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あいち産業科学技術総合センター

研究報告2021

研究論文

アクチュエータ繊 維 の加 工 技 術 に関 する研 究田 中 利 幸 * 1 、 松 浦 勇 * 1 、 加 藤 良 典 * 2 、 佐 藤 嘉 洋 *3

P ro cessing Te chnology of Actuato r Fibe rToshiyuki TANAKA * 1 , Isamu MATSUURA * 1 , Yoshinori KATO *2 and Yoshihiro
SATO *3Owari Textile Research Center * 1 * 2 Mikawa Textile Research Center * 3
LLDPE な ど の 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。伸縮動作を電気的に制御するため、導電糸を組み合わせたコイル状繊維を撚糸機を用いて連続的に生産する技術を開発し、これを織物へと加工することにも成功した。製造 し た 織 物 に 通 電 し 、 そ の ア ク チ ュ エ ー タ 特 性 を 評 価 し た 結 果 、 100 回 の 繰 り 返 し 後 で も 性 能 の 低 下 が な
く伸縮動作を示すことを確認した。

1 . は じめ に こととした。

最近、ナイロンなどのフィラメントに強撚を加えてコ原 料 に LLDPE 樹 脂 (( 株 ) 東 ソ ー 製 ニ ポ ロ ン -Z

イル状に加工した繊維が、加熱・冷却による繰り返し伸HF250K)を使用し、溶融紡糸機((株)中部マシン製)を用縮動作を示し、アクチュエータとして利用可能であるこいて 780dtex のモノフィラメントを作製した。とが報告され、スマートテキスタイルに応用できる素材

2 .1 . 2 コイ ル形 状 へ の加 工として注目されている 1)~3)。このコイル状繊維は柔軟・初めに意匠撚糸機((株)オゼキテクノ製トライツイス

軽量でありながら、伸縮量、収縮時の発生力ともに人のターON-700NF-Ⅲ)を用いて LLDPE モノフィラメント筋肉に匹敵する数値を示すことから、モーターなどの機をコイル形状に加工した。次に、同じく意匠撚糸機を用械類に代わるウェアラブルデバイスの駆動源への応用がいてコイル状繊維へ導電糸のカバリングを行った。導電期待されている。

糸にはステンレス線(φ0.05、φ0.1)及び銀メッキ糸(ミツ

コイル状アクチュエータ繊維はまだ研究が始められたフジ(株)製 AGposs®、110dtex)を使用した。コイル状にばかりであり、その生産・加工技術は確立されていない。

加工した繊維はそのままでは撚り戻りが起こるため、2

我々はこれまでにコイル状アクチュエータ繊維をテキス本のコイル状繊維をリング撚糸機(カキノキインターナ

タイルへと加工するための技術開発を行い、撚糸機を用ショナル(株)製ツイストワインダ TW-D 型)を用いて双いたモノフィラメントのコイル形状への連続加工技術、糸に加工した。

コイル状繊維の製織技術などについて検討してきた4),5)。

2 . 2 ア ク チュ エー タ 繊 維 の 製 織本研究では、より実用的な製品の開発を目指し、伸縮動製造したコイル状アクチュエータ繊維の双糸を緯糸と作制御を電気的に制御するためのコイル状繊維への導電して、サンプル織機((株)トヨシマビジネスシステム製性付与とそのテキスタイルへの加工技術について検討しTNY101A-20)による試織を行った。製織の規格を表表 1た。に示す。
表12. 実 験 方 法 
2 . 1 ア ク チュ エー タ 繊 維 の 製 造
2 .1 .1 モ ノフ ィラ メン ト の 紡 糸アクチュエータとして動作する繊維素材としては、ナイロンや直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)が報告されている。LLDPE はナイロンに比べて動作温度が低い

織物規格
10/2

経糸綿織組織からみ織経密度(本/inch)

