JP2017125269A

JP2017125269A - スマートヘルメット

Info

Publication number: JP2017125269A
Application number: JP2016003946A
Authority: JP
Inventors: 将俊東島; Masatoshi Tojima
Original assignee: Starlite Co Ltd
Current assignee: Starlite Co Ltd
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-07-20

Abstract

【課題】被験者に苦痛を与えることなく、生体情報、環境情報、体動情報を同時に安定かつ容易に計測できる生体情報取得用電極及び温度、湿度、加速度を計測できるセンサーを適宜搭載し、無線通信デバイスを使い外部へ配信し、身体の疲労度、健康状態を画面表示し、予防判断できるシステムに使用するためのスマートヘルメットを提供する。【解決手段】ヘッドバンド３若しくはあご紐４の皮膚に接触する部位に生体情報取得用電極５を備え、生体情報取得用電極は、電極材料が銀被覆有機繊維あるいは銀被覆有機繊維を含有する複数の繊維であり、これら導電性繊維と、非導電性繊維とを織り加工又は編み加工で構成され柔軟性を持つ導電性布からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、被験者が頭部に装着して使用するスマートヘルメットに係わり、更に詳しくは、被験者の生体情報を始め環境情報や体動情報を取得して、被験者の疲労度等の体調を監視し、作業の安全を図るために使用するスマートヘルメットに関するものである。

帽子やヘルメットに、電極を取付けて生体情報を取得することは公知である（特許文献１、２参照）。生体情報としては、脳波、心拍数、脈波、体温等が代表される。この生体情報を得るために、生体インピーダンスを計測し、被験者の疲労度、眠気等を検知し、警告し休憩を促すシステムに関して記載されている。

特許文献３には、医師や研究者等専門家でない一般人でも容易に操作することができるカウボーイハットが記載され、電極パッドの皮膚接触部に、導電性布、導電性ペースト等を介在させ、皮膚のインピーダンスを低下させることが好ましいと記載されている。

特許文献４には、疲労監視装置として機能するヘルメットが記載されている。具体的には、ヘルメットは、帽体内に設置され、頭部の位置に接触して第１情報取得するための第１電極と、帽体外に設置され、頭部の別の位置に接触して、第２情報を取得するための第２電極とを電気的に接続し脳波情報を取得すると記載されている。電極の材質、詳細は記載されていないため詳細は不明であるが、図面から第２電極はクリップタイプであり、耳に挟んで装着していることは解る。

特許文献５には、人体を電気的に刺激する下着電極に関し、ナイロンとウレタンの合成繊維からなるパワーネットの織り目に導電性の糸を織り込んで電極を形成すること、前記導電性の糸は、金糸、銀糸、等の金属系、あるいは、銅線、アルミ線、カーボン繊維等の導電細線を使用することが記載されている。

特許文献６には、電極材料が銀被覆有機繊維体あるいは銀被覆有機繊維を含有する複数の繊維から形成され、ゴム弾性を有する生体用電極が記載されている。そして、循環器系や呼吸器系等の生体情報を得るために、生体のインピーダンスを計測と記載されている。

特開２０１０−１４８７１８号公報特開２００５−２３００３０号公報特開２０１１−１８２９７３号公報特開２０１５−０２１２１５号公報特開２０００−３１４００２号公報特開平０５−１３７７０３号公報

しかしながら、生体情報を得るために生体インピーダンスを計測する電極として、布地に銅系、Ｎｉ系等の金属繊維を織り込んだものは、安全性、安定性の面で問題があり実用化されることは少なかった。特に、この布地は伸縮性に乏しいため、装着時に被験者が苦痛と感じる問題があった。また、導電性の布を使用する場合でも、皮膚のインピーダンスを低くするために導電性ペーストを接触部に塗ることが多く、使用前後の作業が煩雑であった。

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、被験者に苦痛を与えることなく、生体情報、環境情報、体動情報を同時に安定かつ容易に計測できる生体情報取得用電極及び温度、湿度、加速度を計測できるセンサーを適宜搭載し、無線通信デバイスを使い外部へ配信し、身体の疲労度、健康状態を画面表示し、予防判断できるシステムに使用するためのスマートヘルメットを提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、ヘッドバンド若しくはあご紐の皮膚に接触する部位に生体情報取得用電極を備え、該生体情報取得用電極は、電極材料が銀被覆有機繊維あるいは銀被覆有機繊維を含有する複数の繊維であり、これら導電性繊維と、非導電性繊維とを織り加工又は編み加工で構成され柔軟性を持つ導電性布からなることを特徴とするスマートヘルメットを構成した。

