JP2012170471A - 振動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】寝心地に対する影響が小さく、検出感度の優れた簡素な構造の振動センサを提供する。
【解決手段】振動センサ１は、シート状のベース部材１０と、当該ベース部材１０の一方の面１０Ａに、ベース部材１０の表面から突出するように載置される凸状部１１と、当該凸状部１１の頂部１１Ａの少なくとも一部とベース部材１０の一方の面１０Ａの少なくとも一部とを一体で覆うように凸状部１１の頂部１１Ａ及びベース部材１０の一方の面１０Ａに密着して載置され、荷重の変化を検出する圧電フィルム１２と、ベース部材１０に載置された圧電フィルム１２の表側に密着して配置される弾性を有するシート部材１５と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、寝具上の人の状態を示す人体情報を取得する振動センサに関する。

従来、寝具上の人の状態を示す人体情報（例えば心拍や呼吸や体動）を検出する振動センサが広く利用されてきた。この種の技術として下記に出典を示す特許文献１−３に記載のものがある。

特許文献１に記載の生体信号検出装置は、ベッド台に載置され、硬質性の材料からなるベース部と、当該ベース部に載置され、マットレスに横になる人に起因する圧力を電気信号に変換する複数のセンサ素子と、各センサ素子の出力端子同士を電気的に接続する接続導体と、各センサ素子及び接続導体全体を覆うように配設され、マットレス上の人に起因する圧力をセンサ素子に伝達する軟質性の材料からなる圧力伝達部とを備えて構成される。

また、特許文献２に記載の生体情報取得装置は、圧力計測用マットを備えて構成される。この圧力計測用マットは、圧力伝達媒体が内部に充填される複数の媒体収容体と、圧力変化を検知する検知手段と、当該検知手段が設けられた圧力検知箇所に圧力伝達媒体を導く接続管路と、を有する。

また、特許文献３に記載の生体信号検出装置は、可撓性を持つ感圧手段と、当該感圧手段と交差して設けられる紐状部材と、柔軟なフィルム状部材とを備えて構成され、当該フィルム状部材が感圧手段と紐状部材とにより挟まれるように配置される。

特開２００８−２８４１６４号公報 特開２００８−２０９３２４号公報 特開２００８−２８４００１号公報

特許文献１に記載の生体信号検出装置は、センサ素子と電極とを一体型で覆った圧力伝達部を有し、１０ｍｍ程度の厚さで構成される。このような厚さの生体信号検出装置を寝具に適用すると、生態信号検出装置が設けられた領域と設けられていない領域とで段差を生じる。このため、例えば薄い寝具に適用した場合には、当該寝具に横になる人の寝心地に影響を与える可能性がある。

また、特許文献２に記載の生体情報取得装置は、媒体収容体内に充填した空気や水による圧力変化を利用している。したがって、圧力分布の検出は行い得るが、体動が寝返りであるのか否かを容易に判別することができない。また、人が横になっている位置を特定するためには、媒体収容体を更に細かく細分化する必要がある。係る場合、媒体収容体に充填した空気や水が漏れないようにするための処置が増えることから、製造コストが高くなる。

