JP2016213275A - Cloth-like transducer and device including the same - Google Patents

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佳郎 田實
Yoshiro Tanuki
佳郎 田實
山本 智義
Tomoyoshi Yamamoto
智義 山本
小野 雄平
Yuhei Ono
雄平 小野
俊介 兼松
Shunsuke Kanematsu
俊介 兼松
さと子 吉崎
Satoko Yoshizaki
さと子 吉崎
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Teijin Ltd
Kansai University
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Teijin Ltd
Kansai University
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cloth-like transducer having excellent flexibility, a device using the signal from the transducer, and/or a device that functions by inputting the electric signal.SOLUTION: The transducer includes piezoelectric units disposed roughly on the same plane so that conductive fibers B and a piezoelectric fiber A are electrically connected and electrostatic capacity units made of a plurality of mutually separated conductive fibers B. The piezoelectric units have contact points where the conductive fibers B and the piezoelectric fiber A are mutually physically in contact with each other.SELECTED DRAWING: Figure 1

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。さらに、繊維のみからなる布帛状センサーとして導電性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、布帛上の圧力や変位を検出するものであり曲げ、ねじりといった直接的な形状変化を検出するものではなかった。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。ただし実用上安定して高い強度の圧電信号を得ることができる布帛状圧電素子が求められていた。   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. In addition, a sensor (Patent Document 4) that detects resistance between conductive fibers is proposed as a cloth-like sensor composed of only fibers, but it detects pressure and displacement on the cloth and is directly connected to bending and twisting. It did not detect any shape change. 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, there has been a demand for a fabric-like piezoelectric element that can stably obtain a high-strength piezoelectric signal practically.

特表2007−518886号公報Special table 2007-518886 特開平6−323929号公報JP-A-6-323929 特開2002−203996号公報JP 2002-203996 A 特開2006−284276号公報JP 2006-284276 A 国際公開第2014/058077号International Publication No. 2014/058077

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、柔軟性に富んだ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 that is rich in flexibility by using a fiber material and producing a conventional knitted 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、圧電素子として機能することを発見し、本発明を完成した。   The present inventors have discovered that they function as piezoelectric elements by combining and arranging conductive fibers and piezoelectric fibers, and have 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と、互いに離間した複数の導電性繊維からなる静電容量単位とを備えるトランスデューサー。
2.前記圧電単位において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記載のトランスデューサー。
3.前記圧電単位中の前記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、絶縁性繊維が配置されている、上記1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に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記載のトランスデューサー。
8.複数の前記圧電単位および/または複数の前記静電容量単位を含有する織編物である、上記1記載のトランスデューサー。
9.複数の前記圧電単位および/または複数の前記静電容量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のいずれかである、上記8記載のトランスデューサー。
10.複数の前記織編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、印加された応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 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, and a capacitance unit composed of a plurality of conductive fibers spaced apart from each other.
2. 2. The transducer according to claim 1, wherein in the piezoelectric unit, the conductive fiber and the piezoelectric fiber have a contact point that physically contacts each other.
3. 2. The transducer according to claim 1, wherein insulating fibers are arranged so that the conductive fibers in the piezoelectric unit are not electrically connected to conductive fibers and / or piezoelectric fibers in other piezoelectric units. .
4). 2. The transducer according to 1 above, wherein the piezoelectric fiber mainly contains polylactic acid.
5. 2. The transducer according to 1 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). The transducer according to 1 above, wherein the piezoelectric fiber is uniaxially oriented and includes crystals.
7). 2. The transducer according to 1 above, wherein the conductive fiber is a metal-plated fiber.
8). 2. The transducer according to 1 above, which is a woven or knitted fabric containing a plurality of the piezoelectric units and / or a plurality of the capacitance units.
9. 9. The transducer according to 8 above, wherein the woven fabric contains a plurality of the piezoelectric units and / or a plurality of the capacitance units, and the woven structure is any of a plain weave, a twill weave, a satin weave, and a composite structure thereof. .
10. 10. The transducer according to 9 above, wherein a plurality of the woven and knitted 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. A device comprising: the transducer according to any one of 1 to 10 above; and a transmission unit that transmits an electrical signal output from the transducer to an external device in accordance with an applied stress.
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、柔軟性に富んだ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。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. Furthermore, a device that uses a signal from the transducer and / or a device that functions by inputting an electric signal can be realized.

