JP2021004820A - 接触圧力センサ及び接触圧力測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 利用者が活動範囲を制限されることなく、接触圧力を測定する技術を提供することにある。【解決手段】 導電性繊維であるたて糸及びよこ糸を所定の規則に従って交錯させ平面状にした電気抵抗テキスタイルと、電気抵抗テキスタイルに電気的に接続された電位計測用電極を備える。また、電気抵抗テキスタイルを複数枚重ね合せた場合、最も外側の電気抵抗テキスタイルに電位計測用電極を電気的に接続させる。また、１枚又は複数枚を重ね合せた電気抵抗テキスタイルの最も外側に重ね合わせた絶縁層を備える。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、衣服製品などを開発するプロセスにおいて、衣服製品と、それを着用している人体との接触圧力（着圧または衣服圧）を評価する技術に関する。

柔らかい物の接触圧を測定する技術が開発されている。例えば、人が衣服を着用した時の着用圧や、椅子や、布団の接触圧を測定している。

特許文献１は、空気を注入した中空袋を人体と衣服の間に設置し、外部耐圧のある細いチューブを圧力計に取付け、接触圧力を測定する技術を開示している。

特許第２６６６０２７号公報

しかしながら、特許文献１はチューブを利用しているため、中空袋を装着した利用者の活動範囲がチューブの長さによって制限される。

本発明は、このような課題に着目して鋭意研究され完成されたものであり、その目的は、利用者が活動範囲を制限されることなく、接触圧力を測定する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、導電性繊維であるたて糸及びよこ糸を所定の規則に従って交錯させ平面状にした電気抵抗テキスタイルと、前記電気抵抗テキスタイルに電気的に接続された電位計測用電極を備える接触圧力センサである。

他の本発明は、接触圧力に応じた電位を計測する電位計測装置と、前記電位計測装置と通信可能な電位圧力変換装置を備える接触圧力測定システムであって、前記電位計測装置は、電気抵抗テキスタイルと電位計測用電極を備える接触圧力センサと、前記電位計測用電極と接続した電位計測器と、前記電位計測器からの信号を送信する送信器を備え、前記電位圧力変換装置は、前記送信器からの信号を受信する受信器と、前記受信器からの信号を圧力に変換する変換部を備える接触圧力測定システムである。

本発明によれば、利用者が活動範囲を制限されることなく、接触圧力を測定する技術を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電気抵抗テキスタイル１層の断面図である。 本発明の実施形態に係る接触圧力センサの概略構成図である。 本発明の実施形態に係る接触圧力測定システムの使用例の説明図である。 本発明の実施形態に係る接触圧力測定システムの機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係るキャリブレーションのフローチャートである。 本発明の実施形態に係るセンサ両端電圧（変換前）と推定圧力（変換後）を時系列に並べた図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

（電気抵抗テキスタイル）
図１は、本発明の実施形態に係る電気抵抗テキスタイル１層の断面図である。同図（ａ）は、通常の状態（すなわち、荷重の無い状態）での１層の電気抵抗テキスタイル１００ａの断面図である。同図（ｂ）は、外力（負荷）を受け、荷重のある状態での１層の電気抵抗テキスタイル１００ｂの断面図である。

テキスタイルとは、たて糸とよこ糸で織られた織物である。ここでは、平織を例にして説明する。平織は、たて糸とよこ糸を各２本ずつで完全な組織が作られ、いずれの糸も１本毎に浮沈して交差する。すなわち、電気抵抗テキスタイルは、導電性繊維を材料としたたて糸及びよこ糸で織られた織物である。

同図（ａ）を用いて、よこ糸１１０とたて糸１２０との位置関係を説明する。よこ糸１１０ａは、ある断面でのよこ糸を表す。よこ糸１１０ｂは、その次の断面でのよこ糸を表す。すなわち、同図（ａ）でのよこ糸１１０ｂは、ある断面上には実際には無く、紙面奥方向にその次にあるよこ糸を描いている。

