JP2009273611A - 生体情報検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 生体情報検出並びに電源電圧供給手段を備えた生体情報検出装置を実現する。
【解決手段】 被験者の体動に伴う圧力変動を電気信号に変換する圧電素子を具備する生体情報検出装置において、
前記電気信号を入力して生体情報を検出する生体情報検出手段と、
前記被験者の体動に伴って前記圧電素子に発生する電気エネルギーを蓄えて直流電源電圧を供給する電源供給手段と、
前記圧電素子と前記電源供給手段との接続を周期的に所定期間遮断するスイッチ手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被験者の体動に伴う圧力変動を電気信号に変換する圧電素子を具備し、圧電素子の正圧電効果または逆圧電効果を活用した生体情報検出装置と、それを用いた心拍・呼吸・体温計、歩数計、身体各部動き検出装置、睡眠深度（睡眠段階）検出装置に関するものである。

圧電センサーを備える生体情報検出装置については、特許文献１に開示がある。この発明の趣旨は、可撓性を有した輪状の圧電センサーを生体の所定部位の周囲に装着することにより、圧電センサーの出力信号から前記生体の心拍に基づく体動信号、前記生体の呼吸に基づく体動信号、及び前記生体の動作に基づく体動信号の少なくとも1つを生体情報として検出するものである。

ピエゾフィルムまたはピエゾケーブルを身体の一部に装着し、人間の歩行時の運動エネルギーを有効利用し、各種携帯用電気機器、及び携帯用情報端末、或いは商用二次電池に電力を供給する携帯用歩行発電装置については、特許文献２に開示がある。

特開２００２−１０２１８６号公報 特開２００４−９６９８０号公報

従来技術では、次のような問題点がある。
（１）特許文献１記載の発明では、携帯使用する場合の電源、ブザー機能、スイッチ機能に関する開示がなく、小型化が困難である。更に温度計測機能を追加することが困難である。

（２））特許文献２記載の発明では、人間の歩行時の運動エネルギーを利用して発電するだけであり、生体情報の検出機能を備えていない。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、次の１項乃至５項の機能を備えた生体情報検出装置を実現することを目的としている。
１．生体情報検出・電源電圧供給・ブザー駆動機能：
（１）圧電素子の正圧電効果を利用して、被験者の体動に伴って発生する圧力変動から、被験者の心拍、呼吸、身体各部の動きを検出する（生体情報検出）。
（２）圧電素子の正圧電効果を利用して、被験者の体動に伴って発生する機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを蓄えて直流電源電圧を供給する（電源電圧供給）。
（３）圧電素子の逆圧電効果を利用して、圧電素子に電圧を印加することによって、ブザー音を発生させる（ブザー駆動）。
（４）１個の圧電素子を用いて、上記の（１）生体情報検出、（２）電源電圧供給、及び（３）ブザー駆動 を可能にする。

２．心拍・呼吸・体温計測機能：
圧電素子が持つ特性を有効利用し、従来の体温計から電池、電源スイッチ、専用ブザーを減らしても、圧電素子を追加するだけで、体温計測機能のみならず心拍数及び呼吸数の計測機能をも有する心拍・呼吸・体温計を、従来の体温計と同一サイズで実現する。
従来の体温計と同一のサイズとコストで、体温のみならず心拍数及び呼吸数も計測できるように、部品点数を減らして小形化、コストダウン、省エネを図る。

（１）腋下に挟んで体温を測る体温計と同じように、腋下に挟んで心拍数と呼吸数を同時に測れるようにする。
（２）体温計と類似の形状にして、心拍数、呼吸数、体温を同時に測れるように一体化した心拍・呼吸・体温計を実現する。
（３）計測結果の表示項目が複数（心拍数、呼吸数、体温）になっても、表示部を共用できるようにして、切換え表示を行えるようにする。
（４）切換え表示を行うための表示切換え専用のスイッチを不要にする。
（５）計測正常終了、操作エラー等を知らせる音を鳴らす専用ブザーを用意しないで、圧電素子を共用し、部品点数を減らす。
（６）被検者の体動や指の操作等により圧電素子で発生する電気エネルギーを用いて電源電圧を供給し、電池を使用しないようにする。無駄に捨てていた機械的エネルギーを用いて省エネを図る。

３．歩数計測機能：
（１）従来の歩数計と同じような歩数・走数・運動量の計測や運動種類（「ゆっくり歩く」、「速く走る」等）の検出以外に、心拍数、呼吸数などの生体情報を同時に計測し、歩行・走行に伴う生体情報の変動を計測できるようにする。
（２）人間の歩行時の運動エネルギーを有効利用して発電し、歩数計自体で消費する電力を自ら供給する。余剰分は、二次電池に蓄え、他の用途で利用できるようにする。
（３）メンテナンスフリーのセンサーを使用する。
（４）圧力変動に対して高い電圧出力が得られ、高耐電圧性であって、優れた柔軟性、加工性、耐衝撃性、耐水性、科学的安定性を兼ね備える材質で製作されたセンサーを使用する。
（５）鉛成分を含まない素材のセンサーを使用する。圧電セラミックスは鉛成分を含んでいる。

