JP2009136477A - 生体信号検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マットレスの下に生体信号検出装置を設置した場合の感圧手段の劣化を抑制することを目的とする。
【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４と、同圧電センサ４と交差するよう配置された複数の凹凸２を有する複数の押圧部材３ａ、３ｂと、可動ストッパ８と、生体の有無を検出する生体検出手段７とを有し、可動ストッパ８は押圧部材３ａ、３ｂに配置され、生体検出手段７がベッド上の生体を検出したときに圧電センサ４に押圧が加わる構成としたことで、ベッド上に生体がいないときに、マットレスの荷重が圧電センサ４に加わることを抑制し、信頼性を高めたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ベッド等の就寝装置に設置し、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、就寝装置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１１，１２は従来の生体信号検出装置を示すものである。

すなわち、生体信号検出装置１０１は、表面に凹凸のつけられた板１０２の上に感圧手段を配置し、それを就寝装置であるベッドの床板１０３とマットレス１０４の間に配置して、生体１０５からの振動が加わったときに板１０２の凹凸に沿うように感圧手段１０６を変形させて、生体信号を得る構成である。

また、就寝中の生体１０５に違和感を与えないために、前記生体信号検出装置１０１はマットレス１０４の下に設置してある。
特開平５−２００００１号公報

しかしながら、マットレスの下に設置しているため、生体がないときにも感圧手段と凹凸部との接触部に常にマットレスの質量に相当する荷重が加わっており、感圧手段の劣化が早まるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、生体がいないときに検出不要な荷重が感圧手段に加わるのを抑制し、高い信頼性を実現する生体信号検出装置を提供することを目的とする。

前記従来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凹凸を有する複数の押圧部材と、前記押圧部材の押圧を制限する可動ストッパと、前記可動ストッパを駆動する駆動手段と、生体の有無を検出する生体検出手段とを具備し、前記押圧部材は前記感圧手段をはさむように重ねて配置することで、前記感圧手段が前記押圧部材の凹凸により押圧変形され、前記生体検出手段が生体を検出したときに、前記可動ストッパが収容される構成とした。

したがって、生体がないときにマットレスの質量に相当する荷重が押圧部材に加わっても、可動ストッパにより感圧手段に荷重が印加され続けるのを抑制し、高い信頼性を実現できる。

本発明の生体信号検出装置は、生体がいないときにマットレス等の荷重が感圧手段に印加され続けない、信頼性の高い生態振動検出装置を提供することができる。

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凹凸を有する複数の押圧部材と、前記押圧部材の押圧を制限する可動ストッパと、前記可動ストッパを駆動する駆動手段と、生体の有無を検出する生体検出手段とを具備し、前記押圧部材は前記感圧手段をはさむように重ねて配置することで、前記感圧手段が前記押圧部材の凹凸により押圧変形され、前記生体検出手段が生体を検出したときに、前記可動ストッパが収容される構成としたので、生体がないときにマットレスの質量に相当する荷重が押圧部材に加わっても、可動ストッパにより感圧手段に荷重が印加され続けるのを抑制し、高い信頼性を実現する生体信号検出装置を提供することができる。

第２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可動凹凸部を有する複数の押圧部材と、前記可動凹凸部を駆動する駆動手段と、生体の有無を検出する生体検出手段とを具備し、前記感圧手段は前記押圧部材の可動凹凸部により押圧変形されるように前記押圧部材が前記感圧手段をはさむように重ねて配置し、前記生体検出手段が生体を検出したときに前記可動凹凸部を突出させる様に駆動して、前記感圧手段に押圧を加える構成としたので、生体がないときにマットレスの質量に相当する荷重が押圧部材に加わっても、可動凹凸部により感圧手段に荷重が印加され続けるのを抑制し、高い信頼性を実現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または第２の発明において、生体検出手段として、感圧センサを用いる構成としたので、生体信号検出装置を一体に構成しマットレスの下に設置することができる。

