(57)【要約】本発明は、表面を指などで擦るといった比較的小さな応力によって、電気出力を取り出すことができる、繊維状および布帛状の圧電素子を提供する。  本発明は、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である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、この順序に配置されている請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、互いに略平行に配置されている請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
圧電単位は絶縁性繊維を含み、該絶縁性繊維は、圧電単位中の導電性繊維が、他の圧電単位中の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように配されている請求項１記載の圧電素子。
【請求項５】
圧電性繊維が、主としてポリ乳酸を含む請求項１に記載の圧電素子。
【請求項６】
圧電性繊維が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上である請求項１記載の圧電素子。
【請求項７】
圧電性繊維が一軸配向し且つ結晶を含む請求項１記載の圧電素子。
【請求項８】
導電性繊維が炭素繊維である請求項１記載の圧電素子。
【請求項９】
絶縁性繊維が主としてポリエチレンテレフタレート系繊維を含む請求項４記載の圧電素子。
【請求項１０】
複数の並列した圧電単位を含有する織編物である請求項３記載の圧電素子。
【請求項１１】
複数の並列した圧電単位を含有する織物であって、その織組織がサテン織である請求項１０記載の圧電素子。
【請求項１２】
圧電単位を緯糸方向に配した請求項１１記載の圧電素子。
【請求項１３】
圧電単位に含まれる圧電性繊維の飛び数が３〜７である請求項１１記載の圧電素子。
【請求項１４】
導電性繊維、その表面に被覆された圧電性高分子、および該圧電性高分子の表面に形成された表面導電層を含む、圧電素子。
【請求項１５】
導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも２本含み、各被覆繊維は、互いに略平行に配置され、かつ表面の圧電性高分子が互いに接触している圧電素子。
【請求項１６】
圧電素子に印加された応力の大きさおよび／または印加された位置を検出するセンサーである請求項１〜１５のいずれか一項に記載の圧電素子。
【請求項１７】
検出される圧電素子に印加された応力が、圧電素子表面への擦り力である、請求項１６記載の圧電素子。
【請求項１８】
圧電素子に印加された電気信号により形状変化するアクチュエーターである請求項１〜１５のいずれか一項に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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られる圧電素子に関する。さらに詳しくは、表面を擦るだけでタッチセンサーなどとして十分な電気出力を発生することのできる圧電素子や、印加された電気信号により形状変化するアクチュエーターとして機能する圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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が採用される機器が大幅に増加している。
最近の携帯電話やスマートフォンにおいては、液晶や有機エレクトロルミネッセンスなどを用いた表示装置の上にタッチ式入力装置を設置し、画面上に直接的に入力することができる方式が多く採用されている。高度化が進むスマートフォンなどの携帯機器の一層の利便性を向上させるためには、画面上にのみ入力装置を設置しているだけではなく、複数のタッチ式入力手段があることが好ましい。
例えば、スマートフォンにおいて、表示画面に指などで入力しようとした場合、片方の手でスマートフォンを持ち、もう一方の手の指で入力をすることになるため、両手を使用しての操作とならざるを得ない。一方、スマートフォンの筐体にもタッチセンサーなどが組み込まれていれば、片手での操作が可能になるといった利点がある。
その一例として、通常はセンサーとして使用されていない表示画面裏などの非表示画面部分の筐体部分にタッチセンサーなどを組み込み、このセンサーで画面情報の中の項目上またはアンカーポイントを選択する方式が、特開２００１−１８９７９２号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１のようなタッチセンサーを実現する入力装置としては、静電容量方式、抵抗膜式、光学式、電磁誘導方式、圧電シートを用いる方式などがある。
一方、圧電シートを用いる方式の例としては、特開２０１１−２５３５１７号公報（特許文献２）に開示がある。圧電シート方式は、静電容量方式や抵抗膜方式のタッチセンサーとは異なり、それ単体でセンサーに加えられる圧力と位置情報の両方を同時に検出可能であり、入力情報の多様性に貢献することができる。
また、特許文献２においては、圧電シートの部材の具体例として、圧電性高分子であるポリ乳酸を利用した例が開示されている。特許文献２で開示されているようにポリ乳酸からなる圧電シートは、フレキシブル化が可能であり、また、１つの素子で位置情報と応力を同時に検出できる優れた素子であるが、十分な電気出力を得るためには、入力時に圧電シートをその応力によってある程度撓ませる必要がある。
ポリ乳酸からなる圧電シートは、シートに対するせん断応力によって電気出力を発生するが、引張や圧縮では十分な電気出力が得られない。したがって、大きな電気出力を得るには圧電シート平面の垂直方向からの押圧力によってシートを撓ませる必要がある。
例えば、この圧電シートをスマートフォンの裏側の筐体に貼合あるいは筐体と一体にして使用することを考えると、シートに垂直方向に加えられる押し圧力によって、シートを撓ませることは空間的に難しく、圧電素子の表面を擦るだけで十分な電気出力を発生させるものが望まれていた。また、スマートフォン等の筐体表面は必ずしも平面とは限らず、意匠性確保などの理由で、その形状には三次元的な凹凸が多く、そこに用いられる圧電素子はフレキシブルであることが望まれていた。
また、圧電繊維技術としては圧電性高分子にねじりを加えた配向させたものが、特許３５４０２８号（特許文献３）に開示されている。特許文献３に記載の圧電繊維は、繊維を特殊な製造方法であらかじめ捩じらせておくことで繊維に対する引張や圧縮に対しては電気出力が得られる。しかし特許文献３には、繊維表面を擦ることによるせん断応力に対して十分な電気出力を発生させ、それを取り出すことに対する技術は全く示されていない。
したがって、このような圧電繊維素子を、前記したスマートフォンの筐体などに組み込んで、表面を指などで擦るといった比較的小さい印加応力だけで十分な電気出力を取り出すことは極めて困難である。
一般に一軸延伸配向したポリ乳酸繊維は、延伸軸およびその垂直方向に対する延伸や圧縮応力に対してほとんど分極が生じず、その結果、このような表面を指などで擦ることで発生する比較的小さな印加応力では電気出力がほとんど得られないことが知られている。
一方、ポリ乳酸圧電繊維の延伸軸に平行でも垂直でもない方向から力を加える、すなわち、せん断応力を与えることで分極が生じ、圧電体としての機能を発現することが知られている。
【特許文献１】特開２００１−１８９７９２号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５３５１７号公報
【特許文献３】特許第３５４０２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、表面を指などで擦るといった比較的小さな印加応力によって、電気出力を取り出すことができる繊維状の圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者らは、２本の導電性繊維と１本の圧電性繊維との組み合わせ形状により、圧電素子として機能する場合があることを見出し、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．  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。
２．  圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、この順序に配置されている上記１記載の圧電素子。
３．  圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、互いに略平行に配置されている上記２記載の圧電素子。
４．  圧電単位は絶縁性繊維を含み、該絶縁性繊維は、圧電単位中の導電性繊維が、他の圧電単位中の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように配されている上記１記載の圧電素子。
５．  圧電性繊維が、主としてポリ乳酸を含む上記１に記載の圧電素子。
６．  圧電性繊維が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上である上記１記載の圧電素子。
７．  圧電性繊維が一軸配向し且つ結晶を含む上記１記載の圧電素子。
８．  導電性繊維が炭素繊維である上記１記載の圧電素子。
９．  絶縁性繊維が主としてポリエチレンテレフタレート系繊維を含む上記４記載の圧電素子。
１０．複数の並列した圧電単位を含有する織編物である上記３記載の圧電素子。
１１．  複数の並列した圧電単位を含有する織物であって、その織組織がサテン織である上記１０記載の圧電素子。
１２．  圧電単位を緯糸方向に配した上記１１記載の圧電素子。
１３．  圧電単位に含まれる圧電性繊維の飛び数が３〜７である上記１１記載の圧電素子。
１４．  導電性繊維、その表面に被覆された圧電性高分子、および該圧電性高分子の表面に形成された表面導電層を含む、圧電素子。
１５．  導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも２本含み、各被覆繊維は、互いに略平行に配置され、かつ表面の圧電性高分子が互いに接触している圧電素子。
１６．  圧電素子に印加された応力の大きさおよび／または印加された位置を検出するセンサーである上記１〜１５のいずれかに記載の圧電素子。
１７．  検出される圧電素子に印加された応力が、圧電素子表面への擦り力である、上記１６記載の圧電素子。
１８．  圧電素子に印加された電気信号により形状変化するアクチュエーターである上記１〜１５のいずれかに記載の圧電素子。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
図１は、本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例１記載の圧電素子の模式図である。
図２は、実施例１、７、比較例１の圧電素子の評価システムの概略図である。
図３は、実施例１の圧電素子の圧電特性を示すグラフである。
図４は、本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例２記載の圧電素子の模式図である。
図５は実施例２の圧電素子の評価システムの概略図である。
図６は、実施例２の圧電素子の圧電特性を示すグラフである
図７は、本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例３記載の圧電素子の模式図である。
図８は、実施例３の圧電素子の圧電特性（擦り）を示すグラフである。
図９は、実施例３の圧電素子の圧電特性（折り曲げ）を示すグラフである。
図１０は、本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例４記載の圧電素子の模式図である。
図１１は、実施例４の圧電素子の圧電特性を示すグラフである。
図１２は、本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例５記載の圧電素子の模式図である。
図１３は、本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例６記載の圧電素子の模式図である。
図１４は、実施例６の圧電素子の圧電特性を示すグラフである。
発明の効果
本発明の圧電素子は、フレキシブルでかつ表面を指などで擦るだけで、電気出力を取り出すことができる。
本発明の圧電素子は、タッチセンサーとして好適に利用できる。本発明の圧電素子をスマートフォンなどの筐体に組み込むことで、片手で操作が可能なスマートフォンなどを実現することができる。また本発明の圧電素子は、フレキシブルな繊維状であるので、織りや編みによって布状とすることも可能でありそれによりハンカチのような折り畳み可能な布状のタッチパネルも実現することが可能である。さらに本発明の圧電素子は、擦るだけで電気出力を取り出すことができ、マイクロ発電機などへの適用も可能である。
更には、本発明の圧電素子に電気信号を印加すると形状が変化するので、アクチュエーターとしても利用可能である。例えば、布帛状とした圧電素子に電気信号を印加して、布帛表面に載置した対象物を移動させたり、対象物を包んだりすることができる。また布帛を構成する各圧電素子へ印可する電気信号を制御することが可能である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明は、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によって達成される。以下に各構成について説明する。
（導電性繊維）
導電性繊維の直径は１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは０．１ｍｍ〜２ｍｍである。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。
導電性繊維の材料としては、導電性を示すものであればよく、繊維状とする必要があることから、導電性高分子であることが好ましい。導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、炭素繊維などを用いることができる。また、高分子をマトリックスとして繊維状または粒状の導電性フィラーを入れたものでも良い。フレキシブルかつ長尺の電気特性の安定性の観点からより好ましくは炭素繊維である。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。
一般の炭素繊維はフィラメントがいくつか集まった束となったマルチフィラメントが普通であるが、これを用いてもよく、また、一本からなるモノフィラメントだけを用いるのでも良い。マルチフィラメントを利用した方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントの径としては１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜１０μｍである。フィラメント数としては、１０本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは１００本〜５００００本、さらに好ましくは５００本〜３００００本である。
（圧電性繊維）
圧電性繊維は圧電性を有する繊維である。圧電性繊維は圧電性高分子からなることが好ましい。圧電性高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸など圧電性を示す高分子であれば利用できるが、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ポリ乳酸は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。さらに、ポリ乳酸からなる圧電性繊維はその軸方向への引張や圧縮応力では、分極が小さく、圧電素子として機能させることが困難であるが、せん断応力によっては比較的大きな電気出力が得られ、せん断応力を圧電性高分子に付与しやすい構成体を有する本発明の圧電素子においては好ましい。
