TWI745584B - 壓電基材、力感測器及致動器 - Google Patents
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Abstract
一種壓電基材,其包括:導體軟線及長條狀的壓電體;且壓電體包含具有光學活性的螺旋手性高分子,壓電體的長度方向與壓電體中所含的螺旋手性高分子的主配向方向大致平行,根據X射線繞射測定,藉由式(a):配向度F=(180°-α)/180°而求出的壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0的範圍,當自與導體軟線的軸方向垂直的方向觀察導體軟線時,自劃分為多個的區域中選擇的區域A與位於區域A旁邊的區域B的高度差的最大值△Dmax與壓電體的最小厚度tpmin滿足式(b):△Dmax<tpmin的條件。
Description
本發明是有關於一種壓電基材、力感測器及致動器。
近年來,正在研究將包含螺旋手性高分子(helical chiral polymer)的壓電體應用於感測器、致動器等壓電裝置。於此種壓電裝置中使用膜形狀的壓電體。
作為所述壓電體中的螺旋手性高分子,正著眼於使用多肽、聚乳酸系高分子等具有光學活性的高分子。其中,已知聚乳酸系高分子僅藉由機械式的延伸操作來顯現壓電性。已知於使用聚乳酸系高分子的壓電體中,不需要極化處理(poling process),另外,壓電性經過幾年不會減少。
例如,作為包含聚乳酸系高分子的壓電體,報告有一種壓電常數d14大、透明性優異的壓電體(例如,參照專利文獻1及專利文獻2)。
另外,最近亦正進行將具有壓電性的材料被覆於導體而加以利用的嘗試。
例如,已知有一種壓電電纜(piezo cable),其包含自中心朝向外側依序呈同軸狀配置的中心導體、壓電材料層、外側導體及
外殼(例如,參照專利文獻3)。專利文獻4中記載有利用壓電性高分子被覆導電性纖維而成的壓電元件。
[專利文獻1]日本專利第4934235號公報
[專利文獻2]國際公開第2010/104196號
[專利文獻3]日本專利特開平10-132669號公報
[專利文獻4]國際公開第2014/058077號
然而,當於凹凸大的地方或變形量大的地方使用膜形狀的壓電體(例如,專利文獻1及專利文獻2的實施例中的壓電體)時(例如,用作可穿戴製品的一部分或全部時),因變形而於壓電體中產生彎折、皺褶等損傷,其結果,存在壓電感度(例如,將壓電體用作感測器時的感測器感度及將壓電體用作致動器時的動作感度;以下相同)下降的情況。
專利文獻3中記載的壓電電纜中,用作壓電材料的聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Difluoride,PVDF)可經時地看到壓電常數的變動,存在壓電常數因經時而下降的情況。另外,PVDF為強電介質,故具有熱電性,因此存在壓電信號輸出因周圍的溫度變化而變動的情況。因此,於專利文獻3中記載的壓電電纜中,存在壓電感度的穩定性及壓電輸出的穩定性(對於經時或溫度變化的
穩定性)不足的情況。
專利文獻4中記載的壓電元件中,並不特別限定相對於導電性纖維捲繞壓電性高分子的方向,因此對壓電元件整體施加張力,結果存在如下情況:即便藉由於進行了捲繞的壓電性高分子中所產生的剪切應力(shear stress),而於壓電性高分子內產生電荷,壓電性高分子內所產生的電荷的極性亦會相互抵消。因此,於專利文獻4中記載的壓電性元件中,存在壓電感度不足的情況。
進而,導體軟線(conductor cord)為利用金屬箔等導體被覆芯材的周圍而成者,當將其周圍捲繞有壓電體者用作壓電基材時,存在產生由設置於壓電基材的外部的導電性構件(外部導體)與內部導體的接觸引起的短路(short)的情況。
本發明鑒於所述事實情況而目的在於提供一種壓電感度與壓電輸出的穩定性優異且外部導體與內部導體的短路得到抑制的壓電基材、力感測器及致動器。
用以達成所述課題的具體手段如下所述。
<1>一種壓電基材,其包括:導體軟線,具備芯材與配置於所述芯材的周圍的導體;及長條狀的壓電體,沿所述導體軟線的軸方向而向一方向呈螺旋狀捲繞於所述導體軟線的周圍;且所述壓電體包含具有光學活性的螺旋手性高分子,所述壓電體的長度方向與所述壓電體中所含的螺旋手性高分
子的主配向方向大致平行,根據X射線繞射測定,藉由式(a):配向度F=(180°-α)/180°(式中的α表示源自配向的峰值的半值寬)而求出的所述壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0的範圍,當自與所述導體軟線的軸方向垂直的方向觀察所述導體軟線時,自劃分為多個的區域中選擇的區域A與位於區域A旁邊的區域B的高度差的最大值△Dmax與所述壓電體的最小厚度tpmin滿足式(b):△Dmax<tpmin的條件。
<2>如<1>所述的壓電基材,其中,所述導體軟線具備所述芯材與沿所述芯材的軸方向而向一方向呈螺旋狀捲繞於所述芯材的周圍的所述導體。
<3>如<1>或<2>所述的壓電基材,其中,所述芯材為單絲。
<4>如<1>至<3>中任一項所述的壓電基材,其中,所述導體為內部導體,且所述壓電體沿所述內部導體的外周面向一方向呈螺旋狀捲繞。
<5>如<1>至<4>中任一項所述的壓電基材,其進而具備絕緣體,所述絕緣體配置於所述壓電基材的外周。
<6>如<1>至<4>中任一項所述的壓電基材,其進而具備絕緣體,所述絕緣體配置於所述導體軟線與所述壓電體之間。
<7>如<1>至<6>中任一項所述的壓電基材,其中,相對於所述導體軟線的軸方向,所述壓電體保持15°~75°的角度而捲
繞。
<8>如<1>至<7>中任一項所述的壓電基材,其中,所述壓電體具有長條平板形狀。
<9>如<8>所述的壓電基材,其中,所述具有長條平板形狀的壓電體的厚度為0.001mm~0.2mm,寬度為0.1mm~30mm,且所述寬度相對於所述厚度的比為2以上。
<10>如<1>至<8>中任一項所述的壓電基材,其中,所述壓電體中,相對於所述螺旋手性高分子100質量份,包含具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基及異氰酸酯基所組成的群組中的至少一種官能基的重量平均分子量為200~60000的穩定劑0.01質量份~10質量份。
<11>如<1>至<10>中任一項所述的壓電基材,其進而具備功能層。
<12>如<11>所述的壓電基材,其中,所述功能層為選自由易接著層、硬塗層、抗靜電層、抗黏連層、保護層及電極層所組成的群組中的至少一種。
<13>如<11>或<12>所述的壓電基材,其中,所述功能層包含電極層。
<14>如<13>所述的壓電基材,其中,所述壓電體與所述功能層為積層體的狀態,且所述積層體的表面層的至少一者為所述電極層。
<15>如<1>至<14>中任一項所述的壓電基材,其於所述
導體軟線與所述壓電體之間進而具備接著層。
<16>如<1>至<15>中任一項所述的壓電基材,其中,所述壓電體中所含的所述螺旋手性高分子為具有包含下述式(1)所表示的結構單元的主鏈的聚乳酸系高分子。
<17>如<1>至<16>中任一項所述的壓電基材,其於所述壓電基材的外周進而具備外部導體。
<18>如<17>所述的壓電基材,其於外部導體的外周進而具備絕緣體。
<19>一種力感測器,其具備如<1>至<18>中任一項所述的壓電基材。
<20>一種致動器,其具備如<1>至<18>中任一項所述的壓電基材。
根據本發明的一形態,可提供一種壓電感度與壓電輸出的穩定性優異且外部導體與內部導體的短路得到抑制的壓電基材、力感測器及致動器。
10、10D:壓電基材
12A、12C:導體軟線
14A、14D:壓電體
16A:芯材
18A:導體
40:力感測器
42:外部導體(接地導體)
42a:應力緩和部
44:收縮管
46:壓接端子(取出電極)
46a:本體部
46b:壓接部
46c:貫通孔
50、60、70:帶有平板的壓電基材
51:黏著膠帶
52:平板
53:銅箔
54:柔性印刷電路(FPC)(柔性印刷基板)
55:信號處理電路單元
57:頭盔
58:顎帶
61:接著劑
A、B:區域
E1:雙向箭頭
G1:軸方向
β1:螺旋角度
圖1是表示壓電基材的具體形態的側面圖。
圖2是圖1所示的壓電基材的X-X'線剖面圖。
圖3是自與軸方向垂直的方向觀察導體軟線時的概略平面圖。
圖4是力感測器的概略平面圖。
圖5是表示使用黏著膠帶貼附平板的壓電基材的概略剖面圖。
圖6是對使用黏著膠帶貼附平板的壓電基材進行按壓時的概略剖面圖。
圖7是使用黏著膠帶貼附平板的壓電基材的一例。
圖8是使用接著劑貼附平板的壓電基材的一例。
圖9是表示將壓電基材配置於顎帶的一部分的概略圖。
以下,對本發明的實施形態進行說明。本發明並不限定於以下的實施形態。
於本說明書中,使用「~」所表示的數值範圍是指包含「~」的前後所記載的數值作為下限值及上限值的範圍。
於本說明書中,所謂長條平板狀的壓電體的「主面」,是指長條平板狀的壓電體的與厚度方向正交的面(換言之,包含長度方向及寬度方向的面)。織物的「主面」及編物的「主面」亦同樣如
此。
於本說明書中,只要事先無特別說明,則構件的「面」是指構件的「主面」。
於本說明書中,厚度、寬度及長度如通常的定義般,且滿足厚度<寬度<長度的關係。
於本說明書中,兩個線段所形成的角度於0°以上、90°以下的範圍內表示。
於本說明書中,「膜」是不僅包含通常被稱為「膜」者,亦包含通常被稱為「片」者的概念。
於本說明書中,所謂「MD方向」,是膜的前進方向(Machine Direction),即延伸方向,所謂「TD方向」,是與所述MD方向正交、且與膜的主面平行的方向(Transverse Direction)。
於本說明書中,當參照圖式對實施形態進行說明時,該實施形態的構成並不限定於圖式所示的構成。另外,各圖中的構件的大小為概念性者,且構件間的大小的相對關係並不限定於此。
〔壓電基材〕
本實施形態的壓電基材包括:導體軟線(以下,亦簡稱為「導體軟線」),具備芯材與配置於所述芯材的周圍的導體;及長條狀的壓電體(以下,亦簡稱為「壓電體」),沿所述導體軟線的軸方向而向一方向呈螺旋狀捲繞於所述導體軟線的周圍;且所述壓電體包含具有光學活性的螺旋手性高分子(以下,亦簡稱為「螺旋手性高分子」),所述壓電體的長度方向與所述壓電體中所含的螺
旋手性高分子的主配向方向大致平行,根據X射線繞射測定,藉由式(a):配向度F=(180°-α)/180°(式中的α表示源自配向的峰值的半值寬)而求出的所述壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0的範圍,當自與所述導體軟線的軸方向垂直的方向觀察所述導體軟線時,自劃分為多個的區域中選擇的區域A與位於區域A旁邊的區域B的高度差的最大值△Dmax與所述壓電體的最小厚度tpmin滿足式(b):△Dmax<tpmin的條件。
