JP2016193020A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】生体検知装置に適用が好適な反射型の超音波センサを提供する。【解決手段】超音波センサを適用した生体検知装置１は、人物１０からの反射波を処理してセンサからの距離に応じた反射強度を算出する強度算出部と、強度の時間変化を算出する強度変化算出部と、距離と反射強度とその時間変化を組にした反射場情報を装置本体２００に送信する超音波センサ１００を有する。装置本体２００は、反射強度と反射場情報の変化から人物１０反射強度の時間変化を参照して、人物１０が通常の安静状態であるのか、呼吸が止まって危険な状態であるのかを判定する判定部を有し、危険な状態と判定されると、通報部は直ちに外部に通報する処理を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、反射型の超音波センサに関し、特に人物の状態の検知に好適な超音波センサに関する。

超音波は、電磁波に比較すると人体への影響が少なく、その音響特性を利用して反射物体の検出や状態判定に適していることが知られている。このため、反射式の超音波センサは、医療現場での超音波エコー装置、漁業における魚群探知機、建築分野における建物等の非破壊検査装置、自動ドアの人感知センサなど幅広く利用されている。反射式の超音波センサは、超音波パルスを出力し、人や物に反射した反射波を受信する。このパルスの出力から受信までの時間差（ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ））と伝搬速度から反射体までの距離とその変化を計測し、人や物の存在や動きを検出している。

特許文献１には、超音波センサを新生児用の保育器に設置し、新生児に向けて出力した超音波の反射の様子を観察することにより、新生児の心拍や呼吸による微小な変動を検出する超音波式の生体監視装置が開示されている。この超音波センサは、超音波を出力してから反射波を受信するまでの時間から微小な変動をとらえようというものである。

特開２０１０−１５８５１７号公報

しかしながら、例えば一般家庭にて新生児のみならず就寝中の大人について呼吸などによる微小な体動を検出するために、特許文献１の方法のようにパルス状の超音波を送信してＴＯＦを測定しようとしても困難である。
これは、呼吸による胸郭の動きは吸気時と呼気時で高々１ｃｍ程度の差であり、一般的なパルス幅である数百［ｎｓ］の超音波を送信してもＴＯＦの差は数十［ｎｓ］にとどまり、正確に測定するには精密な測距装置が求められるからである。さらには、人体表面は平面ではないことに加え、壁や家具からの反射音が重畳されるため、反射波は鋭いパルス状にはならず、強度ピークが不規則に連続する波形として観察される。よっていずれの強度ピークが人体表面で反射したものかの判別はしにくいという問題があった。また就寝中の人物は寝返りを打つことがあり反射波が乱れるため、寝返りなども含めた統一的な処理で判断をする必要があった。

そこで本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、必ずしも理想的な環境とはいえない場所であっても、人体などの微小な変動をも捉えることが可能な反射型の超音波センサの実現を目的とする。

かかる課題を解決するため本発明は、超音波の送信波を出力する送波部と、送信波が反射体に反射した反射波を受信する受波部と、反射波の反射強度を算出する強度算出部と、反射強度の強度変化量を算出する強度変化算出部と、一の送信波に対する一又は複数の反射波ごとに、送信波の送信方向における距離情報、反射強度、および強度変化量を対応させたデータ構造を有する反射場情報を生成する反射場情報生成部と、を有することを特徴とした超音波センサを提供する。

本発明にかかる超音波センサはさらに、強度変化閾値以上である強度変化量に対応した距離情報の最大と最小から定まる範囲を反射体に対応した反射体距離範囲として特定する反射体距離範囲特定部と、反射場情報と反射体距離範囲を用いて反射体の状態を判定する判定部を有し、判定部は、反射体距離範囲が特定されないと反射体の不存在を判定する一方で、活動状態距離以上の長さの反射体距離範囲が特定され、反射体距離範囲の強度変化量が活動閾値以上のとき反射体の活動状態を判定することが好適である。

本発明にかかる超音波センサは、さらに、反射強度閾値以上である反射強度を参照し、反射強度の距離情報が略時不変な距離を、反射体の状態を判定するための基準面までの距離を表す設置距離に決定する反射体距離位置特定部を有し、判定部は、さらに、反射体の不存在を判定した後に、設置距離以上離隔した位置にて反射体距離範囲が特定され、反射体距離範囲の強度変化量が活動閾値以上のとき、反射体の新規出現を判定することが好適である。

本発明にかかる超音波センサは、基準面の上方に設置距離の高さの位置に略鉛直下向きに設置され、判定部は、さらに、反射体の新規出現を判定した後に、反射体距離範囲特定部が反射体距離範囲を設置距離の位置を含む活動状態距離よりも短い横臥距離以内の長さに特定すると、反射体を基準面における人物の横臥状態を判定することが好適である。

