(57)【要約】      （修正有）【課題】柔軟性かつ難燃性にとんだ布帛状のトランスデューサー並びにそのトランスデューサーからの信号を用いたデバイス及び／又は電気信号を入力することにより機能するデバイスを提供する。【解決手段】導電性繊維Ｂ及び圧電性繊維Ａが電気的接続をするように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を備え、圧電素子の限界酸素指数が２４以上である。圧電単位には、導電性繊維Ｂ及び圧電性繊維Ａと略同一平面上に絶縁性繊維Ｃが更に配置され、絶縁性繊Ｃが難燃性繊維である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性繊維および圧電性繊維が電気的接続を提供するように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を備え、前記圧電素子の限界酸素指数が２４以上である、トランスデューサー。
【請求項２】
前記圧電単位には、前記導電性繊維および前記圧電性繊維と略同一平面上に絶縁性繊維がさらに配置され、前記絶縁性繊維が難燃性繊維である、請求項１記載のトランスデューサー。
【請求項３】
導電性繊維および圧電性繊維が電気的接続を提供するように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を備え、前記圧電素子の表面上に難燃剤を含む層が形成され、前記圧電素子の限界酸素指数が２４以上である、トランスデューサー。
【請求項４】
前記圧電単位は２本の前記導電性繊維および１本の前記圧電性繊維を含み、前記導電性繊維、前記圧電性繊維および前記導電性繊維が、この順序に配置されている、請求項１または３に記載のトランスデューサー。
【請求項５】
前記圧電単位において前記導電性繊維および前記圧電性繊維が互いに物理的に接する接点を有している、請求項１または３に記載のトランスデューサー。
【請求項６】
前記圧電単位中の前記導電性繊維が他の圧電単位中の導電性繊維および／または圧電性繊維に対して電気的接続しないように、絶縁性繊維が配置されている、請求項１または３に記載のトランスデューサー。
【請求項７】
前記圧電性繊維が主としてポリ乳酸を含む、請求項１または３に記載のトランスデューサー。
【請求項８】
前記圧電性繊維が主として光学純度９９％以上のポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含む、請求項１または３に記載のトランスデューサー。
【請求項９】
前記圧電性繊維が一軸配向し且つ結晶を含む、請求項１または３に記載のトランスデューサー。
【請求項１０】
前記導電性繊維が金属メッキ繊維である、請求項１または３に記載のトランスデューサー。
【請求項１１】
前記絶縁性繊維が限界酸素指数２５以上の難燃性繊維である、請求項２記載のトランスデューサー。
【請求項１２】
複数の前記圧電単位を含有する織編物である、請求項１または３に記載のトランスデューサー。
【請求項１３】
複数の前記圧電単位を含有する織物であって、その織組織が平織、綾織、サテン織およびそれらの複合組織のいずれかである請求項１２記載のトランスデューサー。
【請求項１４】
複数の前記織編物を組み合わせて用いる、請求項１３記載のトランスデューサー。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、
印加された圧力に応じて前記トランスデューサー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、
を備えるデバイス。
【請求項１６】
前記出力手段から出力された電気信号を外部機器へ送信する送信手段をさらに備える請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、
印加された圧力に応じて前記トランスデューサーから電気信号を出力する出力手段と、
前記出力手段から出力された電気信号を外部機器へ送信する送信手段と、
を備えるデバイス。
【請求項１８】
電気信号を受信する受信手段と、
前記受信手段により受信した電気信号が印加される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、
を備えるデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力による形状変化により電気信号を出力および／または電気信号の入力により形状変化するトランスデューサーに関する。さらに詳しくは、柔軟かつ三次元的に形状変化できることを特徴とする布帛状もしくは紐状のトランスデューサーに関する。さらに詳しくは、難燃性を有することを特徴とするトランスデューサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
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は、布に圧電素子を装着し、そこから信号を取り出すものが開示されている（特許文献１、２）。しかしこれらは織編物の表面上に別の構造体を必要とすることから、自由曲面への適応が困難で触感が悪く、取り扱い性、施工性、加工性にて不具合を生じるなど実用性に欠ける。また、圧電性材料と導電性材料をフィルム状にしたもので布状の構造体を形成するもの（特許文献３）もあるが、これも自由曲面への適応が困難で触感が悪く、取り扱い性、施工性、加工性にて不具合を生じるなど実用性に欠ける。さらに、繊維のみからなる布帛状センサーとして導電性繊維間の抵抗を検出するもの（特許文献４）も提案されているが、布帛上の圧力を検出するものであり直接的に形状変化を検出するものではなかった。なお、特許文献５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。
