WO2021038742A1 - ウェアラブルセンサ、発汗分析装置および方法 - Google Patents

ウェアラブルセンサ、発汗分析装置および方法 Download PDF

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優生 橋本
石原　隆子
啓 桑原
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日本電信電話株式会社
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    • A61B5/28—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electrocardiography [ECG]
    • A61B5/282—Holders for multiple electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a wearable sensor, a perspiration analyzer and a method for measuring the amount of perspiration.
  • the human body has tissues that perform electrical activities such as muscles and nerves, and in order to keep these tissues operating normally, the concentration of electrolytes in the body is kept constant mainly by the functions of the autonomic nervous system and the endocrine system. There is a mechanism to keep it. For example, when a large amount of water is lost in the body due to long-term exposure to a hot environment or sweating due to excessive exercise, and the electrolyte concentration in the body deviates from the normal value, various symptoms such as heat stroke occur. It will occur. Therefore, monitoring the amount of sweating can be said to be one of the useful methods for grasping the dehydration state of the human body.
  • Non-Patent Document 1 As a typical method for measuring the amount of sweating, there is a method for measuring the change in the amount of water vapor during sweating (see Non-Patent Document 1).
  • the amount of sweating is estimated based on the humidity difference from the outside air, it is necessary to vaporize the sweat by forced convection using an air pump.
  • the air pump occupies a relatively large volume, so that there is a problem in miniaturization of the entire device.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a wearable sensor, a perspiration analyzer and a method capable of measuring the amount of perspiration without using an air pump.
  • a base material having a through hole serving as a flow path for liquid and a first recess communicating with the outlet side end of the through hole, and an inlet side end of the through hole are opened.
  • the first electrode arranged on the surface of the base material and the liquid flowing out from the opening on the outlet side of the through hole into the first recess are arranged on the surface on the outlet side of the base material so as to come into contact with each other.
  • the water-absorbing structure is provided with a water-absorbing second electrode arranged so as to face the opening on the outlet side of the through hole on the surface of the water-absorbing structure facing the base material. It is a thing.
  • the perspiration analyzer of the present invention has a characteristic of energization between the wearable sensor and the first and second electrodes due to sweat flowing out from the through hole to the first recess and reaching the second electrode. Based on this, it is characterized by including a sweating amount calculation unit configured to calculate the sweating amount of the wearer of the wearable sensor. Further, the sweat analysis apparatus of the present invention has a characteristic of energization between the wearable sensor and the first and second electrodes due to sweat flowing out from the through hole to the first recess and reaching the second electrode. Based on the above, the wearable sensor is characterized by including an electrical resistivity calculating unit configured to calculate the electrical resistivity of sweat of the wearer.
  • a base material having a through hole serving as a flow path for sweat and a recess communicating with the outlet side end of the through hole, and the recess from the outlet side opening of the through hole.
  • a wearable sensor provided with a water-absorbing structure arranged on the outlet side surface of the base material so as to come into contact with the sweat flowing out to the wearable sensor is attached to the wearer's body, the wearable sensor faces the wearer's skin.
  • a first electrode arranged on the surface of the base material and a second electrode of water absorption arranged on the surface of the water absorbing structure facing the base material so as to face the opening on the outlet side of the through hole.
  • the amount of liquid flowing into the through hole can be measured without using an air pump. Therefore, in the present invention, if the wearable sensor is attached to the wearer's body, the sweating amount of the wearer can be measured without using an air pump. In the present invention, since an air pump is not required, the device can be miniaturized.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sweat analysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a functional block diagram of the MCU section of the sweat analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view of the wearable sensor of the sweat analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a wearable sensor of the sweat analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing how the sweat of the wearer flows into the through hole of the wearable sensor in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of FIG.
  • FIGS. 7A-7D are diagrams showing an example of a change in the current value flowing between the electrodes in the process of forming and disappearing sweat droplets.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating the operation of the sweat analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of a computer that realizes the sweat analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • the present invention does not require an air pump, samples sweat in a liquid state, and changes in time series of the current flowing when a voltage is applied to the sampled sweat. It is characterized by measuring the amount of sweating. It is also possible to analyze the electrical resistivity of sweat from the current value.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sweat analysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the sweat analysis device includes a wearable sensor 1, an AFE (Analog Front End) unit 2, an ADC (Analog Digital Converter) unit 3, a storage unit 4, an MCU (Micro Control Unit) unit 5, a communication unit 6, and the like. It includes a power supply unit 7.
