JP6639907B2 - 組紐状圧電素子を固定化したデバイス - Google Patents
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Description
特許文献5には、生体情報検出装置として紐状の圧電センサーが開示されているが、首からかけるストラップのような形態を想定しており、動きや歪み、曲がりなどの状態を検出するセンサーとして使用することについては認識が一切ない。
1.組紐状圧電素子が繊維状構造体に固定化されたセンサー。
2.組紐状圧電素子が繊維構造体に接着物質によって固定化された、上記1記載のセンサー。
3.組紐状圧電素子が繊維構造体に縫着によって固定化された、上記1記載のセンサー。
4.組紐状圧電素子が紐状構造体の一部となっている、上記1または2に記載のセンサー。
5.組紐状圧電素子が、導電性繊維で形成された芯部と、前記芯部を被覆するように組紐状の圧電性繊維で形成された鞘部と、を備え、前記圧電性繊維が主成分としてポリ乳酸を含み、前記導電性繊維に対する前記圧電性繊維の巻きつけ角度は15°以上、75°以下である、上記1〜4のいずれか1項に記載のセンサー。
6.圧電性繊維の総繊度は、前記導電性繊維の総繊度の1/2倍以上、20倍以下である、上記5記載のセンサー。
7.圧電性繊維の一本あたり繊度は、前記導電性繊維の総繊度の1/20倍以上、2倍以下である、上記5記載のセンサー。
図1は実施形態に係る組紐状圧電素子の構成例を示す模式図である。
組紐状圧電素子1は、導電性繊維Bで形成された芯部3と、芯部3を被覆するように組紐状の圧電性繊維Aで形成された鞘部2と、を備えている。圧電性繊維Aは主成分としてポリ乳酸を含むことができる。導電性繊維Bに対する圧電性繊維Aの巻きつけ角度αは15°以上、75°以下である。
なお、上記角度αについては、鞘部2を形成する圧電性繊維Aの主方向と導電性繊維Bの中心軸CLとのなす角ともいうことができ、圧電性繊維Aの一部が弛んでいたり、毛羽だっていてもよい。
組紐状圧電素子の固定化法としては、対象物やその目的に合わせて任意の方法をとることができる。例えば、糊や接着材などの粘着物を使って貼り付ける方法や、磁石、熱、クリップなどによって固定化する方法、布帛状の対象物に対して、刺繍のように縫い付け又はかがる方法、また、紐状の対象物に対して、表面もしくは内部に組紐状圧電素子が位置するように撚ることで固定化する方法、対象物に組紐を這わせて対象物と組紐を一緒にパッキングする方法などが挙げられるが、この限りではない。また、組紐状圧電素子は直線になるように固定化する必要はなく、対象物や目的に合わせて曲線など任意に固定できる。
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)
|S(p)−S(c)|≦10 (4)
上記式(4)の左辺は5以下であることがより好ましく、3以下であればさらに好ましい。
|S(p)−S(i)|≦10 (5)
上記式(5)の左辺は5以下であることがより好ましく、3以下であればさらに好ましい。
沸水収縮率=(L0−L)/L0×100(%) (6)
導電性繊維B、すなわち芯部3は、圧電性繊維A、すなわち組紐状の鞘部2で表面が被覆されている。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〜3mmであることがさらに好ましい、20μm〜1mmであることが最も好ましい。薄すぎると強度の点で問題となる場合があり、また、厚すぎると組紐状圧電素子1が硬くなり変形し難くなる場合がある。なお、ここで言う鞘部2とは芯部3に隣接する層のことを指す。
ここでいう総繊度とは、鞘部2を構成する圧電性繊維A全ての繊度の和であり、例えば、一般的な8打組紐の場合には、8本の繊維の繊度の総和となる。
本発明の組紐状圧電素子1は少なくとも1本の導電性繊維Bの表面を組紐状の圧電性繊維Aで被覆しているが、その製造方法としては例えば以下の方法が挙げられる。すなわち、導電性繊維Bと圧電性繊維Aを別々の工程で作製し、導電性繊維Bに圧電性繊維Aを組紐状に巻きつけて被覆する方法である。この場合には、できるだけ同心円状に近くなるように被覆することが好ましい。
本発明の組紐状圧電素子1の最表面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。
本発明の組紐状圧電素子1は、例えば組紐状圧電素子1の表面を擦るなどで、組紐状圧電素子1に荷重が印加されて生じる応力、すなわち組紐状圧電素子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、本発明の組紐状圧電素子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、組紐状圧電素子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、本発明の組紐状圧電素子1は、導電性繊維Bに対して平行方向に屈曲させた場合や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。
図2は実施形態に係る組紐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5は、少なくとも1本の組紐状圧電素子1を含む布帛6を備えている。布帛6は、布帛を構成する繊維(組紐を含む)の少なくとも1本が組紐状圧電素子1であり、組紐状圧電素子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(組紐を含む)と組み合わせて、交織、交編等を行ってもよい。もちろん、組紐状圧電素子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、組紐状圧電素子1を布帛に刺繍してもよいし、接着してもよい。図2に示す例では、布帛状圧電素子5は、経糸として、少なくとも1本の組紐状圧電素子1および絶縁性繊維7を配し、緯糸として導電性繊維8および絶縁性繊維7を交互に配した平織物である。導電性繊維8は導電性繊維Bと同一種であっても異種の導電性繊維であってもよく、また絶縁性繊維7については後述される。なお、絶縁性繊維7及び/又は導電性繊維8の全部又は一部が組紐形態であってもよい。
また、布帛状圧電素子5では、組紐状圧電素子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組紐状圧電素子1を用いてもよいし、数本ごとや一部分に組紐状圧電素子1を用いてもよい。また、ある部分では経糸として組紐状圧電素子1を用い、他の部分では緯糸として組紐状圧電素子1を用いてもよい。
