JP6379435B2 - 導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ - Google Patents

Description

本発明は、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサに関するものであり、導電性繊維を用いて形成される電極自体を水分、液面などから非接触状態に置き、電極周辺の空間領域に存在する電気物性情報（例えば、電気物性変化）を検知し水分の存否、液面位の高低の測定などを可能とする、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサに関するものである。

静電容量形センサは、誘電体を非接触で検出することができるため、タッチセンサ、水位計、近接センサなど様々な分野において利用されている。

物体の接触を検出するタッチセンサとして機能する静電容量型近接センサセが提案されている（特許文献１）。

特開２００９−２４４００８号公報

しかしながら、特許文献1に記載されたセンサにあっては、センサを検出対象部位に設置する必要があり設置位置の選択の自由度がなく設置性が十分に保証されていないとともに、コストが高く住宅などの生活空間での使用や、人体のセンサとして試みられることが少ない。

ところで、社会の高齢化にともない、認知症患者の管理、孤独死の回避、***管理等を簡易に行うことができる手段や睡眠時無呼吸症などを簡易に検出できる手段を、例えば、衣服、寝具、カーペット、建築建材、おしめ等に非接触形センサとして織り込むことにより、設置位置の選択の自由度が高く設置性の点で優れた手段（センサ）の出現が望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電極をフレキシブルな電極として形成し、３次元に設置でき設置位置の選択の自由度が高く、しかも検出範囲が広い、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサを提供することにある。

本発明の目的は、異なる媒質の境面の測定を外部から可能とし、外部から残量を視認できない不透明な包装体中の残量の測定を外部から可能とする、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、空気と比べて電気物性が異なる生体、物体、物質との距離および位置（近位にあるか遠位にあるか）の測定が可能な、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサを提供することにある。

本発明のもう一つ他の目的は、センサを設置する設置物や衣服の形状変化の検知が可能な、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサを提供することにある。

本発明のもう一つ他の目的は、異なる媒体の存否および分布状況の検知が外部から可能な、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサを提供することにある。

本発明のさらにもう一他の目的は、包装体に吸着される水分量の測定が外部から可能な、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサを提供することにある。

本発明に係る導電性繊維を用いて形成される非接触形センサは、導電性繊維から形成され離隔して構成される少なくとも２つの電極からなるセンサ部を備え、前記電極を 測定空間に対して面するように設置可能に形成した非接触形センサにおいて、前記電極をフレキシブルな電極として形成し、前記センサ部を前記測定空間の空間領域と非接触状態に置き電気インピーダンスを感知し測定するセンサ部として構成し、前記電極間に交流波信号を送ることにより前記測定空間の空間領域に交流波信号を与え、前記センサ部が感知し測定した前記測定空間の空間領域における電気インピーダンス特性から前記測定空間の空間領域の電気物性変化を検知する。

前記センサ部は、少なくとも１個配置すればよい。

前記センサ部は、平面状または立体状に形成することができる。

前記センサ部は、絶縁体を介在させて立体状に形成することができる。

前記センサ部は、アレイ状に配置され測定対象物に対して巻装可能なセンサ群により形成することができる。

前記センサ部は、アレイ状に配置され測定対象物に対して巻装可能なセンサ群による測定ベルトとして形成され、測定対象物に巻装して測定対象物の断層画像を２次元または３次元で走査することを可能に形成することができる。

前記センサ部は、アレイ状に配置し人体の測定部位に対して巻装可能なセンサ群により形成され、ウエア、ズボン、頭部などへ着衣可能な着衣ベルトとして構成し、人体に着衣（巻装）して各部位の断層画像を２次元または３次元で走査することを可能に形成することができる。

前記センサ部は、前記測定空間の空間領域の電気情物性変化を検知する検知面の長手方向に少なくとも２個配設して形成してもよい。

前記センサ部は、センサ設置対象物の引き手方向に対し直交する方向に配設したセンサ群として形成することができる。

前記電極は、銀メッキ糸から形成される導電性繊維を用いて形成することができる。

前記電極は、導電性高分子を含有した繊維を用いて形成することができる。

また、前記電極は、カーボンナノチューブを含有した繊維を用いて形成することができる。

さらに、前記電極は、金、銀、アルミニウム、銅などの高導電性金属箔を導電性繊維に付着させて形成することができる。

本発明に係るセンサは、導電性繊維を用いて形成される電極自体を水分、液面などから非接触状態に置き、例えば、衣服、寝具、カーペット、建築建材、おしめ等に織り込んだり、あるいは、化粧品用瓶などの包装用容器にかざしたりして、電極周辺の空間領域に存在する電気物性情報を検知し水分の存否、液面位の高低の測定などを可能とする。

本発明に係るセンサでは、導電性繊維上の物質特性（主に静電容量）を非接触で測定する。二電極間の複素電気インピーダンスを測定し、物質の電気特性（キャパシタンス、レジスタンス、インダクタンス）のうち主にキャパシタンス成分を検出することが好ましいが、レジスタンス成分、インダクタンス成分を検出することによって行ってもよいことは勿論である。

