CN116981921A - 传感纤维构件 - Google Patents

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小森真梨子
森田茂
吉村贯生
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Kaji Nylon Co ltd
Osaka Municipal Technical Research Institute
Asahi Trading Co Ltd
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Abstract

提供能够实现长尺寸时的加工、批量生产性优异、柔软且手感优异、并且与以往的使用了压电材料的接触传感纤维构件(压电丝)相比成本格外低的传感纤维构件。本发明的传感纤维构件，其特征在于，其为具有至少2根包芯纱，其中的2根互相接近地配置的传感纤维构件，所述包芯纱是对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的，读取该互相接近地配置的2根包芯纱的线状导电体之间的电阻的变化和/或静电电容的变化。

Description

传感纤维构件
技术领域
本发明涉及具有包芯纱的传感纤维构件，所述包芯纱是对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的。
背景技术
以往提出了在具有柔软性、伸缩性的纤维基材之上设置有电功能元件的智能纺织品技术。它们在柔软的纤维基材上设置传感器、电池、加热器、珀耳帖元件等功能元件，可以实现非常薄型且具有可挠性的产品，因此在此后的物联网(IoT、Internet of Things)社会是非常重要的。
作为上述传感器之一，以往作为具有对于接触的传感功能的纤维构件，提出了图1所示那样的压电型的加工丝、压电传感器。如以下的专利文献1～5中记载那样，通常压电型的加工丝(也称为压电丝、压电纤维)具有将导电性纤维的周围利用聚乳酸、聚偏二氟乙烯等压电材料覆盖，进而将其周围利用金属镀层等导体覆盖而成的结构。聚乳酸为结晶性的螺旋手性高分子，其单轴拉伸薄膜具有压电性。压电性指的是若施压应力则产生电荷的性质。由此在内层侧的导电性纤维(1)与外侧的导电性纤维(3)之间例如如图1所示那样(1)侧产生[-]的电荷、(3)侧产生[+]的电荷。另外也存在与此相反的情况。此时，需要使压电材料取向，存在在镀敷工序中难以提高生产率这种问题，因此现状是成为非常昂贵的产品、每1m加工丝约1000日元～5000日元。另外，对于图1所示那样的结构而言，现状是难以制造1万m以上这种长尺寸的加工丝，因此使用压电丝作为机织物、经编的经丝是非常困难的。进而也存在由于作为压电材料的聚乳酸的刚性而压电丝的手感变差，作为纤维、柔软性欠缺这种问题。
另外，如以下的专利文献6、7中记载那样，已知通过检测2个接近的电极之间的施加接触、载荷时的静电电容的变化，感知接触或载荷的接触传感纤维构件，除此之外也已知检测导体(人体等)对于1个电极接近时的静电电容的变化的技术。但是利用现有技术时，作为2个电极之间的绝缘体，主要使用聚氨酯、硅氧烷等绝缘体，难以使电极之间的距离大幅变化，因此输出(灵敏度)小，另外成本高并且手感并非良好。另外，如专利文献8中记载那样，利用1个电极的情况下，静电电容变化非常微小，因此需要用于检测这种微小信号的高度的信号处理电路，但是现状是仅得到接触的灵敏度低、另外作为接近传感器的灵敏度低的产品。
另一方面，如以下的专利文献9、10中记载那样，已知关于松散性优异的包芯纱、高生产率且高品质的包芯纱的技术，但是没有记载或暗示将这些关于包芯纱的技术用作传感纤维构件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6025854号公报
专利文献2：日本专利第6689943号公报
专利文献3：日本特开2020-090768号公报
专利文献4：日本特开2020-036027号公报
专利文献5：日本专利第6107069号公报
专利文献6：日本专利第5754946号公报
专利文献7：日本特开2006-234716号公报
专利文献8：日本特开2016-173685号公报
专利文献9：日本特开平10-25635号公报
专利文献10：日本特开2013-231246号公报
发明内容
发明要解决的问题
鉴于前述的技术水平，本发明的目的在于，提供能够实现长尺寸时的加工、批量生产性优异、也能够作为机织物、经编的经丝使用、柔软且手感优异、并且与以往的使用了压电材料的对于接触的接触传感纤维构件(压电丝)相比成本格外低的传感纤维构件。
用于解决问题的方案
为了解决前述问题，本发明人等深入研究、反复实验，结果意外发现，通过形成以下的结构、能够解决问题，从而完成了本发明。
即，本发明如以下所述。
[1]一种传感纤维构件，其特征在于，其为具有至少2根包芯纱，其中的2根互相接近地配置的传感纤维构件，所述包芯纱是对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的，读取该互相接近地配置的2根包芯纱的线状导电体之间的电阻的变化和/或静电电容的变化。
