JP2017120237A - 布帛状センサーおよびそれを用いたデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電性繊維を用いた圧電素子の信号強度をより高め、さらに静電容量の変化を検出する方式を併用した高機能なセンサーを実現する技術を提供する。【解決手段】導電性繊維で形成された芯部と、前記芯部を覆うように組紐状の圧電性繊維で形成された鞘部と、を備えた組紐状圧電素子に、さらに別の導電性繊維を組み合わせ、さらにそれぞれに適したアルゴリズムを備えた回路を接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電性繊維を用いた組紐状圧電素子を含む布帛状センサーおよびそれらを用いた静電容量方式併用型のデバイスに関する。

近年、いわゆるウェアラブルセンサーが注目を浴びており、眼鏡型や腕時計といった形状の商品が世に出始めた。しかし、これらのデバイスは、装着しているという感覚があり、究極のウェアラブルである、布状、つまり衣類のような形状のものが望まれている。そのようなセンサーとして、圧電性繊維の圧電効果を用いた圧電素子が知られている。例えば、特許文献１には、２本の導電性繊維および１本の圧電性繊維を含み、これらが互いに接点を有しつつ、略同一平面上に配置されている圧電単位を含む圧電素子が開示されている。また、特許文献２には、圧電高分子からなる繊維状物、または成形物であり、これの軸方向に付加される張力によって圧電性を発生させるために、かかる張力の付加方向と異なる方向に捩りを加えて構成したことを特徴とする圧電材が開示されている。

一方、近年、いわゆるタッチパネル方式を採用した入力装置、すなわちタッチ式入力装置が大幅に増加している。銀行ＡＴＭや駅の券売機のみならず、スマートフォン、携帯電話機、携帯ゲーム機、携帯音楽プレーヤなどにおいて、薄型ディスプレイ技術の発展と相まって、入力インターフェースとしてタッチパネル方式を採用した機器が大幅に増加している。そのようなタッチパネル方式を実現する手段として、圧電シートや圧電性繊維を用いる方式が知られている。例えば、特許文献３には、所定方向に向く延伸軸を有するＬ型ポリ乳酸からなる圧電シートを用いるタッチパネルが開示されている。

これらウェアラブルセンサーやタッチパネル方式のセンサーでは、圧電材料に印加される小さな変形により圧電材料内に生じる小さな応力に対しても、大きな電気信号を取り出すことが望まれる。例えば、指の曲げ伸ばし動作や指などで表面を擦る行為により圧電材料に生じる比較的小さな応力によっても大きな電気信号を安定的に取り出すことが望まれる。

特許文献１の圧電性繊維は、様々な用途に適用可能な優れた素材であるが、比較的小さな変形で生じる応力に対して大きい電気信号を出力できるとは必ずしもいえず、大きな電気信号を得る技術についても明示していない。

特許文献２の圧電性繊維は、特殊な製造方法で圧電性繊維をあらかじめ捩じらせておくことにより、圧電性繊維への引張や圧縮に対して電気信号を出力できる。しかし、特許文献２には、圧電性繊維を曲げたり伸ばしたりする屈曲や、圧電性繊維の表面を擦る行為によるせん断応力に対して十分な電気信号を発生させる技術は開示されていない。したがって、このような圧電性繊維を用いた場合、表面を擦るような比較的小さい変形で生じる応力だけで十分な電気信号を取り出すことは困難である。

特許文献３の圧電シートは、圧電シートに対する変形（応力）によって電気信号を出力できる。しかしながら、そもそもシート状であるために柔軟性に乏しく布のように自由に屈曲できるような使い方は不可能である。
先述した技術では圧電方式によりシートや布帛の引張、圧縮や屈曲をそれぞれ検出できるが、複数の方式を併用することで同時に複数の動作を検出するセンサーについては開示されていない。

特許文献４には絶縁糸により被覆された繊維を縦横に織ることにより、静電容量方式の布状のタッチセンサーが例示されているが、布帛への押圧力を検知するのみであり、圧電性信号と静電容量を同時に測定することで複数の種類の信号を検知する高機能なセンサーは実現できていない。また、絶縁糸の被覆方法としてはカバーリング糸（芯線に絶縁糸をらせん状に巻きつける方法）や紡績および紡糸による方法の記載があるが、絶縁糸として圧電性繊維を用い、その圧電性を効果的に利用する被覆方法については開示されていない。

国際公開第２０１４／０５８０７７号 特許第３５４０２０８号公報 特開２０１１−２５３５１７号公報 特開２００６−２３４７１６号公報

本発明の目的は、比較的小さな変形で生じる応力によっても、大きな電気信号を取り出すことが可能な繊維状の圧電素子を提供することになる。さらに、静電容量の変化を検出する方式を併用した高機能なセンサーを提供することにある。

本発明者らは、導電性繊維と圧電性繊維との組み合わせとして、芯となる導電性繊維の表面を組紐状の圧電性繊維で被覆した組紐状圧電素子により効率よく電気を取り出せることを発見した。
また、発明者らは組紐状圧電素子と別の導電性繊維を組み合わせ、さらにそれぞれに適したアルゴリズムを備えた回路を接続することで、圧電性信号に加えて静電容量による信号検知をも可能にしたセンサーを発明し、このセンサーが非常に単純な構成でありながら、曲げ等の動作と圧力あるいは伸縮という異なった物理的刺激を同時に測定することが可能な高機能センサーであることを突き止めた。さらに組紐状圧電素子と別の導電性繊維との配置を工夫し、組紐状圧電素子の芯鞘比や層厚みを特定の範囲にすることで、圧電性信号と静電容量測定双方の信号強度および測定安定性を実用レベルに至らしめることが可能であることを突き止め、本発明を完成した。

すなわち、本発明は以下の発明を包含する。
１．導電性繊維で形成された芯部と、
前記芯部を被覆するように組紐状の圧電性繊維で形成された鞘部と、
を備えた組紐状圧電素子と、
さらに前記組紐状圧電素子に近接して配置された別の導電性繊維と、
を備えた布帛状素子に、
前記組紐状圧電素子の芯部に接続され、前記組紐状圧電素子の鞘部の圧電性に由来する信号を検出するアルゴリズムを備えた電子回路と、
前記組紐状圧電素子の芯部の導電性繊維と、前記別の導電性繊維との両方に接続され、これら２本の導電性繊維間の静電容量を検出するアルゴリズムを備えた電子回路と、
を接続した布帛状センサー。
２．前記圧電性繊維の鞘部を挟んで前記組紐状圧電素子の芯部と前記別の導電性繊維とが交差する点を持ち、静電容量を検出するアルゴリズムにより前記布帛状素子に対する圧力を検知するセンサーであって、前記組紐状圧電素子の鞘部の総繊度が芯部の総繊度の１倍以上１５倍以下 であり、前記導電性繊維に挟まれる鞘部の厚みが１ｍｍ以下 である、上記１に記載の布帛状センサー。
３．前記組紐状圧電素子と前記別の導電性繊維とが略平行に配置され、静電容量を検出するアルゴリズムにより前記布帛状素子の伸縮を検出するセンサーであって、前記布帛状素子を平坦に配置したときの組紐状圧電素子の両端間の距離が組紐状圧電素子の長さの０．９倍以下 であり、紐状圧電素子の鞘部の総繊度が芯部の総繊度の１５倍以下である、上記１に記載の布帛状センサー。
４．前記圧電性繊維が主成分としてポリ乳酸を含み、
前記導電性繊維に対する前記圧電性繊維の巻きつけ角度は１５°以上、７５°以下である、
組紐状圧電素子を備える、上記１〜３のいずれか１項に記載の布帛状センサー。
５．前記圧電性繊維の一本あたり繊度は、前記導電性繊維の総繊度の１／２０倍以上、２倍以下である、上記１〜４のいずれか１項に記載の布帛状センサー。
６．前記布帛を形成する繊維であり且つ前記組紐状圧電素子と交差する繊維のうちの３０％以上が導電性繊維である、上記１〜５のいずれか１項に記載の布帛状センサー。
７．上記１〜６のいずれか１項に記載の布帛状センサーと、
前記圧電性に由来する信号を検出するアルゴリズムを備えた電子回路からの電気信号と、前記静電容量を検出するアルゴリズムを備えた電子回路からの電気信号とを出力する出力手段と、
を備えるデバイス。

本発明により、比較的小さな変形で生じる応力によっても、大きな電気信号を取り出すことが可能な繊維状の圧電素子を提供でき、さらに、静電容量の変化を検出する方式を併用した高機能なセンサーを提供できる。

