KR102287122B1 - 압전 소자에 사용하는 구조체, 끈목상 압전 소자, 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 압전 소자 및 그것들을 사용한 디바이스 - Google Patents
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Abstract
배향한 압전성 고분자를 원통형 또는 원주형으로 배치한 구조체이고, 그 구조체의 중심축에 대한 압전성 고분자의 배향 각도가 15°∼ 75°이고, 압전성 고분자는 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 0.1 ∼ 1000 pC/N 의 값을 갖는 결정성 고분자를 포함하고, 또한 압전 정수 d14 의 값이 정의 결정성 고분자를 포함하는 P 체와, 부의 결정성 고분자를 포함하는 N 체를 포함하고, 구조체의 중심축이 1 ㎝ 의 길이를 갖는 부분에 대해, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 P 체의 질량을 ZP, S 꼬임 방향으로 나선을 감은 P 체의 질량을 SP, Z 꼬임 방향으로 나선을 감은 N 체의 질량을 ZN, S 꼬임 방향으로 나선을 감은 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP + SN) 과 (SP + ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 ∼ 0.8 인 구조체, 당해 구조체를 사용한 끈목상 압전 소자 및 포백상 압전 소자가 제공된다.
Description
본 발명은 압전 소자에 사용하는 구조체, 압전성 섬유를 사용한 끈목을 도전층으로 피복한 끈목상 압전 소자, 당해 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 (布帛狀) 압전 소자 및 그것들을 사용한 디바이스에 관한 것이다.
종래, 압전성 물질을 사용한 소자에 관한 기술은 다수 개시되어 있다. 예를 들어 특허문헌 1 에는 도전 섬유에 압전성 고분자를 피복한 소자에 대해, 문지름에 대한 전기적 응답이 우수한 것이 개시되어 있다. 또 비특허문헌 1 에는 압전성 고분자를 코일상으로 감은 소자에 대해, 코일의 축 방향의 신축 및 코일의 축 둘레의 비틀림 변형에 의한 전기적 응답예가 개시되어 있다. 또 특허문헌 2 에는 압전성 고분자로 이루어지는 섬유상물이 개시되어 있고, 그 섬유상물은 섬유축과 평행 혹은 직각의 힘 (운동) 이 작용했을 경우에 압전 효과가 크게 생긴다고 기재되어 있다.
특허문헌 3 의 압전 시트는, 압전 시트에 대한 신축 변형 (응력) 에 의해 전기 신호를 출력할 수 있다. 그러나, 원래 시트상이기 때문에 유연성이 부족하여, 섬유나 천과 같이 자유롭게 굴곡할 수 있는 사용법은 불가능하다.
그러나 상기 선행 기술 문헌에는, 신축 운동에 대해 효율적으로 압전 신호를 발생하는 한편, 신축 운동 이외의 운동에 대해서는 압전 신호를 발생시키지 않는 구체적인 구성에 대해서는 개시되어 있지 않다. 또, 압전 신호의 이용 효율을 높이기 위하여, 구조체의 중심축과 외측에서 서로 역극성의 전하 (즉 역부호의 전하) 를 발생시키는 구체적인 구성에 대해서도 개시되어 있지 않다. 따라서, 센서나 흡착체 등에 이용할 수 있는 압전 소자로서의 성능은 불충분하였다.
또, 최근 이른바 웨어러블 센서가 주목을 받고 있어, 안경형이나 손목 시계와 같은 형상의 상품이 세상에 나오기 시작하였다. 그러나, 이들 디바이스는, 장착하고 있다는 감각이 있어, 궁극의 웨어러블인 포상 (布狀), 요컨대 의류와 같은 형상의 것이 요망되고 있다. 그러한 센서로서, 압전성 섬유의 압전 효과를 사용한 압전 소자가 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 2 개의 도전성 섬유 및 1 개의 압전성 섬유를 포함하고, 이들이 서로 접점을 가지면서, 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는 압전 소자가 개시되어 있다. 또, 특허문헌 2 에는, 압전 고분자로 이루어지는 섬유상물, 또는 성형물이고, 이것의 축 방향에 부가되는 장력에 의해 압전성을 발생시키기 위해, 이러한 장력의 부가 방향과 상이한 방향으로 꼬임을 가하여 구성한 것을 특징으로 하는 압전재가 개시되어 있다.
한편, 최근, 이른바 터치 패널 방식을 채용한 입력 장치, 즉 터치식 입력 장치가 대폭 증가하고 있다. 은행 ATM 이나 역의 매표기뿐만 아니라, 스마트폰, 휴대 전화기, 휴대 게임기, 휴대 음악 플레이어 등에 있어서, 박형 디스플레이 기술의 발전과 함께, 입력 인터페이스로서 터치 패널 방식을 채용한 기기가 대폭 증가하고 있다. 그러한 터치 패널 방식을 실현하는 수단으로서, 압전 시트나 압전성 섬유를 사용하는 방식이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 4 에는, 소정 방향을 향하는 연신축을 갖는 L 형 폴리락트산으로 이루어지는 압전 시트를 사용하는 터치 패널이 개시되어 있다.
이들 웨어러블 센서나 터치 패널 방식의 센서에서는, 압전 재료에 인가되는 작은 변형에 의해 압전 재료 내에 생기는 작은 응력에 대해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 요망된다. 예를 들어, 손가락의 구부리기 펴기 동작이나 손가락 등으로 표면을 문지르는 행위에 의해 압전 재료에 생기는 비교적 작은 응력에 의해서도 큰 전기 신호를 안정적으로 취출하는 것이 요망된다.
특허문헌 1 의 압전성 섬유는, 여러 가지 용도에 적용 가능한 우수한 소재이지만, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 대해 큰 전기 신호를 출력할 수 있다고는 반드시 말할 수 없고, 큰 전기 신호를 얻는 기술에 대해서도 명시하지 않았다. 또, 특허문헌 1 에 기재된 압전 소자는, 신호선이 되는 도전성 섬유가 노출되어 있기 때문에 노이즈의 영향을 받기 쉽고, 또, 외부 응력에 의한 재료의 열화나 손상을 받기 쉽다. 또한 압전 소자를 다른 포백 등의 기재에 간편하게 설치할 수 있는 구성에 대해서는 개시되어 있지 않고, 특허문헌 1 에 기재된 압전 소자에서는, 실용화에 대해 여전히 개선의 여지가 있었다.
특허문헌 2 의 압전성 섬유는, 특수한 제조 방법으로 압전성 섬유를 미리 비틀어 둠으로써, 압전성 섬유에 대한 인장이나 압축에 대해 전기 신호를 출력할 수 있다. 그러나, 특허문헌 2 에는, 압전성 섬유를 구부리거나 펴거나 하는 굴곡이나, 압전성 섬유의 표면을 문지르는 행위에 의한 전단 응력에 대해 충분한 전기 신호를 발생시키는 기술은 개시되어 있지 않다. 따라서, 이와 같은 압전성 섬유를 사용한 경우, 표면을 문지르는 것과 같은 비교적 작은 변형으로 생기는 응력만으로 충분한 전기 신호를 취출하는 것은 곤란하다.
특허문헌 4 의 압전 시트는, 압전 시트에 대한 변형 (응력) 에 의해 전기 신호를 출력할 수 있다. 그러나, 원래 시트상이기 때문에 유연성이 부족하여 천과 같이 자유롭게 굴곡할 수 있는 사용법은 불가능하다.
Japanese Journal of Applied Physics 51 권 09LD 16 페이지
본 발명은 상기의 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 신축 변형 (응력) 에 대해 선택적으로 응답하여, 효율적으로 이용 가능한 전기 분극을 일으키게 하는 것이 가능한 원통형 또는 원주형의 압전성 구조체를 제공하는 것에 있다.
또, 본 발명의 제 2 목적은, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 또 노이즈 신호를 억제 가능하고, 또한 외부로부터의 손상을 잘 받지 않는 섬유상의 압전 소자를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 제 3 목적은, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 노이즈 신호를 억제 가능한 섬유상의 압전 소자를 사용하고, 또한 다른 포백 등의 기재에 간편하게 설치할 수 있는 포백상 압전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기 제 1 목적을 달성하기 위해서 예의 검토한 결과, 높은 압전 정수 (定數) d14 를 갖는 압전성 고분자를 배향시킨 것을, 특정한 방향으로 나열하여 원통형 또는 원주형의 구조체로 함으로써, 신축 변형에 대해 원통형 또는 원주형의 중심축측과 외측에 효율적으로 역극성의 전하를 발생시키는 것을 발견하여, 본 발명에 도달하였다.
또, 본 발명자들은 상기 제 2 목적을 달성하기 위해서 예의 검토한 결과, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합으로서, 심 (芯) 이 되는 도전성 섬유의 표면을 끈목상의 압전성 섬유로 피복하고, 또한 그 주위에 도전층을 형성한 끈목상 압전 소자에 의해 효율적으로 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 또한 노이즈 신호를 억제할 수 있는 것을 발견하고, 또한 심부와 압전성 섬유의 굵기의 관계를 특정한 범위로 함으로써 외부로부터의 손상을 잘 받지 않게 되는 것을 알아내어, 본 발명에 도달하였다.
또한 본 발명자들은 상기 제 3 목적을 달성하기 위해서 예의 검토한 결과, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합으로서, 심이 되는 도전성 섬유의 표면을 끈목상의 압전성 섬유로 피복하고, 또한 그 주위에 도전층을 형성한 끈목상 압전 소자에 의해 효율적으로 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 또한 노이즈 신호를 억제할 수 있는 것을 발견하고, 이것을 특정한 형상으로 포백에 고정시킴으로써, 외부로부터의 손상을 잘 받지 않고, 또한 다른 포백 등의 기재에 간편하게 설치할 수 있게 되는 것을 알아내어, 본 발명에 도달하였다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기 제 1 목적을 달성하기 위한 수단 (제 1 발명) 으로서 하기 (1) ∼ (12) 가 제공되고, 상기 제 2 목적을 달성하기 위한 수단 (제 2 발명) 으로서 하기 (13) ∼ (20) 이 제공되고, 상기 제 3 목적을 달성하기 위한 수단 (제 3 발명) 으로서 하기 (21) ∼ (31) 이 제공된다.
(1) 배향한 압전성 고분자를 원통형 또는 원주형으로 배치한 구조체이고, 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도가 15°이상 75°이하이고, 압전성 고분자는 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하인 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하고, 또한 상기 압전성 고분자는, 압전 정수 d14 의 값이 정 (正) 의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부 (負) 의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 그 구조체의 중심축이 1 ㎝ 의 길이를 갖는 부분에 대해, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP + SN) 과 (SP + ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하인, 구조체.
(2) 상기 압전성 고분자는 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 주성분으로서 포함하는, (1) 에 기재된 구조체.
(3) 상기 압전성 고분자는, 폴리-D-락트산을 주성분으로서 포함하는 P 체와, 폴리-L-락트산을 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하는, (2) 에 기재된 구조체.
(4) 상기 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 중심축의 방향에 신축 변형이 부여되었을 때, 그 원통형 또는 원주형의 중심축측과 외측에 역극성의 전하가 발생하는, (1) ∼ (3) 중 어느 1 항에 기재된 구조체.
(5) 상기 압전성 고분자는 섬유상, 필라멘트상 또는 테이프상의 것이, 끈목상, 꼬임끈상, 커버링사상 또는 겹사상으로 되어 구성되어 있는, (1) ∼ (4) 중 어느 1 항에 기재된 구조체.
(6) 상기 압전성 고분자는 원통형 또는 원주형의 중심축에 수직인 단면에 있어서 1 개의 폐쇄 영역만을 구성하고 있는, (1) ∼ (4) 중 어느 1 항에 기재된 구조체.
(7) (1) ∼ (6) 중 어느 1 항에 기재된 구조체와, 상기 구조체에 인접하여 배치된 도전체를 구비하는 소자.
(8) 상기 압전성 고분자가 원통형으로 배치되어 있고, 그 원통형의 중심축의 위치에 상기 도전체를 배치한, (7) 에 기재된 소자.
(9) 상기 도전체가 도전성 섬유로 이루어지고, 상기 압전성 고분자는 압전성 섬유로서 상기 도전성 섬유의 둘레에 끈목상으로 짜여져서 배치되는, (8) 에 기재된 소자.
(10) 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 외측에 상기 도전체를 배치한, (7) 에 기재된 소자.
(11) 상기 도전체는 도전성 섬유로 이루어지고, 상기 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 둘레에 상기 도전성 섬유가 끈목상으로 짜여져서 배치되는, (10) 에 기재된 소자.
(12) (7) ∼ (11) 중 어느 1 항에 기재된 소자와,
압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 중심축의 방향에 신축 변형이 부여되었을 때에 발생하는 전하에 따라, 상기 도전체에서 발생하는 전기 신호가 출력되는 출력 단자와,
상기 출력 단자를 통하여 출력되는 전기 신호를 검출하는 전기 회로를 구비하는 센서.
(13) 상기 도전성 섬유로 형성된 심부와, 상기 심부를 피복하도록 끈목상의 상기 압전성 섬유로 형성된 초부를 구비한 (9) 에 기재된 소자와,
상기 초부의 주위에 형성된 도전층
을 구비하고, 상기 심부의 반경 Rc 에 대한 압전성 섬유로 이루어지는 층의 두께 d 의 비 d/Rc 가 1.0 이상인, 끈목상 압전 소자.
(14) 상기 도전층에 의한 상기 초부의 피복률이 25 ％ 이상인, (13) 에 기재된 끈목상 압전 소자.
(15) 상기 도전층이 섬유로 형성되어 있는, (13) 또는 (14) 에 기재된 끈목상 압전 소자.
(16) (13) ∼ (15) 중 어느 1 항에 기재된 끈목상 압전 소자를 포함하는 포백상 압전 소자.
(17) 상기 포백은, 상기 끈목상 압전 소자의 적어도 일부와 교차하여 접촉하는 도전성 섬유를 추가로 포함하는, (16) 에 기재된 포백상 압전 소자.
(18) 상기 포백을 형성하는 섬유이고 또한 상기 끈목상 압전 소자와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인, (17) 에 기재된 포백상 압전 소자.
(19) (13) ∼ (15) 중 어느 1 항에 기재된 끈목상 압전 소자와,
인가된 압력에 따라 상기 끈목상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭시키는 증폭 수단과,
상기 증폭 수단으로 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단
을 구비하는 디바이스.
(20) (17) 또는 (18) 에 기재된 포백상 압전 소자와,
인가된 압력에 따라 상기 포백상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭시키는 증폭 수단과,
상기 증폭 수단으로 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단
을 구비하는 디바이스.
(21) 포백에 끈목상 압전 소자가 고정된 포백상 압전 소자이고, 상기 끈목상 압전 소자가,
상기 도전성 섬유로 형성된 심부와, 상기 심부를 피복하도록 끈목상의 상기 압전성 섬유로 형성된 초부를 구비한 (9) 에 기재된 소자와,
상기 초부의 주위에 형성된 도전층
을 구비하고, 상기 포백에 대한 상기 끈목상 압전 소자의 5 ㎝ 당의 인발 강도가 0.1 N 이상인, 포백상 압전 소자.
(22) 상기 포백을 구성하는 섬유에 의한 상기 끈목상 압전 소자의 피복률이 상기 포백의 양면 모두 30 ％ 를 초과하는, (21) 에 기재된 포백상 압전 소자.
