JP5699818B2 - 筋電センサ - Google Patents

Description

本発明は、生体に発生する筋電位を測定する筋電センサに関する。

従来、各種の筋電センサが考案されている。筋電センサには、抵抗型と静電容量型とがある。抵抗型の筋電センサは、皮膚と検出電極との間に導電性ペーストを介在させた状態で皮膚に検出電極を装着させ、筋電位の測定を行う。しかしながら、このような測定方法では、導電性ペーストの経時変化によるノイズの増加や、長時間の装着による皮膚のかぶれ等が問題となる。

このような問題が生じない静電容量型の筋電センサが、特許文献１および特許文献２に記載されている。これらの静電容量型の筋電センサでは、筋電位の測定に、生体と検出電極との間に生じる静電容量が利用されている。これらの静電容量型の筋電センサでは、生体に発生する筋電位と静電容量とから決定される電流を筋電位測定回路で測定することで、筋電位の測定が行われる。

そして、特許文献１の筋電センサでは、筋電位測定回路のハイパスフィルタの設計要素に、生体と検出電極との間で生じる静電容量を含むようにしている。

特許文献２の筋電センサは、いわゆる振動容量型筋電センサであり、検出電極と皮膚との距離を所定周期で変化させることで、静電容量を周期的に変化させる。

特開２００９−２６１７３５号公報 特開平８−３８４３７号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載の筋電センサでは、筋電位を測定するために重要な周波数成分を検出するには、生体と検出電極との間に生じる静電容量の値を大きくしなければならず、必然的に、検出電極の面積を大きくしなければならなくなる。したがって、筋電センサを小型に形成することできない。

また、特許文献２に記載の筋電センサは、生体側（皮膚側）が開口した構造である。このため、検出電極が外部環境の影響を受けやすく、信頼性および耐環境性に劣る可能性がある。また、検出電極を数百Ｈｚの周波数で振動させるため、生体の動作により生じる数十Ｈｚの周波数成分の影響を受けやすい。

したがって、本発明の目的は、信頼性が高く、筋電位をより正確に測定できる小型の筋電センサを提供することにある。

この発明の筋電センサは、生体の筋電位を測定する筋電センサであって、筋電位に応じた検出電流を出力するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子からなる検出部と、検出電流に基づいて筋電位を計測する計測部と、を備える。

この構成では、筋電位に応じた検出電流を出力する素子がＭＥＭＳ素子であるので、小型になり、ひいては筋電センサ自体が小型になる。

また、この発明の筋電センサは、次の構成であることが好ましい。筋電センサには、生体の表面に装着される検出用外部電極が備えられている。ＭＥＭＳ素子は、検出用外部電極に接続され、ＭＥＭＳ素子内に形成された検出用内部電極と、検出用内部電極に対する距離が可変であり、検出用内部電極との間の距離に応じた静電容量を形成する振動電極と、を備える。筋電センサとしての検出電流は、振動電極から出力される電流である。

この構成では、筋電位に応じた検出電流を出力する機構が、ＭＥＭＳ素子内に形成されているため、高い信頼性および耐環境性を実現できる。また、振動電極の振動に応じた周波数で静電容量が変化し、この静電容量の変化に応じた検出電流に筋電位を重畳させた形（言い換えれば、筋電位を静電容量変化の周波数で変調した形）で検出される。したがって、計測部で周波数振動に対する検波を行えば、筋電位を正確に測定することができる。

また、この発明の筋電センサは、検出用内部電極と振動電極とは、櫛歯電極であり、検出用内部電極と振動電極とで、ＩＤＴ構造を構成していることが好ましい。

この構成では、ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）構造を用いることで、小型でありながら、大きな静電容量を実現できる。したがって、小型でありながら、筋電位の検出性能を向上させることができる。

また、この発明の筋電センサは、検出用内部電極と振動電極との距離を所定の周波数で変化させる力を与える駆動部を備え、この駆動部は、筋電位の周波数成分よりも十分に高い周波数で検出用内部電極と振動電極との距離を変化させることが好ましい。

この構成では、上述の静電容量の変化に応じた検出電流に、筋電位による変化を重畳させた形からなる検出電流を得るための具体的な一構成例を示している。そして、十分に高い周波数を用いれば、筋電位の検出感度を向上させることができる。

また、この発明の筋電センサは次の構成であることが好ましい。検出用外部電極、検出用内部電極、および振動電極からなる電極の組は、複数である。計測部は、各電極の組で得られる検出電流に基づく筋電位を差動で検出する。

