JP4141426B2 - 静電容量型圧力センサー及びこれを用いた心拍/呼吸計測装置 - Google Patents
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Description
又、健康管理の意識が高まる現在において、一般の家庭においても簡便に就床中の心拍数を計測したいというニーズが高まっている。
しかしながら、出願人の提案に係る上記呼吸/心拍計測装置においても、依然として計測精度や感度の点で改良の余地があった。
で計測することが出来る静電容量型圧力センサー及び心拍/呼吸計測装置を提供することである。
尚、共振回路(3)は、静電容量型圧力センサー(2)を発振用コンデンサとするLC型発振回路或いはCR型発振回路によって構成することが出来る。
該具体的構成によれば、静電容量型圧力センサー(2)が人体から圧力を受けたときのシート状誘電体(21)の全方向の弾性変形が容易となり、該圧力に応じて両導電布(22)(23)間の距離が敏感に変化することになる。
該具体的構成によれば、静電容量型圧力センサー(2)が人体から圧力を受けたときの2枚のシート状誘電体(21)(24)の全方向の弾性変形が更に容易となり、該圧力に応じて両導電布(22)(23)間の距離が更に敏感に変化することになる。
又、静電容量型圧力センサー(2)は、伸縮性および柔軟性を有する一対の導電布(22)(23)の対向する2つの面の少なくとも一方に伸縮性および柔軟性を有するシート状誘電体を設けて構成される。
該構成では、静電容量型圧力センサー(2)を薄型化でき、人体へ与える違和感をより軽減できる。
さらに、静電容量型圧力センサー(2)は、伸縮性および柔軟性を有する導電布(22)と導電板(33)の対向する2つの面の少なくとも一方に伸縮性および柔軟性を有するシート状誘電体を設けて構成される。
さらに、静電容量型圧力センサー(2)は、対向する2つの面に伸縮性および柔軟性を有するシート状誘電体(27)(27)を設けた伸縮性および柔軟性を有する一対の導電布(22)(22)の間に、伸縮性および柔軟性を有する導電布(23)を配備し、前記一対の導電布(22)(22)は連結部(22a)により互いに電気的に接続されており、連結部(22a)の前記導電布(23)側に向かう面には伸縮性および柔軟性を有する導電布(27a)が設けられて構成される。
さらに、静電容量型圧力センサー(2)は、伸縮性および柔軟性を有する一対の導電布(22)(22)の間に、両面に伸縮性および柔軟性を有する誘電体(28)(29)を設けた伸縮性および柔軟性を有する導電布(23)を配備し、前記一対の導電布(22)(22)は連結部(22a)により互いに電気的に接続されて構成される。
本発明に係る心拍/呼吸計測装置は、図1及び図2に示す如く敷き蒲団(1)の表面に、人体の上半身に対応させて、シート状の静電容量型圧力センサー(2)を配備している。該センサー(2)は、基本的には図4及び図5に示す如く、一対の導電布(22)(23)の間に、全方向に弾性を有するシート状誘電体(21)を挟み込んで構成されており、コンデンサを構成している。
尚、シート状センサー(2)は、敷き蒲団(1)の表面に限らず、敷き蒲団(1)の内部若しくは裏面に配備することも可能である。
一方、シート状誘電体(21)は、例えば厚さ3mmのウレタンシートによって形成されている。
該静電容量型圧力センサー(2)においても、図9(b)に示す如く人体からの圧力を受けて、シート状誘電体(21)(24)が厚さ方向だけでなく全方向に弾性変形すると共に、シート状誘電体(21)(24)が人体の曲面形状に沿って容易に屈曲変形する。この結果、中間の導電布(23)と両側の導電布(22)(22)との間の距離が変動して、静電容量型圧力センサー(2)の静電容量が変動することになる。
尚、2枚のシート状誘電体(21)(24)を用いる場合には、両側の導電布(22)(22)をグランド層とすることにより、ノイズを防止することが出来る。
該静電容量型圧力センサー(2)によれば、人体から圧力を受けたときのシート状誘電体(21)の厚さ方向だけでなく全方向の弾性変形が容易となり、該圧力に応じて両導電布(22)(23)間の距離が敏感に変化することになる。
該静電容量型圧力センサー(2)によれば、図11(b)中に矢印で示す様に、人体から圧力を受けたときの両シート状誘電体(21)(24)の厚さ方向だけでなく全方向の弾性変形が更に容易となり、該圧力に応じて両導電布(22)(23)間の距離が更に敏感に変化することになる。
このような構成の場合、斯かるシート(31)(32)は、その伸縮性と柔軟性のため、初期時や使用時には、図17(b)に示す如く、シート(31)とシート(32)との間で、これらが接触している部分や接触していない部分が生じ得る。シート(31)とシート(32)が接触していない部分には空間が生じ該空間に存在する空気も誘電体としての役割を果たすこととなる。
