DE112016002011T5

DE112016002011T5 - Hauptwiderstands-Messvorrichtung

Info

Publication number: DE112016002011T5
Application number: DE112016002011.2T
Authority: DE
Inventors: Reiji Hattori; Yuhei Morimoto; Ryota Yoneda; Masayuki Watanabe; Nanae Michida
Original assignee: Mazda Motor Corp; Kyushu University NUC
Current assignee: Mazda Motor Corp; Kyushu University NUC
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2018-01-18
Also published as: JP2016220961A; US20180140220A1; CN107613862A; WO2016194358A1

Abstract

Vorliegend wird eine Hautwiderstands-Messvorrichtung mit einem einfachen Aufbau bereitgestellt, die in der Lage ist, einen Hautwiderstand genau zu messen. Eine durch eine Hochfrequenz-Stromquelle (21) erzeugte Wechselspannung wird an eine erste Elektrode (11) angelegt. Eine Erfassungsschaltung (30) erfasst einen Strom einer zweiten Elektrode (12). Ein induktives Element (25) ist zum Beispiel in einem elektrischen Pfad vorgesehen, der sich von der Hochfrequenz-Stromquelle (21) zu der ersten Elektrode (11) erstreckt. Ein Controller (40) ändert und steuert eine Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle (21), empfängt ein Erfassungssignal (S1) von der Erfassungsschaltung (30), und errechnet eine Impedanz des menschlichen Körpers, der einen Elektrodenabschnitt (10) berührt hat. Der Hautwiderstand des menschlichen Körpers wird basierend auf einem Wert der Impedanz bei einer Frequenz, bei der die Impedanz am kleinsten ist, errechnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betritt eine Technik zur Messung des Hautwiderstandes eines menschlichen Körpers.
HINTERGRUNDTECHNIK
In letzter Zeit bestand Bedarf an Systemen, mit denen man die physiologischen Informationen (z. B. Informationen zum Herzschlag, Schwitzen, und Atmen) von zum Beispiel einem Fahrer in einem Fahrzeug, ungeachtet der Haltung oder des Zustands des Fahrers, auf einfache Weise und zu niedrigen Kosten genau messen kann. Unter derartigen Systemen wurden jene Systeme zunehmend erforscht und entwickelt, die in der Lage sind, elektrodermale Aktivität (EDA) zu messen, welche eine Messzahl zum elektrischen Messen des physiologischen Schwitzens eines menschlichen Körpers ist, und die einen einfachen Aufbau haben.
Nichtpatent-Dokument 1 zeigt ein Verfahren zur Messung von EDA als Hautimpedanz durch ein Wechselstromverfahren unter Verwendung eines Konstantstroms.
ZITIERUNGSLISTE
NICHTPATENT-DOKUMENTE

[Nicht-Patent Dokument 1] Hashima et. al., ALTERNATING CURRENT METHOD IN ELECTRODERMAL ACTIVITY MEASUREMENT, IEICE Technical Report, Institute of Electronics, Information and Communication Engineers (IEICE), Juli 1995, Vol. 95, Nr. 177, Seiten 9 bis 16.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Jedoch erfordert das in Nichtpatent-Dokument 1 offenbarte Verfahren drei Elektroden, und Elektrodenpaste, die einen stabilen Impedanz-Pegel für einen langen Zeitraum bereitstellt, und zeigt für eine kurze Dauer Variationen in der Impedanz stark an. Es ist somit extrem schwierig, dieses Verfahren auf eine Vorrichtung zum täglichen Messen des physiologischen Zustands eines Fahrers anzuwenden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Hautwiderstands-Messvorrichtung anzugeben, die einen einfachen Aufbau hat und in der Lage ist, einen Hautwiderstand genau zu messen.
