CN109314179A - 压电基材、压电机织物、压电针织物、压电设备、力传感器及促动器 - Google Patents
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Abstract
压电基材,其具备沿一个方向卷绕成螺旋状的长条状的第1压电体,而不具备芯材,其中,前述第1压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),前述第1压电体的长度方向与前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,利用X射线衍射测定而由下述式(a)求出的前述第1压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围。取向度F=(180°‑α)/180°··(a),其中,α表示来自取向的峰的半值宽度。
Description
技术领域
本公开文本涉及压电基材、压电机织物、压电针织物、压电设备、力传感器及促动器(actuator)。
背景技术
近年来,研究了将包含螺旋手性高分子的压电体应用于传感器、促动器等压电设备。在这样的压电设备中,使用了膜形状的压电体。
作为上述压电体中的螺旋手性高分子,已着眼于使用多肽、聚乳酸系高分子等具有光学活性的高分子。其中,已知聚乳酸系高分子仅通过机械性的拉伸操作即呈现压电性。已知在使用了聚乳酸系高分子的压电体中,不需要极化处理,另外,压电性历经数年也不会降低。
例如,日本专利第4934235号公报及国际公开第2010/104196号中,作为包含聚乳酸系高分子的压电体,报道了压电常数d14大、透明性优异的压电体。
另外,最近还进行了将具有压电性的材料被覆于导体而加以利用的尝试。
例如,日本特开平10-132669号公报中,已知由从中心向外侧依次以同轴状配置的中心导体、压电材料层、外侧导体及外罩构成的压电电缆(piezoelectric cable)。
另外,国际公开第2014/058077号中,已知将由压电性高分子形成的纤维被覆于导电性纤维而成的压电单元。
发明内容
发明所要解决的课题
此外,在凹凸大的部位、变形量大的部位使用膜形状的压电体(例如,日本专利第4934235号公报及国际公开第2010/104196号的实施例中的压电体)的情况(例如,作为可穿戴制品的一部分或全部而使用的情况)下,由于变形而导致在压电体中产生弯折、褶皱等损伤,结果,有时压电灵敏度(例如,使用压电体作为传感器时的传感器灵敏度、及使用压电体作为促动器时的动作灵敏度。下同。)下降。
另外,日本特开平10-132669号公报中,如上所述,记载了由从中心向外侧依次以同轴状配置的中心导体、压电材料层、外侧导体及外罩构成的压电电缆,作为压电材料,记载了聚偏二氟乙烯(PVDF)。然而,对于PVDF而言,随着时间经过,可出现压电常数的变动,有时压电常数随着时间经过而下降。另外,PVDF为铁电体,故而具有热电性,因此,有时压电信号输出功率因周围的温度变化而发生变动。因此,对于日本特开平10-132669号公报中记载的压电电缆而言,压电灵敏度的稳定性、及压电输出功率的稳定性(随时间经过的稳定性)有时不足。另外,施加反复折弯等负荷时,存在金属的导体部分发生疲劳破坏的可能性。
另外,国际公开第2014/058077号中,作为被覆由压电性高分子形成的纤维(以下,称为压电性纤维)而成的压电单元,例如,记载了将由压电性纤维制作的编织管、圆编绳缠绕在导电性纤维上而成的压电单元。然而,对于国际公开第2014/058077号中记载的压电单元而言,相对于导电性纤维而卷绕压电性纤维的方向没有特别限制,因此,向编织管、圆编绳整体施加张力,结果,即使由于在已卷绕的压电性高分子中产生的剪切应力而在压电性高分子内产生电荷,有时在压电性高分子内产生的电荷的极性也会相互抵消。因此,对于国际公开第2014/058077号中记载的压电性纤维而言,压电灵敏度有时不足。
本公开文本是鉴于上述情况而作出的。
即,本公开文本的目的在于提供:压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性得以提高的压电基材、压电机织物、压电针织物、压电设备、力传感器及促动器。
用于解决课题的手段
用于达成前述课题的具体手段包括以下的方式。
<1>压电基材,其具备沿一个方向卷绕成螺旋状的长条状的第1压电体,而不具备芯材,其中,
前述第1压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
前述第1压电体的长度方向与前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由下述式(a)求出的前述第1压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围。
取向度F=(180°-α)/180°··(a)
(其中,α表示来自取向的峰的半值宽度。)
<2>压电基材,其具备长条状的芯材、和相对于前述芯材沿一个方向卷绕成螺旋状的长条状的第1压电体,其中,
前述芯材为非导电性的芯材,
前述第1压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
前述第1压电体的长度方向与前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由下述式(a)求出的前述第1压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围。
取向度F=(180°-α)/180°··(a)
(其中,α表示来自取向的峰的半值宽度。)
<3>如<1>或<2>所述的压电基材,其中,前述第1压电体具有由单条或多条束形成的纤维形状,
前述第1压电体的截面的长轴径为0.0001mm~10mm。
<4>如<1>或<2>所述的压电基材,其中,前述第1压电体具有长条平板形状,
前述第1压电体的厚度为0.001mm~0.2mm,
前述第1压电体的宽度为0.1mm~30mm,
前述第1压电体的宽度与前述第1压电体的厚度之比为1.5以上。
<5>如<1>~<4>中任一项所述的压电基材,其还具备沿与前述一个方向不同的方向卷绕的纤维,其中,
形成前述第1压电体与前述纤维交替交叉而成的编绳结构。
<6>如<1>~<4>中任一项所述的压电基材,其还具备沿与前述一个方向不同的方向卷绕的长条状的第2压电体,其中,
前述第2压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
前述第2压电体的长度方向与前述第2压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由前述式(a)求出的前述第2压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围,
形成前述第1压电体与前述第2压电体交替交叉而成的编绳结构,
前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与前述第2压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的手性彼此不同。
<7>如<1>~<6>中任一项所述的压电基材,其中,前述第1压电体的螺旋角度为10°~80°。
<8>如<2>所述的压电基材,其中,前述芯材与前述第1压电体彼此捻合。
<9>如<8>所述的压电基材,其中,前述第1压电体具有由单条或多条束形成的纤维形状,
前述第1压电体的截面的长轴径为0.0001mm~2mm。
<10>如<1>~<9>中任一项所述的压电基材,其中,前述第1压电体包含粘接剂组合物,
按照ASTM D-882测得的前述粘接剂组合物的固化物的拉伸弹性模量为0.1MPa~10GPa。
<11>如<1>~<10>中任一项所述的压电基材,其中,前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)为具有包含下述式(1)表示的重复单元的主链的聚乳酸系高分子。
[化学式1]
<12>如<1>~<11>中任一项所述的压电基材,其中,前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的光学纯度为95.00%ee以上。
<13>如<1>~<12>中任一项所述的压电基材,其中,前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)由D体或L体组成。
<14>如<1>~<13>中任一项所述的压电基材,其中,相对于前述第1压电体的总量,前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的含量为80质量%以上。
<15>压电机织物,其具备由经纱及纬纱形成的机织物结构体,其中,
前述经纱及前述纬纱中的至少一方包含<1>~<14>中任一项所述的压电基材。
<16>压电机织物,其具备由经纱及纬纱形成的机织物结构体,其中,
前述经纱及前述纬纱这两方包含<1>~<14>中任一项所述的压电基材,
前述经纱中包含的第1压电体的卷绕方向、与前述纬纱中包含的第1压电体的卷绕方向彼此不同,
前述经纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与前述纬纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性相同。
<17>压电机织物,其具备由经纱及纬纱形成的机织物结构体,其中,
前述经纱及前述纬纱这两方包含<1>~<14>中任一项所述的压电基材,
前述经纱中包含的第1压电体的卷绕方向、与前述纬纱中包含的第1压电体的卷绕方向相同,
前述经纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与前述纬纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性彼此不同。
<18>压电针织物,其具备包含<1>~<14>中任一项所述的压电基材的针织物结构体。
<19>压电设备,其具备<15>~<17>中任一项所述的压电机织物或<18>所述的压电针织物。
<20>力传感器,其具备<1>~<14>中任一项所述的压电基材。
<21>促动器,其具备<1>~<14>中任一项所述的压电基材。
发明的效果
通过本公开文本,可提供压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性得以提高的压电基材、压电机织物、压电针织物、压电设备、力传感器及促动器。
附图说明
[图1]图1为表示第1实施方式涉及的压电基材的具体方式A的侧视图。
[图2]图2为表示第1实施方式涉及的压电基材的具体方式B的侧视图。
[图3]图3为表示第2实施方式涉及的压电基材的具体方式C的侧视图。
[图4]图4为表示第2实施方式涉及的压电基材的具体方式D的侧视图。
[图5]图5为表示第2实施方式涉及的压电基材的具体方式E的侧视图。
[图6]图6为表示本实施方式涉及的压电针织物的一例的概略图。
具体实施方式
以下,对本公开文本的实施方式进行说明。
本说明书中,使用“~”示出的数值范围表示将“~”的前后记载的数值分别作为最小值及最大值而包含在内的范围。本说明书中阶段地记载的数值范围中,某一数值范围中记载的上限值或下限值可以替换为其他阶段性的记载的数值范围的上限值或下限值。另外,本公开文本中记载的数值范围中,某一数值范围中记载的上限值或下限值可以替换为实施例中公开的值。
本说明书中,所谓长条平板状的压电体(第1压电体及第2压电体)的“主面”,是指与长条平板状的压电体的厚度方向正交的面(换言之,包含长度方向及宽度方向的面)。关于机织物的“主面”及针织物的“主面”也同样。
本说明书中,关于构件的“面”,只要没有特别说明,是指构件的“主面”。
本说明书中,厚度、宽度、及长度与通常的定义相同,满足厚度<宽度<长度的关系。
本说明书中,2条线段所成的角度在0°以上且90°以下的范围内表示。
本说明书中,“膜”的概念不仅包括通常被称为“膜”的物体,还包括通常被称为“片材”的物体。
本说明书中,所谓“MD方向”,是指膜的传送方向(Machine Direction,机械方向)、即拉伸方向,所谓“TD方向”,是指与前述MD方向正交、且与膜的主面平行的方向(Transverse Direction,横向)。
以下,详细说明本公开文本涉及的压电基材的第1实施方式。
〔第1实施方式的压电基材〕
第1实施方式的压电基材具备沿一个方向卷绕成螺旋状的长条状的第1压电体,而不具备芯材。
即,对于第1实施方式的压电基材而言,上述第1压电体并非相对于芯材、而是相对于虚拟的螺旋轴沿一个方向卷绕成螺旋状。
所谓“螺旋轴”,是指由第1压电体形成的螺旋结构的中心轴。
另外,第1实施方式的压电基材是下述压电基材,其中,前述第1压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
前述第1压电体的长度方向与前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由下述式(a)求出的前述第1压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围。
取向度F=(180°-α)/180°··(a)
其中,α表示来自取向的峰的半值宽度。α的单位为°。
以下,在第1实施方式的压电基材的说明中,有时将“长条状的第1压电体”简称为“第1压电体”来进行说明。另外,有时将“虚拟的螺旋轴”简称为“螺旋轴”来进行说明。
作为不具备芯材的压电基材的方式,可举出在由第1压电体形成的螺旋结构中、在螺旋轴的周围不存在或实质上不存在空间(间隙)的方式;在螺旋轴的周围存在规定的空间的方式。
作为调节螺旋轴的周围的空间的大小的方法,例如可举出下述方法:调节第1压电体的卷绕方法的方法;在上述条件下将第1压电体卷绕于在特定作用下可溶的纤维(例如可溶于水的纱线)的周围,然后,纤维随时间经过而溶融,或者用水将纤维溶解除去的方法;在上述条件下将第1压电体卷绕于芯材的周围,然后将前述芯材除去的方法。需要说明的是,前述纤维的长轴径或前述芯材的长轴径可根据空间的方式而适当选择。另外,第1压电体为长条平板形状时,通过对每1m的卷绕数进行加减控制,从而能对螺旋轴的周围的空间的大小进行控制。
第1压电体的取向度F是表示第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的取向的程度的指标,例如为利用广角X射线衍射装置(Rigaku Corporation制RINT2550,附属装置:旋转试样台,X射线源:CuKα,输出功率:40kV 370mA,检测器:闪烁计数器)测定的c轴取向度。
