特開 2023-1475 空気圧振動発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023001475

(43)【公開日】2023-01-06

(54)【発明の名称】空気圧振動発生装置

(51)【国際特許分類】

   H04R 3/00 20060101AFI20221226BHJP

   G10K 15/04 20060101ALI20221226BHJP

【ＦＩ】

H04R3/00 310

G10K15/04 302M

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021102232

(22)【出願日】2021-06-21

(71)【出願人】

【識別番号】508131381

【氏名又は名称】株式会社スリープシステム研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100126398

【弁理士】

【氏名又は名称】浅野 典子

(72)【発明者】

【氏名】根本 新

【テーマコード（参考）】

5D220

【Ｆターム（参考）】

5D220AB01

5D220AB08

(57)【要約】

【課題】 簡便且つ低コストの構成のもとに、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる空気圧振動発生装置を提供する。
【解決手段】 空気圧振動発生装置は、音放出面を密閉したスピーカ１０と、スピーカ１０に与えるパラメータとして周波数及び振幅を設定するパラメータ設定部２０と、パラメータ設定部２０によって設定された周波数及び振幅に基づいてスピーカ１０を制御し、スピーカ１０から設定された周波数及び振幅の空気圧振動を発生させるスピーカ制御部３０と、スピーカ１０から発生された空気圧振動を伝達する伝達チューブ４０と、伝達チューブ４０を介して伝達された空気圧振動を検出して電気信号に変換するセンサ／信号変換部５０とを備え、センサ／信号変換部５０によって変換された電気信号を生体信号の模擬信号として利用することにより、生体信号検出装置の校正装置として使用される。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる空気圧振動発生装置であって、
音放出面を密閉したスピーカと、
前記スピーカに与えるパラメータとして周波数及び振幅を設定するパラメータ設定手段と、
前記パラメータ設定手段によって設定された周波数及び振幅に基づいて前記スピーカを制御し、前記スピーカから前記設定された周波数及び振幅の空気圧振動を発生させるスピーカ制御手段と、
前記スピーカから発生された空気圧振動を伝達する伝達チューブと、
前記伝達チューブを介して伝達された空気圧振動を検出して電気信号に変換するセンサ／信号変換手段とを備え、
前記センサ／信号変換手段によって変換された前記電気信号を生体信号の模擬信号として利用することにより、生体信号検出装置の校正装置として使用されること
を特徴とする空気圧振動発生装置。

【請求項2】

前記センサ／信号変換手段は、コンデンサマイクロフォンを有することを特徴とする請求項１に記載の空気圧振動発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる空気圧振動発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

睡眠は健康のバロメータであるといわれ、快適な睡眠をして気分のよい目覚めができれば、目覚めた際に颯爽とした気分となり健康を実感することは、日常において多く経験する。一方、不眠症や不眠傾向にある場合や、深夜労働などのために昼夜の生活が逆転した睡眠を強いられる場合などにおいては、その目覚めの後の気分は芳しくないことが多い。すなわち、意識的であるか無意識的であるかにかかわらず、睡眠の状態がその後の覚醒時の気分や行動に影響を及ぼし、ひいては覚醒後の昼間の活動の質を定めることになる。このように、睡眠は、人間の身体活動及び心的活動に重要な影響を及ぼす要素であり、良好な睡眠をとることができれば身体的及び心的に健康的な日常活動が保証されるといってよい。

【0003】

本特許出願人は、睡眠に関する研究を重ね、例えば特許文献１乃至特許文献３をはじめとする様々な特許出願を行っている。これらの特許出願において採用している手法は、被験者が横臥する寝台上に薄い硬質シートを敷設し、硬質シート上に設けられた圧力検出チューブにより、心拍や呼吸などの生体信号にともなって発生する空気圧振動を検出し、この振動信号を電気的に処理するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２－５８６５３号公報

【特許文献2】特開２００３－１２６０５２号公報

【特許文献3】特開２００４－１５４５１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上述した空気圧振動を検出するタイプのシステムにおいて、模擬的に任意の周波数及び振幅の空気圧振動を発生することができないと、センサ全般を含めて校正を行うことができない。現状、そのような空気圧振動を発生させる装置は存在していない。したがって、新たなシステムを生産した場合、適切な基準を構築することができないために適正な校正を行うことができないという問題があった。