ここで、前記電極材料に使用される銀被覆有機繊維の太さが３０〜１５０デニールの集合体であるが好ましい。

また、前記銀被覆有機繊維は、有機繊維への銀被覆量が有機繊維の重量に対して５〜３０重量％であることも好ましい。

また、前記銀被覆有機繊維は、表面抵抗が２０Ω／ｃｍ以下であることも好ましい。

また、前記銀被覆有機繊維は、比重が１．４〜１．８であることも好ましい。

以上にしてなる本発明のスマートヘルメットは、電極材料が銀被覆有機繊維あるいは銀被覆有機繊維を含有する複数の繊維であり、これら導電性繊維と、非導電性繊維とを織り加工又は編み加工で構成され柔軟性を持つ導電性布からなる生体情報取得用電極を、ヘッドバンド若しくはあご紐の皮膚に接触する部位に設けたので、頭皮や皮膚に柔軟性を持つ生体情報取得用電極が接触するだけであり、長時間に亘って苦痛を与えることなく生体情報を取得することができる。本発明で用いる生体情報取得用電極は、生体インピーダンスを接触若しくは非接触で低侵襲な計測が可能である。

本発明のスマートヘルメットの使用例を示す部分断面図である。生体情報取得用電極をヘッドバンドに装着した例を示す斜視図である。生体情報取得用電極をあご紐に装着した例を示す側面図である。各種導電性繊維のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。銀被覆有機繊維の洗濯耐久性評価結果を示し、洗濯回数に対する表面抵抗の変化を示すグラフである。生体情報取得用電極で発汗情報が取得可能であることの実験結果を示し、水分量に対する静電容量の変化を示すグラフである。本発明のスマートヘルメットを使用して取得した各種情報に基づいて被験者毎の状態を表示する例を示すモニター画面である。

本発明のスマートヘルメットは、被験者（作業者）が頭部に装着して使用している間、ヘッドバンド若しくはあご紐の皮膚に接触する部位に設けた生体情報取得用電極から生体情報を取得すると同時に、帽体に装着した各種センサーによって、外気温等の環境情報を取得するとともに、被験者の動作を体動情報として取得し、これらの情報を逐次無線通信手段によって監視サーバーに送信し、監視サーバーで情報処理して被験者の疲労度等の体調を監視するシステムに使用し、未然に不慮の事故を防止したり、作業効率の向上を図ることができる。また、被験者の異常を監視サーバーが検出した場合、警告信号を被験者のスマートヘルメットに送信し、被嵌者に知らせるようにすることも可能である。

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明のスマートヘルメット１を被験者(作業者)Ｍの頭部に被った状態を示し、図中符号２は帽体、３はヘッドバンド、４はあご紐を示している。

前記ヘッドバンド３若しくはあご紐４の一方又は双方に、生体情報を取得するための生体情報取得用電極５を備えている。この生体情報取得用電極５は、電極材料が銀被覆有機繊維あるいは銀被覆有機繊維を含有する複数の繊維であり、これら導電性繊維と、非導電性繊維とを織り加工又は編み加工で構成され柔軟性を持つ導電性布からなっている。

前記ヘッドバンド３に生体情報取得用電極５を設ける場合、図２に示すように、ヘッドバンド３の被験者の額に接触する部位に、柔軟性を持つ導電性布からなる生体情報取得用電極５を被せて設ける。前記ヘッドバンド３に装着する生体情報取得用電極５は、消臭機能と吸水速乾機能を備えていることがより好ましい。また、前記あご紐４に生体情報取得用電極５を設ける場合、図３に示すように、柔軟性を持つ導電性布そのものであご紐４を作製する。この場合も、あご紐４に消臭機能を有する繊維と補強繊維を組み合わせた複合繊維構造材を用いて破断荷重が１１０ｋｇｆ以上となるように構成することが好ましい。

織り加工又は編み加工を工夫すれば、柔軟性を持つ布の一部に生体情報取得用電極５を構成する電極部を設けることができ、また電極部は複数箇所に設けることも可能である。

本発明に使用する生体情報取得用電極５は、銀被覆有機繊維と非導電性繊維とを織り加工又は編み加工で構成され、柔軟性を持ち、屈曲特性に優れ、測定部位との密着性、肌心地が良い。また、前記生体情報取得用電極５は、布であるから、任意の形状に裁断し、ミシンにより任意の場所へ縫着できる。更に、前記生体情報取得用電極５は、他の非導電性の布と一体化して使用することも可能である。そして、被験者Ｍの測定部位と接触若しくは非接触であり、低侵襲で生体情報を計測できる。しかも、皮膚と電極間に、導電性ジェル、導電グリース等を使わず、ドライでの使用も可能である。

