JP2010026742A - モニタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池を交換したり充電したりすること無く、常に状態を監視できるモニタ装置を実現する。
【解決手段】モニタ装置１０を監視対象者に装着すると、バンド部２０の複数の熱電発電ユニット３００が、監視対象者の体温と気温との温度差に応じて熱電発電する。熱電発電で生じた熱起電力を蓄電し、それを所定電圧に昇圧して充電池５０５を充電する為、電池交換や充電操作が不要になる。無線送信部５０８は、キャパシタＣを介して抽出した圧電センサ４００のセンサ出力信号Ｖｏｕｔからモニタ装置１０が装着された人の呼気期間および吸気期間を検出し、検出した呼気期間および吸気期間を連続的に表すように変調された無線信号を送信する。この無線信号を受信すれば、モニタ装置１０が装着された監視対象者の状態（呼気期間および吸気期間）を常に監視することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば独居老人の安否確認に用いて好適なモニタ装置に関する。

独居老人の安否を確認する装置として、例えば特許文献１には、フックを有する保持部に対して上下方向にスライド可能な衣類吊り下げ部と、この衣類吊り下げ部を保持部に対して引きつける弾力を付与する弾性部材と、衣類吊り下げ部の保持部に対するスライド動作に連動して発電する発電機と、この発電機が発電した電力で電波を送信する無線送信機とを備え、衣類吊り下げ部（ハンガ）に衣類を吊す際に生じる電力で電波を無線送信することによって安否確認し得るようにした装置が開示されている。

特開２００４−２３６７８１号公報

ところで、上記特許文献１に開示の装置は、ハンガに着衣を吊すという日常的な動作が行われた時に、その動作を表す電波を無線送信するので、常に状態を監視することが出来ないという問題がある。また、常に状態を監視する形態にしようとすると、状態を表す信号を継続的に無線送信するための電源として、電池や充電池が必須になるが、消耗に伴い電池の交換や充電を行わねばならず、その手間が煩わしいという問題も生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電池を交換したり充電したりすること無く、常に状態を監視することができるモニタ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、監視対象者の体温と気温との温度差に応じた熱起電力を発生する熱電発電手段と、前記熱電発電手段が発生する熱起電力に基づいて充電池を充電する充電手段と、前記充電手段により充電される充電池で駆動され、監視対象者の状態を連続的に検出する状態検出手段と、前記充電手段により充電される充電池で駆動され、前記状態検出手段により検出された監視対象者の状態を表す無線信号を送信する送信手段とを具備することを特徴とする。

上記請求項１に従属する請求項２に記載の発明では、監視対象者の呼吸動作に応じて起電力を発生する圧電発電手段を更に備え、前記充電手段は、前記圧電発電手段が発生する起電力と前記熱電発電手段が発生する熱起電力とで充電池を充電することを特徴とする。

上記請求項１に従属する請求項３に記載の発明では、前記状態検出手段は、監視対象者の呼吸動作で生じる腹圧変化を検出することを特徴とする。

上記請求項１に従属する請求項４に記載の発明では、前記送信手段は、前記状態検出手段により検出された監視対象者の腹圧変化から当該監視対象者の呼気期間および吸気期間を検出し、検出した呼気期間および吸気期間を連続的に表すように変調された無線信号を発生することを特徴とする。

上記請求項１に従属する請求項５に記載の発明では、監視対象者に装着されたか否かを判定する装着判定手段と、前記装着判定手段が監視対象者に装着されたと判定した場合には充電池から前記送信手段に電源供給し、一方、監視対象者に装着されていないと判定した場合には充電池から前記送信手段への電源供給をカットする電源制御手段とを更に備えることを特徴とする。

本発明では、電池を交換したり充電したりすること無く、常に状態を監視することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
[第１実施形態]
図１は、第１実施形態によるモニタ装置１０の外観（上面および側面）を示す外観図である。モニタ装置１０は、例えば監視対象者が穿くズボンのバンドとして装着されるものであり、バンド部２０とバックル部５０とから構成される。バンド部２０は、基端がバックル部５０に固定される可撓性のバンド基材２００と、このバンド基材２００の上面側に設けられる複数の熱電発電ユニット３００と、バンド基材２００の背面側に設けられる圧電センサ４００とを備える。

