JP5450436B2 - 非接触型生体電位センサ - Google Patents

Description

本発明は、「ＮＯＮ−ＣＯＮＴＡＣＴ ＢＩＯＰＯＴＥＮＴＩＡＬ ＳＥＮＳＯＲ」と題され、参照することにより全体的に本書に盛り込まれた２００７年１１月２８日に出願された米国仮特許出願番号第６０／９９０，６２９号の利益を主張する。

本発明は、体表面に直接的に接触せずに、体に発生する電圧信号を測定するための低ノイズ、非接触型容量センサシステムに関する。

脳波（ＥＥＧ）及び心電図（ＥＣＧ又はＥＫＧ）センサは、臓器内の細胞の活動の結果として脳及び心臓からそれぞれ発せられる時間変化する電場の大きさを測定する。これらの電位の測定のために現状で利用可能なセンサは、皮膚との直接的な電気的接触を要し、センサと皮膚との間に導電ゲルを用いることによって又は皮膚を削り取ることによって、実施し得る。ゲルは良好な接触を実現するための目的を満足させる一方、いくつかの可能性のある欠点を有している。第１に、２５６のセンサを使用するＥＥＧキャップの中にゲルを塗布するのに、最大で１時間かかる可能性がある。さらに、ゲルが毛髪を介して拡散し、センサ間がショートする可能性があり、時間が経つと乾くため、長時間の記録を非常に難しくする。ＥＣＧセンサは、多くの場合、接着剤を介して皮膚に取り付けられるが、取り付け部位は毛髪がないこと、すなわち、毛髪を剃っていること、さらに、良好な接触を実現するためにわずかに削り取る必要がある。試験完了時のセンサの取り外しは、最も不快であり、通常かなりの痛みをともなう。

ゲル必要とせずに皮膚に対して乾いた接触を要するセンサを使用するための多くの試みがなされている。一般に、これらのアプローチは、毛髪が無い体の領域に限定される。例えば、米国特許公開番号２００７／００４８７０７に記載されたＩＣＡＰ^ＴＭＲｅｌｅａｓｅ Ｍｅｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍは、弾性ヘッドバンドを使って使用者の額の所定の位置で電極を保持する、ストレスの管理のための、ＩＣＡＰ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能なパーソナルコンピュータ製品である。Ｌｉｃａｔａらによる米国特許第６，５１０，３３３号は、ゲルを直接塗布する必要性を無くしているが、導電液又はゲルで満たされた軟らかいエラストマの剛毛を使用することによって、依然としてその導電特性に頼っている。欠点は、剛毛パッドが製造するのに比較的高いことである。

早い時期に、非接触式生体電位センサが成功を収めている。Ｐｒａｎｃｅ及び共働者が、低周波数で低ノイズを与える低い入力バイアス電流増幅器を用いている(See R. J. Prance, A. Debray, T. D. Clark, H. Prance, M. Nock, C. J. Harland, and A. J. Clippingdale, による、「An ultra-low-noise electrical-potential probe for human-body scanning」, Measurement Science and Technology, vol. 11, pgs. 291-297, 2000; 及び C. J. Harland, T. D. Clark and R. J. Prance, による「Electric potential probes-new directions in the remote sensing of the human body」, Measurement Science and Technology, vol. 13, pgs. 163-169, 2002を参照)。このような容量結合された電気センサの欠点は、センサドリフト及び入力バイアスオフセット電流によって、寄生電荷が蓄積することである。このようなドリフトを打ち消すための従来の手段は、分路抵抗器を具えた信号グランドへの導電経路を設けることである。このような構成は、使用される高い値の抵抗器が、信号の質を落とす過度の熱ノイズに寄与することである。Ｋｒｕｐｋａの米国特許７，０８８，１７５号は、増幅器の入力ノードの電圧を連続的に安定化するフィードバック回路を説明している。しかしながら、このような回路はまた、ノイズを引き起こし比較的高い出力を必要とする。

したがって、必要となるのは、毛髪のない体の部位に限定されず、皮膚に接触させる必要性が無く、さらに従来技術の非接触型センサに有ったドリフト及びノイズ問題が無い、ゲルを必要としない非接触型センサである。

本発明は、皮膚面と接触する必要性を無くし、容量結合によって動作し、毛髪、衣服又は皮膚を覆う他のものを介して電場を測定し得る非接触式検出プレートを提供する容量センサシステム及び方法を有する。リセット回路を用いて増幅器の入力ノードを時折リセットすることによって、従来技術のドリフト及びノイズの問題が克服される。リセットのタイミング及び継続時間は、ドリフトの方向及びレベル、又は増幅器の入力部の電圧が特定の閾値を超える時間といったセンサ内の所定の条件に依存する。

一実施例では、独創的な容量センサシステムが、検出プレート、増幅器、「基本的な容量センサ」、及び切り替え回路を有する。検出プレートは、直接的に又は毛髪、衣服又は皮膚を覆う他のものといった介在材料を介して、人間の皮膚といった体表面に容量結合する。体表面の電位の変化により、検出プレートの電位の変化を誘導する電場が発生する。検出プレートは、電場に配置された電場から入力信号を発生するための検出ノードを有する。検出プレートは、体表面に接触しない。増幅器は、入力ポート及び出力ポートを有し、入力信号を増幅するよう構成される。増幅器は、入力ポートで入力信号を受信し、入力信号を増幅して出力ポートで出力信号を出力する。出力信号は、プリンタ又はコンピュータのモニタといった読み出し装置に送られ、検出信号の可視的表示を与える。出力信号は、速やかな表示に加えて又はその代わりに、記憶及びそれに続く送信、表示及び／又は処理のために記憶装置に送られる。寄生電荷の蓄積を防止するために、切り替え回路が増幅器の入力ポート及び基準電圧に接続される。切り替え回路は、検出ノードから基準電圧までの分路を非連続的に閉じて、検出ノードの電圧をリセットする。

他の実施例では、容量センサ回路の基本的な容量センサに切り替え回路及び一定ゲインの増幅器を加えることによって、増幅器の入力ノードでの寄生電荷の蓄積を防止する。切り替え回路は、増幅器の入力ポート及び基準電圧に接続されている。切り替え回路は、少なくとも１の切り替えデバイス及び複数のコンデンサを含むリセット回路を有する。コンデンサは、起動電圧を発生して少なくとも１の切り替えデバイスをオン又は起動するよう構成される。切り替え回路が、少なくとも１の切り替えデバイスがオンの場合に、検出ノードから基準電圧までの分路を非連続的に閉じて検出ノードをリセットするよう構成される場合、切り替え回路は、入力ポート及び基準電圧に接続される。一定ゲインの増幅器は、入力ポート及び第１の出力ポートを有する。第１の入力ポートは、増幅器の入力ポートに接続され、第１の出力ポートで第１の出力電圧を発生するよう構成される。一定ゲインの増幅器は、少なくとも１の切り替えデバイスがオフのときに、１又はそれ以上の抵抗器が複数のコンデンサを第１の出力電圧まで引き上げるよう構成される場合、１又はそれ以上の抵抗器に接続される。