本實施形態的壓電基材藉由具備所述構成,而壓電感度優異且壓電輸出的穩定性亦優異。更詳細而言,首先,壓電體包含螺旋手性高分子,壓電體的長度方向與螺旋手性高分子的主配向方向大致平行,且壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0,藉此顯現優異的壓電性。
進而,藉由壓電體沿導體軟線的軸方向而向一方向呈螺旋狀捲繞,而壓電輸出的穩定性優異。即,藉由呈螺旋狀配置壓電體,當在壓電基材的長度方向施加張力(應力)時,對壓電體中所含的螺旋手性高分子施加剪切力,在壓電基材的徑方向產生螺旋手性高分子的極化。該極化方向可將呈螺旋狀捲繞的壓電體視作相對於所述壓電體的長度方向而視為平面的程度的微小區域的集合體。而且,與電場的方向大致一致,所述電場是於所述壓電體所構成的微小區域的平面中,當對螺旋手性高分子施加因張力(應力)所引起的剪切力時,因壓電常數d14所引起的電場。
具體而言,例如於聚乳酸中,當為分子結構包含左捲螺
旋結構的L-乳酸的均聚物(PLLA)時,若對將PLLA的主配向方向與長度方向大致平行的壓電體相對於導體呈螺旋狀左捲捲繞的結構體施加張力(應力),則在徑方向產生自與張力垂直的圓狀剖面的圓的中心向外側方向的電場(極化)。另外,與其相反地,當對將PLLA的主配向方向與長度方向大致平行的壓電體相對於導體呈螺旋狀右捲捲繞的結構體施加張力(應力)時,在徑方向產生自與張力垂直的圓狀剖面的圓的外側向中心方向的電場(極化)。
另外,例如,當為分子結構包含右捲螺旋結構的D-乳酸的均聚物(PDLA)時,若對將PDLA的主配向方向與長度方向大致平行的壓電體相對於導體呈螺旋狀左捲捲繞的結構體施加張力(應力),則在徑方向產生自與張力垂直的圓狀剖面的圓的外側向中心方向的電場(極化)。另外,與其相反地,若對將PDLA的主配向方向與長度方向大致平行的壓電體相對於導體呈螺旋狀右捲捲繞的結構體施加張力(應力),則在徑方向產生自與張力垂直的圓狀剖面的圓的中心向外側方向的電場(極化)。
如上所述,可認為當在壓電基材的長度方向施加張力時,於呈螺旋狀配置的壓電體的各部位中,與張力成比例的電位差於相位一致的狀態下產生,因此可有效地檢測與張力成比例的電壓信號。
進而,本發明者等人進行研究,結果得知:當導體軟線滿足式(b)的條件時,芯材周圍的導體與外部導體的短路得到抑
制。
關於當導體軟線滿足式(b)的條件時,芯材周圍的導體(內部導體)與外部導體的短路得到抑制的理由,可認為原因在於:在捲繞於此種導體軟線的周圍的壓電體的第n卷與第n+1卷之間難以產生間隙,而抑制導體軟線與外部導體接觸。
本發明者等人進行研究,結果得知:使用相對柔軟的纖維作為芯材並一面施加張力一面將導電材料捲繞於芯材的周圍而製作的導體軟線中,纖維的鬆弛部分或短纖維的起毛藉由所捲繞的導電材料而纏繞,結果鬆弛部分的體積逐漸增大,且週期性地形成峰狀的凸部,存在不滿足式(b)的條件的傾向。另外,得知:關於將壓電體捲繞於此種導體軟線的周圍而製作的壓電基材,於相鄰的壓電體間的間隙中,導體軟線與外部導體接觸的頻度增加。
因此,為了製作外部導體與內部導體的短路得到抑制的壓電基材,可認為有效的是適當選擇芯材的種類以使導體軟線滿足式(b)的條件,並抑制在導體軟線的表面產生凹凸。其中,獲得滿足式(b)的條件的導體軟線的方法並不限定於所述方法。
當確認本實施形態的壓電基材中有無短路時,將壓電基材的長度切割成1cm~100m等的長度並以內部導體與外部導體間的電阻值為指標進行確認。若長度短於1cm,則難以引出用以與電阻測定器進行電性連接的電極,因此存在難以確認存在短路的擔憂。
於本說明書中,所謂「大致平行」,是指兩個線段所形
成的角度為0°以上、未滿30°(較佳為0°以上、22.5°以下,更佳為0°以上、10°以下,進而更佳為0°以上、5°以下,特佳為0°以上、3°以下)。
壓電體的長度方向與螺旋手性高分子的主配向方向大致平行具有壓電體向長度方向的拉伸強(即,長度方向的拉伸強度優異)這一優點。因此,即便將壓電體相對於導體而向一方向呈螺旋狀捲繞,亦難以斷裂。
進而,壓電體的長度方向與螺旋手性高分子的主配向方向大致平行於例如對經延伸的壓電膜進行縱切而獲得壓電體(例如縱切緞帶)時的生產性方面亦有利。
於本說明書中,所謂螺旋手性高分子的主配向方向,是指螺旋手性高分子的主要的配向方向。螺旋手性高分子的主配向方向可藉由測定壓電體的配向度F來確認。
另外,當於將原料熔融紡紗後將其延伸來製造壓電體時,所製造的壓電體中的螺旋手性高分子的主配向方向是指主延伸方向。所謂主延伸方向,是指延伸方向。
同樣地,當形成膜的延伸及經延伸的膜的縱切來製造壓電體時,所製造的壓電體中的螺旋手性高分子的主配向方向是指主延伸方向。此處,所謂主延伸方向,於單軸延伸的情況下是指延伸方向,於雙軸延伸的情況下是指延伸倍率高者的延伸方向。
於本說明書中,壓電體的「配向度F」是表示壓電體中所含的螺旋手性高分子的配向的程度的指標,例如為c軸配向度,
所述c軸配向度是藉由廣角X射線繞射裝置(理學(Rigaku)公司製造的RINT2550,附屬裝置:旋轉試樣台,X射線源:CuKα,輸出:40kV、370mA,檢測器:閃爍計數器(scintillation counter))而測定。再者,壓電體的配向度F的測定方法的例子如後述的實施例所示般。
於本說明書中,所謂芯材或導體軟線的「沿軸方向的一方向」,是指當自芯材或導體軟線的軸方向的一端側觀察導體或壓電基材時,導體或壓電體自芯材或導體軟線的近前側朝向內側進行捲繞的方向。具體而言,是指右方向(右捲,即順時針)或左方向(左捲,即逆時針)。
以下,對本實施形態的壓電基材進行詳細說明。
本實施形態的壓電基材的長條狀的壓電體沿導體軟線的外周面而向一方向(右卷或左卷)呈螺旋狀捲繞。
藉由使用導體軟線,相對於導體軟線的軸方向,壓電體容易保持螺旋角度β而向一方向呈螺旋狀配置。
此處,所謂「螺旋角度β」,是指導體軟線的軸方向與壓電體相對於導體軟線的軸方向而配置的方向(壓電體的長度方向)所形成的角度。
藉此,例如,當在壓電基材的長度方向施加張力時,螺旋手性高分子的極化容易在壓電基材的徑方向產生。其結果,可有效地檢測與張力成比例的電壓信號(電荷信號)。
進而,所述構成的壓電基材成為與同軸電纜中所具備的內部
結構(內部導體及電介質)相同的結構,因此例如當將所述壓電基材應用於同軸電纜時,可成為電磁屏蔽性高且對於雜訊而言強的結構。
就提昇壓電基材的壓電感度及壓電輸出的穩定性的觀點而言,相對於導體軟線的軸方向,壓電體較佳為保持15°~75°(45°±30°)的角度而捲繞,更佳為保持35°~55°(45°±10°)的角度而捲繞。
亦可包含相對於導體軟線的軸方向將壓電體呈螺旋狀右捲捲繞且將一部分壓電體呈螺旋狀左捲捲繞的結構體。當將一部分壓電體呈螺旋狀左捲捲繞時,就抑制壓電感度的下降,且可獲得壓電輸出的電壓極性穩定的壓電基材的方面而言,相對於整體(右捲及左捲的合計),左捲的比例較佳為未滿50%。
另外,本實施形態的壓電基材亦可為包含相對於導體將壓電體呈螺旋狀左捲捲繞且將一部分壓電體呈螺旋狀右捲捲繞的結構體者。當將一部分壓電體呈螺旋狀右捲捲繞時,就抑制壓電感度的下降,且可獲得壓電輸出的電壓極性穩定的壓電基材的方面而言,相對於整體(右捲及左捲的合計),右捲的比例較佳為未滿50%。
〔壓電基材的具體形態〕
一面參照圖式一面對壓電基材的具體形態的一例進行說明。
圖1是表示壓電基材的具體形態的側面圖。圖2是圖1的X-X'線剖面圖。
壓電基材10具備導體軟線12A與長條狀的壓電體14A。
導體軟線12A具備芯材16A與配置於芯材16A的周圍的導體18A。
如圖1所示,壓電體14A沿導體軟線12A的外周面,以螺旋角度β1自一端至另一端,以無間隙的方式向一方向呈螺旋狀捲繞。
所謂「螺旋角度β1」,是指導體軟線12A的軸方向G1與壓電體14A相對於導體軟線12A的軸方向的配置方向所形成的角度。
另外,壓電體14A相對於導體軟線12A以左捲捲繞。具體而言,當自導體軟線12A的軸方向的一端側(於圖1的情況下為右端側)觀察壓電基材10時,壓電體14A自導體軟線12A的近前側朝向內側以左捲捲繞。
圖1及圖2中,壓電體14A中所含的螺旋手性高分子的主配向方向由雙向箭頭E1表示。即,螺旋手性高分子的主配向方向與壓電體14A的配置方向(壓電體14A的長度方向)大致平行。
壓電基材10可將藉由在長度方向施加張力而產生的電荷(電場)以電壓信號的形式取出。
具體而言,若在壓電基材10的長度方向施加張力,則對壓電體14A中所含的螺旋手性高分子施加剪切力,而螺旋手性高分子進行極化。可認為該螺旋手性高分子的極化如圖2中箭頭所示般在壓電基材10的徑方向產生,且其分極方向的相位一致地產生。
藉此,可有效地檢測與張力成比例的電壓信號。
圖3是自與軸方向垂直的方向觀察壓電基材10的導體軟線12A時的概略平面圖。圖3所示的導體軟線12A具備沿芯材16A的軸方向而向一方向呈螺旋狀捲繞於芯材的周圍的導體18A作為配置於芯材16A的周圍的導體18A。因此,呈螺旋狀捲繞於芯材的周圍的導體是以劃分成大致平行四邊形的多個區域的形式進行觀察。
於本說明書中,所謂所述區域的「高度」,是指自沿導體軟線12A的軸方向G1的線畫出的垂線與該區域的輪廓線之間的距離的最大值Y。
本實施形態的壓電基材中,相當於導體的大致平行四邊形的區域A的高度與位於區域A旁邊的區域B的高度的差的最大值△Dmax與壓電體的最小厚度tpmin滿足式(b):△Dmax<tpmin的條件。因此,可自壓電基材間的間隙抑制導體軟線與外部電極接觸而產生短路。
調查壓電基材中的△Dmax的值的方法並無特別限制,可藉由可自與導體軟線的軸方向垂直的方向觀察導體軟線的公知的方法來進行。導體軟線的觀察可在壓電體未捲繞於導體的周圍的狀態下進行,亦可在壓電體捲繞於導體的周圍的狀態下進行。
於本說明書中,壓電體的「最小厚度」是指於任意選擇的五處所獲得的測定值中的最小者。調查壓電體的最小厚度tpmin的方法並無特別限制,可藉由與△Dmax的值同樣地進行觀察來調查,亦
可使用未捲繞於導體軟線的狀態的壓電體來測定。
〔導體軟線〕
壓電基材中的導體軟線較佳為信號線導體。所謂信號線導體,是指用以自壓電體有效率地檢測電氣信號的導體。更具體而言,為如下導體:當對壓電基材施加張力時,用以檢測對應於所施加的張力的電壓信號(電荷信號)。
導體軟線只要具備芯材與配置於所述芯材的周圍的導體,則其具體構成並無特別限制。例如,可為具備芯材與沿芯材的軸方向而向一方向呈螺旋狀捲繞於芯材的周圍的導體者(此種構成的導體軟線亦稱為錦紗線),亦可為具備芯材與配置於芯材的周圍且連續的作為被覆物的導體者,或者亦可為將芯材與沿芯材的軸方向而為編帶狀的線狀導體編織而成者,亦可為其他構成。
配置於芯材的周圍的導體的厚度並無特別限制,可根據壓電基材所期望的特性來選擇。例如,導體的厚度(於厚度並不固定的情況下為厚度最小的部分的厚度)較佳為0.5μm~10mm,更佳為1μm~5mm,進而更佳為5μm~3mm。
導體軟線的剖面形狀並無特別限制,較佳為圓形或接近於其的形狀。另外,更佳為以芯材為中心而將導體以環形狀、同心圓環或接近於其的狀態配置於芯材的周圍。
於導體軟線中,芯材的表面積中的與導體相接的部分的面積的比例(由導體引起的芯材的被覆率)並無特別限制,可認為該比例越大,越可更有效地檢測與張力成比例的電壓信號。由
