JPWO2018092886A1 - 圧電基材、センサー、アクチュエーター、生体情報取得デバイス、及び圧電繊維構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
上記圧電体におけるヘリカルキラル高分子として、合成ポリペプチド(例えば、ポリ(グルタル酸γ−ベンジル)、ポリ(グルタル酸γ−メチル)等)やポリ乳酸系高分子等の光学活性を有する高分子を用いることが着目されている。中でも、ポリ乳酸系高分子は、機械的な延伸操作のみで圧電性を発現することが知られている。ポリ乳酸系高分子を用いた圧電体においては、ポーリング処理が不要であり、また、圧電性が数年にわたり減少しないことが知られている。
例えば、ポリ乳酸系高分子を含む圧電体として、圧電定数d14が大きく、透明性に優れる圧電体が報告されている(例えば、特許第4934235号公報及び国際公開第2010/104196号参照)。
また、最近、圧電性を有する材料を、導体に被覆して利用する試みもなされている。
例えば、中心から外側に向って順に同軸状に配置された中心導体、圧電材料層、外側導体及び外被から構成される、ピエゾケーブルが知られている(例えば、特開平10−132669号公報参照)。
また、ポリフッ化ビニリデン又はポリ乳酸を含む圧電性高分子からなる繊維を導電性繊維に被覆してなる圧電単位が知られている(例えば、国際公開第2014/058077号参照)。
一方、セルロース、アミロース、天然ポリペプチド(タンパク質)等の天然高分子は光学活性を有し、また自然界で生成する過程で配向を生じるため、圧電性を示すことが知られている(例えば、J.Phys.Soc.Jpn.10(1955)149.、Polym.Phys.18(1980)1609.、及びJ.Phys.Soc.Jpn.12(1957)1158.参照)。
また、特開平10−132669号公報では、上述のように中心から外側に向って順に同軸状に配置された中心導体、圧電材料層、外側導体及び外被から構成されるピエゾケーブルが記載され、圧電材料としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)が記載されている。しかし、PVDFは経時的に圧電定数の変動が見られ、経時により圧電定数が低下する場合がある。また、PVDFは、強誘電体であるため焦電性を有し、このため、周囲の温度変化により圧電信号出力が変動する場合がある。従って、特開平10−132669号公報に記載のピエゾケーブルでは、圧電感度の安定性(経時又は温度変化に対する安定性)、即ち、耐久性が不足する場合がある。
また、国際公開第2014/058077号では、圧電性高分子からなる繊維における圧電性高分子として、ポリフッ化ビニリデン及びポリ乳酸のみが例示され、ポリ乳酸が好ましいとされている。
しかし、ポリ乳酸は生分解性樹脂であり、高温高湿環境で加水分解するため、特に、高い耐久性が要求される分野(例えば、車載の分野)での利用が難しい場合がある。
即ち、本発明の一実施形態における目的は、耐久性に優れた圧電基材、並びに、上記圧電基材を備える、センサー、アクチュエーター、生体情報取得デバイス、及び圧電繊維構造体を提供することである。
<1> 螺旋状に巻回されている長尺状の圧電体を備え、
前記圧電体が、光学活性ポリペプチドを含み、
前記圧電体の長さ方向と、前記圧電体に含まれる前記光学活性ポリペプチドの主配向方向と、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圧電体の配向度Fが0.50以上1.00未満である圧電基材。
配向度F=(180°―α)/180° … 式(a)
〔式(a)中、αは配向由来のピークの半値幅(°)を表す。〕
<2> 前記長尺状の圧電体が、一方向に螺旋状に巻回されている<1>に記載の圧電基材。
<3> 更に、長尺状の芯材を備え、
前記長尺状の圧電体が、前記長尺状の芯材の周りに螺旋状に巻回されている<1>又は<2>に記載の圧電基材。
<4> 前記長尺状の芯材が、導体である<3>に記載の圧電基材。
<5> 前記長尺状の圧電体よりも外周側に外部導体を備え、前記長尺状の芯材と前記外部導体とが電気的に絶縁されている<3>又は<4>に記載の圧電基材。
<6> 芯材を備えない<1>又は<2>に記載の圧電基材。
<7> 前記光学活性ポリペプチドが、βシート構造を有する<1>〜<6>のいずれか1つに記載の圧電基材。
<8> 前記長尺状の圧電体が、前記光学活性ポリペプチドからなる繊維を含む<1>〜<7>のいずれか1つに記載の圧電基材。
<9> 前記光学活性ポリペプチドが、フィブロイン及びクモ糸タンパク質の少なくとも一方を含む<1>〜<8>のいずれか1つに記載の圧電基材。
<10> 前記光学活性ポリペプチドからなる繊維が、シルク及びクモ糸の少なくとも一方を含む<1>〜<9>のいずれか1つに記載の圧電基材。
<11> 前記シルクが、精錬シルクである<10>に記載の圧電基材。
<12> 前記長尺状の圧電体が、前記光学活性ポリペプチドからなる繊維からなり、撚数が500T/m以下である糸である<1>〜<11>のいずれか1つに記載の圧電基材。
<13> 前記長尺状の圧電体が、螺旋角度20°〜70°にて巻回されている<1>〜<12>のいずれか1つに記載の圧電基材。
<14> 最外周に、絶縁体を備える<1>〜<13>のいずれか1つに記載の圧電基材。
<15> <1>〜<14>のいずれか1つに記載の圧電基材を備えるセンサー。
<16> <1>〜<14>のいずれか1つに記載の圧電基材を備えるアクチュエーター。
<17> <1>〜<14>のいずれか1つに記載の圧電基材を備える生体情報取得デバイス。
<18> <1>〜<14>のいずれか1つに記載の圧電基材である第1の圧電基材と、
<1>〜<14>のいずれか1つに記載の圧電基材であって、圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドが前記第1の圧電基材における圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドとキラリティが同一であり、かつ、圧電体の巻回方向が前記第1の圧電基材における圧電体の巻回方向と逆方向である、第2の圧電基材と、
を含む圧電繊維構造体。
<19> <1>〜<14>のいずれか1つに記載の圧電基材である第1の圧電基材と、
<1>〜<14>のいずれか1つに記載の圧電基材であって、圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドが前記第1の圧電基材における圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドとキラリティが異なり、かつ、圧電体の巻回方向が前記第1の圧電基材における圧電体の巻回方向と同一方向である、第2の圧電基材と、
を含む圧電繊維構造体。
また、本発明の一実施形態によれば、上記圧電基材を備えることで抗菌性に優れた圧電繊維構造体及びその製造方法、並びにこの圧電繊維構造体を用いた圧電織物及び圧電編物を提供することができる。
ある実施形態に係る圧電基材は、螺旋状に巻回されている長尺状の圧電体を備え、上記圧電体が、光学活性ポリペプチドを含み、上記圧電体の長さ方向と、上記圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドの主配向方向と、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上記圧電体の配向度Fが0.50以上1.00未満の範囲である。
配向度F=(180°―α)/180° … 式(a)
〔式(a)中、αは配向由来のピークの半値幅(°)を表す。〕
長尺状の圧電体が螺旋状に巻回されていること、
長尺状の圧電体が光学活性ポリペプチドを含むこと、
長尺状の圧電体の長さ方向と長尺状の圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドの主配向方向とが略平行であること、及び、
配向度Fが0.5以上1.0未満の範囲であること
により、圧電性(圧電感度)が発現する。
本明細書において、耐久性に優れるとは、(特に、高温高湿環境下において)圧電感度の低下が抑制されることを意味する。
上記圧電基材は、長尺状の圧電体を備える。
長尺状の圧電体の配向度Fは、0.50以上1.00未満の範囲である。
圧電体の配向度Fは、X線回折測定から下記式(a)によって求められる値であり、c軸配向度を意味する。
