JP5331481B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサと、そのセンサを含む繊維製品とに関する。

特許文献１は、例えば糖尿病患者の足の周りの圧力分布を測定するための圧力センサを有する靴下を開示している。組織損傷（糖尿病の足症候群）を生じさせるであろう圧力ピークを回避するように患者の足に靴を合わせる際に、測定が用いられる。靴下は、靴下の編物に組み込まれた一列の金属繊維を含む。金属繊維は、金属繊維間の交点の電気抵抗から圧力分布を計算する電子回路に接続される。

特許文献２は電子装置用の感圧入力インターフェースを開示している。インターフェースは、繊維衣類に組み込まれ、また一列の導電性繊維および非導電性繊維を含む。

関連技術で知られている繊維圧力センサでは、十分に広い範囲にわたって、加えられた圧力を正確に測定できないことが確認されている。その代わりに、上記繊維圧力センサは、本質的に、導電性繊維が互いに接触したときに導電性繊維間の電気抵抗が圧力閾値に急低下するオン・オフ動作を行う。しかし、抵抗は、圧力閾値よりもそれほど低くはまたはそれほど高くは変化しない。さらに、圧力閾値は制御が困難であり、ヒステリシス効果に依存する。

特許文献３は、歪力に依存する電気抵抗率を示したポリマー組成物を開示している。この組成物は、非導電性ポリマーに埋め込まれた導電性粒子を有する。
独国特許出願公開第１０３１４２１１Ａ１号明細書 国際公開第２００５／００００５２Ａ２号パンフレット 国際公開第９８／３３１９３号パンフレット

本発明の目的は、製織、ニット、ワープニットまたは裁縫等の繊維製造工程に適合すると共に、正確かつ確実な圧力または力の測定結果を算出する圧力センサを提供することである。

この目的は、複数の導電糸を有する圧力センサであって、これらの導電糸の少なくとも１つが、その他の前記導電糸に接触する多層糸でありかつ圧力に依存する電気特性を有する感圧層を有する圧力センサにおいて、前記多層糸は、前記感圧層によって覆われる導電性被覆によって覆われる非導電性繊維を有し、変形した後に前記多層糸を元の形状に戻すのを助け、前記前記多層糸の形状を安定化させるための繊維が、前記感圧層の下方で、前記導電性被覆の周りに巻かれていることを特徴とする圧力センサによって解決される。
従属請求項は、本発明の好ましい実施形態と、圧力センサを含む繊維製品とに関する。

本発明の圧力センサは、加えられた圧力に対する電気応答が、導電糸間の接触抵抗ではなく、主に、多層糸の感圧層の応答に依存するという利点を有する。このようにして、このセンサにより、正確かつ確実な圧力または力の測定結果を算出できる。

添付図面は本発明の好ましい実施形態の図面である。

以下の説明において、異なる実施形態の全体にわたる同一の要素は同一の参照番号で示されている。

本発明の第１の実施形態による繊維圧力センサが図１と図２に示されている。このセンサは、編物２０内に組み込まれた微細片の積層フィルム１０である多層糸を含む。

図１は、積層フィルム１０の断面図を示している。積層フィルム１０は、導電層１２から製造された芯を備える。導電層１２の両面は、感圧層１１によって覆われる。感圧層１１の外面は、導電性電極層１３によって覆われる。感圧層１１は、導電層１２と電極層１３との間の、圧力に依存する抵抗を示している導電性弾性材料から製造される。この材料はポリアニリン等の導電性ポリマーであり得る。他の好ましい材料は、カーボンブラック粒子等の導電性充填剤粒子を含むシリコン等の弾性絶縁体である。その代わりに、感圧層１１を圧電材料から製造することも可能である。

図２に示されているように、図１の積層フィルム１０の微細切断片は充填糸として編物２０に組み込まれる。編物２０は、交互に配置されかつ積層フィルム１０に対して各々が垂直に延びる非導電性領域２１および導電性領域２２を含む。非導電性領域２１は、非導電性である経糸２４から形成される。導電性領域２５は、導電性である経糸２５から少なくとも部分的に形成される。導電糸２５は細い金属ワイヤであることが好ましい。積層フィルム１０の外面は、実質的に、糸２４、２５からなる編物２０によって覆われるので、導電糸２５はフィルム１０の両面の電極１３に良好に接触する。このようにして、導電性領域２２と積層フィルム１０の芯１２との間の電気抵抗は、編物２０の面に対して垂直に作用する圧力に密接に関係し、したがって、フィルム１０と導電性領域２２との間の交差領域１の感圧層１１に作用する圧力に関係する。芯１２と導電性領域２２の導電糸２５とに接続された測定装置２３は交差領域１の圧力を測定できる。このような導電性領域２２の種々の領域に関するこのような多数の測定により、このような交差領域１の種々の領域に関する圧力値が算出され、また一片の積層フィルム１０に沿った圧力分布が示される。

