JP2006230715A - 圧電式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】人や機械などの運動検出対象に取り付けるセンサ自体がセンシングするのに電源を必要とせず、センサ内部で発生する電気エネルギーを用いて光通信をする、比較的シンプルな構成で使用しやすい圧電式センサを提供することである。
【解決手段】圧電式センサは、運動検出対象１３の運動に応じて変形運動を起こす様に設置された圧電素子を含む圧電バイモルフ素子１などの圧電構造体と、変形運動により生じる電気エネルギーを用いて変形運動に対応して発光する発光素子２を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、人間工学、医療、精神心理学等の分野で使用される生体センサなどとして使用され得る圧電素子を用いた圧電式センサ、それを用いたセンサシステムや運動検知方法に関するものであり、特に呼吸数或いは心拍数の計測装置として使用され得る圧電式センサなどに関するものである。

従来、呼吸数の計測には、呼吸バンドを胸に巻いて、その収縮を歪センサにより測定する方法や、呼吸マスクやマウスピースを用いて、呼気を測定する方法が用いられている（特許文献１、特許文献２参照）。一方、心拍数を計測するには、心電図による方法や、加速度検出器を使った方法が用いられている（特許文献３参照）。
特開平７−８４７２号公報 特開平９−２９９３５３号公報 特開平８−２８０６３６号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２の方法は、計測用のケーブルが必要であったり、呼吸マスクやマウスピースでは外観上の問題があることから、通常の業務や日常生活において使用するには適していない。

また、心電図による方法は、安定したデータが得られる利点があるが、体表面に電極を付けなくてはならないことや計測用のケーブルが必要であること、さらに測定時の姿勢が制限されることなどから、通常の業務や日常生活において使用するには適していない。

さらに、加速度検出器を使った特許文献３の方法は、1cm×2cm×0.5cm程度の小さな加速度検出子を人体上の１点に装着し、この部分の加速度を無線によって測定器へ飛ばす様にしたものであるが、加速度検出器で測定したデータを無線で測定器に飛ばすための装置が必要になることや加速度検出器を動作させるための電源などが必要となる。

上記課題に鑑み、本発明の圧電式センサは、運動検出対象の運動に応じて変形運動を起こす様に設置された圧電素子を含む圧電構造体（圧電バイモルフ素子など）と、前記変形運動により生じる電気エネルギーを用いて変形運動に対応して発光する発光素子を備えることを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明のセンサシステムは、上記の圧電式センサと、前記発光素子からの光を受光する受光手段と、受光手段で受光した信号を処理して運動検出対象の運動状態を検知する信号処理手段を備えることを特徴とする。さらに、本発明の運動検知方法は、上記の圧電式センサを運動検出対象に取り付け、運動検出対象の運動にしたがって発光する前記発光素子からの光を受光し、受光した信号を処理して、運動検出対象の運動状態を検知することを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明のセンサシステムは、上記の圧電式センサと、前記発光素子からの光を受光する受光手段と、受光手段で受光した信号を処理する信号処理手段と、信号処理手段で得られた結果をセンサの使用者にフィードバックする手段を備えることを特徴とする。前記信号処理手段は、ストレスや感情など、人の心の状態を推定するための信号処理を行い、その処理結果を知らせる通知手段を有する様にもできる。

本発明によれば、人や機械などの運動検出対象に取り付けるセンサ自体がセンシングするのに電源を必要とせず、さらにセンサ内部で発生する電気エネルギーを用いて光通信をすることから、比較的シンプルな構成で使用しやすいセンサ、センサシステム、運動検知方法を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を明らかにすべく、図１〜図７を参照して具体的な実施例について詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る心拍数などの計測装置として使用可能な圧電式センサを示す概略図である。この圧電式センサでは、ゴムバンド６に固定された圧電バイモルフ素子１を含む部分と、カードホルダー５上に固定された２つの発光素子２がリード線３によって結ばれている。ゴムバンド６は、圧電バイモルフ素子１を含む部分が人の左胸部表面にほぼ接触する様に、人の胸部の周りに取り付けられる。本実施例ではゴムバンド６を用いたが、圧電バイモルフ素子１を含む部分が人の左胸部表面にほぼ接触する様に固定できるのであれば、他の方法、例えば絆創膏の様なシールを用いることもできる。

