JP2015019837A

JP2015019837A - 電極装置及び車両用シート

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Publication number: JP2015019837A
Application number: JP2013150206A
Authority: JP
Inventors: 康弘福山; Yasuhiro Fukuyama; 清水　洋志; Hiroshi Shimizu; 洋志清水; 寸田　剛司; Goji Suda; 剛司寸田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-19
Also published as: JP6119477B2

Abstract

【課題】車室内のような振動環境であっても摩擦静電気による振動雑音を低減することのできる電極装置を提供する。【解決手段】本発明の電極装置１は、生体電気信号を計測する心電図電極３と、心電図電極３の上面に心電図電極３の周縁を取り囲むように形成された絶縁体の側壁５と、側壁５の上面を覆う導電性のドリブンシールド７とを備え、被検出体がドリブンシールド７に接したときに被検出体と心電図電極３との間に空隙が形成されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、被検出体から発せられる生体電気信号を計測する電極装置及びそれを備えた車両用シートに関する。

従来では、人体の生体電気信号を計測するための電極装置として、非特許文献１が開示されている。この電極装置では、電極の上面に絶縁層を積層し、その絶縁層の上に金属層とドリブンシールドを設けていた。そして、この金属層とドリブンシールドが人の着衣に接触することによって生体電気信号の計測が行われていた。

"Triboelectricity in Capacitive Biopotential Measurements"IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. 58, NO.5, MAY 2011

しかしながら、上述した従来の電極装置では、車室内のように常に振動している環境では金属層と着衣との間で摩擦による静電気が発生して振動雑音になってしまうという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、車室内のような振動環境であっても摩擦静電気による振動雑音を低減することのできる電極装置及びその電極装置を備えた車両用シートを提供することを目的とする。

本発明は、被検出体から発せられる生体電気信号を計測する電極装置であって、生体電気信号を計測する電極の上面に電極の周縁を取り囲むように絶縁体の側壁を形成し、この側壁の上面を覆うように導電性のシールド層を形成する。そして、被検出体がシールド層に接したときに被検出体と電極との間に空隙が形成されるように構成したことにより、上述した課題を解決する。

本発明によれば、被検出体と電極が直接接触することがなくなり、車室内のような振動環境であっても摩擦静電気による振動雑音を低減することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る電極装置の構成を示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は断面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る電極装置を適用した車両用シートを示す図である。図３は、本発明の第２実施形態に係る電極装置の構成を示す図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は断面図である。図４は、本発明の第２実施形態に係る電極装置において、側壁及び分割壁の側面をドリブンシールドで覆った構造を示す断面図である。図５は、本発明の第２実施形態に係る電極装置において、側壁及び分割壁をオーバーハング構造とした場合を示す断面図である。図６は、本発明の第２実施形態に係る電極装置の外面をドリブンシールド及びシールド面で覆った構造を示す断面図である。図７は、本発明の第２実施形態に係る電極装置において、空隙の高さと着衣の撓みとの関係を説明するための図である。図８は、本発明の第２実施形態に係る電極装置において、空隙の高さと着衣の撓みとの関係を説明するための図である。

以下、本発明を適用した第１及び第２実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
［電極装置の構成］
図１は本実施形態に係る電極装置の構成を示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る電極装置１は、心電図電極３と、絶縁体の側壁５と、ドリブンシールド７と、絶縁層９と、シールド面１１と、インピーダンス変換回路１３とを備えている。尚、以下の説明では、心電図電極３、側壁５、ドリブンシールド７、絶縁層９及びシールド面１１が一体となった部分を電極部１００として説明する。

電極装置１は、被検出体である人体から発せられる生体電気信号を計測する装置であり、本実施形態では生体電気信号の一例として心電図を計測する場合について説明する。心電図を計測する際には、ドリブンシールド７を人体の着衣に接触させて計測する。

