JP2008051660A - 微小圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】手首の大きさに関係なく、微小な脈拍変化を高感度に検出でき、かつ汗を蒸発し易くして皮膚組織がかぶれない微小圧力検出装置を提供する。
【解決手段】複数の円形の貫通穴Ｈをあけた高分子フィルム２と、各貫通穴Ｈの内壁に形成され両開口に延びる導電層１２と、各貫通穴Ｈの一方の開口の導電層１２の上に設けられたカーボンナノ部材からなる環状の感圧抵抗素子３と、各貫通穴Ｈの他方の開口の導電層１２の上に設けられた環状の受信端子７と、各感圧抵抗素子３にそれぞれ接続される電源線５と、各受信端子７にそれぞれ接続される信号線１０とを有し、別の貫通穴Ｈ’の上に信号処理部８を設けて、これに導電層１２および信号線１０をそれぞれ電気的接続をして、信号処理部８から感圧抵抗素子３に電気を流すことで微小圧力検出回路を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小圧力検出装置に関し、特に手首領域の橈骨動脈から発生する脈拍を測定する微小圧力検出装置に関する。

従来の血圧等の流体圧力測定には、スパッタリングや金属のシルクスクリーン印刷によりNiCu合金や銀からなる金属層と、非電気伝導性材料として圧電材料を用いたセンサーが開発されている（特許文献１参照）。
図４は特許文献１記載の圧力センサーを示すものである。図４において、１４、１５はNiCu合金や銀から形成された金属層で、1６は圧電特性を有する非電気伝導性材料のフィルムで、電気伝導性の金属層１４、１５でサンドイッチされている。１７は非電気伝導性の空気、ガス、あるいは弾性成分が満たされた中央室で、非電気伝導性材料１８がフィルム１６、金属層１４、１５及び出力端１９、２０の外囲器に用いられている。金属層１４の表面にはアルコールで消毒できるように中性層２１で保護されている。なお、Ｓは皮膚組織である。そこで、皮膚組織Ｓ内にある動脈に血液などの流体が通り、脈動が発生するとフィルム１６に機械的な応力がかかり、フィルムの二つの面にそれぞれ電荷が分離される。分離された電荷を集め出力端１９、２０に送ると、出力端１９、２０の間に電気的なポテンシャルの差（電位）が生じるので、この電位差を計測することで血圧の変化を測定している。
特表２０００−５１６１２１号公報（第９−１０頁、図１）

従来の血圧測定方法では、圧電特性を有する非電気伝導性材料からなるフィルム１６を金属層１４、１５で両方からサンドイッチ状にしていることから、装置全体が大きくなるため、乳幼児などの小さな手首には装着しにくい上に、圧電特性素子を利用しているため、微小な圧力変化を検出することは難しく、さらに、装着者の皮膚組織から発生する汗の蒸発を逃がせないため、皮膚組織Ｈがかぶれて、センサーを長時間使用することができない、という問題があった。
また、圧電特性を有するフィルム１６及び金属層１４、１５を複数個、配置していないので、頻脈、徐脈、もしくは不整脈などの微小な脈拍変化を高感度に検出しにくいなどの問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、手首の大きさや形状に関係なく、センサー本体を橈骨動脈付近の皮膚組織Ｓに密着して固定化させることができ、且つセンサー本体を小型・軽量化できるととともに、頻脈、徐脈、もしくは不整脈による微小な脈拍変化も高感度に検出することができる微小圧力検出装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたものである。
請求項１記載の微小圧力検出装置の発明は、複数の貫通穴をあけた高分子フィルムと、前記各貫通穴の内壁に形成され両開口に延びる導電層と、前記各貫通穴の一方の開口の前記導電層の上に設けられた環状の感圧抵抗素子と、前記各貫通穴の他方の開口の前記導電層の上に設けられた環状の受信端子と、前記高分子フィルムの一方の面に形成され前記環状の各感圧抵抗素子にそれぞれ接続される電源線と、前記高分子フィルムの他方の面に形成され前記各受信端子にそれぞれ接続される信号線とを有することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の微小圧力検出装置において、前記高分子フィルムにあけられた前記貫通穴とは異なる大きさの貫通穴の上に信号処理部を設け、前記信号処理部に前記導電層および前記信号線をそれぞれ電気的接続をし、前記信号処理部から前記感圧抵抗素子に電気を流すことで微小圧力検出回路を形成することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の微小圧力検出装置において、前記感圧抵抗素子、前記導電層、および前記電源線と前記信号線が、単層カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カップ積層型カーボンナノファイバーの少なくとも１種からなるカーボンナノ部材であることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の微小圧力検出装置において、前記感圧抵抗素子、前記導電層、および前記電源線と前記信号線の各下地には、グラフト重合されたポリマー層が形成されていることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の微小圧力検出装置において、前記ポリマー層が、光グラフト重合反応により得られる、アクリル酸、ジアリルジメチルアンモニウムクロリド、アクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロリドのいずれかのモノマーである特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１記載の微小圧力検出装置において、前記信号線と前記電源線および前記端子部の表面が、絶縁層で覆われていることを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項６記載の微小圧力検出装置において、前記絶縁層が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、酢酸セルロース、ポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテル、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ニトロセルロース、アクリル樹脂、エポキシ樹脂のいずれかであることを特徴とする。

