JP7397041B2 - 生体センサ - Google Patents
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Images
Description
生体に貼付して生体信号を取得する生体センサであって、
筐体と、
前記筐体の前記生体側に設けられた、多孔質体からなる基材と、
前記基材の前記生体側の面に設けられる電極と、
前記基材の前記生体側の面に設けられ、前記電極が貼り付けられる基材用粘着層と、
を備え、
前記基材用粘着層の透湿度は、1(g/m 2 ・day)~10000(g/m 2 ・day)であり、
前記基材の厚さが、0.5mm~1.5mmであり、
前記基材の破断伸び率が、30%~500%であり、
前記電極の静止摩擦係数が、3.5~7.0であり、
前記基材の破断伸び率は、前記基材を短辺10mm×長辺70mm×厚さ0.5mmの大きさとした矩形のシートの短辺側の両端部を引張試験治具で掴んで固定し、一対の治具の一方又は両方を引張強度が300mm/分となるように移動させて前記矩形のシートを引っ張り、下記式(1)より求められ、
前記電極の静止摩擦係数は、静摩擦係数測定機を用いて、前記電極を取り付けた平面圧子を疑似皮膚としてバイオスキンプレートの表面に荷重1.47Nを加えて設置した後、前記疑似皮膚を傾斜させ、前記平面圧子が滑り始めた時の摩擦角θdを下記式(I)に当てはめることで求められる。
基材の破断伸び率=(基材の破断時における長軸方向の長さ-基材の引っ張り前の長軸方向の長さ)/基材の引っ張り前の長軸方向の長さ×100 ・・・(1)
静止摩擦係数μ=tan(θd×π/180) ・・・(I)
本実施形態に係る生体センサについて説明する。生体とは、人体(人)、及び牛、馬、豚、鶏、犬、猫等の動物等をいう。本実施形態に係る生体センサは、生体用、中でも人体用として好適に用いることができる。本実施形態に係る生体センサは、生体の一部である皮膚に貼付して生体情報の測定を行う貼付型生体センサである。本実施形態では、一例として、生体が人である場合について説明する。
図1~図3に示すように、筐体10は、生体センサ1の最も外側(+Z軸方向)に位置しており、発泡シート20の上面に接着されている。筐体10は、長手方向(Y軸方向)の中央部分に、図1の高さ方向(+Z軸方向)に向けて略ドーム上に突出した突出部11を有し、突出部11の内側(貼付側)には生体側に凹状に形成された窪み11aが形成されている。また、筐体10の下面(貼付側の面)は、平坦に形成されている。突出部11の内側(貼付側)には、突出部11の内面の窪み11aと、発泡基材211の孔部211aとにより、センサ部50を収納する収納空間Sが形成される。
図3に示すように、発泡シート20は、筐体10の下面に接着して設けられている。発泡シート20は、筐体10の突出部11に対向する位置に貫通孔20aを有する。貫通孔20aにより、センサ部50のセンサ本体52は、発泡シート20に遮られることなく、筐体10の内面の窪み11aと貫通孔20aとにより形成される収納空間Sに収納される。
図3に示すように、発泡貼付層21は、発泡基材(発泡体ともいう)211と、発泡基材211の生体側(-Z軸方向)の面に設けられた基材用粘着層212とを有している。
発泡基材211は、多孔質構造を有しており、可撓性、防水性及び透湿性を有する多孔質体を用いて形成できる。多孔質体として、例えば、連続気泡、独立気泡、半独立気泡等の発泡素材を用いることができる。これにより、生体センサ1が貼り付けられた皮膚2から発生する汗等による水蒸気を、発泡基材211を介して生体センサ1の外部に放出することができる。
発泡基材211の破断伸び率=発泡基材211の破断時における長軸方向又は短軸方向の長さ/発泡基材211の引っ張り前の長軸方向又は短軸方向の長さ ・・・(1)