(23) 상기 포백에 상기 끈목상 압전 소자가 섞어 짜여지는 상태 또는 섞어 떠지는 상태로 고정된, (21) 또는 (22) 에 기재된 포백상 압전 소자.
(24) 2 중 방직 포백 혹은 2 중 편직 포백의 층간에 상기 끈목상 압전 소자가 끼워 넣어져 있는, (21) 또는 (22) 에 기재된 포백상 압전 소자.
(25) 상기 포백으로부터 상기 끈목상 압전 소자가 부분적으로 노출되어 있고, 그 노출 부분에 있어서 상기 끈목상 압전 소자의 상기 도전성 섬유 및/또는 상기 도전층과 다른 부재가 전기적으로 접속되어 있는, (21) ∼ (24) 중 어느 1 항에 기재된 포백상 압전 소자.
(26) 상기 도전층에 의한 상기 초부의 피복률이 25 ％ 이상인, (21) ∼ (25) 중 어느 1 항에 기재된 포백상 압전 소자.
(27) 상기 도전층이 섬유로 형성되어 있는, (21) ∼ (26) 중 어느 1 항에 기재된 포백상 압전 소자.
(28) 상기 압전성 섬유의 총섬도는, 상기 도전성 섬유의 총섬도의 1 배 이상, 20 배 이하인, (21) ∼ (27) 중 어느 1 항에 기재된 포백상 압전 소자.
(29) 상기 압전성 섬유의 1 개당 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인, (21) ∼ (28) 중 어느 1 항에 기재된 포백상 압전 소자.
(30) 상기 포백은, 상기 끈목상 압전 소자의 적어도 일부와 교차하여 접촉하는 도전성 섬유를 추가로 포함하는, (21) ∼ (29) 중 어느 1 항에 기재된 포백상 압전 소자.
(31) (21) ∼ (30) 중 어느 1 항에 기재된 포백상 압전 소자와,
인가된 압력에 따라 상기 포백상 압전 소자에 포함되는 상기 도전성 섬유로부터 출력되는 전기 신호를 검출하는 전기 회로
를 구비하는 디바이스.
상기 제 1 발명에 의해, 신축 변형 (응력) 에 대해 선택적으로 응답하여, 효율적으로 이용 가능한 전기 분극을 발생시키는 것이 가능한 원통형 또는 원주형의 압전성 구조체를 제공할 수 있다.
또, 상기 제 2 발명에 의해, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 또한 노이즈 신호를 억제할 수 있는 섬유상의 압전 소자를 제공할 수 있다.
또, 상기 제 3 발명에 의해, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 노이즈 신호를 억제 가능한 섬유상의 압전 소자를 사용하고, 또한 다른 포백 등의 기재에 간편하게 설치할 수 있는 포백상 압전 소자를 제공할 수 있다. 또한 상기 제 3 발명에 의하면, 포백을 구성하는 섬유에 의한 끈목상 압전 소자의 피복률이 포백의 양면 모두 소정의 값, 예를 들어 50 ％ 를 초과하도록 함으로써, 외부로부터의 문지름, 열, 광 등에 의한 손상을 잘 받지 않게 하는 것이 가능하다.
도 1a 는, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 원통형의 압전성 구조체를 나타내는 모식도이다.
도 1b 는, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 원주형의 압전성 구조체를 나타내는 모식도이다.
도 2 는, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 원통형의 압전성 구조체를 나타내는 측면도이다.
도 3 은, 배향 각도 θ 의 계산 방법을 설명하는 모식도이다.
도 4 는, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 5 는, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 6 은, 제 1 발명 ∼ 제 3 발명의 실시형태에 관련된 압전 소자를 구비하는 디바이스를 나타내는 블록도이다.
도 7 은, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 8 은, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 9a 는, 실시예에 관련된 끈목상 압전 소자의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 9b 는, 실시예에 관련된 끈목상 압전 소자의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 9c 는, 실시예에 관련된 끈목상 압전 소자의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 10 은, 제 2 발명 및 제 3 발명의 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 11 은, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 12 는, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 13 은, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 14 는, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 15 는, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 16 은, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 17 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 18 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 19 는, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 20 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 다른 구성예를 나타내는 모식도이고, (a) 는 사시도이고, (b) 는 측면도이다.
도 21 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 22 는, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 23 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 1b 는, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 원주형의 압전성 구조체를 나타내는 모식도이다.
도 2 는, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 원통형의 압전성 구조체를 나타내는 측면도이다.
도 3 은, 배향 각도 θ 의 계산 방법을 설명하는 모식도이다.
도 4 는, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 5 는, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 6 은, 제 1 발명 ∼ 제 3 발명의 실시형태에 관련된 압전 소자를 구비하는 디바이스를 나타내는 블록도이다.
도 7 은, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 8 은, 제 1 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 9a 는, 실시예에 관련된 끈목상 압전 소자의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 9b 는, 실시예에 관련된 끈목상 압전 소자의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 9c 는, 실시예에 관련된 끈목상 압전 소자의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 10 은, 제 2 발명 및 제 3 발명의 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 11 은, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 12 는, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 13 은, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 14 는, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 15 는, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 16 은, 제 2 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 17 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 18 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 19 는, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 20 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자의 다른 구성예를 나타내는 모식도이고, (a) 는 사시도이고, (b) 는 측면도이다.
도 21 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 22 는, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 23 은, 제 3 발명의 실시형태에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
이하, 제 1 발명에 대해 상세하게 설명한다.
(원통형 또는 원주형의 압전성 구조체)
본 발명의 구조체 (압전성 구조체) 는 배향한 압전성 고분자를 포함하고, 배향한 압전성 고분자는 원통형 또는 원주형으로 배치되어 있다. 도 1a 는 실시형태에 관련된 원통형의 압전성 구조체 (1-1) 를 나타내는 모식도이고, 도 1b 는 실시형태에 관련된 원주형의 압전성 구조체 (1-2) 를 나타내는 모식도이다. 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 저면의 외측 가장자리 및 내측 가장자리의 형상은 진원이 가장 바람직하지만, 타원형이어도 되고, 편평한 원형이어도 된다.
(압전성 고분자)
본 발명의 압전성 구조체에 포함되는 압전성 고분자는, 1 축 배향한 고분자의 성형체이고, 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하인 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함한다. 본 발명에 있어서 「주성분으로서 포함한다」 란, 구성 성분의 50 질량％ 이상을 차지하는 것을 가리킨다. 또, 본 발명에 있어서 결정성 고분자란, 1 질량％ 이상의 결정부와, 결정부 이외의 비정부 (非晶部) 로 이루어지는 고분자이고, 결정성 고분자의 질량이란 결정부와 비정부를 합계한 질량이다.
본 실시형태의 압전성 고분자에 포함되는 결정성 고분자로서 바람직하게 사용할 수 있는, 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하인 값을 갖는 결정성 고분자로는, 예를 들어 「Piezoelectricity of biopolymers」 (후카다 에이이치, Biorheology, Vol.3, No.6, pp.593) 에 나타내는 바와 같이, 셀룰로오스, 콜라겐, 케라틴, 피브린, 폴리-L-알라닌, 폴리-γ-메틸-L-글루타메이트, 폴리-γ-벤질-L-글루타메이트, 폴리-L-락트산을 들 수 있다. 또, 이들 고분자의 광학 이성체인 폴리-D-알라닌, 폴리-γ-메틸-D-글루타메이트, 폴리-γ-벤질-D-글루타메이트, 폴리-D-락트산도 d14 의 부호가 반대가 되지만, d14 의 절대값으로는 동등한 값을 취한다고 추정된다. d14 의 값은 성형 조건이나 순도 및 측정 분위기에 따라 상이한 값을 나타내지만, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는, 실제로 사용되는 압전성 고분자 중의 결정성 고분자의 결정화도 및 결정 배향도를 측정하고, 그것과 동등한 결정화도 및 결정 배향도를 갖는 1 축 연신 필름을 당해 결정성 고분자를 사용하여 제조하고, 그 필름의 d14 의 절대값이, 실제로 사용되는 온도에 있어서 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하의 값을 나타내면 되고, 본 실시형태의 압전성 고분자에 포함되는 결정성 고분자로는, 위에 예시한 특정한 결정성 고분자에 한정되지 않는다. 필름 샘플의 d14 의 측정은 공지된 여러 가지 방법을 취할 수 있지만, 예를 들어 필름 샘플의 양면에 금속을 증착하여 전극으로 한 샘플을, 연신 방향에서 45 도 기울어진 방향으로 4 변을 갖는 장방형으로 잘라내고, 그 장척 방향으로 인장 하중을 가했을 때에 양면의 전극에 발생하는 전하를 측정함으로써, d14 의 값을 측정할 수 있다.
본 실시형태에서는 폴리-L-락트산 및 폴리-D-락트산이 특히 바람직하게 사용된다. 폴리-L-락트산 및 폴리-D-락트산은, 예를 들어 용융 제막 (製膜) 후에 1 축 연신에 의해 용이하게 배향 결정화하여 d14 의 절대값으로서 10 pC/N 을 초과하는 압전성을 나타낸다. 한편, 대표적인 압전성 고분자인 폴리불화비닐리덴 성형품의 분극 처리물은 높은 d33 의 압전 정수를 갖지만, d14 의 절대값으로는 매우 낮아, 본 발명의 결정성 고분자로는 사용할 수 없다.
폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산은 각각, 동일한 응력에 대해 분극이 반대가 되기 때문에, 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 특정한 배치를 취함으로써, 보다 바람직한 구조체를 형성하는 것이 가능해진다.
또, 압전성 고분자는 다른 압전성을 나타내지 않는 폴리머와의 알로이로서 사용해도 되지만, 폴리락트산을 주된 압전성 고분자로서 사용한다면, 알로이의 전체 질량을 기준으로 하여 적어도 60 질량％ 이상으로 폴리락트산을 함유하고 있는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 70 질량％ 이상, 가장 바람직하게는 90 질량％ 이상이다.
알로이로 하는 경우의 폴리락트산 이외의 폴리머로는, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 공중합체, 폴리메타크릴레이트 등을 바람직한 예로서 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
(압전성 고분자의 배향 각도)
본 발명의 압전성 고분자를 원통형 또는 원주형으로 배치한 구조체에 있어서, 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 중심축 (이하, 간단히 「중심축」 이라고 기재한다) 의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 는 15°이상 75°이하이다. 이 조건을 만족시킬 때, 압전성 구조체에 대해 중심축 방향의 신축 변형 (인장 응력 및 압축 응력) 을 부여함으로써, 압전성 고분자에 포함되는 결정성 고분자의 압전 정수 d14 에 대응하는 압전 효과를 효율적으로 이용하여, 압전성 구조체의 중심축측과 외측에 효율적으로 역극성의 전하를 발생시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 는 25°이상 65°이하인 것이 바람직하고, 35°이상 55°이하인 것이 보다 바람직하고, 40°이상 50°이하인 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이 압전성 고분자를 배치하면, 압전성 고분자의 배향 방향은 나선을 그리게 된다.
또, 이와 같이 압전성 고분자를 배치함으로써, 압전성 구조체의 표면을 문지르는 것과 같은 전단 변형이나, 중심축을 구부리는 것과 같은 굽힘 변형이나, 중심축을 축으로 한 비틀림 변형에 대해서는 압전성 구조체의 중심축측과 외측에는 큰 전하를 발생시키지 않게 하는, 즉 중심축 방향의 신축에 대해 선택적으로 큰 전하를 발생시키는 압전성 구조체로 할 수 있다.
중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 란, 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형을 측면에서 본 평행 투영도에 있어서, 그 중심축의 방향과, 중심축에 겹쳐 앞에 있는 부분의 압전성 고분자의 배향 방향이 이루는 각도이다. 예를 들어 도 2 는 실시형태에 관련된 원통형의 압전성 구조체 (1) 를 측면에서 본 도면이다. 도 2 의 예에 있어서, 압전성 구조체는 장척 방향으로 배향한 압전성 고분자의 테이프를 나선상으로 감은 구조체이다. 중심축 CL 에 겹쳐 앞에 있는 부분의 테이프의 배향 방향을 나타내는 직선은 OL 이고, CL 과 OL 이 이루는 각 θ (0 도 이상 90 도 이하로 한다) 가, 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도이다.
도 2 에서는 테이프와 같이 얇은 압전성 고분자를 사용하고 있기 때문에, 압전성 고분자의 배향 방향은 측면에서 관찰한 테이프 표면의 배향 방향에 대체로 일치하지만, 두꺼운 압전성 고분자를 사용하여 원통형의 압전성 구조체를 만들었을 경우나, 원주형의 압전성 구조체의 경우에는, 측면에서 관찰할 수 있는 표면의 배향 방향에 비해, 내부의 배향 방향은 중심축에 가까워질수록 중심축의 방향에 가까워지기 때문에, 표면의 배향 방향과 내부의 배향 방향 사이에 차이가 생긴다. 또, 측면에서 관찰한 테이프 표면의 배향 방향은 겉보기에서는 S 자 혹은 역 S 자를 취하고 있기 때문에, 정확한 관찰에는 높은 배율의 확대 관찰이 필요하다.
이러한 관점에서, 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 는, 장척 방향으로 배향한 섬유, 필라멘트 혹은 테이프를 나선상으로 감은 구조체 (예를 들어 연사, 커버링사, 끈목 등을 들 수 있다) 의 경우, 가능한 한 하기 방법으로 측정한다. 압전성 구조체의 측면 사진을 촬영하여, 압전성 고분자 (2) 의 나선 피치 (HP) 를 측정한다. 나선 피치 (HP) 는 도 3 과 같이, 1 개의 압전성 고분자 (2) 가 표면에서 이면을 돌아 다시 표면에 올 때까지 필요로 한, 중심축 방향의 직선 거리이다. 또, 필요에 따라 접착제로 구조를 고정 후에, 압전성 구조체의 중심축에 수직인 단면을 잘라내어 사진을 촬영하고, 압전성 구조체가 차지하는 부분의 외측 반경 Ro 및 내측 반경 Ri 를 측정한다. 단면의 외측 가장자리 및 내측 가장자리가 타원형이나 편평한 원형인 경우에는, 장경과 단경의 평균값을 Ro 및 Ri 로 한다. 압전성 구조체가 원주인 경우에는 Ri = 0 으로 한다. 하기 식으로부터 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 를 계산한다.
θ = arctan(2πRm/HP) (0°≤ θ ≤ 90°)
단 Rm = 2(Ro3 - Ri3)/3(Ro2 - Ri2), 즉 단면적으로 가중 평균한 압전성 구조체의 반경이다.
압전성 구조체의 측면 사진에 있어서 압전성 고분자가 균일한 표면을 가지고 있어, 압전성 고분자의 나선 피치를 판별할 수 없는 경우에는, 접착제 등으로 고정시킨 압전성 구조체를 중심축을 지나는 평면으로 할단하고, 할단면에 수직인 방향으로, 중심축을 지나도록 충분히 좁은 범위에서 X 선을 투과하도록 광각 X 선 회절 분석을 실시하고, 배향 방향을 결정하여 중심축과의 각도를 취하고, θ 로 한다.