カードホルダー５は、カードホルダー５に取り付けられたストラップ４を人の首にかけることで、発光素子２が人の正面方向から見える様に設置される。本実施例ではストラップ４を用いたが、発光素子２が人の正面方向から見える様に設置されるのであれば、カードホルダー５の取り付け方法は他の方法でもよく、例えば、ピンやクリップを用いることもできる。

リード線３は、圧電バイモルフ素子１で発生した電気エネルギーを発光素子２に供給するためのものである。図１ではリード線３の長さを短くするために、ストラップ４の中を通って発光素子２に接続する構成になっている。

図２は圧電バイモルフ素子１と発光ダイオード（発光素子）２の配線を示す回路図である。圧電バイモルフ素子１は、図２に示す様に２枚の圧電素子７を貼り合わせた構造を持つもので、圧電素子７に変位が与えられると起電力が生じるものである。２枚の圧電素子７（これらの分極方向は同じにしておく）を貼り合わせたものを両端部を支持して中央部を上から押すと、上側の圧電素子７が縮み下側の圧電素子７が伸びる。そのため、上側の圧電素子７の上下に生じる起電力の向きと、下側の圧電素子７の上下に生じる起電力の向きは逆になり、全体として生じる起電力は、それぞれの圧電素子７で生じる起電力の和となり、一定の方向を持つ（したがって、２つの発光ダイオード２の一方が発光する）。逆に、２枚の圧電素子７を貼り合わせたものを両端部を支持して中央部を下から押すと、上側の圧電素子７が伸び下側の圧電素子７が縮むため、全体として生じる起電力の向きは上記方向と逆向きになる（したがって、２つの発光ダイオード２の他方が発光する）。なお、圧電素子７としては、圧電セラミックスが用いられる。圧電バイモルフ素子１は、圧電モノモルフ素子などと比べると比較的大きな電力を効率よく取り出すことができる。

発光素子２としては発光ダイオード、特に高輝度の発光ダイオードを用いる。発光される光は、可視光線を用いてもよいし、照明条件によって可視光線を認識するのが難しい場合（日常生活ではよくあることである）や、発光している光が目障りであるなど不都合がある場合には、赤外線を使用するとよい。本実施例では、赤外線発光ダイオードを用いる。赤外線発光ダイオードは、図２に示す様に、２つの圧電素子７からなる平面状の圧電バイモルフ素子１に対して２つの赤外線発光ダイオードが設置される。２つの赤外線発光ダイオード２は、図２に示す様に、反対向きに設置されているため、上述した様に、圧電バイモルフ素子１が運動検出対象の運動により一方の方向に変形すると２つの赤外線発光ダイオードのうちの１つが発光し、反対方向に変形すると２つの赤外線発光ダイオードのうち発光しなかったもう一つの赤外線発光ダイオードが発光する。こうした発光素子２を用いることで、電気信号を増幅することなく光に変換し、信号を無線で伝達できる。

一般に、外力により圧電バイモルフ素子１が一方向に変形した場合、圧電バイモルフ素子１は弾性変形により元の形状に戻る。変形した時と元に戻ろうとする時では圧電素子７の伸縮が逆になるため、生じる起電力は逆になる。よって、一方向の変形でも元の形状に戻る弾性変形の場合は、２つの赤外線発光ダイオード２が連続して発光する。