同図（ａ）では、たて糸（１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ）５本が紙面手前から奥方向に伸びている。空隙１３０ａは、２本のよこ糸（１１０ａ、１１０ｂ）と１本のたて糸１２０ａとの間にできる間隔（空隙）を表している。

同図（ｂ）は、荷重がある状態を表している。同図（ａ）のよこ糸（１１０ａ、１１０ｂ）及びたて糸（１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ）が同時に荷重を受け圧縮され（織物を構成するたて糸及びよこ糸の接触密度が高まり）、沈み込んだ状態を示す。同図（ｂ）の空隙１３０ｂは、同図（ａ）の空隙１３０ａと異なり、織物組織全体がつぶれることで、減少する。このように電気抵抗テキスタイルの組織全体の沈み込み量λに応じて、電気抵抗テキスタイル１００の電気抵抗値が下がることになる。一方、荷重が減り、それに応じて沈み込み量λが減少すると、電気抵抗テキスタイル１００の電気抵抗値が上がることになる。

上記の導電性繊維として、例えば、特開２０１７−１７９６５７号公報に開示されている、親水性繊維と、この親水性繊維を内包する有機導電性被膜とを有する導電性繊維を用いてもよい。この導電性繊維は、親水性繊維の存在下でポリアニリンの酸化重合を行うことにより得られる。アニリンは、親水性繊維表面で重合反応が進行するため、ポリアニリンは親水性繊維表面に固着して親水性繊維を鞘状に覆い、有機導電性被膜を形成する。

この導電性繊維は、親水性繊維１００重量部に対して、有機導電性被膜が９重量部以上固着している。有機導電性皮膜の固着量は、使用モノマー量を増やしたり、アニリンの重合工程を繰り返すことにより、増やすことができる。この導電性繊維は、有機導電性被膜の固着量により、抵抗値を、１．０×１０^−１ｋΩ／ｃｍ以上１．０×１０^４ｋΩ／ｃｍ以下の範囲で制御することができる。また、この導電性繊維を含む布は、導電率が１．０×１０^−４Ｓ・ｃｍ以上３．０×１０^２Ｓ・ｃｍ以下、あるいは表面抵抗率が１．０^−２Ω／ｓｑ．以上１．０×１０^４Ω／ｓｑ．以下の範囲となる。固着量が多いほど、導電率は大きくなるため、求める導電率にあわせて調整する。ここで、抵抗値は、導電性繊維の１０ｃｍの長さで測定した値であり、導電率、表面抵抗率は、導電性繊維を含む布を四端針法で測定した値である。

（接触圧力センサ）
図２は、本発明の実施形態に係る接触圧力センサの概略構成図である。図２の接触圧力センサ２００は、導電性テキスタイル１００を４層重ね、その最下層の裏面の左右両端に信号用電極（１４０ａ、１４０ｂ）を電気的に接続している。信号用電極（１４０ａ、１４０ｂ）は裏面にあるため、点線で表示している。

また、４層の導電性テキスタイル１００の最上層の表面の左右両端に信号用電極（１４０ａ’、１４０ｂ’）を電気的に接続している。そして、信号用電極（１４０ａと１４０ａ’）が第１の信号電極を構成し、信号用電極（１４０ｂと１４０ｂ’）が第２の信号電極を構成している。そして、第１の信号電極及び第２の信号電極が電位計測用電極に相当する。なお、信号用電極１４０ａおよび１４０ｂ’を選択し、あるいは１４０ｂおよび１４０ａ’を選択して電位計測用電極としても良い。

白布（１５０ａ、１５０ｂ）は、接触圧力センサ２００の最下層と最上層を構成し、絶縁層として機能する。また、導電性テキスタイル１００の面積を１０ｍｍ×１０ｍｍ、２０ｍｍ×２０ｍｍ、３０ｍｍ×３０ｍｍ、及び、４０ｍｍ×４０ｍｍを用意することによって、人体の様々な箇所の接触圧力を測定することができる。また、導電性テキスタイルの形状は、四角形に限られず、円形などであってもよい。