LÖSUNG DER AUFGABE
Um dieses Ziel zu erreichen umfasst eine Vorrichtung zum Messen eines Hautwiderstands eines menschlichen Körpers gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Elektrodenabschnitt, der eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst und eine Kontaktoberfläche hat, die durch den menschlichen Körper berührt werden soll und mit einem Isolator bedeckt ist; eine Treiberschaltung, die eine Hochfrequenz-Stromquelle mit einer variablen Frequenz umfasst und eingerichtet ist, eine Wechselspannung, die durch die Hochfrequenz-Stromquelle erzeugt wird, an der ersten Elektrode anzulegen; eine Erfassungsschaltung, die mit der zweiten Elektrode verbunden ist und eingerichtet ist, einen Strom der zweiten Elektrode zu erfassen und ein Erfassungssignal auszugeben, das einen Wert des erfassten Stroms darstellt; ein induktives Element, das in einem elektrischen Pfad, der sich von der Hochfrequenz-Stromquelle zu der ersten Elektrode erstreckt, oder in einem elektrischen Pfad, der sich von der zweiten Elektrode zu der Erfassungsschaltung erstreckt, vorgesehen ist; und ein Controller, der eingerichtet ist, die Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle zu ändern und zu steuern, und das Erfassungssignal von der Erfassungsschaltung zu empfangen. Der Controller errechnet mithilfe einer Ausgangsspannung der Hochfrequenz-Stromquelle und dem Wert des erfassten Stroms, der durch das Erfassungssignal dargestellt wird, eine Impedanz des menschlichen Körpers, welcher den Elektrodenabschnitt berührt hat, und errechnet den Hautwiderstand des menschlichen Körpers, in einem Verhältnis zwischen der Impedanz und der Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle, basierend auf einem Wert der Impedanz bei einer Frequenz, bei der die Impedanz am kleinsten ist.
Gemäß diesem Aspekt wird die durch die Hochfrequenz-Stromquelle der Treiberschaltung erzeugte Wechselspannung an der ersten Elektrode angelegt. Die Erfassungsschaltung erfasst den Strom der zweiten Elektrode. Zudem ist das induktive Element in dem elektrischen Pfad, der sich von der Hochfrequenz-Stromquelle zu der ersten Elektrode erstreckt, oder in dem elektrischen Pfad, der sich von der zweiten Elektrode zu der Erfassungsschaltung erstreckt, vorgesehen. Der Controller ändert und steuert die Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle, empfängt Erfassungssignale von der Erfassungsschaltung, und errechnet die Impedanz des menschlichen Körpers, der die erste und die zweite Elektrode berührt hat. Dann errechnet der Controller den Hautwiderstand des menschlichen Körpers basierend auf dem Wert der Impedanz bei der Frequenz, bei der die Impedanz am kleinsten ist. Falls der menschliche Körper hier den Elektrodenabschnitt berührt, wird eine Kapazität zwischen der Haut und den Elektroden erzeugt. Diese Kapazität erzeugt zusammen mit dem induktiven Element, das in dem elektrischen Pfad vorgesehen ist, Resonanz. Somit errechnet der Controller den Hautwiderstand des menschlichen Körpers basierend auf dem Wert der Impedanz bei der Frequenz, bei der die Impedanz am kleinsten ist, so dass das induktive Element die Kapazitäten zwischen der Haut und den Elektroden aufhebt. Diese führt zu einer genauen Messung des Hautwiderstands ungeachtet des Kontaktzustands des menschlichen Körpers. Zudem erfordert die Vorrichtung nur zwei Elektroden und keine Elektrodenpaste, und kann somit durch einen einfachen Aufbau verwirklicht werden.
Bei der Hautwiderstands-Messvorrichtung gemäß dem oben beschriebenen Aspekt kann sich die erste Elektrode in Draufsicht in eine erste Richtung erstrecken, und die zweite Elektrode kann zwei Elektroden umfassen, die sich in der Draufsicht jeweils auf einer von zwei Seiten der ersten Elektrode in einer zweiten Richtung, die zu der ersten Richtung vertikal ist, befinden und von der ersten Elektrode beabstandet sind.
Dies ermöglicht es, dass der Elektrodenabschnitt die zweite Elektrode mit einer großen Fläche hat.
Bei der Hautwiderstands-Messvorrichtung gemäß dem oben beschriebenen Aspekt kann die zweite Elektrode die erste Elektrode in Draufsicht mit einem vorgegebenen Abstand von der ersten Elektrode umgeben.
Dies ermöglicht es, dass der Elektrodenabschnitt die zweite Elektrode mit einer großen Fläche hat.
Bei der Hautwiderstands-Messvorrichtung gemäß dem oben beschriebenen Aspekt kann die Erfassungsschaltung eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung, die eingerichtet ist, ein von der zweiten Elektrode empfangenes Stromsignal in ein Spannungssignal zu wandeln, und eine Hüllkurven-Schaltung, die eingerichtet ist, eine Ausgabe der Transimpedanz-Verstärkerschaltung zu empfangen und ein Signal, das eine Hüllkurven-Wellenform der Ausgabe darstellt, zu erzeugen, umfassen.
Bei der Hautwiderstands-Messvorrichtung gemäß dem oben beschriebenen Aspekt kann, wenn ein menschlicher Körper den Elektrodenabschnitt berührt, ein elektrischer Pfad gebildet werden, der von der ersten und der zweiten Elektrode durch den menschlichen Körper zur Erde gelangt.
