JP6749000B2 - 検知部材 - Google Patents
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Description
しかしながら、検知されるのは圧力もしくは角度のみであり、被検知部材の動く速度や、加わる衝撃を同時に検出する手段についてはこれまで提案されていなかった。
<1> 光弾性ポリウレタン樹脂を含む芯材と、
前記芯材に対して光を入射する、第1位置に配置された発光部材と、
前記発光部材から出射され、かつ前記芯材を通過した光を受光する、前記第1位置と異なる第2位置に配置された受光部材と、
前記芯材に巻回された圧電基材と、
を備える検知部材。
<2> 前記圧電基材は、長尺状の導体と、前記導体に対して一方向に螺旋状に巻回された長尺状の圧電体とを備え、
前記圧電体は、有機圧電材料を含む、<1>に記載の検知部材。
<3> 前記芯材は、棒形状である、<1>又は<2>に記載の検知部材。
<4> 前記光弾性ポリウレタン樹脂は、25℃におけるヤング率が2MPa〜5MPaであり、25℃における光弾性定数が1000×10−12Pa−1〜100000×10−12Pa−1であり、かつガラス転移温度が−60℃〜−21℃である、<1>〜<3>の何れか1項に記載の検知部材。
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本明細書中において、部材の「面」は、特に断りが無い限り、部材の「主面」を意味する。
本明細書において、2つの線分のなす角度は、0°以上90°以下の範囲で表す。
本明細書において、「フィルム」は、一般的に「フィルム」と呼ばれているものだけでなく、一般的に「シート」と呼ばれているものをも包含する概念である。
本明細書において、「MD方向」とはフィルムの流れる方向(Machine Direction)、すなわち、延伸方向である。
本実施形態の検知部材は、光弾性ポリウレタン樹脂を含む芯材と、前記芯材に対して光を入射する、第1位置に配置された発光部材と、前記発光部材から出射され、かつ前記芯材を通過した光を受光する、前記第1位置と異なる第2位置に配置された受光部材と、前記芯材に巻回された圧電基材と、を備える。
本実施形態の検知部材によれば、光弾性ポリウレタン樹脂を感圧センサもしくは角度センサとして用いつつ、被検知部材の動く速度や、加わる衝撃を同時に検出することができる。
本実施形態の検知部材は芯材を備える。芯材は光弾性ポリウレタン樹脂を含む。
光弾性とは、外力を受けた弾性体が複屈折を生じさせる性質をいう。すなわち、本実施形態でいう光弾性ポリウレタン樹脂とは、ポリウレタン樹脂のうち、光弾性を有するポリウレタン樹脂をいう。
芯材の材質としては、光弾性ポリウレタン樹脂を含み、かつ光弾性の性質を発現するものであれば特に限定されない。
芯材の形状としては特に限定されず、例えば、棒形状(例えば、円柱形状、楕円柱形状、多角柱形状、円筒形状等)、繊維状のものを用いることができる。
芯材の形状が棒形状の場合、芯材は、例えば、所定形状の成形型(注形型)により棒形状に形成されるか、あるいは、脱型後の裁断によって棒形状に形成される。
芯材の形状が繊維状の場合、芯材は、例えば、押し出し成形によって繊維状に形成される。
光弾性ポリウレタン樹脂は、ポリイソシアネート成分と活性水素基含有成分とを含有するポリウレタン樹脂組成物を、反応および硬化させることにより、得ることができる。
(−CO−R5−COO−R6−O−)n (A)
(式中、R5およびR6はそれぞれ2価の炭化水素基であり、nは平均1より大きい数を示す。)で表されるものが含まれる。
平均官能基数=(各高分子量ポリオールの官能基数×当量数)の総和/各高分子量ポリオールの当量数の総和 (B)
数平均分子量=56100×平均官能基数/平均水酸基価 (C)
すなわち、光弾性ポリウレタン樹脂の25℃における光弾性定数は、1000×10−12Pa−1以上〜100000×10−12Pa−1以下であることが好ましい。
光弾性定数=歪光学定数÷ヤング率 (5)
すなわち、光弾性ポリウレタン樹脂の25℃におけるヤング率は、2MPa以上5MPa以下であることが好ましい。
