JP2016161311A - 熱流計および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】生体表面と外環境との間に生じる熱流を精度良く測定できる熱流計および電子機器を提供すること。
【解決手段】熱流センサー１０は、互いに対面する第１面１１ａと第２面１１ｂとを有し、可撓性を有する伝熱層１１と、伝熱層１１の第１面１１ａと第２面１１ｂとの間の温度差を計測する温度差計測部２０とを備えている。伝熱層１１は、可撓性を有する第１部材と、第１部材よりも熱伝導率が高い第２部材とを含み、伝熱層１１の厚さは０．５ｍｍ以上であり、伝熱層１１の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以上であり、伝熱層１１のショア硬さはＡ５０以下である。
【選択図】図６

Description

本発明は、熱流計および電子機器に関する。

人体の体温は、人体から放出される熱により維持されている。この体温を維持するための代謝を基礎代謝という。したがって、人体から放出される熱を測定すれば、代謝量を知ることができる。人体から放出される熱の経路には、空気や水などの対流によって外環境に伝達する対流熱伝達と、電磁波の放射によって周囲の物体表面に伝達する放射熱伝達とがある。この対流熱伝達や放射熱伝達といった熱伝達による熱流を測定すれば、人体から放出される熱（放熱量）を測定することができる。

例えば、特許文献１には、熱流センサー（熱束センサー）が設置されたアームバンド状の電子機器（センサー装置）を、熱流センサーが着用者の皮膚に接触するように装着し、上記熱伝達によって熱流センサー内に生じた温度差から熱流を測定する技術が開示されている。

特開２０１１−１２０９１７号公報

ところで、人体から放出される熱流を正確に測定するには、皮膚面の熱を熱流センサーまでロスなく伝達させる必要がある。特許文献１に記載された電子機器では、熱流センサー自体が可撓性を有していないため、可撓性を有し熱伝導性の良好な金属などからなるアタッチメントを皮膚面に接触させ、アタッチメントを介して皮膚面の熱を熱流センサーに伝達する構造となっている。しかしながら、このような構造では、皮膚面からの熱が熱流センサーに伝達される前に熱の一部が他の部材に流出してしまい、熱流の測定に誤差が生じることとなる。

また、熱の流出による伝達ロスを抑えるため、このような可撓性を有していない熱流センサーを人体のように曲面で構成された対象物に直接接触させると、熱流センサーと皮膚面との間に空気層が生じ易くなる。熱流センサーと皮膚面との間に空気層が生じると、熱流センサーと皮膚面との実質的な接触面積が小さくなり熱流センサーへ伝達される熱が少なくなるので、測定される熱流は実際の熱流よりも小さくなる。その結果、可撓性を有していない熱流センサーでは熱流の測定に誤差が生じて、人体からの放熱量の測定精度が低下するという課題がある。

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態、または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る熱流計は、互いに対面する第１面と第２面とを有し、可撓性を有する伝熱部と、前記伝熱部の前記第１面と前記第２面との間の温度差を計測する温度差計測部と、を備えていることを特徴とする。

本適用例の構成によれば、熱流計は、可撓性を有する伝熱部の第１面と第２面との間の温度差を温度差計測部で計測して、熱伝達による熱流を測定することができる。例えば、伝熱部の第１面を人体（腕）などに接触させて熱流を測定する場合、伝熱部が可撓性を有しているので腕の表面（皮膚面）にフィットする。そのため、皮膚面への密着性が向上し伝熱部と皮膚面との間に空気層が生じにくくなるので、接触面積の減少が抑えられる。その結果、第１面が接する皮膚面と第２面が接する外環境との間に生じる熱流の測定における誤差を小さくできるので、人体からの放熱量を精度良く測定することができる。

［適用例２］上記適用例に係る熱流計であって、前記伝熱部は、可撓性を有する第１部材と、前記第１部材よりも熱伝導率が高い第２部材と、を含んでいることが好ましい。

本適用例の構成によれば、伝熱部は、可撓性を有する第１部材と、第１部材よりも熱伝導率が高い第２部材とを含んでいる。そのため、可撓性を有する第１部材を基材として伝熱部を構成し、第２部材で熱伝導性を付与することができる。

［適用例３］上記適用例に係る熱流計であって、前記伝熱部の厚さは０．５ｍｍ以上であり、前記伝熱部の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以上であり、前記伝熱部のショア硬さはＡ５０以下であることが好ましい。

本適用例の構成によれば、伝熱部の厚さが０．５ｍｍ以上であるので、熱流を測定するための温度差を第１面と第２面との間で厚さ方向に発生させることができる。また、伝熱部の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ×Ｋ）であり、一般のゴムの伝導率よりも大きいので、伝熱部の材料として好適である。そして、伝熱部のショア硬さがＡ５０以下であるので、伝熱部の可撓性を高めることができる。

［適用例４］上記適用例に係る熱流計であって、前記第１面に１００Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも大きな熱伝導率を有する熱拡散層が配置されていることが好ましい。

本適用例の構成によれば、伝熱部の第１面に伝熱部よりも大きな熱伝導率を有する熱拡散層が配置されているので、第１面の面内における温度分布をより均一にすることができる。そのため、熱流を測定する際に、皮膚面との接触状態に起因する変動や、皮膚面の温度分布に起因する変動があっても、熱流をより安定した状態で測定できる。

