生体電気信号検出装置
【課題】ダイナミックレンジを小さくしつつ、生体電気信号からノイズを除去する生体電気信号検出装置を提供すること。
【解決手段】生体電気信号検出装置は、ユーザに発生する電気信号を検出する電極Ｅ（ｃｈ１、ＧＮＤ、ＲＥＦなど）と、電極で検出される電気信号を増幅させる増幅手段１０１（１０１ｃなど）とを含む複数の検出手段１００（１００ａ、１００ｂ、１００ｃなど）と、複数の検出手段１００から出力される信号のうちの２つを差動増幅する一又は複数の差動増幅手段１１０（１１０ａなど）とを含む。増幅手段１０１は、ユーザ及び電極の接触インピーダンスより高い入力インピーダンスを有し、電極Ｅと差動増幅手段１１０との間に設けられる。
【解決手段】生体電気信号検出装置は、ユーザに発生する電気信号を検出する電極Ｅ（ｃｈ１、ＧＮＤ、ＲＥＦなど）と、電極で検出される電気信号を増幅させる増幅手段１０１（１０１ｃなど）とを含む複数の検出手段１００（１００ａ、１００ｂ、１００ｃなど）と、複数の検出手段１００から出力される信号のうちの２つを差動増幅する一又は複数の差動増幅手段１１０（１１０ａなど）とを含む。増幅手段１０１は、ユーザ及び電極の接触インピーダンスより高い入力インピーダンスを有し、電極Ｅと差動増幅手段１１０との間に設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体電気信号検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人間の脳波や筋電を検出することが行われている。例えば、人間の頭部に接触させた電極から得られる電気信号（以降、生体電気信号という。）に基づいてコンピュータを操作する装置が知られている（特許文献１）。また、検出された生体電気信号に基づいてユーザの集中力を測定する方法（特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１６６０５０号公報
【特許文献２】特表２００２−５０３５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような技術において、ユーザの体には種々のノイズが発生するため、生体電気信号からノイズの成分を除去しなければならない。所定周波数成分を取り除くフィルタリング処理を生体電気信号に施してノイズを除去することも考えられるが、ノイズの成分は、ユーザの生体活動による信号成分に比べて振幅が大きいので、ダイナミックレンジの大きい高コストな回路が必要になる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ダイナミックレンジを小さくしつつ、生体電気信号からノイズを除去することが可能な生体電気信号検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る生体電気信号検出装置は、ユーザに発生する電気信号を検出する電極と、当該電極で検出される電気信号を増幅させる増幅手段と、を含む複数の検出手段と、前記複数の検出手段から出力される信号のうちの２つを差動増幅する一又は複数の差動増幅手段と、を含み、前記増幅手段は、前記ユーザ及び前記電極の接触インピーダンスより高い入力インピーダンスを有し、前記電極と前記差動増幅手段との間に設けられることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、ダイナミックレンジを小さくしつつ、生体電気信号からノイズを除去することが可能になる。
【０００８】
また、本発明の一態様では、前記増幅手段は、前記電極と前記増幅手段との距離が、前記増幅手段と前記差動増幅手段との距離よりも短い位置に設けられることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の一態様では、前記生体電気信号検出装置は、前記差動増幅手段の出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器を含み、前記複数の検出手段は、第１の電極及び第１の増幅手段を含む第１の検出手段と、第２の電極及び第２の増幅手段を含む第２の検出手段と、を少なくとも含み、前記Ａ／Ｄ変換器の入力電圧範囲をＶｍｉｎ〜Ｖｍａｘとし、前記第１の増幅手段の入力インピーダンスをＲｉａとし、前記第２の増幅手段の入力インピーダンスをＲｉｃとし、前記第１の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをＲｔ１とし、前記第２の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをＲｔ２とし、前記第１の電極と前記第１の増幅手段との距離をＬ１とし、前記第２の電極と前記第２の増幅手段との距離をＬ２とし、前記第１の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ１が増加すると大きくなるノイズの電圧をＶｔｏｔａｌ１（Ｌ１）とし、前記第２の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ２が増加すると大きくなるノイズの電圧をＶｔｏｔａｌ２（Ｌ２）とし、前記差動増幅手段の増幅度をＡｖとし、前記第１の増幅手段の増幅度をＡａとし、前記第２の増幅手段の増幅度をＡｃとし、前記第１の電極によって検出された電気信号の電圧をＶｃｈ１とし、前記第２の電極によって検出された電気信号の電圧をＶｒｅｆとした場合、請求項に記載の関係式（１）〜（５）を満たすように、前記第１の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、前記第２の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、が設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様では、前記増幅手段は、増幅度が１倍のアンプであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の一態様では、前記複数の検出手段は、前記ユーザの前頭部と接触する第１の電極を含む第１の検出手段と、前記ユーザの耳と接触する第２の電極を含む第２の検出手段と、を少なくとも含み、前記一又は複数の差動増幅手段は、前記第１の検出手段と前記第２の検出手段との出力信号を差動増幅することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】生体電気信号検出装置が使用される様子を示す図である。
【図２】生体電気信号検出装置の外観斜視図である。
【図３】電極が検出する生体電気信号の測定波形を示す図である。
【図４】飽和した測定波形を示す図である。
【図５】電極が検出する生体電気信号を示す図である。
【図６】電極と電極との差動電圧の波形を示す図である。
【図７】本実施形態における生体電気信号検出装置の回路構成の模式図である。
【図８】差動入力部の回路構成の一例を説明するための図である。
【図９】出力信号電圧のノイズ成分と接触インピーダンスとの関係を示す図である。
【図１０】電磁誘導電圧を示す回路図である。
【図１１】本発明に係るバッファアンプを含む回路構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態の一例について図面に基づき詳細に説明する。まず、本発明に係る生体電気信号検出装置１について説明する。
【００１４】
図１は、生体電気信号検出装置１が使用される様子を示す図である。図１に示すように、生体電気信号検出装置１は、例えば、ユーザＨの頭部に装着される。生体電気信号検出装置１は、ユーザＨの生体活動を示す生体電気信号を検出する。
【００１５】
ケーブルＣは、生体電気信号検出装置１から出力される生体電気信号をゲーム装置２００に入力するためのものである。なお、生体電気信号検出装置１が検出する生体電気信号は、無線通信によってゲーム装置２００に送られるようにしてもよい。
【００１６】
生体電気信号検出装置１から検出される生体電気信号は、ゲーム装置２００において、種々の用途に用いられる。例えば、ゲーム装置２００に、生体電気信号の変化の特徴と、ゲーム操作と、を対応付けて記憶しておき、生体電気信号検出装置１が検出する生体電気信号が、ゲームの操作に用いられるようにしてよい。また例えば、生体電気信号の変化に応じてゲーム音楽が変更されるようにしてもよい。
【００１７】
［生体電気信号検出装置の構成］
図２は、生体電気信号検出装置１の外観斜視図である。図２に示すように、生体電気信号検出装置１は、基板ボックス１０、電池ボックス２０、前頭部バンド３０、後頭部ベルト４０、及びイヤホン５０を含む。
【００１８】
また、本実施形態の生体電気信号検出装置１は、ユーザＨに接触させる４つの電極を含む。これらの電極は、例えば、塩化銀からなる接触面や銀からなる導電材を含んで構成され、ユーザＨに発生する生体電気信号を検出する。なお、本実施形態においては、導電性ジェルを介してユーザＨと接触する湿式電極ではなく、ユーザＨと電極の接触面が直接接触する乾式電極を想定する。また、電極材料は、上記の例に限られず、種々の材料を適用可能である。
【００１９】
以降、この４つの電極を、それぞれ、電極ｃｈ１，ｃｈ２，ＧＮＤ，ＲＥＦという。また、これらの４つの電極を、まとめて電極Ｅともいう。電極ｃｈ１，ｃｈ２（何れかが第１の電極）は、前頭部バンド３０に配置され、ユーザＨの前頭部の皮膚と接触する。電極ＧＮＤ，ＲＥＦ（第２の電極）は、イヤホン５０に配置され、ユーザＨの耳の皮膚と接触する。
【００２０】
基板ボックス１０は、例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を装着した場合にユーザＨの右側頭部に位置する。基板ボックス１０の内部には、生体電気信号検出装置１を統括的に制御するマイコン部（図２には示さず。図７参照。）を含む基板が格納される。
【００２１】
基板ボックス１０の内部にあるマイコン部の制御によって、生体電気信号検出装置１は電極Ｅから検出した生体電気信号に対して、ノイズ除去処理、増幅処理、Ａ／Ｄ変換処理、及び周波数解析処理等を施して外部装置（例えば、ゲーム装置２００）に送信する。
【００２２】
電池ボックス２０は、例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を装着した場合にユーザＨの左側頭部に位置する。電池ボックス２０は、生体電気信号検出装置１の各部に電力を供給する。電池ボックス２０は、開閉自在であり、例えば、内部に複数の乾電池を格納できるようになっている。
【００２３】
また、電池ボックス２０は、例えば、電源スイッチ２１、電源ランプ２２、及び通信ランプ２３を含む。電源スイッチ２１は、電力の供給のオン／オフを切り替えるためのスイッチである。電源スイッチ２１が操作されて電力が供給されると、電源ランプ２２が点灯する。また、電源スイッチ２１の操作によって、電力の供給が終了されると、電源ランプ２２が消灯する。通信ランプ２３は、基板ボックス１０のマイコン部が外部端末（例えば、ゲーム装置２００）と通信しているか否かを示すためのものである。
【００２４】
前頭部バンド３０は、例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を装着した場合にユーザＨの前頭部に位置する。前頭部バンド３０の内側（即ち、ユーザＨの額と接触する側）には、２つの電極ｃｈ１，ｃｈ２が配置されている。
【００２５】
電極ｃｈ１は、例えば、ユーザＨの右側の額（例えば、右眉の上の皮膚）と接触して、生体電気信号を検出する。一方、電極ｃｈ２は、例えば、ユーザＨの左側の額（例えば、左眉の上の皮膚）と接触して、生体電気信号を検出する。
【００２６】
電極ｃｈ１，ｃｈ２と、基板ボックス１０に格納されるマイコン部と、は電気的に接続されている。即ち、電極ｃｈ１，ｃｈ２によって検出された生体電気信号は、基板ボックス１０のマイコン部に対して送られる。なお、電極ｃｈ１，ｃｈ２と基板ボックス１０のマイコン部とを電気的に接続するための配線（電極コード）は、前頭部バンド３０の内部に格納されていてよい。
【００２７】
後頭部ベルト４０は、例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を装着した場合にユーザＨの後頭部に位置する。後頭部ベルト４０は、バックル４１を含み、長さが調節可能になっている。
【００２８】
ユーザＨは、電極ｃｈ１，ｃｈ２と前頭部とが隙間なく接触するように、後頭部ベルト４０の長さを調整する。つまり、ユーザＨは、頭のサイズに合わせて生体電気信号検出装置１を装着し、前頭部に配置される電極ｃｈ１，ｃｈ２の位置をずれないようにすることができる。
【００２９】
イヤホン５０は、ユーザＨの耳に装着される。イヤホン５０は、電極ＲＥＦ，ＧＮＤと、アンプ基板５１と、を含む。電極ＲＥＦ及び電極ＧＮＤは、ユーザＨがイヤホン５０を装着（挿入）した場合に、ユーザＨの耳の皮膚と接触する位置に配置される。
【００３０】
例えば、電極ＲＥＦは、ユーザＨの右耳の皮膚と接触し、右耳周辺の生体電気信号を検出する。また例えば、電極ＧＮＤは、ユーザＨの左耳の皮膚と接触し、左耳周辺の生体電気信号を検出する。
【００３１】
アンプ基板５１は、サウンドバッファ等を含み、楽曲や音声等の出力を制御する。イヤホン５０から出力される楽曲や音声のデータは、例えば、基板ボックス１０のマイコン部の制御により、ゲーム装置２００から取得されるようにしてよい。
【００３２】
