(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に変位可能な第１と第２の弾性部材それぞれが、薄い弾性誘電体によって分離された導電性表面を有する静電容量式圧力センサーであって、
前記第１と第２の部材間の圧力誘起接触領域の変化を利用して、二つの弾性部材間の差圧を決定するセンサーの静電容量を変化させ、
両弾性部材は、互いに押しつけられるにつれて徐々に係合して接触領域を増加させるそれぞれの凸部を有し、
前記凸部は、所定の圧力範囲内で発生する少なくとも一つの最大接触領域において導電性表面を有し、
前記第1の弾性部材の凸部の導電性表面が前記第２の弾性部材の凸部の導電性表面と連動関係に配置され、両弾性部材の各凸部が相互係合するとき、前記凸部は、相互に直交する二つの軸に沿った側面変位により完全に分離されないことを特徴とする、静電容量式圧力センサー。
【請求項２】
前記第１の弾性部材の各凸部は凸状であり、前記第２の弾性部材の各凸部は凸状または凹状のいずれかである、請求項1に記載のセンサー。
【請求項３】
前記第１の部材の各凸部は第１の方向に向った曲率半径を有し、前記第２の部材の各凸部は前記第１の方向とは反対の第２の方向に向った曲率半径を有する、請求項1に記載のセンサー。
【請求項４】
前記第１および第２の部材の各凸部が同じ方向に向った曲率半径を有する、請求項1に記載のセンサー。
【請求項５】
前記圧力誘起接触領域が非平面である、請求項１〜４のいずれかに記載のセンサー。
【請求項６】
前記第１と第２の弾性部材は管状であり、前記第２の弾性部材が前記第１の弾性部材の内側に配置される、請求項１〜５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項７】
少なくとも一対の前記第１の弾性部材を含み、
前記第1の弾性部材それぞれは、互いに外向きに整列した凸部を有し、前記二つの部材の各凸部がそれぞれの第２の弾性部材を収容するトンネルを形成するように背中合わせに並置され、
さらに、前記第２の弾性部材は管状の構造になっている、請求項１〜６のいずれかに記載のセンサー。
【請求項８】
前記第１および第２の弾性部材は、円筒状であり織物構造によって連動する、請求項１〜７のいずれかに記載のセンサー。
【請求項９】
前記第１および第２の弾性部材は、当初互いに変位しており、第１の所定の閾値より大きい圧力に応答してのみ初期圧力接触するように構成される、請求項１〜８のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１０】
前記第１および第２の弾性部材のそれぞれの領域の初期相互変位位置が、第２の所定の閾値よりも大きい圧力に応答してのみ初期圧力接触するように構成される、請求項１〜９のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１１】
呼吸や体圧分布を監視する装置であって、請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の静電容量式圧力センサーを含むことを特徴とする、装置。
【請求項１２】
少なくとも部分的にコンピュータまたはスマートフォンのようなプログラム可能なハンドヘルド装置によって実現される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
未処理のまたは分析された単一または複数のセンサーのデータがホスト装置に送信され、
前記ホスト装置は、以下の機能：
クローズドまたはオープンループにおいて呼吸及び他の体の動きに影響を与えるため、ユーザーに使用する刺激入力を生成する；
器具への刺激入力を生成する；ユーザーに指示入力を提供する；データ記憶および遠隔地との通信; 
ユーザー・コマンドを受け取る；および
双方向通信を介して電子センサー回路の動作を制御する、
のうち、少なくとも一つを実行する、請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記ホスト装置は、監視されたユーザーの体の動きに応じてリアルタイムで視聴覚や触覚刺激を生成し、それにより、前記ユーザーは体の動きを前記刺激に同期させ、体の動きと呼吸を弛緩および睡眠を誘発する方向へ変更できる、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記静電容量式圧力センサーは、１以上の感知ユニットを含むフレキシブル静電容量式圧力センサーである、請求項１１〜１３のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にはフレキシブル・センサーを用いて、圧力を静電容量に変換するシステムと方法、具体的には、このようなセンサーを用いて身体の運動と呼吸を監視するシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療技術が急速に発展するにつれ、マットレス（就寝時）、椅子、およびソファー等の家庭用品の上にいるセンサーを身に付けていない人により発生した圧力を通じて呼吸を監視する必要が高まっている。一部のアプリケーションでは、例えば、吸気と息こらえのような呼吸段階での発作をリアルタイムで検出可能な十分な高品質で、ＤＣと比較的ノイズレスの両方になりえる、呼吸信号を必要とする。このようアプリケーションは、例えば、弛緩誘発と高血圧症治療にＲＥＳＰｅＲＡＴＥと呼ばれる装置が適用した、案内トーンを使用する呼吸パターンの修正を含んでいる。この装置は米国特許Ｎｏ．５，８００，３３７に記載されている。これらのアプリケーション用のセンサーはユーザーに不快感を起こさないように十分薄くする必要があり、関連機器と人体は通常変形可能で柔らかいため、フレキシブルであり、呼吸によって誘発される圧力変調がかなり小さいので、高感度であり、主な市場対象が家庭であるため、安価でなければない。これらの理由から、ＡＣ信号を提供するピエゾベースのセンサーは最適ではない。
