JP6928364B2 - 導電糸、伸縮性配線、センサーシステム及びウェアラブルデバイス - Google Patents

Description

本発明は、導電糸、伸縮性配線、センサーシステム及びウェアラブルデバイスに関する。

近年、伸縮性の配線とセンサーからなる伸縮性エレクトロニクスの研究・開発が進められている。例えば、伸縮性エレクトロニクスを衣服等に形成することで、着用者の動きや、脈拍等の生体情報を得られるウェアラブルデバイスとして活用することが可能になり、注目を集めている。

このような伸縮性配線を形成する方法としては、例えば伸縮性基材に導電性インクを直接印刷する方法（特許文献１参照）や、伸縮性基材に導電糸を縫いこみ、又は編みこむ方法（特許文献２参照）が提案されている。また、特許文献３において、配線の導電率を改良する方法として、インタラクティブなテキスタイルに使用可能な導電糸として、導電性コアとして銅線を用い、伸縮性糸と撚ることで導電率と強度を向上した導電糸が提案されている。また、その銅線は絶縁層により被覆されたものとされてないものの両方が提案されている。

特開２０１６−１３０９４０号公報 特表２００８−５０４８５６号公報 米国特許公開２０１６／０２８４４３６号公報

しかしながら、これらの形成方法は、導電性、抵抗安定性、耐久性、及び絶縁性のバランスが悪く、改良が求められていた。

具体的には、例えば特許文献１では、導電性インクを基材に印刷することで伸縮性配線を形成しているが、導電性インクは、導電粒子が、樹脂バインダ等の絶縁体中に拡散した構造であるため、通常の配線よりも抵抗が高くなってしまう。また、伸長した際の抵抗変化率も高く、測定性能が安定しない。さらに、印刷の性質上、基材の伸縮に伴う導電性インクの剥離が生じやすく、耐久性も十分ではない。

他方、特許文献２では、導電性の糸を布帛に縫込むことで伸縮性配線を形成している。この方法によれば、導電性や、伸長時の抵抗変化の安定性、耐久性等は比較的高い水準を確保できるが、縫込まれた導電糸の上下（布帛の表裏方向）は絶縁できても、左右方向（布帛の表面に平行方向）を絶縁することが困難である。従って、水中での使用や、汗等による配線の短絡が生じてしまい、用途が限られてしまう。

また、従来の導電糸は、ポリウレタン糸等の表面に金属めっきを施したものが一般的に使用されていた。これらの導電糸は、耐久性が高く、形状変化に対する追従性も高い。しかしその一方で、その構造の特性上導電性が十分でなかった。特に、Ｉ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）方式等の、アドレスを指定してデータの高速送受信を行うことが求められるデジタルセンサーに用いるには、導電率とその安定性が不十分であった。

また、特許文献３に記載されているような、銅線を絶縁層で被覆する方法は、前述の配線の短絡は改良できる。しかしながら、絶縁層で被覆された銅線同士が接触しても電気が流れないため、例えば複数の銅線を撚った導電糸であっても一本の銅線の一か所が切断するだけで大幅に導電率が低下するという問題があった。また、電子部品の端子に接続する際に絶縁層を除去しなければならないという問題もあった。さらに、長期間の利用によって被覆層が擦過によって摩耗消失してしまう懸念もあった。一方、被覆していない銅線をこの方法で導電糸にした場合、銅線自身が被覆層による機械的な補強を受けていないため、導電糸がミシンで縫製できなかった。

本発明の目的は、上記のような問題点に鑑み、導電性、抵抗安定性、耐久性、及び絶縁性のいずれにおいても高い水準を保ち、実用化可能な導電糸、並びにこれを用いた、伸縮性配線、センサーシステム及びウェアラブルデバイスを提供することである。

（１）上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る導電糸は、導電性を有するＺ撚りの導電糸であって、導電糸は、第１方向に片撚りされた複数本の糸を含む。第１方向に片撚りされた複数本の糸のうち少なくとも一本が、その外周面に金属が露出した直径０．０１〜０．２０ｍｍの金属線による撚り数が１００〜４５０Ｔ／ｍの片撚糸であり、他の少なくとも一本の第１方向に片撚りされた糸又は少なくとも１本の第２方向に片撚りされた糸が天然繊維または化学繊維による撚り数が２００〜１０００Ｔ／ｍで１０〜１５０デニールの片撚糸であることを特徴とする。

（２）また、他の実施形態に係る導電糸は、（１）において、金属線は、銅線であることが好ましい。

（３）また、他の実施形態に係る導電糸は、（１）又は（２）において、導電糸の外周面を、天然繊維または化学繊維による撚糸を用いてＺ撚りでカバーリングした導電糸であることが好ましい。

（４）また、他の実施形態に係る導電糸は、（１）乃至（３）のいずれかにおいて、第１方向とは逆の第２方向に片撚りされた少なくとも１本の糸をさらに含むことが好ましい。

（５）また、他の実施形態に係る導電糸は、（４）において、第２方向に片撚りされた糸は、天然繊維または化学繊維による片撚糸であることが好ましい。

（６）また、他の実施形態に係る導電糸は、（１）乃至（３）のいずれかにおいて、導電糸に膨れる片撚りされた糸が、全て第１方向に片撚りされた糸であることが好ましい。

（７）本発明の他の一実施形態に係る伸縮性配線は、（１）乃至（６）のいずれかに騎士あの導電糸を伸縮性基材に敷設した伸縮性配線であって、導電糸の経路が伸縮性基材の面内で波形状になるようにしていることを特徴とする。

