JP2021032643A - センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方を有する新規なセンサシステムを提供する。【解決手段】導電体の表面を有する芯線と、前記芯線を被覆する圧電体層と、前記圧電体層を被覆する導電体層とを含む可撓性のセンサ素子と、前記導電体と前記導電体層との間の電位差に基づいて、該圧電体層に印加された外力を検知する圧電検知部と、前記導電体および前記導電体層のいずれか一方における静電容量に基づいて、物体の存在を検知する静電容量検知部とを含む、センサシステム。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ素子を含むセンサシステムに関する。

従来、圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子を含むセンサシステムが知られている。かかるセンサシステムは、代表的には、圧電素子をセンサ素子として利用したものであり、より詳細には、圧電体の正圧電効果を利用して、センサ素子（より詳細には圧電体）に印加された外力を検知するように構成される。

かかるセンサシステムにてセンサ素子として使用される圧電素子は、ケーブル状またはワイヤー状などと称され得る、全体として細長い線状の形態を有するものであり得る。例えば特許文献１に開示されるような、樹脂線に少なくとも１層の金属箔が螺旋状に巻き付けられている芯線と、芯線を被覆する有機圧電体層と、有機圧電体層を被覆する導電体層とを含み、金属箔および導電体層が、それらの間に有機圧電体層が介挿された電極としてそれぞれ機能する圧電素子が挙げられる。

特許第６５０１９５８号公報 特開２０１７−１２０２３７号公報 特開２０１８−８７７２６号公報

上述のような従来の圧電素子をセンサ素子として含むセンサシステムは、有機圧電体層が介挿された金属箔と導電体層との間の電位差（電圧）に基づいて、圧電体層に印加された外力を検知するように構成されている。かかる圧電素子では、外力が印加されると、電位差が急峻に変化した後に減衰していくため、電位差の変化（微分信号）により、外力が印加されたことを検知できるが、外力が継続的に印加されて外力が変化しないと、電位差の変化が生じないため、継続的な外力の有無を判断することはできない。例えば、人間がその場に存在しているか否かを判断する場合、人間がその場に定常的に存在していると、人間の重さによる外力は変化しないため電位差の変化として検知できず、外力の変化ひいては電位差の変化を生じ得るバイタルサイン（脈拍や呼吸）により検知するしかない。しかしながら、バイタルサインにより検知する場合、バイタル信号は低周波数（例えば、脈拍は約１ｋＨｚ、呼吸は約０．３Ｈｚ）であるため、最低でも数秒〜十数秒の時間に亘って電位差の変化（微分信号）を波形解析する必要があり、即時の判断は困難である。

そこで、圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子を含むセンサシステムに、静電容量式のセンサ機能を付加することができれば、人間等の物体がその場に存在しているか否かを簡便かつ即時に判断することが可能となるためより好都合である。

圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子を含むセンサシステムであって、静電容量式のセンサ機能を付加したものが、特許文献２〜３に開示されている。しかしながら、特許文献２〜３に開示されているセンサシステムでは、圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子に加えて、該センサ素子との間で静電容量を測定するための別の導電体（特許文献２では「別の導電性繊維」であり、特許文献３では「電極体」である）を設ける必要がある。このような従来のセンサシステムでは、センサ素子と別の導電体とを組み合わせて構成する必要があり、システム構成が複雑になるという難点がある。圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子とは別の導電体を使用することなく、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方を実現したセンサシステムは、これまで知られていない。

本発明の目的は、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方を有する新規なセンサシステムを提供することにある。

本発明者らは、センサ素子を含むセンサシステムにおいて、圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子の導電体を上手く利用することにより、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方を提供するという独自の着想を得、鋭意研究および検証の結果、本発明を完成するに至った。

本発明の１つの要旨によれば、
導電体の表面を有する芯線と、前記芯線を被覆する圧電体層と、前記圧電体層を被覆する導電体層とを含む可撓性のセンサ素子と、
前記導電体と前記導電体層との間の電位差に基づいて、該圧電体層に印加された外力を検知する圧電検知部と、
前記導電体および前記導電体層のいずれか一方における静電容量に基づいて、物体の存在を検知する静電容量検知部と
を含む、センサシステムが提供される。

