JP7537836B2 - Vital Sensor - Google Patents
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- Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
Description
本発明は、バイタルセンサに関する。 The present invention relates to a vital sensor.
心臓が血液を送り出すことに伴い発生する脈波を検出する脈波センサが知られている。一例として、外力の作用により撓み可能に支持されている起歪体となる受圧板と、その受圧板の撓みを電気信号に変換する圧電変換手段とが設けられた脈波センサが挙げられる。この脈波センサは、受圧板の可撓領域が外方に向かって凸曲面となるドーム状に形成されており、圧電変換手段として受圧板における頂部の内面に圧力検出素子を備えている(例えば、特許文献1参照)。 Pulse wave sensors are known that detect pulse waves generated when the heart pumps blood. One example is a pulse wave sensor that is provided with a pressure-receiving plate that is a strain-generating body supported so that it can flex under the action of an external force, and a piezoelectric conversion means that converts the flexure of the pressure-receiving plate into an electrical signal. In this pulse wave sensor, the flexible area of the pressure-receiving plate is formed in a dome shape that is a convex curved surface facing outward, and a pressure detection element is provided on the inner surface of the apex of the pressure-receiving plate as the piezoelectric conversion means (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、脈波の他に血管の拡張方向や収縮方向などについても計測できるバイタルセンサが求められている。 However, there is a demand for a vital sensor that can measure not only pulse waves but also the direction of blood vessel expansion and contraction.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、脈波に加えて血管の拡張方向や収縮方向を検出可能なバイタルセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and aims to provide a vital sensor that can detect the expansion and contraction directions of blood vessels in addition to pulse waves.
本バイタルセンサは、血流を監視するバイタルセンサであって、被験者の被測定部位に装着される起歪体と、前記起歪体上に配置されたひずみゲージと、を有し、前記ひずみゲージは、3つ以上の抵抗体を有し、前記被測定部位において血管が延伸する方向を第1方向、前記第1方向に直交する方向を第2方向としたときに、前記起歪体は、少なくとも3つの前記抵抗体の前記第1方向の位置が異なり、かつ前記第2方向の位置が異なるように前記被測定部位に装着される。 This vital sensor is a vital sensor that monitors blood flow, and has a strain gauge arranged on the strain gauge, which has three or more resistors, and when the direction in which blood vessels extend at the measured site is defined as a first direction and the direction perpendicular to the first direction is defined as a second direction, the strain gauge is attached to the measured site so that at least three resistors are positioned differently in the first direction and differently in the second direction.
開示の技術によれば、脈波に加えて血管の拡張方向や収縮方向を検出可能なバイタルセンサを提供できる。 The disclosed technology can provide a vital sensor that can detect the direction of blood vessel expansion and contraction in addition to pulse waves.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Below, a description of the embodiment of the invention will be given with reference to the drawings. In each drawing, the same components are given the same reference numerals, and duplicated explanations may be omitted.
〈第1実施形態〉
[バイタルセンサ]
図1は、第1実施形態に係るバイタルセンサを例示する平面図である。図1を参照すると、バイタルセンサ1は、被験者の被測定部位に装着される起歪体10と、起歪体10上に配置されたひずみゲージ100とを有している。
First Embodiment
[Vital Signs Sensor]
Fig. 1 is a plan view illustrating a vital sensor according to a first embodiment. Referring to Fig. 1, the
起歪体10は、例えば、平面視で長方形状である。起歪体10の大きさは、例えば、縦10mm×横15mm×厚さ0.1mm程度とすることができる。起歪体10の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)、銅、及びアルミニウム等を用いることができる。
The
ひずみゲージ100は、基材110上に、受感部となる第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303を有している。第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303は、例えば、平面視で同一形状である。ここで、同一形状とは、回転対称に配置された形状も含む。
The
第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303は、各々の長手方向(後述のグリッド方向)を同一方向に向けて基材110上に配置されている。図1では、グリッド方向をX方向、グリッド方向と直交するグリッド幅方向をY方向としている。また、X方向及びY方向に直交する方向(起歪体10の厚さ方向)をZ方向としている。
The
第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303は、グリッド方向の位置が異なり、かつグリッド方向に直交する方向の位置が異なる。なお、各抵抗体の位置とは、平面視で基材110の抵抗体が形成されている領域(以降、抵抗体形成領域とする)の重心の位置を指すものとする。つまり、第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303の抵抗体形成領域の重心のX座標及びY座標は、すべて異なる。
The
第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303は、例えば、グリッド方向に対して一定間隔に配置されている。つまり、例えば、第1抵抗体1301と第2抵抗体1302のX方向の距離と、第1抵抗体1301と第3抵抗体1303のX方向の距離とは等しい。 The first resistor 1301 , the second resistor 1302 , and the third resistor 1303 are arranged, for example, at regular intervals in the grid direction. That is, for example, the distance in the X direction between the first resistor 1301 and the second resistor 1302 is equal to the distance in the X direction between the first resistor 1301 and the third resistor 1303 .
第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303は、例えば、グリッド方向に直交する方向に対しても一定間隔に配置されている。つまり、また、例えば、第1抵抗体1301と第2抵抗体1302のY方向の距離と、第1抵抗体1301と第3抵抗体1303のY方向の距離とは等しい。 The first resistor 1301 , the second resistor 1302 , and the third resistor 1303 are arranged at regular intervals in a direction perpendicular to the grid direction, for example. In other words, for example, the distance in the Y direction between the first resistor 1301 and the second resistor 1302 is equal to the distance in the Y direction between the first resistor 1301 and the third resistor 1303 .
なお、各抵抗体間の間隔(距離)とは、平面視で各抵抗体の抵抗体形成領域の重心の間隔(距離)を指すものとする。また、距離が等しいとは、短い方の距離が長い方の距離の90%以上である場合を含むものとする。 The spacing (distance) between each resistor refers to the spacing (distance) between the centers of gravity of the resistor formation areas of each resistor when viewed in a plane. Furthermore, equal distances includes cases where the shorter distance is 90% or more of the longer distance.
第2抵抗体1302と第3抵抗体1303は、第1抵抗体1301を挟んで、グリッド方向に対して斜めとなる方向に、対向して配置されている。ここで、第2抵抗体1302と第3抵抗体1303が第1抵抗体1301を挟んで対向して配置されるとは、平面視で、第2抵抗体1302の抵抗体形成領域の重心と第3抵抗体1303の抵抗体形成領域の重心とを結ぶ直線が、第1抵抗体1301の何れかの部分を通過することである。 The second resistor 1302 and the third resistor 1303 are disposed facing each other in a direction oblique to the grid direction, sandwiching the first resistor 1301. Here, "the second resistor 1302 and the third resistor 1303 are disposed facing each other, sandwiching the first resistor 1301 " means that a straight line connecting the center of gravity of the resistor formation region of the second resistor 1302 and the center of gravity of the resistor formation region of the third resistor 1303 passes through any part of the first resistor 1301 in a plan view.
図2及び図3は、第1実施形態に係るバイタルセンサが被験者の血流を監視する様子を模式的に示す図である。図2は血管800が収縮したときの様子を模式的に示し、図3は血管800が拡張したときの様子を模式的に示している。図2及び図3の矢印Bは、被験者の被測定部位において血管800が延伸する方向であり、血液の流れる方向でもある。 Figures 2 and 3 are schematic diagrams showing how the vital sensor according to the first embodiment monitors the blood flow of a subject. Figure 2 shows a schematic diagram of a blood vessel 800 contracting, and Figure 3 shows a schematic diagram of a blood vessel 800 expanding. Arrow B in Figures 2 and 3 indicates the direction in which the blood vessel 800 extends at the measurement site of the subject, and is also the direction in which blood flows.