上記構成により、図１（後述）に示す高分子フィルム２には多数の貫通穴Ｈ（直径が数十μｍの微小な穴が好ましい）に環状の感圧抵抗素子３がそれぞれ対応して設けられているため、乳幼児などの小さな手首の橈骨動脈から発生する脈拍をいずれかの感圧抵抗素子３がしかも高感度に検出することができる。
また、図３（後述）に示すポリマー層９及びカーボンナノ部材で形成された感圧抵抗素子３と受信端子７は、貫通穴が形成されているのでこれが通気穴となり、装着者の皮膚組織から発生する汗が蒸発し易くなるため、皮膚組織Ｓがかぶれたりすることがなく、センサーを長時間使用することが可能となる。
また、感圧抵抗素子３および共通端子４が単層カーボンナノチューブやカーボンナノウォール、またはカップ積層型カーボンナノファイバーからなるカーボンナノ部材で形成されているため、センサー自体を小型・軽量にすることができるとともに、頻脈、徐脈、もしくは不整脈などの微小な脈拍変化も高感度に検出することができる。
また、高分子フィルム２（図１）の両側には、粘着部６を設けているため、乳幼児から成人まで、手首の大きさや形状に関係なく橈骨動脈付近の皮膚組織Ｓ（図３）の表面に高分子フィルム２を密着して貼り付けることができる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明の高分子フィルムからなる微小圧力検出装置の両面の構成を示す概略平面図で、図１は表（おもて）面、図２は裏面であり、図３は微小圧力検出装置の側断面図である。
図１〜図３において、１は本発明に係る微小圧力検出装置、２は厚みが数百μｍ〜数ｍｍの柔軟性のある高分子フィルムで、材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、酢酸セルロース、ポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリエーテル、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ニトロセルロース、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂、フッ素系樹脂、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体などがあるが、装着者の皮膚組織Ｓを刺激しないような材料を用いた方が良く、絆創膏などで用いられているポリウレタンが好ましい。

高分子フィルム２の皮膚組織Ｓに接する面には、直径が数十μｍの微小な円形状の貫通穴Ｈが多数形成され、またその円形状の貫通穴Ｈに対応して環状の感圧抵抗素子３が、互いに数十μｍの距離を置いて数百から数千個配列されている。
それらの多数の感圧抵抗素子３の中で、図で一番右側の中央部に位置している感圧抵抗素子３から一定の間隔を置いて感圧抵抗素子３よりも直径の大きな円形状の貫通穴Ｈ’があけられており、その貫通穴Ｈ’の開口近傍に環状の電源共通端子４が設けられている。そしてこの電源共通端子４にそれぞれ電源線５ａ、５ｂを介して各感圧抵抗素子３の環状端子３ａ、３ｂの２箇所が接続されている。
また、高分子フィルム２の両側には、高分子フィルム２を皮膚組織Ｓに密着・固定化するための粘着部６（図１）が設けてある。

