研究論文

センサー機能を有する織物の開発
池口達治＊１、堀場隆広＊１

Development of Sensor Textile
Tatsuharu IKEGUCHI *1 and Takahiro HORIBA *1
Owari Textile Research Center, AITEC * 1

導電性素材と非導電性素材からなる二層構造糸をたてよこに織り込んだ織物を作製した。この織物は圧縮時に静電容量が変化するセンサー機能を有している。見た目や触れた感触が通常の織物とほとんど変わらないため、新しい形態のタッチスイッチ、圧力センサーなどへの展開が期待される。

１．はじめにとにより、綿がもつ柔らかな風合いを付与させた織物を従来、寒さから身を守ったり、ファッションのために試作した。試作した糸および織物の製造条件は次のとお着飾ったり、見る人を楽しませてくれるために用いられりである。なお、撚回数の Z は撚方向が左撚りであるこてきた織物の分野に電子工学的なハイテクノロジーを組とを表し、Ｓは右撚りであることを表す。

み込む研究が盛んになってきている。広告用のディスプ①導電性糸

レイがついたＴシャツ、音楽プレーヤーを組み込んだジ

糸 a（芯糸）ャケット、センサーを埋め込んだカーペットなど商品化

糸 b（鞘糸）段階にあるものも少なくない。このような織物はエレク

糸c

撚回数：Z476 回/m
S500 回/m

トロニック・テキスタイルと呼ばれ、日常生活、福祉、ただし、病院、IT 分野など大きな市場規模が期待されている。

糸 a：ステンレス鋼線

本研究では、エレクトロニック・テキスタイルのひと

直径 0.04mm

糸 b：ポリエステル糸 300D/72F

つとして、上から押さえたことを検知できるセンサー機

糸 c：綿糸 20/1

能を発揮できる織物の開発を進めてきた。芯に導電性繊

糸 a、b はカバーリング撚糸の構造

維、周囲に絶縁性繊維を配置した導電性二層構造糸を使

糸 a+b と糸 c は交撚構造

用した織物は、圧縮したときに静電容量が変化する。こ使用した撚糸機：の原理を利用してセンサー機能を有する織物を試作した。
さらに、この織物を手で押さえることによって LED を点灯させる回路の試作、離床センサーの試作を行いそれぞれの有効性を確認した。

オゼキテクノ㈱製意匠撚糸機 ON-700-NFⅢ㈱カキノキ製合撚糸機 TW-D
②導電性織物
組織：平織
たて糸密度：15.0 本/cm

２．試料および実験方法
2.1 試料

よこ糸密度：16.5 本/cm
織物は図１に示すように裁断し、糸の一部を抜き取り、導電性素材を含むカバーリング糸と綿糸とを交撚した

端部に導電性接着剤（藤倉化成㈱製 XA-910）を塗布し糸を使って導電性織物を製織し、これを実験試料とした。

た。これにより導電性接着剤が繊維の隙間に浸透して糸カバーリング糸は無撚りの芯糸に鞘糸が巻き付いた構造の芯部に位置する導電性素材にまで到達し、電気的に導の糸である。過去の実験において、ステンレス鋼線を芯通させることができる。導電性接着剤を塗布した後の織糸に使用したカバーリング糸は、芯糸の座屈変形防止と物を図２に示す。

鞘糸による高い被覆性において、優れていることが確認されている。今回はカバーリング糸と綿糸を交撚するこ＊

1 尾張繊維技術センター

開発技術室

硬化処理：100℃、60min

1cm 1cm15cmるため静電容量が変化する。この現象を利用することによりタッチセンサーとしても利用することができる。

15cm1cm1cm
図１ 織物センサーの形状
図３ 織物の電気的等価回路
2.3 実験方法
2.3.1 構造解析
マイクロ X 線 CT スキャナー（(株)東陽テクニカ製
SKYSCAN1174）を用いて織物を上下から圧縮した状態
図２ 織物の概観写真

における導電性繊維の三次元座標を計測し、たて糸の導電性繊維とよこ糸の導電性繊維間の距離を求めた。主なこの織物の導電性二層構造糸の芯部にあるはずのステ計測条件は、分解能：6μm、スライス幅：9.75μm、試