このような静電容量型圧力センサー(2)のシート(31)(32)は、例えば一対の導電布(22)(23)が50mm×500mmの大きさを有し、その厚さが0.12mmであり、かかる導電布の対向する面の全面にシート状誘電体(27)(28)として厚さ0.2mmの塩化ビニールを接着材等で貼り付けられたもの(例えば、セーレン株式会社製「KTS-70」)が採用されている。
このような静電容量型圧力センサー(2)においては、図17(c)に示す如く人体の曲面による圧力を受けると、シート(31)(32)は、その伸縮性および柔軟性により撓みが生じ、人体の呼吸によって、撓んだ箇所の距離や位置が変化することにより、シート(31)とシート(32)の間の空間の位置や大きさが変化することにより静電容量型圧力センサー(2)の静電容量が変動することになる。
上記構成とすることにより、該静電容量型圧力センサー(2)の薄型化が可能であり、利用者へ与える違和感を軽減することが可能となる。
また、図18(a)のように、一対の伸縮性および柔軟性を有する導電布(22)(23)の対向する2つの面のうち一方の導電布(22)にのみ伸縮性および柔軟性を有するシート状誘電体(27)を取り付けて一体となったシート(31)とした静電容量型圧力センサー(2)を構成することも可能であり、また、図18(b)のように、一対の伸縮性および柔軟性を有する導電布(22)(23)の対向する2つの面のうち一方の導電布(23)にのみ伸縮性および柔軟性を有するシート状誘電体(28)を取り付けて一体となったシート(32)とした静電容量型圧力センサー(2)を構成することも可能である。
尚、図18(a)に斯かる静電容量圧力センサー(2)は、その初期時や使用時には、図17に示す静電容量圧力センサー(2)と同様にシート(31)と導電布(23)との間に、これらが接触している部分や接触していない部分が生じ得る。この場合、導電布(22)の上方に人体が位置する構成である。
また、図18(b)に斯かる静電容量圧力センサー(2)は、その初期時や使用時には、導電布(22)とシート(32)との間に、これらが接触している部分や接触していない部分が生じ得る。この場合も導電布(22)の上方に人体が位置する構成である。
また、図19(a)のように、伸縮性および柔軟性を有する導電布(22)と銅板等の導電板(33)を一対の電極として静電容量型圧力センサー(2)を構成し、導電布(22)に伸縮性および柔軟性を有するシート状誘電体(27)を取り付けて構成することも可能であり、図19(b)のように、導電板(33)に伸縮性および柔軟性を有するシート状誘電体(28)を取り付けて構成することも可能である。尚、図19(a)、図19(b)の場合とも、導電布(22)の上方に人体が位置する構成である。
この場合、斯かるシート(31)(31)および連結シート(34)は、伸縮性および柔軟性があるため、初期時や使用時には、図20(b)に示す如く、対向するシート(31)(31)と導電布(23)との間および連結シート(34)と導電布(23)との間に、これらシート(31)(31) および連結シート(34)と導電布(23)とが接触している部分や接触していない部分が生じ得る。シート(31)(31) および連結シート(34)と導電布(23)が接触していない部分には空間が生じ、該空間に存在する空気も誘電体としての役割を果たすこととなる。
このような静電容量型圧力センサー(2)においても、図20(c)に示す如く人体による圧力を受けるとシート(31)(31)および連結シート(34)と導電布(23)の伸縮性および柔軟性により撓みが生じ、人体の呼吸によって、撓んだ箇所の距離や位置が変化することにより、シート(31)(31)および連結シート(34)と導電布(23)との間の空間の位置や大きさが変化することにより、静電容量型圧力センサー(2)の静電容量が変動することになる。
このような構成の場合は、導電布(23)と導電布(22)(22)および導電布(22a)とが接触しないように、例えばシート状誘電体(27)(27)と誘電体(27a)が隙間なく一連一体となるように連結されている。本実施形態では、導電布とシート状誘電体が一体形成されてなるシートを折り曲げることによりシート(31)(31)および連結シート(34)を構成している。
また、静電容量型圧力センサー(2)は、図21に示す如く、対向する一対の導電布(22)(22)の間に、両面に伸縮性および柔軟性を有するシート状誘電体(28)(29)を取り付けると共に、その端面に伸縮性および柔軟性を有する誘電体(30)を取り付けた伸縮性および柔軟性を有する導電布(23)を配備し、一対の導電布(22)(22)を連結部(22a)により互いに電気的に接続された構成とすることも可能である。