圧電性高分子は、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。「主として」とは、好ましくは９０モル％、より好ましくは９５モル％、さらに好ましくは９８モル％以上のことを言う。
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、より好ましくは９９．３％以上、さらに好ましくは９９．５％以上である。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、圧電素子表面への擦り力によって十分な電気出力を得ることが難しくなる場合がある。圧電性高分子が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上であることが好ましい。
圧電性高分子は被覆繊維の繊維軸方向に一軸配向しかつ結晶を含むものであることが好ましく、より好ましくは結晶を有する一軸配向ポリ乳酸である。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶状態および一軸配向において大きな圧電性を示すためである。
ポリ乳酸は加水分解が比較的早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、アロイの全重量を基準として少なくとも５０重量％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重量％以上、最も好ましくは９０重量％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効果を奏する限り、どのようなポリマーを用いてもよい。
圧電性繊維はフィラメントがいくつか集まった束となったマルチフィラメントが普通であるが、これを用いてもよく、また、一本からなるモノフィラメントだけを用いるのでも良い。マルチフィラメントを利用した方が圧電特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントの径としては１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは５μｍ〜５００μｍである。さらに好ましくは１０μｍ〜１００μｍである。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１０本〜５００００本、さらに好ましくは１００本〜１００００本である。
このような圧電性高分子を圧電性繊維とするためには、高分子を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、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等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。
なお、上述の通りに、圧電性高分子がポリ乳酸である場合には、一軸延伸配向し、かつ結晶を含むとより大きな圧電性を示すことから、繊維は延伸することが好ましい。
（接点）
２本の導電性繊維が１本の圧電性繊維と互いに接点を有していることが必要である。この接点を有する形態としては、繊維同士が接触している限りどのような形態をとっていてもよい。例えば、２本の導電性繊維が平行に配置され、１本の圧電性繊維が、これら２本の導電性繊維に交わるように配置された形態などを挙げることができる。さらには、２本の導電性繊維を経糸（または緯糸）として配し、１本の圧電性繊維を緯糸（または経糸）として配してもよい。この場合は２本の導電性繊維同士は接触していないことが好ましく、２本の導電性繊維の間には好ましくは絶縁性物質、例えば絶縁性を有するポリエステル繊維等の絶縁性繊維を介在させる形態の他、導電性繊維が接触しやすい表面にのみ絶縁性物質を被覆し、圧電性繊維とは直接導電性繊維が接触するようにする形態も採用することができる。
（略同一平面上）
本発明の圧電素子は、２本の導電性繊維と１本の圧電性繊維とは、略同一平面上に配置される。ここで略同一平面上とは、３本の繊維の繊維軸が略平面上に配置されることを意味し、「略」とは、繊維同士の交差点で厚みが生じることが含まれることを意味するものである。
例えば、２本の平行な導電性繊維の間に、１本の圧電性繊維が更に平行に引き揃えられた形態は接点を有するともに略同一平面上にある形態である。また、当該１本の圧電性繊維の繊維軸を、当該２本の平行な導電性繊維とは平行でない状態に傾けていても、略同一平面上にある。さらに、１本の導電性繊維と１本の圧電性繊維とを平行に引き揃え、もう１本の導電性繊維を、この引き揃えられた導電性繊維と圧電性繊維とに、交差させたとしても略同一平面上にある。
このような「略同一平面上」に無い形態とは、１本の圧電繊維の表面上の離れた位置（上記、引き揃えて接触させた、いわゆる圧電繊維の繊維軸の点対称部分への接触等は除く）に２本の導電性繊維が接点を有し、かつ２本の導電性繊維同士が交差しない形態等がある。
略平面上に配置されることで、当該圧電単位を組み合わせて、繊維状、布帛状の圧電素子を形成しやすく、繊維状、布帛状の形態の圧電素子を利用すれば、応力センサー、アクチュエーターの形状設計に自由度を増すことができる。
（配置順序）
圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維、導電性繊維が、この順に配置されていることが好ましい。このように配置することで、圧電単位の２本の導電性繊維同士が接触することがなくなり、導電性繊維に他の手段、例えば絶縁性物質を被覆するなどの技術を適用しなくても圧電単位として有効に機能させることができる。圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、互いに略平行に配置されていることが好ましい。
（絶縁性繊維）
本発明の圧電単位は、絶縁性繊維を含み、該絶縁性繊維は、圧電単位中の導電性繊維が、他の圧電単位中の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように配されることが好ましい。本発明での配置順序は通常は、［導電性繊維／圧電性繊維／導電性繊維］であるので、絶縁性繊維は、［絶縁性繊維／導電性繊維／圧電性繊維／導電性繊維］ないし［絶縁性繊維／導電性繊維／圧電性繊維／導電性繊維／絶縁性繊維］として配置される。
圧電単位にこのように絶縁性繊維を配置することで、圧電単位を複数組み合わせた場合でも導電性繊維が接触することがなく、圧電素子としての性能（検出センサーの検出分解能、アクチュエーターにおける微細な形状変化）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１０６Ω・ｃｍ以上であれば用いることができ、より好ましくは１０８Ω・ｃｍ以上、さらに好ましくは１０１０Ω・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他、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。
とりわけ、生産の容易性、取扱性、強度、等を考慮し、絶縁性繊維が主としてポリチレンテレフタレート系繊維を含むことが好ましい。ここで、「主として」とは当該繊維が絶縁性繊維を基準として５０％を超えて占めることを意味し、好ましくは７５％以上、さらに好ましくは９０％以上、特に好ましくは９９％以上、最も好ましいのは１００％である。ポリエチレンテレフタレート「系」とは、当該繊維において、ポリエチレンテレフタレートが繊維を構成する成分を基準として５０％を超えて占めることを意味し、好ましくは７５％以上、さらに好ましくは９０％以上、特に好ましくは９９％以上、最も好ましいのは１００％である。
（圧電単位の組み合わせ形態）
本発明において、複数の並列した圧電単位を含有する織編物であることが好ましい。このような形態であることで、圧電素子として、形状の変形自由度（フレキシブルさ）を向上させることが可能である。
このような織編物形状は複数の並列した圧電単位を含み、圧電素子としての機能を発揮する限り何らの限定は無い。織物形状または編物形状を得るには、通常の織機または編機により製編織すればよい。
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。
なお、圧電単位が織り組織ないし編み組織に組み込まれて存在する場合、圧電性繊維そのものに屈曲部分が存在するが、圧電素子としての圧電性能を効率よく発現させるためには、圧電性繊維の屈曲部分が小さい方が好ましい。従って、織物と編み物とでは織物の方が好ましい。
織物として強度、取扱い性、製造の容易さとの兼ね合いの観点から、圧電単位は緯糸方向に配することが好ましい。経糸方向には他の繊維、例えば絶縁性繊維であるポリエチレンテレフタレート系繊維を配することが好ましい。
この場合でも、上述の通り、圧電性繊維の屈曲部分が小さい方が、圧電性能が効率よく発現することから、織組織としては平織よりは綾織りが好ましく、綾織よりもサテン織（朱子織）が好ましい。特にサテン織（朱子織）のなかでも、飛び数が３〜７の範囲にあると、織組織の保持と圧電性性能とを高い水準で発揮することから好ましい。
また、圧電性繊維は帯電しやすいため、誤作動しやすくなる場合がある。このような場合には、信号を取り出そうとする圧電繊維を接地（アース）して使用することもできる。接地（アース）する方法としては信号を取り出す導電性繊維とは別に、導電性繊維を配置することが好ましい。この場合、導電性繊維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。
（圧電素子のその他の態様１）
本発明の圧電素子はその他の態様として以下の圧電素子を包含する。
１．導電性繊維、その表面に被覆された圧電性高分子、および該圧電性高分子の表面に形成され表面導電層を含む、圧電素子。
２．  圧電性高分子が、主としてポリ乳酸を含む前項１に記載の圧電素子。
３．  圧電性高分子が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上である前項１または２記載の圧電素子。
４．  圧電性高分子が、一軸配向し、かつ結晶を含む前項２または３記載の圧電素子。
５．導電性繊維が炭素繊維である前項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子。
６．  圧電素子に印加された応力および／または応力の印加された位置を検出するセンサーである前項１〜５のいずれか一項に記載の圧電素子。
７．検出される圧電素子に印加された応力が、圧電素子表面への擦り力である、前項６記載の圧電素子。
（導電性繊維）
導電性繊維の直径は１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは０．１ｍｍ〜２ｍｍである。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。圧電性高分子と導電性繊維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、導電性繊維と圧電性高分子の間にアンカー層や接着層などを設けてもよい。
導電性繊維の材料としては、導電性を示すものであればよく、繊維状とする必要があることから、導電性高分子であることが好ましい。導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、炭素繊維などを用いることができる。また、高分子をマトリックスとして繊維状または粒状の導電性フィラーを入れたものでも良い。フレキシブルかつ長尺の電気特性の安定性の観点からより好ましくは炭素繊維である。
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。
一般の炭素繊維はフィラメントがいくつか集まった束となったマルチフィラメントが普通であるが、これを用いてもよく、また、一本からなるモノフィラメントだけを用いるのでも良い。マルチフィラメントを利用した方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントの径としては１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜１０μｍである。フィラメント数としては、１０本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは１００本〜５００００本、さらに好ましくは５００本〜３００００本である。
（圧電性高分子）
導電性繊維を被覆する圧電性高分子の厚みは１μｍ〜５ｍｍであることが好ましく、より好ましくは５μｍ〜３ｍｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜１ｍｍ、最も好ましくは２０μｍ〜０．５ｍｍである。薄すぎると強度の点で問題となる場合があり、また、厚すぎると電気出力を取り出すことが困難となる場合がある。
この圧電性高分子の導電性繊維の被覆状態であるが、導電性繊維と圧電性高分子からなる繊維の形状としては、できるだけ同心円状に近いことが、導電性繊維と表面導電層との距離を一定に保つという意味において好ましい。導電性繊維と圧電性高分子からなる繊維を形成する方法に特に限定はないが、例えば、導電性繊維を内側、圧電性高分子を外側にして、共押出して溶融紡糸したのちに延伸する方法などがある。また、導電性繊維を炭素繊維とした場合には、その繊維周面上に溶融押出した圧電性高分子を被覆し被覆時に延伸応力をかけることで圧電性高分子を延伸配向させる方法を用いてもよい。さらに、中空の延伸した圧電性高分子からなる繊維をあらかじめ作成し、その中に導電性繊維を挿入する方法でも良い。
また、導電性繊維と延伸した圧電性高分子からなる繊維を別々の工程で作成し、導電性繊維を圧電性高分子からなる繊維で巻き付けるなどして被覆する方法でも良い。
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。また、例えば、内側の導電性繊維、圧電性高分子、表面導電層を共押出して溶融紡糸したのちに延伸する方法を用いて、３層を一度に形成してもよい。
導電性繊維と延伸した圧電性高分子からなる繊維を別々の工程で作成する場合において、かつ、圧電性高分子としてポリ乳酸を用いた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、また、結晶化温度としては８０〜１７０℃であることがそれぞれ好ましい。
圧電性高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸など圧電性を示す高分子であれば利用できるが、主としてポリ乳酸からなることが好ましい。ポリ乳酸は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。さらに、ポリ乳酸からなる圧電性繊維はその軸方向への引張や圧縮応力では、分極が小さく、圧電素子として機能させることが困難であるが、せん断応力によっては比較的大きな電気出力が得られ、せん断応力を圧電性高分子に付与しやすい構成体を有する本発明の圧電素子においては好ましい。
圧電性高分子の繊維を導電性繊維に巻き付けることで被覆する場合においては、圧電性高分子の繊維としては、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、モノフィラメントを用いても良い。
圧電性高分子からなる繊維を導電性繊維に巻き付けて被覆する形態としては、例えば、圧電性高分子からなる繊維を編組チューブのような形態とし、導電性繊維を芯として当該チューブに挿入することで被覆してもよく、また、圧電性高分子からなる繊維を製紐して、丸打組物を製造するにあたり、導電性繊維を芯糸とし、その周囲に圧電性高分子からなる繊維を用いた丸打組紐を作製することで、被覆してもよい。
単糸径は１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは５μｍ〜２ｍｍ、さらに好ましくは１０μ〜１ｍｍである。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。
