(57)【要約】【課題】自動調整式指示システムを用いたマットレス（スマートマットレス）において、身体にかかる荷重を均等に制御するとともにマットレスの任意の部分の高さを調節するための制御方法を提供すること。【解決手段】自動調整式指示システムは、棒状で高さを自動で調節でき、先端に圧力センサーを備えた支持体（スマートスプリング）を多数並べたものであるが、それぞれの支持体にかかる圧力に応じて一定の法則に従い支持体の高さを調節し、さらにマットレス全体にかかる荷重の平均値とそれぞれの支持体の圧力センサーにかかる荷重の差を支持体の高さのオフセット量として調節することで、身体にかかる圧力を均一にする。また、任意の位置のスマートスプリングにオフセットの高さを設定することでマットレスの任意の位置の高さを調整することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状の支持体の先端に圧力センサーを付け、高さ調節のできる装置である自動調整式支持システムを用いたマットレス（スマートマットレス）の、その要素である支持体（スマートスプリング）において、圧力センサーにかかる荷重に対してフックの法則あるいはテーブル参照などの規則に従い支持体の高さを調節する機能を持つことを特徴とするマットレスのシステム。
【請求項２】
マットレス全体にかかる荷重の平均値とそれぞれの支持体にかかる荷重の差に応じて、フックの法則あるいはテーブル参照などの規則に従い求めた高さの差分をオフセット量として各支持体の高さを調節することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
マットレスの任意の位置にあるスマートスプリングに対し、任意の高さを外部よりオフセット量として調節できることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、クッションの硬さや高さを容易に変更可能でかつ高さを制御可能なマットレスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  寝具としてのベッドには、寝心地を良くする目的で通常マットレスが敷かれている。マットレスには通常、クッション機能が備わっており、人が横たわった際に下方に沈み込むことで身体にフィットし、重力により身体にかかる圧力を分散することで寝心地を良くしている。
マットレスにクッション機能を実現するためには、通常スプリング（コイルばね）やスポンジ、織物などで構成されるのが一般的である。【０００３】  しかし、人間の身体は、凹凸があるため、スプリングによるクッションでは圧力が均等に分散されないという問題がある。この問題に対して、低反発ウレタンなどを用いるものは、スプリングに比べ圧力が均等にすることができる。【０００４】  ところで、横向きで寝ることでいびきなどが防止でき、呼吸が楽になるなどの効果があると言われているが、スプリングおよびスポンジのマットレスでは横向きで寝るとどうしても腕を身体の下敷きとなり、腕が圧迫されて血流が悪くなって痛くなってしまう問題がある。この課題の解決には、マットレスの任意の位置の硬さや高さを自由に制御することが考えられる。横向きに寝る場合であれば、身体の下敷きになる腕の部分を凹ませることで問題を回避できる。その具体的な実現方法としては、高さ調整可能な棒状の支持体が垂直に多数配置されたマットレスの技術である特表２０１４−５１６７５０「自動調整式支持システム」（発明者バラサラジ，ポヌチャミー）が有効であると考えられる。【０００５】  しかしながらこの発明（特表２０１４−５１６７５０）には、構造的な要件は記載されているが、制御方法に関しては「適切に制御する」とだけ記載されており、制御アルゴリズムに関する言及が一切ないため、この発明だけで課題を解決することはできない。【０００６】  また、一般にベッドで快適な姿勢を保つためには、枕を使うが、通常枕はベッドとは独立した部分であり、高さや硬さはその枕固有のものであって簡単に高さ硬さを変えることはできない。これについても上記の先行する発明（特表２０１４−５１６７５０）が有効であるが、同様に制御アルゴリズムに対する言及がないので課題を解決することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１４−５１６７５０「自動調整式支持システム」発明者バラサラジ，ポヌチャミー
