JP7338702B2

JP7338702B2 - ウェアラブル環境センサ装置

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Publication number: JP7338702B2
Application number: JP2021565269A
Authority: JP
Inventors: 明雄登倉; 啓桑原; 隆子石原
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: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: CA3164945A1; AU2019478702A1; US20230059323A1; EP4080174A1; WO2021124529A1; AU2019478702B2; JPWO2021124529A1; EP4080174A4

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センサ素子を配置できるスペースが限られるため、センサ素子の取り付け方次第では筐体との間の断熱が確保できず、筐体からセンサ素子へ熱が伝わることで周囲の環境を精度よく測定できない問題があった。

また衣服内の汗等がセンサ表面に付着し湿度値が高く計測される等の問題も問題があった。

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、密閉部を備えた筐体の環境に接する壁面に配置された環境センサと、前記環境センサの周囲に形成された保護構造とを備え、前記保護構造は複数の通気孔を備え、前記環境センサのセンサ面が、少なくとも１つの前記通気孔の開口部に対面するように配置され、前記環境センサの前記壁面への取り付け部が、前記環境センサのセンサ基板の端部と裏面の一部とでのみ接触し、前記取り付け部がＬ字型部と凸型部とを有し、前記Ｌ字型部の内壁が、前記環境センサのセンサ基板の端部とのみ接触し、前記凸型部の先端が、前記環境センサのセンサ基板の裏面の一部とのみ接触す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斜視図である。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実装基板の構成を示す図である。図３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４Ａ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保護構造（密閉外部）内の裏面側からの斜視図である。図４Ｂ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保護構造（密閉外部）内の表面側からの斜視図である。図４Ｃ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保護構造（密閉外部）内の断面図である。図５Ａは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係るウェアラブル環境センサ装置における、ガイド孔を有するセンサ基板と凸型部の接触を示す図である。図５Ｂは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係るウェアラブル環境センサ装置における、切り欠き部を有するセンサ基板と凸型部の接触を示す図である。図６Ａは、本発明の第２の実施の形態の変形例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６Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置の実装基板の構成を示す図である。

＜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に斜視図を示す。

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。）１０２１上に搭載されており、センサ基板１０２１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」１０２２という。温湿度センサ１０２は、保護構造（密閉外部）１０５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（密閉外部）に覆われている。保護構造（密閉外部）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１０２２）に接触して、センサ表面（センサ面１０２２）が汚れたりすることを防ぐ役割を果たす。

保護構造（密閉外部）１０５には通気孔１０６が設けられている。通気孔は、保護構造（密閉外部）１０５の正面１０５１、背面１０５２、右側面１０５３、左側面１０５４及び下端面１０５５に開口部を有し、全ての開口部が他の開口部と貫通している。その結果、通気孔を通じて外気が良好に流入するので、温湿度センサ１０２は外気と接触可能であり、周辺の空気の温度と湿度を計測することができる。

ここで、全ての開口部が他の開口部と貫通している構成を示したが、一部の開口部が他の開口部と貫通していてもよく、通気孔を通じて外気が良好に流入する構成であればよい。

また、保護構造（密閉外部）の正面１０５１、背面１０５２、右側面１０５３、左側面１０５４及び下端面１０５５に開口部を有する構成としたが、全ての面に開口部を有しなくても一部の面に開口部を有すればよく、通気孔を通じて外気が良好に流入する構成であればよい。

温湿度センサ１０２は、センサ面１０２２を下端面１０５５の開口部に対面するように配置されている。したがって、センサ面１０２２が気流に触れやすい構造となっている。ここで、温湿度センサ１０２は、センサ面１０２２を下端面１０５５の開口部に対面するように配置されたが、下端面１０５５でなく他の面の開口部でもよく、少なくとも１つの開口部に対面するように配置されればよい。

また、保護構造１０５は左右側面１０１３および１０１４に対向する通気孔１０６の開口部を備えており、さらに温湿度センサ１０２は通気孔１０６の開口部の上端より上部側(密閉部側)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１０２２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、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。

黒球温度センサ１０３において、黒球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、筐体１０１とは例えば超音波等による溶着によって強固に接合されている。溶着により黒球と筐体１０１は密閉され、防塵および防水構造となっている。

また、黒球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。

黒球の内部は中空となっており、中空部分に温度センサ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。計測された値は必要に応じて補正しても良い。本実施の形態において、黒球の直径は、例えば１０ｍｍとする。

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。

図２に、本環境センサ装置１００の筐体１０１の内部における実装基板２００を示す。実装基板２００は、計測データを処理するためのＣＰＵ（図示せず）と、電子回路（図示せず）と、データを外部の装置に送信する無線通信デバイス（無線通信チップ）２０３を実装したリジッド基板２０１と、温湿度センサ１０２を搭載したセンサ基板１０２１と、フレキシブル基板２０２と、温湿度センサ１０２を動作させるための電池（図示せず）を備える。これらの部品のうち、リジッド基板２０１と、温湿度センサ１０２を動作させるための電池（図示せず）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１０２１は、保護構造（密閉外部）１０５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１０２１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１０２１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２０１上のＣＰＵとの間は、フレキシブル基板２０２を介して電気的に接続されている。フレキシブル基板２０２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との間に配置される。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２０２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。

