JP2002203996A - 圧電性ファイバおよび圧電性織物デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対象面における任意の場所の歪みを、その面
が例え平面でなくとも、対象面によくフィットしつつ、
比較的少ない信号線で測定できる新規なセンサ、あるい
は対象面の任意の場所に歪みを与えることができる新規
な駆動のためのデバイスと、その原材料であるファイバ
ー状材料とを提供すること。 【解決手段】 圧電性の材料より成るかあるいは圧電材
料を含浸させ圧電性を付与された柔軟性のある紐状であ
って、その表面には長手方向に沿って平行に設けた複数
の電極膜を有する圧電性ファイバ。またこの圧電性ファ
イバを素材糸の一部または全部として用いて織物とし、
各々の前記表面電極を前記素材の変形を検出する検出端
子あるいは前記素材に変形を与える電力を印加する駆動
端子に接続したことを特徴とする圧電性織物デバイス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電性を有するファ
イバおよび圧電性を有する織物状のデバイスに関する。
なお圧電性を有する織物状のデバイスを圧電テキスタイ
ルと呼称してもよいであろう。

【０００２】

【従来の技術】力（歪み）の検出センサ用あるいは逆に
力（歪み）を与えるアクチュエータとしての圧電素子デ
バイスは多種多様な形態および構造のものが提案され実
用化されているが、従来、それらは主にＰＺＴ等の圧電
性磁器材料より成る剛性の高い弾性材料を用いて形成さ
れてきた。従って、用途も剛性の高いデバイスが適用で
きる範囲に限られていた。即ち剛性の高い圧電素子によ
ってもある点での力（歪み）の検出は可能であるが、か
なりの広さのある面内での位置による歪み情報を得るた
めには、多数の素子を各場所に分布的に配置しなければ
ならない。

【０００３】また従来、例えば人間の腕や手首やその指
の運動を検出する場合、それぞれの指先など要所要所に
加速度センサや角速度センサ（振動ジャイロスコープ）
を多数取り付けてそれらからの信号を集めて解析してい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の剛性の高い圧電
素子による検出では、広い面の任意の部分の歪み情報を
得るのに、多数の圧電素子を各測定点毎に配置しなけれ
ばならず、全体構造が複雑にならざるを得なかったし、
また各素子からの信号線も多数必要であった。また凹凸
のある物体や変形する物体例えば人体の表面の局部的な
歪みを検出するには多数の測定点に個々の圧電素子を直
接貼らねばならず、測定の準備をすることさえ甚だ困難
であった。また面内に剛体のセンサを多数配置した検出
デバイスはそれらが人体の運動を妨げる。特に指の運動
を検出するために指先に取り付けたセンサは肝心の指先
の微妙な運動の妨害になっていた。

【０００５】また凹凸のある、または変形性の大きい面
の任意の場所に歪みを与える駆動を行うデバイスを考え
てみても、やはり多数のバイモルフ構造の剛性のある圧
電素子等を変形しうる織物などの表面に分布させかつ各
々歪みが検出可能なように配設せねばならず、面への装
着上も使用の自由度においても極めて不満足な駆動デバ
イスしか得られないことは明らかである。

【０００６】本発明の目的は、広い面における任意の場
所の歪みを、その面に多少の凹凸があっても、面によく
フィットしつつ、その変形を測定できる新規なセンサ、
あるいは面の任意の場所に歪みを与えることができる新
規な駆動のためのデバイスと、その原材料に適した圧電
性ファイバとを提供することである。また本発明の更な
る目的は、上記面の変形の測定あるいは面の駆動を比較
的少数の信号線で行うことができるセンサ、あるいは駆
動デバイスを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の圧電性ファイバは次の特徴のいずれかを備え
る。 （１）圧電性の材料より成り圧電性を付与された柔軟性
のある紐状の素材であって、該紐状の素材の表面には長
手方向に沿って設けた電極膜を有すること。 （２）圧電性のない材料に圧電性の材料を含浸させて圧
電性を付与された柔軟性のある紐状の素材より成り、該
紐状の素材の表面には長手方向に沿って設けた電極膜を
有すること。