すなわち、光弾性ポリウレタン樹脂のガラス転移温度は、−60℃〜−21℃であることが好ましい。
また、光弾性ポリウレタン樹脂のガラス転移温度が、上記した上限以上である場合には、上記した所望の光弾性定数を得にくくなる場合がある。
本実施形態の検知部材は発光部材を備える。発光部材は芯材に対して光を入射する部材である。
発光部材としては、例えば、発光ダイオード(LED)を挙げることができる。LEDとしては、赤色LED、白色LED、赤外線LED、緑色LED、青色LEDなどの各種LEDを用いることができる。LEDの他には、例えば半導体レーザー(波長405nm〜1064nm)、蛍光灯、ハロゲンランプ、タングステンランプなども用いることができる。
本実施形態の検知部材において、発光部材は第1位置に配置される。第1位置は、芯材に対して光を入射できる位置であれば特に限定されない。また、発光部材の数も限定されない。
本実施形態の検知部材は受光部材を備える。受光部材は発光部材から出射され、かつ芯材を通過した光を受光する部材である。
受光部材としては、例えばフォトダイオードを使用することができる。また、通常のフォトダイオードの他、フォトICダイオードを用いることもできる。フォトICダイオードは、通常のフォトダイオードの内部に、光電流の増幅回路が内蔵され、フォトダイオードで発生した光電流を1000倍〜数1000倍に増幅し、外部に出力する。なお、通常のフォトダイオードを用いる場合、フォトダイオードに公知の増幅回路を接続し、光電流を1000倍〜10000倍程度に増幅することが好ましい。
本実施形態の検知部材において、受光部材は第1位置と異なる第2位置に配置される。第2位置は、発光部材からの光を芯材を経て受光できる位置であれば特に限定されない。また、受光部材の数も限定されない。
本実施形態の検知部材は圧電基材を備える。圧電基材は芯材に巻回される。
圧電基材は、芯材に巻回できるものであれよく、特に形状は限定されないが、巻回のし易さの観点から、長尺状(例えばリボン状、線状、薄膜状)であることが好ましい。圧電基材の芯材への巻回方法は、例えば長尺薄膜状の圧電基材を形成し、芯材を包むように巻回してもよいが、芯材の周りに、長尺状(例えばリボン状、線状)の圧電基材をらせん状に巻回することが好ましい。
以下、好ましい形態の圧電基材に含まれる長尺状の導体(以下、単に「導体」とも称する)、長尺状の圧電体(以下、単に「圧電体」とも称する)について説明する。
導体(例えば内部導体)は、信号線導体であることが好ましい。
信号線導体とは、圧電体から効率的に電気的信号を検出するための導体をいう。具体的には、圧電基材に張力が印加されたときに、印加された張力に応じた電圧信号(電荷信号)を検出するための導体である。
導体としては、電気的な良導体であることが好ましく、例えば、銅線、アルミ線、SUS線、絶縁皮膜被覆された金属線、カーボンファイバー、カーボンファイバーと一体化した樹脂繊維、錦糸線、有機導電材料等を用いることが可能である。錦糸線とは、繊維に銅箔がスパイラルに巻回されたものをいう。
圧電体は、有機圧電材料を含むことが好ましい。
有機圧電材料としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、光学活性を有するヘリカルキラル高分子、シルク繊維等を挙げることができる。中でも、光学活性を有するヘリカルキラル高分子が好ましく、特にポリ乳酸(PLA)が好ましい。
以下では、光学活性を有するヘリカルキラル高分子を、ヘリカルキラル高分子(A)と称する。
また、ヘリカルキラル高分子(A)は、圧電性をより向上させる観点から、D体又はL体からなることが好ましい。
圧電基材は、長尺状の導体と、導体に対して一方向に螺旋状に巻回された長尺状の圧電体とを備え、かつ圧電体が有機圧電材料を含むことが好ましい。
圧電基材の好ましい態様としては、具体的には、以下の態様A〜Tが挙げられる。
圧電基材が、長尺状の導体と、前記導体に対して一方向に螺旋状に巻回された長尺状の第1の圧電体と、を備え、
前記第1の圧電体が、光学活性を有するヘリカルキラル高分子(A)を含み、
前記第1の圧電体の長さ方向と、前記第1の圧電体に含まれるヘリカルキラル高分子(A)の主配向方向と、が略平行であり、
