WO2016194358A1 - 皮膚抵抗測定装置 - Google Patents

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服部　励治
祐平 森本
亮太 米田
雅之 渡邊
道田　奈々江
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国立大学法人九州大学
マツダ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for measuring the skin resistance of a human body.
  • Non-Patent Document 1 discloses a method of measuring EDA as skin impedance using an alternating current energization method using a constant current.
  • Non-Patent Document 1 it is necessary to use three electrodes, or to use an electrode paste that easily stabilizes the impedance level over a long period of time and well represents short-term impedance fluctuations. was there. For this reason, it is extremely difficult to apply to a device that routinely measures the physiological state of a driver.
  • An object of the present invention is to provide a skin resistance measuring apparatus capable of measuring skin resistance with high accuracy and having a simple configuration.
  • an apparatus for measuring skin resistance of a human body includes first and second electrodes, and a surface of a contact surface with which the human body contacts is an insulator.
  • a detection circuit that detects a current of the second electrode and outputs a detection signal representing the detected current value; and an electrical path from the high-frequency power source to the first electrode, or from the second electrode
  • An inductive element provided in any of the electrical paths to the detection circuit; and a control unit that controls the change of the frequency of the high-frequency power source and receives the detection signal from the detection circuit.
  • the impedance of the human body in contact with the electrode unit is obtained, and the impedance value at the frequency at which the impedance is minimized in the relationship between the impedance and the frequency of the high-frequency power source. Based on the skin resistance of the human body.
  • the AC voltage generated by the high frequency power source of the drive circuit is applied to the first electrode, and the current of the second electrode is detected by the detection circuit.
  • the inductive element is provided in either the electric path from the high-frequency power source and the first electrode or the electric path from the second electrode to the detection circuit.
  • the control unit changes and controls the frequency of the high-frequency power supply, receives a detection signal from the detection circuit, and obtains the impedance of the human body in contact with the first and second electrodes. Then, the skin resistance of the human body is obtained from the impedance value at the frequency at which the impedance is minimized.
  • an electrostatic capacitance is generated between the skin and the electrode.
  • Resonance is generated by the electrostatic capacitance and the inductive element provided in the electric path. For this reason, the capacitance generated between the skin and the electrode can be canceled by the inductive element by obtaining the skin resistance of the human body from the impedance value at the frequency at which the impedance is minimized. Therefore, the skin resistance can be accurately measured without depending on the contact state of the human body. Moreover, since the number of electrodes is two and it is not necessary to use electrode paste, this can be realized with a simple configuration.
  • the first electrode is an electrode extending in the first direction in a plan view
  • the second electrode is in a second direction perpendicular to the first direction in the plan view. 2 on the both sides of the first electrode, and two electrodes disposed with a space between the first electrode and the first electrode.
  • the electrode portion can be configured to easily increase the surface area of the second electrode.
  • the second electrode is disposed so as to surround the first electrode with a space between the first electrode and the first electrode in plan view.
  • the electrode portion can be configured to easily increase the surface area of the second electrode.
  • the detection circuit receives a current signal received from the second electrode, a transimpedance amplifier circuit that converts the current signal into a voltage signal, and an output of the transimpedance amplifier circuit. And an envelope circuit that generates a signal representing an envelope waveform.
  • the skin resistance measuring apparatus of the above aspect when a human body comes into contact with the contact surface of the electrode part, an electrical path is formed from the first and second electrodes to the ground via the human body.
  • a skin resistance measuring device capable of accurately measuring skin resistance without depending on the contact state of a human body can be realized with a simple configuration.
  • Circuit configuration example of human skin resistance measuring apparatus A simplified equivalent circuit of the circuit configuration of FIG.
  • the graph which shows the impedance characteristic in the equivalent circuit of FIG. Fig. 2 shows the equivalent circuit of Fig. 2 modified according to the actual situation.
  • Graph showing circuit simulation results Graph showing circuit simulation results
  • Graph showing circuit simulation results Graph showing circuit simulation results
  • Example of electrode shape Other examples of electrode shapes
  • FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration example of a human skin resistance measuring apparatus 1 according to an embodiment.
  • the electrode unit 10 includes a first electrode (TX) 11 and a second electrode (RX) 12.
  • the first and second electrodes 11 and 12 are electrically insulated.
  • the surface of the contact surface with which the human body contacts is covered with an insulator 13.
  • the surface of the electrode unit 10 is illustrated as being in contact with a human finger FN.
  • the contact with the surface of the electrode unit 10 is not limited to the finger, and may be another part of the human body.
