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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2018

研究論文

アクチュエータ繊維の製造技術に関する研究
田 中 利 幸 *1 、 松 浦 勇 *1 、 宮 本 晃吉 * 2 、 田 中 俊 嗣 *3 、 佐 藤 嘉 洋 * 3

Development of Fiber Actuator
Toshiyuki TANAKA *1 , Isamu MATSUURA * 1 , Koukichi MIYAMOTO *2 , Toshitsugu
TANAKA *3 and Yoshihiro SATOU *3Owari Textile Research Center * 1 , 2 Mikawa Textile Research Center * 3
直 鎖 状 低 密 度 ポ リ エ チ レ ン (LLDPE)の モ ノ フ ィ ラ メ ン ト に 強 撚 を 加 え 、 コ イ ル 形 状 に 加 工 し た 繊 維 が 、加熱・冷却による伸縮を示し、アクチュエータとして動作することを確認した。繊維の延伸倍率・繊度・コイル化時に加える荷重などとアクチュエータ特性との関連を調査した。また、中空スピンドルを用いることで、フィラメントのコイル状繊維への連続的な加工ができることを確認した。さらに、リング撚糸機を用いて双糸とすることで形状の安定したアクチュエータ繊維を連続的に生産することができた。

1. はじめにウェアラブルデバイスは人が身に着けて使用するデ

また、撚糸機を用いてコイル状アクチュエータ繊維を連続的に生産する技術の開発を行った。

バイスであり、センシング、身体動作補助など多様な機

2. 実験方法

能を持つ製品の開発が行われている。繊維製品は衣服に代表されるように日常的に人の身近で使用される製品で2.1 試料作製あり、ウェアラブルデバイスとしての展開が期待される。

2.1.1 LLDPE モノフィラメントの紡糸

最近、ナイロンのフィラメントに強撚を加えてコイアクチュエータとして動作する繊維素材としては、ル状に加工した繊維が、加熱・冷却による繰り返し伸縮

ナイロンや LLDPE が報告されている。中でも LLDPE動作を示し、アクチュエータとして利用可能であることは動作温度が低いという利点があるため、本研究ではが報告された 1)。柔軟・軽量でありながら、伸縮量、収LLDPE を原料として用いることとした。溶融紡糸機(中縮時の発生力ともに人の筋肉に匹敵する数値を示すこと

部マシン社製)を用いて LLDPE(プライムポリマー社製から、モーターなどの機械類に代わるウェアラブルデバ

モアテック 0168N)のモノフィラメントを製造した。紡イスの駆動源に応用できる可能性があり、注目を集めて糸は温度 240℃、ノズルφ1.6×4H、エアーギャップいる 2)3)。

30mm、延伸温水槽 70℃の条件で行った。試作したモ

このコイル状アクチュエータ繊維はまだ研究が始め

ノフィラメントの繊度・延伸倍率を表 1 に示す。

られたばかりであり、繊維特性がアクチュエータ動作に表1与える影響やコイル化するための加工技術など検討が不試料 No.

繊度(dtex)

延伸倍率

十分な要素が多い。特にフィラメントをコイル状に加工

18114倍28276倍などを用いて連続的にコイル化した例は報告されていな

38178倍い。繊維としての特徴を生かし、織り・編み・組みなど

44678倍による製品化を図るためには、ある程度以上の長さの繊2.1.2 コイル形状への加工する際には、一般的な撚糸加工で加えられる撚り数よりもはるかに多くの撚りを加える必要があるため、撚糸機維を連続的に加工する技術の開発は不可欠であると考え作製した LLDPE モノフィラメント

紡糸したモノフィラメントを加撚しコイル状に加工した。加工はバッチ式で行い、約 2m の長さの繊維に一られる。
本研究では加熱・冷却により伸縮するコイル状アク定の張力を加えながら約 3000 回加撚した。

チュエータ繊維の基本特性を把握するため、繊度や延伸コイル状に加工された繊維はそのままでは撚り戻り倍率などとアクチュエータ特性との関連性を調査した。

が起こるため、形状が安定しない。そこで、2 本のコイ

*1 尾張繊維技術センター室)