バイタルセンサ1は、血流を監視するセンサであって、例えば、起歪体10の下面側が被験者の橈骨動脈に当たるように被験者の手首に装着される。つまり、被験者の被測定部位は、例えば、被験者の手首である。
The
起歪体10は、第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303の血管の延伸する矢印Bの方向の位置が異なり、かつ矢印Bに直交する方向の位置が異なるように被験者の被測定部位に装着される。起歪体10は、例えば、グリッド方向であるX方向が矢印Bの方向と一致するように、被験者の被測定部位に装着される。つまり、起歪体10は、例えば、第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303がグリッド方向を矢印Bの方向に向けて配置されるように被験者の被測定部位に装着される。
The
なお、図2及び図3では便宜上バイタルセンサ1を拡大して示しているが、バイタルセンサ1は第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303のすべてが血管800上に位置する大きさとされている。ひずみゲージ100において、各抵抗体形成領域の大きさは、例えば、0.3mm角程度とすることができる。
2 and 3, the
起歪体10が被験者の被測定部位に装着されたときに、例えば、第1抵抗体1301は、グリッド方向を矢印B方向に向けて、血管800の中心線付近上に配置される。また、第2抵抗体1302は、第1抵抗体1301の矢印Bの方向の一方側(図2及び図3ではX-側)かつ矢印Bに直交する方向の一方側(図2及び図3ではY-側)に配置される。
When the
また、第3抵抗体1303は、第1抵抗体1301の矢印Bの方向の他方側(図2及び図3ではX+側)かつ矢印Bに直交する方向の他方側(図2及び図3ではY+側)に配置される。つまり、第2抵抗体1302と第3抵抗体1303は、第1抵抗体1301を挟んで、矢印B方向に対して斜めとなる方向に、対向して配置される。 The third resistor 1303 is disposed on the other side of the first resistor 1301 in the direction of arrow B (the X+ side in FIGS. 2 and 3) and on the other side in the direction perpendicular to the arrow B (the Y+ side in FIGS. 2 and 3). In other words, the second resistor 1302 and the third resistor 1303 are disposed opposite each other in a direction oblique to the direction of arrow B, sandwiching the first resistor 1301 therebetween.
第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303は、例えば、グリッド方向に対して一定間隔に配置される。また、第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303は、例えば、グリッド方向に直交する方向に対しても一定間隔に配置される。
The
血管800は、脈波に応じて収縮、拡張を繰り返す。バイタルセンサ1は、第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303の矢印Bの方向の位置が異なり、かつ矢印Bに直交する方向の位置が異なるように被験者の被測定部位に装着される。そのため、バイタルセンサ1は、第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303の出力の変化に基づいて、脈波を検出できると共に、血管800内の血液の流量変動と、血管800の拡張方向及び収縮方向の検出が可能となる。
The blood vessel 800 repeatedly contracts and expands in response to the pulse wave. The
また、バイタルセンサ1は、ひずみゲージにより血流を監視するため、血管中の酸素化ヘモグロビンの吸収特性変化を利用した光学方式のセンサや、高価で大掛かりな光ファイバ式のFBGセンサ(Fiber Bragg Gratingセンサ)等に比べて、安価なウェアラブル方式のバイタルセンサを実現できる。特に、各抵抗体に後述のCr混相膜を用いる場合には、安価、小型、かつ高精度のウェアラブル方式のバイタルセンサを実現できる。
In addition, because the
以下、ひずみゲージ100について詳説する。なお、特に区別する必要がない場合は、第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303を抵抗体130と総称する場合がある。
The
図4は、第1実施形態に係るひずみゲージの1つの抵抗体近傍の平面図である。図5は、第1実施形態に係るひずみゲージの1つの抵抗体近傍の断面図であり、図4のA-A線に沿う断面を示している。図1、図4、及び図5を参照すると、ひずみゲージ100は、抵抗体130、配線140、電極150、及びカバー層160を含む組を3組有しており、これらは1つの基材110上に配置されている。ただし、図1とは異なり、1つの基材110上に抵抗体130、配線140、電極150、及びカバー層160を含む組を1組有するひずみゲージを、起歪体10上に3つ配置してもよい。なお、図4では、便宜上、カバー層160の外縁のみを破線で示している。カバー層160は、必要に応じて設ければよい。
Figure 4 is a plan view of the vicinity of one resistor of the strain gauge according to the first embodiment. Figure 5 is a cross-sectional view of the vicinity of one resistor of the strain gauge according to the first embodiment, showing a cross section along line A-A in Figure 4. With reference to Figures 1, 4, and 5, the
なお、図4及び図5では、便宜上、ひずみゲージ100において、基材110の抵抗体130が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体130が設けられていない側を下側又は他方の側とする。また、各部位の抵抗体130が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体130が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。ただし、ひずみゲージ100は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置できる。また、平面視とは対象物を基材110の上面110aの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材110の上面110aの法線方向から視た形状を指すものとする。
4 and 5, for convenience, the side of the
基材110は、抵抗体130等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材110の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、5μm~500μm程度とすることができる。特に、基材110の厚さが5μm~200μmであると、接着層等を介して基材110の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、10μm以上であると絶縁性の点で更に好ましい。
The
基材110は、例えば、PI(ポリイミド)樹脂、エポキシ樹脂、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、PEN(ポリエチレンナフタレート)樹脂、PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂、PPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂、LCP(液晶ポリマー)樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成できる。なお、フィルムとは、厚さが500μm以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。
The
ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材110が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材110は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。
Here, "formed from an insulating resin film" does not prevent the
基材110の樹脂以外の材料としては、例えば、SiO2、ZrO2(YSZも含む)、Si、Si2N3、Al2O3(サファイヤも含む)、ZnO、ペロブスカイト系セラミックス(CaTiO3、BaTiO3)等の結晶性材料が挙げられ、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。また、基材110の材料として、アルミニウム、アルミニウム合金(ジュラルミン)、チタン等の金属を用いてもよい。この場合、金属製の基材110上に、例えば、絶縁膜が形成される。
Examples of materials other than resin for the base material 110 include crystalline materials such as SiO2, ZrO2 (including YSZ), Si, Si2N3, Al2O3 ( including sapphire ) , ZnO, perovskite ceramics ( CaTiO3 , BaTiO3 ), and amorphous glass. Metals such as aluminum, aluminum alloys (duralumin), and titanium may also be used as the material for the
抵抗体130は、基材110上に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体130は、基材110の上面110aに直接形成されてもよいし、基材110の上面110aに他の層を介して形成されてもよい。なお、図4では、便宜上、抵抗体130を濃い梨地模様で示している。
The
抵抗体130は、複数の細長状部が長手方向を同一方向(図4のA-A線の方向(X方向))に向けて所定間隔で配置され、隣接する細長状部の端部が互い違いに連結されて、全体としてジグザグに折り返す構造である。複数の細長状部の長手方向がグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向がグリッド幅方向(図4ではA-A線と垂直な方向(Y方向))となる。
The
グリッド幅方向の最も外側に位置する2つの細長状部の長手方向の一端部は、グリッド幅方向に屈曲し、抵抗体130のグリッド幅方向の各々の終端130e1及び130e2を形成する。抵抗体130のグリッド幅方向の各々の終端130e1及び130e2は、配線140を介して、電極150と電気的に接続されている。言い換えれば、配線140は、抵抗体130のグリッド幅方向の各々の終端130e1及び130e2と各々の電極150とを電気的に接続している。
One end in the longitudinal direction of the two elongated portions located at the outermost sides in the grid width direction is bent in the grid width direction to form respective ends 130e1 and 130e2 in the grid width direction of the
抵抗体130は、例えば、Cr(クロム)を含む材料、Ni(ニッケル)を含む材料、又はCrとNiの両方を含む材料から形成できる。すなわち、抵抗体130は、CrとNiの少なくとも一方を含む材料から形成できる。Crを含む材料としては、例えば、Cr混相膜が挙げられる。Niを含む材料としては、例えば、Cu-Ni(銅ニッケル)が挙げられる。CrとNiの両方を含む材料としては、例えば、Ni-Cr(ニッケルクロム)が挙げられる。
The
ここで、Cr混相膜とは、Cr、CrN、Cr2N等が混相した膜である。Cr混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。 Here, the Cr mixed phase film is a film in which Cr, CrN, Cr 2 N, etc. are mixed together. The Cr mixed phase film may contain inevitable impurities such as chromium oxide.
