WO2021065085A1

WO2021065085A1 - 圧電センサおよび生体情報取得用衣服

Info

Publication number: WO2021065085A1
Application number: PCT/JP2020/023171
Authority: WO
Inventors: 高橋　渉
Original assignee: 住友理工株式会社
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2021-04-08
Also published as: JP2021053169A

Abstract

生体情報取得用衣服（１）は、衣服（１０）と圧電センサ（２０）とを備える。圧電センサ（２０）は、衣服（１０）を着用した被検者（９）の生体情報を測定する。圧電センサ（２０）は、エラストマーおよび圧電粒子を含む圧電層（３１）と、圧電層（３１）を挟んで配置される電極層（３２ａ、３２ｂ）と、を有するセンサ素子（３０）と、エラストマーを含みセンサ素子（３０）に積層される弾性層（４０）と、を有し、衣服（１０）の伸縮に追従して伸縮する。圧電センサ（２０）を一軸方向に１０％伸長した１０％伸長時のセンサ感度は、伸長前のセンサ感度の１／２以上であり、圧電センサ（２０）のばね定数は、衣服（１０）のばね定数よりも大きい。

Description

圧電センサおよび生体情報取得用衣服

　本発明は、柔軟な圧電センサが装着された生体情報取得用衣服に関する。

　呼吸状態や心拍数といった生体情報は、人の体調や気分などにより変化する。このため、生体情報を継続して測定し、その傾向を把握することは、健康を管理する上で大切である。近年、日々の健康管理やトレーニング中の心拍などをモニタリングするために、生体情報を測定するウェアラブルデバイスが普及しつつある。例えば、心拍数の測定方法としては、心電図法、光電脈波法などがあるが、前者は電極を、後者は脈波センサを、被検者の肌に直接装着しなければならない。すなわち、心電図法は、被検者の肌に電極を直接貼り付けて電位の変化を測定する方法であるため、衣服などの介在物があると測定できない。光電脈波法も、血液中のヘモグロビンが入射光を吸収する特性を利用して血流量の変化を測定する方法であるため、同様である。ウェアラブルデバイスは、簡便かつ継続して測定できることが利点であるが、肌に直接装着したり、就寝時にも装着しなければならないことは、煩わしさや違和感につながる。

　生体情報の測定装置としては、圧電材料を使用した圧電センサを備える装置も知られている。例えば、特許文献１には、衣類に生体情報取得用センサを装着してなる生体情報取得用衣類が記載されている。当該生体情報取得用センサは、ポリオレフィン系樹脂発泡シートを含む圧電シートを有している。特許文献２には、糸状に形成された圧電センサが衣類に縫い付けられた生体情報計測装置が記載されている。当該圧電センサは、ポリ乳酸系高分子などのヘリカルキラル高分子を含む圧電体を有している。特許文献３には、エラストマーおよび圧電粒子を含む圧電層と、エラストマーおよび導電材を含む電極層と、を有する圧電センサが記載されている。特許文献３には、当該圧電センサは、ウェアラブルな生体情報センサとして使用できることが記載されている。

特開２０１４－１９９２２６号公報特開２０１９－１１３３９６号公報特開２０１７－２８３２３号公報

　特許文献１、２に記載されている圧電センサは、ポリオレフィン系樹脂やポリ乳酸系高分子などの比較的硬質な圧電材料を使用しているため、柔軟性に乏しい。また、特許文献１～３に記載のいずれの測定装置においても、衣服の伸縮性と圧電センサの伸縮性との関係は検討されていない。このため、衣服に圧電センサを取り付けた場合、着用時に被検者の体の動きを規制したり、被検者に違和感を与えるおそれがある。着用時に被検者が違和感を覚えると、衣服を着用すること自体にストレスを感じるようになり、継続して生体情報を測定することが難しくなる。

　本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、柔軟で感度が高く、衣服に取り付けてもその着用者（被検者）に違和感を与えにくい圧電センサ、および着用した際に違和感が少ない生体情報取得用衣服を提供することを課題とする。

　（１）上記課題を解決するため、本発明の圧電センサは、衣服に取り付けられ、該衣服を着用する被検者の生体情報を測定する圧電センサであって、該圧電センサは、エラストマーおよび圧電粒子を含む圧電層と、該圧電層を挟んで配置される電極層と、を有するセンサ素子と、エラストマーを含み該センサ素子に積層される弾性層と、を有し、該衣服の伸縮に追従して伸縮し、該圧電センサを一軸方向に１０％伸長した１０％伸長時のセンサ感度は、伸長前のセンサ感度の１／２以上であり、該圧電センサのばね定数は、該衣服のばね定数よりも大きいことを特徴とする圧電センサことを特徴とする。

　（２）本発明の生体情報取得用衣服は、衣服と、上記（１）の本発明の圧電センサと、を備えることを特徴とする。

　（１）本発明の圧電センサは、センサ素子を構成する圧電層および弾性層にエラストマーを含むため、圧電センサ全体が柔軟である。このため、衣服に取り付けた場合に、衣服の動きに追従して変形し、衣服の伸縮性を阻害しにくい。本発明の圧電センサを取り付けた衣服（生体情報取得用衣服）は、被検者の体の動きを規制しないため、被検者が着用時に動きづらさなどの違和感を覚えにくい。また、本発明の圧電センサは、被検者の体に直接装着するのではなく、衣服に取り付けて使用される。この場合、あえて被検者の体に接触するように配置する必要もない。したがって、圧電センサの装着感が小さくなり、測定時のストレスが軽減される。