（８）また、他の実施形態に係る伸縮性配線は、（７）において、伸縮性配線の５０％伸長時の抵抗変化率が、５％以下であることが好ましい。

（９）本発明の他の一実施形態に係るセンサーシステムは、伸縮性配線が布体上に接着されたウェアラブルデバイス上に設けられ、伸縮性配線と接続された複数のセンサーと、コネクタ部を有し、当該コネクタ部を介して伸縮性配線と電気的に接続され、複数のセンサーを一括で制御するコントローラーと、を備える。伸縮性配線は、導電糸が縫込まれた伸縮性を有する基材と、当該基材の布体側の面を覆う第１絶縁層と、を含み、基材の、布体と反対側の面は第２絶縁層で覆われ、導電糸は、第１方向に片撚りされた複数本の糸を含む。そして、第１方向に片撚りされた複数本の糸のうち少なくとも一本が、その外周面に金属が露出した直径０．０１〜０．２０ｍｍの金属線による撚り数が１００〜４５０Ｔ／ｍの片撚糸であり、他の少なくとも一本の第１方向に片撚りされた糸が天然繊維または化学繊維による撚り数が２００〜１０００Ｔ／ｍで１０〜１５０デニールの片撚糸であることを特徴とする。

（１０）また、他の実施形態に係るセンサーシステムは、（９）において、コントローラーは、着脱可能な電源を有するとともに、１つのウェアラブルデバイスに対して１つ設けられていることが好ましい。

（１１）また、他の実施形態に係るセンサーシステムは、（９）又は（１０）において、センサーは、１つの伸縮性配線に対し複数設けられていることが好ましい。

（１２）また、他の実施形態に係るセンサーシステムは、（９）乃至（１１）のいずれかにおいて、コントローラーは、複数のコネクタ部を有し、当該複数のコネクタ部のそれぞれは、複数の伸縮性配線と接続されることが好ましい。

（１３）また、他の実施形態に係るセンサーシステムは、（９）乃至（１２）のいずれかにおいて、金属線は、銅線であることが好ましい。

（１４）また、他の実施形態に係るセンサーシステムは、（９）乃至（１３）のいずれかにおいて、伸縮性配線の５０％伸長時の抵抗変化率が、５％以下であることが好ましい。

（１５）また、他の実施形態に係るセンサーシステムは、（９）乃至（１４）のいずれかにおいて、伸縮性配線が、静電容量１０ｐＦ〜１００μＦのコンデンサを内蔵したデジタルセンサーを搭載した基板に接続されていることが好ましい。

（１６）本発明の他の一実施形態に係るウェアラブルデバイスは、伸縮性配線が布体上に接着されたウェアラブルデバイスである。伸縮性配線は、Ｚ撚りの導電糸が敷設された伸縮性基材と、当該基材の布体側の面を覆う第１絶縁層を含み、基材の、布体と反対側の面は第２絶縁層で覆われ、導電糸は、第１方向に片撚りされた複数本の糸を含む。そして、第１方向に片撚りされた複数本の糸のうち少なくとも一本が、その外周面に金属が露出した直径０．０１〜０．２０ｍｍの金属線による撚り数が１００〜４５０Ｔ／ｍの片撚糸であり、他の少なくとも一本の第１方向に片撚りされた糸が天然繊維または化学繊維による撚り数が２００〜１０００Ｔ／ｍで１０〜１５０デニールの片撚糸であることを特徴とする。

（１７）また、他の実施形態に係るウェアラブルデバイスは、（１６）において、金属線は、銅線であることが好ましい。

（１８）また、他の実施形態に係るウェアラブルデバイスは、（１６）又は（１７）において、導電糸の外周面を、天然繊維または化学繊維による撚糸を用いてＺ撚りで被覆したことが好ましい。

（１９）また、他の実施形態に係るウェアラブルデバイスは、（１６）乃至（１８）のいずれかにおいて、伸縮性配線は、導電糸が伸縮性基材の面内で波形状になるように構成されることが好ましい。

（２０）また、他の実施形態に係るウェアラブルデバイスは、（１９）において、伸縮性配線の５０％伸長時の抵抗変化率が５％以下であることが好ましい。

（２１）また、他の実施形態に係るウェアラブルデバイスは、（１６）乃至（２０）のいずれかにおいて、伸縮性配線が、静電容量１０μＦ〜１００μＦのコンデンサを内蔵したデジタルセンサーを搭載した基板に接続されていることが好ましい。

本発明の上記構成によれば、導電性、抵抗安定性、耐久性、及び絶縁性のいずれにおいても高い水準を保ち、実用化可能な導電糸、並びにこれを用いた、伸縮性配線、センサーシステム及びウェアラブルデバイスを提供することが可能になる。

本発明の一実施形態に係るセンサーシステムの概略平面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の一実施形態に係る導電糸を説明する図であり、金属糸３３ａと非金属糸３３ｂとがＺ撚りされている構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る導電糸を説明する図であり、種々の撚糸の構成の一例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るセンサーシステムに用いるコントローラーの構成を示すブロック図である。 同コントローラーの内部構造を示す平面図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態に係る導電糸、伸縮性配線、センサーシステム及びウェアラブルデバイスについて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るウェアラブルデバイス１００の構成を示す平面模式図である。ウェアラブルデバイス１００は、その表面に配線３が設けられた伸縮性基材１と、伸縮性基材１上に複数設置されたセンサー２と、複数のセンサー２を一括で制御するコントローラー４とを有する。配線３は、センサー２とコントローラー４とを電気的に接続している。なお、配線３及びセンサー２の上面は保護層３５によって覆われているが、図１においては保護層３５の図示は省略している。なお、本実施の形態においては伸縮性基材１として、衣服等を構成する布体の場合を説明する。伸縮性基材としては、布体以外としては伸縮性フィルム等を使用可能である。

本明細書において「布体」は、着用可能な衣服類のことを指す。具体的には、上半身に身に着けるもの（長袖、七分丈、半袖、ノースリーブ、タンクトップなど）や、下半身に身に着けるもの（ロング丈、くるぶし丈、七分丈、膝丈など）や、上半身及び下半身一体型のもの（ワンピース、レオタードなど）や、体の一部に身につけるもの（アームバンド、リストバンド、ニーバンド、帽子など）を含む。