ンレス線が何らかの原因で露出し、たて糸とよこ糸とで料サイズ：5mm×5mm である。

短絡するとキャパシタとして機能しないので、露出の恐2.3.2 耐候性試験

れのある織物表面の数カ所において拡大し、不良箇所が導電性接着剤は電子部品等の接合に使用することを前ないことを確認した。さらにたて糸とよこ糸に浸透させ提としている。通常はケース等で囲われた環境で使用さた導電性接着剤の端子間の抵抗を測定し、短絡がないこれるため耐候性に関する特性は重視されていない。今後、とを確認した。

導電性接着剤を塗布した織物を衣料、インテリア、産業

2.2 原理資材などに応用する可能性があり、用途によっては光や芯に導電性素材、周囲に絶縁性素材を配置した導電性水に対する耐久性が問題となりうる。そこでウエザオメ

二層構造糸をたてよこに使った織物は、たて糸とよこ糸ータを使用して導電性接着剤を塗布した織物を屋外と同の交点において、二つの導電体が絶縁体を挟み込んだ構等の環境下においたときの劣化状態について、外観の観造を形成する。この構造は可変のキャパシタであると見察により評価した。

なせる。この電気的等価回路を図３に示す。
一般に絶縁体を間に挟んだ導電体に電圧を加えると両電極に電荷が蓄えられる。極板が平面のとき蓄えられる

2.3.3 センサのドリフト
導電性織物の静電容量の安定性を調べるため、試作した織物を実験室内に 6 時間放置し、たて糸とよこ糸間の電荷の容量は式(1)で表される。
Ｃ＝（εε０Ｓ）／ｄ

試験条件：65℃、350hr、降雨あり。

・・・(1)

静電容量を断続的に測定した。

Ｃ：静電容量(F)計測装置：日置電機(株)製 LCR ハイテスタ 3532-50

ε：比誘電率

試験条件：AC1.0V、周波数 1MHz、試料サイズ 15cm

ε０：真空中の誘電率(F/m)
Ｓ：極板の面積(m２)ｄ：極板間の距離(m)
織物中の糸の交点においては、ε、ε０、Ｓ、はほぼ一定であるため、Ｃはｄに依存し織物を圧縮したときに生×15cm、サンプリング間隔 10sec
2.3.4 織物のサイズ
単位面積当たりの静電容量および周波数の影響を調べるため、織物を異なるサイズに裁断しそれぞれに異なる周波数の電圧を与えたときの静電容量を測定した。

じる糸の変形により静電容量が増加すると推測できる。

計測装置：日置電機(株)製 LCR ハイテスタ 3532-50

このとき、静電容量の変化を計測することにより織物を試験条件：AC1.0V、試料サイズ 7.5cm×7.5cm、7.5cm

圧縮したことを検出できるセンサーが期待できる。
また、人が織物に触れたときに、人体が導体とみなせ×15cm、15cm×15cm の 3 種類、周波数100Hz、1kHz、1MHz

0.2050cm 四方の導電性織物を木製板で挟み重量計に置き、上から荷重を加えた。荷重は水を利用し、荷重が増加する過程と減少する過程におけるたて糸とよこ糸間の静電容量を測定した。測定方法を図４に示す。
計測装置：日置電機(株)製 LCR ハイテスタ 3532-50

導電性繊維間距離(mm)2.3.5 荷重−静電容量特性
0.150.10

試験条件：交流電圧 1.0V、周波数 1MHz、100KHz
0.0501020304050荷重(N)

水

静電容量計

図５ 荷重−導電性繊維間距離の測定結果

木製板
試料
木製板

3.2 耐候性試験
導電性接着剤を塗布した試作した織物をウェザオメー

重量計

タを用いて耐候試験を行った結果、黄褐色に変色した。

図４ 荷重と静電容量の測定方法

変色した原因は導電性接着剤に銀粒子が多量に含まれているためと思われる。変色後も低い電気抵抗値を示して2.3.6 タッチスイッチの評価
織物を静電容量計と接続した状態で、手で押さえたりいるため、センサーとしての性能低下にはつながらないが、紫外線や降雨などの影響を受けやすい環境下では対物体を載せたときに静電容量が変化することを確認でき策をとることが望ましい。