  • AFE Analog Front End
  • ADC Analog Digital Converter
  • MCU Micro Control Unit
  • the wearable sensor 1 detects an electrical signal derived from sweat secreted from the wearer's skin.
  • the AFE unit 2 is provided with an analog front end, and is a circuit that amplifies a weak electric signal detected by the wearable sensor 1.
  • the ADC unit 3 is provided with an analog / digital converter, and is a circuit that converts an analog signal amplified by the AFE unit 2 into digital data at a predetermined sampling frequency.
  • the storage unit 4 stores the digital data output from the ADC unit 3.
  • the storage unit 4 is realized by a non-volatile memory typified by a flash memory, a volatile memory such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory), or the like.
  • the MCU unit 5 is a circuit responsible for signal processing for calculating the amount of perspiration and the electrical resistivity of perspiration from the digital data stored in the storage unit 4.
  • FIG. 2 is a functional block diagram of the MCU unit 5.
  • the MCU unit 5 is a sweating amount calculation unit 50 that calculates the sweating amount of the wearer based on the current-carrying characteristics between the electrodes of the wearable sensor 1, which will be described later, and the wearer's sweat based on the power-carrying characteristics between the electrodes of the wearable sensor 1.
  • This is a circuit that functions as an electric resistance calculation unit 51 that calculates the electric resistance of the above.
  • the communication unit 6 includes a circuit that wirelessly or wiredly transmits the measurement result and the analysis result obtained by the MCU unit 5 to an external device (not shown) such as a smartphone.
  • wireless communication standards include BLE (Bluetooth (registered trademark) Low Energy).
  • wired communication there is, for example, Ethernet (registered trademark).
  • the power supply unit 7 is a circuit that plays a role of supplying power to the perspiration analyzer.
  • FIG. 3 is a plan view of the wearable sensor 1
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line XX'of FIG.
  • the wearable sensor 1 has a base material 10 having a through hole 11 that serves as a flow path for liquid (sweat) and a recess 12 that communicates with an outlet-side end of the through-hole 11, and an inlet-side end of the through-hole 11.
  • the arranged water absorbing structure 15 and the water absorbing electrode 16 arranged so as to face the opening on the outlet side of the through hole 11 are provided on the surface of the water absorbing structure 15 facing the base material 10.
  • the base material 10 includes, for example, a hydrophilic glass material or a resin material. Further, the base material 10 may be a material having a surface treatment for imparting hydrophilicity to the surface of the water-repellent material and the inner surface of the through holes 11.
  • the diameter D of the through hole 11 formed in the base material 10 is, for example, about 1 mm or less.
  • a recess 12 having a recessed upper surface is formed so as to communicate with the through hole 11.
  • a recess 13 having a recessed lower surface is formed so as to communicate with the through hole 11.
  • the recess 13 is not an essential constituent requirement.
  • the wearable sensor 1 is used by the wearer so that the entrance side surface of the base material 10 faces the wearer's skin as described later. When worn on the body, it allows sweat to be collected from a wide area of the wearer's skin.
  • the electrode 14 is made of, for example, a metal thin film formed on the surface (lower surface) of the base material 10 at which the end on the inlet side of the through hole 11 opens. It is desirable that the electrode 14 is formed in the vicinity of the through hole 11. In the example of FIG. 4, the electrode 14 is formed so that a part thereof is exposed on the inner surface of the through hole 11, but the electrode 14 may not be exposed.
  • the water-absorbent structure 15 include fibers such as cotton and silk, a porous ceramic substrate, and the like.
  • the water absorption structure 15 does not need to cover the opening on the outlet side of the through hole 11 and the entire surface of the recess 12, and is arranged so as to come into contact with the droplets flowing out from the opening on the outlet side of the through hole 11 into the recess 12. You just have to.
  • Examples of the electrode 16 include a porous metal thin film formed on the surface of the water-absorbent structure 15 by, for example, a plating technique, a conductive polymer impregnated in the fibers of the water-absorbent structure 15, and conductive fibers (metals in the fibers). (Coated by vapor deposition or the like) woven or the like can be mentioned.
  • the wearable sensor 1 is attached to the wearer's body so that the lower surface of the base material 10 faces the wearer's skin 100.
  • 101 in FIG. 5 is the sweat gland of the wearer.
  • the sweat 102 is introduced into the through hole 11 from the recess 13 of the base material 10 due to the capillary phenomenon. Further, as the amount of perspiration increases, the sweat 102 rises in the through hole 11 and reaches the recess 12 provided on the upper surface of the base material 10 so as to communicate with the through hole 11 (FIG. 6).
