JP2007244562A - 生体信号検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の生体信号検出装置の構成では、凹凸部材全体の変位量に起因するものであり、凹凸部材の局所的に変位が加わったとき検出感度が相対的に低くなってしまうという課題があった。
【解決手段】生体の発生した圧力変動を検知する可撓性を持つ圧電センサ８と、圧電センサ８と交差するよう配置された複数の凸部５を有する押圧板６と、圧電センサ８を固定する支持体９を有し、圧電センサ８は支持体９と押圧板６の間に配置され、押圧板６の凸部５により押圧変形される構成としたものである。凸部５を有する押圧板６そのものが撓み変形するため、局所的な振動によっても大きな変位量を得ることができるので高い感度で生体信号を検出することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ベッド等の寝具に設置し、心拍などの信号を検出する生体信号検出装置に関するものである。

従来、この種の生体信号検出装置は、寝具や椅子など生体の荷重の掛かる製品に設置するもので、検出感度を向上させるため、生体信号検出手段と凹凸部材を組み合わせた構造を持つものがある。(例えば、特許文献１参照)。

図１２は特許文献１に記載された従来の別の生体信号検出装置の検出部の構成図である。図１２において、従来の生体信号検出装置１は、信号を検出する光ファイバー２(本発明の感圧手段に相当する)を相対向した上下の凹凸部材３ａ、３ｂ(本発明の複数の凸部を有する板状部材に相当)にはさみ、生体からの振動が加わったときに光ファイバー２を大きく屈曲させて大きな信号を得る構成である。
特開平８−５８４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、光ファイバー６の屈曲は凹凸部材３ａ、３ｂ全体の変位量に起因するものである。凹凸部材３ａ、３ｂに、局所的に変位が加わっても全体を変位させるほどのエネルギーがない場合、検出感度が相対的に低くなってしまう。また、上記構成の固定方法の詳細な記載もなく、例えば上下の凹凸部材３ａ、３ｂを固定してしまうと変位し難くなり検出性能が低下するという課題があった。

上記従来の課題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、感度の高い生体信号検出装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の生体信号検出装置は、生体の発生した圧力変動を検知する可撓性を持つ感圧手段と、前記感圧手段と交差するよう配置された複数の凸部を有する板状部材と、前記感圧手段を固定する固定部材を有し、前記感圧手段は前記固定部材と前記板状部材の間に配置され、前記板状部材の前記凸部により押圧変形される構成としたものである。

これにより、板状部材の凸部が可撓性の感圧手段を変形させることで高感度の検出ができ、また凸部を有する板材そのものが撓み変形するため、より大きな変異量を得ることができるので高い感度で生体信号を検出することができる。

本発明の生体信号検出装置は、高い感度で生体の振動信号を確実に検出できる。

第１の発明は、生体の発生した圧力変動を検知する可撓性を持つ感圧手段と、前記感圧手段と交差するよう配置された複数の凸部を有する板状部材と、前記感圧手段を固定する固定部材を有し、前記感圧手段は前記固定部材と前記板状部材の間に配置され、前記板状部材の前記凸部により押圧変形される構成とするこで、感圧手段には凸部の断面形状に沿って大きな曲げ作用が加わり大きな信号出力が発生するので、高い感度で生体信号を検出
する生体信号検出装置を提供することができる。

また凸部を有する板状部材そのものが撓み変形するため、局所的な振動信号が板状部材に加わっても大きな変位量を得ることができるので、高い感度で生体信号を検出することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、固定部材は、少なくとも弾性部材よりなり、感圧手段は弾性部材に保持され、押圧により前記感圧手段が変形するよう配置される構成とすることで、凸部に押された感圧手段は凸部の断面形状に沿って弾性部材に減り込むことで大きな曲げ作用が加わり大きな信号出力が発生し高い感度で生体信号を検出する生体信号検出装置を提供することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、複数の凸部を有する板状部材として波板を用いる構成とすることで、一般に入手可能な建材を使用するため構造の簡略化を図ることができる。

