JP2018025395A - Wearable sensor and sensor system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a wearable sensor device using fibers alone without causing a significant damage on the appearance or the beauty of a cloth.SOLUTION: The wearable sensor includes a resonant structure 11 formed of conductive fibers on a basic non-conductive cloth 12. The resonant structure changes an entering electromagnetic wave by resonating with the electromagnetic wave, and changes the degree of change to the electromagnetic wave by deformation according to the physical quantity.SELECTED DRAWING: Figure 1

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。   The present invention relates to a wearable sensor that is a sensor device that detects an arbitrary physical quantity and can be worn and carried by a person.

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）。 With the recent development of sensor networks, attention has been focused on sensor elements that can be used by anyone at any time. In particular, the integration of sensors and processing functions into clothing is called “wearable computing” and is attracting attention.
So far, as a wearable sensor device, for example, a device in which a strain gauge is attached to clothes has been proposed (Patent Document 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）。   On the other hand, in recent years, attention has been paid to metamaterial technology using a minute resonance structure. This technology can control the effective permeability and dielectric constant felt by electromagnetic waves by selecting the shape and material of the resonator. Since the effective dielectric constant and magnetic permeability are greatly influenced by the shape and electrical characteristics of a minute resonant structure, sensing applications are possible by utilizing changes in the shape of the resonator and electrical characteristics. As such a sensor, a strain sensor formed on a flexible substrate has been reported (Non-Patent Document 1).

特開２０１１−０４７７０２号公報JP 2011-0477702 A

R. Melik et al.，"Metamaterial based telemetric strain sensing in different materials"，1 March 2010，Vol. 18，No. 5，OPTICS EXPRESS 5OR. 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。   However, in such a conventional technology, it is necessary to wear a semiconductor device or a flexible substrate on a garment, so there is a strong sense of resistance in appearance and appearance due to lack of a sense of unity between the garment and the sensor, and the behavior of the living body is restricted. Because there are issues such as doing so, the current situation is that the spread is not progressing.

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。   The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a wearable sensor capable of realizing a wearable sensor device using only fibers without greatly impairing the beauty and appearance of clothes.

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。   In order to achieve such an object, a wearable sensor according to the present invention is a wearable sensor used in a sensor system that measures a specific physical quantity based on a comparison result of transmitted and received electromagnetic waves, and is a non-conductive base fabric. And a resonance structure that changes the incident electromagnetic wave by resonating with the incident electromagnetic wave and changes the degree of change with respect to the electromagnetic wave by deformation according to the physical quantity.

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。   Another wearable sensor according to the present invention is a wearable sensor used in a sensor system that measures a specific physical quantity based on a comparison result of transmitted and received electromagnetic waves, and is formed by cutting out a part of a conductive cloth. And a resonance structure that changes the incident electromagnetic wave by resonating with the incident electromagnetic wave, and changes the degree of change with respect to the electromagnetic wave by deformation according to the physical quantity.

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、前記電磁波の波長より短い大きさからなるものである。   In one configuration example of the wearable sensor according to the present invention, the resonance structure has a size shorter than the wavelength of the electromagnetic wave.

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。   In one configuration example of the wearable sensor according to the present invention, the resonance structure has a split ring structure, a dipole structure, a cross dipole structure, a fish net structure, or a mushroom structure.

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。   Moreover, in one configuration example of the wearable sensor according to the present invention, the resonance structure is formed by weaving conductive fibers into the base fabric.

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。   Moreover, in one configuration example of the wearable sensor according to the present invention, the resonance structure is formed by applying a conductive medium to the base cloth.

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。   In one configuration example of the wearable sensor according to the present invention, the resonance structure has a split ring structure, a dipole structure, a cross dipole structure, a fish net structure, or an open ring structure.

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。   The sensor system according to the present invention transmits / receives electromagnetic waves to / from any of the wearable sensors described above, and measures a specific physical quantity based on a comparison result between the transmitted electromagnetic waves and the received electromagnetic waves.

