JP2005124609A - 電子枕 - Google Patents

Abstract

【課題】取り扱いが容易であり、騒音を伴わず、温度調節可能な電子枕の提供。
【解決手段】本発明に係る電子枕１は、本発明に係る電子枕は、ペルチェ効果を有する熱電半導体素子とを備えている。また、上記熱電半導体素子がペルチェ効果を発現する一方の面に連なる頭部用袋体と、その他方の面に連なる肩部用袋体とを備えており、上記頭部袋体と上記肩用袋体には、それぞれゲル状物質が内包されている。上記ゲル状物質１３がヒドロゲル又はリポゲルであることがより好ましい。また、電子枕１は温度制御部を備え通電により少なくとも、上記頭部用袋体７の表面温度が５℃以上３０℃以下の範囲で、上記肩部用袋体９の表面温度よりも低くなるように制御されることがより好ましい。さらに上記肩部用袋体９の表面温度が２５℃以上４５℃以下の範囲で、上記頭部用袋体７の表面温度よりも低くなるよう制御されることがさらに好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸熱及び放熱の機能を備えた電子枕に関する。

従来、安眠、病気治療等のために頭部を冷却するのに水枕が用いられた。水枕には冷水に氷が入れられる。この水の温度は時間の経過とともに上昇する。水や氷を枕に注入し又は入れ替えることは面倒である。この問題の解決のためにペルチェ効果を有する熱電半導体素子（ペルチェ素子とも呼ばれる）が利用された枕が提案されている。特開平１−４６４５４号公報には、ペルチェ素子の吸熱部に直接又は布等を介して間接に頭部を当てて冷却する枕が記載されている。冷却部の反対側の放熱部は、凹凸が設けられ放熱面積を広くして放熱させている。このペルチェ素子は、硬いため枕内でごつごつした感じを生じ、安眠の妨げとなる。

ペルチェ素子の冷却効率を向上させるため、放熱補助部品としてヒートシンクや、ヒートパイプを用いた枕も知られている。例えば、特開平９−８４６７７号公報に記載の電子枕では、ペルチェ素子により冷却され、温度制御された流体が断熱チューブを介して枕に循環されている。ペルチェ素子の冷却面と反対の放熱面の放熱のためにファンが使用される。この発明では、ファンの騒音が発生することに対する音源を枕から遠ざけることが意図されている。しかし、この枕では、騒音源が遠ざけられるとはいえ一般家庭の室内ではせいぜい数メートルの範囲のことである。遠ざけられた騒音の音圧レベルが少し低下する程度にとどまり、睡眠を阻害しないとはいえない。また、このような構成では、冷却のための装置が大がかりで取り扱いに不便である。また、コストが高く実用的とはいえない。
特開平１−４６４５４号公報 特開平９−８４６７７号公報

上記のように、ペルチェ素子を用いることによって、枕の温度が制御されることは公知である。しかし、硬いペルチェ素子が組み込まれながら使用感のよい枕とすることは容易ではない。ペルチェ素子が枕の外に置かれる場合には、冷媒の冷却用装置が大がかりであり、その騒音は抑えにくい。本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、取り扱いが容易であり、騒音を伴わず、温度制御可能な電子枕を提供することを目的としている。

本発明に係る電子枕は、ペルチェ効果を有する熱電半導体素子とを備えている。また、上記熱電半導体素子がペルチェ効果を発現する一方の面に連なる頭部用袋体と、その他方の面に連なる肩部用袋体とを備えており、上記頭部袋体と上記肩用袋体には、それぞれゲル状物質が内包されている。

この電子枕は上記ゲル状物質がヒドロゲル又はリポゲルであることがより好ましい。

またこの電子枕は、電流制御部を備え、通電により、上記頭部用袋体の表面温度が５℃以上３０℃以下の範囲で、上記肩部用袋体の表面温度よりも低くなるように制御されることが好ましい。

