JP6771310B2 - Devices using covering filamentous piezoelectric elements - Google Patents
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Description
本発明は、圧電性繊維を用いたカバリング糸状の圧電素子、その圧電素子を用いた構造体およびそれらを用いたデバイスに関する。 The present invention relates to a covering filament-like piezoelectric element using a piezoelectric fiber, a structure using the piezoelectric element, and a device using them.
近年、いわゆるウェアラブルセンサーが注目を浴びており、眼鏡型や腕時計といった形状の商品が世に出始めた。しかし、これらのデバイスは、装着しているという感覚があり、究極のウェアラブルである、布状、つまり衣類のような形状のものが望まれている。そのようなセンサーとして、圧電性繊維の圧電効果を用いた圧電素子が知られている。例えば、特許文献１には、２本の導電性繊維および１本の圧電性繊維を含み、これらが互いに接点を有しつつ、略同一平面上に配置されている圧電単位を含む圧電素子が開示されている。さらに、特許文献１のその他の様態１に、圧電性高分子の繊維を導電性繊維に巻き付けることで被覆することが記載されている。また、特許文献２には、圧電高分子からなる繊維状物、または成形物であり、これの軸方向に付加される張力によって圧電性を発生させるために、かかる張力の付加方向と異なる方向に捩りを加えて構成したことを特徴とする圧電材が開示されている。
In recent years, so-called wearable sensors have been attracting attention, and products in the shape of eyeglasses and wristwatches have begun to appear. However, these devices have a feeling of being worn, and a cloth-like, that is, a clothing-like shape, which is the ultimate wearable, is desired. As such a sensor, a piezoelectric element using the piezoelectric effect of piezoelectric fibers is known. For example,
一方、近年、いわゆるタッチパネル方式を採用した入力装置、すなわちタッチ式入力装置が大幅に増加している。銀行ＡＴＭや駅の券売機のみならず、スマートフォン、携帯電話機、携帯ゲーム機、携帯音楽プレーヤなどにおいて、薄型ディスプレイ技術の発展と相まって、入力インターフェースとしてタッチパネル方式を採用した機器が大幅に増加している。そのようなタッチパネル方式を実現する手段として、圧電シートや圧電性繊維を用いる方式が知られている。例えば、特許文献３には、所定方向に向く延伸軸を有するＬ型ポリ乳酸からなる圧電シートを用いるタッチパネルが開示されている。
On the other hand, in recent years, the number of input devices adopting the so-called touch panel system, that is, touch-type input devices has increased significantly. Not only bank ATMs and ticket vending machines at stations, but also smartphones, mobile phones, handheld game machines, portable music players, etc., along with the development of thin display technology, the number of devices that use the touch panel method as an input interface is increasing significantly. .. As a means for realizing such a touch panel method, a method using a piezoelectric sheet or a piezoelectric fiber is known. For example,
これらウェアラブルセンサーやタッチパネル方式のセンサーでは、圧電材料に印加される小さな変形により圧電材料内に生じる小さな応力に対しても、大きな電気信号を取り出すことが望まれる。例えば、指の曲げ伸ばし動作や指などで表面を擦る行為により圧電材料に生じる比較的小さな応力によっても大きな電気信号を安定的に取り出すことが望まれる。 In these wearable sensors and touch panel type sensors, it is desired to extract a large electric signal even for a small stress generated in the piezoelectric material due to a small deformation applied to the piezoelectric material. For example, it is desired to stably extract a large electric signal even with a relatively small stress generated in the piezoelectric material due to the bending and stretching motion of a finger or the act of rubbing the surface with a finger or the like.
特許文献１の圧電性繊維は、様々な用途に適用可能な優れた素材であるが、比較的小さな変形で生じる応力に対して大きい電気信号を出力できるとは必ずしもいえず、大きな電気信号を得る技術についても明示していない。また、変形に対する信号強度のバラツキを少なくしたり、繰り返し使用時の信号強度の再現性を向上させたりする技術についても明示していない。さらに言えば、圧電性高分子の繊維を導電性繊維に巻き付けることで被覆することは記載されているが、その詳細については記載がない。
The piezoelectric fiber of
特許文献２の圧電性繊維は、特殊な製造方法で圧電性繊維をあらかじめ捩じらせておくことにより、圧電性繊維への引張や圧縮に対して電気信号を出力できる。しかし、特許文献２には、圧電性繊維を曲げたり伸ばしたりする屈曲や、圧電性繊維の表面を擦る行為によるせん断応力に対して十分な電気信号を発生させる技術は開示されていない。したがって、このような圧電性繊維を用いた場合、表面を擦るような比較的小さい変形で生じる応力だけで十分な電気信号を取り出すことは困難である。
The piezoelectric fiber of
特許文献３の圧電シートは、圧電シートに対する変形（応力）によって電気信号を出力できる。しかしながら、そもそもシート状であるために柔軟性に乏しく布のように自由に屈曲できるような使い方は不可能である。
The piezoelectric sheet of
本発明の目的は、比較的小さな変形で生じる応力によっても、大きな電気信号を取り出すことが可能な繊維状の圧電素子を提供することになる。本発明のさらなる目的は、生産性に優れる繊維状の圧電素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fibrous piezoelectric element capable of extracting a large electric signal even by a stress generated by a relatively small deformation. A further object of the present invention is to provide a fibrous piezoelectric element having excellent productivity.
本発明者らは、導電性繊維と圧電性繊維との組み合わせとして、芯糸となる導電性繊維の表面を圧電性繊維を鞘糸としてカバリング撚糸した、カバリング糸状圧電素子により効率よく電気を取り出せることを発見し、本発明に到達した。 As a combination of the conductive fiber and the piezoelectric fiber, the present inventors can efficiently extract electricity by a covering filamentous piezoelectric element in which the surface of the conductive fiber to be the core yarn is covered and twisted with the piezoelectric fiber as a sheath yarn. And arrived at the present invention.
すなわち、本発明は以下の発明を包含する。
１．芯糸である導電性繊維に圧電性繊維が鞘糸としてＳ方向とＺ方向に巻きつけられるダブルカバリングによってカバリング撚糸されたカバリング糸状圧電素子であって、カバリング撚糸されたカバリング糸状圧電素子の表面に、更に電磁波シールドするための導電層を有する、カバリング糸状圧電素子と、
印加された応力に応じて前記圧電素子から出力される電気信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段で増幅された電気信号を出力する出力手段と、
を備え、前記導電性繊維の繊度が２０ｄｔｅｘ以上であり、前記圧電性繊維の繊度が前記導電性繊維の繊度の１／１０〜２倍であるデバイス。
２．前記芯糸に用いる導電性繊維の導電性が１００ｋΩ／ｍ以下である、上記１に記載のデバイス。
３．前記導電性繊維が金属コートされた有機繊維である、上記１または２に記載のデバイス。
４．前記圧電性繊維が主としてポリ乳酸からなる、上記１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
５．前記圧電性繊維のカバリング角度が３０〜８０°である、上記１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
６．前記圧電性繊維の繊度が１００ｄｔｅｘ以下である、上記１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
７．前記圧電性繊維のカバリング回数が１０００〜１５０００回／ｍである、上記１〜６のいずれか一項に記載のデバイス。
８．前記導電層が導電性繊維のカバリング撚糸である、上記１〜７のいずれか一項に記載のデバイス。
９．前記導電層の導電性繊維の導電性が１００ｋΩ／ｍ以下である、上記８に記載のデバイス。
１０．前記導電層の導電性繊維の繊度が１００ｄｔｅｘ以下である、上記８または９に記載のデバイス。
That is, the present invention includes the following inventions.
1. 1. A covering filament-like piezoelectric element in which a piezoelectric fiber is wound around a conductive fiber as a core yarn as a sheath yarn in the S and Z directions by covering and twisting, and on the surface of the covering-twisted covering filament-like piezoelectric element. A covering filamentous piezoelectric element having a conductive layer for shielding electromagnetic waves.
Amplifying means for amplifying an electric signal output from the piezoelectric element according to the applied stress, and
An output means that outputs an electric signal amplified by the amplification means, and
A device in which the fineness of the conductive fiber is 20 dtex or more, and the fineness of the piezoelectric fiber is 1/10 to 2 times the fineness of the conductive fiber .
2. The device according to 1 above, wherein the conductive fiber used for the core yarn has a conductivity of 100 kΩ / m or less.
3 . The device according to 1 or 2 above, wherein the conductive fiber is a metal-coated organic fiber.
4 . The device according to any one of 1 to 3 above, wherein the piezoelectric fiber is mainly composed of polylactic acid.
5 . The device according to any one of 1 to 4 above, wherein the covering angle of the piezoelectric fiber is 30 to 80 °.
6 . The device according to any one of 1 to 5 above, wherein the fineness of the piezoelectric fiber is 100 dtex or less.
7 . The device according to any one of 1 to 6 above, wherein the number of times of covering the piezoelectric fiber is 1000 to 15000 times / m.
8 . The device according to any one of 1 to 7 above, wherein the conductive layer is a covering twisted yarn of a conductive fiber.
9 . 8. The device according to 8 above, wherein the conductive fibers of the conductive layer have a conductivity of 100 kΩ / m or less.
10 . 8. The device according to 8 or 9 , wherein the conductive fibers of the conductive layer have a fineness of 100 dtex or less.
本発明により、比較的小さな変形で生じる応力によっても、大きな電気信号を取り出すことが可能なカバリング糸状の圧電素子を提供できる。さらには、本発明により、生産性に優れる繊維状の圧電素子を提供できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a covering filament-like piezoelectric element capable of extracting a large electric signal even by a stress generated by a relatively small deformation. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a fibrous piezoelectric element having excellent productivity.
（カバリング糸状圧電素子）
図１は実施形態に係るカバリング糸状圧電素子の構成例を示す模式図である。
カバリング糸状圧電素子１は、導電性繊維Ｂで形成された芯部３と、芯部３を圧電性繊維Ａを用いてカバリング撚糸した鞘部２と、を備えている。
(Covering filamentous piezoelectric element)
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration example of a covering filamentous piezoelectric element according to an embodiment.
