JP6378001B2 - 静電容量式重量センサー及びこれを用いた呼吸・体動センサー - Google Patents

Description

本発明は僅かな圧力変動、震動などの動きを高精度で測定できる静電容量式重量センサー、及びこれを用いた呼吸センサー並びに体動センサー（呼吸・体動センサー）に関する。

２極の電極を複数の帯状電極で構成し、その電極間に誘電体シートと複数のスペーサをそれぞれ設けて一対のコンデンサ電極を設けた静電容量式重量センサーとしては、下記特許文献１に記載の技術がある。特許文献１に記載の静電容量重量センサーは、電極を構成している絶縁体（硬質塩ビ）上下２枚の間にスペーサーを取り付け、スペーサー以外の部分のコンデンサ電極に加わる重量変化をコンデンサ電極間の静電容量の変化として検出するものである。

しかし、特許文献１に記載の静電容量重量センサーでは、高反発の布団や低反発のマットレスと、ベッドとの間に静電容量重量センサーを設置した場合、人の離着床などの大きな動作の検出は可能であるが、スペーサーの取り付け部分が変動しないため、微少な荷重の変化、例えば人の呼吸による荷重の変化や、寝返りなどによる荷重の僅かなひとの動きの変化を検出しようとしても、コンデンサ電極間の静電容量の変化が小さく、検出することができなかった。

特許第４０６９２５６号公報

そこで本発明の課題はこのような事情に鑑みてなされたものであり、例えば人の減呼吸、多呼吸、過呼吸、無呼吸などに起因する動きや体動による微少な荷重の変化を高精度に検出できる静電容量式重量センサーを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、弾性材料からなる樹脂板に導体を被覆し、その両面を誘電体シートで覆ったパネル電極Ｓと、
前記パネル電極Ｓを挟み、前記パネル電極Ｓの両面にそれぞれ対向して配置される一対のパネル電極Ｅと、
前記パネル電極Ｓと前記一対のパネル電極Ｅとに接する複数の弾性体のスペーサ１と、
前記パネル電極Ｓと前記一対のパネル電極Ｅとの外縁の間隙全周に配置された弾性体のスペーサ２
とを備えたことを特徴とする静電容量式重量センサーである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の静電容量式重量センサーと、
前記静電容量式重量センサーと人体とを載置するマットと、
前記マット上に寝ている人の加重変動による前記静電容量式重量センサーからの電気信号の変化を計測する静電容量測定器とを備えたことを特徴とする静電容量式重量マットセンサーシステム、である。

本発明によれば、例えば人の減呼吸、多呼吸、過呼吸、無呼吸などに起因する動きや体動による微少な荷重の変化であっても高精度に検出できる静電容量式重量センサーを提供することができる。また、かかる静電容量式重量センサーを用いた呼吸・体動センサーを提供することができる。

本発明の一実施の形態である静電容量式重量センサーの平面図である。 本発明の一実施の形態である静電容量式重量センサーの断面図である パネル電極Ｓ、パネル電極Ｅ１，パネル電極Ｅ２の断面を示した図である。 静電容量式重量マットセンサーシステム５０の構成概要を示した図である。 本発明の実施例である静電容量式重量センサー１００の平面図である 本発明の実施例である静電容量式重量センサー１００の断面図である。 人が着床してから離床するまでの静電容量の変化を示した図である。 人が仰向きに寝ているときの通常呼吸をしている状態の静電容量の変化を示した図である。 人が仰向きに寝ている状態で通常呼吸をしている状態から呼吸を停止した状態（測定開始から約３秒〜約６秒）、そして通常呼吸に戻った状態での静電容量の変化を示した図である。 人が仰向きに寝ている状態で呼吸を停止しているときの静電容量の変化を示した図である。 人が横向きに寝ている状態で通常呼吸をしている状態から呼吸を停止した状態、そして通常呼吸に戻った状態での静電容量の変化を示した図である。 人が横向きに寝ている状態で呼吸を停止しているときの静電容量の変化を示した図である。 人が仰向きに寝ている状態で体を移動させたときの静電容量の変化を示した図である。 人が仰向きに寝て通常呼吸をしている状態で咳を３回し、通常呼吸に戻った状態での静電容量の変化を示した図である。 人が横向きに寝て通常呼吸をしている状態で咳を３回し、通常呼吸に戻った状態での静電容量の変化を示した図である。 人が着床したときの静電容量の変化を示した図である。 人が仰向きの状態から横向きになったときの静電容量の変化を示した図である。 人が離床したときの静電容量の変化を示した図である。 特許文献１に記載の静電容量式重量センサーと、静電容量式重量センサー１００とにより、静電容量の変化の比較を示した図である。

