JP6749698B2 - コネクタ基板、センサーシステム及びウェアラブルなセンサーシステム - Google Patents

Description

本発明は、コネクタ基板、センサーシステム及びウェアラブルなセンサーシステムに関する。本願は、２０１５年９月４日に、日本に出願された特願２０１５−１７４９３１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、フレキシブルエレクトロニクスは、素材の軟らかさから様々な応用用途を有し、高い注目を集めている。例えば、フレキシブルエレクトロニクスは、人体の表面や体内への装着により人体の動き等の生体情報を直接得る手段として注目を集めている。

例えば、特許文献１には、運動活動を行っている個体のパフォーマンスを追跡管理するセンサーが設けられた衣服が記載されている。例えば、特許文献２には、配線部が布帛本体に一体的に設けられた被服が記載されている。配線部を布帛本体と一体的に設けることで、配線部が断線し辛くなると共に着用者の動作を妨げることを抑制できることが記載されている。

特許文献３には、平面的な位置情報も同時に得るために、複数の測定点を規則的なアレイ状に配置したセンサーが記載されている。

特許文献４には、加速度センサーなどのモーションセンサーを全身に複数配置した衣服が記載されている。

これらのセンサーで取得された信号は、外部に出力され計測される。例えば、特許文献５には、被験者に取り付ける電極と、監視装置とをコネクタで接続して外部に出力することが記載されている。特許文献１には、センサーに接続されたトランシーバーを用いて生理学的データを外部に送受信することが記載され、特許文献２には、センサーに接続された送信モジュールを用いて外部に無線で情報を送信することが記載されている。特許文献４にはコントローラーを介して通信手段に接続するシステムが記載されている。

特開２０１２−２１４９６８号公報 特開２０１４−２５１８０号公報 特許第５５３５９５０号公報 米国特許出願公開２０１４／０１３５９６０号 特表平１１−５１３５９２号公報

発明者らは、このような人体等の動きを測定できるセンサーシステムについて検討したところ、種々の問題点があることに気付いた。これらの種々の問題点を一度に解決できるセンサーシステムが求められている。

発明者らが気付いた問題点の１つは、特定の位置からの情報のみならず、様々な位置からの情報を集約的に測定でき、装着感の良いセンサーシステムが実現されていないということである。
例えば、特許文献１及び特許文献２では、人体の所定の位置にセンサーを設け、その部分についての情報のみを測定している。そのため、例えば、人体の腕、脚、胴体等の複数の情報を一度に得ることが難しい。

複数の情報を一度に得るために、特許文献１及び特許文献２に記載のようなセンサーを人体の様々な位置に同時に取り付けることができる。しかしながら、このような複数のセンサーを一度に取り付けることは現実的ではない。各センサーからの情報を同時に外部に出力するためには、各センサーに対して１つのトランシーバーや送信モジュールが必要になり、センサーシステムが非常に大掛かりなものとなる。特許文献４では、複数の情報をコントローラーによって集約的に測定している。しかしながら、加速度センサーを複数個接続して通信するにためにはやはり配線やコントローラーが非常に大掛かりなものとなる。

センサーシステムが大掛かりになると、装着者にセンサーシステムが違和感を与えるという問題も生じる。例えば、一日を通して測定を行う場合等には、センサーシステムの装着感が悪いことは、装着者に非常に大きな負荷を与える。このような装着者に違和感を生じさせるセンサーシステムでは、日常に則した情報が得られにくい。

トランシーバーや送信モジュール等の外部出力手段を１つにし、情報を１つの外部出力手段に集めて送信することも考えられる。しかしながら発明者らの検討の結果、このように１つの外部出力手段に情報を集約させようとすると、センサーそれぞれと外部出力手段とを電気的に接続する必要があり、別の課題が生じることに気付いた。

各センサーと１つの外部出力手段とを電気的に接続するためには、センサーからの配線数にアース線を加えた数の接続点が最低必要であり、これらの接続点を有するコネクタが必要である（例えば、特許文献５の図３及び図４）。センサーの数が多くなればそれだけ、接続点の数は多くなる。

接続点の数が多いコネクタは、接続点同士を離間して配置する必要があるため、大きなものとなる。ウェアラブルなセンサーシステムにおいては、この大きなコネクタは装着時の違和感を生み出す原因となる。センサーシステムを衣服等に用いた場合は、コネクタにより布が引っ張られ、精密な測定が阻害されてしまう恐れがある。

接続点の数が多いコネクタは、接続すべき互いの端子を誤る可能性がある。さらに全ての接続点を確実に接続すること及びそれらが確実に接続されていることを確認するこのいずれの作業にも時間がかかる。すなわち、容易かつ簡便に各センサーと外部出力手段とを接続することができない。

発明者らは、コネクタの接続点の数が多くなることにより、更に別の課題が生じることにも気付いた。これは、センサーシステムを衣服等に設けた場合に、衣服等を洗濯することが難しくなるという問題である。外部出力手段は、無線式でも有線式でも洗濯時には、取り外すことが求められる。しかしながら、コネクタの接続点の数が多くなると、簡便に取り外すことが難しい。

また衣服側に設けられるコネクタは、洗濯時に衣服と共に洗濯される。このコネクタが大きくなると、コネクタには洗濯時に大きな応力が加わることが想定される。その結果、コネクタが衣服から剥がれたり、破損する可能性が高まる。

