(57)【要約】【課題】  寝具に配置しても被検者が違和感を感じにくく、呼吸および心拍の少なくとも一方を精度良く検出することができる生体情報検出装置を提供する。【解決手段】  生体情報検出装置１は、寝具４０に配置され、エラストマーおよび圧電粒子を含む圧電層１１と、電極層１２ａ、１２ｂと、エラストマーを含む保護層１３ａ、１３ｂと、を有し、幅が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、長さが１００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、幅に対する長さの比（長さ／幅）が２以上２００以下、厚さが０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下の矩形薄板状を呈し、伸縮柔軟性を有する圧電センサ１０を備え、圧電センサ１０において、電極層１２ａ、１２ｂが圧電層１１を介して厚さ方向に重なる感圧部Ｓの面積は、圧電センサ１０の面積の２０％以上であり、圧電センサ１０からの出力信号に基づいて、被検者Ｐの呼吸および心拍の少なくとも一方を検出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
寝具に配置され、
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、該電極層の少なくとも一つに積層されエラストマーを含む保護層と、を有し、
幅が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、長さが１００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、幅に対する長さの比（長さ／幅）が２以上２００以下、厚さが０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下の矩形薄板状を呈し、伸縮柔軟性を有する圧電センサを備え、
該圧電センサにおいて、該電極層が該圧電層を介して厚さ方向に重なる感圧部の面積は、該圧電センサの面積の２０％以上であり、
該圧電センサからの出力信号に基づいて、被検者の呼吸および心拍の少なくとも一方を検出する生体情報検出装置。
【請求項２】
前記被検者が前記寝具の上に横になった状態において、前記感圧部は該被検者の体の一部と重なるように配置される請求項１に記載の生体情報検出装置。
【請求項３】
前記圧電センサの弾性率は、１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であり、
該圧電センサは、長手方向に１０％以上伸長する請求項１または請求項２に記載の生体情報検出装置。
【請求項４】
前記圧電センサは、長手方向に１０％伸長した時の引張荷重が１００Ｎ以下、かつ、１０％伸長した状態における長手方向の感度係数が５０ｐＣ／Ｎ以上である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項５】
前記圧電センサは、次式（Ｉ）を満たす請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の生体情報検出装置。
０．１≦圧電層の引張荷重／（電極層の引張荷重＋保護層の引張荷重）≦２・・・（Ｉ）
【請求項６】
前記保護層の破断伸びは、前記圧電層の破断伸びよりも大きい請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項７】
前記圧電層の前記エラストマーは、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である請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項８】
前記圧電層における前記圧電粒子の含有量は、前記エラストマーを１００体積％とした場合の３０体積％以上５０体積％以下である請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柔軟で伸縮可能な圧電センサを備え、被検者の呼吸および心拍の少なくとも一方を検出するための生体情報検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、呼吸状態の測定は、無呼吸症候群の発見および治療などに有用である。また、心拍数の測定は、睡眠の質の測定や、心疾患の発見などに有用である。このように、健康管理や病気の発見、治療を目的として、被検者の呼吸状態や心拍数を測定することが行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、高分子母材中に圧電セラミック粉体を混合した圧電体シートと、その両面に配置された可撓性電極と、を有する可撓性圧電素子と、該可撓性圧電素子の出力電圧に基づいて呼吸などの人体情報を検知する人体情報検知手段と、を備える異常監視装置が記載されている。特許文献２には、ベッドに架設された圧電ケーブルセンサを備え、該圧電ケーブルセンサの出力情報から心拍情報、体動情報および呼吸情報のうちの少なくとも二つを抽出し、被検者の生体の状態を判定する生体センサが記載されている。
特許文献３には、シリコーンゴム製の敷き板と、被検者の生体活動に伴い発生する該敷き板の歪みを検出する圧電フィルムセンサと、を備える生体情報計測用パネルが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６３０１号公報
【特許文献２】特開２００５−９５３０７号公報
【特許文献３】特開２０１４−１２４３１０号公報
【特許文献４】国際公開第２０１７／０１０１３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３に記載されている圧電センサは、塩素化ポリエチレン、クロロプレンなどの樹脂中にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック粉体が配合された圧電層、あるいは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂製の圧電層を有する。このため、圧電センサは、可撓性はあるものの、柔軟性および伸縮性に乏しい。したがって、圧電センサを寝具に配置して、その上に被検者が横になった場合に、硬さやごわつきなどの違和感を感じやすい。被検者が圧電センサを意識してしまうため、心拍数の測定が正確にできなかったり、睡眠が妨げられるおそれがある。この場合、圧電センサを、マットレスなどのクッション性を有する寝具の下に配置すれば、違和感は低減されるかもしれない。しかし、従来の圧電センサは、被検者や寝具の動きに追従して伸縮することができないため、被検者と圧電センサとの間にマットレスなどが介在すると、呼吸および心拍といった微弱な振動を検出することは難しい。
【０００６】
