JP2018510342A - 対象物の水分を測定する構造体 - Google Patents

Abstract

本発明は、対象物（１）の水分、特に人間の皮膚の水分を測定する構造体（２）に関する。構造体（２）は、電気絶縁性の基板（２１）を備え、前記基板（２１）には、以下のユニット、すなわち、前記基板（２１）の第１の面に配置された少なくとも２つの電極（２２ａ，２２ｂ）、特にインターデジタル電極と、前記電極（２２ａ，２２ｂ）が接続されたデジタル式静電容量測定装置（２３）と、アンテナ（２５）を備え、前記静電容量測定装置（２３）の測定結果が供給されて、これを、前記アンテナ（２５）を介して無線により転送するＮＦＣトランスポンダ（２４）と、前記基板（２１）の、前記第１の面と反対側の面に配置され、特に前記静電容量測定装置（２３）のシステム主要部に接続された遮蔽体（２６）と、が備えられており、前記ＮＦＣトランスポンダ（２４）および前記静電容量測定装置（２３）は、特に、同じチップに配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の水分、特に人間の皮膚の水分を測定する構造体に関する。

従来技術から、多数の皮膚水分測定装置が知られているが、いずれも何らかの欠点を有している。特に、このような水分測定装置では、非接触で簡単に正確な測定値を、常に皮膚の同じ位置で得ることは困難である。また、従来技術から公知の卓上装置の場合は、実験室条件下で測定を行うことが可能であるが、これらの装置は持ち運ぶことができない。インピーダンス法では、電気的皮膚接触が必要であり、従って電圧供給が必要である。算出されたデータは、携帯デジタル式に利用可能でもないしさらに加工可能でもない。

本発明の課題は、この問題を解決することにある。

本発明は、この課題を、請求項１の特徴を有する構造体により解決する。

本発明は、対象物の水分、特に人間の皮膚の水分を測定する構造体に関する。前記構造体は、電気絶縁性の基板を備え、前記基板には、以下のユニット、すなわち、
前記基板の第１の面に配置された少なくとも２つの電極、特にインターデジタル電極と、
前記電極が接続されたデジタル式静電容量測定装置と、
アンテナを備え、前記静電容量測定装置の測定結果が供給されて、これを、前記アンテナを介して無線により転送するＮＦＣトランスポンダと、
前記基板の、前記第１の面と反対側の面に配置され、特に前記静電容量測定装置（２３）のシステム主要部に接続された遮蔽体と、が備えられており、
前記ＮＦＣトランスポンダおよび前記静電容量測定装置は、特に、同じチップに配置されている。

また、このような構造体は、大量生産が可能で、安価に製造可能であり、算出された対象物または皮膚の水分測定値を読み取ることに関して容易な使用が可能であるという利点を有している。さらに、測定の開始を非接触で行うことができるため、測定値は、ほとんど接触圧力の影響を受けない。これは、圧迫され得る対象物、例えば皮膚等の場合には特に重要である。外部のデータ通信装置の問い合わせに応じて、測定が全体的に非接触で行われるため、測定値にはほとんど影響が出ない。

測定を、固定位置で、特に人体のいつも同じ位置で行うため、および、複数回の測定をいつも同じ位置で行うことを可能にするために、前記基板の前記遮蔽体と反対側の面に配置され、前記電極に当接した絶縁層が備えられており、特に、前記絶縁層は、前記電極と反対側において接着性を有して形成されていてよい。

本発明の容易に実現可能な実施形態は、前記絶縁層が、フィルムを備え、前記フィルムの電極側の面には、第１の接続層、特に接着層が配置され、前記第１の接続層は、前記フィルムを、特に接着状態で前記電極および／または前記基板に接続し、前記フィルムの他方の面である、前記電極と反対側の面には、前記対象物に付着する第２の接続層が設けられていることによって実現可能である。

前記基板および前記接着層が測定に与える影響を低減するため、および、本来の測定値、すなわち（皮膚）水分が、測定される静電容量に大きく影響することを実現すると共に寄生の作用を低減するために、前記基板および／または前記絶縁層は、相対誘電率が２０よりも小さい、特に５よりも小さくてよい。

前記遮蔽体または電子部品に手が接触することを妨げ、電子部品を湿気および機械的影響から保護するために、前記遮蔽体が設けられた前記基板の面に、カバー層が配置されていてよい。

外部場による影響を低減して遮蔽体をより良好に機能させるために、前記カバー層は、電気絶縁性を有して形成されており、前記遮蔽体を外部の接触から電気的に絶縁していてよい。