抵抗体130の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、0.05μm~2μm程度とすることができる。特に、抵抗体130の厚さが0.1μm以上であると、抵抗体130を構成する結晶の結晶性(例えば、α-Crの結晶性)が向上する点で好ましい。また、抵抗体130の厚さが1μm以下であると、抵抗体130を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材110からの反りを低減できる点で更に好ましい。抵抗体130の幅は、抵抗値や横感度等の要求仕様に対して最適化し、かつ断線対策も考慮して、例えば、10μm~100μm程度とすることができる。
The thickness of the
例えば、抵抗体130がCr混相膜である場合、安定な結晶相であるα-Cr(アルファクロム)を主成分とすることで、ゲージ特性の安定性を向上できる。また、抵抗体130がα-Crを主成分とすることで、ひずみゲージ100のゲージ率を10以上、かつゲージ率温度係数TCS及び抵抗温度係数TCRを-1000ppm/℃~+1000ppm/℃の範囲内とすることができる。ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の50重量%以上を占めることを意味するが、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体130はα-Crを80重量%以上含むことが好ましく、90重量%以上含むことが更に好ましい。なお、α-Crは、bcc構造(体心立方格子構造)のCrである。
For example, when the
また、抵抗体130がCr混相膜である場合、Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2Nは20重量%以下であることが好ましい。Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2Nが20重量%以下であることで、ゲージ率の低下を抑制できる。
Furthermore, when the
また、CrN及びCr2N中のCr2Nの割合は80重量%以上90重量%未満であることが好ましく、90重量%以上95重量%未満であることが更に好ましい。CrN及びCr2N中のCr2Nの割合が90重量%以上95重量%未満であることで、半導体的な性質を有するCr2Nにより、TCRの低下(負のTCR)が一層顕著となる。更に、セラミックス化を低減することで、脆性破壊の低減がなされる。 In addition, the ratio of Cr2N in CrN and Cr2N is preferably 80% by weight or more and less than 90% by weight, and more preferably 90% by weight or more and less than 95% by weight. When the ratio of Cr2N in CrN and Cr2N is 90% by weight or more and less than 95% by weight, the decrease in TCR (negative TCR) becomes more significant due to the Cr2N having semiconducting properties. Furthermore, by reducing the ceramicization, brittle fracture is reduced.
一方で、膜中に微量のN2もしくは原子状のNが混入、存在した場合、外的環境(例えば高温環境下)によりそれらが膜外へ抜け出ることで、膜応力の変化を生ずる。化学的に安定なCrNの創出により上記不安定なNを発生させることがなく、安定なひずみゲージを得ることができる。 On the other hand, if a small amount of N2 or atomic N is mixed into or present in the film, it will escape to the outside of the film due to the external environment (for example, a high temperature environment), causing a change in the film stress. By creating chemically stable CrN, it is possible to obtain a stable strain gauge without generating the unstable N mentioned above.
配線140は、基材110上に形成され、抵抗体130及び電極150と電気的に接続されている。配線140は、第1金属層141と、第1金属層141の上面に積層された第2金属層142とを有している。配線140は直線状には限定されず、任意のパターンとすることができる。また、配線140は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。なお、図4では、便宜上、配線140及び電極150を抵抗体130よりも薄い梨地模様で示している。
The
電極150は、基材110上に形成され、配線140を介して抵抗体130と電気的に接続されており、例えば、配線140よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極150は、ひずみにより生じる抵抗体130の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。
The
電極150は、一対の第1金属層151と、各々の第1金属層151の上面に積層された第2金属層152とを有している。第1金属層151は、配線140の第1金属層141を介して抵抗体130の終端130e1及び130e2と電気的に接続されている。第1金属層151は、平面視において、略矩形状に形成されている。第1金属層151は、配線140と同じ幅に形成しても構わない。
The
なお、抵抗体130と第1金属層141と第1金属層151とは便宜上別符号としているが、同一工程において同一材料により一体に形成できる。従って、抵抗体130と第1金属層141と第1金属層151とは、厚さが略同一である。また、第2金属層142と第2金属層152とは便宜上別符号としているが、同一工程において同一材料により一体に形成できる。従って、第2金属層142と第2金属層152とは、厚さが略同一である。
Note that although the
第2金属層142及び152は、抵抗体130(第1金属層141及び151)よりも低抵抗の材料から形成されている。第2金属層142及び152の材料は、抵抗体130よりも低抵抗の材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、抵抗体130がCr混相膜である場合、第2金属層142及び152の材料として、Cu、Ni、Al、Ag、Au、Pt等、又は、これら何れかの金属の合金、これら何れかの金属の化合物、あるいは、これら何れかの金属、合金、化合物を適宜積層した積層膜が挙げられる。第2金属層142及び152の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、3μm~5μm程度とすることができる。
The
第2金属層142及び152は、第1金属層141及び151の上面の一部に形成されてもよいし、第1金属層141及び151の上面の全体に形成されてもよい。第2金属層152の上面に、更に他の1層以上の金属層を積層してもよい。例えば、第2金属層152を銅層とし、銅層の上面に金層を積層してもよい。あるいは、第2金属層152を銅層とし、銅層の上面にパラジウム層と金層を順次積層してもよい。電極150の最上層を金層とすることで、電極150のはんだ濡れ性を向上できる。
The
このように、配線140は、抵抗体130と同一材料からなる第1金属層141上に第2金属層142が積層された構造である。そのため、配線140は抵抗体130よりも抵抗が低くなるため、配線140が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体130によるひずみ検出精度を向上できる。
In this way, the
言い換えれば、抵抗体130よりも低抵抗な配線140を設けることで、ひずみゲージ100の実質的な受感部を抵抗体130が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体130によるひずみ検出精度を向上できる。
In other words, by providing
特に、抵抗体130としてCr混相膜を用いたゲージ率10以上の高感度なひずみゲージにおいて、配線140を抵抗体130よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体130が形成された局所領域に制限することは、ひずみ検出精度の向上に顕著な効果を発揮する。また、配線140を抵抗体130よりも低抵抗化することは、横感度を低減する効果も奏する。
In particular, in a highly sensitive strain gauge with a gauge factor of 10 or more that uses a Cr mixed phase film as the
なお、配線140の引き回しパターンや、各電極150の位置は、適宜設定できる。例えば、各抵抗体に接続される電極150を所定の位置に一列に並べてもよい。
The wiring pattern of the
カバー層160は、基材110上に形成され、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150を露出する。配線140の一部は、カバー層160から露出してもよい。抵抗体130及び配線140を被覆するカバー層160を設けることで、抵抗体130及び配線140に機械的な損傷等が生じることを防止できる。また、カバー層160を設けることで、抵抗体130及び配線140を湿気等から保護できる。なお、カバー層160は、電極150を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
The
カバー層160は、例えば、PI樹脂、エポキシ樹脂、PEEK樹脂、PEN樹脂、PET樹脂、PPS樹脂、複合樹脂(例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂)等の絶縁樹脂から形成できる。カバー層160は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層160の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、2μm~30μm程度とすることができる。
The
ひずみゲージ100を製造するためには、まず、基材110を準備し、基材110の上面110aに金属層(便宜上、金属層Aとする)を形成する。金属層Aは、最終的にパターニングされて抵抗体130、第1金属層141、及び第1金属層151となる層である。従って、金属層Aの材料や厚さは、前述の抵抗体130、第1金属層141、及び第1金属層151の材料や厚さと同様である。
To manufacture the
金属層Aは、例えば、金属層Aを形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜できる。金属層Aは、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。 Metal layer A can be formed, for example, by magnetron sputtering using a raw material capable of forming metal layer A as a target. Instead of magnetron sputtering, metal layer A may also be formed using reactive sputtering, vapor deposition, arc ion plating, pulsed laser deposition, or the like.
