特開 2023-124482 ウェアラブルデバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023124482

(43)【公開日】2023-09-06

(54)【発明の名称】ウェアラブルデバイス

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/70 20160101AFI20230830BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20230830BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20230830BHJP

   H02J 50/20 20160101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

H02J50/70

H02J50/10

H02J7/00 301D

H02J50/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022028266

(22)【出願日】2022-02-25

(71)【出願人】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】酒井 智和

(72)【発明者】

【氏名】婦木 慎一郎

(72)【発明者】

【氏名】阿部 哲平

(72)【発明者】

【氏名】武田 重郎

(72)【発明者】

【氏名】徳山 雄生

【テーマコード（参考）】

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB01

5G503GB08

(57)【要約】

【課題】電磁波が生体に及ぼす影響と、生体の表面電位が受電アンテナに及ぼす影響とを軽減する。
【解決手段】ウェアラブルデバイス２０は、非接触給電システム１５の一部を構成する受電装置２１と、受電装置２１から供給される電力により作動する駆動部２６とを備える。受電装置２１は、非接触給電システム１５の送電装置１６から送信され、かつ電磁波からなる電力伝送信号を受信する受電アンテナ２２と、受電アンテナ２２により受信された電力伝送信号を直流電力に変換する受電変換部２３と、駆動部２６に接続され、かつ受電変換部２３により変換された直流電力を蓄電する受電蓄電部２４と、受電装置２１の制御を司る受電制御部２５とを備える。さらに、生体１０における被装着部１１の体表１２に接触する接触部２８と、受電アンテナ２２との間には、電磁波を遮蔽するシート本体部３２を備えるフレキシブルシート３１が設けられている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

接触部を有し、かつ前記接触部を体表に接触させた状態で生体の被装着部に装着されるウェアラブルデバイスであり、
非接触給電システムの一部を構成する受電装置と、前記受電装置から供給される電力により作動する駆動部とを備え、
前記受電装置は、前記非接触給電システムの送電装置から送信され、かつ電磁波からなる電力伝送信号を受信する受電アンテナと、前記受電アンテナにより受信された電力伝送信号を直流電力に変換する受電変換部と、前記駆動部に接続され、かつ前記受電変換部により変換された直流電力を蓄電する受電蓄電部と、前記受電装置の制御を司る受電制御部とを備え、
さらに、前記接触部と前記受電アンテナとの間には、前記電磁波を遮蔽するシート本体部を備えるフレキシブルシートが設けられているウェアラブルデバイス。

【請求項2】

前記フレキシブルシートは、導電性材料により形成され、かつ前記受電アンテナが接続される導電部を備えている請求項１に記載のウェアラブルデバイス。

【請求項3】

前記受電変換部、前記受電制御部及び前記受電蓄電部の少なくとも１つは、前記接触部と前記フレキシブルシートとの間に配置されている請求項１又は２に記載のウェアラブルデバイス。

【請求項4】

前記接触部は粘着パッドにより構成されている請求項１～３のいずれか１項に記載のウェアラブルデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、体表に接触した状態で生体に装着されるウェアラブルデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

送電装置から受電装置に対して、電磁波からなる電力伝送信号を用いた非接触給電を行なう非接触給電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、送電装置から電力伝送信号が送信される。この電力伝送信号は受電装置の受電アンテナによって受信される。受電アンテナにより受信された電力伝送信号は、受電変換部によって直流電力に変換され、受電蓄電部に蓄電されるか、もしくは受電装置回路内で消費される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６７２５５３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記非接触給電システムが、例えば、体表に接触した状態で生体に装着されるウェアラブルデバイスに適用される場合、構造の制約上、受電アンテナが生体に対し密着するように配置される可能性がある。