ここで、図２を参照して熱電発電ユニット３００の構造について説明する。図２は、熱電発電ユニット３００の構造を示す断面図である。熱電発電ユニット３００は、バンド基材２００の上面側に固着される直方形状のケーシング３０１、このケーシング３０１の内部に設けられ、熱伝導率の低い部材で形成される低温側シート部材３０２、熱伝導率の高い部材で形成される高温側シート部材３０３および熱電素子アレイ３０４から構成される。

ケーシング３０１の上面側には低温側シート部材３０２を露出させる開口部が設けられ、これにより低温側シート部材３０２の放熱効率の向上を図っている。また、ケーシング３０１の内部底面には高温側シート部材３０３が貼設され、こうすることでバンド装着時に人体側からの熱伝導効率の向上を図っている。

低温側シート部材３０２と高温側シート部材３０３とで挟持される熱電素子アレイ３０４は、電極３０４ａを介してＰ型半導体３０４ｂおよびＮ型半導体３０４ｃをＰＮ接合してなる熱電素子を複数個直並列接続したものである。ここで云う直並列接続とは、所定の出力電圧を得るのに必要な個数の熱電素子を直列接続したものを、所定の出力電流を得るのに必要な数分並列接続することを指す。

上記構造によれば、モニタ装置１０を監視対象となる人が穿くズボンのバンドとして装着させた場合、腹部に密着するバンド基材２００と接する側の高温側シート部材３０３が体温を効率的に伝導する一方、ケーシング３０１の開口部に露出する低温側シート部材３０２が体温による温度上昇を防ぐ。この結果、熱電素子アレイ３０４は、気温と体温との温度差に応じた熱電変換（ゼーベック効果）により熱起電力を発生する。

次に、図３を参照してバンド基材２００の背面側に設けられる圧電センサ４００の構造について説明する。図３は、バンド部２０の断面構造を示す断面図である。圧電センサ４００は、中空隔室を形成する弾性部材４０１と、この弾性部材４０１の隔室中に設けられる積層型圧電アクチュエータとから構成される。積層型圧電アクチュエータは、公知のバイモルフ型圧電素子４０３を、隔室左右両壁に対向配置される電極４０２−１、４０２−２およびスペーサ４０４を介在させて複数積層したものである。

積層型圧電アクチュエータでは、図４（ａ）に図示する通り、電極４０２−１に保持固定される各バイモルフ型圧電素子４０３の内側に正電圧を、電極４０２−２に保持固定される各バイモルフ型圧電素子４０３の外側に負電圧を印加すると、その印加された電圧に応じて個々のバイモルフ型圧電素子４０３にそれぞれ変位が生じて撓む結果、圧電センサ４００が厚み方向に膨張する。

モニタ装置１０を監視対象者が穿くズボンのバンドとして装着させた場合、圧電センサ４００には、呼吸による腹位変化に応じた腹圧が加わる。つまり、息を吐く呼気時には圧電センサ４００に腹圧が掛からず、一方、息を吸う吸気時には圧電センサ４００に腹圧が掛かる。したがって、起電流逆流防止用のダイオードＤを介して圧電センサ４００に所定の直流電圧を印加した場合、腹圧が掛からない呼気時（図４（ａ）参照）では厚み方向に膨らみ、一方、腹圧が掛かる吸気時（図４（ｂ）参照）ではその膨らみが縮んだ状態となる。