【０００８】本発明の圧電性ファイバは更に以下の特徴
の少なくとも一つを備えることがある。 （３）前記圧電性の材料としてポリフッ化ビニリデンを
用いたこと。 （４）前記圧電性ファイバは矩形または偏平な断面形状
を有し、前記電極膜は複数本であって前記圧電性ファイ
バの断面形状における対向する表面にそれぞれ設けられ
たこと。 （５）前記圧電性ファイバは矩形または偏平な断面形状
を有して積層された複数の層より成り、該複数の層に挟
まれた更なる電極膜を有すること。

【０００９】上記目的を達成するため本発明の圧電性織
物デバイス（圧電テキスタイル）は次の特徴を備えるこ
とがある。 （６）上記（１）ないし（５）のいずれかの圧電性ファ
イバを素材糸の一部または全部として用いて織物とし、
各々の前記表面電極を前記素材の変形を検出する検出端
子あるいは前記素材に変形を与える電力を印加する駆動
端子に接続したこと。

【００１０】本発明の圧電性織物デバイス（圧電テキス
タイル）は更に以下の特徴の少なくとも一つを備えるこ
とがある。 （７）上記（１）ないし（５）のいずれかの圧電性ファ
イバを前記織物の縦糸および／または横糸とした織物よ
り成ることを特徴とする請求項６の圧電性織物デバイ
ス。 （８）歪み検出用の前記圧電性ファイバと駆動用の前記
圧電性ファイバとを交互にかつ平行に設けたこと。

【００１１】上記目的を達成するため本発明の圧電性織
物デバイス（圧電テキスタイル）は次の特徴を備えるこ
とがある。 （９）柔軟性のある布状の素材に圧電性材料を含浸さ
せ、前記素材の少なくとも一面に縞状に電極膜を形成
し、前記電極膜の各々を前記素材の変形を検出する検出
端子あるいは前記素材に変形を与える電力を印加する駆
動端子に接続したこと。

【００１２】本発明の圧電性織物デバイス（圧電テキス
タイル）は更に以下の特徴の少なくとも一つを備えるこ
とがある。 （１０）複数の前記圧電性織物デバイスを密接積層した
こと。 （１１）前記２枚の前記圧電性織物デバイスの接合面に
も電極膜を設けたこと。 （１２）前記圧電性織物デバイスの外側の両面に設けら
れた縞状電極は互いにほぼ直交していること。 （１３）前記縞状の電極は、交互に設けた検出用の電極
と駆動用の電極とより成っていること。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
である、圧電性ファイバを織って構成した圧電性織物デ
バイスの部分斜視図（ａ）および本発明の圧電性ファイ
バの実施の形態の一例の拡大断面図（ｂ）である。１１
は圧電性ファイバであり、これを縦糸１１ａおよび横糸
１１ｂとして織り、圧電性織物デバイス１２を形成して
いる。圧電性ファイバ１１は拡大断面図（ｂ）に示すよ
うに、圧電性を有しかつ従来のセラミック材料などより
も剛性が小さく伸縮性、柔軟性がある材料より成り、偏
平な断面で長い紐状圧電材料１１１の上下の平らな面に
それぞれ対向するように電極膜１１２を形成し、それら
を絶縁皮膜１１３で覆って保護し、他のファイバの電極
から電気的に絶縁した構造を有する。

【００１４】紐状圧電材料１１１はポリフッ化ビニリデ
ン等の高分子圧電材料より成るか、あるいは通常の圧電
性のない繊維に圧電材料を含浸させたものである。そし
て例えば長手方向の伸縮に対して対向している電極に圧
電気を発生するように分極処理されている。電極膜１１
２は紐状圧電材料１１１の長手方向に沿ってその全長あ
るいは十分な長さに渡って設けられる。本例のように偏
平な断面形状を用いると、織物にする際ファイバーが捩
じれ難くなり、織物の変形と圧電効果の方向性との関係
が圧電織物デバイス内で場所によって反転したりせず一
様に保たれる効果がある。