【0005】

この場合、電磁波の暴露による生体への影響が懸念される。また、受電アンテナの特性は、周囲の電界から強く影響を受ける。そのため、体表に密着した受電アンテナが、生体の表面電位（帯電電位）の影響を受け、受電アンテナの性能、例えば、受電利得が安定しなくなるおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するウェアラブルデバイスは、接触部を有し、かつ前記接触部を体表に接触させた状態で生体の被装着部に装着されるウェアラブルデバイスであり、非接触給電システムの一部を構成する受電装置と、前記受電装置から供給される電力により作動する駆動部とを備え、前記受電装置は、前記非接触給電システムの送電装置から送信され、かつ電磁波からなる電力伝送信号を受信する受電アンテナと、前記受電アンテナにより受信された電力伝送信号を直流電力に変換する受電変換部と、前記駆動部に接続され、かつ前記受電変換部により変換された直流電力を蓄電する受電蓄電部と、前記受電装置の制御を司る受電制御部とを備え、さらに、前記接触部と前記受電アンテナとの間には、前記電磁波を遮蔽するシート本体部を備えるフレキシブルシートが設けられている。

【0007】

上記の構成によれば、非接触給電システムの送電装置からは、電磁波からなる電力伝送信号が、ウェアラブルデバイスにおける受電装置の受電アンテナに向けて送信される。送信された電力伝送信号のうち、受電アンテナで受電されなかったものは、フレキシブルシートのシート本体部によって遮蔽される。すなわち、シート本体部では、電磁波が反射、吸収、多重反射等によって減衰される。その結果、上記のように遮蔽される分、生体に侵入する電磁波が少なくなって、電磁波が生体に及ぼす影響が軽減される。また、生体の体表の電界が受電アンテナに及ぼす影響がシート本体部によって軽減される。

【0008】

上記ウェアラブルデバイスにおいて、前記フレキシブルシートは、導電性材料により形成され、かつ前記受電アンテナが接続される導電部を備えていることが好ましい。
上記の構成によれば、受電アンテナは導電部に電気的に接続される。

【0009】

また、導電性材料によって形成された導電部は、電磁波の遮蔽能を有する。そのため、受電アンテナで受電されなかった電磁波の一部は、導電部で反射される。その反射された電磁波の一部が受電アンテナへ再入力されることで、受電電力を上昇させる場合がある。また、生体の体表の電界が受電アンテナに及ぼす影響が、導電部によっても軽減される。

【0010】

上記ウェアラブルデバイスにおいて、前記受電変換部、前記受電制御部及び前記受電蓄電部の少なくとも１つは、前記接触部と前記フレキシブルシートとの間に配置されていることが好ましい。

【0011】

ここで、受電変換部、受電制御部及び受電蓄電部のそれぞれは、少なからず金属を含んでいる。金属は、電磁波を遮蔽する性質を有している。
従って、上記の構成によれば、受電変換部、受電制御部及び受電蓄電部のうち、接触部とフレキシブルシートとの間に配置されたものによっても、電磁波が遮蔽される。そのため、生体に吸収される電磁波がさらに少なくなり、電磁波が生体に及ぼす影響が一層軽減される。また、生体の表面電位が受電アンテナに及ぼす影響が一層軽減される。

【0012】

上記ウェアラブルデバイスにおいて、前記接触部は粘着パッドにより構成されていることが好ましい。
上記の構成によれば、粘着パッドからなる接触部が被装着部の体表に貼り付けられることにより、ウェアラブルデバイスが体表に接触した状態で被装着部に装着される。被装着部が動いても、粘着パッドは体表に安定的に接触した状態を維持することで、電気的特性を安定化させる効果がある。

【発明の効果】

【0013】

上記ウェアラブルデバイスによれば、電磁波が生体に及ぼす影響と、生体の表面電位が受電アンテナに及ぼす影響とを軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】一実施形態におけるウェアラブルデバイスの概念図である。