The covering filamentous
図１に示すように、カバリング糸状圧電素子１では、少なくとも一本の導電性繊維Ｂの外周面を少なくとも１本の圧電性繊維Ａが取り巻いている。特定の理論に束縛されるものではないが、カバリング糸状圧電素子１に変形が生じると、圧電性繊維Ａに変形による応力が生じ、それにより圧電性繊維Ａに分極が生じ（圧電効果）、その結果、導電性繊維Ｂを取り巻く圧電性繊維Ａの電場に起因した電荷移動が導電性繊維Ｂに生じるものと推測される。なお、導電性繊維Ｂおよび圧電性繊維Ａは複数本であってもよい。以下では、本発明によるカバリング糸状圧電素子１におけるこのような導電性繊維と圧電性繊維との組み合わせに基づく電気信号の発生原理についてより詳しく説明する。
As shown in FIG. 1, in the covering filamentous
（導電性繊維と圧電性繊維との組み合わせに基づく電気信号の発生原理）
図２は、導電性繊維と圧電性繊維との組み合わせに基づく電気信号の発生原理を説明する模式的な断面図である。増幅手段１２の入力端子には、導電性繊維Ｂからの引出し線を接続する。以下、折り曲げの変形を与えた場合を例にとり説明する。図２（Ａ）において、導電性繊維Ｂ及び圧電性繊維Ａが折り曲げられておらず伸びた状態では、導電性繊維Ｂ及び圧電性繊維Ａにおいて、正負各電荷は均一に分布している。圧電性繊維Ａの折り曲げが始まると、図２（Ｂ）に示すように、圧電性繊維Ａにおいて分極が発生し、電荷の正負が一方向に配列された状態になる。圧電性繊維Ａの分極により発生した正負各電荷の配列につられて、導電性繊維Ｂから負の電荷が流出する。この負の電荷の移動は微小な電気信号の流れ（すなわち電流）として現れ、増幅手段１２はこの電気信号を増幅し、出力手段１３は、増幅手段１２で増幅された電気信号を出力する。図２（Ｂ）に示す分極状態は、圧電性繊維Ａの折り曲げが維持（固定）される限り継続する。
(Principle of generating electric signals based on the combination of conductive fibers and piezoelectric fibers)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the principle of generating an electric signal based on the combination of the conductive fiber and the piezoelectric fiber. A leader wire from the conductive fiber B is connected to the input terminal of the amplification means 12. Hereinafter, the case where the bending deformation is given will be described as an example. In FIG. 2A, when the conductive fiber B and the piezoelectric fiber A are not bent and stretched, the positive and negative charges are uniformly distributed in the conductive fiber B and the piezoelectric fiber A. When the bending of the piezoelectric fiber A starts, as shown in FIG. 2B, polarization occurs in the piezoelectric fiber A, and the positive and negative charges are arranged in one direction. Negative charges flow out from the conductive fiber B due to the arrangement of the positive and negative charges generated by the polarization of the piezoelectric fiber A. This movement of negative charges appears as a flow (that is, current) of a minute electric signal, the amplification means 12 amplifies the electric signal, and the output means 13 outputs the electric signal amplified by the amplification means 12. The polarization state shown in FIG. 2B continues as long as the bending of the piezoelectric fiber A is maintained (fixed).
圧電性繊維Ａの折り曲げ形状が維持（固定）された状態（図２（Ｂ））から圧電性繊維Ａを伸ばす動作が始まると、図２（Ｃ）に示すように圧電性繊維Ａにおいて分極は解消し、圧電性繊維Ａにおいて正負各電荷が均一に分布した状態になる。圧電性繊維Ａにおける正負各電荷の均一分布につられて、導電性繊維Ｂへ負の電荷が流入する。この負の電荷の移動は微小な電気信号の流れ（すなわち電流）として現れるが、増幅手段１２ではこの電気信号を増幅し、増幅された電気信号を出力手段１３にて出力する。なお、圧電性繊維Ａの折り曲げ動作中の状態（図２（Ｂ））と折り曲げ動作から伸ばす動作に遷移している状態（図２（Ｃ））とでは、負の電荷の移動の向きは逆向きになるので、折り曲げ動作と伸ばし動作とでは逆極性の電気信号が発生する。例えば、圧電性繊維Ａの折り曲げ動作時には正の電気信号が発生し、圧電性繊維Ａの伸ばし動作時には負の電気信号が発生する。 When the operation of stretching the piezoelectric fiber A starts from the state where the bent shape of the piezoelectric fiber A is maintained (fixed) (FIG. 2 (B)), the polarization of the piezoelectric fiber A becomes large as shown in FIG. 2 (C). This is eliminated, and the positive and negative charges are uniformly distributed in the piezoelectric fiber A. Negative charges flow into the conductive fiber B due to the uniform distribution of the positive and negative charges in the piezoelectric fiber A. This movement of negative charges appears as a flow (that is, current) of a minute electric signal, but the amplification means 12 amplifies the electric signal, and the output means 13 outputs the amplified electric signal. The direction of movement of the negative charge is opposite between the state in which the piezoelectric fiber A is being bent (FIG. 2 (B)) and the state in which the piezoelectric fiber A is transitioning from the bending operation to the extending operation (FIG. 2 (C)). Since the orientation is correct, an electric signal having opposite polarities is generated between the bending operation and the extending operation. For example, a positive electric signal is generated during the bending operation of the piezoelectric fiber A, and a negative electric signal is generated during the stretching operation of the piezoelectric fiber A.
本発明では、圧電性繊維Ａに対する折り曲げ動作及び伸ばし動作に伴い発生する微小な電気信号を、増幅手段１２によって増幅して出力手段１２によって出力し、外部機器（図示せず）における演算処理により、増幅電気信号が正か負かを切り分け、圧電性繊維Ａの折り曲げの有無及び折り曲げの度合いを検出する。例えば、外部機器（図示せず）において、増幅手段１２にて増幅され出力手段１３から出力された増幅電気信号を時間積分し、そして、この積分値が、所定の上限値以上になったときは「折り曲げ動作」と判定し、所定の下限値未満となったときは「伸ばし動作」と判定する演算処理を実行することができる。なお、本明細書において、圧電性繊維Ａに印加された応力に応じて電気信号が発生するとの記載は、圧電性繊維Ａの歪みに応じて電気信号が発生することと同義である。
以上、折り曲げの変形を与えた場合の電気信号の発生原理について説明したが、圧電性繊維Ａに応力が与えられればその変形は特に限定されず、例えば、捩じり、伸縮、ずり、押圧などが挙げられ、折り曲げも含めたそれらの複合的な変形が与えられた場合であっても圧電性繊維Ａに応力が与えられる変形であれば電気信号を発生することができる。
In the present invention, a minute electric signal generated by the bending operation and the stretching operation of the piezoelectric fiber A is amplified by the amplification means 12 and output by the output means 12, and is subjected to arithmetic processing in an external device (not shown). It distinguishes whether the amplified electric signal is positive or negative, and detects whether or not the piezoelectric fiber A is bent and the degree of bending. For example, in an external device (not shown), the amplified electric signal amplified by the amplification means 12 and output from the output means 13 is time-integrated, and when this integrated value becomes equal to or higher than a predetermined upper limit value. It is possible to execute an arithmetic process for determining "bending operation" and determining "stretching operation" when the value is less than a predetermined lower limit. In addition, in this specification, the description that an electric signal is generated according to the stress applied to the piezoelectric fiber A is synonymous with the fact that an electric signal is generated according to the distortion of the piezoelectric fiber A.
The principle of generating an electric signal when a bending deformation is applied has been described above, but the deformation is not particularly limited as long as the piezoelectric fiber A is stressed. For example, twisting, stretching, shifting, pressing, etc. However, even when those complex deformations including bending are given, an electric signal can be generated if the deformation gives stress to the piezoelectric fiber A.
ここで、圧電性繊維Ａは主成分としてポリ乳酸を含むことが好ましい。「主成分として」とは、圧電性繊維Ａの成分のうち最も多い成分がポリ乳酸であるとの意味である。ポリ乳酸中の乳酸ユニットは９０モル％以上であることが好ましく、９５モル％以上であることがより好ましく、９８モル％以上がさらに好ましい。 Here, the piezoelectric fiber A preferably contains polylactic acid as a main component. "As the main component" means that the most abundant component of the piezoelectric fiber A is polylactic acid. The lactic acid unit in polylactic acid is preferably 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more, still more preferably 98 mol% or more.
図１を参照してさらに説明すると、導電性繊維Ｂに対する圧電性繊維Ａのカバリング角度αは一般的には１０°以上、８０°以下であってよい。すなわち、導電性繊維Ｂ（芯部３）の中心軸ＣＬの方向に対して、圧電性繊維Ａのカバリング角度αが一般的に１０°以上、８０°以下であってよい。ただし、本実施形態では、導電性繊維Ｂの中心軸ＣＬは、圧電性繊維Ａのカバリング部（鞘部２）の中心軸（以下、「カバリング糸軸」ともいう。）と重なることから、圧電性繊維Ａのカバリング部の軸の方向に対して、圧電性繊維Ａのカバリング角度αが一般的に１０°以上、８０°以下であってよい、ということもできる。 More specifically with reference to FIG. 1, the covering angle α of the piezoelectric fiber A with respect to the conductive fiber B may generally be 10 ° or more and 80 ° or less. That is, the covering angle α of the piezoelectric fiber A may generally be 10 ° or more and 80 ° or less with respect to the direction of the central axis CL of the conductive fiber B (core portion 3). However, in the present embodiment, the central axis CL of the conductive fiber B overlaps with the central axis of the covering portion (sheath portion 2) of the piezoelectric fiber A (hereinafter, also referred to as “covering thread shaft”), and thus is piezoelectric. It can also be said that the covering angle α of the piezoelectric fiber A may generally be 10 ° or more and 80 ° or less with respect to the direction of the axis of the covering portion of the sex fiber A.
圧電性繊維Ａのカバリング角度が１０°未満あるいは８０°より大きくなると、圧電性繊維Ａから生じる信号強度が低下し、すなわち十分な信号強度が得られない場合がある。ここで、圧電性繊維Ａから生じる信号強度が低下する理由は以下のとおりである。圧電性繊維Ａはポリ乳酸を主成分とし、圧電性繊維Ａの繊維軸の方向に一軸配向している。ここで、ポリ乳酸は、その配向方向（この場合には圧電性繊維Ａの繊維軸の方向）に対してせん断応力が生じた場合に分極を生じるが、その配向方向に対して引張応力や圧縮応力が生じた場合に分極をあまり生じない。したがって、カバリング糸軸の方向に平行に変形したときに圧電性繊維Ａにせん断応力が生じるようにするためには、圧電性繊維Ａ（ポリ乳酸）の配向方向がカバリング糸軸に対して所定の角度範囲にあることがよいと推測される。より大きな電気信号を取り出す観点からは、カバリング角度αは２０°以上、７０°以下であることが好ましく、３０°以上、６０°以下であることがより好ましく、４０°以上、５０°以下であることがさらに好ましい。カバリング角度αがこの角度範囲を外れると、圧電性繊維Ａに生じる分極が低下し、それにより導電性繊維Ｂで得られる電気信号が著しく低下してしまうからである。最も好ましくは、カバリング角度αは４５°である。 If the covering angle of the piezoelectric fiber A is less than 10 ° or larger than 80 °, the signal strength generated from the piezoelectric fiber A may decrease, that is, sufficient signal strength may not be obtained. Here, the reason why the signal strength generated from the piezoelectric fiber A decreases is as follows. The piezoelectric fiber A contains polylactic acid as a main component and is uniaxially oriented in the direction of the fiber axis of the piezoelectric fiber A. Here, polylactic acid causes polarization when shear stress is generated in the orientation direction (in this case, the direction of the fiber axis of the piezoelectric fiber A), but tensile stress or compression is generated in the orientation direction. Less polarization occurs when stress is applied. Therefore, in order to cause shear stress in the piezoelectric fiber A when deformed parallel to the direction of the covering yarn axis, the orientation direction of the piezoelectric fiber A (polylactic acid) is predetermined with respect to the covering yarn shaft. It is presumed that it should be in the angular range. From the viewpoint of extracting a larger electric signal, the covering angle α is preferably 20 ° or more and 70 ° or less, more preferably 30 ° or more and 60 ° or less, and 40 ° or more and 50 ° or less. Is even more preferable. This is because when the covering angle α is out of this angle range, the polarization generated in the piezoelectric fiber A is reduced, and as a result, the electric signal obtained in the conductive fiber B is significantly reduced. Most preferably, the covering angle α is 45 °.