〔式(a)中、αは配向由来のピークの半値幅(°)を表す。〕
上記圧電基材において、長尺状の圧電体の配向度Fが0.50以上であることは、圧電性の発現に寄与する。
長尺状の圧電体の配向度Fが1.00未満であることは、圧電体の生産性に寄与する。
長尺状の圧電体の配向度Fは、0.50以上0.99以下であることが好ましく、0.70以上0.98以下であることが更に好ましく、0.80以上0.97以下であることが特に好ましい。
上記圧電体の長さ方向と、上記圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドの主配向方向と、が略平行であることは、圧電体がその長さ方向への引張強度に優れるという利点も有する。従って、圧電体を螺旋状に巻回する際に、圧電体が破断しにくい。
本明細書中において、「略平行」とは、2つの線分のなす角度を0°以上90°以下の範囲で表した場合に、2つの線分のなす角度が、0°以上30°未満(好ましくは0°以上22.5°以下、より好ましくは0°以上10°以下、更に好ましくは0°以上5°以下、特に好ましくは0°以上3°以下)であることを指す。
例えば、圧電体がシルク又はクモ糸である場合、シルク又はクモ糸の生成の過程で、圧電体(シルク又はクモ糸)の長さ方向と、上記圧電体に含まれる光学活性ポリペプチド(例えばフィブロイン又はクモ糸タンパク質)の主配向方向と、が略平行となっている。
また、前述のとおり、光学活性ポリペプチドは耐加水分解性に優れるので、圧電体が光学活性ポリペプチドを含むことは、ポリ乳酸を主成分として含む圧電体と比較して、圧電体及び圧電基材の耐久性に優れる。
また、前述のとおり、光学活性ポリペプチドは焦電性を有しないため、圧電体が光学活性ポリペプチドを含むことは、PVDFを主成分として含む圧電体と比較して、圧電体及び圧電基材の耐久性に優れる。
光学活性ポリペプチドは、圧電性や強度の観点から、βシート構造を有することが好ましい。
光学活性ポリペプチドとしては、光学活性を有する動物性タンパク質(例えば、フィブロイン、セリシン、コラーゲン、ケラチン、エラスチン、クモ糸タンパク質等)が挙げられる。
光学活性ポリペプチドは、フィブロイン及びクモ糸タンパク質の少なくとも一方を含むことが好ましく、フィブロイン及びクモ糸タンパク質の少なくとも一方からなることがより特に好ましい。
ここで、「天然クモ糸タンパク質に由来するもの」とは、天然クモ糸タンパク質が有するアミノ酸の反復配列と同様又は類似のアミノ酸配列を有するものである。
「天然クモ糸タンパク質に由来するもの」として、例えば、組換えクモ糸タンパク質、天然クモ糸タンパク質の変異体、天然クモ糸タンパク質の類似体、又は、天然クモ糸タンパク質の誘導体などが挙げられる。
大吐糸管しおり糸タンパク質としては、アメリカジョロウグモ(Nephila clavipes)に由来する大瓶状腺スピドロインである、MaSp1又はMaSp2、ニワオニグモ(Araneus diadematus)に由来する、ADF3又はADF4などが挙げられる。
小吐糸管しおり糸タンパク質としては、アメリカジョロウグモ(Nephila clavipes)に由来する小瓶状腺スピドロインである、MiSp1、MiSp2が挙げられる。
上記横糸タンパク質としては、例えば、アメリカジョロウグモ(Nephila clavipes)に由来する鞭毛状絹タンパク質(flagelliform silk protein)などが挙げられる。
組換えクモ糸タンパク質は、下記式(1)で示されるアミノ酸配列の単位を2以上(好ましくは4以上、より好ましくは6以上)含んでもよい。
組換えクモ糸タンパク質が下記式(1)で示されるアミノ酸配列の単位を2以上含む場合、2以上のアミノ酸配列の単位は、同一であっても異なっていてもよい。
〔式(1)中、REP1は、主としてアラニンにより構成され(X1)pで表されるポリアラニン領域であり、REP2は、10〜200残基のアミノ酸からなるアミノ酸配列である。〕
(X1)pにおいて、pは、特に限定されるものではないが、好ましくは2〜20の整数,より好ましくは4〜12の整数を示す。
(X1)pにおいて、X1は、アラニン(Ala)、セリン(Ser)、又はグリシン(Gly)を示す。
(X1)pで表されるポリアラニン領域において、アラニンの合計残基数が、上記ポリアラニン領域のアミノ酸の合計残基数の80%以上(より好ましくは85%以上)であることが好ましい。
式(1)中のREP1において、連続して並んでいるアラニンは、2残基以上であることが好ましく、より好ましくは3残基以上であり、さらに好ましくは4残基以上であり、特に好ましくは5残基以上である。
また、式(1)中のREP1において、連続して並んでいるアラニンは、20残基以下であることが好ましく、より好ましくは16残基以下であり、さらに好ましくは12残基以下であり、特に好ましくは10残基以下である。
〔式(2)中、REP3は、(Gly−Gly−Z)mで表されるアミノ酸配列であり、REP4は、(Gly−Ala)lで表されるアミノ酸配列であり、REP5は(Ala)rで表されるアミノ酸配列である。
REP3において、Zは任意の一つのアミノ酸を意味する。
REP3において、mは1〜4であり、REP4において、lは、0〜4であり、REP5において、rは、1〜6である。〕
光学活性ポリペプチドからなる繊維としては、光学活性を有する動物性タンパク質からなる繊維(例えば、シルク、ウール、モヘヤ、カシミア、キャメル、ラマ、アルパカ、ビキューナ、アンゴラ、クモ糸、等)が挙げられる。
光学活性ポリペプチドからなる繊維は、圧電性の観点から、シルク及びクモ糸の少なくとも一方を含むことが好ましく、シルク及びクモ糸の少なくとも一方からなることがより好ましい。
シルクとしては、生糸又は精錬シルクが好ましく、精製シルクが特に好ましい。
ここで、精錬シルクとは、セリシンとフィブロインとの2重構造である生糸からセリシンを取り除いたシルクを意味し、精錬とは、生糸からセリシンを取り除く操作を意味する。生糸の色は艶の無い白色であるが、生糸からセリシンを取り除くこと(即ち、精錬)により、艶の無い白色から光沢がある白銀色へと変化する。また、精錬により、柔らかい風合いが増す。
ここで、「長繊維」とは、圧電基材の長尺方向の一端から他端まで連続して巻回できる長さを有する繊維を意味する。
前述した、シルク、ウール、モヘヤ、カシミア、キャメル、ラマ、アルパカ、ビキューナ、アンゴラ、及びクモ糸は、いずれも長繊維に該当する。
長繊維の中でも、シルク及びクモ糸が、圧電性の観点から、好ましい。
長尺状の圧電体が上記糸を含む場合の態様としては、長尺状の圧電体が1本の上記糸からなる態様、長尺状の圧電体が複数の上記糸の集合体である態様、等が挙げられる。
上記糸は、撚糸であっても無撚糸であってもよいが、圧電性の観点から、撚数が500T/m以下である糸(即ち、撚数500T/m以下の撚糸又は無撚糸(撚数0T/m))であることが好ましい。
無撚糸としては、1本の原糸、複数本の原糸の集合体、等が挙げられる。
上記圧電基材では、螺旋状に巻回されている長尺状の圧電体にずり応力が印加されることにより、電荷が発生する。これにより、圧電性が発現する。
圧電体に対するずり応力は、例えば、
螺旋状に巻回されている長尺状の圧電体全体を螺旋軸方向に引っ張ること、
螺旋状に巻回されている長尺状の圧電体の一部をねじる(即ち、上記圧電体の一部を螺旋軸を軸としてねじる)こと、
螺旋状に巻回されている長尺状の圧電体の一部又は全体を曲げること、
等によって印加することができる。
圧電基材の第1態様は、更に、長尺状の芯材を備え、長尺状の圧電体が、長尺状の芯材の周りに螺旋状に巻回されている態様である。
圧電基材の第2態様は、芯材を備えず、長尺状の圧電体が、仮想の螺旋軸(即ち、螺旋構造の仮想の中心軸)の周りに螺旋状に巻回されている態様である。
第1態様及び第2態様の各々の好ましい態様については、後述の「芯材、外部導体」の項に示す。
ここで、螺旋角度とは、螺旋軸方向(芯材を備える場合には芯材の長さ方向)と、巻回されている圧電体の長さ方向と、のなす角度を意味する(図1A中の螺旋角度β1参照)。
螺旋角度としては、25°〜65°がより好ましく、30°〜60°が更に好ましく、35°〜55°が特に好ましい。
ここで、「一方向に螺旋状に巻回されている」とは、
圧電基材の一端から見たときに、手前側から奥側に向けて左巻き(即ち、反時計回り)となるように、圧電体が螺旋状に巻回されていること、又は、
圧電基材の一端から見たときに手前側から奥側に向けて右巻き(即ち、時計回り)となるように、圧電体が螺旋状に巻回されていることを意味する。
