JP6835310B2 - 組紐状圧電素子を用いた布帛状圧電素子およびそれを用いたデバイス - Google Patents
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- Woven Fabrics (AREA)
Description
(1)変形で生じる応力に対して電気信号を出力するための、布帛に組紐状圧電素子が固定された布帛状圧電素子であり、前記組紐状圧電素子が、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、前記鞘部の周囲に設けられた導電層とを備え、前記布帛に対する前記組紐状圧電素子の5cmあたりの引抜き強度が0.1N以上である、布帛状圧電素子。
(2)前記布帛を構成する繊維による前記組紐状圧電素子の被覆率が前記布帛の両面とも30%を超える、上記(1)記載の布帛状圧電素子。
(3)前記布帛に前記組紐状圧電素子が織り込まれる状態または編み込まれる状態で固定された、上記(1)または(2)記載の布帛状圧電素子。
(4)2重織り布帛あるいは2重編み布帛の層間に前記組紐状圧電素子が挟み込まれている、上記(1)または(2)記載の布帛状圧電素子。
(5)前記布帛から前記組紐状圧電素子が部分的に露出しており、該露出部分において前記組紐状圧電素子の前記導電性繊維および/または前記導電層と他の部材とが電気的に接続されている、上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
(6)前記導電層による前記鞘部の被覆率が25%以上である、上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
(7)前記導電層が繊維で形成されている、上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
(8)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倍以上、20倍以下である、上記(1)〜(7)のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
(9)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、上記(1)〜(8)のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
(10)前記布帛は、前記組紐状圧電素子の少なくとも一部と交差して接触する導電性繊維を更に含む、上記(1)〜(9)のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
(11)上記(1)〜(10)のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子と、
印加された圧力に応じて前記布帛状圧電素子に含まれる前記導電性繊維から出力される電気信号を検出する電気回路と、
を備えるデバイス。
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、鞘部2を被覆する導電層4とを備えている。導電層4は芯部3の導電性繊維の対極となる電極としての機能と、芯部3の導電性繊維を外部の電磁波から遮蔽し、芯部3の導電性繊維に発生するノイズ信号を抑制するシールドとしての機能を同時に有する。
中心軸方向への伸縮変形に対して選択的に大きな電気信号を出力する組紐状圧電素子1としては、例えば、圧電性繊維Aとして、一軸配向した高分子の成型体であり、配向軸を3軸とした時の圧電定数d14の絶対値が0.1pC/N以上1000pC/N以下の値を有する結晶性高分子を主成分として含む圧電性高分子を使用することができる。本発明において「主成分として含む」とは、構成成分の50質量%以上を占めることを指す。また、本発明において結晶性高分子とは、1質量%以上の結晶部と、結晶部以外の非晶部とからなる高分子であり、結晶性高分子の質量とは結晶部と非晶部とを合計した質量である。なお、d14の値は成型条件や純度および測定雰囲気によって異なる値を示すが、本発明においては、実際に使用される圧電性高分子中の結晶性高分子の結晶化度および結晶配向度を測定し、それと同等の結晶化度および結晶配向度を有する1軸延伸フィルムを当該結晶性高分子を用いて作成し、そのフィルムのd14の絶対値が、実際に使用される温度において0.1pC/N以上1000pC/N以下の値を示せばよく、本実施形態の圧電性高分子に含まれる結晶性高分子としては、後述されるような特定の結晶性高分子には限定されない。フィルムサンプルのd14の測定は公知の様々な方法を取ることができるが、例えばフィルムサンプルの両面に金属を蒸着して電極としたサンプルを、延伸方向から45度傾いた方向に4辺を有する長方形に切り出し、その長尺方向に引張荷重をかけた時に両面の電極に発生する電荷を測定することで、d14の値を測定することができる。
θ = arctan(2πRm/HP) (0°≦θ≦90°)