끈목이나 다중 커버링사와 같이, 압전성 고분자의 배향 방향을 따라 그려지는 나선에 대해, 나선 방향 (S 꼬임 방향 또는 Z 꼬임 방향) 이나 나선 피치를 상이하게 하는 2 개 이상의 나선이 동시에 존재하는 압전성 구조체의 경우에는, 각각의 나선 방향 및 나선 피치의 압전성 고분자에 대해 각각 상기 측정을 실시하고, 어느 하나의 나선 방향 및 나선 피치의 압전성 고분자가 전술한 조건을 만족시키는 것이 필요하다.
단, 압전성 구조체의 중심축 방향의 신축 변형에 대해 중심축측과 외측에 발생하는 전하의 극성 (부호) 은, 어느 압전성 고분자의 배향 방향을 S 꼬임의 나선을 따라 배치했을 경우와, 동일한 압전성 고분자의 배향 방향을 Z 꼬임의 나선을 따라 배치했을 경우에서는, 서로 반대의 극성이 되기 때문에, 어느 압전성 고분자의 배향 방향을 S 꼬임의 나선을 따라 배치함과 동시에 Z 꼬임의 나선을 따라 배치했을 경우 (예를 들어, 어느 압전성 고분자로 이루어지는 섬유를 S 꼬임 방향의 실 및 Z 꼬임 방향의 실의 양방에 사용하여 끈목을 짰을 경우) 에는, 신축 변형에 대한 발생 전하가 S 꼬임 방향과 Z 꼬임 방향에서 서로 없어져 효율적으로 이용할 수 없기 때문에, 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명의 실시양태로서, 압전성 고분자는, 압전 정수 d14 의 값이 정의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 당해 압전성 구조체의 중심축이 1 ㎝ 의 길이를 갖는 부분에 대해, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP + SN) 과 (SP + ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하이고, 바람직하게는 0 이상 0.5 이하이다. 특히, 압전성 고분자는, 폴리-D-락트산을 주성분으로서 포함하는 P 체와, 폴리-L-락트산을 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 당해 압전성 구조체의 중심축이 1 ㎝ 인 길이를 갖는 부분에 대해, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP + SN) 과 (SP + ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하이고, 바람직하게는 0 이상 0.5 이하이다.
또, 폴리-L-락트산과 폴리-D-락트산과 같이, d14 의 부호가 서로 상이한 결정성 고분자를 포함하는 압전성 고분자를, S 꼬임 또는 Z 꼬임의 일방의 나선을 따라 겹쳐 배치하면, 신축 변형에 대한 발생 전하가 서로 없어져 효율적으로 이용할 수 없기 때문에, 바람직하지 않다.
(압전성 구조체의 구성)
전술한 바와 같이, 본 발명의 압전성 구조체에 있어서는, 압전성 고분자의 배향 방향이 나선을 그리도록 배치된다. 이와 같은 배치가 되는 압전성 구조체로는 특히, 예를 들어 압전성 고분자를 장척 방향으로 배향시킨 섬유, 필라멘트 혹은 테이프를 사용한, 연사, 커버링사, 끈목 등을 바람직한 양태로서 들 수 있다. 테이프를 사용하는 경우에는, 테이프의 장척 방향 이외의 방향으로 배향시킨 테이프를 사용하여, 나선상으로 감은 것이나, 장척 방향과 중심축 방향을 평행하게 하여 원통을 성형한 것도 사용할 수 있다. 생산성과 배향도의 향상의 관점에서는, 연신에 의해 장척 방향으로 배향시킨 섬유, 필라멘트 혹은 테이프를 사용한 연사, 커버링사 및 끈목이 보다 바람직하고, 구조의 안정성의 관점에서, 끈목이 특히 바람직하다.
본 발명의 압전성 구조체는, 중심축의 방향에 신축 변형을 부여했을 때, 중심축측과 외측에 역극성의 전하가 발생한다. 그 이용 형태는 특별히 한정되지 않고, 물질의 흡탈착이나 인력/척력에 의한 조작, 전자파 발생, 생체에 대한 전기 자극 등에도 이용할 수 있지만, 그 전하를 신호나 에너지로서 효율적으로 취출하기 위해, 중심축측 및/또는 외측에 도전체를 배치해 두는 형태가 보다 바람직하다. 외측에 도전체를 배치하는 경우에는, 압전성 구조체의 원주형 측면 혹은 원통형 측면을 모두 덮도록 도전성체를 배치하는 것이 전하의 이용 효율 및 실드로서 이용할 수 있는 점에서 보다 바람직하지만, 부분적으로만 도전성체를 배치해도 된다.
생산성, 절곡 내구성, 구조의 안정성의 관점에서, 후술하는 끈목상의 압전성 구조체가 가장 바람직하다.
(끈목상 압전 소자)
도 4 는 실시형태에 관련된 끈목상의 압전성 구조체 (이하, 끈목상 압전 소자라고 칭한다) 의 구성예를 나타내는 모식도이다.
끈목상 압전 소자 (101) 는, 도전성 섬유 (B) 로 형성된 심부 (103) 와, 심부 (103) 를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 형성된 초부 (102) 를 구비하고 있고, 초부 (102) 는 본 발명에 있어서의 원통형의 압전성 구조체이다. 압전성 섬유 (A) 는 주성분으로서 폴리락트산을 포함할 수 있다.
끈목상 압전 소자 (101) 에서는, 적어도 1 개의 도전성 섬유 (B) 의 외주면을 다수의 압전성 섬유 (A) 가 치밀하게 둘러싸고 있다. 끈목상 압전 소자 (101) 에 변형이 생기면, 다수의 압전성 섬유 (A) 각각에 변형에 의한 응력이 생기고, 그에 의해 다수의 압전성 섬유 (A) 각각에 전기장이 생기며 (압전 효과), 그 결과, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 다수의 압전성 섬유 (A) 의 전기장을 중첩한 전압 변화가 도전성 섬유 (B) 에 생기는 것으로 추측된다. 즉 압전성 섬유 (A) 의 끈목상의 초부 (102) 를 사용하지 않는 경우와 비교하여 도전성 섬유 (B) 로부터의 전기 신호가 증대된다. 그에 의해, 끈목상 압전 소자 (101) 에서는, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 도전성 섬유 (B) 는 복수개이어도 된다.
여기서, 심부인 도전성 섬유 (B) 를 경유하여 검출되는 신호 강도는 초부인 압전성 섬유 (A) 와의 접촉 상태가 변화하지 않는 것은 물론, 보다 강하게 구속되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 압전성 섬유를 제뉴기 (製紐耭) 로 짤 때의 텐션을 높게 함으로써, 보다 강하게 구속된 끈목을 얻을 수 있다. 한편, 폴리락트산 (PLA) 섬유는 강도가 약하고, 또한 마찰이 높기 때문에, 제뉴기의 사도 (絲道) 에 있어서 섬유가 단사 끊김을 일으켜, 깨끗한 끈목을 얻을 수 없는 경우가 있다. 즉 제뉴 공정에 있어서, 섬유가 감겨진 보빈을 유지하는 캐리어가 반상을 이동하는 경로에 의해 섬유가 보빈의 어큐물레이션에 의해 팽팽해지거나 느슨해지거나를 순간적으로 반복하면서 짜여져 가기 때문에, 일반적으로 PLA 섬유는 높은 텐션을 가하여 제뉴하는 것이 곤란하다. 그러나, 이러한 곤란은, PLA 섬유에 연사 가공을 실시함으로써 개선되는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, PLA 섬유에 10 ∼ 5000 T/m 의 꼬임수로 연사 가공을 실시하는 것이 바람직하다. 10 T/m 보다 작으면 연사의 효과를 얻을 수 없고, 5000 T/m 보다 크면, 섬유가 비틀어지기 쉬워져 가공시의 트러블이 일어나기 쉬워진다. 또, 끈목으로 했을 때의 끈목의 축 방향의 변형에 대한 PLA 의 배향축 방향의 각도가 적절하지 않게 되어, 신호 강도가 작아질 우려가 있다. 꼬임수는 30 T/m 이상이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 50 T/m 이상이다. 또, 꼬임수의 상한으로는 3000 T/m 이하가 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1500 T/m 이하이다. 연사 가공 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 공지된 모든 연사 가공 방법을 적용할 수 있다. 또, 연사 가공된 섬유는, 열처리되는 것이 바람직하고, 열처리함으로써 연사 상태가 고정화되어 섬유의 핸들링이 쉬워진다. 열처리의 방법도 특별히 한정되는 것은 아니며, 일반적으로 대상 섬유의 Tg ∼ Tm 의 온도가 바람직하게 선택되고, 습도하에서 처리되는 경우도 있다.
여기서, 압전성 섬유 (A) 는 주성분으로서 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리락트산 중의 락트산 유닛은 90 몰％ 이상인 것이 바람직하고, 95 몰％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 98 몰％ 이상이 더욱 바람직하다.
또한, 끈목상 압전 소자 (101) 에서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 초부 (102) 에서는 압전성 섬유 (A) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 되고, 심부 (103) 에서는 도전성 섬유 (B) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 된다.
도전성 섬유 (B) 의 심부 (103) 와 끈목상의 압전성 섬유 (A) 의 초부 (102) 로 구성되는 끈목상 압전 소자의 길이는 특별히 한정은 없다. 예를 들어, 그 끈목상 압전 소자는 제조에 있어서 연속적으로 제조되고, 그 후에 필요한 길이로 절단하여 이용해도 된다. 끈목상 압전 소자의 길이는 1 ㎜ ∼ 10 m, 바람직하게는, 5 ㎜ ∼ 2 m, 보다 바람직하게는 1 ㎝ ∼ 1 m 이다. 길이가 지나치게 짧으면 섬유 형상인 편리성이 상실되고, 또, 길이가 지나치게 길면 도전성 섬유 (B) 의 저항값을 고려할 필요가 나올 것이다.
이하, 각 구성에 대해 상세하게 설명한다.
(도전성 섬유)
도전성 섬유 (B) 로는, 도전성을 나타내는 것이면 되고, 공지된 모든 것이 사용된다. 도전성 섬유 (B) 로는, 예를 들어, 금속 섬유, 도전성 고분자로 이루어지는 섬유, 탄소 섬유, 섬유상 혹은 입상의 도전성 필러를 분산시킨 고분자로 이루어지는 섬유, 혹은 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 섬유를 들 수 있다. 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성하는 방법으로는, 금속 코트, 도전성 고분자 코트, 도전성 섬유의 감기 등을 들 수 있다. 그 중에서도 금속 코트가 도전성, 내구성, 유연성 등의 관점에서 바람직하다. 금속을 코트하는 구체적인 방법으로는, 증착, 스퍼터, 전해 도금, 무전해 도금 등을 들 수 있고 생산성 등의 관점에서 도금이 바람직하다. 이와 같은 금속이 도금된 섬유는 금속 도금 섬유라고 할 수 있다.
금속이 코트되는 베이스의 섬유로서, 도전성의 유무에 상관없이 공지된 섬유를 사용할 수 있고, 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등의 합성 섬유 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 베이스의 섬유는 이들에 한정되는 것은 아니며, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들 섬유를 조합하여 사용해도 된다.
베이스의 섬유에 코트되는 금속은 도전성을 나타내고, 본 발명의 효과를 발휘하는 한, 어느 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리 등, 및 이들의 혼합물이나 합금 등을 사용할 수 있다.
도전성 섬유 (B) 에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 접히는 경우가 매우 적고, 압전 소자를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.
도전성 섬유 (B) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트이어도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노 필라멘트이어도 된다. 멀티 필라멘트쪽이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다. 단, 도전성 섬유 (B) 의 섬도·개수란, 끈목을 제조할 때에 사용하는 심부 (103) 의 섬도·개수이고, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 1 개의 도전성 섬유 (B) 로 세는 것으로 한다. 여기서 심부 (103) 란, 도전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우에도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
섬유의 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유 (B) 의 단면 형상으로는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다.
또, 압전성 고분자로부터의 전기 출력을 효율적으로 취출하기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로는 10-1 Ω·㎝ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·㎝ 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·㎝ 이하이다. 단, 전기 신호의 검출에서 충분한 강도가 얻어지는 것이면 도전성 섬유 (B) 의 저항률은 이것에 한정되지 않는다.
도전성 섬유 (B) 는, 본 발명의 용도에서, 반복되는 굽힘이나 비틀림과 같은 움직임에 대해 내성이 없으면 안 된다. 그 지표로는, 결절 강도가 보다 큰 것이 선호된다. 결절 강도는 JIS L1013 8.6 의 방법으로 측정할 수 있다. 본 발명에 적당한 결절 강도의 정도로는, 0.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 1.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 1.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 또, 다른 지표로는, 굽힘 강성이 보다 작은 것이 선호된다. 굽힘 강성은, 카토텍 (주) 제조 KES-FB2 순굽힘 시험기 등의 측정 장치로 측정되는 것이 일반적이다. 본 발명에 적당한 굽힘 강성의 정도로는, 토호 테낙스 (주) 제조의 탄소 섬유 "테낙스" (등록상표) HTS40-3K 보다 작은 편이 바람직하다. 구체적으로는, 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 바람직하고, 0.02 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.01 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 더욱 바람직하다.
폴리락트산의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하고, 99.3 ％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 99.5 ％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 광학 순도가 99 ％ 미만이면 현저하게 압전율이 저하되는 경우가 있고, 압전성 섬유 (A) 의 형상 변화에 의해 충분한 전기 신호를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다. 특히, 압전성 섬유 (A) 는, 주성분으로서 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하고, 이들의 광학 순도가 99 ％ 이상인 것이 바람직하다.
폴리락트산을 주성분으로 하는 압전성 섬유 (A) 는, 제조시에 연신되고, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있다. 또한 압전성 섬유 (A) 는, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있을 뿐만 아니라, 폴리락트산의 결정을 포함하는 것임이 바람직하고, 1 축 배향한 폴리락트산의 결정을 포함하는 것임이 보다 바람직하다. 왜냐하면, 폴리락트산은 그 결정성이 높은 것 및 1 축 배향하고 있음으로써 보다 큰 압전성을 나타내고, d14 의 절대값이 높아지기 때문이다.
결정성 및 1 축 배향성은 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 Ao (％) 로 구해진다. 본 발명의 압전성 섬유 (A) 로는, 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 Ao (％) 가 하기 식 (1) 을 만족시키는 것이 바람직하다.
Xhomo × Ao × Ao ÷ 106 ≥ 0.26 (1)
상기 식 (1) 을 만족시키지 않는 경우, 결정성 및/또는 1 축 배향성이 충분하지 않고, 동작에 대한 전기 신호의 출력값이 저하되거나, 특정 방향의 동작에 대한 신호의 감도가 저하되거나 할 우려가 있다. 상기 식 (1) 의 좌변의 값은, 0.28 이상이 보다 바람직하고, 0.3 이상이 더욱 바람직하다. 여기서, 각각의 값은 하기에 따라 구한다.
호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo :
호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo 에 대해서는, 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의한 결정 구조 해석으로부터 구한다. 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에서는, 리가쿠 제조 ultrax18 형 X 선 회절 장치를 사용하여 투과법에 의해, 이하 조건으로 샘플의 X 선 회절 도형을 이미징 플레이트에 기록한다.