【００１５】図１の本発明の第１の実施の形態である圧
電性織物デバイスの作用について述べる。圧電性織物デ
バイス１は任意の変形する被測定面に貼着されているも
のとする。圧電性織物デバイス１は柔軟な圧電性ファイ
バ１１で織ったものであるから比較的伸縮性に富んでお
り測定対象面によくなじみ密着するので、被測定面が変
形すると、その変形部分に接している圧電性ファイバ１
１が伸縮し、それに応じた圧電気がそのファイバの紐状
圧電材料１１１を挟む電極膜１１２に発生する。従っ
て、多数の縦糸１１ａと横糸１１ｂに発生する圧電気を
個々に走査し監視していれば、電圧を生じた縦糸１１ａ
と横糸１１ｂの位置と電圧の大きさをコンピュータで集
計し解析することにより、被測定面のどの部分にどの程
度の大きさの歪み（変形）が生じたかを知ることができ
る。

【００１６】また圧電性織物デバイス１を貼着した被駆
動面の任意の場所を駆動し、被駆動面に部分的に変形
（歪み）を与える場合を考える。駆動したい場所に接し
ている圧電性ファイバ１１の縦糸１１ａと横糸１１ｂの
それぞれの対向する電極膜１１２に適当な駆動電圧を与
えることによって、該当する圧電性ファイバ１１を伸縮
させ、それらに接している被駆動面を変形させることが
できる。駆動する縦糸１１ａと横糸１１ｂを選択し、そ
れらに適当な駆動電圧を与えれば、被駆動面の任意の部
分を所定量だけ変形させることができる。

【００１７】図２は本発明の第２の実施の形態である含
浸式の圧電性織物デバイス２の、断面図を含む分解斜視
図である。５つの図のうち（ａ）は完成した圧電性織物
デバイスの断面図である。他はすべて斜視図で、（ｂ）
は上織物２１の上面、（ｃ）はその下面、（ｄ）は下織
物２２の上面、（ｄ）はその下面を示す。上織物２１の
主体である圧電シート２１ａは通常の織物（例えば衣類
等に用いられるような布地あるいは不織布のような素材
でもよい）に例えばポリフッ化ビニリデンのような圧電
性材料を含浸し分極処理することによって圧電性が付与
されている。そして圧電シート２１ａの下面には全面電
極膜２１ｂが真空蒸着やスクリーン印刷等の手法によっ
て形成され、上面には多数の平行なストライプ状電極膜
２１ｃが同様な手法によって形成されている。前記分極
処理は圧電シート２１ａの面が伸縮する際、全面電極膜
２１ｂとストライプ状電極膜２１ｃとの間に圧電気によ
る偏極が発生するようになされる。

【００１８】下織物２２は上織物２１と同様な材質構成
であるが、圧電シート２２ａの上面側に全面電極膜２２
ｂ、下面側にストライプ状電極膜２２ｃが形成されてい
る。そして断面図に示すように上織物２１と下織物２２
は全面電極膜２１ｂ、２２ｂの面で接着され、１枚のシ
ート状デバイスとされる。このときストライプ状電極膜
２１ｃ、２２ｃはシート状デバイスの上下面にあるが、
両者のストライプの方向は直交するように接着される。
ストライプ状電極膜２１ｃ、２２ｃは検出信号を取り出
しあるいは駆動信号を印加するための電極となり、一体
化された全面電極２１ｃ、２２ｃはそれらの信号に対す
る基準電位を与えるものである。

