JP6206621B2 - 呼気センサ、呼気センサユニットおよび呼気検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、呼気センサ、呼気センサユニットおよび呼気検出方法に関する。

医療現場等では、患者の呼吸状態を監視するためのセンサが要請される。そこで、両面に導電体層が形成されたポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）膜とこのＰＶＤＦ膜の両面に配設された電極とを備えるセンサが提案されている（例えば特許文献１参照）。このセンサは、呼気がＰＶＤＦ膜に当たることによるＰＶＤＦ膜の温度変化により呼気の有無を評価する。

特許第４９８９９３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたセンサは、温度に基づいて呼気の有無を検出する構成であるため、外部の温度環境等の影響を受けやすい。従って、このセンサでは、使用環境によっては、呼気の有無を正確に評価することができない虞がある。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、呼気の有無を正確に評価できる呼気センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る呼気センサは、
基体と、
前記基体の表面の一部に設けられた第１電極と、
前記基体の表面の一部に設けられた第２電極と、
水分を透過しない材料から形成され、前記第２電極を前記基体との間で覆う被覆層と、を備え、
前記基体は、前記第１電極または前記基体の表面への水分の付着により表面電位が変化する材料から形成されている。

また、本発明に係る呼気センサは、
前記基体が、フィルム状であり、
前記第１電極は、前記基体の一の主面に設けられ、
前記第２電極は、前記基体の他の主面に設けられている、ものであってもよい。

また、本発明に係る呼気センサは、
前記基体が、フィルム状であり、
前記第１電極および前記第２電極が、前記基体の同一の主面に設けられている、ものであってもよい。

また、本発明に係る呼気センサは、
前記基体が、陽イオン交換膜から形成されている、ものであってもよい。

また、本発明に係る呼気センサは、
前記被覆層が、陰イオン交換膜から形成されている、ものであってもよい。

また、本発明に係る呼気センサユニットは、
上記呼気センサと、
前記第１電極と前記第２電極との間の電位差を検出する検出回路と、
前記電位差の変動から予め定められた期間内の呼吸回数を算出する呼吸回数算出部と、を備える。

また、本発明に係る呼気センサユニットは、
前記電位差と呼気に含まれる水分濃度との相関関係を示す相関情報を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記相関情報と前記検出回路で検出された電位差とに基づいて、呼気に含まれる水分濃度を算出する水分濃度算出部と、を更に備える、ものであってもよい。

他の観点から見た本発明に係る呼気検出方法は、
基体と、
前記基体に設けられた第１電極と、
前記基体に設けられた第２電極と、
水分を透過しない材料から形成され、前記第２電極を前記基体との間で覆う被覆層と、を有し、前記基体が、前記第１電極または前記基体の表面への水分の付着により表面電位が変化する材料から形成されている呼気センサの、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差を検出するステップと、
前記電位差の変動から予め定められた期間内の呼吸回数を算出するステップと、を含む。

また、本発明に係る呼気検出方法は、
前記電位差と呼気に含まれる水分濃度との相関関係を示す相関情報と、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差とに基づいて、呼気に含まれる水分濃度を算出するステップを更に含んでもよい。

本発明に係る呼気センサは、
陽イオン交換膜から形成された基体と、
前記基体に設けられた第１電極と、
前記基体に設けられた第２電極と、
水分を透過しない材料から形成され、前記第２電極を前記基体との間で覆う被覆層と、を備え、
前記第１電極と前記第２電極との間に、前記基体または前記第１電極に接触する呼気に含まれる水分に応じた電位差が発生する。

本発明によれば、水分を含む呼気が第１電極または基体の表面に付着したときの、基体の表面電位の変化を検出することにより、呼気の有無を検出することができる。つまり、呼気に含まれる水分の有無に基づいて呼気の有無を検出することができる。これにより、呼気センサが使用される温度環境に左右されることなく呼気の有無を検出することができるので、例えば呼気の温度に基づいて呼気の有無を検出する構成に比べて呼気の有無を正確に計測することができる。

