JP6999139B2 - アンテナ、無線通信装置、生体信号測定装置、および衣服 - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナ、それを用いた無線通信装置、生体信号測定装置、および衣服に関するものである。詳しくは、本発明は、少なくとも、炭素原子を含む導電性高分子が繊維に担持された導電性繊維構造物を有するアンテナに関するものである。
近年、衣服にセンサデバイス（生体信号センサ、環境センサ、加速度センサ等）、信号処理装置、無線通信装置などの電子デバイスを組み込んだスマートテキスタイルの開発が進められており、ヘルスケア、スポーツ、作業者や家族などの見守りシステム、エンターテイメント等、多岐に渡る展開が期待されている。
前記電子デバイスの中でも、近年、データの送受信に用いられる無線通信装置が注目されている。無線通信装置には、電波の送受信を行うためのアンテナが設けられており、従来のアンテナの構造としては、プラスチックフィルム等の絶縁性基材上に金属箔や導電性インクなどの導電性材料から形成した導電パターンが形成されたものが挙げられる。
近年、スマートテキスタイル向けのアンテナとしては、衣服の伸縮への追随性などの観点から、導電パターンや基材には柔軟性が求められており、導電布を用いたアンテナが検討されている。例えば、特許文献１では、絶縁性の布に蒸着等で金属パターンを形成したアンテナのＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグが提案されている。また、特許文献２では金属メッキを施した繊維などの導電繊維からなる導電布を用いたアンテナ（以降、布製アンテナと記す）を備えたＲＦＩＤが提案されている。
特開２０１３―１７１４３０号公報 特表２０１１―５２３８２０号公報
しかしながら、特許文献１、２に記載された技術では、繊維と金属の密着力が弱く、金属が硬い材料であるため、折り曲げ時に導電材料の剥離や破壊が起こり、アンテナ性能が変化するという課題があった。さらに、繰り返し洗濯後に性能が低下するという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、柔軟性を備え、折り曲げや繰り返し洗濯後に性能が低下しないアンテナ、無線通信装置、生体信号測定装置、および衣服を提供することを目的とする。
本発明者は、特定の径を有する繊維に炭素原子を含む導電性樹脂を担持させることで、上記課題が解決できるものと推測して検討を行い、本発明に至った。
すなわち本発明は、少なくとも、炭素原子を含む導電性樹脂が、直径が１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である繊維の表面及び／又は単繊維間隙に担持されている導電性繊維構造物を有するアンテナである。
本発明によれば、柔軟性を備え、折り曲げや繰り返し洗濯後に性能が低下しないアンテナ、無線通信装置、生体信号測定装置、および衣服を提供することができる。
図１Ａは、本発明のアンテナの一例を説明する図である。 図１Ｂは、本発明のアンテナの一例を説明する図である。 図１Ｃは、本発明のアンテナの一例を説明する図である。 図１Ｄは、図１ＣのアンテナのＡＡ断面図である。 図２は、本発明のアンテナの一例を説明する図である。 図３は、本発明のアンテナの一例を説明する図である。 図４は、本発明のアンテナの一例を説明する図である。 図５は、本発明のアンテナの実施の形態を示す断面図である。 図６は、本発明のアンテナのＸＺ面放射パターンの測定系を示す概略図である。 図７は、本発明のアンテナのＸＺ面放射パターンの測定結果を示す図である。 図８は、本発明のアンテナの測定に用いた人体ファントムを示す図である。 図９は、本発明のアンテナのＸＺ面放射パターンの測定結果を示す図である。 図１０は、本発明のアンテナに使用する導電性繊維構造物の走査プローブ顕微鏡観察写真である。
次に、本発明のアンテナについて詳細に説明する。
本発明のアンテナは、少なくとも、炭素原子を含む導電性樹脂が、直径が１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である繊維の表面及び／又は単繊維間隙に担持されている導電性繊維構造物を有するアンテナである。
本発明の導電性繊維構造物を構成する繊維としては、天然繊維、合成又は半合成繊維、若しくはそれらの混合物が挙げられる。天然繊維としては、綿、絹などが挙げられ、合成繊維としては、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維など、半合成繊維としては、レーヨンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明の導電性繊維構造物を構成する繊維の直径としては、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましい。１０００ｎｍ以下にすることで、繊維構造物中での単繊維の表面積が増大するため、導電性樹脂と繊維の密着性が向上する。その結果、アンテナ折り曲げ時の導電性樹脂の剥離や、繰り返し洗濯後の性能低下を抑制することができる。
表面及び／又は単繊維間隙に導電性樹脂を担持させる観点から、より好ましくは３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。上限としては前記のとおり１０００ｎｍ以下であることが好ましいが、９００ｎｍ以下であることがより好ましい。