この構成では、筋電位を差動で出力することで、外部ノイズがキャンセルされ、筋電位の測定精度を向上させることができる。

また、この発明の筋電センサは、次の各構成であることが好ましい。

一例として、計測部は、ＩＣ化された計測用回路素子からなる。ＭＥＭＳ素子と計測用回路素子とが第１主面に実装され、検出用外部電極が第２主面に実装された平板状のベース基板と、ベース基板の第１主面を覆う形状からなる筐体と、をさらに備える。

また別の一例として、計測部は、ＩＣ化された計測用回路素子からなる。該計測用回路素子は、ＭＥＭＳ素子上に実装されている。計測用回路素子が実装されたＭＥＭＳ素子が第１主面に実装され、検出用外部電極が第２主面に実装された平板状のベース基板と、該ベース基板の第１主面を覆う形状からなる筐体と、をさらに備える。

これらの構成では、検出部と計測部とが密閉された筐体内に設置されるので、高い信頼性且つ耐環境性を有し、外部ノイズにも対しても強い筋電センサを実現できる。さらに、各素子が小型であるので、筋電センサを小型にできる。

この発明によれば、外部環境や生体の動作等の影響を殆ど受けることなく筋電位をより正確に測定できる小型且つ高信頼性の筋電センサを実現できる。

本発明の第１の実施形態に係る筋電センサ１０の構成を示す側面断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る筋電センサ１０の回路ブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳ素子２０の構造を示す電極パターン図である。 本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳ素子２０の構造を示すための断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る筋電センサ１０を用いた場合の筋電位の波形図、および、従来の静電容量型の筋電センサを用いた場合の筋電位の波形図を示す。 本発明の第２の実施形態に係る筋電センサ１０Ａの構成を示す側面断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る筋電センサ１０Ａの回路ブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳ素子２０Ａの構造を示す電極パターン図である。 本発明の別の筐体形状からなるＭＥＭＳ素子２０Ｂの構造を示すための断面図である。

本発明の第１の実施形態に係る筋電センサについて、図を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る筋電センサ１０の構成を示す側面断面図である。

本実施形態の筋電センサ１０は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子２０、計測用回路素子３０、ベース基板４０、検出用外部電極５１，５２、筐体６０、ワイヤ配線７０、ビア電極７１，７２を備える。ＭＥＭＳ素子２０は「検出部」に相当し、計測用回路素子３０は「計測部」に対応する。

ベース基板４０は絶縁性基板からなる。ベース基板４０の第１主面には、ＭＥＭＳ素子２０と計測用回路素子３０とが実装されている。計測用回路素子３０は、ＩＣである。ベース基板４０の第１主面とは反対側にある第２主面には、検出用外部電極５１，５２が所定間隔をおいて、形成されている。検出用外部電極５１は、ビア電極７１を介してＭＥＭＳ素子２０に接続され、検出用外部電極５２は、ビア電極７２を介してＭＥＭＳ素子２０に接続されている。ＭＥＭＳ素子２０と計測用回路素子３０とは、ワイヤ配線７０によって接続されている。ベース基板４０の第１主面側には、一つの面を開口した箱状の筐体６０が配設されている。この際、筐体６０は、開口面がベース基板４０側となるように配設される。この構成により、ＭＥＭＳ素子２０および計測用回路素子３０は、ベース基板４０および筐体６０で形成される閉空間内に配置される。これにより、ＭＥＭＳ素子２０および計測用回路素子３０は、外部環境から保護され、これらＭＥＭＳ素子２０および計測用回路素子３０に対して高い信頼性および耐環境性を実現できる。なお、筐体６０は、電磁シールド機能を有するものであるとよりよい。

このような筋電センサ１０は、検出用外部電極５１，５２が生体１００の皮膚表面に当接するように、配置される。

また、筋電センサ１０は、図２に示すような回路構成を実現している。図２は、本実施形態に係る筋電センサ１０の回路ブロック図である。

検出用外部電極５１は、接触抵抗１１０を介して生体１００に接続されている。検出用外部電極５１には、設置位置の皮膚下の筋肉の動きに応じた筋電位Ｖｈ１が印加される。

検出用外部電極５２は、接触抵抗１１０を介して生体１００に接続されている。検出用外部電極５２には、設置位置の皮膚下の筋肉の動きに応じた筋電位Ｖｈ２が印加される。

検出用外部電極５１は、ＭＥＭＳ素子２０の櫛歯電極２０４に接続されている。検出用外部電極５２は、ＭＥＭＳ素子２０の櫛歯電極２０５に接続されている。櫛歯電極２０４，２０５が本発明の「検出用内部電極」に相当する。

ＭＥＭＳ素子２０の櫛歯電極２０６は、計測用回路素子３０のＩＶ変換回路３０１に接続されている。ＭＥＭＳ素子２０の櫛歯電極２０７は、計測用回路素子３０のＩＶ変換回路３０２に接続されている。ＩＶ変換回路３０１，３０２は、電流−電圧変換回路である。櫛歯電極２０６，２０７は、本発明の「振動電極」に相当する。