第４の発明は、特に第１の発明において、複数の凸部を有する第１の板状部材と、複数の凸部を有する第２の板状部材との間に可撓性を有する感圧手段を配置する構成とすることで、第１の板状部材の凹部に、第２の板状部材凸部が入り込む形で感圧手段に大きな変形作用を生じ大きな信号出力が得られるので、高い感度で生体信号を検出する生体信号検出装置を提供することができる。

また、天地（上下）逆、つまり、生体側とその反対側を逆に配置しても感圧手段には板状部材の断面形状に沿って曲げ作用が加わり大きな信号出力が発生するため、高感度に生体信号を検出することができる。従って、裏表を考慮しなくても良い使い勝手の良い生体信号検出装置を提供することができる。

第５の発明は、特に第１から第４のいずれか１つに記載の発明において、複数の凸部を有する板状部材と固定部材との接合部が、前記板状部材の凸部と平行になるように配置する構成としたことにより、接合部による変位の阻害がないのでので、凸部は自在に上下に変位することができ、高い感度での生体信号の検出が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、本実施の形態の説明において、同一構成で同一作用効果を奏するところには同一符号を付して重複した説明を行わないものとする。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における生体信号検出装置の側断面図、図２は同じく生体信号検出装置の要部を破断した平面図、図３は、本発明の第１の実施の形態における生体信号検出装置が設置されたベッド（就寝装置）の構成図、図４は同じく生体信号検出装置が設置されたベッドの断面図である。また、図５は同じく生体信号検出装置の接合部構成図、図６は同じく生体信号検出装置の感圧手段１の断面図、図７は同じく生体信号検出装置の制御ブロック図である。

図１及び図２において、生体信号検出装置４は、一方の面に複数の平行なほぼ等間隔の凸部５を有する板状部材である金属板よりなる押圧板６と、固定部材を構成する金属よりなるベース部材７とこれの上面に設け、可撓性を有する感圧手段である圧電センサ８を保持するスポンジやゴムなどの弾性部材からなる支持体９を有し、ベース部材７の上に圧電センサ８を保持した支持体９を固定配置し、その上に凸部５を圧電センサ８側にして凸部
５が圧電センサ８を押圧するように押圧板６を固定配置した構成である。

感圧手段としての圧電センサ８は、ケーブル状の圧電センサを用い、図２のようにベース部材７上に支持体９とともに蛇行して配置している。支持体９は、蛇行した圧電センサ８の蛇行部分を除いた直線部分にのみ配置している。圧電センサ８は、使用中に移動してしまわないように支持体９には溝（図示せず）が彫ってあり、その溝に嵌め込むことにより圧電センサ８が保持される。押圧板６の凸部５は、例えばプレス加工などにより金属板を曲げることで形成されている。

この例のように上記部材を配置することで、凸部５と蛇行配置している圧電センサ８の直進部と約９０度の角度において複数の点で交差する。また、凸部５は図３に示すように生体（人体１４）がベッド１１に就寝した際に、生体の身長方向と平行になるような方向に形成されている。圧電センサ８の一端には、圧電センサ８からの出力信号を処理する制御ユニット１０が接続されている。

以下に生体信号検出装置の動作作用を説明する。図３、図４においてベッド１１の床板１２の上に生体信号検出装置４が配置され、その上にマットレス１３を配設し、さらにその上に生体である人体１４が就寝している。このとき、人体１４からの振動はマットレス１３を介して押圧板６に伝わり生体信号検出装置４に達する。

すなわち、圧電センサ８には押圧板６の複数の凸部５の断面形状に沿って支持体９に減り込むことで大きな曲げ作用が加わり大きな信号出力が発生する。また、荷重や振動がない場合、支持体９は圧電センサ８とともに元の形状に復元する。また、凸部５は板状の押圧板６に配設されているので、押圧板自体が撓み変形を起こし、局所的、例えばこの例ではマットレス１３の中央の荷重や振動によって、マットレス１３の中央部分において、より大きな変形を起こし大きな振動信号として検出することができる。