これらの衣服類は、衣服類に通常使用される種々の材料から構成され得る。例えば、綿、麻、毛等の天然繊維、ポリエステル、ナイロン、アクリル等の化学繊維、又はこれらの材料を混合した繊維等を用いることができる。ただし、衣服の着用者の動作を感度良く検知するために、衣服を構成する伸縮性基材１は、できるだけ着用者と密着させることが好ましい。従って、伸縮性基材１は、例えばポリウレタン等の弾性繊維を使用した、大きな伸縮性を有するストレッチ素材からなることが好ましい。

伸縮性基材１上には、複数のセンサー２が配置されている。センサー２は、肩、肘、背中、胴などに対応する伸縮性基材１上の位置に配置され、着用者の動作を感知する。センサー２の個数としては、ウェアラブルデバイス１００の使用目的に応じて適切な個数や位置が選択される。

センサー２には、例えばフォトダイオード、温度センサー、歪みセンサー、圧力センサーや加速度センサー等を用いることができる。また場所毎に異なる任意のセンサー２を用いてもよい。

センサー２は、物理量の変化に応じてセンサー２を流れる電流、センサー２に印加される電圧、センサー２の抵抗及び／またはセンサー２の容量が変化するものであれば特に制限はされないが、回路の簡便さなどから物理量によって抵抗が変化し、センサー２の両端に印加される電圧が変化する可変抵抗型センサーが望ましい。また、高速度通信に対する要請から、デジタルセンサーを用いることが好ましい。物理量としては、音、光、温度、圧力、歪みからなる群の少なくとも１つを好適に用いることができる。この際、センサー２の抵抗値は配線３の抵抗値の５０倍以上であることが好ましい。

また、センサー２には、インクを用いたセンサーを用いることが好ましい。インクを用いたセンサーとは、導電性粒子をエラストマーの溶液もしくは分散物に混合したインクを用いて作製されたセンサーである。このインクを印刷、乾燥することにより、導電性粒子がエラストマーのフィルムにランダムに分散したセンサーが得られる。このセンサーは、引っ張りや圧縮、温度変化による熱膨張・収縮によって導電性粒子間距離が変化することにより、センサー両端の抵抗が変化する。インクを用いたセンサーは非常に薄く、測定対象に対する追従性が高い。そのため、正確かつ安定的な測定を行うことができる。

複数のセンサー２間は、配線３によって接続されている。配線３は後述するように、導電糸が伸縮性基材に縫込まれてなる配線層、及び伸縮性基材１と配線層との間に設けられる短絡防止層を含む。

センサー２と接続された配線３は、コントローラー４と接続される。コントローラー４は、後述するように、配線３と接続されるコネクタ部、及び種々の回路が実装された回路基板を有する。これらの回路の機能により、コントローラー４は、センサー２で感知した情報を集約し、外部に送信したり、記録媒体に記録させたりする。なお、図１においては、１本の配線３は、２つのセンサー２と１つのコントローラー４との間を接続しているが、１本の配線３で１つのセンサー２をコントローラー４と接続させることも可能であり、また、１本の配線３で３つ以上のセンサー２をコントローラー４と接続させてもよい。ただし、後述するように、充電等の手間や重量等の関係から、コントローラー４の個数は１つであることが好ましい。

図２及び図３は、それぞれ図１に示すウェアラブルデバイス１００のＡ−Ａ’線及びＢ−Ｂ’線に沿った、センサー２を含む部分の断面図の一例である。図２及び図３に示すように、配線３は、伸縮性基材１上に設けられた、短絡防止層３１及び配線層３４の積層構造を含む。また、本実施の形態においては、センサー２は、配線層３４上に設けられる。さらに、配線層３４の上面及びセンサー２の上面を覆うように保護層３５が設けられる。なお、図２及び図３においては、伸縮性基材１と短絡防止層３１、短絡防止層３１と配線層３４、及び配線層３４とセンサー２とは、各層の積層構造等の理解の助けのために一部離して図示しているが、実際はそれぞれ接触している。

配線層３４は、伸縮性フィルム３２、及び伸縮性フィルム３２にジグザグ状に縫い付けられた導電糸３３からなる。伸縮性フィルム３２は、接着層３２ａ及び絶縁層３２ｂからなる。接着層３２ａは、熱可塑性接着層であることが好ましく、熱可塑性接着層としては、公知のホットメルトフィルム等が挙げられるが、伸縮性を有するホットメルトフィルムであることが好ましい。これにより、伸縮性基材１を伸縮させたときの、配線層３４の伸縮性基材１に対する追随性が向上する。伸縮性を有するホットメルトとしては、ポリウレタンを主成分とするホットメルト等が挙げられる。また、絶縁層３２ｂは、ポリウレタンフィルム等の、伸縮性及び絶縁性を有するフィルムを用いることができる。

前述のように、本実施の形態においては、伸縮性フィルム３２には、導電糸３３がジグザグ状に縫い付けられている。ここで、本実施の形態において「ジグザグ状」とは、図５及び図６に示すように、伸縮性フィルム３２の、センサー２側の面及び短絡防止層３１側の面の双方に交互に向かうように導電糸３３が配されることを指す。また、本実施の形態においては導電糸３３が縫い付けられている場合を説明しているが、これ以外にも、刺繍、ニット編み、又は織りのいずれかの方法によってジグザグ状に配されてもよい。

また、導電糸３３は、伸縮性フィルム３２の少なくともセンサー２側の面から露出している。この構成により、導電糸３３とセンサー２との間の電気的接続を得ることができる。なお、本実施の形態においては、導電糸３３は、伸縮性フィルム３２の短絡防止層３１側の面からも露出しているが、こちらの面に関しては必ずしも導電糸３３を露出させる必要はない。