周知のように、弾性体の圧電アクチュエータは、電圧印加に応じて変位し、変位に応じて可逆的に圧電発電することが知られている。つまり、図４（ｂ）に図示するように、吸気時の腹圧で圧電センサ４００の厚みが変位すると、その変位に応じて当該圧電センサ４００が圧電発電する為、印加電圧が変化する。そこで、この印加電圧の変化を交流成分としてキャパシタＣを介して抽出すると、図５に図示する一例のように、圧電センサ４００は、モニタ装置１０を装着した監視対象者の呼吸（呼気期間、吸気期間）に応じて変化する周期性のセンサ出力信号Ｖｏｕｔを発生することになる。

次に、図６を参照してバックル部５０の電気的構成を説明する。バックル部５０は、図６に図示する通り、逆流防止回路５００、スイッチ５０１、蓄電回路５０２、出力回路５０３、コンパレータ５０４、充電池５０５、赤外線検出回路５０６、スイッチ５０７および無線送信部５０８を備える。

逆流防止回路５００は、起電流逆流防止用のダイオードを備え、上述した複数の熱電発電ユニット３００からそれぞれ出力される熱起電力を、スイッチ５０１を介して蓄電回路５０２に供給する。スイッチ５０１は、後述のコンパレータ５０４から出力されるスイッチ信号に応じて逆流防止回路５００の出力をオンオフする。蓄電回路５０２は、スイッチ５０１を介して供給される逆流防止回路５００の出力を蓄電するキャパシタを備える。

出力回路５０３は、蓄電回路５０２に蓄電された電荷に基づき所定電圧に昇圧した出力電圧を発生する。コンパレータ５０４は、充電池５０５の出力電圧（基準電圧Ｖｒｅｆ）と、出力回路５０３の出力電圧Ｖとを比較し、出力回路５０３の出力電圧Ｖが基準電圧Ｖｒｅｆより大きいければ（Ｖ＞Ｖｒｅｆ）、スイッチ５０１をオフ設定するスイッチ信号を発生し、一方、出力回路５０３の出力電圧Ｖが基準電圧Ｖｒｅｆ以下ならば（Ｖ≦Ｖｒｅｆ）、スイッチ５０１をオン設定するスイッチ信号を発生する。つまり、コンパレータ５０４は、充電池５０５が過充電されないようにスイッチ５０１をオンオフ制御する。

充電池５０５は、出力回路５０３から供給される出力電圧Ｖにより充電される。充電池５０５の出力は、基準電位Ｖｒｅｆとしてコンパレータ５０４に供給される一方、起電流逆流防止用のダイオードＤを介して圧電センサ４００に入力される。また、充電池５０５の出力は、赤外線検出回路５０６や無線送信部５０８の駆動電源として供給される。

赤外線検出回路５０６は、例えばＰｂＳ（硫化鉛）などの赤外線検出器を備え、監視対象者が発する赤外線を検出した場合、すなわちモニタ装置１０が監視対象者に装着された状態を検出した場合にスイッチ５０７をオン設定するスイッチ信号を発生し、一方、モニタ装置１０が監視対象者に装着されていない状態（赤外線非検出の状態）ならば、スイッチ５０７をオフ設定するスイッチ信号を発生する。

スイッチ５０７は、赤外線検出回路５０６から出力されるスイッチ信号に応じて充電池５０５の出力をオンオフする。無線送信部５０８は、スイッチ５０７を介して供給される充電池５０５の出力を駆動電源としている。したがって、モニタ装置１０が監視対象者に装着されている状態を赤外線検出回路５０６により検出された場合にのみ、無線送信部５０８は無線信号を送信する。

無線送信部５０８では、キャパシタＣを介して抽出した圧電センサ４００のセンサ出力信号Ｖｏｕｔに基づき、例えばモニタ装置１０が装着された監視対象者の呼気期間および吸気期間を検出し、検出した呼気期間および吸気期間を連続的に表すように変調された無線信号を送信する。この無線信号は、モニタ装置１０とは別体の受信装置６０により受信され、モニタ装置１０が装着された監視対象者の呼気期間および吸気期間を連続的に表す復調信号として再生される。

