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技術 気体透過型コンデンサ素子、センサ素子、及び、それらを用いた計測方法。

出願人 国立研究開発法人産業技術総合研究所
発明者 星野聰
出願日 2018年9月19日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-175229
公開日 2020年3月26日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-047776
状態 未査定
技術分野 固定コンデンサ及びコンデンサ製造装置 診断用測定記録装置
主要キーワード フィールドセンサー 容量型湿度センサ 低レベル領域 多孔質誘電体層 気体状化合物 吸水速乾 水蒸気暴露 空気通過量
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

送風機構を必要とすることなく、発汗量の変化を含めた気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上の計測に用いることが可能で、かつ、ウエアラブデバイス化が可能なコンデンサ素子センサ素子を提供する。

解決手段

少なくとも、一対の電極誘電体層を挟んだコンデンサ素子であって、一面側と他面側の差圧が125Paであるときの通気性が0.5cm3/(cm2・分)以上となる大きな通気性を有するコンデンサ素子を用いることにより、送風用エアポンプ等の送風機構を用いることなく、発汗量の変化を含めた気体中の物質(水蒸気、その他の気体、ミスト等)の透過の有無、透過量などを計測できる。

概要

背景

近年、国民の長寿化の進展高齢化社会到来もあって、人々の健康意識が高まっており、各種医療施設等で健康診断などが幅広く実施されているだけでなく、各個人日常生活送りながら健康状態等を常時モニタリングすることにも関心が持たれるようになっており、それに伴い、心拍血圧体温呼吸数などの健康状態等に関わる指標簡易にモニタリングできるウエアラブデバイス(Wearable device)も普及し始めている。そのようなヘルスケア用ウエアラブルデバイスの利用は、健康状態等に関わる指標の記録管理だけでなく、情報通信技術人工知能技術を利用することで遠隔診断治療などへの応用展開も期待されている。

そのような健康意識の高まりを背景として、発汗は、運動気温の変化による体温の上昇、緊張味覚嗅覚などの感覚器官への刺激等によって起こる生理現象であって、発汗量の変化は、熱中症の予防や、疾病診断人体に加わるストレスや種々の刺激の評価などに有効な指標になると考えられており、ヘルスケア用ウエアラブルデバイスによる計測対象として関心が寄せられている。

一般に発汗の計測は、汗腺から皮膚表面に浸出するに対して、水分による物質の呈色や皮膚表面の電気抵抗値の変化として発汗の有無を検出する手法(特許文献1,2)のほか、水分量を定量的に計測する手法として換気カプセル法(特許文献3)が主として利用されている。
換気カプセル法は、発汗を計測する皮膚上に空気の出入り口のついたカプセル密着して取り付け、エアポンプによりこのカプセル内に十分量の空気を流して皮膚表面上の汗の水分を強制的に気化させ、カプセルを透過する前後の空気の湿度の差と流した空気の量から単位表面積、単位時間当たりの発汗水分量を定量する方法であり、この方法を用いた装置が市販もされている。

発汗量の計測とは直接の関係はないが、誘電体層とその両面の2つの導電性層とを具備し、周囲環境から水蒸気の誘電体層への拡散を可能とする裂け目が表面側の導電性層に設けられた容量型湿度センサ素子も知られている(特許文献4)。

概要

送風機構を必要とすることなく、発汗量の変化を含めた気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上の計測に用いることが可能で、かつ、ウエアラブルデバイス化が可能なコンデンサ素子センサ素子を提供する。 少なくとも、一対の電極で誘電体層を挟んだコンデンサ素子であって、一面側と他面側の差圧が125Paであるときの通気性が0.5cm3/(cm2・分)以上となる大きな通気性を有するコンデンサ素子を用いることにより、送風用エアポンプ等の送風機構を用いることなく、発汗量の変化を含めた気体中の物質(水蒸気、その他の気体、ミスト等)の透過の有無、透過量などを計測できる。

目的

(1)水分による物質の呈色や皮膚表面の電気抵抗値の変化として発汗の有無を検出する手法は、発汗の有無を検出できるだけで、ヘルスケアを目的とした

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも一対の電極誘電体層を挟んだコンデンサ素子であって、一面側と他面側の差圧が125Paであるときの通気性が0.5cm3/(cm2・分)以上であるコンデンサ素子。

請求項2

可撓性を有するものである請求項1に記載のコンデンサ素子。

請求項3

厚さが3.0mm以下である請求項1又は2に記載のコンデンサ素子。

請求項4

請求項1〜3のいずれか1項に記載のコンデンサ素子において、一方の電極表面に、さらに、吸液層具備し、吸液層から他方の電極表面側へ移動又は拡散する物質計測する吸液層付きコンデンサ素子。