また、特許文献３に記載の生体信号検出装置は、感圧手段の表面に紐状部材の形状に応じた凹凸を形成し、感圧手段の検出感度を高めている。しかしながら、互いに隣接する感圧手段の間（すなわち、凹部分）には隙間が形成されるので、当該隙間に対向する感圧手段の一部はフローティング状態となる。このため、この部分に対応する感圧手段が加圧された場合には、適切に検出できるとは言い難い。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、寝心地に対する影響が小さく、検出感度の優れた簡素な構造の振動センサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る振動センサの特徴構成は、シート状のベース部材と、前記ベース部材の一方の面に、前記ベース部材の表面から突出するように載置される凸状部と、前記凸状部の頂部の少なくとも一部と前記ベース部材の一方の面の少なくとも一部とを一体で覆うように前記凸状部の頂部及び前記ベース部材の一方の面に密着して載置され、荷重の変化を検出する圧電フィルムと、前記ベース部材に載置された圧電フィルムの表側に密着して配置される弾性を有するシート部材と、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、圧電フィルムをベース部材に対して例えば山型となるように突出して配置することができる。したがって、圧電フィルム及びベース部材の一部のみを山型にするだけで良いので、寝心地に対する影響を低減できる。
また、圧電フィルムとベース部材とが密着して配置されるので、山型の頂部に振動を伝達し易くすることができる。したがって、圧電フィルムが振動を検出し易いので、振動センサの検出感度を高めることができる。また、山型以外の部分においても、圧電フィルムがベース部材とシート部材とに挟まれ、互いに密着して配置することができる。したがって、山型以外の部分においても、圧電フィルムが適切に振動を検出することができる。
更には、各部材を単に積層するだけで構成できるので、簡素な構造で実現することができる。

また、前記シート部材は、前記ベース部材の一方の面に密着して配置される弾性を有する第１シート部材と、前記第１シート部材の表側に載置され、前記第１シート部材よりも軟らかい弾性体からなる第２シート部材と、を有して構成されると好適である。

このような構成とすれば、シート部材の表面、すなわち振動センサの最表面を平坦にすることができる。したがって、振動センサが適用された寝具に横になる人に違和感を与えることがない。また、弾性体の厚さ及び弾性体の軟らかさを規定する弾性係数を適切に選択することにより、圧電フィルムにより反射される振動を低減することができる。

また、前記ベース部材及び前記シート部材の夫々に、前記圧電フィルムからの信号を伝達する信号線と前記圧電フィルムとを接続する接続部を収容可能な凹部が形成されていると好適である。

このような構成とすれば、接続部の近傍においても、ベース部材とシート部材との密着性を高めることができる。このため、圧電フィルムとシート部材との密着性も高めることができるので、振動センサの検出感度を高めることができる。

また、前記シート部材は、前記凸状部及び前記圧電フィルムからの距離に応じて規定された領域を除いて、前記ベース部材の一方の面に接着固定されていると好適である。

このような構成とすれば、圧電フィルムの位置ずれを防止できる。したがって、振動の伝達性を確保できるので、検出感度を安定化できる。

また、前記ベース部材が弾性体で構成されていると好適である。

このような構成とすれば、振動センサが硬い床材に配設されている場合であっても、人３からの振動により加えられた力を反発する力を生じさせることができる。したがって、圧電フィルム１２の変形を助長することになり、振動センサの検出精度を高めることができる。

振動センサを寝具に適用した場合の例について示す図である。 振動センサの概略を模式的に示す展開図である。 振動センサの概略を模式的に示す側面図である。 振動センサの出力を示す図である。 その他の実施形態に係る凸状部について示す図である。

本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明に係る振動センサ１は、図１に示すように寝具２に備えられ、当該寝具２上の人３の状態を示す人体情報を取得する機能を備えている。本実施形態では、人体情報とは寝具２上の人３の心拍や呼吸や体動が相当する。本振動センサ１は、図１に示すように寝具２の敷用寝具（例えばマットレス）２Ａの下に敷置される。

図２は振動センサ１の展開図であり、図３は振動センサ１の側面図である。振動センサ１は、ベース部材１０、凸状部１１、圧電フィルム１２、接続部１３、信号線１４、シート部材１５を備えて構成される。ベース部材１０は、シート状に形成される。このようなベース部材１０は、図１に示されるように、寝具２に横になる人３の胸の下に体の横方向に設置する形とし、長尺状で構成すると好適である。また、本実施形態では、ベース部材１０は、弾性体で構成される。したがって、ベース部材１０の鉛直下部に床材がある場合には、人３からの振動により加えられた力を反発する力が生じ、圧電フィルム１２の変形を助長することができる。したがって、振動センサ１の検出精度を高めることができる。また、詳細は後述するが、ベース部材１０には凹部１０Ｈが設けられる。凹部１０Ｈは、接続部１３の数に応じて設けられる。