【０００３】
圧力を静電容量に変換するフレキシブル・センサーが、この目的に適切であるように思われる。一般に、面積Ａの二つの導電性表面が、厚さがｄの誘電体によって分離されると、この誘電体がＡ／ｄに比例する静電容量Ｃを生成する。 野田他（米国特許７，６４１，６１８）は、ベッドにおいて使用する、心臓／呼吸監視用の静電容量ベース・パッド・センサーを開示している。ベッドの誘電体はフレキシブルであるので、荷重時のｄの減少により，その無負荷値から静電容量Ｃの増加が起こる。ブルナー他（米国特許４，９８６，１３６）は、薄い誘電体を介して、下側平坦導電性表面と接触する変形可能な凸部を含み、上部導電性表面を有する、敏感な静電容量式圧力測定システムを開示している（図３（ａ））。この構造の静電容量は、凸部の変形により上下両導電表面間の、接触領域が増大するため、加えられた圧力に応じて、静電容量が増大する（図３（ｂ））。また、図８に示すように、上下両導電性表面は、好ましくは直角で相互に配向され、互いに対向する平行な帯状のテーパ凸部を含むとよい。上下両表面における凸部の各ストリップは交差し、それによって複数の容量性セルを形成する。したがって、センサーの静電容量は、直列に接続された容量性セルの平行な行を持つマトリックスと考えることができる。上下両表面の初期変位において、凸部の先端は変形がなく、相互の接触圧が非常に低い領域を画定する。表面が互いに向かって付勢されるため、凸部の先端が徐々平らになるので、 圧力接触領域も徐々に増大する。また、両表面間の距離が減少するので静電容量がさらに増大する。しかし、両表面の凸部が相互オフセットされているので、確かに、両表面は容量セルのマトリックスを形成し、それぞれの先端だけが加圧接触領域の増大に寄与するということを留意されたい。したがって、センサーの使用段階では、両表面の対向する凸部が互い連動するか、または他の方法で係合する能力はない。
【０００４】
米国特許第４，８５２，４４３には、静電容量式圧力感受性センシング技術及び装置が開示されている。この装置では、凸部の二次元アレイを担持するエラストマー導電性電極は、固定拡散協調電極とは反対に加圧変形し、２次元表面上に印加される動的圧力に対応する、楽器や視覚的表現のような、音声信号とトーンを生成する。
【０００５】
米国特許第４，４３７，１３８には、圧縮可能なエラストマー誘電体に結合された金属布で形成されたコンデンサ・プレートを備えた力センサーが開示されている。金属布帯は、力センサーのマトリックスを提供するため、誘電体の対面側に横断する帯形態になっている。ワープと金属布の横糸は、センサーの柔軟性を高めるが、１枚のプレートの縦糸と横糸が連動できず、そうでない場合は、他のプレートの縦糸と横糸と係合するので、センサーの静電容量に影響を与える。それゆえ、静電容量は中間誘電体の圧縮によってのみ決定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一の目的は、より敏感な静電容量式フレキシブル圧力センサーを提供することである。
【０００７】
本発明のもう一つの目的は、ユーザーを拘束することなく、高感度と非常に低い信号対雑音比で、呼吸および他の身体生成運動を監視する装置に、これらのセンサーを使用することである 。
【０００８】
これらの目的は、各々が薄い弾性誘電体によって分離された各導電性表面を有する第１および第２相互変位弾性部材を含む静電容量式圧力センサーの広義の態様に従って達成される、ここで：
第１および第２部材間の圧力誘起接触領域の変化は２つの弾性部材の差圧の決定を可能にする、センサーの静電容量を変化させるために使用される；そして
両弾性部材が各凸部を有し、第１弾性部材の凸部は、第２弾性部材の凸部と連動するように配置され、弾性部材が互いに押圧されると、それぞれの凸部が徐々に係合して接触領域を増大するように構成されている。
【０００９】
一部実施形態において、凸部は凹状空洞により実現され、その他は凸状凸部よって実現される。それらは弾性部材の表面ではなく、むしろ、これらの表面によって形成されているので、凹および凸構造の両方が凸部と見なすことができるのは、それらが弾性部材の表面ではなく、むしろ、凸部に形成するということを理解されたい。結局、凸部が凸状になるか凹状になるかは、弾性部材が現れる方向に依存する：片側からは凸部が凸状の凸部として現れ、反対側からはそれが凹状の凹部として現れる。
【００１０】
説明および添付の特許請求の範囲で使用される用語「インターロック」は、対向する面における各凸部が、それらが完全に直交する2つの軸に沿った横方向変位によって分離できないように互いに係合していることを意味する。これを認定し、明確にするためには、インターロックが緊密でなければならず、結果的に、ある程度の横方向変位が妨げられなければならないという要件はない。凸部は、ある程度の横方向変位が可能な緩い連動は可能ですが、２つの表面が完全に両方の軸に沿って分離することができる程度にすることはできない。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、薄い弾性誘電体により分離される各導電性表面を有する 第１および第２相互変位の弾性部材を含む静電容量式圧力センサーが提供され、各弾性部材は、少なくとも一つの各接触領域を有し、変位された弾性部材に圧縮が加えられると、圧力誘発接触を生じるように構成された各接触領域とを備えている、ここで：
両部材間の圧力接触領域における変動は静電容量を変化させるために使用され、この変化が圧縮の測定を可能にする：
第１及び第２の弾性部材の各々接触領域は、曲率の少なくとも一つの有限の半径を有する：そして
２つの弾性部材間の圧力誘起接触の各点において、両弾性部材の曲率の各半径のすべてが同じ方向に配向される。
【００１２】
