JP7274151B2 - 圧電センサ構造体 - Google Patents

Description

本発明は、圧電センサ構造体に関する。

圧電シートは絶縁性の高分子材料に電荷を注入することにより、内部に永久帯電を付与した材料である。近年、圧電シートは、脈波信号や呼吸信号などの生体信号を測定するために用いられている。

例えば、ベッド上に横臥した者（以下「被測定者」という）の生体信号を測定する場合には、被測定者が横臥するマットレスの下側に圧電センサが配設される。圧電センサは、被測定者の胸部の下方に位置するように配設され、被測定者が寝返りなどをすることを考慮し、圧電センサは、通常、ベッドの幅方向の寸法に略等しい長さ寸法を有する帯状に形成されている。

上述の通り、圧電センサは、横長の帯状に形成されていることから、使用していない時には折り畳んでコンパクトな状態にできることが要求される。

特許文献１には、寝床面上における被験者の下側に被験者の左右方向に並んで配置される複数の起歪板を備え、各起歪板には、起歪板の歪みを検出し被験者の生体情報の計測に用いられる信号を出力する検出部が設けられ、互いに左右方向に隣り合う起歪板同士が折曲可能な連結部を介して連結されている生体情報計測センサが提案されている。

特開２０１２－２０５８０３号公報

しかしながら、特許文献１の生体情報計測センサは、互いに隣接する起歪板間に折曲可能な連結部が形成されており、この連結部において折り曲げ可能に構成されている。従って、連結部上に被測定者が横臥した状態においては、被測定者の生体信号を精度良く検出することができないという問題点を有する。

又、折り曲げ可能な構造とするために、センサーを複数個に分割する必要があり、配線加工及びデバイスの処理が複雑になるという問題点を有している。

本発明は、使用していない場合にはコンパクトに折り畳むことができると共に何れの位置においても生体信号などを精度良く測定することができる圧電センサ構造体を提供する。

本発明の圧電センサ構造体は、圧電シート、上記圧電シートの第１の面に第１固定剤層を介して積層一体化されたシグナル電極及び上記圧電シートの第２の面に第２固定剤層を介して積層一体化されたグランド電極とを有する圧電センサと、
上記圧電センサの第１の面及び／又は第２の面に積層一体化され、外側表面に達し且つ内側表面に到達していない切込部が形成されており上記切込部を有する部分において屈曲可能に構成された支持シートとを備えていることを特徴とする。

本発明の圧電センサ構造体は、上述の如き構成を有しているので、圧電シートと、グランド電極及びシグナル電極との間の剥離を防止しつつ、圧電センサ構造体を容易に折り畳むことができる。

更に、上記圧電センサ構造体は、支持シートに切込部を形成することによって圧電センサ構造体の折り畳みを容易にしており、圧電センサは汎用のものを用いることができるので、何れの位置においても生体信号などを精度良く測定することができる。

上記圧電センサ構造体において、支持シートが発泡シートである場合には、圧電センサ構造体の配設面に凹凸部が形成されていても、支持シートが配設面の凹凸部を吸収し、圧電センサ構造体を安定的に所望位置に配設することができる。

本発明の圧電センサ構造体を示した断面図である。 本発明の圧電センサ構造体の使用状態を示した平面図である。 本発明の圧電センサ構造体の使用状態を示した側面図である。 図１の圧電センサ構造体を示した斜視図である。 本発明の圧電センサ構造体の他の一例を示した断面図である。 図１の圧電センサ構造体の屈曲状態を示した断面図である。 本発明の圧電センサ構造体の他の一例を示した断面図である。 図７の圧電センサ構造体の屈曲状態を示した断面図である。

本願発明の圧電センサ構造体の一例を図面を参照しつつ説明する。圧電センサＡは、図１に示したように、圧電シート１を有している。圧電センサ構造体Ｂは、例えば、ベッドに横臥している者などの被測定者の生体信号（脈波、呼吸信号、体動など）を測定するために用いられる。例えば、圧電センサ構造体Ｂは、例えば、図２及び図３に示したように、ベッドに横臥している者（被測定者）Ｐの胸部下方に配設して用いられる。被測定者Ｐの生体信号を精度良く検出するために、被測定者Ｐの胸部を全面的にカバーできる程度の上下（被測定者の身長方向）寸法を有している。そして、被測定者は、ベッド上において寝返りなどをしてベッドの幅方向（被測定者の身長方向に直交する方向）に移動するため、圧電センサ構造体Ｂは、ベッドの幅寸法に略合致し又は僅かに短い左右寸法を有しており、圧電センサ構造体Ｂは帯状に形成されている。