[2]根据前述[1]所述的传感纤维构件，其中，前述绝缘性纤维含有复丝绝缘性纤维或绝缘性短纤纱中的任意一种。
[3]根据前述[1]或[2]所述的传感纤维构件，其中，前述传感纤维构件感知物体对该传感纤维构件的接触或载荷。
[4]根据前述[1]或[2]所述的传感纤维构件，其中，前述传感纤维构件感知该传感纤维构件的伸缩或弯曲变形。
[5]根据前述[1]或[2]所述的传感纤维构件，其中，前述传感纤维构件感知液体对该传感纤维构件的接触或湿度的变化。
[6]根据前述[1]～[5]中任一项所述的传感纤维构件，其中，前述包芯纱的以下的式子所示的捻系数K为7000以上且30000以下：
捻系数K＝(SS+SC)1/2×R
{式中，SS为作为芯材的线状导电体的纤度(dtex)，SC为覆盖材料的总纤度(dtex)，R为覆盖材料的卷绕数(捻数)(次/m)}。
[7]根据前述[1]～[6]中任一项所述的传感纤维构件，其中，前述包芯纱为利用2根覆盖材料将作为芯材的线状导电体的周围覆盖而成的双包包芯纱，该2根覆盖材料的卷绕方向为相同方向。
[8]根据前述[1]～[7]中任一项所述的传感纤维构件，其中，前述互相接近地配置的2根包芯纱具有彼此交叉的接点。
[9]根据前述[1]～[8]中任一项所述的传感纤维构件，其中，前述作为芯材的线状导电体为复丝导电性纤维。
[10]根据前述[1]～[9]中任一项所述的传感纤维构件，其为配置有至少2根以上前述包芯纱的机织物。
[11]根据前述[1]～[9]中任一项所述的传感纤维构件，其为配置有至少2根以上前述包芯纱的针织物。
[12]根据前述[1]～[9]中任一项所述的传感纤维构件，其中，前述互相接近地配置的2根包芯纱中的绝缘性纤维的卷绕方向相同，该2根包芯纱为彼此在与该绝缘性纤维的卷绕方向相反的方向被合股加捻而成的多股线。
[13]一种机织物，其机织织入有作为多股线的前述[12]所述的传感纤维构件。
[14]一种针织物，其针织织入有作为多股线的前述[12]所述的传感纤维构件。
[15]一种传感纤维构件，其为具有至少1根包芯纱，用于感知物体的接近或接触的传感纤维构件，所述包芯纱是对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的，根据该至少1根包芯纱的线状导电体与接地之间的因该物体的接近或接触造成的静电电容的变化，感知物体对该传感纤维构件的接近或接触。
发明的效果
本发明的接触传感纤维构件，能够实现长尺寸时的加工、批量生产性优异、能够作为机织物、经编的经丝使用、柔软且手感优异、并且与以往的使用了压电材料的对于接触的接触传感纤维构件(压电丝)相比成本格外低。即，本发明的接触传感纤维构件，由于能够使用作为一般的纤维材料的聚酯、尼龙等来实现载荷的传感，因此可以以非常低的成本实现接触传感纤维，另外由于使用作为技术确立的纤维加工技术的覆盖技术，能够实现长尺寸时的加工、批量生产性优异、进而与压电丝相比可以实现手感非常良好的加工丝，因此对机织物、针织物等的纤维构件的加工变得容易。
本发明的接触传感纤维构件，由于不仅静电电容变化、电阻值也变化，因此可以检测连续地施加载荷的状态。
因此，本发明的接触传感纤维构件能够广泛用于在具有柔软性、伸缩性的纤维基材上设置有电功能元件的智能纺织品用途、例如若踩踏则能够检测的地毯、人的出入检测用防犯垫、人数计数用垫等、接触传感编织物、例如看护、护理等的现场中的监视传感器、将工厂等生产现场中的触觉数据化并传递的传感器、对车用安全带等的传感器埋入用构件、例如对车用安全带、方向盘、仪表板等的接触传感器(生物体传感器)的埋入、人的在/不在的检测传感器、后部座椅的孩子的放置防止、监视传感器等各种用途。
附图说明
图1为以往的压电型的加工丝的示意图。
图2为本实施方式的传感纤维构件的示意图。
图3为作为多股线的本实施方式的传感纤维构件的外观、和放大照片。
图4为机织织入有作为多股线的本实施方式的传感纤维构件的窄幅机织物的照片。
图5为处于经丝和纬丝使用了对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的包芯纱的平织的机织物形态的本实施方式的传感构件的照片。
图6为用于测定对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的2根包芯纱之间的电阻变化的装置系统的示意图。
图7为表示实施例1的作为多股线的本实施方式的传感纤维构件中的载荷施加时间与电流值(传感器输出)的关系的一例的图。其中，施加载荷条件与表1的条件不同。
图8为表示作为多股线的本实施方式的传感纤维构件中的施加载荷与电流值(传感器输出)变化率的关系的图。
图9为表示实施例7的处于经丝和纬丝使用了对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的包芯纱的平织的机织物(窄幅机织物)形态的本实施方式的传感构件中的载荷施加时间与电流值(传感器输出)的关系的一例的图。其中，施加载荷条件与表1的条件不同。
图10为包芯纱的制造装置的示意图。
图11为利用上述制造装置得到的包芯纱的示意图。