請求項5

前記吸液層は、蒸発面側の比表面積吸収面側より大きい吸液発散層である請求項4に記載のコンデンサ素子。

請求項6

請求項1〜5のいずれか1項に記載のコンデンサ素子を含み、前記コンデンサ素子の電気容量の変化により気体中の所定物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの一つ以上を計測するセンサ素子

請求項7

請求項6に記載のセンサ素子において、前記コンデンサ素子を計測対象の表面に装着する装着具をさらに含むセンサ素子。

請求項8

請求項6又は7に記載のセンサ素子において、計測対象が人体であり、発汗量及び/又はその時間的変化を定量する発汗量センサ素子。

請求項9

請求項1〜5のいずれか1項に記載のコンデンサ素子を用い、一方の電極側から対向する電極側へ気体を透過させ、前記コンデンサ素子の電気容量の変化により気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上を計測する、気体中物質の計測方法

請求項10

請求項6〜8のいずれか1項に記載のセンサ素子を用い、一方の電極側から対向する電極側へ気体を透過させ、前記コンデンサ素子の電気容量の変化により気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上を計測する、気体中物質の計測方法。

技術分野

0001

本発明は、発汗量気体中物質等の計測使用可能なコンデンサ素子センサ素子、及び、それらを用いた発汗量や気体中物質等の計測方法に関する。

背景技術

0002

近年、国民の長寿化の進展高齢化社会到来もあって、人々の健康意識が高まっており、各種医療施設等で健康診断などが幅広く実施されているだけでなく、各個人日常生活送りながら健康状態等を常時モニタリングすることにも関心が持たれるようになっており、それに伴い、心拍血圧体温呼吸数などの健康状態等に関わる指標簡易にモニタリングできるウエアラブデバイス(Wearable device)も普及し始めている。そのようなヘルスケア用ウエアラブルデバイスの利用は、健康状態等に関わる指標の記録管理だけでなく、情報通信技術人工知能技術を利用することで遠隔診断治療などへの応用展開も期待されている。

0003

そのような健康意識の高まりを背景として、発汗は、運動気温の変化による体温の上昇、緊張味覚嗅覚などの感覚器官への刺激等によって起こる生理現象であって、発汗量の変化は、熱中症の予防や、疾病診断人体に加わるストレスや種々の刺激の評価などに有効な指標になると考えられており、ヘルスケア用ウエアラブルデバイスによる計測対象として関心が寄せられている。

0004

一般に発汗の計測は、汗腺から皮膚表面に浸出するに対して、水分による物質の呈色や皮膚表面の電気抵抗値の変化として発汗の有無を検出する手法(特許文献1,2)のほか、水分量を定量的に計測する手法として換気カプセル法(特許文献3)が主として利用されている。
換気カプセル法は、発汗を計測する皮膚上に空気の出入り口のついたカプセル密着して取り付け、エアポンプによりこのカプセル内に十分量の空気を流して皮膚表面上の汗の水分を強制的に気化させ、カプセルを透過する前後の空気の湿度の差と流した空気の量から単位表面積、単位時間当たりの発汗水分量を定量する方法であり、この方法を用いた装置が市販もされている。

0005

発汗量の計測とは直接の関係はないが、誘電体層とその両面の2つの導電性層とを具備し、周囲環境から水蒸気の誘電体層への拡散を可能とする裂け目が表面側の導電性層に設けられた容量型湿度センサ素子も知られている(特許文献4)。

先行技術

0006

特開2010−46196号公報
特開平5−3875号公報
特開昭63−46131号公報
特開平3−87642号公報

発明が解決しようとする課題

0007

本発明者は、上記のような従来技術について検討したが、次の(1)〜(4)のような問題点などが存在することを認識した。
(1)水分による物質の呈色や皮膚表面の電気抵抗値の変化として発汗の有無を検出する手法は、発汗の有無を検出できるだけで、ヘルスケアを目的とした発汗量の定量は困難である。
(2)換気カプセル法は、測定誤差を生じさせないため、無効発汗と呼ばれる皮膚表面に水滴として残る汗を排除するために、十分な空間体積を持つカプセル、及び発汗量が多い状態でも汗の水分を能動的に気化させるために相応の流量の空気を送風することができるエアポンプを必要とする。またカプセルに流入出する空気のそれぞれの湿度を計測するために最低でも二つの湿度センサ素子が必要となる。この手法におけるこうした測定原理測定手法に起因する検出部や装置全体の小型化、薄型化の必然的な限界はウエアラブルデバイス化に大きな課題であり、発汗を定量的に測定可能で、より小型軽量化、薄型化、柔軟性の付与が可能な新たな発汗量計測手法とセンサ素子の開発が望ましい。
(3)表面側の導電性層に裂け目が設けられた容量型湿度センサ素子は、周囲環境の水蒸気が表面側導電性層の裂け目を介して拡散により誘電体層に出入りする構造であるため、周囲環境の定常的な水蒸気量は定量できるものの、発汗の際の水蒸気量やその時々刻々の変化を定量することは困難である。
(4)発汗量の計測だけでなく、幅広く各種の気体中に存在する物質の有無や透過量等を簡易に計測できるセンサ素子や計測方法の開発も望まれる。