素材開発室 *2 尾張繊維技術センター 機能加工室 (現産業技術センター
産業資材開発室 (現三河繊維技術センター 製品開発室)*3 三河繊維技術センター

自動車･機械技術

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ル状繊維を逆方向に撚り合わせて、双糸とすることで形維を用いて行った。なお、双糸となったコイル状繊維の状を安定させた。

上撚り数を測定したところ、約 200 回/m であった。

2.2 アクチュエータ特性の評価
コイル状繊維のアクチュエータ特性を評価するため、加熱、冷却による伸縮挙動を調べた。加熱・冷却は約70mm のコイル状繊維を一定の荷重下で 90℃の電気炉に出し入れすることで行い、90℃及び室温での試料長を目視で読み取った。
2.3 アクチュエータ繊維の連続生産
コイル状になるまで加撚するには、数千回/m の撚り

図2

双糸に加工したコイル状繊維数が必要となるため、リング撚糸機などでは対応が難しい。そこで、この撚り回数に対応できる中空スピンドル撚糸機を用いた連続加撚を検討した。

3.2 アクチュエータ特性の評価
No.3 の繊維を 98cN の張力下でコイル化したものを試

試料には No.2 の繊維を用いた。コイル形状への加工料とし、加熱・冷却による試料長の変化を測定した。加には、中空スピンドル撚糸機(オゼキテクノ社製トライ

熱・冷却は試料に 147cN、196cN の負荷荷重をかけなツイスターON-700NF-Ⅲ)を用いた。また、2 本のコイがら行った。試料長の変化を図 3 に示す。初めに荷重をル状繊維をリング撚糸機(カキノキインターナショナル

かけた状態で 90℃まで加熱した際には、一度繊維が伸社製ツイストワインダ TW-D 型)を用いて双糸に加工し長した(a)。これを室温まで冷却すると、繊維はさらにた。

伸長した(b)。再度 90℃まで加熱することで、(a)とほぼ同 じ長さまで繊維の収縮が発 生した (c)。 以降 は室 温 -3. 実験結果及び考察

90℃間で同程度の長さの繰り返し伸縮が観察された。

3.1 コイル状アクチュエータ繊維の製造

初期の試料の伸長(a)が発生する原因は明らかとなって紡糸したモノフィラメントを加撚してコイル状に加工しいないが、すべての試料で同様の現象が観測された。以た。ある程度の撚りを加えたところでキンクが発生し、降の実験では(a)の過程までを試料調整とし、繰り返しさらに撚りを加えるとキンクを起点としてコイルが形成動作の基準となる(b)の状態を初期試料長とみなして伸された(図 1)。この時、糸にかかる張力が小さすぎる場縮率を評価した。

図1

加撚によるキンクの発生 (上 )とコイル化 (下 )合は、スナールが発生する。一方で、張力が大きすぎる場合には、繊維が切断するため、適度な張力をかけながら加撚する必要があった。また、約 2m のモノフィラメントからできるコイル状繊維は約 70cm であった。

図3

加熱・冷却に伴う試料長の変化

加熱・冷却時の負荷荷重を 147cN と 196cN の場合を比較すると、147cN の場合の伸縮率は 6%、196cN の場作製したコイル状繊維は解撚トルクを利用して 2 本を合の伸縮率は 11%となり、196cN の方が大きな伸縮率撚り合せ、双糸とすることで形状を安定させることがでを示した。荷重を 245cN まで増加させると、加熱時にきた(図 2)。以後の実験はすべて双糸としたコイル状繊コイルが破壊されて伸縮が発生しなくなった。以上のこ

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研究報告 2018とから、コイル状繊維のアクチュエータ特性を最大限に/m の撚りを加え、双糸に加工した。作製した双糸のア発揮させるためには、適切な荷重下で動作させることがクチュエータ特性を評価ところ、荷重 147cN 下で伸縮必要であると考えられる。

