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あいち産業科学技術総合センター 研究報告 2013

研究論文

織物を用いた柔らかいタッチスイッチの開発
堀場隆広＊１、池上大輔＊１、島上祐樹＊１Development of Soft Touch Switches Using FabricTakahiro HORIBA *1 , Daisuke IKEGAMI *1 and Yuki SHIMAKAMI *1
Owari Textile Research Center * 1
本研究では、多数のタッチスイッチで構成されたデバイスを柔らかい織物で実現することを目的とした。
織 物 に 導 電 糸 を 織 り 込 み 、 こ の 導 電 糸 を 織 物 の タ ッ チ ス イ ッ チ の 電 極 と し た 。 デ バ イ ス を パ ソ コ ン の USBに 接 続 し 、 タ ッ チ ス イ ッ チ が USB デ バ イ ス と し て 動 作 す る こ と を 確 認 し た 。

１．はじめにElectronic Textiles または Smart Textiles とは、布２．原理
2.1 タッチスイッチ織物の原理にデジタル回路、小型コンピュータ、電子回路や通信機

織物から作られたタッチスイッチは様々な検出方法が能を付与して、フレキシブルで、かつ機能的な布製品を用いられている。主に、抵抗を検出するもの、静電容量実現するものである。

(キャパシタンス)を検出するもの、相互インダクタンス

織物でできた柔らかい電子機器を開発する利点として、主に、次の７項目が挙げられる。

を検出するもの、織物の織構造の中に接点を設けたものがある。

(1) 折り曲げることが可能である

本研究で作製したタッチスイッチ織物の原理を図１(2) 加工することが容易であるに示す。織物に配置した導電糸と人との間に発生する静(3) 折り畳んで小さくして収納することができる電容量の変化を検出するものである。

(4) 薄いものができる

電気的には、人は導体とみなされるため、人と導電糸(5) 軽いものができる間に絶縁物としての空気が存在する。したがって、人と(6) 身につけることや、敷くことができる導電糸の間に静電容量が生ずる。

(7) 柔らかいので安全である
我々は、これまでに織物に導電糸を織り込んだセンサ織物

1)の基礎技術

2)や製造技術を中心に開発してきた。

センサ織物でできた応用製品を開発するために、電子部品の基本的な素子であるスイッチを布で作製した

表１に、人とタッチセンサ織物の距離と静電容量の関係を示す。人の手が織物に近づくと、静電容量が大きくなり、遠ざかると小さくなる。
タッチスイッチ織物は人との間の静電容量の変化を電子回路とマイコンで検出して ON/ OFF を判定する。

ことについて述べる。
スイッチはこれまで金属、プラスチックなど、比較的硬い素材のものを対象にしていた。衣服や身の回りの布製品に柔らかいスイッチを組み込むことによって、布でできた新しいデバイスを開発することが可能とな静電容量（C）る。これによって、衣料や繊維製品をはじめとする医距離（d）

療、電子、情報など、幅広い分野にまたがる新製品の開発に、応用展開が可能となる。
電極

本研究では、織物に１次元に配列した多数のタッチスイッチのセンシングを行い、動作を確かめる実験をした。
これに併せて、パソコンのデバイスとして認識させるために、タッチスイッチ織物を USB で接続する実験をした。
*

１尾張繊維技術センター

素材開発室

図1

タッチスイッチ織物の原理

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表１

３．実験

人と織物の距離と静電容量の関係

人と織物の距離(d)静電容量(C)

大きい

小さい

小さい

3.1 タッチスイッチ織物の試作
導電糸と非導電糸を用いてタッチスイッチ織物を製織した。導電糸には、めっき糸を用いた。指の接触により、大きいめっき糸の劣化を防ぐために、綿糸をカーバーリングした。非導電糸は綿糸を用いた。織組織は平織を用いた。

2.2 タッチスイッチの回路構成
ここでは静電容量型のタッチスイッチの回路構成について述べる。タッチスイッチの回路は人と電極の間の静図３に試作したタッチスイッチ織物の写真を示す。タッチスイッチ織物の電極の配置を図４に示す。

電容量を計測する回路と、スイッチが押されたことを判定する ON/OFF の判定回路、あるいは判定プログラムから構成される。図２にタッチスイッチの回路構成を図示する。

計測する
静電容量（C）

ON

静電容量検出回路

ON/OFF判定

電極閾値

図２

図３

試作したタッチスイッチ織物

タッチスイッチの回路構成

静電容量の検出は電極に電荷を充電、あるは放電することによって、蓄えられたその電荷量を計測する。静電容量の変化は充放電を繰り返し、電荷量を連続してサンプリングすることによって、計測することができる。
電気回路で静電容量を簡易に検出する二つの計測方法がある。前者は充電、あるいは放電時間を計測して、静電容量を計測する。後者は CR 発振回路の発振周波数を決めるコンデンサ(C)の代わりに、タッチスイッチ織物
図４を接続して発振回路を構成する。発振回路から出力される周波数と抵抗値から静電容量を計算して求める。後者はタッチスイッチ織物(C)と抵抗 R の条件によって発振しないこともあるので、確実に測定できる前者を採用し導電糸の配置

指で 2 ヶ所の導電糸を同時に押さえないようにするために、導電糸を指の間隔より広い約３(cm)間隔に配置した。

た。
静電容量の閾値を Ct、計測された静電容量を Cm、出力の ON/OFF の関係を fout（Cm)とすると、スイッチのON/OFF 判定は(1)式で表される。