ここで、本実施の形態においては、導電糸３３として、絶縁層による被覆のない金属線を用いた撚糸を採用している。換言すれば、導電糸３３に用いる金属線は、その外周面に金属が露出している。導電糸３３としてこのような撚糸を用いることにより、従来用いていた、化合繊維等の表面に、銀等の金属をめっきすることで導電性を付与した糸と比べて、２桁程度のオーダーでの低抵抗化を実現することができる。また、被覆金属線と比べて、部分的な破断による大幅な導電率低下を防ぐことができる。導電糸３３の撚糸の具体的な構成については後述する。

また、導電糸３３は、伸縮性フィルム３２の表面と平行な方向（紙面と垂直な方向）から見て波形状になるように形成することが好ましい。導電糸３３を波形状に形成することで、伸縮性フィルム３２が水平方向に伸張する際に、導電糸３３が波形状から直線状に近づく向きに変形する（伸びる）マージンを大きく確保することができるため、伸縮性フィルム３２の伸張に対する追従性を高めることができる。また、導電糸３３は、波形状以外にも、蛇行、ジグザク、馬蹄形等、種々の形状をとることができる。

上記のように、接着層３２ａ及び絶縁層３２ｂを伸縮性の層とすることで、伸縮性フィルム３２が伸縮可能になる。さらに、導電糸３３を伸縮性フィルム３２に波形状に縫込むことにより、配線層３４が高い伸縮性を有することになる。これにより、着用者が運動することにより生じる伸び、曲げ等の変形に対して追従可能なウェアラブルデバイス１を得ることができる。ここで、配線層３４の伸縮性は、初期状態に対して許容される形状変化量が３０％以上あることが好ましく、５０％以上あることがより好ましく、１００％以上あることが特に好ましい。ここで、「許容される形状変化量」とは、形状変化の前後で、配線特性がウェアラブルデバイスの要求するスペックの範囲内に収まるような伸縮量の範囲を指す。さらに、伸縮性基材１の伸縮性及び／又はセンサー２の伸縮性との差が、一定以上ある場合には、それぞれの伸張が妨げられたり、センサーの感知感度が低下してしまったりするため、これらの伸縮性の差異は一定の範囲内にあることが好ましい。

伸縮性フィルム３２の厚みは特に限定されるものではないが、５μｍ〜３００μｍであることが好ましく、１０μｍ〜１００μｍであることがより好ましい。伸縮性フィルム３２の厚みがこの範囲であれば、高い伸縮性と強度を両立することができる。

なお、伸縮性フィルム３２は、上記態様に限られない。例えば、伸縮性フィルム３２がポリウレタンフィルムからなる絶縁層３２ｂのみからなってもよいし、絶縁層３２ｂの両面に接着層が形成されていてもよい。また、伸縮性フィルム３２が、接着層３２ａのみからなっていてもよい。

また、図２及び図３においては、配線層３４とセンサー２とは直接接触しており、なおかつ導電糸３３は配線層３４のセンサー２側の面に露出しているためセンサー２と導電糸３３とは直接接触している。しかし、センサー２と導電糸３３とが接触している部分に対し、導電性の金属粒子を含む導電性のホットメルトを付加してもよい。これにより、センサー２と導電糸３３との間の電気的な接続を強化し、接触抵抗を低下させることができる。導電性のホットメルトで用いる導電性の金属微粒子としては、銀、金、銅、白金、アルミニウムが好ましく、銀、金、銅がより好ましく、銀が最も好ましい。また、フレーク状の金属微粒子を用いることで、少ない含有量で高い導電性を付与することができる。前記導電性のホットメルトはポリウレタンを主成分とするホットメルトを含むことが好ましい。これにより、伸縮性基材１の伸縮時にかかる歪みでセンサー２もしくは導電糸３３からホットメルトが剥離することを抑制することができる。

本実施の形態においては、配線層３４と伸縮性基材１との間には、短絡防止層３１が設けられている。短絡防止層３１は、配線層３４側から、接着層３１ａ、絶縁層３１ｂ、及び接着層３１ｃが積層された構成を有する。短絡防止層３１は、配線層３４の、伸縮性基材１側の面を絶縁保護することを目的として設けられるものであり、少なくとも絶縁性を有している。

短絡防止層３１の絶縁性を担保する絶縁層３１ｂは、絶縁性のフィルム等からなる。絶縁層３１ｂを設けることにより、配線層３４の、伸縮性基材１側の面から露出する導電糸３３を包埋することができ、配線層３４の伸縮性基材１側の絶縁性を確保することができる。これにより、ウェアラブルデバイス１が、汗等により短絡することを抑制することができる。また、水中等での使用も可能になる。さらに、短絡防止層３１を有することで、配線３全体の強度をより高めることができる。絶縁層３１ｂを構成する絶縁性フィルムとしては、例えばポリウレタンフィルムを用いることが好ましい。これにより、高い絶縁性を確保できるとともに、伸縮性基材１を伸縮させたときの短絡防止層３１の追随性が向上する。

また、短絡防止層３１は、絶縁層３１ｂの両面に設けられた接着層３１ａ及び３１ｃを有する。接着層３１ａ及び３１ｃを設けることにより、短絡防止層３１は、伸縮性基材１と配線層３４とを接着する機能も有する。

接着層３１ａ及び３１ｃには熱可塑性接着層を用いることが好ましい。熱可塑性接着層としては、公知のホットメルトフィルム等が挙げられるが、伸縮性を有するホットメルトフィルムであることが好ましい。伸縮性を有するホットメルトフィルムとしては、ポリウレタンを主成分とするホットメルトフィルム等が挙げられる。これにより、伸縮性基材１を伸縮させたときの追随性が向上するとともに、伸縮性基材１と配線層３４とを強固に接着することができる。さらに、この構成により、伸縮性基材１と配線層３４とが強固に接着されるため、洗濯等の、水を用いた処理を行った際でも、短絡防止層３１が伸縮性基材１から剥離することを防止することができる。