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００８】  本発明は、先行する発明である高さ調整可能な棒状の支持体が垂直に多数配置されたマットレスに対し、いかなる体形や身体の向きであっても体にかかる圧力を均等にして快適な寝心地を提供し、また身体を横向きにした場合に腕が圧迫されないようにすることができ、さらに枕に相当する部分の高さや硬さを調整するための制御アルゴリズムを提供することで課題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【００９】  本発明の説明においては、ハードウェアを定義しておく必要があるため、先にそれを明らかにしておく。まず、高さ調整可能な垂直に配置された棒状の支持体をスマートスプリング（１７）と呼ぶ。スマートスプリング（１７）は、先端に、上からの荷重を検出する荷重センサー（５）が配置されており、コンピュータ制御により高さを適切に調整する機能を持つ。［選択図］図１  またスマートスプリング（１７）を一定の数集めて結合したものをスマートスプリングユニット（１８）と呼ぶ。［選択図］図２  さらにスマートスプリングユニット（１８）をマットレス状に並べたものをスマートマットレス（２８）と呼ぶ。［選択図］図３【００１０】  このハードウェアのうち、スマートスプリング（１７）は、支持体の先端に配置された荷重センサー（５）にかかる荷重に応じて、高さを下げるよう制御する。この機能を実現するため最も単純な制御方法は、スマートスプリング（１７）をフックの法則として知られているスプリング（圧縮ばね）の特性と同じようにふるまわせるようコンピュータ制御することで与えることができる。この制御は、スマートスプリング制御ＣＰＵ（２１）が実行する。【００１１】  ただし荷重センサー（５）の荷重に対しスマートスプリング（１７）の高さを変化させる関係は、関数で求まる線形性があっても良いし、単にテーブル参照による非線形な関係でも差し支えない。ここでは単純な説明のためにスプリングの特性であることを前提に説明する。【００１２】  フックの法則は次の式で示される。
【数１】
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【００１３】  スプリング（圧縮ばね）における硬さとは、ある一定の荷重をスプリングに与えたときに、縮む距離のことである。縮む距離が少なければスプリングは硬く、多ければ柔らかいと言える。スマートスプリング（１７）においては、荷重センサー（５）で検知できる荷重の最大値を与えたときにスマートスプリング（１７）が縮む距離を変えることで、任意のばねの硬さをスマートスプリング（１７）に与えることができる。この縮む距離をスマートスプリング（１７）のストロークと定義する。【００１４】  また、荷重センサー（５）に最大荷重を与えたときが縮みきって最も短くなった状態であるが、そのときの高さをオフセット値として設定することにより、スマートスプリング（１７）の高さを決めることができる。【００１５】  以上により、スマートスプリング（１７）の制御は、２つの基本機能、すなわちストロークを制御してスプリングの硬さを調節し、オフセット高さを調節した上で、荷重センサー（５）にかかる荷重に応じて高さを変更することで実現される。【００１６】  次にスマートマットレス（２８）全体の制御について説明する。スマートマットレス（２８）の基本機能は２つある。１つは、人がスマートマットレス（２８）の上に横になった場合、身体にかかる圧力を均等にする機能である。もう１つは任意の位置のスマートスプリング（１７）の高さを変更する機能である。【００１７】  まず、身体にかかる圧力を均等化する機能について説明する。スマートマットレス制御ＣＰＵ（２５）は、全スマートスプリング（１７）の中から、圧力がかかっているスマートスプリング（１７）を選び出し、そのかかった圧力の平均値を求める。この時点で各スマートスプリング（１７）は、荷重センサー（５）で検知した荷重に応じてフックの法則（あるいは事前に設定された関係性）に従って沈み込んで（短くなって）いるはずである。次に圧力のかかっている各スマートスプリング（１７）の荷重と平均値の差を求め、その圧力差に相当する分の移動量を調整量として、フックの法則から求める。最後に圧力のかかっている各スマートスプリング（１７）に対して、調整量分をオフセットとして加えることで各スマートスプリング（１７）にかかる圧力は均等になるはずである。