KR102429418B1 - 교류 임피던스 검출회로 및 서미스터를 이용한 기저귀용 소대변 검출장치 - Google Patents

교류 임피던스 검출회로 및 서미스터를 이용한 기저귀용 소대변 검출장치 Download PDF

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Abstract

소변 또는 대변의 배설 여부를 검출하는 기저귀용 소대변 검출장치에 관한 것으로, 온도에 따라 저항이 가변되고 기저귀에 밀착 결합되는 서미스터, 일정한 전압을 갖는 정현파 형태의 기준신호를 생성하고, 기준신호의 전압을 기저귀의 삽입된 2개의 도전성 전극 및 서미스터로 입력하는 정현파 생성부, 기준신호의 전압, 2개의 도전성 전극의 전압, 및 서미스터의 전압을 비교하는 전압 비교부, 및 기저귀에서 배설물을 검출하는 소대변 검출부를 포함하고, 소대변 검출부는 기준신호의 전압과 2개의 도전성 전극의 전압을 비교하여 도전성 전극의 임피던스 변화를 측정하고, 측정된 임피던스 변화에 기초하여 기저귀에 소변 또는 대변을 검출한다.

Description

교류 임피던스 검출회로 및 서미스터를 이용한 기저귀용 소대변 검출장치 {Urine and feces detection device for diaper using AC impedance detection circuit and thermistor}
기저귀용 소대변 검출장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 교류 임피던스 검출회로 및 서미스터를 이용하여 기저귀에 소변 또는 대변이 흡수되었는지를 검출하는 기저귀용 소대변 검출장치에 관한 것이다.
기저귀는 스스로 용변을 처리하지 못 하는 유아 또는 거동이 불편한 환자의 대소변은 받아내는 천이다. 기저귀는 착용자가 소변 또는 대변을 배설한 후 빠른 시간 안에 새 기저귀로 교체되어야 한다. 소변 또는 대변과 같은 배설물을 함유한 기저귀를 오래 착용하고 있을 경우 배설물의 독성으로 인하여 기저귀 착용 부위에 발진, 습진 또는 욕창을 유발하며, 배설물에 포함된 박테리아, 바이러스 등으로 인하여 질병이 야기될 수 있다. 상술한 이유로 인하여 배설물이 함유된 기저귀는 빠르게 교체되어야할 필요가 있다.
종래에는 유아 또는 환자의 보호자는 기저귀 착용자가 소변 또는 대변을 배설하였는지 여부를 후각, 시각 또는 촉각으로 확인하여야 했다. 이러한 종래의 방법은 보호자가 주기적으로 기저귀를 확인해야 하는 불편함이 있었으며, 기저귀가 배변 후 신속하게 교체될 수 없는 문제점이 있었다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0133588호 “사물 인터넷 기반 스마트 기저귀 관리시스템”은 착용자가 기저귀에 용변을 볼 경우 용변에 함유된 수분에 의해 기저귀에 흐르는 전류량의 변화에 기초하여 착용자의 소변 여부를 감지하는 소변감지센서, 및 대변에 포함된 가스를 검출하여 대변 여부를 감지하는 대변감지센서를 이용하여 착용자의 대소변 유무를 감지하는 것에 대하여 개시하고 있다.
상술한 종래의 대소변감지 방법은 착용자가 소변 또는 대변의 배설 여부를 정확하게 감지하지 못하는 문제점이 있다. 용변에 포함된 수분에 의해 기저귀에 흐르는 전류량의 변화를 이용하여 소변 여부를 감지하기 때문에, 착용자의 땀으로 인하여 소변감지센서가 오작동하는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 대소변감지 방법은 착용자가 소변을 보았는지 또는 대변을 보았는지를 정확하게 구별해낼 수 없는 문제점이 있었다.
소변 또는 대변의 배설 여부를 검출하는 기저귀용 소대변 검출장치를 제공하는 데에 있다. 또한, 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기저귀에 장착되는 기저귀용 소대변 검출장치는 상기 기저귀에 부착되며, 온도에 따라 저항이 가변되는 특성을 갖는 서미스터; 일정한 전압을 갖는 정현파 형태의 기준신호를 생성하고, 상기 기준신호를 상기 기저귀의 삽입된 2개의 도전성 전극 및 상기 서미스터로 입력하는 기준신호 생성부; 상기 기준신호의 전압, 상기 2개의 도전성 전극의 전압, 및 상기 서미스터의 전압을 비교하는 전압 비교부; 및 상기 기저귀에서 배설물을 검출하는 소대변 검출부를 포함하고, 상기 소대변 검출부는 상기 기준신호의 전압과 상기 2개의 도전성 전극의 전압의 비교 결과 및 상기 기준신호의 전압과 상기 서미스터의 전압의 비교 결과에 기초하여, 상기 기저귀에서 배설물을 검출하고, 상기 검출된 배설물이 소변인지 대변인지를 결정한다.
상기 2개의 도전성 전극은 제 1 저항과 직렬로 연결되고, 상기 서미스터는 제 2 저항과 직렬로 연결되고, 상기 제 1 저항과 상기 제 2 저항은 상기 기준신호 생성부의 출력단에 공통으로 연결됨으로써 상기 기준신호 생성부로부터 출력된 기준신호의 전압이 상기 2개의 도전성 전극 및 상기 서미스터 각각에 분배된다.