なお、図２及び図３においては、配線層３４において、導電糸３３が、伸縮性フィルム３２の伸縮性基材１側の面から露出している場合を図示しているが、上述のように、導電糸３３は、伸縮性フィルム３２の伸縮性基材１側の面から露出しない場合もある。そのような場合には、伸縮性フィルム３２の伸縮性基材１側の面は、絶縁性のフィルムからなる絶縁層３２ｂであり、既に絶縁性が確保される。従って、この場合の短絡防止層３１は、絶縁層３１ｂを設けずに接着層のみからなる構造とすることができる。そして、短絡防止層３１は、伸縮性基材１と配線層３４とを接着させる機能を有する。

短絡防止層３１の厚みは特に限定されるものではないが、１０μｍ〜８００μｍであることが好ましく、３０μｍ〜３００μｍであることがより好ましい。短絡防止層３１の各構成としては、絶縁層３１ｂの厚みが５μｍ〜３００μｍであることが好ましく、１０〜１００μｍであることがより好ましい。絶縁層３１ｂの厚みがこの範囲であれば、高い伸縮性と強度を維持することができる。接着層３１ａ及び３１ｃの厚みは、１０μｍ〜２００μｍであることが好ましく、３０μｍ〜１００μｍであることがより好ましい。特に、接着層３１ｃの厚みがこの範囲であれば、伸縮性基材１と配線層３４との間の接着強度を十分に確保することが可能になる。

短絡防止層３１は、上記構成以外にも、種々の構成をとることができる。例えば、種類の異なる複数の絶縁層を設けてもよい。

上記で説明した短絡防止層３１及び配線層３４の積層構造によって配線３が構成される。配線３の電気抵抗は、０．００５〜０．５（Ω／ｃｍ）であることが好ましく、０．００５〜０．２（Ω／ｃｍ）であることがさらに好ましく、また０．００５〜０．１（Ω／ｃｍ）であることがさらに好ましい。そして、この配線３を初期状態から５０％伸長した際の抵抗変化率が、伸長する前の抵抗に対して５％以下であることが好ましい。

配線層３の上層部分である配線層３４の上面には、センサー２が配置され、さらにその上面に保護層３５が設けられる。保護層３５の、センサー２と反対側の面は、ウェアラブルデバイス１００の使用態様時における最上面になる。すなわち、配線層３４及びセンサー２を保護層３５で覆うことで、センサー２及び配線層３４の表面を、外気から遮断することができる。本実施の形態においては、保護層３５は絶縁性を有しており、その結果、ウェアラブルデバイス１００の使用時における汗等による侵食からセンサー２及び配線３を保護することができる。また水中等での使用も可能となる。

保護層３５は、上述のようにウェアラブルデバイスとして使用する際の最上面となる部分である。そのため、保護層３５は、絶縁性と共に、伸縮性を有していることが好ましい。具体的には、保護層３５は、例えばポリウレタンからなる層であることが好ましい。

保護層３５の厚みは、５μｍ〜３００μｍであることが好ましく、１０〜１００μｍであることがより好ましい。保護層３５の厚みがこの範囲であれば、高い伸縮性と強度を維持することができる。

図３に示すように、保護層３５及び配線３（短絡防止層３１及び配線層３４）は、センサー２の上面を覆う必要最低限の部分のみに設けられていることが好ましい。この構成により、伸縮性基材１上に何も付設されていない空間５が形成される。空間５があることで、ウェアラブルデバイス１の通気性及びフレキシブル性をより高めることができる。

ここで、センサー２の上面を覆う必要最低限部の部分とは、平面視でセンサー２及び配線３の外周から０．１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲であることが好ましく、０．５ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。センサー２の上面を覆う部分が大きすぎると不要部が多くなり、ウェアラブルデバイス１の通気性が阻害される。これに対しセンサー２の上面を覆う部分が狭すぎると、センサー２及び配線３との間の段差によってセンサー２及び配線３の一部が外部に露出する可能性が高まり、短絡の可能性が高まる。

次に、本発明の一実施形態に係る導電糸３３について図４Ａを用いて説明する。本実施の形態において用いる導電糸３３は、図４Ａに示すように、少なくとも片撚りの金属糸３３ａと、一般的に用いられる片撚りの非金属糸３３ｂ（天然繊維や化学繊維）等を撚り合わせてなる。金属糸３３ａ及び非金属糸３３ｂの撚りの方向は、Ｚ撚りまたはＳ撚りのいずれでもよく、これら２本の糸の撚りの方向は同じでも、反対でも構わない。導電糸３３としては片撚りの糸同士を撚った諸撚りだけでなく、片撚糸と撚ってない糸とを組み合わせた壁撚りの糸や、最外層に糸を巻きつけたカバーリング糸、あるいは繰り返し撚りを行った糸でもよい。また、この導電糸３３の最後の撚りとなる最外層はＺ撚りであることが好ましい。これは、導電糸３３は、ウェアラブルデバイス１に用いる際に、ミシンを用いて縫製することが多いためである。なお、図４Ａにおいては、説明のために、導電糸３３に含まれる糸のうち、金属糸３３ａと非金属糸３３ｂのみ図示しているが、後に図４Ｂを用いて説明するように、導電糸３３は、３本以上の糸を撚り合わせて形成される場合もある。

導電糸として、従来のように、非金属糸の表面に金属めっきしたものを用いた場合、導電糸の中で、導電性を有する部分は、導電糸の表面を覆う金属めっきの部分のみとなる。すなわち、導電糸の断面積の大部分を、抵抗率の非常に高い非金属糸が占めることとなるため、導電糸全体としての抵抗率も高くなってしまう。一方、本実施の形態のように、導電糸３３として金属糸３３ａと非金属糸３３ｂとを撚り合わせたものを用いると、金属糸３３ａの太さと非金属糸３３ｂの断面積が同程度であると仮定した場合、導電糸３３の断面積の半分程度を、金属糸３３ａが占めることになり、抵抗率が非常に低くなる。従って、配線を流れる信号の伝送速度が飛躍的に向上し、良質な配線を得ることが可能になる。当然、金属糸３３ａ自体の比抵抗も、十分に低い範囲であることが求められる。

