(57)【要約】      （修正有）【課題】筋肉の収縮及び伸張の動きを測定する圧電パッチセンサが開示される。【解決手段】センサは、ホストプロセッサに接続されたインタフェース回路を介しての測定に備えて使用者の皮膚部位に直接貼り付けられる。圧電パッチセンサは、皮膚部位にしっかり貼り付く粘着性底面を有する粘着層を有する。粘着層の上に弾性シートが組み込まれている。弾性シートの上に圧電糸が組み込まれており、圧電糸は揃えられた圧電繊維の束を有する。圧電糸は、一対の導電ワイヤでインタフェース回路と電気的に結合され圧電測定回路が形成される。皮膚部位の下の筋肉が動くと、圧電パッチセンサ全体が、粘着層に貼り付いている皮膚の対応する収縮又は伸張の動きによって、筋肉の動きの方向に収縮又は伸張する。測定回路内の圧電繊維が、対応する信号を発生させ、この信号がインタフェース回路によって中継されてホストプロセッサに送られ筋肉の動きを導出する計算が行われる。【選択図】図１Ａ
2020174997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筋肉の収縮及び伸張の動きを測定する圧電パッチセンサであって、前記センサは、ホストプロセッサに接続されたインタフェース回路を介しての前記測定に備えて、伸ばされて、使用者の皮膚部位に直接貼り付けられ、前記圧電パッチセンサは、
ａ）前記皮膚部位にしっかり貼り付く粘着性底面を有する粘着層と、
ｂ）前記粘着層の上に組み込まれた弾性シートと
ｃ）前記弾性シートの上に組み込まれ、揃えられた圧電繊維の束を含む圧電糸であって、一対の導電ワイヤで前記インタフェース回路と電気的に結合され、これによって圧電測定回路が形成される、前記圧電糸と、
を含み、
前記皮膚部位の下の筋肉が動くと、前記圧電パッチセンサ全体が、前記粘着層にしっかり貼り付いている前記皮膚の、対応する収縮又は伸張の動きによって、前記筋肉の動きの方向に収縮又は伸張し、その結果、前記測定回路内の前記圧電繊維が、対応する信号を発生させ、この信号が前記インタフェース回路によって中継されて前記ホストプロセッサに送られ、前記ホストプロセッサにおいて前記筋肉の動きを導出する計算が行われる、
圧電パッチセンサ。
【請求項２】
前記圧電糸の上に第２の弾性シートが更に組み込まれており、前記圧電糸は、前記２つの弾性シートの間にしっかり埋め込まれている、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項３】
前記インタフェース回路は、前記圧電パッチセンサ上に組み込まれている、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項４】
前記インタフェースは前記ホストプロセッサに無線で接続されている、請求項３に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項５】
前記ホストプロセッサはポータブル装置である、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項６】
前記圧電繊維は圧電ポリマーの繊維である、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項７】
前記圧電ポリマーは、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）ポリマー及びポリ（ビニリデンフルオライド−トリフルオロエチレン）［Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）］コポリマーから成る群から選択される、請求項６に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項８】
前記圧電糸は、前記２つの弾性シートの間に熱バインドされている、請求項２に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項９】
前記２つの弾性シートは、前記圧電糸を間に挟んでボンディングする為に、前記圧電糸に面する表面に粘着層を有する、請求項２に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１０】
各弾性シートは厚さが０．０１ｍｍから１ｍｍである、請求項１及び２に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１１】
前記粘着層は厚さが０．０１ｍｍから１ｍｍである、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１２】
