JP4959178B2 - クッション材及び圧力変動検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気の自動吸排気機能を備えたクッション材及び該クッション材を用いた圧力変動検出装置に関し、特に、自動車、航空機、列車、船舶、フォークリフトなどの輸送機器用のシートに組み込んで使用するのに適し、また、事務用のシートあるいはマットレスなどの寝具へも適用可能なクッション材及び圧力変動検出装置に関する。

特許文献１には、ゴム製の平板なマット基板に、エアクッションとなる袋部を取り付けた背もたれマットが開示されている。この背もたれマットは、事務用椅子や自動車用シートなどのシートバックにベルト部材を用いて固定して使用される。エアクッションは、着座者の腰部付近に相当するように設けられており、通気性を確保するために、エアクッションを複数室に区分して形成することも開示されている。特許文献２には、ベース素材は明記されていないが、座部クッションと背部クッションを備えた一体構造からなり、背部クッションにおける腰部付近に相当する位置に空気枕が取り付けられた腰痛予防座席カバーが開示されている。

一方、運転中の運転者の生体状態（心身状態）を監視することは、近年、事故予防策として注目されており、例えば、特許文献３、特許文献４には、心拍又は脈拍を用い、これをカオス解析して生体状態を監視する技術が提案されている。特許文献３及び４に開示の技術によれば、脳波測定用の大がかりな装置の頭部への装着が不要で、簡易に運転者の生体状態を評価できる。特許文献３及び４に開示された装置は、いずれも、心臓の拍動に伴う体表面の振動を、シートクッションを構成するクッション材の座面に装着した薄膜状の圧電素子（圧電フィルムセンサ）によりセンシングするものである。
実用新案登録第３０５７１３２号公報 実開平６−８２９６９号公報 特開平９−３０８６１４号公報 特開平１０−１４６３２１号公報

特許文献１及び特許文献２に示されたものは、いずれも空気の吸排気により腰部に当接するランバーサポート部におけるクッション感を調整可能にしているが、これらはいずれも、空気を吸排気するためのポンプを備えている必要があり構造が複雑である。

一方、特許文献３及び４に開示された技術では、座面（座部表面）に貼着した薄い圧電フィルムセンサを用いているため、耐久性の点で問題がある。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、空気の吸排気用のポンプ等を必要としない自動吸排気機能を備え、空気を利用するものでありながら、従来より簡易な構造のクッション材を提供することを課題とする。また、本発明は、自動吸排気機能を備えていることにより、拍動、呼吸、体動などの生体の状態の変化を、空気圧変動として検知することができるクッション材及び該クッション材を用いた圧力変動検出装置を提供することを課題とする。さらに、本発明は、圧電素子を用いて、拍動、呼吸、体動などの生体の状態の変化を捉える場合にも、使用する圧電素子の耐久性を向上させることができるクッション材及び該クッション材を用いた圧力変動検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の本発明では、空気の吸排気口を除いて密閉して形成された空気袋と、
前記空気袋と共に荷重により押圧されることによって、前記吸排気口から空気が排出された状態で、空気袋に対して膨張方向への復元力を付与し、荷重の低下に伴って前記吸排気口から空気を空気袋内に取り込ませる復元力付与部材と
を具備し、
前記復元力付与部材が、前記空気袋の内部に収容され、前記空気袋に対して内側から復元力を作用させて前記空気袋を膨張させる方向に付勢する、１点集中荷重の場合とそれよりも接触面積の大きい直径９８ｍｍ以上の面接触の場合との間で、前者では柔らかなバネ特性を発揮し、後者では硬いバネ特性を発揮する立体編物を２枚重ね合わせ、その周縁部を振動溶着してなる弾性部材を備えてなり、
前記吸排気口を介して荷重の増減により空気の自動吸排気を行うものであり、
シートを構成するシートクッション、シートバック及びヘッドレストのうち、いずれか少なくとも一つに組み込まれ、又は、寝具を構成するマットレス及び枕のうち、いずれか少なくとも一つに組み込まれ、人の拍動、呼吸、及び体動のいずれか少なくとも一つの変動によって生じる圧力変動を検出して生体の状態変化を捉えるために用いられることを特徴とするクッション材を提供する。
請求項２記載の本発明では、前記復元力付与部材が、さらに、２枚の立体編物の周縁を固着して、外力を付与しない状態で内側に空洞部が形成される弾性力を備えた筒状となるように形成され、前記空気袋の外面を被覆するように配設され、筒状に復元しようとする前記弾性力により、前記空気袋を膨張させる方向に付勢する弾性部材を備えてなる請求項１記載のクッション材を提供する。
請求項３記載の本発明では、前記筒状に形成された立体編物からなる弾性部材が、その長手方向に対して直交する方向に複数個連接されており、筒状に形成された各弾性部材の内側に前記空気袋が配設されていることを特徴とする請求項２記載のクッション材を提供する。
請求項４記載の本発明では、直径９８ｍｍの加圧板により、厚み方向に押圧して得られる荷重−変位特性が、荷重値６０〜８０Ｎの範囲において、人の筋肉の荷重−変位特性と近似していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のクッション材を提供する。
請求項５記載の本発明では、前記請求項１〜４のいずれか１に記載のクッション材と、
前記空気袋の吸排気口に接続され、前記圧力変動を空気の吸排気による空気圧変動として検出する空気圧測定器とを
備えてなることを特徴とする圧力変動検出装置を提供する。
請求項６記載の本発明では、請求項１〜４のいずれか１に記載のクッション材と、
前記クッション材を構成する空気袋の内面に取り付けられて前記圧力変動を検出する圧電素子とを
備えてなることを特徴とする圧力変動検出装置を提供する。