一方で原理的には、接続点に至る前段階で、入力信号を行列に変換して、信号を集約し、接続点を減らすことはできる（例えば、特許文献３等）。しかしながら、これらは行列状に規則的に配設されたセンサー点からの情報をセンサー内部で電気的に処理するものである。換言すると、センサー点を規則的に配置しないと、センサー内部で信号を行列に変換できない。つまり、非規則的に配置されたセンサー点からの信号を集約することはできない。そのため、人体等の様々な点からの情報を集約する際には用いることができず、センサーシステムとしての自由度が低い。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、上述の課題を一度に解決できるセンサーシステムを実現することを目的とする。より具体的には、センサーシステムを装着時の装着者の違和感を抑え、外部出力手段との着脱が容易であるコネクタ基板を提供することを目的とする。またセンサーからの情報を一度に測定でき、装着者の違和感を抑え、洗濯可能なセンサーシステムを提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、センサーからの信号を配線パターンにより物理的に分類し、出力端子数を低減できるコネクタ基板を見出した。またこのコネクタ基板を用いると、センサーシステムを装着時の装着者の違和感が抑えられ、外部出力手段との着脱が容易となることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用した。

（１）本発明の一態様に係るコネクタ基板は、基材と、前記基材上に設けられたｍグループ各ｎ個（ｍ、ｎは２以上の整数）の第１入力端子と、前記基材上に設けられたｎ個の第１出力端子と、前記基材上または内部に配設され、前記第１入力端子と前記第１出力端子とを繋ぐ第１配線パターンと、前記基材上に設けられたｍ個の第２入力端子と、前記基材上に設けられたｍ個の第２出力端子と、前記基材上または内部に配設され、前記第２入力端子と前記第２出力端子とを繋ぐ第２配線パターンと、を備え、前記第１配線パターンを構成する各コネクタ配線の第１端部は、各グループを構成するｎ個の第１入力端子の内の１つとそれぞれ接続され、第２端部は、前記第１出力端子のそれぞれと接続されている。

（２）上記（１）に記載のコネクタ基板において、前記基材が、フレキシブルであってもよい。

（３）上記（１）又は（２）のいずれかに記載のコネクタ基板において、前記基材の外縁部に前記第１入力端子及び前記第２入力端子が設けられ、前記基材の中央部に前記第１出力端子及び前記第２出力端子が設けられ、前記基材の内部又は外表面において、前記第１配線パターンと前記第２配線パターンが、前記基材の厚み方向の異なる位置に存在してもよい。

（４）本発明の一態様に係るセンサーシステムは、上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載のコネクタ基板と、ｍグループに分類された複数のセンサーと、前記複数のセンサーの各々と前記コネクタ基板の前記第１入力端子とを接続する第１配線と、前記複数のセンサーのうち１つのグループを構成する各センサーを繋ぎ、前記コネクタ基板の前記第２入力端子に接続する第２配線と、前記コネクタ基板に接続され、外部に信号を出力する外部出力手段と、前記外部出力手段によって出力された信号を処理する信号処理手段と、を備える。

（５）上記（４）に記載のセンサーシステムにおいて、前記複数のセンサーが非規則的に配置されていてもよい。

（６）上記（４）または（５）のいずれかに記載のセンサーシステムにおいて、前記複数のセンサーの各々から前記コネクタ基板に至るまで、前記第１配線及び第２配線のそれぞれが平面視で交差しない態様であってもよい。

（７）上記（４）から（６）のいずれかに記載のセンサーシステムにおいて、前記コネクタ基板と前記外部出力手段とが、磁石によって接続されていてもよい。

（８）上記（４）から（７）のいずれか一つに記載のセンサーシステムにおいて、前記信号処理手段が機械学習してもよい。

（９）上記（４）から（８）のいずれか一つに記載のセンサーシステムにおいて、前記複数のセンサーが、音、光、温度、圧力、歪みからなる群の少なくとも１つの物理量の変化により抵抗変化を生じるものでもよい。

（１０）本発明の一態様に係るウェアラブルなセンサーシステムは、上記（４）から（９）のいずれか一つに記載のセンサーシステムにおける前記複数のセンサー及び前記コネクタ基板が布体に付設され、前記第１配線及び前記第２配線が前記布体と一体的に設けられている。

本発明の一態様に係るコネクタ基板は、センサーシステムを装着時の装着者の違和感を抑え、外部出力手段との着脱が容易である。
本発明の一態様に係るセンサーシステムは、非規則的に配置されたセンサーからの情報を一度に測定でき、装着者の違和感を抑え、洗濯可能である。

本発明の一態様に係るセンサーシステムの模式図である。 本発明の一態様に係るコネクタ基板を平面視した模式図である。 本発明の一態様に係るセンサーシステムにおいて仮想的に形成されるマトリックススキャン回路を模式的に示す回路図である。 外部出力手段を模式的に示した平面模式図の一例である。 コネクタ基板と外部出力手段の接続部を断面視した模式図である。

以下、本実施形態にかかるコネクタ基板、センサーシステムおよびウェアラブルなセンサーシステムについて、図面を用いてその構成を説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（センサーシステム）
図１は、本発明の一態様に係るセンサーシステムの模式図である。
図１に示すセンサーシステム１００は、コネクタ基板１０と、複数のセンサー２０と、複数の配線３０と、外部出力手段４０と、信号処理手段（図示略）と、を備える。複数の配線３０は、センサー２０とコネクタ基板１０とを接続する。外部出力手段４０は、コネクタ基板１０と接続されている。信号処理手段は、外部出力手段４０から出力された信号を処理する。