X線回折測定から下記式(a)によって求められる前記第1の圧電体の配向度Fが0.5以上1.0未満の範囲である態様。
配向度F=(180°―α)/180°・・(a)
αは配向由来のピークの半値幅(単位:°)を表す。
態様Aの圧電基材において、
前記導体が内部導体であり、
前記第1の圧電体が、前記内部導体の外周面に沿って一方向に螺旋状に巻回されている態様。
態様Bの圧電基材において、
さらに、前記一方向とは異なる方向に螺旋状に巻回された長尺状の第2の圧電体を備え、
前記第2の圧電体が、光学活性を有するヘリカルキラル高分子(A)を含み、
前記第2の圧電体の長さ方向と、前記第2の圧電体に含まれるヘリカルキラル高分子(A)の主配向方向と、が略平行であり、
X線回折測定から前記式(a)によって求められる前記第2の圧電体の配向度Fが0.5以上1.0未満の範囲であり、
前記第1の圧電体に含まれるヘリカルキラル高分子(A)のキラリティと、前記第2の圧電体に含まれるヘリカルキラル高分子(A)のキラリティと、が互いに異なる態様。
態様Bの圧電基材において、
さらに、前記内部導体の外周面に沿って螺旋状に巻回された第1の絶縁体を備え、
前記第1の絶縁体が、前記第1の圧電体から見て、前記内部導体とは反対側に配置されている態様。
態様Bの圧電基材において、
さらに、前記内部導体の外周面に沿って螺旋状に巻回された第1の絶縁体を備え、
前記第1の絶縁体が、前記内部導体と前記第1の圧電体との間に配置されている態様。
態様Bの圧電基材において、
さらに、前記一方向とは異なる方向に巻回された長尺状の第2の圧電体を備え、
前記第2の圧電体が、光学活性を有するヘリカルキラル高分子(A)を含み、
前記第2の圧電体の長さ方向と、前記第2の圧電体に含まれるヘリカルキラル高分子(A)の主配向方向と、が略平行であり、
X線回折測定から前記式(a)によって求められる前記第2の圧電体の配向度Fが0.
5以上1.0未満の範囲であり、
前記第1の圧電体と前記第2の圧電体とは交互に交差された組紐構造をなし、
前記第1の圧電体に含まれるヘリカルキラル高分子(A)のキラリティと、前記第2の圧電体に含まれるヘリカルキラル高分子(A)のキラリティと、が互いに異なる態様。
態様Bの圧電基材において、
さらに、前記内部導体の外周面に沿って巻回された第1の絶縁体を備え、
前記第1の圧電体と前記第1の絶縁体とは交互に交差された組紐構造をなす態様。
態様B〜Gの何れか1つの圧電基材において、
前記第1の圧電体が、前記内部導体の軸方向に対して、15°〜75°の角度を保持して巻回されている態様。
態様B〜Hの何れか1つの圧電基材において、
前記第1の圧電体が、単数又は複数の束からなる繊維形状を有し、
前記第1の圧電体の断面の長軸径が、0.0001mm〜10mmである態様。
態様A〜Hの何れか1つの圧電基材において、
前記第1の圧電体が長尺平板形状を有し、
前記第1の圧電体の厚さが0.001mm〜0.2mmであり、
前記第1の圧電体の幅が0.1mm〜30mmであり、
前記第1の圧電体の厚さに対する前記第1の圧電体の幅の比が2以上である態様。
なお、態様Jにおける第1の圧電体は、長尺平板形状を有することが好ましい。
長尺平板状の圧電体の「主面」とは、長尺平板状の圧電体の厚さ方向に直交する面(言い換えれば、長さ方向及び幅方向を含む面)を意味する。
態様A〜Jの何れか1つの圧電基材において、
前記第1の圧電体は、カルボジイミド基、エポキシ基、及びイソシアネート基からなる群から選ばれる1種類以上の官能基を有する重量平均分子量が200〜60000の安定化剤(B)を、前記ヘリカルキラル高分子(A)100質量部に対して0.01質量部〜10質量部含む態様。
態様Kの圧電基材において、
さらに、前記第1の圧電体の少なくとも一方の主面の側に配置された機能層を備える態様。
態様Lの圧電基材において、
前記機能層が、易接着層、ハードコート層、帯電防止層、アンチブロック層、保護層、及び電極層のうちの少なくとも一つを含む態様。
態様L又は態様Mの圧電基材において、
前記機能層が、電極層を含む態様。
態様Nの圧電基材において、
前記第1の圧電体と、前記機能層と、を含む積層体の表面層の少なくとも一方が、前記電極層である態様。