第４の発明は、特に第１または第２の発明において、生体検出手段として可撓性を持つ第２の感圧手段を有し、複数の凹凸と平行に設置する構成としたので、生体検出手段が凹凸と交差していないので、必要以上の曲げ変形作用が加わることがないので生体検出手段の信頼性が高いものとすることができる。

第５の発明は、特に第１から第５のいずれか１つの発明において、感圧手段としてケーブル状圧電センサを用いたので、検出した生体信号を伝達する中心電極に対し外部電極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のために近くで電子機器を用いたり、携帯電話などの通信機器等を近くで使用したりしてもノイズが重畳することが少ないので信頼性の高い生体信号検出装置を提供することができる。

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。

（実施の形態１）
図１において、生体信号検出装置１は、平行でほぼ等間隔に並んだ複数の凹凸２を有する金属板よりなる２枚の押圧部材３ａ、３ｂと、可撓性を有する感圧手段としてケーブル状の圧電センサ４と、この圧電センサ４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５と、押圧部材３ａ、３ｂを両端で支持する金属柱などの連結部材６と、上側の押圧部材３ａの上面にその凹凸２と平行に設置された生体検出手段７と、押圧部材３ａの動きを抑制する可動ストッパ８と、それを駆動する駆動手段９からなる。

下側の押圧部材３ｂに設置された可動ストッパ８の駆動手段９はソレノイドで構成され
、そのソレノイド軸が可動ストッパ８として機能するようになっており、ベッド上に生体が居るとき、可動ストッパ８は駆動手段９の内部に収容されるように設定してある。

そしてベッド上に生体が居ないときには駆動手段９を駆動して可動ストッパ８を突出させ押圧部材３ａの変形を抑制するようにしている。

また、連結部材６は押圧部材３ａ、３ｂの端部の凹凸２のない部分に設置されており、この例では押圧部材３ａ、３ｂの両端部に設置している。

圧電センサ４は押圧部材３ａ、３ｂの間に蛇行状に配置される。

押圧部材３ａ、３ｂの凹凸２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。

そのため、押圧部材３ａ、３ｂの下面の凹凸２は、上面から見ても凹凸２を有する事になる。また、押圧部材３ａ、３ｂの凹凸２は生体信号検出装置１として重ねて設置したときに、同じ位置になるように配置されている。

そして、この例では凹凸２と圧電センサ４とは約９０度の角度において複数の点で交差する。

さらに、凹凸２は生体が就寝した際に、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。

生体検出手段７は、感圧センサとしてケーブル状の圧電センサを用いたもので、凹凸２と平行になるように押圧板３ａの上部略中央に配置されている。

また、圧電センサ４と生体検出手段７は出力信号を処理する制御ユニット１０に接続されている。

図２を用い生体信号検出装置１の設置領域について説明すると、幅方向寸法は、成人の標準体型をもとに、生体１１の肩幅より大きくベッド１２の幅より小さい値にしてある。

そして、縦方向寸法は、使用を前提とする成人の頭部から胸部の少なくとも一部が掛かるような大きさとしており、また頭部から胸部の少なくとも一部が掛かるようなベッド１２上の位置に設置される。

このような大きさおよび設置位置にすることで、生体信号検出装置１は生体１１の就寝位置が寝返りなどでずれても生体１１からの振動が伝達され得る領域に配設されているので、就寝位置によらず十分に生体１１から発生する生体信号を検知することができる。

以下生体信号検出装置１の動作作用を説明する。

図３、図４においてベッド１２の床板１３上に生体信号検出装置１が配置され、その上にマットレス１４を配している。

図３は人が就寝していない状態を示しており、生体検出手段７は人を検出しないのでソレノイドの軸、つまり可動ストッパ８が突出して押圧部材３ａの動きを抑制しており、これにより、圧電センサ４には荷重は印加されず、変形していない。