圧電性高分子は、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ここでの「主として」とは、好ましくは９０モル％、より好ましくは９５モル％、さらに好ましくは９８モル％以上のことを言う。
なお、導電性繊維としてマルチフィラメントを用いる場合、圧電性高分子は、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）に圧電性高分子が被覆していても、また、していなくともよく、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。
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。しかし、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、より好ましくは９９．３％以上、さらに好ましくは９９．５％以上である。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、圧電素子表面への擦り力によって十分な電気出力を得ることが難しくなる場合がある。
圧電性高分子は、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上であることが好ましい。
圧電性高分子は一軸配向しかつ結晶を含むものであることが好ましく、より好ましくは結晶を有する一軸配向ポリ乳酸である。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶状態および一軸配向において大きな圧電性を示すためである。
ポリ乳酸は加水分解が比較的早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、エポキシ、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、少なくとも５０重量％以上含有していることが好ましく、さらに好ましくは７０重量％以上、最も好ましくは９０重量％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、本発明の効果を奏する限り、どのようなポリマーを用いてもよい。
（表面導電層）
表面導電層の材料としては、導電性を示すものであれば使用可能である。材料として具体的には、銀や銅などの金属を含むペースト状のものを塗布したもの、銀、銅、酸化インジウム錫などを蒸着したもの、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、炭素繊維などの導電性高分子などを用いることができる。導電性を良好に保つ観点から、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。
この表面導電層の厚みとしては、１０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましく、より好ましくは２０ｎｍ〜１０μｍ、さらに好ましくは３０ｎｍ〜３μｍである。薄すぎると導電性が悪くなって、電気出力が得られにくくなる場合があり、また、厚すぎるとフレキシブル性を失う場合がある。
表面導電層としては、圧電性高分子上の全面に形成してもよく、また離散的に形成してもよい。この配置方法は目的に応じて設計することができるので、この配置に関しては特に限定はない。この表面導電層を離散的に配置し、電気出力をそれぞれの表面導電層から取り出すことで、圧電素子にかかる応力の強さと位置を検出することが可能となる。
表面導電層の保護、すなわち、最外層である表面導電層を人の手などの接触から防ぐ目的で、何らかの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。もちろん、この場合には保護層上を擦ることになるが、この擦りによるせん断応力が圧電性高分子まで到達し、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、フィルムなどあるいは、それらが組み合わされたものであってもよい。保護層としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが好適に用いられる。
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高分子に伝えやすいが、薄すぎると破壊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。
圧電素子は１本で使用する場合もあるが、複数本を並べて用いたり、布帛状に製編織して用いたり、組み紐に製紐してもよい。それによって布帛状、紐状の圧電素子を実現することも可能となる。布帛状、紐状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、圧電素子以外の他の繊維と組み合わせて、混繊、交織、交編等を行ってもよく、また、スマートフォンの筐体の樹脂などに組み込んで使ってもよい。
（圧電性素子のその他の態様２）
本発明の圧電素子はその他の態様として以下の圧電素子を包含する。
１．  導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも２本含み、各被覆繊維は、互いに略平行に配置され、かつ表面の圧電性高分子が互いに接触している圧電素子。
２．  圧電性高分子が、主としてポリ乳酸を含む前項１に記載の圧電素子。
３．  圧電性高分子が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上である前項１または２記載の圧電素子。
４．  圧電性高分子が、一軸配向しかつ結晶を含む前項１〜３のいずれか一項に記載の圧電素子。
５．  導電性繊維が、炭素繊維である前項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子。
６．  圧電素子に印加された応力の大きさおよび／または印加された位置を検出するセンサーである前項１〜５のいずれか一項に記載の圧電素子。
７．検出される圧電素子に印加された応力が、圧電素子表面への擦り力である、前項６記載の圧電素子。
（被覆繊維）
本発明の圧電素子は、導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも２本含む。
図４は本発明の圧電素子の１つの態様を表す構造模式図である。図４中の、符号１は圧電性高分子、符号２は導電性繊維である。
圧電素子の長さは特に限定はないが、製造において連続的に製造され、その後に好みの長さにカットして利用してもよい。実際の圧電素子としての利用においては、１ｍｍ〜１０ｍ、好ましくは、５ｍｍ〜２ｍ、より好ましくは１ｃｍ〜１ｍである。長さが短いと繊維形状である利便性が失われ、また、長いと導電性繊維の抵抗値の問題等で電気出力が低下する等の問題がある。
（導電性繊維）
導電性繊維の材料としては、導電性を示すものであればよく、繊維状とする必要があることから、導電性高分子であることが好ましい。導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、炭素繊維などを用いることができる。また、高分子をマトリックスとして繊維状または粒状の導電性フィラーを入れたものでも良い。フレキシブルかつ長尺の電気特性の安定性の観点からより好ましくは炭素繊維である。
圧電性高分子からの電気出力を効率よく取り出すため、導電性繊維の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。
導電性繊維の直径は１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは０．１ｍｍ〜２ｍｍである。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。もちろん、導電性繊維は１本のみで使用してもよいし、複数本束ねて使用してもよい。
一般の炭素繊維はフィラメントがいくつか集まった束となったマルチフィラメントが普通であるが、これを用いてもよく、また、一本からなるモノフィラメントだけを用いるのでも良い。マルチフィラメントを利用した方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。
モノフィラメントの径としては１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜１０μｍである。フィラメント数としては、１０本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは１００本〜５００００本、さらに好ましくは５００本〜３００００本である。
（圧電性高分子）
圧電性高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸など圧電性を示す高分子であれば利用できるが、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ポリ乳酸は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。さらに、ポリ乳酸からなる圧電性繊維はその軸方向への引張や圧縮応力では、分極が小さく、圧電素子として機能させることが困難であるが、せん断応力によっては比較的大きな電気出力が得られ、せん断応力を圧電性高分子に付与しやすい構成体を有する本発明の圧電素子においては好ましい。
圧電性高分子は、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ここで「主として」とは、好ましくは９０モル％、より好ましくは９５モル％、さらに好ましくは９８モル％以上のことを言う。
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、より好ましくは９９．３％以上、さらに好ましくは９９．５％以上である。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、圧電素子表面への擦り力によって十分な電気出力を得ることが難しくなる場合がある。圧電性高分子が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上であることが好ましい。
圧電性高分子は被覆繊維の繊維軸方向に一軸配向しかつ結晶を含むものであることが好ましく、より好ましくは結晶を有する一軸配向ポリ乳酸である。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶状態および一軸配向において大きな圧電性を示すためである。
ポリ乳酸は加水分解が比較的早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、少なくとも５０重量％以上含有していることが好ましく、さらに好ましくは７０重量％以上、最も好ましくは９０重量％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、本発明の効果を奏する限り、どのようなポリマーを用いてもよい。
（被覆）
各導電性繊維は、圧電性高分子で表面が被覆されている。導電性繊維を被覆する圧電性高分子の厚みは１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは５μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜３ｍｍ、最も好ましくは２０μｍ〜１ｍｍである。薄すぎると強度の点で問題となる場合があり、また、厚すぎると電気出力を取り出すことが困難となる場合がある。
圧電性高分子と導電性繊維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、導電性繊維と圧電性高分子の間にアンカー層や接着層などを設けてもよい。
被覆の方法および形状は、印加された応力に対して電気出力を出すことが出来れば特に限定されるものではない。
例えば、電線を作る要領で溶融させた圧電性高分子を導電性繊維の周りに被覆させたり、導電性繊維の周りに圧電性高分子の糸を巻きつけたり、圧電性高分子フィルムで導電性繊維を挟んで接着するなどの方法が上げられる。また、このように圧電性高分子により被覆する際に、予め、導電性繊維を三つ以上設けておいても良いし、導電性繊維一本のみを圧電性高分子で被覆した後に、圧電性高分子の表面を接着することによっても本発明の圧電素子を得ることができる。接着の方法も特に限定されるものではないが、接着剤の使用、溶着などが挙げられ、単に密着しているだけでも良い。
この圧電性高分子の導電性繊維の被覆状態であるが、導電性繊維と圧電性高分子の形状としては特に限定されるものではないが、例えば、一つの導電性繊維を圧電性高分子で被覆した繊維を後から接着させる方法で本発明の圧電素子を得る場合には、できるだけ同心円状に近いことが、導電性繊維間の距離を一定に保つという意味において好ましい。
なお、導電性繊維としてマルチフィラメントを用いる場合、圧電性高分子は、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）に圧電性高分子が被覆していても、また、していなくともよく、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。
本発明の圧電素子は少なくとも２本の導電性繊維を含むが、導電性繊維は２本に限定されず、より多くても良い。
（平行）
各導電性繊維は、互いに略平行に配置される。導電性繊維間の距離は、１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは５μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜３ｍｍ、最も好ましくは２０μｍ〜１ｍｍである。近すぎると強度の点で問題となる場合があり、離れすぎると電気出力を取り出すことが困難となる場合がある。ここで、「互いに略平行に配置」とは、複数の導電性繊維が互いに接触しないように配置することを意味し、導電性繊維の繊維長によって、許容されるずれ角は異なる。
（接触）
各被覆繊維は、表面の圧電性高分子同士が互いに接触している。導電性繊維を芯とし、圧電性高分子を被覆層とする被覆繊維が、表面の被覆層において互いに接触している態様がある。また平行に並べた複数の導電性繊維を２枚の圧電性高分子フィルムではさんで被覆した態様もある。
（製造方法（ｉ））
圧電素子は、１本の導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも二つ接着して製造することができる。この方法として以下の方法が挙げられる。
（ｉ−１）導電性繊維を内側、圧電性高分子を外側にして、共押出して溶融紡糸したのちに延伸する方法などがある。
（ｉｉ−２）また、導電性繊維上に溶融押出した圧電性高分子を被覆し、被覆時に延伸応力をかけることで圧電性高分子を延伸配向させる方法を用いてもよい。
（ｉｉｉ−３）また、中空の延伸した圧電性高分子からなる繊維をあらかじめ作製し、その中に導電性繊維を挿入する方法でも良い。
（ｉｖ−４）また、導電性繊維と延伸した圧電性高分子からなる繊維を別々の工程で作製し、導電性繊維に圧電性高分子からなる繊維で巻き付けるなどして被覆する方法でも良い。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、また、結晶化温度としては８０〜１７０℃であることがそれぞれ好ましい。
巻き付ける圧電性高分子の繊維としては、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、モノフィラメントを用いても良い。
巻き付けて被覆する形態としては、例えば、圧電性高分子からなる繊維を編組チューブのような形態とし、導電性繊維を芯として当該チューブに挿入することで被覆してもよい。また圧電性高分子からなる繊維を製紐して、丸打組物を製造するにあたり、導電性繊維を芯糸とし、その周囲に圧電性高分子からなる繊維を用いた丸打組紐を作製することで、被覆してもよい。圧電性高分子からなる繊維の単糸径は１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは５μｍ〜２ｍｍ、さらに好ましくは１０μ〜１ｍｍである。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。