本発明にかかる超音波センサにおいて判定部は、さらに、人物の横臥を判定した後に、反射体距離範囲における強度変化量が安静判定時間にわたり活動閾値未満、かつ活動閾値より小さな安静閾値以上であると、人物の安静状態を判定することが好適である。

本発明にかかる超音波センサにおいて判定部は、さらに、人物の安静状態を判定した後、体位変換時間にわたり人物の横臥状態を判定して再び人物の安静状態を判定すると、人物の寝返り動作を判定することが好適である。

本発明にかかる超音波センサにおいて判定部は、さらに、人物の横臥状態を判定した後に、停止判定時間にわたり反射体距離範囲における強度変化量が安静閾値未満であると、人物の異常を判定することが好適である。

本発明に係るセンサ装置は、超音波が伝播する空間である反射場の変動として反射体の動きを捉えるので、必ずしも理想的な環境とはいえない場所であっても微小な変動を捉えることが可能であり、特に人物の状態や動作を検知する生体検知装置に適用すると高精度に検知できるという効果を奏する。

生体検知装置が動作する様子を示す模式図である。 本発明にかかる超音波センサの概略構成図である。 反射波から算出される反射強度系列を示す模式図である。 強度情報と反射場情報を示す模式図である。 本発明にかかる生体検知装置の装置本体の概略構成図である。 反射場情報を示す模式図である。 装置本体の動作を示す状態遷移図である。 本発明にかかる他の超音波センサの概略構成図である。 送信する超音波の他の形態を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態として、本発明にかかる超音波センサを人物の状態を検知する装置、つまり生体検知装置に適用した場合について、図を参照しつつ説明する。
本実施の形態にかかる生体検知装置は、特に就寝動作や就寝中の人物の呼吸の状況などを把握するもので、呼吸停止などの異常状態を検知して外部に通報することを目的とする。

図１は、本実施の形態にかかる生体検知装置が設置され、運用される様子を示す模式図である。図１には、検知対象である人物１０が、ベッド１１の上に横たわり、布団１２が掛けられて就寝している様子が示されている。
生体検知装置１は、超音波センサ１００と装置本体２００から構成され、両者は無線にて通信する機能を有している。また超音波センサ１００は、ベッド１１が置かれている床面から２．５［ｍ］の高さに、図示しない取り付け器具にて設置、固定されているとする。
符号１３の矢印は超音波の送信方向であり人物１０がいる方向に送信される。また超音波センサ１００は、人物１０または布団１２の表面にて反射した反射波を受信するが、実際には符号１４の矢印に示す人物１０までの最短距離の反射波のみならず、人物１０または布団１２の表面の各所、あるいは図示しない壁や家具にて反射した反射波が重畳される。なお、超音波は布団１２を一部透過し、人物１０の表面にて反射することが実験で確認されている。

図２は、超音波センサ１００の概略構成を示すブロック図である。
図２に示すように、超音波センサ１００は、送受波制御部１０５、送波部１１０、受波部１１５、強度算出部１２０、強度情報バッファ１２５、強度変化算出部１３０、反射場情報生成部１３５、無線送信部１４０、電池１４５から構成される。

送受波制御部１０５は、送波部１１０から出力される送信波のタイミングと受波部１１５での受信のタイミングを制御する。本実施の形態では２００［ｍｓ］ごとに、すなわち１秒に５回、送信波を出力するよう制御信号を送波部１１０に出力する。そのために送受波制御部１０５は、予め作成しておいた周波数４０［ｋＨｚ］、長さ５００［ｎｓ］を表す正弦波デジタルデータを出力用の制御信号として生成して、送波部１１０に出力する。また送波部１１０が有するＤ／Ａ変換手段と受波部１１５が有するＡ／Ｄ変換手段を同期させるよう制御信号を送波部１１０と受波部１１５に出力する。

送波部１１０は、周知の超音波送信手段であり内部にＤ／Ａ変換手段、パワーアンプ、超音波送信素子を有し、人物１０に向けて超音波を出力する。超音波送信素子の代わりに超音波周波数領域に出力感度がある圧電スピーカを用いてもよい。
送波部１１０は、送受波制御部１０５からの超音波の出力用の制御信号を受けると、周波数４０［ｋＨｚ］、長さ５００［ｎｓ］の超音波パルスを出力する。出力する超音波パルスは周波数と長さが別の値のものを用いてもよい。これらの値は送波部１１０や受波部１１５によって適宜好適なものを採用する。超音波パルスのパルス幅は距離分解能の観点からは短い方が良いが、検波処理のしやすさからは長い方がよい。これらのバランスから決定される。

