JP6845217B2 - 織布 - Google Patents

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Description

本発明は、テキスタイル構造工学および可撓性材物理の分野における織布に関する。
テキスタイル研究は、テキスタイル構造を創作するために使用される糸の素材、および交絡方法、並びに、繊維を撚り合わせることによって作られるあらゆる素材におよび、かつ各種のテキスタイル構造を伝統的に取り扱っていることは知られている。
テキスタイル構造の設計には、最終的な布地が、人類の歴史を通して、多種多様な条件の下で大量の試行の結果受け入れられ、かつ一連の機能を果たすようにするために、多くの制約がある。
今日のｅ−テキスタイルの利用は、例を挙げれば電子機器、通信、光学、化学、および他の多くの分野に亘っているが、上述したものとは別の制約がある。
特許文献１は、断熱布地層、熱機能布地層、複数の導電糸および複数の連結糸を含む一体的に織られた三層加熱テキスタイルを開示している。導電糸は、断熱布地層と熱機能布地層との間に配置されている。連結糸は、断熱布地を撚り合わせている。
連結糸は、断熱布地層と熱機能布地層とを撚り合わせている。これにより、導電糸は、断熱布地層と熱機能布地層との間に挟まれている。
特許文献２は、導電性縦糸の上部アレイからなる上部縦糸層と、導電性縦糸の下部アレイからなる下部縦糸層と、上部および下部の縦糸層の間に配置された中間縦糸層とを含んでいる多層縦糸を有するテキスタイル製品を開示している。このテキスタイルはさらに、第１組の導電性横糸が導電性縦糸の上部アレイを通過する横糸を含んでおり、これにより、その間に電気的接触が達成され、かつ第２組の導電性横糸が、導電性縦糸の下部アレイを通過し、これにより、その間に電気的接触が行われている。
第２組の導電性横糸は、上部及び中間縦糸層の非導電性縦糸の周りに、ループを形成している。各ループは、第１の上層接続点を提供しており、第１の上層接続点と第２の上層接続点との間に、ＬＥＤなどの電子デバイスを接続しうるようにしている。
米国特許出願公開第２０１０／０１５４９１８号明細書 米国特許第８３９５３１７号明細書
公知のように、圧電特性は、加えられた機械的応力に応答して、特定の素材で生成される電荷として現われる。一般に、圧電素材は、圧力、歪み、またはパルス、またはそれらの組み合わせにより、素材の特定の層において、電位を発生させる。
圧電効果は可逆的である。すなわち、機械的応力を加えると電荷を生成する素材は、印加された電界により、内部に機械的歪みが生成する。圧電現象は知られており、１世紀以上にわたって研究されている。
圧電デバイスは、多くの技術分野、例えば弁や、エネルギー回収、およびエネルギー検出用に使用されている。特に、テキスタイルにおけるエネルギー回収は、積極的に研究されており、この目的のために、圧電糸が提供されている。
本発明の課題は、電気を生成および／または回収することができる汎用多電極織布を提供することである。
これらおよびそれ以外の課題は、以下の要素を備える織布よって達成される。
−織り合わされた導電糸からなる第１導電層と、
−織り合わされた導電糸からなる第２導電層と、
−前記第１および第２導電層の間に位置する構造糸からなる第１中間層と、
−前記第１および第２導電層と、中間層とを撚り合わせる複数の第１結合糸とを備える織布であって、構造糸および結合糸は、圧電特性を有している。
本発明の利点は、エネルギー生成、エネルギー回収、圧力センサなどの多くの用途で利用できることである。
好ましい実施形態は、従属請求項の目的とするところである。
本発明の第１の実施形態による織布の反復セルを示す図である。 本発明の第２の実施形態による織布の反復セルを示す図である。 本発明の一実施形態による織布における圧電構成要素の分極を示す図である。 本発明の別の実施形態による織布における圧電構成要素の分極を示す図である。 本発明の様々な実施形態による織布を使用するセンサの実施形態を示す図である。 本発明の様々な実施形態による織布を使用するセンサの異なる実施形態を示す図である。 図６の実施形態によるセンサを使用するタップ高感度スクリーンの実施形態を示す図である。
以下、添付の例示的および非限定的な図面を参照して、本発明を詳細に説明する。同じ符号は、同じ要素を示している。
例示的な実施形態を、添付の図面を参照して、用途および使用を限定することなく説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による織布１０の反復セルを示している。
図１の織布１０は、織り合わされた導電糸２２、２４によって形成された第１導電層２０と、織り合わされた導電糸３２、３４によって形成された第２導電層３０とを備えている。
第１および第２導電層２０、３０の間には、構造糸４５からなる中間層４０が設けられている。