この点、特許文献３に記載されている生体情報計測用パネルにおいては、シリコーンゴム製の敷き板を被検者の下に配置し、圧電センサを被検者に重ならないように配置して、被検者の生体活動により生じる敷き板の歪みを圧電センサで検出している。しかし、シリコーンゴム製の敷き板は粘弾性を有するため、被検者の生体活動により生じる振動は、圧電センサに伝わるまでの間に大きく減衰する。このため、呼吸および心拍といった微弱な振動を精度良く検出することは難しい。
【０００７】
一方、特許文献４には、エラストマーを含む圧電層、電極層、保護層を有する柔軟な圧電センサが記載されている。しかし、寝具に配置して、被検者の呼吸および心拍の少なくとも一方を検出するためには、圧電センサの形状や寸法を最適化するなど、さらに検討が必要である。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、寝具に配置しても被検者が違和感を感じにくく、呼吸および心拍の少なくとも一方を精度良く検出することができる生体情報検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の生体情報検出装置は、寝具に配置され、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、該電極層の少なくとも一つに積層されエラストマーを含む保護層と、を有し、幅が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、長さが１００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、幅に対する長さの比（長さ／幅）が２以上２００以下、厚さが０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下の矩形薄板状を呈し、伸縮柔軟性を有する圧電センサを備え、該圧電センサにおいて、該電極層が該圧電層を介して厚さ方向に重なる感圧部の面積は、該圧電センサの面積の２０％以上であり、該圧電センサからの出力信号に基づいて、被検者の呼吸および心拍の少なくとも一方を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の生体情報検出装置は、エラストマーを含む圧電層および保護層を有し、伸縮柔軟性を有する圧電センサを備える。このため、圧電センサを寝具に配置し、その上に被検者が横になっても、被検者は硬さやごわつきなどの違和感を感じにくい。圧電センサは、被検者や寝具の動きに追従して伸縮可能である。このため、呼吸および心拍による微弱な振動、呼吸および心拍動に由来する呼吸音を、精度良く検出することができる。圧電センサは、幅（短手方向の長さ）に対して２倍以上の長さ（長手方向の長さ）を有する矩形薄板状を呈する。そして、圧電センサの面積に占める感圧部の面積は２０％以上である。圧電センサが細長い形状を有し、感圧部の面積も大きいため、圧電センサを寝具に配置した場合に、感圧部が被検者の体の一部と重なりやすい。よって、呼吸および心拍による微弱な振動を漏らさず検出することができる。圧電センサは、マットレスの全面に配置するような大面積の面状センサと比較して、小型である。よって、マットレスやシーツなどの質感を損なわない。また、被検者の体と重なる面積が小さいため、違和感がより低減される。さらに、持ち運びや、取付け、取り外しが容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態である生体情報検出装置の配置図である。
【図２】同生体情報検出装置における圧電センサの上面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】実施例１の圧電センサで測定された呼吸波形を示すグラフである。
【図５】同圧電センサで測定された心拍波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の生体情報検出装置の一実施形態を図面を用いて説明する。図１に、本実施形態の生体情報検出装置の配置図を示す。図２に、同生体情報検出装置における圧電センサの上面図を示す。図３に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。図１においては、生体情報検出装置を透過して示す。図２においては、電極層および圧電層を透過して示す。
【００１３】
図１〜図３に示すように、生体情報検出装置１は、圧電センサ１０と、配線２０ａ、２０ｂと、制御回路部３０と、を備えている。本実施形態においては、マットレスの上に被検者Ｐが仰向けに寝た状態において、被検者Ｐの肩幅方向を左右方向、身長方向を前後方向と定義する。圧電センサ１０の幅は前後方向の長さ、長さは左右方向の長さである。圧電センサ１０は、ベッドのマットレスを被覆するカバー４０の裏側に固定されている。ベッドのマットレスのカバーは、本発明における「寝具」の概念に含まれる。圧電センサ１０は、左右方向に帯状に延在して配置されている。圧電センサ１０の一部は、被検者Ｐの胸部の下に配置されている。圧電センサ１０は、幅２５ｍｍ、長さ５５０ｍｍ、厚さ０．４５ｍｍの長方形薄板状を呈している。幅に対する長さの比（長さ／幅）は２２である。圧電センサ１０は、伸縮柔軟性を有しており、圧電層１１と、一対の電極層１２ａ、１２ｂと、一対の保護層１３ａ、１３ｂと、を備えている。
【００１４】
圧電層１１は、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ＸＨ−ＮＢＲ）とチタン酸バリウム粒子とを含んでいる。チタン酸バ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１１は、幅２０ｍｍ、長さ５５０ｍｍ、厚さ０．０６ｍｍ（６０μｍ）の長方形薄膜状を呈している。圧電層１１には分極処理が施されており、チタン酸バリウム粒子は、圧電層１１の厚さ方向（上下方向）に分極している。圧電層１１の破断伸びは１２０％である。
【００１５】
電極層１２ａは、アクリルゴムと導電性カーボンブラックとを含んでいる。電極層１２ａは、幅１５ｍｍ、長さ５５０ｍｍ、厚さ０．０１５ｍｍ（１５μｍ）の長方形薄膜状を呈している。電極層１２ａは、圧電層１１の上面に配置されている。電極層１２ａの左端には、配線２０ａが接続されている。電極層１２ｂの材質、形状、大きさは、電極層１２ａのそれと同じである。電極層１２ｂは、圧電層１１の下面に配置されている。電極層１２ｂの左端には、配線２０ｂが接続されている。
【００１６】
保護層１３ａは、熱可塑性ポリエステルエラストマー製であって、幅２５ｍｍ、長さ５５０ｍｍ、厚さＴ０．１８ｍｍ（１８０μｍ）の長方形薄膜状を呈している。保護層１３ａは、電極層１２ａの上面に配置されている。保護層１３ｂの材質、形状、大きさは、保護層１３ａのそれと同じである。保護層１３ｂは、電極層１２ｂの下面に配置されている。保護層１３ａ、１３ｂの破断伸びは４８０％である。
【００１７】