概知の構造上、本発明の主な利点は、両表面が共に押圧される時、インターロックされた凸部が単位圧力当たり接触領域の変化率の増加を提供するという事実に主に起因するのが、静電容量式圧力センサーの高感度である。具体的には、凸部の側面上の領域は相互に接触し、凸部の形状は、圧力の比較的小さなぞうかに応じて、凸部のかなり大きな領域が互いに係合することを確実にする。これはセンサーの感度を非常に向上させる。
【００１３】
一部実施形態では、弾性部材は、一次元対称性を有する凸部、例えば、Ｘ−Ｙ平面上に配置された平行凸部やチューブ、あるいは、２次元対象性、例えば、Ｘ−Ｙ平面上にアレイとして配列された半楕円体形態を有する凸部、あるいは、３次元対称性、例えば平織構造、あるいは、上記の実施形態の任意の組合わせを含むことができる。
【００１４】
一部実施形態では、フレキシブル・センサーを使用する睡眠モニターが提供されており、フレキシブル・センサーは、少なくとも呼吸運動を含む所望の変数を監視する意図から、一般的に変形可能で平面ではない支持体上にて身体により生じる圧力を受ける少なくとも一つの感知ユニットを有する。一部実施形態には、マットレス、椅子やソファーの背部に使用されるパッド状フレキシブル・センサーが含まれており、フレキシブル。センサーは、枕センサーとベルトタイプ呼吸センサーを支持するネックに組み込まれている。
【００１５】
一つ以上の感知ユニットを含むフレキシブル・センサーを有する、複数の実施形態において、個々の感知ユニットの静電容量は、システムによって制御される選択された指令とタイミングに従い、感知ユニットを接続するマルチプレクサーを介して静電容量−データ変換器に接続されてもよい。
【００１６】
一部実施形態では、複数の検知ユニットが、おそらく身体運動の尺度として、時間に対する圧力分布の変化を測定するために設けられている。
【００１７】
一部実施形態では、未処理又は分析されたセンサー・データは、以下の機能の少なくとも一つを実行する ホスト装置に送信される：
・クローズドまたはオープンループにおいて呼吸及び他の体の動きに影響を与えるため、ユーザーに使用する刺激入力を生成する
・器具への刺激入力を生成する；ユーザーに指示入力を提供する；データ記憶および遠隔地との通信; 
・ユーザー・コマンドを受け取り；そして
・双方向通信を介して電子センサー回路の動作を制御する。
【００１８】
未処理データをホスト装置に伝送する実施形態において、後者もまた、所望の変数を取得するためにデータ解析を行なう。
【００１９】
一部実施形態において、ホスト装置は、携帯電話、ｉＰａｄ（登録商標）、ｉＰｏｄ（登録商標）、ラップトップ、等のようなハンドヘルド・デバイスであり、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、低エネルギー（ＢＬＥ）技術や他の適切な短距離プロトコルを用いた電子回路との双方向通信が可能である。
【００２０】
一部実施形態では、ホスト装置は、監視対象体の動きに応じてリアルタイムで視聴覚や触覚刺激を生成する。ユーザーは、自分にとって有益だと知られている所望の方向に、これらの動きに徐々に変形をもたらすように、これらの刺激体の動きは、好ましくは呼吸と同期する。例えば、呼吸を遅くし、相対的に呼気を長くすると、弛緩と睡眠を誘発する。単一または複数の呼吸パターン、または非呼吸運動に応じた刺激の生成は、睡眠や弛緩を妨害する疑問思考や外部刺激にユーザーが注意を損なわなくてもすむので、有益であると理解されたい。
【００２１】
一部実施形態では、電子回路は、フレキシブル・センサー１は、無負荷、または負荷されているかに応じて、非アクティブとアクティブ状態との間でその動作モードを切り替える。
【００２２】
一部実施形態では、複数のセンサーからの検知データのリアルタイム又は準リアルタイムの分析は、所望の最高品質の変数を提供するセンサーを選択する試みに適用される。必要に応じて、選択プロセスは繰り返されてもよく、選択が失敗した場合、ユーザーに通知することもできる。一部実施形態では所望の変数は、呼吸の指標です。
【００２３】
一部実施形態では、複数の検知ユニットを備えたパッド式フレキシブル・センサー１を含む睡眠モニターが提供される。センサーには、自動的に選択された感知ユニットと呼吸とは無関係の身体の動きを使用して、パッド上の体圧分布と呼吸運動を監視するため、ホスト装置、好ましくは携帯電話と双方向に通信できる電子回路が含まれている
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明を理解し、実際にどのように実施することができるかを知るために、以下の実施形態を添付の図面を参照して非限定的な例としてのみ説明する。
【図１】図１は、本発明の実施形態と共に使用するに適した従来技術のモニターのブロック図である。
【図２】図２は、図１のシステムに用いる感知ユニットの構成要素に対する断面図及びグラフィカル命名法である。
【図３】図３は、従来技術の感知ユニット断面図と可変圧力下での性能を示すグラフを含んでいる。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に従い、図１のシステムに用いられた感知ユニットの断面図と、可変圧力下での性能を示すグラフを含んでいる。
【図５】図５は、本発明の別の実施形態に従い、図１のシステムに用いられた感知ユニットの断面図である。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態に従い、図１のシステムに用いられた感知ユニットの断面図と、可変圧力下でのその性能を示すグラフを含んでいる。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態に従い、図１のシステムで用いられた感知ユニットの断面図と、可変圧力下でのその性能を示すグラフを含んでいる。
【図８】図８は、本発明の別の実施形態に従い、図１のシステムで用いられた感知ユニットの斜視図である。