本発明のクッション材は、吸排気口を除いて密閉された空気袋と、該空気袋が押圧された際に、該空気袋に復元力を付与する復元力付与部材とを備えている。従って、荷重により空気袋が押圧されると、空気袋内の空気が吸排気口を通じて外部に排出される一方、荷重が低下すると、復元力付与部材が原形状に復帰しようとして空気袋を膨張させ、その際に、吸排気口から空気を吸い込む。このため、本発明のクッション材は、ポンプを有しない構造でありながら、復元力付与部材の弾性だけでなく、空気袋内に吸い込まれた空気圧による弾性も作用させることができる。また、荷重の付加と除去が繰り返されることによって生じる空気流により、減衰効果も期待でき、振動吸収性能を向上させることができる。復元力付与部材としては、１点集中荷重では柔らかなバネ特性を発揮するものの、所定の大きさの面接触では線形で硬いバネ特性を発揮し、高い復元力が得られる立体編物を用いることが好ましい。また、空気袋の外面も立体編物で被覆することにより、弾性機能を向上させることができると共に、空気袋を使用することによる蒸れ感を軽減する効果がある。

本発明のクッション材は、長手方向に直交する方向に複数連接した構造とすると、ランバーサポート、あるいはシートやマットレス等に組み込むその他のクッション材として使用しやすくなる。

また、上記したクッション材を用いると共に、その吸排気口に空気圧測定器を接続した本発明の圧力変動検出装置によれば、拍動、呼吸、体動などの生体の状態の変化により、吸排気口から空気が吸気又は排気されることで空気圧が変動するため、この空気圧変動を生体状態の変化に伴う信号として検出することができる。また、空気圧変動を生じさせるクッション材は、上記のように空気袋とその内部又は外部に設けられる立体編物とから構成されるものであるため、従来の圧電フィルムセンサと比較して耐久性の点で優れる。また、空気袋の内部に圧電素子を設けて構成した本発明の圧力変動検出装置によれば、圧電素子が露出されておらず、空気袋によって外力から保護されているため、耐久性の向上が期待できる。また、いずれの場合も、空気袋の外面に弾性部材としての立体編物で被覆した構成とすることにより、路面から入力される高周波の振動等はそれによって除去される。このため、拍動や呼吸などの低周波の圧力変動をより正確に検出することができる。

以下、図面に示した本発明の実施形態に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るクッション材１を示す斜視図であり、図２はその断面図である。これらの図に示したように、クッション材１は、空気袋２、復元力付与部材として空気袋２の内部に収容される第１の弾性部材３及び復元力付与部材として空気袋の外側に配設される筒状に形成された第２の弾性部材４を有して構成されている。

空気袋２は、図３に示したように、所定の大きさを備えた任意の形状で形成されるが、例えば、シートクッションやシートバックに組み込むクッションとして用いたり、あるいは、ランバーサポートとして用いる場合、幅約４０〜１００ｍｍ、長さ約１２０〜２５０ｍｍ程度のものとすることができる。空気袋２は、任意の部位、図１及び図３では、長さ方向の一端側に空気の吸排気口２ａが設けられ、その他の周縁は全て密閉されている。また、吸排気口２ａは常時開口するように設けられている。

第１の弾性部材３は、上記空気袋２内に収容可能な大きさで形成され、空気袋２に対して内側から復元力を付与するものである。第１の弾性部材３としては、１点集中荷重では柔らかなバネ特性を発揮するものの、所定の大きさの面接触では、例えば、人の片側臀部の直径に相当する直径９８ｍｍ以上の範囲の面接触では、線形で硬いバネ特性を発揮し、高い復元力が得られる立体編物を用いることが好ましい。上記空気袋２内に収容するため、立体編物として例えば幅約１０〜９０ｍｍ、長さ約８０〜２４０ｍｍ程度の短冊状のものが用いられる。第１の弾性部材３は、かかる短冊状の立体編物１枚から構成してもよいし、図２に示したように、これを２枚以上の積層した状態で空気袋２内に収容してもよい。

第１の弾性部材３を構成する立体編物（三次元ネット材）とは、所定間隔をおいて位置する一対のグランド編地間に連結糸を往復させて編成したもので、ダブルラッセル機等を用いて所定の形状に形成される。第１の弾性部材３として必要な性能（伸び率等）は、本実施形態のクッション材１を使用する用途により種々に設定できる。従って、第１の弾性部材３を構成する立体編物の種類は限定されるものではなく、用途に応じて種々のものが選択できるが、例えば、ランバーサポートやシートのクッションとして用いる場合には、次のようなものを使用できる。

（１）製品番号：４９０７６Ｄ（住江織物（株）製）
材質：
表側のグランド編地・・・３００デシテックス／２８８ｆのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸と７００デシテックス／１９２ｆのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸との撚り糸
裏側のグランド編地・・・４５０デシテックス／１０８ｆのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸と３５０デシテックス／１ｆのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメントとの組み合わせ
連結糸・・・・・・・・・３５０デシテックス／１ｆのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメント

（２）製品番号：４９０１３Ｄ（住江織物（株）製）
材質：
表側のグランド編地・・・４５０デシテックス／１０８ｆのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の２本の撚り糸
裏側のグランド編地・・・４５０デシテックス／１０８ｆのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の２本の撚り糸
連結糸・・・・・・・・・３５０デシテックス／１ｆのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメント

（３）製品番号：６９０３０Ｄ（住江織物（株）製）
材質：
表側のグランド編地・・・４５０デシテックス／１４４ｆのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の２本の撚り糸
裏側のグランド編地・・・４５０デシテックス／１４４ｆのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸と３５０デシテックス／１ｆのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメントとの組み合わせ
連結糸・・・・・・・・・３５０デシテックス／１ｆのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメント

（４）旭化成せんい（株）製の製品番号：Ｔ２４０５３ＡＹ５−１Ｓ

第２の弾性部材４は、上記した空気袋２の外面を被覆するように筒状に形成されている。具体的には、第２の弾性部材４は、２枚の立体編物４ａ，４ｂから構成され、該２枚の立体編物４ａ，４ｂを空気袋２の一方の面と他方の面から覆い、空気袋２の側方において該立体編物４ａ，４ｂの周縁を振動溶着などにより固着して筒状に形成したものである。この際、立体編物４ａ，４ｂは、外力を付与しない状態で、内側に空洞部が形成される筒状となるように固着される。これにより、第２の弾性部材４を構成する立体編物４ａ，４ｂの内面に空気袋２の外面を固着した場合、常態において立体編物４ａ，４ｂには筒状に復元する弾性力が機能しているため、空気袋２に対して常に膨張させる方向への復元力を付与できる。なお、第２の弾性部材４を構成する各立体編物４ａ，４ｂとしては上記第１の弾性部材３を構成する立体編物と同様のものを用いることができる。

本実施形態においては、第２の弾性部材４は、筒状部の長手方向に直交する方向に２つ連接される大きさの立体編物４ａ，４ｂを用いており、各空洞部のそれぞれに上記した第１の弾性部材３を内蔵した空気袋２が配設されている。このようにクッション材１（第２の弾性部材４）が２つ連接された構造とすることにより、特に、シートバックのランバーサポートとして用いるのに適する。もちろん、後述のように、例えば、シートクッションの表皮材の下方に敷設するクッションとして用いる場合等においては、これを３つ以上連接した構造とすることも可能である。

ランバーサポートとして用いる場合には、図１１に示したように、可撓性プレート１０を本実施形態のクッション材１と一体化した構造とすることが好ましい。可撓性プレート１０は、例えば、ポリプロピレンなどの合成樹脂製のものが用いられる。可撓性プレート１０は、２つ連接されたクッション材１の境界部を跨ぐ大きさを備え、シートバックの表皮材３００の裏面に配置された際、該表皮材３００を膨出させる円弧の半径を大きくし、第三腰椎及び第四腰椎間の神経系の圧迫を防ぎ、人の脊柱のカーブに近い湾曲を得るために配設される。人の脊柱のカーブに沿った湾曲を得るため、可撓性プレート１０は、厚さ０．８〜２ｍｍであって、１５０ｍｍ間隔で両端支持し、その中央部に直径９８ｍｍの加圧板の中心を合わせて押圧した際の荷重−たわみ特性が、０．３〜０．６Ｎ／ｍｍの範囲であることが好ましく、さらには、０．４〜０．５Ｎ／ｍｍであることがより好ましい。

第２の弾性部材４を複数連接したものとしては、図４及び図５に示したように、シートクッションの表皮材１００の下部全体に配設されるクッション部１０１と、シートバックにおけるランバーサポート部１０２までとが一体に形成されたタイプＡ、図６及び図７に示したように、シートクッションの後部付近の表皮材１００の下部に配設されるクッション部１０３とシートバックにおけるランバーサポート部１０４までとが一体に形成されたタイプＢ、図８及び図９に示したように、シートクッションの後部付近の表皮材１００の下部に配設されるクッション部１０５のみからなるタイプＣ、図１０に示したようにシートクッションの表皮材１００の下部全体に配設されるクッション部１０６のみからなるタイプＤのように、種々の構造にして用いることができる。マットレスとして用いる場合には、より多くのクッション材１（第２の弾性部材４）を連接したタイプを用いる。また、シートのヘッドレストや枕として用いる場合には、クッション材１を互いに２段以上積層した構造として用いることができる。

本実施形態によれば、荷重が加わることにより、第２の弾性部材４がつぶれていくと、空気袋２及び内蔵された第１の弾性部材３も圧縮され、空気袋２内の空気が吸排気口２ａを通じて外部へ排出される。その一方、加わっていた荷重が低下すると、第１の弾性部材３及び第２の弾性部材４がいずれも原形状に復帰しようとするため、その復元力により空気袋２が膨張する。この際、吸排気口２を通じて再び空気が空気袋２内に吸い込まれる。従って、本実施形態のクッション材１は、ポンプを有していない構造でありながら、空気袋２内に空気を自動的に取り入れることができ、第１及び第２の弾性部材３，４による振動吸収作用、衝撃力吸収作用のほか、空気による振動吸収作用等も発揮させることができる。