態様Aの圧電基材において、
前記導体と前記第1の圧電体とが、互いに捩り合わされている態様。
態様Pの圧電基材において、
前記第1の圧電体が、単数又は複数の束からなる繊維形状を有し、
前記第1の圧電体の断面の長軸径が、0.0001mm〜2mmである態様。
態様A〜Qの何れか1つの圧電基材において、
前記導体が錦糸線である態様。
態様A〜Rの何れか1つの圧電基材において、
前記導体及び前記第1の圧電体の間に接着層を備える態様。
態様A〜Sの何れか1つの圧電基材において、
前記第1の圧電体に含まれるヘリカルキラル高分子(A)が、下記式(1)で表される繰り返し単位を含む主鎖を有するポリ乳酸系高分子である態様。
また、第1の絶縁体としては特に限定されない。第1の絶縁体の形状は、導体に対する巻回のし易さの観点から、長尺形状であることが好ましい。
その上で、上記好ましい態様の圧電基材は、上記第1の圧電体が、導体に対して一方向に螺旋状に巻回された構成をなす。
図面を参照しながら、本実施形態の具体例について説明する。ただし、本実施形態は、以下の具体例に限定されることはない。
図1は、具体例に係る検知部材を側方から見た概略図である。
検知部材1は、長手方向に延びる棒形状の光弾性ポリウレタン樹脂からなる芯材2と、芯材2の外部に配置されたシリコーンチューブ5と、シリコーンチューブ5の上から芯材2の外周面に沿って一方向に螺旋状に巻回された圧電ライン20(圧電基材の一例)と、芯材2及び圧電ライン20を覆うようにシリコーンチューブ5の外部に配置された熱収縮チューブ6と、を備えている。
発光部材3は、芯材2の一方の端部に配置されており、発光ダイオード(LED)3Bと、キャップ部材3Aと、配線3Cとを備えている。受光部材4は、芯材2の発光部材3とは反対側の端部に配置されており、フォトダイオード4Bと、キャップ部材4Aと、配線4Cとを備えている。配線3CはLED電源に接続され、配線4Cは信号処理回路に接続されている。なお、LED3B及びフォトダイオード4Bはシリコーンチューブ5の内部に配置されている。
また、圧電ライン20は、内部導体と、内部導体の周りに一方向に螺旋状に巻回された有機圧電材料を含む圧電体と、さらに圧電体の外周面に一方向に螺旋状に巻回された外部導体と、から構成されている(全て不図示)。内部導体及び外部導体はそれぞれ信号処理回路(不図示)に接続されている。
−作用1−
検知部材1に曲げ応力や押圧力が加わると、芯材2(光弾性ポリウレタン樹脂)が特に上下方向中央部で圧縮又は変形され、複屈折を生じる。複屈折が生じることにより、LED3Bからの光は、芯材2の上下方向中央部において散乱し、芯材2を透過してフォトダイオード4Bに受光される光量が減衰する。
そして、フォトダイオード4Bが受光量の減衰を検知し、信号処理回路がその複屈折の検知に基づき、被検知部材の曲げ角度や曲げ速さや加わる圧力(衝撃)等を検出する。特に作用1では、曲げ角度を検出しやすい。
なお、検知部材1に曲げ応力や押圧力が加わっていないときには、芯材2(光弾性ポリウレタン樹脂)は、変形していないので、複屈折を生じていない。そのため、LED3Bからの光は、ほとんど減衰することなく、芯材2を透過してフォトダイオード4Bに受光される。
検知部材1に張力や、曲げ、ねじり等の応力が加わると、圧電ライン20に張力が印加され、圧電ライン20に含まれる有機圧電材料(例えばヘリカルキラル高分子)にずり力が加わり、このずり力により圧電ライン20の径方向に有機圧電材料の分極が生じ、圧電効果によって張力に比例した電荷(電界)が発生する。これ電圧信号として取り出すことにより、応力を検知することができる。
具体的には、信号処理回路がその電圧信号の検知に基づき、被検知部材の曲げ角度や曲げ速さや加わる圧力(衝撃)等を検出する。特に作用2では、曲げ速さ(例えば角度変化が速いとき)や、取り付け部位にかかる衝撃を検出しやすい。
したがって、本実施形態の検知部材1によれば、光の複屈折(作用1)及び圧電体の分極(作用2)の両者の情報に基づき被検知部材の動きを検出するため、被検知部材の動く速度や、加わる衝撃を同時に検出することができる。