  • the diameter D of the through hole 11, the length L of the through hole 11, and the hydrophilicity (wetting property) of the inner wall of the through hole 11 may be set so that the sweat 102 reaches the position of the recess 12 due to the capillary phenomenon.
  • a water repellent portion 17 is provided on the inner surface of the recess 12.
  • the water-repellent portion 17 may be formed by applying a water-repellent surface treatment to the inner surface of the recess 12.
  • the water-repellent portion 17 can be provided by leaving only the inner surface of the recess 12 as the water-repellent material.
  • the sweat 102 When the sweat 102 reaches the recess 12, it becomes round due to the surface tension of the sweat itself, but its shape differs depending on the state of the recess 12.
  • the water-repellent portion 17 is provided on the inner surface of the recess 12, the sweat 102 that reaches the recess 12 becomes a spherical droplet 102a as shown in FIG. Further, as the amount of perspiration increases, the diameter of the droplet 102a increases and finally reaches the electrode 16 and the water-absorbing structure 15.
  • the droplet 102a that has reached the electrode 16 and the water-absorbing structure 15 evaporates while moving in the water-absorbing structure 15 through the many holes of the electrode 16 and the many holes of the water-absorbing structure 15 due to the capillary phenomenon. As a result, the droplet 102a disappears.
  • the distance H between the water-repellent portion 17 and the water-absorbing structure 15 (depth of the recess 12) H should be set to a value at which the droplet 102a flowing out of the through hole 11 can reach the electrode 16 and the water-absorbing structure 15. Just do it.
  • the fineness of the holes of the electrode 16 and the water-absorbing structure 15 and the hydrophilicity (wetting property) of the electrode 16 and the water-absorbing structure 15 allow the sweat 102 to reach the area on the surface of the wearable sensor 1 opposite to the skin 100 due to the capillary phenomenon. It may be set to spread.
  • FIG. 7A is a diagram showing an example of a change in the current value flowing between the electrodes 14 and 16 in the process of forming and disappearing the droplet 102a.
  • the current waveform shown in FIG. 7A is a simplification of the current flowing between the electrodes 14 and 16, and is different from the actual current waveform.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating the operation of the sweat analysis apparatus of this embodiment.
  • the AFE unit 2 detects the current flowing between the electrodes 14 and 16 of the wearable sensor 1 (step S1 in FIG. 8).
  • the ADC unit 3 converts the signal detected and amplified by the AFE unit 2 into digital data (step S2 in FIG. 8).
  • the digital data output from the ADC unit 3 is stored in the storage unit 4 (step S3 in FIG. 8).
  • the sweating amount calculation unit 50 calculates the sweating amount of the wearer based on the digital data stored in the storage unit 4 (step S4 in FIG. 8). Specifically, the sweating amount calculation unit 50 sets the sweating amount as a value obtained by multiplying the volume V of the droplet 102a by the number of times of energization between the electrodes 14 and 16.
  • the volume V of the droplet 102a is based on the known distance H between the water-repellent portion 17 and the water-absorbing structure 15 and the angle (contact angle ⁇ ) between the surface of the droplet 102a and the surface of the water-repellent portion 17. Can be calculated.
  • the contact angle ⁇ can be estimated in advance based on the surface tension of the water repellent portion 17 and the surface tension of sweat. Since 99% of sweat is water, it is considered that the physical properties of water dominate the surface tension of sweat, and the surface tension of water is defined as the surface tension of sweat. In this way, the volume V of the droplet 102a can be estimated, and the amount of sweating of the wearer can be estimated.
  • the sweating amount calculation unit 50 applies the volume V of the droplet 102a to the energization cycle T (FIG. 7A) between the electrodes 14 and 16 and the area S (recess 13) of the wearer's skin 100 covered with the wearable sensor 1. By dividing by (area), it is possible to calculate the sweating rate per unit area of the wearer.
  • the electrical resistivity calculation unit 51 calculates the electrical resistivity ⁇ of sweat that changes depending on the electrolyte concentration in the sweat of the wearer (step S5 in FIG. 8). Specifically, the electrical resistivity calculation unit 51 uses the value of the known voltage applied between the electrodes 14 and 16 by the AFE unit 2 as the value of the current during energization indicated by the digital data stored in the storage unit 4. The resistance R is calculated by dividing. Then, the electrical resistivity calculation unit 51 calculates the electrical resistivity ⁇ based on the resistance R, the known distance l between the electrodes 14 and 16, and the cross-sectional area A of the sweat between the electrodes 14 and 16. As for the cross-sectional area A of sweat, the specified value when the cross-sectional area of sweat between the electrodes 14 and 16 is regarded as constant may be used.