本発明によれば、センサシステムにおいて、導電体の表面を有する芯線と、芯線を被覆する圧電体層と、圧電体層を被覆する導電体層とを含む可撓性のセンサ素子を使用し、該導電体と該導電体層との間の電位差に基づいて、圧電式のセンサ機能を実現し、該導電体および該導電体層のいずれか一方における静電容量に基づいて、静電容量式のセンサ機能を実現しており、これにより、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方を有する新規なセンサシステムが提供される。

本発明の１つの実施形態におけるセンサシステムを示す概略図であって、（ａ）はセンサ素子の部分切除側面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図を示し、（ｃ）はセンサシステムの構成例（但し、センサ素子は電極引き出し部ＡおよびＢのみを示す）を説明する図である。 図１（ｃ）に対応する図であって、本発明の１つの実施形態におけるセンサシステムの別の構成例を説明する図である。 本発明の１つの実施形態におけるセンサシステムに使用可能なセンサ素子を繊維製品と組み合わせたセンサデバイスであって、（ａ）〜（ｃ）はセンサデバイスの種々の例の概略上面図を示す。 本発明の実施例のセンサシステムにて測定された、人間がセンサ素子に「乗る」動作を行った場合の静電容量および電位差の経時変化を示すグラフである。 本発明の実施例のセンサシステムにて測定された、人間がセンサ素子から「降りる」動作を行った場合の静電容量および電位差の経時変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。

図１を参照して、本実施形態のセンサシステム３０は、概略的には、センサ素子２０と、圧電検知部２１と、静電容量検知部２３とを含む。なお、図１（ａ）および（ｂ）に示すセンサ素子２０の電極引き出し部ＡおよびＢは、図１（ｃ）に示すＡおよびＢと繋がっていることに留意されたい。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態に使用可能なセンサ素子２０は、導電体３の表面を有する芯線５と、芯線５を被覆する圧電体層７と、圧電体層７を被覆する導電体層９とを含み、場合により、導電体層９を被覆する絶縁体層１１を更に含む。センサ素子２０において、導電体（内側導電体層）３および導電体層（外側導電体層）９が、それらの間に圧電体層７が介挿された電極としてそれぞれ機能する（図１（ｂ）参照）。かかるセンサ素子２０は、ケーブル状またはワイヤー状などと称され得る、全体として細長い線状の形態を有し、センサ素子全体として柔軟性を有するように構成される。センサ素子２０において、芯線５、圧電体層７、導電体層９、および存在する場合には絶縁体層１１は、略同軸上に配置され得るが、本発明はかかる構成に限定されない。

芯線５は、導電体３の表面を有するものであればよく、芯線５全体が導電体３から成っていても、芯線５の表面の全部または一部（芯線５の一方の端部から他方の端部に亘って連続して延在していれば特に限定されないが、例えば６０％以上、好ましくは８０％以上）が導電体３から成り、芯線５の内部が他の材料から成っていてもよい。導電体３の好ましい例としては、銅および銅含有合金（例えば銅錫合金、銅銀合金等）が挙げられ、例えば錫等のメッキを有していても、有していなくてもよい。これらは、高い導電性を示すうえ、銅が高い延性を示すことから機械的強度に優れ、センサ素子２０の柔軟性および耐屈曲性を一層高めることができる。

例えば、芯線５は、樹脂線１を導電体３で被覆して構成されていてよい。より詳細には、芯線５は、樹脂線１に少なくとも１層の金属箔（導電体）３が螺旋状に（好ましくは一定の螺旋ピッチで）巻き付けられて構成されていてよく、重ね巻きされていても、重ね巻きされていなくてもよく、ギャップ巻きされていてもよい。芯線５は、かかる構成を有することにより、引っ張った場合に引張り応力が主として樹脂線１に作用して芯線５全体が伸長し得、好ましくは３％以上の引張伸度を示し得、比較的小さな曲率半径で曲げた場合にも、芯線５に歪みが残留せず、優れた柔軟性を示す。また、芯線５は、かかる構成を有することにより、繰り返し曲げても導通が切断され難く、優れた耐屈曲性を示す。

