(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１シートと第２シートとの間に挟まれて配置された光ファイバおよび線材を備えた光ファイバシートであり、
前記光ファイバは、屈折率調整材が添加された石英ガラスからなるコアを有し、開口数が０.３０以下であり、曲げ剛性が０.５０Ｎ・ｍｍ２以下であるマルチモード光ファイバであり、前記コアの直径が２０〜１３０μｍであり、前記コアの周囲に設けられたクラッドが樹脂からなり、前記クラッドの厚みが１０〜４０μｍであり、
前記第１シートと前記第２シートとの間に前記光ファイバが屈曲されて配置されており、
前記線材は前記第１シートと前記第２シートとの間において前記光ファイバと交差していて、前記線材の曲げ剛性が前記光ファイバの曲げ剛性以上である、
ことを特徴とする光ファイバシート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバシートに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバシートを呼吸センサとして使用する技術が特許文献１〜３に開示されている。特許文献１に開示された光ファイバシートは、光ファイバを布などからなるシートに固定若しくは混入したものである。この光ファイバシートは、体動によって生じた光ファイバの形状変化を、光ファイバ内を伝播する光の偏波状態の変化として捉える。この光ファイバシートを用いた場合には、Ｓ／Ｎ比がよく、呼吸によって生じるわずかな体動を検出することができ、寝返りや呼吸を明確に区別することができ、また、通常の生活環境に近い状態で呼吸の状態を観測することができるとされている。
【０００３】
特許文献２，３には、一般家庭の完全無拘束な通常の睡眠状態での睡眠時無呼吸症候群のスクリーニングを可能とする睡眠時無呼吸センサが開示されている。この睡眠時無呼吸センサは、光ファイバに加わる側圧により発生する過剰損失に基づく伝送光の光量変化を計測することによって体動を検出する。この睡眠時無呼吸センサは、小型かつ静音で、布団を覆うシーツの下に光ファイバシートを敷いて寝るだけのものであり、身体には一切何も付けずに簡易な操作で測定できるとされている。これらに開示されている光ファイバシートは、通常の生活環境に近い状態で呼吸の状態を観測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６１３０６号公報
【特許文献２】特開２００７−１４４０７０号公報
【特許文献３】特開２０１０−１３１３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３それぞれに開示されている光ファイバシートは、呼吸を測定することができるほどの感度を有しているものの、心拍を測定することができるほど充分に高い感度を有してはいない。特許文献１〜３には、光ファイバシートを用いた心拍測定について示唆はあるが、心拍測定の実施例は記載されていない。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、感度が高く心拍測定が可能な光ファイバシート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】
本発明の光ファイバシートは、第１シートと第２シートとの間に挟まれて配置された光ファイバおよび線材を備えた光ファイバシートであり、光ファイバは、屈折率調整材が添加された石英ガラスからなるコアを有し、開口数が０.３０以下であり、曲げ剛性が０.５０Ｎ・ｍｍ２以下であるマルチモード光ファイバであり、コアの直径が２０〜１３０μｍであり、コアの周囲に設けられたクラッドが樹脂からなり、クラッドの厚みが１０〜４０μｍであり、第１シートと第２シートとの間に光ファイバが屈曲されて配置されており、線材は第１シートと第２シートとの間において光ファイバと交差していて、線材の曲げ剛性が光ファイバの曲げ剛性以上である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光ファイバシートは感度が高く心拍測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の光ファイバシート１０を備える測定システム１の構成を示す図である。
【図２】本実施形態の光ファイバシート１０の積層構造を示す図である。
【図３】本実施形態の光ファイバシート１０の平面構造を示す図である。
【図４】第１実施例において解析部４０で得られた光強度信号を示す図である。
【図５】第１実施例において解析部４０で得られた光強度信号をフーリエ変換した結果を示す図である。