ゲージ特性を安定化する観点から、金属層Aを成膜する前に、下地層として、基材110の上面110aに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により所定の膜厚の機能層を真空成膜することが好ましい。
From the viewpoint of stabilizing the gauge characteristics, it is preferable to vacuum-deposit a functional layer of a predetermined thickness as a base layer on the
本願において、機能層とは、少なくとも上層である金属層A(抵抗体130)の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層は、更に、基材110に含まれる酸素や水分による金属層Aの酸化を防止する機能や、基材110と金属層Aとの密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。
In this application, the functional layer refers to a layer that has the function of promoting the crystal growth of at least the upper layer, metal layer A (resistor 130). The functional layer preferably also has the function of preventing oxidation of metal layer A due to oxygen and moisture contained in the
基材110を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に金属層AがCrを含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層が金属層Aの酸化を防止する機能を備えることは有効である。
The insulating resin film constituting the
機能層の材料は、少なくとも上層である金属層A(抵抗体130)の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Cr(クロム)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Ni(ニッケル)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、Si(シリコン)、C(炭素)、Zn(亜鉛)、Cu(銅)、Bi(ビスマス)、Fe(鉄)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Re(レニウム)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Au(金)、Co(コバルト)、Mn(マンガン)、Al(アルミニウム)からなる群から選択される1種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。 The material of the functional layer is not particularly limited as long as it has the function of promoting the crystal growth of at least the upper layer, the metal layer A (resistor 130), and can be appropriately selected according to the purpose. For example, Cr (chromium), Ti (titanium), V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Ni (nickel), Y (yttrium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), Si (silicon), C (carbon), Zn (zinc), Cu (copper), Bi (bismuth), etc. Examples of the metal include one or more metals selected from the group consisting of ruthenium (Ru), iron (Fe), molybdenum (Molybdenum), tungsten (W), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), rhenium (Rhenium), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), palladium (Pd), silver (Ag), gold (Au), cobalt (Co), manganese (Mn), and aluminum (Al), an alloy of any of the metals in this group, or a compound of any of the metals in this group.
上記の合金としては、例えば、FeCr、TiAl、FeNi、NiCr、CrCu等が挙げられる。また、上記の化合物としては、例えば、TiN、TaN、Si3N4、TiO2、Ta2O5、SiO2等が挙げられる。 Examples of the alloy include FeCr, TiAl, FeNi, NiCr, CrCu, etc. Examples of the compound include TiN, TaN , Si3N4 , TiO2 , Ta2O5 , SiO2 , etc.
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の1/20以下であることが好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを防止できる。 When the functional layer is made of a conductive material such as a metal or alloy, the thickness of the functional layer is preferably 1/20 or less of the thickness of the resistor. In this range, the crystal growth of α-Cr can be promoted, and a part of the current flowing through the resistor can be prevented from flowing through the functional layer, which would reduce the sensitivity of strain detection.
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の1/50以下であることがより好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを更に防止できる。 When the functional layer is made of a conductive material such as a metal or alloy, it is more preferable that the thickness of the functional layer is 1/50 or less of the thickness of the resistor. In this range, the crystal growth of α-Cr can be promoted, and it is further possible to prevent a portion of the current flowing through the resistor from flowing through the functional layer, which would otherwise reduce the sensitivity of strain detection.
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の1/100以下であることが更に好ましい。このような範囲であると、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを一層防止できる。 When the functional layer is made of a conductive material such as a metal or alloy, it is even more preferable that the thickness of the functional layer is 1/100 or less of the thickness of the resistor. In this range, it is possible to further prevent a portion of the current flowing through the resistor from flowing through the functional layer, thereby reducing the strain detection sensitivity.
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、1nm~1μmとすることが好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく容易に成膜できる。 When the functional layer is made of an insulating material such as an oxide or nitride, the thickness of the functional layer is preferably 1 nm to 1 μm. This range promotes the crystal growth of α-Cr and allows the functional layer to be easily formed without cracking.
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、1nm~0.8μmとすることがより好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。 When the functional layer is made of an insulating material such as an oxide or nitride, it is more preferable that the thickness of the functional layer is 1 nm to 0.8 μm. This range promotes the crystal growth of α-Cr and makes it easier to form the functional layer without cracking.
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、1nm~0.5μmとすることが更に好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく一層容易に成膜できる。 When the functional layer is made of an insulating material such as an oxide or nitride, it is even more preferable that the thickness of the functional layer is between 1 nm and 0.5 μm. This range promotes the crystal growth of α-Cr and makes it easier to form the functional layer without cracking.