樹脂線１は、樹脂材料から構成される全体として線状の部材であればよい。かかる樹脂材料の例としては、芳香族ポリアミド（アラミド、例えばパラ型アラミド、メタ型アラミド等）、脂肪族ポリアミド（ナイロン）、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリアリレート、ポリオレフィン、ポリウレタン、および炭素繊維（例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等）からなる群より選択される少なくとも１種の材料が挙げられる。

芯線５の外形寸法（円形断面を有する場合は外径、非円形断面を有する場合は断面の最大の外形寸法、以下同様）は、特に限定されず、センサ素子２０に求められる仕様に応じて様々であり得る。芯線５は、極めて細くすることが可能であり、その外形寸法は、例えば０．０５〜１．５ｍｍであり得、特に１．０ｍｍ以下、より特に０．５ｍｍ以下、より一層特に０．３ｍｍ以下であり得る。

圧電体層７は、導電体３と導電体層９との間に、これらが互いに接触しないように設けられる。圧電体層７は、可撓性を有する圧電材料から構成され得、例えば、有機圧電材料、有機圧電材料と無機圧電材料との複合体、または有機材料（有機圧電材料を除く）と無機圧電材料との複合体から構成され得る。

有機圧電材料は、高分子および低分子のいずれであってもよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン系共重合体（フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））、フッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｅＦＥ））を包含する）、ポリシアン化ビニリデン、シアン化ビニリデン系共重合体、奇数ナイロン（ナイロン９、ナイロン１１など）、芳香族ナイロン、ポリ乳酸、ポリヒドロキシカルボン酸、セルロース系誘導体、ポリウレアなどを使用してよい。このうち、圧電体層７は、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）およびＰ（ＶＤＦ／ＴｅＦＥ）から成る群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。

有機圧電材料と無機圧電材料との複合体は、複合体全体として可撓性を示すように有機圧電材料および無機圧電材料が複合化され、例えば分散混合（無機圧電材料の微粒子が有機圧電材料中に分散される）および／または積層される。当該複合体における無機圧電材料の含有量は、適宜選択され得るが、可撓性を向上させるためには、例えば複合体（圧電体層）の３０質量％以下、好ましくは２０質量％以下とされる。有機圧電材料は、上述したものと同様のものを使用してよい。無機圧電材料は、例えば、鉛系セラミックス圧電材料（チタン酸ジルコン酸鉛系、チタン酸鉛系など、これらの鉛の一部を希土類元素で置換したもの、例えばチタン酸ジルコン酸ランタン鉛なども含む）、非鉛系セラミックス圧電材料（アルカリニオブ酸系、ビスマスチタン酸系、チタン酸バリウム系など）、酸化亜鉛圧電材料（ＺｎＯ）などを使用してよく、これらの原料粉末（例えば酸化チタンを含む）が存在していてもよい。

有機材料（有機圧電材料を除く）と無機圧電材料との複合体は、複合体全体として可撓性を示すように有機材料および無機圧電材料が複合化され、例えば分散混合（無機圧電材料の微粒子が有機材料中に分散される）および／または積層される。当該複合体における無機圧電材料の含有量は、適宜選択され得るが、圧電性能を担保しつつ、可撓性を向上させるためには、例えば複合体（圧電体層）の７０質量％以上９０質量％以下とされる。有機材料は、圧電性を示さないものでなく、例えば、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂耐熱性樹脂が、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）およびシリコーン樹脂からなる群より選択される少なくとも１種であってよい。無機圧電材料は、上述したものと同様のものを使用してよい。

圧電体層７の形成方法は、溶媒コーティング法や溶融押出法により芯線５の上に直接的に形成してもよく、あるいは、圧電材料をフィルム状や繊維状にしたものをラッピングや編組等により芯線５を被覆するように形成してもよい。

圧電体層７の厚さは、特に限定されず、センサ素子２０に所望される圧電特性、柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。圧電体層７の厚さは、例えば１〜２００μｍであり得、特に１００μｍ以下、より特に５０μｍ以下であり得る。

