JP2016220961A - 皮膚抵抗測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】皮膚抵抗を精度良く測定可能であり、かつ、構成が簡易である皮膚抵抗測定装置を提供する。【解決手段】高周波電源２１によって生成された交流電圧が第１電極１１に与えられ、第２電極１２の電流が検出回路３０によって検出される。誘導素子２５が高周波電源２１から第１電極１１までの電気経路等に設けられている。制御部４０は高周波電源２１の周波数を変更制御するとともに、検出回路３０から検出信号Ｓ１を受け、電極部１０に接触した人体のインピーダンスを求める。インピーダンスが極小となる周波数におけるインピーダンスの値から、人体の皮膚抵抗が求められる。【選択図】図１

Description

本発明は、人体の皮膚抵抗を測定する技術に関する。

最近、例えば車内でのドライバーの生理情報（心拍、発汗、呼吸等）を、簡単に、低コストで、かつ、ドライバーの体勢や状況によらず正確に測定できるシステムが求められている。その中で、人体の精神性発汗を電気的に測定する指標である皮膚電気活動（EDA: electrodermal activity）を、簡易な構成で測定可能な装置の研究開発が進められている。

非特許文献１では、定電流による交流通電法を用いて、ＥＤＡを皮膚インピーダンスとして測定する方法が示されている。

橋間他、「皮膚電気活動の交流通電法における測定条件の検討」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、1995年7月、Vol.95、No.177、P.9-16

ところが、非特許文献１に開示された方法では、３個の電極を必要としたり、あるいは、長時間にわたりインピーダンスレベルが安定しやすく、かつ短期のインピーダンスの変動をよく表す電極ペーストを用いたりする必要があった。このため、ドライバーの生理状態を日常的に測定する装置に適用するのは、きわめて困難である。

本発明は、皮膚抵抗を精度良く測定可能であり、かつ、構成が簡易である皮膚抵抗測定装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、人体の皮膚抵抗を測定する装置は、第１および第２電極を有しており、人体が接触する接触面の表面が絶縁体で覆われている電極部と、周波数を変更可能に構成された高周波電源を有しており、前記高周波電源によって生成された交流電圧を前記第１電極に与える駆動回路と、前記第２電極と接続されており、前記第２電極の電流を検出し、検出した電流値を表す検出信号を出力する検出回路と、前記高周波電源から前記第１電極までの電気経路、または、前記第２電極から前記検出回路までの電気経路のいずれかに設けられた誘導素子と、前記高周波電源の周波数を変更制御するとともに、前記検出回路から前記検出信号を受ける制御部とを備え、前記制御部は、前記高周波電源の出力電圧と前記検出信号が示す電流値とを用いて、前記電極部に接触した人体のインピーダンスを求め、このインピーダンスと前記高周波電源の周波数との関係において、インピーダンスが極小となる周波数におけるインピーダンスの値を基にして、人体の皮膚抵抗を求める。

この態様によると、駆動回路の高周波電源によって生成された交流電圧が第１電極に与えられ、第２電極の電流が検出回路によって検出される。また、誘導素子が、高周波電源と第１電極までの電気経路、または、第２電極から検出回路までの電気経路のいずれかに設けられている。制御部は、高周波電源の周波数を変更制御するとともに、検出回路から検出信号を受け、第１および第２電極に接触した人体のインピーダンスを求める。そして、インピーダンスが極小となる周波数におけるインピーダンスの値から人体の皮膚抵抗が求められる。ここで、人体が電極部に接触したときには皮膚と電極との間に静電容量が生じるが、この静電容量と、電気経路に設けた誘導素子とによって共振が生じる。このため、インピーダンスが極小となる周波数におけるインピーダンスの値から人体の皮膚抵抗を求めることによって、皮膚と電極との間に生じる静電容量を誘導素子によってキャンセルすることができる。したがって、人体の接触状態によることなく、皮膚抵抗を精度良く測定することができる。しかも、電極の個数は２個であり、また、電極ペーストを用いる必要もないため、簡易な構成によって実現可能である。