前記アンテナをプリント回路によって特に簡単に製造することは、前記アンテナが、巻かれた状態で、導電層として前記基板の一方の面に形成および配置されることにより、実現可能である。

この構造体を、典型的には人間の皮膚の上のような非平坦な表面に適合させるために、前記基板および／または前記絶縁層および／または前記カバー層は、柔軟な構造を有していてよい。

ユーザのインタラクション無しにデータ値を表示するため、および、このデータ値をタイムシフト式に読み取るために、前記静電容量測定装置に接続された電池が備えられていてよく、特に、前記静電容量測定装置は、所定の時点で、前記電極間の静電容量を測定し、これをデータバッファに格納し、前記ＮＦＣトランスポンダは、問い合わせがあると、前記データバッファに格納された全ての静電容量測定値を伝送してよい。

あるいは、前記ＮＦＣトランスポンダは、前記アンテナを取り囲む電磁場から取り出されてエネルギーバッファに貯蔵されたエネルギーを、前記静電容量測定装置に供給することも可能である。

測定結果に機械的負荷の影響が生じることを低減するために、前記基板上の、特に全ての辺において、電極が設けられていない周辺部が備えられていてよく、前記基板の周辺部の幅は、前記電極が必要とする平面領域の最も長い寸法の少なくとも１５％、特に少なくとも３０％であってよい。

測定結果に機械的負荷の影響が生じることを低減するために、前記基板の前記電極と反対側の面に、負荷軽減素子が備えられており、前記負荷軽減素子は前記基板から突出し、前記電極の周りの周辺領域内に配置されており、前記周辺領域の幅は、前記電極によって囲まれた平面領域の最も長い寸法の１５％よりも大きくてよい。

機械的負荷が測定結果に及ぼす影響をさらに低減する、機械的に簡素かつ頑丈な構造は、前記負荷軽減素子が０．５ｍｍ〜２ｍｍの厚みを有することにより、実現可能である。

本発明の好ましい実施形態を、以下に示す図面を参照しながらより詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る構造体を示す断面図である。 図２は、人間の皮膚に設置された２つの電極間の電気的関係を詳細に示す図である。 図３は、図１に示される構造体を、被験対象物側から見た図である。 図４は、静電容量測定装置およびＮＦＣトランスポンダが基板の電極と反対側の面に配置された、本発明に係る構造体の他の一実施形態を示す図である。 図５は、基板に設けられた周辺部を備える、本発明の他の一実施形態を示す図である。 図６は、基板に配置された負荷軽減素子を備える、本発明の他の一実施形態を示す図である。 図７は、基板に配置された負荷軽減素子を備える、本発明の他の一実施形態を示す図である。

図１に示される、対象物１の水分を測定する構造体２は、電気絶縁性の基板２１を備えている。電気絶縁性の基板２１の一方の面には、２つの電極２２ａ，２２ｂが設けられている。これらの電極２２ａ，２２ｂは、図３に示されるように、インターデジタル電極として構成されている。さらに、図１には、電極２２ａ，２２ｂが接続されたデジタル式静電容量測定装置２３が示されている（図３）。静電容量測定装置２３と同じチップには、ＮＦＣトランスポンダ２４も配置されており、ＮＦＣトランスポンダ２４は、構造体２の周辺領域に配置されたアンテナ２５に接続されている。静電容量測定装置２３およびＮＦＣトランスポンダ２４は、別々のチップに設けられていてもよい。

ＮＦＣトランスポンダ２４には、静電容量測定装置２３の測定結果が供給される。外部のデータ通信装置からアンテナ２５を介してＮＦＣトランスポンダ２４に問い合わせがなされると、ＮＦＣトランスポンダ２４は、静電容量測定装置２３を駆動して、その入力部における、すなわちこの装置に接続された電極２２ａ，２２ｂ間の静電容量を測定させる。静電容量測定装置２３は、電極２２ａ，２２ｂ間の所定の静電容量を測定して、測定結果をＮＦＣトランスポンダ２４に転送し、ＮＦＣトランスポンダ２４は、測定結果を、アンテナ２５を介して外部のデータ通信装置に伝送する。ＮＦＣトランスポンダ２４および静電容量測定装置２３へのエネルギー供給のために、通常は、ＮＦＣトランスポンダ２４によって、外部のデータ通信装置のフィールドからアンテナ２５を介してエネルギーが引き出され、このエネルギーは、ＮＦＣトランスポンダ２４または静電容量測定装置２３によって、そのために設けられたエネルギーバッファに一時的に格納される。ここでは、実施される各測定工程を最後まで行うことが可能な程度の量のエネルギーが、アンテナ２５を取り囲むフィールドから引き出されて、エネルギーバッファに格納される。