本発明の導電性繊維構造物は、導電性、柔軟性及び高洗濯耐久性の観点から、導電性樹脂が繊維構造物を構成する単繊維と単繊維の間隙に担持され、繊維構造物の厚み方向の断面を観察したときに、表層から１５～３０μmの領域に存在する導電性樹脂の面積比率が１５％以上である場合によりいっそう洗濯耐久性が優れる点で好ましい。導電性樹脂が単繊維と単繊維の間隙に担持される際に、深部にまで含浸させることにより、よりいっそう高性能な導電性と、洗濯耐久性に優れた導電性繊維構造物が得られるものである。より好ましいのは上記面積比率が２０％以上であり、これにより繰り返しの洗濯耐久性に極めて優れる。上限としては、柔軟性の点から上記面積比率が３０％で有ることが好ましい。
本発明の導電性繊維構造物を構成する繊維は、繊維の繊度の均一性と細繊度性の観点、及び繊維と導電性樹脂との密着性の観点から、熱可塑性ポリマーからなるマルチフィラメント糸であることが好ましい。
上記熱可塑性ポリマーとしては、繊維化できるポリマーであれば特に限定されず、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを主成分とするポリオレフィン系繊維、熱可塑性を付与したアセテート等の化学繊維用繊維素、および、ポリエステル、ナイロン等の合成繊維用ポリマー等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。なかでも、ポリエステルやポリアミドに代表される熱可塑性ポリマーであることが、その成形性の点から重要である。ポリエステルやポリアミドは融点が高いものが多く、より好ましい。ポリマーの融点は１６５℃以上であると耐熱性が良好であり好ましい。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）は２５５℃、ナイロン６（Ｎ６）は２２０℃であり、ポリマーの性質を損なわない範囲で他の成分が共重合されていても良い。
熱可塑性ポリマーの中でも、加工性の観点からポリエステルからなる繊維が特に好ましい。ここで言うポリエステルとは、テレフタル酸を主たる酸成分とし、炭素原子数２～６のアルキレングリコール、即ち、エチレングリコール、トリメチレングリコール、テトラメチレングリコール、ペンタメチレングリコール、ヘキサメチレングリコールから、好ましくは、エチレングリコール及びテトラメチレングリコールから選ばれた少なくとも一種のグリコールを、特に好ましくはエチレングリコールを主たるグリコール成分とするポリエステルが例示される。
また、該テレフタル酸成分の一部を他の二官能性カルボン酸成分で置き換えたポリエステルであってもよく、及び／又はグリコール成分の一部を前記グリコール成分以外のジオール成分で置き換えたポリエステルであってもよい。
ここで使用されるテレフタル酸以外の二官能性カルボン酸としては、例えば、イソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルジカルボン酸、ジフェノキシエタンジカルボン酸、アジピン酸、セバシン酸、１，４－シクロヘキサンジカルボン酸の如き芳香族、脂肪族、脂環族の二官能性カルボン酸をあげることができる。また、前記グリコール以外のジオール化合物としては、例えば、シクロヘキサン－１，４－ジメタノール，ネオペンチルグリコール、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＳの如き芳香族、脂肪族、脂環族のジオール化合物をあげることができる。
前記ポリエステルは、任意の方法によって合成したものでよい。例えば、ポリエチレンテレフタレートについて説明すれば、通常、テレフタル酸とエチレングリコールとを、直接、エステル化反応させるか、テレフタル酸ジメチルなどのテレフタル酸の低級アルキルエステルとエチレングリコールとをエステル交換反応させるか、またはテレフタル酸とエチレンオキサイドとを反応させるかして、テレフタル酸のグリコールエステルおよび／またはその低重合体を生成させる第１段階の反応と、該第１段階の反応生成物を減圧下に加熱して所望の重合度となるまで重縮合反応させる第２段階の反応によって製造することができる。
マルチフィラメントの製造方法としては、例えば、既知のエレクトロスピニング方式などにより作製されるモノフィラメント糸の集合体、複合紡糸方式などにより作製できる。複合紡糸方式の一例としては、単繊維本数が多いナノファイバーとして、溶解性の異なる２種のポリマーからなる海島型複合繊維糸を用意し、海島型複合繊維の海成分を溶媒で除去することで、極細繊維化する。島成分の各々の太さや分布は限定されないが、島成分の構成本数を増やす等の方法により、島成分の直径を小さくすることでナノファイバーからなるマルチフィラメントが形成できる。本発明においてはナノファイバーを含むことが好ましい。
島成分の構成本数としては、単繊維繊度または単繊維への撚糸の有無などとの関係もあるが５本以上、好ましくは２４本以上、さらに好ましくは５０本以上であることが好ましい。単繊維の本数が多いほど複数の単繊維から構成される空隙、すなわち導電性樹脂が担持される部位が再分化されることで導電性樹脂の繊維構造物への担持性が高くなる。また、繊維径が細くなることで細分化されても導電性樹脂の連続性が保持されるようになる。
単繊維の断面形状については、丸断面、三角断面、その他、異形度が高い異形断面の形状でも特に限定されるものではない。
さらに、本発明においては、異なる繊度を有する単繊維を混合することも好ましい。また多成分系繊維全体の断面形態も、丸孔に限らず、トライローバル型、テトラローバル型、Ｔ型、中空型等あらゆる公知の繊維の断面のものも含まれる。
本発明のマルチフィラメント糸を用いた繊維構造物としては、メッシュ、抄紙、織物、編物、不織布、リボン、紐などの形態を有するものが挙げられる。使用目的に応じた種々の形態を有するものに用いられる。