【図９】図９は、本発明の別の実施形態に従い、図１のシステムで用いられた感知ユニットの斜視図および上面図を含んでいる。
【図１０】図１０は、本発明の別の実施形態に従い、図１のシステムで用いられた感知ユニットの断面図および上面図を含んでいる。
【図１１】図１１は、本発明の別の実施形態に遵い、図１のシステムで用いられた感知ユニットの断面図及び分解斜視図を含んでいる。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態に従い、実際に関心のある多くの実施形態においてユーザーまたは機器に添付された図１のシステムで用いられた感知ユニットの斜視図を含んでいる。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態に従い、図１のシステムで用いられたフレキシブル・センサーの概略上面図及びブロック図とホスト装置を介して発現したその結果を含んでいる。
【図１４】図１４は、本発明の１つの好ましい実施形態に従い、図１のシステムで用いられた機能ユニットを示すブロック図である。
【図１５】図１５は、本発明の好ましい一実施形態に従い、図１４に用いた機能ユニットを参照して感知ユニットのデータから所望の変数の取得に関与するプロセスの一例を示すブロック図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態に従い、感知ユニットの静電容量から得られた周波数の時間変化として表された典型的な呼吸信号を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下のいくつかの実施形態の説明では、複数の図面に現れるか、または類似の機能を有する同一の構成要素は、同一の参照符号によって参照される。
【００２６】
図１は、間に配置され、人体によって圧縮され、一般的に変形可能で平面ではない、静電容量式フレキシブル圧力センサー１を含む睡眠モニターを示す。センサーは少なくとも一つの感知ユニット２を備え、各々の感知ユニットは、静電容量を増大させることによって局所圧縮に応答する。感知ユニット２は、静電容量の変化を対応する信号に変換する適切なトランスジュサー３に接続される。信号は、典型的に可変周波数信号であり、その周波数は、静電容量の関数であって、データ処理回路４によって処理されると、静電容量の測定値またはその関数を提供する。典型的には、データ処理回路４は、種々の信号の標本化と平均化を行い、感知ユニット２に加えられた局部圧力に時間的変化に関する所望の変数、例えば、呼吸、心拍、および身体が動くときの圧力分布を提供する。
【００２７】
次に図２を参照する。この図は図1のシステムで使用された感知ユニット２の構成要素にグラフィカルな命名法を提供する。図２（ａ）は、２つの弾性部材１００と１５０を含む感知ユニット２の構成を示しており、各々の弾性部材は、変形可能な弾性バルク１１０と１３０、および表面１２０と１４０とを含んでいる。 表面１２０と１４０は、導電性であるが、薄い弾性誘電体層１７０によって互いに分離されている。 誘電体層はこれらの面の少なくとも一方の面が積層され、面の統合部分を形成してもよく、それらの弾性を低下させることなく、二つの層の間を分離する物理的障壁であってもよい。 表面１２０と１４０は、一つまたは複数の接触領域で互いに接触しており、総接触領域は、感知ユニットがより強く圧縮されると増大することが見出された。表面１２０と１４０は、少なくとも所望の圧力範囲（太い線で表示）で生成された最大接触領域で導電性であり、各表面のすべての導電領域が相互接続されていることを留意されたい。表面１２０および１４０またはバルク１１０および１３０が導電性の場合、それぞれが、導体１８０および１９０を介してデータを静電容量に変換するトランスジュサー３に電気的に接続される。所与の圧力での圧力変化を検出するセンサー感度が圧力の変化分ΔＰ と感知ユニット２の静電容量Ｃの変化分の比、すなわち（ΔＣ／Ｃ（Ｐ））／ΔＰによって決定されるということは注目に値する。感知ユニット２の静電容量の大部分が接触領域で生成されるので、この感度は圧縮に対する総接触領域の変化の比を表す。
【００２８】
図２（ｂ）は、その好ましい幾何学的形状と製造可能性に応じて、感知ユニット２の表面とバルクに適切であり得る複数の最良構造を示している。この構造は、射出または圧出された熱可塑性エラストマー発泡体で造った、充填又は中空構造のバルク１１０または１３０になってもよく、例えば、弾性ドーム状凸部にエンボス加工された可鍛性材料から造られた、オープン構造になってもよい。バルクが導電性材料、例えば導電性ポリウレタン発泡体で作られている場合、その表面は他のバルクに向けて、薄い弾性誘電体フィルム１６０、例えば熱的に積層された５〜３０ミクロンのエラストマー・フィルムで被覆されてもよい。バルクが絶縁体である場合には、弾性及び導電層１７０、例えば、弾性及び導電性織物で被覆される必要がある。弾性部材の1つのみが誘電体層１６０を含まなければならない。本発明の目的のため、弾性部材の良好な導電性は必要とされず、センサー材料のコストが著しく減少できるということは注目に値する。本発明によれば、弾性部材１１０と１３０の表面は互いに擦れ合うので、少なくとも弾性部材間の接触可能性のある領域には、摩擦を低減するための薄い外層１６５、例えばスプレーされた層またはテフロン（登録商標）フィルムを追加する必要がある。
【００２９】
図２（ｃ）は、弾性部材１００および１５０の２次元アレイの例を示しており、ここで、図２（ａ）を参照して上述 したように、弾性部材１００と１５０の任意の隣接対では、接触領域Ｉが最初に確立される場合には、それぞれＹ方向およびＸ方向に沿って異なる接触領域ＩとＩＩを持って動作する。図１に示すように、アレイは、フレキシブル・センサー１または感知ユニット２を生成することができる。図２（ｃ）に示された構造的概念が三次元アレイに拡張することができるということは自明である。