心電図電極３は、人体から発せられる生体電気信号を計測する電極であり、導電性を有する素材で形成されている。

側壁５は、心電図電極３の上面に心電図電極３の周縁を取り囲むように絶縁体で形成されている。この側壁５を形成したことにより、心電図を計測する際に人体の着衣をドリブンシールド７に接触させても、着衣と心電図電極３との間に空隙Ｘを形成することができる。

ドリブンシールド７は、導電性の素材で側壁５の上面を覆って形成されたシールド層であり、心電図を計測する際には人体の着衣に接触し、電極装置１の表面に蓄積した電荷を放出する。

絶縁層９は、絶縁性を有する素材で形成され、心電図電極３とシールド面１１との間を絶縁している。

シールド面１１は、導電性を有する素材で形成され、心電図電極３の下面に絶縁層９を介して配置され、心電図電極３の下面全体を覆っている。

インピーダンス変換回路１３は、例えばオペアンプを用いたボルテージフォロア回路であり、入力側には心電図電極３が接続され、出力側にはドリブンシールド７とともに心電図計測用電子回路１５が接続されている。また、インピーダンス変換回路１３の入力側は抵抗１７を介して接地されている。

ここで、心電図電極３、ドリブンシールド７及びシールド面１１を形成するための導電性の素材としては、金、銀、銅やニクロム等の金属がある。さらに、カーボン、グラファイト等の炭素系材料、金属、金属酸化物等の半導体からなる粒子、アセチレン系、複素５員環系、フェニレン系、アニリン系などの導電性高分子等がある。

また、側壁５及び絶縁層９を形成する絶縁性の素材としては、ナイロン６，ナイロン６６等のポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、共重合成分を含むポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル等の汎用樹脂がある。

そして、このような素材を用いて、心電図電極３、ドリブンシールド７、絶縁層９及びシールド面１１を通気性や伸縮性のある部材として形成してもよいし、硬さのある部材として形成してもよい。ただし、側壁５については、心電図電極３と人体の着衣との間に空隙Ｘを形成して、その高さを維持する必要があるので、伸縮性のある素材ではなく、人体からの圧力がかかっても変形することのない硬い部材として形成する必要がある。

また、シールド面１１の面寸法は心電図電極３の面寸法と同等以上であり、絶縁層９の面寸法は心電図電極３とシールド面１１が電気的に短絡しない範囲での面寸法を有している。例えば、図１では、心電図電極３、絶縁層９及びシールド面１１はいずれも長方形であり、絶縁層９及びシールド面１１は互いにほぼ同等の大きさの長方形、心電図電極３は絶縁層９及びシールド面１１よりも縦横の寸法が小さい長方形をしている。

［電極装置を用いた心電図の計測方法］
次に、本実施形態に係る電極装置１を用いた心電図の計測方法を説明する。ここでは、図２に示すように電極装置１を車両用のシートに適用した場合について説明する。

図２は、図１に示した電極装置１の電極部１００を、車両用シート２１のシートクッション２３及びシートバック２５にそれぞれ複数設置した例を示している。この例では、人体と心電図を計測する回路との基準電位を等しくするための心電図回路用ＧＮＤ電極２７を、ステアリング２９の表面に設置している。ただし、心電図回路用ＧＮＤ電極２７は、車両用シート２１の表面に設けてもよい。そして、心電図回路用ＧＮＤ電極２７は、図１に示したインピーダンス変換回路１３や心電図計測用電子回路１５のＧＮＤ電極と等電位になるように接続する。

尚、電極部１００は、車両用シート２１の表皮材に縫い付けてもよいし、シート表皮材の一部を成していてもよい。また、電極部１００は、車両用シート２１の他に、図示しない車両用内装部材に設置してもよく、例えばコンソールボックスの蓋の表面やインストルメントパネルの表面などの車両内装表皮材に設置してもよい。