以上のような方法で製造した、導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を複数接着することにより本発明の圧電素子を得ることができる。
（製造方法（ｉｉ））
また、平行に並べた複数の導電性繊維を圧電性高分子で被覆することによっても本発明の圧電素子を得ることができる。例えば、平行に並べた複数の導電性繊維を、二枚の圧電性高分子のフィルムにより挟むことによって本発明の圧電素子を得ることができる。また、この圧電素子を短冊状にカットすることによりフレキシブル性に優れた圧電素子を得ることができる。
（保護層）
本発明の圧電素子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。もちろん、この場合には保護層上を擦ることになるが、この擦りによるせん断応力が圧電性高分子まで到達し、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、フィルムなどあるいは、それらが組み合わされたものであってもよい。保護層としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが好適に用いられる。
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高分子に伝えやすいが、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。
（複数の圧電素子）
また、圧電素子を複数並べて用いることも可能である。並べ方としても一次元的に一段で並べても、二次元的に重ねて並べても良く、さらには布状に編織して用いたり、組み紐に製紐したりしてもよい。それによって布状、紐状の圧電素子を実現することも可能となる。布状、紐状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、圧電素子以外の他の繊維と組み合わせて、混繊、交織、交編等を行ってもよく、また、スマートフォンの筐体の樹脂などに組み込んで使ってもよい。このように本発明の圧電素子を複数本並べて使用する際においては、本発明の圧電素子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。
（圧電素子の適用技術）
本発明の圧電素子はいずれの態様であっても、圧電素子表面を擦るなどして、印加された応力の大きさおよび／または印加された位置を検出するセンサーとして利用することができる。なお、本発明の圧電素子は、擦る以外の押圧力などによっても圧電性高分子にせん断応力が与えられるならば、電気出力を取り出すことはもちろん可能である。
ここで、「印加される応力」とは本発明の目的にも記載した通り、指の表面で擦る程度の応力を意味しており、この、指の表面で擦る程度の応力の目安としては、おおよそ１〜１００Ｐａである。もちろん、これ以上であっても印加された応力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、１ｇｆ以上５０ｇｆ以下（１０ｍｍＮ以上５００ｍｍＮ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１ｇｆ以上１０ｇｆ以下（１０ｍｍＮ以上１００ｍｍＮ以下）の荷重で動作することが好ましい。もちろん、５０ｇｆ（５００ｍｍＮ）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。
また、本発明の圧電素子はいずれの態様であっても、電気信号を印加することでアクチュエーターとして用いることができる。そのため本発明の圧電素子は、布帛状のアクチュエーターとして用いることができる。この本発明のアクチュエーターは、印加する電気信号を制御することで、布帛表面の一部に凸部や凹部を形成することや、布帛全体を巻き形状とすることが可能である。本発明のアクチュエーターは、物品を把持することができる。また、人体（腕、足、腰等）に巻きつける形状に変化させて、サポーター等として機能させることが可能である。
【実施例】
【０００７】
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。
実施例１
（ポリ乳酸の製造）
Ｌ−ラクチド（（株）武蔵野化学研究所製、光学純度１００％）１００重量部に対し、オクチル酸スズを０．００５重量部加え、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の重量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。
（圧電素子の評価）
実施例１において圧電素子は以下のように評価した。
圧電素子の長手方向に平行に、表面導電層（金蒸着面）表面に指を接触させて約０．５ｍ／ｓの速度で擦ることで圧電特性を評価した（荷重は５０ｇｆ（５００ｍｍＮ）以下で全実施例、比較例を通じ略同一になるように設定）。実施例の評価システムを図２に示す。電圧評価は横河電機（株）製のデジタルオシロスコープＤＬ６０００シリーズ商品名『ＤＬ６０００』を用いた。
（圧電素子の製造）
導電性繊維として東邦テナックス（株）製の炭素繊維マルチフィラメントである品名『ＨＴＳ４０  ３Ｋ』を用い、この繊維に対して、樹脂温度２００℃にて溶融させたＰＬＬＡ１を同心円状に被覆させ、直ちに空気中にて冷却し、長さ１０ｍの被覆繊維１を得た。
ここで、被覆繊維１における炭素繊維が本発明における導電性繊維であるが、当該炭素繊維は直径７．０μｍのフィラメント３０００本を１束としたマルチフィラメントであり、体積抵抗率は１．６×１０−３Ω・ｃｍであった。また、この導電性繊維の直径は０．６ｍｍ、被覆されたＰＬＬＡ１層の厚みは０．３ｍｍであった（被覆繊維１の直径は１．２ｍｍ）。
次に、この被覆繊維１を繊維長１２ｃｍに切断し、内側の炭素繊維（導電性繊維）のみ両端を１ｃｍずつ除去し、内側の炭素繊維（導電性繊維）の長さが１０ｃｍ、外側のＰＬＬＡ１層の長さが１２ｃｍの被覆繊維２を作成した。次にこの被覆繊維２を温度８０℃に設定された引張試験機に入れ、被覆繊維２両端のＰＬＬＡ１層のみからなる部分（端部の１ｃｍ）をそれぞれニップにて把持し、外側のＰＬＬＡ１層のみを一軸延伸した。延伸速度は２００ｍｍ／ｍｉｎとし、延伸倍率３倍に延伸した。その後、さらに、ニップにて把持したまま、温度を１４０℃まで上昇させ５分間加熱処理を行い、結晶化後、急冷して当該被覆繊維２を引張試験機から取り出した。
得られた被覆繊維２は２層の同心円状の構成であり、直径は０．８ｍｍ、被覆されたＰＬＬＡ１層の厚みは０．１ｍｍであった。さらに、この被覆繊維表面の約半分に金を約１００ｎｍの厚みとなるように蒸着法によりコーティングし本発明の圧電素子を得た。この金の表面導電層の体積抵抗率は１．０×１０−４Ω・ｃｍであった。
この圧電素子の概略図を図１に記す。同様な方法でこの圧電素子を４本作成し、これらを図２に示すように平行に並べて圧電特性の評価を行った。
圧電素子の評価結果を図３に記す。２Ｖ以上の電圧と非常に大きな電圧が表面を擦るだけで得られることがわかった。圧電素子（センサー）としての機能を発揮することを確認した。
実施例２
（ポリ乳酸の製造）
Ｌ−ラクチド（（株）武蔵野化学研究所製、光学純度１００％）１００重量部に対し、オクチル酸スズを０．００５重量部加え、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の重量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。
（圧電素子の評価）
実施例２において圧電素子は以下のように評価した。
圧電素子の長手方向に平行に、指を接触させて約０．５ｍ／ｓの速度で擦ることで圧電特性を評価した。実施例２における評価システムを図５に示す。電圧評価は横河電機（株）製のデジタルオシロスコープＤＬ６０００シリーズ商品名『ＤＬ６０００』を用いた。
（圧電素子の製造）
導電性繊維として東邦テナックス（株）製の炭素繊維マルチフィラメントである品名『ＨＴＳ４０  ３Ｋ』を用い、この繊維に対して、樹脂温度２００℃にて溶融させたＰＬＬＡ１を同心円状に被覆させ、直ちに空気中にて冷却し、長さ１０ｍの被覆繊維１を得た。
ここで、被覆繊維１における炭素繊維が本発明における導電性繊維であるが、当該炭素繊維は直径７．０μｍのフィラメント３０００本を１束としたマルチフィラメントであり、体積抵抗率は１．６×１０−３Ω・ｃｍであった。また、この導電性繊維の直径は０．６ｍｍ、被覆されたＰＬＬＡ１層の厚みは０．３ｍｍであった（被覆繊維１の直径は１．２ｍｍ）。
次に、この被覆繊維１を繊維長１２ｃｍに切断し、内側の炭素繊維（導電性繊維）のみ両端を１ｃｍずつ除去し、内側の炭素繊維（導電性繊維）の長さが１０ｃｍ、外側のＰＬＬＡ１層の長さが１２ｃｍの被覆繊維２を作製した。次にこの被覆繊維２を温度８０℃に設定された引張試験機に入れ、被覆繊維２両端のＰＬＬＡ１層のみからなる部分（端部の１ｃｍ）をそれぞれニップにて把持し、外側のＰＬＬＡ１層のみを一軸延伸した。延伸速度は２００ｍｍ／ｍｉｎとし、延伸倍率３倍に延伸した。その後、さらに、ニップにて把持したまま、温度を１４０℃まで上昇させ５分間加熱処理を行い、結晶化後、急冷して当該被覆繊維２を引張試験機から取り出した。
得られた被覆繊維２は２層の同心円状の構成であり、直径は０．９ｍｍ、被覆されたＰＬＬＡ１層の厚みは０．１５ｍｍであった。さらに、この被覆繊維２を２本溶着させ、表面の圧電性高分子の端の部分を除去し、導電性繊維を剥き出しにし、図４に示すような圧電素子を得た。
この圧電素子を図５に示すような構成で圧電特性の評価を行った。圧電素子の評価結果を図６に記す。約６Ｖと非常に大きな電圧が表面を擦るだけで得られることがわかった、圧電素子（センサー）としての機能を発揮することを確認した。
実施例３〜７
（ポリ乳酸の製造）
実施例３〜７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重量部に対し、オクチル酸スズを０．００５重量部加え、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の重量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。
（圧電素子の評価）
実施例３〜７において圧電素子は以下のように評価した。
圧電素子に、変形を加えることで圧電特性を評価した。評価システムを図２に示す。電圧評価は横河電機（株）製のデジタルオシロスコープＤＬ６０００シリーズ商品名『ＤＬ６０００』を用いた。
実施例３〜７において用いた圧電性繊維、導電性繊維、絶縁性繊維は以下の方法で製造した。
（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／２４ｆｉｌａｍｅｎｔのマルチフィラメント一軸延伸糸１を得た。このマルチフィラメント一軸延伸糸１を８束まとめて、圧電性繊維１とした。
（導電性繊維）
東邦テナックス（株）製の炭素繊維マルチフィラメントである品名『ＨＴＳ４０  ３Ｋ』を導電性繊維１として用いた。当該導電性繊維１は直径７．０μｍのフィラメント３０００本を１束としたマルチフィラメントであり、体積抵抗率は１．６×１０−３Ω・ｃｍであった。
（絶縁性繊維）
２８０℃にて溶融させたＰＥＴ１を４８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１６７ｄＴｅｘ／４８フィラメントのマルチフィラメント延伸糸を得た。このマルチフィラメント延伸糸を４束まとめて、絶縁性繊維１とした。
実施例３
図７に示すように経糸に絶縁性繊維１を配し、緯糸に圧電性繊維１、導電性繊維１を交互に配した平織物を作製した。この平織物のうち圧電性繊維を挟む一対の導電性繊維を信号線としてオシロスコープに接続し、他の導電性繊維はアースに接続した。当該信号線を繋いだ導電性繊維に挟まれた圧電性繊維を指で擦ることにより図８に示すような電圧信号が得られた。また、繊維を折り曲げることにより図９に示すような電圧信号が得られた。圧電素子（センサー）として機能を発揮することを確認した。
実施例４
図１０に示すように経糸に圧電性繊維１と絶縁性繊維１とを交互に配し、緯糸に導電性繊維１と絶縁性繊維１を交互に配した平織物を作製した。この織物のうち２０ｍｍ離れた一対の導電性繊維を信号線としてオシロスコープに接続し、他の導電性繊維はアースに接続した。この織物の信号線を繋いだ導電性繊維に挟まれた圧電性繊維を指で擦ることにより図１１に示すような電圧信号が得られた。圧電素子（センサー）として機能を発揮することを確認した。
実施例５
図１２に示すように経糸に絶縁性繊維１を配し、緯糸に圧電性繊維１、導電性繊維１を交互に配した平織物を作製した。この織物の両端近くの圧電性繊維を挟む一対の導電性繊維を信号線として電圧源に接続し、電圧を印加したところ、織物全体にねじれが生じた。圧電素子（アクチュエーター）として機能を発揮することを確認した。
実施例６
図１３に示すように経糸に絶縁繊維１を配し、緯糸に絶縁性繊維１、導電性繊維１、圧電性繊維１、導電性繊維１の順に配してサテン（朱子）織物を作製した。この織物のうち圧電性繊維をはさむ一対の導電性繊維を信号線としてオシロスコープに接続し、織物に捩じりの変形を加えたところ、図１４に示すような電圧信号が得られた。圧電素子（センサー）として機能を発揮することを確認した。
実施例７
東邦テナックス（株）製の炭素繊維マルチフィラメントである品名『ＨＴＳ４０  ３Ｋ』を芯として、マルチフィラメント一軸延伸糸１を丸打組物として組紐を２本作製した。
この２本の組紐を、ジクロロメタンを用いて、マルチフィラメント一軸延伸糸の繊維表面の一部を溶解させることで溶着し、図１に示すような圧電素子を得た。
この圧電素子を、図２に示すような構成で圧電特性の評価を行った。
この圧電素子の表面を擦ることにより５Ｖと非常に大きな電圧が得られることがわかり、圧電素子（センサー）としての機能を発揮することを確認した。
比較例１
ＰＬＬＡ１を用いて、Ｔダイを有するフィルム溶融押出装置を用いて、樹脂温度２００℃で成形後、４０℃の冷却ロールにより急冷し未延伸フィルムを得た。その後、引き続き、テンター方式の横延伸機において、延伸倍率２．５倍、８０℃で横延伸、その後、熱固定ゾーンにて１４０℃で結晶化させて、幅７０ｃｍの延伸フィルムを得た。このフィルムを幅１ｃｍ長さ１０ｃｍに切り出し、両面に金蒸着を施し圧電素子を作成した。この金の表面導電層の体積抵抗率は１．０×１０−４Ω・ｃｍであった。図２で圧電素子をこのフィルム圧電素子に変えた以外は実施例１と同様に評価した。
この圧電素子を評価したが、約０．１Ｖ未満の電圧しか得られず、圧電素子の表面の擦り力を十分に電圧に変換できないことが分かった。本願が目的としている圧電素子（センサー）としての機能を発揮しないことを確認した。
図１〜２の符号の説明
１１  圧電性高分子
１２  導電性繊維
１３  表面導電層
２１  オシロスコープ
２２  評価用配線
２３  評価用配線
２４  導電性繊維
２５  金属電極
２６  圧電性高分子
２７  表面導電層
図４、５の符号の説明
１  圧電性高分子
２  導電性繊維
３  圧電素子固定板
４  評価用配線
５  オシロスコープ
図７、１０、１２、１３の符号の説明
Ａ  圧電性繊維
Ｂ  導電性繊維
Ｃ  絶縁性繊維
【図１】
2014058077.tif 000003
【図２】
2014058077.tif 000004
【図３】
2014058077.tif 000005
【図４】
2014058077.tif 000006
【図５】
2014058077.tif 000007
【図６】
2014058077.tif 000008
【図７】
2014058077.tif 000009
【図８】
2014058077.tif 000010
【図９】
2014058077.tif 000011
【図１０】
2014058077.tif 000012
【図１１】
2014058077.tif 000013
【図１２】
2014058077.tif 000014
【図１３】
2014058077.tif 000015
【図１４】