【０００３】
布帛状もしくは紐状のセンサーは、その柔軟性を生かして、今後、カーテンや寝具、絨毯、衣服などへの展開が期待されるが、該用途は防炎・難燃基準が厳しい用途でもある。そのため、導電性繊維を使用していること故の、漏電・短絡等の火災リスク対策として、より高い難燃性を付与することが必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５１８８８６号公報
【特許文献２】特開平６−３２３９２９号公報
【特許文献３】特開２００２−２０３９９６号公報
【特許文献４】特開２００６−２８４２７６号公報
【特許文献５】国際公開第２０１４／０５８０７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、繊維材料を用いて、かつ従前の織編物構造を作製することで柔軟性に富んだ布帛状のトランスデューサーであって、難燃性の機能を有するトランスデューサーを提供することにある。さらには、そのトランスデューサーからの信号を用いたデバイスおよび／または電気信号を入力することにより機能するデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、２本の導電性繊維と１本の圧電性繊維との組み合わせ配置により、圧電素子として機能する場合があることを見出し、その圧電素子を含むトランスデューサーに難燃性を付与することにより本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明は以下の発明を包含する。
１．導電性繊維および圧電性繊維が電気的接続を提供するように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を備え、前記圧電素子の限界酸素指数が２４以上である、トランスデューサー。
２．前記圧電単位には、前記導電性繊維および前記圧電性繊維と略同一平面上に絶縁性繊維がさらに配置され、前記絶縁性繊維が難燃性繊維である、上記１記載のトランスデューサー。
３．導電性繊維および圧電性繊維が電気的接続を提供するように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を備え、前記圧電素子の表面上に難燃剤を含む層が形成され、前記圧電素子の限界酸素指数が２４以上である、トランスデューサー。
４．前記圧電単位は２本の前記導電性繊維および１本の前記圧電性繊維を含み、前記導電性繊維、前記圧電性繊維および前記導電性繊維が、この順序に配置されている、上記１または３に記載のトランスデューサー。
５．前記圧電単位において前記導電性繊維および前記圧電性繊維が互いに物理的に接する接点を有している、上記１または３に記載のトランスデューサー。
６．前記圧電単位中の前記導電性繊維が他の圧電単位中の導電性繊維および／または圧電性繊維に対して電気的接続しないように、絶縁性繊維が配置されている、上記１または３に記載のトランスデューサー。
７．前記圧電性繊維が主としてポリ乳酸を含む、上記１または３に記載のトランスデューサー。
８．前記圧電性繊維が主として光学純度９９％以上のポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含む、上記１または３に記載のトランスデューサー。
９．前記圧電性繊維が一軸配向し且つ結晶を含む、上記１または３に記載のトランスデューサー。
１０．前記導電性繊維が金属メッキ繊維である、上記１または３に記載のトランスデューサー。
１１．前記絶縁性繊維が限界酸素指数２５以上の難燃性繊維である、上記２記載のトランスデューサー。
１２．複数の前記圧電単位を含有する織編物である、請求項１または３に記載のトランスデューサー。
１３．複数の前記圧電単位を含有する織物であって、その織組織が平織、綾織、サテン織およびそれらの複合組織のいずれかである上記１２記載のトランスデューサー。
１４．複数の前記織編物を組み合わせて用いる、上記１３記載のトランスデューサー。
１５．上記１〜１４のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、
印加された圧力に応じて前記トランスデューサー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、
を備えるデバイス。
１６．前記出力手段から出力された電気信号を外部機器へ送信する送信手段をさらに備える上記１５に記載のデバイス。
１７．上記１〜１４のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、
印加された圧力に応じて前記トランスデューサーから電気信号を出力する出力手段と、
前記出力手段から出力された電気信号を外部機器へ送信する送信手段と、
を備えるデバイス。
１８．電気信号を受信する受信手段と、
前記受信手段により受信した電気信号が印加される、上記１〜１４のいずれか一項に記載のトランスデューサーと、