【００３０】
これを理解すると、所望であれば、表面に線を描き接触領域を表示し、導電体１８０と１９０を省略するだけで、以下に開示される実施形態を簡略化することができる。なお、図１および図２には、本発明の異なる実施形態において使用される類似した機能程度まで、それ自体が知られている機能が示されてはいるが、同一の特性または代替物が本発明にも適用可能である。例えば、誘電体は弾性部材の一方に堆積させてもよく、弾性部材の係合能力を低下させず、各凸部を連動させるため、プレートを分離する極薄弾性障壁により実現されてもよい。
【００３１】
また、以下の原理は、これらの原理を明確にするためにのみ役立つ複数の実施形態で実証されているが、実施形態の組合わせを含む他の異なる実施形態で実現されうることも理解されるであろう 。
【００３２】
次に図３（ａ）を参照する。この図は米国特許Ｎｏ．４，９８６，１３６で示されたように、既知静電容量の動作原理を示している。センサーは、平行構造の断面を表す１連の円状またはテーパ状の凸部２００を有する第１導電性弾性部材１００を含んでいる。凸部２００は誘電体層を介して第２導電性フレキシブル弾性部材１５０と加圧接触を形成する。最小圧力下（矢印で表記）では、接触領域Ｉ（点線の矩形で表記）が凸部２００と弾性部材１５０との間に確立される。図３（ｂ）は、より大きな圧力下での、凸部２０の変形を示している。結果として得られる圧縮は、接触領域Ｉの面積を増大する。図３（ｃ）は、単位面積当りピコファラッドで表された静電容量Ｃの変化と、マットレス上の人体を特徴付ける圧力範囲で、センサー２をテストすることによって生成された単位面積当たりパーセントで表された感度（ΔＣ／Ｃ（Ｐ））／Ｐを示している。以下、これらの曲線を「性能曲線」と呼ぶ。
【００３３】
図４（ａ）は、本発明の実施形態に従い、構成され動作するセンサー２の構造を図式的に示している。両弾性部材１００と１５０ は、各々が丸みを帯びた連動凸部２００及び２５０を含んでおり、個々が同じ大きさと形状を有してもよく、しなくてもよいが、簡略化のため、同じものをここに提示する。最小圧力下で、 接触領域Ｉは、凸部２００と２５０の両側に対角である。図４（ｂ）と図４（ｃ）は、圧縮時には領域Ｉが増大するが、ある時点で補助接触領域ＩＩが生成されることを示している。得られた性能曲線を図４（ｄ） に示す。この実施形態の感度は、図３（ｃ）から得られた従来技術のセンサーの感度よりもかなり大きい。図３（ｃ）には、特にマットレスに横たわっている人の呼吸を検出するに好適である低圧力を点線で示している。より大きなギャップが接触領域ＩＩをより早く発現させ、またその逆になるので、凸部２００と２５０とのギャップを変化させると、感度曲線を修正することができることは注目に値する。
【００３４】
次に図５（ａ）を参照する。この図は、別の実施形態に従い、構成され、動作する感知ユニットの構造弾性を示している。両部材１００及び１５０は、実質的に同じ高さとほぼ平行な側面を有する円状連動凸部２００及び２５０を含んでいる。最小圧力下では、凸部 ２００及び２５０が対向部材１５０と１００と接触し、各々が接触領域Ｉを生成するが、それらは互いに接触しない。図５（ｂ）および図５（ｃ）は、圧力の増加に応じた、接触領域Ｉの大きさの漸進的増大を示している。この圧力の増加は、凸部２００と２５０が相互接触する時、十分高い圧縮において新しい接触領域ＩＩが垂直方向に形成されることを示している。図４に示したように、これがセンサー・ユニットの感度を従来の提案されたセンサー以上に高めるのである。ここに示した形態の変形により、中空凸部２００及び２５０が特に効果的になると見出したことは、注目に値する。
【００３５】
次に図６（ａ）を参照する。この図は、一つの側面が図５（ａ）に示したものとは異なる実施形態に従い、構成され、動作する感知ユニット２の構造を図式的に示している。凸部２００の高さは、凸部２５０よりも低い。その結果、最小圧力下で、接触領域Ｉは弾性部材１００のみに発生する。図６（ｂ）は、高圧では、接触領域ＩＩが弾性部１５０に生成されることを示している。 図６（ｃ）は、さらなる圧縮の下で、図５に示した弾性部材１５０の上に補助接触領域ＩＩＩが生成されたことを示している。図６（ｄ）は、１ｃｍ2当たりの静電容量に対する圧力の依存性と感知ユニット２の感度を示している。感知ユニット２の感度は、従来技術のセンサー（点線）と図４（ｄ）に示す実施例の感度よりもはるかに大きい。
【００３６】
次に図７（ａ）を参照する。この図は、他の実施形態に従い、構成され、動作する感知ユニット２の構造を図式的に示している。ここでも、相互連動要素の対が提供されるが、以下の側面では図３（ａ）（従来技術）に示すものとは異なる：弾性体１００は平坦ではないが、弾性部材１５０に設けられた相補的凸状構造２５０を囲む凹上構造２００を含む。先に説明したように、凸状と凹状の両構造は凸部とみなしてもよい。接触領域Ｉは、最小圧力下で生成される。 図７（ｂ）は、接触領域Ｉを増大させる以上の大きな圧力下での、要素２００および２５０の相互変形を示している。 図７（ｃ）は、本実施形態のユニークな性質を示している。すなわち、マットレスのような変形可能な支持体上の人体のエッジによって生じた圧力に適切な場合、検出した力は異なる角度で適用される。このようなセンサー位置では、最も高い感度で呼吸を検出できると思われる。図６（ｄ）は、この実施形態の性能曲線を示している。低圧では、この感度が従来技術のセンサーより高いのであるが、高圧では 同等またはさらに低くなる。低圧におけるこの感知ユニットの感度は、領域Ｉにおける要素２００および２５０の曲率と弾性との間の差によって制御されることは注目に値する。ユニット２００と２５０の曲率を近づけると、小さい圧力でも接触領域Ｉの面積を増大することができる。これは低圧感度が高いことを意味する。
【００３７】
