JP5352795B2 - ｅ−テキスタイル用導電糸を用いた織編物 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器とテキスタイルが融合したウエアラブルコンピュータや防爆防塵機能等の高機能作業服、電気製品や自動車などの様々な工業製品の電子部材として用いられるe-テキスタイルに使用する導電糸およびそれを用いたテキスタイル製品を提供する。

近年ウエアラブルコンピュータに代表されるように電子機器と織編物が融合したｅ−テキスタイルと称される各種テキスタイル製品開発が行われている。電子機器と織編物を融合する手段の一つとして織編物製造工程で導電糸を配置する方法があり、この場合織編物製造工程で問題なく製品を製造するには、この導電糸が織編物を構成する繊維素材と同等の力学特性を有することが不可欠となる。また、ｅ−テキスタイルを使用する場合、テキスタイルの特性である柔軟性を要求される用途において様々な外力等による変形が発生し、それに伴いｅ−テキスタイルの構造自体も変形が生じて電気特性が低下する等の変化が起こる。特にハンダ等が困難であるため導電糸間および導電糸と他の電子部材との接続部は物理的接触により導通を確保するため、変形により接触面積が変化して導通状態が低下する等の問題がある。そのためにｅ−テキスタイルが変形の前後で電気特性が変化して製品性能の保証もしくは耐久性に問題が生じるために、実際には織編物製造工程で導電糸を配置する織編物との一体化が困難な状況である。

最も一般的な導電繊維は銅等の金属繊維であり、金属繊維以外の導電糸としては、導電性カーボンブラックや金属粉等の導電性粒子を熱可塑性ポリマー全体に分散させた導電性繊維、もしくは導電性成分を非導電性ポリマーで完全に包みこんだ芯鞘型複合繊維あるいは導電性成分が繊維表面に露出したタイプの複合繊維させた繊維、非導電性繊維にめっき処理を行った繊維等があり、様々な導電化技術を駆使してこれまでに開発されてきている（非特許文献１など）。これらの方法で導電性繊維に伸長性を付与した例として特許文献１が挙げられる。

伸張変形可能な導電性素材としては、特許文献２の導電性繊維をニット構造体にする方法、特許文献３の導電性素材をカラミ織りしたテープ等の方法も開発されている。

これらの問題を解決するために福井県工業技術センターでは導電糸を使用する織編物の他の構成繊維素材と同等の物性を有する繊維素材で芯部を構成し、その繊維素材のまわりに複数の導電性繊維素材を螺旋状に巻き付ける方法にて、導電糸を使用する織編物の他の構成繊維素材と同等の物性を有し、屈曲耐久性も高い導電糸を開発している。

特許公開２００３−３１３７２７ 実用新案公開平６−５９４８８ 特許公開平１０−１６３６７４

「ＦＵＴＵＲＥ ＴＥＸＴＩＬＥ」，株式会社繊維社，第１章5-14 導電性繊維の体積抵抗率制御 「福井県工業技術センター研究報告書Ｎｏ．２３」，福井県工業技術センター，平成１８年９月３０日発行，ｐ３７〜３９

多くの金属繊維はわずかな伸長で破断するなど伸長性が乏しく、さらに弾性率が高いため捻りや屈曲等の変形が困難となる。そのため織物製造工程では破断による導電性の低下や残留捻れによる金属繊維の大変形により織編物形状の不具合が発生する。また、伸長可能な金属繊維の場合は、伸長に反比例して断面積が減少するため電気抵抗値が大幅に増加することになり、変形の前後で同等の電気特性を維持することは不可能である。

非特許文献１および特許文献１に記載される金属繊維以外の導電糸の場合は、織編物製造工程で問題なく製品を製造可能であるが、電気抵抗が低く、かつこれらの繊維は変形に伴い電気抵抗が著しく増加するため変形の前後で同等の電気特性を維持することはできない。

伸張変形可能な導電性素材として開発された特許文献２のニット生地や特許文献３のテープ形状の場合は一定以上の巾があり、繊維として一般的な織機等の繊維加工機で取り扱うことが不可能であるため実用性に欠ける。

