JP7276510B2

JP7276510B2 - ウェアラブル環境センサ装置

Info

Publication number: JP7276510B2
Application number: JP2021565270A
Authority: JP
Inventors: 明雄登倉; 啓桑原; 隆子石原; 浩芳都甲
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: US20220397460A1; WO2021124530A1; JPWO2021124530A1

Description

本発明は、装着場所近傍の環境情報を計測するウェアラブル環境センサ装置、特に衣類や体等に装着して着用者の衣服内環境情報を計測するウェアラブル環境センサ装置に関する。

暑熱下における熱中症の予防等、体調管理のためには環境情報をモニタリングすることが重要である。例えば、熱中症を予防するために従来用いられている暑さ指数計では、黒球温度、湿球温度、乾球温度を計測して暑さ指数を求めており、暑さ指数が比較的高い場合には外出や激しい作業を避けるなど、行動の指針とする手法が利用されている（非特許文献１参照）。

従来の暑さ指数計は、一般に、比較的大きな装置で構成され、任意の場所に配置することは困難である。例えば、環境省によって公表される暑さ指数は広い地域を代表する値である。

ところが、実際に個々人が受ける暑熱負荷は、局所的な環境によって大きく左右される。例えば、屋外と屋内、日向と日陰、芝生の上とコンクリートの上など、それぞれの人のいる場所によって環境は大きく異なる。また、同じ場所であっても、背の高い大人と背の低い子供とでは例えば地面からの輻射の影響は大きく異なる。さらに、着ている衣服や、運動状態、発汗状態などによっても人体の環境は大きく変化する。

JuYoun Kwon, Ken Parsons, Evaluation of the Wet Bulb Globe Temperature (WBGT) Index for Digital Fashion Application in Outdoor Environments, Journal_Ergon_Soc_Korea36(2017)23-36.

そこで、所望の場所、特に人体近傍の環境をモニタリングするために、環境センサを携帯し、身に着ける方法が考えられるが、従来のＷＢＧＴ計や環境センサは身に着ける用途としてはサイズが大きく、持ち運びが不便であったり、装着場所に制限が生じたりする。

また、個人の衣服や衣服内に取り付けて、個人ごとの衣服直近の環境や衣服内環境を計測できる小型のウェアラブル環境センサ装置は知られていなかった。

また、環境センサは小型化に伴い黒球等内部構造の高信頼な形成や断熱が実現しにくくなるなどの問題があった。

本発明は、人体等の近傍の環境を、高精度、簡便かつ安定して計測することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るウェアラブル環境センサ装置は、着用場所の環境情報を計測するように構成されたウェアラブル環境センサ装置であって、前記ウェアラブル環境センサ装置は黒球と黒球の内部温度を計測する温度センサとからなる黒球温度センサを筐体に備え、前記黒球は前記温度センサを内部に挿入する挿入穴を底面に備え、前記黒球は前記筐体との溶着部を前記底面の外周部に備え、前記黒球はガイド部を前記挿入穴の外周に備え、前記筐体は前記黒球のガイド部を挿入する挿入孔を備え、前記筐体は凸型部を前記挿入孔の外周に備え、前記ガイド部は前記凸型部で支持されており、前記筐体の挿入孔の外周近傍で前記黒球の溶着部が前記筐体に溶着されていることを特徴とする。

本発明に係るウェアラブル環境センサ装置によれば、温度、湿度および環境情報を高精度、簡便かつ安定して計測することができる。

図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置の表面と裏面の外観図である。図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置の側面の外観図である。図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置の上面図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置の装着例を示す図である。図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置における黒球を接合する前の筐体表面を示す図である。図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置における黒球１０３１の側面図である。図３Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置における温度センサの配置前の黒球の断面図である。図３Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置における温度センサの配置後の黒球の断面図である。図４は、第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置の変形例における筐体における凸型部を示す図である。図５は、第２の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置における、黒球温度センサと筐体の接合部の断面図である。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置（以下、「環境センサ装置」という。）１００について、図１～５を参照して説明する。

