JP2011030869A

JP2011030869A - 車両用生体センシング装置

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Publication number: JP2011030869A
Application number: JP2009181304A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takada; 貴史高田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: JP5196191B2

Abstract

【課題】座席の素材によらず安定したセンサの基準電位を設定でき、ノイズの影響を受けない精度のよいセンサ信号を検出可能な車両用生体センシング装置を提供する。
【解決手段】車両の座席に着座した乗員の生体電気信号を検出する生体電気信号検出部と、乗員の電位を表す第１グランド信号を検出する第１グランド信号検出部と、車両のグランド電位を表す第２グランド信号を検出する第２グランド信号検出部と、第１グランド信号と第２グランド信号とを用いて、該第１グランド信号に重畳するノイズを除去するノイズ除去部と、ノイズ除去後の第１グランド信号を基準電位信号として、生体電気信号に対する信号処理を行い、乗員の生体情報を取得する信号処理部と、を備え、第１グランド信号検出部と第２グランド信号検出部とが、座席に備えられたシートベルトに取り付けられることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載され乗員の生体情報を取得する車両用生体センシング装置に関するものである。

近年、自動車の運転中における運転者の健康状態を知るための車両用生体センシング装置が考案されている。車両用生体センシング装置では、例えば車両運転中における運転者の心拍（生体情報）を検出し、その心拍に基づいて、眠気，疲労，焦燥感あるいは不整脈の有無等の運転者の健康状態を判定する手がかりとすることができる。そして、運転者やその自動車の管理者等がその体調の変化を知ることで、その後の運転を別の人と交代したり、休憩するなどの対応をすることができる。このように、車両用生体センシング装置は、自動車等の運転時の安全性に貢献できる。

車載か否かに関わらず、センサ信号のような微小信号を取り扱う場合、基準電位であるＧＮＤ（グランド）の設定の仕方が重要なポイントとなる。生体情報を測定するため、微小な変位や電位を計測する手法は、多数考案されているが、どの測定にも基準となるＧＮＤが重要なポイントとなっている。しかしながら、走行中の車両において、安定するＧＮＤを確保することは極めて困難である（詳細は後述）。

センサを被験者（乗員）に特定の部位と接触させることにより、ＧＮＤ電位を確保させることは可能であるが、被験者の意識的な動作が必要となってしまい、乗員に煩わしさを感じさせるという問題もある。そこで、シートに基準電位を決定するためのグランド電極を装備した心電センサが考案されている（特許文献１参照）。

また、静電位（基準電位）のノイズを検出することにより、測定部位のノイズをキャンセルする方式を用いたセンサシステムが考案されている（特許文献２参照）。

また、他の手法としては、脈波計において、アクティブＧＮＤと称して、ＧＮＤを浮かして中間電位を設定し、測定する対象物の基準とする手法も開示されている（非特許文献１参照）。

特開２００９−０５０６７９号公報米国特許７，４６６，１４８（ＷＯ／２００６／００７５７３）

私設研究所「生体計測と電子工作」赤外線脈波計の電子回路部分（http://www.neo-tech-lab.com/IRHRM.htm），平成２１年７月２３日検索。

特許文献１の例では、グランド電極は座席に縫い込まれた導電性糸によって構成されており、座席の素材に導電性のない皮革を用いたときには、このグランド電極を取り付けることができないという問題がある。仮に縫い込むことができたとしても、皮革の色が導電性糸の色と異なっていたり、皮革に穴を開ける等して見た目が悪くなるという問題が生ずる。また、皮革を縫合する糸に導電性糸を用いるとしても、縫い目が必ずしも乗員に接触するわけではなく（通常、縫い目は乗員に接触し難いところにある）、グランド電極として用をなさない。さらに、導電性糸と皮革とでは触感も異なるので、乗り心地に影響を及ぼすこともある。

また、特許文献２の例では、実車搭載状態でのノイズキャンセル方式は開示・示唆されてはいないが、実験では、座部や背部に導電性プレート等を敷く方法が採用されている。この場合も、座席の素材に導電性のない皮革を用いたときには、導電性プレートを取り付けることができないという問題がある。