0008

本発明は、前記従来技術や該従来技術に対する本発明者の前記認識を背景としたものであり、送風用エアポンプ等の送風機構を必要とすることなく、発汗量の変化を含めた気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上の計測に用いることが可能で、かつ、ウエアラブルデバイス化が可能なコンデンサ素子やセンサ素子を提供することを課題とする。
また、本発明は、前記コンデンサ素子や計測センサ素子を用い、発汗量の変化を含めた気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上を、送風用エアポンプ等の送風機構を必要とすることなく計測することができる計測方法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

本発明者は、前記課題のもとで鋭意研究し、少なくとも一対の電極で誘電体層を挟んだコンデンサ素子であって、一面側と他面側の差圧が125Paであるときの通気性(以下、単に「通気性」ということがある。)が0.5cm3/(cm2・分)以上となる大きな通気性を有するコンデンサ素子を用いることにより、送風用エアポンプ等の送風機構を用いることなく、発汗量の変化を含めた気体中の物質(水蒸気、その他の気体、ミスト等)の透過の有無、透過量、透過量の時間的変化をコンデンサ素子の電気容量の変化として計測できることを知見した。

0010

本発明は上記のような知見に基づくものであり、本件では、以下のような発明が提供される。
<1>少なくとも一対の電極で誘電体層を挟んだコンデンサ素子であって、一面側と他面側の差圧が125Paであるときの通気性が0.5cm3/(cm2・分)以上であるコンデンサ素子。
<2>可撓性を有するものである<1>に記載のコンデンサ素子。
<3>厚さが3.0mm以下である<1>又は<2>に記載のコンデンサ素子。
<4><1>〜<3>のいずれか1項に記載のコンデンサ素子において、一方の電極表面に、さらに、吸液層を具備し、吸液層から他方の電極表面側へ移動又は拡散する物質を計測する吸液層付きコンデンサ素子。
<5>前記吸液層は、蒸発面側の比表面積吸収面側より大きい吸液発散層である請求項4に記載のコンデンサ素子。
<6><1>〜<5>のいずれか1項に記載のコンデンサ素子を含み、前記コンデンサ素子の電気容量の変化により気体中の所定物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの一つ以上を計測するセンサ素子。
<7><6>に記載のセンサ素子において、前記コンデンサ素子を計測対象の表面に装着する装着具をさらに含むセンサ素子。
<8><6>又は<7>に記載のセンサ素子において、計測対象が人体であり、発汗量及び/又はその時間的変化を定量する発汗量センサ素子。
<9><1>〜<5>のいずれか1項に記載のコンデンサ素子を用い、一方の電極側から対向する電極側へ気体を透過させ、前記コンデンサ素子の電気容量の変化により気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上を計測する、気体中物質の計測方法。
<10><6>〜<8>のいずれか1項に記載のセンサ素子を用い、一方の電極側から対向する電極側へ気体を透過させ、前記コンデンサ素子の電気容量の変化により気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上を計測する、気体中物質の計測方法。

発明の効果

0011

本発明のコンデンサ素子や計測センサを用いることにより、発汗量の変化を含めた気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上を、送風用エアポンプ等の送風機構の使用を必要とすることなく計測することができる。
また、本発明の計測方法によれば、発汗量の変化を含めた気体中の物質の透過の有無、透過量、及び、透過量の時間的変化のうちの1つ以上を、送風用エアポンプ等の送風機構の使用を必要とすることなく計測することができる。