一方、高分子フィルム２の皮膚組織Ｓに接しない側の面には、各感圧抵抗素子３の設けられた貫通穴Ｈの反対側開口位置に、感圧抵抗素子３と同じ大きさの環状の受信端子７がある。これによって、皮膚組織Ｓから発した汗は環状の感圧抵抗素子３（図３）の穴と高分子フィルム２の貫通穴Ｈと環状の受信端子７の穴を通って外気へ蒸発することができ、皮膚組織Ｈがかぶれて、センサーを長時間使用することができない、という問題がなくなる。
また、各受信端子７から送られてきた電気信号を処理するための信号処理部８は、電源共通端子４から貫通穴Ｈ’を通って反対面の開口近傍に設けてある。さらに、この貫通穴Ｈ’にも導電層１２が形成されていて、信号処理部８からの電流が導電層１２から共通端子４を経て各感圧抵抗素子３の電極に与えられ、さらに感圧抵抗素子３を通って貫通穴Ｈ内の導電層１２および受信端子７（７ａ，７ｂ）を経由して信号線１０を通って信号処理部８に戻る。
各感圧抵抗素子３は圧力を感じたときその圧力の大きさに比例してその抵抗値が変化する特性を有するので、図３において、感圧抵抗素子３の真下にある血管Ｂの脈拍（血圧）の大きさに応じて感圧抵抗素子３が抵抗変化をするため、その信号線１０には脈拍の大きさに応じた電流が流れて信号処理部８に達することとなる。
したがって、信号処理部８では、図２の各信号線に流れる電流の大きさをそれぞれ検出することで、各感圧抵抗素子３直下の血管の血圧を知ることができる。

このように、高分子フィルム２を手首の橈骨動脈付近の皮膚組織Ｓに貼り付けると、心臓の収縮により発生する周期的な波動（脈拍）が橈骨動脈に伝わって皮膚組織Ｓの表面から各感圧抵抗素子３に圧力変化として検出され、各感圧抵抗素子３に流されている電流値が変化することになる。その電流値の変化が発生した感圧抵抗素子３の位置と発生順および電流値の変化を計測することで、装着者の健康状態を監視することができる。例えば、圧力変化を検出した感圧抵抗素子３の位置と発生順および電流値の変化が健康状態の時とかなり異なる場合には、装着者の身体に何らかの異変が発生したと判断できるので、図に示していない遠隔処理装置にワイヤーレス通信技術を用いて送信することで、装着者の周囲にいるナースや家族に異常を知らせることが可能となる。

また、センサー本体と遠隔処理装置はワイヤーレス通信技術でデータを送信することで、従来のような装着者の行動に制限を与えたり、装着者の動きにより配線が切れるなどの問題がないため、センサーを長時間安定に使用することができる。

実施例２は本発明の微小圧力検出装置の製造方法に関するものである。
図３において、まず、貫通穴の円周部と共通端子４および受信端子７と信号処理部８との間の配線領域のみに紫外線が照射できるようにマスク基板を数十μｍの円形状の穴が複数個形成された高分子フィルム２の両面に重ねて固定する。
次に、アクリル酸、ジアリルジメチルアンモニウムクロリド、アクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロリドなどのモノマー水溶液に浸漬し、一定時間、紫外線ランプを点灯して紫外線を照射すると、穴の円周部および側面部と、配線領域のみにアクリル酸、ジアリルジメチルアンモニウムクロリド、アクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロリドからなるポリマー層９が形成される。

次に、ポリマー層９が形成された高分子フィルム２を強酸で可溶化処理した単層カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カップ積層型カーボンナノファイバーが分散した水溶液に入れ、２０ｍＭ−Ｎ−ヒドロキシこはく酸イミド水溶液及び２０ｍＭ−１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジミド水溶液と、エチレンジアミン水溶液又は１、１０−ジアミノデカン水溶液を適量添加し、ホットスターラーで加熱・撹拌したり、単層カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カップ積層型カーボンナノファイバーの分散水溶液にポリマー層９が形成された高分子フィルム２を入れて加熱・撹拌すると、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーおよびアクリル酸のカルボキシル基とアミノ基とがアミド結合を形成したり、陽イオンの第四級アンモニウム塩と陰イオンのカルボキシル基（−ＣＯＯ−）とが静電気的相互作用により、ポリマー層９の表面に単層カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カップ積層型カーボンナノファイバーからなるカーボンナノ部材およびナノ配線層１１が固定化される。