圧電層１１、電極層１２ａ、１２ｂ、保護層１３ａ、１３ｂは、長さは同じで幅のみが異なる。図２に点線のハッチングで示すように、上方から見て、圧電センサ１０の幅方向中央部に感圧部Ｓ（電極層１２ａ、１２ｂと圧電層１１とが厚さ方向に重なる部分）が形成されている。感圧部Ｓの面積は、圧電センサ１０の面積の６０％である。
【００１８】
圧電センサ１０の弾性率は４６ＭＰａである。圧電センサ１０は、左右方向に１０％以上伸長可能である。圧電センサ１０を左右方向に１０％伸長した時の引張荷重は２３．３Ｎ、左右方向の感度係数は２２０ｐＣ／Ｎである。また、後述する式（Ｉ）の引張荷重の比（圧電層の引張荷重／（電極層の引張荷重＋保護層の引張荷重））は、０．５である。
【００１９】
電極層１２ａと制御回路部３０とは、配線２０ａにより電気的に接続されている。電極層１２ｂと制御回路部３０とは、配線２０ｂにより電気的に接続されている。被検者Ｐの呼吸および心拍により圧電センサ１０に荷重が加わると、圧電層１１に電荷が発生する。発生した電荷（出力信号）は、制御回路部３０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、被検者の呼吸および心拍が検出される。
【００２０】
本実施形態において、圧電センサ１０を構成する圧電層１１および電極層１２ａ、１２ｂの母材は、いずれもエラストマーである。また、保護層１３ａ、１３ｂもエラストマー製である。このため、圧電センサ１０は、伸縮柔軟性を有する。したがって、圧電センサ１０をマットレスの上に配置し、その上に被検者Ｐが横になっても、被検者Ｐは硬さやごわつきなどの違和感を感じにくい。圧電センサ１０は、被検者Ｐやマットレスの動きに追従して伸縮可能であるため、呼吸および心拍による微弱な振動を、精度良く検出することができる。圧電センサ１０は、帯状を呈しており、感圧部Ｓが被検者Ｐの体と重なっている。このため、呼吸および心拍による微弱な振動を漏らさず検出することができる。圧電センサ１０は、マットレスの全面に配置される大面積の面状センサと比較して、小型である。よって、カバー４０の質感を損なわない。また、被検者Ｐの体と重なる面積が小さいため、違和感がより低減される。圧電センサ１０は小型であるため、持ち運びや、取付け、取り外しが容易である。
【００２１】
以上、本発明の生体情報検出装置の一実施形態を説明した。本発明の生体情報検出装置は、上記実施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。
【００２２】
＜圧電層＞
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。弾性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。
【００２３】
圧電層に荷重が加わった時に発生する起電界（Ｖ／ｍ）は、圧電層の圧電歪み定数（Ｃ／Ｎ）、誘電率（Ｆ／ｍ）、および加わった荷重（Ｎ／ｍ２）により、次式（ａ）で示される。
起電界＝圧電歪み定数／誘電率×荷重  ・・・（ａ）
起電界を大きくするという点においては、圧電層の誘電率は小さい方が望ましい。この場合、比誘電率が比較的小さいエラストマーを採用することが望ましい。例えば、比誘電率が１５以下（測定周波数１００Ｈｚ）のエラストマーとして、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ、ＸＨ−ＮＢＲなどが好適である。
【００２４】
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、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム、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。
【００２５】
圧電粒子の粒子径は、特に限定されない。例えば、平均粒子径が異なる複数種の圧電粒子粉末を用いると、エラストマー中に大粒径の圧電粒子と小粒径の圧電粒子とを混在させることができる。この場合、大粒径の圧電粒子の間に小粒径の圧電粒子が入り込み、圧電粒子に圧力が伝わりやすくなる。これにより、圧電層の圧電歪み定数が大きくなり、起電圧を大きくすることができる。
【００２６】
圧電粒子は、単粒子でも複数の粒子が集合した集合体であってもよい。複数の圧電粒子からなる集合体を含む場合には、柔軟性と圧電性とのバランスが取りやすくなる。例えば、エラストマーに圧電粒子を多量に配合すると、圧電性は向上するが、エラストマーの体積割合が小さくなるため柔軟性は低下する。反対に、圧電粒子の配合量が少ないと、エラストマーの体積割合が大きくなるため柔軟性は向上するが、圧電性は低下する。本発明者の検討によると、圧電層の柔軟性、具体的には破断伸びが大きくなることにより、伸縮を繰り返しても起電圧の変化が小さくなる、すなわち伸縮耐久性が向上することが確認されている。このため、圧電粒子の配合量をできるだけ少なくして所望の圧電性を確保することが望ましい。
【００２７】
複数の圧電粒子が集合した集合体としては、個々の粒子が静電力などにより凝集した凝集体、個々の粒子が化学結合した結合体などが挙げられる。個々の粒子が分離しにくく圧電粒子の連結構造を構築しやすいという観点から、後者の結合体が好適である。結合体の製造方法は特に限定されないが、例えば、単粒子からなる粉末を焼成した後、粉砕して製造することができる。凝集体と結合体との違いは、次のようにして分析することができる。まず、圧電層を加熱してエラストマー成分を取り除く。次に、残った圧電粒子を良溶媒に分散させて、超音波処理する。その結果、個々の粒子に分離したら凝集体、分離しなければ結合体と判断する。ここで、良溶媒とは、圧電粒子を分散させた場合に沈降しにくい極性溶媒をいう。具体的には、ＳＰ値（溶解度パラメータ）が８以上１３以下であり、かつエラストマーを溶解できる溶剤であればよい。例えば、２−メトキシエタノールが挙げられる。
【００２８】
複数の圧電粒子が集合した集合体は、個々の圧電粒子の平均粒子径の２倍より大きい直径を有する粒子として定義することができる。ここで、集合体の直径（ｄ２）としては、レーザー回折・散乱式の粒子径分布測定装置において測定したメディアン径を採用する。圧電粒子の平均粒子径（ｄ１）としては、集合体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を撮影し、偏りがないよう任意に選出された１００個以上の圧電粒子の最大径の平均値を採用する。そして、２ｄ１＜ｄ２を満たすものが集合体である。
【００２９】
