静电场。
具体地，如上面参考图2和3所述，通过产生频率为f的交变信号S1并且将信号S1提供给侧面电极7，发送部分23适于从侧面电极7产生准静电场同时防止辐射场和感应场，其中，频率f满足通过将上面的公式(10)代入上面的公式(12)并且在代入后重新整理12而得到的下面公式，且其中假设空气的相对介电常数ε是1，空气中的波长用λ表示，当卡设备3和验票和收票机2彼此通信时外部电极9和侧面电极7之间的最大距离用r表示，交变信号S1的频率用f表示f<c2π·r...(13)]]>在这种情形下，当用户进入从侧面电极7产生的准静电场内时(即，当用户试图通过入口/出口通道部分4时)，在准静电场内的用户根据侧面电极7的位移(displacement)而带电由此用作天线，同时根据位移的准静电场(下文中称之为交流准静电场)TD在用户的表面周围各向同性地传播。
在这种情况下，如图7所示，用户携带的卡设备3的内部电极8与用户静态耦合从而形成了电容器c2，同时外部电极9与地面静态耦合从而形成了电容器C3并且经由用户与侧面电极7(具有等于地面的电位)静态耦合从而形成了电容器C1。
结果，如图8所示，顺次经由侧面电极7、用户、内部电极8、外部电极9形成了带电路线，并且外部电极9经由带电的用户为卡设备3中的交流电源15提供了参考电位。由此，验票和收票机2侧上的交流电源15的电压被经由带电的用户施加在卡设备3中的内部电极8和外部电极9之间。
在这种情况下，如图9所示，卡设备3将内部电极8侧的切换部31a与接收连接端31c连接，并且将外部电极9的切换部31b与接收连接端31e连接；通过整流电路33对在外部电极9和内部电极8之间产生的交变信号(电流)S1进行全波整流；并且将结果的直流电流S2作为电力存储在平滑电容器(smoothing capacitor)HC中。
电源控制部分32适于在其检测到存储在平滑电容器HC中的电力达到了预定电压电平时激活卡设备3。
以这种方式，在通信系统1中，通过使用户带电以从作为大天线(电极)的用户获得用于卡设备3的电力，可以帮助从验票和收票机2供给电力，并且在卡设备3侧可以获得电力而不依赖于内部电极8和外部电极9的电极面积并且无需为卡设备3提供电池。
在实现该任务的过程中，通信系统1适于增强从验票和收票机2到卡设备3的电力供给的效率，并且能够实现整个系统及卡设备3自身的小型化。
卡设备3基于由验票和收票机2提供的交变信号S1的频率f，利用时钟发生器4产生相应于验票和收票机2的通信时钟的同步时钟S3，并且将同步时钟S3提供给控制部分30。
控制部分30适于根据预定的通信处理程序执行卡设备3的总体控制，并且基于时钟发生器4所提供的同步时钟S3来切换接收连接端31的切换部31a和31b。
控制部分30适于在基于同步时钟S3的发送定时的情况下将切换部31a与接收连接端31d连接并且将切换部31b与接地连接端31f连接，而在接收定时的情况下将切换部31a与接收连接端31c连接并且将切换部31b与接收连接端31e连接。
(2-2-2)从卡设备到验票和收票机的近场通信在基于同步时钟S3的发送定时，控制部分30从内部信息存储存储器(未示出)读取标识是否允许用户进入或离开站点的标识信息S4，例如，诸如站点名或者火车票价(train fare)并且该将信息提供给发送部分35。
发送部分35基于存储在平滑电容器HC中的电力产生频率与验票和收票机2相同的交变信号；根据预定的调制方法对交变信息执行调制处理以将标识信息S4置于其上；以及将结果的标识信号S5经由接收连接端31提供在内部电极8和外部电极9之间。
在这种情况下，内部电极8根据标识信号S5的频率振动并且根据该振动产生准静电场(标识信号S5)。结果，响应于内部电极8的振动用户带电，从而根据该振动形成了标识信号S5具有的在用户周围各向同性的准静电场(下文中称之为信息传送准静电场)DTD。
在这种情况下，用户和侧面电极7通过与参考图7和8描述的情况中相同的作用而彼此耦合，并且由侧面电极7检测到信息传送准静电场DTD。
通过这种方式，在发射部分35，通过如上面关于公式12所描述的在其中防止了辐射场和感应场的空间中根据从内部电极8产生的准静电场(标识信号S5)改变用户的带电状态，可以使得用户用作天线并且形成信息传送准静电场DTD。
在这种情况下，为验票和收票机2(图6)设置基于通信时钟的接收定时，并且场效应晶体管(下文中称之为FET)28检测由侧面电极7检测到的信息传送准静电场DTD的强度位移作为经由FET28的栅极的电位中的变化，并且将其作为标识信号S6经由放大器(未示出)提供给接收部分24。
接收部分24根据预定的解调方法对标识信号S6执行解调处理以抽取标识信息S7并且将标识信息S7提供给控制部分20的通道确定部分25。
接收到来自接收部分24的标识信息S7，通道确定部分25基于标识信息S7和预先存储在信息存储存储器中的确定信息执行预定的确定处理，并且确定是否允许试图通过入口/出口通道部分4(图5)的用户通过。
当获得应该允许用户通过的肯定结果时，通道确定部分25向出口门控制部分26和信息提供部分27给出通过许可指令。相反，当获得不应允许用户通过的否定结果时，通道确定部分25向出口门控制部分26和信息提供部分27给出通过拒绝指令。
当接收到来自通道确定部分25的通过许可指令时，出口门控制部分26打开入口/出口通道部分4(图5)的出口门5以允许用户通过。相反，当接收到来自通道确定部分25的通过拒绝指令时，出口门控制部分26保持入口/出口通道部分4的出口门5关闭以阻止用户通过。
(2-2-3)从验票和收票机到卡设备的近场通信接收到来自通道确定部分25的通过许可指令或通过拒绝指令，信息提供部分27产生要通知给用户的通知信息S8，诸如许可或通过拒绝以及其它信息，然后在基于通信时钟的发送定时将该通知信息提供给发送部分23。
发送部分23根据预定的调制方法对交变信号S1执行调制处理以将通知信息S8置于其上，并且将结果的通知信号S9经由路线切换设备21提供给侧面电极7，以从侧面电极7产生根据通知信号S9振动的准静电场。
因而，发送部分23可以根据准静电场(通知信号S9)改变用户的带电状态以使得用户用作天线，并且在由于上述参考图7和8描述的准静电场的感应而防止了辐射场和感应场的空间中，在用户的附近形成信息传送准静电场DTD。
在这种情况下，在卡设备3(图9)中，设置基于同步时钟S3的接收定时，并且内部电极8检测到在用户附近形成的信息传送准静电场DTD。FET 37检测由内部电极8检测到的信息传送准静电场DTD的强度位移作为经由FET 37的栅极的电位中的变化，并且将其作为通知信号S9经由放大器(没有示出)提供给接收部分24。
接收部分24根据预定的解调方法对标识信号S9执行解调处理以抽取标识信息S10并且将标识信息S10提供给控制部分30。
在这种情况下，控制部分30例如通过基于通知信息S10经由显示部分(没有示出)显示内容而通知用户有关通知信息S10的内容。
通过这种方式，验票和收票机2(卡设备3)通过执行基于通信时钟(同步时钟S3)交替切换发送路线和接收路线以发送和接收信息的半双工方法可以避免接收经由侧面电极7(内部电极8)发送的通知信号S9(标识信号S5)(所谓的信号窃听(signal sneaking))。
