106愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────

研究論文

センサ機能を有するカーペットの開発
堀場隆広＊1

池口達治＊2Development of Sensor Textiles for Carpets
Takahiro HORIBA *1 and Tatsuharu IKEGUCHI *2
Owari Textile Research Center, AITEC * 1 * 2

パイル糸に導電性糸を使用したカーペットは圧縮されたときにパイル糸間あるいはパイル糸内における静電容量が変化する。また導電性繊維を使用した織物とカーペットを組み合わせることにより圧縮されたときに両者間の静電容量が変化する。これらの現象を利用して、床に敷いて人の動きを検知することがで
き る カ ー ペ ッ ト の 可 能 性 に つ い て 検 討 し た 。パ イ ル 糸 に 含 ま れ る 導 電 性 繊 維 の 本 数 、静 電 容 量 の 計 測 方 法 、織物とカーペットとの組み合わせ方を検討し、織物とカーペットを組み合わせて使用するとそれぞれを単体で使用するよりも優れた検出性能が得られることなどを明らかにした。

１．はじめに300D/72F をカバリングし、さらに綿糸 20/1 をカバリン

カーテン、寝具、敷物など生活空間では古くから繊維グした導電性二層構造糸（ダブルカバリング糸）をたて製品が活用され、人にとって馴染み深い素材のひとつとよこ糸とした平織物（密度：たて 155 本/10cm、よこ 144なっている。最近ではこれらカーペットにも E-テキスタ本/10cm）を製織した。その織物をたて 31cm、よこ 34cm

イルの技術を導入して新たな機能性を付与する試みがなに切り出した。さらにその二辺に導電性接着剤を塗布し、されるようになってきた。例えば部屋の温湿度や明るさ

たてとよこそれぞれの導電性繊維と導通する電極を形成を検知して快適な住環境にコントロールできる機能や、したものを実験に供した。

そこで暮らす人の動向や安否を確認することのできる機

また実験条件に応じて、たて糸とよこ糸を短絡したも能が望まれている。このようなカーペットを実現するたのを作製した。

めに、パイル糸に導電性繊維を用いたカーペットを考案

2.1.1 センサカーペットした。このカーペットは圧縮したときにパイル糸の変形

たてよこ綿ポリエステル混紡糸 10/1 をたてよこ糸とを静電容量の変化として捉えることができる。このほかした斜子織物（密度：たて 80 本/10cm、よこ 90 本/10cm）

導電性繊維を使用したカーペットや織物は様々な使い方をレピア織機にて製織した織物をカーペット基布とした。

により圧縮などの変化を電気的に捉えることができる。

直 径 0.04mm ス テ ン レ ス 線 に ポ リ エ ス テ ル 糸

この原理を利用して敷物などの繊維製品にすることによ

300D/72F をカバリングし、さらにポリエステル 2250D

り人の動きを検知できる可能性がある。しかしこういっをカバリングした導電性二層構造糸（ダブルカバリングたセンサ機能を有する繊維材料に関する特性はまだよく糸）２または３本と 2/4 アクリル糸 5 本とを引き揃えた

わかっていない。

ものをパイル糸とした。

本研究では、パイル糸に含まれる導電性繊維の本数、このパイル糸を基布に打ち込みタフテッドカーペット

静電容量の計測方法、織物とカーペットとの組み合わせを作製した 3)。このカーペットを一辺 26cm の正方形に方について実験を行い、センサ性能との関係を明らかに切り出したものを実験に供した。

した。

2.2 実験方法

２．実験方法

2.2.1 センサカーペットの測定
1 本のパイル内に導電性繊維を 2 本含めた試料を用い2.1 試料
2.1.1 センサ織物て荷重と静電容量との関係を求めた。このとき 2 本の導直 径 0.04mm ス テ ン レ ス 線 に ポ リ エ ス テ ル 糸*1 尾張繊維技術センター

開発技術室*電性繊維の接続方法をふたとおりとした。ひとつはパイ2 尾張繊維技術センター開発技術室(現産業労働部 地域産業課)