ここで、櫛歯電極２０４，２０５，２０６，２０７の具体的な構造は後述するが、櫛歯電極２０４と櫛歯電極２０６とで第１の静電容量が形成され、櫛歯電極２０５と櫛歯電極２０７とで第２の静電容量が形成される。

ＩＶ変換回路３０１，３０２は、差動回路３０３に接続されている。差動回路３０３は、同期検波回路３０４に接続されている。同期検波回路３０４の出力端は、筋電センサ１０の出力端子１１に接続されている。

また、ＭＥＭＳ素子２０には駆動信号発生部３０５が接続されている。駆動信号発生部３０５から出力される高周波電圧の駆動信号は、ＭＥＭＳ素子２０に入力される。また、ＭＥＭＳ素子２０から出力されるモニター信号は、駆動信号発生部３０５に入力される。駆動信号発生部３０５は、モニター信号に基づいて、駆動信号の周波数を一定に制御する。なお、駆動信号発生部３０５から出力される駆動信号は、同期検波回路３０４へも入力される。また、駆動信号発生部３０５は、計測用回路素子３０内に設けてもよく、計測用回路素子３０とは別素子で形成してもよい。

次に、ＭＥＭＳ素子２０の具体的な構造について説明する。ＭＥＭＳ素子２０は、図３に示すような構成からなる。図３は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子２０の構造を示す電極パターン図である。また、図４は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子２０の構造を示すための断面図である。図４の断面図は、図３のＡ−Ａ’面を切った断面図である。

ＭＥＭＳ素子２０は、複数の櫛歯電極により構成されるＩＤＴ構造群を備える。より具体的に、ＭＥＭＳ素子２０は、櫛歯電極２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７から構成されている。

櫛歯電極２０１は、矩形状からなる複数の電極指２１１，２１２と、矩形状のバスバー２１３とから構成される。バスバー２１３の延びる方向に平行な各辺から、該バスバー２１３の延びる方向に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２１１および複数の電極指２１２が形成されている。

複数の電極指２１１は、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２１３の延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。複数の電極指２１２も、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２１３の延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。複数の電極指２１１の配列方向と複数の電極指２１２の配列方向は平行である。

櫛歯電極２０２は、櫛歯電極２０１の電極指２１１群が形成される側に、配置されている。櫛歯電極２０２は、矩形状からなる複数の電極指２２１と、矩形状のバスバー２２２とから構成される。バスバー２２２の延びる方向は、バスバー２１３の延びる方向と平行である。バスバー２２２の延びる方向に平行な櫛歯電極２０１側の辺から、該バスバー２２２の延びる方向に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２２１が形成されている。

複数の電極指２２１は、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２２２の延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０１の複数の電極指２１１と、櫛歯電極２０２の複数の電極指２２１は、これらの配列方向に沿って、交互に配設されている。言い換えれば、櫛歯電極２０１の電極指２１１間に櫛歯電極２０２の電極指２２１が配設され、櫛歯電極２０２の電極指２２１間に櫛歯電極２０１の電極指２１１が配設されている。これにより、駆動信号印加用のＩＤＴ構造が実現される。

櫛歯電極２０３は、櫛歯電極２０１の電極指２１２群が形成される側に、配置されている。櫛歯電極２０３は、矩形状からなる複数の電極指２３１と、矩形状のバスバー２３２とから構成される。バスバー２３２の延びる方向は、バスバー２１３の延びる方向と平行である。バスバー２３２の延びる方向に平行な櫛歯電極２０１側の辺から、該バスバー２３２の延びる方向に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２３１が形成されている。

複数の電極指２３１は、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２３２の延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０１の複数の電極指２１２と、櫛歯電極２０３の複数の電極指２３１は、これらの配列方向に沿って、交互に配設されている。言い換えれば、櫛歯電極２０１の電極指２１２間に櫛歯電極２０３の電極指２３１が配設され、櫛歯電極２０３の電極指２３１間に櫛歯電極２０１の電極指２１２が配設されている。これにより、駆動信号周波数のモニター用のＩＤＴ構造が実現される。

櫛歯電極２０４は、矩形状からなる複数の電極指２４１と、矩形状のバスバー２４２とから構成される。櫛歯電極２０５は、矩形状からなる複数の電極指２５１と、矩形状のバスバー２５２とから構成される。

バスバー２４２，２５２は、櫛歯電極２０１のバスバー２１３の延びる方向の一方端から、当該延びる方向に沿ってさらに延びる形状で形成されている。バスバー２４２，２５２の幅は、バスバー２１３の略半分の幅からなる。なお、ここで、幅とは、各バスバーの延びる方向に直交し、電極の主面に平行な方向の長さを示す。バスバー２４２は、バスバー２１３の電極指２１１側の略半分に続くような形状で形成され、バスバー２５２は、バスバー２１３の電極指２１２側の略半分に続くような形状で形成されている。