X 선원 : Cu-Kα 선 (컨포칼 미러)
출력 : 45 ㎸ × 60 ㎃
슬릿 : 1 st : 1 ㎜Φ, 2 nd : 0.8 ㎜Φ
카메라 길이 : 120 ㎜
적산 시간 : 10 분
샘플 : 35 ㎎ 의 폴리락트산 섬유를 가지런히 모아서 3 ㎝ 의 섬유속으로 한다.
얻어지는 X 선 회절 도형에 있어서 방위각에 걸쳐 전체 산란 강도 Itotal 을 구하고, 여기서 2θ = 16.5°, 18.5°, 24.3°부근에 나타나는 호모 폴리락트산 결정에서 유래하는 각 회절 피크의 적분 강도의 총합 ΣIHMi 를 구한다. 이들 값으로부터 하기 식 (2) 에 따라, 호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo 를 구한다.
호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo (％) = ΣIHMi/Itotal × 100 (2)
또한, ΣIHMi 는, 전체 산란 강도에 있어서 백그라운드나 비정에 의한 산만 산란을 차감함으로써 산출한다.
(2) 결정 배향도 Ao :
결정 배향도 Ao 에 대해서는, 상기의 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의해 얻어지는 X 선 회절 도형에 있어서, 동경 방향의 2θ = 16.5°부근에 나타나는 호모 폴리락트산 결정에서 유래하는 회절 피크에 대해, 방위각 (°) 에 대한 강도 분포를 취하여, 얻어진 분포 프로파일의 반치폭의 총계 ΣWi (°) 로부터 다음 식 (3) 에서 산출한다.
결정 배향도 Ao (％) = (360 - ΣWi) ÷ 360 × 100 (3)
또한, 폴리락트산은 가수분해가 비교적 빠른 폴리에스테르이기 때문에, 내습 열성이 문제가 되는 경우에 있어서는, 공지된 이소시아네이트 화합물, 옥사졸린 화합물, 에폭시 화합물, 카르보디이미드 화합물 등의 가수분해 방지제를 첨가해도 된다. 또, 필요에 따라 인산계 화합물 등의 산화 방지제, 가소제, 광 열화 방지제 등을 첨가하여 물성 개량해도 된다.
압전성 섬유 (A) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트이어도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노 필라멘트이어도 된다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사경은 1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 2 ㎜, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 1 ㎜ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 그 단사경은 0.1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50 개 ∼ 50000 개, 더욱 바람직하게는 100 개 ∼ 20000 개이다. 단, 압전성 섬유 (A) 의 섬도나 개수에 대해서는, 끈목을 제조할 때의 캐리어 1 개당의 섬도, 개수이고, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 1 개의 압전성 섬유 (A) 로 세는 것으로 한다. 여기서, 캐리어 1 개 중에, 압전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우에도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유 (A) 로 하기 위해서는, 고분자로부터 섬유화하기 위한 공지된 수법을, 본 발명의 효과를 발휘하는 한 모두 채용할 수 있다. 예를 들어, 압전성 고분자를 압출 성형하여 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 용융 방사하여 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 건식 혹은 습식 방사에 의해 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 정전 방사에 의해 섬유화하는 수법, 필름을 형성한 후에 가늘게 커트하는 수법 등을 채용할 수 있다. 이들의 방사 조건은, 채용하는 압전성 고분자에 따라 공지된 수법을 적용하면 되고, 통상은 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다. 또한 섬유를 형성 후에는 형성된 섬유를 연신한다. 그에 의해 1 축 연신 배향하고 또한 결정을 포함하는 큰 압전성을 나타내는 압전성 섬유 (A) 가 형성된다.
또, 압전성 섬유 (A) 는, 상기와 같이 제조된 것을 끈목으로 하기 전에, 염색, 연사, 합사, 열처리 등의 처리를 할 수 있다.
또한 압전성 섬유 (A) 는, 끈목을 형성할 때에 섬유끼리가 스쳐 단사되거나, 보풀이 나거나 하는 경우가 있기 때문에, 그 강도와 내마모성은 높은 편이 바람직하고, 강도는 1.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 2.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 3.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 내마모성은, JIS L1095 9.10.2 B 법 등으로 평가할 수 있고, 마찰 횟수는 100 회 이상이 바람직하고, 1000 회 이상인 것이 보다 바람직하고, 5000 회 이상인 것이 더욱 바람직하고, 10000 회 이상인 것이 가장 바람직하다. 내마모성을 향상시키기 위한 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 공지된 모든 방법을 사용할 수 있고, 예를 들어, 결정화도를 향상시키거나, 미립자를 첨가하거나, 표면 가공하거나 할 수 있다. 또, 끈목으로 가공할 때, 섬유에 윤활제를 도포하여 마찰을 저감시킬 수도 있다.
또, 압전성 섬유의 수축률은, 전술한 도전성 섬유의 수축률과의 차가 작은 것이 바람직하다. 수축률차가 크면, 끈목 제조 후나 포백 제조 후의 후처리 공정이나 실사용시에 열이 가해졌을 때나 시간 경과적 변화에 의해 끈목이 구부러지거나, 포백의 평탄성이 나빠지거나, 압전 신호가 약해져 버리는 경우가 있다. 수축률을 후술하는 비수 (沸水) 수축률로 정량화했을 경우, 압전성 섬유의 비수 수축률 S(p) 및 도전성 섬유의 비수 수축률 S(c) 가 하기 식 (4) 를 만족시키는 것이 바람직하다.
｜S(p) - S(c)｜ ≤ 10 (4)
상기 식 (4) 의 좌변은 5 이하인 것이 보다 바람직하고, 3 이하이면 더욱 바람직하다.
또, 압전성 섬유의 수축률은, 도전성 섬유 이외의 섬유, 예를 들어 절연성 섬유의 수축률과의 차도 작은 것이 바람직하다. 수축률차가 크면, 끈목 제조 후나 포백 제조 후의 후처리 공정이나 실사용시에 열이 가해졌을 때나 시간 경과적 변화에 의해 끈목이 구부러지거나, 포백의 평탄성이 나빠지거나, 압전 신호가 약해져 버리는 경우가 있다. 수축률을 비수 수축률로 정량화했을 경우, 압전성 섬유의 비수 수축률 S(p) 및 절연성 섬유의 비수 수축률 S(i) 가 하기 식 (5) 를 만족시키는 것이 바람직하다.
｜S(p) - S(i)｜ ≤ 10 (5)
상기 식 (5) 의 좌변은 5 이하인 것이 보다 바람직하고, 3 이하이면 더욱 바람직하다.
또, 압전성 섬유의 수축률은 작은 편이 바람직하다. 예를 들어 수축률을 비수 수축률로 정량화했을 경우, 압전성 섬유의 수축률은 15 ％ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 5 ％ 이하, 가장 바람직하게는 3 ％ 이하이다. 수축률을 낮추는 수단으로는, 공지된 모든 방법을 적용할 수 있고, 예를 들어, 열처리에 의해 비정부의 배향 완화나 결정화도를 높임으로써 수축률을 저감시킬 수 있고, 열처리를 실시하는 타이밍은 특별히 한정되지 않고, 연신 후, 연사 후, 끈목화 후, 포백화 후 등을 들 수 있다. 또한, 상기 서술한 비수 수축률은 이하의 방법으로 측정하는 것으로 한다. 프레임 둘레 1.125 m 의 검척기로 감는수 20 회의 실패를 만들고, 0.022 cN/dtex 의 하중을 가하여, 스케일판에 매달아 초기의 실패 길이 L0 을 측정하였다. 그 후, 이 실패를 100 ℃ 의 비등수욕 중에서 30 분간 처리 후, 방랭하고 다시 상기 하중을 가하여 스케일판에 매달아 수축 후의 실패 길이 L 을 측정하였다. 측정된 L0 및 L 을 사용하여 하기 식 (6) 에 의해 비수 수축률을 계산한다.
비수 수축률 = (L0 - L)/L0 × 100 (％) (6)
(피복)
도전성 섬유 (B), 즉 심부 (103) 는, 압전성 섬유 (A), 즉 끈목상의 초부 (102) 로 표면이 피복되어 있다. 도전성 섬유 (B) 를 피복하는 초부 (102) 의 두께는 1 ㎛ ∼ 10 ㎜ 인 것이 바람직하고, 5 ㎛ ∼ 5 ㎜ 인 것이 보다 바람직하고, 10 ㎛ ∼ 3 ㎜ 인 것이 더욱 바람직하고, 20 ㎛ ∼ 1 ㎜ 인 것이 가장 바람직하다. 지나치게 얇으면 강도의 점에서 문제가 되는 경우가 있고, 또, 지나치게 두꺼우면 끈목상 압전 소자 (101) 가 단단해져 잘 변형되지 않게 되는 경우가 있다. 또한, 여기서 말하는 초부 (102) 란 심부 (103) 에 인접하는 층을 가리킨다.
끈목상 압전 소자 (101) 에 있어서, 초부 (102) 의 압전성 섬유 (A) 의 총섬도는, 심부 (103) 의 도전성 섬유 (B) 의 총섬도의 1/2 배 이상, 20 배 이하인 것이 바람직하고, 1 배 이상, 15 배 이하인 것이 보다 바람직하고, 2 배 이상, 10 배 이하인 것이 더욱 바람직하다. 압전성 섬유 (A) 의 총섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 작으면, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 적어 도전성 섬유 (B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 도전성 섬유 (B) 가 근접하는 다른 도전성 섬유에 접촉할 우려가 있다. 압전성 섬유 (A) 의 총섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 크면, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 많아 끈목상 압전 소자 (101) 가 단단해져 잘 변형되지 않게 된다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (101) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
여기서 말하는 총섬도란, 초부 (102) 를 구성하는 압전성 섬유 (A) 모든 섬도의 합이며, 예를 들어, 일반적인 8 타 끈목의 경우에는, 8 개의 섬유의 섬도의 총합이 된다.
또, 끈목상 압전 소자 (101) 에 있어서, 초부 (102) 의 압전성 섬유 (A) 의 1 개당 섬도는, 도전성 섬유 (B) 의 총섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인 것이 바람직하고, 1/15 배 이상, 1.5 배 이하인 것이 보다 바람직하고, 1/10 배 이상, 1 배 이하인 것이 더욱 바람직하다. 압전성 섬유 (A) 1 개당 섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 작으면, 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 적어 도전성 섬유 (B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 압전성 섬유 (A) 가 절단될 우려가 있다. 압전성 섬유 (A) 1 개당 섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 크면, 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 굵어 끈목상 압전 소자 (101) 가 단단해져 잘 변형되지 않게 된다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (101) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
또한, 도전성 섬유 (B) 에 금속 섬유를 사용한 경우나, 금속 섬유를 도전성 섬유 (A) 혹은 압전성 섬유 (B) 에 혼섬한 경우에는, 섬도의 비율은 상기에 한정되지 않는다. 본 발명에 있어서, 상기 비율은, 접촉 면적이나 피복률, 즉, 면적 및 체적의 관점에서 중요하기 때문이다. 예를 들어, 각각의 섬유의 비중이 2 를 초과하는 경우에는, 섬유의 평균 단면적의 비율이 상기 섬도의 비율인 것이 바람직하다.
압전성 섬유 (A) 와 도전성 섬유 (B) 는 가능한 한 밀착되어 있는 것이 바람직하지만, 밀착성을 개량하기 위해, 도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 사이에 앵커층이나 접착층 등을 형성해도 된다.
피복의 방법은 도전성 섬유 (B) 를 심사 (芯絲) 로 하여, 그 둘레에 압전성 섬유 (A) 를 끈목상으로 감는 방법이 취해진다. 한편, 압전성 섬유 (A) 의 끈목의 형상은, 인가된 하중으로 생기는 응력에 대해 전기 신호를 출력할 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 심부 (103) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목이 바람직하다.
도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 의 형상으로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 가능한 한 동심원상에 가까운 것이 바람직하다. 또한, 도전성 섬유 (B) 로서 멀티 필라멘트를 사용하는 경우, 압전성 섬유 (A) 는, 도전성 섬유 (B) 의 멀티 필라멘트의 표면 (섬유 둘레면) 의 적어도 일부가 접촉하고 있도록 피복되어 있으면 되고, 멀티 필라멘트를 구성하는 모든 필라멘트 표면 (섬유 둘레면) 에 압전성 섬유 (A) 가 피복되어 있어도 되고, 피복되어 있지 않아도 된다. 도전성 섬유 (B) 의 멀티 필라멘트를 구성하는 내부의 각 필라멘트에 대한 압전성 섬유 (A) 의 피복 상태는, 압전성 소자로서의 성능, 취급성 등을 고려하여, 적절히 설정하면 된다.
본 발명의 끈목상 압전 소자 (101) 는, 그 표면에 전극을 존재시킬 필요가 없기 때문에, 끈목상 압전 소자 (101) 자체를 또한 피복할 필요가 없고, 또, 오동작하기 어렵다는 이점이 있다.
(제조 방법)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (101) 는 적어도 1 개의 도전성 섬유 (B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 피복하고 있지만, 그 제조 방법으로는 예를 들어 이하의 방법을 들 수 있다. 즉, 도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 를 다른 공정에서 제조하고, 도전성 섬유 (B) 에 압전성 섬유 (A) 를 끈목상으로 감아 피복하는 방법이다. 이 경우에는, 가능한 한 동심원상에 가까워지도록 피복하는 것이 바람직하다.
이 경우, 압전성 섬유 (A) 를 형성하는 압전성 고분자로서 폴리락트산을 사용하는 경우의 바람직한 방사, 연신 조건으로서, 용융 방사 온도는 150 ℃ ∼ 250 ℃ 가 바람직하고, 연신 온도는 40 ℃ ∼ 150 ℃ 가 바람직하고, 연신 배율은 1.1 배 내지 5.0 배가 바람직하고, 결정화 온도는 80 ℃ ∼ 170 ℃ 가 바람직하다.
도전성 섬유 (B) 에 감는 압전성 섬유 (A) 로는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다. 또, 압전성 섬유 (A) 를 감을 수 있는 도전성 섬유 (B) 로는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다. 또, 도전성 섬유 (B) 는 연사 가공하고 있어도 된다.
피복의 바람직한 형태로는, 도전성 섬유 (B) 를 심사로 하고, 그 주위에 압전성 섬유 (A) 를 끈목상으로 제뉴하여, 환타 조물 (Tubular Braid) 을 제조함으로써 피복할 수 있다. 보다 구체적으로는 심부 (103) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목을 들 수 있다. 이 때, 압전성 섬유 (A) 에는 연사 가공된 섬유를 사용하는 것이 바람직하지만, 모든 압전성 섬유가 연사 가공되어 있어도 되고, 일부가 연사 가공되어 있어도 된다. 또, 압전성 섬유 (A) 의 연사 방향은, 사용하는 압전성 섬유 (A) 모두가 동일한 방향일 필요는 없다. 예를 들어, 제뉴시에 시계 방향으로 회전하는 섬유에, S 연사 가공한 것을, 반시계 방향으로 회전하는 섬유에 Z 연사 가공한 것을 사용할 수 있다. 또, 예를 들어 8 타 끈목의 경우, 8 개 모두가 압전성 섬유일 필요는 없고, 목적으로 하는 신호 강도가 얻어지는 범위이면 다른 섬유를 사용할 수 있다. 물론, 심부의 도전 섬유, 실드층이 되는 도전 섬유에 연사 가공된 것을 사용해도 된다. 단, 예를 들어, 압전성 섬유 (A) 를 편조 튜브와 같은 형태로 하고, 도전성 섬유 (B) 를 심으로 하여 당해 편조 튜브에 삽입함으로써 피복해도 된다.
