近年來,有許多可穿戴於身的數位終端(穿戴式終端)問世,形成了一個備受矚目的新興市場。穿戴式裝置已跳脫智慧型眼鏡或智慧型手表的領域,延伸到戒指型及裝進衣服內的穿著型終端的領域。目前已經出現了利用穿戴式終端的新服務及業務利用的先進案例,改變我們的生活方式及工作方式的可能性正逐漸浮上台面。
與穿戴式終端發展相呼應的是無線通訊技術等的快速進化。但因設計上的瓶頸及使用方式的便利性,也有許多裝置必須使用接線,想必接線在今後也將繼續為人們的生活帶來方便。觀察現有裝置的接線情況,數十年來並未大幅改變,幾乎看不到進化。接線所造成的麻煩(勾住或斷線等)仍然是很大的課題。為了解決這些麻煩,最
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圖1 伸縮電線內部構造示意圖 |
近有各種導電性伸縮電線問世。雖然其中有一部分已商品化,但市場上廣泛使用的商品則尚未存在。最大原因是,尚未存在能夠滿足實用性需求的伸縮電線。
本文將以旭化成開發的柔性伸縮電線(ROBODEN)為例,藉此說明伸縮電線的構造、特徵及用途。
伸縮電線構造及伸縮機制
一般電線的構造是以絕緣體(樹脂)包覆銅導線,銅導線不會伸縮,所以電線本身不會伸縮。以圖1(柔性伸縮電線的內部構造示意)為例,即是克服了銅導線不具伸縮性的弱點,一方面維持銅導線的優異特徵(低阻抗等),一方面實現電線構造上的伸縮性。圖1將多條導線(一般電線、銅線的集合線)平行纏繞在彈性體周圍呈螺旋狀,並將可動外被(絕緣纖維等)纏繞在該導線的外側,以提升耐久性。
圖2為伸縮時的示意圖,當接線處於拉伸狀態時,導線本身不會拉伸,而是平行纏繞的導線之間間隔拉大,形成整體拉伸的狀態,實現了伸縮性。可根據用途改變柔性伸縮電線的伸縮率,一般情況是10%∼100%的拉伸率較理想。
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圖2 伸縮的情形(示意圖及ROBODEN伸縮時的照片) |
拉伸率=[(拉伸時的接線長度/未拉伸狀態的接線長度)-1]×100
接線可伸縮,於是可減少鬆垮現象,大幅減少因接線鬆垮造成勾住等麻煩。而且使用最短的接線即可實現,可自由自在進行接線配置。柔性伸縮電線最適合作為需要靈活複雜動作的人體相關、機器人相關裝置的接線。
接線根據用途需要有各種動作。代表性的動作是,伸縮、彎折、伸縮加彎折,以及扭曲。
柔性伸縮電線在設計上即使經過重覆伸縮及彎折,導線仍會回到相同位置,因此導線之間不會重疊,不易局部變形,具有優秀的耐久性,實現了長壽命。表1為柔性伸縮電線與一般電纜線的導線承受變形(破壞)的比較圖。可以看出柔性伸縮電線伸縮及彎折時,平行的導線間的間隔出現變化,導線承受變形(破壞)的程度將變得較小。
圖3為柔性伸縮電線與市售機器人專用電纜線的實驗結果。關於伸縮、彎折、伸縮加彎折的動作,得到實驗結果顯示,市售機器人專用電纜線重覆數萬次即斷線,而柔性伸縮電線即使重覆300萬次也不會斷線,可得知柔性伸縮電線在上述的動作下,比現有缺乏伸縮性的電纜線具有更優秀的耐久性。
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圖3 ROBODEN與市售機器人專用電纜線的實驗結果 |
實驗條件 伸縮動作:伸縮10~40%
彎折動作:在拉伸40%的狀態下,以R=10(直徑約2cm)的金屬棒作為支點。
伸縮加彎折動作:以R=10(直徑約2cm)的金屬棒作為支點,伸縮10~40%。
扭曲:在拉伸40%的狀態下扭曲
柔性伸縮電線用途
柔性伸縮電線使用一般的銅導線,具有伸縮性及優秀的耐久性,因此具有「可減少接線鬆垮的現象」、「實現最短且小型化接線配置」、「不受接線干擾,容易收納、節省收納空間的需求」、「可同時傳送電力及訊號」等特徵,適合應用於機器人及穿戴式終端、通訊終端裝置等廣泛領域。以下介紹在各個領域預期的用途事例。
機器人接線