導電体層９は、圧電体層７を少なくとも部分的に被覆するように設けられ、好ましくは圧電体層７と密着して設けられる。

導電体層９は、少なくとも圧電体層７に接触する表面が導電性を示す材料から構成される可撓性部材であればよい。導電体層９には、シールドとして既知の導電体層を利用してよく、例えば金属素線の編組シールドおよび横巻きシールドを使用できる。また、導電体層９は、圧電体層７に螺旋状に巻き付けられた少なくとも１層の金属箔であってもよい。この場合、導電体層９は、圧電体層７に少なくとも１層の金属箔が螺旋状に（好ましくは一定の螺旋ピッチで）巻き付けられて構成されていてよく、重ね巻きされていても、重ね巻きされていなくてもよく、ギャップ巻きされていてもよい。金属素線や金属箔を構成する金属材料の好ましい例としては、銅および銅含有合金（例えば銅錫合金、銅銀合金等）が挙げられ、例えば錫や銀等のメッキを有していても、有していなくてもよい。これらは、高い導電性を示すうえ、銅が高い延性を示すことから機械的強度に優れ、センサ素子２０の柔軟性および耐屈曲性を一層高めることができる。

導電体層９の厚さは、特に限定されず、センサ素子２０に所望される柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。導電体層９の厚さは、例えば５〜５００μｍであり得、特に２００μｍ以下、より特に１００μｍ以下であり得る。

導電体層９の外形寸法は、センサ素子２０が絶縁体層１１を有しない場合のセンサ素子２０の外形寸法に一致し得、特に限定されないが、例えば０．０５〜２．２ｍｍであり得、特に１．５ｍｍ以下、より特に１ｍｍ以下であり得る。

更に、本実施形態に必須ではないが、かかる導電体層９を絶縁体層１１により被覆してよい。絶縁体層１１は、センサ素子２０を電気的および／または物理的に保護するために設けられ得る。かかる絶縁体層１１は、シース（または外被）としても理解され得る。

絶縁体層１１は、少なくとも表面が絶縁性を示す材料から構成される可撓性部材であればよい。絶縁体層１１は、例えば、絶縁性素線（例えばポリアミド、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ゴム、シリコーン、ウレタン、ポリアリレート、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリアミド等の絶縁性有機材料から成る素線）の組紐であってよい。また、絶縁体層１１は、導電体層９の周囲に絶縁性材料（例えばポリ塩化ビニル、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、フッ素樹脂（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ＰＶＤＦ等）、ゴム等の絶縁性有機材料）を押出被覆することにより形成してもよい。また、絶縁体層１１は、絶縁性材料（例えば上記で例示した絶縁性有機材料）をフィルム状やテープ状にしたもので芯線５を被覆すること（ラッピングやテープ巻き等）により形成してもよい。

絶縁体層１１の厚さは、特に限定されず、センサ素子２０に所望される柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。絶縁体層１１の厚さは、例えば１０〜１０００μｍであり得、特に７００μｍ以下、より特に４００μｍ以下であり得る。

絶縁体層１１の外形寸法は、センサ素子２０が絶縁体層１１を有する場合のセンサ素子２０の外形寸法に一致し得、特に限定されないが、例えば０．０７〜４．２ｍｍであり得、特に１．５ｍｍ以下、より特に１ｍｍ以下であり得る。

本実施形態におけるセンサ素子２０は、柔軟性および耐屈曲性に優れる。なかでも、センサ素子２０は、芯線５が樹脂線１を導電体３で被覆して構成され、圧電体層７が有機圧電材料から構成され、かつ、センサ素子２０の外形が１ｍｍ以下であることが好ましく、これにより、圧電性能を発揮しつつ、より優れた柔軟性および耐屈曲性を実現することができる。本実施形態のセンサ素子２０において、導電体３および導電体層９を任意の適切な方法で露出させるなどして、導電体３および導電体層９からそれぞれ電極が引き出される（図１中、電極引き出し部ＡおよびＢとして示す）。