さらに、この電子枕は、電流制御部を備え、通電により、上記肩部用袋体の表面温度が２５℃以上４５℃以下の範囲で、上記頭部用袋体の表面温度よりも高くなるように制御されることが好ましい。

この電子枕では、頭部が冷却されるとともに、肩が温められる。放熱のためのファンや流体循環のポンプ等が不要であり、騒音がない。これにより心地よい眠りにつくことができ、快眠できる。この電子枕には、大がかりな装置が不要であり取り扱いに便利である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１から図４に、本発明の一実施形態に係る電子枕１が示されている。図１は、電子枕１が示された斜視図である。図２（ａ）は、平面模式的に示された図１の一部切り欠き断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図３は、電子枕１の温度制御系統が模式的に示された平面図である。図４は、図３のIV−IV線に沿った部分拡大断面図である。電子枕１は、枕本体３の中に、ペルチェ効果を有する熱電半導体素子５（以下「ペルチェ素子」という）と、上記ペルチェ素子５がペルチェ効果を発現する一方の面に連なる頭部用袋体７と、その他方の面に連なる肩部用袋体９とを備えている。また、電子枕１は、本体３の近くにペルチェ素子５に接続されている電源Ｓ及び電流制御部Ｃを備えている。

図１及び図２では、電子枕１の中央部に頭部用袋体７が配置されている。この頭部用袋体７に対してペルチェ素子５の２個が対称的に配置されている。この一対のペルチェ素子５の間には、熱伝導の干渉を防止するための断熱材１０が配置されている。この各々のペルチェ素子５に対して、熱伝導体１１がそれぞれ連なり一対の肩用袋体９が対称的に配置されている。本体３は、頭部の安定がよいように頭部に沿う凹形状になっている。本体３の大きさに制限はないが、用いる人の体型合わせて使い心地がよいように形成される。電子枕１の大きさは通常、横幅Ｌが４００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、奥行きＷが３００ｍｍ以上５００ｍｍ以下及び高さＨが１０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下程度である。

上記ペルチェ素子の機能等詳細は後述されるが、ペルチェ素子の吸熱面側に頭部用袋体７が配置される。この反対側の放熱面には熱伝導体１１により肩部用袋体が連結される。このように配置されたペルチェ素子に通電されるとペルチェ素子の上面では冷却され、ペルチェ素子の下面では暖められる。すなわち、電子枕の頭部が冷却され、肩部が暖められる。上記ペルチェ素子、頭部用袋体、熱伝導体等の形状、数、配置等は、頭部が冷却され、肩部が暖められるように構成される限り、特に制限はない。

本体３は、人の頭を支持できる硬さ、可撓性及び復元性を備えておれば材質に特に制限はない。本体３には、通常の枕に使用される材質が使用できる。中でも、ゴム又は合成樹脂材料が用いられることが好ましい。ゴムとしては、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム等が用いられる。合成樹脂材料としては、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアミド、ポリブタジエン等の熱可塑性エラストマーの単独又は複数種類の組み合わせが用いられる。可撓性及び種々の硬さに調節できるという面から、ポリウレタンの発泡体がより好ましい。中でも低反発性のポリウレタン発泡体がさらに好ましい。本体３は、内部に配置される上記の各部材を埋めて安定させる。

頭部用袋体７は、ペルチェ素子５の上面に直接接して配置されている。ペルチェ素子５と頭部用袋体７の間に熱伝導体が配置されてもよい。この場合の熱伝導体は、通常、頭部用袋体に合わせて適当な形状に形成される。頭部用袋体７は、電子枕１の上部表面に近く配置される。冷却効率の観点から頭部用袋体７の表面が本体３から露出されるように構成してもよい。ペルチェ素子５の下面には、熱伝導体１１が接続される。この熱伝導体１１は、電子枕１が用いられて人の肩が接する本体３の端近くまで延在される。肩部用袋体９は、この熱伝導体１１の下面に接して配置される。すなわち、肩部用袋体９も熱伝導体１１を介して後述される温度制御系統に連なっている。

