JP7013741B2 - 接続構造および接続方法および電子回路システム - Google Patents

Description

本発明は、接続構造および接続方法および電子回路システムに関する。

近年、衣類や装着品を利用した生体計測が広がりを見せている。例えば、特許文献１には、衣服に装着したセンサで生体のインダクタンスを測定し、肺や心臓のパラメータを非侵襲的にモニタする技術が開示されている。この技術では、胴部に密着する胴部用シャツにセンサを配置し、センサからの信号を信号ケーブルで伝送し、マイクロプロセッサ・ユニットがこの信号を受信して処理や記録を行う。そして、センサおよび信号ケーブルを衣服に装着し、マイクロプロセッサ・ユニットを衣服のポケット内に携帯することで、装置全体を携行可能としている。

ところで特許文献１の技術では、センサ、信号ケーブル、マイクロプロセッサ・ユニットが硬質であるため、装着による身体への負担が大きいという問題がある。そこで、センサ等の装着が身体へ及ぼす負担を軽減する方法が検討されている。例えば特許文献２には、人体に設置する電極のコネクタを面ファスナとする技術が開示されている。面ファスナの一方を金属メッキしたループ繊維、他方を金属メッキした係止繊維とすることで、弾力性を有する薄板状のコネクタを形成し、身体への負担を軽減している。

また特許文献３には、特許文献２と同様な形状の面ファスナを用い、絶縁性の領域によって分離された複数の導電性領域を設け、１つの面ファスナで複数の接続を可能とする技術が開示されている。

特表２００３－５３０１８４号公報 特開平１－１７６６７２号公報 特開２０１５－１０９１７２号公報

しかしながら、特許文献２、３の技術ではコネクタを外す際にループ繊維および係止繊維に強い力が働く。この力はそれぞれの繊維の弾性限界を超える場合があり、繰り返しの着脱により、面ファスナが劣化して接続の信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、身体への負担が小さく、繰り返し着脱を行っても接続の信頼性が低下しにくい接続構造を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の接続構造は、第１の基材上に形成された第１の配線に接続する導電性で蛇腹状の第１の蛇腹状端子と、第２の基材上に形成された第２の配線に接続する導電性で蛇腹状の第２の蛇腹状端子とを有する。そして、第１の蛇腹状端子を構成する第１の蛇腹部の少なくとも一部と、第２の蛇腹状端子を構成する第２の蛇腹部の少なくとも一部とが、互いに挟み合うように嵌合している。

本発明の効果は、身体への負担が小さく、繰り返し着脱を行っても接続の信頼性が低下しにくい接続構造を提供できることである。

第１の実施形態の接続構造を示す側面図である。 第２の実施形態の蛇腹状端子を示す斜視図である。 第２の実施形態の接続構造を示す断面図である。 第２の実施形態の接続構造が変形した状態を示す側面図である。 第３の実施形態の接続構造を示す断面図である。 第４の実施形態の蛇腹状端子の第1の例を示す斜視図である。 第４の実施形態の蛇腹状端子の第２の例を示す斜視図である。 第４の実施形態の蛇腹状端子の第３の例を示す斜視図である。 第５の実施形態のウエアラブルシステムを示す斜視図である。 第５の実施形態の電子機器および接続構造を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
本実施形態の接続構造では、２つの蛇腹状端子を嵌合させて電気的な接続を行う。蛇腹状端子は、金属等の導電性の板が蛇腹（プリーツ、アコーディオン）状になるよう複数回折り返されて山谷が形成されたものである。また、その両端は基板に設置可能な形状に成形されている。蛇腹状端子は所謂バネ（発条、スプリング）のように振る舞い、外力により伸び／捻れ／撓み変形が可能で、かつ、外力を除けは元の形状に戻ることができる弾性構造体である。

図１は、本実施形態の接続構造を示す側面図である。第１の蛇腹状端子１１の一端が、第１の基材１２上に形成された第１の配線１３に、第１の接続部１４によって電気的および物理的に接続されている。第１の蛇腹状端子１１の他端は、第１の固着部１５によって、第１の基材１２に固着されている。

また、第２の蛇腹状端子２１の一端が、第２の基材２２上に形成された第２の配線２３に、第２の接続部２４によって電気的および物理的に接続されている。第２の蛇腹状端子２１の他端は、第２の固着部２５によって、第２の基材２２に固着されている。

そして、第１の蛇腹状端子１１の蛇腹部１１ａと第２の蛇腹状端子の蛇腹部２１ａとが互いに噛み合って嵌合している。第１の蛇腹部１１ａと第２の蛇腹部１２ａの折り返し数は２折り上あれば嵌合可能であるが、増やすことで嵌合信頼性が増す。このため、折り返し数は、実装エリアの制約や嵌合時の位置決め精度に合わせて設計することができる。