これら繊維構造物は、通常の方法、手段により、染色、機能加工など、アンテナとしての性能を損なわない限り、実施を制限するものではない。アンテナの表面形態の起毛、カレンダー、エンボス、ウォータージェットパンチ加工など表面物理加工においても同様に限定されるものではない。
本発明の導電性繊維構造物において、少なくとも炭素原子を含む導電性樹脂は、繊維の表面及び／又は単繊維間隙に担持されており、単繊維間隙に担持されていることが好ましい。さらに、導電性樹脂は、マルチフィラメント糸を構成する単繊維と単繊維の間隙において、実質的に繊維軸方向に連続して存在する態様であることが好ましい。この態様とする場合には、導電性樹脂と単繊維の密着性がよりいっそう高く、さらに導電性もいっそう高くなるため、従来の導電布を用いたアンテナよりも利得が極めて高くなり、その結果、通信距離がよりいっそう延びる。また、導電性樹脂が繊維に包まれた構造であるため、繊維の誘電率に応じて波長短縮が生じアンテナが小形になる。なお、導電性樹脂が単繊維と単繊維の間隙において、実質的に繊維軸方向に連続して存在するかは、前記導電性繊維構造物の繊維軸方向の破断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて撮影し、得られた断面写真から無作為に選定した５カ所の単繊維間隙に存在する導電性樹脂の重なりを観察し、重なりが存在すれば連続性ありと判断する。なお、導電性繊維構造物が織物の場合における繊維軸方向の破断面は経糸方向、編み物の場合における繊維軸方向の破断面は編み目にループが存在する場合はループの頂点部分で分断する方向（ループの立ち上がりの繊維軸方向に沿う方向）、編物でループが存在しない場合、不織布等の場合は繊維軸方向に沿えば任意の方向で破断するものとする。また、導電性繊維構造物に導電性樹脂とともにそれ以外の物質も付着している場合は、適宜、導電性樹脂を構成する元素の元素分析等可能な分析を行い、導電性樹脂の存在を特定する。元素分析の方法としては、前記導電性繊維構造物の繊維軸方向の破断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）装置の付帯装置であるエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析装置で観察し、表面および単繊維間隙に担持されている導電性樹脂にふくまれる炭素原子の量を取得する方法があるがその限りではない。
本発明で用いる炭素原子を含む導電性樹脂としては、例えば、導電性が比較的低い樹脂（以下、低導電性樹脂と称する場合がある）にカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、金属粒子などを含有せしめることにより導電性を付与した導電性樹脂や、樹脂そのものが導電性を有する導電性高分子などの導電性樹脂が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの導電性樹脂は金属材料よりも柔軟性が高く、アンテナの折り曲げによる変形が折り曲げ後に残存することがなく、折り曲げた耐性や繰り返し洗濯後の特性に優れる。さらに、柔軟性が高いため、本発明のアンテナを装着した衣服を着た際の、着心地が良いという効果も得られる。
なお、伸縮時や折り曲げ時のアンテナ特性の安定性の観点からは、導電性高分子が好ましい。導電性樹脂として導電性高分子を使用する場合、アンテナの伸縮や折り曲げによって導電性樹脂の変形が起こることで導電性樹脂の導電率が変化し、その結果、アンテナ特性が変化するおそれがあるためである。
導電性高分子は、導電性を示す高分子であれば特に制限されることはないが、例えば、アセチレン系、複素５員環（モノマーとして、ピロールの他、３－メチルピロール、３－エチルピロール、３－ドデシルピロールなどの３－アルキルピロール；３，４－ジメチルピロール、３－メチル－４－ドデシルピロールなどの３，４－ジアルキルピロール；Ｎ－メチルピロール、Ｎ－ドデシルピロールなどのＮ－アルキルピロール；Ｎ－メチル－３－メチルピロール、Ｎ－エチル－３－ドデシルピロールなどのＮ－アルキル－３－アルキルピロール；３－カルボキシピロールなどを重合して得られたピロール系高分子、チオフェン系高分子、イソチアナフテン系高分子など）、フェニレン系、アニリン系の各導電性高分子やこれらの共重合体、イオン液体などが挙げられる。
さらに導電性高分子において、その導電性にドーパントが効果をもたらすが、ここで用いられるドーパントとしては、塩化物イオン、臭化物イオンなどのハロゲン化物イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロ硼酸イオン、六フッ化ヒ酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、チオシアン酸イオン、六フッ化ケイ酸イオン、燐酸イオン、フェニル燐酸イオン、六フッ化燐酸イオンなどの燐酸系イオン、トリフルオロ酢酸イオン、トシレートイオン、エチルベンゼンスルホン酸イオン、ドデシルベンゼンスルホン酸イオンなどのアルキルベンゼンスルホン酸イオン、メチルスルホン酸イオン、エチルスルホン酸イオンなどのアルキルスルホン酸イオン、ポリアクリル酸イオン、ポリビニルスルホン酸イオン、ポリスチレンスルホン酸イオン、ポリ（２－アクリルアミド－２－メチルプロパンスルホン酸）イオンなどの高分子イオンのうち、少なくとも一種のイオンが使用される、ドーパントの添加量は、導電性に効果を与える量であれば特に制限はされるものではない。