상기 소대변 검출부는 상기 기준신호의 전압과 상기 2개의 도전성 전극의 전압의 비교 결과에 기초하여 상기 2개의 도전성 전극의 커패시턴스의 변화를 산출하고, 상기 산출된 2개의 도전성 전극의 커패시턴스의 변화가 임계치 이상인 경우 상기 기저귀에 배설물이 수용되었다고 결정하고, 상기 산출된 2개의 도전성 전극의 커패시턴스의 변화가 임계치 미만인 경우 상기 기저귀에 배설물이 수용되지 않았다고 결정함으로써, 상기 기저귀에서 배설물을 검출한다.
상기 소대변 검출부는 하기의 수학식 1에 기초하여 상기 2개의 도전성 전극의 커패시턴스의 변화를 산출한다.
<수학식 1>
Figure 112020018831658-pat00001
(C는 상기 2개의 도전성 전극의 커패시턴스이고, Va는 상기 기준신호의 전압이고, Vb는 상기 2개의 도전성 전극의 전압이고, w는 상기 기준신호의 각속도이고, R2는 상기 제 2 저항의 저항값)
상기 소대변 검출부는 상기 기저귀에 배설물이 검출된 경우, 상기 기준신호의 전압과 상기 서미스터의 전압의 비교 결과에 기초하여 상기 서미스터의 저항값의 변화율을 산출하고, 상기 산출된 서미스터의 저항값의 변화율이 임계변화율 이상인 경우 상기 기저귀에서 검출된 배설물이 소변이라고 결정하고, 상기 산출된 서미스터의 저항값의 변화가 임계변화율 미만인 경우 상기 기저귀에서 검출된 배설물이 대변이라고 결정한다.
상기 소대변 검출부는 하기의 수학식 2에 기초하여 상기 서미스터의 저항값의 변화율을 산출한다.
<수학식 2>
Figure 112020018831658-pat00002
(R서미스터는 상기 서미스터의 저항값이고, Va는 상기 기준신호의 전압이고, Vc는 상기 서미스터의 전압이고, R1은 상기 제 1 저항의 저항값)
상기 소대변 검출부는 상기 기준신호의 전압과 상기 2개의 도전성 전극의 전압의 비교 결과 및 상기 기준신호의 전압과 상기 서미스터의 전압의 비교 결과에 기초하여 상기 2개의 도전성 전극의 커패시턴스의 변화 및 상기 서미스터의 저항값의 변화를 산출하고, 상기 산출된 2개의 도전성 전극의 커패시턴스의 변화 및 상기 산출된 서미스터의 저항값의 변화 각각이 임계치 이상인 경우 상기 기저귀에 배설물이 수용되었다고 결정하고, 상기 산출된 2개의 도전성 전극의 커패시턴스의 변화가 임계치 미만인 경우 상기 기저귀에 배설물이 수용되지 않았다고 결정함으로써 상기 기저귀에서 배설물을 검출한다.
기저귀용 소대변 검출장치는 기저귀에 서로 평행하게 배열된 2개의 도전성 전극에 정현파 형태를 갖는 기준신호를 입력하고, 도전성 전극의 임피던스 변화를 측정함으로써, 도전성 전극의 임피던스 변화를 감지한다. 기저귀용 소대변 검출장치는 도전성 전극의 임피던스의 변화를 감지하여 기저귀에 소변 또는 대변이 배설되었는지를 검출하고, 소변 또는 대변이 검출된 경우, 기저귀에 소변 또는 대변이 배설되었음을 나타내는 알림을 보호자의 무선 통신 단말로 전송함으로써, 보호자로 하여금 신속하게 기저귀를 교체할 수 있게 한다.
또한, 기저귀용 소대변 검출장치는 도전성 전극으로 입력된 정현파 형태의 기준신호의 전압과 도전성 전극에 인가된 전압을 비교하여 임피던스 변화를 측정한다. 기저귀용 소대변 검출장치는 기저귀에 소변 또는 대변이 수용되어 도전성 전극의 임피던스가 변함으로 인하여 기준신호에 오차가 발생하더라도, 전압비교부에서 기준전압과 도전성 전극의 전압을 실시간으로 비교하기 때문에, 임피던스 측정 정확도가 높다. 이에 따라, 기저귀용 소대변 검출장치는 기저귀의 소변 또는 대변의 검출 정확도를 향상시킬 수 있다.
이에 더하여, 기저귀용 소대변 검출장치는 서미스터의 저항 변화를 이용하여 기저귀의 온도변화율을 산출하거나 도전성 전극의 임피던스 변화율을 산출하여 기저귀에서 검출된 배설물이 소변인지 또는 대변인지를 검출한다. 기저귀를 착용한 아이 또는 환자의 보호자로 하여금 기저귀에서 검출된 배설물이 소변인지 대변인지를 알 수 있게 하여, 기저귀에서 검출된 배설물의 종류에 따하 적절한 처리를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기저귀용 소대변 검출장치가 장착된 기저귀를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 기저귀용 소대변 검출장치가 장착된 기저귀의 분해도이다.
도 3은 도 1에 도시된 기저귀의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 기저귀용 소대변 검출장치의 구성도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예들은 기저귀에 장착되는 기저귀용 소대변 검출장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 이하에서 설명될 “임피던스(impedance)”는 저항, 인덕터, 커패시터를 포함하는 교류회로의 합성 저항으로, 복소수로 표현되고, 실수부분은 저항(resist) 허수부분은 리액턴스(reactance)임을 이해할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, “임피던스”는 커패시터의 전기용량에 따라 가변되고, 커패시터의 전기용량은 커패시터의 두 전도판 사이에 있는 유전체의 유전율에 따라 가변되는 것임을 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기저귀용 소대변 검출장치가 장착된 기저귀를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 기저귀용 소대변 검출장치가 장착된 기저귀의 분해도이고, 도 3은 도 1에 도시된 기저귀의 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예는 2개의 도전성 전극(12)을 포함하는 기저귀(1) 및 기저귀(1)에 소변 또는 대변을 배설하였는지 여부를 감지하는 기저귀용 소대변 검출장치(20)를 포함한다.
