JP2017201487A - カバリング糸状圧電素子 - Google Patents
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Abstract
Description
1.芯糸である導電性繊維に圧電性繊維が鞘糸としてカバリング撚糸されたカバリング糸状圧電素子。
2.前記芯糸に用いる導電性繊維の導電性が100kΩ/m以下である、上記1に記載のカバリング糸状圧電素子。
3.前記導電性繊維の繊度が20dtex以上である、上記1または2に記載のカバリング糸状圧電素子。
4.前記導電性繊維が金属コートされた有機繊維である、上記1〜3のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
5.前記圧電性繊維が主としてポリ乳酸からなる、上記1〜4のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
6.前記圧電性繊維のカバリング角度が30〜80°である、上記1〜5のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
7.前記圧電性繊維の繊度が100dtex以下である、上記1〜6のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
8.前記圧電性繊維の繊度が前記導電性繊維の繊度の1/10〜2倍である、上記1〜7のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
9.前記圧電性繊維のカバリング回数が1000〜15000回/mである、上記1〜8のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
10.カバリング撚糸されたカバリング糸状圧電素子の表面に、更に導電層を有する、上記1〜9のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
11.前記導電層が導電性繊維のカバリング撚糸である、上記10に記載のカバリング糸状圧電素子。
12.前記導電層の導電性繊維の導電性が100kΩ/m以下である、上記11に記載のカバリング糸状圧電素子。
13.前記導電層の導電性繊維の繊度が100dtex以下である、上記11または12に記載のカバリング糸状圧電素子。
14.上記1〜13のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子を含む構造体。
15.上記1〜13のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子と、
印加された応力に応じて前記圧電素子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。
図1は実施形態に係るカバリング糸状圧電素子の構成例を示す模式図である。
カバリング糸状圧電素子1は、導電性繊維Bで形成された芯部3と、芯部3を圧電性繊維Aを用いてカバリング撚糸した鞘部2と、を備えている。
図2は、導電性繊維と圧電性繊維との組み合わせに基づく電気信号の発生原理を説明する模式的な断面図である。増幅手段12の入力端子には、導電性繊維Bからの引出し線を接続する。以下、折り曲げの変形を与えた場合を例にとり説明する。図2(A)において、導電性繊維B及び圧電性繊維Aが折り曲げられておらず伸びた状態では、導電性繊維B及び圧電性繊維Aにおいて、正負各電荷は均一に分布している。圧電性繊維Aの折り曲げが始まると、図2(B)に示すように、圧電性繊維Aにおいて分極が発生し、電荷の正負が一方向に配列された状態になる。圧電性繊維Aの分極により発生した正負各電荷の配列につられて、導電性繊維Bから負の電荷が流出する。この負の電荷の移動は微小な電気信号の流れ(すなわち電流)として現れ、増幅手段12はこの電気信号を増幅し、出力手段13は、増幅手段12で増幅された電気信号を出力する。図2(B)に示す分極状態は、圧電性繊維Aの折り曲げが維持(固定)される限り継続する。
以上、折り曲げの変形を与えた場合の電気信号の発生原理について説明したが、圧電性繊維Aに応力が与えられればその変形は特に限定されず、例えば、捩じり、伸縮、ずり、押圧などが挙げられ、折り曲げも含めたそれらの複合的な変形が与えられた場合であっても圧電性繊維Aに応力が与えられる変形であれば電気信号を発生することができる。
導電性繊維B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る。導電性繊維Bとしては、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。
圧電性繊維Aの材料である圧電性高分子としてはポリフッ化ビニリデンやポリ乳酸のような圧電性を示す高分子を利用できるが、本実施形態では上記のように圧電性繊維Aは主成分としてポリ乳酸を含むことが好適である。ポリ乳酸は、例えば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。しかしこのことは、本発明を実施するに際してポリフッ化ビニリデンその他の圧電性材料の使用を排除することを意図するものではない。
Xhomo×Ao×Ao÷106≧0.26 (1)
上記式(1)を満たさない場合、結晶性および/または一軸配向性が十分でなく、動作に対する電気信号の出力値が低下したり、特定方向の動作に対する信号の感度が低下したりするおそれがある。上記式(1)の左辺の値は、0.28以上がより好ましく、0.3以上がさらに好ましい。ここで、各々の値は下記に従って求める。
ホモポリ乳酸結晶化度Xhomoについては、広角X線回折分析(WAXD)による結晶構造解析から求める。広角X線回折分析(WAXD)では、リガク製ultrax18型X線回折装置を用いて透過法により、以下条件でサンプルのX線回折図形をイメージングプレートに記録する。
X線源: Cu−Kα線(コンフォーカル ミラー)
出力: 45kV×60mA
スリット: 1st:1mmΦ,2nd:0.8mmΦ
カメラ長: 120mm
積算時間: 10分
サンプル: 35mgのポリ乳酸繊維を引き揃え3cmの繊維束とする。
