JP2016213267A - Antibacterial cloth-like transducer and device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外力による形状変化により電気信号を出力および/または電気信号の入力により形状変化するトランスデューサーに関する。さらに詳しくは、柔軟かつ三次元的に形状変化できることを特徴とする布帛状のトランスデューサーに関する。 The present invention relates to a transducer that outputs an electric signal and / or changes its shape by inputting an electric signal by changing its shape due to an external force. More specifically, the present invention relates to a fabric-like transducer characterized by being able to change shape flexibly and three-dimensionally.
近年、いわゆるウェアラブルセンサーが注目を浴びており、眼鏡型や腕時計といった形状の商品が世に出始めた。しかし、これらのデバイスは、装着しているという感覚があり、究極のウェアラブルである、布状、つまり衣類のような形状のものが望まれている。そのようなセンサーとしては、布に圧電素子を装着し、そこから信号を取り出すものが開示されている(特許文献1、2)。しかしこれらは織編物の表面上に別の構造体を必要とすることから、自由曲面への適応が困難で触感が悪く、取り扱い性、施工性、加工性にて不具合を生じるなど実用性に欠ける。また、圧電性材料と導電性材料をフィルム状にしたもので布状の構造体を形成するもの(特許文献3)もあるが、これも自由曲面への適応が困難で触感が悪く、取り扱い性、施工性、加工性にて不具合を生じるなど実用性に欠ける。 In recent years, so-called wearable sensors have attracted attention, and products such as glasses and watches have begun to appear in the world. However, these devices have a feeling that they are worn, and a cloth-like shape, that is, a clothing-like shape that is the ultimate wearable is desired. As such a sensor, a sensor in which a piezoelectric element is attached to a cloth and a signal is extracted therefrom is disclosed (Patent Documents 1 and 2). However, since these require a separate structure on the surface of the woven or knitted fabric, it is difficult to adapt to a free-form surface, the touch is poor, and there is a lack of practicality such as problems in handling, workability, and workability. . In addition, there is a film-like structure made of a piezoelectric material and a conductive material (Patent Document 3), but this is also difficult to adapt to a free-form surface, has poor tactile feel, and is easy to handle. , Lack of practicality, such as causing problems in workability and workability.
さらに、繊維のみからなる布帛状センサーとして導電繊維間の抵抗を検出するもの(特許文献4)も提案されているが、布帛上の圧力を検出するものであり直接的に形状変化を検出するものではなかった。 Furthermore, although a sensor (Patent Document 4) that detects resistance between conductive fibers has been proposed as a cloth-like sensor composed of only fibers, it detects pressure on the cloth and directly detects a change in shape. It wasn't.
さらに特許文献5には、2本の導電性繊維および1本の圧電性繊維を含み、これらが互いに接点を有しつつ、略同一平面上に配置されている圧電単位を含む圧電素子が開示されている。ただし、例えば実際にウェアラブルセンサーとしてスポーツ衣類などに用いる場合は、優れた抗菌性を有する布帛状圧電素子が求められていた。 Further, Patent Document 5 discloses a piezoelectric element that includes two conductive fibers and one piezoelectric fiber, which include piezoelectric units arranged on substantially the same plane while having contact with each other. ing. However, for example, when it is actually used as a wearable sensor in sports clothing, a fabric-like piezoelectric element having excellent antibacterial properties has been demanded.
本発明の目的は、繊維材料を用いて、かつ従前の織編物構造を作製することで柔軟性に富み、かつ抗菌性に優れた布帛状のトランスデューサーを提供することにある。さらには、そのトランスデューサーからの信号を用いたデバイスおよび/または電気信号を入力することにより機能するデバイスを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fabric-like transducer which is rich in flexibility and excellent in antibacterial properties by using a fiber material and producing a conventional woven or knitted structure. Furthermore, it is to provide a device that uses a signal from the transducer and / or a device that functions by inputting an electric signal.
本発明者らは、導電性繊維と圧電性繊維の組み合わせ配置により、抗菌性を有する圧電素子として機能することを見出し、本発明を完成した。 The present inventors have found that they function as a piezoelectric element having antibacterial properties by combining and arranging conductive fibers and piezoelectric fibers, and completed the present invention.
すなわち、本発明は以下の発明を包含する。
1.導電性繊維および圧電性繊維が電気的接続を提供するように略同一平面上に配置されている圧電単位を含む、電気信号を出力または入力とするトランスデューサーであって、該圧電単位中の該導電性繊維が他の圧電単位中の導電性繊維および/または圧電性繊維に対して電気的接続しないように配置されており、かつ、静菌活性値が2.2以上であることを特徴とする、抗菌性トランスデューサー。
2.前記トランスデューサーを構成する全繊維のうち前記圧電単位として使用される導電性繊維に接していない繊維の全本数の50%以上が圧電性繊維からなる、上記1記載の抗菌性トランスデューサー。
3.前記圧電単位における前記導電性繊維および前記圧電性繊維が互いに物理的に接する接点を有している、上記1または2記載のトランスデューサー。
4.前記圧電性繊維が主としてポリ乳酸を含む、上記1または2記載のトランスデューサー。
5.前記圧電性繊維が主として光学純度99%以上のポリ−L−乳酸またはポリ−D−乳酸を含む、上記1または2記載のトランスデューサー。
6.前記圧電性繊維が一軸配向し且つ結晶を含む、上記1または2記載のトランスデューサー。
7.前記導電性繊維が金属メッキ繊維である、上記1または2記載のトランスデューサー。
8.複数の前記圧電単位を含有する織編物である、上記1または2記載のトランスデューサー。
9.複数の前記圧電単位を含有する織物であって、その織組織が平織、綾織、サテン織およびそれらの複合組織である、上記8記載のトランスデューサー。
10.複数の前記織物を組み合わせて用いる、上記9記載のトランスデューサー。
11.上記1〜10のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、印加された圧力に応じて前記トランスデューサーから出力される電気信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段で増幅された電気信号を出力する出力手段と、を備えるデバイス。
12.前記出力手段から出力された電気信号を外部機器へ送信する送信手段をさらに備える、上記11に記載のデバイス。
13.上記1〜10のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、印加された圧力に応じて前記トランスデューサーから電気信号を出力する出力手段と、前記出力手段から出力された電気信号を外部機器へ送信する送信手段と、を備えるデバイス。
14.電気信号を受信する受信手段と、前記受信手段により受信した電気信号が印加される、上記1〜10のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、を備えるデバイス。
That is, the present invention includes the following inventions.
1. A transducer for outputting or inputting an electrical signal, comprising a piezoelectric unit in which conductive fibers and piezoelectric fibers are arranged in substantially the same plane so as to provide an electrical connection, the transducer in the piezoelectric unit The conductive fiber is disposed so as not to be electrically connected to the conductive fiber and / or the piezoelectric fiber in another piezoelectric unit, and the bacteriostatic activity value is 2.2 or more. An antibacterial transducer.
2. 2. The antibacterial transducer as described in 1 above, wherein 50% or more of the total number of fibers not in contact with the conductive fibers used as the piezoelectric unit among the total fibers constituting the transducer is composed of piezoelectric fibers.
3. 3. The transducer according to 1 or 2 above, wherein the conductive fiber and the piezoelectric fiber in the piezoelectric unit have a contact point that physically contacts each other.
4). 3. The transducer according to 1 or 2 above, wherein the piezoelectric fiber mainly contains polylactic acid.
5. 3. The transducer according to 1 or 2 above, wherein the piezoelectric fiber mainly contains poly-L-lactic acid or poly-D-lactic acid having an optical purity of 99% or more.
6). 3. The transducer according to 1 or 2 above, wherein the piezoelectric fiber is uniaxially oriented and contains a crystal.
7). 3. The transducer according to 1 or 2 above, wherein the conductive fiber is a metal-plated fiber.
8). 3. The transducer according to 1 or 2 above, which is a woven or knitted fabric containing a plurality of the piezoelectric units.
9. 9. The transducer according to 8, wherein the woven fabric contains a plurality of the piezoelectric units, and the woven structure is a plain weave, a twill weave, a satin weave, or a composite structure thereof.