織布１０は、第１および第２導電層２０、３０を中間層４０と共に撚り合わせた複数の結合糸４７をさらに含んでいる。
第１および第２導電層２０、３０は、グリッドを形成するために、導電糸を互いに直交させることで形成されており、これによって、電極擬似層が形成されている。
構造糸４５と結合糸４７とは、圧電特性を有しており、導電層間の電気絶縁を確立する中間擬似層４０を形成している。すなわち、糸によって形成された絶縁層を形成している（図１）。
本明細書を通して、擬似層という用語は、機能層の同義語として使用する。なぜなら、織布は、そのなかに物理層が存在することができるとしても、必ずしも完全に規定された物理層によって常に形成されているわけではなく、その代わりに、本発明の様々な実施形態においては、織布のいくつかの機能領域は、導電性、電気絶縁特性、圧電性などの明確な機能特性を備えることができる。
構造糸４５と結合糸４７とに絶縁性を与えるために、以下の材料を使用することができる。
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）およびその圧電誘導体を選択することができる。
他の素材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、リン酸ガリウム、トルマリン、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）、酸化亜鉛などを使用することができる。これらの素材を繊維に添加するか、マトリックス素材内にナノまたはマイクロ粒子として分散させて使用することができる。
結合糸４７は、交絡構造、すなわち、織布１０を形成するために、第１導電層２０の上部および第２導電層３０の底部を通過するが、または第１導電層２０の底部および第２導電層３０の上部を通過している。
図２は、本発明の第２の実施形態による織布１００の反復セルを示している。
図２の実施形態における織布１００は、第２および第３導電層３０、６０の間に含まれる構造糸５５からなる第２中間層５０と、織り合わされた導電糸６２、６４からなる第３導電層６０とを備えている。
織布１００は、第２および第３導電層３０、６０を、それらの間にある第２中間層５０と撚り合わせている複数の結合糸６７を、さらに備えている。
このようにして、第１および第２導電層２０、３０は、結合糸４７によって撚り合わされており、第２および第３導電層３０、６０は、結合糸６７によって撚り合わされているため、織布１００は、一体的なテキスタイル構造を形成している。
第２中間層５０の構造糸５５、および複数の第２結合糸６７の結合糸６７は、圧電特性を有している。第２中間層５０は、導電層間の電気絶縁を確立する中間擬似層５０を形成している。すなわち、糸からなる絶縁層を形成している（図２）。
第２中間層５０の構造糸５５、および複数の第２結合糸の結合糸６７に絶縁特性を付与するために、以下の材料を使用することができる。
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）およびその圧電誘導体を選択することができる。
他の素材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、リン酸ガリウム、トルマリン、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）、酸化亜鉛などを使用することができる。これらの素材を繊維に添加するか、マトリックス素材に、ナノ粒子またはマイクロ粒子として分散させて使用することができる。
図１および図２の両方の実施形態において、織布構造は、互いに積み重ねられた複数の擬似層を形成している。
例えば、図１の実施形態では、導電層２０、３０は、中間層４０によって分離されているので、織布１０全体が、中間層によって分離された電極として作用することができる。
以下の説明で明らかとなるように、上記の構造は大きな汎用性があり、さまざまな用途に幅広く使用することができる。第１の用途では、構造糸４５、５５に圧電特性を付与することができる。結合糸４７、６７にも圧電特性を付与することができる。
圧電特性は、加えられた機械的応力に応答して、特定の素材で生成される電荷として現れることが知られている。一般に、圧電素材は、圧力、歪み、またはパルス、またはそれらの組み合わせにより、素材の所定の層において電位を発生させている。
このようにして得られた織布は、導電層２０、３０を横切る電位を生成するために使用することができる。
圧電糸に関しては、第１の可能性は、そのような圧電糸が他の場所で分極され、布が織られる時点で、既に圧電特性を有していることである。このような圧電特性は、強い電界勾配および温度の下で、ポリマー素材の配向または分極によって得ることができる。