図面の簡単な説明

0012

本発明の1実施態様の吸液層(吸液発散層)付きコンデンサ素子乃至センサ素子を模式的に示す図である。
実施例1で作製したコンデンサ素子(誘電体層の平均孔径0.22μm、コンデンサ素子の通気性が1.8cm3/(cm2・分))の両電極間に5Vの交流電圧印加し、周波数を200ヘルツから2メガヘルツまで掃引した際の該コンデンサ素子のインピーダンスと電気容量の周波数依存性を示す図である。
実施例1で作製したコンデンサ素子(誘電体層の平均孔径0.22μm、コンデンサ素子の通気性が1.8cm3/(cm2・分))の両電極間に5Vの交流電圧を印加し、周波数を200ヘルツから2メガヘルツまで掃引した際の該コンデンサ素子の電気容量の周波数依存性に関して、水蒸気暴露下で測定した場合と通常の大気下で測定した場合とを対比して示す図である。
実施例3で作製した紙片付きコンデンサ素子(誘電体層の平均孔径0.22μm、紙片を含まないコンデンサ素子単独の通気性が1.8cm3/(cm2・分))の両電極間に5V、300ヘルツの交流電圧を印加した状態で、紙片の中央に1〜5μLの水滴を間欠的に含浸させた際の該コンデンサ素子の電気容量の時間変化を示す図である。
実施例4で作製した紙片付きコンデンサ素子(誘電体層の平均孔径0.1μm、紙片を含まないコンデンサ素子単独の通気性1.6cm3/(cm2・分))の両電極間に5V、300ヘルツの交流電圧を印加した状態で、紙片の中央に1〜5μLの水滴を間欠的に含浸させた際の該コンデンサ素子の電気容量の時間変化を示す図である。
実施例5で作製した紙片付きコンデンサ素子(誘電体層の平均孔径0.45μm、紙片を含まないコンデンサ素子単独の通気性6.1cm3/(cm2・分))の両電極間に5V、300ヘルツの交流電圧を印加した状態で、紙片の中央に1〜5μLの水滴を間欠的に含浸させた際の該コンデンサ素子の電気容量の時間変化を示す図である。
実施例6で作製した紙片付きコンデンサ素子(誘電体層の平均孔径0.65μm、紙片を含まないコンデンサ素子単独の通気性は測定していないが、6.1cm3/(cm2・分)超である。)の両電極間に5V、300ヘルツの交流電圧を印加した状態で、紙片の中央に1〜5μLの水滴を間欠的に含浸させた際の該コンデンサ素子の電気容量の時間変化を示す図である。
実施例7で作製した織布付きコンデンサ素子(誘電体層の平均孔径0.22μm、織布を含まないコンデンサ素子単独の通気性が1.8cm3/(cm2・分))の両電極間に、5V、300ヘルツの交流電圧を印加した状態で、織布に水を毎分50ナノLで総量1μLを吐出した際の該コンデンサ素子の電気容量の時間変化を示す図である。
実施例3で作製した紙片付きコンデンサ素子(誘電体層の平均孔径0.22μm、紙片を含まないコンデンサ素子単独の通気性が1.8cm3/(cm2・分))の両電極間に5V、300ヘルツの交流電圧を印加した状態で、紙片の中央に1〜5μLのエチルアルコールを間欠的に含浸させた際の該コンデンサ素子の電気容量の時間変化を示す図である。

0013

本発明を実施するための形態について、以下、具体例を挙げて説明するが、本発明の要旨を逸脱しない限り以下の内容に限定されるものではなく、適宜変更して実施することができる。
なお、本明細書において数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味として使用される。

0014

図1に、本発明の実施態様のコンデンサ素子乃至センサ素子を模式的に示す。本発明のコンデンサ素子は、誘電性材料からなる誘電体層1と、該誘電体層を両側から挟んで対向し、該誘電体層に電界を印加するための導電性材料からなる少なくとも一対の電極2、3を含む。
誘電体層と両電極とは、ともに気体透過性を有し、コンデンサ素子の一面側と他面側の差圧が125Paであるときのコンデンサ素子の通気性(以下、単に「通気性」ということがある。)が0.5cm3/(cm2・分)以上〔好ましくは1.0cm3/(cm2・分)以上、より好ましくは1.5cm3/(cm2・分)以上〕とすることにより、送風用エアポンプ等の送風機構を用いることなく、気体の円滑な透過を実現して発汗量の変化を含めた気体中の物質(水蒸気、その他の気体、ミスト等)の透過の有無、透過量、透過量の時間的変化を計測できる。コンデンサ素子の前記通気性の上限値は、限定するものではないが、あまり大きくなると測定感度低下傾向となるので、10cm3/(cm2・分)以下が好ましく、8cm3/(cm2・分)以下がより好ましい。
なお、本発明における通気性(=Q/A)は、フラジール形通気試験(JIS L1096)に準じ、コンデンサ素子の一面側と他面側の差圧が125Paであるときの空気透過量Qを測定し、測定面積Aで除して算出するが、その際、測定面積Aの値や位置は、コンデンサ素子の表面領域が直径9mmの円より大きいか否かに応じて、次の(ア)又は(イ)によって設定する。
(ア)コンデンサ素子の表面領域が直径9mmの円より大きい場合には、空気透過量が最も大きくなるように位置が選択された直径9mmの円(例えば、誘電体層の通気性が均一な場合において、円内の電極に形成された孔の合計面積が最も大きくなる直径9mmの円)の内側を測定面積(0.638cm2)とする。
(イ)コンデンサ素子の使用する表面領域が小さく、直径9mmの円内とすることが不可能な場合には、コンデンサ素子で使用する表面領域(全域)を測定面積とする。
ただし、コンデンサ素子の表面領域が直径9mmの円より大きい場合において、本発明で規定した通気性の下限値の要件〔すなわち、0.5cm3/(cm2・分)以上、1.0cm3/(cm2・分)以上、又は、1.5cm3/(cm2・分)以上〕を満足することは、コンデンサ素子の表面領域内の直径9mmの円のいずれかを測定面積としたときにその下限値の要件を満足すれば、確認されたことになる。それ故、通気性の下限値の要件の満足だけを確認する場合には、上記(ア)で述べたような、空気通過量が最も大きくなるような位置の円を選択することは、必ずしも必要ではない。