実施例の織物を用いた回路の模式図である。It is a schematic diagram of the circuit using the textile fabric of an Example. 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。It is a block diagram which shows the 1st specific example of the device using the transducer of this invention. 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。It is a block diagram which shows the 2nd specific example of the device using the transducer of this invention. 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。It is a block diagram which shows the 3rd specific example of the device using the transducer of this invention.

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と、互いに離間した複数の導電性繊維からなる静電容量単位とを備える電気信号を出力する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。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric unit in which conductive fibers and piezoelectric fibers are arranged on substantially the same plane so as to provide electrical connection, and a capacitance unit composed of a plurality of conductive fibers spaced apart from each other. This is achieved by a transducer that outputs an electrical signal comprising: Each configuration will be described below.

(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。このような金属をメッキされた繊維は金属メッキ繊維ということができる。
(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. Such a metal-plated fiber can be referred to as a metal-plated fiber.

金属をコートされるベースの繊維として、導電性の有無によらず公知の繊維を用いることができ、例えば、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、塩化ビニル繊維、アラミド繊維、ポリスルホン繊維、ポリエーテル繊維、ポリウレタン繊維等の合成繊維の他、綿、麻、絹等の天然繊維、アセテート等の半合成繊維、レーヨン、キュプラ等の再生繊維を用いることができる。ベースの繊維はこれらに限定されるものではなく、公知の繊維を任意に用いることができ、これらの繊維を組み合わせて用いてもよい。   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 synthetic fibers such as polysulfone fibers, polyether fibers and polyurethane fibers, 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.

ベースの繊維にコートされる金属は導電性を示し、本発明の効果を奏する限り、いずれを用いてもよい。例えば、金、銀、白金、銅、ニッケル、スズ、亜鉛、パラジウ、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。   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. For example, gold, silver, platinum, copper, nickel, tin, zinc, palladium, indium tin oxide, copper sulfide, and a mixture or alloy thereof can be used.

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。   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.

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。   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。 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.

(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。
(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。   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.

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。   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.

上記の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 the above-mentioned piezoelectric polymer into a piezoelectric fiber, any known method for fiberizing the polymer can be adopted as long as the effect of the present invention is achieved, and the piezoelectric polymer is extruded. Molding and fiberizing technique, Piezoelectric polymer melt spinning and fiberizing technique, Piezoelectric polymer fiberizing process by dry or wet spinning, Piezoelectric polymer fiberizing process by electrostatic spinning 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。   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.

(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。
(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したい形状変化により適宜選択される。   The relationship between the piezoelectric fiber and the conductive fiber is appropriately selected depending on the shape change to be detected.

(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。
(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、より好ましくは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を超え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 more preferably 3 mm or less, further preferably 2 mm or less, further preferably 1 mm or less, and most preferably 0.5 mm or less. If this distance exceeds 4 mm, the electrical output accompanying the shape change 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本の導電性繊維の間に更に平行に配置された形態や、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。   As a form, for example, two conductive fibers are arranged in parallel, and one piezoelectric fiber is further arranged in parallel between the two conductive fibers, or two conductive fibers. Are arranged in parallel, and one piezoelectric fiber may be arranged so as to cross 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.

(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。
(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10Ω・cm以上であれば用いることができ、より好ましくは10Ω・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合成繊維の他、綿、麻、絹等の天然繊維、アセテート等の半合成繊維、レーヨン、キュプラ等の再生繊維を用いることができる。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。   Insulating fiber such as polyester fiber, nylon fiber, acrylic fiber, polyethylene fiber, polypropylene fiber, vinyl chloride fiber, aramid fiber, polysulfone fiber, polyether fiber, polyurethane fiber, cotton, hemp, silk, etc. Natural fibers, 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。   In addition, for the purpose of imparting flexibility to the fabric, any known shape of fiber can be used.