このように設置された電極装置１に対して、被検出体となる運転者が車両用シート２１に着座すると、心電図電極３の上方に突出した構造の側壁５とドリブンシールド７の部分が運転者の着衣を支えることになる。これにより、運転者の着衣と心電図電極３との間に空隙Ｘが形成され、心電図電極３は着衣と空隙Ｘとを介して生体電気信号である心電図の波形を計測する。

このとき着衣と直接接触するドリブンシールド７には車両の振動によって静電気が発生するが、ドリブンシールド７はインピーダンス変換回路１３の出力端子に接続されているので低インピーダンスとなり、静電気の電荷を放出することができる。これにより、車室内のような振動環境でも摩擦静電気による振動雑音を低減することができる。

このようにして電極装置１により車両を運転中、あるいは車両停止中の運転者の心電図を測定し、心拍数等を算出して、その結果を例えばナビゲーション装置のディスプレイに表示する。これによって運転者は自身の心身状態や体調を的確に把握して、その後の運転操作の参考にすることができる。

尚、上記した電極装置１は、心電図計測用としてだけではなく脳波計測用としても適用可能である。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る電極装置１によれば、運転者の着衣と心電図電極３との間に空隙Ｘが形成される構成としたので、運転者の着衣と心電図電極３が直接接触することがなくなる。これにより、車室内のような振動環境であっても摩擦静電気による振動雑音を低減することができる。

また、本実施形態では、電極装置１を車両用シートに適用したので、車両の運転者の生体電気信号を計測することができ、運転操作の参考にすることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る電極装置について図面を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

［電極装置の構成］
図３は本実施形態に係る電極装置の構成を示す図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。図３に示すように、本実施形態に係る電極装置３１は、絶縁体の分割壁３３を設置したことが第１実施形態と相違している。

分割壁３３は、図１で示した空隙Ｘの内部に形成され、空隙Ｘを複数の小さな空隙Ｙに分割している。また、分割壁３３は側壁５と同様に心電図電極３の上面に絶縁体で形成され、分割壁３３の上面にはドリブンシールド７が形成されている。このドリブンシールド７は側壁５に形成されたものと同様に分割壁３３の上面を覆って形成された導電性のシールド層である。尚、本実施形態では分割壁３３を設けたことにより、側壁５の厚みを薄くしている。

ここで、側壁５及び分割壁３３は、図４に示すように壁の側面がドリブンシールド７で覆われている構造としてもよい。また、図５に示すように、側壁５及び分割壁３３の構造を上端から下端へ向かって幅が狭くなるオーバーハング構造にしてもよい。

このような構造にすることにより、側壁５及び分割壁３３の側面が着衣に接して摩擦静電気が発生することを防止することができる。尚、図４、図５に示した構造を第１実施形態に適用して、図１に示す側壁５の側面をドリブンシールド７で覆ってもよいし、側壁５をオーバーハング構造としてもよい。

また、図６に示すように、側壁５の周囲を取り囲む外周面をドリブンシールド７で覆う構造にしてもよい。そして、このドリブンシールド７と下側のシールド面１１を接続して電極装置３１の下面と側面の全体を導電性の素材で包含した構造とする。これにより電極装置３１の外部で発生した摩擦静電気による振動雑音の影響を低減することができる。この構造についても第１実施形態に適用することは可能である。

次に、図７を参照して、空隙の高さと着衣の撓みとの関係について説明する。図７に示すように、本実施形態に係る電極装置３１では、心電図電極３の上面からドリブンシールド７の表面までの高さ、すなわち空隙Ｙの高さは、被検出体の着衣７１の撓み量よりも大きくなるように設定されている。

ここで、図８に示すように空隙の開口形状が、長辺の長さが２ａ、短辺の長さが２ｂの長方形である場合に、着衣８１の撓み量δmaxは、長辺の中心ＡにおいてＸ軸方向で
δmax＝βＰｂ^４／Ｅｔ^２（１）
によって求めることができる。ただし、Ｐは着衣への荷重、Ｅはヤング係数、ｔは着衣の厚さである。また、βは定数であり、ａ／ｂが１．０、１．５、２．０、∞のときにそれぞれ０．２２１、０．３８４、０．４４３、０．４５４の値となる。