【図2】同実施形態における非接触給電システムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、ウェアラブルデバイスの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、ウェアラブルデバイス２０は、接触部２８を有し、かつ同接触部２８を体表１２に接触させた状態で、人体等の生体１０に装着されるデバイスである。生体１０においてウェアラブルデバイス２０が装着される被装着部１１としては、例えば、手、手首、指、腕、耳、首、頭、足等が挙げられる。ウェアラブルデバイス２０には、スマートウォッチ、スマートグラス等といったいわゆるウェアラブル端末が含まれる。そのほかにも、ウェアラブルデバイス２０には、生体１０の体温、心拍数、血圧、血中酸素濃度等、生体１０の健康管理に関する管理項目を測定するセンサ機能を有するデバイスが含まれる。さらに、ウェアラブルデバイス２０には、皮膚ガスを計測するセンサ、血流センサ、発汗センサ等も含まれる。

【0016】

ウェアラブルデバイス２０は、受電装置２１、駆動部２６及び筐体２７を備えている。受電装置２１は、非接触給電システム１５の一部を構成している。駆動部２６は、ウェアラブルデバイス２０が有する機能、例えば上記センサ機能等を発揮する部分であり、受電装置２１から供給される電力により作動する。筐体２７は、ウェアラブルデバイス２０の外殻部分を構成しており、上記受電装置２１及び駆動部２６を覆っている。上記接触部２８は粘着パッドによって構成されており、筐体２７の外面に対し、接着等により固定されている。接触部２８は、被装着部１１の体表１２に対し、剥離及び貼り付けを繰り返し行なうことが可能である。

【0017】

［非接触給電システム１５の全体構成］
図１及び図２に示すように、非接触給電システム１５は、上記受電装置２１に加え、送電装置１６を備えている。送電装置１６は、例えば、受電装置２１に対して電力伝送信号を用いた非接触給電により電力を給電する。詳しくは、非接触給電システム１５では、非接触給電のためのマイクロ波方式を用いた無線による電力伝送が行なわれる。すなわち、受電装置２１の受電アンテナ２２と、送電装置１６の送電アンテナ１７との間で、非接触給電のための電力伝送信号の送受信が行なわれる。このとき、送電アンテナ１７から受電アンテナ２２に向けて電力伝送信号が送信される。マイクロ波とは、１ｍｍ～１ｍ（３００ＭＨｚ～３００ＧＨｚ）の波長を有する電磁波である。

【0018】

なお、非接触給電システム１５に適用される無線による電力伝送方式（非接触電力伝送方式）は、マイクロ波方式に限られず、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、電界共鳴方式、レーザ等を利用した方式であってもよい。

【0019】

［受電装置２１の構成］
図２に示すように、受電装置２１は、上述した受電アンテナ２２に加え、受電変換部２３、受電蓄電部２４、給電端子２４ａ及び受電制御部２５を備えている。

【0020】

受電アンテナ２２は、送電装置１６との各種通信に用いられる。受電アンテナ２２は、送電装置１６から送信された電力伝送信号を受信可能に構成されている。
本実施形態では、受電アンテナ２２として、平面アンテナの一種であるパッチアンテナ（マイクロストリップアンテナとも呼ばれる）が用いられている。パッチアンテナは、誘電体基板を、厚み方向における両側からグランド板とパッチ状の素子とによって挟んだ構造を有している。パッチアンテナは、より高い電力を受けることのできる、すなわち、利得の高いタイプのアンテナである。本実施形態では、パッチアンテナとして、柔軟性を有するものが用いられている。

【0021】

受電変換部２３は、受電アンテナ２２によって受信された電力伝送信号を直流電力に変換する。受電変換部２３の具体的態様は任意であるが、同受電変換部２３は、例えば整流回路、平滑回路等を含んでいる。