図１に示すセンサーシステム１００は、布体５０にセンサー２０が付設され、配線３０が布体５０と一体的に設けられたウェアラブルな衣服型のセンサーシステムである。本発明の一態様に係るセンサーシステムは、図１の構成に限られない。例えば布体５０とセンサーシステムとが分離可能でもよい。また図１に示すように全身を覆う衣服型に限られず、一部のみを覆うものであってもよい。また犬等の動物やロボット等の動作を確認するために、動物等が装着するものであってもよい。

図１に示すウェアラブルな衣服型のセンサーシステム１００の場合、布体５０とコネクタ基板１０及びセンサー２０の付設方法は特に限られない。例えば、布体５０にコネクタ基板１０及びセンサー２０を接着剤等で貼り合せてもよいし、布体５０にコネクタ基板１０及びセンサー２０を編みつけてもよい。またセンサー２０については、インクを用いて形成されるセンサーを布体５０に印刷してもよい。

布体５０とセンサーシステム１００とを一体化すると、センサーシステム１００を装着時の違和感を低減できる。センサーシステム１００の布体５０に対する追従性も高まる。その結果、より精密な測定を行うことができる。センサー付の布体を５０％伸ばしたときの応力は、布体のみを伸ばしたときの２０分の１から２０倍、好ましくは１０分の１から１０倍、より好ましくは５分の１から５倍の範囲にあることが好ましい。

複数のセンサー２０は、領域毎にＡ_１〜Ａ_ｍのｍ個のグループに分類される。図１においては、４つのグループＡ_１〜Ａ_４に分類されている。各グループＡ_１〜Ａ_４には、ｎ個のセンサーが存在する。図１においては、ｍ＝４つのグループに、ｎ＝３つのセンサー２０がそれぞれ存在する。グループ数及びセンサー数はこの場合に限られず、使用態様に応じて変更することができる。

配線３０は、第１配線３０Ａと、第２配線３０Ｂからなる。第１配線３０Ａは、センサー２０それぞれとコネクタ基板１０を接続する。第２配線３０Ｂは、１つのグループを構成する各センサー２０を繋ぎ、コネクタ基板１０に接続する。すなわち、各センサーは、第１配線３０Ａと第２配線３０Ｂのそれぞれと接続されている。

図１においては、例えば右腕グループＡ_１内に存在する３つのセンサー２０は、それぞれ第１配線３０Ａによってコネクタ基板１０に接続されている。また右腕グループＡ_１内に存在する３つのセンサー２０は、それぞれが第２配線３０Ｂによって接続され、１本の配線に集約されてコネクタ基板１０に接続されている。すなわち、右腕グループＡ_１からは、右腕グループＡ_１に存在するセンサーの数（３本）に１つ足した数（計４本）の配線３０が多点センサーコネクタ基板１０に接続されている。これは右腕グループＡ_１に限られず、左腕グループＡ_２、左胴体グループＡ_３、右胴体グループＡ_４においても同様である。その結果、コネクタ基板１０には、４本（第１配線３０Ａが３本＋第２配線３０Ｂが１本）×４グループで計１６本の配線３０が配設されている。

一般化すると、コネクタ基板１０には、ｍ個のグループＡ_１〜Ａ_ｍのそれぞれから各１本ずつ、計ｍ本の第２配線３０Ｂが接続される。また各グループＡ_１〜Ａ_ｍ内に存在する全てのセンサー２０からは各１本ずつ第１配線３０Ａが接続される。簡単のため、各グループＡ_１〜Ａ_ｍに存在するセンサー数がそれぞれｎ個ずつとすると、ｍ×ｎ本の第１配線３０Ａが接続される。すなわち、コネクタ基板１０に接続される配線３０は、全体でｍ×ｎ＋ｍ＝ｍ×（ｎ＋１）本となる。

＜コネクタ基板＞
図２は、本発明の一態様に係るコネクタ基板を平面視した模式図である。
図２に示すコネクタ基板１０は、基材１１と、第１入力端子１２Ａと、第２入力端子１２Ｂと、第１配線パターン１３Ａと、第２配線パターン１３Ｂと、第１出力端子１４Ａと、第２出力端子１４Ｂとを備える。以下、第１入力端子１２Ａ及び第２入力端子１２Ｂを合せて外部入力端子１２、第１配線パターン１３Ａ及び第２配線パターン１３Ｂを合せて配線パターン１３、第１出力端子１４Ａ及び第２出力端子１４Ｂを合せて外部出力端子１４と言うことがある。

基材１１は絶縁性を有し、外部入力端子１２、内部配線パターン１３、外部出力端子１４を支持する。基材１１は、フレキシブルであることが好ましい。ここでフレキシブルとは、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）程度に自在に曲げることができることを意味する。基材１１がフレキシブル性を有することで、例えば洗濯等の処理によりコネクタ基板１０に応力が加わっても破損しにくくなる。

基材１１に用いる材質としては、例えば、ポリイミド（ＰＩ）やポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等を用いることができる。

外部入力端子１２は、基材１１上に形成された電気的な接点である。外部入力端子１２は、第１入力端子１２Ａと第２入力端子１２Ｂからなる。第１入力端子１２Ａと第２入力端子１２Ｂは、それぞれ基材１１の同一面に配設してもよいし、異なる面に配設してもよい。第１入力端子１２は、複数のセンサー２０のそれぞれと接続可能である。第２入力端子１２Ｂは、１つのグループ内に存在する各センサー２０と接続可能である。すなわち、コネクタ基板１０は、多点のセンサーと接続可能な多点センサー用コネクタ基板として機能している。

