JP2020192115A - グリップ - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザの生体信号を測定できるグリップを提供する。【解決手段】グリップは、骨格を形成する導電性の芯金と、ユーザの生体信号を検出する検出電極と、基準電圧部位に接続されているグランド電極と、を備える。芯金と検出電極とグランド電極は互いに絶縁されている。芯金はグリップの内部に配置されている。検出電極はグリップの表面に露出するように配置されている。検出電極と芯金とはボルテージホロワ回路を介して接続されている。グランド電極は、グランド電極と検出電極との間の寄生容量が芯金によって低減する位置に配置されている。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、ユーザの生体信号を測定できるグリップに関する。

特許文献１には、運転者の生体信号（例：心電図）を測定できる、車両用のステアリングホイール（グリップ）が開示されている。

特開２０１１−５０７２７号公報

生体信号の強度は、検出信号に重畳するノイズ（例：静電気やハムノイズ）に比べ小さい。すなわち、生体信号測定のＳ／Ｎ比は低い。特許文献１のステアリングホイール（グリップ）は、生体信号測定のＳ／Ｎ比を向上させるための構造を備えないため、生体信号の検出が困難である。

本明細書で開示するグリップの一実施形態は、骨格を形成する導電性の芯金と、ユーザの生体信号を検出する検出電極と、基準電圧部位に接続されているグランド電極と、を備える。芯金と検出電極とグランド電極は互いに絶縁されている。芯金はグリップの内部に配置されている。検出電極はグリップの表面に露出するように配置されている。検出電極と芯金とはボルテージホロワ回路を介して接続されている。グランド電極は、グランド電極と検出電極との間の寄生容量が芯金によって低減する位置に配置されている。

グリップには、骨格となる芯金が必要である。検出電極と芯金とをボルテージホロワ回路を介して接続することで、同電位とすることができる。これにより、グリップの骨格を成す芯金を、グランド電極と検出電極との間の寄生容量を低減するためのシールドとして機能させることができる。検出電極で検出される信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。

グリップの断面において、芯金は、断面の中心部近傍に配置されていてもよい。検出電極は、断面の外周上の一部の領域に配置されていてもよい。グランド電極は、断面の外周上の一部の領域に検出電極と離れて配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

断面の外周上の一部の領域であって検出電極とグランド電極との間に配置されているシールド電極をさらに備えていてもよい。シールド電極は芯金と電気的に接続されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

グランド電極は、グリップの表面に露出するように配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

ボルテージホロワ回路は演算増幅器を備えていてもよい。演算増幅器の反転入力端子と出力端子が接続されていてもよい。演算増幅器の非反転入力端子には、検出電極および基準電圧部位が接続されていてもよい。出力端子は、芯金と接続されていてもよい。

検出電極の表面の少なくとも一部に、絶縁層または抵抗層が配置されていてもよい。

ステアリングホイール１の分解斜視図である。 ステアリングホイール１のII-II線における断面図である。 心電図計測システムの測定系のモデルである。 検出信号へのノイズの重畳を表現するモデルである。 電極構造１００を示す図である。 実施例２に係るステアリングホイール１ａの断面図である。 実施例３に係るステアリングホイール１ｂの断面図である。

（ステアリングホイール１の構成)
図１に、実施例１に係るステアリングホイール１の分解斜視図を示す。ステアリングホイール１は、芯金１０およびグリップ１１を備える。芯金１０は、ステアリングホイール１の骨格を形成する導電性の構造体である。芯金１０の材料は、鉄、アルミ、マグネシウムなどを含んでいてもよい。芯金１０は、ステアリングホイール１の内部に配置されている。グリップ１１は、芯金１０の周囲に配置された絶縁性の構造体である。グリップ１１は、例えば、インモールド成形により形成された樹脂である。

ステアリングホイール１がまっすぐの状態において、円環の中心を上下に通る中心線ＣＬを定義する。中心線ＣＬの右側には、検出電極２１、グランド電極３１、シールド電極４１が配置されている。これらの電極は、ユーザの右手を用いて測定を行うための、右手用の電極である。中心線ＣＬの左側には、検出電極２２、グランド電極３２、シールド電極４２が配置されている。これらの電極は、ユーザの左手を用いて測定を行うための、左手用の電極である。右手用の電極と左手用の電極は同一構造である。よって以降、右手用の電極（検出電極２１、グランド電極３１、シールド電極４１）について詳説する。

