JP2021004739A - 検出デバイスおよび検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】 より柔軟であり且つより適切に状態変化を検出可能な検出デバイスおよび検出システムを提供すること。【解決手段】 検出対象１の状態変化を検出する検出デバイスＡ１であって、検出対象１に固定される支持層２と、支持層２に支持され、且つ互いに離間する一対の電極層３１，３２と、を備え、一対の電極層３１，３２を用いて検出対象１の状態変化が検出される。【選択図】 図１

Description

本発明は、検出対象の状態変化を検出する検出デバイスおよび検出システムに関する。

たとえば人体に装着されたおむつを検出対象として、湿度変化を検出する湿度センサが開示されている（特許文献１）。同文献に開示された湿度センサは、貴金属からなる一対のリード線接続端子と、これらの接続端子に貼付された感湿膜とを備える。感湿膜の湿度に応じて変化する感湿膜の抵抗値を、一対のリード線接続端子によって測定することにより、湿度変化が検出される。

特開２００７−２４８４０９号公報

しかしながら、人体に装着するおむつを検出対象とした場合、貴金属からなるリード線接続端子が、装着感を低下させることが懸念される。また、湿度変化によって十分な抵抗値変化が得られるかが不明である。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、より柔軟であり且つより適切に状態変化を検出可能な検出デバイスおよび検出システムを提供することをその課題とする。

本発明の第１の側面によって提供される検出デバイスは、検出対象の状態変化を検出する検出デバイスであって、検出対象に固定される支持層と、前記支持層に支持され、且つ互いに離間する一対の電極層と、を備え、前記一対の電極層を用いて検出対象の状態変化が検出されることを特徴としている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記支持層は、弾性を有する柔軟な材質からなり、前記一対の電極層は、前記支持層の伸縮に追従しうる柔軟な導電性材料からなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記一対の電極層のそれぞれは、互いに平行に延びる複数の電極要素を有しており、前記一対の電極層の前記複数の電極要素同士は、前記支持層の厚さ方向視において互いに離間しており、且つ前記厚さ方向と直角である方向において交互に並んで配置されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記一対の電極層の双方は、前記支持層と前記検出対象との間に配置されている。

本発明の第２の側面によって提供される検出システムは、本発明の第１の側面によって提供される検出デバイスを含む発振回路と、前記発振回路からの出力信号に基づき、前記検出デバイスの静電容量の変化を判定する判定部と、を備えることを特徴としている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記発振回路からの出力信号または前記判定部の判定結果を送信する通信部を備える。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記通信部は、無線通信を行う。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記通信部は、受信した電波を送信用の電力に変換する機能を有する。

本発明によれば、より柔軟であり且つより適切に状態変化を検出可能な検出デバイスおよび検出システムを提供することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１実施形態に係る検出デバイスおよび検出システムを示すシステム構成図である。 本発明の第１実施形態に係る検出デバイスを示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の第１実施形態に係る検出デバイスの使用状態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る検出デバイスを示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る検出デバイスを示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る検出デバイスの変形例を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る検出デバイスの変形例の細部例を示す要部拡大断面図である。 本発明の第４実施形態に係る検出デバイスおよび検出システムを示すシステム構成図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

＜第１実施形態＞

図１〜図４は、本発明の第１実施形態に係る検出デバイスおよびこれを用いた検出システムを示している。本実施形態の検出システムＢ１は、検出デバイスＡ１を含む発振回路４、判定部５、通信部６およびデータ処理端末８を備えている。検出システムＢ１は、検出対象１の状態変化に対応した発振回路４の出力信号を、たとえば無線通信を用いてデータ処理端末８に検出結果を出力するシステムである。

図１は、検出デバイスＡ１および検出システムＢ１を示すシステム構成図である。図２は、検出デバイスＡ１を示す平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、検出デバイスＡ１の使用状態を示す断面図である。

検出デバイスＡ１は、検出システムＢ１において検出対象１の特定の状態変化を検出するためのデバイスであり、いわゆるセンサとして機能する。図２および図３に示すように、検出デバイスＡ１は、支持層２および一対の電極層３１，３２を備える。

