JP2014144022A - 生体信号センサ及びこれを用いた生体信号センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、被験者の存在を精度良く認識し、被験者が存在している時に生体信号の測定を行う生体信号センサシステムを提供する。
【解決手段】 本発明の生体信号センサシステムは、荷重検出センサ上に生体信号検出センサが積層一体化されてなる生体信号センサと、荷重検出センサの第一圧電シートで発生する電位を測定する第一測定部と、生体信号検出センサの第二圧電シートで発生する電位を測定する第二測定部と、第一測定部で測定された電位が予め定められた閾値未満の場合には第二測定部での第二圧電シートの電位の測定を開始し、第二測定部にて生体信号を検出した場合には第二測定部で検出された信号を出力し、第一測定部で測定された電位が予め定められた閾値以上の場合又は第二測定部にて生体信号を検出しない場合には第二測定部で検出された信号の出力を行わないように制御する制御部とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被験者の存在を精度良く認識し、被験者が存在している時だけ被験者の生体信号の出力を行う生体信号センサシステム及びこれを構成する生体信号センサに関する。

圧電シートをセンサとして用いた生体信号センサが知られている。脈波、呼吸、体動により発生する圧力が圧電シートに加わると、圧電シートから圧力に応じた大きさの電気信号が発生し、この電気信号を利用して生体信号を検出することができる。特許文献１には、臥位における被験者の生体情報を検出することが可能な生体情報検出装置が提案されている。

しかしながら、上記生体信号検出装置では、装置を起動させると被験者の有無にかかわらず生体信号の測定を継続してしまうという問題点を有する。被験者が存在するときだけ生体信号の検出を行うためには、着座センサのような被験者の存在を検出するためのセンサを複数併用せざるを得ず、被験者の存在を検出するためのセンサを複数用いることは生体検出装置のコストを増大させてしまうという問題点を有する。

特開２０１０−０５１５８８号公報

本発明は、被験者の存在を精度良く認識し、被験者が存在している時に被験者の生体信号の出力を行う生体信号センサシステム及びこれを構成する生体信号センサを提供する。

本発明の生体信号センサは、荷重検出センサ上に生体信号検出センサが積層一体化されてなる生体信号センサであって、上記荷重検出センサは、第一圧電シート、上記第一圧電シートの一面に積層一体化された第一グランド電極、及び、上記第一圧電シートの他面に変形層を介して積層一体化された第一シグナル電極を有すると共に、上記生体信号検出センサは、第二圧電シート、上記第二圧電シートの一面に積層一体化された第二シグナル電極、及び、上記第二圧電シートの他面に積層一体化された第二グランド電極を有することを特徴とする。

上記生体信号センサシステムは、荷重検出センサ上に生体信号検出センサが積層一体化されてなる生体信号センサであって、上記荷重検出センサは、第一圧電シート、上記第一圧電シートの一面に積層一体化された第一グランド電極、及び、上記第一圧電シートの他面に変形層を介して積層一体化されたシグナル電極を有すると共に、上記生体信号検出センサは、第二圧電シート、上記第二圧電シートの一面に積層一体化されたシグナル電極、及び、上記第二圧電シートの他面に積層一体化された第二グランド電極を有する生体信号センサと、上記荷重検出センサの第一圧電シートで発生する電位を測定する第一測定部と、上記生体信号検出センサの第二圧電シートで発生する電位を測定する第二測定部と、上記第一測定部で測定された電位が予め定められた閾値未満の場合には上記第二測定部での上記第二圧電シートの電位の測定を開始し、上記第二測定部にて生体信号を検出した場合には上記第二測定部で検出された信号を出力し、上記第一測定部で測定された電位が予め定められた閾値以上の場合又は上記第二測定部にて生体信号を検出しない場合には上記第二測定部で検出された信号の出力を行わないように制御する制御部とを有することを特徴とする。

本発明の生体信号センサシステムは、生体信号センサの荷重検出センサにおいて、第一圧電シートとシグナル電極との間に変形層が介在しているので、荷重検出センサに荷重が加わると、この荷重によって変形層が変形して第一圧電シートとシグナル電極との間の距離が変化し、シグナル電極の電位が変化する。このシグナル電極の電位の変化を検出することによって生体信号センサ上に何らかの物体が載置されていることを確認する。