  • the drive circuit 20 has a high-frequency power source 21 configured to be able to change the frequency, and applies an AC voltage generated by the high-frequency power source 21 to the first electrode 11.
  • a high-frequency power source 21 for example, a waveform generator capable of frequency scanning between 100 kHz and 5 MHz is used.
  • the drive circuit 20 includes a buffer amplifier 22, and an AC voltage generated by the high frequency power supply 21 is applied to the first electrode 11 through the buffer amplifier 22.
  • An inductive element 25 having an inductance L is provided in the electrical path from the high frequency power supply 21 to the first electrode 11.
  • the detection circuit 30 is connected to the second electrode 12, detects the current value of the second electrode 12, and outputs a detection signal S1 indicating the detected current value.
  • the detection circuit 30 includes a transimpedance amplifier circuit 31 that converts the current signal received from the second electrode 12 into a voltage signal, and an envelope that receives the output of the transimpedance amplifier circuit 31 and generates a signal representing the envelope waveform thereof. Circuit 32. The output of the envelope circuit 32 becomes the detection signal S1.
  • the control unit 40 controls to change the frequency of the high-frequency power source 21 included in the drive circuit 20 and receives the detection signal S1 output from the detection circuit 30.
  • the control unit 40 includes a CPU 41 having an A / D conversion unit 42 that converts the detection signal S1 into a digital signal, and a PC (Personal Computer) 43 that can communicate with the CPU 41 by, for example, Bluetooth (registered trademark).
  • CPU41 calculates
  • the PC 43 receives data on the impedance of the human body and the frequency of the high-frequency power source 21 from the CPU 41. Then, in the relationship between the impedance and the frequency of the high frequency power supply 21, the skin resistance Rf of the human body is obtained from the impedance value at the frequency at which the impedance is minimized.
  • the circuit configuration of FIG. 1 can be represented by a simplified equivalent circuit as shown in FIG.
  • the circuit configuration of FIG. 1 is a series resonant circuit having a human skin resistance R f , inductance L, and capacitance C f .
  • the human body impedance Z is measured by applying an alternating voltage to the resonance circuit and measuring the current.
  • the human body impedance Z at this time is
  • the capacitance C f between the electrode and the human body is included.
  • the electrostatic capacitance C f is human contact, for example, the pressure at the time of contact of the finger FN, depends on factors such as the contact area.
  • the impedance Z is measured by sweeping the frequency of the AC voltage, and the impedance Z min at the resonance point (resonance frequency f c ) is obtained as the human body resistance R f .
  • Relationship between the resonant frequency f c and the capacitance C f is as follows.
  • the skin resistance Rf of the human body is obtained from the value of the impedance Z at the frequency at which the impedance Z is minimized. Accordingly, the skin resistance Rf of the human body can be obtained with high accuracy without being affected by the capacitance between the electrode and the human body, that is, without depending on the contact state between the human body and the electrode.
  • the capacitance between the skin and the electrode is canceled by the inductive element by measuring the skin resistance at the resonance point of the impedance.
  • the inductive element 25 may be provided in the electrical path from the second electrode 12 to the detection circuit 30. Also in this case, the skin resistance of the human body can be measured according to the principle described above.
  • the measurement start timing may be set, for example, when the user's contact with the electrode unit 10 is recognized by another sensor, or when the user gives a measurement instruction by operating a switch or the like.
  • the CPU 41 of the control unit 40 operates the high-frequency power source 21 of the drive circuit 20. As a result, the AC voltage generated by the high frequency power supply 21 is applied to the first electrode 11.
  • the CPU 41 receives the detection signal S1 output from the detection circuit 30 while sweeping the frequency of the high-frequency power source 21.
  • the frequency to be swept is, for example, in the range of 1 to 3 MHz.
  • the detection signal S1 indicates a current value (for example, a maximum value or an effective value) of an alternating current flowing through the second electrode 12.
  • the CPU 41 calculates the impedance Z of the human body using the output voltage of the high frequency power supply 21 and the current value indicated by the detection signal S1 at a plurality of predetermined frequencies. Then, the calculated impedance Z is set with the frequency and transmitted to the PC 43.
  • the PC 43 obtains the relationship between the impedance Z and the frequency using a plurality of sets of the impedance Z and the frequency received from the CPU 41. Then, the skin resistance Rf of the human body is obtained from the value of the impedance Z at the frequency at which the impedance Z is minimized.
  • the AC voltage generated by the high-frequency power source 21 of the drive circuit 20 is applied to the first electrode 11, and the current of the second electrode 12 is detected by the detection circuit 30. Detected.