　本発明の圧電センサにおいて、圧電センサのばね定数は衣服のばね定数よりも大きい。このため、被検者の呼吸や心弾動に伴う体の動きによる衣服の歪みが、圧電センサに伝わりやすい。すなわち、衣服の歪みにより生じる応力が、圧電センサに集中しやすい。圧電センサの出力ゲイン（出力値における最大値と最小値との差）は、圧電センサに加わる力に比例するため、圧電力センサに応力が集中することにより、出力ゲインが大きくなり、測定精度が向上する。また、圧電センサの１０％伸長時のセンサ感度は、伸長前のセンサ感度の１／２以上である。このため、圧電センサは、伸長されても高い感度を有し、呼吸および心拍による微弱な振動を、精度良く測定することができる。

　（２）本発明の生体情報取得用衣服には、本発明の圧電センサが装着される。したがって、上述したとおり、着用時に被検者が動きづらさなどの違和感を覚えにくい。また、圧電センサは衣服に装着されるため、被検者の体に直接装着する場合と比較して、圧電センサの装着感が小さくなり、測定時のストレスが軽減される。本発明の生体情報取得用衣服によると、呼吸、心拍などの生体情報を、精度良く測定することができる。

第一実施形態の生体情報取得用衣服の正面図である。同生体情報取得用衣服に取り付けられている圧電センサの厚さ方向断面図である。第二実施形態の圧電センサの厚さ方向断面図である。第三実施形態の圧電センサの厚さ方向断面図である。

　まず、本発明の圧電センサおよび生体情報取得用衣服の一実施形態を説明する。図１に、第一実施形態の生体情報取得用衣服の正面図を示す。図２に、同生体情報取得用衣服に取り付けられている圧電センサの厚さ方向断面図を示す。

　図１に示すように、生体情報取得用衣服１は、衣服１０と、圧電センサ２０と、を備えている。本実施形態においては、被検者９の肩幅方向を左右方向、身長方向を上下方向と定義する。そして、圧電センサ２０の左右方向の長さを「幅」、上下方向の長さを「長さ」と称す。

　衣服１０は、コンプレッションウェアである。コンプレッションウェアは、伸縮性を有する布地からなり、着用時に被検者９の体に密着している。

　圧電センサ２０は、衣服１０の被検者９側とは反対側の表面１１に接着されている。圧電センサ２０は、衣服１０を着用した被検者９の心臓付近に取り付けられている。圧電センサ２０は、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、最大厚さ０．３８５ｍｍ（３８５μｍ）の正方形シート状を呈している。図２に示すように、圧電センサ２０は、センサ素子３０と、弾性層４０と、を有している。圧電センサ２０は、センサ素子３０と弾性層４０とが厚さ方向（表裏方向）に積層されている感圧部Ｓを有している。感圧部Ｓは、幅２０ｍｍ、長さ２０ｍｍの正方形状を呈している。圧電センサ２０は、左右方向に１０％以上伸長可能であり、衣服１０の伸縮に追従して伸縮する。

　センサ素子３０は、圧電層３１と、一対の電極層３２ａ、３２ｂと、を有している。圧電層３１は、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ＸＨ－ＮＢＲ）とニオブ酸リチウムナトリウムカリウム粒子とを含んでいる。ニオブ酸リチウムナトリウムカリウム粒子のキュリー温度は、４８０℃である。ニオブ酸リチウムナトリウムカリウム粒子の含有量は、ＸＨ－ＮＢＲの体積を１００％とした場合の４８体積％である。圧電層３１の厚さは０．０３５ｍｍ（３５μｍ）である。圧電層３１には分極処理が施されており、ニオブ酸リチウムナトリウムカリウム粒子は、圧電層３１の厚さ方向（表裏方向）に分極している。

　電極層３２ａは、圧電層３１の表面に配置されている。電極層３２ａは、グリシジルエーテル基変性アクリルゴムと複層グラフェンとを含んでいる。電極層３２ａの厚さは、０．０２ｍｍ（２０μｍ）である。電極層３２ｂは、圧電層３１の裏面に配置されている。電極層３２ｂの材質、大きさなどは、電極層３２ａのそれと同じである。

　弾性層４０は、固定層４１と、保護層４２と、を有している。固定層４１は、電極層３２ｂの裏面に配置されている。固定層４１は、熱可塑性エラストマーを使用したホットメルトフィルムから形成されている。当該ホットメルトフィルムの融点は８０℃であり、厚さは３０μｍである。固定層４１は、衣服１０とセンサ素子３０との間に配置され、センサ素子３０を含む圧電センサ２０全体を衣服１０に接着している。保護層４２は、センサ素子３０全体を覆うように配置されている。保護層４２は、熱可塑性エラストマーを含んでいる。保護層４２の厚さは、２５０μｍである。

　センサ素子３０と保護層４２との間には、接着層４３が配置されている。接着層４３は、電極層３２ａの表面に配置されている。接着層４３は、固定層４１と同じホットメルトフィルムから形成されている。接着層４３は、電極層３２ａ（センサ素子３０）を保護層４２に接着している。

　圧電センサ２０を左右方向に１０％伸長した１０％伸長時のセンサ感度は、伸長前のセンサ感度と同じ（伸長前のセンサ感度の１倍）である。圧電センサ２０のばね定数は、衣服１０のばね定数の３．４倍である。