図２において外部入力端子１２は、６つの第１入力端子１２Ａ、１つの第２入力端子１２Ｂで、１つのグループを形成し、全部で８つのグループを有する。この各グループＢ_１〜Ｂ_ｍはそれぞれ、センサーシステム１００における複数のセンサー２０が領域分けられたグループＡ_１〜Ａ_ｍに対応する。

例えば図２におけるグループＢ_１は、図１における右腕グループＡ_１と接続可能である。すなわち、図１では図示の関係上、３つのセンサー２０しか図示していないが、右腕グループＡ_１に配設された６つのセンサーのそれぞれが、第１配線３０Ａを介して第１入力端子１２Ａと接続可能である。また第２入力端子１２Ｂは、第２配線３０Ｂを介して右腕グループＡ_１に配設された各センサー２０と接続可能である。同様に、図１における左腕グループＡ_２、左胴体グループＡ_３、右胴体グループＡ_４のそれぞれは、図２におけるグループＢ_２〜Ｂ_４のそれぞれと接続可能である。

図２において外部入力端子１２は８つのグループＢ_１〜Ｂ_８を有している。そのため、図２のコネクタ基板１０を用いる場合は、図１のセンサーシステム１００においては更に４つのグループＡ_５〜Ａ_８を設けることもできる。

グループＢ_１〜Ｂ_ｍのグループ数は、センサーシステム１００に設けられたグループＡ_１〜Ａ_ｍの数に応じて適宜変更することができる。またグループＢ_１〜Ｂ_ｍを構成する第１入力端子１２Ａの数も、各グループＡ_１〜Ａ_ｍ内に存在するセンサー数に応じて適宜変更することができる。

外部出力端子１４は、基材１１上に形成された電気的な接点である。外部出力端子１４は、第１出力端子１４Ａと第２出力端子１４Ｂからなる。第１出力端子１４Ａと第２出力端子１４Ｂは、それぞれ基材１１の同一面に配設してもよいし、異なる面に配設してもよい。第１出力端子１４Ａの端子数は、グループＢ_１〜Ｂ_ｍ内の第１入力端子１２Ａの最大数に対応する。これに対し第２出力端子１４Ｂの端子数は、グループＢ_１〜Ｂ_ｍのグループ数に対応する。

外部入力端子１２及び外部出力端子１４は、導電性を有するものからなればよく、例えば半田、銀ペースト、銅等を用いて作製することができる。

基材１１上または内部には、配線パターン１３が配設されている。配線パターン１３は、第１配線パターン１３Ａと第２配線パターン１３Ｂからなる。第１配線パターン１３Ａは、入力端子１２Ａ及び出力端子１４Ａを接続する。第２配線パターン１３Ｂは、第２入力端子１２Ｂ及び第２出力端子１４Ｂを接続する。

配線パターン１３Ａを構成する各コネクタ配線は、第１入力端子１２Ａと第１出力端子１４Ａを繋ぐ。配線パターン１３Ａを構成する各コネクタ配線の第１端部は、グループＢ_１〜Ｂ_ｍを構成するｎ個の第１入力端子１２Ａのうちの１つとそれぞれ接続されている。これに対し、配線パターン１３Ａを構成する各コネクタ配線の第２端部は、第１出力端子１４Ａのうちの１つと接続されている。すなわち、配線パターン１３Ａを構成する各コネクタ配線は、各グループのｎ個の第１入力端子１２Ａのうちの１つからそれぞれ延在し、第１入力端子１４Ａに至るまでに１つに集約されるように配設されている。

例えば、図２では、１つのグループＢ_１を構成する第１入力端子１２Ａのうちの１つから第１出力端子１４Ａまで延在するコネクタ配線は、第１出力端子１４Ａに至るまでの間に、残りのグループＢ_２〜Ｂ_８のそれぞれを構成する第１入力端子１２Ａのうちの１つから延在するコネクタ配線と接続する。すなわち、全部で６４点あった入力端子１２Ａは、８点の出力端子１４Ａに集約される。

これに対し第２配線パターン１３Ｂは、第２入力端子１２Ｂと第２出力端子１４Ｂを繋ぐ。第２配線パターン１３Ｂを構成する各コネクタ配線は、第１配線パターン１３Ａを構成するコネクタ配線及び第２配線パターンを構成するその他のコネクタ配線と、互いに接続することはない。

以上、コネクタ基板１０の構成について説明した。次いで、コネクタ基板１０の機能について説明する。

コネクタ基板１０は、ｍ×（ｎ＋１）点の外部入力端子１２から入力された情報をマトリックススキャンにより変換し、ｍ＋ｎ点の外部出力端子１４で出力する。

マトリックススキャンによる変換は以下のような手順で行われる。例えば、センサーシステム１００を着用した被験者が右腕を動かすと、図１における右腕グループＡ_１のいずれかのセンサー２０が反応する。このとき右腕グループＡ_１に存在するセンサーには仮想的に番号を与える。例えば、右腕グループＡ_１の２番というセンサー２０が反応したとする。

右腕グループＡ_１の２番というセンサー２０が反応したという情報は、第１配線３０Ａ及び第２配線３０Ｂによってコネクタ基板１０に送られる。この際、第１配線３０Ａは、直接コネクタ基板１０に接続されているため、右腕グループＡ_１の２番のセンサー２０が反応したという情報をそのまま送る。これに対し、第２配線３０Ｂは、右腕グループＡ_１内のその他のセンサー２０とも接続されているため、右腕グループＡ_１のいずれかのセンサーが反応したという情報を送る。