この熱伝導体１１には、熱伝導率の高い材料が用いられる。この材料としては、銅等の金属体、グラファイト等の炭素成形体、シリコーン等の樹脂成形体が例示される。中でも、銅板が多く用いられる。熱伝導体１１として、上記の高熱伝導率物質の他に、ゲル状体を含む半固体、その他の固体又はこれらの組み合わせ体が用いられてもよい。この熱伝導体１１により、ペルチェ素子５の放熱部の熱が移動される。そのため、放熱用のファンやヒートパイプ及びこれらの駆動装置が不要である。

上記頭部用袋体７及び肩用袋体９の大きさ、形状等には特に限定はない。電子枕１を用いる人の体型に適合した形状等に形成されることが好ましい。上記頭部用袋体７及び肩用袋体９ともにゲル状物質１３が内包されている。ゲル状物質１３としては、高い断熱性を有するものでない限りは、特に限定されない。ゲル状物質１３には、水を溶媒とするヒドロゲル及びオイルを溶媒とするリポゲルがある。ヒドロゲルとしては、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキサイド、カルボキシメチルセルロースナトリウム、ヒドロキシプロピルセルロース及びメチルセルロースが例示される。例えば、ポリアクリル酸の重量平均分子量としては１００万から５００万程度のものが好適に用いられる。

リポゲルとしては、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリスチレン、シリコーン、ポリエチレン、ポリエステル、酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、ネオプレン、ポリブタジエンゴムからなるゲルが例示される。これらの単独、又は複数のゲルが組み合わされて用いられる。低温でも粘性を有する面からリポゲルがより好適に用いられる。また、リポゲルは、ポリマーの性状に応じて軟化剤、可塑剤、充填剤等が加えられて弾性等が調節される。これらのポリマーがオイルとともに架橋されてリポゲルが作られる。

中でも、圧力分散性、加工性、価格等のバランスがよいという面からポリウレタンゲルが好ましい。さらに、ゲル状物質１３は、もし外装のフィルムが破れてもゲル状物質１３が電子枕の外に流出しないようにゲル状の固体であることがより好ましい。このようなゲル状物質１３として、例えば、熱硬化性ポリウレタンのゲルがある。この熱硬化性ポリウレタンのゲルは、ポリオールとイソシアネートとの混合物が加熱硬化されて得られる。ポリオールとしては、ポリエーテル系のポリオールが柔軟性及び復元性の面から好ましく用いられる。これらのゲル成形体は、例えば封入用フィルム１５からなる所定の形状の袋に充填し加熱、架橋させて得られる。ゲル成形体は、また金属の型に流し込んだり、押出機で押出成形した後、架橋しても得ることができる。

上記封入用フィルム１５としては、外力に対して破れにくく、ゲル状物質１３が染み込まず、ゲル状物質１３により変質しない限り、特に制限はない。この封入用フィルム１５には、例えば、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン-テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレン−テレフタレート（ＰＢＴ）及びポリアミドからなるものが挙げられる。上記の熱硬化性ポリウレタンゲルが用いられた場合には、この封入用フィルム１５としてポリウレタンフィルムが好適である。上記ポリウレタンのゲルとフィルムとの接着性が良好であるため、この封入用フィルム１５がゲル状物質１３から剥離することが少ない。そのため頭部用袋体７及び肩部用袋体９の表面状態が均一に保たれ形状保持性もよい。