バスバー２１３、２４２，２５２のそれぞれの間には、互いに電気的に絶縁されるように、絶縁体２０８が介在されている。

バスバー２４２の延びる方向に平行なバスバー２５２が位置する側と反対側の辺から、該辺に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２４１が形成されている。複数の電極指２４１は、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２４２の延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

バスバー２５２の延びる方向に平行なバスバー２４２が位置する側と反対側の辺から、該辺に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２５１が形成されている。

複数の電極指２５１は、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２５２の延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０６は、櫛歯電極２０４の電極指２４１群が形成される側に、配置されている。櫛歯電極２０６は、矩形状からなる複数の電極指２６１と、矩形状のバスバー２６２とから構成される。バスバー２６２の延びる方向は、バスバー２４２の延びる方向と平行である。バスバー２６２の延びる方向に平行な櫛歯電極２４１側の辺から、該バスバー２６２の延びる方向に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２６１が形成されている。

複数の電極指２６１は、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２６２の延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０４の複数の電極指２４１と、櫛歯電極２０６の複数の電極指２６１は、これらの配列方向に沿って、交互に配設されている。言い換えれば、櫛歯電極２０４の電極指２４１間に櫛歯電極２０６の電極指２６１が配設され、櫛歯電極２０６の電極指２６１間に櫛歯電極２０４の電極指２４１が配設されている。これにより、筋電位検出用の第１のＩＤＴ構造が実現される。

櫛歯電極２０７は、櫛歯電極２０５の電極指２５１群が形成される側に、配置されている。櫛歯電極２０７は、矩形状からなる複数の電極指２７１と、矩形状のバスバー２７２とから構成される。バスバー２７２の延びる方向は、バスバー２５２の延びる方向と平行である。バスバー２７２の延びる方向に平行な櫛歯電極２５１側の辺から、該バスバー２７２の延びる方向に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２７１が形成されている。

複数の電極指２７１は、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２７２の延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０５の複数の電極指２５１と、櫛歯電極２０７の複数の電極指２７１は、これらの配列方向に沿って、交互に配設されている。言い換えれば、櫛歯電極２０５の電極指２５１間に櫛歯電極２０７の電極指２７１が配設され、櫛歯電極２０７の電極指２７１間に櫛歯電極２０５の電極指２５１が配設されている。これにより、筋電位検出用の第２のＩＤＴ構造が実現される。

上述のＭＥＭＳ素子２０を構成する各櫛歯電極２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７は、図４に示すように、上側ケース４０１と、下側ケース４０２とによって形成される内部空間に密閉されている。この際、内部空間は、減圧状態もしくは真空状態にされている。このような減圧状態もしくは真空状態であれば、振動に対する空気抵抗等が抑圧でき、感度を向上させることができる。そして、このような減圧状態もしくは真空状態を実現するために、上側ケース４０１および下側ケース４０２は、ガラスもしくはＳｉから形成されている。

櫛歯電極２０１、櫛歯電極２０５、櫛歯電極２０４（図４には図示せず）、および絶縁体２０８からなる一体型の電極は、バネ２０９を介して、支持電極４００に接続されている。バネ２０９は、櫛歯電極２０１，２０４，２０５と同じ材料で形成されている。バネ２０９は、所定の弾性を有するように、例えばミアンダ形状に形成されている。

支持電極４００も、バネ２０９と同様に、櫛歯電極２０１，２０４，２０５と同じ材料で形成されている。支持電極４００は、上側ケース４０１および下側ケース４０２によって主面が狭持されている。この構造により、櫛歯電極２０１、櫛歯電極２０５、櫛歯電極２０４（図４には図示せず）、および絶縁体２０８からなる一体型の電極は、振動可能な状態で支持される。また、櫛歯電極２０１，２０４，２０５は、バネ２０９、支持電極４００を介して外部回路へ接続される。なお、図４では、櫛歯電極２０２，２０３，２０６，２０７も図示していないが、これらは、上側ケース４０１および下側ケース４０２に固定設置されている。

このような構造からなるＭＥＭＳ素子２０は、上述のように、櫛歯電極２０４，２０５が検出用外部電極５１，５２にそれぞれ接続され、櫛歯電極２０６，２０７がＩＶ変換回路３０１，３０２にそれぞれ接続されている。また、櫛歯電極２０１は接地されている。櫛歯電極２０２には、駆動信号発生部３０５の出力端が接続されている。また、櫛歯電極２０３には、駆動信号発生部３０５の入力端が接続されている。