需要说明的是,第1压电体的取向度F的测定方法的例子如后述的实施例所示。
所谓“一个方向”,是指在从螺旋轴的一端侧观察第1实施方式的压电基材时,从近侧向远侧卷绕第1压电体的方向。具体而言,是指右向(右旋,即顺时针方向)或左向(左旋,即逆时针方向)。
对于第1实施方式的压电基材而言,通过具备上述构成,从而压电灵敏度优异,压电输出功率的稳定性也优异,而且,相对于反复折弯等负荷、变形的耐性提高。
更详细而言,对于第1实施方式的压电基材而言,通过使第1压电体包含螺旋手性高分子(A);第1压电体的长度方向与螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行;以及,第1压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0,由此呈现了压电性。
另外,对于第1实施方式的压电基材而言,通过如上所述地配置第1压电体,从而在向压电基材的长度方向施加张力(应力)时,向螺旋手性高分子(A)施加剪切力,在压电基材的径向上发生螺旋手性高分子(A)的极化。对于其极化方向而言,将已被卷绕成螺旋状的第1压电体视为在其长度方向上可被看作平面的程度的微小区域的集合体时,在构成其的微小区域的平面中,因张力(应力)而产生的剪切力被施加至螺旋手性高分子的情况下,所述极化方向与因压电应力常数d14而产生的电场的方向大致一致。
具体而言,例如聚乳酸中,在分子结构由左旋螺旋结构形成的L-乳酸的均聚物(PLLA)的情况下,向将PLLA的主取向方向与长度方向大致平行的第1压电体相对于螺旋轴以左旋方式卷绕成螺旋状而得到的结构体施加张力(应力)时,与径向平行地产生从与张力垂直的圆形截面的圆的中心朝向外侧方向的电场(极化)。另外,反之,向将PLLA的主取向方向与长度方向大致平行的第1压电体相对于螺旋轴以右旋方式卷绕成螺旋状而得到的结构体施加张力(应力)时,与径向平行地产生从与张力垂直的圆形截面的圆的外侧朝向中心方向的电场(极化)。
另外,例如在分子结构由右旋螺旋结构形成的D-乳酸的均聚物(PDLA)的情况下,向将PDLA的主取向方向与长度方向大致平行的第1压电体相对于螺旋轴以左旋方式卷绕成螺旋状而得到的结构体施加张力(应力)时,与径向平行地产生从与张力垂直的圆形截面的圆的外侧朝向中心方向的电场(极化)。另外,反之,向将PDLA的主取向方向与长度方向大致平行的第1压电体相对于螺旋轴以右旋方式卷绕成螺旋状而得到的结构体施加张力(应力)时,与径向平行地产生从与张力垂直的圆形截面的圆的中心朝向外侧方向的电场(极化)。
由此,在向压电基材的长度方向施加张力时,在已被配置成螺旋状的第1压电体的各部位中,与张力成比例的电位差在相位对齐的状态下产生,因此认为能有效地检测与张力成比例的电压信号。
因此,通过第1实施方式的压电基材,压电灵敏度优异,压电输出功率的稳定性也优异。
此外,第1实施方式的压电基材由于不具有芯材,因而弯曲性及挠性(柔软性)优异。
因此,通过第1实施方式的压电基材,相对于反复折弯等负荷、变形的耐性提高。
尤其是,使用了非热电性的聚乳酸系高分子作为螺旋手性高分子(A)的压电基材与使用了热电性的PVDF的压电基材相比,压电灵敏度的稳定性、及压电输出功率的稳定性(随时间经过的稳定性)进一步提高。
另外,对于前述的国际公开第2014/058077号中记载的具备压电性纤维的压电单元而言,相对于导电性纤维而言的压电性纤维的卷绕方向不受限制,而且构成剪切力的力的起点、力的方向也均与第1实施方式的压电基材、及后述的第2实施方式的压电基材不同。因此认为,即使向国际公开第2014/058077号中记载的压电单元施加张力,也不会在压电单元的径向上发生极化,即,不会在因压电应力常数d14而产生的电场的方向上发生极化,因此,压电灵敏度不足。
此处,第1压电体的长度方向、与螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行时,具有第1压电体相对于长度方向上的拉伸的耐受性强(即,长度方向的抗拉强度优异)这样的优点。因此,即使将第1压电体相对于螺旋轴沿一个方向卷绕成螺旋状,也不易断裂。
此外,第1压电体的长度方向、与螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行时,例如在将已被拉伸的压电膜分切而得到第1压电体(例如分切条带(slit ribbon))时的生产率方面也是有利的。
本说明书中,所谓“大致平行”,是指2条线段所成的角度为0°以上且小于30°(优选为0°以上且22.5°以下,更优选为0°以上且10°以下,进一步优选为0°以上且5°以下,特别优选为0°以上且3°以下)。
另外,本说明书中,所谓螺旋手性高分子(A)的主取向方向,是指螺旋手性高分子(A)的主要的取向方向。螺旋手性高分子(A)的主取向方向可通过测定第1压电体的取向度F来确认。
另外,将原料熔融纺丝后,对其进行拉伸来制造第1压电体时,制造的第1压电体中的螺旋手性高分子(A)的主取向方向是指主拉伸方向。所谓主拉伸方向,是指拉伸方向。
同样地,进行膜的拉伸及经拉伸的膜的分切来制造第1压电体时,制造的第1压电体中的螺旋手性高分子(A)的主取向方向是指主拉伸方向。此处所谓的主拉伸方向,在单轴拉伸的情况下,是指拉伸方向,在双轴拉伸的情况下,是指拉伸倍率高的拉伸方向。
以下,对第1实施方式的压电基材的优选方式进行说明。
第1实施方式的压电基材中,从提高压电灵敏度、及压电输出功率的稳定性的观点考虑,第1压电体具有由单条或多条束形成的纤维形状,第1压电体的截面的长轴径优选为0.0001mm~10mm,更优选为0.001mm~5mm,进一步优选为0.002mm~1mm。
此处,对于“截面的长轴径”而言,在第1压电体(优选纤维状压电体)的截面为圆形时,相当于“直径”。
在第1压电体的截面为异形形状时,所谓“截面的长轴径”,是指截面的宽度中最长的宽度。
第1压电体为由多条束形成的压电体时,所谓“截面的长轴径”,是指由多条束形成的压电体的截面的长轴径。
第1实施方式的压电基材中,从提高压电灵敏度、及压电输出功率的稳定性的观点考虑,第1压电体优选具有长条平板形状。
另外,优选的是,第1压电体的厚度为0.001mm~0.2mm,第1压电体的宽度为0.1mm~30mm,第1压电体的宽度与第1压电体的厚度之比为1.5以上。
以下,关于具有长条平板形状的第1压电体(以下,也称为“长条平板状压电体”)的尺寸(厚度、宽度、比(宽度/厚度、长度/宽度)),更详细地进行说明。
第1压电体的厚度优选为0.001mm~0.2mm。
通过使厚度为0.001mm以上,能确保长条平板状压电体的强度。此外,长条平板状压电体的制造适合性也优异。
另一方面,通过使厚度为0.2mm以下,从而长条平板状压电体的厚度方向的变形的自由度(柔软性)提高。
另外,第1压电体的宽度优选为0.1mm~30mm。
通过使宽度为0.1mm以上,能确保第1压电体(长条平板状压电体)的强度。此外,长条平板状压电体的制造适合性(例如,后述的分切工序中的制造适合性)也优异。
另一方面,通过使宽度为30mm以下,从而长条平板状压电体的变形的自由度(柔软性)提高。
另外,第1压电体的宽度与第1压电体的厚度之比(以下,也称为“比〔宽度/厚度〕”)优选为1.5以上。
通过使比〔宽度/厚度〕为1.5以上,主面变得明确,因此,容易以在第1压电体(长条平板状压电体)的长度方向上使取向一致的方式形成电荷产生层。另外,在将长条平板状压电体形成为例如后述的压电机织物或压电针织物时,容易将电荷产生层以取向的方式配置于压电机织物或压电针织物的主面上。因此,容易得到利用非接触表面电位计等测定表面电位时的压电灵敏度优异,而且压电灵敏度的稳定性也优异的压电设备(压电机织物、压电针织物等)。
第1压电体的宽度更优选为0.5mm~15mm。
宽度为0.5mm以上时,第1压电体(长条平板状压电体)的强度进一步提高。此外,能进一步抑制长条平板状压电体的扭曲,因此,压电灵敏度及其稳定性进一步提高。
宽度为15mm以下时,长条平板状压电体的变形的自由度(柔软性)进一步提高。
第1压电体的长度与宽度之比(以下,也称为比〔长度/宽度〕)优选为10以上。
比〔长度/宽度〕为10以上时,第1压电体(长条平板状压电体)的变形的自由度(柔软性)进一步提高。此外,在应用了长条平板状压电体的压电设备(压电机织物、压电针织物等)中,能在更宽范围内赋予压电性。
第1实施方式的压电基材中,优选的是,还具备沿与前述一个方向不同的方向卷绕的纤维,形成第1压电体与前述纤维交替交叉而成的编绳结构。
由此,压电基材弯曲变形时,将会容易保持第1压电体相对于螺旋轴沿一个方向卷绕的状态。结果,在向压电基材的长度方向施加张力时,将会容易在第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)中发生极化。需要说明的是,该方式的编绳结构中,从容易向第1压电体施加张力的观点考虑,优选不存在第1压电体与纤维的间隙。
第1实施方式的压电基材中,优选的是,
其还具备沿与前述一个方向不同的方向卷绕的长条状的第2压电体,
第2压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
第2压电体的长度方向、与第2压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由前述式(a)求出的第2压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围,
形成第1压电体与前述第2压电体交替交叉而成的编绳结构,
第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与第2压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的手性彼此不同。
由此,例如,在向压电基材的长度方向施加张力时,第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)、及第2压电体中包含的螺旋手性高分子(A)这两方中发生极化。极化方向均为压电基材的径向。
由此,能更有效地检测与张力成比例的电压信号。结果,压电灵敏度、及压电输出功率的稳定性进一步提高。
另外,对于第1实施方式的压电基材而言,如上文所述,由于不具有芯材,因而是弯曲性及挠性(柔软性)优异的压电基材。
而且,第1实施方式的压电基材形成具备第1压电体及第2压电体的编绳结构时,由于在第1压电体与第2压电体之间具有适度的空隙,因此,即使在施加使压电基材弯曲变形那样的力时,空隙也会吸收变形,将会容易柔和地发生弯曲变形。
因此,第1实施方式的压电基材可作为沿三维平面的那样的例如可穿戴制品(后述的压电机织物、压电针织物、压电设备、力传感器、生物体信息获取设备等)的一种构成构件而合适地使用。
第1实施方式的压电基材中,从提高压电灵敏度、及压电输出功率的稳定性的观点考虑,第1压电体的螺旋角度优选为10°~80°(45°±35°),更优选为15°~75°(45°±30°),进一步优选为35°~65°(45°±10°)。
所谓“螺旋角度”,是指螺旋轴、与相对于螺旋轴而言的第1压电体的配置方向所成的角度。
第1方式的压电基材中,第1压电体包含粘接剂组合物,
按照ASTM D-882测得的粘接剂组合物的固化物的拉伸弹性模量优选为0.1MPa~10GPa,更优选为0.1MPa~5GPa,进一步优选为0.1MPa~3GPa。
由此,相邻的第1压电体彼此被粘接剂组合物(粘接剂)粘接,第1压电体间的相对位置变得不容易错动,因此,将会容易高效地向第1压电体施加张力,将会容易向第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)施加剪切应力。结果,能有效地检测与张力成比例的电压信号(电荷信号)。
粘接剂的固化物的拉伸弹性模量为0.1MPa以上时,因施加至第1实施方式的压电基材的张力而导致的应变(压电应变)将会不易在粘接剂部分被缓和,应变向第1压电体传递的效率提高。
因此,压电灵敏度、及压电输出功率的稳定性进一步提高。
需要说明的是,第1实施方式中的粘接剂的接合后的拉伸弹性模量、即粘接剂的固化物的拉伸弹性模量更优选与第1压电体为同等程度或更高。
关于粘接剂组合物的固化物的拉伸弹性模量的测定方法,在实施例中详细说明。
第1实施方式的压电基材中,从进一步提高压电性的观点考虑,第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)优选为具有包含下述式(1)表示的重复单元的主链的聚乳酸系高分子。
[化学式2]
第1实施方式的压电基材中,从进一步提高压电性的观点考虑,优选第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的光学纯度为95.00%ee以上。
第1实施方式的压电基材中,从进一步提高压电性的观点考虑,优选第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)由D体或L体组成。
第1实施方式的压电基材中,从进一步提高压电性的观点考虑,相对于第1压电体的总量,第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的含量优选为80质量%以上。
以下,参照附图来说明第1实施方式涉及的压电基材的具体方式A。
〔具体方式A〕
图1为表示第1实施方式涉及的压电基材的具体方式A的侧视图。
如图1所示那样,具体方式A的压电基材10具备长条状的第1压电体14A,而不具备芯材。
第1压电体14A相对于螺旋轴G1而以螺旋角度β1从一端向另一端以无间隙的方式、而且以在螺旋轴G1的周围不存在空间的方式沿一个方向卷绕成螺旋状。此外,在第1压电体14A中,含浸有粘接剂(未图示),相邻的第1压电体14A彼此被该粘接剂粘接。
所谓“螺旋角度β1”,是指螺旋轴G1、与相对于螺旋轴G1而言的第1压电体14A的配置方向所成的角度。
另外,在具体方式A中,第1压电体14A相对于螺旋轴G1以左旋方式卷绕。具体而言,从螺旋轴G1的一端侧(图1的情况下,为右端侧)观察压电基材10时,第1压电体14A从近侧向远侧以左旋方式卷绕。
另外,图1中,第1压电体14A中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向用双向箭头E1示出。即,螺旋手性高分子(A)的主取向方向、与第1压电体14A的配置方向(第1压电体14A的长度方向)大致平行。
以下,对具体方式A的压电基材10的作用进行说明。