４．身体各部動き検出機能：
（１）被験者の身体を拘束せずに検出できるようにする（無拘束検出）。
（２）身体各部の動きの検出と同時に、心拍数、呼吸数などの生体情報を同時に計測し、身体各部の動きと生体情報との関係性を解明できるようにする。
（３）人間の身体各部の動きに伴って発生する運動エネルギーを有効利用して発電し、身体各部動き検出装置自体で消費する電力を自ら供給する。余剰分は、二次電池に蓄え、他の用途で利用できるようにする。
（４）メンテナンスフリーのセンサーを使用する。
（５）圧力変動に対して高い電圧出力が得られ、高耐電圧性であって、優れた柔軟性、加工性、耐衝撃性、耐水性、科学的安定性を兼ね備える材質で製作されたセンサーを使用する。
（６）鉛成分を含まない素材のセンサーを使用する。圧電セラミックスは鉛成分を含んでいる。

５．睡眠深度（睡眠段階）検出機能：
（１）被験者の身体を拘束せずに検出できるようにする（無拘束検出）。
（２）被験者の就寝時の心拍数、呼吸数に関する情報だけではなく、身体各部の動きを同時に検出して、睡眠深度（睡眠段階）の検出精度を高める。
（３）人間の就寝時の身体各部の動きに伴って発生する運動エネルギーを有効利用して発電し、睡眠深度（睡眠段階）検出装置自体で消費する電力を自ら供給する。余剰分は、二次電池に蓄え、他の用途で利用できるようにする。
（４）メンテナンスフリーのセンサーを使用する。
（５）圧力変動に対して高い電圧出力が得られ、高耐電圧性であって、優れた柔軟性、加工性、耐衝撃性、耐水性、科学的安定性を兼ね備える材質で製作されたセンサーを使用する。
（６）鉛成分を含まない素材のセンサーを使用する。圧電セラミックスは鉛成分を含んでいる。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）被験者の体動に伴う圧力変動を電気信号に変換する圧電素子を具備する生体情報検出装置において、
前記電気信号を入力して生体情報を検出する生体情報検出手段と、
前記被験者の体動に伴って前記圧電素子に発生する電気エネルギーを蓄えて直流電源電圧を供給する電源供給手段と、
前記圧電素子と前記電源供給手段との接続を周期的に所定期間遮断するスイッチ手段と、を備えることを特徴とする生体情報検出装置。

（２）被験者の体動に伴う圧力変動を電気信号に変換する圧電素子を具備する生体情報検出装置において、
前記電気信号を入力して生体情報を検出する生体情報検出手段と、
外部より入力されるブザー駆動信号に基づいて、前記圧電素子を振動させてブザー音を発生させるブザー駆動手段と、
前記圧電素子と前記ブザー駆動手段との接続を周期的に所定期間遮断するスイッチ手段と、
を備えることを特徴とする生体情報検出装置。

（３）被験者の体動に伴う圧力変動を電気信号に変換する圧電素子を具備する生体情報検出装置において、
前記電気信号を入力して生体情報を検出する生体情報検出手段と、
前記被験者の体動に伴って前記圧電素子に発生する電気エネルギーを蓄えて直流電源電圧を供給する電源供給手段と、
外部より入力されるブザー駆動信号に基づいて、前記圧電素子を振動させてブザー音を発生させるブザー駆動手段と、
前記圧電素子と前記電源供給手段及び前記ブザー駆動手段との接続を、同期して周期的に所定期間遮断するスイッチ手段と、
を備えることを特徴とする生体情報検出装置。

（４）前記スイッチ手段は、前記ブザー駆動手段または前記電源供給手段が備えるクロック信号を取得し、前記圧電素子と前記電源供給手段及び前記ブザー駆動手段との接続を、同期して周期的に所定期間遮断することを特徴とする（２）または（３）に記載の生体情報検出装置。

（５）前記圧電素子を複数個備え、前記電源供給手段は複数の前記圧電素子の電気信号を、整流手段を介して一括接続して入力することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の生体情報検出装置。

（６）前記生体情報検出手段は、前記被験者の心拍信号、呼吸信号、動作情報信号の少なくとも何れかを検出して抽出することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の生体情報検出装置。

（７）前記圧電素子の一方の電極に前記被験者の体動を受ける突起を設けたことを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の生体情報検出装置。

（８）前記被験者の心拍数、呼吸数、体温の少なくとも何れかの計測手段を備えたことを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の生体情報検出装置。

