JP2012193467A

JP2012193467A - 導電性布帛

Info

Publication number: JP2012193467A
Application number: JP2011057590A
Authority: JP
Inventors: Hideo Ikenaga; 秀雄池永; Hiroyuki Kinouchi; 裕之木ノ内
Original assignee: Asahi Kasei Fibers Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-10-11

Abstract

【課題】人体や柔軟なものが接する際の圧力分布を検知するセンサー部材や電極等として使用しうる、伸縮性、柔軟性があり、人体の凹凸や変形に柔軟に追従できる導電性布帛の提供。
【解決手段】非導電性繊維からなる基布の表面上に複数個の導電性層が互いに絶縁された状態で島状に形成され、かつ、タテ及び／又はヨコ方向に５〜２００％の伸長率を有する導電性布帛。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車シート用の着座センサー、ベッドや椅子上での人体の圧力分布を検知する圧力分布センサー、ロボットの触覚センサー、玩具等の圧力センサーやスイッチ、ウエアラブルな電極やスイッチ等の部材として使用しうる、伸縮性、柔軟性があり、人体の凹凸や変形に柔軟に追従できる導電性布帛に関する。

従来より、圧力を検知するセンサー部材やウエアラブルな電極やスイッチ等として、布帛表面に導電性層を島状に設けた導電性布帛が多く開発されてきた。
以下の特許文献１には、タッチセンサに加えられた圧力の位置及び範囲を測定するため、非導電性の布帛上に圧電性抵抗インクを非連続的に四角の島状に塗布したタッチセンサ用中間部材が開示されている。
しかしながら、特許文献１の中間部材はポリエステル繊維等が織られて形成されており伸縮性に乏しく、人体の凹凸や変形に柔軟に追従することは困難であった。

特表２００７−５３１１４２号公報

本発明が解決しようとする課題は、導電性層が布帛表面に島状に形成されており、かつ、伸縮性、柔軟性があり、人体の凹凸や変形に柔軟に追従できる導電性布帛を提供することである。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく、布帛表面への導電性層の形成方法、布帛基材の構成、導電性層の面積比率等を鋭意検討し実験を重ねた結果、予想外に本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下のとおりのものである。

［１］非導電性繊維からなる基布の表面上に複数個の導電性層が互いに絶縁された状態で島状に形成され、かつ、タテ及び／又はヨコ方向に５〜２００％の伸長率を有する導電性布帛。

［２］前記島状の個々の導電性層の面積が０．５〜２００ｃｍ^２であり、前記複数個の導電性層の合計面積Ａ（ｃｍ^２）と前記導電性層が形成されていない非導電性部分の合計面積Ｂ（ｃｍ^２）の比Ａ／Ｂは１〜１０である、前記［１］に記載の導電性布帛。

［３］前記導電性層に導電性繊維が配されているが、前記導電性層が形成されていない非導電性部分には導電性繊維が配されていない、前記［１］又は［２］に記載の導電性布帛。

［４］前記導電性層に導電性繊維が刺繍により配されている、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の導電性布帛。

［５］前記導電性布帛がダブルラッセル編機によって形成され、ストライプ状に供給した導電性繊維をフロント針、バック針の交互に編込んだ後、該導電性繊維をセンターカットすることにより導電性層が形成されている、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の導電性布帛。

本発明の導電性布帛は、導電性層が布帛表面に島状に形成されており、かつ、伸縮性、柔軟性の高い導電性布帛であるため、人体の凹凸や変形に柔軟に追従できる感圧センサーや電極等の部材として好適に利用可能である。

本発明の導電性布帛の模式図（上視図）である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の導電性布帛は、５〜２００％の伸長率を有することにより、人体の凹凸や変形に柔軟に追従する。
本発明でいう伸長率とは、タテ方向又はヨコ方向に布帛を５ｃｍ幅×３０ｃｍ長にカットし、つかみ間隔を２０ｃｍとして、２０ｃｍ／ｍｉｎの引張速度で布帛を伸長する際、１４．７Ｎの荷重となった時の布帛の伸び率のことをいい、以下の式（１）：
伸長率（％）＝（１４．７Ｎ荷重時のつかみ間隔ｃｍ−２０）×１００／２０
で算出される。

