(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体近傍に配置される少なくとも２本の線状圧電素子であって、前記線状圧電素子に印加された応力に応じて電気信号が発生する線状圧電素子と、
各前記線状圧電素子で発生した電気信号を検出する信号検出部と、
前記信号検出部が検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを、前記線状圧電素子ごとに判定する超過判定部と、
前記超過判定部により前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときの前記線状圧電素子の超過のタイミングを記録するタイミング記録部と、
前記タイミング記録部に記録された前記線状圧電素子の超過のタイミングに基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定する領域特定部と、
を備え、
前記タイミング記録部は、前記超過判定部により前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときに記録する前記線状圧電素子のタイミングとして、各前記線状圧電素子の超過順を記録し、前記領域特定部は、前記タイミング記録部に記録された前記線状圧電素子の超過順に基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定するか、又は、
前記タイミング記録部は、前記超過判定部により前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときに記録する前記線状圧電素子のタイミングとして、各前記線状圧電素子で発生した電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過した時間差を記録し、前記領域特定部は、前記タイミング記録部に記録された前記所定の閾値を超過した時間差に基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定する、圧電センサ。
【請求項２】
前記信号検出部が検出した電気信号の大きさに基づいて、前記線状圧電素子に印加された応力の大きさを計算する応力計算部をさらに備える、請求項１に記載の圧電センサ。
【請求項３】
前記信号検出部は、各前記線状圧電素子で発生した電気信号の大きさとして電流値を検出し、
前記超過判定部は、前記信号検出部が検出した前記電気信号の電流値が所定の閾値を超過したか否かを、前記線状圧電素子ごとに判定し、
前記タイミング記録部は、前記超過判定部により前記電気信号の電流値が前記所定の閾値を超過したと判定されたときの前記線状圧電素子のタイミングを記録する、請求項１または２に記載の圧電センサ。
【請求項４】
被測定体近傍に配置される少なくとも１本の線状圧電素子であって、前記線状圧電素子に印加された応力に応じて電気信号が発生する線状圧電素子と、
前記線状圧電素子で発生した電気信号を検出する信号検出部と、
前記信号検出部が検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを判定する超過判定部と、
前記超過判定部により前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたとき、前記被測定体に応力が印加されたと判定する印加判定部と、
を備え、
前記線状圧電素子は、導電性繊維で形成された芯部と、前記芯部を被覆するように組紐状の圧電性繊維で形成された鞘部とを有する組紐状圧電素子であり、
前記圧電性繊維は、配向軸を３軸とした時の圧電定数ｄ１４の絶対値が０．１ｐＣ／Ｎ以上１０００ｐＣ／Ｎ以下の値を有する結晶性高分子を主成分として含む圧電性高分子であり、該圧電性高分子によって被覆された前記芯部の中心軸の方向に対する前記圧電性高分子の配向角度が１５°以上７５°以下であり、前記圧電性高分子は、圧電定数ｄ１４の値が正の結晶性高分子を主成分として含むＰ体と、負の結晶性高分子を主成分として含むＮ体とを含み、前記中心軸が１ｃｍの長さを持つ部分について、配向軸がＺ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｐ体の質量をＺＰ、配向軸がＳ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｐ体の質量をＳＰ、配向軸がＺ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｎ体の質量をＺＮ、配向軸がＳ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｎ体の質量をＳＮとし、（ＺＰ＋ＳＮ）と（ＳＰ＋ＺＮ）とのうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２としたとき、Ｔ１／Ｔ２の値が０以上０．８以下である、圧電センサ。
【請求項５】
前記信号検出部が検出した電気信号の大きさに基づいて、前記線状圧電素子に印加された応力の大きさを計算する応力計算部をさらに備える、請求項４に記載の圧電センサ。
【請求項６】
前記線状圧電素子は伸長変形により電気信号を出力する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電センサ。
【請求項７】
被測定体上における応力が印加された領域を特定する衝突検知方法であって、
被測定体近傍に配置される少なくとも２本の線状圧電素子に対して応力が印加されることで発生した電気信号を、前記線状圧電素子ごとに検出する信号検出ステップと、
前記信号検出ステップにおいて検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを、前記線状圧電素子ごとに判定する超過判定ステップと、
前記超過判定ステップにおいて前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときの前記線状圧電素子の超過のタイミングを記録するタイミング記録ステップと、
前記タイミング記録ステップにおいて記録された前記線状圧電素子のタイミングに基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定する領域特定ステップと、
を備え、
前記タイミング記録ステップでは、前記超過判定ステップにおいて前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときに記録する前記線状圧電素子のタイミングとして、各前記線状圧電素子の超過順を記録し、前記領域特定ステップでは、前記タイミング記録ステップにおいて記録された前記線状圧電素子の超過順に基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定するか、又は、
前記タイミング記録ステップでは、前記超過判定ステップにおいて前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときに記録する前記線状圧電素子のタイミングとして、各前記線状圧電素子で発生した電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過した時間差を記録し、前記領域特定ステップでは、前記タイミング記録ステップにおいて記録された前記所定の閾値を超過した時間差に基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定する、衝突検知方法。
【請求項８】
前記信号検出ステップにおいて検出した電気信号の大きさに基づいて、前記線状圧電素子に印加された応力の大きさを計算する応力計算ステップをさらに備える、請求項７に記載の衝突検知方法。
【請求項９】
前記信号検出ステップでは、各前記線状圧電素子で発生した電気信号の大きさとして電流値を検出し、
前記超過判定ステップでは、前記信号検出ステップにおいて検出した前記電気信号の電流値が所定の閾値を超過したか否かを、前記線状圧電素子ごとに判定し、
前記タイミング記録ステップでは、前記超過判定ステップにおいて前記電気信号の電流値が前記所定の閾値を超過したと判定されたときの前記線状圧電素子のタイミングを記録する、請求項７または８に記載の衝突検知方法。
【請求項１０】
被測定体における応力が印加されたことを検知する衝突検知方法であって、
被測定体近傍に配置される少なくとも１本の線状圧電素子に対して応力が印加されることで発生した電気信号を検出する信号検出ステップと、
前記信号検出ステップにおいて検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを判定する超過判定ステップと、
前記超過判定ステップにおいて前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたとき、前記被測定体に応力が印加されたと判定する印加判定ステップと、
を備え、
前記線状圧電素子は、導電性繊維で形成された芯部と、前記芯部を被覆するように組紐状の圧電性繊維で形成された鞘部とを有する組紐状圧電素子であり、
前記圧電性繊維は、配向軸を３軸とした時の圧電定数ｄ１４の絶対値が０．１ｐＣ／Ｎ以上１０００ｐＣ／Ｎ以下の値を有する結晶性高分子を主成分として含む圧電性高分子であり、該圧電性高分子によって被覆された前記芯部の中心軸の方向に対する前記圧電性高分子の配向角度が１５°以上７５°以下であり、前記圧電性高分子は、圧電定数ｄ１４の値が正の結晶性高分子を主成分として含むＰ体と、負の結晶性高分子を主成分として含むＮ体とを含み、前記中心軸が１ｃｍの長さを持つ部分について、配向軸がＺ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｐ体の質量をＺＰ、配向軸がＳ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｐ体の質量をＳＰ、配向軸がＺ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｎ体の質量をＺＮ、配向軸がＳ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｎ体の質量をＳＮとし、（ＺＰ＋ＳＮ）と（ＳＰ＋ＺＮ）とのうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２としたとき、Ｔ１／Ｔ２の値が０以上０．８以下である、衝突検知方法。
【請求項１１】
前記信号検出ステップにおいて検出した電気信号の大きさに基づいて、前記線状圧電素子に印加された応力の大きさを計算する応力計算ステップをさらに備える、請求項１０に記載の衝突検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定体に応力が印加されたことを検知する圧電センサ及び衝突検知方法、並びに、被測定体上における応力が印加された領域を特定する圧電センサ及び衝突検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体に加わる衝撃、振動あるいは変形を検知するためのセンサとして様々なものがある。【０００３】
例えば、振動源による変形に応じて信号を発生する感圧センサと、前記感圧センサの信号により振動源を判定する判定手段を備え、前記感圧センサは変形を受ける面に対向して配置され、かつ長尺の柔軟な線状であって、多数の曲部を形成してなる振動検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。【０００４】
例えば、衝突により電圧を発生する圧電素子と、前記圧電素子への衝突により発生した信号を検出する信号検出手段と、前記信号検出手段により検出した信号から圧電素子への衝突位置を特定する処理手段とを備える衝突位置検出装置であって、前記圧電素子が、長尺の圧電体と、前記圧電体が発生する信号を伝達する１対の導電体とを備える長尺圧電素子であり、前記信号検出手段が、前記長尺圧電素子の先端から発生した先端信号と、前記長尺圧電素子の後端から発生した後端信号との双方を検出するものであり、前記処理手段が、前記先端信号と後端信号との信号発生時間差から圧電素子の衝突位置を特定するものである衝突位置検出装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。【０００５】
例えば、所定の機器に設定される圧電体が発生する起電圧を利用して、該機器に対する衝撃の印加を検知する衝撃検知手段において、前記圧電体を有し、前記衝撃の印加を受けて、該圧電体による起電圧を発生する検出部と、前記起電圧に基づき、前記機器に対する衝撃の印加ならびに衝撃印加レベルを検出して記録する記録部とを備えてなる衝撃記録センサが知られている（例えば、特許文献３参照。）。【０００６】
例えば、物理量の変化を検知した際に起電力を発生する発電手段と、前記発電手段から供給された電力により前記物理量を測定する物理量測定手段と、前記発電手段から供給された電力により前記測定された物理量を記録する記録手段と、を備える物理量測定記録装置が知られている（例えば、特許文献４参照。）。【０００７】
例えば、標的の何れかの領域に移動物体、例えば野球ボールが当たったかを判定するための装置において、判定体として圧電フィルムを使用するものが知られている（例えば、特許文献５参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３５１７８１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／１６５０１１号
【特許文献３】特開２００４−１６３１８２号公報
【特許文献４】特開２００６−９０９６０号公報
【特許文献５】特開平３−２３８３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
センサを設置する被測定体の形状は平面や単純な曲面に限らず、凹凸を含む複雑な形状を有するものもあり、センサの設置に困難を伴うことがある。また、例えば、点センサを用いた場合、衝突の位置を特定するためには多数の点センサを設置する必要がある。よって、様々な形状の物体に対する衝突を検知可能であり、広範囲で起き得る衝突の位置を少ないセンサ数で検知することができる構造容易で低価格の圧電センサの開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、被測定体近傍に、少なくとも１本の線状圧電素子を配置し、各線状圧電素子で発生した電気信号に基づいて、被測定体に応力が印加されたことを検知することができることを発見し、本発明に到達した。【００１１】
また、本発明者らは、被測定体近傍に、少なくとも２本の線状圧電素子を配置し、各線状圧電素子で発生した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したタイミングに基づいて被測定体上における応力が印加された領域を特定することができることを発見し、本発明に到達した。【００１２】
また、本発明者らは、被測定体近傍に、少なくとも２本の線状圧電素子を配置し、各線状圧電素子で発生した電気信号の大きさに基づいて被測定体上における応力が印加された領域を特定することができることを発見し、本発明に到達した。【００１３】
すなわち、本発明は以下の発明を包含する。
１．被測定体近傍に配置される少なくとも２本の線状圧電素子であって、前記線状圧電素子に印加された応力に応じて電気信号が発生する線状圧電素子と、各前記線状圧電素子で発生した電気信号を検出する信号検出部と、前記信号検出部が検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを、前記線状圧電素子ごとに判定する超過判定部と、前記超過判定部により前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときの前記線状圧電素子の超過のタイミングを記録するタイミング記録部と、前記タイミング記録部に記録された前記線状圧電素子の超過のタイミングに基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定する領域特定部と、を備える、圧電センサ。