受波部１１５は、内部に増幅器およびＡ／Ｄ変換手段を有し人物１０などからの反射波を捉える周知の超音波受信手段である。反射波が受信されると増幅器により適切な電圧に昇圧され、Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換されて強度算出部１２０に出力される。超音波受信素子の代わりに超音波周波数領域に入力感度があるマイクロホンを用いても良い。

送波部１１０のＤ／Ａ変換手段と受波部１１５のＡ／Ｄ変換手段が使用するサンプルリング周波数は、送波部１１０にて出力する超音波の周波数の２倍より大きい値を選ぶ必要がある。本実施の形態では周波数を４０［ｋＨｚ］の超音波を出力することを考慮し、また後述するダウンサンプリング処理との関係で１０２［ｋＨｚ］とする。他の周波数でもよい。

強度算出部１２０は、受波部１１５から出力された反射波のデジタル信号から、超音波センサ１００からの超音波の送信方向の距離に応じた反射波のパワーを表す反射強度系列を、出力のタイミングと同じく１秒に５回求める。
強度算出部１２０は、まず受波部１１５から出力された反射波のデジタル信号に対して４０［ｋＨｚ］の正弦波を乗算して周波数シフト処理を行い、適宜後続の処理に好適なダウンサンプリング処理を行った後に、出力を２乗して反射強度系列とする。本実施の形態では１０２［ｋＨｚ］から３．４［ｋＨｚ］にダウンサンプリングすることで、測定間隔として５［ｃｍ］ごとの反射強度の情報を得ることにする。これらのサンプリング周波数やダウンサンプリングレートは、強度情報をどれくらいの間隔で必要かで適宜変更が可能である。
これら反射強度系列を求める処理は当該分野では公知であるので詳細は省略する。

図３（ａ）に、反射強度系列を模式的に示す。反射強度系列３０は、超音波センサ１００からの超音波の送信方向の距離について、本実施の形態では測定間隔５［ｃｍ］ごとに反射強度の値が対応付いたものである。
符号３１ａは超音波センサ１００からの距離が５０［ｃｍ］の位置での反射強度、以下同様に符号３１ｂは距離が１００［ｃｍ］の位置での反射強度、符号３１ｃは距離が１５０［ｃｍ］の位置での反射強度、符号３１ｄは距離が２００［ｃｍ］の位置での反射強度、符号３１ｅは距離が２５０［ｃｍ］の位置での反射強度、符号３１ｆは距離が３００［ｃｍ］の位置での反射強度を表す。

図３（ｂ）は、同図（ａ）では折れ線グラフで表した反射強度系列３０を、超音波センサ１００からの距離に対する反射強度の値として、表形式で表現した強度情報３２である。反射強度の値は、本実施の形態では説明の簡単のため、０〜１の範囲に正規化した値を表示している。符号３１ａなどの値は、同図（ａ）と同じくその距離の欄に記憶されている。

なお、本実施の形態では、超音波センサ１００は、ベッド１００が置かれた床面から２．５［ｍ］の距離に設置されているが、人体は大きさを持っているため反射位置は超音波センサ１００直下のみとは限らない。また、後述するようにベッド１００の周囲においても就寝しようとする人物の動きを判定し、ベッド１００に人物１０が横たわる（横臥する）ことを確認するために、超音波センサ１００の測定範囲は２．５［ｍ］以上必要である。本実施の形態では５［ｍ］としている。
強度算出部１２０は、作成した強度情報を強度情報バッファ１２５および強度変化算出部１３０に出力する。

強度情報バッファ１２５は、強度算出部１２０にて求められた強度情報を一時記憶するいわゆるバッファであり、半導体メモリにて実現される。光学記憶媒体でも良い。
一時記憶される強度情報は、一計測時刻前（２００［ｍｓ］前）で取得されたものとする。一計測時刻以上過去の計測時刻、例えば１０［ｓ］前までの強度情報を逐次記憶してもよい。
記憶された強度情報は、強度変化算出部１３０にて、その変化を求めるために用いられる。