  • the communication unit 6 transmits the calculation result of the sweating amount calculation unit 50 and the calculation result of the electrical resistivity calculation unit 51 to an external device (not shown) such as a smartphone (step S6 in FIG. 8).
  • the sweat analyzer repeatedly executes the processes of steps S1 to S6 until, for example, the wearer gives an instruction to end the measurement (YES in step S7 of FIG. 8).
  • the device can be made smaller than the method disclosed in Non-Patent Document 1. Further, in this embodiment, the electrical resistivity of the wearer's sweat can be calculated, and the electrolyte concentration (mainly the concentration of Na, K, Cl) in the sweat can be estimated from the electrical resistivity.
  • the storage unit 4 and the MCU unit 5 described in this embodiment can be realized by a computer provided with a CPU (Central Processing Unit), a storage device, and an interface, and a program for controlling these hardware resources.
  • a configuration example of this computer is shown in FIG.
  • the computer includes a CPU 200, a storage device 201, and an interface device (hereinafter, abbreviated as I / F) 202.
  • the ADC unit 3, the communication unit 6, the power supply unit 7, and the like are connected to the I / F 202.
  • a program for realizing the sweat analysis method of the present invention is stored in the storage device 201.
  • the CPU 200 executes the process described in this embodiment according to the program stored in the storage device 201.
  • the present invention can be applied to a technique for analyzing the amount of sweating.
  • 1 wearable sensor, 2 ... AFE unit, 3 ... ADC unit, 4 ... storage unit, 5 ... MCU unit, 6 ... communication unit, 7 ... power supply unit, 10 ... base material, 11 ... through hole, 12, 13 ... recess , 14, 16 ... Electrodes, 15 ... Water absorption structure, 17 ... Water repellent part, 50 ... Sweat amount calculation unit, 51 ... Electrical resistivity calculation unit.

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Abstract