また、導電糸３３は、伸縮性配線３２の伸縮に伴って伸縮するが、伸縮性基材１が大きく伸長した際に、導電糸３３を構成する金属糸３３ａが破断してしまうと、配線としての機能が牛慣れてしまう。従って、伸縮性配線３２の伸長時において金属糸３３ａが破断しないようにしなければならない。具体的には、金属糸３３ａの破断伸びが一定以上の値を示すことが必要である。破断伸びとは、ある金属材料の引張試験に際し、試験片の破断後の永久伸びを原評点距離に対して百分率で表した値である。また、金属糸３３ａの撚り数は、１００〜４５０Ｔ／ｍであることが好ましい。

また、導電糸３３は、上述のように伸縮性フィルム３２に縫込まれる。ここで、伸縮性フィルム３２を、一般的に用いられるミシン針のような太い針を用いてミシンで縫製すると、針が開ける穴が大きくなってしまい破れてしまう虞がある。従って、導電糸３３自体は、伸縮性フィルム３２が破れない程度に細くすることが必要である。具体的には、非金属糸３３ｂが、２００〜１０００Ｔ／ｍの撚り数且つ１０〜１５０デニールの細さを有し、且つ十分な強度を有することが好ましい。

上記のように、導電糸３３に用いる金属糸３３ａとしては、少なくとも導電率（比抵抗）が一定の条件を満たすことが要求される。更にその上で、加工難度やコスト、耐久性等種々の条件を勘案して選択される。配線として使用され得る各種金属の比抵抗の値を表１に示す。表中の評価とは、それぞれの金属が、配線として使用に適した比抵抗を有しているか否かを示したものであり、「優」が使用に非常に適していること、「良」が使用に適していること、「可」が使用にやや適していること、「不可」が使用に不適であることを示している。

上記の表に示したように金属糸３３ａを構成する金属線としては、アルミニウム、胴、銀、タングステン、又は金である。さらに、上述した加工難度やコスト、耐久性等の要素を総合すると、銅を用いることが特に好ましい。また、これらの合金を用いることも可能である。合金を用いる場合には、比抵抗が、上記の「可」の範囲内であることが好ましく、「良」の範囲内であることがより好ましく、「優」の範囲内であることが最も好ましい。具体的には、比抵抗は、５．００（×１０^−６Ω・ｃｍ）以下であることが好ましく、３．００（１０^−６Ω・ｃｍ）以下であることが更に好ましく、２．００（×１０^−６Ω・ｃｍ）であることが最も好ましい。なお、合金の具体例としては、例えばベリリウム銅、ジルコニウム銅、真鍮、青銅、りん青銅、チタン銅、白銅などがある。また、これらの金属線にメッキを施すことも可能である。メッキに用いる金属の具体例としては、スズ、亜鉛、銅、銀、ニッケル、アルミ、チタン、白金、金およびこれらの合金などがある。

また、金属糸３３ａを構成する金属線の太さは、０．０１〜０．２０（ｍｍ）であることが好ましく、０．０２〜０．１０（ｍｍ）がさらに好ましい。特に、金属糸３３ａを構成する金属線として銅線を用いた場合には、０．０２５〜０．０８（ｍｍ）であることが非常に好ましい。

非金属糸３３ｂについては、従来用いていた、天然繊維や化学繊維等を使用することができるが、特にポリウレタン糸やポリエステル糸を用いることが好ましい。非金属糸３３ｂの太さについては、１０〜１５０デニールであることが好ましい。

また、導電糸３３の撚り数としては、多ければ多いほど、単位長さに対する金属糸３３ａの長さが長く確保できるため、伸長時の、金属糸にかかる負担を軽減でき、金属疲労を抑制できる。具体的な撚り数としては、１００〜４５０（Ｔ／ｍ）が好ましく、２００〜４００（Ｔ／ｍ）がさらに好ましい。

また、導電糸３３の撚り姿については、片撚糸（１本または２本以上の糸を引きそろえ撚りをかけたもの）、諸撚糸（甘撚または中撚の片撚糸を２本以上引きそろえ、さらに片撚りと反対方向の撚りをかけたもの）、駒撚糸（強撚の片撚糸を２本以上引きそろえ、さらに片撚りと反対方向の撚りをかけたもの）、又は壁撚糸（片撚りした太い糸と、撚りをかけていない細い糸を引きそろえ、片撚りと反対方向の撚りをかけたもの）等任意の種類を採用できる。また、導電糸に含まれる複数の糸の撚り方向が全て同一でも構わない。

図４Ｂは、上記で述べた導電糸３３の撚り姿についてのいくつかの具体例を示す模式図である。図４Ｂ（ａ）は２本片撚り、図４Ｂ（ｂ）は３本駒撚り、図４Ｂ（ｃ）は４本撚り、図４Ｂ（ｄ）は壁撚りを示す。これらの図から理解される通り、導電糸３３を、複数の糸を用いて多段階で撚る際は、何本かの糸の撚方向を逆にすることにより、ミシンなどの機械で糸を搬送するときに撚りがほぐれず、安定して糸を送ることができる。特にミシンのような機械縫いでは、最外層はＺ撚りであることが望ましい。

このように、導電糸３３を、金属糸３３ａと非金属糸３３ｂとの撚糸にすることによって、既に述べたように従来の、非金属糸に金属めっきを施した導電糸に比べて導電性が大幅に向上する。また、金属線同士の接触が増加するため、変形時及び一本の金属線の切断時における抵抗の増加を大幅に抑えることができる。これにより、従来は困難であった、デジタルセンサーを用いるＩ２Ｃ等の通信方式においても使用することが可能になる。