実験において、直径約２．５mmの圧電センサ８を用い、押圧板６として厚さ0.8mmの金属板に高さ約５ｍｍの凸部５を５０〜１００ｍｍ間隔で複数配置することで、良好な結果を得ることができた。また生体信号検出装置４の設置領域について説明すると、横幅方向Ａは、図３に示すように成人男性の標準体型をもとに、人体１４の肩幅より大きく床板１２の幅より小さい値にしてある。そして、縦幅方向Ｂは、使用を前提とする成人男性の頭部から胸部の少なくとも一部が掛かるような位置及び大きさとしている。

そして、このように生体信号検出装置４を配設にすることで、生体信号検出装置４は人体１４の就寝位置がずれても人体１４からの振動が伝達され得る領域に配設されているので、十分に振動を検知することができる。

また、押圧板６とベース部材７は両端にある接合部１５においてネジ１６などにより固定される。図４により詳細に説明すると、接合部１５として、押圧板６の端部がクランク状に曲げ加工がなされており、その曲げ加工が凸部５とほぼ並行になるような方向に加工がなされている。図示はしていないが押圧板６は、その逆の端部も同様な加工がなされている。

このような固定構成をとることにより、検出感度の低下を引き起こすことなくベース部材７に固定することができる。それは、もともと押圧板６には凸部５が設けられており凸部５の長手方向にはリブによる補強と同様の作用により曲げ変形しにくく接合部１５のクランク状の曲げ加工やネジ止めによる変位の阻害は極少ない。逆に凸部５と直交する方向には曲げ加工や接合部などがないため、押圧板６は自在に変位することができるので高い検出感度を維持した状態で確実に固定することができる。

また、本発明の生体信号検出装置４は、ベッド１１の床板１２とマットレス１３の間に設置するため、生体信号検出装置４と人体１４の間にはマットレス１３が介在し、直接接する事が無いため、就寝を阻害しない物とすることができる。

ただし、生体信号検出装置４の配置場所に関しては本実施の形態に限られることは無く、床もしくは畳と敷布団の間でもかまわない。

尚、この例ではベッドなどの就寝具に生体信号検出装置４を設置する例を説明したが、これに限られることは無く、椅子や座布団などに設置して用いてもかまわない。すなわち、人体荷重を継続的に受ける生活用品であれば、本実施の形態のように生体信号を検出することが可能となる。その場合、本実施の形態の生体信号検出装置４を、例えば椅子の座面とクッションの間、畳と座布団の間に設置する。

また、凸部５を構成するために板金のプレス加工などにより形成したが、金属や樹脂の棒を押圧板６の圧電センサ８側に固定しても本実施の形態と同様の効果が期待できるし、さらに縦横の線材を網状にして一定サイズの板状に構成して線材に複数の凸部を設けた形態でも本実施の形態と同様の効果が期待できる。

また、支持体９と圧電センサ８は、嵌め込みによる固定としたが、接着などでも良い。また、凸部５の高さや配置間隔もこの例では、１例であり発明の効果がこれに限定されるものではない。

さらに、本実施の形態では凸部５は、就寝した生体の身長方向に平行になる方向に配置したが、身長方向と直交する方向としてもよく、その場合は圧電センサ８もそれにあわせて凸部５と直交するように配置されることとなる。以下に本発明の生体信号検出装置４に用いる圧電センサ８について説明する。

図５において、圧電センサ８は内側電極として導体からなる中心電極８０１、感圧部材である圧電体層８０２、導体からなる外側電極８０３、弾性体からなる被覆層８０４を備えている。圧電体層８０２はポリフッ化ビニリデン等の樹脂系の高分子圧電体や、特定の樹脂基材中に圧電セラミックスの粉体を混合した複合圧電体を用いることができる。

そして、外側電極８０３は中心電極８０１と圧電体層８０２を囲うように配置されており、圧電センサ８は同軸ケーブル状となるため信号を伝達する中心電極８０１に対し外側電極８０３がシールドの役を果たし外来電磁波ノイズの影響を受けにくい物となる。よって、生体信号の収集や処理するために電子機器を近くで使用したり、携帯電話などの通信機器等を近くで使用したりしても圧電センサ８にノイズが重畳することの少ない信頼性の高い生体信号検出装置４を提供することができる。

