Annual Review No.23

人体通信技術を用いたシームレスな自動改札システム実現に向けた研究調査（その２）【2020 年度

KR-077】

東京理科大学 理工学部電気電子情報工学科

助教 村松 大陸（現 東京理科大学 研究推進機構総合研究院 プロジェクト研究員）

１．調査研究の背景な通信が可能となる。本システムの実現には、①ウェ
アラブルタグを駆動するための人体を介した電力給

Felica に 代 表 さ れ る 非 接 触 IC カ ー ド は 2001 年

電、②既存の非接触 IC カード技術におけるバックに Suica として利用が開始されて以来、鉄道改札のスキャッタ通信同様にタグのインピーダンス変化を業務効率を劇的に改善し、自動販売機や店舗におけリーダ側で検出、③改札での運用に耐えうる超低遅る電子マネー決済の普及にも貢献してきた。このシ延通信かつ超高速処理（通信開始から全処理完了ま

ステムでは、IC カードをリーダ端末にかざすというで 200 ms 以下）、④意図しない通信を防止する電動作を「入出場や決済の意思表示」と関連付けるこ界の指向性制御、⑤近接や接触するユーザとの電波とで、セキュアな通信と利便性を両立している。一干渉の排除、⑥電力給電の媒体となる人体への電磁方で、情報読取時に利用者は鞄やポケットからカー曝露の最小化、等が必要となる。これらを実現するドを取り出す必要があり、混雑時は改札付近での流要素技術を、申請者が専門とする生体電磁環境、ア動を阻害し業務効率を低下させる一因となっている。

ンテナ伝搬、無線通信方式といった分野で調査する。

本研究の目的は、改札業務のさらなる効率化に向け、同テーマで 2019 年度調査研究助成を受け、①は解対象に「触れる」という自然な動作のみで通信する

析実験の両面から十分な調査を完了、②は単純化さ「人体通信」技術 [1] を用いたシームレスな自動改札れた人体モデルでインピーダンス変化量の見積もりシステムの実現を目指し、要求される仕様および必まで完了、④は人体周辺の電界分布の解析を完了し要となる要素技術について調査および研究することた。2020 年度は②の通信実装および、ユーザ間でである。

同じ使用のタグ電極を利用できるかを確認するため、タグ電極の入力インピーダンスについて数値電磁界２．調査研究の概要解析と被験者実験を併用して調査した。以下に主な調査結果の概要を示す。

本研究で提案するシステムは、手首等に既存シス
テムの非接触 IC カードに相当するバッテリレス－ウェアラブルタグを装着した状態で改札のリーダ電極部に触れることで、人体を介してからリーダからタグに電力給電すると同時に決済情報や入出場の記録を送信する。このとき、図 1 に示すようにリーダ（送信側）から指先へ入力された電気信号はユーザの周囲に電界としてオーラのように分布するため、ウェアラブルタグ（受信側）の装着位置やリーダ機器に触れる部位に制限がないことが特長である。一図1方で、ユーザの指がリーダ機器からわずかでも離れると電界は伝搬せず、従来システム同様にセキュア

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人体周囲に分布する電界の数値電磁界解析例

(1) 想定するアプリケーション

この左腕部は、皮膚、脂肪、筋肉、腱、血液、皮質骨、

現在 Suica 等の非接触 IC カードで運用される自海綿骨の 7 組織で構成され、各組織には Cole-Cole

動改札システムでは、情報読取時にユーザは鞄やポ型分散媒質の電気定数 [3] が適用されており、広帯ケットからカードを取り出しセンサ部にタッチする域で実際の生体を模擬した解析が可能である。タグ必要がある。一方で、機器を身につけていれば「触電極は回路基板、信号電極、グラウンド電極、励振れる」だけで通信可能な人体通信を自動改札システ源およびワイヤで構成した。信号電極とグラウンドムへ適用することで、ユーザの利便性や改札の業務電極として、それぞれ 8 × 24 mm2 の電極を採用し効率が劇的に改善されると考えられる。具体的にはた [4]。送信機構成材料は全て完全導体とした。本

図 2 に示すように、バッテリレスのウェアラブル機研究では手首部分に装着したタグ電極の励振源から、器をユーザが装着し、手のひらで改札機の電極に触電極を介して人体および空間側を見込んだ入力インれることで、設置機器からユーザの体を介してウェピーダンス（以降、タグ電極の入力インピーダンス）

アラブル機器に電力と情報を伝送するパッシブ方式

について、Finite Difference Time Domain (FDTD) 法

人体通信を想定し評価する。

による電磁界解析 (XFdtd, Remcom Inc.) を用いて 1〜 100MHz の範囲で計算した。

バッテリレスウェアラブル機器

計算の結果を図 4 に示す。性別による入力インピーダンスの差は、周波数が低いほど大きくなることが電極明らかになった。また、乾燥皮膚の場合は男女間で入力インピーダンスの差は最大 20％、湿潤皮膚の自動改札機人体経由で電力/情報を伝送場合は最大で 10％となった。インピーダンスの変改札機筐体動による高周波信号の反射を考慮すると、性別によ図 2 パッシブ方式人体通信による自動改札システム

る入力インピーダンスの差は十分に小さい。すなわち、同じタグ電極や後段の回路構成を男女ユーザに(2) 数値電磁界解析によるタグ電極の入力インピー共通して使用できると考えられる。また、皮膚の水