封入用フィルム１５の厚みは、０．０２ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。０．０２ｍｍよりも薄いとフィルムが破れやすくなり耐久性が劣る恐れがある。１ｍｍより厚いと可撓性が乏しく、人の頭が接したときに硬く感じられ寝心地が悪くなる。封入用フィルムの引張強度は１０Ｎ以上であり、切断時伸びは２００％以上であり、引裂強度は５Ｎ以上であることが好ましい。引張強度及び引裂強度が上記の値よりも小さい場合は、耐久性が劣る恐れがある。切断時伸びが２００％より小さいと可撓性が小さいため、変形の自由度が小さすぎる恐れがある。そのため、保冷体５が人の首や頭の形に沿いにくく、寝心地も悪くなりがちである。また、切断伸びが小さいと寝返り等によるゲル状物質の変形をフィルムが拘束して、変形の力をフィルムだけで負担することになる。この場合は、フィルムに応力集中が生じやすくフィルムの耐久性が悪くなる。

頭部用袋体７等が収納された本体３には、通常、外装カバー１７が着けられる。この外装カバ１７ーの材質としては、公知のカバーと同様でよい。外装カバー１７としては、シルク、綿、羊毛、パルプ等の天然繊維又はポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン等の合成繊維が用いられる。これらの繊維からなる不織布、織布、編布等が用いられる。

図３に示されているように、電子枕１の温度制御系統は、ペルチェ素子５、電源Ｓ、制御部Ｃ及び温度センサー１９を備えている。ペルチェ素子５は、例えば銅板にビスマス、テルル半導体が結合されたもの等が主として用いられている。しかし、ペルチェ素子５の素材及び製法等に特に限定はない。市販のペルチェ素子５では、一辺がおよそ５ｍｍから４０ｍｍ程度で、厚さが２ｍｍから４ｍｍ程度のものが主であるがこれらを用い得る。ペルチェ素子５は、吸熱の実効性が考慮されて適当な数又は面積になるように配置される。しかし、電源Ｓとの配線等が煩わしくなるため、大きめのペルチェ素子５を数少なく用いる方が好ましい。ペルチェ素子５及び電源Ｓの選択によって通電のみでも頭部袋体７及び肩部袋体９の適当な温度に設定し得る。しかし、環境や用いる人の状態に合わせて電子枕１の温度が調節できるよう温度制御部Ｃをさらに備えることがより好ましい。

電源Ｓは、ペルチェ素子５に直流電流を供給する。この電流は、温度センサー１９の信号を受けた電流制御部Ｃが電源Ｓに作用して増減される。上記頭部用袋体７の表面温度が電気信号に変換された情報が温度センサー１９から制御部Ｃに送られる。ペルチェ素子５への電流は、リード線２３を通して供給される。一対のペルチェ素子５及び５’のどちらも吸熱面が上に向くように配線される。直流電流がペルチェ素子５の端子Ａから端子Ｂに流れるとすると、ペルチェ素子５’でも端子Ａ’から端子Ｂ’に電流が流される。電源Ｓ及び制御部Ｃは、通常、本体３の近くで、電子枕１を用いる人にとって操作しやすい場所に置かれる。

図４にペルチェ素子５の接続例が示されている。ペルチェ素子５は、セラミック板２５の間に夾まれて金属電極２７に複数の半導体２９が直列に接続されている。半導体２９は、Ｎ型半導体３１とＰ型半導体３３とからなる。Ｎ型半導体３１が電源のプラス極に、Ｐ型半導体３３がマイナス極に接続された場合、通電により、電流の流れとは逆に電子はＰ型半導体３３からＮ型半導体３１に向かって流れる。電子がＰ型半導体３３から電極に入るとき及び電極からＮ型半導体３１に入るときには電子が通りにくいためエネルギーとして熱が吸収される。逆に電子がＮ型半導体３１から電極に入るとき及び電極からＰ型半導体３３に入るときには熱が放出される。図４において、Ｎ型半導体３１の方からＰ型半導体３３に直流電流が流されると、金属電極２７の上面では熱が吸収され、下面では熱が放出される。なお、上記電流が逆向きに流されれば、下面が吸熱面、上面が放熱面となる。