支持層２は、一対の電極層３１，３２を支持しており、検出対象１に貼付等によって固定されるものである。支持層２を検出対象１に固定する手法は何ら限定されず、検出デバイスＡ１および検出システムＢ１の検出が実現しうる手法であればよい。支持層２の材質は特に限定されず、一対の電極層３１，３２を不当に導通させない絶縁性材料からなる。

検出対象１は、何ら限定されず、後述の検出デバイスＡ１の検出原理によって誘電率の変化等の状態変化を検出可能であるものであればよい。以降の説明においては、検出対象１が人体に装着されるおむつであり、状態変化として湿度変化を検出する場合を例に説明する。なお、誘電率の変化等の状態変化を生じさせるもとのとして、湿度変化以外にたとえば油分の含有量の変化が挙げられる。

検出対象１がおむつである場合、支持層２は、検出対象１の変形を過度に妨げず、検出対象１の装着感が損なわれないような柔軟性を有する材質からなることが好ましい。このような材質としては、たとえばシリコーンエラストマーやアクリルエラストマー、スチレンエラストマーの他、ポリオキシメチレン、ポリイソブチレン、ポリオキシエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン、ポリウレタン、ポリウレア、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンイミン、等の単独又は共重合樹脂エラストマーであることが好ましい。これらの材質は、誘電エラストマーの一例として挙げられる。支持層２の厚さは特に限定されず、数十μｍ〜数百μｍ程度である。

一対の電極層３１，３２は、これらによって規定される静電容量が、検出対象１の状態変化に伴って変化することが意図されたものである。一対の電極層３１，３２の材質は特に限定されず、導電性材料からなる。また、検出対象１がおむつであって、支持層２が適度な柔軟性を有する場合、一対の電極層３１，３２は、支持層２に追従しうる柔軟性を有する材質からなることが好ましい。このような材質としては、たとえば弾性変形可能な主材に導電性を付与するフィラーが混入された材質が挙げられる。前記主材の材質としては、たとえばシリコーンエラストマーやアクリルエラストマー、スチレンエラストマーの他、ポリオキシメチレン、ポリイソブチレン、ポリオキシエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン、ポリウレタン、ポリウレア、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンイミン、等の単独又は共重合樹脂エラストマーであることが好ましい。なお、電極層３１，３２の主材は、上述した支持層２と同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。電極層３１，３２の材質の溶剤が、支持層２の材質を変質させない組み合わせが好ましい。前記フィラーの好ましい例として、たとえばカーボンブラックやカーボンナノチューブが挙げられる。一対の電極層３１，３２の厚さは特に限定されず、数μｍ〜数百μｍ程度であり、本実施形態においては、たとえば数十μｍ程度である。本実施形態においては、一対の電極層３１，３２は、検出対象１と支持層２との間に配置されている。

図２に示すように、本実施形態においては、電極層３１は、基部３１１、複数の電極要素３１２および連結部３１３を有する。基部３１１は、電極層３１の基端となる部位であり、後述の発振駆動部４１に接続される部位である。複数の電極要素３１２は、各々がｘ方向に延びる帯状であり、ｙ方向に互いに離間して配列されている。連結部３１３は、基部３１１のｘ方向図中左方端と、複数の電極要素３１２のｘ方向図中右方端とを連結している。ただし、電極要素３１２の形状は特に限定されない。また、複数の電極要素３１２は、図示された例において、ｙ方向に互いに離間して配置されていればよい。

また、電極層３２は、基部３２１、複数の電極要素３２２および連結部３２３を有する。基部３２１は、電極層３２の基端となる部位であり、後述の発振駆動部４１に接続される部位である。複数の電極要素３２２は、各々がｘ方向に延びる帯状であり、ｙ方向に互いに離間して配列されている。連結部３２３は、基部３２１のｘ方向図中右方端と、複数の電極要素３２２のｘ方向図中左方端とを連結している。ただし、電極要素３２２の形状は特に限定されない。また、複数の電極要素３２２は、図示された例において、ｙ方向に互いに離間して配置されていればよい。複数の電極要素３１２と複数の電極要素３２２とは、ｚ方向視において互いに離間しており、ｙ方向において交互に並んで配置されている。