8緯密度(本/inch)8※密度はいずれも機上という利点があるため、本研究では LLDPE を用いる
*1 尾張繊維技術センター

ー

製品開発室

素材開発室

*2 尾張繊維技術センター

素材開発室(現機能加工室)*3 三河繊維技術センタ

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2 . 3 ア ク チュ エー タ 特 性 の 評 価
コイル状繊維及びその織物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。
約 100mm の試料を一定の負荷荷重下で 90℃の電気炉に出し入れし、90℃及び室温での試料長を目視で測定のと考えられる。そこで、導電糸のカバリングをコイル化時の撚り方向と逆方向(Z 方向)としたところ、単糸・双糸ともに安定した構造を得ることができた。
S 方向した。負荷荷重を変えながら測定を行うことで、繰り返し伸縮可能な最大の負荷荷重を決定し、これをアクチュエータとしての発生力とした。また、その時の伸縮量も評価した。
2.4 抵 抗 発 熱 によ る伸 縮 動 作 の 確 認通電による抵抗発熱を用いた伸縮動作の評価を行った。
製織した織物から緯糸方向に試料を切り出し、上下を導電性テープで固定することで、緯糸間を導通させた。一定の負荷荷重下で、直流安定化電源(菊水電子工業(株)Z 方向

製 PCM18-2A)を用いて通電・遮断を繰り返し、その時の変位量をレーザー変位計((株)キーエンス製 LC-2450)で測定した。通電・遮断は 2 分間隔で行い、変位量の取り込み間隔は 1 秒とした。

3. 実 験 結 果 及 び 考 察 
3 . 1 ア ク チュ エー タ 繊 維 の 製 造 条 件 の 検 討
意匠撚糸機を用いて連続的にコイル形状に加工した繊図 1 に示す。中空スピンドルの回転数、引き取り速維を図度、フライヤー形状などを適切に設定することにより、連続的にコイル状に加工することが可能である。

図2

導電糸をカバリングしたコイル状繊維

導電糸の種類、カバリング数を変えながらカバリングを行い、これを双糸に加工した。電気炉を用いた加熱・冷却でアクチュエータ特性を評価した。また、コイル状繊維双糸の抵抗値も測定した。結果を表
表 2 に示す。
表 2 コイル状繊維のアクチュエータ特性
カバリン

伸縮率

発生力

抵抗値

グ数(T/m)(%)(cN)(Ω/10cm)

SUS 線

1000

1424565

φ0.05

4000

14245184

導電糸

図1

撚糸機を用いて加工したコイル状繊維加工したコイル状繊維に導電糸のカバリングを行った。
導電糸にステンレス線 φ0.05 を用いて、1000T/m でカ8000

11245304

SUS 線

1000729417

φ0.1

4000

729449

銀メッキ糸

4000

82943714245―

カバリングなし

導電糸としてステンレス線 φ0.05 を用いた場合、カバリング数 1000T/m，4000T/m ではカバリングがない場バリングした試料の外観を図
図 2 に示す。コイル化時の撚合と同等の伸縮率・発生力を示したが、8000T/m ではり方向(S 方向)と同方向(S 方向)に導電糸をカバリングし伸縮率に低下が見られた。また、ステンレス線 φ0.1 やた場合、単糸の状態では問題なくカバリングすることが銀メッキ糸を用いた場合にも、伸縮率に低下が見られた。

できるが、双糸へ加工した際に導電糸のたるみが発生しカバリング数が大きくなったり、カバリング糸が太くなた。双糸への加工によってカバリング方向と逆方向の捻ったりした場合には、カバリング糸によって伸縮動作がりが加わることで、カバリング糸にたるみが発生するも妨げられるものと考えられる。一方、カバリング数が小110

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さすぎる場合には、導電糸と LLDPE フィラメントの接撚糸機を用いた連続加工を安定させることはできなかっ触面積が小さくなり、通電による抵抗加熱時にフィラメた。カバリングによりフィラメントの剛性が高くなりすント側の温度ムラが発生しやすくなると予想される。以ぎること、カバリングにムラが発生することなどが原因上のことから、以後の実験ではステンレス線 φ0.05、カと考えられる。