本発明の導電性布帛に５〜２００％の伸長率を付与するためには、非導電性繊維からなる基布を、ポリウレタン繊維の混用や仮撚加工糸によって形成することが好ましい。
基布表面に導電性層を形成する方法としては、導電性フィラーを混入した樹脂やインクを印刷やコーティング方法等により表面に島状に形成する方法や、島状に金属蒸着、金属スパッタリング、金属メッキを施す方法、導電性繊維を刺繍法により基布に縫い込む方法、編機や織機によって導電性繊維を交編する方法等、任意の方法が挙げられる。

島状の導電性層と隣り合う島状の導電性層は、センサー等の用途において圧力分布状態を検知するために絶縁されている必要があり、電圧をかけても電流が流れないことが必要である。また、島状の導電性層の電気抵抗値は、本導電性布帛と接する別の導電性布帛の局部的な電気抵抗値を下げ、圧力分布を測定する圧力センサー用部材として用いる際、その検知性能を高めるために、２Ω／ｃｍ以下であることが好ましく、１Ω／ｃｍ以下がより好ましい。島の形状は正方形、長方形等の略四角形、略ひし形、略円形、略六角形等、任意の形状とすることができるが、刺繍機や編機を用いて導電性繊維によって形成する場合は、形状の作り易さから正方形や長方形等の略四角形や略ひし形が好ましい。

非導電性繊維からなる基布に後加工により導電性層を形成する場合、導電性層表面の導電性を高めるために、金属蒸着、金属スパッタリング、金属メッキ方法を用いることが好ましい。しかしながら、後加工により導電性層を形成する場合は、導電性布帛の伸縮時に導電性層が剥がれたり、クラックが生じる場合があり、導電性層の耐久性が若干劣る。導電性層の伸縮に対する耐久性を向上させ、加えて、導電性層部分の伸長率を増大させるためには、基布の導電性層に導電性繊維が配され、非導電性層には導電性繊維が配されていない布帛であることが好ましい。このとき、導電性層末端に導電性繊維の端部が存在する場合には、端部解れを防ぐため、公知の解れ止め処理が施されていることが好ましい。

導電性繊維を布帛の一部に島状に配する方法は特に限定されないが、導電性繊維を刺繍法により基布に縫い込む方法、あるいは、編機や織機によって導電性繊維を基布に交編織する方法がより好ましい。この際、導電性繊維の一部が基布の表面に現出し一部が基布の裏面に現出する様に、基布の厚み方向に上下しながら立体的に導電性層を形成することにより、導電性繊維が基布の伸縮性に追従して形状変化するものとなる。

導電性繊維を刺繍法により非導電性繊維からなる基布に縫い込む場合は、１頭式や多頭式の刺繍機によって導電性繊維が島状の導電性層を形成するように縫い込んだ後、糸をカットして次の導電性層を形成することを繰り返して、複数の導電性層を表面に形成することができる。刺繍法により導電性層を形成する際は、導電性繊維からなる刺繍糸を上糸又は下糸に用い、従来より用いられる各種ステッチにより導電性繊維を交差・接触させながら導電性を発現させる。この際、導電性繊維は下糸に用いると、刺繍機の針によるしごかれ等の負荷が低減されるため、導電性繊維に撚糸や特殊な加工等を施すことなく用いることが可能となり好ましい。伸縮性の基布に刺繍する際に使用する芯地には、刺繍後に伸縮性が発現する芯地を用いることが好ましく、より好ましくは水溶性の不織布やフィルム等の芯地を用い、刺繍後に芯地を溶解除去することが導電性層の伸縮性発現のために効果的である。

導電性布帛を編機や織機によって形成するには、編織物を二重に形成しながら導電性繊維を編織物の長さ方向にストライプ状に交編織する際に、二重の編織物の片側の基布に一定長さで導電性繊維を編込んだ後、他方の基布に一定長さで導電性繊維を編込む。これを繰り返すことにより、二重編織物の片面には導電性繊維が島状に形成される。このようにして得られた二重編織物をセンターカットすることにより、島状の導電性層が完全に絶縁された導電性布帛が得られる。センターカット後に、導電性繊維が解れるのを防止するためには、非導電性繊維からなる基布はポリウレタン繊維が交編織された基布であることが好ましく、また、熱融着等により導電性繊維と非導電性繊維を固着させることが好ましい。