図１２は、第２の弾性部材４が２つ連接された構造の上記クッション材１に可撓性プレート１０が一体化されたランバーサポート２００（図１１参照）をシートバックの表皮材３００に、図１１に示したような向きで、すなわち、可撓性プレート１０が表皮材３００のすぐ裏側に位置するように配置して振動伝達率を測定した際の測定結果である。振動伝達率は、上記ランバーサポート２００を備えたシートを加振機上に設定し、片側振幅１ｍｍ（ピーク間振幅２ｍｍ）で加振して測定した。図１２中、「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」（実施例１）は、本実施形態に係るランバーサポート２００であり、第１及び第２の弾性部材３，４を構成する立体編物として、上記製品番号６９０３０Ｄを用いて製作されたものである。「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材なし）」（比較例２）は、本実施形態のランバーサポート２００から、第１の弾性部材３を内蔵した空気袋２を取り外した構造、すなわち、第２の弾性部材４のみからなるクッション材に可撓性プレート１０を一体化した構造のものであり、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」（比較例１）は、本実施形態のランバーサポート２００から空気袋２のみを取り外した構造、すなわち、第２の弾性部材４の空洞部に直接短冊状の第１の弾性部材３を収容し、可撓性プレート１０を一体化した構造のものである。

図１２に示したように、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材なし）」は、本実施形態の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」のいずれに対しても、振動伝達率が高かった。「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」と「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材なし）」とを比較すると、第１の弾性部材３が、振動伝達率の改善に大きく寄与していることがわかった。また、本実施形態の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」と「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」とを比較すると、空気袋２内に吸い込まれる空気による弾性が振動吸収作用に寄与していることがわかった。

また、上記した各ランバーサポートを、可撓性プレート１０が上になるような向きで、剛体の測定面上に置き、可撓性プレート１０の中央部に対して、重量６．７ｋｇのウエイトを、落下高さ２０ｍｍと３５ｍｍでそれぞれ落下させ、減衰比を求めた。その結果、本実施形態の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」の減衰比は、図１３及び図１４に示したように、それぞれ０．１６９、０．１６８であった。これに対し、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」の減衰比は、図１５及び図１６に示したように、それぞれ０．１１８、０．１１７で、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材なし）」の減衰比は、図１７及び図１８に示したように、それぞれ０．１１３、０．１１４であった。従って、空気の吸排気機能を備えた本実施形態の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」は、減衰特性の点で、空気の吸排気機能を備えていないものと比較して優れていることがわかった。図４〜図１１等に示したシートクッションやシートバックに組み込んだ構成とした場合に、追突等による衝撃吸収機能が優れている。また、マットレスに組み込んだ場合には、床ずれ対策としても有効である。

また、本実施形態の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材なし）」について、２０ｍｍより落下させた際の共振周波数と減衰比の関係、及び、共振伝達率と減衰比との関係を求め、それぞれ図１９及び図２０のようにプロットした。いずれも、片側振幅０．５ｍｍ（ピーク間振幅１ｍｍ）の場合と、片側振幅１ｍｍ（ピーク間振幅２ｍｍ）の場合について求めた。図１９から明らかなように、共振周波数は、本実施形態の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」、並びに、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」が、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材なし）」と比較して大きく低下していることがわかる。その一方、本実施形態の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」と「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」とを比較した場合、共振周波数はほぼ同じであったが、減衰比は、本実施形態の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」が、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」よりも高くなっていることがわかった。

また、図２０から、共振伝達率を比較した場合、「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材なし）」及び「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」と比較して、本実施形態の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」は、大幅に低くなっており、振動吸収作用の点で優れていることがわかった。

なお、マットレスや枕として用いる場合、吸引機（家庭では掃除機）により、クッション材１の吸排気口２から空気袋２内の空気を排出して吸排気口２を閉塞すると、クッション材１の全体の厚みが薄くなる。従って、収納する際には、このように排気して収納すれば嵩張りが小さくなり便利である。

一方、図２１に示したように、吸排気口２ａに空気圧測定器２０を接続すると、クッション材１に荷重が付加されたり、付加された荷重が低下することによる空気圧変動を検出する圧力変動検出装置を構成することができる。本実施形態のクッション材１を有するシートやマットレス上の人の拍動や呼吸により、第２の弾性部材４が押圧され、それにより、空気袋２が収縮、膨張を繰り返すため、空気圧測定器２０により空気圧変動を検出することによって、拍動や呼吸などの生体（生体信号）の状態を検出することができる。また、体動によっても、空気袋２が収縮、膨張を繰り返すため、空気圧変動により、体動の変化を検出することができる。特に、本実施形態では、立体編物からなる第２の弾性部材４により空気袋２を被覆しているため、路面から入力される高周波の振動などは、該第２の弾性部材４により除振される。従って、拍動や呼吸などの低周波の生体信号を正確に検出するのに適している。