图12为成对的包芯纱之间的电特性的测定原理的说明图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式进行详细说明。
本发明的1实施方式为一种传感纤维构件，其特征在于，其为具有至少2根包芯纱，其中的2根互相接近地配置的传感纤维构件，所述包芯纱是对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的，读取该互相接近地配置的2根包芯纱的线状导电体之间的电阻的变化和/或静电电容的变化(即、阻抗的变化)。
作为芯材的线状导电体(芯丝)，只要为导电性则没有特别限制，可以为导电性纤维、例如碳纤维、金属纤维等材质自身具有导电性的线状导电体、也可以为对没有导电性的纤维赋予了导电性的线状导电体。作为前者，将碳进行纤维化而成的碳纤维，在后述的水分传感中耐久性高，因此优选。另外，若为将SUS原材料进行纤维化而成的导电性纤维，则从可以确保防锈性、可以简便地进行与电路等连接的终端处理的观点考虑优选。作为后者，使用在尼龙等纤维的周围实施银、铜等金属镀敷而成的导电性纤维；将金属箔加工为带状并缠绕于纤维而成的导电性纤维；通过对纤维喷雾气溶胶状的导电体而使其附着于纤维表面而成的导电性纤维，从提高手感、柔软性的观点考虑优选。此时，导电性纤维由复丝形成从得到良好的导电性的观点、另外从提高强度的观点考虑优选。若替代尼龙而使用聚芳酯、芳族聚酰胺等高强度纤维等则可以进一步提高拉伸强度。或者也可以使用对聚氨酯、硅氧烷等弹性体的周围使用有弹性的金属墨赋予了导电性的线状导电体。此时，可以得到有弹性的纤维构件。另外，作为线状导电体，可以使用将导电性材料和绝缘性材料的混合物形成线状而成的线状导电体。例如若使用将在尼龙、聚酯等树脂中混合碳系导电性材料、金属而成的材料加工为线状得到的材料，则可以得到虽然导电性差但是成本格外低的线状导电体。另外，从虽然手感变差但是低成本化的观点考虑，线状导电体可以为1根或多根的金属线。例如若使用直径30μm～1mm左右这种金属线，则可以格外地提高强度。
从容易得到良好的手感的观点考虑，线状导电体、例如导电性纤维的纤度优选为10dtex～15000dtex、更优选20dtex～5000dtex。另外，为复丝的情况下，从容易得到良好的手感、和容易得到高的导电性的观点考虑，单丝纤度优选为1dtex～30dtex、更优选2dtex～10dtex。对于长丝数，更优选设为10～200。长丝数设为10以上从容易得到良好的手感、另外容易确保良好的导电性的观点考虑优选。但是若长丝数过多则成本升高、刚性也进一步升高，因此手感有可能相反地降低。综合它们，优选设为上述的长丝数的范围。
形成线状导电体的导电性材料可以在成对的2根包芯纱之间使用相同的材料或不同种类的材料，可以将任意的材料组合来使用。接触、载荷、拉伸的传感用途的情况下，使用相同的导电性材料从能够有效地生产的观点考虑优选。进行水分等液体的传感的情况下，若作为成对的2根包芯纱的线状导电体使用不同种类的材料，则在该不同种类材料之间架桥而液体附着时，通过被称为所谓的电池作用的电化学作用而产生电压、电流，因此即使没有电源也能够进行液体的传感。作为不同种类的材料的组合，例如可以使用铁和铜、铁和银、铝和铜、银和铜等任意组合。
本说明书中，作为覆盖材料(也称为包覆丝)的用语“绝缘性纤维”，只要可以将前述的作为芯材的线状导电体中的成对的2根彼此电绝缘则没有特别限制，包含聚乳酸(PLA)等压电体、聚偏二氟乙烯(PVDF)等铁电体。其中，对于包覆丝，为了可以在静置状态下没有间隙地覆盖前述的作为芯材的线状导电体、而不易产生电短路，从覆盖性、传感性能、和手感的观点考虑，优选含有没有不均、可以使覆盖厚度均匀化的复丝绝缘性纤维或绝缘性短纤纱中的任意一种、最优选由复丝绝缘性纤维或绝缘性短纤纱形成。绝缘性纤维的材料，若可以以没有接触、拉伸、液体的接触等传感的作用的状态(空转状态)确保绝缘性则没有特别限制，从成本、获得的容易性的观点考虑，优选为聚酯(PE)、尼龙(Ny、聚酰胺)、环氧系、丙烯酸类等的合成纤维、也可以为纤维素纤维等天然纤维、半合成纤维、再生纤维。另外，作为绝缘性纤维的材料，可以使用聚乳酸(PLA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等压电体、铁电体、生物降解性树脂。若为压电体则可以以空转状态保持绝缘性、并且施加应力时也同时得到对应于其压电特性的输出信号，因此传感器灵敏度升高。其中，从成本方面、形成编织物时的手感等方面考虑，优选使用聚酯、尼龙、丙烯酸类等衣料用中使用的纤维。
另外，通过电阻值的变化进行传感的情况下，作为包覆丝(鞘丝)，可以使用对绝缘性纤维稍微赋予了导电性的材料。此时的鞘丝的导电性的范围若处于可以读取互相接近地配置的2根包芯纱的线状导电体之间的电阻的变化的范围内即可。具体而言，优选互相接近地配置的包芯纱的线状导电体之间的电阻(传感器电阻)的值处于0.5kΩ～5GΩ的范围内，并且传感器电阻值相对于仅线状导电体的电阻(布线电阻)的值为20倍～1×109倍。由此在构成互相接近的2根包芯纱的2根线状导电体之间施加电压时，不会产生电短路，相对于布线电阻值、传感器电阻值充分大，因此可以不会受到布线电阻的影响地正确进行载荷、拉伸力等的检测。传感器电阻值处于0.5kΩ～100MΩ的范围内从读出电路变得简便的观点考虑进一步优选。作为鞘丝材料的电阻率的范围，为104Ω·m～5×109Ω·m从可以容易地满足上述的传感器电阻值的范围的观点考虑优选。