【００１９】次に図２の本発明の第２の実施の形態であ
る含浸式の圧電性織物デバイス２の作用を説明する。こ
の圧電性織物デバイス２が接着あるいは圧着される対象
物の表面が変形し、例えば部分的に凸となると、該凸部
分に接した圧電シート２１ａ、２２ａが伸び、ストライ
プ状電極２１ｃ、２２ｃ群の一部には電位基準となる全
面電極膜２１ｂ、２２ｂに対して圧電効果により電圧が
発生する。ストライプ状電極２１ｃと２２ｃとは直交し
ているので、その一方をＸ座標に対応させ、他方をＹ座
標に対応させ、それぞれ何番目のファイバからどのよう
な信号が発生しているかを各電極を走査して知ることに
より、変形部位や変形程度、即ち変形の分布を知ること
ができる。

【００２０】図３は本発明の圧電性織物デバイスの端子
部分の構造における実施の形態の一例を示し、（ａ）は
部分斜視図、（ｂ）は部分平面図である。１は圧電性織
物デバイスの一部で、本発明の第１の実施の形態におい
て説明したものと同様に、偏平な圧電性ファイバ１１を
織って布状にしたものである。各圧電性ファイバ１１の
末端は絶縁皮膜１１３（図示せず）を除去して電極膜１
１２（図示せず）を露出させ、この露出部分にフレキシ
ブルプリント基板３１、３２、３３、３４の表面の導電
パターンの電極パッド３５部分を対面させ、半田づけ、
導電接着、圧着等により接合してある。（絶縁皮膜１１
３を除去せず電極パッド３５との容量結合させることも
できる。）

【００２１】フレキシブルプリント基板３１および３４
の導電パターンは共通電極（基準電極）用であり、電極
パッド３５のリード線３６ａは共通で１本である。フレ
キシブルプリント基板３２および３３の導電パターンは
Ｘ、Ｙ走査電極用であり、各電極パッド３５は１本づつ
のリード線３６ｂを持っている。各リード線はそれぞれ
検出あるいは駆動回路（図４に示す）に接続される。１
枚の圧電性織物デバイスを検出用、駆動用双方に用いた
い場合には、平行する圧電性ファイバを例えば１本おき
に検出回路と駆動回路に交互に接続する構成が有効であ
ろう。これらのコネクタ構成は、上記第２の実施の形態
の如き、含浸タイプの圧電性シートにストライプ状電極
や全面電極を設けた圧電性織物デバイスにおける回路と
の接続にも使用することができる。

【００２２】図４（ａ）は本発明の圧電性織物デバイス
の検出用および駆動用の回路の実施の形態の一例のブロ
ック図、（ｂ）はその変形例のブロック図である。
（ａ）において、４は圧電性織物デバイスであり、複数
のセンサ（センサＡ、Ｂ）４１やアクチュエータ部４２
を包含している。センサＡまたはＢの検出出力は検出回
路４０に入力され、その内部のインピーダンス変換回路
４３、増幅回路４４、ＬＦＰ４５を経て歪み検出出力が
アナログ信号として取り出される。この検出信号はＡ／
Ｄ変換回路４７によってデジタル量に変換されＣＰＵ４
８に入力され、その内部で必要な演算がなされる。

【００２３】またＣＰＵ４８は必要に応じて駆動のため
の信号を出力し、駆動信号発生回路４９はこれをアクチ
ュエータ部４２への印加に適した信号に変換し、圧電性
織物デバイス４を駆動する。ＣＰＵ４８はまた入力／出
力／制御端子群４００を備え、必要な情報を作成し、関
連する機器を制御する。（ｂ）は上記のインピーダンス
変換回路４３をチャージアンプ４６に置換した変形例で
ある。もとより本発明において使用される回路は本実施
の形態のみに限定されるものではない。

