JP3694740B2 - 薄型圧力センサ及びそれを用いた人体情報計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の圧力、物体同士の接触圧などの圧力を計測するための変形可能な薄型圧力センサ及びそれを用いた人体情報計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧力センサとしては、これまで圧力を受けるダイアフラムの変形を、歪みゲージやレーザによって測定し、その変形量と圧力との相関関係からダイアフラムに負荷される圧力を検出するものが主流となっているが、このものはダイアフラムの指示機構を必要とするため、構造が複雑となる上に、厚さも数ｍｍ程度が限界で、１ｍｍ以下の薄型とすることはできなかった。
【０００３】
また、圧電体を用い、圧力を加えたときに生じる電圧を計測して、その電圧と圧力の相関関係から圧力を求める方式の圧力センサも知られているが、耐久性や機械的強度の制約から厚さを１００μｍ以下にすることはできなかった。
【０００４】
一方、人体について、脈拍、呼吸、体動などの変化を計測して人体情報を得るために、仰臥した人体の下に配置されたエアマットの圧力変動を計測することや、枕の下に張設したワイヤの振動を計測することが行われているが、これらはセンサの設置場所が限定されている上に、安静状態にある人体以外には適用できないという欠点があった。また、通常の圧力センサを用いて人体情報を得ることも試みられているが、このものはセンサヘッドが固いため、違和感を伴うという欠点があり、満足しうるものとはいえなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情のもとで、簡単で薄い構造を有し、しかも十分な耐久性及び機械的強度を示す、新規な変形可能な薄型圧力センサ及びこれを用いて従来の人体情報計測装置がもつ欠点を克服した新規な人体情報計測装置を提供することを目的としてなされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、圧力センサを薄型化して変形可能とし、人体情報計測装置として好適に利用することについて鋭意研究を重ねた結果、それぞれ内側に柔軟性圧電体層を設けた２枚の柔軟性外部電極薄膜の間に、１枚の柔軟性内部電極を外部と遮断して包み込むことによって、その目的を達成しうることを見出し、その知見に基づいて本発明をなすに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、重ね合わせた２枚の同形同面積の柔軟性導電体薄膜（３，３′）からなる外部電極（１，１′）と、その外部電極（１，１′）の各対向面に周辺部を除き積層された柔軟性圧電体層（２，２′）と、その圧電体層（２，２′）の間に介挿された内部電極（４）から構成され、かつ内部電極（４）は２枚の外部電極（１，１′）により包み込まれて内部電極が外部物体と接触して電荷量のリークを生じないように封入されていることを特徴とする変形可能な薄型圧力センサ及びこれを用いて人体の圧力変動を計測する人体情報計測装置を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に添付図面に従って本発明を説明する。
図１は、本発明の変形可能な薄型圧力センサの構造を説明するための斜視図であって、柔軟性外部電極１，１′はそれぞれ内側に柔軟性圧電体層２，２′を設けた柔軟性導電体薄膜３，３′からなっている。柔軟性導電体薄膜からなる内部電極４は、２枚の柔軟性外部電極１，１′の間に全体が包み込まれるように封入されている。そして、上記２枚の柔軟性外部電極の中の１枚（図では１）には、内部電極４のための導通用窓５が設けられており、内部電極からの信号は、その導通用窓を介して取り出す。
【０００９】
図２は、本発明の変形可能な薄型圧力センサの構造を模式的に示した断面図であり、柔軟性導電体薄膜３，３′及び柔軟性導電体薄膜からなる内部電極４と電荷検出部６との間に電気回路７が形成されている。この電荷検出部には、例えば電流計や電圧計などの電気量検出計が備えられている。
このような構造の変形可能な薄型圧力センサの表面に圧力が負荷されると、圧電体２，２′の圧電効果により、内部電極４に圧力に比例した大きさの電荷量が発生するが、実際には内部リークなどのロスを生じる。
【００１０】
図３は、測定された電荷量を元の圧力へ変換するための復元回路を示す回路図である。この復元回路は、センサの電気抵抗値Ｒと電気容量Ｃ及びインダクタンスＬをパラメータとする積分器とゲインから構成され、実機においては、電気回路として又はソフトウェアとして実現することができる。
【００１１】