第１配線３０Ａから送られた情報は、例えば図２で示すコネクタ基板１０におけるグループＢ_１の図示上から２番目の第１入力端子１２Ａに入力される。入力された情報は、第１配線パターン３０Ａを介して、第１出力端子１４Ａに送られる。ここで、第１配線パターン３０Ａを構成する各コネクタ配線は、その他のグループの２番の第１入力端子１２Ａとも接続されている。すなわち、第１入力端子１２Ａに伝わった右腕グループＡ_１の２番のセンサー２０が反応したという情報は、第１出力端子１４Ａに至った段階で、いずれかのグループＡ_１〜Ａ_ｎの２番目のセンサー２０が反応したという情報に置き換えられる。

一方で、第２配線３０Ｂから送られた情報は、例えば図２で示すコネクタ基板１０におけるグループＢ_１の第２入力端子１２Ｂに入力される。第２入力端子１２Ｂに入力された情報は、第２配線パターン１３Ｂを介してそのまま第２出力端子１４Ｂに伝わる。すなわち、第２出力端子１４Ｂには、右腕グループＡ_１のいずれかのセンサーが反応したという情報がそのまま送られる。

この結果、後述する信号処理手段で、第１出力端子１４Ａから出力されるいずれかのグループの所定のセンサーが反応したという情報と、第２出力端子１４Ｂから出力される所定のグループのいずれかのセンサーが反応したという情報とを比較することで、所定のグループの所定のセンサーが反応したということを読み取ることができる。このとき情報の比較は、第１出力端子１４Ａ及び第２出力端子１４Ｂの各電位差を比較することで判断することができる。

図３は、本発明の一態様に係るセンサーシステムにおいて仮想的に形成されるマトリックススキャン回路を模式的に示した回路図である。図３における可変抵抗は、図１における各センサー２０に対応する。図２における端子１４Ａａ〜１４Ａｈ及び１４Ｂａ〜１４Ｂｈは、図３における行列方向の端部に対応する。

図３において、センサー２０のいずれかが反応すると、可変抵抗の抵抗値が変化する。抵抗値が変化した情報は、行列のいずれの方向にも伝わる。この際、列方向に伝わる情報は、上述の説明における第１配線パターン３０Ａによって変換されたいずれかのグループの所定のセンサーが反応したという情報である。これに対し、行方向に伝わる情報は第２配線３０Ｂによって変換された所定のグループのいずれかのセンサーが反応したという情報である。

ここで、図３に示すようなパッシブマトリクス回路による電圧計測については回りこみ電流と呼ばれるＯＦＦラインへの電流が発生することが問題となることがある。しかしながら、その解決方法としては、例えばＴａｋａｈａｓｈｉ，Ｙ ｅｔ ａｌ．，２００５ ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｉｎｔｅｌｌ． Ｒｏｂｏｔ． Ｓｙｓｔ． ＩＲＯＳ １０９７−１１０２ （２００５）のようなものが知られている。

上述のように、センサーシステム１００における配線３０と、コネクタ基板１０における配線パターン１３は、仮想的に情報をマトリックス変換する。そのため、コネクタ基板１０において、ｍ×（ｎ＋１）点の外部入力端子数を、ｍ＋ｎ点の外部出力端子数まで低減することができる。
具体的には、図２においては、第１入力端子１２Ａ、第２入力端子１２Ｂを合せた６４点のセンサーからの信号を第１出力端子１４Ａ、第２出力端子１４Ｂを合せた１６点で出力することができる。通常であれば、６４個のセンサーとアースを加えた６５個の外部出力端子が必要であるのに対し、本発明の一態様に係るコネクタ基板１０を用いることで、外部出力端子の数が１６個と大幅に低減されている。この変換の原理は、ＣＣＤ等による行列上に配置されたセンサーからの情報を、行列配置された配線によって読み出すマトリックス変換を用いて低減する際に用いる原理と同等である。

ここで、センサー２０は非規則的に配置されていることが好ましい。「非規則的に配置されている」とは、行列配置されていないことを意味する。例えば、コネクタ基板１０に対して、等距離に複数の箇所にセンサーが設けられている場合は、本明細書においては「規則的な配置」に該当しない。
原理的には、入力信号を行列に変換して、出力信号数を低減することは従来も行われている（例えば、特許文献３等）。しかしながら、これらは行列状に規則的に配設されたセンサーからの信号を処理する際に用いられるものであり、非規則的に配置されたセンサーからの信号を処理には対応できない。本発明の一態様に係るコネクタ基板１０は、非規則的に配置されたセンサー２０からの信号であっても、配線パターン１３によってｍ行ｎ列に変換することで、仮想的な行列に配列し直すことができる。すなわち、規則的に配置されたものを規則的にマトリクススキャンしているものとは異なり、非規則的に配置されたものを仮想的に規則的に配置し、マトリクススキャンをしている。この「非規則的に配置されたセンサーからの信号を仮想的な行列状に配列し直すこと」は、規則的な配列のセンサーから想到し得るものではない。

コネクタ基板１０にこのような機能を付与することは、着脱を容易とする必要があることや洗濯可能なセンサーシステムを実現する必要があるとういう課題を解決するために、コネクタ基板１０の接続点の数を減らす必要があるということを見出した本発明者らでないと想到し得るものではない。