また、非特許文献１の例においても、中間電位を設定するための回路が必要となるため、回路構成が複雑となって装置のコストが上昇するという問題がある。

上記問題点を背景として、本発明の課題は、座席の素材によらず安定したセンサの基準電位を設定でき、ノイズの影響を受けない精度のよいセンサ信号を検出可能な車両用生体センシング装置を提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するための車両用生体センシング装置は、車両の座席に着座した乗員の生体電気信号を検出する生体電気信号検出部と、乗員の電位を表す第１グランド信号を検出する第１グランド信号検出部と、車両のグランド電位を表す第２グランド信号を検出する第２グランド信号検出部と、第１グランド信号と第２グランド信号とを用いて、該第１グランド信号に重畳するノイズを除去するノイズ除去部と、ノイズ除去後の第１グランド信号を基準電位信号として、生体電気信号に対する信号処理を行い、乗員の生体情報を取得する信号処理部と、を備え、第１グランド信号検出部と第２グランド信号検出部とが、座席に備えられたシートベルトに取り付けられることを特徴とする。

上記構成によって、座席の素材によらず安定したセンサの基準電位を設定でき、ノイズの影響を受けない精度のよいセンサ信号を検出可能となる。また、近年、運転席および助手席に加えて、後席においてもシーベルトの着用が義務付けられた。シーベルトを着用しないと生体情報を検出できないのは、乗員の利便性を低下させているように思われるが、逆にシーベルトの着用を促進するという効果も奏する。さらに、シートに皮革を用いる場合、美観を損ねたり乗り心地に影響を及ぼすこともない。

また、本発明の車両用生体センシング装置におけるノイズ除去部は、第１グランド信号と第２グランド信号との電位差に基づいて該第１グランド信号に重畳するノイズを除去する。

上記構成によって、第１グランド信号と第２グランド信号との電位差に相当する部分のノイズの影響を受けることなく、安定したセンサの基準電位を得ることができる。

また、本発明の車両用生体センシング装置における第１グランド信号検出部および第２グランド信号検出部は、それぞれシートベルトに取り付けられた面電極として構成される。

上記構成によって、例えば面電極をシートベルトの裏側（乗員と接する面）に取り付ければ、シートベルトの装着時に車内の美観や意匠を損なうことを最小限に抑えることができる。

また、本発明の車両用生体センシング装置における第１グランド信号検出部および第２グランド信号検出部は、それぞれシートベルトの少なくとも一部に織り込まれた導電性の部材として構成される。

上記構成によって、例えば導電性の部材をシートベルトと同系統の色とすれば、シートベルトの装着時に車内の美観や意匠を損なうことはない。さらに、シートベルトの引き出し／巻き取り時に、各検出部が乗員の衣服等に引っ掛かることを防止できる。

また、本発明の車両用生体センシング装置における生体電気信号検出部は、車両の座席に取り付けられて、座席に着座した乗員の各部から発せられる電位信号を検出する複数の電極を備え、各電極が検出した電位信号の差信号を増幅することにより、乗員の生体電気信号を検出する。

上記構成によって、例えば心電あるいは筋電位等の生体電気信号を、ノイズが少ない状態で精度よく検出できる。

また、本発明の車両用生体センシング装置における生体電気信号検出部は、座席に着座した乗員に対して光を照射する発光部と、乗員に照射され、該乗員から反射した光または該乗員を透過した光を受光する受光部と、受光部における光の受光量に基づいて乗員の生体電気信号を検出する。

上記構成によって、例えば脈波等の生体電気信号を、ノイズが少ない状態で精度よく検出できる。

車両用生体センシング装置のシステム構成図。シートベルトへの電極の取り付け構成を示す図。シートベルトへの電極の取り付けの詳細例を示す図。図３の別例を示す図。図３の別例を示す図。図３の別例を示す図。シートベルトへの電極の取り付け構成の詳細を示すシートベルトの断面図。図７の別例を示す図。図７の別例を示す図。センサシステムの構成を示す図。グランド検知回路の作用の概略を示す図。従来技術の構成により検出された心電信号の波形を示す図。本発明の構成により検出された心電信号の波形を示す図。脈波センサの構成を示す図。

以下、本発明の車両用生体センシング装置について、図面を用いて説明する。図１に、車両用生体センシング装置１のシステム構成図を示す。車両用生体センシング装置１は、座席２００に取り付けられて乗員（図１の例では運転者）１０の生体電気信号（すなわち、乗員の各部から発せられる電位信号）を検出するための電極３１，４１、シートベルト２０１に取り付けられて乗員の電位を表す第１グランド信号を検出するための電極７１、同じくシートベルト２０１に取り付けられて車両のグランド電位を表す第２グランド信号を検出するための電極７２（詳細は図２参照）、および検出した生体電気信号に基づいて乗員１０の生体情報を検出するセンサシステム２８を含んで構成される。なお、電極７１が本発明の第１グランド信号検出部に相当する。また、電極７２が本発明の第２グランド信号検出部に相当する。