이상과 같은 제조 방법에 의해, 도전성 섬유 (B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 피복한 끈목상 압전 소자 (101) 를 얻을 수 있다.
본 발명의 끈목상 압전 소자 (101) 는, 표면에 전기 신호를 검출하기 위한 전극의 형성을 필요로 하지 않기 때문에, 비교적 간단하게 제조할 수 있다.
(보호층)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (101) 의 최표면에는 보호층을 형성해도 된다. 이 보호층은 절연성인 것이 바람직하고, 플렉시블성 등의 관점에서 고분자로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 보호층에 절연성을 갖게 하는 경우에는, 물론, 이 경우에는 보호층마다 변형시키거나, 보호층 상을 문지르거나 하게 되지만, 이들 외력이 압전성 섬유 (A) 까지 도달하고, 그 분극을 야기할 수 있는 것이면 특별히 한정은 없다. 보호층으로는, 고분자 등의 코팅에 의해 형성되는 것에 한정되지 않고, 필름, 포백, 섬유 등을 감아도 되고, 혹은 그것들이 조합된 것이어도 된다.
보호층의 두께로는 가능한 한 얇은 쪽이, 전단 응력을 압전성 섬유 (A) 에 전달하기 쉽지만, 지나치게 얇으면 보호층 자체가 파괴되는 등의 문제가 발생하기 쉬워지기 때문에, 바람직하게는 10 ㎚ ∼ 200 ㎛, 보다 바람직하게는 50 ㎚ ∼ 50 ㎛, 더욱 바람직하게는 70 ㎚ ∼ 30 ㎛, 가장 바람직하게는 100 ㎚ ∼ 10 ㎛ 이다. 이 보호층에 의해 압전 소자의 형상을 형성할 수도 있다.
또, 노이즈 저감을 목적으로 하여 전자파 실드층을 끈목 구조에 도입하는 것도 가능하다. 전자파 실드층은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도전성의 물질을 코팅해도 되고, 도전성을 갖는 필름, 포백, 섬유 등을 감아도 된다. 전자파 실드층의 체적 저항률로는 10-1 Ω·㎝ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·㎝ 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·㎝ 이하이다. 단, 전자파 실드층의 효과가 얻어지는 것이면 저항률은 이것에 한정되지 않는다. 이 전자파 실드층은, 초의 압전성 섬유 (A) 의 표면에 형성해도 되고, 전술한 보호층의 외측에 형성해도 된다. 물론, 전자파 실드층과 보호층이 복수층 적층되어 있어도 되고, 그 순번도 목적에 따라 적절히 정해진다.
나아가서는, 압전성 섬유로 이루어지는 층을 복수층 형성하거나, 신호를 취출하기 위한 도전성 섬유로 이루어지는 층을 복수층 형성할 수도 있다. 물론, 이들 보호층, 전자파 실드층, 압전성 섬유로 이루어지는 층, 도전성 섬유로 이루어지는 층은, 그 목적에 따라, 그 순번 및 층수는 적절히 정해진다. 또한, 감는 방법으로는, 초부 (102) 의 더 외층에 끈목 구조를 형성하거나, 커버링하거나 하는 방법을 들 수 있다.
상기와 같이 압전성 구조체의 중심축측 및 외측에 도전체를 배치한 경우에는, 중심축측의 도전체와 외측의 도전체를 2 극의 전극으로 하여 압전성 고분자 (유전체) 를 사이에 끼운 콘덴서상의 압전 소자로 간주할 수 있다. 변형에 의해 압전성 구조체에 발생하는 분극에서 야기되는 전기 신호를 효과적으로 취출하기 위해, 이들 전극간의 절연 저항의 값으로는, 3 V 의 직류 전압으로 측정했을 때, 1 MΩ 이상인 것이 바람직하고, 10 MΩ 이상인 것이 보다 바람직하고, 100 MΩ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또, 이들 전극간에 1 ㎒ 의 교류 전압을 부여했을 때의 응답을 해석하여 얻어지는, 등가 직렬 저항의 값 Rs 및 등가 직렬 용량 Cs 의 값에 대해서도, 변형에 의해 압전성 구조체에 발생하는 분극에서 야기되는 전기 신호를 효과적으로 취출하고, 응답성을 양호하게 하기 위해, 특정한 값의 범위 내인 것이 바람직하다. 즉, Rs 의 값은 1 μΩ 이상 100 kΩ 이하가 바람직하고, 1 mΩ 이상 10 kΩ 이하가 보다 바람직하고, 1 mΩ 이상 1 kΩ 이하인 것이 더욱 바람직하고, Cs 의 값을 압전성 구조체의 중심축 방향의 길이 (㎝) 로 나눈 값으로서, 0.1 pF 이상 1000 pF 이하가 바람직하고, 0.2 pF 이상 100 pF 이하가 보다 바람직하고, 0.4 pF 이상 10 pF 이하가 더욱 바람직하다.
상기와 같이, 압전성 구조체와 전극으로 이루어지는 소자가 바람직한 상태에서 동작 가능한 경우, 이들 전극간에 1 ㎒ 의 교류 전압을 부여했을 때의 응답을 해석하여 얻어지는, 등가 직렬 저항의 값 Rs 및 등가 직렬 용량 Cs 의 값은 특정한 범위 내의 값을 취하므로, 이들 값을 압전성 구조체의 검사에 사용하는 것도 바람직하다. 또, 교류 전압에 의한 해석으로 얻어지는 Rs 및 Cs 의 값 뿐만 아니라, 그 밖의 전기적 자극에 대한 과도 응답을 해석함으로써 압전성 구조체의 검사를 실시할 수도 있다.
(작용)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (101) 는, 특히, 초부 (102) 로 형성되는 원통형의 압전성 구조체의 중심축 방향, 즉 도전성 섬유 (B) 에 대해 평행 방향으로 신축 변형 (응력) 을 부여했을 경우에 큰 전기 신호를 효율적으로 출력할 수 있다. 한편, 비틀림 변형이나 굽힘, 문지름 변형에 대해서는 큰 전기 신호를 출력하지 않는다.
여기서, 끈목상 압전 소자 (101) 에 부여하는 신축 변형으로는, 소자 중의 섬유가 소성 변형을 개시하는 변형량에 미치지 않는 범위에서 부여되는 것이 바람직하다. 그 변형량은 사용하는 섬유의 물성에 따른다. 단, 반복되는 사양을 상정하지 않는 용도에서는 이것에 한정되지 않는다.
(포백상 압전 소자)
도 5 는 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
포백상 압전 소자 (107) 는, 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (101) 를 포함하는 포백 (108) 을 구비하고 있다. 포백 (108) 은, 포백을 구성하는 섬유 (끈목을 포함한다) 의 적어도 1 개가 끈목상 압전 소자 (101) 이고, 끈목상 압전 소자 (101) 가 압전 소자로서의 기능을 발휘 가능한 한 전혀 한정은 없고, 어떠한 직편물이어도 된다. 포상으로 하는데 있어서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다른 섬유 (끈목을 포함한다) 와 조합하여, 교직, 교편 등을 실시해도 된다. 물론, 끈목상 압전 소자 (101) 를, 포백을 구성하는 섬유 (예를 들어, 경사나 위사) 의 일부로서 사용해도 되고, 끈목상 압전 소자 (101) 를 포백에 자수해도 되고, 접착해도 된다. 도 5 에 나타내는 예에서는, 포백상 압전 소자 (107) 는, 경사로서, 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (101) 및 절연성 섬유 (109) 를 배치하고, 위사로서 도전성 섬유 (110) 및 절연성 섬유 (109) 를 교대로 배치한 평직물이다. 도전성 섬유 (110) 는 도전성 섬유 (B) 와 동일종이어도 되고 이종의 도전성 섬유이어도 되고, 또 절연성 섬유 (109) 에 대해서는 후술된다. 또한, 절연성 섬유 (109) 및/또는 도전성 섬유 (110) 의 전부 또는 일부가 끈목 형태이어도 된다.
이 경우, 포백상 압전 소자 (107) 가 구부러지는 등을 하여 변형되었을 때, 그 변형에 수반하여 끈목상 압전 소자 (101) 도 변형되므로, 끈목상 압전 소자 (101) 로부터 출력되는 전기 신호에 의해, 포백상 압전 소자 (107) 의 변형을 검출할 수 있다. 그리고, 포백상 압전 소자 (107) 는, 포백 (직편물) 으로서 사용할 수 있으므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다.
또, 도 5 에 나타내는 포백상 압전 소자 (107) 에서는, 끈목상 압전 소자 (101) 에 도전성 섬유 (110) 가 교차하여 접촉하고 있다. 따라서, 도전성 섬유 (110) 는, 끈목상 압전 소자 (101) 의 적어도 일부와 교차하여 접촉하고, 그것을 덮고 있어, 외부로부터 끈목상 압전 소자 (101) 로 향하고자 하는 전자파의 적어도 일부를 차단하고 있다고 볼 수 있다. 이와 같은 도전성 섬유 (110) 은, 접지 (어스) 됨으로써, 끈목상 압전 소자 (101) 에 대한 전자파의 영향을 경감시키는 기능을 가지고 있다. 즉 도전성 섬유 (110) 는 끈목상 압전 소자 (101) 의 전자파 실드로서 기능할 수 있다. 그에 의해, 예를 들어 포백상 압전 소자 (107) 의 상하에 전자파 실드용의 도전성의 포백을 겹치지 않아도, 포백상 압전 소자 (107) 의 S/N 비를 현저하게 향상시킬 수 있다. 이 경우, 전자파 실드의 관점에서 끈목상 압전 소자 (101) 와 교차하는 위사 (도 5 의 경우) 에 있어서의 도전성 섬유 (110) 의 비율이 높을수록 바람직하다. 구체적으로는, 포백 (108) 을 형성하는 섬유이고 또한 끈목상 압전 소자 (101) 와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인 것이 바람직하고, 40 ％ 이상이 보다 바람직하고, 50 ％ 이상이 더욱 바람직하다. 이와 같이 포백상 압전 소자 (107) 에 있어서, 포백을 구성하는 섬유의 적어도 일부로서 도전성 섬유를 넣음으로써, 전자파 실드가 부여된 포백상 압전 소자 (107) 로 할 수 있다.
직물의 직조직으로는, 평직, 능직, 주자직 등의 삼원 조직, 변화 조직, 종이중직, 횡이중직 등의 편이중 조직, 종비로드 등이 예시된다. 편물의 종류는, 환편물 (위편물) 이어도 되고 경편물이어도 된다. 환편물 (위편물) 의 조직으로는, 평편, 고무편, 양면편, 펄편, 턱편, 부편, 편반편, 레이스편, 첨모편 등이 바람직하게 예시된다. 경편 조직으로는, 싱글 덴비편, 싱글 아틀라스편, 더블 코드편, 하프 트리콧편, 이모편, 쟈가드편 등이 예시된다. 층수도 단층이어도 되고, 2 층 이상의 다층이어도 된다. 나아가서는, 커트 파일 및/또는 루프 파일로 이루어지는 입모부와 지 (地) 조직부로 구성되는 입모 직물, 입모 편물이어도 된다.
(복수의 압전 소자)
또, 포백상 압전 소자 (107) 에서는, 끈목상 압전 소자 (101) 를 복수 나열하여 사용하는 것도 가능하다. 나열 방법으로는, 예를 들어 경사 또는 위사로서 모두에 끈목상 압전 소자 (101) 를 사용해도 되고, 몇 개마다나 일부분에 끈목상 압전 소자 (101) 를 사용해도 된다. 또, 어느 부분에서는 경사로서 끈목상 압전 소자 (101) 를 사용하고, 다른 부분에서는 위사로서 끈목상 압전 소자 (101) 를 사용해도 된다.
이와 같이 끈목상 압전 소자 (101) 를 복수개 나열하여 포백상 압전 소자 (107) 를 형성할 때에는, 끈목상 압전 소자 (101) 는 표면에 전극을 갖지 않기 때문에, 그 나열 방법, 뜨는 방법을 광범위하게 선택할 수 있다는 이점이 있다.
또, 끈목상 압전 소자 (101) 를 복수 나열하여 사용하는 경우, 도전성 섬유 (B) 간의 거리가 짧기 때문에 전기 신호의 취출에 있어서 효율적이다.
(절연성 섬유)
포백상 압전 소자 (107) 에서는, 끈목상 압전 소자 (101) (및 도전성 섬유 (110)) 이외의 부분에는, 절연성 섬유를 사용할 수 있다. 이 때, 절연성 섬유는 포백상 압전 소자 (107) 의 유연성을 향상시킬 목적으로 신축성이 있는 소재, 형상을 갖는 섬유를 사용할 수 있다.
이와 같이 끈목상 압전 소자 (101) (및 도전성 섬유 (110)) 이외에 이와 같이 절연성 섬유를 배치함으로써, 포백상 압전 소자 (107) 의 조작성 (예시 : 웨어러블 센서로서의 움직이기 쉬움) 을 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 절연성 섬유로는, 체적 저항률이 106 Ω·㎝ 이상이면 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 108 Ω·㎝ 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω·㎝ 이상이 바람직하다.
절연성 섬유로서 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등의 합성 섬유 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 이들에 한정되는 것은 아니며, 공지된 절연성 섬유를 임의로 사용할 수 있다. 또한 이들 절연성 섬유를 조합하여 사용해도 되고, 절연성을 갖지 않는 섬유와 조합하여, 전체적으로 절연성을 갖는 섬유로 해도 된다.
또, 공지된 모든 단면 형상의 섬유도 사용할 수 있다.
(압전 소자의 적용 기술)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (101) 나 포백상 압전 소자 (107) 와 같은 압전 소자는 어느 양태이어도, 끈목상 압전 소자의 중심축 방향의 신축 변형 (응력) 을 전기 신호로서 출력할 수 있으므로, 그 압전 소자에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는 센서 (디바이스) 로서 이용할 수 있다. 포백상 압전 소자 중의 끈목상 압전 소자의 배치 방법에 따라서는, 포백상 압전 소자가 굽힘, 비틀림, 가압 등의 변형이나 응력을 받았을 때에 끈목상 압전 소자가 신축 변형되도록 할 수 있으므로, 포백상 압전 소자의 굽힘, 비틀림, 가압 등의 변형이나 응력에 의해 전기 신호를 출력할 수도 있다. 또, 이 전기 신호를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원 혹은 축전하는 등, 발전 소자로서 사용할 수도 있다. 구체적으로는, 인간, 동물, 로봇, 기계 등 자발적으로 움직이는 것의 가동부에 사용하는 것에 의한 발전, 구두창, 깔개, 외부로부터 압력을 받는 구조물의 표면에서의 발전, 유체 중에서의 형상 변화에 의한 발전 등을 들 수 있다. 또, 유체 중에서의 형상 변화에 의해 전기 신호를 발하기 위해, 유체 중의 대전성 물질을 흡착시키거나 부착을 억제시키거나 할 수도 있다.