２．前記信号検出部が検出した電気信号の大きさに基づいて、前記線状圧電素子に印加された応力の大きさを計算する応力計算部をさらに備える、上記１に記載の圧電センサ。
３．前記信号検出部は、各前記線状圧電素子で発生した電気信号の大きさとして電流値を検出し、前記超過判定部は、前記信号検出部が検出した前記電気信号の電流値が所定の閾値を超過したか否かを、前記線状圧電素子ごとに判定し、前記タイミング記録部は、前記超過判定部により前記電気信号の電流値が前記所定の閾値を超過したと判定されたときの前記線状圧電素子のタイミングを記録する、上記１または２に記載の圧電センサ。
４．前記タイミング記録部は、前記超過判定部により前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときに記録する前記線状圧電素子のタイミングとして、各前記線状圧電素子の超過順を記録し、前記領域特定部は、前記タイミング記録部に記録された前記線状圧電素子の超過順に基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定する、上記１〜３のいずれか一項に記載の圧電センサ。
５．被測定体近傍に配置される少なくとも１本の線状圧電素子であって、前記線状圧電素子に印加された応力に応じて電気信号が発生する線状圧電素子と、前記線状圧電素子で発生した電気信号を検出する信号検出部と、前記信号検出部が検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを判定する超過判定部と、前記超過判定部により前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたとき、前記被測定体に応力が印加されたと判定する印加判定部と、を備える、圧電センサ。
６．前記信号検出部が検出した電気信号の大きさに基づいて、前記線状圧電素子に印加された応力の大きさを計算する応力計算部をさらに備える、上記５に記載の圧電センサ。
７．前記線状圧電素子は伸長変形により電気信号を出力する、上記１〜６のいずれか一項に記載の圧電センサ。
８．前記線状圧電素子は、導電性繊維で形成された芯部と、前記芯部を被覆するように組紐状の圧電性繊維で形成された鞘部とを有する組紐状圧電素子である、上記１〜７のいずれか一項に記載の圧電センサ。
９．前記圧電性繊維は、配向軸を３軸とした時の圧電定数ｄ１４の絶対値が０．１ｐＣ／Ｎ以上１０００ｐＣ／Ｎ以下の値を有する結晶性高分子を主成分として含む圧電性高分子であり、該圧電性高分子によって被覆された前記芯部の中心軸の方向に対する前記圧電性高分子の配向角度が１５°以上７５°以下であり、前記圧電性高分子は、圧電定数ｄ１４の値が正の結晶性高分子を主成分として含むＰ体と、負の結晶性高分子を主成分として含むＮ体とを含み、前記中心軸が１ｃｍの長さを持つ部分について、配向軸がＺ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｐ体の質量をＺＰ、配向軸がＳ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｐ体の質量をＳＰ、配向軸がＺ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｎ体の質量をＺＮ、配向軸がＳ撚り方向にらせんを巻いて配置された該Ｎ体の質量をＳＮとし、（ＺＰ＋ＳＮ）と（ＳＰ＋ＺＮ）とのうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２としたとき、Ｔ１／Ｔ２の値が０以上０．８以下である、上記８に記載の圧電センサ。
１０．被測定体上における応力が印加された領域を特定する衝突検知方法であって、被測定体近傍に配置される少なくとも２本の線状圧電素子に対して応力が印加されることで発生した電気信号を、前記線状圧電素子ごとに検出する信号検出ステップと、前記信号検出ステップにおいて検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを、前記線状圧電素子ごとに判定する超過判定ステップと、前記超過判定ステップにおいて前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときの前記線状圧電素子の超過のタイミングを記録するタイミング記録ステップと、前記タイミング記録ステップにおいて記録された前記線状圧電素子のタイミングに基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定する領域特定ステップと、を備える、衝突検知方法。
１１．前記信号検出ステップにおいて検出した電気信号の大きさに基づいて、前記線状圧電素子に印加された応力の大きさを計算する応力計算ステップをさらに備える、上記１０に記載の衝突検知方法。
１２．前記信号検出ステップでは、各前記線状圧電素子で発生した電気信号の大きさとして電流値を検出し、前記超過判定ステップでは、前記信号検出ステップにおいて検出した前記電気信号の電流値が所定の閾値を超過したか否かを、前記線状圧電素子ごとに判定し、前記タイミング記録ステップでは、前記超過判定ステップにおいて前記電気信号の電流値が前記所定の閾値を超過したと判定されたときの前記線状圧電素子のタイミングを記録する、上記１０または１１に記載の衝突検知方法。
１３．前記タイミング記録ステップでは、前記超過判定ステップにおいて前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたときに記録する前記線状圧電素子のタイミングとして、各前記線状圧電素子の超過順を記録し、前記領域特定ステップでは、前記タイミング記録ステップにおいて記録された前記線状圧電素子の超過順に基づいて、前記被測定体上における応力が印加された領域を特定する、上記１０〜１２のいずれか一項に記載の衝突検知方法。
１４．被測定体における応力が印加されたことを検知する衝突検知方法であって、被測定体近傍に配置される少なくとも１本の線状圧電素子に対して応力が印加されることで発生した電気信号を検出する信号検出ステップと、前記信号検出ステップにおいて検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを判定する超過判定ステップと、前記超過判定ステップにおいて前記電気信号の大きさが前記所定の閾値を超過したと判定されたとき、前記被測定体に応力が印加されたと判定する印加判定ステップと、を備える、衝突検知方法。
１５．前記信号検出ステップにおいて検出した電気信号の大きさに基づいて、前記線状圧電素子に印加された応力の大きさを計算する応力計算ステップをさらに備える、上記１４に記載の衝突検知方法。
【発明の効果】
【００１４】
本開示の一態様によれば、様々な形状の物体に対する衝突を検知可能であり、広範囲で起き得る衝突の位置を少ないセンサ数で検知することができる構造容易で低価格の圧電センサを実現することができる。本態様の圧電センサは、特殊な工程が不要であり簡易な工程にて製造可能であり、生産性がよい。【００１５】
また、圧電センサのセンサ部分を構成する線状圧電素子は柔軟性に富むので、被測定体の形状に合わせて設置することが容易であり、様々な被測定体に対する衝突センサや応力検知センサとして利用可能である。例えば、鉄道分野において、鉄道駅の改札口の通過人員を検出するためのセンサや、列車の各車両や駅のプラットフォームの混雑具合を検知するためのセンサなどに、本態様の圧電センサを用いることができる。これと同様の用いられ方として、例えば店舗や公共施設などにおける混雑具合を検知するためのセンサとして、本態様の圧電センサを用いることができる。また例えば、自動車、鉄道、船舶、航空（ドローンを含む）などの輸送分野においては、対象物の様々な箇所に本態様の圧電センサを設置することにより衝突時に、より多くの種類のデータを容易に取得することも可能である。また、自動車内の座席やハンドルに本態様の圧電センサを設置し、運転者の急病を検知するといった利用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係る圧電センサの基本構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態で用いられる線状圧電素子の変形速度を説明する図である。
【図３】図２に示す線状圧電素子の伸長による変形と信号強度との関係を示す図であり、（Ａ）は変形速度と信号強度（電流値）との関係を示し、（Ｂ）は変形部分の位置と信号強度（電流値）との関係を示す。
【図４】本実施形態におけるタイミング記録部による超過のタイミングの記録について説明する図である。
【図５】図１の圧電センサによる衝突検知方法の動作フローを示すフローチャートである。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施形態において、縦横それぞれ５本の線状圧電素子を等間隔に配置した場合における、応力が印加された領域の特定について説明する図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｄ）は、従来の点センサを等間隔に格子状に配置し、応力が印加された領域の特定する例について説明する図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｄ）は、従来の点センサを、図７の場合よりもさらに密（最密）に等間隔に格子状に配置し、応力が印加された領域の特定する例について説明する図である。
【図９】図６〜図８を用いて説明した本実施形態の圧電センサと従来の点センサとの配置個数を比較した図である。
【図１０】図６〜図８を用いて説明した本実施形態の圧電センサと従来の点センサとについて配置個数及び特定可能面積を比較した図である。
【図１１】本実施形態において、縦横それぞれ４本の線状圧電素子を格子状に等間隔に配置した圧電センサの実際の写真を示す図であり、（Ａ）は被測定体の外観（表面）を示し、（Ｂ）は被測定体の裏面を示す。
【図１２】図１１に示す圧電センサが固定された被測定体に対し鉄球を落下させたときの各線状圧電素子で発生する電気信号の電圧値の一例を示す図である。
【図１３】（Ａ）〜（Ｅ）は、図１１に示す圧電センサが固定された被測定体に対し、様々な位置に鉄球を落下させたときの領域の特定結果示す図である。
【図１４】図１１に示す圧電センサが固定された被測定体に対し、様々な位置に鉄球を落下させたときの領域で検知される応力の大きさの測定結果を示す図であり、（Ａ）は縦方向に並んで配置されたＣＨ１〜ＣＨ４の線状圧電素子にて検出される衝突エネルギーを示し、（Ｂ）は横方向に並んで配置されたＣＨ５〜ＣＨ８の線状圧電素子にて検出される衝突エネルギーを示す。
【図１５】本実施形態において、８本の線状圧電素子のうち２本をコの字形に配置した圧電センサの実際の写真を示す図であり、（Ａ）は被測定体の外観（表面）を示し、（Ｂ）は被測定体の裏面を示す。
【図１６】図１５の被測定体上における圧電センサの配置位置を示す図である。
【図１７】図１５に示す圧電センサが固定された被測定体に対し鉄球を落下させたときの各線状圧電素子で発生する電気信号の電圧値の一例を示す図である。
【図１８】（Ａ）及び（Ｂ）は、図１５に示す圧電センサが固定された被測定体に対し、様々な位置に鉄球を落下させたときの領域の特定結果を示す図である。
【図１９】被測定体の非平面上における線状圧電素子の配置例を示す図である。
【図２０】さらなる実施形態に係る圧電センサの基本構成を示す模式図である。
【図２１】図２０の圧電センサによる衝突検知方法の動作フローを示すフローチャートである。
【図２２】実施形態に係る組紐状圧電素子の構成例を示す模式図である。
【図２３】配向角度θの計算方法を説明する模式図である。
【図２４】（Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態に係る組紐状圧電素子の断面写真である。
【図２５】図２０及び図２１の実施形態に係る線状圧電素子に振動を与えた際に発生する電気信号を例示する図である。
【図２６】図２０及び図２１の実施形態に係る線状圧電素子に振動を与えた際に発生する電気信号の極性を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下図面を参照して、圧電センサ及び衝突検知方法について説明する。各図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。また、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。なお、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。
【００１８】
（圧電センサの基本構成）
図１は、一実施形態に係る圧電センサの基本構成を示す模式図である。圧電センサ１０００は、線状圧電素子１０１と、信号検出部１０２と、超過判定部１０３と、タイミング記録部１０４と、領域特定部１０５と、を備える。また、オプションとして、圧電センサ１０００は、信号検出部１０２が検出した電気信号の大きさに基づいて、線状圧電素子１０１に印加された応力の大きさを計算する応力計算部１０６を備える。
【００１９】
線状圧電素子１０１は、印加された応力に応じて電気信号が発生するものである。被測定体に応力（衝撃）が印加されると（線状圧電素子１０１に応力が直接に印加される場合も含む）と、線状圧電素子１０１に伸長による変形が生じる。この伸長変形により、線状圧電素子１０１に電気信号が発生する。衝突の測定対象である被測定体の近傍に、少なくとも２本の線状圧電素子１０１が配置される。これら少なくとも２本の線状圧電素子１０１は、どのように配置してもよく、例えば略十字状に交差するように配置してもよく、互いに間隔を置いて配置してもよい。線状圧電素子１０１を構成する素材および配置の具体例については後述する。圧電センサのセンサ部分を構成する線状圧電素子は柔軟性に富むので、被測定体の形状に合わせて設置することが容易であり、様々な被測定体に対する衝突センサや応力検知センサとして利用可能である。
【００２０】
ここでは、本実施形態による圧電センサで用いられる、伸長により電気信号が発生する線状圧電素子１０１の電気的特性について図２及び図３を参照して説明する。図２は、本実施形態で用いられる線状圧電素子の変形速度を説明する図である。本実施形態では、線状圧電素子１０１として、その長さや伸長が発生する位置にかかわらず、伸長による変形速度が一定のものを用いる。図２に示すように、本実施形態で用いられる線状圧電素子１０１を長短２本用意し、それぞれについて、一定距離間をチャックにて把持し、コネクタ１２１を介して信号検出部１０２に接続し、被測定体を線方向に伸長を加えてそのときに発生する信号強度（電流値）を測定する実験を行った。図３は、図２に示す線状圧電素子の伸長による変形と信号強度との関係を示す図であり、（Ａ）は変形速度と信号強度（電流値）との関係を示し、（Ｂ）は変形部分の位置と信号強度（電流値）との関係を示す。本実施形態で用いられる線状圧電素子１０１は、図３（Ａ）に示すように線状圧電素子１０１の伸び変形速度と信号強度（電流値）とは比例し、図３（Ｂ）に示すように伸長変形が発生する位置（コネクタ２１からの距離で表す）に関わらず信号強度（電流値）はほぼ一定である。このように、本実施形態では、線状圧電素子１０１として、その長さや伸長が発生する位置にかかわらず、伸長による変形速度に対する信号強度が一定のものを用いるのが好ましい。なお、線状圧電素子１０１の伸長時に発生する電気信号と線状圧電素子１０１の圧縮時に発生する電気信号とでは極性（正負）が反転する。また、線状圧電素子１０１を、伸長による変形速度に対する信号強度が一定のものではないもので実現してもよく、この場合は、当該線状圧電素子についての伸長に応じた変形速度と信号強度との関係を予め測定しておき、この測定結果に基づき各位置における伸長の具合に応じた変形速度を一定の信号強度に換算して出力する事前補正演算部を、超過演算部１０３の前段に設ければよい。