  • the inductive element 25 is provided on either the electrical path from the high-frequency power source 21 to the first electrode 11 or the electrical path from the second electrode 12 to the detection circuit 30.
  • the control unit 40 controls to change the frequency of the high-frequency power source 21 and receives the detection signal S1 from the detection circuit 30 to obtain the impedance of the human body in contact with the electrode unit 10. Then, the skin resistance of the human body is obtained from the impedance value at the frequency at which the impedance is minimized. Therefore, the skin resistance can be accurately measured without depending on the contact state of the human body. Moreover, since the number of electrodes is two and it is not necessary to use electrode paste, this can be realized with a simple configuration.
  • the device configuration shown in FIG. 1 is an example, and the configuration of each circuit element is not limited to that shown in FIG.
  • the detection circuit 30 only needs to output a detection signal S1 representing the current value (for example, effective value or maximum value) of the high-frequency current flowing through the second electrode 12, and is limited to that shown in FIG. is not.
  • a log amplifier and a low-pass filter may be used instead of the envelope circuit 32.
  • control unit 40 is not limited to the combination of the CPU 41 and the PC 43. That is, as long as the configuration can receive the detection signal S1 from the detection circuit 30 while scanning the frequency of the high-frequency power supply 21 and can determine the skin resistance Rf of the human body from the value of the impedance Z at the frequency at which the impedance Z is minimized, Any thing is acceptable.
  • FIG. 4 is a diagram in which the equivalent circuit of FIG. 2 is modified according to the actual situation.
  • an electrical path human body ground path
  • P ⁇ b> 1 is formed from the first and second electrodes 11, 12 to the ground via the human body.
  • the human resistance R b in this electrical path is generally said to be about 2 to 5 k ⁇ .
  • a leakage resistance R 1 and a mutual capacitance C m exist between the first electrode 11 and the second electrode 12.
  • the leak resistance R l is the resistance of the path formed by the deposit (sweat / dirt) on the surface of the electrode portion 10, and the mutual capacitance C m is the stray capacitance in the substrate on which the first electrode 11 and the second electrode 12 are provided. It is.
  • the capacitance C f_RX between the second electrode 12 and the human body must be sufficiently large.
  • the human body resistance Rb is 2 to 5 k ⁇
  • the leak resistance R l and mutual capacitance C m determines the impedance Z 0 at the time the resonance frequency f c0 when the human body does not contact.
  • the resonance frequency f c0 is so higher than the resonance frequency f c at which the human body is in contact, it is preferably mutual capacitance C m small leakage resistance R l is larger is preferable.
  • FIGS. 5A, 5B, 6A and 6B The results of the circuit simulation performed by the present inventors are shown in FIGS. 5A, 5B, 6A and 6B.
  • C f_RX 17.5 nF.
  • FIG. 5A when Rb is changed from 2 ⁇ to 5 ⁇ , the minimum value of impedance Z does not change.
  • FIG. 5B when Rf is changed from 50 to 200 ⁇ , The minimum value of impedance is changing.
  • C f_RX 35 pF.
  • FIG. 6A when Rb is changed from 2 ⁇ to 5 ⁇ , the minimum value of impedance Z is changed.
  • FIG. 6B when Rf is changed from 50 to 200 ⁇ . The minimum value of impedance does not change.
  • the structure of the second electrode 12 is configured so that C f_RX becomes sufficiently large.
  • the following configuration is conceivable.
  • the dielectric constant is made sufficiently high and the thickness is made sufficiently thin. Thereby, the capacitance value per unit area of the second electrode 12 can be increased.
  • the area of the contact surface of the second electrode 12 is made sufficiently large.
  • the contact surface of the first electrode 11 does not need to be particularly large.
  • FIG. 7 is a view showing an example of the electrode shape, and is a view of the first and second electrodes 11 and 12 as seen in a plan view.
  • the first electrode 11 is an electrode extending in the longitudinal direction (first direction) in the drawing.
  • the second electrode 12 includes two pieces arranged on the both sides of the first electrode 11 and spaced apart from the first electrode 11 in the horizontal direction of the drawing (second direction perpendicular to the first direction). It consists of electrodes 12a and 12b.
  • the two electrodes 12a and 12b are formed wider than the first electrode 11 and are electrically connected to each other.
  • the first electrode 11 has a width w in the horizontal direction of the drawing, and in the horizontal direction of the drawing, the intervals between the first electrode 11 and the two electrodes 12a and 12b are d1 and d2, respectively. .