前記２つの導電ワイヤは、前記圧電糸の２つの端部において接続されている、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１３】
前記２つの導電ワイヤの一方が前記圧電糸の上部に接続され、他方が前記圧電糸の下部に接続されている、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１４】
前記圧電糸に接続された前記２つの導電ワイヤは、導電性接着剤を使用して形成された導電経路である、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１５】
前記圧電糸に接続された前記２つの導電ワイヤは、銀、グラフェン、カーボンナノ粒子、カーボンナノチューブ、及びＰＥＤＯＴ［ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホナート］から成る群から選択された、印刷された導電インクで形成された導電経路である、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１６】
前記２つの導電ワイヤは、機械的制約を超えない筋肉の動きの変形に耐えるように変形可能である、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１７】
前記インタフェース回路は、
前記圧電糸と直接つながって前記圧電信号を物理量に変換する第１のユニットと、
前記圧電信号を増幅及びフィルタリングする第２のユニットと、
前記圧電信号を記録し、前記ホストプロセッサに送信する第３のユニットと、
を含む、
請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１８】
前記圧電パッチセンサは、前記皮膚部位の下の前記筋肉の動きに追従するウェアラブルファブリックを介して間接的に前記使用者に装着される、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項１９】
前記皮膚部位への前記装着は、前記筋肉の動きの方向に対して横切る方向、又は斜め角度方向に行われる、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【請求項２０】
電磁干渉に対して前記圧電糸をシールドする接地された導電層を更に含む、請求項１に記載の圧電パッチセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には圧電パッチセンサに関し、具体的には、圧電パッチセンサの構造に関する。より具体的には、本発明は、様々な用途の中でも特にジェスチャ検知、アスレチックトレーニング、及び医療に有用な、筋肉の収縮及び伸張の測定の為の、皮膚に直接貼り付け可能な圧電パッチセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
人間被験者の様々な生理学的状態、例えば、体の動き、ジェスチャ、タッチ、心拍数等を検出する為に、ウェアラブルなテキスタイルセンサが使用されてきた。主要な用途は検知機能をファブリックに埋め込むことである為、通常は２つの重要な特性が必要とされる。それは、伸縮性と可撓性である。
【０００３】
導電ポリマー又はピエゾ抵抗材料を織り糸として製造し、それらをファブリックに縫い付けるか編み込む概念について報告されている（米国特許第９，３２２，１２１（Ｂ２）号、米国特許第９，８８５，６２１（Ｂ２）号、米国特許第７，３７７，１３３（Ｂ２）号、及び米国特許第９，８５０，６００（Ｂ２）号）。これらの導電性／ピエゾ抵抗織り糸は、伸張性の範囲を広げる為に、通常、様々なルーピング技術によりファブリックに縫い付けられるか編み込まれる。このタイプの設計を用いると、通常、信号出力は線形にならず、再現性が低くなり、それらの信号処理は、変形が大きい場合には非常に複雑になる可能性がある。
【０００４】