以上の機構的構成および回路構成により、筋電センサ１０は、次に示すように、筋電位を測定する。

駆動信号発生部３０５から高周波の駆動信号が櫛歯電極２０２に印加されると、駆動信号の電圧に応じた電位差が、櫛歯電極２０１の電極指２１１と櫛歯電極２０２の電極指２２１との間に生じる。これにより、駆動信号の周波数に応じて変動する静電力が発生し、当該発生した静電力とバネ２０９の弾性との関係に応じて、電極指２１１と電極指２２１との距離が変化する。すなわち、櫛歯電極２０１に対して櫛歯電極２０２が相対的に振動する。

櫛歯電極２０４，２０５は、櫛歯電極２０１と物理的に接合されているので、上記振動により、櫛歯電極２０６は、櫛歯電極２０４に対して相対的に振動し、櫛歯電極２０７は、櫛歯電極２０５に対して相対的に振動する。これにより、櫛歯電極２０４、２０６間に生じる第１静電容量Ｃ１と、櫛歯電極２０５，２０７間に生じる第２静電容量Ｃ２とは、駆動信号の周波数に応じて、周期的に変化する。

第１静電容量Ｃ１は、駆動信号の各周波数をωとし、定常状態の静電容量をＣ１_０とし、ΔＣを変動量とし、ｔを時刻とすると、式１で表される。

Ｃ１＝Ｃ１_０＋ΔＣ・ｓｉｎ（ωｔ） −（式１）
これにより、櫛歯電極２０４に印加される筋電位をＶｈ１とすると、発生する電荷の変動量ΔＱ１は、式２で表される。

ΔＱ１＝Ｖｈ１・ΔＣ・ｓｉｎ（ωｔ） −（式２）
したがって、櫛歯電極２０６からＩＶ変換回路３０１へ出力される検出電流Ｉ１は、式３で表される。

Ｉ１＝ΔＱ１／Δｔ＝Ｖｈ１・ΔＣ・ω・ｃｏｓ（ωｔ） −（式３）
同様に、櫛歯電極２０５に印加される筋電位をＶｈ２とし、第２静電容量Ｃ２を第１静電容量Ｃ１と同様に考え、発生する電荷の変動量ΔＱ２を変動量ΔＱ１と同様に考えると、櫛歯電極２０７からＩＶ変換回路３０２へ出力される検出電流Ｉ２は、式４で表される。

Ｉ２＝ΔＱ２／Δｔ＝Ｖｈ２・ΔＣ・ω・ｃｏｓ（ωｔ） −（式４）
このように、本実施形態の構成を用いることで、測定位置の筋電位に応じた検出電流を得ることができる。

ＩＶ変換回路３０１は、検出電流Ｉ１を電圧変換し、差動回路３０３へ出力する。ＩＶ変換回路３０２は、検出電流Ｉ２を電圧変換し、差動回路３０３へ出力する。差動回路３０３は、検出電流Ｉ１に基づく電圧と検出電流Ｉ２に基づく電圧を差動増幅して、同期検波回路３０４へ出力する。同期検波回路３０４は、差動信号を駆動信号によって同期検波し、筋電位の差分（Ｖｈ１−Ｖｈ２）からなる検出データを出力する。

このようにして、本実施形態の構成を用いれば、筋電位を測定できるが、本実施形態の構成を用いれば、次に示す各効果を得ることができる。図５（Ａ）は本実施形態の筋電センサ１０を用いた場合の筋電位の波形図であり、図５（Ｂ）は従来の静電容量型の筋電センサを用いた場合の筋電位の波形図である。なお、図５では、１点の計測結果を示す。すなわち、検出電流Ｉ１に基づく筋電位の波形や検出電流Ｉ２に基づく筋電位の波形を示す。

本実施形態に示すように、ＭＥＭＳ素子２０を用いることで、静電容量を形成する櫛歯電極２０４と櫛歯電極２０６との間隔並びに櫛歯電極２０５と櫛歯電極２０７との間隔を極狭くすることができる。したがって、小型でありながら静電容量を大きくすることができる。また、ＭＥＭＳ素子２０を用いることで、櫛歯電極を振動させる駆動信号の周波数を高くすることができる。

これらにより、従来構成では図５（Ｂ）に示すように感度が低くなるが、本実施形態の構成では、図５（Ａ）に示すように、高感度に筋電位を測定することができる。すなわち、小型でありながら、筋電位の検出精度が高い筋電センサを実現できる。また、駆動信号を高周波化できることで、生体１００の不要な動作（例えば、測定箇所が移動すること）によって生じるノイズの影響を受け難くすることができる。