長尺状の圧電体が一方向に螺旋状に巻回されている場合には、発生した電荷の極性が打ち消し合う現象(即ち、圧電性が低下する現象)が抑制される。従って、圧電基材の圧電性がより向上する。
上記圧電体を複数層重ねた態様として、例えば、一方向に螺旋状に巻回されている一層目の圧電体の上に重ねて、二層目の圧電体を上記一方向と同じ方向に螺旋状に巻回した態様が挙げられる。
前記第1の長尺体と前記第2の長尺体とは、交互に交差された組紐構造をなしていてもよい。
また、前記第2の長尺体が圧電体である場合、前記第1の長尺体に含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティと、前記第2の長尺体に含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティと、は同じでもよく、互いに異なっていてもよい。
例えば、圧電体が複数本の原糸の集合体である場合、圧電体は、複数の原糸の集合体を固定するための接着剤を含んでいてもよい。接着剤の好ましい態様は後述する。
(第1態様の圧電基材)
第1態様の圧電基材は、長尺状の芯材を備える。
第1態様の圧電基材では、かかる長尺状の芯材の周りに、長尺状の圧電体が螺旋状に巻回される。
芯材は、導体であってもよいし、非導体であってもよい。
圧電基材が、非導体である芯材を備える態様は、金属線である芯材を備える態様と比較して、変形の繰り返しに対する耐性(即ち、金属線の疲労破壊回避)の点で有利である。
非導体である芯材としては、導電性を有さない芯材であれば特に限定はないが、例えば、ポリアミド樹脂(例えば、ナイロン樹脂、アラミド樹脂)、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリウレタン樹脂等のポリマー樹脂;セルロース系樹脂;ガラス、シリカゲル、セラミックス等の無機材料;が挙げられる。これらの材料は、1種のみ用いてもよいし、2種以上含有用いてもよい。
非導体である芯材としては、単数又は複数の束からなる繊維形状を有する芯材であることが好ましい。
繊維形状を有する芯材としては、例えば、糸(モノフィラメント糸、マルチフィラメント糸)が挙げられる。
圧電基材が、導体である芯材を備える態様は、導体である芯材を通じ、圧電体から電気的信号(電圧信号又は電荷信号)を取り出しやすいという利点を有する。
また、この態様は、同軸ケーブルに備えられる内部構造(内部導体及び誘電体)と同一の構造となるため、例えば、この態様の圧電基材を同軸ケーブルに適用した場合、電磁シールド性が高く、ノイズに強い構造となり得る。
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、有機導電材料等が挙げられる。
錦糸線とは、繊維に銅箔がスパイラル状に巻回されたものを意味する。
導体の中でも、圧電感度を向上し、高い屈曲性を付与する観点から、錦糸線、カーボンファイバーが好ましい。
錦糸線の形態は、繊維に対して、銅箔がらせん状に巻回された構造を有するが、電気伝導度の高い銅が用いられていることにより出力インピーダンスを低下することが可能となる。従って、芯材として錦糸線を用いることにより、圧電基材の圧電性がより向上する。
また、上記圧電基材を繊維として用い、圧電織物又は圧電編物を製造する場合は、しなやかさ、高屈曲性が求められる。そのような用途においては、糸状又は繊維状の信号線導体が好ましい。糸状又は繊維状の信号線導体を備える圧電基材は、高い屈曲性を有するため、織機又は編機での加工が好適である。
この態様では、外部導体によって圧電基材の内部(圧電体、及び、導体である芯材)を静電シールドすることができるので、圧電基材の外部の静電気の影響による、導体である芯材の電圧変化又は電荷変化が抑制される。
従って、圧電基材において、より安定した圧電性が得られる。
外部導体には、グラウンド電位に接続されることが好ましい。
例えば、矩形断面を有する外部導体の材料としては、円形断面の銅線を圧延して平板状に加工した銅箔リボンや、Al箔リボンなどを用いることができる。
例えば、円形断面を有する外部導体の材料としては、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、錦糸線を用いることができる。
また、外部導体の材料として、有機導電材料を絶縁材料でコーティングしたものを用いてもよい。
導体である芯材及び圧電体の包み方としては、銅箔などを螺旋状に巻回して包む方法や、銅線などを筒状の組紐にして、その中に包みこむ方法などを選択することができる。
なお、上記包み方は、これら方法に限定されない。
導体である芯材及び圧電体を包み込むことにより、静電シールドの効果をより高めることができる。
また、外部導体の配置は、第1態様の圧電基材の最小基本構成単位(即ち、導体及び圧電体)を円筒状に包接するように配置することも好ましい形態の一つである。
また、例えば、上記最小基本構成単位を備えた圧電基材を用いて、後述する圧電編物や圧電織物をシート状に加工した場合、その加工物の対向する片面又は両面に、面状又はシート状の導体を近接して配置することも好ましい形態の一つである。
第2態様の圧電基材は、芯材を備えない。
第2態様の圧電基材では、仮想の螺旋軸の周りに、長尺状の圧電体が螺旋状に巻回される。仮想の螺旋軸は、言い換えれば、圧電体により形成される螺旋構造の中心軸である。
芯材を備えない第2態様の圧電基材は、屈曲性及び可撓性(しなやかさ)の面で有利である。また、金属線である芯材を備える態様と比較して、変形の繰り返しに対する耐性(即ち、金属線の疲労破壊回避)の点で有利である。
第2態様の圧電基材の態様としては、圧電体により形成される螺旋構造において、螺旋軸の周りに空間(隙間)が存在しないか又は存在しないに等しい態様;螺旋軸の周りに所定の空間が存在する態様が挙げられる。
螺旋軸の周りの空間の大きさを調整する方法としては、例えば、圧電体の巻回方法を調整する方法;特定の作用で溶ける繊維(例えば水に溶ける糸)の周りに圧電体を巻回した後、経時で繊維が溶ける、又は、繊維を水で溶解除去する方法;芯材の周りに圧電体を巻回した後、上記芯材を除去する方法が挙げられる。なお、上記繊維の長軸径又は上記芯材の長軸径は、空間の態様に応じて適宜選択することができる。
圧電基材は、最外周(例えば、圧電基材が外部導体を備える場合には外部導体よりも更に外周側)に、絶縁体を備えていてもよい。
圧電基材が最外周に絶縁体を備える場合には、外部からの、液体(水、汗など)、ほこりなどの浸入等を抑制できる。これにより、圧電基材の耐久性がより向上する。
絶縁体が設けられる前の圧電基材に対し、長尺状の絶縁体を巻回する方法;
円筒形状の絶縁体(例えば熱収縮チューブ)の内部空間に絶縁体が設けられる前の圧電基材を配置し、次いで熱によって円筒形状の絶縁体を収縮させて密着させる方法;
絶縁性の溶融樹脂で被覆して冷却固化させる方法;
絶縁性の樹脂塗工液をコーティングして固化させる方法;
等が挙げられる。
圧電基材は、接着剤を含んでいてもよい。
圧電基材が接着剤を含む態様では、少なくとも、螺旋状に巻回されている圧電体を機械的に一体化させることができる。
また、圧電基材が芯材等の圧電体以外の部材(芯材、外部導体、等)を備える場合には、接着剤により、圧電体と圧電体以外の部材とを一体化させることもできる。
圧電体(又は、圧電体及び圧電体以外の部材)を機械的に一体化させることにより、圧電基材に力が印加された場合に、圧電基材中の圧電体に力が作用しやすくなる。従って、圧電性がより向上する。
圧電基材は、上述した各要素以外のその他の要素を備えていてもよい。
その他の要素として、例えば、長尺状の圧電体以外の繊維が挙げられる。
上記圧電基材では、長尺状の圧電体とともに、長尺状の圧電体以外の繊維が巻回されていてもよい。
また、第1態様の圧電基材において、導体である芯材を用いる場合、導体である芯材と、圧電体との間に、絶縁層を備えていてもよい。
また、圧電基材には公知の取出し電極を接合することができる。取出し電極としては、コネクター等の電極部品、圧着端子などが挙げられる。電極部品は、半田付けなどのろう付け、導電性接合剤等により圧電基材と接合することができる。
なお、全図面を通じ、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略することがある。
図1Aは、具体例Aに係る圧電基材を模式的に示す概略側面図であり、図1Bは、図1AのX−X’線断面図である。