　電極層３２ａ、３２ｂは、各々、配線を介して図示しない制御回路部と電気的に接続されている。被検者９の呼吸および心拍により胸部や腹部が動き、それに伴い衣服１０が伸縮する。これにより、圧電センサ２０も伸縮して、圧電層３１に電荷が発生する。発生した電荷（出力信号）は、制御回路部にて電圧や電流の変化として検出される。これに基づいて、被検者９の呼吸および心拍が測定される。

　本実施形態において、衣服１０は、伸縮性および密着性に優れるコンプレッションウェアである。そして、圧電センサ２０を構成するセンサ素子３０（圧電層３１、電極層３２ａ、３２ｂ）、弾性層４０（固定層４１、保護層４２）は、いずれもエラストマーを含む。さらに、接着層４３もエラストマーを含む。このように、圧電センサ２０全体が柔軟であるため、生体情報取得用衣服１は、被検者９の体の動きを規制しにくい。したがって、被検者９は、動きづらさなどの違和感を覚えにくい。また、圧電センサ２０は、衣服１０の表面１１（外側）に取り付けられる。すなわち、圧電センサ２０は、被検者９の体に接触しない。したがって、圧電センサ２０の装着感が小さくなり、測定時のストレスが軽減される。

　固定層４１は、１２０℃程度の比較的低温で加熱することにより溶融する。これにより、圧電センサ２０をアイロンなどで衣服１０に簡単に接着することができる。また、圧電層３１に含有される圧電粒子のキュリー温度は、当該加熱温度よりも高いため、圧電センサ２０を加熱して接着しても圧電性に影響はない。

　圧電センサ２０のばね定数は、衣服１０のばね定数よりも大きい。このため、被検者９の呼吸や心弾動に伴う体の動きによる衣服１０の歪みが、圧電センサ２０に伝わりやすい。すなわち、衣服１０の歪みにより生じる応力が、圧電センサ２０に集中しやすい。圧電センサ２０の出力ゲイン（出力値における最大値と最小値との差）は、圧電センサ２０に加わる力に比例するため、圧電力センサ２０に応力が集中することにより、出力ゲインが大きくなり、測定精度が向上する。

　また、圧電センサ２０の１０％伸長時のセンサ感度は、伸長前のセンサ感度の１／２以上である。このため、圧電センサ２０は、伸長されても高い感度を有し、呼吸および心拍による微弱な振動を、精度良く測定することができる。

　以上、本発明の圧電センサおよび生体情報取得用衣服の一実施形態を説明した。本発明の圧電センサおよび生体情報取得用衣服は、上記形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良などを施した種々の形態にて実施することができる。

　＜衣服＞
　圧電センサが取り付けられる衣服は、特に限定されるものではない。呼吸および心拍などの微弱な振動を正確に圧電センサに伝達するという観点から、伸縮性を有し、かつ着用時にできるだけ被検者の体に密着するものが望ましい。例えば、アンダーウェアなどに用いられるコンプレッションウェアが好適である。

　＜圧電センサ＞
　圧電センサが測定する生体情報としては、呼吸、心拍などが挙げられる。圧電センサは、センサ素子と弾性層とを有し、センサ素子と弾性層とが厚さ方向に重なる部分が感圧部になる。衣服の肩幅方向を圧電センサの幅方向と定義すると、感圧部の幅方向の長さは、５ｍｍ以上であるとよい。感圧部の幅が小さすぎると、センサ素子が変形しにくくなるため、呼吸や心拍などの微弱な振動を検出しにくくなる。

　圧電センサは、衣服に取り付けられ、衣服の伸縮に追従して伸縮する。圧電センサの取り付け位置は、特に限定されない。呼吸、心拍を測定する場合には、被検者の胸部の近傍や、腹部の近傍が望ましい。また、衣服の表面でも裏面（被検者側の面）でも構わないが、違和感を少なくするという観点から、被検者に接触しない表面が望ましい。

　圧電センサのばね定数は、衣服のばね定数よりも大きい。本発明においては、圧電センサおよび衣服のばね定数として、次の測定方法で算出された値を採用する。圧電センサについては、ＪＩＳ　Ｋ　７１２７：１９９９に準じて引張試験を行い、得られた応力－伸び曲線から、圧電センサのヤング率を求める。そして、求めたヤング率に、圧電センサの幅方向（衣服に取り付けた時の肩幅方向）の長さを乗じて、圧電センサのばね定数とする。衣服についても、同ＪＩＳに準じてヤング率を求める。そして、求めたヤング率に、圧電センサの場合と同じ長さ（圧電センサの幅方向の長さ）を乗じて、衣服のばね定数とする。

　圧電センサのばね定数が衣服のばね定数よりも大きいと、被検者の呼吸や心弾動に伴う体の動きによる衣服の歪みが、圧電センサに伝わりやすい。すなわち、衣服の歪みにより生じる応力が、圧電センサに集中しやすい。圧電力センサに応力が集中することにより、出力ゲインが大きくなり、測定精度が向上する。望ましくは、圧電センサのばね定数は衣服のばね定数の３倍以上であるとよい。一方、圧電センサのばね定数が衣服のばね定数よりも著しく大きいと、圧電センサが衣服の伸びを阻害してしまう。これにより、被検者の動きが規制され、着用時に動きづらさや圧迫感などの違和感を覚えてしまう。したがって、圧電センサのばね定数は衣服のばね定数の１００倍以下、好適には５０倍以下、さらには１４倍以下、１０倍以下であることが望ましい。