コネクタ基板１０において、外部入力端子１２、内部配線パターン１３、及び外部出力端子１４は、図２の様に配置することが好ましい。すなわち、外部入力端子１２である第１入力端子１２Ａ及び第２入力端子１２Ｂは、基材１１の外縁部に配置し、外部出力端子１４である第１出力端子１４Ａ及び第２出力端子１４Ｂは基材１１の中央部に配置することが好ましい。外部入力端子１２の端子数の方が、外部出力端子１４の端子数より数が多い。そのため、配置可能な面積が大きい外縁部に外部入力端子１２を配置し、中央部の外部出力端子１４に向けて内部配線パターン１３が集束するように配置することで、基材１１を効率的に利用し、コネクタ基板１０のサイズを小さくすることができる。

第１配線パターン１３Ａと第２配線パターン１３Ｂは、基材１１の厚み方向の異なる深さ位置に配設されていることが好ましい。例えば、基材１１の一面に第１配線パターン１３Ａを配設し、その一面と反対側の面に第２配線パターン１３Ｂを配設することができる。
第１配線パターン１３Ａと第２配線パターン１３Ｂが、基材１１の厚み方向の異なる深さ位置に配設されることで、互いが電気的に接続することを避けることができる。第１配線パターン１３Ａと第２配線パターン１３Ｂが互いに電気的に接続すると、駆動したセンサー２０を適切に読み出すことができなくなる。また第１配線パターン１３Ａを構成する各コネクタ配線同士も、互いに電気的に接続することがない様に、基材の厚み方向の異なる深さ位置に配設することもできる。

配線パターン１３は、基材１１上にパターニングで形成することができる。所定の開口部を有するマスクを用い、蒸着やスパッタ等により配線パターン１３を形成してもよいし、金属膜を形成後にウェットエッチングやドライエッチングにより配線パターン１３を形成してもよい。基材１１が積層構造をなす場合は、第１配線パターン１３Ａが形成された基材１１と第２配線パターン１３Ｂが形成された基材とを、それぞれのコネクタ配線が電気的に接続しない様に、加熱等の処理により接合してもよい。

＜外部出力手段＞
コネクタ基板１０には、外部出力手段４０が接続される。外部出力手段４０は、コネクタ基板１０に接続するコネクト部４１と、コネクト部４１を介して入力された信号を外部に出力する発信部４２とを備える。図４は、外部出力手段を模式的に示した斜視模式図の一例である。

図４に示すコネクト部４１は、複数の端子４３と、配線４４と、基材４５と、外部端子４６と、を備える。複数の端子４３は、コネクタ基板１０と接続する。配線４４は、端子４３のそれぞれに接続される。基材４５は、配線４４を被覆する。外部端子４６は、配線４４の端子４３と反対側に接続され、発信部４２に接続される。

端子４３は、コネクタ基板１０の外部出力端子１４と一対一で対応する。端子４３の数は、外部出力端子１４の数と同じであることが望ましい。図４では、外部出力端子１４の数は、１６点である。端子４３は導電性を有していればよく、外部入力端子１２及び外部出力端子１４と同等の材料を用いることができる。

配線４４は、端子４３からの情報を、外部端子４６を介して発信部４２に伝える。それぞれの配線４４は、電気的に分離されている必要がある。配線４４がショートすることを避けるためにも、配線４４同士は平面視で互いに交差しないことが好ましい。

基材４５は、配線４４同士を電気的に分離できるものである。またフレキシブル性を有することが好ましく、コネクタ基板１０の基材１１と同様の材料を用いることができる。配線４４は、基板４５の内部又は外部に配設されている。

発信部４２は、外部に信号を発信することができれば、有線通信の装置でも無線通信の装置でもよい。装着時の違和感を低減する観点からは無線通信の装置であることが好ましい。例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）等の通信規格を用いることができる。発信部４２に処理用のマイクロコンピュータやリチウム電池などを搭載してもよい。

次いで、コネクタ基板１０と外部出力手段４０との接続について説明する。図５は、コネクタ基板と外部出力手段の接続部を断面視した模式図である。上述のように、コネクタ基板１０の外部出力端子１４と、外部出力手段４０の端子４３が一対一で接続する。

コネクタ基板１０と外部出力手段４０は嵌合部を有し、その嵌合部で外部出力端子１４と端子４３が接続されていることが好ましい。例えば、コネクタ基板１０または外部出力手段４０のいずれか一方を凹状に加工し、残りの一方を凸状に加工する。このように加工することで、凸状に加工された部分が、凹状に加工された部分に嵌合する。このように嵌合部を設けることで、外部出力端子１４と端子４３の接点がずれることを避けることができる。

また図５に示すように、コネクタ基板１０と外部出力手段４０の間に開口部を有するガイド部材４７を設けてもよい。ガイド部材４７を設けることで、コネクタ基板１０と外部出力手段４０の両方を加工する必要が無くなる。コネクタ基板１０又は外部出力手段４０のいずれか一方に凸状に加工された凸部を設ければ、この凸部がガイド部材４７の開口部に嵌合することができる。凸部は、端子４３が形成された外部出力手段４０側に設けることが好ましい。端子４３の周囲は、外部出力端子１４の周囲と比較して配線数が少ないためである。

ガイド部材４７には、その周方向の位置を決める基準点を設けることが好ましい。外部出力端子１４と端子４３は一対一で対応するため、異なる端子同士が接続されると、誤った信号を信号処理手段で処理することになる。基準点を設けることで、外部出力端子１４と端子４３の対応関係がずれることを抑制できる。基準点は、例えば図５に示すように、ガイド部材４７に設けた突起部４７Ａ等を用いることができる。この突起部４７Ａを、ガイド部材４７の開口部に嵌合される凸部に設けた切込部４７Ｂと合せることで、外部出力端子１４と端子４３との位置関係を合せることができる。

