JP6546132B2 - ウェアラブルセンサおよびセンサシステム - Google Patents

Description

本発明は、任意の物理量を検出するセンサデバイスであって、人が身に着けて持ち歩くことができるウェアラブルセンサに関する。

近年のセンサネットワークの進展に伴って、いつでも、誰でも利用できるセンサ素子への注目が高まっている。特にセンサ類や処理演算機能の衣服への集積化は「ウェアラブル・コンピューティング」と呼ばれ注目が集まっている。
これまでに、ウェアラブルなセンサデバイスとしては、例えば、歪ゲージを衣服に装着するものなどが提案されている（特許文献１）。

一方、近年、微小な共振構造を利用したメタマテリアル技術が着目されている。本技術は共振器の形状や材料を選択することで、電磁波が感じる実効的な透磁率や誘電率を制御できるものである。実効的な誘電率や透磁率は微小な共振構造の形状や電気特性に大きく影響されるので、共振器の形状変化や電気特性の変化を利用してセンシング応用が可能である。このようなセンサについては、フレキシブル基板上に形成した歪みセンサなどが報告されている（非特許文献１）。

特開２０１１−０４７７０２号公報

R. Melik et al.，"Metamaterial based telemetric strain sensing in different materials"，1 March 2010，Vol. 18，No. 5，OPTICS EXPRESS 5O

しかしながら、このような従来技術では、半導体デバイスやフレキシブル基板を衣服に纏う必要があるため、衣服とセンサとの一体感の欠落による美観上・外見上の抵抗感が強く、また生体の行動を制限するなどの課題が存在するため、普及が進んでいないのが現状である。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、衣服の美観・外見を大きく損なうことなく、繊維のみでウェアラブルなセンサデバイスを実現できるウェアラブルセンサを提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかるウェアラブルセンサは、送受信した電磁波の比較結果に基づいて特定の物理量を測定するセンサシステムで用いられるウェアラブルセンサであって、非導電性の基布に導電性繊維により形成されて、入射した電磁波と共振することにより入射された前記電磁波を変化させるとともに、前記物理量に応じた変形により前記電磁波に対する変化度合を変化させる共振構造を備えている。

また、本発明にかかる他のウェアラブルセンサは、送受信した電磁波の比較結果に基づいて特定の物理量を測定するセンサシステムで用いられるウェアラブルセンサであって、導電性布の一部を切り抜くことにより形成されて、入射した電磁波と共振することにより入射された前記電磁波を変化させるとともに、前記物理量に応じた変形により前記電磁波に対する変化度合を変化させる共振構造を備えている。

また、本発明にかかる上記ウェアラブルセンサの一構成例は、前記共振構造が、スプリットリング構造、ダイポール構造、クロスダイポール構造、フィッシュネット構造、またはマッシュルーム構造をなすものである。

また、本発明にかかる上記ウェアラブルセンサの一構成例は、前記共振構造が、前記基布に対して導電性繊維を織り込むことにより形成されているものである。

また、本発明にかかる上記ウェアラブルセンサの一構成例は、前記共振構造が、前記基布に対して導電性媒質を塗布することにより形成されているものである。

また、本発明にかかる上記ウェアラブルセンサの一構成例は、前記共振構造が、スプリットリング構造、ダイポール構造、クロスダイポール構造、フィッシュネット構造、またはオープンリング構造をなすものである。

また、本発明にかかるセンサシステムは、前述したいずれかのウェアラブルセンサに対して電磁波を送受信し、送信電磁波と受信電磁波との比較結果に基づいて、特定の物理量を測定するものである。

本発明によれば、非導電性の基布に形成した導電性繊維、あるいは導電性布に形成した切り欠きにより、ウェアラブルなセンサデバイスを実現できる。このため、半導体デバイスやフレキシブル基板を衣服に纏う必要がなくなり、衣服の美観・外見を大きく損なうことなく、また生体の行動を制限することなく、生体にセンサデバイスを装着することができる。したがって、センサデバイスさらにはこれを利用したセンサシステムを、より広く普及させることが可能となる。

第１の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（スプリットリング構造）の構成を示す説明図である。 共振構造の歪みを示す説明図である。 基布の誘電率の変化を示す説明図である。 共振構造の透過特性を示すグラフである。 センサシステム（反射型）の構成例である。 センサシステム（アンテナ共用型）の構成例である。 センサシステム（透過型）の構成例である。 第２の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（ダイポール構造）の構成を示す説明図である。 第２の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（クロスダイポール構造）の構成を示す説明図である。 第３の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（フィッシュネット構造）の構成を示す説明図である。 第３の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（マッシュルーム構造）の構成を示す説明図である。 第４の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（切り欠きスプリットリング構造）の構成を示す説明図である。 第４の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（切り欠きクロスダイポール構造）の構成を示す説明図である。 第４の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（切り欠きオープンリング構造）の構成を示す説明図である。 第５の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（複合型）の構成を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（スプリットリング構造）の構成を示す説明図である。