一方、多層導電ポリマーを使用してキャパシタンスセンサを構築する概念についても報告されており、胸の動きの測定（米国特許第７，７１２，３７３（Ｂ３）号）、並びに筋肉の活動の測定（Ｊ．メイヤー（Ｊ．  Ｍｅｙｅｒ），  Ｐ．ルコヴィシス（Ｐ．  Ｌｕｋｏｗｉｃｚ），Ｇ．トロスター（Ｇ．  Ｔｒｏｓｔｅｒ）著，「筋肉の活動及び運動の検出の為のテキスタイル圧力センサ（Ｔｅｘｔｉｌｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  Ｍｕｓｃｌｅ  Ａｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）」，２００６年，ウェアラブルコンピュータに関するＩＥＥＥ国際シンポジウム（ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｗｅａｒａｂｌｅ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ））の報告がある。変形及び圧力の測定の為の可撓性キャパシタンスを実現するには、面積をより大きくすることが必要である。
【０００５】
一方、テキスタイルセンサにおいては圧力ポリマーも適用される。スマートファブリック用途向けに、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）が撚り合わされて織り圧電ファブリックが製造される（米国特許出願公開第２０１７／００２９９８５（Ａ１）号、ヤン等（Ｙａｎｇ  ｅｔ．  Ａｌ．），「電気スピンピエゾポリマーの撚り合わせ織り糸によるナノ繊維スマートファブリック（Ｎａｎｏｆｉｂｒｏｕｓ  Ｓｍａｒｔ  Ｆａｂｒｉｃｓ  ｆｒｏｍ  Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｙａｒｎｓ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｕｎ  Ｐｉｅｚｏｐｏｌｙｍｅｒ）」，２０１７年，ＡＣＳアプライド  マテリアル＆インタフェース（ＡＣＳ  Ａｐｐｌ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ），９，２４２２０）。撚り合わせ圧電織り糸を使用すると、ひずみ測定の範囲が非常に広くなる可能性がある（Ｍ．バニアサディ等（Ｍ．  Ｂａｎｉａｓａｄｉ  ｅｔ．  ａｌ．），  「ポリマー圧電ナノ繊維による高性能コイル及び織り糸（Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｃｏｉｌｓ  ａｎｄ  Ｙａｒｎｓ  ｏｆ  Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ）」，２０１５年，ＡＣＳアプライド  マテリアル＆インタフェース（ＡＣＳ  Ａｐｐｌ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ），  ７）。しかしながら、撚り合わせ構造の為、信号対ひずみ分布は非常に非線形であり、長期使用の為の再現性が課題になりうる。
【０００６】
そのような従来のウェアラブルテキスタイルセンサの主たる方法論は、導電性織り糸、又はピエゾ抵抗織り糸、又は圧電織り糸をファブリックに埋め込むという考え方がベースである。そのような組み込みは、通常、特殊性を前提としており、これは、それらの方法が工業的製造方法に対する高レベルの加工適合性を必要とすることを意味する。製造された織り糸は、ファブリックの製造工程をクリアするのに十分な強度及び化学的適合性を有することが必要であり、これは、かなりのコストがかかる非常に複雑な工程になる可能性がある。
【０００７】
即ち、これらの従来の検知対応ファブリックは、１回限りの使用にはやや高価すぎる。それらは、妥当な回数の洗浄に耐えうることが必要であり、そのこと自体が高コストに対する主たる寄与である。
【０００８】
又、検知手段をファブリックに埋め込むことは、測定対象筋肉の真の収縮及び伸張の動きを検知する為に、センサが埋め込まれたファブリックと、その真下の皮膚との間のすべりを制限しなければならないことを意味する。コンプレッションウェアを着用してもすべりは避けられず、これは検知不良につながる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の一目的は、筋肉の動きの測定での１回限りの使用の為に廉価に製作可能な圧電パッチセンサを提供することである。
【００１０】
本発明の更なる一目的は、筋肉の動きの方向に対して沿う方向、横切る方向、又は斜め角度方向に揃えられた単方向センサによる、筋肉の動きの改良された測定の為の、皮膚に直接貼り付け可能な圧電パッチセンサを提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、筋肉の動きの間接的な測定の為の、コンプレッションウェアのファブリックにも取り付け可能な圧電パッチセンサを提供することである。
【００１２】