凸状部１１は、ベース部材１０の一方の面１０Ａに、ベース部材１０の表面から突出するように載置される。ベース部材１０の一方の面１０Ａとは、ベース部材１０が有する面のうち、寝具２に適用した際に鉛直上方を向く面である。このような面１０Ａに、凸状部１１が載置される。本実施形態に係る凸状部１１は円柱状の形状からなる。このような円柱状の凸状部１１は、円柱の軸心がベース部材１０の長尺方向に直交するように、ベース部材１０上に載置される。したがって、シート状に形成された平坦な面を有するベース部材１０から突出するように載置することが可能となる。本実施形態では、このような凸状部１１は、ベース部材１１上に３つ載置される。

圧電フィルム１２は、凸状部１１の頂部１１Ａの少なくとも一部とベース部材１０の一方の面１０Ａの少なくとも一部とを一体で覆うように凸状部１１の頂部１１Ａ及びベース部材１０の一方の面１０Ａに密着して載置される。凸状部１１の頂部１１Ａとは、凸状部１１をベース部材１０の面１０Ａに載置した状態で最も高い位置である。圧電フィルム１２は、少なくともこのような頂部１１Ａの一部を覆うように載置される。もちろん、頂部１１Ａを全て覆うことも可能である。

また、ベース部材１０の一方の面１０Ａの少なくとも一部とは、ベース部材１０の面１０Ａが露出した領域である。圧電フィルム１２は、このような面１０Ａにも密着するように配置される。したがって、圧電フィルム１２は、ベース部材１０の面１０Ａから凸状部１１の頂部１１Ａを介し、再度ベース部材１０の面１０Ａに亘るように載置される。本実施形態では、凸状部１１はベース部材１１上に３つ載置されている。したがって、圧電フィルム１２は、夫々の凸状部１１の頂部１１Ａを個別に覆うように３つ設けられる。

なお、図３においては、圧電フィルム１２及びベース部材１０、圧電フィルム１２及びシート部材１５（後述する）の夫々が、隙間を有するように記載されている。これは、図面を見易くするためのものであり、実際には夫々が当接し密着するように構成されている。

圧電フィルム１２は、荷重の変化を検出する。このため、圧電フィルム１２は、例えばポリフッ化ビニリデン（PVDF:PolyVinylidene DiFluoride）等の高分子圧電材料を用いて構成することが可能である。圧電フィルム１２は、伸縮方向もしくは曲げの変形を検出する。伸縮方向に力が作用した場合や、曲げ力が作用した場合に出力信号（出力電圧）を出力する。このような出力信号は、圧電フィルム１２に力（荷重）が作用した瞬間のみ出力される。すなわち、一定の力が継続して作用している状態では、出力信号は出力されない。また、力が作用した際に出力される出力信号の大きさは、当該力が作用した場合の圧電フィルム１２のひずみ率に応じた大きさとなる。ひずみ率とは単位時間当たりのひずみ量に相当するものである。このような圧電フィルム１２の特性は、公知であるため詳細な説明は省略する。

信号線１４は、圧電フィルム１２からの信号を外部接続される信号増幅装置３０に伝達する。圧電フィルム１２からの信号とは、上述の出力信号である。ここで、圧電フィルム１２からの出力信号は微弱な電圧からなる。このため、出力信号は、圧電フィルム１２の検出結果を各種の演算処理で用いるために信号増幅装置３０により増幅される。信号増幅装置３０は、例えばオペアンプで構成することが可能である。信号線１４は、このような信号増幅装置３０に圧電フィルム１２の検出結果を伝達可能に導体により形成される。

接続部１３は、信号線１４と圧電フィルム１２とを接続する。接続するとは、電気的に接続することを意味する。このような電気的に接続した接続箇所のオープン及びショートを防止すべく、接続箇所を樹脂（モールド）により封入される。