得られるX線回折図形において方位角にわたって全散乱強度Itotalを求め、ここで2θ=16.5°,18.5°,24.3°付近に現れるホモポリ乳酸結晶に由来する各回折ピークの積分強度の総和ΣIHMiを求める。これらの値から下式(2)に従い、ホモポリ乳酸結晶化度Xhomoを求める。
ホモポリ乳酸結晶化度Xhomo(%)=ΣIHMi/Itotal×100 (2)
なお、ΣIHMiは、全散乱強度においてバックグランドや非晶による散漫散乱を差し引くことによって算出する。
結晶配向度Aoについては、上記の広角X線回折分析(WAXD)により得られるX線回折図形において、動径方向の2θ=16.5°付近に現れるホモポリ乳酸結晶に由来する回折ピークについて、方位角(°)に対する強度分布をとり、得られた分布プロファイルの半値幅の総計ΣWi(°)から次式(3)より算出する。
結晶配向度Ao(%)=(360−ΣWi)÷360×100 (3)
導電性繊維B、すなわち芯部3は、圧電性繊維A、すなわち鞘部2によりカバリング撚糸されている。導電性繊維Bを被覆する鞘部2の厚みは1μm〜10mmであることが好ましく、5μm〜5mmであることがより好ましく、10μm〜1mmであることがさらに好ましく、15μm〜0.5mmであることが最も好ましい。
本発明のカバリング糸状圧電素子においては、図3(A)に示すように、鞘部2をさらに被覆する導電層4を有することが望ましい。この導電層4は、芯部3における電気信号への電磁波シールドの役目を果たすものである。このような導電層を電磁波シールドとして鞘部2の周囲に設けることで、ノイズ信号を抑制することができ、すなわちカバリング糸状圧電素子のS/N比(信号対雑音比)を著しく向上させることが可能である。したがって、このような本発明の好ましい実施形態によれば、圧電素子を変形した際に出力される信号強度のバラツキを抑制し、また繰り返し使用しても信号強度の再現性に優れるカバリング糸状圧電素子を確実に得ることが可能となる。
本発明の圧電素子には保護層を設けてもよい。この保護層は絶縁性であることが好ましく、フレキシブル性などの観点から高分子からなるものがより好ましい。保護層に絶縁性を持たせる場合には、もちろん、この場合には保護層ごと変形させたり、保護層上を擦ったりすることになるが、これらの外力が圧電性繊維Aまで到達し、その分極を誘起できるものであれば特に限定はない。保護層としては、高分子などのコーティングによって形成されるものに限定されず、フィルム、布帛、繊維などを巻付けてもよく、あるいは、それらが組み合わされたものであってもよい。
本発明のカバリング糸状圧電素子1は、例えばカバリング糸状圧電素子1の表面を擦るなどで、カバリング糸状圧電素子1に荷重が印加されて生じる応力、すなわちカバリング糸状圧電素子1に印加される応力について、その大きさおよび/又は印加位置を検出するセンサーとして利用することができる。また、本発明のカバリング糸状圧電素子1は、擦る以外の押圧力や曲げ変形などによっても圧電性繊維Aにせん断応力が与えられるならば、電気信号を取り出すことはもちろん可能である。例えば、カバリング糸状圧電素子1に「印加される応力」としては、圧電素子の表面、すなわち圧電性繊維Aの表面と指のような被接触物の表面との間の摩擦力や、圧電性繊維Aの表面または先端部に対する垂直方向の抵抗力、圧電性繊維Aの曲げ変形に対する抵抗力などが挙げられる。特に、本発明のカバリング糸状圧電素子1は、導電性繊維Bに対して平行方向に屈曲させたり、捩じったり、引っ張ったり、擦った場合に大きな電気信号を効率的に出力することができる。
本発明のカバリング糸状圧電素子は、構造体に用いることができる。具体的には、織物や編物の経糸や緯糸として用いて布帛としたり、布帛に刺繍したり接着してもよい。また、成型体や他の構造体に接着や内包させることができる。この際、カバリング糸状圧電素子は、複数本使用してもよい。
図4は実施形態に係るカバリング糸状圧電素子を用いた布帛状圧電素子の構成例を示す模式図である。
布帛状圧電素子6は、少なくとも1本のカバリング糸状圧電素子1を含む布帛7を備えている。布帛7は、布帛を構成する繊維(カバリング糸を含む)の少なくとも1本がカバリング糸状圧電素子1であり、カバリング糸状圧電素子1が圧電素子としての機能を発揮可能である限り何らの限定は無く、どのような織編物であってもよい。布状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、他の繊維(カバリング糸を含む)と組み合わせて、交織、交編等を行ってもよい。もちろん、カバリング糸状圧電素子1を、布帛を構成する繊維(例えば、経糸や緯糸)の一部として用いてもよいし、カバリング糸状圧電素子1を布帛に刺繍してもよいし、接着してもよい。図4に示す例では、布帛状圧電素子6は、経糸として、少なくとも1本のカバリング糸状圧電素子1および絶縁性繊維8を配し、緯糸として絶縁性繊維8を配した平織物である。絶縁性繊維8については後述される。
また、布帛状圧電素子6では、カバリング糸状圧電素子1を複数並べて用いることも可能である。並べ方としては、例えば経糸または緯糸としてすべてにカバリング糸状圧電素子1を用いてもよいし、数本ごとや一部分にカバリング糸状圧電素子1を用いてもよい。また、ある部分では経糸としてカバリング糸状圧電素子1を用い、他の部分では緯糸としてカバリング糸状圧電素子1を用いてもよい。
布帛状圧電素子6では、カバリング糸状圧電素子1以外の部分には、絶縁性繊維を使用することができる。この際、絶縁性繊維は布帛状圧電素子6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。
本発明のカバリング糸状圧電素子1や布帛状圧電素子6のような圧電素子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ので、その圧電素子に印加された応力の大きさおよび/又は印加された位置を検出するセンサー(デバイス)として利用することができる。また、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。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。また、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。