実施の形態に係る呼気センサユニットの構成図である。 実施の形態に係る呼気センサを示し、（Ａ）は基体の一の主面側から見た平面図、（Ｂ）は基体の他の主面側から見た平面図である。 実施の形態に係る算出部の構成図である。 実施の形態に係る呼気センサユニットの出力信号の一例を示す図である。 実施の形態に係る算出部が実行する呼気回数・水分濃度計測処理の一例を示すフローチャートである。 実施の形態に係るルックアップテーブルに記録された電圧と水分濃度との相関関係を示す図である。 実施の形態の第１の変形例に係る呼気センサの平面図である。 実施の形態の第１の変形例に係る呼気センサユニットの構成図である。 実施の形態の第２の変形例に係る呼気センサユニットの構成図である。 実施の形態の第２の変形例に係る呼気センサユニットの構成図である。 実施の形態の第３の変形例に係る算出部の構成図である。 実施の形態の第３の変形例に係る検出回路の出力電圧と、比較器の出力電圧と、演算部のトリガ端子の電圧と、演算部の検出端子への入力電圧と、呼吸カウンタのカウント値との関係の一例を示すタイムチャートであり、（Ａ）は検出回路の出力電圧、（Ｂ）は比較器の出力電圧、（Ｃ）は演算部のトリガ端子の電圧、（Ｄ）は演算部の検出端子への入力電圧、（Ｅ）は呼吸カウンタのカウント値のタイムチャートである。 実施の形態の第４の変形例に係る算出部の構成図である。 実施の形態の第４の変形例に係る検出回路の出力電圧と、積分回路の出力電圧の絶対値と、微分回路の出力電圧との関係の一例を示すタイムチャートであり、（Ａ）は検出回路の出力電圧、（Ｂ）は積分回路の出力電圧の絶対値、（Ｃ）は微分回路の出力電圧のタイムチャートである。 実施の形態の第４の変形例に係る算出部が実行する呼気回数・水分濃度計測処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る呼気センサユニットは、図１に示すように、呼気センサ１と、呼気センサ１から出力される信号を検出する検出回路２と、呼気回数と呼気に含まれる水分濃度を算出する算出部３と、表示部４と、を備える。

呼気センサ１は、基体１１と、基体１１の一の主面に設けられた第１電極１２と、基体１１の他の主面に設けられた第２電極１３と、第２電極１３を介してその下方の基体１１の表面を覆う被覆層１４と、を備える。第１電極１２、第２電極１３それぞれには、導電部材１５ａ，１５ｂを介してリード線１６ａ，１６ｂが接続されている。

この呼気センサ１に呼気が当たると、基体１１の第１電極１２側では、呼気中に含まれる水素イオンが基体１１表面に入り込むことにより、基体１１表面のイオンの状態が変化して基体１１の表面電位が変化する。一方、被覆層１４で覆われた基体１１の第２電極１３側では、基体１１表面に呼気が当たらないので基体１１の表面電位が変化しない。呼気センサ１は、このような第１電極１２の電位と第２電極１３の電位との電位差の変動に基づいて呼吸回数を計測するためのものである。

また、水素イオンは、呼気に含まれる水分濃度に比例しているので、第１電極１２の電位と第２電極１３の電位との間の電位差は、呼気に含まれる水分濃度を反映していることになる。従って、呼気センサ１の第１電極１２の電位と第２電極１３の電位との電位差から、呼気に含まれる水分濃度を計測することもできる。

以下、呼気センサ１の各構成について詳細に説明する。基体１１は、水分を含む呼気が第１電極１２または基体１１に付着すると、基体１１の第１電極１２側の表面電位が変化する陽イオン交換膜から形成されている。基体１１は、フィルム状であり、例えば縦横２０ｍｍの平面視正方形状である。陽イオン交換膜は、例えばパーフルオロカーボン材料から形成される。このような、陽イオン交換膜として、例えばシグマアルドリッチ社製のナフィオン（登録商標）や旭硝子社製のセレミオンＣＭＶ（登録商標）が挙げられる。このように、基体１１が陽イオン交換膜から形成されていることにより、水が付着した部分とそれ以外の部分とで、水分濃度に応じて検出可能な程度に十分大きい電位差を生じさせることができる。

第１電極１２は、図２（Ａ）に示すように、基体１１の一の主面全体を覆うように設けられている。また、第２電極１３は、基体１１の他の主面全体を覆うように設けられている。第１電極１２および第２電極１３は、白金（Ｐｔ）等から形成される。第１電極１２および第２電極１３は、スパッタリング法や蒸着法、めっき法等を利用して形成される。

被覆層１４は、ポリイミド等の水分を透過しない樹脂材料や陰イオン交換膜から形成される。被覆層１４は、図２（Ｂ）に示すように、基体１１の他の主面全体を覆うように設けられた第２電極１２全体を覆うように設けられている。

導電部材１５ａ，１５ｂは、例えば金属粉と樹脂バインダとを混練してなる導電ペーストから構成される。導電ペーストしては、例えば藤倉化成株式会社製の「ドータイトＦＡ−３３３（登録商標）」が挙げられる。リード線１６ａ、１６ｂは、銅線等の金属ワイヤから構成される。

検出回路２は、プラス入力端子とマイナス入力端子との間の電位差を増幅して出力する差動増幅回路２１を備える。差動増幅器２１には、定電圧ＶＣＣ、−ＶＣＣが供給される。

算出部３は、予め定めた期間内の呼吸回数を算出する呼吸回数算出部３ａ、呼吸１回当たりの呼気に含まれる水分濃度を算出する水分濃度算出部３ｂとして機能する。算出部３は、図３に示すように、ハードウェア構成として、ＡＤＣ（Analog to Digital converter）３３と演算部３４とを備える。演算部３４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３４ａと主記憶部３４ｂと補助記憶部３４ｃと入力部３４ｄと出力部３４ｅとインタフェース部３４ｆと各部を接続するシステムバス３４ｇとを備える。演算部３４は、ＡＤＣ３３から出力される電圧値を随時取り込む。