を備えるデバイス。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば繊維材料を用いて、かつ従前の織編物構造を作製することで、柔軟性かつ難燃性に富んだ布帛状もしくは紐状のトランスデューサーを得ることができる。本発明のトランスデューサーは、フレキシブルであるため、ハンカチのような折り畳み可能な布帛状、さらには着衣状など布帛で実現できるあらゆる形状の電気信号を入出力とするトランスデューサーを実現することができる。さらには、そのトランスデューサーからの信号を用いたデバイスおよび／または電気信号を入力することにより機能するデバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１、２の平織物の模式図である。
【図２】実施例１、２の朱子織物の模式図である。
【図３】実施例１、２の腕センサーの外観図である。
【図４】本発明のトランスデューサーを用いたデバイスの第１の具体例を示すブロック図である。
【図５】本発明のトランスデューサーを用いたデバイスの第２の具体例を示すブロック図である。
【図６】本発明のトランスデューサーを用いたデバイスの第３の具体例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の目的は、導電性繊維および圧電性繊維が電気的接続を提供するように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からなる電気信号を出力する難燃性のトランスデューサーによって達成され、導電性繊維および圧電性繊維の少なくとも１つに難燃性を有する繊維を使うか、もしくは、圧電素子を難燃剤で被覆することによって達成される。以下に各構成について説明する。
【００１１】
（導電性繊維）
導電性繊維としては、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、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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、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。
【００１４】
導電性繊維は、フィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントを用いても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントを用いてもよい。マルチフィラメントとして用いる方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントの径としては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。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。
【００１５】
直径が小さいと強度が低下しハンドリングが困難となり、また、直径が大きい場合にはフレキシブル性が犠牲になる。導電性繊維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。
【００１６】
また、圧電性高分子からの電気出力を効率よく取り出すため、電気抵抗は低いことが好ましく、体積抵抗率としては１０−１Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０−２Ω・ｃｍ以下、さらに好ましくは１０−３Ω・ｃｍ以下である。ただし、信号検出に強度が得られるのであれば導電性繊維の抵抗率はこの限りではない。
【００１７】
導電性繊維は難燃性を有していてもよい。導電性繊維に難燃性を付与する方法としては、例えば、導電性繊維の原料として、難燃剤を添加した導電性高分子を使う、導電性フィラーと難燃剤を分散させた高分子を使う、ベースの繊維状物に例えば、アラミド繊維、ポリベンゾイミダゾール繊維、ポリイミド繊維、ポリアミドイミド繊維、ポリエーテルイミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ノボロイド繊維、難燃アクリル繊維、ポリクラール繊維、難燃ポリエステル繊維、難燃綿繊維、難燃ウール繊維等を使う、などの方法や、コート剤に難燃剤を添加しておく、などの方法が挙げられる。
【００１８】
（圧電性繊維）
圧電性繊維は圧電性を有する繊維である。圧電性繊維は圧電性高分子からなることが好ましい。圧電性高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸など圧電性を示す高分子であれば利用できるが、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。ポリ乳酸は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。さらに、ポリ乳酸からなる圧電性繊維はその軸方向への引張や圧縮応力では、分極が小さく、圧電素子として機能させることが困難であるが、せん断応力によっては比較的大きな電気出力が得られ、せん断応力を圧電性高分子に付与しやすい構成体を有する本発明の圧電素子においては好ましい。
【００１９】
圧電性高分子は、主としてポリ乳酸を含むことが好ましい。「主として」とは、好ましくは９０モル％以上、より好ましくは９５モル％以上、さらに好ましくは９８モル％以上のことを言う。
【００２０】
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。
【００２１】