このウェアラブルセンサ１０は、非導電性の基布１２の表面、裏面、または内層に、導電性繊維により形成されて、入射した電磁波と共振することにより電磁波を変化させる共振構造１１から構成されている。図１の例では、共振構造１１は、全体としてスプリットリング構造、より具体的には平面視略Ｃ字形状をなしており、基布１２に複数の配列されている。この共振構造１１は、電磁波の波長より短い大きさに形成されている。

基布１２を構成する非導電性繊維の具体例としては、例えばポリエステルやアクリルなどの合成繊維があげられる。共振構造１１は、例えば基布１２に導電性繊維の糸を縫い込むことで形成してもよい。また、導電性の溶液や樹脂からなる導電性媒質を基布１２に選択的に塗布することにより、共振構造１１を形成してもよい。

共振構造１１は、電気的には微細なＬＣ共振器と等価であるため、共振点付近で実効的な透磁率の値が大きく変動する。ウェアラブルセンサ１０は、１つの共振構造１１で構成することができるが、複数の共振構造１１で構成してもよく、共振構造１１の数が増えるほど測定感度が増大する。

一般的に共振器長は波長を超えることはないため、共振構造は波長以下のサイズであることが望ましい。具体的な共振構造１１の大きさは、入力する電磁波の波長で共振が生じるように決定すればよい。たとえば、図１のようなＣ型の共振構造の場合、その共振周波数ｆｒは共振器の実効的なリアクタンスＬと実効的なキャパシタンスＣを用いて、次の式（１）のように記述される。

一般的に共振器サイズを大きくするとＬ値が大きくなるため、共振器のＣ値を下げる（つまりＣの字の分離幅を広げる、誘電率の小さな寄付を利用するなど）と共振器のサイズを増加させつつ、共振周波数は一定に出来る。共振器サイズを小さくする場合も同様である。ただし、材料の誘電率や高精度に製造可能な共振器のサイズには制限があるため、上記を加味して適した共振器サイズを選定する必要がある。

図２は、共振構造の歪みを示す説明図である。共振構造１１は、導電性繊維により形成されているため、基布１２の伸縮により歪みが発生する。例えば、生体の動作により基布１２が引っ張られた場合、共振構造１１は、図２（ａ）から図２（ｂ）のように、引っ張り歪みが印加されて、共振構造１１の形状が変化して、例えば誘電率、透磁率、電気抵抗など、導電性繊維の電気的特性が変化する。

図３は、基布の誘電率の変化を示す説明図である。基布１２の誘電率εは、真空の誘電率ε₀を基準として、電気感受率χと基布１２の周囲温度Ｔにより変化し、ε＝ε₀＋χＴで求められる。このため、周囲温度Ｔが変化して基布１２の誘電率が変化した場合、導電性繊維の電気的特性も変化する。

図４は、共振構造の透過特性を示すグラフである。ここでは、図１に示した平面視略Ｃ字形状をなす共振構造１１について、引っ張り歪みの有無の場合の透過パラメータ（Ｓ１２）を測定した結果がグラフ表示されている。歪みあり・なしのいずれの特性においても、透過パラメータにピークが見られるが、そのピークに相当するＬＣ共振周波数が歪みあり・なしに応じてシフトしていることが分かる。

したがって、例えば引っ張り歪みなどによる共振構造１１の変形に応じて、共振構造１１で反射し、または共振構造１１を透過した電磁波の強度、位相、偏光状態が変化する。このような、電磁波の変化と共振構造１１の歪みとの関係を予め計測・計算しておくことにより、計測された電磁波変化から共振構造１１の歪みを推定することが可能となる。

なお、ここでは、ウェアラブルセンサ１０を、歪みを検出する歪みセンサとして使用した場合を例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、温度を検出する場合には、温度による収縮変化が大きい基布１２や導電性繊維を選択するなど、測定したい物理量に合わせて、基布１２や導電性繊維の材質、共振構造１１の形状、共振構造１１の配列方向や間隔などのパラメータを任意の選択すればよい。

また、共振構造１１の形状としてスプリットリング構造、すなわち平面視略Ｃ字形状を選択した場合、開口部が存在するため形状が点対照ではないが、測定結果から、電磁波の入射方向に対する開口部の向きはいずれの方向であってもよいことが分かった。なお、共振構造１１の形状は、平面視略環形状の一部を切欠いたスプリットリング構造を有していればＬＣ共振器と等価な電気的特性が得られる。したがって、平面視略Ｃ字形状は、全体として曲線から構成されるが、曲線を直線で構成してもよく、例えば平面視略コの字形状であってもよい。