本発明によれば、次の効果を奏する。
（１）電極はフレキシブルな電極として形成され、３次元に設置でき設置位置の選択の自由度が高く検出範囲も広い、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサが得られる。
（２）異なる媒質（例えば、液体と空気）の境面の測定を外部から可能とし、外部から残量を視認できない不透明な包装体中の残量（例えば、不透明な化粧瓶中の化粧液の残量）の測定を外部から可能とする、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサが得られる。
（３）空気と比べて電気物性が異なる生体、物体、物質との距離および位置（近位にあるか遠位にあるか）の測定が可能となる、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサが得られる。
（４）センサを設置する設置物（例えば、カーテン）や衣服（例えば、Ｔシャツ）の形状変化の検知を可能とする、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサが得られる。
（５）異なる媒体（例えば、液体流路を形成する管に混入する空気、体内の水分含有量分布・血液分布・空気分布）の存否および分布状況の検知が外部から可能な、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサが得られる。
（６）包装体に吸着される水分量の測定（例えば、包装体中の吸着剤により吸着された水分含有量の測定）が外部から可能となる、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサが得られる。

本発明に係るセンサを示し、二カ所に導電性繊維（電極を形成する布部分）を織り込んで形成した布繊維センサを示す平面図である。 図1のＸ１−Ｘ１断面略図である。 測定物が図１に示すセンサの電極上の上部空間に存在する場合の高周波電流の流れを示す模式図である。 図１に示すセンサの電極間の電気インピーダンスを測定する際の概念図を示す。 平行平板コンデンサの模式図である。 図１に示すセンサの二つの電極が作る高周波電流の分布を示す図である。 図６の状態にガード用導電体および絶縁体を入れた場合における高周波電流の分布を示す図である。 図６の状態より３方向にガード用導電体および絶縁体を入れて電流分布を限定した場合における高周波電流の分布を示す図である。 本発明に係るセンサを距離Ｌを隔てて平行に置いた状態を示す斜視図である。 本発明に係るセンサ上に尿取りシートを載置し尿取りシートに水を１０ｃｃ単位づつ滴下しインピーダンスの変化を測定している状態を示す正面略図である。 尿吸収パッド（尿取りシート）の水含有量と測定インピーダンスとの関係を示すグラフである。 水を充填したアクリル製容器（アクリル箱）をアクリル板上に載置しセンサの電極板と容器とを非接触の状態に置き、電極板と水充填アクリル箱底面との距離ｄ２を変えインピーダンスの変化を測定している状態を示す断面略図である 測定対象物との距離（電極板と水充填アクリル箱底面との距離ｄ２）と測定インピーダンスとの関係を示すグラフである。 水槽外周に本発明に係る２つのセンサを固定し水槽内の水位を変化させたときに生じるインピーダンスの変化を測定している状態を示し、（Ａ）はその正面斜視略図、（Ｂ）はその平面略図である。 アクリル水槽の底面からの水位と測定インピーダンスとの関係を示すグラフである。 シリコンチューブ外周に本発明に係る２つのセンサを所定距離隔てて巻き付け、チューブ内に気泡を流しインピーダンスを測定している状態を示す正面略図である。 気泡通過時のインピーダンスの変化を示すグラフ図である。 本発明に係るセンサが電極アレイにより構成されていることを示す正面略図である。 水槽外周に図１８に示すセンサを巻き付け、センサと空瓶とが非接触の状態にあるときに水槽の断層画像を求め空瓶の有無を測定している状態を示し、空瓶が水槽の略中央に存する場合の平面略図である。 水槽外周に図１８に示すセンサを巻き付け、センサと空瓶とが非接触の状態にあるときに水槽の断層画像を求め空瓶の有無を測定している状態を示し、空瓶が図における水槽の下部に存する場合の平面略図である。 空瓶が水槽の略中央に存する場合の断層画像である。 空瓶が水槽の下部に存する場合の断層画像である。 本発明に係るセンサを液面レベルセンサとして形成した場合の構成略図である。 図２３に示す液面レベルセンサを実装して形成したストラップベルトの斜視略図である。 図２３に示す液面レベルセンサを用いて化粧瓶中の化粧品の残量レベルを確認している状態を示す正面略図である。 測定回路をスマートフォン用コネクタに内蔵して実装し、電極内蔵ストラップと接続した状態を示す正面略図である。 本発明に係るセンサをテープ状センサとして形成し、センサの電極板を限りなく肌に近づけ肌の状態を調べている状態を示す斜視略図である。 本発明に係るセンサを床マットセンサとして形成した例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は平面図にインピーダンスの変化が大きい領域を斜線を付して示した図である。 図２８に示すセンサを絶縁シートを介して２枚重ねて形成されるシートセンサの個々のセンサ部を示し、（Ａ）は一方のセンサ部を示す平面図、（Ｂ）は他方のセンサ部を示す平面図であり、センサ部を９０度回転させて他方のセンサ部を形成した例を示す。 図２９に示すシートセンサの構成略図である。 図２９に示すシートセンサによりセンサエリアのインピーダンスを測定している状態を示す平面図である。 本発明に係るセンサを構成するセンサ部の変形例を示す平面図である。 本発明に係るセンサをドア内に配設し近接センサを構成した例を示す。 本発明に係るセンサをドア内に配設し近接センサを構成した他の例を示す。 本発明に係るセンサを位置センサとしてカーテンに組み込んだ状態を示し、（Ａ）はカーテンを閉じた状態の正面図、（Ｂ）は転移カーテンを開いた状態の正面図である。 本発明に係るセンサを位置センサとしてカーテンに組み込みカーテンを閉じた状態の平面略図を示す。 本発明に係るセンサを位置センサとしてカーテンに組み込みカーテンを開いた状態の平面略図を示す。 本発明に係るセンサを水平方向、垂直方向に設置し、排水管内の液体通過時におけるインピーダンスの変化を測定している状態を示す略図である。 本発明に係るセンサを気泡検知センサとした例を示す正面略図である。 本発明に係るセンサを異物検知センサとした例を示し、センサが電極アレイにより構成されている例を示す正面略図である。 図４０に示すセンサを排水管に巻装し、管内を通過する異物を検知し断層画像を検出している状態を示す正面図である。 本発明に係るセンサを尿漏れセンサとして形成した場合の構成略図である。 図４２に示すセンサをおしめの外側に設置した状態を示す正面略図である。