（９）前記被験者の身体各部の動きを検出する、動き検出手段を備えたことを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の生体情報検出装置。

（１０）前記被験者の睡眠深度を検出する、睡眠深度検出手段を備えたことを特徴とする（１）乃至（９）のいずれかに記載の生体情報検出装置。

（１１）前記被験者の装着する靴底または中敷に内蔵した歩数計測手段を備えたことを特徴とする（１）乃至（１０）のいずれかに記載の生体情報検出装置。

本発明の構成によれば、次の１項乃至５項の効果を期待することができる。
１．生体情報検出機能：
（１）圧電素子の正圧電効果を利用して、被験者の体動に伴って発生する圧力変動から、被験者の心拍、呼吸、身体各部の動きを検出できる（生体情報検出）。
（２）圧電素子の正圧電効果を利用して、被験者の体動に伴って発生する機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを蓄えて直流電源電圧を供給できる（電源電圧供給）。
（３）圧電素子の逆圧電効果を利用して、圧電素子に電圧を印加することによって、ブザー音を発生させることができる（ブザー駆動）。
（４）１個の圧電素子を用いて、上記の（１）生体情報検出、（２）電源電圧供給、及び（３）ブザー駆動が可能である。

２．心拍・呼吸・体温計測機能：
（１）圧力変動センサーとして圧電素子を用いるので、小形、単純な回路構成、小電力である。
（２）腋下に挟んで体温を測る体温計と同じように、腋下に挟んで心拍数と呼吸数を同時に簡単に測れる。
（３）体温計と類似の形状なので、体温を測る時に心拍数および呼吸数を同時に測ることができ、便利である。
（４）切換え表示を行えるので、計測結果の表示項目が複数（心拍数、呼吸数、体温）になっても、表示部を共用できる。
（５）切換え表示を行うための表示切換え専用のスイッチが不要である。
（６）圧電素子を共用するので、計測正常終了、操作エラー等を知らせる音を鳴らす専用ブザーが不要である。
（７）圧電素子の一方の電極に、本体カバーケースの外側に突出させた突起を直接取り付けているので、被検者の体動を直接受けることになり、感度の途中ロスを少なくできる。
（８）本体カバーケースの外側に突出させた突起の形状が丸形なので、被検者にとって肌触りが良い。
（９）被検者の体動や指の操作等により圧電素子で発生する電気エネルギーを用いて電源電圧を供給し、電池を使用しないようにする。無駄に捨てていた機械的エネルギーを用いて省エネを図ることができる。

３．歩数計測機能：
（１）従来の歩数計と同じような歩数・走数・運動量の計測や運動種類（「ゆっくり歩く」、「速く走る」等）の検出以外に、心拍数、呼吸数などの生体情報を同時に計測し、歩行・走行に伴う生体情報の変動を計測できる。
（２）人間の歩行時の運動エネルギーを有効利用して発電し、歩数計自体で消費する電力を自ら供給する。余剰分は、二次電池に蓄え、他の用途で利用できる。
（３）センサーはメンテナンスフリーである。
（４）使用されるセンサーは、圧力変動に対して高い電圧出力が得られ、高耐電圧性であって、優れた柔軟性、加工性、耐衝撃性、耐水性、科学的安定性を兼ね備えている。
（５）使用されるセンサーは、鉛フリーである。

４．身体各部動き検出機能
（１）被験者の身体を拘束せずに検出できる（無拘束検出可能）。
（２）身体各部の動きの検出と同時に、心拍数、呼吸数などの生体情報を同時に計測し、身体各部の動きと生体情報との関係性を解明できる。
（３）人間の身体各部の動きに伴って発生する運動エネルギーを有効利用して発電し、身体各部動き検出装置自体で消費する電力を自ら供給する。余剰分は、二次電池に蓄え、他の用途で利用できる。
（４）センサーはメンテナンスフリーである。
（５）使用されるセンサーは、圧力変動に対して高い電圧出力が得られ、高耐電圧性であって、優れた柔軟性、加工性、耐衝撃性、耐水性、科学的安定性を兼ね備えている。
（６）使用されるセンサーは、鉛フリーである。

５．睡眠深度（睡眠段階）検出機能：
（１）被験者の身体を拘束せずに検出できる（無拘束検出可能）。
（２）被験者の就寝時の心拍数、呼吸数に関する情報だけではなく、身体各部の動きを同時に検出して、睡眠深度（睡眠段階）の検出精度を高めることができる。
（３）人間の就寝時の身体各部の動きに伴って発生する運動エネルギーを有効利用して発電し、睡眠深度（睡眠段階）検出装置自体で消費する電力を自ら供給する。余剰分は、二次電池に蓄え、他の用途で利用できる。
（４）センサーはメンテナンスフリーである。
（５）使用されるセンサーは、圧力変動に対して高い電圧出力が得られ、高耐電圧性であって、優れた柔軟性、加工性、耐衝撃性、耐水性、科学的安定性を兼ね備えている。
（６）使用されるセンサーは、鉛フリーである。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した生体情報検出装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態は、請求項３に記載された発明の構成要素を備えるものであり、生体情報検出装置１０は、圧電素子２０、生体情報検出手段３０、電源供給手段４０及びブザー駆動手段５０で構成されている。

