JP2012220315A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性繊維を用いた安価な圧力検出装置を提供する。
【解決手段】外部圧力によって弾性変形可能な導電性繊維１５からなる不織布１０と、前記不織布１０を挟み込む一対の電極１１，１２と、を備えている。この構成によれば、不織布１０自体が弾性復元力を備えているので、不織布１０に対して特殊な加工を施さなくても十分な復元力が得られる。よって、不織布１０を一対の電極１１，１２で挟み込むだけの簡単な構成で加圧状態と非加圧状態の圧力変化を精度よく検出することができ、安価な圧力検出装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力検出装置に関するものである。

導電性繊維を用いた布状の圧力検出装置として、特許文献１及び特許文献２に記載の圧力検出装置が知られている。特許文献１及び特許文献２の圧力検出装置は、導電性繊維を織って形成した複数の導電シートを互いに隙間を空けて層状に積層し、外部圧力によって生じた導電シート間の接触を導電シート間の電気抵抗の変化として検出するものである。このような圧力検出装置は、洋服や下着等の中に埋め込んでウェアラブルな圧力センサーとして用いたり、ロボットの触覚センサーとして用いたりすることができる。

特開２０１０−１０１８２７号公報 特開２００６−２８４２７６号公報

特許文献１及び特許文献２の圧力検出装置では、外部圧力を除去した後の導電シート間の接触状態を解除するために、導電シート間に弾力性のあるスペーサーを配置したり、導電シートを複雑な立体形状に形成したりしている。しかしながら、このような構成は、特殊な加工が必要とされ、コストアップが課題となる。

本発明の目的は、導電性繊維を用いた安価な圧力検出装置を提供することにある。

本発明の圧力検出装置は、外部圧力によって弾性変形可能な導電性繊維からなる不織布と、前記不織布を挟み込む一対の電極と、を備えている。

不織布は、繊維を熱的、機械的又は化学的な作用によって接着し又は絡み合わせることで布にした「織っていない布」である。不織布は、繊維がランダムに絡み合って形成されており、繊維を織って形成した「織っている布」に比べて弾性力が大きく、それ自体に弾性復元力が備えられている。

本発明の圧力検出装置においては、外部圧力が加わると、不織布が圧縮変形し、導電性繊維同士が密に接触し、電極間の電気抵抗が小さくなる。一方、外部圧力が除去されると、不織布の形状が不織布自体の弾性力によって復元し、導電性繊維同士の接触が疎らになり、電極間の電気抵抗が大きくなる。よって、電極間の電気抵抗の変化を検出することにより、外部圧力の有無や外部圧力の大きさを検出することができる。

この構成においては、不織布自体が弾性復元力を備えているので、不織布に対して特殊な加工を施さなくても十分な復元力が得られる。よって、不織布を一対の電極で挟み込むだけの簡単な構成で加圧状態と非加圧状態の圧力変化を精度よく検出することができる。よって、安価な圧力検出装置が提供できる。

前記導電性繊維は、絶縁性繊維の表面に導電物質の層をコーティングすることにより形成されていてもよい。

この構成によれば、金属やカーボンなどの導電物質を混入して作られた特殊な繊維を用いる場合に比べて、不織布を安価に製造することができる。

前記導電物質の層は、粘弾性を有していてもよい。

この構成によれば、導電性繊維自体に弾性力を付与することができるので、不織布の弾性復元力が高まる。

前記不織布は、絶縁性繊維からなる不織布に対して前記導電物質の層をコーティングしたものであってもよい。

絶縁性繊維からなる不織布は、製造方法が確立されており、安価に入手可能である。導電物質をコーティングする工程もディップやインクジェットなどの方法により容易に行うことができる。よって、導電性の不織布が安価に製造できる。

前記一対の電極は、互いに直交する方向に延びるストライプ状の電極として形成されており、前記一対の電極の交差部の前記絶縁性繊維に対して前記導電物質の層が選択的にコーティングされていてもよい。

この構成によれば、格子状に形成された一対の電極の各交差部がそれぞれ１つの圧力検出領域となる。この構成では、圧力検出領域ごとに絶縁性繊維が導電物質の層でコーティングされるので、隣接する圧力検出領域間の電気抵抗が高くなり、圧力検出領域間に電流リークが発生することによって生じる誤検出が少なくなる。

前記一対の電極は、前記不織布の表面に導電性インキを塗布することにより形成されていてもよい。

この構成によれば、電極の製造プロセスが簡単になり、安価な圧力検出装置が提供できる。また、不織布の表面が部分的に導電性インキで覆われるだけなので、不織布の通気性が大きく損なわれない。よって、衣服に用いたり、人体などの皮膚に直接接触し、長時間使用する圧力検出装置として利用することが可能である。