圧電粒子を表面処理するなどして、エラストマーと圧電粒子とを化学結合させてもよい。圧電粒子を表面処理する方法としては、エラストマーポリマーと反応可能な官能基を有する表面処理剤を圧電粒子に予め反応させておき、当該圧電粒子をエラストマーポリマーと混合する方法や、圧電粒子の表面を酸、アルカリまたは亜臨界水で溶解して水酸基を生成させた後、水酸基と反応可能な官能基を有するエラストマーポリマーと混合する方法などが挙げられる。圧電粒子がエラストマーに化学結合していると、伸縮を繰り返しても圧電粒子が位置ずれしにくい。また、エラストマーから圧電粒子が剥離しにくいため、物性や出力の初期値からの変動が少なくなる。このため、出力が安定すると共に、圧電層の耐へたり性が向上する。また、圧電層の破断伸びが大きくなるため、伸長時に局所破壊などによる圧電性能の低下を抑制することができる。その結果、伸長した状態においても高い圧電性能を維持することができる。
【００３０】
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。
【００３１】
圧電層は、エラストマーおよび圧電粒子に加えて、圧電粒子よりも比誘電率が小さい補強粒子を含んでいてもよい。補強粒子の比誘電率は、圧電粒子の比誘電率よりも小さいことを条件として、例えば１００以下、さらには３０以下であることが望ましい。
【００３２】
比誘電率が大きい圧電粒子が連結した構造は、外力が圧電粒子に伝わりやすいため、前述した式（ａ）の圧電歪み定数の向上が期待できる。しかしながら、比誘電率が大きい圧電粒子が連結することで、圧電層全体としての誘電率が上昇してしまう。これに対して、圧電層に圧電粒子と補強粒子との両方が含まれる場合、比誘電率が大きい圧電粒子同士の繋がりが、それよりも比誘電率が小さい補強粒子の介在により分断される。これにより、圧電層全体としての誘電率の上昇を抑制することができる。一方、補強粒子と圧電粒子とにより粒子の連結構造は維持されているため、圧電歪み定数を維持することができる。すなわち、圧電層に補強粒子が含まれる場合には、圧電歪み定数を維持したまま、圧電粒子のみが含まれる場合よりも圧電層全体の誘電率を小さくすることができる。よって、前述した式（ａ）により、大きな起電界を得ることができる。
【００３３】
補強粒子としては、電気抵抗が大きい粒子が望ましい。補強粒子の電気抵抗が大きいと、圧電層の絶縁破壊強度が大きくなる。これにより、後述する圧電層の分極処理において、高い電界を印加して処理時間を短くすることができる。加えて、分極処理中に破壊する圧電センサの数を減らすことができるため、生産性が向上する。
【００３４】
また、補強粒子は、エラストマーに化学結合していることが望ましい。この場合、エラストマー中に補強粒子のネットワークが形成されるため、架橋剤、添加剤、空気中の水分などがイオン化した不純物イオンが動きにくくなり、圧電層の電気抵抗が増加する。補強粒子とエラストマーとの化学結合は、例えば、補強粒子を表面処理するなどして実現することができる。表面処理の方法としては、エラストマーポリマーと反応可能な官能基を有する表面処理剤を補強粒子に予め反応させておき、当該補強粒子をエラストマーポリマーと混合する方法や、補強粒子の表面を酸、アルカリまたは亜臨界水で溶解して水酸基を生成させた後、水酸基と反応可能な官能基を有するエラストマーポリマーと混合する方法などが挙げられる。補強粒子がエラストマーに化学結合していると、伸縮を繰り返しても補強粒子が位置ずれしにくい。また、エラストマーから補強粒子が剥離しにくいため、物性や出力の初期値からの変動が少なくなる。このため、出力が安定すると共に、圧電層の耐へたり性が向上する。また、圧電層の破断伸びが大きくなるため、伸長時に局所破壊などによる圧電性能の低下を抑制することができる。その結果、伸長した状態においても高い圧電性能を維持することができる。
【００３５】
補強粒子の種類は特に限定されない。例えば、二酸化チタン、シリカ、チタン酸バリウムなどの酸化物、ゴム、樹脂などの粒子を用いることができる。但し、ゴム粒子などの比較的柔らかい粒子を含む場合には、加わった荷重が樹脂粒子にて減衰し、圧電粒子に伝わりにくくなるおそれがある。圧電粒子に力を伝達しやすくして、前述した式（ａ）における圧電層の圧電歪み定数を大きくし、起電界を大きくするという観点から、補強粒子としては、母材のエラストマーよりも弾性率が大きい粒子を採用する方がよい。例えば、比誘電率が小さく、耐絶縁破壊性の向上効果が大きいなどの理由から、二酸化チタンなどの金属酸化物粒子が好適である。金属酸化物粒子の製造方法としては、結晶性が低く比誘電率が小さい粒子が得られるという理由から、ゾルゲル法が好適である。
【００３６】
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。
【００３７】
本発明者が検討したところ、薄膜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。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２００μｍ以下、さらには１００μｍ以下が望ましい。一方、薄過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、さらには２０μｍ以上が望ましい。
【００３８】
＜電極層＞
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。
【００３９】
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、薄層黒鉛、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。なお、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。
【００４０】
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。
【００４１】
＜保護層＞
保護層は、電極層の少なくとも一つに積層され、エラストマーを含む。例えば、圧電層および電極層の積層体の積層方向外側の一方または両方に、保護層を配置すればよい。また、一対の電極層間に圧電層が介装されたユニットを複数積層する場合には、積層方向に隣接する電極層間に保護層を配置してもよい。保護層を配置することにより、圧電センサの絶縁性を確保し、外部からの機械的応力による圧電センサの破壊を抑制することができる。また、保護層が伸長することにより圧電層の歪みを増加させて、センサの感度を向上させることができる。
【００４２】
例えば、圧電センサの積層方向に力を加えた場合（圧電センサを圧縮した場合）、保護層が面方向に伸長することにより、圧電層にせん断力が作用する。これにより、圧電層には、積層方向の押圧力に加えて面方向の引張力が加わることになり、圧電層の歪みが増大する。その結果、圧電層で発生する電荷量が増大し、センサの感度が向上する。保護層による感度向上効果は、保護層の引張方向における弾性率が小さい程顕著である。
【００４３】