導體引起的芯材的被覆率較佳為70%以上,更佳為80%以上,進而更佳為90%以上。
導體軟線的長度並無特別限制,可根據壓電基材的用途等來選擇。例如可為1mm~10m,較佳為5mm~5m,更佳為5mm~1m。若導體軟線的長度為1mm以上,則可充分發揮作為軟線狀的優點,若為10m以下,則同軸線的靜電電容變大而難以產生相對於局部拉伸而電壓輸出下降等問題。導體軟線亦可於連續製造後切割成所期望的長度來使用。
藉由適當選擇構成導體軟線的芯材與導體的種類,可獲得對於高彎曲性或可撓性(例如,內裝於衣服中的可穿戴感測器等的用途)而言適宜的壓電基材。
作為導體軟線,具體而言,例如可列舉以撚搓短纖維而得的撚紗、長纖維等為芯材,並利用金屬材料被覆(形成呈螺旋狀捲繞金屬箔的金屬被覆物等)芯材的周圍而成者。當使用短纖維的撚紗時,較佳為短纖維的長度更長者或突出至撚紗的外側的起毛少者。
當將金屬箔捲繞於芯材的周圍來製作導體軟線時,金屬箔較佳為平角線狀。平角線狀的金屬箔可藉由壓延金屬線或以細寬度縱切金屬箔來製作。藉由將金屬箔形成為平角線狀,可減少與纏繞於導體軟線的周圍的壓電體之間的空隙,並提高對於壓電體的密接性。其結果,容易檢測自壓電體所產生的電荷變動,相對於張力的感度進一步提昇。
當金屬箔為平角線狀時,於其剖面(較佳為矩形狀剖面)中,寬度相對於厚度的比例較佳為2以上。
金屬箔的材質並無特別限制,較佳為銅箔。藉由使用導電率高的銅,可使輸出阻抗下降。因此,當對壓電基材施加張力時,更容易檢測對應於張力的電壓信號。其結果,存在壓電感度及壓電輸出的穩定性進一步提昇的傾向。另外,銅箔在彎曲變形時止於彈性變形區域的變形,且難以進行塑性變形,因此難以引起金屬疲勞破壞,而可顯著提昇耐反覆彎曲性。
導體軟線較佳為相對於反覆折曲、扭轉等的耐性(耐彎曲性)優異。另外,當將壓電體纏繞於導體軟線時,為了進一步支持張力,導體軟線較佳為兼具高彎曲性與剛性。作為其指標的導體軟線的每單位長度的折曲剛性B較佳為0.1×10-4[N.m2/m]以上。作為導體軟線的每單位長度的折曲剛性B的測定方法,通常為使用折曲試驗機(加藤技術(KATO TECH)公司製造,KES-FB2)等測定裝置的方法。
導體軟線的每單位長度的折曲剛性B的值更佳為0.1×10-4[N.m2/m]~1000×10-4[N.m2/m],進而更佳為0.5×10-4[N.m2/m]~100×10-4[N.m2/m],特佳為10×10-4[N.m2/m]~100×10-4[N.m2/m]。
導體軟線中的芯材具有作為支持賦予至導體軟線的張力的結構材的功能。藉由適宜選擇芯材的材質、剖面面積等,可實現結合賦予至導體軟線的張力、應變量等的值的設計。
芯材的材質並無特別限制,可根據壓電基材所期望的特性來選擇。就以高位準兼顧彎曲性與強度的觀點而言,可列舉天然纖維、合成纖維等纖維(絲)。
芯材的材質並無特別限制。例如可列舉:聚酯、聚乙烯、尼龍、丙烯酸、聚丙烯、氯乙烯、聚碸、聚醚、聚胺基甲酸酯、氟碳化合物(fluorocarbon)、芳香聚醯胺、聚苯硫醚、聚醚醯亞胺、乙酸酯、嫘縈(rayon)、銅銨嫘縈、棉、麻、絲綢、紙等。
芯材的粗度並無特別限制,可根據壓電基材所期望的特性來選擇。例如,線外徑較佳為0.1mm~10mm的範圍內。芯材可為單根纖維(單絲),亦可為包含多根纖維的複絲。
〔壓電體〕
於本實施形態中,就提昇壓電感度及壓電輸出的穩定性的觀點而言,壓電體較佳為具有長條平板形狀。藉由使用長條平板狀壓電體作為壓電體,可增大相對於導體軟線的密接面,且可有效率地以電壓信號的形式對因壓電效果所產生的電荷進行檢測。
以下,對具有長條平板形狀的壓電體(以下,亦稱為「長條平板狀壓電體」)的尺寸(厚度、寬度、比(寬度/厚度、長度/寬度))進一步詳細說明。
長條平板狀壓電體的厚度較佳為0.001mm~0.2mm。若長條平板狀壓電體的厚度為0.001mm以上,則存在可確保充分的強度的傾向。進而,存在製造適應性亦優異的傾向。另一方面,若長條平板狀壓電體的厚度為0.2mm以下,則存在厚度方向的變
形的自由度(柔軟性)得到提昇的傾向。
長條平板狀壓電體的寬度較佳為0.1mm~30mm。更佳為0.5mm~15mm。若長條平板狀壓電體的寬度為0.1mm以上,則存在可確保充分的強度的傾向。進而,存在製造適應性(例如,後述的縱切步驟中的製造適應性)亦優異的傾向。另一方面,若長條平板狀壓電體的寬度為30mm以下,則存在變形的自由度(柔軟性)得到提昇的傾向。
長條平板狀壓電體的寬度相對於厚度的比(以下,亦稱為「比〔寬度/厚度〕」)較佳為2以上。若長條平板狀壓電體的比〔寬度/厚度〕為2以上,則主面變得明確,因此容易遍及長條平板狀壓電體的長度方向,使方向一致來形成電極層(例如,外部導體)。例如,容易於主面的至少一者上形成外部導體。
長條平板狀壓電體的寬度更佳為0.5mm~15mm。若長條平板狀壓電體的寬度為0.5mm以上,則存在強度進一步提昇的傾向。進而,可進一步抑制長條平板狀壓電體的扭曲,因此存在壓電感度及其穩定性進一步提昇的傾向。另一方面,若長條平板狀壓電體的寬度為15mm以下,則存在長條平板狀壓電體的變形的自由度(柔軟性)進一步提昇的傾向。
長條平板狀壓電體的長度相對於寬度的比(以下,亦稱為比〔長度/寬度〕)較佳為10以上。若長條平板狀壓電體的比〔長度/寬度〕為10以上,則變形的自由度(柔軟性)進一步提昇。
長條平板狀壓電體的製造方法並無特別限定,可藉由公
知的方法來製造。
例如,作為由壓電膜來製造長條平板狀壓電體的方法,可藉由如下方式而獲得:將原料成形為膜狀而獲得未延伸膜,對所獲得的未延伸膜實施延伸及結晶化,並對所獲得的壓電膜進行縱切(呈長條狀切割壓電膜)。
另外,亦可使用公知的扁平長絲紗製法來製造壓電體。例如,亦可藉由如下方式來獲得壓電體:對藉由充氣成形(inflation molding)而獲得的寬度廣的膜進行縱切來形成細寬度的膜後,實施利用熱板延伸、輥延伸等的延伸及結晶化。
另外,亦可藉由如下方式來獲得壓電體:對利用使用公知的異形剖面的模具的熔融紡紗所製作的扁平單絲(較佳為剖面形狀的寬度相對於厚度的比為2以上的扁平單絲)實施延伸及結晶化。
再者,所述延伸及結晶化的任一者先實施均可。另外,亦可為對未延伸膜依次實施預結晶化、延伸及結晶化(退火)的方法。延伸可為單軸延伸,亦可為雙軸延伸。於雙軸延伸的情況下,較佳為提高一者(主延伸方向)的延伸倍率。
關於壓電膜的製造方法,可適宜參照日本專利第4934235號公報、國際公開第2010/104196號、國際公開第2013/054918號、國際公開第2013/089148號等公知文獻。
(螺旋手性高分子)
壓電體包含具有光學活性的螺旋手性高分子。於本說明書中,所謂「具有光學活性的螺旋手性高分子」,是指分子結構為
螺旋結構且具有分子光學活性的高分子。
就進一步提昇壓電性的觀點而言,壓電體中所含的螺旋手性高分子的含有率較佳為壓電體整體的80質量%以上。
作為螺旋手性高分子,例如可列舉:多肽、纖維素衍生物、聚乳酸系高分子、聚環氧丙烷、聚(β-羥基丁酸)等。
作為所述多肽,例如可列舉聚(戊二酸γ-苄酯)、聚(戊二酸γ-甲酯)等。
作為所述纖維素衍生物,例如可列舉乙酸纖維素、氰基乙基纖維素等。
就提昇壓電體的壓電性的觀點而言,螺旋手性高分子的光學純度較佳為95.00%ee以上,更佳為96.00%ee以上,進而更佳為99.00%ee以上,尤佳為99.99%ee以上。理想的是100.00%ee。可認為藉由將螺旋手性高分子的光學純度設為所述範圍,顯現壓電性的高分子結晶的堆積性變高,其結果,壓電性變高。
此處,螺旋手性高分子的光學純度是藉由下述式所算出的值。
光學純度(%ee)=100×|L體量-D體量|/(L體量+D體量)
即,螺旋手性高分子的光學純度為如下的值:將『「螺旋手性高分子的L體的量〔質量%〕與螺旋手性高分子的D體的量〔質量%〕的量差(絕對值)」除以(除以)「螺旋
手性高分子的L體的量〔質量%〕與螺旋手性高分子的D體的量〔質量%〕的合計量」所得的數值』乘以(乘)『100』所得的值。
就進一步提昇壓電性的觀點而言,壓電體中所含的螺旋手性高分子較佳為包含D體或L體。
再者,螺旋手性高分子的L體的量〔質量%〕與螺旋手性高分子的D體的量〔質量%〕使用藉由利用高速液相層析法(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)的方法所獲得的值。具體的測定的詳細情況將後述。
作為螺旋手性高分子,就提高光學純度且提昇壓電性的觀點而言,較佳為具有包含下述式(1)所表示的結構單元的主鏈的高分子。
作為將所述式(1)所表示的結構單元作為主鏈的高分子,可列舉聚乳酸系高分子。
於本說明書中,「聚乳酸系高分子」中包含(1)聚乳酸(僅包含源自選自L-乳酸及D-乳酸中的單體的結構單元的高分
子)、(2)L-乳酸或D-乳酸與可與該L-乳酸或D-乳酸進行共聚的化合物的共聚物、(3)兩者的混合物的任一者。
聚乳酸系高分子之中,較佳為聚乳酸,更佳為L-乳酸的均聚物(PLLA,亦簡稱為「L體」)或D-乳酸的均聚物(PDLA,亦簡稱為「D體」)。
聚乳酸是乳酸藉由酯鍵而進行聚合、且長長地連接而成的高分子。已知有聚乳酸可藉由經由交酯的交酯法;於溶媒中且在減壓下對乳酸進行加熱,一面去除水一面進行聚合的直接聚合法等來製造。
作為聚乳酸,可列舉:L-乳酸的均聚物、D-乳酸的均聚物、包含L-乳酸及D-乳酸的至少一者的聚合體的嵌段共聚物以及包含L-乳酸及D-乳酸的至少一者的聚合體的接枝共聚物。
於所述(2)中,作為「可與L-乳酸或D-乳酸進行共聚的化合物」,可列舉:乙醇酸、二甲基乙醇酸、3-羥基丁酸、4-羥基丁酸、2-羥基丙酸、3-羥基丙酸、2-羥基戊酸、3-羥基戊酸、4-羥基戊酸、5-羥基戊酸、2-羥基己酸、3-羥基己酸、4-羥基己酸、5-羥基己酸、6-羥基己酸、6-羥基甲基己酸、苦杏仁酸等羥基羧酸;乙交酯、β-甲基-δ-戊內酯、γ-戊內酯、ε-己內酯等環狀酯;草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、壬二酸、癸二酸、十一烷二酸、十二烷二酸、對苯二甲酸等多元羧酸及該些多元羧酸的酐;乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇、
1,9-壬二醇、3-甲基-1,5-戊二醇、新戊二醇、四亞甲基二醇、1,4-己烷二甲醇等多元醇;纖維素等多糖類;α-胺基酸等胺基羧酸等。
作為「L-乳酸或D-乳酸與可與該L-乳酸或D-乳酸進行共聚的化合物的共聚物」,可列舉具有可生成螺旋結晶的聚乳酸序列的嵌段共聚物或接枝共聚物。
另外,螺旋手性高分子中的源自共聚物成分的結構的濃度較佳為20mol%以下。
例如,當螺旋手性高分子為聚乳酸系高分子時,相對於聚乳酸系高分子中的源自乳酸的結構與源自可與乳酸進行共聚的化合物(共聚物成分)的結構的莫耳數的合計,源自共聚物成分的結構的濃度較佳為20mol%以下。