実施形態に係る組紐状圧電素子の構成例を示す模式図である。 実施形態に係る布帛状素子の構成例を示す模式図である。 実施形態に係る布帛状素子を備えるデバイスを示すブロック図である。

（組紐状圧電素子）
図１は実施形態に係る組紐状圧電素子の構成例を示す模式図である。
組紐状圧電素子１は、導電性繊維Ｂで形成された芯部３と、芯部３を被覆するように組紐状の圧電性繊維Ａで形成された鞘部２と、を備えている。圧電性繊維Ａは主成分としてポリ乳酸を含むことができる。導電性繊維Ｂに対する圧電性繊維Ａの巻きつけ角度αは１５°以上、７５°以下であることが好ましい。

組紐状圧電素子１では、少なくとも一本の導電性繊維Ｂの外周面を多数の圧電性繊維Ａが緻密に取り巻いている。特定の理論に束縛されるものではないが、組紐状圧電素子１に変形が生じると、多数の圧電性繊維Ａそれぞれに変形による応力が生じ、それにより多数の圧電性繊維Ａそれぞれに電場が生じ（圧電効果）、その結果、導電性繊維Ｂを取り巻く多数の圧電性繊維Ａの電場を重畳した電圧変化が導電性繊維Ｂに生じるものと推測される。すなわち圧電性繊維Ａの組紐状の鞘部２を用いない場合と比較して導電性繊維Ｂからの電気信号が増大する。それにより、組紐状圧電素子１では、比較的小さな変形で生じる応力によっても、大きな電気信号を取り出すことが可能となる。なお、導電性繊維Ｂは複数本であってもよい。

ここで、圧電性繊維Ａは主成分としてポリ乳酸を含むことが好ましい。「主成分として」とは、圧電性繊維Ａの成分のうち最も多い成分がポリ乳酸であるとの意味である。ポリ乳酸中の乳酸ユニットは９０モル％以上であることが好ましく、９５モル％以上であることがより好ましく、９８モル％以上がさらに好ましい。

また、導電性繊維Ｂに対する圧電性繊維Ａの巻きつけ角度αは１５°以上、７５°以下であることが好ましい。すなわち、導電性繊維Ｂ（芯部３）の中心軸ＣＬの方向に対して、圧電性繊維Ａの巻きつけ角度αは１５°以上、７５°以下であることが好ましい。ただし、本実施形態では、導電性繊維Ｂの中心軸ＣＬは、圧電性繊維Ａの組紐（鞘部２）の中心軸（以下、「組紐軸」ともいう。）と重なることから、圧電性繊維Ａの組紐軸の方向に対して、圧電性繊維Ａの巻きつけ角度αは１５°以上、７５°以下である、ということもできる。より大きな電気信号を取り出す観点からは、角度αは２５°以上、６５°以下であることがより好ましく、３５°以上、５５°以下であることがさらに好ましく、４０°以上、５０°以下であることがとりわけ好ましい。角度αがこの角度範囲を外れると、圧電性繊維Ａに生じる電界が著しく低下し、それにより導電性繊維Ｂで得られる電気信号が著しく低下してしまうからである。
なお、上記角度αについては、鞘部２を形成する圧電性繊維Ａの主方向と導電性繊維Ｂの中心軸ＣＬとのなす角ともいうことができ、圧電性繊維Ａの一部が弛んでいたり、毛羽だっていてもよい。

ここで、圧電性繊維Ａに生じる電界が著しく低下する理由は以下のとおりである。圧電性繊維Ａはポリ乳酸を主成分とし、圧電性繊維Ａの繊維軸の方向に一軸配向している。ここで、ポリ乳酸は、その配向方向（この場合には圧電性繊維Ａの繊維軸の方向）に対してせん断応力が生じた場合に電界を生じるが、その配向方向に対して引張応力や圧縮応力が生じた場合に電界をあまり生じない。したがって、組紐軸の方向に平行に変形したときに圧電性繊維Ａにせん断応力が生じるようにするためには、圧電性繊維Ａ（ポリ乳酸）の配向方向が組紐軸に対して所定の角度範囲にあることがよいと推測される。

なお、組紐状圧電素子１では、本発明の目的を達成する限り、鞘部２では圧電性繊維Ａ以外の他の繊維と組み合わせて混繊等を行ってもよいし、芯部３では導電性繊維Ｂ以外の他の繊維と組み合わせて混繊等を行ってもよい。

導電性繊維Ｂの芯部３と組紐状の圧電性繊維Ａの鞘部２とで構成される組紐状圧電素子の長さは特に限定はない。例えば、その組紐状圧電素子は製造において連続的に製造され、その後に必要な長さに切断して利用してもよい。組紐状圧電素子の長さは１ｍｍ〜１０ｍ、好ましくは、５ｍｍ〜２ｍ、より好ましくは１ｃｍ〜１ｍである。長さが短過ぎると繊維形状である利便性が失われ、また、長さが長過ぎると導電性繊維Ｂの抵抗値を考慮する必要が出てくるであろう。

以下、各構成について詳細に説明する。

（導電性繊維）
導電性繊維Ｂとしては、導電性を示すものであればよく、公知のあらゆるものが用いられる。導電性繊維Ｂとしては、例えば、金属繊維、導電性高分子からなる繊維、炭素繊維、繊維状あるいは粒状の導電性フィラーを分散させた高分子からなる繊維、あるいは繊維状物の表面に導電性を有する層を設けた繊維が挙げられる。繊維状物の表面に導電性を有する層を設ける方法としては、金属コート、導電性高分子コート、導電性繊維の巻付けなどが挙げられる。なかでも金属コートが導電性、耐久性、柔軟性などの観点から好ましい。金属をコートする具体的な方法としては、蒸着、スパッタ、電解メッキ、無電解メッキなどが挙げられるが生産性などの観点からメッキが好ましい。このような金属をメッキされた繊維は金属メッキ繊維ということができる。

金属をコートされるベースの繊維として、導電性の有無によらず公知の繊維を用いることができ、例えば、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、塩化ビニル繊維、アラミド繊維、ポリスルホン繊維、ポリエーテル繊維、ポリウレタン繊維等の合成繊維の他、綿、麻、絹等の天然繊維、アセテート等の半合成繊維、レーヨン、キュプラ等の再生繊維を用いることができる。ベースの繊維はこれらに限定されるものではなく、公知の繊維を任意に用いることができ、これらの繊維を組み合わせて用いてもよい。

ベースの繊維にコートされる金属は導電性を示し、本発明の効果を奏する限り、いずれを用いてもよい。例えば、金、銀、白金、銅、ニッケル、スズ、亜鉛、パラジウム、酸化インジウム錫、硫化銅など、およびこれらの混合物や合金などを用いることができる。

導電性繊維Ｂに屈曲耐性のある金属コートした有機繊維を使用すると、導電性繊維が折れることが非常に少なく、圧電素子を用いたセンサーとしての耐久性や安全性に優れる。

導電性繊維Ｂはフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントであっても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントであってもよい。マルチフィラメントの方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメント（紡績糸を含む）の場合、その単糸径は１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜５０μｍである。マルチフィラメントの場合、フィラメント数としては、１本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは５本〜５００本、さらに好ましくは１０本〜１００本である。ただし、導電性繊維Ｂの繊度・本数とは、組紐を作製する際に用いる芯部３の繊度・本数であり、複数本の単糸（モノフィラメント）で形成されるマルチフィラメントも一本の導電性繊維Ｂと数えるものとする。ここで芯部３とは、導電性繊維以外の繊維を用いた場合であっても、それを含めた全体の量とする。

繊維の直径が小さいと強度が低下しハンドリングが困難となり、また、直径が大きい場合にはフレキシブル性が犠牲になる。導電性繊維Ｂの断面形状としては円または楕円であることが、圧電素子の設計および製造の観点で好ましいが、これに限定されない。

また、圧電性高分子からの電気出力を効率よく取り出すため、電気抵抗は低いことが好ましく、体積抵抗率としては１０^−１Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０^−２Ω・ｃｍ以下、さらに好ましくは１０^−３Ω・ｃｍ以下である。ただし、電気信号の検出で十分な強度が得られるのであれば導電性繊維Ｂの抵抗率はこの限りではない。