ただしRm=2(Ro3−Ri3)/3(Ro2−Ri2)、即ち断面積で加重平均した組紐状圧電素子1の半径である。
中心軸を軸としたねじり変形に対して選択的に大きな電気信号を出力する組紐状圧電素子1としては、上記と同様に、例えば、圧電性繊維Aとして、一軸配向した高分子の成型体であり、配向軸を3軸とした時の圧電定数d14の絶対値が0.1pC/N以上1000pC/N以下の値を有する結晶性高分子を主成分として含む圧電性高分子を使用することができる。また、中心軸を軸としたねじり変形に対して選択的に大きな電気信号を出力する組紐状圧電素子1においては、中心軸の方向と圧電性高分子の配向方向とがなす角度θは0°以上40°以下または50°以上90°以下であることが好ましい。この条件を満たす時、組紐状圧電素子1に対し中心軸を軸としたねじり変形(ねじり応力)を与えることで、圧電性高分子に含まれる結晶性高分子の圧電定数d14に対応する圧電効果を効率よく利用し、組紐状圧電素子1の中心軸側と外側とに効率的に逆極性の電荷を発生させることができる。かかる観点から、中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θは0°以上35°以下または55°以上90°以下であることが好ましく、0°以上30°以下または60°以上90°以下であることがより好ましく、0°以上25°以下または65°以上90°以下であることがさらに好ましい。中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θが0°を超えて90°未満である場合には、圧電性高分子の配向方向はらせんを描くことになる。
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は主成分として配向軸を3軸とした時の圧電定数d14の絶対値が高い結晶性高分子、とりわけ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。
導電層4は芯部3の導電性繊維の対極となる電極としての機能と、芯部3の導電性繊維を外部の電磁波から遮蔽し、芯部3の導電性繊維に発生するノイズ信号を抑制するシールドとしての機能とを同時に有することができる。導電層4はシールドとして機能するため、接地(アースまたは電子回路のグランドに接続)されることが好ましい。それにより、例えば布帛状圧電素子7の上下に電磁波シールド用の導電性の布帛を重ねなくても、組紐状圧電素子7のS/N比(信号対雑音比)を著しく向上させることができる。導電層4の様態としては、コーティングの他、フィルム、布帛、繊維の巻き付けが考えられ、またそれらを組み合わせてもよい。
本発明に係る組紐状圧電素子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。また、後述する本発明に係る布帛を保護層として用いることもでき、構成の簡素化の点から好ましい。
本発明の布帛状圧電素子は、少なくとも1本の組紐状圧電素子が布帛に固定されている。こうすることでこの布帛自体を衣服など所望の形状に加工してデバイスとできるのみならず、既成の服や構造体などセンサ機能を有しない基材に縫付けや接着などの様々な方法で設置し、センサ機能を付与することが簡便にできるようになる。図3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。
また、布帛状圧電素子7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7では、組紐状圧電素子1(及び導電性繊維10)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7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。
本発明に係る組紐状圧電素子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や布帛状圧電素子7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。
(1)ポリ−L−乳酸結晶化度Xhomo:
ポリ−L−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た。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した。
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
得られた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°付近に現れるポリ−L−乳酸結晶に由来する各回折ピークの積分強度の総和ΣIHMiを求めた。これらの値から下式(3)に従い、ポリ−L−乳酸結晶化度Xhomoを求めた。
[数3]
ポリ−L−乳酸結晶化度Xhomo(%)=ΣIHMi/Itotal×100 (3)