導電性布帛を編機や織機によって形成する場合、より大きな伸縮性を付与するためには、ダブルラッセル編機によってストライプ状に供給した導電性繊維をフロント針、バック針の交互に一定長さに編込んだ後、導電性繊維をセンターカットする方法が好ましい。この際、導電性繊維をストライプ状に編む際には、隣り合う導電性繊維が接触して導通することが必要となるため、導電性繊維の編み方は１針以上の振りを有するトリコット編や、１針以上の振りを有する挿入編が好ましい。より具体的には、導電性繊維を１針以上ヨコ振りして編み込むことにより、隣り合う導電性繊維が少なくとも一部分で同一のニットループを形成する方法、１本の導電性繊維のニットループに別の導電性繊維のニットループがタテ方向に連なる方法、１本の導電性繊維のニットループ、シンカーループや挿入糸が隣り合う導電性繊維のニットループ、シンカーループや挿入糸と接触する方法を用いることが好ましい。特に、布帛の伸長や変形に対する回復性や耐久性を向上させるためには、隣り合う導電性繊維が同一のニットループを形成方法、又は１本の導電性繊維のニットループに１本以上隣の別の導電性繊維のニットループがタテ方向に連なる方法がより好ましい。

刺繍法や編機によって本発明の導電性布帛を得る場合、１つの島状の導電性層の面積に占める導電性繊維の面積比率を好ましくは５〜８０％、より好ましくは５〜７０％として、島状部分の表面導電性を確保することが好ましい。導電性繊維の面積比率が８０％を超えると、導電性繊維が基布の伸縮性を阻害し易くなり、伸縮性の劣る導電性布帛となる。

本発明の導電性布帛において伸縮性を向上させるために好ましい方法は、個々の島状の導電性層の面積、及び、島状の導電性層の合計面積Ａ（ｃｍ^２）と非導電性部分の合計面積Ｂ（ｃｍ^２）の比を適正に保つことであり、１つの島状の導電性層の面積は０．５〜２００ｃｍ^２が好ましく、より好ましくは１〜１５０ｃｍ^２である。１つの島状の導電性層の面積が２００ｃｍ^２を超えると、導電性層が基布の伸長を妨げ布帛全体の伸縮性が劣る傾向となる。１つの島状の導電性層が０．５ｃｍ^２未満の場合、基布表面に精密に導電性層を形成することが困難となり、センサーや電極としての精度が劣るものとなる。ここで、複数個の導電性層の合計面積Ａ（ｃｍ^２）と導電性層が形成されていない非導電性部分の合計面積Ｂ（ｃｍ^２）の比Ａ／Ｂが１〜１０であることが好ましい。Ａ／Ｂが１０を超えると伸縮性が阻害されやすく、一方、Ａ／Ｂが１未満であると伸縮性は良好となるが、圧力分布を測定するには検出精度が低下して好ましくない。該比Ａ／Ｂは、より好ましくは２〜８であり、さらに好ましくは２〜５である。

導電性布帛が伸縮性を発現する際は、島状の導電性層の間の非導電性部分がまず優先的に伸縮する。このため、非導電性部分が導電性層に対して一定割合以上存在することが必要となる。そのため、好ましい非導電性部分の幅は２ｍｍ以上、より好ましくは３ｍｍ以上である。

本発明の導電性布帛の非導電性部分を形成する繊維としては、非導電性の任意の繊維を用いることができるが、ポリエステル、ナイロン、アクリル、ポリウレタン等の比較的公定水分率の低い合成繊維を用いることが、湿度等の影響を受け難くする上で好ましい。より高い伸縮性を布帛に付与するためには、非導電性繊維にポリエステルやナイロンの仮撚加工糸を使用したり、ポリウレタン繊維を混用することが好ましい。これらの繊維の繊度は、製編織性を向上させる観点から、５０〜１０００デシテックスが好ましく、ポリウレタン繊維の場合には、１５〜１００デシテックスが好ましい。