上記した空気圧測定器２０から得られる出力値は、所定のデータ処理手段５０によりデータ処理がなされ、生体状態の判定に用いられる。例えば、本出願人が提案した特願２００３−１８０２９４号や特願２００４−８９２６３号に開示した入眠予兆などの生体状態を判定するデータ処理手段、あるいは、特願２００３−３６３９０２号に開示した疲労度を定量化するデータ処理手段などにより入眠予兆や疲労度などが判定される。

（試験例１）
ここで、空気圧変動の検出の有効性を検証するするために行った試験について説明する。試験に使用したクッション材１は、図２２に示したように、空気袋２内に第１の弾性部材３を装填したもので、上記実施形態の第２の弾性部材４を使用していないものである。空気袋２内に装填した第１の弾性部材３は、旭化成せんい（株）製の製品番号：Ｔ２４０５３ＡＹ５−１Ｓの立体編物からなり、厚さ１０ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ２２０ｍｍのものを２枚重ね合わせ、周縁部を振動溶着したものである。このクッション材１を、自動車のシートに装填した。具体的には、このシートは表皮が立体編物からなり、クッション材１は、立体編物からなる表皮の裏面側においてランバーサポート部に相当する位置に装填し、吸排気口２ａに空気圧測定器２０を接続して空気圧変動を測定した。

また、使用したクッション材１を硬質の平板からなる測定板上におき、直径９８ｍｍの加圧板により、図２２（ｂ）の矢印で示した厚み方向に押圧して、その荷重−変位特性を測定し、人の筋肉の荷重−変位特性と比較した。人の筋肉の荷重−変位特性は、直径９８ｍｍの加圧板により腕の筋肉を押圧して得られたものである。ランバーサポート部に配置するため、人の腰部の筋肉の荷重−変位特性と比較するのが理想的であるが、人の腰部の筋肉を測定することが極めて困難であるため、腰部の筋肉の荷重−変位特性に近似していると考えられる腕の筋肉を測定したものである。

人が着座した平衡状態における腰部や臀部に生じる圧力は６０Ｎから８０Ｎであるが、図２３から、この圧力範囲において、クッション材１の荷重−変位特性と人の筋肉の荷重−変位特性とが近似していることがわかる。従って、クッション材１は、６０Ｎから８０Ｎの圧力が負荷された際には、荷重−変位特性（バネ特性）の点で人の筋肉と同じ特性になっており、筋肉を経て生じる生体信号を捉えるのに適していると考えられる。

このような前提のもと、上記したクッション材１をランバーサポート部に装填したシートに、被験者をリラックス状態で着座させ、アイドリング状態で空気圧変動を測定した。計測された圧力変動は、アナログ信号処理回路にてフィルタを施した後、呼吸と心拍の成分に分離し、データ処理手段５０であるコンピュータにより処理し、心拍成分、呼吸成分の各スペクトル波形を得た。図２４はその結果を示し、図２４（ａ）が心拍成分のスペクトル波形を、図２４（ｂ）が呼吸成分のスペクトル波形をそれぞれ示す。

一方、上記空気圧変動の測定と同時に、被験者の指に光学式指尖脈波計を装着すると共に、胸部に歪み式呼吸測定器を装着し、得られたデータを処理し、各スペクトル波形を上記したクッション材１から得られたスペクトル波形と比較して検証した。図２５（ａ）は、光学式指尖脈波計から得られた指尖容積脈波のスペクトル波形であり、図２５（ｂ）は、歪み式呼吸測定器から得られた呼吸成分のスペクトル波形である。

図２４（ａ）の本発明のクッション材１から得られた心拍成分のスペクトル波形と図２５（ａ）の光学式指尖脈波計から得られた指尖容積脈波のスペクトル波形とを比較すると、ともに１．３Ｈｚにピークが現れていた。同様に、図２４（ｂ）の本発明のクッション材１から得られた呼吸成分のスペクトル波形と図２５（ｂ）の歪み式呼吸測定器から得られたスペクトル波形とを比較すると、ともに０．３Ｈｚにピークが現れていた。

また、本発明のクッション材１により得られた心拍数と呼吸数の整合性を確認するため、図２４の周波数の時系列変化を作成すると共に、光学式指尖脈波計及び歪み式呼吸測定器から得られた図２５の周波数の時系列変化を作成し、図２６に示したように比較した。図２６（ａ）から、本発明のクッション材１により得られた心拍成分の周波数時系列変化が光学式指尖脈波計の指尖容積脈波の周波数時系列変化によく近似し、図２６（ｂ）から、本発明のクッション材１により得られた呼吸成分の周波数時系列変化が歪み式呼吸測定器の周波数時系列変化によく近似していた。

以上のことから、本発明のクッション材１を使用することにより、心拍成分及び呼吸成分の各生体信号を抽出できることがわかった。

（試験例２）
図２７に示した、自動車等のシートクッション及びシートバック上に載置して補助的に使用されるシート用クッション１００に、試験例１で使用したクッション材１をそのランバーサポート部に挿入した。具体的には、シート用クッション１００を構成する座部１１０及び背部１２０はいずれも立体編物で形成されており、背部１２０のランバーサポート部相当位置の裏面にクッション挿入用布材１２１を袋状に取り付け、該クッション挿入用布材１２１と背部１２０との間に上記クッション材１を挿入している。