Bei der Hautwiderstands-Messvorrichtung gemäß dem oben beschriebenen Aspekt können ein Leckwiderstand und eine gegenseitige Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode bestehen.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Hautwiderstands-Messvorrichtung bereit, die in der Lage ist, einen Hautwiderstand ungeachtet des Kontaktzustands des menschlichen Körpers genau zu messen und die einen einfachen Aufbau hat.
KURBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine beispielhafte Schaltungskonfiguration einer Vorrichtung zum Messen des Hautwiderstands eines menschlichen Körpers gemäß einer Ausführungsform.
2 veranschaulicht eine Ersatzschaltung, die durch Vereinfachen der Schaltungskonfiguration aus 1 erhalten wird.
3 ist ein Schaubild, das Impedanz-Eigenschaften in dem Ersatzschaltbild aus 2 zeigt.
4 ist eine Überarbeitung des Ersatzschaltbilds aus 2 basierend auf tatsächlichen Umständen.
5A ist ein Schaubild, das ein Ergebnis der Schaltungssimulation zeigt.
5B ist ein Schaubild, das ein Ergebnis der Schaltungssimulation zeigt.
6A ist ein Schaubild, das ein Ergebnis der Schaltungssimulation zeigt.
6B ist ein Schaubild, das ein Ergebnis der Schaltungssimulation zeigt.
7 veranschaulicht ein beispielhaftes Elektrodendesign.
8 veranschaulicht ein anderes beispielhaftes Elektrodendesign.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 veranschaulicht eine beispielhafte Schaltungseinrichtung einer Vorrichtung 1 zum Messen eines Hautwiderstands eines menschlichen Körpers gemäß einer Ausführungsform. In 1 umfasst ein Elektrodenabschnitt 10 eine erste Elektrode (TX) 11 und eine zweite Elektrode (RX) 12. Die erste und die zweite Elektrode 11 und 12 sind voneinander elektrisch isoliert. Der Elektrodenabschnitt 10 hat eine Kontaktoberfläche, die durch einen menschlichen Körper berührt werden soll und mit einem Isolator 13 bedeckt ist. In 1 und den anderen Figuren soll die Oberfläche des Elektrodenabschnitts 10 von einem menschlichen Finger FN berührt werden. Alternativ ist der Teil, der die Oberfläche des Elektrodenabschnitts 10 berühren soll, nicht auf den Finger beschränkt, sondern kann ein anderer Teil des menschlichen Körpers sein.
Eine Treiberschaltung 20 umfasst eine Hochfrequenz-Stromquelle 21 mit einer variablen Frequenz. Die Treiberschaltung 20 legt eine durch die Hochfrequenz-Stromquelle 21 erzeugte Wechselspannung an der ersten Elektrode 11 an. Die Hochfrequenz-Stromquelle 21 kann, zum Beispiel, ein Wellenformgenerator sein, der in der Lage ist, Frequenzen innerhalb eines Bereichs von 100 kHz bis 5 MHz abzutasten. Die Treiberschaltung 20 umfasst einen Pufferwandler bzw. Impedanzwandler 22, durch den die Wechselspannung, die durch die Hochfrequenz-Stromquelle 21 erzeugt wird, an der ersten Elektrode 11 angelegt wird. In einem elektrischen Pfad, der sich von der Hochfrequenz-Stromquelle 21 zu der ersten Elektrode 11 erstreckt, ist ein induktives Element 25 mit einer Induktivität L vorgesehen.
Eine Erfassungsschaltung 30 ist mit der zweiten Elektrode 12 verbunden, erfasst den Stromwert der zweiten Elektrode 12, und gibt ein Erfassungssignal S1, das den erfassten Stromwert angibt, aus. Die Erfassungsschaltung 30 umfasst hier eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung 31 und eine Hüllkurvenschaltung 32. Die Transimpedanz-Verstärkerschaltung 31 wandelt ein von der zweiten Elektrode 12 empfangenes Stromsignal in ein Spannungssignal. Die Hüllkurvenschaltung 32 empfangt eine Ausgabe von der Transimpedanz-Verstärkerschaltung 31 und erzeugt ein Signal, das die Hüllkurven-Wellenform der Ausgabe angibt. Die Ausgabe von der Hüllkurvenschaltung 32 ist das Erfassungssignal S1.