基準点は、ガイド部材４７を設ける場合に限られず、コネクタ基板１０又は外部出力手段４０のいずれか一方に凸部、もう一方に凹部を形成する場合も同様に設けることが好ましい。

またコネクタ基板１０と外部出力手段４０とは、磁石４８によって接続されていることが好ましい。磁石４８によって互いを接続することで、着脱をより容易に行うことができる。磁石４８は、例えば図５に示すように、コネクタ基板１０の外部出力手段４０との接続面に対して反対側の面と、外部出力手段４０の内部に設けることができる。もしくは端子４３を導電性磁石にすることもできる。

＜センサー＞
センサー２０は、図１に示すように、測定したい箇所に適宜設けられている。そのため、コネクタ基板１０に対して規則的に配列される必要はなく、コネクタ基板１０に対して非規則的に配置されてもよい。

センサー２０の種類は特に問わない。例えば、フォトダイオード、温度センサー、歪みセンサー、圧力センサー等を用いることができる。また場所毎に異なるセンサーを用いてもよい。

センサーとしては、物理量の変化によってセンサーの電流または電圧が変化すれば特に制限はされないが、回路の簡便さなどから物理量によって抵抗が変化し、両端の電圧が変化する可変抵抗型センサーが望ましい。物理量としては、音、光、温度、圧力、歪みからなる群の少なくとも１つを好適に用いることができる。この際、センサーの抵抗の抵抗値は後述する配線３０の配線抵抗の５０倍以上であることが好ましい。コネクタ基板１０とセンサー２０との距離は、場所によって異なるが、センサーの抵抗を配線抵抗の５０倍以上とすることで、配線３０の配線抵抗の影響を排除することができる。

センサー２０には、水系のインクを用いたセンサーを用いることが好ましい。水系のインクを用いたセンサーとは、導電性粒子をエラストマーの水分散物に混合したインクである。このインクを用いて印刷、乾燥することにより、導電性粒子がエラストマーのフィルムにランダムに分散したものが得られる。このセンサーは、引っ張りや圧縮、温度変化による熱膨張・収縮によって導電性粒子間距離が変化することにより、センサー両端の抵抗が変化する。水系のインクを用いたセンサーは非常に薄く、測定対象に対する追従性が高い。そのため、正確かつ安定的な測定を行うことができる。

＜配線＞
配線３０は、各センサー２０とコネクタ基板１０とを接続する導電体である。洗濯等の処理や、装着者の汗等の影響を考慮すると、配線３０は周囲を絶縁体でコートされていることが好ましい。

配線３０は導電糸からなり、布体５０に編み込まれていることが好ましい。布体５０に配線３０が編み込まれることで、布体５０の動きに配線３０が追従することができる。

配線３０は、人体等と接触する面と反対側に配設されることが好ましい。人体等と接触する部分に導電性を有する配線３０を配設すると、汗等によるショートが生じる恐れが高まる。そのため、配線３０は人体等と接触する部分から離れた位置に配設することが好ましい。

配線３０に用いる導電糸としては、鉄、ステンレス等の金属製のものや、ポリエステルなどの一般的な糸の表面を金、銀、銅、ニッケル、硫化銅などでコートしたものを用いることができる。中でも金、銀、銅コート糸は電気抵抗が小さく、生体に対して安全で、糸の強度や撚りを自由に選べることができるため、布体５０を洗濯した場合にあっても電気抵抗の変化が比較的少なく、ミシンなどの生産性が高いため好ましい。

配線３０は、図１に示すように、各センサー２０からコネクタ基板１０に至るまで、配線３０同士が平面視で交差しないことが好ましい。ここで、「平面視で交差しない」とは、センサーシステムが形成された外表面側から見て、配線３０が交差していないことを意味する。

配線３０は、センサー２０とコネクタ基板１０を接続するため、広い範囲に配設され、動作に対する追従性が要求される。そのため、配線３０をコートできる絶縁体の材料、厚み等には制限がある。このような絶縁体では、絶縁性を十分得られない場合があり、配線３０同士が交差する部分でショートするおそれがある。特に、装着者が汗をかいている場合や、洗濯等の処理を行った時は、ショートするおそれが顕著に高まる。

これに対し、コネクタ基板１０に用いる基材１１には、前述のように高い絶縁性を有するポリイミド等を用いることができる。そのため、コネクタ基板１０の配線パターン１３同士が平面視で交差していても、ショートすることはない。

つまり、配線３０が各センサー２０からコネクタ基板１０に至るまで互いに平面視で交差しないことで、複数の配線３０同士がショートすることを避けることができる。

＜信号処理手段＞
信号処理手段では、外部出力手段５０によって外部に出力された信号を処理する。具体的には、コネクタ基板１０の対応する第１出力端子１４Ａと第２出力端子１４Ｂの電位を測定し、その結果からセンサー２０の動作を検出する。そして得られた複数のセンサー２０の動作の情報から体の運動や心電、筋電、呼吸などの生体情報をえる。