本発明の更に別の目的は、筋肉の動きの数値測定値の導出の為に測定信号をバックエンドホストプロセッサに中継することが容易に可能な圧電パッチセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述及び他の目的を達成する為に、本発明は、筋肉の収縮及び伸張の動きを測定する圧電パッチセンサを提供する。センサは、ホストプロセッサに接続されたインタフェース回路を介しての測定に備えて、伸ばされて、使用者の皮膚部位に直接貼り付けられる。圧電パッチセンサは、皮膚部位にしっかり貼り付く粘着性底面を有する粘着層を有する。粘着層の上に弾性シートが組み込まれる。弾性シートの上に圧電糸が更に組み込まれ、圧電糸は、揃えられた圧電繊維の束を有する。圧電糸は、一対の導電ワイヤでインタフェース回路と電気的に結合され、これによって圧電測定回路が形成される。皮膚部位の下の筋肉が動くと、圧電パッチセンサ全体が、粘着層にしっかり貼り付いている皮膚の、対応する収縮又は伸張の動きによって、筋肉の動きの方向に収縮又は伸張する。その結果、測定回路内の圧電繊維が、対応する信号を発生させ、この信号がインタフェース回路によって中継されてホストプロセッサに送られ、ホストプロセッサにおいて筋肉の動きを導出する計算が行われる。
【００１４】
圧電パッチセンサの一実施態様では、圧電糸の上に第２の弾性シートが更に組み込まれ、圧電糸は、２つの弾性シートの間にしっかり埋め込まれる。
【００１５】
圧電パッチセンサの一実施態様では、インタフェース回路は圧電パッチセンサ上に組み込まれる。
【００１６】
圧電パッチセンサの一実施態様では、インタフェースはホストプロセッサに無線で接続されている
【００１７】
圧電パッチセンサの一実施態様では、ホストプロセッサはポータブル装置である。
【００１８】
圧電パッチセンサの一実施態様では、圧電繊維は圧電ポリマーの繊維である。
【００１９】
圧電パッチセンサの一実施態様では、圧電ポリマーは、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）ポリマー及びポリ（ビニリデンフルオライド−トリフルオロエチレン）［Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）］コポリマーから選択される。
【００２０】
圧電パッチセンサの一実施態様では、圧電糸は、２つの弾性シートの間に熱バインドされている。
【００２１】
圧電パッチセンサの一実施態様では、２つの弾性シートは、圧電糸を間に挟んでボンディングする為に、圧電糸に面する表面に粘着層を有する。
【００２２】
圧電パッチセンサの一実施態様では、弾性シートは厚さが０．０１ｍｍから１ｍｍであり、これによって、ひずみの範囲が１％から８０％であってよい場合には、弾性シートが小さな変形を測定し、大きな変形に耐えることが可能になる。
【００２３】
圧電パッチセンサの一実施態様では、粘着層は厚さが０．０１ｍｍから１ｍｍである。
【００２４】
圧電パッチセンサの一実施態様では、圧電定数ｄ３３の条件が圧電糸の長手方向と揃うように、２つの導電ワイヤが圧電糸の２つの端部において電極と接続されている。
【００２５】
圧電パッチセンサの一実施態様では、圧電定数ｄ３１の条件が圧電糸の長手方向と揃うように、２つの導電ワイヤの一方が圧電糸の上部に接続され、他方が圧電糸の下部に接続されている。
【００２６】
圧電パッチセンサの一実施態様では、２つの導電ワイヤは、導電性接着剤を使用して圧電糸に接続されている。
【００２７】
圧電パッチセンサの一実施態様では、圧電糸に接続された２つの導電ワイヤは、銀、グラフェン、カーボンナノ粒子、カーボンナノチューブ、及びＰＥＤＯＴ［ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホナート］から成る群から選択された、印刷された導電インクで形成された導電経路である。
【００２８】
圧電パッチセンサの一実施態様では、２つの導電ワイヤは、機械的制約を超えない筋肉の動きの変形に耐えるように変形可能である。
【００２９】
圧電パッチセンサの一実施態様では、インタフェース回路は、圧電糸と直接つながって圧電信号を物理量に変換する第１のユニットと、圧電信号を増幅及びフィルタリングする第２のユニットと、圧電信号を記録し、ホストプロセッサに送信する第３のユニットと、を有する。
【００３０】
圧電パッチセンサの一実施態様では、皮膚部位への装着が、筋肉の動きの方向に対して横切る方向、又は斜め角度方向に行われる。
【００３１】