ＣＰＵ３４ａは、補助記憶部３４ｃに記憶されたプログラムを読み出して実行し、プログラムに応じて、算出部３全体を制御する。主記憶部３４ｂは、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリを有している。主記憶部３４ｂは、ＣＰＵ３４ａの作業領域として用いられる。補助記憶部３４ｃは、磁気ディスク、半導体メモリなどの不揮発性メモリを有している。補助記憶部３４ｃは、ＣＰＵ３４ａが実行するプログラムおよび各種パラメータを記憶する。また、補助記憶部３４ｃは、ＣＰＵ３４ａによる処理結果等を順次記憶する。更に、補助記憶部３４ｃは、第１電極１２と第２電極１３との間の電位差と呼気に含まれる水分濃度との相関関係を示すルックアップテーブル（ＬＵＴ）３４２を記憶している。

入力部３４ｄは、算出部３に情報を入力するためのものであり、タッチパネル等から構成される。出力部３４ｅは、表示部４に接続され、主記憶部３４ｂまたは補助記憶部３４ｃからシステムバス３４ｇを介して取得したデータ等を表示部４へ出力する。

表示部４は、表示装置から構成され、算出部３から入力される呼吸回数または水分濃度を表示する。

ＡＤＣ３３は、検出回路２から出力される電圧をサンプリングして得られる電圧値を演算部３４へ出力し続ける。ＡＤＣ３３のサンプリング周波数は、例えば１００ｋＨｚに設定される。

次に、本実施の形態に係る呼気センサユニットの動作について説明する。呼気センサユニットは、呼気センサ１が患者の口元近傍に配置された状態で、呼気センサ１の第１電極１２と第２電極１３との間の電位差の変動から、患者の呼吸回数と呼気に含まれる水分濃度を検出する。呼気センサユニットは、例えばユーザが患者の呼吸回数と呼気に含まれる水分濃度との検出を開始するための操作を受け付けたことを契機として、患者の呼吸回数と呼気に含まれる水分濃度との検出を開始する。

呼気センサユニットの検出回路２から出力される信号の時間波形の一例を図４に示す。検出回路２は、前述のように、呼気センサ１の第１電極１２と第２電極１３との間の電位差を増幅して出力する。呼気センサ１に呼気が当たっていない場合、図４の「呼気無し」の期間に示されるように、検出回路２から出力される電圧△Ｖの時間波形は０Ｖ付近で推移する。その後、呼気センサ１に呼気が略一定の時間間隔で当たる状態に推移させると、図４の「呼気有り」の期間に示されるように、検出回路２から出力される電圧△Ｖの時間波形は、呼吸に応じて変化する波形となる。具体的には、電圧△Ｖの時間波形は、略一定の時間間隔で特定の電圧閾値△Ｖｔｈを超えるような波形となる。ここで、呼気が呼気センサ１に当たっている状態での電圧△Ｖが５０ｍＶから２００ｍＶ程度である。呼気センサユニットは、このような電圧△Ｖの変動から患者の呼吸回数と呼気に含まれる水分濃度を検出する。

次に、本実施の形態に係る呼気センサユニットが実行する呼吸回数・水分濃度計測処理について図５を参照しながら説明する。この呼吸回数・水分濃度計測処理において、呼気センサユニットは、検出回路２から出力される電圧が予め定められた期間内において、予め定められた電圧閾値未満から電圧閾値以上に変化した回数を呼吸回数として算出する。また、呼気センサユニットは、検出回路２から出力される電圧が電圧閾値以上で推移した期間の電圧平均値から、１回の呼吸で吐き出される呼気中に含まれる水分濃度を算出する。

まず、演算部３４は、呼吸カウンタのカウント値ＴＣを「０」に設定する（ステップＳ１）。次に、演算部３４は、ＡＤＣ３３から入力される電圧値△Ｖが予め設定された電圧閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。演算部３４により電圧値が電圧閾値未満であると判定されると（ステップＳ２：Ｎｏ）、そのままステップＳ５の処理が実行される。一方、電圧値△Ｖが電圧閾値△Ｖｔｈ以上であると判定されると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、演算部３４は、カウント値ＴＣを「１」だけインクリメントする（ステップＳ３）。