【0022】

受電蓄電部２４は、受電変換部２３により変換された直流電力を蓄電する。受電装置２１は、受電蓄電部２４が蓄電する電力によって動作する。本実施形態では、受電蓄電部２４として、フレキシブルな材料によってシート状に形成され、かつ柔軟性を有していて、曲げやすく伸縮しやすいものが用いられている。なお、受電アンテナ２２によって受信された電力伝送信号は、上記のように、受電蓄電部２４に蓄電されるか、もしくは受電装置回路内で消費される。

【0023】

給電端子２４ａは、受電蓄電部２４に接続されている。給電端子２４ａは、駆動部２６に接続可能に構成されている。駆動部２６は、給電端子２４ａに接続されることにより、同給電端子２４ａを介して受電蓄電部２４に電気的に接続される。受電蓄電部２４に蓄電されている電力が、給電端子２４ａを介して駆動部２６に給電される。

【0024】

受電制御部２５は、受電装置２１の制御を司る。受電制御部２５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）等のハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部又は全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェア（回路部；circuitry を含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、受電装置２１が備えるＨＤＤ（Hard Disk Drive ）、フラッシュメモリ等の非一過性の記憶媒体を備える記憶装置（図示略）に予め格納されていてもよい。

【0025】

［フレキシブルシート３１］
図１に示すように、ウェアラブルデバイス２０は、さらに、筐体２７の内部にフレキシブルシート３１を備えている。フレキシブルシート３１は、上記接触部２８と受電アンテナ２２との間に配置されている。フレキシブルシート３１の主要部は、柔軟で撓みやすいシート本体部３２によって構成されている。シート本体部３２としては、電磁波を遮蔽（シールド）する性能を有するものが用いられている。

【0026】

フレキシブルシート３１は、さらに、導電性材料により形成された導電部３３を備えている。導電部３３はシート本体部３２上に積層されている。上述した受電アンテナ２２は、上記導電部３３を介してシート本体部３２上に形成されている。

【0027】

なお、図示はしないが、上記導電部３３は、シート本体部３２を厚み方向に貫通して、又はシート本体部３２を迂回して、受電変換部２３等に対し電気的に接続されている。
［受電変換部２３、受電制御部２５及び受電蓄電部２４の配置について］
ウェアラブルデバイス２０では、接触部２８とフレキシブルシート３１との間に、制御基板３５及び上記受電蓄電部２４が配置されている。上述した受電変換部２３及び受電制御部２５は、それぞれ制御基板３５を構成する部分として、同制御基板３５に含まれている。

【0028】

なお、ウェアラブルデバイス２０において、回路を適切に機能させるための絶縁（機能絶縁）、感電から保護するための絶縁（基礎絶縁）が要求される箇所は、絶縁材料によって形成されている。

【0029】

次に、上記のように構成された本実施形態の作用について説明する。また、作用に伴い生ずる効果についても併せて説明する。
＜（１）被装着部１１に対するウェアラブルデバイス２０の装着について＞
ウェアラブルデバイス２０が被装着部１１に装着される場合には、同ウェアラブルデバイス２０が同被装着部１１の体表１２に合った形状となるように撓ませられる。

【0030】

（１－１）ここで、ウェアラブルデバイス２０では、フレキシブルシート３１のシート本体部３２及び受電アンテナ２２が柔軟性を有している。これに加え、受電蓄電部２４もまた、シート状をなしていて、柔軟性を有している。そのため、上記受電アンテナ２２、シート本体部３２及び受電蓄電部２４を、被装着部１１における体表１２の曲率に合わせて撓ませることが容易である。この点で、本実施形態では、ウェアラブルデバイス２０の被装着部１１に対する装着性を高めることができる。

【0031】

（１－２）次に、上記のように撓ませられたウェアラブルデバイス２０が、粘着パッドによって構成された接触部２８において、被装着部１１の体表１２に貼り付けられる。そのため、ウェアラブルデバイス２０を被装着部１１に簡単に装着することができる。