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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a wearable sensor device is realizable by the electroconductive fiber formed in the nonelectroconductive base fabric, or the notch formed in the electroconductive cloth. For this reason, it is not necessary to wear a semiconductor device or a flexible substrate on the clothes, and the sensor device can be attached to the living body without greatly deteriorating the appearance and appearance of the clothes and without restricting the behavior of the living body. Therefore, it is possible to spread a sensor device and a sensor system using the sensor device more widely.

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。It is explanatory drawing which shows the structure of the wearable sensor (split ring structure) concerning 1st Embodiment. 共振構造の歪みを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the distortion of a resonance structure. 基布の誘電率の変化を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the change of the dielectric constant of a base fabric. 共振構造の透過特性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission characteristic of a resonance structure. センサシステム（反射型）の構成例である。It is an example of composition of a sensor system (reflection type). センサシステム（アンテナ共用型）の構成例である。It is an example of composition of a sensor system (antenna common type). センサシステム（透過型）の構成例である。It is an example of composition of a sensor system (transmission type). 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。It is explanatory drawing which shows the structure of the wearable sensor (dipole structure) concerning 2nd Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the structure of the wearable sensor (cross dipole structure) concerning 2nd Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the structure of the wearable sensor (fishnet structure) concerning 3rd Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the structure of the wearable sensor (mushroom structure) concerning 3rd Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the structure of the wearable sensor (notch split ring structure) concerning 4th Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the structure of the wearable sensor (notch cross dipole structure) concerning 4th Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the structure of the wearable sensor (notch open ring structure) concerning 4th Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the structure of the wearable sensor (composite type) concerning 5th Embodiment.

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。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, a wearable sensor 10 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a wearable sensor (split ring structure) according to the first embodiment.

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。   The wearable sensor 10 includes a resonance structure 11 that is formed of conductive fibers on the front surface, back surface, or inner layer of a non-conductive base fabric 12 and changes an electromagnetic wave by resonating with an incident electromagnetic wave. . In the example of FIG. 1, the resonance structure 11 has a split ring structure as a whole, more specifically, a substantially C shape in plan view, and a plurality of arrays are arranged on the base fabric 12. The resonance structure 11 is formed in a size shorter than the wavelength of the electromagnetic wave.

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。   Specific examples of the non-conductive fibers constituting the base fabric 12 include synthetic fibers such as polyester and acrylic. The resonance structure 11 may be formed, for example, by sewing a thread of conductive fiber into the base fabric 12. Alternatively, the resonance structure 11 may be formed by selectively applying a conductive medium made of a conductive solution or resin to the base fabric 12.

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。   Since the resonance structure 11 is electrically equivalent to a fine LC resonator, the effective permeability value largely fluctuates near the resonance point. The wearable sensor 10 can be composed of a single resonance structure 11, but may be composed of a plurality of resonance structures 11, and the measurement sensitivity increases as the number of the resonance structures 11 increases.

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。

Figure 2018025395
Since the resonator length generally does not exceed the wavelength, it is desirable that the resonance structure has a size equal to or smaller than the wavelength. The specific size of the resonance structure 11 may be determined so that resonance occurs at the wavelength of the input electromagnetic wave. For example, in the case of a C-type resonance structure as shown in FIG. 1, the resonance frequency fr is described by the following equation (1) using an effective reactance L and an effective capacitance C of the resonator. .
Figure 2018025395

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。   In general, increasing the resonator size increases the L value, so lowering the C value of the resonator (that is, widening the C-shaped separation width, using donations with a small dielectric constant, etc.) will reduce the resonator size. The resonance frequency can be made constant while increasing. The same applies when the resonator size is reduced. However, since the dielectric constant of the material and the size of the resonator that can be manufactured with high accuracy are limited, it is necessary to select a suitable resonator size in consideration of the above.

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。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing distortion of the resonance structure. Since the resonance structure 11 is formed of conductive fibers, distortion occurs due to expansion and contraction of the base fabric 12. For example, when the base fabric 12 is pulled by the action of a living body, the resonant structure 11 is applied with tensile strain as shown in FIGS. 2A to 2B, and the shape of the resonant structure 11 changes. Thus, for example, the electrical characteristics of the conductive fiber, such as dielectric constant, magnetic permeability, and electrical resistance, change.

