JP6779523B2

JP6779523B2 - フレキシブルデバイス

Info

Publication number: JP6779523B2
Application number: JP2016253791A
Authority: JP
Inventors: 邦晴竹井; 山本　大介; 大介山本
Original assignee: University Public Corporation Osaka
Current assignee: University Public Corporation Osaka
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018105775A

Description

本発明は、フレキシブルデバイスに関する。

心拍、体温、血圧などの人の健康データの連続的モニタリングすることにより、病気の早期発見、患者の病状管理、運動能力測定などが可能になる。
フレキシブルシートに加速度センサ、心拍センサ、温度センサなどを設けた健康データ測定デバイスが知られている（例えば、非特許文献１参照）。このような健康データ測定デバイスを皮膚に貼り付けることにより、活動量、心拍、皮膚温度などをモニタリングすることができる。また、このデバイスでは、フレキシブルシートに印刷層を形成することにより各種センサや配線を形成することが可能であり、皮膚に貼り付けるシートの製造コストを低減することができる。このため、皮膚に貼り付けるシートを使い捨てにすることが可能になり、衛生管理にかかるコストを低減することができる。
加速度センサは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に動くことができるように設けられた重りを有し、この重りが動くことにより生じる歪みを測定することにより加速度を検出する。このフレキシブルデバイスでは、２つのシリコンラバーでフレキシブルシートを挟むことにより、加速度センサの下に空間を形成し重りが動くことができるようにしている。このため、皮膚に貼り付けるフレキシブルシートと、加速度センサを設けるフレキシブルシートを異なるシートとする必要がある。
また、触覚センサもセンサの下に空間を必要とする（例えば、特許文献１）。

特開２０１６−５７１１３号公報

Science Advances 2016; 2: e1601473

従来のフレキシブルデバイスでは、下に空間を必要とするセンサと、基板とを異なる部材とする必要がある。このため、センサと基板との間の配線が複雑になり、製造コストを増加させている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、下に空間を必要とするセンサを低い製造コストで設けることができるフレキシブルデバイスを提供する。

本発明は、フレキシブル基板と、前記基板上又は前記基板に設けられたセンサ部と、前記センサ部の周りの前記基板に設けられた伸縮構造部と、前記センサ部と前記伸縮構造部との間の前記基板の下に設けられたスペーサとを備え、前記伸縮構造部及び前記スペーサは、前記センサ部の周りの前記基板が前記スペーサにより持ち上げられることにより前記伸縮構造部が伸びるように設けられ、前記伸縮構造部は、前記基板に切れ目を入れることにより形成された構造であることを特徴とするフレキシブルデバイスを提供する。

本発明のフレキシブルデバイスに含まれるフレキシブル基板は、切れ目を入れることにより形成された伸縮構造部（切り紙構造）を有する。このことにより、フレキシブル基板が非伸縮性材料の基板であっても、伸縮構造部を伸縮させることができる。
本発明のフレキシブルデバイスは、基板上又は基板に設けられたセンサ部と、センサ部の周りの基板に設けられた伸縮構造部と、センサ部と伸縮構造部との間の基板の下に設けられたスペーサとを備える。また、伸縮構造部及びスペーサは、センサ部の周りの基板がスペーサにより持ち上げられることにより伸縮構造部が伸びるように設けられる。このため、伸縮構造部に段差を形成することができ、伸縮構造部により形成される段差の上側にセンサ部を配置することができる。このため、センサ部の下に空間を形成することができ、センサ部に加速度センサや触覚センサなどを設けることができる。
伸縮構造部は基板に切れ目を入れることにより形成された構造であるため、伸縮構造部に含まれる基板上に配線を形成することができる。この配線により、伸縮構造部により形成される段差の上側に配置されるセンサ部と、段差の下側の基板に配置される接続端子や電源回路などとを電気的に接続することができる。このため、センサ部と、接続端子などとを接続する配線が複雑になることを抑制することができ、フレキシブルデバイスの製造コストを低減することができる。

本発明の一実施形態のフレキシブルデバイスの概略上面図である。（ａ）は図１の破線Ａ−Ａにおけるフレキシブルデバイスの概略断面図であり、（ｂ）は伸縮構造部が伸びた状態におけるフレキシブルデバイスの概略断面図である。本発明の一実施形態のフレキシブルデバイスの概略断面図である。（ａ）（ｂ）は、それぞれ本発明の一実施形態のフレキシブルデバイスの概略断面図である。（ａ）は本発明の一実施形態のフレキシブルデバイスに含まれる伸縮構造部の概略上面図であり、（ｂ）は本発明の一実施形態のフレキシブルデバイスの概略上面図である。実験で作製したフレキシブルデバイスの写真である。