非特許文献２の導電糸は織物製造工程で問題なく製品を製造可能であるが、導電性を有する表面部分、つまり導電糸が表面に配置される割合が小さいため、変形時に導電糸接触部分の電気抵抗が変化して安定した特性を発揮できないため、実用性に欠ける。

本発明に係る織編物は、繊維素材で芯部を構成し、その繊維素材のまわりに２本以上の複数の導電性繊維素材を１ｍ間に３，０００回以上８，０００回以下の巻き数で螺旋状に巻き付けた導電糸及び他の構成繊維素材を使用して構成する織編物であって、前記導電糸は、導電性繊維素材が直径２０μｍ以上１００μｍ以下の単一もしくは複数の種類からなる金属繊維で構成され、螺旋状に巻き付けた導電性繊維素材が前記繊維素材の表面積の５０％以上８０％以下を被っており、前記導電糸の線の電気抵抗は、１Ω/ｍ以上５０Ω/ｍ以下であり、前記導電糸の最大試験力及び最大歪みは、他の構成繊維素材の最大試験力及び最大歪と比較して±２０％以内であることを特徴とする。

本発明に係るｅ−テキスタイル用導電糸は上記のような構成を有することで、織物製造工程で問題なく織物内にｅ−テキスタイル用導電糸を配置した製品を製造可能であり、このテキスタイル製品を変形した場合もｅ−テキスタイル用導電糸および導電糸接触部分の電気抵抗はほぼ一定で安定した特性を発揮することが可能となる。

ｅ−テキスタイル用導電糸の概略平面図 無安定マルチバイブレータ回路図 織物内の回路で配線が接触する場合の織物組織 織物内の回路で配線が非接触で交錯する場合の織物組織

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る実施形態に関する概略平面図である。ｅ−テキスタイル用導電糸１は、芯部にｅ−テキスタイル用導電糸を使用する織編物の他の構成繊維素材と同じもしくは同等の物性を有する繊維素材２が疑似円形であり、そのまわりを螺旋形状に導電性繊維３および４が巻き付いて構成する。

ｅ−テキスタイル用導電糸を使用する織編物の他の構成繊維素材と同等の物性とは、最大試験力と最大歪みが±２０％以内であることが好ましい。織編物の他の構成繊維素材と比較して２０％以上物性が異なる場合は、製織工程での破断、もしくはゆるみ等によりｅ−テキスタイル用導電糸を使用する織編物品位が低下するため好ましくない。
最大試験力と最大歪みが±２０％以内であれば芯部に使用する繊維素材に特に限定はなく、例えば、ポリエチレンテレフタレートやＰＴＴ（ポリトリメチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等のポリエステル系繊維、ナイロン（ポリアミド繊維）、アラミド（芳香族ポリアミド繊維）、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフイン系繊維、アクリル等の合成繊維、レーヨン、アセテート等の化学繊維、綿、麻、ウール、絹等の天然繊維があげられる、これら単一素材でなく２種類以上の素材が複合された混紡糸や複合糸であってもよい。

本発明のｅ−テキスタイル用導電糸はカバーリング加工により芯部を構成する繊維素材に螺旋状に複数の導電性繊維巻き付けたカバーリング糸である。カバーリング糸と類似の構造を構成できるのであれば、撚糸でもかまわない。なお、螺旋状に巻き付いている導電性繊維３および４の巻き付く方向は、逆方向、同方向のいずれでもよい。

本発明を構成する導電性繊維を芯部に螺旋状に巻き付ける回数は１ｍ間に３，０００回以上８，０００回以下が好ましい。
螺旋状に巻き付ける回数が１ｍ間に３，０００回より少ない場合は芯部に使用する繊維素材と比較して２０％以上物性がことなるため、製織工程での導電糸の破断、もしくは導電糸のゆるみによる織物品位の低下が発生するため好ましくない。
また、螺旋状に巻き付ける回数１ｍ間に８，０００回と多すぎても、芯部に使用する繊維素材との物性差が生じるため、製織工程での導電糸の破断、もしくは導電糸のゆるみによる織物品位の低下が発生するため好ましくない。さらに螺旋状に巻き付ける回数が多くなると生産性も低下するので、実用的にも好ましくない。