作为稍微赋予了导电性的鞘丝的材料，可以使用在聚酯、尼龙、丙烯酸类等绝缘性材料含有赋予导电性的材料、例如碳系导电性材料、金属颗粒、铜硫化物等金属硫化物、氧化锡系、氧化锌等金属氧化物等而成的材料。或者作为鞘丝，可以将绝缘性纤维和导电性纤维这两者适当混合来使用。例如可以以形成所希望的传感器电阻值的方式选择作为抗静电纤维销售的Clacarbo(Kuraray Co.,Ltd.制、注册商标)、Beltoron(KB SEIREN LTD.制、注册商标)、Thunderlon(日本蚕毛染色株式会社制、注册商标)等来使用。
对于本实施方式的传感纤维构件，作为所使用的覆盖材料(包覆丝)的材质，优选为进一步形成速干性的纤维的组合。特别是进行水分、乙醇等的传感的情况下，通过包覆丝使用速干性的纤维，一旦与水分等接触后能够短时间干燥，因此可以更快地恢复到原来的状态。作为速干性的纤维，也可以使用水分率低的合成纤维，为了兼顾吸水性和速干性能，特别优选将合成纤维和纤维素纤维组合。此时，作为合成纤维，优选为聚酯、尼龙、丙烯酸类等，作为纤维素纤维，优选为棉、麻等天然纤维素纤维、人造丝、高湿模量粘胶纤维(Polynosic)、莱奥塞尔、铜氨纤维、莫代尔(Modal)等再生纤维素纤维、乙酸酯等半合成纤维等，特别优选为复丝长纤维。对于两纤维的组合，在包覆丝中也可以混用两纤维，在后述的双层覆盖中也可以分别利用合成纤维和纤维素纤维覆盖。
从容易确保绝缘性的观点考虑，绝缘性纤维的纤度优选为15dtex～25000dtex、更优选30dtex～8000dtex。另外，为复丝的情况下，从更容易得到良好的手感的观点考虑，单丝纤度优选为1dtex～10dtex、更优选2dtex～8dtex。
包芯纱的制造方法也没有特别限制，可列举出例如专利文献9中记载的以下的方法。
图10为将卷绕有包覆丝(14)的线轴设置于安装有双脚衬锭(12)的覆盖装置并运转时的示意图。图11表示图10的B部的放大图。芯丝9穿过中空锭子10的中空部、穿过上方的蜗式导丝器(没有图示)、利用卷取辊(没有图示)卷取。包覆丝14向双脚衬锭12的一脚导丝器15和16穿过，通过中空锭子的旋转(线轴的调谐)自线轴解舒，包覆丝14边被卷绕于芯丝9边穿过蜗式导丝器，进行卷取。将衬锭12的脚数设为2条的理由在于，衬锭旋转时获得衬锭12的平衡。
也可以进行将上述覆盖装置在纵方向排列2段，由2个线轴依次覆盖2种包覆丝(种类可以相同或不同)的所谓的双层覆盖。此时，若在相同方向覆盖各包覆丝(2种包覆丝均为S捻、或均为Z捻)则可以使厚度均匀、并且切实地掩埋绝缘性纤维的间隙，可以改善传感性能，特别优选。
从容易改善手感和覆盖性的观点考虑，包覆丝也可以为假捻加工丝(仿毛丝)。
图2、图3中，作为本实施方式的传感纤维构件，示出将2根包芯纱(7)设为加捻丝的一例。此时，优选前述互相接近地配置的2根包芯纱(7)中的、配置于作为芯材的线状导电体(5)的周围的覆盖材料(包覆丝)(6)的卷绕方向相同，该2根包芯纱为彼此在与该复丝绝缘性纤维的卷绕方向相反的方向被合股加捻而成的多股线(8)。通过合股加捻(在与覆盖的卷绕方向相反方向加捻)，所完成的丝的转矩变弱，制造工序中的处理变得容易。另外，若为多股线则当然前述2根包芯纱互相接近地配置，另外该2根包芯纱具有彼此交叉的接点。
前述包芯纱的以下的式子：
捻系数K＝(SS+SC)1/2×R
{式中，SS为作为芯材的线状导电体的纤度(dtex)，SC为覆盖材料的总纤度(dtex)，R为覆盖材料的卷绕数(捻数)(次/m)}。
所示的捻系数K优选为7000以上且30000以下。若捻系数K为7000以上则不易产生2根线状导电体彼此的电短路，另一方面若为30000以下则得到大的传感器输出变得更容易。需要说明的是，双层覆盖的情况下，设为算出第一层和第二层各自的覆盖时的捻系数、进行平均而得到的值。
本实施方式的传感纤维构件如图4示出一例那样，可以形成在机织物的一方向连续存在上述多股线的窄幅机织物形状。图4的例子中，在窄幅机织物的宽度方向的中央部作为经丝机织织入有多股线，但是也可以将多股线用于经丝、纬丝中的任意一者或两者，只要根据想要传感的部位数以任意根数配置即可。从连续生产的观点考虑，优选在经丝的一部分配置该多股线。由此可以感知对机织织入有该多股线的部分的物体的接触或载荷、和/或液体的接触、或湿度的变化。在窄幅机织物的一部分机织织入有多股线的情况下，纤维构件的形状形成带状，因此与仅多股线的情况相比，具有容易安装于衣服、包等纤维产品的优点。配置有多股线的机织物的宽度优选为1～200mm、更优选5～30mm。该多股线以外的丝使用没有特别限定，对于机织组织也没有特别限定。另外，可以以配置有本实施方式的纤维传感构件的布帛等的静电对策的目的，在上述多股线的周围卷绕混合有导电性材料的抗静电丝、并将该丝埋入到机织物。作为抗静电丝，使用每单位长度的电阻值为106～1010Ω/cm左右的抗静电丝，可列举出例如KB SEIREN LTD.制的“Beltoron(注册商标)”CarbonBeltoron类型、White Beltoron类型、KurarayCo.,Ltd.制的“Clacarbo(注册商标)”等。另外，配置有本实施方式的纤维传感构件的布帛中，在该构件的附近、配置有多个的该构件之间配置上述抗静电丝，由此可以得到同样的效果。