続いて、演算部３４は、ＡＤＣ３３から入力される電圧値△Ｖを取得して主記憶部３４ｂに記憶する（ステップＳ４）。その後、演算部３４は、ＡＤＣ３３から入力される電圧値△Ｖが電圧閾値△Ｖｔｈ未満になったか否かを判定する（ステップＳ５）。演算部３４は、電圧値△Ｖが電圧閾値△Ｖｔｈ以上である限り（ステップＳ５：Ｎｏ）、ＡＤＣ３３から入力される電圧値△Ｖを取得して主記憶部３４ｂに記憶すること（ステップＳ４）を繰り返し実行する。一方、電圧値△Ｖが電圧閾値△Ｖｔｈ以上と判定されると（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、演算部３４は、電圧値△Ｖが電圧閾値△Ｖｔｈ以上で推移した期間の電圧値△Ｖの積算値を、期間内に取得した電圧値△Ｖのデータ数で除することにより電圧値△Ｖの平均値を算出して補助記憶部３４ｃに記録する（ステップＳ６）。ここで、演算部３４は、主記憶部３４ｂに記憶された、電圧値△Ｖが電圧閾値△Ｖｔｈ以上で推移した期間内に取得された電圧値△Ｖを積算することにより電圧値△Ｖの積算値を算出する。そして、演算部３４は、主記憶部３４ｂに記憶された電圧値△Ｖのデータ数を算出し、算出した積算値をこのデータ数で除することにより電圧値△Ｖの平均値を算出する。

その後、演算部３４は、補助記憶部３４ｃに記憶されたルックアップテーブル３４２を参照して、算出した電圧値△Ｖの平均値から水分濃度を算出して補助記憶部３４ｃに記録する（ステップＳ７）。ここで、ルックアップテーブル３４２は、例えば図６に示すような電圧値△Ｖと水分濃度との相関関係を示すものである。このルックアップテーブル３４２は、例えば予め呼気センサ１に当てる加湿ガスの湿度（水分濃度）を変化させながら、加湿ガスの湿度と電圧値△Ｖとを計測することにより作成される。

その後、演算部３４は、計測期間が終了したか否かを判定し（ステップＳ８）、計測期間が終了していない場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、再びステップＳ２の処理を実行する。ここで、演算部３４は、タイマのカウント値に基づいて、予め設定された計測期間が終了したか否かを判定する。演算部３４は、計測期間が終了しない限り、ステップＳ２からＳ６の処理を繰り返し実行する。なお、このステップＳ２からＳ７の繰り返し間隔は、人が１回の呼吸で呼気を吐き出し続けている時間および人の呼吸間隔に比べて十分短い。

一方、計測期間が終了した場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、演算部３４は、カウント値ＴＣに設定された数を呼吸回数として補助記憶部３４ｃに記録して（ステップＳ９）、呼吸回数・水分濃度計測処理を終了する。そして、演算部３４の出力部３４ｅは、補助記憶部３４ｃに記憶された計測期間における水分濃度の履歴と呼吸回数とを表示部４へ出力する。

以上説明したように、本実施の形態に係る呼気センサ１によれば、水分を含む呼気が第１電極１２の表面に接触したときの、基体１１の第１電極１２側の表面と基体１１の第２電極１３側の表面との間に生じる電位差を検出することにより、呼気の有無を検出することができる。つまり、呼気に含まれる水分の有無に基づいて呼気の有無を検出することができる。これにより、呼気センサ１が使用される温度環境に左右されることなく呼気の有無を検出することができるので、例えば呼気の温度に基づいて呼気の有無を検出する構成に比べて呼気の有無を正確に計測することができる。

また、本実施の形態に係る呼気センサ１では、第１電極１２を基体１１の一表面全体を覆うように設けるとともに、第２電極１３を基体１１の他の表面全体を覆うように設けることができる。この場合、スパッタリング法等を利用して第１電極１２と第２電極１３とを形成する場合、基体１１表面に導電体層をパターニングする必要がないので、その分、簡単に製造することができる。更に、本実施の形態に係る演算部３４は、第１電極１２と第２電極１３との間の電位差の変動から予め設定された計測期間内の呼吸回数を算出する。これより、温度環境に左右されることなく計測期間内の呼吸回数を正確に計測することができる。

また、本実施の形態に係る呼気センサユニットでは、水分を含む呼気が呼気センサ１に当たったときに、基体１１表面の被覆層１４で覆われた部分と覆われていない部分との間に生じる電位差に比例した電圧を出力する検出回路２を備える。ここで、基体１１表面の被覆層１４で覆われた部分と覆われていない部分との間に生じる電位差は、呼気に含まれる水分濃度が多いほど大きくなる。そして、演算部３４は、電圧△Ｖと呼気に含まれる水分濃度との相関関係を示すルックアップテーブル３４２を参照して、検出回路２から出力される電圧△Ｖから１回の呼吸で吐き出される呼気に含まれる水分濃度を算出する。これにより、呼気に含まれる水分濃度を評価することができる。