上の態様の皮膚抵抗測定装置において、前記第１電極は、平面視で、第１方向に延びる電極であり、前記第２電極は、平面視で、前記第１方向と垂直をなす第２方向において、前記第１電極の両側に、前記第１電極との間に間隔を空けてそれぞれ配置された２個の電極からなる。

これにより、電極部について、第２電極の表面積を大きくしやすい構成にすることができる。

また、上の態様の皮膚抵抗測定装置において、第２電極は、平面視で、前記第１電極との間に間隔を空けて、前記第１電極を囲むように配置されている。

これにより、電極部について、第２電極の表面積を大きくしやすい構成にすることができる。

また、上の態様の皮膚抵抗測定装置において、前記検出回路は、前記第２電極から受けた電流信号を、電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ回路と、前記トランスインピーダンスアンプ回路の出力を受け、その包絡線波形を表す信号を生成するエンベロープ回路とを備えている、としてもよい。

また、上の態様の皮膚抵抗測定装置において、前記電極部の接触面に人体が接触したとき、前記第１および第２電極から前記人体を経由してアースに至る電気的経路が形成される。

また、上の皮膚抵抗測定装置において、前記第１電極と前記第２電極との間に、リーク抵抗および相互容量が存在する。

本発明によると、人体の接触状態によることなく、皮膚抵抗を精度良く測定することが可能な皮膚抵抗測定装置を、簡易な構成によって実現することができる。

実施形態に係る人体の皮膚抵抗測定装置の回路構成例 図１の回路構成の簡略化した等価回路 図２の等価回路におけるインピーダンス特性を示すグラフ 図２の等価回路を現実の状況に即して修正した図 回路シミュレーション結果を示すグラフ 回路シミュレーション結果を示すグラフ 回路シミュレーション結果を示すグラフ 回路シミュレーション結果を示すグラフ 電極形状の例 電極形状の他の例

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は実施形態に係る人体の皮膚抵抗測定装置１の回路構成例を示す図である。図１の構成において、電極部１０は、第１電極（ＴＸ）１１と第２電極（ＲＸ）１２とを備えている。第１および第２電極１１，１２は電気的に絶縁されている。電極部１０は、人体が接触する接触面の表面が絶縁体１３で覆われている。なお、図１および他の図において、電極部１０の表面には人の指ＦＮが接触するものとして図示している。ただし、電極部１０の表面に接触するのは、指に限定されるものではなく、人体の他の部位でもかまわない。

駆動回路２０は、周波数を変更可能に構成された高周波電源２１を有しており、高周波電源２１によって生成された交流電圧を、第１電極１１に与える。高周波電源２１としては例えば、１００ｋＨｚから５ＭＨｚまでの間で周波数スキャン可能な波形発生器を用いる。駆動回路２０はここでは、バッファアンプ２２を備えており、高周波電源２１によって生成された交流電圧が、バッファアンプ２２を介して第１電極１１に与えられる。そして、高周波電源２１から第１電極１１までの電気経路に、インダクタンスＬの誘導素子２５が設けられている。

検出回路３０は、第２電極１２と接続されており、第２電極１２の電流値を検出し、検出した電流値を示す検出信号Ｓ１を出力する。検出回路３０はここでは、第２電極１２から受けた電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ回路３１と、トランスインピーダンスアンプ回路３１の出力を受け、その包絡線波形を表す信号を生成するエンベロープ回路３２とを備えている。エンベロープ回路３２の出力が検出信号Ｓ１となる。

制御部４０は、駆動回路２０が有する高周波電源２１の周波数を変更制御するとともに、検出回路３０から出力された検出信号Ｓ１を受ける。制御部４０はここでは、検出信号Ｓ１をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部４２を有するＣＰＵ４１と、ＣＰＵ４１と例えばBluetooth（登録商標）によって通信可能なＰＣ(Personal Computer)４３とを備えている。ＣＰＵ４１は、高周波電源２１の出力電圧と、デジタル信号に変換された検出信号Ｓ１とを用いて、電極部１０に接触した人体のインピーダンスを求める。そしてＰＣ４３に、人体のインピーダンスと高周波電源２１の周波数のデータを送信する。ＰＣ４３は、ＣＰＵ４１から、人体のインピーダンスと高周波電源２１の周波数のデータを受信する。そして、このインピーダンスと高周波電源２１の周波数との関係において、インピーダンスが極小となる周波数におけるインピーダンスの値から、人体の皮膚抵抗Ｒ_ｆを求める。