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した。
ポリ−L−乳酸結晶配向度Aについては、上記の広角X線回折分析(WAXD)により得られたX線回折図形において、動径方向の2θ=16.5°付近に現れるポリ−L−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(4)より算出した。
[数4]
ポリ−L−乳酸結晶配向度A(%)=(360−ΣWi)÷360×100 (4)
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とメタノール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pH7まで中和し、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(5)で計算した。
[数5]
光学純度(%)=SMLA÷(SLLA+SDLA)×100 (5)
(4)引抜き強度
組紐状圧電素子が布帛状圧電素子から露出している場所がある場合は、露出している組紐状圧電素子を引張試験機(株式会社オリエンテック製万能試験機「テンシロンRTC−1225A」)の把持治具の一方で把持し、把持した側の組紐状圧電素子が固定された端から5cmの部分で組紐状圧電素子および布帛状圧電素子を切断した。組紐状圧電素子が布帛に固定された5cmの部分の両脇の、組紐状圧電素子から1mm以内の領域を除いた部分を、組紐状圧電素子の長さ方向に5cmにわたってU字型の把持治具で把持し、引張試験機の把持治具のもう一方に接続した。この状態で10mm/minの速度で引張試験を行い、最大強度を測定し、引抜き強度とした。なお、組紐状圧電素子が布帛状圧電素子から露出している場所が十分にない場合は、布帛の一部(組紐状圧電素子以外の部分)を切断して組紐組紐状圧電素子を露出させ、上記の測定を行った。なお、組紐状圧電素子が布帛に固定された部分の長さを5cm確保することが困難な場合は、任意の長さの固定部分で引抜き強度を測定して、5cmあたりの強度に換算した。
布帛状圧電素子中の組紐状圧電素子の任意の3点で、顕微鏡により表裏両面から撮影した6枚の写真のそれぞれについて、組紐状圧電素子の幅に対して10倍以上の長さにわたる部分において、組紐の幅と観察部分の長さとの積から計算される面積に対し、組紐表面が露出して見える部分の面積の割合を算出し、その割合を100%から減じた値を被覆率とし、表面3枚の写真の平均値を被覆率(表)、裏面3枚の写真の平均値を被覆率(裏)とした。
エレクトロメータ(Keysight社 B2987A)を、同軸ケーブル(芯:Hi極、シールド:Lo極)を介して圧電素子の導電体に接続した状態で、圧電素子に対し以下の曲げ動作をしながら50m秒の間隔で電流値を計測した。
上部と下部との2つのチャックを備え、下部のチャックは鉛直方向にのみ動くようなレール上に固定されて常に下方向へ0.5Nの荷重がかかる状態とし、上部のチャックは下部のチャックの72mm上方に位置し、2つのチャックを結ぶ線分を直径とする仮想の円周上を上部のチャックが移動し、該仮想の円の中心から左右にそれぞれ16mmの位置を中心とした直径15mmの円を断面とする2本の円柱(側面には50番手の綿糸からなる平織布が貼付けられている)が固定され、その2本の円柱の間を通って布帛状圧電素子が固定され、その2本の円柱を支点として曲げ変形が与えられる試験装置を用い、組紐状圧電素子が上下のチャックにて把持されるよう布帛状圧電素子を上下のチャックに把持して固定し、該仮想の円周上にて上部のチャックを12時の位置、下部のチャックを6時の位置としたとき、上部のチャックを12時の位置から該仮想の円周上の1時、2時の位置を経由して3時の位置に一定速度で0.9秒かけて移動させた後、12時の位置を経由して9時の位置まで1.8秒かけて移動させ、再び0.9秒かけて12時の位置に戻る往復曲げ動作を10回繰り返し、その間の電流値を計測し、12時の位置から3時の位置まで移動する間の電流値のピーク値を往復運動10回の平均値を取り、信号の値とした。
(6−1)の曲げ試験を往復1000回行った後、布帛状圧電素子中の組紐状圧電素子を引抜き、外側の導電層表面の銀メッキの剥がれを顕微鏡で観察した。全く剥がれが見られないものを優秀合格、僅かに剥がれが見られるものを合格、頻繁に剥がれが見られるものを不合格とした。
(8)中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θ
中心軸の方向に対する圧電性高分子の配向角度θは、下記式から計算した。
θ = arctan(2πRm/HP) (0°≦θ≦90°)
ただしRm=2(Ro3−Ri3)/3(Ro2−Ri2)、即ち断面積で加重平均した組紐状圧電素子(または他の構造体)の半径である。らせんピッチHP、組紐状圧電素子(または他の構造体)が占める部分の外側半径Roおよび内側半径Riは以下の通り測定した。