以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより、本発明の他の態様及び利点が当業者にとって容易に明らかとなるであろう。

図１は、本発明に係る人体の表面の電位を記録するための容量センサシステムの一実施例を示す。 図２は、切り替え回路を含む、図１の容量センサシステムの第１の代替的な実施例を示す。 図３は、複数の切り替えデバイスを含む、図１の容量センサシステムの第２の代替的な実施例を示す。 図４は、複数の切り替えデバイス及びレベルシフトした増幅器の出力を受信するための第２の増幅器を含む、図１の容量センサシステムの第３の代替的な実施例を示す。 図５Ａ及び５Ｂは、入力信号ゲインに関する検出プレートと体表面との間の分離距離の影響を示すグラフである。 図６Ａ及び６Ｂは、入力参照ノイズに関するセンサ分離距離の影響のグラフである。 図７は、頭皮の２つの場所で測定される入力信号の出力スペクトル密度のグラフである。 図８は、独創的なバイオセンサを用いてＴシャツを通して行われる典型的なＥＣＧ測定を示す電位対時間のグラフである。 図９は、本発明に係る容量センサシステムを用いた電場の測定の方法を示す。

人体の体表面の電位を記録するための装置を説明する。以下の説明は、本発明のいくつかの実施例の良好な理解を提供するために、特定のシステム、部品、方法等といった多くの特定の要素を説明する。しかしながら、これらの特定の要素無しに当業者は本発明の少なくともいくつかの実施例を実施し得ることに留意されたい。他の例では、周知の部品又は方法を詳細に説明せず、又は本発明を不必要に分からなくするのを避けるために、簡単なブロック図の形式で説明する。このため、説明される特定の要素は単なる典型例である。特定の実施例は、これらの典型的な要素に対して変えることができ、依然として本発明の精神及び範囲内であると考えられる。

図１は、人体の表面の電位を記録するための容量センサシステムの一実施例を示す。容量センサシステム１０は、体表面１５に容量結合するための検出プレート４０と、入力ポート２５及び出力ポート３５を有する増幅器３０とを有する。容量センサシステム１０を、例えば低ノイズの非接触型ＥＥＧ／ＥＣＧセンサとして実施し得る。入力ポート２５は、正の高い入力インピーダンス及び負の低い入力インピーダンスを有する。検出プレート４０を体表面１５の近くに保持し得る。センサは、例えばＥＥＧのケースでは、頭頂部の表面の周囲に配設された複数のセンサのうちの１つとし得る。検出プレート４０は、検出コンデンサの第１のプレートとして機能し得るよう構成される。体表面１５は、誘電体が検出プレート４０と体表面１５との間に媒体を有する検出コンデンサの他方の「プレート」として機能する。誘電体のいくつかの例は、空気、毛髪、衣服等を含んでいる。体表面１５の電位の変化により、検出プレート４０の電位の変化を誘導する電場が発生する。検出プレート４０は、増幅器３０の入力ポート２５への入力信号を発生させるために電場に配置された検出ノード１２を有する。検出プレート４０は体表面１５に接触しない。増幅器３０は、入力ポートを介して入力信号を受信し、入力信号を増幅し、出力ポート３５で増幅信号を出力する。増幅器３０の入力ポート２５は、高い入力インピーダンス及び低い入力インピーダンスを有し得る。増幅器３０は、電圧増幅器又は計装用増幅器とすることができる。一実施例では、検出プレート４０が読み出しのために増幅器３０の高い入力インピーダンスに接続されている。増幅入力バイアス電流が、増幅器３０の入力ポート２５に存在する。増幅器３０の入力バイアス電流は極端に小さいが、放置したままだと供給レールの１つに向けて増幅器３０の入力ノードで正の高いインピーダンスをドライブしてしまう。供給レールの１つに向けて増幅器３０での入力ノードでの正の高いインピーダンスをドライブしてしまうのを防ぐために、１又はそれ以上の切り替えデバイスを有するリセット又は切り替え回路を使用する。

一実施例では、容量センサシステム１０が、検出ノード１２から接地電位（又は他の参照電位）までの分路を時折短時間だけ閉じる切り替えデバイスを使用することによって、分路を非連続的に分流するための切り替え回路を組み込んでいる。切り替え回路を含むこのような原理を実施する簡略化した回路の一例を、図１の容量センサシステムの一実施例を表す図２に示す。図２の容量センサシステム１００は、体表面１５に容量結合するための検出プレート４０と、入力ポート２５及び出力ポート３５を有する増幅器３０と、第１の入力ポート４５及び第１の出力ポート５５を有する第２の増幅器５０と、切り替えデバイス９５と、コンデンサ６０、７５と、抵抗器６５、７０とを有する。容量センサシステム１００を低ノイズの非接触型ＥＥＧ／ＥＣＧセンサとして実施し得る。容量センサシステム１０と同じように、増幅器３０を使用して増幅器３０の入力ポート２５で受信される入力信号を増幅する。第２の増幅器５０は、増幅器３０の入力ポート２５に接続された第１の入力ポートを有する。第２の増幅器５０は、例えば一定ゲインの増幅器であり、増幅器３０の入力ポート２５の電圧の複製を出力するよう構成される。このように、第２の増幅器５０は一定ゲインに設定され、入力ポート２５の電圧の複製を形成する。