Ein Controller 40 ändert und steuert die Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle 21, die in der Treiberschaltung 20 umfasst ist, und empfangt das von der Erfassungsschaltung 30 ausgegebene Erfassungssignal S1. Der Controller 40 umfasst hier eine CPU 41 und einen Rechner (Personal-Computer PC) 43. Die CPU 41 umfasst einen Analog-Digital-Wandler 42, der eingerichtet ist, die Erfassungssignale S1 in ein digitales Signal zu wandeln. Der PC 43 führt Kommunikationen durch, zum Beispiel über Bluetooth (eingetragene Marke). Die CPU 41 errechnet die Impedanz des menschlichen Körpers, der den Elektrodenabschnitt 10 berührt hat, unter Verwendung der Ausgangsspannung der Hochfrequenz-Stromquelle 21 und des Erfassungssignals S1, welches in das digitale Signal gewandelt wurde. Dann sendet die CPU 41 die Daten zu der Impedanz des menschlichen Körpers und der Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle 21 an den PC 43. Der PC 43 empfängt die Daten zu der Impedanz des menschlichen Körpers und der Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle 21 von der CPU 41. Dann errechnet der PC 43, in dem Verhältnis zwischen dieser Impedanz und der Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle 21, den Hautwiderstand R_f des menschlichen Körpers basierend auf dem Wert der Impedanz bei der Frequenz, bei der die Impedanz am kleinsten ist.
Das Messprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
Wie bei dem Elektrodenabschnitt 10 aus 1 gezeigt, wird zwischen dem menschlichen Körper und sowohl der ersten Elektrode 11 als auch der zweiten Elektrode 12 eine Kapazität C_f erzeugt. Zur Vereinfachung sind die zwei Kapazitäten gleich. Die Schaltungseinrichtung aus 1 wird durch, zum Beispiel, eine vereinfachte Ersatzschaltung aus 2 dargestellt. Wie in 2 erkennbar ist die Schaltung aus 1 eine Reihenresonanzschaltung, die einen Hautwiderstand R_f des menschlichen Körpers, die Induktivität L, und die Kapazität C_f umfasst. Die Hautwiderstands-Messvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform legt eine Wechselspannung an dieser Resonanzschaltung an und misst einen Strom, um eine Impedanz Z des menschlichen Körpers zu messen. Zu dieser Zeit wird die Impedanz Z des menschlichen Körpers dargestellt durch:
Das bedeutet, die Impedanz Z des menschlichen Körpers umfasst die Kapazität C_f zwischen den Elektroden und dem menschlichen Körper. Diese Kapazität C_f ändert sich in Abhängigkeit von Ursachen wie dem Kontaktzustand des menschlichen Körpers, zum Beispiel, der Kontaktbereich oder Druck des Fingers FN, wenn der Finger FN die Kontaktoberfläche berührt.
Wie in dem Schaubild von 3 gezeigt wird die Frequenz der Wechselspannung abgetastet, um die Impedanz Z zu messen, und die Impedanz Z_min an einem Resonanzpunkt (eine Resonanzfrequenz f_c) wird als der Widerstand R_f des menschlichen Körpers errechnet. Das Verhältnis zwischen der Resonanzfrequenz f_c und der Kapazität C_f ist wie folgt.
Das bedeutet, bei dem Verhältnis zwischen der Impedanz Z des menschlichen Körpers und der Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle 21, die aus dem Messungsergebnis erhalten wird, wird der Hautwiderstand R_f des menschlichen Körpers basierend auf dem Wert der Impedanz Z bei der Frequenz, bei der die Impedanz Z am kleinsten ist, errechnet. Dies erlaubt eine sehr genaue Errechnung des Hautwiderstands R_f des menschlichen Körpers, ohne durch die Kapazitäten zwischen dem menschlichen Körper und den Elektroden beeinflusst zu werden, das bedeutet, ungeachtet des Kontaktzustands des menschlichen Körpers mit den Elektroden.
Wie oben beschrieben wird bei der vorliegenden Erfindung der Hautwiderstand an dem Resonanzpunkt der Impedanz gemessen, so dass das induktive Element die Kapazitäten zwischen der Haut und den Elektroden aufhebt. Das induktive Element 25 kann in dem elektrischen Pfad vorgesehen sein, der sich von der zweiten Elektrode 12 zu der Erfassungsschaltung 30 erstreckt. Dieser Fall folgt auch der Messung des Hautwiderstands des menschlichen Körpers basierend auf dem oben beschriebenen Prinzip.
Beispielhafter Betrieb
Sobald ein Nutzer den Elektrodenabschnitt 10 berührt, beginnt die Hautwiderstands-Messvorrichtung 1 mit der Messung. Die Messung kann beispielsweise zu der Zeit beginnen, zu der ein Sensor erkennt, dass der Nutzer den Elektrodenabschnitt 10 berührt, oder der Nutzer eine Messungsanweisung unter Verwendung von beispielsweise einem Schalter ausführt.