圧電パッチセンサの一実施態様では、更なる接地された導電層が、電磁干渉に対して圧電糸をシールドする。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】乃至
【図１Ｂ】それぞれ、ボンディング層を使用する場合としない場合の、筋肉の上の皮膚に貼り付けられた、本発明の圧電パッチセンサの概略断面図である。
【図２】図１Ａの圧電パッチセンサの構造を示す分解図である。
【図３Ａ】乃至
【図３Ｂ】それぞれ、筋肉の収縮及び伸張に対して垂直並びに平行な方向に揃えられて皮膚に貼り付けられた本発明の圧電パッチセンサを、センサ専用インタフェース回路とともに概略的に示す図である。
【図４Ａ】乃至
【図４Ｂ】図３Ａ及び３Ｂと同様に配備されたセンサを、専用ではない再利用可能なインタフェース回路とともに示す図である。
【図５】インタフェース回路のブロック図である。
【図６Ａ】第１のタイプの揃えられた圧電繊維を示す図であり、これは持続可能であり、印加される機械的引き伸ばしに高い線形性及び再現性で応答可能である。
【図６Ｂ】第２のタイプの揃えられた圧電繊維を示す図であり、これは持続可能であり、印加される機械的引き伸ばしに高い線形性及び再現性で応答可能である。
【図６Ｃ】圧電糸の為の揃えられた圧電繊維の大まかな構造を示す図である。これは、図６Ｂ及び６Ｃに示された第１及び第２のタイプの揃えられた圧電繊維を組み合わせたものである。
【図７】本発明のセンサで使用される圧電糸の、ひずみによって引き起こされる信号出力のヒステリシスループ特性を示す図である。
【図８Ａ】図３Ａの検知構成において本発明のセンサを使用して測定された二頭筋（上側）及び三頭筋（下側）の求心性収縮プロファイル及び伸張性収縮プロファイルを示す図である。
【図８Ｂ】図３Ａの検知構成において本発明のセンサを使用して測定された、二頭筋の等尺性求心性の収縮過程及び弛緩過程を示す図である。
【図９】図３Ａ（上側）及び図３Ｂ（下側）の検知構成において本発明のセンサによって測定された、二頭筋の等尺性収縮及び弛緩を示す図である。
【図１０】図３Ａの検知構成を用いて、一方の下腿のヒラメ筋の１つの側面にそれぞれ配備された、本発明の２つのセンサによって測定された、ヒラメ筋の運動特性プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１Ａは、本発明の一実施形態による、ヒトの筋肉３の皮膚に貼り付けられた圧電パッチセンサ１及びそのインタフェース回路２を示す。圧電糸１１の測定方向及びポーリング方向（黒矢印）は、筋肉の収縮の単方向測定を行う為に、筋肉の収縮方向（２つの矢印を有する黒線）に揃えられている。圧電糸は、２つのボンディング層１３１及び１３２の使用によって、２つの弾性シート１２１及び１２２の間に封止されている。圧電糸の２つの端部は、圧電糸の２つの電極として働く導電性接着剤又は導電インク１７１及び１７２の使用によって２つの導電ワイヤ１６１及び１６２と接続されている。これら２つの導電ワイヤ、接着剤、又はインクは、２つの弾性シートの間に封止されている。
【００３４】
インタフェース回路は又、下部弾性シート１２２の表面と境界を接している。下部弾性シートは、粘着層１４によって筋肉３の皮膚に粘着している。最後に、ＥＭＩシールド用導電層１５が圧電パッチセンサの全領域を覆う。導電層１５は任意選択である。これは、体育館や屋内環境などの環境ノイズを減らす為である。
【００３５】
弾性シート１２１及び１２２、ボンディング層１３１及び１３２、並びに粘着層１４の厚さは、筋収縮の変形が圧電糸１１に文字通り、そのまま伝わるように、十分薄い。導電ワイヤ１６１及び１６２は又、インタフェース回路２への信号伝達が途切れることなく筋収縮に追従できるように、弾性が低く、非常に可撓性である。これら２つの導電ワイヤは又、接続の為に弾性シートに印刷された導電インクで作られてよい。
【００３６】
圧電パッチセンサの一実施形態では、弾性シートは、粘性が非常に低く、ヒステリシス特性が非常に小さい。弾性シートの弾性は筋肉及び皮膚より低く、弾性シートは、筋収縮に対する機械的制約の誘発を最小限に抑えるかどうかにかかわらず、筋肉の変形に忠実に追従することが可能である。弾性シートは、貼り付けられた筋肉の伸張及び収縮の間の圧電パッチセンサの弾性変形を担っており、その変形によって圧電糸の伸張及び収縮が引き起こされて、線形性及び忠実度が十分である出力が得られる。
【００３７】
圧電パッチセンサの一実施形態では、ひずみの範囲が１％から８０％であってよい場合には、弾性シートは、小さい変形及び／又は大きい変形に耐えることが可能であり、且つ、これを測定することが可能である。例えば、熱可塑性ポリウレタン、シリコーンゴム、エラストマ等。