尚、中心電極と外側電極を持つケーブル状の感圧手段として同軸ケーブル状の圧電センサ８を例として示したが、本発明はこれに限られることは無く、中心導体が複数あるケーブル、中心導体が外側電極の中心から偏心しているケーブル、断面形状が円形ではないケーブルなどを用いても同様の効果がある。

次に、圧電センサ１８の出力信号の処理例と、人体１４からの生体信号の検出作用を説明する。図７は本発明の第１の実施の形態における生体信号検出装置４の制御ブロック図である。図７において、制御ユニット１０は、検出手段１６、判定手段１７、報知手段１８を備えている。検出手段１６は、圧電センサ８からの出力信号を所定の濾波特性で濾波し、かつ、所定の増幅度で増幅を行うフィルタ部１９と、フィルタ部１９の出力信号を予
め設定された設定値と比較を行うコンパレータ部２０とを備えている。

フィルタ部１９の濾波特性としては、例えばノイズとして信号に重畳しやすい商用電源周波数は５０Ｈｚおよび６０Ｈｚであるが、生体１４の信号、例えば心拍などは１Ｈｚ前後、呼吸などは０.１Ｈｚ前後、体動などは数Ｈｚの範囲なので、濾波特性としては例えば、０.０５Ｈｚ〜２０Ｈｚの信号成分を通過させるバンドパスフィルタとする。

以上のように構成された生体信号検出装置４について、以下その動作、作用を特に心拍を検出する場合について図８に基づいて説明する。 図８は人体１４の心拍に由来する振動が圧電センサ８に加わったときの圧電センサ８の出力に対応するフィルタ部１９の出力信号Ｖとコンパレータ部２０の出力信号Ｊの経時変化を示す特性図である。

まず、図４のように、ベッドの上に人体１４が横たわると、人体１４からの体重などの圧力や心拍等の振動等がマットレス１３を介して圧電センサ８に印加される。このとき圧電センサ８は変形し、圧電効果により圧電センサ８の変形の加速度に応じた信号が出力される。そのため、変動の無い体重による圧力等は、検出されず変動のある振動成分のみが検出され、例えば体の動きや呼吸、心拍信号等を検出する。

このとき、特に押圧板６の凸部５の部分で圧電センサ８の曲げ変形が大きくなり、より大きな出力信号が得られる。そして、圧電センサ８の出力信号は、フィルタ部１９により心拍などの人体１４からの振動の接触時の周波数帯域である０.０５〜２０Ｈｚの信号を通過させ、他の周波数帯の信号は除去される。図８にフィルタ部１９の出力信号Ｖを示す。心拍振動の検出時には、Ｖに基準電位Ｖ_０より大きな信号成分が現れる。そして、変形量の２次微分値である加速度も大きくなり、結果として圧電センサの出力信号も大きくなる。コンパレータ部２０はＶのＶ_０からの振幅｜Ｖ−Ｖ_０｜がＤ_０より大ならば心拍振動を検出したことを判定し、時刻ｔ１で判定出力としてＬｏ→Ｈｉ→Ｌｏのバルス信号を出力する。

上述したように、コンパレータ部２０から出力された信号が判定手段１７に入力され、例えば心拍信号の周期Δｔより心拍周期、つまり心拍数がわかり、報知手段１８により心拍数を表示したり音声により報知したりできる。

尚、本実施の形態では圧電センサ８を蛇行して配置したが、これに限られることはなく一直線に配置してもよい。

（実施の形態２）
図９は本発明の第２の実施の形態における生体信号検出装置の側断面図である。この図９を用いて第２の実施の形態の生体信号検出装置について説明する。本実施の形態は、生体信号検出装置４のベース部材２１として、弾性部材を用いた構成が、第１の実施の形態と相違するところであり、この弾性部材よりなるベース部材２１に直接、圧電センサ８を配置し、そして凸部５を配設した押圧板６も、このベース部材２１にネジ１６等で接合部１５を固定する。圧電センサ８はベース部材２１に蛇行して彫られた溝（図示せず）に嵌め込み固定される。なお、実施の形態１と同一符号を付した部分は実施の形態１と同様の動作、作用、効果を奏するもので、詳細な説明を省略する。

