(57)【要約】【課題】  鼻又は口の周辺といった呼気の流路に与えられて呼吸の有無を検出する呼吸センサであって、被検者の違和感のより少ない呼吸センサの提供。【解決手段】  スペーサチップ膜を間に挟んで基板と対向するとともに該スペーサチップ膜から延びる片梁状の２００μｍ以下の厚さの梁電極膜を含み、該梁電極膜の延出端部を呼気の流路に与えて呼吸の有無を検出する呼吸センサである。スペーサチップ膜と延出端部との間において基板上に与えられた接触電極膜を含み、基板は可撓性を有するとともに、基板上に印刷により与えられた接触電極膜の頂部への梁電極膜の当接の有無を検出することを特徴とする【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペーサチップ膜を間に挟んで基板と対向するとともに該スペーサチップ膜から延びる片梁状の２００μｍ以下の厚さの梁電極膜を含み、該梁電極膜の延出端部を呼気の流路に与えて呼吸の有無を検出する呼吸センサであって、
前記スペーサチップ膜と前記延出端部との間において前記基板上に与えられた接触電極膜を含み、前記基板は可撓性を有するとともに、前記基板上に印刷により与えられた前記接触電極膜の頂部への前記梁電極膜の当接の有無を検出することを特徴とする呼吸センサ。
【請求項２】
前記梁電極膜は樹脂、金属、又はこれらの複合材からなり５ＧＰａ以下の弾性率を有することを特徴とする請求項１記載の呼吸センサ。
【請求項３】
前記梁電極膜の前記延出端部には前記基板と対向する面積を拡大させた風受部を与えられていることを特徴とする請求項２記載の呼吸センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼吸の有無を検出するための呼吸センサに関し、特に、呼気の流路に与えられて呼吸の有無を検出する呼吸センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
血圧や脈拍などの生体活動情報をリアルタイムで捕捉し人体の健康状態をモニタリングすることが広く行われている。このうち、呼吸については、睡眠時無呼吸症候群の危険性の指摘や、乳幼児の預かり施設における窒息事故などに関連し、近年、特に注目されるようになっている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、呼吸により変位する部位に取り付けられるエラストマーからなるテープ状のセンサにおいて、その変形によって変化する抵抗値を電気信号として検出し、呼吸状態を把握する方法が開示されている。エラストマーには導電性フィラーが埋め込まれており、弾性変形によって抵抗値が変化するのである。かかる方法によれば、鼻孔や口腔等に器具を取り付ける方法と比較して、被検者に息苦しさ、圧迫感等を感じさせずに済むとしている。
【０００４】
同様に、特許文献２では、被検者の胴体の前後に一対の電極を取り付け、この電極間における静電容量の変化から呼吸状態を把握する方法を開示している。ここでは、静電容量が肺内部における空気量に比例することを利用している。呼吸は心臓循環機能と比べて随意的にも制御され、ストレスが呼吸の計測結果に大きな影響を及ぼすところ、かかる方法によれば、被検者にストレスを掛けることなく、自然な状態での呼吸状態を把握できるとしている。
【０００５】
ところで、睡眠時無呼吸症候群には呼吸指令が脳から発信されない中枢型と、呼吸が喉や気道の圧迫によって物理的に抑制される閉塞型とがあるが、前者の場合、呼吸動作自体が起きず、胸郭の動きも生じない。そこで、呼吸に伴う胸郭や腹部の動作を検出するのではなく、呼気を直接検出する方法も提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献３では、口や鼻の呼気の流路に与えられて呼気によって変位を得ることで呼吸の有無を検出する呼吸センサを開示している。屈曲した板体の一端部が呼気の流路に与えられるとともに、これが移動すると、他端部が圧電素子に力を与えて電気信号変化を与えるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１５５８５９３号公報
【特許文献２】特開２００８−２２９０８４号公報
【特許文献３】特開２００６−２１２２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、呼気を正確に検知するためには、鼻孔に管を固定する方法なども行われているが、被検者にとっての負担は大きく、自由な動作も制限されるため、特許文献３のような呼吸センサを用いることが好まれる。一方、かかるタイプの呼吸センサは、長時間取り付けられるとともに、呼吸から変化を与えられる反面、呼吸にも変化が生じるため、被検者に違和感を与えることがある。
【０００９】