聚乳酸系高分子例如可藉由如下方法等來製造:日本專利特開昭59-096123號公報及日本專利特開平7-033861號公報中所記載的使乳酸直接進行脫水縮合而獲得的方法;美國專利2,668,182號及美國專利4,057,357號等中所記載的使用作為乳酸的環狀二聚體的交酯進行開環聚合的方法。
進而,為了將藉由所述各製造方法所獲得的聚乳酸系高分子的光學純度設為95.00%ee以上,例如當利用交酯法製造聚乳酸時,較佳為使藉由晶析操作而將光學純度提昇至95.00%ee以上的光學純度的交酯進行聚合。
-重量平均分子量-
螺旋手性高分子的重量平均分子量(Mw)較佳為5萬~100
萬。藉由螺旋手性高分子的Mw為5萬以上,壓電體的機械強度得到提昇。所述Mw更佳為10萬以上,進而更佳為20萬以上。另一方面,藉由螺旋手性高分子的Mw為100萬以下,利用成形(例如擠出成形、熔融紡紗)來獲得壓電體時的成形性提昇。所述Mw更佳為80萬以下,進而更佳為30萬以下。
另外,就壓電體的強度的觀點而言,螺旋手性高分子的分子量分佈(Mw/Mn)較佳為1.1~5,更佳為1.2~4,進而更佳為1.4~3。
於本發明書中,螺旋手性高分子的重量平均分子量(Mw)及分子量分佈(Mw/Mn)是指使用凝膠滲透層析儀(Gel Permeation Chromatograph,GPC)所測定的值。此處,Mn為螺旋手性高分子的數量平均分子量。
以下示出利用GPC的螺旋手性高分子的Mw及Mw/Mn的測定方法的一例。
-GPC測定裝置-
沃特世(Waters)公司製造的GPC-100
-管柱-
昭和電工公司製造,Shodex LF-804
-樣品的製備-
於40℃下使壓電體溶解於溶媒(例如,氯仿)中,而準備濃度1mg/ml的樣品溶液。
-測定條件-
以溶媒(例如,氯仿)、溫度40℃、1ml/min的流速將樣品溶液0.1ml導入至管柱中。
利用示差折射計測定經管柱分離的樣品溶液中的樣品濃度。
利用聚苯乙烯標準試樣製作通用校準曲線,並算出螺旋手性高分子的重量平均分子量(Mw)及分子量分佈(Mw/Mn)。
作為螺旋手性高分子的例子的聚乳酸系高分子,可使用市售的聚乳酸。
作為市售品,例如可列舉:普拉克(PURAC)公司製造的普拉素布(PURASORB)(PD、PL)、三井化學公司製造的萊西亞(LACEA)(H-100、H-400)、自然工作有限責任公司(NatureWorks LLC)製造的IngeoTM biopolymer等。
當使用聚乳酸系高分子作為螺旋手性高分子時,為了將聚乳酸系高分子的重量平均分子量(Mw)設為5萬以上,較佳為藉由交酯法或直接聚合法來製造聚乳酸系高分子。
壓電體可僅含有一種所述螺旋手性高分子,亦可含有兩種以上。
相對於壓電體的總量,本實施形態的壓電體中的螺旋手性高分子的含量(於兩種以上的情況下為總含量)較佳為80質量%以上。
<穩定劑>
壓電體亦可含有穩定劑。作為穩定劑,較佳為含有一分子中
具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基的重量平均分子量為200~60000的穩定劑(以下,亦稱為特定穩定劑)。藉此,可進一步提昇耐濕熱性。
作為特定穩定劑,例如可使用國際公開第2013/054918號的段落0039~段落0055中所記載者。
作為可用作特定穩定劑的一分子中含有碳二醯亞胺基的化合物(碳二醯亞胺化合物),可列舉:單碳二醯亞胺化合物、聚碳二醯亞胺化合物、環狀碳二醯亞胺化合物。
作為單碳二醯亞胺化合物,適宜的是二環己基碳二醯亞胺、雙-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺等。
另外,作為聚碳二醯亞胺化合物,可使用藉由各種方法所製造者。可使用藉由先前的聚碳二醯亞胺的製造方法(例如美國專利第2941956號說明書、日本專利特公昭47-33279號公報、「有機化學期刊(J.Org.Chem.)」28,2069-2075(1963)、「化學評論(Chemical Review)」1981,Vol.81 No.4、p619-621)所製造者。具體而言,亦可使用日本專利4084953號公報中記載的碳二醯亞胺化合物。
作為聚碳二醯亞胺化合物,可列舉:聚(4,4'-二環己基甲烷碳二醯亞胺)、聚(N,N'-二-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺)、聚(1,3,5-三異丙基伸苯基-2,4-碳二醯亞胺)等。
環狀碳二醯亞胺化合物可根據日本專利特開2011-256337號公報中記載的方法等來合成。
作為碳二醯亞胺化合物,亦可使用市售品,例如可列舉:東京化成公司製造的B2756(商品名),日清紡化學公司製造的卡保迪來(Carbodilite)LA-1(商品名),萊茵化學(Rhein Chemie)公司製造的斯塔巴克索爾(Stabaxol)P、斯塔巴克索爾(Stabaxol)P400、斯塔巴克索爾(Stabaxol)I(均為商品名)等。
作為可用作特定穩定劑的一分子中含有異氰酸酯基的化合物(異氰酸酯化合物),可列舉:異氰酸3-(三乙氧基矽烷基)丙酯、2,4-甲苯二異氰酸酯、2,6-甲苯二異氰酸酯、間苯二異氰酸酯、對苯二異氰酸酯、4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、2,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、2,2'-二苯基甲烷二異氰酸酯、伸二甲苯基二異氰酸酯、氫化伸二甲苯基二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯等。
作為可用作特定穩定劑的一分子中含有環氧基的化合物(環氧化合物),可列舉:苯基縮水甘油醚、二乙二醇二縮水甘油醚、雙酚A-二縮水甘油醚、氫化雙酚A-二縮水甘油醚、苯酚酚醛清漆型環氧樹脂、甲酚酚醛清漆型環氧樹脂、環氧化聚丁二烯等。
特定穩定劑的重量平均分子量如上所述為200~60000,更佳為250~30000,進而更佳為300~18000。若分子量為所述範圍內,則特定穩定劑更容易移動,且可更有效地取得耐濕熱性改良效果。
特定穩定劑的重量平均分子量特佳為200~900。再者,重量平均分子量為200~900與數量平均分子量為200~900大致
一致。另外,當重量平均分子量為200~900時,存在分子量分佈為1.0的情況,於該情況下,亦可將「重量平均分子量為200~900」簡稱為「分子量為200~900」。
當壓電體含有特定穩定劑時,壓電體可僅含有一種特定穩定劑,亦可含有兩種以上。
當壓電體含有特定穩定劑時,相對於螺旋手性高分子100質量份,特定穩定劑的含量較佳為0.01質量份~10質量份,更佳為0.01質量份~5質量份,進而更佳為0.1質量份~3質量份,特佳為0.5質量份~2質量份。
若所述含量為0.01質量份以上,則存在耐濕熱性進一步提昇的傾向。另外,若所述含量為10質量份以下,則存在透明性的下降得到進一步抑制的傾向。
作為特定穩定劑的較佳的形態,可列舉:將具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基,且數量平均分子量為200~900的穩定劑(B1)與一分子內具有兩個以上的選自由碳二醯亞胺基、環氧基及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基,且重量平均分子量為1000~60000的穩定劑(B2)併用這一形態。再者,數量平均分子量為200~900的穩定劑(B1)的重量平均分子量大致為200~900,穩定劑(B1)的數量平均分子量與重量平均分子量變成大致相同的值。
當併用穩定劑(B1)與穩定劑(B2)作為特定穩定劑時,
就提昇透明性的觀點而言,較佳為含有大量的穩定劑(B1)。
具體而言,就使透明性與耐濕熱性併存這一觀點而言,相對於穩定劑(B1)100質量份,穩定劑(B2)較佳為10質量份~150質量份的範圍,更佳為50質量份~100質量份的範圍。
以下示出特定穩定劑的具體例(穩定劑B-1~穩定劑B-3)。
以下,針對所述穩定劑B-1~穩定劑B-3,示出化合物名、市售品等。
.穩定劑B-1…化合物名為雙-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺。重量平均分子量(於該例中,僅等同於「分子量」)為363。作為市售品,可列舉:萊茵化學公司製造的「斯塔巴克索爾(Stabaxol)I」、東京化成工業(股)製造的「B2756」。
.穩定劑B-2…化合物名為聚(4,4'-二環己基甲烷碳二醯亞胺)。
作為市售品,可列舉作為重量平均分子量約為2000者的日清紡化學(股)製造的「卡保迪來(Carbodilite)LA-1」。
.穩定劑B-3…化合物名為聚(1,3,5-三異丙基伸苯基-2,4-碳二醯亞胺)。作為市售品,可列舉作為重量平均分子量約為3000者的萊茵化學公司製造的「斯塔巴克索爾(Stabaxol)P」。另外,作為重量平均分子量為20000者,可列舉萊茵化學公司製造的「斯塔巴克索爾(Stabaxol)P400」。
(其他成分)
壓電體視需要亦可含有其他成分。
作為其他成分,可列舉:聚偏二氟乙烯、聚乙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂等公知的樹脂;二氧化矽、羥基磷灰石、蒙脫石等公知的無機填料;酞菁等公知的結晶成核劑;特定穩定劑以外的穩定劑等。作為無機填料及結晶成核劑,亦可列舉國際公開第2013/054918號的段落0057~段落0058中所記載的成分。
(配向度)
如上所述,本實施形態中的壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0,較佳為0.7以上、未滿1.0,更佳為0.8以上、未滿1.0。若壓電體的配向度F為0.5以上,則排列於延伸方向的螺旋手性高分子的分子鏈(例如聚乳酸分子鏈)多,其結果,配向結晶的生成率變高,且存在顯現更高的壓電性的傾向。另一方面,若壓電體的配向度F未滿1.0,則存在縱裂強度得到提昇的傾向。
(結晶度)
本實施形態中的壓電體的結晶度是藉由所述X射線繞射測定(廣角X射線繞射測定)所測定的值。壓電體的結晶度較佳為20%~80%,更佳為25%~70%,進而更佳為30%~60%。
若結晶度為20%以上,則存在壓電性維持得高的傾向。
另一方面,若結晶度為80%以下,則存在壓電體的透明性維持得高的傾向。另外,例如,當藉由延伸來製造成為壓電體的原料的壓電膜時,難以產生白化或斷裂,因此容易製造壓電體。另外,例如,當於熔融紡紗後藉由延伸來製造壓電體的原料(例如聚乳酸)時,成為彎曲性高且具有柔軟的性質的纖維,且容易製造壓電體。
(透明性(內部霧度))
於本實施形態中,對壓電體未特別要求透明性,亦可具有透明性。
壓電體的透明性可藉由測定內部霧度來評價。此處,所謂壓電體的內部霧度,是指除由壓電體的外表面的形狀引起的霧度以外的霧度。
於要求透明性的情況下,壓電體較佳為相對於可見光線的內部霧度為5%以下,就進一步提昇透明性及縱裂強度的觀點而言,更佳為2.0%以下,進而更佳為1.0%以下。壓電體的所述內部霧度的下限值並無特別限定,作為下限值,例如可列舉0.01%。