10. The transducer according to 9 above, wherein a plurality of the fabrics are used in combination.
11. The transducer according to any one of 1 to 10 above, an amplification unit that amplifies an electrical signal output from the transducer in accordance with an applied pressure, and an electrical signal that is amplified by the amplification unit And an output means.
12 12. The device according to 11 above, further comprising a transmission unit that transmits the electrical signal output from the output unit to an external device.
13. 11. The transducer according to any one of 1 to 10, an output unit that outputs an electrical signal from the transducer in accordance with an applied pressure, and an electrical signal output from the output unit to an external device And a transmission means.
14 A device comprising: receiving means for receiving an electric signal; and the transducer according to any one of the above 1 to 10, to which the electric signal received by the receiving means is applied.
本発明によれば繊維材料を用いて、かつ従前の織編物構造を作製することで柔軟性に富む布帛状のトランスデューサーを得ることができる。本発明のトランスデューサーは、フレキシブルであるため、ハンカチのような折り畳み可能な布帛状、さらには着衣状など布帛で実現できるあらゆる形状の電気信号を入出力とするトランスデューサーを実現することができる。 According to the present invention, a fabric-like transducer having high flexibility can be obtained by using a fiber material and producing a conventional woven or knitted structure. Since the transducer according to the present invention is flexible, it is possible to realize a transducer that can input and output electric signals of any shape that can be realized by a foldable cloth shape such as a handkerchief, or a cloth shape.
本発明の目的は、導電性繊維および圧電性繊維が電気的接続を提供するように略同一平面上に配置されている圧電単位を含む、電気信号を出力または入力とするトランスデューサーであって、該圧電単位中の該導電性繊維が他の圧電単位中の導電性繊維および/または圧電性繊維に対して電気的接続しないように配置されており、かつ、静菌活性値が2.2以上であることを特徴とする、抗菌性トランスデューサーによって達成される。以下に各構成について説明する。
(導電性繊維)
導電性繊維としては、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、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。
An object of the present invention is a transducer for outputting or inputting an electrical signal, comprising a piezoelectric unit in which conductive fibers and piezoelectric fibers are arranged in substantially the same plane to provide an electrical connection, The conductive fiber in the piezoelectric unit is disposed so as not to be electrically connected to the conductive fiber and / or the piezoelectric fiber in another piezoelectric unit, and the bacteriostatic activity value is 2.2 or more. It is achieved by an antibacterial transducer, characterized in that Each configuration will be described below.
(Conductive fiber)
Any known conductive fibers may be used as long as they exhibit electrical conductivity. For example, metal fibers, conductive polymer fibers, carbon fibers, fibrous or granular conductive fillers are dispersed. Examples thereof include fibers made of a polymer made to be polymerized, or fibers in which a conductive layer is provided on the surface of a fibrous material. Examples of the method for providing a conductive layer on the surface of the fibrous material include a metal coat, a conductive polymer coat, and winding of conductive fibers. Among these, a metal coat is preferable from the viewpoint of conductivity, durability, flexibility and the like. Specific methods for coating the metal include vapor deposition, sputtering, electrolytic plating, and electroless plating, but plating is preferable from the viewpoint of productivity.
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。
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。
As a base fiber coated with a metal, a known fiber can be used regardless of conductivity, for example, polyester fiber, nylon fiber, acrylic fiber, polyethylene fiber, polypropylene fiber, vinyl chloride fiber, aramid fiber, In addition to polysulfone fiber, polyether fiber, polyurethane fiber, and the like, natural fibers such as cotton, hemp, and silk, semi-synthetic fibers such as acetate, and regenerated fibers such as rayon and cupra can be used. The base fibers are not limited to these, and known fibers can be arbitrarily used, and these fibers may be used in combination.
Any metal may be used as long as the metal coated on the base fiber exhibits conductivity and exhibits the effects of the present invention.
例えば、金、銀、白金、銅、ニッケル、スズ、亜鉛、パラジウ、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。中でも抗菌性の観点より銀が好ましい。 For example, gold, silver, platinum, copper, nickel, tin, zinc, palladium, indium tin oxide, copper sulfide, and a mixture or alloy thereof can be used. Among these, silver is preferable from the viewpoint of antibacterial properties.
導電性繊維は、フィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントを用いても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントを用いてもよい。マルチフィラメントとして用いる方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントとして用いる場合、その糸径は1μm〜5000μmであり、好ましくは50μm〜1000μmである。マルチフィラメントとして用いる場合は、その単糸径は0.1μm〜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。直径が小さいと強度が低下しハンドリングが困難となり、また、直径が大きい場合にはフレキシブル性が犠牲になる。導電性繊維の断面形状としては円または楕円であることが、圧電素子の設計および製造の観点で好ましいが、これに限定されない。 As the conductive fiber, a multifilament in which a plurality of filaments are bundled or a monofilament composed of a single filament may be used. The use as a multifilament is preferable from the viewpoint of long stability of electrical characteristics. When used as a monofilament, the yarn diameter is 1 μm to 5000 μm, preferably 50 μm to 1000 μm. When used as a multifilament, the single yarn diameter is 0.1 μm to 5000 μm, preferably 2 μm to 100 μm. More preferably, it is 3 micrometers-50 micrometers. The number of filaments of the multifilament is preferably 1 to 100,000, more preferably 5 to 500, and still more preferably 10 to 100. If the diameter is small, the strength is lowered and handling becomes difficult, and if the diameter is large, flexibility is sacrificed. The cross-sectional shape of the conductive fiber is preferably a circle or an ellipse from the viewpoint of the design and manufacture of the piezoelectric element, but is not limited thereto.
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、信号検出に強度が得られるのであれば導電性繊維の抵抗率はこの限りではない。
(圧電性繊維)
圧電性繊維は圧電性を有する繊維である。圧電性繊維は圧電性高分子からなることが好ましい。圧電性高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸など圧電性を示す高分子であれば利用できるが、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ポリ乳酸は溶融紡糸後に延伸によって容易に配向して圧電性を示し、ポリフッ化ビニリデンなどで必要となる電界配向処理が不要な点で生産性に優れている。さらに、ポリ乳酸からなる圧電性繊維はその軸方向への引張や圧縮応力では、分極が小さく、圧電素子として機能させることが困難であるが、せん断応力によっては比較的大きな電気出力が得られ、せん断応力を圧電性高分子に付与しやすい構成体を有する本発明の圧電素子においては好ましい。
Moreover, in order to efficiently extract the electrical output from the piezoelectric polymer, the electrical resistance is preferably low, and the volume resistivity is preferably 10 −1 Ω · cm or less, more preferably 10 −2 Ω · cm. cm or less, more preferably 10 −3 Ω · cm or less. However, the resistivity of the conductive fiber is not limited as long as strength is obtained for signal detection.
(Piezoelectric fiber)
The piezoelectric fiber is a fiber having piezoelectricity. The piezoelectric fiber is preferably made of a piezoelectric polymer. As the piezoelectric polymer, any polymer exhibiting piezoelectricity such as polyvinylidene fluoride and polylactic acid can be used, but it is preferable that polylactic acid is mainly contained. Polylactic acid is easily oriented by stretching after melt spinning and exhibits piezoelectricity, and is excellent in productivity in that it does not require an electric field alignment treatment required for polyvinylidene fluoride and the like. Furthermore, the piezoelectric fiber made of polylactic acid has a small polarization due to its tensile or compressive stress in the axial direction, and it is difficult to function as a piezoelectric element, but a relatively large electrical output can be obtained depending on the shear stress, This is preferable in the piezoelectric element of the present invention having a structure that can easily apply a shear stress to the piezoelectric polymer.
圧電性高分子は、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。「主として」とは、好ましくは90モル%以上、より好ましくは95モル%以上、さらに好ましくは98モル%以上のことを言う。 The piezoelectric polymer preferably contains mainly polylactic acid. “Mainly” means preferably 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more, and still more preferably 98 mol% or more.