本発明における測定原理について、説明する。

図１の電極部１０において図示したように、第１電極１１と人体との間、および、第２電極１２と人体との間には、それぞれ、静電容量Ｃ_ｆが生じる。なお、ここでは説明を簡単にするために、２つの静電容量は同じとしている。このため、図１の回路構成は、図２のような簡略化した等価回路によって表すことができる。図２から分かるように、図１の回路構成は、人体の皮膚抵抗Ｒ_ｆ、インダクタンスＬ、静電容量Ｃ_ｆを備えた直列共振回路になっている。本実施形態の皮膚抵抗測定装置１では、この共振回路に交流電圧を印加し、電流を測定することによって、人体インピーダンスＺを測定する。ただし、このときの人体インピーダンスＺは、

となり、電極と人体との間の静電容量Ｃ_ｆを含むものになる。しかも、この静電容量Ｃ_ｆは、人体の接触状態、例えば、指ＦＮの接触時の圧力、接触面積等の要因によって変化する。

そこで、図３のグラフに示すように、交流電圧の周波数をスイープさせてインピーダンスＺを測定し、共振点（共振周波数ｆ_ｃ）におけるインピーダンスＺ_ｍｉｎを、人体抵抗Ｒ_ｆとして求める。共振周波数ｆ_ｃと静電容量Ｃ_ｆとの関係は、次のようになる。

すなわち、測定結果により得られた人体インピーダンスＺと高周波電源２１の周波数との関係において、インピーダンスＺが極小となる周波数におけるインピーダンスＺの値から、人体の皮膚抵抗Ｒ_ｆを求める。これにより、電極と人体との間の静電容量の影響を受けることなく、すなわち、人体と電極との接触状態に寄ることなく、精度高く、人体の皮膚抵抗Ｒ_ｆを求めることができる。

以上のように、本発明では、インピーダンスの共振点で皮膚抵抗を測定することによって、皮膚と電極との間の静電容量を誘導素子によってキャンセルしている、といえる。

＜動作例＞
ユーザが電極部１０に接触すると、皮膚抵抗測定装置１は測定を開始する。なお、測定開始のタイミングは、例えば、電極部１０へのユーザの接触を他のセンサによって認識したとき、あるいは、ユーザがスイッチ等を操作して測定指示を行ったとき、などとすればよい。

測定が開始されると、制御部４０のＣＰＵ４１は、駆動回路２０の高周波電源２１を作動させる。これにより、高周波電源２１によって生成された交流電圧が、第１電極１１に与えられる。そしてＣＰＵ４１は、高周波電源２１の周波数をスイープさせながら、検出回路３０から出力された検出信号Ｓ１を受ける。ここでスイープさせる周波数は例えば、１〜３ＭＨｚの範囲とする。検出信号Ｓ１は、第２電極１２に流れる交流電流の電流値（例えば最大値や実効値）を示す。ＣＰＵ４１は、所定の複数の周波数において、高周波電源２１の出力電圧と検出信号Ｓ１が示す電流値とを用いて、人体のインピーダンスＺを演算する。そして、演算したインピーダンスＺを周波数とセットにして、ＰＣ４３に送信する。

ＰＣ４３は、ＣＰＵ４１から受信したインピーダンスＺと周波数の複数のセットを用いて、インピーダンスＺと周波数との関係を得る。そして、インピーダンスＺが極小となる周波数におけるインピーダンスＺの値から、人体の皮膚抵抗Ｒ_ｆを求める。