図２に示されている実施形態の態様では、編物２０の表面に対する圧力の２次元分布の測定を可能にするために、複数の積層フィルム１０が互いに離間して平行に配置される。

図３と図４は本発明の第２の実施形態を示している。この実施形態では、図３に示されているような多層糸３０が、第１の実施形態の一片の積層フィルム１０に取って代わり、さらに、第１の実施形態の金属ワイヤ２５に取って代わるために導電性ワイヤとして機能する。

図３の（ａ）は、多層糸３０の横断面図を示しており、また図３の（ｂ）は、多層糸３０の縦断面図を示している。多層糸３０は、弾性感圧被覆３３によって覆われる導電性被覆３２によって覆われる非導電性ポリマー繊維３１を有する。導電性被覆３２は、電気化学処理によって付与された金属被覆（例えば、アルミニウム、銅、または好ましくは銀）であり得る。糸３０を弾性ポリマー溶液に浸漬することによって付与される導電性弾性ポリマーから、感圧被覆３３を製造することが可能である。ポリマーの一例はポリアニリンである。感圧被覆３３の他の例は、カーボンブラック粒子等の導電性充填剤粒子を含むシリコン等の弾性絶縁体層である。

図４の（ａ）は、図３の多層糸３０の２つの間の交差領域１の編物の断面図を示している。図４の（ｂ）は、図面の矢印で示されているように編物の面に対して垂直方向に圧力を加えた場合の編物の断面図を示している。このことから理解できるように、２つの多層糸３０が交差して互いに接触する交差領域１において、圧力が感圧被覆３３の弾性圧縮を生じさせる。感圧被覆３３を圧縮することにより、２つの多層糸３０の導電性被覆３２の間の距離の短縮が生じ、このようにして、加えられる圧力の増加に従って減少する２つの糸３０の間の感圧被覆３３を横切る電流に対する抵抗が生じる。このようにして、図２に示されている方法で電気抵抗を測定する測定装置２３によって、圧力を測定できる。

図５は、多層糸３０が感圧被覆を有さず、その代わりに、一片の感圧フィルム５１が、糸３０の交差領域１においてそれらの糸の間に挿入されるという点で第２の実施形態とは異なる第３の実施形態を示している。好ましくは、一片の感圧フィルム５１は、糸３０の少なくとも一方に平行に延びる充填糸として編物内に組み込まれる。感圧フィルム５１は、その厚さに依存する電気抵抗を有する。このようにして、圧力印加による圧縮時に、交差する糸の間で測定された電気抵抗は、第１および第２の実施形態よりも低い。感圧被覆３３と同一のエラストマー材料から、感圧フィルム５１を製造することが可能であり、さらに、より厚くすることが可能である。

図６は、第２の実施形態の多層糸３０の構造をより詳細に示している。糸の芯を形成するポリマー繊維３１は多数のフィラメント３４を有する。芯は、良導体、好ましくは、アルミニウム、銅または好ましい銀等の金属から製造された導電性被覆３２によって被覆される。次に、導電性被覆３２は、金属等の良導体の電気抵抗率と絶縁体の電気抵抗率との間の電気抵抗率を有する弾性材料から製造された感圧被覆３３によって覆われる。この感圧被覆は、ポリアニリン等の導電性ポリマーから、またはカーボンブラック粒子を含むシリコン等の、導電性充填剤粒子を含む絶縁ポリマーまたは絶縁エラストマーから製造されることが可能である。このようにして、導電性被覆３２と感圧被覆３３の外面との間の糸３０の半径方向で測定された電気抵抗は、感圧被覆３３の厚さに依存し、したがって、この程度で、弾性ポリマー被覆３３は、糸に作用する圧力によって圧縮される。圧力に対する電気抵抗の依存性のヒステリシスを防止するために、繊維３５は、感圧被覆３３の下にある導電性被覆３２の周囲に巻かれる。繊維３５は、糸３０の形状を安定させ、そして圧力の一時的印加を受けて変形した後に、前記糸をその元の形状に戻すのを助ける。繊維３５の巻回部の密度は、巻回部の間に隙間を残すように十分に低く、この隙間によって、導電性被覆３２と感圧被覆３３とが互いに確実に接触し続ける。このような隙間が設けられなかった場合には、金属ワイヤ等の良導体から繊維３５を製造すべきである。

図７は、本発明の第４の実施形態による圧力センサを組み込んでいる衣類の一例としての靴下７０を示している。靴下７０は、主に木綿、羊毛または合成繊維等の絶縁糸からなる編物から製造される。編物には、互いに離間してまた互いに平行に長手方向に延びる充填糸が組み込まれる。充填糸は、図３と図６に示されている多層糸３０から製造される。さらに、編物には、図２に示されているような方法で導電性領域２２に沿って離間して靴下の略水平方向に延びる導電糸２５から製造された経糸が組み込まれる。このようにして、靴下７０の編物は、図２の実施形態の一片の積層フィルム１０が、図３の実施形態の多層糸３０に置き換えられていることを除いて、図２の編物と同様である。

