JP2006284276A - 感圧センサーシート - Google Patents

Abstract

【課題】感圧フイルムや感圧シートで、２次元平面での圧力分布の経時変化を計測するセンサー機能と感圧センサー構造体を使用する場合の曲面への適応性、表面の平滑性、センサー構造体の一体化等の施工性・加工性の両特性を満たす。
【解決手段】圧縮特性と圧縮回復特性を保有する多層構造繊維構造体の上面部および下面部の両面に導電性を有する導電糸を配置し、多層構造シートを押圧したとき、多層構造の上面部および下面部を一定間隔に保つ連結部が圧縮され、上面部および下面部に配置した導電糸が接触する。この時両面の導電糸間の電気抵抗が変化し、この電気抵抗変化を検知することで多層構造シート表面への圧力が検知できる。感圧センサーシートを構成する多層構造繊維構造体の製造時に導電糸を同時に製織、製編もしくは縫製する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、２次元平面内での圧力の検知、圧力分布の測定およびそれら圧力の時間的変化の計測に使用する感圧センサーシートを提供する。

自由曲面への適応が可能でシートと一体化した圧力分布計測法としては、富士写真フイルム（株）から市販されているフイルム状材料「プレスケール」がある。しかし、圧力でマイクロカプセルをつぶしてカプセル内のインクを放出させ、つぶれた面積から圧縮圧力を計測する原理であるため、この方法にて圧力分布の時間的変化を連続的に計測することは不可能である。（特許文献１参照）

織編物にセンサー機能を付与させたものとしては、ロードセルや小型の圧電センサーを織編物状に配置させたもの、または感圧導電性エラストマーを繊維形状に成形し織編物構造を形成したものがある。しかしこれらは織編物の表面上に硬い突起物を配置する構造もしくは厚みのある曲げ剛性の高い繊維形状となるため構造体自体の厚みが厚く、さらに構造体の柔軟性に欠けるため、自由曲面への適応が困難であり取り扱い性、施工性・加工性にて不具合を生じるために実用性に欠ける。（非特許文献１，特許文献２参照）

織編物にセンサー機能を付与させたものとしては、電極材を配置しそれらの静電容量変化にて物体や人物を検知するものがある。これは圧力の有無を検知することは可能であるが、センシングに一定以上の面積を必要とするため平面上での圧力分布の測定等では分解能が低くいために実用性に欠ける。（特許文献３参照）

特開２０００−３２１１５２号公報 特開平６−３２３９２９号公報 特開２００１−１５９６８３号公報 日本繊維消費学会誌，P57-62，Vol.40，No.9（1999）

上記で記載した従来の感圧フイルムや感圧シートでは、２次元平面での圧力分布の経時変化を計測するセンサー機能とそのセンサーを使用する場合の取り扱い、施工および加工の利便性の両機能を満たすことは不可能であった。

本発明では、繊維構造体の圧縮および圧縮回復の弾性特性の原理を利用して圧力を検知することにより繊維構造自体が保有する柔軟性および薄層化等の任意の形状付形性が可能となり、連続的圧力の検知および圧力分布の時間的変化の計測が可能なセンサー機能と施工性および加工性に優れた特性を併せて保有することが可能となり、上記記載の従来製品が有していた問題を解決するものである。

本発明に係る感圧センサーシートは、複数の導電糸を面方向に所定の間隔で配置した上面部と、複数の導電糸を面方向に所定の間隔でかつ上面部の導電糸と交差する方向に配置した下面部と、上面部及び下面部の間を所定の間隔に保つ連結部を備え、押圧により連結部が圧縮状態となることで上面部の導電糸と下面部の導電糸とが接触状態となることを特徴とする。さらに、上面部、下面部及び連結部が繊維構造体で構成されていることを特徴とする。さらに、繊維構造体が、織物にて構成されることを特徴とする。さらに、繊維構造体が、編物にて構成されることを特徴とする。さらに、上面部及び下面部は、複数層構造からなることを特徴とする。
本発明に係る圧力分布測定装置は、上記のいずれかに記載の感圧センサーシートと、上面部の各導電糸に電気的に接続するとともに下面部の各導電糸に電気的に接続して上面部の各導電糸と下面部の各導電糸との間の導電状態を測定する測定手段とを備えていることを特徴とする。