【００２１】
説明を図１に戻すと、信号検出部１０２は、各線状圧電素子１０１で発生した電気信号を検出するものである。信号検出部１０２は、各線状圧電素子で発生した電気信号の大きさとして、例えば電流値や電圧値などを検出する。なお、線状圧電素子１０１と信号検出部１０２とは直接に接続してもよいが、信号強度を増幅するアンプやフィルタなど（図示せず）を介して接続してもよい。また例えば、各線状圧電素子で発生した電気信号の大きさとして、電流値や電圧値などのような信号強度そのものでなく、これらの値の微分値やその他演算値を用いてもよい。例えば微分値であれば急激な電気信号の変化を精度よく取得することができたり、積分値であれば変形の大きさに基づく解析ができる。さらには、周波数解析によって各線状圧電素子１０１または各線状圧電素子１０１が組み込まれた被測定体および／または被測定体の固定された物体の損傷あるいは劣化の状態に関する情報を得ることも可能である。例えば、被測定体の一部が欠損した場合には固有周波数が変化したり、被測定体の内部剥離や損傷が生じた場合には正常時にはみられない周波数成分がみられたりする場合がある。もちろん、機械学習のような手法により各線状圧電素子１０１または各線状圧電素子１０１が組み込まれた被測定体事象や状態などと各線状圧電素子１０１の出力波形との関係性を見つけ出してもよい。
【００２２】
超過判定部１０３は、信号検出部１０２が検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを線状圧電素子１０１ごとに判定し、タイミング記録部１０４は、超過判定部１０３により電気信号の大きさが所定の閾値を超過したと判定されたときの線状圧電素子１０１の超過のタイミングを記録する。タイミング記録部１０４により記録される線状圧電素子１０１の超過のタイミングは、メモリ（図示せず）に格納される。
【００２３】
例えば信号検出部１０２を各線状圧電素子１０１で発生した電気信号の大きさとして電流値を検出するものとした場合、超過判定部１０３は、信号検出部が検出した電流値が所定の閾値を超過したか否かを、線状圧電素子ごとに判定し、タイミング記録部１０４は、超過判定部１０３により電気信号の大きさが所定の閾値を超過したと判定されたときの線状圧電素子１０１のタイミングを記録する。
【００２４】
なお、タイミング記録部１０４は、超過判定部１０３により電気信号の大きさが所定の閾値を超過したと判定されたときに記録する線状圧電素子１０１のタイミングとして、各線状圧電素子１０１の超過順を記録してもよい。またあるいは、タイミング記録部１０４が記録する線状圧電素子１０１のタイミングとして、超過判定部１０３により電気信号の大きさが所定の閾値を超過したと判定される線状圧電素子１０１の時間差を記録してもよい。
【００２５】
ここで、タイミング記録部１０４が記録する各線状圧電素子１０１の超過のタイミングとして超過順を記録するものの例について、より具体的に説明する。
【００２６】
図４は、本実施形態におけるタイミング記録部による超過のタイミングの記録について説明する図である。図４において、横軸は時間［ｓ］を示し、縦軸は信号検出部１０２により検出される線状圧電素子１０１で発生する電気信号の大きさを示す。４本の線状圧電素子１０１（図４において、ＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３及びＣＨ４で表す。）が配置された被測定体に、時刻ｔ1のときに応力を印加した場合を考える。図４では、応力の印加された位置と線状圧電素子１０１との間の距離が、ＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４の順に長くなると仮定する。応力の印加された位置と各線状圧電素子１０１の間の距離はそれぞれ相違するが、その相違は、線状圧電素子１０１で発生する電気信号の波形に現れる。応力の印加された位置と各線状圧電素子１０１の間の距離が遠いほど、変形が伝搬するのに時間がかかり、また変形の最大値も小さくなる傾向がある。図４に示す例では、時刻ｔ1で応力を印加したとき、時刻ｔ2でＣＨ１の線状圧電素子１０１の電気信号が所定の閾値を超過し、時刻ｔ3でＣＨ２の線状圧電素子１０１の電気信号が所定の閾値を超過し、時刻ｔ4でＣＨ３の線状圧電素子１０１の電気信号が所定の閾値を超過し、時刻ｔ5でＣＨ４の線状圧電素子１０１の電気信号が所定の閾値を超過する。よって、タイミング記録部１０４は線状圧電素子１０１の超過順として、「ＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４」を記録する。図４での説明においては所定の閾値を４本の線状圧電素子からの信号で同じ閾値としたが、各線状圧電素子１０１毎に閾値を個別に設定してもよいし、あるいは、時間や状態に依存して閾値を変化させてもよい。
【００２７】
再び説明を図１に戻すと、領域特定部１０５は、タイミング記録部１０４に記録された線状圧電素子の超過のタイミングに基づいて、被測定体上における応力が印加された領域を特定する。
【００２８】
タイミング記録部１０４が記録する各線状圧電素子１０１の超過のタイミングとして超過順を記録する場合、領域特定部１０５は、タイミング記録部１０４に記録された線状圧電素子１０１の超過順に基づいて、被測定体上における応力が印加された領域を特定する。この場合、領域特定部１０５は、例えばその内部に、境界線規定部１１１及び領域確定部１１２を有する。この変形例として、境界線規定部１１１を領域特定部１０５内に設けずに、事前に決まった境界線が外部から領域特定部１０５に与えられていてもよい。また、伝搬速度が均一でないものやセンサの配置が複雑な場合は、その使い方の位置精度の必要性から適宜決めてもよい。
【００２９】
境界線規定部１１１は、タイミング記録部１０４に記録された線状圧電素子１０１の超過順に基づき、超過したと判定された線状圧電素子１０１と、当該線状圧電素子１０１の超過の次に超過したと判定された線状圧電素子１０１と、から等距離にある点の集合を境界線として規定する。
【００３０】
領域確定部１１２は、境界線規定部１１１によって規定された境界線を有しかつ一番最初に超過したと判定された線状圧電素子１０１を含む領域を、応力が印加された領域として確定する。境界線規定部１１１及び領域確定部１１２による領域確定の具体例については後述する。
【００３１】
図５は、図１の圧電センサによる衝突検知方法の動作フローを示すフローチャートである。まず、ステップＳ２０１において、信号検出部１０２は、被測定体近傍において互いに間隔を置いて配置された少なくとも２本の線状圧電素子１０１に対して応力が印加されることで発生した電気信号を、線状圧電素子１０１ごとに検出する。次いで、ステップＳ２０２において、超過判定部１０３は、信号検出部１０２が検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを、線状圧電素子１０１ごとに判定する。次いで、ステップＳ２０３において、タイミング記録部１０４は、電気信号の大きさが所定の閾値を超過したと判定されたときの線状圧電素子のタイミングを記録する。次いで、ステップＳ２０４において、タイミング記録部１０４において記録された線状圧電素子１０１のタイミングに基づいて、被測定体上における応力が印加された領域を特定する。なお、オプションとして、圧電センサ１０００が応力計算部１０６を備える場合は、信号検出部１０２が検出した電気信号の大きさに基づいて線状圧電素子１０１に印加された応力の大きさを計算する応力計算処理が、ステップＳ２０４における領域特定部による領域特定処理が完了した段階で、被測定体上における応力が印加された領域に対して実行される。
【００３２】
特に、タイミング記録部１０４が記録する線状圧電素子１０１のタイミングを超過順にした場合、領域を特定するステップＳ２０４は、ステップＳ２０４−１及びステップＳ２０４−２を有する。ステップＳ２０４−１では、境界線規定部１１１は、タイミング記録部１０４に記録された線状圧電素子１０１の超過順に基づき、超過したと判定された線状圧電素子１０１と、当該線状圧電素子１０１の超過の次に超過したと判定された線状圧電素子１０１と、から等距離にある点の集合を境界線として規定する。ステップＳ２０４−２では、領域確定部１１２は、境界線規定部１１１によって規定された境界線を有しかつ一番最初に超過したと判定された線状圧電素子１０１を含む領域を、応力が印加された領域として確定する。
【００３３】
続いて、タイミング記録部１０４が記録する線状圧電素子１０１のタイミングを超過順にした場合、境界線規定部１１１及び領域確定部１１２による領域確定の具体例について説明する。
【００３４】
図６は、本実施形態において、縦横それぞれ５本の線状圧電素子を等間隔に配置した場合における、応力が印加された領域の特定について説明する図である。図６において、横方向に５本の線状圧電素子１０１（ＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４及びＣＨ５で表す。）が間隔ａで並んで配置され、これに直交して、縦方向に５本の線状圧電素子１０１（ＣＨ６、ＣＨ７、ＣＨ８、ＣＨ９及びＣＨ１０で表す。）が間隔ａで並んで配置される。このように間隔ａで線状圧電素子１０１を配置した場合、単位面積当たりの線状圧電素子１０１の本数は「２／ａ」である。図６において、応力が印加された位置（例えば物体が衝突した被測定体上の位置）を星印「☆」で表し、等間隔に直交する合計１０本の線状圧電素子１０１にてこの位置「☆」を含む領域を特定する場合について説明する。応力の印加による変形の伝搬速度はほぼ均一であるとする。
【００３５】
星印「☆」の位置に応力が印加されると、この位置から変形が徐々に伝搬していき、図６（Ａ）に示すように星印「☆」に１番目に近い位置にあるＣＨ８の線状圧電素子１０１について、その電気信号（ＣＨ８の線状圧電素子１０１にて発生した電気信号）が所定の閾値を超過したと判定される。以下、説明を簡明なものとするために、「線状圧電素子１０１にて発生した電気信号が所定の閾値を超過したと判定される」ことを、「線状圧電素子１０１が変形を検知した」と言い換える。
【００３６】
図６（Ａ）に示すように、ＣＨ６、ＣＨ７、ＣＨ８、ＣＨ９、ＣＨ１０の５本の線状圧電素子１０１のうちＣＨ８の線状圧電素子１０１が１番目に変形を検知することにより、ＣＨ８の線状圧電素子１０１から等距離にある点の集合を境界線Ｈ11及びＨ12とし、境界線Ｈ11と境界線Ｈ12とで囲まれかつ１番目に変形を検知したＣＨ８の線状圧電素子１０１を含む領域内に、応力が印加された位置「☆」が含まれることが分かる。ＣＨ８の線状圧電素子１０１に変形検知に続き、ＣＨ1、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４、ＣＨ５の５本の線状圧電素子１０１のうち星印「☆」に１番目に近い位置にあるＣＨ３の線状圧電素子１０１が変形を検知する。これにより、ＣＨ３の線状圧電素子１０１から等距離にある点の集合を境界線Ｈ21及びＨ22とし、境界線Ｈ21と境界線Ｈ22とで囲まれかつ２番目に変形を検知したＣＨ３の線状圧電素子１０１を含む領域内に、応力が印加された位置「☆」が含まれることが分かる。よって、図６（Ａ）に示すように、１番目に変形を検知したＣＨ８の線状圧電素子１０１により特定された領域（境界線Ｈ11と境界線Ｈ12とで囲まれかつ１番目に変形を検知したＣＨ８の線状圧電素子１０１を含む領域）と２番目に変形を検知したＣＨ３の線状圧電素子１０１により特定された領域（境界線Ｈ21と境界線Ｈ22とで囲まれかつ２番目に変形を検知したＣＨ３の線状圧電素子１０１を含む領域）とが重なる領域である「境界線Ｈ11と境界線Ｈ12と境界線Ｈ21と境界線Ｈ22とで囲まれる領域」が、応力が印加された位置「☆」を含む領域であると特定される。よって、ＣＨ８の線状圧電素子１０１とＣＨ３の線状圧電素子１０１とで、検知順を考慮しないで位置特定できる領域の面積は「ａ2」である。
【００３７】
また、ＣＨ８の線状圧電素子１０１の方がＣＨ３の線状圧電素子１０１よりも先に変形を検知しているが、この線状圧電素子１０１の変形の検知順（換言すれば、所定の閾値を超過した順）は、応力が印加された位置「☆」は、「領域ＣＨ８の線状圧電素子１０１の方がＣＨ３の線状圧電素子１０１よりも近い」ということを意味している。したがって、この線状圧電素子１０１の変形の検知順（すなわち、所定の閾値を超過した順）を考慮すると、応力が印加された位置「☆」をさらに特定（限定）することができる。すなわち、図６（Ｂ）に示すように、「境界線Ｈ11と境界線Ｈ12と境界線Ｈ21と境界線Ｈ22とで囲まれる領域」のうち、１番目に変形を検知したＣＨ８の線状圧電素子１０１と２番目に変形を検知したＣＨ３の線状圧電素子１０１とから等距離にある点の集合を境界線（Ｈ31及びＨ32で表す。）としかつ１番目に変形を検知したＣＨ８の線状圧電素子１０１を含む領域が、応力が印加された位置「☆」を含む領域（図６（Ｂ）において濃く色付けされた領域）であると特定される。よって、１番目に変形を検知したＣＨ８の線状圧電素子１０１と２番目に変形を検知したＣＨ３の線状圧電素子１０１とで位置特定できる領域の面積は「０．５×ａ2」である。
【００３８】
星印「☆」の位置に応力が印加されてからさらに時間が経過すると、図６（Ｃ）に示すように、ＣＨ３の線状圧電素子１０１に変形検知に続き、星印「☆」に３番目に近い位置にあるＣＨ４の線状圧電素子１０１が変形を検知する。これにより、図６（Ｂ）において特定された領域のうち、３番目に変形を検知したＣＨ４の線状圧電素子１０１に近い側の領域（図６（Ｃ）において同心円が描かれている側の領域）内に、応力が印加された位置「☆」が含まれることが特定される。よって、１番目に変形を検知したＣＨ８の線状圧電素子１０１と２番目に変形を検知したＣＨ３の線状圧電素子１０１と３番目に変形を検知したＣＨ４の線状圧電素子１０１とで位置特定できる領域の面積は「０．２５×ａ2」である。
【００３９】
図６（Ｃ）の状態からさらに時間が経過すると、図６（Ｄ）に示すように、ＣＨ４の線状圧電素子１０１に変形検知に続き、星印「☆」に４番目に近い位置にあるＣＨ７の線状圧電素子１０１が変形を検知する。これにより、図６（Ｃ）において特定された領域のうち、４番目に変形を検知したＣＨ７の線状圧電素子１０１に近い側の領域（図６（Ｄ）において同心円が描かれている側の領域）内に、応力が印加された位置「☆」が含まれることが特定される。よって、１番目に変形を検知したＣＨ８の線状圧電素子１０１と２番目に変形を検知したＣＨ３の線状圧電素子１０１と３番目に変形を検知したＣＨ４の線状圧電素子１０１と４番目に変形を検知したＣＨ７の線状圧電素子１０１とで位置特定できる領域の面積は「０．１２５×ａ2」である。
【００４０】
図６（Ｄ）の状態以降も、線状圧電素子１０１が変形を検知し得る限りにおいて、応力が印加された位置「☆」が含まれる領域を徐々に狭めていくことができる。線状圧電素子１０１の配置間隔が短いほど、あるいは線状圧電素子１０１の本数が多いほど、応力が印加された位置「☆」の特定精度が向上する。
【００４１】
続いて、本実施形態の圧電センサと従来の点センサとの配置個数について比較検討する。ここでいう点センサとは、当該点の振動を検知するセンサを意味し、線に平行な位置を変形検知領域とする線状センサ（ラインセンサ）とは異なるものである。
【００４２】
図７は、従来の点センサを等間隔に格子状に配置し、応力が印加された領域を特定する例について説明する図である。図７において点センサは「黒い円」で表しており、点センサは間隔ａで格子状に等間隔で配置されている。このような配置の場合、単位面積当たりの点センサの個数は「１／ａ2」である。
【００４３】
図７（Ａ）に示すように、星印「☆」の位置に応力が印加されたとき、図７（Ｂ）に示すように、星印「☆」に１番目に近い位置にある点センサＡ1が変形を検知する。よって、１番目に変形を検知した点センサＡ1で位置特定できる領域の面積は「ａ2」である。さらに時間が経過すると、図７（Ｃ）に示すように、星印「☆」に２番目に近い位置にある点センサＡ2が振動を検知する。よって、１番目に振動を検知した点センサＡ1と２番目に近い位置にある点センサＡ2とで位置特定できる領域の面積は「０．２５×ａ2」である。さらに時間が経過すると、図７（Ｄ）に示すように、星印「☆」に３番目に近い位置にある点センサＡ3が振動を検知する。よって、１番目に振動を検知した点センサＡ1と２番目に近い位置にある点センサＡ2と３番目に近い位置にある点センサＡ3とで位置特定できる領域の面積は「０．１２５×ａ2」である。