図3に示すように、基材用粘着層212は、発泡基材211の下面に貼り付けられて設けられており、発泡基材211と基材41を接着すると共に発泡基材211と電極30とを接着する機能を有する。
図3に示すように、筐体用粘着層22は、発泡基材211の上面に貼り付けられた状態で設けられている。筐体用粘着層22は、発泡基材211の上面のうち、筐体10の貼付側(-Y軸方向)の平坦面に対応する位置に貼り付けられており、発泡基材211と筐体10とを接着する機能を有する。
図3に示すように、電極30は、基材用粘着層212の貼付側(-Z軸方向)である下面に、電極30のセンサ本体52側の一部が配線53a及び53bに接続されつつ、基材用粘着層212とセンサ用粘着層43とに挟み込まされた状態で貼り付けられている。電極30は、基材用粘着層212とセンサ用粘着層43とに挟み込まされていない部分が生体と接触する。生体センサ1が皮膚2に貼付される際に、電極30が皮膚2に接触することで、生体信号を検出できる。生体信号は、例えば、心電図波形、脳波、脈拍等を表す電気信号である。なお、電極30は、基材41に皮膚2と接触可能に露出した状態で埋没させてもよい。
静止摩擦係数μ=tan(θd×π/180) ・・・(I)
図3に示すように、支持用粘着シート40は、基材41と、貼付用粘着層42と、センサ用粘着層43とを有している。
図3に示すように、基材41は、貼付用粘着層42の幅方向(X軸方向)の両側の外形形状は、筐体10及び発泡シート20の幅方向(X軸方向)の両側の外形形状と略同一である。基材41の長さ(Y軸方向)は、筐体10及び発泡シート20の長さ(Y軸方向)よりも短く形成されている。支持用粘着シート40の長手方向の両端は、センサ部50の配線53a及び53bを支持用粘着シート40と発泡シート20との間に挟み込む位置であって、電極30の一部と重なる位置にある。そして、基材41の上面にセンサ用粘着層43が設けられ、発泡シート20の貼付面には基材用粘着層212が設けられる。支持用粘着シート40のセンサ用粘着層43と、支持用粘着シート40の長手方向の両端からはみ出した発泡シート20の基材用粘着層212とにより、皮膚2への貼付面が形成されている。これにより、貼付面の位置に応じて、防水性及び透湿性が相違し、粘着性が相違することになるが、生体センサ1の全体では、発泡シート20に対応する貼付面における粘着性が皮膚2への貼付性能に大きく影響を与えることになる。
図3に示すように、貼付用粘着層42は、基材41の貼付側(-Z軸方向)の下面に設けられており、生体と接触する層である。
図4に示すように、センサ用粘着層43は、基材41の筐体10側(+Z軸方向)の上面に設けられており、センサ部50が接着される層である。センサ用粘着層43は、貼付用粘着層42と同様の材料を用いることができるため、詳細は省略する。なお、センサ用粘着層43は、必ずしも設ける必要はなく、センサ用粘着層43に代えて接着剤を基材41の一部又は全部に設けてもよい。
図4は、センサ部50の構成を示す平面図であり、図5は、センサ部50の一部の分解斜視図である。なお、図4中の破線は、筐体10の外径を示す。図4及び図5に示すように、センサ部50は、生体情報を取得する各種部品が搭載されたフレキシブル基板51と、センサ本体52と、その長手方向にセンサ本体52とそれぞれ接続される配線53a及び53bと、バッテリ54と、正電極パターン55と、負電極パターン56と、導電性粘着テープ57とを有する。センサ部50のパッド部522aとパッド部522bとの間には、正電極パターン55、導電性粘着テープ57、バッテリ54、導電性粘着テープ57及び負電極パターン56が、この順にパッド部522a側からパッド部522b側にかけて積層されている。なお、本実施形態では、バッテリ54の正極端子を-Z軸方向とし、負極端子を+Z軸方向としているが、逆でもよく、正極端子を+Z軸方向とし、負極端子を-Z軸方向としてもよい。