図２に、ステアリングホイール１の円環のII-II線における断面図を示す。図２において矢印Ｙ１がユーザ正面側、矢印Ｙ２がステアリングホイール１外周側、矢印Ｙ３がステアリングホイール１中心側である。芯金１０が、断面の中心部近傍に配置されている。グリップ１１の表面に露出するように、検出電極２１、グランド電極３１、シールド電極４１が配置されている。検出電極２１、グランド電極３１、シールド電極４１は、グリップ１１によって互いに絶縁されている。検出電極２１、グランド電極３１、シールド電極４１は、ドライ電極である。

検出電極２１は、運転者の心電図を検出する電極である。検出電極２１は、断面の外周上の一部の領域に配置されている。グランド電極３１は、ボディグランドＧＮＤに接続されている電極である。グランド電極３１は、人体に基準電位を与えるために備えられている。グランド電極３１は、断面の外周上の一部の領域に、検出電極２１と離れて配置されている。グランド電極３１の位置は、グランド電極３１と検出電極２１との間に形成される寄生容量を、芯金１０によって低減することが可能な位置とされている。グランド電極３１の位置の詳細については、後述する。シールド電極４１は、配線Ｗ１を介して芯金１０に電気的に接続されている。シールド電極４１は、断面の外周上の一部の領域であって、検出電極２１とグランド電極３１との間に配置されている。

ステアリングホイール１は、測定システム５０に接続されている。測定システム５０は、演算増幅器５１、抵抗器Ｒ１、心電測定器５２を備えている。検出電極２１は、配線Ｗ２を介して演算増幅器５１の非反転入力端子に接続されている。また非反転入力端子は、抵抗器Ｒ１を介してボディグランドＧＮＤに接続されている。演算増幅器５１の出力端子は、反転入力端子に接続されている。これにより、演算増幅器５１はボルテージホロワ回路として機能する。また演算増幅器５１の出力端子は、心電測定器５２に接続されるとともに、配線Ｗ３を介して芯金１０に接続されている。すなわち、検出電極２１と芯金１０とはボルテージホロワ回路を介して接続されるため、同電位とされる。

心電測定器５２は、右手用の検出電極２１および左手用の検出電極２２の２つの電極の差動信号を、心電図として取得する。具体的には、検出電極２１および２２の一方の電極によって計測される電圧を基準電位として、他方の電極とユーザの手のひらとの間の静電容量結合により心電位の変化を計測する。心電測定器５２には、周知の回路構成を用いることができるため、ここでは説明を省略する。

（心電図計測に関する第１の課題）
図３に、実施例１に係る心電図計測システムの測定系のモデルを示す。この測定系において、心臓９１の電圧変化Ｖ_ｉｎと演算増幅器５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとの関係は、数１の式で表される。

ここで、着座者９０の手のひらと検出電極２１との間の容量結合をＣ_ｂとする。検出電極２１に関連する電極インピーダンスＺ_ｅや、手のひらの皮膚の人体インピーダンスＺ_ｓｋｉｎを含めたインピーダンスを、Ｚ_ｂとする。インピーダンスＺ_ｂは、「１／jωＣｂ」と表すことができる。また、演算増幅器５１の入力インピーダンスをＺ_ｉｎとする。

数１の式より、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、インピーダンスＺ_ｂと入力インピーダンスＺ_ｉｎの電圧比で決まることが分かる。よって心電図検出の感度を高めるには、演算増幅器５１の入力インピーダンスＺ_ｉｎを大きくする必要があることが課題となる。

実施例１のステアリングホイール１では、検出電極２１はドライ電極である。ドライ電極は、ウェット電極のように電極に導電性のゲルが塗布されていない。よってドライ電極は、ウェット電極に比して、皮膚との接続が悪くインピーダンスが高い。するとインピーダンスＺ_ｂが高くなってしまうため、それに伴い入力インピーダンスＺ_ｉｎを大きくする必要があることが課題となる。