保護層のエラストマーとしても、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。弾性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。特に、人の生体情報を測定するという観点から、生体との親和性が良好なシリコーンゴム、ウレタンゴムが望ましく、可塑剤などの経時的に抽出される物質を含まないことが望ましい。
【００４４】
繰り返し使用した場合にセンサの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圧電センサ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。また、伸長時に保護層が破断して圧電センサが破壊することを防ぐため、保護層の破断伸びは圧電層の破断伸びよりも大きいことが望ましい。本明細書において、破断伸びは、ＪＩＳ  Ｋ６２５１：２０１０に規定される引張試験により測定される切断時伸びの値を採用する。引張試験は、ダンベル状５号形の試験片を用い、引張速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとして行うものとする。
【００４５】
エラストマーのポアソン比は略０．５である。このため、エラストマー製の保護層においては、厚さ方向に加えられた力がそのまま面方向の力として作用する。このため、保護層の厚さが大きいほど、圧電層の歪み増大効果が大きく、センサの感度向上効果が大きくなる。一方、保護層の厚さが大きくなると、圧電センサが厚くなり、被検者が違和感を感じやすくなる。このため、保護層一層あたりの厚さは、例えば、５μｍ以上１０００μｍ以下にするとよい。本明細書における保護層の厚さとは、前出図３に符号Ｔで示すように、保護層の一層における電極層に積層される部分の厚さである。
【００４６】
＜圧電センサ＞
圧電センサは寝具に配置される。寝具は特に限定されないが、ベッドのマットレス、敷き布団、これらのカバーやシーツなどが挙げられる。例えば、マットレスなどの上に配置する、あるいは、マットレスなどとカバーとの間に配置するだけでもよいが、これらに縫い付けたり、面ファスナーやスナップボタンなどで留めたり、接着剤で接着してもよい。呼吸および心拍による微弱な振動を精度良く検出するという観点から、圧電センサは、被検者が寝具の上に横になった状態において、感圧部が被検者の体の一部と重なるように配置されることが望ましい。
【００４７】
圧電センサは矩形薄板状を呈する。圧電センサの大きさは、幅が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、長さが１００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、幅に対する長さの比（長さ／幅）が２以上２００以下、厚さが０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。幅が小さいと、感度が低くなり微弱な振動を検出しにくくなる。好適な幅は１０ｍｍ以上である。反対に、幅が大きいと感度は高くなるが、被検者が違和感を感じやすくなったり、通気性が悪くなり汗をかきやすくなるおそれがある。好適な幅は５０ｍｍ以下である。長さは長いほど、換言すると、幅に対する比が大きいほど、被検者の体に重なりやすいため、呼吸および心拍による微弱な振動を検出しやすくなる。好適な長さは３００ｍｍ以上である。一方、寝具に設置しやすいという観点から、好適な長さは８００ｍｍ以下である。厚さが大きいと、被検者が違和感を感じやすくなる。好適な厚さは２ｍｍ以下である。
【００４８】
圧電センサの弾性率が大きいと、被検者が硬さやごわつきなどの違和感を感じやすくなり、睡眠の妨げや不快感につながる。反対に弾性率が小さいと、取り扱いにくくなると共に、荷重に対する伸長変位が大きくなり耐久性が低下する。このため、圧電センサの弾性率は、１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であることが望ましい。本明細書において、弾性率は、ＪＩＳ  Ｋ７１２７：１９９９に規定される引張試験により得られる応力−伸び曲線から算出した値である。引張試験は、試験片タイプ２の試験片を用い、引張速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとして行うものとする。
【００４９】
圧電センサは、伸縮柔軟性を有する。例えば、圧電センサの引張歪みが１０％以下であれば、伸縮柔軟性を有するといえる。本明細書において、引張歪みは、次のようにして測定した値であり、伸縮柔軟性を有するか否かの指標になる。まず、圧電センサの初期状態（伸長前の無荷重状態）の長さＬ０を測定する。次に、圧電センサを長手方向に２０％伸長し（長さは１．２Ｌ０）、その状態のまま１０〜３０℃の温度下で１０秒間保持する。その後、初期状態に戻して、圧電センサの長さＬ１を測定する。そして、次式（ｂ）により算出された、初期状態に対する伸び率を引張歪みと定義する。
引張歪み（％）＝（Ｌ１−Ｌ０）／Ｌ０×１００  ・・・（ｂ）
圧電センサは、長手方向に１０％以上伸長する。長手方向に１０％伸長するとは、長手方向における長さが無荷重状態の長さの１．１倍になることを意味する。例えば、圧電センサを長手方向に１０％伸長した時の引張荷重は、１００Ｎ以下であることが望ましい。引張荷重が１００Ｎを超えると、被検者が硬さやごわつきなどの違和感を感じやすくなり、睡眠の妨げや不快感につながる。好適な引張荷重は７５Ｎ以下である。１０％伸長した時の引張荷重は、弾性率の場合と同様に、ＪＩＳ  Ｋ７１２７：１９９９に規定される引張試験を行い（試験片：試験片タイプ２、引張速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ）、１０％伸長した時の荷重を測定すればよい。
【００５０】
圧電センサは、被検者の荷重により伸長した状態で使用される。このため、伸長した状態でも呼吸や心拍を検出できるセンサ能を有し、センサの感度係数が大きいことが望ましい。このような観点から、圧電センサを長手方向に１０％伸長した状態における長手方向の感度係数は、５０ｐＣ／Ｎ以上であることが望ましい。長手方向の感度係数とは、圧電センサに長手方向の引張荷重を加えた時に発生する単位面積あたりの電荷量（Ｃ／ｍ２）を、加えた単位面積あたりの荷重（Ｎ／ｍ２）で除した値である。
【００５１】
圧電センサの耐久性を確保する観点から、圧電センサは、次式（Ｉ）を満たすことが望ましい。
０．１≦圧電層の引張荷重／（電極層の引張荷重＋保護層の引張荷重）≦２・・・（Ｉ）
各層の引張荷重は、上述したＪＩＳ  Ｋ７１２７：１９９９に規定される引張試験により得られる各層の弾性率に、各層の無荷重状態の厚さと幅を乗じて算出すればよい。電極層の厚さは、圧電層を挟む二つの電極層の厚さの合計である。保護層が二つ配置される場合、保護層の厚さは、二つの保護層の厚さの合計である。なお、二つの電極層において、弾性率や厚さなどが異なる場合には、各層ごとに弾性率×厚さ×幅を計算して、それらの和を使用する。保護層についても同様である。