布帛状圧電素子5では、組紐状圧電素子1(及び導電性繊維8)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5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。
本発明の組紐状圧電素子1や布帛状圧電素子5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/24フィラメントのマルチフィラメント一軸延伸糸を得た。
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。この繊維の体積抵抗率は1.1×10−3Ω・cm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、図1に示すように、上記の導電性繊維Bを芯糸とし、上記の圧電性繊維A8本を芯糸の周りに組紐状に巻きつけて、八打組紐とし、組紐状圧電素子1を形成した。ここで、導電性繊維Bの繊維軸CLに対する圧電性繊維Aの巻きつけ角度αは45°とした。
実施例1の試料として、1本の組紐状圧電素子1を、10cm四方のポリエステル布帛(ポリエステル100%の綾組織織物)のほぼ中央部において、当該正方形の一辺に略平行に一端から他端まで、波縫いの要領で目のサイズ1cm程度の間隔で縫い付け、組紐状圧電素子固定サンプル10−1を用意した。
実施例3の試料として、図2に示すように経糸に絶縁性繊維7および一本の組紐状圧電素子1(実施例1の試料と同じ)を配し、緯糸に絶縁性繊維7および導電性繊維8を交互に配して平織物を作製し、布帛状圧電素子5を作成した。この平織物から、組紐状圧電素子1を長手方向に含む幅3cm、長さ10cmの織物片を切りだし、この織物片を、10cm四方のポリエステル布帛(ポリエステル100%の綾組織織物)の片面側のほぼ中央部において、当該正方形の一辺に略平行にほぼ一端から他端まで糊で固定し、布帛状圧電素子固定サンプル10−3とした。
組紐状圧電素子固定サンプル10−1、布帛状圧電素子固定サンプル10−2、ロープ状圧電素子固定サンプル10−3、および平織物固定サンプル10−4の性能評価及び評価結果は以下のとおりである。
組紐状圧電素子固定サンプル10−1中の導電性繊維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』)に配線を介して1000倍増幅回路を経由して接続した。組紐状圧電素子1を接地(アース)された金属金網で保護された電磁波シールドボックス内で90度折り曲げた。
その結果、組紐状圧電素子1からの出力として、オシロスコープにより約100mVの電位差が検出され、組紐状圧電素子固定サンプル10−1の変形により十分な大きさの電気信号を検出できることが確認された。
ロープ状圧電素子固定サンプル10−2中の導電性繊維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』)に配線を介して1000倍増幅回路を経由して接続した。ロープ状圧電素子固定サンプル10−2を接地(アース)された金属金網で保護された電磁波シールドボックス内で90度折り曲げた。
その結果、ロープ状圧電素子固定サンプル10−2からの出力として、オシロスコープにより約100mVの電位差が検出され、ロープ状圧電素子固定サンプル10−2の変形により十分な大きさの電気信号を検出できることが確認された。
布帛状圧電素子固定サンプル10−3の組紐状圧電素子1中の導電性繊維3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』)に配線を介して1000倍増幅回路を経由して接続した。また、布帛状圧電素子5の緯糸の導電性繊維8を接地(アース)線として接地した。この状態で、組紐状圧電素子1に対して垂直な方向に布帛状圧電素子固定サンプル10−3を90度折り曲げた。
その結果、布帛状圧電素子固定サンプル10−3の組紐状圧電素子1からの出力として、オシロスコープによりノイズのほとんどない電気信号が得られ、約100mVの電位差が検出された。以上の結果から、布帛状圧電素子固定サンプル10−3の変形により十分な大きさの電気信号を低ノイズで検出できることが確認された。
平織物固定サンプル10−4中の導電性繊維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』)に配線を介して1000倍増幅回路を経由して接続した。
その結果、導電性繊維Bからの出力として、約30mVの電位差が検出されたが、S/Nの小さい信号であった。平織物固定サンプル10−4に組紐状圧電素子1が組み込まれていないためと考えられる。
B 導電性繊維
C 絶縁性繊維
1 組紐状圧電素子
2 鞘部
3 芯部
5 布帛状圧電素子
6 布帛
7 絶縁性繊維
8 導電性繊維
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 繊維軸
α 巻きつけ角度
100 平織物
Claims (7)
- 組紐状圧電素子が繊維状構造体に固定化されたセンサーであって、前記組紐状圧電素子は、導電性繊維で形成された芯部と、前記芯部を被覆するように組紐状の圧電性繊維で形成された鞘部とを備え、前記導電性繊維の曲げ剛性が0.05×10 -4 N・m 2 /m以下である、センサー。
- 組紐状圧電素子が繊維構造体に接着物質によって固定化された、請求項1記載のセンサー。
- 組紐状圧電素子が繊維構造体に縫着によって固定化された、請求項1記載のセンサー。
- 組紐状圧電素子が紐状構造体の一部となっている、請求項1または2に記載のセンサー。
- 前記圧電性繊維が主成分としてポリ乳酸を含み、前記導電性繊維に対する前記圧電性繊維の巻きつけ角度は15°以上、75°以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のセンサー。
- 前記圧電性繊維の総繊度は、前記導電性繊維の総繊度の1/2倍以上、20倍以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のセンサー。
- 前記圧電性繊維の一本あたり繊度は、前記導電性繊維の総繊度の1/20倍以上、2倍以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のセンサー。
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