JP5957268B2 - 水分量検出装置、バイタルサイン検出装置、および環境制御システム - Google Patents
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Description
(1)生体の水分量を検出する対象としての含水部に電磁波を照射する電磁波源と、
(2)上記含水部において反射された電磁波の戻り量を検出するセンサと、
(3)上記センサが検出した上記戻り量と上記含水部に含まれる水分量との対応関係を格納した記憶部と、
(4)上記センサにより検出された戻り量を、上記対応関係を用いて演算し、水分量に変換する演算部とを備えていることを特徴としている。
上記記憶部が、
上記複数光路長の各光路長ごとに、上記水分量と、少なくとも上記戻り量との関係に関する、数式、または数値の配列、またはこれらから補間される数値のいずれか、あるいは任意の組合せを、関係モデルとして格納しており、
上記演算部が、
(1)上記各光路長の戻り量に対応する水分量の候補が各光路長ごとに複数ある場合、上記水分量の候補と、上記光路長ごとの上記関係モデルとから、上記水分量の候補ごとの戻り量の候補を各光路長について算出し、
(2)上記各光路長ごとの戻り量候補と、各光路長で実際に計測された戻り量との乖離の大きさ表す正の値を、乖離幅として求め、
(3)上記各光路長ごとの乖離幅の、全光路長分の和が最小となる上記水分量の候補を、上記含水部の水分量とすることを特徴とする。
上記生体が検出位置に存在するかを判定する判定部をさらに備え、
上記記憶部は、上記判定部が生体不在と判定した時点で上記センサが検出した戻り量に対応する上記演算部での演算結果を記憶し、
上記演算部が、上記記憶部が記憶した上記演算結果を用いて、含水部が検出位置に存在する状態での上記戻り量、または上記戻り量比、または上記正規化戻り量比のいずれか、あるいは任意の組合せを補正することを特徴とする。
(1)上記バイタルサイン検出装置と、
(2)上記生体の環境を制御する環境制御装置と、
(3)上記バイタルサイン検出装置から検出結果を受け取り、その検出結果を基に、上記環境制御装置を制御する制御部とを備えていることを特徴としている。
以下、本発明に係る環境制御システムの実施の一形態である、車載用空調システムについて説明する。なお、この車載用空調システムには、本発明に係るに水分量検出装置を応用したバイタルサイン検出装置を用いている。
図1は、本発明の一実施形態に係る車載用空調システムの概要を示す図である。
図2は、上記生体水分量検出ユニット1の構成を示す図である。
光源11は、例えば約1.0テラヘルツ(THz)を出力中心波長とする量子カスケードレーザーを採用することができる。光源11から照射される電磁波の詳細については後述する。
センサ141と142とには、ボロメータを採用することができる。
本実施例では、光源11が照射し、センサ141と142とが受光する電磁波は、約1.0THzの量子カスケードレーザー光である。しかし、0.1THz以上120THz以下の周波数の電磁波であれば、上記レーザー光に代えて用いることができる。例えば0.3THzのように、テラヘルツ帯でも比較的低めの発信周波数での使用に適した共鳴トンネルダイオード素子なども、光源11に適用可能である。
演算部15における水分量算出方法を、図3から図5を用いて説明する。
さらに、例えばセンサの性能劣化、またはクッション材における減衰などを原因として、入射光量と出力との関係が既知でない場合であっても、下記の方法を利用することにより、上記と同様の生体水分量検出が可能である。
前記空調ユニット制御部41は、上記生体水分量Vに応じて、空調ユニット4を制御する。
図6は、本発明に係るバイタルサイン検出装置を用いた車載用空調システムの概要を示すブロック図である。
乾燥層の厚さを算出するための、より一般的な方法を下記に述べる。
まず、図13に示すように、波長λの電磁波(例えば、テラヘルツ光)に対する布部231の屈折率をn(λ)、布部231の厚さをTとする。また、布部231に対するテラヘルツ光の入射角をθ1、布部231内に進行したテラヘルツ光の屈折角をθ2とする。