次に図８（ａ）を参照する。この図は、図７に示した実施形態といくつかの類似性を共有する別の実施形態に従って構築され、動作するセンサー１の構造を図式的に示している。この構造は、筒状弾性部材１５０を含んでいる。部材１５０は、最小圧力で弾性部材１００と１５０が接触領域Ｉを形成できるように、部材１５０よりも大きな寸法の円形または楕円形断面を有する中空管状の弾性部材２００で囲まれた円形断面を持っている。導電体１８０と１９０は図式的にマークされる。より大きな圧力での接触領域Ｉの増大と、向上された低圧力感度の理論的根拠は、図７に示した先行実施形態に開示されているものと同じである。この感知ユニットは、自己完結型であるので、ラインに沿って比較的長い距離にわたる圧力検出が必要な用途に使用できる。両部材１００と１５０は、圧出成形によって円筒形に製造するのが好ましい。部材１５０は、中空でなければならないが、部材１００は、曲げの条件下では、センサーの機械的安定性を確保するために充填されてもよい。無負荷センサー１は、部材１００と１５０との間のランダムな接触によって生成される最小静電容量を有する。センサー１の一部のみに圧力が加えられる場合、これは重要な問題になる。この実施形態は、その軸に平行ではないすべての方向に加えられた力に応答する。
【００３８】
次に図９を参照する。この図は、別の実施形態にしたがって構成され、動作する感知ユニット２の構造の斜視図および上面図である。この実施形態は、図７および図８に示した実施形態といくらかの類似点を共有するが、以下の特徴は異なる：各々が相互外向きに整列した凸部２００及び２００’を有する２つの弾性部材１００及び１００’は、二つの部材の各凸部が、筒状弾性部材１５０を囲む「トンネル」を形成できるように背中合わせに並設されている。弾性部材１００と１００’は、 図２（ｂ）に詳述されたオプションに従って製造できる。本実施形態では、比較的サイズが大きい感知ユニット２が適切であり得る。この図はまた、導電体１８０と１９０の位置を図式的に示しており、導電体１８０は両弾性部材１００と１００’に共通であるが、各々の弾性部材１５０は独自の導電体１９０を有する。このようにして、ラインに沿った圧力の加重平均を検出することができる。
【００３９】
次に図１０（ａ）を参照する。この図は、別の実施形態に従って構成され、動作する平織構造をフレキシブル・センサー（または感知ユニット２）の上面図を示している。すべての弾性部材１５０はＸ方向のブラック・ストリップとして示されているが、弾性部材１００はＹ方向に置かれている。図１０ｂは、上下断面図における弾性部材１００と１５０の交差点を示している。この交差点は、ゼロまたは最小圧力下での基本検知要素である。この交差点では、Ｘ−Ｚ又はＹ−Ｚ面内の部材１００と１５０の曲率は、図７に図式的に示したものと概念的に同様である。図１０ｃは、接触領域Ｉの面積を増大できる高圧下での同じ構造を示している。この接触領域はサドルの三次元形状を有する。本実施形態では、機械的安定性を保証し、図２（ｂ）に示したオプションに従い圧出成形により製造できるように、センサーはフレキシブル繊維で作られるのが好ましい。この種の織物状センサーは、非常に柔軟であり、Ｚ方向の周りにある角度で加えられる圧縮とＸまたはＹ軸に加えられる張力の両方に応答する。低圧において、部材１５０が部材１００の周辺により多く巻付くようになり、またその反対になるので、センサー感度が織物構造の増大と共に増加することは注目に値する（図１０（ｂ）の上部）。
【００４０】
他のタイプの織物構造は、当分野の技術に精通した方は、ここに記載された原理に沿って構築することができることを理解されたい。
【００４１】
次に図１１を参照する。この図は、図４で説明したように、本発明の実施形態に従い構成され、動作するフレキイシブル・センサー１に埋め込んだ感知ユニット２の一例の断面図と分解図を示している。フレキシブル・センサー１は、非導電性の弾性シート３００を含んでおり、このシートに機械的に安定し方法で、導電体１８０と１９０を有する感知ユニット２が取付けられている。弾性部材１５０は、弾性シート３００に付着した平坦ベースと中空凸部２５０を含んでいる。弾性部材１００と１５０は、例えば、互いに電気的接触を形成することなく、点２３０と２６０にリベットを介して、各々が、導電体１８０と１９０に接続されている。弾性部材の表面構造のための適切なオプションは、上記図２（ｂ）を参照して説明した通りである。弾性部材１００の構造は、凸部２００と２５５との間の初期ギャップを維持することにより、無負荷感知ユニットの静電容量の最小化を可能にする。フレキシブル・センサー１に均一に加えられる圧力を分散させるためには、好ましくは弾性シート３００が、感知ユニット２と同様の圧力対厚さ依存性を有する発泡または任意の弾性構造体から成るセンサー・クッション４００で覆われ、センサー・クッション４００の適切なサイズの穴に埋め込まれるのがよい。好ましくは、クッション４００の無負荷厚さが、感知ユニットの厚さより幾分大きくし、接触領域を生成するために必要な最小限の圧力をギャップ２５５と共に決定するギャップ４１０を残しておくのがよい。
【００４２】
図１１に示された実施形態は、図５と図６に示したセンサーの構造にも使用できることを理解されたい。図１１で説明されたものと同様の他の実装において、凸部２５０は、図２で説明された原理に従い選択された、機能ドメインの弾性および導電性織物及び誘電体層によって覆われた、熱可塑性エラストマーからなる弾性シート３００でエンボス加工できる半楕円形を有しえる。
【００４３】
次に図１２を参照する。この図に示された四つの実施形態において、ユーザーの体がフレキシブル・センサー１に圧力を加えると、センサーの小部分が呼吸運動によって発生する圧力変動を受ける。センサー出力（矢印でマーク）は、呼吸パターンの高品質の監視必要な製品への入力として利用できる。
【００４４】