強度変化算出部１３０は、最新の計測時刻にて得られた強度情報と、強度情報バッファ１２５に記憶されている強度情報とを、超音波センサ１００からの距離ごとに比較して変化を求める。これを図４を用いて説明する。
図４（ａ）には、強度情報バッファ１２５に記憶されている強度情報４０が示されている。図４（ｂ）には、最新の計測時刻にて得られた強度情報４２が示されている。なお、図４の強度情報では、説明の都合上、距離が３［ｍ］の範囲までのみを示している。
強度変化算出部１３０は、２つの強度情報４０、４２について、同じ距離における反射強度の値を比較して変化量を求め、反射場情報生成部１３５に出力する。
強度変化算出部１３０は、強度情報バッファ１２５に記憶されている一計測時刻前の強度情報と最新の強度情報を比較して変化量を求めるが、さらに過去の計測時刻の強度情報との変化量を求めたり、指定時間にわたる強度情報の分散値や、平均値からの差分の絶対値の最大値としても良い。

反射場情報生成部１３５は、強度変化算出部１３０からの出力を受け、反射場情報を生成する。
反射場情報とは、図４（ｃ）に示すように、強度情報４２に、強度変化算出部１３０が算出した強度変化のフィールド（符号４５）を追加したものである。
つまり反射場情報４４は、超音波センサ１００からの超音波の送信方向の距離ごとに、その距離の位置における反射波の強度と、その時間変化である強度変化から成り、後述するように、装置本体２００において当該反射場情報を参照することで図１の模式図における人物１０が超音波センサ１００からどのくらいの距離に位置しているか、およびその人物１０がどのような状態であるかの判定に用いられる。
反射場情報４４は、図１の模式図に示すように超音波センサ１００と人物１０の間にある超音波が伝播する空間、およびその周辺の空間がどのような伝達特性と反射特性を示しているのかを表すものであり、人物１０の状態判定に有用な情報である。特に反射場情報には強度変化４５をフィールドに持つので、距離の変化を捉えるよりも反射体の状態の変化を微細に捉えることが可能となっている。
反射場情報生成部１３５は、生成した反射場情報を無線送信部１４０に出力する。

無線送信部１４０は、反射場情報生成部１３５が生成した反射場情報を、装置本体２００に送信する公知の送信手段である。
電池１４５は、超音波センサ１００を構成する各部が動作するための駆動電源である。これまで述べてきたように、超音波センサ１００の構成はシンプルなものであり各部の処理負荷は低いので電池駆動が可能である。送波部１１０が遠距離まで届く超音波を出力することが求められるなどの事情がある場合には、適宜ＡＣ電源に置き換えてもよい。

図５は、装置本体２００の概略構成を示すブロック図である。
図５に示すように、装置本体２００は、パラメータ記憶部２０５、無線受信部２１５、反射場情報記憶部２２０、反射体距離範囲特定部２２５、反射体距離位置特定部２１０、判定部２３０、通報部２３５、電源２４０から構成されている。
これら各構成要素は、公知のハードウェアにて、またはＣＰＵ上で動作するソフトウェアモジュールにて実現される。

パラメータ記憶部２０５は、半導体メモリやハードディスク、光学式記録手段などで実現され、後述する各処理に必要な各種パラメータを記憶しておく。またソフトウェアモジュールで実現される構成要素のプログラムを記憶しても良い。

無線受信部２１５は、超音波センサ１００から無線送信されてきた反射場情報を受信する公知の受信手段である。無線受信部２１５は、受信した反射場情報を反射場情報記憶部２２０と反射体距離範囲特定部２２５と反射体距離位置特定部２１０に出力する。

反射場情報記憶部２２０は、超音波センサ１００から送られてきた反射場情報を、所定の数だけ記憶しておく手段であり、半導体メモリやハードディスクなどで実現される。記憶する反射場情報の数は、記憶容量や後述する各処理にて必要な枚数を考慮して決めればよい。本実施の形態では、超音波センサ１００からの送信間隔を踏まえて、１０［ｓ］に対応するそれぞれ５０個とする。５０個を超えると、順次時刻の古いものから消去していくこととし、最新の５０個が常に記憶されているものとする。

反射体距離位置特定部２１０は、反射場情報４９の反射強度４８を参照して、所定の反射強度閾値以上で最大値を示す距離を特定し、さらにそれが時間的に概略変化しない場合に、当該距離の位置にベッド１１の表面が存在するとして、ベッド１１の表面を基準面とした設置距離に決定する。これは超音波センサ１００はベッド１１が置かれている床面から距離は既知であっても、ベッド１１の表面までの距離はベッドの種類によって多少異なることを考慮したものである。本実施の形態では反射強度閾値を０．５とするが、例えば図６の反射場情報４９では、距離が１９０［ｃｍ］〜２１０［ｃｍ］にて最大値の“０．８”となっているが、この距離範囲が時間的に概略変化しない場合に、その範囲の中央値である１９５［ｃｍ］を設置距離とする。