また、上述のように、本実施形態では、外部環境から遮断されたＭＥＭＳ素子２０内で検出電流が発生するので、従来構成では図５（Ｂ）に示すように外的ノイズの影響を受けやすいのに対して、本実施形態の構成では、静止時、動作時に関係なく、図５（Ａ）に示すように外部ノイズに影響されていない筋電位の波形が得られる。これにより、信頼性が高く且つ耐環境性の高い筋電センサを実現できる。

さらに、本実施形態に示すように差動電圧を用いることで、さらに外的なノイズの影響をキャンセルして、より精度良く筋電位を測定することができる。

次に、第２の実施形態に係る筋電センサについて、図を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る筋電センサ１０Ａの構成を示す側面断面図である。図７は、本実施形態に係る筋電センサ１０Ａの回路ブロック図である。

本実施形態の筋電センサ１０Ａは、第１の実施形態に示した筋電センサ１０に対して、アクチュエータ８０でＭＥＭＳ素子２０Ａに振動を与える機構を有するものである。そして、この機構に応じて、ＭＥＭＳ素子２０Ａの構造が異なるものである。したがって、異なる箇所のみを詳細に説明する。

アクチュエータ８０は、例えば圧電アクチュエータからなり、ＭＥＭＳ素子２０Ａの側面に当接するようにして、ベース基板４０の第１主面へ実装されている。アクチュエータ８０には、駆動信号発生部３０５が接続されている。アクチュエータ８０は、駆動信号発生部３０５からの駆動信号により作動し、上述のような高周波数の振動をＭＥＭＳ素子２０Ａに与える。

ＭＥＭＳ素子２０Ａは、図８に示すような構造からなる。図８は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子２０Ａの構造を示す電極パターン図である。

ＭＥＭＳ素子２０Ａは、複数の櫛歯電極により構成されるＩＤＴ構造群を備える。これらのＩＤＴ構造群は、詳細を図示しないが外部から保護される構造となっている。本実施形態のＭＥＭＳ素子２０Ａは、第１の実施形態に示したＭＥＭＳ素子２０に対して、駆動信号発生部３０５からの駆動信号を受けるＩＤＴを省略したものであり、他の基本的な構造は、第１の実施形態に示したＭＥＭＳ素子２０と同じである。

具体的には、ＭＥＭＳ素子２０Ａは、櫛歯電極２０１Ａ，２０３Ａ，２０４Ａ，２０５Ａ，２０６Ａ，２０７Ａから構成されている。

櫛歯電極２０１Ａは、矩形状からなる複数の電極指２１２Ａと、矩形状のバスバー２１３Ａとから構成される。バスバー２１３Ａの幅（バスバー２１３Ａの延びる方向に対して直交し、電極の主面（平板面）に平行な方向の長さ）は、第１の実施形態に示したバスバー２１３の幅の略半分である。バスバー２１３Ａの延びる方向に平行な一方の辺から、該バスバー２１３Ａの延びる方向に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２１２Ａが形成されている。

複数の電極指２１２Ａは、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２１３Ａの延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０３Ａは、櫛歯電極２０１Ａの電極指２１２Ａ群が形成される側に、配置されている。櫛歯電極２０３Ａは、矩形状からなる複数の電極指２３１Ａと、矩形状のバスバー２３２Ａとから構成される。バスバー２３２Ａの延びる方向は、バスバー２１３Ａの延びる方向と平行である。バスバー２３２Ａの延びる方向に平行な櫛歯電極２０１Ａ側の辺から、該バスバー２３２Ａの延びる方向に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２３１Ａが形成されている。

複数の電極指２３１Ａは、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２３２Ａの延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０１Ａの複数の電極指２１２Ａと、櫛歯電極２０３Ａの複数の電極指２３１Ａは、これらの配列方向に沿って、交互に配設されている。言い換えれば、櫛歯電極２０１Ａの電極指２１２Ａ間に櫛歯電極２０３Ａの電極指２３１Ａが配設され、櫛歯電極２０３Ａの電極指２３１Ａ間に櫛歯電極２０１Ａの電極指２１２が配設されている。これにより、駆動信号周波数のモニター用のＩＤＴ構造が実現される。

櫛歯電極２０４Ａは、矩形状からなる複数の電極指２４１Ａと、矩形状のバスバー２４２Ａとから構成される。櫛歯電極２０５Ａは、矩形状からなる複数の電極指２５１Ａと、矩形状のバスバー２５２Ａとから構成される。

バスバー２４２Ａ，２５２Ａは、櫛歯電極２０１Ａのバスバー２１３Ａに沿うように形成されている。バスバー２４２Ａ，２５２Ａは、バスバー２１３Ａにおける複数の電極指２１２Ａが形成される側と反対側に配置される。バスバー２４２Ａ，２５２Ａの延びる方向は、バスバー２１３Ａの延びる方向と同じ（平行）であり、当該延びる方向に沿って、連続して形成されている。バスバー２４２Ａ，２５２Ａの幅は、バスバー２１３Ａと略同じである。