(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。
(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性繊維を接地(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。 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.

(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。
(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.

(静電容量単位)
本発明のトランスデューサーにおいては、圧電単位のほかに静電容量単位を含む。ここでいう静電容量単位とは、二本の導電性繊維を互いに平行に離間するように配置して、導電性繊維間に電圧をかけた状態にしておき、導電性繊維間の距離が変わり、静電容量が変化することで生じる抵抗値や電気量などを測定することで、布帛にかかる圧力や変位を検出するものである。二本の導電性繊維を互いに平行に離間させる方法としては、例えば、二本の導電性繊維の間に絶縁性繊維を介在させる方法や、二本の導電性繊維の間に誘電体を挟む方法や、織り方や編み方により二本の導電性繊維の間に空間を設ける方法などが挙げられる。また、検出には、一つの静電容量単位からの信号を用いてもよいし、直列および/または並列に接続された複数の静電容量単位からの信号を用いてもよい。
(Capacitance unit)
The transducer of the present invention includes a capacitance unit in addition to the piezoelectric unit. The capacitance unit here means that two conductive fibers are arranged so as to be spaced apart from each other in parallel and a voltage is applied between the conductive fibers, and the distance between the conductive fibers changes. The pressure and displacement applied to the fabric are detected by measuring the resistance value and the amount of electricity generated by the change in capacitance. As a method of separating two conductive fibers in parallel with each other, for example, a method of interposing an insulating fiber between two conductive fibers, or a method of sandwiching a dielectric between two conductive fibers And a method of providing a space between two conductive fibers by weaving or knitting. For detection, a signal from one capacitance unit may be used, or signals from a plurality of capacitance units connected in series and / or in parallel may be used.

圧電単位からの信号が変位の瞬間のみに発生するのに対し、静電容量単位からの信号は変位している間常時信号が得られ、また静電容量単位からの信号は比較的大きいという特徴がある。一方で静電容量単位は静電気の影響を受けやすく、例えばセンサーとして用いた場合、誤作動を起こす可能性がある。   While the signal from the piezoelectric unit is generated only at the moment of displacement, the signal from the capacitance unit is always obtained during the displacement, and the signal from the capacitance unit is relatively large. There is. On the other hand, the capacitance unit is easily affected by static electricity, and may cause malfunction when used as a sensor, for example.

したがって、圧電単位と静電容量単位の双方を有する布帛構造とし、双方からの信号を解析することで、より詳細な動きの解析が可能となる。例えば、圧電単位からは布帛の具体的な動き、すなわち曲げやねじりといった動きの種類とその変位量を検出し、一方で静電容量単位からはその変位が継続しているか否かを検出する、という動きの解析が可能である。または、布帛の変位量を静電容量単位からの信号で測定する際は、得られた信号のうち圧電素子からの信号が同時に検出されたときの信号のみをとりだすことで、静電容量単位からの誤作動を抑制する、などの使い方が考えられる。このとき、布帛の一つの動きに対して圧電単位および静電容量単位の双方からの信号を解析に用いることから、布帛の一つの動きに対して同じような動きになるように圧電単位と静電容量単位とは互い近くに配置されていることが好ましい。   Therefore, a more detailed motion analysis can be performed by using a fabric structure having both a piezoelectric unit and a capacitance unit and analyzing signals from both. For example, the specific movement of the fabric from the piezoelectric unit, that is, the type of movement such as bending and twisting and the amount of displacement thereof are detected, while the capacitance unit detects whether or not the displacement continues. It is possible to analyze the movement. Alternatively, when measuring the displacement amount of the fabric with the signal from the capacitance unit, by taking out only the signal when the signal from the piezoelectric element is detected at the same time from the obtained signals, It can be used such as to suppress malfunctions. At this time, since signals from both the piezoelectric unit and the capacitance unit are used for analysis for one movement of the fabric, the piezoelectric unit and the static unit are made to have the same movement for one movement of the fabric. The capacitance units are preferably arranged close to each other.