圧電素子２０は、加えられた力を電圧に変換する、あるいは電圧を力に変換する機能を有する。圧電素子２０は、被験者の体動によって加えられた圧力を電圧信号に変換し、生体情報検出手段３０および電源供給手段４０に出力する。また、圧電素子２０は、ブザー駆動手段５０からの電気信号を受けて、機械的振動を起こし、ブザー音を発生する。

生体情報検出手段３０は、圧電素子２０から出力される電圧信号より、被験者の心拍信号Ｓ１、呼吸信号Ｓ２、動作情報信号Ｓ３を検出する。電源供給手段４０は、圧電素子２０から出力される電気エネルギーを蓄えて直流電源電圧Ｖｃｃを供給する。

直流電源電圧Ｖｃｃが、生体情報検出手段３０及びブザー駆動手段５０の電源電圧として給電される。ブザー駆動手段５０は、入力として与えられるブザー駆動信号ＢＺに従って、圧電素子２０に対して電圧を印加し、ブザー音を発生させる。

電源供給手段４０及びブザー駆動手段５０は、夫々スイッチ手段４０１及び５０１を備える。これらスイッチ手段は、同期して圧電素子２０との接続を周期的に所定時間遮断する。同期駆動のため、実施形態ではブザー駆動手段５０のスイッチ手段５０１を開閉制御する信号を、電源供給手段４０のスイッチ手段４０１を開閉制御するクロックＣＬとして利用している。

圧電素子２０の出力インピーダンスは非常に高い。従って、低入力インピーダンスの電源供給手段４０及び低出力インピーダンスのブザー駆動手段５０が接続された状態では、生体情報の検出ができないので、スイッチ手段４０１，５０１により周期的な遮断期間を設け、この遮断期間中に生体情報検出手段３０が圧電素子２０からの生体情報信号を離散的に取得する。

生体情報検出手段３０は、図５で後述するように、生体情報を抽出する１００Ｈｚ以下の帯域通過フィルタを備えており、電源供給手段４０の充電・遮断の繰返し周波数約２ｋＨｚ及びブザー駆動手段５０の電圧印加・放電の繰返し周波数約４ｋＨｚの信号は通過せず、生体情報の抽出動作には影響を与えない。

図２は、本発明を適用した生体情報検出装置の他の実施形態を示す機能ブロック図である。図１の実施形態との構成上の相違点は、圧電素子２０の出力を、整流手段６０で全波整流した後に、生体情報検出手段３０、電源供給手段４０に与える点にある。

ブザー駆動手段５０は、図１と同様に圧電素子２０に直接接続され、ブザー駆動信号ＢＺに従って、圧電素子に対して電圧を印加し、ブザー音を発生させる。

図３は、本発明を適用した生体情報検出装置の更に他の実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の特徴は、複数個（図示では２個）の圧電素子２１，２２を設けた構成にある。尚、この実施形態ではブザー駆動手段は備えていない。

これら圧電素子２１，２２の出力を直接取得する生体情報検出手段３１，３２、これら圧電素子２１，２２の出力を全波整流する整流手段６１，６２、これら整流手段の出力を一括接続して入力する１個の電源供給手段４０で構成されている。

電源供給手段４０において、整流手段６１，６２との接続を周期的に遮断するスイッチ手段４０１は、スイッチ駆動手段４０２により開閉制御され、整流手段６１，６２からの直流電流を充電用コンデンサ４０３に充電する。

図４は、圧電素子に対するブザー駆動手段、電源供給手段、生体情報検出手段の接続状態を示すタイミング・チャートである。図４（Ａ）はブザー駆動手段５０の出力、（Ｂ）は電源供給手段４０の入力、（Ｃ）は生体情報検出手段３０の入力タイミングを示している。

スイッチ手段４０１により、電源供給手段４０の入力は図４（Ｂ）に示すように圧電素子２０に対して周期的に接続及び遮断し、接続期間では離散的に充電され、遮断期間では、図４（Ｃ）のように離散的に生体情報検出が実行される。

図４（Ａ）のブザー駆動手段出力は、図４（Ｂ）の電源供給手段４０の入力の充電及び遮断に同期し、電源供給手段入力の充電期間の前半期間で圧電素子２０への電圧印加を実行し、後半期間で放電を実行する。