在这种情况下，验票和收票机2(卡设备3)可以仅利用一个侧面电极7(内部电极8)来使用下述两种功能，即用于使用户带电的电气感应电极的功能和用于检测由卡设备3(验票和收票机2)引起的用户带电状态中的变化的检测电极的功能，由此可以使验票和收票机2小型化。
此外，验票和收票机2可以使用一个交变信号S1既用于电力供给也用于信息通信从而一个侧面电极7既可以用作用于电力供给信号的发送电极也可以用作用于信息通信信号的接收电极而无需分别单独提供这样的电极，由此可以使验票和收票机2小型化。
(2-3)近场通信中的辅助装置除了上面的配置外，如图10所示，在通信系统1中，入口/出口通道部分4的基面(floor surface)(下文中称之为路线基面)Y1被提供为使得基面Y1不接到地面(下文中称之为建筑基面)Y2而是以预定的间隔dx(间隙)与建筑基面分隔开。
在这种情况下，用户的足部与建筑基面Y2之间的静电容量可以减少到比用户与侧面电极7之间的静电容量少相应于路线基面Y1和建筑基面Y2之间的间隔dx的量，由此可以防止信息传送准静电场DTD(交变准静电场TD)从足部到建筑基面Y2的泄漏。
除此之外，还可以防止由建筑基面Y2的不一致引起的噪声(下文中称之为环境噪声)KN从路线基面Y1感应到用户，该环境噪声KN诸如由建筑基面Y2中的钢材的连接表面缝隙或钢材的生锈引起的电不稳定状态导致的放电噪声。
这样，在通信系统中，可以以更稳定的状态形成在用户带电和电气变化瞬间在用户表面外围传导时在用户的表面周围充分各向同性地形成的信息传送准静电场DTD(交变准静电场TD)的等电位面，由此可以使近场通信稳定。
从示出了当人体用作理想偶极天线时的准静电场的等电位面的图11和示出了根据本实施例的实验结果的图12之间的比较，这将可视地非常清楚。
此外，如图13所示，通信系统1的验票和收票机2适于防止在从侧面电极7经由FET 28到接收部分24的路线上信号的泄漏。具体地，首先，以与FET 28电分离的状态提供了壳体28A即覆盖在FET 28的外围的导体；其次，在接收路线上仅接收部分24接地。
再者，作为防止这种泄漏的装置，与在从FET 28经由接收部分24到接收部分24的路线上的静电容量SC2相比，验票和收票机2适于例如通过增加FET 28和地之间的间距(高度)来减少FET 28和地之间的静电容量SC1。
这样，验票和收票机2可以有效地将由侧面电极7检测到的信息传送准静电场DTD(交变准静电场TD)经由FET 28感应到接收部分24，由此以高灵敏度接收由用户形成的信息传送准静电场DTD(图5)。
(2-4)操作及效果在具有上面配置的通信系统1中，利用准静电场的性质和用户(人体)的性质，使用户带电以用作天线，并且因而在用户附近形成的准静电场用作信息传送介质。
具体地，如上面参考图6和9所述，在通信系统1中的卡设备3(验票和收票机2)侧，根据基于标识信息S4(通知信息S8)调制得到的标识信号S5(通知信号S9)的准静电场从内部电极8(侧面电极7)产生以使用户带电。在验票和收票机2(卡设备3)中，在用户附近形成的各向同性的信息传送准静电场DTD(图5)的强度上的变化顺次经由侧面电极7(内部电极8)和FET 28(FET 37)而被检测到，并且基于该检测结果对标识信息S4(通知信息S8)解调。
因此，在通信系统1中，可以在非常良好地使用户带电的条件下根据标识信号S5(通知信号S9)形成从用户的表面充分各向同性传播的信息传送准静电场DTD。此外，在不依赖于携带或安装卡设备3的方式的情况下以及在不依赖于卡设备3的内部电极8是否与用户接触的情况下，发送和接收是可能的。
此外，在通信系统1中，由于使得带电用户用作天线，所以可以形成从用户表面各向同性传播的信息传送准静电场，而与用户的运动无关，因而，在不强迫用户在通信中执行预定动作的情况下，可以发送信息和接收信息。
此外，在通信系统1中，由于使得带电用户用作天线，并且经由因此在用户附近形成的非传播的信息传送准静电场DTD，信息被发送和接收，所以可以避免与其它无线电波(感应场或辐射场)之间的干扰并且避免来自通信空间外部的拦截(interception)以确保通信内容的机密性。
通过这种方式，在通信系统1中，通过使得介入发送电极和接收电极之间的用户用作天线，而不是如常规所做那样将用户作为介质对待，可以实现信息的发送和接收，而在用户附近在没有方向限制，并且可确保机密性并且无需强迫用户执行预定的动作。
除了上面的配置外，在通信系统1中，如上面参考公式(12)所述的，选择待提供给侧面电极7的信号的最大距离r和频率f之间的关系以满足上面的公式(13)。
因此，在通信系统1中，当使得要通过入口/出口通道部分4的用户用作天线以执行近场通信时，通信空间可以形成为其中非传播的准静电场E3θ总是占优势的空间(实质的封闭空间)。结果，通信输出可以减弱到通信内容不在通信空间外传播的程度，由此更充分地确保通信内容的机密性。
根据上面的配置，在通信系统1中，利用准静电场的性质和人体的性质，使用户带电以用作天线，并且在用户附近由此形成的信息传送准静电场DTD用作信息传送介质。这样，可以实现信息的发送和接收，而在用户的附近没有方向限制，而确保机密性并且无需强迫用户执行预定的动作，由此可以增强使用准静电场通信中的自由度。
(2-5)其它实施例在上述第一实施例中，就其中作为第一通信设备的卡设备3被插入用户衣服的口袋中的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，并且如图14所示卡设备3可以安装在手臂的周围。或者，其可以合并在移动电话或计步器(pedometer)中，或者可以放在包里。即，如上所述，可以在发送和接收的人体的附近提供卡设备3，而不依赖于携带或安装它的方式并且不依赖于卡设备3的内部电极8是否与用户接触。最终，唯一的要求是卡设备3应该在用户的附近。
在上述第一实施例中就其中卡设备3具有卡片形成的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，卡设备3可以具有其它各种形状。
此外，在上述第一实施例中，就其中路线基面Y1在其与建筑基面Y2(图10)以预定间距dx分隔开的状态下被提供用于入口/出口通道部分4的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，在路线基面Y1和建筑基面Y2之间可以填充具有低相对介电常数的构材。
在这种情况下，如果假定填充在路线基面Y1和建筑基面Y2之间的构材的相对介电常数是ε，假定路线基面Y1和建筑基面Y2之间的间隙是dx，假定真空介电常数(permittivity of vacuum electric constant)是ε0，并且假定用户鞋底底面积是S，则用户足部与建筑基面Y2之间的静电容量CY2近似为从下面公式表达的关系获得的值CY2=ϵ0·ϵSdx...(14)]]>因而，如果考虑上面的关系来选择路线基面Y1和建筑基面Y2之间的距离dx以及填充在路线基面Y1和建筑基面Y2之间的构材的相对介电常数ε，则用户足部与建筑基面Y2之间的静电容量CY2肯定可以小于用户与侧面电极7之间的静电容量。由此，可以更安全地防止信息传送准静电场DTD(交变准静电场TD)从用户足部向建筑基面Y2泄漏，并且可以更安全地使近场通信稳定。