(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1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。
(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. 1 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.

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。   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2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。   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. 2 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.

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。   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.

具体的には、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。   Specifically, power generation by using it as a moving part of a human, animal, robot, machine, etc. that moves spontaneously, power generation on the surface of a shoe sole, rug, or structure that receives pressure from the outside, shape change in fluid Power generation, etc. 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3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。   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. 3 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.

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。   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である。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. It is an actuator 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.

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(4.6mmφ×150mm)、
移動相:1.0ミリモル/リットルの硫酸銅水溶液
移動相流量:1.0ミリリットル/分
検出器:UV検出器(波長254nm)
注入量:100マイクロリットル
L乳酸モノマーに由来するピーク面積をSLLAとし、D−乳酸モノマーに由来するピーク面積をSDLAとすると、SLLAおよびSDLAはL−乳酸モノマーのモル濃度MLLAおよびD−乳酸モノマーのモル濃度MDLAにそれぞれ比例するため、SLLAとSDLAのうち大きい方の値をSMLAとし、光学純度は下記式(1)で計算した。
[数1]
光学純度(%)=SMLA÷(SLLA+SDLA)×100 (1)
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 mmφ × 150 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).
[Equation 1]
Optical purity (%) = S MLA / (S LLA + S DLA ) × 100 (1)

トランスデューサー用の布帛は以下の方法で製造した。
(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。
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。
The fabric for the transducer was manufactured by the following method.
(Manufacture of polylactic acid)
The polylactic acid used in the examples was produced by the following method.
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.

(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、これを圧電性繊維Aとした。
(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 84 dTex / 24 filament multifilament uniaxially stretched yarn, which was designated as piezoelectric fiber A.

(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。
(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.

(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、これを絶縁性繊維Cとした。
(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. This 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.

(製織)
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および導電性繊維Bを交互に配した圧電単位Pと、経糸に絶縁性繊維Cを配し、緯糸に導電性繊維B2本および当該導電性繊維B2本の間に絶縁性繊維C1本を配した静電容量単位Eと、を含む平織物を作製した。
(Weaving)
As shown in FIG. 1, an insulating fiber C is arranged on the warp, a piezoelectric unit P in which the piezoelectric fiber A and the conductive fiber B are alternately arranged on the weft, an insulating fiber C is arranged on the warp, and the weft is conductive. And a capacitance unit E in which one insulating fiber C is arranged between two conductive fibers B and two conductive fibers B were produced.

布帛の性能評価は以下の方法で行った。
布帛の圧電単位Pの中の一対の導電性繊維Bを信号線としてオシロスコープ1(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』)に評価用配線2、3を介して接続した。また、布帛の静電容量単位Eの中の一対の導電性繊維Bを信号線としてオシロスコープ4(同上)に評価用配線5、6を介して接続し、1Vの電圧をかけた。この状態で、圧電性繊維Aに対して垂直な方向に直線QQ’で布帛を90度折り曲げると、オシロスコープ1により3.2mVの電位差が検出され、オシロスコープ4により5pCの電気量が検出された。折り曲げた状態を保持している間、オシロスコープ4は5pCの電気量を検出し続けた。以上の結果から、布帛の一つの変位により圧電単位Pおよび静電容量単位Eから2つの異なる信号を検出できることが確認された。
The performance evaluation of the fabric was performed by the following method.
A pair of conductive fibers B in the piezoelectric unit P of the fabric were connected as signal lines to an oscilloscope 1 (digital oscilloscope DL6000 series product name “DL6000” manufactured by Yokogawa Electric Corporation) via evaluation wires 2 and 3. . Further, a pair of conductive fibers B in the capacitance unit E of the fabric was connected as signal lines to the oscilloscope 4 (same as above) via the evaluation wirings 5 and 6, and a voltage of 1V was applied. In this state, when the fabric was bent 90 degrees along a straight line QQ ′ in a direction perpendicular to the piezoelectric fiber A, a potential difference of 3.2 mV was detected by the oscilloscope 1, and an electric quantity of 5 pC was detected by the oscilloscope 4. While holding the folded state, the oscilloscope 4 continued to detect an electric quantity of 5 pC. From the above results, it was confirmed that two different signals can be detected from the piezoelectric unit P and the capacitance unit E by one displacement of the fabric.