患者の呼吸状態を監視するに当たっては、患者の呼吸器系の異常を検出するために呼気に含まれる水分濃度が正常であるか否かを監視することも要請されている。呼気の湿度を検出するセンサとして、高分子膜から形成されたコンデンサを用いたセンサが提供されている（非特許文献１：麿田裕、「加温加湿と気道管理 人工気道での加温加湿をめぐる諸問題」、人工呼吸 第２７巻第１号（２０１０年）５７〜６３頁参照）。このセンサは、コンデンサに呼気が当たったときにコンデンサの高分子膜に呼気に含まれる水分が取り込まれコンデンサの静電容量が変化することを利用して呼気の湿度を検出するものである。ところが、このセンサでは、その応答時間が速いものでも２秒から５秒程度である。一方、人が呼吸する時間間隔は通常１秒以下である。そうすると、非特許文献１に記載されたセンサでは、１回の呼吸で吐き出される呼気に含まれる水分濃度を評価することができない。

これに対して、本実施の形態に係る呼気センサユニットでは、前述のように、１回の呼吸で吐き出される呼気に含まれる水分濃度を評価することができるので、患者の呼吸状態をより緻密に監視することが可能となる。

［変形例］
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば第１電極、第２電極が、基体表面の一部を覆う、つまり、基体表面の一部が露出している構成であってもよい。

基体表面の一部が露出している構成の一例を図７に示す。図７に示すように、基体２１１の一部は、第１電極２１２、第２電極２１３および被覆層２１４で覆われずに露出している。また、この変形例に係る呼気センサユニットは、図８に示すように、呼気センサ２０１の第１電極２１２と第２電極２１３とがフィルム状の基体２１１の片面側に設けられている。なお、図８において、実施の形態と同様の構成については図１と同一の符号を付している。

基体２１１は、陽イオン交換膜から形成される。第１電極２１２、第２電極２１３は、金属材料から形成される。被覆層２１４は、ポリイミド等の水分を透過しない樹脂材料から形成される。

本構成によれば、第１電極２１２と第２電極２１３とが、基体２１１の片面側に配設されている。これにより、スパッタリング法等を利用して第１電極２１２と第２電極２１３とを形成する場合、基体２１１を裏返す作業が不要となるので、製造容易化を図ることができ、ひいては製造コストを低減することができる。

実施の形態では、基体１１が１層構造である例について説明したが、これに限らない。例えば、基体が陽イオン交換膜からなる層を２つ重ねた構造であってもよい。

或いは、基体が陽イオン交換膜からなる層と、陰イオン交換膜等の水分を含む呼気が電極または基体の表面に付着しても表面電位が変化しないような材料からなる層とを重ねた構造であってもよい。

このような、陽イオン交換膜からなる層と陰イオン交換膜等の材料からなる層とを重ねた構造を有する呼気センサの変形例を図９に示す。呼気センサ５０１は、第１サブ基体５１１ａと第２サブ基体５１１ｂとが積層されてなる基体５１１を備える。ここで、第１サブ基体５１１ａは、陽イオン交換膜から形成されている。一方、第２サブ基体５１１ｂは、陰イオン交換膜等の、水分を含む呼気が第２電極１３の表面に接触しても第２電極１３側の表面電位が変化しない材料から形成されている。

また、陽イオン交換膜からなる層と陰イオン交換膜等の材料からなる層とを重ねた構造を有する他の変形例を図１０に示す。なお、図１０において図９に示した構成と同様の構成は図９と同一の符号を付している。呼気センサ６０１では、陰イオン交換膜等の材料からなる第２サブ基体５１１ｂが、被覆層１４で覆われた第２電極１３に隣接して配置されている。また、陽イオン交換膜からなる第１サブ基体５１１ａが、被覆層で覆われていない第１電極１２に隣接しては配置されている。

本構成によれば、第２サブ基体５１１ｂの第２電極１３側の表面電位と、第１サブ基体５１１ａの第１電極１２側の表面電位との差が顕著になるので、例えば基体が陽イオン交換膜からなる単一の層からなる構成（例えば実施の形態に係る呼気センサ１）に比べて、呼気の有無や呼気に含まれる水分濃度等を高精度で測定できる。

実施の形態および上記各変形例では、基体１１がフィルム状である例について説明したが、基体１１の形状はこれに限定されるものではなく、例えば板状、直方体状等の他の形状を有するものであってもよい。基体が例えば直方体状である場合、電極がある一表面とこの一表面に直交する他の一表面とに設けられてもよい。

実施の形態に係る呼気センサユニットは、予め設定された計測期間内の呼吸回数と呼気に含まれる水分濃度との両方を計測する構成について説明した。これに限らず、例えば呼吸回数の計測に特化した構成であってもよい。

このような、呼吸回数の計測に特化した構成の呼気センサユニットの変形例を図１１に示す。この呼気センサユニットは、比較器３３１と基準電圧源３３２とＡＮＤ回路３３３と演算部３３４とを備える。比較器３３１は、オペアンプ等から構成され、プラス入力端子に検出回路２からの電圧信号が入力され、マイナス入力端子に基準電圧源３３２が出力する基準電圧が入力される。比較器３３１は、検出回路２から入力される電圧信号の電圧値が基準電圧源３３２の出力電圧よりも大きい場合、「Ｈｉｇｈ」レベルの電圧を出力する。一方、比較器３３１は、検出回路２から入力される電圧信号の電圧値が基準電圧源３３２の出力電圧よりも小さい場合、「Ｌｏｗ」レベルの電圧を出力する。