【0032】

また、上記貼り付けにより、ウェアラブルデバイス２０を、被装着部１１に対し接触した状態で装着することができる。従って、被装着部１１が動いても、接触部２８が体表１２に安定的に接触した状態を維持することで、電気的特性を安定化させることができる。駆動部２６は、センサ機能を安定して発揮することができる。

【0033】

（１－３）粘着パッドからなる接触部２８を体表１２から剥がすことで、ウェアラブルデバイス２０を被装着部１１から取り外すことができる。その後に、接触部２８を体表１２に貼り付けることにより、ウェアラブルデバイス２０を被装着部１１に対し再び装着することができる。さらに、上記剥離及び貼り付けを繰り返すことができる。

【0034】

＜（２）電磁波による生体１０への影響軽減について＞
送電装置１６の送電アンテナ１７からは、電磁波からなる電力伝送信号が、受電装置２１の受電アンテナ２２に向けて送信される。送信された電力伝送信号の一部は受電アンテナ２２によって受信される。受信された電力伝送信号は、受電変換部２３によって直流電力に変換される。この直流電力は受電蓄電部２４によって蓄電される。駆動部２６は、受電蓄電部２４に蓄電されている電力によって作動する。

【0035】

（２－１）受電アンテナ２２で受電されなかった電力伝送信号の一部は、フレキシブルシート３１のシート本体部３２によって遮蔽（シールド）される。すなわち、シート本体部３２では、電磁波が反射、吸収、多重反射等によって減衰される。その結果、電磁波が上記のように遮蔽される分、生体１０に侵入する電磁波が少なくなる。電磁波が生体１０に及ぼす影響を軽減できる。

【0036】

（２－２）また、導電性材料によって形成された導電部３３は、電磁波の遮蔽能を有する。そのため、受電アンテナ２２で受電されなかった電磁波の一部は、導電部３３で反射される。その反射された電磁波の一部が受電アンテナ２２へ再入力されることで、受電電力を上昇させる場合がある。

【0037】

また、導電部３３での電磁波の上記反射により、生体１０に侵入する電磁波をさらに少なくし、電磁波が生体１０に及ぼす影響をさらに軽減することができる。
（２－３）ここで、受電変換部２３、受電制御部２５及び受電蓄電部２４のそれぞれは、少なからず金属を含んでいる。金属は、電磁波を遮蔽する性質を有している。

【0038】

この点、本実施形態では、受電変換部２３、受電制御部２５及び受電蓄電部２４が、接触部２８とフレキシブルシート３１との間に配置されている。
そのため、フレキシブルシート３１におけるシート本体部３２及び導電部３３に加え、受電変換部２３、受電制御部２５及び受電蓄電部２４によっても電磁波を遮蔽することができる。

【0039】

従って、生体１０に吸収される電磁波を一層少なくし、電磁波が生体１０に及ぼす影響を一層軽減することができる。
＜（３）生体１０の表面電位による受電アンテナ２２への影響軽減について＞
（３－１）また、上記のように、被装着部１１の体表１２と受電アンテナ２２との間に配置されたフレキシブルシート３１のシート本体部３２は、上記体表１２の電界が受電アンテナ２２に及ぼす影響を小さくする。

【0040】

そのため、受電アンテナ２２が電力伝送信号を受信する性能が、体表１２の電界から影響を受けるのを抑制することができる。帯電した生体１０が受電アンテナ２２の利得に及ぼす影響を小さくし、安定した受電が可能となる。

【0041】

（３－２）フレキシブルシート３１の導電部３３もまた、被装着部１１の体表１２の電界が受電アンテナ２２に及ぼす影響を軽減する。接触部２８とフレキシブルシート３１との間に配置された受電変換部２３、受電制御部２５及び受電蓄電部２４についても同様の効果が得られる。そのため、帯電した生体１０が受電アンテナ２２の利得に及ぼす影響をさらに小さくし、より安定した受電が可能となる。