上記のＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）通信とは、同じ基板内などのように近距離で直結したデバイスと、１００ｋｂｐｓまたは４００ｋｂｐｓの高速度でシリアル通信を行う通信方式であり、主にＥＥＰＲＯＭメモリＩＣなどとの高速通信を実現する方式である。このＩ２Ｃ通信においては、高速通信を行う必要があるため、十分に導電性の高い配線を用いる必要がある。この点において、本実施の形態に用いる伸縮性配線は、既に説明した通り配線として銅線等の金属線を使用した配線を用いている。このため、従来の、化学繊維等に金属メッキを施した導電糸よりも、導電率が飛躍的に向上し、Ｉ２Ｃ通信を行うだけの導電性を確保することが可能になる。

さたにデジタルセンサーの安定性を高めるために、センサーに投入される電流量が安定するよう、電圧降下防止のためのコンデンサを用いることができる。コンデンサの容量としては、１０μＦ〜１００μＦの範囲が好ましく、０．１μＦ〜１０μＦの範囲がより好ましい。

次に、本発明の一実施形態に係るセンサーシステムに用いるコントローラー４について、図５及び図６を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係るセンサーシステムで用いるコントローラー４の構成を示すブロック図である。図６は、コントローラー４の、コネクタ部を含む内部構造を示す概略平面図である。なお、図５においては、センサー２の一例として歪センサーを用いた場合を説明する。

図５に示すように、コントローラー４は、センサー２の測定結果を受信し処理するＣＰＵを備える。センサー２（歪センサー）で検知した信号は、ＡＤコンバータ４２で変換され、ＣＰＵ４１に送信される。

コントローラー４はまた、９軸センサー４３を備える。９軸センサー４３は、一例として角速度（回転速度）を検出する３軸ジャイロセンサーと、加速度を検出する３軸加速度センサーと、地磁気を検出して絶対方向を検出する３軸地磁気センサーと、を含む。９軸センサー４３が機能することによって、着用者自身の回転動作や水平・鉛直方向の移動動作を検知することが可能になる。

コントローラー４はまた、音声情報の符号化／復号化を行うオーディオコーデック４４ａを備える。オーディオコーデック４４ａは、ウェアラブルデバイスにマイクロフォン４４ｂを備え付けた場合に、マイクロフォン４４ｂを通じて集音された着用者の音声や息使い等を符号化してデータとしてＣＰＵに送信する。また、オーディオコーデック４４ａは、ウェアラブルデバイスにスピーカ４４ｃを備え付けた場合に、ＣＰＵを操作する側から、移動距離や経過時間等の各種データを音声データに復号化し、スピーカ４４ｃを通じて着用者に伝達する。

コントローラー４はまた、ウェアラブルデバイスに振動モータ４５ｂを備え付けた場合に、いわゆる触覚フィードバックを制御するハプティクス・ドライバ４５ａを備える。ハプティクス・ドライバ４５ａは、例えば振動モータ４５ｂを通じて着用者の心拍数を計測する。着用者振動モータ４５ｂは、例えば偏心モータ、リニア・バイブレータ、又はピエゾ素子からなり、ハプティクス・ドライバ４５ａはこれらに応じたドライバＩＣを備える。

コントローラー４はまた、着脱可能なバッテリ４６ａと、バッテリ４６ａと接続され高電圧を低電圧に変換するＤＣ／ＤＣダウンコンバータ４６ｂを備える。バッテリ４６ａは、充電回路４６ｃを介してＭｉｃｒｏＵＳＢコネクタ４７と接続される。バッテリ４６ａは、コントローラー４に搭載した状態でも、取り外した状態でも充電が可能である。

コントローラー４はまた、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール４８を備えている。ＣＰＵ４１での処理結果を、このモジュール４８を介して外部に送信することが可能になる。また、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール４８の代わりに、又はこれに加えて記録媒体スロット（図５においてはＭｉｃｒｏＳＤカードスロット４９）を設けて、記録媒体に直接データを記録することも可能である。なお、図５では、外部との通信手段としてＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を図示しているが、これに限られず、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）等の通信規格を用いることができる。また、有線を用いた通信を採用することもできる。

図６に示すように、本実施の形態におけるコントローラー４は、回路基板４１０と、回路基板４１０上に設けられた４つのコネクタ部４１１を有している。コネクタ部４１１は、一例としてそれぞれ３本の配線３と接続されている。

回路基板４１０は、様々な部分に付設されたセンサー２からの情報を集約する部分であり、図５を用いて説明した各種回路を備えている。回路基板４１０は、公知のものを用いることができる。例えば、フレキシブルプリント基板等を用いることができる。

コネクタ部４１１は、センサー２で検知した結果である電気情報を、回路基板４１０へと伝達させる。本実施の形態においては、コネクタ部４１１は４つ配置され、それぞれに３本の配線３が接続されているが、コネクタ部４１１の個数及び接続される配線３の本数についてこの態様に限られないことはいうまでもない。

なお、コントローラー４は、充電の手間、従量バランス、コスト等の観点から、１つのウェアラブルデバイスにつき１つのみ設けることが好ましい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されることはなく、配置するセンサー２の個数や、配線３の配置（左右対称／非対称等）、１本の配線３に接続するセンサー２の個数、コントローラー４の形状又は構成等、その発明の趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。

１…伸縮性基材 ２…センサー ３…配線 ４…コントローラー ５…空間 ３１…短絡防止層 ３１ａ、３１ｃ、３２ａ…接着層 ３１ｂ、３２ｂ…絶縁層 ３２…伸縮性フィルム ３３…導電糸 ３３ａ…金属糸 ３３ｂ…非金属糸 ３３ｃ〜３３ｑ…糸 ３４…配線層 ３５…保護層 ４１…ＣＰＵ ４２…ＡＤコンバータ ４３…９軸センサ ４４ａ…オーディオコーデック ４４ｂ…マイクロフォン ４４ｃ…スピーカ ４５ａハプティクス・ドライバ ４５ｂ…振動モータ ４６ａ…バッテリ ４６ｂ…ＤＣ／ＤＣ ４６ｃ…充電回路 ４７…ＭｉｃｒｏＵＳＢコネクタ ４８…Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール ４９…ＭｉｃｒｏＳＤカードユニット １００…ウェアラブルデバイス ４１０…回路基板 ４１１…コネクタ部