前述したように、圧電素子２０の出力インピーダンスは高いので、生体情報検出手段３０が圧電素子２０の出力電圧より生体情報を検出する時には、入力インピーダンスまたは出力インピーダンスの低い他の手段と圧電素子との間の回路接続を遮断（電気的に絶縁）する必要がある。

このように、生体情報を検出していない時に、ブザー駆動手段５０の出力及び電源供給手段４０の入力が圧電素子２０に接続される。その接続されている時間内に、ブザー駆動手段５０は圧電素子２０に対して電圧を印加し、その後、圧電素子に蓄えられた電気エネルギーを放電する。また、電源供給手段４０は図３で示した充電用コンデンサ４０３を充電する。

図５は、圧電素子２０に接続される生体情報検出手段３０の構成例を示す機能ブロック図である。生体情報検出手段３０では、圧電素子２０からの出力電圧を、周波数特性の異なる３種類の帯域通過フィルタ手段３０１、３０２、３０３を通して心拍信号Ｓ１、呼吸信号Ｓ２、動作情報信号Ｓ３を抽出・分離する。

生体情報を抽出・分離する、これら帯域通過フィルタの通過周波数帯域は１００Ｈｚ以下であり、電源供給手段４０の充電・遮断の繰返し周波数約２ｋＨｚ及びブザー駆動手段５０の電圧印加・放電の繰返し周波数約４ｋＨｚの信号は通過せず、生体情報の抽出・分離動作には影響を与えない。

図６は、圧電素子２０に接続されるブザー駆動手段５０の構成例を示す回路図である。ブザー駆動手段５０は、スイッチ手段を形成する半導体リレー（または半導体スイッチ）５０１、発振回路５０２、分周回路５０３、ＡＮＤ回路Ａ５０４、ＡＮＤ回路Ｂ５０５、駆動回路５０６及び放電用抵抗５０７で構成される。

図７は、図６に示すブザー駆動手段５０内の信号のタイミング・チャートである。図７（Ａ）はブザー駆動信号ＢＺ波形、（Ｂ）は発振回路５０２の出力、（Ｃ）は分周回路５０３の出力、（Ｄ）はＡＮＤ回路Ａ５０４の出力、（Ｅ）はＡＮＤ回路Ｂ５０５の出力、（Ｆ）は駆動回路５０６の出力、（Ｇ）は圧電素子２０に印加されるブザー駆動手段４０の出力波形を示している。

発振回路５０２の出力は、分周回路５０３で分周される。ＡＮＤ回路Ａ５０４は、ブザー駆動信号ＢＺがＨの時にのみ、その分周回路出力信号をＡＮＤ回路Ａ出力信号として出力する。

ＡＮＤ回路Ａ５０４の出力信号は、ＡＮＤ回路Ｂ５０５と半導体リレー５０１に与えられる。ＡＮＤ回路Ｂ５０５は、ＡＮＤ回路Ａ５０４の出力信号と発振回路５０２の出力信号とのＡＮＤ（論理積）を取り、ＡＮＤ回路Ｂ５０５の出力信号として出力する。駆動回路５０６は、ＡＮＤ回路Ｂ５０５の出力信号がＨの時にのみ電圧印加（Ｈレベル電圧）し、それ以外の時には出力電圧をオフにする。

半導体リレー５０１は、ＡＮＤ回路Ａ５０４の出力がＨの時に接点が閉じて、駆動回路５０６の出力が圧電素子２０に出力される。発振回路５０２の出力信号がＨの時に、圧電素子２０にＨレベル電圧を印加し、発振回路５０２の出力信号がＬの時には、圧電素子２０に蓄えられた電気エネルギーが放電用抵抗Ｒ５０７を介して放電される。ＡＮＤ回路Ａ５０４の出力がＬの時には半導体リレー５０１の接点が開くために、圧電素子２０との回路接続が遮断される。

図８は、電源供給手段の構成例を示す機能ブロック図である。電源供給手段４０は、スイッチ手段を形成する半導体リレー（または半導体スイッチ）４０１、発振回路４０２、ＡＮＤ回路４０３、ダイオードＤ１〜Ｄ４、充電用コンデンサＣ４０４、直流電源電圧Ｖｃｃ１を出力する第１のチャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０５及び直流電源電圧Ｖｃｃ２を出力する第２のチャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０６で構成される。

第２のチャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０６の動作入力電圧は、第１のチャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０５の動作入力電圧よりも高い。第２チャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０６は、生体情報検出装置および本体回路以外に直流電源電圧を供給する場合、例えば、商用二次電池を充電する場合には必要であるが、不要の場合もある。

充電用コンデンサＣ４０４に電荷が蓄えられていない時には、チャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０５及びチャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０６の出力電圧は発生しない（Ｌレベル）。そのため、ＡＮＤ回路４０３のゲートは閉じられ、出力はＬとなる。