ポリ乳酸としては、その結晶構造によって、L−乳酸、L−ラクチドを重合してなるポリ−L−乳酸、D−乳酸、D−ラクチドを重合してなるポリ−D−乳酸、さらに、それらのハイブリッド構造からなるステレオコンプレックスポリ乳酸などがあるが、圧電性を示すものであればいずれも利用できる。圧電率の高さの観点で好ましくは、ポリ−L−乳酸、ポリ−D−乳酸である。ポリ−L−乳酸、ポリ−D−乳酸はそれぞれ、同じ応力に対して分極が逆になるために、目的に応じてこれらを組み合わせて使用することも可能である。ポリ乳酸の光学純度は99%以上であることが好ましく、より好ましくは99.3%以上、さらに好ましくは99.5%以上である。光学純度が99%未満であると著しく圧電率が低下する場合があり、圧電性繊維の形状変化によって十分な電気出力を得ることが難しくなる場合がある。圧電性高分子が、主としてポリ−L−乳酸またはポリ−D−乳酸を含み、これらの光学純度は99%以上であることが好ましい。 As polylactic acid, depending on its crystal structure, poly-L-lactic acid obtained by polymerizing L-lactic acid and L-lactide, D-lactic acid, poly-D-lactic acid obtained by polymerizing D-lactide, and those There are stereocomplex polylactic acid having a hybrid structure, and any of them can be used as long as it exhibits piezoelectricity. From the viewpoint of high piezoelectricity, poly-L-lactic acid and poly-D-lactic acid are preferable. Since poly-L-lactic acid and poly-D-lactic acid are reversed in polarization with respect to the same stress, they can be used in combination according to the purpose. The optical purity of polylactic acid is preferably 99% or more, more preferably 99.3% or more, and further preferably 99.5% or more. When the optical purity is less than 99%, the piezoelectricity may be remarkably lowered, and it may be difficult to obtain a sufficient electric output due to the shape change of the piezoelectric fiber. The piezoelectric polymer mainly contains poly-L-lactic acid or poly-D-lactic acid, and the optical purity thereof is preferably 99% or more.
圧電性繊維は繊維の繊維軸方向に一軸配向しかつ結晶を含むものであることが好ましく、より好ましくは結晶を有する一軸配向ポリ乳酸である。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶状態および一軸配向において大きな圧電性を示すためである。 The piezoelectric fiber is preferably uniaxially oriented in the fiber axis direction of the fiber and contains crystals, more preferably uniaxially oriented polylactic acid having crystals. This is because polylactic acid exhibits large piezoelectricity in its crystalline state and uniaxial orientation.
ポリ乳酸は加水分解が比較的早いポリエステルであるから、耐湿熱性が問題となる場合においては、公知の、イソシアネート化合物、オキサゾリン化合物、エポキシ化合物、カルボジイミド化合物などの加水分解防止剤を添加してもよい。また、必要に応じてリン酸系化合物などの酸化防止剤、可塑剤、光劣化防止剤などを添加して物性改良してもよい。 Since polylactic acid is a polyester that hydrolyzes relatively quickly, a known hydrolysis inhibitor such as an isocyanate compound, an oxazoline compound, an epoxy compound, or a carbodiimide compound may be added when heat and moisture resistance is a problem. . Further, if necessary, the physical properties may be improved by adding an antioxidant such as a phosphoric acid compound, a plasticizer, a photodegradation inhibitor, and the like.
また、ポリ乳酸は他のポリマーとのアロイとして用いてもよいが、ポリ乳酸を主たる圧電性高分子として用いるならば、アロイの全重量を基準として少なくとも50重量%以上でポリ乳酸を含有していることが好ましく、さらに好ましくは70重量%以上、最も好ましくは90重量%以上である。 Polylactic acid may be used as an alloy with other polymers, but if polylactic acid is used as the main piezoelectric polymer, it contains at least 50% by weight or more based on the total weight of the alloy. It is preferably 70% by weight or more, and most preferably 90% by weight or more.
アロイとする場合のポリ乳酸以外のポリマーとしては、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート共重合体、ポリメタクリレート等が好適な例として挙げられるが、これらに限定されるものではなく、本発明で目的とする圧電性を奏する限り、どのようなポリマーを用いてもよい。 Examples of the polymer other than polylactic acid in the case of alloy include polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate copolymer, polymethacrylate, and the like, but the invention is not limited thereto. Any polymer may be used as long as the desired piezoelectricity is exhibited.
圧電性繊維は、フィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントを用いても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントを用いてもよい。マルチフィラメントとして用いる方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントとして用いる場合、その糸径は1μm〜5000μmであり、好ましくは50μm〜1000μmである。マルチフィラメントとして用いる場合は、その単糸径は0.1μm〜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。 As the piezoelectric fiber, a multifilament in which a plurality of filaments are bundled or a monofilament composed of a single filament may be used. The use as a multifilament is preferable from the viewpoint of long stability of electrical characteristics. When used as a monofilament, the yarn diameter is 1 μm to 5000 μm, preferably 50 μm to 1000 μm. When used as a multifilament, the single yarn diameter is 0.1 μm to 5000 μm, preferably 2 μm to 100 μm. More preferably, it is 3 micrometers-50 micrometers. The number of filaments of the multifilament is preferably 1 to 100,000, more preferably 5 to 500, and still more preferably 10 to 100.
このような圧電性高分子を圧電性繊維とするためには、高分子を繊維化するための公知の手法を、本発明の効果を奏する限りいずれも採用することができ、圧電性高分子を押し出し成型して繊維化する手法、圧電性高分子を溶融紡糸して繊維化する手法、圧電性高分子を乾式あるいは湿式紡糸により繊維化する手法、圧電性高分子を静電紡糸により繊維化する手法等を採用することができる。これらの紡糸条件は、採用する圧電性高分子に応じて公知の手法を適用すればよく、通常は工業的に生産の容易な溶融紡糸法を採用すればよい。 In order to make such a piezoelectric polymer into a piezoelectric fiber, any known technique for fiberizing the polymer can be employed as long as the effect of the present invention is achieved. Extruding and fiberizing technique, Piezoelectric polymer melt spinning and fiberizing technique, Piezoelectric polymer fiberizing process by dry or wet spinning, Piezoelectric polymer fiberizing by electrostatic spinning Techniques etc. can be adopted. As these spinning conditions, a known method may be applied according to the piezoelectric polymer to be employed, and a melt spinning method that is industrially easy to produce is usually employed.
なお、上述の通りに、圧電性高分子がポリ乳酸である場合には、一軸延伸配向し、かつ結晶を含むとより大きな圧電性を示すことから、繊維は延伸することが好ましい。
(略同一平面上)
本発明の圧電素子において、導電性繊維と圧電性繊維は、略同一平面上に配置される。ここで略同一平面上とは、繊維の繊維軸が略平面上に配置されることを意味し、「略」とは、繊維同士の交差点で厚みが生じることが含まれることを意味するものである。
As described above, when the piezoelectric polymer is polylactic acid, the fiber is preferably stretched because it is uniaxially stretched and exhibits greater piezoelectricity when it contains crystals.
(Almost on the same plane)
In the piezoelectric element of the present invention, the conductive fiber and the piezoelectric fiber are arranged on substantially the same plane. Here, “substantially on the same plane” means that the fiber axes of the fibers are arranged on a substantially plane, and “substantially” means that a thickness is generated at the intersection of the fibers. is there.
例えば、2本の平行な導電性繊維の間に、1本の圧電性繊維が更に平行に引き揃えられた形態は、略同一平面上にある形態である。また、当該1本の圧電性繊維の繊維軸を、当該2本の平行な導電性繊維とは平行でない状態に傾けていても、略同一平面上にある。さらに、1本の導電性繊維と1本の圧電性繊維とを平行に引き揃え、もう1本の導電性繊維を、この引き揃えられた導電性繊維と圧電性繊維とに、交差させたとしても略同一平面上にある。 For example, a form in which one piezoelectric fiber is further arranged in parallel between two parallel conductive fibers is a form on substantially the same plane. Further, even if the fiber axis of the one piezoelectric fiber is tilted in a state that is not parallel to the two parallel conductive fibers, they are substantially on the same plane. Furthermore, it is assumed that one conductive fiber and one piezoelectric fiber are aligned in parallel, and the other conductive fiber is crossed with the aligned conductive fiber and piezoelectric fiber. Are also on the same plane.