生体１１が就寝していない状態でも、マットレス１４の荷重がその下に設置された生体信号検出装置１に加わる。しかしながら、可動ストッパ８により押圧部材３ａの変形が制限されるため、圧電センサ４の変形が抑制される。

そのため、生体１１が就寝していない一日の大半の時間に、圧電センサ４は圧力や振動を受けず、信頼性の高い生態振動検出装置１とすることができる。

図４は、生体１１が就寝している状態を示しており、生体検出手段７が生体１１を検出して可動ストッパ８が収容され、圧電センサ４に荷重が印加されている。

この状態で、生体信号を検出する動作作用を説明すると、生体１１からの心拍や呼吸などの生体信号に起因する振動はマットレス１１を介して伝わり生体信号検出装置１に達する。

そのとき、圧電センサ４は押圧部材３ａの凹凸２の断面形状に沿って連結部材６とともにその下面に設置されている押圧部材３ｂの凹凸２の窪みに入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は、連結部材６の弾性による復元力のため圧電センサ４とともに元の形状に復元する。

さらに、凹凸２は板状の押圧部材３ａ、３ｂに配されているので、自体が撓み変形を起こし、例えばマットレス１４の中央の荷重や振動によって、このマットレス１４の中央部分においてより大きな変形を起こし、高い感度で生体信号を検出することが出来る。

またこのとき、生体検出手段７は凹凸２と交差していないので、必要以上の曲げ変形作用が加わることがなく、生体検出手段７の信頼性も高いものとなる。

そして、生体検出手段７に感圧センサを用いているので、生体信号検出装置１を一体に構成し、マットレスの下に設置することができる。

本実施の形態の生体信号検出装置１は、ベッド１２の床板１３とマットレス１４の間に設置するため、生体信号検出装置１と生体１１の間にはマットレス１４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。

尚、生体信号検出装置１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。

実験において、直径約２．５mmの圧電センサ４を用い、押圧部材３ａ、３ｂ、として厚さ０．８mmの金属板に高さ約１０ｍｍの凹凸２を３０〜１００ｍｍ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。

次に、生体信号検出装置１に用いる圧電センサ４について説明する。

図５において、圧電センサ４は内側電極として導体からなる中心電極４１、感圧部材である圧電体層４２、導体からなる外側電極４３、弾性体からなる被覆層４４を備えている。圧電体層４２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４３は内側電極４１と圧電体層４２を囲うように配置されており、圧
電センサ４は同軸ケーブル状となるため信号を伝達する中心電極４１に対し外側電極４３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４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１を提供することができる。特に、押圧部材３ａ、３ｂが導電性のない部材で構成された場合により大きな効果を発揮する。

尚、内側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４を例として示したが、本実施の形態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、以上のように構成された生体信号検出装置１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６に基づいて説明する。

図６は生体１１の体重による荷重が加わったときの生体検出手段の信号Ｖａと、心拍に由来する振動が圧電センサ４に加わったときの同圧電センサ４の信号Ｖｓの経時変化を示す特性を示すものである。

マットレス１４の上に生体１１が横たわると、その生体１１の体重による比較的大きな荷重変動が生体検出手段７に印加される。

生体検出手段７として圧電センサを用いているため、加重の変動成分が信号Ｖｓとして出力される。このとき、あらかじめ決められた閾値Ｖａ０を越えた時間ｔ１に生体１１が就寝したと判定して、可動ストッパ８を収容し、生体信号の検出を始める
可動ストッパ８が収容され、生体信号の検出が始まると、心拍等の微細な振動等がマットレス１４を介して圧電センサ４に印加される。

