JP7016198B2 - 圧電センサ - Google Patents

Description

この発明は、圧電センサに係り、特に、所定の場所における心拍および呼吸に起因して生体から生じる圧力変化を検出する圧電センサに関する。

従来から、心拍および呼吸などに起因して生体から生じる圧力変化を検出する圧電センサが実用化されている。例えば、圧電センサを病院のベッドに配置することにより、生体からの圧力変化を継時的に検出して、生体の状態を容易に把握することができる。

このような圧電センサとしては、例えば、複数の圧電素子を配置したものが提案されている。複数の圧電素子を配置することで生体の部分的な圧力変化を検出して、生体の状態を精細に把握することができる。しかしながら、それぞれの圧電素子からの電気信号を別々の演算回路で解析するなど、装置構成が複雑化するといった問題があった。

そこで、構成を簡単化する技術として、例えば、特許文献１には、何れの位置においても生体信号を精度良く測定することができる圧電センサ構造体が提案されている。この圧電センサ構造体は、電極がベッドの幅方向に面状に拡がるように形成されているため、広い面積における圧力変化を簡単な構成で検出することができる。

特開２０１８－３３４９７号公報

しかしながら、特許文献１の圧電センサ構造体は、電極の全面にわたるように感圧層を配置するため、生体の圧力変化に応じて生じた電気信号が電極を伝搬して端子まで到達する間に、感圧層との間で静電結合などが生じて、その波形が変化するおそれがあった。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、電極を伝搬する電気信号に対する感圧層の影響を抑制する圧電センサを提供することを目的とする。

この発明に係る圧電センサは、所定の場所における生体からの圧力変化を検出する圧電センサであって、互いに間隔を空けて配置され、面状に拡がるように形成された一対の電極と、一対の電極の間に配置され、圧力変化に応じて電荷を生じる感圧層と、一対の電極にそれぞれ接続され、生体の圧力変化に応じて一対の電極から供給される電気信号を出力するための一対の端子とを備え、一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、一対の端子に向かって延びる縁部が感圧層に対して外側に張り出すように配置され、電気信号が縁部を伝搬して一対の端子から出力されるである。

ここで、一対の電極は、それぞれ、縁部が感圧層に対して外側に張り出すように配置されることが好ましい。

また、少なくとも一方の電極は、縁部が全周にわたって感圧層に対して外側に張り出すように配置されることが好ましい。

また、一対の電極は、長尺形状を有し、少なくとも一方の電極は、長手方向に対して交差する方向に感圧層と重なる部分を延びる切れ込みにより互いに分割された複数の検出部を有することが好ましい。

また、複数の検出部は、長手方向に延びる切れ込みによりさらに分割して配置することができる。

また、一対の端子は、一対の電極において短手方向に延びる縁部に接続することができる。

この発明によれば、一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、一対の端子に向かって延びる縁部が感圧層に対して外側に張り出すように配置され、電気信号が縁部を伝搬して一対の端子から出力されるので、電極を伝搬する電気信号に対する感圧層の影響を抑制する圧電センサを提供することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る圧電センサを備えた生体情報解析装置の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。 寝床に圧電センサを配置した様子を示す図である。 実施の形態２に係る圧電センサの構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は図３（ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。 実施の形態３に係る圧電センサの構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は図４（ａ）のＣ－Ｃ線断面図である。 実施の形態４に係る圧電センサの構成を示す図である。 実施の形態５に係る圧電センサの構成を示す図である。 実施例１の圧電センサを押圧したときの電気信号の強度変化を示すグラフである。 比較例１の圧電センサを押圧したときの電気信号の強度変化を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１（ａ）および（ｂ）に、この発明の実施の形態１に係る圧電センサを備えた生体情報解析装置の構成を示す。この生体情報解析装置は、圧電センサ１と、解析部２とを有する。