ＡＮＤ回路３３３は、一方の入力端子が比較器３３１の出力端子に接続され、他方の入力端子が演算部３３４のトリガ端子ｔｅＴに接続され、出力端が演算部３３４の検出端子ｔｅＤに接続されている。ＡＮＤ回路３３３は、予め設定された期間中において、呼気の検出有無に応じて異なるレベルの電圧を演算部３３４の検出端子ｔｅＤへ出力する。

演算部３３４は、図２と同様の構成を有し、トリガ端子ｔｅＴを備える。なお、実施の形態と同様の構成については図２と同一の符号を使って説明する。ＣＰＵ３４ａは、インタフェース部３４ｆを介してトリガ端子ｔｅＴの電圧を制御する。演算部３３４は、予め設定された計測期間中、トリガ端子ｔｅＴの電圧を「Ｈｉｇｈ」レベルで維持し、計測期間外は、トリガ端子ｔｅＴを「Ｌｏｗ」レベルで維持する。また、演算部３３４は、検出端子ｔｅＤの電圧が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉｇｈ」レベルに切り替わるタイミングでカウント値を１だけインクリメントする。更に、演算部３３４は、トリガ端子ｔｅＴの電圧を「Ｈｉｇｈ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替えるタイミングで呼気カウンタのカウント値を補助記憶部３４ｃに記録する。

図１２（Ａ）から（Ｃ）は、本変形例に係る検出回路２の出力電圧△Ｖと、比較器３３１の出力電圧ＶＣと、演算部３３４のトリガ端子ｔｅＴの電圧ＶＴと、演算部３３４の検出端子ｔｅＤへの入力電圧ＶＤとの関係の一例を示すタイムチャートである。ここで、基準電圧源３３２の出力電圧は、電圧閾値△Ｖｔｈに等しい。検出端子ｔｅＤへの入力電圧ＶＤは、トリガ端子ｔｅＴの電圧が「Ｈｉｇｈ」レベルである時刻ｔｓから時刻ｔｆの間の期間だけ、電圧△Ｖの波形に応じた矩形波状の電圧波形を示す。演算部３３４は、検出端子ｔｅＤの電圧が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉｇｈ」レベルに切り替わるタイミング（時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３）で呼吸カウンタのカウント値を「１」だけインクリメントしていく。その後、演算部３３４は、トリガ端子ｔｅＴの電圧を「Ｈｉｇｈ」レベルから「Ｌｏｗ」レベルに切り替える時刻ｔｆで呼吸カウンタのカウント値「３」を補助記憶部３４ｃに記録するとともに、呼吸カウンタのカウント値を「０」に設定する。

本構成によれば、演算部３３４で実行する処理内容の簡素化を図ることができるので、演算部３３４での処理負担を軽減することができる。

実施の形態に係る呼気センサユニットは、算出部３が、検出回路２から出力される電圧信号をサンプリングして得られるデータをソフトウェア上で処理して予め設定された計測期間内の呼吸回数と呼気に含まれる水分濃度を計測する構成について説明した。これに限らず、例えば積分回路および微分回路を含むハードウェアを組み合わせた構成であってもよい。

このようなハードウェアを組み合わせた構成の呼気センサユニットの一例を図１３に示す。呼気センサユニットは、比較器４３１、４３８と基準電圧源４３２、４３９とインバータ４３３と積分回路４３５とトランジスタ４３６と微分回路４３７とＡＤＣ３３と演算部４３４とを備える。なお、図１３において、実施の形態と同様の構成については同一の符号を付す。比較器４３１は、図１１に示す構成と同様に、プラス入力端子に検出回路２からの電圧信号が入力され、マイナス入力端子に基準電圧源４３２が出力する基準電圧が入力される。インバータ４３３は、反転増幅器等から構成され、比較器４３１の出力電圧が「Ｈｉｇｈ」レベルの場合、「Ｌｏｗ」レベルの電圧を出力し、比較器４３１の出力電圧が「Ｌｏｗ」レベルの場合、「Ｈｉｇｈ」レベルの電圧を出力する。積分回路４３５は、オペアンプ４３５ａと抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とから構成されている。ＮＰＮ型トランジスタからなるスイッチング素子４３６は、コレクタが積分回路４３５のオペアンプ４３５ａのマイナス入力端子に接続され、エミッタが接地され、ベースがインバータ４３３の出力端子に接続されている。スイッチング素子４３６は、検出回路２から出力される電圧△Ｖが基準電圧よりも低い場合、オン状態となり、このとき、オペアンプ４３５ａのマイナス入力端子への入力は強制的にゼロレベルに設定される。微分回路４３７は、オペアンプ４３７ａと抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２とから構成されている。比較器４３８は、プラス入力端子に基準電圧源４３９が出力する基準電圧が入力され、マイナス入力端子に微分回路４３７から出力される電圧信号が入力される。比較機４３８は、微分回路４３７から入力される電圧が基準電圧よりも低い場合、「Ｈｉｇｈ」レベルの電圧を演算部４３４の立ち下がり検出端子ｔｅＳへ出力する。