(8−1)組紐状圧電素子の場合は、(組紐状圧電素子の圧電性高分子以外による被覆がなされている場合は必要に応じて被覆を除去して側面から圧電性高分子が観察できる状態としてから)側面写真を撮影し、任意の5カ所で図2のように圧電性高分子のらせんピッチHP(μm)を測定し、平均値を取った。また、組紐状圧電素子に低粘性の瞬間接着剤「アロンアルファEXTRA2000」(東亞合成)を染み込ませて固化させた後、組紐の長軸に垂直な断面を切り出して断面写真を撮影し、1枚の断面写真について後述の通り組紐状圧電素子が占める部分の外側半径Ro(μm)および内側半径Ri(μm)を測定し、同様の測定を別の任意の断面5カ所について測定し、平均値を取った。圧電性高分子と絶縁性高分子とが同時に組まれている場合、例えば圧電性繊維と絶縁性繊維を合糸したものを用いている場合や、8打ち組紐の4本の繊維が圧電性高分子であり、残る4本の繊維が絶縁性高分子である場合は、様々な場所で断面を取った時、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とが互いに入れ替わるため、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とを合せて組紐状圧電素子が占める部分とみなす。ただし、絶縁性高分子が圧電性高分子と同時に組まれていない部分については、組紐状圧電素子の一部とはみなさない。
外側半径Roと内側半径Riについては、以下の通り測定した。図11(a)の断面写真の通り、圧電性構造体(圧電性繊維Aで形成された鞘部2)が占める領域(以後PSAと記載する)と、PSAの中央部にありPSAではない領域(以後CAと記載する)を定義する。PSAの外側にあり、PSAに重ならない最小の真円の直径と、PSAの外側を通らない(CAは通ってもよい)最大の真円の直径との平均値をRoとする(図11(b))。また、CAの外側にあり、CAに重ならない最小の真円の直径と、CAの外側を通らない最大の真円の直径との平均値をRiとする(図11(c))。
(8−2)カバリング糸状圧電素子の場合は、圧電性高分子をカバリングする時の巻き速度がT回/m(カバリング糸の長さあたりの圧電性高分子の回転数)のとき、らせんピッチHP(μm)=1000000/Tとした。また、カバリング糸状圧電素子に低粘性の瞬間接着剤「アロンアルファEXTRA2000」(東亞合成)を染み込ませて固化させた後、組紐の長軸に垂直な断面を切り出して断面写真を撮影し、1枚の断面写真について組紐状圧電素子の場合と同様にカバリング糸状圧電素子が占める部分の外側半径Ro(μm)および内側半径Ri(μm)を測定し、同様の測定を別の任意の断面5カ所について測定し、平均値を取った。圧電性高分子と絶縁性高分子とが同時にカバリングされている場合、例えば圧電性繊維と絶縁性繊維を合糸したものをカバリングしてある場合や、圧電性繊維と絶縁性繊維とが重ならないように同時にカバリングしてある場合は、様々な場所で断面を取った時、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とが互いに入れ替わるため、圧電性高分子が存在する領域と絶縁性高分子が存在する領域とを合せてカバリング糸状圧電素子が占める部分とみなす。ただし、絶縁性高分子が圧電性高分子と同時にカバリングされてない、即ちどの断面を取っても絶縁性高分子が常に圧電性高分子の内側または外側にある部分については、カバリング糸状圧電素子の一部とはみなさない。
エレクトロメータ(Keysight社 B2987A)を、同軸ケーブル(芯:Hi極、シールド:Lo極)を介して圧電素子の導電体に接続した状態で、圧電素子に対し下記9−1〜5のいずれかの動作試験をしながら50m秒の間隔で電流値を計測した。
(9−1)引張試験
株式会社オリエンテック製万能試験機「テンシロンRTC−1225A」を用い、圧電素子の長尺方向に12cmの間隔を空けて圧電素子をチャックで掴み、素子が弛んだ状態を0.0Nとし、0.5Nの張力まで引っ張った状態で変位を0mmとし、100mm/minの動作速度で1.2mmまで引っ張った後、0mmまで−100mm/minの動作速度で戻す動作を10回繰り返した。
(9−2)ねじり試験
圧電素子を掴む2か所のチャックのうち、片方のチャックはねじり動作を行わず圧電素子の長軸方向に自由に動くようなレール上に設置されて圧電素子に0.5Nの張力が常にかかる状態とし、他方のチャックは圧電素子の長軸方向には動かずねじり動作を行うよう設計されたねじり試験装置を用い、圧電素子の長尺方向に72mmの間隔を空けて圧電素子をこれらのチャックで掴み、素子の中央からチャックを見て時計回りにねじるように100°/sの速度で0°から45°まで回転した後、−100/sの速度で45°から0°まで回転する往復ねじり動作を10回繰り返した。
(9−3)曲げ試験