圧電センサ１は、所定の場所における生体からの圧力変化を検出するもので、一対の電極３ａおよび３ｂと、感圧層４と、一対の端子５ａおよび５ｂとを有する。ここで、圧力変化は、生体全体から加わる大きな圧力変化だけでなく、生体表面の振動などの小さな圧力変化も含むものである。
電極３ａおよび３ｂは、互いに間隔を空けて配置され、同形状の長尺な矩形状に形成されている。電極３ａおよび３ｂは、例えば、金属材料および有機導電性材料などの導電性材料から構成することができる。

感圧層４は、圧力変化に応じて電荷を生じるもので、電極３ａおよび３ｂの間に配置されている。感圧層４は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）およびポリ（ビニリデン－トリフルオロエチレン）共重合体（Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ））などの強誘電性を有する材料から構成することができる。また、感圧層４は、ポリ乳酸およびポリ尿素などの材料、および多孔質フィルムを帯電させたエレクトレット材料などから構成することもできる。

ここで、感圧層４は、電極３ａおよび３ｂより小さな面積で形成されている。具体的には、電極３ａおよび３ｂにおいて長手方向に延びる２の縁部６ａおよび６ｂと、短手方向に延びる２つの縁部６ｃおよび６ｄとが感圧層４に対して外側に張り出すように配置、すなわち電極３ａおよび３ｂの縁部６ａ～６ｄが全周にわたって感圧層４に対して外側に張り出すように配置されている。これにより、電極３ａおよび３ｂは、電極３ａおよび３ｂの積層方向において感圧層４と重なる部分に感圧層４と電気的に接続された検出部７が配置され、その検出部７の周りを囲むように感圧層４と重ならない縁部６ａ～６ｄが配置されることになる。
なお、検出部７は、最も幅広く形成された部分が１０ｃｍ以上の幅を有するように面状に拡がるように形成することが好ましい。

端子５ａおよび５ｂは、電極３ａおよび３ｂにそれぞれ接続され、生体の圧力変化に応じて電極３ａおよび３ｂから供給される電気信号を解析部２に順次出力する。
解析部２は、端子５ａおよび５ｂから出力される電気信号に基づいて、生体の生体情報を解析するものである。解析部２は、例えば、電気信号の周波数に基づいて、心拍数、呼吸数および体動などの生体情報を算出することができる。

次に、実施の形態１の動作について説明する。
まず、図２に示すように、生体Ｓが横になるための所定の場所、例えばベッドなどの寝床Ｌに圧電センサ１が配置される。圧電センサ１は、寝床Ｌを幅方向にわたるような長尺形状に形成されているため、生体Ｓから生じる圧力変化を確実に検出することができる。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、生体Ｓから生じる圧力変化が圧電センサ１に加わると、生体Ｓから生じる圧力変化に応じた電気信号が検出部７から供給される。この電気信号は、生体Ｓから生じる圧力変化が加えられた押圧位置から端子５ａおよび５ｂまで電極３ａおよび３ｂを伝搬することになる。ここで、電極３ａおよび３ｂにおいて検出部７を伝搬した電気信号は、検出部７と感圧層４との間で生じる静電結合の影響で、その強度が大きく減衰するおそれがある。特に、検出部７において端子５ａおよび５ｂから遠い押圧位置Ｐ２が押圧された場合に、端子５ａおよび５ｂに近い押圧位置Ｐ１が押圧された場合と比較して、電気信号の伝搬距離が長いため感圧層４との間で生じる静電結合の影響をより大きく受けることになる。

そこで、電極３ａおよび３ｂには、押圧位置Ｐ２から端子５ａおよび５ｂに向かって延びる縁部６ａ～６ｄが形成されている。この縁部６ａ～６ｄは、感圧層４に対して外側に張り出すように配置、すなわち積層方向において感圧層４と重ならないように配置されているため、縁部６ａ～６ｄを伝搬した電気信号は、検出部７と感圧層４との間で生じる静電結合の影響を受けることなく、端子５ａおよび５ｂまで伝搬することができる。
特に、端子５ａおよび５ｂから遠い押圧位置Ｐ２で生じた電気信号が静電結合の影響で減衰することを抑制するため、端子５ａおよび５ｂからの距離に関わらず、全ての電気信号の強度をある程度維持したまま端子５ａおよび５ｂから解析部２に出力することができる。