図１に本実施の形態に係る環境センサ装置１００の外観図を示す。図１Ａに、環境センサ装置１００の表面１０１１と裏面１０１２の外観図を示す。図１Ｂに、右側面１０１３と左側面１０１４の外観図を示す。図１Ｃに上面図を示す。

環境センサ装置１００は、筐体１０１の内部に気温および相対湿度を計測できる温湿度センサ１０２を備え、筐体１０１の表面１０１Ａに黒球温度を計測する黒球温度センサ１０３を備える。また、筐体１０１の裏面１０１Ｂに電池入れ替え用の蓋１０８を備える。

環境センサ装置１００は、密閉部１０４と保護構造（密閉外部）１０５からなる。密閉部１０４は密閉されており、密閉部１０４と保護構造（密閉外部）１０５は、筐体１０１内で筐体壁１０１Ｃにより区分けされている。

環境センサ装置１００の大きさは、長さが５０ｍｍ程度、幅が２４ｍｍ程度、厚さが７ｍｍ程度である。

温湿度センサ１０２は、基板（以下「センサ基板」という。）上に搭載されており、センサ基板に対して温湿度センサ１０２が搭載されている側の面を「センサ面」という。温湿度センサ１０２は、保護構造（密閉外部）１０５の内側に配置されており、温湿度センサ１０２を保護するための保護構造に覆われている。保護構造は、温湿度センサ１０２が外部のモノとぶつかって破損したり、人の指などが温湿度センサ１０２の表面（センサ面）に接触して、センサ表面（センサ面）が汚れたりすることを防ぐ役割を果たす。

また、温湿度センサ１０２は、保護構造（密閉外部）１０５に備えた通気孔１０６の開口部に対して適切な位置に配置されているので、通気による温度・湿度の変化を感知でき、かつ、汗等による水滴にさらされない構造になっている。したがって、センサ面に水滴が付着することによる温湿度センサ１０２の測定精度の悪化や、湿度値が実際の湿度値より高く観測されるという悪影響を抑制することができる。

筐体１０１は、ウェアラブルであるため軽量であることが望ましい。また、筐体１０１は、黒球温度センサ１０３と、筐体１０１と、温湿度センサ１０２との間に熱が伝わらないように熱伝導が低いことが望ましい。そのため、金属を用いる必要がある領域を除いて、黒球１０３１、および筐体１０１の材質はプラスチック等、合成樹脂により形成されていることが望ましい。

本実施の形態に係る環境センサ装置１００の筐体１０１の裏面に、ボタン型電池を挿入する電池蓋１０８のみが設けられており、市販のボタン型電池を使用して環境センサ装置１００を動作させながら、衣服のポケットに挿入して装着できる。

他の形態として、例えば、筐体１０１の裏面にスナップボタンやクリップ等を設けて、衣服などに装着してもよい。

本環境センサ装置１００の筐体１０１の内部における実装基板は、計測データを処理するためのＣＰＵと、電子回路と、データを外部の装置に送信する無線通信チップを実装したリジッド基板１２１と、温湿度センサを搭載したセンサ基板と、フレキシブル基板と、温湿度センサ１０２を動作させるための電池を備える。これらの部品のうち、リジッド基板１２１と、温湿度センサ１０２を動作させるための電池は、密閉部１０４に配置されており、外部からの水や汗、雨等の侵入が防止されている。

密閉部１０４の密閉構造は、Ｏリング等を用いたパッキンとネジ等によって構成されてもよい。また、筐体１０１がプラスチック等の合成樹脂により形成されている場合は、超音波等による溶着、あるいは接着剤によって構成されてもよい。

一方、温湿度センサ１０２を搭載したセンサ基板は、保護構造（密閉外部）１０５の内側に配置されている。温湿度センサ１０２は、近傍の気温および相対湿度を計測するセンサであり、例えば半導体チップにより構成され、温度によって抵抗が変化する温度センサや、周囲の気体の水分を吸湿して、容量や抵抗が変化する湿度センサを備えている。