具体例Aは、第1態様の圧電基材(芯材を備える圧電基材)のうち、外部導体を備えない態様の具体例である。
ここで、螺旋角度β1は、側面視において、螺旋軸G1の方向(この例では芯材12Aの軸方向)と、圧電体14Aの長さ方向と、のなす角度である。
この圧電基材10では、圧電体14Aは、芯材12Aに対して左巻きで巻回している。具体的には、圧電基材10を芯材12Aの軸方向の一端側(図1Aの右端側)から見たときに、圧電体14Aは、芯材12Aの手前側から奥側に向かって左巻きで巻回している。
また、図1A中、圧電体14Aに含まれる光学活性ポリペプチドの主配向方向は、両矢印E1で示されている。即ち、光学活性ポリペプチドの主配向方向と、圧電体14Aの長さ方向とが、略平行となっている。
圧電基材10では、各部材(芯材12A及び圧電体14A)間に接着剤(不図示)が含浸されることにより、各部材が一体化(固定化)されていてもよい。
例えば、圧電基材10の長さ方向に張力が印加されると、圧電体14Aに含まれる光学活性ポリペプチドにずり応力が加わり、光学活性ポリペプチドは分極する。この光学活性ポリペプチドの分極は、図1B中、矢印で示されるように、圧電基材10の径方向に位相が揃えられて生じると考えられる。これにより、圧電基材10の圧電性が発現する。
図2は、具体例Bに係る圧電基材を模式的に示す概略側面図である。
具体例Bは、第1態様の圧電基材(芯材を備える圧電基材)のうち、外部導体を備える態様の具体例である。
外部導体22の好ましい態様は前述のとおりである。外部導体22は、例えば、芯材12Bの周りに螺旋状に巻回されている圧電体14Aの周りに、銅箔リボンを螺旋状に巻回することによって形成される。
圧電基材20では、各部材(芯材12B、圧電体14A、及び外部導体22)間に接着剤(不図示)が含浸されることにより、各部材が一体化(固定化)されていてもよい。
図2に示されるように圧電基材20では、側面視において、圧電体14Aの巻回体(即ち、螺旋状に巻回された圧電体14A)の端部と外部導体22の端部との位置がずれている。これにより、芯材12Bと外部導体22とが確実に絶縁されるようになっている。但し、これらの端部の位置は必ずしもずれている必要はなく、導体である芯材と外部導体とが電気的に絶縁されている限りにおいて、これらの端部の位置は側面視において重なる位置であってもよい。
更に、圧電基材20は、導体である芯材12Bを備えるので、圧電体14Aに生じた電気的信号(電圧信号又は電荷信号)を、芯材12Bを介してより容易に取り出すことができる。
更に、圧電基材20は外部導体22を備えるので、外部導体22によって圧電基材20の内部(圧電体14A、及び、導体である芯材12B)を静電シールドすることができる。このため、圧電基材20の外部の静電気の影響による、芯材12Bの電圧変化を抑制でき、その結果、より安定した圧電性が得られる。
外部導体22が省略されている場合においても、導体である芯材12Bによる作用効果が奏されることは言うまでもない。
また、外部導体22が省略されている場合においても、同軸ケーブルに備えられる内部構造(内部導体及び誘電体)と同一の構造となるため、同軸ケーブルに適用した場合、電磁シールド性が高く、ノイズに強い構造となり得る。
図3は、具体例Cに係る圧電基材を模式的に示す概略側面図である。
具体例Cは、第2態様の圧電基材(芯材を備えない圧電基材)の具体例である。
圧電基材30では、圧電体14Aの巻回体(即ち、螺旋状に巻回された圧電体14A)における、隣接する圧電体14A同士の端部間に、接着剤(不図示)が含浸されることにより、圧電体14Aの巻回体が一体化(固定化)されていてもよい。
前述のとおり、圧電基材30中、圧電体14Aにより形成される螺旋構造において、螺旋軸の周りには、空間(隙間)が存在してもよいし、存在していなくてもよい。
また、圧電基材30は、芯材を備えないため、屈曲性及び可撓性(しなやかさ)の面で有利である。
また、圧電基材30は、芯材を備えないため、金属線である芯材を備える態様と比較して、変形の繰り返しに対する耐性(即ち、金属線の疲労破壊回避)の点で有利である。
図4は、具体例Dに係る圧電基材を模式的に示す概略側面図である。
具体例Dは、第1態様の圧電基材(芯材を備える圧電基材)のうち、圧電体と圧電体以外の繊維とが交互に交差された組紐構造をなしている具体例である。
そして図4に示すように、具体例Dの圧電基材40では、芯材12Aの螺旋軸G1に対し、圧電体14Aが螺旋角度β1で左巻きに螺旋状に巻回され、繊維14Bが螺旋角度β2で右巻きに螺旋状に巻回されると共に、圧電体14A及び繊維14Bが交互に交差されている。
また、図4中、圧電体14Aに含まれる光学活性ポリペプチドの主配向方向は、両矢印E1で示されている。即ち、光学活性ポリペプチドの主配向方向と、圧電体14Aの長さ方向とが、略平行となっている。
圧電基材40では、各部材(芯材12A、圧電体14A、及び繊維14B)間に接着剤(不図示)が含浸されることにより、各部材が一体化(固定化)されていてもよい。
また、圧電基材40は、組紐構造を有しているため、耐久性(例えば、圧電体14Aを螺旋状に巻回した状態を維持しやすいこと等)の面で有利である。
本開示の圧電基材の用途には特に制限はない。
圧電基材の用途としては、力センサー、圧力センサー、変位センサー、変形センサー、モーションセンサー、振動センサー、衝撃センサー、超音波センサー、アクチュエーター、エネルギーハーベスター等が挙げられる。
力センサーとしては、着座センサー;ラケット、ゴルフクラブ、バット等の各種球技用スポーツ用具の打撃時の加速度センサー又はインパクトセンサー;ぬいぐるみのタッチ・衝撃センサー;ベッドの見守りセンサー;ガラスや窓枠等のセキュリティセンサー;等が挙げられる。
モーションセンサーとしては、ヘルスケア関連用品(例えば、Tシャツ、スポーツウェア、スパッツ、靴下等の各種衣類;サポーター;ギプス;おむつ;乳幼児用手押し車のシート;車いす用シート;医療用保育器のマット;靴;靴の中敷;時計等)に圧電基材を配設したウェアラブルモーションセンサー等が挙げられる。
アクチュエーターとしては、シート搬送用デバイス等が挙げられる。
エネルギーハーベスターとしては、発電ウエア、発電靴等が挙げられる。
配設方法としては、例えば、圧電基材を対象物に縫い込む、対象物で挟み込む、対象物に粘接着剤で固定する等の各種方法が挙げられる。
圧電基材は、上述した用途以外のその他の用途に用いることもできる。
その他の用途としては、寝返り検知のための寝具、移動検知のためのカーペット、移動検知のためのインソール、呼吸検知のための胸部バンド、呼吸検知のためのマスク、りきみ検知のための腕バンド、りきみ検知のための足バンド、着座検知のための着座シート、接触状態を判別できる、ぬいぐるみ、ぬいぐるみ型ソーシャルロボット等が挙げられる。接触状態を判別できる、ぬいぐるみ、ぬいぐるみ型ソーシャルロボット等では、例えば、ぬいぐるみ等に局所的に配置された接触センサーによって圧力変化を検出し、人がぬいぐるみ等を「撫でた」のか「たたいた」のか「ひっぱった」のか等の各動作を判別することができる。
ある実施形態に係るセンサーは、上述した圧電基材を備える。
上記センサーは、上述した圧電基材を備えるので、耐久性に優れる。
また、ある実施形態に係るアクチュエーターは、上述した圧電基材を備える。
上記アクチュエーターは、上述した圧電基材を備えるので、耐久性に優れる。
ある実施形態に係る圧電織物は、織物構造体を備える。
織物構造体は、縦糸及び横糸からなる。
上記圧電織物では、上記縦糸及び横糸の少なくとも一方が、前述の圧電基材を含む。
従って、上記圧電織物によれば、前述の圧電基材と同様の効果が奏される。
ここで、織物とは、糸を交錯させて織物構造体を形成することによりフィルム形状に仕上げたもの全般を指す。圧電織物とは、織物の中でも、外部刺激(例えば物理力)によって圧電効果が発現される織物をいう。
この態様の場合、圧電感度、及び圧電出力の安定性を向上する観点から、縦糸に含まれる圧電体の巻回方向と、横糸に含まれる圧電体の巻回方向とが互いに異なり、かつ、縦糸に含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティと、横糸に含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティとが同一であることが好ましい。