도 6 은, 본 발명의 압전 소자 (112) 를 구비하는 디바이스 (111) 를 나타내는 블록도이다. 디바이스 (111) 는, 압전 소자 (112) (예시 : 끈목상 압전 소자 (101), 포백상 압전 소자 (107)) 와, 임의 선택으로, 인가된 압력에 따라 압전 소자 (112) 의 출력 단자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭시키는 증폭 수단 (113), 당해 임의 선택의 증폭 수단 (113) 으로 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (114), 및 출력 수단 (114) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 에 송신하는 송신 수단 (115) 을 갖는 전기 회로를 구비한다. 이 디바이스 (111) 를 사용하면, 압전 소자 (112) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리로, 압전 소자에 인가된 끈목상 압전 소자의 중심축 방향의 신축 변형 (응력) 의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다.
임의 선택의 증폭 수단 (113), 출력 수단 (114), 및 송신 수단 (115) 은, 예를 들어 소프트웨어 프로그램 형식으로 구축되어도 되고, 혹은 각종 전자 회로와 소프트웨어 프로그램의 조합으로 구축되어도 된다. 예를 들어, 연산 처리 장치 (도시 생략) 에 당해 소프트웨어 프로그램이 인스톨되고, 연산 처리 장치가 당해 소프트웨어 프로그램에 따라 동작함으로써, 각 부의 기능을 실현한다. 또 혹은, 임의 선택의 증폭 수단 (113), 출력 수단 (114), 및 송신 수단 (115) 을, 이들 각 부의 기능을 실현하는 소프트웨어 프로그램을 기입한 반도체 집적 회로로서 실현해도 된다. 또한, 송신 수단 (115) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것, 유선에 의한 것으로 할지는, 구성하는 센서에 따라 적절히 결정하면 된다. 혹은, 디바이스 (111) 내에, 출력 수단 (114) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 압전 소자 (112) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다. 또, 증폭 수단 뿐만 아니라, 노이즈를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용해도 된다. 이들 수단의 접속 순서는 목적에 따라 적절히 바꿀 수 있다. 물론, 압전 소자 (112) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기에 송신한 후에 신호 처리해도 된다.
도 7 및 도 8 은, 실시형태에 관련된 끈목 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 7 및 도 8 의 증폭 수단 (113) 은, 도 6 을 참조하여 설명한 것에 상당하지만, 도 6 의 출력 수단 (114) 및 송신 수단 (115) 에 대해서는 도 7 및 도 8 에서는 도시를 생략하고 있다. 포백상 압전 소자 (107) 를 구비하는 디바이스를 구성하는 경우, 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 끈목상 압전 소자 (101) 의 심부 (103) (도전성 섬유 (B) 로 형성된다) 의 출력 단자로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속한 끈목상 압전 소자 (101) 와는 다른 끈목상 압전 소자 또는 도전성 섬유 (110) 를 접속한다. 예를 들어, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (107) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (101) 의 심부 (103) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (101) 에 교차하여 접촉한 도전성 섬유 (110) 를 접지 (어스) 한다. 또 예를 들어, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (107) 에 있어서 끈목상 압전 소자 (101) 를 복수 나열하고 있는 경우, 1 개의 끈목상 압전 소자 (101) 의 심부 (103) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속하고, 당해 끈목상 압전 소자 (101) 에 나열된 다른 끈목상 압전 소자 (101) 의 심부 (103) 로부터의 인출선을 접지 (어스) 한다.
끈목상 압전 소자 (101) 의 중심축 방향에 신축 변형이 생기면, 압전성 섬유 (A) 는 변형되어 분극이 발생한다. 압전성 섬유 (A) 의 분극에 의해 발생한 정부 (正負) 각 전하의 배열에 끌려, 끈목상 압전 소자 (101) 의 심부 (103) 를 형성하는 도전성 섬유 (B) 의 출력 단자로부터의 인출선 상에 있어서, 전하의 이동이 발생한다. 도전성 섬유 (B) 로부터의 인출선 상에 있어서의 전하의 이동은 미소한 전기 신호 (즉 전류 또는 전위차) 로서 나타난다. 요컨대, 끈목상 압전 소자 (101) 의 중심축의 방향 (압전성 고분자가 배치된 원통형의 중심축의 방향) 에 신축 변형이 부여되었을 때에 발생하는 전하에 따라, 출력 단자로부터 전기 신호가 출력된다. 증폭 수단 (113) 은 이 전기 신호를 증폭시키고, 출력 수단 (114) 은, 증폭 수단 (113) 으로 증폭된 전기 신호를 출력하고, 송신 수단 (115) 은, 출력 수단 (114) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 에 송신한다.
본 발명의 디바이스 (111) 는 유연성이 있고, 끈상 및 포백상 중 어느 형태로도 사용할 수 있기 때문에, 매우 광범위한 용도가 생각된다. 본 발명의 디바이스 (111) 의 구체적인 예로는, 모자나 장갑, 양말 등을 포함하는 착의, 서포터, 손수건상 등의 형상을 한 터치 패널, 인간이나 동물의 표면 감압 센서, 예를 들어, 장갑이나 밴드, 서포터 등의 형상을 한 관절부의 굽힘, 비틀림, 신축을 감지하는 센서를 들 수 있다. 예를 들어 인간에게 사용하는 경우에는, 접촉이나 움직임을 검출하여, 의료 용도 등의 관절 등의 움직임의 정보 수집, 어뮤즈먼트 용도, 상실된 조직이나 로봇을 움직이기 위한 인터페이스로서 사용할 수 있다. 그 밖에, 동물이나 인형을 본뜬 봉제 인형이나 로봇의 표면 감압 센서, 관절부의 굽힘, 비틀림, 신축을 감지하는 센서로서 사용할 수 있다. 그 밖에, 시트나 베개 등의 침구, 구두창, 장갑, 의자, 깔개, 봉투, 기 (旗) 등의 표면 감압 센서나 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 디바이스 (111) 는 끈목상 혹은 포백상이고, 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 (貼付) 혹은 피복함으로써 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 디바이스 (111) 는, 끈목상 압전 소자 (101) 의 표면을 문지르는 것만으로 충분한 전기 신호를 발생할 수 있기 때문에, 터치 센서와 같은 터치식 입력 장치나 포인팅 디바이스 등에 사용할 수 있다. 또, 끈목상 압전 소자 (101) 로 피계측물의 표면을 문지름으로써 피계측물의 높이 방향의 위치 정보나 형상 정보를 얻을 수 있으므로, 표면 형상 계측 등에 사용할 수 있다.
이하, 제 2 발명에 대해 상세하게 설명한다.
(끈목상 압전 소자)
제 2 발명에 관련된 끈목상 압전 소자에서는, 제 1 발명에 관련된 구조체에 있어서의 압전성 고분자가 원통형으로 배치되고, 당해 원통형의 중심축의 위치에 도전성 섬유로 이루어지는 도전체를 배치한 소자로서, 압전성 고분자가 압전성 섬유로서 도전성 섬유의 둘레에 끈목상으로 짜여져 배치된 소자를 사용할 수 있다. 이하, 제 2 발명에 관련된 끈목상 압전 소자에 대해 상세하게 설명한다.
도 10 은 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
끈목상 압전 소자 (201) 는, 도전성 섬유 (B) 로 형성된 심부 (203) 와, 심부 (203) 를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 형성된 초부 (202) 와, 초부 (202) 를 피복하는 도전층 (204) 을 구비하고 있다. 도전층 (204) 은 심부 (203) 의 도전성 섬유의 대극 (對極) 이 되는 전극으로서의 기능과, 심부 (203) 의 도전 섬유를 외부의 전자파로부터 차폐하고, 심부 (203) 의 도전성 섬유에 발생하는 노이즈 신호를 억제하는 실드로서의 기능을 동시에 갖는다.
도전층 (204) 에 의한 초부 (202) 의 피복률은 25 ％ 이상이 바람직하다. 여기서 피복률이란, 도전층 (204) 을 초부 (202) 에 투영했을 때의 도전층 (204) 에 포함되는 도전성 물질 (205) 의 면적과 초부 (202) 의 표면적의 비율이고, 그 값은 25 ％ 이상이 바람직하고, 50 ％ 이상이 보다 바람직하고, 75 ％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 도전층 (204) 의 피복률이 25 ％ 를 하회하면 노이즈 신호의 억제 효과가 충분히 발휘되지 않는 경우가 있다. 도전성 물질 (205) 이 도전층 (204) 의 표면에 노출되어 있지 않은 경우, 예를 들어 도전성 물질 (205) 을 내포하는 섬유를 도전층 (204) 으로서 사용하여 초부 (202) 를 피복하고 있는 경우에는, 그 섬유의 초부 (202) 에 투영했을 때의 면적과 초부 (202) 의 표면적의 비율을 피복률로 할 수 있다.
도전성 물질 (205) 이란, 도전층 (204) 에 포함되는 도전성 물질을 말하고, 공지된 모든 것이 해당한다.
끈목상 압전 소자 (201) 에서는, 적어도 1 개의 도전성 섬유 (B) 의 외주면을 다수의 압전성 섬유 (A) 가 치밀하게 둘러싸고 있다. 끈목상 압전 소자 (201) 에 변형이 생기면, 다수의 압전성 섬유 (A) 각각에 변형에 의한 응력이 생기고, 그에 의해 다수의 압전성 섬유 (A) 각각에 전기장이 생기며 (압전 효과), 그 결과, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 다수의 압전성 섬유 (A) 의 전기장을 중첩한 전압 변화가 도전성 섬유 (B) 에 생긴다. 즉 압전성 섬유 (A) 의 끈목상의 초부 (202) 를 사용하지 않는 경우와 비교하여 도전성 섬유 (B) 로부터의 전기 신호가 증대된다. 그에 의해, 끈목상 압전 소자 (201) 에서는, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 도전성 섬유 (B) 는 복수개이어도 된다.
끈목상 압전 소자 (201) 는, 제 2 발명의 목적을 달성한다는 관점에서는, 이후에 설명하는 심부 (203) 의 반경 Rc 에 대한 압전성 섬유로 이루어지는 층의 두께 d 의 비 d/Rc 의 특징 이외에는, 도 10 에 나타내는 구성을 갖는 것이면 되고 특별히 한정되지 않지만, 그 중심축 방향으로의 신축 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력한다는 관점에서는, 이하의 구성을 갖는 것이 바람직하다.
중심축 방향으로의 신축 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자 (201) 로는, 압전성 섬유 (A) 로서, 배향한 압전성 고분자를 원통형으로 배치한 구조체이고, 압전성 고분자가 배치된 원통형의 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도가 15°이상 75°이하, 바람직하게는 25°이상 65°이하, 보다 바람직하게는 35°이상 55°이하, 더욱 바람직하게는 40°이상 50°이하이고, 압전성 고분자는 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하인 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 구조체가 사용된다. 또한 그 압전성 고분자는, 압전 정수 d14 의 값이 정의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 그 구조체의 중심축이 1 ㎝ 의 길이를 갖는 부분에 대해, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP + SN) 과 (SP + ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하이고, 바람직하게는 0 이상 0.5 이하인 구조체이다.
이후에 설명하는 포백상 압전 소자에 있어서는, 상기의 중심축 방향으로의 신축 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자 (201) 와 함께, 중심축을 축으로 한 비틀림 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자를 사용할 수도 있다. 중심축을 축으로 한 비틀림 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자로는, 예를 들어, 압전성 섬유 (A) 로서, 배향한 압전성 고분자를 원통형으로 배치한 구조체이고, 압전성 고분자가 배치된 원통형의 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도가 0°이상 40°이하 또는 50°이상 90°이하이고, 압전성 고분자는 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하인 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 구조체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 그 압전성 고분자는, 압전 정수 d14 의 값이 정의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 그 구조체의 중심축이 1 ㎝ 의 길이를 갖는 부분에 대해, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP + SN) 과 (SP + ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0.8 초과 1.0 이하인, 그러한 구조체인 것이 보다 바람직하다.
또한, d14 의 값은 성형 조건이나 순도 및 측정 분위기에 따라 상이한 값을 나타내지만, 본 발명에 있어서는, 실제로 사용되는 압전성 고분자 중의 결정성 고분자의 결정화도 및 결정 배향도를 측정하고, 그것과 동등한 결정화도 및 결정 배향도를 갖는 1 축 연신 필름을 당해 결정성 고분자를 사용하여 제조하고, 그 필름의 d14 의 절대값이, 실제로 사용되는 온도에 있어서 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하인 값을 나타내면 되고, 본 실시형태의 압전성 고분자에 포함되는 결정성 고분자로는, 후술되는 특정한 결정성 고분자에는 한정되지 않는다. 필름 샘플의 d14 의 측정은 공지된 여러 가지 방법을 취할 수 있지만, 예를 들어 필름 샘플의 양면에 금속을 증착하여 전극으로 한 샘플을, 연신 방향에서 45 도 기울어진 방향으로 4 변을 갖는 장방형으로 잘라내고, 그 장척 방향에 인장 하중을 가했을 때에 양면의 전극에 발생하는 전하를 측정함으로써, d14 의 값을 측정할 수 있다.
본 발명의 압전성 섬유로서 주성분으로서 폴리락트산이 포함되는 섬유를 사용하는 경우, 폴리락트산 중의 락트산 유닛은 90 몰％ 이상인 것이 바람직하고, 95 몰％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 98 몰％ 이상이 더욱 바람직하다.
또한, 끈목상 압전 소자 (201) 에서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 초부 (202) 에서는 압전성 섬유 (A) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 되고, 심부 (203) 에서는 도전성 섬유 (B) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 된다.
도전성 섬유 (B) 의 심부 (203) 와, 끈목상의 압전성 섬유 (A) 의 초부 (202) 와, 초부 (202) 를 피복하는 도전층 (204) 으로 구성되는 끈목상 압전 소자의 길이는 특별히 한정은 없다. 예를 들어, 그 끈목상 압전 소자는 제조에 있어서 연속적으로 제조되고, 그 후에 필요한 길이로 절단하여 이용해도 된다. 끈목상 압전 소자의 길이는 1 ㎜ ∼ 10 m, 바람직하게는, 5 ㎜ ∼ 2 m, 보다 바람직하게는 1 ㎝ ∼ 1 m 이다. 길이가 지나치게 짧으면 섬유 형상인 편리성이 상실되고, 또, 길이가 지나치게 길면 도전성 섬유 (B) 의 저항값을 고려할 필요가 나올 것이다.
이하, 각 구성에 대해 상세하게 설명한다.
(도전성 섬유)
도전성 섬유 (B) 로는, 도전성을 나타내는 것이면 되고, 공지된 모든 것이 사용된다. 도전성 섬유 (B) 로는, 예를 들어, 금속 섬유, 도전성 고분자로 이루어지는 섬유, 탄소 섬유, 섬유상 혹은 입상의 도전성 필러를 분산시킨 고분자로 이루어지는 섬유, 혹은 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 섬유를 들 수 있다. 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성하는 방법으로는, 금속 코트, 도전성 고분자 코트, 도전성 섬유의 감기 등을 들 수 있다. 그 중에서도 금속 코트가 도전성, 내구성, 유연성 등의 관점에서 바람직하다. 금속을 코트하는 구체적인 방법으로는, 증착, 스퍼터, 전해 도금, 무전해 도금 등을 들 수 있지만 생산성 등의 관점에서 도금이 바람직하다. 이와 같은 금속이 도금된 섬유는 금속 도금 섬유라고 할 수 있다.