　また、圧電センサの１０％伸長時のセンサ感度は、伸長前のセンサ感度の１／２以上である。このため、圧電センサは、伸長されても高い感度を有し、呼吸および心拍による微弱な振動を、精度良く測定することができる。センサ感度は、発生する単位面積あたりの電荷量（Ｃ／ｍ^２）を、加えた単位面積あたりの荷重（Ｎ／ｍ^２）で除した値である。圧電センサのセンサ感度は、伸長前の状態において１０ｐＣ／Ｎ以上であることが望ましい。

　［センサ素子］
　圧電センサを構成するセンサ素子は、圧電層と電極層とを有する。圧電層は、エラストマーおよび圧電粒子を含む。エラストマーとしては、架橋ゴムおよび熱可塑性エラストマーから選ばれる一種以上を用いればよい。ヤング率が比較的小さく柔軟なエラストマーとして、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ－ＮＢＲ）、アクリルゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、エチレン－プロピレン－ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、エチレン－酢酸ビニル共重合体、エチレン－酢酸ビニル－アクリル酸エステル共重合体、ブチルゴム、スチレン－ブタジエンゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴムなどが挙げられる。また、官能基を導入するなどして変性したエラストマーを用いてもよい。変性エラストマーとしては、例えば、カルボキシル基、ヒドロキシル基、アミノ基から選ばれる一つ以上を有する水素化ニトリルゴムが好適である。

　圧電粒子は、圧電性を有する化合物の粒子である。圧電性を有する化合物としては、ペロブスカイト型の結晶構造を有する強誘電体が知られており、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、ニオブ酸リチウムナトリウムカリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、チタン酸ビスマスランタン（ＢＬＴ）、タンタル酸ビスマスストロンチウム（ＳＢＴ）などが挙げられる。圧電粒子としては、これらのうちの一種類あるいは二種類以上を用いればよい。

　後述するように、圧電センサを加熱して衣服に接着する場合には、圧電粒子のキュリー温度が問題になる。キュリー温度は、強誘電体が常誘電体に転移する温度であり、キュリー温度を超えると、圧電粒子の圧電性が失われてしまうからである。したがって、圧電センサを加熱することを考慮すると、その加熱温度よりも高いキュリー温度を有する圧電粒子を選択することが望ましい。例えば、アイロンなどで圧電素子を加熱する場合には、キュリー温度が１６０℃以上である圧電粒子を選択すればよい。具体的には、ニオブ酸リチウムナトリウムカリウム、ニオブ酸カリウムナトリウムなどが挙げられる。

　圧電粒子の含有量は、圧電層、ひいては圧電センサの柔軟性と、圧電層の圧電性能と、を考量して決定すればよい。圧電粒子の含有量が多くなると、圧電層の圧電性能は向上するが柔軟性は低下する。したがって、使用するエラストマーと圧電粒子との組み合わせにおいて、所望の柔軟性を実現できるよう、圧電粒子の含有量を調整することが望ましい。例えば、圧電粒子の含有量は、エラストマーを１００体積％とした場合の３０体積％以上５０体積％以下であるとよい。

　圧電層は、エラストマーポリマーに圧電粒子の粉末や架橋剤などを加えた組成物を、所定の条件下で硬化させて製造される。その後、圧電層には分極処理が施される。すなわち、圧電層に電圧を印加して、圧電粒子の分極方向を所定の方向に揃える。

　本発明者が検討したところ、シート状の圧電センサにおいては、圧電層の引張方向に垂直な断面積が小さい方が、加えられた荷重に対する感度が大きいことが確認された。また、圧電層が厚すぎると被検者の違和感につながる。よって、圧電層は薄い方が望ましい。例えば、圧電層の厚さは１８０μｍ以下、１５０μｍ以下、さらには１００μｍ以下が望ましい。一方、薄すぎると分極処理時に絶縁破壊しやすくなる。このため、圧電層の厚さは、１０μｍ以上、２０μｍ以上、さらには３０μｍ以上が望ましい。

　電極層は、圧電層に追従して変形可能であることが望ましい。柔軟性を有する電極層としては、例えば、バインダーに導電材を配合した導電材料、導電性繊維などから形成することができる。バインダーとしては、エラストマー、すなわち架橋ゴムおよび熱可塑性エラストマーから選ばれる一種以上を用いることが望ましい。弾性率が比較的小さく柔軟であり、圧電層に対する粘着性が良好なエラストマーとして、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、Ｈ－ＮＢＲなどが挙げられる。また、エポキシ基変性アクリルゴム、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴムなどのように、官能基を導入するなどして変性したエラストマーを用いてもよい。なかでも、アクリルゴムは、結晶性が低く分子間力が弱いため、他のゴムと比較してガラス転移温度（Ｔｇ）が低い。よって、アクリルゴムは、柔軟で伸びがよいという点で好適である。

　導電材の種類は、特に限定されない。例えば、銀、金、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム、クロム、チタン、白金、鉄、およびこれらの合金などからなる金属粒子、酸化亜鉛、酸化チタンなどからなる金属酸化物粒子、チタンカーボネートなどからなる金属炭化物粒子、銀、金、銅、白金、およびニッケルなどからなる金属ナノワイヤ、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、黒鉛、複層グラフェンなどの導電性炭素材料の中から、適宜選択すればよい。また、銀被覆銅粒子など、金属で被覆された粒子を用いてもよい。導電材としては、これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。