実施例の説明に先だち、本発明を総括的に説明する。

図１〜図３において、本発明に係る導電性繊維（導電性繊維とは、「布繊維、紙繊維、布繊維・紙繊維に銀メッキを施した繊維、布繊維・紙繊維に導電性高分子を含有させた繊維、布繊維・紙繊維にカーボンナノチューブを含有させた繊維、布繊維・紙繊維に金、銀、アルミニウム、銅などの高導電性金属箔を付着させた繊維、および金、銀、アルミニウム、銅などの高導電性金属で作られた箔」を含む意味である。以下、本明細書中において同じ。）を用いて形成される非接触形センサ１は、導電性繊維から形成され離隔して構成される少なくとも２つの電極１１、１２からなるセンサ部１０を備え、前記電極１１、１２はフレキシブルな電極として形成され、前記センサ部１０を電気インピーダンスを感知するセンサ部として構成する。前記センサ部は電気インピーダンスを感知する空間領域と非接触状態に置かれ、前記電極間の電気インピーダンスを測定することにより前記電極周辺の空間領域の電気情報を検知する。センサ１は、導電性繊維１１，１２に通常の糸２１、２２、２３を織り込んだ布繊維として形成することができる。

本発明に係るセンサでは、二電極間の複素電気インピーダンスを測定し、主にキャパシタンス成分を検出する。電流は、直流においては空気中をほとんど流れないが、高周波になるほど空気の静電容量が小さくなるため、電流分布が大きくなる。電極周辺の空間に、水などの誘電率が高い物質が存在すると、キャパシタンス成分が大きくなる。例えば、被測定物と電極面との間に誘電率が比較的小さいガラス、プラスチック、木板、石板なとが存在しても、被測定物の高誘電率によるキャパシタンス成分の変化が大きいために、検出が可能である。このため、壁内・床下・シーツ下などにセンサを設置しても、水や生体の検出が可能となり、生産性、経済性、設置性、エコロジー性の点で良好なセンサを構成するものである。

（インピーダンス測定の測定原理と測定物を検出する検出原理）
図４および図５を用いて、インピーダンス測定の測定原理と測定物を検出する検出原理について説明する

図４において、少なくとも二つの電極板に対して、定電圧源あるいは定電流源あるいは電圧・電流発生装置から信号（交流波）を伝える。定電流源の場合は、両電極から検出された電圧信号に対して定電流値で除することによってインピーダンスが求められる。また定電圧源の場合は、両電極に印加した電圧を、電極に流れた電流信号で除することによってインピーダンスが求められる。さらに実際に印加した電圧値または電流値が一定でない場合は、電圧値と電流値の両方を実測し、電圧値を電流値で除することからインピーダンスが求められる。

複素インピーダンスを求めるには、入力した正弦波信号に同期させて測定される検出信号をフーリエ変換することによりレジスタンスとリアクタンスを求めることができる。

空気中の物質を検出する際、重要な物理量となるものが物質の誘電率である。真空中の誘電率に対する物質の誘電率の比率が比誘電率であるが、空気を１とすると、水は８０と大きく異なるため、同じ体積の静電容量も８０倍となる。さらに人体は、約５０％以上を水で占めているため、生体の近接によっても静電容量が大きく変化する。加えて、塩化ビニル樹脂の比誘電率は6.7、陶器類の比誘電率は7.0、ガラスの比誘電率は10、大理石の比誘電率は9.3と物質の比誘電率は、水のそれに比べてかなり小さいため、電極と人体の間がこれらの物質で作られた壁により隔てられていても、人体の近接を検出することが可能である。