另外，也可以形成符合经纬配置有多根上述多股线的机织物形状(参照图5)。图5中，平行地配置5根经丝、在左右机织织入纬丝来配置，但是前述线带样的机织物形状不限于上述结构。例如可以构成在宽度150cm～200cm左右、长度50m左右的机织物中，经丝、纬丝均以5～10cm间距机织织入上述多股线而成的传感纤维构件。若使用这种机织织入有多根多股线的传感纤维构件，则可以同时计测各多股线的位置处的载荷，因此可以映射计测所施加的载荷的位置。也能够将上述传感纤维构件例如用于床垫、床单、枕套等而计测人体的有无、活动。
或者也可以形成在经丝和纬丝配置有上述包芯纱的机织物。此时，在该经纬丝的交叉部分，将两根包芯纱接近来配置，因此在该部分表现出前文所述的传感功能、可以作为传感纤维构件适用。上述机织物的形状也可以使用图5所示的形状等任意形状。
另外，可以将上述多股线配置于针织物。或者也可以配置两根以上的上述包芯纱、使其部分地接近或交叉、表现出传感功能。
进而也存在布帛缝制时、刺绣时的缝纫机上丝和下丝使用上述包芯纱的方式。由此在布帛的上下配置包芯纱各1根、在该包芯纱的接近点表现出上述传感功能、可以作为传感纤维构件适用。
构成上述的机织物、针织物等布帛的情况下，成对的2根包芯纱的线状导电体，更优选在其电极取出部(向电路的安装部分)，一者在布帛的表侧取出、另一者在布帛的里侧取出。特别是优选将电压施加用的线状导电体全部在布帛的相同侧取出、将信号输出用的线状导电体对该相反侧取出。该优选例中，将多根包芯纱的线状导电体电连接并施加电压，另外独立读出各信号的情况下，具有能够更节省空间地实现它们的电短路、短路防止这种优点；由于安装简单而生产率改善这种优点。
另外，图6为用于测定对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的复丝绝缘性纤维来进行覆盖而成的2根包芯纱之间的电阻变化的装置系统的示意图。在成对的2根包芯纱的末端断开导电性纤维，对其供给电压、电流的同时，连接可以测定电压、电流、电阻的源测量计(SMU、源测量单元)，从而可以测定成对的包芯纱之间的电阻。或者也可以不使用上述测定仪器，而制作包含模拟/数字转换电路、电流电压转换电路、放大器电路等的读出电路，使用其测定电阻。不希望受到特定的理论限制，但是可以认为，介于成对的包芯纱之间的绝缘性纤维由于为在空转状态下绝缘性高的物质，考虑到2个线状导电体彼此的距离非常短时的对其的载流子注入的情况下，例如依据以下的Mott-Gurney的式子：
{式中，I为电流、ε为绝缘体的介电常数、μ为载流子迁移率、V为电压、L为线状导电体之间的距离}所示的空间电荷限制电流(Space Charge Limited Current)。此时，电流I与距离L的三次方成反比例增大。因此，若作为覆盖材料的绝缘性纤维由于接触或载荷而变形，则可以将上述变形作为电流I的变化、也就是说作为电阻的变化灵敏度良好地检出。例如本実施方式的一例中，相对于传感部分的面积8.75mm2使用绝缘体施加约3N的载荷(相当于压力3.43×105Pa)的情况下，R由3.5GΩ变化为1.5GΩ，ΔR/R为-57％，得到非常大的变化量。
如上所述，也可列举出依据空间电荷限制电流的理论作为传感原理之一，作为传感原理，也考虑到通过载荷、拉伸的施加，鞘丝彼此更紧密接触，接点数增加，由此在鞘丝流通的微电流增加这种原理。以下对这种原理进行说明。原理如下：若构成本发明的鞘丝的绝缘性纤维为理想的绝缘体则在2根线状导电体之间完全不流通电流，与此相对地，现实的绝缘体如已知其电阻率为106～109Ω·m那样具有极少的导电性。绝缘性聚合物内的导电机理作为电子、离子往复局部的状态的漂移电导已知。绝缘性聚合物中理想上不存在带电粒子，但是实际的聚合物材料中含有在制造工序导入的催化剂、水分等杂质，与施加有起因于这些杂质的解离离子的电场反应而移动，产生微弱的电流。如此对于具有极少的导电性的鞘丝被配置于接近的2根线状导电体之间的结构体施加载荷、拉伸力的情况下，通过构成鞘丝的多根纤维彼此更密切接触，相互的电接触点增加，微弱电流的值增大。由此传感器电阻值降低、可以进行载荷、拉伸的检测。
成对的包芯纱之间的电特性的测定原理可以通过图2、图12所示的由电阻(R)和电容器(C)构成的等效电路考虑。
通过电阻值的变化读取传感信号的情况下，作为图12所示的电源，可以使用直流电源。
读取静电电容的变化的情况下，若作为电源使用交流电源，对成对的包芯纱之中的线状导电体之间提供频率f的交流，检出其间的阻抗变化即可。为了计测静电电容，若使用极其一般的计测器、电路即可，例如可以使用LCR仪表、阻抗分析器等计测仪器。或者也可以组合使用准备成为参照信号的交流信号、通过将输出信号和参照信号相乘、进行频率解析的锁定放大器电路。此时，具有可以精度更良好地计测静电电容的微小变化这种优点。或者也可以采用下述方法：为了读出静电电容的变化，作为电源，使用直流电源，对2根线状导电体之间施加电压，读取其间的阻抗的时间变化(监视电流值变化)。使用直流电源的情况下，具有可以利用非常廉价的电路计测这种优点。在此，2个电极之间的静电电容可以通过下述式子记述：