금속이 코트되는 베이스의 섬유로서, 도전성의 유무에 상관없이 공지된 섬유를 사용할 수 있고, 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등의 합성 섬유 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 베이스의 섬유는 이들에 한정되는 것은 아니며, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들 섬유를 조합하여 사용해도 된다.
베이스의 섬유에 코트되는 금속은 도전성을 나타내고, 본 발명의 효과를 발휘하는 한, 어느 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리 등, 및 이들의 혼합물이나 합금 등을 사용할 수 있다.
도전성 섬유 (B) 에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 접히는 경우가 매우 적고, 압전 소자를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.
도전성 섬유 (B) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트이어도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노 필라멘트이어도 된다. 멀티 필라멘트쪽이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다. 단, 도전성 섬유 (B) 의 섬도·개수란, 끈목을 제조할 때에 사용하는 심부 (203) 의 섬도·개수이고, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 1 개의 도전성 섬유 (B) 로 세는 것으로 한다. 여기서 심부 (203) 란, 도전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우에도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
섬유의 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유 (B) 의 단면 형상으로는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다.
또, 압전성 고분자로부터의 전기 출력을 효율적으로 취출하기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로는 10-1 Ω·㎝ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·㎝ 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·㎝ 이하이다. 단, 전기 신호의 검출로 충분한 강도가 얻어지는 것이면 도전성 섬유 (B) 의 저항률은 이것에 한정되지 않는다.
도전성 섬유 (B) 는, 본 발명의 용도에서, 반복되는 굽힘이나 비틀림과 같은 움직임에 대해 내성이 없으면 안 된다. 그 지표로는, 결절 강도가 보다 큰 것이 선호된다. 결절 강도는 JIS L1013 8.6 의 방법으로 측정할 수 있다. 본 발명에 적당한 결절 강도의 정도로는, 0.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 1.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 1.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 또, 다른 지표로는, 굽힘 강성이 보다 작은 것이 선호된다. 굽힘 강성은, 카토텍 (주) 제조 KES-FB2 순굽힘 시험기 등의 측정 장치로 측정되는 것이 일반적이다. 본 발명에 적당한 굽힘 강성의 정도로는, 토호 테낙스 (주) 제조의 탄소 섬유 "테낙스" (등록상표) HTS40-3K 보다 작은 편이 바람직하다. 구체적으로는, 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 바람직하고, 0.02 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.01 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 더욱 바람직하다.
(압전성 섬유)
압전성 섬유 (A) 의 재료인 압전성 고분자로는 폴리불화비닐리덴이나 폴리락트산과 같은 압전성을 나타내는 고분자를 이용할 수 있지만, 본 실시형태에서는 상기와 같이 압전성 섬유 (A) 는 주성분으로서 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 높은 결정성 고분자, 특히 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리락트산은, 예를 들어 용융 방사 후에 연신에 의해 용이하게 배향하여 압전성을 나타내고, 폴리불화비닐리덴 등에서 필요한 전계 배향 처리가 불필요한 점에서 생산성이 우수하다. 그러나 이러한 점은, 본 발명을 실시할 때 폴리불화비닐리덴 그 밖의 압전성 재료의 사용을 배제하는 것을 의도하는 것은 아니다.
폴리락트산으로는, 그 결정 구조에 의해, L-락트산, L-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-L-락트산, D-락트산, D-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-D-락트산, 또한 그들의 하이브리드 구조로 이루어지는 스테레오 컴플렉스 폴리락트산 등이 있지만, 압전성을 나타내는 것이면 모두 이용할 수 있다. 압전율의 높이의 관점에서 바람직하게는, 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산이다. 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산은 각각, 동일한 응력에 대해 분극이 반대가 되기 때문에, 목적에 따라 이들을 조합하여 사용할 수도 있다.
폴리락트산의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하고, 99.3 ％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 99.5 ％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 광학 순도가 99 ％ 미만이면 현저하게 압전율이 저하되는 경우가 있고, 압전성 섬유 (A) 의 형상 변화에 의해 충분한 전기 신호를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다. 특히, 압전성 섬유 (A) 는, 주성분으로서 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하고, 이들의 광학 순도가 99 ％ 이상인 것이 바람직하다.
폴리락트산을 주성분으로 하는 압전성 섬유 (A) 는, 제조시에 연신되고, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있다. 또한 압전성 섬유 (A) 는, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있을 뿐만 아니라, 폴리락트산의 결정을 포함하는 것임이 바람직하고, 1 축 배향한 폴리락트산의 결정을 포함하는 것임이 보다 바람직하다. 왜냐하면, 폴리락트산은 그 결정성이 높은 것 및 1 축 배향하고 있음으로써 보다 큰 압전성을 나타내고, d14 의 절대값이 높아지기 때문이다.
결정성 및 1 축 배향성은 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 Ao (％) 로 구해진다. 본 발명의 압전성 섬유 (A) 로는, 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 Ao (％) 가 하기 식 (1) 을 만족시키는 것이 바람직하다.
Xhomo × Ao × Ao ÷ 106 ≥ 0.26 (1)
상기 식 (1) 을 만족시키지 않는 경우, 결정성 및/또는 1 축 배향성이 충분하지 않고, 동작에 대한 전기 신호의 출력값이 저하되거나, 특정 방향의 동작에 대한 신호의 감도가 저하되거나 할 우려가 있다. 상기 식 (1) 의 좌변의 값은, 0.28 이상이 보다 바람직하고, 0.3 이상이 더욱 바람직하다. 여기서, 각각의 값은 하기에 따라 구한다.
호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo :
호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo 에 대해서는, 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의한 결정 구조 해석으로부터 구한다. 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에서는, 리가쿠 제조 ultrax18 형 X 선 회절 장치를 사용하여 투과법에 의해, 이하의 조건으로 샘플의 X 선 회절 도형을 이미징 플레이트에 기록한다.
X 선원 : Cu-Kα 선 (컨포칼 미러)
출력 : 45 ㎸ × 60 ㎃
슬릿 : 1st : 1 ㎜Φ, 2nd : 0.8 ㎜Φ
카메라 길이 : 120 ㎜
적산 시간 : 10 분
샘플 : 35 ㎎ 의 폴리락트산 섬유를 가지런히 모아서 3 ㎝ 의 섬유속으로 한다.
얻어지는 X 선 회절 도형에 있어서 방위각에 걸쳐 전체 산란 강도 Itotal 을 구하고, 여기서 2θ = 16.5°, 18.5°, 24.3°부근에 나타나는 호모 폴리락트산 결정에서 유래하는 각 회절 피크의 적분 강도의 총합 ΣIHMi 를 구한다. 이들 값으로부터 하기 식 (2) 에 따라, 호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo 를 구한다.
호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo (％) = ΣIHMi/Itotal × 100 (2)
또한, ΣIHMi 는, 전체 산란 강도에 있어서 백그라운드나 비정에 의한 산만 산란을 차감함으로써 산출한다.
(2) 결정 배향도 Ao :
결정 배향도 Ao 에 대해서는, 상기의 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의해 얻어지는 X 선 회절 도형에 있어서, 동경 방향의 2θ = 16.5°부근에 나타나는 호모 폴리락트산 결정에서 유래하는 회절 피크에 대해, 방위각 (°) 에 대한 강도 분포를 취하고, 얻어진 분포 프로파일의 반치폭의 총계 ΣWi (°) 로부터 다음 식 (3) 에서 산출한다.
결정 배향도 Ao (％) = (360 - ΣWi) ÷ 360 × 100 (3)
또한, 폴리락트산은 가수분해가 비교적 빠른 폴리에스테르이기 때문에, 내습열성이 문제가 되는 경우에 있어서는, 공지된 이소시아네이트 화합물, 옥사졸린 화합물, 에폭시 화합물, 카르보디이미드 화합물 등의 가수분해 방지제를 첨가해도 된다. 또, 필요에 따라 인산계 화합물 등의 산화 방지제, 가소제, 광열화 방지제 등을 첨가하여 물성 개량해도 된다.
압전성 섬유 (A) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트이어도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노 필라멘트이어도 된다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사경은 1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 2 ㎜, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 1 ㎜ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 그 단사경은 0.1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50 개 ∼ 50000 개, 더욱 바람직하게는 100 개 ∼ 20000 개이다. 단, 압전성 섬유 (A) 의 섬도나 개수에 대해서는, 끈목을 제조할 때의 캐리어 1 개당의 섬도, 개수이고, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 1 개의 압전성 섬유 (A) 로 세는 것으로 한다. 여기서, 캐리어 1 개 중에, 압전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우에도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유 (A) 로 하기 위해서는, 고분자로부터 섬유화하기 위한 공지된 수법을, 본 발명의 효과를 발휘하는 한 모두 채용할 수 있다. 예를 들어, 압전성 고분자를 압출 성형하여 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 용융 방사하여 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 건식 혹은 습식 방사에 의해 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 정전 방사에 의해 섬유화하는 수법, 필름을 형성한 후에 가늘게 커트하는 수법 등을 채용할 수 있다. 이들 방사 조건은, 채용하는 압전성 고분자에 따라 공지된 수법을 적용하면 되고, 통상은 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다. 또한 섬유를 형성 후에는 형성된 섬유를 연신한다. 그에 의해 1 축 연신 배향하고 또한 결정을 포함하는 큰 압전성을 나타내는 압전성 섬유 (A) 가 형성된다.
또, 압전성 섬유 (A) 는, 상기와 같이 제조된 것을 끈목으로 하기 전에, 염색, 연사, 합사, 열처리 등의 처리를 할 수 있다.
또한 압전성 섬유 (A) 는, 끈목을 형성할 때에 섬유끼리가 스쳐 단사되거나, 보풀이 나거나 하는 경우가 있기 때문에, 그 강도와 내마모성은 높은 편이 바람직하고, 강도는 1.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 2.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 3.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 내마모성은, JIS L1095 9.10.2 B 법 등으로 평가할 수 있고, 마찰 횟수는 100 회 이상이 바람직하고, 1000 회 이상인 것이 보다 바람직하고, 5000 회 이상인 것이 더욱 바람직하고, 10000 회 이상인 것이 가장 바람직하다. 내마모성을 향상시키기 위한 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 공지된 모든 방법을 사용할 수 있고, 예를 들어, 결정화도를 향상시키거나, 미립자를 첨가하거나, 표면 가공하거나 할 수 있다. 또, 끈목으로 가공할 때, 섬유에 윤활제를 도포하여 마찰을 저감시킬 수도 있다.
또, 압전성 섬유의 수축률은, 전술한 도전성 섬유의 수축률과의 차가 작은 것이 바람직하다. 수축률차가 크면, 끈목 제조 후나 포백 제조 후의 후처리 공정이나 실사용시에 열이 가해졌을 때나 시간 경과적 변화에 의해 끈목이 구부러지거나, 포백의 평탄성이 나빠지거나, 압전 신호가 약해져 버리는 경우가 있다. 수축률을 후술하는 비수 수축률로 정량화했을 경우, 압전성 섬유의 비수 수축률 S(p) 및 도전성 섬유의 비수 수축률 S(c) 가 하기 식 (4) 를 만족시키는 것이 바람직하다.
｜S(p) - S(c)｜ ≤ 10 (4)
상기 식 (4) 의 좌변은 5 이하인 것이 보다 바람직하고, 3 이하이면 더욱 바람직하다.
또, 압전성 섬유의 수축률은, 도전성 섬유 이외의 섬유, 예를 들어 절연성 섬유의 수축률과의 차도 작은 것이 바람직하다. 수축률차가 크면, 끈목 제조 후나 포백 제조 후의 후처리 공정이나 실사용시에 열이 가해졌을 때나 시간 경과적 변화에 의해 끈목이 구부러지거나, 포백의 평탄성이 나빠지거나, 압전 신호가 약해져 버리는 경우가 있다. 수축률을 비수 수축률로 정량화했을 경우, 압전성 섬유의 비수 수축률 S(p) 및 절연성 섬유의 비수 수축률 S(i) 가 하기 식 (5) 를 만족시키는 것이 바람직하다.
｜S(p) - S(i)｜ ≤ 10 (5)
상기 식 (5) 의 좌변은 5 이하인 것이 보다 바람직하고, 3 이하이면 더욱 바람직하다.
또, 압전성 섬유의 수축률은 작은 편이 바람직하다. 예를 들어 수축률을 비수 수축률로 정량화했을 경우, 압전성 섬유의 수축률은 15 ％ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 5 ％ 이하, 가장 바람직하게는 3 ％ 이하이다. 수축률을 낮추는 수단으로는, 공지된 모든 방법을 적용할 수 있고, 예를 들어, 열처리에 의해 비정부의 배향 완화나 결정화도를 높임으로써 수축률을 저감시킬 수 있고, 열처리를 실시하는 타이밍은 특별히 한정되지 않고, 연신 후, 연사 후, 끈목화 후, 포백화 후 등을 들 수 있다. 또한, 상기 서술한 비수 수축률은 이하의 방법으로 측정하는 것으로 한다. 프레임 둘레 1.125 m 의 검척기로 감는수 20 회의 실패를 만들고, 0.022 cN/dtex 의 하중을 가하여, 스케일판에 매달아 초기의 실패 길이 L0 을 측정하였다. 그 후, 이 실패를 100 ℃ 의 비등수욕 중에서 30 분간 처리 후, 방랭하고 다시 상기 하중을 가하여 스케일판에 매달아 수축 후의 실패 길이 L 을 측정하였다. 측정된 L0 및 L 을 사용하여 하기 식 (6) 에 의해 비수 수축률을 계산한다.
비수 수축률 = (L0 - L)/L0 × 100 (％) (6)
(피복)
도전성 섬유 (B), 즉 심부 (203) 는, 압전성 섬유 (A), 즉 끈목상의 초부 (202) 로 표면이 피복되어 있다. 도전성 섬유 (B) 를 피복하는 초부 (202) 의 두께는 1 ㎛ ∼ 10 ㎜ 인 것이 바람직하고, 5 ㎛ ∼ 5 ㎜ 인 것이 보다 바람직하고, 10 ㎛ ∼ 3 ㎜ 인 것이 더욱 바람직하다, 20 ㎛ ∼ 1 ㎜ 인 것이 가장 바람직하다. 지나치게 얇으면 강도의 점에서 문제가 되는 경우가 있고, 또, 지나치게 두꺼우면 끈목상 압전 소자 (201) 가 단단해져 잘 변형되지 않게 되는 경우가 있다. 또한, 여기서 말하는 초부 (202) 란 심부 (203) 에 인접하는 층을 가리킨다.
끈목상 압전 소자 (201) 에 있어서, 초부 (202) 의 압전성 섬유 (A) 의 총섬도는, 심부 (203) 의 도전성 섬유 (B) 의 총섬도의 1/2 배 이상, 20 배 이하인 것이 바람직하고, 1 배 이상, 15 배 이하인 것이 보다 바람직하고, 2 배 이상, 10 배 이하인 것이 더욱 바람직하다. 압전성 섬유 (A) 의 총섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 작으면, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 적어 도전성 섬유 (B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 도전성 섬유 (B) 가 근접하는 다른 도전성 섬유에 접촉할 우려가 있다. 압전성 섬유 (A) 의 총섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 크면, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 많아 끈목상 압전 소자 (201) 가 단단해져 잘 변형되지 않게 된다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (201) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
여기서 말하는 총섬도란, 초부 (202) 를 구성하는 압전성 섬유 (A) 모든 섬도의 합이며, 예를 들어, 일반적인 8 타 끈목의 경우에는, 8 개의 섬유의 섬도의 총합이 된다.