壓電體的內部霧度是針對厚度0.03mm~0.05mm的壓
電體,依據日本工業標準(Japanese Industrial Standards,JIS)-K7105:1981,使用霧度測定機〔東京電色(有)製造,TC-HIIIDPK〕於25℃下進行測定時的值。以下示出壓電體的內部霧度的測定方法的例子。
首先,準備於兩片玻璃板之間僅夾持矽油(信越化學工業股份有限公司製造的信越矽酮(Shin-Etsu Silicone)(商標),型號:KF96-100CS)的樣品1,並測定該樣品1的厚度方向的霧度(以下,設為霧度(H2))。
繼而,準備於所述兩片玻璃板之間無間隙地排列並夾持利用矽油均勻地塗抹表面的多個壓電體的樣品2,並測定該樣品2的厚度方向的霧度(以下,設為霧度(H3))。
繼而,如下述式般取得兩者的差,藉此獲得壓電體的內部霧度(H1)。
內部霧度(H1)=霧度(H3)-霧度(H2)
此處,霧度(H2)及霧度(H3)的測定分別於下述測定條件下使用下述裝置來進行。
測定裝置:東京電色公司製造,霧度計(HAZE METER)TC-HIIIDPK
試樣尺寸:寬度30mm×長度30mm
測定條件:依據JIS-K7105:1981
測定溫度:室溫(25℃)
〔功能層〕
壓電基材視需要亦可具備功能層。功能層的種類並無特別限制,可根據用途來選擇。較佳為包含例如接著層、硬塗層、抗靜電層、抗黏連層、保護層及電極層中的至少一者。藉由壓電基材具備功能層,更容易應用於例如壓電裝置、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置。功能層可僅為一層,亦可為兩層以上,當具備兩層以上的功能層時,可具備種類不同的功能層。
當壓電基材具備功能層時,可為於壓電體的至少一個主面側設置有功能層的狀態。當於壓電體的兩主面上設置有功能層時,配置於表面側的功能層及配置於背面側的功能層可為相同的功能層,亦可為不同的功能層。
功能層的膜厚並無特別限定,較佳為0.01μm~10μm的範圍。所述厚度的上限值更佳為6μm以下,進而更佳為3μm以下。另外,下限值更佳為0.01μm以上,進而更佳為0.02μm以上。於功能層包含多個功能層的情況下,所述厚度表示多個功能層的厚度的合計。
壓電基材較佳為具備電極層作為功能層。藉由壓電基材具備電極層,當將壓電基材用作例如壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置的構成要素之一時,可更簡單地進行導體軟線與外部導體的連接。因此,當對壓電基材施加張力時,容易檢測對應於張力的電壓信號。
作為壓電基材具備功能層時的形態,可列舉於壓電體的至少一面上配置功能層而成的積層體的狀態。於該情況下,較佳為包含壓電體與一個以上的功能層的積層體的表面層的至少一者為電極層。
壓電基材較佳為於導體軟線與壓電體之間具備接著層。藉由壓電基材具備接著層,導體軟線與壓電體的相對位置難以偏離。因此,容易對壓電體施加張力,且容易對壓電體中所含的螺旋手性高分子施加剪切應力。因此,可有效地自導體(較佳為信號線導體)中檢測與張力成比例的電壓輸出。另外,藉由具備接著層,而存在每單位拉伸力的產生電荷量的絕對值進一步增加的傾向。於本說明書中,「接著」為包含「黏著」的概念。另外,「接著層」為包含「黏著層」的概念。
形成接著層的接著劑的材料並無特別限制。例如可使用環氧系接著劑、胺基甲酸酯系接著劑、乙酸乙烯酯樹脂系乳液形接著劑、(EVA)系乳液形接著劑、丙烯酸樹脂系乳液形接著劑、苯乙烯.丁二烯橡膠系乳膠形接著劑、矽酮樹脂系接著劑、α-烯烴(異丁烯-馬來酸酐樹脂)系接著劑、氯乙烯樹脂溶劑形接著劑、橡膠系接著劑、彈性接著劑、氯丁二烯橡膠系溶劑形接著劑、腈橡膠系溶劑形接著劑等、氰基丙烯酸酯系接著劑等。
接著層的彈性模數較佳為與壓電體的彈性模數相同或其以上。於該情況下,由對壓電基材施加的張力引起的應變(壓電應變)難以於接著層緩和,應變向壓電體的傳遞效率容易維持。
因此,當將壓電基材應用於例如感測器時,感測器的感度維持得良好。
接著層的厚度若為無法於壓電基材與壓電體之間形成空隙,且接合強度不下降的範圍,則越薄越佳。藉由減小接合部位的厚度,而由對壓電基材施加的張力引起的應變難以於接著劑部分緩和,應變向壓電體的傳遞效率容易維持。因此,當將壓電基材應用於例如感測器時,感測器的感度維持得良好。
〔外部導體〕
壓電基材視需要亦可具備外部導體。藉由壓電基材具備外部導體,可進行靜電屏蔽,且可期待由外部的靜電的影響引起的導體(較佳為內部導體)的電壓變化得到抑制的效果。
壓電基材具備外部導體時的外部導體較佳為接地導體。所謂接地導體,是指當檢測信號時,例如與導體(較佳為信號線導體)成對的導體。
外部導體的材料並無特別限定,根據剖面形狀,可主要列舉以下者。
例如,作為具有矩形剖面的接地導體的材料,可使用將圓形剖面的銅線壓延而加工成平板狀的銅箔緞帶或鋁(Al)箔緞帶等。
例如,作為具有圓形剖面的接地導體的材料,可使用銅線、鋁線、不鏽鋼(SUS)線、經絕緣皮膜被覆的金屬線、碳纖維、與碳纖維一體化的樹脂纖維、銅箔螺旋(spiral)地捲繞於纖維而成的錦紗線。
另外,亦可使用利用絕緣材料塗佈有機導電材料而成者作為外部導體。
外部導體的剖面形狀可應用圓形狀、橢圓形狀、矩形狀、異形狀等各種剖面形狀。特別是,矩形剖面可增大對於被黏附體的密接面,因此可有效率地以電壓信號的形式對因壓電效果所產生的電荷進行檢測。
為了不與壓電基材的內部的導體軟線發生短路,外部導體較佳為以包裹壓電基材的方式配置。具體而言,可選擇如下方法:將銅箔等呈螺旋狀捲繞於壓電基材的周圍的方法或將銅線等製成筒狀的編帶而包裹壓電基材的方法等,但並不限定於該些方法。
關於外部導體的配置,以將壓電基材的最小基本構成單元(即,導體軟線及壓電體)呈圓筒狀包合的方式配置亦為較佳形態之一。另外,例如以下形態亦為較佳形態之一:將壓電基材加工成包含後述的壓電編物或壓電織物的片狀,並將面狀或片狀的外部導體近接配置於其單面或兩面。
〔絕緣體〕
壓電基材視需要亦可具備絕緣體。藉由壓電基材具備絕緣體,可進行靜電屏蔽,且由外部的靜電的影響引起的導體(較佳為內部導體)的電壓變化得到抑制。其結果,當將壓電基材用作例如壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置的構成要素之一時,可期待相對於各種環境的
變動,亦可進行頑強的、感度難以變動的、穩定的輸出的效果。
絕緣體的配置地方並無特別限制,可根據壓電基材的用途等來選擇。例如,可配置於壓電基材中的導體軟線與壓電體之間,亦可配置於壓電基材與外部導體之間,亦可配置於外部導體的外周。
絕緣體例如可為具有長條狀形狀且捲繞於導體軟線、壓電基材或外部導體的周圍的狀態。
絕緣體的材質並無特別限定。例如可列舉:氯乙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、乙烯.四氟乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯.六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯樹脂(PTFE)、四氟乙烯.全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)、氟橡膠、聚酯樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚醯胺樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯樹脂(PET)、橡膠(包含彈性體)等。
<壓電基材的使用形態>
藉由對本實施形態的壓電基材施加拉伸力,與拉伸力成比例的剪切應變被施加至螺旋手性高分子,並以電壓信號(電荷信號)的形式自導體被檢測。作為對壓電基材施加拉伸力的方法,有各種方法,亦可為:對壓電基材直接施加張力的方法,或如圖5及圖6所示,使用黏著膠帶51將壓電基材10貼附於平板52,從而製作帶有平板的壓電基材50,對平板52施加按壓力,經由於平板52中所產生的撓曲變形而對壓電基材10施加張力,從而檢測電壓信號。再者,圖5是表示使用黏著膠帶51貼附平板52的壓
電基材10(帶有平板的壓電基材50)的概略剖面圖,圖6是對使用黏著膠帶51貼附平板52的壓電基材10(帶有平板的壓電基材50)進行按壓時的概略剖面圖。
作為用以將壓電基材10貼附於平板52而進行機械性一體化的方法,可列舉各種方法。例如可列舉:如圖7所示,使用玻璃紙膠帶、樹膠膠帶等黏著膠帶51將壓電基材10的一部分貼附於平板52的方法;如圖8所示,使用環氧樹脂等熱硬化性接著劑、熱熔接著劑等熱塑性接著劑等接著劑61將壓電基材10的一部分貼附於平板52的方法等。
於圖7中的帶有平板的壓電基材60中,使用黏著膠帶51將壓電基材10的一部分貼附於平板52,於平板52上配置有柔性印刷電路(Flexible Printed Circuit,FPC)(柔性印刷基板)54,且於FPC 54上配置有與壓電基材10導通的銅箔53。另外,帶有平板的壓電基材60具備對壓電信號進行檢測並加以處理的信號處理電路單元55,所述壓電信號是對壓電基材10施加拉伸力而檢測出。另外,於圖8中的帶有平板的壓電基材70中,除代替黏著膠帶51而使用接著劑61將壓電基材10的一部分貼附於平板52的方面以外,與所述帶有平板的壓電基材60相同。
另外,作為貼附壓電基材的對象,除所述平板以外,亦可貼附於包含曲面等的電子電路的框體的內側或外側等。
另外,如圖9所示,亦可將壓電基材10配置於頭盔(或帽子)57的顎帶58的一部分,以電壓信號的形式檢測伴隨咀嚼等
的顎的運動的顎帶的張力的變化。藉此,可以電壓信號的形式檢測咀嚼強度、咀嚼次數等,並加以監視。
<壓電基材的用途>
本實施形態的壓電基材例如可用作感測器用途(落座感測器等力感測器,壓力感測器,變位感測器,變形感測器,振動感測器,超音波感測器,生物感測器,球拍、高爾夫球桿、球棒等各種球技用運動用具的打擊時的加速度感測器或撞擊感測器等,布製玩偶的觸摸‧衝擊感測器,床的監護感測器,玻璃或窗框等的安全感測器等)、致動器用途(座位搬送用裝置等)、能量擷取用途(發電衣服、發電靴等)、健康照護關連用途(於T恤、運動服、鞋罩、襪子等各種衣類,護具,石膏,尿布,乳幼兒用手推車的座位,輪椅用座位,醫療用保育器的墊子,靴,靴的鞋墊,手錶等中設置有本感測器的可穿戴感測器等)等。
另外,本實施形態的壓電基材配設於各種衣料(襯衫、西服、休閒式外套、罩衫、上衣、夾克、甲克衫、無袖套衫、背心、連衣裙、褲子、內褲、內衣(長襯裙、襯裙、女背心、胸罩)、襪子、手套、和服、帶子料、金線織花的錦緞、冷感衣料、領帶、手帕、圍巾、女用頭巾、女用披肩、眼罩)、護具(頭用護具、肩用護具、胸用護具、腹用護具、腰用護具、前臂用護具、腳用護具、肘用護具、膝用護具、手腕用護具、腳踝用護具)、鞋類(膠底鞋、長統靴、涼鞋、輕便帆布鞋、穆勒鞋、拖鞋、芭蕾舞鞋、功夫鞋)、鞋內底、毛巾、帆布背包、帽子(有