頭部用袋体７の裏側表面に上記温度センサー１９が取り付けられている。この温度センサー１９と電流制御部Ｃがリード線２３を介して接続されている。この温度信号により、電流制御部Ｃによりペルチェ素子５に送られる電源Ｓの電流が増減される。電流の増減すなわち電子の増減により、ペルチェ素子５の吸熱及び放熱の度合いが変えられる。

頭部用袋体７の表面温度は、５℃以上３０℃以下とされる。この表面温度が温度制御部Ｃにより、この範囲の任意の温度に設定され、制御される。ペルチェ素子５の温度制御の精度は±０．１℃程度と高い。しかし、ジュール熱や高温面から低温面への熱の逆流等もある分、温度制御系統での制御精度はより低くなる。主として用いられる表面温度の範囲は１０℃以上２５℃以下で、さらには、１２℃以上２０℃以下で用いられる。通常の睡眠では、５℃未満の設定は過冷却となり眠りを妨げる場合がある。３０℃を超える設定では、体温との差が少ないため頭部冷却効果及び清涼感がない。

また、温度センサー１９は、図示されていないが、肩部用袋体９にも取り付けられることが好ましい。この温度センサーからの信号も電流制御部Ｃに上記頭部用センサー１９とは別系統で接続される。肩部用袋体９の表面温度は、２５℃以上４５℃以下の範囲で用いられる。この範囲で、上記頭部用袋体７の温度よりも高い任意の温度で制御される。ペルチェ素子の放熱側の熱が銅等の熱伝導体１１で肩部に移動させて利用される。

この熱伝導体１１がゲル状物質１３入りの肩部用袋体９で覆われている。この肩部用袋体９によって電子枕１の肩部にクッション性が付与されている。そのため電子枕１の感触がよくなっている。また、肩部用袋体９が肩部に沿う形状で接することができるため均等にかつ、効率的に肩部を暖めることができる。肩部用袋体９の表面温度は、主として２７℃以上４０℃以下の範囲で設定される。特に３０℃以上３７℃以下の範囲がより好適に用いられる。従来から経験的に肩口を温める方が心地よい眠りに就けるといわれる。表面温度が２５℃未満では冷却感を生じることがあり寝付きにくい。４５℃を超えると寝汗をかいたり、低温やけどを生じることがある。肩部用袋体９の温度は、使用する人の好みに合わせて自由に設定されることが好ましい。

この電子枕１に用いられる温度制御系統の構成には特に限定はない。温度センサー１９及び温度制御部Ｃにより、冷却及び加温の温度、持続時間及び温度勾配を制御されることがより好ましい。温度センサー１９は、例えば、頭部用袋体９の裏面の後頭部又は頸部に相当する位置に取り付けられる。この温度制御部Ｃによって、就寝から３０分から４０分は、頭部用袋体９の温度が次第に低げられ、その後起床までの間に次第に上昇させるように制御されることがより好ましい。

ペルチェ素子５は構造上表面が硬いため枕の中ではゴツゴツ感を与えるものであるが、ペルチェ素子５の吸熱面側に頭部用袋体７を配置することにより、これに当接する頭にクッション性を付与して硬いペルチェ素子５から頭が保護されている。また、頭部用袋体７がペルチェ素子５の低温面側にぴったりと沿わせることができる。この頭部用袋体７と、放熱面側の熱伝導体１１とは、本体３の発泡体で断熱されるために冷却効率がよい。したがって、振動や騒音がなく静かな環境で安眠できる。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。