本発明に係る感圧センサーシートは、課題である時間的変化にともなう圧力の検知および圧力分布の時間的変化の計測を、圧縮特性と圧縮回復特性を保有する多層構造繊維構造体の上面部および下面部の両面に導電性を有する導電糸を配置し、多層構造シートを押圧したときに上面部の導電糸と下面部の導電糸が接触することで解決する。そして、多層構造シートを押圧したとき、多層構造の上面部および下面部を一定間隔に保つ連結部が圧縮され、上面部および下面部に配置した導電糸が接触する。この時両面の導電糸間の電気抵抗が変化し、この電気抵抗変化を検知することで多層構造シート表面への圧力が検知できる。また、除圧後には多層構造繊維構造体の圧縮回復特性により上面部の導電糸と下面部の導電糸がすみやかに離隔した状態に戻るため、圧力の変化を正確かつ迅速に検知することができる。

本発明の感圧センサーシートは、シートを構成する多層構造繊維構造体の製造時に導電糸を同時に製織、製編もしくは縫製するため圧力センサーとシートが一体化した構造となり、取り扱いが容易である。

本発明の感圧センサーシートは織物および編物等の繊維構造体にて構成されるために繊維構造体の特性である柔軟性と伸縮性を有しており、柔軟立体物の曲面に沿って張り合わせることができるなど加工性・施工性に優れる。

本発明に係る圧力分布測定装置は、圧力を検知する機能だけでなく、感圧センサーシート平面上の圧力分布およびその経時変化計測を行うことも可能である。

本発明での感圧センサーシートを構成する繊維構造体の基本構造は上面部、下面部及び上面部と下面部の間を所定の間隔に保つ連結部から構成されており、前述の上面部と下面部には複数の導電糸が互いに交差するように配置されている。そして、感圧センサーシートは押圧により連結部が圧縮状態となることで上面部の導電糸と下面部の導電糸とが接触状態となり、除圧後には連結部自体を構成する繊維材料の弾性、剛性等の物性と連結部を備えた全体構造の圧縮回復特性により空隙が押圧前の状態に回復することにより上面部の導電糸と下面部の導電糸とが隔離した状態に戻ることを特徴とする。

この感圧センサーシートを構成する繊維構造体としては織物にて構成されるもの、編物にて構成されるもの等があり、具体例としては風通織り等に代表される２重組織織物、３重組織織物等の多層構造織物、ベルベット織物、ダブル丸編みやダブルラッセルによる立体構造編物等があげられるが、連結部により間隔を保つ上面部と下面部に導電性を有する導電糸を配置し、圧力を付加した場合に連結部により所定間隔が保持されている上面部と下面部の間の空隙が圧縮されて導電糸が接触し、徐圧後に空隙が回復して前述の導電糸が乖離する繊維構造体であればこれに限るものではない。

上面部および下面部を構成する具体的な繊維素材は、ポリエチレンテレフタレートやPTT（ポリトリメチレンテレフタレート）等のポリエステル系繊維、ナイロン（ポリアミド繊維）、アラミド（芳香族ポリアミド繊維）、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフイン系繊維、アクリル等の合成繊維、レーヨン、アセテート等の化学繊維、綿、ウール、絹等の天然繊維があげられるが、導電性を有しない繊維素材であればこれに限るものではない。また単一素材でなく２種類以上の素材が複合されても、導電性を有しない繊維素材であればこれに限るものではない。