略平面上に配置されることで、当該圧電単位を組み合わせて、布帛状の圧電素子を形成しやすく、布帛状の形態の圧電素子を利用すれば、トランスデューサーの形状設計に自由度を増すことができる。布帛の種類としては、織物、編物、不織布などが例示される。 By being arranged on a substantially flat surface, it is easy to form a cloth-like piezoelectric element by combining the piezoelectric units, and using a cloth-like piezoelectric element increases the degree of freedom in designing the shape of the transducer. Can do. Examples of the type of fabric include woven fabric, knitted fabric, and non-woven fabric.
これらの圧電性繊維と導電性繊維の関係は、検出すべき形状変化により適宜選択される。
(配置順序)
圧電単位における繊維の配置は、導電性繊維および圧電性繊維が電気的接続を提供するように配置されている限り特に限定されるものではない。例えば、圧電単位が2本の導電性繊維と1本の圧電性繊維からなる場合には、導電性繊維、圧電性繊維、導電性繊維が、この順に配置されていることが好ましい。このように配置することで、圧電単位の2本の導電性繊維同士が接触することがなくなり、導電性繊維に他の手段、例えば絶縁性物質を被覆するなどの技術を適用しなくても圧電単位として有効に機能させることができる。
The relationship between these piezoelectric fibers and conductive fibers is appropriately selected depending on the shape change to be detected.
(Arrangement order)
The arrangement of the fibers in the piezoelectric unit is not particularly limited as long as the conductive fibers and the piezoelectric fibers are arranged to provide an electrical connection. For example, when the piezoelectric unit is composed of two conductive fibers and one piezoelectric fiber, it is preferable that the conductive fibers, the piezoelectric fibers, and the conductive fibers are arranged in this order. By arranging in this way, the two conductive fibers of the piezoelectric unit do not come into contact with each other, and the piezoelectric material can be obtained without applying other means such as a technique such as coating an insulating material. It can function effectively as a unit.
この際、導電性繊維と圧電性繊維とが互いに物理的に接する接点を有していることが望ましいが、導電性繊維と圧電性繊維との間隔が4mm以内の範囲であれば、物理的に接していなくても電気的接続を提供することができる。導電性繊維と圧電性繊維との間隔は、3mm以下、さらに好ましくは2mm以下、さらに好ましくは1mm以下、最も好ましくは0.5mm以下である。この間隔が4mm超であると圧電性繊維の形状変化に伴う電気出力が小さくなり、トランスデューサーとして用いることが困難となる。 At this time, it is desirable that the conductive fiber and the piezoelectric fiber have a contact point that physically contacts each other. However, if the distance between the conductive fiber and the piezoelectric fiber is within 4 mm, An electrical connection can be provided without contact. The distance between the conductive fiber and the piezoelectric fiber is 3 mm or less, more preferably 2 mm or less, more preferably 1 mm or less, and most preferably 0.5 mm or less. If this distance exceeds 4 mm, the electrical output accompanying the change in the shape of the piezoelectric fiber becomes small, making it difficult to use as a transducer.
形態としては、例えば、2本の導電性繊維が平行に配置され、1本の圧電性繊維が、これら2本の導電性繊維に交わるように配置された形態などを挙げることができる。さらには、2本の導電性繊維を経糸(または緯糸)として配し、1本の圧電性繊維を緯糸(または経糸)として配してもよい。この場合は2本の導電性繊維同士は接触していないことが好ましく、2本の導電性繊維の間には好ましくは絶縁性物質、例えば絶縁性繊維を介在させる形態の他、導電性繊維が接触しやすい表面にのみ絶縁性物質を被覆し、圧電性繊維とは直接導電性繊維が接触するようにする形態も採用することができる。
(圧電単位として用いられる導電性繊維とは接触しない繊維)
本発明において、圧電単位として用いられる導電性繊維とは接触しない繊維が存在する。この繊維には任意の繊維を用いることが可能であるが、その全本数のうち少なくとも50%以上、好ましくは70%以上、さらに好ましくは90%が圧電性繊維である必要がある。これによって、圧電性能のみならず、抗菌性をも付与することができる。なお導電性繊維の一部が圧電単位として用いられない場合もあるが、当然ながらここでいう「圧電単位として用いられる導電性繊維」としては扱われない。
(絶縁性繊維)
本発明の圧電単位は、絶縁性繊維を含み、該絶縁性繊維は、圧電単位中の導電性繊維が、他の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように導電性繊維と圧電性繊維の間に配されることがある。この際、絶縁性繊維は布帛の柔軟性を向上する目的で伸縮性のある素材、形状を有する繊維を用いることができる。また、圧電単位中の導電性繊維が、他の圧電単位中の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように配されることもある。
Examples of the form include a form in which two conductive fibers are arranged in parallel and one piezoelectric fiber is arranged so as to intersect with these two conductive fibers. Further, two conductive fibers may be arranged as warps (or wefts), and one piezoelectric fiber may be arranged as wefts (or warps). In this case, it is preferable that the two conductive fibers are not in contact with each other, and preferably, an insulating substance, for example, an insulating fiber is interposed between the two conductive fibers. It is also possible to adopt a form in which an insulating material is coated only on the surface that is easily contacted so that the conductive fiber is in direct contact with the piezoelectric fiber.
(Fiber not in contact with conductive fiber used as piezoelectric unit)
In the present invention, there is a fiber that does not contact the conductive fiber used as the piezoelectric unit. Any fiber can be used as the fiber, but at least 50%, preferably 70%, more preferably 90% of the total number of the fibers needs to be piezoelectric fibers. As a result, not only piezoelectric performance but also antibacterial properties can be imparted. In some cases, a part of the conductive fiber is not used as a piezoelectric unit, but it is not treated as a “conductive fiber used as a piezoelectric unit” here.
(Insulating fiber)
The piezoelectric unit of the present invention includes an insulating fiber, and the insulating fiber includes a conductive fiber and a piezoelectric fiber so that the conductive fiber in the piezoelectric unit is not in contact with other conductive fibers and the piezoelectric fiber. May be placed between. In this case, the insulating fiber may be a stretchable material or a fiber having a shape for the purpose of improving the flexibility of the fabric. In addition, the conductive fiber in the piezoelectric unit may be arranged not to contact the conductive fiber and the piezoelectric fiber in the other piezoelectric unit.
圧電単位にこのように絶縁性繊維を配置することで、圧電単位を複数組み合わせた場合でも導電性繊維が接触することがなく、トランスデューサーとしての性能を向上させることが可能である。 By disposing the insulating fibers in the piezoelectric units in this way, even when a plurality of piezoelectric units are combined, the conductive fibers do not come into contact, and the performance as a transducer can be improved.
このような絶縁性繊維としては、体積抵抗率が106Ω・cm以上であれば用いることができ、より好ましくは108Ω・cm以上、さらに好ましくは1010Ω・cm以上がよい。 As such an insulating fiber, it can be used if the volume resistivity is 10 6 Ω · cm or more, more preferably 10 8 Ω · cm or more, and further preferably 10 10 Ω · cm or more.
絶縁性繊維として例えば、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、塩化ビニル繊維、アラミド繊維、ポリスルホン繊維、ポリエーテル繊維、ポリウレタン繊維等の他、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。 Examples of insulating fibers include polyester fibers, nylon fibers, acrylic fibers, polyethylene fibers, polypropylene fibers, vinyl chloride fibers, aramid fibers, polysulfone fibers, polyether fibers, polyurethane fibers, and other natural fibers such as cotton, hemp, and silk. Semi-synthetic fibers such as acetate, and regenerated fibers such as rayon and cupra can be used. It is not limited to these, A well-known insulating fiber can be used arbitrarily. Furthermore, these insulating fibers may be used in combination, or may be combined with a fiber having no insulating property to form a fiber having insulating properties as a whole.