●107───────────────────────────────────────────────
ル内の２本の導電性繊維を電気的に短絡して隣接するパ・評価方法 P-5

イル間の静電容量を測定した。もうひとつは 1 本のパイセンサ織物の上にループ内に 2 本の導電性繊維を含むル内にある 2 本の導電性繊維間の静電容量を測定した。

センサカーペットを敷き、この上に人が乗る。センサ織

試料に錘を乗せていき 0～10kgf 間の加重時および除重物のたて糸とよこ糸はケーブルで短絡しておき、カーペ時における静電容量を測定した。静電容量は LCR メーットと織物との間の静電容量を測定する(図 5)。

タを用いて評価した。

・評価方法 P-6

2.2.2 評価方法の検討

センサカーペットを敷き、センサ織物を壁に掲示する。

試料を図 1～12 に示す状態に設置し、65kg の人が乗っセンサ織物のたて糸とよこ糸はケーブルで短絡しておく。

たときの静電容量の変化を求めた。

カーペットの上に人が乗り、センサ織物を手で触れたと・評価方法 P-1

きのカーペットと織物との間の静電容量を測定する(図センサ織物に人が直接乗る。たて糸とよこ糸間の静電6)。
･評価方法 P-7

容量を測定する(図 1)。

ループ内に 1 本の導電性繊維を含むセンサカーペット・評価方法 P-2
センサ織物の上に市販のタイルカーペットを敷いてその上に人が乗る。たて糸とよこ糸間の静電容量を測定すに人が乗る。ループ間の静電容量を測定する(図 7)。
･評価方法 P-8
ループ内に 2 本の同一電極の導電性繊維を含むセンサる(図 2)。
・評価方法 P-3

カーペットに人が乗る。ループ間の導電性繊維間の静電ループ内に 2 本の同じ電極の入った導電性繊維を含むセンサカーペットに人が乗る。ループ間の静電容量を測容量を測定する(図 8)。
･評価方法 P-9定する(図 3)。

ループ内に 2 本の異なる電極の導電性繊維を含むセン・評価方法 P-4

サカーペットに人が乗る。同じループ内の導電性繊維間ループ内に 2 本の異なる電極の入った導電性繊維を含むセンサカーペットに人が乗る。同じループ内の導電性の静電容量を測定する(図 9)。
･評価方法 P-10
ループ内に 3 本の同一電極の導電性繊維を含むセンサ繊維間の静電容量を測定する(図 4)。

カーペットに人が乗る。ループ間の静電容量を測定する(図 10)。
･評価方法 P-11
ループ内に 2 本が同じ電極で、残りの１本が異なる 3本の導電性繊維を含むセンサカーペットに人が乗る。同じループ内の導電性繊維間の静電容量を測定する(図 11)。
･評価方法 P-12
図 1 評価方法 P-1

図 2 評価方法 P-2

センサ織物を 2 枚重ねその上に市販のタイルカーペットを敷き、この上に人が乗る。センサ織物のたて糸とよこ糸はケーブルで短絡しておき、2 枚の織物間の静電容量を測定する(図 12)。

異なる電極の入った
導電性繊維

同じ電極の入った
導電性繊維

図3

評価方法 P-3

図4

評価方法 P-4

図5

評価方法 P-5

図6

評価方法 P-6

108愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────
用いて、荷重とループ間の静電容量、および荷重とループ内の静電容量との関係を比較した。この結果を図 13

導電性繊維および図 14 に示す。いずれの測定方法においても加重とともに静電容量が増加し除重とともに減少する傾向がみられセンサとしての機能を有することが確認できた。
なお、この実験条件においてはループ間の静電容量とループ内の静電容量に大きな差異は見られなかった。
図７

評価方法 P-7109異なる電極の導電性繊維

8静電容量の変化量(pF)

2本の同一電極の導電性繊維

7除重時

654加重時321

図 8 評価方法 P-8

図 9 評価方法 P-900246810荷重(kgf)

2本の同一電極と1本の異なる電極

図 13

ループ間の静電容量3本の同一電極の導電性繊維10

図 10 評価方法 P-10

図 11 評価方法 P-11

静電容量の変化量(pF)