また、基板ボックス１０のマイコン部と、電極ＲＥＦ，ＧＮＤ及びアンプ基板５１と、は電気的に接続されている。なお、基板ボックス１０のマイコン部と電極ＧＮＤとを電気的に接続するための配線（電極コード）は、電池ボックス２０及び前頭部バンド３０の内部に格納されていてよい。
【００３３】
［電極から得られる生体電気信号］
次に、電極Ｅから得られる生体電気信号について説明する。電極Ｅは、ユーザＨの皮膚と接触し、接触箇所の周辺の電位変化を検出する。
【００３４】
本実施形態においては、電極ｃｈ１，ｃｈ２は、ユーザＨの額と接触することにより、ユーザＨの脳の神経細胞や、額周辺の筋肉の電位の集計を検出する。例えば、ユーザＨが目を動かしたり、瞳を瞬いた場合等には、電極ｃｈ１と電極ｃｈ２から所定の周波数成分の生体電気信号が強く検出される。また例えば、ユーザＨが興奮した場合には脳の神経細胞が活性化するので、安静時よりも生体電気信号の大きな電位の変化が検出される。
【００３５】
一方、電極ＧＮＤ，ＲＥＦは、ユーザＨの耳と接触することにより、ユーザＨの耳周辺の筋肉の電位の集計を検出する。電極ＧＮＤから検出する生体電気信号は、ユーザＨの基準電圧を示すものとして用いられる。電極ＲＥＦから検出される生体電気信号は、例えば、電極ｃｈ１，ｃｈ２から検出される生体電気信号から、ノイズ成分を除去するために用いられる。
【００３６】
ここで、生体電気信号に含まれるノイズについて説明する。例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を使用する際の周囲の環境に起因して、生体電気信号には種々のノイズが含まれる。例えば、ユーザＨに帯電する静電気の変動によって発生するノイズが、一例として挙げられる。
【００３７】
また例えば、ユーザＨの周囲の機器（例えば、商用電源）からユーザＨの体に静電誘導されるハムノイズが発生する。例えば、ユーザＨが家庭用電気コンセントの近くにいる場合、ユーザＨは、この家庭用電気コンセントから発生する磁場の影響を受けて、ノイズが発生する。
【００３８】
上記のようなノイズは、ユーザＨの頭の全体にほぼ均一に乗っていることが知られている。つまり、電極Ｅから検出される生体電気信号は、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の成分と、ノイズ信号の成分と、が合算されたものである。
【００３９】
図３は、電極Ｅが検出する生体電気信号の測定波形を示す図である。なお、電極ｃｈ１及び電極ｃｈ２が検出する生体電気信号は、共に同様の波形を示すため、ここでは電極ｃｈ１を例に挙げて説明する。図３に示すように、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号の測定波形（図３の実線）は、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の成分（図３の点線）と、ユーザＨの体に発生するノイズ信号の成分（図３の一点鎖線）と、が合算されたものである。
【００４０】
なお、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の信号強度は、数十μＶ〜数百μＶであり、ノイズ信号の信号強度は、数百ｍＶ程度であることが知られているが、図３では、説明の都合上、これらの縮尺を一致させていない。
【００４１】
ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号を検出して、ゲーム装置２００のゲーム操作等に用いるためには、電極Ｅから検出される生体電気信号からノイズ成分を除去しなければならない。
【００４２】
ここで、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の周波数は、ノイズ信号の周波数（例えば、５０Ｈｚ程度）に比べて低周波（例えば、２Ｈｚ〜４０Ｈｚ程度）であることが知られている。したがって、生体電気信号検出装置１は、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号を、デジタルデータに変換してフィルタリング処理を行うことによってノイズの周波数成分を除去することも考えられる。
【００４３】
ただし、上記のように、ノイズ信号の信号強度は、ユーザＨの生体活動による生体電気信号の信号強度に比べて大きいので、デジタルデータで表現可能な振幅を示すダイナミックレンジが足りない可能性がある。Ａ／Ｄ変換を行う際にダイナミックレンジが不足する場合には、図３に示す測定波形が飽和するため、ノイズ成分を除去することができなくなる。
【００４４】
図４は、飽和した測定波形を示す図である。図４に示すように、測定波形の振幅に比べてダイナミックレンジが不足した場合、測定波形が飽和してノイズ成分が分からなくなるため、フィルタリング処理でノイズを除去することができなくなってしまう。
【００４５】
ノイズ信号成分をデジタルフィルタで除去する場合、ノイズ信号は数百ｍＶ程度であるので、例えば、入力電圧範囲の幅が５００ｍＶ（以降、ピークトゥピーク電圧Ｖｐ−ｐという。）のＡ／Ｄ変換器が必要となる。
【００４６】
また、ユーザＨの生体活動を解析するためには、Ａ／Ｄ変換の量子化幅ａを、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の信号強度に合わせる必要がある。即ち例えば、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の信号強度のオーダー（例えば、数十μＶ〜数百μＶ）に合わせて、量子化幅ａを０．１μＶとすることが考えられる。この場合、量子化幅を０．１μＶとすると、５＊１０６ステップが必要となる。即ち、この場合、量子化ビット数ｂが２３ビット以上である高いダイナミックレンジのＡ／Ｄ変換器が必要となる。
【００４７】
上記の例の場合、ダイナミックレンジの小さなＡ／Ｄ変換器（例えば、量子化ビット数ｂが１０ビット）を用いた場合、図４のように測定波形が飽和し、ノイズ成分を除去することができなくなる。例えば、量子化幅ａを０．１μＶとした場合、量子化ビット数ｂが１０ビットの比較的小さなダイナミックレンジのＡ／Ｄ変換器では、ピークトゥピーク電圧Ｖｐ−ｐが１０２．４μＶとなるため、数百ｍＶの強さのノイズ信号の波形が飽和してしまう。
【００４８】
そこで、本実施形態においては、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号と、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号と、に基づいてノイズ信号を打ち消すことによって、小さなダイナミックレンジのＡ／Ｄ変換器を用いたとしても、ノイズを除去できるようにしている。
【００４９】
図５は、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号を示す図である。図５に示すように、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号も、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号と同様に、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の成分（図５の点線）と、ユーザＨの体に発生するノイズ信号の成分（図５の一点鎖線）と、が合わさったものである。
【００５０】
しかし、電極ＲＥＦは、筋肉の動きや神経細胞の活動の影響が比較的少ない耳に配置される。即ち、電極ＲＥＦは、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の変化が比較的少ない位置に配置されている。本実施形態においては、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号のうち、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の成分を略零であるとみなしている。別の言い方をすれば、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号は、略すべてノイズ成分であるとみなしている。
【００５１】
したがって、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号と、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号と、の差をとることによって、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号からノイズ成分が除去される。即ち、これらの差動電圧は、ユーザＨの右前頭部の生体活動による電気信号を示すものといえる。
【００５２】
図６は、電極ｃｈ１と電極ＲＥＦとの差動電圧の波形を示す図である。即ち、図６に示す波形は、図３に示す実線の波形から図５に示す実線波形を引いた差分の波形である。図６に示すように、ノイズ成分が除去されて、ユーザＨの右前頭部の生体活動による電気信号を得ることができる。
【００５３】
なお、上記では、電極ｃｈ１を例に挙げて説明したが、電極ｃｈ２が検出する生体電気信号も図３と同じような波形を示すので、電極ｃｈ２が検出する生体電気信号も、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号を用いてノイズ成分を打ち消すことができる。なお、電極ＧＮＤが検出する生体電気信号の波形は、図５に示す電極ＲＥＦの波形と同様である。
【００５４】
このように、生体電気信号検出装置１は、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号を用いてノイズ成分を打ち消すことができる。次に、生体電気信号検出装置１の回路構成について説明する。
【００５５】
［生体電気信号検出装置の回路構成］
図７は、本実施形態における生体電気信号検出装置１の回路構成の模式図である。図７に示すように、生体電気信号検出装置１は、検出部１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ、差動増幅部１１０ａ，１１０ｂ、フィルタ部１２０ａ，１２０ｂ、増幅部１３０ａ，１３０ｂ、マイコン部１４０を含む。これらの構成要素は、電池ボックス２０に格納された乾電池によって駆動するようにしてよい。
【００５６】
また、検出部１００ａ，１００ｄは、前頭部バンド２０に含まれ、検出部１００ｂ，１００ｃは、イヤホン５０に含まれる。他の構成要素は、基板ボックス１０に含まれる。
【００５７】
検出部１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ（以降、これらをまとめて検出部１００ともいう。）は、それぞれ電極ｃｈ１，ＧＮＤ，ＲＥＦ，ｃｈ２を含んで構成され、ユーザＨに発生する生体電気信号を検出する。
【００５８】
差動増幅部１１０ａ，１１０ｂ（以降、これらをまとめて差動増幅部１１０ともいう。）は、複数の検出部１００から出力される信号のうちの２つを差動増幅するものであり、例えば、所定の増幅度を有するオペアンプを含んで構成される。
【００５９】
差動増幅部１１０ａは、検出部１００ａの検出信号からノイズ成分を除去する（打ち消す）ように、検出部１００ａの検出信号と検出部１００ｃの検出信号とを差動増幅する。また、差動増幅部１１０ｂは、検出部１００ｄの検出信号からノイズ成分を除去する（打ち消す）ように、検出部１００ｄの検出信号と検出部１００ｃの検出信号とを差動増幅する。
【００６０】
フィルタ部１２０ａ，１２０ｂ（以降、これらをまとめてフィルタ部１２０ともいう。）は、差動増幅部１１０の出力信号の所定の周波数成分（ノイズ信号の周波数成分）を除去する。フィルタ部１２０は、Ａ／Ｄ変換器を含むデジタルフィルタであってもよい。即ち、フィルタ部１２０は、差動増幅部１１０によって除去しきれなかったノイズ成分を除去するためのものである。
【００６１】
例えば、フィルタ部１２０は、ケーブルや人体に誘導される外来電磁ノイズ（例えば、４０Ｈｚ以上のノイズ）を除去するためのローパスフィルタ（例えば、８次の多段ローパスフィルタ）を含む。また例えば、フィルタ部１２０は、ユーザＨの静電気変動や電極Ｅの接触箇所で発生する低周波ノイズ（例えば、２Ｈｚ以下のノイズ）を除去するためのハイパスフィルタ（例えば、４次の多段ハイパスフィルタ）を含む。
【００６２】
なお、フィルタ部１２０は、高周波ノイズ及び低周波ノイズを除去して、ユーザＨの生体活動による信号成分（例えば、２Ｈｚ〜４０Ｈｚの信号成分）のみを通過させるバンドパスフィルタであってもよい。フィルタ部１２０が取り出す電気信号の周波数帯域は、ユーザＨに発生する電気信号のノイズの周波数に応じて適宜変更可能であってよい。
【００６３】
増幅部１３０ａ，１３０ｂ（以降、これらをまとめて増幅部１３０ともいう。）は、所定の増幅度を有するオペアンプを含んで構成される。増幅部１３０は、フィルタ部１２０を通過し、所定周波数成分がカットされた生体電気信号を増幅してマイコン部１４０に出力する。なお、増幅部１３０における電気信号の増幅度は、任意の値であってよい。例えば、ユーザＨの生体に関する電気信号は数μＶであるので、この電気信号を数Ｖまで増幅させるための増幅度（例えば、１０６倍）が設定されていてよい。
【００６４】
マイコン部１４０は、マイクロプロセッサやメモリ、アナログ形式の出力電気信号をデジタル形式に変換するＡ／Ｄ変換器、各種入出力インタフェース等を含んで構成される。マイコン部１４０は、差動増幅部１１０及びフィルタ部１２０によってノイズが除去され、かつ、増幅部１３０によって増幅された生体電気信号を取得する。