在上述第一实施例中，就其中路线基面Y1在其与建筑基面Y2(图10)以预定间距dx分隔开的状态下被提供用于入口/出口通道部分4的情况进行了描述，其中路线基面Y1作为耦合防止装置用于防止标识目标和建筑基面彼此电耦合。但是，本发明并不局限于此，而是如图16所示可以提供铺设在路线基面Y1上并且接地到建筑基面Y2的噪声吸收接地线路40。
在这种情况下，与上述第一实施例类似，可以防止如由建筑基面Y2的不一致性所引起的噪声(下文中称之为环境噪声)KN从路线基面Y1感应到用户并且由此使近场通信稳定。此外，如果在路线基面Y1(图10)和建筑基面Y2之间不仅提供间距dx而且提供噪声吸收接地线路40，则可以更加增强近场通信的稳定性。
此外，在上述第一实施例中，就其中作为检测电极和电力供给电极的侧面电极7使用一个交变信号S1既作为电力供给信号也作为载波信号的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，而是可以分别单独提供用于电力供给的电极和用于信息通信的电极。
具体地，如其中与图6、图8、图9中部件相应的部件以相同的标号和字符来表示的图16、17、18所示，在验票和收票机2中，在入口侧的入口/出口通道部分4的内部表面上新提供了与侧面电极7分开的电力供给电极51，并且在电力供给电极51和地之间提供了交流电源15。侧面电极7仅用于近场通信。在卡设备3中，代替路线切换设备31，在一个表面上提供了内部接收电极52和内部发送电极53，而在另一个表面上提供了外部接收电极54和外部发送电极55。如果如上所述在验票和收票机2和卡设备3之间分别单独执行在电力供给路线上的发送和接收以及在信息通信路线上的发送和接收，则可以获得与上述实施例相同的效果。
此外，在上述第一实施例中，就下述情况进行了描述，在该情况中，作为检测电极的侧面电极7已经检测到的用户的带电状态(信息传送准静电场DTD)中的变化是作为标识信息S7由作为检测装置的FET 28检测到的，并且由作为调制装置的接收部分24对该标识信息S7解调。但是，本发明并不局限于此，而是可以通过测量信息传送准静电场DTD的阻抗中的变化来对标识信息S7解调。
具体地，如其中相应于图6中的部件以同样的标号来表示的图19中所示，，验票和收票机2使用发送部分23将基于交流电源15产生的具有预定频率的交变信号S1经由路线切换设备21提供给侧面电极7以产生准静电场。因而，作为解调和阻抗测量装置的接收部分60可以获得与上述实施例同样的效果。
此外，在上述第一实施例中，就其中用户的带电状态中的改变作为标识信号S6(通知信号S9)被FET 28或37检测到的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，而是用户的带电状态中的改变可以由各种其它检测装置来检测，诸如利用具有晶体管或FET配置的用于测量由感应电压感应的电压的感应电极型场强计，用于对通过使用断路器电路、振动电容等的感应电极获得的直流信号进行AC转换的感应电极型调制放大系统场强计，用于施加电场于具有光电效应的物质以测量物质中引起的光传播特性的变化的光电效应型场强计，以及仅用于卡设备3的静电计、分路电阻型场强计、电流集合型场强计等。
此外，在第一实施例中，就其中由作为调制和电力供给装置的发送部分23将交变信号S1连续地提供给侧面电极7的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，可以仅在作为检测电极的侧面电极7检测到当用户正接近入口/出口通道部分4时根据用户的行走动作而由用户引起的场位移期间将交变信号S1提供给侧面电极7。
具体地，验票和收票机2在控制部分20的控制下将路线切换设备21的切换部21a与接收连接端21c连接直到其顺次经由侧面电极7和FET 28检测到正要通过入口/出口通道部分4(图5)的用户、检测到由接近入口/出口通道部分4的用户引起的行进中的准静电场的位移，而在发送检测结果到发送部分23时由控制部分20将切换部21a与发送连接端连接以将交变信号S1送给侧面电极7。另一方面，当验票和收票机2不能顺次经由侧面电极7和FET28检测到由从入口/出口通道部分4走开的用户引起的行进中的准静电场的位移，因而不再发送检测结果到发送部分23时，其再次通过控制部分20将切换部21a与接收连接端21c连接并且停止供应交变信号S1到侧面电极7。这样，验票和收票机2除了当其检测到由用户行走动作引起的行进中的准静电场(电气)的位移时之外并不提供交变信号S1给侧面电极7，由此与上述实施例相比可以更加增强能量节省。
此外，在上述第一实施例中，就其中在作为在用户附近提供的移动型第一通信设备的卡设备3与作为在预定控制目标处提供的第二通信设备的验票和收票机2之间进行近场通信的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，可以在提供在一个用户上的卡设备3与经由该用户或另一用户提供在另一卡设备3上的卡设备3之间进行近场通信。在这种情况下，经由其从提供在一个用户上的卡设备3到提供在另一用户上的卡设备3进行近场通信的用户的数目可以是任何数。在这种情况下，可以获得与上述实施例同样的效果。
此外，在上述第一实施例中，就其中验票和收票机2作为在预定控制目标处提供的第二通信设备适用于本发明的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，例如可以在录像机、电视机、诸如移动电话或个人计算机的电子设备、医学装备、汽车、书桌以及其它待控制的控制目标上或附近提供第二通信设备。在这种情况下，可以获得与上述实施例同样的效果。
此外，在上述第一实施例中，就其中人体作为标识目标适用于本发明的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，诸如哺乳动物、爬行动物、植物的生物体，甚至预定的导电材料和待识别的具有带电属性的任何其它物体都可以作为标识目标广泛地适用于本发明。
此外，在上述第一实施例中，就其中本发明适用于下述通信系统1的情况进行描述，该通信系统1必要时打开出口门5以允许进入或离开作为通信路线的入口/出口通道4。但是，本发明并不局限于此而是可以广泛地适用于为各种其它目的的通信系统，诸如用于必要时打开门以允许进入或离开公司的入口/出口通道的通信系统、具有在书桌附近的通信路线的用于当用户接近书桌时如果需要而打开书桌的门的通信系统、具有在个人计算机附近的通信路线的用于当用户接近个人计算机时打开个人计算机的通信系统、使用用于运送预定的标识目标的运送通道作为通信路线用于当运送标识目标到预定位置时如果需要切换运送通道的通信系统，即，使人体带电以使得人体用作天线以及使用在人体附近形成的准静电场作为信息传送介质来进行信息发送和接收的任何通信系统。