増幅器３０の入力バイアス電流は極端に小さいが、放置したままだと供給レールの１つに向けて増幅器３０の入力ノードで正の高いインピーダンスをドライブしてしまう。切り替えデバイス９５を有するリセット回路又は切り替え回路を使用して、入力バイアス電流の影響を減らす。切り替えデバイス９５は、コレクタ端子９０、ベース端子８０及びエミッタ端子８５を有するトランジスタとすることができる。切り替えデバイス９５、コンデンサ６０、７５及び抵抗器６５、７０を、切り替え回路の中に組み込むことができる。一実施例では、切り替え回路を増幅器３０の入力ポート及び基準電圧に接続する。基準電圧を接地させることができる。切り替え回路は、検出ノード１２から基準電圧までの分路を非連続的に閉じて、検出ノード１２をリセットする。検出ノード１２をリセットすることは、検出ノード１２での電圧をリセットすることである。このように、検出ノード１２は、既知の基準電圧に検出ノード１２を短絡するよう閉じる切り替えデバイス（例えば、トランジスタ又はリレー）によって時折リセットされる。一実施例では、基準電圧は、増幅器３０の入力コモンモード電圧の範囲に含まれる電圧の範囲内である。一実施例では、切り替えデバイス９５のスイッチを閉じるために、入力コンデンサ６０（Ｃ１）が基準電圧に接続されている一方、入力コンデンサ７５（Ｃ２）が、切り替えデバイス９５（Ｓ１）をオン動作し得る電圧に接続されている。短い時間の後、コンデンサ６０（Ｃ１）及びコンデンサ７５（Ｃ２）がこれらの電圧からの接続を切ることで、スイッチを開放し、切り替えデバイス９５の接続を切る。切り替えデバイス９５が切られると、抵抗器６５（Ｒ１）及び７０（Ｒ２）は、増幅器５０（Ｂ）の出力ポート５５で発生する電圧までコンデンサ６０（Ｃ１）及び７５（Ｃ２）を引き上げる効果を有する。このような引き上げ方法は、切り替えデバイス９５によって発生する検出ノード１２上の電流ノイズを最小限にする。

一般に、検出ノード１２をリセット又は分流するよう使用される切り替えは、多くの様々な方法で起こすことができる。図３は、使用し得る代替的な回路を示す。図３は、複数の切り替えデバイスを含む、図１の容量センサシステムの一実施例を示す。上述の図１及び図２を参照して図３を説明する。図３の容量センサシステム２００は、体表面１５に容量結合するための検出プレート４０と、入力ポート２５及び出力ポート３５を有する増幅器３０と、第２の切り替えデバイス１０５に接続された第１の切り替えデバイス１３０と、コンデンサ１１０、１１５、１２０及び１２５とを有する。容量センサシステム１０と同じように、増幅器３０を使用して、増幅器３０の入力ポート２５で受信される入力信号を増幅し、表示又はさらなる処理のために出力ポート３５で増幅信号を出力する。一実施例では、コンデンサ１１０及び１１５が、第２の切り替えデバイス１０５への入力を与え、コンデンサ１２０及び１２５が第１の切り替えデバイス１３０への入力を与える。

一実施例では、第１及び第２の切り替えデバイス１３０（Ｓ１）及び１０５（Ｓ２）を、金属酸化膜電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）とすることができる。入力コンデンサ１１０、１１５、１２０及び１２５を制御することによって、切り替えデバイス１３０（Ｓ１）及び１０５（Ｓ２）をオンオフ切り替えすることができる。一実施例では、切り替えにより、検出ノード１２を部分的にリセットする。このように切り替えは、接地（基準電圧）電位に検出ノードを完全にはリセットしないが、接地（又は基準電圧）に向けてわずかだけ検出ノードの電圧を動かす。切り替えデバイス１３０（Ｓ１）及び１０５（Ｓ２）はオンにならないが（オフ状態）、抵抗器６５及び７０を参照して図２に示すように、プルアップ及びプルダウン抵抗器で切り替えデバイス１３０（Ｓ１）及び１０５（Ｓ２）にバイアスをかけることができる。一実施例では、切り替えデバイス１３０（Ｓ１）及び１０５（Ｓ２）が周期的に一つずつオンになる。他の実施例では、入力コンデンサ１２５（Ｃ１）及び１１０（Ｃ４）が基準電圧に接続される一方、入力コンデンサ１２０（Ｃ２）及び１１５（Ｃ３）が切り替えデバイス９５（Ｓ１）をオンにし得る電圧に接続される。入力コンデンサ１２５（Ｃ１）及び１１０（Ｃ４）の基準電圧は、電源電圧、又は増幅器３０の入力コモンモード電圧範囲に含まれる又は増幅器３０のコモンモード範囲（ＣＭＲ）の中間近傍の電圧の範囲内の他の供給電圧とすることができる。切り替えデバイス１３０（Ｓ１）及び１０５（Ｓ２）が動作する又はオンになる継続時間及び／又はシーケンスタイムを、検出ノード１２の電圧ドリフトの方向及び大きさに対して変えることができる。例えば、検出ノード１２の電圧が所定の基準値を超える場合、切り替えデバイス１３０（Ｓ１）をより長時間動作させることができ、及び／又は切り替えデバイス１０５（Ｓ２）をより短い時間動作させることができる。逆に、検出ノード１２の電圧が所定の基準値を下回る場合、切り替えデバイス１３０（Ｓ１）をより短い時間動作させることができ、及び／又は切り替えデバイス１０５（Ｓ２）がより長時間動作する。同じようなスキームが、切り替え動作の継続時間ではなくてシーケンスを代えることで、検出ノード１２の基準電圧が基準レベルを超える場合に切り替えデバイス１３０（Ｓ１）を優先的に閉じて、それ以外の場合には切り替えデバイス１０５（Ｓ２）を優先的に閉じる。他の実施例では、切替型電源レギュレータ及びデータ変換回路設計で使用されるパルス幅変調（ＰＷＭ）及びデルタシグマ変調（ＤＳＭ）回路と同じように、別個の制御回路又は制御モジュールが、周期、パルス継続時間、及び／又は切り替えのシーケンスを決定する。

図４は、複数の切り替えデバイス及びレベルシフトした第１の増幅器の出力を受信するための第２の増幅器を含む、図１の容量センサシステムの一実施例を示す。図４は、電圧、静電容量及び抵抗値の例といった特定の詳細部分を含む容量センサシステム３００の特定の実施例である。特定の実施例をこれらの典型的な詳細部分に対して変えることができるが、依然として本発明の精神及び範囲内であると考えられる。図４の容量センサシステム３００は、体表面１５に容量結合するための検出プレート４０と、第１の増幅器３０と、第２の増幅器１５０と、切り替えデバイス１３５及び１４０と、コンデンサＣ１（４１．９ナノファラド（ｎＦ））乃至Ｃ５（１０マイクロファラド（μＦ））と、抵抗器Ｒ１（３８キロオーム）乃至Ｒ８（２０キロオーム）と、供給電源１７５（１．５ボルト）及び１８５（１．５ボルト）と、リセット基準電圧１７０及び１８０と、コンデンサＣ５及び抵抗器Ｒ８によって形成されるレベルシフタとを有する。