図２を用いて、シートベルト２０１に取り付けられた電極７１，７２の構成について説明する。センタピラーＰの下端部内に収納された公知構造のリトラクタ２０８からは、これの回転軸２０９に一端が巻回されたシートベルト２０１のショルダベルト部２２１が上方へ引き出され、センタピラーＰ上端のショルダアンカ２０７を経て斜め下方へ乗員１０の上半身前面に沿って延び、タングプレート２３１で折り返されてラップベルト部２２２となってセンタピラーＰ下端のアウタアンカ２１０に至っている。なお、上記タングプレート２３１は車両フロアＦに立設した公知のバックル２３２に結合されている。図２では、電極７１，７２がショルダベルト部２２１に取り付けられた状態を示している。

図３に、シートベルト２０１への電極７１，７２の取り付け状態の詳細を示す。図３の例では、電極７１，７２がショルダベルト部２２１とラップベルト部２２２との両方に取り付けられているが、ショルダベルト部２２１とラップベルト部２２２のいずれか一方のみに取り付ける構成でもよい。また、電極７１，７２の取り付け位置は、シートベルト２０１と乗員１０とが接触する場所となる。乗員の体格に対応できるように、複数組の電極７１，７２をシートベルト上に取り付けてもよい。また、電極７１と電極７２との距離Ｄは、例えばグランド検知回路７０（図１０参照）におけるノイズ除去の効果が最大となるような値とする。なお、電極７１，７２の形状は、矩形状の他に円形，半円形としてもよい。

また、図４はシートベルト２０１を上面から見たものであるが、このように、電極７１，７２の幅をシートベルト２０１の幅よりも小さくする構成としてもよい。さらに、図５のように、電極７１，７２をシートベルト２０１の幅方向の異なる端部の少なくとも一部に取り付けてもよい。この場合、電極７１，７２を千鳥配置としてもよいし（電極７２は実線表示）、電極７１，７２を対向するように配置（電極７２は破線表示）してもよい。また、図６のように、電極７１，７２をシートベルト２０１の幅方向の略中央部に取り付けてもよい。このように、電極７１，７２の幅をシートベルト２０１の幅よりも小さくすることで、電極７１，７２とグランド検知回路７０（図１０参照）とを接続するケーブル７１ａ，７２ａ（詳細は後述）の配線を容易にすることができる。

図７に、シートベルト２０１への電極７１，７２の取り付けの詳細（シートベルト２０１の断面図）を示す。電極７１，７２は、導電性を有する金属板、あるいは例えば炭素繊維を織り合わせた導電性を有する布片（すなわち面電極）として構成され、ショルダベルト部２２１あるいはラップベルト部２２２の乗員１０側の表面に接着あるいは縫い付けられている。これにより、シートベルト２０１の強度を損なうことなく電極７１，７２を取り付けることが可能となる。また、電極は車外あるいは他の乗員からは見えないので、シートベルトや車内の美観を損ねることはない。

また、これら電極７１，７２とグランド検知回路７０とを接続するケーブル７１ａ，７２ａがシートベルト２０１内部に配線されている。ケーブル７１ａ，７２ａは、それぞれ抵抗８０，抵抗８２（図１０参照）と接続される。なお、これらケーブル７１ａ，７２ａは、例えば炭素繊維で構成され、シートベルト２０１の引き出し／巻き取り時に加わる力にも十分耐え得るものとなっている。

図８に、シートベルト２０１への電極７１，７２の取り付けの詳細の別例を示す。電極７１，７２は、図７の例と同様に面電極として構成され、ショルダベルト部２２１あるいはラップベルト部２２２の乗員１０側の表面に、該表面から突出せず、シートベルト面と同一平面を形成するように接着あるいは縫い付けられている。これにより、シートベルトの引き出し／巻き取り時に、各検出部が乗員の衣服等に引っ掛かることを防止できる。また、電極は車外あるいは他の乗員からは見えないので、シートベルトや車内の美観を損ねることはない。無論、図７および図８の例において、電極７１，７２をシートベルト２０１の乗員１０と反対側の表面にも配置、すなわちシートベルト２０１の一部を覆うように配置してもよい。