ウェアラブルセンサ（１）は、液体の流路となる貫通孔（１１）と貫通孔（１１）の出口側の端部と連通する凹部（１２）とを有する基材（１０）と、貫通孔（１１）の入口側の端部が開口する基材（１０）の面に配置された電極（１４）と、貫通孔（１１）の出口側の開口から凹部（１２）に流出した液体と接触するように基材（１０）の出口側の面に配置された吸水構造体（１５）と、吸水構造体（１５）の基材（１０）と向かい合う面に、貫通孔（１１）の出口側の開口と向かい合うように配置された吸水性の電極（１６）を備えている。貫通孔（１１）から凹部（１２）に流出した汗（１０２）による電極（１４）と電極（１６）間の通電特性に基づいて、ウェアラブルセンサ（１）の着用者の発汗量を算出する。

Description

ウェアラブルセンサ、発汗分析装置および方法
　本発明は、発汗量を計測するためのウェアラブルセンサ、発汗分析装置および方法に関するものである。
　人体には、筋肉や神経等の電気的な活動を行う組織があり、これらの組織を正常に稼働させ続けるために、主に自律神経系と内分泌系の働きにより、体内の電解質濃度を一定に保つ仕組みが備わっている。例えば、暑熱環境下への長時間の暴露や過度な運動等による発汗で体内の水分が大量に失われ、体内の電解質濃度が正常値から外れると、熱中症に代表される様々な諸症状が生じることとなる。
　そのため、発汗量をモニタリングすることは、人体の脱水状況を把握する上で有益な手法の１つといえる。
　代表的な発汗量の計測方法として、発汗時の水蒸気量の変化を計測する方法がある（非特許文献１参照）。非特許文献１に開示された方法では、外気との湿度差に基づいて発汗量を推定するため、エアーポンプを用いた強制対流により汗を気化させる必要がある。このエアーポンプを用いる方法では、人が身に着けるウェアラブルな形態での計測を考慮した場合、エアーポンプが比較的大きな体積を占めてしまうため、装置全体の小型化に課題があった。
鶴岡　典子，河野　隆宏，松永　忠雄，永富　良一，芳賀　洋一，"小型発汗計の開発とストレス負荷及び温熱負荷時の発汗計測"，生体医工学，５４巻５号，ｐｐ．２０７－２１７，２０１６年
　本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、エアーポンプを用いることなく発汗量を計測することができるウェアラブルセンサ、発汗分析装置および方法を提供することを目的とする。
　本発明のウェアラブルセンサは、液体の流路となる貫通孔とこの貫通孔の出口側の端部と連通する第１の凹部とを有する基材と、前記貫通孔の入口側の端部が開口する前記基材の面に配置された第１の電極と、前記貫通孔の出口側の開口から前記第１の凹部に流出した前記液体と接触するように前記基材の出口側の面に配置された吸水構造体と、前記吸水構造体の前記基材と向かい合う面に、前記貫通孔の出口側の開口と向かい合うように配置された吸水性の第２の電極とを備えることを特徴とするものである。
　また、本発明の発汗分析装置は、ウェアラブルセンサと、前記貫通孔から前記第１の凹部に流出して前記第２の電極に到達した汗による前記第１、第２の電極間の通電特性に基づいて、前記ウェアラブルセンサの着用者の発汗量を算出するように構成された発汗量算出部とを備えることを特徴とするものである。
　また、本発明の発汗分析装置は、ウェアラブルセンサと、前記貫通孔から前記第１の凹部に流出して前記第２の電極に到達した汗による前記第１、第２の電極間の通電特性に基づいて、前記ウェアラブルセンサの着用者の汗の電気抵抗率を算出するように構成された電気抵抗率算出部とを備えることを特徴とするものである。
　また、本発明の発汗分析方法は、汗の流路となる貫通孔とこの貫通孔の出口側の端部と連通する凹部とを有する基材と、前記貫通孔の出口側の開口から前記凹部に流出した汗と接触するように前記基材の出口側の面に配置された吸水構造体とを備えたウェアラブルセンサを、着用者の身体に装着したときに、前記着用者の皮膚と向かい合う前記基材の面に配置された第１の電極と、前記吸水構造体の前記基材と向かい合う面に、前記貫通孔の出口側の開口と向かい合うように配置された吸水性の第２の電極との間の通電特性を検出する第１のステップと、前記第１、第２の電極間の通電特性に基づいて、前記ウェアラブルセンサの着用者の発汗量を算出する第２のステップとを含むことを特徴とするものである。
　本発明によれば、エアーポンプを用いることなく、貫通孔に流入する液体の量を計測することができる。したがって、本発明では、ウェアラブルセンサを着用者の身体に装着すれば、エアーポンプを用いることなく着用者の発汗量を計測することができる。本発明では、エアーポンプを必要としないので、装置を小型化することができる。
図１は、本発明の実施例に係る発汗分析装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係る発汗分析装置のＭＣＵ部の機能ブロック図である。 図３は、本発明の実施例に係る発汗分析装置のウェアラブルセンサの平面図である。 図４は、本発明の実施例に係る発汗分析装置のウェアラブルセンサの断面図である。 図５は、本発明の実施例において着用者の汗がウェアラブルセンサの貫通孔中に流入する様子を示す断面図である。 図６は、図５を拡大した断面図である。 図７Ａ－図７Ｄは、汗の液滴の形成消失過程で電極間に流れる電流値の変化の１例を示す図である。 図８は、本発明の実施例に係る発汗分析装置の動作を説明するフローチャートである。 図９は、本発明の実施例に係る発汗分析装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