導電性繊維Ｂは、本発明の用途から、繰り返しの曲げやねじりといった動きに対して耐性がなければならない。その指標としては、結節強さが、より大きいものが好まれる。結節強さはＪＩＳ Ｌ１０１３ ８．６の方法で測定することができる。本発明に適当な結節強さの程度としては、０．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが好ましく、１．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがより好ましく、１．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがさらに好ましく、２．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが最も好ましい。また、別の指標としては、曲げ剛性が、より小さいものが好まれる。曲げ剛性は、カトーテック（株）製ＫＥＳ―ＦＢ２純曲げ試験機などの測定装置で測定されるのが一般的である。本発明に適当な曲げ剛性の程度としては、東邦テナックス（株）製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＨＴＳ４０−３Ｋよりも小さいほうが好ましい。具体的には、導電性繊維の曲げ剛性が０．０５×１０^−４Ｎ・ｍ^２／ｍ以下であることが好ましく、０．０２×１０^−４Ｎ・ｍ^２／ｍ以下であることがより好ましく、０．０１×１０^−４Ｎ・ｍ^２／ｍ以下であることがさらに好ましい。

（圧電性繊維）
圧電性繊維Ａの材料である圧電性高分子としてはポリフッ化ビニリデンやポリ乳酸のような圧電性を示す高分子を利用できるが、本実施形態では上記のように圧電性繊維Ａは主成分としてポリ乳酸を含むことが好適である。ポリ乳酸は、例えば溶融紡糸後に延伸によって容易に配向して圧電性を示し、ポリフッ化ビニリデンなどで必要となる電界配向処理が不要な点で生産性に優れている。しかしこのことは、本発明を実施するに際してポリフッ化ビニリデンその他の圧電性材料の使用を排除することを意図するものではない。

ポリ乳酸としては、その結晶構造によって、Ｌ−乳酸、Ｌ−ラクチドを重合してなるポリ−Ｌ−乳酸、Ｄ−乳酸、Ｄ−ラクチドを重合してなるポリ−Ｄ−乳酸、さらに、それらのハイブリッド構造からなるステレオコンプレックスポリ乳酸などがあるが、圧電性を示すものであればいずれも利用できる。圧電率の高さの観点で好ましくは、ポリ−Ｌ−乳酸、ポリ−Ｄ−乳酸である。ポリ−Ｌ−乳酸、ポリ−Ｄ−乳酸はそれぞれ、同じ応力に対して分極が逆になるために、目的に応じてこれらを組み合わせて使用することも可能である。

ポリ乳酸の光学純度は９９％以上であることが好ましく、９９．３％以上であることがより好ましく、９９．５％以上であることがさらに好ましい。光学純度が９９％未満であると著しく圧電率が低下する場合があり、圧電性繊維Ａの形状変化よって十分な電気信号を得ることが難しくなる場合がある。特に、圧電性繊維Ａは、主成分としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度が９９％以上であることが好ましい。

ポリ乳酸を主成分とする圧電性繊維Ａは、製造時に延伸されて、その繊維軸方向に一軸配向している。さらに、圧電性繊維Ａは、その繊維軸方向に一軸配向しているだけでなく、ポリ乳酸の結晶を含むものであることが好ましく、一軸配向したポリ乳酸の結晶を含むものであることがより好ましい。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶性が高いことおよび一軸配向していることでより大きな圧電性を示すためである。

結晶性および一軸配向性はホモＰＬＡ結晶化度Ｘ_ｈｏｍｏ（％）および結晶配向度Ａｏ（％）で求められる。本発明の圧電性繊維Ａとしては、ホモＰＬＡ結晶化度Ｘ_ｈｏｍｏ（％）および結晶配向度Ａｏ（％）が下記式（１）を満たすことが好ましい。
Ｘ_ｈｏｍｏ×Ａｏ×Ａｏ÷１０^６≧０．２６ （１）
上記式（１）を満たさない場合、結晶性および／または一軸配向性が十分でなく、動作に対する電気信号の出力値が低下したり、特定方向の動作に対する信号の感度が低下したりするおそれがある。上記式（１）の左辺の値は、０．２８以上がより好ましく、０．３以上がさらに好ましい。ここで、各々の値は下記に従って求める。

ホモポリ乳酸結晶化度Ｘ_ｈｏｍｏ：
ホモポリ乳酸結晶化度Ｘ_ｈｏｍｏについては、広角Ｘ線回折分析（ＷＡＸＤ）による結晶構造解析から求める。広角Ｘ線回折分析（ＷＡＸＤ）では、リガク製ｕｌｔｒａｘ１８型Ｘ線回折装置を用いて透過法により、以下条件でサンプルのＸ線回折図形をイメージングプレートに記録する。
Ｘ線源： Ｃｕ−Ｋα線（コンフォーカル ミラー）
出力： ４５ｋＶ×６０ｍＡ
スリット： １ｓｔ：１ｍｍΦ，２ｎｄ：０．８ｍｍΦ
カメラ長： １２０ｍｍ
積算時間： １０分
サンプル： ３５ｍｇのポリ乳酸繊維を引き揃え３ｃｍの繊維束とする。
得られるＸ線回折図形において方位角にわたって全散乱強度Ｉｔｏｔａｌを求め、ここで２θ＝１６．５°，１８．５°，２４．３°付近に現れるホモポリ乳酸結晶に由来する各回折ピークの積分強度の総和ΣＩＨＭｉを求める。これらの値から下式（２）に従い、ホモポリ乳酸結晶化度Ｘ_ｈｏｍｏを求める。
ホモポリ乳酸結晶化度Ｘ_ｈｏｍｏ（％）＝ΣＩ_ＨＭｉ／Ｉ_{ｔｏｔａｌ}×１００ （２）
なお、ΣＩ_ＨＭｉは、全散乱強度においてバックグランドや非晶による散漫散乱を差し引くことによって算出する。

（２）結晶配向度Ａｏ：
結晶配向度Ａｏについては、上記の広角Ｘ線回折分析（ＷＡＸＤ）により得られるＸ線回折図形において、動径方向の２θ＝１６．５°付近に現れるホモポリ乳酸結晶に由来する回折ピークについて、方位角（°）に対する強度分布をとり、得られた分布プロファイルの半値幅の総計Σ_Ｗｉ（°）から次式（３）より算出する。
結晶配向度Ａｏ（％）＝（３６０−ΣＷ_ｉ）÷３６０×１００ （３）

なお、ポリ乳酸は加水分解が比較的速いポリエステルであるから、耐湿熱性が問題となる場合においては、公知の、イソシアネート化合物、オキサゾリン化合物、エポキシ化合物、カルボジイミド化合物などの加水分解防止剤を添加してもよい。また、必要に応じてリン酸系化合物などの酸化防止剤、可塑剤、光劣化防止剤などを添加して物性改良してもよい。

また、ポリ乳酸は他のポリマーとのアロイとして用いてもよいが、ポリ乳酸を主たる圧電性高分子として用いるならば、アロイの全質量を基準として少なくとも５０質量％以上でポリ乳酸を含有していることが好ましく、さらに好ましくは７０質量％以上、最も好ましくは９０質量％以上である。

アロイとする場合のポリ乳酸以外のポリマーとしては、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート共重合体、ポリメタクリレート等が好適な例として挙げられるが、これらに限定されるものではなく、本発明で目的とする圧電性を奏する限り、どのようなポリマーを用いてもよい。

圧電性繊維Ａはフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントであっても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントであってもよい。モノフィラメント（紡績糸を含む）の場合、その単糸径は１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは５μｍ〜２ｍｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜１ｍｍである。マルチフィラメントの場合、その単糸径は０．１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍ、さらに好ましくは３μｍ〜５０μｍである。マルチフィラメントのフィラメント数としては、１本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは５０本〜５００００本、さらに好ましくは１００本〜２００００本である。ただし、圧電性繊維Ａの繊度や本数については、組紐を作製する際のキャリア１つあたりの繊度、本数であり、複数本の単糸（モノフィラメント）で形成されるマルチフィラメントも一本の圧電性繊維Ａと数えるものとする。ここで、キャリア１つの中に、圧電性繊維以外の繊維を用いた場合であっても、それを含めた全体の量とする。

このような圧電性高分子を圧電性繊維Ａとするためには、高分子から繊維化するための公知の手法を、本発明の効果を奏する限りいずれも採用することができる。例えば、圧電性高分子を押し出し成型して繊維化する手法、圧電性高分子を溶融紡糸して繊維化する手法、圧電性高分子を乾式あるいは湿式紡糸により繊維化する手法、圧電性高分子を静電紡糸により繊維化する手法、フィルムを形成した後に細くカットする手法、などを採用することができる。これらの紡糸条件は、採用する圧電性高分子に応じて公知の手法を適用すればよく、通常は工業的に生産の容易な溶融紡糸法を採用すればよい。さらに、繊維を形成後には形成された繊維を延伸する。それにより一軸延伸配向しかつ結晶を含む大きな圧電性を示す圧電性繊維Ａが形成される。