【００３８】
圧電パッチセンサの一実施形態では、弾性シートは、圧電パッチセンサが筋肉の上の皮膚に配備されるときにその細長いボディが引き伸ばされることを可能にする。このようにあらかじめ引き伸ばすのは、圧電糸に初期張力を与える為である。
【００３９】
圧電パッチセンサの一実施形態では、弾性シートの、圧電糸に面する側はボンディング層を有しており、ボンディング層は、粘着剤で作られているか、熱粘着層が塗布されており、圧電糸を弾性シート上又は弾性シート間にボンディングしている。
【００４０】
圧電パッチセンサの一実施形態では、弾性シートは、圧電糸をそのボディに押しつける為に柔らかくされてよい。
【００４１】
圧電パッチセンサの一実施形態では、ヒトの体に貼り付けられる粘着層は、筋収縮に追従する。粘着層は、ヒステリシス特性が非常に低く、その厚さは、筋収縮が弾性シート及び圧電糸に伝わるように十分薄い。
【００４２】
圧電パッチセンサの一実施形態では、圧電パッチセンサのボディは、ＥＭＩ（電磁干渉）シールドの為の接地された導電層からなる別の層で覆われる。この導電層は、金属メッシュであってよく、或いは、導電金属又は導電ポリマーが塗布又は印刷された弾性のシート又はファブリックであってよい。この層は、比較的堅くてよく、圧電パッチセンサを覆い、圧電パッチセンサがそのキャビティ内で、それ以上の制約を受けずに変形することを可能にする。
【００４３】
圧電パッチセンサの一実施形態では、ＥＭＩシールドは、導電ポリマーで作られた導電層、又は導電糸で作られたファブリック、又は導電インクで印刷されたファブリックであってよい。この接地された導電層は、圧電パッチセンサとつながっていて、機械的ひずみを引き起こすことなく変形に追従する、従順な弾性シートであってよい。
【００４４】
圧電パッチセンサの一実施形態では、ＥＭＩシールドは、上部弾性シート１２１の上面に印刷された導電インクであってよい。ＥＭＩシールドは、上部弾性シート１２１の上面に塗布された導電金属であってもよい。
【００４５】
図１Ｂは、圧電パッチセンサの別の実施形態を示す。図１Ａに示された設計との違いは、圧電糸１１が弾性シート１２１及び１２２の間に封止されていることである。これは、圧電糸を弾性シート間に熱封止することによって行われてよい。従って、ボンディング層１３１及び１３２は不要である。
【００４６】
図２は、図１Ａの、本発明による圧電パッチセンサの構造的な積層構成を概略的に示す。圧電パッチセンサ１は、圧電糸１１と、２つの弾性シート１２１及び１２２と、２つのボンディング層１３１及び１３２と、１つの粘着層１４と、ＥＭＩシールド用導電層１５と、２つの導電ワイヤ１６１及び１６２と、２つの導電接着剤又は導電インク１７１及び１７２と、を含む。圧電パッチセンサは、インタフェース回路２と接続される。
【００４７】
図３Ａ及び３Ｂは、それぞれ、筋収縮の方向に対して平行及び垂直に、筋肉の皮膚に貼り付けられた圧電パッチセンサである。インタフェース回路２は、圧電糸と同じ弾性シート上に配置されている。図３Ａに示された圧電パッチセンサの構成は、収縮中の筋肉の外周の拡大及び縮小を測定することが可能である。一方、図３Ｂに示された圧電パッチセンサの構成は、収縮中の筋肉の長さ方向の拡大及び縮小を測定する為のものである。
【００４８】
図４Ａ及び４Ｂは、それぞれ、筋収縮の方向に対して平行及び垂直に、筋肉の皮膚に貼り付けられた圧電パッチセンサである。図３Ａ及び３Ｂに示された設計との違いは、インタフェース回路である。インタフェース回路は、筋肉の皮膚に貼り付けられた別個のユニットである。この設計は、インタフェース回路を再利用する為のものであり、圧電パッチセンサは使い捨て可能である。
【００４９】
図５は、インタフェース回路２のコンポーネント、並びにそのリモートコンピューティング装置のコンポーネントを示す。インタフェース回路２は、３つのサブユニットを含む。第１のコンポーネント２１は、２つの導電ワイヤ１６１及び１６２で圧電糸１１と直接つながっている。第１のコンポーネント２１は、圧電信号を、筋収縮のひずみ変形に比例する電気信号に変換する電荷増幅器であってよい。第１のコンポーネント２１は、筋収縮のひずみ率に比例する電気信号に変換する電流増幅器であってもよい。第２のコンポーネントは、検出された信号フォーム２１を増幅し、更に高周波ノイズをフィルタリングして除去する増幅及びフィルタリングユニットである。第３のコンポーネントは、データ記録及び送信ユニット２３である。ユニット２３は、ＡＤＣ（アナログデジタル変換器）２３１と、データを記憶するメモリ２３２とを含み、信号をコンピューティング装置のリモート受信器に無線送信する送信回路２３３を有する。コンピューティング装置は、定量分析を実施する。分析結果は、個人別の健康指導、身体鍛錬、又は診断の為に使用者又は医師に対して表示される。