987除重時6543加重時

2100246810荷重(kgf)

図 14ループ内の静電容量3.2 評価方法の検討
図 12

評価方法 P-12

各評価方法による静電容量の測定結果を図 15 に示す。
評価方法 P-1,P-2 は両極の導電性繊維が近いため他の試評価方法 P-1～P-6 の測定条件は次のとおり。

料と比べて静電容量が大きい。人が乗る前と乗った後の静電容量は LCR メータを用いて評価した。

静電容量の変化率を図 16 に示す。変化率は評価方法 P-5

電圧：AC 1.0Vが最も大きい。ループが圧縮変形するとともにカーペッ

周波数：100ｋHz

ト基布の変形によりループとセンサ織物との距離が近づ

温度：18.5℃

き、導電性繊維間の静電容量が著しく増加したものと考

湿度：29％えられる。次いで評価方法 P-5 の静電容量の変化率が高評価方法 P-7～P-12 の測定条件は次のとおり。

かった。この場合圧縮による静電容量の変化ではなく両静電容量はロックインアンプを用いて評価した。
4電圧：AC0.5V

初期値
動作後

周波数：100kHz
湿度：29％

静電容量(nF)

温度：18.5℃

321３．実験結果および考察

0P-1

3.1 センサカーペットの作動確認
1 本のループに導電性繊維を 2 本含めたカーペットをP-2P-3P-4P-5P-6試料

図 15P-1～6 の静電容量の評価結果

●109───────────────────────────────────────────────
試料を手足で触れたために人の体を含めた新たなキャパンアンプで求めた結果を図 19 に示す。この条件においシタンスが形成され静電容量が増加したものと考えられてはロックインアンプよりも LCR メータの変化率が高る。床に敷いたカーペットと壁紙材としての織物と考えい結果が得られた。ロックインアンプは耐ノイズ性能にると壁スイッチや人の位置検知などに利用できると思わ優れているため用途に応じて選択することが望ましい。

れる。
6060
電圧の変化率(%)

50

静電容量の変化率(%)

5040304030
201020010P-7P-8P-9P-10P-11P-12試料

0P-1P-2P-3P-4P-5P-6試料

図 16

図 18P-7～12 の静電容量の変化率

P-1～6 の静電容量の変化率
6.05.0

図 17 に示す。導電性繊維 2 本と 3 本とでは 3 本の出力4.0電圧が大きい。また導電性繊維 1 本と 2 本とでは今回の実験では 1 本の出力電圧が大きい結果となった。パイル内の導電性繊維および非導電性繊維の配置を固定しなか変化率(%)

評価方法 P-7～P-12 によるロックインアンプの出力を3.02.01.00.0

ったため導電性繊維が表面に多く存在する試料と非導電

P-3P-8P-9

試料性繊維に埋もれている試料ができた可能性がある。この場合、隣接する導電性繊維間の距離が異なるために出力P-4

図 19LCR メータとロックインアンプの結果比較ばらつきが生じることとなる。また、評価方法 P-12 はほかと比較して出力電圧が小さかった。これは 2 枚のセンサ織物間の距離が大きくなったと予想される。

４.結び
センサ織物とセンサカーペットの計測方法の違いによ

初期状態と人が乗った状態との出力電圧の変化率を図る検出性能について調べた結果、織物とカーペットを組18 に示す。1 本のパイル内に導電性繊維が 2 本含まれてみ合わせることにより良好な結果が得られることなどがいる試料の静電容量の変化率を LCR メータとロックイ明らかになった。

400

付記0.12

この研究は住江織物、鵜飼燃織の共同研究の成果の一

初期値
350

動作後0.1部である。

300

電圧(mV)

文献

0.082501) 池口,堀場：愛知県産技研研究報告,6,132(2007)

2002) 特開 2006-234716

0.063) 特開 2009-244020

1500.04
1000.02
5000P-7

P-8P-9P-10P-11
試料

図 17P-7～12 の静電容量の評価結果

P-12