体表面１５（皮膚）の信号が、例えば図１、２及び３に示すような検出プレート４０といった金属板に容量結合される。検出プレート４０を、検出プレート４０又は容量センサシステム３００全体の電気的絶縁のために半田マスクで覆われるプリント回路基板（ＰＣＢ）の下部に組み込むことができる。信号の第１の増幅は、第１の増幅器３０によって実現される。一実施例では、第１の増幅器３０は、ゲイン５０の計装用増幅器である。容量センサシステム１０と同じように、増幅器３０を使用して増幅器３０の入力ポート２５で受信される入力信号を増幅する。入力ポートは、負の増幅器入力部１６０及び正の増幅器入力部１６５を有する。ある実施例では、計装用増幅器３０が、３フェムトアンプ（ｆＡ）（典型例）の低い入力バイアス電流及び（ヘルツ（Ｈｚ））^−２に対して０．１ｆＡ（典型例）の入力電流ノイズを有する。

また、容量センサシステム３００は、ゲイン１で正の増幅器入力部１６５に追随する保護ピンの出力又は保護出力１９０を組み込んだ保護回路を特徴とする。保護出力１９０を組み込んだ保護回路の実行は、図２の一定ゲインの増幅器５０と同様である。一実施例では、容量センサシステム３００が、正のガード（例えば、正の保護出力１９０）を実行して、正の増幅器入力信号部１６５の周りで保護リングをサポートする。また、正のガードを使用して、遮蔽金属板１９５が体表面１５以外の源（例えば、頭皮）からの電場ピックアップを最小限にするよう構成される場合、検出プレート４０に関する遮蔽金属板１９５を動かす。遮蔽金属板１９５を、検出プレート４０の上方のプリント回路基板（ＰＣＢ）上の金属から成る内部層として実装できる。保護出力１９０を組み込んだ保護回路が、増幅器３０の入力ポート２５の電圧を複製するよう能動的に駆動されるため、信号ゲインの寄生静電容量分圧をなくす。

上述したように、リセット又は切り替え回路を使用して、増幅器の入力バイアス電流が増幅器３０の供給レールの１つに向けて正の増幅器入力部１６５を駆動しないようにする。切り替え又はリセット回路は、切り替えデバイス１３５及び１４０と、抵抗器Ｒ５（６０キロオーム）及びＲ６（２０キロオーム）と、リセット基準電圧１７０及び１８０とを有する。切り替えデバイス１３５及び１４０（例えば、トランジスタ）は、例えば、入力ポート２５の電圧が増幅器３０の入力コモンモード電圧に含まれる電圧の範囲内の場合に、リセット基準電圧１７０及び１８０を含む外部回路によってオンになる。トランジスタ１３５及び１４０がオフの場合又は駆動しない場合、例えば、トランジスタ１３５及び１４０のベース及びエミッタノードが保護出力１９０によって引き上げられる。保護出力１９０によってトランジスタ１３５及び１４０のベース及びエミッタノードを引き上げることが、トランジスタ１３５及び１４０からの漏洩電流（及び特に結果として生じる電流ノイズ）を最小限にするよう行われる。負の増幅器入力部１６０は、抵抗器Ｒ４（８０キロオーム）及びコンデンサＣ４（１００マイクロファラド）から成るフィードバックループでゆっくりと変化する正の入力を追跡する形成される。また、このようなループは、１Ｈｚ未満の周波数の入力信号をカットオフするよう機能する。

出力ポート３５では、計装用増幅器３０の出力がレベルシフトして第２の増幅器１５０に送られる。第２の増幅器１５０はオペアンプとすることができる。コンデンサＣ５及び抵抗器Ｒ８によってレベルシフタを形成する。これは、増幅器の出力ポート３５の低周波電圧を電圧Ｖｒｅｆ（１．５Ｖ）に変えるコモンハイパスフィルタである。出力ポート３５の高周波成分が、影響を受けないレベルシフタを通過する。また、この第２の増幅器１５０を、例えばゲイン２０となるよう構成し得る。第２の増幅器１５０は、第２の出力ポート６と、第２の負の入力部３及び第２の正の入力部２を有する第２の入力ポートとを有する。第２の正の入力２は、計装用増幅器のレベルシフトした出力を受信するよう構成される。コンデンサＣ２（１００マイクロファラド）を、Ｃ２により１Ｈｚでゼロを挿入するように、第２の負の入力部３に実装して、１Ｈｚ未満の周波数の入力信号をさらにカットオフする。Ｒ１（３８キロオーム）で応答するＣ１（４１．９ナノファラド）及びＲ３（１０．５キロオーム）で応答するＣ３（１５０ナノファラド）により１００Ｈｚの２つの極を実装する。このようなコンデンサ及び抵抗器の組み合わせにより、１Ｈｚと１００Ｈｚとの間のバンドパスフィルタの特性を実現する。極及びゼロは、フィルタリングを実施するための入力信号を表す伝達関数の特性である。一実施例では、アナログデジタル変換器１４５を、例えばあるインタフェースを介して第２の増幅器１５０に接続する。アナログデジタル変換器１４５は、第２の増幅器１５０に実装されるバンドパスフィルタによってフィルタリングされた第２の出力信号を受信する。アナログデジタル変換器１４５は、例えば、第２の増幅出力信号を絶え間ないデジタルビットに変換する１８ビットのアナログデジタル変換器である。インタフェースは、任意に、１又はそれ以上の検出システムの配線を減らすために、他のアナログデジタル変換器１４５を具えた直列式とすることができる。アナログデジタル変換器の出力は、モニタ上に表示するためのコンピュータといったユーザインタフェースのデータ取得カード又は他のデバイスの特定化のための測定装置の印刷記録を作るためのプリンタに接続される。

他の実施例では、増幅器３０に要する全電流は、（供給レールの）＋５ボルト（Ｖ）及び−５Ｖの電源からの１ミリアンペアである。第２増幅器１５０及びアナログデジタル変換器１４５は、シングルエンドの３Ｖの供給を使用することができ、トータルで１６０マイクロアンペアの電流を必要とする。ある実施例では、容量性検出システム３００の全出力は、１０．５ミリワットであるが、これは、１００の容量性検出システムがバッテリパックで数時間稼働し得ることを意味する。