本実施形態のセンサシステム３０は、導電体３（電極引き出し部Ａ）と導電体層９（電極引き出し部Ｂ）とが圧電検知部２１に電気的に接続され、導電体層９（電極引き出し部Ｂ）が静電容量検知部２３に電気的に接続されることにより構成される。

圧電検知部２１は、導電体３と導電体層９との間の電位差（電圧）に基づいて、圧電体層７に印加された外力を検知するものである。圧電検知部２１は、電位差を測定して得られる電気信号を解析するための任意の適切な解析手段（例えばアンプ、微分フィルタ等）、データの格納および／または演算手段、解析結果の出力手段等を備え得る。

センサ素子２０に外力が印加された場合、圧電体層７に外力が印加されることとなり、導電体３と導電体層９との間の電位差（電圧）の変化をもたらし、圧電検知部２１で該変化を解析することにより、外力が印加されたことを検知することができる。逆に、センサ素子２０に印加され続けていた外力が除去された場合、圧電体層７に印加され続けていた外力が除去されることとなり、導電体３と導電体層９との間の電位差（電圧）の上記と逆の変化をもたらし、圧電検知部２１で該変化を解析することにより、外力が除去されたことを検知（判別）することができる。

静電容量検知部２３は、導電体層９における静電容量に基づいて、物体の存在を検知するものである。静電容量検知部２３は、導電体層９における静電容量を良好に測定し得るためには接地（ＧＮＤ）されていることが好ましい。静電容量検知部２３は、静電容量を測定して得られる電気信号を解析するための任意の適切な解析手段（例えば抵抗器等）、データの格納および／または演算手段、解析結果の出力手段等を備え得る。

センサ素子２０の付近に物体が存在する場合、物体が存在しない場合に比べて、導電体層９は該物体の存在により電気的環境が異なることとなり、導電体層９における静電容量のレベル（大きさ）の相違（差）が生じ、好ましくは接地（ＧＮＤ）されている静電容量検知部２３で当該静電容量を解析すること、即ち、差が生じていることを検知すること（例えば、物体が存在しない場合を基準状態とし、基準状態における静電容量のレベルのデータを格納しておき、該データと、測定状態における静電容量のレベルのデータとを比較演算すること）により、物体が存在しているか否かを検知（判別）することができる。導電体層９における静電容量は、導電体層９の周囲の電気的環境に依存し、導電体３と導電体層９との間の電位差のように減衰しないため、物体の存在を即時に検知することができる。

物体は、静電容量のレベルの相違をもたらし得る限り任意の適切な物体であり得、例えば人間であってもよい。

従って、本実施形態のセンサシステム３０によれば、導電体３と導電体層９との間の電位差に基づいて、圧電式のセンサ機能が実現され、導電体層９における静電容量に基づいて、静電容量式のセンサ機能が実現され、二つの異なる機能を備えるデュアル（または複合）センサシステムとして理解される。かかるセンサシステム３０では、センサ素子２０とは別に導電体を使用する必要がなく、シンプルなシステム構成で、物体の存在を簡便かつ即時に検知することができる。

本実施形態のセンサシステムは、幅広く様々な用途に利用可能である。例えば、シート（椅子、座席、便座等を含む）、ベッド（介護ベッドを含む）、大型タッチパネルなどに利用でき、圧電式のセンサ機能により人間の着座、体動、バイタルサイン、タッチ操作などを検知でき、かつ、静電容量式のセンサ機能により人間の存在有無を、人間が定常的に存在する場合であっても即時に検知することができる。

更に、本実施形態に必須ではないが、静電容量検知部２３は、導電体層９における静電容量に基づいて、物体の近接を検知することも可能であるように構成され得る。センサ素子２０に物体が近寄ってきた場合、導電体層９は該物体の近接により電気的環境が変化することとなり、導電体層９における静電容量の変化をもたらし、静電容量検知部２３で該変化を解析することにより、物体が近寄ってきたことを検知することができる。逆に、センサ素子２０の付近に存在していた物体が遠ざかった場合、導電体層９は該物体の離隔により電気的環境が変化することとなり、導電体層９における静電容量の変化をもたらし、静電容量検知部２３で該変化を解析することにより、物体が遠ざかったことを検知することができる。