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、鼻又は口の周辺といった呼気の流路に与えられて呼吸の有無を検出する呼吸センサであって、被検者の違和感のより少ない呼吸センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による呼吸センサは、スペーサチップ膜を間に挟んで基板と対向するとともに該スペーサチップ膜から延びる片梁状の２００μｍ以下の厚さの梁電極膜を含み、該梁電極膜の延出端部を呼気の流路に与えて呼吸の有無を検出する呼吸センサであって、前記スペーサチップ膜と前記延出端部との間において前記基板上に与えられた接触電極膜を含み、前記基板は可撓性を有するとともに、前記基板上に印刷により与えられた前記接触電極膜の頂部への前記梁電極膜の当接の有無を検出することを特徴とする。
【００１１】
かかる発明によれば、可撓性を有する基板上に２００μｍ以下の厚さの梁電極膜からなる片梁状の接点構造を被検者の違和感を減じ得る程度に微細に設けても、印刷により与えられた接触電極膜と梁電極膜との間隙を正確にできて安定した接点構造とし得るのである。
【００１２】
上記した発明において、前記梁電極膜は樹脂、金属、又はこれらの複合材からなり５ＧＰａ以下の弾性率を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、接触電極膜と梁電極膜との間隙を正確にできて安定した接点構造とし得るのである。
【００１３】
上記した発明において、前記梁電極膜の前記延出端部には前記基板と対向する面積を拡大させた風受部を与えられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、被検者の違和感を減じ得る程度により微細に設けても、安定した接点構造とし得るのである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による呼吸センサの概念図である。
【図２】本発明による呼吸センサの側面図である。
【図３】本発明による呼吸センサの側面図である。
【図４】本発明による呼吸センサを使用したときの図である。
【図５】本発明による呼吸センサの概念図である。
【図６】本発明による呼吸センサの側面図である。
【図７】本発明による呼吸センサの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明による呼吸センサについて図１乃至図４を用いて詳細に説明する。
【００１６】
図１に示すように、呼吸センサ１０は、基板１と、基板１の主面に設けられたスペーサチップ膜２と、スペーサチップ膜２の上面に一端部（図面左側端部）を接合されて基板１に対向するように片梁状に延びる梁電極膜３と、梁電極膜３の他端部である延出端部（図面右側端部）及びスペーサチップ膜２の間で基板１の主面上に設けられる接触電極膜４と、を含む。また、スペーサチップ膜２から梁電極膜３を介して接触電極膜４までの導通の有無を検出できる検出回路５を備える。
【００１７】
図２（ａ）を併せて参照すると、呼吸センサ１０は、基板１からのスペーサチップ膜２の高さよりも接触電極膜４の高さを低くするようにされている。これによって、スペーサチップ膜２の上面から略水平に延びる梁電極膜３と接触電極膜４との間には間隙が生じる。そのため、検出回路５では上記した導通がないことを検出できる。つまり、導通のないことの検出によって梁電極膜３が接触電極膜４の頂部に当接していないことが判る。
【００１８】
ここで、図２（ｂ）に示すように、紙面上から下に向けて流れる呼気（矢印参照）を受けた場合に、梁電極膜３がその延出端部を風下に移動させるように下に撓んで、接触電極膜４に接触する。そのため、検出回路５では上記した導通のあることが検出される。つまり、導通のあることの検出によって梁電極膜３が接触電極膜４に接触していることが判るとともに、梁電極膜３が呼気によって撓んでいることも判る。これによって、呼気を検出できる。
【００１９】
なお、梁電極膜３の延出端部には基板１と対向する面積の拡大された風受部３ａを備えていてもよい。風受部３ａは、例えば円形とされて呼気の流れを遮る方向に拡がることで呼気によって受ける力を大きくできる。つまり、呼吸センサ１０を被検者の違和感を減じ得る程度に微細に設けても、安定して呼気を検出できる。また、梁電極膜３の延出端部（風受部３ａ）に呼気を効率よく当てるための窓１ａを基板１に設けてもよい。
【００２０】
図３には、呼吸センサ１０とは検出する呼気の流れの向きの異なる呼吸センサ１０’を示す。
【００２１】
図３（ａ）に示すように、接触電極膜４’はスペーサチップ膜２と同じ高さを有しており、スペーサチップ膜２の上面から略水平に延びる梁電極膜３との間には間隙を生じない。つまり、梁電極膜３は接触電極膜４’の頂部に当接しているが、接合されてはいない。かかる当接によって、検出回路５では上記した導通があることを検出できる。
【００２２】