上述の実施例に加えて、重要な検出ノード１２をリセットする切り替え回路を実施するための多くの他の方法がある。例えば、スイッチ自身が、トランジスタ（バイポーラ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ等）、（従来のリレー及び微小機械（ＭＥＭＳ）リレー、機械式スイッチ、電子式スイッチ等を含む）リレーとすることができる。単に１つの切り替えデバイス、又はいくつかの切り替えデバイスを有してよい。基準電圧を、増幅器ＣＭＲ、供給電圧、又は他の値の中間値に設定し得る。最適な値を探すフィードバックループによって、基準電圧自身を変えることができる。入力電圧又は検出ノード１２の電圧がＣＭＲの限界値に近付いたと判断される場合に、又は通常の間隔で、切り替えを実行し得る。いずれのケースにおいても、コントローラを使用して、どの切り替えデバイスが起動しているか、いつ起動させるか、起動の継続時間といったことを判断しうる。代替的に、人間の管理者が検出ノード１２をリセットすべき時を判断し得る。

典型的な実施例では、容量センサが、一方が他方の上に積層された２つの特注のプリント回路基板（ＰＣＢ）で構成される。上側ＰＣＢは円形であって、ほぼ米国の１０セント硬貨のサイズ（１８ｍｍ）であり、第２の増幅器１５０、アナログデジタル変換器１４５及びいくつかの受動素子（例えば、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３）を有する。下側ＰＣＢもまた円形であって、ほぼ米国の２５セント硬貨のサイズ（３０ｍｍ）であり、検出プレート１５、遮蔽板１９５、計装増幅器１５５及び切り替えデバイス１３５及び１４０（例えば、トランジスタ）を保持する。一実施例では、ＰＣＢの下側層が、全体的に半田マスクで覆われた金属である。代替的な実施例では、上側ＰＣＢの個々の部品の全て又は一部を、下側ＰＣＢの上部に直接的に取り付け得る１又はそれ以上の集積回路に組み込むことができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、入力信号ゲインに関する検出プレートと体表面との間の分離距離の効果の典型的な結果を示す。図５Ａ及び図５Ｂを、図１、２、３及び４を参照して説明する。図５Ａは、周波数範囲にわたる入力信号の測定ゲインを示す。入力信号は、検出ノード１２によって発生し増幅器３０又は１５５の入力ポート２５で受信される信号である。図４を参照して説明される１Ｈｚ及び１００Ｈｚの間でフィルタリングするバンドパス特性は図５Ａに明らかである。計装用増幅器１５５、第２の増幅器１５０のフィードバックのコンデンサＣ２、コンデンサＣ５によって形成されるレベルシフタ及び抵抗器Ｒ８のフィードバックループによって引き起こされ、そこで動作する３のゼロがあるため、１Ｈｚのカットオフが急勾配である。図４を参照して上述した２つの極が１００Ｈｚの周波数で動作する。

一実施例では、検出ノード１２によって発生する入力、例えばＥＥＧ入力が、コンデンサを介して容量センサシステム３００に接続される電圧源としてまねることができる。検出プレート４０と頭皮といった体表面１５との間の距離によって隔てられた検出プレート４０の面積として静電容量を計算し得る。また、計装用増幅器１５５の正入力１６５に寄生容量を有するため、入力信号強度を減らす増幅器の正入力１６５に容量分圧器を形成し得る。図５Ｂは、信号発生器間、例えば体表面及び検出プレート４０間の３つの異なる距離に関するゲインを示す。距離が増加すると、回路のゲイン全体として、入力結合容量が減少する。０．２ｍｍの距離ではゲインは８６９であるが、１．６ｍｍでは５３９であり、３．２ｍｍでは３９１である。距離にともなうゲインの減少は、能動的シールド１９５を受動的グラウンドシールドに代える場合に顕著に大きくなる。能動的シールド１９５では、容量センサシステム３００（例えば、ＥＥＧ／ＥＣＧセンサ）は、検出プレート４０と体表面１５との間の典型的な毛髪及び衣服に見られる様々な距離にわたって動作し得る。

図６Ａ及び図６Ｂは、入力に起因する雑音に関するセンサの分離距離の効果を示すサンプルの結果である。図６Ａ及び図６Ｂを、図１、２、３及び４を参照して説明する。容量センサシステム３００といったＥＥＧセンサ設計は、非常に低いノイズの増幅回路を要する。測定される入力信号をピークトゥーピークで数十マイクロボルトに低くすることが可能であるため、これを下回るノイズレベルが望ましい。ある実施例では、アナログデジタル変換器１４５は主要なノイズ源ではないため、大きなゲイン（例えば、増幅器１５５でのゲイン５０及び第２の増幅器１５０でのゲイン２０）を既に有する信号を変換し、１８ビットのレベルで変換する。また、顕著なノイズは増幅器１５５からの最初のゲイン５０の後にやって来るため、第２の増幅器１５０は顕著なノイズに寄与しない。一実施例では、１乃至１００Ｈｚの周波数帯域において計算される基準−入力電圧（ＲＴＩ）のノイズは、約０．６６マイクロボルトの二乗平均平方根（μＶｒｍｓ。計装用増幅器１５５のＲＴＩ電流ノイズは、極端に小さいが、増幅器の正入力１６５で見られる静電容量で積分される）である。検出プレート４０と体表面１５との間の距離を０．２ｍｍと仮定すると、このような電流ノイズが約１μＶｒｍｓに変換される。一実施例では、容量センサシステム３００は、ガードピン出力、ガード出力１９０及びガード入力（図示せず）を組み込んだ回路を特徴とする。理想的には、ガード入力は、同じ電圧に切り替えデバイス１３５及び１４０の端子を保持し、ゼロ付近に漏洩雑音電流を保持する。抵抗器Ｒ４は、増幅器１５５に実装されるフィードバックループによって減少するため、大きいが主要な因子ではない端子ノイズを発生させる。このため、トータルの予測ＲＴＩ電圧のノイズは、２．０μＶｒｍｓ未満である。周波数の関数としての測定雑音密度を図６Ａに示す。接地される入力信号を発生させる検出プレート４０とともに、スペクトル密度推定が、検出プレート４０及び０．２ｍｍ、１．６ｍｍ、及び３．２ｍｍの体表面１５との間の距離に対して増幅器１５０の出力ポートで測定された。これにより、１．８８μＶｒｍｓの測定ノイズを得た。そして、増幅器１５０の出力ポートで測定されたノイズを、２つの増幅器の図５Ａの測定した中間帯域ゲイン（例えば、７９４又は５８ｄＢ）によって分割した。入力ノイズ（ＲＴＩ）に関するこのような処理を、関心のある入力信号の大きさとノイズの大きさとを比較するために行う。１乃至１００Ｈｚの関心のある周波数範囲でのトータルのノイズを、このような範囲内で図６Ａに示すノイズ成分を積分することによって、取得できる。図６Ｂは、３つの距離に関するこのような計算結果を示す。また、図６Ｂは、回路の様々な素子に起因するノイズの推定を用いて理論的に計算されるノイズを示す。検出プレート４０と体表面１５との間の距離が０．２ｍｍの場合、測定されるトータルのノイズは１．８８μＶｒｍｓである。検出プレート４０と体表面１５との間の分離距離が増加すると、結合容量が減少する。そして、電流ノイズがより大きな電圧ノイズ値に積分される。