上部と下部との2つのチャックを備え、下部のチャックは固定され、上部のチャックは下部のチャックの72mm上方に位置し、2つのチャックを結ぶ線分を直径とする仮想の円周上を上部のチャックが移動する試験装置を用い、圧電素子をチャックに把持して固定し、該円周上にて上部のチャックを12時の位置、下部のチャックを6時の位置としたとき、圧電素子を9時方向に凸に僅かに撓ませた状態とした後、上部のチャックを12時の位置から該円周上の1時、2時の位置を経由して3時の位置に一定速度で0.9秒かけて移動させた後、12時の位置まで0.9秒かけて移動させる往復曲げ動作を10回繰り返した。
(9−4)せん断試験
50番手の綿糸で織られた平織布を表面に貼り付けた2枚の剛直な金属板によって、圧電素子の中央部64mmの長さの部分を上下から水平に挟み(下部の金属板は台に固定されている)、上から3.2Nの垂直荷重をかけ、金属板表面の綿布と圧電素子との間が滑らないようにした状態のまま、上の金属板を0Nから1Nの荷重まで1秒かけて圧電素子の長尺方向に引っ張った後、引張荷重を0Nまで1秒かけて戻すせん断動作を10回繰り返した。
(9−5)押圧試験
株式会社オリエンテック製万能試験機「テンシロンRTC−1225A」を用い、水平で剛直な金属台上に静置した圧電素子の中央部64mmの長さの部分を、上部のクロスヘッドに設置された剛直な金属板により水平に圧電素子を挟み、圧電素子から上部の金属板への反力が0.01Nから20Nとなるまで0.6秒かけて上部のクロスヘッドを下げて押圧し、反力が0.01Nとなるまで0.6秒かけて除圧する動作を10回繰り返した。
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PF1を得た。また、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一軸延伸糸PF2を得た。これらの圧電性繊維PF1およびPF2を圧電性高分子として用いた。PF1およびPF2のポリ−L−乳酸結晶化度、ポリ−L−乳酸結晶配向度および光学純度は上記の方法で測定し、表1の通りであった。
ミツフジ(株)製の銀メッキナイロン、品名『AGposs』100d34f(CF1)を導電性繊維Bとして使用した。CF1の抵抗率は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(CF2)を導電性繊維Bおよび導電性繊維5として使用した。CF2の導電性は950Ω/mであった。
ポリエチレンテレフタレートを溶融紡糸後に延伸することで製造した84dTex/24フィラメントの延伸糸IF1、および33dTex/12フィラメントの延伸糸IF2をそれぞれ絶縁性繊維とした。
図1に示すように、導電性繊維CF1を芯糸とし、8打ち丸組紐製紐機の8本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる4本のキャリアに上記の圧電性繊維PF1をセットし、S撚り方向に組まれる4本のキャリアに上記の絶縁性繊維IF1をセットして組むことで、芯糸の周りにZ撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子を作成した。次いで、この組紐状圧電素子を芯糸とし、製紐機の8本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる4本のキャリアおよびS撚り方向に組まれる4本のキャリア全てに上記の導電性繊維CF2をセットして組むことで、組紐状圧電素子の周りを導電性繊維からなる導電層で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1とした。
(実施例1)
ポリエステルのスパン糸による2重織りテープ(幅16mm、厚み0.3mm)の層間に、経糸に平行に5カ所の筒状部分を形成し、それぞれの筒中に組紐状圧電素子1を入れて織った布帛状圧電素子を作成した。筒状部分は2層合わせて16本の84dTexの経糸で構成し、筒状部分以外の部分は167dTexの経糸で構成した。緯糸は84dTexの糸を用いた。5本の組紐状圧電素子同士の間には167dTexの経糸を2本(各層1本)入れた。布帛状圧電素子の中央の組紐状圧電素子1について、引抜き強度、被覆率の測定を行い、曲げ試験の信号強度と、曲げ試験後の組紐状圧電素子の外側導電層外観を確認した。結果を表2に示す。
ポリエステル糸(330dTex/72フィラメント)を経糸および緯糸に用いた平織布の経糸の一部に、組紐状圧電素子1を用いて織った布帛状圧電素子を作成した。この平織布は緯糸密度より経糸密度が高く、経糸間の隙間がほぼなかった。布帛状圧電素子中の組紐状圧電素子1について、引抜き強度、被覆率の測定を行い、曲げ試験の信号強度と、曲げ試験後の組紐状圧電素子の外側導電層外観を確認した。結果を表2に示す。
実施例2と同様にポリエステルのスパン糸を経糸および緯糸に用いて織った平織布の緯糸の一部に、組紐状圧電素子1を用いて織った布帛状圧電素子を作成した。布帛状圧電素子中の組紐状圧電素子1について、引抜き強度、被覆率の測定を行い、曲げ試験の信号強度と、曲げ試験後の組紐状圧電素子の外側導電層外観を確認した。結果を表2に示す。