0015

一般に、コンデンサ素子の電気容量は、電極面積と誘電体層の誘電率と厚さによって決定される。誘電体層に気体や絶縁性液体の移動、透過が可能な適当な空隙を形成したコンデンサ素子を形成すれば、誘電体層中での気体や絶縁性液体の濃度や密度に応じて誘電体層の誘電率を変化させることができるので、当該コンデンサ素子に一定の電圧を印加して電気容量を測定しながら誘電体層に気体や絶縁性液体を透過させると、誘電体層を透過する物質量及びその時間的な変動をコンデンサ素子の電気容量の変化に換算して求めることが可能となる。

0016

誘電体層1は、その内部を気体や液体が拡散等により移動可能な多孔質構造を有し、かつ、対向する電極2と電極3との間の電気的絶縁性を確保し、内部を移動する気体や液体によって化学的物理的に大きな変化を起こさない材質のものから選択される。そのような誘電体層としては、限定するものではないが、例えば、多孔性セラミックスガラス繊維からなるもの、化学的に安定な高分子多孔質膜などが挙げられる。多孔質膜の高分子としては、限定するものではないが、ポリ(フッ化ビニリデン)、ポリテトラフルオロエチレン、それらの類縁共重合体ポリプロピレンポリエチレンポリカーボネート等が挙げられる。
誘電体層の厚さは、電気的絶縁性と機械的強度、及び流体透過性担保される範囲でできるだけ薄くした方が、動作電圧を低く設定できるという点で好ましい。通常、2mm以下、好ましくは1mm以下、より好ましくは500μm以下、さらにウエアラブルデバイスへ適用する場合は、5〜200μm、好ましくは5〜100μmである。
誘電体層の空隙率〔=(真密度みかけ密度)×100/真密度〕は、通気性と使用強度を確保できる範囲から選択できる。誘電体の材質にもよるが、好ましくは30〜90%、より好ましくは50〜80%である。
誘電体層の通気性は、コンデンサ素子がその通気性の要件を満足するものであればどのような範囲のものでもよいが、通常は、1.0cm3/(cm2・分)以上、好ましくは2.0cm3/(cm2・分)以上、より好ましくは2.5cm3/(cm2・分)以上である。誘電体層の通気性の上限値は、下限値と同様、限定するものではないが、あまり大きくなると測定感度が低下傾向となるので、20cm3/(cm2・分)以下が好ましく、10cm3/(cm2・分)以下がより好ましい。
誘電体層の通気性は、コンデンサ素子と同様に、フラジール形通気試験(JIS L1096)に準じ、誘電体層の一面側と他面側の差圧が125Paであるときの空気透過量Qを測定し、測定面積Aで除して算出する。その際、コンデンサ素子と同様に、測定面積Aの値や位置を上記(ア)又は(イ)によって設定しても良いが、誘電体層の通気性が測定面積の位置に関わらず均一である場合には、任意の位置の任意の測定面積(例えば、直径5〜20mmの範囲内の円)を採用することができる。