このシート用クッション１００を自動車のシートに敷き、２０〜３０歳代の３人の健康な男性被験者Ａ，Ｂ，Ｃを着座させ、さらに、各被験者には、着座後閉眼させ、睡眠に入るように促し、３０分間の安楽姿勢での睡眠実験を行った。計測された空気圧変動は、試験例１と同様に、アナログ信号処理回路にてフィルタを施した後、呼吸と心拍の成分に分離し、データ処理手段５０であるコンピュータにより処理し、心拍成分、呼吸成分の各スペクトル波形を得た。なお、この時のサンプリング周波数は２００Ｈｚであり、分解能は１２ｂｉｔである。また、上記空気圧変動の測定と同時に、被験者の指に光学式指尖脈波計を装着すると共に、胸部に歪み式呼吸測定器を装着し、得られたデータを処理し、クッション材１による空気圧変動で得られた生体信号の検証を行った。図２８〜図３０にその結果を示す。図２８（ａ），図２９（ａ），図３０（ａ）はいずれも光学式指尖脈波計から得られた指尖容積脈波のスペクトル波形であり、図２８（ｂ），図２９（ｂ），図３０（ｂ）はいずれも歪み式呼吸測定器から得られた呼吸成分のスペクトル波形であり、図２８（ｃ），図２９（ｃ），図３０（ｃ）はいずれも上記したクッション材１から得られた心拍成分のスペクトル波形であり、図２８（ｄ），図２９（ｄ），図３０（ｄ）はクッション材１から得られた呼吸成分のスペクトル波形である。

これらの結果から、試験例１と同様に、いずれの場合も、クッション材１から得られた心拍成分のスペクトル波形と光学式指尖脈波計から得られた指尖容積脈波のスペクトル波形とが良好に一致しており、また、クッション材１から得られた呼吸成分のスペクトル波形と歪み式呼吸測定器から得られた呼吸成分のスペクトル波形とが良好に一致していた。試験例１に加え、本試験例２によっても、本発明のクッション材１を使用することにより、心拍成分及び呼吸成分の各生体信号を抽出できることがわかった。

次に、検出された指尖容積脈波の時系列信号と、クッション材１の空気圧変動のうち心拍成分の時系列信号を用いて、パワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を作成し、入眠予兆現象を表す波形が出現するか否か検討した。パワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形の算出は、本出願人が特開２００４−３４４６１２において提案した手法を利用したものである。具体的には、検出された指尖容積脈波の時系列信号及びクッション材１の空気圧変動のうち心拍成分の時系列信号について、それぞれ、ＳａｖｉｔｚｋｙとＧｏｌａｙによる平滑化微分法により、極大値と極小値を求める。そして、５秒ごとに極大値と極小値を切り分け、それぞれの平均値を求める。求めた極大値と極小値のそれぞれの平均値の差の二乗をパワー値とし、このパワー値を５秒ごとにプロットし、パワー値の時系列波形を作る。この時系列波形からパワー値の大域的な変化を読み取るために、ある時間幅Ｔｗ（１８０秒）について最小二乗法でパワー値の傾きを求める。次に、オーバーラップ時間Ｔｌ（１６２秒）で次の時間幅Ｔｗを同様に計算して結果をプロットする。この計算（スライド計算）を順次繰り返して得られるのがパワー値の傾きの時系列波形となる。最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形も同様であり、検出された指尖容積脈波の時系列信号及びクッション材１の空気圧変動のうち心拍成分の時系列信号をそれぞれカオス解析して最大リアプノフ指数を算出した後、上記と同様に、平滑化微分によって極大値と極小値を求め、スライド計算することにより得られる。

図３１（ａ）は、被験者Ａの、指尖容積脈波のパワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を示し、図３１（ｂ）は、被験者Ａの、クッション材１から得られた心拍成分のパワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を示す。また、被験者Ａについては、検証のため、本試験の際に、同時に、簡易脳波計を装着して脳波を測定し、図３１（ｃ）に示したように、θ波、α波、β波の分布率の時系列変化を求めた。

ここで、本出願人によるＷＯ２００５／０９２１９３号公報に報告されているように、指尖容積脈波のパワー値傾きの時系列波形は、低周波で大振幅の波形が現れ、好ましくは、その時点で、パワー値傾き及び最大リアプノフ指数傾きが、時系列信号の中で略１８０度の位相差を安定して示す時点を入眠予兆信号として判定できる。図３１（ａ）の時系列波形では、この入眠予兆現象を示す波形が１７〜２０分に出現している。これを図３１（ｂ）のクッション材１から得られた心拍成分の各傾きの時系列波形と比較すると、図３１（ａ）とほぼ同じ時間帯に、クッション材１から得られた心拍成分のパワー値傾きが低周波で大振幅の波形となっている。これにより、本発明のクッション材１を用いて入眠予兆現象を捉えることができることがわかる。指尖容積脈波は、指尖の微小循環での変動によって生じる血流量の変化を示すものであり、本発明のクッション材１をランバーサポート部に配置して得られた腰部の心拍変動成分は、腹部大動脈の循環の変動を示すものである。大動脈では、皮膚の細動脈や動静脈吻合に比較して、血管内径の変動に伴う血流量の変化率が小さいのに対し、容積脈波の伝播によって心臓から各末梢部位に伝えられる血管内の波動の増減のリズムは心拍と同じリズムで増減するといわれている。このため、図３１（ｂ）で示したクッション材１により採取された心拍成分の時系列波形では、最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形の変化は小さく、図３１（ａ）の指尖容積脈波の最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形のように大きな変化が得られていない。しかしながら、パワー値傾きの時系列波形の中での低周波で大振幅の波形は、図３１（ａ）と図３１（ｂ）とはほぼ同じタイミングで検出されており、腹部大動脈での心拍変動のパワー値傾きの時系列波形の振幅の変化によって入眠予兆現象を捉えることが可能であると言える。