【図６】第２実施例において解析部４０で得られた光強度信号を示す図である。
【図７】第２実施例において解析部４０で得られた光強度信号をフーリエ変換した結果を示す図である。
【図８】比較例において解析部４０で得られた光強度信号をフーリエ変換した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
図１は、本実施形態の光ファイバシート１０を備える測定システム１の構成を示す図である。測定システム１は、光ファイバシート１０、光源部２０、検出部３０および解析部４０を備える。
【００１３】
光ファイバシート１０は、第１シートと第２シートとの間に挟まれて配置された光ファイバ１１および線材を備える。光ファイバ１１は、屈折率調整材が添加された石英ガラスからなるコアを有するマルチモード光ファイバであって、第１シートと第２シートとの間において屈曲されて配置されている。光ファイバシート１０の詳細については後述する。
【００１４】
光源部２０は、一定強度の光を連続して出力する。光源部２０から出た光は光ファイバ２２を通って伝播した後、その光ファイバ２２の先端に設けられた光コネクタ２１に接続されている光ファイバ１１の入射端に入射する。光源部２０は、発光ダイオードやレーザダイオードから光を出力するのが好適である。
【００１５】
受光素子３３は、光ファイバ１１の出射端から出射され光コネクタ３１および光ファイバ３２を経て到達した光を受光して、当該受光強度に応じた値の電流信号を出力する。検出部３０は、受光素子３３から出力された電流信号を入力して、その電流信号を電圧信号に変換し、その電圧信号を増幅して出力する。受光素子３３としてシリコンフォトダイオードが好適に用いられる。
【００１６】
解析部４０は、検出部３０から出力された電圧信号を入力し、その電圧信号（アナログ信号）をＡＤ変換してデジタル信号として、そのデジタル信号を記憶し解析する。また、解析部４０は、そのデジタル信号を表示したり、そのデジタル信号を解析して得られた結果を表示したりする。解析部４０としてパーソナルコンピュータが好適に用いられる。
【００１７】
図２は、本実施形態の光ファイバシート１０の積層構造を示す図である。光ファイバシート１０は、第１シート１３と第２シート１４との間に挟まれて配置された光ファイバ１１および線材１２を備える。
【００１８】
光ファイバ１１は、屈折率調整材（例えばＧｅＯ２）が添加された石英ガラスからなるコアを有するマルチモード光ファイバである。光ファイバ１１の開口数は０.３０以下である。光ファイバ１１の曲げ剛性は０.５０Ｎ・ｍｍ２以下である。光ファイバ１１は、第１シート１３と第２シート１４との間において屈曲されて配置されている。
【００１９】
なお、第ｉ層のヤング率をＧｉとし、第ｉ層の断面二次モーメントをＩｉとしたとき、曲げ剛性Ｄは Ｄ＝Σ(Ｇｉ×Ｉｉ) なる式で表される。光ファイバの如く中心層が円柱形状を有するとともに他の各層が円筒形状を有している場合には、第ｉ層の外径をＲｉとしたとき、第ｉ層の断面二次モーメントＩｉは Ｉｉ＝π(Ｒｉ４−Ｒｉ−１４)／６４ なる式で表される。
【００２０】
上記の開口数と曲げ剛性を有する光ファイバ１１は、コアの直径が２０〜１００μｍであり、コアの周囲に設けられたクラッドが樹脂からなり、クラッドの厚みが１０〜４０μｍである範囲で設計できる。コアの屈折率分布は、略一様であってもよいし、中心ほど屈折率が高いＧＩ（Graded Index）型であってもよい。クラッドを構成する樹脂は、例えば紫外線硬化型樹脂であり、例えばフッ化アクリレート樹脂である。このような樹脂からなるクラッドを有する光ファイバは、ＨＰＣＦ（Hard Plastic Clad Silica Fiber）と呼ばれている。
【００２１】
光ファイバ１１は、最外層がクラッドである状態（例えば外径１２５μｍ）で用いられてもよい。また、光ファイバ１１は、クラッドの周囲に更に紫外線硬化型樹脂が設けられた状態（例えば外径２５０μｍ）で用いられてもよい。
【００２２】
線材１２は、第１シート１３と第２シート１４との間において光ファイバ１１と交差している。なお、「交差」とは、シート１３，１４の面に垂直な方向に見たときに光ファイバ１１と線材１２とが互いに交差していて、この垂直方向に外から力が加えられたときに線材１２が光ファイバ１１に側圧を与え得ることを意味する。光ファイバ１１は、側圧が与えられることによりマイクロベンドロスを生じる。光ファイバ１１と線材１２との交差の数は多いほど好ましい。
【００２３】