なお、上記カバリング角度αについては、鞘部２を形成する圧電性繊維Ａの主方向と導電性繊維Ｂの中心軸ＣＬとのなす角ともいうことができ、圧電性繊維Ａの一部が弛んでいたり、毛羽だっていてもよい。
The covering angle α can also be said to be the angle formed by the main direction of the piezoelectric fiber A forming the
信号強度の観点からは、カバリング角度は４５°に近いことが好ましいが、カバリング角度を、３０°未満とするためには巻きつける圧電性繊維を疎に巻くか、圧電性繊維の繊維束を太くする必要があるが、前者は信号強度の低下、後者はカバリング糸が太くなり実用的ではなくなるという課題がある。その結果、本発明のカバリング糸状圧電素子については、圧電性繊維のカバリング角度は３０°以上、８０°未満であることが好ましいということになる。理想的なカバリング角度は、上述したように４５°であるが、カバリング糸状圧電素子の求められる形状、機械的特性、信号強度あるいは生産性などにより、カバリング角度は適宜決められる。 From the viewpoint of signal strength, the covering angle is preferably close to 45 °, but in order to make the covering angle less than 30 °, the piezoelectric fibers to be wound are loosely wound or the fiber bundle of the piezoelectric fibers is thickened. However, the former has a problem that the signal strength is lowered, and the latter has a problem that the covering thread becomes thick and impractical. As a result, with respect to the covering filamentous piezoelectric element of the present invention, it is preferable that the covering angle of the piezoelectric fiber is 30 ° or more and less than 80 °. The ideal covering angle is 45 ° as described above, but the covering angle is appropriately determined depending on the required shape, mechanical properties, signal strength, productivity, and the like of the covering filament piezoelectric element.
なお、カバリング糸状圧電素子１では、本発明の目的を達成する限り、鞘部２では圧電性繊維Ａ以外の他の繊維と組み合わせて混繊等を行ってもよいし、芯部３では導電性繊維Ｂ以外の他の繊維と組み合わせて混繊等を行ってもよい。
In the covering filamentous
なお、カバリング糸状圧電素子の長さは特に限定はない。例えば、カバリング糸状圧電素子は製造において連続的に製造され、その後に必要な長さに切断して利用してもよい。カバリング糸状圧電素子の長さは１ｍｍ〜１０ｍ、好ましくは、５ｍｍ〜２ｍ、より好ましくは１ｃｍ〜１ｍである。長さが短過ぎると繊維形状である利便性が失われ、また、長さが長過ぎると導電性繊維Ｂの抵抗値を考慮する必要が出てくるであろう。 The length of the covering filamentous piezoelectric element is not particularly limited. For example, the covering filamentous piezoelectric element may be continuously manufactured in the manufacture and then cut to a required length for use. The length of the covering filamentous piezoelectric element is 1 mm to 10 m, preferably 5 mm to 2 m, and more preferably 1 cm to 1 m. If the length is too short, the convenience of the fiber shape will be lost, and if the length is too long, it will be necessary to consider the resistance value of the conductive fiber B.
また、カバリング糸状圧電素子を長尺のまま、織物や編物などの布帛あるいはその他の構造体に用いることも可能である。 It is also possible to use the covering filamentous piezoelectric element as it is for a fabric such as a woven fabric or a knitted fabric or other structures.
また、カバリング糸状圧電素子の圧電性繊維をさらに導電層４で被覆することができる。さらにいえば、鞘部２とは別の圧電性繊維を含む層や導電層あるいは後述する保護層を複数設けることも可能である。
Further, the piezoelectric fiber of the covering filamentous piezoelectric element can be further coated with the conductive layer 4. Furthermore, it is also possible to provide a plurality of layers containing piezoelectric fibers, a conductive layer, or a protective layer described later, which is different from the
以下、各構成について詳細に説明する。 Hereinafter, each configuration will be described in detail.
（導電性繊維）
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。
(Conductive fiber)
As the conductive fiber B, any known conductive fiber B may be used as long as it exhibits conductivity. The conductive fiber B is, for example, a metal fiber, a fiber made of a conductive polymer, a carbon fiber, a fiber made of a polymer in which a fibrous or granular conductive filler is dispersed, or a fiber made of a fibrous material. Examples thereof include fibers provided with a layer having. Examples of the method of providing the conductive layer on the surface of the fibrous material include a metal coating, a conductive polymer coating, and winding of a conductive fiber. Of these, the metal coat is preferable from the viewpoint of conductivity, durability, flexibility and the like. Specific methods for coating the metal include vapor deposition, sputtering, electrolytic plating, electroless plating, and the like, but plating is preferable from the viewpoint of productivity and the like. Such metal-plated fibers can be called metal-plated fibers.
金属をコートされるベースの繊維として、導電性の有無によらず公知の繊維を用いることができ、例えば、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、塩化ビニル繊維、アラミド繊維、ポリスルホン繊維、ポリエーテル繊維、ポリウレタン繊維等の合成繊維の他、綿、麻、絹等の天然繊維、アセテート等の半合成繊維、レーヨン、キュプラ等の再生繊維を用いることができる。ベースの繊維はこれらに限定されるものではなく、公知の繊維を任意に用いることができ、これらの繊維を組み合わせて用いてもよい。 Known fibers can be used as the base fibers coated with metal regardless of the presence or absence of conductivity. For example, polyester fibers, nylon fibers, acrylic fibers, polyethylene fibers, polypropylene fibers, vinyl chloride fibers, aramid fibers, etc. In addition to synthetic fibers such as polysulfone fibers, polyether fibers and polyurethane fibers, natural fibers such as cotton, linen and silk, semi-synthetic fibers such as acetate, and recycled fibers such as rayon and cupra can be used. The base fiber is not limited to these, and known fibers can be arbitrarily used, and these fibers may be used in combination.
ベースの繊維にコートされる金属は導電性を示し、本発明の効果を奏する限り、いずれを用いてもよい。例えば、金、銀、白金、銅、ニッケル、スズ、亜鉛、パラジウム、酸化インジウム錫、硫化銅など、およびこれらの混合物や合金などを用いることができる。 Any metal coated on the base fiber may be used as long as it exhibits conductivity and exhibits the effects of the present invention. For example, gold, silver, platinum, copper, nickel, tin, zinc, palladium, indium tin oxide, copper sulfide and the like, and mixtures and alloys thereof can be used.
導電性繊維Ｂに屈曲耐性のある金属コートした有機繊維を使用すると、導電性繊維が折れることが非常に少なく、圧電素子を用いたセンサーとしての耐久性や安全性に優れる。 When a metal-coated organic fiber having bending resistance is used for the conductive fiber B, the conductive fiber is hardly broken, and the durability and safety as a sensor using a piezoelectric element are excellent.
導電性繊維Ｂはフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントであっても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントであってもよい。マルチフィラメントの方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメント（紡績糸を含む）の場合、その単糸径は１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜５０μｍである。マルチフィラメントの場合、フィラメント数としては、１本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは５本〜５００本、さらに好ましくは１０本〜１００本である。ただし、導電性繊維Ｂの繊度・本数とは、カバリング糸を作製する際に用いる芯部３の繊度・本数であり、複数本の単糸（モノフィラメント）で形成されるマルチフィラメントも一本の導電性繊維Ｂと数えるものとする。ここで芯部３とは、導電性繊維以外の繊維を用いた場合であっても、それを含めた全体の量とする。
The conductive fiber B may be a multifilament in which a plurality of filaments are bundled, or a monofilament composed of a single filament. Multifilament is preferable from the viewpoint of long stability of electrical characteristics. In the case of a monofilament (including a spun yarn), the single yarn diameter thereof is 1 μm to 5000 μm, preferably 2 μm to 100 μm. More preferably, it is 3 μm to 50 μm. In the case of a multifilament, the number of filaments is preferably 1 to 100,000, more preferably 5 to 500, and even more preferably 10 to 100. However, the fineness and number of conductive fibers B is the fineness and number of
芯部３に用いる導電性繊維は、効率よく圧電信号を検出するために、その繊度は２０ｄｔｅｘ以上であることが好ましく、より好ましくは４０ｄｔｅｘ以上であり、さらに好ましくは６０ｄｔｅｘ以上、さらにより好ましくは８０ｄｔｅｘ以上、最も好ましくは１００ｄｔｅｘ以上である。２０ｄｔｅｘ未満であると導電性繊維と圧電性繊維との接触面積が狭くなり、信号強度が小さくなってしまう。また、導電性繊維の導電性は検出した信号を効率よく伝えるという観点から１００ｋΩ／ｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０ｋΩ／ｍ以下であり、さらに好ましくは１ｋΩ／ｍ以下であり、最も好ましくは５００Ω／ｍ以下である。導電性繊維の導電性が１００ｋΩ／ｍより大きいと、検出器側での信号検出がうまくできないという問題がある。また、導電性繊維が例えば金属コートされた有機繊維である場合には、上記導電性を満たすという観点からも表面積を広くするために、繊度は大きい方が好ましい。
In order to efficiently detect the piezoelectric signal, the conductive fiber used for the
導電性繊維Ｂの断面形状としては円または楕円であることが、圧電素子の設計および製造の観点で好ましいが、これに限定されない。 The cross-sectional shape of the conductive fiber B is preferably circular or elliptical from the viewpoint of design and manufacture of the piezoelectric element, but is not limited thereto.