【００６５】
また例えば、マイコン部１４０は、生体電気信号を周波数分析するようにしてよい。例えば、マイコン部１４０は、周波数ごとに生体電気信号の信号強度を測定して出力信号として、図示しない出力端子とケーブルＣを介してゲーム装置２００に対して出力する。
【００６６】
生体電気信号検出装置１は、上記のような回路構成に基づいてノイズ成分を除去する。ただし、電極ＥとユーザＨとの間に発生する接触インピーダンスは、電極Ｅの位置や時間経過に応じて異なるので、差動増幅部１１０に入力される生体電気信号に含まれるノイズ成分の大きさが異なり、差動電圧によってノイズを除去しきれなくなる可能性がある。
【００６７】
即ち、複数の電極ＥとユーザＨとの接触インピーダンスの大きさに差があった場合、差動増幅部１１０がノイズ成分を除去する効果が減少する。本実施形態においては、検出部１００に含まれる電極Ｅとして、乾式電極が用いられる。したがって、電極ＥとユーザＨとの間には、湿式電極を使用する場合に比べて大きな接触インピーダンスが発生する。つまり、接触インピーダンスのばらつきを考慮しなければ、差動増幅部１１０がノイズを除去しきれなくなってしまい、図４のように波形が飽和する可能性がある。
【００６８】
そこで、本実施形態における生体電気信号検出装置１は、複数の電極Ｅの接触インピーダンスの大きさにばらつきがあったとしても、差動増幅部１１０がノイズ成分を除去する効果が減少しない構成になっている。以降、この構成について詳細に説明する。
【００６９】
まず、接触インピーダンスと、差動増幅部１１０のノイズ除去能力と、の関係について説明する。なお、差動増幅部１１０ａと差動増幅部１１０ｂとは、同様の構成を有するので、以降では差動増幅部１１０ａを例に挙げて説明する。
【００７０】
［差動増幅部のノイズ除去能力］
図８は、差動増幅部１１０ａの回路構成の一例を説明するための図である。ユーザＨの皮膚と接触する電極Ｅは、ユーザの汗や皮脂等に起因して接触インピーダンスが発生する。図８では、電極ｃｈ１，ＧＮＤ，ＲＥＦとユーザＨとの接触インピーダンスを、それぞれ接触インピーダンスＲｔ１，Ｒｔｇ，Ｒｔ２とする。なお、接触インピーダンスＲｔ１，Ｒｔｇ，Ｒｔ２は、数十ｋΩ〜数ＭΩ程度であることが一般的に知られている。
【００７１】
また、図８では、ユーザＨの体に発生するノイズを発生ノイズＶｎｏｉｓｅ０とする。先述のように、外来電磁ノイズは、ユーザＨの頭全体にほぼ均一に発生するため、発生ノイズＶｎｏｉｓｅ０を、図８に示すように電極ｃｈ１，ＧＮＤ，ＲＥＦに対応する位置に示す。また、発生ノイズＶｎｏｉｓｅ０の電圧をノイズ電圧Ｖｃｏｍｍ（コモンモードノイズ電圧）とする。なお、電極ＧＮＤは、ユーザＨの生体活動による電気信号を検出するが、この成分を略零とし、記載を省略する。
【００７２】
また、ここでは説明の都合上、回路に電磁誘導ノイズ（詳細後述）は発生しないものとして説明する。差動増幅部１１０ａに含まれるオペアンプ１１１ａの入力インピーダンスＲｉを、図８のように模式的に示す。
【００７３】
図３〜図６を参照して説明したように、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号の電圧Ｖｃｈ１は、ユーザＨの生体活動による生体電気信号（信号Ｖｃｒｅａｔｕｒｅ１とし、この電圧をＶｃｒｅａｔｅ１とする。）と、ノイズ成分（例えば、電圧Ｖｃｏｍｍ）と、の両者が合算されたものである。
【００７４】
また、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号の電圧Ｖｒｅｆは、ユーザＨの生体活動による生体電気信号（信号Ｖｃｒｅａｔｕｒｅ２とし、この電圧をＶｃｒｅａｔｅ２とする。）と、ノイズ成分と、の両者が合算されたものである。
【００７５】
オペアンプ１１１ａは、電極ｃｈ１と電極ＲＥＦとの差動電圧を検出し、ノイズ成分を除去する。ここで、電極ｃｈ１からオペアンプ１１１ａ側に流れる電流Ｉ１、及び、オペアンプ１１１ａの負側入力信号電圧Ｖ１は、以下の式によって表される。
（１）Ｉ１＝Ｖ１／Ｒｉ１
（２）Ｖ１＝Ｖｃｏｍｍ＋Ｖｃｒｅａｔｅ１−Ｒｔ１＊Ｉ１
【００７６】
上記の式（１）及び式（２）から、負側入力信号電圧Ｖ１は、以下の式によって表される。
（３）Ｖ１＝Ｒｉ１＊（Ｖｃｏｍｍ＋Ｖｃｒｅａｔｅ１）／（Ｒｉ１＋Ｒｔ１）
【００７７】
一方、電極ＲＥＦからオペアンプ１１１ａ側に流れる電流Ｉ２、及び、オペアンプ１１１ａの正側入力信号電圧Ｖ２は、以下の式によって表される。
（４）Ｉ２＝Ｖ２／Ｒｉ１
（５）Ｖ２＝Ｖｃｏｍｍ＋Ｖｃｒｅａｔｅ２−Ｒｔ２＊Ｉ２
【００７８】
上記の式（４）及び式（５）から、正側入力信号電圧Ｖ２は、以下の式によって表される。
（６）Ｖ２＝Ｒｉ１＊（Ｖｃｏｍｍ＋Ｖｃｒｅａｔｅ２）／（Ｒｉ１＋Ｒｔ２）
【００７９】
また、オペアンプ１１１ａの出力信号電圧Ｖ０１は、オペアンプ１１１ａの増幅度Ａｖ、式（３）及び式（６）に基づいて、以下の式で表される。
（７）Ｖ０１＝Ａｖ＊（Ｖ２−Ｖ１）＝Ａｖ＊Ｒｉ１＊（１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ２）−１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ１））＊Ｖｃｏｍｍ＋Ａｖ＊Ｒｉ１＊（Ｖｃｒｅａｔｅ２／（Ｒｉ１＋Ｒｔ２）−（Ｖｃｒｅａｔｅ１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ１））
【００８０】
式（７）で示されるように、出力信号電圧Ｖ０１は、接触インピーダンスＲｔ１と接触インピーダンスＲｔ２の差が小さければ小さいほど、ノイズ成分（式（７）のうちの「Ａｖ＊Ｒｉ１＊（１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ２）−１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ１））＊Ｖｃｏｍｍ」の成分）の絶対値が小さくなる。即ち、接触インピーダンスＲｔ１と接触インピーダンスＲｔ２の差が小さければ小さいほど、差動増幅部１１０によるノイズ成分の除去性能が向上することになる。
【００８１】
図９は、出力信号電圧Ｖ０のノイズ成分と接触インピーダンスとの関係を示す図である。図９に示す例は、例えば、ノイズ電圧Ｖｃｏｍｍを１００ｍＶ、増幅度Ａｖを２＊１０４、及び接触インピーダンスＲｔ２を１０４Ωとし、入力インピーダンスＲｉ及び接触インピーダンスＲｔ１を変化させた場合に、式（７）によって得られる出力信号電圧Ｖ０１のノイズ成分を示している。
【００８２】
図９に示すように、接触インピーダンスＲｔ１と接触インピーダンスＲｔ２の値の差が小さいほど（図９の場合、が１０４Ωに近いほど）、出力信号電圧Ｖ０１のノイズ成分が小さくなる。また、入力インピーダンスＲｉ１が、接触インピーダンスＲｔ１及び接触インピーダンスＲｔ２に比べて大きくなるほど、出力信号電圧Ｖ０１のノイズ成分が小さくなる。
【００８３】
したがって、入力インピーダンスＲｉ１を、接触インピーダンスのオーダー（数十ｋΩ〜数ＭΩ）に比べて極めて大きく（例えば、１ＧΩ以上）すれば、接触インピーダンスＲｔ１と接触インピーダンスＲｔ２の差によらず、ノイズ成分の除去能力は担保される。例えば、入力インピーダンスＲｉ１を、接触インピーダンスＲｔ１，Ｒｔ２の１００倍以上にすれば、接触インピーダンスＲｔ１が接触インピーダンスＲｔ２の２倍であっても、式（７）に示すように、オペアンプ１１１ａの差動入力によってノイズの振幅を数十分の一に収めることができる。
【００８４】
しかしながら、差動増幅部１１０は基板ボックス１０に格納されているため、図８に示す電極Ｅと入力インピーダンスＲｉ１とを接続する配線は、一定の距離（例えば、基板ボックス１０と、前頭部バンド３０又はイヤホン５０と、の距離）がある。したがって、図８に示す回路に外来ノイズ（例えば、電磁誘導によるノイズ）が発生してしまう可能性がある。
【００８５】
例えば、図８に示す電極ｃｈ１の検出信号を差動増幅部１１０ａに伝達するための配線と、電極ＧＮＤの検出信号を差動増幅部１１０ａに伝達するための配線と、によって囲まれる領域に外部からの電磁波が貫く場合、この領域には電磁誘導ノイズ（外来ノイズ）が発生する。例えば、電極ｃｈ１と差動増幅部１１０との距離Ｌ０が大きくなればなるほど、この領域の面積（以降、面積Ｓ（Ｌ０）とする。）は大きくなる。
【００８６】
ここで、ユーザＨの周囲の機器（例えば、商用電源）からの外来電磁波の磁束密度をＢ（Ｔ）とすると、電極ｃｈ１の配線及び電極ＧＮＤの配線によって発生する電磁誘導電圧Ｖ（Ｌ０）は、磁束の時間変化に基づいて以下の式によって表される。
（８）Ｖ（Ｌ０）＝−ｄ（Ｂ＊Ｓ（Ｌ０））／ｄｔ
【００８７】
上記の式（８）から、電極ｃｈ１と入力インピーダンスＲｉとの距離Ｌ０が長くなると、面積Ｓ（Ｌ０）が大きくなるため電磁誘導電圧Ｖ（Ｌ０）が高くなる。
【００８８】
図１０は、電磁誘導電圧を示す回路図である。図１０は、図８の回路のうち、接触インピーダンスＲｔ１と入力インピーダンスＲｉ１のみを示している。図１０に示すように、入力インピーダンスＲｉの両端の電圧は、（Ｒｉ１／（Ｒｔ１＋Ｒｉ１））＊Ｖ（Ｌ０）で表される。即ち、入力インピーダンスＲｉが大きくなると、この電磁誘導電圧Ｖ（Ｌ０）が、負側入力信号電圧Ｖ１に及ぼす影響が大きくなる。
【００８９】
また、他にも、電極Ｅから差動増幅部１１０までの配線が一定の長さがある場合、配線とユーザＨの間で静電結合ノイズ等が発生する。つまり、高い入力インピーダンスＲｉ１のために高感度なアンテナのようにノイズを拾ってしまう可能性がある。したがって、本発明に係る生体電気信号検出装置１は、このノイズの発生を抑制するようにしている。
【００９０】
［発生ノイズを低減するバッファアンプ］
本発明に係る生体電気信号検出装置１の検出部１００は、上記のような高い入力インピーダンスに基づくノイズの発生を防ぐためにバッファアンプ（増幅手段）を含むようにしている。このバッファアンプは、図８のオペアンプ１１１ａと同様に、差動増幅部１１０によるノイズ除去の効果が低下しないように、ユーザＨ及び電極ｃｈ１，ｃｈ２，ＲＥＦの接触インピーダンス（例えば、数十ｋΩ）より高い入力インピーダンス（例えば、１ＧΩ以上）を有する。
【００９１】
バッファアンプは、電極Ｅで検出される電気信号を増幅させる。また、バッファアンプは、電極Ｅと差動増幅部１１０との間に配置される。例えば、バッファアンプは、電極Ｅとバッファアンプとの距離が、バッファアンプと差動増幅美１１０との距離よりも短い位置に設けられる。別の言い方をすれば、例えば、バッファアンプは、バッファアンプの入力インピーダンスを含む回路に発生する外来ノイズの成分によって、差動増幅部１１０の出力電圧が飽和しないような位置（例えば、電極Ｅの直後）に配置される。
【００９２】
図１１は、本発明に係るバッファアンプを含む回路構成の一例を示す図である。図１１に示すように、電極ｃｈ１，ＲＥＦと、オペアンプ１０１と、の間に、バッファアンプ１０１ａ，１０１ｃ（以降、電極Ｅの直後に配置されるバッファアンプをまとめてバッファアンプ１０１という。）が配置されている。
【００９３】
バッファアンプ１０１ａ，１０１ｃの増幅度は、例えば、互いに略同程度（例えば、１）に設定される。バッファアンプ１０１ａ，１０１ｃの増幅度は、接触インピーダンスよりも高い入力インピーダンスが得られる範囲で設定されていてよい。
【００９４】
図１１では、バッファアンプ１０１ａの入力インピーダンスをＲｉａ（＞接触インピーダンスＲ１ｔ）とし、バッファアンプ１０１ｃの入力インピーダンスをＲｉｃ（＞接触インピーダンスＲ２ｔ）とする。また、図１１に示す回路に発生する電磁誘導ノイズの電圧を、ノイズ電圧Ｖｅｉ１及びノイズ電圧Ｖｅｉ２とする。また、電磁誘導ノイズや静電結合ノイズ等、回路に発生するノイズを含めてノイズＶｎｏｉｓｅ１及びノイズＶｎｏｉｓｅ２とする。
【００９５】
例えば、電極ｃｈ１とバッファアンプ１０１ａとの距離Ｌ１に基づいて、ノイズ電圧Ｖｅｉ１は、−ｄ（Ｂ＊Ｓ（Ｌ１））／ｄｔで表される。また例えば、電極ＲＥＦとバッファアンプ１０１ｃとの距離Ｌ２に基づいて、ノイズ電圧Ｖｅｉ２は、−ｄ（Ｂ＊Ｓ（Ｌ２））／ｄｔで表される。
【００９６】
電極ｃｈ１からバッファアンプ１０１ａ側に流れる電流Ｉ１１、及び、バッファアンプ１０１ａの正側入力信号電圧Ｖ１１は、以下の式によって表される。なお、下記に示すＶｔｏｔａｌ１（Ｌ１）は、第１の検出手段（検出部１００ａ）を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ１が増加すると大きくなるノイズである。例えば、Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）は、ノイズ電圧Ｖｅｌ１や、静電結合ノイズの電圧が加算されたものである。また、電圧Ｖｃｈ１は、電極ｃｈ１で検出する電気信号の電圧である。即ち、電圧Ｖｃｈ１は、電圧Ｖｃｏｍｍと電圧Ｖｃｒｅａｔｅ１を合算したものである。
（９）Ｖ１１＝Ｉ１１＊Ｒｉａ
（１０）Ｖ１１＝Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｃｈ１−Ｒｔ１＊Ｉ１１
【００９７】
式（９）及び式（１０）から、バッファアンプ１０１ａの正側入力信号電圧Ｖ１１は、以下の式によって表される。
（１１）Ｖ１１＝Ｒｉａ＊（Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｃｈ１）／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１）