そのため、半導体リレー４０１の接点は閉じている。この時に、圧電素子２０に圧力が加えられて電圧に変換されると、その電圧はダイオードＤ１〜Ｄ４で全波整流され、電荷がコンデンサＣ４０４に蓄えられる。

電荷が蓄えられて、コンデンサＣ４０４の両電極間の電圧がある値に達すると、チャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０５が動作を開始し、直流電源電圧Ｖｃｃ１を供給し始める。

その直流電源電圧Ｖｃｃ１がＨレベルになると、ＡＮＤ回路４０３のゲートが開き、発振回路４０２からのクロック信号が出力される。発振回路４０２の出力がＨレベル、即ちＡＮＤ回路４０３の出力がＨレベルの時には、半導体リレー４０１の接点が開となり、回路が遮断状態となる。

次に、クロック信号がＬレベル、即ちＡＮＤ回路４０３の出力がＬレベルの時には、半導体リレー４０１の接点が閉となり、回路は接続状態となる。従って、回路は圧電素子２０に対して周期的に遮断状態と接続状態とを繰り返す。

チャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０６の動作開始電圧は、チャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０５の動作開始電圧よりも高い。従って、コンデンサＣ４０４に電荷が蓄積されて、コンデンサＣ４０４の両電極間の電圧が高くなる場合には、初めにチャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０５が動作開始し、その後でチャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０６が動作を開始する。

逆に、コンデンサＣ４０４の電荷が放電される場合には、初めにチャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０６が動作を停止し、次にチャージポンプＤＣ／ＤＣコンバータ４０５が動作を停止する。

図９は、電源供給手段の他の構成例を示す機能ブロック図である。図８の実施形態との相違点は、スイッチ手段４０１として図８の半導体リレーの代わりに、ＰＮＰトランジスタＴｒでコンデンサＣ４０４への充電回路を遮断する例である。

ＡＮＤ回路４０３の出力がＬレベルの時には、トランジスタＴｒのベース電位がエミッタ電位よりも低いので、トランジスタはオンとなり、充電回路は接続状態となる。逆に、ＡＮＤ回路４０３の出力がＨレベルの時には、トランジスタのベース電位がエミッタ電位よりも高くなるので、トランジスタはオフとなり、充電回路は遮断状態となる。

図１０は、圧電素子２０、ブザー駆動手段５０及び電源供給手段４０間の接続例を示す回路図である。ブザー駆動手段５０の出力及び電源供給手段４０の入力を同期して圧電素子２０との接続を遮断（電気的に絶縁）するために、電源供給手段４０のクロックＣＬとしてブザー駆動手段５０の分周回路５０３出力を取得し、インバーター４０７を介してＡＮＤ回路４０３に入力している。

図１１は、圧電素子の取付け状態を示す外観図及び断面図である。図１１（Ａ）は、心拍・呼吸・体温計の外観図を示す。温度センサーが内蔵されている感温部、圧電素子の外側電極に固定された突起部分および心拍数、呼吸数、体温を切り替え表示する表示部を示す。

表示内容は、突起部分を指で押すことにより、切り替えられる。心拍・呼吸・体温計が被験者の腋下に挟まれて、温度センサーが検温している時に、同時に、圧電素子の外側電極に固定された突起部は、被験者の体動に伴う圧力変動を圧電素子に伝える。

図１１（Ｂ）は、圧電素子として圧電セラミックスを用いた例を示す。圧電セラミックスの外側電極に固定された突起部分の取り付け状態を示す。突起部分は周囲の本体カバーケースより突出させ、被験者の体動に伴う圧力変動を受け易い構造にしている。

突起部分及びその周辺の本体カバーケースにはシールを貼り付ける。心拍、呼吸、体温を計測後、心拍・呼吸・体温計を消毒するために消毒液に浸した時に、消毒液が内部に侵入するのを防止する。

図１１（Ｃ）は、圧電素子としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの高分子圧電素子を用いた例を示す。高分子圧電素子の一方の電極に突起部分を取り付けた例を示す。図では、高分子圧電素子シートを複数回折り重ねた例を示しているが、同一の高分子圧電素子シートを複数枚重ねる方法もある。

図１２は、心拍・呼吸・体温の計測手段を備えた生体情報検出装置の構成例を示す機能ブロック図である。生体情報検出装置１０に追加される要素は、温度センサー手段７０、体温計測手段８０、心拍数計測手段９０、呼吸数計測手段１００、指操作情報検出手段１１０、表示手段１２０及び制御手段１３０で構成される。

生体情報検出装置１０は、圧電素子２０、生体情報検出手段３０、ブザー駆動手段５０及び電源供給手段４０で構成される。圧電素子２０としては、圧電セラミックスを用いた例を示す。ブザー駆動しない場合には、圧電素子として高分子圧電素子ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いることも可能である。表示手段１２０は、表示制御部１２１と表示部１２２で構成される。

