JP2002333373A - 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

薄型圧力センサ及びそれを用いた人体情報計測装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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、新規な薄型圧力センサ及びこれ
を用いた人体情報計測装置を提供する。 【解決手段】 それぞれ内側に圧電体層2,2′を設け
た導電体薄膜3,3′からなる外部電極2枚1,1′の
間に、導電体薄膜からなる内部電極1枚4を封入し、か
つ上記外部電極の1枚1の適所に内部電極4のための導
通用窓5を設けた薄型圧力センサ及びこれを用いた人体
の圧力変動を計測する人体情報計測装置とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【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、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、それぞれ内側に圧
電体層を設けた2枚の外部電極薄膜の間に、1枚の内部
電極を外部から完全に遮断させ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、それぞれ内側に圧電
体層2,2′を設けた導電体薄膜3,3′からなる外部
電極2枚1,1′の間に、導電体薄膜からなる内部電極
1枚4を封入し、かつ上記外部電極の1枚1の適所に内
部電極4のための導通用窓5を設けたことを特徴とする
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、外部電極1,1′はそれぞ
れ内側に圧電体層2,2′を設けた導電体薄膜3,3′
からなっている。導電体薄膜からなる内部電極4は、2
枚の外部電極1,1′の間に全体が完全に包み込まれる
ように封入されている。そして、上記2枚の外部電極の
中の1枚(図では1)には、内部電極4のための導通用
窓5が設けられている。
【0009】図2は、本発明の薄型圧力センサの構造を
模式的に示した断面図であり、導電体薄膜3,3′及び
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、外部電極1,1′で
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のが好ましい。
【0013】また、本発明圧力センサにおいては、内部
電極4の両面に圧電体層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5〜50
μm、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、圧電体としては、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が
好ましい。
【0016】外部電極表面に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、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36m
m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
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 41/187 H01L 41/18 101Z 41/193 102 A61B 5/10 310A (72)発明者 池田 喜一 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 立山 博 佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地1 独 立行政法人産業技術総合研究所九州センタ ー内 Fターム(参考) 4C038 SS08 SV01 SX01 VA16 VB31

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 それぞれ内側に圧電体層(2,2′)を
    設けた導電体薄膜(3,3′)からなる外部電極2枚
    (1,1′)の間に、導電体薄膜からなる内部電極1枚
    (4)を封入し、かつ上記外部電極の1枚(1)の適所
    に内部電極(4)のための導通用窓(5)を設けたこと
    を特徴とする薄型圧力センサ。
  2. 【請求項2】 導電体薄膜及び圧電体層が柔軟性材料か
    らなり、全体として変形可能な請求項1記載の薄型圧力
    センサ。
  3. 【請求項3】 導電体薄膜が金属の薄膜である請求項1
    又は2記載の薄型圧力センサ。
  4. 【請求項4】 金属が銅、銀、金、白金、スズ又はアル
    ミニウムである請求項3記載の薄型圧力センサ。
  5. 【請求項5】 導電体薄膜が炭素の薄膜である請求項1
    又は2記載の薄型圧力センサ。
  6. 【請求項6】 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5のいずれかに
    記載の薄型圧力センサ。
  7. 【請求項7】 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6記載の薄型圧力センサ。
  8. 【請求項8】 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6記載の薄型圧力センサ。
  9. 【請求項9】 厚さが50μm以下である請求項1ない
    し8のいずれかに記載の薄型圧力センサ。
  10. 【請求項10】 出力復元回路を備えた請求項1ないし
    9のいずれかに記載の薄型圧力センサ。
  11. 【請求項11】 請求項1ないし10のいずれかに記載
    の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。
  12. 【請求項12】 圧力変動が脈拍に起因する請求項11
    記載の人体情報計測装置。
  13. 【請求項13】 圧力変動が呼吸に起因する請求項11
    記載の人体情報計測装置。
  14. 【請求項14】 圧力変動が体動に起因する請求項11
    記載の人体情報計測装置。
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