[導電性組成物の作製]
導電性高分子としてPEDOT/PSSのペレット(「Orgacon DRY」、日本アグフアマテリアルズ社製)0.38質量部と、バインダー樹脂として変性ポリビニルアルコール(変性PVA)を含む水溶液(変性ポリビニルアルコール濃度:10%、「ゴーセネックスZ-410」、日本合成化学社製)10.00質量部と、可塑剤としてグリセリン(和光純薬社製)2.00質量部と、溶媒として2-プロパンペール1.60質量部及び水6.50質量部を超音波浴に添加した。そして、これらの成分を含む水溶液を超音波浴で30分間混合し、均一な導電性組成物水溶液Aを調整した。
調整した導電性組成物水溶液Aをポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上にアプリケータを用いて塗工した。その後、導電性組成物水溶液Aが塗布されたPETフィルムを乾燥オーブン(SPHH-201、ESPEC社製)に搬送して、導電性組成物水溶液Aを135℃、3分間加熱乾燥することで、導電性組成物の硬化物を作製した。硬化物を所望の形状に打ち抜き成形(プレス)してシート状に成形し、電極シート(生体電極)である電極Aを作製した。
得られた電極Aの静止摩擦係数μを測定した。
(静止摩擦係数μの測定)
電極Aを35mm×70mm×20μmの大きさに切断し、電極シートサンプルを準備した。次に、静摩擦係数測定機(新東科学社製、トライボギア TYPE:10)を用いて電極Aの疑似皮膚に対する静止摩擦係数μを以下のように測定した。評価に用いた疑似皮膚には、ウレタンエラストマー膜の表面を加工して人の皮膚に近い親疎水性と表面のしわを再現したバイオスキンプレート(株式会社ビューラック社製、品番 P001-001、縦195mm×横120mm×厚み5mm)を用いた。そして、水平状態にある上昇板にバイオスキンプレートを固定し、縦75mm×横35mmの平面圧子に電極シートサンプルを取り付けて、荷重1.47Nの条件下で30秒静置した後、上昇速度平均10度/6秒で傾斜し、平面圧子が滑り始めた時の摩擦角θdを読み取り、静止摩擦係数μを下記式(I)に基づいて算出した。
静止摩擦係数μ=tan(θd×π/180) ・・・(I)
上記の<電極Aの作製及び評価>において、導電性組成物水溶液B~fを用いて乾燥温度を表1に示す値に変更して電極B~電極fを作製したこと以外は、<電極Aの作製及び評価>と同様にして行った。
[発泡体Aの作製]
矩形状に形成されたポリオレフィン発泡シート(「Folec(登録商標)」、株式会社イノアックコーポレーション社製、厚さ:0.5mm)を3倍に発泡させ、シート状の発泡基材である発泡体Aを得た。ポリオレフィン発泡シートの材質及び発泡倍率を表3に示す。
発泡体Aの長軸方向の破断伸び率を引張試験機(AGS-J、株式会社島津製作所製)を用いて測定した。発泡体Aのサンプルは、サイズが短辺10mm×長辺70mm×厚さ0.5mmの矩形状のシートを用い、発泡体Aのサンプルの短辺側の両端部を引張試験治具で掴んで固定した。引張試験条件は、下記の通りとした。発泡体Aは3つ準備して、それぞれの測定値の平均値を、発泡体Aの長軸方向の破断伸び率とした。発泡体Aの長軸方向の破断伸び率を表3に示す。
(引張試験条件)
・発泡体Aの幅(発泡体Aの短軸の最大幅):10mm
・発泡体Aを設置する治具同士の距離:50mm
・引張強度:300mm/分
上記の<発泡体Aの作製及び評価>において、ポリオレフィン発泡シートの発泡倍率を表3に示す値に変更して発泡体B~fの作製して、各発泡体の長軸方向の破断伸び率を測定したこと以外は、<発泡体Aの作製及び評価>と同様にして行った。なお、各発泡体のサンプルの厚さは、適宜任意の大きさとした。
[生体センサの作製]
(筐体の作製)