【００９８】
一方、電極ＲＥＦからバッファアンプ１０１ｃ側に流れる電流Ｉ２１、及び、バッファアンプ１０１ｃの正側入力信号電圧Ｖ２１は、以下の式によって表される。なお、下記に示すＶｔｏｔａｌ２（Ｌ２）は、第２の検出手段（検出部１００ｃ）を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ２が増加すると大きくなるノイズである。例えば、Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）は、ノイズ電圧Ｖｅｌ２や、静電結合ノイズの電圧が加算されたものである。また、電圧Ｖｒｅｆは、電極ＲＥＦで検出する電気信号の電圧である。即ち、電圧Ｖｒｅｆは、電圧Ｖｃｏｍｍと電圧Ｖｃｒｅａｔｅ２を合算したものである。
（１２）Ｖ２１＝Ｉ２１＊Ｒｉｃ
（１３）Ｖ２１＝Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｒｅｆ−Ｒｔ２＊Ｉ２１
【００９９】
式（１２）及び式（１３）から、バッファアンプ１０１ａの正側入力信号電圧Ｖ２１は、以下の式によって表される。
（１４）Ｖ２１＝Ｒｉｃ＊（Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｒｅｆ）／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）
【０１００】
バッファアンプ１０１ａの増幅度をＡａすると、オペアンプ１１１ａの負側入力電圧Ｖ１２は、Ａａ＊Ｖ１１となる。また、バッファアンプ１０１ｃの増幅度をＡｃとすると、オペアンプ１１１ｃの正側入力電圧Ｖ２２は、Ａｃ＊Ｖ２１となる。
【０１０１】
したがって、オペアンプ１１１ａの出力信号電圧Ｖ０２は、増幅度Ａｖ、式（１１）及び式（１４）に基づいて以下の式で表される。
（１５）Ｖ０２＝Ａｖ＊（Ｖ２１−Ｖ１１）＝Ａｖ＊（Ａｃ＊Ｒｉｃ＊（Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｒｅｆ）／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）−Ａａ＊Ｒｉａ＊（Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｃｈ１）／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１））
【０１０２】
出力信号電圧Ｖ０２が、生体電気信号検出装置１のＡ／Ｄ変換器の入力電圧範囲Ｖｍｉｎ〜Ｖｍａｘの範囲に収まるようにすれば、波形が飽和することなく、フィルタ部１２０で残存ノイズを取り除くことができる。なお、先述のように、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧範囲Ｖｍｉｎ〜Ｖｍａｘは、例えば、生体電気信号検出装置１に含まれるＡ／Ｄ変換器の量子化幅ａ、量子化ビット数ｂ、及び所定の最低入力電圧に基づいて決定される。
【０１０３】
したがって、下記の式を満たすように、バッファアンプ１０１ａの位置及び入力インピーダンスＲｉａと、バッファアンプ１０１ｃの位置及び入力インピーダンスＲｉｃと、が設定される。
（１６）Ｖｍｉｎ＜Ａｖ＊（Ｖ２２−Ｖ１２）＜Ｖｍａｘ
（１７）Ｖ２２＝Ａｃ＊Ｒｉｃ＊（Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｃｈ１）／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）
（１８）Ｖ１２＝Ａａ＊Ｒｉａ＊（Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｒｅｆ）／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１）
【０１０４】
式（１６）〜（１８）の関係式を満たすことによって、差動増幅部１１０の出力信号が入力電圧範囲内に収まる。したがって、この出力信号が、後段のＡ／Ｄ変換器で変換した場合に波形が飽和することがなくなるので、フィルタリング処理で残存ノイズを確実に除去することができる。
【０１０５】
なお、増幅度Ａｖ，Ａａ，Ａｃは、上記の式（１６）〜（１８）を満足するように設定されていてよい。また、式（１７）の「Ｒｉｃ／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）」、及び、式（１８）の「Ｒｉａ／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１）」は、それぞれ１と近似して距離Ｌ１や距離Ｌ２が決定されてもよい。
【０１０６】
また、バッファアンプ１０１ａ，１０１ｃが、それぞれ電極ｃｈ１，ＲＥＦの直後に配置されるので、入力インピーダンスＲｉａ及び入力インピーダンスＲｉｃは、電極ｃｈ１，ＲＥＦの直後にあることになる。即ち、距離Ｌ１と距離Ｌ２が略零であるので、電磁誘導ノイズや静電結合ノイズの発生を軽減することができる。
【０１０７】
数値例を挙げて説明すると、距離Ｌ１及び距離Ｌ２が略零であり、
増幅度Ａｖ＝Ａａ＝Ａｃ＝１
Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＝１．２ｍＶ
Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ２）＝１ｍＶ
Ｒｔ１＝１０ｋΩ
Ｒｔ２＝１５ｋΩ
Ｖｃｏｍｍ＝３００ｍＶ
Ｖｃｒｅａｔｅ１＝５００μＶ
Ｖｃｒｅａｔｅ２＝１００μＶ
とした場合、入力インピーダンスＲｉｃ及び入力インピーダンスＲｉａを１００ＭΩに設定すると、差動増幅部１１０から出力される電圧Ａｖ＊（Ｖ２２−Ｖ１２）が、６１５μＶ程度になる。この大きさは、Ｖｃｒｅａｔｅ１及びＶｃｒｅａｔｅ２と同程度のオーダーである。したがって、入力電圧範囲の大きさが数百μＶであっても、差動増幅部１１０から出力される電圧が飽和することがなくなる。
【０１０８】
なお、オペアンプ１１１ａは、バッファアンプ１０１ａとバッファアンプ１０１ｃとの２つの出力電気信号を差動増幅させる。オペアンプ１１１ａの入力インピーダンスは、図１１では図示していないが、バッファアンプ１０１の入力インピーダンスよりも小さくてよい。即ち、バッファアンプ１０１によって接触インピーダンスによるノイズ除去性能の低下を防ぐことができるので、オペアンプ１１１ａの入力インピーダンスを高く設定する必要がなくなる。図８のようにオペアンプ１１１ａの入力インピーダンスが高い場合、この入力インピーダンスを含む回路に発生する電磁誘導ノイズや静電結合ノイズの影響を大きく受けることになるが、図１１の回路では、この影響を低減させることができる。
【０１０９】
また、バッファアンプ１０１の出力インピーダンス側の回路でも外来ノイズが発生することが考えられるが、バッファアンプ１０１の増幅度を１倍とすることによって、入力インピーダンスを高く、かつ、出力インピーダンスを低くすることができるので、このノイズの発生を軽減することができる。
【０１１０】
上記では検出部１００ａ，１００ｂ，１００ｃ、及び、差動増幅部１１０ａの構成を例に挙げて説明したが、検出部１００ｄが検出する生体電気信号についても同様のノイズ除去処理が行われる。即ち、検出部１００ｄの電極ｃｈ２の直後に高入力インピーダンスのバッファアンプ１０１を配置し、差動増幅部１００ｂで生体電気信号を差増増幅させる。これにより、検出部１００ｄが検出するノイズ成分を検出部１００ｃの成分で打ち消すことができ、かつ、バッファアンプ１０１の高入力インピーダンスに起因するノイズを抑えることができる。
【０１１１】
［実施形態のまとめ］
以上のように、生体電気信号検出装置１は、差動増幅部１１０が電極Ｅの差動電圧を出力するため、ユーザＨの体に発生するノイズを除去することができる。また、電極ｃｈ１，ｃｈ２，ＲＥＦの直後に配置されるバッファアンプ１０１の入力インピーダンスが、接触インピーダンスに比べて高いので、接触インピーダンスのばらつきによる差動増幅部１１０によるノイズ除去性能の低下を抑えることができる。また、電極Ｅの直後にバッファアンプ１０１を配置することによって、高い入力インピーダンスＲｉ２を使用してもノイズの発生を抑えることができる。
【０１１２】
したがって、ダイナミックレンジが比較的小さいＡ／Ｄ変換器を用いても測定波形を飽和させることなく、フィルタ部１２０で残存ノイズを確実に除去することができる。また、電導性ジェルをふき取ったりする手間がかかる湿式電極ではなく、取り扱いが簡単な乾式電極を用いることができる。
【０１１３】
なお、本発明は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態においては、電極（検出部）の数を４つとしたが、差動電圧を検出するために複数個の電極が、生体電気信号検出装置１に配置されていればよく、電極の数は４つに限られない。差動増幅部は、検出部の数に合わせた数が配置されていればよい。
【０１１４】
また例えば、生体電気信号検出装置を頭部に装着させる場合を説明したが、ユーザの体と電極を接触させるものであればよく、手や足に装着させるものであってよい。
【符号の説明】
【０１１５】
１ 生体電気信号検出装置、１０ 基板ボックス、２０ 電池ボックス、２１ 電源スイッチ、２２ 電源ランプ、２３ 通信ランプ、３０ 前頭部バンド、４０ 後頭部ベルト、４１ バックル、５０ イヤホン、５１ アンプ基板、Ｅ，ｃｈ１，ｃｈ２，ＧＮＤ，ＲＥＦ 電極、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ 検出部、１０１ａ，１０１ｃ バッファアンプ、１１０，１１０ａ，１１０ｂ 差動増幅部、１１１ａ オペアンプ、１２０，１２０ａ，１２０ｂ フィルタ部、１３０，１３０ａ，１３０ｂ 増幅部、１４０ マイコン部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体電気信号検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人間の脳波や筋電を検出することが行われている。例えば、人間の頭部に接触させた電極から得られる電気信号（以降、生体電気信号という。）に基づいてコンピュータを操作する装置が知られている（特許文献１）。また、検出された生体電気信号に基づいてユーザの集中力を測定する方法（特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１６６０５０号公報
【特許文献２】特表２００２−５０３５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような技術において、ユーザの体には種々のノイズが発生するため、生体電気信号からノイズの成分を除去しなければならない。所定周波数成分を取り除くフィルタリング処理を生体電気信号に施してノイズを除去することも考えられるが、ノイズの成分は、ユーザの生体活動による信号成分に比べて振幅が大きいので、ダイナミックレンジの大きい高コストな回路が必要になる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ダイナミックレンジを小さくしつつ、生体電気信号からノイズを除去することが可能な生体電気信号検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る生体電気信号検出装置は、ユーザに発生する電気信号を検出する電極と、当該電極で検出される電気信号を増幅させる増幅手段と、を含む複数の検出手段と、前記複数の検出手段から出力される信号のうちの２つを差動増幅する一又は複数の差動増幅手段と、を含み、前記増幅手段は、前記ユーザ及び前記電極の接触インピーダンスより高い入力インピーダンスを有し、前記電極と前記差動増幅手段との間に設けられることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、ダイナミックレンジを小さくしつつ、生体電気信号からノイズを除去することが可能になる。
【０００８】