以上、本発明の１つの実施形態におけるセンサシステムについて詳述したが、本実施形態は種々の改変が可能である。

例えば、上述したセンサシステム３０では、導電体層９（電極引き出し部Ｂ）を静電容量検知部２３に電気的に接続することとしたが、図２に示すセンサシステム３０’のように、導電体３（電極引き出し部Ａ）を静電容量検知部２３に電気的に接続して、導電体３における静電容量に基づいて、物体の存在を検知するようにしてもよい。この場合にも、上述したセンサシステム３０と同様の説明が当て嵌まり得る。但し、静電容量の測定感度は、センサシステム３０’より、センサシステム３０のほうが高いと考えられる。

また例えば、上述したセンサシステム３０および３０’では、センサ素子２０をそのまま使用することとしたが、センサシステム３０および３０’のいずれの場合にも、センサ素子２０を繊維または繊維製品と組み合わせたセンサデバイスの形態で使用してもよい。センサ素子２０は、全体として細長い線状の形態を有し、センサ素子全体として柔軟性を有し得るので、いわゆる「糸」のように使用することが可能である。また、センサ素子２０の「糸」は、例えば片方の端部から電極引き出し部ＡおよびＢを取ることができるので、もう片方の端部はフリーにでき、使用態様の自由度が極めて高い。

より詳細には、センサ素子２０が、繊維と組み合わされて、紐、ロープ、編物、織物および不織布からなる群より選択される繊維製品を構成していてよい。センサ素子２０と組み合わされる繊維は、任意の適切な繊維であり得、天然繊維（例えば、コットン、リネンなどの植物繊維、シルクなどの動物繊維）、人造繊維（例えば、ビスコース・レーヨン、キュプラなどの再生繊維、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ビニロン、ポリウレタンなどの合成繊維、アセテートなどの半合成繊維）等であり得る。センサ素子２０を「糸」のように使用して、繊維と組み合わせることにより、紐、ロープ、編物、織物および不織布などの形態に加工することが可能である。紐は、例えば、センサ素子２０の「糸」を繊維の糸と組み合わせて（例えば組紐として）構成され得る。ロープは、例えば、センサ素子２０の「糸」またはセンサ素子２０を含む「紐」を、繊維の糸または紐と、撚り合わせたり、編んだりして構成され得る。編物は、センサ素子２０の「糸」と繊維の糸とを使用して、これらを編むことにより構成され得る。編み方（編物の組織）は、特に限定されないが、例えば、平編、ゴム編、パール編などの緯編み、またはダブルデンビーなどの経編みであり得る。織物は、縦糸および緯糸のいずれか１本以上の糸にセンサ素子２０の「糸」を使用し、残りに繊維の糸を使用して、これらを織ることにより構成され得る。織り方（織物の組織）は、特に限定されないが、平織、綾織、繻子織、重ね織、パイル織などであり得る。不織布は、センサ素子２０の「糸」と繊維の糸とを使用して、これらを結合させることにより構成され得る。結合方法は、特に限定されないが、接着剤、溶融繊維あるいは機械的方法（例えばスパンレース、ニードルパンチ、分散ろ過等）を使用できる。かかる繊維製品において、センサ素子２０の「糸」は少なくとも１本存在していればよく、場合により、２本以上で使用されていてもよい。