また、圧電性繊維Ａは、上記のように作製されたものを組紐とする前に、染色、撚糸、合糸、熱処理などの処理をすることができる。

さらに、圧電性繊維Ａは、組紐を形成する際に繊維同士が擦れて断糸したり、毛羽が出たりする場合があるため、その強度と耐摩耗性は高い方が好ましく、強度は１．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが好ましく、２．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがより好ましく、２．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがさらに好ましく、３．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが最も好ましい。耐摩耗性は、ＪＩＳ Ｌ１０９５ ９．１０．２ Ｂ法などで評価することができ、摩擦回数は１００回以上が好ましく、１０００回以上であることがより好ましく、５０００回以上であることがさらに好ましく、１００００回以上であることが最も好ましい。耐摩耗性を向上させるための方法は特に限定されるものではなく、公知のあらゆる方法を用いることができ、例えば、結晶化度を向上させたり、微粒子を添加したり、表面加工したりすることができる。また、組紐に加工する際に、繊維に潤滑剤を塗布して摩擦を低減させることもできる。

また、圧電性繊維の収縮率は、前述した導電性繊維の収縮率との差が小さいことが好ましい。収縮率差が大きいと、組紐作製後や布帛作製後の後処理工程や実使用時に熱がかかった時や経時変化により組紐が曲がったり、布帛の平坦性が悪くなったり、圧電信号が弱くなってしまう場合がある。収縮率を後述の沸水収縮率で定量化した場合、圧電性繊維の沸水収縮率Ｓ（ｐ）および導電性繊維の沸水収縮率Ｓ（ｃ）が下記式（４）を満たすことが好適である。
｜Ｓ（ｐ）−Ｓ（ｃ）｜≦１０ （４）
上記式（４）の左辺は５以下であることがより好ましく、３以下であればさらに好ましい。

また、圧電性繊維の収縮率は、導電性繊維以外の繊維、例えば絶縁性繊維の収縮率との差も小さいことが好ましい。収縮率差が大きいと、組紐作製後や布帛作製後の後処理工程や実使用時に熱がかかった時や経時変化により組紐が曲がったり、布帛の平坦性が悪くなったり、圧電信号が弱くなってしまう場合がある。収縮率を沸水収縮率で定量化した場合、圧電性繊維の沸水収縮率Ｓ（ｐ）および絶縁性繊維の沸水収縮率Ｓ（ｉ）が下記式（５）を満たすことが好適である。
｜Ｓ（ｐ）−Ｓ（ｉ）｜≦１０ （５）
上記式（５）の左辺は５以下であることがより好ましく、３以下であればさらに好ましい。

また、圧電性繊維の収縮率は小さい方が好ましい。例えば収縮率を沸水収縮率で定量化した場合、圧電性繊維の収縮率は１５％以下であることが好ましく、より好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下、最も好ましくは３％以下である。収縮率を下げる手段としては、公知のあらゆる方法を適用することができ、例えば、熱処理により非晶部の配向緩和や結晶化度を上げることにより収縮率を低減することができ、熱処理を実施するタイミングは特に限定されず、延伸後、撚糸後、組紐化後、布帛化後などが挙げられる。なお、上述の沸水収縮率は以下の方法で測定するものとする。枠周１．１２５ｍの検尺機で捲数２０回のカセを作り、０．０２２ｃＮ／ｄｔｅｘの荷重を掛けて、スケール板に吊るして初期のカセ長Ｌ０を測定した。その後、このカセを１００℃の沸騰水浴中で３０分間処理後、放冷し再び上記荷重を掛けてスケール板に吊るし収縮後のカセ長長Ｌを測定した。測定されたＬ０およびＬを用いて下記式（６）により沸水収縮率を計算する。
沸水収縮率＝（Ｌ０−Ｌ）／Ｌ０×１００（％） （６）

（被覆）
導電性繊維Ｂ、すなわち芯部３は、圧電性繊維Ａ、すなわち組紐状の鞘部２で表面が被覆されている。導電性繊維Ｂを被覆する鞘部２の厚みは１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、５μｍ〜５ｍｍであることがより好ましく、１０μｍ〜３ｍｍであることがさらに好ましい、２０μｍ〜１ｍｍであることが最も好ましい。薄すぎると強度の点で問題となる場合があり、また、厚すぎると組紐状圧電素子１が硬くなり変形し難くなる場合がある。なお、ここで言う鞘部２とは芯部３に隣接する層のことを指す。

組紐状圧電素子１において、鞘部２の圧電性繊維Ａの総繊度は、芯部３の導電性繊維Ｂの総繊度の１／２倍以上、２０倍以下であることが好ましく、１倍以上、１５倍以下であることがより好ましく、２倍以上、１０倍以下であることがさらに好ましい。圧電性繊維Ａの総繊度が導電性繊維Ｂの総繊度に対して小さ過ぎると、導電性繊維Ｂを囲む圧電性繊維Ａが少な過ぎて導電性繊維Ｂが十分な電気信号を出力できず、さらに導電性繊維Ｂが近接する他の導電性繊維に接触するおそれがある。圧電性繊維Ａの総繊度が導電性繊維Ｂの総繊度に対して大き過ぎると、導電性繊維Ｂを囲む圧電性繊維Ａが多過ぎて組紐状圧電素子１が硬くなり変形し難くなる。すなわち、いずれの場合にも組紐状圧電素子１がセンサーとして十分に機能しなくなる。
ここでいう総繊度とは、鞘部２を構成する圧電性繊維Ａ全ての繊度の和であり、例えば、一般的な８打組紐の場合には、８本の繊維の繊度の総和となる。

また、組紐状圧電素子１において、鞘部２の圧電性繊維Ａの一本あたりの繊度は、導電性繊維Ｂの総繊度の１／２０倍以上、２倍以下であることが好ましく、１／１５倍以上、１．５倍以下であることがより好ましく、１／１０倍以上、１倍以下であることがさらに好ましい。圧電性繊維Ａ一本あたりの繊度が導電性繊維Ｂの総繊度に対して小さ過ぎると、圧電性繊維Ａが少な過ぎて導電性繊維Ｂが十分な電気信号を出力できず、さらに圧電性繊維Ａが切断するおそれがある。圧電性繊維Ａ一本あたりの繊度が導電性繊維Ｂの総繊度に対して大き過ぎると、圧電性繊維Ａが太過ぎて組紐状圧電素子１が硬くなり変形し難くなる。すなわち、いずれの場合にも組紐状圧電素子１がセンサーとして十分に機能しなくなる。

なお、導電性繊維Ｂに金属繊維を用いた場合や、金属繊維を導電性繊維Ａあるいは圧電性繊維Ｂに混繊した場合は、繊度の比率は上記の限りではない。本発明において、上記比率は、接触面積や被覆率、すなわち、面積および体積の観点で重要であるからである。例えば、それぞれの繊維の比重が２を超えるような場合には、繊維の平均断面積の比率が上記繊度の比率であることが好ましい。

圧電性繊維Ａと導電性繊維Ｂとはできるだけ密着していることが好ましいが、密着性を改良するために、導電性繊維Ｂと圧電性繊維Ａとの間にアンカー層や接着層などを設けてもよい。

被覆の方法は導電性繊維Ｂを芯糸として、その周りに圧電性繊維Ａを組紐状に巻きつける方法が取られる。一方、圧電性繊維Ａの組紐の形状は、印加された荷重で生じる応力に対して電気信号を出力することが出来れば特に限定されるものではないが、芯部３を有する８打組紐や１６打組紐が好ましい。

導電性繊維Ｂと圧電性繊維Ａの形状としては特に限定されるものではないが、できるだけ同心円状に近いことが、好ましい。なお、導電性繊維Ｂとしてマルチフィラメントを用いる場合、圧電性繊維Ａは、導電性繊維Ｂのマルチフィラメントの表面（繊維周面）の少なくとも一部が接触しているように被覆していればよく、マルチフィラメントを構成するすべてのフィラメント表面（繊維周面）に圧電性繊維Ａが被覆していてもよいし、被覆していなくともよい。導電性繊維Ｂのマルチフィラメントを構成する内部の各フィラメントへの圧電性繊維Ａの被覆状態は、圧電性素子としての性能、取扱い性等を考慮して、適宜設定すればよい。