なお、機能層の平面形状は、例えば、図4に示す抵抗体の平面形状と略同一にパターニングされている。しかし、機能層の平面形状は、抵抗体の平面形状と略同一である場合には限定されない。機能層が絶縁材料から形成される場合には、抵抗体の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。この場合、機能層は少なくとも抵抗体が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。あるいは、機能層は、基材110の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
The planar shape of the functional layer is patterned to be approximately the same as the planar shape of the resistor shown in FIG. 4, for example. However, the planar shape of the functional layer is not limited to being approximately the same as the planar shape of the resistor. If the functional layer is formed from an insulating material, it does not have to be patterned to be the same as the planar shape of the resistor. In this case, the functional layer may be formed in a solid shape at least in the area where the resistor is formed. Alternatively, the functional layer may be formed in a solid shape over the entire top surface of the
また、機能層が絶縁材料から形成される場合に、機能層の厚さを50nm以上1μm以下となるように比較的厚く形成し、かつベタ状に形成することで、機能層の厚さと表面積が増加するため、抵抗体が発熱した際の熱を基材110側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ100において、抵抗体の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。
In addition, when the functional layer is made of an insulating material, the functional layer is formed relatively thick, at a thickness of 50 nm to 1 μm, and formed in a solid shape, thereby increasing the thickness and surface area of the functional layer, and therefore heat generated by the resistor can be dissipated to the
機能層は、例えば、機能層を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にAr(アルゴン)ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜できる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材110の上面110aをArでエッチングしながら機能層が成膜されるため、機能層の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。
The functional layer can be formed in a vacuum by conventional sputtering, for example, using a raw material capable of forming the functional layer as a target and introducing Ar (argon) gas into a chamber. By using conventional sputtering, the functional layer is formed while etching the
ただし、これは、機能層の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層を成膜してもよい。例えば、機能層の成膜の前にAr等を用いたプラズマ処理等により基材110の上面110aを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層を真空成膜する方法を用いてもよい。
However, this is just one example of a method for forming the functional layer, and the functional layer may be formed by other methods. For example, a method may be used in which the
機能層の材料と金属層Aの材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、機能層としてTiを用い、金属層Aとしてα-Cr(アルファクロム)を主成分とするCr混相膜を成膜可能である。 There are no particular restrictions on the combination of the material of the functional layer and the material of the metal layer A, and they can be selected appropriately depending on the purpose. For example, it is possible to use Ti as the functional layer and form a Cr mixed phase film with α-Cr (alpha chromium) as the main component as the metal layer A.
この場合、例えば、Cr混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にArガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、金属層Aを成膜できる。あるいは、純Crをターゲットとし、チャンバ内にArガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、金属層Aを成膜してもよい。この際、窒素ガスの導入量や圧力(窒素分圧)を変えることや加熱工程を設けて加熱温度を調整することで、Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2Nの割合、並びにCrN及びCr2N中のCr2Nの割合を調整できる。 In this case, for example, the metal layer A can be formed by magnetron sputtering using a raw material capable of forming a Cr mixed phase film as a target and introducing Ar gas into a chamber. Alternatively, the metal layer A can be formed by reactive sputtering using pure Cr as a target and introducing an appropriate amount of nitrogen gas together with Ar gas into a chamber. In this case, the ratio of CrN and Cr 2 N contained in the Cr mixed phase film and the ratio of Cr 2 N in CrN and Cr 2 N can be adjusted by changing the amount and pressure (nitrogen partial pressure) of the nitrogen gas introduced or by adjusting the heating temperature by providing a heating process.
これらの方法では、Tiからなる機能層がきっかけでCr混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα-Crを主成分とするCr混相膜を成膜できる。また、機能層を構成するTiがCr混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ100のゲージ率を10以上、かつゲージ率温度係数TCS及び抵抗温度係数TCRを-1000ppm/℃~+1000ppm/℃の範囲内とすることができる。なお、機能層がTiから形成されている場合、Cr混相膜にTiやTiN(窒化チタン)が含まれる場合がある。
In these methods, the growth surface of the Cr mixed-phase film is determined by the functional layer made of Ti, and a Cr mixed-phase film can be formed that is mainly composed of α-Cr, which has a stable crystal structure. In addition, the Ti that constitutes the functional layer diffuses into the Cr mixed-phase film, improving the gauge characteristics. For example, the gauge factor of the
なお、金属層AがCr混相膜である場合、Tiからなる機能層は、金属層Aの結晶成長を促進する機能、基材110に含まれる酸素や水分による金属層Aの酸化を防止する機能、及び基材110と金属層Aとの密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層として、Tiに代えてTa、Si、Al、Feを用いた場合も同様である。
When metal layer A is a Cr mixed phase film, the functional layer made of Ti has all of the following functions: promoting crystal growth of metal layer A, preventing oxidation of metal layer A due to oxygen and moisture contained in the
このように、金属層Aの下層に機能層を設けることにより、金属層Aの結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる金属層Aを作製できる。その結果、ひずみゲージ100において、ゲージ特性の安定性を向上できる。また、機能層を構成する材料が金属層Aに拡散することにより、ひずみゲージ100において、ゲージ特性を向上できる。
In this way, by providing a functional layer below the metal layer A, it is possible to promote crystal growth in the metal layer A, and to produce a metal layer A consisting of a stable crystalline phase. As a result, the stability of the gauge characteristics of the
次に、金属層Aの上面に、第2金属層142及び第2金属層152を形成する。第2金属層142及び第2金属層152は、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。
Next, the
具体的には、まず、金属層Aの上面を覆うように、例えば、スパッタ法や無電解めっき法等により、シード層を形成する。次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して第2金属層142及び第2金属層152を形成する領域を露出する開口部を形成する。このとき、レジストの開口部の形状を調整することで、第2金属層142のパターンを任意の形状とすることができる。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。
Specifically, first, a seed layer is formed by, for example, sputtering or electroless plating so as to cover the upper surface of metal layer A. Next, a photosensitive resist is formed over the entire upper surface of the seed layer, and is exposed and developed to form openings that expose the areas in which
次に、例えば、シード層を給電経路とする電解めっき法により、開口部内に露出するシード層上に第2金属層142及び第2金属層152を形成する。電解めっき法は、タクトが高く、かつ、第2金属層142及び第2金属層152として低応力の電解めっき層を形成できる点で好適である。膜厚の厚い電解めっき層を低応力とすることで、ひずみゲージ100に反りが生じることを防止できる。なお、第2金属層142及び第2金属層152は無電解めっき法により形成してもよい。
Next, for example, the
次に、レジストを除去する。レジストは、例えば、レジストの材料を溶解可能な溶液に浸漬することで除去できる。 Then, the resist is removed. The resist can be removed, for example, by immersing it in a solution that can dissolve the resist material.
次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して、図4の抵抗体130、配線140、及び電極150と同様の平面形状にパターニングする。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。そして、レジストをエッチングマスクとし、レジストから露出する金属層A及びシード層を除去し、図4の平面形状の抵抗体130、配線140、及び電極150を形成する。
Next, a photosensitive resist is formed on the entire upper surface of the seed layer, and is exposed and developed to be patterned into a planar shape similar to that of the
例えば、ウェットエッチングにより、金属層A及びシード層の不要な部分を除去できる。金属層Aの下層に機能層が形成されている場合には、エッチングによって機能層は抵抗体130、配線140、及び電極150と同様に図4に示す平面形状にパターニングされる。なお、この時点では、抵抗体130、第1金属層141、及び第1金属層151上にシード層が形成されている。
For example, unnecessary portions of the metal layer A and the seed layer can be removed by wet etching. If a functional layer is formed below the metal layer A, the functional layer is patterned by etching into the planar shape shown in FIG. 4, similar to the
次に、第2金属層142及び第2金属層152をエッチングマスクとし、第2金属層142及び第2金属層152から露出する不要なシード層を除去することで、第2金属層142及び第2金属層152が形成される。なお、第2金属層142及び第2金属層152の直下のシード層は残存する。例えば、シード層がエッチングされ、機能層、抵抗体130、配線140、及び電極150がエッチングされないエッチング液を用いたウェットエッチングにより、不要なシード層を除去できる。
Next, the
その後、必要に応じ、基材110の上面110aに、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150を露出するカバー層160を設けることで、ひずみゲージ100が完成する。カバー層160は、例えば、基材110の上面110aに、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製できる。カバー層160は、基材110の上面110aに、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150を露出するように液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。
Thereafter, as necessary, a
〈第1実施形態の変形例1〉
第1実施形態の変形例1では、第1実施形態とは抵抗体の配置が異なるひずみゲージを備えたバイタルセンサの例を示す。なお、第1実施形態の変形例1において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
First Modification of the First Embodiment
In the first modification of the first embodiment, an example of a vital sensor including a strain gauge in which the arrangement of resistors is different from that in the first embodiment is shown. Note that in the first modification of the first embodiment, the description of the same components as those in the already described embodiments may be omitted.