Sobald die Messung beginnt, aktiviert die CPU 41 des Controllers 40 die Hochfrequenz-Stromquelle 21 der Treiberschaltung 20. Dann legt die Treiberschaltung 20 die Wechselspannung, die durch die Hochfrequenz-Stromquelle 21 erzeugt wird, an der ersten Elektrode 11 an. Die CPU 41 empfängt das von der Erfassungsschaltung 30 ausgegebene Erfassungssignal S1 und tastet gleichzeitig die Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle 21 ab. Die abgetastete Frequenz kann in einen Bereich von, zum Beispiel, 1 bis 3 MHz fallen. Das Erfassungssignal S1 gibt den Wert (z. B. den Maximalwert oder den Effektivwert) des Wechselstroms an, der durch die zweite Elektrode 12 fließt. Unter Verwendung der Ausgangsspannung der Hochfrequenz-Stromquelle 21 und des Stromwerts, der durch das Erfassungssignal S1 angegeben wird, errechnet die CPU 41 die Impedanz Z des menschlichen Körpers bei vorgegebenen Frequenzen. Dann sendet die CPU 41 jede der Frequenzen und die errechnete Impedanz Z in einem Paar an den PC 43.
Mithilfe der von der CPU 41 empfangenen Paare aus der Impedanz Z und den Frequenzen erhält der PC 43 das Verhältnis zwischen der Impedanz Z und der Frequenz. Dann errechnet der PC 43 den Hautwiderstand R_f des menschlichen Körpers basierend auf dem Wert der Impedanz Z bei der Frequenz, bei der die Impedanz Z am kleinsten ist.
Wie oben beschrieben wird bei der Hautwiderstands-Messvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform die Wechselspannung, die durch die Hochfrequenz-Stromquelle 21 der Treiberschaltung 20 erzeugt wird, an der ersten Elektrode 11 angelegt. Die Erfassungsschaltung 30 erfasst den Strom der zweiten Elektrode 12. Zudem ist das induktive Element 25 in dem elektrischen Pfad, der sich von der Hochfrequenz-Stromquelle 21 zu der ersten Elektrode 11 erstreckt, oder in dem elektrischen Pfad, der sich von der zweiten Elektrode 12 zu der Erfassungsschaltung 30 erstreckt, vorgesehen. Der Controller 40 ändert und steuert die Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle 21, empfangt das Erfassungssignal S1 von der Erfassungsschaltung 30, und errechnet die Impedanz des menschlichen Körpers, der den Elektrodenabschnitt 10 berührt hat. Dann errechnet der Controller den Hautwiderstand des menschlichen Körpers basierend auf dem Wert der Impedanz bei der Frequenz, bei der die Impedanz am Kleinsten ist. Dies führt, ungeachtet des Kontaktzustands des menschlichen Körpers, zu einer genauen Messung des Hautwiderstands. Zusätzlich erfordert die Vorrichtung nur zwei Elektroden und keine Elektrodenpaste, und kann somit durch einen einfachen Aufbau umgesetzt werden.
Die in 1 gezeigte Vorrichtungseinrichtung ist lediglich beispielhaft und die Einrichtungen der Schaltungselemente sind nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel ist die Erfassungsschaltung 30 nicht auf das in 1 Gezeigte beschränkt, solange die Erfassungsschaltung das Erfassungssignal S1 ausgibt, welches den Wert (z. B. den Effektivwert oder den Maximalwert) des Hochfrequenzstroms, der durch die zweite Elektrode 12 fließt, darstellt. Zum Beispiel kann anstelle der Hüllkurvenschaltung 32 ein logarithmischer Verstärker oder ein Tiefpassfilter verwendet werden.
Der Controller 40 ist nicht auf die Kombination aus der CPU 41 und dem PC 43 beschränkt. Das bedeutet, der Controller 40 kann jedwede Einrichtung haben, solange der Controller das Erfassungssignal S1 von der Erfassungsschaltung 30 während des Abtastens der Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle 21 empfängt, und den Hautwiderstand R_f des menschlichen Körpers basierend auf dem Wert der Impedanz Z bei der Frequenz, bei der die Impedanz Z am ist, errechnet.
Zielsetzung und Überlegung nach Versuchen
Die Erfinder führten Versuche unter Verwendung eines Prototyps der oben beschriebenen Hautwiderstands-Messvorrichtung 1 durch. Die Messergebnisse dieser Versuche waren jedoch nicht so zuverlässig wie erwartet. Als Ergebnisse von „Trial and Error”-Versuchen fanden die Erfinder den Faktor, der die Zuverlässigkeit behindert hat.