また、温湿度センサ１０２は、内部にＡＤ変換回路を備えており、計測された温度や湿度は、デジタルデータとして密閉部１０４のＣＰＵに送信される。温湿度センサ１０２のセンサ基板は、全体が化学的に不活性な膜(コーティング剤)で保護されており、防塵・防水構造となっている。なお、温湿度センサ１０２自体も防塵・防水性能を有している。

保護構造（密閉外部）１０５に配置されるセンサ基板上の温湿度センサ１０２と、密閉部１０４に配置されるリジッド基板１２１上のＣＰＵとの間は、フレキシブル基板を介して電気的に接続されている。フレキシブル基板は、筐体壁１０１Ｃの周辺でＯリング等を用いたパッキンとネジ等によって密閉部１０４の密閉性を維持できるように、密閉部１０４と保護構造（密閉外部）１０５との間で配置される。密閉部１０４と保護構造（密閉外部）１０５との間の筐体壁１０１Ｃにおけるフレキシブル基板の配置では、上記のＯリング等を用いたパッキンとネジ等の他に、例えば接着剤を用いることで隙間なく接着して、防塵性・防水性を確保することができる。

図２に、本環境センサ装置１００を、アウターウェアに装着して、着用して使用した例を示す。アウターウェア３０２はポケットを備えており、そのポケットに環境センサ装置１００の筐体１０１を、黒球１０３１を外部に向けて挿入する。例えば、装着する形態３１０のように環境センサ装置１００を胸の位置に着用してもよいし、装着する形態３２０のように環境センサ装置１００を背中の位置に着用してもよい。ポケットを設ける場合は、湿度の応答性を高めるために、ポケットの素材はメッシュ生地のような透湿性の高い素材を用いることが望ましい。

以上の形態によれば、Ｔシャツやポロシャツなどの衣類を着用すると同時に、環境センサ装置１００を簡便に身に着け、着用者の動作を妨げることなく、人体３０１の近傍の温度や湿度などの環境情報を計測することが可能となる。

また、計測を行わないときには、環境センサ装置１００を容易に衣類から取り外して、衣類を洗濯することができる。

本実施の形態に係る環境センサ装置１００によれば、黒球温度センサ１０３で人体が受ける日射の影響を測定し、温湿度センサ１０２で衣服内温度と衣服内湿度を測定することにより、人体近傍の環境を測定することができる。

本実施の形態においては、衣服内温湿度を計測する例を示したが、アウターウェアの外側に取り付けて人外直近の外部環境センサ装置として利用することもできる。

次に、図３Ａ～Ｄを参照して、筐体１０１と黒球温度センサ１０３の黒球１０３１との接合について説明する。図３Ａに黒球１０３１を接合する前の筐体１０１の表面１０１Ａを示す。図３Ｂに黒球１０３１の側面図を示す。図３Ｃに温度センサの配置前の黒球１０３１の断面図を示す。図３Ｄに温度センサの配置後の黒球１０３１の断面図を示す。

黒球１０３１は軽量化のためプラスチック等の合成樹脂により形成されており、黒球１０３１の色は艶消し黒色で平均放射率が０．９５であることが望ましい。

黒球１０３１の筐体１０１への接合について説明する。黒球１０３１は、略中心に挿入穴１０３２を備え、底面の外周部に溶着部１０３３と、挿入穴１０３２の外周にガイド部１０３４を備える（図３Ｃ）。一方、筐体１０１は、黒球１０３１のガイド部１０３４を挿入する挿入孔１１１を備え、挿入孔１１１の外周部から内側に向けて６個の凸型部１１２を有する。さらに、挿入孔の外周の筐体１０１の表面に溶着領域１１３を有する（図３Ａ、Ｂ）。

黒球１０３１を筐体１０１に溶着するときには、まず、黒球１０３１のガイド部１０３４が筐体１０１の挿入孔１１１に挿入される。図３Ａにおける点線部は、黒球１０３１のガイド部１０３４の挿入箇所を示す。このとき、ガイド部１０３４は、凸型部１１２によって支持されるとともに、溶着部１０３３が溶着領域１１３に当接する。