例如,在向压电基材10的长度方向施加张力时,向第1压电体14A中包含的螺旋手性高分子(A)施加剪切力,螺旋手性高分子(A)发生极化。该螺旋手性高分子(A)的极化在压电基材10的径向上发生,认为其极化方向以相位对齐的方式产生。由此,能有效地检测与张力成比例的电压信号。
另外,对于压电基材10而言,如上文所述,在第1压电体14A中含浸有粘接剂(未图示),因此,第1压电体14A间的相对位置不容易错动,将会更容易向第1压电体14A施加张力。
此外,压电基材10由于不具有芯材,因而成为弯曲性及挠性优异的压电基材。
根据上述内容,通过具体方式A的压电基材10,成为压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性得以提高的压电基材。
接下来,参照附图来说明第1实施方式涉及的压电基材的具体方式B1、B2。在以下的说明中,省略与具体方式A重复的说明。
〔具体方式B1〕
图2为表示第1实施方式涉及的压电基材的具体方式B1的侧视图。
具体方式B1的压电基材10A具备第1压电体14A及第2压电体14B,而不具备芯材。第1压电体14A及第2压电体14B交替地交叉,形成了编绳结构。
需要说明的是,第1压电体14A中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与第2压电体14B中包含的螺旋手性高分子(A)的手性彼此不同。
如图2所示那样,对于具体方式B1的压电基材10A而言,第1压电体14A相对于螺旋轴G2以螺旋角度β1以左旋方式卷绕成螺旋状,第2压电体14B以螺旋角度β2以右旋方式卷绕成螺旋状,并且,第1压电体14A及第2压电体14B交替地交叉。
另外,图2所示的编绳结构中,第1压电体14A中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向(双向箭头E1)、与第1压电体14A的配置方向大致平行。同样地,第2压电体14B中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向(双向箭头E2)、与第2压电体14B的配置方向大致平行。
以下,对具体方式B1的压电基材10A的作用进行说明。
例如,在向压电基材10A的长度方向施加张力时,第1压电体14A中包含的螺旋手性高分子(A)、及第2压电体14B中包含的螺旋手性高分子(A)这两方中发生极化。极化方向均为压电基材10A的径向。由此,能有效地检测与张力成比例的电压信号。
此外,压电基材10A由于形成不具有芯材的编绳结构,因而成为弯曲性及挠性优异的压电基材。
根据上述内容,通过具体方式B1的压电基材10A,成为压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性得以提高的压电基材。
尤其是,对于具体方式B1的压电基材10A而言,在向压电基材10A的长度方向施加张力时,向形成编绳结构的左旋的第1压电体14A及右旋的第2压电体14B施加剪切应力,其极化的方向一致。因此,有助于第1压电体14A及第2压电体14B中的压电性能的体积分率增加,因此,压电性能进一步提高。因此,具体方式B1的压电基材10A可作为沿三维平面的那样的例如可穿戴制品(后述的压电机织物、压电针织物、压电设备、力传感器、生物体信息获取设备等)的一种构成构件而合适地使用。
〔具体方式B2〕
对于具体方式B2的压电基材而言,在图2中的具体方式B1的压电基材10A中,代替第2压电体14B而具备纤维,除此之外,为与具体方式B1的压电基材10A同样的构成。即,具体方式B2的压电基材具备第1压电体和纤维,而不具备芯材,形成第1压电体与纤维交替交叉而成的编绳结构。需要说明的是,具体方式B2中的纤维是不具有压电性的纤维。这种方式的情况下,前述纤维的卷绕方向可以是右旋,也可以是左旋。
对于具体方式B2而言,压电基材弯曲变形时,将会容易保持第1压电体相对于螺旋轴沿一个方向卷绕的状态。由此,在向压电基材的长度方向施加张力时,将会容易在第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)中发生极化。
此外,具体方式B2的压电基材由于形成不具有芯材的编绳结构,因而成为弯曲性及挠性优异的压电基材。
根据上述内容,在具体方式B2的压电基材中,也成为压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性得以提高的压电基材。
接下来,对构成第1实施方式涉及的压电基材的材料等进行说明。
<第1压电体>
第1实施方式的压电基材具备长条状的第1压电体。
第1压电体是包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A)的压电体。
(螺旋手性高分子(A))
第1实施方式中的第1压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A)。
此处所谓的“具有光学活性的螺旋手性高分子”,是指分子结构为螺旋结构、且具有分子光学活性的高分子。
作为上述螺旋手性高分子(A),可举出例如多肽、纤维素衍生物、聚乳酸系高分子、聚环氧丙烷、聚(β-羟基丁酸)等。
作为上述多肽,可举出例如聚(戊二酸γ-苄酯)、聚(戊二酸γ-甲酯)等。
作为上述纤维素衍生物,可举出例如乙酸纤维素、氰基乙基纤维素等。
对于螺旋手性高分子(A)而言,从提高第1压电体的压电性的观点考虑,光学纯度优选为95.00%ee以上,更优选为96.00%ee以上,进一步优选为99.00%ee以上,进一步更优选为99.99%ee以上。理想为100.00%ee。认为通过使螺旋手性高分子(A)的光学纯度为上述范围,从而呈现压电性的高分子结晶的堆积(packing)性提高,结果,压电性提高。
此处,螺旋手性高分子(A)的光学纯度是利用下式算出的值。
光学纯度(%ee)=100×|L体量-D体量|/(L体量+D体量)
即,螺旋手性高分子(A)的光学纯度为:
“‘螺旋手性高分子(A)的L体的量〔质量%〕与螺旋手性高分子(A)的D体的量〔质量%〕的量差(绝对值)’除以(除)‘螺旋手性高分子(A)的L体的量〔质量%〕与螺旋手性高分子(A)的D体的量〔质量%〕的合计量’而得到的数值”乘以(乘)“100”而得到的值。
需要说明的是,螺旋手性高分子(A)的L体的量〔质量%〕和螺旋手性高分子(A)的D体的量〔质量%〕使用下述值:利用使用了高效液相色谱法(HPLC)的方法得到的值。关于具体的测定的详细内容,在后文中说明。
作为上述螺旋手性高分子(A),从提高光学纯度、提高压电性的观点考虑,优选为具有包含下述式(1)表示的重复单元的主链的高分子。
[化学式3]
作为以上述式(1)表示的重复单元为主链的高分子,可举出聚乳酸系高分子。
此处所谓的聚乳酸系高分子,是指“聚乳酸(仅由来自选自L-乳酸及D-乳酸中的单体的重复单元形成的高分子)”、“L-乳酸或D-乳酸、与可与该L-乳酸或D-乳酸共聚的化合物的共聚物”、或两者的混合物。
聚乳酸系高分子中,优选为聚乳酸,最优选为L-乳酸的均聚物(PLLA,也简称为“L体”)或D-乳酸的均聚物(PDLA,也简称为“D体”)。
聚乳酸是乳酸通过酯键进行聚合并较长地连接而成的高分子。
已知聚乳酸可利用下述方法制造:经由丙交酯的丙交酯法;在溶剂中在减压下对乳酸进行加热,在除去水的同时使其聚合的直接聚合法;等等。
作为聚乳酸,可举出L-乳酸的均聚物、D-乳酸的均聚物、包含L-乳酸及D-乳酸中的至少一方的聚合物的嵌段共聚物、及包含L-乳酸及D-乳酸中的至少一方的聚合物的接枝共聚物。
作为上述“可与L-乳酸或D-乳酸共聚的化合物”,可举出羟基乙酸、二甲基羟基乙酸、3-羟基丁酸、4-羟基丁酸、2-羟基丙酸、3-羟基丙酸、2-羟基戊酸、3-羟基戊酸、4-羟基戊酸、5-羟基戊酸、2-羟基己酸、3-羟基己酸、4-羟基己酸、5-羟基己酸、6-羟基己酸、6-羟基甲基己酸、苯乙醇酸等羟基羧酸;乙交酯、β-甲基-δ-戊内酯、γ-戊内酯、ε-己内酯等环状酯;草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、壬二酸、癸二酸、十一烷二酸、十二烷二酸、对苯二甲酸等多元羧酸及它们的酐;乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇、1,9-壬二醇、3-甲基-1,5-戊二醇、新戊二醇、1,4-丁二醇、1,4-己烷二甲醇等多元醇;纤维素等多糖类;α-氨基酸等氨基羧酸;等等。
作为上述“L-乳酸或D-乳酸、与可与该L-乳酸或D-乳酸共聚的化合物的共聚物”,可举出具有能生成螺旋结晶的聚乳酸序列的嵌段共聚物或接枝共聚物。
另外,螺旋手性高分子(A)中的来自共聚物成分的结构的浓度优选为20mol%以下。
例如,螺旋手性高分子(A)为聚乳酸系高分子时,相对于聚乳酸系高分子中的来自乳酸的结构、与来自可与乳酸共聚的化合物(共聚物成分)的结构的总摩尔数而言,来自共聚物成分的结构的浓度优选为20mol%以下。
聚乳酸系高分子例如可利用下述方法制造:日本特开昭59-096123号公报、及日本特开平7-033861号公报中记载的将乳酸直接脱水缩合而获得的方法;美国专利2,668,182号及4,057,357号等中记载的使用乳酸的环状二聚物即丙交酯进行开环聚合的方法;等等。
此外,为了使利用上述各制造方法得到的聚乳酸系高分子的光学纯度为95.00%ee以上,例如,在利用丙交酯法制造聚乳酸时,优选将已通过晶析操作而使光学纯度提高至95.00%ee以上的光学纯度的丙交酯进行聚合。
-重均分子量-
螺旋手性高分子(A)的重均分子量(Mw)优选为5万~100万。
通过使螺旋手性高分子(A)的Mw为5万以上,从而第1压电体的机械强度提高。上述Mw优选为10万以上,进一步优选为20万以上。
另一方面,通过使螺旋手性高分子(A)的Mw为100万以下,从而通过成型(例如挤出成型、熔融纺丝)而得到第1压电体时的成型性提高。上述Mw优选为80万以下,进一步优选为30万以下。
另外,从第1压电体的强度的观点考虑,螺旋手性高分子(A)的分子量分布(Mw/Mn)优选为1.1~5,更优选为1.2~4。进一步优选为1.4~3。
需要说明的是,螺旋手性高分子(A)的重均分子量(Mw)及分子量分布(Mw/Mn)是指利用凝胶渗透色谱法(GPC)测得的值。此处,Mn为螺旋手性高分子(A)的数均分子量。
以下,示出基于GPC的螺旋手性高分子(A)的Mw及Mw/Mn的测定方法的一例。
-GPC测定装置-
Waters公司制GPC-100
-柱-
昭和电工公司制,Shodex LF-804
-样品的制备-
于40℃,将第1压电体溶解于溶剂(例如,氯仿)中,准备浓度为1mg/ml的样品溶液。
-测定条件-
于40℃的温度,以1ml/分钟的流速,使用溶剂〔氯仿〕将样品溶液0.1ml导入至柱中。
用差示折射计测定用柱进行了分离的样品溶液中的样品浓度。
用聚苯乙烯标准试样制成普适校正曲线(universal calibration curve),算出螺旋手性高分子(A)的重均分子量(Mw)及分子量分布(Mw/Mn)。
关于作为螺旋手性高分子(A)的例子的聚乳酸系高分子,可使用市售的聚乳酸。
作为市售品,可举出例如PURAC公司制的PURASORB(PD、PL)、三井化学公司制的LACEA(H-100、H-400)、NatureWorks LLC公司制的IngeoTMbiopolymer等。
使用聚乳酸系高分子作为螺旋手性高分子(A)时,为了使聚乳酸系高分子的重均分子量(Mw)为5万以上,优选利用丙交酯法或直接聚合法来制造聚乳酸系高分子。
第1实施方式中的第1压电体可以仅含有1种上述螺旋手性高分子(A),也可含有2种以上的上述螺旋手性高分子(A)。
对于第1实施方式中的第1压电体中的螺旋手性高分子(A)的含量(为2种以上的情况下,为总含量)而言,相对于第1压电体的总量,优选为80质量%以上。
(稳定剂)
第1实施方式中的第1压电体优选还含有在一分子中具有选自由碳二亚胺基、环氧基、及异氰酸酯基组成的组中的1种以上官能团的重均分子量为200~60000的稳定剂(B)。由此,能进一步提高耐湿热性。
作为稳定剂(B),可使用国际公开第2013/054918号的0039~0055段中记载的“稳定剂(B)”。
作为可用作稳定剂(B)的在一分子中包含碳二亚胺基的化合物(碳二亚胺化合物),可举出单碳二亚胺化合物、聚碳二亚胺化合物、环状碳二亚胺化合物。
作为单碳二亚胺化合物,优选二环己基碳二亚胺、双-2,6-二异丙基苯基碳二亚胺等。
另外,作为聚碳二亚胺化合物,可使用利用各种方法制造的聚碳二亚胺化合物。可使用利用以往的聚碳二亚胺的制造方法(例如,美国专利第2941956号说明书、日本特公昭47-33279号公报、J.Org.Chem.28,2069-2075(1963)、Chemical Review 1981,Vol.81No.4,p619-621)制造的聚碳二亚胺化合物。具体而言,也可使用日本专利4084953号公报中记载的碳二亚胺化合物。
作为聚碳二亚胺化合物,可举出聚(4,4’-二环己基甲烷碳二亚胺)、聚(N,N’-二-2,6-二异丙基苯基碳二亚胺)、聚(1,3,5-三异丙基亚苯基-2,4-碳二亚胺)等。
环状碳二亚胺化合物可基于日本特开2011-256337号公报中记载的方法等合成。
作为碳二亚胺化合物,可使用市售品,可举出例如东京化成公司制B2756(商品名)、Nisshinbo Chemical Inc.制CARBODILITE LA-1(商品名)、Rhein Chemie RheinauGmbH制Stabaxol P、Stabaxol P400、StabaxolI(均为商品名)等。
作为可用作稳定剂(B)的在一分子中包含异氰酸酯基的化合物(异氰酸酯化合物),可举出异氰酸3-(三乙氧基甲硅烷基)丙酯、2,4-甲苯二异氰酸酯、2,6-甲苯二异氰酸酯、间苯二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯、苯二甲撑二异氰酸酯、氢化苯二甲撑二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯等。
作为可用作稳定剂(B)的在一分子中包含环氧基的化合物(环氧化合物),可举出苯基缩水甘油基醚、二乙二醇二缩水甘油基醚、双酚A-二缩水甘油基醚、氢化双酚A-二缩水甘油基醚、苯酚Novolac型环氧树脂、甲酚Novolac型环氧树脂、环氧化聚丁二烯等。
如上所述,稳定剂(B)的重均分子量为200~60000,更优选为200~30000,进一步优选为300~18000。
分子量为上述范围内时,稳定剂(B)将会更容易移动,能更有效地发挥耐湿热性改良效果。
稳定剂(B)的重均分子量特别优选为200~900。需要说明的是,重均分子量200~900与数均分子量200~900大致一致。另外,重均分子量为200~900时,存在分子量分布为1.0的情况,这种情况下,也可将“重均分子量200~900”简称为“分子量200~900”。