図１乃至図１０で説明した生体情報検出装置１０に追加される要素の機能を説明する。温度センサー手段７０は、センサーとしてはサーミスタを用い、被験者の腋下等の温度を抵抗値に変換する。体温計測手段８０は、抵抗値に変換された温度情報より被験者の体温を算出し、計測した体温データを表示手段１２０に出力する。また、体温計測が正常に終了したこと、またはエラー（異常）が発生したことを制御手段１３０に知らせる。

心拍数計測手段９０は、生体情報検出手段３０からの出力である心拍信号Ｓ１から心拍数を計測する。計測した心拍数データを、表示手段１２０に出力する。また、心拍数計測が正常に終了したこと、またはエラー（異常）が発生したことを制御手段１３０に知らせる。

呼吸数計測手段１００は、生体情報検出手段３０からの出力である呼吸信号Ｓ２から呼吸数を計測する。計測した呼吸数データを表示手段１２０に出力する。また、呼吸数計測が正常に終了したこと、またはエラー（異常）が発生したことを制御手段１３０に知らせる。

指操作情報検出手段１１０は、生体情報検出手段３０からの出力である動作情報信号Ｓ３から、被験者の手による指の操作情報を検出する。指で押される操作を検出すると、表示切替信号として制御手段１３０に出力する。

表示手段１２０は、制御手段１３０からの表示制御信号に基づき、体温、心拍数、呼吸数を選択し、選択されたデータを表示部１２０に表示する。表示の形態は、ＬＣＤ等でディジタル表示する。

制御手段１３０は、体温計測手段８０、心拍数計測手段９０及び呼吸数計測手段１００からの計測動作が正常に終了したかどうかの情報と表示切替信号に基づいて、表示データを選択・表示する。被験者に対して知らせたい、計測正常終了、計測エラー発生等の情報は、それらの情報に対応したブザー駆動信号ＢＺをブザー駆動手段５０に出力し、発生音の違いによって、被験者に対してそれらの情報を知らせる。

図１３は、歩数計計測手段を備えた生体情報検出装置の構成例を示す機能ブロック図である。生体情報検出装置１０に追加される要素は、心拍数計測手段９０、呼吸数計測手段１００、歩数計測手段１４０、記憶手段１５０、表示手段１２０、通信手段１６０及び二次電池２１０で構成される。

生体情報検出装置１０は、圧電素子２０、生体情報検出手段３０及び電源供給手段４０で構成される。圧電素子２０としては、高分子圧電素子ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いた例を示す。電源供給手段４０は、圧電素子２０から出力される電気エネルギーを蓄電し、生体情報検出装置の本体回路に直流電源電圧Ｖｃｃ１を、二次電池２１０に直流電源電圧Ｖｃｃ２を供給する。

心拍数計測手段９０、呼吸数計測手段１００の動作は、図１２と同様であり、計測したデータを表示手段１２０に渡すと共に、正常終了またはエラーデータを制御手段（図示せず）に知らせる。歩数計測手段１４０は、生体情報検出手段３０からの出力である動作情報信号Ｓ３から歩数を計測する。

記憶手段１５０は、心拍数計測手段９０、呼吸数計測手段１００、歩数計測手段１４０から心拍数、呼吸数、歩数の情報を取得して記憶する。表示手段１２０は、この記憶手段１５０に格納された心拍数、呼吸数、歩数を、ＬＣＤ等でディジタル表示する。

通信手段１６０は、記憶手段１５０に格納された心拍数、呼吸数、歩数情報を、有線または無線の通信ネットワーク１７０または１８０を介して、歩行者の身体または靴に装着される表示器１８０またはパソコン２００に送信する。二次電池２１０は、電源供給手段４０から出力される電気エネルギーを蓄える。

図１４は、身体各部の動き検出手段を備えた生体情報検出装置の構成例を示す機能ブロック図である。図１３との相違点は、生体情報検出手段３０からの出力である動作情報信号Ｓ３から、身体各部の動きを検出する動き検出手段２２０を備える点にある。この動き検出手段２２０の出力は、記憶手段１５０に渡されて記憶される。その他の構成要素の動作は、図１３と同一である。

図１５は、睡眠深度（睡眠段階）検出手段を備えた生体情報検出装置の構成例を示す機能ブロック図である。図１４との相違点は、心拍数計測手段９０からの心拍数、呼吸数計測手段１００からの呼吸数、動き検出手段２２０からの身体各部動き情報を入力して、被験者の睡眠深度（睡眠段階）を算出する睡眠深度（睡眠段階）検出手段２３０を設けた構成にある。睡眠深度（睡眠段階）検出手段２３０の出力は、記憶手段１５０に渡されて記憶される。その他の構成要素の動作は、図１４と同一である。