図6は、第1実施形態の変形例1に係るバイタルセンサを例示する平面図である。図6を参照すると、バイタルセンサ1Aは、ひずみゲージ100がひずみゲージ100Aに置換された点が、バイタルセンサ1と相違する。ひずみゲージ100Aは、第4抵抗体1304及び第5抵抗体1305が追加された点が、ひずみゲージ100と相違する。第4抵抗体1304及び第5抵抗体1305は、グリッド方向をX方向に向けて配置されている。
Fig. 6 is a plan view illustrating a vital sensor according to
第4抵抗体1304は、第2抵抗体1302とグリッド方向の位置が同じで、かつ第3抵抗体1303とグリッド方向に直交する方向の位置が同じである。第5抵抗体1305は、第3抵抗体1303とグリッド方向の位置が同じで、かつ第2抵抗体1302とグリッド方向に直交する方向の位置が同じである。第4抵抗体1304と第5抵抗体1305は、第1抵抗体1301を挟んで、グリッド方向に対して斜めとなる方向に、対向して配置されている。 The fourth resistor 1304 is located at the same position in the grid direction as the second resistor 1302 , and at the same position in the direction perpendicular to the grid direction as the third resistor 1303. The fifth resistor 1305 is located at the same position in the grid direction as the third resistor 1303 , and at the same position in the direction perpendicular to the grid direction as the second resistor 1302. The fourth resistor 1304 and the fifth resistor 1305 are disposed opposite each other in a direction oblique to the grid direction, with the first resistor 1301 in between.
このように、第4抵抗体1304及び第5抵抗体1305が追加されたことで、第4抵抗体1304及び第5抵抗体1305から出力が得られるため、バイタルセンサ1Aが被験者の被測定部位に装着されたときに、脈波、血管内の血液の流量変動、血管の拡張方向及び収縮方向の検出精度を向上できる。
In this way, by adding the fourth resistor 1304 and the fifth resistor 1305 , outputs can be obtained from the fourth resistor 1304 and the fifth resistor 1305 , so that when the
〈第1実施形態の変形例2〉
第1実施形態の変形例2では、第1実施形態とは各抵抗体の構造が異なるひずみゲージを備えたバイタルセンサの例を示す。なお、第1実施形態の変形例2において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Modification 2 of the First Embodiment>
In the second modification of the first embodiment, an example of a vital sensor including a strain gauge in which the structure of each resistor is different from that in the first embodiment is shown. Note that in the second modification of the first embodiment, the description of the same components as those in the already described embodiment may be omitted.
図7は、第1実施形態の変形例2に係るひずみゲージの1つの抵抗体近傍の平面図である。図8は、第1実施形態の変形例2に係るひずみゲージの1つの抵抗体近傍の断面図であり、図7のB-B線に沿う断面を示している。図7及び図8を参照すると、ひずみゲージ100Bは、基材110と、抵抗体230(複数の抵抗部231及び232)と、複数の電極251及び252とを有している。
Figure 7 is a plan view of the vicinity of one resistor of a strain gauge according to the second modification of the first embodiment. Figure 8 is a cross-sectional view of the vicinity of one resistor of a strain gauge according to the second modification of the first embodiment, showing a cross-section along line B-B in Figure 7. With reference to Figures 7 and 8, the
ひずみゲージ100Bは、抵抗体230並びに電極251及び252を含む組を3組有しており、これらは1つの基材110上に配置されている。抵抗体230並びに電極251及び252を含む各組において抵抗体230は、図1の第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303と同じ位置に配置される。ただし、1つの基材110上に抵抗体230並びに電極251及び252を含む組を1組有するひずみゲージを、起歪体10上に3つ配置してもよい。
The
抵抗体230は、基材110上に形成されており、ひずみに応じて連続的に抵抗値が変化する受感部である。抵抗体230は、基材110の上面110a及び下面110bに直接形成されてもよいし、基材110の上面110a及び下面110bに他の層を介して形成されてもよい。
The
抵抗体230は、絶縁層である基材110を介して積層された複数の抵抗部231及び232を含んでいる。なお、図7では、便宜上、抵抗部231及び232を梨地模様で示している。
The
複数の抵抗部231は、基材110の上面110aに、長手方向をX方向に向けて所定間隔でY方向に並置された薄膜である。複数の抵抗部232は、基材110の下面110bに、長手方向をY方向に向けて所定間隔でX方向に並置された薄膜である。但し、複数の抵抗部231と複数の抵抗部232とは平面視で直交している必要はなく、交差していればよい。抵抗体230は、例えば、抵抗体130と同様の材料から形成される。
The
抵抗体230の幅は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、0.1μm~1000μm(1mm)程度とすることができる。隣接する抵抗体230のピッチは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、1mm~100mm程度とすることができる。なお、図7及び図8では、抵抗部231を6本、抵抗部232を10本図示しているが、抵抗部231及び232は、実際には数100~数10000本程度設けられる。
The width of the
電極251は、基材110の上面110aにおいて、各々の抵抗部231の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部231よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極251は、押圧力により生じる抵抗部231の抵抗値の変化を外部に出力するための1対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。電極251の上面を、電極251よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部231と電極251とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。
The
電極252は、基材110の下面110bにおいて、各々の抵抗部232の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部232よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極252は、押圧力により生じる抵抗部232の抵抗値の変化を外部に出力するための1対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。電極252の上面を、電極252よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部232と電極252とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。
The
なお、基材110を貫通する貫通配線(スルーホール)を設け、電極251及び252を基材110の上面110a側又は下面110b側に集約してもよい。
In addition, a through-hole that penetrates the
抵抗部231を被覆し電極251を露出するように基材110の上面110aにカバー層(絶縁樹脂層)を設けても構わない。又、抵抗部232を被覆し電極252を露出するように基材110の下面110bにカバー層(絶縁樹脂層)を設けても構わない。カバー層を設けることで、抵抗部231及び232に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層を設けることで、抵抗部231及び232を湿気等から保護することができる。なお、カバー層は、電極251及び252を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
A cover layer (insulating resin layer) may be provided on the
ひずみゲージ100Bにおいて、抵抗部231及び/又は抵抗部232が血流による圧力でひずむと、ひずんだ抵抗部(抵抗部231及び/又は抵抗部232)に接続された1対の電極間の抵抗値がひずみの大きさに応じて連続的に変化する。したがって、各電極251及び252から検出される抵抗値の変化をモニターすることで、血流による圧力が検出された位置のXY座標や圧力の大きさや、それらの変化を知ることができる。
In
なお、血管は細く、末端になるほど分岐して血液の流れが変わるため、長手方向が一方向のみを向く抵抗体では十分な感度が得られない場合がある。ひずみゲージ100Bのように格子状の抵抗体230を有することで、血管の分岐や血管の太さ、血管の拡張や収縮などの状態に拘らず脈波情報が得られるので、より精度の高いバイタルセンサを実現できる。
In addition, since blood vessels are thin and branch toward the ends, changing the flow of blood, a resistor that faces only in one longitudinal direction may not provide sufficient sensitivity. By having a lattice-shaped
〈第1実施形態の変形例3〉
第1実施形態の変形例3では、第1実施形態とは各抵抗体の構造が異なるひずみゲージを備えたバイタルセンサの他の例を示す。なお、第1実施形態の変形例3において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Modification 3 of the First Embodiment>
In the third modification of the first embodiment, another example of a vital sensor including a strain gauge in which the structure of each resistor is different from that in the first embodiment is shown. Note that in the third modification of the first embodiment, the description of the same components as those in the embodiments already described may be omitted.