4 ist eine Überarbeitung der Ersatzschaltung aus 2 basierend auf tatsächlichen Umständen. Wie in 4 gezeigt wird, wenn der menschliche Körper die Kontaktoberfläche des Elektrodenabschnitts 10 berührt, ein elektrischer Pfad (menschlicher Körper-Erde Pfad) P1 gebildet, der von der ersten und der zweiten Elektrode 11 und 12 durch den menschlichen Körper zur Erde gelangt. Selbst wenn der menschliche Körper nicht die Erde berührt, wird der menschlicher Körper-Erde Pfad P1 im Wesentlichen gebildet, weil der menschliche Körper eine große Fläche hat. Im Allgemeinen fällt der Widerstand R_b des menschlichen Körpers in dem elektrischen Pfad in einen Bereich von ungefähr 2 bis ungefähr 5 kΩ. Wie in 4 gezeigt, bestehen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 11 und 12 ein Leckwiderstand R_l und eine gegenseitige Kapazität C_m. Der Leckwiderstand R_l ist ein Pfadwiderstand, der durch eine Substanz (z. B., Schweiß oder Dreck) gebildet wird, der an die Oberfläche des Elektrodenabschnitts 10 aufgebracht ist. Die gegenseitige Kapazität C_m ist eine schwebende Kapazität bzw. Schwebekapazität innerhalb eines Substrats, das die erste und die zweite Elektrode 11 und 12 umfasst.
Einflüsse des menschlicher Körper-Erde Pfads P1 werden nun berücksichtigt. Die folgenden Ausdrücke muss erfüllt werden, um den Hautwiderstand R_f durch das oben beschriebene Verfahren zu erhalten. R_b >> R_f + |1/j2πfC_{f_RX}| (3)
Das bedeutet, eine Kapazität C_{f RX} zwischen der zweiten Elektrode 12 und dem menschlichen Körper muss ausreichend groß sein. Zum Beispiel sei angenommen, dass der Widerstand R_b des menschlichen Körpers in einen Bereich 2 bis 5 kΩ fällt. Bei der Gleichung f = 1 MHz fällt der Wert C_{f_RX}, wenn der Wert des zweiten Begriffs auf der rechten Seite dem Widerstand R_b des menschlichen Körpers gleicht, in einen Bereich 32 bis 80 pF. Somit muss C_{f_RX} ausreichend größer sein als der Wert. Um eine Kapazität von 100 pF zu erhalten, muss eine Isolierfolie mit εr = 10 und d = 10 μm eine Fläche von etwa 0,1 cm² haben.
Der Leckwiderstand R_l und die gegenseitige Kapazität C_m bestimmen eine Resonanzfrequenz f_c0 und eine Impedanz Z₀ zu der Zeit, zu der der menschliche Körper die Kontaktoberfläche nicht berührt. Zu dieser Zeit, in einer bevorzugten Ausführungsform, ist die gegenseitige Kapazität C_m klein, und der Leckwiderstand R_l ist groß, so dass die Resonanzfrequenz f_c0 höher wird als die Resonanzfrequenz f_c zu der Zeit, zu der der menschliche Körper die Kontaktoberfläche berührt.
Die 5A, 5B, 6A und 6B veranschaulichen Ergebnisse einer Schaltungssimulation, die durch die gegenwärtigen Erfinder durchgeführt wird. In den 5A und 5B ist C_{f_RX} gleich 17,5 nF. Wie in 5A gezeigt, ändert sich der Minimalwert der Impedanz Z nicht, wenn sich R_b von 2 kΩ zu 5 kΩ ändert. Wenn sich andererseits, wie in 5B gezeigt, R_f von 50 zu 200 Ω ändert, ändert sich der der Minimalwert der Impedanz. Gegenteilig, in den 6A und 6B, ist C_{f_RX} gleich 35 pF. Wie in 6A gezeigt, ändert sich der Minimalwert der Impedanz Z, wenn sich R_b von 2 kΩ zu 5 kΩ ändert. Andererseits, wie in 6B gezeigt, ändert sich der Minimalwert der Impedanz nicht, wenn sich R_f von 50 zu 300 Ω ändert.
Es wurde somit herausgefunden, dass genaue Messung eine Charakterisierung der Einrichtung der zweiten Elektrode 12 erfordert, so dass C_{f_RX} ausreichend groß ist. Andererseits muss C_{f_TX} angesichts der Einflüsse des Widerstands R_b des menschlichen Körpers nicht notwendigerweise groß sein.
Eigenschaften einer Elektrodeneinrichtung
Basierend auf der oben beschriebenen Überlegung ist die zweite Elektrode 12 so eingerichtet, dass C_{f_RX} ausreichend groß ist. Eine mögliche Einrichtung ist, beispielsweise wie folgt.