第２の可能性は、絶縁糸および結合糸に圧電特性を付与するために、導電層２０、３０を横切る電界勾配下で熱処理を行うことである。
これらの糸の素材を、例えば、分極化オーブン２００内に布地全体を挿入することによって、これらのガラス転移温度（Ｔｇ）を超える温度の下で分極することができるように選択することができる。また、図３に示すように、糸を形成する単位圧電双極子を、例えば、電池２２０によって生成され、連続した疑似電極層にわたって印加される電界勾配の場合に応じて整列させることができる。図３の矢印は、分極方向を示している。
別の可能性は、糸が最終位置に収束するまでテキスタイル構造内を移動するとき、圧電応答の自己最大化の利益を得ることである。したがって、これは、図４に示すように、圧電利得を最大にするために、２つの集電電極が存在する場所に対して異なる方向に糸が分極することを必要としている。図３と同様に、図４の矢印は、分極方向を示している。
さらに、図４に表された構造では、織布１０を構成する異なる素材は、導電糸の場合はＣ、圧電糸の場合はＰ、見た目・感触の点においてテキスタイル特性を確立するために布地に編み込まれる一般的な、または従来の糸、例えば綿の場合は、Ｏで示されている。確立されたテキスタイル特性としては、染色性、湿気管理およびドレープも含まれている。
最終布地は、エネルギーハーベスタとして、すなわち、エネルギーを外部に由来し、獲得し、かつ蓄えるプロセスを使用することができる。
最終布地がセンサとして利用される場合、それぞれの糸として、すべて圧電性かつ導電性である糸か、または部分的に圧電性かつ導電性である糸が使用されている。
従来のおよび／または導電体の糸密度は、用途に応じて、布地の電気特性および／またはテキスタイル特性を微調整するために、図４に表されるものとは異なる構成で調整することができる。
導電糸を製造するためには、綿などの従来のテキスタイル素材（天然および合成）からなる糸を使用することができ、これを導電性素材で被覆する。導電性素材としては、例えばグラフェンのナノシート、カーボンブラックのナノ粒子、アモルファスカーボン、炭素のナノチューブまたはナノリボン、あるいはポリピロールなどの本質的に導電性のポリマーの層を使用することができる。
さらに、導電糸として、綿と鋼との混紡糸、綿と鋼撚糸との混紡糸、あるいはナノシート、ナノ粒子またはナノロッドを被覆、含浸またはドープした綿またはポリエステル（ＰＥＳ）の糸などを挙げることができる。銀および銅などの他の素材も、当該技術分野で周知の様々な方法において、導電性構成要素として使用することができる。
大まかに言って、本発明の様々な実施形態による織布は、いくつかの異なる用途に使用することができる。
第１の用途としては、任意の種類のセンサアレイ、または局所的に駆動する電子機器などの低電力電子ノードに電力を供給するエネルギーハーベスタが挙げられる。
第２の用途としては、ソフトウェアと対話するために使用されるヒューマンインタフェースなどの他のデバイスを制御するタップセンサ（または入力デバイス）を挙げることができる。
さらなる用途としては、緊急事態用のヒットセンサの構成要素を挙げることができる。
さらに別の用途としては、ＰＶＤＦなどのいくつかの圧電素材の焦電特性に起因する温度センサの構成要素を挙げることができる。
最後の用途としては、バスケットボールなどのスポーツ用のタッチセンサ、タップセンサまたはヒットセンサを挙げることができる。このようなイベントでは、視覚的に遮られる可能性があり、レフリーにとって、プレーヤーが本当にヒットしたかどうかを直接見ることができない場合があるからである。
一般的に言えば、布地の使用例は、機械的刺激を電気信号に変換するために本明細書に開示されている布地の能力に主に依存しているが、原則として、本発明の様々な実施形態の織布は、小さい振幅の振動を発生させる交番電位を印加することによって、アクチュエータとして使用することもできる。
さらに別の例を、図５および図６に示してある。これらは、本発明の様々な実施形態による織布を使用するセンサ１０’および１２０の異なる実施形態を示している。
図５のセンサ１０’では、第１および第２導電層２０、３０は、実質的に同じ導電性を有しており、中間絶縁層４０は、第１および第２導電層２０、３０の間に包含されている。
圧力がセンサ１０’の上面に加えられると、電気パルスが生成され、タップ信号Ｖａをセンサ１０’の電子端、すなわち接地基準１３５に接続された演算増幅器１３０によって感知することができる。
センサ１０’は、その上面の圧力を感知することはできるが、力が加えられた位置を識別することはできない。
図６のセンサ１２０では、第１および第２導電層２０、３０は、実質的に同じ導電性を有しているが、第３導電層９０は、第１および第２導電層２０、３０の導電性よりも実質的に低い導電性を有しており、抵抗層として機能することができる。