前記不織布の内部に、前記不織布の厚みを一定に保持するための弾性体からなるスペーサーが設けられていてもよい。

この構成によれば、不織布の弾性復元力が高まる。

第１実施形態の圧力検出装置の概略構成図である。 圧力検出方法を示す模式図である。 外部圧力と電極間の電気抵抗との関係を示す図である。 第２実施形態の圧力検出装置の断面図である。 第３実施形態の圧力検出装置の平面図である。

［第１実施形態］
図１（ａ）は、第１実施形態の圧力検出装置１の概略構成を示す斜視図である。図１（ｂ）は、圧力検出装置１に備えられる不織布１０の拡大図である。

圧力検出装置１は、外部圧力によって弾性変形可能な導電性繊維１５からなる不織布１０と、不織布１０を挟み込む一対の電極（第１電極１１、第２電極１２）と、を備えている。

不織布は、繊維を熱的、機械的又は化学的な作用によって接着し又は絡み合わせることで布にした「織っていない布」である。不織布は、繊維がランダムに絡み合って形成されており、繊維を織って形成した「織っている布」に比べて弾性力が大きく、それ自体に弾性復元力が備えられている。

導電性繊維１５としては、絶縁性繊維１６からなる不織布に対して第１導電性インキを塗布し、絶縁性繊維１６の表面に導電物質の層１７をコーティングしたものが用いられている。絶縁性繊維１６が絡み合った部分には導電物質の層１８が厚く堆積している。導電性繊維１５としては、電気の流れやすい金属やカーボンなどの導電物質を混入して作られた特殊な繊維を用いてもよいが、絶縁性繊維１６の表面を導電物質の層１７でコーティングしたもののほうが製造が容易で、安価に提供できるため、好ましい。

絶縁性繊維１６としては、ナイロン繊維やガラス繊維などの公知の絶縁性繊維を用いることができる。導電物質の層１７を形成するための第１導電性インキとしては、カーボンなどの導電物質を含有した公知の導電性インキを用いることができる。第１導電性インキとしては、絶縁性繊維一本一本の表面に均一にコーティングされることが必要であることから、粘性の小さい導電性インクが好ましく、第１導電性インキの粘度としては、例えば粘度が１０ｍＰ・ｓ以下がよい。導電物質の層１７は、粘弾性を有することが望ましい。導電物質の層１７が粘弾性を持つことで、導電性繊維１５自体に弾性力を付与することができ、不織布１０の弾性復元力が高まる。

不織布１０の一方の面には、複数の第１電極１１が互いに隣接してストライプ状に形成されている。不織布１０の他方の面には、複数の第２電極１２が互いに隣接して第１電極１１と直交する方向にストライプ状に形成されている。第１電極１１と第２電極１２とが交差する各交差部がそれぞれ１つの圧力検出領域となる。

第１電極１１及び第２電極１２は、不織布１０と同じ大きさのプラスチックフィルム（図示略）の表面に薄膜金属を形成し、これをストライプ状にパターニングすることにより形成されている。不織布１０は、複数の第１電極１１が形成された第１プラスチックフィルム（図示略）と複数の第２電極１２が形成された第２プラスチックフィルム（図示略）との間に挟持され、第１プラスチックフィルム又は第２プラスチックフィルムの表面に加えられた外部圧力によって弾性変形する。第１電極１１と第２電極１２との間の電気抵抗は不織布１０の変形量によって変化し、第１電極１１と第２電極１２との間の電気抵抗の変化を検出することにより、外部圧力の有無や外部圧力の大きさが検出される。

図２は、圧力検出装置１による圧力の検出方法を示す図である。図２（ａ）は、外部圧力が加えられる前の不織布１０を示す図であり、図２（ｂ）は、外部圧力が加えられたときの不織布１０を示す図である。

図２（ａ）に示すように、外部圧力が加えられていない状態では、不織布１０は導電性繊維１５がランダムに絡み合った状態で内部に大きな空隙が形成されている。外部圧力Ｆが加わると、図２（ｂ）に示すように、不織布１０が圧縮変形し、導電性繊維１５同士が密に接触し、電極間の電気抵抗が小さくなる。外部圧力Ｆが除去されると、図２（ａ）に示すように、不織布１０の形状が不織布自体の弾性力によって復元し、導電性繊維１５同士の接触が疎らになり、電極間の電気抵抗が大きくなる。