又は、縦糸に含まれる圧電体の巻回方向と、横糸に含まれる圧電体の巻回方向とが同一であり、かつ、縦糸に含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティと、横糸に含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティとが互いに異なることが好ましい。
高分子を含む糸における高分子としては、ポリエステル、ポリオレフィン等の一般的な高分子が挙げられる。
また、高分子を含む糸の概念には、前述の圧電基材も包含される。
織物構造体としては、平織(plain weave)、綾織(twill weave)、朱子織(satin weave)等の基本的な構造体が挙げられる。
圧電基材は、圧電織物中の縦糸として用いても横糸として用いてもよく、また、縦糸の一部として用いてもよく、横糸の一部として用いてもよい。
三次元的構造を有する織物の例は、例えば、特表2001−513855号公報に記載されている。
ある実施形態に係る圧電織物では、織物構造体を構成する糸のうちの少なくとも一部が、前述の圧電基材で構成されていればよい。
ある実施形態に係る圧電編物は、編物構造体を備える。編物構造体は、前述の圧電基材を含む。
従って、上記圧電編物によれば、前述の圧電基材と同様の効果が奏される。
ここで、編物とは、糸でループを作りながら編み合わせて製造されたもの全般を指す。圧電編物とは、編物の中でも、外部刺激(例えば物理力)によって圧電効果が発現される編物をいう。
高分子を含む糸における高分子としては、ポリエステル、ポリオレフィン等の一般的な高分子が挙げられる。
また、高分子を含む糸の概念には、前述の圧電基材も包含される。
編物構造体としては、緯編み(ヨコ編み)や経編み(タテ編み)等の基本的な構造体が挙げられる。緯編みには、平編み、リブ編み、両面編み、パール編み、丸編み等がある。また、経編みには、トリコット編み、アトラス編み、ダイヤモンド編み、ミラニーズ編み等の基本的な構造体が挙げられる。
圧電基材は、圧電編物中の糸として用いればよく、また、糸の一部として用いてもよい。
ある実施形態に係る圧電編物では、編物構造体を構成する糸のうちの少なくとも一部が、前述の圧電基材で構成されていればよい。
ある実施形態に係る圧電デバイスは、上記圧電織物と、織物構造体の主面に対向する位置に配置された圧電デバイス用外部導体と、を備える。
又は、ある実施形態に係る圧電デバイスは、上記圧電編物と、編物構造体の主面に対向する位置に配置された圧電デバイス用外部導体と、を備える。
即ち、圧電デバイスは、圧電基材を含む圧電織物を備えるか、又は、圧電基材を含む圧電編物を備える。
従って、上記圧電デバイスによれば、前述の圧電基材と同様の効果が奏される。
圧電デバイス用外部導体は、グラウンド導体であることが好ましい。
グラウンド導体の材料には特に限定はないが、例えば、前述の圧電基材に備えられ得る外部導体と同様の材料が挙げられる。
また、圧電デバイス用外部導体は、一般的に用いられている電極材料を用いることもできる。
電極材料としては、金属(Al等)が挙げられるが、その他にも、例えば、Ag、Au、Cu、Ag−Pd合金、Agペースト、Cuペースト、カーボンブラック、ITO(結晶化ITO及び非晶ITO)、ZnO、IGZO、IZO(登録商標)、導電性ポリマー(ポリチオフェン、PEDOT)、Agナノワイヤー、カーボンナノチューブ、グラフェン等も挙げられる(なお、第1の外部導体の材料と重複する材料を含む)。
なお、圧電デバイス用外部導体の形状は特に制限されず、目的に応じて、適宜選択することが好ましい。
これにより、導体(好ましくは内部導体)及び外部導体間の電気的短絡の発生を抑制しやすい構造となる。
圧電デバイス用絶縁体には特に限定はないが、例えば、前述の圧電基材に備えられ得る絶縁体として例示した材料が挙げられる。
なお、圧電デバイス用絶縁体の形状は特に制限されず、目的に応じて、適宜選択することが好ましい。
圧電基材、圧電織物、及び圧電編物の用途としては、生体情報取得デバイスも好ましい。
即ち、ある実施形態に係る生体情報取得デバイスは、前述の圧電基材、前述の圧電織物、又は前述の圧電編物を含む。
上記生体情報取得デバイスは、上記圧電基材、上記圧電織物、又は上記圧電編物によって、被験者又は被験動物(以下、これらをまとめて「被験体」ともいう)の生体信号を検出することにより、被験体の生体情報を取得するためのデバイスである。
ここでいう生体信号としては、脈波信号(心拍信号)、呼吸信号、体動信号、心弾動、生体振戦、等が挙げられる。
生体振戦とは、身体部位(手指、手、前腕、上肢など)の律動的な不随意運動のことである。
即ち、心臓が大動脈及び肺動脈に血液をポンピングする場合、体は、血流と反対の方向に反動力を受ける。この反動力の大きさ及び方向は、心臓の機能的な段階とともに変化する。この反動力は、身体の外側の心弾動をセンシングすることによって検出される。
生体情報取得デバイスが配設される物品としては、履物、インソール、シーツ、座布団、クッション、布団、布団カバー、枕、枕カバー、ソファー、イス、シート、座席、便座、ベッド、カーペット、バスタブ、床材等、被験体の体重がかかる物品が好ましい。より具体的には、乳幼児用手押し車のシート、座席部、車輪、乳幼児の転落を防止するためのストッパー等;車いす用のシート、座席部等;医療用保育器のマット;等が好ましい。
生体情報取得デバイスは、例えばベッド上又はイスの座面上などに配設される。この生体情報取得デバイス上に被験体が、横臥、着座、又は起立する。この状態で、被験体から発せられる生体信号(体動、周期的な振動(脈、呼吸など)、人間の「かわいい」、「怖い」などの感性が原因で変化した心拍数等)によって、生体情報取得デバイスの圧電基材、圧電織物、又は圧電編物に張力が付与されると、これらの圧電基材、圧電織物、又は圧電編物に含まれる光学活性ポリペプチドに分極が生じ、前記張力に比例した電位が発生する。この電位は被験体から発せられる生体信号に伴って経時的に変化する。例えば、被験体から発せられる生体信号が、脈、呼吸などの周期的な振動である場合には、圧電基材、圧電織物、又は圧電編物にて発生する電位も、周期的に変化する。
上記圧電基材、圧電織物、又は圧電編物への張力の付与に伴って発生した電位の経時的な変化を、電圧信号として測定モジュールにより取得する。取得される電位の経時的な変化(圧電信号)は、複数の生体信号(脈波信号(心拍信号)、呼吸信号、体動信号)の合成波である。この合成波をフーリエ変換によって周波数ごとに分離し、分離信号を生成する。生成した分離信号の各々を逆フーリエ変換することにより、分離信号の各々に対応する生体信号をそれぞれ得る。
一般に、人の脈は一分間当たり50〜90回であって周期としては0.6〜3Hzである。また、一般に、人の呼吸は一分間当たり16〜18回であって周期としては0.1〜1Hzである。また、一般に、人の体動は10Hz以上である。
これらの目安に基づき、複数の生体信号の合成波を、それぞれの生体信号に分離することができる。例えば、前記合成波を呼吸信号及び心拍信号に分離することができる。さらに心拍信号から速度脈波の信号を得ることもできる。
複数の生体信号の合成波のそれぞれの生体信号への分離は、例えば生体信号報知プログラムを用い、上記フーリエ変換及び上記逆フーリエ変換によって行う。
生体信号データは、生体信号に基づいて算出されたものであれば、特に限定されない。 生体信号データとしては、例えば、単位時間当たりの生体信号数、過去の生体信号数の平均値などが挙げられる。
第3態様に係る圧電繊維構造体は、前述の圧電基材である第1の圧電基材(以下「圧電基材3A」ともいう)と、前述の圧電基材であって、圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドが圧電基材3Aの圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドとキラリティが同一であり、かつ、圧電体の巻回方向が圧電基材3Aにおける圧電体の巻回方向と逆方向である、第2の圧電基材(以下「圧電基材3B」ともいう)と、を含む。
すなわち、第3態様に係る圧電繊維構造体は、圧電基材3A及び圧電基材3Bを含む。そして、圧電基材3A及び圧電基材3Bのいずれもが、螺旋状に巻回され光学活性ポリペプチドを含む長尺状の圧電体を備え、圧電体の長さ方向と光学活性ポリペプチドの主配向方向とが略平行であり、かつ、圧電体の配向度Fが0.50以上1.00未満である。また、第3態様に係る圧電繊維構造体に含まれる圧電基材3Aと圧電基材3Bとを比較すると、圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティが同一であり、かつ、圧電体の巻回方向が逆方向である。