また、図８の構成において、電極７１，７２の断面高さを、シートベルト２０１の断面高さと同一としてもよい。図９に、その構成例を示す。この場合、ケーブル７１ａ，７２ａは、他の電極の配置されていない方向に配線されてグランド検知回路７０に接続される。

上述の図３〜図９においては、電極７１，７２は面電極を用い、これら面電極をシートベルト２０１に接着あるいは縫い付ける構成であるが、面電極の代わりに、例えば炭素繊維のような導電性の部材をシートベルト２０１に織り込む構成としてもよい。これにより、電極７１，７２およびケーブル７１ａ，７２ａを一体的に（例えば１本の糸として）形成することができ、製造コストを低減できるとともに、図７，図８の構成で発生することが懸念される、電極７１，７２とケーブル７１ａ，７２ａとの接合部の強度あるいは耐久力不足の問題を解消することができる。また、電極７１，７２のいずれか一方は面電極を用いてシートベルト２０１に接着あるいは縫い付け、他方は導電性の部材をシートベルト２０１に織り込むようにしてもよい。

また、電極７１，７２の、シートベルト２０１の引き出し／巻き取り方向の長さは、乗員１０に確実に接触するのであれば特に制約はなく、例えば、電極７１，７２をシートベルト２０１の幅方向の異なる端部に取り付けた場合（図５参照）、電極７１，７２の、シートベルト２０１の引き出し／巻き取り方向の長さＬを、シートベルト２０１の長さと同じにしてもよい。

図１０に、センサシステム２８の構成を示す。なお、本構成は、特許文献２のＦｉｇ．３と同一の構成であるため、概略の説明のみにとどめる。センサシステム２８は、センサ３０，４０、差動増幅器３９、信号処理回路６０、グランド検知回路７０等を含んで構成される。なお、センサ３０，４０が本発明の生体電気信号検出部に相当する。また、信号処理回路６０が本発明の信号処理部に相当する。また、グランド検知回路７０が本発明のノイズ除去部に相当する。なお、他の図面においても、図１０と同一の構成要素については、図１０と同じ符号を用いている。

センサ３０，４０において、電極３１，４１で検出された生体電気信号は、それぞれ増幅器３３，４３において例えば数倍程度に増幅され、さらに差動増幅器３９において例えば数倍程度に増幅され、センサ信号（５５）を信号処理回路６０に出力する。

なお、本構成は、例えば心電信号，筋電位を検出するのに適している。心電信号を検出する場合、電極３１，４１は、それぞれ乗員１０の背中の略左側，略右側にあたるように座席２００に配置される。また、筋電位を検出する場合、電極３１，４１は、それぞれ、例えば乗員１０の腕，背中，足等の、筋電位を検出したい同一筋繊維上に並ぶように座席２００に配置する。また、配置する電極の数も、２個に限定するものではない。

グランド検知回路７０は、電極７１が検知した第１グランド信号をマイナス電源として電極７２が検知した第２グランド信号（Ｇ２）を増幅器８５において増幅することで、第１グランド信号に重畳するノイズを除去し、ノイズ除去後の第１グランド信号を、基準電位信号（７５）として信号処理回路６０に出力する。

信号処理回路６０は、これら基準電位信号（７５）とセンサ信号（生体電気信号：５５）とに基づいて信号処理を行い、乗員１０の生体信号情報を取得する。

図１１に、グランド検知回路７０の作用の概略を示す。センサ３０，４０の回路は共通グランドＧ１に接地され、グランド検知回路７０はバッテリグランドを表す第２グランドＧ２に接地される。生体信号を計測するためには、測定基準点が必要となる。車両の場合の測定基準点は、最終的に車体（図１０，図１１のＧＮＤ）を使用することになる。当然のことながら、乗員１０および車体は、地面とは完全に接地されていないので、ＧＮＤは変動しやすく、ノイズの影響も受けやすい（図１１の（ａ）の部分参照）。

そこで、乗員の電位を表す第１グランドとバッテリグランドを表す第２グランドとの差を利用し、乗員に近い部位と車体とのグランド電位差の範囲（図１１の電位Ｖ１に相当）にあるノイズを除去し、第１グランドを基準電位信号として、ノイズの影響を低減した状態で（図１１の（ｂ）の部分参照）、センサ信号の処理を行い、生体信号情報を取得することが可能となる。この機能により、外部からノイズが侵入した場合でも両方のＧＮＤに印加されることにより、ノイズ成分を排除した生体信号を測定できる。