導電性高分子としては、ポリピロール、ＰＥＤＯＴ（ポリ３，４－エチレンジオキシチオフェン）等から選択される導電性高分子に、ポリ４－スチレンサルフォネート（ＰＳＳ）、ポリアニリン、およびポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）から選択されるドーパントを併用する態様などが樹脂化させやすく、導電性高分子として好ましく用いられる。以下このような態様で併用をする場合について、例えばＰＥＤＯＴ／ＰＳＳのように“／”で表すことがある。
特に、チオフェン系導電性高分子のＰＥＤＯＴにポリ４－スチレンサルフォネートＰＳＳをドープしたＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ナガセケムテックス社製 Ｄｅｎａｔｒｏｎ（登録商標））が安全性、加工性の観点から特に好適である。
導電性樹脂は、バインダ樹脂を含むことが耐久性の点から好ましい。バインダ樹脂としては、オレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂およびアクリル樹脂からなる群より選択される少なくとも１つであることが好ましい。上記バインダ樹脂としては、導電性繊維構造物中の導電性樹脂を構成する配合物同士を密着させ、より確実に繊維構造物に導電性を付与する点から中でもオレフィン系樹脂がもっとも好ましい。
例えば、繰り返し洗濯耐性の観点からは、導電性高分子に、オレフィン系樹脂を添加することが好ましい。特に、繊維構造物に担持するための導電性樹脂として、動的光散乱測定の平均粒子径が２０ｎｍ以下の導電性樹脂を用いることが好ましい。なかでも導電性高分子とオレフィン系樹脂との混合物を主成分とする導電性樹脂を用いる際に、前記平均粒子径が２０ｎｍ以下の導電性樹脂とすることが好ましい。導電性高分子の平均粒子径が大きすぎると、繊維構造物を構成する繊維の単繊維と単繊維の間隙に担持されにくく、単繊維の表面に多く担持され、物理衝撃で簡単に剥離し、繰り返し洗濯後の高い導電性が保持できない。導電性高分子の平均粒子径が２０ｎｍ以下であれば、単繊維の表面および単繊維と単繊維の間隙に多く担持され、物理衝撃で剥離することは少なく、繰り返し洗濯後の高い導電性が保持できる。なお、ここで「主成分」とは、導電性繊維構造物の繊維以外の構成材料の内５０％以上の質量比率を占めることである。
導電性高分子とオレフィン系樹脂を併用することで、導電性繊維構造物中の配合物同士を密着させ、より確実に導電性繊維構造物を形成することができる。なお、オレフィン系樹脂としては、得られる導電性繊維構造物の柔軟性及び洗濯耐久性の観点から、非極性のオレフィン系樹脂であることが好ましい。ここで、本発明において、「非極性」とは、ソルビリテイパラメータ（ＳＰ）値が６～１０未満、好ましくは７～９であることをいう。このＳＰ値は、溶解度によって決定される値である。
非極性のオレフィン系樹脂としては、ＳＰ値が６～１０未満であることが好ましい。非極性のオレフィン系樹脂は、単独で用いても良いし、２種以上を併用しても良い。
オレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー（環状ポリオレフィン）、それらを変性したポリマー等が挙げられる。導電性を有する繊維構造物では、これらをオレフィン系樹脂として使用しても良く、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン等をオレフィン変性したものをオレフィン系樹脂として使用しても良い。これらは単独で用いても良いし、２種以上を併用しても良い。
本発明において繊維構造物に導電性樹脂を担持する際、溶媒を添加して処理液とし、加工に供しても良い。溶媒としては、特に限定されず、例えば、水；メタノール、エタノール、２－プロパノール、１－プロパノール、グリセリン等のアルコール類；エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール等のエチレングリコール類；エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のグリコールエーテル類；エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のグリコールエーテルアセテート類；プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール等のプロピレングリコール類；プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル等のプロピレングリコールエーテル類；プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート等のプロピレングリコールエーテルアセテート類；テトラヒドロフラン；アセトン；アセトニトリル等が挙げられる。これらの溶媒は単独で用いても良いし、２種類以上を併用しても良い。
本発明の導電性繊維構造物は、導電性の向上、安定化の観点から、さらにグリセロール、生理食塩水などを付与したものも好適に利用できるが、これらに限定されるものではない。
本発明の導電性繊維構造物は、例示した導電性樹脂の前駆体や、導電性樹脂に上記のような溶媒を加えた導電性樹脂の溶液、乳化物、分散物などの処理液を使用し、浸漬法、コーティング法、スプレー法など既知の方法により繊維構造物に担持させることができる。繊維構造物への担持の方法としては、特に限定されるものではないが、導電性樹脂を繊維の表面および単繊維と単繊維の間隙に担持させるためには、導電性樹脂溶液（乳化物、分散物を含む）への浸漬、または、スプレー回数を複数回繰り返し行うことが望ましい。ナノファイバーに、導電性樹脂を繰り返し接触させることにより、単繊維と単繊維の間に導電性樹脂を軸方向に連続するように充填することができる。本発明においては、さらに上記のように導電性樹脂を含む処理剤を繊維構造物に担持した後加熱することが好ましい。加熱する際に、導電性樹脂に含まれる成分の軟化点以上、分解温度以下の熱履歴を与えることは、成分が溶融し、よりいっそう単繊維間隙に侵入するすると共に、強固に固着するようになり、いっそうの耐洗濯性を付与することができる点で好ましい。加熱温度としては、１８０℃以下が好ましく、８０℃～１８０℃がより好ましく、１００℃～１５０℃が更に好ましい。加熱温度が、上記範囲であると、導電性樹脂を構成する配合物同士の密着性がよく、より確実に繊維構造物に導電性を付与することができる。