本発明に用いる導電性繊維は、合成繊維の表面にスパッタリング、蒸着、メッキ等の方法により、銀、銅、ニッケル、硫化銅等の公知の金属皮膜を形成した繊維や、銅、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等の公知の金属繊維や、ポリピロール、ポリアニリン等の公知の導電性高分子繊維等であることができる。また、芯糸に弾性繊維を用い、これらを導電性繊維でカバーリングや撚糸した複合糸は、それ自体で布帛の伸縮性を増大できるものとなる。導電性繊維としては、任意の繊度を使用することができるが、高分子繊維を主体として構成される導電性繊維の場合、導電性が良好で製編織性に優れる観点で、総繊度３０〜１０００デシテックスのマルチフィラメントが好ましい。金属繊維の場合、単糸の直径が１〜５００μｍのモノフィラメントやマルチフィラメントが好ましいが、単糸の直径が１〜２００μｍのマルチフィラメントであると製編織性が良好となるため、より好ましい。

本発明の導電性布帛は水等の液体で濡れたり、導電性繊維に腐食等の劣化が生じることを防止するため、導電性層の反対面（電極等に使用しない面）の少なくとも一部が樹脂で被覆されていることが好ましい。樹脂で被覆する方法としては、導電性布帛の片面にコーティング加工やラミネート加工等による樹脂加工を行ことが、水分等の液体の浸入を防止する上で好ましい。

導電性布帛の片面を被覆する樹脂は限定されるものではなく、一般に使用されている樹脂を使用することができ、例えば、シリコーン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、クロロプレン、クロロスルホン化ポリオレフィン、アクリル、フッ素、ポリアミド系エラストマー、ポリスチレンブタジエン等の樹脂を使用することができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［実施例１］

２２ゲージ、釜間３ｍｍ、５枚筬を有するダブルラッセル編機を用い、表側の非導電性の基布を形成する筬Ｌ１、Ｌ２、裏側の非導電性の基布を形成する筬Ｌ４、Ｌ５において、Ｌ１及びＬ５にポリウレタン繊維４４デシテックスをオールインで供給し、Ｌ２及びＬ４にポリエステル繊維１１０デシテックス４８フィラメントをオールインで供給した。また、基布表面に導電性層を形成する筬Ｌ３にポリエステルの表面を銀で被覆した導電性繊維１６７デシテックス／７２フィラメント（三菱マテリアル株式会社製シルファイバー）を２０イン４アウトで供給し、下記に示す編組織にて導電性二重編地を編成した。
（編組織）
Ｌ１：１０１１／１２１１／
Ｌ２：２３２２／１０１１／
Ｌ３：（１０１１／２３２２／）×２０リピート（２２１０／１１２３／）×４リピート
Ｌ４：１１２３／２２１０／
Ｌ５：１１１０／１１１２／

得られた布帛に１８０℃×２分の熱セットを行い形態を安定させた後、センターカット機により二重編地の中央をセンターカットし表側の基布と裏側の基布に分割した。表側の基布は導電性繊維のシンカーループがジグザグに基布表面を覆った１０ｍｍ角の導電性層がブロック状に複数形成され、非導電性部分の幅がタテ方向、ヨコ方向共に２ｍｍ幅である図１に示す導電性布帛を得た。尚、１つの島状の導電性層の面積に占める導電性繊維の面積比率は５３％であった。

得られた導電性布帛は、導電性層部分の電気抵抗が０．７Ω／ｃｍで良好な導電性を示した。本導電性布帛を産業技術総合研究所と東京大学が共同開発した触覚分布センサー（ロボティクスシンポジア予稿集Ｖｏｌ．１４ｔｈＰａｇｅ．２１１−２１６２００９年３月１６）の低抵抗率シートとして使用した。その結果、硫化銅で表面被覆したアクリル繊維を高伸縮性ニット生地にジグザグ縫いし、９ｍｍ角の格子状とした高抵抗率シートと重ね合わせて圧力を加えると、高抵抗率シートの加圧部位の抵抗変化が顕著に現れ、圧力分布検知性能に優れたものであった。また、実施例１の導電性布帛は、伸縮性、柔軟性に優れ、伸長や変形時においても圧力分布を良好に検知できるものであった。
結果を以下の表１に示す。