あるいは、センサ素子２０は、リボン状またはシート状の繊維製品に対して接合（または固定）されていてよい。ここで、繊維製品は、編物、織物および不織布について上述した説明を（センサ素子に関する説明を除外して）参照することにより理解され得る。リボン状の繊維製品とは、薄く細長い形態を有する繊維製品を言い、シート状の繊維製品とは、薄く二次元的な広がりを有する繊維製品を言い、これらの明確な境界はないが、例えば、縦横比が１：４以上を「リボン状」と言い、縦横比が１：４未満を「シート状」と称する。繊維製品へのセンサ素子２０の接合（または固定）は、任意の適切な方法で実施され得るが、例えば接着、縫い付け、編み込みなどであってよい。接着方法は、特に限定されないが、接着剤、溶融繊維などを使用できる。縫い付け方法は、センサ素子２０を「糸」のように使用して、繊維製品の厚さ方向に貫通して縫い付けてよく、あるいは、繊維製品がある程度の厚さを有する場合には、繊維製品の表面および／または裏面に露出することなく、繊維製品の内部を通って縫い付けてもよい。編み込み方法は、センサ素子２０を「糸」のように使用して、繊維製品に対して（例えば、繊維製品を構成している繊維と交差または交絡させることにより）編み込んでよい。センサ素子２０の接合形態は、所望により適宜選択され得る。例えば、図３（ａ）に示すようにリボン状の繊維製品３１に対してセンサ素子２０を直線的に接合させたセンサデバイス４０であってよい。また例えば、図３（ｂ）に示すようにリボン状の繊維製品３１に対してセンサ素子２０を波状に（またはジグザグに）接合させたセンサデバイス４０’であってよい。また例えば、図３（ｃ）に示すようにシート状の繊維製品３３に対してセンサ素子２０を渦巻状に接合させたセンサデバイス４０’’であってよい。上述したように、センサ素子２０の「糸」は、片方の端部から電極引き出し部ＡおよびＢを取り、もう片方の端部はフリーにできるので、センサデバイス４０’’のような形態も実現可能である。（尚、図３（ａ）〜（ｃ）において、センサ素子２０を繊維製品に縫い付ける場合には、センサ素子２０を示す実線は、繊維製品を透視して示したものと理解される。）

このように、センサ素子２０を繊維または繊維製品と組み合わせたセンサデバイスは、センサ素子２０が、全体として細長い線状の形態を有し、センサ素子全体として柔軟性を有し得るので、センサ素子２０を含むセンサデバイス全体が繊維製品として異物感や違和感のないものとなる。従って、例えば人間が、センサ素子２０を含むセンサデバイスに接触（例えばシートに着座したり、ベッドに寝臥したり）しても、異物感や違和感を覚えることなく、センシングを実現することができる。

図１を参照して詳述した構成を有するセンサ素子を含むセンサシステムを下記の通り作製した。

樹脂線１として、パラ型アラミド繊維からなる直径約１５μｍの素線５０本を撚って構成されている直径約０．１５ｍｍの撚り線を使用し、この樹脂線１に、導電体（金属箔）３として、錫メッキが施された銅錫合金から成る箔が２層積層された積層体であって、各箔の幅約０．１７ｍｍであり、積層体の総厚さ約０．０１２ｍｍであるものをギャップ巻きして、芯線５を準備した。芯線５の外径は約０．１７ｍｍであり、ピッチＰは約０．２７ｍｍであり、ギャップＧは約０．０８ｍｍであった（Ｇ／Ｐ＝約３０％）。

他方、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体３３ｇをメチルエチルケトン６７ｇに７０℃に加温しながら溶解し、日本エマソン社製の超音波ホモジナイザー“ＢＲＡＮＳＯＮ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｏｎｉｆｉｒｅ”で３０分間攪拌して樹脂液を調製した。

上記で準備した芯線５に、上記樹脂液をディップコーティング法で塗工し、１５０℃で２分間加熱して、メチルエチルケトンを気化させて除去して、芯線５の表面にフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体層を形成した。このフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体層を、芯線５をグランド電極として、直流高圧安定化電源（エレメント有限会社製）により直流電圧１２ｋＶを３０秒間コロナ放電することにより、分極処理を施して、圧電体層（有機圧電体層）７を得た。圧電体層７の厚さは、約４０μｍであった。

次に、この圧電体層７の周囲を、導電体層９として、銀メッキが施された銅から成る線を螺旋状に巻き付けて（ギャップなしで）被覆した。導電体層９の厚さは、約０．０３ｍｍであった。

そして、この導電体層９の周囲をポリエステルテープで被覆（テープ巻き）し、絶縁体層１１を形成した。絶縁体層１１の厚さは約２０μｍであった。絶縁体層１１の外径（すなわち、圧電素子２０の外径）は、約０．３５ｍｍであった。