本発明のアンテナは、導電性樹脂を含む導電性繊維構造物の片面に、樹脂層が積層されていることが好ましい。導電性繊維構造物の片面が樹脂層で覆われることにより、アンテナの耐久性、特に洗濯による導電性樹脂の脱落による導電性低下を大幅に抑制できるようになる。樹脂層を構成するポリマーの種類および形状は、限定されないが、アンテナとしての要求特性上、絶縁性を有する防水透湿層であることが好ましい。
防水透湿層としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）多孔膜、親水性のポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂など親水性エラストマーからなる無孔膜、ポリウレタン樹脂微多孔膜など、既知の膜、フィルム、積層物、樹脂などをコーティング、ラミネート方式で積層した形態が挙げられるがこれらに限るものではない。防水透湿層は、基材である導電性繊維構造物への追随性の観点から、伸縮性を有するポリウレタン樹脂微多孔膜をラミネートにより積層接着したものが好ましい。
アンテナの性能は、通信に用いる周波数と同じ周波数を持つ交流電流に対する導電性繊維構造物の表面抵抗率と関係があり、表面抵抗率が０．０１～０．1Ω/□であることが好ましい。なお、通信に用いる周波数に制限はないが、通信距離等の通信性能の観点から１００ＭＨｚ～５ＧＨｚが好ましく、特に、通信機器の入手のしやすさから、９２０ＭＨｚや２．４５ＧＨｚが好ましい。表面抵抗率が０．1Ω/□より大きい場合は、アンテナを流れる電流値が小さく、安定な通信が難しい。
本発明のアンテナの構成としては、アンテナの形状に加工した前記導電性繊維構造物からなる導電体と誘電体との積層体が挙げられる。前記誘電体としては、特に制限はなく、メッシュ、抄紙、織物、編物、不織布等の繊維構造物、ポリエチレンテレフタレート等の高分子フィルム、アルミナ等のセラミック基板を用いることができる。ただし、一般的に誘電体の比誘電率が高いと、アンテナに交流電流が流れた時の損失が大きくなると共に、周波数帯域が狭くなり、安定した通信が困難になる。したがって、誘電体の比誘電率は低いことが好ましい。誘電体は、絶縁性基材を用いることが好ましい。前記絶縁性基材の中でも、繊維構造物は、繊維の間隙に空気を含むため比誘電率が低く、さらに柔軟性に富むため、スマートテキスタイル用のアンテナに好適に用いることができる。例えば、代表的な高分子フィルムであるポリエチレンテレフタレートフィルムの比誘電率は約３．０、体表的な低誘電高分子であるポリテトラフルオロエチレンの比誘電率は約２．０であるが、不織布の比誘電率は１．４と非常に低い値を示す。以下では、誘電体に絶縁性繊維構造物を用いる場合について、主に説明する。なお、積層体の積層数は特に限定されず、導電性繊維構造物からなる導電体と誘電体から成る２層構造、導電性繊維構造物からなる第１の導電体と誘電体と導電性繊維構造物からなる第２の導電体からなる３層構造、導電性繊維構造物からなる第１の導電体、第１の誘電体、導電性繊維構造物からなる第２の導電体、第２の誘電体、導電性繊維構造物からなる第３の導電体、第３の誘電体からなる６層構造などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明のアンテナの種類には特に制限はなく、例えば、ＨＦ（Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯での通信に用いられるループアンテナ（図１Ａ参照）、スパイラルアンテナや、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯での通信に用いられるダイポールアンテナ（図１Ｂ参照）、パッチアンテナ（図１Ｃ、１Ｄ参照）、マイクロストリップアンテナ、ダイポールアレーアンテナ、リングアンテナなどが挙げられる。
図１Ａに示すループアンテナは、絶縁性繊維構造物からなる誘電体２上に導電性繊維構造物からなるアンテナ２をループ状に形成している。図１Ｂに示すダイポールアンテナは、絶縁性繊維構造物からなる誘電体２と特定のパターンに加工された前記導電性繊維構造物からなる導電体１との積層体である。なお、図１Ｂではメアンダー形状のアンテナを例示したが、アンテナ性能を有すれば形状に制限はなく、図２に示すような直線構造でも構わない。また、パターンの幅についても特に制限はなく、アンテナの性能、パターン加工性などの観点から、設計されるものである。
図１Ｃ、１Ｄに示すパッチアンテナは、導電性繊維構造物からなる第１の導電体３Ａ、絶縁性繊維構造物からなる誘電体２、導電性繊維構造物からなる第２の導電体３Ｂの積層体であり、第１及び第２の導電体は電気的に接続されている。第１の導電体３Ａは、電波を送受信する役割を果たすものであり、特定のパターン形状に加工されている必要がある。その形状の一例としては図１Ｃの形状が挙げられるが、これに制限されるものではなく、例えば、図３に示す構造や、図１Ｃの四角や、図３の丸を、三角形や五角形などで置き換えた構造でも構わない。一方、第２の導電体３Ｂは第１の導電体３Ａから放射された電波を吸収し、アンテナ背面への電波の放射を防ぐものである。なお、第２の導電体３Ｂについては、特定のパターン形状に加工する必要はない。