【0006】

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、簡便且つ低コストの構成のもとに、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させることができる空気圧振動発生装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した目的を達成する本発明にかかる空気圧振動発生装置は、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる空気圧振動発生装置であって、音放出面を密閉したスピーカと、このスピーカに与えるパラメータとして周波数及び振幅を設定するパラメータ設定手段と、このパラメータ設定手段によって設定された周波数及び振幅に基づいてスピーカを制御し、スピーカから設定された周波数及び振幅の空気圧振動を発生させるスピーカ制御手段と、スピーカから発生された空気圧振動を伝達する伝達チューブと、この伝達チューブを介して伝達された空気圧振動を検出して電気信号に変換するセンサ／信号変換手段とを備え、センサ／信号変換手段によって変換された電気信号を生体信号の模擬信号として利用することにより、生体信号検出装置の校正装置として使用されることを特徴としている。

【0008】

このような本発明にかかる空気圧振動発生装置は、設定された周波数及び振幅の空気圧振動をスピーカの内部の密閉空間において発生させ、これを電気信号に変換して生体信号の模擬信号として利用する。

【発明の効果】

【0009】

本発明においては、簡便且つ低コストの構成のもとに、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させることができ、発生した空気圧振動を電気信号に変換して生体信号の模擬信号として利用することにより、生体信号検出装置の校正装置として利用されることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態として示す空気圧振動発生装置の構成を示す図である。

【図2】校正対象となる生体信号検出装置の構成を示す図である。

【図3】生体信号検出装置の構成を示す図であり、図２において矢視方向からみたときの一部断面図である。

【図4】空気圧振動発生装置による信号波形の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0012】

この実施の形態は、利用者の生体信号に基づいて、睡眠状態を改善するための利用者個人に合った生活改善による睡眠改善案を提供する睡眠改善装置である。

【0013】

図１に、本発明の実施の形態として示す空気圧振動発生装置の処理をブロックとして表した構成を示している。すなわち、空気圧振動発生装置は、スピーカ１０と、スピーカ１０に与えるパラメータを設定するパラメータ設定部２０と、スピーカ１０を制御するスピーカ制御部３０と、スピーカ１０から発生された空気圧振動を伝達する伝達チューブ４０と、伝達チューブ４０を介して伝達された空気圧振動を検出して電気信号に変換するセンサ／信号変換部５０と、このセンサ／信号変換部５０から出力された電気信号を増幅してデジタル信号に変換するアンプ／ＡＤＣ６０と、このアンプ／ＡＤＣ６０から出力されたデジタル信号に基づく表示を行う表示部７０とを備える。

【0014】

なお、これら各部のうち、少なくとも、パラメータ設定部２０、スピーカ制御部３０及び表示部７０は、例えば、信号処理を行うコンピュータにおけるＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリなどのハードウェアを用いて実行可能なプログラムとして実装したり、コンピュータに装着可能な拡張ボードに搭載されたＤＳＰ（Digital Processing Unit）などの専用プロセッサを用いて実装したりすることができる。

【0015】

スピーカ１０は、内部の空間に振動板１０ａなどを有する通常のスピーカである。スピーカ１０は、市販されている任意のスピーカを用いて構成されることができる。スピーカ１０の音放出面となる前面側には、アクリル樹脂板１０ｂが設けられている。すなわち、スピーカ１０は、このアクリル樹脂板１０ｂによって内部の空間が密閉された構成とされる。スピーカ１０は、スピーカ３０の制御のもとに、設定された周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる。

【0016】

パラメータ設定部２０は、例えばユーザが操作するパーソナルコンピュータなどを用いて構成され、ユーザの操作のもとに、スピーカ１０から発生させる空気圧振動のパラメータ、具体的には任意の周波数及び振幅を設定する装置である。なお、人間の呼吸信号は、一般に、０．２～０．５Ｈｚであり、心拍信号は、５±３Ｈｚである。したがって、パラメータ設定部２０は、周波数として、この範囲の信号を設定可能であればよい。このパラメータ設定部２０によって設定された周波数及び振幅情報は、スピーカ制御部３０に供給される。

【0017】

スピーカ制御部３０は、パラメータ設定部２０から供給された周波数及び振幅情報に基づいて、スピーカ１０を制御し、スピーカ１０から設定された周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる。

【0018】

伝達チューブ４０は、スピーカ１０から発生された空気圧振動を伝達する媒体であり、空気圧振動の圧力変動範囲に対応して内部の圧力が変動するように適度な弾力を有するものを使用する。また、伝達チューブ４０としては、圧力変化を適切な応答速度で後段に伝達するために、チューブの中空部の容積を適切に選択する必要がある。伝達チューブ４０が適度な弾性と中空部容積とを同時に満足できない場合には、伝達チューブ４０の中空部に適切な太さの芯線をチューブ長さ全体にわたって装填し、中空部の容積を適切にとることができる。