圧電薄膜を用いる圧力センサは、原理的には１枚の圧電体薄膜を２枚の金属箔の間に挟み込むことによって構成できる筈であるが、接触圧を直接計測する場合には、接触による電荷の接触対象物へのリークを回避できないため、そのままで接触圧を計測するセンサとすることは非常にむずかしい。
【００１２】
本発明圧力センサは、柔軟性外部電極１，１′で柔軟性内部電極４を包囲し、内部電極４を外界から完全に遮断して、外部電極を電気的に接地することにより、内部電極４から接触対象物への電荷のリークを完全に遮断したために、接触圧センサとしての機能を支障なく実現させたものである。
本発明圧力センサにおいては、導電体及び圧電体層が共に柔軟性材料からなり、全体として変形可能になるように構成することが必要である。
【００１３】
また、本発明圧力センサにおいては、柔軟性内部電極４の両面に柔軟性圧電体層３，３′が存在するので、圧電体薄膜を２枚の金属箔に挟み込む場合に比べ、電荷の発生量が２倍になり、高感度のセンサとすることができる。
【００１４】
本発明圧力センサにおける導電体としては、銅、銀、金、白金、スズ、アルミニウムなどの金属が用いられるが、安価で軽量であることからアルミニウムが好ましい。これらの導電体は、厚さ、通常５〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍの箔として用いられる。また、炭素も導電体材料として好適である。
【００１５】
また、柔軟性圧電体層としては、セラミックス圧電体、例えばチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、窒化アルミニウムなどや、高分子圧電体、例えばポリフッ化ビニリデン系重合体又は共重合体、ビニリデンシアナイド系共重合体などが用いられるが、連続使用した場合に劣化せず、感度が良好な直線性を示すという点で、セラミックスのような無機材料の圧電体層が好ましい。
【００１６】
柔軟性外部電極表面に柔軟性圧電体層を形成するには、スパッタリング法、コーティング法、化学蒸着法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、めっき法など、金属基板上に圧電体層を形成する場合に慣用されている方法を用いることによって行うことができる。この柔軟性圧電体層の厚さとしては、通常０．５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍの範囲内で選ばれる。
そして、本発明の変形可能な圧力センサは、全体の厚さが５０μｍ以下、特に３０〜４０μｍになるように形成するのが好ましい。
【００１７】
本発明の変形可能な圧力センサは、人体のような導体へ直接に接触させることができ、また受圧面積を広くすると高い感度を得ることができるので、人体皮膚表面の圧力変動を捕捉することができる。したがって、脈拍や呼吸あるいは体動による圧力変化を計測して、生体情報を検出することができるので、これを利用して生体情報計測装置を構成することができる。
【００１８】
このようにして構成された生体情報計測装置は、薄型でかつ柔軟性を有するので、着衣などに組み込み、あるいは直接又は布帛を介して人体に接触させ、人体表面に発生する圧力変動を計測することができ、違和感なく、しかも活動状態においても脈拍や呼吸の状態を検出することができる。
【００１９】
さらに、変形可能な圧力センサの寸法を３０ｍｍ平方程度に大きくすると、人体表面の圧力変動発生個所のずれにも容易に対応することができ、測定誤差を少なくすることができる。また、測定対象を仰臥させて安静状態に保つことができる場合には、敷き込んだシーツや上に掛けたふとん又は毛布に装着させて人体表面の圧力変動を計測することができる。このようにすると、人体表面の至近距離にセンサを配置することができ、かつ人体の形状に適合して接触面積を大きく確保できるので、高感度で、高精度の計測が可能になる。
さらに、シーツ、ふとん、毛布などの全面にわたってマトリックス状に圧力センサを着装すると、人体の運動によって、圧力発生個所の変動を捕捉することができ、体動の検出も可能になる。
【００２０】
【実施例】
次に実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこの例によってなんら限定されるものではない。
【００２１】
実施例１
厚さ１２μｍのアルミニウムフォイルを、縦３０ｍｍ、横４０ｍｍに裁断し、その片面に縦２６ｍｍ、横３６ｍｍの寸法で厚さ１μｍの窒化アルミニウムの高配向性薄膜層をスパッタリング法により形成させることにより外部電極を製造した。
次に、このようにして得た柔軟性外部電極２枚を、それぞれ窒化アルミニウム層を内側にして重ね合わせ、それらの間に厚さ１２μｍのアルミニウムフォイル（２６×３６ｍｍ）１枚を挟み込み密封し、上部の柔軟性外部電極に縦５ｍｍ、横８ｍｍの導通用窓を設けることにより、図４の写真に示すとおりの変形可能な圧力センサを作成した、このものの厚さは全体で３８μｍであった。