反射体距離範囲特定部２２５は、反射場情報４９の強度変化４５を参照して、反射体（人物１０）の存在により反射強度が大きくなっている、超音波センサ１００からの連続的な距離の範囲を特定する。これを図６に示す反射場情報を用いて説明する。
図６には、図４（ｃ）と同様の反射場情報４９が示されている。ただし、図４（ｃ）とは異なり、距離範囲フラグ４６のフィールドが追加されている。
距離範囲フラグ４６とは、図６では強度変化４５の値を参照して、その値が強度変化閾値以上である距離には“１”、強度変化閾値未満の距離には“０”が付与される。本実施の形態では強度変化閾値を０．５とする。そして図６の反射場情報４９では、“１”が付与された最小の距離は１７０ｃｍであり、最大の距離は２１０ｃｍであるので、１７０ｃｍから２１０ｃｍが反射体距離範囲４７である。

なお、強度変化４５の全ての値の大きさが強度変化閾値未満の場合には強度範囲フラグ４６には全て“０”が付与されるが、その場合は、反射体距離範囲は特定されないとする。
また反射体距離範囲が活動状態距離（本実施の形態では１［ｍ］とする）以上の長さとして特定された場合には、後述するように反射体（人物１０）はベッド１１の上で単に横臥しているよりも大きな動きである活動状態であると判定される。

判定部２３０は、パラメータ記憶部２０５に記憶されているパラメータを参照しつつ、反射場情報および反射体距離範囲を参照して人物１０の状態を判定して、その結果を通報部２３５に出力する。

判定部２３０は、反射体距離範囲特定部２２５が反射体距離範囲を特定できない場合は、超音波センサ１００が検知可能な範囲には反射体が存在しないと判定する。
判定部２３０は、反射体距離範囲特定部２２５が反射体距離範囲４７を特定すると、反射体距離特定部２１０が特定した超音波センサ１００からベッド１１の表面までの距離である設置距離その特定された反射体距離範囲、反射体距離範囲の長さ、反射体距離範囲４７に含まれる強度変化４５の値を参照して、人物１０の状態を判定する。

判定部２３０は、反射体距離範囲に含まれる強度変化４５の絶対値の平均値（以下「当該平均値」）を求め、それが活動閾値以上であり、かつ反射体距離範囲の長さが活動状態距離以上の場合、人物１０は超音波センサ１００が設置された部屋にて活動状態と判定する。
活動状態とは、人物１０がベッド１１の上で横臥して通常の安静状態程度の反射強度よりも大きな反射強度を示しており、通常の安静状態や寝返りを打つのではなく、人物１０が入室後にベッド１１に近づいているような大きな動作にて活動していることを表すものである。本実施の形態では活動閾値は０．５、活動状態距離は１［ｍ］として、通常の安静状態や寝返りを打つこととは区別するものとする。
なお、当該平均値の代わりに、強度変化４５の絶対値の分散や、反射強度４８の絶対値の平均値や分散値を併用してもよい。以下の判定部２３０の説明においては同様である。

判定部２３０は、一旦反射体（人物）が存在しないと判定した後に、超音波センサ１００とベッド１１までの距離である設置距離以上にて反射体距離範囲特定部２２５が反射体距離範囲を特定し、当該平均値が活動閾値以上の場合には、人物１０が新規に超音波センサ１００の検知範囲に現れたと判定する。
本実施の形態では、設置距離が１９５［ｃｍ］と特定されているので、超音波センサ１００からの距離が５［ｍ］、あるいは３［ｍ］という距離の近辺に着目すれば良い。

判定部２３０は、一旦反射体（人物）が存在したと判定した後に、設置距離の位置を含み、活動状態距離よりも短い横臥距離以内の長さに反射体距離範囲が特定されて、人物１０が基準面であるベッド１１の上で横臥状態であると判定する。
図６に示す反射場情報４９がその状態を表しており、本実施の形態の設置距離１９５［ｃｍ］の位置を含む１７０〜２１０［ｃｍ］の範囲に反射体距離範囲４７が特定されており、その範囲の強度変化の平均値は、活動閾値の０．５より大きい０．５９、反射体距離範囲４７は４０ｃｍである。よって、判定部２３０は、ベッド１１の上で人物１０が横たわり、就寝しようと布団１２をかける動作をしているなどの多少体を動かしていると判定する。横臥距離とは、人物１０がベッド１１の上で多少の動きをしている場合に、強度変化が検出される距離として、横臥した人の厚みや布団の厚み、および身長などを考慮して適宜決定される閾値であり、本実施の形態では５０［ｃｍ］とする。