以上のように、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の内側）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２０１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の内側の温湿度センサ１０２と密閉部１０４のリジッド基板２０１をフレキシブル基板２０２で接続する構成を有する。この構成により、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電子回路により安定して処理することができる。

図３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。

その他の取り付け方法としては、スナップボタンを介して取り付けるようにしても良いし、環境センサ装置１００の筐体１０１にクリップ等の構造を形成して衣服に留めて装着しても良い。

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。

図４Ａ、Ｂ、Ｃは、温湿度センサ１０２の保護構造（密閉外部）１０５内側における筐体１０１への取り付け状態を説明した図である。図４Ａは、温湿度センサ１０２が実装された基板（センサ基板）１０２１を背面側から見た斜視図である。図４Ｂは、センサ基板１０２１を正面側から見た斜視図である。図４Ｃは、温湿度センサ１０２の筐体１０１への取り付け箇所の断面図である。

図４Ａ、Ｂ、Ｃに示すように、筐体１０１は表面１０１Ａに環境に接する筐体壁１０１Ｃを有し、表面１０１Ａの内壁にＬ字型部４０１と凸型部４０２との取り付け部を備える。温湿度センサ１０２が実装されたセンサ基板１０２１は、Ｌ字型部４０１と凸型部４０２の間に挟着又は挿着され、配置される。その結果、センサ基板１０２１は、Ｌ字型部４０１と、センサ基板１０２１の端面である側面およびセンサ基板１０２１の両端部で接触する。また、センサ基板１０２１は、凸型部４０２の先端と、センサ基板１０２１の両端部の裏面の一部で接触する。

また、取り付け接触部４０３は、上記の取り付け部が当接する部分である。

以上の構造によれば、センサ基板１０２１とＬ字型部４０１と凸型部４０２の取り付け部との接触面積を低減でき、センサ基板１０２１を筐体１０１から離れた位置で配置することができる。

さらに、センサ基板１０２１の裏面と筐体１０１の間に空気層を形成できるため、筐体１０１からの熱伝導を抑制し、局所的な温湿度を精度よく計測できる。空気は、筐体１０１の材質である通常のプラスチック(合成樹脂)と比較して７倍程度、断熱材と比較して２．５倍程度の高い断熱性を有する。したがって、筐体１０１の厚みの増加や断熱材に挿入による断熱構造に比べて、高い断熱性を実現することができる。

本実施の形態によれば、センサ基板１０２１を、その端部でＬ字型部４０１と凸型部４０２との間に挟着又は挿着させる構造により、断熱性を向上させるとともに、センサ基板１０２１を筐体１０１に容易に取り付けることができる。

上述のように、センサ基板１０２１の両端部と筐体１０１の間で、センサ基板１０２１の裏面は凸型部４０２とのみ接触している。この構成において、凸型部４０２の形状によりセンサ基板１０２１の裏面と筐体１０１の距離４０４が決まる。断熱効果において０．５ｍｍ程度以上の厚さの断熱材は有効であるので、空気が断熱材の２．５倍程度の高い断熱性を有することを考慮すると、センサ基板１０２１の裏面と筐体１０１の距離４０４、すなわち空気層の厚さは０．２mm以上であることが望ましい。また、環境センサ装置１００の大きさを考慮すれば、センサ基板１０２１の裏面と筐体１０１の距離４０４は２０ｍｍ以下であることが望ましい。

＜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。本変形例は、第１の実施の形態と構成は略同様であるが、環境センサ装置１００における温湿度センサ基板１０２１の筐体１０１への取り付けにおける、温湿度センサ基板１０２１と凸型部４０２との接触の態様が異なる。

図５Ａ、Ｂに、本変形例に係る環境センサ装置１００が温湿度センサ基板１０２１に設けるガイド機構を介して凸型部４０２と接触する態様を示す。ガイド機構として、ガイド孔５０１と切り欠き部５０２を設ける。

図５Ａにおいて、５１は温湿度センサ基板１０２１の上面であり、５２は側面である。センサ基板１０２１にガイド孔５０１が設けられており、凸型部４０２はガイド孔５０１を介してセンサ基板１０２１に挿着されている。

ここで、凸型部４０２には、ガイド孔５０１に容易に挿入できるように、先端が細くなるテーパ構造を用いたが、テーパ構造を有していなくてもガイド孔５０１に挿入できる構造であればよい。

また、ガイド孔５０１と凸型部４０２の断面形状は円形としたが、ガイド孔５０１と凸型部４０２における形状、大きさが対応して、凸型部４０２がガイド孔５０１に挿入できれば、それぞれの断面形状は正方形、長方形、多角形、楕円など他の形状であってもよい。