本発明のフレキシブルデバイスは、フレキシブル基板と、前記基板上又は前記基板に設けられたセンサ部と、前記センサ部の周りの前記基板に設けられた伸縮構造部と、前記センサ部と前記伸縮構造部との間の前記基板の下に設けられたスペーサとを備え、前記伸縮構造部及び前記スペーサは、前記センサ部の周りの前記基板が前記スペーサにより持ち上げられることにより前記伸縮構造部が伸びるように設けられ、前記伸縮構造部は、前記基板に切れ目を入れることにより形成された構造であることを特徴とする。

本発明のフレキシブルデバイスに含まれる伸縮構造部は、フレキシブル基板の一部と、前記基板の上に設けられた配線とを含むことが好ましい。このような伸縮構造部に含まれる配線により、センサ部と基板に設けられた接続端子などと電気的に接続することができる。
本発明のフレキシブルデバイスに含まれるセンサ部は、四角状であることが好ましく、前記伸縮構造部は、第１伸縮構造部、第２伸縮構造部、第３伸縮構造部及び第４伸縮構造部を有することが好ましく、第１〜第４伸縮構造部は、それぞれ前記センサ部の各辺に対応するように設けられたことが好ましい。このような第１〜第４伸縮構造部により、センサ部をテーブル状に持ち上げることができる。

本発明のフレキシブルデバイスに含まれるセンサ部は、加速度センサを有することが好ましい。このようなフレキシブルデバイスにより物や人の動きを検出することができる。
本発明のフレキシブルデバイスに含まれるセンサ部は、重りと、前記重りの周りに設けられた可撓部とを備えることが好ましく、前記重りは、前記可撓部が撓むことにより動くことができるように設けられることが好ましく、前記可撓部は、歪みセンサを有することが好ましく、前記歪みセンサは、前記可撓部が撓むことにより生じる歪みを測定できるように設けられることが好ましく、前記センサ部は、前記歪みセンサにより測定される前記可撓部の歪みから加速度を検出できるように設けられたことが好ましい。このようなセンサ部を備えるフレキシブルデバイスにより、物や人の動きを検出することができる。

前記センサ部に含まれる歪みセンサは、高分子材料中に導電性微粒子及びカーボンナノチューブが混練された感圧抵抗部を有することが好ましく、前記感圧抵抗部の電気抵抗値から前記可撓部に生じる歪みを測定できるように設けられたことが好ましい。この歪みセンサにより可撓部の歪みを測定することができ、センサ部が物や人の動きを検出することが可能になる。
本発明のフレキシブルデバイスは、前記基板の下に設けられた粘着層をさらに備えることが好ましい。このことにより、フレキシブルデバイスを皮膚に貼り付けることや、装置に組み込みこむことが可能になり、生体情報のモニタリングや物の動きの検出が可能になる。

以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。

図１は、本実施形態のフレキシブルデバイスの概略上面図であり、図２（ａ）は図１の破線Ａ−Ａにおけるフレキシブルデバイスの概略断面図であり、図２（ｂ）は伸縮構造部が伸びた状態におけるフレキシブルデバイスの概略断面図である。図３、図４（ａ）（ｂ）はそれぞれ本実施形態のフレキシブルデバイスの概略断面図である。
本実施形態のフレキシブルデバイス２０は、フレキシブル基板１と、基板１上又は基板１に設けられたセンサ部３、センサ部３の周りの基板１に設けられた伸縮構造部４と、センサ部３と伸縮構造部４との間の基板１の下に設けられたスペーサ５とを備え、伸縮構造部４及びスペーサ５は、センサ部３の周りの基板１がスペーサ５により持ち上げられることにより伸縮構造部４が伸びるように設けられ、伸縮構造部４は、基板１に切れ目７を入れることにより形成された構造であることを特徴とする。
以下、本実施形態のフレキシブルデバイス２０について説明する。

１．フレキシブルデバイス
フレキシブルデバイス２０は、柔軟性を有するデバイスである。フレキシブルデバイス２０は、センサ部３を有する。また、フレキシブルデバイス２０は、複数のセンサを有することができる。また、フレキシブルデバイス２０は、複数のヘルスケアセンサを備えたウェアラブルデバイスであってもよい。また、フレキシブルデバイス２０は、生体情報測定デバイスであってもよい。例えば、図４（ａ）（ｂ）に示したフレキシブルデバイス２０は、加速度センサ１１、温度センサ２４、ＥＣＧセンサ（心電計用電極）２５を有する。