そして、電流ノイズがより大きな電圧ノイズ値に積分される。図６Ｂは、図６Ａのゲイン測定値で使用される同じ３つの距離での測定値とともに理論的に計算されるノイズを示す。３つの分離距離に関して１乃至１００Ｈｚの周波数帯域にわたって入力基準ｒｍｓノイズを測定し、理論的に予測されるノイズと比較する。理論曲線は、増幅器１５５の電流及び電圧入力基準ノイズを説明しており、増幅器１５５の入力ポート２５での容量分割を説明している。

図７は、本発明にしたがって構成されたプロトタイプの試験の際の、被験体のヘッドの２つの場所で測定される入力信号の出力スペクトル密度のグラフである。一実施例では、検出プレート４０が、例えば、ヘッドバンドを用いて被験者の頭部に押し付けられる。第１の検出プレート４０が、頭部の後ろ（毛髪の上）に位置している一方、第２の検出プレートは、基準として使用される耳の後ろに位置した。被験者が最初に１２秒間耳を閉じて同じ時間だけ開けている間に、２つのセンサ間の電圧差を記録した。これらの２つのブロックからのデータの出力スペクトル密度を図７に示す。１０Ｈｚ付近の周波数のアルファ帯域における出力増加が、例えばＥＥＧ試験で通常観察されるように、目を閉じた場合に明りょうに見られた。

図８は、本発明にしたがって構成されるセンサを用いて被験者のＴシャツを介して測定されるサンプルのＥＣＧ電圧の記録である。グラフは、心臓の近傍に配置された２つの検出プレート４０間の電位差を示す。検出プレートの一方を、心臓部を覆う胸の上部の上に配置し、基準として用いるために第２の検出プレートを胸の脇に配置した。双方の検出プレート４０を被験者のＴシャツの外側に配置した。図８は、４秒間の記録であり、モニタ及びプリンタの一方又は双方に表示し得る。

図９は、本発明に係る容量センサシステムを用いた体表面の電場の測定方法の一例を示す。図２、３及び４の容量センサシステム１００、２００又は３００で本方法を実施し得る。ブロック４００で、体表面１５に検出プレート４０を容量結合することによって処理が開始する。体表面１５の電位の変化により、検出プレート４０の電位の変化を誘導する変化を含む電場が発生する。検出プレート４０は、体表面１５に接触しない。ブロック４０５で、入力信号が、検出プレート４０と関連する検出ノード１２で発生する。発生する入力信号は、検出ノード１２が電場に存在する検出プレート４０の電位の変化に基づくものである。そして、このような処理がブロック４１０に続き、そこで入力信号が入力ポート及び出力ポートを有する増幅器によって増幅される。増幅器は、入力ポートで入力信号を受信し、出力ポートで出力信号を発生させるよう構成され、出力信号は入力信号の増幅に基づく。最後に、ブロック４１５で、分路が切り替え回路を用いて非継続的に閉止され、入力ポートに接続される検出ノードをリセットし、切り替え回路が入力ポート及び基準電圧に接続される。

脳コンピュータのインタフェースで使用することを目的として、脳によって発生する脳波（ＥＥＧ）信号の測定のために、上述のシステム及び方法を使用し得る。また、本システム及び方法を、心臓のモニタリングのために心電図（ＥＣＧ）、筋肉の活動の記録のために筋電図（ＥＭＧ）で使用し得る。他の大部分のＥＥＧ／ＥＣＧ／ＥＭＧセンサ構造とは異なり、上述の容量センサシステム及び方法は、本質的に容量性であり、このため、皮膚といった体表面への物理的又はオームの法則に従う接触を要しない。既存のセンサの大部分は、導電ゲルの塗布によって及び／又は研磨する皮膚用製品によって、皮膚への電気的接触を要し、それらの双方は本発明では必要とされない。

容量センサシステム及び方法を、医療診断機器、神経機能代替、バイオフィードバック、神経画像、脳コンピュータインタフェース、対話型コンピュータゲームといった、ＥＥＧキャップで実施し得る。容量センサシステム及び方法は、コンピュータゲームのソフトウェアへのＥＥＧセンサインタフェース、及び電子機器の製造における静電気の蓄積といった工業的適用で有用である。

ここで説明される実施例は上記の態様を実現する一方、検出ノード１２へのノイズをできる限り小さくすることに寄与する。切り替えデバイスが動作するほんの短い時間がノイズに寄与する。さらに、切り替え動作により、高い抵抗値を極端に低い抵抗値に代え得るため、動作の間におけるより低い熱ノイズスペクトル密度に寄与する。

ここで説明される様々な実施例は、検出ノードを時折リセット又は短絡する切り替え回路を具えた増幅器の重要な入力ポートにおける望ましくない電流に抗するための手段を提供する。上述のように、独創的な回路の切り替え特性は、低出力回路に重要な検出ノードに低い電流ノイズが投入されるという利点を提供する。

当業者は、上述の図面及び実施例とともに説明した様々な具体的なモジュール及び方法のステップを、多くの場合に電子的ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はそれらの組み合わせとともに実施し得ることを理解するであろう。このようなハードウェア及びソフトウェアの互換性を明りょうに説明するために、様々な具体的な方法及び方法のステップを、それらの機能の観点から上述した。このような機能をハードウェア又はソフトウェアのいずれかで実施することは、特定の適用例及びシステム全体に課せられる構造的制約に依存する。熟練者は、各適用例に関する様々な方法で上述の機能を実施し得るが、このような実施上の決定を本発明の範囲から逸脱するものと解すべきではない。さらに、モジュール又はステップの中の機能のグループは、説明を簡単にするためのものである。本発明から逸脱することなしに、特定の機能を１つのモジュール又はステップから別のものに移すころができる。

