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あいち産業科学技術総合センター

研究報告2019

研究論文

アクチュエータ繊維の製織技術に関する研究
田 中 利 幸 * 1 、 松 浦 勇 * 1 、 加 藤 良 典 * 1 、 田 中 俊 嗣 *2 、 佐 藤 嘉 洋 * 3 、 宮 本 晃 吉 *4

Dev elopment of Wove n Fabri c using Act uato r Fiber
Toshiyuki TANAKA * 1 , Isamu MATSUURA * 1 , Yoshinori KATO *1 , Toshitsugu
TANAKA *2 , Yoshihiro SATOU *3 , and Koukichi MIYAMOTO *4Owari Textile Research Center *1 Mikawa Textile Research Center * 2 , 3 Industrial Research Center * 4
モノフィラメントに強撚を加えてコイル形状に加工した繊維は加熱・冷却による伸縮を示し、アクチュエ ー タ と し て 動 作 す る 。 今 回 、 直 鎖 状 低 密 度 ポ リ エ チ レ ン （ LLDPE） の モ ノ フ ィ ラ メ ン ト を 撚 糸 機 を 用いて連続的にコイル状繊維へ加工し、これを緯糸に使用した織物をレピア織機で製造した。 織物組織としてからみ織を用いることで、コイル状繊維の持つアクチュエータ特性を損なうことなく、織物への加工が可能であることを確認した。

1 . は じめ に イロンや LLDPE が報告されている。中でも LLDPE はウェアラブルデバイスは人が身に着けて使用する機器動作温度が低いという利点があるため、本研究ではや装置を指し、センシング、身体動作補助など多様な機LLDPE を原料として用いることとした。なお、これま能を持つ製品の開発が行われている。繊維製品は衣服にでの研究で使用していた樹脂が生産終了となったため、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新たに原料となる樹脂を選定した。

あり、ウェアラブルデバイスとしての展開が期待される。

溶融紡糸機((株)中部マシン社製)を用いてモノフィラ

最近、ナイロンのフィラメントに強撚を加えてコイルメントを作製した。原料には LLDPE 樹脂((株)東ソー状に加工した繊維が、加熱・冷却による繰り返し伸縮動製ニポロン-Z HF250K)を使用した。紡糸は温度 175℃、作を示し、アクチュエータとして利用可能であることがノズルφ1.8×4H、延伸温水槽 60℃の条件で行い、繊度報告された 1)。柔軟・軽量でありながら、伸縮量、収縮および延伸倍率の異なる数種類の試料を作製した。作製時の発生力ともに人の筋肉に匹敵する数値を示すことかしたモノフィラメントの繊度・延伸倍率を表
表 1 に示す。

ら、モーターなどの機械類に代わるウェアラブルデバイ

表1

スの駆動源に応用できる可能性があり、注目を集めてい作製した LLDPE モノフィラメント
試料る 2),3)。

繊度(dtex)

延伸倍率

17944倍持った繊維が必要となるが、コイル状アクチュエータ繊

28406倍維に関する研究は始められたばかりであり、その生産、38118倍加工技術は確立されていない。我々はこれまでの研究で44436倍

撚糸機を用いてフィラメントをコイル形状へ加工する技

511346倍No.

繊維としての特徴を生かし、織り・編み・組みなどによる製品化を図るためには、連続した一定以上の長さを術の検討を行い、連続的にコイル状アクチュエータ繊維を製造することに成功した 4)。本研究ではこのコイル状繊維の製織技術について検討し、製織した織物のアクチ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。初めにバッチ式での加工を行った。約 2m の長さのュエータ特性の評価を行った。

繊維に一定の張力を加えながら約 3000 回加撚した。コ2. 実 験 方 法 

イル状に加工された繊維はそのままでは撚り戻りが起こ

2 . 1 L L DP E モノ フィ ラ メ ン ト の 紡 糸るため、形状が安定しない。そこで、2 本のコイル状繊アクチュエータとして動作する繊維素材としては、ナ*1 尾張繊維技術センター

2 .2 コイ ル形 状への 加工

維を逆方向に撚り合わせて、双糸とすることで形状を安*2 三河繊維技術センター

素材開発室
材開発室(現尾張繊維技術センター 機能加工室)