バリング数 4000T/m のものを使用することとした。

3 . 2 ア ク チュ エー タ 繊 維 の 製 織作製したコイル状繊維双糸の外観を図
図 3 に示す。外観

導電糸をカバリングしたコイル状繊維を緯糸に用いたから導電糸をカバリングしたコイル状繊維はカバリング織物を製織した。これまでの研究から、組織をからみ織しない場合に比べて、上撚り数が減少していることが分とすることで緯糸の伸縮動作が妨げられにくくなり、織かる。これは導電糸がコイル化方向と逆方向にカバリン物に加工後もアクチュエータ特性の低下を抑えることがグされているため、撚り戻りが妨げられたためと考えらできることが分かっている。

れる。上撚り数を測定したところ、導電糸がない場合の試織した織物を図
図 4 に示す。製織後の織物について、上撚り数が 240T/m であったのに対し、ステンレス線緯糸 50 本分の抵抗値を試料の全幅で測定した。すべて

φ0.05 を 4000T/m でカバリングした場合の上撚り数はの緯糸でほぼ同一の抵抗値を示し、導電糸が断線するこ160T/m となった。となく、織物へと加工できていることを確認した。

sus φ0.05、1000T/m

sus φ0.05、4000T/m

sus φ0.05、8000T/m

図4

緯糸にコイル状繊維を用いた織物作製した織物から緯糸方向に幅 2.5cm(緯糸 8 本)で試料を切り出し、糸の場合と同様の方法でアクチュエータ
sus φ0.1、1000T/m

特性を評価した結果、伸縮率は 14%、発生力は 1770cNであった。伸縮率は糸の場合と同等、発生力も約 9 割の値を示し、アクチュエータ特性を損なうことなく、織物へと加工することができた。

sus φ0.1、4000T/m

3.3 通 電 による 伸 縮 動 作
製織した織物に通電し、抵抗発熱による伸縮動作の評価を行った。
試料の幅は約 2.5cm(緯糸 8 本)、長さ約 100mm とし銀メッキ糸、4000T/mた。このときの抵抗値は 25Ω であった。負荷荷重は1770cN、印加電圧は 10V および 11V とし、2 分間隔での通電・遮断を 100 回繰り返した。結果を図
図 5 に示す。
1 サイクル内では通電・遮断に伴う収縮と伸長が見られ、導電糸なしアクチュエータとして動作することを確認することができた。また、電圧 10V では 100 サイクル後であっても、ほとんど性能が低下することなく、繰り返しの伸縮動作図3をすることを確認した。印加電圧を 11V とした場合に導電糸の違いによるコイル状繊維の外観は、徐々に全体の試料長が伸長した。電圧が高くなると、なお、LLDPE モノフィラメントに対して、先に導電温度が高くなりすぎるために試料が劣化していくものと糸をカバリングし、これをコイル形状に加工する方法に考えられる。なお、この際でも 1 サイクルあたりの伸縮ついても検討したが、バッチ式では加工できるものの、量についてはほぼ特性を保つことが分かった。

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4. 結 び(a)

本研究の結果は、以下のとおりである。
(1) 意匠撚糸機を用いて LLDPE モノフィラメントをコイル状繊維へ加工するとともに、ここに導電糸をカバリングすることで、導電性を持つコイル状繊維を連続的に生産することができた。
(2) 導電性のコイル状繊維を緯糸に用いた織物を製織した。ここに通電することで、抵抗発熱によって伸縮し、アクチュエータとして動作することを確認した。
また、100 回の繰り返し動作後であってもアクチュ(b)エータ特性にほとんど劣化がないことを確認した。

文献
1) Carter S. Haines, Márcio D. Lima, Na Li, Geoffrey M.
Spinks, Javad Foroughi, John D. W. Madden, Shi Hyeong
Kim, Shaoli Fang, Mônica Jung de Andrade, Fatma
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, 343 , 868(2014)(c)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)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)4) 田中利幸, 松浦勇, 加藤良典, 佐藤嘉洋, 田中俊嗣:
あ い ち 産 業 科 学 技 術 総 合 セ ン タ ー 研 究 報 告 , 9,92(2020)

図5

通電による試料長の変化 (a)10V_1 サイクル、(b)10V_100 サイクル、(c)11V_100 サイクル5) 田中利幸, 松浦勇, 加藤良典, 田中俊嗣, 佐藤嘉洋,宮本晃吉: あいち産業科学技術総合センター研究報
告, 8 , 76(2019)