以上説明した実施形態では、生体情報検出装置１０は、電源供給手段４０を備える構成を示したが、圧電素子２０、生体情報検出３０、ブザー駆動手段５０よりなる構成も可能である。この構成の場合には、直流電源としてバッテリーの内蔵または外部より供給される電源を必要とする。

本発明を適用した生体情報検出装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明を適用した生体情報検出装置の他の実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明を適用した生体情報検出装置の更に他の実施形態を示す機能ブロック図である。 圧電素子に対するブザー駆動手段、電源供給手段、生体情報検出手段の接続状態を示すタイミング・チャートである。 圧電素子に接続される生体情報検出手段の構成例を示す機能ブロック図である。 圧電素子に接続されるブザー駆動手段の構成例を示す回路図である。 圧電素子に接続されるブザー駆動手段内の信号のタイミング・チャートである。 電源供給手段の構成例を示す機能ブロック図である。 電源供給手段の他の構成例を示す機能ブロック図である。 圧電素子、ブザー駆動手段及び電源供給手段間の接続例を示す回路図である。 圧電素子の取付け状態を示す外観図及び断面図である。 心拍・呼吸・体温の計測手段を備えた生体情報検出装置の構成例を示す機能ブロック図である。 歩数計測手段を備えた生体情報検出装置の構成例を示す機能ブロック図である。 身体各部の動き検出手段を備えた生体情報検出装置の構成例を示す機能ブロック図である。 睡眠深度（睡眠段階）検出手段を備えた生体情報検出装置の構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１０ 生体情報検出装置
２０ 圧電素子
３０ 生体情報検出手段
４０ 電源供給手段
４０１ スイッチ手段
５０ ブザー駆動手段
５０１ スイッチ手段
ＣＬ クロック
ＢＺ ブザー駆動信号

Claims (11)

1. 被験者の体動に伴う圧力変動を電気信号に変換する圧電素子を具備する生体情報検出装置において、
   前記電気信号を入力して生体情報を検出する生体情報検出手段と、
   前記被験者の体動に伴って前記圧電素子に発生する電気エネルギーを蓄えて直流電源電圧を供給する電源供給手段と、
   前記圧電素子と前記電源供給手段との接続を周期的に所定期間遮断するスイッチ手段と、を備えることを特徴とする生体情報検出装置。
2. 被験者の体動に伴う圧力変動を電気信号に変換する圧電素子を具備する生体情報検出装置において、
   前記電気信号を入力して生体情報を検出する生体情報検出手段と、
   外部より入力されるブザー駆動信号に基づいて、前記圧電素子を振動させてブザー音を発生させるブザー駆動手段と、
   前記圧電素子と前記ブザー駆動手段との接続を周期的に所定期間遮断するスイッチ手段と、
   を備えることを特徴とする生体情報検出装置。
3. 被験者の体動に伴う圧力変動を電気信号に変換する圧電素子を具備する生体情報検出装置において、
   前記電気信号を入力して生体情報を検出する生体情報検出手段と、
   前記被験者の体動に伴って前記圧電素子に発生する電気エネルギーを蓄えて直流電源電圧を供給する電源供給手段と、
   外部より入力されるブザー駆動信号に基づいて、前記圧電素子を振動させてブザー音を発生させるブザー駆動手段と、
   前記圧電素子と前記電源供給手段及び前記ブザー駆動手段との接続を、同期して周期的に所定期間遮断するスイッチ手段と、
   を備えることを特徴とする生体情報検出装置。
4. 前記スイッチ手段は、前記ブザー駆動手段または前記電源供給手段が備えるクロック信号を取得し、前記圧電素子と前記電源供給手段及び前記ブザー駆動手段との接続を、同期して周期的に所定期間遮断することを特徴とする請求項２または３に記載の生体情報検出装置。
5. 前記圧電素子を複数個備え、前記電源供給手段は複数の前記圧電素子の電気信号を、整流手段を介して一括接続して入力することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の生体情報検出装置。
6. 前記生体情報検出手段は、前記被験者の心拍信号、呼吸信号、動作情報信号の少なくとも何れかを検出して抽出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の生体情報検出装置。
7. 前記圧電素子の一方の電極に前記被験者の体動を受ける突起を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の生体情報検出装置。
8. 前記被験者の心拍数、呼吸数、体温の少なくとも何れかの計測手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の生体情報検出装置。
9. 前記被験者の身体各部の動きを検出する、動き検出手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の生体情報検出装置。
10. 前記被験者の睡眠深度を検出する、睡眠深度検出手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の生体情報検出装置。
11. 前記被験者の装着する靴底または中敷に内蔵した歩数計測手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の生体情報検出装置。

Images