第1实施方式中的第1压电体含有稳定剂(B)时,上述第1压电体可以仅含有1种稳定剂(B),也可含有2种以上稳定剂(B)。
第1实施方式中的第1压电体包含稳定剂(B)时,相对于螺旋手性高分子(A)100质量份,稳定剂(B)的含量优选为0.01质量份~10质量份,更优选为0.01质量份~5质量份,进一步优选为0.1质量份~3质量份,特别优选为0.5质量份~2质量份。
上述含量为0.01质量份以上时,耐湿热性进一步提高。
另外,上述含量为10质量份以下时,能进一步抑制透明性的下降。
作为稳定剂(B)的优选方式,可举出并用稳定剂(B1)和稳定剂(B2)这样的方式,所述稳定剂(B1)具有选自由碳二亚胺基、环氧基、及异氰酸酯基组成的组中的1种以上官能团,并且数均分子量为200~900,所述稳定剂(B2)在1分子内具有2个以上选自由碳二亚胺基、环氧基、及异氰酸酯基组成的组中的1种以上官能团,并且重均分子量为1000~60000。需要说明的是,数均分子量为200~900的稳定剂(B1)的重均分子量大致为200~900,稳定剂(B1)的数均分子量与重均分子量成为大致相同的值。
并用稳定剂(B1)和稳定剂(B2)作为稳定剂时,从提高透明性的观点考虑,优选包含大量的稳定剂(B1)。
具体而言,从同时实现透明性和耐湿热性这样的观点考虑,相对于稳定剂(B1)100质量份,稳定剂(B2)优选为10质量份~150质量份的范围,更优选为50质量份~100质量份的范围。
以下,示出稳定剂(B)的具体例(稳定剂B-1~B-3)。
[化学式4]
以下,关于上述稳定剂B-1~B-3,示出化合物名称、市售品等。
·稳定剂B-1...化合物名称为双-2,6-二异丙基苯基碳二亚胺。重均分子量(该例中,仅等同于“分子量”)为363。作为市售品,可举出Rhein Chemie Rheinau GmbH制“Stabaxol I”、东京化成公司制“B2756”。
·稳定剂B-2...化合物名称为聚(4,4’-二环己基甲烷碳二亚胺)。作为市售品,可举出作为重均分子量约为2000的稳定剂的Nisshinbo Chemical Inc.制“CARBODILITE LA-1”。
·稳定剂B-3...化合物名称为聚(1,3,5-三异丙基亚苯基-2,4-碳二亚胺)。作为市售品,可举出作为重均分子量约为3000的稳定剂的Rhein Chemie Rheinau GmbH制“Stabaxol P”。另外,可举出作为重均分子量为20000的稳定剂的Rhein Chemie RheinauGmbH制“Stabaxol P400”。
<其他成分>
对于第1实施方式中的第1压电体而言,根据需要,可含有其他成分。
作为其他成分,可举出聚偏二氟乙烯、聚乙烯树脂、聚苯乙烯树脂等已知的树脂;二氧化硅、羟基磷灰石、蒙脱石等已知的无机填料;酞菁等已知的晶核剂;稳定剂(B)以外的稳定剂;等等。
作为无机填料及晶核剂,还可举出国际公开第2013/054918号的0057~0058段中记载的成分。
(取向度F)
如上所述,第1实施方式中的第1压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0,优选为0.7以上且小于1.0,更优选为0.8以上且小于1.0。
第1压电体的取向度F为0.5以上时,沿拉伸方向排列的螺旋手性高分子(A)的分子链(例如聚乳酸分子链)多,结果,取向结晶的生成率提高,能呈现更高的压电性。
第1压电体的取向度F小于1.0时,纵向撕裂强度进一步提高。
(结晶度)
第1实施方式中的第1压电体的结晶度是利用上述的X射线衍射测定(广角X射线衍射测定)测得的值。
第1实施方式中的第1压电体的结晶度优选为20%~80%,更优选为25%~70%,进一步优选为30%~60%。
通过使结晶度为20%以上,能将压电性维持在高水平。通过使结晶度为80%以下,能将第1压电体的透明性维持在高水平。
通过使结晶度为80%以下,例如,在通过对作为第1压电体的原料的压电膜实施拉伸来进行制造时,不易发生白化、断裂,因此,容易制造第1压电体。另外,通过使结晶度为80%以下,例如,在将第1压电体的原料(例如聚乳酸)熔融纺丝后通过拉伸来进行制造时,成为弯曲性高、具有柔软的性质的纤维,容易制造第1压电体。
(透明性(内部雾度))
第1实施方式中的第1压电体中,对透明性没有特别要求,当然也可以具有透明性。
第1压电体的透明性可通过对内部雾度进行测定来评价。此处所谓的第1压电体的内部雾度,是指将因第1压电体的外表面的形状而导致的雾度排除在外的雾度。
对于第1压电体而言,在要求透明性的情况下,相对于可见光线的内部雾度优选为5%以下,从进一步提高透明性及纵向撕裂强度的观点考虑,更优选为2.0%以下,进一步优选为1.0%以下。第1压电体的前述内部雾度的下限值没有特别限制,作为下限值,可举出例如0.01%。
第1压电体的内部雾度是针对厚度为0.03mm~0.05mm的第1压电体、按照JIS-K7105而使用雾度测定机〔东京电色公司制TC-HIII DPK〕于25℃进行测定时的值。
以下,示出第1压电体的内部雾度的测定方法的例子。
首先,准备在2片玻璃板之间仅夹有硅油(信越化学工业株式会社制SHINETSUSILICONE(商标),型号:KF96-100CS)的样品1,测定该样品1的厚度方向的雾度(以下,记为雾度(H2))。
接下来,准备在上述的2片玻璃板之间以无间隙的方式并排夹持有用硅油均匀涂抹了表面的多个第1压电体的样品2,测定该样品2的厚度方向的雾度(以下,记为雾度(H3))。
接下来,如下式那样求出它们的差值,由此,得到第1压电体的内部雾度(H1)。
内部雾度(H1)=雾度(H3)-雾度(H2)
此处,对于雾度(H2)及雾度(H3)的测定而言,分别在下述测定条件下使用下述装置进行。
测定装置:东京电色公司制,HAZE METER TC-HIIIDPK
试样尺寸:宽度30mm×长度30mm
测定条件:按照JIS-K7105
测定温度:室温(25℃)
(拉伸弹性模量)
第1压电体的拉伸弹性模量优选为0.1GPa~100GPa,更优选为1GPa~50GPa。
所谓拉伸弹性模量,是指在经拉伸工序而得到第1压电体的情况下的、拉伸方向(MD方向)的拉伸弹性模量。
需要说明的是,从进一步提高拉伸弹性模量的观点考虑,第1压电体可以不仅包含螺旋手性高分子(A)(例如聚乳酸系高分子),还包含聚偏二氟乙烯。
这种方式的情况下,第1压电体的拉伸弹性模量优选为1GPa~10GPa。
第1压电体的拉伸弹性模量的测定方法如下所述。
第1压电体为膜(长条平板形状的一例)时,准备长度为100mm的矩形形状的试验片(膜)。将试验片的质量(g)除以其材料的密度(g/cc)而得到的值作为试验片的体积,将该体积除以膜的主面的面积(长度与宽度的积)而得到的值作为该试验片的平均厚度。由该厚度和试验片的宽度计算试验片的截面积。
由利用拉伸试验机(A&D Co.,Ltd.制TENSILON RTG1250)向试验片施加张力时的应力和应变量绘制S-S曲线,由S-S曲线的初始的线性应变区域的斜率算出拉伸弹性模量。
第1压电体为纱线(纤维形状的一例)时,准备长度为100mm的试验片(纱线)。将试验片的质量(g)除以其材料的密度(g/cc)而得到的值作为试验片的体积,将该体积除以纱线的长度而得到的值作为该试验片的平均截面积。由利用拉伸试验机向试验片施加张力时的应力和应变量绘制S-S曲线,由S-S曲线的初始的线性应变区域的斜率算出拉伸弹性模量。
(第1压电体的形状、尺寸)
第1实施方式的压电基材具备长条状的第1压电体。
作为长条状的第1压电体,优选为具有由单条或多条束形成的纤维形状(纱线形状)的压电体、或具有长条平板形状的压电体。
以下,依次说明具有纤维形状的压电体(以下,也称为纤维状压电体)、具有长条平板形状的压电体(以下,也称为长条平板状压电体)。
-纤维状压电体-
作为纤维状压电体,可举出例如单丝纱、复丝纱。
·单丝纱
单丝纱的单丝纤度优选为3dtex~30dtex,更优选为5dtex~20dtex。
单丝纤度小于3dtex时,在机织物准备工序、织造工序中,变得难以对纱线进行处理。另一方面,单丝纤度超过30dtex时,变得容易在纱线间发生熔接。
对于单丝纱而言,若考虑到成本方面,优选直接进行纺丝、拉伸而得到。需要说明的是,单丝纱也可以是购得的制品。
·复丝纱
复丝纱的总纤度优选为30dtex~600dtex,更优选为100dtex~400dtex。
对于复丝纱而言,例如,除了纺丝拉伸纱线(spin draw thread)等一步法纱线以外,对UDY(未拉伸纱线)、POY(高取向未拉伸纱线)等进行拉伸而得到的两步法纱线也均可采用。需要说明的是,复丝纱也可以是购得的制品。
作为聚乳酸系单丝纱、聚乳酸系复丝纱的市售品,可使用东丽公司制的ECODEAR(R)PLA、Unitika Ltd.制的TERRAMAC(R)、Kuraray Co.,Ltd.制PLASTARCH(R)。
对纤维状压电体的制造方法没有特别限制,可利用已知的方法制造。
例如,作为第1压电体的长丝纱(单丝纱、复丝纱)可通过将原料(例如聚乳酸)熔融纺丝后、对其进行拉伸而得到(熔融纺丝拉伸法)。需要说明的是,在纺出后,优选将冷却固化之前的纱条附近的气氛温度保持在一定温度范围内。
另外,作为第1压电体的长丝纱例如可通过将利用上述熔融纺丝拉伸法得到的长丝纱进一步分纤而得到。
·截面形状
作为纤维状压电体的截面形状,在与纤维状压电体的长度方向垂直的方向的截面中,可应用圆形、椭圆形、矩形、茧形状、带形状、四叶形状、星形状、异形形状等各种截面形状。
-长条平板状压电体-
作为长条平板状压电体,例如可举出通过将利用已知的方法制作的压电膜、或购得的压电膜进行分切而得到的长条平板状压电体(例如分切条带)等。
第1实施方式的压电基材中,第1压电体具有长条平板形状时,可以在不妨碍第1实施方式的效果的范围内、在第1压电体的至少一个主面侧配置功能层。
功能层可以为单层结构,也可以为由两层以上形成的结构。
例如,在长条平板状压电体的两个主面侧配置功能层时,被配置在一个主面(以下,为了方便,也称为“表面”)侧的功能层、及被配置在另一面(以下,为了方便,也称为“背面”)侧的功能层各自独立地可以为单层结构,也可以为由两层以上形成的结构。
作为功能层,可举出各种功能层。
作为功能层,可举出例如易粘接层、硬涂层、折射率调节层、防反射层、防眩光层、易滑层、防粘连层、保护层、粘接层、防静电层、放热层、紫外线吸收层、防牛顿环层、光散射层、偏光层、气体阻隔层、色相调节层等。
功能层可以是由这些层中的两层以上形成的层。
另外,作为功能层,可以是兼具这些功能中的2种以上的层。
在长条平板状压电体的两个主面上设置了功能层时,被配置于表面侧的功能层和被配置于背面侧的功能层可以为相同的功能层,也可以为不同的功能层。
另外,功能层的效果还包括掩盖长条平板状压电体表面的模痕(die line)、压痕等缺陷、提升外观这样的效果。这种情况下,长条平板状压电体与功能层的折射率差越小,长条平板状压电体与功能层的界面的反射越会减少,外观进一步提高。
前述功能层优选包含易粘接层、硬涂层、防静电层、防粘连层、及保护层中的至少一种。由此,例如,在压电设备(压电机织物、压电针织物等)、力传感器、促动器、生物体信息获取设备中的应用变得更容易。
第1实施方式的压电基材中,第1压电体具有长条平板形状时,可以在第1压电体的至少一个(优选两个)主面侧配置电极层。
电极层可以与长条平板状压电体接触地设置,也可以隔着功能层设置。
通过上述方式,在将包含长条平板状压电体的第1实施方式的压电基材例如作为压电设备(压电机织物、压电针织物等)、力传感器、促动器、生物体信息获取设备的构成要素之一来使用时,例如,可更简易地进行在压电基材中产生的电荷的提取电极与层叠体的连接,因此,压电设备(压电机织物、压电针织物等)、力传感器、促动器、生物体信息获取设备的生产率提高。
作为功能层的材料,没有特别限制,可举出例如金属、金属氧化物等无机物;树脂等有机物;包含树脂和微粒的复合组合物;等等。作为树脂,例如,也可采用通过利用温度、活性能量射线使其固化而得到的固化物。即,作为树脂,也可利用固化性树脂。
作为固化性树脂,可举出例如选自由丙烯酸系化合物、甲基丙烯酸系化合物、乙烯基系化合物、烯丙基系化合物、氨基甲酸酯系化合物、环氧系化合物、环氧化物系化合物、缩水甘油基系化合物、氧杂环丁烷系化合物、三聚氰胺系化合物、纤维素系化合物、酯系化合物、硅烷系化合物、有机硅系化合物、硅氧烷系化合物、二氧化硅-丙烯酸系混杂化合物、及二氧化硅-环氧系混杂化合物组成的组中的至少1种材料(固化性树脂)。
这些中,更优选丙烯酸系化合物、环氧系化合物、硅烷系化合物。
作为金属,可举出例如选自Al、Si、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、In、Sn、W、Ag、Au、Pd、Pt、Sb、Ta及Zr中的至少一种或它们的合金。
作为金属氧化物,可举出例如氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化铌、氧化锑、氧化锡、氧化铟、氧化铈、氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钇、氧化镱及氧化钽、以及它们的复合氧化物中的至少1种。
作为微粒,可举出上述那样的金属氧化物的微粒、氟系树脂、有机硅系树脂、苯乙烯系树脂、丙烯酸系树脂等树脂微粒等。此外,还可举出在这些微粒的内部具有孔隙的中空微粒。
作为微粒的平均一次粒径,从透明性的观点考虑,优选为1nm以上且500nm以下,更优选为5nm以上且300nm以下,进一步优选为10nm以上且200nm以下。通过使微粒的平均一次粒径为500nm以下,能抑制可见光的散射,通过使微粒的平均一次粒径为1nm以上,能抑制微粒的二次凝聚,从维持透明性的观点考虑是优选的。
功能层的膜厚没有特别限制,优选为0.01μm~10μm的范围。
上述厚度的上限值更优选为6μm以下,进一步优选为3μm以下。另外,下限值更优选为0.01μm以上,进一步优选为0.02μm以上。
功能层为由多个功能层形成的多层膜时,上述厚度表示多层膜整体的厚度。另外,功能层可以位于长条平板状压电体的两面。另外,功能层的折射率可以为各不相同的值。
对于长条平板状压电体的制造方法没有特别限制,可利用已知的方法制造。
另外,例如,作为由压电膜制造第1压电体的方法,可通过以下方式得到:将原料(例如聚乳酸)成型为膜状,得到未拉伸膜,针对得到的未拉伸膜,实施拉伸及结晶化,将得到的压电膜分切。
此处所谓的“分切”,是指将上述压电膜切割成长条状。
需要说明的是,上述拉伸及结晶化中的任一者先进行都可以。另外,可以是针对未拉伸膜依次实施预结晶化、拉伸、及结晶化(退火)的方法。关于拉伸,可以是单轴拉伸,也可以是双轴拉伸。在双轴拉伸的情况下,优选使一方(主拉伸方向)的拉伸倍率较高。