図５において、平板の面積をＳ、平板間の距離をｄ、真空の誘電率をK１、比誘電率をK２とすると平行平板コンデンサの静電容量Ｃは式１により求められる。
[式1]
Ｃ＝（K１・K２・Ｓ）／ｄ ［Ｆ］

また、このときの電気インピーダンスは、周波数をｆとすると式２により求められる。
[式2]
Ｚ＝１／（２π・ｆ・Ｃ） ［オーム］（但し、Ｚは絶対値）

以上の結果から、得られる電気インピーダンスは、周波数と静電容量Ｃが大きいほど、電気インピーダンスが小さくなる。

この点、たとえば空気中に設置された電極板の近くに人体の手を近づけると、静電容量Ｃが大きくなるため、測定される電気インピーダンスが小さくなる。ただし高感度で静電容量Ｃの変化量を検出するには、周波数を大きくすることでＺ（Ｚは絶対値）を小さくして測定可能なレンジ内に入るようにすることが肝要である。

本発明に係るセンサは、主に金属を電極として図５のように配置した静電容量の変化を測定する従来の方法と異なり、自由なパターンで３次元的に配置できる導電性繊維から形成される電極を図１のように配置して電極周辺の電気インピーダンス変化を測定するものであり、電極板の数や配置パターンを工夫し、机・壁・床などの面周辺を多機能センサとして利用できる。また、ひも・テープ状などの電極として複雑な形状の測定物への設置が可能となる。

（測定範囲の制御：ガード用電極）
次に、本発明に係るセンサに、測定範囲を制御するためのガード用電極３０を付設すると有効である。図６は図２の電極配置にあるときに生じる電気力線（検出範囲）を矢印にて示す図、図７は絶縁用繊維（絶縁体）４０を介して導電性糸からなるガード用電極３０を設置した場合の電気力線を示す図、図８は絶縁体４０でガード用電極３０を囲んだ場合の電気力線を示す図である。高周波の場合は、電流の方向は正負交互に反転する。

図６に示すように、図６におけるセンサ１の上下方向に対称に電気力線（検出範囲）が分布する。測定対象部位の上部のみをセンシングしたい場合には検出範囲の制御が必要となる。図６で示した下側の電気力線のほとんどは、図７のガード用電極３０に集中して分布するため、ガード用電極下の領域ではほとんどインピーダンス変化を検出しない。さらに図８のようにガード用電極３０で囲むと、電極対の中心領域を主な検出領域とすることが可能となる。本発明に係るセンサ１では、ガード用電極３０を適切に配置し検出領域を制御する。

次に、センサ１を長さ１１０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ２ｍｍのセンサにより形成し、このセンサ１を４０ｍｍの間隔Ｌで平行に設置し（図９参照）、条件設定を共通にして、先ず、次の試験１、２、３の３つの試験を行なった。さらに、別途、水を充填したシリコンチューブ内の気泡検出試験、ガラス水槽内の異物（空気層）の検出試験を行った。測定値は、電気インピーダンスであり、使用機器はＬＣＲメータ・アジレント４２８５Ａ、測定周波数５００ｋＨｚとした（測定モードＬＯＮＧ、３２点加算平均処理）。なお、条件設定の詳細は次のとおりである。
（１）測定器：アジレント４２８５A
（２）測定ケーブル：１ｍ
（３）測定周波数：５００ｋＨｚ
（４）測定モード：Ｌｏｎｇ
（５）加算平均点数：３２
（６）印加状態：１ｍＡの定電流モード（実際は、無負荷状態で電圧２４．８６ｍＶ、電流０．１８１ｕＡ）
（７）電極幅：２０ｍｍ
（８）電極間距離：４０ｍｍ
（９）電極長：１１０ｍｍ
（10）電極の抵抗率：１２６オームｍ

以下に、本発明に係るセンサを用いて、（１）インピーダンスによる水分量変化を検出する試験、（２）測定対象物との距離（電極板と水充填アクリル箱底面との距離ｄ２）と測定インピーダンスの変化を測定する試験［水分含有容器と電極板間距離とインピーダンスの変化を測定する試験］、（３）水位検出感度の評価試験、（４）水を充填したシリコンチューブ内の気泡検出試験、（５）ガラス水槽内の異物（空気層）の検出試験、の各試験を行った。

［試験1：インピーダンスによる水分量変化を検出する試験］
センサ１（の電極板）上に市販の尿取シート（ユニチャーム社製）を置いて（図１０）、尿吸収パッド１００に水を１０ｃｃづつ滴下（散布）させた場合の電極板間インピーダンスの変化を測定した。図１１に示す「尿吸収パッドの水分含有量と測定インピーダンスとの関係」によれば、吸水量に対するインピーダンス変化の分解能が高く、２００ｃｃまでのインピーダンス変化が明確に示される。