図１２（ａ）は、マットレス５００上に配置されたパッド形態のフレキシブル・センサー１を示す、マットレス５００は シートの上又は下に置かれ、ユーザーの胴体が背臥位、腹臥位や側臥位にある時にはユーザーの胴の下に置かれる。センサーは、単一または複数の感知部２（図示せず）を含むことができる。このようなパッドセンサーはマットレス全体を覆うシートの形態を有することができることを理解されたい。その他にも、センサーパッドは呼吸関連頭部運動を引き起こす構造を持つ枕の上下に設置できる。
【００４５】
図１２（ｂ）は、感知ユニットがユーザーの背中に配置されるように、ソファー５１の背面上に自由に配置された同様のセンサーパッドを示している。図１２（ｃ）は、頭部／背部支持椅子５３０の背面に対するユーザーの首によって圧縮された行程５２０に対する頸部支持枕を示す。感知ユニット２はネック支持枕５２０に取り付けられたり、枕に組み込まれたりする。図１２（ｄ）は、典型的に胴体周辺に装着するベルトセンサー５４０が、呼吸運動によって誘発された胴体周囲の変化をベルトの延伸変化に変換する。感知ユニットがベルトに組み込まれると、同時に延伸したり圧縮されたりする。特定な用途のため、特定な感知ユニット２の選択は、タイプ、大きさ，指向性、含まれた力の空間分布、および所望の変数に依存することを理解されたい。
【００４６】
次に図１３を参照する。この図は、本発明の実施形態にしたがって、構成され、動作する監視ユニットを少なくとも一つを含むフレキシブル・センサーの一般構造を図式的に示している。感知ユニット２は、双方向通信、好ましくはホスト装置との無線通信、好ましくは、専用アプリケーション（‘アプリ’）を介した携帯電話、または同様の機能を持つ任意の他のデバイス、たとえばｉＰａｄ（登録商標）、ｉＰｏｄ（登録商標）、ラップトップ等との通信を含む。またケーブルを介した有線通信も可能だということを理解されたい。
【００４７】
感知ユニット２の各々は、センサー回路４５０の一つの入力として働く。図示のように導電体１８０と１９０の一方が、すべての感知ユニット２に共通であってもよく、実際には、センサー回路４５０への入力として働く。電子回路４５０は、少なくとも選択された感知ユニット２のデータへの静電容量変換の機能を遂行し、携帯電話７００とデータ処理および双方向通信の一部を処理することができる。
【００４８】
電子回路４５０は、好ましく通電され、使い捨てまたは充電式電池を使ってもよい。ボタン４６０はシステムの手動起動または不活性化のために設けられていてもよい。所望であれば、その状態をダイナミックＬＥＤの配置よってユーザーに示すことができる。フレキシブル・センサー１と電子回路４５０は、好ましくは、カバー４７０によって封入して、各種センサー部品を保護し、用途に応じてセンサーが快適となり美観をあたえるのがよい。例えば、図１２（ａ）および１２（ｂ）に示したアプリケーションには洗濯可能なものがよい。
【００４９】
ホスト装置７００（好ましくは携帯電話）は、さらに以下の目的のために、センサー・データを処理することができる：ｉ）例えば、睡眠構造と品質および異常な呼吸のマーカー決定する際に、有用であり得る単一および複数の呼吸パターン特性と身体の動きを含む所望の変数を計算；ｉｉ）分析データおよびユーザー・コマンドに応答して、電子回路４５０の動作を制御し、例えば、アプリとセンサーの接続状態、バッテリの充電状態、及び呼吸検出状態、他経時呼吸特性の変化のレベルのような指示入力およびフィードバックをユーザーに提供；ｉｉｉ）処理されたデータからユーザーに対する刺激入力を生成し、米国特許Ｎｏ．５，０７６，２８１および５，８００，３３７の発明家が開示した通りに、トーンまたは他の刺激を介して、呼吸運動のガイドを生成することにより、呼吸パターンを変更させる。例えば、弛緩または、長引いた呼吸停止に対するユーザーの覚醒と警覚性を高める意図の刺激の誘発である；ｉｖ）のデータを格納し、遠隔サイトと通信する、例えば、ｉＣｌｏｕｄ（登録商標）に未処理と分析済みデータをアップロードし、他のユーザーとデータを共有し、インターネット等を通じて技術サポートを通信する、そして；ｖ）データ分析によって生成された測定値に応じて、刺激を装置に提供する。これは、いわゆる「スマートホーム」で可能である。例えばアプリは電灯をＯＮ／ＯＦＦでき、無線装置は検出された睡眠段階に従い、ユーザーがベッドから離れるとき、最小照度に回すので、夜にはセンサーは無負荷になる。
【００５０】
次に図１４を参照する。図にあるブロック図が、携帯電話７００との無線通信の場合の、図１３のシステムに使用されたモニターの動作を説明するための実施形態の電子回路の機能ユニットを示している。マルチプレクサー６００は、異なる感知ユニットを静電容量−周波数変換器６１０に接続したあと、指令とタイミング選択する。変換は標準方法で行われる、例えば、シュミットトリガー発信機の出力周波数は、感知ユニットの静電容量と相互関係があるので、例えば、図６（ｂ）で説明したように感知ユニットで発生した圧力と機能的に関連する。
【００５１】
サンプリング・ユニット６２０は、特定な時間ウィンドウでこの周波数をサンプリングすると、いくらかの連続標本の平均値によってこの時点での感知ユニットあたり平均周波数を得ることができる。
【００５２】
ユニット６００、６１０および６２０は図３で示した静電容量をデータ変換する回路を確立する。これらのデータはパターン検出ユニット６３０によって分析され、所望の変数が導出される。ユニット６３０は図４に示したデータ処理ユニットと同価である。所望の変数と多様な状態インジケータを含むデータは、無線で携帯電話７００、好ましくはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、低エネルギーチップ（ＢＬＥ）６４０に伝送される。パターン検出ユニット６３０の全部または一部は、前記したように、携帯電話７００によって行われてもよいことを理解されたい。ＢＬＥは携帯電話７００から、電子回路４５０を含む他のユニットの動作をコントロールするパラメータを含むコマンドを受信する。ＳＴＡＲＴコマンドは、例えば、ボタン４６０を押すことによって、またはフレキシブル・センサー１をローディングすることによって電子回路４５０を「睡眠」状態に置くことができる。単一感知ユニットの場合、例えば、図１２（ｄ）に示されたベルトセンサーの場合にはマルチプレクサーの必要はない。