簷帽、無簷帽、棺材帽、獵帽、寬邊高頂帽、鬱金香帽、遮陽帽、貝雷帽)、帽子顎帶、頭盔、頭盔顎帶、頭巾、傳送帶、座套、床單、坐墊、靠墊、被褥、被套、毛毯、枕頭、枕套、沙發、椅子、辦公桌、桌子、座位、座席、馬桶座、按摩椅、床、床墊、地毯、籃子、口罩、繃帶、繩索、布製玩偶、各種網、浴缸、壁材、地板材、窗材、窗框、門、門把手、電腦、滑鼠、鍵盤、印表機、框體、機器人、樂器、假手、假腳、自行車、滑板、輪滑、橡膠球、羽毛球、手柄、踏板、釣魚竿、釣魚用浮子、釣魚用卷盤、釣魚竿接受器(fishing rod receiver)、誘餌(lure)、開關、保險櫃、柵欄、ATM、拉手、刻度盤、橋、建築物、結構物、隧道、化學反應容器及其配管、空壓機器及其配管、油壓機器及其配管、蒸氣壓機器及其配管、馬達、電磁螺線管、汽油發動機等各種物品,而用於感測器、致動器、能量收集(energy harvest)用途。
作為配設方法,例如可列舉:將壓電基材縫入於對象物、利用對象物進行夾持、利用黏接著劑固定於對象物等各種方法。
例如,作為後述的壓電織物、壓電編物及壓電裝置,可應用於該些用途。
所述用途之中,本實施形態的壓電基材較佳為用作感測器用途或致動器用途。
具體而言,本實施形態的壓電基材較佳為搭載於力感測器而使用,或者搭載於致動器而使用。
另外,所述壓電基材、壓電織物、壓電編物及壓電裝置可藉由對場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)的閘極.源極間施加因應力而產生的電壓來進行FET的開關(switching),亦可用作可藉由應力而進行啟動-關閉(ON-OFF)的開關(switch)。
本實施形態的壓電基材亦可用於所述用途以外的其他用途。
作為其他用途,可列舉:用於探測翻身的寢具、用於探測移動的地毯、用於探測移動的鞋內底、用於探測呼吸的胸帶、用於探測呼吸的口罩、用於探測力氣的臂帶、用於探測力氣的腳帶、用於探測落座的落座座位、可判別接觸狀態的布製玩偶、布製玩偶型社交機器人等。於可判別接觸狀態的布製玩偶、布製玩偶型社交機器人等中,例如可藉由局部地配置於布製玩偶等中的接觸感測器來檢測壓力變化,並判別人對布製玩偶等進行了「撫摸」還是「拍打」還是「拉扯」等各動作。
另外,本實施形態的壓電基材例如特別適合於車載用途、利用振動.音響感測的汽車手柄把持檢測用途、利用使用振動.音響感測的共振頻譜的車載機器操作系統用途、車載顯示器的觸控感測器用途、振動體用途、汽車門及汽車窗的夾持偵測感測器用途、車體振動感測器用途等。
本實施形態的壓電基材中,可接合公知的取出電極。作為取出電極,可列舉連接器等電極零件、壓接端子等。電極零件可藉由焊接等硬焊、導電性接合劑等來與壓電基材接合。
〔壓電織物〕
本實施形態的壓電織物具備所述壓電基材。
於本說明書中,所謂「壓電織物」,是指藉由外部刺激(例如物理力)而顯現壓電效果的織物。所謂「織物」,是指藉由使紗交錯來形成織物結構體而精加工成片或膜形狀者整體。
本實施形態的壓電織物具備壓電基材的形態並無特別限制。例如,構成壓電織物的縱紗及橫紗的至少一者的至少一部分可為壓電基材或包含壓電基材者。
當壓電織物為縱紗及橫紗這兩者包含壓電基材的形態時,就提昇壓電感度及壓電輸出的穩定性的觀點而言,較佳為縱紗中所含的壓電體的捲繞方向與橫紗中所含的壓電體的捲繞方向相互不同,且縱紗中所含的螺旋手性高分子的手性與橫紗中所含的螺旋手性高分子的手性相同。
或者,較佳為縱紗中所含的壓電體的捲繞方向與橫紗中所含的壓電體的捲繞方向相同,且縱紗中所含的螺旋手性高分子的手性與橫紗中所含的螺旋手性高分子的手性相互不同。
構成壓電織物的紗的材質並無特別限制。例如,可為含有高分子的紗。作為高分子,可列舉聚酯、聚烯烴等通常的高分子,另外,亦可列舉所述螺旋手性高分子等螺旋手性高分子。
另外,含有高分子的紗的概念亦包含本實施形態的壓電基材。
本實施形態的壓電織物中的織物結構體的形態並無特別限制。例如可列舉:平紋織(plain weave)、斜紋織(twill weave)、
緞紋織(satin weave)等基本的結構體。
本實施形態的壓電織物亦可為具有三維結構的織物。於本說明書中,所謂「具有三維結構的織物」,是指除二維結構以外,藉由在織物的厚度方向亦編織入紗(縱紗、橫紗)而立體地精加工而成的織物。具有三維結構的織物的例子例如於日本專利特表2001-513855號公報中有記載。
壓電織物可應用於對至少一部分要求壓電性的所有用途。作為壓電織物的用途的具體例,可列舉:各種衣料(襯衫、西服、休閒式外套(blazer)、罩衫(blouse)、上衣、夾克(jacket)、甲克衫(blouson)、無袖套衫(jumper)、背心、連衣裙、褲子、裙子、內褲、內衣(長襯裙、襯裙(petticoat)、女背心(camisole)、胸罩)、襪子、手套、和服、帶子料、金線織花的錦緞、冷感衣料、領帶、手帕、圍巾、女用頭巾、女用披肩、眼罩)、桌布、鞋類(膠底鞋、長統靴、涼鞋、輕便帆布鞋(pumps)、穆勒鞋(mules)、拖鞋、芭蕾舞鞋、功夫鞋)、毛巾、紙袋、包(大手提包、挎包、手提包、小型手提袋(pochette)、購物袋、環保袋、帆布背包(rucksack)、小背包(daypack)、運動包、波士頓包、腰包(waist bag)、腰袋(waist pouch)、小手提包(second bag)、女用無帶提包(clutch bag)、小化裝箱(vanity case)、飾品袋、媽媽包、派對包、和服包)、袋‧盒(化妝袋、面紙盒、眼鏡盒、筆盒、書皮、遊戲袋、鑰匙盒、證件套)、錢包、帽子(有簷帽(hat)、無簷帽(cap)、棺材帽(casket)、獵帽(hunting cap)、寬邊高頂帽
(ten-gallon hat)、鬱金香帽(tulip hat)、遮陽帽(sun visor)、貝雷帽)、頭盔、頭巾、傳送帶、圍裙、緞帶、胸衣、胸針、窗簾、壁布、座套、床單、被褥、被套、毛毯、枕頭、枕套、沙發、床、籃子、各種包裝材料、室內裝飾品、汽車用品、人造花、口罩、繃帶、繩索、各種網、魚網、水泥增強材、網版印刷用網格、各種過濾器(汽車用、家電用)、各種網格、褥單(農業用、休閒墊)、土木工程用織物、建築工程用織物、過濾布等。
再者,可藉由本實施形態的壓電織物來構成所述具體例的整體,亦可藉由本實施形態的壓電織物來僅構成要求壓電性的部位。
作為本實施形態的壓電織物的用途,特別適宜的是穿在身體上的可穿戴製品。
〔壓電編物〕
本實施形態的壓電編物具備所述壓電基材。
於本說明書中,所謂「壓電編物」,是指藉由外部刺激(例如物理力)而顯現壓電效果的編物。所謂「編物」,是指包含一面利用紗製作環一面進行編織所形成的編物結構體者整體。
本實施形態的壓電編物具備壓電基材的形態並無特別限制。例如,構成壓電編物的縱紗及橫紗的至少一者的至少一部分可為壓電基材或包含壓電基材者。
構成壓電編物的紗的材質並無特別限制。作為紗,例如可列舉含有高分子的紗。作為高分子,可列舉聚酯、聚烯烴等通常的高分子,另外,亦可列舉所述螺旋手性高分子等螺旋手性高
分子。
另外,含有高分子的紗的概念亦包含本實施形態的壓電基材。
本實施形態的壓電編物中的編物結構體的形態並無特別限制。例如,可列舉緯編(橫編)、經編(豎編)等。緯編可列舉:平編、羅紋編、雙面編、珍珠編、圓編等。另外,經編可列舉:經平編、經緞編、菱形編(diamond knitting)、米蘭編(milanese knitting)等。
本實施形態的壓電編物亦可為具有三維結構的編物。於本說明書中,所謂「具有三維結構的編物」,是指除二維結構以外,藉由在編物的厚度方向亦編織入紗而立體地精加工而成的編物。
壓電編物可應用於對至少一部分要求壓電性的所有用途。作為壓電編物的用途的具體例,可列舉作為壓電織物的用途的具體例而例示者。
再者,可藉由本實施形態的壓電編物來構成所述具體例的整體,亦可藉由本實施形態的壓電編物來僅構成要求壓電性的部位。
作為本實施形態的壓電編物的用途,特別適宜的是穿在身體上的可穿戴製品。
〔壓電裝置〕
本實施形態的壓電裝置具備所述實施形態的壓電基材。
於本說明書中,所謂「壓電裝置」,是指藉由外部刺激(例如物理力)而顯現壓電效果的裝置整體。
壓電裝置具備壓電基材的形態並無特別限制。例如,亦可具備壓電基材作為所述壓電織物或壓電編物。
壓電裝置亦可進而具備外部導體。
壓電裝置具備外部導體的形態並無特別限制。例如,可為具備包含壓電基材的壓電織物或壓電編物及配置於與壓電織物或壓電編物的主面相對向的位置的外部導體者。
當壓電裝置具備外部導體時,外部導體較佳為接地導體。接地導體的材質並無特別限制,例如可列舉作為所述壓電基材所具備的外部導體的材質而例示者。
作為壓電裝置所具備的外部導體,亦可使用通常使用的電極材料。作為電極材料,可列舉金屬(Al等),除此以外,例如亦可列舉:Ag、Au、Cu、Ag-Pd合金、Ag膏、Cu膏、碳黑、氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)(結晶化ITO及非晶ITO)、ZnO、氧化銦鎵鋅(Indium Gallium Zinc Oxide,IGZO)、氧化銦鋅(Indium Zinc Oxide,IZO)(註冊商標)、導電性聚合物(聚噻吩、聚-3,4-伸乙二氧基噻吩(Poly-3,4-Ethylenedioxythiophene,PEDOT))、Ag奈米線、碳奈米管、石墨烯等。壓電裝置所具備的外部導體的材質可與壓電基材中所使用的外部導體相同,亦可不同。
壓電裝置所具備的外部導體的形狀並無特別限制,可根據目的來選擇。
本實施形態的壓電裝置亦可具備包含壓電基材的壓電
織物或壓電編物、配置於與壓電織物或壓電編物的主面相對向的位置的外部導體及配置於壓電織物或壓電編物與外部導體之間的絕緣體。藉由壓電裝置具備絕緣體,而成為容易抑制壓電基材中所含的導體軟線與外部導體間的電性短路的發生的結構。
壓電裝置所具備的絕緣體的材質並無特別限制。例如可列舉作為所述壓電基材所具備的絕緣體的材質而例示者。
壓電裝置所具備的絕緣體的形狀並無特別限制,可根據目的來選擇。
壓電裝置可應用於對至少一部分要求壓電性的所有用途。作為壓電裝置的用途的具體例,可列舉作為壓電織物的用途的具體例而例示者。
再者,可藉由本實施形態的壓電裝置來構成所述具體例的整體,亦可藉由本實施形態的壓電裝置來僅構成要求壓電性的部位。
作為本實施形態的壓電裝置的用途,特別適宜的是穿在身體上的可穿戴製品。
〔力感測器〕
本實施形態的力感測器具備所述實施形態的壓電基材。以下,一面參照圖式一面對具備本實施形態的壓電基材的力感測器的具體形態進行說明。
圖4是力感測器的概念剖面圖。力感測器40具備作為第2絕緣體的圓筒形狀的橡膠系熱收縮管(以下,亦簡稱為「收縮管」)44、配置於收縮管44的內部的壓電基材10D及配置於收
縮管44的兩端部的一對壓接端子(取出電極)46。一對壓接端子46包含本體部46a與壓接部46b,且於中央部具有貫通孔46c。壓電基材10D具備相當於內部導體的導體軟線12C、於導體軟線12C的周圍向一方向呈螺旋狀捲繞的壓電體14D及於壓電體14D的外周面向一方向呈螺旋狀捲繞的外部導體42(接地導體)。