［試験２：測定対象物との距離（電極板と水充填アクリル箱底面との距離ｄ２）と測定インピーダンスの変化を測定する試験］
１００ｃｃの水を充填した１００ｍｍ角のアクリル製直方体容器１１０を厚さ２ｍｍのアクリル１１１板上に置き、センサ１の電極板上に非接触で設置した（図１２）。次に電極板からの距離ｄ２を２５ｍｍまで変化させ、電極板間のインピーダンスを測定した。図１３に示す「測定対象物との距離（電極板と水充填アクリル箱底面との距離ｄ２）と測定インピーダンスの変化」によれば、距離ｄ２が大きくなるほど電極間インピーダンスが増加した。また距離ｄ２が大きくなるほど、インピーダンス変化量は小さくなった。したがって、近位では距離ｄ２の変化によるインピーダンス変化量が大きく、遠位では小さい。また、ｄ２＝２５ｍｍでも十分なインピーダンス変化量が得られ、床下、マット下などに本発明に係るセンサを設置しても良好（有効）な検出感度が得られる。

［試験３：水位検出感度の評価試験］
直径１５０ｍｍ、高さ１００ｍｍの円柱水槽１２０の水位を変化させたときに生じるインピーダンス変化を測定した。センサ１の電極板は、水槽底面から５０ｍｍの位置に電極中心線が一致するように二つのセンサ１，１を固定し（図１４（Ａ）、図１４（Ｂ））、二つのセンサが対面するようにした（図１４（Ｂ））。円柱水槽内に、底面から１０ｍｍづつ水位が上昇するように水を充填し、インピーダンスをそれぞれ測定した。図１５に示す「アクリル水槽の底面からの水位と測定インピーダンスとの関係」によれば、底面から４０ｍｍまでの水位でインピーダンスが大きく変化し、電極板の中心位置である５０ｍｍ以上の場合に変化量が非常に小さくなり、水位の非接触検出が可能である。

［試験４：水を充填したシリコンチューブ内の気泡検出試験］
外形６ｍｍ、内径４ｍｍのシリコンチューブ１３０内に水を充填し、直径約３ｍｍの気泡１３５を流したときに生じるインピーダンス変化を測定した。センサ１は幅が２１ｍｍのものをチューブ１３０の外周に２４ｍｍ隔てて２つ巻き付け、シリンジポンプによって気泡が電極間を通過するように調整した。（図１６）。測定周波数４５０ｋＨｚ、サンプリング周波数２５０Ｈｚで測定し、３０点の移動平均を行った。図１７に示す「気泡通過時のインピーダンス変化」によれば、電極板間を直径約３ｍｍの単一気泡１３５が通過した際に、約１．２％のインピーダンス変化が検出された。

［試験５：ガラス水槽内の異物（空気層）の検出試験］
ガラス製の水槽１４０（外形２８０ｍｍ、厚さ５．５ｍｍ、高さ８０ｍｍ）に水を充填し、空気を含むガラス製の空瓶１４２（直径約９０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、高さ８０ｍｍ）の有無を水槽断層画像により検出した。センサ１は、横（幅）９０ｍｍ、縦２５ｍｍで、１０ｍｍ間隔で電極板１３ａ〜１３ｈを８個を配置して形成した電極アレイ（センサ群）１３により形成した（図１８、図１９）。水槽１４０の外周にセンサ１を巻き付けセンサ１と空瓶１４２とが非接触の状態で水槽断層画像を求め空瓶１４２の有無を測定した。（図１９、図２０）。測定周波数４５０ｋＨｚで測定し、１００点の移動平均を行った後に、空瓶（ガラス瓶）の有無によるインピーダンスの相対的な変化を平滑化した断層画像（図２１、図２２）を求め、空瓶１４２の位置を非接触で検出した。

以下、実施例について図面とともに説明する。

［実施例１］
本発明に係るセンサを液面レベルセンサ２として形成した例を示す。
図２３に、導電性糸と非導電性糸を組み合わせて布製のセンサベルトとし形成した液面レベルセンサ２を示す。この液面レベルセンサ２は導電性糸によって電極３１Ａ，３２Ａが形成され、各電極３１Ａ，３２Ａから信号線４１，４２をそれぞれ織り込んで接点Ｓ１,Ｓ２が形成されている。信号線４１，４２はワイヤーケーブル、導電性糸等を用いて形成され、前記電極板３１Ａ，３２Ａの接点Ｓ１、Ｓ２と測定回路８０の接点Ｓ３、Ｓ４は、コネクタやクリップ機構など用いて接続される。測定結果は光、音、振動、画像などで測定回路８０から、あるいは無線通信で親機に遠隔で知らせることができる。