周期的にこの操作を繰り返すことで常に身体にかかる圧力を均等に保つことができる。この操作の周期は、１から５秒周期程度が好適である。【００１８】  続いて任意の位置のスマートスプリング（１７）の支持体の高さを変更する機能の実現方法について説明する。これはスマートマットレス（２８）の任意のスマートスプリング（１７）を指定してオフセットの高さを外部から設定することにより実現する。高さを設定した部分に関しては、全身に関して荷重を均等にする制御から除外し、高さ設定した部分のうち隣り合ったスマートスプリング（１７）のグループに限定して荷重を均等化する制御を行う。たとえば枕にあたる部分について高さを上げて、さらにマットの硬さなども調整して使用することが考えられる。横向きで寝る場合、腕が下敷きになってしまい痛くなる問題についても、肩から腕の範囲にかけて高さを下げておくことで問題を解決することができる。
【発明の効果】
【００１９】  本発明により、自動調整式支持システムを用いたスマートマットレスにおいて身体にかかる荷重を均等に分散させ快適な寝心地を提供し、なおかつ高さ調整機能より任意の高さや硬さの枕を瞬時に入手することができる。また横向きで寝た場合に腕の部分の高さを調整することで腕にかかる圧力を軽減して腕が痛くなることがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】スマートスプリングの内部構造の例である。
【図２】はスマートスプリングを縦横８列ずつ、計６４個を正方形状に連結したスマートスプリングユニットを構成した例である。
【図３】スマートスプリングモジュールによるスマートマットレスの構成例である。
【図４】スマートスプリングの制御装置の制御ブロック図の例である。
【図５】スマートマットレス制御装置ブロック図の例である。
【図６】スマートスプリング制御装置のソフトウェアのメインルーチンのフローチャートの例である。
【図７】スマートスプリング制御装置のソフトウェアにおけるタイマー割込みルーチンのフローチャートの例である。
【図８】スマートマットレス制御ルーチンのフローチャートの例である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】  本発明は、フックの法則にしたがうコイルばねと同じ特性となるようコンピュータ制御により高さを調節するスマートスプリング（１７）を複数連結したスマートスプリングユニット（１８）、さらにそのスマートスプリングユニットをベッドに合うようなマットレス形状に並べることでスマートマットレス（２８）を構成し、それぞれの部分のＣＰＵのソフトウェアにより制御することで機能を実現する。
【実施例１】
【００２２】  図１は、スマートスプリング（１７）の内部構造の例である。図２は、スマートスプリング（１７）を複数連結して構成したスマートスプリングユニット（１８）の実施例である。さらに図３は、このスマートスプリングユニット（１８）を複数連結して構成したスマートマットレス（２８）の構成例である。図１に示したスマートスプリング（１７）の制御装置は、図４のスマートスプリング制御装置ブロック図に示す基本構造である。制御のための演算は、スマートスプリング制御ＣＰＵ（２１）で行う。スマートスプリング制御ＣＰＵ（２１）には、荷重センサー信号入力コネクタ（２３）と原点センサー入力コネクタ（１９）の２つの入力部があり、演算結果としてモーターを制御するための信号をステッピングモータードライバー（２０）に送り、ステッピングモータードライバー（２０）は、部ステッピングモーター駆動コネクタ（２４）より駆動電力をステッピングモーター（１５）に送出する。スマートスプリングユニット通信（２２）は、シリアル通信によりスマートスプリングユニット制御ＣＰＵ（２１）と通信を行う。【００２３】  図５は、スマートマットレス全体の制御装置の構造を示したブロック図である。スマートマットレス制御ＣＰＵ（２５）は、スマートスプリングユニット制御ＣＰＵ（２７）より各スマートスプリング（１７）の荷重、現在の指令値を受け取り、各スマートスプリング（１７）が最適な硬さや高さになるよう演算を行い、各スマートスプリングユニット制御ＣＰＵ（２１）に指令値を送信する。スマートスプリング制御ＣＰＵ（２７）は、それぞれ６４個のスマートスプリング（１７）と接続されており、スマートマットレス制御ＣＰＵ（２５）からの指令値を各スマートスプリング制御ＣＰＵ（２６）に伝達し、逆に各スマートスプリング制御ＣＰＵ（２６）から送られてきた情報を集めスマートマットレス制御ＣＰＵ（２５）に送る機能がある。