さらに、ここで説明した実施例とともに記載した様々な具体的なモジュール及び方法のステップを、汎用目的のプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）又は他のプログラム可能なロジックデバイス、離散型ゲート又はトランジスタロジック、離散型ハードウェア素子、又はここで説明された機能を実行するよう構成されたそれらの組み合わせといったハードウェアで実施又は実行し得る。汎用プロセッサは、ハードウェアであり、マイクロプロセッサとすることができ、代替的には、プロセッサはハードウェアのプロセッサ又はコントローラ、マイクロコントローラとすることができる。また、例えばＤＳＰ及びマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアを具えた１又はそれ以上のマイクロプロセッサ、又は他のこのような構成といった、コンピュータデバイスの組み合わせでプロセッサを実施し得る。

さらに、ここで説明した実施例とともに記載した方法又はアルゴリズムのステップを、ハードウェア、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュール、又はこれら双方の組み合わせで直接的に実施し得る。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、抵抗器、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、又はネットワーク上の記憶媒体を含む他の形式の記憶媒体を有する、コンピュータ又はコントローラがアクセス可能な可読媒体に設けることができる。典型的な記憶媒体を、プロセッサが記憶媒体から情報を読み込んでそれに情報を書き込むことができるように、プロセッサに接続し得る。代替的には、記憶媒体もまたＡＳＩＣに設けることができる。

開示された実施例の上述の説明は、当業者が本発明を製造又は使用し得るよう与えられる。これらの実施例に対する様々な変更が、当業者にとって容易に明らかであり、本発明の精神又は範囲から逸脱することなしに、ここで説明した一般的原理を他の実施例に適用し得る。このため、ここで与えられた説明及び図面は、本発明の典型的な実施例であり、本発明によって広く意図される発明の内容であることに留意されたい。さらに、本発明の範囲は他の実施例を含んでおり、それ故に本発明の範囲は添付した特許請求の範囲のみによって限定されることに留意されたい。

参考文献
一般的なバックグラウンド情報を与える以下の参考文献が示唆するところは、参照することにより盛り込まれている。

[1] J. C. Chiou, Li-Wei Ko, Chin-Teng Lin, Chao-Ting Hong, Tzyy-Ping Jung, "Using Novel MEMS EEG Sensors in Detecting Drowsiness Application," IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, 2006.
[2] A. Lopez and P. C. Richardson, "Capacitive electrocardiographic and bioelectric electrodes", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 16, pg. 99, 1969.
[3] T. Matsuo, K. Iinuma, and M. Esashi, "A barium-titanate-ceramics capacitive- type EEG electrode", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 188, pgs 299-300.
[4] R. J. Prance, A. Debray, T. D. Clark, H. Prance, M. Nock, C. J. Harland, and A. J. Clippingdale, "An ultra-low-noise electrical-potential probe for human-body scanning", Measurement Science and Technology, vol. 11, pgs. 291-297, 2000.
[5] C. J. Harland, T. D. Clark and R. J. Prance, "Electric potential probes-new directions in the remote sensing of the human body", Measurement Science and Technology, vol. 13, pgs. 163-169, 2002.
[6] R. Matthews, N. J. McDonald, I. Fridman, P, Hervieux, and T. Nielsen, "The invisible electrode - zero prep time, ultra low capacitive sensing. In Proceedings of the 11th International Conference on Human-Computer Interaction, July 22-27 2005.
[7] C. Park, P. H. Chou, Y. Bai, R. Matthews, and A. Hibbs, "An ultra-wearable, wireless, low power ECG monitoring system", IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, 2006.
[8] J. Errera and H. S. Sack, "Dielectric properties of animal fibers"
[9] T. Sullivan, S. Deiss, T.P. Jung, and G. Cauwenberghs, "A Low-Noise, Low- Power EEG Acquisition Node for Scalable Brain-Machine Interfaces", In Proceedings of the SPIE Conference on Bioengineered and Bioinspired Systems III, May 2-4 2007.

Claims (38)