(3)第二实施例(3-1)根据第二实施例的通信系统的整体配置在图20中，标号100表示根据第二实施例的通信系统的整体配置，其包括插入人体衣服的臀部口袋中的声音再现器102以及戴在人体头部上的头戴式听筒设备103。
声音再现器102具有卡片形状，并且在声音再现器102内提供了平行板式电极部分(下文中称之为发送电极部分)105，发送电极部分105包括发送电极105a和与发送电极105a成对的参考电极105b。
在这种情况下，声音再现器102从声音存储介质再现声音信号并且从发送电极部分105产生根据再现的声音信号调制的准静电场并且由此使人体带电。
头戴式听筒设备103包括发带部分103A和在发带部分103A的末端提供的一对耳垫部分103L、103R。发带部分103A具有平行板式电极部分(下文中称之为接收电极部分)106，接收电极部分106包括一般位于其中心的接收电极106a和与接收电极106a成对的参考电极106b。
在这种情况下，头戴式听筒设备103检测由声音再现器102使之带电的人体的带电状态中变化作为接近接收电极部分106的电场中的变化，具体地接收电极部分106的电极106a和106b之间的电位差，对作为结果获得的声音信号解调，然后从包括在耳垫部分102L、102R中的扬声器(未示出)输出基于声音信号的声音。
如上所述，通信系统100适于检测从声音再现器102的发送电极部分105产生的准静电场作为头戴式听筒设备103的接收电极部分106的电极106a和106b之间的电位差以便实现经由人体执行声音信号的近场通信。
在上述第一实施例中，近场通信是利用在人体上提供的电极(内部电极8)和在预定位置处(在入口/出口通道部分4上)提供的电极(侧面电极7)之间的电位差而执行的。但是，由于经由人体到达接收侧上的设备的信号的相位与经由在空气中形成的电场从接收侧上的设备的电极接收到的信号的相位是物理上相反的，因而这些信号彼此抵消(counteract)并且因而有时不能接收到它们。
尤其在发送侧，与准静电场相比不容易相对于距离衰减的感应场和辐射场导致发送功率的浪费，并且由于这些场而不能获得作为近场通信的特性的“难于传播较远”的优点。
因而，在该实施例中，在通信100中，将作为发送器的声音再现器102和作为接收器的头戴式听筒设备103设计得使得辐射场和感应场低于噪声基底电平(noise floor level)并且假设在使用接收电极部分106的位置处的接收电极部分106的电极106a和106b之间的电位差超过可由前置放大器121检测到的电平。
从而，通信系统100可以最优化由发送器和接收器(声音再现器102和头戴式听筒设备103)执行的近场通信所需的能量，并且可以防止不必要的传播并且提高空间分辨率以增强通信的稳定性。
(3-2)声音再现器的配置如图21所示，声音再现器102包括声音再现部分111、调制处理部分112、放大器113、发送电极部分105。
发送电极部分105具有根据用于稍后描述的发送器和接收器和发送器的设计方法而选择的电极结构(电极形状、电极面积和电极之间的距离)。具体地，其以根据参考频率的电极结构形成，使得所产生的电场的感应场分量的强度低于根据通信频段规定的噪声基底。
声音再现部分111从安装在未示出的安装部分的声音存储介质中再现声音信号S1，并且发送再现的声音信号S1到调制处理部分112。
调制处理部分112包括信号供给部分112a和调制部分112b。对于信号供给部分112a，将相应于预先指定的起始频率(工作频率)的电位设置为待施加给发送电极部分105的电压信号的电位。
信号供给部分112a适于在预定定时将具有指定的起始频率和电位的电压信号提供给调制部分112b。调制部分112b适于根据预定的调制方法对电压信号执行调制处理以将声音信号S1置于其上并且将作为结果的调制后的信号经由放大器113施加到发送电极部分105的发送电极105a。
在这种情况下，发送电极105a根据调制后的信号S2的起始频率振动；响应于该振动产生的准静电场使人体带电；作为结果，在人体周围近乎各向同性地形成了根据该振动的准静电场。
通过这种方式，声音再现器102适于经由人体发送信息(声音信号)。
(3-3)头戴式听筒设备的配置如图22所示，头戴式听筒设备103包括接收电极部分106、前置放大器121、解调部分122、声音放大部分123(123L和123R)、扬声器124(124L和124R)。
接收电极部分106以根据用于稍后描述的接收器和发送器的设计方法而选择的电极结构形成。具体地，在不依赖于电极面积并且具有根据参考频率的电极之间的距离的条件下形成接收电极部分106，使得所产生的电场的感应场分量的强度低于根据通信频段规定的噪声基底。
前置放大器121检测接收电极部分106的电极106a和106b之间的电位差并且将其作为调制后的信号S2发送到解调部分122。由于前置放大器的输入信号通常较弱，所以期望的是使用具有高输入阻抗的前置放大器作为前置放大器121。
解调部分122根据预定的解调方法对由解调部分122提供的调制后的信号S2执行解调处理，并且由此产生了声音信号S1。其然后经由声音放大部分123(123L和123R)发送声音信号S1到扬声器124(124L和124R)。
作为结果，从扬声器124(124L和124R)输出基于声音信号S1的声音。
如上所述，头戴式听筒设备103适于基于从声音再现器102发送的声音信号S1发出声音。
(3-4)发送器和接收器的设计方法现在对作为发送器的声音再现器102和作为接收器的头戴式听筒设备103的设计方法进行描述。
(3-4-1)设计参数首先，下面描述设计发送器和接收器(声音再现器102和头戴式听筒设备103)中的设计参数。
利用下面(A)和(B)作为指南(下文中称之为设计指南)设计发送器和接收器(A)应该控制从发送电极部分105产生的感应场使之低于噪声基底；以及(B)在接收电极部分106的电极106a和106b之间获得的电位应该高于安装在接收器(头戴式听筒设备103)上的前置放大器121(图16)自身的噪声。
为了设计满足设计指南的发送器和接收器，作为设计的预处理部分，按照重要性的降序顺序选择下面各种设计参数(a)起始频率和通信频段，(b)发送电极部分105中的电极面积(包括电极形状；下文同此)和电极之间的距离，以及接收电极部分106中的电极面积和电极之间的距离，(c)接收电极部分106和发送电极部分105在人体上的位置，以及(d)前置放大器121。
实际上，在选择各种设计参数(a)到(d)的过程中，考虑了各种条件(下文中称之为设计条件)，诸如通信系统的用途、用于通信的通信应用、甚至足以将发送电极部分105(接收电极部分106)安装到声音再现器102(头戴式听筒设备103)上的空间大小。
(3-4-2)接收电极部分中的电极之间的电位下面就接收电极部分106的接收电极106a和参考电极106b之间产生的电位(下文中称之为电极间电位)进行描述。