第１の導電体３Ａ、及び第２の導電体３Ｂを電気的に接続する方法に特に制限はなく、例えば、誘電体２中に導電性繊維構造物を配置する方法、金属ピンを突き刺す方法、金属製のボタンを用いる方法などが挙げられる。金属製のボタンとしては、ドットボタンの雄ボタン又は雌ボタンを用いる。第１の導電体３Ａ、及び第２の導電体３Ｂに配置した雄ボタンと、誘電体２に配置した雌ボタンを係合することにより、第１の導電体３Ａ、及び第２の導電体３Ｂを電気的に接続する。なお、第１の導電体３Ａ、及び第２の導電体３Ｂに雌ボタンを、誘電体２に雄ボタンを配置した構造でも構わない。
導電性繊維構造物を所定のパターンに加工する方法としては特に制限はなく、レーザーカット、ヒートカット、型抜き加工など公知の技術を用いることができる。また、絶縁性繊維構造物に導電性繊維構造物を貼り合わせる方法としては特に制限はなく、縫製、接着シートを用いたヒートシール、ボタンを用いるなど公知の技術を用いることができる。なお、本発明のアンテナを衣服に取り付ける場合、絶縁性繊維構造物に導電性繊維構造物を貼り付けたアンテナを衣服に取り付けても、導電性繊維構造物を衣服に直接貼り付けてもよいが、着心地、デザイン性等の観点からは導電性繊維構造物を衣服へ直接貼り付けることが好ましい。
本発明のアンテナと通信機能を有する半導体回路を組み合わせることで、無線通信装置として用いることができる。無線通信装置としては、特に制限はなく、ＲＦＩＤタグ、ビーコン、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ（登録商標）通信装置等が挙げられる。例えば、これらの無線通信装置を制服に取り付けることで、学校での生徒の個別追跡、出席確認等に活用することができる。また、これらの無線通信装置を入院患者の入院着に取り付けることで、入院患者の個別追跡、個別認証等に活用することができる。
本発明の無線通信装置において、アンテナと半導体回路の数に制限はなく、アンテナと半導体回路がそれぞれ１つでも、２つ以上のアンテナが１つの半導体回路に接続されていてもよい。特に、２つ以上のアンテナを有する無線通信装置を衣服に取り付けることで、通信の死角を低減することができる。例えば、本発明のアンテナを、胸部と背部に取り付けることで、電波の送受信機に対する身体の向きに関わらず、安定した通信が可能となる。
アンテナと半導体回路の接続方法に特に制限はなく、例えば、金属配線、金属線を織り込んだ導電糸等を配線として接続するほか、本発明にかかる導電性繊維構造物による接続などが挙げられる。アンテナと半導体回路との配線の接続による接触抵抗低減の観点からは、本発明の導電性繊維構造物を配線として用いることが好ましい。図４に示すように、アンテナとして機能する導電性繊維構造物からなる第１の導電体３Ａと配線４として使用する導電性繊維構造物が一体化していることが特に好ましい。接触抵抗の低減により、半導体回路５から高周波信号がアンテナに入力される際の損失を低減することで、通信距離の増大が可能となる。
前記無線通信装置と各種センサを組み合わせることで、センシング機器として用いることもできる。センサの種類としては、特に制限はなく、温度・湿度・照度・衝撃・位置等の環境情報を取得するためのセンサ、心拍数・心電波形・呼吸数・血圧・脳電位・筋電位等の生体信号を取得するための生体電極、血糖値・コレステロール値・ホルモン値等を取得するためのバイオセンサ等が挙げられる。なお、前記無線通信装置とセンサは、配線を用いて接続しても、無線通信にて接続しても構わない。これらのセンシング機器を用いることで、日常生活の健康管理、工場等での作業員の見守り、レジャー、運動時の健康管理、心臓疾患・高血圧・睡眠時無呼吸症候群などの遠隔管理等が可能となるが、これらに限定されるものではない。
また、本発明のアンテナと半導体回路を組み合わせた無線通信装置は、ＲＦＩＤタグのリーダー／ライターアンテナとしても活用することができる。例えば、入院患者の排尿検知にＲＦＩＤシステムを用いる場合、ベッドにリーダー／ライターアンテナを設置する必要がある。入院ベッドは、身体を起こすために折り曲げる必要があるため、リーダー／ライターアンテナには折り曲げ耐性が求められる。本発明のアンテナは柔軟性に富み、折り曲げ耐性に優れることから、入院ベッド用のリーダー／ライターアンテナとして好適に用いることができる。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
（１）導電性繊維構造物の製造方法
島成分がポリエチレンテレフタレート、海成分がポリエステルの酸成分としてテレフタル酸と５－ナトリウムスルホイソフタル酸の共重合体からなるアルカリ熱水可溶型ポリエステルの７５Ｔ－１１２Ｆ（海島比率３０％：７０％、島数１２７島／Ｆ）の単繊維径７００ｎｍのナノファイバーと２２Ｔ－２４Ｆの単繊維径２２．８５μｍのポリエチレンテレフタレートの高収縮糸を混繊した１００Ｔ－１３６Ｆのポリエステルナノファイバー混繊糸を用いて、スムース組織で丸編物を製編した。次いで、布帛を水酸化ナトリウム３質量％水溶液（７５℃、浴比１：３０）に浸漬することで易溶解成分を除去し、ナノファイバーと高収縮糸の混繊糸使い編物を得た。編物の密度は５８×７８（本/in）、目付けは１１８（ｇ／ｃｍ２）である。得られた繊維構造物としての編物に、導電性高分子とオレフィン系樹脂を含む分散液として「デナトロンＦＢ４０８Ｂ」（ナガセケムテックス株式会社製）を、既知のナイフコーティング法で導電性高分子を塗布し、１２０℃～１３０℃の範囲に制御して加熱した。得られた導電性構造物の導電性樹脂付着量は１２．３ｇ／ｍ２であった。また導電性樹脂が、マルチフィラメント糸を構成する単繊維と単繊維の間隙において、実質的に繊維軸方向に連続して存在していることを後述する（３）導電性樹脂含有面積比率により確認した。図１０は導電性繊維構造物の導電性樹脂含浸面積比率を評価に用いた断面写真である。図１０により、表層から３０μｍまで低抵抗、すなわち導電性樹脂が含浸されていることがわかる。さらに製造した導電性繊維構造物の表面抵抗率は、０．０４５Ω／□であった。