次に、上述した構成によるモニタ装置１０の動作を説明する。監視対象者が穿くズボンのバンドとしてモニタ装置１０を装着させて所定時間が経過すると、バンド部２０に配設される複数の熱電発電ユニット３００が、監視対象者の体温と気温の温度差に応じた熱電変換（ゼーベック効果）により熱起電力を発生する。この時、出力回路５０３の出力電圧Ｖが充電池５０５の基準電圧Ｖｒｅｆ以下ならば、スイッチ５０１がオン設定されるので、各熱電発電ユニット３００が発生する熱起電力は逆流防止回路５００を介して蓄電回路５０２に供給されて蓄電される。

蓄電回路５０２に蓄電された電荷は、出力回路５０３に供給され、所定電圧に昇圧した出力電圧として充電池５０５を充電する一方、コンパレータ５０４に入力される。こうした充電が所定時間継続した時に、出力回路５０３の出力電圧Ｖが充電池５０５の基準電圧Ｖｒｅｆを超えたとする。そうすると、コンパレータ５０４はスイッチ５０１をオフ設定し、充電池５０５の過充電を防止する。

さて一方、モニタ装置１０を監視対象者に装着すると、赤外線検出回路５０６がスイッチ５０７をオン設定するので、充電池５０５の出力が無線送信部５０８に供給される。そうすると、無線送信部５０８は、キャパシタＣを介して抽出した圧電センサ４００のセンサ出力信号Ｖｏｕｔからモニタ装置１０が装着された人の呼気期間および吸気期間を検出し、検出した呼気期間および吸気期間を連続的に表すように変調された無線信号を送信する。

送信された無線信号は、モニタ装置１０とは別体の受信装置６０により受信され、モニタ装置１０が装着された人の呼気期間および吸気期間を連続的に表す復調信号として再生される。この結果、電池を交換したり充電したりすること無く、監視対象となる人の状態を常に監視することができる。そして、モニタ装置１０を監視対象者から取り外すと、赤外線検出回路５０６がスイッチ５０７をオフ設定し、これにより無線送信部５０８の送信動作が停止して充電池５０５の電力消費を抑制し得る。

なお、上述した第１実施形態では、センサ出力信号Ｖｏｕｔから監視対象者の呼気期間および吸気期間を検出し、検出した呼気期間および吸気期間を連続的に表すように変調された無線信号を送信する態様としたが、これに替えて、例えばセンサ出力信号Ｖｏｕｔに基づき呼気期間から吸気期間に切り替わるタイミングＴ１や、吸気期間から呼気期間に切り替わるタイミングＴ２を検出し、検出したタイミングＴ１、Ｔ２に同期して間欠的な無線信号を送信する態様としても構わない。このようにすれば、連続的に無線送信する場合に比べて電力消費を抑えつつ、人の状態を常に監視することが可能になる。

また、上述した第１実施形態では、モニタ装置１０を監視対象者から取り外した場合に、赤外線検出回路５０６がスイッチ５０７をオフ設定して無線送信部５０８に電源供給するラインを遮断するようにしたが、これに加えて充電池５０５から圧電センサ４００に電源供給するラインも遮断する態様も可能である。そのようにすれば、より一層の電力消費の低減を図ることが可能になる。

[第２実施形態]
次に、図７〜図１２を参照して第２実施形態について説明する。先ず図７は、第２実施形態によるモニタ装置１０の外観（上面および側面）を示す外観図である。この図に示すモニタ装置１０が前述の第１実施形態と相違する点は、伸縮自在なバンド基材２１０の上面に配設される複数の熱電発電ユニット３００の間に、複数の圧電発電ユニット６００を設けたことにある。なお、図７において、前述した第１実施形態と共通する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。

図８は、バックル部５０に隣接する基端の熱電発電ユニット３００−１と、それに連結する熱電発電ユニット３００−２とを一例に挙げ、これら熱電発電ユニット３００−１、３００−２の間に設けられる圧電発電ユニット６００の概略構造を説明するための外観図である。圧電発電ユニット６００は、図８（ａ）に図示するように、一方の熱電発電ユニット３００−１と、それに連接する他方の熱電発電ユニット３００−２とを組み合わせて形成する。