【００２４】図５は本発明の圧電性織物デバイスを用い
たウェアラブルインターフェイスの実施の形態の一例の
斜視図である。本例は手首に装着して指の運動を個別に
検出し、手により機器等を間接的あるいは遠隔的に操作
したり、操作状況を記録あるいは伝送したりするために
用いる装置であり、ウェアラブルインターフェイス５の
全体は圧電性を付与された繊維で前記第１あるいは第２
の実施の形態に沿った織物デバイス構造を有し手袋状に
織りあるいは成形され、手によくフィットしている。各
繊維の電極群５１は指の各関節部に場所を局限して使用
され（不要な部分の電極膜は切り離し、必要な部分のみ
用いればよい）、例えば前述したコネクタ構造を用いて
手首部分を経由するケーブル束５２により図示しない回
路に接続される。こうして検出された各関節毎の変形デ
ータから各指の運動を演算し、運動を解析することがで
きる。

【００２５】以上各種の本発明の実施の形態について述
べたが、本発明の技術的範囲はこれらの例に止まらない
ことは勿論である。例えば圧電ファイバは図１の如き伸
縮のみに感応する構造ではなく、上面電極−圧電材料−
中立面電極−圧電材料−下面電極のような多層構造の断
面を有し、それ自体がバイモルフ構造をなしていてもよ
い。この構造では圧電ファイバは屈曲歪みに対して出力
を有することができる。また圧電性材料のベースとなる
織物は縦糸と横糸で織ったものに限られない。他の織り
方を用いてもよいし、また繊維を不織布のようにからめ
た布状物でもよい。また第２の実施の形態で述べた圧電
性シートは、用途によっては２枚を重ねずとも１枚だけ
使用してもよい。また圧電性ファイバの用いる材質、あ
るいは圧電性のないファイバに含浸させる圧電性物質は
例示したものに限られない（柔軟な紐状に成形し得る
か、含浸可能であればよい）。またそれらの分極処理方
法も限定されない。

【００２６】また本発明のデバイスは更に種々な用途が
考えられる。例えば人体への装着して用いる場合には、
リハビリ装具への応用・例：件の癒着防止等、足・脚の
動きを直接検出する型の歩数計、手術等の遠隔操作にお
ける信号伝達手段、人工筋肉、バーチャルリアリティに
おける動作解析やフィードバック、その他。また物体の
表面に貼付または樹脂モールドやラミネートして用いる
場合には、電子機器制御のためのタッチパッド、セキュ
リティ装置の入出力装置、例えば床、壁等に敷詰めて信
号を検知、トンネル等の落盤箇所の検出、等。その他応
用範囲は極めて広い。

【００２７】

【発明の効果】本発明においては、圧電性を付与した柔
軟性のある繊維状の素材によってシート状のデバイスを
構成し、該繊維状の素材あるいはシート上に設けた電極
を用いて、その面内における任意の場所の歪みを検出
し、あるいは面内の任意の場所に歪みを与えるよう駆動
しうる構成であるから、そのシート状のデバイスが適用
される対象面に凹凸があったり更に変形が伴っても、対
象面によくフィットしつつ、比較的少ない信号線で面の
変形を検出できる新規なセンサ、あるいは面の任意の場
所に歪みを与えることができる新規な駆動のためのデバ
イスの種々な構成を提供することができた効果がある。
またその原材料として好適な圧電性ファイバの構成や捩
じれ難い断面形状を提供することができた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である、圧電性ファ
イバを織って構成した圧電性織物デバイスの部分斜視図
および本発明の圧電性ファイバの実施の形態の一例の拡
大断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態である含浸式の圧電
性織物デバイスの、断面図を含む分解斜視図である。