도 3을 참고하면, 기저귀(1)는 제 1 흡수층(10), 제 2 흡수층(11), 2개의 도전성 전극(12), 및 방수층(13)을 포함한다. 제 1 흡수층(10)은 그 상면이 기저귀(1)의 착용자의 둔부에 접촉되는 부분으로서, 착용자로부터 배설된 배설물 중 액상 성분을 제일 먼저 흡수한다. 제 1 흡수층(10)은 착용자의 피부 트러블 방지를 위해 면과 같은 천연직물 소재로 제작됨이 바람직하다. 제 2 흡수층(11)은 제 1 흡수층(10)의 하면에 부착되고, 제 1 흡수층(10)을 통해 전달된 배설물 중 액상 성분을 흡수한다. 제 2 흡수층(11)은 흡수력이 우수한 부직포와 같은 소재로 제작됨이 바람직하다.
2개의 도전성 전극(12)은 제 2 흡수층(11)과 방수층(13) 사이에 서로 평행하게 배치된다. 도 1에 도시된 실시예를 참고하면, 2개의 도전성 전극(12)은 기저귀(1)의 길이방향으로 배열된다. 2개의 도전성 전극(12)은 소변과 대변을 모두 검출하기 위하여 기저귀(1)의 전면 밴드 부분에서 후면 밴드 부분까지 길이방향으로 배열된다. 도전성 전극(12)은 기저귀(1) 상에서 서로 평행하게 형성되어 커패시터의 도체판으로서의 역할을 한다. 2개의 도전성 전극(12)은 교류회로에서 커패시터(capacitor)와 대응되기 때문에, 2개의 도전성 전극(12)은 기저귀용 소대변 검출장치(20)로부터 공급되는 전류가 기저귀(1)에서 흐를 수 있게 한다. 도전성 전극(12)의 일단에는 기저귀용 소대변 검출장치(20)가 장착된다.
예를 들어, 도전성 전극(12)은 도전성 잉크가 방수층(13) 상에 2개의 띠 형태로 도포되는 방식으로 구현될 수도 있고, 2개의 박막의 띠형 전극이 방수층(13) 상에 부착되는 방식으로 구현될 수도 있다. 도전성 잉크는 전기를 전도하는 특성을 가진 잉크로서, 수백 나노미터에서 수 마이크로 단위의 금속분말, 금속염, 또는 나노입자로 구성된다. 도전성 잉크에 대한 상세한 설명은 본 실시예의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 생략하기로 한다.
방수층(13)은 제 2 흡수층(11)의 하면에 부착되고, 제 1 흡수층(10) 및 제 2 흡수층(11)에 수용된 배설물이 기저귀(1) 외부로 새어나가는 것을 방지한다. 예를 들어, 방수층(13)은 폴리에틸렌(polyethylene) 등과 같은 플라스틱 소재로 제조될 수 있다.
기저귀용 소대변 검출장치(20)는 기저귀(1)의 일단에 장착되어, 기저귀(1)에서 배설물을 검출한다. 보다 구체적으로, 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 기저귀(1)의 2개의 도전성 전극(12)과 연결되고 2개의 도전성 전극(12)의 정전용량의 변화를 이용하여 소변 또는 대변이 기저귀(1)의 제 1, 제 2 흡수층(11)에 수용되었는지 여부를 검출한다. 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 2개의 도전성 전극(12)과 연결되어 교류 전류를 2개의 도전성 전극(12)에 공급한다. 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 2개의 도전성 전극(12)에 공급된 교류 전류를 이용하여 2개의 도전성 전극(12)의 정전용량의 변화를 검출하고, 이에 기초하여 착용자가 소변 또는 대변을 배설하였는지를 검출한다. 기저귀용 소대변 검출장치(20)에서 기저귀(1)에 소변 또는 대변과 같은 배설물이 수용되었는지 여부를 검출하는 상세한 방법에 대하여는 이하에서 자세하게 설명하기로 한다.
도 4는 도 1에 도시된 기저귀용 소대변 검출장치의 구성도이다. 도 4를 참고하면, 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 클럭(clock) 신호를 생성하는 클럭 생성부(21), PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부(22), PWM 신호를 정현파 신호로 변환하여 정현파 형태의 기준신호를 생성하는 기준신호 생성부(23), 온도에 따라 저항이 가변되는 서미스터(thermistor)(20), 기준신호의 전압, 2개의 도전성 전극(12) 사이의 전압, 및 서미스터(20)의 전압을 비교하는 전압 비교부(25), 전압 비교부(25)의 출력 신호를 분석하여 소변 또는 대변을 검출하는 소대변 검출부(26), 및 소변 또는 대변의 배설을 검출한 경우 소변 또는 대변을 배설하였음을 알리는 신호를 보호자의 무선 통신 단말로 전송하는 무선통신부(27)을 포함한다. 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 상술한 구성요소 이외에도 정류기, 아날로그-디지털 변환부(analog to digital converter), 필터 등을 더 포함할 수 있으며, 이러한 추가 구성요소에 대한 상세한 설명은 본 발명의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 생략하기로 한다.