C＝ε(S/L)
{式中，ε为2个电极之间的介电常数、S为电极面积、L为电极之间的距离}。
由上述式C＝ε(S/L)，静电电容C与导体之间的距离L成反比例、与电极面积成比例。成为接触等的检测对象的物体为没有带电的绝缘体的情况下，成对的线状导电体之间的距离减小，电极面积几乎没有变化，因此静电电容增大，由此可以检测物体的接触。另外，所接触的物体为导电性的情况下，进一步施加因物体的接触所造成的寄生电容，因此产生静电电容的变化。例如先前所述的本实施方式的一例(ΔR/R为-57％的例子)中，使用绝缘体施加约3N的载荷时，C由3.31pF变化到3.53pF、ΔC/C成为6.7％。另外使用接地了的导电性材料施加约3N的载荷时，C由3.31pF变化到3.01pF、ΔC/C成为-8.9％。
所接触的物体具有导电性的情况下，寄生电容增加、以及电荷对接地的泄漏增大，由此表观上的静电电容减小。如此通过读取因接触或载荷造成的静电电容的变化，也能够检测接触或载荷。该例子中，也会由于图12中的静电电容的变化而电阻值的变化增大，这是由于，静电电容的变化如上述式子所示那样与L成反比例，与此相对地，在电极之间流通的电流值的变化例如与L3成反比例等，电极之间距离L越小则电流值的变化越大。需要说明的是，在本实施方式中的2个线状导电体之间，包覆丝和外部气体(外部气体：大气中的情况下为大气、真空中的情况为真空、置换气体中的情况下为该置换气体等)作为绝缘体存在，在其间流通的电流的原理根据电极之间的距离、施加电压、外部气体的湿度等条件不同。例如除了前文所述的空间电荷限制电流之外，还能够采用漏电流、离子性的传导等各种原理，可以将电阻值的变化或静电电容的变化中的任意一者或两者作为输出信号读出。
本实施方式的传感纤维构件由于源自外部的作用而2个线状导电体之间的阻抗变化，可以检测该源自外部的作用。例如通过接触、载荷的施加而2个线状导电体之间的距离变化，由此2个线状导电体之间的电阻值和或静电电容(即阻抗)变化，因此可以检测接触、载荷。另外，源自外部的作用为拉伸力、弯曲应力的情况下，也由于线状导电体之间的距离变化、产生阻抗变化，因此可以检测该外部作用。或者在2个线状导电体之间含有能够产生其间的阻抗变化的物质的情况下，可以检测该物质的有无。例如在2个线状导电体之间滴加自来水等并非超纯水的水、食盐水、离子饮料、水和乙醇的混合物等的情况下，该线状导电体之间的电阻值大幅降低而其间的电流值增大，因此可以检测这些液体的有无。另外，湿度变化时也同样地产生阻抗变化，因此可以作为湿度传感器使用。
或者也可以同时检测接触、载荷的施加、和水分等液体的接触。载荷施加时和滴加水分时的电阻值变化量，如后文所述那样存在5倍以上的不同，另外，随着水分干燥而输出量每时每刻变化，因此能够由输出值的行为区别这些检测。上述实施方式中，例如通过在床垫构成机织织入有多根的前文所述的多股线的机织物，能够同时将进行需要护理者等床使用者的活动、和水润湿、漏尿等的检测。
以下的实施例中，作为本实施方式的传感的例子，说明物体对该传感纤维构件的接触或载荷的感知、和/或液体(自来水、乙醇和水的混合液)对该传感纤维构件的接触的感知。
实施例
以下列举出实施例、比较例对本发明的一例进行说明，但是本发明不被这些实施例限定。
以下的实施例、比较例中使用的各特性值的测定方法如以下所述。
(1)电阻值(电流)的测定
接近的2根包芯纱的2根线状导电体之间的电阻值如下测定：在包芯纱的一末端将2个线状导电体电断开，对另一末端的2个线状导电体之间供给电压、电流的同时，连接可以测定电压、电流、电阻的源测量计(SMU：源测量单元、Keithley公司的2614B)，由此进行测定。在2根线状导电体之间施加恒定的电压，使用总是监视利用源测量计输出的电流值的自制程序，计测载荷施加前后的电流值。多股线的情况下，制作成对的线状导电体部分的长度(传感有效的长度)设为10cm的样品，测定传感特性。
(2)载荷施加
在对样品(例如多股线的2根导电性纤维之间)施加电压的状态下，测定对于施加载荷的电流变化。此时的载荷施加如以下那样进行。
在平坦的台上放置传感纤维构件，由其上使用测力计(IMADA公司制、满量程(full-range)20N)施加载荷，监视此时的载荷值。压头使用圆形且φ12.5mm的压头。
仅供参考，载荷的基准如以下所述：
0.5N以下：极少接触的状态。
2～5N：用指头轻轻按压的状态。
～10N：用指头按压的情况下，按压相当强的状态。
(3)接触/载荷传感特性
通过以下的评价基准判定接触/载荷传感特性：
(评价基准)
将没有接触、载荷时的2根线状导电体之间的电流值设为I、对纤维构件施加载荷的部分的面积设为8.75mm2(直径12.5mm×平均纤维直径0.7mm)、利用上述(2)的方法施加3N的载荷时的电流值与I之差设为ΔI时：
◎：ΔI/I为20％以上。
〇：ΔI/I为1％以上且小于20％。
×：不能检测。
(4)水分传感特性
通过以下的步骤测定对于水分的多股线的传感特性。