以上のような構成において、ベース部材２１が弾性部材で形成されているので、押圧板６の凸部５に押された圧電センサ８は、凸部５の断面形状に沿って弾性部材に点線で示すように減り込むことになる。従って、圧電センサ８には曲げ作用とベース部材２１の持つ反発作用が加わり、大きな信号出力が発生し高い感度で生体信号を検出することができるとともに、構成部品点数を削減することができる。

（実施の形態３）
図１０は本発明の第３の実施の形態における生体信号検出装置の側断面図である。この図１０を用いて第３の実施の形態における生体信号検出装置を説明する。本実施の形態は、第１および第２の実施の形態との違いの構成は、複数の凸部を有する板状部材として波板２２を用いた点である。この板状部材としての波板２２は、例えば、壁や屋根などに使用する建材として入手が可能な金属やプラスチックス製の波板２２などを用いることができる。本実施例では、プラスチックス製の波板２２の波ピッチ約３２ｍｍ、波の振幅約９ｍｍのものを使用したときの例を示す。但し、ピッチや振幅はこれに限られるものではない。

本実施の形態の構成について説明すると、図１０に示すように、生体信号検出装置４は、ベース部材７とその上に設置され、上に圧電センサ８を設けた支持体９の上に波板２２をベース部材７に固定配置し、その波板２２が圧電センサ８を押圧するようにする。そして、波板２２の両端部である接合部２３は、波板２２の波に平行にしてベース部材７とネジ１６等で固定する。

このようにマットレス１３を介して人体１４の荷重等を受けた波板２２の複数の波が成す凸部により圧電センサ８に曲げ作用が加わり、信号出力が発生し生体信号を検出することができるとともに、板状部材としての押圧板である波板は一般に入手可能な建材を使用するため構造の簡略化を図ることができる。

（実施の形態４）
図１１は本発明の第４の実施の形態における生体信号検出装置の側断面図である。この図１１を用いて本発明の第４の実施の形態における生体信号検出装置について説明する。本実施の形態は、第１から第３の実施の形態との違いは、生体信号検出装置２４に複数の凸部を有する板状部材を２枚用いて間に圧電センサ８を挟むように配置した構成である。

本実施例では、２枚の複数の凸部を有する板状部材として、実施の形態３で用いた波板を第１の波板２５と第２の波板２６の２枚用い、その間に圧電センサ８を配置する構成としている。尚、複数の凸部を有する板状部材としては波板に限らず、実施の形態１などで用いた凸部をプレス加工した金属板でも同様の作用効果がある。

本実施の形態の構成について説明すると、図１１に示すように、生体信号検出装置２４は、第１の波板２５と第２の波板２６を有し、その間に布(図示せず)などの固定部材に縫い付けられた圧電センサ８を配置する。そして、上下に設置される第１の波板２５と第２の波板２６の波の方向は互いに平行になるような方向とし、かつ上下の波の山と谷が同期していることが望ましい。また上下の第１の波板２５、第２の波板２６の両端部分には波と平行に接合部２７を有し、ネジ１６等により固定されている。

このような構成とすることで、マットレス１３を介して伝わる人体１４からの振動により、第１および第２の波板２４、２５に沿って圧電センサ８が布とともに変形する。このとき、下の第１の波板２５の凹部と上の第２の波板２６の凸部が重なるため、凹部に凸部が入り込む形で圧電センサ８に大きな変形作用が生じ大きな信号出力が得られる。

また、本実施の形態の生体信号検出装置２４は天地（上下）逆、に配置しても圧電センサ８には同様に第１および第２の波板２５、２６の凹凸に沿って曲げ作用が加わり大きな信号出力が発生するため、高感度に生体信号を検出することができる。従って、裏表を考慮しなくても良い使い勝手の良い生体信号検出装置を提供することができる。