接收电极部分106的电极间电位是一个可以说意味着通信性能的重要要素。利用FDTD方法(Finite Difference Time Domain(有限差分时域)一种利用有限差分和时域来求解作为基本电磁方程的Maxwell方程的方法)模拟该电极间电位。
具体地，在如图23所示将发送电极部分105放置在相应于人体模型的臀部口袋的位置并且将接收电极部分106放置在相应于头顶的位置的条件下，基于在发送电极部分105的电极之间施加100[MHz]的1[V]的电压的假设，以及在各种其它条件下进行模拟。图24到27示出了模拟的结果。
图24示出了接收电极部分106的电极面积与接收电极部分106的电极间电位之间的关系。在这种情况下，发送电极部分105的电极面积固定在8×4[cm2]；发送电极部分105的电极间距离固定在2[cm]；以及接收电极部分106的电极间距离固定在1[cm]。
从图24很清楚，即使接收电极部分106的电极面积变化，电极间电位也几乎不变。这意味着在设计发送器和接收器过程中即使减少接收器侧的接收电极部分106的电极面积也可以确保通信的稳定性。
图25示出了接收电极部分106的电极间距离与接收电极部分106的电极间电位之间的关系。发送电极部分105的电极面积固定在8×4[cm2]，发送电极部分105的电极间距离固定在2[cm]；以及接收电极部分106的电极面积固定在4×4[cm2]。
从图25很清楚，如果接收电极部分106的电极间距离用dR[m]表示且接收电极部分106的电极间电位用VR[V]表示，则电极间距离dR和电极间电位VR符合下面的公式表达的关系。
VR(dR)＝0.0005·dR.......(15)此外，图26示出了发送电极部分105的电极面积与接收电极部分106的电极间电位之间的关系。在这种情况下，发送电极部分105的电极间距离固定在2[cm]；接收电极部分106的电极面积固定在4×4[cm2]；以及接收电极部分106的电极间距离固定在1[cm]。
从图26很清楚，接收电极部分106的电极间电位与发送电极部分105的电极面积成比例。
图27示出了发送电极部分105的电极间距离与接收电极部分106的电极间电位之间的关系。在这种情况下，发送电极部分105的电极面积固定在8×4[cm2]；接收电极部分106的电极面积固定在4×4[cm2]；以及接收电极部分106的电极间距离固定在1[cm]。
从图27很清楚，接收电极部分106的电极间电位与发送电极部分105的电极间距离成比例。
从上面的模拟结果[图24到27]，如果接收电极部分106的电极间距离用dR[m]表示，发送电极部分105的电极面积用AS[m2]表示，发送电极部分105的电极间距离用dS[m]表示，以及要施加在发送电极部分105的发送电极105a与参考电极105b之间的电位(下文中称之为施加电位)用VS[V]表示，则接收电极部分106的电极间电位VR[V]由下面的公式示出VR＝α×VS×AS×dS×dR......(16)在上面的公式(16)中没有考虑接收电极部分106的电极面积的原因在于如图24所示那样接收电极部分106的电极间电位VR[V]并不依赖于电极面积。
在上面的公式(16)，常数α是相对于施加到发送电极部分105的电位的接收电极部分106的电极之间的电位梯度并且是依赖于考虑到设计条件选择的设置参数(b)和(c)的常数(下文中称该常数为参数依赖型常数)。
施加给发送电极部分105的电位VS依赖于频率f，并且因而由下面的公式实际表示。
VR(f)＝a×VS(f)×AS×dS×dR如上所述，接收电极部分106的电极间电位可以如公式(17)所示公式化为相对于施加到发送电极部分105的电位的根据设计参数(b)的相对电位。
(3-4-3)参数依赖型常数的确定因此，只有选择了设置参数(b)和(c)才可以通过利用预定的电场模拟器执行如图23所示的模拟来确定参数依赖型常数α。
即，在电磁场模拟器中定义人体模型和设置参数(b)和(c)的内容的每个，然后，通过利用具有确定频率和预定振幅的信号引起发送电极部分105的电极105a和105b之间的激励，通过模拟计算在接收电极部分106处产生的电极间电位VR(f)。
这里，由于除了参数依赖型常数α外公式(17)的所有要素都已知，所以可以通过将已知的值代入公式(17)中而确定参数依赖型常数α。
例如，在下述情况下，作为用于图24到27中的模拟的各种条件，假设发送电极部分105的电极面积AS是8×4[cm2]，假设发送电极部分105的电极间距离dS是2[cm]，假设接收电极部分106的电极间距离dR是2[cm]，假设要施加给发送电极部分105的电位VS(f)是单一频率的1[V]，假设发送电极部分105位于臀部口袋处，以及假设接收电极部分106位于人体的头顶，则在接收电极部分106处产生的电极间电位VR(f)如图25中的模拟结果中以及公式(15)中所示是0.0005[V]。然后，通过将相应值代入公式(17)中，得到0.0005＝α×1×0.0032×0.02×0.01，从而可以确定参数依赖型常数α是781.25。
如上所述，基于所选择的设置参数(b)和(c)的参数依赖型常数α可以从电场模拟器和公式(17)确定。但是，在频率与发送侧和接收侧之间的距离之间存在某种相应的关系，因而如果一旦确定了设置参数(a)的起始频率则某种程度上就确定了设置参数(c)。
(3-4-4)可施加于发送电极部分的最大电位当利用设置参数(a)到(c)设计发送器和接收器时，确定设置参数(d)(要提供给发送电极部分105的电位)使得从发送电极部分105产生的电场的感应场分量的强度低于噪声基底。这里将描述可施加于发送电极部分105的最大电位。
通过在假设“cosωt＝1”(此时电场强度E最大)的条件下以及为简化讨论在假设θ＝π/2的条件下，重新整理公式(2)，在时刻t在自由空间中电场源(发送电极部分105)附近的位置r处的电场强度E可以表示为下面的公式E=Eθ=ql4πϵr3·(1+jkr+(jkr)2)·exp(-jkr)...(18)]]>由具有开口面积K[m2]的天线(接收电极部分106)接收到的接收功率p[W]由下面的公式表示p=SK4π...(19)]]>其中接收功率密度用S[W/m2]表示。接收功率密度S[W/m2]与接收电场强度E的关系用下面的公式表示S=E2120π...(20)]]>因此，接收功率p[mW]用将公式(20)代入公式(19)得到的下述公式表示p=SK4π=E2K480π2=1000·E2K480π2[mW]...(21)]]>通过将公式(18)代入公式(21)中的“E”以确定电荷q与到微小偶极子的电荷的距离l的乘积ql使得乘积ql在电场源(发送电极部分105)附近的位置r处比噪声基底nf[dBm]小10[dB]，得到下面的公式1000·E2K480π2=1000·(ql4πϵr3·|jkr·exp(-jkr)|)2·K480π2<10nf-1010...(22)]]>下面的公式示出了乘积ql的最大值(下文称之文为最大乘积)qlmax1000·(qlmax4πϵr2·|jkr·exp(-jkr)|)2·K480π2=10nf-1010...(23)]]>并且从通过重新整理上面的公式而获得的下面的公式可以获得最大乘积qlmaxqlmax=10nf-1010·480π21000·K·4πϵr2|jkr·exp(-jkr)|...(24)]]>噪声基底nf由下面的公式定义nf＝-174[dBm/Hz]+NF+10logB[dBm] ……(25)其中NF是噪声指数，B是通信频段。
