第一工科大学研究報告第34号(2022)pp.107-112

圧電センサを用いた自動車運転者用の非拘束生体信号取得方式の研究
上野
第一工科大学 東京上野キャンパス

仁〒 110- 0005 東 京 都 台 東 区 上 野 ７ － ７ － ４

h.ueno @ueno .daiichi-koudai.ac.j p

Research on Vital Signal Acquisition Systemfor Car Drivers Using Piezoelectric Sensor
Hitoshi Ueno

To k yo -Ue no Campus, Da iichi Insti tute o f Techno lo gy, 7-7 -4, Ueno, Taito - ku, Tok yo, 110-0005

h.ueno @ueno .daiichi-koudai.ac.j p

Abstract: This repo rt is a study on how to monitor the he alth of bus d rive rs. We havebeen studying how to monitor the he alth of the elderly living alone in their home s. The
method has bee n achie ved by installing a pie zoelectric sensor in the house, acquiring thesignal when the elderly is on the pie zoelectric sensor, and calculating the he art rate andresp iratory rate . The feature of this metho d is that bio logical signals can be o btained
without re straint. This time, I decided to take adv antage of this rese arch and study amethod to me asure the health cond ition of a car d rive r w ithout re straint. In theacquisition of experimental d ata, the bio logical signal of the d river when the bus w as
running was acquired with the coope ration o f the bus co mpany. As a re sult, it w as foundthat altho ugh there re mains a p roblem in acquiring biolog ical signals while driv ing w itha lo t of v ibratio n, it can be acquire d and can p lay a certain role while the bus i stempo rarily stopped .
Keyword s: Piezoe lectric Senso rs, Bus Drive r, He alth Monitoring Sy ste m, Re sp iration
Rate, Heart Rate.
1.

はじめにの布団の下にセンサを置いた場合でも生体信号を検日本では高齢社会化が進んでいるが健康な高齢者出することができる．これは健康監視対象者に不快が多く，社会における様々な場所で高齢者が活動し感が無く自然の生活を送る中で生体信号が取得できている．一方，高齢者であるだけに一般的には健康状ることが大きな利点である．

態が心配されることも多い．

そこで圧電センサを用いた生体信号取得システム

当研究室では従来から一人暮らしの高齢者の健康を自動車運転手に適用することを考える．体にセン状態を監視することにより孤独死の発生を防ぐこと

サを密着させる必要が無いので，自動車の運転手はを目的とした高齢者見守りシステムの研究を行ってセンサを意識することなく運転席について運転ができた．この研究の考え方は一人で過ごすことが多いきるし，着席前後にセンサの着脱といった煩雑な作

自動車の運転手についても同様に適用できると考え業をする必要が無いという利点がある．ている．運転手に突然病気の症状が現れた場合にはしかしながら，圧電センサにより検出する生体信自動車が社会的な凶器になる場合があり，運転手の号は非常に微小なので自動車のエンジンによる振動健康監視をすることはより重要性が高いとも言える． や路面の凹凸による振動の影響を大きく受けて生体高齢者見守りシステムの研究で用いている圧電セ信号が取得できない可能性がある．したがって自動ンサは非常に感度が高く，衣服を着たままで就寝時車の振動信号と微小な生体信号の振動が複合してい第一工科大学研究報告

第34号（2022）る信号の中から生体信号を分離する方法を検討する(2)のタイプの拘束型センサは生体信号を直接取得必要があり，これが本研究の目的である．

できるので正確な体調判定が可能となるが，運転手は運転席に着く前後でセンサを体に装着しなければ2.

自動車運転手の生体信号取得の課題ならず，煩雑になる．

自動車運転手の健康状態監視は従来から交通安全以上の状況から，圧電センサにより非拘束で生体のための重要課題となっているので，以下に示すよ信号を取得する方法であれば，自動車運転手の体調うに種々の方法が提案され実用化されている製品もを監視する際の上記課題が解決できる可能性が高い．

ある．
(1) 非拘束センサによる監視
運転中のハンドル操作を監視し，通常の状態でな

3.