特に、本実施形態の検知部材1は、曲げ角度を検出しやすい光弾性ポリウレタン樹脂からなる芯材2と、曲げ速度を検出しやすい圧電基材が一体に形成されているため、曲げ角度と曲げ速さを同時に測定し得る。
図2は、具体例に係る検知部材が膝サポーターに設置された状態を側方から見た概略図である。
図2に示すように、膝サポーター10は、検知部材1を備えている。検知部材1は、両端に設けられた固定具(例えばマジックテープ(登録商標))12により、膝サポーター10の、膝の位置10Aの外側側面に当たる位置に固定されている。
図3は、具体例に係る検知部材が設置された膝サポーターが脚の膝を含む部分に装着された状態を側方から見た概略図である。詳細には、図3は、膝サポーター10を脚100に装着して、膝100Aを曲げた状態を示している。
検知部材1は、脚100(膝100A、上腿100B、及び下腿100C)の膝100Aの外側の側面に設置され、膝100Aを曲げ伸ばしした際に、検知部材1の中央付近が折れ曲がるような位置に固定されている。なお、検知部材1は、図3に示すように設置されることが好ましい。
特に、膝サポーター10では、膝の曲げ伸ばし、椅子の着席立席、階段の上り下り等における膝の動く速度と、膝に加わる衝撃とを同時に検出することができる。
本実施形態の検知部材は、物体の動く速度や加わる衝撃を同時に検出できる感圧センサや、屈曲センサなどの検知部材として利用することが可能である。具体的には、人体の関節に装着する器具(例えば膝サポーター、肘サポーター)に設置して、人体の関節の動きを検出するセンサとして利用することが可能である。
例えば、検知部材を肘サポーターに用いた場合、肘の角度と、曲げ伸ばしの速さとを同時に測定し得る。また、検知部材を膝サポーターに用いた場合、膝の角度と、曲げ伸ばしの速さと、歩行に伴う衝撃とを同時に測定し得る。
また、本実施形態の検知部材は、各種産業分野のロボット、機器等に用いることができる。具体的には、ロボットのアームや製造装置の可動部に用い、角度と曲げ速さを同時に測定するセンサとして利用することが可能である。
また、本実施形態の検知部材は、クッション材と組み合わせて、ロボットなどの衝突検知センサ付バンパーや、ベッドや自動車等の座席の内部に設置して、人体の体重移動と呼吸等の生体反応を同時に検出するセンサとして利用することもできる。
A.高分子量ポリオール
PTG−1000(ポリテトラメチレンエーテルグリコール、水酸基価111.5mgKOH/g、保土谷化学社製)
B.低分子量ポリオール
トリメチロールプロパン(純正化学試薬)
C.イソシアネート
(1)3,3’−ジメチルビフェニル−4,4’−ジイソシアネート(TODI、日本曹達社製)
(2)4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI−PH、三井化学社製)
D.添加剤
酸化防止剤(ヒンダードフェノール系酸化防止剤)
<芯材の作製>
ガラス製フラスコに、ポリテトラメチレンエーテルグリコール(PTG−1000)を100質量部および酸化防止剤0.2質量部仕込み、減圧下、120℃で2時間乾燥し、温度を80℃に下げ、窒素で常圧に戻した。
次いで、撹拌しながら3,3’−ジメチルビフェニル−4,4’−ジイソシアネートを9.2質量部投入し、4時間反応させた。
次いで、撹拌しながらトリメチロールプロパンを1質量部加え、温度を70℃に調整した。
次いで、消泡剤を数滴加え、70℃で溶解した4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートを20.3質量部投入し、撹拌混合した。
その後、減圧下で30秒間脱泡し、窒素で常圧に戻した後、フラスコから取り出し、ポリウレタン組成物を得た。
次いで、得られたポリウレタン組成物を、成形型(30cm×10cm×2mm)に流し込み、50℃で48時間硬化させることにより、厚さ2mmの光弾性ポリウレタン樹脂シートを得た。
また、同じポリウレタン組成物を、シリコーンチューブ(外径7mm、内径4mm、長さ60cm)に充填し、片方の端をピンチコックで締め、50℃のオーブン中に吊るして48時間硬化させることにより、直径7mm、長手方向の長さ137mmの、棒形状の光弾性ポリウレタン樹脂の周りにシリコーンチューブが被覆された一体化ロッドを得て、これを芯材とした。