【図３】本発明の圧電性織物デバイスの端子部分の構造
における実施の形態の一例を示し、（ａ）は部分斜視
図、（ｂ）は部分平面図である。

【図４】（ａ）は本発明の圧電性織物デバイスの検出用
および駆動用の回路の実施の形態の一例のブロック図、
（ｂ）はその変形例のブロック図である。

【図５】本発明の圧電性織物デバイスを用いたウェアラ
ブルインターフェイスの実施の形態の一例の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１、２、４ 圧電性織物デバイス １１ 圧電性ファイバ １１ａ 縦糸 １１ｂ 横糸 １１１ 紐状圧電材料 １１２ 電極膜 １１３ 絶縁皮膜 ２１ 上織物 ２２ 下織物 ２１ａ、２２ａ 圧電シート ２１ｂ、２２ｂ 全面電極膜 ２１ｃ、２２ｃ ストライプ状電極膜 ３１、３２、３３、３４ フレキシブルプリント基板 ３５ 導電パッド ３６ａ、３６ｂ リード線 ４０ 検出回路 ４１ センサ ４２ アクチュエータ ４３ インピーダンス変換回路 ４４ 増幅回路 ４５ ＬＰＦ ４６ チャージアンプ ４７ Ａ／Ｄ変換回路 ４８ ＣＰＵ ４９ 駆動信号発生回路 ４００ 入力／出力／制御端子群 ５ ウェアラブルインターフェイス ５１ 電極群 ５２ ケーブル束

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性の材料より成り圧電性を付与され
   た柔軟性のある紐状の素材であって、該紐状の素材の表
   面には長手方向に沿って設けた電極膜を有することを特
   徴とする圧電性ファイバ。
2. 【請求項２】 圧電性のない材料に圧電性の材料を含浸
   させて圧電性を付与された柔軟性のある紐状の素材より
   成り、該紐状の素材の表面には長手方向に沿って設けた
   電極膜を有することを特徴とする圧電性ファイバ。
3. 【請求項３】 前記圧電性の材料としてポリフッ化ビニ
   リデンを用いたことを特徴とする請求項１あるいは２の
   圧電性ファイバ。
4. 【請求項４】 前記圧電性ファイバは矩形または偏平な
   断面形状を有し、前記電極膜は複数本であって前記圧電
   性ファイバの断面形状における対向する表面にそれぞれ
   設けられたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
   かの圧電性ファイバ。
5. 【請求項５】 前記圧電性ファイバは矩形または偏平な
   断面形状を有して積層された複数の層より成り、該複数
   の層に挟まれた更なる電極膜を有することを特徴とする
   請求項１ないし４のいずれかの圧電性ファイバ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかの圧電性フ
   ァイバを素材糸の一部または全部として用いて織物と
   し、各々の前記表面電極を前記素材の変形を検出する検
   出端子あるいは前記素材に変形を与える電力を印加する
   駆動端子に接続したことを特徴とする圧電性織物デバイ
   ス。
7. 【請求項７】 請求項１ないし５のいずれかの圧電性フ
   ァイバを前記織物の縦糸および／または横糸とした織物
   より成ることを特徴とする請求項６の圧電性織物デバイ
   ス。
8. 【請求項８】 歪み検出用の前記圧電性ファイバと駆動
   用の前記圧電性ファイバとを交互にかつ平行に設けたこ
   とを特徴とする請求項６あるいは７の圧電性織物デバイ
   ス。
9. 【請求項９】 柔軟性のある布状の素材に圧電性材料を
   含浸させ、前記素材の少なくとも一面に縞状に電極膜を
   形成し、前記電極膜の各々を前記素材の変形を検出する
   検出端子あるいは前記素材に変形を与える電力を印加す
   る駆動端子に接続したことを特徴とする圧電性織物デバ
   イス。
10. 【請求項１０】 複数の前記圧電性織物デバイスを密接
    積層したことを特徴とする請求項９の圧電性織物デバイ
    ス。
11. 【請求項１１】 前記２枚の前記圧電性織物デバイスの
    接合面にも電極膜を設けたことを特徴とする請求項１０
    の圧電性織物デバイス。
12. 【請求項１２】 前記圧電性織物デバイスの外側の両面
    に設けられた縞状電極は互いにほぼ直交していることを
    特徴とする請求項９ないし１１のいずれかの圧電性織物
    デバイス。
13. 【請求項１３】 前記縞状の電極は、交互に設けた検出
    用の電極と駆動用の電極とより成っていることを特徴と
    する請求項９ないし１２のいずれかの圧電性織物デバイ
    ス。