Claims (19)

1. 導電性を有するＺ撚りの導電糸であって、
   前記導電糸は、第１方向に片撚りされた複数本の糸を含み、
   前記第１方向に片撚りされた複数本の糸のうち少なくとも一本が、その外周面に金属が露出した直径０．０１〜０．２０ｍｍの金属線による撚り数が１００〜４５０Ｔ／ｍの片撚糸であり、他の少なくとも一本の前記第１方向に片撚りされた糸が天然繊維または化学繊維による撚り数が２００〜１０００Ｔ／ｍで１０〜１５０デニールの片撚糸であり、
   前記導電糸は、前記第１方向とは逆の第２方向に片撚りされた少なくとも１本の糸をさらに含む導電糸。
2. 前記金属線は、銅線である
   請求項１に記載の導電糸。
3. 前記導電糸の外周面を、天然繊維または化学繊維による撚糸を用いてＺ撚りでカバーリングした
   請求項１または２に記載の導電糸。
4. 前記第２方向に片撚りされた糸は、天然繊維または化学繊維による片撚糸である
   請求項１に記載の導電糸。
5. 請求項１乃至４に記載の導電糸を伸縮性基材に敷設した伸縮性配線であって、
   前記導電糸の経路が前記伸縮性基材の面内で波形状になるようにしている伸縮性配線。
6. 前記伸縮性配線の５０％伸長時の抵抗変化率が、５％以下である
   請求項５に記載の伸縮性配線。
7. 伸縮性配線が布体上に接着されたウェアラブルデバイス上に設けられ、前記伸縮性配線と接続された複数のセンサーと、
   コネクタ部を有し、当該コネクタ部を介して前記伸縮性配線と電気的に接続され、前記複数のセンサーを一括で制御するコントローラーと、
   を備えるセンサーシステムであって、
   前記伸縮性配線は、導電糸が縫込まれた伸縮性を有する基材と、当該基材の前記布体側の面を覆う第１絶縁層と、を含み、
   前記基材の、前記布体と反対側の面は第２絶縁層で覆われ、
   前記導電糸は、第１方向に片撚りされた複数本の糸を含み、
   前記第１方向に片撚りされた複数本の糸のうち少なくとも一本が、その外周面に金属が露出した直径０．０１〜０．２０ｍｍの金属線による撚り数が１００〜４５０Ｔ／ｍの片撚糸であり、他の少なくとも一本の前記第１方向に片撚りされた糸が天然繊維または化学繊維による撚り数が２００〜１０００Ｔ／ｍで１０〜１５０デニールの片撚糸であり、
   前記導電糸は、前記第１方向とは逆の第２方向に片撚りされた少なくとも１本の糸をさらに含む
   センサーシステム。
8. 前記コントローラーは、着脱可能な電源を有するとともに、１つの前記ウェアラブルデバイスに対して１つ設けられている
   請求項７に記載のセンサーシステム。
9. 前記センサーは、１つの前記伸縮性配線に対し複数設けられている
   請求項７又は８に記載のセンサーシステム。
10. 前記コントローラーは、複数の前記コネクタ部を有し、当該複数のコネクタ部のそれぞれは、複数の前記伸縮性配線と接続される
    請求項７乃至９のいずれかに記載のセンサーシステム。
11. 前記金属線は、銅線である
    請求項７乃至１０のいずれかに記載のセンサーシステム。
12. 前記伸縮性配線の５０％伸長時の抵抗変化率が、５％以下である
    請求項７乃至１１のいずれかに記載のセンサーシステム。
13. 前記伸縮性配線が、静電容量１０ｐＦ〜１００μＦのコンデンサを内蔵したデジタルセンサーを搭載した基板に接続されている
    請求項７乃至１２のいずれかに記載のセンサーシステム。
14. 伸縮性配線が布体上に接着されたウェアラブルデバイスであって、
    前記伸縮性配線は、Ｚ撚りの導電糸が敷設された伸縮性基材と、当該基材の前記布体側の面を覆う第１絶縁層を含み、
    前記基材の、前記布体と反対側の面は第２絶縁層で覆われ、
    前記導電糸は、第１方向に片撚りされた複数本の糸を含み、
    前記第１方向に片撚りされた複数本の糸のうち少なくとも一本が、その外周面に金属が露出した直径０．０１〜０．２０ｍｍの金属線による撚り数が１００〜４５０Ｔ／ｍの片撚糸であり、他の少なくとも一本の前記第１方向に片撚りされた糸が天然繊維または化学繊維による撚り数が２００〜１０００Ｔ／ｍで１０〜１５０デニールの片撚糸であり、
    前記導電糸は、前記第１方向とは逆の第２方向に片撚りされた少なくとも１本の糸をさらに含む
    ウェアラブルデバイス。
15. 前記金属線は、銅線である
    請求項１４に記載のウェアラブルデバイス。
16. 前記導電糸の外周面を、天然繊維または化学繊維による撚糸を用いてＺ撚りで被覆した
    請求項１４又は１５に記載のウェアラブルデバイス。
17. 前記伸縮性配線は、前記導電糸が前記伸縮性基材の面内で波形状になるように構成される
    請求項１４乃至１６のいずれかに記載のウェアラブルデバイス。
18. 前記伸縮性配線の５０％伸長時の抵抗変化率が５％以下である
    請求項１７に記載のウェアラブルデバイス。
19. 前記伸縮性配線が、静電容量１０μＦ〜１００μＦのコンデンサを内蔵したデジタルセンサーを搭載した基板に接続されている
    請求項１４乃至１８のいずれかに記載のウェアラブルデバイス。
    

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