(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質量部に対し、オクチル酸スズを0.005質量部加え、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の質量平均分子量は15.2万、ガラス転移点(Tg)は55℃、融点は175℃であった。
240℃にて溶融させたPLLA1を12ホールのキャップから8g/minで吐出し、1050m/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、150℃で熱固定処理することにより33dtex/12フィラメントのマルチフィラメント延伸糸を得た。
ミツフジ(株)製の銀メッキナイロン、品名『AGposs』100d34fを導電性繊維Bとして使用した。この繊維の導電性は250Ω/mであった。
また、ミツフジ(株)製の銀メッキナイロン、品名『AGposs』30d10fを導電性繊維5として使用した。この繊維の導電性は950Ω/mであった。
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、これを絶縁性繊維とした。
実施例1の試料として、上記の導電性繊維Bを芯糸とし、上記の圧電性繊維Aを芯糸の周りにS方向に3400回/mのカバリング回数で巻きつけ、連続的にさらに圧電性繊維AをZ方向に3400回/mのカバリング回数で巻きつけ、導電性繊維Bで形成された芯部と、当該芯部を圧電性繊維Aを用いてカバリング撚糸した鞘部とを備えたカバリング糸状圧電素子を得た。カバリング角度はそれぞれS方向62°、Z方向66°であった。
さらにこのカバリング糸状圧電素子を芯糸とし、導電性繊維5を芯糸の周りにS方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、連続的にさらに導電性繊維5をZ方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、導電層付カバリング糸状圧電素子を得た。カバリング角度はそれぞれS方向72°、Z方向73°であった。また、導電層による上記鞘部の被覆率は100%であった。
導電層付カバリング糸状圧電素子の性能評価及び評価結果は以下のとおりである。
導電層付カバリング糸状圧電素子1中の導電性繊維Bを信号線としてKeithley社製6514プログラマブル・エレクトロメータに接続し、50°/秒の早さで、径方向に15°のねじりを繰り返し印加した。
その結果、カバリング糸状圧電素子1からの出力として、図7に示すとおり、15°のねじりによる比較的小さな変形で生じる応力によっても検出可能なほどに十分大きく、かつ繰り返し精度に優れるS/N比(信号対雑音比)の非常に良好な電気信号が検出されることが確認された。
導電層を有さないカバリング糸状圧電素子1中の導電性繊維Bを信号線としてKeithley社製6514プログラマブル・エレクトロメータに接続し、カバリング糸状圧電素子1および測定機を金網の電磁波シールドボックス内に設置し、50°/秒の早さで、径方向に15°のねじりを繰り返し印加した。
その結果、カバリング糸状圧電素子1からの出力として、図7と同様に、15°のねじりによる比較的小さな変形で生じる応力によっても検出可能なほどに十分大きく、かつ繰り返し精度に優れるS/N比(信号対雑音比)の非常に良好な電気信号が検出されることが確認された。
B 導電性繊維
1 カバリング糸状圧電素子
2 鞘部
3 芯部
4 導電層
5 導電性繊維
6 布帛状圧電素子
7 布帛
8 絶縁性繊維
10 デバイス
11 圧電素子
12 増幅手段
13 出力手段
14 送信手段
CL 中心軸
α カバリング角度
Claims (15)
- 芯糸である導電性繊維に圧電性繊維が鞘糸としてカバリング撚糸されたカバリング糸状圧電素子。
- 前記芯糸に用いる導電性繊維の導電性が100kΩ/m以下である、請求項1に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記導電性繊維の繊度が20dtex以上である、請求項1または2に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記導電性繊維が金属コートされた有機繊維である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記圧電性繊維が主としてポリ乳酸からなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記圧電性繊維のカバリング角度が30〜80°である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記圧電性繊維の繊度が100dtex以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記圧電性繊維の繊度が前記導電性繊維の繊度の1/10〜2倍である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記圧電性繊維のカバリング回数が1000〜15000回/mである、請求項1〜8のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
- カバリング撚糸されたカバリング糸状圧電素子の表面に、更に導電層を有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記導電層が導電性繊維のカバリング撚糸である、請求項10に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記導電層の導電性繊維の導電性が100kΩ/m以下である、請求項11に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 前記導電層の導電性繊維の繊度が100dtex以下である、請求項11または12に記載のカバリング糸状圧電素子。
- 請求項1〜13のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子を含む構造体。
- 請求項1〜13のいずれか一項に記載のカバリング糸状圧電素子と、
印加された応力に応じて前記圧電素子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。
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