図３（ｂ）に示すように、紙面下から上に向けて流れる呼気（矢印参照）を受けた場合に、梁電極膜３がその延出端部を風下に移動させるように上に撓んで、接触電極膜４’から離れる。そのため、検出回路５では上記した導通のないことが検出される。つまり、導通のないことの検出によって梁電極膜３と接触電極膜４とが接触していないことが判るとともに、梁電極膜３が呼気によって撓んでいることも判る。これによって、呼気を検出できる。
【００２３】
上記した呼吸センサ１０又は呼吸センサ１０’を得るための基板１、スペーサチップ膜２、梁電極膜３及び接触電極膜４又は４’の詳細については以下の通りである。
【００２４】
基板１は、スペーサチップ膜２、梁電極膜３及び接触電極膜４（又は４’：以下同様）を固定できるものであり、可撓性を有する材料からなる。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリカーボネートなどの樹脂フィルム、あるいは綿やポリエステルなどの繊維をシート状に加工したもの、などを用いることができる。可撓性を有することで人体に貼り付けて使用しても違和感なく使用し得る。なお、人体に直接触れないようにして使用する場合（図４（ｂ）参照）には、硬質な材料も使用し得る。
【００２５】
スペーサチップ膜２及び接触電極膜４は、電極としての導電性を有する材料からなる。例えば、金、銀、銅、アルミ、ニッケル、導電性カーボン、導電性酸化物、などを用いることができる。スペーサチップ膜２及び接触電極膜４は蒸着や塗布によっても形成され得るが、基板１に対する高さを正確に形成されるため、また被検者の違和感を減じるよう呼吸センサ１０を小さくするために、印刷によって厚さを正確に小さく形成されることが好ましい。このような寸法としては、幅５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、幅２００μｍ以下が最も好ましい。またスペーサチップ膜２及び接触電極膜４の間隔は、その頂部同士に梁電極膜３の接触を得るため梁電極膜３の長さよりも小さく、例えば、１ｍｍ以下が好ましく、５００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下が最も好ましい。
【００２６】
梁電極膜３は、スペーサチップ膜２及び接触電極膜４の間の導通を得ることのできるように導電性を有するとともに、呼気によって撓むための適当な弾性を有する材料からなる。梁電極膜３の撓みによる延出端部の変位については片持ち梁の変位モデルとして式１で表される。
δ＝４ＰＬ3／Ｅｗｔ3      （式１）
ここでδは延出端部の変位、Ｐは延出端部の受ける荷重、Ｌはスペーサチップ膜２から突出する梁電極膜３の延出端部までの長さ、Ｅは梁電極膜３のヤング率、ｗは梁電極膜３の幅、ｔは厚さである。なお、上記したように風受部３ａを備える場合には、風受部３ａの受ける風による荷重や自重による荷重の変化を考慮して変位が算出される。
【００２７】
梁電極膜３は呼気によって撓むようにされるため、金属や樹脂、あるいはその複合体などの容易に弾性変形する材料が用いられる。特に、ヤング率を５ＧＰａ以下とする材料であることが好ましく、これによって接触電極膜４と梁電極膜３との間隙を正確にできる。
【００２８】
梁電極膜３の材料として用いられる樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルフェノール、ポリイミド、ポリアミド、ポリフタルアミド、ポリフッ化ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。
【００２９】
梁電極膜３は、さらに導電性を付与される必要があり、非導電性の樹脂材料を用いた場合において、例えば、導電性材料からなる粒子や繊維などを分散配置してもよい。あるいは、導電性の付与のため、スペーサチップ膜２及び接触電極膜４に接触する側の面に導電性材料による薄膜を形成されていてもよい。このような導電性材料として、例えば、金、銀、銅、アルミ、ニッケル、ケイ素、炭化ケイ素、カーボンナノチューブ、グラフェン、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）などが挙げられる。
【００３０】
梁電極膜３の厚さは、呼気によって弾性限内で必要な撓みを得られるとともに、片持ち梁として自重を支えることのできるように設定される。厚さとしては、例えば、２００μｍから１μｍの範囲が好ましく、１００μｍから１０μｍの範囲がより好ましい。また、得られる呼吸センサ１０を被検者に違和感を与えないよう小さくする観点から、梁電極膜３の幅は、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、幅２００μｍ以下が最も好ましい。同様に、長さは１０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましく、１ｍｍ以下が最も好ましい。
【００３１】