［適用例５］上記適用例に係る熱流計であって、前記熱拡散層のショア硬さはＡ５０以下であることが好ましい。

本適用例の構成によれば、第１面に配置される熱拡散層のショア硬さが伝熱部と同程度であるので、伝熱部の可撓性を損ねることがない。

［適用例６］上記適用例に係る熱流計であって、前記熱拡散層の表面に、有機物からなる保護層が配置されていることが好ましい。

本適用例の構成によれば、熱拡散層の表面に保護層が配置されているので、外部の物体との接触などに対して、熱拡散層と伝熱部とを保護することができる。

［適用例７］上記適用例に係る熱流計であって、前記保護層のショア硬さはＡ５０以下であることが好ましい。

本適用例の構成によれば、熱拡散層の表面に配置される保護層のショア硬さが熱拡散層および伝熱部と同程度であるので、伝熱部および熱拡散層の可撓性を損ねることがない。

［適用例８］上記適用例に係る熱流計であって、前記伝熱部と前記熱拡散層と前記保護層とが縫製により互いに接合されていることが好ましい。

本適用例の構成によれば、伝熱部と熱拡散層と保護層とが縫製により互いに接合されているので、熱流計全体の可撓性を損ねることなく互いの接合強度を高めることができる。

［適用例９］上記適用例に係る熱流計であって、前記温度差計測部は、前記第１面の複数点の温度情報と、前記第２面の複数点の温度情報と、に基づいて温度差を計測することが好ましい。

本適用例の構成によれば、第１面と第２面とのそれぞれにおいて複数点の温度情報に基づいて温度差を計測するので、第１面の面内における温度分布を平均化できる。そのため、熱流を測定する際に、腕の表面と第１面との接触状態に起因する変動、腕の表面の温度分布に起因する変動、第２面が接する外環境における温度分布に起因する変動などがあっても、皮膚面と外環境との間に生じる熱流をより安定した状態で測定できる。

［適用例１０］本適用例に係る電子機器は、互いに対面する第１面と第２面とを有し可撓性を有する伝熱部と、前記伝熱部の前記第１面と前記第２面との間の温度差を計測する温度差計測部と、を備えた熱流計が装着されたベルトと、前記ベルトに接続された筐体と、前記筐体内に設置された制御部と、を備え、前記制御部が前記熱流計を制御することを特徴とする。

本適用例の構成によれば、電子機器は、上記の熱流計が装着されたベルトと、熱流計を制御する制御部が設置された筐体とを備えているので、例えば、電子機器をベルトにより人体（腕）に装着して人体からの放熱量を測定する場合に、熱流計と皮膚面との間に空気層が生じにくい。そのため、皮膚面と外環境との間に生じる熱流の測定における誤差を小さくできるので、人体からの放熱量を精度良く測定する電子機器を提供することができる。

［適用例１１］上記適用例に係る電子機器であって、前記ベルトの熱伝導率は前記伝熱部の熱伝導率よりも低いことが好ましい。

本適用例の構成によれば、熱流計が装着されたベルトの熱伝導率が伝熱部の熱伝導率よりも低いので、皮膚面と外環境との間で熱流計の厚さ方向に生じる熱流に対して、熱流計との接触部から熱流計の厚さ方向と交差する方向にベルトへ漏れる熱を少なくできる。これにより、皮膚面と外環境との間に生じる熱流の測定における誤差を小さく抑えることができる。

第１の実施形態に係る電子機器の概略構成を示す側面図。 第１の実施形態に係る電子機器の構成を示す平面図。 第１の実施形態に係る電子機器の構成を示す平面図。 第１の実施形態に係る電子機器の構成を示す側面図。 第１の実施形態に係る電子機器の概略機能構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係る熱流センサーの構成を模式的に示す斜視図。 第１の実施形態に係る熱流センサーの構成を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る熱流センサーの構成を模式的に示す斜視図。 第２の実施形態に係る熱流センサーの構成を模式的に示す断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大、縮小、あるいは誇張して表示している。また、説明に必要な構成要素以外は図示を省略する場合がある。

以下の実施形態では、電子機器の例として、ユーザーの腕に装着されて人体からの放熱量を測定する装着型生体情報取得機器を例に挙げて説明する。

（第１の実施形態）
＜電子機器＞
まず、第１の実施形態に係る電子機器の概略構成について、図１、図２、図３、および図４を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る電子機器の概略構成を示す側面図である。図２および図３は、第１の実施形態に係る電子機器の構成を示す平面図である。図４は、第１の実施形態に係る電子機器の構成を示す側面図である。詳しくは、図２（ａ）は電子機器の正面図であり、図２（ｂ）は電子機器の背面図である。また、図３は筐体２からベルト８ａ，８ｂを外した状態を示す背面図であり、図４は図３の状態を側方からみた側面図に相当する。

図１は、第１の実施形態に係る電子機器１をユーザーの腕（人体）Ｍに装着した状態を模式的に示す図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る電子機器１は、筐体２と、筐体２に接続された一対のベルト８ａ，８ｂとを備えている。ベルト８ａには尾錠９ａが取り付けられており、ベルト８ｂには尾錠９ａと係合する穴部９ｂ（図２（ａ）参照）が複数設けられている。

図１には、２点鎖線で腕Ｍの断面を模式的に示している。電子機器１は、筐体２を一対のベルト８ａ，８ｂにより環状にユーザーの腕Ｍに巻き付けることで装着されて、人体からの放熱量を測定する腕時計型のウェアラブル機器である。本実施形態では筐体２およびベルト８ａ，８ｂにおける腕Ｍの表面（以下では、皮膚面という）に接する側（内側）を背面といい、背面と反対の側（外側）を正面という。電子機器１は、筐体２の背面とベルト８ａ，８ｂの背面とが皮膚面に接触した状態でユーザーの腕Ｍに装着される。