［実施例２］
２８ゲージのトリコット編機によって得られたポリエステル繊維５６デシテックス２４フィラメント、ポリウレタン繊維４４デシテックスが交編された２ＷＡＹ編地を基布として、１頭刺繍機によりポリエステルの表面を銀で被覆した導電性繊維１６７デシテックス／７２フィラメント（三菱マテリアル株式会社製シルファイバー）を合撚した糸を供給し、１ｃｍ角の導電性層を２ｍｍの非導電性部分の幅を設けてタテ、ヨコ方向に各１６列の導電性層を有する導電性布帛を得た。得られた導電性布帛においては、１つの島状の導電性層の面積に占める導電性繊維の面積比率は７５％であり、表面の電気抵抗は０．６Ω／ｃｍであった。
本導電性布帛を実施例１と同様に触覚分布センサーの低抵抗率シートとして使用した。その結果、高抵抗率シートと重ね合わせて圧力を加えると、高抵抗率シートの加圧部位の抵抗変化が顕著に現れ、圧力分布検知性能に優れたものであった。また、実施例２の導電性布帛は伸縮性、柔軟性に優れ、伸長や変形時においても圧力分布を良好に検知できるものであった。
結果を以下の表１に示す。

［実施例３〜５］
実施例２において、１つの島状の導電性層を形成する刺繍パターンを変更し、１つの島状の導電性層の面積に占める導電性繊維の面積比率を、実施例３では６５％、実施例４では３３％、実施例５では２４％として、導電性布帛を得た。導電性層の表面の電気抵抗は、それぞれ、０．６Ω／ｃｍ、０．９Ω／ｃｍ、１．２Ω／ｃｍであった。
本導電性布帛を実施例１と同様に触覚分布センサーの低抵抗率シートとして使用した。その結果、高抵抗率シートと重ね合わせて圧力を加えると、実施例５が若干圧力検知性が劣る傾向が見られたが、高抵抗率シートの加圧部位の抵抗変化が顕著に現れ、圧力分布測定が可能なものであった。また、実施例３〜５の導電性布帛は伸縮性、柔軟性は、１つの島状の導電性層の面積に占める導電性繊維の面積比率が少ない程、優れるものであった。

［実施例６〜７］
実施例２において、１つの島状の導電性層の面積を４ｃｍ^２、非導電性部分の幅を２ｍｍに（実施例６）、１つの島状の導電性層の面積を９ｃｍ^２、非導電性部分の幅を２ｍｍに（実施例７）に変更し、導電性布帛を得た。得られた導電性布帛を実施例１と同様に触覚分布センサーの低抵抗率シートとして使用した。その結果、高抵抗率シートと重ね合わせて圧力を加えると、高抵抗率シートの加圧部位の抵抗変化が顕著に現れ、圧力分布検知性能に優れるものであったが、実施例７の導電性布帛の伸縮性、柔軟性は、実施例２のものに比較して劣るものであった。

本発明の導電性布帛は、伸縮性、柔軟性があり人体の凹凸や変形に柔軟に追従できる導電性布帛であり、自動車シート用の着座センサー、ベッドや椅子上での人体の圧力分布を検知する圧力分布センサー、ロボットの触覚センサー、玩具等の圧力センサーやスイッチ、ウエアラブルな電極やスイッチ等の部材として好適に利用しうる。

１導電性布帛
２導電性層
３非導電性部分

Claims

非導電性繊維からなる基布の表面上に複数個の導電性層が互いに絶縁された状態で島状に形成され、かつ、タテ及び／又はヨコ方向に５〜２００％の伸長率を有する導電性布帛。
前記島状の個々の導電性層の面積が０．５〜２００ｃｍ^２であり、前記複数個の導電性層の合計面積Ａ（ｃｍ^２）と前記導電性層が形成されていない非導電性部分の合計面積Ｂ（ｃｍ^２）の比Ａ／Ｂは１〜１０である、請求項１に記載の導電性布帛。
前記導電性層に導電性繊維が配されているが、前記導電性層が形成されていない非導電性部分には導電性繊維が配されていない、請求項１又は２に記載の導電性布帛。
前記導電性層に導電性繊維が刺繍により配されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電性布帛。
前記導電性布帛がダブルラッセル編機によって形成され、ストライプ状に供給した導電性繊維をフロント針、バック針の交互に編込んだ後、該導電性繊維をセンターカットすることにより導電性層が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電性布帛。