本発明の組紐状圧電素子１は、その表面に電極を存在させる必要が無いため、組紐状圧電素子１自体をさらに被覆する必要がなく、また、誤動作しにくいという利点がある。

（製造方法）
本発明の組紐状圧電素子１は少なくとも１本の導電性繊維Ｂの表面を組紐状の圧電性繊維Ａで被覆しているが、その製造方法としては例えば以下の方法が挙げられる。すなわち、導電性繊維Ｂと圧電性繊維Ａを別々の工程で作製し、導電性繊維Ｂに圧電性繊維Ａを組紐状に巻きつけて被覆する方法である。この場合には、できるだけ同心円状に近くなるように被覆することが好ましい。

この場合、圧電性繊維Ａを形成する圧電性高分子としてポリ乳酸を用いる場合の好ましい紡糸、延伸条件として、溶融紡糸温度は１５０℃〜２５０℃が好ましく、延伸温度は４０℃〜１５０℃が好ましく、延伸倍率は１．１倍から５．０倍が好ましく、結晶化温度は８０℃〜１７０℃が好ましい。

導電性繊維Ｂに巻きつける圧電性繊維Ａとしては、複数のフィラメントを束ねたマルチフィラメントを用いてもよく、また、モノフィラメント（紡績糸を含む）を用いても良い。また、圧電性繊維Ａを巻きつけられる導電性繊維Ｂとしては、複数のフィラメントを束ねたマルチフィラメントを用いてもよく、また、モノフィラメント（紡績糸を含む）を用いても良い。

被覆の好ましい形態としては、導電性繊維Ｂを芯糸とし、その周囲に圧電性繊維Ａを組紐状に製紐して、丸打組物（Ｔｕｂｕｌａｒ Ｂｒａｉｄ）を作製することで被覆することができる。より具体的には芯部３を有する８打組紐や１６打組紐が挙げられる。ただし、例えば、圧電性繊維Ａを編組チューブのような形態とし、導電性繊維Ｂを芯として当該編組チューブに挿入することで被覆してもよい。

以上のような製造方法により、導電性繊維Ｂの表面を組紐状の圧電性繊維Ａで被覆した組紐状圧電素子１を得ることができる。

本発明の組紐状圧電素子１は、表面に電気信号を検出するための電極の形成を必要としないため、比較的簡単に製造することができる。

（保護層）
本発明の組紐状圧電素子１の最表面には保護層を設けてもよい。この保護層は絶縁性であることが好ましく、フレキシブル性などの観点から高分子からなるものがより好ましい。保護層に絶縁性を持たせる場合には、もちろん、この場合には保護層ごと変形させたり、保護層上を擦ったりすることになるが、これらの外力が圧電性繊維Ａまで到達し、その分極を誘起できるものであれば特に限定はない。保護層としては、高分子などのコーティングによって形成されるものに限定されず、フィルム、布帛、繊維などを巻付けてもよく、あるいは、それらが組み合わされたものであってもよい。

保護層の厚みとしては出来るだけ薄い方が、せん断応力を圧電性繊維Ａに伝えやすいが、薄すぎると保護層自体が破壊される等の問題が発生しやすくなるため、好ましくは１０ｎｍ〜２００μｍ、より好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍ、さらに好ましくは７０ｎｍ〜３０μｍ、最も好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。この保護層により圧電素子の形状を形成することもできる。

また、ノイズ低減を目的として電磁波シールド層を組紐構造に取り入れることも可能である。電磁波シールド層は特に限定されるものではないが、導電性の物質をコーティングしてもよいし、導電性を有するフィルム、布帛、繊維などを巻付けてもよい。電磁波シールド層の体積抵抗率としては１０^−１Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０^−２Ω・ｃｍ以下、さらに好ましくは１０^−３Ω・ｃｍ以下である。ただし、電磁波シールド層の効果が得られるのであれば抵抗率はこの限りではない。この電磁波シールド層は、鞘の圧電性繊維Ａの表面に設けてもよく、前述の保護層の外側に設けてもよい。もちろん、電磁波シールド層と保護層が複数層積層されていてもよく、その順番も目的に応じて適宜決められる。この電磁波シールド層を導電性繊維により設ける場合には、本発明の別の導電性繊維８として用いることもできる。

さらには、圧電性繊維からなる層を複数層設けたり、信号を取り出すための導電性繊維からなる層を複数層設けたりすることもできる。もちろん、これらの保護層、電磁波シールド層、圧電性繊維からなる層、導電性繊維からなる層は、その目的に応じて、その順番および層数は適宜決められる。なお、巻付ける方法としては、鞘部２のさらに外層に組紐構造を形成したり、カバーリングしたりする方法が挙げられる。

（作用）
本発明の組紐状圧電素子１は、例えば組紐状圧電素子１の表面を擦るなどで、組紐状圧電素子１に荷重が印加されて生じる応力、すなわち組紐状圧電素子１に印加される応力について、その大きさおよび／又は印加位置を検出するセンサーとして利用することができる。また、本発明の組紐状圧電素子１は、擦る以外の押圧力や曲げ変形などによっても圧電性繊維Ａにせん断応力が与えられるならば、電気信号を取り出すことはもちろん可能である。例えば、組紐状圧電素子１に「印加される応力」としては、圧電素子の表面、すなわち圧電性繊維Ａの表面と指のような被接触物の表面との間の摩擦力や、圧電性繊維Ａの表面または先端部に対する垂直方向の抵抗力、圧電性繊維Ａの曲げ変形に対する抵抗力などが挙げられる。特に、本発明の組紐状圧電素子１は、導電性繊維Ｂに対して平行方向に屈曲させた場合や擦った場合に大きな電気信号を効率的に出力することができる。

ここで、組紐状圧電素子１に「印加された応力」とは、例えば表面を指で擦る程度の大きさの応力の場合、その目安としては、おおよそ１〜１０００Ｐａである。もちろん、これ以上であっても印加された応力の大きさおよびその印加位置を検出することが可能であることはいうまでもない。指などで入力する場合には、１Ｐａ以上５００Ｐａ以下の荷重であっても動作することが好ましく、さらに好ましくは１Ｐａ以上１００Ｐａ以下の荷重で動作することが好ましい。もちろん、５００Ｐａを超える荷重であっても動作することは、上述の通りである。

（別の導電性繊維）
本発明の布帛状センサーは、前記の組紐状圧電素子に加え、その外側に近接して配置された別の導電性繊維をさらに備えた布帛状素子を備える。近接しているとは、組紐状圧電素子の表面から５ｍｍ以内の位置にある部分があることを指す。静電容量方式による信号を強くする観点から、組紐状圧電素子の表面から３ｍｍ以内の位置にある部分があることがより好ましく、１ｍｍ以内の位置にある部分があることがさらに好ましく、組紐状圧電素子表面に接している部分があることがとりわけ好ましい。別の導電性繊維は、適切な導電性と柔軟性を備えることが必要であり、前記の組紐状圧電素子に用いた導電性繊維Ｂと同様の性質のものを用いることが好ましい。また、絶縁性布帛に導電性物質が被覆された導電性布帛中の繊維も、本発明中の導電性繊維として用いることができる。

組紐状圧電素子に近接して配置された別の導電性繊維は、組紐状圧電素子の鞘部の圧電性に由来する信号を検出する際には、組紐状圧電素子のシールドとして用いることが好ましく、この目的で組紐状圧電素子にさらに別の導電性繊維を組紐状に巻きつける形態がより好ましい。一方で、組紐状圧電素子に近接して配置された別の導電性繊維に、別の圧電性繊維を組紐状に被覆することで、別の組紐状圧電素子として用いることもできる。

別の導電性繊維を組紐状圧電素子に近接して配置する形態としては特に限定されないが、織布の経糸および緯糸にそれぞれ組紐状圧電素子と別の導電性繊維を織り込み、交差する点を設ける形態や、経糸あるいは緯糸に組紐状圧電素子と別の導電性繊維を織り込み略平行に設置する形態や、編地を構成する糸として組紐状圧電素子と別の導電性繊維を用い略平行に設置する形態や、組紐状圧電素子にさらに別の導電性繊維を組紐状に巻きつける形態が好ましい例として挙げられる。略平行とは、平織物を構成する隣同士の経糸２本や、天竺編を構成する隣接する２コースなど、繊維が折れ曲がっているために局所的には平行でなくとも、それぞれの繊維を平均するような直線を引いた時にそれらが平行になっている状態を指す。その他、織編物に組紐状圧電素子と別の導電性繊維をそれぞれ縫い付けたり接着したり、片方を織編物の組織を構成する糸として配置し、もう片方を縫い付けたり接着したりする方法も挙げることができる。