液面レベルセンサ２を用いる場合、液体残量の確認が困難な容器の外側表面に電極対を沿わせて液面レベルセンサ２を移動させることで、インピーダンス変化量が調べられる。空気は比誘電率が非常に小さく、液体の多くはそれが大きいため、電極対が空間領域から液面境界に移動する際に急激なインピーダンスの減少を示し、液体領域中はインピーダンス変化がほとんど認められなくなる。この変化を、光、音、振動、画像などで表示することで、容器外から液面レベルを知ることが可能となる。

液面レベルセンサ（センサベルト）２は、図２４のようなストラップベルト９０として、携帯ストラップやキーホルダーに実装することができる。ストラップ部分に図２３のような構成を持つセンサベルトを内蔵すれば、簡単にどこでもセンシングが可能となる。

マスカラ１２５や高級化粧品の多くは、残量が確認できない筐体設計となっている。この液面レベルセンサ（センサベルト）２を容器１２６の空気層が存在する部分（図２５の上部）から液体の存在する下方までスライドさせることで液面レベルを認識できる。すなわち、この液面レベルセンサ（センサベルト）２をスライドさせることで電極間のインピーダンス変化を測定し、電極間インピーダンスが小さくなり、その後一定の値を示した場合に液面の境界が通過したことを確認でき残量の検出が図れる。

また、図２６のように、前記測定回路８０をスマートフォン用コネクタに内蔵した形に実装し、図２３の構造を有する電極内蔵ストラップ９１と接続した形態とすると、本体から回路駆動用の電源供給と、測定回路８０からの測定結果をスマートフォン本体９５に直接読み込むことが可能となり、スマートフォン用のアプリケーションからユーザーに動画・静止画・音・振動などで、適切な使用法や液面の状態を知らせることが可能となる。

さらに、図２３の構造を有するセンサをテープ状センサ３とすることにより、センサ３の電極板を限りなく肌に近づけ肌の状態を調べることが可能となる。すなわち、電極間の電気インピーダンスを低周波数から高周波数までスイープして肌の構造を調べることが可能となる（図２７。なお図２６のようにスマートフォンと接続することで、ユーザーは簡便に自身の肌の状態を動画・静止画・音・振動などで知ることが可能となる）。

［実施例２］
本発明に係るセンサを床マットセンサ４として形成した例を示す。実施例２では、床マットセンサとした例を示すが、同様の構成を採ることにより壁センサとすることができることは勿論である。

図２８（Ａ）にセンサ部５１，５２，５３，５４を縦方向に平行に布に織り込んだ例を示す。センサ部５１−５２，センサ部５２−５３など隣り合うセンサ部間のインピーダンスを測定することで、特定のセンサ部間周辺に誘電率が異なる物体が近接した場合に該当する電極間インピーダンスに差が生じる構成に形成している。図２８（Ｂ）において、センサ部５２とセンサ部５３間に物質が近接した場合のインピーダンス変化が大きいエリアを斜線で示している。

空気に比べて誘電率が大きく異なる物体の近接を検知するので、床下や敷き布団下などに設置しても、また壁材として内蔵しても、物体の近接・接地を検知できる。これにより、不在中に不審者が部屋に侵入した際の感知・通報、生活者の活動モニタとして利用することで孤独死の回避、ならびに痴呆患者のベッド離床センサなどとして利用できる。さらに、マット材に電極帯部分を直線状に多数織り込み、二つのマット材を絶縁して交差して配置することで、位置情報を含んだ近接・接地センサとして利用できる。

図２９、図３０に、一方のセンサ部を９０度回転させ、絶縁シート５９を介して重ねて形成したシートセンサ５とした例を示す。センサ部５１（５２，５２，５４）とセンサ部５５（５６，５７，５８）が電気的に導通しないように形成される場合は、１枚のシートセンサとして形成してもよい。

センサ部５１、５２，５２，５４とセンサ部５５、５６，５７，５８までの隣り合う二つの電極間のインピーダンスを測定し、さらに図３１のように数値を合算して表示することにより細かいセンサエリア単位での近接状況を知ることができる。たとえば、図３１のエリア６０Ａに電気特性が空気と異なる物質が近接している場合、インピーダンスは、センサ部５１−５２およびセンサ部５５−５６で低値を示す。この両方の値を合算すると、エリア６０Ａが全てのエリアに対して最も小さなインピーダンス値を示す場合、物質が近接している部分を特定することが可能となる。エリア６０Ｂ，６０Ｃについても、センサ部５２−５３とセンサ部５６−５７、センサ部５３−５４とセンサ部５７−５８のインピーダンス値の合算から特定することができる。なお、エリア６０Ａとは実際には近接してないセンサ部５２−５３などにそれほど大きくないインピーダンス変化が得られる場合には、閾値処理などの信号処理を用いて、代表値を表示することで必要な情報を表示することが可能である。

このようなセンサマトリックスは、電極板数と大きさを選択することで、検出領域、空間分解能を増加することができるので、ベッドや床などの離床や物質形態だけでなく、壁や外壁材にも内蔵が可能であり、信号入力の媒体（インターフェース）、防犯センサとして利用できる。