図５Ｂにおいて、５３は温湿度センサ基板１０２１の上面であり、５４は側面である。センサ基板１０２１に切り欠き部５０２が設けられており、凸型部４０２は切り欠き部５０２を介してセンサ基板１０２１に嵌着されている。

また、切り欠き部５０２の形状は半円形状としたが、切り欠き部５０２と凸型部４０２における形状、大きさが対応して、凸型部４０２が切り欠き部５０２に嵌め合わせできれば、それぞれの断面形状は正方形状、長方形状、多角形状、半楕円状など他の形状であってもよい。

第一の実施の形態の凸型部４０２の先端の上面はセンサ基板１０２１と所定の面積をもって接していたが、本変形例によれば、凸型部４０２の外周とガイド機構の内壁の端面とが接するのみなので、凸型部４０２とセンサ基板１０２１との接触面積を低減することができる。さらに、センサ基板１０２１を凸型部４０２を介して筐体１０１に取り付ける際の位置決めが容易になるという効果も奏する。

本実施の形態の変形例においては、第一の実施の形態のＬ字型部４０１を用いずにセンサ基板１０２１を筐体１０１に配置してもよいし、Ｌ字型部４０１を用いてもよい。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態に係るウェアラブル環境センサ装置６００を説明する。

図６Ａに、本発明の第２の実施の形態に係る環境センサ装置６００の表面６０１１と裏面６０１２を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態と構成は略同様であるが、筐体の裏面６０１２にスナップボタンを有する点とセンサの構成の点で異なる。

環境センサ装置６００は、筐体６０１の裏面６０１２に取り付けられたスナップボタン６０３により、ウェアあるいはベルトに装着される形態となっている。

スナップボタン６０３は、電極としての機能を兼ねており、ウェアあるいはベルトに形成された生体電位計測用の電極と嵌合することにより、電気的に接続して心電位等の生体電位を計測することができる。

本実施の形態に係る環境センサ装置６００においては、動作電源として内蔵した充電式電池を備える（図示せず）。

図６Ｂに、本発明の第２の実施の形態に係る環境センサ装置６００の筐体６０１の内部における実装基板６１０を示す。実装基板６１０は、リジッド基板６１１、温湿度センサ６１２、センサ基板６１２１、フレキシブル基板６１３、無線通信デバイス（無線通信チップ）６１４、ＣＰＵ（図示せず）、回路基板（図示せず）を備え、本発明の第１の実施の形態で用いた実装基板２００と略同様の構成を有するが、実装するセンサが異なる。

実装基板６１０は、心電波形センサとして波形を計測・処理するＡＦＥ（アナログフロントエンド）６１５、加速度・角速度センサ（ジャイロセンサ）６１６を備える。したがって、装着場所の環境(温湿度)と同時に生体情報を計測することができる。また、黒球温度センサを備えることもできる。

本実施の形態に係る環境センサ装置６００によれば、第１の実施の形態と同様な効果を奏するとともに、ウェアあるいはベルトに容易に装着でき、装着場所の環境(温湿度)と同時に生体情報を計測することができる。

本発明に係る環境センサ装置では、温湿度センサを用いたが、温度センサだけ用いてもよく、湿度センサだけでもよく、外気などの環境に接して温度や湿度などの環境に関する情報を検知するセンサ（以下、「環境センサ」という。）であればよい。

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
１０２温湿度センサ
１０２２センサ面
１０３黒球温度センサ
１０４密閉部
１０５保護構造（密閉外部）
１０６通気孔

Claims

密閉部を備えた筐体の環境に接する壁面に配置された環境センサと、前記環境センサの周囲に形成された保護構造とを備え、
前記保護構造は複数の通気孔を備え、
前記環境センサのセンサ面が、少なくとも１つの前記通気孔の開口部に対面するように配置され、
前記環境センサの前記壁面への取り付け部が、前記環境センサのセンサ基板の端部と裏面の一部とでのみ接触し、
前記取り付け部がＬ字型部と凸型部とを有し、
前記Ｌ字型部の内壁が、前記環境センサのセンサ基板の端部とのみ接触し、
前記凸型部の先端が、前記環境センサのセンサ基板の裏面の一部とのみ接触することを特徴とするウェアラブル環境センサ装置。
前記環境センサのセンサ基板が前記凸型部と接触するガイド機構を有す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。
前記密閉部に電子回路を実装するリジッド基板を備え、
前記リジッド基板と前記壁面に配置された前記環境センサのセンサ基板とがフレキシブル基板によって接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のウェアラブル環境センサ装置。
前記リジッド基板に、無線通信デバイスと、
心電波形センサ又は加速度・角速度センサの少なくとも１つをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のウェアラブル環境センサ装置。
前記環境センサが温度センサ又は湿度センサであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のウェアラブル環境センサ装置。
前記密閉部に黒球温度センサをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のウェアラブル環境センサ装置。