図9は、第1実施形態の変形例3に係るひずみゲージの1つの抵抗体近傍の平面図(その1)である。図9を参照すると、ひずみゲージ100Cは、基材110と、抵抗体330と、電極351及び352とを有している。
Figure 9 is a plan view (part 1) of the vicinity of one resistor of a strain gauge according to the third modification of the first embodiment. Referring to Figure 9, the
ひずみゲージ100Cは、抵抗体330並びに電極351及び352を含む組を3組有しており、これらは1つの基材110上に配置されている。抵抗体330並びに電極351及び352を含む各組において抵抗体330は、図1の第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303と同じ位置に配置される。ただし、1つの基材110上に抵抗体330及び電極351及び352を含む組を1組有するひずみゲージを、起歪体10上に3つ配置してもよい。
The
抵抗体330は、平面視において、円形渦巻き状にパターニングされている。抵抗体330は、電極351と電極352とを接続する1本の連続するパターンであるが、ここでは、便宜上、電極351からパターンが折り返す折り返し部335までを第1抵抗配線331、折り返し部335から電極352までを第2抵抗配線332と称する。なお、図9では、便宜上、第1抵抗配線331、第2抵抗配線332、及び折り返し部335を互いに異なる梨地模様で示している。
The
抵抗体330において、第1抵抗配線331は、電極351から延伸して時計回りに外周側から中心側に円形渦巻き状にパターニングされ、折り返し部335に至る。第2抵抗配線332は、折り返し部335から延伸して反時計回りに中心側から外周側に円形渦巻き状にパターニングされ、電極352に至る。
In the
第1抵抗配線331と第2抵抗配線332は、原則として交互に配置される。すなわち、折り返し部335近傍の一部分を除き、第1抵抗配線331の隣は必ず第2抵抗配線332であり、第1抵抗配線331の隣は必ず第2抵抗配線332である。折り返し部335近傍の一部分を除き、第1抵抗配線331同士、又は第2抵抗配線332同士が隣接することはない。抵抗体330は、例えば、抵抗体130と同様の材料から形成される。
The first
起歪体10が血圧を受けると、起歪体10の中心から同心円状に引張と圧縮のひずみ分布が生じる。そのため、同心円に沿うように抵抗体330を円形渦巻き状に設けることで、同心円全周のひずみを検知することができ、血圧によりわずかに発生したひずみを効率よく検知することができる。
When the
図10は、第1実施形態の変形例3に係るひずみゲージの1つの抵抗体近傍の平面図(その2)である。図10を参照すると、ひずみゲージ100Dは、基材110と、抵抗体430と、電極451及び452とを有している。
Figure 10 is a plan view (part 2) of the vicinity of one resistor of a strain gauge according to the third modification of the first embodiment. Referring to Figure 10, the
ひずみゲージ100Dは、抵抗体430並びに電極451及び452を含む組を3組有しており、これらは1つの基材110上に配置されている。抵抗体430並びに電極451及び452を含む各組において抵抗体430は、図1の第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303と同じ位置に配置される。ただし、1つの基材110上に抵抗体430及び電極451及び452を含む組を1組有するひずみゲージを、起歪体10上に3つ配置してもよい。
The
抵抗体430は、平面視において、角形渦巻き状にパターニングされている。抵抗体430は、抵抗体330の第1抵抗配線331、第2抵抗配線332、及び折り返し部335が第1抵抗配線431、第2抵抗配線432、及び折り返し部435に置換されたものである。また、電極351及び352が電極451及び452に置換されている。
The
このように、抵抗体は円形渦巻き状には限定されず、抵抗体430のような角形渦巻き状であってもよい。或いは、円形、角形以外の渦巻き状であってもよい。これらの場合も、円形渦巻き状の抵抗体330を配置する場合と同様の効果を奏する。
In this way, the resistor is not limited to a circular spiral shape, but may be a rectangular spiral shape like
図11は、第1実施形態の変形例3に係るひずみゲージの1つの抵抗体近傍の平面図(その3)である。図11を参照すると、ひずみゲージ100Eは、抵抗体330Bと、電極351B及び352Bが追加された点が、ひずみゲージ100Cと相違する。抵抗体330Bは、平面視で、抵抗体330の外側に配置された円形渦巻き状パターンである。
Figure 11 is a plan view (part 3) of the vicinity of one resistor of a strain gauge according to the third modification of the first embodiment. Referring to Figure 11,
抵抗体330Bにおいて、第1抵抗配線331Bは、電極351Bから延伸して時計回りに外周側から中心側に円形渦巻き状にパターニングされ、折り返し部335Bに至る。第2抵抗配線332Bは、折り返し部335Bから延伸して反時計回りに中心側から外周側に円形渦巻き状にパターニングされ、電極352Bに至る。抵抗体330と抵抗体330Bは、略同心円状に配置されている。
In
ひずみゲージ100Eは、抵抗体330及び330B、電極351及び352、並びに電極351B及び351Bを含む組を3組有しており、これらは1つの基材110上に配置されている。抵抗体330及び330B、電極351及び352、並びに電極351B及び351Bを含む各組において抵抗体330及び330Bは、図1の第1抵抗体1301、第2抵抗体1302、及び第3抵抗体1303と同じ位置に配置される。ただし、1つの基材110上に抵抗体330及び330B、電極351及び352、並びに電極351B及び351Bを含む組を1組有するひずみゲージを、起歪体10上に3つ配置してもよい。
The
このように、各々の抵抗体は、円形渦巻き状パターンの抵抗体330と、平面視で抵抗体330を囲むように配置された他の円形渦巻き状パターンの抵抗体330Bとを含んでもよい。この場合、抵抗体330と抵抗体330Bでハーフブリッジ回路を構成可能である。その結果、抵抗体からの出力を2倍にできるため、血流を精度よく検出できる。なお、起歪体10の下面側にも抵抗体330及び330Bと同様の円形渦巻き状パターンの抵抗体を配置してもよい。この場合、上面側の抵抗体330及び330Bと合わせてフルブリッジ回路を構成可能である。
In this way, each resistor may include
図12は、第1実施形態の変形例3に係るひずみゲージの1つの抵抗体近傍の平面図(その4)である。図12を参照すると、ひずみゲージ100Fは、抵抗体430Bと、電極451B及び452Bが追加された点が、ひずみゲージ100Dと相違する。抵抗体430Bは、平面視で、抵抗体430の外側に配置された角形渦巻き状パターンである。
Figure 12 is a plan view (part 4) of the vicinity of one resistor of a strain gauge according to the third modification of the first embodiment. Referring to Figure 12,
抵抗体430Bにおいて、第1抵抗配線431Bは、電極451Bから延伸して時計回りに外周側から中心側に角形渦巻き状にパターニングされ、折り返し部435Bに至る。第2抵抗配線432Bは、折り返し部435Bから延伸して反時計回りに中心側から外周側に角形渦巻き状にパターニングされ、電極452Bに至る。抵抗体430と抵抗体430Bは、略同心状に配置されている。
In
このように、角形渦巻き状のパターンの抵抗体430及び430Bを2重に配置してもよい。この場合も、円形渦巻き状のパターンを有する抵抗体330及び330Bを2重に配置する場合と同様の効果を奏する。なお、起歪体10の下面側にも抵抗体430及び430Bと同様の角形渦巻き状パターンの抵抗体を配置してもよい。この場合、上面側の抵抗体430及び430Bと合わせてフルブリッジ回路を構成可能である。
In this way,
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments have been described above in detail, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the claims.