클럭 생성부(21)는 기저귀용 소대변 검출장치(20)의 구성요소들이 일정한 속도로 작동시키기 위한 클럭 신호(clock signal)를 생성한다. 클럭 생성부(21)는 생성된 클럭 신호를 PWM 신호 생성부(22)로 입력한다. 본 발명의 도 4에 도시되지는 않았으나, 클럭 생성부(21)에 의해 생성된 클럭 신호는 전압 비교부(25), 소대변 검출부(26)로 입력된다.
PWM 신호 생성부(22)는 소정의 주파수를 갖는 구형파(square wave) 신호를 생성한다. PWM 신호 생성부(22)는 클럭 생성부(21)로부터 입력된 클럭 신호를 이용하여 소정의 주파수를 갖는 구형파를 생성한다. 예를 들어, PWM 신호 생성부(22)는 1 kHz 주파수를 갖는 구형파를 생성한다. PWM 신호 생성부(22)는 생성된 구형파 신호를 기준신호 생성부(23)로 입력한다.
기준신호 생성부(23)는 PWM 신호 생성부(22)로부터 입력된 구형파 신호를 정현파(sinusoidal wave) 신호로 변환함으로써 일정한 전압을 갖는 정현파 형태의 기준신호를 생성한다. 예를 들어, 기준전압 생성부(23)는 2단 밴드 패스 필터(band pass filter)를 이용하여 구형파를 정현파로 변환할 수 있다. 기준신호 생성부(23)는 상술한 방식으로 PWM 신호 생성부(22)로부터 입력된 구형파 신호를 정현파 신호로 변환함으로써, 정현파 형태의 기준신호를 생성한다. 기준신호 생성부(23)는 이와 같이 생성된 기준 신호를 전압 비교부(25), 도전성 전극(12) 및 서미스터(24)으로 입력한다.
서미스터(24)는 온도에 따라 저항이 변화되는 특정을 갖는 소자이다. 서미스터(24)는 기저귀(1)와 밀착되어, 기저귀(1)의 온도 변화에 따라 저항이 가변된다. 예를 들어, 서미스터(24)는 온도가 올라갈수록 저항이 감소하고, 온도가 내려갈수록 저항이 증가한다. 착용자가 소변 및 대변을 배설하여 기저귀(1)에 소변 및 대변의 액상 성분이 흡수된 경우, 기저귀의 온도가 상승한다. 상술한 바와 같이, 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 기저귀(1)의 온도 변화에 기초하여 소변 또는 대변을 검출할 수 있다.
전압 비교부(25)는 기준전압 생성부(23)에서 생성된 기준신호의 전압을 도전성 전극(12)의 전압, 및 서미스터(24)의 전압과 비교한다. 전압 비교부(25)는 기준신호의 전압과 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과, 및 기준신호의 전압과 서미스터(24)의 전압의 비교 결과를 소대변 검출부(26)로 입력한다. 전압 비교부(25)는 비교 결과를 나타내는 출력 신호를 디지털로 출력한다. 본 명세서의 도 4에 상세하게 도시되어 있지 않으나, 전압 비교부(25)는 출력 신호를 증폭하는 증폭기, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기, 로우패스 필터 등을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 전압 비교부(25)는 기준신호의 전압과 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과, 및 기준신호의 전압과 서미스터(24)의 전압의 비교 결과를 나타내는 신호를 소대변 검출부(26)로 입력한다.
소대변 검출부(26)는 전압 비교부(25)로부터 입력된 비교 결과에 기초하여 기저귀(1)에서 배설물을 검출한다. 보다 구체적으로, 소대변 검출부(26)는 기준신호의 전압과 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과에 기초하여 기저귀에서 배설물을 검출하고, 기준신호의 전압과 서미스터(24)의 전압의 비교 결과에 기초하여 검출된 배설물이 소변인지 또는 대변인지를 검출한다. 소대변 검출부(26)는 도전성 전극(12)의 임피던스 변화를 측정하고, 임피던스 변화에 기초하여 기저귀(1)에서 배설물을 검출한다. 이하에서 소대변 검출과정에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
소대변 검출부(26)는 기준전압 생성부(23)에서 생성된 기준신호의 전압과 기저귀(1)의 도전성 전극(12)의 전압을 비교하여 기저귀(1)의 임피던스를 측정한다. 이상에서 설명한 바와 같이, 커패시터의 전기용량은 두 전도판 사이의 유전체의 유전율에 따라 가변된다. 기저귀(1)에 부착된 2개의 도전성 전극(12)은 기저귀(1)의 제 2 흡수층(11) 및 방수층(13) 사이에 배치된다.
소변은 수분, 요소, 요산, 및 무기염류로 구성되고, 대변은 수분, 회분, 유기질, 질소, 칼륨, 인산, 및 식염 등으로 구성된다. 이처럼 소변과 대변은 화학성분을 포함하고 있다. 기저귀(1)의 흡수층(10, 11)에 소변 또는 대변이 수용된 경우 소변 또는 대변에 포함된 화학성분으로 인하여, 2개의 도전성 전극(12) 사이의 유전율이 변하게 된다. 2개의 도전성 전극(12) 사이의 유전율 변화로 인하여, 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스가 가변된다.
2개의 도전성 전극(12)에 일정한 기준신호를 인가하고 있는 경우, 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스가 변화되면 2개의 도전성 전극(12) 사이의 전압도 가변된다. 소대변 검출부(26)는 2개의 도전성 전극(12)의 전압의 변화에 기초하여 2개의 도전성 전극(12) 사이의 임피던스의 변화를 산출한다. 소대변 검출부(26)는 2개의 도전성 전극(12) 사이의 임피던스가 변화에 기초하여 기저귀(1)에서 배설물을 검출한다. 소대변 검출부(26)는 2개의 도전성 전극(12) 사이의 임피던스가 배설물이 없는 상태의 임피던스로부터 변화된 경우에는 기저귀(1)에서 배설물을 검출한다. 임피던스의 변화를 산출하는 방법에 대하여는 이하에서 상세하게 설명하기로 한다.