（心電図計測に関する第２の課題）
図４は、検出信号へのノイズ（静電気やハムノイズ）の重畳を表現するモデルである。検出電極２１およびグランド電極３１に、ユーザの右手表面７１が接触している状態を示している。電極インピーダンスＺ_ｅは、検出電極２１およびグランド電極３１の各々に関連するインピーダンスである。人体インピーダンスＺ_ｓｋｉｎは、右手表面７１および右手内部７２（体液など）に関するインピーダンスである。入力インピーダンスＺ_ｉｎは、演算増幅器５１のインピーダンスである。ここで、ノイズ源ＮＳが配線Ｗ２の経路上に存在する場合を考える。また、検出信号に混入するノイズ電流をＡ_ｎとする。演算増幅器５１に入力されるノイズ電圧Ｖ_ｎは、下式（１）で示される。

ここで入力インピーダンスＺ_ｉｎは１０の１２乗オーダーであり、人体インピーダンスＺ_ｓｋｉｎは１０の６乗オーダーであり、電極インピーダンスＺ_ｅは１０の４乗オーダーである。よって入力インピーダンスＺ_ｉｎは、人体インピーダンスＺ_ｓｋｉｎおよび電極インピーダンスＺ_ｅよりも十分に大きいため、式（１）は下式（２）のように近似できる。

式（２）から、ノイズ電圧Ｖ_ｎの大きさは、ノイズ源ＮＳからのノイズ混入箇所からボディグランドＧＮＤまでのインピーダンスに比例することが分かる。そして人体インピーダンスＺ_ｓｋｉｎの値が高いため、ノイズ電圧Ｖ_ｎが高くなってしまう。測定対象の心電信号は、重畳してくるノイズ電圧Ｖ_ｎに比べ小さいため、心電図測定のＳ／Ｎ比が低い。よってノイズの重畳を低減させる電極構造を実現することが課題となる。なおノイズ電圧Ｖ_ｎの値は、電極と接触する人体の部位や、ボディグランドＧＮＤまでの距離などの、様々なパラメータによって変動する。

（課題を解決するための電極構造）
上述した第１および第２の課題を解決するための電極構造の一例として、図５に示す電極構造１００が挙げられる。図５において、図２と同一の構成には同一の符号を付すことで、説明を省略する。電極構造１００は、５層構造を備えている。具体的には、グランド電極１０１、第１絶縁層１０２、シールド電極１０３、第２絶縁層１０４、検出電極１０５が順番に積層された構造を備える。検出電極１０５、シールド電極１０３、グランド電極１０１は、第１絶縁層１０２および第２絶縁層１０４によって互いに絶縁されている。図５では、分かりやすさのためにこれらの各層を分解して示しているが、実際には各層が密着している。

検出電極１０５は、演算増幅器５１の非反転入力端子に接続されている。また非反転入力端子は、抵抗器Ｒ１を介してボディグランドＧＮＤに接続されている。演算増幅器５１の出力端子は、反転入力端子に接続されている。また演算増幅器５１の出力端子は、心電測定器５２に接続されるとともに、シールド電極１０３に接続されている。

検出電極１０５は、運転者の心電図を検知するための電極である。グランド電極１０１は、外部から検出電極１０５へのノイズ混入を防止するための電極である。シールド電極１０３は、演算増幅器５１（ボルテージホロワ回路）を介して検出電極１０５と接続されていることで、検出電極１０５と同電位にされている。またシールド電極１０３は、グランド電極１０１と検出電極１０５との間に配置されている。

第１の課題で前述したように、演算増幅器５１の入力インピーダンスＺ_ｉｎを大きくする必要がある。しかし、検出電極１０５とグランド電極１０１との間に寄生容量ＰＣが形成されてしまうと、入力インピーダンスＺ_ｉｎが低下してしまう。これに対し、シールド電極１０３は、検出電極１０５とグランド電極１０１との間に寄生容量ＰＣが形成されてしまうことを防止する機能を発揮する。これにより、入力インピーダンスＺ_ｉｎが低下してしまう事態を抑制できる。

第２の課題で前述したように、検出信号へのノイズ電圧Ｖ_ｎの重畳を抑制する必要がある。そしてシールド電極１０３は、外部のノイズ源から検出電極１０５へのノイズ混入を防止する機能を発揮する。すなわち、グランド電極１０１とシールド電極１０３とによって、ノイズ混入防止のための２重のシールドを構成することができる。これにより、ノイズ電圧Ｖ_ｎを抑制することができる。