上記の接続構造において、第１の基材１２や第２の基材２２が変形した場合に、第１の蛇腹状端子１１と第２の蛇腹状端子２１はともに蛇腹状のバネなので、その変形に抗することなく追随して変形する。そして、この変形は蛇腹部１１ａと蛇腹部２１ａとの挟み合いに対してほとんど影響を与えない。このため、電気的接続が保たれる。

また、蛇腹部１１ａと蛇腹部１２ａとの接続を着脱する際に両者が受ける力は、互いの間の摩擦力程度であり、弾性限界を超えるような力は働かない。このため、繰り返しの着脱を行っても、第１の蛇腹状端子１１および第２の蛇腹状端子２１に不可逆的な変形が生じにくく、長期にわたり接続の信頼性を確保することができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の蛇腹状端子１００を示す斜視図である。蛇腹状端子１００は、板バネ材が複数折り返した蛇腹部１００ａと、蛇腹部１００ａの両端から延伸し、基材への固定を可能にする脚部１００ｂとを有する。なお、ここでは、脚部１００ｂが平板状で貫通穴を持つ形状としているが、基材への固定が可能であれば、脚部の形状はこれに限られない。図２に示すように、蛇腹状端子１００を２つ用いて、蛇腹部１００ａを向い合せとすることで、接続の準備を行うことができる。

図２の状態から２つの蛇腹状端子１００の蛇腹部１００ａが噛み合うように嵌合することで電気的な接続構造を形成することができる。図３は、この接続構造の一例を示す断面図である。第１の基材２０１に配線３０１が形成され、配線３０１には、第１の蛇腹状端子１０１の脚部１０１ｂが半田４００によって接合されている。同様に、第２の基材２０２に配線３０２が形成され、配線３０２には、第２の蛇腹状端子１０２の脚部１０２ｂが半田４００によって接合されている。そして、第１の蛇腹状端子１０１の第１の蛇腹部１０１ａと、第２の蛇腹状端子の第２の蛇腹部１０２ａとが挟み合って接続している。なお、図４では、第１の蛇腹部１０１ａと第２の蛇腹部１０２ａとが完全に交互に挟み合う例を示しているが、この挟み合いは完全に交互でなくても良い。

図４は、図３の接続構造で、第１の基材２０１および第２の基材２０２が撓んだ状態を示す側面図である。この時、第１の蛇腹状端子１０１および第２の蛇腹状端子１０２がともにバネ弾性変形能を有するため、基材の撓みに抵抗なく追従し、両者の導通が損なわれることが無い。また、着脱の際に蛇腹状端子が弾性限界を超えるような大きな力を受けることが無い。このため、繰り返し着脱を行っても信頼性が低下しにくい。

以上説明したように、本実施形態の接続構造を、柔軟な基板やハウジングに設置すると、基板やハウジングの変形があっても、蛇腹状端子同士の接圧を確保することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本実施形態の接続構造の一例を示す部分断面図である。第１の弾性基材２０３に対し、第１の蛇腹部１０１ａと脚部１０１ｂとが表裏に位置するように、第１の蛇腹状端子１０１を実装している。そして、導電接着剤４２０を用いて、脚部１０１ｂを配線３０３に接続固定している。実装に際しては、例えば、脚部１０１ｂを第１の弾性基材２０３に設けた貫通口に挿通する。同様に、第２の弾性基材に対し、第２の蛇腹部１０２ａと脚部１０２ｂとが表裏に位置するように、第２の蛇腹状端子１０２を実装している。第１の弾性基材２０３および第２の弾性基材２０４としては、例えばシリコーンゴムなどを用いることができる。そして、第１の蛇腹状端子１０１の第１の蛇腹部１０１ａと、第２の蛇腹状端子の第２の蛇腹部１０２ａとが噛み合うようにして、第１の蛇腹状端子と第２の蛇腹状端子とが接続している。このような接続構造とすると、弾性基材が変形しても上記２つの蛇腹状端子の接続部の接圧が損なわれないため、接続の信頼性を確保することができる。なお、山谷のピッチや折り返し数は、実装エリアの制約や嵌合時の位置決め精度に合わせて設計することができる。

以上の如く、硬質なハウジング（基材）による固定が不要にもかかわらず、確実な低抵抗接続が可能となる。このため、柔軟なハウジングが可能となり、加えて、バネの弾性変形能により、接続構造が様々な方向に変形しても、接圧を保つことができる。その結果、装着面が曲面で、かつ動きのある身体などの表面にも沿いやすい柔軟な接続構造を実現できる。

（第４の実施形態）
第１から第３の実施形態では、蛇腹状端子の蛇腹部が板バネを単純に折り返した形状の例を用いて説明したが、その他の形状とすることで、嵌合しやすさや嵌合力を調整することができる。