筐体２の正面の法線方向を、図１における上方側を正とするＺ軸方向とする。また、Ｚ軸方向と交差する方向であって、腕Ｍの長さ方向を、図１における手前側を正とするＸ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向およびＸ軸方向と交差する方向であって、腕Ｍの幅方向、すなわちベルト８ａ，８ｂの延在方向を、ベルト８ａ側を正とするＹ軸方向とする。

図２（ａ）は、電子機器１を腕Ｍから取り外し正面側を上にして平坦な面に載置した状態を示す平面図である。図２（ｂ）は、電子機器１を腕Ｍから取り外し背面側を上にして平坦な面に載置した状態を示す平面図である。

図２（ａ）に示すように、筐体２は、正面側にディスプレイ３を備えている。詳細は図示しないが、ディスプレイ３は、表示装置と、表示装置に一体または別体で積層されたタッチパネルとを備えている。したがって、ディスプレイ３は、ユーザーに画像などの情報を表示する表示部３５（図５参照）としての機能と、ユーザーが各種操作の入力をするための操作部３４（図５参照）としての機能とを有している。

筐体２は、側方（＋Ｘ方向）に、操作部３４として機能する操作ボタン４を有している。なお、操作ボタン４の数、形状、配置場所は特に限定されるものではない。ユーザーは、ディスプレイ３（タッチパネル）と操作ボタン４などを用いて測定開始操作など各種の操作入力をすることができる。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、筐体２には、充電式のバッテリー５と、制御基板６と、記憶媒体７とが内蔵されている。筐体２には、その他にも、熱流の測定結果を外部装置に送信するための通信装置や、熱流の測定結果をメモリーカードに読み書きするためのリーダーライター装置などが適宜設けられていてもよい。バッテリー５への充電方式は、例えば、筐体２の背面側に電気接点を別途設け、電気接点を介してクレードル経由で充電される構成でもよいし、非接触式の無線式充電などでもよい。

制御基板６には、図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＩＣ（Integrated Circuit）が搭載されている。制御基板６には、その他にも、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）や、各種集積回路等の必要な電子部品を適宜搭載することができる。記憶媒体７としては、メモリーやハードディスクなどが用いられる。電子機器１は、制御基板６に搭載されたＣＰＵが記憶媒体７に格納されているプログラムを実行することによって、熱流測定等の各種機能を実現する。

ベルト８ａ，８ｂは、Ｙ軸方向に沿って延在している。ベルト８ａは筐体２の一端側（＋Ｙ方向側）に接続され、ベルト８ｂは筐体２の他端側（−Ｙ方向側）に接続される。ベルト８ａ，８ｂは、シリコーンやポリウレタンなどの軟質樹脂や、皮革あるいは合成皮革などの柔軟性を有する材料で構成される。

ベルト８ａの筐体２に接続される側とは反対側（＋Ｙ方向側）の端部には、尾錠９ａが取り付けられている。ベルト８ｂの筐体２に接続される側とは反対側（−Ｙ方向側）には尾錠９ａと係合する穴部９ｂが複数設けられている。複数の穴部９ｂのいずれかが尾錠９ａと係合することにより、ベルト８ａとベルト８ｂとが接続される。尾錠９ａと係合する穴部９ｂを適宜選択することにより、装着状態におけるベルト８ａ，８ｂの実質的な長さが調整でき、これにより腕Ｍに対するベルト８ａ，８ｂの締め付け力を調整することができる。

ベルト８ａ，８ｂの各々には、熱流計としての熱流センサー１０が設けられている。熱流センサー１０は、ベルト８ａ，８ｂの各々に埋設されている。換言すれば、熱流センサー１０は、ベルト８ａ，８ｂをＺ軸方向に貫通し、側面（±Ｘ方向の面および±Ｙ方向の面）がベルト８ａ，８ｂに接合され、正面（＋Ｚ方向の面）および背面（−Ｚ方向の面）がベルト８ａ，８ｂの表面側に露出するように設けられている。熱流センサー１０のベルト８ａ，８ｂへの取付方法は、接着剤により熱流センサー１０の側面がベルト８ａ，８ｂに接着されていてもよいし、熱流センサー１０とベルト８ａ，８ｂとが縫製により互いに接合されていてもよい。

熱流センサー１０は、可撓性および柔軟性を有している。熱流センサー１０の背面を面１０ａとし（図２（ｂ））、熱流センサー１０の正面を面１０ｂとする（図２（ａ）参照）。熱流センサー１０は、電子機器１をユーザーの腕Ｍに装着した状態では、ベルト８ａ，８ｂとともに腕Ｍの曲面に沿って湾曲して、ベルト８ａ，８ｂの内側に露出する面１０ａが腕Ｍの表面に接し、ベルト８ａ，８ｂの外側に露出する面１０ｂが外環境と接するように配置される（図１参照）。

熱流センサー１０は、温度差計測部２０を備えている。詳細は後述するが、温度差計測部２０は、生体表面（本実施形態では、ユーザーの皮膚面）と外環境との間の温度差を計測する機能を有している。電子機器１は、熱流センサー１０が備える温度差計測部２０の計測結果に基づいて皮膚面と外環境との間に生じる熱流を測定し、人体からの放熱量を測定する。

図３および図４に示すように、筐体２のＹ軸方向における両端部には、筐体２の背面側から正面側に窪んだ凹部２ａが設けられている。凹部２ａのＸ軸方向における両端部には、ベルト８ａ，８ｂを接続するための接続部４１が設けられている。接続部４１は、導電性を有する金属などの材料で構成される。接続部４１は、配線部４３により制御基板６と電気的に接続されている（図３参照）。なお、筐体２の内部には、図３に示す配線部４３の他にも配線部が設けられている。接続部４１は、例えば、中空の管状となっている。