【００４４】
図８は、従来の点センサを、図７の場合よりもさらに密（最密）に等間隔に格子状に配置し、応力が印加された領域を特定する例について説明する図である。図８において点センサは「黒い円」で表しており、点センサは間隔ａで格子状に等間隔で配置されている。このような配置の場合、単位面積当たりの線状圧電素子１０１の本数は「（２／√３）×ａ2」の「約１．１５×ａ2」である。
【００４５】
図８（Ａ）に示すように、星印「☆」の位置に応力が印加されたとき、図８（Ｂ）に示すように、星印「☆」に１番目に近い位置にある点センサＢ1が振動を検知する。よって、１番目に振動を検知した点センサＢ1で位置特定できる領域の面積は「（√３／２）×ａ2」の「約０．８７×ａ2」である。さらに時間が経過すると、図８（Ｃ）に示すように、星印「☆」に２番目に近い位置にある点センサＢ2が振動を検知する。よって、１番目に振動を検知した点センサＢ1と２番目に近い位置にある点センサＢ2とで位置特定できる領域の面積は「（√３／１２）×ａ2」の「約０．１４×ａ2」である。さらに時間が経過すると、図８（Ｄ）に示すように、星印「☆」に３番目に近い位置にある点センサＢ3が振動を検知する。よって、１番目に振動を検知した点センサＢ1と２番目に近い位置にある点センサＢ2と３番目に近い位置にある点センサＢ3とで位置特定できる領域の面積は「（√３／２４）×ａ2」の「約０．０７×ａ2」である。
【００４６】
図９は、図６〜図８を用いて説明した本実施形態の圧電センサと従来の点センサとの配置個数を比較した図である。図９において、横軸はセンサ間隔に対する測定幅の割合を示し、縦軸は位置特定に必要なセンサの個数を示す。また、図１０は、図６〜図８を用いて説明した本実施形態の圧電センサと従来の点センサとについて配置個数及び特定可能面積を比較した図である。図９及び図１０から分かるように、本実施形態の圧電センサは、従来の点センサの場よりも、単位面積当たりのセンサの配置個数を低減することができ、応力が印加された位置を少ないセンサの個数で特定することができることが分かる。
【００４７】
続いて、本実施形態において、縦横それぞれ４本の線状圧電素子を等間隔に配置した場合における、応力が印加された領域の特定の実験結果について、図１１〜図１８を参照して説明する。図１１〜図１４は縦横それぞれ４本の線状圧電素子を格子状に等間隔に配置した実験に関するものであり、図１５〜図１８は７本の線状圧電素子のうち２本をコの字形に配置した実験に関するものである。被測定体は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）とし、そのサイズを１０００ｍｍ×１０００ｍｍ×５ｍｍとした。また、被測定体を固定する台の枠内サイズを９１０ｍｍ×９１０ｍｍとした。また、被測定体と線状圧電素子１０１との固定には粘着テープを用いた。
【００４８】
図１１は、本実施形態において、縦横それぞれ４本の線状圧電素子を格子状に等間隔に配置した圧電センサの実際の写真を示す図であり、（Ａ）は被測定体の外観（表面）を示し、（Ｂ）は被測定体の裏面を示す。炭素繊維強化プラスチックからなる被測定体の、図１１（Ａ）において太い点線で示される位置の裏側に、図１１（Ｂ）に示すようにＣＨ１〜ＣＨ８の線状圧電素子１０１が長さ８８０ｍｍの粘着テープにより固定される。各線状圧電素子１０１は長さ８８０ｍｍであり、線状圧電素子１０１の配置間隔は１８０ｍｍとした。
【００４９】
図１２は、図１１に示す圧電センサが固定された被測定体に対し鉄球を落下させたときの各線状圧電素子で発生する電気信号の電圧値の一例を示す図である。図１２において、横軸は時間［ｓ］を示し、縦軸は各線状圧電素子１０１で発生する電気信号の電圧値を示す。
【００５０】
図１３は、図１１に示す圧電センサが固定された被測定体に対し、様々な位置に鉄球を落下させたときの領域の特定結果示す図である。図１３において、応力が印加された位置を黒丸で表す。また、図１３において、太い実線は縦方向に並んで配置されたＣＨ１〜ＣＨ４の線状圧電素子１０１の反応時間（すなわち鉄球が落下してから線状圧電素子１０１が変形を検知するまでの時間）を模式的に示したものであり、この太い実線が横軸に対して上側にあるほど反応時間が短いことを示している。これと同様に、太い破線にて、横方向に並んで配置されたＣＨ５〜ＣＨ８の線状圧電素子１０１の反応時間（すなわち鉄球が落下してから線状圧電素子１０１が変形を検知するまでの時間）を模式的に示しており、この太い破線が縦軸に対して右側にあるほど反応時間が短いことを示している。図１３（Ａ）〜図１３（Ｅ）に示すように、本実施形態において、被測定体に対してどのような位置に鉄球が落下して応力が印加されても、鉄球の落下位置と、鉄球が落下してから線状圧電素子１０１が変形を検知するまでの時間とに相関関係があることが分かる。このことは、鉄球が落下してから線状圧電素子１０１が変形を検知するまでの時間を、ＣＨ１〜ＣＨ８の線状圧電素子１０１ごとに検出し、その検知順（換言すれば、所定の閾値を超過した順））に基づいて、応力が印加された領域を特定する本実施形態の有効性が示すものである。ＣＨ１〜ＣＨ８の線状圧電素子１０１の変形の検知順に代えて、応力が印加されてから電気信号の大きさが所定の閾値を超過したと判定される線状圧電素子１０１の時間差の短い順に基づいても、同様に応力が印加された領域を特定することができる。
【００５１】
図１４は、図１１に示す圧電センサが固定された被測定体に対し、様々な位置に鉄球を落下させたときの領域で検知される応力の大きさの測定結果を示す図であり、図１４（Ａ）は縦方向に並んで配置されたＣＨ１〜ＣＨ４の線状圧電素子にて検出される衝突エネルギーを示し、図１４（Ｂ）は横方向に並んで配置されたＣＨ５〜ＣＨ８の線状圧電素子にて検出される衝突エネルギーを示す。これら衝突エネルギーについては、鉄球の重量と衝突時の鉄球速度とに基づいて算出した。図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）から分かるように、応力の印加により発生する線状圧電素子１０１の電気信号の大きさは、各線状圧電素子１０１で変形を検知できる領域で検知される衝突エネルギーに比例することが分かる。よって、本実施形態によれば、応力計算部１０６にて、電気信号の大きさに基づいて線状圧電素子１０１に印加された応力の大きさを計算することができる。
【００５２】
図１５は、本実施形態において、７本の線状圧電素子のうち２本をコの字形に配置した圧電センサの実際の写真を示す図であり、図１５（Ａ）は被測定体の外観（表面）を示し、図１５（Ｂ）は被測定体の裏面を示す。また、図１６は、図１５の被測定体上における圧電センサの配置位置を示す図である。炭素繊維強化プラスチックからなる被測定体の、図１５（Ａ）において太い点線で示される位置の裏側に、図１５（Ｂ）に示すようにＣＨ１〜ＣＨ８の線状圧電素子１０１が粘着テープにより固定される。各線状圧電素子１０１は長さ８８０ｍｍであり、線状圧電素子１０１の配置間隔は１８０ｍｍとした。図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示すように、領域Ｍの部分についてより正確に領域特定できるようにすることを意図して、ＣＨ２及びＣＨ３の線状圧電素子１０１をコの字形に配置した。
【００５３】
図１７は、図１５に示す圧電センサが固定された被測定体に対し鉄球を落下させたときの各線状圧電素子で発生する電気信号の電圧値の一例を示す図である。図１７において、横軸は時間［ｓ］を示し、縦軸は各線状圧電素子１０１で発生する電気信号の電圧値を示す。
【００５４】
図１８は、図１５に示す圧電センサが固定された被測定体に対し、様々な位置に鉄球を落下させたときの領域の特定結果を示す図である。図１８において、応力が印加された位置を黒丸で表す。また、図１８において、太い実線は１番目に変形を検知した線状圧電素子１０１を示し、太い破線は２番目に変形を検知した線状圧電素子１０１を示し、太い１点鎖線は３番目に変形を検知した線状圧電素子１０１を示し、太い２点鎖線は４番目に変形を検知した線状圧電素子１０１を示した。図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）に示すように、本実施形態において、線状圧電素子１０１を折り曲げて配置しても、鉄球が落下した位置から近い順に、線状圧電素子１０１は変形を検知できていることが分かる。このことは、線状圧電素子１０１をどのような形状に配置しても、変形の検知順（換言すれば、所定の閾値を超過した順））に基づいて、応力が印加された領域を特定することができることを示している。
【００５５】
本実施形態に係る圧電センサ１０００により検出できる被測定体の形態は限定されない。被測定体の平面状に線状圧電素子を配置し、応力が印加される領域を特定する例について説明したが、本実施形態に係る圧電センサ１０００は、非平面（例えば曲面）における応力の印加領域についても特定することができる。図１９は、被測定体の非平面上における線状圧電素子の配置例を示す図である。図示の例では、被測定体が円筒形状を有し、この被測定体の曲面上にＣＨ４〜ＣＨ６の３本の線状圧電素子１０１が配置されている。線状圧電素子１０１には図１等を用いて参照した信号検出部１０２、超過判定部１０３、タイミング記録部１０４及び領域特定部１０５が接続され（これらについては図１９では図示を省略している）、既に説明した動作原理にて応力が印加される領域を特定することができる。また、オプションとして応力計算部１０６を接続してもよく（図１９では図示を省略している）、電気信号の大きさに基づいて線状圧電素子１０１に印加された応力の大きさを計算することもできる。
【００５６】
上述の実施形態では、被測定体近傍上において応力が印加される領域を特定するために、被測定体近傍に少なくとも２本の線状圧電素子を配置し、各線状圧電素子についての電気信号が閾値を超過するタイミングに基づいて、被測定体上における応力が印加された領域を特定したが、この変形例として、電気信号の大きさ（信号強度）の大小によって被測定体上における応力が印加された領域を特定してもよい。
【００５７】
またさらに、各線状圧電素子から出力される電気信号を入力した機械学習技術（人工知能技術：ＡＩ）を用いて、学習済みモデルを作成し、この学習済モデルに基づき被測定体の状態を観測、予測してもよい。また、本態様の圧電センサはいわゆるＩｏＴデバイスとして利用できるので、例えば店舗や施設に設置し、これから得られる経時データと例えば気温、湿度、天候、天気予報等の気象データとの関係性に関する学習済みモデルを機械学習により作成し、この学習済みモデルに基づいて最新の気象予測から、店舗、施設の混雑度合を予測、適正な人員配置計画をたてる、といったことも可能である。また例えば、輸送分野においても、例えば複数の車両に本態様の圧電センサを設置し、これら得られる経時データと例えば車両の走行経路データとの関係性に関する学習済みモデルを機械学習により作成しておき、この学習済みモデルに基づいて、例えば実際の走行前にカーナビゲーションでの経路設定時に圧力検知が少ないルート、すなわち衝突の可能性が低く、道路も滑らかで走行しやすい経路として優先的に提示する、といったことも可能である。
【００５８】
また、上述の実施形態では、被測定体近傍上において応力が印加される領域を特定するために、被測定体近傍に少なくとも２本の線状圧電素子を配置したが、単に被測定体に応力が印加されたこと自体を検知したり、あるいは単に被測定体に印加される応力の大きさを検知するのみであれば、被測定体近傍に少なくとも１本の線状圧電素子を配置することで足りる。図２０は、さらなる実施形態に係る圧電センサの基本構成を示す模式図である。
【００５９】
図２０に示すさらなる実施形態では、圧力センサ１０００を、被測定体に応力が印加されたこと自体を検知するもの、あるいは単に被測定体に印加される応力の大きさを検知するものとして構成する。圧電センサ１０００は、線状圧電素子１０１と、信号検出部１０２と、印加判定部１０７と、応力計算部１０６と、を備える。
【００６０】
線状圧電素子１０１は、既に説明した通り、印加された応力に応じて電気信号が発生するものである。被測定体に応力（衝撃）が印加されると（線状圧電素子１０１に応力が直接に印加される場合も含む）と、線状圧電素子１０１に伸長による変形が生じる。この伸長変形により、線状圧電素子１０１に電気信号が発生する。衝突の測定対象である被測定体の近傍に、少なくとも１本の線状圧電素子１０１が配置される。図２０に示す例では、線状圧電素子１０１を１本としている。線状圧電素子１０１は、被測定体の近傍であればどのように配置してもよい。線状圧電素子１０１を構成する素材および配置の具体例については前述及び後述の通りである。圧電センサのセンサ部分を構成する線状圧電素子は柔軟性に富むので、被測定体の形状に合わせて設置することが容易であり、様々な被測定体に対する衝突センサや応力検知センサとして利用可能である。
【００６１】
信号検出部１０２は、線状圧電素子１０１で発生した電気信号を検出するものである。信号検出部１０２は、線状圧電素子で発生した電気信号の大きさとして、例えば電流値や電圧値などを検出する。なお、線状圧電素子１０１と信号検出部１０２とは直接に接続してもよいが、信号強度を増幅するアンプやフィルタなど（図示せず）を介して接続してもよい。また例えば、線状圧電素子で発生した電気信号の大きさとして、電流値や電圧値などのような信号強度そのものでなく、これらの値の微分値やその他演算値を用いてもよい。例えば微分値であれば急激な電気信号の変化を精度よく取得することができたり、積分値であれば変形の大きさに基づく解析ができる。
【００６２】
超過判定部１０３は、信号検出部１０２が検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを判定する。超過判定部１０３による判定結果は印加判定部１０７に送られる。例えば信号検出部１０２を線状圧電素子１０１で発生した電気信号の大きさとして電流値を検出するものとした場合、超過判定部１０３は、信号検出部が検出した電流値が所定の閾値を超過したか否かを判定する。
【００６３】
印加判定部１０７は、超過判定部１０３により電気信号の大きさが閾値を超過したと判定されたとき、線状圧電素子１０１が近傍に配置された被測定体に対して、応力が印加されたと判定する。このとき、印加判定部１０７は、線状圧電素子１０１が近傍に配置された被測定体に対して応力が印加された時刻を、メモリ（図示せず）に記録してもよい。また、印加判定部１０７は、超過判定部１０３により電気信号の大きさが閾値を超過していないと判定されたとき（超過判定部１０３により電気信号の大きさが閾値を超過したと判定されなかったとき）、線状圧電素子１０１が近傍に配置された被測定体に対して、応力は印加されていないと判定する。
【００６４】
応力計算部１０６は、信号検出部１０２が検出した電気信号の大きさに基づいて、線状圧電素子１０１に印加された応力の大きさを計算する。
【００６５】
図２１は、図２０の圧電センサによる衝突検知方法の動作フローを示すフローチャートである。まず、ステップＳ３０１において、信号検出部１０２は、被測定体近傍において線状圧電素子１０１に対して応力が印加されることで発生した電気信号を検出する。次いで、ステップＳ３０２において、超過判定部１０３は、信号検出部１０２が検出した電気信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを判定する。ステップＳ３０２において電気信号の大きさが所定の閾値を超過したと判定された場合、ステップＳ３０３−１において、印加判定部１０７は、線状圧電素子１０１が近傍に配置された被測定体に対して、応力が印加されたと判定する。このとき、印加判定部１０７は、線状圧電素子１０１が近傍に配置された被測定体に対して応力が印加された時刻をメモリに記録してもよい。またさらに、図２１では図示していないが、ステップＳ３０３−１の後に、応力計算部１０６により、信号検出部１０２が検出した電気信号の大きさに基づいて線状圧電素子１０１に印加された応力の大きさを計算する応力計算処理が実行される。一方、ステップＳ３０２において電気信号の大きさが閾値を超過していないと判定されたとき（電気信号の大きさが閾値を超過したと判定されなかったとき）、印加判定部１０７は、線状圧電素子１０１が近傍に配置された被測定体に対して、応力は印加されていないと判定する。本変形例では閾値として１つの値が設定される場合を説明をしたが、閾値を複数設定し、電気信号で検出された信号の大きさから変形量を多段的に判定してもよい。