荷重検出センサにおいて検出されたシグナル電極の電位を電気信号として制御部が受信し、制御部が予め定められた閾値とシグナル電極の電位とを比較し、シグナル電極の電位が閾値未満である場合には、第二測定部にて生体信号センサの第二圧電シートにて発生する電位の測定を開始し、この測定された電位が呼吸信号であるか否かを制御部が判断する。一方、シグナル電極の電位が閾値以上である場合には、制御部は、第二測定部で測定された第二圧電シートにて発生した電位は外部に出力しない。

制御部が第二測定部で測定された信号が呼吸信号であると判断した場合には、制御部は、生体信号センサ上に被験者が存在していると判断し、第二測定部で測定された第二圧電シートにて発生した電位を電気信号として外部装置に出力する。

一方、制御部が第二測定部で測定された信号が呼吸信号でないと判断した場合には、制御部は、生体信号センサ上に存在しているものは被験者でないと判断し、第二測定部で測定された第二圧電シートにて発生した電位は外部に出力しない。

このように、本願発明の生体信号センサを用いた生体信号センサシステムは、この生体信号センサシステム上に存在しているものが被験者であると判断した場合のみ第二測定部で測定された第二圧電シートにて発生した電位を外部に出力するので、ノイズを除去した上で、被験者の生体信号のみを生体信号センサシステムから得ることができる。

本発明の生体信号センサを示した断面図である。 本発明の生体信号センサシステムの機能構成を示した図である。 本発明の生体信号センサシステムのハードウエア構成を示した図である。 本発明の生体信号センサシステムの動作を示したフローチャートである。

本発明の生体信号センサシステムに用いられる生体信号センサの一例を図面を参照しながら説明する。生体信号センサシステムＢで用いられている荷重検出センサ１は、図１に示したように、第一圧電シート11と、この第一圧電シート11の一面に積層一体化された第一グランド電極12と、上記第一圧電シート11の他面に変形層13を介して積層一体化された第一シグナル電極14とを有している。

第一圧電シート11としては、外力が加えられることによって電荷を発生させることができるシートであれば、特に限定されず、例えば、合成樹脂シート（合成樹脂発泡シート又は合成樹脂非発泡シート）に分極を付与した圧電シート、無機系圧電材料を樹脂に分散させた無機系シートに分極を付与した圧電シート、無機系圧電材料を含む無機系シートに分極を付与した圧電シートが挙げられ、脈波などの微弱な生体信号を精度良く検出でき、感度が高く、厚み方向の変形で電荷を発生しやすいことから、合成樹脂シート（合成樹脂発泡シート又は合成樹脂非発泡シート）に分極を付与した圧電シートが好ましく、合成樹脂発泡シートに分極を付与した圧電シートがより好ましい。

合成樹脂シートを構成する合成樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸、液晶樹脂などが挙げられる。無機系シートを構成する無機材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、リチウムテトラボレート、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₅，Ｐｂ₂ＫＮｂ₅Ｏ₁₅などが挙げられる。

合成樹脂シート又は無機系シートに分極を付与する方法としては、特に限定されず、例えば、（１）合成樹脂シート又は無機系シートを一対の平板電極で挟持し、帯電させたい表面に接触させている平板電極を高圧直流電源に接続すると共に他方の平板電極をアースし、合成樹脂シート又は無機系シートに直流又はパルス状の高電圧を印加して合成樹脂又は無機材料に電荷を注入して合成樹脂シート又は無機系シートに分極を付与する方法、（２）電子線、Ｘ線などの電離性放射線や紫外線を合成樹脂シート又は無機系シートの表面に照射して、合成樹脂シート又は無機系シートの近傍部の空気分子をイオン化することによって合成樹脂又は無機系シートに分極を付与する方法、（３）合成樹脂シート又は無機系シートの一面に、アースされた平板電極を密着状態に重ね合わせ、合成樹脂シート又は無機系シートの他面側に所定間隔を存して直流の高圧電源に電気的に接続された針状電極又はワイヤー電極を配設し、針状電極の先端又はワイヤー電極の表面近傍への電界集中によりコロナ放電を発生させ、空気分子をイオン化させて、針状電極又はワイヤー電極の極性により発生した空気イオンを反発させて合成樹脂又は無機系シートに分極を付与する方法などが挙げられる。

第一圧電シート11の一面にはその全面を被覆するように固定剤層（図示せず）を介して電気絶縁シート15が積層一体化されている。第一圧電シート11の他面には固定剤層（図示せず）を介して変形層13が積層一体化されている共に、変形層13上には固定剤層（図示せず）を介して電気絶縁シート16が積層一体化されている。なお、電気絶縁シート15、16は、電気絶縁性を有しておれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンテレフタレートシート、ポリエチレンナフタレートシートなどが挙げられる。