さらに図３２に示すようにセンサ部６１，６２を形成し、このセンサ部６１，６２を組み合わせると、具体的な２次元情報は得られないものの、広い領域で近接のセンシングが可能となる。電極板の形状パターンは、必ずしも四角形である必要は無く、波線状や矩形状、ノコギリ波状などのさまざまな形状でもセンシング機能を持たすことが可能である。

またさらに、図３３、図３４に示すように、近接センサとしてセンサ６Ａ、６Ｂをマトリックス状にドアに内蔵させた場合、ドアの任意の部分を入力デバイスとすることができ、非常用の秘密キーロック解除や鍵穴を探すことが困難な場合に有用な入力手段を形成する。

［実施例３］
本発明に係るセンサをカーテン７０に組み込んだ位置センサ７として形成した例を図３５〜図３７に示す。

図３６、図３７に示されるように、カーテン生地にセンサ部７１（７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ,７１ｅ・・・）を織り込むと、カーテン開閉時にはセンサ部（電極）間距離がｄ１→ｄ２（ｄ１＞ｄ２）まで変化することにともない近郊の空気部分が小さくなるので誘電率が増加する。これにより、カーテン７０の開閉状態や、カーテン近郊に人物が接近した際に検出が可能となる。

二電極板間のインピーダンスを測定しているため、二つのセンサ部（電極）の位置が変化するとその周辺の空間状況が異なるため、位置センサ７を形成する。符号１５０は窓ガラスである。

［実施例５］
本発明に係るセンサを液体あるいは気体を通す管内の異物を検知する２Dおよび３Dの異物センサ８として形成した例を図３８〜図４１に示す。

図３８に示すように、排水管１６０空気中に液体１０２が通過する場合は、管内の流れ方向に対してセンサ部（電極対）１０１ａ、１０１ｂを水平、あるいはセンサ部（電極対）１０１ｃ、１０１ｄを垂直に設置すれば、液体通過時のインピーダンス変化を検出することができる。センサ部（電極）は布製であるため、２次元または３次元的に検出対象に巻き付けることができ、自由にセンサ領域の設定が可能である。布電極は生産コストが低いため、ディスポーザブルセンサ８Ａとして利用できる。

また、図３９に示すように、液体中に気泡１０４が流れる場合は、同様にしてセンサ部（電極板）１０３ａ、１０３ｂを３次元的に装着することにより自由な測定点で気泡センサ８Ｂとして利用できる。

さらに、図４０および図４１に、センサ８Ｃが、電極板１０５ａ〜１０５ｈを複数個配置して形成された電極アレイ（センサ群）１０５により構成されている例を示す。排水管１７０に電極アレイ（センサ群）１０５を巻き付けた場合、管内を通過する異物１０６（例えば、液体中の空気やガス、空気中の液体など）を２D平面の断層画像として検出することができ、異物検知センサ８Ｃとして利用できる。排水管１７０の横断面でどの位置にどの大きさの異物が存在するかを時系列に検出することが可能であり、液体中にガス層がどのように分布しているかを知る場合などに有用である。さらに同様な電極アレイベルトを管方向に複数箇所（例えば、図４１の上下方向に）巻き付けた場合には、非接触で３D画像により異物の分布を検出することが可能となる。

［実施例６］
本発明に係るセンサを尿漏れセンサとして形成する例を図４２、図４３に示す。

シートとおしめの間にセンサ布材を設置することで、尿漏れセンサが可能となる。これは高分子吸収パッドが尿を吸収することで誘電率が大きくなるためである。誘電率は尿の量にほぼ比例するため、尿量のセンシングも可能となる。現在市販されている尿漏れセンサは、吸収パッド側に電極が設置された「接触型」であるために使い捨て、あるいはセンサ部分の洗浄による再利用が前提であるため、衛生面と経済面で問題がある。

図４２のように電極板３１Ｂ，３２Ｂを設置し、電極間のインピーダンスを非接触で測定する。電極板３１Ｂ、３２Ｂの接点Ｓ５、Ｓ６と測定回路８１の接点Ｓ７、Ｓ８は、コネクタやクリップ機構など用いて接続され、測定結果は光、音、振動、画像などで測定回路からあるいは、無線通信で親機に遠隔で知らせることができる。

図４３のようにおしめ８５の外側でも、パジャマズボンの内側に設置しても十分な検出感度を有するため、尿に全く接触せず、繰り返し利用が可能である。また、使用制約がきわめて小さい。

なお、図４２では電極３１Ｂ，３２Ｂを図４２における横方向（左右方向）に配設しているが縦方向にして図４２における左右に配設してセンサを形成してもよいことは勿論である。このように電極を配設したセンサを、例えば、ズボンの股間に設置することにより、膀胱は尿蓄積に伴って拡張して膀胱内の水分含有量が大きくなることから、尿が体外に放出される前に膀胱内の尿蓄積状態を検出することが可能となる。