【００５２】
式（Ｉ）における引張荷重の比が０．１未満の場合には、圧電センサに応力を加えた場合に、圧電層に加わる応力が相対的に小さくなるため、センサ感度が低くなる。一方、式（Ｉ）における引張荷重の比が２を超える場合には、圧電センサに応力を加えた場合に、圧電層に加わる応力が相対的に大きくなるため、圧電層に過度の負荷が加わり、耐久性が低下するおそれがある。圧電層は圧電粒子を含むため、層内で伸長率のばらつきがあり、局所的に弱い部分が生じやすい。このため、圧電層の破断伸びは比較的小さくなる。つまり、圧電層は伸長時に局所破壊しやすい。ここで、引張荷重の比が２を超える場合には、伸長時に破壊しやすい圧電層の変位が律速になる。このため、耐久性が低下するおそれがある。これに対して、式（Ｉ）における引張荷重の比が０．１以上２以下の場合には、センサ感度と耐久性とのバランスがとれる。保護層は圧電粒子を含まないため、局所破壊が生じにくく、破断伸びが比較的大きい。保護層による均一な伸長が実現されることにより、耐久性が高くなる。また、圧電層にも応力が伝わりやすいため、センサ感度が高くなる。
【００５３】
圧電センサにおいて、一対の電極層は、圧電層中の圧電粒子の分極方向に離間して配置される。電極層は、圧電層の表面全体に形成してもよく、一部のみに形成してもよい。電極層が圧電層を介して厚さ方向に重なる部分が感圧部になる。感圧部の面積は、圧電センサの面積の２０％以上である。感圧部が被検者の体の一部と重なりやすく、呼吸および心拍による微弱な振動を漏らさず検出するという観点から、感圧部の面積を５０％以上、さらには６０％以上にすると好適である。
【００５４】
圧電センサは、圧電層、電極層、保護層を、圧着、融着、あるいは接着剤により接着して製造すればよい。例えば、保護層に熱可塑性エラストマーを用いた場合には、保護層を加熱して軟化させることにより、電極層および圧電層に融着させることができる。また、保護層と電極層との間に接着層を設けてもよい。接着層としては、保護層よりも低温で軟化する熱可塑性エラストマーを用いることが望ましい。この場合、より低温での融着が可能になり、製造コストを低減することができる。
【００５５】
＜生体情報検出装置＞
本発明の生体情報検出装置は、圧電センサの他に、圧電センサからの出力信号を処理するための制御装置を備えて構成すればよい。例えば、上記実施形態のように、制御装置として制御回路部を備える場合、制御回路部は、電源と、圧電センサで発生した電荷（出力信号）が入力され、それを処理する演算部と、演算部で処理されたデータを一時的に格納する記憶部と、などから構成すればよい。また、制御装置として、チャージアンプ、記録計などを用いてもよい。
【実施例】
【００５６】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００５７】
＜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、圧電粒子としてのチタン酸バリウム粒子の結合体の粉末（日本化学工業（株）製「ＢＴＤ−ＵＰ」）５１２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、スラリーをバーコート法により基材上に塗布した。これを１５０℃で１時間加熱して、厚さ０．０６ｍｍ（６０μｍ）の圧電層１を製造した。圧電層１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。圧電層１の破断伸びは１２０％である。
【００５８】
［圧電層２、３］
エラストマーに対する圧電粒子の配合量を、圧電層２においては８４０質量部、圧電層３においては２００質量部にした点以外は、圧電層１と同様にして圧電層２、３を製造した。エラストマーを１００体積％とした場合、圧電層２における圧電粒子の含有量は５８体積％、圧電層３における圧電粒子の含有量は２６．５体積％である。圧電層２の破断伸びは８％、圧電層３の破断伸びは４２０％である。
【００５９】
［圧電層４］
（株）クレハ製のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂製フィルム「ＫＦピエゾ４０μｍ」を用いた。圧電層４の破断伸びは７０％である。
【００６０】
＜電極層の製造＞
［電極層１］
まず、エラストマーとしてのエポキシ基含有アクリルゴムポリマー（日本ゼオン（株）製「Ｎｉｐｏｌ（登録商標）ＡＲ５１」）１００質量部を、メチルエチルケトンに溶解して、ポリマー溶液を調製した。次に、調製したポリマー溶液に、導電性カーボンブラック（ライオン（株）製「ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ」）１０質量部を添加して、ビーズミルにて分散させて導電塗料を調製した。続いて、導電塗料を離型処理されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製のフィルム上にバーコート法により塗布した。これを１５０℃で１時間加熱して、厚さ０．０１５ｍｍ（１５μｍ）の電極層１を製造した。
【００６１】
［電極層２］
まず、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）という三種類のモノマーを懸濁重合して、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を製造した。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。次に、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、このポリマー溶液に、導電材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質量部を添加して液状組成物を調製した。続いて、液状組成物を、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。粉砕処理は、パス運転により、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。粉砕処理後の液状組成物を離型処理されたＰＥＴ製のフィルム上にバーコート法により塗布した。これを１５０℃で２時間加熱して、厚さ０．０１５ｍｍ（１５μｍ）の電極層２を製造した。使用した原料の詳細は以下の通りである。
導電材：薄層黒鉛、（株）アイテック製「ｉＧｕｒａｆｅｎ−α」。
分散剤：高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、楠本化成（株）「ディスパロン（登録商標）ＤＡ７３０１」。
架橋剤：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．「ＡＴＢＮ１３００×１６」。
架橋促進剤：亜鉛錯体、ＫＩＮＧ  ＩＮＤＵＳＴＲＩＥＳ，  ＩＮＣ「ＸＫ−６１４」。
【００６２】
［電極層３］