固定剤層を構成している固定剤は、反応系・溶剤系・水系・ホットメルト系の接着剤又は粘着剤から構成されており、第一圧電シート11の感度を維持する観点から、誘電率の低い固定剤が好ましい。

電気絶縁シート15における第一圧電シート11に対向する面15aの全面には第一グランド電極12が一体的に形成され、電気絶縁シート16における第一圧電シート11に対向する面16aの全面には第一シグナル電極14が一体的に形成されている。従って、第一圧電シート11の一面に固定剤層を介して第一グランド電極12が積層一体化されていると共に、第一圧電シート11の他面に固定剤層及び変形層13を介して第一シグナル電極14が積層一体化されて荷重検出センサ１が構成されている。

電気絶縁シート上に電極（グランド電極及びシグナル電極）を形成する方法としては、例えば、（１）電気絶縁シート上に、バインダー中に導電性微粒子を含有させてなる導電ペーストを塗布、乾燥させる方法、（２）電気絶縁シート上に蒸着によって電極を形成する方法、（３）電気絶縁シート上に、銅シートなどの金属シートを積層一体化する方法などが挙げられる。

上記変形層13は、生体信号センサＡ上に加わった荷重によって弾性的に復元可能に変形する材料から形成されている。このような材料としては、発泡シート、不織布、織布、編布などが挙げられるが、弾性復元力に優れ、荷重によって容易に変形し且つ荷重が除かれた時には円滑に元の状態に弾性的に復元することから、発泡シートが好ましい。

発泡シートとしては、例えば、ポリウレタン系樹脂発泡シート、ポリエチレン系樹脂発泡シート、ポリプロピレン系樹脂発泡シート、ポリスチレン系樹脂発泡シート、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）発泡シート、エチレン−酢酸ビニル共重合体発泡シート、フェノール系樹脂発泡シートなどが挙げられる。

荷重検出センサ１、即ち、生体信号センサＡ上に荷重が加わると、変形層13が圧縮されて変形し、第一シグナル電極14と第一圧電シート11との間の距離が変化する。このように第一シグナル電極14と第一圧電シート11との距離が変化すると、第一シグナル電極14の電位が変化し、生体信号センサＡ上に何らかの物体が存在していることを荷重検出センサ１は検出することができる。

荷重検出センサ１上には生体信号検出センサ２が積層一体化されて生体信号センサＡが構成されている。生体信号検出センサ２は、図１に示したように、第二圧電シート21と、この第二圧電シート21の一面に積層一体化された第二シグナル電極22と、上記第二圧電シート21の他面に積層一体化された第二グランド電極23とを有している。なお、第二圧電シート21は、第一圧電シート11と同様であるのでその説明を省略する。第一圧電シート11と第二圧電シート21とは同一であっても相違してもよい。

第二圧電シート21の一面にはその全面を被覆するように第二シグナル電極22が固定剤層（図示せず）を介して積層一体化されている。なお、第二シグナル電極22は、荷重検出センサ１の電気絶縁シート16における第一シグナル電極14の形成面とは反対側の面16bに積層一体化され且つ固定剤層を介して第二圧電シート21の一面に積層一体化されている。

第二圧電シート21の他面にはその全面を被覆するように電気絶縁シート24が固定剤層（図示せず）を介して積層一体化されている。なお、電気絶縁シート24は、電気絶縁性を有しておれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンテレフタレートシート、ポリエチレンナフタレートシートなどが挙げられる。固定剤層を構成している固定剤は、上記固定剤と同様であるのでその説明を省略する。

電気絶縁シート24における第二圧電シート21に対向する面24aの全面には第二グランド電極23が一体的に形成されている。従って、第二圧電シート21の一面に固定剤層を介して第二シグナル電極22が積層一体化されていると共に、第二圧電シート21の他面に固定剤層を介して第二グランド電極23が積層一体化されて生体信号検出センサ２が構成されている。電気絶縁シート上に電極（グランド電極及びシグナル電極）を形成する方法は、上述と同様であるのでその説明を省略する。

そして、上記生体信号センサＡを用いて生体信号センサシステムＢが構成されている。生体信号センサシステムＢは、機能的には、図２に示したように、生体信号センサＡと、荷重検出センサ１の第一シグナル電極14の電位を測定する第一測定部３と、生体信号検出センサ２の第二シグナル電極22の電位を測定する第二測定部４と、制御部５と、出力部６とを有している。又、生体信号センサシステムＢは、物理的には、図３に示したように、生体信号センサＡと、ＣＰＵ(Central Processing Unit)71と、ＲＯＭ(Read Only Memory)72と、ＲＡＭ(Random Access Memory)73と、ＳＳＤ（Solid State Drive）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの補助記憶装置74と、測定モジュール75と、ディスプレイやプリンタなどの出力モジュール76とを有している。