实际上，例如，在其中频率f是4[MHz]，噪声指数NF是10[dB]，通信频段B是100[kHz]，接收电极部分106的开口面积K是0.03[m2]，并且θ＝π/2的情况下，从公式(24)很清楚如果最大乘积qlmax是1.5×10-16则在距离发送电极部分105 0.05[m]处的感应场的输出可以低于噪声基底nf(＝-174+10+10log(1000000)＝114[dBm]。然而，实际上，如果乘积ql满足“ql＜qlmax”，则距离发送电极部分105 0.05[m]的近旁位置r处的感应场分量可以低于噪声基底nf。
这里，下面将对通信距离与包括准静电场、感应场、辐射场的合成电场的电场强度以及仅仅与感应场的电场强度之间的关系进行确认。
即，通过将θ＝π/2以及qlmax＝1.5×10-16代入公式(18)中，合成电场的电场强度E(Eθ)用下面的公式表示E=Eθ=qlmax4πϵr3(1+jkr+(jkr)2)·exp(-jkr)=1.5×10-164πϵr3(1+j2πfcr+(j2πfc)2)·exp(-jkr)...(26)]]>通过将真空介电常数ε＝8.85e-12，频率f＝4，以及波长k＝2πf/c(c光速)代入公式(26)，合成电场的电场强度E与到电场源的近旁距离r可以由图28中所示的关系来绘制。
由下面的公式来定义的感应场分量的电场强度EE=qlmax4πϵr3(jkr)·exp(-jkr)...(27)]]>和距电场源的近旁距离r可以图29中所示的关系来绘制。
从图28和图29的比较很清楚，可以确认，在电场源(发送电极部分105)的附近的位置r处，感应场的强度与准静电场相比充分小。由于没有在图28和图29中示出的辐射场的强度比在附近位置r处的感应场的小，所以其显然比准静电场的强度小。
通过这种方式，如果频率f、噪声指数NF、通信频段B、接收电极部分106的开口面积K、距发送电极部分105的近旁距离r具体确定，则电荷q与距微小偶极子的电荷的距离l的最大乘积qlmax可从公式(24)确定。
最大乘积qlmax相应于可施加于发送电极部分105的最大电位。因而，如果待施加于发送电极部分105的施加电位VS(AS，dS，f)可使用电场模拟器来确定使得从发送电极部分105产生的具有作为设置参数(b)选择的电极面积AS以及电极间距离dS的电场实质地相应于作为基于公式(26)绘制的结果获得的图28中的曲线，那么在以发送电极部分105作为其中心的通信范围中的界限位置rneighbor(＝近旁距离r)处感应场的强度可以低于噪声基底nf。
例如，当电极面积AS为4×4[cm2]以及电极间距离dS为4[cm]的发送电极部分105被布置在自由空间中，以及将单一频率f0的电位1[V]施加于发送电极部分105时，被乘以0.002的从发送电极部分105产生的电场几乎相应于图28的曲线。
这意味着，如果将0.002[V]的电位VS(0.04×0.04，0.04，f0)施加于发送电极部分105，那么在以发送电极部分105作为其中心的通信范围中的界限位置rneighbor处的感应场的强度低于噪声基底nf。
由此，可以施加于发送电极部分105的并且相应于依赖于f的最大qlmax(f)的最大电位(下文称之为最大可施加电位)AVsmax(AS，dS，f)用下面的公式表示AVSmax(AS,dS,f)=10-174+10+10log(B)-1010·480π21000·K·4πϵ·rneighbour3|j2πfcrneighbour·exp(-j2πfcrneighbour)|×VS(AS,dS,f0)qlmax(f0)...(28)]]>其中电场模拟器在模拟中所采用的单一频率用f0表示，通过模拟获得的所获得的电位用VS(AS，dS，f0)表示。
作为示例，当通过将各值代入公式(28)中的相应项而将施加于电极面积AS为4×4[cm2]且电极间距离dS为4[cm]的发送电极部分105的模拟结果(电位VS(0.04×0.04，0.04，4))为0.002[V]的条件添加到其中假设从公式(24)得出的最大乘积qlmax是1.5×10-16(单一频率F0是4[MHz]，噪声指数NF是10[dB]，通信频段B是100[kHz]，接收电极部分106的开口面积K是0.03[m2]，且θ＝π/2)的情况的条件上时，最大可施加电位用下面的公式表示AVSmax(0.04×0.04,0.04,f)=10-174+10+10log(100000)10·480π21000·0.032·4πϵ·0.053|j2πfc0.05·exp(-j2πfc0.05)×0.002ql(4×106)...(29)]]>图30基于上面的公式(29)示出了频率f与最大可施加电位AVSmax(0.04×0.04，0.04，f)之间的关系。从图30很清楚，距离电场源(发送电极部分105)5[cm]处的感应场的电场强度可以低于在任何频率f处的噪声基底。
如上所述，根据所选择的设置参数(a)到(c)的最大可施加电位AVsmax(AS，dS，f)可以从电场模拟器和公式(28)得到。
(3-4-5)前置放大器的选择当将具有 的电压噪声的前置放大器121安装在头戴式听筒设备103上时，前置放大器121能够检测具有相对于通信频段B[Hz]的电位 的信号。
因此，可以选择前置放大器121以满足下面的公式VR(f)=α×VS(f)×AS×dS×dR>n/B...(30)]]>(3-4-6)结论总结以上的描述，可以根据图31中的设计过程RT来进行发送器和接收器(声音再现器102和头戴式听筒设备103)的设计。
即，首先作为设计的预处理执行(a)起始频率f和通信频段B，(b)发送电极部分105的电极间距离dS和电极面积AS以及接收电极部分106的电极间距离dR，(c)发送电极部分105和接收电极部分106在人体上的位置，以及(d)前置放大器121的电压噪声n的选择(步骤SP1)。
然后，在电场模拟器中定义人体模型以及具有设置参数(b)的发送电极部分105和接收电极部分106；将发送电极部分105和接收电极部分106安置在相应于人体上的设置参数(c)的人体模型上的位置上；当由具有起始频率f的预定施加电位VS(f)在发送电极部分105的电极105a与105b之间引发激励时所示出的接收电极部分106的电极间电位VR(f)被确定(步骤SP2)。
之后，将所定义的项用公式(17)的相应部分代替以确定在利用设置参数(b)和(c)设计发送器和接收器的情况下的参数依赖型常数α(SP3)。
然后，确定接收电极部分106的开口面积K、噪声指数NF、在以发送电极部分105作为其中心的通信范围中的界限位置rneighbor，并且将所确定的项和设置参数(a)用公式(24)的相应部分替代以确定最大乘积qlmax.