さらに、マスク技術を用いてカーボンナノ部材の表面以外の領域全体をポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの高分子材料で被覆することで絶縁層１３が形成される。

このように、微小な脈拍変化を検出するカーボンナノ部材でできた感圧抵抗素子３以外は、全て絶縁層１３で被覆されているため、ナノ配線層１１の表面に空気中の水分や不純物が付着・吸着したりすることでノイズの発生を抑制しているとともに、装着者の動きにより高分子フィルム２が固形物にぶつかってもナノ配線層１１が断線することもないため、長時間安定した測定が可能になっている。
また、微小な脈拍変化を検出するカーボンナノ部材は、円形状の感圧抵抗素子３および受信端子７の円周部に固定化しているため、装着者の皮膚組織Ｓから発生する汗が蒸発せずに滞留することがないため、皮膚表面がかぶれたりすることで装着者に不快感を与えることが少ない。
さらに、センサー素子の材料にカーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カップ積層型カーボンナノファイバーなどを用いているため、センサー自体を小型・軽量にすることができる。

本発明の微小圧力検出装置は、空気中だけでなく、水中でも使用することができるので、溶液やガスの流速や温度の測定にも用いることができる。また、臭気性物質に対して選択的な応答を示す成分をカーボンナノチューブやカーボンナノウォール、カップ積層型カーボンナノファイバー表面に修飾することで、においセンサーの用途にも適用できる。

本発明の高分子フィルムの表面の構成を示す概略平面図である。 本発明の高分子フィルムの裏面の構成を示す概略平面図である。 本発明の高分子フィルムの構成を示す側断面図である。 従来の微小圧力検出装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ 微小圧力検出装置
２ 高分子フィルム
３ 感圧抵抗素子（カーボンナノ部材）
４ 電源共通端子
５、５ａ、５ｂ 電源線
６ 粘着部
７ 受信端子
８ 信号処理部
９ ポリマー層
１０ 信号線
１１ ナノ配線層
１２ 導電層
１３ 絶縁層
Ｈ 貫通穴
Ｈ’ 貫通穴Ｈより若干大きめの貫通穴
Ｓ 皮膚組織
Ｂ 血管

Claims (8)

1. 複数の貫通穴をあけた高分子フィルムと、前記各貫通穴の内壁に形成され両開口に延びる導電層と、前記各貫通穴の一方の開口の前記導電層の上に設けられた環状の感圧抵抗素子と、前記各貫通穴の他方の開口の前記導電層の上に設けられた環状の受信端子と、前記高分子フィルムの一方の面に形成され前記環状の各感圧抵抗素子にそれぞれ接続される電源線と、前記高分子フィルムの他方の面に形成され前記各受信端子にそれぞれ接続される信号線とを有することを特徴とする微小圧力検出装置。
2. 前記高分子フィルムにあけられた前記貫通穴とは異なる大きさの貫通穴の上に信号処理部を設け、前記信号処理部に前記導電層および前記信号線をそれぞれ電気的接続をし、前記信号処理部から前記感圧抵抗素子に電気を流すことで微小圧力検出回路を形成することを特徴とする請求項１記載の微小圧力検出装置。
3. 前記感圧抵抗素子、前記導電層、および前記電源線と前記信号線は、単層カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カップ積層型カーボンナノファイバーの少なくとも１種からなるカーボンナノ部材であることを特徴とする請求項１記載の微小圧力検出装置。
4. 前記感圧抵抗素子、前記導電層、および前記電源線と前記信号線の各下地には、グラフト重合されたポリマー層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の微小圧力検出装置。
5. 前記ポリマー層は、光グラフト重合反応により得られる、アクリル酸、ジアリルジメチルアンモニウムクロリド、アクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロリドのいずれかのモノマーである特徴とする請求項４記載の微小圧力検出装置。
6. 前記信号線と前記電源線および前記端子部の表面は、絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項１記載の微小圧力検出装置。
7. 前記絶縁層は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、酢酸セルロース、ポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテル、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ニトロセルロース、アクリル樹脂、エポキシ樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項６記載の微小圧力検出装置。
8. 前記高分子フィルムの一方の面の両端に、人の皮膚に貼り付けることができる粘着部を設けたことを特徴とする請求項１記載の微小圧力検出装置。