上面部および下面部に配置もしくは内包する導電性を有する導電糸の具体例としては、銅等の金属繊維、炭素繊維等があげられるが、導電性を有する繊維素材であればこれに限るものではない。また単一素材でなく２種類以上の素材が複合されている導電糸、具体例としてはポリエチレンテレフタレートやPTT（ポリトリメチレンテレフタレート）等のポリエステル系繊維やナイロン（ポリアミド繊維）、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフイン系繊維、アラミド（芳香族ポリアミド繊維）等の導電性を有しない繊維に銀、銅、ニッケル等の金属をメッキ等の手段により繊維表面にコーティングし導電性機能を付与した糸、ポリエステルやナイロン（ポリアミド繊維）、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフイン系繊維、アラミド（芳香族ポリアミド繊維）等の導電性を有しない繊維に金属繊維等の導電性を有する素材を撚糸、紡績等の手段により複合して導電性機能を付与した糸等、複合（加工）後に導電性を有する糸であればこれに限るものではない。

上面部及び下面部を連結する連結部としては、上述した多層構造織物や立体構造編物のように上面部及び下面部と同時に製織又は編成してもよいし、シート状に構成された上面部及び下面部に連結糸を縫いこむことで連結するようにしてもよい。連結部に用いる繊維素材としては、ポリエチレンテレフタレートやPTT（ポリトリメチレンテレフタレート）等のポリエステル系繊維、ナイロン（ポリアミド繊維）、アラミド（芳香族ポリアミド繊維）、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフイン系繊維、アクリル等の合成繊維、レーヨン、アセテート等の化学繊維、綿、ウール、絹等の天然繊維があげられるが、導電性を有しない繊維素材であればこれに限るものではない。また単一素材でなく２種類以上の素材が複合されても、導電性を有しない繊維素材であればこれに限るものではない。また、連結部に用いる糸は構造体の構造と検知する圧力範囲に依存するため一概に言及することは困難であるが、空隙が保てる強度と剛性を保有するとともに復元力の高いものがよく、20%伸長時の伸長回復率が40%以上または伸縮復元率が15%以上であるものが好適である。

本発明での上面部および下面部に配置する導電糸の具体例としては、上面部に一定間隔に平行に導電糸を配置し、下面部には上面部の導電糸と直交交差する方向に一定間隔で導電糸を配置して構成されるマトリックス構造があげられるが、上面部に配置する導電糸と下面部に配置する導電糸が押圧により接触して圧力分布計測および圧力の経時変化計測の目的を達成できる配置であればこれに限るものではない。

検知する圧力範囲を制御する具体例としては、多層構造織編物を構成する繊維構造体の繊維素材を変える方法、多層構造織編物の織り組織や編み組織を変える方法、多層構造織物のたて糸・よこ糸密度および多層構造編物の編密度を変える方法等があげられるが、導電糸を配置する空間の圧縮および圧縮回復特性を制御できる方法であればこれに限るものではない。

圧力分布を測定する具体例としては、感圧センサーシートの上面部に設置もしくは内包している導電糸に順次電圧を加え、下面部に設置もしくは内包している導電糸の電圧もしくは電流を順次検出することにより電気的に圧力を検出するシステム等があげられるが、感圧センサーシートの両面部に配置された導電糸を電気的に接続して導電状態を測定することにより圧力分布の検出が可能であればこれに限るものではない。

以下本発明の実施の形態を図１〜５に基づいて説明する。

図１では、多層構造シートの繊維構造体として図２の組織図の平風通織りの重組織織物を使用した事例である。たて糸にポリエステル仮撚加工糸（110dtex）、よこ糸にナイロンモノフィラメント（156dtex）を使用し、導電糸にはポリウレタン繊維（470dtex）に銅の金属繊維（Φ=0.1mm）を螺旋状に巻き付けたカバーリング加工糸を使用し、レピア織機を使用して感圧センサーシートを製織している。

上面部１に導電糸３を8mm間隔でストライプ状に10本配列させ、下面部２には上面部１の導電糸３と繊維軸が直交する方向に導電糸４を8mm間隔で10本配列させて感圧センサーシートを製織している。