Zunächst wird der Isolator 13, der die Oberfläche der zweiten Elektrode 12 bedeckt, mit einer ausreichend hohen Dielektrizitätskonstante und einer ausreichend geringen Dicke versehen. Dies lässt die zweite Elektrode 12 einen großen Kapazitätswert pro Flächeneinheit haben.
Alternativ kann die zweite Elektrode 12 mit einem ausreichend großen Kontaktbereich versehen sein. Andererseits muss die erste Elektrode 11 nicht notwendigerweise einen großen Kontaktbereich haben.
Es kann ein Elektrodendesign eingesetzt werden, das es ermöglicht, dass die zweite Elektrode 12 eine große Fläche hat. 7 veranschaulicht ein beispielhaftes Elektrodendesign, das die erste und die zweite Elektrode 11 und 12 in Draufsicht umfasst. Gemäß der Elektrodeneinrichtung aus 7 erstreckt sich die erste Elektrode 11 in der vertikalen Richtung der Figur (in einer ersten Richtung). Die zweite Elektrode 12 umfasst zwei Elektroden 12a und 12b, von denen sich jede an einem von zwei Enden der ersten Elektrode 11 in der horizontalen Richtung der Figur (in einer zweiten Richtung, die zu der ersten Richtung vertikal ist) befindet, und ist von der ersten Elektrode 11 beabstandet. Die zwei Elektroden 12a und 12b sind breiter als die erste Elektrode 11 und elektrisch miteinander verbunden. 7 zeigt eine Region A1, von der angenommen wird, dass sie durch einen menschlichen Körper berührt wird. Der Einsatz eines solchen Elektrodendesigns ermöglicht, dass die zweite Elektrode 12 eine große Kontaktoberfläche hat, ohne den ganzen Elektrodenabschnitt 10 sonderlich zu vergrößern. Demgemäß steigt C_{f_RX} leicht.
Es sei angenommen, dass die erste Elektrode 11 eine Breite w in der horizontalen Richtung der Figur hat, und der Abstand zwischen der ersten Elektrode 11 und der Elektrode 12a und der Abstand zwischen der ersten Elektrode 11 und der Elektrode 12b in der horizontalen Richtung der Figur jeweils d1 und d2 sind. Sowohl die erste Elektrode 11 als auch die Elektroden 12a und 12b haben eine Länge l in der vertikalen Richtung der Figur. Die Region A1 hat eine Breite W in der horizontalen Richtung der Figur und eine Länge L in der vertikalen Richtung der Figur. In diesem Fall, bei einer bevorzugten Ausführungsform, werden die Ausdrücke erfüllt: W >> w + d1 + d2 l >> L (4)
Zu dieser Zeit ist der Hautwiderstand R_f in der Region A1 umgekehrt proportional zu der Länge L, und die Kapazität C_f ist proportional zu der Länge L. Da die Kapazität C_f basierend auf der Resonanzfrequenz f_c errechnet wird, kann der Hautwiderstand R_f pro Kontaktbreiteneinheit ungeachtet der Länge L errechnet werden.
8 veranschaulicht ein anderes beispielhaftes Elektrodendesign, das die erste und die zweite Elektrode 11 und 12 in Draufsicht umfasst. Gemäß der Elektrodeneinrichtung aus 8 ist die erste Elektrode 11 rechteckig, und die zweite Elektrode 12 umgibt die erste Elektrode 11 mit einem vorgegebenen Abstand von der ersten Elektrode 11. Die Form der ersten Elektrode 11 ist nicht darauf beschränkt, rechteckig zu sein, sondern kann beispielsweise kreisrund sein. 8 zeigt eine Region A2, von der angenommen wird, dass sie durch einen menschlichen Körper berührt wird. Der Einsatz eines solchen Elektrodendesigns lässt die zweite Elektrode 12 eine große Kontaktoberfläche haben, ohne den ganzen Elektrodenabschnitt 10 sonderlich zu vergrößern. Demgemäß steigt C_{f_RX} leicht.
Die erste Elektrode 11 hat eine Breite w in der horizontalen Richtung der Figur (eine vorgegebene erste Richtung), und eine Länge l in der vertikalen Richtung der Figur. Es sei angenommen, dass der Abstand zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 12 in der horizontalen Richtung der Figur d ist. Die Region A2 hat eine Breite W in der horizontalen Richtung der Figur, und eine Länge L in der vertikalen Richtung der Figur. In diesem Fall, bei einer bevorzugten Ausführungsform, werden die Ausdrücke erfüllt: W >> w + 2d. L >> l + 2d
Zu dieser Zeit wird der Hautwiderstand R_f in der Region A2 durch die Breite w und den Abstand d ungeachtet der Breite W oder der Länge L bestimmt. Der Hautwiderstand R_f kann ungeachtet des Kontaktbereichs erhalten werden.