以上のようにして本実施例のセンサ素子２０を作製した。

長さ約１ｍとしたセンサ素子２０の片方の端部をワイヤーストリッパーで加工して、導電体３および導電体層９を露出させて電極を引き出した。そして、導電体３（電極引き出し部Ａ）と導電体層９（電極引き出し部Ｂ）とを圧電検知部２１に電気的に接続し、導電体層９（電極引き出し部Ｂ）を静電容量検知部２３に電気的に接続して、センサシステム３０を構成した。圧電検知部２１には、アナログ増幅回路を使用した。静電容量検知部２３には、２ＭΩの抵抗器を備えた回路を使用した。

センサ素子２０を床の上に横たえて、その上に人間が「乗る」動作およびその後に「降りる（離れる）」動作を行い、そのときの導電体層７における静電容量を静電容量検知部２３で経時的に測定すると共に、芯線３の導電体３と導電体層９との間の電位差を経時的に測定した。人間が「乗る」動作を行ったときの結果を図４に示し、その後に人間が「降りる」動作を行ったときの結果を図５に示す（図４および図５中の点線は、それぞれ、乗った時点および降りた時点を示す）。

図４および図５から理解されるように、電位差は、人間が乗った時点および降りた時点から急峻に変化し、その後、減衰した（なお、電位差は、図４および図５に示していないが、更なる時間の経過により、上記動作前の元の値に戻ることが確認された）。これに対して、静電容量は、人間が乗った時点および降りた時点を境にレベルが変化し、その後、減衰することなく、変化後のレベルを実質的に維持していた。これらの結果から、電位差に基づいて、センサ素子２０ひいては圧電体層７に印加された外力を検知でき、かつ、静電容量に基づいて、物体（本実施例では人間）の存在を検知できることが確認された。とりわけ、静電容量は、人間が乗った時点および降りた時点の後にも減衰することなく、変化後のレベルを実質的に維持していたことから、物体（人間）が定常的に存在する場合であっても、その存在の有無を即時に判断できることが理解される。

本発明のセンサシステムは、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方が求められる幅広く様々な用途に利用可能である。本発明のセンサシステムは、例えば、シート（椅子、座席、便座等を含む）、ベッド（介護ベッドを含む）、大型タッチパネルなどに利用でき、圧電式のセンサ機能により人間の着座、体動、バイタルサイン、タッチ操作などを検知でき、かつ、静電容量式のセンサ機能により人間の存在有無を、人間が定常的に存在する場合であっても即時に検知することができる。

１ 樹脂線
３ 導電体（内側導電体層）
５ 芯線
７ 圧電体層
９ 導電体層（外側導電体層）
１１ 絶縁体層
２０ センサ素子
２１ 圧電検知部
２３ 静電容量検知部
３０、３０’ センサシステム
３１、３３ 繊維製品
４０、４０’、４０’’ センサデバイス
Ａ、Ｂ 電極引き出し部
ＧＮＤ 接地

Claims (5)

1. 導電体の表面を有する芯線と、前記芯線を被覆する圧電体層と、前記圧電体層を被覆する導電体層とを含むセンサ素子と、
   前記導電体と前記導電体層との間の電位差に基づいて、該圧電体層に印加された外力を検知する圧電検知部と、
   前記導電体および前記導電体層のいずれか一方における静電容量に基づいて、物体の存在を検知する静電容量検知部と
   を含む、センサシステム。
2. 前記センサ素子が、前記導電体層を被覆する絶縁体層を更に含む、請求項１に記載のセンサシステム。
3. 前記センサ素子が、繊維と組み合わされて、紐、ロープ、編物、織物および不織布からなる群より選択される繊維製品を構成している、請求項１または２に記載のセンサシステム。
4. 前記センサ素子が、リボン状またはシート状の繊維製品に対して接合されている、請求項１または２に記載のセンサシステム。
5. 前記圧電体層が、有機圧電材料または有機圧電材料と無機圧電材料との複合体から構成される、請求項１〜４のいずれかに記載のセンサシステム。