ここで、電極３ａおよび３ｂにおいて全周にわたる縁部６ａ～６ｄが、感圧層４に対して外側に張り出すように配置されているため、どの押圧位置Ｐ１およびＰ２を押圧しても縁部６ａ～６ｄを介して電気信号を確実に伝搬させることができる。
なお、縁部６ａ～６ｄは、例えば、約１ｃｍの幅をそれぞれ有するように形成することができる。

このようにして、端子５ａおよび５ｂから解析部２に出力された電気信号は、縁部６ａ～６ｄを伝搬した電気信号を含むため、強度が維持されることになる。このため、解析部２は、強度が維持された電気信号に基づいて生体Ｓの生体情報を算出することにより、生体情報を高精度に算出することができる。特に、心拍に起因する電気信号は、例えば１Ｈｚ～１０Ｈｚといった比較的高い周波数であるため減衰しやすい傾向を有するが、電気信号の減衰を抑制することで比較的高い周波数を有する生体情報を確実に算出することができる。

本実施の形態によれば、電極３ａおよび３ｂは、端子５ａおよび５ｂに向かって延びる縁部６ａ～６ｄが感圧層４に対して外側に張り出すように配置されて、電気信号が縁部６ａ～６ｄを伝搬して端子５ａおよび５ｂから出力されるため、電極３ａおよび３ｂを伝搬する電気信号に対する感圧層４の影響を抑制することができる。

実施の形態２
上記の実施の形態１では、電極３ａおよび３ｂは、縁部６ａ～６ｄが全周にわたって感圧層４に対して外側に張り出すように配置されたが、端子５ａおよび５ｂに向かって延びる縁部が感圧層４に対して外側に張り出すように配置されていればよく、これに限られるものではない。

例えば、図３に示すように、実施の形態１の感圧層４に換えて感圧層２１を配置することができる。この感圧層２１は、電極３ａおよび３ｂに対して縁部６ｂ分だけ小さい面積で形成されている。すなわち、電極３ａおよび３ｂは、端子５ａおよび５ｂに向かって延びる縁部６ｂのみが感圧層２１に対して外側に張り出すように配置されている。
なお、端子５ｂは、縁部６ｂの延長線上に配置して縁部６ｂに直接接続されることが好ましい。また、端子５ａを縁部６ｂの延長線上に配置して縁部６ｂに直接接続することもできる。

このような構成により、検出部７において端子５ａおよび５ｂから遠い押圧位置Ｐ２が押圧された場合でも、縁部６ｂを伝搬した電気信号は、感圧層２１との静電結合の影響で減衰することを抑制することができ、電気信号の強度を維持したまま端子５ａおよび５ｂから出力することができる。

本実施の形態によれば、電極３ａおよび３ｂは、端子５ａおよび５ｂに向かって延びる縁部６ｂが感圧層２１に対して外側に張り出すように配置され、電気信号が縁部６ｂを伝搬して端子５ａおよび５ｂから出力されるため、電極３ａおよび３ｂを伝搬する電気信号に対する感圧層２１の影響を抑制することができる。

実施の形態３
上記の実施の形態１および２では、電極３ａおよび３ｂは、互いに対向する縁部が感圧層に対して外側に張り出すように配置されたが、端子５ａおよび５ｂに向かって延びる縁部が感圧層に対して外側に張り出すように配置されていればよく、これに限られるものではない。