圧電シート１は、合成樹脂発泡シートや合成樹脂非発泡シートなどの合成樹脂シートを含んでおり、合成樹脂発泡シートを含んでいることが好ましい。合成樹脂シートを構成している合成樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系樹脂、ポリ乳酸、液晶樹脂、ポリテトラフルオロエチレンなどからなる不織布の積層シートなどが挙げられ、ポリオレフィン系樹脂を含むことが好ましく、ポリプロピレン系樹脂を含むことがより好ましい。

合成樹脂は絶縁性に優れていることが好ましく、合成樹脂としては、ＪＩＳ Ｋ６９１１に準拠して印可電圧５００Ｖにて電圧印可１分後の体積固有抵抗値（以下、単に「体積固有抵抗値」という）が１．０×１０¹⁰Ω・ｍ以上である合成樹脂が好ましい。

合成樹脂の上記体積固有抵抗値は、圧電シートがより優れた圧電性を有することから、１．０×１０¹²Ω・ｍ以上が好ましく、１．０×１０¹⁴Ω・ｍ以上がより好ましい。

ポリエチレン系樹脂としては、エチレン単独重合体、又は、エチレン成分を５０質量％を超えて含有するエチレンと少なくとも１種の炭素数が３～２０のα―オレフィンとの共重合体を挙げることができる。エチレン単独重合体としては、高圧下でラジカル重合させた低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、中低圧で触媒存在下で重合させた中低圧法高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）などを挙げることができる。エチレンとα－オレフィンを共重合させることで直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）を得ることができ、α―オレフィンとしては、プロピレン、１－ブテン、１－ペンテン、１－ヘキセン、４－メチル－１－ペンテン、１－オクテン、１－ノネン、１－デセン、１－テトラデセン、１－ヘキサデセン、１－オクタデセン、１－エイコセンなどが挙げられ、炭素数が４～１０のα－オレフィンが好ましい。なお、直鎖状低密度ポリエチレン中におけるα－オレフィンの含有量は通常、１～１５質量％である。

ポリプロピレン系樹脂としては、プロピレン成分を５０質量％を超えて含有しておれば、特に限定されず、例えば、プロピレン単独重合体（ホモポリプロピレン）、プロピレンと少なくとも１種のプロピレン以外の炭素数が２０以下のオレフィンとの共重合体などが挙げられる。なお、ポリプロピレン系樹脂は単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。又、プロピレンと少なくとも１種のプロピレン以外の炭素数が２０以下のオレフィンとの共重合体は、ブロック共重合体、ランダム共重合体の何れであってもよい。

なお、プロピレンと共重合されるα－オレフィンとしては、例えば、エチレン、１－ブテン、１－ペンテン、４－メチル－１－ペンテン、１－ヘキセン、１－オクテン、１－ノネン、１－デセン、１－テトラデセン、１－ヘキサデセン、１－オクタデセン、１－エイコセンなどが挙げられる。

合成樹脂発泡シートの発泡倍率は３～１５倍が好ましく、４～１０倍がより好ましい。合成樹脂発泡シートの発泡倍率が３倍以上であると、圧電シートの圧電性が向上する。合成樹脂発泡シートの発泡倍率が１５倍以下であると、圧電センサの機械的強度が向上し、或いは、圧電センサが経時的に優れた圧電性を保持し好ましい。なお、合成樹脂発泡シートの発泡倍率は、合成樹脂発泡シートを構成している合成樹脂全体の密度を合成樹脂発泡シートの密度で除した値をいう。

合成樹脂発泡シートの厚みは、１０～３００μｍが好ましく、３０～２００μｍがより好ましい。合成樹脂発泡シートの厚みが１０μｍ以上であると、圧電センサの機械的強度が向上し好ましい。合成樹脂発泡シートの厚みが３００μｍ以下であると、圧電センサの出力電力が安定し、圧電センサの圧電性の精度が向上する。

合成樹脂シートを帯電させることによって圧電シート１が構成されている。合成樹脂シートを帯電させる方法としては、特に限定されず、例えば、合成樹脂シートに直流電界を加える方法などが挙げられる。