（圧電性繊維）
圧電性繊維Ａの材料である圧電性高分子としてはポリフッ化ビニリデンやポリ乳酸のような圧電性を示す高分子を利用できるが、本実施形態では上記のように圧電性繊維Ａは主成分としてポリ乳酸を含むことが好適である。ポリ乳酸は、例えば溶融紡糸後に延伸によって容易に配向して圧電性を示し、ポリフッ化ビニリデンなどで必要となる電界配向処理が不要な点で生産性に優れている。しかしこのことは、本発明を実施するに際してポリフッ化ビニリデンその他の圧電性材料の使用を排除することを意図するものではない。
(Piezoelectric fiber)
As the piezoelectric polymer that is the material of the piezoelectric fiber A, a polymer exhibiting piezoelectricity such as polyvinylidene fluoride or polylactic acid can be used, but in the present embodiment, the piezoelectric fiber A is the main component as described above. It is preferable to contain polylactic acid. Polylactic acid is excellent in productivity in that it is easily oriented by drawing after melt spinning and exhibits piezoelectricity, and does not require the electric field orientation treatment required for polyvinylidene fluoride or the like. However, this is not intended to exclude the use of polyvinylidene fluoride or other piezoelectric materials in practicing the present invention.
ポリ乳酸としては、その結晶構造によって、Ｌ−乳酸、Ｌ−ラクチドを重合してなるポリ−Ｌ−乳酸、Ｄ−乳酸、Ｄ−ラクチドを重合してなるポリ−Ｄ−乳酸、さらに、それらのハイブリッド構造からなるステレオコンプレックスポリ乳酸などがあるが、圧電性を示すものであればいずれも利用できる。圧電率の高さの観点で好ましくは、ポリ−Ｌ−乳酸、ポリ−Ｄ−乳酸である。ポリ−Ｌ−乳酸、ポリ−Ｄ−乳酸はそれぞれ、同じ応力に対して分極が逆になるために、目的に応じてこれらを組み合わせて使用することも可能である。 Polylactic acid includes poly-L-lactic acid obtained by polymerizing L-lactic acid and L-lactide, D-lactic acid obtained by polymerizing D-lactide, and poly-D-lactic acid obtained by polymerizing D-lactide, depending on the crystal structure thereof. There are stereoplex polylactic acid having a hybrid structure, but any of them can be used as long as it exhibits piezoelectricity. From the viewpoint of high piezoelectricity, poly-L-lactic acid and poly-D-lactic acid are preferable. Since the polarizations of poly-L-lactic acid and poly-D-lactic acid are opposite to each other for the same stress, they can be used in combination depending on the purpose.
ポリ乳酸の光学純度は９６％以上であることが好ましく、９７％以上であることがより好ましく、さらに好ましくは９８％以上であり、９９％以上であることが最も好ましい。光学純度が９６％未満であると著しく圧電率が低下する場合があり、圧電性繊維Ａの形状変化よって十分な電気信号を得ることが難しくなる場合がある。特に、圧電性繊維Ａは、主成分としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度が９６％以上であることが好ましい。 The optical purity of polylactic acid is preferably 96% or more, more preferably 97% or more, still more preferably 98% or more, and most preferably 99% or more. If the optical purity is less than 96%, the piezoelectricity may be significantly lowered, and it may be difficult to obtain a sufficient electric signal due to the shape change of the piezoelectric fiber A. In particular, the piezoelectric fiber A contains poly-L-lactic acid or poly-D-lactic acid as a main component, and the optical purity of these is preferably 96% or more.
ポリ乳酸を主成分とする圧電性繊維Ａは、製造時に延伸されて、その繊維軸方向に一軸配向している。さらに、圧電性繊維Ａは、その繊維軸方向に一軸配向しているだけでなく、ポリ乳酸の結晶を含むものであることが好ましく、一軸配向したポリ乳酸の結晶を含むものであることがより好ましい。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶性が高いことおよび一軸配向していることでより大きな圧電性を示すためである。 The piezoelectric fiber A containing polylactic acid as a main component is stretched at the time of production and is uniaxially oriented in the fiber axial direction. Further, the piezoelectric fiber A is preferably not only uniaxially oriented in the fiber axis direction but also contains polylactic acid crystals, and more preferably uniaxially oriented polylactic acid crystals. This is because polylactic acid exhibits greater piezoelectricity due to its high crystallinity and uniaxial orientation.
結晶性および一軸配向性はホモＰＬＡ結晶化度Ｘhomo（％）および結晶配向度Ａｏ（％）で求められる。本発明の圧電性繊維Ａとしては、ホモＰＬＡ結晶化度Ｘhomo（％）および結晶配向度Ａｏ（％）が下記式（１）を満たすことが好ましい。
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。
Crystallinity and uniaxial orientation are determined by homo PLA crystallinity X homo (%) and crystal orientation Ao (%). As the piezoelectric fiber A of the present invention, it is preferable that the homo- PLA crystallinity X homo (%) and the crystal orientation Ao (%) satisfy the following formula (1).
X homo × Ao × Ao ÷ 10 6 ≧ 0.26 (1)
If the above equation (1) is not satisfied, the crystallinity and / or uniaxial orientation may be insufficient, and the output value of the electric signal for the operation may decrease or the sensitivity of the signal for the operation in a specific direction may decrease. is there. The value on the left side of the above formula (1) is more preferably 0.28 or more, and further preferably 0.3 or more. Here, each value is obtained according to the following.
ホモポリ乳酸結晶化度Ｘhomo：
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。
Homopoly lactic acid crystallinity X homo :
Homopolylactic acid Crystallinity X homo is obtained from crystal structure analysis by wide-angle X-ray diffraction analysis (WAXD). In wide-angle X-ray diffraction analysis (WAXD), an X-ray diffraction pattern of a sample is recorded on an imaging plate by a transmission method using a Rigaku ultra18 type X-ray diffractometer under the following conditions.
X-ray source: Cu-Kα ray (confocal mirror)
Output: 45kV x 60mA
Slit: 1st: 1mmΦ, 2nd: 0.8mmΦ
Camera length: 120mm
Accumulation time: 10 minutes Sample: 35 mg of polylactic acid fibers are aligned to form a 3 cm fiber bundle.
In the obtained X-ray diffraction pattern, the total scattering intensity Total was obtained over the azimuth angle, and the integral intensity of each diffraction peak derived from the homopolylactic acid crystals appearing near 2θ = 16.5 °, 18.5 °, and 24.3 °. ΣI HMi is calculated . From these values, the homopolylactic acid crystallinity X homo is obtained according to the following equation (2).
Homopolylactic acid Crystallinity X homo (%) = ΣI HMi / I total × 100 (2)
The ΣI HMi is calculated by subtracting the diffuse scattering due to the background or amorphous in the total scattering intensity.
（２）結晶配向度Ａｏ：
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）
(2) Crystal orientation Ao:
Regarding the crystal orientation degree Ao, in the X-ray diffraction pattern obtained by the above wide-angle X-ray diffraction analysis (WAXD), the orientation of the diffraction peak derived from the homopolylactic acid crystal appearing near 2θ = 16.5 ° in the radial direction. The intensity distribution with respect to the angle (°) is taken, and it is calculated from the following equation (3) from the total half-value width of the obtained distribution profile Σ Wi (°).
Crystal orientation Ao (%) = (360-ΣW i ) ÷ 360 × 100 (3)
なお、ポリ乳酸は加水分解が比較的速いポリエステルであるから、耐湿熱性が問題となる場合においては、公知の、イソシアネート化合物、オキサゾリン化合物、エポキシ化合物、カルボジイミド化合物などの加水分解防止剤を添加してもよい。中でも、カルボジイミド化合物が好適であり、とりわけ環状構造を有するカルボジイミド化合物が好ましい。また、必要に応じてリン酸系化合物などの酸化防止剤、可塑剤、光劣化防止剤などを添加して物性改良してもよい。 Since polylactic acid is a polyester that hydrolyzes relatively quickly, if moisture resistance is a problem, a known hydrolysis inhibitor such as an isocyanate compound, an oxazoline compound, an epoxy compound, or a carbodiimide compound may be added. May be good. Of these, a carbodiimide compound is preferable, and a carbodiimide compound having a cyclic structure is particularly preferable. Further, if necessary, an antioxidant such as a phosphoric acid compound, a plasticizer, a photodegradation inhibitor and the like may be added to improve the physical properties.
また、ポリ乳酸は他のポリマーとのアロイとして用いてもよいが、ポリ乳酸を主たる圧電性高分子として用いるならば、アロイの全質量を基準として少なくとも５０質量％以上でポリ乳酸を含有していることが好ましく、さらに好ましくは７０質量％以上、最も好ましくは９０質量％以上である。 Further, polylactic acid may be used as an alloy with other polymers, but if polylactic acid is used as the main piezoelectric polymer, it contains at least 50% by mass or more of polylactic acid based on the total mass of the alloy. It is preferably 70% by mass or more, and most preferably 90% by mass or more.
アロイとする場合のポリ乳酸以外のポリマーとしては、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート共重合体、ポリメタクリレート等が好適な例として挙げられるが、これらに限定されるものではなく、本発明で目的とする圧電性を奏する限り、どのようなポリマーを用いてもよい。 Preferable examples of the polymer other than polylactic acid in the case of alloy include polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate copolymer, polymethacrylate and the like, but the present invention is not limited thereto. Any polymer may be used as long as it exhibits the desired piezoelectricity.
圧電性繊維Ａはフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントであっても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントであってもよい。モノフィラメント（紡績糸を含む）の場合、その単糸径は１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは５μｍ〜２ｍｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜１ｍｍである。マルチフィラメントの場合、その単糸径は０．１μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍ、さらに好ましくは３μｍ〜５０μｍである。マルチフィラメントのフィラメント数としては、１本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは５０本〜５００００本、さらに好ましくは１００本〜２００００本である。 The piezoelectric fiber A may be a multifilament in which a plurality of filaments are bundled, or a monofilament composed of a single filament. In the case of a monofilament (including a spun yarn), the single yarn diameter thereof is 1 μm to 5 mm, preferably 5 μm to 2 mm, and more preferably 10 μm to 1 mm. In the case of a multifilament, the single yarn diameter thereof is 0.1 μm to 5 mm, preferably 2 μm to 100 μm, and more preferably 3 μm to 50 μm. The number of filaments of the multifilament is preferably 1 to 100,000, more preferably 50 to 50,000, and even more preferably 100 to 20,000.