ポリ乳酸の光学純度は９９％以上であることが好ましく、より好ましくは９９．３％以上、さらに好ましくは９９．５％以上である。光学純度が９９％未満であると著しく圧電率が低下する場合があり、圧電性繊維の形状変化よって十分な電気出力を得ることが難しくなる場合がある。圧電性高分子が、主としてポリ−Ｌ−乳酸またはポリ−Ｄ−乳酸を含み、これらの光学純度は９９％以上であることが好ましい。
【００２２】
圧電性繊維は繊維の繊維軸方向に一軸配向しかつ結晶を含むものであることが好ましく、より好ましくは結晶を有する一軸配向ポリ乳酸である。なぜなら、ポリ乳酸はその結晶状態および一軸配向において大きな圧電性を示すためである。
【００２３】
ポリ乳酸は加水分解が比較的早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。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。
【００２４】
圧電性繊維は難燃性を有していてもよい。圧電性繊維に難燃性を付与する方法としては、例えば、リン系化合物などの有機系難燃剤や、三酸化二アンチモンなどの無機系難燃剤をポリ乳酸に添加する、などの方法が挙げられる。
【００２５】
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、アロイの全重量を基準として少なくとも５０重量％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重量％以上、最も好ましくは９０重量％以上である。
【００２６】
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。
【００２７】
圧電性繊維はフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントを用いても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントを用いてもよい。マルチフィラメントとして用いる方が電気特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントの径としては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。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。
【００２８】
上記の圧電性高分子を圧電性繊維とするためには、高分子を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、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等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。
【００２９】
なお、上述の通りに、圧電性高分子がポリ乳酸である場合には、一軸延伸配向し、かつ結晶を含むとより大きな圧電性を示すことから、繊維は延伸することが好ましい。
【００３０】
（略同一平面上）
本発明の圧電素子において、導電性繊維と圧電性繊維は、略同一平面上に配置される。ここで略同一平面上とは、繊維の繊維軸が略平面上に配置されることを意味し、「略」とは、繊維同士の交差点で厚みが生じることが含まれることを意味するものである。
【００３１】
例えば、２本の平行な導電性繊維の間に、１本の圧電性繊維が更に平行に引き揃えられた形態は、略同一平面上にある形態である。また、当該１本の圧電性繊維の繊維軸を、当該２本の平行な導電性繊維とは平行でない状態に傾けていても、略同一平面上にある。さらに、１本の導電性繊維と１本の圧電性繊維とを平行に引き揃え、もう１本の導電性繊維を、この引き揃えられた導電性繊維と圧電性繊維とに、交差させたとしても略同一平面上にある。
【００３２】
略平面上に配置されることで、当該圧電単位を組み合わせて、布帛状の圧電素子を形成しやすく、布帛状の形態の圧電素子を利用すれば、トランスデューサーの形状設計に自由度を増すことができる。布帛の種類としては、織物、編物、不織布などが例示される。
【００３３】
これらの、圧電性繊維と導電性繊維の関係は検出したい形状変化により適宜選択される。
【００３４】
（配置順序）
圧電単位における繊維の配置は、導電性繊維および圧電性繊維が電気的接続を提供するように配置されている限り特に限定されるものではない。例えば、圧電単位が、２本の導電性繊維と１本の圧電性繊維からなる圧電単位である場合には、導電性繊維、圧電性繊維、導電性繊維が、この順に配置されていることが好ましい。このように配置することで、圧電単位の２本の導電性繊維同士が接触することがなくなり、導電性繊維に他の手段、例えば絶縁性物質を被覆するなどの技術を適用しなくても圧電単位として有効に機能させることができる。
【００３５】
この際、導電性繊維と圧電性繊維とが互いに物理的に接する接点を有していることが望ましいが、導電性繊維と圧電性繊維との間隔が４ｍｍ以内の範囲であれば、物理的に接していなくても電気的接続を提供することができる。導電性繊維と圧電性繊維との間隔は、より好ましくは３ｍｍ以下、さらに好ましくは２ｍｍ以下、さらに好ましくは１ｍｍ以下、最も好ましくは０．５ｍｍ以下である。この間隔が４ｍｍを超えると圧電性繊維の形状変化に伴う電気出力が小さくなり、トランスデューサーとして用いることが困難となる。
【００３６】