例えば、図４に示すように、実施の形態２の電極３ａおよび３ｂに換えて電極３１ａおよび３１ｂを配置することができる。ここで、電極３１ａは、端子５ａおよび５ｂに向かって延びる縁部６ａが感圧層２１に対して外側に張り出すように配置されている。一方、電極３１ｂは、端子５ａおよび５ｂに向かって延びる縁部６ｂが感圧層２１に対して外側に張り出すように配置されている。すなわち、電極３ａおよび３ｂは、互いに反対側を向いた縁部６ａおよび６ｂが感圧層２１に対して外側に張り出すように配置されている。
なお、端子５ａは縁部６ａの延長線上に配置して縁部６ａに直接接続されることが好ましく、端子５ｂは縁部６ｂの延長線上に配置して縁部６ｂに直接接続されることが好ましい。

このような構成により、検出部７において端子５ａおよび５ｂから遠い押圧位置Ｐ２が押圧された場合でも、縁部６ａおよび６ｂを伝搬した電気信号は、感圧層２１との静電結合の影響で減衰することを抑制することができ、電気信号の強度を維持したまま端子５ａおよび５ｂから出力することができる。
また、電極３ａおよび３ｂは、互いに反対側の縁部６ａおよび６ｂが感圧層２１に対して外側に張り出すように配置されているため、縁部６ａと縁部６ｂが接触して短絡することを防ぐことができる。

本実施の形態によれば、電極３１ａおよび３１ｂは、互いに反対側の縁部６ａおよび６ｂが感圧層２１に対して外側に張り出すように配置されているため、縁部６ａと縁部６ｂが接触して電気的な短絡が生じることを防ぐことができる。

実施の形態４
上記の実施の形態１～３では、電極３ａおよび３ｂは、積層方向において感圧層４と重なる部分に１つの検出部７が配置されたが、生体Ｓからの圧力変化を検出できればよく、複数の検出部を配置することもできる。
具体的には、電極３ａおよび３ｂは、長手方向に対して交差する方向に感圧層４と重なる部分を延びる切れ込みにより互いに分割された複数の検出部を配置することができる。

例えば、図５に示すように、実施の形態１の電極３ａおよび３ｂにおいて、検出部７に換えて検出部４１ａ，４１ｂおよび４１ｃを配置することができる。この検出部４１ａ～４１ｃは、電極３ａおよび３ｂの長手方向に対して直交する方向に感圧層４と重なる部分を延びる２つの切れ込み４２により互いに分割されている。ここで、検出部４１ａ～４１ｃを分割する切れ込み４２は、感圧層４の幅より長く延びて感圧層４を完全に横断するように形成されている。

このような構成により、生体Ｓの圧力変化に応じて検出部４１ａ～４１ｃから供給される電気信号は、切れ込み４２に遮られて検出部４１ａ～４１ｃの間を伝搬できず、縁部６ａ～６ｄを伝搬して端子５ａおよび５ｂまで到達することになる。このように、電気信号が、縁部６ａ～６ｄを伝搬して端子５ａおよび５ｂまで到達するため、感圧層４との静電結合の影響で強度が減衰することを確実に抑制することができる。

本実施の形態によれば、電極３ａおよび３ｂの検出部４１ａ～４１ｃが、切れ込み４２により互いに分割されているため、検出部４１ａ～４１ｃから端子５ａおよび５ｂまで縁部６ａ～６ｄを介して電気信号を伝搬させることができ、電気信号に対する感圧層４の影響を確実に抑制することができる。

実施の形態５
上記の実施の形態４では、電極３ａおよび３ｂは、長手方向に対して交差する方向に感圧層４と重なる部分を延びる切れ込み４２により互いに分割された検出部４１ａ～４１ｃを配置したが、長手方向に延びる切り込みにより互いに分割された複数の検出部を配置することもできる。