次に、黒球１０３１の溶着部１０３３は、筐体１０１の溶着領域１１３に、超音波等により溶着される。図３Ｄにおける挿入図１０４１は、黒球１０３１の溶着部１０３３と筐体１０１の溶着領域１１３との近傍の拡大図である。挿入図１０４１における点線箇所は、溶着部１０３３の先端の溶着する箇所を示す。

また、黒球１０３１は、挿入穴１０３２に温度センサ１０３５であるサーミスタや半導体温度センサを挿入して黒球温度を計測する。温度センサ１０３５のリード線１０３６は、筐体１０１の内部に配置されるリジッド基板１２１にハンダ等で電気的に接続され、固着されている。計測された温度の値は必要に応じて補正しても良い。

このように、溶着時に、溶着部１０３３以外では、黒球のガイド部１０３４と筐体１０１の凸型部１１２でのみ接触した構造となる。そこで、黒球１０３１と筐体１０１との接触面積が低減されるので、溶着時の黒球１０３１から筐体１０１への熱伝導が低減できる。さらに、凸型部１１２によるガイド部１０３４の支持により、溶接時の位置ずれを防止できる。

以上のように、溶着により黒球１０３１と筐体１０１とは密閉され、防塵および防水構造になる。したがって、本実施の形態に係る環境センサ装置は、高湿度環境や汗等の水滴、水分が存在する環境での使用に適する。

本実施の形態では、溶着により接合したが、接着剤により固着をしてもよい。但し、溶着を用いた方が、外周部の一部分のみを接合部とした時に充分な接合強度を得ることができる。

ここで、黒球１０３１と筐体１０１の接合に溶着を用いる場合は、黒球１０３１の形状や直径φにも制限が生じる。

ここで、黒球１０３１の挿入孔の大きさ１０３２は、直径２ｍｍ程度としたが、温度センサを挿入できる大きさであればよい。

また、黒球１０３１の大きさは、溶着時にガイド部１０３４が溶着の影響を受けないことと、凸型部１１２による接触面積低減の効果とを考慮すると、直径が９ｍｍ以上であることが望ましい。

一方、ウェアラブル環境センサ装置１００として衣服に取り付ける場合、筐体１０１の側面に接合されている球形の黒球１０３１が大きすぎると装着すること自体が困難となるため、装着性を勘案すると直径２４ｍｍ以下が望ましい。

また、球体の表面積が小さすぎると装着角度依存性が大きくなり、日射センサとして機能が低下する。一方で、全球に近くなると脱着性を含めた装着性能が悪くなる。

そのため、黒球１０３１の形状としては、直径９ｍｍ以上２４ｍｍ以下の大きさの略半球形状であることが望ましい。

以上のように、本実施の形態に係る環境センサ装置１００は、黒球温度センサ１０３において外気との接触を要する黒球１０３１を密閉部の外壁（密閉された筐体１０１の外壁）に配置し、日射熱により上昇した黒球１０３１内の温度を、密閉部１０４の内部（黒球１０３１の挿入穴１０３２）に配置された温度センサ１０３５により検知する。検知された信号（デジタルデータ）を処理するＣＰＵ、電気回路などを実装したリジッド基板１２１を、温度センサ１０３５とともに、密閉部１０４に配置して防塵、防水性を確保する構成を有する。この構成により、日射熱により上昇した黒球１０３１内の温度を温度センサ１０３５が高感度で温度を検知できるとともに、検知した情報（デジタルデータ）を防塵・防水性に優れる密閉環境に配置されたＣＰＵや電子回路により安定して処理することができる。