［発明の原理］
　本発明は、非特許文献１に開示された方法とは異なり、エアーポンプを不要とし、汗を液体状態でサンプリングして、サンプリングした汗に電圧を印加した際に流れる電流の時系列変化から、発汗量計測を行うことを特徴とする。また、電流値から汗の電気抵抗率を分析することも可能である。
［実施例］
　以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る発汗分析装置の構成を示すブロック図である。発汗分析装置は、ウェアラブルセンサ１と、ＡＦＥ（Analog Front End）部２と、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）部３と、記憶部４と、ＭＣＵ（Micro Control Unit）部５と、通信部６と、電源部７とを備えている。
　ウェアラブルセンサ１は、着用者の皮膚から分泌される汗に由来する電気信号を検出する。
　ＡＦＥ部２は、アナログフロントエンドを備えており、ウェアラブルセンサ１によって検出された微弱な電気信号を増幅する回路である。
　ＡＤＣ部３は、アナログ／デジタル変換器を備えており、ＡＦＥ部２によって増幅されたアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタルデータに変換する回路である。
　記憶部４は、ＡＤＣ部３より出力されたデジタルデータを記憶する。記憶部４は、フラッシュメモリに代表される不揮発性メモリや、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のような揮発性メモリ等で実現される。
　ＭＣＵ部５は、記憶部４に格納されているデジタルデータから発汗量および汗の電気抵抗率を算出する信号処理を担う回路である。
　図２はＭＣＵ部５の機能ブロック図である。ＭＣＵ部５は、後述するウェアラブルセンサ１の電極間の通電特性に基づいて着用者の発汗量を算出する発汗量算出部５０と、ウェアラブルセンサ１の電極間の通電特性に基づいて着用者の汗の電気抵抗率を算出する電気抵抗率算出部５１として機能する回路である。
　通信部６は、ＭＣＵ部５によって得られた計測結果および分析結果を、スマートフォン等の外部装置（不図示）に無線または有線により送信する回路を含む。無線通信の規格としては、例えばＢＬＥ（Bluetooth（登録商標） Low Energy）などがある。また、有線通信の規格としては、例えばイーサネット（登録商標）などがある。
　電源部７は、発汗分析装置への電源供給の役割を担う回路である。
　図３はウェアラブルセンサ１の平面図、図４は図３のＸ－Ｘ’線断面図である。ウェアラブルセンサ１は、液体（汗）の流路となる貫通孔１１と貫通孔１１の出口側の端部と連通する凹部１２とを有する基材１０と、貫通孔１１の入口側の端部が開口する基材１０の面（下面）に配置された電極１４と、貫通孔１１の出口側の開口から凹部１２に流出した液体と接触するように基材１０の出口側の面（上面）に配置された吸水構造体１５と、吸水構造体１５の基材１０と向かい合う面に、貫通孔１１の出口側の開口と向かい合うように配置された吸水性の電極１６とを備えている。
　基材１０としては、例えば親水性のガラス材料または樹脂材料からなるものがある。また、撥水性の材料の表面および貫通孔１１の内面に親水性を付与する表面処理が施されたものを基材１０としてもよい。基材１０に形成された貫通孔１１の直径Ｄは、例えば１ｍｍ以下程度である。
　基材１０の上面には、上面を窪ませた形状の凹部１２が貫通孔１１と連通するように形成されている。反対に、基材１０の下面には、下面を窪ませた形状の凹部１３が貫通孔１１と連通するように形成されている。
　なお、本発明において、凹部１３は必須の構成要件ではない。ただし、基材１０の入口側の面（下面）に凹部１３を設けた場合、後述のように基材１０の入口側の面が着用者の皮膚と向かい合うように、ウェアラブルセンサ１を着用者の身体に装着したときに、着用者の皮膚の広い範囲から汗を集めることが可能となる。
　電極１４は、例えば貫通孔１１の入口側の端部が開口する基材１０の面（下面）に形成された金属薄膜からなる。電極１４は、貫通孔１１の近傍に形成されることが望ましい。図４の例では、電極１４は、その一部が貫通孔１１の内面に露出するように形成されているが、露出していなくてもよい。
　吸水構造体１５の例としては、綿、絹等の繊維や、多孔質セラミック基板等を挙げることができる。なお、吸水構造体１５は、貫通孔１１の出口側の開口と凹部１２の全面を覆う必要はなく、貫通孔１１の出口側の開口から凹部１２に流出した液滴に接触できるように配置されていればよい。
　電極１６の例としては、吸水構造体１５の表面に例えばめっき技術によって形成した多孔質金属薄膜や、導電性高分子を吸水構造体１５の繊維に含浸させたもの、導電繊維（繊維に金属を蒸着等によりコーティングしたもの）を編みこんだもの等を挙げることができる。