［応用例１］
センサ部を、アレイ状に配置し人体の測定部位に対して巻装可能なセンサ群により形成し、ウエア、ズボン、頭部などへ着衣可能な着衣ベルトとして構成し、人体に着衣（巻装）して各部位の断層画像を２次元または３次元で走査することを可能とするセンサとしても形成できる。すなわち、異なる媒体、例えば、体内の水分含有量分布・血液分布・空気分布の存否および分布状況の検知が外部から可能な、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサが得られる。

電極板は、高い導電性を有するフレキシブルな素材であれば良く、以下に電極板の応用例を示す。

［応用例２］
電極板として、銀メッキ糸から製造された導電性布繊維を用いた場合：銀は抗菌性が高く、既知の金属の中で最も電気抵抗が低い利点を持っている。また洗濯などの洗浄にも比較的強く、歯の詰め物に多用されているように、生体の拒絶反応が起こりにくい。金は銀に準じた抵抗値を示すが、銀よりもコストが高い。

［応用例３］
電極板として導電性高分子を含有した繊維を用いた場合：
導電性高分子は金や銀よりも低いコストで生産できる利点をもつ。しかし現時点では、洗濯などの洗浄に比較的弱く、生体の適合性について未検証な場合が多い。

［応用例４］
電極板としてカーボンナノチューブを含有した繊維を用いた場合：
カーボンナノチューブは、優れた電気特性をもち、低コスト生産の可能性を持っている。しかし現時点では、肺などにチューブを吸引した際にアスベストと同様な発がん性リスクを持つ可能性もあり、生体の周辺に身につけた場合の適合性については検討すべき事項が多い。

［応用例５］
電極板として金、銀、アルミニウム、銅等の高導電性金属で作られた箔を用いた場合：
金属箔は、低い電気抵抗値を示しフレキシブル性が高いため、布地やプラスチックフィルムなどに固定して使用しやすい特徴を持っている。コスト面では、アルミニウムと銅が優れるが、両者は酸化しやすい欠点をもつため、表面被膜処理や酸化防止のために絶縁シートを貼るなどの対策が必要となる。酸化した場合、電極の抵抗率が非常に高くなる。

１ 非接触形センサ
２ 液面レベルセンサ
３ テープ状センサ
４ 床マットセンサ
５ シートセンサ
６Ａ 近接センサ
６Ｂ 近接センサ
７ 位置センサ
８ 異物検知センサ
９ 尿漏れセンサ
１０ センサ部
１１ 電極
１２ 電極
１３ 電極アレイ
３０ ガード用電極
３１Ａ 電極
３１Ｂ 電極
３２Ａ 電極
３２Ｂ 電極
４０ 絶縁体
４１ 信号線
４２ 信号線
５１ センサ部
５２ センサ部
５３ センサ部
５４ センサ部
５５ センサ部
５６ センサ部
５７ センサ部
５８ センサ部
５９ 絶縁シート
６１ センサ部
６２ センサ部
７０ カーテン
７１ センサ部
８０ 測定回路
８１ 測定回路
８５ おしめ
９０ ストラップベルト
１０１ａ センサ部
１０１ｂ センサ部
１０１ｃ センサ部
１０１ｄ センサ部
１０３ａ センサ部
１０３ｂ センサ部
１０５ 電極アレイ

Claims (10)

1. 導電性繊維から形成され離隔して構成される少なくとも２つの電極からなるセンサ部を備え、前記電極を測定空間に対して面するように設置可能に形成した非接触形センサにおいて、
   前記電極をフレキシブルな電極として形成し、
   前記センサ部を前記測定空間の空間領域と非接触状態に置き電気インピーダンスを感知し測定するセンサ部として構成し、
   前記電極間に交流波信号を送ることにより前記測定空間の空間領域に交流波信号を与え、
   前記センサ部が感知し測定した前記測定空間の空間領域における電気インピーダンス特性から前記測定空間の空間領域の電気物性変化を検知することを特徴とする、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。
2. 前記センサ部は、アレイ状に配置され測定対象物に対して巻装可能なセンサ群により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。
3. 前記センサ部は、アレイ状に配置され測定対象物に対して巻装可能なセンサ群による測定ベルトとして形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。
4. 前記センサ部は、前記測定空間の空間領域の電気情物性変化を検知する検知面の長手方向に少なくとも２個配設して形成されたセンサ群として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。
5. 前記センサ部は、センサ設置対象物の引き手方向に対し直交する方向に配設したセンサ群として形成されることを特徴とする請求項１または４に記載の、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。
6. 前記センサ部は、絶縁体を介在させて形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。
7. 前記電極が、銀メッキ糸から形成される導電性繊維を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。
8. 前記電極が、導電性高分子を含有した繊維を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。
9. 前記電極が、カーボンナノチューブを含有した繊維を用いて形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。
10. 前記電極が、金、銀、アルミニウム、銅などの高導電性金属箔を導電性繊維に付着させて形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の、導電性繊維を用いて形成される非接触形センサ。