このような圧電性高分子を圧電性繊維Ａとするためには、高分子から繊維化するための公知の手法を、本発明の効果を奏する限りいずれも採用することができる。例えば、圧電性高分子を押し出し成型して繊維化する手法、圧電性高分子を溶融紡糸して繊維化する手法、圧電性高分子を乾式あるいは湿式紡糸により繊維化する手法、圧電性高分子を静電紡糸により繊維化する手法、フィルムを形成した後に細くカットする手法、などを採用することができる。これらの紡糸条件は、採用する圧電性高分子に応じて公知の手法を適用すればよく、通常は工業的に生産の容易な溶融紡糸法を採用すればよい。さらに、繊維を形成後には形成された繊維を延伸する。それにより一軸延伸配向しかつ結晶を含む大きな圧電性を示す圧電性繊維Ａが形成される。 In order to convert such a piezoelectric polymer into a piezoelectric fiber A, any known method for converting the polymer into a fiber can be adopted as long as the effect of the present invention is exhibited. For example, a method of extruding a piezoelectric polymer into fibers, a method of melting and spinning a piezoelectric polymer into a fiber, a method of fiberizing a piezoelectric polymer by dry or wet spinning, and a method of fiberizing a piezoelectric polymer by dry or wet spinning. It is possible to adopt a method of fiberizing by electrostatic spinning, a method of forming a film and then cutting it into thin pieces. For these spinning conditions, a known method may be applied depending on the piezoelectric polymer to be adopted, and usually, a melt spinning method which is industrially easy to produce may be adopted. Further, after the fibers are formed, the formed fibers are stretched. As a result, the piezoelectric fiber A that is uniaxially stretch-oriented and exhibits large piezoelectricity including crystals is formed.
また、圧電性繊維Ａは、上記のように作製されたものをカバリング糸とする前に、染色、撚糸、合糸、熱処理などの処理をすることができる。 Further, the piezoelectric fiber A can be subjected to treatments such as dyeing, twisting, combining, and heat treatment before the material produced as described above is used as a covering yarn.
さらに、圧電性繊維Ａは、カバリング糸を形成する際に繊維同士が擦れて断糸したり、毛羽が出たりする場合があるため、その強度と耐摩耗性は高い方が好ましく、強度は１．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが好ましく、２．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがより好ましく、２．５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることがさらに好ましく、３．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが最も好ましい。 Further, since the piezoelectric fibers A may rub against each other to break or fluff when forming the covering yarn, it is preferable that the piezoelectric fiber A has high strength and abrasion resistance, and the strength is 1. It is preferably .5 cN / dtex or more, more preferably 2.0 cN / dtex or more, further preferably 2.5 cN / dtex or more, and most preferably 3.0 cN / dtex or more.
（カバリング）
導電性繊維Ｂ、すなわち芯部３は、圧電性繊維Ａ、すなわち鞘部２によりカバリング撚糸されている。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〜１ｍｍであることがさらに好ましく、１５μｍ〜０．５ｍｍであることが最も好ましい。
(Covering)
The conductive fiber B, that is, the
また、圧電性繊維の繊度は前記導電性繊維の繊度の１／１０以上、２倍以下であることが好ましい。１／１０未満であるとカバリング角度が小さくなってしまい、一方、２倍より大きいとカバリング角度が大きくなってしまうという課題がある。なお、導電性繊維Ｂに金属繊維を用いた場合や、金属繊維を導電性繊維Ａあるいは圧電性繊維Ｂに混繊した場合は、繊度の比率は上記の限りではない。本発明において、上記比率は、カバリング角度や接触面積や被覆率、すなわち、円周の長さ、面積、体積の観点で重要であるからである。例えば、それぞれの繊維の比重が２を超えるような場合には、繊維の平均断面積の比率が上記繊度の比率であることが好ましい。 Further, the fineness of the piezoelectric fiber is preferably 1/10 or more and 2 times or less the fineness of the conductive fiber. If it is less than 1/10, the covering angle becomes small, while if it is larger than 2 times, the covering angle becomes large. When a metal fiber is used as the conductive fiber B, or when the metal fiber is mixed with the conductive fiber A or the piezoelectric fiber B, the fineness ratio is not limited to the above. This is because in the present invention, the above ratio is important from the viewpoint of the covering angle, the contact area, and the covering ratio, that is, the length, area, and volume of the circumference. For example, when the specific gravity of each fiber exceeds 2, the ratio of the average cross-sectional area of the fibers is preferably the ratio of the fineness.
さらに、圧電性繊維のカバリング回数は１０００〜１５０００回／ｍであることが好ましい。１０００回／ｍ未満であると、カバリング角度が小さくなってしまい、一方、１５０００回／ｍより大きいとカバリング角度が大きくなってしまうという課題がある。カバリング角度は、導電性繊維と圧電性繊維の繊度の比率から適宜決められるが、圧電性繊維の繊度が小さい場合にカバリング回数を大きくすることが、緻密なカバリング糸状圧電素子を得ることに有効である。なお、上記のとおり、圧電性繊維のカバリング回数は１０００〜１５０００回／ｍであることが好ましいが、これは１０００〜１５０００回／ｍの範囲外のカバリング回数を完全に排除することを意味するものではない。例えば、鞘部２は、１０００回／ｍ未満や１５０００回／ｍよりも大きいカバリング回数を有する圧電性繊維の層を一部に含んでもよい。また、圧電性繊維以外の層も本発明の目的を達する限り、１０００回／ｍ未満や１５０００回／ｍよりも大きいカバリング回数であってもよい。
Further, the number of times of covering the piezoelectric fiber is preferably 1000 to 15000 times / m. If it is less than 1000 times / m, the covering angle becomes small, while if it is larger than 15000 times / m, the covering angle becomes large. The covering angle is appropriately determined from the ratio of the fineness of the conductive fiber and the piezoelectric fiber, but when the fineness of the piezoelectric fiber is small, increasing the number of coverings is effective for obtaining a dense covering filamentous piezoelectric element. is there. As described above, the number of times of covering the piezoelectric fiber is preferably 1000 to 15000 times / m, which means that the number of times of covering outside the range of 1000 to 15000 times / m is completely eliminated. is not. For example, the
圧電性繊維の繊度は１００ｄｔｅｘ以下であることが好ましい。１００ｄｔｅｘより大きくなるとカバリング糸全体として太くなってしまい実用性が低くなってしまう。圧電性繊維の繊度は、カバリング糸状圧電素子の求められる形状、機械的特性、信号強度あるいは生産性などにより、その繊度は適宜決められるが、例えば、カバリング糸状圧電素子の柔軟性を重視する場合には、その繊度は８０ｄｔｅｘ以下であることが好ましく、より好ましくは６０ｄｔｅｘ以下であり、最も好ましくは４０ｄｔｅｘ以下である。 The fineness of the piezoelectric fiber is preferably 100 dtex or less. If it is larger than 100 dtex, the covering yarn as a whole becomes thick and practicality becomes low. The fineness of the piezoelectric fiber is appropriately determined depending on the required shape, mechanical properties, signal strength, productivity, etc. of the covering filament piezoelectric element. For example, when the flexibility of the covering filament piezoelectric element is emphasized. The fineness thereof is preferably 80 dtex or less, more preferably 60 dtex or less, and most preferably 40 dtex or less.
圧電性繊維Ａと導電性繊維Ｂとはできるだけ密着していることが好ましいが、密着性を改良するために、導電性繊維Ｂと圧電性繊維Ａとの間にアンカー層や接着層などを設けてもよい。 It is preferable that the piezoelectric fiber A and the conductive fiber B are in close contact with each other as much as possible, but in order to improve the adhesion, an anchor layer, an adhesive layer, or the like is provided between the conductive fiber B and the piezoelectric fiber A. You may.
カバリングの方法は導電性繊維Ｂを芯糸として、その周りに圧電性繊維Ａを巻きつける、カバリング撚糸機を用いた、いわゆるカバリング法が取られる。このようなカバリング法によるカバリング糸状圧電素子の製造は、他の芯鞘構造、例えば、導電性繊維Ｂを芯糸として、その周りに圧電性繊維Ａを組紐状に巻きつけたような複雑な構造と比べると、非常に速くかつ容易に圧電素子を製造することが可能である。したがって、本発明によるカバリング糸状圧電素子は、生産性の観点からも非常に有利である。 The covering method is a so-called covering method using a covering twisting machine in which the conductive fiber B is used as the core yarn and the piezoelectric fiber A is wound around the core yarn. The production of the covering filament-like piezoelectric element by such a covering method has a complicated structure in which another core-sheath structure, for example, a conductive fiber B is used as a core yarn and the piezoelectric fiber A is wound around the core yarn. Compared with the above, it is possible to manufacture the piezoelectric element very quickly and easily. Therefore, the covering filamentous piezoelectric element according to the present invention is very advantageous from the viewpoint of productivity.
芯部３と鞘部２の形状としては特に限定されるものではないが、できるだけ同心円状に近いことが、好ましい。なお、導電性繊維Ｂとしてマルチフィラメントを用いる場合、圧電性繊維Ａは、導電性繊維Ｂのマルチフィラメントの表面（繊維周面）の少なくとも一部が接触しているように被覆していればよく、マルチフィラメントを構成するすべてのフィラメント表面（繊維周面）に圧電性繊維Ａが被覆していてもよいし、被覆していなくともよい。導電性繊維Ｂのマルチフィラメントを構成する内部の各フィラメントへの圧電性繊維Ａの被覆状態は、圧電性素子としての性能、取扱い性等を考慮して、適宜設定すればよい。
The shapes of the
また、本発明において、圧電性繊維はシングルカバリングでもよいしダブルカバリングでもよい。なお、ダブルカバリングの場合は、その巻方向は逆方向であることが好ましい。 Further, in the present invention, the piezoelectric fiber may be single-covered or double-covered. In the case of double covering, it is preferable that the winding direction is opposite.
（導電層）
本発明のカバリング糸状圧電素子においては、図３（Ａ）に示すように、鞘部２をさらに被覆する導電層４を有することが望ましい。この導電層４は、芯部３における電気信号への電磁波シールドの役目を果たすものである。このような導電層を電磁波シールドとして鞘部２の周囲に設けることで、ノイズ信号を抑制することができ、すなわちカバリング糸状圧電素子のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を著しく向上させることが可能である。したがって、このような本発明の好ましい実施形態によれば、圧電素子を変形した際に出力される信号強度のバラツキを抑制し、また繰り返し使用しても信号強度の再現性に優れるカバリング糸状圧電素子を確実に得ることが可能となる。
(Conductive layer)
As shown in FIG. 3A, it is desirable that the covering filamentous piezoelectric element of the present invention has a conductive layer 4 that further covers the
導電層４による鞘部２の被覆率は２５％以上が好ましい。ここで被覆率とは、導電層４を鞘部２へ投影した際の導電層４に含まれる導電性を示す物質（導電性物質）の面積と鞘部２の表面積の比率であり、その値は２５％以上が好ましく、５０％以上がより好ましく、７５％以上であることがさらに好ましい。導電層４の被覆率が２５％を下回るとノイズ信号の抑制効果が十分に発揮されない場合がある。導電性物質が導電層４の表面へ露出していない場合、例えば導電性物質を内包する繊維を導電層４として使用して鞘部２を被覆している場合は、その繊維の鞘部２へ投影した際の面積と鞘部２の表面積の比率を被覆率とすることができる。
The coverage of the
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。 As the mode of the conductive layer 4, in addition to the coating, a film, a cloth, or a fiber may be wound, or a combination thereof may be used.