ベルト８ａ，８ｂは、筐体２と接続される側の端部に張出部８ｃを有している。ベルト８ａ，８ｂの張出部８ｃが筐体２の凹部２ａに挿入された状態で、ベルト８ａ，８ｂが筐体２に接続される（図２（ｂ）参照）。張出部８ｃのＸ軸方向における両端部には、筐体２に接続するための接続部４２が設けられている。接続部４２は、導電性を有する金属などの材料で構成される。接続部４２は、配線部４４により熱流センサー１０の温度差計測部２０と電気的に接続されている（図３参照）。接続部４２は、例えば、棒状であり、バネなどの付勢によりＸ軸方向に伸縮可能に構成されている。

接続部４１と接続部４２とにより、筐体２とベルト８ａ，８ｂとが機械的に接続されるとともに、電気的に接続される。すなわち、図３および図４に示す状態からベルト８ａ，８ｂの接続部４２を張出部８ｃの内側に押し込むようにして張出部８ｃを筐体２の凹部２ａに挿入し、接続部４２を管状の接続部４１に嵌合させることで、ベルト８ａ，８ｂが筐体２に機械的に接続される。

また、接続部４２が接続部４１に嵌合することにより、接続部４２と接続部４１とが電気的に接続される。そして、接続部４２と接続部４１とを介して、ベルト８ａ，８ｂに設けられた熱流センサー１０の温度差計測部２０が、筐体２に内蔵された制御基板６に電気的に接続される。

なお、筐体２とベルト８ａ，８ｂとを機械的および電気的に接続する手段は、上述の接続部４１と接続部４２とを介する構成に限定されない。例えば、ベルト８ａ，８ｂを筐体２にネジなどで固定し、それぞれに設けられたフレキシブル基板同士を電気的に接続させる構成のように、機械的に接続する手段と電気的に接続する手段とが異なる構成であってもよい。

次に、第１の実施形態に係る電子機器１の概略機能構成について、図５を参照して説明する。図５は、第１の実施形態に係る電子機器の概略機能構成を示すブロック図である。図５に示すように、電子機器１は、一対のベルト８ａ，８ｂに設けられた２つの熱流センサー１０と、筐体２に設けられた操作部３４と表示部３５と制御部３０と記憶部３２とを備えている。

操作部３４は、ボタンスイッチ、レバースイッチ、ダイヤルスイッチなどの各種スイッチやタッチパネルなどの入力装置によって実現されるものであり、操作入力に応じた操作信号を制御部３０に出力する。本実施形態では、例えば、図２（ａ）に示す操作ボタン４やディスプレイ３のタッチパネルがこれに該当する。

表示部３５は、液晶装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）や有機ＥＬ装置（Electroluminescence Display）などの表示装置によって実現されるものであり、制御部３０から入力される表示信号をもとに各種画面を表示する。本実施形態では、例えば、図２（ａ）に示すディスプレイ３の表示装置がこれに該当する。

表示部３５には、熱流の測定結果などが表示される。本実施形態では、例えば、熱流の測定結果は、操作部３４に対する表示モードの切替操作に応じて、現在の熱流表示画面や、過去のロギングデータに基づき熱流変化をグラフ化した熱流変化表示画面などとして表示されるようになっている。

制御部３０は、電子機器１の各部を統括的に制御する制御装置および演算装置である。制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphic Processing Unit）などのマイクロプロセッサーや、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＩＣ（Integrated Circuit）メモリーなどで実現される。本実施形態では、例えば、図２（ａ）に示す制御基板６に実装されたＣＰＵがこれに該当する。制御部３０は、熱流センサー１０の計測結果に基づいて人体の熱流を測定する熱流測定部３１を含む。

記憶部３２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの各種ＩＣメモリーやハードディスクなどの記憶媒体により実現されるものである。本実施形態では、例えば、図２（ａ）に示す記憶媒体７がこれに該当する。記憶部３２には、電子機器１を動作させ、電子機器１が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、このプログラムの実行中に使用されるデータなどが事前に格納され、あるいは処理の都度一時的に格納される。また、記憶部３２には、制御部３０を熱流測定部３１として機能させ、熱流測定処理を実行するための熱流測定プログラム３３が格納されている。

＜熱流の測定原理＞
ここで、電子機器１が行う熱流の測定原理について説明する。一般に、大気中に存在する物体は、周囲の物質や他の物体と熱交換をしている。このとき、ある物体が放出する、あるいはその物体に流入する、単位時間当たりの熱量を熱流といい、［Ｗ（＝Ｊ／ｓ）］や［ｋｃａｌ／ｍｉｎ］などの単位を用いて表される。

物体の熱流測定は、例えば、対象の物体の複数箇所に熱流センサーを設置し、熱流センサーに生じた温度差（温度勾配）を計測することで行われる。これは、物体を伝導する熱流が、物体内に存在する温度差に比例するというフーリエの法則に基づく（次式（１））。次式（１）において、Ｑは熱流［Ｗ（Ｊ／ｓ）］を表し、Ａは物体の面積［ｍ²］を表し、λは熱伝導率［Ｗ／（ｍ×Ｋ）］を表し、ｄは物体の厚さ［ｍ］を表し、ΔＴは物体内に存在する温度差［Ｋ］を表す。

したがって、人体を対象とする場合は、皮膚面に熱流センサーを設置し、皮膚面と外環境との間の熱伝達によって熱流センサー内に生じた温度差、例えば、前述の熱伝達に起因して熱流センサーの表面（熱流センサーの外環境に面する側）から熱が奪われることで熱流センサー内に生じた温度差を計測することによって、その熱流を測定することができる。