信号処理手段としては、公知のものを採用する事ができる。中でも、生体情報に変換する際に機械学習する物が好ましい。「機械学習」は、特定の生体の状態とそのときのセンサー２０の値を予め対応づける学習を行い、その学習結果から逆にセンサー２０の値を生体情報に変換することを意味する。例えば、人間が運動することにより、腕、脚、胴体にあるセンサー２０が変形して信号が変化する。また腕のみを見ても、曲げ、伸ばし、捩り等の動作毎でセンサー２０に生じる信号は異なる。換言すると、特定の部分で特定の行動によって発生した信号は、信号が発生した部分及び動作の情報も有していると言える。そこで、これらの情報を処理するごとに、コンピューターに学習させることで、同様の部分で同様の動作が生じた際に、コンピューターが自身で信号をより適切に処理することができる。すなわち、信号処理手段が機械学習することで、より多くの情報を素早く同時に得ることができる。

本発明の一態様に係るコネクタ基板１０を用いることにより、人体等の様々な部分に設けられたセンサー２０からの信号を仮想的にマトリックス変換することができる。その結果、センサー２０が非規則的に配置された場合であっても、信号をコネクタ基板１０で集約できる。

またコネクタ基板１０で、信号をマトリックス変換することにより、コネクタ基板１０内における外部入力端子１２の端子数に対する外部出力端子１４の端子数を低減できる。

外部出力端子１４の数を低減できると、例えば、以下のような有利な効果を生み出す。例えば、外部出力端子１４の数が低減されると、コネクタ基板１０のサイズが小さくなる。コネクタ基板１０のサイズが小さいと、センサーシステム１００を装着時の違和感を低減できる。他にも、コネクタ基板１０と外部出力手段４０との接続が容易になる。

またコネクタ基板１０に洗濯等により外力が加わった際にも、コネクタ基板１０のサイズが小さければ、変形する面積を小さくできる。その結果、外力による破損等の恐れが避けられる。コネクタ基板１０がフレキシブルであれば、その効果はより顕著である。

本発明の一態様に係るセンサーシステム１００は、上述のコネクタ基板１０を有するため、装着時の違和感が少ない。また外部出力手段４０の着脱が容易であり、洗濯等の処理を容易に行うことができる。特に、配線３０同士を配線パターン１３以外の部分で交差させないことにより、より洗濯等の水分が加わる作業でのショート等を避けることができる。

１０…コネクタ基板、１１…基材、１２…外部入力端子、１２Ａ…第１入力端子、１２Ｂ…第２入力端子、１３…配線パターン、１３Ａ…第１配線パターン、１３Ｂ…第２配線パターン、１４…外部出力端子、１４Ａ…第１出力端子、１４Ｂ…第２出力端子、１４Ａａ〜１４Ａｈ…端子、１４Ｂａ〜１４Ｂｈ…端子、２０…センサー、３０…配線、４０…外部出力手段、４１…コネクト部、４２…発信部、４３…端子、４４…配線、４５…基材、４６…外部端子、４７…ガイド部材、５０…布体

Claims (10)

1. 基材と、
   前記基材上に設けられたｍグループ各ｎ個（ｍ、ｎは２以上の整数）の第１入力端子と、
   前記基材上に設けられたｎ個の第１出力端子と、
   前記基材上または内部に配設され、前記第１入力端子と前記第１出力端子とを繋ぐ第１配線パターンと、
   前記基材上に設けられたｍ個の第２入力端子と、
   前記基材上に設けられたｍ個の第２出力端子と、
   前記基材上または内部に配設され、前記第２入力端子と前記第２出力端子とを繋ぐ第２配線パターンと、を備え、
   前記第１配線パターンを構成する各コネクタ配線の第１端部は、各グループを構成するｎ個の第１入力端子の内の１つとそれぞれ接続され、第２端部は、前記第１出力端子の内の１つと接続されている、コネクタ基板。
2. 前記基材が、フレキシブルである請求項１に記載のコネクタ基板。
3. 前記基材の外縁部に前記第１入力端子及び前記第２入力端子が設けられ、
   前記基材の中央部に前記第１出力端子及び前記第２出力端子が設けられ、
   前記基材の内部又は外表面において、前記第１配線パターンと前記第２配線パターンが、前記基材の厚み方向の異なる位置に存在する請求項１または２のいずれかに記載のコネクタ基板。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のコネクタ基板と、
   ｍグループに分類された複数のセンサーと、
   前記複数のセンサーの各々と前記コネクタ基板の前記第１入力端子とを接続する第１配線と、
   前記複数のセンサーのうち１つのグループを構成する各センサーを繋ぎ、前記コネクタ基板の前記第２入力端子に接続する第２配線と、
   前記コネクタ基板に接続され、外部に信号を出力する外部出力手段と、
   前記外部出力手段によって出力された信号を処理する信号処理手段と、を備えるセンサーシステム。
5. 前記複数のセンサーが非規則的に配置されている請求項４に記載のセンサーシステム。
6. 前記複数のセンサーの各々から前記コネクタ基板に至るまで、前記第１配線及び第２配線のそれぞれが平面視で交差しない請求項４または５のいずれかに記載のセンサーシステム。
7. 前記コネクタ基板と前記外部出力手段とが、磁石によって接続される請求項４〜６のいずれか一項に記載のセンサーシステム。
8. 前記信号処理手段が機械学習する請求項４〜７のいずれか一項に記載のセンサーシステム。
9. 前記複数のセンサーが、音、光、温度、圧力、歪みからなる群の少なくとも１つの物理量の変化により抵抗変化を生じる請求項４〜８のいずれか一項に記載のセンサーシステム。
10. 請求項４〜９のいずれか一項に記載のセンサーシステムにおける前記複数のセンサー及び前記コネクタ基板が布体に付設され、
    前記第１配線及び第２配線が前記布体と一体的に設けられたウェアラブルなセンサーシステム。

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