　なかでも、複層グラフェンは、アスペクト比が大きいことから、導通経路が形成されやすく、伸長しても導通経路が切断されにくいため、好適である。グラフェンは、黒鉛（グラファイト）の１層分であり、炭素原子の六員環が平面状に連なった構造を有する。複層グラフェンは、複数のグラフェンの積層体である。複層グラフェンにおけるグラフェンの積層数は、黒鉛よりも少なく、数層～数百層であることが望ましい。

　電極層は、その他の成分として、架橋剤、架橋促進剤、分散剤、補強材、可塑剤、老化防止剤、着色剤などを含んでいてもよい。例えば、バインダーとしてエラストマーを用いる場合、当該エラストマー分のポリマーを溶剤に溶解したポリマー溶液に、導電材、必要に応じて添加剤を添加して、攪拌、混合することにより、導電塗料を調製することができる。調製した導電塗料を、圧電層の一面に直接塗布することにより、電極を形成すればよい。あるいは、離型性フィルムに導電塗料を塗布して電極を形成し、形成した電極を、圧電層の一面に転写してもよい。例えば、導電塗料の架橋が完了する前に、圧電層と圧着させると、電極層の表面が平滑化されるため、圧電層との接着面積が大きくなり、密着性を高めることができる。密着性が高いと、圧電センサの感度向上に加えて、伸縮を繰り返した場合でも、圧電層と電極層とが剥離しにくいため、圧電センサの耐久性が向上する。

　［弾性層］
　圧電センサを構成する弾性層は、エラストマーを含みセンサ素子に積層される。弾性層のエラストマーとしては、架橋ゴムおよび熱可塑性エラストマーから選ばれる一種以上を用いればよい。ヤング率が比較的小さく柔軟であり、電極層に対する粘着性が良好なエラストマーとして、天然ゴム、イソプレンゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、ＮＢＲなどが挙げられる。

　弾性層として、例えば、センサ素子を衣服に固定するための固定層を配置することができる。固定層は、衣服とセンサ素子との間に配置してもよく、センサ素子を被覆するように配置してもよく、その両方でもよい。センサ素子を被覆するように配置された固定層は、外部からセンサ素子を保護するための保護層としても機能する。固定層には、接着成分を有するエラストマー、所定の温度で溶融する熱可塑性エラストマーなどを用いればよい。後者の場合、所定の温度で加熱して固定層を溶融することにより、圧電センサを衣服に接着することができる。例えば、融点が１２０℃以下の熱可塑性エラストマーを用いると、比較的低温で接着できるため、接着作業が容易になる。また、加熱温度が低ければ、圧電層に配合する圧電粒子のキュリー温度を低くすることができるため、圧電粒子の範囲選択の幅が広がる。一方、熱可塑性エラストマーの融点が低すぎると、使用時に固定層が軟化するおそれがある。よって、熱可塑性エラストマーの融点は、８０℃以上であることが望ましい。

　固定層の有無とは関係なく、弾性層として、外部からセンサ素子を保護するための保護層を配置することができる。保護層は、センサ素子を被覆するように配置すればよい。保護層でセンサ素子が被覆されると、絶縁性を確保できたり、外部からの機械的応力による破壊を抑制できるという利点がある。繰り返し使用した場合にセンサ感度の変化を小さくするためには、保護層は耐へたり性に優れることが望ましい。また、保護層は、外部の機械的応力からセンサ素子を保護する役割を果たすため、摩耗耐久性や引き裂き耐久性に優れることが望ましい。保護層のエラストマーは、固定層のエラストマーと同じでも異なっていてもよい。

　保護層の厚さが大きくなると、圧電センサが厚くなり、被検者が違和感を覚えるおそれがある。このため、保護層の厚さは、５μｍ以上１０００μｍ以下にするとよい。本明細書において、保護層の厚さとは、センサ素子に積層される部分の厚さである。

　上記第一実施形態においては、センサ素子と保護層との間に接着層を配置した（前出図２参照）。しかしながら、保護層を配置する場合に、必ずしも接着層を配置する必要はない。以下、第二実施形態として、接着層を配置せずに保護層を配置した形態を説明する。図３に、第二実施形態の圧電センサの厚さ方向断面図を示す。図３中、前出図２と対応する部材については同じ符号で示す。図３に示すように、本実施形態の圧電センサ２１は、第一実施形態と同様に、センサ素子３０と、弾性層４０と、を有している。弾性層４０は、固定層４１と、保護層４２と、を有している。保護層４２は、センサ素子３０全体を覆うように配置されている。センサ素子３０と保護層４２との間には、接着層は存在していない。

　また、保護層が、センサ素子を衣服に固定する役割を有してもよい。すなわち、一つの弾性層が、センサ素子を衣服に固定する固定層としての役割と、センサ素子を外部から保護する保護層としての役割と、の両方を果たしてもよい。以下、第三実施形態として、圧電センサが一つの弾性層を有する形態を説明する。図４に、第三実施形態の圧電センサの厚さ方向断面図を示す。図４中、前出図２と対応する部材については同じ符号で示す。図４に示すように、本実施形態の圧電センサ２２は、センサ素子３０と、弾性層４４と、を有している。弾性層４４は、接着成分を有するエラストマーからなる。弾性層４４は、センサ素子３０全体を覆うように配置されている。弾性層４４のうち、センサ素子３０と積層していない外周縁は、衣服１０に接着されている。本実施形態の圧電センサ２２によると、弾性層４４により、センサ素子３０が保護されると共に、センサ素子３０が衣服１０に固定される。