ダンス計算

分状態に対する入力インピーダンスの差は低周波で手首に装着したタグ電極の入力インピーダンスを増加し、1 MHz で最大となった。入力インピーダン

数値電磁界解析によって計算し、性別 ( で異なる組

ス実部では最大差 53％、虚部では最大差 80％であ織構造 ) の影響および皮膚の水分状態の影響を見積る。一方で、数 MHz を超えると、皮膚の水分状態もった。2019 年度の調査では、人体全身を均質なの影響は十分に小さくなった。このため、伝送効率電気定数を持つ角柱の組みあわせで構成して伝送特だけでなく入力インピーダンスの安定性を考えた場性や電界分布を計算した。本年度は、より現実に近合、数 MHz 以上の帯域をキャリア周波数に用いる

い精確なインピーダンスを計算するため、独立行政ことが望ましいと考えられる。

法人 情報通信研究機構から提供を受けた詳細人体モデル [2] から腕部を抜き出して解析に用いた ( 図 3)。

500
400

Extract arm partfrom whole-body model

Dry skin

Wearable antenna
Human armInput impedance Zin [Ω]300100Wet skin0-100-200

Dry skin-400

図3-500数値電磁界解析モデル

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図425female model

200-300

Larm=732 mm

Male model

10Frequency [MHz]100数値電磁界解析によるタグ電極入力
インピーダンスの計算結果

(3) 被験者実験によるタグ電極の入力インピーダン

よって高周波では電流が腕の表層のみに流れるのにス測定

対し、低周波では、電流が内部組織まで到達するた

つづいて、手首に装着したタグ電極の入力インピーめ、皮膚や脂肪層の厚みなどの個人差が顕著に現れダンスを被験者実験によって測定し、ユーザの個人たと考えられる。一方で個人差に起因する入力イン差が入力インピーダンスに与える影響を見積もった。

ピーダンスの変動について、一例として電圧定在波

試作タグ電極と測定系を図 5 に示す。試作タグ電極

比率 (VSWR) を用いて評価した。VSWR は入力インは回路基板を模擬した銅板、ステンレス板による信ピーダンス変動による信号反射量を評価する指標で号電極およびグラウンド電極、ワイヤ、アクリル板、あり、0( 反射なし＝最良状態 ) ～∞ ( 全反射＝最悪SMA コネクタで構成した。また、着脱を容易にする状態 ) の値をとる。一般的なアンテナシステムではため腕時計のケースにアンテナ電極を内蔵した。信

VSWR ≦ 3 が望ましいとされる。個人差によって劣号電極およびグラウンド電極は SMA コネクタの内化する VSWR の最悪値は、1 MHz において男性と導体および外導体にそれぞれ接続されている。アン

女性の被験者でそれぞれ 2.87 と 2.03 となった。まテナ電極各部の寸法は (1) の電磁界解析モデルのもた、5 MHz 以上の周波数では VSWR ≦ 2 となった。のと同様である。タグ電極の入力インピーダンスは

この結果は、5 MHz を超えるキャリア周波数が、個被験者の左手首に装着した試作タグ電極をインピー人差を低減し入力インピーダンスを安定させること

ダンスアナライザに接続して測定した。本実験の被を意味する。以上の結果から、最適なキャリア周波

験者は 20 ～ 30 歳台の日本人で、男性 12 名、女性数を選択することにより、ユーザ個人差に対して耐10 名、合計 22 名の協力を得た。

性のある人体通信システムが実現できると考えられ測定の結果を図 6 に示す。被験者間の入力インピーる。

ダンスの差は周波数が低いほど大きくなった。これは電磁界解析の結果と一致しており、表皮効果にImpedance analyzer

Circuit board(cupper plate)
Coaxial cable
SMA connector

Wearable antenna

Human arm

図5

試作タグ電極と入力インピーダンスの測定系
0Male model (dry skin)

Input impedance Im(Zin) [Ω]Input impedance Re(Zin) [Ω]6005004003002001000Male model (wet skin)
110Frequency [MHz]図6Annual Review 2021.5 No.23

Electrodes-100-200-300-400

Male model (wet skin)-500-600

100

Male model (dry skin)

110Frequency [MHz]

被験者実験によるタグ電極入力インピーダンスの測定結果
26100

3．調査を終えて

参考文献・引用文献

第 5 世代移動通信システム ( いわゆる 5G) や人工[1] T.G. Zimmerman: “Personal Area Networks:

知能など高性能かつ多機能な技術が次々に登場し、Near-Field Intra-Body Communication,” IBM Sys.

人類社会に多大な影響を及ぼしている。一方その進

Jour., Vol.35, No.3&4, pp.609-617, 1996.

歩の速さに比べ、これらの技術を利用する主体たる[2] T. Nagaoka, et al.: “Development of realistic

べき人間からみた「使いやすさ」は後れをとっては

high-resolution whole-body voxel models of Jap-

いないか？本研究調査で対象とした自動改札、そのanese adult males and females of average height

他多くのシステムにおいて最終的なユーザはもちろand weight, and application of models to ra-ん人間である。その人間の原初的な行動や動作 ( 例dio-frequency electromagnetic-field dosimetry”,

えば今回の自動改札であれば「触れる」という動作 )Phy. Med. Biol, Vol.49, pp.1-15, 2004.

を入力情報とし、様々なシステムを無意識にストレ[3] S. Gabriel, R.W. Lau, and C. Gabriel: “The Dielec-

スなく利用できたら素晴らしい、こうした思想が私

tric Properties of Biological Tissues: II. Mea-の研究の根底にある。今回の調査研究が自動改札シ

surements in the Frequency Range 10 Hz to 20

ステムのみならず、広い意味で人間と技術のシーム

GHz,” Phys. Med. Biol. Vol.41, pp.2251-2269,

レスな融合にわずかでも資するものとなれば幸いで1996.

ある。□[4] 村松大陸 , リサーチダイジェスト KR-070 人体
通信技術を用いたシームレスな自動改札システ
ム実現に向けた研究調査 , 研友社 Annual Review
No.22, pp.31-33, 2020.5

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