図１に示すように、発振駆動部４１は、検出デバイスＡ１とともに発振回路４を構成している。発振駆動部４１は、たとえば交流電気信号を発生させるための電源や可変コンデンサとしての検出デバイスＡ１とともに、従来公知のＣＲ発振回路、ＬＣ発振回路、タイマＩＣを用いた発振回路等を構成するものである。検出デバイスＡ１の静電容量の変化に伴い、出力される交流電気信号の周波数が変化する。また、発振回路４からの出力信号は、図示しないフィルタ回路、検波回路、増幅回路等によって適宜処理されてもよい。また、発振回路４からの出力信号は、検出デバイスＡ１の静電容量の変化に伴って変化する周波数を有する交流電気信号でもよいし、周波数変化をたとえば電圧変化に変換して得られた信号であってもよい。すなわち、発振回路４からの出力振動は、上述の周波数変化の情報を含む信号である。

通信部６は、発振回路４の出力信号を外部に送信するためのものである。通信部６の通信方式は特に限定されず、たとえば有線通信や無線通信から適宜選択される。検出対象１がおむつである場合、使用者の便宜から通信部６は無線通信を行うものが好ましい。また、通信部６の無線通信方式としては、受信した電波を送信用の電力に変換する機能を具備したものが好ましい。このような無線通信方式としては、たとえばＲＦＩＤ（radio frequency identifier）が挙げられる。なお、通信部６は、判定部５による判定結果を外部に送信する構成であってもよい。

データ処理端末８は、検出デバイスＡ１の外部に置かれるものであり、検出デバイスＡ１によって検出された検出対象１の状態変化を適宜蓄積したり、他の図示しないＰＣやサーバ等に無線通信または有線通信等によって送信したりするためのものである。データ処理端末８は、たとえばスマートフォンやタブレット端末等であってもよい。データ処理端末８は、通信部８１および判定部５を有する。

通信部８１は、通信部６との間で無線通信によって信号の送受を行うものである。本実施形態においては、通信部８１は、通信部６からＲＦＩＤ方式で送信された発振回路４の出力信号を受信する。

判定部５は、通信部８１が受信した発振回路４の出力信号に含まれる周波数変化の情報に基づき、検出デバイスＡ１の静電容量の変化を判定するものである。判定部５の構成は、特に限定されず、発振回路４の出力信号と静電容量との関係を従来公知の種々の手法に基づいて判定可能なものであればよい。判定部５の具体的構成は、発振回路４からの出力信号を適宜処理する回路の有無やその構成に応じて適切に選択される。判定部５としては、マイコン、Ａ／Ｄ変換ＩＣ、コンパレータ等が例示される。図示された例においては、発振回路４の出力信号が一方の極性において周期的に変動する電気信号（以下、直流電気信号）に変換された場合に、この直流電気信号の周波数から検出デバイスＡ１の静電容量の変化を判定する回路である。すなわち、検出デバイスＡ１の初期静電容量に相当する周波数から、発振回路４の出力信号としての電気信号に含まれる周波数の情報が変化した場合に、検出デバイスＡ１の静電容量が変化したと判定する。当該判定には、閾値等の判定基準を適宜採用してもよい。

次に、検出デバイスＡ１および検出システムＢ１の作用について説明する。

図３は、たとえば人体９１に装着された検出対象１としてのおむつが使用開始された直後の状態を示している。この状態においては、検出対象１は、未だ乾燥状態である。この際に検出される発振回路４の出力信号の周波数は、検出対象１が乾燥状態である場合の検出デバイスＡ１の初期静電容量に対応し、たとえば検出デバイスＡ１の製造工程等において予め測定されていてもよい。次いで、図４に示すように、使用に伴って人体９１からの水分が検出対象１に吸収されると、検出対象１の湿度が変化する。これにより、検出デバイスＡ１の静電容量が変化し、発振回路４からの出力信号の周波数が変化する。通信部６から送信された発振回路４の出力信号は、データ処理端末８の通信部８１によって受信され、判定部５に送られる。判定部５は、この周波数変化によって検出対象１の状態に有意な変化が生じたか否かを判定する。データ処理端末８は、判定部５の判定結果に基づいて検出対象１の状態変化である湿度変化を蓄積したり、あるいは所定の閾値を超えた場合に、検出対象１であるおむつの交換を促す報知を行ったりする。このように、検出デバイスＡ１および検出システムＢ１によれば、検出対象１の状態変化を適切に検出することができる。