２．フレキシブル基板、配線
フレキシブル基板１は、柔軟性を有する基板である。フレキシブル基板１の材料は、実質的に伸縮性を有さないプラスチックであってもよい。また、フレキシブル基板１の材料は、絶縁体材料であってもよい。フレキシブル基板１の材料は、例えば、ポリイミド、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ウレタンなどである。
フレキシブル基板１上に配線８を設けることができる。配線８は、例えば、フレキシブル基板１に金属ペーストを印刷することにより形成されてもよく、金属箔又は金属線を２枚のフレキシブル基板１で挟むことにより形成されてもよい。配線８は、一方の端がセンサ部３に接続することができ、他方の端が、基板１に設けられた接続端子９に接続することができる。配線８は、例えば、銅配線、銀配線とすることができる。

フレキシブル基板１の下に粘着層１８を設けることができる。粘着層１８により、フレキシブルデバイス２０を平面上又は曲面上に固定することができる。例えば、図４（ｂ）に示したデバイス２０のように、皮膚２６上にデバイス２０を固定することができる。このデバイス２０により、人の健康データの連続的モニタリングすることができる。粘着層１８は、スペーサ５の下にも設けることができる。

３．センサ部
センサ部３は、下に空間を必要とするセンサを有する部分であり、基板１上又は基板１に設けられる。また、センサ部３は、基板１の開口中に設けられてもよい。センサ部３は、例えば加速度センサ１１を有する部分であってもよく、触覚センサ２１を有する部分であってもよい。
加速度センサ１１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に動くことができるように設けられた重り１２を有し、この重り１２が動くことにより生じる歪み、静電容量変化などを測定することにより加速度を検出することができる。従って、重り１２の下に空間を必要とする。
ここでは、図１、２に示した加速度センサ１１を用いて説明するが、加速度センサ１１は、静電容量検出方式の加速度センサであってもよく、ピエゾ抵抗方式の加速度センサであってもよい。

スペーサ５は、センサ部３の周りの基板１の下に設けられ、センサ部３の下の空間６を形成する。この空間６の天井を構成する基板１の下に重り１２が固定され、基板１の重り１２が固定された部分は、複数の可撓部１４で支持されている。可撓部１４には、感圧抵抗部（歪みセンサ）１５が設けられている。また、可撓部１４は、重り１２を支える桁であってもよい。また、可撓部１４はバネ構造を有することができる。また、重り１２は、基板１上に固定されてもよい。
フレキシブルデバイス２０が動くと、それに合わせて基板１のスペーサ５上の部分に対する重り１２の相対的位置が変化し、基板１の重り１２を設けた部分を支持する可撓部１４が撓む。可撓部１４が撓むと、感圧抵抗部１５の電気抵抗値が変化する。この電気抵抗値の変化から加速度を検出することができる。このような加速度センサ１１により、例えば人の動きをモニタリングすることができる。

感圧抵抗部１５は、例えば、高分子材料中に導電性微粒子（例えばAgナノ粒子）及びカーボンナノチューブが混練されたものとすることができる。このような感圧抵抗部１５は、スクリーン印刷などの印刷法により形成することができるため、基板１上に容易に設けることができる。
感圧抵抗部１５に電流を流したとき、電流は主に導電性微粒子を流れる。この感圧抵抗部１５が伸張すると、導電性微粒子の接触面積が狭くなるため感圧抵抗部１５の電気抵抗は大きくなる。逆に感圧抵抗部１５が圧縮されると導電性微粒子の接触面積が広くなるため、感圧抵抗部１５の電気抵抗は小さくなる。従って、感圧抵抗部１５を可撓部１４の撓みと共に変形するように設け、感圧抵抗部１５の電気抵抗値の変化を測定することにより、可撓部１４の歪みを測定することができる。

基板１の重り１２を設けた部分を支持する可撓部１４を複数設けることにより、複数の感圧抵抗部１５の電気抵抗値の変化を測定することができる。この測定結果により、重り１２の相対的位置の変化の方向、大きさを検出することができ、加速度を検出することができる。