導電層４を形成するコーティングには導電性を示す物質を含むものが使用されていればよく、公知のあらゆるものが用いられる。例えば、金属、導電性高分子、導電性フィラーを分散させた高分子が挙げられる。 As the coating forming the conductive layer 4, a coating containing a substance exhibiting conductivity may be used, and any known coating is used. For example, a polymer in which a metal, a conductive polymer, and a conductive filler are dispersed can be mentioned.
導電層４をフィルムの巻き付けにより形成する場合は、導電性高分子、導電性フィラーを分散させた高分子を製膜して得られるフィルムが用いられ、また表面に導電性を有する層を設けたフィルムが用いられてもよい。 When the conductive layer 4 is formed by winding a film, a film obtained by forming a film of a conductive polymer and a polymer in which a conductive filler is dispersed is used, and a layer having conductivity is provided on the surface. Films may be used.
導電層４を繊維の巻き付けにより形成する場合、その手法としては、図３（Ｂ）に示すように、導電性繊維５を用いたカバリングが好適であり、公知のあらゆる導電繊維を用いることができ、とりわけ、金属コートした有機繊維を使用すると、導電性繊維が折れることが非常に少なく、圧電素子を用いたセンサーとしての耐久性や安全性に優れる。 When the conductive layer 4 is formed by winding fibers, as shown in FIG. 3 (B), covering using the conductive fibers 5 is preferable, and any known conductive fibers can be used. In particular, when metal-coated organic fibers are used, the conductive fibers are very unlikely to break, and the durability and safety as a sensor using a piezoelectric element are excellent.
導電性繊維５はフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントであっても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントであってもよい。マルチフィラメントの方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメント（紡績糸を含む）の場合、その単糸径は１μｍ〜５０００μｍであり、好ましくは２μｍ〜１００μｍである。さらに好ましくは３μｍ〜５０μｍである。マルチフィラメントの場合、フィラメント数としては、１本〜１０００００本が好ましく、より好ましくは５本〜５００本、さらに好ましくは１０本〜１００本である。ただし、導電性繊維５の繊度・本数とは、カバリング糸を作製する際に用いる導電層４の繊度・本数であり、複数本の単糸（モノフィラメント）で形成されるマルチフィラメントも一本の導電性繊維５と数えるものとする。ここで導電層４とは、導電性繊維以外の繊維を用いた場合であっても、それを含めた全体の量とする。 The conductive fiber 5 may be a multifilament in which a plurality of filaments are bundled, or a monofilament composed of a single filament. Multifilament is preferable from the viewpoint of long stability of electrical characteristics. In the case of a monofilament (including a spun yarn), the single yarn diameter thereof is 1 μm to 5000 μm, preferably 2 μm to 100 μm. More preferably, it is 3 μm to 50 μm. In the case of a multifilament, the number of filaments is preferably 1 to 100,000, more preferably 5 to 500, and even more preferably 10 to 100. However, the fineness / number of the conductive fibers 5 is the fineness / number of the conductive layers 4 used when producing the covering yarn, and the multifilament formed of a plurality of single yarns (monofilaments) is also conductive. It shall be counted as sex fiber 5. Here, the conductive layer 4 is the total amount including the conductive fiber even when a fiber other than the conductive fiber is used.
導電層４に用いる導電性繊維５は、圧電素子が太くならないように、その繊度は１００ｄｔｅｘ以下であることが好ましく、より好ましくは８０ｄｔｅｘ以下であり、さらに好ましくは６０ｄｔｅｘ以下、最も好ましくは４０ｄｔｅｘ以下である。圧電素子が太くなると柔軟性がなくなり信号検出性能が低下してしまう場合や、使用感が悪くなってしまう場合がある。 The conductive fiber 5 used for the conductive layer 4 preferably has a fineness of 100 dtex or less, more preferably 80 dtex or less, further preferably 60 dtex or less, and most preferably 40 dtex or less so that the piezoelectric element does not become thick. is there. If the piezoelectric element becomes thick, the flexibility may be lost and the signal detection performance may be deteriorated, or the usability may be deteriorated.
また、導電性繊維５の導電性は電磁波をシールドするという観点から１００ｋΩ／ｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０ｋΩ／ｍ以下であり、さらに好ましくは１ｋΩ／ｍ以下であり、最も好ましくは５００Ω／ｍ以下である。導電性繊維の導電性が１００ｋΩ／ｍより大きいと、シールド効果が得られないという問題がある。 Further, the conductivity of the conductive fiber 5 is preferably 100 kΩ / m or less, more preferably 10 kΩ / m or less, still more preferably 1 kΩ / m or less, and most preferably 1 kΩ / m or less from the viewpoint of shielding electromagnetic waves. It is 500 Ω / m or less. If the conductivity of the conductive fiber is larger than 100 kΩ / m, there is a problem that the shielding effect cannot be obtained.
なお、カバリング糸状圧電素子を細く柔軟にし、かつ生産性を両立するという観点においては、ダブルカバリングの製法において、圧電性繊維と導電性繊維を同時に逆向きにカバリングすることが好ましい。 From the viewpoint of making the covering filamentous piezoelectric element thin and flexible and achieving both productivity, it is preferable to cover the piezoelectric fiber and the conductive fiber in the opposite directions at the same time in the double covering manufacturing method.
また、導電層４は複数層積層してもよく、間に別の層を有してもよい。さらに言えば、別の層が圧電繊維からなる層であってもよい。 Further, the conductive layer 4 may be laminated with a plurality of layers, or may have another layer between them. Furthermore, another layer may be a layer made of piezoelectric fibers.
（保護層）
本発明の圧電素子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。
(Protective layer)
A protective layer may be provided on the piezoelectric element of the present invention. This protective layer is preferably insulating, and more preferably made of a polymer from the viewpoint of flexibility and the like. When the protective layer is made to have insulating properties, of course, in this case, the entire protective layer is deformed or rubbed on the protective layer, but these external forces reach the piezoelectric fiber A, and the external force reaches the piezoelectric fiber A. There is no particular limitation as long as it can induce polarization. The protective layer is not limited to that formed by a coating such as a polymer, and a film, a cloth, a fiber, or the like may be wound around the protective layer, or a combination thereof may be used.
保護層の厚みとしては出来るだけ薄い方が、せん断応力を圧電性繊維Ａに伝えやすいが、薄すぎると保護層自体が破壊される等の問題が発生しやすくなるため、好ましくは１０ｎｍ〜２００μｍ、より好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍ、さらに好ましくは７０ｎｍ〜３０μｍ、最も好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。この保護層により圧電素子の形状を形成することもできる。 When the thickness of the protective layer is as thin as possible, it is easy to transmit the shear stress to the piezoelectric fiber A, but if it is too thin, problems such as destruction of the protective layer itself are likely to occur. Therefore, it is preferably 10 nm to 200 μm. It is more preferably 50 nm to 50 μm, further preferably 70 nm to 30 μm, and most preferably 100 nm to 10 μm. The shape of the piezoelectric element can also be formed by this protective layer.
この保護層は再表面にあってもよいし、導電層の内側にあってもよく、複数層積層されていてもよく、その順番も目的に応じて適宜決められる。 The protective layer may be on the resurface surface, inside the conductive layer, or may be laminated with a plurality of layers, and the order thereof is appropriately determined according to the purpose.
さらには、圧電性繊維からなる層を複数層設けたり、信号を取り出すための導電性繊維からなる層を複数層設けたりすることもできる。もちろん、これらの導電層、保護層、圧電性繊維からなる層、導電性繊維からなる層は、その目的に応じて、その順番および層数は適宜決められる。 Further, a plurality of layers made of piezoelectric fibers may be provided, or a plurality of layers made of conductive fibers for extracting signals may be provided. Of course, the order and number of layers of the conductive layer, the protective layer, the layer made of the piezoelectric fiber, and the layer made of the conductive fiber are appropriately determined according to the purpose.
（作用）
本発明のカバリング糸状圧電素子１は、例えばカバリング糸状圧電素子１の表面を擦るなどで、カバリング糸状圧電素子１に荷重が印加されて生じる応力、すなわちカバリング糸状圧電素子１に印加される応力について、その大きさおよび／又は印加位置を検出するセンサーとして利用することができる。また、本発明のカバリング糸状圧電素子１は、擦る以外の押圧力や曲げ変形などによっても圧電性繊維Ａにせん断応力が与えられるならば、電気信号を取り出すことはもちろん可能である。例えば、カバリング糸状圧電素子１に「印加される応力」としては、圧電素子の表面、すなわち圧電性繊維Ａの表面と指のような被接触物の表面との間の摩擦力や、圧電性繊維Ａの表面または先端部に対する垂直方向の抵抗力、圧電性繊維Ａの曲げ変形に対する抵抗力などが挙げられる。特に、本発明のカバリング糸状圧電素子１は、導電性繊維Ｂに対して平行方向に屈曲させたり、捩じったり、引っ張ったり、擦った場合に大きな電気信号を効率的に出力することができる。
(Action)
The covering filament
ここで、カバリング糸状圧電素子１に「印加された応力」とは、例えば表面を指で擦る程度の大きさの応力の場合、その目安としては、おおよそ１〜１０００Ｐａである。もちろん、これ以上であっても印加された応力の大きさおよびその印加位置を検出することが可能であることはいうまでもない。指などで入力する場合には、１Ｐａ以上５００Ｐａ以下の荷重であっても動作することが好ましく、さらに好ましくは１Ｐａ以上１００Ｐａ以下の荷重で動作することが好ましい。もちろん、５００Ｐａを超える荷重であっても動作することは、上述の通りである。
Here, the "stress applied" to the covering filament
（カバリング糸状圧電素子を用いた構造体）
本発明のカバリング糸状圧電素子は、構造体に用いることができる。具体的には、織物や編物の経糸や緯糸として用いて布帛としたり、布帛に刺繍したり接着してもよい。また、成型体や他の構造体に接着や内包させることができる。この際、カバリング糸状圧電素子は、複数本使用してもよい。
(Structure using covering filamentous piezoelectric element)
The covering filamentous piezoelectric element of the present invention can be used for a structure. Specifically, it may be used as a warp or weft of a woven fabric or knitted fabric to form a cloth, or may be embroidered or adhered to the cloth. In addition, it can be adhered to or included in a molded body or another structure. At this time, a plurality of covering filamentous piezoelectric elements may be used.