2014058077.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月22日(2015.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、この順序に配置されている請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、互いに略平行に配置されている請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
圧電単位は絶縁性繊維を含み、該絶縁性繊維は、圧電単位中の導電性繊維が、他の圧電単位中の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように配されている請求項１記載の圧電素子。
【請求項５】
圧電性繊維が、主としてポリ乳酸を含む請求項１に記載の圧電素子。
【請求項６】
圧電性繊維が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上である請求項１記載の圧電素子。
【請求項７】
圧電性繊維が一軸配向し且つ結晶を含む請求項１記載の圧電素子。
【請求項８】
導電性繊維が炭素繊維である請求項１記載の圧電素子。
【請求項９】
絶縁性繊維が主としてポリエチレンテレフタレート系繊維を含む請求項４記載の圧電素子。
【請求項１０】
複数の並列した圧電単位を含有する織編物である請求項３記載の圧電素子。
【請求項１１】
複数の並列した圧電単位を含有する織物であって、その織組織がサテン織である請求項１０記載の圧電素子。
【請求項１２】
圧電単位を緯糸方向に配した請求項１１記載の圧電素子。
【請求項１３】
圧電単位に含まれる圧電性繊維の飛び数が３〜７である請求項１１記載の圧電素子。
【請求項１４】
導電性繊維、その表面に被覆された圧電性高分子、および該圧電性高分子の表面に形成された表面導電層を含み、圧電性高分子はポリ乳酸である、圧電素子。
【請求項１５】
導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも２本含み、各被覆繊維は、互いに略平行に配置され、かつ表面の圧電性高分子が互いに接触（但し、一体化している形態は除く）している圧電素子。
【請求項１６】
圧電素子に印加された応力の大きさおよび／または印加された位置を検出するセンサーである請求項１〜１５のいずれか一項に記載の圧電素子。
【請求項１７】
検出される圧電素子に印加された応力が、圧電素子表面への擦り力である、請求項１６記載の圧電素子。
【請求項１８】
圧電素子に印加された電気信号により形状変化するアクチュエーターである請求項１〜１５のいずれか一項に記載の圧電素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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られる圧電素子に関する。さらに詳しくは、表面を擦るだけでタッチセンサーなどとして十分な電気出力を発生することのできる圧電素子や、印加された電気信号により形状変化するアクチュエーターとして機能する圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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が採用される機器が大幅に増加している。
最近の携帯電話やスマートフォンにおいては、液晶や有機エレクトロルミネッセンスなどを用いた表示装置の上にタッチ式入力装置を設置し、画面上に直接的に入力することができる方式が多く採用されている。高度化が進むスマートフォンなどの携帯機器の一層の利便性を向上させるためには、画面上にのみ入力装置を設置しているだけではなく、複数のタッチ式入力手段があることが好ましい。
例えば、スマートフォンにおいて、表示画面に指などで入力しようとした場合、片方の手でスマートフォンを持ち、もう一方の手の指で入力をすることになるため、両手を使用しての操作とならざるを得ない。一方、スマートフォンの筐体にもタッチセンサーなどが組み込まれていれば、片手での操作が可能になるといった利点がある。
その一例として、通常はセンサーとして使用されていない表示画面裏などの非表示画面部分の筐体部分にタッチセンサーなどを組み込み、このセンサーで画面情報の中の項目上またはアンカーポイントを選択する方式が、特開２００１-１８９７９２号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１のようなタッチセンサーを実現する入力装置としては、静電容量方式、抵抗膜式、光学式、電磁誘導方式、圧電シートを用いる方式などがある。
【０００３】
一方、圧電シートを用いる方式の例としては、特開２０１１−２５３５１７号公報（特許文献２）に開示がある。圧電シート方式は、静電容量方式や抵抗膜方式のタッチセンサーとは異なり、それ単体でセンサーに加えられる圧力と位置情報の両方を同時に検出可能であり、入力情報の多様性に貢献することができる。
また、特許文献２においては、圧電シートの部材の具体例として、圧電性高分子であるポリ乳酸を利用した例が開示されている。特許文献２で開示されているようにポリ乳酸からなる圧電シートは、フレキシブル化が可能であり、また、１つの素子で位置情報と応力を同時に検出できる優れた素子であるが、十分な電気出力を得るためには、入力時に圧電シートをその応力によってある程度撓ませる必要がある。
ポリ乳酸からなる圧電シートは、シートに対するせん断応力によって電気出力を発生するが、引張や圧縮では十分な電気出力が得られない。したがって、大きな電気出力を得るには圧電シート平面の垂直方向からの押圧力によってシートを撓ませる必要がある。
例えば、この圧電シートをスマートフォンの裏側の筐体に貼合あるいは筐体と一体にして使用することを考えると、シートに垂直方向に加えられる押し圧力によって、シートを撓ませることは空間的に難しく、圧電素子の表面を擦るだけで十分な電気出力を発生させるものが望まれていた。また、スマートフォン等の筐体表面は必ずしも平面とは限らず、意匠性確保などの理由で、その形状には三次元的な凹凸が多く、そこに用いられる圧電素子はフレキシブルであることが望まれていた。
【０００４】
また、圧電繊維技術としては圧電性高分子にねじりを加えた配向させたものが、特許３５４０２８号（特許文献３）に開示されている。特許文献３に記載の圧電繊維は、繊維を特殊な製造方法であらかじめ捩じらせておくことで繊維に対する引張や圧縮に対しては電気出力が得られる。しかし特許文献３には、繊維表面を擦ることによるせん断応力に対して十分な電気出力を発生させ、それを取り出すことに対する技術は全く示されていない。
したがって、このような圧電繊維素子を、前記したスマートフォンの筐体などに組み込んで、表面を指などで擦るといった比較的小さい印加応力だけで十分な電気出力を取り出すことは極めて困難である。
一般に一軸延伸配向したポリ乳酸繊維は、延伸軸およびその垂直方向に対する延伸や圧縮応力に対してほとんど分極が生じず、その結果、このような表面を指などで擦ることで発生する比較的小さな印加応力では電気出力がほとんど得られないことが知られている。
一方、ポリ乳酸圧電繊維の延伸軸に平行でも垂直でもない方向から力を加える、すなわち、せん断応力を与えることで分極が生じ、圧電体としての機能を発現することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１-１８９７９２号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５３５１７号公報
【特許文献３】特許第３５４０２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、表面を指などで擦るといった比較的小さな印加応力によって、電気出力を取り出すことができる繊維状の圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、２本の導電性繊維と１本の圧電性繊維との組み合わせ形状により、圧電素子として機能する場合があることを見出し、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。
【０００８】
１．  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。
２．  圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、この順序に配置されている上記１記載の圧電素子。
３．  圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、互いに略平行に配置されている上記２記載の圧電素子。
４．  圧電単位は絶縁性繊維を含み、該絶縁性繊維は、圧電単位中の導電性繊維が、他の圧電単位中の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように配されている上記１記載の圧電素子。
５．  圧電性繊維が、主としてポリ乳酸を含む上記１に記載の圧電素子。
６．  圧電性繊維が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上である上記１記載の圧電素子。
【０００９】
７．  圧電性繊維が一軸配向し且つ結晶を含む上記１記載の圧電素子。
８．  導電性繊維が炭素繊維である上記１記載の圧電素子。
９．  絶縁性繊維が主としてポリエチレンテレフタレート系繊維を含む上記４記載の圧電素子。
１０．  複数の並列した圧電単位を含有する織編物である上記３記載の圧電素子。
１１．  複数の並列した圧電単位を含有する織物であって、その織組織がサテン織である上記１０記載の圧電素子。
１２．  圧電単位を緯糸方向に配した上記１１記載の圧電素子。
【００１０】
１３．  圧電単位に含まれる圧電性繊維の飛び数が３〜７である上記１１記載の圧電素子。
１４．  導電性繊維、その表面に被覆された圧電性高分子、および該圧電性高分子の表面に形成された表面導電層を含み、圧電性高分子はポリ乳酸である、圧電素子。
１５．  導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも２本含み、各被覆繊維は、互いに略平行に配置され、かつ表面の圧電性高分子が互いに接触（但し、一体化している形態は除く）している圧電素子。
１６．  圧電素子に印加された応力の大きさおよび／または印加された位置を検出するセンサーである上記１〜１５のいずれかに記載の圧電素子。
１７．  検出される圧電素子に印加された応力が、圧電素子表面への擦り力である、上記１６記載の圧電素子。
１８．  圧電素子に印加された電気信号により形状変化するアクチュエーターである上記１〜１５のいずれかに記載の圧電素子。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の圧電素子は、フレキシブルでかつ表面を指などで擦るだけで、電気出力を取り出すことができる。
本発明の圧電素子は、タッチセンサーとして好適に利用できる。本発明の圧電素子をスマートフォンなどの筐体に組み込むことで、片手で操作が可能なスマートフォンなどを実現することができる。また本発明の圧電素子は、フレキシブルな繊維状であるので、織りや編みによって布状とすることも可能でありそれによりハンカチのような折り畳み可能な布状のタッチパネルも実現することが可能である。さらに本発明の圧電素子は、擦るだけで電気出力を取り出すことができ、マイクロ発電機などへの適用も可能である。
更には、本発明の圧電素子に電気信号を印加すると形状が変化するので、アクチュエーターとしても利用可能である。例えば、布帛状とした圧電素子に電気信号を印加して、布帛表面に載置した対象物を移動させたり、対象物を包んだりすることができる。また布帛を構成する各圧電素子へ印可する電気信号を制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例１記載の圧電素子の模式図である。
【図２】実施例１、７、比較例１の圧電素子の評価システムの概略図である。
【図３】実施例１の圧電素子の圧電特性を示すグラフである。
【図４】本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例２記載の圧電素子の模式図である。
【図５】実施例２の圧電素子の評価システムの概略図である。
【図６】実施例２の圧電素子の圧電特性を示すグラフである
【図７】本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例３記載の圧電素子の模式図である。
【図８】実施例３の圧電素子の圧電特性（擦り）を示すグラフである。
【図９】実施例３の圧電素子の圧電特性（折り曲げ）を示すグラフである。
【図１０】本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例４記載の圧電素子の模式図である。
【図１１】実施例４の圧電素子の圧電特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例５記載の圧電素子の模式図である。
【図１３】本発明の圧電素子の構成の一例であって、実施例６記載の圧電素子の模式図である。
【図１４】実施例６の圧電素子の圧電特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、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によって達成される。以下に各構成について説明する。
【００１４】
（導電性繊維）
導電性繊維の直径は１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは０．１ｍｍ〜２ｍｍである。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。
導電性繊維の材料としては、導電性を示すものであればよく、繊維状とする必要があることから、導電性高分子であることが好ましい。導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、炭素繊維などを用いることができる。また、高分子をマトリックスとして繊維状または粒状の導電性フィラーを入れたものでも良い。フレキシブルかつ長尺の電気特性の安定性の観点からより好ましくは炭素繊維である。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。
一般の炭素繊維はフィラメントがいくつか集まった束となったマルチフィラメントが普通であるが、これを用いてもよく、また、一本からなるモノフィラメントだけを用いるのでも良い。マルチフィラメントを利用した方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントの径としては１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜１０μｍである。フィラメント数としては、１０本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは１００本〜５００００本、さらに好ましくは５００本〜３００００本である。
【００１５】
（圧電性繊維）
圧電性繊維は圧電性を有する繊維である。圧電性繊維は圧電性高分子からなることが好ましい。圧電性高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸など圧電性を示す高分子であれば利用できるが、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ポリ乳酸は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。さらに、ポリ乳酸からなる圧電性繊維はその軸方向への引張や圧縮応力では、分極が小さく、圧電素子として機能させることが困難であるが、せん断応力によっては比較的大きな電気出力が得られ、せん断応力を圧電性高分子に付与しやすい構成体を有する本発明の圧電素子においては好ましい。
圧電性高分子は、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。「主として」とは、好ましくは９０モル％、より好ましくは９５モル％、さらに好ましくは９８モル％以上のことを言う。