（ステアリングホイール１の効果）
前述した電極構造１００（図５）を、ステアリングホイールにそのまま実装することは困難である。電極構造１００は、複雑な５層構造を有しているためである。また、ステアリングホイールには限られたスペースしかないためである。そこで実施例１に係るステアリングホイール１は、検出電極２１と芯金１０とを演算増幅器５１（ボルテージホロワ回路）を介して接続することで、同電位としている。また図２に示すように、断面の中心に位置する芯金１０に対して、グランド電極３１と検出電極２１とを、断面の対角の位置に配置している。これにより、芯金１０を、５層の電極構造１００（図５）のシールド電極１０３として流用することができる。よって図２に示すように、グランド電極３１、グリップ１１、芯金１０、グリップ１１、検出電極２１による５層構造を実現できる。すなわち、電極構造１００（図５）の構造を単純化および省スペース化することで、ステアリングホイール１に実装することを可能とした。以上により、グランド電極３１と検出電極２１との間に、寄生容量ＰＣ１（ステアリングホイール１の内部に形成される容量）が形成されてしまうことを、芯金１０で防止することができる。演算増幅器５１の入力インピーダンスＺ_ｉｎが低下してしまう事態を抑制できる。また、グランド電極３１と芯金１０とによって、２重のシールドを構成することができるため、ノイズ混入を防止することができる。

グランド電極３１と検出電極２１との間であって、ステアリングホイール１の表面近傍に、寄生容量ＰＣ２（図２）が形成されてしまうと、演算増幅器５１の入力インピーダンスＺ_ｉｎが低下してしまう。そこで実施例１に係るステアリングホイール１は、ステアリングホイール１の表面上の位置であって、グランド電極３１と検出電極２１との間の位置に、シールド電極４１を配置している。シールド電極４１は、芯金１０と同電位とされているため、芯金１０と同様の機能を発揮する。よってシールド電極４１によって、寄生容量ＰＣ２が形成されてしまうことを防止することができる。演算増幅器５１の入力インピーダンスＺ_ｉｎが低下してしまう事態を抑制できる。

心電図測定のノイズ耐性を高めるための第１のポイントとして、グランド電極に、人体が確実に接触することが挙げられる。これは、図４で説明したように、ノイズ電圧Ｖ_ｎノイズの大きさはボディグランドＧＮＤまでの経路のインピーダンスに比例するためである。グランド電極３１への接触が甘く、電極インピーダンスＺ_ｅが高くなると、式（２）から分かるようにノイズ電圧Ｖ_ｎも大きくなってしまう。また、ノイズ耐性を高めるための第２のポイントとして、検出電極とグランド電極との距離を小さくするとともに、両電極に同時に人体が接触することが挙げられる。これは、図４に示す人体インピーダンスＺ_ｓｋｉｎが、距離に依存するためである。これに対し、実施例１に記載の技術では、図２に示すように、グランド電極３１がグリップ１１の表面に露出するように配置されている。これにより、ユーザがステアリングホイール１を握りこむことによって、手のひらをグランド電極３１に自然に接触させることができる。また、検出電極２１とグランド電極３１を、ステアリングホイール１断面の外周上に近接して配置している。これにより、検出電極２１とグランド電極３１に同時に手のひらを接触させることができる。上述した第１および第２のポイントを実現できるため、ノイズ耐性を高めることができる。

図６に、実施例２に係るステアリングホイール１ａの断面図を示す。実施例１のステアリングホイール１と同様の部位は同一の符号を付すことで、説明を省略する。ステアリングホイール１ａ（図６）は、ステアリングホイール１（図２）に対して、シールド電極４１を備えていない構造である。この構造においても、寄生容量ＰＣ１（ステアリングホイール１の内部に形成される容量）が形成されてしまうことを、芯金１０で防止することができる。ステアリングホイール１ａ（図６）は、ステアリングホイール１（図２）に比して、さらに簡易な構造とすることができる。さらなるコスト低減が可能となる。

図７に、実施例３に係るステアリングホイール１ｂの断面図を示す。実施例１のステアリングホイール１と同様の部位は同一の符号を付すことで、説明を省略する。ステアリングホイール１ｂ（図７）は、ステアリングホイール１（図２）に対して、グランド電極３１およびシールド電極４１がグリップ１１の表面に露出していない構造である。この構造においても、寄生容量ＰＣ１の形成を芯金１０によって防止することができるとともに、寄生容量ＰＣ２の形成をシールド電極４１によって防止することができる。また、電極がステアリングホイール１の表面に露出する面積を小さくすることができるため、デザインの自由度を高めることや、グリップ性を向上させることなどが可能となる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