判定部２３０は、一旦人物１０の横臥状態を判定した後に、反射体距離範囲における強度変化４５の値の平均値が所定の安静判定時間にわたって活動閾値未満であり、活動閾値よりも小さな安静閾値以上であると、人物１０が通常の安静状態にあると判定する。
すなわち、人物１０は横臥した後に大きな動作を止めるものの、呼吸に伴う胸郭の動き程度しか動きを示さないことを意味している。本実施の形態では安静判定時間を１０［ｓ］、安静閾値を０．１とする。別途タイマーを備えて参照しても良い。
なお、判定部２３０は、安静判定時間よりも短い体位変換時間（例えば３［ｓ］）にわたって横臥状態になったものの、すぐその後に再び安静状態を判定すると、寝返りを打ったと判定しても良い。

判定部２３０は、一旦人物１０の横臥を判定した後に、当該平均値が所定の停止判定時間にわたって安静閾値未満であると、人物１０の異常判定をする。
すなわち、人物１０は横臥した後に大きな動作を止めるものの、呼吸に伴う胸郭の動き程度の動きすら示さないことを意味しており、人物１０の呼吸が止まった可能性があるとして直ちに外部へ通知する必要があるからである。本実施の形態では停止判定時間を１分とする。別途タイマーを備えて参照しても良い。
判定部２３０は、判定結果を通報部２３５に出力する。

通報部２３５は、判定部２３０が出力した、人物１０の状態を外部に通知する機能を有する。通報部２３５が通信Ｉ／Ｆにて実現され、通信回線と接続されている場合には、異常判定の際には警備会社などに即座に通報する。通報部２３５が、装置本体２００に備えられている画面表示装置にて実現されている場合には、就寝中などを表す文字列が表示される。

次に本実施の形態にかかる生体検知装置１の動作について説明する。
超音波センサ１００の動作は、図２のブロック図の説明において、構成要素を順を追って説明しているので省略する。
図７は、装置本体２００の動作を示す状態遷移図である。一回の判定処理が行われる度に状態の変化の有無が決定される。
本実施の形態では、装置本体２００が判定する人物１０の状態ＳはＳ１からＳ６までの６種類とする。
状態Ｓ１は、不在状態であり、超音波センサ１００が設置された部屋に、人物１０が居ない状態である。
状態Ｓ２は、活動状態であり、部屋に人物１０が居て、入室後、ベッド１１に接近するなど、ベッド１１以外の場所で活動中であることを示している。
状態Ｓ３は、在室静止状態であり、部屋に人物１０が居て、立ち止まるなど、状態Ｓ２よりも動きが小さいことを示している。
状態Ｓ４は、横臥状態であり、人物１０がベッド１１に横たわっていたり、布団をかけようとするなどの大きな動きを示している。
状態Ｓ５は、横臥微動有状態であり、人物１０がベッド１１に横たわって安静にしており、睡眠中で呼吸による微動が見られることを示している。
状態Ｓ６は、横臥微動無状態であり、人物１０がベッド１１に横たわっているが、呼吸による微動が見られない異常状態であることを示している。

以下、各状態からの遷移の条件について説明する。
装置本体２００の電源が投入されて、各構成要素に電源が供給されると、動作を開始する。この時点では超音波センサ１００が設置された部屋に人物１０は存在しないとする（状態Ｓ１）。
装置本体２００は、順次超音波センサ１００から、反射場情報を受信して反射場情報記憶手段記憶部２２０に記憶するとともに、反射体距離範囲特定部２２５は、強度変化４５が大きい範囲を特定し、反射体距離範囲が存在するか否かを判定する。
また、反射体距離特定部２１０は、反射強度４８を参照して、その最大値が概略時間変化しない距離を設置距離とする。これは、過去の動作時から、ベッドが移動したなどの設置距離が変化することも考えられるので、無人状態になるたびに設置距離を求めるのが好適である。

判定部２３０は、設置距離（本実施の形態では１９５［ｃｍ］）以上離隔した位置にて反射体距離範囲が特定され、その範囲の強度変化４５の値について、平均値が活動閾値以上の場合に人物１０が部屋に新規に出現したとして、状態Ｓ２に移行する。さもなくば状態Ｓ１を維持する。当該平均値の代わりに最大値や分散を用いても良い。以下の説明でも同様である。