本実施形態に係る電子機器１では、上述したように、熱流センサー１０が埋設されたベルト８ａ，８ｂを人体の腕Ｍに巻き付けて装着することで、ベルト８ａ，８ｂの内側に露出する面１０ａが皮膚面に接し、ベルト８ａ，８ｂの外側に露出する面１０ｂが外環境と接するように配置される（図１参照）。そして、熱流センサー１０の面１０ａ（皮膚面）と面１０ｂ（外環境）との間に生じた温度差を計測することによって、人体の熱流を測定することができる。

＜熱流センサー＞
次に、第１の実施形態に係る熱流センサーの構成について、図６および図７を参照して説明する。図６は、第１の実施形態に係る熱流センサーの構成を模式的に示す斜視図である。図７は、第１の実施形態に係る熱流センサーの構成を模式的に示す断面図である。なお、図６および図７は、図２〜図４と同様に、電子機器１を腕Ｍから取り外し平坦な面に載置した状態における熱流センサー１０を示している。

図６および図７に示すように、第１の実施形態に係る熱流センサー１０は、面１０ａ側から＋Ｚ方向に順に積層された、第１保護層１２と、第１熱拡散層１５と、伝熱部としての伝熱層１１と、第２熱拡散層１６と、第２保護層１３と、を備えている。そして、熱流センサー１０は、伝熱層１１の内部に組み込まれた温度差計測部２０を備えている。

伝熱層１１は、平板状である。伝熱層１１の背面側（−Ｚ方向側）の面を第１面１１ａとし、伝熱層１１の正面側（＋Ｚ方向側）の面を第２面１１ｂとする。熱流センサー１０は、伝熱層１１の第１面１１ａ側に第１熱拡散層１５と第１保護層１２とが順に配置され、伝熱層１１の第２面１１ｂ側に第２熱拡散層１６と第２保護層１３とが順に配置された構成を有している。

第１保護層１２と第１熱拡散層１５との間、第１熱拡散層１５と伝熱層１１との間、伝熱層１１と第２熱拡散層１６との間、および第２熱拡散層１６と第２保護層１３の間には、接着剤層１４が配置され接着されている。また、第１保護層１２から第２保護層１３までの各層は、縫合糸１７により縫製され隣り合う層同士が互いに接合されている。

第１保護層１２の表面が熱流センサー１０の面１０ａであり、第２保護層１３の表面が熱流センサー１０の面１０ｂである。電子機器１をユーザーの腕Ｍに装着した状態では、熱流センサー１０は面１０ａが腕Ｍの表面（皮膚面）に接し面１０ｂが外環境に晒されるように配置されるので、第１保護層１２が皮膚面に接し、第２保護層１３が外環境に晒される。

以下、熱流センサー１０の各部の構成を説明する。伝熱層１１は、可撓性を有し、かつ、熱伝導性が良好な部材で構成される。より具体的には、伝熱層１１は、可撓性を有する第１部材と、第１部材よりも熱伝導率が高い第２部材とを含む。伝熱層１１において、第２部材は第１部材の中に分散されており、第２部材の体積比率は第１部材の体積比率よりも小さい。そのため、伝熱層１１は、可撓性と熱伝導性とを併せ持つ。

伝熱層１１の基材となる第１部材としては、例えば、天然ゴムや合成ゴムなどのゴム、あるいは、ポリウレタンやシリコーンなどの軟質樹脂のように可撓性と柔軟性とを有する材料を用いることができる。伝熱層１１の基材内に分散させる第２部材としては、例えば、カーボンブラック粉末、炭素繊維、ダイヤモンド粉末、炭化ケイ素粉末、金属粉末などの熱伝導性フィラーを用いることができる。

伝熱層１１に良好な可撓性と柔軟性とを持たせるため、伝熱層１１（第１部材）のショア硬さはＡ５０以下であることが好ましい。ショア硬さは、ＪＩＳ Ｋ ６２５３により定められたタイプＡデュロメーターで測定される。そして、伝熱層１１の第１面１１ａと第２面１１ｂとの間に熱流を測定するための温度差を発生させるため、伝熱層１１（第１部材）の厚さは、０．５ｍｍ以上、かつ、３ｍｍ以下であることが好ましく、１．０ｍｍ以上、かつ、１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。

なお、伝熱層１１の厚さは、熱流を測定可能な温度差を発生できる範囲で、できるだけ薄いことが望ましい。伝熱層１１が厚いと、第１面１１ａと第２面１１ｂとの間の厚さ方向（Ｚ軸方向）に生じる熱流に対して、交差する方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に漏れる熱が多くなってしまい、熱流の測定に誤差が生じるおそれがある。

また、熱流の測定において良好な応答性を得るため、伝熱層１１の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以上であることが好ましい。一般的なゴムや樹脂の熱伝導率は０．１Ｗ／（ｍ×Ｋ）〜０．５Ｗ／（ｍ×Ｋ）程度であり、上述した熱伝導性フィラーの熱伝導率は通常１００Ｗ／（ｍ×Ｋ）以上である。ゴムや樹脂からなる第１部材（基材）に第２部材（熱伝導性フィラー）を分散させることで、伝熱層１１の熱伝導率が高くなり、熱流を測定する際の応答性が高められる。例えば、第１部材に対して１０％以上の割合で第２部材を分散すれば、伝熱層１１の熱伝導率を１０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以上とすることが可能である。