关于压电膜的制造方法,可适当参考日本专利第4934235号公报、国际公开第2010/104196号、国际公开第2013/054918号、国际公开第2013/089148号等已知文献。
<纤维>
第1实施方式的压电基材有时具备纤维。
对于纤维而言,优选沿与前述一个方向(第1压电体的卷绕方向)不同的方向卷绕,优选形成第1压电体与纤维交替交叉而成的编绳结构。
需要说明的是,前述纤维的卷绕方向(右旋或左旋)可以是与第1压电体的卷绕方向相同的方向,也可以是与第1压电体的卷绕方向不同的方向。
作为纤维,没有特别限制,可举出例如芳族聚酰胺纤维、聚酯纤维、丙烯酸系纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、氯乙烯纤维、聚砜纤维、聚醚纤维、聚氨酯纤维等聚合物纤维;棉、麻、丝、纤维素等天然纤维;乙酸酯等半合成纤维;人造丝(rayon)、铜氨纤维(cupra)等再生纤维;玻璃纤维。另外,还可举出纤维形态的第2压电体。
对于这些纤维而言,可以仅使用1种,也可含有2种以上而使用。
另外,作为纤维,可举出例如单丝纱、复丝纱。作为单丝纱的单丝纤度,可举出例如与前述的纤维状压电体中的单丝纱的单丝纤度同样的范围。作为复丝纱的总纤度,可举出例如与前述的纤维状压电体中的复丝纱的总纤度同样的范围。
<第2压电体>
第1实施方式的压电基材有时具备长条状的第2压电体。
对于第2压电体而言,优选沿与前述一个方向(第1压电体的卷绕方向)不同的方向卷绕,优选形成第1压电体与第2压电体交替交叉而成的编绳结构。
第2压电体优选具有与第1压电体同样的特性。
即,优选的是,第2压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
第2压电体的长度方向与第2压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由前述式(a)求出的第2压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围。
第2压电体优选还具有除了上述特性以外的与第1压电体同样的特性。
在形成第1压电体与第2压电体交替交叉而成的编绳结构的情况下,优选第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与第2压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的手性彼此不同。
另外,第2压电体可以具有与第1压电体不同的特性。
与前述的第1压电体同样,第2压电体可包含稳定剂(B)及其他的成分。
<粘接剂组合物>
从提高压电灵敏度、及压电输出功率的稳定性的观点考虑,第1实施方式中的第1压电体优选包含粘接剂组合物。
需要说明的是,“粘接”是包括“粘合”的概念。另外,“粘接剂”是包括“粘合剂”的概念。
以下,有时将粘接剂组合物称为“粘接剂”而进行说明。
粘接剂是为了将第1压电体间机械性地一体化而使用的。
通过使第1压电体包含粘接剂,从而在向第1实施方式的压电基材施加张力时,第1压电体间的相对位置变得不容易错动,因此,将会容易高效地向第1压电体施加张力。因此,能有效地检测与张力成比例的电压输出功率。结果,压电灵敏度、及压电输出功率的稳定性进一步提高。另外,通过使第1压电体包含粘接剂,压电基材的每单位拉力所产生的电荷量(产生的表面电位)的绝对值进一步增加。
另一方面,对于第1压电体不包含粘接剂的压电基材而言,即使在加工成后述的压电纤维(例如压电针织物、压电机织物)等后,也保持柔软的性质,因此,在制成可穿戴传感器等时,穿戴感变得良好。
作为粘接剂组合物(粘接剂)的材料,可使用以下的材料。
可使用环氧系粘接剂、氨基甲酸酯系粘接剂、乙酸乙烯酯树脂系乳液型粘接剂、(EVA)系乳液型粘接剂、丙烯酸树脂系乳液型粘接剂、苯乙烯·丁二烯橡胶系胶乳型粘接剂、有机硅树脂系粘接剂、α-烯烃(异丁烯-马来酸酐树脂)系粘接剂、氯乙烯树脂系溶剂型粘接剂、橡胶系粘接剂、弹性粘接剂、氯丁二烯橡胶系溶剂型粘接剂、丁腈橡胶系溶剂型粘接剂、氰基丙烯酸酯系粘接剂等。
-厚度-
第1实施方式中的粘接剂的接合部位的厚度越薄越好,只要是不会在接合的对象间产生空隙、且接合强度不下降的范围即可。通过减小接合部位的厚度,由此,因施加至压电基材的张力而导致的应变将会不易在粘接剂部分被缓和,在第1压电体上产生的应变高效地变小,因此,在将第1实施方式的压电基材应用于例如传感器时,传感器的灵敏度提高。
-粘接剂的涂布方法-
粘接剂的涂布方法没有特别限制,主要可使用以下的2种方法。
·在加工后配置粘接剂而进行接合的方法
例如,可举出下述方法:在下述配置完成后,利用浸渍涂布等涂覆、含浸等方法,将粘接剂配置于各构件彼此(例如第1压电体彼此)间、各构件的界面等而进行粘接,所述配置为:第1压电体的配置;压电基材具备纤维时,纤维及第1压电体的配置;压电基材具备电极时,前述电极的加工及配置;除了前述配置以外,压电基材所具备的各构件的配置。
·在加工前配置未固化的粘接剂,在加工后进行接合的方法
例如,可举出下述方法:利用凹版涂布机、浸涂机等,预先在第1压电体的表面上涂覆光固化性的粘接剂、热固性的粘接剂、热塑性的粘接剂等,使其干燥,在下述配置完成后,利用紫外线照射、加热而使粘接剂固化,将各构件彼此间、各构件的界面等接合,所述配置例如为:第1压电体的配置;压电基材具备纤维时,纤维及第1压电体的配置;压电基材具备电极时,前述电极的加工及配置;除了前述配置以外,压电基材所具备的各构件的配置。
另外,在将第1实施方式的压电基材加工成后述的压电针织物、压电机织物的情况下,也利用同样的方法,在加工成压电针织物、压电机织物后,例如将各构件彼此(例如第1压电体彼此)间、各构件的界面等接合或热熔接。这种情况下,对于压电针织物、压电机织物而言,在通过粘接剂而将各构件间一体化之前保持柔软的性质,因此,针织物、机织物的加工变得容易。
若使用上述方法,则在将粘接剂涂覆干燥后,利用干式工艺的加工成为可能,加工变得容易,另外,容易形成均匀的涂膜厚度,因此,具有传感器灵敏度等的偏差少这样的特征。
<压电基材的制造方法>
对于第1实施方式的压电基材的制造方法没有特别限制,例如可通过准备第1压电体,将第1压电体相对于螺旋轴沿一个方向卷绕成螺旋状来制造。
另外,对于第1实施方式的压电基材而言,如上文所述,例如也可通过以下方式制造:使用特定作用下可溶的纤维(例如可溶于水的纱线),将第1压电体在前述纤维的周围沿一个方向卷绕成螺旋状,然后,纤维随时间经过而溶融,或者用水将纤维溶解除去。另外,也可通过以下方式制造:将第1压电体在芯材的周围沿一个方向卷绕成螺旋状,然后将前述芯材除去。
第1压电体可以是利用已知的方法制造的制品,也可以是购得的制品。
另外,第1实施方式的压电基材具备纤维,形成第1压电体和纤维的编绳结构的情况下,可通过以下方式制造:按照卷绕第1压电体的方法,交替地交叉卷绕第1压电体及纤维。
另外,第1实施方式的压电基材具备第2压电体,形成第1压电体及第2压电体的编绳结构的情况下,也同样可通过以下方式制造:按照卷绕第1压电体的方法,交替地交叉卷绕第1压电体及第2压电体。
另外,第1实施方式的压电基材具备电极的情况下,可通过利用已知的方法配置电极来制造。
需要说明的是,优选利用例如前述的方法,通过粘接剂而将第1压电体间、根据需要将纤维和第1压电体之间、第1压电体和第2压电体之间、第1实施方式的压电基材所具备的各构件间贴合。
以下,详细说明本公开文本涉及的压电基材的第2实施方式。
〔第2实施方式的压电基材〕
第2实施方式的压电基材是下述压电基材,
其具备长条状的芯材、和相对于前述芯材沿一个方向卷绕成螺旋状的长条状的第1压电体,
前述芯材为非导电性的芯材,
前述第1压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
前述第1压电体的长度方向与前述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由下述式(a)求出的前述第1压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围。
取向度F=(180°-α)/180°··(a)
其中,α表示来自取向的峰的半值宽度。α的单位为°。
第2实施方式的压电基材具备非导电性的芯材(非导电性芯材),第1压电体在前述非导电性芯材的周围沿一个方向卷绕成螺旋状,在这方面与第1实施方式的压电基材不同。
所谓“非导电性”,表示体积电阻率为108Ω·cm以上。
所谓“相对于芯材沿一个方向卷绕成螺旋状的第1压电体”,是指第1压电体沿着芯材的外周面而沿一个方向卷绕成螺旋状。
“取向度F”及“一个方向”的定义与前述相同。
通过使第2实施方式的压电基材具备上述构成,从而压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性提高。
对于第2实施方式的压电基材而言,基于与第1实施方式的压电基材同样的理由,呈现压电性。
另外,对于第2实施方式的压电基材而言,通过如上所述地配置第1压电体,从而在向压电基材的长度方向施加张力(应力)时,向螺旋手性高分子(A)施加剪切力,在压电基材的径向上发生螺旋手性高分子(A)的极化。对于其极化方向而言,将已被卷绕成螺旋状的第1压电体视为在其长度方向上可被看作平面的程度的微小区域的集合体时,在构成其的微小区域的平面中,因张力(应力)而产生的剪切力被施加至螺旋手性高分子的情况下,所述极化方向与因压电应力常数d14而产生的电场的方向大致一致。
具体而言,例如聚乳酸中,在分子结构由左旋螺旋结构形成的L-乳酸的均聚物(PLLA)的情况下,向将PLLA的主取向方向与长度方向大致平行的第1压电体相对于非导电性芯材以左旋方式卷绕成螺旋状而得到的结构体施加张力(应力)时,与径向平行地产生从与张力垂直的圆形截面的圆的中心朝向外侧方向的电场(极化)。另外,反之,向将PLLA的主取向方向与长度方向大致平行的第1压电体相对于非导电性芯材以右旋方式卷绕成螺旋状而得到的结构体施加张力(应力)时,与径向平行地产生从与张力垂直的圆形截面的圆的外侧朝向中心方向的电场(极化)。
另外,例如在分子结构由右旋螺旋结构形成的D-乳酸的均聚物(PDLA)的情况下,向将PDLA的主取向方向与长度方向大致平行的第1压电体相对于非导电性芯材以左旋方式卷绕成螺旋状而得到的结构体施加张力(应力)时,与径向平行地产生从与张力垂直的圆形截面的圆的外侧朝向中心方向的电场(极化)。另外,反之,向将PDLA的主取向方向与长度方向大致平行的第1压电体相对于非导电性芯材以右旋方式卷绕成螺旋状而得到的结构体施加张力(应力)时,与径向平行地产生从与张力垂直的圆形截面的圆的中心朝向外侧方向的电场(极化)。
由此,在向压电基材的长度方向施加张力时,在已被配置成螺旋状的第1压电体的各部位中,与张力成比例的电位差在相位对齐的状态下产生,因此认为能有效地检测与张力成比例的电压信号。
因此,第2实施方式的压电基材的压电灵敏度优异,压电输出功率的稳定性也优异。
此外,第2实施方式的压电基材具备非导电性芯材作为芯材,形成第1压电体在前述非导电性芯材的周围沿一个方向卷绕成螺旋状的结构。
此处,也可考虑具备导电性芯材作为芯材的压电基材。然而,该压电基材存在以下倾向:通过施加反复折弯等负荷,导电性芯材的金属的导体部分容易发生疲劳破坏。
因此,通过第2实施方式的压电基材,与具备上述导电性芯材的压电基材相比,相对于反复折弯等负荷、变形的耐性提高。
作为第1压电体相对于非导电性芯材沿一个方向卷绕成螺旋状的方式,没有特别限制,例如可举出:第1压电体沿着非导电性芯材的外周面而以规定的螺旋角度从一端向另一端沿一个方向卷绕成螺旋状的方式;非导电性芯材与第1压电体在相同的旋转轴的周围彼此捻合的方式。
以下,对第2实施方式涉及的压电基材的具体方式进行说明。
参照附图来说明第2实施方式涉及的压电基材的具体方式C。在以下的说明中,省略与具体方式A重复的说明。
具体方式C的压电基材是第1压电体相对于非导电性芯材以规定的螺旋角度从一端向另一端沿一个方向卷绕成螺旋状的方式。
〔具体方式C〕
图3为表示第2实施方式涉及的压电基材的具体方式C的侧视图。
具体方式C的压电基材10B在内部具备非导电性芯材12A,在这方面与第1实施方式中的具体方式A的压电基材10不同。
即,具体方式C的压电基材10B具备非导电性芯材12A、和长条状的第1压电体14A。
第1压电体14A相对于非导电性芯材12A以螺旋角度β1从一端向另一端而以无间隙的方式沿一个方向卷绕成螺旋状。
所谓“螺旋角度β1”,是指非导电性芯材12A的轴向(即螺旋轴G3)、与相对于螺旋轴G3而言的第1压电体14A的配置方向所成的角度。
通过具体方式C的压电基材10B,基于与具体方式A同样的理由,能有效地检测与张力成比例的电压信号。
另外,对于压电基材10B而言,与具体方式A的压电基材10同样,在第1压电体14A中含浸有粘接剂(未图示),因此,第1压电体14A间的相对位置不容易错动,将会更容易向第1压电体14A施加张力。
此外,压电基材10B具备非导电性芯材12A作为芯材,因此,与具备导电性的芯材(例如金属制的芯材)的情况相比,能减少疲劳破坏。
根据上述内容,通过具体方式C的压电基材10B,成为压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性得以提高的压电基材。
接下来,关于第2实施方式涉及的压电基材的具体方式D1、D2,参照附图来说明。在以下的说明中,省略与具体方式B1、B2重复的说明。
具体方式D1、D2的压电基材是第1压电体相对于非导电性芯材以规定的螺旋角度从一端向另一端沿一个方向卷绕成螺旋状的方式。
〔具体方式D1〕
图4为表示第1实施方式涉及的压电基材的具体方式D1的侧视图。
具体方式D1的压电基材10C在内部具备非导电性芯材12A,在这方面与第1实施方式中的具体方式B1的压电基材10A不同。
即,对于具体方式D1的压电基材10C而言,第1压电体14A与第2压电体14B交替交叉而形成了编绳结构。
通过具体方式D1的压电基材10C,基于与具体方式B1同样的理由,能有效地检测与张力成比例的电压信号。
此外,压电基材10C具备非导电性芯材12A作为芯材,因此,与具备导电性芯材(例如金属制的芯材)的情况相比,能减少疲劳破坏。
根据上述内容,通过具体方式C的压电基材10C,成为压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性得以提高的压电基材。
另外,基于与具体方式B1同样的理由,具体方式D1的压电基材10C可作为沿三维平面的那样的例如可穿戴制品(后述的压电机织物、压电针织物、力传感器、生物体信息获取设备等)的一种构成构件而合适地使用。
接下来,参照附图来说明第2实施方式涉及的压电基材的具体方式D2。在以下的说明中,省略与具体方式B1、B2重复的说明。