図３は、図１の２重組織織物の断面拡大図であり、２重組織織物の上面部５および下面部６は連結部１０で連結し、上面部５および下面部６を構成する導電糸以外のたて糸は連結部１０にて上面部５から下面部６（もしくは下面部６から上面部５へ）へ配置される部面が入れ替わっている。つまり、本実施例の感圧センサーシートを構成するたて糸は連結部１０にて拘束されるために糸素材が保有する剛性により、上面部５および下面部６の間に一定間隔の空間７を構成する役割を果たしている。

上面部５に圧力を加えることにより、面５と面６の空間が圧縮され、導電糸８および９が接触する。これにより導電糸８および９の間の電気抵抗が変化し、圧力を検知する。

この上面部５への付加圧力をAIKOU ENGINEERING製のRETEP CAPACITY（Type B，50N,200N）にて直径14mmの圧着端子を用いて測定し、各圧力における抵抗値をADVANTEST製デジタルマルチメーター（R6552）にて測定してコンダクタンスを求めた。この結果を、感圧センサーシート特性として図４に示す。圧力1.3kPaを境にコンダクタンスが変化を始め、圧力2.0kPa近傍で急激にコンダクタンスが変化する感圧センサーシートであることがわかる。

導電糸３および４の繊維間にADVANTEST製デジタルマルチメーター（R6552）を設置し、通電時に電子音が発生するモードを選択する。この場合、感圧センサーシートに1.3kPa以上の圧力を付加すると電子音が発生した。同様のシステムを構築し、電流もしくは電圧しきい値を任意に設定することにより、ON,OFFの感圧センサーシートになる。具体例としては、コンダクタンス0.2（1/Ω）をしきい値に選択すれば、0.2kPa以上に加圧した場合は音が発生する感圧センサーシートになる。

図１の導電糸３各10本に各々Ａ〜Ｊの識別番号をつけ、導電糸４各10本に１〜10の識別番号をつけ、各々導電糸間の導電状態を測定できるシステムを作成した。具体的には、図１のセレクターがＡ〜Ｊの各導電糸を順次選択し、パソコンからの電圧信号を各導電糸に出力する。それに対し導電糸１〜10の各導電糸から検出される電圧を順次スキャンしてパソコンに入力する。この選択した導電糸３のＡ〜Ｊと導電糸１〜10間にて0.7Ｖ以上の電圧が確認できると、そのマトリックスに圧力が付加されていると検知し、パソコンの画面に加圧状態を表示するプログラムである。

図５は、この感圧センサーシート上に圧力が2KPa以上となる加圧試料（重量100gf，底面積3.1cm²）を置いて圧力を付加し、パソコン画面に圧力分布状態を表示させた例である。

図５の黒塗りの部分が加圧試料により押圧されている箇所を示しており、導電糸Ｃ，Ｄおよび３，４の交錯する位置で圧力を検知しており、加圧試料が感圧センサーシートの導電糸Ｃ，Ｄおよび３，４の交錯する位置にあることを示している。

図６は、この加圧試料を導電糸１から10の方向に移動させた場合の圧力分布の変化を検知した事例である。加圧試料により押圧されている箇所が、最初Ｃ，Ｄと３，４の交差箇所（図６-Ａ）からスタートし、順次Ｄ，Ｅと４，５の交差箇所（図６-Ｂ）、Ｅ，Ｆと６，７の交差箇所（図６-Ｃ）、Ｄ，Ｅと７，８の交差箇所（図６-Ｄ）、最後にＥ，Ｆと９，10の交差箇所（図６-Ｅ）に到達していることがわかる。