中間導電擬似層は、信号が読み出される接地１３５または基準となるように選択されている。布地の特定の位置で電気パルスを生成することができるタップ、または任意の物理的刺激は、図６に示すように、フロントエンドの電子機器が取り付けられている接点、すなわち演算増幅器１３０、１３０’に移動する。
位置感度は、２つの信号ＶｂとＶｃとの比を取ることによって求められる。ｉ）比が１に近いことは、フロントエンドの電子機器が存在する場所に非常に近い位置で、刺激が加えられているか、または電荷が生成していることを表している。ｉｉ）電荷が抵抗擬似層の信号としてフロントエンドまで遠く離れた位置で生成した場合、電荷は、長距離移動しなければならず、抵抗層９０の経路全体にわたってＩＲ電位降下により弱められるので、比率は、１よりはるかに小さくなっている。
これらの間の任意の値は、電荷が生成するおおよその位置、すなわち、位置感度を与えている。
本発明の糸構造の用途の例としては、
ｉ）布地の形態において身体位置監視用の装着型センサ技術、
ｉｉ）登山から大型船舶用途までの様々な分野で使用されるロープの伸張監視技術、
を挙げることができる。
さらなる用途としては、織布として実施される平面タップ高感度スクリーン３００を挙げることができる（図７）。
タップ高感度スクリーン３００は、一連のストライプとして実施することができ、各々のストライプは、図６の実施形態によるセンサ１２０に対応しており、各々のストライプは、タップ高感度スクリーンのメモリユニット４６０に記憶されたインデックス１−ｎで識別されおり、メモリユニット４６０は、タップ高感度スクリーン３００の電子制御ユニット４５０に接続されている。
例えば、ストライプのインデックスは第１座標Ｘを表すことができ、Ｖｂ／Ｖｃ比は平面上の他の座標を表すことができ、そのため、Ｘ−Ｙ平面上の位置は、既知となっている。
換言すれば、各々のストライプは、図６に示されているような織布位置センサによって構成されており、ストライプは、ストライプ自体の長手方向と直交する方向に沿って平行に配列されており、各々のストライプは、タップ高感度スクリーンのメモリユニットに記憶されたインデックスで識別されている。
スクリーンに接続された電子制御ユニット４５０は、特定のストライプを識別するインデックスを用いて、接触した特定のストライプの演算増幅器からの距離に関する情報を関連付けることができ、そのため、テキスタイルスクリーンに接触したポイントを決定することができる。
図７の例では、ポイントＰ１は、ストライプに接続された演算増幅器１３０、１３０’から距離Ｄにおいて、数字２で示されたストライプに接触している。
記述した任意の実施形態による織布において、電流が外部回路を通って流れることができるように、隣接する層を互いに接触させることができる。
少なくとも１つの例示的な実施形態を、前述の概要および詳細な説明で示したが、多くの変形例が存在することは言うまでもない。前記した実施形態は、単なる例示であり、いかなる形であれ、本発明の範囲、適用の可能性、または構成を限定することを意図するものではない。前述の概要および詳細な説明は、当業者に、少なくとも１つの例示的な実施形態を実施するための便利なロードマップを提供するが、特許請求の範囲およびそれらの法的同等物に記載された範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に記述された機能および要素の配置に、様々な変更を加えることができる。
１０ 織布
１０’ センサ
２０ 第１導電層
２２ 導電糸
２４ 導電糸
３０ 第２導電層
４０ 中間層
４５ 構造糸
４７ 結合糸
５０ 第２中間層
５５ 構造糸
６０ 第３導電層
６２ 導電糸
６４ 導電糸
６７ 結合糸
９０ 第３導電層（抵抗層）
１００ 織布
１２０ センサ
１３０ 演算増幅器
１３０’ 演算増幅器
１３５ 接地
２００ 分極化オーブン
２２０ 電池
３００ タップ高感度スクリーン
４５０ 電子制御ユニット
４６０ メモリユニット
Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ タップ信号

Claims (18)

  1. −織り合わされた導電糸（２２）、（２４）からなる第１導電層（２０）と、
    −織り合わされた導電糸（３２）、（３４）からなる第２導電層（３０）と、
    −前記第１および第２導電層（２０）、（３０）の間に含まれる構造糸（４５）からなる第１中間層（４０）と、
    −前記第１および第２導電層（２０）、（３０）と前記中間層（４０）とを撚り合わせる複数の第１結合糸（４７）とを備える織布（１０）であって、前記構造糸（４５）および前記結合糸（４７）は、圧電特性を有することを特徴とする織布（１０）。
  2. 前記構造糸（４５）および前記結合糸（４７）を、それらに圧電特性を付与するために、ガラス転移温度（Ｔｇ）を超える温度の下で、および電界の下で分極することを特徴とする請求項１に記載の織布（１０）の製造方法。