在电模拟器中确定待施加于发送电极部分105的施加电位VS(AS，dS，f0)，使得从具有作为设置参数(b)而选择的电极面积AS以及电极间距离dS的发送电极部分105产生的电场实质上相应于作为将关于所确定的最大乘积qlmax的项代入公式(18)中的结果获得的合成电场的电场强度E(Eθ)(步骤SP4)。
然后，通过将预定的施加电位VS(AS，dS，f0)代入公式(28)中，这样的最大可施加电位AVSmax(AS，dS，f)使得在以发送电极部分105作为其中心的通信范围中的界限位置rneighbor处的感应场的强度在自由空间中小于噪声基底nf(步骤SP5)。
最后，确认是否存在低于最大可施加电位AVSmax(AS，dS，f)并且满足接收电极部分106的电极间电位VR(f)等于或者高于所选择的前置放大器121的电压噪声的条件的任何施加电位VS(f)，作为待提供给发送电极部分105的施加电位VS(f)(步骤SP6)。
如果不存在满足这些条件的这样的施加电位VS(f)，则再次检查设置参数(a)到(d)的全部或部分，并且基于该检查过并改变后的设置参数来重复从步骤SP2到步骤SP6的过程。
相反，如果满足这些条件的施加电位VS(f)存在，则这意味着发送器和接收器的设计是成功的。设置过程于是结束。
通过执行如上所述的图31所示的设计过程RT，可以确定根据任意选择的设置参数待施加于发送电极部分105的施加电位VS(f)，从而在从电场源产生的电场的预定范围内的感应场分量的强度低于噪声基底电平。
当假定可以将发送器和接收器附着在多个位置处时，可以通过对所有这些位置顺次执行从步骤SP1到步骤SP6的过程来对于在这些位置的发送器和接收器的每个确定根据设置参数待施加的施加电位VS(f)。
(3-5)操作及效果在上面的配置中，在通信系统100中，以根据参考频率的结构形成发送电极部分105，使得电场的感应场分量的强度低于根据通信频段规定的噪声基底。
因此，在通信系统100中，通过减少对准静电场通信不必要的感应场和辐射场分量减少了通信所需的能量，并且由于防止了不必要的传播从而增加了空间分辨率。这样，可以增强通信的稳定性。
此外，在通信系统100中，通过限制根据参考频率待施加在发送电极之间的电压可以更加增强通信的稳定性。
根据上面的配置，以根据参考频率的结构形成发送电极部分105，使得电场的感应场分量的强度低于根据通信频段规定的噪声基底。因此，通过减少对准静电场通信不必要的感应场和辐射场分量减少了通信所需的能量，并且由于防止了不必要的传播从而增加了空间分辨率。这样，可以增强通信的稳定性并可以增强通信中的自由度。
(3-6)其它实施例在上述第二实施例中，就其中基于公式(16)选择根据参考频率的电结构使得电场的感应场分量的强度低于根据通信频段规定的噪声基底的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，可以基于除了公式(16)外的任何公式诸如在公式(16)的基础上改进的公式来选择该结构。
此外，在上述第二实施例中，就其中作为用于产生待施加于具有根据所使用频率的电极结构的电极上的信号的产生装置，设置了相应于预先指定的起始频率(工作频率)的电位，并且产生并且施加了具有所设置的电位的信号的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，也可以在表中保持多个频率和相应于频率的电位，参考该表以确定相应于所使用的频率的电位，并且通过在预定的定时切换预定的电位以施加该电位来顺次产生具有预定电位的信号。
在这种情况下，由于可以使用多个频率利用头戴式听筒设备103执行通信，故可以增强通信效率同时维持通信的稳定性。
此外，在上述第二实施例中，关于发送器和接收器的位置，就其中将声音再现器102置于人体衣服的臀部口袋处以及将头戴式听筒103置于人体头顶的情况进行了描述。但是，本发明并不局限于此，可以将发送器和接收器(声音再现器102和头戴式听筒设备103)安置在各种其它位置。
此外，关于发送器和接收器的组合，可以采用发送器和接收器的各种其它组合，包括在移动电话和个人计算机之间通信的情况。在这种情况下，在发送器和接收器上都安装了一组发送电极部分105和接收电极部分106。
此外，在这种情况下，待发送和接收的信息可以是除了声音外的任何信息；信息传递经由的人体数目可以是任何数目，并且替代人体的可以采用诸如哺乳动物、爬行动物、植物的生物体，甚至预定的导电材料和各种其它目标。
工业实用性本发明可以适用于其中利用发送器和接收器的电极间的电位差执行近场通信的情况，尤其是适用于其中经由人体发送和接收信息的情况。
权利要求
1.一种通信系统，其特征在于包括第一通信设备，用于通过产生根据待发送信息调制的准静电场使具有带电属性的标识目标带电；以及第二通信设备，用于检测标识目标的带电状态中的变化并且基于该变化解调该信息。
2.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于所述标识目标是人体。
3.如权利要求2所述的通信设备，其特征在于，所述第一通信设备和第二通信设备的每个都属于便携式类型，并且所述第一通信设备和第二通信设备分别被提供在不同人体的附近。
4.如权利要求2所述的通信设备，其特征在于，所述第一通信设备属于便携式类型并且是在人体附近提供的；以及所述第二通信设备是在预定的控制目标上或者附近提供的。
5.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述第一通信设备包括调制装置，用于通过根据所述信息的调制产生调制后的信号；和带电感应电极，用于通过根据该调制后的信号产生准静电场来使标识目标带电；以及所述调制装置控制待提供给带电感应电极的调制后的信号的功率或电荷的至少一个。
6.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述第一通信设备包括调制装置，用于通过根据所述信息的调制产生调制后的信号；以及带电感应电极，用于通过根据该调制后的信号产生准静电场来使标识目标带电；所述第二通信设备包括检测标识目标的带电状态中的变化的检测电极；以及选择所述带电感应电极与检测电极之间的距离以及待提供给带电感应电极的调制后的信号的波长使得所述准静电场在电场之中占优势。
7.如权利要求6所述的通信设备，其特征在于，选择所述距离和波长使得满足r＝λ/2π的关系，其中当在第一通信设备与第二通信设备之间执行通信时的最大距离是r并且波长是λ。
8.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述第二通信设备包括检测装置，用于检测标识目标的带电状态中的变化作为信号；解调装置，用于基于由所述检测装置检测到的信号来解调所述信息；以及泄漏防止装置，用于防止从带电装置到解调装置的路线的电泄漏。