Der Einsatz der oben beschriebenen Elektrodeneinrichtung lässt die zweite Elektrode 12 eine große Fläche haben. Demgemäß steigt die Kapazität C_{f_RX} zwischen der zweiten Elektrode 12 und dem menschlichen Körper ausreichend, ohne den Elektrodenabschnitt 10 zu vergrößern.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Hautwiderstands-Messvorrichtung, die in der Lage ist, einen Hautwiderstand ungeachtet des Kontaktzustands des menschlichen Körpers genau zu messen, durch einen einfachen Aufbau verwirklicht. Daher ist die vorliegende Erfindung, zum Beispiel als Vorrichtung zum Messen von beispielsweise physiologischen Informationen eines Fahrers in einem Fahrzeug nützlich.
Bezugszeichenliste

1: Hautwiderstands-Messvorrichtung
10: Elektrodenabschnitt
11: Erste Elektrode
12: Zweite Elektrode
12a, 12b: Elektrode
13: Isolator
20: Treiberschaltung
21: Hochfrequenz-Stromquelle
25: Induktives Element
30: Erfassungsschaltung
31: Transimpedenzschaltung
32: Hüllkurvenschaltung
40: Controller
S1: Erfassungssignal
P1: Elektrischer Pfad

Claims

Vorrichtung zum Messen eines Hautwiderstands eines menschlichen Körpers, die Vorrichtung aufweisend: einen Elektrodenabschnitt, der eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, und eine Kontaktoberfläche hat, die von dem menschlichen Körper berührt werden soll und mit einem Isolator bedeckt ist; eine Treiberschaltung, die eine Hochfrequenz-Stromquelle mit einer variablen Frequenz umfasst und eingerichtet ist, eine Wechselspannung, die durch die Hochfrequenz-Stromquelle erzeugt wird, an der ersten Elektrode anzulegen; eine Erfassungsschaltung, die mit der zweiten Elektrode verbunden ist und eingerichtet ist, einen Strom der zweiten Elektrode zu erfassen und ein Erfassungssignal auszugeben, das einen Wert des erfassten Stroms darstellt; ein induktives Element, das in einem elektrischen Pfad, der sich von der Hochfrequenz-Stromquelle zu der ersten Elektrode erstreckt, oder in einem elektrischen Pfad, der sich von der zweiten Elektrode zu der Erfassungsschaltung erstreckt, vorgesehen ist; und einen Controller, der eingerichtet ist, die Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle zu ändern und zu steuern, und das Erfassungssignal von der Erfassungsschaltung zu empfangen, wobei der Controller mithilfe einer Ausgangsspannung der Hochfrequenz-Stromquelle und dem Wert des erfassten Stroms, der durch das Erfassungssignal dargestellt wird, eine Impedanz des menschlichen Körpers errechnet, welcher den Elektrodenabschnitt berührt hat, und den Hautwiderstand des menschlichen Körpers, in einem Verhältnis zwischen der Impedanz und der Frequenz der Hochfrequenz-Stromquelle, basierend auf einem Wert der Impedanz bei einer Frequenz errechnet, bei der die Impedanz am kleinsten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die erste Elektrode in Draufsicht in eine erste Richtung erstreckt, und die zweite Elektrode zwei Elektroden umfasst, die sich in Draufsicht jeweils auf einer von zwei Seiten der ersten Elektrode in einer zweiten Richtung, die zu der ersten Richtung vertikal ist, befinden und von der ersten Elektrode beabstandet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode in einer Draufsicht die erste Elektrode mit einem Abstand von der ersten Elektrode umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erfassungsschaltung umfasst: eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung, die eingerichtet ist, ein von der zweiten Elektrode empfangenes Stromsignal in ein Spannungssignal zu wandeln, und eine Hüllkurvenschaltung, die eingerichtet ist, eine Ausgabe der Transimpedanz-Verstärkerschaltung zu empfangen und ein Signal, das eine Hüllkurven-Wellenform der Ausgabe darstellt, zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenn der menschliche Körper die Kontaktoberfläche des Elektrodenabschnitts berührt, ein elektrischer Pfad gebildet wird, der von der ersten und der zweiten Elektrode durch den menschlichen Körper zur Erde gelangt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ein Leckwiderstand und eine gegenseitige Kapazität bestehen.