sinθ2_121=sinθ1_121/n(λ)
sinθ2_122=sinθ1_122/n(λ)
を満たすとする。
さらに、互いに整数倍関係にない、すなわち同じ干渉状態にならないm個の光路長を用いる場合、次の結果を得ることができる。すなわち、1つの戻り光量について、或る光路長でのdの候補値が複数存在したとしても、実際のdと、他の光路長において計測された戻り光量とを照合したとき、他の光路長の少なくとも1つについては、整合するものがある。逆にいえば、実際のdと異なる候補値と、他の光路長において計測された戻り光量とを照合したとき、他の光路長の少なくとも1つについては、他の光路長において計測された戻り光量とは、値が異なる戻り光量となる。
なお、図2では単一の光源11から異なる2つのテラヘルツ光を照射している。しかし、図2は、異なる光路長を設けるために、異なる入射角となる2つのテラヘルツ光を利用しただけであり、複数の光路長を得るための方法の一例に過ぎない。
本実施の形態では、布部231への水分の浸透を説明したが、上記光源が生体の一部に上記テラヘルツ光を直接照射し、センサは上記生体の一部からの戻り光量を検出することも可能である。上記生体の一部として、例えば、人体表面の角質層を挙げることができる。
また本実施の形態では、生体水分量検出ユニット1は図1では着座部23に設置したが、例えば、背もたれ部22に設置し、人物3の背中の発汗量を検出してもよいし、フットレストに設置し足裏の発汗量を検出してもよい。足裏での発汗には緊張感などの精神的要素も反映されているので、人物3の心理状態に関わる生体水分量も検出することが可能である。
(概要)
以下、本発明におけるバイタルサイン検出装置を用いた環境制御システムの他の実施形態である、フィットネスシステムについて説明する。なお、前記実施形態と同じ構成要素については同一番号を付し、その説明を略するものとする。
図7は、本発明におけるフィットネスシステムの概要を示す図である。図8は、上記フィットネス機器7の概要を示すブロック図である。
まず、生体水分量検出ユニット1は、人物3の臀部33の生体水分量Vを検出する。
生体水分量検出ユニット1は、例えば、図示されていないハンドルに設置し、人物3の手のひらの発汗を検出してもよい。
(概要)
以下、本発明におけるバイタルサイン検出装置を用いた環境制御システムのさらに他の実施形態である、空調用リモートコントローラについて説明する。なお、前記実施の形態と同じ構成要素については同一番号を付し、その説明を略するものとする。
図9は、本発明に係る空調用リモートコントローラの概要を示す図である。
(概要)
以下、本発明におけるバイタルサイン検出装置を用いた環境制御システムのさらに他の実施形態である、健康状態通知システムについて説明する。なお、前記実施の形態と同じ構成要素については同一番号を付し、その説明を略するものとする。
図14は、本発明に係る健康状態通知システムの概要を示す模式図である。
11 光源(電磁波源)
121 テラヘルツ光(電磁波)
122 テラヘルツ光(電磁波)
131 戻り光
132 戻り光
141 センサ
142 センサ
15 演算部(判定部)
17 記憶部
2 座席
22 背もたれ部
23 着座部
231 布部(含水部、可視光遮蔽物、座席シート)
2311 湿潤層
2312 乾燥層
232 クッション材
25 座席(可視光遮蔽物)
26 ボタン(可視光遮蔽物)
3 人物(生体)
33 臀部
36 指
4 空調ユニット(環境制御装置)
41 空調ユニット制御部
50 センサ(判定部)
6 ドア
61 ドアセンサ
7 フィットネス機器
71 負荷制御部
8 リモートコントローラ
Claims (28)
- 生体の水分量を検出する対象としての含水部に電磁波を照射する電磁波源と、
上記含水部において反射された電磁波の戻り量を検出するセンサと、
上記センサが検出した上記戻り量と上記含水部に含まれる水分量との対応関係を格納した記憶部と、
上記センサにより検出された戻り量を、上記対応関係を用いて演算し、水分量に変換する演算部とを備え、