例えば図１に示したように、基板１の重り１２を設けた部分を支持する可撓部１４ａ〜１４ｄは、４つ設けることができる。可撓部１４ａには、感圧抵抗部１５ａが設けられ、感圧抵抗部１５ａの一方の端は、配線８ａにより接続端子９ａに電気的に接続し、他方の端は、可撓部８ｄなどに設けられた配線８ｄにより接続端子（アース端子）９ｄに電気的に接続している。従って、接続端子９ａ、９ｄの間に電流を流し、電気抵抗を測定することにより、感圧抵抗部１５ａの電気抵抗値の変化をモニタリングすることができる。
可撓部１４ｂには、感圧抵抗部１５ｂが設けられ、感圧抵抗部１５ｂの一方の端は、配線８ｂにより接続端子９ｂに電気的に接続し、他方の端は、配線８ｄにより接続端子（アース端子）９ｄに電気的に接続している。可撓部１４ｃには、感圧抵抗部１５ｃが設けられ、感圧抵抗部１５ｃの一方の端は、配線８ｃにより接続端子９ｃに電気的に接続し、他方の端は、配線８ｄにより接続端子（アース端子）９ｄに電気的に接続している。
従って、感圧抵抗部１５ａ〜１５ｃの電気抵抗値の変化をモニタリングすることができ、加速度を検出することができる。
図１では、加速度センサ１１は四角状であるが、加速度センサ１１は、円形であってもよく、三角状であってもよい。

センサ部３は、触覚センサ２１であってもよい。例えば、センサ部３は、図３のような触覚センサ２１であってもよい。センサ２１では、突起部２２に力が加わることにより、可撓部１４が撓み、可撓部１４に設けた感圧抵抗部（歪みセンサ）１５が変形し、感圧抵抗部１５の電気抵抗値が変化する。この電気抵抗値の変化をモニタリングすることにより、突起部２２にかかる力の大きさ、方向を検出することができる。このような触覚センサ２１では、突起部２２に力が加わることにより可撓部１４が撓む必要があるため、可撓部１４の下に空間が必要である。触覚センサ２１についての詳細は、特許文献１に開示されている。

４．伸縮構造部
伸縮構造部４は、伸縮することができる構造を有する部分であり、フレキシブル基板１に切れ目７を入れることにより形成された構造（切り紙構造）である。この構造では、切れ目７において基板１の隣接する部分を分離させ、フレキシブル基板１を変形させることにより伸縮構造部４を伸ばすことができ、切れ目７において基板１の隣接する部分を同一面上に戻すことにより伸縮構造部４を縮めることができる。このような構造により、伸縮性のないプラスチックからなるフレキシブル基板１であっても、伸縮させることができる。
本実施形態のフレキシブルデバイス２０に含まれる伸縮構造部４は、伸びた状態であってもよく、縮めた状態であってもよい。

伸縮構造部４は、センサ部３の周りに設けることができる。このような伸縮構造部４を伸ばすことにより、センサ部３をテーブル状に持ち上げることができる。複数の伸縮構造部４によりセンサ部３を囲むように伸縮構造部４を設けてもよい。
センサ部３が四角状である場合、伸縮構造部４ａ〜４ｄをそれぞれセンサ部３の各辺に対応するように設けることができる。このことにより、各伸縮構造部４に異なる接続端子９に接続する配線８を設けることができる。また、１つの伸縮構造部４に複数の配線８が設けられてもよい。
伸縮構造部４は、例えば、図１、図２（ａ）に示したフレキシブルデバイス２０に含まれる伸縮構造部４ａ〜４ｄのような構造を有することができる。なお、図１、図２（ａ）は、伸縮構造４を伸ばしていない状態におけるデバイス２０である。

スペーサ５は、センサ部３と伸縮構造部４との間の基板１の下に設けられる。また、伸縮構造部４及びスペーサ５は、センサ部３の周りの基板１がスペーサ５により持ち上げられることにより伸縮構造部４が伸びるように設けられる。このように伸縮構造部４を伸ばすことにより、センサ部３を容易にテーブル状に持ち上げることができる。
例えば、図１、図２（ａ）に示したフレキシブルデバイス２０のスペーサ５の下面及び伸縮構造部４より外側の基板１の下面を、図４（ｂ）のように平面又は曲面に押し付けると、スペーサ５によりセンサ部３の周りの基板１が持ち上げられ伸縮構造部４が伸びる。この際、伸縮構造部４は、図２（ｂ）のように、切れ目７において基板１の隣接する部分が分離し基板１が変形することにより伸びた状態となる。このことにより、フレキシブルデバイス２０を平面上又は曲面上に固定した状態において、センサ部３の下に空間を設けることができる。

伸縮構造部４は、基板１の一部と基板１上に設けられた配線８とを有することができる。この配線８により、伸縮構造部４により形成される段差の下側の基板１と、センサ部３とを電気的に接続することができる。例えば、図１、２に示したデバイス２０において、伸縮構造部４ａに設けられた配線８ａは感圧抵抗部１５ａの一方の端と接続端子９ａとを電気的に接続する配線の一部となり、伸縮構造部４ｂに設けられた配線８ｂは感圧抵抗部１５ｂの一方の端と接続端子９ｂとを電気的に接続する配線の一部となり、伸縮構造部４ｃに設けられた配線８ｃは感圧抵抗部１５ｃの一方の端と接続端子９ｃとを電気的に接続する配線の一部となる。また、伸縮構造部４ｄに設けられた配線８ｄは、感圧抵抗部１５ａ、１５ｂ、１５ｃと接続端子（アース端子）９ｄとを接続する配線の一部になる。