自動車運転手見守りセンサの検討
従来から当研究室で研究中の一人暮らしの高齢者

ければ運転者に警告メッセージを発する方法がある． 見守りシステムでは，自宅にいる高齢者を前提としまた，運転中シートに座っている姿勢をカメラ画像ていたので，１枚の圧電センサの上に体の一部でもや圧力センサで監視して，うつむき状態になった場載っていればそのセンサから信号分析ができる．自合には異常として警告する方法がある．さらに，運転宅内であれば生体信号に対してノイズとなるような手の目の動きをカメラで追跡することにより眠気を外部振動はほとんど無く単純に圧電センサによってもよおしていないかを監視する方法がある．これら得られた信号を増幅してフィルタリングなどの処理の方法は運転手にセンサを装着する必要がないのでを行えば心拍数や呼吸数のデータが得られる．

運転業務に煩雑さや不快感を生じる可能性はないが，このセンサの仕組みを自動車に応用するためには，生体信号を直接取得できるわけではないので，体の自動車の振動の影響を排除する仕組みを考える必要

異常の有無について正確には判定ができない．

がある．そこで我々はセンサシートを２枚用いて１(2) 拘束型センサによる監視枚を自動車の環境振動＋生体信号用センサ，もう１

運転手にスマートウォッチのように生体信号を計枚を自動車の環境振動センサとして用い，両者の差測する機能を持つウェアラブルデバイスを装着してをとって微弱な生体信号を計算することにした．いもらい，生体信号を取得する方法がある．また，携帯わゆる「ノイズキャンセリング方式」である．

型のホルター心電計を装着して異常を検出する方法も提案されている．

図１に示すように運転席に圧電センサシートを２枚重ねて配置し，２枚のセンサシートの間に人体振上記に示した従来の方法はいずれも問題がある．

動吸収用のクッションを置く．人体振動はセンサの(1)のタイプの非拘束センサは生体信号を取得できないので真の意味での体調の不調を検出できない．

図１

ノイズキャンセリング方式による自動車運転手の生体信号測定方法

上野：圧電センサを用いた自動車運転者用の非拘束生体信号取得方式の研究

図２

測定装置ブロック図（左）と実装写真（右）上で発生するが微弱なのでクッションで吸収され下5.

乗用車による測定側の圧電センサには到達しないという考え方である．

前節に示した測定装置をハイブリッド車に搭載し自動車の振動は下側から発生するので下側の圧電セて測定試験をした結果を図３に示す．自動車走行中ンサで強く検出され，上側のセンサで弱くなった振の振動は十分削減されているとは言えないが一時停動として検出される．したがって，上側のセンサでは止の時間帯では呼吸数，心拍数を取得できる程度に「人体振動＋自動車の振動」が検出できるが下側の十分安定した測定信号を得ている．

センサでは「自動車の振動」のみが検出できることに本装置では走行中の運転手の生体信号が取得できなり，両者の信号強度を適切に調整して差を取ればるとは言えないが，一時停止中の信号は取れること人体振動だけが残ると考えられる．

が確認できたのである程度の健康管理が可能であると判断し，次の段階として公共性が高いバスの運転

4.

手の健康管理を目的とした実験を行うことにした．

測定装置の製作

圧電センサの信号を２個分同時に取得する測定装置
6.

を製作した．
（図２）
２枚のセンサ信号はローパスフィルタを含むバッ

バスによる測定
本研究では鹿児島県の南国交通株式会社殿に測定

ファ回路を通して計装アンプに接続する．軽装アン環境の提供の協力をいただいた．

プでは２枚のシートの信号の増幅率を調整すること

測定条件は以下の通りである。

により，自動車の振動信号に相当する大信号をキャ(1) センサ間にハチの巣型ジェルクッションを挿入ンセルするように信号の引き算を実行する．大信号(2) センサ間に低反発ウレタンクッションを挿入のキャンセル処理を行った後の信号をマイコンのＡ(3) センサ間のクッションなし