本発明を構成する螺旋状に巻き付ける導電性繊維は２本以上の複数本で構成されていればよく、図１のように２本で構成するのが生産性の面から好ましい。螺旋状に巻き付ける導電性繊維１本で構成する場合、織編物製造工程での屈曲変形やテキスタイル製品後の屈曲疲労にて導電性繊維が破断し導通が無くなるが、２本以上あれば１本の一部が破断してももう１本が補完するため導電糸としての電気特性を維持することが可能となるからである。

螺旋状に巻き付けた導電性繊維がｅ−テキスタイル用導電糸の表面積の５０％以上８０％以下を被っていることが好ましい。導電繊維でｅ−テキスタイル用導電糸の表面を被う割合が５０％より少ない場合は、２本のｅ−テキスタイル用導電糸を上下に重ねた場合、上下の重なる糸の方向により上下のｅ−テキスタイル用導電糸間が電気的に絶縁状態になる場合ができるので、ｅ−テキスタイル用導電糸を用いて配線したテキスタイル製品が変形にたいして不安定となり好ましくない。
また、ｅ−テキスタイル用導電糸の表面積の８０％より大きい面積を覆う場合は、前述の螺旋状に巻き付ける回数が多い場合と同様で芯部に使用する繊維素材との物性差が生じるため、製織工程での導電糸の破断、もしくは導電糸のゆるみによる織物品位の低下が発生するため好ましくない。

螺旋状に巻き付ける導電性繊維は金属繊維が好ましい。金属繊維以外の導電性繊維で構成すると電気抵抗が高くなるため、ｅ−テキスタイル用導電糸には適さない。

金属繊維の直径は直径２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。直径が２０μｍより細い金属繊維の場合、カバーリング加工時に金属繊維の破断等が生じるため巻き付けることが困難であり適さない。１００μｍより大きい金属繊維の場合は、金属繊維の破断等が生じるため巻き付ける金属繊維だけでも本発明導電糸の直径が４００μｍ、芯部の繊維素材を含めると５００μｍ以上となるためウエアラブルコンピュータや防爆防塵機能等の高機能作業服、電気製品や自動車などの様々な工業製品の電子部材として用いられるe-テキスタイルとして適さない。

ｅ−テキスタイル用導電糸の線の電気抵抗は１Ω/ｍ以上５０Ω/ｍ以下であることが好ましい。電気気抵抗が５０Ω/ｍより大きい場合は、消費電力が大きくなり回路が発熱する、電気的に不安定になりノイズが発生する、信号等の送信が困難になる等の様々な問題が発生するため好ましくない。また、直径１００μｍ以下の金属繊維を使用するため、ｅ−テキスタイル用導電糸の線の電気抵抗は１Ω/ｍ以上となるが、ｅ−テキスタイル用導電糸の特性を満たすなら１Ω/ｍ以下であってもよい。

螺旋状に巻き付ける金属繊維は銅、リン性銅等の銅系合金、銀、鉄、ステンレス、導電性を有するその他の金属合金等の金属繊維があげられる。螺旋状に巻き付いている複数の導電性繊維が各々別の素材の金属繊維で構成されていても、ｅ−テキスタイル用導電糸として要求される物性と電気特性を満たしていればよい。

次に、実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例
ポリエステル糸（２６４ｄｔｅｘ/８０ｆ）ｚ６００ｔ／ｍを使用した織物にたて糸およびよこ糸として配置する導電糸として、ポリエステル糸（２６４ｄｔｅｘ/８０ｆ）ｚ６００ｔ／ｍを芯部とし、螺旋状に巻き付けるどうでん導電性繊維に銅繊維（理研株式会社製、Φ=５０μｍ）を２本使用し、カバーリング撚糸機（片岡エンジニアリング株式会社製ＰＦ−Ｄ−２３０）を使用して最初にｚ３，５００ｔ／ｍ、次に逆方向のｓ７，０００ｔ／ｍ巻き付けて作成した。