演算部４３４は、積分回路４３５の出力電圧の絶対値｜ＶＳ｜の立ち下がりを検出するための立ち下がり検出端子ｔｅＳを備える。なお、実施の形態と同様の構成については図２と同一の符号を使って説明する。ＣＰＵ３４ａは、インタフェース部３４ｆを介して立ち下がり検出端子ｔｅＳの電圧を検出する。また、演算部３３４は、立ち下がり検出端子ｔｅＤの電圧が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉｇｈ」レベルに切り替わるタイミングで呼吸カウンタのカウント値を「１」だけインクリメントするとともに、積分回路４３５の出力電圧ＶＳから水分濃度を算出する。

図１４（Ａ）から（Ｅ）は、本変形例に係る検出回路２の出力電圧△Ｖと、積分回路４３５の出力電圧の絶対値｜ＶＳ｜と、微分回路４３７の出力電圧△｜ＶＳ｜との関係の一例を示すタイムチャートである。ここで、基準電圧源３３２の出力電圧は、電圧閾値△Ｖｔｈに等しい。電圧△Ｖが電圧閾値△Ｖｔｈ未満の間、比較器４３１の出力電圧は「Ｌｏｗ」レベル、インバータ４３３の出力電圧は「Ｈｉｇｈ」レベルとなり、トランジスタ４３６はオン状態で維持される。このとき、オペアンプ４３５ａのマイナス入力端子は接地電位で維持されるので、積分回路４３５の出力電圧の絶対値｜ＶＳ｜は０Ｖで維持される。一方、電圧△Ｖが電圧閾値△Ｖｔｈ以上の間、比較器４３１の出力電圧は「Ｈｉｇｈ」レベル、インバータ４３３の出力電圧は「Ｌｏｗ」レベルとなり、トランジスタ４３６はオフ状態で維持される。このとき、積分回路４３５の出力電圧の絶対値｜ＶＳ｜は時間とともに増加して電圧閾値｜ＶＳｔｈ｜以上まで上昇する。その後、電圧△Ｖが電圧閾値△Ｖｔｈ未満に低下すると、再びトランジスタ４３６がオフし、積分回路４３５の出力電圧の絶対値｜ＶＳ｜は電圧閾値｜ＶＳｔｈ｜未満にまで低下する。

次に、本変形例に係る演算部３４が実行する呼吸回数・水分濃度計測処理について図１５を参照しながら説明する。

まず、演算部３４は、呼吸カウンタのカウント値ＴＣを「０」に設定する（ステップＳ２０１）。次に、演算部３４は、積分回路３４５の出力電圧の絶対値｜ＶＳ｜の立ち下がりを検出したか否かを判定する（ステップＳ２０２）。具体的には、立ち下がり検出端子ｔｅＳの電圧が「Ｌｏｗ」レベルから「Ｈｉｇｈ」レベルに切り替わったか否かを判定する。立ち下がり検出端子ｔｅＳの電圧は、微分回路４３７の出力電圧△｜ＶＳ｜が、予め設定された電圧閾値Δ｜ＶＳｔｈ｜よりも大きい間は「Ｌｏｗ」レベルで維持され、電圧閾値Δ｜ＶＳｔｈ｜以下になると「Ｈｉｇｈ」レベルに設定される。演算部４３４が、積分回路３４５の出力電圧の絶対値｜ＶＳ｜の立ち下がりを検出しない場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、そのままステップＳ２０５の処理が実行される。一方、積分回路３４５の出力電圧の絶対値｜ＶＳ｜の立ち下がりを検出すると（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、演算部３４は、カウント値ＴＣを「１」だけインクリメントする（ステップＳ２０３）。

続いて、演算部３４は、補助記憶部３４ｃに記憶されたルックアップテーブル３４２を参照して、立ち下がりを検出したときの積分回路３４５の出力電圧ＶＳから水分濃度を算出して補助記憶部３４ｃに記録する（ステップＳ２０４）。ここでは、演算部３４は、まず、直前に積分回路３４５の出力電圧の絶対値｜ＶＳ｜の立ち下がりを検出した時刻から今回立ち下がりを検出した時刻までの経過時間に比例する比例値を算出する。次に、演算部３４は、積分回路３４５の出力電圧を、算出した比例値で除して得られる値を、検出回路２の出力電圧△Ｖの平均値として、ルックアップテーブルを参照して水分濃度を算出する。