シート部材１５は、ベース部材１０に載置された圧電フィルム１２の表側に密着して配置される。このようなシート部材１５は弾性を有する材料で構成される。シート部材１５は、凸状部１１及び圧電フィルム１２が載置されたベース部材１０の面１０Ａ側に載置され、圧電フィルム１２と密着した状態とされる。

本実施形態では、シート部材１５は第１シート部材１５Ａ及び第２シート部材１５Ｂから構成される。第１シート部材１５Ａは、ベース部材１０の一方の面１０Ａに密着して配置される。このような第１シート部材１５Ａは弾性を有する材料で構成される。第２シート部材１５Ｂは、第１シート部材１５Ａの表側に載置され、第１シート部材１５Ａよりも軟らかい弾性体から構成される。したがって、シート部材１５は、第１シート部材１５Ａ及び第２シート部材１５Ｂの２層構造で構成される。上述のように、シート部材１５は圧電フィルム１２に密着して配置されるが、第１シート部材１５Ａはベース部材１０の面１０ａにも密着して配置される。ここで、第１シート部材１５は、弾性部材から構成されるが、下方に位置する凸状部１１及び圧電フィルム１２の形状に応じて図３に示されるように上方に突出する。

第１シート部材１５Ａの表側とは、第１シート部材１５Ａが有する面のうち、ベース部材１０とは反対側の面である。第２シート部材１５Ｂは、第１シート部材１５Ａよりも軟らかい弾性体から構成される。したがって、上述のように上方に突出する第１シート部材１５Ａの突出部分を包み込むように配置される。これにより、第２シート部材１５Ｂは、表面、すなわち第２シート部材１５Ｂが有する面のうち、第１シート部材１５Ａとは反対側の面が平坦となる。したがって、振動センサ１を寝具２に適用した場合でも、振動センサ１の表面は平坦性が確保されるので人３が違和感を覚えることがない。このため、寝具２に横になる人３に快適な状態を提供できる。

ここで、弾性体を伝わる振動の伝わり難さは、音響インピーダンスで示される。音響インピーダンスは、弾性体の特性、体積等により定まる。一方、振動センサ１に入力される振動は、シート部材１５を介して圧電フィルム１２に伝達される。しかしながら、振動は、圧電フィルム１２によりシート部材１５側にも反射する。したがって、このような反射される振動により、検出すべき振動が乱されるおそれがある。本実施形態では、上述のように、第１シート部材１５Ａと第２シート部材１５Ｂとは異なる硬さ、すなわち、異なる弾性係数を有して構成されている。このため、第１シート部材１５Ａ及び第２シート部材１５Ｂを介して圧電フィルム１２に伝達された振動は、反射せず減衰させることができる。係る場合、所定のピークを有する振動のみを振動センサ１で検出するように設定することができる。一方、用途によっては、反射に係る振動も検出したい場合もあり得る。係る場合、第１シート部材１５Ａと第２シート部材１５Ｂとに係る音響インピーダンスのマッチングを行うために、夫々の弾性係数を用途に応じて設定すると好適である。

ここで、上述のようにシート部材１５は、ベース部材１０に密着して配置される。このシート部材１５とベース部材１０との間には、接続部１３が存在する。接続部１３は、凸状部１１及び圧電フィルム１２に比べて厚いため、接続部１３近傍にあってはベース部材１０とシート部材１５との密着性が悪くなる。そこで、本実施形態では、ベース部材１０及びシート部材１５の夫々に、接続部１３を収容可能な凹部１０Ｈ、１５Ｈが形成されている。凹部１０Ｈは、ベース部材１０における、接続部１３が対向する位置に設けられる。また、凹部１０Ｈは、接続部１３における圧電フィルム１２からの高さに対応する深さを有して形成される。一方、凹部１５Ｈは、第１シート部材１５Ａにおける、接続部１３が対向する位置に設けられる。また、凹部１５Ｈは、接続部１３における圧電フィルム１２からの深さに対応する深さを有して形成される。