図２では、一例として、導電性テキスタイル１００を４層重ねたが、これに限定されるものではない。また、導電性テキスタイル１００は１層でもよい。すなわち、接触圧力センサ２００は、一枚又は複数枚の導電性テキスタイル１００と、導電性テキスタイル１００の最も外側を覆う絶縁層（１５０ａと１５０ｂ）を重ね合せ、導電性テキスタイル１００に電気的に接続された２つの信号用電極（１４０aと１４０ｂ）を備えていればよい。

図３は、本発明の実施形態に係る接触圧力測定システムの使用例の説明図である。接触圧力システム６００は、運動用タイツと、それを着用している利用者の人体表面との間に配置された接触圧力センサ２００と、利用者の腰ベルトに装着された計測装置３００と、所定のキャリブレーションを行う携帯情報端末４００を備え、キャリブレーション結果を表示装置５００へ送信する。

接触圧力センサ２００は、利用者が運動している最中に運動用タイツと人体表面（図３では左太もも内側）の接触圧力を測定する。この測定結果は電圧信号として、有線接続３０１を介して計測装置３００に入力される。

計測装置３００は、所定の信号処理を行い、接触圧力センサ２００の両端電圧を計測する。ここで、計測装置３００は、計測するために充電池などの電源が必要である。このため、計測装置３００は、利用者の腰ベルトなどに装着することが好ましい。

計測したセンサ両端電圧は、無線通信４０１を介して、スマートフォンなどの携帯情報端末４００に送信される。携帯情報端末４００では、センサ両端電圧に所定のキャリブレーション処理を行い、利用者が目で見て分かるような圧力値に変換する。この圧力値を、利用者が着用しているＡＲメガネ（拡張現実メガネ）などの表示装置４００へ無線通信４０１でデータ転送する。図４では、携帯情報端末４００が説明の便宜上、所定のキャリブレーション処理を行うとしたがこれに限定されるものではなく、例えば、パーソナルコンピュータなどの情報端末で行っても良い。この場合、パーソナルコンピュータは計測装置３００及び表示装置５００と無線通信４０１を行えばよい。

このようにして、利用者は、測定機器が集まった実験室ではなく、実際の運動場での運動中や登山などのアクティビティ中に、運動用タイツがどのような接触圧力を人体表面に及ぼしているかについて、接触圧力センサ２００を構成する導電性テキスタイル１００の面単位で測定でき、かつ、活動中であっても即時に可視化表示を確認することが可能になる。

図４は、本発明の実施形態に係る接触圧力測定システムの機能ブロック図である。接触圧力測定システム６００は、接触圧力センサ２００と、計測装置３００と、所定のキャリブレーションを行う情報端末４００を備え、キャリブレーション結果を表示装置５００へ送信する。ここで、情報端末４００の各機能ブロックはソフトウェアで実現されている。情報端末４００が電位圧力変換装置に相当する。

計測装置３００は、接触圧力センサ２００の両端の信号用電極（１４０ａ、１４０ｂ）と有線接続している。分圧回路３１０は、２つの信号用電極（１４０ａ、１４０ｂ）の電圧値を入力とし、安定したアナログ電圧値を出力する。ＡＤ変換装置３２０は、アナログ電圧値を毎秒２０サンプリングのデジタル電圧値に変換する。電圧計測ソフト３３０は、デジタルのセンサ両端電圧値を計測する。分圧回路３１０、ＡＤ変換装置３２０、及び、電圧計測ソフト３３０が電位計測器に相当する。送信器３４０は、無線通信を介して、センサ両端電圧値を情報端末４００の受信器４１０へ送信する。