バスバー２１３Ａ、２４２Ａ，２５２Ａのそれぞれの間には、互いに電気的に絶縁されるように、絶縁体２０８Ａが介在されている。

バスバー２４２Ａの延びる方向に平行なバスバー２１３Ａが位置する側と反対側の辺から、該辺に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２４１Ａが形成されている。複数の電極指２４１Ａは、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２４２Ａの延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

バスバー２５２Ａの延びる方向に平行なバスバー２１３Ａが位置する側と反対側の辺から、該辺に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２５１Ａが形成されている。

複数の電極指２５１Ａは、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２５２Ａの延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０６Ａは、櫛歯電極２０４Ａの電極指２４１Ａ群が形成される側に、配置されている。櫛歯電極２０６Ａは、矩形状からなる複数の電極指２６１Ａと、矩形状のバスバー２６２Ａとから構成される。バスバー２６２Ａの延びる方向は、バスバー２４２Ａの延びる方向と平行である。バスバー２６２Ａの延びる方向に平行な櫛歯電極２４１Ａ側の辺から、該バスバー２６２Ａの延びる方向に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２６１Ａが形成されている。

複数の電極指２６１Ａは、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２６２Ａの延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０４Ａの複数の電極指２４１Ａと、櫛歯電極２０６Ａの複数の電極指２６１Ａは、これらの配列方向に沿って、交互に配設されている。言い換えれば、櫛歯電極２０４Ａの電極指２４１Ａ間に櫛歯電極２０６Ａの電極指２６１Ａが配設され、櫛歯電極２０６Ａの電極指２６１Ａ間に櫛歯電極２０４Ａの電極指２４１Ａが配設されている。これにより、筋電位検出用の第１のＩＤＴ構造が実現される。

櫛歯電極２０７Ａは、櫛歯電極２０５Ａの電極指２５１Ａ群が形成される側に、配置されている。櫛歯電極２０７Ａは、矩形状からなる複数の電極指２７１Ａと、矩形状のバスバー２７２Ａとから構成される。バスバー２７２Ａの延びる方向は、バスバー２５２Ａの延びる方向と平行である。バスバー２７２Ａの延びる方向に平行な櫛歯電極２５１Ａ側の辺から、該バスバー２７２Ａの延びる方向に対する法線方向へ突出するように、複数の電極指２７１Ａが形成されている。

複数の電極指２７１Ａは、それぞれの突出する方向、すなわち延びる方向に対する法線方向（バスバー２７２Ａの延びる方向）に沿って、所定間隔で形成されている。

櫛歯電極２０５Ａの複数の電極指２５１Ａと、櫛歯電極２０７Ａの複数の電極指２７１Ａは、これらの配列方向に沿って、交互に配設されている。言い換えれば、櫛歯電極２０５Ａの電極指２５１Ａ間に櫛歯電極２０７Ａの電極指２７１Ａが配設され、櫛歯電極２０７Ａの電極指２７１Ａ間に櫛歯電極２０５Ａの電極指２５１Ａが配設されている。これにより、筋電位検出用の第２のＩＤＴ構造が実現される。

このような構造からなるＭＥＭＳ素子２０Ａは、櫛歯電極２０４Ａ，２０５Ａが検出用外部電極５１，５２にそれぞれ接続され、櫛歯電極２０６Ａ，２０７ＡがＩＶ変換回路３０１，３０２にそれぞれ接続されている。また、櫛歯電極２０１Ａは接地されている。櫛歯電極２０３Ａには、駆動信号発生部３０５の入力端が接続されている。

このような構造であっても、第１の実施形態と同様に、耐環境性および信頼性が高く、ノイズの影響を受けにくい筋電センサを実現することができる。さらに、本実施形態の構成では、ＭＥＭＳ素子を小型化できる。また、駆動信号がＭＥＭＳ素子２０Ａ内に印加されないので、駆動信号による筋電位の検出結果への影響を、さらに抑制することができる。

なお、上述の各実施形態では、ＭＥＭＳ素子と計測用回路素子とを並べて、ベース基板上に実装する例を示した。しかしながら、ＭＥＭＳ素子上に計測用回路素子を実装し、当該計測用回路素子を実装したＭＥＭＳ素子をベース基板に実装する構成を用いてもよい。この場合にも、ＭＥＭＳ素子と計測用回路素子とが外部環境から遮蔽されるように、筐体で覆う構成を用いる。