또한, 소대변 검출부(26)는 기준전압 생성부(23)에서 생성된 기준신호의 전압과 서미스터(24)의 전압을 비교하여 기저귀(1)의 온도 변화 산출한다. 상술한 바와 같이, 서미스터(24)는 온도에 따라 저항이 가변되는 특성을 갖는 소자이다. 기저귀(1)에 배설물(소변, 대변)이 수용되면 기저귀(1)의 온도가 상승된다. 기저귀(1)의 온도가 변하면 서미스터(24)의 저항이 가변되고, 이에 따라 서미스터(24)의 전압이 가변된다. 소대변 검출부(26)는 기준신호의 전압과 서미스터(24)의 전압을 비교하여 서미스터(24)의 전압이 기저귀(1)에 배설물이 없는 상태에서의 서미스터(24)의 전압으로부터 변화를 측정함으로써 배설물을 검출한다.
본 발명의 다른 실시예예 따른 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 온도 변화 속도에 기초하여 기저귀에서 검출된 배설물이 소변인지 또는 대변인지를 결정한다. 이상에서 설명한 바와 같이, 소변은 수분, 요소, 요산, 및 무기염류로 구성되고, 대변은 수분, 회분, 유기질, 질소, 칼륨, 인산, 및 식염 등으로 구성된다. 소변은 주로 수분으로 구성되고, 소변의 온도는 사람의 체온과 비슷하다. 대변 또한 수분을 포함하고 있으나 소변은 체온과 비슷한 온도의 수분으로 구성되기 때문에, 대변에 비하여 기저귀(1)의 온도가 매우 빠르게 상승된다.
소대변 검출부(26)는 서미스터(24)를 이용하여 기저귀(1)의 온도 변화율을 산출하고, 산출된 기저귀(1)의 온도 변화율이 임계변화율 이상인 경우에는 기저귀(1)에서 검출된 배설물이 소변이라고 결정하고, 온도 변화율이 임계변화율 미만인 경우에는 기저귀(1)에서 검출된 배설물이 대변이라고 결정한다. 임계값은 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다. 소대변 검출부(26)는 서미스터(24)의 저항 값의 변화에 기초하여 온도 변화율을 산출한다. 서미스터(24)의 저항 값의 변화를 산출하는 방법에 대하여는 이하에서 상세하게 설명하기로 한다.
도 4를 참고하면, ⓐ 단자에서의 전압을 Va라고 하고, ⓑ 단자에서의 전압을 Vb라고 하고, ⓒ 단자에서의 전압을 Vc라고 한다. Va는 기준전압 생성부(23)에서 생성된 기준신호의 전압이고, Vb는 2개의 도전성 전극(12) 사이의 전압이고, Vc는 서미스터의 전압이다. ⓐ 단자에는 기준전압 생성부(23)에서 생성된 정형파 형태의 기준신호가 인가된다. 서미스터(24) 및 2개의 도전성 전극(12)은 2개의 저항(R1, R2)와 브릿지 회로로 연결된다. 2개의 도전성 전극(12) 및 서미스터(24)는 병렬로 연결되고, 2개의 도전성 전극(12)은 제 1 저항과 직렬로 연결되고, 상기 서미스터(24)는 제 2 저항과 직렬로 연결된다.
보다 구체적으로, 서미스터(24)는 제 1 저항(R1)과 직렬로 연결되고, 2개의 도전성 전극(12)은 제 2 저항(R2)와 직렬로 연결된다. 서미스터(24) 및 제 1 저항(R1)의 합성 임피던스를 Z1이라고 하고, 2개의 도전성 전극(12) 및 제 2 저항(R2)의 합성 임피던스를 Z2라고 한다. Z1 및 Z2는 서로 병렬로 연결된다. 또한, 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스를 C라고 한다. 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)은 기준신호 생성부(23)의 출력단에 공통으로 연결된다. 이에 따라, 기준신호 생성부(23)의 기준신호의 전압이 Z1 및 Z2 각각에 공급된다. Z1에 인가된 기준신호의 전압은 제 1 저항(R1)과 서미스터(R서미스터, 24)에 분배되고, Z2에 인가된 기준신호의 전압은 제 2 저항(R2)과 2개의 도전성 전극(C)에 분배된다.
서미스터(24)의 저항(R서미스터)을 산출하는 방법은 다음과 같다. 제 1 저항(R1)과 서미스터(24)의 합성 임피던스(Z1)에는 Va 전압이 인가된다. 서미스터(24)와 R1이 직렬 연결되기 때문에, 서미스터(24)의 전압(Vc)은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112020018831658-pat00003
(수학식 1)
수학식 1을 R서미스터에 대하여 정리하면, 다음과 같이 표현된다.
Figure 112020018831658-pat00004
(수학식 2)
서미스터(24)의 저항(R서미스터)의 변화는 수학식 2에 따라 산출할 수 있다. 수학식 2에서 제 1 저항(R1)의 저항값이 고정된다고 가정하면, ⓐ 단의 전압(Va)인 기준신호의 전압 및 ⓒ 단의 전압(Vc)인서미스터(24)의 전압을 측정하여 서미스터(24)의 저항값을 산출할 수 있다.