在機器人領域,可提供「前所未有的小型化設計與長壽命」。特別是多軸小型機器人需要快速且精準進行複雜動作,因此接線也必須追隨這種複雜動作。柔性伸縮電線可緊貼可動部進行接線,不會出現鬆垮現象,與可動部一體化,可期待開創過去無法實現的全新接線境界。而且機器人的多軸部(關節及手部等)的動作頻繁激烈,因此要求高耐久性。由於柔性伸縮電線比市售機器人專用電纜線具有更優秀的耐久性,因此,對於使用機器人的製造業而言,可解決頻繁發生的斷線問題,提升機器人帶來的生產力。
穿戴式裝置接線
由於穿戴式裝置,尤其是醫療、保健用的穿戴式裝置要偵測、收集人體的各種資訊,因此裝置本身必須緊貼人體。以前的傳送裝置中偵測訊號的接線及供應電力的接線不具有伸縮性,為了追隨人體動作,需要配置多餘長度的接線,造成接線的鬆垮現象,容易發生勾住及斷線等各種麻煩。柔性伸縮電線可緊貼人體,一邊追隨人體動作,一邊傳送電力及訊號,所以可大幅減少上述的麻煩。以下將介紹穿戴式裝置中預期的用途事例。
傳統的耳機(或非欣賞音樂用的耳機等裝置)不具有配線伸縮性,無法利用最短配線打造成耳機,配線會出現鬆垮現象。因此,運動時接線會晃動。受到該晃動的影響,接線及其他零件碰撞衣服或人體時會產生撞擊聲,而且接線及其他零件與衣服或人體摩擦時,容易產生摩擦聲。這些聲音將經由接線傳遞到耳朵讓人聽見,導致無法舒適地欣賞音樂及播放聲音(或對其他功能造成影響)。而且會因接線鬆垮經常發生勾住衣服或身邊的物體、耳機被拉扯,偏離耳孔等現象。
圖4為戴上使用ROBODEN的藍牙耳機時的示意圖。藉由對耳機接線部添加伸縮性,即便在戴上耳機運動等情況下,也能減少接線及其他零件碰觸或摩擦衣服或人體的現象,減少由此產生的撞擊聲或摩擦聲經由接線讓人聽到的不悅耳的聲音(或不對其他功能造成影響)。而且接線具有伸縮性時,戴上時接線不會鬆垮,也不會勾住衣服或身邊的物體,耳機不會被拉扯,不易偏離耳孔。
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圖4 戴上使用ROBODEN的藍牙耳機示意圖 |
關於人可穿脫的穿戴式裝置的接線,手肘或手指等大幅彎曲時與伸展時所需的接線長度不同,而且因穿戴人的差異,所需接線長度也不同,使用不具有伸縮性的接線則需要預留多餘長度,會有較多接線鬆垮的情形。柔性伸縮電線具有伸縮性,可減少鬆垮的情形,並減少因接線鬆垮造成的麻煩。而且可改善因接線緊繃而影響穿脫性的情形,打造舒適的系統。此特徵適合穿戴式自動化體外去顫器(AED)、穿戴式活體訊號偵測裝置、穿戴式低周波治療器、控溫衣、控溫鞋、動力服等各種應用。
隨著電子零件的進化,AC電源變壓器等便攜式裝置也逐漸小型化、高性能化。但這些裝置的電纜線卻幾乎未進化,時常會在包內纏繞打結、勾住其他物品、斷線、讓人們感到煩躁。最近也出現附電線捲線器的裝置,但因重量重體積大,仍然有許多人對於電纜線感到不滿。
圖5為AC電源變壓器的比較示意圖。柔性伸縮電線柔軟且具有伸縮性,支持最短接線、打造出最小體積。此外,柔性伸縮電線具有伸縮性,可利用該收縮力固定電線,在包內即使激烈晃動也不會纏繞打結、勾住其他物品、斷線。柔性伸縮電線實現小型化,對經常出差者等利用行動裝置工作的人們而言,可以優化電纜線收納,在包內維持整齊,可以讓自己的心情保持愉快。
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圖5 AC電源變壓器的比較示意圖 |
表2為代表性的柔性伸縮電線的示例之一。為了跟上快速變遷且日益多樣化的社會腳步,業者今後將推動耐防水化、耐油防油化、支援高速通訊等的產品開發。此外,更持續希望與顧客共同致力創造價值,致力於可提高顧客的產品價值的客製化產品開發。
支援防水/耐油/高速通訊 柔性伸縮電線下一步
因「高齡化」及「健康概念」所產生的各種問題不僅在日本,在全球各國也都逐漸形成重大課題。尤其在醫療、保健領域,運用網路及數位裝置實現具效率的醫療服務等資訊科技的活用,期待成為解決課題的有效方案之一,備受人們期待。
醫療、保健市場被稱為黎明期市場,該市場與其他市場的最大不同,可以說在於其為「替代現有產品、服務,被全新創造出的市場」。
柔性伸縮電線具有收縮性與高耐久性等特徵,可期待由這些特徵產生的全新附加價值。
(本文作者任職於旭化成)