さらに、構造体２は、基板の、第１の側と反対側、すなわち電極と反対側に配置された遮蔽体２６を備えている。本実施形態では、遮蔽体は、静電容量測定装置２３のシステム主要部に接続されている。他の可能性としては、例えば、遮蔽体は、アクティブ電位に接続されていてもよく、または、対応するより大きな形態では、どこにもコンタクトせずに保持されていてもよい。

あるいは、遮蔽体は、一枚で繋がっていなくてもよく、電極の輪郭に正確に適合するように配置されていてもよい。つまり、互いに分離された２つの異なる遮蔽体が設けられていてよい。

さらに、本発明の実施形態は、絶縁層２８を含む。絶縁層２８は、基板の、遮蔽体２６と反対側に配置される、または、電極２２ａ，２２ｂに接触、若しくはこれらに当接している。絶縁層２８は、電極２２ａ，２２ｂと反対側において接着性を有して形成されている。図１に示されるように、絶縁層２８は、３つのサブ層から成り、すなわち、中央フィルム２８２と、このフィルムと電極２２ａ，２２ｂとの間に配置された第１の接着層２８１と、対象物１、特に被験体である人間の皮膚に面した第２の接着層２８３と、から成る。また、絶縁層を製造するための方法は他にも多数あり、例えば積層接続等が挙げられる。

図２には、両電極２２ａ，２２ｂ間の静電容量の測定方法が概略的に示されている。両電極２２ａ，２２ｂ間には、本発明の本実施形態では約１００ｋＨｚの周波数を有する交番電界が印加される。基本的には、皮膚の導電率を測定するためには、約４０ｋＨｚ〜約５００ｋＨｚの周波数を使用可能である。

静電容量を測定する１つの方法は、一体化された静電容量測定装置２３が、未知のキャパシタに一定の電圧でパルスを与えるシグマデルタ法を実行することにより行われることが可能である。一定の参照値に達するために必要なパルスの数から、静電容量を帰納的に推理することが可能である。

両電極２２ａ，２２ｂ間の中間領域には、その時の測定では寄生静電容量として見なされ得る、対象物１の最も上方の領域における本来の測定値、すなわち対象物、特に皮膚の水分に影響を与えない静電容量が形成されている。両電極２２ａ，２２ｂから出る電場が、絶縁層２８を通って対象物１の中、または、その上方領域の中に浸透する。これによって、両電極間で測定される静電容量は、いずれの場合も、上方の皮膚層における含水量に依存する。基板または接着層により測定に影響が生じることを回避するために、基板２１および絶縁層２８の材料としては、相対誘電率が２０よりも少ない、特に５よりも少ない材料が使用される。基板の典型的な材料は、ＰＥＴまたはポリイミド等の樹脂やポリエステルフィルムであり、接着剤の典型的な材料は、例えばアクリレートポリマーである。

基板２１、絶縁層２８、および、カバー層２７は、基本的には、非平坦な表面に適合可能なように柔軟かつ平らな層として構成されている。

基板２１上で使用される電子部品を保護するために、遮蔽体２６が設けられた基板２１の面には、全ての電子部品、特に遮蔽体を覆うカバー層２７が配置されている。カバー層２７は、電気絶縁性を有して構成されており、遮蔽体２６を外部からの接触から絶縁し、これによって、基本的な機械的保護も保障される。図４の他の実施形態では、遮蔽体２６に加えて、ＮＦＣトランスポンダ２４および静電容量測定装置２３を含むチップ、および、アンテナ２５も、基板２１の電極２２ａ，２２ｂと反対側の面に配置されている。これらの部品も、図４に示されるように、カバー層２７によって、外部からの接触に対して保護されている。

図１および図４に示される実施形態では、アンテナは導電層として形成されており、全体的に基板２１の一方の面に形成または配置されている。図１に示される本発明の実施形態では、アンテナは、層として、電極２２ａ，２２ｂと同じ側に配置されている。特に、電極は、アンテナ２５と同じようにプリント回路として基板２１に配置されていてよい。図３から明らかなように、図１に示される実施形態では、アンテナは、基板の電極と反対側の面の、点２５１，２５２の間の交差領域において導かれている。