上記光弾性ポリウレタン樹脂シートを用いて光弾性ポリウレタン樹脂の25℃での光弾性定数およびヤング率を測定したところ、各々4800×10−12Pa−1、4.9MPaであった。また動的粘弾性測定(振動数10Hz)によりガラス転移温度を測定したところ、−31℃であった。
ヘリカルキラル高分子(有機圧電材料の一例)としてのNatureWorks LLC社製ポリ乳酸(品名:IngeoTM biopolymer、銘柄:4032D)100質量部に対して、安定化剤〔ラインケミー社製Stabaxol P400(10質量部)、ラインケミー社製Stabaxol I(70質量部)、及び日清紡ケミカル社製カルボジライトLA−1(20質量部)の混合物〕1.0質量部を添加し、ドライブレンドして原料を作製した。
作製した原料を押出成形機ホッパーに入れて、210℃に加熱しながらTダイから押し出し、50℃のキャストロールに0.3分間接触させて、厚さ150μmの予備結晶化シートを製膜した(予備結晶化工程)。前記予備結晶化シートの結晶化度を測定したところ6%であった。
得られた予備結晶化シートを70℃に加熱しながらロールツーロールで、延伸速度10m/分で延伸を開始し、3.5倍までMD方向に一軸延伸した(延伸工程)。得られたフィルムの厚さは49.2μmであった。
その後、前記一軸延伸フィルムを、ロールツーロールで、145℃に加熱したロール上に15秒間接触させアニール処理し、その後急冷を行って、圧電フィルムを作製した(アニール処理工程)。
その後、さらに圧電フィルムをスリット加工機を用いて、スリットする方向と圧電フィルムの延伸方向とが略平行となるように幅0.6mmでスリットした。これにより、リボン状圧電体として、幅0.6mm、厚さ49.2μmのスリットリボンを得て、これをリボン状圧電体とした。なお、得られたスリットリボンの断面形状は矩形であった。
本実施例に示す圧電ラインは以下に示す方法により作製した。
まず内部導体(信号線導体)として、明清産業社製錦糸線U24−01−00(線径0.3mm、長さ250mm)を準備した。
次に、上記のようにして得た幅0.6mm、厚さ49.2μmのリボン状圧電体(スリットリボン)を錦糸線の周りに左巻きに、錦糸線の長軸方向に対して45°の方向を向くように(螺旋角度45°)、錦糸線が露出して見えないよう隙間なく、螺旋状に巻回し、錦糸線を包接した。なお、「左巻き」とは、信号線導体(錦糸線)の軸方向の一端から見たときに、信号線導体の手前側から奥側に向かってリボン状圧電体が左巻きで巻回していることをいう。
外部導体として、幅0.3mm、厚さ30μmの平角断面の圧延銅箔リボンを準備し、この圧延銅箔リボンを、螺旋状に巻回されているリボン状圧電体の周りに、リボン状圧電体が露出しないよう隙間なく右巻きに巻回し包接した。
以上のようにして、圧電ライン(圧電基材の一例)を得た。
図1に示す検知部材1と同様の構成の検知部材を以下に示す方法により作製した。
上記で得た、シリコーンチューブ被覆付光弾性ポリウレタン樹脂ロッド(以下、樹脂ロッドと称する)を芯材として用いた。
上記で得た圧電ラインを、シリコーンチューブの上から樹脂ロッドの外周面に沿って一端から他端にかけて一方向に15回、螺旋状に巻回し、圧電ラインの端部の内部導体及び外部導体をそれぞれ外部回路に接続した。
次に、圧電ラインが巻回されているシリコーンチューブの上を円筒状の熱収縮チューブで被覆し、樹脂ロッドとシリコーンチューブと圧電ラインとを固定した。
次に、樹脂ロッドの一端に電源ケーブル(配線)を備えたLEDを配置し、他端に信号ケーブル(配線)を備えたフォトダイオードを配置し、シリコーンチューブの両端にキャップ部材を配置した。電源ケーブルをLED電源に接続し、信号ケーブルを信号処理回路に接続した。これにより、実施例1の検知部材を得た。
図2に示す膝サポーター10と同様の構成の膝サポーターを作製した。
具体的には、図2に示すように、検知部材の両端をマジックテープ(登録商標)で固定して検知部材を膝の外側側面に当たる位置に設置し、検知部材を備えた膝サポーターを得た。なお、検知部材のLED側が上腿側に、フォトダイオード側が下腿側になるように固定した。