本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明の一実施の形態である静電容量式重量センサー１０の平面図であり、図２はその断面図である。静電容量式重量センサー１０は、パネル電極Ｅ１（上側）、パネル電極Ｅ２（下側）、パネル電極Ｓ、パネル電極Ｓとパネル電極Ｅ１、パネル電極Ｅ２の間に取り付けられたスペーサー１６,１８，２０、そしてこれらを覆う外皮カバー１２等で構成されている。

図２において、パネル電極Ｅ１、パネル電極Ｅ２の外側に形成されているシールド電極２８（図３（ｂ）、（ｃ）参照）は、導電体３４で接続されており、導電体３４の外周は防水テープ３２で密閉されている。導電体３４は、重量加圧及び形状変化時に伸縮が可能なフレキシブルな導電体、例えばアルミ箔ラミネートフィルムが好ましい。パネル電極Ｅ１とパネル電極Ｅ２とは導電体３３で接続されている。

図３は、パネル電極Ｓ、パネル電極Ｅ１，パネル電極Ｅ２の断面を示した図である。図３においてパネル電極Ｓは、絶縁体１４とその全面に被覆された導電体２２と、その上側外面と下側外面に被覆された誘電体３０とから形成されている。パネル電極Ｅ１には絶縁体１４の上側外面に導電体を被覆したシールド電極Ｇ２８が形成されており、また下側外面（パネル電極Ｓと対向する面）には導電体である導電体２４が形成されている（図３（ｂ））。パネル電極Ｓ、パネル電極Ｅ１、パネル電極Ｅ２は、硬質塩化ビニール、ポリカーボネート等の絶縁体１４にアルミ等を被服したアルミ樹脂複合パネルで形成しても良い。

パネル電極Ｅ２には絶縁体１４の上側外面（パネル電極Ｓと対向する面）に導電体２４が形成され、下側外面にはシールド電極Ｇ２８が形成されている（図３（ｃ））。

パネル電極Ｓは、硬質塩化ビニール、ポリカーボネート等の絶縁体１４の樹脂板に導電体２２（アルミ，銅等）が被覆されている。そして、その上下を誘電体３０で覆われている（図３（ｄ））。このような構成とすることで、絶縁体１４の厚さを0.3mm〜1mmの薄い樹脂板が使用できる。

誘電体３０で覆ったパネル電極Ｓをパネル電極Ｅ１、パネル電極Ｅ２で挟みこんで、パネル電極Ｓとパネル電極Ｅ１と、パネル電極Ｓとパネル電極Ｅ２の２つの電極を構成したことで、従来比で１５倍から２０倍の高精度な検出が可能となった。

スペーサー１６，１８，２０の材料としては、伸縮が大きく圧縮残留歪が小さいもの、例えば、発泡ウレタンフォーム、エラストマー、シリコンゴム等を使用することは好適である。

本発明の一実施形態である静電容量式重量センサー１０によれば、パネル電極Ｅ１とパネル電極Ｓ、パネル電極Ｅ２とパネル電極Ｓとにより形成される２つのコンデンサ容量を測定することで、これまでは検出することができなかった、微少な荷重の変化（呼吸等）を測定することができた。