図６は、谷部が山の頂上部より幅広のスペースを持つ曲面で構成された蛇腹部１２０ａを有する蛇腹状端子１２０を示す斜視図である。山の頂上も曲面となっている。このような蛇腹状端子１２０同士を嵌合させると、嵌合が抜けにくい接続構造を作ることができる。

図７は、山の先端が円筒状になっている蛇腹部１３０ａを持つ蛇腹状端子１３０を示す斜視図である。この形状の蛇腹状端子１３０同士を嵌合させると、嵌合が外れる方向に動いたときに、円筒状の先端部同士が係止し合い、嵌合が外れることが防止される。その結果、接続が切れにくい接続構造を得ることができる。

図８は、板を鋭角に折り返した蛇腹の頂上部に、稜線に沿う分断部１４０ｃを入れた蛇腹部１４０ａを持つ蛇腹状端子１４０を示す斜視図である。分断部１４０ｃの端には、蛇腹が切れていない部分を残して、蛇腹を電気的および物理的に一体に保っている。このような分断部１４０ｃを設けることにより、蛇腹状端子１４０は捻じれ方向にも変形しやすくなる。このような蛇腹状端子１４０を用いた嵌合を形成することで、捻れ方向の追従性に優れた接続構造を構成することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、用途や目的に応じた特徴を持つ種々の接続構造を構成することができる。

（第５の実施形態）
第１から第４の実施の形態の接続構造を用いて、複数の柔軟な電子回路を接続し、全体が柔軟な電子回路システムを構成することができる。このような柔軟な電子回路システムを必要とするものの一つが、ウエアラブルシステムである。全体を柔軟にすることにより、装着感に優れたウエアラブルシステムを構成することができる。図９は、このようなウエアラブルシステムの一例を示す模式図である。ウエアラブルシステム１０００は、例えば、身体に着用することで心拍などの生体情報を取得することができる装置である。ウエアラブルシステム１０００は、ウエア１１００と、ウエア１１００表面あるいは裏面に形成されたセンサケーブル１２００と、センサケーブル１２００に接続する電子機器１３００とを有している。センサケーブル１２００と電子機器１３００との接続を、第１乃至第４の実施の形態のいずれかの接続構造を用いて行う。ウエア１１００は、例えば、上半身に着用できるように、身体を収納し、頭を通す開口を有する胴部と、上肢を通す袖部と、を有する。センサケーブル１２００は、ウエア１１００の表面あるいは裏面に、接着や縫合によって設置されている。

センサケーブル１２００は、例えば、動作による伸縮や体温によってそれ自身の電気抵抗が変化したり、配線や電極として設置すれば身体に流れる微量の電流を流したりすることができる。

電子機器１３００は、例えば、センサケーブル１２００から得られた抵抗や電流などの信号を、内蔵したマイコンで処理し、姿勢や体温、心電や筋電などの生体情報を取得することができる。取得された情報は電子機器内で演算処理され、内蔵メモリに蓄積したり、無線でサーバやスマートフォンなどに送ったりすることができる。なお、ウエア１１００は、下半身を収納する、または全身を収納する形態であってもよい。

図１０は、図９のＡ－Ａ´における断面を示す断面図である。センサケーブル１２００と、電子機器１３００とは、第１から第４いずれかの実施形態の接続構造を用いて、電気的、物理的に接続されている。ここでは、３つの接続構造１４００ａ、１４００ｂ、１４００ｃが形成されているものとしている。接続構造１４００ａ、ｂ、ｃは、電子機器側の蛇腹状端子１４０１ａ、ｂ、ｃとウエア側の蛇腹状端子１４０２ａ、ｂ、ｃがそれぞれ嵌合することによって形成されている。なお接続構造１４００ａ、ｂ、ｃだけでは嵌合力が不足する場合は、面ファスナやスナップボタンなどを電子機器１３２０の両端や接続構造１４００ａ、ｂ、ｃの近傍に取り付けて固定を補助してもよい（図示なし）。

電子機器１３００は、柔軟性筐体１３１０の中に、電子回路基板１３２０を内包している。そして電子回路基板１３２０に接続された３本のリード線１３３０が、蛇腹状端子１４０１ａ、１４０１ｂ、１４０１ｃにそれぞれ接続している。それぞれのリード線と蛇腹状端子との接続は、例えば導電接着剤１５００によって行うことができる。

センサケーブル１２００の一端は、それぞれに導電性で蛇腹状の蛇腹状端子１４０２ａ、ｂ、ｃに接続している。蛇腹状端子１４０２ａ、ｂ、ｃは、相対する電子機器１３００の蛇腹状端子１４０１ａ、ｂ、ｃとの接続が可能になるよう集約されて、ウエア１１００に縫合されている。なお、複数ある接続構造の少なくとも一つは、他と異なる方向で蛇腹状の蛇腹状端子が配置されることが好ましい。そうすることで嵌合方向に垂直な平面方向にずれ難くなる。図１０の例では、蛇腹状端子１４０１ａと１４０１ｃとが同じ向き、１４０１ｂがこれらと異なる向きとしている。