【００６６】
（被測定体）
被測定体としては、その近傍に線状圧電素子を配置して、応力印加時に当該線状圧電素子から電気信号を取り出すことができる任意のあらゆる形状及び材質のものを使用することができる。例えば、平面だけでなく、非平面または一部に非平面部分を有する任意の形状のものを被測定体として使用することが可能である。なお、本発明の線状圧電素子を被測定体近傍に固定する方法としては、被測定体に印加された応力（衝撃）により線状圧電素子に変形が生じれば特に限定されるものではない。例えば、粘着テープや接着剤を介して直接固定する方法が挙げられ、固定する長さは適宜決められる。信号検出したい部分のすべてが固定されていてもよいし、その両端のみが固定されていてもよい。また、圧電センサは、線状圧電素子を用いた織物、編物であってもよい。また、圧電センサは、柔軟な平面状の被測定体に対して、線状圧電素子が刺繍によるか又は接着、貼り付けされて形成されてもよい。さらには、組紐を含む中空のチューブ状の圧電センサや袋状テープなどに内包させた圧電センサを被測定体に固定させてもよい。もちろんこれらの場合も固定する長さあるいは面積は適宜決めることができる。また、圧電センサを被測定体の表面に固定するだけではなく、本発明の目的を奏するならば被測定体の内部に圧電センサを固定してもよい。例えば、圧電センサを、熱硬化性樹脂、あるは成形温度が圧電素子を構成する材料の融解温度未満である熱可塑性樹脂内に埋め込んで被測定体と一体成型してもよい。この時、被測定体との接着性を向上させるために、組紐状圧電素子の最表層にもう一層鞘部を設けたり、コーティングする等した圧電センサを用いてもよい。
【００６７】
（線状圧電素子）
本発明における線状圧電素子としては、印加された応力に応じて電気信号が発生する公知のあらゆるものを使用することができる。例えば、線状圧電素子としては、導電性繊維を芯糸としてその周りに圧電性繊維を配置した芯鞘構造を有する圧電素子を使用することができる。より具体的には、線状圧電素子としては、導電性繊維の周りに圧電性フィルムまたは圧電性繊維を単に巻きつけた圧電素子や、あるいは導電性繊維の周りに圧電性繊維を組紐状に巻きつけた組紐状圧電素子を使用することができる。中でも、本発明における線状圧電素子としては、伸長変形に対してより大きな電気信号を出力する圧電素子が好ましく、このような観点から、組紐状圧電素子がより好ましい。そこで、組紐状圧電素子について以下で詳しく説明する。
【００６８】
（組紐状圧電素子）
図２２は実施形態に係る組紐状圧電素子の構成例を示す模式図である。
組紐状圧電素子１は、導電性繊維Ｂで形成された芯部３と、芯部３を被覆するように組紐状の圧電性繊維Ａで形成された鞘部２と、を備えている。
【００６９】
組紐状圧電素子１では、少なくとも一本の導電性繊維Ｂの外周面を多数の圧電性繊維Ａが緻密に取り巻いている。組紐状圧電素子１に変形が生じると、多数の圧電性繊維Ａそれぞれに変形による応力が生じ、それにより多数の圧電性繊維Ａそれぞれに電場が生じ（圧電効果）、その結果、導電性繊維Ｂを取り巻く多数の圧電性繊維Ａの電場を重畳した電圧変化が導電性繊維Ｂに生じる。すなわち圧電性繊維Ａの組紐状の鞘部２を用いない場合と比較して導電性繊維Ｂからの電気信号が増大する。それにより、組紐状圧電素子１では、比較的小さな変形で生じる応力によっても、大きな電気信号を取り出すことが可能となる。なお、導電性繊維Ｂは複数本であってもよい。
【００７０】
組紐状圧電素子１は、その中心軸（図２２中のＣＬ）方向への伸長変形に対して選択的に大きな電気信号を出力するものが好ましい。
【００７１】
（伸長変形に対して選択的に大きな電気信号を出力する組紐状圧電素子）
中心軸方向への伸長変形に対して選択的に大きな電気信号を出力する組紐状圧電素子１としては、例えば、圧電性繊維Ａとして、一軸配向した高分子の成型体であり、配向軸を３軸とした時の圧電定数ｄ１４の絶対値が０．１ｐＣ／Ｎ以上１０００ｐＣ／Ｎ以下の値を有する結晶性高分子を主成分として含む圧電性高分子を使用することができる。本発明において「主成分として含む」とは、構成成分の５０質量％以上を占めることを指す。また、本発明において結晶性高分子とは、１質量％以上の結晶部と、結晶部以外の非晶部とからなる高分子であり、結晶性高分子の質量とは結晶部と非晶部とを合計した質量である。なお、ｄ１４の値は成型条件や純度および測定雰囲気によって異なる値を示すが、本発明においては、実際に使用される圧電性高分子中の結晶性高分子の結晶化度および結晶配向度を測定し、それと同等の結晶化度および結晶配向度を有する１軸延伸フィルムを当該結晶性高分子を用いて作成し、そのフィルムのｄ１４の絶対値が、実際に使用される温度において０．１ｐＣ／Ｎ以上１０００ｐＣ／Ｎ以下の値を示せばよく、本実施形態の圧電性高分子に含まれる結晶性高分子としては、後述されるような特定の結晶性高分子には限定されない。フィルムサンプルのｄ１４の測定は公知の様々な方法を取ることができるが、例えばフィルムサンプルの両面に金属を蒸着して電極としたサンプルを、延伸方向から４５度傾いた方向に４辺を有する長方形に切り出し、その長尺方向に引張荷重をかけた時に両面の電極に発生する電荷を測定することで、ｄ１４の値を測定することができる。
【００７２】
また、中心軸方向への伸長変形に対して選択的に大きな電気信号を出力する組紐状圧電素子１においては、中心軸の方向と圧電性高分子の配向方向とがなす角度（配向角度θ）は１５°以上７５°以下であることが好ましい。この条件を満たす時、組紐状圧電素子１に対し中心軸方向の伸長変形（引張応力および圧縮応力）を与えることで、圧電性高分子に含まれる結晶性高分子の圧電定数ｄ１４に対応する圧電効果を効率よく利用し、組紐状圧電素子１の中心軸側と外側とに効率的に逆極性（逆符号）の電荷を発生させることができる。かかる観点から、配向角度θは２５°以上６５°以下であることが好ましく、３５°以上５５°以下であることがより好ましく、４０°以上５０°以下であることがさらに好ましい。このように圧電性高分子を配置すると、圧電性高分子の配向方向はらせんを描くことになる。
【００７３】
また、このように圧電性高分子を配置することで、組紐状圧電素子１の表面を擦るようなせん断変形や、中心軸を曲げるような曲げ変形や、中心軸を軸としたねじり変形に対しては組紐状圧電素子１の中心軸側と外側とには大きな電荷を発生させないようにする、即ち中心軸方向の伸長に対して選択的に大きな電荷を発生させる組紐状圧電素子１とすることができる。
【００７４】
配向角度θは、可能な限り下記の方法で測定する。組紐状圧電素子１の側面写真を撮影し、圧電性高分子Ａ’のらせんピッチＨＰを測定する。らせんピッチＨＰは図２３の通り、１本の圧電性高分子Ａ’が表面から裏面を回って再び表面に来るまでに要した、中心軸方向の直線距離である。また、必要に応じて接着剤で構造を固定後に、組紐状圧電素子１の中心軸に垂直な断面を切り出して写真を撮影し、鞘部２が占める部分の外側半径Ｒｏおよび内側半径Ｒｉを測定する。断面の外縁および内縁が楕円形や扁平な円形の場合は、長径と短径の平均値をＲｏおよびＲｉとする。下記式から中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θを計算する。
θ  ＝  ａｒｃｔａｎ（２πＲｍ／ＨＰ）  （０°≦θ≦９０°）
ただしＲｍ＝２（Ｒｏ3−Ｒｉ3）／３（Ｒｏ2−Ｒｉ2）、即ち断面積で加重平均した組紐状圧電素子１の半径である。
【００７５】
組紐状圧電素子１の側面写真において圧電性高分子が均一な表面を有しており、圧電性高分子のらせんピッチが判別できない場合は、接着剤等で固定した組紐状圧電素子１を中心軸を通る平面で割断し、割断面に垂直な方向に、中心軸を通るよう十分に狭い範囲でＸ線を透過するよう広角Ｘ線回折分析を行い、配向方向を決定して中心軸との角度をとり、θとする。
【００７６】
本発明に係る組紐状圧電素子１では、圧電性高分子の配向方向に沿って描かれるらせんについて、らせん方向（Ｓ撚り方向またはＺ撚り方向）やらせんピッチを異にする２つ以上のらせんが同時に存在する場合があるが、それぞれのらせん方向およびらせんピッチの圧電性高分子についてそれぞれ上記測定を行い、いずれか一つのらせん方向およびらせんピッチの圧電性高分子が前述の条件を満たすことが必要である。
【００７７】
中心軸方向の伸長変形に対して中心軸側と外側とに発生する電荷の極性は、圧電性高分子の配向方向をＳ撚りのらせんに沿って配置した場合と、同じ圧電性高分子の配向方向をＺ撚りのらせんに沿って配置した場合とでは、互いに逆の極性になる。このため、圧電性高分子の配向方向をＳ撚りのらせんに沿って配置すると同時にＺ撚りのらせんに沿って配置した場合は、伸長変形に対する発生電荷がＳ撚り方向とＺ撚り方向とで互いに打消し合って効率的に利用できないため、好ましくない。したがって、上記の圧電性高分子は、圧電定数ｄ１４の値が正の結晶性高分子を主成分として含むＰ体と、負の結晶性高分子を主成分として含むＮ体とを含み、組紐状圧電素子１の中心軸が１ｃｍの長さを持つ部分について、配向軸がＺ撚り方向にらせんを巻いて配置されたＰ体の質量をＺＰ、配向軸がＳ撚り方向にらせんを巻いて配置されたＰ体の質量をＳＰ、配向軸がＺ撚り方向にらせんを巻いて配置されたＮ体の質量をＺＮ、配向軸がＳ撚り方向にらせんを巻いて配置されたＮ体の質量をＳＮとし、（ＺＰ＋ＳＮ）と（ＳＰ＋ＺＮ）とのうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２としたとき、Ｔ１／Ｔ２の値が０以上０．８以下であることが好ましく、さらに０以上０．５以下であることが好ましい。
【００７８】
本発明の圧電性繊維として主成分としてポリ乳酸が含まれる繊維を用いる場合、ポリ乳酸中の乳酸ユニットは９０モル％以上であることが好ましく、９５モル％以上であることがより好ましく、９８モル％以上がさらに好ましい。
【００７９】
なお、組紐状圧電素子１では、本発明の目的を達成する限り、鞘部２では圧電性繊維Ａ以外の他の繊維と組み合わせて混繊等を行ってもよいし、芯部３では導電性繊維Ｂ以外の他の繊維と組み合わせて混繊等を行ってもよい。
【００８０】
導電性繊維Ｂの芯部３と組紐状の圧電性繊維Ａの鞘部２とで構成される組紐状圧電素子の長さは特に限定はなく、被測定体上の測定領域の大きさや形状等に応じて適宜決定すればよい。例えば、組紐状圧電素子は製造において連続的に製造され、その後に必要な長さに切断して利用してもよい。組紐状圧電素子の長さは１ｍｍ〜２０ｍ、好ましくは、１ｃｍ〜１０ｍ、より好ましくは１０ｃｍ〜５ｍである。長さが短過ぎると従来の点センサと比較した本発明の上記効果、すなわち単位面積当たりのセンサの配置個数を低減でき、応力が印加された位置を少ないセンサの個数で特定できるという効果が十分に達成できない場合があり、また、長さが長過ぎると導電性繊維Ｂの抵抗値を考慮する必要が出てくるであろう。ただし、例えば、抵抗値については、電流値を計測することで抵抗値を考慮する必要がなくなる場合があり、ノイズについては信号を増幅することでノイズを抑制（もしくは除去）できる場合があり、特に電流増幅タイプのアンプを用いることが好ましい。
【００８１】
以下、各構成について詳細に説明する。
【００８２】
（導電性繊維）
導電性繊維Ｂとしては、導電性を示すものであればよく、公知のあらゆるものが用いられる。導電性繊維Ｂとしては、例えば、金属繊維、導電性高分子からなる繊維、炭素繊維、繊維状あるいは粒状の導電性フィラーを分散させた高分子からなる繊維、あるいは繊維状物の表面に導電性を有する層を設けた繊維が挙げられる。繊維状物の表面に導電性を有する層を設ける方法としては、金属コート、導電性高分子コート、導電性繊維の巻付けなどが挙げられる。なかでも金属コートが導電性、耐久性、柔軟性などの観点から好ましい。金属をコートする具体的な方法としては、蒸着、スパッタ、電解メッキ、無電解メッキなどが挙げられるが生産性などの観点からメッキが好ましい。このような金属をメッキされた繊維は金属メッキ繊維ということができる。
【００８３】
金属をコートされるベースの繊維として、導電性の有無によらず公知の繊維を用いることができ、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合成繊維の他、綿、麻、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。ベースの繊維はこれらに限定されるものではなく、公知の繊維を任意に用いることができ、これらの繊維を組み合わせて用いてもよい。
【００８４】
ベースの繊維にコートされる金属は導電性を示し、本発明の効果を奏する限り、いずれを用いてもよい。例えば、金、銀、白金、銅、ニッケル、スズ、亜鉛、パラジウム、酸化インジウム錫、硫化銅など、およびこれらの混合物や合金などを用いることができる。
【００８５】
導電性繊維Ｂに屈曲耐性のある金属コートした有機繊維を使用すると、導電性繊維が折れることが非常に少なく、圧電素子を用いたセンサとしての耐久性や安全性に優れる。
【００８６】
導電性繊維Ｂはフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントであっても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントであってもよい。マルチフィラメントの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（紡績糸を含む）の場合、その単糸径は１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜５０μｍである。マルチフィラメントの場合、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５本〜５００本、さらに好ましくは１０本〜１００本である。ただし、導電性繊維Ｂの繊度・本数とは、組紐を作製する際に用いる芯部３の繊度・本数であり、複数本の単糸（モノフィラメント）で形成されるマルチフィラメントも一本の導電性繊維Ｂと数えるものとする。ここで芯部３とは、導電性繊維以外の繊維を用いた場合であっても、それを含めた全体の量とする。
【００８７】
繊維の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Ｂ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。
【００８８】
また、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。ただし、電気信号の検出で十分な強度が得られるのであれば導電性繊維Ｂの抵抗率はこの限りではない。
【００８９】
導電性繊維Ｂは、本発明の用途から、繰り返しの曲げやねじりといった動きに対して耐性がなければならない。その指標としては、結節強さが、より大きいものが好まれる。結節強さはＪＩＳ  Ｌ１０１３  ８．６の方法で測定することができる。本発明に適当な結節強さの程度としては、０．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが好ましく、１．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがより好ましく、１．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがさらに好ましく、２．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが最も好ましい。また、別の指標としては、曲げ剛性が、より小さいものが好まれる。曲げ剛性は、カトーテック（株）製ＫＥＳ―ＦＢ２純曲げ試験機などの測定装置で測定されるのが一般的である。本発明に適当な曲げ剛性の程度としては、東邦テナックス（株）製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＨＴＳ４０−３Ｋよりも小さいほうが好ましい。具体的には、導電性繊維の曲げ剛性が０．０５×１０-4Ｎ・ｍ2／ｍ以下であることが好ましく、０．０２×１０-4Ｎ・ｍ2／ｍ以下であることがより好ましく、０．０１×１０-4Ｎ・ｍ2／ｍ以下であることがさらに好ましい。