合成樹脂シートに直流電界を加える方法としては、特に限定されず、例えば、（１）合成樹脂シートを一対の平板電極で挟持し、帯電させたい表面に接触させている平板電極を高圧直流電源に接続すると共に他方の平板電極をアースし、合成樹脂シートに直流又はパルス状の高電圧を印加して合成樹脂に電荷を注入して合成樹脂シートを帯電させる方法、（２）合成樹脂シートの第一の面に、アースされた平板電極を密着状態に重ね合わせ、合成樹脂シートの第二の面側に所定間隔を存して直流の高圧電源に電気的に接続された針状電極又はワイヤー電極を配設し、針状電極の先端又はワイヤー電極の表面近傍への電界集中によりコロナ放電を発生させ、空気分子をイオン化させて、針状電極又はワイヤー電極の極性により発生した空気イオンを反発させて合成樹脂シートを帯電させる方法などが挙げられる。

圧電シート１の第１の面に第１固定剤層４を介してシグナル電極２が積層一体化されていると共に、圧電シート１の第２の面に第２固定剤層５を介してグランド電極３が積層一体化されて圧電センサＡが構成されている。そして、グランド電極３を基準電極としてシグナル電極２の電位を測定することによって、圧電センサＡの圧電シート１にて発生した電位を測定することができる。なお、図１においては、シグナル電極２及びグランド電極３は、圧電シート１の表面に全面的に積層されている場合を示したが、圧電シート１の表面に部分的に積層されていてもよい。

具体的には、シグナル電極２は、第１合成樹脂シート６上に形成されており、第１合成樹脂シート６をシグナル電極２が圧電シート１側となるようにして、第１合成樹脂シート６を第１固定剤層４によって圧電シート１の第１の面に積層一体化している。

グランド電極３は、第２合成樹脂シート７上に形成されており、第２合成樹脂シート７をグランド電極３が圧電シート１側となるようにして、第２合成樹脂シート７を第２固定剤層５によって圧電シート１の第２の面に積層一体化している。

第１固定剤層及び第２固定剤層を構成している固定剤は、反応系・溶剤系・水系・ホットメルト系の接着剤又は粘着剤から構成されており、圧電シート１の感度を維持する観点から、誘電率の低い固定剤が好ましい。固定剤４、５としては、例えば、アクリル系粘着剤が挙げられ、具体的には、積水化学工業社から商品名「ＷＴ＃５４０５Ａ」にて市販されているアクリル系粘着剤が挙げられる。

圧電センサＡの第１の面には支持シート８が積層一体化されている。支持シート８は、圧電センサ構造体Ｂを所望の配設面に配設する時に、圧電センサＡが不測に屈曲し又は変形することなく配設面上に安定的に配設することができるように設けられている。なお、支持シート８は、圧電センサＡの第２の面に積層一体化されていてもよいが、以下においては、圧電センサＡの第１の面に支持シート８が積層一体化されている場合を例に挙げて説明する。

圧電センサＡ上に支持シート８を積層一体化させる方法は、特に限定されないが、両面粘着テープを使用することが作業性の観点から好ましい。両面粘着テープとしては、積水化学工業社から商品名「５７０Ｅ」にて市販されている両面粘着テープを用いることができる。

圧電センサＡは左右方向の所望位置において屈曲させて左右方向に折り畳むことができる可撓性を有している。支持シート８も同様に左右方向の所望位置において屈曲させて左右方向に折り畳むことができる可撓性を有している。

支持シート８は、上述の通り、所望位置から折り畳むことができる可撓性を有しておればよいが、弾性復元的に変形可能であることが好ましい。このように支持シート８が弾性復元的に変形可能であると、圧電センサ構造体Ｂを配設する配設面上に凹凸部が形成されていても、支持シート８が弾性復元的に変形することによって凹凸部を吸収して不陸調整機能を発揮し、圧電センサ構成体Ｂを圧電センサＡが被測定者の生体信号の測定に適した状態に安定的に配設することができる。

支持シート８が弾性復元的に変形可能である場合、支持シート８の５０％圧縮強度は、３０～６００ｋＰａが好ましく、５０～５００ｋＰａがより好ましく、５０～４００ｋＰａが特に好ましい。支持シート８の弾性率が上記範囲内であると、支持シート８は、優れた不陸調整機能を発揮する。支持シートの５０％圧縮強度は、ＪＩＳ Ｋ６７６７に準拠して測定された値をいう。

支持シート８としては、例えば、合成樹脂非発泡シート、合成樹脂発泡シートなどが挙げられ、合成樹脂発泡シートが好ましい。合成樹脂発泡シートは、圧電シート１の原料として用いられる合成樹脂発泡シートと同様のものを用いることができる。