上記電磁波源の波長をλとし、上記電磁波源が照射する電磁波の上記含水部に対する入射角をθ1とし、上記波長における上記含水部の屈折率をn(λ)とし、上記含水部の厚さをTとする時、sinθ2=sinθ1/n(λ)なるθ2を用いて、T<λ/4n(λ)×cosθ2と表される関係を有することを特徴とする水分量検出装置。 - 生体の水分量を検出する対象としての含水部に電磁波を照射する電磁波源と、
上記含水部において反射された電磁波の戻り量を検出するセンサと、
上記センサが検出した上記戻り量と上記含水部に含まれる水分量との対応関係を格納した記憶部と、
上記センサにより検出された戻り量を、上記対応関係を用いて演算し、水分量に変換する演算部とを備え、
上記センサは、互いに光路長の異なる複数の電磁波の上記戻り量を検出し、
上記電磁波源の波長をλとし、上記電磁波源が照射する電磁波の上記含水部に対する入射角をθ1とし、最小の入射角θ1について、光路長が互いに整数倍関係にない複数の光路長の数をmとし、それぞれの光路長における波長λの電磁波に対する上記含水部の屈折率をn(λ)とし、上記含水部の厚さをTとする時、sinθ2=sinθ1/n(λ)なるθ2を用いて、m×T<λ/4n(λ)×cosθ2なる関係を満たすことを特徴とする水分量検出装置。 - 生体の水分量を検出する対象としての含水部に電磁波を照射する電磁波源と、
上記含水部において反射された電磁波の戻り量を検出するセンサと、
上記センサが検出した上記戻り量と上記含水部に含まれる水分量との対応関係を格納した記憶部と、
上記センサにより検出された戻り量を、上記対応関係を用いて演算し、水分量に変換する演算部とを備え、
上記演算部は、上記電磁波源における放射量と、上記センサにより検出した戻り量との比を戻り量比として算出し、
上記演算部は、さらに、算出した上記比を計測開始時に算出した初期比で除算した正規化戻り量比を用いて、上記戻り量比の算出を行い、
上記生体が検出位置に存在するかを判定する判定部をさらに備え、
上記記憶部は、上記判定部が生体不在と判定した時点で上記センサが検出した戻り量に対応する上記演算部での演算結果を記憶し、
上記演算部が、上記記憶部が記憶した上記演算結果を用いて、含水部が検出位置に存在する状態での上記戻り量、または上記戻り量比、または上記正規化戻り量比のいずれか、あるいは任意の組合せを補正することを特徴とする水分量検出装置。 - 上記電磁波源およびセンサは、0.1THz以上120THz以下の周波数の電磁波を放出および受光することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の水分量検出装置。
- 上記電磁波源およびセンサは、0.1THz以上2.5THz以下の周波数の電磁波を放出および受光することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の水分量検出装置。
- 上記電磁波源の波長をλとし、上記電磁波源が照射する電磁波の上記含水部に対する入射角をθ1とし、上記波長における上記含水部の屈折率をn(λ)とし、上記含水部の厚さをTとする時、sinθ2=sinθ1/n(λ)なるθ2を用いて、T<λ/4n(λ)×cosθ2と表される関係を有することを特徴とする請求項3に記載の水分量検出装置。
- 上記演算部は、水に対する上記戻り量をRWとし、上記含水部に対して計測された上記戻り量をRとし、ARCCOSをCOSの逆関数とする時、ARCCOS(2×R/RW−1)×λ/(4×n(λ)×π)と含水部の厚さとの比を、水分量を表す値とすることを特徴とする請求項1または6に記載の水分量検出装置。
- 上記センサは、互いに光路長の異なる複数の電磁波の上記戻り量を検出することを特徴とする請求項3に記載の水分量検出装置。
- 上記電磁波源の波長をλとし、上記電磁波源が照射する電磁波の上記含水部に対する入射角をθ1とし、最小の入射角θ1について、光路長が互いに整数倍関係にない複数の光路長の数をmとし、それぞれの光路長における波長λの電磁波に対する上記含水部の屈折率をn(λ)とし、上記含水部の厚さをTとする時、sinθ2=sinθ1/n(λ)なるθ2を用いて、m×T<λ/4n(λ)×cosθ2なる関係を満たすことを特徴とする請求項8に記載の水分量検出装置。