以上のように本実施形態に係る皮膚抵抗測定装置１によると、駆動回路２０の高周波電源２１によって生成された交流電圧が第１電極１１に与えられ、第２電極１２の電流が検出回路３０によって検出される。また、誘導素子２５が、高周波電源２１から第１電極１１までの電気経路、または、第２電極１２から検出回路３０までの電気経路のいずれかに設けられている。制御部４０は、高周波電源２１の周波数を変更制御するとともに、検出回路３０から検出信号Ｓ１を受け、電極部１０に接触した人体のインピーダンスを求める。そして、インピーダンスが極小となる周波数におけるインピーダンスの値から人体の皮膚抵抗が求められる。したがって、人体の接触状態によることなく、皮膚抵抗を精度良く測定することができる。しかも、電極の個数は２個であり、また、電極ペーストを用いる必要もないため、簡易な構成によって実現可能である。

なお、誘導素子２５は、第２電極１２から検出回路３０までの電気経路に設けてもよい。この場合も、上述した原理によって、人体の皮膚抵抗を測定することができる。

また、図１で示した装置構成は一例であって、各回路要素の構成は図１で示したものに限定されるものではない。例えば、検出回路３０は、第２電極１２に流れる高周波電流の電流値（例えば実効値や最大値）を表す検出信号Ｓ１を出力するものであればよく、図１で示したものに限られるものではない。例えば、エンベロープ回路３２の代わりに、ログアンプおよびローパスフィルタを用いてもかまわない。

また、制御部４０は、ＣＰＵ４１とＰＣ４３との組合せに限られるものではない。すなわち、高周波電源２１の周波数をスキャンしつつ検出回路３０から検出信号Ｓ１を受け、インピーダンスＺが極小となる周波数におけるインピーダンスＺの値から、人体の皮膚抵抗Ｒｆを求めることができる構成であれば、どのようなものであってもよい。

＜実験による課題とその考察＞
上で説明した皮膚抵抗測定装置１について、本願発明者らは試作器による実験を行った。ところがこれらの実験では、測定結果には、当初期待したほどの確実性を得ることができなかった。試行錯誤の結果、本願発明者等は、その確実性を阻害している要因を突き止めることができた。

図４は図２の等価回路を現実の状況に即して修正した図である。図４に示すように、電極部１０の接触面に人体が接触したとき、第１および第２電極１１，１２から人体を経由してアースに至る電気的経路（人体アース経路）Ｐ１が形成される。なお人体がアースに触れていなくても、人体は体表面積が大きいため、実質的に人体アース経路Ｐ１が形成される。この電気的経路における人体抵抗Ｒ_ｂは一般に、２〜５ｋΩ程度といわれている。また図４に示すように、第１電極１１と第２電極１２との間にリーク抵抗Ｒ_ｌおよび相互容量Ｃ_ｍが存在する。リーク抵抗Ｒ_ｌは電極部１０表面の付着物（汗・汚れ）で形成される経路の抵抗であり、相互容量Ｃ_ｍは第１電極１１と第２電極１２が設けられた基板内の浮遊容量である。

人体アース経路Ｐ１の影響について考察する。上述したような手法によって皮膚抵抗Ｒ_ｆを得るためには、次式を満たす必要がある。

すなわち、第２電極１２と人体との間の静電容量Ｃ_ｆ＿ＲＸを十分に大きくとらなければならない。例えば、人体抵抗Ｒ_ｂが２〜５ｋΩのとき、ｆ＝１ＭＨｚにおいて右辺第２項の値が人体抵抗Ｒ_ｂと等しくなるときのＣ_ｆ＿ＲＸの値は、３２〜８０ｐＦとなる。したがって、Ｃ_ｆ＿ＲＸには、これよりも十分に大きい容量が要求される。なお、１００ｐＦの容量を得るためには、ε_ｒ＝１０、ｄ＝１０μｍの絶縁膜で、約０．１ｃｍ^２の面積となる。

また、リーク抵抗Ｒ_ｌおよび相互容量Ｃ_ｍは、人体が接触しないときの共振周波数ｆ_ｃ０とそのときのインピーダンスＺ_０を決定する。ここで、共振周波数ｆ_ｃ０が、人体が接触したときの共振周波数ｆ_ｃよりも高くなるように、相互容量Ｃ_ｍは小さい方が好ましく、リーク抵抗Ｒ_ｌは大きい方が好ましい。