また、本発明の一態様では、前記増幅手段は、前記電極と前記増幅手段との距離が、前記増幅手段と前記差動増幅手段との距離よりも短い位置に設けられることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の一態様では、前記生体電気信号検出装置は、前記差動増幅手段の出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器を含み、前記複数の検出手段は、第１の電極及び第１の増幅手段を含む第１の検出手段と、第２の電極及び第２の増幅手段を含む第２の検出手段と、を少なくとも含み、前記Ａ／Ｄ変換器の入力電圧範囲をＶｍｉｎ〜Ｖｍａｘとし、前記第１の増幅手段の入力インピーダンスをＲｉａとし、前記第２の増幅手段の入力インピーダンスをＲｉｃとし、前記第１の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをＲｔ１とし、前記第２の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをＲｔ２とし、前記第１の電極と前記第１の増幅手段との距離をＬ１とし、前記第２の電極と前記第２の増幅手段との距離をＬ２とし、前記第１の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ１が増加すると大きくなるノイズの電圧をＶｔｏｔａｌ１（Ｌ１）とし、前記第２の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ２が増加すると大きくなるノイズの電圧をＶｔｏｔａｌ２（Ｌ２）とし、前記差動増幅手段の増幅度をＡｖとし、前記第１の増幅手段の増幅度をＡａとし、前記第２の増幅手段の増幅度をＡｃとし、前記第１の電極によって検出された電気信号の電圧をＶｃｈ１とし、前記第２の電極によって検出された電気信号の電圧をＶｒｅｆとした場合、請求項に記載の関係式（１）〜（５）を満たすように、前記第１の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、前記第２の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、が設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様では、前記増幅手段は、増幅度が１倍のアンプであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の一態様では、前記複数の検出手段は、前記ユーザの前頭部と接触する第１の電極を含む第１の検出手段と、前記ユーザの耳と接触する第２の電極を含む第２の検出手段と、を少なくとも含み、前記一又は複数の差動増幅手段は、前記第１の検出手段と前記第２の検出手段との出力信号を差動増幅することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】生体電気信号検出装置が使用される様子を示す図である。
【図２】生体電気信号検出装置の外観斜視図である。
【図３】電極が検出する生体電気信号の測定波形を示す図である。
【図４】飽和した測定波形を示す図である。
【図５】電極が検出する生体電気信号を示す図である。
【図６】電極と電極との差動電圧の波形を示す図である。
【図７】本実施形態における生体電気信号検出装置の回路構成の模式図である。
【図８】差動入力部の回路構成の一例を説明するための図である。
【図９】出力信号電圧のノイズ成分と接触インピーダンスとの関係を示す図である。
【図１０】電磁誘導電圧を示す回路図である。
【図１１】本発明に係るバッファアンプを含む回路構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態の一例について図面に基づき詳細に説明する。まず、本発明に係る生体電気信号検出装置１について説明する。
【００１４】
図１は、生体電気信号検出装置１が使用される様子を示す図である。図１に示すように、生体電気信号検出装置１は、例えば、ユーザＨの頭部に装着される。生体電気信号検出装置１は、ユーザＨの生体活動を示す生体電気信号を検出する。
【００１５】
ケーブルＣは、生体電気信号検出装置１から出力される生体電気信号をゲーム装置２００に入力するためのものである。なお、生体電気信号検出装置１が検出する生体電気信号は、無線通信によってゲーム装置２００に送られるようにしてもよい。
【００１６】
生体電気信号検出装置１から検出される生体電気信号は、ゲーム装置２００において、種々の用途に用いられる。例えば、ゲーム装置２００に、生体電気信号の変化の特徴と、ゲーム操作と、を対応付けて記憶しておき、生体電気信号検出装置１が検出する生体電気信号が、ゲームの操作に用いられるようにしてよい。また例えば、生体電気信号の変化に応じてゲーム音楽が変更されるようにしてもよい。
【００１７】
［生体電気信号検出装置の構成］
図２は、生体電気信号検出装置１の外観斜視図である。図２に示すように、生体電気信号検出装置１は、基板ボックス１０、電池ボックス２０、前頭部バンド３０、後頭部ベルト４０、及びイヤホン５０を含む。
【００１８】
また、本実施形態の生体電気信号検出装置１は、ユーザＨに接触させる４つの電極を含む。これらの電極は、例えば、塩化銀からなる接触面や銀からなる導電材を含んで構成され、ユーザＨに発生する生体電気信号を検出する。なお、本実施形態においては、導電性ジェルを介してユーザＨと接触する湿式電極ではなく、ユーザＨと電極の接触面が直接接触する乾式電極を想定する。また、電極材料は、上記の例に限られず、種々の材料を適用可能である。
【００１９】
以降、この４つの電極を、それぞれ、電極ｃｈ１，ｃｈ２，ＧＮＤ，ＲＥＦという。また、これらの４つの電極を、まとめて電極Ｅともいう。電極ｃｈ１，ｃｈ２（何れかが第１の電極）は、前頭部バンド３０に配置され、ユーザＨの前頭部の皮膚と接触する。電極ＧＮＤ，ＲＥＦ（第２の電極）は、イヤホン５０に配置され、ユーザＨの耳の皮膚と接触する。
【００２０】
基板ボックス１０は、例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を装着した場合にユーザＨの右側頭部に位置する。基板ボックス１０の内部には、生体電気信号検出装置１を統括的に制御するマイコン部（図２には示さず。図７参照。）を含む基板が格納される。
【００２１】
基板ボックス１０の内部にあるマイコン部の制御によって、生体電気信号検出装置１は電極Ｅから検出した生体電気信号に対して、ノイズ除去処理、増幅処理、Ａ／Ｄ変換処理、及び周波数解析処理等を施して外部装置（例えば、ゲーム装置２００）に送信する。
【００２２】
電池ボックス２０は、例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を装着した場合にユーザＨの左側頭部に位置する。電池ボックス２０は、生体電気信号検出装置１の各部に電力を供給する。電池ボックス２０は、開閉自在であり、例えば、内部に複数の乾電池を格納できるようになっている。
【００２３】
また、電池ボックス２０は、例えば、電源スイッチ２１、電源ランプ２２、及び通信ランプ２３を含む。電源スイッチ２１は、電力の供給のオン／オフを切り替えるためのスイッチである。電源スイッチ２１が操作されて電力が供給されると、電源ランプ２２が点灯する。また、電源スイッチ２１の操作によって、電力の供給が終了されると、電源ランプ２２が消灯する。通信ランプ２３は、基板ボックス１０のマイコン部が外部端末（例えば、ゲーム装置２００）と通信しているか否かを示すためのものである。
【００２４】
前頭部バンド３０は、例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を装着した場合にユーザＨの前頭部に位置する。前頭部バンド３０の内側（即ち、ユーザＨの額と接触する側）には、２つの電極ｃｈ１，ｃｈ２が配置されている。
【００２５】
電極ｃｈ１は、例えば、ユーザＨの右側の額（例えば、右眉の上の皮膚）と接触して、生体電気信号を検出する。一方、電極ｃｈ２は、例えば、ユーザＨの左側の額（例えば、左眉の上の皮膚）と接触して、生体電気信号を検出する。
【００２６】
電極ｃｈ１，ｃｈ２と、基板ボックス１０に格納されるマイコン部と、は電気的に接続されている。即ち、電極ｃｈ１，ｃｈ２によって検出された生体電気信号は、基板ボックス１０のマイコン部に対して送られる。なお、電極ｃｈ１，ｃｈ２と基板ボックス１０のマイコン部とを電気的に接続するための配線（電極コード）は、前頭部バンド３０の内部に格納されていてよい。
【００２７】
後頭部ベルト４０は、例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を装着した場合にユーザＨの後頭部に位置する。後頭部ベルト４０は、バックル４１を含み、長さが調節可能になっている。
【００２８】
ユーザＨは、電極ｃｈ１，ｃｈ２と前頭部とが隙間なく接触するように、後頭部ベルト４０の長さを調整する。つまり、ユーザＨは、頭のサイズに合わせて生体電気信号検出装置１を装着し、前頭部に配置される電極ｃｈ１，ｃｈ２の位置をずれないようにすることができる。
【００２９】
イヤホン５０は、ユーザＨの耳に装着される。イヤホン５０は、電極ＲＥＦ，ＧＮＤと、アンプ基板５１と、を含む。電極ＲＥＦ及び電極ＧＮＤは、ユーザＨがイヤホン５０を装着（挿入）した場合に、ユーザＨの耳の皮膚と接触する位置に配置される。
【００３０】
例えば、電極ＲＥＦは、ユーザＨの右耳の皮膚と接触し、右耳周辺の生体電気信号を検出する。また例えば、電極ＧＮＤは、ユーザＨの左耳の皮膚と接触し、左耳周辺の生体電気信号を検出する。
【００３１】
アンプ基板５１は、サウンドバッファ等を含み、楽曲や音声等の出力を制御する。イヤホン５０から出力される楽曲や音声のデータは、例えば、基板ボックス１０のマイコン部の制御により、ゲーム装置２００から取得されるようにしてよい。
【００３２】
また、基板ボックス１０のマイコン部と、電極ＲＥＦ，ＧＮＤ及びアンプ基板５１と、は電気的に接続されている。なお、基板ボックス１０のマイコン部と電極ＧＮＤとを電気的に接続するための配線（電極コード）は、電池ボックス２０及び前頭部バンド３０の内部に格納されていてよい。
【００３３】
［電極から得られる生体電気信号］
次に、電極Ｅから得られる生体電気信号について説明する。電極Ｅは、ユーザＨの皮膚と接触し、接触箇所の周辺の電位変化を検出する。
【００３４】
本実施形態においては、電極ｃｈ１，ｃｈ２は、ユーザＨの額と接触することにより、ユーザＨの脳の神経細胞や、額周辺の筋肉の電位の集計を検出する。例えば、ユーザＨが目を動かしたり、瞳を瞬いた場合等には、電極ｃｈ１と電極ｃｈ２から所定の周波数成分の生体電気信号が強く検出される。また例えば、ユーザＨが興奮した場合には脳の神経細胞が活性化するので、安静時よりも生体電気信号の大きな電位の変化が検出される。
【００３５】
一方、電極ＧＮＤ，ＲＥＦは、ユーザＨの耳と接触することにより、ユーザＨの耳周辺の筋肉の電位の集計を検出する。電極ＧＮＤから検出する生体電気信号は、ユーザＨの基準電圧を示すものとして用いられる。電極ＲＥＦから検出される生体電気信号は、例えば、電極ｃｈ１，ｃｈ２から検出される生体電気信号から、ノイズ成分を除去するために用いられる。
【００３６】
ここで、生体電気信号に含まれるノイズについて説明する。例えば、ユーザＨが生体電気信号検出装置１を使用する際の周囲の環境に起因して、生体電気信号には種々のノイズが含まれる。例えば、ユーザＨに帯電する静電気の変動によって発生するノイズが、一例として挙げられる。
【００３７】
また例えば、ユーザＨの周囲の機器（例えば、商用電源）からユーザＨの体に静電誘導されるハムノイズが発生する。例えば、ユーザＨが家庭用電気コンセントの近くにいる場合、ユーザＨは、この家庭用電気コンセントから発生する磁場の影響を受けて、ノイズが発生する。
【００３８】
上記のようなノイズは、ユーザＨの頭の全体にほぼ均一に乗っていることが知られている。つまり、電極Ｅから検出される生体電気信号は、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の成分と、ノイズ信号の成分と、が合算されたものである。
【００３９】
図３は、電極Ｅが検出する生体電気信号の測定波形を示す図である。なお、電極ｃｈ１及び電極ｃｈ２が検出する生体電気信号は、共に同様の波形を示すため、ここでは電極ｃｈ１を例に挙げて説明する。図３に示すように、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号の測定波形（図３の実線）は、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の成分（図３の点線）と、ユーザＨの体に発生するノイズ信号の成分（図３の一点鎖線）と、が合算されたものである。
【００４０】
なお、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の信号強度は、数十μＶ〜数百μＶであり、ノイズ信号の信号強度は、数百ｍＶ程度であることが知られているが、図３では、説明の都合上、これらの縮尺を一致させていない。
【００４１】
ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号を検出して、ゲーム装置２００のゲーム操作等に用いるためには、電極Ｅから検出される生体電気信号からノイズ成分を除去しなければならない。
【００４２】
ここで、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の周波数は、ノイズ信号の周波数（例えば、５０Ｈｚ程度）に比べて低周波（例えば、２Ｈｚ〜４０Ｈｚ程度）であることが知られている。したがって、生体電気信号検出装置１は、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号を、デジタルデータに変換してフィルタリング処理を行うことによってノイズの周波数成分を除去することも考えられる。
【００４３】
ただし、上記のように、ノイズ信号の信号強度は、ユーザＨの生体活動による生体電気信号の信号強度に比べて大きいので、デジタルデータで表現可能な振幅を示すダイナミックレンジが足りない可能性がある。Ａ／Ｄ変換を行う際にダイナミックレンジが不足する場合には、図３に示す測定波形が飽和するため、ノイズ成分を除去することができなくなる。
【００４４】
図４は、飽和した測定波形を示す図である。図４に示すように、測定波形の振幅に比べてダイナミックレンジが不足した場合、測定波形が飽和してノイズ成分が分からなくなるため、フィルタリング処理でノイズを除去することができなくなってしまう。
【００４５】