소대변 검출부(26)는 상술한 방식으로 서미스터(24)의 저항값을 실시간으로 산출할 수 있으며, 실시간으로 산출된 저항값을 이용하여 서미스터(24)의 저항값의 변화율을 산출할 수 있다.
위와 마찬가지로, 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스(C)를 산출하는 방법은 다음과 같다. 제 2 저항(R2)과 2개의 도전성 전극(12)의 합성 임피던스(Z2)에는 Va 전압이 인가된다. 2개의 도전성 전극(12)과 R2가 직렬 연결되기 때문에, 2개의 도전성 전극(12)의 전압(Vb)은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112020018831658-pat00005
(수학식 3)
수학식 3을 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스(C)에 대하여 정리하면, 다음과 같이 표현된다.
Figure 112020018831658-pat00006
(수학식 4)
2개의 도전성 전극(12)의 임피던스(
Figure 112020018831658-pat00007
)의 변화는 수학식 4에 따라 산출할 수 있다. 수학식 4에서 제 2 저항(R2)의 저항값 및 각속도(w)가 고정된다고 가정하면, ⓐ 단의 전압(Va)인 기준신호의 전압 및 ⓑ 단의 전압(Vb)인 2개의 도전성 전극(12)의 전압을 측정하여 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스(C)를 산출할 수 있다.
소대변 검출부(26)는 상술한 방식으로 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스를 실시간으로 산출할 수 있으며, 실시간으로 산출된 커패시턴스를 이용하여 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 기저귀용 소대변 검출장치(20)의 소대변 검출부(26)는 상술한 방식으로 서미스터(24)의 저항 변화 및 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스 변화를 측정한다. 소대변 검출부(26)는 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화 및 서미스터(24)의 저항 변화에 기초하여 기저귀에 배설물(소변, 대변)을 검출한다. 기저귀(1)에 배설물이 수용되지 않는 경우에는 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스 및 서미스터(24)의 저항에 변화가 없고, 반대로 기저귀(1)에 배설물이 수용된 경우에는 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스 및 서미스터(24)의 저항이 가변된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화 및 서미스터(24)의 저항 변화에 기초하여 기저귀(1)에서 배설물을 검출한다. 보다 구체적으로, 기저귀용 소대변 검출장치(20)의 소대변 검출부(26)는 전압 비교부(25)로부터 입력된 기준신호의 전압과 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과, 및 기준신호의 전압과 서미스터(24)의 전압의 비교 결과에 기초하여 도전성 전극(12)의 커패시턴스 변화 및 서미스터(24)의 저항 변화를 산출한다. 소대변 검출부(26)는 도전성 전극(12)의 커패시턴스 및 서미스터(24)의 저항 각각이 소정의 임계치 이상으로 변화한 경우 기저귀(1)에 배설물이 수용되었다고 결정함으로써, 기저귀(1)에서 배설물을 검출한다.
임계치는 배설물이 검출되었는지 여부를 결정하는 기준값으로서, 설계자에 의해 미리 설정될 수 있다. 예를 들어, 임계치는 기저귀에 배설물이 수용되기 전에 측정된 최초의 측정값(도전성 전극(12)의 커패시턴스, 서미스터(24)의 저항)을 기준으로 변화율로 설정될 수 있다. 소대변 검출부(26)는 도전성 전극(12)의 커패시턴스가 최초 커패시턴스로부터 20% 이상 증가하고 서미스터(24)의 저항이 최초 저항 보다 20% 이상 감소한 경우에 기저귀에 배설물이 수용되었다고 결정한다. 소변 또는 대변의 검출 기준인 임계치는 기저귀용 소대변 검출장치(20)의 설계자에 의해 미리 설정될 수 있다.
소대변 검출부(26)는 도전성 전극(12)의 커패시턴스 및 서미스터(24)의 저항 모두가 임계치 이상으로 가변된 경우에 기저귀에서 배설물을 검출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 도전성 전극(12)의 임피던스 및 서미스터(24)의 저항의 변화에 기초하여 배설물을 검출함으로써, 배설물 검출의 정확도를 향상 시킬 수 있다. 소대변 검출부(26)는 기준신호의 전압과 2개의 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과에 기초하여 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화를 산출하고, 산출된 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화가 임계치 이상인 경우 기저귀에 배설물이 수용되었다고 결정하고, 산출된 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화가 임계치 미만인 경우 기저귀에 배설물이 수용되지 않았다고 결정함으로써, 상기 기저귀에서 배설물을 검출한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스가 변화에 기초하여 기저귀에서 배설물을 검출한다. 보다 구체적으로, 기저귀용 소대변 검출장치(20)의 소대변 검출부(26)는 전압 비교부(25)로부터 입력된 기준신호의 전압과 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과에 기초하여 도전성 전극(12)의 전압(Vb) 대 기준신호의 전압(Va)의 비를 산출하고, 산출된 도전성 전극(12)의 전압(Vb) 대 기준신호의 전압(Va)의 비에 기초하여 도전성 전극(12)의 커패시턴스 변화를 산출한다. 소대변 검출부(26)는 도전성 전극(12)의 커패시턴스가 소정의 임계치 이상으로 변화한 경우 기저귀에 배설물이 수용되었다고 결정함으로써, 기저귀(1)에서 배설물을 검출한다.