形態としては、例えば、２本の導電性繊維が平行に配置され、１本の圧電性繊維がこれら２本の導電性繊維の間に更に平行に配置された形態や、２本の導電性繊維が平行に配置され、１本の圧電性繊維が、これら２本の導電性繊維に交わるように配置された形態などを挙げることができる。さらには、２本の導電性繊維を経糸（または緯糸）として配し、１本の圧電性繊維を緯糸（または経糸）として配してもよい。この場合は２本の導電性繊維同士は接触していないことが好ましく、２本の導電性繊維の間には好ましくは絶縁性物質、例えば絶縁性繊維を介在させる形態の他、導電性繊維が接触しやすい表面にのみ絶縁性物質を被覆し、圧電性繊維とは直接導電性繊維が接触するようにする形態も採用することができる。
【００３７】
（絶縁性繊維）
本発明の圧電単位は、絶縁性繊維を含み、該絶縁性繊維は、圧電単位中の導電性繊維が、他の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように導電性繊維と圧電性繊維の間に配されることがある。この際、絶縁性繊維は布帛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。また、圧電単位中の導電性繊維が、他の圧電単位中の導電性繊維並びに圧電性繊維に接しないように配されることもある。本発明での配置順序は通常は、［導電性繊維／圧電性繊維／導電性繊維］であるので、絶縁性繊維は、［絶縁性繊維／導電性繊維／圧電性繊維／導電性繊維］ないし［絶縁性繊維／導電性繊維／圧電性繊維／導電性繊維／絶縁性繊維］として配置される。この際も、絶縁性繊維は布帛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。
【００３８】
圧電単位にこのように絶縁性繊維を配置することで、圧電単位を複数組み合わせた場合でも導電性繊維が接触することがなく、トランスデューサーとしての性能を向上させることが可能である。
【００３９】
このような絶縁性繊維としては、体積抵抗率が１０６Ω・ｃｍ以上であれば用いることができ、より好ましくは１０８Ω・ｃｍ以上、さらに好ましくは１０１０Ω・ｃｍ以上がよい。
【００４０】
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。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。
【００４１】
また、布帛に柔軟性を持たせる目的で、公知のあらゆる形状の繊維も用いることができる。
【００４２】
絶縁性繊維はフィラメントを複数本束ねたマルチフィラメントを用いても、また、フィラメント一本からなるモノフィラメントを用いてもよい。マルチフィラメントとして用いる方が絶縁特性の長尺安定性の観点で好ましい。モノフィラメントとして用いる場合、その糸径は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として用いる場合は、その単糸径は０．１μｍ〜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。
【００４３】
難燃性の絶縁性繊維としては、限界酸素指数が２４以上である有機繊維であることが好ましく、アラミド繊維、ポリベンゾイミダゾール繊維、ポリイミド繊維、ポリアミドイミド繊維、ポリエーテルイミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ノボロイド繊維などが挙げられ、さらに難燃アクリル繊維、ポリクラール繊維、難燃ポリエステル繊維、難燃綿繊維、難燃ウール繊維等も使用することができる。難燃剤の種類は有機系化合物でも、無機系化合物でも問わない。
【００４４】
布帛状のトランスデューサーの圧電素子に限界酸素指数２４以上の難燃性をもたせる方法として、導電性繊維、圧電性繊維および絶縁性繊維の少なくとも一つに難燃性を付与する方法がある。その場合、圧電素子の性能を十分に発揮させるためには、圧電性の特性に直接影響しない絶縁性繊維に難燃性を付与するのが好ましい。繊維の性質の観点からも、導電性繊維や、結晶化度が高い圧電性繊維よりも絶縁性繊維に難燃性を付与するのがもっとも簡便であり、好ましい。
【００４５】
絶縁性繊維に付与した難燃効果で、布帛状トランスデューサーの圧電素子全体の難燃性を限界酸素指数２４以上にする場合には、生地構成中の絶縁性繊維の割合からいって、絶縁性繊維単独で少なくとも２５以上、好ましくは２６以上の限界酸素指数をもつ絶縁性繊維を選択する必要がある。
【００４６】
（難燃剤皮膜の形成）
布帛状のトランスデューサーの圧電素子に限界酸素指数２４以上の難燃性をもたせる他の方法として、トランスデューサーの圧電素子（圧電単位）の表面に難燃剤被膜を形成する方法がある。即ち、水などの溶媒や樹脂に分散させた難燃剤を、布帛状もしくは紐状の圧電素子に含浸、もしくはコーティングし、難燃剤皮膜を形成する。
【００４７】
例えば、難燃剤を含む樹脂にて皮膜する場合が挙げられる。ここでいう樹脂とは、難燃剤を布帛に固着させるためのバインダー作用を呈する樹脂を言う。樹脂の具体例としては、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミン樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、さらにはこれらの変性樹脂等を挙げることができる。また、これらの樹脂を２種以上複合する事も可能である。好ましい樹脂としては、風合いが軟らかく、コストが安価なアクリル樹脂やウレタン樹脂などが挙げられる。
【００４８】