本願発明者らが行った回路シミュレーションの結果を図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂに示す。図５Ａおよび図５ＢではＣ_ｆ＿ＲＸ＝１７．５ｎＦとしている。図５Ａに示すように、Ｒ_ｂを２Ωから５Ωまで変化したとき、インピーダンスＺの極小値は変化せず、一方、図５Ｂに示すように、Ｒ_ｆを５０〜２００Ωまで変化させたときは、インピーダンスの極小値は変化している。これに対して、図６Ａおよび図６ＢではＣ_ｆ＿ＲＸ＝３５ｐＦとしている。図６Ａに示すように、Ｒ_ｂを２Ωから５Ωまで変化したとき、インピーダンスＺの極小値は変化しているが、一方、図６Ｂに示すように、Ｒ_ｆを５０〜２００Ωまで変化させたときは、インピーダンスの極小値は変化していない。

すなわち、Ｃ_ｆ＿ＲＸが十分大きくなるように、第２電極１２の構造を特徴づけることが、精度良く測定するために必要となることが分かる。一方、Ｃ_ｆ＿ＴＸについては、人体抵抗Ｒ_ｂの影響の面では、特に大きくする必要はないと考えられる。

＜電極構造の特徴＞
上述したような考察に基づいて、Ｃ_ｆ＿ＲＸが十分大きくなるように、第２電極１２の構造を構成する。例えば、次のような構成が考えられる。

まず、第２電極１２の表面を覆う絶縁体１３について、誘電率を十分高くし、厚さを十分に薄くする。これにより、第２電極１２の単位面積あたりの容量値を大きくすることができる。

あるいは、第２電極１２の接触面の面積を十分に大きくする。一方、第１電極１１の接触面は特に大きくする必要がない。

また、第２電極１２の表面積を大きくしやすい電極形状を採用してもよい。図７は電極形状の一例を示す図であり、第１および第２電極１１，１２を平面視で見た図である。図７の電極構造では、第１電極１１は、図面縦方向（第１方向）に延びる電極である。そして第２電極１２は、図面横方向（第１方向と垂直をなす第２方向）において、第１電極１１の両側に、第１電極１１との間に間隔を空けて配置された２個の電極１２ａ，１２ｂからなっている。２個の電極１２ａ，１２ｂは第１電極１１よりも幅広に形成されており、また、互いに電気的に接続されている。なお図７では、人体が接触すると想定される領域Ａ１を図示している。このような電極形状を採用することによって、電極部１０全体をさほど大きくすることなく、第２電極１２の接触面を大きくすることができる。したがって、Ｃ_ｆ＿ＲＸを大きくすることが容易になる。

ここで、第１電極１１は図面横方向において幅ｗを有しており、図面横方向において、第１電極１１と２個の電極１２ａ，１２ｂとの間隔がそれぞれ、ｄ１，ｄ２であるとする。そして、第１電極１１および電極１２ａ，１２ｂの図面縦方向における長さがｌとする。また、領域Ａ１は図面横方向において幅Ｗを有しており、図面縦方向において長さＬを有しているものとする。この場合、

であることが好ましい。このとき、領域Ａ１における皮膚抵抗Ｒ_ｆは長さＬに反比例するが、容量Ｃ_ｆは長さＬに比例する。そして、容量Ｃ_ｆは共振周波数ｆ_ｃより求められるので、長さＬに依らない単位接触幅当たりの皮膚抵抗Ｒ_ｆを求めることができる。

図８は電極形状の他の例を示す図であり、第１および第２電極１１，１２を平面視で見た図である。図８の電極構造では、第１電極１１は矩形状の電極であり、第２電極１２は、この第１電極１１との間に所定間隔を空けて、第１電極１１を囲むように配置されている。なお、第１電極１１の形状は矩形状に限られるものではなく、例えば円形状であってもよい。なお図８では、人体が接触すると想定される領域Ａ２を図示している。このような電極形状を採用することによって、電極部１０全体をさほど大きくすることなく、第２電極１２の接触面を大きくすることができる。したがって、Ｃ_ｆ＿ＲＸを大きくすることが容易になる。