支持シート８には、左右方向の所望間隔ごとに互いに平行な複数本の切込部81が形成されている。切込部81は、圧電センサ構造体Ｂの折り畳み方向（左右方向）に対して直交方向（上下方向）に形成されている。切込部81は、支持シート８の第１の面8aから圧電シート１の近傍部に向かって切り込むことによって形成されている。切込部81は、支持シート８の第１の面8aに達している一方、支持シート８の第２の面8bには達していない。切込部81の深さは、支持シート８の厚みの６０～９９％が好ましく、７０～９８％がより好ましく、８０～９５％が特に好ましい。切込部81の深さが上記範囲内であると、支持シート８の機械的強度を損なうことなく、後述するように、圧電センサＡをこれを構成しているシグナル電極又はグランド電極と圧電シート１との間において剥離を生じさせることなく容易に折り畳むことができる。

支持シートの厚みは、１～２０ｍｍが好ましく、２～１０ｍｍがより好ましく、３～７ｍｍが特に好ましい。支持シートの厚みが上記範囲内であると、後述するように、圧電センサＡをこれを構成しているシグナル電極又はグランド電極と圧電シート１との間において剥離を生じさせることなく容易に折り畳むことができる。

なお、図４では、複数本の切込部81が所定間隔を存して互いに平行に形成されて切込部グループ81Aが形成され、切込部グループ81A内における互いに隣接する切込部81間の間隔よりも大きな間隔でもって、他の切込部グループ81Aが一又は複数個形成されている場合を説明したが、複数本の切込部81が等間隔ごとに形成されていてもよいし、複数本の切込部81が不規則な間隔でもって形成されていてもよい。切込部グループ81A内の切込部81の数は同数であっても、切込部グループ81Aごとに任意の本数の切込部81が含まれていてもよい。

支持シート８の切込部81は、支持シート８の上下方向の全長に亘って形成されていることが好ましい。切込部81が上述の形態で形成されていることによって、支持シート８を屈曲させた時に、切込部81間の分割片80同士を互いに独立させた状態とすることができる。その結果、後述するように、支持シート８の第２の面8bへの皺の発生を概ね防止している。更に、支持シート８が弾性復元的に変形可能である場合、支持シート８の分割片80が互いに独立して弾性復元的に変形することによって、圧電センサ構造体Ｂの配設面に形成された凹凸部をそれぞれの分割片80が凹凸部の形状及び大きさに応じて適度に変形し、圧電センサ構造体Ｂを配設面上に所望の状態に安定的に配設することができる。

なお、図１では、支持シート８の切込部81は、切断刃によって切り込まれて形成されている場合を示したが、図５に示したように、一部を切除して切込空間部82が形成されていてもよい。切込空間部82としては、例えば、断面Ｖ字状、断面長方形状などが挙げられ、断面Ｖ字状が好ましい。

図６に示したように、圧電センサ構造体Ｂを支持シート８が外側となるようにして左右方向の所定箇所において左右方向に屈曲させると、支持シート８の第１の面8aは伸ばされる一方、支持シート８の第２の面8bは収縮させられる。支持シート８に切込部81が形成されていない場合には、支持シートの第２の面は収縮させられるために表面に皺が発生する。支持シート８が厚くなればなるほど、支持シートの第１の面の曲率半径と、支持シートの第２の面の曲率半径との差が大きくなり、支持シートの第２の面及びその近傍部分はより大きく収縮させられ、支持シートの第２の面に生じる皺もより大きくなる。このように、支持シートの第２の面に皺が生じると、第２の面上に積層された圧電センサも第２の面に形成された皺に伴って同様の皺が発生する。圧電センサに皺が発生すると、屈曲部の外方に引っ張られる部分と、屈曲部の内方に引っ張られる部分が発生し、第１固定剤層及び第２固定剤層に剪断応力や剥離応力が加えられ、その結果、シグナル電極及びグランド電極が、圧電シートの表面から部分的に剥離するという不測の事態が発生する。

そこで、上記圧電センサ構造体Ｂでは、圧電センサ構造体Ｂを折り畳む時に屈曲される部分（屈曲部）において、支持シート８に切込部81を形成している。圧電センサ構造体Ｂの折り畳み時の屈曲部において、支持シート８に切込部81を形成して、支持シート８における切込部81が形成されている外側部分8cを複数片に分割し、支持シート８の第２の面8bに収縮力を概ね与えないようにしている。そして、圧電センサ構造体Ｂを折り畳んだ状態で、支持シート８における切込部81が形成されていない内側部分8dにおいて、圧電センサ構造体Ｂの折り畳み時の図６に示した仮想外側面8eの曲率半径と、第２の面8bの曲率半径との差をできるだけ小さくし、支持シート８の第２の面8bの収縮をできるだけ抑制し、第２の面8bに皺が発生するのを概ね抑制している。従って、圧電センサ構造体Ｂを所望位置から折り畳んだ状態において、支持シート８の第２の面8bは平滑な円弧面を形成しており、この円弧面に沿って圧電センサＡも滑らかな円弧状に屈曲させられており、圧電センサＡに、圧電シート１と、シグナル電極２又はグランド電極３とを剥離させるような応力は加わらない。