情報端末４００の受信器４１０は実際のセンサ両端電圧値を受信する。キャリブレーション処理部４２０は、接触圧力センサ２００を取り付けた人体表面を数種類の曲率を有する曲面と仮定し、数種類の曲率値に応じた電圧と圧力の特性曲線を数種類用意し、実際のセンサ両端電圧値をキャリブレーション（校正）する。

ここで、実際のセンサ両端電圧値のキャリブレーションが必要な理由を説明する。図１で説明した通り、電気抵抗テキスタイル１００が接触圧力を受けると、電気抵抗テキスタイル１００のたて糸とよこ糸の空隙が狭まり、沈み込み量λに応じて、電気抵抗テキスタイル１００の電気抵抗値が下がる。この電気抵抗値の変動に応じて、接触圧力センサ２００の実際の両端電圧値が変動する。しかしながら、利用者が実際の両端電圧値の変動を目で直接見ても、利用者は接触圧力の変化を理解することができない。そこで、実際のセンサ両端電圧値をキャリブレーションする必要がある。

図５は、本発明の実施形態に係るキャリブレーションのフローチャートである。キャリブレーション処理部４２０は、まず、所定の電圧（Ｖ）と圧力（Ｐ）の特性曲線へのフィッティングを行う（Ｓ５１０）。ここで、特性曲線は「Ｖ＝αlog_e(Ｐ)＋β」の対数曲線である。

フィッティングは、人体表面と実際に着用している運動用タイツとの間に差し挟まれた接触圧センサ２００を用いて、動的に変化可能な校正用圧力（Ｐ）と、接触圧力センサ２００の両端電圧値（Ｖ）を同期計測する。校正用圧力は１０ｈＰａから１００ｈＰａ、さらに１０ｈＰａと動的に変化させる。このように同期計測した、ＰとＶを用いて、特性曲線へのフィッティングを行い、定数α、βを算出する。

フィッティングが完了すると、フィッティングした特性曲線のパラメータ（α、β）を抽出する（Ｓ５２０）。本実施形態では「α＝-0.133847、β＝2.130276」を一例として抽出した。最後に、フィッティングした特性曲線のパラメータ（α、β）を保存する（Ｓ５３０）。

図４に戻り、データ変換部４３０は、受信器４１０が受信した、実際のセンサ両端電圧値に、保存した特性曲線のパラメータ（α、β）を適用して、印加圧力を推定する。そして、リアルタイムプロット部４４０は、推定した圧力を時系列にプロットしていく。

情報端末４００は、無線通信を介して、推定した圧力を表示装置５００へ送信する。

図６は、変換前のセンサ両端電圧（点線）と変換後の推定圧力（実線）を時系列に並べた図である。横軸は時刻（秒）を表し、縦軸の左側は変換後の推定圧力（ｈＰａ）を表し、縦軸の右側は変換前のセンサ両端電圧（Ｖ）を表す。

このように、利用者が実際のセンサ両端電圧（変換前）を目で見ても、接触圧力の変化を理解することができない。しかしながら、推定圧力（変換後）を見ると、接触圧力の変化を理解することができるようになる。

（作用効果）
本実施形態の接触圧力センサによれば、電気抵抗テキスタイルの沈み込み量に応じて電気抵抗が下がり、電気抵抗テキスタイルへの荷重に応じた電圧を出力することができる。また、本実施形態の接触圧力測定システムによれば、接触圧力センサから出力された電圧に応じた接触圧力を測定することができる。このようにして、利用者が活動範囲を制限されることなく、接触圧力を測定することが可能になる。

また、本実施形態の接触圧力センサによれば、電気抵抗テキスタイルは、導電性繊維であるたて糸及びよこ糸を所定の規則に従って交錯させ平面状にした織物である。電気抵抗テキスタイルとして、例えば、特開２０１７−１７９６５７号公報に示される導電性繊維により構成される柔らかいテキスタイルを選択することで、人体の複雑な曲面形状へ適応可能であり、利用者の様々な活動シーンで接触圧力を測定することが可能になる。