- 上記複数の電磁波の各波長は、互いに異なっていることを特徴とする請求項2または9に記載の水分量検出装置。
- 上記複数の電磁波に対し、互いに異なる行路が設定されており、
上記含水部への照射角度、または上記含水部からの反射角度のいずれか、あるいは両方が、上記複数の電磁波同士で互いに異なることを特徴とする請求項2または9に記載の水分量検出装置。 - 上記電磁波源として、上記含水部への行路が互いに異なる複数の電磁波源を備えていることを特徴とする請求項2または9に記載の水分量検出装置。
- 上記センサは、上記含水部からの行路が互いに異なる複数の受光素子を備えていることを特徴とする請求項2または9に記載の水分量検出装置。
- 上記電磁波源、または上記センサのいずれか、あるいは両方は、設置位置が移動できることを特徴とする請求項2、9から13のいずれか1項に記載の水分量検出装置。
- 上記記憶部は、
上記複数の光路長の各光路長ごとに、上記水分量と、少なくとも上記戻り量との関係に関する、数式、または数値の配列、またはこれらから補間される数値のいずれか、あるいは任意の組合せを、関係モデルとして格納しており、
上記演算部は、
(1)上記各光路長の戻り量に対応する水分量の候補が各光路長ごとに複数ある場合、上記水分量の候補と、上記光路長ごとの上記関係モデルとから、上記水分量の候補ごとの戻り量の候補を各光路長について算出し、
(2)上記各光路長ごとの戻り量候補と、各光路長で実際に計測された戻り量との乖離の大きさ表す正の値を、乖離幅として求め、
(3)上記各光路長ごとの乖離幅の、全光路長分の和が最小となる上記水分量の候補を、上記含水部の水分量とすることを特徴とする請求項2または9に記載の水分量検出装置。 - 上記演算部は、上記電磁波源における放射量と、上記センサにより検出した戻り量との比を戻り量比として算出することを特徴とする請求項1、2、4から15のいずれか1項に記載の水分量検出装置。
- 上記演算部は、算出した上記比を計測開始時に算出した初期比で除算した正規化戻り量比を用いて、上記戻り量比の算出を行うことを特徴とする請求項16に記載の水分量検出装置。
- 上記生体が検出位置に存在するかを判定する判定部をさらに備え、
上記記憶部は、上記判定部が生体不在と判定した時点で上記センサが検出した戻り量に対応する上記演算部での演算結果を記憶し、
上記演算部が、上記記憶部が記憶した上記演算結果を用いて、含水部が検出位置に存在する状態での上記戻り量、または上記戻り量比、または上記正規化戻り量比のいずれか、あるいは任意の組合せを補正することを特徴とする請求項17に記載の水分量検出装置。 - 請求項1から18のいずれか1項に記載の水分量検出装置を備えたバイタルサイン検出装置であって、
上記生体の水分量を、上記生体のバイタルサインの1つとして、検出することを特徴とするバイタルサイン検出装置。 - 上記電磁波源は、生体の一部に上記電磁波を直接照射し、
上記センサは、上記生体の一部によって反射された電磁波の戻り量を検出することを特徴とする請求項19に記載のバイタルサイン検出装置。 - 上記電磁波源は、生体に接する可視光遮蔽物に上記電磁波を照射し、
上記センサは、上記可視光遮蔽物で反射された電磁波の戻り量を検出し、
上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方は、上記可視光遮蔽物によって上記生体か
ら不可視となっていることを特徴とする請求項19に記載のバイタルサイン検出装置。 - 請求項19から21のいずれか1項に記載のバイタルサイン検出装置と、
上記生体の環境を制御する環境制御装置と、
上記バイタルサイン検出装置から検出結果を受け取り、その検出結果を基に、上記環境制御装置を制御する制御部と
を備えていることを特徴とする環境制御システム。 - 上記生体が着座する座席シートをさらに備え、
上記電磁波源は、座席シートに上記電磁波を照射し、