於壓電基材10D中,導體軟線12C的一端(圖4的右端)於收縮管44的外側延伸存在,經壓接部46b壓接而電性連接於壓接端子46。另一方面,外部導體42自導體軟線12C的一端側朝向另一端側捲繞後,跨越導體軟線12C的另一端(圖4的左端)而延伸存在,該延伸存在部分於收縮管44內形成應力緩和部42a。
外部導體42經過該應力緩和部42a後,於收縮管44的進一步外側(圖4的左端)延伸存在,經壓接部46b壓接而電性連接於壓接端子46。
如圖4所示,應力緩和部42a包含鬆弛狀態的外部導體42。應力緩和部42a中,當對力感測器40施加張力(應力)時,藉由鬆弛部分延伸,而抑制過度的力負載於壓電體14D。
壓電體14D具有長條平板形狀,於兩面設置有鋁蒸鍍膜(未圖示)作為功能層。再者,一對壓接端子46連接於對力感測器40的輸出信號進行處理的外部電路等(未圖示)。
於圖4所示的實施形態中,作為應力緩和部42a配置有鬆弛的外部導體42,但本發明的實施形態並不限定於此,亦可藉由接著、紗結扣等方法等而將線狀的應力緩和部配置於壓電基材
10D的至少任一個端部或兩端部,以傳遞張力,藉此對力感測器40賦予緩和應力的功能。
於所述情況下,線狀的應力緩和部不存在電性連接的功能,關於電性連接功能,獨立於應力緩和部,自壓電基材的端部將導體軟線及外部導體連接於同軸電纜等,藉此可檢測應力或應變的電壓信號。
所述情況下的應力緩和部的材料及形態並無特別限定,例如可列舉:包含天然橡膠、矽橡膠、胺基甲酸酯橡膠等具有伸縮性的彈性材料的紗、帶、管等軟線狀物;包含磷青銅等金屬材料、線狀的聚合物等的彈簧等。
藉由將應力緩和部與電性連接部分別獨立地配置於不同的部位,而不存在因電性連接部的最大伸長量所引起的應力緩和部的應變量的限制,且可使作為張力感測器的最大應變量增大。
再者,於所述圖9所示的將壓電基材10配置於頭盔(或帽子)57的顎帶58的一部分的例子中,顎帶58作為應力緩和部而發揮功能。
以下,對本實施形態的力感測器40的作用進行說明。
若對力感測器40施加張力(應力),則張力被施加至壓電基材10D,而對壓電基材10D的壓電體14D中所含的螺旋手性高分子施加剪切力,藉由該剪切力而在壓電基材10D的徑方向產生螺旋手性高分子的極化。極化方向為壓電基材10D的徑方向。藉此,產生與張力成比例的電荷(電場),所產生的電荷以電壓信
號(電荷信號)的方式被檢測。再者,電壓信號於連接於壓接端子46的外部電路等(未圖示)中被檢測。
另外,本實施形態的力感測器40具備形成與同軸電纜中所具備的內部結構相同的結構的壓電基材10D,因此可成為電磁屏蔽性高、對於雜訊而言強的結構。除此以外,結構簡單,因此例如可作為可穿戴感測器而佩戴於身體的一部分來使用。
力感測器並不限定於將對壓電基材施加張力時所產生的電荷(電場)以電壓信號的形式取出的構成,例如亦可為將對壓電基材施加扭轉力時所產生的電荷(電場)以電壓信號的形式取出的構成。
〔生物資訊取得裝置〕
本實施形態的生物資訊取得裝置具備所述實施形態的壓電基材。
作為本實施形態的壓電基材、本實施形態的壓電織物及本實施形態的壓電編物的用途,生物資訊取得裝置亦較佳。
即,本實施形態的生物資訊取得裝置包含本實施形態的壓電基材、本實施形態的壓電織物或本實施形態的壓電編物。
本實施形態的生物資訊取得裝置是用以藉由所述壓電基材、所述壓電織物或所述壓電編物來檢測被檢驗者或被檢驗動物(以下,將該些亦總稱為「被檢驗體」)的生物信號,藉此取得被檢驗體的生物資訊的裝置。
作為此處所述的生物信號,可列舉:脈搏信號(心搏信號)、
呼吸信號、體動信號、心衝擊、生物震顫等。
所謂生物震顫,是指身體部位(手指、手、前膊、上肢等)的有律動的不自主運動。
另外,所述心衝擊的檢測亦包含由身體的心功能引起的力的效果的檢測。
即,當心臟將血液輸送至大動脈及肺動脈時,身體在與血流相反的方向受到反作用力。該反作用力的大小及方向伴隨心臟的功能性的階段而變化。該反作用力藉由感測身體的外側的心衝擊來檢測。
所述生物資訊取得裝置配設於各種衣料(襯衫、西服、休閒式外套、罩衫、上衣、夾克、甲克衫、無袖套衫、背心、連衣裙、褲子、內褲、內衣(長襯裙、襯裙、女背心、胸罩)、襪子、手套、和服、帶子料、金線織花的錦緞、冷感衣料、領帶、手帕、圍巾、女用頭巾、女用披肩、眼罩)、護具(頭用護具、肩用護具、胸用護具、腹用護具、腰用護具、前臂用護具、腳用護具、肘用護具、膝用護具、手腕用護具、腳踝用護具)、鞋類(膠底鞋、長統靴、涼鞋、輕便帆布鞋、穆勒鞋、拖鞋、芭蕾舞鞋、功夫鞋)、鞋內底、毛巾、帆布背包、帽子(有簷帽、無簷帽、棺材帽、獵帽、寬邊高頂帽、鬱金香帽、遮陽帽、貝雷帽)、頭盔、頭盔顎帶、頭巾、傳送帶、座套、床單、坐墊、靠墊、被褥、被套、毛毯、枕頭、枕套、沙發、椅子、辦公桌、桌子、座位、座席、馬桶座、按摩椅、床、床墊、地毯、籃子、口罩、繃帶、繩索、各種網、
浴缸、地板材、壁材、電腦、滑鼠等各種物品中來使用。
作為配設生物資訊取得裝置的物品,較佳為鞋類、鞋內底、床單、坐墊、靠墊、被褥、被套、枕頭、枕套、沙發、椅子、座位、座席、馬桶座、床、地毯、浴缸、地板材等承受被檢驗體的體重的物品。更具體而言,較佳為乳幼兒用手推車的座位、座席部、車輪、用以防止乳幼兒的跌落的制動器等;輪椅用的座位、座席部等;醫療用保育器的墊子等。
以下,對生物資訊取得裝置的動作的一例進行說明。
生物資訊取得裝置例如配設於床上或椅子的座面上等。於該生物資訊取得裝置上,被檢驗體橫臥、落座或起立。於該狀態下,藉由自被檢驗體中發出的生物信號(體動、週期性的振動(脈、呼吸等),因人的「可愛」、「可怕」等感性而變化的心搏數等),若對生物資訊取得裝置的壓電基材、壓電織物或壓電編物賦予張力,則於該些的壓電基材、壓電織物或壓電編物中所含的螺旋手性高分子中產生極化,並產生與所述張力成比例的電位。該電位伴隨自被檢驗體中發出的生物信號而經時地變化。例如,當自被檢驗體中發出的生物信號為脈、呼吸等週期性的振動時,壓電基材、壓電織物或壓電編物中所產生的電位亦週期性地變化。
藉由測定模組來取得伴隨對所述壓電基材、壓電織物或壓電編物賦予張力所產生的電位的經時的變化作為電壓信號。所取得的電位的經時的變化(壓電信號)為多個生物信號(脈搏信號(心
搏信號)、呼吸信號、體動信號)的合成波。藉由傅立葉變換(fourier transform)來將該合成波分離成各頻率,而生成分離信號。藉由對所生成的分離信號分別進行逆傅立葉變換,而分別獲得對應於各分離信號的生物信號。
以下,藉由實施例來更具體地說明本發明,但本發明只要不超出其主旨,則並不限定於以下的實施例。
<壓電體的製作>
相對於作為螺旋手性高分子的自然工作有限責任公司(NatureWorks LLC)製造的聚乳酸(品名:IngeoTM biopolymer,商標:4032D)100質量份,添加穩定劑〔萊茵化學(Rhein Chemie)公司製造的斯塔巴克索爾(Stabaxol)P400(10質量份)、萊茵化學(Rhein Chemie)公司製造的斯塔巴克索爾(Stabaxol)I(70質量份)及日清紡化學公司製造的卡保迪來(Carbodilite)LA-1(20質量份)的混合物〕1.0質量份,並進行乾摻來製作原料。
將所製作的原料投入至擠出成形機料斗中,一面加熱至210℃一面自T字模中擠出,並接觸50℃的鑄造輥0.3分鐘,而對厚度150μm的預結晶化片進行製膜(預結晶化步驟)。對所述預結晶化片的結晶度進行測定,結果為6%。
一面將所獲得的預結晶化片加熱至70℃,一面利用輥對輥以10m/min的延伸速度開始延伸,並於MD方向單軸延伸至3.5倍為止(延伸步驟)。所獲得的膜的厚度為49.2μm。
其後,利用輥對輥,使所述單軸延伸膜接觸加熱至145℃的輥上15秒並進行退火處理,其後進行急速冷卻,而製作壓電膜(退火處理步驟)。
繼而,使用縱切加工機以使進行縱切的方向與壓電膜的延伸方向大致平行的方式對壓電膜進行縱切。藉此,獲得寬度0.39mm、厚度50μm的緞帶狀的壓電體(縱切緞帶)。再者,所獲得的壓電體的剖面形狀為矩形。
(3)壓電體的物性測定
對以所述方式獲得的緞帶狀壓電體進行以下的物性測定。將結果示於表1中。
藉由如下方式來進行測定:使用廣角X射線繞射裝置(理學(Rigaku)公司製造的RINT2550,附屬裝置:旋轉試樣台,X射線源:CuKα,輸出:40kV 370mA,檢測器:閃爍計數器(scintillation counter)),將樣品(壓電體)固定於固定器,並對結晶面峰值[(110)面/(200)面]的方位角分佈強度進行測定。
於所獲得的方位角分佈曲線(X射線干涉圖)中,根據結晶度及峰值的半值寬(α),藉由下述式來算出聚乳酸的配向度F(C軸配向度)並加以評價。其結果,結晶化度為45%,配向度F為0.97。
配向度F=(180°-α)/180°
(α為源自配向的峰值的半值寬)
〔實施例1〕
<壓電基材的製作>
藉由以下所示的方法來製作在與圖1所示的壓電基材10相同的構成的壓電基材上進而具備銅箔緞帶作為外部導體(接地導體)的壓電基材。
準備高神(GOSEN)(股)製造的聚酯單絲(超級宏泰龍(Super Hontelon)GP,線外徑0.128mm,長度250mm)作為導體軟線的芯材。於該芯材的周圍,將作為內部導體的壓延銅箔(寬度0.3mm×厚度0.018mm)以不使芯材露出的方式呈螺旋狀S卷捲繞(層數為1),從而製作導體軟線。再者,所謂「S捲」,是指當自導體軟線的軸方向的一端(於圖1的情況下為右端側)觀察時,緞帶狀壓電體自導體軟線的近前側朝向內側以左捲(逆時針)捲繞。於導體軟線的兩端鉚接設置壓接端子作為電性連接部及機械性連接部。
使用純折曲試驗機(加藤技術(KATO TECH)股份有限公司製造,KES-FB2)來測定所製作的導體軟線的每單位長度的折曲剛性B的值。以纖維的測定長度d=0.12mm進行測定。測定的結果,每單位長度的折曲剛性B的值為10.2×10-4[N.m2/m]。
繼而,於導體軟線的周圍,將所述所獲得的壓電體以不使導體軟線的表面露出的方式呈螺旋狀左卷捲繞,從而獲得壓電基材。當捲繞壓電體時,設為相對於導體軟線的軸方向而朝向大
致45°的方向(螺旋角度45°)。
繼而,準備寬度0.32mm、厚度0.018mm的壓延銅箔緞帶作為外部導體。藉由與壓電體相同的方法,於壓電基材的周圍,將該銅箔緞帶以不使壓電基材的表面露出的方式無間隙地S卷捲繞。
<評價>
使用所獲得的實施例1的壓電基材,測定對壓電基材施加拉伸力時所產生的電荷量(產生電荷量),並根據產生電荷量來算出每單位拉伸力的產生電荷量。將結果示於表1中。
(每單位拉伸力的產生電荷量)
將實施例1的壓電基材設為樣品,並夾於將卡盤間距離設為200mm的拉伸試驗機(A&D(股)製造,滕喜龍(Tensilon)RTG1250)。
繼而,對樣品於1.5N~4.5N的應力範圍以0.2Hz週期性地且呈三角波狀地反覆施加張力,並利用靜電計(吉時利(KEITHLEY)公司製造的617)對在此時的樣品的表背所產生的電荷量進行測定。根據將所測定的產生電荷量Q[C]設為Y軸且將樣品的拉伸力F[N]設為X軸時的散佈圖的相關直線的斜率,來算出每單位拉伸力的產生電荷量。