使用与前述(1)的电阻值的测定相同的方法，在多股线的成对的导电性纤维之间施加10mV，监视电流值。
使用喷雾器将自来水喷雾到样品，监视此时的电流值变化。
然后用厨房用纸擦拭，利用干燥器干燥，确认电流值是否恢复到原来。
通过以下的评价基准判定水分传感特性：
(评价基准)
◎：ΔI/I为100％以上、并且电流值恢复到原来的值的±20％以内。
△：ΔI/I为1％以上且小于100％。或者电流值没有恢复到原来的值的±20％以内的值。
×：不能检测。
(5)手感
通过以下的评价基准，使实施例和比较例中得到的丝或编织物接触并摩擦测定者的手腕时的触感作为手感判定：
(评价基准)
◎：柔软、几乎没有对手腕的刺激。
〇：稍微具有对手腕的刺激(粗糙、硬梆梆感)。
△：粗糙感强、摩擦手腕的感觉强。
×：硬梆梆而不舒适感大、作为衣料不合适。
[实施例1]
作为线状导电体，使用由对尼龙66纤维实施镀银而成的复丝形成的导电性纤维。使用尼龙纤维的纤度为220dtex、镀银后的纤度为300dtex、长丝数为68根的上述导电性纤维作为线状导电体。
将上述线状导电体作为芯丝、鞘丝使用由聚酯形成的纤维来制作双重包芯纱。覆盖条件如下：鞘丝使用将聚酯252dtex/108长丝的仿毛丝使用2个线轴分别进行Z捻、捻数为Z732T/m的鞘丝。将所得到的双重包芯纱2根汇总进一步进行S捻，制作捻数为S170T/m的多股线。该绝缘性纤维的纤度为2000dtex。本多股线的捻系数K＝(300+252×2)1/2×732＝20756。
对上述得到的多股线施加载荷时的电流值(传感器输出)的变化状态、施加载荷与电流值变化率的关系分别如图7和图8所示。由这些图所示的结果判断本多股线作为接触传感纤维构件是有用的，使用上述得到的多股线评价施加载荷时的传感特性等。接触/载荷传感特性、手感、和水分传感特性的结果如以下的表1所示。
[实施例2]
作为覆盖丝，使用由280dtex/48f的聚乳酸形成的复丝，除此之外与实施例1同样地制作多股线。接触/载荷传感特性、手感、和水分传感特性的结果如以下的表1所示。
[实施例3]
作为覆盖丝，使用由276dtex/96f的尼龙形成的复丝，除此之外与实施例1同样地制作多股线。接触/载荷传感特性、手感、和水分传感特性的结果如以下的表1所示。
[实施例4]
作为线状导电体，使用利用锡镀层覆盖软铜线的表面、将其周围进一步利用PTFE(聚四氟乙烯)树脂覆盖而成的直径260μm(金属部分的直径为76μm)的金属线，除此之外与实施例1同样地制作多股线。接触/载荷传感特性、手感、和水分传感特性的结果如以下的表1所示。
[比较例1]
在实施例1中，替代覆盖丝，使用利用厚度2mm的绝缘性乙烯基树脂进行了表面覆盖的电线2根，制作合股加捻而成的样品。接触/载荷传感特性、手感、和水分传感特性的结果如以下的表1所示。
[比较例2]
作为线状导电体，使用与实施例4相同的金属线，使用利用厚度100μm的特氟龙(注册商标)树脂覆盖的电线2根进行合股加捻，除此之外与比较例1同样地制作样品。接触/载荷传感特性、手感、和水分传感特性的结果如以下的表1所示。
[实施例5]
将实施例1中得到的多股线1根配置于经丝，除此之外的经丝使用仿毛聚酯丝334dtex/96f、纬丝使用仿毛聚酯丝167dtex/48f，作为缠绕丝，使用仿毛聚酯丝84dtex/36f，制作在宽度方向的大致中央部配置有多股线的宽度10mm、厚度450μm、单位面积重量2.14g/m2的窄幅机织物。接触/载荷传感特性、手感、和水分传感特性的结果如以下的表1所示。
[实施例6]
使用实施例2中得到的多股线，除此之外与实施例5同样地制作窄幅机织物。接触/载荷传感特性、手感、和水分传感特性的结果如以下的表1所示。
[实施例7]
使用实施例1中得到的包芯纱5根作为经丝、1根作为纬丝，以图5所示的机织物结构得到尺寸1cm×10cm、厚度850μm的窄幅机织物。
对本机织物的该包芯纱交叉部附近利用指头施加载荷、此后提供拉伸时的电流值(传感器输出)的经时变化如图9所示。由此判断本机织物作为接触传感纤维构件是有用的，使用上述得到的机织物评价施加载荷时的传感特性等。接触/载荷传感特性、手感、和水分传感特性的结果如以下的表1所示。
[表1]
【表1】
[实施例8]
使用构成线状导电体的尼龙66纤维的纤度为66dtex、长丝数为14根的线状导电体作为线状导电体，作为覆盖丝，使用纤度为100dtex的Clacarbo(Kuraray Co.,Ltd.制、KC-782R B20T4)，除此之外与实施例1同样地制作多股线。鞘丝的覆盖时的捻数设为1570T/m、制作多股线时的捻数设为280T/m、所完成的多股线的纤度为1270dtex。以10cm长度切出的多股线的传感器电阻值为2.1kΩ、10cm长度线状导电体的电阻值为20.0Ω。即，多股线传感器的电阻值与布线电阻的比率为约105倍。接触/载荷传感特性、和手感的结果如以下的表2所示。
[实施例9]
将覆盖丝设为240dtex的Carbon Beltoron B31(KB SEIREN LTD.制)、鞘丝的覆盖捻数设为653T/m、合股加捻时的捻数设为250T/m，除此之外与实施例8同样地制作多股线。所完成的多股线的纤度为1260dtex。10cm长度的多股线的传感器电阻值为10.0MΩ、10cm长度的线状导电体的电阻值为20.0Ω，多股线传感器的电阻值与布线电阻的比率为约5×105倍。接触/载荷传感特性、和手感的结果如以下的表2所示。