図３は、外部圧力と電極間の電気抵抗との関係を示す図である。

不織布は、フェルトやベンコットンなどの繊維状の布に、十条ケミカル株式会社製のカーボンペーストＪＥＬＣＯＮ Ｃ−８（商品名）を塗布したものを用いた。不織布の厚みは５ｍｍと１０ｍｍの２種類を用意し、外部圧力を加えながら第１電極と第２電極との間の電気抵抗を測定した。その結果、電極間の電気抵抗は外部圧力に比例して変化した。圧力を除去すると不織布の形状は元に戻り、電気抵抗も元に戻った。

本実施形態の検出装置１では、不織布１０自体が弾性復元力を備えているので、不織布１０に対して特殊な加工を施さなくても十分な復元力が得られる。よって、不織布１０を一対の電極１１，１２で挟み込むだけの簡単な構成で加圧状態と非加圧状態の圧力変化を精度よく検出することができ、安価な圧力検出装置１が提供される。

また、不織布１０は、絶縁性繊維１６からなる不織布に対して導電物質の層１７，１８をコーティングすることにより形成されたものである。絶縁性繊維１６からなる不織布は、製造方法が確立されており、安価に入手可能である。導電物質１７，１８をコーティングする工程もディップやインクジェットなどの方法により容易に行うことができる。よって、導電性の不織布１０を安価に製造でき、圧力検出装置１のコストも低減できる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態の圧力検出装置２の断面図である。圧力検出装置２において第１実施形態の圧力検出装置１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

圧力検出装置２では、第１電極１１と第２電極１２が、不織布１０の表面に第２導電性インキを塗布することにより形成されている。第２導電性インキとしては、不織布１０の中に浸透していかないような高粘度の導電性インキが用いられ、例えば、銀ペーストなどが好適である。第１電極１１及び第２電極１２をパターニングする方法は、フレキソ方式やインクジェット方式などの公知の印刷方式が採用可能である。

不織布１０の内部には、不織布１０の厚みを一定に保持するための弾性体からなるスペーサー１９が設けられている。スペーサー１９は、不織布１０の導電性繊維１５と接着されており、外部圧力が加えられると圧縮変形し、外部圧力が除去されると自身の弾性力によって形状が復元する。スペーサー１９は、外部圧力が除去されたときに、不織布１０の形状が速やかに元に戻るように不織布１０に復元力を与える。

本実施形態の圧力検出装置２によれば、第１電極１１と第２電極１２が第２導電性インキを塗布することにより形成されているので、第１電極１１と第２電極１２の製造プロセスが簡単になり、安価な圧力検出装置が提供できる。また、不織布１０の表面が部分的に第２導電性インキで覆われるだけなので、不織布１０の通気性が大きく損なわれない。よって、衣服に用いたり、人体などの皮膚に直接接触し、長時間使用する圧力検出装置として利用することが可能である。

［第３実施形態］
図５は、第３実施形態の圧力検出装置３の平面図である。圧力検出装置３において第１実施形態の圧力検出装置１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

不織布２０は、絶縁性繊維からなる不織布に対して圧力検出領域２１ごとに第１導電性インキを塗布したものである。圧力検出領域２１は、第１電極１１と第２電極１２とが交差する交差部である。本実施形態の圧力検出装置３では、絶縁性繊維に対して圧力検出領域２１ごとに導電物質の層が選択的にコーティングされているので、隣接する圧力検出領域２１間の電気抵抗が高くなる。よって、圧力検出領域２１間に電流リークが発生することによって生じる誤検出が少なくなる。

１，２，３…圧力検出装置、１０…不織布、１１…第１電極、１２…第２電極、１５…導電性繊維、１６…絶縁性繊維、１７，１８…導電物質の層、１９…スペーサー、２０…不織布、２１…圧力検出領域、Ｆ…外部圧力

Claims (7)

1. 外部圧力によって弾性変形可能な導電性繊維からなる不織布と、
   前記不織布を挟み込む一対の電極と、を備えている圧力検出装置。
2. 前記導電性繊維は、絶縁性繊維の表面に導電物質の層をコーティングすることにより形成されている請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記導電物質の層は、粘弾性を有する請求項２に記載の圧力検出装置。
4. 前記不織布は、絶縁性繊維からなる不織布に対して前記導電物質の層をコーティングしたものである請求項２又は３に記載の圧力検出装置。
5. 前記一対の電極は、互いに直交する方向に延びるストライプ状の電極として形成されており、前記一対の電極の交差部の前記絶縁性繊維に対して前記導電物質の層が選択的にコーティングされている請求項４に記載の圧力検出装置。
6. 前記一対の電極は、前記不織布の表面に導電性インキを塗布することにより形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力検出装置。
7. 前記不織布の内部に、前記不織布の厚みを一定に保持するための弾性体からなるスペーサーが設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力検出装置。

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