電気抵抗テキスタイルが複数枚重なった場合、各々のテキスタイル（織物）に外力（負荷）が加わることで、各々の織物組織の空隙が減少し、織物を構成するたて糸及びよこ糸の接触密度が高まると同時に各織物相互の接触密度が高まる。このため、接触圧力センサにより検出可能な圧力範囲を調整することができ、測定対象に応じた接触圧力センサを製造できる。さらに、電気抵抗テキスタイルの電気抵抗値を調整する方法などでも、センサの検出可能な圧力範囲を調整することができる。なお、電気抵抗値の調整は、例えば特開２０１７−１７９６５７号公報に示される導電性繊維では繊維表面で固着させる有機導電被膜の量を調整するといった方法により成される。

以上、本発明の実施例（変形例を含む）について説明してきたが、これらのうち、２つ以上の実施例を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらのうち、１つの実施例を部分的に実施しても構わない。さらには、これらのうち、２つ以上の実施例を部分的に組み合わせて実施しても構わない。例えば、接触圧力の分布を測定する場合、複数の接触圧力センサを並べ、並列化すればよい。

また、本発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。例えば、絶縁層として白布を用いたが、一般的な絶縁フィルムを用いてもよい。また、電気抵抗テキスタイルの織物組織は平織のような一重組織に限られず、重ね組織といった種々の織物組織であってもよい。

１００ 電気抵抗テキスタイル
２００ 接触圧力センサ
３００ 計測装置
４００ 情報端末
５００ 表示装置
６００ 接触圧力測定システム

Claims (10)

1. 導電性繊維であるたて糸及びよこ糸を所定の規則に従って交錯させ平面状にした電気抵抗テキスタイルと、
   前記電気抵抗テキスタイルに電気的に接続された電位計測用電極を備える接触圧力センサ。
2. 前記電気抵抗テキスタイルを複数枚重ね合せた場合、最も外側の前記電気抵抗テキスタイルに前記電位計測用電極を電気的に接続させる請求項１に記載の接触圧力センサ。
3. 前記電気抵抗テキスタイルの導電率が１．０×１０^−４Ｓ・ｃｍ以上３．０×１０^２Ｓ・ｃｍ以下である請求項１に記載の接触圧力センサ。
4. 前記電気抵抗テキスタイルの表面抵抗率が１．０^−２Ω／ｓｑ．以上１．０×１０^４Ω／ｓｑ．以下である請求項１に記載の接触圧力センサ。
5. 電気抵抗テキスタイルは四角形又は円形である請求項１に記載の接触圧力センサ。
6. １枚又は複数枚を重ね合せた前記電気抵抗テキスタイルの最も外側に重ね合わせた絶縁層を備える請求項１又は２に記載の接触圧力センサ。
7. 接触圧力に応じた電位を計測する電位計測装置と、前記電位計測装置と通信可能な電位圧力変換装置を備える接触圧力測定システムであって、
   前記電位計測装置は、電気抵抗テキスタイルと電位計測用電極を備える接触圧力センサと、前記電位計測用電極と接続した電位計測器と、前記電位計測器からの信号を送信する送信器を備え、
   前記電位圧力変換装置は、前記送信器からの信号を受信する受信器と、前記受信器からの信号を圧力に変換する変換部を備える接触圧力測定システム。
8. 前記電位圧力変換装置は、前記受信器からの信号をキャリブレーションするキャリブレーション手段を有し、
   前記キャリブレーション手段は、
   所定の特性曲線へのフィッティングを行う手段と、
   フィッティングした前記特性曲線のパラメータを抽出する手段と、
   前記特性曲線のパラメータを保存する手段を有する請求項７に記載の接触圧力測定システム。
9. 前記変換部は、前記特性曲線のパラメータを用いて、前記受信器からの信号を圧力に変換する請求項７に記載の接触圧力測定システム。
10. 前記変換部によって変換された圧力を時系列に表示する表示装置をさらに備える請求項７に記載の接触圧力測定システム。
    
    

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