絶縁性繊維は、フィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントを用いても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントを用いてもよい。マルチフィラメントとして用いる方が絶縁特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントとして用いる場合、その糸径は1μm〜5000μmであり、好ましくは50μm〜1000μmである。マルチフィラメントとして用いる場合は、その単糸径は0.1μm〜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。 The insulating fiber may be a multifilament in which a plurality of filaments are bundled, or may be a monofilament composed of a single filament. The use as a multifilament is preferable from the viewpoint of long stability of the insulating characteristics. When used as a monofilament, the yarn diameter is 1 μm to 5000 μm, preferably 50 μm to 1000 μm. When used as a multifilament, the single yarn diameter is 0.1 μm to 5000 μm, preferably 2 μm to 100 μm. More preferably, it is 3 micrometers-50 micrometers. The number of filaments of the multifilament is preferably 1 to 100,000, more preferably 5 to 500, and still more preferably 10 to 100.
また、布帛に柔軟性を持たせる目的で、公知のあらゆる形状の繊維も用いることができる。
(圧電単位の組み合わせ形態)
本発明において、複数の並列した圧電単位を含有する織編物であることが好ましい。このような形態であることで、圧電素子として、形状の変形自由度(フレキシブルさ)を向上させることが可能である。
In addition, for the purpose of imparting flexibility to the fabric, any known shape of fiber can be used.
(Piezoelectric unit combination form)
In the present invention, a woven or knitted fabric containing a plurality of parallel piezoelectric units is preferable. With such a configuration, it is possible to improve the degree of deformation (flexibility) of the shape as a piezoelectric element.
このような織編物形状は複数の圧電単位を含み、圧電素子としての機能を発揮する限り何らの限定は無い。織物形状または編物形状を得るには、通常の織機または編機により製編織すればよい。一枚の布帛に複数の圧電単位を導入する場合は、製織もしくは製編の際に連続して作製しても、別々に作成した複数の布帛を接合することで作製してもよい。 Such a woven or knitted fabric shape includes a plurality of piezoelectric units, and there is no limitation as long as it functions as a piezoelectric element. In order to obtain a woven or knitted shape, knitting and weaving may be performed with a normal loom or knitting machine. In the case of introducing a plurality of piezoelectric units into one piece of fabric, it may be produced continuously during weaving or knitting, or may be produced by joining a plurality of separately produced fabrics.
織物の織組織としては、平織、綾織、朱子織等の三原組織、変化組織、たて二重織、よこ二重織等の片二重組織、たてビロードなどが例示される。 Examples of the woven structure of the woven fabric include a three-layer structure such as plain weave, twill weave, and satin weave, a change structure, a single double structure such as a vertical double weave and a horizontal double weave, and a vertical velvet.
編物の種類は、丸編物(緯編物)であってもよいし経編物であってもよい。丸編物(緯編物)の組織としては、平編、ゴム編、両面編、パール編、タック編、浮き編、片畔編、レース編、添え毛編等が好ましく例示される。経編組織としては、シングルデンビー編、シングルアトラス編、ダブルコード編、ハーフトリコット編、裏毛編、ジャガード編等が例示される。層数も単層でもよいし、2層以上の多層でもよい。更には、カットパイルおよび/またはループパイルからなる立毛部と地組織部とで構成される立毛織物、立毛編み物であってもよい。 The type of knitted fabric may be a circular knitted fabric (weft knitted fabric) or a warp knitted fabric. Preferable examples of the structure of the circular knitted fabric (weft knitted fabric) include flat knitting, rubber knitting, double-sided knitting, pearl knitting, tuck knitting, floating knitting, single-sided knitting, lace knitting, and bristle knitting. Examples of the warp knitting structure include single denby knitting, single atlas knitting, double cord knitting, half tricot knitting, back hair knitting, jacquard knitting, and the like. The number of layers may be a single layer or a multilayer of two or more layers. Further, it may be a napped woven fabric or a napped knitted fabric composed of a napped portion made of a cut pile and / or a loop pile and a ground tissue portion.
なお、圧電単位が織り組織ないし編み組織に組み込まれて存在する場合、圧電性繊維そのものに屈曲部分が存在するが、圧電素子としての圧電性能を効率よく発現させるためには、圧電性繊維の屈曲部分が小さい方が好ましい。従って、織物と編み物とでは織物の方が好ましい。 When the piezoelectric unit is incorporated in a woven or knitted structure, the piezoelectric fiber itself has a bent portion. However, in order to efficiently exhibit the piezoelectric performance as a piezoelectric element, the bending of the piezoelectric fiber is necessary. Smaller portions are preferred. Therefore, the woven fabric is preferred for the woven fabric and the knitted fabric.
この場合でも、上述の通り、圧電性繊維の屈曲部分が小さい方が、圧電性能が効率よく発現することから、織組織としては平織よりは綾織りが好ましく、綾織よりもサテン織(朱子織)が好ましい。特にサテン織(朱子織)のなかでも、飛び数が3〜7の範囲にあると、織組織の保持と圧電性性能とを高い水準で発揮することから好ましい。 Even in this case, as described above, the piezoelectric fiber is more efficiently expressed when the bending portion of the piezoelectric fiber is smaller. Therefore, the twill weave is preferable to the plain weave as the weave structure, and the satin weave (salmon weave) than the twill weave. Is preferred. In particular, among satin woven (red satin weave), when the number of jumps is in the range of 3 to 7, it is preferable because the retention of the woven structure and the piezoelectric performance are exhibited at a high level.
なお、織組織は、検出したい形状変化により適宜選択される。例えば曲げを検出したい場合には、平織構造、圧電性繊維と導電性繊維が平行関係であることが好ましく、捩じりを検出したい場合には、朱子織構造、圧電性繊維と導電性繊維が直行関係であることが好ましい。 The woven structure is appropriately selected depending on the shape change to be detected. For example, when it is desired to detect bending, it is preferable that the plain weave structure and the piezoelectric fiber and the conductive fiber have a parallel relationship. When torsion detection is desired, the satin weave structure, the piezoelectric fiber and the conductive fiber are A direct relationship is preferred.
また、圧電性繊維であるポリ乳酸は帯電しやすいため、誤作動しやすくなる場合がある。このような場合には、信号を取り出そうとする圧電繊維を接地(アース)して使用することもできる。接地(アース)する方法としては信号を取り出す導電性繊維とは別に、導電性繊維を配置することが好ましい。この場合、導電性繊維の体積抵抗率としては10−1Ω・cm以下であることが好ましく、より好ましくは10−2Ω・cm以下、さらに好ましくは10−3Ω・cm以下である。
(複数の圧電素子)
また、圧電素子を複数並べて用いることも可能である。並べ方としても一次元的に一段で並べても、二次元的に重ねて並べても良く、さらには布状に編織して用いたり、組み紐に製紐したりしてもよい。それによって布状、紐状の圧電素子を実現することも可能となる。布状、紐状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、圧電素子以外の他の繊維と組み合わせて、混繊、交織、交編等を行ってもよく、また、樹脂などに組み込んで使ってもよい。
(圧電素子の適用技術)
本発明のトランスデューサーはいずれの様態であっても、表面への接触、圧力、形状変化を電気信号として出力することができる。図4は、本発明のトランスデューサーを用いたデバイスの第1の具体例を示すブロック図である。例えば、本発明のトランスデューサー11と、印加された圧力に応じてトランスデューサー11から出力される電気信号を増幅する増幅手段12と、増幅手段12で増幅された電気信号を出力する出力手段13と、出力手段13から出力された電気信号を外部機器(図示せず)へ送信する送信手段14とからなるデバイス101を構成すれば、トランスデューサー11の表面への接触、圧力、形状変化により出力された電気信号を容易に取り出すことができるので、様々な用途に適用可能である。なお、送信手段14による送信方式を無線によるもの有線によるものにするかは、適用される装置に応じて適宜決定すればよい。
また、増幅手段だけではなく、ノイズを除去する手段や他の信号と組み合わせて処理する手段などの公知の信号処理手段を組み合わせて用いることができる。これらの手段の接続の順序は目的に応じて適宜変えることができる。もちろん、トランスデューサー11から出力される電気信号をそのまま外部機器へ送信した後で信号処理してもよい。
In addition, since polylactic acid, which is a piezoelectric fiber, is easily charged, it may easily malfunction. In such a case, the piezoelectric fiber from which a signal is to be taken out can be grounded (grounded). As a method of grounding (grounding), it is preferable to dispose conductive fibers separately from the conductive fibers from which signals are extracted. In this case, the volume resistivity of the conductive fiber is preferably 10 −1 Ω · cm or less, more preferably 10 −2 Ω · cm or less, and still more preferably 10 −3 Ω · cm or less.