[表2]
【表2】
产业上的可利用性
本发明的接触传感纤维构件能够实现长尺寸时的加工、批量生产性优异、能够作为机织物、经编的经丝使用、柔软且手感优异、并且与以往的使用了压电材料的对于接触的接触传感纤维构件(压电丝)相比成本格外低。即，本发明的接触传感纤维构件，由于无需特殊的压电材料，能够使用作为一般的纤维材料的聚酯、尼龙等来实现载荷的传感，因此可以以非常低的成本实现接触传感纤维，另外由于使用作为技术确立的纤维加工技术的覆盖技术，能够实现长尺寸时的加工、批量生产性优异、进而与压电丝相比可以实现手感非常良好的加工丝，因此对机织物、针织物等的纤维构件的加工变得容易。
本发明的接触传感纤维构件由于不仅静电电容变化、电阻值也变化，因此可以检测连续地施加载荷的状态。
因此，本发明的接触传感纤维构件能够广泛用于在具有柔软性、伸缩性的纤维基材上设置有电功能元件的智能纺织品用途、例如若踩踏则能够检测的地毯、人的出入检测用防犯垫、人数计数用垫等、接触传感编织物、例如看护、护理等的现场中的监视传感器、将工厂等生产现场中的触觉数据化并传递的传感器、对车用安全带等的传感器埋入用构件、例如对车用安全带、方向盘、仪表板等的接触传感器(生物体传感器)的埋入、人的在/不在的检测传感器、后部座椅的孩子的放置防止、监视传感器等各种用途。
附图标记说明
1 导电性纤维
2 压电材料
3 导体
4 现有技术的压电丝
5 作为芯材的线状导电体
6作为覆盖材料(包覆丝)的绝缘性纤维
7包芯纱
8将包芯纱合股加捻而成的多股线
9芯丝(芯材)
10 锭子
11 线轴
12 衬锭
13 衬锭盖
14 包覆丝
15 衬锭脚导丝器
16 衬锭脚导丝器
17 衬锭脚导丝器
18 衬锭脚导丝器

Claims (15)

1.一种传感纤维构件，其特征在于，其为具有至少2根包芯纱，其中的2根互相接近地配置的传感纤维构件，所述包芯纱是对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的，
读取该互相接近地配置的2根包芯纱的线状导电体之间的电阻的变化和/或静电电容的变化。
2.根据权利要求1所述的传感纤维构件，其中，所述绝缘性纤维含有复丝绝缘性纤维或绝缘性短纤纱中的任意一种。
3.根据权利要求1或2所述的传感纤维构件，其中，所述传感纤维构件感知物体对该传感纤维构件的接触或载荷。
4.根据权利要求1或2所述的传感纤维构件，其中，所述传感纤维构件感知该传感纤维构件的伸缩或弯曲变形。
5.根据权利要求1或2所述的传感纤维构件，其中，所述传感纤维构件感知液体对该传感纤维构件的接触或湿度的变化。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的传感纤维构件，其中，所述包芯纱的以下的式子所示的捻系数K为7000以上且30000以下：
捻系数K＝(SS+SC)1/2×R
式中，SS为作为芯材的线状导电体的纤度(dtex)，SC为覆盖材料的总纤度(dtex)，R为覆盖材料的卷绕数(捻数)(次/m)。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的传感纤维构件，其中，所述包芯纱为利用2根覆盖材料将作为芯材的线状导电体的周围覆盖而成的双包包芯纱，该2根覆盖材料的卷绕方向为相同方向。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的传感纤维构件，其中，所述互相接近地配置的2根包芯纱具有彼此交叉的接点。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的传感纤维构件，其中，所述作为芯材的线状导电体为复丝导电性纤维。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的传感纤维构件，其为配置有至少2根以上所述包芯纱的机织物。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的传感纤维构件，其为配置有至少2根以上所述包芯纱的针织物。
12.根据权利要求1～9中任一项所述的传感纤维构件，其中，所述互相接近地配置的2根包芯纱中的复丝绝缘性纤维的卷绕方向相同，该2根包芯纱为彼此在与该复丝绝缘性纤维的卷绕方向相反的方向被合股加捻而成的多股线。
13.一种机织物，其机织织入有作为多股线的权利要求12所述的传感纤维构件。
14.一种针织物，其针织织入有作为多股线的权利要求12所述的传感纤维构件。
15.一种传感纤维构件，其为具有至少1根包芯纱，用于感知物体的接近或接触的传感纤维构件，所述包芯纱是对作为芯材的线状导电体的周围沿一方向卷绕作为覆盖材料的绝缘性纤维来进行覆盖而成的，
根据该至少1根包芯纱的线状导电体与接地之间的因该物体的接近或接触造成的静电电容的变化，感知物体对该传感纤维构件的接近或接触。
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