この膝サポーターを、図3に示すように被験者の脚に装着し、膝の曲げ角度を変えたときの受光部材の出力を測定した。なお、膝の曲げ角度は、膝を伸ばした状態が0°で、90°が膝を直角に曲げた状態を示している。また、受光部材からの出力は増幅回路(オペアンプ)を用いて、適当な電圧まで増幅した。結果を図4に示す。図4に、膝の曲げ角度と受光部材の出力との関係を示す。
図4から、膝の曲げ角度と、受光部材からの信号強度とは相関することがわかった。
評価1と同様の、検知部材を備えた膝サポーターを被験者の脚に装着し、(1)被験者が、立って膝を真っ直ぐに伸ばした状態から、素早く椅子に座り、もう一度椅子から素早く立ち上がるまでの、受光部材の出力と圧電ラインからの出力、(2)被験者が、立って膝を真っ直ぐに伸ばした状態から、ゆっくり椅子に座り、もう一度椅子からゆっくり立ち上がるまでの受光部材の出力と圧電ラインからの出力を測定した。結果を図5、6に示す。図5に、上記(1)の測定における時間と圧電ライン出力及び受光部材出力との関係を示す。図6に、上記(2)の測定における時間と圧電ライン出力及び受光部材出力との関係を示す。なお、図5、6では、膝に取り付けた通常の加速度センサ(加速度ピックアップ)の出力の結果も示した。
図5、6で受光部材の出力を比較すると、立ち上がった状態では電圧が高く、座った状態では電圧が低くなっているが、その電圧の差は、素早く座った場合とゆっくり座った場合で同じ電位差であることがわかる。これは、受光部材の電圧が膝の角度に依存して変化するためと考えられる。
一方、図5、6で圧電ラインの出力を比較すると、両者ともに立ち上がった状態から座った状態へ変化する際にはマイナスに電位が変化し、座った状態から立ち上がった状態へ変化する際にはプラスに電位が変化している。しかし、その電位の変化量をみると、素早く椅子に座り、素早く椅子から立ち上がった場合には、ゆっくり椅子に座りゆっくり椅子から立ち上がった場合と比較して、電位の変化量が大きいことがわかる。
これは、圧電ラインの出力が膝の曲げ角度に依存するのではなく、膝を曲げる速さに依存するためと考えられる。
以上の結果から、受光部材の出力と圧電ラインの出力を同時に測定することにより、膝の角度と膝を曲げる速さを同時に測定できることがわかった。
評価1と同様の、検知部材を備えた膝サポーターを被験者の脚に装着し、被験者が、階段を上り降りした場合の受光部材の出力と圧電ラインからの出力、を測定した。結果を図7に示す。図7に、時間と圧電ライン出力及び受光部材出力との関係を示す。
図7中、受光部材の出力に表れている最初の三つの凹部は階段を三歩下った際のシグナルで、次の三つの凹部は階段を三歩登った際のシグナルである。また、図7に示すように、圧電ラインの出力にアステリスク(*)で示した三つのピークが観察されたが、これは階段を下った際に膝が衝撃を受けたことを示している。圧電ラインの出力の時間微分値を測定することで、膝が受ける衝撃を計測できた。計測の結果、階段を下った際の膝が受ける衝撃は600Nであった。
Claims (4)
- 光弾性ポリウレタン樹脂を含む芯材と、
前記芯材に対して光を入射する、第1位置に配置された発光部材と、
前記発光部材から出射され、かつ前記芯材を通過した光を受光する、前記第1位置と異なる第2位置に配置された受光部材と、
前記芯材に巻回された圧電基材と、
を備える検知部材。 - 前記圧電基材は、長尺状の導体と、前記導体に対して一方向に螺旋状に巻回された長尺状の圧電体とを備え、
前記圧電体は、有機圧電材料を含む、請求項1に記載の検知部材。 - 前記芯材は、棒形状である、請求項1又は請求項2に記載の検知部材。
- 前記光弾性ポリウレタン樹脂は、25℃におけるヤング率が2MPa〜5MPaであり、25℃における光弾性定数が1000×10−12Pa−1〜100000×10−12Pa−1であり、かつガラス転移温度が−60℃〜−21℃である、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の検知部材。
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