量 10%のアクチュエータとして動作することを確認し次に延伸倍率、繊度及びコイル化時の張力の異なるた。

コイル状繊維を作製し、それぞれに対して、最大の伸縮率を示す荷重を調査した。荷重は 49cN ずつ変化させた。
結果を表 2 に示す。最大の伸縮率を示す荷重は延伸倍率・繊度・コイル化時の荷重それぞれが大きくなるにつれて増加すると推測され、アクチュエータ特性を制御可能であることが示唆された。一方で、伸縮率についてはNo.1 の試料がやや小さな値を示したものの、そのほかの条件では大きな差は見られなかったことから、延伸倍率や繊度の影響は受けにくいもの原材料の影響と推測される。
表2

コイル状繊維の特性評価

試料

コイル作製時の張力(cN)

最大の伸縮率(%)

最大伸縮時の荷重(cN)

No.1

1967147

No.2

19612196No.3

19611245

No.39812196No.3294

10294

No.4

19610196

図4中空スピンドル

3.3 撚糸機を用いた連続的なコイル化手法の検討
前記のように、コイル化により繊維の長さは約 3 分の1 まで減少した。このことから、バッチ式で大サイズのコイル状繊維を作製することは困難であり、将来的に連続的な生産技術が必要になると考えられる。
使用した中空スピンドルを図 4 に示す。通常、中空スピンドルはカバリング糸の作製などに使用される。カバリングではボビンに巻かれた繊維は中空スピンドル内を通る別の繊維に巻き付く形となるが、芯となる繊維を用いないことで、中空スピンドルのボビンに巻かれた繊維自身を加撚することができる。カバリング機は撚糸機に

図5

中空スピンドルを用いて加工したコイル状繊維比べて撚り数を大きくすることができるため、コイル化4. 結びに十分な撚りを加えることが可能となる。
No.2 の繊維を用いて、加工条件の検討を行った。撚

(1)LLDPE モノフィラメントに強撚を加えてコイル状繊り数が少ない場合にはコイル部と直線部が断続的に現れ維を作製し、そのアクチュエータ特性を評価した。

た。また、スピンドル回転数が多すぎる場合にはスナー繊維の延伸倍率・繊度・コイル化時に加える荷重なルや繊維の切断が発生した。スピンドル回転数どによって、アクチュエータ特性が変化することを8000rpm、巻き取り速度 2.1m/min で繊維を加撚した結明らかとした。

果を図 5 に示めす。最適な条件の設定により、連続的な(2)中空スピンドルを用いることで、コイル状繊維へのコイル状への加工が可能となることが分かった。作製し連続的な加工ができることを確認した。さらに、リたコイル状の連続繊維にリング撚糸機を用いて、200 回ング撚糸機を用いて双糸とすることで形状の安定し63

文献たアクチュエータ繊維を連続的に生産することがで

1) Carter S. Haines, Márcio D. Lima, Na Li, Geoffrey M.

きた。
今後は連続的に生産したコイル状アクチュエータ繊

Spinks, Javad Foroughi, John D. W. Madden, Shi Hyeong

維を用いた製織技術について検討する。また、カーボン

Kim, Shaoli Fang, Mônica Jung de Andrade, Fatmaなどの練り込みや繊維へのメッキ加工などにより繊維にGöktepe, Özer Göktepe, Seyed M. Mirvakili, Sina Naficy,

導電性を付与し、電流によって抵抗発熱させることで、Xavier Lepró, Jiyoung Oh, Mikhail E. Kozlov, Seon Jeong

加熱・冷却を電気的に制御する技術についても検討する。

Kim, Xiuru Xu, Benjamin J. Swedlove, Gordon G. Wallace,

謝辞2) 平岡牧，金子由利子，中村邦彦，林直毅，田頭健司，

Ray H. Baughman: Science, 343, 868(2014)
撚糸機を用いたコイル状繊維の作製にあたっては、伴野撚糸株式会社様にご協力いただきました。感謝申し上げます。

荒瀬秀和: パナソニック技報, 1(63), 95(2017)3) 舛屋賢，小野秀，高木賢太郎，田原健二: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会講演論文集, 2A1-A02(2017)