ノイズ信号成分をデジタルフィルタで除去する場合、ノイズ信号は数百ｍＶ程度であるので、例えば、入力電圧範囲の幅が５００ｍＶ（以降、ピークトゥピーク電圧Ｖｐ−ｐという。）のＡ／Ｄ変換器が必要となる。
【００４６】
また、ユーザＨの生体活動を解析するためには、Ａ／Ｄ変換の量子化幅ａを、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の信号強度に合わせる必要がある。即ち例えば、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の信号強度のオーダー（例えば、数十μＶ〜数百μＶ）に合わせて、量子化幅ａを０．１μＶとすることが考えられる。この場合、量子化幅を０．１μＶとすると、５＊１０６ステップが必要となる。即ち、この場合、量子化ビット数ｂが２３ビット以上である高いダイナミックレンジのＡ／Ｄ変換器が必要となる。
【００４７】
上記の例の場合、ダイナミックレンジの小さなＡ／Ｄ変換器（例えば、量子化ビット数ｂが１０ビット）を用いた場合、図４のように測定波形が飽和し、ノイズ成分を除去することができなくなる。例えば、量子化幅ａを０．１μＶとした場合、量子化ビット数ｂが１０ビットの比較的小さなダイナミックレンジのＡ／Ｄ変換器では、ピークトゥピーク電圧Ｖｐ−ｐが１０２．４μＶとなるため、数百ｍＶの強さのノイズ信号の波形が飽和してしまう。
【００４８】
そこで、本実施形態においては、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号と、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号と、に基づいてノイズ信号を打ち消すことによって、小さなダイナミックレンジのＡ／Ｄ変換器を用いたとしても、ノイズを除去できるようにしている。
【００４９】
図５は、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号を示す図である。図５に示すように、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号も、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号と同様に、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の成分（図５の点線）と、ユーザＨの体に発生するノイズ信号の成分（図５の一点鎖線）と、が合わさったものである。
【００５０】
しかし、電極ＲＥＦは、筋肉の動きや神経細胞の活動の影響が比較的少ない耳に配置される。即ち、電極ＲＥＦは、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の変化が比較的少ない位置に配置されている。本実施形態においては、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号のうち、ユーザＨの生体活動によって発生する生体電気信号の成分を略零であるとみなしている。別の言い方をすれば、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号は、略すべてノイズ成分であるとみなしている。
【００５１】
したがって、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号と、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号と、の差をとることによって、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号からノイズ成分が除去される。即ち、これらの差動電圧は、ユーザＨの右前頭部の生体活動による電気信号を示すものといえる。
【００５２】
図６は、電極ｃｈ１と電極ＲＥＦとの差動電圧の波形を示す図である。即ち、図６に示す波形は、図３に示す実線の波形から図５に示す実線波形を引いた差分の波形である。図６に示すように、ノイズ成分が除去されて、ユーザＨの右前頭部の生体活動による電気信号を得ることができる。
【００５３】
なお、上記では、電極ｃｈ１を例に挙げて説明したが、電極ｃｈ２が検出する生体電気信号も図３と同じような波形を示すので、電極ｃｈ２が検出する生体電気信号も、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号を用いてノイズ成分を打ち消すことができる。なお、電極ＧＮＤが検出する生体電気信号の波形は、図５に示す電極ＲＥＦの波形と同様である。
【００５４】
このように、生体電気信号検出装置１は、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号を用いてノイズ成分を打ち消すことができる。次に、生体電気信号検出装置１の回路構成について説明する。
【００５５】
［生体電気信号検出装置の回路構成］
図７は、本実施形態における生体電気信号検出装置１の回路構成の模式図である。図７に示すように、生体電気信号検出装置１は、検出部１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ、差動増幅部１１０ａ，１１０ｂ、フィルタ部１２０ａ，１２０ｂ、増幅部１３０ａ，１３０ｂ、マイコン部１４０を含む。これらの構成要素は、電池ボックス２０に格納された乾電池によって駆動するようにしてよい。
【００５６】
また、検出部１００ａ，１００ｄは、前頭部バンド２０に含まれ、検出部１００ｂ，１００ｃは、イヤホン５０に含まれる。他の構成要素は、基板ボックス１０に含まれる。
【００５７】
検出部１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ（以降、これらをまとめて検出部１００ともいう。）は、それぞれ電極ｃｈ１，ＧＮＤ，ＲＥＦ，ｃｈ２を含んで構成され、ユーザＨに発生する生体電気信号を検出する。
【００５８】
差動増幅部１１０ａ，１１０ｂ（以降、これらをまとめて差動増幅部１１０ともいう。）は、複数の検出部１００から出力される信号のうちの２つを差動増幅するものであり、例えば、所定の増幅度を有するオペアンプを含んで構成される。
【００５９】
差動増幅部１１０ａは、検出部１００ａの検出信号からノイズ成分を除去する（打ち消す）ように、検出部１００ａの検出信号と検出部１００ｃの検出信号とを差動増幅する。また、差動増幅部１１０ｂは、検出部１００ｄの検出信号からノイズ成分を除去する（打ち消す）ように、検出部１００ｄの検出信号と検出部１００ｃの検出信号とを差動増幅する。
【００６０】
フィルタ部１２０ａ，１２０ｂ（以降、これらをまとめてフィルタ部１２０ともいう。）は、差動増幅部１１０の出力信号の所定の周波数成分（ノイズ信号の周波数成分）を除去する。フィルタ部１２０は、Ａ／Ｄ変換器を含むデジタルフィルタであってもよい。即ち、フィルタ部１２０は、差動増幅部１１０によって除去しきれなかったノイズ成分を除去するためのものである。
【００６１】
例えば、フィルタ部１２０は、ケーブルや人体に誘導される外来電磁ノイズ（例えば、４０Ｈｚ以上のノイズ）を除去するためのローパスフィルタ（例えば、８次の多段ローパスフィルタ）を含む。また例えば、フィルタ部１２０は、ユーザＨの静電気変動や電極Ｅの接触箇所で発生する低周波ノイズ（例えば、２Ｈｚ以下のノイズ）を除去するためのハイパスフィルタ（例えば、４次の多段ハイパスフィルタ）を含む。
【００６２】
なお、フィルタ部１２０は、高周波ノイズ及び低周波ノイズを除去して、ユーザＨの生体活動による信号成分（例えば、２Ｈｚ〜４０Ｈｚの信号成分）のみを通過させるバンドパスフィルタであってもよい。フィルタ部１２０が取り出す電気信号の周波数帯域は、ユーザＨに発生する電気信号のノイズの周波数に応じて適宜変更可能であってよい。
【００６３】
増幅部１３０ａ，１３０ｂ（以降、これらをまとめて増幅部１３０ともいう。）は、所定の増幅度を有するオペアンプを含んで構成される。増幅部１３０は、フィルタ部１２０を通過し、所定周波数成分がカットされた生体電気信号を増幅してマイコン部１４０に出力する。なお、増幅部１３０における電気信号の増幅度は、任意の値であってよい。例えば、ユーザＨの生体に関する電気信号は数μＶであるので、この電気信号を数Ｖまで増幅させるための増幅度（例えば、１０６倍）が設定されていてよい。
【００６４】
マイコン部１４０は、マイクロプロセッサやメモリ、アナログ形式の出力電気信号をデジタル形式に変換するＡ／Ｄ変換器、各種入出力インタフェース等を含んで構成される。マイコン部１４０は、差動増幅部１１０及びフィルタ部１２０によってノイズが除去され、かつ、増幅部１３０によって増幅された生体電気信号を取得する。
【００６５】
また例えば、マイコン部１４０は、生体電気信号を周波数分析するようにしてよい。例えば、マイコン部１４０は、周波数ごとに生体電気信号の信号強度を測定して出力信号として、図示しない出力端子とケーブルＣを介してゲーム装置２００に対して出力する。
【００６６】
生体電気信号検出装置１は、上記のような回路構成に基づいてノイズ成分を除去する。ただし、電極ＥとユーザＨとの間に発生する接触インピーダンスは、電極Ｅの位置や時間経過に応じて異なるので、差動増幅部１１０に入力される生体電気信号に含まれるノイズ成分の大きさが異なり、差動電圧によってノイズを除去しきれなくなる可能性がある。
【００６７】
即ち、複数の電極ＥとユーザＨとの接触インピーダンスの大きさに差があった場合、差動増幅部１１０がノイズ成分を除去する効果が減少する。本実施形態においては、検出部１００に含まれる電極Ｅとして、乾式電極が用いられる。したがって、電極ＥとユーザＨとの間には、湿式電極を使用する場合に比べて大きな接触インピーダンスが発生する。つまり、接触インピーダンスのばらつきを考慮しなければ、差動増幅部１１０がノイズを除去しきれなくなってしまい、図４のように波形が飽和する可能性がある。
【００６８】
そこで、本実施形態における生体電気信号検出装置１は、複数の電極Ｅの接触インピーダンスの大きさにばらつきがあったとしても、差動増幅部１１０がノイズ成分を除去する効果が減少しない構成になっている。以降、この構成について詳細に説明する。
【００６９】
まず、接触インピーダンスと、差動増幅部１１０のノイズ除去能力と、の関係について説明する。なお、差動増幅部１１０ａと差動増幅部１１０ｂとは、同様の構成を有するので、以降では差動増幅部１１０ａを例に挙げて説明する。
【００７０】
［差動増幅部のノイズ除去能力］
図８は、差動増幅部１１０ａの回路構成の一例を説明するための図である。ユーザＨの皮膚と接触する電極Ｅは、ユーザの汗や皮脂等に起因して接触インピーダンスが発生する。図８では、電極ｃｈ１，ＧＮＤ，ＲＥＦとユーザＨとの接触インピーダンスを、それぞれ接触インピーダンスＲｔ１，Ｒｔｇ，Ｒｔ２とする。なお、接触インピーダンスＲｔ１，Ｒｔｇ，Ｒｔ２は、数十ｋΩ〜数ＭΩ程度であることが一般的に知られている。
【００７１】
また、図８では、ユーザＨの体に発生するノイズを発生ノイズＶｎｏｉｓｅ０とする。先述のように、外来電磁ノイズは、ユーザＨの頭全体にほぼ均一に発生するため、発生ノイズＶｎｏｉｓｅ０を、図８に示すように電極ｃｈ１，ＧＮＤ，ＲＥＦに対応する位置に示す。また、発生ノイズＶｎｏｉｓｅ０の電圧をノイズ電圧Ｖｃｏｍｍ（コモンモードノイズ電圧）とする。なお、電極ＧＮＤは、ユーザＨの生体活動による電気信号を検出するが、この成分を略零とし、記載を省略する。
【００７２】
また、ここでは説明の都合上、回路に電磁誘導ノイズ（詳細後述）は発生しないものとして説明する。差動増幅部１１０ａに含まれるオペアンプ１１１ａの入力インピーダンスＲｉを、図８のように模式的に示す。
【００７３】
図３〜図６を参照して説明したように、電極ｃｈ１が検出する生体電気信号の電圧Ｖｃｈ１は、ユーザＨの生体活動による生体電気信号（信号Ｖｃｒｅａｔｕｒｅ１とし、この電圧をＶｃｒｅａｔｅ１とする。）と、ノイズ成分（例えば、電圧Ｖｃｏｍｍ）と、の両者が合算されたものである。
【００７４】
また、電極ＲＥＦが検出する生体電気信号の電圧Ｖｒｅｆは、ユーザＨの生体活動による生体電気信号（信号Ｖｃｒｅａｔｕｒｅ２とし、この電圧をＶｃｒｅａｔｅ２とする。）と、ノイズ成分と、の両者が合算されたものである。
【００７５】
オペアンプ１１１ａは、電極ｃｈ１と電極ＲＥＦとの差動電圧を検出し、ノイズ成分を除去する。ここで、電極ｃｈ１からオペアンプ１１１ａ側に流れる電流Ｉ１、及び、オペアンプ１１１ａの負側入力信号電圧Ｖ１は、以下の式によって表される。
（１）Ｉ１＝Ｖ１／Ｒｉ１
（２）Ｖ１＝Ｖｃｏｍｍ＋Ｖｃｒｅａｔｅ１−Ｒｔ１＊Ｉ１
【００７６】
上記の式（１）及び式（２）から、負側入力信号電圧Ｖ１は、以下の式によって表される。
（３）Ｖ１＝Ｒｉ１＊（Ｖｃｏｍｍ＋Ｖｃｒｅａｔｅ１）／（Ｒｉ１＋Ｒｔ１）
【００７７】
一方、電極ＲＥＦからオペアンプ１１１ａ側に流れる電流Ｉ２、及び、オペアンプ１１１ａの正側入力信号電圧Ｖ２は、以下の式によって表される。
（４）Ｉ２＝Ｖ２／Ｒｉ１
（５）Ｖ２＝Ｖｃｏｍｍ＋Ｖｃｒｅａｔｅ２−Ｒｔ２＊Ｉ２
【００７８】
上記の式（４）及び式（５）から、正側入力信号電圧Ｖ２は、以下の式によって表される。
（６）Ｖ２＝Ｒｉ１＊（Ｖｃｏｍｍ＋Ｖｃｒｅａｔｅ２）／（Ｒｉ１＋Ｒｔ２）
【００７９】
また、オペアンプ１１１ａの出力信号電圧Ｖ０１は、オペアンプ１１１ａの増幅度Ａｖ、式（３）及び式（６）に基づいて、以下の式で表される。