上記センサは、上記座席シートで反射された電磁波の戻り量を検出し、
上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方は、上記座席シートによって上記生体から不可視となっており、
上記環境制御装置は空調機器であることを特徴とする請求項22に記載の環境制御システム。 - 上記座席シートの周囲の空間を閉空間とするハウジングと、
上記ハウジングに装着されたドアとをさらに備え、
上記センサは、上記ドアのロック解除直後の時点での上記戻り量を、上記生体が上記座席シートに着座していない状態での戻り量として検出することを特徴とする請求項23に記載の環境制御システム。 - 上記環境制御装置の出力を操作するリモートコントローラをさらに備え、
上記電磁波源は、上記リモートコントローラのボタンに上記電磁波を照射し、
上記センサは、上記ボタンで反射された電磁波の戻り量を検出し、
上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方は、上記ボタンによって隠されており、
上記制御部は、上記リモートコントローラと連動して上記環境制御装置の制御を行うことを特徴とする請求項22から24のいずれか1項に記載の環境制御システム。 - 生体の水分量を、上記生体のバイタルサインの1つとして、検出するバイタルサイン検出装置であって
上記生体の水分量を検出する対象としての含水部に電磁波を照射する電磁波源と、上記含水部において反射された電磁波の戻り量を検出するセンサと、上記センサが検出した上記戻り量と上記含水部に含まれる水分量との対応関係を格納した記憶部と、上記センサにより検出された戻り量を、上記対応関係を用いて演算し、水分量に変換する演算部とを備えた水分量検出装置を含むバイタルサイン検出装置と、
上記生体の環境を制御する環境制御装置と、
上記バイタルサイン検出装置から検出結果を受け取り、その検出結果を基に、上記環境制御装置を制御する制御部と、
上記生体が着座する座席シートと、を備え、
上記電磁波源は、座席シートに上記電磁波を照射し、
上記センサは、上記座席シートで反射された電磁波の戻り量を検出し、
上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方は、上記座席シートによって上記生体から不可視となっており、
上記環境制御装置は空調機器であることを特徴とする環境制御システム。 - 上記座席シートの周囲の空間を閉空間とするハウジングと、
上記ハウジングに装着されたドアとをさらに備え、
上記センサは、上記ドアのロック解除直後の時点での上記戻り量を、上記生体が上記座席シートに着座していない状態での戻り量として検出することを特徴とする請求項26に記載の環境制御システム。 - 生体の水分量を、上記生体のバイタルサインの1つとして、検出するバイタルサイン検出装置であって、
上記生体の水分量を検出する対象としての含水部に電磁波を照射する電磁波源と、上記含水部において反射された電磁波の戻り量を検出するセンサと、上記センサが検出した上記戻り量と上記含水部に含まれる水分量との対応関係を格納した記憶部と、上記センサにより検出された戻り量を、上記対応関係を用いて演算し、水分量に変換する演算部とを備えた水分量検出装置を含むバイタルサイン検出装置と、
上記生体の環境を制御する環境制御装置と、
上記バイタルサイン検出装置から検出結果を受け取り、その検出結果を基に、上記環境制御装置を制御する制御部と、
上記環境制御装置の出力を操作するリモートコントローラと、を備え、
上記電磁波源は、上記リモートコントローラのボタンに上記電磁波を照射し、
上記センサは、上記ボタンで反射された電磁波の戻り量を検出し、
上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方は、上記ボタンによって隠されており、
上記制御部は、上記リモートコントローラと連動して上記環境制御装置の制御を行うことを特徴とする環境制御システム。
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