　なお、衣服への圧電センサの取り付け方法は、上記形態に限定されるものではない。すなわち、弾性層により固定するのではなく、弾性糸などにより縫い付けてもよい。また、着脱可能に取り付けてもよい。

　次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

　＜圧電センサの製造＞
　圧電層の厚さ、材料を変更して五種類の圧電センサを製造した。

　（１）圧電層の製造
　［圧電層１］
　まず、エラストマーとしてのカルボキシル基変性水素化ニトリルゴムポリマー（ランクセス社製「テルバン（登録商標）ＸＴ８８８９」）１００質量部をアセチルアセトンに溶解して、ポリマー溶液を調製した。次に、調製したポリマー溶液に、圧電粒子としてのニオブ酸リチウムナトリウムカリウムの粉末３５０質量部を加えて混練した。続いて、混練物を三本ロールに五回繰り返し通して、スラリーを得た。そして、得られたスラリーに、架橋剤のテトラキス（２－エチルヘキシルオキシ）チタン５質量部を加えてエア攪拌機で混練した後、スラリーをダイコート法により基材上に塗布した。基材には、離型処理されたＰＥＴ製のフィルムを使用した。スラリーの塗布には、ダイコーター（（株）テクノマシーン製）を使用した。塗膜を１５０℃で１時間加熱して、厚さ３０μｍの圧電層を製造した。圧電層における圧電粒子の含有量は、エラストマーを１００体積％とした場合の４８体積％である。製造した圧電層を圧電層１と称す。

　使用したニオブ酸リチウムナトリウムカリウムの粉末は、次のようにして製造した。

　（ｉ）第一混合工程
　原料として、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｌｉ_２ＣＯ_３の粉末を用いた。これらの粉末を、目的とする焼結体（Ｌｉ_０．０６Ｋ_０．４７Ｎａ_０．４７Ｎｂ_１．０）Ｏ_３の組成に基づいて秤量した後、無水アセトン中で１６時間湿式混合した。得られた混合粉末を、エバポレーションし、さらにオーブンで乾燥して、アセトンを揮発させた。

　（ｉｉ）仮焼成工程
　アセトンを揮発させた後の混合粉末を、アルミナるつぼの中に入れ、そのるつぼを一回り大きなるつぼの中に入れた。内側のるつぼは、混合粉末を覆うように伏せた状態で配置した。この二重るつぼを電気炉の中に入れ、９１０℃で１０時間仮焼成を行った。

　（ｉｉｉ）第二混合工程
　得られた仮焼成物を、乳鉢で粉砕して粉末にした。この粉末を無水アセトン中で１６時間湿式混合した。得られた混合粉末を、エバポレーションし、さらにオーブンで乾燥して、アセトンを揮発させた。

　（ｉｖ）本焼成工程
　アセトンを揮発させた後の混合粉末を、（２）と同様に二重るつぼの中に入れ、１５０℃で１時間、５５０℃で３時間、１０８２℃で０．５時間焼成を行った。

　（ｖ）粉砕工程
　得られた焼成物を、ボールミルで粉砕して、ニオブ酸リチウムナトリウムカリウムの粉末を得た。

　［圧電層２］
　厚さを１００μｍにした点以外は、圧電層１と同様にして圧電層２を製造した。

　［圧電層３］
　厚さを８μｍにした点以外は、圧電層１と同様にして圧電層３を製造した。

　［圧電層４］
　厚さを２００μｍにした点以外は、圧電層１と同様にして圧電層４を製造した。

　［圧電層５］
　ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルム（厚さ３０μｍ、クレハエラストマー（株）製）を圧電層５とした。

　（２）電極層の製造
　まず、エラストマーとしてのグリシジルエーテル基変性アクリルゴムポリマー６８質量部をブチルセロソロブアセテートに溶解したポリマー溶液に、薄片化黒鉛粉末３５質量部、分散剤２５質量部、架橋剤６質量部、および架橋促進剤１質量部を添加して、導電塗料を調製した（各材料の詳細は後述する）。次に、調製した導電塗料を、湿式ジェットミル（吉田機械興業（株）製「ナノヴェイタ（登録商標）」）により粉砕処理した。パス運転により、粉砕処理を合計６回行った（６パス処理）。１パス目は、ストレート型ノズル（ノズル径１７０μｍ）、処理圧力９０ＭＰａで行い、２パス目以降は、クロス型ノズル（ノズル径１７０μｍ）、処理圧力１３０ＭＰａで行った。湿式ジェットミルによると、導電塗料は高圧ポンプにより加圧されてノズルに送り込まれ、ノズルから高速噴射される。そして、ノズル通過時に発生する高速せん断力、キャビテーション、および壁との衝突や導電塗料同士の衝突による衝撃力により、薄片化黒鉛粉末が粉砕処理される。これにより、ナノメートルオーダーの複層グラフェン（薄片状炭素材料）を、容易に得ることができる。

　それから、粉砕処理後の導電塗料をダイコート法により基材上に塗布した。基材には、離型処理されたＰＥＴ製のフィルムを使用した。塗膜を１５０℃で１０分間加熱して、厚さ１０μｍの電極層を製造した。この時点で、すなわち圧電層と圧着させる前においては、電極層の架橋は完了していない。以下、この時点の電極層について、「半架橋の」電極層などと称する場合がある。