実施例2で織った平織布に、組紐状圧電素子1を置き、組紐状圧電素子1をまたぐように60番手のポリエステルスパンミシン糸によるジグザグ縫い(幅2mm、ピッチ1mm)を行って組紐状圧電素子を平織布に固定して、布帛状圧電素子を作成した。布帛状圧電素子中の組紐状圧電素子1について、引抜き強度、被覆率の測定を行い、曲げ試験の信号強度と、曲げ試験後の組紐状圧電素子の外側導電層外観を確認した。結果を表2に示す。
ポリエステルスパンミシン糸によるジグザグ縫いの幅を4mm、ピッチを2mmに変更した以外は実施例4と同様に、布帛状圧電素子を作成した。布帛状圧電素子中の組紐状圧電素子1について、引抜き強度、被覆率の測定を行い、曲げ試験の信号強度と、曲げ試験後の組紐状圧電素子の外側導電層外観を確認した。結果を表2に示す。
本実施例では、本発明の布帛状圧電素子において用いられる圧電素子に関し、特に圧電性高分子の配向角度θおよびT1/T2の値が伸縮変形に対する電気信号に及ぼす影響について調べた。
例Aの試料として、図1に示すように、導電性繊維CF1を芯糸とし、8打ち丸組紐製紐機の8本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる4本のキャリアに上記の圧電性繊維PF1をセットし、S撚り方向に組まれる4本のキャリアに上記の絶縁性繊維IF1をセットして組むことで、芯糸の周りにZ撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子1−Aを作成した。
組紐状圧電素子1−Aを芯糸とし、製紐機の8本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる4本のキャリアおよびS撚り方向に組まれる4本のキャリア全てに上記の導電性繊維CF2をセットして組むことで、組紐状圧電素子1−Aの周りを導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−Bとした。
PF1の巻付け速度を変更した以外は組紐状圧電素子1−Aと同様にして、2本の組紐状圧電素子を作成し、これらの組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子1−Bと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−Cおよび1−Dとした。
製紐機の8本のキャリアのうち、表3の通りZ撚り方向およびS撚り方向に組まれるキャリアにそれぞれPF1あるいはIF1をセットして組むことで、芯糸の周りにZ撚り方向およびS撚り方向のそれぞれに所定の割合で圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子を作成し、これらの組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子1−Bと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−E〜1−Hとした。
PF1の代わりにPF2を使用し、IF1の代わりにIF2を使用し、巻付け速度を調整した以外は組紐状圧電素子1−Aと同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子1−Bと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−Iとした。
PF2の代わりにIF2を使用し、IF2の代わりにPF2を使用した以外は組紐状圧電素子1−Aと同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子1−Bと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−Jとした。
CF1を芯糸とし、PF1を芯糸の周りにS撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにIF1をZ撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をS撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をZ撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、芯糸の周りにS撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれ、さらに外側を導電性繊維で覆ったカバリング糸状圧電素子1−Kを作成した。
PF1の代わりにIF1を使用した以外は組紐状圧電素子1−Aと同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状素子を芯糸とし、組紐状圧電素子1−Bと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状素子1−Lとした。