【００９０】
（圧電性繊維）
圧電性繊維Ａの材料である圧電性高分子としてはポリフッ化ビニリデンやポリ乳酸のような圧電性を示す高分子を利用できるが、本実施形態では上記のように圧電性繊維Ａは主成分として配向軸を３軸とした時の圧電定数ｄ１４の絶対値が高い結晶性高分子、とりわけポリ乳酸を含むことが好適である。ポリ乳酸は、例えば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。しかしこのことは、本発明を実施するに際してポリフッ化ビニリデンその他の圧電性材料の使用を排除することを意図するものではない。
【００９１】
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。
【００９２】
ポリ乳酸の光学純度は９９％以上であることが好ましく、９９．３％以上であることがより好ましく、９９．５％以上であることがさらに好ましい。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、圧電性繊維Ａの形状変化によって十分な電気信号を得ることが難しくなる場合がある。特に、圧電性繊維Ａは、主成分としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度が９９％以上であることが好ましい。
【００９３】
ポリ乳酸を主成分とする圧電性繊維Ａは、製造時に延伸されて、その繊維軸方向に一軸配向している。さらに、圧電性繊維Ａは、その繊維軸方向に一軸配向しているだけでなく、ポリ乳酸の結晶を含むものであることが好ましく、一軸配向したポリ乳酸の結晶を含むものであることがより好ましい。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶性が高いことおよび一軸配向していることでより大きな圧電性を示し、ｄ１４の絶対値が高くなるためである。
【００９４】
結晶性および一軸配向性はホモＰＬＡ結晶化度Ｘhomo（％）および結晶配向度Ａｏ（％）で求められる。本発明の圧電性繊維Ａとしては、ホモＰＬＡ結晶化度Ｘhomo（％）および結晶配向度Ａｏ（％）が下記式（１）を満たすことが好ましい。
Ｘhomo×Ａｏ×Ａｏ÷１０6≧０．２６      （１）
上記式（１）を満たさない場合、結晶性および／または一軸配向性が十分でなく、動作に対する電気信号の出力値が低下したり、特定方向の動作に対する信号の感度が低下したりするおそれがある。上記式（１）の左辺の値は、０．２８以上がより好ましく、０．３以上がさらに好ましい。ここで、各々の値は下記に従って求める。
【００９５】
ホモポリ乳酸結晶化度Ｘhomo：
ホモポリ乳酸結晶化度Ｘhomoについては、広角Ｘ線回折分析（ＷＡＸＤ）による結晶構造解析から求める。広角Ｘ線回折分析（ＷＡＸＤ）では、（株）リガク製ｕｌｔｒａｘ１８型Ｘ線回折装置を用いて透過法により、以下条件でサンプルのＸ線回折図形をイメージングプレートに記録する。
Ｘ線源：  Ｃｕ−Ｋα線（コンフォーカル ミラー）
出力：  ４５ｋＶ×６０ｍＡ
スリット：  １ｓｔ：１ｍｍΦ，２ｎｄ：０．８ｍｍΦ
カメラ長：  １２０ｍｍ
積算時間：  １０分
サンプル：  ３５ｍｇのポリ乳酸繊維を引き揃え３ｃｍの繊維束とする。
得られるＸ線回折図形において方位角にわたって全散乱強度Ｉtotalを求め、ここで２θ＝１６．５°，１８．５°，２４．３°付近に現れるホモポリ乳酸結晶に由来する各回折ピークの積分強度の総和ΣＩHMiを求める。これらの値から下式（２）に従い、ホモポリ乳酸結晶化度Ｘhomoを求める。
ホモポリ乳酸結晶化度Ｘhomo（％）＝ΣＩHMi／Ｉtotal×１００      （２）
なお、ΣＩHMiは、全散乱強度においてバックグランドや非晶による散漫散乱を差し引くことによって算出する。
【００９６】
（２）結晶配向度Ａｏ：
結晶配向度Ａｏについては、上記の広角Ｘ線回折分析（ＷＡＸＤ）により得られるＸ線回折図形において、動径方向の２θ＝１６．５°付近に現れるホモポリ乳酸結晶に由来する回折ピークについて、方位角（°）に対する強度分布をとり、得られた分布プロファイルの半値幅の総計ΣWi（°）から次式（３）より算出する。
結晶配向度Ａｏ（％）＝（３６０−ΣＷi）÷３６０×１００      （３）
【００９７】
なお、ポリ乳酸は加水分解が比較的速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。
【００９８】
圧電性繊維Ａはフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントであっても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントであってもよい。モノフィラメント（紡績糸を含む）の場合、その単糸径は１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは５μｍ〜２ｍｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜１ｍｍである。マルチフィラメントの場合、その単糸径は０．１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍ、さらに好ましくは３μｍ〜５０μｍである。マルチフィラメントの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。ただし、圧電性繊維Ａの繊度や本数については、組紐を作製する際のキャリア１つあたりの繊度、本数であり、複数本の単糸（モノフィラメント）で形成されるマルチフィラメントも一本の圧電性繊維Ａと数えるものとする。ここで、キャリア１つの中に、圧電性繊維以外の繊維を用いた場合であっても、それを含めた全体の量とする。
【００９９】
このような圧電性高分子を圧電性繊維Ａとするためには、高分子から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る。例えば、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、フィルムを形成した後に細くカットする手法、など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。さらに、繊維を形成後には形成された繊維を延伸する。それにより一軸延伸配向しかつ結晶を含む大きな圧電性を示す圧電性繊維Ａが形成される。
【０１００】
また、圧電性繊維Ａは、上記のように作製されたものを組紐とする前に、染色、撚糸、合糸、熱処理などの処理をすることができる。
【０１０１】
さらに、圧電性繊維Ａは、組紐を形成する際に繊維同士が擦れて断糸したり、毛羽が出たりする場合があるため、その強度と耐摩耗性は高い方が好ましく、強度は１．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが好ましく、２．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがより好ましく、２．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがさらに好ましく、３．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが最も好ましい。耐摩耗性は、ＪＩＳ  Ｌ１０９５  ９．１０．２  Ｂ法などで評価することができ、摩擦回数は１００回以上が好ましく、１０００回以上であることがより好ましく、５０００回以上であることがさらに好ましく、１００００回以上であることが最も好ましい。耐摩耗性を向上させるための方法は特に限定されるものではなく、公知のあらゆる方法を用いることができ、例えば、結晶化度を向上させたり、微粒子を添加したり、表面加工したりすることができる。また、組紐に加工する際に、繊維に潤滑剤を塗布して摩擦を低減させることもできる。
【０１０２】
また、圧電性繊維の収縮率は、前述した導電性繊維の収縮率との差が小さいことが好ましい。収縮率差が大きいと、組紐作製後の後処理工程や実使用時に熱がかかった時や経時変化により組紐が曲がったり、圧電信号が弱くなってしまう場合がある。収縮率を後述の沸水収縮率で定量化した場合、圧電性繊維の沸水収縮率Ｓ（ｐ）および導電性繊維の沸水収縮率Ｓ（ｃ）が下記式（４）を満たすことが好適である。
｜Ｓ（ｐ）−Ｓ（ｃ）｜≦１０      （４）
上記式（４）の左辺は５以下であることがより好ましく、３以下であればさらに好ましい。
【０１０３】
また、圧電性繊維の収縮率は、導電性繊維以外の繊維、例えば絶縁性繊維の収縮率との差も小さいことが好ましい。収縮率差が大きいと、組紐作製後の後処理工程や実使用時に熱がかかった時や経時変化により組紐が曲がったり、圧電信号が弱くなってしまう場合がある。収縮率を沸水収縮率で定量化した場合、圧電性繊維の沸水収縮率Ｓ（ｐ）および絶縁性繊維の沸水収縮率Ｓ（ｉ）が下記式（５）を満たすことが好適である。
｜Ｓ（ｐ）−Ｓ（ｉ）｜≦１０      （５）
上記式（５）の左辺は５以下であることがより好ましく、３以下であればさらに好ましい。
【０１０４】
また、圧電性繊維の収縮率は小さい方が好ましい。例えば収縮率を沸水収縮率で定量化した場合、圧電性繊維の収縮率は１５％以下であることが好ましく、より好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下、最も好ましくは３％以下である。収縮率を下げる手段としては、公知のあらゆる方法を適用することができ、例えば、熱処理により非晶部の配向緩和や結晶化度を上げることにより収縮率を低減することができ、熱処理を実施するタイミングは特に限定されず、延伸後、撚糸後、組紐化後などが挙げられる。なお、上述の沸水収縮率は以下の方法で測定するものとする。枠周１．１２５ｍの検尺機で捲数２０回のカセを作り、０．０２２ｃＮ／ｄｔｅｘの荷重を掛けて、スケール板に吊るして初期のカセ長Ｌ０を測定した。その後、このカセを１００℃の沸騰水浴中で３０分間処理後、放冷し再び上記荷重を掛けてスケール板に吊るし収縮後のカセ長Ｌを測定した。測定されたＬ０およびＬを用いて下記式（６）により沸水収縮率を計算する。
沸水収縮率＝（Ｌ０−Ｌ）／Ｌ０×１００（％）    （６）
【０１０５】
（被覆）
導電性繊維Ｂ、すなわち芯部３は、圧電性繊維Ａ、すなわち組紐状の鞘部２で表面が被覆されている。導電性繊維Ｂを被覆する鞘部２の厚みは１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、５μｍ〜５ｍｍであることがより好ましく、１０μｍ〜３ｍｍであることがさらに好ましい、２０μｍ〜１ｍｍであることが最も好ましい。薄すぎると強度の点で問題となる場合があり、また、厚すぎると組紐状圧電素子１が硬くなり変形し難くなる場合がある。なお、ここで言う鞘部２とは芯部３に隣接する層のことを指す。
【０１０６】
組紐状圧電素子１において、鞘部２の圧電性繊維Ａの総繊度は、芯部３の導電性繊維Ｂの総繊度の１／２倍以上、２０倍以下であることが好ましく、１倍以上、１５倍以下であることがより好ましく、２倍以上、１０倍以下であることがさらに好ましい。圧電性繊維Ａの総繊度が導電性繊維Ｂの総繊度に対して小さ過ぎると、導電性繊維Ｂを囲む圧電性繊維Ａが少な過ぎて導電性繊維Ｂが十分な電気信号を出力できず、さらに導電性繊維Ｂが近接する他の導電性繊維に接触するおそれがある。圧電性繊維Ａの総繊度が導電性繊維Ｂの総繊度に対して大き過ぎると、導電性繊維Ｂを囲む圧電性繊維Ａが多過ぎて組紐状圧電素子１が硬くなり変形し難くなる。すなわち、いずれの場合にも組紐状圧電素子１がセンサとして十分に機能しなくなる。
ここでいう総繊度とは、鞘部２を構成する圧電性繊維Ａ全ての繊度の和であり、例えば、一般的な８打組紐の場合には、８本の繊維の繊度の総和となる。
【０１０７】
また、組紐状圧電素子１において、鞘部２の圧電性繊維Ａの一本あたりの繊度は、導電性繊維Ｂの総繊度の１／２０倍以上、２倍以下であることが好ましく、１／１５倍以上、１．５倍以下であることがより好ましく、１／１０倍以上、１倍以下であることがさらに好ましい。圧電性繊維Ａ一本あたりの繊度が導電性繊維Ｂの総繊度に対して小さ過ぎると、圧電性繊維Ａが少な過ぎて導電性繊維Ｂが十分な電気信号を出力できず、さらに圧電性繊維Ａが切断するおそれがある。圧電性繊維Ａ一本あたりの繊度が導電性繊維Ｂの総繊度に対して大き過ぎると、圧電性繊維Ａが太過ぎて組紐状圧電素子１が硬くなり変形し難くなる。すなわち、いずれの場合にも組紐状圧電素子１がセンサとして十分に機能しなくなる。
【０１０８】
なお、導電性繊維Ｂに金属繊維を用いた場合や、金属繊維を導電性繊維Ｂあるいは圧電性繊維Ａに混繊した場合は、繊度の比率は上記の限りではない。本発明において、上記比率は、接触面積や被覆率、すなわち、面積および体積の観点で重要であるからである。例えば、それぞれの繊維の比重が２を超えるような場合には、繊維の平均断面積の比率が上記繊度の比率であることが好ましい。
【０１０９】
圧電性繊維Ａと導電性繊維Ｂと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Ｂと圧電性繊維Ａとの間にアンカー層や接着層などを設けてもよい。
【０１１０】
被覆の方法は導電性繊維Ｂを芯糸として、その周りに圧電性繊維Ａを組紐状に巻きつける方法が取られる。一方、圧電性繊維Ａの組紐の形状は、印加された荷重で生じる応力に対して電気信号を出力することが出来れば特に限定されるものではないが、芯部３を有する８打組紐や１６打組紐が好ましい。
【０１１１】
導電性繊維Ｂと圧電性繊維Ａの形状としては特に限定されるものではないが、できるだけ同心円状に近いことが好ましい。なお、導電性繊維Ｂとしてマルチフィラメントを用いる場合、圧電性繊維Ａは、導電性繊維Ｂの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）に圧電性繊維Ａが被覆していてもよいし、被覆していなくともよい。導電性繊維Ｂの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圧電性繊維Ａ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。
【０１１２】
本発明における組紐状圧電素子１は、その表面に電極を存在させる必要が無いため、組紐状圧電素子１自体をさらに被覆する必要がなく、また、誤動作しにくいという利点がある。
【０１１３】
（絶縁性繊維）
組紐状圧電素子１では、鞘部２は圧電性繊維Ａのみによって形成してもよいし、または圧電性繊維Ａと絶縁性繊維の組み合わせによって形成してもよい。
【０１１４】
このような絶縁性繊維としては、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合成繊維他、綿、麻、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。
また、公知のあらゆる断面形状の繊維も用いることができる。
【０１１５】
（製造方法）
本発明における組紐状圧電素子１は少なくとも１本の導電性繊維Ｂの表面を組紐状の圧電性繊維Ａで被覆しているが、その製造方法としては例えば以下の方法が挙げられる。すなわち、導電性繊維Ｂと圧電性繊維Ａを別々の工程で作製し、導電性繊維Ｂに圧電性繊維Ａを組紐状に巻きつけて被覆する方法である。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。