伸縮構造部４は、例えば、図５（ａ）のような構造を有してもよい。このような構造の伸縮構造部４をセンサ部３の周りに複数設けることにより、センサ部３をテーブル状に持ち上げることが可能である。また、伸縮構造部４は、図５（ｂ）のように、センサ部３を囲むように設けることもできる。

フレキシブルデバイス作製実験
加速度センサ、ＥＣＧセンサ（心電計用電極）、温度センサを備えたフレキシブルデバイスを作製した。
３８μｍ厚のＰＥＴフィルム（フレキシブル基板）の上面及び裏面に銀配線（又は銀電極）をスクリーン印刷した。この配線を形成したＰＥＴフィルムをレザー切断により切り目を入れ、伸縮構造部、可撓部などを形成した。その後、導電性高分子（PEDOT:PSS）溶液とカーボンナノチューブインクとを混合したペーストをＰＥＴフィルム上に塗布することにより温度センサを形成し、銀ナノ粒子とカーボンナノチューブインクとを混合したペーストをＰＥＴフィルム上に塗布することにより感圧抵抗部（歪みセンサ）を形成した。また、ＰＥＴフィルムの裏面に形成したＥＣＧセンサ用の銀電極とフィルム上面の配線とを電気的に接続した。その後、シリコンラバー製のスペーサと、アクリル板（重り）をＰＥＴフィルムに取り付け加速度センサを形成した。その後、ＰＥＴフィルムの裏面を平面に押し付けることにより、スペーサにより加速度センサを持ち上げ伸縮構造部を伸びた状態とした。このようにして作製したフレキシブルデバイスの写真を図６に示す。
作製したフレキシブルデバイスを人の胸部に貼り付け、人の運動、心電図、皮膚温度をモニタリングしたところ、良好にモニタリングすることができた。

１：フレキシブル基板３：センサ部４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ：伸縮構造部５：スペーサ６：空間７：切れ目８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ：配線９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ：接続端子１１：加速度センサ１２：重り１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ：可撓部１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ：感圧抵抗部（歪みセンサ）１７：開口１８：粘着層２０：フレキシブルデバイス２１：触覚センサ２２：突起部２４：温度センサ２５：ＥＣＧセンサ（心電計用電極）２６：皮膚

Claims

フレキシブル基板と、前記基板上又は前記基板に設けられたセンサ部と、前記センサ部の周りの前記基板に設けられた伸縮構造部と、前記センサ部と前記伸縮構造部との間の前記基板の下に設けられたスペーサとを備え、
前記伸縮構造部及び前記スペーサは、前記センサ部の周りの前記基板が前記スペーサにより持ち上げられることにより前記伸縮構造部が伸びるように設けられ、
前記伸縮構造部は、前記基板に切れ目を入れることにより形成された構造であることを特徴とするフレキシブルデバイス。
前記伸縮構造部は、前記基板の一部と、前記基板の上に設けられた配線とを含む請求項１に記載のデバイス。
前記センサ部は、四角状であり、
前記伸縮構造部は、第１伸縮構造部、第２伸縮構造部、第３伸縮構造部及び第４伸縮構造部を有し、
第１〜第４伸縮構造部は、それぞれ前記センサ部の各辺に対応するように設けられた請求項１又は２に記載のデバイス。
前記センサ部は、加速度センサを有する請求項１〜３のいずれか１つに記載のデバイス。
前記センサ部は、重りと、前記重りの周りに設けられた可撓部とを備え、
前記重りは、前記可撓部が撓むことにより動くことができるように設けられ、
前記可撓部は、歪みセンサを有し、
前記歪みセンサは、前記可撓部が撓むことにより生じる歪みを測定できるように設けられ、
前記センサ部は、前記歪みセンサにより測定される前記可撓部の歪みから加速度を検出できるように設けられた請求項４に記載のデバイス。
前記歪みセンサは、高分子材料中に導電性微粒子及びカーボンナノチューブが混練された感圧抵抗部を有し、前記感圧抵抗部の電気抵抗値から前記可撓部に生じる歪みを測定できるように設けられた請求項５に記載のデバイス。
前記基板の下に設けられた粘着層をさらに備える請求項１〜６のいずれか１つに記載のデバイス。