  • the length of the first electrode 11 and the electrodes 12a and 12b in the longitudinal direction of the drawing is l.
  • the region A1 has a width W in the horizontal direction of the drawing and a length L in the vertical direction of the drawing. in this case,
  • the skin resistance R f in the region A1 is inversely proportional to the length L, but the capacitance C f is proportional to the length L. Then, the capacitance C f so obtained from the resonance frequency f c, can be determined skin resistance R f per unit contact width does not depend on the length L.
  • FIG. 8 is a view showing another example of the electrode shape, and is a view of the first and second electrodes 11 and 12 as seen in a plan view.
  • the first electrode 11 is a rectangular electrode
  • the second electrode 12 is disposed so as to surround the first electrode 11 with a predetermined gap between the first electrode 11. ing.
  • the shape of the first electrode 11 is not limited to a rectangular shape, and may be, for example, a circular shape.
  • FIG. 8 illustrates a region A2 that is assumed to be in contact with a human body. By adopting such an electrode shape, it is possible to increase the contact surface of the second electrode 12 without enlarging the entire electrode portion 10. Therefore, it becomes easy to increase C f_RX .
  • the first electrode 11 has a width w in the horizontal direction (predetermined first direction) in the drawing and a length l in the vertical direction in the drawing.
  • the distance between the first electrode 11 and the second electrode 12 is d.
  • the region A2 has a width W in the horizontal direction of the drawing and a length L in the vertical direction of the drawing. in this case,
  • the skin resistance Rf in the region A2 is determined by the width w and the interval d regardless of the width W and the length L. Therefore, the skin resistance Rf can be obtained regardless of the contact area.
  • the surface area of the second electrode 12 can be easily increased. Therefore, the capacitance C f_RX between the second electrode 12 and the human body can be increased without increasing the electrode portion 10. It becomes possible to make it sufficiently large.
  • a skin resistance measuring device capable of measuring skin resistance with high accuracy without depending on the contact state of the human body can be realized with a simple configuration. For example, physiological information of a driver in a vehicle is measured. This is useful for systems that

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Abstract

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。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し、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。

Description

皮膚抵抗測定装置
　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Ｒｆ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Ｃｆ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Ｒｆ、インダクタンスＬ、静電容量Ｃｆ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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
となり、電極と人体との間の静電容量Ｃｆを含むものになる。しかも、この静電容量Ｃｆ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ｆｃ）におけるインピーダンスＺｍｉｎを、人体抵抗Ｒｆとして求める。共振周波数ｆｃと静電容量Ｃｆとの関係は、次のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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Ｒｆ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よることなく、精度高く、人体の皮膚抵抗Ｒｆ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。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。
　＜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Ｒｆ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。
　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Ｒｂ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Ｒｌおよび相互容量Ｃｍが存在する。リーク抵抗Ｒｌ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Ｃｍ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Ｒｆを得るためには、次式を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
すなわち、第２電極１２と人体との間の静電容量Ｃｆ＿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Ｒｂが２～５ｋΩのとき、ｆ＝１ＭＨｚにおいて右辺第２項の値が人体抵抗Ｒｂと等しくなるときのＣｆ＿ＲＸの値は、３２～８０ｐＦとなる。したがって、Ｃｆ＿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、εｒ＝１０、ｄ＝１０μｍの絶縁膜で、約０．１ｃｍ２の面積となる。
　また、リーク抵抗Ｒｌおよび相互容量Ｃｍは、人体が接触しないときの共振周波数ｆｃ０とそのときのインピーダンスＺ０を決定する。ここで、共振周波数ｆｃ０が、人体が接触したときの共振周波数ｆｃよりも高くなるように、相互容量Ｃｍは小さい方が好ましく、リーク抵抗Ｒｌ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Ｃｆ＿ＲＸ＝１７．５ｎＦとしている。図５Ａに示すように、Ｒｂ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、Ｒｆ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Ｃｆ＿ＲＸ＝３５ｐＦとしている。図６Ａに示すように、Ｒｂ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、Ｒｆ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、Ｃｆ＿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、Ｃｆ＿ＴＸについては、人体抵抗Ｒｂ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、Ｃｆ＿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、Ｃｆ＿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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
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Ｒｆは長さＬに反比例するが、容量Ｃｆは長さＬに比例する。そして、容量Ｃｆは共振周波数ｆｃ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Ｒｆ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、Ｃｆ＿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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
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Ｒｆ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Ｒｆ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Ｃｆ＿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、
    　前記第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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