【０１１６】
この場合、圧電性繊維Ａを形成する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、結晶化温度は８０℃〜１７０℃が好ましい。
【０１１７】
導電性繊維Ｂに巻きつける圧電性繊維Ａ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（紡績糸を含む）を用いても良い。また、圧電性繊維Ａを巻きつけられる導電性繊維Ｂ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（紡績糸を含む）を用いても良い。
【０１１８】
被覆の好ましい形態としては、導電性繊維Ｂを芯糸とし、その周囲に圧電性繊維Ａを組紐状に製紐して、丸打組物（Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｂｒａｉｄ）を作製することで被覆することができる。より具体的には芯部３を有する８打組紐や１６打組紐が挙げられる。ただし、例えば、圧電性繊維Ａを編組チューブのような形態とし、導電性繊維Ｂを芯として当該編組チューブに挿入することで被覆してもよい。
【０１１９】
以上のような製造方法により、導電性繊維Ｂの表面を組紐状の圧電性繊維Ａで被覆した組紐状圧電素子１を得ることができる。
【０１２０】
本発明における組紐状圧電素子１は、表面に電気信号を検出するための電極の形成を必要としないため、比較的簡単に製造することができる。
【０１２１】
（保護層）
本発明における組紐状圧電素子１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。保護層に絶縁性を持たせる場合には、もちろん、この場合には保護層ごと変形させたり、保護層上を擦ったりすることになるが、これらの外力が圧電性繊維Ａ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、布帛、繊維などを巻付けてもよく、あるいは、それらが組み合わされたものであってもよい。
【０１２２】
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繊維Ａ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。
【０１２３】
また、ノイズ低減を目的として電磁波シールド層を組紐構造に取り入れることも可能である。電磁波シールド層は特に限定されるものではないが、導電性の物質をコーティングしてもよいし、導電性を有するフィルム、布帛、繊維などを巻付けてもよい。電磁波シールド層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。ただし、電磁波シールド層の効果が得られるのであれば抵抗率はこの限りではない。この電磁波シールド層は、鞘の圧電性繊維Ａの表面に設けてもよく、前述の保護層の外側に設けてもよい。もちろん、電磁波シールド層と保護層が複数層積層されていてもよく、その順番も目的に応じて適宜決められる。
【０１２４】
さらには、圧電性繊維からなる層を複数層設けたり、信号を取り出すための導電性繊維からなる層を複数層設けたりすることもできる。もちろん、これらの保護層、電磁波シールド層、圧電性繊維からなる層、導電性繊維からなる層は、その目的に応じて、その順番および層数は適宜決められる。なお、巻付ける方法としては、鞘部２のさらに外層に組紐構造を形成したり、カバーリングしたりする方法が挙げられる。
【０１２５】
組紐状圧電素子１に変形が生じると、圧電性繊維Ａは変形して分極が発生する。圧電性繊維Ａの分極により発生した正負各電荷の配列につられて、組紐状圧電素子１の芯部３を形成する導電性繊維Ｂの出力端子からの引出し線上において電荷の移動が発生する。導電性繊維Ｂからの引出し線上における電荷の移動は微小な電気信号（すなわち電流または電位差）として現れる。つまり、組紐状圧電素子１に変形が与えられた時に発生する電荷に応じて、出力端子から電気信号が出力されることになる。したがって、組紐状圧電素子１は、本発明に係る圧電センサ及び衝突検知方法において有効に機能させることができる。
【０１２６】
なお、上で説明した図１１〜１８に示す実験では、本発明に係る圧電センサにおける線状圧電素子として、以下で説明する組紐状圧電素子１−２が使用されており、それは以下の方法で製造した。
【０１２７】
組紐状圧電素子において使用された圧電性繊維の特性は、以下の方法によって決定した。
（１）ポリ−Ｌ−乳酸結晶化度Ｘhomo：
ポリ−Ｌ−乳酸結晶化度Ｘhomoについては、広角Ｘ線回折分析（ＷＡＸＤ）による結晶構造解析から求めた。広角Ｘ線回折分析（ＷＡＸＤ）では、（株）リガク製ｕｌｔｒａｘ１８型Ｘ線回折装置を用いて透過法により、以下条件でサンプルのＸ線回折図形をイメージングプレートに記録した。
Ｘ線源：  Ｃｕ−Ｋα線（コンフォーカル ミラー）
出力：  ４５ｋＶ×６０ｍＡ
スリット：  １ｓｔ：１ｍｍΦ，２ｎｄ：０．８ｍｍΦ
カメラ長：  １２０ｍｍ
積算時間：  １０分
サンプル：  ３５ｍｇのポリ乳酸繊維を引き揃え３ｃｍの繊維束とする
得られたＸ線回折図形において方位角にわたって全散乱強度Ｉtotalを求め、ここで２θ＝１６．５°，１８．５°，２４．３°付近に現れるポリ−Ｌ−乳酸結晶に由来する各回折ピークの積分強度の総和ΣＩHMiを求めた。これらの値から下式（３）に従い、ポリ−Ｌ−乳酸結晶化度Ｘhomoを求めた。
［数３］
ポリ−Ｌ−乳酸結晶化度Ｘhomo（％）＝ΣＩHMi／Ｉtotal×１００      （３）
なお、ΣＩHMiは、全散乱強度においてバックグランドや非晶による散漫散乱を差し引くことによって算出した。
【０１２８】
（２）ポリ−Ｌ−乳酸結晶配向度Ａ：
ポリ−Ｌ−乳酸結晶配向度Ａについては、上記の広角Ｘ線回折分析（ＷＡＸＤ）により得られたＸ線回折図形において、動径方向の２θ＝１６．５°付近に現れるポリ−Ｌ−乳酸結晶に由来する回折ピークについて、方位角（°）に対する強度分布をとり、得られた分布プロファイルの半値幅の総計ΣＷi（°）から次式（４）より算出した。
［数４］
ポリ−Ｌ−乳酸結晶配向度Ａ（％）＝（３６０−ΣＷi）÷３６０×１００    （４）
【０１２９】
（３）ポリ乳酸の光学純度：
組紐状圧電素子を構成する１本（マルチフィラメントの場合は１束）のポリ乳酸繊維０．１ｇを採取し、５モル／リットル濃度の水酸化ナトリウム水溶液１．０ｍＬとメタノール１．０ｍＬを加え、６５℃に設定した水浴振とう器にセットして、ポリ乳酸が均一溶液になるまで３０分程度加水分解を行い、さらに加水分解が完了した溶液に０．２５モル／リットルの硫酸を加えｐＨ７まで中和し、その分解溶液を０．１ｍＬ採取して高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）移動相溶液３ｍＬにより希釈し、メンブレンフィルター（０．４５μｍ）によりろ過した。この調整溶液のＨＰＬＣ測定を行い、Ｌ−乳酸モノマーとＤ−乳酸モノマーの比率を定量した。１本のポリ乳酸繊維が０．１ｇに満たない場合は、採取可能な量に合わせ他の溶液の使用量を調整し、ＨＰＬＣ測定に供するサンプル溶液のポリ乳酸濃度が上記と同等から１００分の１の範囲になるようにした。
＜ＨＰＬＣ測定条件＞
カラム：（株）住化分析センター社製「スミキラル（登録商標）」ＯＡ−５０００（４．６ｍｍφ×１５０ｍｍ）、
移動相：１．０ミリモル／リットルの硫酸銅水溶液
移動相流量：１．０ミリリットル／分
検出器：ＵＶ検出器（波長２５４ｎｍ）
注入量：１００マイクロリットル
Ｌ乳酸モノマーに由来するピーク面積をＳLLAとし、Ｄ−乳酸モノマーに由来するピーク面積をＳDLAとすると、ＳLLAおよびＳDLAはＬ−乳酸モノマーのモル濃度ＭLLAおよびＤ−乳酸モノマーのモル濃度ＭDLAにそれぞれ比例するため、ＳLLAとＳDLAのうち大きい方の値をＳMLAとし、光学純度は下記式（５）で計算した。
［数５］
光学純度（％）＝ＳMLA÷（ＳLLA＋ＳDLA）×１００      （５）
【０１３０】
（ポリ乳酸の製造）
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質量部に対し、オクチル酸スズを０．００５質量部加え、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の質量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。
【０１３１】
（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／２４フィラメントのマルチフィラメント一軸延伸糸ＰＦ１を得た。また、２４０℃にて溶融させたＰＬＬＡ１を１２ホールのキャップから８ｇ／ｍｉｎで吐出し、１０５０ｍ／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、１５０℃で熱固定処理することにより３３ｄｔｅｘ／１２フィラメントのマルチフィラメント一軸延伸糸ＰＦ２を得た。これらの圧電性繊維ＰＦ１およびＰＦ２を圧電性高分子として用いた。ＰＦ１およびＰＦ２のポリ−Ｌ−乳酸結晶化度、ポリ−Ｌ−乳酸結晶配向度および光学純度は上記の方法で測定し、表１の通りであった。
【０１３２】
【表１】
0006762376.tif 000002
【０１３３】
（導電性繊維）
ミツフジ（株）製の銀メッキナイロン、品名『ＡＧｐｏｓｓ』１００ｄ３４ｆ（ＣＦ１）を導電性繊維Ｂとして使用した。ＣＦ１の抵抗率は２５０Ω／ｍであった。
また、ミツフジ（株）製の銀メッキナイロン、品名『ＡＧｐｏｓｓ』３０ｄ１０ｆ（ＣＦ２）を導電性繊維Ｂとして使用した。ＣＦ２の導電性は９５０Ω／ｍであった。
【０１３４】
（絶縁性繊維）
ポリエチレンテレフタレートを溶融紡糸後に延伸することで製造した８４ｄＴｅｘ／２４フィラメントの延伸糸ＩＦ１、および３３ｄＴｅｘ／１２フィラメントの延伸糸ＩＦ２をそれぞれ絶縁性繊維とした。
【０１３５】
（組紐状圧電素子）
図２２に示すように、導電性繊維ＣＦ１を芯糸とし、８打ち丸組紐製紐機の８本のキャリアのうち、Ｚ撚り方向に組まれる４本のキャリアに上記の圧電性繊維ＰＦ１をセットし、Ｓ撚り方向に組まれる４本のキャリアに上記の絶縁性繊維ＩＦ１をセットして組むことで、芯糸の周りにＺ撚り方向に圧電性繊維ＰＦ１がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子１−１を作製した。ここで、導電性繊維の繊維軸ＣＬに対する圧電性繊維の巻きつけ角度（配向角度θ）は４５°とした。さらに、組紐状圧電素子１−１を芯糸とし、製紐機の８本のキャリアのうち、Ｚ撚り方向に組まれる４本のキャリアおよびＳ撚り方向に組まれる４本のキャリア全てに上記の導電性繊維ＣＦ２をセットして組むことで、組紐状圧電素子１−１の周りを導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子１−２とした。当該組紐状圧電素子１−２を、上記のとおり、図１１〜１８に示す実験において使用した。
【０１３６】
次に、本発明の圧電センサにおいて用いられる圧電素子に関し、圧電性高分子の配向角度θおよびＴ１／Ｔ２の値が伸長変形に対する電気信号に及ぼす影響について調べた。
【０１３７】
圧電素子の特性は、以下の方法によって決定した。
（１）中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θ
中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θは、下記式から計算した。
θ  ＝  ａｒｃｔａｎ（２πＲｍ／ＨＰ）  （０°≦θ≦９０°）
ただしＲｍ＝２（Ｒｏ3−Ｒｉ3）／３（Ｒｏ2−Ｒｉ2）、即ち断面積で加重平均した組紐状圧電素子（または他の構造体）の半径である。らせんピッチＨＰ、組紐状圧電素子（または他の構造体）が占める部分の外側半径Ｒｏおよび内側半径Ｒｉは以下の通り測定した。
（１−１）組紐状圧電素子の場合は、（組紐状圧電素子の圧電性高分子以外による被覆がなされている場合は必要に応じて被覆を除去して側面から圧電性高分子が観察できる状態としてから）側面写真を撮影し、任意の５カ所で図２３のように圧電性高分子のらせんピッチＨＰ（μｍ）を測定し、平均値を取った。また、組紐状圧電素子に低粘性の瞬間接着剤「アロンアルファＥＸＴＲＡ２０００」（東亞合成（株）製）を染み込ませて固化させた後、組紐の長軸に垂直な断面を切り出して断面写真を撮影し、１枚の断面写真について後述の通り組紐状圧電素子が占める部分の外側半径Ｒｏ（μｍ）および内側半径Ｒｉ（μｍ）を測定し、同様の測定を別の任意の断面５カ所について測定し、平均値を取った。圧電性高分子と絶縁性高分子とが同時に組まれている場合、例えば圧電性繊維と絶縁性繊維を合糸したものを用いている場合や、８打ち組紐の４本の繊維が圧電性高分子であり、残る４本の繊維が絶縁性高分子である場合は、様々な場所で断面を取った時、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とが互いに入れ替わるため、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とを合せて組紐状圧電素子が占める部分とみなす。ただし、絶縁性高分子が圧電性高分子と同時に組まれていない部分については、組紐状圧電素子の一部とはみなさない。
外側半径Ｒｏと内側半径Ｒｉについては、以下の通り測定した。図２４（ａ）の断面写真の通り、圧電性構造体（圧電性繊維Ａで形成された鞘部２）が占める領域（以後ＰＳＡと記載する）と、ＰＳＡの中央部にありＰＳＡではない領域（以後ＣＡと記載する）を定義する。ＰＳＡの外側にあり、ＰＳＡに重ならない最小の真円の直径と、ＰＳＡの外側を通らない（ＣＡは通ってもよい）最大の真円の直径との平均値をＲｏとする（図２４（ｂ））。また、ＣＡの外側にあり、ＣＡに重ならない最小の真円の直径と、ＣＡの外側を通らない最大の真円の直径との平均値をＲｉとする（図２４（ｃ））。
（１−２）カバリング糸状圧電素子の場合は、圧電性高分子をカバリングする時の巻き速度がＴ回／ｍ（カバリング糸の長さあたりの圧電性高分子の回転数）のとき、らせんピッチＨＰ（μｍ）＝１００００００／Ｔとした。また、カバリング糸状圧電素子に低粘性の瞬間接着剤「アロンアルファＥＸＴＲＡ２０００」（東亞合成（株）製）を染み込ませて固化させた後、組紐の長軸に垂直な断面を切り出して断面写真を撮影し、１枚の断面写真について組紐状圧電素子の場合と同様にカバリング糸状圧電素子が占める部分の外側半径Ｒｏ（μｍ）および内側半径Ｒｉ（μｍ）を測定し、同様の測定を別の任意の断面５カ所について測定し、平均値を取った。圧電性高分子と絶縁性高分子とが同時にカバリングされている場合、例えば圧電性繊維と絶縁性繊維を合糸したものをカバリングしてある場合や、圧電性繊維と絶縁性繊維とが重ならないように同時にカバリングしてある場合は、様々な場所で断面を取った時、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とが互いに入れ替わるため、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とを合せてカバリング糸状圧電素子が占める部分とみなす。ただし、絶縁性高分子が圧電性高分子と同時にカバリングされてない、即ちどの断面を取っても絶縁性高分子が常に圧電性高分子の内側または外側にある部分については、カバリング糸状圧電素子の一部とはみなさない。
【０１３８】
（２）電気信号測定
エレクトロメータ（Ｋｅｙｓｉｇｈｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．製  Ｂ２９８７Ａ）を、同軸ケーブル（芯：Ｈｉ極、シールド：Ｌｏ極）を介して圧電素子の導電体に接続した状態で、圧電素子に対し下記２−１〜５のいずれかの動作試験をしながら５０ｍ秒の間隔で電流値を計測した。
（２−１）引張試験