PF1の代わりにIF1を使用した以外はカバリング糸状圧電素子1−Kと同様にしてカバリング糸状素子を作成し、カバリング糸状素子1−Mとした。
IF1の代わりにPF1を使用した以外は組紐状圧電素子1−Bと同様にして組紐状圧電素子1−Nを作成した。
IF2の代わりにPF2を使用した以外は組紐状圧電素子1−Iと同様にして組紐状圧電素子1−Oを作成した。
導電性繊維CF1を芯糸とし、16打ち丸組紐製紐機の16本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる8本のキャリアに上記の圧電性繊維PF1をセットし、S撚り方向に組まれる8本のキャリアに上記の絶縁性繊維IF1をセットして組むことで、芯糸の周りにZ撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子1−Bと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−Pとした。
CF1を芯糸とし、PF1を芯糸の周りにS撚り方向に6000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにIF1をZ撚り方向に6000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をS撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をZ撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、芯糸の周りにS撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれ、さらに外側を導電性繊維で覆ったカバリング糸状圧電素子1−Qを作成した。
本実施例では、本発明の布帛状圧電素子において用いられる圧電素子に関し、特に圧電性高分子の配向角度θおよびT1/T2の値がねじり変形に対する電気信号に及ぼす影響について調べた。
実施例1の試料として、図1に示すように、導電性繊維CF1を芯糸とし、8打ち丸組紐製紐機の8本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる4本のキャリアおよびS撚り方向に組まれる4本のキャリア全てに上記の圧電性繊維PF1をセットして組むことで、芯糸の周りにZ撚り方向およびS撚り方向ともに圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子1−AAを作成した。
組紐状圧電素子1−AAを芯糸とし、製紐機の8本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる4本のキャリアおよびS撚り方向に組まれる4本のキャリア全てに上記の導電性繊維CF2をセットして組むことで、組紐状圧電素子1−AAの周りを導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−ABとした。
PF1の代わりにPF2を使用し、巻付け速度を調整した以外は組紐状圧電素子1−AAと同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子1−AAを芯糸とし、組紐状圧電素子1−ABと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−ACとした。
CF1の代わりにCF2を使用し、巻付け速度を調整した以外は組紐状圧電素子1−AAと同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子1−AAを芯糸とし、組紐状圧電素子1−ABと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−ADとした。
導電性繊維CF1を芯糸とし、16打ち丸組紐製紐機の16本のキャリアのうち、Z撚り方向に組まれる8本のキャリアおよびS撚り方向に組まれる8本のキャリア全てに上記の圧電性繊維PF1をセットして組むことで、芯糸の周りにZ撚り方向およびS撚り方向ともに圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれた組紐状圧電素子を作成し、この組紐状圧電素子を芯糸とし、組紐状圧電素子1−ABと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状圧電素子1−AEとした。
CF1を芯糸とし、PF1を芯糸の周りにS撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにPF1をZ撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をS撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をZ撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、芯糸の周りにZ撚り方向およびS撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれ、さらに外側を導電性繊維で覆ったカバリング糸状圧電素子1−AFを作成した。