すなわち、第4態様に係る圧電繊維構造体は、圧電基材4A及び圧電基材4Bを含む。そして、圧電基材4A及び圧電基材4Bのいずれもが、螺旋状に巻回され光学活性ポリペプチドを含む長尺状の圧電体を備え、圧電体の長さ方向と光学活性ポリペプチドの主配向方向とが略平行であり、かつ、圧電体の配向度Fが0.50以上1.00未満である。また、第4態様に係る圧電繊維構造体に含まれる圧電基材4Aと圧電基材4Bとを比較すると、圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティが互いに異なり、かつ、圧電体の巻回方向が同一方向である。
つまり、第3態様又は第4態様に係る圧電繊維構造体は、圧電基材(A)と、圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドが圧電基材(A)の圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドとキラリティが同一であり圧電体の巻回方向が圧電基材(A)の圧電体の巻回方向と逆方向であるか、又は、圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドが圧電基材(A)の圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドとキラリティが異なり圧電体の巻回方向が圧電基材(A)の圧電体の巻回方向と同一方向である、圧電基材(B)と、を含む。
圧電基材が芯材を有しない圧力基材(すなわち、前述の第2態様に係る圧力基材)である場合、光学活性ポリペプチドを含む長尺状の圧電体を、撚糸又は捲縮等により、仮想の螺旋軸に螺旋状に巻回された状態とすることで製造することができる。
また、圧力基材が芯材を有する基材(すなわち、前述の第1態様に係る圧力基材)である場合、芯材に対して光学活性ポリペプチドを含む長尺状の圧電体をカバーリングすることで製造することができる。
例えば、第3態様に係る圧力繊維構造体に張力を印加すると、圧電基材3Aの表面が帯電するとともに、圧電基材3Bの表面が圧電基材3Aとは逆の電位に帯電することにより、圧電基材3Aと圧電基材3Bとの界面に強い電界が発生する。そして、この発生した強電界に細菌等が存在する場合、強電界により細菌等の細胞膜が破壊されるため、第3態様に係る圧電繊維構造体は抗菌作用を奏する。
同様に、第4態様に係る圧力繊維構造体に張力を印加すると、圧電基材4Aの表面と圧電基材4Bの表面とが互いに逆の電位に帯電し、圧電基材4Aと圧電基材4Bとの界面に強い電界が発生することで、抗菌作用を奏する。
また、第4態様に係る圧電繊維構造体では、圧電基材4A及び圧電基材4Bにおける圧電体の巻回方向が同一であればよく、圧電基材4A及び圧電基材4Bの両方がS巻き型であってもよく、圧電基材4A及び圧電基材4Bの両方がZ巻き型であってもよい。
圧電繊維構造体は、圧電基材(A)と圧電基材(B)とが撚り合わされたものでもよく、引き揃えられたものでもよい。
長尺状である圧電繊維構造体としては、例えば、圧電基材(A)及び圧電基材(B)を撚り合わせたもの、引きそろえたもの、交互に交差された組紐構造をなしているもの等が挙げられる。
圧電繊維構造体は、これらの中でも、抗菌作用の観点から、圧電基材(B)が圧電基材(A)に沿って配置された圧電繊維構造体(例えば、圧電基材(A)と圧電基材(B)とを撚り合わせたもの又は引きそろえたもの等)が好ましい。また、圧電繊維構造体は、耐久性等の観点から、圧電基材(A)と圧電基材(B)とを撚り合わせた圧電繊維構造体がさらに好ましい。
なお、後述する図5では、圧電基材3Aと圧電基材3Bとを構造体軸に対してZ巻きに巻回させた第3態様に係る圧電繊維構造体の例を示している。
なお、上記「圧電基材(A)の螺旋角度」及び「圧電基材(B)の螺旋角度」は、圧電繊維構造体における構造体軸に対する角度を意味する。また、「構造体軸」は、圧電基材(A)と圧電基材(B)とが螺旋状に巻回された圧電繊維構造体において、圧電基材(A)及び圧電基材(B)により形成される螺旋構造の中心軸を意味する。
圧電繊維構造体の製造方法としては、例えば、圧電基材(A)及び圧電基材(B)を引き揃えて製造する方法、撚糸又は捲縮等により圧電基材(A)及び圧電基材(B)を巻回させて製造する方法等が挙げられる。
非導電性の芯材の形状(長尺状)、長軸径には特に限定はないが、非導電性芯材としては、単数又は複数の束からなる繊維形状を有する芯材であることが好ましい。
繊維形状を有する芯材としては、例えば、糸(モノフィラメント糸、マルチフィラメント糸)が挙げられる。
以下、圧電繊維構造体の一例として、前記第3態様に係る圧電繊維構造体の具体的態様について、図を用いて説明する。
図5に示すように、具体的態様の圧電繊維構造体50は、圧電基材50A及び圧電基材50Bが、同じ旋回軸G2で、かつ同じ周回数にて、互いに捩り合わされている。より詳細には、圧電繊維構造体50では、圧電基材50Aが旋回軸G2に対し、右巻きで螺旋状に巻回されている。
ここで、「右巻き」とは、圧電繊維構造体50を旋回軸G2の方向の一端側(図5の場合、右端側)から見たときに、圧電基材50Aが旋回軸G2の手前側から奥側に向かって右巻きで巻回していることを意味する。
図5は、圧電基材50B及び圧電基材50Aが周回数「3」で捩られている。この場合、図5中、圧電繊維構造体50の長さL1あたりの周回数は「3」であり、1周回あたりの圧電基材50A間の距離(圧電基材50B間の距離も同義)はL2である。また、図5中、旋回軸G2と圧電基材50Aの長さ方向のなす角度(すなわち、螺旋角度)はβ3である。
また、圧電基材50Bも同様に、仮想の螺旋軸G1Bの周りに、長尺状の圧電体54Bが螺旋状に巻回されたものである。そして、圧電体54Bは、圧電体54Aと同様に、光学活性ポリペプチドを含み、圧電体54Aの長さ方向と光学活性ポリペプチドの主配向方向とが略平行であり、かつ、圧電体の配向度Fが0.50以上1.00未満である。
さらに、圧電体54Aに含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティと、圧電体54Bに含まれる光学活性ポリペプチドのキラリティとが同一であり、かつ、圧電体54Aの巻回方向と圧電体54Bの巻回方向が逆方向である。具体的には、圧電基材50AがS巻き型であり(つまり、圧電体54Aが螺旋軸G1Aの周りにS巻きに巻回されており)、圧電基材50BがZ巻き型である(つまり、圧電体54Bが螺旋軸G1Bの周りにZ巻きに巻回されている)。
表1中の「巻回方向」は、各圧電基材における圧電体の巻回方向を示し、「アミノ酸」は、各圧電基材の圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドを構成するアミノ酸を意味する。
縦糸及び横糸の少なくとも一方が上記圧電繊維構造体を含む圧電織物によれば、上記圧電繊維構造体の効果と同様の効果が奏される。
圧電織物は、縦糸及び横糸の両方に上記圧電繊維構造体を含んでもよい。
糸が上記圧電繊維構造体を含む圧電編物によれば、上記圧電繊維構造体の効果と同様の効果が奏される。
<圧電体の準備>
圧電体として、シルクとして、生糸(27デニール原糸)を準備した。
ここで、生糸は、光学活性ポリペプチドからなる長繊維である。また、上記生糸(27デニール原糸)は、無撚糸(撚数0T/m)である(以上、表2参照)。
27デニール原糸の太さは、0.06〜0.04mmである。
広角X線回折装置(リガク社製 RINT2550、付属装置:回転試料台、X線源:CuKα、出力:40kV 370mA、検出器:シンチレーションカウンター)を用い、上記生糸(圧電体)をホルダーに固定し、結晶面ピーク[2θ=20°]の方位角分布強度を測定した。
得られた方位角分布曲線(X線干渉図)において、ピークの半値幅(α)から、下記式(a)により、上記生糸(圧電体)の配向度F(c軸配向度)を算出した。
配向度(F)=(180°−α)/180° … (a)
(αは配向由来のピークの半値幅)
導体である芯材として、明清産業社製の錦糸線「U24−01−00」(線径0.26mm、長さ200mm)を準備した。
上記芯材の両端の各々に圧着端子をかしめることにより、上記芯材の両端の各々に、電気的且つ機械的接続部を設けた。この際、2つの圧着端子間の距離は150mmとした。
次に、上記芯材の周りに上記生糸(圧電体)を、芯材が露出しないように隙間なく螺旋状に巻回した。