前記生体情報取得用電極５で取得する生体情報は、脳波、心拍、脈拍の生体インピーダンスの変化である。また、前記帽体２に装着した各種センサーで取得する環境情報は、温度（気温）、湿度、あるいは降雨状況であり、体動情報は、身体の動作に関する情報であり、これらを同時に安定して計測し解析を行う演算回路を搭載し、無線通信デバイスを使い、監視サーバーへ情報を配信し画面で状況を知ることができるようにする。

図１において、前記帽体２の内部で頭頂部の空間を利用して、温度・湿度センサー６と加速度センサー７を演算回路や無線通信デバイス（図示せず）とともに設け、生体情報や体動情報を取得している。また、前記帽体２の外部、図示したものは後頭部に位置する部位に、温度・湿度センサー８を設けて環境情報を取得している。また、前記帽体２の外部で後部には、各種センサーや演算回路、無線通信デバイスに電源を供給するバッテリー９を備えている。

本発明で使用する銀被覆有機繊維とは、天然及び合成の有機繊維、即ち、綿、麻、ポリアミド、アクリル、ポリエステル、セルロースポリウレタン等の繊維で、太さが０．１〜１５ｄ（ｄ＝デニール）のものに、銀を被覆したものである。ここで、有機繊維の太さにこだわる理由として、太さが０．１ｄよりも細い場合、狙いの膜厚にするための銀の被覆量を多く必要となり、比重も大きくなる。逆に、１５ｄより太いと狙いの膜厚にするための銀の被覆量は減らせるが、繊維が硬くなり、柔軟性を失われてしまう。そして、前記有機繊維の表面に銀を被覆し、銀被覆有機繊維の太さが３０〜１５０ｄの集合体となるように作製する。

本発明において、有機繊維を銀で被覆する方法は、幾通りかの方法があるが、量産性を配慮し、無電解メッキ法で被覆する。銀の被覆量は、５〜３０重量％（銀重量／有機繊維重量）で、銀の被覆量により、分極電圧に影響がでる。銀被覆有機繊維あるいは銀被覆有機繊維を含有する複数の繊維で形成された電極材料の形態としては、銀被覆有機繊維のみからな不織布、銀被覆有機繊維を含んだ不織布、銀被覆有機繊維のみからなる糸を織り加工、編み加工して作製した導電性布としたもの等である。

前記生体情報取得用電極５として、実使用に耐えるには、柔軟性、屈曲性に加え、洗濯耐久性が必要となる。本実施形態で使用した銀被覆有機繊維は、ミツフジ株式会社製のＡＧｐｏｓｓ（登録商標）である。導電性布の柔軟性、屈曲性に関しては特許文献にも書かれており既に実証済みである。

図４に、本発明に係る銀被覆有機繊維（１）〜（３）のＩ−Ｖ特性を測定して導電性を評価した結果を示した。比較のために、ポリウレタン被覆銅線、ニクロム線、炭素繊維トウのＩ−Ｖ特性も測定した。抵抗値測定方法は、上記の線、トウ、繊維を延ばし、測定間距離１０ｃｍとし、３回測定した結果を示した。

また、表１に前述のＩ−Ｖ特性を測定した各電極材料について、抵抗値を示している。更に、各電極材料を用いて電極を作製した場合について、着心地、織り加工、編み加工、洗濯特性、生体適合性、抗菌性、導電特性を、○（良好）、△（やや良）、×（不良）の３段階で評価した結果を表１に示している。

これらの評価の結果、銀被覆有機繊維は、金属製繊維に匹敵する導電性を有しており、電極材料として使用できることが確認できた。金属繊維は優れた導電特性を示すが、皮膚、人体と接触する電極としては、着心地、生体適合性が良くないため、不適であると判断できる。

洗濯耐久性評価として、銀被覆有機繊維の織物を家庭用洗濯機にて、中性洗剤を使用して洗濯した後に織物の表面抵抗を測定し、洗濯耐久性評価とした。織物の経方向、横方向それぞれ５ヶ所測定し得られた平均値をグラフ化して図５に示す。図５のグラフ中、下側は銀被覆有機繊維のみを織り加工して作製した導電性布の結果であり、上側は有機繊維を織り加工して作製した布に無電解銀メッキを施した導電性布（後染め）の結果である。後染め（織り加工後銀被覆）でなければ、表面抵抗の変化は小さく耐久性があると判断できる。