ベース樹脂としてPETを用いて形成した支持体にシリコーンゴムで形成されたショア硬度A40のコート層を形成して、所定の形状に成形することで、筐体を作製した。
矩形状に形成された発泡基材1(ポリオレフィン発泡シート(「Folec(登録商標)」、株式会社イノアックコーポレーション社製、厚さ:0.5mm)の下面に基材用粘着層(長期貼付用テープ1(日東電工社製、厚さ:70μm))を形成し、発泡貼付層を形成した。なお、長期貼付用テープ1は、その表面に、粘着剤のない粘着剤形成部分の幅が約500μm、粘着剤のない被粘着部分の幅が約1500μmとなるように形成された、波状の模様(ウェブ模様)が形成された両面粘着テープである。その後、貼付層の上面に筐体用粘着層(シリコーン用テープ1(「ST503(HC)60」、日東電工社製、厚さ:60μm)を形成して、発泡シートを作製した。
矩形状に形成された基材1(PET(「PET-50-SCA1(白)」、三井物産プラスチック社製)、厚さ:38μm)の両面に貼付用粘着層及びセンサ用粘着層として粘着剤1(「パーミロール」、日東電工社製)、透湿度:21(g/m2・day))を張り付けた肌用テープである支持用粘着シートを作製した。
支持用粘着シートの上面の中央部分にバッテリ及び制御部を備えたセンサ部を設置した。その後、発泡シートの基材用粘着層と支持用粘着シートとの間に挟み込んだ状態で基材用粘着層の貼付面側に一対の電極を貼り付け、電極とセンサ部の配線とを接続した。その後、センサ部が発泡シート及び筐体で形成される収容空間内に配置されるように、発泡シートの上に筐体を積層して、生体センサを作製した。
得られた生体センサの特性として、生体センサのノイズ、肌への影響及び耐久性を評価した。
得られた生体センサを被験者の肌に24時間貼付して心電図を測定し、心電図波形を得た。心電図波形は、ノイズがない場合、図7に示すように、P波、QRS波及びT波で構成される。図8に示すように、得られた心電図波形から、QRS波のうちR波とS波とからなるRS波の振幅の大きさをシグナル(S)とし、隣接するR波同士の間の波形の振幅であるノイズの振幅の大きさをノイズ(N)として求めた。そして、シグナル(S)のノイズ(N)に対する比であるSN比を求めた。SN比は、任意の3つの波形を抽出して平均化した値を用いた。
評価基準
A:SN比が8以上である
B:SN比が5以上8未満である
C:SN比が1よりも高く5未満である
D:SN比が1以下である
上記の(ノイズの測定)において、生体センサを被験者の肌に24時間貼り付けた後、生体センサを肌から剥離し、生体センサが貼り付けられていた箇所の皮膚の状態を目視で観察し、肌への影響を下記評価基準に基づいて評価した。肌の貼付部に赤みは見られず、問題無かった場合は、優良(表4では、Aと表記)と判断し、肌の貼付部に少し赤みがあったが問題なかった場合は、良好(表4では、Bと表記)と判断し、肌の貼付部に赤みが強く見られた場合と、肌の貼付部に、再度、生体センサを貼り付けられない程の肌荒れが見られた場合は、不良(表4では、C又はDと表記)と判断した。
評価基準
A:肌の貼付部に赤みは見られず、問題無い
B:肌の貼付部に少し赤みがあったが問題無い
C:肌の貼付部に赤みが強く見られる
D:肌の貼付部に、再度、生体センサを貼り付けられない程の肌荒れが見られる
上記の(ノイズの測定)において、生体センサを被験者の肌に24時間貼付した。また、生体センサを被験者の肌に貼付している間、「防水規格:JIS C 0920-1993 (IPX4)」に基づいて水に接触させた。生体センサを被験者の肌に24時間貼付した後、生体センサを肌から剥離して、生体センサの状態を観察し、下記評価基準に基づいて、耐久性を評価した。生体センサに水の吸収や破れが見られず、問題なかった場合は、優良(表4では、Aと表記)と判断し、使用範囲内で問題なく、やや水の吸収や破れが見られるが測定への影響は限定的であった場合は、良好(表4では、Bと表記)と判断し、水の吸収や破れにより途中で剥がれ等が生じたが24時間測定できた場合は、良(表4では、Cと表記)と判断し、水の吸収や破れにより途中で剥がれ等が生じて24時間測定できなかった場合は、不良(表4では、Dと表記)と判断した。