【００１６】
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、より好ましくは９９．３％以上、さらに好ましくは９９．５％以上である。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、圧電素子表面への擦り力によって十分な電気出力を得ることが難しくなる場合がある。圧電性高分子が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上であることが好ましい。
圧電性高分子は被覆繊維の繊維軸方向に一軸配向しかつ結晶を含むものであることが好ましく、より好ましくは結晶を有する一軸配向ポリ乳酸である。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶状態および一軸配向において大きな圧電性を示すためである。
【００１７】
ポリ乳酸は加水分解が比較的早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、アロイの全重量を基準として少なくとも５０重量％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重量％以上、最も好ましくは９０重量％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効果を奏する限り、どのようなポリマーを用いてもよい。
【００１８】
圧電性繊維はフィラメントがいくつか集まった束となったマルチフィラメントが普通であるが、これを用いてもよく、また、一本からなるモノフィラメントだけを用いるのでも良い。マルチフィラメントを利用した方が圧電特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントの径としては１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは５μｍ〜５００μｍである。さらに好ましくは１０μｍ〜１００μｍである。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１０本〜５００００本、さらに好ましくは１００本〜１００００本である。
このような圧電性高分子を圧電性繊維とするためには、高分子を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、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等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。
なお、上述の通りに、圧電性高分子がポリ乳酸である場合には、一軸延伸配向し、かつ結晶を含むとより大きな圧電性を示すことから、繊維は延伸することが好ましい。
【００１９】
（接点）
２本の導電性繊維が１本の圧電性繊維と互いに接点を有していることが必要である。この接点を有する形態としては、繊維同士が接触している限りどのような形態をとっていてもよい。例えば、２本の導電性繊維が平行に配置され、１本の圧電性繊維が、これら２本の導電性繊維に交わるように配置された形態などを挙げることができる。さらには、２本の導電性繊維を経糸（または緯糸）として配し、１本の圧電性繊維を緯糸（または経糸）として配してもよい。この場合は２本の導電性繊維同士は接触していないことが好ましく、２本の導電性繊維の間には好ましくは絶縁性物質、例えば絶縁性を有するポリエステル繊維等の絶縁性繊維を介在させる形態の他、導電性繊維が接触しやすい表面にのみ絶縁性物質を被覆し、圧電性繊維とは直接導電性繊維が接触するようにする形態も採用することができる。
【００２０】
（略同一平面上）
本発明の圧電素子は、２本の導電性繊維と１本の圧電性繊維とは、略同一平面上に配置される。ここで略同一平面上とは、３本の繊維の繊維軸が略平面上に配置されることを意味し、「略」とは、繊維同士の交差点で厚みが生じることが含まれることを意味するものである。
例えば、２本の平行な導電性繊維の間に、１本の圧電性繊維が更に平行に引き揃えられた形態は接点を有するともに略同一平面上にある形態である。また、当該１本の圧電性繊維の繊維軸を、当該２本の平行な導電性繊維とは平行でない状態に傾けていても、略同一平面上にある。さらに、１本の導電性繊維と１本の圧電性繊維とを平行に引き揃え、もう１本の導電性繊維を、この引き揃えられた導電性繊維と圧電性繊維とに、交差させたとしても略同一平面上にある。
このような「略同一平面上」に無い形態とは、１本の圧電繊維の表面上の離れた位置（上記、引き揃えて接触させた、いわゆる圧電繊維の繊維軸の点対称部分への接触等は除く）に２本の導電性繊維が接点を有し、かつ２本の導電性繊維同士が交差しない形態等がある。
略平面上に配置されることで、当該圧電単位を組み合わせて、繊維状、布帛状の圧電素子を形成しやすく、繊維状、布帛状の形態の圧電素子を利用すれば、応力センサー、アクチュエーターの形状設計に自由度を増すことができる。
【００２１】
（配置順序）
圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維、導電性繊維が、この順に配置されていることが好ましい。このように配置することで、圧電単位の２本の導電性繊維同士が接触することがなくなり、導電性繊維に他の手段、例えば絶縁性物質を被覆するなどの技術を適用しなくても圧電単位として有効に機能させることができる。圧電単位は、導電性繊維、圧電性繊維および導電性繊維が、互いに略平行に配置されていることが好ましい。
【００２２】
（絶縁性繊維）
本発明の圧電単位は、絶縁性繊維を含み、該絶縁性繊維は、圧電単位中の導電性繊維が、他の圧電単位中の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように配されることが好ましい。本発明での配置順序は通常は、［導電性繊維／圧電性繊維／導電性繊維］であるので、絶縁性繊維は、［絶縁性繊維／導電性繊維／圧電性繊維／導電性繊維］ないし［絶縁性繊維／導電性繊維／圧電性繊維／導電性繊維／絶縁性繊維］として配置される。
圧電単位にこのように絶縁性繊維を配置することで、圧電単位を複数組み合わせた場合でも導電性繊維が接触することがなく、圧電素子としての性能（検出センサーの検出分解能、アクチュエーターにおける微細な形状変化）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１０６Ω・ｃｍ以上であれば用いることができ、より好ましくは１０８Ω・ｃｍ以上、さらに好ましくは１０１０Ω・ｃｍ以上がよい。
【００２３】
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他、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。
とりわけ、生産の容易性、取扱性、強度、等を考慮し、絶縁性繊維が主としてポリチレンテレフタレート系繊維を含むことが好ましい。ここで、「主として」とは当該繊維が絶縁性繊維を基準として５０％を超えて占めることを意味し、好ましくは７５％以上、さらに好ましくは９０％以上、特に好ましくは９９％以上、最も好ましいのは１００％である。ポリエチレンテレフタレート「系」とは、当該繊維において、ポリエチレンテレフタレートが繊維を構成する成分を基準として５０％を超えて占めることを意味し、好ましくは７５％以上、さらに好ましくは９０％以上、特に好ましくは９９％以上、最も好ましいのは１００％である。
【００２４】
（圧電単位の組み合わせ形態）
本発明において、複数の並列した圧電単位を含有する織編物であることが好ましい。このような形態であることで、圧電素子として、形状の変形自由度（フレキシブルさ）を向上させることが可能である。
このような織編物形状は複数の並列した圧電単位を含み、圧電素子としての機能を発揮する限り何らの限定は無い。織物形状または編物形状を得るには、通常の織機または編機により製編織すればよい。
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。
【００２５】
なお、圧電単位が織り組織ないし編み組織に組み込まれて存在する場合、圧電性繊維そのものに屈曲部分が存在するが、圧電素子としての圧電性能を効率よく発現させるためには、圧電性繊維の屈曲部分が小さい方が好ましい。従って、織物と編み物とでは織物の方が好ましい。
織物として強度、取扱い性、製造の容易さとの兼ね合いの観点から、圧電単位は緯糸方向に配することが好ましい。経糸方向には他の繊維、例えば絶縁性繊維であるポリエチレンテレフタレート系繊維を配することが好ましい。
この場合でも、上述の通り、圧電性繊維の屈曲部分が小さい方が、圧電性能が効率よく発現することから、織組織としては平織よりは綾織りが好ましく、綾織よりもサテン織（朱子織）が好ましい。特にサテン織（朱子織）のなかでも、飛び数が３〜７の範囲にあると、織組織の保持と圧電性性能とを高い水準で発揮することから好ましい。
また、圧電性繊維は帯電しやすいため、誤作動しやすくなる場合がある。このような場合には、信号を取り出そうとする圧電繊維を接地（アース）して使用することもできる。接地（アース）する方法としては信号を取り出す導電性繊維とは別に、導電性繊維を配置することが好ましい。この場合、導電性繊維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。
【００２６】
（圧電素子のその他の態様１）
本発明の圧電素子はその他の態様として以下の圧電素子を包含する。
１．導電性繊維、その表面に被覆された圧電性高分子、および該圧電性高分子の表面に形成され表面導電層を含み、圧電性高分子はポリ乳酸である、圧電素子。
２．  圧電性高分子が、ポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸でありこれらの光学純度は９９％以上である前項１記載の圧電素子。
３．  圧電性高分子が、一軸配向し、かつ結晶を含む前項１記載の圧電素子。
４．  導電性繊維が炭素繊維である前項１〜３のいずれか一項に記載の圧電素子。
５．  圧電素子に印加された応力および／または応力の印加された位置を検出するセンサーである前項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子。
６．  検出される圧電素子に印加された応力が、圧電素子表面への擦り力である、前項５記載の圧電素子。
【００２７】
（導電性繊維）
導電性繊維の直径は１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは０．１ｍｍ〜２ｍｍである。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。圧電性高分子と導電性繊維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、導電性繊維と圧電性高分子の間にアンカー層や接着層などを設けてもよい。
導電性繊維の材料としては、導電性を示すものであればよく、繊維状とする必要があることから、導電性高分子であることが好ましい。導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、炭素繊維などを用いることができる。また、高分子をマトリックスとして繊維状または粒状の導電性フィラーを入れたものでも良い。フレキシブルかつ長尺の電気特性の安定性の観点からより好ましくは炭素繊維である。
【００２８】
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。
一般の炭素繊維はフィラメントがいくつか集まった束となったマルチフィラメントが普通であるが、これを用いてもよく、また、一本からなるモノフィラメントだけを用いるのでも良い。マルチフィラメントを利用した方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントの径としては１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜１０μｍである。フィラメント数としては、１０本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは１００本〜５００００本、さらに好ましくは５００本〜３００００本である。
【００２９】
（圧電性高分子）
導電性繊維を被覆する圧電性高分子の厚みは１μｍ〜５ｍｍであることが好ましく、より好ましくは５μｍ〜３ｍｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜１ｍｍ、最も好ましくは２０μｍ〜０．５ｍｍである。薄すぎると強度の点で問題となる場合があり、また、厚すぎると電気出力を取り出すことが困難となる場合がある。
この圧電性高分子の導電性繊維の被覆状態であるが、導電性繊維と圧電性高分子からなる繊維の形状としては、できるだけ同心円状に近いことが、導電性繊維と表面導電層との距離を一定に保つという意味において好ましい。導電性繊維と圧電性高分子からなる繊維を形成する方法に特に限定はないが、例えば、導電性繊維を内側、圧電性高分子を外側にして、共押出して溶融紡糸したのちに延伸する方法などがある。また、導電性繊維を炭素繊維とした場合には、その繊維周面上に溶融押出した圧電性高分子を被覆し被覆時に延伸応力をかけることで圧電性高分子を延伸配向させる方法を用いてもよい。さらに、中空の延伸した圧電性高分子からなる繊維をあらかじめ作成し、その中に導電性繊維を挿入する方法でも良い。
また、導電性繊維と延伸した圧電性高分子からなる繊維を別々の工程で作成し、導電性繊維を圧電性高分子からなる繊維で巻き付けるなどして被覆する方法でも良い。
【００３０】
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。また、例えば、内側の導電性繊維、圧電性高分子、表面導電層を共押出して溶融紡糸したのちに延伸する方法を用いて、３層を一度に形成してもよい。
導電性繊維と延伸した圧電性高分子からなる繊維を別々の工程で作成する場合において、かつ、圧電性高分子としてポリ乳酸を用いた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、また、結晶化温度としては８０〜１７０℃であることがそれぞれ好ましい。
圧電性高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸など圧電性を示す高分子であれば利用できるが、主としてポリ乳酸からなることが好ましい。ポリ乳酸は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。さらに、ポリ乳酸からなる圧電性繊維はその軸方向への引張や圧縮応力では、分極が小さく、圧電素子として機能させることが困難であるが、せん断応力によっては比較的大きな電気出力が得られ、せん断応力を圧電性高分子に付与しやすい構成体を有する本発明の圧電素子においては好ましい。
【００３１】
圧電性高分子の繊維を導電性繊維に巻き付けることで被覆する場合においては、圧電性高分子の繊維としては、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、モノフィラメントを用いても良い。
圧電性高分子からなる繊維を導電性繊維に巻き付けて被覆する形態としては、例えば、圧電性高分子からなる繊維を編組チューブのような形態とし、導電性繊維を芯として当該チューブに挿入することで被覆してもよく、また、圧電性高分子からなる繊維を製紐して、丸打組物を製造するにあたり、導電性繊維を芯糸とし、その周囲に圧電性高分子からなる繊維を用いた丸打組紐を作製することで、被覆してもよい。
単糸径は１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは５μｍ〜２ｍｍ、さらに好ましくは１０μ〜１ｍｍである。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。
圧電性高分子は、ポリ乳酸である。