　グリシジルエーテル基変性アクリルゴムポリマーは、三種類のモノマーを懸濁重合して製造した。モノマーとしては、エチルアクリレート（ＥＡ）、アクリロニトリル（ＡＮ）、およびアリルグリシジルエーテル（ＡＧＥ）を用いた。モノマーの配合割合は、ＥＡを９６質量％、ＡＮを２質量％、ＡＧＥを２質量％とした。得られたアクリルゴムポリマーのＴｇは、－１０℃であった。

　薄片化黒鉛粉末としては、（株）アイテック製「ｉＧｕｒａｆｅｎ－α」（平均粒子径８７．２μｍ）を用いた。分散剤としては、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩（楠本化成（株）製「ディスパロン（登録商標）ＤＡ７３０１」）を用いた。架橋剤としては、アミノ基末端ブタジエン－アクリロニトリル共重合体（CVC Thermoset Specialties Ltd.製「ＡＴＢＮ１３００×１６」）を用いた。架橋促進剤としては、亜鉛錯体（KING INDUSTRIES,INC製「ＸＫ－６１４」）を用いた。

　（３）弾性層の製造
　［保護層］
　熱可塑性ウレタンエラストマーを使用したホットメルトフィルム（日本マタイ（株）製「エルファン（登録商標）ＵＨ２０３」、厚さ３０μｍ）を所定の大きさに切り出して、保護層とした。

　［固定層］
　保護層と同じホットメルトフィルムを所定の大きさに切り出して、固定層とした。

　（４）圧電センサの製造
　圧電層、電極層、弾性層（保護層および固定層）を組み合わせて、次のようにして五種類の圧電センサを製造した。一つの圧電センサは、圧電層を挟んで二つの電極層を有するが、二つの電極層は同じである。基材上に形成した圧電層、電極層については、相手部材に重ね合わせた後、基材を剥離した。

　まず、保護層のホットメルトフィルムに半架橋の電極層を重ね合わせ、真空プレス機を用いて圧着した。圧着条件は、温度８０℃、荷重３００ｋＰａ、時間６０秒間とした。次に、圧着された電極層に圧電層を重ね合わせ、真空プレス機を用いて同じ圧着条件で圧着した。それから、圧着された圧電層に半架橋の電極層を重ね合わせ、真空プレス機を用いて同じ圧着条件で圧着した。最後に、圧着された電極層に固定層のホットメルトフィルムを重ね合わせ、真空プレス機を用いて同じ圧着条件で圧着した。

　このようにして、保護層／センサ素子（電極層／圧電層／電極層）／固定層からなる積層体を得た。得られた積層体の二つの電極層に直流電源を接続し、圧電層に２０Ｖ／μｍの電界を１０分間印加することにより分極処理を行って、圧電センサを製造した。圧電センサは、縦３０ｍｍ、横３０ｍｍの正方形シート状を呈している。圧電センサの感圧部（センサ素子と弾性層との積層部）は、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍの正方形状を呈している。圧電センサの最大厚さは、実施例１および比較例２：０．１１ｍｍ（１１０μｍ）、実施例２：０．１８ｍｍ（１８０μｍ）、比較例１：０．０８８ｍｍ（８８μｍ）、参考例１：０．２８ｍｍ（２８０μｍ）である。本実施例においては、便宜上、圧電センサの横方向を幅方向とみなす。

　＜生体情報取得用衣服の製造＞
　製造した圧電センサの固定層側を、コンプレッションウェア（衣服）の表面に置き、保護層の上から１２０℃に加熱したアイロンを押し当てて、保護層および固定層（ホットメルトフィルム）を溶融することにより、圧電センサをコンプレッションウェアに接着した。圧電センサは、被検者がコンプレッションウェアを着用した時に、心臓付近に配置されるように取り付けた。なお、後述する比較例１については、コンプレッションウェアを二枚重ねて使用した。

　＜評価項目＞
　（１）ばね定数
　まず、製造した圧電センサについて、ＪＩＳ　Ｋ　７１２７：１９９９に準じて引張試験を行った。引張試験は、引張速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとして行った。得られた応力－伸び曲線から、圧電センサのヤング率を求めた。そして、求めたヤング率に、圧電センサの幅の長さ（３０ｍｍ）を乗じて、圧電センサのばね定数を算出した。なお、当該引張試験により、圧電層１～４を使用した圧電センサ（実施例１、２、比較例１、および参考例１。後出の表１参照。）は、一方向に１０％以上伸長可能であることが確認されたが、圧電層５を使用した圧電センサ（比較例２）は、１０％まで伸長することはできなかった。

　次に、コンプレッションウェアのヤング率を、同ＪＩＳに準じて求めた。そして、求めたヤング率に、圧電センサの場合と同じ長さ（幅３０ｍｍ）を乗じて、コンプレッションウェアのばね定数を算出した。

　（２）センサ感度
　まず、製造した圧電センサを、伸長せずに疲労耐久試験機（（株）島津製作所製「ＭＭＴ－１０１Ｎ」）に設置して、圧縮方向の荷重２．５Ｎ±１．５Ｎ、４．５Ｎ±３．５Ｎ、６．５Ｎ±５．５Ｎのｓｉｎ波（周波数１Ｈｚ）を順に加えた。その時の発生電荷量を、チャージアンプ（ブリュエル・ケアー社製「ＮＥＸＵＳ　Ｃｈａｒｇｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｔｙｐｅ２６９２」）とオシロスコープ（横河電機（株）「ＤＬＭ２０２２」）とを用いて測定した。そして、各々の荷重ごとに測定された発生電荷量（単位クーロン）を、加えた圧縮力（単位ニュートン）で除し、その平均値を算出して、圧電センサのセンサ感度（クーロン／ニュートン：Ｃ／Ｎ）とした。