上記圧電センサ構造体Ｂは、上述の通り、支持シート８に切込部81を形成していることから、折り畳み時においても、圧電シート１と、シグナル電極２又はグランド電極３との間において剥離を生じさせることはなくコンパクトに折り畳むことができる。

上記圧電センサ構造体Ｂでは、圧電センサＡの第１の面又は第２の面上に支持シートが積層一体化されている場合を説明したが、圧電センサＡの第１の面及び第２の面の双方に支持シート８、8'が積層一体化されていてもよい。圧電センサＡの第２の面に積層一体化される支持シート8'及び支持シート8'に形成される切込部81'は、圧電センサＡの第１の面に積層一体化される支持シート８及び支持シート８に形成される切込部81と同一の構成であるので説明を省略する。

圧電センサＡの第１の面及び第２の面の双方に支持シート８、8'が積層一体化されている場合には、例えば、圧電センサ構造体Ｂを第１の面を外側にして折り畳んだ時、図７に示したように、圧電センサＡの第２の面に積層一体化した支持シート8'が、圧電センサＡの過度な屈曲を阻止し、圧電センサＡの圧電シート１と、シグナル電極２及びグランド電極３との間の剥離を効果的に防止することができる。

Ａ 圧電センサ
Ｂ 圧電センサ構造体
１ 圧電シート
２ シグナル電極
２ シグナル電極
３ グランド電極
４ 固定剤層
５ 固定剤層
６ 合成樹脂シート
７ 合成樹脂シート
８ 支持シート
８ 支持シート
81 切込部
81A 切込部グループ

Claims (6)

1. 寝具に横臥する被測定者の生体信号を測定するために上記被測定者の下方に配設して用いられる帯状の圧電センサ構造体であって、
   合成樹脂発泡シートである圧電シート、上記圧電シートの第１の面に第１固定剤層を介して積層一体化されたシグナル電極及び上記圧電シートの第２の面に第２固定剤層を介して積層一体化されたグランド電極を有し且つ折り畳むことができる圧電センサ（但し、複数個に分割された圧電センサは除く。）と、
   上記圧電センサの第１の面及び／又は第２の面に積層一体化され、外側表面に達し且つ内側表面に到達していない切込部が形成されており上記切込部を有する部分において屈曲可能に構成された支持シートとを備えており、
   上記圧電センサ構造体の上記帯状に伸びる方向を上記寝具の幅方向に一致させたときの、上記寝具に横臥する上記被測定者の身長方向に直交する方向に一致する、上記帯状に伸びる方向を左右方向としたとき、
   上記圧電センサは、上記支持シートの左右方向の全長に亘って配設されていることを特徴とする圧電センサ構造体。
2. 上記合成樹脂発泡シートを構成している合成樹脂がポリオレフィン系樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の圧電センサ構造体。
3. 支持シートが弾性復元的に変形可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電センサ構造体。
4. 支持シートが発泡シートであることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の圧電センサ構造体。
5. 上記切込部が、上記圧電センサ構造体の折り畳み方向に対して直交方向に形成されていることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の圧電センサ構造体。
6. 寝具に横臥する被測定者の生体信号を測定するために上記被測定者の下方に配設して用いられる帯状の圧電センサ構造体であって、
   合成樹脂発泡シートである圧電シート、上記圧電シートの第１の面に第１固定剤層を介して積層一体化されたシグナル電極及び上記圧電シートの第２の面に第２固定剤層を介して積層一体化されたグランド電極を有し且つ折り畳むことができる圧電センサ（但し、複数個に分割された圧電センサは除く。）と、
   上記圧電センサの第１の面及び／又は第２の面に積層一体化され、外側表面に達し且つ内側表面に到達していない切込部が形成されており上記切込部を有する部分において屈曲可能に構成された支持シートとを備えており、
   上記圧電センサ構造体の上記帯状に伸びる方向を上記寝具の幅方向に一致させたときの、上記寝具に横臥する上記被測定者の身長方向に直交する方向に一致する、上記帯状に伸びる方向を左右方向としたとき、
   上記圧電センサは、上記支持シートの左右方向の全長に亘って配設されている圧電センサ構造体を折り畳むことを特徴とする圧電センサ構造体の使用方法。

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