（変形例）
本実施例では、グリップの一例としてステアリングホイールの事例を説明したが、この形態に限られない。本明細書の技術は、芯金を有しており、人が握れる形状を備えたグリップであれば、適用可能である。例えば、オートバイや自転車のハンドルや、航空機の操縦桿などの、円形以外のステアリング（グリップ）に対しても適用可能である。また、健康器具（例：体脂肪計）の持ち手部分などの、操舵装置以外のグリップに対しても適用可能である。

検出電極の表面の少なくとも一部に、絶縁層または抵抗層が配置されていてもよい。ここで抵抗層とは、絶縁層と導電層との中間の抵抗値を有する層である。これにより、デザイン性を高めたり、ステアリングホイールの手触り感を向上させることができる。なお、前述したインピーダンスＺ_ｂの上昇値が許容範囲に収まるように、絶縁層または抵抗層を薄膜化したり、検出電極を覆う面積や位置を調整してもよい。

検出電極２１、グランド電極３１、シールド電極４１の材料は金属に限られない。導電性を有する材料であれば、どのような材料でもよい。

検出電極２１、グランド電極３１、シールド電極４１をすべて金属で形成してもよい。これらの金属がアクセントとなるため、ステアリングホイールのデザイン性を高めることが可能となる。

実施例１のステアリングホイール１（図２）では、シールド電極４１がグリップ１１の表面に露出する形態を説明したが、この形態に限られない。シールド電極４１は、ステアリングホイール１の表面近傍に配置されていれば、前述した寄生容量ＰＣ２を抑制する効果を発揮する。よって、シールド電極４１はグリップ１１の内部に配置されていてもよい。

本明細書の技術の適用範囲は、心電図を測定するための電極に限られない。体温、血圧などの各種の信号を測定するための電極に対しても適用可能である。

本実施形態における、検出電極２１、グランド電極３１、シールド電極４１の配置態様は一例である。

ステアリングホイールは、グリップの一例である。ボディグランドＧＮＤは、基準電圧部位の一例である。

１：ステアリングホイール １０：芯金 １１：グリップ ２１、２２：検出電極 ３１、３２：グランド電極 ４１、４２：シールド電極 ５０：測定システム ５１：演算増幅器 ５２：心電測定器 Ｗ１〜Ｗ３：配線

Claims (6)

1. 骨格を形成する導電性の芯金と、ユーザの生体信号を検出する検出電極と、基準電圧部位に接続されているグランド電極と、を備えたグリップであって、
   前記芯金と前記検出電極と前記グランド電極は互いに絶縁されており、
   前記芯金は前記グリップの内部に配置されており、
   前記検出電極は前記グリップの表面に露出するように配置されており、
   前記検出電極と前記芯金とはボルテージホロワ回路を介して接続されており、
   前記グランド電極は、前記グランド電極と前記検出電極との間の寄生容量が前記芯金によって低減する位置に配置されている、グリップ。
2. 前記グリップの断面において、
   前記芯金は、前記断面の中心部近傍に配置されており、
   前記検出電極は、前記断面の外周上の一部の領域に配置されており、
   前記グランド電極は、前記断面の外周上の一部の領域に前記検出電極と離れて配置されている、
   請求項１に記載のグリップ。
3. 前記断面の外周上の一部の領域であって前記検出電極と前記グランド電極との間に配置されているシールド電極をさらに備え、
   前記シールド電極は前記芯金と電気的に接続されている、請求項２に記載のグリップ。
4. 前記グランド電極は、前記グリップの表面に露出するように配置されている、請求項１〜３の何れか１項に記載のグリップ。
5. 前記ボルテージホロワ回路は演算増幅器を備えており、
   前記演算増幅器の反転入力端子と出力端子が接続されており、
   前記演算増幅器の非反転入力端子には、前記検出電極および前記基準電圧部位が接続されており、
   前記出力端子は、前記芯金と接続されている、請求項１〜４の何れか１項に記載のグリップ。
6. 前記検出電極の表面の少なくとも一部に、絶縁層または抵抗層が配置されている、請求項１〜５の何れか１項に記載のグリップ。

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