その後、演算部３４は、計測期間が終了したか否かを判定し（ステップＳ２０５）、計測期間が終了していない場合（ステップＳ２０５：Ｎｏ）、再びステップＳ２０２の処理を実行する。一方、計測期間が終了した場合（ステップＳ２０５：Ｙｅｓ）、演算部３４は、呼吸カウンタのカウント値ＴＣを呼吸回数として補助記憶部３４ｃに記録して（ステップＳ２０６）、呼吸回数・水分濃度計測処理を終了する。

本構成によれば、検出回路２から出力される電圧△Ｖの積分値の算出を積分回路４３５と微分回路４３７とを用いて実行する。これにより、演算部４３４で実行すべき演算処理量を低減することができるので、演算部４３４での処理負荷を軽減できる。

前述の実施の形態および各変形例では、算出部３がルックアップテーブル３４２を用いて水分濃度を算出する例について説明した。これに限らず、算出部３が、例えば第１電極１２と第２電極１３との間の電位差と呼気に含まれる水分濃度との相関関係を表す関数式を用いて水分濃度を算出するものであってもよい。本構成によれば、補助記憶部３４ｃに関数式の形状だけを記憶しておけばよく、補助記憶部３４ｃに記憶しておくべき情報量を低減することができるので、補助記憶部３４ｃの低容量化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態および変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。

本出願は、２０１５年４月１５日に出願された日本国特許出願特願２０１５−８３２８３号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１５−８３２８３号の明細書、特許請求の範囲、及び図面全体を参照として取り込むものとする。

１，２０１，５０１：呼気センサ、２：検出回路、３，３０３：算出部、４：表示部、１１，２１１：基体、１２，２１２：第１電極、１３，２１３：第２電極、１４，２１４：被覆層、１６ａ，１６ｂ：リード線、２１：差動増幅器、３３：ＡＤＣ、３４，３３４，４３４：演算部、３４ａ：ＣＰＵ、３４ｂ：主記憶部、３４ｃ：補助記憶部、３４ｄ：入力部、３４ｅ：出力部、３４ｆ：インタフェース部、３４ｇ：システムバス、３３１，４３１，４３８：比較器、３３２，４３２，４３９：基準電圧源、３３３：ＡＮＤ回路、３４２：ルックアップテーブル、４３３：インバータ、４３５：積分回路、４３５ａ，４３７ａ：オペアンプ、４３６：トランジスタ、４３７：微分回路、Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ、Ｒ１，Ｒ２：抵抗

Claims (10)

1. 基体と、
   前記基体の表面の一部に設けられた第１電極と、
   前記基体の表面の一部に設けられた第２電極と、
   水分を透過しない材料から形成され、前記第２電極を前記基体との間で覆う被覆層と、を備え、
   前記基体は、前記第１電極または前記基体の表面への水分の付着により表面電位が変化する材料から形成されている、
   呼気センサ。
2. 前記基体は、フィルム状であり、
   前記第１電極は、前記基体の一の主面に設けられ、
   前記第２電極は、前記基体の他の主面に設けられている、
   請求項１に記載の呼気センサ。
3. 前記基体は、フィルム状であり、
   前記第１電極および前記第２電極は、前記基体の同一の主面に設けられている、
   請求項１に記載の呼気センサ。
4. 前記基体は、陽イオン交換膜から形成されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の呼気センサ。
5. 前記被覆層は、陰イオン交換膜から形成されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の呼気センサ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の呼気センサと、
   前記第１電極と前記第２電極との間の電位差を検出する検出回路と、
   前記電位差の変動から予め定められた期間内の呼吸回数を算出する呼吸回数算出部と、を備える、
   呼気センサユニット。
7. 前記電位差と呼気に含まれる水分濃度との相関関係を示す相関情報を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記相関情報と前記検出回路で検出された電位差とに基づいて、呼気に含まれる水分濃度を算出する水分濃度算出部と、を更に備える、
   請求項６に記載の呼気センサユニット。
8. 基体と、
   前記基体に設けられた第１電極と、
   前記基体に設けられた第２電極と、
   水分を透過しない材料から形成され、前記第２電極を前記基体との間で覆う被覆層と、を有し、前記基体が、前記第１電極または前記基体の表面への水分の付着により表面電位が変化する材料から形成されている呼気センサの、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差を検出するステップと、
   前記電位差の変動から予め定められた期間内の呼吸回数を算出するステップと、を含む、
   呼気検出方法。
9. 前記電位差と呼気に含まれる水分濃度との相関関係を示す相関情報と、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差とに基づいて、呼気に含まれる水分濃度を算出するステップを更に含む、
   請求項８に記載の呼気検出方法。
10. 陽イオン交換膜から形成された基体と、
    前記基体に設けられた第１電極と、
    前記基体に設けられた第２電極と、
    水分を透過しない材料から形成され、前記第２電極を前記基体との間で覆う被覆層と、を備え、
    前記第１電極と前記第２電極との間に、前記基体または前記第１電極に接触する呼気に含まれる水分に応じた電位差が発生する、
    呼気センサ。

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