〔具体方式D2〕
对于具体方式D2的压电基材而言,在图4中的具体方式D1的压电基材10C中,代替第2压电体14B而具备纤维,除此之外,为与具体方式D1的压电基材10C同样的构成。即,具体方式D2的压电基材为第1压电体与纤维交替交叉而形成了编绳结构的压电基材。需要说明的是,具体方式D2中的纤维为不具有压电性的纤维。这种方式的情况下,前述纤维的卷绕方向可以是右旋,也可以是左旋。
对于具体方式D2而言,与具体方式B2同样,压电基材弯曲变形时,将会容易保持第1压电体相对于非导电性芯材沿一个方向卷绕的状态,因此,在向压电基材的长度方向施加张力时,将会容易在第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)中发生极化。
另外,对于具体方式D2的压电基材而言,由于具备非导电性芯材作为芯材,因此,与具备导电性芯材(例如金属制的芯材)的压电基材相比,能减少疲劳破坏。
根据上述内容,在具体方式D2的压电基材中,也成为压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性得以提高的压电基材。
接下来,参照附图来说明第2实施方式涉及的压电基材的具体方式E。
具体方式E为非导电性芯材与第1压电体在相同的旋转轴的周围彼此捻合的方式。
〔具体方式E〕
图5为表示第2实施方式涉及的压电基材的具体方式E的侧视图。
如图5所示那样,对于第2实施方式的压电基材10D而言,长条状的非导电性芯材12B与长条状的第1压电体14C以相同的旋转轴G5、并且以相同的捻回数彼此捻合。更详细而言,具体方式E的压电基材10D中,第1压电体14C相对于旋转轴G5而以右旋方式卷绕成螺旋状。
此处所谓的“右旋”是指:从旋转轴G5的方向的一端侧(图5的情况下,为右端侧)观察压电基材10D时,第1压电体14C从旋转轴G5的近侧向远侧以右旋方式卷绕。
图5中,以捻回数“3”对非导电性芯材12B及第1压电体14C进行加捻。这种情况下,图5中,压电基材10D的每长度L1中的捻回数为“3”,每1个捻回中的第1压电体14C间的距离(非导电性芯材12B间的距离也同义)为L2。另外,图5中,旋转轴G5与第1压电体14C的长度方向所成的角度为β3。
另外,图5中,第1压电体14C中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向用双向箭头E3示出。即,螺旋手性高分子(A)的主取向方向、与第1压电体14C的配置方向大致平行。
以下,对第2实施方式涉及的压电基材10D的作用进行说明。
例如,向压电基材10D的长度方向施加张力时,向第1压电体14C中包含的螺旋手性高分子(A)施加剪切力,第1压电体14C中包含的螺旋手性高分子(A)发生极化。该螺旋手性高分子(A)的极化在压电基材10D的径向上发生,认为其极化方向以相位对齐的方式产生。由此,能有效地检测与张力成比例的电压信号。
尤其是,对于压电基材10D而言,只不过是将非导电性芯材12B与第1压电体14C捻合,能减少非导电性芯材12B和第1压电体14C的截面积,结果,能使压电基材10D变细。因此,将会容易赋予高的弯曲性、挠性(柔软性),尤其适于后述的压电机织物、压电针织物等的加工。
此外,压电基材10D具备非导电性芯材12B作为芯材,因此,与具备导电性的芯材(例如金属制的芯材)的情况相比,能减少疲劳破坏。
根据上述内容,通过具体方式E的压电基材10D,成为压电灵敏度优异、压电输出功率的稳定性也优异、而且相对于反复折弯等负荷、变形的耐性得以提高的压电基材。
对构成第2实施方式涉及的压电基材的材料等进行说明。
需要说明的是,第2实施方式的压电基材不受第1实施方式的压电基材的任何限制。
<非导电性芯材>
第2实施方式的压电基材具备长条状的非导电性芯材作为芯材。
作为非导电性芯材的材料,没有特别限制,只要是不具有导电性的材料即可,可举出例如聚酰胺树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚砜树脂、聚醚树脂、聚氨酯树脂等聚合物树脂;纤维素系树脂;玻璃、硅胶、陶瓷等无机材料。这些材料可以仅使用1种,也可含有2种以上而使用。
对非导电性芯材的形状(长条状)、长轴径没有特别限制,作为非导电性芯材,优选为具有由单条或多条束形成的纤维形状的芯材。
作为具有纤维形状的芯材,可举出例如纱线(单丝纱、复丝纱)。
<第1压电体>
第2实施方式中的第1压电体与第1实施方式中的第1压电体含义相同,优选方式也同样。
另外,第2实施方式中的第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)与第1实施方式中的第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)含义相同,优选方式也同样。
<纤维>
第2实施方式的压电基材有时具备纤维。
对于纤维而言,优选沿与前述一个方向(第1压电体的卷绕方向)不同的方向卷绕。而且,优选形成第1压电体与纤维交替交叉而成的编绳结构。
第2实施方式中的纤维与第1实施方式中的纤维含义相同,优选方式也同样。
<第2压电体>
第2实施方式的压电基材有时具备长条状的第2压电体。
对于第2压电体而言,优选沿与前述一个方向(第1压电体的卷绕方向)不同的方向卷绕。而且,优选形成第1压电体与第2压电体交替交叉而成的编绳结构。
第2实施方式中的第2压电体与第1实施方式中的第2压电体含义相同,优选方式也同样。
第2实施方式中的第2压电体与第1实施方式中的第2压电体同样,可包含稳定剂(B)及其他的成分。
<粘接剂组合物>
从提高压电灵敏度、及压电输出功率的稳定性的观点考虑,第2实施方式中的第1压电体优选包含粘接剂组合物。
第2实施方式中的粘接剂组合物(粘接剂)与第1实施方式中的粘接剂含义相同,优选方式也同样。第2实施方式中的粘接剂的涂布方法及物性也与第1实施方式中的粘接剂的涂布方法及物性同样。
需要说明的是,对于第2实施方式中的粘接剂的涂布方法而言,可以按照第1实施方式中的粘接剂的涂布方法,例如在芯材及第1压电体的配置完成后,将粘接剂配置于各构件彼此间(例如芯材和第1压电体之间)、各构件的界面等而进行粘接(接合)。
另外,也可以利用凹版涂布机、浸涂机等,预先在第1压电体的表面上涂覆光固化性的粘接剂、热固性的粘接剂、热塑性的粘接剂等,使其干燥,例如在芯材及第1压电体的配置完成后,将粘接剂配置于各构件彼此间(例如芯材和第1压电体之间)、各构件的界面等而进行粘接(接合)。
第2实施方式的压电基材为非导电性芯材与第1压电体彼此捻合的方式的情况(例如,具体方式E的情况)下,作为该彼此捻合的方式,没有特别限制,更优选以相同的旋转轴并且以相同的捻回数彼此捻合。
前述非导电性芯材和前述第1压电体的每1m的捻回数根据非导电性芯材的外径(粗细)及第1压电体的外径(粗细)而不同,例如,若非导电性芯材的外径和第1压电体的外径为同等程度,则可用下式定义。需要说明的是,所谓“外径”,与前述的“截面的长轴径”含义相同。
捻回数(次)=1000(mm)×tanβ3/(πD)
式中,D表示非导电性芯材或第1压电体的外径(mm)。πD表示非导电性芯材或第1压电体的圆周长。β3表示旋转轴与第1压电体的长度方向所成的角度(°)。
例如非导电性芯材的外径和第1压电体的外径为同等程度时,对于前述非导电性芯材和前述第1压电体的每1m的捻回数而言,从提高压电灵敏度及压电输出功率的稳定性的观点、以及提高相对于反复折弯等负荷、变形的耐性的观点考虑,上述式中,优选由1000(mm)×tanβ3/(πD)(次)(其中,β3=45°±30°)表示,更优选由1000(mm)×tanβ3/(πD)(次)(其中,β3=45°±25°)表示,进一步优选由1000(mm)×tanβ/(πD)(次)(其中,β3=45°±20°)表示,特别优选由1000(mm)×tanβ3/(πD)(次)(其中,β3=45°±15°)表示。
由此,非导电性芯材和第1压电体牢固地彼此密合,而且在彼此捻合时不易切断,因此,能同时实现压电性和机械强度。
具体而言,非导电性芯材的外径和第1压电体的外径为同等程度时,前述非导电性芯材和前述第1压电体的每1m的捻回数没有特别限制,只要为满足上述式的范围即可,例如,优选为200~2000次,更优选为200~1500次,进一步优选为200~1000次,特别优选为200~500次。
第2实施方式的压电基材中,为非导电性芯材与第1压电体彼此捻合的方式的情况(例如,具体方式E的情况)下,第1压电体优选具有由单条或多条束形成的纤维形状。
第1压电体的截面的长轴径优选为0.0001mm~2mm,更优选为0.001mm~1mm,进一步优选为0.002mm~0.5mm。
需要说明的是,所谓“截面的长轴径”,与前述的“截面的长轴径”含义相同。
<压电基材的制造方法>
对于第2实施方式的压电基材的制造方法没有特别限制,例如可通过以下方式制造:准备第1压电体,将第1压电体相对于另行准备的非导电性芯材沿一个方向卷绕成螺旋状。
另外,第2实施方式的压电基材为非导电性芯材与第1压电体彼此捻合的方式的情况下,例如可通过以下方式制造:准备第1压电体,将其与另行准备的非导电性芯材以相同的旋转轴彼此捻合。
第1压电体可以是利用已知的方法制造的制品,也可以是购得的制品。
另外,第2实施方式的压电基材具备纤维,形成第1压电体和纤维的编绳结构的情况下,可通过以下方式制造:按照将第1压电体相对于非导电性芯材进行卷绕的方法,交替地交叉卷绕第1压电体及纤维。
另外,第2实施方式的压电基材具备第2压电体,形成第1压电体和第2压电体的编绳结构的情况下也同样,可通过以下方式制造:按照将第1压电体相对于非导电性芯材进行卷绕的方法,交替地交叉卷绕第1压电体及第2压电体。
另外,第2实施方式的压电基材具备电极的情况下,可通过利用已知的方法配置电极来制造。
需要说明的是,优选利用例如前述的方法,通过粘接剂而将第1压电体间、根据需要将纤维和第1压电体之间、第1压电体和第2压电体之间、第2实施方式的压电基材所具备的各构件间贴合。
〔压电机织物〕
本实施方式的压电机织物具备机织物结构体。
机织物结构体由经纱及纬纱形成。
本实施方式的压电机织物中,上述经纱及纬纱中的至少一方包含本实施方式的压电基材(第1实施方式的压电基材或第2实施方式的压电基材)。
因此,通过本实施方式的压电机织物,能发挥与本实施方式的压电基材同样的效果。
此处所谓的机织物,是指通过使纱线交错而形成机织物结构体、从而精加工成膜形状而得到的全部制品。所谓压电机织物,是指机织物中的、通过外部刺激(例如物理力)而呈现压电效果的机织物。
本实施方式的压电机织物中,可以是经纱及纬纱这两方包含本实施方式的压电基材。
这种方式的情况下,从提高压电灵敏度、及压电输出功率的稳定性的观点考虑,优选的是,经纱中包含的第1压电体的卷绕方向、与纬纱中包含的第1压电体的卷绕方向彼此不同,并且,经纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与纬纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性相同。
或者,优选的是,经纱中包含的第1压电体的卷绕方向、与纬纱中包含的第1压电体的卷绕方向相同,并且,经纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与纬纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性彼此不同。
作为纱线,可举出例如包含高分子的纱线。
作为包含高分子的纱线中的高分子,可举出聚酯、聚烯烃等一般的高分子,另外,还可举出前述的螺旋手性高分子(A)等螺旋手性高分子。
另外,包含高分子的纱线的概念也包括本实施方式的压电基材。
对于本实施方式的压电机织物中的机织物结构体没有特别限制。
作为机织物结构体,可举出平纹组织(plain weave)、斜纹组织(twill weave)、缎纹组织(satin weave)等基本的结构体。
本实施方式的压电基材可以作为压电机织物中的经纱使用,也可作为纬纱使用,另外,可以作为经纱的一部分使用,也可作为纬纱的一部分使用。
本实施方式的压电机织物可以是具有三维结构的机织物。所谓具有三维结构的机织物,是不仅具有二维结构、而且还在机织物的厚度方向上也编入纱线(经纱、纬纱)从而进行了立体加工的机织物。
具有三维结构的机织物的例子例如被记载于日本特表2001-513855号公报中。
对于本实施方式的压电机织物而言,构成机织物结构体的纱线中的至少一部分由本实施方式的压电基材构成即可。
〔压电针织物〕
本实施方式的压电针织物具备针织物结构体。针织物结构体包含本实施方式的压电基材。
因此,通过本实施方式的压电针织物,能发挥与本实施方式的压电基材同样的效果。
此处所谓的针织物,是指一边用纱线制作线圈一边进行编制从而制造的全部制品。所谓压电针织物,是指针织物中的、通过外部刺激(例如物理力)而呈现压电效果的针织物。
作为纱线,可举出例如包含高分子的纱线。
作为包含高分子的纱线中的高分子,可举出聚酯、聚烯烃等一般的高分子,另外,还可举出前述的螺旋手性高分子(A)等螺旋手性高分子。
另外,包含高分子的纱线的概念也包括本实施方式的压电基材。
对于本实施方式的压电针织物中的针织物结构体没有特别限制。
作为针织物结构体,可举出纬编组织(横编组织)、经编组织(纵编组织)等基本的结构体。纬编组织包括平针组织、罗纹组织、双罗纹组织、双反面组织、圆纬组织等。另外,对于经编组织,可举出特里科经编组织、缎纹组织、菱形组织、米兰尼斯经编组织等基本的结构体。
本实施方式的压电基材作为压电针织物中的纱线使用即可,另外,也可作为纱线的一部分使用。
本实施方式的压电针织物可以是具有三维结构的针织物。所谓具有三维结构的针织物,是指不仅具有二维结构、而且还在针织物的厚度方向上也编入纱线从而进行了立体加工的针织物。
对于本实施方式的压电针织物而言,构成针织物结构体的纱线中的至少一部分由本实施方式的压电基材构成即可。
<压电机织物或压电针织物的用途>
本实施方式的压电机织物或压电针织物可应用于在至少一部分中要求压电性的所有用途。
作为本实施方式的压电机织物或压电针织物的用途的具体例,可举出各种衣物(衬衫、套装、运动上衣、罩衫、外套、夹克、防寒夹克、工作衫、马甲、连衣裙、裤子、裙子、短裤、内衣(长衬裙、内裙、吊带背心、胸罩)、袜子、手套、和服、带子料、金线织花锦缎、冷感衣物、领带、手帕、围巾、披巾、披肩、眼罩)、台布、鞋类(运动鞋、长筒靴、凉鞋、浅口鞋、无后跟的拖鞋(mule)、拖鞋(slipper)、芭蕾舞鞋、功夫鞋)、毛巾、口袋、包(手提包、挎包、手提袋、小挎包、购物袋、环保袋、帆布背包、背囊、运动包、手提旅行包、腰包、腰袋、小型包、无提手皮包、化妆包、首饰包、妈咪包、派对包、日式服装包)、袋和盒(化妆品袋、纸巾盒、眼镜盒、笔盒、书皮、游戏袋、钥匙袋、卡盒)、钱包、帽子(有檐帽、无檐帽、大盖帽、鸭舌帽、高顶宽边呢帽、软帽、遮阳帽、贝雷帽)、安全帽、头巾、腰带、围裙、丝带、胸衣、饰针、帘、壁布、座罩、床单、被褥、被褥罩、毛毯、枕头、枕套、沙发、床、笼、各种包装材料、室内装饰品、汽车用品、人造花、面罩、绷带、绳、各种网、渔网、粘固剂增强材料、丝网印刷用网、各种过滤器(汽车用、家电用)、各种网、苫布(农业用、休闲用布)、土木工程用机织物、建筑工程用机织物、过滤布等。