複数本の線材１２が設けられていてもよいし、１本または複数本の線材１２が屈曲されて配置されていてもよい。光ファイバ１１が線材１２を兼ねていてもよい（この場合、線材１２の曲げ剛性は光ファイバ１１の曲げ剛性と同等）。線材１２は、光ファイバ１１とは別の光ファイバであってもよいし、曲げ剛性が比較的高い金属等のワイヤであってもよい。光ファイバ１１に対し効果的に側圧を与えるためには、線材１２の曲げ剛性は光ファイバ１１の曲げ剛性より大きいのが好ましい。線材１２の外径は例えば２５０〜５００μｍである。
【００２４】
光ファイバ１１は、第１シート１３に対し両面粘着テープ１５により固定されている。第１シート１３は光ファイバ１１を支持する。線材１２は、第２シート１４に対し両面粘着テープ１６により固定されている。第２シート１４は線材１２を支持する。
【００２５】
第１シート１３および第２シート１４それぞれは、布帛（織布、編み布、不織布など）だけでなく、プラスチックシート、紙、メッシュ構造を有する網布、スポンジシートなどの各種シートであってよい。シート１３，１４は、多数の空孔を有する通気性のあるメッシュ構造の網シートであるのが好適である。
【００２６】
第２シート１４の下に設けられる滑り止めシート１７は、例えば布製（例えば綿製）の袋に光ファイバシート１０が入れられて用いられる場合に、その袋の中で光ファイバシート１０が滑って移動することを防止するために設けられている。このような光ファイバシート１０は、例えばベッドの上に敷かれ、その上に寝かされた被験者の呼吸や心拍を測定するために用いられる。
【００２７】
図３は、本実施形態の光ファイバシート１０の平面構造を示す図である。同図は、特に光ファイバ１１，線材１２，両面粘着テープ１６および第２シート１４それぞれの平面構造を示す。同図には、説明の便宜のためにｘｙ直交座標系が示されている。また、同図は、後述する実施例および比較例の構成について具体的な形状および寸法を示している。
【００２８】
同図に示される構成例では、ｘ方向サイズ３５０ｍｍでｙ方向サイズ２５０ｍｍの矩形の第２シート１４上に、ｙ方向に延在する４本の両面粘着テープ１６が設けられている。４本の両面粘着テープ１６は、各々のｘ方向幅が２０ｍｍで、ｘ方向ピッチ８３ｍｍの一定間隔で設けられている。１６本の線材１２は、各々ｘ方向に延在し、ｙ方向ピッチ１０ｍｍの一定間隔で、４本の両面粘着テープ１６上に設けられている。
【００２９】
光ファイバ１１は、ｘ方向ピッチが１５ｍｍとなるように複数回屈曲されて、ｘ方向幅２５０ｍｍに亘って配置されている。光ファイバ１１の各屈曲部の曲率半径は７.５ｍｍである。光ファイバ１１の或る屈曲部から次の屈曲部までの間の直線部は、ｙ方向に延在し、長さ１５０ｍｍであり、１６本の線材１２と交差している。
【００３０】
以上のように構成される光ファイバシート１０を備える測定システム１は以下のように動作する。光源部２０から連続的に出力された一定強度の光は、光ファイバ２２および光コネクタ２１を経て、光ファイバ１１の入射端に入射する。その入射端に入射された光は、光ファイバ１１により伝播された後、光ファイバ１１の出射端から出射する。その出射端から出射した光は、光コネクタ３１および光ファイバ３２を経て、受光素子３３により受光される。その受光強度に応じた値の電流信号が受光素子３３から出力される。検出部３０では、受光素子３３から出力された電流信号が入力され、その電流信号が電圧信号に変換され、その電圧信号が増幅され、その電圧信号（アナログ信号）がＡＤ変換されてデジタル信号とされて、そのデジタル信号が解析部４０に送信されて記憶され解析される。
【００３１】
光ファイバ１１の入射端に入射する光の強度は一定であるが、光ファイバ１１の出射端から出射する光の強度は、線材１２により光ファイバ１１に与えられる側圧によって生じるマイクロベンドロスに応じて変化する。また、線材１２により光ファイバ１１に与えられる側圧は、光ファイバシート１０の上に寝かされた被験者の呼吸，心拍および寝返り等の体動に応じて変化する。したがって、解析部４０に送信されて記録された時系列の電圧信号またはデジタル信号（以下「光強度信号」という。）が解析（例えばフーリエ解析）されることにより、被験者の呼吸，心拍および寝返り等の体動が測定され得る。呼吸および心拍それぞれは周期性を有するので、それに応じて、線材１２により光ファイバ１１に与えられる側圧の大きさは周期的に変化し、光強度信号の大きさは周期的に変化する。
【００３２】
次に、光ファイバ１１として種々のものを使用して光ファイバシート１０を試作し、その試作した光ファイバシート１０を用いて被験者の呼吸および心拍の測定を行った結果について説明する。なお、線材１２の曲げ剛性は１Ｎ・ｍｍ２であった。
【００３３】