（布帛状圧電素子）
図４は実施形態に係るカバリング糸状圧電素子を用いた布帛状圧電素子の構成例を示す模式図である。
布帛状圧電素子６は、少なくとも１本のカバリング糸状圧電素子１を含む布帛７を備えている。布帛７は、布帛を構成する繊維（カバリング糸を含む）の少なくとも１本がカバリング糸状圧電素子１であり、カバリング糸状圧電素子１が圧電素子としての機能を発揮可能である限り何らの限定は無く、どのような織編物であってもよい。布状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、他の繊維（カバリング糸を含む）と組み合わせて、交織、交編等を行ってもよい。もちろん、カバリング糸状圧電素子１を、布帛を構成する繊維（例えば、経糸や緯糸）の一部として用いてもよいし、カバリング糸状圧電素子１を布帛に刺繍してもよいし、接着してもよい。図４に示す例では、布帛状圧電素子６は、経糸として、少なくとも１本のカバリング糸状圧電素子１および絶縁性繊維８を配し、緯糸として絶縁性繊維８を配した平織物である。絶縁性繊維８については後述される。
(Fabric piezoelectric element)
FIG. 4 is a schematic view showing a configuration example of a cloth-like piezoelectric element using the covering filament-like piezoelectric element according to the embodiment.
The cloth-like
この場合、布帛状圧電素子６が曲げられるなどして変形したとき、その変形に伴いカバリング糸状圧電素子１も変形するので、カバリング糸状圧電素子１から出力される電気信号により、布帛状圧電素子６の変形を検出できる。そして、布帛状圧電素子６は、布帛（織編物）として用いることができるので、例えば衣類形状のウェアラブルセンサーに適用することができる。
In this case, when the cloth-like
ここで、布帛状圧電素子に用いるカバリング糸状圧電素子は、導電層４を有するものであることが好ましい。導電層４を有さない場合は、絶縁性繊維８の一部または全部を導電性繊維とすることで、電磁波シールドの効果をもたせることができる。
Here, the covering thread-like piezoelectric element used for the fabric-like piezoelectric element preferably has a conductive layer 4. When the conductive layer 4 is not provided, the electromagnetic wave shielding effect can be obtained by using a part or all of the insulating
織物の織組織としては、平織、綾織、朱子織等の三原組織、変化組織、たて二重織、よこ二重織等の片二重組織、たてビロードなどが例示される。編物の種類は、丸編物（緯編物）であってもよいし経編物であってもよい。丸編物（緯編物）の組織としては、平編、ゴム編、両面編、パール編、タック編、浮き編、片畔編、レース編、添え毛編等が好ましく例示される。経編組織としては、シングルデンビー編、シングルアトラス編、ダブルコード編、ハーフトリコット編、裏毛編、ジャガード編等が例示される。層数も単層でもよいし、２層以上の多層でもよい。更には、カットパイルおよび／またはループパイルからなる立毛部と地組織部とで構成される立毛織物、立毛編み物であってもよい。もちろん、布帛の組織は、これらに限定されるものではなく、公知のあらゆる布帛に本発明のカバリング糸状圧電素子を用いることができる。 Examples of the woven structure of the woven fabric include Mihara structure such as plain weave, twill weave, and satin weave, change structure, single double structure such as vertical double weave and horizontal double weave, and vertical velvet. The type of knitted fabric may be a round knitted fabric (weft knitted fabric) or a warp knitted fabric. As the structure of the circular knit (weft knit), a flat knit, a rubber knit, a double-sided knit, a pearl knit, a tack knit, a floating knit, a one-sided knit, a lace knit, a hair-covered knit and the like are preferably exemplified. Examples of the warp knitting organization include single denby, single atlas, double chord, half tricot, fleece, and jacquard. The number of layers may be a single layer or two or more layers. Further, it may be a napped fabric or a napped knitted fabric composed of a napped portion and a ground tissue portion composed of a cut pile and / or a loop pile. Of course, the structure of the fabric is not limited to these, and the covering filamentous piezoelectric element of the present invention can be used for any known fabric.
（複数の圧電素子）
また、布帛状圧電素子６では、カバリング糸状圧電素子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カバリング糸状圧電素子１を用いてもよいし、数本ごとや一部分にカバリング糸状圧電素子１を用いてもよい。また、ある部分では経糸としてカバリング糸状圧電素子１を用い、他の部分では緯糸としてカバリング糸状圧電素子１を用いてもよい。
(Multiple piezoelectric elements)
Further, in the cloth-like
このようにカバリング糸状圧電素子１を複数本並べて布帛状圧電素子６を形成するときには、カバリング糸状圧電素子１は表面に電極を有さないため、その並べ方、編み方が広範に選択することができるという利点がある。
When a plurality of covering filamentous
（絶縁性繊維）
布帛状圧電素子６では、カバリング糸状圧電素子１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６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。
(Insulating fiber)
In the cloth-like
このようにカバリング糸状圧電素子１以外にこのように絶縁性繊維を配置することで、布帛状圧電素子６の操作性（例示：ウェアラブルセンサーとしての動き易さ）を向上させることが可能である。
By arranging the insulating fibers in addition to the covering thread-like
このような絶縁性繊維としては、導電性が１００ｋΩ／ｍより大きければ用いることができ、より好ましくは１０ＭΩ／ｍ以上、さらに好ましくは１ＧΩ／ｍ以上、最も好ましくは１００ＧΩ／ｍ以上であることがよい。 As such an insulating fiber, it can be used if the conductivity is larger than 100 kΩ / m, more preferably 10 MΩ / m or more, further preferably 1 GΩ / m or more, and most preferably 100 GΩ / m or more. Good.
絶縁性繊維として例えば、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、塩化ビニル繊維、アラミド繊維、ポリスルホン繊維、ポリエーテル繊維、ポリウレタン繊維等の合成繊維他、綿、麻、絹等の天然繊維、アセテート等の半合成繊維、レーヨン、キュプラ等の再生繊維を用いることができる。これらに限定されるものではなく、公知の絶縁性繊維を任意に用いることができる。さらに、これらの絶縁性繊維を組み合わせて用いてもよく、絶縁性を有しない繊維と組み合わせ、全体として絶縁性を有する繊維としてもよい。 As insulating fibers, for example, synthetic fibers such as polyester fiber, nylon fiber, acrylic fiber, polyethylene fiber, polypropylene fiber, vinyl chloride fiber, aramid fiber, polysulfone fiber, polyether fiber, polyurethane fiber, cotton, linen, silk and the like. Natural fibers, semi-synthetic fibers such as acetate, and recycled fibers such as rayon and cupra can be used. Not limited to these, known insulating fibers can be arbitrarily used. Further, these insulating fibers may be used in combination, or may be combined with a fiber having no insulating property to obtain a fiber having an insulating property as a whole.
また、公知のあらゆる断面形状の繊維も用いることができる。 Further, fibers having any known cross-sectional shape can also be used.
（圧電素子の適用技術）
本発明のカバリング糸状圧電素子１や布帛状圧電素子６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。
(Applicable technology of piezoelectric element)
A piezoelectric element such as the covering filamentous
図５は、本発明の圧電素子１１を備えるデバイス１０を示すブロック図である。デバイス１０は、圧電素子１１（例示：カバリング糸状圧電素子１、布帛状圧電素子６）と、印加された応力に応じて圧電素子１１から出力される電気信号を増幅する増幅手段１２と、増幅手段１２で増幅された電気信号を出力する出力手段１３と、出力手段１３から出力された電気信号を外部機器（図示せず）へ送信する送信手段１４とを備える。このデバイス１０を用いれば、圧電素子１１の表面への接触、圧力、形状変化により出力された電気信号に基づき、外部機器（図示せず）における演算処理にて、圧電素子１１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ことができる。あるいは、デバイス１０内に、出力手段１３から出力された電気信号に基づき圧電素子１１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演算する演算手段（図示せず）を設けてもよい。
FIG. 5 is a block diagram showing a
なお、増幅手段１２は、例えば各種電子回路で構築されてもよく、あるいはプロセッサ上で動作するソフトウェアプログラムにより実装される機能モジュールとして構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。プロセッサとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（digital signal processor）、ＬＳＩ（large scale integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programming Gate Array）等がある。また、出力手段１３は、例えば各種コネクタにて単独に構築されてもよく、あるいは送信手段１４と一体化した通信装置として構築されてもよい。またあるいは、増幅手段１２、出力手段１３および送信手段１４の機能をまとめて、ソフトウエアプログラムを書き込んだ集積回路もしくはマイクロプロセッサなどで実現してもよい。なお、送信手段１４による送信方式を無線によるもの有線によるものにするかは、構成するセンサーに応じて適宜決定すればよい。 The amplification means 12 may be constructed, for example, by various electronic circuits, may be constructed as a functional module implemented by a software program operating on a processor, or may be constructed by combining various electronic circuits and a software program. It may be constructed. Examples of the processor include a CPU (Central Processing Unit), a DSP (digital signal processor), an LSI (large scale integration), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programming Gate Array), and the like. Further, the output means 13 may be constructed independently with various connectors, for example, or may be constructed as a communication device integrated with the transmission means 14. Alternatively, the functions of the amplification means 12, the output means 13, and the transmission means 14 may be integrated and realized by an integrated circuit or a microprocessor in which a software program is written. Whether the transmission method by the transmission means 14 is to be wireless or wired may be appropriately determined according to the constituent sensors.