1、1A バイタルセンサ、10 起歪体、100、100A、100B、100C、100D、100E、100F ひずみゲージ、110 基材、110a 上面、110b 下面、130、230、330、330B、430、430B 抵抗体、1301 第1抵抗体、1302 第2抵抗体、1303 第3抵抗体、1304 第4抵抗体、1305 第5抵抗体、130e1、130e2 終端、140 配線、141、151 第1金属層、142、152 第2金属層、150、251、252、351、351B、352、352B、451、451B、452、452B 電極、160 カバー層、231、232 抵抗部、331、331B、431、431B 第1抵抗配線、332、332B、432、432B 第2抵抗配線、335、335B、435、435B 折り返し部 1, 1A vital sensor, 10 strain body, 100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F strain gauge, 110 base material, 110a top surface, 110b bottom surface, 130, 230, 330, 330B, 430, 430B resistor , 130 1 first resistor, 130 2 second resistor, 130 3 third resistor, 130 4 fourth resistor, 130 5 fifth resistor, 130e 1 , 130e 2 termination, 140 wiring, 141, 151 1 metal layer, 142, 152 Second metal layer, 150, 251, 252, 351, 351B, 352, 352B, 451, 451B, 452, 452B electrode, 160 cover layer, 231, 232 resistor portion, 331, 331B, 431, 431B first resistor wiring, 332, 332B, 432, 432B: second resistance wiring, 335, 335B, 435, 435B: folded portion
Claims (14)
被験者の被測定部位に装着される起歪体と、
前記起歪体上に配置されたひずみゲージと、を有し、
前記ひずみゲージは、3つ以上の抵抗体を有し、
前記被測定部位において血管が延伸する方向を第1方向、前記第1方向に直交する方向を第2方向としたときに、
前記起歪体は、少なくとも3つの前記抵抗体の前記第1方向の位置が異なり、かつ前記第2方向の位置が異なるように前記被測定部位に装着される、バイタルセンサ。 A vital sensor for monitoring blood flow,
A strain body attached to a measurement site of a subject;
A strain gauge disposed on the strain body,
The strain gauge has three or more resistors,
When a direction in which the blood vessel extends at the measurement site is defined as a first direction and a direction perpendicular to the first direction is defined as a second direction,
The vital sensor, wherein the strain generating element is attached to the measurement site such that at least three of the resistors are different in position in the first direction and different in position in the second direction.
第1抵抗体と、
前記起歪体が前記被測定部位に装着されたときに前記第1抵抗体の前記第1方向の一方側かつ前記第2方向の一方側に配置される第2抵抗体と、
前記起歪体が前記被測定部位に装着されたときに前記第1抵抗体の前記第1方向の他方側かつ前記第2方向の他方側に配置される第3抵抗体と、を含み、
前記第2抵抗体と前記第3抵抗体は、前記第1抵抗体を挟んで対向する、請求項1又は2に記載のバイタルセンサ。 At least three of the resistors are
A first resistor;
a second resistor disposed on one side of the first resistor in the first direction and on one side of the first resistor in the second direction when the strain generating body is attached to the measurement portion;
a third resistor that is disposed on the other side of the first resistor in the first direction and on the other side of the second direction when the strain generating body is attached to the measurement portion,
The vital sensor according to claim 1 , wherein the second resistor and the third resistor face each other with the first resistor therebetween.
前記起歪体が前記被測定部位に装着されたときに前記第2抵抗体の前記第2方向の他方側に配置される第4抵抗体と、前記第3抵抗体の前記第2方向の一方側に配置される第5抵抗体と、をさらに含み、
前記第4抵抗体と前記第5抵抗体は、前記第1抵抗体を挟んで対向する、請求項3に記載のバイタルセンサ。 At least three of the resistors are
a fourth resistor disposed on the other side of the second resistor in the second direction when the strain generating body is attached to the measurement portion, and a fifth resistor disposed on one side of the third resistor in the second direction,
The vital sensor according to claim 3 , wherein the fourth resistor and the fifth resistor face each other with the first resistor therebetween.
グリッド方向を同一方向に向けて配置された第1抵抗体、第2抵抗体、及び第3抵抗体を含み、
前記第1抵抗体、前記第2抵抗体、及び前記第3抵抗体は、グリッド方向の位置が異なり、かつグリッド方向に直交する方向の位置が異なり、
前記第2抵抗体と前記第3抵抗体は、前記第1抵抗体を挟んで対向する、請求項1又は2に記載のバイタルセンサ。 At least three of the resistors are
a first resistor, a second resistor, and a third resistor arranged with the grid direction facing the same direction;
the first resistor, the second resistor, and the third resistor are positioned differently in a grid direction and in a direction perpendicular to the grid direction,
The vital sensor according to claim 1 , wherein the second resistor and the third resistor face each other with the first resistor therebetween.
グリッド方向を前記同一方向に向けて配置された第4抵抗体及び第5抵抗体をさらに含み、
前記第4抵抗体は、前記第2抵抗体とグリッド方向の位置が同じで、かつ第3抵抗体とグリッド方向に直交する方向の位置が同じであり、
前記第5抵抗体は、前記第3抵抗体とグリッド方向の位置が同じで、かつ第2抵抗体とグリッド方向に直交する方向の位置が同じであり、
前記第4抵抗体と前記第5抵抗体は、前記第1抵抗体を挟んで対向する、請求項5に記載のバイタルセンサ。 At least three of the resistors are
Further including a fourth resistor and a fifth resistor arranged with their grid directions facing the same direction,
the fourth resistor is located at the same position as the second resistor in a grid direction and at the same position as the third resistor in a direction perpendicular to the grid direction,
the fifth resistor is located at the same position as the third resistor in the grid direction and at the same position as the second resistor in the direction perpendicular to the grid direction,
The vital sensor according to claim 5 , wherein the fourth resistor and the fifth resistor face each other with the first resistor therebetween.
前記第1抵抗部と前記第2抵抗部は、絶縁層を介して配置されている、請求項1乃至4の何れか一項に記載のバイタルセンサ。 Each of the resistors includes a plurality of first resistor portions arranged in parallel with a longitudinal direction of the resistor in the first direction when the strain generating body is attached to the measurement portion, and a plurality of second resistor portions arranged in parallel with a longitudinal direction of the resistor in the second direction,
The vital sensor according to claim 1 , wherein the first resistor portion and the second resistor portion are disposed via an insulating layer.
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