また、上記の樹脂中に混合する難燃剤としては公知の難燃剤を挙げることができる。例えば、ハロゲン系化合物、リン系化合物、窒素系化合物、アンチモン化合物などを挙げることができ、これらは２種類以上を併用することも可能である。具体的には、デカブロモジフェニルエーテル、三酸化アンチモン、およびハロゲン化リン酸エステルの混合物、あるいはポリリン酸アンモニウム等が挙げられる。
【００４９】
上記難燃剤と樹脂との配合比は、重量基準で樹脂を１００部としたとき、難燃剤を２０部から３００部の間とすることが好ましい。樹脂の比率が少ないと難燃剤の固着が充分でなく、また多すぎると難燃効果の点で劣る場合がある。
【００５０】
上記樹脂には難燃剤の他に、機能性を付与するために様々なフィラーを混合させることができる。例えば、意匠性を高めるために顔料などを加える事もできる。
【００５１】
樹脂層を形成させる方法としては、従来公知の片面コーティング法や浸漬法を任意に採用することができ、コーティング法としてはナイフコーター、グラビアコーター、コンマコーターなどの方法が採用できる。また、あらかじめ難燃剤を含んだ樹脂シート、あるいは樹脂フィルムを布帛にラミネートすることもできる。
【００５２】
樹脂層の厚さは、あまり薄過ぎると、樹脂中に含まれる難燃剤の量が少なくなり、充分な難燃性が得られない場合があるので、０．０３μｍ以上とすることが好ましいが、厚過ぎると柔軟性が損なわれる場合があるので、５μｍ以下とすることが好ましい。さらに好ましい厚さの範囲は０．１〜３μｍである。
【００５３】
（圧電単位の組み合わせ形態）
本発明において、複数の並列した圧電単位を含有する織編物であることが好ましい。このような形態であることで、圧電素子として、形状の変形自由度（フレキシブルさ）を向上させることが可能である。
【００５４】
このような織編物形状は複数の圧電単位を含み、圧電素子としての機能を発揮する限り何らの限定は無い。織物形状または編物形状を得るには、通常の織機または編機により製編織すればよい。一枚の布帛に複数の圧電単位を導入する場合は、製織もしくは製編の際に連続して作製しても、別々に作成した複数の布帛を接合することで作製してもよい。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
なお、圧電単位が織り組織ないし編み組織に組み込まれて存在する場合、圧電性繊維そのものに屈曲部分が存在するが、圧電素子としての圧電性能を効率よく発現させるためには、圧電性繊維の屈曲部分が小さい方が好ましい。従って、織物と編み物とでは織物の方が好ましい。
【００５８】
この場合でも、上述の通り、圧電性繊維の屈曲部分が小さい方が、圧電性能が効率よく発現することから、織組織としては平織よりは綾織りが好ましく、綾織よりもサテン織（朱子織）が好ましい。特にサテン織（朱子織）のなかでも、飛び数が３〜７の範囲にあると、織組織の保持と圧電性性能とを高い水準で発揮することから好ましい。
【００５９】
なお、織組織は、検出したい形状変化により適宜選択される。例えば曲げを検出したい場合には、平織構造、圧電性繊維と導電性繊維が平行関係であることが好ましく、捩じりを検出したい場合には、朱子織構造、圧電性繊維と導電性繊維が直行関係であることが好ましい。
【００６０】
また、圧電性繊維であるポリ乳酸は帯電しやすいため、誤作動しやすくなる場合がある。このような場合には、信号を取り出そうとする圧電性繊維を接地（アース）して使用することもできる。接地（アース）する方法としては信号を取り出す導電性繊維とは別に、導電性繊維を配置することが好ましい。この場合、導電性繊維の体積抵抗率としては１０−１Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０−２Ω・ｃｍ以下、さらに好ましくは１０−３Ω・ｃｍ以下である。
【００６１】
（複数の圧電素子）
また、圧電素子を複数並べて用いることも可能である。並べ方としても一次元的に一段で並べても、二次元的に重ねて並べても良く、さらには布状に編織して用いたり、組み紐に製紐したりしてもよい。それによって布状、紐状の圧電素子を実現することも可能となる。布状、紐状にするにあたっては、本発明の目的を達成する限り、圧電素子以外の他の繊維と組み合わせて、混繊、交織、交編等を行ってもよく、また、樹脂などに組み込んで使ってもよい。
【００６２】
（圧電素子の適用技術）
本発明のトランスデューサー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。図４は、本発明のトランスデューサーを用いたデバイスの第１の具体例を示すブロック図である。例えば、本発明のトランスデューサー１１と、印加された圧力に応じてトランスデューサー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とからなるデバイス１０１を構成すれば、トランスデューサー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を容易に取り出すことができるので、様々な用途に適用可能である。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、適用される装置に応じて適宜決定すればよい。
【００６３】
また、増幅手段だけではなく、ノイズを除去する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。もちろん、トランスデューサー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い。
【００６４】