た。この特徴を利用して織物のタッチスイッチを試作し3.3 センサーのドリフト
導電性織物を 6 時間放置して静電容量を連続的に測定た。
2.3.7 離床センサーの評価
導電性織物の特徴を利用して離床センサへの応用を考した結果、最大約 0.3pF の変動がみられた。このことから、センサーを安定したスイッチとして用いるためには、えた。本実験ではロールカーペットもしくはタイルカーこの変動を吸収する必要がある。

ペットの下に 50cm 四方の導電性織物を敷いたものを試

3.4 織物のサイズ料とした。試料の上に体重約 65kg の人が運動靴を履い

織物の面積と静電容量との関係を図６に示す。て実際に乗り降りし、この間の導電性織物の静電容量を2.0計測した。計測条件は、AC1.0V、周波数 100KHz。乗り降りの動作シーケンスは次のとおり。

100Hz
1KHz
1MHz

1.6

３．実験結果および考察
3.1 構造解析
織物に荷重をかけた状態におけるたてよこの導電性繊

静電容量(pF)

降(7.5 秒)→乗(7.5 秒)→降(7.5 秒)→乗(7.5 秒)
1.20.80.4

維間の距離を求めた結果を図５に示す。
荷重の増加とともに導電性繊維間距離は減少し、減少する割合は荷重の増加とともに低下する傾向を示した。

0.0050100150200250

織物面積(cm^2)

荷重が増加しても導電性繊維間の接触は起きなかった。
たて糸とよこ糸の交点においては、導電性繊維はほぼ

図６ 織物面積と静電容量の関係直交し、両繊維は接触することなく、ある距離を隔てて配置していることも確認できた。このことから織物内部でキャパシタ構造が形成されていることがわかる。

いずれの測定周波数の電圧を与えた場合においても織物の面積が増加するとともに静電容量も増加する。これは式(1)が表す内容と同等の傾向である。与える測定周波数によって静電容量が異なる点も明らかになった。

3.5 荷重−静電容量特性
荷重が増加する過程および減少する過程における静電容量を測定した結果を図７に示す。
静電容量の変化傾向は漸近線をともなう増加傾向を示す。また、荷重が増加する過程と減少する過程とを比較すると、減少する過程の方がやや高い静電容量を示している。この傾向は織物の圧縮回復特性と深い関係があり、素材や織物構造によって異なる。
3.905

静電容量(nF)

3.900

図９ 試作した織物と回路
3.895

3.7 離床センサーの評価

100KHz加重100KHz除重

導電性織物の上にカーペットを載せ、乗降したときの3.890

静電容量の変化を調べた結果を図１０に示す。カーペットの裏面には樹脂がコーティングしてあり、上に人が乗3.885
01020304050荷重(kgｆ)

ると導電性織物面全体が均一に押し下げられるため、静電容量の変化が明確に表れた。ロールカーペットとタイ

図７ 荷重−静電容量の測定結果

ルカーペットとでは大きな差はなかった。
5.38

3.6 タッチスイッチの評価

5.38

開発したタッチスイッチ回路のブロックダイヤグラム与え、導電性織物の放電時間を連続的に計測するものである。放電時間が設定した閾値より大きいときに LEDを点灯させ、逆に小さいときは消灯させるプログラムを組み込んだ。

5.37
静電容量（ｐＦ）

を図８に示す。この回路は、導電性織物にパルス電圧を5.37

5.365.365.355.35
タイルカーペットロールカーペット

5.34
5.34
5.33
0510152025

時間（秒）

1チップ(SoC)

図１０ 離床センサーの乗降試験結果
容量計測波形
発生回路

放電時間
測定回路

表示プログラム
LED点灯プログラム

４.結び
LED

今回の研究により導電性二層構造糸を使用した織物がセンサー機能を有することが明らかになった。この成果は織物の新しい使用形態を生み出すことにつながり、広い用途展開が期待できる。今後はこの織物のセンサー

導電性織物

図８ 計測のブロックダイヤグラム

性能の向上と製品への応用について取り組んでいきたい。
本研究の一部は、独立行政法人科学技術振興機構実用化検討に係る可能性試験「導電性織物を用いたセンサの試作した装置を試験した結果、織物を応用したタッチスイッチの有効性が確認できた。試作した織物および回路部分の写真を図９に示す。

開発」により実施した。