【0019】

センサ／信号変換部５０は、伝達チューブ４０を介して伝達された空気圧振動の微小な圧力の変動を検出するセンサと、空気圧振動を電気信号に変換する信号変換部とを有する。本実施の形態においては、センサ／信号変換部５０のセンサとして、低周波用のコンデンサマイクロフォンタイプのものを使用するが、これに限定されるものではなく、適切な分解能とダイナミックレンジとを有するものであればよい。本実施の形態において使用した低周波用のコンデンサマイクロフォンは、一般の音響用マイクロフォンが低周波領域に対して配慮されていないのに引き替え、受圧面の後方にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を大幅に向上させたものであり、伝達チューブ４０内の微小圧力変動を検出するのに好適なものである。また、このコンデンサマイクロフォンは、微小な差圧を計測するのに優れており、０．２Ｐａの分解能と約５０Ｐａのダイナミックレンジとを有し、通常使用されるセラミックを利用した微差圧センサと比較して数倍の性能を持つものであり、空気圧振動の微小な圧力を検出するのに好適なものであり、微小な振動を高感度に検出することができる。

【0020】

アンプ／ＡＤＣ６０は、後の処理工程で処理できるように空気圧振動に基づく電気信号を増幅し、さらに、明らかに異常なレベルの信号を除去するなどして適切な信号整形処理を行う。また、アンプ／ＡＤＣ６０は、増幅したアナログ電気信号をデジタル信号に変換するアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）も有する。このアンプ／ＡＤＣ６０によって生成されたデジタル信号は、図示しない所定のフィルタ部に供給される。このフィルタ部は、デジタル信号から不要な信号をバンドパスフィルタなどによって除去することにより、人間の心拍信号や呼吸信号に相当する信号を抽出する。このようなアンプ／ＡＤＣ６０から出力されたデジタル信号は、表示部７０に供給される。

【0021】

表示部７０は、例えばユーザが操作するパーソナルコンピュータなどを用いて構成され、ユーザの操作のもとに、アンプ／ＡＤＣ６０から出力されたデジタル信号に基づく表示を行う。例えば、表示部７０は、人間の心拍信号や呼吸信号に相当する信号の時系列波形や、その周波数及び振幅値などを表示する。なお、この表示部７０に表示される情報は、例えばハードディスクなどの図示しない記録装置に記録されることができる。

【0022】

このような空気圧振動発生装置は、ユーザによって設定された周波数及び振幅の空気圧振動をスピーカ１０の内部の密閉空間において発生させ、これを電気信号に変換して生体信号の模擬信号として記録することにより、例えば特許文献１乃至特許文献３に記載されているような人間の生体信号を検出して睡眠に関する情報を取得する生体信号検出装置の校正装置として利用される。

【0023】

ここで、校正の対象となる生体信号検出装置の例について説明する。

【0024】

図２に、生体信号検出装置の処理をブロックとして表した構成を示し、図３に、図２において矢視方向からみたときの一部断面図を示している。すなわち、生体信号検出装置は、寝台１２１上に横臥している利用者の生体信号を検出する生体信号検出部１と、この生体信号検出部１によって検出された生体信号を増幅する信号増幅部２と、この信号増幅部２によって増幅された生体信号に対してフィルタリング処理を施すフィルタ部３と、このフィルタ部３を通過した生体信号に基づいて各種処理を行う処理部４とを備える。

【0025】

生体信号検出部１は、利用者の微細な生体信号を検出する無侵襲且つ無拘束センサである。具体的には、生体信号検出部１は、圧力検出チューブ１ａと、この圧力検出チューブ１ａの内部に収容されている空気の微小な圧力変動を検出するセンサである微差圧センサ１ｂとから構成され、無侵襲且つ無拘束な生体信号の検出手段を構成している。

【0026】

圧力検出チューブ１ａとしては、生体信号の圧力変動範囲に対応して内部の圧力が変動するように適度な弾力を有するものを使用する。また、圧力検出チューブ１ａとしては、圧力変化を適切な応答速度で微差圧センサ１ｂに伝達するために、チューブの中空部の容積を適切に選択する必要がある。圧力検出チューブ１ａが適度な弾性と中空部容積とを同時に満足できない場合には、圧力検出チューブ１ａの中空部に適切な太さの芯線をチューブ長さ全体にわたって装填し、中空部の容積を適切にとることができる。すなわち、この圧力検出チューブ１ａは、伝達チューブ４０に相当する。