例えば、図６に示すように、実施の形態４の電極３ａおよび３ｂにおいて、検出部４１ａ～４１ｃに換えて検出部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅおよび５１ｆを配置することができる。この検出部５１ａ～５１ｆは、実施の形態４と同様に切れ込み４２により長手方向に互いに分割されると共に、感圧層４と重なる部分を長手方向に延びる切れ込み５２により短手方向に互いに分割されている。ここで、検出部５１ａ～５１ｆを分割する切れ込み５２は、感圧層４の長手方向の長さより長く延びて感圧層４を完全に縦断するように形成されている。同様に、切れ込み４２は、感圧層４の短手方向の幅より長く延びて感圧層４を完全に横断するように形成されている。

このような構成により、生体Ｓの圧力変化に応じて検出部５１ａ～５１ｆから供給される電気信号は、切れ込み４２および５２に遮られて検出部５１ａ～５１ｆの間を伝搬できず、縁部６ａ～６ｄを伝搬して端子５ａおよび５ｂまで到達することになる。このとき、切れ込み５２が長手方向に延びるように形成されているため、検出部５１ａ～５１ｃから供給された電気信号は縁部６ａを介して伝搬され、検出部５１ｄ～５１ｆから供給された電気信号は縁部６ｂを介して伝搬される。すなわち、検出部５１ａ～５１ｆから最も近い縁部６ａ～６ｄを介して電気信号を伝搬させることができ、感圧層４との静電結合の影響で電気信号が減衰することをより確実に抑制することができる。

本実施の形態によれば、電極３ａおよび３ｂの検出部５１ａ～５１ｆが、切れ込み４２および５２により互いに分割されているため、検出部５１ａ～５１ｆから最も近い縁部６ａ～６ｄを介して電気信号を伝搬させることができ、電気信号に対する感圧層４の影響をより確実に抑制することができる。

なお、上記の実施の形態１～５では、電極３ａおよび３ｂは、それぞれ、縁部が感圧層４に対して外側に張り出すように配置されたが、電極３ａおよび３ｂのうち少なくとも一方の電極の縁部が感圧層４に対して外側に張り出すように配置されていればよく、これに限られるものではない。
例えば、電極３ａの端子５ａを解析部２に接続すると共に電極３ｂの端子５ｂを接地した場合には、電極３ａの縁部のみが感圧層４に対して外側に張り出すように配置し、電極３ｂは全面が感圧層４と対向するように配置することができる。

また、上記の実施の形態１～５では、電極３ａおよび３ｂは、長尺な矩形状に形成されたが、面状に拡がるように形成されていればよく、矩形状に限られるものではない。
また、上記の実施の形態１～５では、電極３ａおよび３ｂは、平面状に拡がるように形成されていたが、立体的に湾曲するように形成することもできる。

また、上記の実施の形態１～５では、圧電センサ１は、寝床Ｌに配置された寝具用として用いられたが、所定の場所における生体Ｓからの圧力変化を検出できればよく、寝具用に限られるものではない。例えば、圧電センサ１は、生体Ｓが座る座席に配置される座席用として用いることもできる。

次に、実施例を示して本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
導電性接着層付きの銅箔フィルムを幅８．５ｃｍ×長さ６１ｃｍの大きさで２枚切り出して電極３ａおよび３ｂを作製すると共に、ＰＶＤＦフィルム（クレハＫＦポリマー、株式会社クレハ製）を幅６．５ｃｍ×長さ６０ｃｍの大きさで切り出して感圧層４を作製した。電極３ｂ上に感圧層４を張り合わせた後、感圧層４上に電極３ａを張り合わせた。ここで、電極３ａおよび３ｂは、３つの縁部６ａ，６ｂおよび６ｃがそれぞれ１ｃｍだけ感圧層４に対して外側に張り出すように配置した。このため、検出部７は、幅６．５ｃｍ×長さ６０ｃｍの大きさで形成された。これにより、圧電センサが作製された。