なお、導電性繊維としてマルチフィラメントを用いる場合、圧電性高分子は、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）に圧電性高分子が被覆していても、また、していなくともよく、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。
【００３２】
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。しかし、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、より好ましくは９９．３％以上、さらに好ましくは９９．５％以上である。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、圧電素子表面への擦り力によって十分な電気出力を得ることが難しくなる場合がある。
圧電性高分子は、ポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上であることが好ましい。
圧電性高分子は一軸配向しかつ結晶を含むものであることが好ましく、より好ましくは結晶を有する一軸配向ポリ乳酸である。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶状態および一軸配向において大きな圧電性を示すためである。
【００３３】
ポリ乳酸は加水分解が比較的早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、エポキシ、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、少なくとも５０重量％以上含有していることが好ましく、さらに好ましくは７０重量％以上、最も好ましくは９０重量％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、本発明の効果を奏する限り、どのようなポリマーを用いてもよい。
【００３４】
（表面導電層）
表面導電層の材料としては、導電性を示すものであれば使用可能である。材料として具体的には、銀や銅などの金属を含むペースト状のものを塗布したもの、銀、銅、酸化インジウム錫などを蒸着したもの、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、炭素繊維などの導電性高分子などを用いることができる。導電性を良好に保つ観点から、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。
この表面導電層の厚みとしては、１０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましく、より好ましくは２０ｎｍ〜１０μｍ、さらに好ましくは３０ｎｍ〜３μｍである。薄すぎると導電性が悪くなって、電気出力が得られにくくなる場合があり、また、厚すぎるとフレキシブル性を失う場合がある。
【００３５】
表面導電層としては、圧電性高分子上の全面に形成してもよく、また離散的に形成してもよい。この配置方法は目的に応じて設計することができるので、この配置に関しては特に限定はない。この表面導電層を離散的に配置し、電気出力をそれぞれの表面導電層から取り出すことで、圧電素子にかかる応力の強さと位置を検出することが可能となる。
表面導電層の保護、すなわち、最外層である表面導電層を人の手などの接触から防ぐ目的で、何らかの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。もちろん、この場合には保護層上を擦ることになるが、この擦りによるせん断応力が圧電性高分子まで到達し、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、フィルムなどあるいは、それらが組み合わされたものであってもよい。保護層としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが好適に用いられる。
【００３６】
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高分子に伝えやすいが、薄すぎると破壊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。
圧電素子は1本で使用する場合もあるが、複数本を並べて用いたり、布帛状に製編織して用いたり、組み紐に製紐してもよい。それによって布帛状、紐状の圧電素子を実現することも可能となる。布帛状、紐状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、圧電素子以外の他の繊維と組み合わせて、混繊、交織、交編等を行ってもよく、また、スマートフォンの筐体の樹脂などに組み込んで使ってもよい。
【００３７】
（圧電性素子のその他の態様２）
本発明の圧電素子はその他の態様として以下の圧電素子を包含する。
１．  導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも２本含み、各被覆繊維は、互いに略平行に配置され、かつ表面の圧電性高分子が互いに接触（但し、一体化している形態は除く）している圧電素子。
２．  圧電性高分子が、主としてポリ乳酸を含む前項１に記載の圧電素子。
３．  圧電性高分子が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上である前項１または２記載の圧電素子。
４．  圧電性高分子が、一軸配向しかつ結晶を含む前項１〜３のいずれか一項に記載の圧電素子。
５．  導電性繊維が、炭素繊維である前項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子。
６．  圧電素子に印加された応力の大きさおよび／または印加された位置を検出するセンサーである前項１〜５のいずれか一項に記載の圧電素子。
７．  検出される圧電素子に印加された応力が、圧電素子表面への擦り力である、前項６記載の圧電素子。
【００３８】
（被覆繊維）
本発明の圧電素子は、導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも２本含む。
図４は本発明の圧電素子の１つの態様を表す構造模式図である。図４中の、符号１は圧電性高分子、符号２は導電性繊維である。
圧電素子の長さは特に限定はないが、製造において連続的に製造され、その後に好みの長さにカットして利用してもよい。実際の圧電素子としての利用においては、１ｍｍ〜１０ｍ、好ましくは、５ｍｍ〜２ｍ、より好ましくは１ｃｍ〜１ｍである。長さが短いと繊維形状である利便性が失われ、また、長いと導電性繊維の抵抗値の問題等で電気出力が低下する等の問題がある。
【００３９】
（導電性繊維）
導電性繊維の材料としては、導電性を示すものであればよく、繊維状とする必要があることから、導電性高分子であることが好ましい。導電性高分子としては、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、炭素繊維などを用いることができる。また、高分子をマトリックスとして繊維状または粒状の導電性フィラーを入れたものでも良い。フレキシブルかつ長尺の電気特性の安定性の観点からより好ましくは炭素繊維である。
圧電性高分子からの電気出力を効率よく取り出すため、導電性繊維の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。
【００４０】
導電性繊維の直径は１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１０μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは０．１ｍｍ〜２ｍｍである。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。もちろん、導電性繊維は1本のみで使用してもよいし、複数本束ねて使用してもよい。
一般の炭素繊維はフィラメントがいくつか集まった束となったマルチフィラメントが普通であるが、これを用いてもよく、また、一本からなるモノフィラメントだけを用いるのでも良い。マルチフィラメントを利用した方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。
モノフィラメントの径としては１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜１０μｍである。フィラメント数としては、１０本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは１００本〜５００００本、さらに好ましくは５００本〜３００００本である。
【００４１】
（圧電性高分子）
圧電性高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸など圧電性を示す高分子であれば利用できるが、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ポリ乳酸は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。さらに、ポリ乳酸からなる圧電性繊維はその軸方向への引張や圧縮応力では、分極が小さく、圧電素子として機能させることが困難であるが、せん断応力によっては比較的大きな電気出力が得られ、せん断応力を圧電性高分子に付与しやすい構成体を有する本発明の圧電素子においては好ましい。
圧電性高分子は、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ここで「主として」とは、好ましくは９０モル％、より好ましくは９５モル％、さらに好ましくは９８モル％以上のことを言う。
【００４２】
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、より好ましくは９９．３％以上、さらに好ましくは９９．５％以上である。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、圧電素子表面への擦り力によって十分な電気出力を得ることが難しくなる場合がある。圧電性高分子が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上であることが好ましい。
圧電性高分子は被覆繊維の繊維軸方向に一軸配向しかつ結晶を含むものであることが好ましく、より好ましくは結晶を有する一軸配向ポリ乳酸である。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶状態および一軸配向において大きな圧電性を示すためである。
【００４３】
ポリ乳酸は加水分解が比較的早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、少なくとも５０重量％以上含有していることが好ましく、さらに好ましくは７０重量％以上、最も好ましくは９０重量％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、本発明の効果を奏する限り、どのようなポリマーを用いてもよい。
【００４４】
（被覆）
各導電性繊維は、圧電性高分子で表面が被覆されている。導電性繊維を被覆する圧電性高分子の厚みは１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは５μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜３ｍｍ、最も好ましくは２０μｍ〜１ｍｍである。薄すぎると強度の点で問題となる場合があり、また、厚すぎると電気出力を取り出すことが困難となる場合がある。
圧電性高分子と導電性繊維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、導電性繊維と圧電性高分子の間にアンカー層や接着層などを設けてもよい。
被覆の方法および形状は、印加された応力に対して電気出力を出すことが出来れば特に限定されるものではない。
例えば、電線を作る要領で溶融させた圧電性高分子を導電性繊維の周りに被覆させたり、導電性繊維の周りに圧電性高分子の糸を巻きつけたり、圧電性高分子フィルムで導電性繊維を挟んで接着するなどの方法が上げられる。また、このように圧電性高分子により被覆する際に、予め、導電性繊維を三つ以上設けておいても良いし、導電性繊維一本のみを圧電性高分子で被覆した後に、圧電性高分子の表面を接着することによっても本発明の圧電素子を得ることができる。接着の方法も特に限定されるものではないが、接着剤の使用、溶着などが挙げられ、単に密着しているだけでも良い。
【００４５】
この圧電性高分子の導電性繊維の被覆状態であるが、導電性繊維と圧電性高分子の形状としては特に限定されるものではないが、例えば、一つの導電性繊維を圧電性高分子で被覆した繊維を後から接着させる方法で本発明の圧電素子を得る場合には、できるだけ同心円状に近いことが、導電性繊維間の距離を一定に保つという意味において好ましい。
なお、導電性繊維としてマルチフィラメントを用いる場合、圧電性高分子は、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）に圧電性高分子が被覆していても、また、していなくともよく、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。
本発明の圧電素子は少なくとも２本の導電性繊維を含むが、導電性繊維は２本に限定されず、より多くても良い。
【００４６】
（平行）
各導電性繊維は、互いに略平行に配置される。導電性繊維間の距離は、１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは５μｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜３ｍｍ、最も好ましくは２０μｍ〜１ｍｍである。近すぎると強度の点で問題となる場合があり、離れすぎると電気出力を取り出すことが困難となる場合がある。ここで、「互いに略平行に配置」とは、複数の導電性繊維が互いに接触しないように配置することを意味し、導電性繊維の繊維長によって、許容されるずれ角は異なる。
【００４７】
（接触）
各被覆繊維は、表面の圧電性高分子同士が互いに接触している。導電性繊維を芯とし、圧電性高分子を被覆層とする被覆繊維が、表面の被覆層において互いに接触している態様がある。また平行に並べた複数の導電性繊維を２枚の圧電性高分子フィルムではさんで被覆した態様もある。
【００４８】
（製造方法（ｉ））
圧電素子は、１本の導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を少なくとも二つ接着して製造することができる。この方法として以下の方法が挙げられる。
（ｉ−１）導電性繊維を内側、圧電性高分子を外側にして、共押出して溶融紡糸したのちに延伸する方法などがある。
（ｉｉ−２）また、導電性繊維上に溶融押出した圧電性高分子を被覆し、被覆時に延伸応力をかけることで圧電性高分子を延伸配向させる方法を用いてもよい。
（ｉｉｉ−３）また、中空の延伸した圧電性高分子からなる繊維をあらかじめ作製し、その中に導電性繊維を挿入する方法でも良い。
（ｉｖ−４）また、導電性繊維と延伸した圧電性高分子からなる繊維を別々の工程で作製し、導電性繊維に圧電性高分子からなる繊維で巻き付けるなどして被覆する方法でも良い。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。
【００４９】
この場合、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、また、結晶化温度としては８０〜１７０℃であることがそれぞれ好ましい。
巻き付ける圧電性高分子の繊維としては、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、モノフィラメントを用いても良い。