また、本実施の形態に係る環境センサ装置１００は、外気との接触を要する温湿度センサ１０２を密閉部の外部（保護構造（密閉外部）１０５）内側に配置し、温湿度センサ１０２により取得された信号（デジタルデータ）を処理するＣＰＵ、電気回路などを実装したリジッド基板１２１を密閉部１０４に配置して防塵、防水性を確保し、保護構造（密閉外部）１０５の温湿度センサ１０２と密閉部１０４のリジッド基板１２１をフレキシブル基板で接続する構成を有する。この構成により、上述の黒球温度センサ１０３による温度の検知とともに、温湿度センサ１０２が外気と接触して高感度で温湿度を検知でき、検知した情報（デジタルデータ）を防塵・防水性に優れる密閉環境に配置された電子回路により安定して処理することができる。
本実施の形態に係る環境センサ装置１００は、黒球を外壁に備える密閉部と保護構造（密閉外部）を備えたが、黒球を外壁に備える密閉部のみを備える構成であっても、黒球温度センサにより高精度で安定した計測が可能である。

＜第１の実施の形態の変形例＞
次に、第１の実施の形態の変形例を説明する。

図４に、第１の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置の変形例における筐体１０１における凸型部１１２を示す。図４に示すように、第１の実施の形態では黒球１０３１のガイド部１０３４と接触する凸型部１１２は６個であったが、図４の３１に示す３個、図４の３２に示す４個、図４の３３に示す５個であっても良い。

ここで、凸型部１１２が２個以下の場合は、ガイド部１０３４を十分に固定できず溶着時に位置ずれが発生しやすくなる。また、凸型部１１２が７個以上の場合は、接触領域が増加するので、凸型部を用いずにガイド部１０３４の外壁と挿入孔の内壁とが全域で接触する場合との熱伝導度の差異が１０％未満となり、断熱効果が低下する。したがって、黒球１０３１のガイド部１０３４と接触する凸型部１１２は３～６個であることが望ましい。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置２００を説明する。本実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置２００の構成は、第１の実施の形態の構成と略同様であり、ガイド部の形状が異なる。

図５に、第２の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置２００における、黒球温度センサと筐体２０１の接合部の断面図を示す。第１の実施の形態におけるガイド部１０３４は円筒型であり、凸型部１１２とは線で接触していた。一方、本実施の形態におけるガイド部２０３４は、黒球２０３１の底面から下方に向かって（筐体２０１への挿入時において筐体２０１内部に向かって）、先端が細くなるテーパー構造を採用したので、凸型部２１２とは点で接触する。その結果、第１の実施の形態と比較して熱伝導度を５％低減できる。

このように、本実施の形態によれば、第１の実施の形態における効果とともに、さらなる断熱の効果を奏する

本発明は、人体等に装着するウェアラブル環境センサ装置に関するものであり、人体近傍等の温度、湿度などの環境計測に適用することができる。

１００ウェアラブル環境センサ装置
１０１筐体
１０３黒球温度センサ
１１１筐体の挿入孔
１１２凸型部
１０３１黒球
１０３２黒球の挿入穴
１０３３溶着部
１０３４ガイド部
１０３５温度センサ
１０３６リード線

Claims

着用場所の環境情報を計測するように構成されたウェアラブル環境センサ装置であって、
前記ウェアラブル環境センサ装置は黒球と黒球の内部温度を計測する温度センサとからなる黒球温度センサを筐体に備え、
前記黒球は前記温度センサを内部に挿入する挿入穴を底面に備え、
前記黒球は前記筐体との溶着部を前記底面の外周部に備え、
前記黒球はガイド部を前記挿入穴の外周に備え、
前記筐体は前記黒球のガイド部を挿入する挿入孔を備え、
前記筐体は凸型部を前記挿入孔の外周に備え、
前記ガイド部は前記凸型部で支持されており、前記筐体の挿入孔の外周近傍で前記黒球の溶着部が前記筐体に溶着されていることを特徴とするウェアラブル環境センサ装置。
前記凸型部が３個以上６個以下であることを特徴とする請求項１に記載のウェアラブル環境センサ装置。
前記黒球が略半球形状であり、当該黒球の直径が９ｍｍ以上２４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか一項のウェアラブル環境センサ装置。
前記ガイド部が前記黒球の底面から前記筐体の内部に向かって細くなるテーパー構造を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項のウェアラブル環境センサ装置。
前記筐体が密閉されており、防塵および防水構造を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項のウェアラブル環境センサ装置。