２つの赤外線発光ダイオードの発する赤外線の波長を異なるものにすることによって、２つの赤外線発光ダイオードの発光を区別できるため、発光間隔を測定できる。心拍の振動周期は、２つの赤外線発光ダイオードの発光する時間間隔と相関があり、また心拍の振動の振幅は、発光強度と相関があるため、発光間隔と発光強度を測定することによって、心拍の振動に関する情報が取得できる。図３に、１つの圧電バイモルフ素子１と２つの赤外線発光ダイオード２をリード線３で結んだ図を示す。

図４は、本実施例の圧電バイモルフ素子１を備える構造部分を示す原理説明図である。図４（ａ）は内部の構成の上面図、図４（ｂ）は内部の構成の圧電バイモルフ素子１の長手（縦）方向断面での断面図、図４（ｃ）は内部の構成の圧電バイモルフ素子１の横方向断面での断面図である。図４に示す様に、圧電バイモルフ素子１が、筐体８の内部に設置された支持台９に、ネジなどで取り付けられ、片持ち梁の状態になっている。圧電バイモルフ素子１の自由端付近には、振動伝達棒１０が備わっており、振動伝達棒１０の末端には接触体１１が取り付けられている。

図４の様に、接触体１１が人の皮膚表面１３と接する様に筐体８をゴムバンド６（図４では図示せず）などで胸部に固定すると、接触体１１が人の皮膚表面１３の動きによって上下する。すると、その上下の動きが振動伝達棒１０を介して圧電バイモルフ素子１に伝わり、圧電バイモルフ素子１を上下に動かすので、圧電バイモルフ素子１が変形し、電力を発生させる。２つの発光素子２は、図２の様に、逆方向に取り付けられているので、圧電バイモルフ素子１が上方向に動くときには一方の発光素子２が発光し、下向きに動くとき（この実施例の場合は元の状態に戻るとき）にはもう一方の発光素子２が発光する。この２つの発光素子２の発光強度と発光時間間隔から、人の皮膚表面１３の振動状態（この場合、心拍の状態）を知ることができる。

筐体８は、プラスチックなどの軽くて人体に安全なものから構成される。また、筐体８の底面は、接触体１１が上下できる様に底上げされており（図４（ｃ）中の破線参照）、さらに振動棒１０が通るための開口部１２が筐体８の底面に設けられている。筐体８の大きさは、接触体１１が人の皮膚表面１３の動きによって上下する様に、圧電バイモルフ素子１の大きさなどを考慮に入れたうえで、適切に選択されている。

振動伝達棒１０および接触体１１は、プラスチックなど、容易に外力によって変形しない軽量な材料で作られている。図４で示す様に、振動伝達棒１０の一端は、圧電バイモルフ素子１の自由端付近に接着剤などで固定されており、もう一方の端は接触体１１に接着剤で固定されている。振動伝達棒１０および接触体１１が共にプラスチックの場合には一体化したものであってもよい。また、振動伝達棒１０の長さは、図４（ｃ）に示す如く、接触体１１が人の皮膚表面１３と確実に接触するべく筐体８から少しはみ出る位置に来る様にする長さになっている。

図５は、本実施例の圧電式センサを含むセンサシステム１８の概略構成を示す図である。使用者１６の前面部に取り付けられた発光素子２から発せられる光は、使用者１６の前方部に設置された受光器１４によって受光され、受光された信号は、信号処理部１５に送られる。受光器１４は、発光素子２が発光する光に対応したカメラなどが使用される。本実施例では、赤外線発光ダイオードを使用しているため、赤外線カメラやCCDカメラなどが用いられる。

信号処理部１５では、ウェーブレット解析などの周波数解析や画像処理を行い、２つの発光素子２の発光強度と発光時間間隔から、使用者１６の心拍の状態を測定することができる。さらに、信号処理部１５でパターン認識を行わせることによって、使用者１６のストレス度や感情など、人の心の状態を推定・判断することができる。この推定においては、例えば、人の心の状態と発光素子の発光態様との対応関係を予め調べておいて、それをデータとしてメモリに記憶しておき、そして受信信号が入ってきたらそのデータに基づいて信号処理部１５で信号処理して人の心の状態を推定・判断すればよい。データ処理装置には、例えば、パソコンを用いることができ、信号処理部１５には、例えば、DSP(Digital Signal Processor)やソフトウェアによる信号処理を用いることができる。