(形狀的評價)
使用基恩士(KEYENCE)公司製造的實體顯微鏡VHX5000自與壓電基材的導體軟線的軸向方向垂直的方向觀察壓電基材,
並調查其形狀是否滿足式(b):△Dmax<tpmin的條件。將滿足該條件的情況設為「真(TRUE)」,將不滿足的情況設為「假(FALSE)」,並將結果示於表1中。
(形狀保持性的評價)
為了對壓電基材對於塑性變形的耐性(形狀保持性)進行評價,將壓電基材於直徑1cm的包含電木(bakelite)的圓柱纏繞兩圈,纏繞後將圓柱拔出,藉由目視觀察來評價是否保持圓形的形狀。
關於壓電基材,將去除圓柱後幾乎無經時的變化地保持圓形形狀者評價為形狀保持性「無」,將藉由彈性而回彈並不保持圓形形狀地恢復至原來的狀態者設為對於塑性變形的耐性高者,而評價為形狀保持性「有」。將結果示於表1中。
(導通不良率的評價)
準備20根將實施例1的壓電基材切成長度20cm者。使用電感電容電阻(Inductance Capacitance Resistance,LCR)測量計(HP4284A)來測定導體軟線與外部導體的導通。測定中,將測定端子連接於導體軟線與外部導體,測定導體間的電阻值,將電阻值未滿1MΩ者設為短路,並檢查其有無,將發生短路者設為B,將未發生短路者設為A。將20根中的發生短路者(B)的比例設為導通不良率而記錄於表1中。
〔實施例2〕
除將芯材的粗度設為0.205mm、將壓電體的寬度設為0.67
mm以外,進行與實施例1相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例3〕
除將芯材的粗度設為0.285mm、將壓電體的寬度設為0.67mm,將外部導體的寬度設為0.6mm以外,進行與實施例1相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例4〕
除將芯材變更為氟碳化合物製的紗(東麗(股)製造的東洋福隆超哈德(Toyoflon super hard)L,線外徑0.205mm,長度200mm)以外,進行與實施例2相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例5〕
除將芯材的粗度設為0.285mm、將外部導體的寬度設為0.6mm以外,進行與實施例4相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例6〕
除將芯材變更為尼龍製的紗(東麗(股)製造的銀鱗,線外徑0.205mm,長度200mm)以外,進行與實施例2相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例7〕
除將芯材的粗度設為0.285mm、將外部導體的寬度設為0.6mm以外,進行與實施例6相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例8〕
將芯材變更為形狀保持性高的聚乙烯製的紗(三井化學(股)製造的特酷勞特(technorote)W1000,線外徑0.36mm,長度200
mm),將壓電體的寬度設為0.67mm,將捲繞內部導體與外部導體的方向變更為Z方向,將內部導體的層數變更為2,將外部導體的寬度設為0.3mm,除此以外,進行與實施例1相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例9〕
將芯材變更為包含對位芳香聚醯胺樹脂的絲紗的複絲(帝人(股)製造的特酷拉(technora),纖度220dtex×1根,未撚搓,長度200mm),將粗度設為0.2mm,將壓電體的寬度設為0.67mm,將捲繞內部導體與外部導體的方向變更為Z方向,將內部導體的層數變更為2,將外部導體的寬度設為0.3mm,除此以外,進行與實施例1相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例10〕
將芯材變更為包含聚酯樹脂的絲紗的複絲(高神(GOSEN)(股)製造的#50支×撚搓3根,長度200mm),將粗度設為0.3mm,將壓電體的寬度設為0.67mm,將捲繞內部導體與外部導體的方向變更為Z方向,將內部導體的層數變更為2,將外部導體的寬度設為0.3mm,除此以外,進行與實施例1相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例11〕
將芯材變更為包含聚苯硫醚(polyphenylene sulfide,PPS)樹脂的絲紗的複絲(KB星煉(SEILEN)(股)製造的纖度110dtex×撚搓2根,長度200mm),將粗度設為0.3mm,將壓電體的寬度
設為0.67mm,將捲繞內部導體與外部導體的方向變更為Z方向,將內部導體的層數變更為2,將外部導體的寬度設為0.3mm,除此以外,進行與實施例1相同的操作。將結果示於表1中。
〔實施例12〕
將芯材變更為包含PPS樹脂的絲紗的複絲(KB星煉(SEILEN)(股)製造,纖度70dtex×撚搓3根,長度200mm),將粗度設為0.3mm,將壓電體的寬度設為0.67mm,將捲繞內部導體與外部導體的方向變更為Z方向,將內部導體的層數變更為2,將外部導體的寬度設為0.3mm,除此以外,進行與實施例1相同的操作。將結果示於表1中。
〔比較例1〕
將芯材變更為包含間位芳香聚醯胺樹脂的機紡紗的複絲(帝人(股)製造的康納科斯(Conex),40支撚搓2根,長度200mm),將粗度設為0.36mm,將壓電體的寬度設為0.67mm,將捲繞內部導體與外部導體的方向變更為Z方向,將內部導體的層數變更為2,將外部導體的寬度設為0.3mm,除此以外,進行與實施例1相同的操作。將結果示於表1中。
使用純折曲試驗機(加藤技術(KATO TECH)股份有限公司製造,KES-FB2)來測定所製作的導體軟線的每單位長度的折曲剛性B的值。以纖維的測定長度d=0.3mm進行測定。測定的結果,每單位長度的折曲剛性B的值為3.27×10-4[N.m2/m]。
如表1所示,滿足式(b)的條件的實施例的壓電基材的每單位拉伸力的產生電荷量大且壓電感度良好。另外,導通不良率為0%。另一方面,不滿足式(b)的條件的比較例1的壓電基材中,於內部導體與外部導體間,局部存在導通部位,因此因張力所產生的電荷自內部導體至外部導體中發生短路,而無法測定每單位拉伸力的產生電荷量,與實施例相比,導通不良率亦高。
藉由參照而將日本專利申請案第2017-083942號的所有揭示併入至本說明書中。
本說明書中所記載的所有的文獻、專利申請案及技術標準以與如下情況相同的程度引用並併入至本說明書中,所述情況為具體且個別地記載藉由參照而併入各個文獻、專利申請案及技術標準的情況。
Claims (20)
- 一種壓電基材,其包括:導體軟線,具備芯材與配置於所述芯材的周圍的導體;及長條狀的壓電體,沿所述導體軟線的軸方向而向一方向呈螺旋狀捲繞於所述導體軟線的周圍;且所述壓電體包含具有光學活性的螺旋手性高分子,所述壓電體的長度方向與所述壓電體中所含的螺旋手性高分子的主配向方向大致平行,根據X射線繞射測定,藉由式(a):配向度F=(180°-α)/180°(式中的α表示源自配向的峰值的半值寬)而求出的所述壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0的範圍,當自與所述導體軟線的軸方向垂直的方向觀察所述導體軟線時,自劃分為多個的區域中選擇的區域A與位於區域A旁邊的區域B的高度差的最大值△Dmax與所述壓電體的最小厚度tpmin滿足式(b):△Dmax<tpmin的條件。
- 如申請專利範圍第1項所述的壓電基材,其中,所述導體軟線具備所述芯材與沿所述芯材的軸方向而向一方向呈螺旋狀捲繞於所述芯材的周圍的所述導體。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其中,所述芯材為單絲。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其中,所述導體為內部導體,且所述壓電體沿所述內部導體的外周 面向一方向呈螺旋狀捲繞。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其進而具備絕緣體,所述絕緣體配置於所述壓電基材的外周。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其進而具備絕緣體,所述絕緣體配置於所述導體軟線與所述壓電體之間。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其中,相對於所述導體軟線的軸方向,所述壓電體保持15°~75°的角度而捲繞。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其中,所述壓電體具有長條平板形狀。
- 如申請專利範圍第8項所述的壓電基材,其中,具有長條平板形狀的所述壓電體的厚度為0.001mm~0.2mm,寬度為0.1mm~30mm,且所述寬度相對於所述厚度的比為2以上。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其中,所述壓電體中,相對於所述螺旋手性高分子100質量份,包含具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基及異氰酸酯基所組成的群組中的至少一種官能基的重量平均分子量為200~60000的穩定劑0.01質量份~10質量份。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其進而具備功能層。
- 如申請專利範圍第11項所述的壓電基材,其中,所述 功能層為選自由易接著層、硬塗層、抗靜電層、抗黏連層、保護層及電極層所組成的群組中的至少一種。
- 如申請專利範圍第11項所述的壓電基材,其中,所述功能層包含電極層。
- 如申請專利範圍第13項所述的壓電基材,其中,所述壓電體與所述功能層為積層體的狀態,且所述積層體的表面層的至少一者為所述電極層。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其於所述導體軟線與所述壓電體之間進而具備接著層。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的壓電基材,其於所述壓電基材的外周進而具備外部導體。
- 如申請專利範圍第17項所述的壓電基材,其於外部導體的外周進而具備絕緣體。
- 一種力感測器,其具備如申請專利範圍第1項至第18項中任一項所述的壓電基材。
- 一種致動器,其具備如申請專利範圍第1項至第18項中任一項所述的壓電基材。
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