比較例１として、実施例と同じ糸構成であるが、螺旋状に巻き付ける回数を少なくして表面に配置する導電繊維の割合を少なくした。具体的には、ポリエステル糸（２６４ｄｔｅｘ/８０ｆ）ｚ６００ｔ／ｍを芯部とし、螺旋状に巻き付ける導電性繊維に銅繊維（理研株式会社製、Φ=５０μｍ）を２本使用し、カバーリング撚糸機（片岡エンジニアリング株式会社製ＰＦ−Ｄ−２３０）を使用して最初にｚ３，５００ｔ／ｍ、次に逆方向のｓ３，５００ｔ／ｍ巻き付けて作成した。

比較例としては金属繊維単体の事例として理研電線株式会社の銅線（Φ=５０μｍ×1ｆ；比較例２）、さらにメッキ繊維の事例として日本蚕毛染色(株)のナイロン銀めっき繊維（２６４ｄｔｅｘ/８０ｆ；比較例３）を用いた。

導電性能の評価方法は次のとおりである。
〔電気抵抗値〕
１本の繊維を１５ｃｍ以上の長さにカットして、１０サンプルを採取する。このサンプルの両端を金属端子と５０Ωの抵抗にて直流回路を構成し、安定化電源（ＫＩＫＵＳＵＩ製 ＰＭＣ１８−３）にて５Ｖの直流電圧を印加して５０Ωの固定抵抗の電圧をデジタルテスター（ＨＩＯＫＩ製３８０１デジタルハイテスター）にて測定し、下記式で電気抵抗値（線抵抗）を算出する。電気抵抗値は、算出した１０個のサンプルの電気抵抗値の相加平均値とする。
電気抵抗値（Ω/ｍ）＝（５−Ｅ）/（（Ｅ/５０）×Ｌ）
Ｅ：固定抵抗の測定電圧（Ｖ） Ｌ：サンプルの電気抵抗測定長（ｍ）

実施例および比較例１〜３、ポリエステル糸（２６４ｄｔｅｘ/８０ｆ）ｚ６００ｔ／ｍの物性は引張試験機（島津製作所製オートグラフ）にて評価した。

また製織性の評価は、ポリエステル糸（２６４ｄｔｅｘ/８０ｆ）ｚ６００ｔ／ｍをたて糸、よこ糸に使用し、実施例および比較例１から３の導電糸をたて糸、よこ糸の一部にストライプに配列してレピア織機（株式会社石川製作所製 ２１００ＵＨ−ＪＵ−１６０型）にて製織し、織機の稼働率および製織後の織物形状の目視判定にて行った。

実施例および比較例１〜３の各試料の電気抵抗値、物性値の試験結果および製織性の評価結果を表１に示す。

















※ポリエステル糸は物性比較のために記載

表1の電気抵抗値から明らかなように、実施例は５０Ω/ｍ以下の電気抵抗値を示し、電気信号を伝達するには十分な導電性能が得られている。比較例１，２は５０Ω/ｍ以下の電気抵抗値を示しており電気信号を伝達するには十分な導電性能が得られているが、比較例３は電気抵抗が高く電気信号を伝達する材料として好ましくない。

表１の物性値から明らかなように、実施例および比較例１は最大試験力および最大歪みともにポリエステル糸（２６４ｄｔｅｘ/８０ｆ）ｚ６００ｔ／ｍとほぼ同等（±１０％以内）の値を示し、織編物製造工程で問題がないことがわかる。これに対し比較例２の銅線の場合は、物性値があまりにも異なる（最大試験力が５％以下、最大歪みが５０％以下）ため織編物製造工程で破断およびゆるみ等の問題が発生し、好ましくないことがわかる。

ｅ−テキスタイル用導電糸の変形安定性を評価するために、織物上に図２のＬＥＤが点灯する無安定マルチバイブレータ回路を構成した。ポリエステル糸（２６４ｄｔｅｘ/８０ｆ）ｚ６００ｔ／ｍをたて糸、よこ糸に使用し、この回路を構成する配線としてたて糸およびよこ糸の一部に実施例１および比較例１の導電糸を使用してレピア織機（株式会社石川製作所製 ２１００ＵＨ−ＪＵ−１６０型）で織物内に回路を構築し、その後ＬＥＤ、抵抗、コンデンサ、トランジスタ、電源の各電子部品を織物上に配置・接続して無安定マルチバイブレータ回路織物を作成した。
なお、織物内の回路で配線が接触する場合は図３の織物組織で構成し、また配線が接触せずに交錯する場合は図４の織物組織で構成した。