0017

電極2及び電極3は、高い導電性電気伝導率105S/m以上)を有する材料で気体や液体の透過を阻害しない構造を有し、かつ透過させる気体や液体によって化学的、物理的に大きな変化を起こさないものが選択される。そのような電極としては、限定するものではないが、適当な大きさの穴やスリット等の貫通孔パンチング加工等により所定の分布状態で形成された金属板や箔、金属の細線によって編まれた金属メッシュなどが挙げられる。
対向する電極は、前記条件を満たせば、必ずしも同一素材同一形状である必要はないし、また、誘電体層の少なくとも一方側の面の電極を複数個部分電極とすることもできるが、気体や液体の誘電体層中への拡散による誘電率の変化をコンデンサ素子の電気容量の変化としてより大きく得るという点で、誘電体層1、及び電極2と電極3が同一形状、同一面積でずれることなく重なる方がより好ましい。
電極及び誘電体層の面積は、大きいほど電気容量の変化が大きくなるが、ウエアラブルデバイス化に不利となるので、通常は、1〜1000mm2、好ましくは5〜500mm2、より好ましくは10〜200mm2である。
電極の厚さは、通常,1mm以下、好ましくは500μm以下、さらにウエアラブルデバイスに適用する場合には、5〜200μm、より好ましくは5〜100μmである。
ウエアラブルデバイスに適用する場合には、金属箔や金属メッシュの材料としてステンレス鋼チタンなどが金属アレルギー等を起こしづらいという点で好ましい。

0018

コンデンサ素子やセンサ素子を発汗などの浸出液やその蒸気の計測に用いる場合には、コンデンサ素子の浸出液側の電極に、一方の面で浸出液を吸収し、他方の面から蒸気として蒸発させる吸液層4を、蒸発面を電極に接するように添付した吸液層付きコンデンサ素子乃至吸液層付きセンサ素子とすることができる。吸液層のうち、一方の面で浸出液を効率よく吸収し、他方の面から素早く蒸気として蒸発させる機能を向上させた吸液発散層4を、蒸発面を電極に接するように添付した吸液発散層付きコンデンサ素子乃至吸液発散層付きセンサ素子とすることもできる。吸液層(吸液発散層を含む)を添付する場合、電極2と電極3との気体透過性に異方性を持たせ、吸液層(吸液発散層を含む)4の添付を気体透過効率に優れる向きに合わせることで計測をより効率的に行うことができる。
吸液層としては、限定するものではないが、吸液性の紙(洋紙、和紙)、織布、不織布、親水性樹脂多孔体乃至発泡体などが挙げられる。
吸液発散層としては、限定するものではないが、吸汗乾素材乃至吸水速乾素材などとして市販乃至公知のもの(例えば、東レ(株)フィールドセンサー秒乾(登録商標)、東洋紡績紡(株)メガテックドライ(登録商標))、それらの類似構造物が挙げられる。吸液発散層の構造例としては、毛細管効果を利用して一方の面から吸収した液体を、吸収面とは反対側に効率よく移動させ、吸液面側より比表面積が大きく形成された表面側から蒸気として素早く蒸発拡散させるポリエステルやポリプロピレンなどの化学繊維からなる織布、吸水性布層撥水性織布層を含む織布積層体が挙げられる。

0019

本発明のコンデンサ素子やセンサ素子は、人体等の計測対象面への装着を容易化するための装着具を含むことができる。そのような装着具としては、コンデンサ素子やセンサ素子の一方の電極又は吸液層(吸液発散層)を、計測対象面に接着乃至粘着させる接合具、計測対象面に密着保持するバンドベルト等の保持具などが挙げられる。

0020

以上のような本発明のコンデンサ素子やセンサ素子は、電極及び誘電体層双方の気体透過性に基づく比較的高い通気性を有するので、この通気性を利用し、各種の発生源から大気中等に自然拡散する気体中物質(水蒸気、その他の気体、ミスト等)を発生源近傍に配置したコンデンサ素子の一方の面から他方の面へ透過させ、誘電体層の誘電率が該物質の量に応じて変化することを利用して、該物質の透過量をコンデンサ素子の電気容量変化として定量可能とすることができる。
また、吸液層を一方の電極面に添付することにより、発汗作用によって人体に生じた汗等の液体を吸液層により吸収させ、気化した蒸気として漏れなくコンデンサ素子に送り込むことができるので、汗によって体外に排泄される水分量等の各種浸出液量などを電気容量の変化としてより正確、迅速に検出することが可能になると考えられる。
計測対象の気体中の物質としては、限定するものではないが、絶縁性の液体や蒸気、ミスト等であり、例えば、汗などの水、各種アルコールなどが挙げられる。