そして、圧電発電ユニット６００は、図８（ｂ）に図示するように、一方の熱電発電ユニット３００−１と一体的に形成されるモジュール筐体６０１、他方の熱電発電ユニット３００−２の両側部に一体的に形成されるサイドメンバ６０２〜６０３、サイドメンバ６０２〜６０３の上面に設けられるガードフレーム６０４および結合ピン６０５から構成される。

次に、図９〜図１１を参照して圧電発電ユニット６００の構造を説明する。図９は、圧電発電ユニット６００の構造を示す側面図および正面図である。モジュール筐体６０１には、その側部に角丸直方形状の貫通孔６０１ａが形成される。貫通孔６０１ａには、結合ピン６０５が遊貫される。結合ピン６０５は、貫通孔６０１ａに遊貫した状態でサイドメンバ６０２〜６０３に嵌着される。ガードフレーム６０４は、モジュール筐体６０１が結合ピン６０５を軸に所定角度以上回動するのを防止する。つまり、結合ピン６０５を軸にモジュール筐体６０１が所定角度以上回動した場合に、当該モジュール筐体６０１の上面がガードフレーム６０４に当接してその回動を抑止するようになっている。

こうした構造の圧電発電ユニット６００は、図１０に図示するように、貫通孔６０１ａに遊貫されてサイドメンバ６０２〜６０３に嵌着される結合ピン６０５によって、一方の熱電発電ユニット３００−１と他方の熱電発電ユニット３００−２とを連結する。なお、図１０（ａ）は伸展状態を示し、同図（ｂ）は収縮状態を示している。

次に、図１１を参照してモジュール筐体６０１内部に配設される圧電素子モジュール６０６の構造を説明する。図１１は圧電素子モジュール６０６の構造を示す断面図である。この図に示すように、圧電素子モジュール６０６は、モジュール筐体６０１の内部底面に固定される電極台座６０６ａと、この電極台座６０６ａ上に所定の間隔で配設される複数の電極部６０６ｂと、これら電極６０６ｂにそれぞれ基端が片持ち支持される複数の素子部６０６ｃとから構成される。

素子部６０６ｃは、２枚の圧電セラミック（例えばピエゾ・フィルムやプラスチックＰＶＤＦ）を貼り合わせた公知のバイモルフ構造で形成される。基端が電極６０６ｂにより片持ち支持される各素子部６０６ｃの他端は、結合ピン６０５に設けられる突起６０５ａにより揺動変位される。すなわち、図１０に図示したように、圧電発電ユニット６００は伸展／収縮するが、この伸展／収縮に伴って結合ピン６０５は貫通孔６０１ａに遊貫した状態で、図１１に図示するように左右に移動し、これにより突起６０５ａが各素子部６０６ｃの他端を順番に揺動変位させる結果、各電極６０６ｂに電圧（起電力）が生じる。

１つの素子部６０６ｃが発生する起電力は極めて微少であるが、１つの圧電素子モジュール６０６当たりｎ個の素子部６０６ｃを備え、かつ圧電素子モジュール６０６を含む圧電発電ユニット６００が伸縮自在なバンド基材２１０の上面に複数配設することで充分な起電力を生成し得るようになっている。

次に、図１２を参照して第２実施形態におけるバックル部５０の電気的構成を説明する。この図において、前述した第１実施形態と共通する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。第２実施形態のバックル部５０が前述した第１実施形態（図６参照）と相違する点は、上述した複数の圧電発電ユニット６００の各出力を全波整流する全波整流回路５０９を備え、この全波整流回路５０９の出力を前述したスイッチ５０１に入力する構成としたことにある。