【0027】

このような圧力検出チューブ１ａは、寝台１２１上に敷設された硬質シート１２２上に配置される。生体信号検出装置においては、硬質シート１２２上に弾性を有するクッションシート１２３が敷設されており、圧力検出チューブ１ａの上に利用者が横臥することになる。なお、圧力検出チューブ１ａは、クッションシート１２３などに組み込んだ構成とすることにより、圧力検出チューブ１ａの位置を安定させる構造としてもよい。

【0028】

微差圧センサ１ｂは、微小な圧力の変動を検出するセンサである。本実施の形態においては、微差圧センサ１ｂとして、上述したセンサ／信号変換部５０のセンサと同様に、低周波用のコンデンサマイクロフォンタイプのものを使用するが、これに限定されるものではなく、適切な分解能とダイナミックレンジとを有するものであればよい。

【0029】

本実施の形態においては、一方が利用者の胸部の部位の生体信号を検出し、他方が利用者の臀部の部位を検出するように、２組の圧力検出チューブ１ａが設けられており、利用者の就寝の姿勢にかかわらず生体信号を検出するように構成されている。なお、生体信号検出装置においては、胸部の部位又は臀部の部位の一方のみに圧力検出チューブ１ａを配置する構成としてもよい。このような生体信号検出部１によって検出された生体信号は、信号増幅部２に供給される。生体信号検出装置は、このような無侵襲且つ無拘束で生体信号を検出する構成とすることにより、日常生活において容易に使用することができ、特に高齢者の使用に極めて好適である。

【0030】

信号増幅部２は、後の処理工程で処理できるように生体信号検出部１によって検出された信号を増幅し、さらに、明らかに異常なレベルの信号を除去するなどして適切な信号整形処理を行う。この信号増幅部２によって増幅された生体信号は、フィルタ部３に供給される。

【0031】

フィルタ部３は、信号増幅部２によって増幅された生体信号から不要な信号をバンドパスフィルタなどによって除去することにより、心拍信号を抽出する。すなわち、生体信号検出部１によって検出された生体信号は、人体から発する様々な振動が混ざり合った信号であり、その中に心拍信号の他、寝返りなどによる体動信号などの様々な信号が含まれている。このうち、心拍信号は、心臓のポンプ機能に基づく圧力の変化（すなわち血圧）が振動となって生体信号に含まれるものである。生体信号検出装置においては、これをフィルタ部３によって抽出することにより、心拍信号として認識する。このフィルタ部３を通過した心拍信号は、処理部４に供給される。なお、心拍信号のサンプル周期は、４ミリ秒としている。

【0032】

処理部４は、生体信号検出装置の用途に応じた各種処理を行う。例えば、処理部４は、心拍信号に基づいて、いわゆる睡眠ポリソムノグラフ（ＰＳＧ）による国際睡眠深度判定基準による睡眠段階（覚醒、レム睡眠、浅い睡眠、深い睡眠）を判定する。この処理部４は、例えば、ＣＰＵやメモリなどのハードウェアを用いて実行可能なプログラムとして実装したり、コンピュータに装着可能な拡張ボードに搭載されたＤＳＰなどの専用プロセッサを用いて実装したりすることができる。

【0033】

つぎに、上述した空気圧振動発生装置の検証結果について説明する。検証方法として、空気圧振動発生装置によって実際に空気圧振動を発生させたときに得られた信号波形と、校正対象である生体信号検出装置によって実際に人体測定を行って得られた信号波形との相互相関を求めた。生体信号検出装置としては、本特許出願人が製造販売するＳＰ３８－Ｍを用いた。

【0034】

図４に、空気圧振動発生装置による信号波形を示す。この例では、心拍信号及び呼吸信号に相当する周波数及び振幅の設定値と実測値との相互相関係数ｒ及びＰ値が、それぞれ、ｒ＞０．９、Ｐ値＜０．０１となり、高い相互相関を呈した。したがって、この空気圧振動発生装置の有効性が検証された。

【0035】

このような空気圧振動発生装置は、既存のスピーカを利用した簡便且つ低コストの構成のもとに、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させることができ、この空気圧振動に基づく電気信号を生体信号の模擬信号として利用することにより、生体信号検出装置の校正装置として極めて有効に使用可能である。

【0036】

なお、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0037】

１ 生体信号検出部
１ａ 圧力検出チューブ
１ｂ 微差圧センサ
２ 信号増幅部
３ フィルタ部
４ 処理部
１０ スピーカ
１０ａ 振動板
１０ｂ アクリル樹脂板
２０ パラメータ設定部
３０ スピーカ制御部
４０ 伝達チューブ
５０ センサ／信号変換部
６０ アンプ／ＡＤＣ
７０ 表示部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】