（導電性繊維が交差する形態）
本発明の布帛状素子で、圧電性繊維の鞘部を挟んで組紐状圧電素子の芯部と別の導電性繊維との２本の導電性繊維が交差する点を持つ形態では、その交差点に対して圧力がかかった時に２本の導電性繊維間の静電容量が変化することから、布帛に対する圧力を検知することができ、好ましい。別の導電性繊維は２本以上を１本の組紐状圧電素子に対して配置し、各交点での圧力を検知することも好ましく、複数の導電性繊維を短絡して静電容量信号を大きく取ることがより好ましい。

この形態では、静電容量の値を大きくする観点から組紐状圧電素子の鞘部の総繊度がある程度小さいことが好ましいが、２本の導電性繊維間の短絡を布帛が曲げられた状態においても防止するため、鞘部の総繊度がある程度大きいことが必要である。そのため、鞘部の総繊度は芯部の総繊度の１倍以上１５倍以下であることが好ましく、２倍以上１０倍以下であることがより好ましい。静電容量を大きくする観点から、鞘部の厚みは１ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．２ｍｍ以下であることがさらに好ましい。さらに、鞘部の厚みを薄くしながら絶縁安定性を両立し、さらに圧電性信号の強度を増す観点から、圧電性繊維Ａの巻きつけ角度αは２５°以上、６５°以下であることが好ましく、３５°以上、５５°以下であることがより好ましく、４０°以上、５０°以下であることがさらに好ましい。カバーリング糸（圧電性繊維を導電性繊維にらせん状に巻く）の形態では、巻き付け角度が非常に大きく圧電性信号の強度が低くなるし、布帛が曲げられた状態での絶縁安定性も低いため、本発明で採用することはできない。
鞘部の押圧に対する変形量を大きくし、静電容量の変化量を大きくする観点から、鞘部の圧電性繊維にウレタン繊維などの柔軟性繊維を圧電性信号が過小にならない程度混ぜることも好ましい。

（導電性繊維が略平行に配置される形態）
本発明の布帛状素子で、組紐状圧電素子と別の導電性繊維とが略平行に配置される形態では、布帛の伸縮により組紐状圧電素子の芯部の導電性繊維と別の導電性繊維との２本の導電性繊維間の距離変化に伴い静電容量が変化することから、布帛の伸縮を検知することができ、好ましい。この形態においては、布帛は編地などの伸縮性布帛を用いることが好ましいが、伸縮性布帛に組紐状圧電素子を配置する際には、直線状の組紐状圧電素子の伸縮性が高くないことを鑑みて、これらの繊維をジグザグ状や波線状やループ状に配置すること、すなわち布帛状素子を平坦に配置したときの組紐状圧電素子の両端間の距離が組紐状圧電素子の長さの０．９倍以下となるよう配置することが好ましい。編地を構成する繊維とすることで、この条件は容易に達成することができる。さらに、組紐状圧電素子が容易に変形して布帛の伸縮に追随するために、紐状圧電素子の鞘部の総繊度が芯部の総繊度の１５倍以下であることが好ましく、１０倍以下であることがより好ましい。また、特に編地の隣接する２コースのように、組紐状圧電素子と別の導電性繊維とが接するように布帛中に配置する場合には、２本の導電性繊維間の短絡を布帛が曲げられた状態においても防止するため、鞘部の総繊度がある程度大きいことが必要である。そのため、鞘部の総繊度は芯部の総繊度の１倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましい。さらに、鞘部の厚みを薄くしながら絶縁安定性を両立し、さらに圧電性信号の強度を増す観点から、圧電性繊維Ａの巻きつけ角度αは２５°以上、６５°以下であることが好ましく、３５°以上、５５°以下であることがより好ましく、４０°以上、５０°以下であることがさらに好ましい。カバーリング糸（圧電性繊維を導電性繊維にらせん状に巻く）の形態では、巻き付け角度が非常に大きく圧電性信号の強度が低くなるし、布帛が曲げられた状態での絶縁安定性も低いため、本発明で採用することはできない。

（布帛状素子）
図２は実施形態に係る組紐状圧電素子および別の導電性繊維を用いた布帛状素子の構成例を示す模式図である。
布帛状素子５は、少なくとも１本の組紐状圧電素子１を含む布帛６を備えている。布帛６は、布帛を構成する繊維（組紐を含む）の少なくとも１本が組紐状圧電素子１であり、組紐状圧電素子１が圧電素子としての機能を発揮可能である限り何らの限定は無く、どのような織編物であってもよい。布状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、他の繊維（組紐を含む）と組み合わせて、交織、交編等を行ってもよい。もちろん、組紐状圧電素子１を、布帛を構成する繊維（例えば、経糸や緯糸）の一部として用いてもよいし、組紐状圧電素子１を布帛に刺繍してもよいし、接着してもよい。図２に示す例では、布帛状素子５は、経糸として、少なくとも１本の組紐状圧電素子１および絶縁性繊維７を配し、緯糸として別の導電性繊維８および絶縁性繊維７を交互に配した平織物である。別の導電性繊維８は導電性繊維Ｂと同一種であっても異種の導電性繊維であってもよく、また絶縁性繊維７については後述される。なお、絶縁性繊維７及び／又は別の導電性繊維８の全部又は一部が組紐形態であってもよい。

この場合、布帛状素子５が曲げられるなどして変形したとき、その変形に伴い組紐状圧電素子１も変形するので、組紐状圧電素子１から出力される圧電性の電気信号により、布帛状素子５の変形を検出できる。さらに、布帛状素子５が指などで押されると、組紐状圧電素子１中の導電性繊維Ｂと別の導電性繊維８との間の静電容量が増加し、その押圧を検出できる。そして、布帛状素子５は、布帛（織編物）として用いることができるので、例えば衣類形状のウェアラブルセンサーに適用することができる。

また、図２に示す布帛状素子５では、組紐状圧電素子１に別の導電性繊維８が交差して接触している。したがって、別の導電性繊維８は、組紐状圧電素子１の少なくとも一部と交差して接触し、それを覆っており、外部から組紐状圧電素子１へ向かおうとする電磁波の少なくとも一部を遮っている、と見ることができる。このような別の導電性繊維８は、接地（アース）されることにより、組紐状圧電素子１への電磁波の影響を軽減する機能を有している。すなわち別の導電性繊維８は組紐状圧電素子１の電磁波シールドとしても機能することができる。それにより、例えば布帛状素子５の上下に電磁波シールド用の導電性の布帛を重ねなくても、布帛状素子５の圧電性信号のＳ／Ｎ比を著しく向上させることができる。この場合、電磁波シールドの観点から組紐状圧電素子１と交差する緯糸（図２の場合）における別の導電性繊維８の割合が高いほど好ましい。具体的には、布帛６を形成する繊維であり且つ組紐状圧電素子１と交差する繊維のうちの３０％以上が導電性繊維であることが好ましく、４０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましい。このように布帛状素子５において、布帛を構成する繊維の少なくとも一部として導電性繊維を入れることで、電磁波シールド付の布帛状素子５とすることができる。

織物の織組織としては、平織、綾織、朱子織等の三原組織、変化組織、たて二重織、よこ二重織等の片二重組織、たてビロードなどが例示される。編物の種類は、丸編物（緯編物）であってもよいし経編物であってもよい。丸編物（緯編物）の組織としては、平編、ゴム編、両面編、パール編、タック編、浮き編、片畔編、レース編、添え毛編等が好ましく例示される。経編組織としては、シングルデンビー編、シングルアトラス編、ダブルコード編、ハーフトリコット編、裏毛編、ジャガード編等が例示される。層数も単層でもよいし、２層以上の多層でもよい。更には、カットパイルおよび／またはループパイルからなる立毛部と地組織部とで構成される立毛織物、立毛編み物であってもよい。

（複数の圧電素子）
また、布帛状素子５では、組紐状圧電素子１を複数並べて用いることも可能である。並べ方としては、例えば経糸または緯糸としてすべてに組紐状圧電素子１を用いてもよいし、数本ごとや一部分に組紐状圧電素子１を用いてもよい。また、ある部分では経糸として組紐状圧電素子１を用い、他の部分では緯糸として組紐状圧電素子１を用いてもよい。