本発明の全実施形態では、選択的または追加的に、アンテナを介して電磁場からエネルギーを引き出すために、図示されていない電池が設けられていてもよく、この電池には、静電容量測定装置２３および場合によってはＮＦＣトランスポンダ２４も接続される。これによって、静電容量測定装置２３が、電極２２ａ，２２ｂ間の静電容量を自動的に設定された時点で測定し、これをデータバッファに記憶することが可能になる。データバッファは、ＮＦＣトランスポンダ２４および静電容量測定装置２３と一緒にチップに集積されていてよい。外部のデータ通信装置から問い合わせがあると、データバッファに記憶された全静電容量測定値が、ＮＦＣトランスポンダ２４によって外部のデータ通信装置に転送されることが可能である。

以下に示す本発明の２つの実施形態は、非一定の接触圧力が測定結果に与える影響を抑制または低減するために適している。

図５には、本発明の好ましい他の実施形態が示されている。この実施形態は、以下に示す詳細以外は、図１または図４に示される本発明の実施形態に相当するものである。本発明に係る構造体の本実施形態では、基板２１の全ての辺において、電極２２ａ，２２ｂが設けられていない周辺部２１ａが備えられている。基板２１の周辺部２１ａの幅は、電極２２ａ，２２ｂに必要な平面領域２２０の最も長い寸法の少なくとも１５％、特に少なくとも３０％である。電極２２ａ，２２ｂを支持する平面領域２２０が、図５に示される実施形態のように長方形に形成されているならば、基板２１も長方形に形成されてよく、この場合、周囲を延びる周辺部２１ａが設けられる。図示される実施形態では、周辺部２１ａの幅は、長方形の平面領域２２０の各辺の長さの５０％に相当する。極めて良好な測定を実現するためには、周辺部２１ａが、長方形の平面領域２２０の各辺の長さの少なくとも１５％の幅を有していればよい。

図６および図７には、本発明に係る構造体の好ましい他の一実施形態が示されている。この実施形態は、以下に示す詳細以外は、図１または図４に示される本発明の実施形態に相当するものである。

基板２１の、対象物１と反対側または電極２２ａ，２２ｂと反対側の面に、負荷軽減素子２９が設けられている。この負荷軽減素子２９は、本実施形態では負荷軽減リング２９として形成されている。負荷軽減素子２９は、電極２２ａ，２２ｂを取り囲んでおり、特に携帯電話３の形をした特に読み取り装置３のような平坦な物体３を負荷軽減素子２９の上に乗せた場合に、圧負荷が電極２２ａ，２２ｂに作用しないように、従って、測定結果に歪みが生じないようになっている。負荷軽減素子２９は、読み取り装置３を、基板２１の電極２２ａ，２２ｂに対して十分な間隔を置いて保持する。また、読み取り装置３から加えられる力も、電極２２ａ，２２ｂに対して十分な間隔をおいて基板に作用するので、これらの電極２２ａ，２２ｂの領域において、基板２１の歪みが回避され、電極２２ａ，２２ｂの領域において基板２１に応力および歪みがかかることが軽減される。

図７に示されるような負荷軽減素子２９の形状は、圧負荷が電極２２ａ，２２ｂを避けて対象物１または人体に導かれることを可能にする。これを保障するために、基本的に、異なる実施形態の負荷軽減素子２９を選択可能である。好ましい変形例では、負荷軽減素子２９は、柔軟なゴム材料から形成されている。

負荷軽減素子２９は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの厚みを有していることが好ましい。この厚みを有する負荷軽減素子２９はより容易に基板２１に一体化することが可能である一方で、読み取り装置３を十分な間隔で保持して、電極２２ａ，２２ｂの領域における基板の歪みを回避し、電極２２ａ，２２ｂの領域において基板２１に負荷がかかることを軽減するという利点を有している。

負荷軽減素子２９は、電極２２ａ，２２ｂの周りの周辺領域２１ａ内に配置されていることが好ましい。周辺領域２１ａの幅は、電極２２ａ，２２ｂが必要とする平面領域２２０の最も長い寸法の１５％よりも大きい。この間隔によって、読み取り装置等を介して加えられる力が電極２２ａ，２２ｂの領域に伝達されること、および、こうして測定が不正確になることが回避される。

本実施形態では、この幅は、電極２２ａ，２２ｂが必要とする平面領域２２０の最も長い寸法の１５％と２００ｍｍとの間である。この幅は、電極２２ａ，２２ｂが必要とする平面領域２２０の最も長い寸法の１５％と２００％との間である。