【００５０】
図６Ａ及び６Ｂは、２つのタイプの揃えられた圧電繊維を示す。これらは、機械的引き伸ばし変形を持続することが可能である。図６Ａに示された第１のタイプは、波状構造を有し、引き伸ばされて長くなって圧電検知を行うことが可能である。図６Ｂに示された第２のタイプは、力の印加方向に対してスキュー角度が小さくなる繊維である。これらの繊維は、力が印加されている間はまっすぐになることが可能である。図６Ｃは、これら２つのタイプの圧電繊維によって構築される圧電糸の大まかな構造を示す。これは、張力によってまっすぐになり、機械的な力から解放されると元の状態に戻ることが可能である。そして、機械的変形は、圧電作用によって検出されることが可能である。
【００５１】
図７は、圧電パッチセンサで使用される圧電糸の一例のヒステリシスループを示す。圧電糸は、電気スピンＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）繊維束から作られる。この圧電繊維束は、最初に、２．５時間の周期的引き伸ばし加工が行われ、その後にポーリング加工が行われることによって揃えられる。その後、この圧電繊維束が２つの弾性シートの間に挟まれることにより、圧電パッチセンサの芯が構築される。このヒステリシスループは、圧電パッチセンサが筋肉の大きな収縮プロファイルに適用可能であることを示している。更に、このヒステリシスループは、非線形性が低レベルである為、測定されたひずみ信号を出力する為の計算が容易に可能である。
【００５２】
図８Ａは、２つの圧電パッチセンサを使用して二頭筋及び三頭筋の収縮を測定する、本発明の一例を示す。図３Ａに示された構成が使用されている。二頭筋及び三頭筋の求心性収縮及び伸張性収縮を同時に測定及び監視することが可能である。更に、２つの圧電パッチセンサの出力電流から、求心性収縮中の二頭筋及び三頭筋の外周の拡大及び縮小を明確に監視することが可能であり、逆の場合も同じである。
【００５３】
図８Ｂは、図８Ａと全く同じセットアップを有する、本発明の別の例を示す。これは、二頭筋及び三頭筋の両方の等尺性収縮の同時測定結果を示す。外周の拡大及び弛緩の収縮プロファイルが異なることが識別可能である。
【００５４】
本発明の更に別の例では、図９は、２つの圧電パッチセンサの使用による、二頭筋の等尺性収縮及び弛緩の測定結果を示す。一方の圧電パッチは、図３Ａに示されたように、筋収縮の方向に平行に配置されている。測定された信号は、図９の上側に示されている。他方の圧電パッチは、図３Ｂに示されたように垂直に配置されており、その信号は、図９の下側に示されている。図から明らかなように、圧電パッチセンサは、収縮中の二頭筋の拡大を明確に測定することが可能であり、又、収縮中の二頭筋の長さの短縮を測定することも可能である。更に、弛緩プロファイルの監視も可能である。
【００５５】
本発明の更に別の例では、図１０は、一方の下腿のヒラメ筋の２つの側面に２つの圧電パッチセンサを貼り付けることによって測定された、ヒラメ筋のプロファイルを示す。これら２つの圧電パッチセンサの構成は、図３Ａのものと同じである。ジャンプの動きを測定することが可能であり、この動きは、これら２つの圧電パッチセンサとよく同期している。
【図１Ａ】
2020174997.tif 000003
【図１Ｂ】
2020174997.tif 000004
【図２】
2020174997.tif 000005
【図３Ａ】
2020174997.tif 000006
【図３Ｂ】
2020174997.tif 000007
【図４Ａ】
2020174997.tif 000008
【図４Ｂ】
2020174997.tif 000009
【図５】
2020174997.tif 000010
【図６Ａ】
2020174997.tif 000011
【図６Ｂ】
2020174997.tif 000012
【図６Ｃ】
2020174997.tif 000013
【図７】
2020174997.tif 000014
【図８Ａ】
2020174997.tif 000015
【図８Ｂ】
2020174997.tif 000016
【図９】
2020174997.tif 000017
【図１０】
2020174997.tif 000018
【外国語明細書】
2020174997000001.pdf