  3. 前記結合糸（４７）は、前記第１導電層（２０）の上部および前記第２導電層（３０）の底部を通過し、または前記第１導電層（２０）の底部および前記第２導電層（３０）の上部を通過していることを特徴とする請求項１に記載の織布（１０）。
  4. 前記構造糸（４５）の前記第１中間層（４０）は、電気絶縁層であることを特徴とする請求項１に記載の織布（１０）。
  5. 前記導電糸（２２）、（２４）は、導電性素材で被覆された天然または合成素材でできていることを特徴とする請求項１に記載の織布（１０）。
  6. 前記導電糸（２２）、（２４）を被覆している前記導電性素材は、グラフェンのナノシート、カーボンブラックのナノ粒子、アモルファスカーボン、炭素のナノチューブまたはナノリボン、あるいは本質的に導電性のポリマーの層から選択することができることを特徴とする請求項５に記載の織布（１０）。
  7. 前記導電糸（２２）、（２４）は、綿と鋼との混紡糸、綿と鋼撚糸との混紡糸、あるいはナノシート、ナノ粒子またはナノロッドを被覆、含浸またはドープした綿またはポリエステル（ＰＥＳ）の糸でできていることを特徴とする請求項１に記載の織布（１０）。
  8. 構造糸（５５）からなる第２中間層（５０）と、
    織り合わされた導電糸（６２）、（６４）からなる第３導電層（６０）と、
    前記第２および第３導電層（３０）、（６０）の間に含まれる前記第２中間層（５０）と、
    前記第２および第３導電層（３０）、（６０）と前記第２中間層（５０）とを撚り合わせる複数の第２結合糸（６７）とをさらに備え、
    前記第２中間層（５０）の前記構造糸（５５）および複数の前記第２結合糸（６７）の前記結合糸（６７）は、圧電特性を有していることを特徴とする請求項１に記載の織布（１０）。
  9. 前記第１および第２導電層（２０）、（３０）は、実質的に同じ導電性を有しており、前記第３導電層（６０）は、前記第１および第２導電層（２０）、（３０）の導電性よりも実質的に低い導電性を有しており、前記中間層（４０）、（５０）は同じ圧電特性を有していることを特徴とする請求項８に記載の織布（１０）。
  10. 前記構造糸（５５）の前記第２中間層（５０）は、電気絶縁層であることを特徴とする請求項８に記載の織布（１０）。
  11. 前記構造糸（４５）、（５５）および前記結合糸（４７）、（６７）は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）およびその圧電誘導体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、リン酸ガリウム、トルマリン、マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）、又は酸化亜鉛から選択した素材を含むことを特徴とする請求項１または８に記載の織布（１０）。
  12. 前記構造糸（４５）、（５５）および前記結合糸（４７）、（６７）に使用する前記素材を、繊維に添加するか、マトリックス素材にナノ粒子またはマイクロ粒子として分散させることを特徴とする請求項１１に記載の織布（１０）。
  13. 請求項１に記載の構造を有する織布と、前記織布上のタップ圧力に応答して電気信号（Ｖａ）を生成する演算増幅器（１３０）とを備えることを特徴とする織布位置センサ。
  14. 請求項８に記載の構造を有する織布と、電気信号（Ｖｂ）、（Ｖｃ）を生成する演算増幅器（１３０）、（１３０’）とを備え、前記電気信号の比は、前記演算増幅器（１３０）、（１３０’）に対するタップ位置の距離に比例していることを特徴とする織布位置センサ。
  15. テキスタイルストライプの形態で構成されている請求項９に記載の構造を有する複数の織布位置センサを備えるタップ高感度スクリーン（３００）であって、前記ストライプは、前記ストライプの長手方向と直交する方向に沿って平行に配列されており、前記各々のストライプは、前記タップ高感度スクリーン（３００）のメモリユニット（４６０）に記憶されたインデックス（１−ｎ）で識別されていることを特徴とするタップ高感度スクリーン（３００）。
  16. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の織布（１０）を含む物品。
  17. 前記物品は、低電力電子ノードに電力を供給するエネルギーハーベスタ、緊急事態用のヒットセンサ、温度センサ、衣類から選択されることを特徴とする請求項１６に記載の物品。
  18. 前記衣類は、スポーツ衣類であり、前記織布は、タッチセンサまたはタップセンサまたはヒットセンサであることを特徴とする請求項１７に記載の物品。
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