筐体１３０１は、ゴムのような柔軟な素材からなる。そして内側筐体１３１１と外側筐体１３１２とが接続部１３１３で接合することにより、電子回路基板１３２０を内包している。

電子回路基板１３２０では、機能別に分割された硬質な電子基板と電池などが、可撓性を有する接続部材によって電気的に接続されている。電子基板は、例えば、マイコン、メモリ、無線回路やアンテナなどの機能を搭載している。

こうして、柔軟な基材に設置された端子であっても、蛇腹状端子自身が噛み合うことで、端子同士の接圧が得られる。このため、接続部が様々な方向に変形しても、導通を保つことができる。その結果、曲面を有し、動きのある身体の表面にも沿いやすい柔軟なウエアラブルシステムを構成することができる。このようなウエアラブルシステムでは、装着違和感が軽減され長時間の装着が可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、装着違和感が小さく、接続の信頼性が高く、繰り返しの着脱によっても信頼性の低下が起きにくいウエアラブルシステムを構成することができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１１ 第１の蛇腹状端子
１２ 第１の基材
１３ 第１の配線
１４ 第１の接続部
１５ 第１の固着部
２１ 第２の蛇腹状端子
２２ 第２の基材
２３ 第２の配線
２４ 第２の接続部
２５ 第２の固着部
１００ 蛇腹状端子
１００ａ 蛇腹部
１００ｂ 脚部
２０１ 第１の基材
２０２ 第２の基材
２０３ 第１の弾性基材
２０４ 第２の弾性基材
３０１、３０２ 配線
４００ 半田
１０００ ウエアラブルシステム
１１００ ウエア
１２００ センサケーブル
１３００ 電子機器

Claims (9)

1. 両端が第１の基材に固着され、中間に第１の蛇腹部を有し、前記第１の基材に形成された第１の配線に接続する導電性で蛇腹状の第１の蛇腹状端子と、
   両端が第２の基材に固着され、中間に第２の蛇腹部を有し、前記第２の基材に形成された第２の配線に接続する導電性で蛇腹状の第２の蛇腹状端子と、
   を有し
   前記第１の蛇腹部の少なくとも一部と、前記第２の蛇腹部の少なくとも一部とが互いに挟み合うように嵌合する
   ことを特徴とする接続構造。
2. 前記第１の基材と前記第２の基材の少なくとも一方が柔軟な材料からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の接続構造。
3. 前記第１の蛇腹部と前記第２の蛇腹部とが平板を複数回折り返した形状を有する
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の接続構造。
4. 前記第１の蛇腹部の山および谷の少なくとも一部が鋭角な折り曲げ部を有し、これに噛み合う前記第２の蛇腹部の山および谷の部分が、鋭角な折り曲げ部である
   ことを特徴とする請求項３に記載の接続構造。
5. 前記第１の蛇腹部の山および谷の少なくとも一部が曲面で構成され、これに噛み合う前記第２の蛇腹部の山および谷の部分が、曲面で構成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の接続構造。
6. 前記第１の蛇腹部の前記山および前記谷の少なくとも一部に前記山または前記谷を部分的に分断する分断部を有し、これに噛み合う前記第２の蛇腹部の前記山および前記谷の部分に、前記山または前記谷を部分的に分断する分断部を有する
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の接続構造。
7. 第１の基材に導電性で中間に第１の蛇腹部を有する第１の蛇腹状端子の両端を固着し、
   前記第１の基材に形成された第１の配線に前記第１の蛇腹状端子を接続し、
   第２の基材に導電性で中間に第２の蛇腹部を有する第２の蛇腹状端子の両端を固着し、
   前記第２の基材に形成された第２の配線に前記第２の蛇腹状端子を接続し、
   前記第１の蛇腹状端子を構成する第１の蛇腹部の少なくとも一部と、前記第２の蛇腹状端子を構成する第２の蛇腹部の少なくとも一部とを互いに挟み合うように嵌合する
   ことを特徴とする接続方法。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の接続構造を有する電子回路システムであって、
   柔軟性を有する柔軟性筐体に実装され前記第１の蛇腹状端子に接続する第１の電子回路と、
   柔軟性を有するウエアに実装され前記第２の蛇腹状端子に接続する第２の電子回路と
   を有することを特徴とする電子回路システム。
9. 前記接続構造を複数有し、
   前記少なくとも１つの前記接続構造の長さ方向の向きが、他の前記接続構造とは異なる
   ことを特徴とする請求項８に記載の電子回路システム。

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