判定部２３０は、反射体距離範囲が特定されたものの、その範囲の強度変化４５の値について、平均値が安静閾値をすぐに下回ると状態Ｓ１の不在状態に移行する。
当該平均値が活動閾値未満であり安静閾値以上の場合には、人物１０が在室して静止状態であるとして状態Ｓ３の静止状態に移行する。
反射体距離範囲が設置距離の位置を含み、その長さが横臥距離以内の場合には人物１０がベッド１１の上にて横臥しているとして状態Ｓ４の横臥状態に移行する。
これらの条件が満たされない場合状態Ｓ２を維持する。

判定部２３０は、状態Ｓ３の静止状態になった後、当該平均値が活動閾値を超えると、静止状態を脱しているとして状態Ｓ２の活動状態に移行する。さもなくば状態Ｓ３を維持する。

判定部２３０は、状態Ｓ４になった後、反射体距離範囲特定部２２５が反射体距離範囲を特定できない場合、つまり当該平均値が安静閾値未満であると、人物１０の動きが極めて小さいとして状態Ｓ６に移行する。
判定部２３０は、状態Ｓ４になった後、反射体距離範囲特定部が反射体距離範囲を特定したが、設置距離の位置を含まない場合、またはそれが横臥距離を越える長さの場合にはベッドを離れたとして状態Ｓ２に移行する。
判定部２３０は、状態Ｓ４になった後、当該平均値が活動閾値以上の場合には、布団をかけようとしているなどの横臥しながらの動きをしているとして状態Ｓ４を維持する。
判定部２３０は、状態Ｓ４になった後、上記いずれの条件を満たさないと状態Ｓ５の横臥微動有状態へ移行する。

判定部２３０は、状態Ｓ５の横臥微動有状態になった後、安静判定時間にわたり状態Ｓ５を維持すると人物１０は睡眠中であると判定する。また、当該平均値が活動閾値以上となったら、ベッド１１の上で布団を動かす等の大きな動きをしているとして状態Ｓ４の横臥状態に移行する。当該平均値が安静閾値未満となったらＳ６の横臥微動無状態に移行する。

判定部２３０は、睡眠中である状態Ｓ５が所定時間継続した後に、状態Ｓ４となって体位変換時間にわたり維持して、再度Ｓ５に戻ると、人物１０の寝返りを判定する。

判定部２３０は、状態Ｓ６の横臥微動無状態に移行した後、当該平均値が活動閾値以上となった場合にはベッドの上で布団を動かす等の大きな動きをしているとして状態Ｓ４の横臥状態に移行する。当該平均値が安静閾値以上となったら通常の安静状態であるとして状態Ｓ５の横臥微動有状態に移行する。さもなくば状態Ｓ６を維持する。
判定部２３０は、状態Ｓ６の横臥微動無状態の維持が停止判定時間以上にわたって繰り返された場合には、人物１０の呼吸が止まった可能性があるとして異常判定をする。
判定部２３０にて、人物１０の異常が判定されると通報部２３５は外部にその旨を出力する。

これまで説明してきた生体検知装置は、超音波センサと装置本体とを別の筐体に収めて、無線通信をする形態であったが、超音波センサに装置本体の構成要素である判定部などを収納した一体型の超音波センサとして、生体検知装置は実現できる。その場合のブロック図を図８に示す。
図２および図５と比較すると無線通信に関する構成要素が省略されるが、その他の構成要素は、名称と付与した符号が同じであれば、これまで述べてきた実施の形態と同じ構成要素として実現できる。

これまでに説明してきた生体検知装置は、反射強度の変動が発生している距離範囲を特定し、それが長いのか短いのか、および、その範囲がベッド位置に対してどういう位置関係にあるのかを、時間的な経緯を考慮して活用することにより、人がベッド上に居るのか居ないのか、ベッド上に居る場合、安静にしているのか、寝返っているのか、呼吸が停止しているのかを精度良く判定できる。
そのため、人が居ない状態と、人がベッド上に居て、かつ、呼吸が停止している状態とを正確に判定することが出来るので、人が不在で呼吸停止の異常判定するといった誤った判定を避けることができる。

またこれまでの実施の形態では、送波部１１０は、パルス状の超音波を出力したが、これに代え、送波部１１０は、送受波制御部１０５からの超音波の出力の制御信号を受けると、周波数スイープ信号やＭ系列のような雑音系列を生成して、出力してもよい。
周波数スイープ信号とは、図９のグラフ５００に示すように、振幅は一定ながらも周波数が時間的に変化する性質を有する信号であり、周波数はグラフ５０１のように低下していく。強度算出部１２０では、受信した反射波からインパルス信号を生成して強度を算出する。このような信号を用いることで、単純なパルス信号を出力するよりも受信パワーを確保でき、測距結果の分解能が向上することが知られている。周波数を４０［ｋＨｚ］から２４［ｋＨｚ］の幅で周波数を変化させることで、超音波センサからの距離について約１ｃｍの測定間隔とできる。
周波数スイープ信号を出力し、受信した反射波からインパルス信号を生成して、反射強度系列を求める方法などについては当該分野においては適宜公知の方法を採用すればよいので、詳細は省略する。