産業資材開発室 *3 三河繊維技術センター
自動車・機械技術室(現金属材料室)*4 産業技術センター

産業資

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アクチュエータ繊維を用いた織物については、ヨコ方定させた。
次に撚糸機を用いたコイル形状への連続加工を行った。
試料には No.2 の繊維を用い、意匠撚糸機((株)オゼキテ

向に幅約 25mm、長さ約 200mm で切り出し、繊維状の場合と同様の方法で測定を行った。

クノ社製トライツイスターON-700NF-Ⅲ)を用いて加工

3 . 実 験 結 果 及 び考 察 した。さらに、作製した 2 本のコイル状繊維をリング撚
糸機(カキノキインターナショナル(株)社製ツイストワインダ TW-D 型)を用いて双糸に加工した。
2 . 3 ア ク チュ エー タ 繊 維 の 製 織

3 . 1 ア ク チュ エー タ 特 性 の 評 価バッチ式で加工したアクチュエータ繊維の外観を図
図 2に示す。また、延伸倍率、繊度及びコイル化時の張力の撚糸機を用いて作製したコイル状アクチュエータ繊維

異なるコイル状繊維のアクチュエータ特性を評価した結(単糸および双糸)を緯糸として、レピア織機(昭和機械果を表
表 3 に示す。測定はすべて双糸で行い、負荷荷重を(株)製)による試織を行った。織物規格を表
表 2 に示す。

49cN ずつ変化させながら測定した。以前の研究で使用表2した樹脂と比べて、ほぼ同等のアクチュエータ特性を示

織物規格
10/2

経糸

綿織組織

からみ織

経密度（本/inch）

9 及び 18緯密度（本/inch）

単糸15双糸10すことを確認した。

織物は経糸と緯糸の交錯により面が形成されるが、通単糸常の織物では経糸により緯糸が拘束されるため、アクチュエータとしての伸縮動作の妨げとなることが予測される。また、拘束を少なくするために経糸密度を小さくすると、糸の滑脱が発生し、織物構造が安定しない。そこで、本研究では織物組織としてからみ織を用いることとした。からみ織を用いることで、経糸間の空隙を大きくとりつつ、織物としての構造を保たせることができると双糸期待される（図図 1 ）。

図2

コイル状に加工した繊維

表3

コイル化時

発生力

伸縮率の張力(cN)(cN)(%)

No.149196

10No.249245

16No.349294

13No.225

196

14No.274294

15No.449196

10No.54929414試料

図1からみ織2 . 4 性 能評価
作製した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の測定を行った。加熱・冷却は約 100mm のコイル状繊維を一定の負荷荷重下で 90℃の電気炉に出し入れすることで行い、90℃及

コイル状繊維の特性

3 . 2 撚 糸 機 を 用 い た ア クチ ュ エ ー タ 繊 維 の 製 造
意匠撚糸機を用いて連続的にコイル形状に加工した繊維を図
図 3 に示す。

び室温での試料長を目視で測定した。負荷荷重を変えな

さらに、リング撚糸機を用いて双糸への加工を行い、がら測定を行うことで、繰り返し伸縮可能な最大の負荷単糸および双糸について前項と同様にしてアクチュエー荷重を決定し、これをアクチュエータとしての発生力とタ特性を評価した。結果を表
表 4 に示す。ただし、単糸のした。また、その時の伸縮量も評価した。

負荷荷重は 19.6cN ずつ変化させた。バッチ式で作成し

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たコイル状繊維と同等の伸縮率で繰り返し伸縮を示すことを確認した。また、発生力の値から、撚糸機での撚糸中にフィラメントにかかっている張力は 74cN 程度と推測された。
3 . 3 ア ク チュ エー タ 繊 維 の 製 織 と 性 能 評 価
レピア織機を用いて製織を行った織物の外観を図図4に示す。
緯糸にコイル状繊維の単糸を用いた場合には問題なく製織が可能であったが、糸に強い撚りトルクが残留していることから、織り下ろし後の織物には強いカーリングが発生した。一方、緯糸に双糸を用いた場合には緯糸把持にミスが発生した。これは糸がレピアヘッドに対して
図3