図２において説明した生体信号センサシステムＢの各機能は、図３に示したＣＰＵ71やＲＡＭ73上に所定のプログラムを読み込ませることにより、ＣＰＵ71の制御のもとで測定モジュール75及び出力モジュール76を作動させると共に、ＲＡＭ73や補助記憶装置74におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

生体信号センサシステムＢの制御部５は、ＣＰＵ71を備えたものであってＲＯＭ72などに記憶されているプログラムを実行することで生体信号センサシステムＢが具備する各種機能を制御する。

生体信号センサＡにおける荷重検出センサ１の第一グランド電極12及び第一シグナル電極14は測定モジュール75に導電線を介して電気的に接続されていると共に、生体信号検出センサ２の第二グランド電極23及び第二シグナル電極22も測定モジュール75に導電線を介して電気的に接続されている。荷重検出センサ１の第一グランド電極12及び第一シグナル電極14が接続されている測定モジュールと、生体信号検出センサ２の第二グランド電極23及び第二シグナル電極22が接続されている測定モジュールは、同一であってもよいし相違してもよい。なお、第一グランド電極12及び第二グランド電極23と、測定モジュール75とをそれぞれ接続している導電線は途中で二つに分岐されており、一方の分岐線を測定モジュール75に、他方の分岐線においてアースをとることによって第一グランド電極12及び第二グランド電極23を基準電位とし、第一シグナル電極14及び第二シグナル電極22の電位を測定モジュール75によって測定し、第一シグナル電極14及び第二シグナル電極22の電位の変化を電気信号として測定可能に構成されている。

生体信号センサシステムＢの動作について図４のフローチャートを参照しつつ説明する。先ず、荷重検出センサ１によって生体信号センサＡ上に物体が存在しているか否かを検出する（ステップ１）。具体的には、第一測定部３において荷重検出センサ１の第一シグナル電極14の電位を測定する。生体信号センサＡ上に物体が存在していると、生体信号センサＡの変形層13が物体の荷重によって圧縮変形し、その結果、第一シグナル電極14と第一圧電シート11との間の距離が狭くなり、第一シグナル電極14の電位が低下する。

第一測定部３によって測定された測定結果は電気信号として制御部５に送られ、制御部５において、予め定められた閾値と、第一測定部３にて測定された測定結果とを比較し、第一測定部３にて測定された測定結果が閾値未満であった場合には、生体信号センサＡ上に物体が存在していると判断する。一方、第一測定部３にて測定された測定結果が閾値以上であった場合には、生体信号センサＡ上に物体は存在していないと制御部５において判断する（ステップ２）。

制御部５において予め定められている閾値は、生体信号センサシステムＢを用いて測定しようとする生体の想定される重量に基づいて設定される。例えば、生体信号センサシステムＢを用いて生体信号を測定しようとする生体が大人を想定している場合は、子供であると想定している場合に比べて閾値は小さく設定される。従って、生体信号を測定しようとする生体が大人を想定している場合、子供が生体信号センサＡ上にのったとしても、荷重検出センサ１は、子供が生体信号センサＡ上にのっていないものと判断することから閾値の設定は、想定している生体の重量範囲を考慮した上で設定する必要がある。

制御部５が生体信号センサＡ上に物体は存在していないと判断した場合は、制御部５の指示により、第一測定部３において荷重検出センサ１の第一シグナル電極14の電位を引き続き測定し、制御部５において、測定値と予め定められた閾値との大小を継続して比較し続ける。

一方、制御部５が生体信号センサＡ上に物体が存在していると判断した場合は、第二測定部４において、生体信号検出センサ２から検出される信号の測定を開始する（ステップ３）。制御部５は、第二測定部４において検出された信号に基づいて生体信号センサＡ上にある物体が生体であるか否かを判断する（ステップ４）。

生体は呼吸や脈波などの周期的な生体信号を発することから、制御部５には、生体信号センサシステムＢが対象とする生体が発する周期的な生体信号の情報が記憶されており、この記憶された周期的な生体信号の情報に基づいて、制御部５は、第二測定部４から受信した信号が生体信号であるか否かを判断する。周期的な生体信号の情報としては、呼吸信号や脈波が挙げられるが、大きな信号であり、容易に測定可能であることから、呼吸信号が好ましい。