なお、これまで述べてきた実施の形態では、超音波センサを一般家庭内において設置する生体検知装置に適用した場合について説明してきたが、これに限られない。例えば、超音波センサを無人の銀行ＡＴＭブースに設置して、泥酔者を含む不審者を対象にするのも好適である。つまり、不審者が銀行ＡＴＭブースに入室してきて、そのまま床面（基準面）に横たわって寝入ることを検出できる。この場合、呼吸が止まったことのほかにも、体を横たえて安静状態となったと判定されるとその旨外部に通報する。人が入室後、活動状態を維持して、そのまま退出すると特に通報処理はしない。

さらには、これまで述べてきた実施の形態では、超音波センサを高所に取り付けて略直下に向けるものとしていたが、これに限られない。例えば壁にもたれて酔いつぶれる不審者を検出する場合には、超音波センサを斜め下向き、あるいは横向きにしても全く同様の判定手法にてそのような不審者の検出ができる。
このように、本発明の範囲を超えない形態にて実現が可能となる。

１２０・・・強度算出部
１３０・・・強度変化算出部
１３５・・・反射場情報生成部
２２５・・・反射体距離範囲特定部
２３０・・・判定部
２３５・・・通報部

Claims (7)

1. 超音波の送信波を出力する送波部と、
   前記送信波が反射体に反射した反射波を受信する受波部と、
   前記反射波の反射強度を算出する強度算出部と、
   前記反射強度の強度変化量を算出する強度変化算出部と、
   一の前記送信波に対する一又は複数の前記反射波ごとに、前記送信波の送信方向における距離情報、前記反射強度、および前記強度変化量を対応させたデータ構造を有する反射場情報を生成する反射場情報生成部と、
   を有することを特徴とした超音波センサ。
   
2. 請求項１に記載の超音波センサは、さらに、
   強度変化閾値以上である前記強度変化量に対応した前記距離情報の最大と最小から定まる範囲を前記反射体に対応した反射体距離範囲として特定する反射体距離範囲特定部と、
   前記反射場情報と前記反射体距離範囲を用いて前記反射体の状態を判定する判定部を有し、
   前記判定部は、前記反射体距離範囲が特定されないと前記反射体の不存在を判定する一方で、活動状態距離以上の長さの前記反射体距離範囲が特定され、該反射体距離範囲の前記強度変化量が活動閾値以上のとき前記反射体の活動状態を判定する
   ことを特徴とした請求項１に記載の超音波センサ。
   
3. 前記超音波センサは、さらに、反射強度閾値以上である前記反射強度を参照し、当該反射強度の前記距離情報が略時不変な距離を、前記反射体の状態を判定するための基準面までの距離を表す設置距離に決定する反射体距離位置特定部を有し、
   前記判定部は、さらに、前記反射体の不存在を判定した後に、前記設置距離以上離隔した位置にて前記反射体距離範囲が特定され、当該反射体距離範囲の強度変化量が活動閾値以上のとき、反射体の新規出現を判定する請求項２に記載の超音波センサ。
   
4. 前記超音波センサは、前記基準面の上方に前記設置距離の高さの位置に略鉛直下向きに設置され、
   前記判定部は、さらに、前記反射体の新規出現を判定した後に、前記反射体距離範囲特定部が前記反射体距離範囲を前記設置距離の位置を含む前記活動状態距離よりも短い横臥距離以内の長さに特定すると、前記反射体を前記基準面における人物の横臥状態を判定する請求項３に記載の超音波センサ。
   
5. 前記判定部は、さらに、前記人物の横臥を判定した後に、前記反射体距離範囲における前記強度変化量が安静判定時間にわたり前記活動閾値未満、かつ該活動閾値より小さな安静閾値以上であると、当該人物の安静状態を判定する請求項４に記載の超音波センサ。
   
6. 前記判定部は、さらに、前記人物の安静状態を判定した後、体位変換時間にわたり当該人物の横臥状態を判定して再び当該人物の安静状態を判定すると、当該人物の寝返り動作を判定する請求項５に記載の超音波センサ。
   
7. 前記判定部は、さらに、前記人物の横臥状態を判定した後に、停止判定時間にわたり前記反射体距離範囲における前記強度変化量が前記安静閾値未満であると、当該人物の異常を判定する請求項４または５に記載の超音波センサ。
   

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