9.如权利要求8所述的通信设备，其特征在于，所述泄漏防止装置使得从检测装置经由解调装置到地的静电容量大于在检测装置与地之间的静电容量。
10.如权利要求8所述的通信设备，其特征在于，所述电泄漏防止装置包括检测电极，用于检测标识目标的带电状态中的变化以及将该变化引导到检测装置；和用于包围所述检测装置的壳体；并且物理上将所述检测电极与所述壳体分开。
11.如权利要求8所述的通信设备，其特征在于，所述电泄漏防止装置在从检测装置到解调装置的路线上仅将解调装置连接到地。
12.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述第二通信设备包括电力供给电极，用于产生准静电场以为第一通信设备供给电力；以及耦合防止装置，用于防止标识目标与地之间的电耦合，在标识目标通过的通道上提供该耦合防止装置。
13.如权利要求12所述的通信系统，其特征在于，利用在距地面预定距离处提供的基面形成所述耦合防止装置。
14.如权利要求12所述的通信系统，其特征在于，利用覆盖在所述通道上并且连接到地的低介电常数的构材形成所述耦合防止装置。
15.如权利要求2所述的通信设备，其特征在于，所述第二通信设备包括电力供给电极，用于产生准静电场以为第一通信设备供给电力；检测电极，用于检测在人体行走时导致的人体的带电状态中的变化；以及电力供给装置，用于仅当所述检测电极检测到带电状态中的变化时才提供用于电力供给的信号。
16.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述第二通信设备包括检测电极，用于检测标识目标的带电状态中的变化；和电力供给电极，用于产生准静电场以为第一通信设备供给电力；并且该电力供给电极与该检测电极是同一电极。
17.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述第二通信设备包括电力供给电极，用于产生准静电场以为第一通信设备供给电力；和电力供给装置，用于提供用于电力供给的信号给该电力供给电极；并且所述电力供给装置还将该电力供给信号用作为要发送到第一通信设备的载波信号。
18.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述第二通信设备包括电力供给电极，用于产生准静电场以为第一通信设备供给电力；和电力供给装置，用于提供用于电力供给的信号给该电力供给电极；并且所述第一通信设备经由通过由该电力供给电极产生的准静电场而带电的标识目标获得电力。
19.一种用于第一通信设备和第二通信设备经由准静电场发送和接收信息的通信方法，其特征在于包括通过产生根据待发送信息调制的准静电场使具有带电属性的标识目标带电的第一步骤；以及检测标识目标的带电状态中的变化并且基于该变化解调该信息的第二步骤。
20.如权利要求19所述的通信方法，其特征在于所述标识目标是人体。
21.一种通信设备，其特征在于包括带电感应装置，该带电感应装置用于通过产生根据待发送信息调制的准静电场使具有带电属性的标识目标带电；以及使得该标识目标作为准静电场中的天线来工作。
22.如权利要求21所述的通信设备，其特征在于所述标识目标是人体。
23.如权利要求21所述的通信设备，其特征在于，所述带电感应装置包括平行板电极；以及所述平行板电极是以根据参考频率的电极间距离和电极面积而形成的，使得电场的感应场分量的强度低于根据通信频段规定的噪声基底。
24.如权利要求21所述的通信设备，其特征在于，所述带电感应装置包括以电极面积AS和电极间距离dS形成的发送侧平行板电极，该电极面积AS和电极间距离dS当在电极间距离dR固定的条件下将具有参考频率的电极间电位VS提供给该发送侧平行板电极时满足下面的公式VR＝α×VS×AS×dS×dR其中，假定接收侧平行板电极的电极间电位是VR[V]；接收侧平行板电极间距离是dR[m]；发送侧平行板电极的电极面积是AS[m2]；发送侧平行板电极间距离是dS[m]；发送侧平行板电极间电位是VS[V]；以及依赖于电极间距离dR、电极面积AS、和电极间距离dS的常数是α。
25.一种通信设备，其特征在于包括用于检测标识目标的带电状态中的变化的调解装置，作为使得其用作准静电场中的天线的结果，该标识目标近乎各向同性地形成具有信息的准静电场，所述解调装置还用于基于该变化解调信息。
26.如权利要求23所述的通信设备，其特征在于所述标识目标是人体。
27.一种用于与预定通信相对方通信的通信设备，其特征在于包括用于产生电场的发送平行板电极；以及所述发送平行板电极以电极面积AS和电极间距离dS形成，该电极面积AS和电极间距离dS当在电极间距离dR固定的条件下将具有参考频率的电极间电位VS提供给该发送侧平行板电极时满足下面的公式VR＝α×VS×AS×dS×dR其中，假定接收侧平行板电极的电极间电位是VR[V]；接收侧平行板电极间距离是dR[m]；发送侧平行板电极的电极面积是AS[m2]；发送侧平行板电极间距离是dS[m]；发送侧平行板电极间电位是VS[V]；以及依赖于电极间距离dR、电极面积AS、和电极间距离dS的常数是α。
28.如权利要求27所述的通信设备，其特征在于包括用于根据工作频率产生要施加给发送平行板电极的信号的产生装置。
29.一种用于与预定通信相对方通信的通信设备，其特征在于包括用于检测从该通信相对方产生的电场的接收平行板电极；以及在不依赖于该接收平行板电极的电极面积的条件下形成该接收平行板电极，使得当将具有参考频率的电极间电位VS提供给电极面积AS和电极间距离dS固定的发送侧平行板电极时该接收平行板电极满足下面的公式VR＝α×VS×AS×dS×dR其中，假定接收侧平行板电极的电极间电位是VR[V]；接收侧平行板电极间距离是dR[m]；发送侧平行板电极的电极面积是AS[m2]；发送侧平行板电极间距离是dS[m]；发送侧平行板电极间电位是VS[V]；以及依赖于电极间距离dR、电极面积AS、和电极间距离dS的常数是α。
全文摘要
可以提高使用准静电场的通信中的自由度。通信系统(1)包括卡设备(3)(票门2)，其根据基于标识信息S4(通信信息S8)调制的标识信号S5(通信信号S9)从内部电极8(侧面电极7)产生准静电场，由此使人体带电。票门2(卡设备3)经由侧面电极7(内部电极8)和FET(28)(FET 37)检测在人体附近各向同性地形成的信息传送准静电场DTD的强度位移，并且根据检测结果解调标识信息S4(通信信息S8)。这样，可以在人体附近不加以方向约束或不要求人体的预定动作的情况下实现信息发送/接收，同时确保安全性。这显著提高了通信中的自由度。
文档编号H04B5/02GK1754330SQ200480005209
公开日2006年3月29日 申请日期2004年2月27日 优先权日2003年2月27日
发明者滝口清昭 申请人:索尼株式会社