　ウェアラブルセンサ１は、図５に示すように基材１０の下面が着用者の皮膚１００と向かい合うように着用者の身体に装着される。図５の１０１は着用者の汗腺である。
　着用者が発汗すると、汗１０２は、毛細管現象により基材１０の凹部１３内から貫通孔１１内に導入されていく。さらに、発汗量の増加により、汗１０２は、貫通孔１１内を上昇して、貫通孔１１と連通するように基材１０の上面に設けられた凹部１２に到達する（図６）。
　貫通孔１１の直径Ｄ、貫通孔１１の長さＬ、貫通孔１１の内壁の親水性（ぬれ性）は、毛細管現象により凹部１２の位置まで汗１０２が達するように設定すればよい。
　図６の拡大図で示すように、凹部１２の内面には撥水部１７が設けられている。基材１０に親水性の材料を用いる場合には、凹部１２の内面に撥水性の表面処理を施すようにして、撥水部１７を形成すればよい。基材１０に撥水性の材料を用いる場合には、凹部１２の内面のみ撥水性の材料のままとすることにより、撥水部１７を設けることができる。
　汗１０２は、凹部１２に到達すると、汗自体の表面張力によって丸くなるが、その形状は凹部１２の状態によって異なる。本実施例では、凹部１２の内面に撥水部１７を設けているため、凹部１２に到達した汗１０２は、図６に示すように球状の液滴１０２ａとなる。さらに、発汗量が増加すると、液滴１０２ａは、その直径が増して、遂には電極１６と吸水構造体１５とに到達する。
　電極１６と吸水構造体１５とに到達した液滴１０２ａは、毛細管現象により電極１６の多数の孔および吸水構造体１５の多数の孔を通って、吸水構造体１５内を移動しながら蒸発する。これにより、液滴１０２ａが消失する。
　撥水部１７と吸水構造体１５間の距離（凹部１２の深さ）Ｈは、貫通孔１１から流出した液滴１０２ａが電極１６と吸水構造体１５とに到達可能な値に設定しておけばよい。電極１６と吸水構造体１５の孔の細さ、電極１６と吸水構造体１５の親水性（ぬれ性）は、毛細管現象により皮膚１００と反対側のウェアラブルセンサ１の表面上の領域まで汗１０２が拡散するように設定すればよい。
　図７Ａは、上記の液滴１０２ａの形成消失過程で電極１４と１６間に流れる電流値の変化の１例を示す図である。なお、図７Ａに示す電流波形は、電極１４と１６間に流れる電流を単純化したものであって、実際の電流波形とは異なる。
　時刻ｔ１において、図７Ｂに示すように汗１０２の液滴１０２ａが電極１６に接触すると、電解質を含む汗１０２によって電極１４と１６間が通電し、図７Ａのように電流が流れる。時刻ｔ２において、図７Ｃに示すように液滴１０２ａが消失すると、電流が流れなくなる。さらに発汗量の増加により、時刻ｔ３において、図７Ｄに示すように液滴１０２ａが電極１６に接触すると、再び電流が流れる。
　こうして、液滴１０２ａの形成と消失により、電極１４と１６間の通電が繰り返し発生する。
　図８は本実施例の発汗分析装置の動作を説明するフローチャートである。ＡＦＥ部２は、ウェアラブルセンサ１の電極１４と１６間に流れる電流を検出する（図８ステップＳ１）。
　ＡＤＣ部３は、ＡＦＥ部２によって検出され増幅された信号をデジタルデータに変換する（図８ステップＳ２）。ＡＤＣ部３から出力されたデジタルデータは、記憶部４に格納される（図８ステップＳ３）。
　発汗量算出部５０は、記憶部４に格納されたデジタルデータに基づいて着用者の発汗量を算出する（図８ステップＳ４）。具体的には、発汗量算出部５０は、液滴１０２ａの体積Ｖに、電極１４と１６間の通電回数を乗じた値を発汗量とする。
　液滴１０２ａの体積Ｖは、撥水部１７と吸水構造体１５間の既知の距離Ｈと、液滴１０２ａの表面と撥水部１７の表面とのなす角（接触角θ）とに基づいて算出することができる。接触角θは、撥水部１７の表面張力と汗の表面張力とに基づいて予め見積もることが可能である。汗は９９％が水なので、汗の表面張力も水の物性が支配的であるものと考えて、水の表面張力を汗の表面張力とする。
　こうして、液滴１０２ａの体積Ｖを推定することができ、着用者の発汗量を推定することができる。
　また、発汗量算出部５０は、液滴１０２ａの体積Ｖを、電極１４と１６間の通電周期Ｔ（図７Ａ）と、ウェアラブルセンサ１で覆われた着用者の皮膚１００の面積Ｓ（凹部１３の面積）とで除することにより、着用者の単位面積あたりの発汗速度を算出することが可能である。
　また、電気抵抗率算出部５１は、着用者の汗中の電解質濃度により変化する汗の電気抵抗率ρを算出する（図８ステップＳ５）。具体的には、電気抵抗率算出部５１は、ＡＦＥ部２が電極１４と１６間に印加する既知の電圧の値を、記憶部４に格納されたデジタルデータが示す通電時の電流の値で除することにより、抵抗Ｒを算出する。そして、電気抵抗率算出部５１は、抵抗Ｒと、電極１４と１６間の既知の距離ｌと、電極１４と１６間の汗の断面積Ａとに基づいて電気抵抗率ρを算出する。なお、汗の断面積Ａについては、電極１４と１６間の汗の断面積を一定とみなしたときの規定値を使用すればよい。