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、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、カーテン、シーツや枕や布団などの寝具、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。
【００６５】
さらには、本発明のセンサーは布帛状であるため、伸縮性と柔軟性があるので、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。
【００６６】
また、本発明のトランスデューサーは電気信号を出力として取り出すことができるため、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。図５は、本発明のトランスデューサーを用いたデバイスの第２の具体例を示すブロック図である。例えば、本発明のトランスデューサー１１と、印加された圧力に応じてトランスデューサー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とからなるデバイス１０２を構成すれば、トランスデューサー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を他のデバイスを動かすための電力源として用いたりあるいは蓄電装置に蓄電したりすることができる。
【００６７】
また、増幅手段だけではなく、ノイズを除去する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。もちろん、トランスデューサー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い。
【００６８】
具体的な例としては、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。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。
【００６９】
一方、本発明のトランスデューサーはいずれの様態であっても、電気信号が入力されることで、力学的な力を発生させることができる。図６は、本発明のトランスデューサーを用いたデバイスの第３の具体例を示すブロック図である。例えば、外部機器（図示せず）から電気信号を受信する受信手段１５と、受信手段１５により受信した電気信号が印加される本発明のトランスデューサー１１とからなるデバイス１０３を構成すれば、入力された電気信号に応じた力をトランスデューサー１１に発生させることができる。
【００７０】
また、増幅手段だけではなく、ノイズを除去する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。もちろん、トランスデューサー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い。
【００７１】
電気信号を入力とする用途の具体的な例としては、布帛状とした圧電素子に電気信号を印加して、布帛表面に載置した対象物を移動させたり、対象物を包んだり、圧縮したり、振動させることができる。また布帛を構成する各圧電素子へ印加する電気信号を制御することによりさまざまな形状を表現することが可能である。さらには、布帛自体が振動することによりスピーカーとして機能させることも可能である。
【００７２】
他の例としては、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、人や動物や物の表面に圧力を与えるアクチュエーター、関節部の曲げ、捩じり、伸縮をサポートするアクチュエーターがある。例えば人に用いる場合には、接触や動きや圧力を与えるアミューズメント用途や失われた組織を動かすことができる。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を膨らませたり、伸ばしたりするアクチュエーター、関節部に曲げ、捩じり、伸縮などの動きを与えるアクチュエーターとして用いることができる。他には、カーテン、シーツや枕や布団などの寝具、靴底、手袋、椅子、敷物、袋、旗などの表面を動かすアクチュエーターや、電気信号で形状変化するハンカチ、風呂敷、袋など布状のあらゆる形状のアクチュエーターとして用いることができる。
【００７３】
さらには、本発明のアクチュエーターは布帛状であるため、伸縮性と柔軟性があるので、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形状を変えるアクチュエーターとして用いることができる。
【００７４】
なお、本発明のトランスデューサーは電気信号を入力として動くことができるため、その振動により音を発生させるスピーカーとして用いることもできる。
【実施例】
【００７５】
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。
【００７６】
トランスデューサー用の布帛の各繊維または材料は以下のものを用いた。
（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重量部に対し、オクチル酸スズを０．００５重量部加え、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の重量平均分子量は１５．２万、ガラス転移点（Ｔｇ）は５５℃、融点は１７５℃であった。
【００７７】
（圧電性繊維）