図５は、センサシステム（反射型）の構成例である。このセンサシステム１は、高周波信号を発生させる高周波発振器２１と、高周波発振器２１からの高周波信号からなる電磁波をウェアラブルセンサ１０へ向けて送信する送信アンテナ２２と、ウェアラブルセンサ１０で反射された電磁波を受信する受信アンテナ２３と、受信アンテナ２３で受信された電磁波を示す高周波信号により、ウェアラブルセンサ１０での電磁波の変化を測定する測定装置２４とから構成されている。

図６は、センサシステム（アンテナ共用型）の構成例である。このセンサシステム１は、電磁波の送受信を１つの送受信アンテナ２５で共用しており、送信用の高周波信号と受信用の高周波信号とを分離するためのアイソレータ２６を介して、送受信アンテナ２５が高周波発振器２１と測定装置２４とに接続されている。

図７は、センサシステム（透過型）の構成例である。このセンサシステム１は、受信アンテナ２３がウェアラブルセンサ１０を透過した電磁波を受信する位置に配置されている以外は、図４の反射型の構成と同様である。

［第２の実施の形態］
次に、図８および図９を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ１０について説明する。図８は、第２の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（ダイポール構造）の構成を示す説明図である。図９は、第２の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（クロスダイポール構造）の構成を示す説明図である。

共振構造１１の形状として、第１の実施の形態で説明したスプリットリング構造（図１）を選択した場合、基布１２に対して特定の方向から電磁波を入射すると、共振が発生しない場合がある。これは、電磁波の入射方向によっては、電磁波の磁場成分が共振構造１１を貫くあるいは共振構造１１と交差するように形成されない場合があるからである。

図８の例では、共振構造１１が、基布１２の布平面に沿って、直線状すなわち平面視略Ｉ字形状に形成されている。これにより、例えば基布１２に対して垂直な方向から電磁波を入射しても、共振が生じるという優れた効果が得られる。これは、電磁波の電場がダイポールの延在方向に存在していれば共振が生じるためである。

図８に示した構造は、入射偏波に対する依存性が存在するが、例えば図９のようにダイポール構造を交差させるようなクロスダイポール構造、すなわち平面視略十字形状をとることで、偏波依存性を解消できるという優れた効果が得られる。

［第３の実施の形態］
次に、図１０〜図１１を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ１０について説明する。図１０は、第３の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（フィッシュネット構造）の構成を示す説明図である。図１１は、第３の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（マッシュルーム構造）の構成を示す説明図である。

共振構造１１の形状として、第１の実施の形態で説明したスプリットリング構造（図１）や、第２の実施の形態で説明したダイポール構造（図８）やクロスダイポール構造（図９）を選択した場合、透過した電磁波が生体に入射されるといった課題がある。
これを防ぐためには、共振構造１１に入射した電磁波が全て反射され、かつ反射波の位相や偏光状態が変化するようにすることが望ましい。

図１０のような、網目状に導電性繊維を配置したフィッシュネット構造や、図１１のようなマッシュルーム構造は、共振構造１１に入射した電磁波を全て反射し、かつ反射波の位相や偏光状態を変化させることができる。

特に、図１０のフィッシュネット構造は、裏面に導電性布１３が張り付けられた基布１２の表面、裏面、または内層に、平面視略矩形状（正方形状）の導電性繊維が複数形成されており、線状の導電性繊維により縦横網目状に接続された構造をなしている。
また、図１１のマッシュルーム構造は、図１１（ａ）のＡＡ断面図である図１１（ｂ）に示すように、裏面に導電性布１３が張り付けられた基布１２の表面に、平面視略矩形状（正方形状）の導電性繊維が複数形成されており、これらがそれぞれの平面視略中央位置で直線状の導電性繊維により基布１２を介して導電性布１３に接続された構造をなしている。

これらの形状は、ＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）を持ち、共振構造１１に入射した電磁波が共振周波数付近で位相が１８０°反転するからである。周波数は、基布１２の誘電率や透磁率、導電性繊維の形状や導電率に強く依存するため、これらによる位相変化を予め測定または計算しておくことによって物理量の推定が可能である。

［第４の実施の形態］
次に、図１２〜図１４を参照して、本発明の第４の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ１０について説明する。図１２は、第４の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（切り欠きスプリットリング構造）の構成を示す説明図である。図１３は、第４の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（切り欠きクロスダイポール構造）の構成を示す説明図である。図１４は、第４の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（切り欠きオープンリング構造）の構成を示す説明図である。