1. 電場を測定するためのセンサであって、
   体表面に容量結合される検出プレートであって、前記体表面の電位の変化により前記検出プレートの電位の変化を誘導する電場が発生し、前記電場から入力信号を発生させるために前記電場に配置された検出ノードを有し、介在材料によって前記体表面から離れている検出プレートと；
   前記入力信号を増幅するよう構成された増幅器であって、入力ポート及び出力ポートを有しており、前記入力ポートで前記入力信号を受信して前記出力ポートで増幅出力信号を発生するよう構成された増幅器と；
   前記入力ポート及び基準電圧に接続された切り替え回路であって、前記検出ノードから前記基準電圧までの分路を非連続的に閉じて、前記入力ポートに接続された前記検出ノードをリセットするよう構成された切り替え回路と；
   を具えることを特徴とする電場を測定するためのセンサ。
2. 前記基準電圧が接地されていることを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
3. 前記基準電圧が、前記増幅器の入力コモンモードの電圧範囲に含まれる電圧の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
4. 前記切り替え回路が、少なくとも１の切り替えデバイスを有することを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
5. 前記少なくとも１の切り替えデバイスが、トランジスタであることを特徴とする請求項４に記載の電場を測定するためのセンサ。
6. さらに、前記増幅器の前記入力ポートに接続された第１の入力ポートを有する一定ゲインの増幅器を具えており、
   前記一定ゲインの増幅器が、前記増幅器の前記入力ポートで電圧の複製を出力するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
7. さらに、前記切り替え回路が複数のコンデンサを具えており、
   前記複数のコンデンサの少なくとも第１のコンデンサが、前記基準電圧に接続されており、
   前記複数のコンデンサの少なくとも第２のコンデンサが、前記少なくとも１の切り替えデバイスをオンにし得る起動電圧に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電場を測定するためのセンサ。
8. 前記少なくとも１の切り替えデバイスが、前記少なくとも１の切り替えデバイスに起動電圧を発生させるよう構成された複数のコンデンサの入力を制御することによって、オンオフされることを特徴とする請求項４に記載の電場を測定するためのセンサ。
9. さらに、第１の入力ポート及び第１の出力ポートを有する一定ゲインの増幅器を具えており、
   前記第１の入力ポートが前記増幅器の入力ポートに接続されており、
   前記一定ゲインの増幅器が、前記第１の出力ポートに第１の出力電圧を発生させるよう構成されており、
   前記第１の出力電圧が、前記増幅器の入力ポートの電圧の複製であり、
   前記一定ゲインの増幅器が、１又はそれ以上の抵抗器に接続され、
   前記１又はそれ以上の抵抗器が、前記少なくとも１の切り替えデバイスがオフの場合に、前記複数のコンデンサを前記第１の出力電圧まで引き上げるよう構成されることを特徴とする請求項７に記載の電場を測定するためのセンサ。
10. 前記増幅器の入力ポートが、高入力インピーダンス及び低入力インピーダンスを有することを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
11. 前記検出ノードが、前記増幅器の前記高入力インピーダンスに接続されることを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
12. 前記体表面が、人体の表面であることを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
13. 検出コンデンサの誘電体が、前記検出プレートと前記体表面との間に前記介在材料を具えることを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
14. 前記誘電体が、空気、毛髪及び衣服のうちの１を有することを特徴とする請求項１３に記載の電場を測定するためのセンサ。
15. 前記増幅器が、電圧増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
16. 前記検出プレートが、前記電圧増幅器の高入力インピーダンスに接続されていることを特徴とする請求項１５に記載の電場を測定するためのセンサ。
17. 前記検出プレートが、検出コンデンサの第１のプレートとして機能するよう構成され、
    前記体表面が、前記検出コンデンサの第２のプレートとして機能することを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
18. さらに、前記少なくとも１の切り替えデバイスをオンオフするための前記切り替え回路に接続された少なくとも１のリセット回路を具えることを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
19. 前記少なくとも１の切り替えデバイスが、第１の切り替えデバイス及び第２の切り替えデバイスを有することを特徴とする請求項４に記載の電場を測定するためのセンサ。
20. 前記少なくとも１の切り替えデバイスの切り替えが、前記検出ノードを部分的にリセットすることを特徴とする請求項１９に記載の電場を測定するためのセンサ。
21. 前記検出ノードの部分的なリセットが、前記基準電圧に向かう量だけ前記検出ノードの電圧を変化させることを有することを特徴とする請求項２０に記載の電場を測定するためのセンサ。
22. 前記第１の切り替えデバイス及び第２の切り替えデバイスが、一度に１つずつ周期的に起動されることを特徴とする請求項２０に記載の電場を測定するためのセンサ。
23. 前記第１及び第２の切り替えデバイスが起動する継続時間が、前記検出ノードでの電圧ドリフトの方向及び量に基づくことを特徴とする請求項２２に記載の電場を測定するためのセンサ。
24. 前記第１及び第２の切り替えデバイスが起動する順序が、前記検出ノードでの電圧ドリフトの方向及び量に基づくことを特徴とする請求項２２に記載の電場を測定するためのセンサ。
25. 制御モジュールが、周期、パルス継続時間及び切り替えの順序のうちの１つを制御することを特徴とする請求項２２に記載の電場を測定するためのセンサ。
26. 前記基準電圧が、前記基準電圧を最適化するよう構成されたフィードバックループによって変化することを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
27. 前記少なくとも１の切り替えデバイスが、前記入力信号の電圧が前記増幅器の入力コモンモードの電圧範囲に含まれる電圧の範囲の限界値に達する時に、起動することを特徴とする請求項４に記載の電場を測定するためのセンサ。
28. さらに、ゲインが１の正及び負の入力を有する入力ポートに追随するよう構成されたガード出力を具えることを特徴とする請求項１に記載の電場を測定するためのセンサ。
29. 前記ガード出力が、前記正の入力の周囲のガードリングをサポートするよう構成されることを特徴とする請求項２８に記載の電場を測定するためのセンサ。
30. 前記ガード出力が、前記検出プレートに関連する遮蔽金属板を駆動して、前記体表面以外の供給源からの電場ピックアップを最小限にするよう構成されることを特徴とする請求項２８に記載の電場を測定するためのセンサ。
31. さらに、前記少なくとも１の切り替えデバイスがオフの場合に、前記少なくとも１の切り替えデバイスのベース及びエミッタノードを引き上げるよう構成されたガード出力を具えることを特徴とする請求項７に記載の電場を測定するためのセンサ。
32. 電場を測定するためのセンサであって、
    体表面に容量結合される検出プレートであって、前記体表面の電位の変化により前記検出プレートの電位の変化を誘導する電場が発生し、前記電場から信号を発生させるために前記電場に配置された検出ノードを有し、介在材料によって前記体表面から離れている検出プレートと；
    入力信号を増幅するよう構成された増幅器であって、入力ポート及び出力ポートを有しており、前記入力ポートで前記入力信号を受信して前記出力ポートで増幅出力信号を発生するよう構成された増幅器と；
    少なくとも１の切り替えデバイス及び複数のコンデンサを有するリセット回路を有する切り替え回路であって、前記複数のコンデンサが、前記少なくとも１の切り替えデバイスに起動電圧を発生して前記少なくとも１の切り替えデバイスをオンにするよう又は起動するよう構成されており、前記入力ポート及び基準電圧に接続され、前記少なくとも１の切り替えデバイスがオンの場合に、前記検出ノードから前記基準電圧までの分路を非連続的に閉じて、前記入力ポートに接続された前記検出ノードをリセットするよう構成された切り替え回路と；
    第１の入力ポート及び第１の出力ポートを有する一定ゲインの増幅器であって、前記第１の入力ポートが前記増幅器の前記入力ポートに接続され、前記第１の出力ポートに第１の出力電圧を発生するよう構成され、１又はそれ以上の抵抗器に接続され、前記１又はそれ以上の抵抗器が、前記少なくとも１の切り替えデバイスがオフの場合に、前記複数のコンデンサを前記第１の出力電圧まで引き上げるよう構成された一定ゲインの増幅器と；
    を具えることを特徴とする電場を測定するためのセンサ。
33. 前記少なくとも１の切り替えデバイスをオンにするために、
    前記複数のコンデンサの少なくとも１の第１のコンデンサが、前記基準電圧に接続されており、
    前記複数のコンデンサの少なくとも１の第２のコンデンサが、前記少なくとも１の切り替えデバイスをオンにし得る電圧に接続されていることを特徴とする請求項３２に記載の電場を測定するためのセンサ。
34. 前記少なくとも１の切り替えデバイスをオンにすることが、前記少なくとも１の切り替えデバイスのスイッチを閉じることを含んでいることを特徴とする請求項３２に記載の電場を測定するためのセンサ。
35. 前記スイッチが、前記基準電圧に前記検出ノードを短絡するよう閉じられることを特徴とする請求項３４に記載の電場を測定するためのセンサ。
36. 前記基準電圧が接地されていることを特徴とする請求項３２に記載の電場を測定するためのセンサ。
37. 前記検出プレートが、検出コンデンサの第１のプレートとして機能するよう構成され、
    前記体表面が前記検出コンデンサの第２のプレートとして機能することを特徴とする請求項３２に記載の電場を測定するためのセンサ。
38. 前記第１の出力電圧が、前記増幅器の入力ポートの電圧の複製であることを特徴とする請求項３２に記載の電場を測定するためのセンサ。

Images