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。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing changes in the dielectric constant of the base fabric. The dielectric constant ε of the base fabric 12 varies with the electric susceptibility χ and the ambient temperature T of the base fabric 12 with the vacuum dielectric constant ε 0 as a reference, and is obtained as ε = ε 0 + χT. For this reason, when the ambient temperature T changes and the dielectric constant of the base fabric 12 changes, the electrical characteristics of the conductive fibers also change.

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。   FIG. 4 is a graph showing the transmission characteristics of the resonant structure. Here, the result of measuring the transmission parameter (S12) in the presence or absence of tensile strain is displayed in a graph for the resonance structure 11 having a substantially C shape in plan view shown in FIG. In each of the characteristics with and without distortion, a peak is observed in the transmission parameter, but it can be seen that the LC resonance frequency corresponding to the peak is shifted depending on whether or not there is distortion.

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。   Therefore, for example, according to deformation of the resonance structure 11 due to tensile strain or the like, the intensity, phase, and polarization state of the electromagnetic wave reflected by the resonance structure 11 or transmitted through the resonance structure 11 change. By measuring and calculating the relationship between the change of the electromagnetic wave and the distortion of the resonance structure 11 in advance, the distortion of the resonance structure 11 can be estimated from the measured change of the electromagnetic wave.

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。   Here, the case where the wearable sensor 10 is used as a strain sensor for detecting strain has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, when detecting the temperature, the base fabric 12 or conductive fiber having a large shrinkage change due to the temperature is selected. For example, the material of the base fabric 12 or the conductive fiber and the shape of the resonance structure 11 are selected according to the physical quantity to be measured. Parameters such as the arrangement direction and interval of the resonance structures 11 may be arbitrarily selected.

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。   In addition, when a split ring structure, that is, a substantially C-shape in a plan view is selected as the shape of the resonance structure 11, the shape is not point-contrast because there is an opening. It turned out that the direction may be any direction. In addition, if the shape of the resonance structure 11 has a split ring structure in which a part of a substantially ring shape in plan view is cut out, an electrical characteristic equivalent to that of an LC resonator can be obtained. Accordingly, the substantially C-shape in plan view is configured by a curve as a whole, but the curve may be configured by a straight line, for example, may be a substantially U-shape in plan view.

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。   FIG. 5 is a configuration example of a sensor system (reflection type). The sensor system 1 receives a high-frequency oscillator 21 that generates a high-frequency signal, a transmission antenna 22 that transmits an electromagnetic wave including the high-frequency signal from the high-frequency oscillator 21 toward the wearable sensor 10, and an electromagnetic wave reflected by the wearable sensor 10. And a measuring device 24 that measures a change in the electromagnetic wave in the wearable sensor 10 by a high-frequency signal indicating the electromagnetic wave received by the receiving antenna 23.

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。   FIG. 6 is a configuration example of a sensor system (shared antenna type). In this sensor system 1, transmission / reception of electromagnetic waves is shared by one transmission / reception antenna 25, and the transmission / reception antenna 25 is connected to a high-frequency oscillator via an isolator 26 for separating a transmission high-frequency signal and a reception high-frequency signal. 21 and the measuring device 24.

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。   FIG. 7 is a configuration example of a sensor system (transmission type). This sensor system 1 is the same as the reflection type configuration of FIG. 4 except that the receiving antenna 23 is disposed at a position for receiving the electromagnetic wave transmitted through the wearable sensor 10.

［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。 [Second Embodiment]
Next, with reference to FIG. 8 and FIG. 9, the wearable sensor 10 concerning the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a wearable sensor (dipole structure) according to the second embodiment. FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a wearable sensor (cross dipole structure) according to the second embodiment.

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。   When the split ring structure (FIG. 1) described in the first embodiment is selected as the shape of the resonance structure 11, resonance may not occur when electromagnetic waves are incident on the base fabric 12 from a specific direction. . This is because, depending on the incident direction of the electromagnetic wave, the magnetic field component of the electromagnetic wave may not be formed so as to penetrate the resonance structure 11 or cross the resonance structure 11.