【0042】

＜（４）その他の事項について＞
（４－１）本実施形態では、受電アンテナ２２が導電部３３を介してシート本体部３２上に積層されていて、受電アンテナ２２とフレキシブルシート３１とが一体になっている。そのため、受電アンテナ２２及びフレキシブルシート３１の両者を１つの部品として扱うことができ、扱いやすさの向上を図ることができる。

【0043】

［変形例］
なお、上記実施形態は、これを以下のように変更した変更例として実施することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0044】

＜受電アンテナ２２について＞
・受電アンテナ２２としては、より高い電力を受けやすいパッチアンテナが適しているが、他のタイプ、例えば、逆Ｆ型アンテナが用いられてもよい。

【0045】

パッチアンテナは、受信する電波（具体的には電力伝送信号）の波長、誘電体基板の誘電率、厚さ等によってサイズが決まる。そのため、ウェアラブルデバイス２０のサイズによっては、パッチアンテナを受電アンテナ２２として採用できないことが起り得る。そういった場合には、一般的に使用されている逆Ｆ型のアンテナが受電アンテナ２２として用いられてもよい。

【0046】

＜受電変換部２３、受電制御部２５及び受電蓄電部２４の配置について＞
・受電変換部２３、受電制御部２５及び受電蓄電部２４の少なくとも１つは、接触部２８とフレキシブルシート３１との間とは異なる箇所、例えば、フレキシブルシート３１の側方に配置されてもよい。

【0047】

・受電変換部２３、受電制御部２５及び受電蓄電部２４の少なくとも２つは、接触部２８とフレキシブルシート３１との間で、又は外で、互いに積層された状態で配置されてもよい。

【0048】

＜その他の事項＞
・フレキシブルシート３１のシート本体部３２を基材（基板）として機能させることが可能である。この場合、受電変換部２３及び受電制御部２５の各構成部品を、シート本体部３２に直接実装すれば、基板を省略することが可能となる。

【0049】

・ウェアラブルデバイス２０の被装着部１１への装着は、上記実施形態のように接触部２８を粘着パッドによって構成し、これを体表１２に貼り付けることによって行うことができる。しかし、接触部２８の剥離及び貼り付けを繰り返すと、粘着パッドの粘着力が低下するおそれがある。そこで、腕時計を手首に装着する時計ベルトのようなベルトと粘着パッドとが併用されてもよい。

【0050】

また、ウェアラブルデバイス２０を被装着部１１に装着する手段として、粘着パッドに代えて上記ベルトが用いられてもよい。この場合、筐体２７の一部が接触部２８とされてもよい。また、粘着性を有しないパッドが、上記粘着パッドに代えて用いられ、これが接触部２８とされてもよい。

【0051】

・受電変換部２３を構成する部品、受電制御部２５を構成する部品、及び受電蓄電部２４を、互いに離間させた状態でフレキシブルシート３１のシート本体部３２上に配置する。フレキシブルシート３１において、隣り合う部品間となる箇所を、同フレキシブルシート３１の厚み方向に屈曲し得る屈曲可能部としてもよい。

【0052】

このようにすることで、ウェアラブルデバイス２０が全体として可撓性を有することとなる。
ウェアラブルデバイス２０を、被装着部１１の外形形状に合わせて屈曲可能部において屈曲させる。すると、ウェアラブルデバイス２０の全体が、被装着部１１の形状に沿った形状となる。そのため、ウェアラブルデバイス２０の被装着部１１に対する装着感が向上する。

【符号の説明】

【0053】

１０…生体
１１…被装着部
１２…体表
１５…非接触給電システム
１６…送電装置
２０…ウェアラブルデバイス
２１…受電装置
２２…受電アンテナ
２３…受電変換部
２４…受電蓄電部
２５…受電制御部
２６…駆動部
２８…接触部
３１…フレキシブルシート
３２…シート本体部
３３…導電部

【図1】

【図2】