このとき圧電センサ４は変形し、圧電効果により圧電センサ４の加圧変形に応じた信号Ｖｓが出力される。

そのため、圧電センサ４には変動の無い体重による荷重等は検出されず変動のある振動成分のみが検出され、例えば寝返りなどの体動や呼吸、心拍信号等を検出する。このとき特に押圧板３ａ、３ｂの凹凸２の部分で圧電センサ４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ため、心拍信号のような微小な信号を確実に検出することができる。そして、圧電センサ４の出力信号は、心拍振動の検出時には、例えばＶｓのような信号が出力されたとすると、そこから信号周期Δｔより心拍周期つまり心拍数が検出できる。

そして、心拍などに由来する微小振動が検出されなくなったときには、可動ストッパ８を収容して生体信号の検出を終了する。

尚、本実施の形態において、生体検出手段７の感圧センサとして圧電センサを用いる例を示したが、これに限られることはなくひずみゲージ、ロードセルなどを用いても同様の効果が得られる。感圧センサとしては静荷重を検出するものでも動荷重を検出するものでもよい。

また、感圧センサ以外でも、例えば赤外線センサや撮像素子を用い、ベッドを見下ろすような位置に設置して生体１１を検出してもかまわない。ただし、この場合は生体信号検出装置１を一体に構成することは困難となる。

また、この例ではベッドなどの就寝具に生体信号検出装置１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、生体１１の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１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、凹凸２の高さや配置間隔もこの例は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、本実施の形態では凹凸２は、就寝した生体１１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４もそれにあわせて凹凸２と直交するように配置される。

また、押圧部材３ａ、３ｂは、樹脂や金属で構成されたブロック状の押圧ブロックを用いても同様の作用効果が得られる。

また、駆動手段としてソレノイドを用いる例を説明したがこれに限られず、油圧シリンダーや空気圧シリンダーなどを用いストッパを突出させる構成としても同様の効果が得られる。

また、駆動手段としてモータと歯車を組み合わせてストッパを突出させる構成としてもよい。また、駆動手段として圧電アクチュエータを用いてもよい。

（実施の形態２）
図７〜図１０は本発明の実施の形態２を示すもので、実施の形態１との違いは、ベッド１２上の生体１１の有無を検出する生体検出手段として、生体信号を検出する圧電センサ１５と兼用している点と、押圧部材に配される複数の凹凸が可動するように構成されている点である。尚、実施の形態１と同一符号のものは同様の動作、作用、効果を示し具体的な説明は実施の形態１のものを援用する。

図８および図９に示すように、上部の押圧部材３ａには複数の可動凹凸１６と、この可動凹凸部１６を駆動する凹凸駆動手段１７を有している。

また、上部の押圧部材３ａとして、可動凹凸１６を収容可能とするために金属板ではなくブロック状の部材を用いたため、金属板と比較して押圧部材３ａの撓み変形が小さく、連結部材として両端をバネ１８で連結支持し、押圧部材３ａが可動凹凸１６とともに可動する構成とした。

図９のように、ベッド１２上に生体１１が就寝しており、心拍に起因する振動のような生体信号を検出する場合には可動凹凸部１６は上部の押圧部材３ａから突出しており、実施の形態１と同様に生体信号を検出する。

しかし、図８に示すように、ベッド上に生体１１がいない場合には、凹凸駆動手段１７が動作して可動凹凸部１６が上部の押圧部材３ａ内に収容されることにより、可動凹凸１６による圧電センサ１５への曲げ作用は抑制される。

そのため、生体１１が就寝していない一日の大半の時間に、圧電センサ１５は圧力や振動を受けず、信頼性の高い生態振動検出装置１とすることができる。

次に、以上のように構成された生体信号検出装置１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１０に基づいて説明する。

図１０は生体１１よる体重や心拍などに由来する振動が加わったときの圧電センサ１５の信号Ｖｓの経時変化を示す特性図である。

マットレス１４の上に生体１１が横たわると、その体重による比較的大きな荷重変動が圧電センサ１５に印加され、可動凹凸１６が収容されていても圧電センサ１５からは信号Ｖｓとして出力される。