　通信部６は、発汗量算出部５０の算出結果と電気抵抗率算出部５１の算出結果とをスマートフォン等の外部装置（不図示）に送信する（図８ステップＳ６）。
　発汗分析装置は、例えば着用者から測定終了の指示があるまで（図８ステップＳ７においてＹＥＳ）、ステップＳ１～Ｓ６の処理を繰り返し実行する。
　以上、本実施例により、ウェアラブルな形態で着用者の発汗量の計測を実現することができる。本実施例では、エアーポンプを必要としないので、非特許文献１に開示された方法よりも装置を小型化することができる。
　また、本実施例では、着用者の汗の電気抵抗率を算出することができ、電気抵抗率から汗中の電解質濃度（主としてＮａ，Ｋ，Ｃｌの濃度）を推定することが可能となる。
　本実施例で説明した記憶部４とＭＣＵ部５とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図９に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、ＡＤＣ部３と通信部６と電源部７等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の発汗分析方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。
　本発明は、発汗量を分析する技術に適用することができる。
　１…ウェアラブルセンサ、２…ＡＦＥ部、３…ＡＤＣ部、４…記憶部、５…ＭＣＵ部、６…通信部、７…電源部、１０…基材、１１…貫通孔、１２，１３…凹部、１４，１６…電極、１５…吸水構造体、１７…撥水部、５０…発汗量算出部、５１…電気抵抗率算出部。

Claims (8)

  1. 　液体の流路となる貫通孔とこの貫通孔の出口側の端部と連通する第１の凹部とを有する基材と、
    　前記貫通孔の入口側の端部が開口する前記基材の面に配置された第１の電極と、
    　前記貫通孔の出口側の開口から前記第１の凹部に流出した前記液体と接触するように前記基材の出口側の面に配置された吸水構造体と、
    　前記吸水構造体の前記基材と向かい合う面に、前記貫通孔の出口側の開口と向かい合うように配置された吸水性の第２の電極とを備えることを特徴とするウェアラブルセンサ。
  2. 　請求項１記載のウェアラブルセンサにおいて、
    　前記貫通孔の入口側の端部は、前記基材が着用者の皮膚と向かい合うように前記着用者の身体に装着されたときに、前記基材の前記着用者の皮膚と向かい合う入口側に開口することを特徴とするウェアラブルセンサ。
  3. 　請求項１または２記載のウェアラブルセンサにおいて、
    　前記基材は、前記貫通孔の入口側の端部が開口する面と前記貫通孔の内面とが親水性を有し、前記第１の凹部の内面が撥水性を有することを特徴とするウェアラブルセンサ。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載のウェアラブルセンサにおいて、
    　前記基材は、前記貫通孔の入口側の端部が開口する面に、前記貫通孔の入口側の端部と連通するように設けられた第２の凹部をさらに有することを特徴とするウェアラブルセンサ。
  5. 　請求項２乃至４のいずれか１項に記載のウェアラブルセンサと、
    　前記貫通孔から前記第１の凹部に流出して前記第２の電極に到達した汗による前記第１、第２の電極間の通電特性に基づいて、前記ウェアラブルセンサの着用者の発汗量を算出するように構成された発汗量算出部とを備えることを特徴とする発汗分析装置。
  6. 　請求項５項に記載の発汗分析装置において、
    　前記発汗量算出部は、前記貫通孔から前記第１の凹部に流出して前記第２の電極に到達する高さになった汗の液滴の予め想定される体積に、前記第１、第２の電極間の通電回数を乗じた値を前記発汗量とすることを特徴とする発汗分析装置。
  7. 　請求項２乃至４のいずれか１項に記載のウェアラブルセンサと、
    　前記貫通孔から前記第１の凹部に流出して前記第２の電極に到達した汗による前記第１、第２の電極間の通電特性に基づいて、前記ウェアラブルセンサの着用者の汗の電気抵抗率を算出するように構成された電気抵抗率算出部とを備えることを特徴とする発汗分析装置。
  8. 　汗の流路となる貫通孔とこの貫通孔の出口側の端部と連通する凹部とを有する基材と、前記貫通孔の出口側の開口から前記凹部に流出した汗と接触するように前記基材の出口側の面に配置された吸水構造体とを備えたウェアラブルセンサを、着用者の身体に装着したときに、前記着用者の皮膚と向かい合う前記基材の面に配置された第１の電極と、前記吸水構造体の前記基材と向かい合う面に、前記貫通孔の出口側の開口と向かい合うように配置された吸水性の第２の電極との間の通電特性を検出する第１のステップと、
    　前記第１、第２の電極間の通電特性に基づいて、前記ウェアラブルセンサの着用者の発汗量を算出する第２のステップとを含むことを特徴とする発汗分析方法。
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