この信号処理部１５で得られた結果を、使用者１６にフィードバック手段１７を用いてフィードバックするために、この結果を使用者１６にそのまま音声や文字、画像などで知らせたり、この結果に基づいた気の利く行為を使用者１６に対して行うことができる。例えば、本実施例の生体センサを身に付けた使用者１６が、オフィスや自宅でパソコンを使って作業している場合を考える。信号処理部１５で得られた判断結果が、使用者の心の状態は「ストレス度が大きい」であった場合、インターネットからストレス解消法に関するページを検索して画面に表示したり、「５分間の休憩を取りましょう」とディスプレイの画面に表示したのち、ディスプレイ画面がサスペンドモードに切り替わるなど、使用者１６の周囲にある機械が使用者１６にストレスを緩和する様な働きかけることを行うのである。この使用者１６への働きかけの結果、使用者１６の心の状態を望ましい状態にすることができる。

上述の実施例では、圧電式センサを、使用者の生体信号を計測する生体センサに適用したが、上記の如き構成の圧電式センサは、動物、機械などの物体の表面等の運動状態ないし振動状態を検知するセンサとしても用いることができる。また、圧電構造体は片持ち梁の状態で設置されていたが、必要な変形運動が生じるならば、両持ち梁の状態など、その他の支持形態で支持されてもよい。

上記の如く、本実施例によれば、人や機械などの運動検出対象に取り付けるセンサ自体がセンシングするのに電源を必要とせず、さらにセンサ内部で発生する電気エネルギーを用いて光通信をすることから、通常の業務や日常生活において、使用者が、通信用のケーブルや電源コードなどによる束縛感や電源の重量などによる不自由さ（装着違和感など）を感じるのをなくせる。また、使用者の生体信号を計測できる経済的かつ小型の生体センサの提供が可能となる。

（実施例２）
図６は、本発明の実施例２に係る呼吸数などの計測装置として使用可能な圧電式センサを含むセンサシステムを示す概略図である。本実施例では、圧電バイモルフ素子１と発光素子２が腹部前面部に設置されており、使用者１６の呼吸により圧電バイモルフ素子１が変形して電力を発生し、この発生した電力により発光素子２が発光する。発光素子２から発せられた光は、使用者１６の前方部に設置された受光器１４によって受光され、受光された信号は、信号処理部１５に送られる。その後の処理については、実施例１とほぼ同じである。

図７は、図６の腹部前面部を上から見た断面図である。図７に示す様に、圧電バイモルフ素子１を含む構成部分はズボンなどの布１９と人の皮膚表面１３（この場合は腹部の皮膚表面）の間に設置される。また、発光素子２はズボンなどの布１９の外側に設置され、圧電バイモルフ素子１とリード線３（これは、ズボンなどのボタン孔等を通される）によって接続されている。

圧電バイモルフ素子１は、筐体８の内部に設置された支持台９にネジなどで取り付けられ、片持ち梁の状態になっている。圧電バイモルフ素子１の自由端付近には、振動伝達棒１０が備わっている。また、接触体１１が人の皮膚表面１３に接触する様に取り付けられており、人の皮膚表面１３の前後の動きに応じて、接触体１１も前後に動く様になっている。そして、この動きにより振動伝達棒１０を介して圧電バイモルフ素子１が変形され、電力が発生する様になっている。

発光素子２は実施例１と同じであり、発光ダイオード、特に赤外線発光ダイオードを用いる。筐体８は、プラスチックなどの軽くて人体に安全なものから構成される。また、筐体８には、接触体１１が前後に移動できる様に、接触体１１の一部１１ａを格納するためのスリット８ａが設けられている。接触体１１の大きさについては、人の皮膚表面１３に埋もれずに、人の皮膚表面１３の前後の動きに応じて前後する様な大きさに選択されている。