巻き付けて被覆する形態としては、例えば、圧電性高分子からなる繊維を編組チューブのような形態とし、導電性繊維を芯として当該チューブに挿入することで被覆してもよい。また圧電性高分子からなる繊維を製紐して、丸打組物を製造するにあたり、導電性繊維を芯糸とし、その周囲に圧電性高分子からなる繊維を用いた丸打組紐を作製することで、被覆してもよい。圧電性高分子からなる繊維の単糸径は１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは５μｍ〜２ｍｍ、さらに好ましくは１０μ〜１ｍｍである。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。
以上のような方法で製造した、導電性繊維の表面を圧電性高分子で被覆した被覆繊維を複数接着することにより本発明の圧電素子を得ることができる。
【００５０】
（製造方法（ｉｉ））
また、平行に並べた複数の導電性繊維を圧電性高分子で被覆することによっても本発明の圧電素子を得ることができる。例えば、平行に並べた複数の導電性繊維を、二枚の圧電性高分子のフィルムにより挟むことによって本発明の圧電素子を得ることができる。また、この圧電素子を短冊状にカットすることによりフレキシブル性に優れた圧電素子を得ることができる。
【００５１】
（保護層）
本発明の圧電素子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。もちろん、この場合には保護層上を擦ることになるが、この擦りによるせん断応力が圧電性高分子まで到達し、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、フィルムなどあるいは、それらが組み合わされたものであってもよい。保護層としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが好適に用いられる。
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高分子に伝えやすいが、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。
【００５２】
（複数の圧電素子）
また、圧電素子を複数並べて用いることも可能である。並べ方としても一次元的に一段で並べても、二次元的に重ねて並べても良く、さらには布状に編織して用いたり、組み紐に製紐したりしてもよい。それによって布状、紐状の圧電素子を実現することも可能となる。布状、紐状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、圧電素子以外の他の繊維と組み合わせて、混繊、交織、交編等を行ってもよく、また、スマートフォンの筐体の樹脂などに組み込んで使ってもよい。このように本発明の圧電素子を複数本並べて使用する際においては、本発明の圧電素子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。
【００５３】
（圧電素子の適用技術）
本発明の圧電素子はいずれの態様であっても、圧電素子表面を擦るなどして、印加された応力の大きさおよび／または印加された位置を検出するセンサーとして利用することができる。なお、本発明の圧電素子は、擦る以外の押圧力などによっても圧電性高分子にせん断応力が与えられるならば、電気出力を取り出すことはもちろん可能である。
ここで、「印加される応力」とは本発明の目的にも記載した通り、指の表面で擦る程度の応力を意味しており、この、指の表面で擦る程度の応力の目安としては、おおよそ１〜１００Ｐａである。もちろん、これ以上であっても印加された応力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、１ｇｆ以上５０ｇｆ以下（１０ｍｍＮ以上５００ｍｍＮ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１ｇｆ以上１０ｇｆ以下（１０ｍｍＮ以上１００ｍｍＮ以下）の荷重で動作することが好ましい。もちろん、５０ｇｆ（５００ｍｍＮ）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。
【００５４】
また、本発明の圧電素子はいずれの態様であっても、電気信号を印加することでアクチュエーターとして用いることができる。そのため本発明の圧電素子は、布帛状のアクチュエーターとして用いることができる。この本発明のアクチュエーターは、印加する電気信号を制御することで、布帛表面の一部に凸部や凹部を形成することや、布帛全体を巻き形状とすることが可能である。本発明のアクチュエーターは、物品を把持することができる。また、人体（腕、足、腰等）に巻きつける形状に変化させて、サポーター等として機能させることが可能である。
【実施例】
【００５５】
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。
【００５６】
実施例１
（ポリ乳酸の製造）
Ｌ−ラクチド（（株）武蔵野化学研究所製、光学純度１００％）１００重量部に対し、オクチル酸スズを０．００５重量部加え、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の重量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。
【００５７】
（圧電素子の評価）
実施例１において圧電素子は以下のように評価した。
圧電素子の長手方向に平行に、表面導電層（金蒸着面）表面に指を接触させて約０．５ｍ/ｓの速度で擦ることで圧電特性を評価した（荷重は５０ｇｆ（５００ｍｍＮ）以下で全実施例、比較例を通じ略同一になるように設定）。実施例の評価システムを図２に示す。電圧評価は横河電機（株）製のデジタルオシロスコープＤＬ６０００シリーズ商品名『ＤＬ６０００』を用いた。
【００５８】
（圧電素子の製造）
導電性繊維として東邦テナックス（株）製の炭素繊維マルチフィラメントである品名『ＨＴＳ４０  ３Ｋ』を用い、この繊維に対して、樹脂温度２００℃にて溶融させたＰＬＬＡ１を同心円状に被覆させ、直ちに空気中にて冷却し、長さ１０ｍの被覆繊維１を得た。
ここで、被覆繊維１における炭素繊維が本発明における導電性繊維であるが、当該炭素繊維は直径７．０μｍのフィラメント３０００本を１束としたマルチフィラメントであり、体積抵抗率は１．６×１０−３Ω・ｃｍであった。また、この導電性繊維の直径は０．６ｍｍ、被覆されたＰＬＬＡ１層の厚みは０．３ｍｍであった（被覆繊維１の直径は１．２ｍｍ）。
【００５９】
次に、この被覆繊維１を繊維長１２ｃｍに切断し、内側の炭素繊維（導電性繊維）のみ両端を１ｃｍずつ除去し、内側の炭素繊維（導電性繊維）の長さが１０ｃｍ、外側のＰＬＬＡ１層の長さが１２ｃｍの被覆繊維２を作成した。次にこの被覆繊維２を温度８０℃に設定された引張試験機に入れ、被覆繊維２両端のＰＬＬＡ１層のみからなる部分（端部の１ｃｍ）をそれぞれニップにて把持し、外側のＰＬＬＡ１層のみを一軸延伸した。延伸速度は２００ｍｍ／ｍｉｎとし、延伸倍率３倍に延伸した。その後、さらに、ニップにて把持したまま、温度を１４０℃まで上昇させ５分間加熱処理を行い、結晶化後、急冷して当該被覆繊維２を引張試験機から取り出した。
【００６０】
得られた被覆繊維２は２層の同心円状の構成であり、直径は０．８ｍｍ、被覆されたＰＬＬＡ１層の厚みは０．１ｍｍであった。さらに、この被覆繊維表面の約半分に金を約１００ｎｍの厚みとなるように蒸着法によりコーティングし本発明の圧電素子を得た。この金の表面導電層の体積抵抗率は１．０×１０−４Ω・ｃｍであった。
この圧電素子の概略図を図１に記す。同様な方法でこの圧電素子を４本作成し、これらを図２に示すように平行に並べて圧電特性の評価を行った。
圧電素子の評価結果を図３に記す。２Ｖ以上の電圧と非常に大きな電圧が表面を擦るだけで得られることがわかった。圧電素子（センサー）としての機能を発揮することを確認した。
【００６１】
実施例２
（ポリ乳酸の製造）
Ｌ−ラクチド（（株）武蔵野化学研究所製、光学純度１００％）１００重量部に対し、オクチル酸スズを０．００５重量部加え、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の重量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。
【００６２】
（圧電素子の評価）
実施例２において圧電素子は以下のように評価した。
圧電素子の長手方向に平行に、指を接触させて約０．５ｍ/ｓの速度で擦ることで圧電特性を評価した。実施例２における評価システムを図５に示す。電圧評価は横河電機（株）製のデジタルオシロスコープＤＬ６０００シリーズ商品名『ＤＬ６０００』を用いた。
【００６３】
（圧電素子の製造）
導電性繊維として東邦テナックス（株）製の炭素繊維マルチフィラメントである品名『ＨＴＳ４０  ３Ｋ』を用い、この繊維に対して、樹脂温度２００℃にて溶融させたＰＬＬＡ１を同心円状に被覆させ、直ちに空気中にて冷却し、長さ１０ｍの被覆繊維１を得た。
ここで、被覆繊維１における炭素繊維が本発明における導電性繊維であるが、当該炭素繊維は直径７．０μｍのフィラメント３０００本を１束としたマルチフィラメントであり、体積抵抗率は１．６×１０−３Ω・ｃｍであった。また、この導電性繊維の直径は０．６ｍｍ、被覆されたＰＬＬＡ１層の厚みは０．３ｍｍであった（被覆繊維１の直径は１．２ｍｍ）。
次に、この被覆繊維１を繊維長１２ｃｍに切断し、内側の炭素繊維（導電性繊維）のみ両端を１ｃｍずつ除去し、内側の炭素繊維（導電性繊維）の長さが１０ｃｍ、外側のＰＬＬＡ１層の長さが１２ｃｍの被覆繊維２を作製した。次にこの被覆繊維２を温度８０℃に設定された引張試験機に入れ、被覆繊維２両端のＰＬＬＡ１層のみからなる部分（端部の１ｃｍ）をそれぞれニップにて把持し、外側のＰＬＬＡ１層のみを一軸延伸した。延伸速度は２００ｍｍ／ｍｉｎとし、延伸倍率３倍に延伸した。その後、さらに、ニップにて把持したまま、温度を１４０℃まで上昇させ５分間加熱処理を行い、結晶化後、急冷して当該被覆繊維２を引張試験機から取り出した。
得られた被覆繊維２は２層の同心円状の構成であり、直径は０．９ｍｍ、被覆されたＰＬＬＡ１層の厚みは０．１５ｍｍであった。さらに、この被覆繊維２を２本溶着させ、表面の圧電性高分子の端の部分を除去し、導電性繊維を剥き出しにし、図４に示すような圧電素子を得た。
この圧電素子を図５に示すような構成で圧電特性の評価を行った。圧電素子の評価結果を図６に記す。約６Ｖと非常に大きな電圧が表面を擦るだけで得られることがわかった。圧電素子（センサー）としての機能を発揮することを確認した。
【００６４】
実施例３〜７
（ポリ乳酸の製造）
実施例３〜７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重量部に対し、オクチル酸スズを０．００５重量部加え、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の重量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。
【００６５】
（圧電素子の評価）
実施例３〜７において圧電素子は以下のように評価した。
圧電素子に、変形を加えることで圧電特性を評価した。評価システムを図２に示す。電圧評価は横河電機（株）製のデジタルオシロスコープＤＬ６０００シリーズ商品名『ＤＬ６０００』を用いた。
実施例３〜７において用いた圧電性繊維、導電性繊維、絶縁性繊維は以下の方法で製造した。
【００６６】
（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／２４ｆｉｌａｍｅｎｔのマルチフィラメント一軸延伸糸１を得た。このマルチフィラメント一軸延伸糸１を８束まとめて、圧電性繊維１とした。
【００６７】
（導電性繊維）
東邦テナックス（株）製の炭素繊維マルチフィラメントである品名『ＨＴＳ４０  ３Ｋ』を導電性繊維１として用いた。当該導電性繊維１は直径７．０μｍのフィラメント３０００本を１束としたマルチフィラメントであり、体積抵抗率は１．６×１０−３Ω・ｃｍであった。
【００６８】
（絶縁性繊維）
２８０℃にて溶融させたＰＥＴ１を４８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１６７ｄＴｅｘ／４８フィラメントのマルチフィラメント延伸糸を得た。このマルチフィラメント延伸糸を４束まとめて、絶縁性繊維１とした。
【００６９】
実施例３
図７に示すように経糸に絶縁性繊維１を配し、緯糸に圧電性繊維１、導電性繊維１を交互に配した平織物を作製した。この平織物のうち圧電性繊維を挟む一対の導電性繊維を信号線としてオシロスコープに接続し、他の導電性繊維はアースに接続した。当該信号線を繋いだ導電性繊維に挟まれた圧電性繊維を指で擦ることにより図８に示すような電圧信号が得られた。また、繊維を折り曲げることにより図９に示すような電圧信号が得られた。圧電素子（センサー）として機能を発揮することを確認した。
【００７０】
実施例４
図１０に示すように経糸に圧電性繊維１と絶縁性繊維１とを交互に配し、緯糸に導電性繊維１と絶縁性繊維１を交互に配した平織物を作製した。この織物のうち２０ｍｍ離れた一対の導電性繊維を信号線としてオシロスコープに接続し、他の導電性繊維はアースに接続した。この織物の信号線を繋いだ導電性繊維に挟まれた圧電性繊維を指で擦ることにより図１１に示すような電圧信号が得られた。圧電素子（センサー）として機能を発揮することを確認した。
【００７１】
実施例５
図１２に示すように経糸に絶縁性繊維１を配し、緯糸に圧電性繊維１、導電性繊維１を交互に配した平織物を作製した。この織物の両端近くの圧電性繊維を挟む一対の導電性繊維を信号線として電圧源に接続し、電圧を印加したところ、織物全体にねじれが生じた。圧電素子（アクチュエーター）として機能を発揮することを確認した。
【００７２】
実施例６
図１３に示すように経糸に絶縁繊維１を配し、緯糸に絶縁性繊維１、導電性繊維１、圧電性繊維１、導電性繊維１の順に配してサテン（朱子）織物を作製した。この織物のうち圧電性繊維をはさむ一対の導電性繊維を信号線としてオシロスコープに接続し、織物に捩じりの変形を加えたところ、図１４に示すような電圧信号が得られた。圧電素子（センサー）として機能を発揮することを確認した。
【００７３】
実施例７
東邦テナックス（株）製の炭素繊維マルチフィラメントである品名『ＨＴＳ４０  ３Ｋ』を芯として、マルチフィラメント一軸延伸糸１を丸打組物として組紐を２本作製した。
この２本の組紐を、ジクロロメタンを用いて、マルチフィラメント一軸延伸糸の繊維表面の一部を溶解させることで溶着し、図１に示すような圧電素子を得た。
この圧電素子を、図２に示すような構成で圧電特性の評価を行った。
この圧電素子の表面を擦ることにより５Ｖと非常に大きな電圧が得られることがわかり、圧電素子（センサー）としての機能を発揮することを確認した。
【００７４】
比較例１
ＰＬＬＡ１を用いて、Ｔダイを有するフィルム溶融押出装置を用いて、樹脂温度２００℃で成形後、４０℃の冷却ロールにより急冷し未延伸フィルムを得た。その後、引き続き、テンター方式の横延伸機において、延伸倍率２．５倍、８０℃で横延伸、その後、熱固定ゾーンにて１４０℃で結晶化させて、幅７０ｃｍの延伸フィルムを得た。このフィルムを幅１ｃｍ長さ１０ｃｍに切り出し、両面に金蒸着を施し圧電素子を作成した。この金の表面導電層の体積抵抗率は１．０×１０−４Ω・ｃｍであった。図２で圧電素子をこのフィルム圧電素子に変えた以外は実施例１と同様に評価した。
この圧電素子を評価したが、約０．１Ｖ未満の電圧しか得られず、圧電素子の表面の擦り力を十分に電圧に変換できないことが分かった。本願が目的としている圧電素子（センサー）としての機能を発揮しないことを確認した。
【符号の説明】
【００７５】
図１〜２の符号の説明
１１  圧電性高分子
１２  導電性繊維
１３  表面導電層
２１  オシロスコープ
２２  評価用配線
２３  評価用配線
２４  導電性繊維
２５  金属電極
２６  圧電性高分子
２７  表面導電層
図４、５の符号の説明
１  圧電性高分子
２  導電性繊維
３  圧電素子固定板
４  評価用配線
５  オシロスコープ
図７、１０、１２、１３の符号の説明
Ａ  圧電性繊維
Ｂ  導電性繊維
Ｃ  絶縁性繊維
【国際調査報告】
2014058077.tif 000017
2014058077.tif 000018
2014058077.tif 000019
2014058077.tif 000020