機能的には、スマートマットレス制御ＣＰＵ（２５）とスマートスプリング制御ＣＰＵ（２６）が直接接続されても良いが、本実施例の通信を例えばＲＳ４８５などの一般的なシリアル通信技術で実現しようと考えた場合、この実施例ではスマートスプリング制御ＣＰＵ（２１）が９６０個となり、１系統のＲＳ４８５で接続するには、あまりにも多すぎるため実現が困難である。このため本実施例では、スマートスプリングユニット制御ＣＰＵ（２７）を設け、スマートマットレス制御ＣＰＵ（２５）と１対１５の通信として現実的な接続台数とした。また、スマートスプリングユニット制御ＣＰＵ（２７）もスマートスプリング制御ＣＰＵ（２６）と１対６４と、こちらも現実的な接続台数としている。【００２４】  図６は、スマートスプリング制御部メインルーチンのフローチャートである。スマートスプリング制御ＣＰＵ（２６）は、スマートマットレス制御ＣＰＵ（２５）で生成された各スマートスプリング（１７）に対する指令値を、スマートスプリングユニット制御ＣＰＵ（２７）経由で受け取って制御演算を実施して、ステッピングモーター（１５）を制御する。指令値とは、具体的にはスマートスプリング（１７）の高さ調節するための原点からのオフセット距離とスマートスプリングの硬さを調節するためのストローク長である。【００２５】  図７は、スマートスプリング制御ＣＰＵ（２１）のタイマー割込みルーチンのフローチャートである。スマートスプリング制御ＣＰＵ（２６）は、常にメインルーチンをループして実行しているが、定期的にタイマー割込みが発生し、タイマー割込みルーチンを実行する。［選択図］図７タイマー割込みの周期は任意に決めることができるが、制御の応答性能と実用上の快適性、騒音などを考慮して決めるのが望ましい。本実施例では、タイマー割込みルーチンの中で、位置指令値と現在位置の差を位置誤差とし、位置誤差がゼロになるようステッピングモーター（１５）の駆動信号を発生する。【００２６】  図６に示したスマートスプリング制御ＣＰＵのメインルーチンでは、位置指令と現在位置から位置誤差を算出しており、図７スマートスプリング制御部タイマー割込みルーチンで位置誤差がゼロになるようにステッピングモーター（１５）を制御する。【００２７】  スマートスプリング（１７）の制御は、コイルばねの物理的性質を模して行う。それは数１に示したフックの法則に従うものである。Ｆは、スマートスプリングが受ける力（単位：Ｎ）で、スマートスプリング（１７）にかかる荷重を荷重センサー（５）で検知して得られる数値である。Ｆのとりえる数値の範囲は、荷重センサー（５）の検知できる数値範囲に限られる。ｘは、スマートスプリング（１７）の沈み込み量（単位：ｍ）である。ｋはばね定数と呼ばれる比例定数である。【００２８】  ばね定数ｋは、数２により荷重センサーの最大値Ｆｍａｘとストローク長Ｘｒａｎｇｅから自動的に求まる。ここで荷重センサー（５）の最大値Ｆｍａｘは、荷重センサー（５）固有の特性であるので自ずと決まっている。一方ストローク長Ｘｒａｎｇｅは最大長の範囲内であれば任意に設定することができる。以上より定数ｋは、スプリングの硬さを決める数値であり、ストローク長によって間接的に決定される。Ｘｒａｎｇｅは、スマートマットレス制御ＣＰＵ（２５）が決定し各スマートスプリング制御ＣＰＵ（２６）に指令される値である。【００２９】
【数２】
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【００３０】  図８は、スマートマットレス制御ルーチンのフローチャートの例である。スマートマットレスの基本的な機能は、寝転んだ際に身体にかかる荷重を均一にすることである。このフローチャートの制御により、各スマートスプリング（１７）のオフセット量を調節することで、かかる荷重を均一にするよう調整される。【００３１】  以上により、スマートマットレス（２８）は課題を解決することができる。本実施例では、ステッピングモーター（１５）を用いて制御しているが、位置検出器を備えたサーボモーターで実現しても良いし、油圧や液圧、空圧で作動するシリンダーと位置検出器でアクチュエータを構成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】  スマートマットレスの各スマートスプリングのオフセット値およびばねの硬さを調節することで、マッサージ機を構成することが可能である。