0021

本発明のコンデンサ素子、センサ素子を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。

0022

(実施例1)
片面がシリコーン系粘着剤接着性処理された厚さ40μmの可撓性ステンレス鋼箔(マクセル製 8834番ステンレステープ)を直径12.5mmの円形に加工し、直径1mmの円形の貫通孔を円の中心、及び直径3.8mmと7.6mmの同心円上等間隔に、それぞれ 1、6、12個開け気体透過性を有した電極を作製した。本電極を2枚用いて、平均孔径0.22μm、空隙率70%、厚さ125μm、差圧が125Paであるときの通気性(以下、単に「通気性」ということがある。)が3.2cm3/(cm2・分)〕を持つポリ(フッ化ビニリデン)製多孔質膜(メルクミリポアデュポア(登録商標)メンブレン)を、接着面を利用して挟み込むことで気体透過性をもつ直径12.5mmの円形の可撓性コンデンサ素子〔通気性:1.8cm3/(cm2・分)〕を作製した。本素子の両電極間に周波数200ヘルツから2メガヘルツ、5Vの交流電圧を、周波数を掃引しながら印加し、電気容量とインピーダンスを室温大気下で測定した。図3印加交流電圧の周波数と電気容量及びインピーダンスの関係を示す。電気容量は周波数に対して大きな変化を示さなかったが、インピーダンスは周波数の上昇とともに指数関数的に減少するコンデンサ素子に典型的な傾向が確認され、本可撓性素子がコンデンサ素子として成立していることを確認した。

0023

(実施例2)
水を含浸したスポンジ(幅12mm、長さ30mm)の直上に、実施例1で作製した可撓性コンデンサ素子〔通気性:1.8cm3/(cm2・分)〕を、一方の電極面がスポンジ表面から約2mm離れて平行となるように配置して、スポンジから自然蒸発する水蒸気に暴露した状態で、実施例1と同様に、周波数200ヘルツから2メガヘルツ、5Vの交流電圧を周波数を掃引しながら印加し、電気容量を測定した。図3に、印加交流電圧の周波数と電気容量の関係を、図2において示した実施例1での通常大気下での測定結果と合わせて示す。水蒸気暴露下においてはおよそ200ヘルツから6キロヘルツ周波数帯域でコンデンサ素子を構成する多孔質誘電体層内を拡散透過する水蒸気による容量の変化に相当する電気容量の上昇が検出された。このことから、実施例1で作製した気体透過型の可撓性コンデンサ素子が、素子の透過する気体分子量的変化を、電気容量の変化として検出可能にする気体(水蒸気)センサ素子として動作することが確認された。

0024

(実施例3)
実施例1で作製した可撓性コンデンサ素子〔通気性:1.8cm3/(cm2・分)〕の一方の電極面に直径10mmの円形の吸水性に優れる紙片を同心状に密着添付した。この素子の両電極間に5V、300ヘルツの交流電圧を印加した状態で、紙片の中央にマイクロシリンジで微量の水滴を滴下し水分を紙片に含浸させ、紙片を介して蒸発する水蒸気に対するコンデンサ素子の電気容量の時間変化を測定した。図4に、紙片に1〜5μLの水滴を滴下した時のコンデンサ素子が示す電気容量の時間変化を示す。各滴下量に応じて、紙片に含浸した水分が水蒸気となって蒸発し乾燥することによる蒸発量の時間的な増減が、コンデンサ素子が示す電気容量の時間変化として検出できることが確認された。このことから、実施例1で作製した気体透過性コンデンサ素子と吸水発散層を組み合わせることによって、吸収した水滴の量、及びその時間的変化が計測可能な気体(水蒸気)センサ素子として機能することを確認した。

0025

(実施例4)
実施例1において、平均孔径0.22μm、通気性3.2cm3/(cm2・分)のデュラポアメンブレンの替わりに、空隙率70%、厚さ125μmが同じで、平均孔径 0.1 μm、通気性1.8cm3/(cm2・分)が異なるデュラポアメンブレンを用いた以外は実施例1と同様にして可撓性コンデンサ素子〔通気性が1.6cm3/(cm2・分)〕を作製し、実施例3と同様にして紙片に1〜5μLの水滴を滴下した時のコンデンサ素子が示す電気容量の時間変化を調べた。その結果を図5に示す。通気性が実施例1より低い実施例4の可撓性コンデンサ素子の応答性(電気容量の変化量)は、実施例1よりも多少低かったが、センサ素子として機能することが確認された。

0026

(実施例5)
実施例1において、平均孔径0.22μm、通気性3.2cm3/(cm2・分)のデュラポアメンブレンの替わりに、空隙率70%、厚さ125μmが同じで、平均孔径 0.45 μm、通気性13.1cm3/(cm2・分)が異なるデュラポアメンブレンを用いた以外は実施例1と同様にして可撓性コンデンサ素子〔通気性が6.1cm3/(cm2・分)〕を作製し、実施例3と同様にして紙片に1〜5μLの水滴を滴下した時のコンデンサ素子が示す電気容量の時間変化を調べた。その結果を図6に示す。通気性が実施例1より高い実施例5の可撓性コンデンサ素子の応答性(電気容量の変化量)は、実施例1や実施例4よりも大幅に低かったが、センサ素子として機能することが確認された。