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。   In the example of FIG. 8, the resonance structure 11 is formed in a straight line shape, that is, in a substantially I shape in plan view, along the cloth plane of the base cloth 12. Thereby, for example, even if electromagnetic waves are incident from a direction perpendicular to the base fabric 12, an excellent effect that resonance occurs is obtained. This is because resonance occurs when the electric field of the electromagnetic wave exists in the extending direction of the dipole.

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。   The structure shown in FIG. 8 is dependent on the incident polarization. For example, as shown in FIG. 9, a cross dipole structure that intersects the dipole structure, that is, a cross shape in plan view, takes a polarization dependence. An excellent effect of eliminating the property can be obtained.

［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。 [Third Embodiment]
Next, with reference to FIGS. 10-11, the wearable sensor 10 concerning the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a wearable sensor (fishnet structure) according to the third embodiment. FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a wearable sensor (mushroom structure) according to the third embodiment.

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。 As the shape of the resonance structure 11, the split ring structure (FIG. 1) described in the first embodiment, the dipole structure (FIG. 8) or the cross dipole structure (FIG. 9) described in the second embodiment is selected. In such a case, there is a problem that transmitted electromagnetic waves are incident on the living body.
In order to prevent this, it is desirable that all the electromagnetic waves incident on the resonance structure 11 are reflected and that the phase and polarization state of the reflected waves change.

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。   The fishnet structure in which conductive fibers are arranged in a mesh shape as shown in FIG. 10 and the mushroom structure as shown in FIG. 11 reflect all electromagnetic waves incident on the resonance structure 11 and change the phase and polarization state of the reflected wave. Can be changed.

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。 In particular, the fishnet structure of FIG. 10 has a plurality of conductive fibers having a substantially rectangular shape (square shape) in plan view formed on the front surface, the back surface, or the inner layer of the base fabric 12 with the conductive cloth 13 attached to the back surface. In other words, it has a structure in which the conductive fibers are connected in a vertical and horizontal mesh pattern.
Further, the mushroom structure in FIG. 11 is substantially omitted in plan view on the surface of the base cloth 12 having the conductive cloth 13 attached to the back surface, as shown in FIG. A plurality of rectangular (square) conductive fibers are formed, and these are connected to the conductive cloth 13 via the base cloth 12 by linear conductive fibers at a substantially central position in plan view. There is no.

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。   This is because these shapes have EBG (Electromagnetic Band Gap), and the phase of the electromagnetic wave incident on the resonance structure 11 is inverted by 180 ° near the resonance frequency. Since the frequency strongly depends on the dielectric constant and permeability of the base fabric 12 and the shape and conductivity of the conductive fiber, the physical quantity can be estimated by measuring or calculating the phase change caused by these in advance.

［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。 [Fourth Embodiment]
Next, with reference to FIGS. 12-14, the wearable sensor 10 concerning the 4th Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a wearable sensor (a notch split ring structure) according to the fourth embodiment. FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a wearable sensor (a notched cross dipole structure) according to the fourth embodiment. FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a wearable sensor (a notch open ring structure) according to the fourth embodiment.

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。 In the first to third embodiments described above, the resonance structure 11 is formed by patterning by sewing conductive fibers to the base fabric 12 or the like. However, in these cases, since the circuit structure becomes three-dimensional, unexpected reactance components and capacitance components are likely to be generated, and there arises a problem that deviation from the design becomes large.
In order to solve this, the resonance structure 11 may be formed by cutting out the conductive base fabric 14.

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。 In particular, in the notched split ring structure of FIG. 12, a plurality of resonant structures 11 are formed by cutting out a part of the conductive base fabric 14 into a split ring structure, more specifically in a substantially C shape in plan view. It has a structure.
Further, the notched cross dipole structure of FIG. 13 is a structure in which a plurality of resonance structures 11 are formed by cutting a part of the conductive base fabric 14 into a cross dipole structure, more specifically, a substantially cross shape in plan view. I am doing.