第１熱拡散層１５および第２熱拡散層１６は、伝熱層１１の第１面１１ａおよび第２面１１ｂの各々の面内における温度分布を均一にするためのものである。第１熱拡散層１５および第２熱拡散層１６の熱伝導率は、１００Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも大きいことが好ましい。第１熱拡散層１５および第２熱拡散層１６で伝熱層１１の第１面１１ａおよび第２面１１ｂの各々の面内における温度分布をより均一にすることで、熱流を測定する際に、熱流センサー１０と皮膚面との接触状態に起因する変動や、皮膚面の温度分布に起因する変動があっても、熱流をより安定した状態で測定することができる。

また、伝熱層１１の可撓性および柔軟性を損ねることがないように、第１熱拡散層１５および第２熱拡散層１６のショア硬さはＡ５０以下であることが好ましく、第１熱拡散層１５および第２熱拡散層１６の厚さは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であることが好ましい。このような第１熱拡散層１５および第２熱拡散層１６の材料としては、例えば、グラファイトシートやカーボンシートなどの炭素系熱伝導シート、アルミシートや銅箔などの金属薄膜を用いることができる。

第１保護層１２および第２保護層１３は、伝熱層１１や第１熱拡散層１５および第２熱拡散層１６を、他の物体との不意の接触などによる損傷から保護するためのものである。第１保護層１２および第２保護層１３は、例えば、シリコーンゴムなどの有機物からなる材料で、伝熱層１１、第１熱拡散層１５、および第２熱拡散層１６の可撓性および柔軟性を損ねることがないよう、ショア硬さがＡ５０以下のものを用いることが好ましい。第１保護層１２および第２保護層１３の材料は、皮革や合成皮革であってもよい。また、第１保護層１２および第２保護層１３の厚さは、第１熱拡散層１５および第２熱拡散層１６を損傷から保護できるよう、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であることが好ましい。

接着剤層１４としては、例えば、ニトリルゴム接着剤やアクリル系接着剤などの、接着後においても柔軟性を保つことが可能な公知の接着剤を用いることができる。また、接着剤層１４として、これらの接着剤に金属粉末や炭素繊維などの熱伝導性フィラーを分散させた公知の接着剤を用いてもよい。接着剤層１４の厚さは、０．１ｍｍ以下であることが好ましい。接着剤層１４の厚さは、熱流センサー１０全体の可撓性および柔軟性を損ねることがないように、接着力が保持できる範囲でできるだけ薄いことが好ましい。

縫合糸１７は、伝熱層１１と、伝熱層１１の第１面１１ａ側に接着剤層１４で接着され積層された第１熱拡散層１５および第１保護層１２と、伝熱層１１の第２面１１ｂ側に接着剤層１４で接着され積層された第２熱拡散層１６および第２保護層１３と、を貫通して縫合するためのものである。縫合糸１７で縫合することにより、各層の間の接着剤層１４による接合が剥がれにくくなる。縫合糸１７としては、例えば、ポリエステルやナイロンなどの合成繊維、あるいは、綿や麻などの天然繊維を用いることができる。

縫合糸１７で縫合することにより、熱流センサー１０全体の可撓性および柔軟性を損ねることなく各層の間の接合を機械的に補強することができる。熱流センサー１０における縫合糸１７により縫合する位置は、伝熱層１１に組み込まれる温度差計測部２０を避けるため、熱流センサー１０の外縁部分とすることが好ましい（図６参照）。なお、縫合糸１７で縫合することによって熱流センサー１０の各層の確実な密着および接着が担保される場合には、接着剤層１４を省略することとしてもよい。

温度差計測部２０は、伝熱層１１の中に埋め込まれた温度差出力素子であり、例えば、サーモパイルで構成される。異なる２種類の金属導体２２，２３の両端を接合した熱電対（サーモカップル）２４を、その温接点と冷接点とがそれぞれ伝熱層１１の第１面１１ａ（皮膚面側）と第２面１１ｂ（外環境側）とに位置するようにして複数個直列に接続することで、温度差計測部２０（サーモパイル）が構成される。金属導体２２，２３としては、例えば、アルメルとクロメル、銅とコンスタンタンなどを用いることができる。

伝熱層１１の第１面１１ａには第１熱拡散層１５および第１保護層１２を介して皮膚面の熱が伝達され、伝熱層１１の第２面１１ｂからは第２熱拡散層１６および第２保護層１３を介して外環境に熱が放出される。温度差計測部２０は、伝熱層１１の第１面１１ａと第２面１１ｂとの間、すなわち、温接点と冷接点との間の温度差を電圧信号として出力する。したがって、温度差計測部２０の計測結果として、電圧計２５で検出した電圧値が制御部３０に出力される（図７参照）。制御部３０では、熱流測定部３１（図５参照）が、温度差計測部２０の計測結果に基づいて、人体（皮膚面）から放出される熱流を測定する処理を行う。

本実施形態に係る温度差計測部２０は、熱電対２４が複数個直列に接続されたサーモパイルで構成されている。そのため、温度差計測部２０は、伝熱層１１の第１面１１ａにおける複数点の温度情報と、第２面１１ｂにおける複数点の温度情報とに基づいて温度差を計測する。このように、熱流センサー１０が皮膚面に接触する面１０ａ内の複数の箇所で温度差を計測できるので、１箇所のみで温度差を計測する場合と比べて、より平均的な値が得られる。そして、熱電対２４を複数個直列に接続することで、熱電対２４が一つの場合と比べて、より大きな電圧信号を出力できるので、より正確に熱流を測定できる。

ところで、人体から放出される熱（放熱量）を正確に測定するには、皮膚面の熱を熱流センサーまでロスなく伝達させる必要がある。特許文献１に記載された電子機器では、熱流センサー自体が可撓性を有していないため、可撓性を有し熱伝導性の良好な金属などからなるアタッチメントを皮膚面に接触させ、アタッチメントを介して皮膚面の熱を熱流センサーに伝達する構造となっている。しかしながら、このような構造では、皮膚面からの熱が熱流センサーに伝達される前に熱の一部が他の部材に流出してしまうため、熱流の測定に誤差が生じ、人体からの放熱量の測定精度が低下することとなる。