また、支持層２および一対の電極層３１，３２が柔軟性を有する材質からなる場合、検出デバイスＡ１は、検出対象１の屈曲や伸縮に十分に追従することが可能である。このため、検出対象１であるおむつの装着感が妨げられたり、検出デバイスＡ１が検出対象１から意図せず剥離したりすることを抑制することができる。

図２に示すように、一対の電極層３１，３２は、複数の電極要素３１２および電極要素３２２が交互に配列された構成である。このような構成は、検出対象１の状態変化である湿度変化によって、検出デバイスＡ１の静電容量をより効果的に変化させるのに好ましい。なお、電極要素３１２および電極要素３２２の形状は、帯状のもの以外に、たとえば複数の屈曲部を有する蛇行形状であってもよい。また、複数の電極要素３１２および電極要素３２２が帯状である場合に、これらが平行に配置された構成に限定されず、互いに非平行に配置された構成であってもよい。

図５〜図９は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る検出デバイスを示す断面図である。本実施形態の検出デバイスＡ２においては、一対の電極層３１，３２が、支持層２を挟んで検出対象１とは反対側に配置されている。すなわち、検出デバイスＡ２は、支持層２のうち一対の電極層３１，３２が設けられていない側の面が、検出対象１に貼付等によって固定されている。

本実施形態によっても、より柔軟であり且つより適切に状態変化を検出可能な検出デバイスＡ２を提供することができる。また、支持層２に対する一対の電極層３１，３２の配置は何ら限定されない。たとえば、電極層３１が検出対象１と支持層２との間に配置され、電極層３２が支持層２を挟んで検出対象１とは反対側に配置されていてもよい。なお、検出デバイスＡ２によれば、一対の電極層３１，３２は、検出対象１に含まれる水分とは支持層２によって隔離される。これにより、一対の電極層３１，３２の劣化を抑制することができる。また、本実施形態の支持層２の厚さは、上述した実施形態よりも薄いことが好ましく、この場合、たとえば電極層３１，３２と同様に数十μｍ程度である。このような構成によれば、検出デバイスＡ２の検出精度を高めることができる。

＜第３実施形態＞
図６は、本発明の第３実施形態に係る検出デバイスを示す断面図である。この断面図は、たとえば図２に示す構成において、複数の電極要素３１２と複数の電極要素３２２とを横断する断面における断面図である。本実施形態の検出デバイスＡ３は、一対の電極層３１，３２の厚さが上述した実施形態と異なっている。本実施形態においては、一対の電極層３１，３２の厚さは、たとえば０．１〜１０ｍｍ程度であり、より好ましくは０．２〜５ｍｍ程度である。

また、本実施形態の検出デバイスＡ３は、保護層２５を有する。保護層２５は、一対の電極層３１，３２を覆う層である。保護層２５の材質としては、絶縁性および耐水性を有するものが好ましく、たとえば支持層２と同様の材質あるいは樹脂等からなる。なお、電極層３１，３２の短絡接続や過度な腐食等が問題とならない場合、保護層２５を備えない構成であってもよい。

本実施形態によっても、より柔軟であり且つより適切に状態変化を検出可能な検出デバイスＡ３を提供することができる。また、一対の電極層３１，３２の厚さが比較的厚いことにより、電極要素３１２と電極要素３２２との間に、検出対象１が入り込むような構造を実現可能である。したがって、検出対象１の状態変化をより高精度で検出することができる。

＜第３実施形態 変形例＞
図７は、検出デバイスＡ３の変形例を示している。本変形例においては、支持層２が、突起２１，２２を有する。突起２１，２２は、支持層２の一部が検出対象１側に部分的に突出した部位である。突起２１は、平面視（ｚ方向視）において図２の電極層３１と同様の形状である。突起２２は、平面視（ｚ方向視）において図２の電極層３２と同様の形状である。