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
4 オシロスコープ
5 評価用配線
6 評価用配線
11 トランスデューサー
11a 布帛
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS A Piezoelectric fiber B Conductive fiber C Insulating fiber 1 Oscilloscope 2 Evaluation wiring 3 Evaluation wiring 4 Oscilloscope 5 Evaluation wiring 6 Evaluation wiring 11 Transducer 11a Fabric 12 Amplifying means 13 Output means 14 Transmitting means 15 Receiving means 101 , 102, 103 devices

Claims (14)

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と、互いに離間した複数の導電性繊維からなる静電容量単位とを備えるトランスデューサー。   A transducer 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, and a capacitance unit composed of a plurality of conductive fibers spaced apart from each other. 前記圧電単位において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、請求項1記載のトランスデューサー。   The transducer according to claim 1, wherein in the piezoelectric unit, the conductive fiber and the piezoelectric fiber have a contact point that physically contacts each other. 前記圧電単位中の前記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、絶縁性繊維が配置されている、請求項1記載のトランスデューサー。   The transformer according to claim 1, wherein insulating fibers are arranged so that the conductive fibers in the piezoelectric unit are not electrically connected to conductive fibers and / or piezoelectric fibers in other piezoelectric units. Deucer. 前記圧電性繊維が主としてポリ乳酸を含む、請求項1に記載のトランスデューサー。   The transducer according to claim 1, wherein the piezoelectric fiber mainly contains polylactic acid. 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、請求項1記載のトランスデューサー。   The transducer according to claim 1, wherein the piezoelectric fiber mainly contains poly-L-lactic acid or poly-D-lactic acid having an optical purity of 99% or more. 前記圧電性繊維が一軸配向し且つ結晶を含む、請求項1記載のトランスデューサー。   The transducer of claim 1, wherein the piezoelectric fibers are uniaxially oriented and comprise crystals. 前記導電性繊維が金属メッキ繊維である、請求項1記載のトランスデューサー。   The transducer according to claim 1, wherein the conductive fiber is a metal-plated fiber. 複数の前記圧電単位および/または複数の前記静電容量単位を含有する織編物である、請求項1記載のトランスデューサー。   The transducer according to claim 1, which is a woven or knitted fabric containing a plurality of the piezoelectric units and / or a plurality of the capacitance units. 複数の前記圧電単位および/または複数の前記静電容量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のいずれかである、請求項8記載のトランスデューサー。   The transformer according to claim 8, wherein the woven fabric contains a plurality of the piezoelectric units and / or a plurality of the capacitance units, and the woven structure is any of a plain weave, a twill weave, a satin weave, and a composite structure thereof. Deucer. 複数の前記織編物を組み合わせて用いる、請求項9記載のトランスデューサー。   The transducer according to claim 9, wherein a plurality of the woven and knitted fabrics are used in combination. 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、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, amplification means for amplifying an electric signal output from the transducer in accordance with an applied pressure, and an electric signal amplified by the amplification means. An output means for outputting. 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請求項11に記載のデバイス。   The device according to claim 11, further comprising a transmission unit that transmits the electrical signal output from the output unit to an external device. 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、
印加された応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,
Transmitting means for transmitting an electrical signal output from the transducer in response to an applied stress to an external device;
A device comprising:
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。   A device comprising: receiving means for receiving an electric signal; and the transducer according to any one of claims 1 to 10 to which the electric signal received by the receiving means is applied.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022249768A1 (en) * 2021-05-25 2022-12-01 株式会社村田製作所 Modified cross-section fiber

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