また、増幅手段だけではなく、ノイズを除去するフィルタ手段や他の信号と組み合わせて処理する手段などの公知の信号処理手段を組み合わせて用いることができる。これらの手段の接続の順序は目的に応じて適宜変えることができる。例えば、圧電素子１１から出力される電気信号に含まれるノイズを除去してＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を向上させるフィルタ手段（図示せず）を、増幅手段１２の前段、増幅手段１２と出力手段１３との間、出力手段１３と送信手段１４との間、あるいは送信手段１４の後段、に設けてもよい。もちろん、圧電素子１１から出力される電気信号をそのまま外部機器へ送信した後で信号処理してもよく、例えば、外部機器内にフィルタ手段を設けてもよい。なお、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示したカバリング糸状圧電素子によれば、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）の優れた電気信号が出力されるので、このようなフィルタ手段を省略することも可能である。
Further, not only the amplification means but also known signal processing means such as a filter means for removing noise and a means for processing in combination with other signals can be used in combination. The order of connection of these means can be appropriately changed according to the purpose. For example, a filter means (not shown) that removes noise contained in an electric signal output from the
図６は、実施の形態に係るカバリング糸状圧電素子を備えるデバイスの構成例を示す模式図である。図６の増幅手段１２は、図５を参照して説明したものに相当するが、図５の出力手段１３および送信手段１４については図６では図示を省略している。例えば、図６に示すように、布帛状圧電素子６を備えるデバイスを構成する場合、増幅手段１２の入力端子にカバリング糸状圧電素子１の芯部３からの引出し線を接続し、接地（アース）端子には、増幅手段１２の入力端子に接続したカバリング糸状圧電素子１の導電層４を接続する。
FIG. 6 is a schematic view showing a configuration example of a device including a covering filamentous piezoelectric element according to the embodiment. The amplification means 12 of FIG. 6 corresponds to the one described with reference to FIG. 5, but the output means 13 and the transmission means 14 of FIG. 5 are not shown in FIG. For example, as shown in FIG. 6, when a device including the cloth-like
また、複数のカバリング糸状圧電素子１を用いる場合には、それぞれの導電層４を接地（アース）し、それぞれのカバリング糸状圧電素子１の芯部３からの引出し線を異なる増幅手段１２の入力端子に接続してもよいし、１本のカバリング糸状圧電素子１の芯部３からの引出し線を増幅手段１２の入力端子に接続し、当該カバリング糸状圧電素子１とは別のカバリング糸状圧電素子１の芯部３からの引出し線を、接地（アース）してもよい。
When a plurality of covering filamentous
本発明のデバイス１０は柔軟性があり、紐状および布帛状いずれの形態でも使用できるため、非常に広範な用途が考えられる。本発明のデバイス１０の具体的な例としては、帽子や手袋、靴下などを含む着衣、サポーター、ハンカチ状などの形状をした、タッチパネル、人や動物の表面感圧センサー、例えば、手袋やバンド、サポーターなどの形状をした関節部の曲げ、捩じり、伸縮を感知するセンサーが挙げられる。例えば人に用いる場合には、接触や動きを検出し、医療用途などの関節などの動きの情報収集、アミューズメント用途、失われた組織やロボットを動かすためのインターフェースとして用いることができる。他には、動物や人型を模したぬいぐるみやロボットの表面感圧センサー、関節部の曲げ、捩じり、伸縮を感知するセンサーとして用いることができる。他には、シーツや枕などの寝具、靴底、手袋、椅子、敷物、袋、旗などの表面感圧センサーや形状変化センサーとして用いることができる。
Since the
さらに、本発明のデバイス１０はカバリング糸状あるいは布帛状であり、柔軟性があるので、あらゆる構造物の全体あるいは一部の表面に貼付あるいは被覆することにより表面感圧センサー、形状変化センサーとして用いることができる。
Further, since the
さらに、本発明のデバイス１０は、カバリング糸状圧電素子１の表面を擦るだけで十分な電気信号を発生することができるので、タッチセンサーのようなタッチ式入力装置やポインティングデバイスなどに用いることができる。また、カバリング糸状圧電素子１で被計測物の表面を擦ることによって被計測物の高さ方向の位置情報や形状情報を得ることができるので、表面形状計測などに用いることができる。
Further, since the
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に記載するが本発明はこれによって何らの限定を受けるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
圧電素子用の布帛は以下の方法で製造した。
（ポリ乳酸の製造）
実施例において用いたポリ乳酸は以下の方法で製造した。
Ｌ−ラクチド（（株）武蔵野化学研究所製、光学純度１００％）１００質量部に対し、オクチル酸スズを０．００５質量部加え、窒素雰囲気下、撹拌翼のついた反応機にて１８０℃で２時間反応させ、オクチル酸スズに対し１．２倍当量のリン酸を添加しその後、１３．３Ｐａで残存するラクチドを減圧除去し、チップ化し、ポリ−Ｌ−乳酸（ＰＬＬＡ１）を得た。得られたＰＬＬＡ１の質量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。
The fabric for the piezoelectric element was manufactured by the following method.
(Manufacturing of polylactic acid)
The polylactic acid used in the examples was produced by the following method.
To 100 parts by mass of L-lactide (manufactured by Musashino Chemical Laboratory Co., Ltd., optical purity 100%), 0.005 parts by mass of tin octylate was added, and the temperature was 180 ° C. in a reactor with a stirring blade under a nitrogen atmosphere. For 2 hours, 1.2 times equivalent amount of phosphoric acid was added to tin octylate, and then the remaining lactide was removed under reduced pressure at 13.3 Pa to form chips to obtain poly-L-lactic acid (PLLA1). .. The mass average molecular weight of the obtained PLLA1 was 152,000, the glass transition point (Tg) was 55 ° C., and the melting point was 175 ° C.
（圧電性繊維）
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延伸糸を得た。
(Piezoelectric fiber)
PLLA1 melted at 240 ° C. was discharged from a 12-hole cap at 8 g / min and taken up at 1050 m / min. This undrawn multifilament yarn was stretched 2.3 times at 80 ° C. and heat-fixed at 150 ° C. to obtain a 33dtex / 12 filament multifilament yarn.
（導電性繊維）
ミツフジ（株）製の銀メッキナイロン、品名『ＡＧｐｏｓｓ』１００ｄ３４ｆを導電性繊維Ｂとして使用した。この繊維の導電性は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を導電性繊維５として使用した。この繊維の導電性は９５０Ω／ｍであった。
(Conductive fiber)
Silver-plated nylon manufactured by Mitsufuji Corporation, product name "AGpos" 100d34f, was used as the conductive fiber B. The conductivity of this fiber was 250 Ω / m.
Further, silver-plated nylon manufactured by Mitsufuji Corporation, product name "AGpos" 30d10f, was used as the conductive fiber 5. The conductivity of this fiber was 950 Ω / m.
（絶縁性繊維）
２８０℃にて溶融させたポリエチレンテレフタレートを２４ホールのキャップから４５ｇ／ｍｉｎで吐出し、８００ｍ／ｍｉｎにて引き取った。この未延伸糸を８０℃、２．５倍に延伸し、１８０℃で熱固定処理することにより８４ｄｔｅｘ／２４フィラメントのマルチフィラメント延伸糸を得、これを絶縁性繊維とした。
(Insulating fiber)
Polyethylene terephthalate melted at 280 ° C. was discharged from a 24-hole cap at 45 g / min and taken up at 800 m / min. This undrawn yarn was stretched 2.5 times at 80 ° C. and heat-fixed at 180 ° C. to obtain a multifilament drawn yarn of 84 dtex / 24 filaments, which was used as an insulating fiber.
（カバリング糸状圧電素子）
実施例１の試料として、上記の導電性繊維Ｂを芯糸とし、上記の圧電性繊維Ａを芯糸の周りにＳ方向に３４００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、連続的にさらに圧電性繊維ＡをＺ方向に３４００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、導電性繊維Ｂで形成された芯部と、当該芯部を圧電性繊維Ａを用いてカバリング撚糸した鞘部とを備えたカバリング糸状圧電素子を得た。カバリング角度はそれぞれＳ方向６２°、Ｚ方向６６°であった。
さらにこのカバリング糸状圧電素子を芯糸とし、導電性繊維５を芯糸の周りにＳ方向に３０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、連続的にさらに導電性繊維５をＺ方向に３０００回／ｍのカバリング回数で巻きつけ、導電層付カバリング糸状圧電素子を得た。カバリング角度はそれぞれＳ方向７２°、Ｚ方向７３°であった。また、導電層による上記鞘部の被覆率は１００％であった。
(Covering filamentous piezoelectric element)
As a sample of Example 1, the above-mentioned conductive fiber B is used as a core thread, and the above-mentioned piezoelectric fiber A is wound around the core thread in the S direction at a covering number of 3400 times / m to continuously further piezoelectricity. Covering provided with a core formed of conductive fiber B and a sheath in which the core is covered and twisted using piezoelectric fiber A by winding the fiber A in the Z direction at a covering count of 3400 times / m. A filamentous piezoelectric element was obtained. The covering angles were 62 ° in the S direction and 66 ° in the Z direction, respectively.
Further, using this covering filamentous piezoelectric element as a core thread, the conductive fiber 5 is wound around the core thread at a frequency of 3000 times / m in the S direction, and the conductive fiber 5 is continuously further wound 3000 times in the Z direction / It was wound with a number of covering times of m to obtain a covering filamentous piezoelectric element with a conductive layer. The covering angles were 72 ° in the S direction and 73 ° in the Z direction, respectively. Further, the coverage of the sheath portion by the conductive layer was 100%.
（性能評価及び評価結果）
導電層付カバリング糸状圧電素子の性能評価及び評価結果は以下のとおりである。
(Performance evaluation and evaluation results)
The performance evaluation and evaluation results of the covering filamentous piezoelectric element with a conductive layer are as follows.
（実施例１）
導電層付カバリング糸状圧電素子１中の導電性繊維Ｂを信号線としてＫｅｉｔｈｌｅｙ社製６５１４プログラマブル・エレクトロメータに接続し、５０°／秒の早さで、径方向に１５°のねじりを繰り返し印加した。
その結果、カバリング糸状圧電素子１からの出力として、図７に示すとおり、１５°のねじりによる比較的小さな変形で生じる応力によっても検出可能なほどに十分大きく、かつ繰り返し精度に優れるＳ／Ｎ比（信号対雑音比）の非常に良好な電気信号が検出されることが確認された。
(Example 1)
The conductive fiber B in the covering filamentous
As a result, as shown in FIG. 7, the output from the covering filamentous
（実施例２）
導電層を有さないカバリング糸状圧電素子１中の導電性繊維Ｂを信号線としてＫｅｉｔｈｌｅｙ社製６５１４プログラマブル・エレクトロメータに接続し、カバリング糸状圧電素子１および測定機を金網の電磁波シールドボックス内に設置し、５０°／秒の早さで、径方向に１５°のねじりを繰り返し印加した。
その結果、カバリング糸状圧電素子１からの出力として、図７と同様に、１５°のねじりによる比較的小さな変形で生じる応力によっても検出可能なほどに十分大きく、かつ繰り返し精度に優れるＳ／Ｎ比（信号対雑音比）の非常に良好な電気信号が検出されることが確認された。
(Example 2)
The conductive fiber B in the covering filamentous
As a result, the output from the covering filamentous
Ａ 圧電性繊維
Ｂ 導電性繊維
１ カバリング糸状圧電素子
２ 鞘部
３ 芯部
４ 導電層
５ 導電性繊維
６ 布帛状圧電素子
７ 布帛
８ 絶縁性繊維
１０ デバイス
１１ 圧電素子
１２ 増幅手段
１３ 出力手段
１４ 送信手段
ＣＬ 中心軸
α カバリング角度
A Piezoelectric fiber
Claims (10)
印加された応力に応じて前記圧電素子から出力される電気信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段で増幅された電気信号を出力する出力手段と、
を備え、前記導電性繊維の繊度が２０ｄｔｅｘ以上であり、前記圧電性繊維の繊度が前記導電性繊維の繊度の１／１０〜２倍であるデバイス。 A covering filament-like piezoelectric element in which a piezoelectric fiber is wound around a conductive fiber as a core yarn as a sheath yarn in the S and Z directions by covering and twisting, and on the surface of the covering-twisted covering filament-like piezoelectric element. A covering filamentous piezoelectric element having a conductive layer for shielding electromagnetic waves.
Amplifying means for amplifying an electric signal output from the piezoelectric element according to the applied stress, and
An output means that outputs an electric signal amplified by the amplification means, and
A device in which the fineness of the conductive fiber is 20 dtex or more, and the fineness of the piezoelectric fiber is 1/10 to 2 times the fineness of the conductive fiber .
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