ここで、第１電極１１は図面横方向（所定の第１方向）において幅ｗを有しており、図面縦方向において長さｌを有している。また図面横方向において、第１電極１１と第２電極１２との間隔がｄであるとする。また、領域Ａ２は図面横方向において幅Ｗを有しており、図面縦方向において長さＬを有しているものとする。この場合、

であることが好ましい。このとき、領域Ａ２における皮膚抵抗Ｒ_ｆは、幅Ｗ、長さＬに依らず、幅ｗおよび間隔ｄによって決まる。したがって、接触面積に関係なく皮膚抵抗Ｒ_ｆを求めることができる。

以上のような電極構造を採用することによって、第２電極１２の表面積を大きくしやすくなるので、電極部１０を大きくすることなく、第２電極１２と人体との間の静電容量Ｃ_ｆ＿ＲＸを十分大きくすることが可能になる。

本発明では、人体の接触状態によることなく、皮膚抵抗を精度良く測定することが可能な皮膚抵抗測定装置を簡易な構成によって実現することができるので、例えば、車内でのドライバーの生理情報を測定するシステム等に有用である。

１ 皮膚抵抗測定装置
１０ 電極部
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１２ａ，１２ｂ 電極
１３ 絶縁体
２０ 駆動回路
２１ 高周波電源
２５ 誘導素子
３０ 検出回路
３１ トランスインピーダンス回路
３２ エンベロープ回路
４０ 制御部
Ｓ１ 検出信号
Ｐ１ 電気的経路

Claims (6)

1. 人体の皮膚抵抗を測定する装置であって、
   第１および第２電極を有しており、人体が接触する接触面の表面が絶縁体で覆われている電極部と、
   周波数を変更可能に構成された高周波電源を有しており、前記高周波電源によって生成された交流電圧を前記第１電極に与える駆動回路と、
   前記第２電極と接続されており、前記第２電極の電流を検出し、検出した電流値を表す検出信号を出力する検出回路と、
   前記高周波電源から前記第１電極までの電気経路、または、前記第２電極から前記検出回路までの電気経路のいずれかに設けられた誘導素子と、
   前記高周波電源の周波数を変更制御するとともに、前記検出回路から前記検出信号を受ける制御部とを備え、
   前記制御部は、前記高周波電源の出力電圧と前記検出信号が示す電流値とを用いて、前記電極部に接触した人体のインピーダンスを求め、このインピーダンスと前記高周波電源の周波数との関係において、インピーダンスが極小となる周波数におけるインピーダンスの値を基にして、人体の皮膚抵抗を求める
   ことを特徴とする皮膚抵抗測定装置。
2. 請求項１記載の皮膚抵抗測定装置において、
   前記第１電極は、平面視で、第１方向に延びる電極であり、
   前記第２電極は、平面視で、前記第１方向と垂直をなす第２方向において、前記第１電極の両側に、前記第１電極との間に間隔を空けてそれぞれ配置された２個の電極からなる
   ことを特徴とする皮膚抵抗測定装置。
3. 請求項１記載の皮膚抵抗測定装置において、
   第２電極は、平面視で、前記第１電極との間に間隔を空けて、前記第１電極を囲むように配置されている
   ことを特徴とする皮膚抵抗測定装置。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１項記載の皮膚抵抗測定装置において、
   前記検出回路は、
   前記第２電極から受けた電流信号を、電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ回路と、
   前記トランスインピーダンスアンプ回路の出力を受け、その包絡線波形を表す信号を生成するエンベロープ回路とを備えている
   ことを特徴とする皮膚抵抗測定装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１項記載の皮膚抵抗測定装置において、
   前記電極部の接触面に人体が接触したとき、前記第１および第２電極から前記人体を経由してアースに至る電気的経路が形成される
   ことを特徴とする皮膚抵抗測定装置。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１項記載の皮膚抵抗測定装置において、
   前記第１電極と前記第２電極との間に、リーク抵抗および相互容量が存在する
   ことを特徴とする皮膚抵抗測定装置。
   

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