소대변 검출부(26)는 소변 또는 대변이 검출되었다고 결정된 경우, 서미스터(24)의 저항 변화율에 기초하여 검출된 배설물이 소변인지 또는 대변인지를 결정한다. 보다 구체적으로, 소대변 검출부(26)는 전압 비교부(25)로부터 입력된 기준신호의 전압과 서미스터(24)의 전압의 비교 결과에 기초하여 서미스터(24)의 저항 변화율을 산출한다. 상술한 바와 같이, 서미스터(24)는 온도에 따라 저항의 크기가 가변되는 저항이기 때문에, 서미스터(24)의 온도가 빠르게 변할수록 서미스터(24)의 저항도 빠르게 가변된다. 서미스터(24)의 저항 변화율은 기저귀(1)의 온도 변화율과 비례한다.
소대변 검출부(26)는 산출된 서미스터(24)의 저항 변화율이 임계 변화율 이상인 경우에는 검출된 배설물이 소변이라고 결정하고, 산출된 서미스터(24)의 저항 변화율이 임계 변화율 미만인 경우에는 검출된 배설물이 대변이라고 결정한다. 임게변화율은 검출된 배설물이 소변인지 또는 대변인지를 결정하는 기준으로서, 설계자에 의해 미리 설정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 다른 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화에 기초하여 기저귀(1)에서 배설물(소변, 대변)을 검출하고, 검출된 배설물이 소변인지 대변인지를 결정한다. 보다 구체적으로, 기저귀용 소대변 검출장치(20)의 소대변 검출부(26)는 전압 비교부(25)로부터 입력된 기준신호의 전압과 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과에 기초하여 도전성 전극(12)의 커패시턴스 변화를 산출한다. 소대변 검출부(26)는 도전성 전극(12)의 커패시턴스가 소정의 임계치 이상으로 변화한 경우 기저귀에 배설물이 수용되었다고 결정함으로써, 기저귀(1)에서된 배설물을 검출한다.
또한, 소대변 검출부(26)는 도전성 전극(12)의 커패시턴스 변화율에 기초하여 검출된 배설물이 소변인지 또는 대변인지를 검출한다. 보다 구체적으로, 소대변 검출부(26)는 전압 비교부(25)로부터 입력된 기준신호의 전압과 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과에 기초하여 도전성 전극(12)의 커패시턴스 변화율을 산출한다. 상술한 바와 같이, 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스는 2개의 도전성 전극(12) 사이의 유전율의 변화, 즉 기저귀에 수용된 배설물의 종류에 따라 커패시턴스가 가변되고, 소변은 주로 수분으로 이루어져 있고 대변도 소변보다 적은 수분을 포함하고 있다. 상술한 바와 같이, 상대적으로 수분의 함유량이 많은 소변이 대변보다 기저귀에 빠르게 수용된다. 이에 따라, 소변이 기저귀에 수용되는 경우 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화율이 대변이 기저귀에 수용되는 경우에서의 커패시턴스의 변화율보다 크다.
소대변 검출부(26)는 산출된 도전성 전극(12)의 커패시턴스 변화율이 임계 변화율 이상인 경우에는 검출된 배설물이 소변이라고 결정하고, 산출된 도전성 전극(12)의 커패시턴스 변화율이 임계 변화율 미만인 경우에는 검출된 배설물이 대변이라고 결정한다. 소대변 검출부(26)는 소변 또는 대변이 검출된 경우, 소변 또는 대변이 검출되었음을 나타내는 신호를 무선통신부(27)로 입력한다.
무선통신부(27)는 기저귀에 소변 또는 대변이 검출되었음을 나타내는 신호를 입력받은 경우, 기저귀에 소변 또는 대변이 배설되었음을 알리는 메시지를 보호자의 무선 통신 단말로 전송한다. 보호자는 무선 통신 단말로 전송된 소변 또는 대변이 배설되었음을 나타내는 메시지를 통하여, 아이 또는 환자가 기저귀에 소변 또는 대변을 배설하였음을 알 수 있고, 신속하게 기저귀를 교체할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 기저귀용 소대변 검출장치(20)는 음악이나 소리를 출력할 수 있는 알람부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 소대변 검출부(26)는 소변 또는 대변을 검출되었음을 나타내는 신호를 알람부로 입력한다. 알람부는 소변 또는 대변을 검출되었음을 나타내는 신호가 입력된 경우 음악 또는 소리를 출력하여 보호자에게 착용자가 기저귀에 소변 또는 대변을 배설하였음을 알릴 수 있다. 알람부는 검출된 배설물이 소변인지 또는 대변인지에 따라 다른 음악 또는 소리를 출력할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 기저귀용 소대변 검출장치는 기저귀의 흡수층에 도전성 전극을 배열하고, 도전성 전극의 임피던스 변화를 산출하여 기저귀에서 배설물을 검출한다. 기저귀용 소대변 검출장치는 실시간으로 기준신호의 전압, 및 도전성 전극의 전압을 비교하여 도전성 전극의 임피던스(커패시턴스) 변화를 측정함으로써, 높은 정확도로 기저귀에서 배설물을 검출할 수 있다.
또한, 기저귀용 소대변 검출장치는 기저귀에 결합된 도전성 전극의 임피던스 변화를 산출하고 기저귀에 밀착된 서미스터의 저항의 변화를 산출하여 기저귀에서 배설물을 검출한다. 기저귀용 소대변 검출장치는 도전성 전극의 임피던스가 변화하고 서미스터의 저항이 변화한 경우에 기저귀에 배설물이 수용되었다고 결정한다. 보다 구체적으로, 기저귀용 소대변 검출장치는 도전성 전극의 임피던스의 변화뿐만 아니라 기저귀의 온도 변화를 이용하여 기저귀에 대소변을 검출함으로써, 소변 또는 대변의 검출 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이에 더하여, 기저귀용 소대변 검출장치는 서미스터의 저항 변화를 이용하여 기저귀의 온도변화율을 산출하거나 도전성 전극의 임피던스 변화율을 산출하여 기저귀에서 검출된 배설물이 소변인지 또는 대변인지를 검출한다. 기저귀를 착용한 아이 또는 환자의 보호자로 하여금 기저귀에서 검출된 배설물이 소변인지 대변인지를 알 수 있게 하여, 기저귀에 수용된 배설물의 종류에 따라 적절한 처리를 가능하게 한다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로해석되어야 할 것이다.