（２）繊維径
繊維から抜き出したマルチフィラメントをエポキシ樹脂で包埋し、Ｒｅｉｃｈｅｒｔ社製ＦＣ・４Ｅ型クライオセクショニングシステムで凍結し、ダイヤモンドナイフを具備したＲｅｉｃｈｅｒｔ－Ｎｉｓｓｅｉ ｕｌｔｒａｃｕｔ Ｎ（ウルトラミクロトーム）で切削した後、その切削面を（株）キーエンス製ＶＥ－７８００型走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて、ナノファイバーは５０００倍、マイクロファイバーは１０００倍、その他は５００倍で撮影した。得られた写真から無作為に選定した１５０本の極細繊維を抽出し、写真について画像処理ソフト（ＷＩＮＲＯＯＦ）を用いて全ての外接円径（繊維径）を測定した。
（３）導電性樹脂含浸面積比率
導電性繊維構造物の厚み方向の断面を観察したときに、表層から１５～３０μmの領域に存在する導電性樹脂の面積比率（導電性樹脂含浸面積比率）は以下のようにして求めた。
アルゴン(Ａｒ)イオンビーム加工装置を用いて、導電性繊維構造物を厚み方向に切削して、断面の薄膜切片を作製し、測定用試料とした。得られた測定用試料を走査プローブ顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）（以下ＳＳＲＭと称する）を用いて、測定用試料の裏側から電圧を印加し、導電性探針を用いて、試料の表層の導通の有無を観察した。観察した画像中、図１０の断面画像で示すように、繊維構造物の表層部の最も高い部分が視野上部に接するように３０μm×３０μmの正方形の領域を設定する。表層部の最も高い位置から１５μm下部の１５μm×３０μmの領域を、画像処理ソフト（ＧＩＭＰ２．８ｐｏｒｔａｂｌｅ）を用い、しきい値を６０に設定し、導電性繊維構造物の厚み方向の表層から１５～３０μｍの領域における導電性樹脂が含浸する面積比率を求めた。この時、観察する数は無作為抽出した横断面２０箇所を測定した。２０箇所で求めたそれぞれの面積比率の平均値を計算し、これを「導電性樹脂含浸面積比率」とした。これにより（１）で製造した導電性繊維構造物の「導電性樹脂含浸面積比率」が、２０．７％であることを確認した。
観察装置 ： Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製 ＮａｎｏＳｃｏｐｅ Ｉｖａ ＡＦＭ
Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ３１００ステージＡＦＭシステム
＋ＳＳＲＭオプション
ＳＳＲＭ走査モード ： コンタクトモードと拡がり抵抗の同時測定
ＳＳＲＭ探針（Ｔｉｐ）： ダイヤモンドコートシリコンカンチレバー
探針品番： ＤＤＥＳＰ－ＦＭ（Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製）
Ａｒイオンビーム加工装置：(株)日立ハイテクノロジーズ製ＩＭ－４０００、加速電圧３ｋＶ
(４）導電性高分子の分散粒子径
分散液に分散している導電性高分子をＳａｒｔｏｒｉｕｓ社製Ｍｉｎｉｓａｒｔ０．２μｍシリンジフィルターでろ過して、導電性高分子の分散粒子径が２００ｎｍ未満か否かを測定した。（１）で使用する「デナトロンＦＢ４０８Ｂ」中の導電性高分子の分散粒子径は２００ｎｍ未満であることを確認した。
（５）導電性高分子の平均粒子径（動的光散乱法）
４９ｇの水に１ｇの導電性高分子を攪拌しながら加えた５０倍希釈の導電性高分子をＭｉｃｒｏｔｒａｃ社製ＮａｎｏｔｒａｃＷａｖｅシリーズで平均粒子径を測定した。具体的には体積抵抗径を測定して粒子径分布を求め、流体力学径メジアン径を算出して平均粒子径とした。（１）で使用する「デナトロンＦＢ４０８Ｂ」中の導電性高分子の平均粒子径は、２０ｎｍ以下であった。
（６）導電性繊維構造物の導電率の測定方法
ストリップ導体として（１）で記載した方法で作製した導電性繊維構造物を、基板には厚さ２ｍｍのポリテトラフルオロエチレンを用いて、特性インピーダンス５０Ωの半波長マイクロストリップ線路共振器Ａを作成した。ストリップ導体の長さは４２ｍｍ、幅は３ｍｍ又は６ｍｍで両端を開放とし、共振周波数は約２．４ＧＨｚとした。半波長マイクロストリップ線路共振器Ａの一方の同軸ケーブルから励振させ、他方の同軸ケーブルにネットワークアナライザを接続し無負荷Ｑ値（ＱＡ）を測定した。また、ストリップ導体として銅箔を用いた以外は半波長マイクロストリップ線路共振器Ａと同様に、半波長マイクロストリップ線路共振器Ｂを作成し、無負荷Ｑ値（ＱＢ）を測定した。ＱＳａｍｐｌｅを導電性繊維構造物ストリップの損失に起因するＱ値、ＱＣｕを銅箔ストリップの損失に起因するＱ値とすると、１／ＱＡ－１／ＱＢ＝１／ＱＳａｍｐｌｅ－１／ＱＣｕの関係が成り立つ。ＱＣｕを銅箔の表面抵抗率から算出し、その値を上記の式に適用することでＱＳａｍｐｌｅを計算し、その結果を用いて導電性繊維構造物の表面抵抗率と導電率を算出した。
（７）反射係数の測定方法