前述した第１〜第３の実施の形態では、共振構造１１が、基布１２に対する導電性繊維の縫い付けなどによるパタニングで形成される。しかし、これらの場合、回路構造が３次元になるため予期せぬリアクタンス成分、キャパシタンス成分が発生しやすく、設計からのずれが大きくなるといった課題が生じる。
これを解決するためには、導電性基布１４を切り抜くことによって共振構造１１を形成すればよい。

特に、図１２の切り欠きスプリットリング構造は、導電性基布１４の一部を、スプリットリング構造、より具体的には平面視略Ｃ字形状に切り抜くことによって、共振構造１１が複数形成された構造をなしている。
また、図１３の切り欠きクロスダイポール構造は、導電性基布１４の一部を、クロスダイポール構造、より具体的には平面視略十字形状に切り抜くことによって、共振構造１１が複数形成された構造をなしている。

また、図１４の切り欠きオープンリング構造は、導電性基布１４の一部を、オープンリング構造、より具体的には平面視略枠形状に切り抜くことによって、共振構造１１が複数形成された構造をなしている。この際、枠形状の内側部分の導電性基布１４を保持するため、導電性基布１４の裏面に基布１２が張り付けられている。
このほか、図８と同様の切り抜きダイポール構造や、図１０と同様の切り抜きフィッシュネット構造を適用してもよい。

このような導電性基布１４の切り抜きによって共振構造１１を形成することで、導電性繊維の縫い付けなどの３次元構造が形成されやすい工程を省くことができ、設計通りの特性が得られやすいという優れた効果が発現する。

［第５の実施の形態］
次に、図１５を参照して、本発明の第５の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ１０について説明する。図１５は、第５の実施の形態にかかるウェアラブルセンサ（複合型）の構成を示す説明図である。

前述した第１〜第４の実施の形態で説明した共振構造１１については、１つのウェアラブルセンサ１０に配置する共振構造１１をすべて同一形状に限定する必要はなく、図１５に示すように、任意の共振構造１１を組み合わせ配置することにより、複合型のウェアラブルセンサ１０を形成してもよい。また、同一形状の共振構造１１であって、サイズなどの形状パラメータを変更したものを組み合わせ配置してもよい。

これにより、特性の異なる共振構造１１を同一平面内に集積化でき、電磁波の入射方向への対応や、異なる物理量の測定など、１つのウェアラブルセンサ１０で複数の機能を実現できるという優れた効果が得られる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１…センサシステム、１０…ウェアラブルセンサ、１１…共振構造、１２…基布、１３…導電性布、１４…導電性基布、２１…高周波発振器、２２…送信アンテナ、２３…受信アンテナ、２４…測定装置、２５…送受信アンテナ、２６…アイソレータ。

Claims (7)

1. 送受信した電磁波の比較結果に基づいて特定の物理量を測定するセンサシステムで用いられるウェアラブルセンサであって、
   非導電性の基布に導電性繊維により形成されて、入射した電磁波と共振することにより入射された前記電磁波を変化させるとともに、前記物理量に応じた変形により前記電磁波に対する変化度合を変化させる共振構造を備える
   ことを特徴とするウェアラブルセンサ。
2. 送受信した電磁波の比較結果に基づいて特定の物理量を測定するセンサシステムで用いられるウェアラブルセンサであって、
   導電性布の一部を切り抜くことにより形成されて、入射した電磁波と共振することにより入射された前記電磁波を変化させるとともに、前記物理量に応じた変形により前記電磁波に対する変化度合を変化させる共振構造を備える
   ことを特徴とするウェアラブルセンサ。
3. 請求項１に記載のウェアラブルセンサにおいて、
   前記共振構造は、スプリットリング構造、ダイポール構造、クロスダイポール構造、フィッシュネット構造、またはマッシュルーム構造をなすことを特徴とするウェアラブルセンサ。
4. 請求項１に記載のウェアラブルセンサにおいて、
   前記共振構造は、前記基布に対して導電性繊維を織り込むことにより形成されていることを特徴とするウェアラブルセンサ。
5. 請求項１に記載のウェアラブルセンサにおいて、
   前記共振構造は、前記基布に対して導電性媒質を塗布することにより形成されていることを特徴とするウェアラブルセンサ。
6. 請求項２に記載のウェアラブルセンサにおいて、
   前記共振構造は、スプリットリング構造、ダイポール構造、クロスダイポール構造、フィッシュネット構造、またはオープンリング構造をなすことを特徴とするウェアラブルセンサ。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のウェアラブルセンサに対して電磁波を送受信し、送信電磁波と受信電磁波との比較結果に基づいて、特定の物理量を測定するセンサシステム。

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