上記したように梁電極膜３の延出端部には風受部３ａを形成してもよい。風受部３ａは、呼気を受けてその力を効率的に梁電極膜３に伝えることができる。呼吸センサ１０又は１０’の製造において、風受部３ａは梁電極膜３と同時に形成することが効率的であるため、梁電極膜３と同じ材料で一体的に形成することが好ましい。風受部３ａの寸法としては、呼気によって受ける力を大きくする観点からは大とすることが好ましく、自重による梁電極膜３の撓みを小さくしたり、被検者へ与える違和感を小さくしたりする観点からは小とすることが好ましい。これらのことから、円形とする場合にその直径を梁電極膜３の幅の２〜５倍の範囲とすることが好ましい。なお、風受部３ａには特に導電性を付与せずともよい。
【００３２】
梁電極膜３は、基板１に対して間隙を有する片持ち梁としての立体構造を有するように形成される。このような立体構造を得る方法として、例えば、予め設けておいた犠牲層を除去することで梁電極膜３の下に中空部を設ける化学エッチングプロセスによる製造方法を用い得る。また、基板１とは別の転写基板に梁電極膜３を印刷によって形成しておき、基板１上のスペーサチップ膜２及び接触電極膜４に対して位置合わせをするとともに転写基板上の梁電極膜３をスペーサチップ膜２に接合させ、その後、転写基板を梁電極膜３から脱離させるような接合転写プロセスによる製造方法も用い得る。このような接合転写プロセスによる場合、転写基板と梁電極膜３との間に剥離を促進できる材料による剥離面を形成しておくとよい。このような剥離面として、例えば架橋ゴムを用い、脱離の際に架橋ゴムを剥離液体によって膨潤させるとともに、剪断力を生起させてから転写基板を脱離させる方法であれば、梁電極膜３の破損を抑制できて特に好ましい。
【００３３】
図４（ａ）に示すように、呼吸センサ１０及び１０’は、例えば、絆創膏やテープなどのように人体に貼り付けて使用することができる。また、図４（ｂ）に示すように、ヘッドマイクのように、耳や頭部に装着する装着部から口元や鼻の前方に延びるアームの先端に取り付けて使用することができる。いずれの場合においても、呼気の流路に配置され、呼気の流れの向きに対して梁電極膜３の撓み方向を合せるように配置する。呼気による複数の方向の流れを検出できるように向きを変えた呼吸センサ１０を複数用いたり、呼吸センサ１０及び１０’を併用したりしてもよい。
【００３４】
以上のような呼吸センサ１０又は１０’によれば、被検者の違和感をより少なくすることができる。特に、違和感を減じるためには呼吸センサ１０又は１０’を小さくするとともに可撓性を与えることが有効である。一般に、可撓性を有する小さい呼吸センサであれば、呼気の検知が難しくなるとともに接点構造が安定しなくなる。これに対し、呼吸センサ１０及び１０’によれば、印刷プロセスによって接触電極膜４を形成して寸法制御することで、接触電極膜４と梁電極膜３との間隙の寸法を正確に制御できて、かかる接点構造を安定させ得るのである。
【００３５】
本発明による呼吸センサの他の実施例について図５乃至図７を用いて詳細に説明する。
【００３６】
図５に示すように、呼吸センサ２０は、上記した呼吸センサ１０と同様に、基板１、スペーサチップ膜２、梁電極膜３’、接触電極膜４及び検出回路５を含む。梁電極膜３’は、スペーサチップ膜２に固定される部分からさらに延長させた位置に一端部を有し、かかる一端部をスペーサチップ膜２と同じ高さに形成された第２スペーサチップ膜２１の上面に固定されている。
【００３７】
図６を併せて参照すると、呼吸センサ２０は、呼吸センサ１０と同様に、基板１からのスペーサチップ膜２及び第２スペーサチップ膜２１の高さよりも接触電極膜４の高さを低くされている。これによって、呼吸センサ１０と同様に梁電極膜３’が下に撓むことで接触電極膜４と当接して呼気を検出できる。梁電極膜３’の固定部分がより長くなったことで、接点構造をより正確に維持できる。
【００３８】
図７に示すように、呼吸センサ２０’は、呼吸センサ１０’と同様に、スペーサチップ膜２と同じ高さを有する接触電極膜４’を備えており、梁電極膜３’と接触電極膜４’との間には間隙を生じない。つまり、梁電極膜３’は接触電極膜４’の頂部に当接しているが、接合されてはいない。この場合においても、上記した呼吸センサ１０’と同様に梁電極膜３’が上に撓むことで呼気を検出できる。梁電極膜３’の固定部分がより長くなったことで、接点構造をより正確に維持できる。
【００３９】
以上、本発明による実施例、これに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【００４０】
１    基板
２    スペーサチップ膜
３    梁電極膜
４    接触電極膜
１０    呼吸センサ
【図１】
2018201657.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018201657.tif 000008
【図７】
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