CF1を芯糸とし、PF1を芯糸の周りにS撚り方向に6000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにPF1をZ撚り方向に6000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をS撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、その外側にさらにCF2をZ撚り方向に3000回/mのカバリング回数で巻きつけ、芯糸の周りにZ撚り方向およびS撚り方向に圧電性繊維PF1がらせん状に巻かれ、さらに外側を導電性繊維で覆ったカバリング糸状圧電素子1−AGを作成した。
PF1の代わりにIF1を使用した以外は組紐状圧電素子1−AAと同様にして組紐状圧電素子を作成し、この組紐状素子を芯糸とし、組紐状圧電素子1−ABと同様に導電性繊維で覆ったものを作製し、組紐状素子1−AHとした。
PF1の代わりにIF1を使用した以外はカバリング糸状圧電素子1−AFと同様にしてカバリング糸状素子を作成し、カバリング糸状素子1−AIとした。
PF1またはPF2の巻付け速度を変更した以外は組紐状圧電素子1−ABおよび1−ACと同様にして、2本の組紐状圧電素子を作成し、組紐状圧電素子1−AJおよび1−AKとした。
S撚り方向に巻いたPF1の代わりにIF1を使用した以外は組紐状圧電素子1−ABと同様にして組紐状圧電素子1−ALを作成した。
Z撚り方向に巻いたPF2の代わりにIF2を使用した以外は組紐状圧電素子1−ACと同様にして組紐状圧電素子1−AMを作成した。
Z撚り方向に巻いたPF1の代わりにIF1を使用した以外はカバリング糸状圧電素子1−AFと同様にしてカバリング糸状圧電素子1−ANを作成した。
A’ 圧電性高分子
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
4 導電層
5 導電性物質
6 導電性繊維
7 布帛状圧電素子
8 布帛
8a 布帛の中央面
9 絶縁性繊維
10 導電性繊維
11 デバイス
12 圧電素子
13 増幅手段
14 出力手段
15 送信手段
CL 繊維軸
α 巻きつけ角度
Claims (11)
- 変形で生じる応力に対して電気信号を出力するための、布帛に組紐状圧電素子が固定された布帛状圧電素子であり、前記組紐状圧電素子が、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、前記鞘部の周囲に設けられた導電層とを備え、前記布帛に対する前記組紐状圧電素子の5cmあたりの引抜き強度が0.1N以上である、布帛状圧電素子。
- 前記布帛を構成する繊維による前記組紐状圧電素子の被覆率が前記布帛の両面とも30%を超える、請求項1記載の布帛状圧電素子。
- 前記布帛に前記組紐状圧電素子が織り込まれる状態または編み込まれる状態で固定された、請求項1または2記載の布帛状圧電素子。
- 2重織り布帛あるいは2重編み布帛の層間に前記組紐状圧電素子が挟み込まれている、請求項1または2記載の布帛状圧電素子。
- 前記布帛から前記組紐状圧電素子が部分的に露出しており、該露出部分において前記組紐状圧電素子の前記導電性繊維および/または前記導電層と他の部材とが電気的に接続されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
- 前記導電層による前記鞘部の被覆率が25%以上である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
- 前記導電層が繊維で形成されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
- 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倍以上、20倍以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
- 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1〜8のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
- 前記布帛は、前記組紐状圧電素子の少なくとも一部と交差して接触する導電性繊維を更に含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載の布帛状圧電素子と、
印加された圧力に応じて前記布帛状圧電素子に含まれる前記導電性繊維から出力される電気信号を検出する電気回路と、
を備えるデバイス。
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