導電性銀ペースト（東洋紡（株）製「ＤＷ２５０−Ｈ−５」）を、離型処理されたＰＥＴ製のフィルム上にバーコート法により塗布した。これを１５０℃で１時間加熱して、厚さ０．０１５ｍｍ（１５μｍ）の電極層３を製造した。
【００６３】
［電極層４］
厚さ０．０１５ｍｍ（１５μｍ）の導電布（セーレン（株）製「Ｓｕｉ−１０−５１１Ｍ」）を、電極層４とした。
【００６４】
＜保護層の製造＞
［保護層１］
熱可塑性ポリエステルエラストマー（東レ・デュポン（株）製「ハイトレル（登録商標）３０４６」）をシート状に成形して、厚さ０．１８ｍｍ（１８０μｍ）の保護層１を製造した。保護層１の破断伸びは５２０％である。
【００６５】
［保護層２］
厚さ０．１ｍｍ（１００μｍ）のポリエステルフィルム（三菱ケミカル（株）製「ダイアホイル（登録商標）」）を、保護層２とした。保護層２の破断伸びは８０％である。
【００６６】
＜圧電センサの製造＞
製造した圧電層、電極層、保護層を適宜組み合わせて、次のようにして種々の圧電センサを製造した。まず、圧電層の厚さ方向の二面（上面および下面）に各々電極層を配置して、ラミネーター（フジプラ（株）製「ＬＰＤ３２２３」）を用いて圧電層と電極層とを圧着した。次に、保護層を上下両方の電極層に積層し、保護層の表面にアイロンをあて、保護層を軟化させることにより、圧電層および電極層に保護層を融着させた。得られた保護層／電極層／圧電層／電極層／保護層からなる積層体の電極層に直流電源を接続し、圧電層に２０Ｖ／μｍの電界を５分間印加して、分極処理を行った。このようにして、幅２５ｍｍ、長さ５５０ｍｍの長方形薄板状の圧電センサを製造した（前出の図２、図３参照）。この時の圧電層の幅は２０ｍｍ、電極層の幅は１５ｍｍ、保護層の幅は２５ｍｍであり、各層の長さは全て５５０ｍｍである。圧電センサの厚さは、各層の厚さの合計（圧電層＋電極層×２＋保護層×２）である。感圧部の面積は、圧電センサの面積の６０％である。
【００６７】
また、圧電層１、電極層１、保護層１を積層した圧電センサを基本形として、各層の長さ、幅、厚さの少なくとも一つを変更して、基本形とは異なる寸法の種々の圧電センサを製造した。なお、一つの圧電センサにおいて、圧電層、電極層、保護層の長さは同じである。つまり、各層の長さがそのまま圧電センサの長さになる。
【００６８】
表１、表２に、製造した圧電センサの寸法、構成、および物性を示す。構成において、基本形と異なる寸法のみかっこ書きで示した（単位はｍｍ、長さが異なる場合もあるが、圧電センサの長さと同じであるため省略）。物性のうち１０％伸長時の感度係数の測定方法は次の通りである。
【００６９】
［１０％伸長時の感度係数］
圧電センサを長手方向に１０％伸長した状態で、疲労耐久試験機（（株）島津製作所製「ＭＭＴ−１０１Ｎ」）に設置して、長手方向に引張方向の荷重０．５Ｎ、１Ｎ、１．５Ｎ、２Ｎ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を加えた応力で除し、その平均値を算出して、圧電センサの１０％伸長時の感度係数とした。
【表１】
2019037672.tif 000003
【表２】
2019037672.tif 000004
【００７０】
表１に示すように、圧電粒子の配合量が少ない圧電層３を用いた実施例３の圧電センサ、および圧電層の厚さが薄い実施例４の圧電センサにおいては、１０％伸長時の感度係数が小さくなった。
【００７１】
表２に示すように、ＰＶＤＦからなる圧電層４を用いた比較例１の圧電センサは、伸縮柔軟性を有さず、弾性率が大きくなった。同様に、ポリエステルフィルムからなる保護層２を用いた比較例１１の圧電センサも、伸縮柔軟性を有さず、弾性率が大きくなった。また、導電布からなる電極層４を用いた比較例１０の圧電センサは、弾性率は大きくないが、引張歪みが大きく伸縮柔軟性を有さなかった。
【００７２】
＜評価方法＞
製造した圧電センサを用いて、被検者の呼吸および心拍を測定すると共に、測定時に被検者が違和感を感じるか否かを調べた。また、圧電センサの伸縮耐久性、設置のしやすさを評価した。圧電センサの評価方法は、次の通りである。
【００７３】
［呼吸および心拍の測定］
まず、マットレス（タンスのゲン（株）製「コイルキラー」）の上に、マットレスパッド（（株）エアウィーヴ製「スマート０２５」、幅約１０００ｍｍ、長さ約１９５０ｍｍ、厚さ約３５ｍｍ）を配置し、その上に圧電センサを配置した。圧電センサは、その長辺とマットレスパッドの短辺（被検者の肩幅方向に延びる辺）とが平行になるように配置した。そして、マットレスパッドの上に被検者が仰向けに寝た状態において、圧電センサの感圧部が、被検者の心臓の下に位置するようにした。次に、被検者がマットレスパッドの上に仰向けに横になり、呼吸および心拍の測定を開始した。圧電センサからの出力信号を処理するための装置には、チャージアンプ（ブリュエル・ケアー社製「ＮＥＸＵＳ  Ｃｈａｒｇｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｔｙｐｅ２６９２」）およびデータロガー（記録計）（（株）キーエンス製「ＮＲ−ＨＡ０８」）を用いた。測定は、１回あたり３０分間とし、合計５回行った。そして、５回とも測定できた場合を良好（後出の表３、表４中、〇印で示す）、１回でも測定できなかった場合を不良（同表中、×印で示す）と評価した。本実施例においては、圧電センサと、チャージアンプと、データロガーと、により生体情報検出装置が構成されている。
【００７４】
［違和感の評価］
呼吸および心拍を測定する際、被検者がマットレスパッドの上に仰向けに横になった時に、違和感を全く感じなかった場合を違和感なし（同表中、〇印で示す）、少し違和感を感じた場合をやや違和感あり（同表中、△印で示す）、かなり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。
【００７５】
［伸縮耐久性の評価］
圧電センサを疲労耐久試験機（同上）に設置し、長手方向に引張変位１０％のｓｉｎ波（周波数１Ｈｚ）を２０万回加えて、その時の発生電荷量をチャージアンプ（同上）およびオシロスコープ（同上）を用いて測定した。２０万回後の発生電荷量が初期の発生電荷量に対して６０％以上であれば、伸縮耐久性良好（同表中、〇印で示す）、６０％未満であれば伸縮耐久性不良（同表中、×印で示す）と評価した。
【００７６】
［設置のしやすさ］
圧電センサがマットレスパッドの上に収まるように簡単に配置できた場合を可（同表中、〇印で示す）、そのように配置できなかった場合を不可（同表中、×印で示す）と評価した。
【００７７】
＜評価結果＞
表３、表４に、製造した圧電センサの構成と共に評価結果を示す。また、図４に、実施例１の圧電センサで測定した呼吸の測定結果を示す。図５に、同圧電センサで測定した心拍の測定結果を示す。
【表３】
2019037672.tif 000005
【表４】
2019037672.tif 000006
【００７８】