この図より時間変化と共に感圧センサーシート上にて圧力体の移動を検出できていることがわかる。

実施例２として、図７は多層構造繊維構造体を構成する繊維素材を変えることにより、感圧センサーシートの検知する圧力範囲を制御できる具体例を示している。

実施例２の感圧センサーシートは、図２で示した２重組織織物と同一の織り構造の多層構造繊維構造体であるが、上面部５および下面部６を構成するたて糸・よこ糸にポリエステル仮撚加工糸（110dtex）を使用した。上面部５および下面部６に配置した導電糸８および９は、実施例１と同様に導電糸にはポリウレタン繊維（470dtex）に銅の金属繊維（Φ=0.1mm）を螺旋状に巻き付けたカバーリング加工糸を導電糸に使用している。

実施例１と同様に、上面部５に圧力を加えこの付加圧力とコンダクタンスを測定した結果を図７に示す。コンダクタンスが0.2（1/Ω）以上なる圧力は15kPaであり、図４（コンダクタンスが0.2（1/Ω）以上なる圧力は2kPa）とは圧力を検知する範囲が異なる感圧センサーシートを形成している。

導電糸３および４の繊維間にADVANTEST製デジタルマルチメーター（R6552）を設置し、通電時に電子音が発生するモードを選択する。この場合、10kPa以上にて電子音の発生が認められた。実施例１の場合は、1.3kPa以上の圧力を付加すると電子音が発生しており、このことからも、実施例２では多層構造繊維構造体の構成する繊維素材を変えることにより、実施例１とは検知する圧力範囲を異なる感圧センサーシートを形成していることがわかる。

また、10〜30kPaの範囲で加圧量とコンダクタンスは比例関係にあり、この間の電気抵抗変化を検知することにより圧力を検知するだけでなく圧力値を推測可能な感圧センサーシートも可能になる

本発明は圧力センサーとシートが一体化した感圧センサーシートであるため、取り扱い性の容易であるだけでなく、柔軟性と伸縮性を保有するため、柔軟立体物の曲面に沿って張り合わせることができるなど加工性・施工性に優れる。単なる圧力検知のセンサーだけでなく平面上の圧力分布の時間的変化計測も可能であり、繊維業界、建築業界、自動車業界など様々な産業分野での適応が期待される。

具体的な用途の幾つかをつぎに記載する。大型システムとしては、床材に組み込むことにより人の動きを検知するセンサーや壁装材としてのスイッチ、ホール等の着席状況把握システムなど様々な用途・製品化が期待されている。小型のシステムとしては、自動車内でのスイッチ、人が運動中での外衣や靴の中で生じる圧力分布の時間的変化を感知・計測する用途・製品化が期待されている。

感圧センサーシートの構成図である。 感圧センサーシートの織物組織図（平風通２重組織）である。 感圧センサーシートの断面拡大図である。 感圧センサーシートの特性を示すグラフである。 感圧センサーシートを利用した圧力測定に関する表示例を示す説明図である。 感圧センサーシートを利用した圧力測定の時間変化に関する表示例を示す説明図である。 別の実施例に関する感圧センサーシートの特性を示すグラフである。

Claims (6)

1. 複数の導電糸を面方向に所定の間隔で配置した上面部と、複数の導電糸を面方向に所定の間隔でかつ上面部の導電糸と交差する方向に配置した下面部と、上面部及び下面部の間を所定の間隔に保つ連結部を備え、押圧により連結部が圧縮状態となることで上面部の導電糸と下面部の導電糸とが接触状態となることを特徴とする感圧センサーシート。
2. 上面部、下面部及び連結部が繊維構造体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の感圧センサーシート。
3. 繊維構造体が、織物にて構成されることを特徴とする請求項２記載の感圧センサーシート。
4. 繊維構造体が、編物にて構成されることを特徴とする請求項２記載の感圧センサーシート。
5. 上面部及び下面部は、複数層構造からなることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の感圧センサーシート。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の感圧センサーシートと、上面部の各導電糸に電気的に接続するとともに下面部の各導電糸に電気的に接続して上面部の各導電糸と下面部の各導電糸との間の導電状態を測定する測定手段とを備えていることを特徴とする圧力分布測定装置。