これは上述したような薄いパネル電極Ｓ（0.3mm〜1mm）の上下を挟むスペーサーを伸縮が大きく圧縮残留歪みが小さいスペーサー１６，１８，２０とが一体的に作用し、高感度なセンサーを構成することができたためである。なお、パネル電極Ｓと、パネル電極Ｅ１及びパネル電極Ｅ２との空間（スペーサーを除いた空間）は、弾性体、例えば軟質ウレタンフォームなどで充填することは好ましい。

図４は静電容量式重量センサー１０をマットレスの下に設置した状態で、人の微細な動きに起因する加重の変化、例えば呼吸、無呼吸等を識別する静電容量式重量マットセンサーシステム５０の構成概要を示した図である。

静電容量式重量マットセンサーシステム５０は、人の微細な動きに起因する加重の変化を静電容量式重量センサー１０のコンデンサ容量の変化として検出するシステムである。このシステムにおけるコンデンサ容量の変化は、パネル電極Ｅ１、パネル電極Ｅ２、そしてパネル電極Ｓのそれぞれの端子からの電気信号をリード線３６により静電容量測定器５１により計測するものである。

図５は、本発明の一実施例である静電容量式重量センサー１００の平面図であり、図６はその断面図である。この静電容量式重量センサー１００の基本構成は、静電容量式重量センサー１０と基本的には同じであるが、その違いは、スペーサーの個数の違いにある。

スペーサーの個数を変化させることにより、静電容量を変えることができる。スペーサーの数が少ないほど静電容量は大きくなり、微少な加重による静電容量の変化を検出しやすくなる。一方で、静電容量が大きくなると、静電容量を検出する静電容量測定器の最大検出の値が大きい測定器が必要となる。また、スペーサーの数が少なくなると、加重後の安定値に至る時間が長いことから正確な数値が得にくいことや、加重除去後の加重前の基準値に戻る時間が長いことなどの難点がある。

図５，図６に示す静電容量式重量センサー１００は、かかる観点から実施例として上下にそれぞれスペーサー１８０，又はスペーサー２００を１７個を配置したものである。図６（ａ）は、パネル電極Ｓ１１，パネル電極Ｅ１１，パネル電極Ｅ２１の断面を示した図である。図６（ａ）においてパネル電極Ｓ１１は、絶縁体１４０とその全面に被覆された導電体２２０と、その上側外面と下側外面に被覆された誘電体３００とから形成されている。パネル電極Ｅ１１には絶縁体１４０の上側外面に導電体を被覆したシールド電極Ｇ２８０が形成されており、また下側外面（パネル電極Ｓ１１と対向する面）には導電体である導電体２４０が形成されている。

パネル電極Ｅ１２には絶縁体１４０の上側外面（パネル電極Ｓ１１と対向する面）に導電体２６０が形成され、下側外面にはシールド電極Ｇ２８０が形成されている）。

図６（ｂ）は、静電容量式重量センサー１００の端部の詳細を示した図である。
パネル電極Ｅ１１，パネル電極Ｅ１２の外側に形成されているシールド電極２８０は、導電体３４０で接続されており、導電体３４０の外周は防水テープ３２０で密閉されている。導電体３４０は、重量加圧及び形状変化時に伸縮が可能なフレキシブルな導電体、例えばアルミ箔ラミネートフィルムが好ましい。シールド電極２８０，パネル電極Ｓ１１，パネル電極Ｅ１１・Ｅ１２は、リード線３６０により、Ｇ極，Ｓ極，Ｅ極として外部に導出されている。

静電容量式重量センサー１００を用いて図４に示す静電容量式重量センサー１０に代えて、マット５２の上に静電容量式重量センサー１００を設置し、そこに着床してからの人の微細な動きの状況を検出した結果を図７から図１８に示す。