２４０℃にて溶融させたＰＬＬＡ１を２４ホールのキャップから２０ｇ／ｍｉｎで吐出し、８８７ｍ／ｍｉｎにて引き取った。この未延伸マルチフィラメント糸を８０℃、２．３倍に延伸し、１００℃で熱固定処理することにより８４ｄＴｅｘ／２４ｆｉｌａｍｅｎｔのマルチフィラメント一軸延伸糸を得、このマルチフィラメント一軸延伸糸を８束まとめて、圧電性繊維とした。
【００７８】
（導電性繊維）
東邦テナックス（株）製の炭素繊維マルチフィラメントである品名『ＨＴＳ４０  ３Ｋ』を導電性繊維として用いた。当該導電性繊維は直径７．０μｍのフィラメント３０００本を１束としたマルチフィラメントであり、体積抵抗率は１．６×１０−３Ω・ｃｍであった。
【００７９】
（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４８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することにより１６７ｄＴｅｘ／４８フィラメントのマルチフィラメント延伸糸を得、このマルチフィラメント延伸糸を４束まとめて、絶縁性繊維とした。
【００８０】
（難燃性絶縁性繊維）
ポリエチレンテレフタレートとして、有機リン系難燃剤が添加してあり、その残存リン量が６０００ｐｐｍである、難燃性ポリエチレンテレフタレートを用いた。２８０℃にて溶融させたポリエチレンテレフタレートを４８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することにより１６７ｄＴｅｘ／４８フィラメントのマルチフィラメント延伸糸を得、このマルチフィラメント延伸糸を４束まとめて、難燃性絶縁性繊維とした。
【００８１】
（難燃被覆）
溶剤系アクリル樹脂１００部、ブロモ系難燃剤１００部、触媒１部、トルエン２５部を混合した樹脂を、難燃剤を含む樹脂として、絶縁性繊維、圧電性繊維および導電性繊維を配した布帛の表面にフローティングナイフ方式でコーティングし、皮膜の厚さが０．５μｍの樹脂層を形成させ、その後、１３０℃雰囲気下のオーブンにて３分乾燥した。
【００８２】
（実施例１）
図１に示すように、上記の難燃性絶縁性繊維を絶縁性繊維Ｃとして経糸に配し、上記の難燃性絶縁性繊維、圧電性繊維および導電性繊維を絶縁性繊維Ｃ、圧電性繊維Ａおよび導電性繊維Ｂとして緯糸に配した平織物を作製した。また、図２に示すように、上記の圧電性繊維および難燃性絶縁性繊維を圧電性繊維Ａおよび絶縁性繊維Ｃとして交互に経糸に配し、上記の導電性繊維および難燃性絶縁性繊維を導電性繊維Ｂおよび絶縁性繊維Ｃとして交互に緯糸に配した朱子織物を作製した。
【００８３】
上記した平織物および朱子織物を図３に示すようにそれぞれ曲げ検出用サンプル２２および捩じり検出用サンプル２１として袖２０に縫い付けた。曲げ検出用サンプル２２および捩じり検出用サンプル２１は電気信号の取り出し用の端子２４および端子２３を有する。
【００８４】
それぞれの織物中の圧電性繊維Ａを挟む一対の導電性繊維Ｂを信号線としてオシロスコープ（図示せず：横河電機（株）製デジタルオシロスコープＤＬ６０００シリーズ商品名『ＤＬ６０００』）に端子２４、２３を介して接続した。このように織物に信号線を繋いだ状態で腕を曲げたり捩じったりしたところ、動きに合わせて電圧信号がオシロスコープで計測された。したがって、平織物および朱子織物は圧電素子として機能し、全体として非常に柔軟性のある布帛状の関節センサーを得ることができた。
【００８５】
上記で作製された、平織物および朱子織物の限界酸素指数の評価（ＬＯＩ評価）をＪＩＳ−Ｋ−７２０１に準拠して行った。その結果、数値が高いほど難燃性に優れるが、難燃性の目安となる限界酸素指数２４を超える、２５という値が得られた。
【００８６】
（実施例２）
図１に示すように、上記の絶縁性繊維を絶縁性繊維Ｃとして経糸に配し、上記の絶縁性繊維、圧電性繊維および導電性繊維を絶縁性繊維Ｃ、圧電性繊維Ａおよび導電性繊維Ｂとして緯糸に配した平織物を作製した。また、図２に示すように、上記の圧電性繊維および絶縁性繊維を圧電性繊維Ａおよび絶縁性繊維Ｃとして交互に経糸に配し、上記の導電性繊維および絶縁性繊維を導電性繊維Ｂおよび絶縁性繊維Ｃとして交互に緯糸に配した朱子織物を作製した。
【００８７】
上記した平織物および朱子織物の表面を難燃材を含む樹脂でコーティングし、図３に示すようにそれぞれ曲げ検出用サンプル２２および捩じり検出用サンプル２１として袖２０に縫い付けて関節センサーを作製した。その間接センサーは、実施例１と遜色のない電気信号がオシロスコープで計測された。したがって、平織物および朱子織物は圧電素子として機能し、全体として非常に柔軟性のある布帛状の関節センサーを得ることができた。
【００８８】
上記で作製された、表面を難燃材を含む樹脂でコーティングされた平織物および朱子織物のＬＯＩ評価をＪＩＳ−Ｋ−７２０１に準拠して行った。その結果、限界酸素指数２６という値が得られた。
【符号の説明】
【００８９】
Ａ    圧電性繊維
Ｂ    導電性繊維
Ｃ    絶縁性繊維
１１    トランスデューサー
１２    増幅手段
１３    出力手段
１４    送信手段
１５    受信手段
１０１、１０２、１０３    デバイス
【図４】
2016213262.tif 000003
【図５】
2016213262.tif 000004
【図６】
2016213262.tif 000005
【図１】
2016213262.tif 000006
【図２】
2016213262.tif 000007
【図３】
2016213262.tif 000008