このように組紐状圧電素子１を複数本並べて布帛状素子５を形成するときには、組紐状圧電素子１は表面に電極を有さないため、その並べ方、編み方が広範に選択することができるという利点がある。

また、組紐状圧電素子１を複数並べて用いる場合、導電性繊維Ｂ間の距離が短いため電気信号の取り出しにおいて効率的である。

（絶縁性繊維）
布帛状素子５では、組紐状圧電素子１（及び導電性繊維８）以外の部分には、絶縁性繊維を使用することができる。この際、絶縁性繊維は布帛状素子５の柔軟性を向上する目的で伸縮性のある素材、形状を有する繊維を用いることができる。

このように組紐状圧電素子１（及び導電性繊維８）以外にこのように絶縁性繊維を配置することで、布帛状素子５の操作性（例示：ウェアラブルセンサーとしての動き易さ）を向上させることが可能である。

このような絶縁性繊維としては、体積抵抗率が１０^６Ω・ｃｍ以上であれば用いることができ、より好ましくは１０^８Ω・ｃｍ以上、さらに好ましくは１０^１０Ω・ｃｍ以上がよい。

絶縁性繊維として例えば、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、塩化ビニル繊維、アラミド繊維、ポリスルホン繊維、ポリエーテル繊維、ポリウレタン繊維等の合成繊維他、綿、麻、絹等の天然繊維、アセテート等の半合成繊維、レーヨン、キュプラ等の再生繊維を用いることができる。これらに限定されるものではなく、公知の絶縁性繊維を任意に用いることができる。さらに、これらの絶縁性繊維を組み合わせて用いてもよく、絶縁性を有しない繊維と組み合わせ、全体として絶縁性を有する繊維としてもよい。

また、公知のあらゆる断面形状の繊維も用いることができる。

（圧電素子の適用技術）
本発明の組紐状圧電素子１のような圧電素子はいずれの様態であっても、表面への接触、圧力、形状変化を電気信号として出力することができるので、その圧電素子に印加された応力の大きさおよび／又は印加された位置を検出するセンサー（デバイス）として利用することができる。また、この電気信号を他のデバイスを動かすための電力源あるいは蓄電するなど、発電素子として用いることもできる。具体的には、人、動物、ロボット、機械など自発的に動くものの可動部に用いることによる発電、靴底、敷物、外部から圧力を受ける構造物の表面での発電、流体中での形状変化による発電、などが挙げられる。また、流体中での形状変化により電気信号を発するために、流体中の帯電性物質を吸着させたり付着を抑制させたりすることも可能である。

図３は、本発明の布帛状素子１を備えるデバイス１０を示すブロック図である。デバイス１０は、組紐状圧電素子１と、変形や印加された圧力に応じて組紐状圧電素子１から出力される電気信号を増幅する圧電信号解析手段１２と、伸縮や印加された圧力に応じて変化する静電容量の変化量を検出する静電容量解析手段１５と、圧電信号解析１２で増幅された電気信号および静電容量解析手段１５で検出された静電容量の変化量を出力する出力手段１３と、出力手段１３から出力された電気信号を外部機器（図示せず）へ送信する送信手段１４とを備える。このデバイス１０を用いれば、布帛状素子１の表面への接触、圧力、形状変化により出力された電気信号に基づき、外部機器（図示せず）における演算処理にて、布帛状素子に印加された応力や伸縮量の大きさおよび／又は印加された位置を検出することができる。あるいは、デバイス１０内に、出力手段１３から出力された電気信号に基づき布帛状素子１１に印加された応力や伸縮量の大きさおよび／又は印加された位置を演算する演算手段（図示せず）を設けてもよい。また、圧電信号解析手段１２および静電容量解析手段１５の前段に、組紐状圧電素子からの圧電性信号と、組紐状圧電素子および別の導電性繊維間の静電容量検出用信号とを分離する分離手段（図示せず）を設けてもよい。なお、送信手段１４による送信方式を無線によるもの有線によるものにするかは、構成するセンサーに応じて適宜決定すればよい。

（接続）
本発明の布帛状センサーは、組紐状圧電素子１の芯部３に接続され、組紐状圧電素子１の鞘部２の圧電性に由来する信号を検出するアルゴリズム（圧電信号解析手段１２）を備えた電子回路と、前記組紐状圧電素子の芯部の導電性繊維と、前記別の導電性繊維との両方に接続され、これら２本の導電性繊維間の静電容量を検出するアルゴリズム（静電容量解析手段１５）を備えた電子回路とが接続されている。
前述の通り、圧電信号解析手段１２および静電容量解析手段１５の前段に、組紐状圧電素子１からの圧電性信号と、組紐状圧電素子１および別の導電性繊維８間の静電容量検出用信号とを分離する分離手段を設けることが好ましい。

この分離手段の好ましい例の１つは、組紐状圧電素子１の芯部３に接続された電子回路により、前記組紐状圧電素子の鞘部の圧電性に由来する信号を検出するアルゴリズムを適用する期間と、紐状圧電素子の芯部の導電性繊維と、前記別の導電性繊維との両方に接続された電子回路により、これら２本の導電性繊維間の静電容量を検出するアルゴリズムを適用する期間とを、交互に切替えながら圧電性信号と静電容量信号を断続的に測定することである。切替え時間を十分に短く設定することで、人体程度の動作速度であれば同時に両方の信号を測定しているとみなすことができる。

この分離手段の好ましい例のもう１つは、静電容量の検出を比較的高い周波数（好ましくは１ｋＨｚ以上、さらに好ましくは１００ｋＨｚ以上）の交流電圧印加により行い、さらに人体の動作モニタ時など、圧電信号に由来する信号の周波数が比較的低い（例えば１ｋＨｚ未満）場合に、フィルタ処理により圧電性信号由来の成分と静電容量検出用交流信号の成分に分離し、圧電性信号を検出するアルゴリズムと静電容量を検出するアルゴリズムとを同時に並行して適用し測定することである。

また、増幅手段だけではなく、ノイズを除去する手段や他の信号と組み合わせて処理する手段などの公知の信号処理手段を組み合わせて用いることができる。これらの手段の接続の順序は目的に応じて適宜変えることができる。もちろん、布帛状素子１から出力される電気信号をそのまま外部機器へ送信した後で信号処理してもよい。

本発明のデバイス１０は柔軟性があり、紐状および布帛状いずれの形態でも使用できるため、非常に広範な用途が考えられる。本発明のデバイス１０の具体的な例としては、帽子や手袋、靴下などを含む着衣、サポーター、ハンカチ状などの形状をした、タッチパネル、人や動物の表面感圧センサー、例えば、手袋やバンド、サポーターなどの形状をした関節部の曲げ、捩じり、伸縮を感知するセンサーが挙げられる。例えば人に用いる場合には、接触や動きを検出し、医療用途などの関節などの動きの情報収集、アミューズメント用途、失われた組織やロボットを動かすためのインターフェースとして用いることができる。他には、動物や人型を模したぬいぐるみやロボットの表面感圧センサー、関節部の曲げ、捩じり、伸縮を感知するセンサーとして用いることができる。他には、シーツや枕などの寝具、靴底、手袋、椅子、敷物、袋、旗などの表面感圧センサーや形状変化センサーとして用いることができる。

さらに、本発明のデバイス１０は組紐状あるいは布帛状であり、柔軟性があるので、あらゆる構造物の全体あるいは一部の表面に貼付あるいは被覆することにより表面感圧センサー、形状変化センサーとして用いることができる。

さらに、本発明のデバイス１０は、組紐状圧電素子１の表面を擦るだけで十分な電気信号を発生することができるので、タッチセンサーのようなタッチ式入力装置やポインティングデバイスなどに用いることができる。また、組紐状圧電素子１で被計測物の表面を擦ることによって被計測物の高さ方向の位置情報や形状情報を得ることができるので、表面形状計測などに用いることができる。
また、上記の用途に加え、静電容量の解析により布帛への押圧力変化や伸縮性を同時にモニタするセンサーとして、圧電性信号と組み合わせたより高度な入力装置やポインティングデバイスやウェアラブルインターフェースとして用いることができる。

特に、組紐状圧電素子では、圧電性信号により曲げを特異的に検知できるが、曲げの位置に関する情報を単体で検知することが困難であるところ、静電容量による解析を伴うことで、加圧された部位に関する位置情報を検知することができるので、この双方を解析することによって、センサ―が受ける形状変化全般、具体的には、曲げ位置、曲げ度合、ねじり位置、ねじり度合、押圧有無、等の違いなど、を容易に、簡便な構成で把握することが可能であり、さまざまな入力刺激に対応したウェアラブルセンサーとして適用範囲を拡大可能である。また、構成部材が簡便になることから、ノイズ信号発生の要因のうちのひとつである構成部材間の擦れに伴う静電気も抑制できるほか、ウェアラブル素材に求められる、着用者の使用感も向上させることができる。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に記載するが本発明はこれによって何らの限定を受けるものではない。