(Multiple piezoelectric elements)
It is also possible to use a plurality of piezoelectric elements side by side. The arrangement may be one-dimensionally arranged in one step, two-dimensionally stacked, and may be knitted into a cloth or used as a braid. Thereby, a cloth-like or string-like piezoelectric element can be realized. In forming a cloth or string, as long as the object of the present invention is achieved, the fibers may be combined with other fibers other than the piezoelectric element and mixed, woven, knitted, etc., or incorporated into a resin or the like. You may use it.
(Applied technology for piezoelectric elements)
Regardless of the mode of the transducer of the present invention, contact with the surface, pressure, and shape change can be output as an electrical signal. FIG. 4 is a block diagram showing a first specific example of a device using the transducer of the present invention. For example, the transducer 11 of the present invention, an amplifying unit 12 for amplifying an electric signal output from the transducer 11 in accordance with an applied pressure, and an output unit 13 for outputting the electric signal amplified by the amplifying unit 12 If the device 101 including the transmission unit 14 for transmitting the electrical signal output from the output unit 13 to an external device (not shown) is configured, the device 101 is output by contact with the surface of the transducer 11, pressure, or shape change. Since the electrical signal can be easily taken out, it can be applied to various applications. Whether the transmission method by the transmission means 14 is wireless or wired may be appropriately determined according to the device to be applied.
Further, not only the amplification means but also known signal processing means such as noise removing means and means for processing in combination with other signals can be used in combination. The order of connection of these means can be appropriately changed according to the purpose. Of course, the electrical signal output from the transducer 11 may be signal-processed after being transmitted to the external device as it is.
具体的な例としては、帽子や手袋、靴下などを含む着衣、サポーター、ハンカチ状などの形状をした、タッチパネル、人や動物の表面感圧センサー、関節部の曲げ、捩じり、伸縮を感知するセンサーが挙げられる。例えば人に用いる場合には、接触や動きを検出し、医療用途などの関節などの動きの情報収集、アミューズメント用途、失われた組織やロボットを動かすためのインターフェースとして用いることができる。他には、動物や人型を模したぬいぐるみやロボットの表面感圧センサー、関節部の曲げ、捩じり、伸縮を感知するセンサーとして用いることができる。他には、シーツや枕などの寝具、靴底、手袋、椅子、敷物、袋、旗などの表面感圧センサーや形状変化センサーとして用いることができる。 Specific examples include touchscreens, human and animal surface pressure sensors, joint and bends, torsion, and expansion / contraction in the form of clothing, supporters, handkerchiefs, including hats, gloves, and socks. Sensor. For example, when used for humans, it can be used as an interface for detecting contact and movement, collecting information on movement of joints and the like for medical purposes, amusement purposes, and moving lost tissues and robots. In addition, it can be used as a stuffed animal that imitates animals and humanoids, a surface pressure sensor of a robot, a sensor that detects bending, twisting, and expansion / contraction of a joint. In addition, it can be used as a surface pressure sensor or shape change sensor for bedding such as sheets and pillows, shoe soles, gloves, chairs, rugs, bags, and flags.
さらには、本発明のセンサーは布帛状であるため、伸縮性と柔軟性があるので、あらゆる構造物の全体あるいは一部の表面に貼付あるいは被覆することにより表面感圧センサー、形状変化センサーとして用いることができる。 Furthermore, since the sensor of the present invention is in the form of a cloth, it has stretchability and flexibility, so that it can be used as a surface pressure sensor or a shape change sensor by pasting or covering all or part of the surface of any structure. be able to.
また、本発明のトランスデューサーは電気信号を出力として取り出すことができるため、この電気信号を他のデバイスを動かすための電力源あるいは蓄電するなど、発電素子として用いることもできる。図5は、本発明のトランスデューサーを用いたデバイスの第2の具体例を示すブロック図である。例えば、本発明のトランスデューサー11と、印加された圧力に応じてトランスデューサー11から出力される電気信号を増幅する増幅手段12と、増幅手段12で増幅された電気信号を出力する出力手段13とからなるデバイス102を構成すれば、トランスデューサー11の表面への接触、圧力、形状変化により出力された電気信号を他のデバイスを動かすための電力源として用いたりあるいは蓄電装置に蓄電したりすることができる。
また、増幅手段だけではなく、ノイズを除去する手段や他の信号と組み合わせて処理する手段などの公知の信号処理手段を組み合わせて用いることができる。これらの手段の接続の順序は目的に応じて適宜変えることができる。もちろん、トランスデューサー11から出力される電気信号をそのまま外部機器へ送信した後で信号処理してもよい。
In addition, since the transducer of the present invention can take out an electrical signal as an output, it can also be used as a power generation element such as a power source for storing other devices or storing electricity. FIG. 5 is a block diagram showing a second specific example of a device using the transducer of the present invention. For example, the transducer 11 of the present invention, an amplifying unit 12 for amplifying an electric signal output from the transducer 11 in accordance with an applied pressure, and an output unit 13 for outputting the electric signal amplified by the amplifying unit 12 If the device 102 consisting of the above is configured, the electrical signal output by the contact with the surface of the transducer 11, the pressure, and the shape change is used as a power source for moving other devices, or is stored in the power storage device. Can do.
Further, not only the amplification means but also known signal processing means such as noise removing means and means for processing in combination with other signals can be used in combination. The order of connection of these means can be appropriately changed according to the purpose. Of course, the electrical signal output from the transducer 11 may be signal-processed after being transmitted to the external device as it is.
このような具体例としては、人、動物、ロボット、機械など自発的に動くものの可動部に用いることによる発電、靴底、敷物、外部から圧力を受ける構造物の表面での発電、流体中での形状変化による発電、などが挙げられる。流体中での形状変化により電気信号を発するために、流体中の帯電性物質を吸着させたり付着を抑制させたりすることも可能である。 Specific examples include power generation by using moving parts of humans, animals, robots, machines, etc. that move spontaneously, shoe soles, rugs, power generation on the surface of structures that receive external pressure, Power generation by changing the shape of the. In order to generate an electric signal due to a shape change in the fluid, it is possible to adsorb the chargeable substance in the fluid or to suppress the adhesion.
一方、本発明のトランスデューサーはいずれの様態であっても、電気信号が入力されることで、力学的な力を発生させることができる。図6は、本発明のトランスデューサーを用いたデバイスの第3の具体例を示すブロック図である。例えば、外部機器(図示せず)から電気信号を受信する受信手段15と、受信手段15により受信した電気信号が印加される本発明のトランスデューサー11とからなるデバイス103を構成すれば、入力された電気信号に応じた力をトランスデューサー11に発生させることができる。
また、増幅手段だけではなく、ノイズを除去する手段や他の信号と組み合わせて処理する手段などの公知の信号処理手段を組み合わせて用いることができる。これらの手段の接続の順序は目的に応じて適宜変えることができる。もちろん、トランスデューサー11から出力される電気信号をそのまま外部機器へ送信した後で信号処理してもよい。
On the other hand, the transducer according to the present invention can generate a mechanical force when an electric signal is inputted, regardless of the mode. FIG. 6 is a block diagram showing a third specific example of a device using the transducer of the present invention. For example, if a device 103 comprising a receiving means 15 for receiving an electric signal from an external device (not shown) and the transducer 11 of the present invention to which the electric signal received by the receiving means 15 is applied, the device 103 is inputted. A force corresponding to the electrical signal can be generated in the transducer 11.
Further, not only the amplification means but also known signal processing means such as noise removing means and means for processing in combination with other signals can be used in combination. The order of connection of these means can be appropriately changed according to the purpose. Of course, the electrical signal output from the transducer 11 may be signal-processed after being transmitted to the external device as it is.