負荷軽減素子は、カバー層２７の下に配置されてもよいし、カバー層２７の上に配置されてもよい。

全ての実施形態において、基板２１および／または絶縁層２８は、汗および湿気が溜まることを回避するために、通気性を有して形成されてよい。

Claims (13)

1. 対象物（１）の水分、特に人間の皮膚の水分を測定する構造体（２）であって、電気絶縁性の基板（２１）を備え、前記基板（２１）には、以下のユニット、すなわち、
   前記基板（２１）の第１の面に配置された少なくとも２つの電極（２２ａ，２２ｂ）、特にインターデジタル電極と、
   前記電極（２２ａ，２２ｂ）が接続されたデジタル式静電容量測定装置（２３）と、
   アンテナ（２５）を備え、前記静電容量測定装置（２３）の測定結果が供給されて、これを、前記アンテナ（２５）を介して無線により転送するＮＦＣトランスポンダ（２４）と、
   前記基板（２１）の、前記第１の面と反対側の面に配置され、特に前記静電容量測定装置（２３）のシステム主要部に接続された遮蔽体（２６）と、が備えられており、
   前記ＮＦＣトランスポンダ（２４）および前記静電容量測定装置（２３）は、特に、同じチップに配置されている、構造体（２）。
2. 前記基板（２１）の前記遮蔽体（２６）と反対側の面に配置され、前記電極（２２ａ，２２ｂ）に当接した絶縁層（２８）を、さらに備え、
   特に、前記絶縁層（２８）は、前記電極（２２ａ，２２ｂ）と反対側において接着性を有して形成されている、請求項１に記載の構造体（２）。
3. 前記絶縁層（２８）は、フィルム（２８２）を備え、前記フィルム（２８２）の前記電極（２２ａ，２２ｂ）側の面には、第１の接続層、特に接着層（２８１）が配置され、前記第１の接続層（２８１）は、前記フィルム（２８２）を、特に接着状態で前記電極（２２ａ，２２ｂ）および／または前記基板（２１）に接続し、
   前記フィルム（２８）の他方の面である、前記電極（２２ａ，２２ｂ）と反対側の面には、前記対象物（１）に付着する第２の接続層（２８３）が設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の構造体（２）。
4. 前記基板（２１）および／または前記絶縁層（２８）は、相対誘電率が２０よりも小さい、特に５よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造体（２）。
5. 前記遮蔽体（２６）が設けられた前記基板（２１）の面に、カバー層（２７）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造体（２）。
6. 前記カバー層（２７）は、電気絶縁性を有して形成されており、前記遮蔽体（２６）を外部の接触から電気的に絶縁していることを特徴とする、請求項５に記載の構造体（２）。
7. 前記アンテナ（２５）は、巻かれた状態で、導電層として前記基板（２１）の一方の面に形成および配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の構造体（２）。
8. 前記基板（２１）および／または前記絶縁層（２８）および／または前記カバー層（２７）は、柔軟な構造を有していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造体（２）。
9. 前記静電容量測定装置（２３）に接続された電池が備えられており、特に、前記静電容量測定装置（２３）は、所定の時点で、前記電極（２２ａ，２２ｂ）間の静電容量を測定し、これをデータバッファに格納し、前記ＮＦＣトランスポンダ（２４）は、問い合わせがあると、前記データバッファに格納された全ての静電容量測定値を伝送することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の構造体（２）。
10. 前記ＮＦＣトランスポンダ（２４）は、前記アンテナ（２５）を取り囲む電磁場から取り出されてエネルギーバッファに貯蔵されたエネルギーを、静電容量測定装置（２３）に供給することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の構造体（２）。
11. 前記基板（２１）上の、特に全ての辺において、電極（２２ａ，２２ｂ）が設けられていない周辺部（２１ａ）が備えられ、前記基板（２１）の前記周辺部（２１ａ）の幅は、前記電極（２２ａ，２２ｂ）が必要とする平面領域（２２０）の最も長い寸法の少なくとも１５％、特に少なくとも３０％であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の構造体。
12. 前記基板（２１）の前記電極（２２ａ，２２ｂ）と反対側の面に、負荷軽減素子（２９）が備えられており、前記負荷軽減素子（２９）は前記基板（２１）から突出し、前記電極（２２ａ，２２ｂ）の周りの周辺領域（２１ａ）内に配置されており、前記周辺領域（２１ａ）の幅は、前記電極（２２ａ，２２ｂ）によって囲まれた平面領域（２２０）の最も長い寸法の１５％よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の構造体。
13. 前記負荷軽減素子（２９）は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの厚みを有することを特徴とする、請求項１２に記載の構造体。

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