表３に示すように、実施例の圧電センサによると、被検者がほとんど違和感を感じることなく、呼吸および心拍を測定することができた。また、実施例の各圧電センサは、伸縮耐久性および設置のしやすさという点においても優れていた。図４、図５に一例を示すように、実施例の圧電センサによると、呼吸および心拍を精度良く測定することができた。実施例１０の圧電センサの電極層３は、導電性銀ペーストからなる。このため、他の実施例の圧電センサと比較して、弾性率および１０％伸長時の引張荷重が大きくなり、若干の違和感が生じてしまった。実施例１１の圧電センサの圧電層２は、圧電層１、３と比較して圧電粒子の配合量が多い。このため、実施例１０の圧電センサと同様に、弾性率および１０％伸長時の引張荷重が大きくなり、若干の違和感が生じてしまった。
【００７９】
一方、表４に示すように、実施例の圧電センサとは大きさや感圧部の面積が異なる比較例２〜９の圧電センサにおいては、呼吸および心拍が測定できなかったり、被検者が違和感を感じるなどの不具合があった。また、ＰＶＤＦからなる圧電層４を有する比較例１の圧電センサ、導電布からなる電極層４を有する比較例１０の圧電センサ、ポリエステルフィルムからなる保護層２を有する比較例１１の圧電センサは、いずれも伸縮柔軟性に乏しい。このため、これらの圧電センサを用いると、被検者は硬さやごわつきなどの違和感を感じてしまった。なお、比較例１１の圧電センサにおいては、保護層２の破断伸びよりも、圧電層１の破断伸びの方が大きい。よって、伸長時に保護層２が破断して、局所破壊しやすい圧電層１の変位が律速になり耐久性が低下するおそれがある。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の生体情報検出装置は、呼吸状態や心拍数をストレスなく高精度に測定することができるため、医療、介護、健康管理、トレーニングなどの現場で有用である。
【符号の説明】
【００８１】
１:生体情報検出装置、１０：圧電センサ、１１：圧電層、１２ａ、１２ｂ：電極層、１３ａ、１３ｂ：保護層、２０ａ、２０ｂ：配線、３０：制御回路部、４０：カバー、Ｐ：被検者、Ｓ：感圧部。
【図１】
2019037672.tif 000007
【図２】
2019037672.tif 000008
【図３】
2019037672.tif 000009
【図４】
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【図５】
2019037672.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成30年12月26日(2018.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
寝具に配置され、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、該電極層の少なくとも一つに積層されエラストマーを含む保護層と、を有し、幅が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、長さが１００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下、幅に対する長さの比（長さ／幅）が２以上２００以下、厚さが０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下の矩形薄板状を呈し、伸縮柔軟性を有する圧電センサを備え、
該圧電センサにおいて、該電極層が該圧電層を介して厚さ方向に重なる感圧部の面積は、該圧電センサの面積の２０％以上であり、
該圧電センサからの出力信号に基づいて、被検者の呼吸および心拍の少なくとも一方を検出する生体情報検出装置。
【請求項２】
前記被検者が前記寝具の上に横になった状態において、前記感圧部は該被検者の体の一部と重なるように配置される請求項１に記載の生体情報検出装置。
【請求項３】
前記圧電センサの弾性率は、１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であり、
該圧電センサは、長手方向に１０％以上伸長する請求項１または請求項２に記載の生体情報検出装置。
【請求項４】
前記圧電センサは、長手方向に１０％伸長した時の引張荷重が１００Ｎ以下、かつ、１０％伸長した状態における長手方向の感度係数が５０ｐＣ／Ｎ以上である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項５】
前記圧電センサは、次式（Ｉ）を満たす請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の生体情報検出装置。
０．１≦圧電層の引張荷重／（電極層の引張荷重＋保護層の引張荷重）≦２・・・（Ｉ）
【請求項６】
前記保護層の破断伸びは、前記圧電層の破断伸びよりも大きい請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項７】
前記圧電層の前記エラストマーは、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である請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項８】
前記圧電層における前記圧電粒子の含有量は、前記エラストマーを１００体積％とした場合の３０体積％以上５０体積％以下である請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項９】
前記圧電センサは、前記寝具の最上面に配置される請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項１０】
前記寝具は、マットレスおよび該マットレスを被覆するカバーを有し、
前記圧電センサは、該マットレスと該カバーとの間に配置される請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項１１】
前記圧電センサにおいて、前記感圧部の面積は、該圧電センサの面積の５０％以上である請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項１２】
前記保護層の前記エラストマーは、熱可塑性エラストマーである請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項１３】
前記熱可塑性エラストマーは、ウレタンゴムまたはシリコーンゴムである請求項１２に記載の生体情報検出装置。
【請求項１４】
前記圧電センサは、前記保護層と前記電極層との間に接着層を有する請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の生体情報検出装置。
【請求項１５】
前記接着層は、前記保護層の前記エラストマーよりも低温で軟化する熱可塑性エラストマーからなる請求項１４に記載の生体情報検出装置。