電気信号を入力とする用途の具体的な例としては、布帛状とした圧電素子に電気信号を印加して、布帛表面に載置した対象物を移動させたり、対象物を包んだり、圧縮したり、振動させることができる。また布帛を構成する各圧電素子へ印加する電気信号を制御することによりさまざまな形状を表現することが可能である。さらには、布帛自体が振動することによりスピーカーとして機能させることも可能である。 Specific examples of applications that use electrical signals as input include applying electrical signals to cloth-shaped piezoelectric elements to move objects placed on the fabric surface, wrapping objects, and compressing them. Or can be vibrated. Various shapes can be expressed by controlling electric signals applied to the piezoelectric elements constituting the fabric. Furthermore, it is possible to function as a speaker by vibrating the fabric itself.
他の例としては、帽子や手袋、靴下などを含む着衣、サポーター、ハンカチ状などの形状をした、人や動物や物の表面に圧力を与えるアクチュエーター、関節部の曲げ、捩じり、伸縮をサポートするアクチュエーターがある。例えば人に用いる場合には、接触や動きや圧力を与えるアミューズメント用途や失われた組織を動かすことができる。他には、動物や人型を模したぬいぐるみやロボットの表面を膨らませたり、伸ばしたりするアクチュエーター、関節部に曲げ、捩じり、伸縮などの動きを与えるアクチュエーターとして用いることができる。他には、シーツや枕などの寝具、靴底、手袋、椅子、敷物、袋、旗などの表面を動かすアクチュエーターや、電気信号で形状変化するハンカチ、風呂敷、袋など布状のあらゆる形状のアクチュエーターとして用いることができる。 Other examples include clothing that includes hats, gloves and socks, supporters, handkerchiefs, actuators that apply pressure to the surface of people, animals and objects, bending, twisting, and stretching of joints. There are actuators to support. For example, when used in humans, it can be used for amusement applications that give contact, movement, or pressure, or to move lost tissue. In addition, it can be used as a stuffed animal that imitates animals or humanoids, an actuator that inflates or stretches the surface of a robot, or an actuator that imparts movements such as bending, twisting, and expansion / contraction to joints. Others include actuators that move the surface of bedclothes such as sheets and pillows, shoe soles, gloves, chairs, rugs, bags, and flags, and actuators of all shapes like cloth, such as handkerchiefs, furoshikis, and bags that change shape with electrical signals. Can be used as
さらには、本発明のアクチュエーターは布帛状であるため、伸縮性と柔軟性があるので、あらゆる構造物の全体あるいは一部の表面に貼付あるいは被覆することにより表面形状を変えるアクチュエーターとして用いることができる。 Furthermore, since the actuator of the present invention is in the form of a cloth, it has stretchability and flexibility, so that it can be used as an actuator that changes the surface shape by pasting or covering all or part of the surface of any structure. .
なお、本発明のトランスデューサーは電気信号を入力として動くことができるため、その振動により音を発生させるスピーカーとして用いることもできる。 Since the transducer of the present invention can move with an electric signal as an input, it can also be used as a speaker that generates sound by vibration.
本発明のトランスデューサーは、特に抗菌性に優れているため、例えばウェアラブルセンサーとして一般衣料用途、スポーツ用途、寝具用途、ゲーム用途、さらには医療製品の用途で用いる場合、菌の増殖による悪臭発生を抑えることが可能になる。 Since the transducer of the present invention is particularly excellent in antibacterial properties, for example, when it is used as a wearable sensor in general clothing, sports, bedding, games, and medical products, it may cause bad odor due to bacterial growth. It becomes possible to suppress.
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に記載するが本発明はこれによって何らの限定を受けるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the present invention is not limited to these examples.
各物性は以下の方法により測定した。
(1)ポリ乳酸の光学純度:
布帛を構成する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/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:住化分析センター社製「スミキラル(登録商標)」OA−5000(4.6m mφ×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1で計算した。
Each physical property was measured by the following methods.
(1) Optical purity of polylactic acid:
Collect 0.1 g of polylactic acid fiber (one bundle in the case of multifilament) constituting the fabric, add 1.0 mL of 5 mol / liter sodium hydroxide aqueous solution / 1.0 mL of methanol, and bring to 65 ° C. Set in a set water bath shaker, hydrolyze for about 30 minutes until the polylactic acid becomes a homogeneous solution, and further add 0.25 mol / liter sulfuric acid to the hydrolyzed solution to neutralize it. 0.1 mL of the decomposition solution was collected, diluted with 3 mL of high-performance liquid chromatography (HPLC) mobile phase solution, and filtered through a membrane filter (0.45 μm). This adjustment solution was subjected to HPLC measurement, and the ratio of L-lactic acid monomer to D-lactic acid monomer was quantified. When the amount of one polylactic acid fiber is less than 0.1 g, the amount of other solution used is adjusted according to the amount that can be collected, and the concentration of polylactic acid in the sample solution used for HPLC measurement is 100 minutes from the above. It was made to be in the range of 1.
<HPLC measurement conditions>
Column: “Sumichiral (registered trademark)” OA-5000 (4.6 mm × φ150 mm) manufactured by Sumika Chemical Analysis Co., Ltd.
Mobile phase: 1.0 mmol / liter copper sulfate aqueous solution Mobile phase flow rate: 1.0 ml / min Detector: UV detector (wavelength 254 nm)
Injection amount: 100 microliters When the peak area derived from the L-lactic acid monomer is S LLA and the peak area derived from the D-lactic acid monomer is S DLA , S LLA and S DLA are the molar concentrations M LLA and L-lactic acid monomer Since it was proportional to the molar concentration M DLA of the D-lactic acid monomer, the larger value of S LLA and S DLA was taken as S MLA , and the optical purity was calculated by the following formula 1.
光学純度(%) = SMLA÷(SLLA+SDLA)×100 (1)
(抗菌性評価)
抗菌性評価はJIS L 1902菌液吸収法にしたがい、黄色ブドウ球菌を用いたテストを行った。ここでえられる静菌活性値は、以下の計算法で算出され、 静菌活性値が>2.2であれば抗菌効果があるとみなされる。
Optical purity (%) = S MLA / (S LLA + S DLA ) × 100 (1)
(Antimicrobial evaluation)
For antibacterial evaluation, a test using Staphylococcus aureus was performed according to the JIS L1902 bacterial solution absorption method. The bacteriostatic activity value obtained here is calculated by the following calculation method. If the bacteriostatic activity value is> 2.2, it is considered that there is an antibacterial effect.
静菌活性値S=Mb−Mc
Mb:基準布(綿)の18時間後の生菌数の常用対数値
Mc:試験布の18時間後の生菌数の常用対数値
(ポリ乳酸の製造)
実施例において用いたポリ乳酸は以下の方法で製造した。
Bacteriostatic activity value S = Mb-Mc
Mb: Common logarithm of the number of viable bacteria after 18 hours of the reference cloth (cotton) Mc: Common logarithm of the number of viable bacteria after 18 hours of the test cloth (production of polylactic acid)
The polylactic acid used in the examples was produced by the following method.