［実施例１］
本体として、発泡剤入りの天然ゴム組成物を金型で加硫成形して、袋体等を組み込むための凹部を備えた天然ゴムの発泡成形体を得た。頭部用袋体の成形用金型にポリウレタンフィルムを沿わせて敷き、ポリオールとイソシアネートとを混合して約１５０℃に加温した熱硬化性ポリウレタンゲルを流し込み、０．５時間かけて反応させた後、冷却成形して頭部用袋体を作成した。同様にして肩部用袋体成型用金型で肩部用袋体２個を作成した。上記本体の凹部に銅板（幅１００ｍｍのＬ字型、厚み０．５ｍｍ）２枚を左右に対称に配置した。この各銅板の端部下面に押し当て肩部用袋体をそれぞれ組み込んだ。この銅板の本体中央部側の上面にペルチェ素子（フリヂスター社製のフリヂスターモジュールＦ７０７０−ＭＴ）２個をそれぞれ押し当てるように組み込んだ。この各ペルチェ素子の上面に頭部用袋体を押し当て組み込み、各ペルチェ素子のリード線を電源装置（長野日本無線社製の高周波電流規制対応汎用電源 ＡＨＳ３００−２４）及び制御装置に上面が吸熱側となるように接続し、温度センサー（Ｇｒｉｍ社のＬＴ−ＳＴ０８−１２）を頭部用袋体の中央部下面に取り付け制御装置に接続した。このペルチェ素子等所定の内容が組み込まれた本体に綿製のカバーを着けて実施例１の電子枕を得た。

［比較例１］
市販の平形枕に市販の保冷具（ダンロップホームプロダクツ社の保冷剤：やわらか雪枕）を乗せて比較例１の枕とした。

［比較例２］
ペルチェ素子（ダイドー社のＳｕｐｅｒ Ｌ−ＣＯＯＬ）で冷却した水を透明チューブに導きシール栓を介して水枕内に循環させて冷却用枕を得た。

［評価］
健康な成人１０名を被験者として、実施例及び各比較例の枕を用いて、寝つくのに要した時間、寝つくときの心地よさについてアンケート形式で評価させた。実験は、防音及び空調が施された室内に設置されたベッドで、各条件につき、一夜づつ行われた。室内の温度は一般に使用されているエアコンで２６℃に設定された。寝つくときの心地よさは、「よい」５、「ややよい」４、「普通」３、「やや悪い」２、「悪い」１の５段階として、被験者の回答の平均値を算出した。

表１に示されるように、実施例の電子枕では、心地よく感じられ、寝つきが早い。比較例１及び比較例２の枕に比べて評価が高い。この評価結果から、本発明の優位性は明らかである。

本発明は、一般の安眠用、病人の治療用枕に適用され得る。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子枕が示された斜視図である。 図２は、平面模式的に示された図１の一部切り欠き断面図である。 図３は、電子枕１の温度制御系統が模式的に示された平面図である。 図４は、図３のIV−IV線に沿った部分拡大断面図である。

符号の説明

１・・・電子枕
３・・・本体
５・・・ペルチェ素子
７・・・頭部用袋体
９・・・肩部用袋体
１１・・・熱伝導体
１３・・・ゲル状物質
１５・・・封入用フィルム
１７・・・外装カバー
１９・・・温度センサー
２３・・・リード線
２５・・・セラミック板
２７・・・金属電極
２９・・・半導体

Claims (4)

1. ペルチェ効果を有する熱電半導体素子と、
   上記熱電半導体素子がペルチェ効果を発現する一方の面に連なる頭部用袋体と、
   その他方の面に連なる肩部用袋体とを備えており、
   上記頭部袋体と上記肩用袋体には、それぞれゲル状物質が内包されている電子枕。
2. 上記ゲル状物質がヒドロゲル又はリポゲルである請求項１に記載の電子枕。
3. 電流制御部を備え、通電により、上記頭部用袋体の表面温度が５℃以上３０℃以下の範囲で、上記肩部用袋体の表面温度よりも低くなるように制御される請求項１又は２に記載の電子枕。
4. 電流制御部を備え、通電により、上記肩部用袋体の表面温度が２５℃以上４５℃以下の範囲で、上記頭部用袋体の表面温度よりも高くなるように制御される請求項１から３のいずれかに記載の電子枕。

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