撚糸機を用いて加工したコイル状繊維

表4撚糸機で作成したコイル状繊維の特性

試料

発生力(cN)

伸縮率(%)

単糸11812

双糸29415太すぎるためであり、レピアヘッドの交換により対応可能であると考えられる。
作製した織物のアクチュエータ特性を評価した結果を
表 5 に示す。ただし、負荷荷重は 196cN ずつ変化させた。繊維状で評価を行った場合には、発生力以上の荷重下で加熱するとコイル形状が破壊される。一方、織物ではコイルは破損しないものの、冷却時の試料長が元の長(a)コイル単糸、経糸密度 18 本/inch(b)コイル単糸、経糸密度 9 本/inch(c)コイル双糸、経糸密度 18 本/inch(d)コイル双糸、経糸密度 9 本/inch

図4

製織したコイル状アクチュエータ繊維

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表5コイル
形状

コイル状繊維織物のアクチュエータ特性

緯糸本数(本)

単糸

15双糸

10

経密度発生力(cN)

伸縮率(%)

181960109215613182352

159254815(本/inch)

さに戻らず、加熱前よりも伸長する現象が見られた。織ュエータ特性を十分に保ったまま織物へと加工する

物では試料に複数本のコイル状繊維が含まれるため、一ためには、製織時の緯糸張力管理が重要であると推部が破損した状態になっても残りのコイルで形状を保持測される。

するためと考えられる。そこで、加熱－冷却を繰り返し、冷却時の試料長が加熱前より伸長する現象が 2 回以上連

今後は、アクチュエータ繊維の動作を制御する方法について検討する予定である。

続した場合に、アクチュエータとしては破損していると謝辞みなすこととした。
単糸、双糸いずれの場合も、コイル状繊維の場合とほ撚糸機を用いたコイル状繊維の作製にあたっては、伴ぼ同等の伸縮率を示し、製織した織物がアクチュエータ野撚糸株式会社様にご協力いただきました。感謝申し上として動作することを確認した。発生力については、双げます。

糸の場合にコイル状繊維の発生力と緯糸本数から予想される値よりもやや小さな値となった。双糸では緯糸の把文献

持ミス等により、製織時の緯糸張力が安定せず、評価時

1) Carter S. Haines, Márcio D. Lima, Na Li, Geoffrey M.の緯糸にかかる負荷荷重に差が生じたことによるものとSpinks, Javad Foroughi, John D. W. Madden, Shi Hyeong

推測される。

Kim, Shaoli Fang, Mônica Jung de Andrade, Fatma

4. 結 び
本研究の結果は、以下のとおりである。
(1) 意匠撚糸機およびリング撚糸機を用いて、LLDPEモノフィラメントを連続的にコイル状繊維へ加工することで、レピア織機を用いた製織が可能となった。

Göktepe, Özer Göktepe, Seyed M. Mirvakili, Sina Naficy,Xavier Lepró, Jiyoung Oh, Mikhail E. Kozlov, Seon Jeong
Kim, Xiuru Xu, Benjamin J. Swedlove, Gordon G. Wallace,
Ray H. Baughman: Science , 3 43 , 868(2014)2) 平岡牧，金子由利子，中村邦彦，林直毅，田頭健司，
荒瀬秀和: パナソニック技報, 1 (63), 95(2017)

糸の太さに対応できるレピアヘッドが必要などの問

3) 舛屋賢，小野秀，高木賢太郎，田原健二: 日本機械

題はあるものの、おおむね既存のレピア織機でコイ学会ロボティクス・メカトロニクス講演会講演論文

ル状繊維が製織可能であることを確認した。

集, 2A1-A02(2017)(2) 織物組織としてからみ織を用いることで、コイル状

4) 田中利幸，松浦勇，宮本晃吉，田中俊嗣，佐藤嘉洋:

繊維の持つアクチュエータ特性を大きく損なうこと

あ い ち 産 業 科 学 技 術 総 合 セ ン タ ー 研 究 報 告 , 7,

なく、織物への加工が可能となった。また、アクチ60(2018)