L−ラクチド((株)武蔵野化学研究所製、光学純度100%)100重量部に対し、オクチル酸スズを0.005重量部加え、窒素雰囲気下、撹拌翼のついた反応機にて180℃で2時間反応させ、オクチル酸スズに対し1.2倍当量のリン酸を添加しその後、13.3Paで残存するラクチドを減圧除去し、チップ化し、ポリ−L−乳酸(PLLA1)を得た。得られたPLLA1の重量平均分子量は15.2万、ガラス転移点(Tg)は55℃、融点は175℃であった。
(圧電性繊維)
240℃にて溶融させたPLLA1を24ホールのキャップから20g/minで吐出し、887m/minにて引き取った。この未延伸マルチフィラメント糸を80℃、2.3倍に延伸し、100℃で熱固定処理することにより84dTex/24filamentのマルチフィラメント一軸延伸糸を得た。この繊維を圧電性繊維Aとした。
(導電性繊維)
三ツ冨士繊維工業製の銀メッキナイロン 品名『AGposs』を使用した。この繊維の体積抵抗率は1.1×10−3Ω・cmであった。この繊維を導電性繊維Bとした。
(絶縁性繊維)
280℃にて溶融させたポリエチレンテレフタレートを24ホールのキャップから45g/minで吐出し、800m/minにて引き取った。この未延伸糸を80℃、2.5倍に延伸し、180℃で熱固定処理することによりすることにより84dTex/24フィラメントのマルチフィラメント延伸糸を得た。この繊維を絶縁性繊維Cとした。
実施例1
図1に示すように経糸に絶縁性繊維Cを配し、緯糸に圧電性繊維A、導電性繊維Bおよび絶縁性繊維Cを配した平織物を作製した。このとき、圧電単位に接しない繊維7本のすべてに圧電性繊維Aを使用した。
To 100 parts by weight of L-lactide (manufactured by Musashino Chemical Laboratory, Inc., optical purity 100%), 0.005 part by weight of octylate is added, and 180 ° C. in a reactor equipped with a stirring blade in a nitrogen atmosphere. Then, 1.2 times equivalent of phosphoric acid was added to tin octylate, and then the remaining lactide was removed under reduced pressure at 13.3 Pa to obtain chips to obtain poly-L-lactic acid (PLLA1). . The resulting PLLA1 had a weight average molecular weight of 152,000, a glass transition point (Tg) of 55 ° C., and a melting point of 175 ° C.
(Piezoelectric fiber)
PLLA1 melted at 240 ° C. was discharged from a 24-hole cap at 20 g / min and taken up at 887 m / min. This unstretched multifilament yarn was stretched 2.3 times at 80 ° C. and heat-set at 100 ° C. to obtain a multifilament uniaxially stretched yarn of 84 dTex / 24 filament. This fiber was designated as piezoelectric fiber A.
(Conductive fiber)
The silver-plated nylon product name “AGposs” made by Mitsuji Fuji Textile Industry was used. The volume resistivity of this fiber was 1.1 × 10 −3 Ω · cm. This fiber was designated as conductive fiber B.
(Insulating fiber)
Polyethylene terephthalate melted at 280 ° C. was discharged from a 24-hole cap at 45 g / min and taken up at 800 m / min. The undrawn yarn was drawn at 80 ° C. and 2.5 times, and heat-fixed at 180 ° C. to obtain a multifilament drawn yarn of 84 dTex / 24 filament. This fiber was designated as insulating fiber C.
Example 1
As shown in FIG. 1, a plain woven fabric was produced in which insulating fibers C were arranged on the warp and piezoelectric fibers A, conductive fibers B, and insulating fibers C were arranged on the wefts. At this time, the piezoelectric fiber A was used for all the seven fibers not contacting the piezoelectric unit.
それぞれの織物中の圧電性繊維Aを挟む一対の導電性繊維Bを信号線としてオシロスコープ(横河電機(株)製デジタルオシロスコープDL6000シリーズ商品名『DL6000』)に接続した。当該信号線を繋いだ状態で布帛を圧電性繊維Aに垂直な方向に折り曲げたところ、オシロスコープより3mVの電位差が検出された。またこの布帛の静菌活性値は3.8であった。
実施例2
図2に示すように経糸に絶縁性繊維Cを配し、緯糸に圧電性繊維A、導電性繊維Bおよび絶縁性繊維Cを配した平織物を作製した。このとき、圧電単位に接しない繊維7本のうち4本(57%)に圧電性繊維Aを使用した。
A pair of conductive fibers B sandwiching the piezoelectric fibers A in each woven fabric were connected as signal lines to an oscilloscope (Yokogawa Electric Corporation's digital oscilloscope DL6000 series trade name “DL6000”). When the cloth was bent in a direction perpendicular to the piezoelectric fiber A with the signal lines connected, a potential difference of 3 mV was detected from the oscilloscope. The bacteriostatic activity value of this fabric was 3.8.
Example 2
As shown in FIG. 2, a plain woven fabric was produced in which insulating fibers C were arranged on the warp and piezoelectric fibers A, conductive fibers B, and insulating fibers C were arranged on the wefts. At this time, the piezoelectric fiber A was used for 4 (57%) of the 7 fibers not contacting the piezoelectric unit.
それぞれの織物中の圧電性繊維Aを挟む一対の導電性繊維Bを信号線としてオシロスコープ(横河電機(株)製デジタルオシロスコープDL6000シリーズ商品名『DL6000』)に接続した。当該信号線を繋いだ状態で布帛を圧電性繊維Aに垂直な方向に折り曲げたところ、オシロスコープより3mVの電位差が検出された。またこの布帛の静菌活性値は2.3であった。
比較例
図3に示すように経糸に絶縁性繊維Cを配し、緯糸に圧電性繊維A、導電性繊維Bおよび絶縁性繊維Cを配した平織物を作製した。このとき、圧電単位に接しない繊維7本のうち3本(43%)に圧電性繊維Aを使用した。
A pair of conductive fibers B sandwiching the piezoelectric fibers A in each woven fabric were connected as signal lines to an oscilloscope (Yokogawa Electric Corporation's digital oscilloscope DL6000 series trade name “DL6000”). When the cloth was bent in a direction perpendicular to the piezoelectric fiber A with the signal lines connected, a potential difference of 3 mV was detected from the oscilloscope. The bacteriostatic activity value of this fabric was 2.3.
Comparative Example As shown in FIG. 3, a plain woven fabric was produced in which insulating fibers C were arranged on the warp and piezoelectric fibers A, conductive fibers B, and insulating fibers C were arranged on the wefts. At this time, the piezoelectric fiber A was used for 3 (43%) of 7 fibers not contacting the piezoelectric unit.
それぞれの織物中の圧電性繊維Aを挟む一対の導電性繊維Bを信号線としてオシロスコープ(横河電機(株)製デジタルオシロスコープDL6000シリーズ商品名『DL6000』)に接続した。当該信号線を繋いだ状態で布帛を圧電性繊維Aに垂直な方向に折り曲げたところ、オシロスコープより3mVの電位差が検出された。またこの布帛の静菌活性値は1.3であった。 A pair of conductive fibers B sandwiching the piezoelectric fibers A in each woven fabric were connected as signal lines to an oscilloscope (Yokogawa Electric Corporation's digital oscilloscope DL6000 series trade name “DL6000”). When the cloth was bent in a direction perpendicular to the piezoelectric fiber A with the signal lines connected, a potential difference of 3 mV was detected from the oscilloscope. The bacteriostatic activity value of this fabric was 1.3.
A 圧電性繊維
B 導電性繊維
C 絶縁性繊維
1 オシロスコープ
2 評価用配線
3 評価用配線
11 トランスデューサー
12 増幅手段
13 出力手段
14 送信手段
15 受信手段
101、102、103 デバイス
A Piezoelectric fiber B Conductive fiber C Insulating fiber 1 Oscilloscope 2 Evaluation wiring 3 Evaluation wiring 11 Transducer 12 Amplifying means 13 Output means 14 Transmitting means 15 Receiving means 101, 102, 103 Device
Claims (14)
印加された圧力に応じて前記トランスデューサーから出力される電気信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段で増幅された電気信号を出力する出力手段と、
を備えるデバイス。 The transducer according to any one of claims 1 to 10,
Amplifying means for amplifying an electrical signal output from the transducer in response to an applied pressure;
Output means for outputting the electrical signal amplified by the amplification means;
A device comprising:
印加された圧力に応じて前記トランスデューサーから電気信号を出力する出力手段と、
前記出力手段から出力された電気信号を外部機器へ送信する送信手段と、
を備えるデバイス。 The transducer according to any one of claims 1 to 10,
Output means for outputting an electrical signal from the transducer in response to an applied pressure;
Transmitting means for transmitting the electrical signal output from the output means to an external device;
A device comprising:
前記受信手段により受信した電気信号が印加される、請求項1〜10のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、
を備えるデバイス。 Receiving means for receiving an electrical signal;
The transducer according to any one of claims 1 to 10, wherein an electrical signal received by the receiving means is applied;
A device comprising:
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- 2015-04-30 JP JP2015093656A patent/JP2016213267A/en active Pending
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