（７）Ｖ０１＝Ａｖ＊（Ｖ２−Ｖ１）＝Ａｖ＊Ｒｉ１＊（１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ２）−１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ１））＊Ｖｃｏｍｍ＋Ａｖ＊Ｒｉ１＊（Ｖｃｒｅａｔｅ２／（Ｒｉ１＋Ｒｔ２）−（Ｖｃｒｅａｔｅ１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ１））
【００８０】
式（７）で示されるように、出力信号電圧Ｖ０１は、接触インピーダンスＲｔ１と接触インピーダンスＲｔ２の差が小さければ小さいほど、ノイズ成分（式（７）のうちの「Ａｖ＊Ｒｉ１＊（１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ２）−１／（Ｒｉ１＋Ｒｔ１））＊Ｖｃｏｍｍ」の成分）の絶対値が小さくなる。即ち、接触インピーダンスＲｔ１と接触インピーダンスＲｔ２の差が小さければ小さいほど、差動増幅部１１０によるノイズ成分の除去性能が向上することになる。
【００８１】
図９は、出力信号電圧Ｖ０のノイズ成分と接触インピーダンスとの関係を示す図である。図９に示す例は、例えば、ノイズ電圧Ｖｃｏｍｍを１００ｍＶ、増幅度Ａｖを２＊１０４、及び接触インピーダンスＲｔ２を１０４Ωとし、入力インピーダンスＲｉ及び接触インピーダンスＲｔ１を変化させた場合に、式（７）によって得られる出力信号電圧Ｖ０１のノイズ成分を示している。
【００８２】
図９に示すように、接触インピーダンスＲｔ１と接触インピーダンスＲｔ２の値の差が小さいほど（図９の場合、が１０４Ωに近いほど）、出力信号電圧Ｖ０１のノイズ成分が小さくなる。また、入力インピーダンスＲｉ１が、接触インピーダンスＲｔ１及び接触インピーダンスＲｔ２に比べて大きくなるほど、出力信号電圧Ｖ０１のノイズ成分が小さくなる。
【００８３】
したがって、入力インピーダンスＲｉ１を、接触インピーダンスのオーダー（数十ｋΩ〜数ＭΩ）に比べて極めて大きく（例えば、１ＧΩ以上）すれば、接触インピーダンスＲｔ１と接触インピーダンスＲｔ２の差によらず、ノイズ成分の除去能力は担保される。例えば、入力インピーダンスＲｉ１を、接触インピーダンスＲｔ１，Ｒｔ２の１００倍以上にすれば、接触インピーダンスＲｔ１が接触インピーダンスＲｔ２の２倍であっても、式（７）に示すように、オペアンプ１１１ａの差動入力によってノイズの振幅を数十分の一に収めることができる。
【００８４】
しかしながら、差動増幅部１１０は基板ボックス１０に格納されているため、図８に示す電極Ｅと入力インピーダンスＲｉ１とを接続する配線は、一定の距離（例えば、基板ボックス１０と、前頭部バンド３０又はイヤホン５０と、の距離）がある。したがって、図８に示す回路に外来ノイズ（例えば、電磁誘導によるノイズ）が発生してしまう可能性がある。
【００８５】
例えば、図８に示す電極ｃｈ１の検出信号を差動増幅部１１０ａに伝達するための配線と、電極ＧＮＤの検出信号を差動増幅部１１０ａに伝達するための配線と、によって囲まれる領域に外部からの電磁波が貫く場合、この領域には電磁誘導ノイズ（外来ノイズ）が発生する。例えば、電極ｃｈ１と差動増幅部１１０との距離Ｌ０が大きくなればなるほど、この領域の面積（以降、面積Ｓ（Ｌ０）とする。）は大きくなる。
【００８６】
ここで、ユーザＨの周囲の機器（例えば、商用電源）からの外来電磁波の磁束密度をＢ（Ｔ）とすると、電極ｃｈ１の配線及び電極ＧＮＤの配線によって発生する電磁誘導電圧Ｖ（Ｌ０）は、磁束の時間変化に基づいて以下の式によって表される。
（８）Ｖ（Ｌ０）＝−ｄ（Ｂ＊Ｓ（Ｌ０））／ｄｔ
【００８７】
上記の式（８）から、電極ｃｈ１と入力インピーダンスＲｉとの距離Ｌ０が長くなると、面積Ｓ（Ｌ０）が大きくなるため電磁誘導電圧Ｖ（Ｌ０）が高くなる。
【００８８】
図１０は、電磁誘導電圧を示す回路図である。図１０は、図８の回路のうち、接触インピーダンスＲｔ１と入力インピーダンスＲｉ１のみを示している。図１０に示すように、入力インピーダンスＲｉの両端の電圧は、（Ｒｉ１／（Ｒｔ１＋Ｒｉ１））＊Ｖ（Ｌ０）で表される。即ち、入力インピーダンスＲｉが大きくなると、この電磁誘導電圧Ｖ（Ｌ０）が、負側入力信号電圧Ｖ１に及ぼす影響が大きくなる。
【００８９】
また、他にも、電極Ｅから差動増幅部１１０までの配線が一定の長さがある場合、配線とユーザＨの間で静電結合ノイズ等が発生する。つまり、高い入力インピーダンスＲｉ１のために高感度なアンテナのようにノイズを拾ってしまう可能性がある。したがって、本発明に係る生体電気信号検出装置１は、このノイズの発生を抑制するようにしている。
【００９０】
［発生ノイズを低減するバッファアンプ］
本発明に係る生体電気信号検出装置１の検出部１００は、上記のような高い入力インピーダンスに基づくノイズの発生を防ぐためにバッファアンプ（増幅手段）を含むようにしている。このバッファアンプは、図８のオペアンプ１１１ａと同様に、差動増幅部１１０によるノイズ除去の効果が低下しないように、ユーザＨ及び電極ｃｈ１，ｃｈ２，ＲＥＦの接触インピーダンス（例えば、数十ｋΩ）より高い入力インピーダンス（例えば、１ＧΩ以上）を有する。
【００９１】
バッファアンプは、電極Ｅで検出される電気信号を増幅させる。また、バッファアンプは、電極Ｅと差動増幅部１１０との間に配置される。例えば、バッファアンプは、電極Ｅとバッファアンプとの距離が、バッファアンプと差動増幅美１１０との距離よりも短い位置に設けられる。別の言い方をすれば、例えば、バッファアンプは、バッファアンプの入力インピーダンスを含む回路に発生する外来ノイズの成分によって、差動増幅部１１０の出力電圧が飽和しないような位置（例えば、電極Ｅの直後）に配置される。
【００９２】
図１１は、本発明に係るバッファアンプを含む回路構成の一例を示す図である。図１１に示すように、電極ｃｈ１，ＲＥＦと、オペアンプ１０１と、の間に、バッファアンプ１０１ａ，１０１ｃ（以降、電極Ｅの直後に配置されるバッファアンプをまとめてバッファアンプ１０１という。）が配置されている。
【００９３】
バッファアンプ１０１ａ，１０１ｃの増幅度は、例えば、互いに略同程度（例えば、１）に設定される。バッファアンプ１０１ａ，１０１ｃの増幅度は、接触インピーダンスよりも高い入力インピーダンスが得られる範囲で設定されていてよい。
【００９４】
図１１では、バッファアンプ１０１ａの入力インピーダンスをＲｉａ（＞接触インピーダンスＲ１ｔ）とし、バッファアンプ１０１ｃの入力インピーダンスをＲｉｃ（＞接触インピーダンスＲ２ｔ）とする。また、図１１に示す回路に発生する電磁誘導ノイズの電圧を、ノイズ電圧Ｖｅｉ１及びノイズ電圧Ｖｅｉ２とする。また、電磁誘導ノイズや静電結合ノイズ等、回路に発生するノイズを含めてノイズＶｎｏｉｓｅ１及びノイズＶｎｏｉｓｅ２とする。
【００９５】
例えば、電極ｃｈ１とバッファアンプ１０１ａとの距離Ｌ１に基づいて、ノイズ電圧Ｖｅｉ１は、−ｄ（Ｂ＊Ｓ（Ｌ１））／ｄｔで表される。また例えば、電極ＲＥＦとバッファアンプ１０１ｃとの距離Ｌ２に基づいて、ノイズ電圧Ｖｅｉ２は、−ｄ（Ｂ＊Ｓ（Ｌ２））／ｄｔで表される。
【００９６】
電極ｃｈ１からバッファアンプ１０１ａ側に流れる電流Ｉ１１、及び、バッファアンプ１０１ａの正側入力信号電圧Ｖ１１は、以下の式によって表される。なお、下記に示すＶｔｏｔａｌ１（Ｌ１）は、第１の検出手段（検出部１００ａ）を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ１が増加すると大きくなるノイズである。例えば、Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）は、ノイズ電圧Ｖｅｌ１や、静電結合ノイズの電圧が加算されたものである。また、電圧Ｖｃｈ１は、電極ｃｈ１で検出する電気信号の電圧である。即ち、電圧Ｖｃｈ１は、電圧Ｖｃｏｍｍと電圧Ｖｃｒｅａｔｅ１を合算したものである。
（９）Ｖ１１＝Ｉ１１＊Ｒｉａ
（１０）Ｖ１１＝Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｃｈ１−Ｒｔ１＊Ｉ１１
【００９７】
式（９）及び式（１０）から、バッファアンプ１０１ａの正側入力信号電圧Ｖ１１は、以下の式によって表される。
（１１）Ｖ１１＝Ｒｉａ＊（Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｃｈ１）／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１）
【００９８】
一方、電極ＲＥＦからバッファアンプ１０１ｃ側に流れる電流Ｉ２１、及び、バッファアンプ１０１ｃの正側入力信号電圧Ｖ２１は、以下の式によって表される。なお、下記に示すＶｔｏｔａｌ２（Ｌ２）は、第２の検出手段（検出部１００ｃ）を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ２が増加すると大きくなるノイズである。例えば、Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）は、ノイズ電圧Ｖｅｌ２や、静電結合ノイズの電圧が加算されたものである。また、電圧Ｖｒｅｆは、電極ＲＥＦで検出する電気信号の電圧である。即ち、電圧Ｖｒｅｆは、電圧Ｖｃｏｍｍと電圧Ｖｃｒｅａｔｅ２を合算したものである。
（１２）Ｖ２１＝Ｉ２１＊Ｒｉｃ
（１３）Ｖ２１＝Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｒｅｆ−Ｒｔ２＊Ｉ２１
【００９９】
式（１２）及び式（１３）から、バッファアンプ１０１ａの正側入力信号電圧Ｖ２１は、以下の式によって表される。
（１４）Ｖ２１＝Ｒｉｃ＊（Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｒｅｆ）／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）
【０１００】
バッファアンプ１０１ａの増幅度をＡａすると、オペアンプ１１１ａの負側入力電圧Ｖ１２は、Ａａ＊Ｖ１１となる。また、バッファアンプ１０１ｃの増幅度をＡｃとすると、オペアンプ１１１ｃの正側入力電圧Ｖ２２は、Ａｃ＊Ｖ２１となる。
【０１０１】
したがって、オペアンプ１１１ａの出力信号電圧Ｖ０２は、増幅度Ａｖ、式（１１）及び式（１４）に基づいて以下の式で表される。
（１５）Ｖ０２＝Ａｖ＊（Ｖ２１−Ｖ１１）＝Ａｖ＊（Ａｃ＊Ｒｉｃ＊（Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｒｅｆ）／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）−Ａａ＊Ｒｉａ＊（Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｃｈ１）／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１））
【０１０２】
出力信号電圧Ｖ０２が、生体電気信号検出装置１のＡ／Ｄ変換器の入力電圧範囲Ｖｍｉｎ〜Ｖｍａｘの範囲に収まるようにすれば、波形が飽和することなく、フィルタ部１２０で残存ノイズを取り除くことができる。なお、先述のように、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧範囲Ｖｍｉｎ〜Ｖｍａｘは、例えば、生体電気信号検出装置１に含まれるＡ／Ｄ変換器の量子化幅ａ、量子化ビット数ｂ、及び所定の最低入力電圧に基づいて決定される。
【０１０３】
したがって、下記の式を満たすように、バッファアンプ１０１ａの位置及び入力インピーダンスＲｉａと、バッファアンプ１０１ｃの位置及び入力インピーダンスＲｉｃと、が設定される。
（１６）Ｖｍｉｎ＜Ａｖ＊（Ｖ２２−Ｖ１２）＜Ｖｍａｘ
（１７）Ｖ２２＝Ａｃ＊Ｒｉｃ＊（Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｃｈ１）／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）
（１８）Ｖ１２＝Ａａ＊Ｒｉａ＊（Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｒｅｆ）／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１）
【０１０４】
式（１６）〜（１８）の関係式を満たすことによって、差動増幅部１１０の出力信号が入力電圧範囲内に収まる。したがって、この出力信号が、後段のＡ／Ｄ変換器で変換した場合に波形が飽和することがなくなるので、フィルタリング処理で残存ノイズを確実に除去することができる。
【０１０５】
なお、増幅度Ａｖ，Ａａ，Ａｃは、上記の式（１６）〜（１８）を満足するように設定されていてよい。また、式（１７）の「Ｒｉｃ／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）」、及び、式（１８）の「Ｒｉａ／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１）」は、それぞれ１と近似して距離Ｌ１や距離Ｌ２が決定されてもよい。
【０１０６】
また、バッファアンプ１０１ａ，１０１ｃが、それぞれ電極ｃｈ１，ＲＥＦの直後に配置されるので、入力インピーダンスＲｉａ及び入力インピーダンスＲｉｃは、電極ｃｈ１，ＲＥＦの直後にあることになる。即ち、距離Ｌ１と距離Ｌ２が略零であるので、電磁誘導ノイズや静電結合ノイズの発生を軽減することができる。
【０１０７】
数値例を挙げて説明すると、距離Ｌ１及び距離Ｌ２が略零であり、