図１２に、従来技術の構成によりノイズ除去を行わない検出された心電信号を示す。また、図１３に、本発明の構成により検出された心電信号を示す。図１３のように、本発明の構成を適用することで、ノイズが除去され、実際の波形に近い安定した心電信号を取得することができる。

図１４に、脈波センサ３００の構成例を示す。脈波センサ３００は、図１１のセンサ３０，４０，差動増幅器３９に置き換わるもの、あるいは図１１の構成に追加されるものである。脈波センサ３００は、発光素子３０１（本発明の発光部）、受光素子３０２（本発明の受光部）、電流／電圧変換回路３０３、ＤＣオフセット除去回路３０４、増幅回路３０５、ローパスフィルタ３０６を含んで構成される。なお、発光素子３０１，受光素子は、例えば乗員１０の背中の略左側あたるように座席２００に配置されたり、操舵ハンドル２５０（図１参照）の握り部（例えば、いわゆる「１０時１０分」の位置）近傍に配置される。

発光素子３０１から乗員１０に向かって光が照射されると、光の一部が乗員１０の血管１０ａにあたって、血管１０ａを流れる血液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が血管１０ａで反射して散乱し、その一部が受光素子３０２に入射する。血液の脈動により血管１０ａを流れる血液中のヘモグロビンの量が波動的に変化するので、ヘモグロビンに吸収される光も波動的に変化する。その結果、血管１０ａで反射して受光素子３０２に入射する受光量が変化する。

受光素子３０２において、受光量の変化は電流の変化として検出されるので、これを電流／電圧変換回路３０３において電圧に変換し、変換時に生ずるオフセット分をＤＣオフセット除去回路３０４にて除去し、増幅回路３０５で所定の電圧レベルに増幅する。そして、ローパスフィルタ３０６において、ＣＲローパスフィルタ３０６ａで増幅回路３０５からの信号のノイズを除去する。また、ローパスフィルタ３０６は差動増幅器３０６ｂを含み、差動増幅器３０６ｂは、信号処理回路６０に入力可能な電圧になるようにゲインが調整されている。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

１車両用生体センシング装置
１０乗員
２８センサシステム
３０，４０センサ（生体電気信号検出部）
３９差動増幅器
６０信号処理回路（信号処理部）
７０グランド検知回路（ノイズ除去部）
７１電極（第１グランド信号検出部）
７２電極（第２グランド信号検出部）
２０１シートベルト
２２１ショルダベルト部
２２２ラップベルト部
３００脈波センサ
３０１発光素子（発光部）
３０２受光素子（受光部）

Claims

車両の座席に着座した乗員の生体電気信号を検出する生体電気信号検出部と、
前記乗員の電位を表す第１グランド信号を検出する第１グランド信号検出部と、
前記車両のグランド電位を表す第２グランド信号を検出する第２グランド信号検出部と、
前記第１グランド信号と前記第２グランド信号とを用いて、該第１グランド信号に重畳するノイズを除去するノイズ除去部と、
ノイズ除去後の第１グランド信号を基準電位信号として、前記生体電気信号に対する信号処理を行い、前記乗員の生体情報を取得する信号処理部と、
を備え、
前記第１グランド信号検出部と前記第２グランド信号検出部とが、前記座席に備えられたシートベルトに取り付けられることを特徴とする車両用生体センシング装置。
前記ノイズ除去部は、前記第１グランド信号と前記第２グランド信号との電位差に基づいて該第１グランド信号に重畳するノイズを除去する請求項１に記載の車両用生体センシング装置。
前記第１グランド信号検出部および前記第２グランド信号検出部は、それぞれ前記シートベルトに取り付けられた面電極として構成される請求項１または請求項２に記載の車両用生体センシング装置。
前記第１グランド信号検出部および前記第２グランド信号検出部は、それぞれ前記シートベルトの少なくとも一部に織り込まれた導電性の部材として構成される請求項１または請求項２に記載の車両用生体センシング装置。
前記生体電気信号検出部は、車両の座席に取り付けられて、前記座席に着座した乗員の各部から発せられる電位信号を検出する複数の電極を備え、
前記各電極が検出した電位信号の差信号を増幅することにより、前記乗員の生体電気信号を検出する請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の車両用生体センシング装置。
前記生体電気信号検出部は、前記座席に着座した乗員に対して光を照射する発光部と、
前記乗員に照射され、該乗員から反射した光または該乗員を透過した光を受光する受光部と、
前記受光部における光の受光量に基づいて前記乗員の生体電気信号を検出する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の車両用生体センシング装置。