本実施形態では、導電布を折り曲げることにより一対の導電布(22)(22)および連結部(22a)を構成している。
共振回路(3)は、例えば図3の如く静電容量型圧力センサー(2)にインダクタ(31)を接続したLC型発振回路によって構成することが出来る。
又、演算処理回路(4)は、共振回路(3)の発振周波数の変化を検出する周波数検出部(41)と、発振周波数の変化に含まれる心拍及び/又は呼吸の周波数成分に基づいて心拍数及び/又は呼吸数を算出する心拍数/呼吸数算出部(42)とから構成される。
尚、発振周波数の計測は、一定時間(例えば50m秒)毎にパルス数をカウントする方式に限らず、パルス数が一定値に達する時間を計測することによって行なうことも可能である。
続いて、ステップS3では、フィルタ処理を施した時系列の周波数データのピークを検出する。
そして最後に、ステップS4では、検出されたピークの時間間隔を算出し、更にその結果から心拍数及び呼吸数を算出する。
図示の如く、シート状誘電体に加工が施されていない静電容量型圧力センサー(ウレタン加工なし)においては、シート状誘電体に貫通孔の加工が施されている静電容量型圧力センサー(ウレタン加工あり)よりも大きな振幅が得られており、このことから、シート状誘電体に貫通孔の加工を施すことによって更に高い精度で圧力変動を検出することが出来ると言える。
人体から静電容量型圧力センサー(2)に作用する圧力は約0.05〜0.15Kgf/cm2の範囲であるので、ウレタン加工ありの静電容量型圧力センサーによれば、ウレタン加工なしの静電容量型圧力センサーよりも、高い感度で心拍数及び呼吸数を計測することが出来ると言える。
又、本発明に係る心拍/呼吸計測装置においては、上述の如くシート状誘電体の両面に導電布を配備した静電容量型圧力センサー(2)の採用によって、高い精度と感度で心拍数や呼吸数を計測することが出来る。
又、図8及び図9に示すシート状誘電体(21)(24)に複数の貫通孔(25)を開設した構成に代えて、図16図(a)(b)に示す如くシート状誘電体(21)(24)に複数の凹凸(26)を形成した構成によっても同様の効果を得ることが可能である。
又、図9、図11、図16(b)、図20および図21に示す如く本発明の実施形態では、2層構造の静電容量型圧力センサーを用いているが、その他、さらに3層、4層と複数層の構造としてもよい。これにより、人体の曲面からの圧力に応じて導電布間の距離が更に敏感に変化するため、より高い精度と感度で心拍数や呼吸数を計測することができる。
又、上記本発明の実施形態では、シート状誘電体は弾性を有するもの、あるいは弾性、伸縮性および柔軟性を有するものを採用しているが、伸縮性および柔軟性のみを有するものであってもよい。尚、本発明の実施形態に斯かる誘電体は絶縁体も含むものである。
(21) シート状誘電体
(24) シート状誘電体
(22) 導電布
(23) 導電布
(25) 貫通孔
(3) 共振回路
(4) 演算処理回路
Claims (2)
- 全方向に弾性変形可能な2枚のシート状誘電体(21)(24)が1枚の導電布(23)を間に挟んで互いに重ね合わされると共に、両シート状誘電体(21)(24)の両面に2枚の導電布(22)(22)が配備され、前記2枚の導電布(22)(22)はグランド層であり、互いに電気的に接続され、前記2枚のシート状誘電体(21)(24)にはそれぞれ複数の貫通孔(25)が形成され、一方のシート状誘電体(21)に開設された貫通孔(25)と他方のシート状誘電体(24)に開設された貫通孔(25)とは、互いに位置が食い違っている静電容量型圧力センサー。
- 人体によって圧迫されるべきシート状の静電容量型圧力センサー(2)と、該センサー(2)の出力から心拍数及び/又は呼吸数を計測する計測回路とから構成される心拍/呼吸計測装置であって、
前記静電容量型圧力センサー(2)は、全方向に弾性変形可能な2枚のシート状誘電体(21)(24)が1枚の導電布(23)を間に挟んで互いに重ね合わされると共に、両シート状誘電体(21)(24)の両面に2枚の導電布(22)(22)が配備され、前記2枚の導電布(22)(22)はグランド層であり、互いに電気的に接続され、前記2枚のシート状誘電体(21)(24)にはそれぞれ複数の貫通孔(25)が形成され、一方のシート状誘電体(21)に開設された貫通孔(25)と他方のシート状誘電体(24)に開設された貫通孔(25)とは、互いに位置が食い違って構成され、
計測回路は、静電容量型圧力センサー(2)を発振用コンデンサとする共振回路(3)と、該共振回路(3)の発振周波数の変化を検出し、該変化に含まれる心拍及び/又は呼吸の周波数成分に基づいて心拍数及び/又は呼吸数を算出する演算処理回路(4)とを具えている心拍/呼吸計測装置。
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