尚、固定部材として布を用いる例を示したがこれに限られる物ではなく、実施の形態１から３のようにスポンジやゴムのような弾性部材でもかまわない。

また、上下の波板の山と谷は同期していることが望ましいが、これに限られることはなくずれを生じさせてもよい。

また、実施の形態１から４では感圧手段としてケーブル状の圧電センサ８を用いたが、他の形態の圧電センサでもよく例えば感圧手段としてＰＶＤＦ薄膜の両面を電極で挟んだフィルム状またはリボン状の圧電センサを用いても同様の効果が得られる。

また、実施の形態１から５では感圧手段として圧電センサ８を用いた構成であったが、感圧手段に、押圧変形に感応して透過光が変調する特性を持つ光ファイバを用いても同様の効果がある。

以上のように、本発明にかかる生体信号検出装置は、圧電センサに複数の凸部を有する板状部材を配置したので、感度よく生体信号を検出することができ、上記のように簡単にベッドに設置して生体信号の取得に活用できるとともに、例えば、マッサージチェアのようなリラクゼーション機器、自動車用座席、娯楽施設の座席等に設置して、生体信号を検出するシステムとしても適用できる。また、ペット用マット等人体に限らず動物の生体信号を検出する用途にも応用可能である。

本発明の実施の形態１における生体信号検出装置の側面断面図 本発明の実施の形態１における生体信号検出装置の要部を破断した平面図 本発明の実施の形態１における生体信号検出装置を配置した要部破断のベッドの平面図 本発明の実施の形態１における生体信号検出装置を配置したベッドの断面図 本発明の実施の形態１における生体信号検出装置の要部斜視図 本発明の実施の形態１における生体信号検出装置の圧電センサの断面図 本発明の実施の形態１における生体信号検出装置の制御ブロック図 本発明の実施の形態１における生体信号検出装置で、人体からの生体信号を受けたときのフィルタ部の出力信号Ｖとコンパレータ部の出力信号Ｊの経時変化を示す特性図 本発明の実施の形態２における生体信号検出装置の側面断面図 本発明の実施の形態３における生体信号検出装置をベッドに配置した時の断面図 本発明の実施の形態４における生体信号検出装置をベッドに配置した時の断面図 従来の生体信号検出装置の構成図

符号の説明

４、２４ 生体信号検出装置
５ 凸部
６ 押圧板（複数の凸部を有する板状部材）
７ ベース部材（感圧手段を固定する固定部材）
８ 圧電センサ（感圧手段）
９ 支持体（感圧手段を固定する固定部材としての弾性部材）
１５ 接合部
２１ ベース部材（感圧手段を固定する固定部材としての弾性部材）
２２ 波板（複数の凸部を有する板状部材）
２３、２７ 接合部
２５ 第１の波板（複数の凸部を有する第１の板状部材）
２６ 第２の波板（複数の凸部を有する第２の板状部材）

Claims (5)

1. 生体の発生した圧力変動を検知する可撓性を持つ感圧手段と、前記感圧手段と交差するよう配置された複数の凸部を有する板状部材と、前記感圧手段を固定する固定部材を有し、前記感圧手段は前記固定部材と前記板状部材の間に配置され、前記板状部材の前記凸部により押圧変形される構成とした生体信号検出装置。
2. 固定部材は、少なくとも弾性部材よりなり、感圧手段は弾性部材に保持され、押圧により前記感圧手段が変形するよう配置された請求項1記載の生体信号検出装置。
3. 複数の凸部を有する板状部材として波板を用いる構成とした請求項１記載の生体信号検出装置。
4. 複数の凸部を有する第１の板状部材と、複数の凸部を有する第２の板状部材との間に可撓性を有する感圧手段を配置する構成とした請求項１記載の生体信号検出装置。
5. 複数の凸部を有する板状部材と固定部材との接合部が、前記板状部材の凸部と並行になるように配置する構成とした請求項１から４のいずれか１項記載の生体信号検出装置。

Images