図７は、人が着床してから離床するまでの静電容量の変化を示した図であり、その縦軸は静電容（ｐF）量であり、横軸は時間（ｍｉｎ）である。着床すると約７×１０^−９ｐＦの静電容量が検出され、離床動作を経て、完全な離床により元の状態に戻る。

図８は、人が仰向きに寝ているときの通常呼吸をしている状態の静電容量の変化を示した図であり、縦軸は静電容（ｐF）量、横軸は時間（ｓｅｃ）である。図９は人が仰向きに寝ている状態で通常呼吸をしている状態から呼吸を停止した状態（測定開始から約３秒〜約６秒）、そして通常呼吸に戻った状態の静電容量の変化を示した図である。

図１０は人が仰向きに寝ている状態で呼吸を停止しているときの静電容量の変化を示した図である。図１１は人が横向きに寝ている状態で通常呼吸をしている状態から呼吸を停止した状態（測定開始から約１２秒から約２４秒）、そして通常呼吸に戻った状態での静電容量の変化を示した図である。

図１２は人が横向きに寝ている状態で呼吸を停止しているときの静電容量の変化を示した図である。図１３は人が仰向きに寝ている状態で体を移動させたときの静電容量の変化を示した図である。

図１４は人が仰向きに寝て通常呼吸をしている状態で咳を３回（測定開始から約１５秒から約１９秒）し、通常呼吸に戻った状態での静電容量の変化を示した図である。

図１５は人が横向きに寝て通常呼吸をしている状態で咳を３回（測定開始から約２２秒から約２６）し、通常呼吸に戻った状態での静電容量の変化を示した図である。図１６は人が着床したときの静電容量の変化を示した図である。

図１７は人が仰向きの状態から横向きになったときの静電容量の変化を示した図である。図１８は人が離床したときの静電容量の変化を示した図である。

図７から図１８で明らかにした通り、静電容量式重量センサー１００によれば、人の呼吸や体動状態を極めて正確に検出することができる。これに対して、従来の静電容量式重量センサー、例えば特許文献１に記載の静電容量式重量センサーでは、このような高精度な検出をすることはできない。例えば、特許文献１に記載の静電容量式重量センサーにより横向きの状態で深呼吸を３回し、その後通常呼吸に戻った状態の静電容量の変化（図１９（ａ））と、静電容量式重量センサー１００による場合（図１９（ｂ））との比較を示した図が図１９である。図１９（ａ）に示す通り、従来技術のセンサーでは３回の深呼吸が１回の波形として現れているのに対し、本発明の実施例である静電容量式重量センサーでは３回の深呼吸が３回の波形となって現れている。また、通常の呼吸の変換についても、従来より高精度で検出されていることがわかる。

１０ 静電容量式重量センサー
１２ 外皮カバー
１４ 絶縁体
１６ １８ ２０ スペーサー
２２ ２４ ３４ 導電体
２８ シールド電極Ｇ
３０ 誘電体シート
３２ 防水テープ
３６ リード線
５０ 静電容量式重量マットセンサーシステム
５１ 静電容量測定器
１００ 静電容量式重量センサー

Claims (2)

1. 弾性材料からなる樹脂板に導体を被覆し、その両面を誘電体シートで覆ったパネル電極Ｓと、
   前記パネル電極Ｓを挟み、前記パネル電極Ｓの両面にそれぞれ対向して配置される一対のパネル電極Ｅと、
   前記パネル電極Ｓと前記一対のパネル電極Ｅとに接する複数の弾性体のスペーサ１と、
   前記パネル電極Ｓと前記一対のパネル電極Ｅとの外縁の間隙全周に配置された弾性体のスペーサ２
   とを備えたことを特徴とする静電容量式重量センサー。
2. 請求項１に記載の静電容量式重量センサーと、
   前記静電容量式重量センサーと人体とを載置するマットと、
   前記マット上に寝ている人の加重変動による前記静電容量式重量センサーからの電気信号の変化を計測する静電容量測定器
   とを備えたことを特徴とする静電容量式重量マットセンサーシステム。