（株）オリエンテック製万能試験機「テンシロンＲＴＣ−１２２５Ａ」を用い、圧電素子の長尺方向に１２ｃｍの間隔を空けて圧電素子をチャックで掴み、素子が弛んだ状態を０．０Ｎとし、０．５Ｎの張力まで引っ張った状態で変位を０ｍｍとし、１００ｍｍ／ｍｉｎの動作速度で１．２ｍｍまで引っ張った後、０ｍｍまで−１００ｍｍ／ｍｉｎの動作速度で戻す動作を１０回繰り返した。
（２−２）ねじり試験
圧電素子を掴む２か所のチャックのうち、片方のチャックはねじり動作を行わず圧電素子の長軸方向に自由に動くようなレール上に設置されて圧電素子に０．５Ｎの張力が常にかかる状態とし、他方のチャックは圧電素子の長軸方向には動かずねじり動作を行うよう設計されたねじり試験装置を用い、圧電素子の長尺方向に７２ｍｍの間隔を空けて圧電素子をこれらのチャックで掴み、素子の中央からチャックを見て時計回りにねじるように１００°／ｓの速度で０°から４５°まで回転した後、−１００／ｓの速度で４５°から０°まで回転する往復ねじり動作を１０回繰り返した。
（２−３）曲げ試験
上部と下部との２つのチャックを備え、下部のチャックは固定され、上部のチャックは下部のチャックの７２ｍｍ上方に位置し、２つのチャックを結ぶ線分を直径とする仮想の円周上を上部のチャックが移動する試験装置を用い、圧電素子をチャックに把持して固定し、該円周上にて上部のチャックを１２時の位置、下部のチャックを６時の位置としたとき、圧電素子を９時方向に凸に僅かに撓ませた状態とした後、上部のチャックを１２時の位置から該円周上の１時、２時の位置を経由して３時の位置に一定速度で０．９秒かけて移動させた後、１２時の位置まで０．９秒かけて移動させる往復曲げ動作を１０回繰り返した。
（２−４）せん断試験
５０番手の綿糸で織られた平織布を表面に貼り付けた２枚の剛直な金属板によって、圧電素子の中央部６４ｍｍの長さの部分を上下から水平に挟み（下部の金属板は台に固定されている）、上から３．２Ｎの垂直荷重をかけ、金属板表面の綿布と圧電素子との間が滑らないようにした状態のまま、上の金属板を０Ｎから１Ｎの荷重まで１秒かけて圧電素子の長尺方向に引っ張った後、引張荷重を０Ｎまで１秒かけて戻すせん断動作を１０回繰り返した。
（２−５）押圧試験
（株）オリエンテック製万能試験機「テンシロンＲＴＣ−１２２５Ａ」を用い、水平で剛直な金属台上に静置した圧電素子の中央部６４ｍｍの長さの部分を、上部のクロスヘッドに設置された剛直な金属板により水平に圧電素子を挟み、圧電素子から上部の金属板への反力が０．０１Ｎから２０Ｎとなるまで０．６秒かけて上部のクロスヘッドを下げて押圧し、反力が０．０１Ｎとなるまで０．６秒かけて除圧する動作を１０回繰り返した。
【０１３９】
（例Ａ）
例Ａの試料として、図２２に示すように、導電性繊維ＣＦ１を芯糸とし、８打ち丸組紐製紐機の８本のキャリアのうち、Ｚ撚り方向に組まれる４本のキャリアに上記の圧電性繊維ＰＦ１をセットし、Ｓ撚り方向に組まれる４本のキャリアに上記の絶縁性繊維ＩＦ１をセットして組むことで、芯糸の周りにＺ撚り方向に圧電性繊維ＰＦ１がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子１−Ａを作成した。
【０１４０】
（例Ｂ）
組紐状圧電素子１−Ａを芯糸とし、製紐機の８本のキャリアのうち、Ｚ撚り方向に組まれる４本のキャリアおよびＳ撚り方向に組まれる４本のキャリア全てに上記の導電性繊維ＣＦ２をセットして組むことで、組紐状圧電素子１−Ａの周りを導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子１−Ｂとした。
【０１４１】
（例Ｃ、Ｄ）
ＰＦ１の巻付け速度を変更した以外は組紐状圧電素子１−Ａと同様にして、２本の組紐状圧電素子を作成し、これらの組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子１−Ｂと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子１−Ｃおよび１−Ｄとした。
【０１４２】
（例Ｅ〜Ｈ）
製紐機の８本のキャリアのうち、表２の通りＺ撚り方向およびＳ撚り方向に組まれるキャリアにそれぞれＰＦ１あるいはＩＦ１をセットして組むことで、芯糸の周りにＺ撚り方向およびＳ撚り方向のそれぞれに所定の割合で圧電性繊維ＰＦ１がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子を作成し、これらの組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子１−Ｂと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子１−Ｅ〜１−Ｈとした。
【０１４３】
（例Ｉ）
ＰＦ１の代わりにＰＦ２を使用し、ＩＦ１の代わりにＩＦ２を使用し、巻付け速度を調整した以外は組紐状圧電素子１−Ａと同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子１−Ｂと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子１−Ｉとした。
【０１４４】
（例Ｊ）
ＰＦ２の代わりにＩＦ２を使用し、ＩＦ２の代わりにＰＦ２を使用した以外は組紐状圧電素子１−Ａと同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子１−Ｂと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子１−Ｊとした。
【０１４５】
（例Ｋ）
ＣＦ１を芯糸とし、ＰＦ１を芯糸の周りにＳ撚り方向に３０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにＩＦ１をＺ撚り方向に３０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにＣＦ２をＳ撚り方向に３０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにＣＦ２をＺ撚り方向に３０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、芯糸の周りにＳ撚り方向に圧電性繊維ＰＦ１がらせん状に巻かれ、さらに外側を導電性繊維で覆ったカバリング糸状圧電素子１−Ｋを作成した。
【０１４６】
（例Ｌ）
ＰＦ１の代わりにＩＦ１を使用した以外は組紐状圧電素子１−Ａと同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状素子を芯糸とし、組紐状圧電素子１−Ｂと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状素子１−Ｌとした。
【０１４７】
（例Ｍ）
ＰＦ１の代わりにＩＦ１を使用した以外はカバリング糸状圧電素子１−Ｋと同様にしてカバリング糸状素子を作成し、カバリング糸状素子１−Ｍとした。
【０１４８】
（例Ｎ）
ＩＦ１の代わりにＰＦ１を使用した以外は組紐状圧電素子１−Ｂと同様にして組紐状圧電素子１−Ｎを作成した。
【０１４９】
（例Ｏ）
ＩＦ２の代わりにＰＦ２を使用した以外は組紐状圧電素子１−Ｉと同様にして組紐状圧電素子１−Ｏを作成した。
【０１５０】
（例Ｐ）
導電性繊維ＣＦ１を芯糸とし、１６打ち丸組紐製紐機の１６本のキャリアのうち、Ｚ撚り方向に組まれる８本のキャリアに上記の圧電性繊維ＰＦ１をセットし、Ｓ撚り方向に組まれる８本のキャリアに上記の絶縁性繊維ＩＦ１をセットして組むことで、芯糸の周りにＺ撚り方向に圧電性繊維ＰＦ１がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子１−Ｂと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子１−Ｐとした。
【０１５１】
（例Ｑ）
ＣＦ１を芯糸とし、ＰＦ１を芯糸の周りにＳ撚り方向に６０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにＩＦ１をＺ撚り方向に６０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにＣＦ２をＳ撚り方向に３０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにＣＦ２をＺ撚り方向に３０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、芯糸の周りにＳ撚り方向に圧電性繊維ＰＦ１がらせん状に巻かれ、さらに外側を導電性繊維で覆ったカバリング糸状圧電素子１−Ｑを作成した。
【０１５２】
各圧電素子のＲｉ、Ｒｏ、ＨＰを測定し、計算された中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θの値、およびＴ１／Ｔ２の値を表２に示す。組紐状圧電素子については、ＲｉおよびＲｏは、断面において圧電性繊維と絶縁性繊維が存在する領域を合わせて圧電素子の占める領域として測定した。カバリング糸状圧電素子については、ＲｉおよびＲｏは、断面において圧電性繊維が存在する領域を圧電素子の占める領域として測定した。また、各圧電素子を１５ｃｍの長さに切断し、芯の導電性繊維をＨｉ極とし、周辺をシールドする金網または鞘の導電性繊維をＬｏ極としてエレクトロメータ（Ｋｅｙｓｉｇｈｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．製  Ｂ２９８７Ａ）に接続し、電流値をモニタした。引張試験、ねじり試験、曲げ試験、せん断試験および押圧試験時の電流値を表２に示す。なお、例Ｌ、Ｍは圧電性高分子を含まないため、θおよびＴ１／Ｔ２の値は測定できない。
【０１５３】
【表２】
0006762376.tif 000003
【０１５４】
表２の結果から、中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θが１５°以上７５°以下であり、Ｔ１／Ｔ２の値が０以上０．８以下であるとき、引張動作（伸長変形）に対し大きな信号を発生し、引張以外の動作には大きな信号を発生せず、引張動作に選択的に応答する素子であることが分かる。また例ＩとＪとを比べると、Ｚ撚り方向に多く圧電性繊維を巻いた場合と、Ｓ撚り方向に多く圧電性繊維を巻いた場合とを比べると、引張試験時の信号の極性が逆となっており、巻き方向が信号の極性に対応していることが分かる。
【０１５５】
さらに、表には示していないが、例Ａ〜Ｋの素子は引張荷重を与えた時の信号と、引張荷重を除いた時の信号とを比べると、極性が互いに逆で絶対値が概ね同じ信号を発生したため、これらの素子は引張荷重や変位の定量に適していることが分かる。一方、例ＮおよびＯの素子は引張荷重を与えた時の信号と、引張荷重を除いた時の信号とを比べると、極性が互いに逆である場合も同じである場合もあったため、これらの素子は引張荷重や変位の定量に適していないことが分かる。また、表には示していないが、例Ｂの引張試験時のノイズレベルは、例Ａの引張試験時のノイズレベルより低く、組紐状圧電素子の外側に導電性繊維を配置してシールドとした素子ではノイズを低減できることが分かる。
【０１５６】
図２５は、図２０及び図２１の実施形態に係る線状圧電素子に振動を与えた際に発生する電気信号を例示する図である。組紐状圧電素子１−Ａを芯糸とし、製紐機の８本のキャリアのうち、Ｚ撚り方向に組まれる４本のキャリアおよびＳ撚り方向に組まれる４本のキャリア全てに上記の導電性繊維ＣＦ２をセットして組むことで、組紐状圧電素子１−Ａの周りを導電性繊維で覆ったものを作製し、上述の例Ｂの組紐状圧電素子１−Ｂとした。２００ｍｍの長さの組紐状圧電素子１−Ｂを１４０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍのアラミド繊維不織布で挟み、三菱ケミカル（株）社製のエポキシ樹脂「ｊＥＲ（登録商標）」８２８を１００重量部に日本化薬（株）社製「カヤハード（登録商標）」ＡＡを０．３３７重量部を混合した熱硬化性樹脂を含浸させた。この樹脂を含浸させた不織布を１３０℃３時間の熱処理をすることで組紐状圧電素子を内蔵した樹脂板を得た。そして、ＤＩＧＩＬＥＮＴ社製のＡＮＡＬＯＧ  ＤＩＳＣＯＶＥＲＹに同軸ケーブル（芯：Ｈｉ極、シールド：Ｌｏ極）を介して、それぞれ組紐状圧電素子の芯の導電繊維および鞘の導電繊維に接続した。実験では、上記樹脂板の端部４０ｍｍを万力で固定した状態で樹脂板の反対の端部を２０ｍｍ曲げてから手を放し、樹脂板を振動させた。振動に応じて図２５に示す通り組紐状圧電素子から信号を検出することができ、樹脂板の振動状態を把握することができることが分かった。
【０１５７】
図２６は、図２０及び図２１の実施形態に係る線状圧電素子に振動を与えた際に発生する電気信号の極性を例示する図である。３Ｋ平織カーボンクロスを用いたプリプレグを８枚積層し、その２層目と３層目の間に組紐状圧電素子１−Ｂを挟んだ状態で、０．１ＭＰａの圧力をかけながら１３０℃３時間の熱処理することにより組紐状圧電素子を内蔵したＣＦＲＰ板を得た。そして、電気信号測定エレクトロメータ（Ｋｅｙｓｉｇｈｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．製 Ｂ２９８７Ａ）を、同軸ケーブル（芯：Ｈｉ極、シールド：Ｌｏ極）を介して、それぞれ組紐状圧電素子の芯の導電繊維および鞘の導電繊維に接続した。実験では、上記ＣＦＲＰ板を（株）オリエンテック製万能試験機「テンシロンＲＴＣ−１２２５Ａ」を用い、組紐状圧電素子が上側になるような配置で支点間距離１００ｍｍ、変位２ｍｍ、速度１２０ｍｍ／ｍｉｎで三点曲げ試験中の電気信号を計測した。変形に応じて図２６に示す通り、±３００ｐＡ程度の矩形波を生じることが分かった。また、速度を２倍の２４０ｍｍ／ｍｉｎにすると約６００ｐＡの電流を生じ、変形速度に対応した信号強度を生じることが分かった。また、信号強度の時間積分することにより変形量も分かるので、板の変形状態を電気信号から把握することができる。
【０１５８】
なお、ＣＦＲＰを裏返して組紐状圧電素子が下側になるような配置（上側配置の場合の伸長と圧縮とが入れ替わる）とした場合でも、表裏で伸長と圧縮とが入れ替わることから電気信号の極性（符号）が逆転するのみで、電気信号から変形の速度および方向が明らかとなることを確認した（結果は図示せず。）。
【符号の説明】
【０１５９】
１０１    線状圧電素子
１０２    信号検出部
１０３    超過判定部
１０４    タイミング記録部
１０５    領域特定部
１０６    応力計算部
１０７    印加判定部
１１１    境界線規定部
１１２    領域確定部
１０００    圧電センサ
【図１】
0006762376.tif 000004
【図２】
0006762376.tif 000005
【図３】
0006762376.tif 000006
【図４】
0006762376.tif 000007
【図５】
0006762376.tif 000008
【図６】
0006762376.tif 000009
【図７】
0006762376.tif 000010
【図８】
0006762376.tif 000011
【図９】
0006762376.tif 000012
【図１０】
0006762376.tif 000013
【図１１】
0006762376.tif 000014
【図１２】
0006762376.tif 000015
【図１３】
0006762376.tif 000016
【図１４】
0006762376.tif 000017
【図１５】
0006762376.tif 000018
【図１６】
0006762376.tif 000019
【図１７】
0006762376.tif 000020
【図１８】
0006762376.tif 000021
【図１９】
0006762376.tif 000022
【図２０】
0006762376.tif 000023
【図２１】
0006762376.tif 000024
【図２２】
0006762376.tif 000025
【図２３】
0006762376.tif 000026
【図２４】
0006762376.tif 000027
【図２５】
0006762376.tif 000028
【図２６】
0006762376.tif 000029