このとき、あらかじめ決められた閾値Ｖｓ０を越えた時間ｔ１に生体１１が就寝したと判定して、凹凸駆動手段１７を駆動させ可動凹凸１６を突出させ、時間ｔ２から生体信号の検出を始める。

生体信号の検出が始まると、心拍等の微細な振動等がマットレス１４を介して圧電センサ１５に印加される。

このとき、圧電センサ１５は可動凹凸１６により変形させられるので、より大きな出力信号が得られ、心拍信号のような微小な信号を確実に検出することができる。

圧電センサ１５の出力信号は、心拍振動の検出時には、信号周期Δｔより心拍周期つまり心拍数が検出できる。

心拍などに由来する微小振動を検出されなくなったときには、凹凸駆動手段１７を駆動させ可動凹凸１６を収容して生体信号の検出を終了する。

生体検出手段と生体信号を検出する圧電センサ２０を兼用しているので、生体信号検出装置１を一体に構成しマットレスの下に設置することができる。

尚、本実施の形態で上部の押圧部材３ａとして、たわみ変形しないブロック状の部材とした例を示したが、撓み変形する材質を用いることで、実施の形態１に示すような剛性をもつ連結部材を用いることもできる。

尚、凹凸駆動手段１７としては、例えばソレノイド、油圧シリンダー、空気圧シリンダー、モータなどを用いて構成することができる。

また、感圧手段としてケーブル状の圧電センサ１５を用いたが、他の形態の圧電センサでもよく感圧手段として例えば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。

さらに、感圧手段と生体検出手段として圧電センサを用いた構成であったが、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、ストッパを設けることで圧電センサに生体がいないときに荷重が加わり続けることを抑制したので、高い信頼性を実現する生体信号検出装置を提供することが出来、上記のよう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平面部分断面図 本発明の実施の形態１における生体信号検出装置を配置したベッドの構成図 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を配置したベッドの上に生体が就寝した状態の断面図 本発明の実施の形態１における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で、生体からの生体信号を受けたときの圧電センサの出力信号Ｖｓ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平面部分断面図 本発明の実施の形態２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２における生体信号検出装置を配置したベッドの上に生体が就寝した状態の断面図 本発明の実施の形態２における生体信号検出装置で、生体からの生体信号を受けたときの圧電センサの出力信号Ｖｓの経時変化を示す特性図 従来の生体信号検出装置の構成図 従来の生体信号検出装置を設置した就寝装置の断面図

符号の説明

１ 生体信号検出装置
２ 凹凸
３ａ、３ｂ 押圧部材
４ 感圧手段（圧電センサ）
７ 生体検出手段
８ 可動ストッパ

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凹凸を有する複数の押圧部材と、前記押圧部材の押圧を制限する可動ストッパと、前記可動ストッパを駆動する駆動手段と、体の有無を検出する生体検出手段とを具備し、前記押圧部材は前記感圧手段をはさむように重ねて配置することで前記感圧手段が前記押圧部材の凹凸により押圧変形されるようにし、前記生体検出手段が生体を検出したときに、前記可動ストッパが収容される構成とした生体信号検出装置。
2. 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可動凹凸部を有する複数の押圧部材と、前記可動凹凸部を駆動する駆動手段と、生体の有無を検出する生体検出手段とを具備し、前記感圧手段は前記押圧部材の可動凹凸部により押圧変形されるように重ねて配置し、前記生体検出手段が生体を検出したときに前記可動凹凸部を突出させる様に駆動し、前記感圧手段に押圧を加える構成とした生体信号検出装置。
3. 生体検出手段は、感圧センサを用いる構成とした請求項１または２記載の生体信号検出装置。
4. 生体検出手段として可撓性を持つ第２の感圧手段を有し、複数の凹凸と平行に設置する構成とした請求項１または２記載の生体信号検出装置。
5. 感圧手段としてケーブル状圧電センサを用いた請求項１または２記載の生体信号検出装置。