【００３３】  スマートスプリングを制御して、寝ている人の身体の筋肉などの硬さを測定することで、凝りの具合などを診断することが可能である。その結果をもってより高度なマッサージを行うようなことも可能である。【００３４】  スマートマットレスから得られた就寝中の圧力分布をデータとして集めて分析することで、その人の睡眠の質を評価することが可能である。【００３５】  スマートマットレスを外部の入力手段、例えばパソコンやスマートフォンのアプリケーションで操作可能なようにすることで、マットレスの硬さややわらかさを好みの状態に変えることができる。【００３６】  スマートマットレスにより、スマートマットレス全体を一定の低周で波打たせることで、使用者が入眠しやすくなる。例えばゆりかごのような効果を得ることができる。【００３７】  スマートマットレスを時計と組み合わせることで、目覚まし時計と連動して起床時間に振動させて起床しやすることができる。【００３８】  使用者がバーチャルリアリティのヘッドマウントディスプレイを用いて、例えばリゾート地でハンモックで寝ているような映像や、プールでエアマットの上に乗って浮いているような映像を見ながら、スマートマットレスを連動させて動かすことで、身体的なリアリティを付加することができる。【００３９】  スマートマットレスのオフセット値とばねの硬さを動的に制御して蠕動（ぜんどう）運動のような制御をすることでスマートマットレス上に寝ている人や物を徐々に移動させることが可能であり、寝ている間に中心からずれてしまった場合などに位置を直したりすることができる。【００４０】  老人介護施設や病院で使用した場合、スマートマットレスの蠕動（ぜんどう）運動により、使用者をベッドから移設したり、寝返りを打たせたりすることが容易にすることができる。【００４１】  老人介護施設や病院では、寝たきりの使用者が床ずれによる障害（褥瘡、じょくそう）が起きることが問題である。スマートマットレスの蠕動（ぜんどう）運動により、寝返りを打たせたりすることで床ずれを予防したり軽減することができる。
【符号の説明】
【００４２】１  カップリング
２  送りナット
３  可動部ベース
４  原点センサー
５  荷重センサー
６  クッション
７  ソフトパッド
８  荷重伝達器
９  可動部カバー
１０  可動部ロッド
１１  ベアリング
１２  送りねじ
１３  固定部ロッド
１４  固定部カバー
１５  ステッピングモーター
１６  モーターシャフト
１７  スマートスプリング
１８  スマートスプリングユニット
１９  原点センサー入力コネクタ
２０  ステッピングモータードライバー
２１  スマートスプリング制御ＣＰＵ
２２  スマートスプリングユニット通信
２３  荷重センサー信号入力コネクタ
２４  ステッピングモーター駆動コネクタ
２５  スマートマットレス制御ＣＰＵ
２６  スマートスプリング制御ＣＰＵ
２７  スマートスプリングユニット制御ＣＰＵ
２８  スマートマットレス
３０  開始
３１  原点復帰モード？
３２  原点スイッチオン？
３３  荷重センサー読み取り
３４  目標位置算出
３５  位置誤差算出
３６  通信処理
３７  原点復帰コマンド？
３８  割込み開始
３９  割込み要因クリア
４０  原点復帰モード？
４１  位置誤差の絶対値から移動速度を算出
４２  原点スイッチ方向に移動（移動速度は最高速）
４３  位置誤差＞０？
４４  原点スイッチと反対方向に移動
４５  原点スイッチ方向に移動
４６  割込みからの復帰
４７  開始
４８  原点復帰指令
４９  原点復帰完了？
５０  全荷重センサー読み取り
５１  荷重の平均値算出
５２  各スマートスプリングにかかる荷重と平均値の差を算出
５３  求めた差をフックの法則Ｆ＝ｋｘにあてはめて、荷重が平均値に等しくなるようオフセット値を算出
５４  各スマートスプリングに設定するオフセット値を送信
【図１】
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【図２】
2020175115.tif 000006
【図３】
2020175115.tif 000007
【図４】
2020175115.tif 000008
【図５】
2020175115.tif 000009
【図６】
2020175115.tif 000010
【図７】
2020175115.tif 000011
【図８】
2020175115.tif 000012