したがって、上記構成による第２実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様に、電池を交換したり充電したりすること無く、監視対象者の状態を常に監視することができる。しかも、第２実施形態では、伸縮自在なバンド基材２１０の上面に配設される複数の熱電発電ユニット３００の間に複数の圧電発電ユニット６００を設け、これら圧電発電ユニット６００にはバンド装置１０を監視対象者に装着する際に生じる伸展／収縮動作や、バンド装着された監視対象者の呼吸による腹位変化で生じる伸展／収縮動作が加わり、これらの伸展／収縮動作に従って圧電発電される起電力で充電池５０５を充電するので、発電効率の向上を図ることが可能になる。

なお、上述した第２実施形態では、図１１に図示したように、モジュール筐体６０１の内部底面側に圧電素子モジュール６０６を敷設する態様としたが、これに限らず、さらにモジュール筐体６０１の内部上面側にもう一組の圧電素子モジュール６０６を設ける態様とすることも可能である。そうした場合、筐体内部上面側の圧電素子モジュール６０６の各素子部６０６ｃに係合する新たな突起を結合ピン６０５に設ける。これにより、さらに発電効率が向上する。

第１実施形態によるモニタ装置１０の上面外観および側面外観を示す外観図である。 第１実施形態における熱電発電ユニット３００の構造を示す断面図である。 第１実施形態におけるバンド部２０の断面構造を示す断面図である。 第１実施形態における圧電センサ４００の動作原理を説明するための図である。 圧電センサ４００から抽出されるセンサ出力信号Ｖｏｕｔの一例を示す図である。 第１実施形態におけるバックル部５０の電気的構成を示すブロック図である。 第２実施形態によるモニタ装置１０の上面外観および側面外観を示す外観図である。 第２実施形態における圧電発電ユニット６００の概略構造を説明するための外観図である。 第２実施形態における圧電発電ユニット６００の構造を示す側面図および正面図である。 第２実施形態における圧電発電ユニット６００の伸展／収縮状態を示す側面図である。 第２実施形態における圧電素子モジュール６０６の構造を示す断面図である。 第２実施形態におけるバックル部５０の電気的構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ モニタ装置
２０ バンド部
２００、２１０ バンド基材
３００ 熱電発電ユニット
４００ 圧電センサ
５０ バックル部
５００ 逆流防止回路
５０１ スイッチ
５０２ 蓄電回路
５０３ 出力回路
５０４ コンパレータ
５０５ 充電池
５０６ 赤外線検出回路
５０７ スイッチ
５０８ 無線送信部
５０９ 全波整流回路
６０ 受信装置
６００ 圧電発電ユニット

Claims (5)

1. 監視対象者の体温と気温との温度差に応じた熱起電力を発生する熱電発電手段と、
   前記熱電発電手段が発生する熱起電力に基づいて充電池を充電する充電手段と、
   前記充電手段により充電される充電池で駆動され、監視対象者の状態を連続的に検出する状態検出手段と、
   前記充電手段により充電される充電池で駆動され、前記状態検出手段により検出された監視対象者の状態を表す無線信号を送信する送信手段と
   を具備することを特徴とするモニタ装置。
2. 監視対象者の呼吸動作に応じて起電力を発生する圧電発電手段を更に備え、
   前記充電手段は、前記圧電発電手段が発生する起電力と前記熱電発電手段が発生する熱起電力とで充電池を充電することを特徴とする請求項１記載のモニタ装置。
3. 前記状態検出手段は、監視対象者の呼吸動作で生じる腹圧変化を検出することを特徴とする請求項１記載のモニタ装置。
4. 前記送信手段は、前記状態検出手段により検出された監視対象者の腹圧変化から当該監視対象者の呼気期間および吸気期間を検出し、検出した呼気期間および吸気期間を連続的に表すように変調された無線信号を発生することを特徴とする請求項１記載のモニタ装置。
5. 監視対象者に装着されたか否かを判定する装着判定手段と、
   前記装着判定手段が監視対象者に装着されたと判定した場合には充電池から前記送信手段に電源供給し、一方、監視対象者に装着されていないと判定した場合には充電池から前記送信手段への電源供給をカットする電源制御手段と
   を更に備えることを特徴とする請求項１記載のモニタ装置。

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