増幅度Ａｖ＝Ａａ＝Ａｃ＝１
Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＝１．２ｍＶ
Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ２）＝１ｍＶ
Ｒｔ１＝１０ｋΩ
Ｒｔ２＝１５ｋΩ
Ｖｃｏｍｍ＝３００ｍＶ
Ｖｃｒｅａｔｅ１＝５００μＶ
Ｖｃｒｅａｔｅ２＝１００μＶ
とした場合、入力インピーダンスＲｉｃ及び入力インピーダンスＲｉａを１００ＭΩに設定すると、差動増幅部１１０から出力される電圧Ａｖ＊（Ｖ２２−Ｖ１２）が、６１５μＶ程度になる。この大きさは、Ｖｃｒｅａｔｅ１及びＶｃｒｅａｔｅ２と同程度のオーダーである。したがって、入力電圧範囲の大きさが数百μＶであっても、差動増幅部１１０から出力される電圧が飽和することがなくなる。
【０１０８】
なお、オペアンプ１１１ａは、バッファアンプ１０１ａとバッファアンプ１０１ｃとの２つの出力電気信号を差動増幅させる。オペアンプ１１１ａの入力インピーダンスは、図１１では図示していないが、バッファアンプ１０１の入力インピーダンスよりも小さくてよい。即ち、バッファアンプ１０１によって接触インピーダンスによるノイズ除去性能の低下を防ぐことができるので、オペアンプ１１１ａの入力インピーダンスを高く設定する必要がなくなる。図８のようにオペアンプ１１１ａの入力インピーダンスが高い場合、この入力インピーダンスを含む回路に発生する電磁誘導ノイズや静電結合ノイズの影響を大きく受けることになるが、図１１の回路では、この影響を低減させることができる。
【０１０９】
また、バッファアンプ１０１の出力インピーダンス側の回路でも外来ノイズが発生することが考えられるが、バッファアンプ１０１の増幅度を１倍とすることによって、入力インピーダンスを高く、かつ、出力インピーダンスを低くすることができるので、このノイズの発生を軽減することができる。
【０１１０】
上記では検出部１００ａ，１００ｂ，１００ｃ、及び、差動増幅部１１０ａの構成を例に挙げて説明したが、検出部１００ｄが検出する生体電気信号についても同様のノイズ除去処理が行われる。即ち、検出部１００ｄの電極ｃｈ２の直後に高入力インピーダンスのバッファアンプ１０１を配置し、差動増幅部１００ｂで生体電気信号を差増増幅させる。これにより、検出部１００ｄが検出するノイズ成分を検出部１００ｃの成分で打ち消すことができ、かつ、バッファアンプ１０１の高入力インピーダンスに起因するノイズを抑えることができる。
【０１１１】
［実施形態のまとめ］
以上のように、生体電気信号検出装置１は、差動増幅部１１０が電極Ｅの差動電圧を出力するため、ユーザＨの体に発生するノイズを除去することができる。また、電極ｃｈ１，ｃｈ２，ＲＥＦの直後に配置されるバッファアンプ１０１の入力インピーダンスが、接触インピーダンスに比べて高いので、接触インピーダンスのばらつきによる差動増幅部１１０によるノイズ除去性能の低下を抑えることができる。また、電極Ｅの直後にバッファアンプ１０１を配置することによって、高い入力インピーダンスＲｉ２を使用してもノイズの発生を抑えることができる。
【０１１２】
したがって、ダイナミックレンジが比較的小さいＡ／Ｄ変換器を用いても測定波形を飽和させることなく、フィルタ部１２０で残存ノイズを確実に除去することができる。また、電導性ジェルをふき取ったりする手間がかかる湿式電極ではなく、取り扱いが簡単な乾式電極を用いることができる。
【０１１３】
なお、本発明は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態においては、電極（検出部）の数を４つとしたが、差動電圧を検出するために複数個の電極が、生体電気信号検出装置１に配置されていればよく、電極の数は４つに限られない。差動増幅部は、検出部の数に合わせた数が配置されていればよい。
【０１１４】
また例えば、生体電気信号検出装置を頭部に装着させる場合を説明したが、ユーザの体と電極を接触させるものであればよく、手や足に装着させるものであってよい。
【符号の説明】
【０１１５】
１ 生体電気信号検出装置、１０ 基板ボックス、２０ 電池ボックス、２１ 電源スイッチ、２２ 電源ランプ、２３ 通信ランプ、３０ 前頭部バンド、４０ 後頭部ベルト、４１ バックル、５０ イヤホン、５１ アンプ基板、Ｅ，ｃｈ１，ｃｈ２，ＧＮＤ，ＲＥＦ 電極、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ 検出部、１０１ａ，１０１ｃ バッファアンプ、１１０，１１０ａ，１１０ｂ 差動増幅部、１１１ａ オペアンプ、１２０，１２０ａ，１２０ｂ フィルタ部、１３０，１３０ａ，１３０ｂ 増幅部、１４０ マイコン部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザに発生する電気信号を検出する電極と、当該電極で検出される電気信号を増幅させる増幅手段と、を含む複数の検出手段と、
前記複数の検出手段から出力される信号のうちの２つを差動増幅する一又は複数の差動増幅手段と、
を含み、
前記増幅手段は、前記ユーザ及び前記電極の接触インピーダンスより高い入力インピーダンスを有し、前記電極と前記差動増幅手段との間に設けられることを特徴とする生体電気信号検出装置。
【請求項２】
前記増幅手段は、前記電極と前記増幅手段との距離が、前記増幅手段と前記差動増幅手段との距離よりも短い位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の生体電気信号検出装置。
【請求項３】
前記生体電気信号検出装置は、前記差動増幅手段の出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器を含み、
前記複数の検出手段は、第１の電極及び第１の増幅手段を含む第１の検出手段と、第２の電極及び第２の増幅手段を含む第２の検出手段と、を少なくとも含み、
前記Ａ／Ｄ変換器の入力電圧範囲をＶｍｉｎ〜Ｖｍａｘとし、
前記第１の増幅手段の入力インピーダンスをＲｉａとし、
前記第２の増幅手段の入力インピーダンスをＲｉｃとし、
前記第１の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをＲｔ１とし、
前記第２の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをＲｔ２とし、
前記第１の電極と前記第１の増幅手段との距離をＬ１とし、
前記第２の電極と前記第２の増幅手段との距離をＬ２とし、
前記第１の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ１が増加すると大きくなるノイズの電圧をＶｔｏｔａｌ１（Ｌ１）とし、
前記第２の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ２が増加すると大きくなるノイズの電圧をＶｔｏｔａｌ２（Ｌ２）とし
前記差動増幅手段の増幅度をＡｖとし、
前記第１の増幅手段の増幅度をＡａとし、
前記第２の増幅手段の増幅度をＡｃとし、
前記第１の電極によって検出された電気信号の電圧をＶｃｈ１とし、
前記第２の電極によって検出された電気信号の電圧をＶｒｅｆとした場合、
下記の関係式（１）〜（５）を満たすように、前記第１の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、前記第２の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の生体電気信号検出装置。
（１）Ｒｉａ＞Ｒｔ１
（２）Ｒｉｃ＞Ｒｔ２
（３）Ｖｍｉｎ＜Ａｖ＊（Ｖ１２−Ｖ２２）＜Ｖｍａｘ
（４）Ｖ１２＝Ａｃ＊Ｒｉｃ＊（Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｃｈ１）／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）
（５）Ｖ２２＝Ａａ＊Ｒｉａ＊（Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｒｅｆ）／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１）
【請求項４】
前記増幅手段は、増幅度が１倍のアンプであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の生体電気信号検出装置。
【請求項５】
前記複数の検出手段は、前記ユーザの前頭部と接触する第１の電極を含む第１の検出手段と、前記ユーザの耳と接触する第２の電極を含む第２の検出手段と、を少なくとも含み、
前記一又は複数の差動増幅手段は、前記第１の検出手段と前記第２の検出手段との出力信号を差動増幅することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の生体電気信号検出装置。
【請求項１】
ユーザに発生する電気信号を検出する電極と、当該電極で検出される電気信号を増幅させる増幅手段と、を含む複数の検出手段と、
前記複数の検出手段から出力される信号のうちの２つを差動増幅する一又は複数の差動増幅手段と、
を含み、
前記増幅手段は、前記ユーザ及び前記電極の接触インピーダンスより高い入力インピーダンスを有し、前記電極と前記差動増幅手段との間に設けられることを特徴とする生体電気信号検出装置。
【請求項２】
前記増幅手段は、前記電極と前記増幅手段との距離が、前記増幅手段と前記差動増幅手段との距離よりも短い位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の生体電気信号検出装置。
【請求項３】
前記生体電気信号検出装置は、前記差動増幅手段の出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器を含み、
前記複数の検出手段は、第１の電極及び第１の増幅手段を含む第１の検出手段と、第２の電極及び第２の増幅手段を含む第２の検出手段と、を少なくとも含み、
前記Ａ／Ｄ変換器の入力電圧範囲をＶｍｉｎ〜Ｖｍａｘとし、
前記第１の増幅手段の入力インピーダンスをＲｉａとし、
前記第２の増幅手段の入力インピーダンスをＲｉｃとし、
前記第１の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをＲｔ１とし、
前記第２の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをＲｔ２とし、
前記第１の電極と前記第１の増幅手段との距離をＬ１とし、
前記第２の電極と前記第２の増幅手段との距離をＬ２とし、
前記第１の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ１が増加すると大きくなるノイズの電圧をＶｔｏｔａｌ１（Ｌ１）とし、
前記第２の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Ｌ２が増加すると大きくなるノイズの電圧をＶｔｏｔａｌ２（Ｌ２）とし
前記差動増幅手段の増幅度をＡｖとし、
前記第１の増幅手段の増幅度をＡａとし、
前記第２の増幅手段の増幅度をＡｃとし、
前記第１の電極によって検出された電気信号の電圧をＶｃｈ１とし、
前記第２の電極によって検出された電気信号の電圧をＶｒｅｆとした場合、
下記の関係式（１）〜（５）を満たすように、前記第１の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、前記第２の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の生体電気信号検出装置。
（１）Ｒｉａ＞Ｒｔ１
（２）Ｒｉｃ＞Ｒｔ２
（３）Ｖｍｉｎ＜Ａｖ＊（Ｖ１２−Ｖ２２）＜Ｖｍａｘ
（４）Ｖ１２＝Ａｃ＊Ｒｉｃ＊（Ｖｔｏｔａｌ２（Ｌ２）＋Ｖｃｈ１）／（Ｒｉｃ＋Ｒｔ２）
（５）Ｖ２２＝Ａａ＊Ｒｉａ＊（Ｖｔｏｔａｌ１（Ｌ１）＋Ｖｒｅｆ）／（Ｒｉａ＋Ｒｔ１）
【請求項４】
前記増幅手段は、増幅度が１倍のアンプであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の生体電気信号検出装置。
【請求項５】
前記複数の検出手段は、前記ユーザの前頭部と接触する第１の電極を含む第１の検出手段と、前記ユーザの耳と接触する第２の電極を含む第２の検出手段と、を少なくとも含み、
前記一又は複数の差動増幅手段は、前記第１の検出手段と前記第２の検出手段との出力信号を差動増幅することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の生体電気信号検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−５５５８８（Ｐ２０１２−５５５８８Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３７２３（Ｐ２０１０−２０３７２３）
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（５０６１１３６０２）株式会社コナミデジタルエンタテインメント (1,441)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（５０６１１３６０２）株式会社コナミデジタルエンタテインメント (1,441)
【Ｆターム（参考）】
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