需要说明的是,可以由本实施方式的压电机织物或压电针织物构成上述具体例的整体,也可以是仅要求压电性的部位由本实施方式的压电机织物或压电针织物构成。
作为本实施方式的压电机织物或压电针织物的用途,穿在身上的可穿戴制品是特别合适的。
需要说明的是,本实施方式的压电针织物的具体方式的详细内容与压电设备的具体方式一同在后文中说明。
〔压电设备〕
本实施方式的压电设备具备本实施方式的压电机织物或本实施方式的压电针织物。
即,本实施方式的压电设备具备本实施方式的压电基材或包含本实施方式的压电基材的压电机织物,或者具备本实施方式的压电基材或包含本实施方式的压电基材的压电针织物。
优选在压电机织物或压电针织物中配置有电极。电极是用于检测由压电基材产生的电荷的电极。
作为电极材料,没有特别限制,可举出金属(Al等),此外,还可举出例如Ag、Au、Cu、Ag-Pd合金、Ag糊、Cu糊、炭黑、ITO(结晶化ITO及非晶ITO)、ZnO、IGZO、IZO(注册商标)、导电性聚合物(聚噻吩,PEDOT)、Ag纳米线、碳纳米管、石墨烯等。
因此,通过本实施方式的压电设备,能发挥与本实施方式的压电基材(第1实施方式的压电基材或第2实施方式的压电基材)同样的效果。
需要说明的是,本实施方式的压电设备优选在电极与机织物结构体或针织物结构体之间具备绝缘体。
由此,成为容易抑制电极间的电气短路的发生的结构。
<压电基材的用途>
本实施方式的压电基材(第1实施方式的压电基材或第2实施方式的压电基材)可利用于例如传感器用途(就座传感器等力传感器、超声波传感器、球拍、高尔夫球杆、棒球棒等各种球类比赛用体育用品的打击时的加速度传感器、冲击传感器等)、促动器用途(片材搬运用设备等)、能量收集用途(发电衣、发电鞋等)、医疗保健相关用途(在T恤衫、运动服、鞋罩、袜子等各种衣物、护具、石膏、尿布、鞋、鞋的鞋垫、时钟等中设置了本传感器的可穿戴运动传感器等)等。
例如,前述的压电机织物、压电针织物、及压电设备可应用于这些用途。
上述用途中,本实施方式的压电基材优选利用于传感器用途、或促动器用途。
具体而言,本实施方式的压电基材优选搭载于力传感器而被利用,或者搭载于促动器而被利用。
作为检测本实施方式的压电基材的由于应力、应变而产生的电荷或表面电位的方法,可举出:使用已知的非接触式表面电位计的方法;通过使由已知的导电材料形成的电极与压电基材接近从而以静电方式与该压电基材结合,在该状态下用电压计等读取上述电极的电位变化的方法;等等。另外,可接合已知的提取电极作为电极。作为提取电极,可举出连接器等电极部件、压接端子等。电极部件可通过锡焊等钎焊、导电性接合剂等而与压电基材接合。
以下,参照附图来说明本实施方式涉及的压电针织物的具体方式。
图5为表示本实施方式涉及的压电机织物的一例的概略图。
如图5所示那样,对于本实施方式的压电针织物20而言,压电基材10与绝缘性纱线16以纬编方式编织,在针织物结构体的一部分中使用了具体方式A的压电基材10。
作为本实施方式的压电基材、本实施方式的压电机织物、及本实施方式的压电针织物的用途,还优选生物体信息获取设备。
即,本实施方式的生物体信息获取设备包含本实施方式的压电基材、本实施方式的压电机织物、或本实施方式的压电针织物。
本实施方式的生物体信息获取设备是用于通过利用上述压电基材、上述压电机织物、或上述压电针织物来检测受试者或受试动物(以下,也将它们统称为“受试体”)的生物体信号,从而获取受试体的生物体信息的设备。
作为此处所谓的生物体信号,可举出脉搏信号(心律信号)、呼吸信号、身体运动信号、心冲击、机体震颤等。
所谓机体震颤,是指身体部位(手指、手、前臂、上肢等)的有节律的不自主运动。
另外,上述心冲击的检测也包括对身体的由心功能导致的力的效果的检测。
即,心脏向主动脉及肺动脉中泵入血液时,身体在与血流相反的方向上受到反作用力。该反作用力的大小及方向随着心脏的功能的阶段而发生变化。该反作用力可通过感知身体外侧的心冲击来进行检测。
上述生物体信息获取设备可被配置于各种衣物(衬衫、套装、运动上衣、罩衫、外套、夹克、防寒夹克、工作衫、马甲、连衣裙、裤子、短裤、内衣(长衬裙、内裙、吊带背心、胸罩)、袜子、手套、和服、带子料、金线织花锦缎、冷感衣物、领带、手帕、围巾、披巾、披肩、眼罩)、护具(脖子用护具、肩用护具、胸用护具、腹用护具、腰用护具、腕用护具、足用护具、肘用护具、膝用护具、手腕用护具、脚腕用护具)、鞋类(运动鞋、长筒靴、凉鞋、浅口鞋、无后跟的拖鞋、拖鞋、芭蕾舞鞋、功夫鞋)、内底、毛巾、帆布背包、帽子(有檐帽、无檐帽、大盖帽、鸭舌帽、高顶宽边呢帽、软帽、遮阳帽、贝雷帽)、安全帽、安全帽下巴帽带、头巾、腰带、座罩、床单、坐垫、靠垫、被褥、被褥罩、毛毯、枕头、枕套、沙发、椅子、办公桌、桌子、片材、座席、马桶座、按摩椅、床、床垫、地毯、笼、面罩、绷带、绳、各种网、浴盆、地板材料、墙壁材料、个人电脑、鼠标等各种物品中来使用。
作为可配置生物体信息获取设备的物品,优选鞋类、内底、床单、坐垫、靠垫、被褥、被褥罩、枕头、枕套、沙发、椅子、片材、座席、马桶座、床、地毯、浴盆、地板材料等承受受试体的体重的物品。
以下,对生物体信息获取设备的动作的一例进行说明。
生物体信息获取设备例如被配置于床上或椅子的座面上等。受试体在该生物体信息获取设备上横卧、就座、或起立。在该状态下,通过从受试体发出的生物体信号(身体运动、周期性的振动(脉搏、呼吸等)等),向生物体信息获取设备的压电基材、压电机织物、或压电针织物赋予张力时,在这些压电基材、压电机织物、或压电针织物中包含的螺旋手性高分子(A)中发生极化,产生与前述张力成比例的电位。该电位伴随着从受试体发出的生物体信号而随时间经过进行变化。例如,从受试体发出的生物体信号为脉搏、呼吸等周期性的振动的情况下,由压电基材、压电机织物、或压电针织物产生的电位也周期性地变化。
通过测定组件以电压信号的形式获取上述伴随着向压电基材、压电机织物、或压电针织物赋予的张力而产生的电位的经时变化。获取的电位的经时变化(压电信号)是多种生物体信号(脉搏信号(心律信号)、呼吸信号、身体运动信号)的合成波。通过傅里叶变换,将该合成波按照各频率进行分离,生成分离信号。对生成的各分离信号进行傅里叶逆变换,由此,分别得到与各分离信号对应的生物体信号。
例如,从受试体发出的生物体信号是心律信号与呼吸信号的合成波时,伴随着向生物体信息获取设备的压电基材、压电机织物、或压电针织物赋予的张力而产生的电位随时间经过周期性地变化。
通常,人的脉搏为每分钟50~90次,作为周期,为0.6~3Hz。另外,通常,人的呼吸为每分钟16~18次,作为周期,为0.1~1Hz。另外,通常,人的身体运动为10Hz以上。
基于这些标准,可将多种生物体信号的合成波分离成各个生物体信号。例如,可将合成波分离成呼吸信号及心律信号。此外,也可由心律信号得到脉搏波速度的信号。
对于多种生物体信号的合成波向各个生物体信号的分离而言,例如,使用生物体信号通知程序,利用上述傅里叶变换及上述傅里叶逆变换来进行。
如上所述地操作,能将多种生物体信号的合成波分离成多种生物体信号中的各种信号。
此外,可以基于按照上述方式分离出的生物体信号中的至少1种,生成生物体信号数据。
生物体信号数据没有特别限制,只要是基于生物体信号算出的数据即可。作为生物体信号数据,可举出例如单位时间的生物体信号数、过去的生物体信号数的平均值等。
实施例
以下,通过实施例进一步具体地说明本公开文本,但本公开文本不限于以下的实施例,只要不超出其主旨即可。
<带状压电体的制作>
(分切条带1的制作)
相对于作为螺旋手性高分子(A)的NatureWorks LLC公司制聚乳酸(品名:IngeoTMbiopolymer,型号:4032D)100质量份,添加稳定剂〔Rhein Chemie Rheinau GmbH制Stabaxol P400(10质量份)、Rhein Chemie Rheinau GmbH制Stabaxol I(70质量份)、及Nisshinbo Chemical Inc.制CARBODILITE LA-1(20质量份)的混合物〕1.0质量份,进行干混,制作原料。
将制作的原料装入挤出成型机料斗中,一边加热至210℃,一边从T模挤出,与50℃的流延辊接触0.3分钟,制成厚度为150μm的预结晶化片材(预结晶化工序)。测定前述预结晶化片材的结晶度,结果为6%。
一边将得到的预结晶化片材加热至70℃,一边以辊对辊(roll-to-roll)方式、以10m/分钟的拉伸速度开始拉伸,沿MD方向单轴拉伸至3.5倍(拉伸工序)。得到的膜的厚度为49.2μm。
然后,以辊对辊方式,使前述单轴拉伸膜在已加热至145℃的辊上接触15秒,进行退火处理,然后进行急速冷却,制作压电膜(退火处理工序)。
然后,进一步地,针对压电膜,使用分切加工机,以进行分切的方向与压电膜的拉伸方向大致平行的方式,以0.6mm的宽度进行分切。由此,作为带状压电体,得到宽度为0.6mm、厚度为49.2μm的分切条带1。需要说明的是,得到的分切条带1的截面形状为矩形。
(分切条带2的制作)
将预结晶化片材沿MD方向单轴拉伸至3.4倍,除此之外,利用与分切条带1同样的方法实施拉伸工序,得到厚度为15μm的膜。然后,利用与分切条带1同样的方法实施退火处理工序,得到压电膜。
然后,进一步地,针对压电膜,使用分切加工机,以进行分切的方向与压电膜的拉伸方向大致平行的方式,以0.2mm的宽度进行分切。由此,作为带状压电体,得到宽度为0.2mm、厚度为15μm的分切条带2。需要说明的是,得到的分切条带2的截面形状为矩形。
<线状压电体的制作>
(复丝纱的制作)
作为螺旋手性高分子(A),准备聚乳酸(熔点为170℃,熔化热为38J/g,L-乳酸/D-乳酸的摩尔比为98.5/1.5(L-乳酸的含量为98.5摩尔%),数均分子量为8.5万)。
将上述聚乳酸供给至挤出机型熔融纺丝机,进行熔融混炼。于225℃的纺丝温度,由喷丝头进行熔融纺丝,然后将纱条冷却,赋予油剂。接下来,先不进行卷绕,而在已加热至150℃的热辊间实施热拉伸后进行卷绕。由此,作为线状压电体,得到总纤度为295dtex(20支:长轴径2.7μm)的复丝纱(单捻复丝)。需要说明的是,所谓单捻复丝纱,是将多条纤维捻合而形成一条纱线从而得到的产物。
(单丝纱的制作)
作为螺旋手性高分子(A),准备聚乳酸(熔点为170℃,熔化热为38J/g,L-乳酸/D-乳酸的摩尔比为98.5/1.5(L-乳酸的含量为98.5摩尔%),数均分子量为8.5万)。
将上述聚乳酸供给至挤出机型熔融纺丝机,进行熔融混炼。由平角截面状的喷丝头熔融挤出,然后将平角纱条冷却,接下来,先不进行卷绕,而加热至70℃并进行热拉伸,进而于145℃进行加热后进行卷绕。由此,作为线状压电体,得到宽度为120μm、厚度为30μm的平角截面状的单丝纱(单捻单丝)。
<带状压电体、线状压电体的物性测定>
对于按照上述方式得到的带状压电体及线状压电体,进行以下的物性测定。将结果示于表1。
<聚乳酸的取向度F>
使用广角X射线衍射装置(Rigaku Corporation制RINT2550,附属装置:旋转试样台,X射线源:CuKα,输出功率:40kV 370mA,检测器:闪烁计数器),将样品(带状压电体、线状压电体)固定于架上,测定晶面峰[(110)面/(200)面]的方位角分布强度。
在得到的方位角分布曲线(X射线干涉图)中,由结晶度及峰的半值宽度(α),利用下式算出聚乳酸的取向度F(C轴取向度)而进行评价。
取向度(F)=(180°-α)/180°
(α为来自取向的峰的半值宽度)
[表1]
〔实施例1〕
<压电基材的制作>
利用如下所示的方法制作与图1所示的压电基材10、即不具有芯材的压电基材10同样的构成的压电基材。
将按照上述方式得到的线状压电体(单捻复丝纱)相对于虚拟的螺旋轴以左旋方式并且以朝向相对于前述螺旋轴而言为45°的方向的方式(螺旋角度45°)无间隙地卷绕(旋转)成螺旋状。前述螺旋轴相当于由线状压电体形成的螺旋结构的中心轴。需要说明的是,对于捻数(加捻数)而言,用立体显微镜目视观察捻数为每10mm中10个捻回左右,使本实施例的每1m的捻数为1000个捻回(1000T/m)。需要说明的是,所谓“左旋”是指:从前述螺旋轴的一端(图1的情况下,为右端侧)观察时,线状压电体从近侧向远侧以左旋(逆时针方向)方式进行卷绕。
如上所述地操作,得到实施例1的压电基材。
需要说明的是,线状压电体相当于图1中的第1压电体14A。螺旋轴相当于图1中的G1。
<评价>
(每单位拉力所产生的表面电位)
将实施例1的压电基材作为样品,使夹头间距离为50mm,将其夹持于拉伸试验机(A&D Co.,Ltd.制TENSILON RTG1250)。
利用拉伸试验机,针对样品,在1.0N~2.0N的应力范围内周期性地以三角波状反复施加张力,用表面电位计(TREK Inc.MODEL541A-2)测定此时的样品的表面背面上产生的表面电位。
需要说明的是,将表面电位计的传感头设置于拉伸试验机的夹头间的中央部,以圆筒形的传感头的圆形端面的法线与作为测定对象的线状的压电基材正交的方式,使其接近至2mm的距离而进行测定。
另外,测定样品及拉伸试验机的夹头部位的周围用铝金属板包围,进行静电屏蔽,将铝金属板与表面电位计的地电极电连接,进行测定。
由将测得的表面电位差ΔV[V]作为Y轴、将样品的拉力F[N]作为X轴时的散布图的相关直线的斜率,算出每单位拉力所产生的表面电位,作为相对于施加力(张力)而言的电压灵敏度(力-电压灵敏度)[V/N]。将结果示于表2。需要说明的是,表2所示的力-电压灵敏度的值为绝对值。
对于力-电压灵敏度而言,由于螺旋手性聚合物的压电性呈现的机理和卷绕方向的关系,在右旋和左旋时,张力增大时的由表面电位计测得的表面电位的变化量的正负的符号彼此相反。因此,本实施例中,力-电压灵敏度为负值。
〔实施例2〕
利用如下所示的方法制作与图3所示的压电基材10B同样的构成的压电基材。
首先,作为芯材,准备帝人公司制间位系芳族聚酰胺纤维CORNEX(40支,线径为0.12mm,长度为200mm,双捻)。
接下来,将按照上述方式得到的线状压电体(单捻复丝纱)在2根芯材的周围以左旋方式并且以朝向相对于芯材的轴向(螺旋轴方向)而言为45°的方向的方式(螺旋角度45°)、以芯材不会露出而被观察到的方式无间隙地卷绕成螺旋状,将芯材包围接合。需要说明的是,所谓“左旋”是指:从芯材的轴向的一端(图3的情况下,为右端侧)观察时,线状压电体从芯材的近侧向远侧以左旋方式卷绕。在卷绕中,使用了在用于装饰服装等的金银线的制造装置中使用的包覆装置。