　次に、同圧電センサを、横方向に１０％伸長した状態で疲労耐久試験機（同上）に設置して、上記同様にしてセンサ感度を測定した。

　（３）呼吸ゲイン
　圧電センサを取り付けたコンプレッションウェア（以下、「センサ付ウェア」と称す）を着用した被検者の直立状態の呼吸状態を測定し、得られた呼吸波形の最大値から最小値を差し引いて「呼吸ゲイン」を算出した。呼吸状態は、被検者の違いや体勢の違いで変化する。よって、呼吸状態の測定は、すべて同一人物、同一体勢で行った。呼吸ゲインが大きいほど、測定精度は高い。

　（４）違和感
　被検者がセンサ付ウェアを着用し呼吸状態を測定する際に、違和感を全く感じなかった場合を違和感なし（後出の表１中、〇印で示す）、違和感を感じた場合を違和感あり（同表中、×印で示す）と評価した。

　＜評価結果＞
　表１に、製造した圧電センサの構成と評価結果をまとめて示す。表１中、呼吸ゲインの値は、実施例１の圧電センサの値を「１」（基準値）とした相対値で示す。

　表１に示すように、実施例１、２の圧電センサにおいては、１０％伸長後のセンサ感度は伸長前のセンサ感度と同じ（伸長前のセンサ感度の１／２以上）であった。これにより、実施例１、２の圧電センサは、１０％伸長させてもその高い感度を維持していることが確認された。

　実施例１、２の圧電センサにおいては、ばね定数がコンプレッションウェアのばね定数よりも大きかった。そして、圧電センサのばね定数が大きいほど、呼吸ゲインが大きくなった。すなわち、圧電センサのばね定数が大きいほど、測定精度が高くなった。また、実施例１、２のセンサ付ウェアを着用した場合、被検者に違和感を与えることなく呼吸状態を測定することができた。

　これに対して、比較例１の圧電センサにおいては、ばね定数がコンプレッションウェアのばね定数よりも小さかった。このため、呼吸時の体の動きが、圧電センサに充分に伝わらず、呼吸ゲインが小さくなった。すなわち、比較例１のセンサ付ウェアによると、測定精度が低いため、正確な生体情報を取得することは難しい。また、比較例２の圧電センサにおいては、ばね定数がコンプレッションウェアのばね定数の１１１倍であった。比較例２の圧電センサについては、１０％まで伸長することができなかったため、センサ感度を測定することはできなかった。比較例２の圧電センサにおいては、呼吸ゲインは大きいものの、被検者に違和感を与えてしまう。また、参考例１の圧電センサにおいては、圧電層が厚いため、圧電センサのばね定数が衣服のばね定数の１４．７倍になった。このため、圧電センサにより衣服自体の伸びが規制され、被検者が着用時に違和感を覚えたり、動きづらさを感じたと考えられる。

　本発明の圧電センサおよび生体情報取得用衣服は、医療、リハビリ、介護、健康管理、トレーニングの分野や、自動車のバイタルセンシングを行うドライバーモニタリングシステムなどにおいて、呼吸状態や心拍数などを測定する用途に有用である。

１：生体情報取得用衣服、１０：衣服、１１：表面、２０、２１、２２：圧電センサ、３０：センサ素子、３１：圧電層、３２ａ、３２ｂ：電極層、４０、４４：弾性層、４１：固定層、４２：保護層、４３：接着層、９：被検者、Ｓ：感圧部。

Claims

　衣服に取り付けられ、該衣服を着用する被検者の生体情報を測定する圧電センサであって、
　該圧電センサは、
　エラストマーおよび圧電粒子を含む圧電層と、該圧電層を挟んで配置される電極層と、を有するセンサ素子と、
　エラストマーを含み該センサ素子に積層される弾性層と、
を有し、該衣服の伸縮に追従して伸縮し、
　該圧電センサを一軸方向に１０％伸長した１０％伸長時のセンサ感度は、伸長前のセンサ感度の１／２以上であり、
　該圧電センサのばね定数は、該衣服のばね定数よりも大きいことを特徴とする圧電センサ。
　前記圧電センサのばね定数は、前記衣服のばね定数の５０倍以下である請求項１に記載の圧電センサ。
　前記圧電センサは、前記衣服における前記被検者側とは反対側の表面に取り付けられる請求項１または請求項２に記載の圧電センサ。
　前記弾性層は、前記センサ素子を前記衣服に固定するための固定層を有し、
　該固定層は、熱可塑性エラストマーを含む請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電センサ。
　前記固定層の融点は１２０℃以下であり、前記圧電粒子のキュリー温度は１６０℃以上である請求項４に記載の圧電センサ。
　前記弾性層は、前記センサ素子を被覆して外部から該センサ素子を保護するための保護層を有する請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の圧電センサ。
　前記弾性層は、前記センサ素子を前記衣服に固定するための固定層と、該センサ素子を被覆して外部から該センサ素子を保護するための保護層と、を有し、
　該固定層は、熱可塑性エラストマーを含み、該衣服と該センサ素子との間に配置される請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電センサ。
　前記衣服は、コンプレッションウェアである請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の圧電センサ。
　衣服と、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の圧電センサと、を備える生体情報取得用衣服。