次に、前記生体情報取得用電極５を用いて水分（発汗）センサーを作製し、実際に測定できることを確認した。電極材料として銀被覆有機繊維を用い、水分センサー（１）は、銀メッキ繊維製で導電性ウェアラブルニット生地（表面抵抗値５Ω／ｃｍ以上）を用いて構成し、水分センサー（２）は、銀メッキ繊維製で導電性ウェアラブルニットテープ（表面抵抗値０．５Ω／ｃｍ以上）を用いて構成した。水分センサー（１）、（２）は、ミツフジ株式会社製の銀メッキ繊維（商品名ＡＧｐｏｓｓ）を使用した。

評価方法は、ヘルメットと頭部を固定するヘッドバンド３に銀被覆有機繊維製電極（布状電極５）を製作し、頭皮（額部分）と接触するように帽体２の内部に設置し、頭皮（額部分）に発生する水分による静電容量変化を測定した。実際には、前記布状電極５に所定量の水を吸収させてその静電容量の変化を測定した。測定装置には、Kaise デジタルマルチメーターＫＴ−２０１１を用いた。その結果を図６に示す。

図６より、水分量に応じて静電容量が変化しており、頭皮（額部分）と接触するようにヘルメット内部に生体情報取得用電極５を設置し、頭皮（額部分）に発生する水分による静電容量の変化を検知することができることが分かった。

また、前記生体情報取得用電極５を用いて脳波情報取得の実験を行なった。実験方法は、ヘルメットと頭部を固定するヘッドバンド３に生体情報取得用電極５として、銀被覆有機繊維製電極（布状電極）を製作し、頭皮（額部分）と接触するようにヘルメット内部に、設置し、頭皮（額部分）から市販の脳波計で脳波を計測した。前記生体情報取得用電極５で脳波を取得できることが確認できた。

上記方法で脳波計測、温度・湿度データを計測し、タブレットパソコン画面上に脳波データを解析し、（１）注意力／集中力、（２）落ち着き／リラックスとして知らせることが可能同時に、（３）ヘルメット内温度／湿度、（４）ヘルメット外部の温度に関して同時に計測し知らせることが可能であり、そのモニター画面の表示例を図７に示す。

このように、電極材料が銀被覆有機繊維あるいは銀被覆有機繊維を含有した複数の繊維によって形成される生体情報取得用電極を、ヘルメット内部に設置し、頭皮に柔軟に接触させて、苦痛を与えることなく生体情報を取得することができた。更に、電極材料に使用した、銀被覆有機繊維は分極電圧が低く、安全で安定した計測が可能となる。

以上説明した通り、本発明に係るスマートヘルメットは、電極材料が銀被覆有機繊維あるいは銀被覆有機繊維を含有する複数の繊維によって形成された生体情報取得用電極を設置したので、被験者がヘルメットを装着したときの当該生体情報取得用電極の頭皮接触部に触れる感触が良く、圧迫による苦痛もなく、インピーダンス計測の信頼度が向上し、安定した生体情報得ることができる。

また、生体情報以外の環境情報、体動情報を計測するセンサーで同時に計測し、演算し無線通信デバイスを使い被験者情報を配信し、画面で状況を知ることができる。上記情報を蓄積し、ビッグデータとの関係付けにより、健康悪化の前兆を予知し危険状態から身を守るシステムの提供ができる。

本発明はヘルメットに適用した例を示したが、帽子等、頭部に被るものを対象とし、人以外の動物でも生体情報取得も可能である。

１スマートヘルメット
２帽体
３ヘッドバンド
４あご紐
５生体情報取得用電極
６温度・湿度センサー
７加速度センサー
８温度・湿度センサー
９バッテリー
Ｍ被験者

Claims

ヘッドバンド若しくはあご紐の皮膚に接触する部位に生体情報取得用電極を備え、該生体情報取得用電極は、電極材料が銀被覆有機繊維あるいは銀被覆有機繊維を含有する複数の繊維であり、これら導電性繊維と、非導電性繊維とを織り加工又は編み加工で構成され柔軟性を持つ導電性布からなることを特徴とするスマートヘルメット。
前記電極材料に使用される銀被覆有機繊維の太さが３０〜１５０デニールの集合体である請求項１記載のスマートヘルメット。
前記銀被覆有機繊維は、有機繊維への銀被覆量が有機繊維の重量に対して５〜３０重量％である請求項１又は２記載のスマートヘルメット。
前記銀被覆有機繊維は、表面抵抗が２０Ω／ｃｍ以下である請求項１〜３何れか１項に記載のスマートヘルメット。
前記銀被覆有機繊維は、比重が１．４〜１．８である請求項１〜４何れか１項に記載のスマートヘルメット。