【００５３】
次に図１５を参照する、この図にあるブロック図はサンプリング・ユニット６２０によって生成され、感知ユニットによって測定された静電容量に該当する周波数信号から所望の変数を得ることと含むプロセスの例を示している。以後サンプリング・ユニットを「チャンネル」（ＣＨ）と呼ぶことにする。このダイアグラムは、図１５に示された本発明の実施形態に従って構成される。ＳＴＡＲＴするとすべてのチャンネルがマルチプレクサーに与えれてたコマンドに従ってユニット６２１により、周期的に走査される。すべてのチャンネルの周波数が所定の以下の場合、フレキシブル・センサー１が無負荷状態にあることを意味する。これは、例えば、ユーザーがベッドに入る前に図１２に示したシステムをオンにした場合、またはシステム使用中に支持体（図１２（ａ）および１２（ｂ））をはずした場合、またはシステム使用中に図１２（ｄ）に示したベルトが緩まった場合に起こりえる。これらすべての場合、ユニット６２２は表示入力「＃１」をユーザーに送り状況を明確にする。ユニット６２２が少なくとも一つのＣＨ周波数が閾値より大きいことを見出した場合、すなわち少なくとも一つの感知ユニット２が負荷された場合、三つのプロセスが同時に始動する：ｉ）ユニット６２５は呼吸活動を表しているＣＨを検出する目的で、負荷状態の感知ユニットを表しているすべてのＣＨを分析する。例えば、米国特許Ｎｏ．５，８００，３３７にこのような分析が開示されている。ｉｉ）タイマーユニット６２３を始動してこの分析に時間リミットを与える。呼吸運動を検出できない位置にユーザーがフレキシブル・センサー１を設置する場合、時間は事前に設定した閾値Ｔ１（ユニット６２４）を超過することになり、ユーザーは表示入力「＃２」によってその通知を受ける。ｉｉｉ）所定の時間にすべてのチャンネルの値を提供する。これらの値は、フレキシブル・センサー１のユーザーの体により生成された時間依存性圧力分布を参考にしている。時間に対する分布の変化は睡眠構造とその質に関連することが知られている身体の動きの監視に使用できる。この課題はユニット６３４により処理される。ユニット６２５が複数のチャンネルで呼吸活動を検出した場合、ユニット６２６は呼吸監視のため、最も適切なチャンネルを選択する。例えば、安定性または信号対雑音比が最大のチャンネルを選択する。ユニット６３４によって決定された圧力分布の時間変化が呼吸の要求よりも非常に遅いとか、興味がない場合、呼吸監視チャンネルを選択したユニットがマルチプレクサーに一つの選択されたチャンネルにのみ接続するコマンドを与えるのがよい。現存フローチャートが引き続き使用されているので、呼吸になんらかの損失が検出されると、適切な一部のプロセスの再開できることを留意されたい。ユニット６３２及び６３４（未処理と分析済み両方）によって提供されたデータはＢＬＥへの入力として利用される。フローチャートの全部または一部はホスト装置が処理し、一般的には携帯電話、特殊な場合、ＢＬＥの役割はユニット６２０によって生成されたチャンネルの周波数を正確に伝送することだということを理解されたい。また、フレキシブル・センサー１が一つの感知ユニットを含み、マルチプレクサーの必要がない場合、図１４と図１５に示された回路には明らかな他の簡略化の必要が存在することを理解されたい。
【００５４】
次に図１６を参照する。この図は、本発明に実施形態に従い感知ユニット２の静電容量から得た周波数において時間に対する変化として表示された、自発的呼吸下でのユーザーの典型的な呼吸信号を示している。呼吸振幅は１５ｇｍ／ｃｍ2の圧力に対応する平均周波数の約３％であり、この低圧範囲では本発明に従って構成された感知ユニットが特別に感度が高いということは注意に値する。その他、示した呼吸信号は濾過やその他の処理が行われていない未処理データを表している。
【００５５】
フレキシブル・センサー１は心拍数を決定する方法で心臟拍動を頻繁に検出することができる。しかしこれは心臟拍動を検出する最良の方法ではない。それゆえ、補助センサーがフレキシブル・センサー１に組み込むことができるということを理解されたい。例えば、心伯数と身体の動きを効果的に監視するピエゾ・フィルムがある。このような組合せは、一連の保健管理アプリケーションに重要であろう。
【００５６】
フレキシブル・センサー１が十分大きな場合、例えば、大きなマットレスの上のシート状の敷物うえに、一人以上のユーザー、例えば、母とその子供がいても、所望の変数を検出できることを更に理解されたい。同時に監視される人たちの識別は、異なった位置でフレキシブル・センサーに組み合わされた心伯数監視機を用いて簡単に行える。
【００５７】
フレキシブル・センサー１の分析によって生成された追加の所望変数が動的呼吸構造の変化（単一および複数のパターン）と圧力分布パターンとの間の時間的相関関係であってもよい、ということを理解されたい。例えば、赤ちゃんの咳、嘔吐や窒息が、例えば、乳幼児突然死症候群（ＳＩＤＳ）の早期検出の可能性を示唆している相関関係によって明らかにされる可能性がある。
【００５８】
従来技術に勝る本発明の様々な区別が述べられたが、これらの区別は、従来技術に対する唯一の区別として解釈されるべきではないことに留意されたい。
【００５９】
本発明は具体的に図示及び説明したものに限定されるものではないことは、当業者によって理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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