0027

(実施例6)
実施例1において、平均孔径0.22μm、通気性3.2cm3/(cm2・分)のデュラポアメンブレンの替わりに、空隙率70%、厚さ125μmが同じで、平均孔径 0.65 μm、通気性〔測定していないが、通気性が13.1cm3/(cm2・分)を超えるもの。〕が異なるデュラポアメンブレンを用いた以外は実施例1と同様にして可撓性コンデンサ素子〔測定していないが、通気性が6.1cm3/(cm2・分)を超えるもの。〕を作製し、実施例3と同様にして紙片に1〜5μLの水滴を滴下した時のコンデンサ素子が示す電気容量の時間変化を調べた。その結果を図7に示す。通気性が実施例5より高い実施例6の可撓性コンデンサ素子の応答性(電気容量の変化量)は、実施例5よりもさらに低かったが、センサ素子として機能することが確認された。
以上の実施例3〜6からみて、コンデンサ素子は、その通気性が0.5cm3/(cm2・分)以上のものを採用でき、好ましい通気性は、1.0cm3/(cm2・分)以上、より好ましくは、1.5cm3/(cm2・分)以上と考えられる。また、通気性の上限については限定するものではないが、測定感度が大きく低下しないように、20cm3/(cm2・分)以下のものを採用でき、好ましくは10cm3/(cm2・分)以下と考えられる。

0028

(実施例7)
実施例1で作製したコンデンサ素子〔通気性:1.8cm3/(cm2・分)〕の一方の電極面に、一方の表面で水滴を素早く吸収し、吸水した水分を毛細管現象を利用し他方の表面に移動させ、他方の表面から素早く水分を水蒸気として発散させる機能を有する高吸水速乾性ポリエステル織布(東レ(株)フィールドセンサー秒乾(登録商標))を直径10mmの円形に切り抜き、水蒸気の発散面を接するように同心状に密着添付し、発汗センサ素子を構成した。皮膚表面の発汗現象模擬するため、シリンジポンプを用いて、マイクロシリンジから任意の流速で吐出する微量の水分を、内径125μmのチューブを介して、チューブ先端から前記コンデンサ素子に密着添付したポリエステル織布の吸水面に導入し、実施例3と同様に、コンデンサ素子の両電極間に5V、300ヘルツの交流電圧を印加した状態で水の吐出速度と電気容量の時間的な変化の関係を調べた。図8に水を毎分50ナノL、及び毎分100ナノLの速度で吐出し、総吐出量が1μLになるまでポリエステル織布に吸収させた場合の本発汗量センサ素子が示す電気容量の時間変化を示す。主に上昇した体温を下げるために起こる温熱性の発汗作用の低レベル領域に相当する水分の放出が、本センサ素子が示す電気容量の時間的な変化として検出可能であることが確認された。

実施例

0029

(実施例8)
実施例3で作製したコンデンサ素子〔通気性が1.8cm3/(cm2・分)〕の一方の電極面に直径10mmの円形の吸水性に優れる紙片を同心状に密着添付した紙片付きコンデンサ素子に、実施例3と同様に、5V、300ヘルツの交流電圧を印加した状態で、紙片の中央にマイクロシリンジで微量のエチルアルコール(濃度99.5体積%)を滴下し、アルコールを紙片に含浸させ、紙片を介して蒸発するアルコール蒸気に対するコンデンサ素子の電気容量の時間変化を測定した。図9に、紙片に1〜5μLのエチルアルコールを滴下した時のコンデンサ素子が示す電気容量の時間変化を示す。各滴下量に応じて、紙片に含浸したエチルアルコールが蒸気となって蒸発し乾燥することによる蒸発量の時間的な増減が、コンデンサ素子が示す電気容量の時間変化として検出できることが確認された。このことから、実施例1で作製した気体透過性コンデンサ素子が、水蒸気以外にも、蒸発発散した気体状化合物の量、及びその時間的な変化を電気容量の変化として計測可能にする気体(アルコール蒸気)センサ素子として機能することを確認した。

0030

本発明のコンデンサ素子やセンサ素子は、発汗量の変化を含めた気体中の物質の透過の有無、透過量、透過量の時間的変化を、送風機構の使用を必要とすることなく計測することができるので、発汗量の計測だけでなく、各種の絶縁性浸出液やその蒸気の計測、気流中の気体乃至蒸気やミストの計測に幅広く使用することができるし、また、小型軽量化、薄型化、可撓性化することも容易であるのでウエアラブルデバイスとして利用することも期待される。

0031

1:気体透過性を有する多孔質誘電体層、
2、3:導電性材料からなる気体透過性を有する電極、
4:吸液層(吸液発散層)

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