制御部５が第二測定部４から受信した信号が生体信号でないと判断した場合（ステップ９）、制御部５は、第一測定部３及び第二測定部４での生体信号センサＡで得られる信号の測定を中止する（ステップ１０）。

一方、制御部５が第二測定部４から受信した信号が生体信号であると判断した場合（ステップ５）、制御部５は、第二測定部４において生体信号検出センサ２からの生体信号の測定を継続して行い、第二測定部４にて測定された、生体信号検出センサ２からの生体信号を、ディスプレイ、プリンタ、又は、補助記憶装置74などの出力部６に出力し記憶する（ステップ６）。生体信号検出センサ２にて測定される生体信号には、呼吸振動、脈波、体動などが含まれる。

第一測定部３による荷重検出センサ１から得られる信号の測定は、第二測定部による生体信号検出センサ２から得られる信号の測定中も継続して行われており、制御部５において、予め定められた閾値と、第一測定部３にて測定された測定結果とが継続して比較されている（ステップ７）。第一測定部３にて測定された測定結果が閾値未満である場合には、生体信号センサＡ上に物体が存在していると判断し、第二測定部４による生体信号検出センサ２から得られる信号の測定を継続して行う。一方、第一測定部３にて測定された測定結果が閾値以上となった場合には、生体信号センサＡ上に物体が存在しなくなったと判断して、制御部５は、第一測定部３及び第二測定部４による生体信号センサＡからの信号の測定を終了する（ステップ８）。

以上の如く、本発明の生体信号センサシステムＢは、荷重検出センサ１から得られる信号によって生体信号センサＡ上に物体がのっているか否かを判断し、更に、生体信号検出センサＡから得られる信号によって生体信号センサＡ上の物体が生体であるか否かを判断した上で、生体信号センサＡの生体信号検出センサ２から得られる生体信号の測定を行っているので、想定している生体が生体信号センサＡ上に載置された時だけ生体信号センサシステムＢの生体信号検出センサ２で検出された生体信号を第二測定部にて測定しており、ノイズの少ない生体信号を測定し得ることができる。

１ 荷重検出センサ
２ 生体信号検出センサ
３ 第一測定部
４ 第二測定部
５ 制御部
６ 出力部
11 第一圧電シート
12 第一グランド電極
13 変形層
14 第一シグナル電極
21 第二圧電シート
22 第二シグナル電極
23 第二グランド電極
Ａ 生体信号センサ
Ｂ 生体信号センサシステム

Claims (3)

1. 荷重検出センサ上に生体信号検出センサが積層一体化されてなる生体信号センサであって、上記荷重検出センサは、第一圧電シート、上記第一圧電シートの一面に積層一体化された第一グランド電極、及び、上記第一圧電シートの他面に変形層を介して積層一体化された第一シグナル電極を有すると共に、上記生体信号検出センサは、第二圧電シート、上記第二圧電シートの一面に積層一体化された第二シグナル電極、及び、上記第二圧電シートの他面に積層一体化された第二グランド電極を有することを特徴とする生体信号センサ。
2. 変形層が発泡シートであることを特徴とする請求項１に記載の生体信号センサ。
3. 荷重検出センサ上に生体信号検出センサが積層一体化されてなる生体信号センサであって、上記荷重検出センサは、第一圧電シート、上記第一圧電シートの一面に積層一体化された第一グランド電極、及び、上記第一圧電シートの他面に変形層を介して積層一体化された第一シグナル電極を有すると共に、上記生体信号検出センサは、第二圧電シート、上記第二圧電シートの一面に積層一体化された第二シグナル電極、及び、上記第二圧電シートの他面に積層一体化された第二グランド電極を有する生体信号センサと、上記荷重検出センサの第一圧電シートで発生する電位を測定する第一測定部と、上記生体信号検出センサの第二圧電シートで発生する電位を測定する第二測定部と、上記第一測定部で測定された電位が予め定められた閾値未満の場合には上記第二測定部での上記第二圧電シートの電位の測定を開始し、上記第二測定部にて生体信号を検出した場合には上記第二測定部で検出された信号を出力し、上記第一測定部で測定された電位が予め定められた閾値以上の場合又は上記第二測定部にて生体信号を検出しない場合には上記第二測定部で検出された信号の出力を行わないように制御する制御部とを有することを特徴とする生体信号センサシステム。

Images