次に、このようにして作成した変形可能な圧力センサの電荷量をチャージアンプを介して電圧値として計測した。この結果を印加した圧力及びチャージアンプの出力の経時的変化を示すグラフとして図５に示した。
図６は、方形波状に変動する印加圧力及びチャージアンプの出力の経時変化を示すグラフであり、印加圧力一定となる部分では内部リークによって発生電荷が減衰する。図７は、あらかじめ計測したセンサの電気抵抗値と電気容量及びインダクタンスの値を用いて構成した復元回路の出力及び印加圧力の経時変化を示すグラフであり、これから印加圧力一定部分を復元していることが分る。
【００２２】
実施例２
実施例１と同様にして作成した変形可能な圧力センサを、柔軟性を有するサポータに貼り付けて人体の足首部に装着し、脈拍を計測した。この結果を歪ゲージ式の市販の小型圧力センサによって計測した人体の頚動脈による頚部における人体表面の圧力変動及び圧力センサの出力の経時的変化を示すグラフとして図８に示した。これにより従来技術では捕捉することができない脈拍の微細構造を検出しうることが分る。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、薄型で高感度の変形可能な圧力センサを実現することができ、この圧力センサを用いれば、平面又は曲面上に、これを複数マトリクス状に配置することにより、二次元の圧力分布を簡単に計測することができる。また、人体のような生体に直接接触可能であり、なおかつ生体表面形状に容易にフィットすることができることから、脈拍、呼吸、体動などの生体情報を高感度かつ無拘束無侵襲で計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明圧力センサの構造を示す分解斜視図。
【図２】 本発明圧力センサの構造を示す断面模式図。
【図３】 本発明圧力センサにおける復元回路の回路図。
【図４】 実施例で得た圧力センサの写真図。
【図５】 実施例で得た圧力センサの出力及び正弦波状の印加圧力の経時的変化を示すグラフ。
【図６】 実施例で得た圧力センサの出力及び方形波状の印加圧力の経時的変化を示すグラフ。
【図７】 実施例で得た圧力センサの復元回路出力及び方形波状の印加圧力の経時的変化を示すグラフ。
【図８】 実施例で得た人体の脈拍による圧力センサ出力の経時的変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１，１′外部電極
２，２′圧電体層
３，３′導電体薄膜
４ 内部電極
５ 導通用窓
６ 電荷検出部
７ 回路

Claims (13)

1. 重ね合わせた２枚の同形同面積の柔軟性導電体薄膜（３，３′）からなる外部電極（１，１′）と、その外部電極（１，１′）の各対向面に周辺部を除き積層された柔軟性圧電体層（２，２′）と、その圧電体層（２，２′）の間に介挿された内部電極（４）から構成され、かつ内部電極（４）は２枚の外部電極（１，１′）により包み込まれて内部電極が外部物体と接触して電荷量のリークを生じないように封入されていることを特徴とする変形可能な薄型圧力センサ。
2. 柔軟性導電体薄膜が金属の薄膜である請求項１記載の変形可能な薄型圧力センサ。
3. 金属が銅、銀、金、白金、スズ又はアルミニウムである請求項２記載の変形可能な薄型圧力センサ。
4. 柔軟性導電体薄膜が炭素の薄膜である請求項１記載の変形可能な薄型圧力センサ。
5. 柔軟性圧電体薄膜がセラミックス圧電体又は高分子圧電体の薄膜である請求項１ないし４のいずれかに記載の変形可能な薄型圧力センサ。
6. セラミックス圧電体が、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）又は窒化アルミニウムである請求項５記載の変形可能な薄型圧力センサ。
7. 高分子圧電体がポリフッ化ビニリデン系重合体若しくは共重合体又はビニリデンシアナイド系共重合体である請求項５記載の変形可能な薄型圧力センサ。
8. 厚さが５０μｍ以下である請求項１ないし７のいずれかに記載の変形可能な薄型圧力センサ。
9. 出力復元回路を備えた請求項１ないし８のいずれかに記載の変形可能な薄型圧力センサ。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の変形可能な薄型圧力センサを用いて人体の圧力変動を計測する人体情報計測装置。
11. 圧力変動が脈拍に起因する請求項１０記載の人体情報計測装置。
12. 圧力変動が呼吸に起因する請求項１０記載の人体情報計測装置。
13. 圧力変動が体動に起因する請求項１０記載の人体情報計測装置。

Images