1: 기저귀
10: 제 1 흡수층 11: 제 2 흡수층
12: 도전성 전극 13: 방수층
20: 기저귀용 소대변 검출장치
21: 클록 생성부 22: PWM 신호 생성부
23: 기준전압 생성부 24: 서미스터
25: 전압 비교부 26: 소대변 검출부
27: 무선통신부

Claims (7)

  1. 기저귀에 장착되는 기저귀용 소대변 검출장치(20)에 있어서,
    상기 기저귀에 부착되며, 온도에 따라 저항이 가변되는 특성을 갖는 서미스터(24);
    일정한 전압을 갖는 정현파 형태의 기준신호를 생성하고, 상기 기준 신호를 상기 기저귀의 삽입된 2개의 도전성 전극(12) 및 상기 서미스터(24)로 입력하는 기준신호 생성부(23);
    상기 기준신호의 전압, 상기 2개의 도전성 전극(12)의 전압, 및 상기 서미스터(24)의 전압을 비교하는 전압 비교부(25); 및
    상기 기저귀에서 배설물을 검출하는 소대변 검출부(26)를 포함하고,
    상기 소대변 검출부(26)는 상기 기준 신호의 전압과 상기 2개의 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과 및 상기 기준신호의 전압과 상기 서미스터(24)의 전압의 비교 결과에 기초하여, 상기 기저귀에서 배설물을 검출하고, 상기 검출된 배설물이 소변인지 대변인지를 결정하는 것을 특징으로 하는 기저귀용 소대변 검출장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 도전성 전극(12)은 제 1 저항과 직렬로 연결되고,
    상기 서미스터(24)는 제 2 저항과 직렬로 연결되고,
    상기 제 1 저항과 상기 제 2 저항은 상기 기준신호 생성부(23)의 출력단에 공통으로 연결됨으로써 상기 기준신호 생성부(23)로부터 출력된 기준신호의 전압이 상기 2개의 도전성 전극(12) 및 상기 서미스터(24) 각각에 분배되는 것을 특징으로 하는 기저귀용 소대변 검출장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소대변 검출부(26)는
    상기 기준신호의 전압과 상기 2개의 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과에 기초하여 상기 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화를 산출하고, 상기 산출된 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화가 임계치 이상인 경우 상기 기저귀에 배설물이 수용되었다고 결정하고, 상기 산출된 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화가 임계치 미만인 경우 상기 기저귀에 배설물이 수용되지 않았다고 결정함으로써, 상기 기저귀에서 배설물을 검출하는 것을 특징으로 하는 기저귀용 소대변 검출장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소대변 검출부(26)는
    하기의 수학식 1에 기초하여 상기 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화를 산출하는 것을 특징으로 하는 기저귀용 소대변 검출장치.
    <수학식 1>
    Figure 112020018831658-pat00008

    (C는 상기 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스이고, Va는 상기 기준신호의 전압이고, Vb는 상기 2개의 도전성 전극(12)의 전압이고, w는 상기 기준신호의 각속도이고, R2는 상기 제 2 저항의 저항값)
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 소대변 검출부(26)는
    상기 기저귀에서 배설물이 검출된 경우, 상기 기준신호의 전압과 상기 서미스터(24)의 전압의 비교 결과에 기초하여 상기 서미스터(24)의 저항값의 변화율을 산출하고, 상기 산출된 서미스터(24)의 저항값의 변화율이 임계변화율 이상인 경우 상기 기저귀에서 검출된 배설물이 소변이라고 결정하고, 상기 산출된 서미스터(24)의 저항값의 변화가 임계변화율 미만인 경우 상기 기저귀에서 검출된 배설물이 대변이라고 결정하는 것을 특징으로 하는 기저귀용 소대변 검출장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 소대변 검출부(26)는
    하기의 수학식 2에 기초하여 상기 서미스터(24)의 저항값의 변화율을 산출하는 것을 특징으로 하는 기저귀용 소대변 검출장치.
    <수학식 2>
    Figure 112022008804727-pat00009

    (R서미스터는 상기 서미스터(24)의 저항값이고, Va는 상기 기준신호의 전압이고, Vc는 상기 서미스터(24)의 전압이고, R1은 상기 제 1 저항의 저항값)
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 소대변 검출부(26)는
    상기 기준신호의 전압과 상기 2개의 도전성 전극(12)의 전압의 비교 결과 및 상기 기준신호의 전압과 상기 서미스터(24)의 전압의 비교 결과에 기초하여 상기 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화 및 상기 서미스터(24)의 저항값의 변화를 산출하고, 상기 산출된 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화 및 상기 산출된 서미스터(24)의 저항값의 변화 각각이 임계치 이상인 경우 상기 기저귀에 배설물이 수용되었다고 결정하고, 상기 산출된 2개의 도전성 전극(12)의 커패시턴스의 변화가 임계치 미만인 경우 상기 기저귀에 배설물이 수용되지 않았다고 결정함으로써, 상기 기저귀에서 배설물을 검출하는 것을 특징으로 하는 기저귀용 소대변 검출장치.
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