ここで、シート部材１５は、凸状部１１及び圧電フィルム１２からの距離に応じて規定された領域を除いて、ベース部材１０の一方の面１０Ａに接着固定される。上述のように、圧電フィルム１２はシート部材１５を介して伝達される振動を検出する。また、圧電フィルム１２の下部には、当該圧電フィルム１２を突出させるようにするために凸状部１１が設けられる。このため、凸状部１１及び圧電フィルム１２は、ベース部材１０及びシート部材１５に対して動きが自由である方が良い。一方、ベース部材１０及び圧電フィルム１２は、互いに位置ずれを起こすことにより、振動センサ１が誤検出する可能性もある。このため、凸状部１１及び圧電フィルム１２を中心として所定の距離で規定された領域のみが、接着固定される。例えば、凸状部１１及び圧電フィルム１２を中心とする半径数ｃｍ以外の領域を接着固定する形態とすることも可能であるし、例えばベース部材１０及びシート部材１５の外周部分のみ接着固定する形態とすることも可能である。

ここで、ベース部材１０、凸状部１１、及びシート部材１５は、弾性体からなるとして説明した。凸状部１１は、ベース部材１０及びシート部材１５よりも硬い弾性体で構成すると好適である。このように構成すれば、荷重が加わっていない状態において、凸状部１１の変形量を少なくすることができる。したがって、圧電フィルム１２の突出状態が保たれるから、振動センサ１の検出感度を高めた状態を維持することができる。

また、上記振動センサ１は、袋状のカバー部材２０により覆うと好適である。これにより、振動センサ１の劣化や破損を防止できる。また、例えば、カバー部材２０は、側面部にファスナーを設け、袋状が開口する構成とすると好適である。これにより、カバー部材２０から振動センサ１を適切に取り出すことができる。更に寝具２の厚さに応じて、シート部材１０の厚さを変更することも可能である。

次に、本振動センサ１による検出について説明する。図４（ａ）は振動センサ１を敷用寝具２Ａの下に敷置し、敷用寝具２Ａ上に何も載せない状態の雑音信号を示し、図４（ｂ）は敷用寝具２Ａ上に人が横になった状態の生体信号（本例では「心拍」）を示す。ここで、比較のために、圧電フィルム１２の下に凸状部１１を設けない形態の振動センサに基づき取得した雑音信号及び生体信号を夫々図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示す。

図４（ａ）及び図４（ｃ）に示されるように、ノイズレベルが１５ｍＶ程度から２２ｍＶ程度まで大きくなっている。一方、図４（ｂ）及び図４（ｄ）に示されるように、生体信号も７０ｍＶから１２０ｍＶまで大きくなっている。これより、Ｓ／Ｎ比が４．７から５．４５に上昇し、検出感度が高められていることが明らかである。また、図４(ｂ)に示されるように、心拍に相当する生体信号のピークが大きく得られ、目視によって心拍数をカウントしたり、心拍の間隔も正確に計数することが可能となる。

このように、本振動センサ１によれば、圧電フィルム１２をベース部材１０に対して例えば山型となるように突出して配置することができる。したがって、圧電フィルム１２及びベース部材１０の一部のみを山型にするだけで良いので、寝心地に対する影響を低減できる。また、圧電フィルム１２とベース部材１０とが密着して配置されるので、山型の頂部１１Ａに振動を伝達し易くすることができる。したがって、圧電フィルム１２が振動を検出し易いので、振動センサ１の検出感度を高めることができる。また、山型以外の部分においても、圧電フィルム１２がベース部材１０とシート部材１５とに挟まれ、互いに密着して配置することができる。したがって、山型以外の部分においても、圧電フィルム１２が適切に振動を検出することができる。更には、各部材を単に積層するだけで構成できるので、簡素な構造で実現することができる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、シート部材１５が、第１シート部材１５Ａと、第２シート部材１５Ｂとを有して構成されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。シート部材１５を、単一の部材から構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、第２シート部材１５Ｂは、第１シート部材１５Ａよりも軟らかい弾性体からなるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。第２シート部材１５Ｂは、第１シート部材１５Ａと同じ弾性体から構成しても良いし、第１シート部材１５Ａよりも硬い弾性体から構成しても良い。