（比較例１）
導電性接着層付きの銅箔フィルムを幅６．５ｃｍ×長さ６０ｃｍの大きさで２枚切り出して一対の電極を作製すると共に、ＰＶＤＦフィルム（クレハＫＦポリマー、株式会社クレハ製）を幅８．５ｃｍ×長さ６１ｃｍの大きさで切り出して感圧層を作製した。一方の電極上に感圧層を張り合わせた後、その感圧層上に他方の電極を張り合わせた。ここで、一対の電極は、全面が感圧層に対向するように配置され、検出部は幅６．５ｃｍ×長さ６０ｃｍの大きさで形成された。これにより、圧電センサが作製された。

（評価方法）
作製された圧電センサに増幅器を介してオシロスコープを接続し、加振器により１０Ｎの予圧を与えた状態でさらに１７．５Ｎで押圧したときの電気信号の強度を計測した。加振器による押圧は、オシロスコープの接続箇所に近い押圧位置Ｐ１と、接続箇所から遠い押圧位置Ｐ２とをそれぞれ０．２５Ｈｚ～１０Ｈｚの異なる周波数で振動を加えることにより行った。その結果を図７および８に示す。

図７および８に示す結果から、３つの縁部６ａ，６ｂおよび６ｃが感圧層４に対して外側に張り出すように配置した実施例１は、電極の全面が感圧層に対向するように配置された比較例１と比較して、電気信号が約３倍の強度で計測され、感圧層の影響で電気信号が減衰するのを抑制できることがわかった。

また、比較例１は、押圧位置Ｐ１を押圧した電気信号に対して押圧位置Ｐ２を押圧した電気信号が６割程度減衰しているのに対して、実施例１は、押圧位置Ｐ１を押圧した電気信号に対して押圧位置Ｐ２を押圧した電気信号が５割程度の減衰に留められており、オシロスコープの接続箇所から遠い押圧位置Ｐ２を押圧したときの電気信号の減衰をより確実に抑制できることがわかった。
さらに、実施例１は、比較例１と比較して、５Ｈｚ～１０Ｈｚの電気信号の減衰が抑制されており、比較的高い周波数の減衰を抑制できることがわかった。

１ 圧電センサ、２ 解析部、３ａ，３ｂ，３１ａ，３１ｂ 電極、４，２１ 感圧層、５ａ，５ｂ 端子、６ａ～６ｄ 縁部、７，４１ａ～４１ｃ，５１ａ～５１ｆ 検出部、４２，５２ 切れ込み、Ｐ１，Ｐ２ 押圧位置、Ｌ 寝床、Ｓ 生体。

Claims (6)

1. 所定の場所における生体からの圧力変化を検出する圧電センサであって、
   互いに間隔を空けて配置され、面状に拡がるように形成された一対の電極と、
   前記一対の電極の間に配置され、圧力変化に応じて電荷を生じる感圧層と、
   前記一対の電極にそれぞれ接続され、生体の圧力変化に応じて前記一対の電極から供給される電気信号を出力するための一対の端子と
   を備え、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、前記一対の端子に向かって延びる縁部が前記感圧層に対して外側に張り出すように配置され、前記電気信号が前記縁部を伝搬して前記一対の端子から出力される圧電センサ。
2. 前記一対の電極は、それぞれ、前記縁部が前記感圧層に対して外側に張り出すように配置される請求項１に記載の圧電センサ。
3. 前記少なくとも一方の電極は、前記縁部が全周にわたって前記感圧層に対して外側に張り出すように配置される請求項１または２に記載の圧電センサ。
4. 前記一対の電極は、長尺形状を有し、
   前記少なくとも一方の電極は、長手方向に対して交差する方向に前記感圧層と重なる部分を延びる切れ込みにより互いに分割された複数の検出部を有する請求項１～３のいずれか一項に記載の圧電センサ。
5. 前記複数の検出部は、前記長手方向に延びる切れ込みによりさらに分割して配置された請求項４に記載の圧電センサ。
6. 前記一対の端子は、前記一対の電極において短手方向に延びる縁部に接続される請求項４または５に記載の圧電センサ。

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