ここで、生糸の螺旋角度(即ち、芯材の長軸方向に対する生糸の長さ方向の角度)は45°とし、生糸の巻回方向は左巻き(即ち、芯材の一端側から見て、手前側から奥側に向かって左巻き)とした。
次に、外部導体として、幅0.6mmにスリットカットした銅箔リボンを準備した。この銅箔リボンを、芯材の周りに巻回した生糸の周りに、生糸が露出しないように隙間無く巻回した。ここで、銅箔リボンの螺旋角度及び巻回方向は、いずれも生糸の螺旋角度(45°)及び巻回方向(左巻き)と同様とした。また、銅箔リボンは、2つの圧着端子に接触しないように巻回した。
次に、接着剤として東亞合成社製のアロンアルファ(シアノアクリレート系接着剤)を滴下し、含浸させることにより、芯材と生糸と銅箔リボンとを接合し、これらを機械的に一体化させた。
以上により、圧電基材を得た。
エレクトロメーターを用い、以下の方法により、上記圧電基材の圧電感度(pC/N・mm)を測定した。
結果を表2に示す。
上記圧電基材を、チャック間距離を150mmとした引張試験機(株式会社エー・アンド・デイ社製テンシロンRTG1250)にチャックした。詳細には、一方のチャック部材によって圧電基材の一端側の圧着端子(電気的且つ機械的接続部)をチャックし、他方のチャック部材によって圧電基材の他端側の圧着端子(電気的且つ機械的接続部)をチャックした。また、エレクトロメータ(ケースレー社製617)の電荷量測定用電極を圧電基材の圧着端子に接続し、エレクトロメータ(ケースレー社製617)のグラウンド電極を圧電基材の外部導体(銅箔リボン)に接続した。
次に、引張試験機で、圧電基材に対して張力を、1N〜2Nの応力範囲で0.2Hzで周期的に三角波状に繰り返し印加し、その時の圧電体(生糸)の芯材側に発生する電荷量をエレクトロメータ(ケースレー社製617)で測定した。
測定した発生電荷量Q[C]をY軸とし、圧電基材の引張力F[N]をX軸としたときの散布図の相関直線の傾きから、単位引張力当たりの発生電荷量を算出し、算出値を圧着端子間距離で除して圧電感度(pC/N・mm)とした。
上記「圧電基材の圧電感度の測定(エレクトロメータ)」において初期の圧電感度(pC/N・mm)を測定した後に、85℃85%RHに保った恒温恒湿器内に圧電基材の試験片を吊り下げ、所定時間(192時間)保持した。そして、この試験片について、上記「圧電基材の圧電感度(pC/N・mm)の測定方法(エレクトロメータ)」と同じ方法で圧電感度(pC/N・mm)を測定し、「環境試験後の感度(pC/N・mm)」とした。結果を表2に示す。
なお、表2中、「−」は、耐湿熱性の評価を行っていないことを示す。
生糸の巻回方向(左巻き又は右巻き)及び螺旋角度の組み合わせを、表2に示す組み合わせに変更したこと以外は実施例1と同様の操作を行った。
結果を表2に示す。
生糸(27デニール原糸)を精錬シルクに変更したこと以外は実施例2と同様の操作を行った。
結果を表2に示す。
精錬シルクとしては、生糸(27デニール原糸)からセリシンを除去した精錬シルク(マルチフィラメント;88デニール;太さ0.12〜0.30mm;撚数 左150T/m)を用いた。
精錬シルクの撚数を表2に示すように変更したこと以外は実施例7と同様の操作を行った。
結果を表2に示す。
生糸をコットン(ユザワヤ商事株式会社製クィーンパールレース糸#20(4本の原糸が撚り合わさった糸)から取り出した原糸)に変更したこと以外は実施例1と同様の操作を行った。
結果を表2に示す。
ここで、コットンは、セルロースからなる短繊維である。また、コットンは、撚糸である(以上、表2参照)。
生糸(27デニール原糸)を、下記方法により製造されたポリ乳酸フィルムをマイクロスリットすることにより作製した幅0.6mmの長尺平板形状のスリットリボンに変更したこと以外は実施例1と同様の操作を行った。
結果を表2に示す。
ヘリカルキラル高分子(A)として、NatureWorks LLC社製のポリ乳酸(品名:IngeoTM biopolymer、銘柄:4032D、重量平均分子量Mw:20万、融点(Tm):166℃、ガラス転移温度(Tg):57℃〜60℃)を用意した。上記ポリ乳酸(100質量部)と下記安定化剤X(1.0質量部)とをドライブレンドして原料を作製した。
得られた原料を押出成形機ホッパーに入れ、220℃〜230℃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0.15mmの予備結晶化シートを製膜した(予備結晶化工程)。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3m/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)。得られた一軸延伸フィルムの厚さは0.05mmであった。
上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、その後急冷を行い、厚さ0.05mmの圧電フィルム(ポリ乳酸フィルム)を得た(アニール処理工程)。
これに対し、シルクをコットンに変更した比較例1では、圧電感度が確認されなかった。
また、ポリペプチドであるシルクは、耐加水分解性に優れる。このため、実施例1〜10の圧電基材は、例えばポリ乳酸を含む圧電体を用いた比較例2の圧電基材(すなわち、光学活性ポリエステルを用いた圧電基材)と比較して、耐久性に優れることが確認された。
<圧電基材(外部導体無し)の作製>
圧電体として、実施例1で用いたシルク(生糸)と同様のシルク(生糸)を準備した。
芯材として、メタ系アラミド繊維(帝人社製「コーネックス」(40番手、線径0.12mm、2本撚り、長さ150mm))を準備した。
上記芯材の両端の各々に圧着端子をかしめることにより、上記芯材の両端の各々に、機械的接続部を設けた。この際、2つの圧着端子間の距離は100mmとした。
次に、上記芯材の周りに上記生糸(圧電体)を、芯材が露出しないように隙間なく螺旋状に巻回した。
ここで、生糸は、螺旋角度(芯材の長軸方向に対する角度)45°にて、芯材の軸方向一端の手前側から奥側に向かって左巻きとなるように巻回した。
次に、接着剤として東亞合成社製のアロンアルファ(シアノアクリレート系接着剤)を滴下し、含浸させることにより、芯材と生糸とを接合し、これらを機械的に一体化させた。
以上により、圧電基材を得た。
表面電位計を用い、以下の方法により、上記圧電基材の圧電感度(V/N)を測定した。
結果を表3に示す。
上記圧電基材を、チャック間距離を100mmとした引張試験機(株式会社エー・アンド・デイ社製テンシロンRTG1250)にチャックした。詳細には、一方のチャック部材によって圧電基材の一端側の圧着端子(機械的接続部)をチャックし、他方のチャック部材によって圧電基材の他端側の圧着端子(機械的接続部)をチャックした。
次に、引張試験機で、圧電基材に対して張力を、1.0N〜2.0Nの応力範囲で周期的に三角波状に繰り返し印加し、その時の圧電体の表面電位を表面電位計(トレック社MODEL541A−2)で測定した。
ここで、表面電位計のセンサーヘッドは、引張試験機のチャック間の中央部に設置し、円筒形のセンサーヘッドの円形端面の法線が、測定対象となる圧電基材に直交するように、1mmの距離に近接させて測定した。また、圧電基材及び引張試験機のチャック部位の周囲を、アルミ金属板で囲んで静電シールドし、アルミ金属板と表面電位計のグランド電極とを電気的に接続した。
測定した表面電位差ΔV[V]をY軸とし、サンプルの引張力F[N]をX軸としたときの散布図の相関直線の傾きから、単位引張力当たりの発生表面電位を算出し、算出値を圧電感度[V/N]とした。
仮想の螺旋軸(即ち、生糸によって形成される螺旋構造の中心軸)の周りに上記生糸(圧電体)を隙間なく螺旋状に巻回した。ここで、生糸は、螺旋角度(上記仮想の螺旋軸に対する角度)45°にて、仮想の螺旋軸の一端の手前側から奥側に向かって左巻きとなるように巻回した。
次に、接着剤として東亞合成社製のアロンアルファ(シアノアクリレート系接着剤)を滴下し、含浸させることにより、生糸を機械的に一体化させた。
以上により、長さ120mm、太さ0.3mmの圧電基材を得た。
結果を表3に示す。
生糸をコットン(ユザワヤ商事株式会社製クィーンパールレース糸#20(4本の原糸が撚り合わさった糸)から取り出した原糸)に変更したこと以外は実施例101と同様の操作を行った。
結果を表3に示す。
これに対し、シルク(生糸)をコットン(即ち、セルロースを含む繊維)に変更した比較例101では、圧電感度が確認されなかった。