圧電素子用の布帛は以下の方法で製造した。
（ポリ乳酸の製造）
実施例において用いたポリ乳酸は以下の方法で製造した。
Ｌ−ラクチド（（株）武蔵野化学研究所製、光学純度１００％）１００質量部に対し、オクチル酸スズを０．００５質量部加え、窒素雰囲気下、撹拌翼のついた反応機にて１８０℃で２時間反応させ、オクチル酸スズに対し１．２倍当量のリン酸を添加しその後、１３．３Ｐａで残存するラクチドを減圧除去し、チップ化し、ポリ−Ｌ−乳酸（ＰＬＬＡ１）を得た。得られたＰＬＬＡ１の質量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。

（圧電性繊維）
２４０℃にて溶融させたＰＬＬＡ１を２４ホールのキャップから２０ｇ／ｍｉｎで吐出し、８８７ｍ／ｍｉｎにて引き取った。この未延伸マルチフィラメント糸を８０℃、２．３倍に延伸し、１００℃で熱固定処理することにより８４ｄＴｅｘ／２４フィラメントのマルチフィラメント一軸延伸糸を得た。

（導電性繊維）
ミツフジ（株）製の銀メッキナイロン、品名『ＡＧｐｏｓｓ』１００ｄ３４ｆを導電性繊維Ｂとして使用した。この繊維の体積抵抗率は１．１×１０^−３Ω・ｃｍであった。

（絶縁性繊維）
２８０℃にて溶融させたポリエチレンテレフタレートを２４ホールのキャップから４５ｇ／ｍｉｎで吐出し、８００ｍ／ｍｉｎにて引き取った。この未延伸糸を８０℃、２．５倍に延伸し、１８０℃で熱固定処理することによりすることにより８４ｄＴｅｘ／２４フィラメントのマルチフィラメント延伸糸を得、これを絶縁性繊維とした。

（組紐状圧電素子）
図１に示すように、上記の導電性繊維Ｂを芯糸とし、上記の圧電性繊維Ａ８本を芯糸の周りに組紐状に巻きつけて、八打組紐とし、組紐状圧電素子１を形成した。組紐状圧電素子１の鞘部の総繊度は芯部の総繊度の４．５倍であった。鞘部の厚みは０．１４ｍｍであった。ここで、導電性繊維Ｂの繊維軸ＣＬに対する圧電性繊維Ａの巻きつけ角度αは４５°とした。また、圧電性繊維Ａを４本合糸して、同様に組紐状圧電素子１’を形成した。組紐状圧電素子１’の鞘部の総繊度は芯部の総繊度の１８倍であった。鞘部の厚みは０．２５ｍｍであった。

（製織）
実施例１の試料として、図２に示すように経糸に絶縁性繊維７および一本の組紐状圧電素子１を配し、緯糸に絶縁性繊維７および導電性繊維８を交互に配して平織物を作製し、布帛状素子５とした。組紐状圧電素子１中の導電性繊維Ｂに、１０００倍の増幅回路を備えた圧電信号検出用の回路を接続した。組紐状圧電素子１中の導電性繊維Ｂと、導電性繊維８を１０本短絡させた端子とに、１ＭＨｚの交流電圧を印加することにより静電容量を検出する回路を接続し、布帛状センサー１００を作成した。
比較例１の試料として、組紐状圧電素子１の代わりに組紐状圧電素子１’を用いたこと以外は実施例１と同様に、布帛状センサー２００を作成した。

（性能評価及び評価結果）
布帛状センサー１００および布帛状センサー２００の性能評価及び評価結果は以下のとおりである。

（実施例１）
布帛状センサー１００を用い、布帛状素子５の緯糸の導電性繊維８を接地（アース）線として接地した。この状態で、組紐状圧電素子１に対して垂直な方向に布帛状素子５を９０度折り曲げた。その結果、布帛状素子５の組紐状圧電素子１からの圧電性信号の出力として、オシロスコープによりノイズのほとんどない電気信号が得られ、約１００ｍＶの電位差が検出された。以上の結果から、布帛状素子５の変形により十分な大きさの電気信号を低ノイズで検出できることが確認された。
また、ペン先で組紐状圧電素子１と導電性繊維８との間を押したところ、静電容量が１．８ｐＦから２．５ｐＦに増加し、ペン先を離すと１．８ｐＦに戻った。以上の結果から、押圧力の変化により十分な静電容量変化を検知できることが確認された。

（比較例１）
布帛状センサー１００の代わりに布帛状センサー２００を用いた以外は実施例１と同様にして、圧電性信号と静電容量の検出を行った。布帛状素子５を９０度折り曲げた際には、組紐状圧電素子１’からの圧電性信号の出力として、オシロスコープによりノイズのほとんどない電気信号が得られ、約１１０ｍＶの電位差が検出されたが、ペン先で組紐状圧電素子１’と導電性繊維８との間を押したところ、静電容量は初期も押圧後も１．０ｐＦ未満（検出下限未満）であり、押圧力の変化により十分な静電容量変化が検出できなかった。芯部３に対して鞘部２が厚すぎるため、静電容量の絶対値が減少し、組紐状圧電素子の変形も小さかったためと考えられる。

Ａ 圧電性繊維
Ｂ 導電性繊維
１ 組紐状圧電素子
２ 鞘部
３ 芯部
５ 布帛状素子
６ 布帛
７ 絶縁性繊維
８ 別の導電性繊維
１０ デバイス
１１ 圧電素子
１２ 圧電信号解析手段
１３ 出力手段
１４ 送信手段
１５ 静電容量解析手段
ＣＬ 繊維軸
α 巻きつけ角度

Claims (7)

1. 導電性繊維で形成された芯部と、
   前記芯部を被覆するように組紐状の圧電性繊維で形成された鞘部と、
   を備えた組紐状圧電素子と、
   さらに前記組紐状圧電素子に近接して配置された別の導電性繊維と、
   を備えた布帛状素子に、
   前記組紐状圧電素子の芯部に接続され、前記組紐状圧電素子の鞘部の圧電性に由来する信号を検出するアルゴリズムを備えた電子回路と、
   前記組紐状圧電素子の芯部の導電性繊維と、前記別の導電性繊維との両方に接続され、これら２本の導電性繊維間の静電容量を検出するアルゴリズムを備えた電子回路と、
   を接続した布帛状センサー。
2. 前記圧電性繊維の鞘部を挟んで前記組紐状圧電素子の芯部と前記別の導電性繊維とが交差する点を持ち、静電容量を検出するアルゴリズムにより前記布帛状素子に対する圧力を検知するセンサーであって、前記組紐状圧電素子の鞘部の総繊度が芯部の総繊度の１倍以上１５倍以下 であり、前記導電性繊維に挟まれる鞘部の厚みが１ｍｍ以下 である、請求項１に記載の布帛状センサー。
3. 前記組紐状圧電素子と前記別の導電性繊維とが略平行に配置され、静電容量を検出するアルゴリズムにより前記布帛状素子の伸縮を検出するセンサーであって、前記布帛状素子を平坦に配置したときの組紐状圧電素子の両端間の距離が組紐状圧電素子の長さの０．９倍以下であり、紐状圧電素子の鞘部の総繊度が芯部の総繊度の１５倍以下である、請求項１に記載の布帛状センサー。
4. 前記圧電性繊維が主成分としてポリ乳酸を含み、
   前記導電性繊維に対する前記圧電性繊維の巻きつけ角度は１５°以上、７５°以下である、
   組紐状圧電素子を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の布帛状センサー。
5. 前記圧電性繊維の一本あたり繊度は、前記導電性繊維の総繊度の１／２０倍以上、２倍以下である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の布帛状センサー。
6. 前記布帛を形成する繊維であり且つ前記組紐状圧電素子と交差する繊維のうちの３０％以上が導電性繊維である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の布帛状センサー。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の布帛状センサーと、
   前記圧電性に由来する信号を検出するアルゴリズムを備えた電子回路からの電気信号と、前記静電容量を検出するアルゴリズムを備えた電子回路からの電気信号とを出力する出力手段と、
   を備えるデバイス。

Images