導電糸２５および多層糸３０が、特許文献１に開示されているような電子回路に接続された場合、回路は、導電糸２５および多層糸３０が互いに交差する交差領域１の各々の圧力を正確に測定できる。次に、回路は、交差領域１の各々の靴下７０の表面に作用する圧力値を有する靴下７０の、異なる灰色の陰影によってまたは異なる色によって視覚化された３次元画像を生成する。

上記実施形態は、
糖尿病患者の足の病的圧力ピークを測定し、このようにして、糖尿病の足の症候群を防止するのを助けるために、
患者へのプロテーゼの適合中に圧力分布を測定するために、
マットレスの圧力分布を測定し、このようにして、長期間にわたって横たわらなければならない患者の組織の損傷を回避するのを助けるために、
呼吸および不自然な呼吸を制御し、繊維製の血圧測定スリーブで血圧と心拍とを制御し、また圧縮靴下等のストッキングによって加えられた力を測定する際に生理的圧力を測定するために、
長時間着座またはスポーツ（歩行、ランニング、自転車走行、乗馬）等の活動中に人体に作用する力を監視するために、
特に、靴が合っているかどうかを当事者が自分自身で話すことができない場合に、または例えば、スキーブーツ等のスポーツシューズを個々の運動する人に合わせる際に、より完全なフィットが不可欠である場合に、個々の人に靴を合わせるのを助けるために、
技術装置または技術ロボットの力および圧力を測定するために、
使用されることが可能である。

上記実施形態では、複数の第１の積層片１０または多層糸３０は、編物の厚さ方向に作用する圧力を測定できる一列の離間した交差領域１を有する編物２０を形成するように、複数の第２の導電糸２５または多層糸３０に交差すべく配置される。さらに、一方では積層片１０または多層糸３０、他方では導電糸２５または多層糸３０をロープ等の繊維製品に互いに平行に組み込むことも可能である。次に、それらの間の電気抵抗が、ロープに作用する圧縮圧力、すなわち、ロープの長さに沿って一体化された圧力に対して測定される。建物、車両用タイヤまたは他の車両部品等の機械構造に組み込まれた上記種類のロープは、部分に作用する荷重を測定するのにまた前記部分の構造的完全性を監視するのに有用である。さらに、上記種類のロープを圧縮靴下等の繊維製品に一体化して、繊維製品の効果を監視することが可能である。

本発明の第１の実施形態の圧力センサに使用される積層フィルムの断面図である。 図１の積層フィルムを使用した繊維圧力センサの平面図である。 本発明の第２の実施形態の圧力センサに使用される多層糸の横断面図および縦断面図である。 図３の多層糸の構成を用いた繊維圧力センサの断面図である。 本発明の第３の実施形態としての他の圧力センサの図面である。 図３の多層糸のより詳細な図面である。 本発明の第４の実施形態の図３の多層糸を有する繊維圧力センサを含む靴下の図面である。

Claims (10)

1. 複数の導電糸（１０、２５、３０）を有する圧力センサであって、これらの導電糸の少なくとも１つが、その他の前記導電糸（１０、２５、３０）に接触する多層糸（１０、３０）でありかつ圧力に依存する電気特性を有する感圧層（１１、３３、５１）を有する圧力センサにおいて、
   前記多層糸（１０、３０）は、前記感圧層（３３、５１）によって覆われる導電性被覆（３２）によって覆われる非導電性繊維（３１）を有し、変形した後に前記多層糸（１０、３０）を元の形状に戻すのを助け、前記多層糸（１０、３０）の形状を安定化させるための繊維（３５）が、前記感圧層（３３、５１）の下方で、前記導電性被覆（３２）の周りに巻かれていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記多層糸（１０、３０）の前記感圧層（１１、３３、５１）が前記他の導電糸（１０、２５、３０）に電気接触する請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記他の導電糸（２５、３０）を含みかつ非導電性領域（２１）によって離間した平行な領域（２２）を含む編物（２０）を備え、前記多層糸と前記他の導電糸とが互いに交差する一列の別個の領域（１）を形成するように、前記各領域（２１、２２）が前記多層糸（１０、３０）に交差する請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記編物が、経糸としての非導電糸（２４）および前記他の導電糸（２５）からなるニットによって製造され、また充填糸としての前記多層糸（３０）をさらに含む請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記多層糸が前記他の導電糸（２５、３０）に交差する一列の別々の２次元領域（１）を形成するために、前記複数の多層糸（１０、３０）が互いに平行にまた互いに離間して延びるように設けられる請求項３または４に記載の圧力センサ。
6. 前記多層糸（１０、３０）と前記他の導電糸（２５、３０）と非導電糸（２４）とから製造されたロープを備える請求項１または２に記載の圧力センサ。
7. 一片の積層フィルム（１０）が前記多層糸のために使用される請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力センサ。
8. 前記別の複数の多層糸（３０）が前記他の導電糸のために使用される請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力センサ。
9. 衣類において、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧力センサを含む衣類。
10. 靴下において、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧力センサを含む靴下。

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