振動伝達棒１０および接触体１１は、プラスチックなど、容易に外力によって変形しない軽量な材料で作られている。振動伝達棒１０の一端は、圧電バイモルフ素子１の自由端付近に接着剤などで固定されており、もう一方の端は自由端となっている。

使用者１６が呼吸すると、使用者１６の腹部が前後に動き、その動きが接触体１１を前後に動かして振動伝達棒１０を介して圧電バイモルフ素子１を変形させ、電力を発生させる。そして、その電力により発光素子２が発光するので、使用者１６の腹部前面部に取り付けられた２つの発光素子２の発光状態から、使用者１６の呼吸に関する情報が得られる。例えば、信号処理部１５で発光素子２の発光する光の発光強度および発光時間間隔を算出し、それらを用いて各種演算処理をすることで、呼吸数などを得ることができる。

この信号処理部１５で得られた結果を、使用者１６にフィードバック手段１７を用いてフィードバックするために、この結果を使用者１６にそのまま音声や文字、画像などを用いて知らせたり、この結果に基づいた気の利く行為を使用者１６に対して行うことができる。これらについては、実施例１で述べた通りである。その他の点は実施例１と同じであり、実施例２においても、実施例１と同様な効果が得られる。

本発明の実施例１の圧電式センサを示す概略図である。 圧電バイモルフ素子と発光素子（赤外線発光ダイオード）の回路図である。 １つの圧電バイモルフ素子と２つの発光素子（赤外線発光ダイオード）をリード線で結んだ構成を示す図である。 本発明の実施例１の圧電式センサの原理説明図である。 本発明の実施例１の圧電式センサを含むセンサシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施例２の圧電式センサを含むセンサシステムの概略構成を示す図である。 図６の腹部前面部を上から見た断面図である。

符号の説明

１・・・圧電バイモルフ素子（圧電素子を含む圧電構造体）
２・・・発光ダイオード（発光素子）
７・・・圧電素子
１３・・・人の皮膚表面（運動検出対象）
１４・・・受光器（受信手段）
１５・・・信号処理部（信号処理手段）
１７・・・フィードバック手段
１８・・・センサシステム

Claims (8)

1. 運動検出対象の運動に応じて変形運動を起こす様に設置された圧電素子を含む圧電構造体と、前記変形運動により生じる電気エネルギーを用いて変形運動に対応して発光する発光素子を備えることを特徴とする圧電式センサ。
2. 前記圧電素子を含む圧電構造体は、二枚の圧電素子を貼り合わせた構造を持つ圧電バイモルフ素子で構成されている請求項１に記載の圧電式センサ。
3. 前記発光素子が発する光の波長が赤外線である請求項１に記載の圧電式センサ。
4. 前記運動検出対象が人体であり、人の呼吸または心拍を検出できる様に圧電構造体が設置されている請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電式センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電式センサと、前記発光素子からの光を受光する受光手段と、受光手段で受光した信号を処理して運動検出対象の運動状態を検知する信号処理手段を備えることを特徴とするセンサシステム。
6. 請求項４に記載の圧電式センサと、前記発光素子からの光を受光する受光手段と、受光手段で受光した信号を処理する信号処理手段と、前記信号処理手段で得られた結果をセンサの使用者にフィードバックする手段を備えることを特徴とするセンサシステム。
7. 前記信号処理手段は、人の心の状態を推定するための信号処理を行い、前記フィードバック手段は、この処理結果を知らせる通知手段を含む請求項６に記載のセンサシステム。
8. 請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電式センサを運動検出対象に取り付け、運動検出対象の運動にしたがって発光する前記発光素子からの光を受光し、受光した信号を処理して、運動検出対象の運動状態を検知することを特徴とする運動検知方法。

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