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。 14 is a structure in which a plurality of resonance structures 11 are formed by cutting a part of the conductive base fabric 14 into an open ring structure, more specifically, a substantially frame shape in plan view. I am doing. Under the present circumstances, in order to hold | maintain the electroconductive base fabric 14 of a frame-shaped inner part, the base fabric 12 is affixed on the back surface of the electroconductive base fabric 14. FIG.
In addition, a cut-out dipole structure similar to FIG. 8 or a cut-out fishnet structure similar to FIG. 10 may be applied.

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。   By forming the resonance structure 11 by cutting out the conductive base fabric 14 as described above, it is possible to omit a process in which a three-dimensional structure such as sewing of conductive fibers is easily formed, and it is easy to obtain characteristics as designed. The excellent effect is expressed.

［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。 [Fifth Embodiment]
Next, with reference to FIG. 15, a wearable sensor 10 according to a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a wearable sensor (composite type) according to the fifth embodiment.

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。   Regarding the resonance structures 11 described in the first to fourth embodiments, it is not necessary to limit all the resonance structures 11 arranged in one wearable sensor 10 to the same shape, as shown in FIG. The composite wearable sensor 10 may be formed by combining and arranging the resonance structures 11. Further, the resonance structures 11 having the same shape and having different shape parameters such as size may be combined and arranged.

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。   As a result, the resonance structures 11 having different characteristics can be integrated in the same plane, and a plurality of functions can be realized by one wearable sensor 10 such as correspondence to the incident direction of electromagnetic waves and measurement of different physical quantities. can get.

［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。 [Extended embodiment]
The present invention has been described above with reference to the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention. In addition, each embodiment can be implemented in any combination within a consistent range.

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor system, 10 ... Wearable sensor, 11 ... Resonance structure, 12 ... Base cloth, 13 ... Conductive cloth, 14 ... Conductive base cloth, 21 ... High frequency oscillator, 22 ... Transmitting antenna, 23 ... Receiving antenna, 24 ... Measuring device, 25 ... transmitting / receiving antenna, 26 ... isolator.

Claims (8)

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。 A wearable sensor used in a sensor system that measures a specific physical quantity based on a comparison result of transmitted and received electromagnetic waves,
Resonant structure that is formed of a conductive fiber on a non-conductive base cloth, changes the incident electromagnetic wave by resonating with the incident electromagnetic wave, and changes the degree of change with respect to the electromagnetic wave by deformation according to the physical quantity A wearable sensor comprising: 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。 A wearable sensor used in a sensor system that measures a specific physical quantity based on a comparison result of transmitted and received electromagnetic waves,
A resonance structure formed by cutting out a part of a conductive cloth, changing the incident electromagnetic wave by resonating with the incident electromagnetic wave, and changing the degree of change with respect to the electromagnetic wave by deformation according to the physical quantity. A wearable sensor characterized by comprising. 請求項１または請求項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、前記電磁波の波長より短い大きさからなることを特徴とするウェアラブルセンサ。 The wearable sensor according to claim 1 or 2,
The wearable sensor, wherein the resonance structure has a size shorter than the wavelength of the electromagnetic wave. 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。 The wearable sensor according to claim 1,
The wearable sensor, wherein the resonance structure is a split ring structure, a dipole structure, a cross dipole structure, a fish net structure, or a mushroom structure. 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。 The wearable sensor according to claim 1,
The wearable sensor, wherein the resonance structure is formed by weaving conductive fibers into the base fabric. 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。 The wearable sensor according to claim 1,
The wearable sensor, wherein the resonance structure is formed by applying a conductive medium to the base fabric. 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。 The wearable sensor according to claim 2,
The wearable sensor, wherein the resonance structure is a split ring structure, a dipole structure, a cross dipole structure, a fishnet structure, or an open ring structure. 請求項１〜請求項７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。   The sensor system which transmits / receives electromagnetic waves with respect to the wearable sensor in any one of Claims 1-7, and measures a specific physical quantity based on the comparison result of transmission electromagnetic waves and reception electromagnetic waves.
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