また、ポリペプチドであるシルクは、耐加水分解性に優れる。このため、実施例101〜102の圧電基材は、例えばポリ乳酸を含む圧電体を用いた圧電基材と比較して、耐久性に優れることが期待される。
<圧電基材(外部導体有り、組紐構造)の作製>
圧電体として、実施例7で用いた精錬シルクと同様のシルクを準備した。
芯材として、明清産業社製錦糸線「U24−01−00」(線径0.26mm)を準備した。
上記芯材の両端の各々に圧着端子をかしめることにより、上記芯材の両端の各々に、機械的接続部を設けた。この際、2つの圧着端子間の距離は100mmとした。
次に、上記芯材の周りに、左巻方向に圧電性の無いポリエステル繊維(テトロン78デニール)4本と、右巻方向に精錬シルク4本をそれぞれ巻きながら編んでいくことで、8打組紐を作製した。
この際、精錬シルクの螺旋角度(芯材の長軸方向に対する角度)が51°となるようにした。
得られた組紐に対し、外部導体として、幅0.6mmにスリットカットした銅箔リボンを、組紐が露出しないよう隙間なく巻回し包接した。
次に、芯材と精錬シルクと銅箔リボンとを機械的に一体化するため、接着剤として東亞合成社製のアロンアルファ(シアノアクリレート系接着剤)を滴下、含浸させ、芯材と精錬シルクと銅箔リボンとを接合した。
以上のようにして、圧電基材を得た。
精錬シルクの螺旋角度を45°となるようにした以外は、実施例201と同様にして圧電基材を得た。
エレクトロメーターを用い、以下の方法により、上記圧電基材の圧電感度(pC/N・mm)を測定した。
結果を表4に示す。
上記圧電基材を、チャック間距離を150mmとした引張試験機(株式会社エー・アンド・デイ社製テンシロンRTG1250)にチャックした。詳細には、一方のチャック部材によって圧電基材の一端側の圧着端子(電気的且つ機械的接続部)をチャックし、他方のチャック部材によって圧電基材の他端側の圧着端子(電気的且つ機械的接続部)をチャックした。また、エレクトロメータ(ケースレー社製617)の電荷量測定用電極を圧電基材の圧着端子に接続し、エレクトロメータ(ケースレー社製617)のグラウンド電極を圧電基材の外部導体(銅箔リボン)に接続した。
次に、引張試験機で、圧電基材に対して張力を、1N〜2Nの応力範囲で0.2Hzで周期的に三角波状に繰り返し印加し、その時の圧電体(生糸)の芯材側に発生する電荷量をエレクトロメータ(ケースレー社製617)で測定した。
測定した発生電荷量Q[C]をY軸とし、圧電基材の引張力F[N]をX軸としたときの散布図の相関直線の傾きから、単位引張力当たりの発生電荷量を算出し、算出値を圧着端子間距離で除して圧電感度(pC/N・mm)とした。
実施例202及び前述の比較例2の圧電基材について、以下の方法により、温度特性を評価した。
具体的には、上記「圧電基材の圧電感度の測定(エレクトロメータ)」において初期の圧電感度(pC/N・mm)を測定した後に、80℃に保った恒温器内(湿度:25%RH)に圧電基材の試験片を吊り下げ、所定時間(30分)保持した。そして、この試験片について上記「圧電基材の圧電感度(pC/N・mm)の測定方法(エレクトロメータ)」と同じ方法で圧電感度(pC/N・mm)を測定し、「80℃での感度(pC/N・mm)」とした。結果を表5に示す。
また、ポリペプチドであるシルクは、耐加水分解性に優れる。このため、実施例202の圧電基材は、ポリ乳酸を含む圧電体を用いた比較例2の圧電基材(すなわち、光学活性ポリエステルを用いた圧電基材)と比較して、温度特性に優れる(すなわち、圧電感度の温度依存性が小さい)ことが確認された。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (19)
- 螺旋状に巻回されている長尺状の圧電体を備え、
前記圧電体が、光学活性ポリペプチドを含み、
前記圧電体の長さ方向と、前記圧電体に含まれる前記光学活性ポリペプチドの主配向方向と、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圧電体の配向度Fが0.50以上1.00未満である圧電基材。
配向度F=(180°―α)/180° … 式(a)
〔式(a)中、αは配向由来のピークの半値幅(°)を表す。〕 - 前記長尺状の圧電体が、一方向に螺旋状に巻回されている請求項1に記載の圧電基材。
- 更に、長尺状の芯材を備え、
前記長尺状の圧電体が、前記長尺状の芯材の周りに螺旋状に巻回されている請求項1又は請求項2に記載の圧電基材。 - 前記長尺状の芯材が、導体である請求項3に記載の圧電基材。
- 前記長尺状の圧電体よりも外周側に外部導体を備え、前記長尺状の芯材と前記外部導体とが電気的に絶縁されている請求項3又は請求項4に記載の圧電基材。
- 芯材を備えない請求項1又は請求項2に記載の圧電基材。
- 前記光学活性ポリペプチドが、βシート構造を有する請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の圧電基材。
- 前記長尺状の圧電体が、前記光学活性ポリペプチドからなる繊維を含む請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の圧電基材。
- 前記光学活性ポリペプチドが、フィブロイン及びクモ糸タンパク質の少なくとも一方を含む請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の圧電基材。
- 前記光学活性ポリペプチドからなる繊維が、シルク及びクモ糸の少なくとも一方を含む請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の圧電基材。
- 前記シルクが、精錬シルクである請求項10に記載の圧電基材。
- 前記長尺状の圧電体が、前記光学活性ポリペプチドからなる繊維からなり、撚数が500T/m以下である糸である請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の圧電基材。
- 前記長尺状の圧電体が、螺旋角度20°〜70°にて巻回されている請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の圧電基材。
- 最外周に、絶縁体を備える請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載の圧電基材。
- 請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の圧電基材を備えるセンサー。
- 請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の圧電基材を備えるアクチュエーター。
- 請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の圧電基材を備える生体情報取得デバイス。
- 請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の圧電基材である第1の圧電基材と、
請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の圧電基材であって、圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドが前記第1の圧電基材における圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドとキラリティが同一であり、かつ、圧電体の巻回方向が前記第1の圧電基材における圧電体の巻回方向と逆方向である、第2の圧電基材と、
を含む圧電繊維構造体。 - 請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の圧電基材である第1の圧電基材と、
請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の圧電基材であって、圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドが前記第1の圧電基材における圧電体に含まれる光学活性ポリペプチドとキラリティが異なり、かつ、圧電体の巻回方向が前記第1の圧電基材における圧電体の巻回方向と同一方向である、第2の圧電基材と、
を含む圧電繊維構造体。
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