図３１（ｃ）に示した脳波の分布率により、入眠状態、覚醒状態を考察すると、α波の分布率が５０％を切り、θ波大域の分布率が急激に増加し始めるところが入眠の時期であるため、被験者Ａは、実験を開始した後、６分後に眠りに入り、開始１５分後に中途覚醒し、再度開始２４分後に入眠したと言える。入眠予兆信号は、入眠に入る８〜１０分前ぐらいに発生するため、図３１（ａ）及び図３１（ｂ）で得られた入眠予兆現象を示した時間帯と一致する。

図３２（ａ）は、被験者Ｂの、クッション材１から得られた心拍成分のパワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を示し、図３２（ｂ）は、被験者Ｃの、クッション材１から得られた心拍成分のパワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を示す。この結果においてもパワー値傾きの時系列波形の中で、低周波で大振幅の波形が現れており、これにより入眠予兆現象を捉えることができる。なお、図示しないが、被験者Ｂ，Ｃの入眠予兆現象の現れたタイミングは、被験者Ｂ，Ｃの指尖容積脈波から得られたパワー値傾きの時系列波形において低周波、大振幅の波形が出現したタイミングとほぼ一致していた。

なお、上記した説明では、圧力変動検出装置として空気圧測定器２０を用いたものを示しているが、これに代えて、空気袋２の内部に圧電素子を取り付けた構造とすることもできる。この場合も、拍動や呼吸などによる生体状態の変化を圧力変動の変化として捉えることができる。

また、図１、図６等に示した各クッション材は、隣接する空気袋２同士は相互に連通されているわけではないが、これを相互に連通した構造とすることにより、一方の空気袋２が圧縮されると、その内部の空気が隣接する他方の空気袋２内へ移動し、他方の空気袋２が吸排気口のほか、その移動してきた空気によっても膨張したりする構成とすることもできる。これによれば、荷重が大きくかかる部分の空気袋２が収縮し、荷重があまりかからない部分の空気袋２が膨張しやすくなるため、人体へのフィット感を高めることができる。

図１は、本発明の一の実施形態に係るクッション材を示す斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。 図３は、空気袋と第１の弾性部材を示す図である。 図４は、第２の弾性部材を複数連接したクッション材の一例（タイプＡ）を示す図である。 図５は、図４のＡ−Ａ線断面図である。 図６は、第２の弾性部材を複数連接したクッション材の一例（タイプＢ）を示す図である。 図７は、図６のＡ−Ａ線断面図である。 図８は、第２の弾性部材を複数連接したクッション材の一例（タイプＣ）を示す図である。 図９は、図８のＡ−Ａ線断面図である。 図１０は、第２の弾性部材を複数連接したクッション材の一例（タイプＤ）を示す図である。 図１１は、図１０のＢ−Ｂ線矢視図である。 図１２は、各ランバーサポートの振動伝達率の測定結果を示す図である。 図１３は、重りを２０ｍｍから落下させた際の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」（実施例１）の減衰特性を示す図である。 図１４は、重りを３５ｍｍから落下させた際の「６９０３０Ｄ−エアネットランバーユニット」の減衰特性を示す図である。 図１５は、重りを２０ｍｍから落下させた際の「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」（比較例１）の減衰特性を示す図である。 図１６は、重りを３５ｍｍから落下させた際の「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材６９０３０Ｄ）」（比較例１）の減衰特性を示す図である。 図１５は、重りを２０ｍｍから落下させた際の「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材なし）」（比較例２）の減衰特性を示す図である。 図１８は、重りを３５ｍｍから落下させた際の「６９０３０Ｄ−ネットランバー（中材なし）」（比較例２）の減衰特性を示す図である。 図１９は、重りを２０ｍｍから落下させた際の実施例１、比較例１、比較例２の共振周波数と減衰比の関係を示した図である。 図２０は、重りを２０ｍｍから落下させた際の実施例１、比較例１、比較例２の共振伝達率と減衰比の関係を示した図である。 図２１は、本発明の一の実施形態に係る圧力変動検出装置の構成を示す図である。 図２２は、空気圧変動の試験を行った本発明の他の実施形態に係るクッション材の構造を説明するための図であり、（ａ）が斜視図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 図２３は、図２２に示したクッション材の荷重−変位特性を示す図である。 図２４は、図２２に示したクッション材により得られた生体信号を示す図であり、（ａ）は心拍成分のスペクトル波形を、（ｂ）は呼吸成分のスペクトル波形を示す。 図２５（ａ）は光学式指尖脈波計により得られた指尖容積脈波のスペクトル波形であり、図２５（ｂ）は歪み式呼吸測定器により得られた呼吸成分のスペクトル波形である。 図２６（ａ）は、図２４（ａ）により得られた試験例のクッション材により得られた心拍成分の周波数時系列変化と図２５（ａ）により得られた光学式指尖脈波計の指尖容積脈波の周波数時系列変化とを比較した図であり、図２６（ｂ）は、図２４（ｂ）により得られた試験例のクッション材により得られた呼吸成分の周波数時系列変化と図２５（ｂ）により得られた歪み式呼吸測定器の呼吸成分の周波数時系列変化とを比較した図である。 図２７は、試験例２で使用したシート用クッションを示す図である。 図２８は、試験例２で測定した被験者Ａの生体信号のスペクトル波形であって、（ａ）は光学式指尖脈波計から得られた指尖容積脈波のスペクトル波形であり、（ｂ）は歪み式呼吸測定器から得られた呼吸成分のスペクトル波形であり、（ｃ）はクッション材から得られた心拍成分のスペクトル波形であり、（ｄ）はクッション材から得られた呼吸成分のスペクトル波形である。 図２９は、試験例２で測定した被験者Ｂの生体信号のスペクトル波形であって、（ａ）は光学式指尖脈波計から得られた指尖容積脈波のスペクトル波形であり、（ｂ）は歪み式呼吸測定器から得られた呼吸成分のスペクトル波形であり、（ｃ）はクッション材から得られた心拍成分のスペクトル波形であり、（ｄ）はクッション材から得られた呼吸成分のスペクトル波形である。 図３０は、試験例２で測定した被験者Ｃの生体信号のスペクトル波形であって、（ａ）は光学式指尖脈波計から得られた指尖容積脈波のスペクトル波形であり、（ｂ）は歪み式呼吸測定器から得られた呼吸成分のスペクトル波形であり、（ｃ）はクッション材から得られた心拍成分のスペクトル波形であり、（ｄ）はクッション材から得られた呼吸成分のスペクトル波形である。 図３１（ａ）は、被験者Ａの、指尖容積脈波のパワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を示し、図３１（ｂ）は、被験者Ａの、クッション材１から得られた心拍成分のパワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を示し、図３１（ｃ）は、θ波、α波、β波の分布率の時系列変化を示す図である。 図３２（ａ）は、被験者Ｂの、クッション材から得られた心拍成分のパワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を示し、図３２（ｂ）は、被験者Ｃの、クッション材から得られた心拍成分のパワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を示す図である。