したがって、誤差が生じないように熱流を測定するためには、熱流センサーを直接皮膚面に接触させて熱の伝達ロスを抑えることが望ましい。しかしながら、従来の熱流センサーは硬い素材を基材として構成されているため可撓性を有しておらず、このような可撓性を有していない熱流センサーを人体（腕Ｍ）のように曲面で構成された対象物に接触させると、熱流センサーと皮膚面との間に空気層が生じ易くなる。

ここで、一般に、熱流センサーは、対象物（皮膚面）に接触する面積全体で検出する熱流（温度差）を一つの電圧信号として出力する。上述した式（１）に示すように、熱流Ｑは物体の面積Ａに比例するので、熱流センサーと対象物との接触面積が小さくなると、熱流センサーにより測定される熱流も小さくなる。

そのため、熱流センサーと皮膚面との間の一部分に空気層が生じると、空気層が生じた部分だけ熱流センサーと皮膚面との実質的な接触面積が小さくなり熱流センサーへ伝達される熱が少なくなるので、熱流センサーにより測定される熱流は実際に生じた熱流よりも小さくなる。また、空気層が生じたことにより、装着者が腕を動かす動作や運動を行った際などに熱流センサーと皮膚面との接触面積が変動すると、熱流センサーにより測定される熱流も変動してしまう。その結果、可撓性を有していない熱流センサーでは、熱流の測定に誤差が生じ、人体からの放熱量の測定精度が低下することとなる。

本実施形態に係る電子機器１では、熱流センサー１０が皮膚面に直接接触する。熱流センサー１０は可撓性と柔軟性とを有しているので、電子機器１を人体のように曲面で構成された対象物に装着すると、熱流センサー１０が腕Ｍの表面に沿って湾曲し皮膚面にフィットする。そのため、皮膚面への密着性が向上し熱流センサー１０と皮膚面との間に空気層が生じにくくなるので、接触面積の減少が抑えられるとともに接触面積の変動も抑えられる。その結果、皮膚面と外環境との間に生じる熱流の測定における誤差を小さくできるので、人体の熱流を精度良く測定することができる。

なお、熱流センサー１０により人体の熱流を高精度に測定するため、熱流センサー１０が埋設されるベルト８ａ，８ｂは、熱流センサー１０（伝熱層１１）よりも熱伝導性が低い材料で構成されることが望ましい。これは、熱流センサー１０の厚さ方向に伝達される熱が、熱流センサー１０との接触部からベルト８ａ，８ｂへと熱流センサー１０の厚さ方向と交差する方向に流出し、熱流の測定に誤差が生じることを抑止するためである。ベルト８ａ，８ｂの熱伝導率は１Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも小さいことが好ましい。

また、ベルト８ａ，８ｂは、熱流センサー１０と同等か、より柔軟な材料で構成されることが望ましい。これは、ベルト８ａ，８ｂにより電子機器１を人体（腕Ｍ）に装着した際に、熱流センサー１０を人体（腕Ｍ）のように曲面で構成された対象物に良好に接触させるためである。ベルト８ａ，８ｂのショア硬さは、Ａ５０以下であることが好ましい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態に対して、電子機器１の全体構成はほぼ同じであるが、熱流センサーにおける温度差計測部の構成が異なっている。ここでは、第２の実施形態に係る熱流センサー（温度差計測部）の構成について、第１の実施形態との相違点を説明する。

＜熱流センサー＞
第２の実施形態に係る熱流センサーについて、図８および図９を参照して説明する。図８は、第２の実施形態に係る熱流センサーの構成を模式的に示す斜視図である。図９は、第２の実施形態に係る熱流センサーの構成を模式的に示す断面図である。第１の実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

図８および図９に示すように、第２の実施形態に係る熱流センサー５０は、皮膚面に接触する面５０ａと、外環境に接する面５０ｂとを有している。熱流センサー５０は、面５０ａ側から＋Ｚ方向に順に積層された、第１保護層１２と、第１熱拡散層１５と、伝熱層１１と、第２熱拡散層１６と、第２保護層１３と、を備えている。そして、熱流センサー５０は、伝熱層１１の内部に組み込まれた温度差計測部２０Ａを備えている。

温度差計測部２０Ａは、伝熱層１１の第１面１１ａ（皮膚面側）に配置された温度素子２６と、伝熱層１１の第２面１１ｂ（外環境側）において温度素子２６と対向する位置に配置された温度素子２７と、温度素子２６の出力温度と温度素子２７の出力温度とを差動増幅する差動増幅器２８（図９参照）とを備えている。温度差計測部２０Ａは、伝熱層１１の第１面１１ａと第２面１１ｂとの間の温度差を計測結果として制御部３０（図９参照）に出力する。温度素子２６，２７には、サーミスターや熱電対等を用いることができる。

制御部３０では、熱流測定部３１（図５参照）が、温度差計測部２０Ａからの計測結果を用い、次式（２）に従って人体の熱流を測定する処理を行う。次式（２）において、Ｑは熱流［Ｗ（Ｊ／ｓ）］を表し、Ａは物体の面積［ｍ²］を表し、λは熱伝導率［Ｗ／（ｍ×Ｋ）］を表し、ｄは物体の厚さ［ｍ］を表す。また、Ｔａは温度素子２６の出力温度［Ｋ］を表し、Ｔｂは温度素子２７の出力温度［Ｋ］を表す。