Ｄコンバータ端子に接続し，マイコン内で信号記録を実行する．

また，圧電センサも２種類のものを使用して比較することにした．

32

1011801190

120012101220

走行中

図３12301240

12501260

信号待ち（アイドリングストップ）

乗用車による測定結果

1270

第一工科大学研究報告

第34号（2022）(1) 大センサ：30cm×30cmあるが，走行中一時的に配線が外れて信号が取れて(2) 小センサ：11cm×20cm

いない時間があるため二つに分けて表示している．

それぞれの条件において走行試験をした結果を図４に示す．Ａ・Ｂは合わせて一回の走行で得た信号でＣ～Ｇはそれぞれ１回の走行実験の信号を表している．

car018.txt
A．ハチの巣型ジェルクッション，大センサ（１）voltage420012345678910minutes

car019.txt
Ｂ．ハチの巣型ジェルクッション，大センサ（２）voltage

4200510152025minutes

car021.txt
Ｃ．低反発ウレタンクッション，大センサ
voltage

4200246810121416minutes

car023.txt
Ｄ．クッションなし，大センサ
voltage

420024681012141618

minutes025
car025.txt
Ｅ．ハチの巣型ジェルクッション，小センサ
voltage

4200246810121416

minutes

voltage

4car027.txt
Ｆ．低反発ウレタンクッション，小センサ

200246810121416181820

minutescar028.txt
Ｇ．クッションなし，小センサ
voltage

42002

46810121416

minutes
エンジン停止で着席
エンジン始動（アイドリング）
走行開始

図４

バスによる測定結果

上野：圧電センサを用いた自動車運転者用の非拘束生体信号取得方式の研究

car018.txt

car019.txt

34

公道走行時（センサ：大、ハチの巣）

15.0分～17.0分のデータ

3

voltagevoltage

2121000.050.10.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

00.5

0minutes

0.4

0.6

0.8

11.2

1.4

1.6

1.8

2minutes

431.8

voltage

1.6
1.4

公道走行時（センサ：小、ハチの巣）

9.0分～11.0分のデータ

2

voltage

0.2

car025.txt

car025.txt

2

1

1.2
10

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

00

minutes

0.2

0.4

0.6

0.8

11.2

1.4

1.6

1.8

2minutes

一部のみマークをつけた）

図５バスによる測定結果の一部拡大図

各図の横軸は乗車・走行の経過時間を分で表し縦い結果となった．

軸はセンサから得られた信号の電圧（V）を示す．また，図の緑色の△印はエンジン停止状態で運転手が7.

まとめ着席した時刻，紫色の△印はエンジンを始動した時

圧電センサ２枚の信号を同時に取得する測定装置

刻，橙色の△印は一般道の走行を開始した時刻を示を製作し，一方のセンサを自動車の振動信号用，他方す．

を自動車の振動＋生体信号用としてセンサを設置し，生体信号の取得状況としては，各センサ構成ともエンジン停止，エンジン始動後の未走行状態では概自動車の振動信号がノイズであるものとしてノイズキャンセル方式の測定を試みた．

ね良好な信号が取得できている．未走行状態でも時製作した測定装置のノイズキャンセル能力が十分

折信号が大きく振れている時間があるが，これは運でなく，得られた測定結果では走行中の運転手の生転手が運転席上で座り直したり姿勢を変えたりした体信号が判別できなかった．

ときに発生する振動によるものであり一時的である．

しかしながら，エンジン停止中，エンジン始動後の走行が始まると多くの時間帯でセンサ信号の電圧アイドリング中，走行時の一時停止の場面では呼吸値が上下に振りきれる飽和状態となっており，生体数や心拍数が取得できる見通しがついた．

信号の取得はできていない．しかし，走行開始後におセンサの大きさの違いについては，得られた信号いても右左折，信号待ちなどの一時停止では短い時の強度の優劣に違いが無く小型センサでも十分な信間であるが心拍，呼吸の信号が良好に取得できてい号を取得することができることが分かった．運転席る時間も存在する．のように人間の体の位置が固定される場合には面積

図５にバスによる測定結果の一部拡大図を示す．
アイドリング時（図左側２例）には呼吸信号と心拍信が広いセンサを使う必要が無い．今後は小型のセンサを用いて研究を進めていけると考える．

号が明確に現れている．走行中の一時停止時（図右側２例）では呼吸信号が現れている．

8.

おわりに振動吸収クッションの効果については評価可能な

当研究室では高感度の圧電センサを利用して人間だけの情報を得られなかったと考える．走行パターの体表面で発生する振動を検出し，信号処理を行っンによってハチの巣型ジェルクッションの方がセンて生体信号を計算することにより，社会に有用な機サ信号の飽和頻度が少ない場合と低反発クッション能を開発すべく研究を継続している．の方が少ない場合があり，どちらが優位とも言えな

今回の報告では十分な成果が出たとは言えないが

第一工科大学研究報告

改良の方向性が分かったので，継続して研究を進める方針である．

謝辞
本研究の契機は，株式会社リバネス主催の「2021 年度鹿児島テックプランター」において南国交通賞を受賞したことにあり，今回のバスの走行実験では南国交通株式会社に積極的な協力をいただいた．ここで両社に感謝する．

参考文献
1)

上野仁,鐘ヶ江正巳,"ウェアフリーセンサによる高齢者見守り支援システムの提案と部分試作," 信学技報,MICT2015-39(2016)

2)

板生清，他 36 名，”ひと見守りテクノロジー,”(株)エヌ・ティー・エス(2017)3)

板生清監修，”クラウド時代のヘルスケアモニタリングシス
テム構築と応用,”(株)シーエムシー出版(2012)4)

Hitoshi Ueno, "An Analysis for Characteristics of Biosignal Abstracted from Piezoelectric Sensor," Proceedingsof IEEE TENCON 2018 (Jeju, Korea, 28-31 Oct. 2018)
pp.436-440

5)Hitoshi Ueno, "A Piezoelectric Sensor Signal Analysis
Method for Identifying Persons Groups," Sensors 2019,19, 733.

第34号（2022）