また、上述の説明では、ガラスもしくはＳｉからなる上側ケース４０１および下側ケース４０２を用いた例を示したが、図９に示すような構造であってもよい。図９は、別の筐体形状からなるＭＥＭＳ素子２０Ｂの構造を示すための断面図である。図９に示すＭＥＭＳ素子２０Ｂは、櫛歯電極の構造、下側ケース４０２、バネ２０９、および、支持電極４００の構造は、第１の実施形態で示したＭＥＭＳ素子２０と同じである。ＭＥＭＳ素子２０Ｂは、上側ケース４０１ＡをＩＣで形成している。このような構成であっても、上述の各実施形態に示したような作用効果が得られる。さらに、図９に示すＭＥＭＳ素子２０Ｂの構造を用いることで、計測用回路素子３０を構成する回路素子の一部もしくは全部を、ＩＣからなる上側ケース４０１Ａで実現できる。これにより、さらに小型の筋電センサを実現することができる。

また、上述の各実施形態では、所定間隔をおく二点での筋電位の差動を検出する例を示したが、一点の筋電位を測定する場合にも、上述の構成を適用することができる。そして、この場合には、検出用外部電極、検出用内部電極及び振動電極に相当する櫛歯電極は、一組あればよい。

１０，１０Ａ：筋電センサ、
２０，２０Ａ：ＭＥＭＳ素子、
３０：計測用回路素子、
４０：ベース基板、
５１，５２：検出用外部電極、
６０：筐体、
７０：ワイヤ配線、７１，７２：ビア電極、
８０：アクチュエータ、
２０１，２０１Ａ，２０２，２０３，２０３Ａ，２０４，２０４Ａ，２０５，２０５Ａ，２０６，２０６Ａ，２０７，２０７Ａ：櫛歯電極、
２１１，２１２，２１２Ａ，２２１，２３１，２３１Ａ，２４１，２４１Ａ，２５１，２５１Ａ，２６１，２６１Ａ，２７１，２７１Ａ：電極指、
２１３，２１３Ａ，２２２，２３２，２３２Ａ，２４２，２４２Ａ，２５２，２５２Ａ，２６２，２６２Ａ，２７２，２７２Ａ：バスバー、
２０８，２０８Ａ：絶縁体、
２０９：バネ、
３０１，３０２：ＩＶ変換回路、
３０３：差動回路、
３０４：同期検波回路、
３０５：駆動信号発生部、
４００：支持電極、
４０１，４０１Ａ：上側ケース、
４０２：下側ケース

Claims (9)

1. 生体の筋電位を測定する筋電センサであって、
   前記筋電位に応じた検出電流を出力するＭＥＭＳ素子からなる検出部と、
   前記検出電流に基づいて筋電位を計測する計測部と、を備え、
   前記ＭＥＭＳ素子は、
   前記ＭＥＭＳ素子内に設けられた内部電極と、
   前記内部電極との間に静電容量を形成する振動電極と、を備えた、
   筋電センサ。
2. 前記振動電極は、前記内部電極に対する距離が可変であり、前記内部電極との間に前記距離に応じた静電容量を形成する、請求項１に記載の筋電センサ。
3. 前記検出電流は、前記振動電極から出力される電流であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の筋電センサ。
4. 前記内部電極と前記振動電極とは、櫛歯電極であり、
   前記内部電極と前記振動電極とで、ＩＤＴ構造を構成している、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の筋電センサ。
5. 前記内部電極と前記振動電極との距離を所定の周波数で変化させる力を与える駆動部を更に備え、
   該駆動部は、前記筋電位の周波数成分よりも十分に高い周波数で前記内部電極と前記振動電極との距離を変化させる、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の筋電センサ。
6. 前記内部電極に接続されており、前記生体の表面に装着される、外部電極を更に備える、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の筋電センサ。
7. 前記外部電極、前記内部電極、および前記振動電極からなる電極の組は、複数であり、
   前記計測部は、各電極の組で得られる検出電流に基づく筋電位を差動で検出する、請求項６に記載の筋電センサ。
8. 前記計測部は、ＩＣ化された計測用回路素子からなり、
   前記ＭＥＭＳ素子と前記計測用回路素子とが第１主面に実装され、前記外部電極が第２主面に形成された平板状のベース基板と、
   該ベース基板の前記第１主面を覆う形状からなる筐体と、
   をさらに備える、請求項６または請求項７に記載の筋電センサ。
9. 前記計測部は、ＩＣ化された計測用回路素子からなり、
   該計測用回路素子は、前記ＭＥＭＳ素子上に実装され、
   前記計測用回路素子が実装されたＭＥＭＳ素子が第１主面に実装され、前記外部電極が第２主面に形成された平板状のベース基板と、
   該ベース基板の前記第１主面を覆う形状からなる筐体と、
   をさらに備える、請求項６または請求項７に記載の筋電センサ。

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