評価基準
A:水の吸収や破れが見られず、問題ない
B:使用範囲内で問題なく、やや水の吸収や破れが見られるが測定への影響は限定的である
C:水の吸収や破れにより剥がれ等が生じたが24時間測定できる
D:水の吸収や破れにより剥がれ等が生じて24時間測定できない
実施例1において、用いた電極及び発泡体の種類を変更したこと以外は、実施例1と同様にして行った。
2 皮膚
10 筐体
20 発泡シート
21 発泡貼付層
211 発泡基材
211a 孔部
212 基材用粘着層
22 筐体用粘着層
30 電極
31 貫通孔
40 支持用粘着シート
41 基材
42 貼付用粘着層
43 センサ用粘着層
50 センサ部
51 フレキシブル基板(樹脂基板)
52 センサ本体
54 バッテリ
Claims (6)
- 生体に貼付して生体信号を取得する生体センサであって、
筐体と、
前記筐体の前記生体側に設けられた、多孔質体からなる基材と、
前記基材の前記生体側の面に設けられる電極と、
前記基材の前記生体側の面に設けられ、前記電極が貼り付けられる基材用粘着層と、
を備え、
前記基材用粘着層の透湿度は、1(g/m 2 ・day)~10000(g/m 2 ・day)であり、
前記基材の厚さが、0.5mm~1.5mmであり、
前記基材の破断伸び率が、30%~500%であり、
前記電極の静止摩擦係数が、3.5~7.0であり、
前記基材の破断伸び率は、前記基材を短辺10mm×長辺70mm×厚さ0.5mmの大きさとした矩形のシートの短辺側の両端部を引張試験治具で掴んで固定し、一対の治具の一方又は両方を引張強度が300mm/分となるように移動させて前記矩形のシートを引っ張り、下記式(1)より求められ、
前記電極の静止摩擦係数は、静摩擦係数測定機を用いて、前記電極を取り付けた平面圧子を疑似皮膚としてバイオスキンプレートの表面に荷重1.47Nを加えて設置した後、前記疑似皮膚を傾斜させ、前記平面圧子が滑り始めた時の摩擦角θdを下記式(I)に当てはめることで求められる生体センサ。
基材の破断伸び率=(基材の破断時における長軸方向の長さ-基材の引っ張り前の長軸方向の長さ)/基材の引っ張り前の長軸方向の長さ×100 ・・・(1)
静止摩擦係数μ=tan(θd×π/180) ・・・(I) - 前記筐体の前記生体側に設けられた前記基材を含む層の前記筐体側の面に筐体用粘着層が設けられる請求項1に記載の生体センサ。
- 前記電極に接続され、生体情報を取得するセンサ本体と、
前記センサ本体が設置される基材と、
を備え、
前記筐体は、前記生体側に凹状に形成された窪みを有し、
前記筐体の前記生体側に設けられた前記基材は、前記窪みに対応する位置に孔部を有し、
前記窪みと前記孔部とにより、前記センサ本体が収容される収容空間が形成される請求項1又は2に記載の生体センサ。 - 前記筐体の前記生体側に設けられた前記基材の前記生体側に設けられた貼付用粘着層を備え、
前記基材用粘着層と前記貼付用粘着層とにより生体への貼付面が形成される請求項3に記載の生体センサ。 - 前記電極は、前記基材用粘着層に貼り付けられた状態で、前記基材用粘着層が露出可能な貫通孔を有する請求項3又は4に記載の生体センサ。
- 前記筐体の前記生体側に設けられた前記基材は、多孔構造を有する発泡基材である請求項1~5の何れか一項に記載の生体センサ。
Priority Applications (4)
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