如上所述地操作,制作实施例2的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
需要说明的是,芯材相当于图3中的芯材12A。线状压电体相当于图3中的第1压电体14A。螺旋轴相当于图3中的G3。
〔实施例3〕
在与实施例2同样的构成的压电基材中,将线状压电体变更为如下所示的构成的材料,制作压电基材。
在作为芯材的帝人公司制间位系芳族聚酰胺纤维CORNEX(40支,线径为0.12mm,长度为200mm,双捻)的周围,将按照上述方式得到的宽度为0.6mm、厚度为49.2μm的带状压电体(分切条带1)在芯材的周围以左旋方式并且以朝向相对于芯材的轴向(螺旋轴方向)而言为45°的方向的方式(螺旋角度45°)、以芯材不会露出而被观察到的方式无间隙地卷绕成螺旋状,将芯材包围接合。
如上所述地操作,制作实施例3的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
〔实施例4〕
向实施例1中得到的压电基材的线状压电体上滴加东亚合成公司制的ARON ALPHA201(氰基丙烯酸酯系粘接剂),使其含浸,使前述ARON ALPHA 201固化,除此之外,利用与实施例1同样的方法制作压电基材。
如上所述地操作,制作实施例4的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
〔实施例5〕
向实施例2中得到的压电基材的线状压电体上滴加东亚合成公司制的ARON ALPHA201(氰基丙烯酸酯系粘接剂),使其含浸,使前述ARON ALPHA 201固化,除此之外,利用与实施例2同样的方法制作压电基材。
如上所述地操作,制作实施例5的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
〔实施例6〕
向实施例3中得到的压电基材的带状压电体上滴加东亚合成公司制的ARON ALPHA201(氰基丙烯酸酯系粘接剂),使其含浸,使前述ARON ALPHA 201固化,除此之外,利用与实施例3同样的方法制作压电基材。
如上所述地操作,制作实施例6的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
〔实施例7〕
将按照上述方式得到的宽度为0.6mm、厚度为49.2μm的带状压电体(分切条带1)在不具有芯材的状态下以右旋方式进行每1m为1540个捻回(1540T/m)的捻线加工,形成中心为中空的管状的状态。为了使得到的管一体化,滴加东亚合成公司制的ARON ALPHA201(氰基丙烯酸酯系粘接剂),使其含浸,从而进行一体化。如上所述地操作,制作实施例7的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
在以下的实施例8~实施例11中,按照表2所示的芯材及压电体的材料、以及压电体的旋转(卷绕)方向,利用以实施例2为准的方法制作压电基材。
〔实施例8〕
首先,作为芯材,准备捆束5根东丽公司制热熔接尼龙纤维ELDER(330T-102-EL94)而得到的制品。
接下来,将按照上述方式得到的宽度为0.6mm、厚度为49.2μm的带状压电体(分切条带1)以朝向相对于芯材的轴向(螺旋轴方向)而言为45°的方向的方式(螺旋角度45°)并且以芯材不会露出而被观察到的方式、无间隙地以右旋方式卷绕成螺旋状,将芯材包围接合。
进而,为了使上述热熔接尼龙纤维(以下,也称为“热熔接纤维”)熔融从而将压电体粘接一体化,投入至已设定为120℃的烘箱中,加热15分钟,进行熔融一体化。
如上所述地操作,制作实施例8的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
〔实施例9〕
首先,作为芯材,准备捆束3根东丽公司制聚酯纱线(复丝纱40旦尼尔)而得到的制品。
接下来,将按照上述方式得到的宽度为120μm、厚度为30μm的线状压电体(单丝纱)以朝向相对于芯材的轴向(螺旋轴方向)而言为45°的方向的方式(螺旋角度45°)并且以芯材不会露出而被观察到的方式、无间隙地以左旋方式卷绕成螺旋状,将芯材包围接合。
如上所述地操作,制作实施例9的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
〔实施例10〕
首先,作为芯材,准备捆束3根东丽公司制聚酯纱线(复丝纱40旦尼尔)而得到的制品。将按照上述方式得到的宽度为0.2mm、厚度为15μm的带状压电体(分切条带2)在芯材的周围以左旋方式并且以朝向相对于芯材的轴向(螺旋轴方向)而言为45°的方向的方式(螺旋角度45°)、以芯材不会露出而被观察到的方式无间隙地以左旋方式卷绕成螺旋状,将芯材包围接合。
如上所述地操作,制作实施例10的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
〔实施例11〕
首先,作为芯材,准备捆束3根东丽公司制聚酯纱线(复丝纱40旦尼尔)而得到的制品。接下来,将1根东丽公司制热熔接尼龙纤维ELDER(330T-102-EL94,297旦尼尔)以螺旋状卷绕于芯材,进行包围接合。将按照上述方式得到的宽度为0.2mm、厚度为15μm的带状压电体(分切条带2),在上述卷绕了热熔接纤维的芯材的周围以左旋方式并且以朝向相对于芯材的轴向(螺旋轴方向)而言为45°的方向的方式(螺旋角度45°)、以芯材不会露出而被观察到的方式无间隙地以左旋方式卷绕成螺旋状,将芯材包围接合。进而,为了使上述热熔接纤维熔融从而将压电体与芯材粘接一体化,投入至已设定为120℃的烘箱中,加热15分钟。
如上所述地操作,制作实施例11的压电基材,进行与实施例1同样的评价。但在评价中,按照表2变更夹头间距离。将结果示于表2。
(粘接剂的固化物的拉伸弹性模量)
使用实施例4的压电基材的制作中所用的粘接剂(氰基丙烯酸酯系粘接剂),按照ASTM D-882,测定粘接剂的固化物的拉伸弹性模量。测定结果为330MPa。需要说明的是,测定方法如下所述。
用水溶性的聚乙烯醇(PVA)制的片材制造深度为0.5mm、短边为30mm、长边为80mm的桶,向其中流入粘接剂,使其固化。固化后,将水溶性PVC制的片材溶解于水中而将其去除,由此,得到粘接剂的固化物的长条形试验片。使夹头间距离为50mm,将前述长条形试验片夹持于拉伸试验机(A&D Co.,Ltd.制TENSILON RTG1250)。利用拉伸试验机,针对样品,在1.0N~2.0N的应力范围内周期性地以三角波状反复施加张力,测定粘接剂的固化物的长条形试验片的应变。由其结果算出拉伸弹性模量。
实施例1、4、7的压电基材具备相对于虚拟的螺旋轴沿一个方向卷绕成螺旋状的压电体,而不具备芯材。另外,实施例2、3、5、6、8~11的压电基材具备芯材、和相对于该芯材沿一个方向卷绕成螺旋状的压电体。
如表2所示那样,可知所有的实施例1~11的压电基材均通过施加张力而产生表面电位,“力-电压灵敏度”良好,即,呈现了压电性。
认为这是因为,实施例1~11的压电基材中,相对于螺旋轴而言的压电体的配置方向(压电体的长度方向)、与螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,因此,通过向压电基材施加张力,有效地在压电体中包含的螺旋手性高分子(A)中发生极化。
尤其是,可知压电体含浸了粘接剂的实施例4~6、与未含浸所述粘接剂的实施例1~3相比,得到更大的“力-电压灵敏度”。认为这是因为,实施例4~6的压电基材中,相邻的压电体彼此被粘接剂粘接,因此,将会容易向压电体传递张力,更有效地在螺旋手性高分子(A)中发生极化。
另外可知,压电体与芯材通过热熔接纤维而被粘接一体化的实施例11与未被粘接一体化的实施例10相比,得到更大的“力-电压灵敏度”。认为这是因为,对于施加至压电基材的张力而言,通过经由粘接剂,从而抑制了压电体与芯材间的错动,被传递至压电体的剪切应力增大。
需要说明的是,对于具备导电性芯材作为芯材的压电基材而言,存在以下倾向:通过施加反复折弯等负荷,导电性芯材的金属的导体部分容易发生疲劳破坏,但对于实施例1~6的压电基材而言,由于不具有芯材(实施例1、4、7)、或者具备非导电性芯材作为芯材(实施例2、3、5、6、8~11),因而与上述具备导电性芯材的压电基材相比,疲劳破坏得以减少,表明相对于反复折弯等负荷、变形的耐性提高。
通过参照将于2016年6月6日提出申请的日本申请2016-113011的全部公开内容并入本说明书中。
本说明书中记载的所有文献、专利申请及技术标准通过参照被并入本说明书中,各文献、专利申请及技术标准通过参照被并入的程度与具体且分别地记载的情况的程度相同。
Claims (21)
1.压电基材,其具备沿一个方向卷绕成螺旋状的长条状的第1压电体,而不具备芯材,其中,
所述第1压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
所述第1压电体的长度方向与所述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由下述式(a)求出的所述第1压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围,
取向度F=(180°-α)/180°··(a)
其中,α表示来自取向的峰的半值宽度。
2.压电基材,其具备长条状的芯材、和相对于所述芯材沿一个方向卷绕成螺旋状的长条状的第1压电体,其中,
所述芯材为非导电性的芯材,
所述第1压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
所述第1压电体的长度方向与所述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由下述式(a)求出的所述第1压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围,
取向度F=(180°-α)/180°··(a)
其中,α表示来自取向的峰的半值宽度。
3.如权利要求1或2所述的压电基材,其中,
所述第1压电体具有由单条或多条束形成的纤维形状,
所述第1压电体的截面的长轴径为0.0001mm~10mm。
4.如权利要求1或2所述的压电基材,其中,
所述第1压电体具有长条平板形状,
所述第1压电体的厚度为0.001mm~0.2mm,
所述第1压电体的宽度为0.1mm~30mm,
所述第1压电体的宽度与所述第1压电体的厚度之比为1.5以上。
5.如权利要求1~4中任一项所述的压电基材,其还具备沿与所述一个方向不同的方向卷绕的纤维,其中,
形成所述第1压电体与所述纤维交替交叉而成的编绳结构。
6.如权利要求1~4中任一项所述的压电基材,其还具备沿与所述一个方向不同的方向卷绕的长条状的第2压电体,其中,
所述第2压电体包含具有光学活性的螺旋手性高分子(A),
所述第2压电体的长度方向与所述第2压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的主取向方向大致平行,
利用X射线衍射测定而由所述式(a)求出的所述第2压电体的取向度F为0.5以上且小于1.0的范围,
形成所述第1压电体与所述第2压电体交替交叉而成的编绳结构,
所述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与所述第2压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的手性彼此不同。
7.如权利要求1~6中任一项所述的压电基材,其中,所述第1压电体的螺旋角度为10°~80°。
8.如权利要求2所述的压电基材,其中,所述芯材与所述第1压电体彼此捻合。
9.如权利要求8所述的压电基材,其中,
所述第1压电体具有由单条或多条束形成的纤维形状,
所述第1压电体的截面的长轴径为0.0001mm~2mm。
10.如权利要求1~9中任一项所述的压电基材,其中,
所述第1压电体包含粘接剂组合物,
按照ASTM D-882测得的所述粘接剂组合物的固化物的拉伸弹性模量为0.1MPa~10GPa。
11.如权利要求1~10中任一项所述的压电基材,其中,所述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)为具有包含下述式(1)表示的重复单元的主链的聚乳酸系高分子,
[化学式1]
12.如权利要求1~11中任一项所述的压电基材,其中,所述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的光学纯度为95.00%ee以上。
13.如权利要求1~12中任一项所述的压电基材,其中,所述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)由D体或L体组成。
14.如权利要求1~13中任一项所述的压电基材,其中,相对于所述第1压电体的总量,所述第1压电体中包含的螺旋手性高分子(A)的含量为80质量%以上。
15.压电机织物,其具备由经纱及纬纱形成的机织物结构体,其中,
所述经纱及所述纬纱中的至少一方包含权利要求1~14中任一项所述的压电基材。
16.压电机织物,其具备由经纱及纬纱形成的机织物结构体,其中,
所述经纱及所述纬纱这两方包含权利要求1~14中任一项所述的压电基材,
所述经纱中包含的第1压电体的卷绕方向、与所述纬纱中包含的第1压电体的卷绕方向彼此不同,
所述经纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与所述纬纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性相同。
17.压电机织物,其具备由经纱及纬纱形成的机织物结构体,其中,
所述经纱及所述纬纱这两方包含权利要求1~14中任一项所述的压电基材,
所述经纱中包含的第1压电体的卷绕方向、与所述纬纱中包含的第1压电体的卷绕方向相同,
所述经纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性、与所述纬纱中包含的螺旋手性高分子(A)的手性彼此不同。
18.压电针织物,其具备包含权利要求1~14中任一项所述的压电基材的针织物结构体。
19.压电设备,其具备权利要求15~17中任一项所述的压电机织物或权利要求18所述的压电针织物。
20.力传感器,其具备权利要求1~14中任一项所述的压电基材。
21.促动器,其具备权利要求1~14中任一项所述的压电基材。
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