符号の説明

１ クッション材
２ 空気袋
２ａ 吸排気口
３ 第１の弾性部材
４ 第２の弾性部材
４ａ，４ｂ 立体編物
１０ 可撓性プレート
２０ 空気圧測定器
５０ データ処理手段
２００ ランバーサポート

Claims (6)

1. 空気の吸排気口を除いて密閉して形成された空気袋と、
   前記空気袋と共に荷重により押圧されることによって、前記吸排気口から空気が排出された状態で、空気袋に対して膨張方向への復元力を付与し、荷重の低下に伴って前記吸排気口から空気を空気袋内に取り込ませる復元力付与部材と
   を具備し、
   前記復元力付与部材が、前記空気袋の内部に収容され、前記空気袋に対して内側から復元力を作用させて前記空気袋を膨張させる方向に付勢する、１点集中荷重の場合とそれよりも接触面積の大きい直径９８ｍｍ以上の面接触の場合との間で、前者では柔らかなバネ特性を発揮し、後者では硬いバネ特性を発揮する立体編物を２枚重ね合わせ、その周縁部を振動溶着してなる弾性部材を備えてなり、
   前記吸排気口を介して荷重の増減により空気の自動吸排気を行うものであり、
   シートを構成するシートクッション、シートバック及びヘッドレストのうち、いずれか少なくとも一つに組み込まれ、又は、寝具を構成するマットレス及び枕のうち、いずれか少なくとも一つに組み込まれ、人の拍動、呼吸、及び体動のいずれか少なくとも一つの変動によって生じる圧力変動を検出して生体の状態変化を捉えるために用いられることを特徴とするクッション材。
2. 前記復元力付与部材が、さらに、２枚の立体編物の周縁を固着して、外力を付与しない状態で内側に空洞部が形成される弾性力を備えた筒状となるように形成され、前記空気袋の外面を被覆するように配設され、筒状に復元しようとする前記弾性力により、前記空気袋を膨張させる方向に付勢する弾性部材を備えてなる請求項１記載のクッション材。
3. 前記筒状に形成された立体編物からなる弾性部材が、その長手方向に対して直交する方向に複数個連接されており、筒状に形成された各弾性部材の内側に前記空気袋が配設されていることを特徴とする請求項２記載のクッション材。
4. 直径９８ｍｍの加圧板により、厚み方向に押圧して得られる荷重−変位特性が、荷重値６０〜８０Ｎの範囲において、人の筋肉の荷重−変位特性と近似していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のクッション材。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１に記載のクッション材と、
   前記空気袋の吸排気口に接続され、前記圧力変動を空気の吸排気による空気圧変動として検出する空気圧測定器とを
   備えてなることを特徴とする圧力変動検出装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１に記載のクッション材と、
   前記クッション材を構成する空気袋の内面に取り付けられて前記圧力変動を検出する圧電素子とを
   備えてなることを特徴とする圧力変動検出装置。

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