第２の実施形態に係る熱流センサー５０をベルト８ａ，８ｂに埋設して電子機器１に用いる場合も、第１の実施形態と同様に、可撓性と柔軟性とを有する熱流センサー５０が皮膚面に直接接触する。したがって、皮膚面と外環境との間に生じる熱流を精度良く測定することができるので、人体の熱流を高精度に測定することができる。

なお、第１の実施形態に係る熱流センサー１０（温度差計測部２０）と第２の実施形態に係る熱流センサー５０（温度差計測部２０Ａ）とを比較すると、サーモパイルを用いる熱流センサー１０（温度差計測部２０）の方が薄型化でき、加工も容易である。また、熱流センサー１０（温度差計測部２０）の方が複数の箇所で温度差を計測でき、大きな出力信号（電圧信号）を出力できるので、より正確に熱流を測定することが可能である。

上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。

（変形例１）
上記実施形態では、ベルト８ａ，８ｂの延在方向の一部に熱流センサー１０，５０が埋設される構造としているが、ベルト８ａ，８ｂの延在方向全体に熱流センサー１０，５０が埋設される構造としてもよい。このような構成にすれば、熱流センサー１０，５０が腕Ｍの周面に接触する面積がより大きくなるので、人体の熱流の測定精度をより向上させることができる。

（変形例２）
上記実施形態では、電子機器１を人体の腕Ｍに装着するために、尾錠９ａと穴部９ｂとを係合させるベルト８ａ，８ｂを用いる構成としているが、尾錠９ａの代わりに面ファスナーなどを用いる構成や、ベルト８ａ，８ｂの代わりに穴部がなくバックルで固定するベルトやマジックテープ（登録商標）などを用いる構成としてもよい。

（変形例３）
上記実施形態では、電子機器１を人体の腕Ｍに装着する構成としているが、電子機器１を装着する部位は腕Ｍに限定されない。例えば、上腕、腹部、大腿、脹脛、足首、首、頭などの部位に装着する構成としてもよい。その場合、ベルト８ａ，８ｂを長尺としたり、ベルト８ａ，８ｂの一部を伸縮素材としたりしてもよい。また、熱流センサー１０，５０が埋設されたベルト８ａ，８ｂを電子機器１から取り外して使用可能な構成としてもよいし、測定部位に適した長さや幅の熱流センサー１０，５０を別途用意する構成としてもよい。なお、測定対象物は人体に限定されず、例えば、動物の体、植物の幹や枝、電柱や柱などその他の人造物などであってもよい。

（変形例４）
上記実施形態では、電子機器１として人体の熱流を測定する熱流計を例示したが、本発明はこのような形態に限定されない。例えば、熱量計や消費カロリー計、代謝計、代謝機能測定機器、自律神経機能測定機器などに適用してもよい。また、筋肉の発熱量を測るスポーツ機器、登山者や高齢者、子供等を対象にした見守り機器、生体情報の測定結果を仮想空間の事象に反映する玩具などに適用してもよい。

１…電子機器、２…筐体、８ａ，８ｂ…ベルト、１０，５０…熱流センサー（熱流計）、１１…伝熱層（伝熱部）、１１ａ…第１面、１１ｂ…第２面、１２…第１保護層（保護層）、１３…第２保護層（保護層）、１５…第１熱拡散層（熱拡散層）１６…第２熱拡散層（熱拡散層）、２０，２０Ａ…温度差計測部、３０…制御部。

Claims (11)

1. 互いに対面する第１面と第２面とを有し、可撓性を有する伝熱部と、
   前記伝熱部の前記第１面と前記第２面との間の温度差を計測する温度差計測部と、を備えていることを特徴とする熱流計。
2. 請求項１に記載の熱流計であって、
   前記伝熱部は、可撓性を有する第１部材と、前記第１部材よりも熱伝導率が高い第２部材と、を含んでいることを特徴とする熱流計。
3. 請求項１または２に記載の熱流計であって、
   前記伝熱部の厚さは０．５ｍｍ以上であり、前記伝熱部の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ×Ｋ）以上であり、前記伝熱部のショア硬さはＡ５０以下であることを特徴とする熱流計。
4. 請求項３に記載の熱流計であって、
   前記第１面に１００Ｗ／（ｍ×Ｋ）よりも大きな熱伝導率を有する熱拡散層が配置されていることを特徴とする熱流計。
5. 請求項４に記載の熱流計であって、
   前記熱拡散層のショア硬さはＡ５０以下であることを特徴とする熱流計。
6. 請求項４または５に記載の熱流計であって、
   前記熱拡散層の表面に、有機物からなる保護層が配置されていることを特徴とする熱流計。
7. 請求項６に記載の熱流計であって、
   前記保護層のショア硬さはＡ５０以下であることを特徴とする熱流計。
8. 請求項６または７に記載の熱流計であって、
   前記伝熱部と前記熱拡散層と前記保護層とが縫製により互いに接合されていることを特徴とする熱流計。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の熱流計であって、
   前記温度差計測部は、前記第１面の複数点の温度情報と、前記第２面の複数点の温度情報と、に基づいて温度差を計測することを特徴とする熱流計。
10. 互いに対面する第１面と第２面とを有し可撓性を有する伝熱部と、前記伝熱部の前記第１面と前記第２面との間の温度差を計測する温度差計測部と、を備えた熱流計が装着されたベルトと、
    前記ベルトに接続された筐体と、前記筐体内に設置された制御部と、を備え、
    前記制御部が前記熱流計を制御することを特徴とする電子機器。
11. 請求項１０に記載の電子機器であって、
    前記ベルトの熱伝導率は前記伝熱部の熱伝導率よりも低いことを特徴とする電子機器。

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