電極層３１は、突起２１の表面に形成されている。電極層３２は、突起２２の表面に形成されている。

このような変形例によっても検出デバイスＡ３と同様の効果を奏する。さらに、検出デバイスＡ３と比べて、電極層３１，３２の厚さを薄くすることが可能である。これは、電極層３１，３２の柔軟性の向上や、製造の容易さの観点から好ましい。

なお、突起２１，２２の断面形状は、特に限定されない。突起２１，２２の断面形状は、図７に示すように、断面矩形状であってもよいし、図８に示す例のように、断面半円形状あるいは断面半楕円形状、さらには断面多角形状であってもよい。突起２１，２２の断面形状が半円形状や半楕円形状であれば、電極層３１，３２を塗布等の手法によって形成する場合に、より容易に形成できる。

＜第４実施形態＞
図９は、本発明の第４実施形態に係る検出デバイスおよび検出システムを示している。本実施形態の検出デバイスＡ４の構成は特に限定されず、たとえば、上述の検出デバイスＡ１〜Ａ３に例示される構成が適宜適用される。本実施形態の検出システムＢ４は、発振回路４、判定部５および報知部９を備える。

本実施形態の判定部５は、発振駆動部４１とともに、検出対象１に隣接して配置されている。判定部５は、発振回路４からの出力信号をもとに、判定信号を出力する。

報知部９は、発振駆動部４１および判定部５とともに、検出対象１に隣接して配置されている。報知部９は、判定部５からの判定信号に基づいた報知機能を果たす。たとえば、検出対象１の湿度が所定の基準以上に高まったことに対応する判定信号が判定部５から出力された場合、報知部９は、外部に対して報知する。報知部９の具体的構成は特に限定されず、たとえばＬＥＤ等の視覚に訴える報知手段や、スピーカ等の聴力に訴える報知手段、あるいはバイブレータ等の触覚に訴える報知手段が適宜採用される。

本実施形態によっても、より柔軟であり且つより適切に状態変化を検出可能な検出デバイスＡ３を提供することができる。また、本実施形態によれば、スマートフォン等を携帯しない老人等が身に着けたおむつの状態変化を、周囲の人員に伝達することができる。

本発明に係る検出デバイスおよび検出システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る検出デバイスおよび検出システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４：検出デバイス
Ｂ１，Ｂ４：検出システム
１ ：検出対象
２ ：支持層
４ ：発振回路
５ ：判定部
６ ：通信部
８ ：データ処理端末
９ ：報知部
２１，２２：突起
２５ ：保護層
３１，３２：電極層
４１ ：発振駆動部
８１ ：通信部
９１ ：人体
３１１ ：基部
３１２ ：電極要素
３１３ ：連結部
３２１ ：基部
３２２ ：電極要素
３２３ ：連結部

Claims (8)

1. 検出対象の状態変化を検出する検出デバイスであって、
   検出対象に固定される支持層と、
   前記支持層に支持され、且つ互いに離間する一対の電極層と、
   を備え、
   前記一対の電極層を用いて検出対象の状態変化が検出されることを特徴とする、検出デバイス。
2. 前記支持層は、弾性を有する柔軟な材質からなり、
   前記一対の電極層は、前記支持層の伸縮に追従しうる柔軟な導電性材料からなる、請求項１に記載の検出デバイス。
3. 前記一対の電極層のそれぞれは、複数の電極要素を有しており、
   前記一対の電極層の前記複数の電極要素同士は、前記支持層の厚さ方向視において互いに離間しており、且つ前記厚さ方向と直角である方向において交互に並んで配置されている、請求項１または２に記載の検出デバイス。
4. 前記一対の電極層の双方は、前記支持層と前記検出対象との間に配置されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の検出デバイス。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の検出デバイスを含む発振回路と、
   前記発振回路からの出力信号に基づき、前記検出デバイスの静電容量の変化を判定する判定部と、
   を備えることを特徴とする、検出システム。
6. 前記発振回路からの出力信号または前記判定部の判定結果を送信する通信部を備える、請求項５に記載の検出システム。
7. 前記通信部は、無線通信を行う、請求項６に記載の検出システム。
8. 前記通信部は、受信した電波を送信用の電力に変換する機能を有する、請求項６または７に記載の検出システム。

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