第１実施例において光ファイバ１１として用いられたものは、ＨＰＣＦであって、コア径が８０μｍであり、樹脂クラッド径が１２５μｍであって、この樹脂クラッドが最外層であった。この光ファイバは、ＮＡが０.３０であり、曲げ剛性が０.１６Ｎ・ｍｍ２であった。
【００３４】
第２実施例において光ファイバ１１として用いられたものは、ＨＰＣＦであって、コア径が８０μｍであり、樹脂クラッド径が１２５μｍであり、この樹脂クラッドの周囲に設けられた紫外線硬化型樹脂層の径が２５０μｍであった。この光ファイバは、ＮＡが０.３０であり、曲げ剛性が０.２６Ｎ・ｍｍ２であった。
【００３５】
第３実施例において光ファイバ１１として用いられたものは、ＨＰＣＦであって、コア径が５０μｍであり、樹脂クラッド径が１２５μｍであり、この樹脂クラッドの周囲に設けられた紫外線硬化型樹脂層の径が２５０μｍであった。この光ファイバは、ＮＡが０.２１であり、曲げ剛性が０.１４Ｎ・ｍｍ２であった。
【００３６】
第４実施例において光ファイバ１１として用いられたものは、ＨＰＣＦであって、コア径が８０μｍであり、樹脂クラッド径が１２５μｍであり、この樹脂クラッドの周囲に設けられた紫外線硬化型樹脂層の径が２５０μｍであった。この光ファイバは、ＮＡが０.２１であり、曲げ剛性が０.２６Ｎ・ｍｍ２であった。
【００３７】
第５実施例において光ファイバ１１として用いられたものは、ＨＰＣＦであって、コア径が１００μｍであり、樹脂クラッド径が１２５μｍであり、この樹脂クラッドの周囲に設けられた紫外線硬化型樹脂層の径が２５０μｍであった。この光ファイバは、ＮＡが０.２１であり、曲げ剛性が０.５０Ｎ・ｍｍ２であった。
【００３８】
比較例において光ファイバ１１として用いられたものは、汎用マルチモード光ファイバであって、コア径が５０μｍであり、ガラスからなるクラッドの径が１２５μｍであり、このクラッドの周囲に設けられた紫外線硬化型樹脂層の径が２５０μｍであった。この光ファイバは、ＮＡが０.２１であり、曲げ剛性が０.９６Ｎ・ｍｍ２であった。
【００３９】
図４は、第１実施例において解析部４０で得られた光強度信号を示す図である。図５は、第１実施例において解析部４０で得られた光強度信号をフーリエ変換した結果を示す図である。図６は、第２実施例において解析部４０で得られた光強度信号を示す図である。図７は、第２実施例において解析部４０で得られた光強度信号をフーリエ変換した結果を示す図である。図８は、比較例において解析部４０で得られた光強度信号をフーリエ変換した結果を示す図である。図４および図６それぞれの光強度信号の図において、横軸は時刻であり、縦軸は受光素子３３の受光強度である。また、図５，図７および図８それぞれのフーリエ変換結果の図において、横軸は周波数であり、縦軸は各周波数成分の大きさである。
【００４０】
図４〜図７から判るように、第１実施例および第２実施例の何れの場合においても、光強度信号には呼吸の長周期の波形成分および心拍の短周期の波形成分の双方が明確に存在していることが確認され、被験者の呼吸（０.２３Ｈｚ付近）だけでなく心拍（２.８Ｈｚ付近）をも測定することが可能であった。第３実施例，第４実施例および第５実施例の場合においても、被験者の呼吸だけでなく心拍も測定が可能であった。一方、図８から判るように、比較例の場合には、被験者の心拍の測定が困難であった。
【００４１】
その他にも種々のものを光ファイバ１１として使用して光ファイバシート１０を試作し評価した。その結果、光ファイバシート１０で用いられる光ファイバ１１は、屈折率調整材が添加された石英ガラスからなるコアを有するマルチモード光ファイバであり、開口数が０.３０以下であり、曲げ剛性が０.５０Ｎ・ｍｍ２以下であることにより、この光ファイバシート１０を備える測定システム１は、被験者の呼吸だけでなく心拍をも測定することができるほどの充分な感度を有することが確認された。
【符号の説明】
【００４２】
１…測定システム、１０…光ファイバシート、１１…光ファイバ、１２…線材、１３…第１シート、１４…第２シート、１５…両面粘着テープ、１６…両面粘着テープ、１７…滑り止めシート、２０…光源部、２１…光コネクタ、２２…光ファイバ、３０…検出部、３１…光コネクタ、３２…光ファイバ、３３…受光素子、４０…解析部。
【図１】
0005324633.tif 000002
【図２】
0005324633.tif 000003
【図３】
0005324633.tif 000004
【図４】
0005324633.tif 000005
【図５】
0005324633.tif 000006
【図６】
0005324633.tif 000007
【図７】
0005324633.tif 000008
【図８】
0005324633.tif 000009