したがって、式（１）を用いて予め想定される着衣の撓み量を求めておき、この撓み量よりも空隙Ｙの高さが高くなるように側壁５、分割壁３３及びドリブンシールド７の高さを設定しておけばよい。尚、図１に示した空隙Ｘの高さについても同様に式（１）を用いて設定することができる。

また、開口形状が円形の場合には、開口形状の半径をＲ、１／ｍをポアソン比として、着衣８１の撓み量δmaxは、
δmax＝３（ｍ^２−１）ＰＲ^４／１６Ｅｍ^２ｔ^３（２）
によって求めることができる。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る電極装置３１によれば、絶縁体の分割壁３３を設置して空隙を複数に分割したので、空隙の開口面積を小さくすることができる。これにより、着衣の撓みによって着衣と心電図電極３が接触することがなくなり、摩擦静電気による振動雑音をより低減することができる。

また、本実施形態に係る電極装置３１によれば、側壁５及び分割壁３３の側面がドリブンシールド７で覆われているので、着衣の撓みによって側壁５及び分割壁３３の側面が着衣に接触することがなくなり、摩擦静電気による振動雑音をより低減することができる。

さらに、本実施形態に係る電極装置３１では、側壁５及び分割壁３３の構造が上端から下端へ向かって幅が狭くなるオーバーハング構造となっている。これにより、着衣の撓みによって側壁５及び分割壁３３の側面が着衣に接触することがなくなり、摩擦静電気による振動雑音をより低減することができる。

また、本実施形態に係る電極装置３１では、心電図電極３の上面からドリブンシールド７の表面までの高さが着衣の撓み量よりも大きくなるように設定されている。これにより、着衣の撓みによって着衣と心電図電極３が接触することがなくなり、摩擦静電気による振動雑音をより低減することができる。

さらに、本実施形態に係る電極装置３１では、側壁５の外周面がドリブンシールド７で覆われ、心電図電極３の下面が絶縁層９を介してシールド面１１で覆われている。これにより、電極装置３１の外部で発生した摩擦静電気による振動雑音の影響を低減することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１、３１電極装置
３心電図電極
５側壁
７ドリブンシールド
９絶縁層
１１シールド面
１３インピーダンス変換回路
１５心電図計測用電子回路
１７抵抗
２１車両用シート
２３シートクッション
２５シートバック
２７心電図回路用ＧＮＤ電極
２９ステアリング
３３分割壁
１００電極部

Claims

被検出体から発せられる生体電気信号を計測する電極装置であって、
前記生体電気信号を計測する電極と、
前記電極の上面に前記電極の周縁を取り囲むように形成された絶縁体の側壁と、
前記側壁の上面を覆う導電性のシールド層とを備え、
前記被検出体が前記シールド層に接したときに前記被検出体と前記電極との間に空隙が形成されることを特徴とする電極装置。
前記空隙の内部に絶縁体の分割壁を設置して前記空隙を複数に分割し、前記分割壁の上面には前記分割壁の上面を覆う導電性のシールド層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の電極装置。
前記側壁及び前記分割壁の側面が前記シールド層で覆われていることを特徴とする請求項２に記載の電極装置。
前記側壁及び前記分割壁は上端から下端へ向かって幅が狭くなるオーバーハング構造であることを特徴とする請求項２に記載の電極装置。
前記電極の上面から前記シールド層の表面までの高さは、前記被検出体の着衣の撓み量よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極装置。
前記側壁の外周面を前記シールド層で覆い、前記電極の下面は絶縁層を介して導電性のシールド面で覆われていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電極装置を備えた車両用シート。