（１）に記した方法で作製した導電性繊維構造物または銀メッキ繊維からなる導電性繊維構造物と、不織布を用いて、図５に示す、２．４ＧＨｚで放射する測定アンテナを作製した。なお、導電性繊維構造物からなる第１の導電体３Ａと、第２の導電体３Ｂの間に不織布からなる誘電体２を配置し、第１の導電体３Ａおよび第２の導電体３Ｂとを、金属製ボタン７を用いて電気的に接続した。同軸ケーブル端子６を用いて、作製したアンテナとネットワークアナライザ（アジレントテクノロジー社製、Ｎ５２３０Ｃ）を接続し、反射係数を測定した。
（８）ＸＺ面放射パターンの測定方法
図６に示すように、（７）で作製した測定アンテナを回転台に設置し、ネットワークアナライザ（アジレントテクノロジー社製、Ｎ５２３０Ｃ）にした。回転台を７．５度ずつ回転させ、各回転位置において、ネットワークアナライザに接続された送信用アンテナから測定アンテナに電波を送信し利得を測定した。なお、放射パターンの測定には電波暗室を用い、水平偏波、垂直偏波の２つについて行った。
（９）導電性樹脂付着量
標準状態（２０℃×６５％ＲＨ）での導電性樹脂分散液塗布前後の試験布である繊維構造体の質量変化により導電性樹脂付着量を測定した。計算式は下記の通りである。
導電性樹脂付着量（ｇ／ｍ２）＝
（加工後の試験布質量（ｇ）－加工前の試験質質量（ｇ））／試験布の分散液を塗布した面積（ｍ２）
実施例１
（１）で記した方法で作成した導電性繊維構造物について、（６）に記した方法で、表面抵抗率と導電率を測定したところ、表面抵抗率は０．０４５Ω／□、導電率は４．７６μＳ／ｍであった。（７）に記した方法で測定した反射係数は－１７．２ｄＢであった。また、（８）に記した方法で測定したＸＺ面放射パターンを図７の破線で示す。
比較例１
ニッケル／銅メッキ繊維（タニムラ株式会社製、ＭＫ－ＫＴＮ２６０）を用いて、丸編物を製編した。（６）に記した方法で測定した表面抵抗率と導電率は、それぞれ０．０５０Ω／□、３．８４μＳ／ｍ、（７）に記した方法にて測定した反射係数は－１５．２ｄＢであった。また、（８）に記した方法にて測定したＸＺ面放射パターンを図７の実線で示す。
図７のＸＺ面放射パターンから、実施例１のアンテナの利得は比較例１よりも０．４ｄＢ高く、通信距離は６％増大した。
実施例２
図８に示した人体ファントムに、（７）で作製した測定アンテナを貼り付けた以外は、実施例１と同様の方法で反射係数、ＸＺ面放射パターンを測定した。反射係数は－１７．３ｄＢ、ＸＺ面放射パターンを図９の破線で示す。なお、前記人体ファントムは、人体の比誘電率を５３．６、導電率を１．８１Ｓ／ｍとして設計されたものである。
比較例２
比較例１で作製したアンテナを用いた以外は、実施例２と同様の方法で反射係数、ＸＺ面放射パターンを測定した。反射係数は－１５．０ｄＢ、ＸＺ面放射パターンを図９の実線で示す。
図９のＸＺ面放射パターンから、実施例２のアンテナの利得は比較例２よりも０．４ｄＢ高く、通信距離は６％増大した。
１ 導電体
２ 誘電体
３Ａ 第１の導電体
３Ｂ 第２の導電体
４ 配線
５ 半導体回路
６ 同軸ケーブル端子
７ 金属製ボタン

Claims (12)

  1. 炭素原子を含む導電性樹脂と、直径が１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である繊維と、を有し、前記導電性樹脂はバインダ樹脂としてオレフィン樹脂を含み、少なくとも、前記導電性樹脂が、前記繊維の表面及び／又は単繊維間隙に担持されている導電性繊維構造物を有するアンテナ。
  2. 前記導電性樹脂が繊維構造物を構成する単繊維と単繊維の間隙に担持され、前記繊維構造物の厚み方向の断面を観察したときに、表層から１５～３０μmの領域に存在する前記導電性樹脂の面積比率が１５％以上である導電性繊維構造物を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
  3. 前記導電性樹脂が導電性高分子を含む導電性樹脂である請求項２に記載のアンテナ。
  4. 前記導電性高分子が、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）とポリスチレンスルホン酸であることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
  5. 前記繊維が、熱可塑性ポリマーからなるマルチフィラメント糸であり、前記導電性樹脂が、マルチフィラメント糸を構成する単繊維と単繊維の間隙において、実質的に繊維軸方向に連続して存在していることを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載のアンテナ。
  6. 前記導電性繊維構造物の９２０ＭＨｚ～３ＧＨｚで測定した表面抵抗率が０．０１～０．1Ω/□である請求項１～５のいずれか１つに記載のアンテナ。
  7. 前記導電性繊維構造物からなる導電体と誘電体の積層体からなる請求項１～６のいずれか１つに記載のアンテナ。
  8. 前記導電性繊維構造物からなる第一の導電体、前記誘電体、前記導電性繊維構造物からなる第二の導電体の順に積層してなり、前記第一の導電体と前記第二の導電体が電気的に接続されている請求項７に記載のアンテナ。
  9. 前記導電性繊維構造物からなる配線を有する請求項１～８のいずれか１つに記載のアンテナ。
  10. 少なくとも、請求項１～７のいずれか１つに記載のアンテナと、半導体回路とを有する無線通信装置。
  11. 少なくとも、請求項１～９のいずれか１つに記載のアンテナと、生体電極とを備える生体信号測定装置。
  12. 請求項１～９のいずれか１つに記載のアンテナを複数備えた衣服であって、それらの内少なくとも１つが他のアンテナと異なる部位に装着されていることを特徴とする衣服。
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