実施例および比較例１の導電部被覆率は、デジタルマイクロスコープ（ソニック株式会社製 ＢＳ−Ｄ８０００）にて測定した。測定結果は表２に示す。

試作した無安定マルチバイブレータ回路織物の変形安定性は、織物のたて、よこ、ななめ方向に回路の中心で一定角度に曲げた場合のＬＥＤの点滅状態を目視で判定して評価した。各々の方向に各５回ずつ変形させ、評価した判定結果を表２に示す。

表２の判定結果から明らかなように、実施例は導電部被覆率が５０％以上あるので実施例を配線として織り込んだテキスタイル回路を変形した場合も安定した電気回路の性能を示している。それに対し、比較例１は導電部被覆率が５０％より少ないためテキスタイル回路を大きく曲げた場合には特性が不安定となり、回路の機能を維持できないことがわかる。配線の接触部分を手で押さえた状態で曲げ変形を付加すると大きな変形でもＬＥＤの点滅が確認でき電気回路の安定性が増すことより、導電部被覆率が５０％より小さい場合は曲げ変形時に導電糸間の接触不良による電気抵抗の変化が回路性能を低下させることがわかる。

本発明に係るｅ−テキスタイル用導電糸は織物製造工程で問題なく織物内にｅ−テキスタイル用導電糸を配置した製品を製造可能であり、このテキスタイル製品を変形した場合もｅ−テキスタイル用導電糸および導電糸接触部分の電気抵抗はほぼ一定で安定した特性を発揮できる。これにより変形を伴う場所でも安定した電気特性を維持できるｅ−テキスタイルとして、電子機器と衣料が融合したウエアラブルコンピュータの部材、テキスタイルに電気回路を構築する部材、テキスタイルとセンサーを融合する部材、フレキシブルアンテナの部材、フレキシブル電池の部材、防爆防塵機能の作業服等の部材として、電気製品や自動車などの様々な産業用途に幅広く用いることが可能となる。

１ ｅ−テキスタイル用導電糸
２ 芯部を構成する繊維素材
３ 螺旋状に巻き付く導電性繊維（下側）
４ 螺旋状に巻き付く導電性繊維（上側）
11 電源３V
12 ＬＥＤ
13 ＬＥＤ
14 固定抵抗１KΩ
15 固定抵抗１０KΩ
16 固定抵抗１０KΩ
17 固定抵抗１KΩ
18 コンデンサ１０ｍＦ
19 コンデンサ１０ｍＦ
20 トランジスタ
21 トランジスタ
31 たて糸に配列したｅ−テキスタイル用導電糸
32 よこ糸に配列したｅ−テキスタイル用導電糸
33 たて糸とよこ糸のｅ−テキスタイル用導電糸が接触状態で交錯
34 たて糸とよこ糸のｅ−テキスタイル用導電糸が接触状態で交錯

Claims (1)

1. 繊維素材で芯部を構成し、その繊維素材のまわりに２本以上の複数の導電性繊維素材を１ｍ間に３，０００回以上８，０００回以下の巻き数で螺旋状に巻き付けた導電糸及び他の構成繊維素材を使用して構成する織編物であって、前記導電糸は、導電性繊維素材が直径２０μｍ以上１００μｍ以下の単一もしくは複数の種類からなる金属繊維で構成され、螺旋状に巻き付けた導電性繊維素材が前記繊維素材の表面積の５０％以上８０％以下を被っており、前記導電糸の線の電気抵抗は、１Ω/ｍ以上５０Ω/ｍ以下であり、前記導電糸の最大試験力及び最大歪みは、他の構成繊維素材の最大試験力及び最大歪と比較して±２０％以内であることを特徴とする織編物。