上記実施形態では、ベース部材１０及びシート部材１５の夫々に、接続部１３を収容可能な凹部１０Ｈ、１５Ｈが形成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。ベース部材１０及びシート部材１５の一方にのみ、凹部を形成する構成とすることも可能であるし、ベース部材１０及びシート部材１５の双方に凹部を形成しない構成とすることも可能である。

上記実施形態では、シート部材１５は、凸状部１１及び圧電フィルム１２からの距離に応じて規定された領域を除いて、ベース部材１０の面１０Ａに接着固定されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。圧電フィルム１２の山型の形状を維持したまま、シート部材１５をベース部材１０に接着固定することも当然に可能である。

上記実施形態では、ベース部材１０が弾性体で構成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。ベース部材１０を非弾性体で構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、凸状部１１が、ベース部材１０及びシート部材１５よりも硬い弾性体で構成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。凸状部１１を、ベース部材１０及びシート部材１５と同じ弾性体で構成することも可能であるし、凸状部１１を非弾性体で構成することも可能である。

上記実施形態では、凸状部１１が円柱状の形態からなるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。図５（ａ）に示されるように四角柱にすることも可能であるし、図５（ｂ）に示されるように三角柱にすることも可能であるし、図５（ｃ）に示されるように任意な形状にすることも当然に可能である。なお、図５においても、図３と同様に、圧電フィルム１２及びベース部材１０、圧電フィルム１２及びシート部材１５の夫々が、隙間を有するように記載されているが、実際には夫々が当接し密着するように構成されている。

上記実施形態では、振動センサ１の検出結果の一例として心拍を示して説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。圧電フィルム１２から得られた検出結果を周波数分析して、呼吸数を取得することも可能である。また、単に人３の動き（寝返り等）を検出することも可能である。

本発明は、敷用寝具の厚さに拘らず使用可能で、簡素な構造で構成可能な振動センサに用いることが可能である。

１：振動センサ
１０：ベース部材
１０Ａ：面
１０Ｈ：凹部
１１：凸状部
１１Ａ：頂部
１２：圧電フィルム
１３：接続部
１５：シート部材
１５Ａ：第１シート部材
１５Ｂ：第２シート部材
１５Ｈ：凹部

Claims (5)

1. シート状のベース部材と、
   前記ベース部材の一方の面に、前記ベース部材の表面から突出するように載置される凸状部と、
   前記凸状部の頂部の少なくとも一部と前記ベース部材の一方の面の少なくとも一部とを一体で覆うように前記凸状部の頂部及び前記ベース部材の一方の面に密着して載置され、荷重の変化を検出する圧電フィルムと、
   前記ベース部材に載置された圧電フィルムの表側に密着して配置される弾性を有するシート部材と、
   を備えた振動センサ。
2. 前記シート部材は、前記ベース部材の一方の面に密着して配置される弾性を有する第１シート部材と、前記第１シート部材の表側に載置され、前記第１シート部材よりも軟らかい弾性体からなる第２シート部材と、を有して構成される請求項１に記載の振動センサ。
3. 前記ベース部材及び前記シート部材の夫々に、前記圧電フィルムからの信号を伝達する信号線と前記圧電フィルムとを接続する接続部を収容可能な凹部が形成されている請求項１又は２に記載の振動センサ。
4. 前記シート部材は、前記凸状部及び前記圧電フィルムからの距離に応じて規定された領域を除いて、前記ベース部材の一方の面に接着固定されている請求項１から３のいずれか一項に記載の振動センサ。
5. 前記ベース部材が弾性体で構成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の振動センサ。

Images