ON C m  C t f out (C m )  OFF C m  C t 

タッチスイッチとパソコンを接続するために、USB タッチスイッチチップを開発した。
チップの中に、タッチスイッチの回路と、USB を接続(1)

計測された静電容量 Cm が、ある設定した静電容量の閾値 Ct より大きいとき、スイッチが ON になったと判定する。静電容量 Cm が閾値 Ct より小さいとき、スイッチが OFF になったと判定する。

3.2 USB タッチスイッチチップするプログラムを組み込み、織物への取り付けが容易になるように工夫した。
使用したチップはマイコンコアと USB インタフェースを内蔵したプログラマブルなチップである。作製したチップの内部構成を図５に示す。
作製したチップは大きく分けて静電容量を計測する回路と、パソコンの USB にタッチスイッチの ON/OFFのデータを転送するプログラムで構成した。

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あいち産業科学技術総合センター 研究報告 2013

静電容量を計測する回路はセンシングするスイッチ毎にチップの入力端子を設定した。タッチセンサの静電容量のセンシングは、入力をマルチプレクサで切り替えることで実現した。
押されたスイッチの ON/OFF の判定と、その結果をUSB のデータに変換し、パソコンに転送するプログラムを作成した。それをマイコンのフラッシュメモリに書き込んだ。
パソコンとタッチスイッチ織物を接続してタッチスイッチ織物に電源が供給されると、パソコン側にタッチス
図６

イッチ織物のデバイス情報が転送される仕組みになってセンサ織物の中へ実装した電子回路基板いる。デバイス情報をパソコン側で受信して、パソコンの基本プログラムがデバイスの種別を認識するようにし3.4 基板と電極の配線基板と 1 次元に配列した電極の役割をする導電糸のた。
実験では USB の接続をできるだけ簡便に済ませるこ

接続はコネクタを使用しないで、基板のランド(端子)にとを考え、パソコン側の基本ソフトのデバイスドライバ直接被覆線をはんだで接続した。タッチスイッチの電極を記述する必要がないように、USB の HID(Humanとの接続は電極の導電糸と被覆線の芯線を結んだ。

Interface Device)のインタフェース規格で、チップ側のプログラムを記述した。

この複数のタッチセンサを用いて、センサ織物のデバイスの動作と接続を確認した。動作を確認するプログラ
ムは小型パソコンにフリーのプログラムを入れて実験し入力回路

入力回路

入力回路

入力回路

入力回路

アナログマルチプレクサ入力回路

た。

マイコン
コア
タッチスイッチ
回路

バス

I/O

４．実験結果

USBイン
タフェース
出力

フラッシュ
メモリ

メモリ
(RAM)

入力回路

入力

タッチスイッチ織物の電極を指で触れたとき、USB接続したパソコン側のディスプレイに押した位置を判別してスイッチが ON になったことを示す表示がでることを確認した。実験時の写真を図７に示す。

図５

USB タッチセンサチップの内部構成この実験結果より、タッチスイッチ織物がデバイスとして正常に動作することを確認した。
併せて、織物のデバイスとパソコンを USB で接続できることも示した。

3.3

織物へのチップの実装実験に用いた電子回路基板はガラスエポキシできているものを用いた。将来、表面実装チップと柔らかいフレ

この実験において、タッチスイッチと基板を結ぶ配線に触れると、まれに、タッチスイッチが動作してしまうことも分かった。

キシブルな基板で作製することを想定しているので、電子回路基板は表面実装チップが取り付けられているものを選択した（ツール工房(有)製）。
試作した USB 接続のタッチセンサチップをタッチスイッチ織物の中に実装した。実装は織物の織り目を広げ、プラスチックのネジを通して電子回路基板を固定した。
実装した基板を図６ に示す。基板は縦:33(mm)、横：43(mm)の大きさである。織物の折り曲げに影響しないように、電子回路基板はできるだけ面積が小さいものを使用した。
図７

織物のデバイスと小型パソコンの接続実験

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５．結びを可能とするため、二次元に配列したタッチセンサの電本研究で得られた結果を以下に示す。

極を開発することが課題となる。これに伴い、二次元の導電糸を織物の内部に配列した１次元のタッチスイッタッチスイッチのセンシング技術を開発する。

チ織物を作製した。
タッチスイッチ織物とパソコンを接続するためのUSB の 規 格 を 調 査 し た 。 そ の 結 果 、 HID(HumanInterface Device)を用いた接続が簡便であることが分かった。
タッチスイッチ織物のセンシングと USB インタフェースの機能をもつ１チップの回路を作製した。

タッチスイッチ織物の作製結果を踏まえ、二次元に配列したタッチスイッチ織物を接続する USB 接続のチップを開発する。
タッチスイッチ織物の電極と基板の配線を織物の上から触れると、まれにタッチスイッチが誤作動する。誤作動を防止するために、電極以外の配線をシールドする。
また、タッチスイッチ織物の感度を上げることや、信チップと電極の配線は単線の被覆線を用いた。被覆線

頼性を上げるために、人と織物間に発生するタッチセンと導電糸の接続は被覆線の芯線と導電糸を結んで接続しサの静電容量の変化を定量的に解析するなどが必要になた。

る。

パソコンと USB 接続して実験した結果、タッチスイ

文献

ッチ織物が、USB デバイスとして動作することが確認

1）池 口 ， 堀 場 ： 愛知県産業技術研究所研究報告， 6，

できた。
今後の課題として、次の項目について検討する。
タッチスイッチとしてより多くの種類のデータ入力

132(2007)
2） 堀 場 ， 池 口 ： 愛知県産業技術研究所研究報告， 7，
11(2008)