또, 끈목상 압전 소자 (201) 에 있어서, 초부 (202) 의 압전성 섬유 (A) 의 1 개당 섬도는, 도전성 섬유 (B) 의 총섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인 것이 바람직하고, 1/15 배 이상, 1.5 배 이하인 것이 보다 바람직하고, 1/10 배 이상, 1 배 이하인 것이 더욱 바람직하다. 압전성 섬유 (A) 1 개당 섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 작으면, 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 적어 도전성 섬유 (B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 압전성 섬유 (A) 가 절단될 우려가 있다. 압전성 섬유 (A) 1 개당 섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 크면, 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 굵어 끈목상 압전 소자 (201) 가 단단해져 잘 변형되지 않게 된다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (201) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
또한, 도전성 섬유 (B) 에 금속 섬유를 사용한 경우나, 금속 섬유를 도전성 섬유 (B) 혹은 압전성 섬유 (A) 에 혼섬한 경우에는, 섬도의 비율은 상기에 한정되지 않는다. 본 발명에 있어서, 상기 비율은, 접촉 면적이나 피복률, 즉, 면적 및 체적의 관점에서 중요하기 때문이다. 예를 들어, 각각의 섬유의 비중이 2 를 초과하는 경우에는, 섬유의 평균 단면적의 비율이 상기 섬도의 비율인 것이 바람직하다.
압전성 섬유 (A) 와 도전성 섬유 (B) 는 가능한 한 밀착되어 있는 것이 바람직하지만, 밀착성을 개량하기 위해, 도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 사이에 앵커층이나 접착층 등을 형성해도 된다.
피복의 방법은 도전성 섬유 (B) 를 심사로 하여, 그 둘레에 압전성 섬유 (A) 를 끈목상으로 감는 방법이 취해진다. 한편, 압전성 섬유 (A) 의 끈목의 형상은, 인가된 하중으로 생기는 응력에 대해 전기 신호를 출력할 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 심부 (203) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목이 바람직하다.
도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 의 형상으로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 가능한 한 동심원상에 가까운 것이 바람직하다. 또한, 도전성 섬유 (B) 로서 멀티 필라멘트를 사용하는 경우, 압전성 섬유 (A) 는, 도전성 섬유 (B) 의 멀티 필라멘트의 표면 (섬유 둘레면) 의 적어도 일부가 접촉하고 있도록 피복되어 있으면 되고, 멀티 필라멘트를 구성하는 모든 필라멘트 표면 (섬유 둘레면) 에 압전성 섬유 (A) 가 피복되어 있어도 되고, 피복되어 있지 않아도 된다. 도전성 섬유 (B) 의 멀티 필라멘트를 구성하는 내부의 각 필라멘트에 대한 압전성 섬유 (A) 의 피복 상태는, 압전성 소자로서의 성능, 취급성 등을 고려하여, 적절히 설정하면 된다.
(도전층)
도전층 (204) 은 심부 (203) 의 도전성 섬유의 대극이 되는 전극으로서의 기능과, 심부 (203) 의 도전성 섬유를 외부의 전자파로부터 차폐하고, 심부 (203) 의 도전성 섬유에 발생하는 노이즈 신호를 억제하는 실드로서의 기능을 동시에 가질 수 있다. 도전층 (204) 은 실드로서 기능하기 때문에, 접지 (어스 또는 전자 회로의 그라운드에 접속) 되는 것이 바람직하다. 그에 의해, 예를 들어 포백상 압전 소자 (207) 의 상하에 전자파 실드용의 도전성의 포백을 겹치지 않아도, 포백상 압전 소자 (207) 의 S/N 비 (신호 대 잡음비) 를 현저하게 향상시킬 수 있다. 도전층 (204) 의 양태로는, 코팅 외에, 필름, 포백, 섬유의 감기가 생각되고, 또 그것들을 조합해도 된다.
도전층 (204) 을 형성하는 코팅에는 도전성을 나타내는 물질을 포함하는 것이 사용되고 있으면 되고, 공지된 모든 것이 사용된다. 예를 들어, 금속, 도전성 고분자, 도전성 필러를 분산시킨 고분자를 들 수 있다.
도전층 (204) 을 필름의 감기에 의해 형성하는 경우에는, 도전성 고분자, 도전성 필러를 분산시킨 고분자를 제막하여 얻어지는 필름이 사용되고, 또 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 필름이 사용되어도 된다.
도전층 (204) 을 포백의 감기에 의해 형성하는 경우에는, 후술하는 도전성 섬유 (206) 를 구성 성분으로 하는 포백이 사용된다.
도전층 (204) 을 섬유의 감기에 의해 형성하는 경우, 그 수법으로는, 커버링, 편물, 조물이 생각된다. 또, 사용하는 섬유는, 도전성 섬유 (206) 이고, 도전성 섬유 (206) 는, 상기 도전성 섬유 (B) 와 동일종이어도 되고 이종의 도전성 섬유이어도 된다. 도전성 섬유 (206) 로는, 예를 들어, 금속 섬유, 도전성 고분자로 이루어지는 섬유, 탄소 섬유, 섬유상 혹은 입상의 도전성 필러를 분산시킨 고분자로 이루어지는 섬유, 혹은 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 섬유를 들 수 있다. 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성하는 방법으로는, 금속 코트, 도전성 고분자 코트, 도전성 섬유의 감기 등을 들 수 있다. 그 중에서도 금속 코트가 도전성, 내구성, 유연성 등의 관점에서 바람직하다. 금속을 코트하는 구체적인 방법으로는, 증착, 스퍼터, 전해 도금, 무전해 도금 등을 들 수 있지만 생산성 등의 관점에서 도금이 바람직하다. 이와 같은 금속이 도금된 섬유는 금속 도금 섬유라고 할 수 있다.
금속이 코트되는 베이스의 섬유로서, 도전성의 유무에 상관없이 공지된 섬유를 사용할 수 있고, 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등의 합성 섬유 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 베이스의 섬유는 이들에 한정되는 것은 아니며, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들 섬유를 조합하여 사용해도 된다.
베이스의 섬유에 코트되는 금속은 도전성을 나타내고, 본 발명의 효과를 발휘하는 한, 어느 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리 등, 및 이들의 혼합물이나 합금 등을 사용할 수 있다.
도전성 섬유 (206)에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 접히는 경우가 매우 적고, 압전 소자를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.
도전성 섬유 (206) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트이어도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노 필라멘트이어도 된다. 멀티 필라멘트쪽이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다.
섬유의 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유 (206) 의 단면 형상으로는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다.
또, 노이즈 신호의 억제 효과를 높이기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로는 10-1 Ω·㎝ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·㎝ 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·㎝ 이하이다. 단, 노이즈 신호의 억제 효과가 얻어지는 것이면 저항률은 이것에 한정되는 것은 아니다.
도전성 섬유 (206) 는, 본 발명의 용도에서, 반복되는 굽힘이나 비틀림과 같은 움직임에 대해 내성이 없으면 안 된다. 그 지표로는, 결절 강도가 보다 큰 것이 선호된다. 결절 강도는 JIS L1013 8.6 의 방법으로 측정할 수 있다. 본 발명에 적당한 결절 강도의 정도로는, 0.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 1.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 1.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 또, 다른 지표로는, 굽힘 강성이 보다 작은 것이 선호된다. 굽힘 강성은, 카토텍 (주) 제조 KES-FB2 순굽힘 시험기 등의 측정 장치로 측정되는 것이 일반적이다. 본 발명에 적당한 굽힘 강성의 정도로는, 토호 테낙스 (주) 제조의 탄소 섬유 "테낙스" (등록상표) HTS40-3K 보다 작은 편이 바람직하다. 구체적으로는, 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 바람직하고, 0.02 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.01 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또, 심부의 도전체와 전자파 실드층의 도전체를 2 극의 전극으로 하여 압전성 고분자 (유전체) 를 사이에 끼운 콘덴서상의 압전 소자로 간주할 수 있다. 변형에 의해 압전성 구조체에 발생하는 분극을 효과적으로 취출하기 위해, 이들 전극간의 절연 저항의 값으로는, 3 V 의 직류 전압으로 측정했을 때, 1 MΩ 이상인 것이 바람직하고, 10 MΩ 이상인 것이 보다 바람직하고, 100 MΩ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또, 이들 전극간에 1 ㎒ 의 교류 전압을 부여했을 때의 응답을 해석하여 얻어지는, 등가 직렬 저항의 값 Rs 및 등가 직렬 용량 Cs 의 값에 대해서도, 변형에 의해 압전성 구조체에 발생하는 분극을 효과적으로 취출하고, 응답성을 양호하게 하기 위해, 특정한 값의 범위 내인 것이 바람직하다. 즉, Rs 의 값은 1 μΩ 이상 100 kΩ 이하가 바람직하고, 1 mΩ 이상 10 kΩ 이하가 보다 바람직하고, 1 mΩ 이상 1 kΩ 이하인 것이 더욱 바람직하고, Cs 의 값을 압전성 구조체의 중심축 방향의 길이 (㎝) 로 나눈 값으로서, 0.1 pF 이상 1000 pF 이하가 바람직하고, 0.2 pF 이상 100 pF 이하가 보다 바람직하고, 0.4 pF 이상 10 pF 이하가 더욱 바람직하다.
상기와 같이, 압전성 섬유 (A) 와 전극으로 이루어지는 소자가 바람직한 상태에서 동작 가능한 경우, 이들 전극간에 1 ㎒ 의 교류 전압을 부여했을 때의 응답을 해석하여 얻어지는, 등가 직렬 저항의 값 Rs 및 등가 직렬 용량 Cs 의 값은 특정한 범위 내의 값을 취하므로, 이들 값을 끈목상 압전 소자의 검사에 사용하는 것도 바람직하다. 또, 교류 전압에 의한 해석으로 얻어지는 Rs 및 Cs 의 값 뿐만 아니라, 그 밖의 전압의 과도 응답을 해석함으로써 끈목상 압전 소자의 검사를 실시할 수도 있다.
(보호층)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (201) 의 최표면에는 보호층을 형성해도 된다. 이 보호층은 절연성인 것이 바람직하고, 플렉시블성 등의 관점에서 고분자로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 보호층에 절연성을 갖게 하는 경우에는, 물론, 이 경우에는 보호층마다 변형시키거나, 보호층 상을 문지르거나 하게 되지만, 이들 외력이 압전성 섬유 (A) 까지 도달하고, 그 분극을 야기할 수 있는 것이면 특별히 한정은 없다. 보호층으로는, 고분자 등의 코팅에 의해 형성되는 것에 한정되지 않고, 필름, 포백, 섬유 등을 감아도 되고, 혹은 그것들이 조합된 것이어도 된다.
보호층의 두께로는 가능한 한 얇은 편이, 전단 응력을 압전성 섬유 (A) 에 전달하기 쉽지만, 지나치게 얇으면 보호층 자체가 파괴되는 등의 문제가 발생하기 쉬워지기 때문에, 바람직하게는 10 ㎚ ∼ 200 ㎛, 보다 바람직하게는 50 ㎚ ∼ 50 ㎛, 더욱 바람직하게는 70 ㎚ ∼ 30 ㎛, 가장 바람직하게는 100 ㎚ ∼ 10 ㎛ 이다. 이 보호층에 의해 압전 소자의 형상을 형성할 수도 있다.
나아가서는, 압전성 섬유로 이루어지는 층을 복수층 형성하거나, 신호를 취출하기 위한 도전성 섬유로 이루어지는 층을 복수층 형성하거나 할 수도 있다. 물론, 이들 보호층, 압전성 섬유로 이루어지는 층, 도전성 섬유로 이루어지는 층은, 그 목적에 따라, 그 순번 및 층수는 적절히 정해진다. 또한, 감는 방법으로는, 초부 (202) 의 더 외층에 끈목 구조를 형성하거나, 커버링하거나 하는 방법을 들 수 있다.
본 발명의 끈목상 압전 소자 (201) 는, 전술한 압전 효과에 의한 전기 신호의 출력을 이용하여 변형이나 응력을 검출할 수 있는 것 외에, 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부의 도전성 섬유 (B) 와 도전층 (204) 사이의 정전 용량 변화를 계측함으로써, 끈목상 압전 소자 (201) 에 가해진 압력에 의한 변형을 검출하는 것도 가능해진다. 또한, 복수개의 끈목상 압전 소자 (201) 를 조합하여 사용하는 경우, 각각의 끈목상 압전 소자 (201) 의 도전층 (204) 간의 정전 용량 변화를 계측함으로써, 끈목상 압전 소자 (201) 에 가해진 압력에 의한 변형을 검출하는 것도 가능해진다.
(절연성 섬유)
포백상 압전 소자 (207) 에서는, 끈목상 압전 소자 (201) (및 도전성 섬유 (210)) 이외의 부분에는, 절연성 섬유를 사용할 수 있다. 이 때, 절연성 섬유는 포백상 압전 소자 (207) 의 유연성을 향상시킬 목적으로 신축성이 있는 소재, 형상을 갖는 섬유를 사용할 수 있다.
이와 같이 끈목상 압전 소자 (201) (및 도전성 섬유 (210) 이외에 이와 같이 절연성 섬유를 배치함으로써, 포백상 압전 소자 (207) 의 조작성 (예시 : 웨어러블 센서로서의 움직이기 쉬움) 을 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 절연성 섬유로는, 체적 저항률이 106 Ω·㎝ 이상이면 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 108 Ω·㎝ 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω·㎝ 이상이 바람직하다.
절연성 섬유로서 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등의 합성 섬유 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 이들에 한정되는 것은 아니며, 공지된 절연성 섬유를 임의로 사용할 수 있다. 또한 이들 절연성 섬유를 조합하여 사용해도 되고, 절연성을 갖지 않는 섬유와 조합하여, 전체적으로 절연성을 갖는 섬유로 해도 된다.
또, 공지된 모든 단면 형상의 섬유도 사용할 수 있다.
(제조 방법)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (201) 는 적어도 1 개의 도전성 섬유 (B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 피복하고 있지만, 그 제조 방법으로는 예를 들어 이하의 방법을 들 수 있다. 즉, 도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 를 다른 공정에서 제조하고, 도전성 섬유 (B) 에 압전성 섬유 (A) 를 끈목상으로 감아 피복하는 방법이다. 이 경우에는, 가능한 한 동심원상에 가까워지도록 피복하는 것이 바람직하다.
이 경우, 압전성 섬유 (A) 를 형성하는 압전성 고분자로서 폴리락트산을 사용하는 경우의 바람직한 방사, 연신 조건으로서, 용융 방사 온도는 150 ℃ ∼ 250 ℃ 가 바람직하고, 연신 온도는 40 ℃ ∼ 150 ℃ 가 바람직하고, 연신 배율은 1.1 배 내지 5.0 배가 바람직하고, 결정화 온도는 80 ℃ ∼ 170 ℃ 가 바람직하다.
도전성 섬유 (B) 에 감는 압전성 섬유 (A) 로는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다. 또, 압전성 섬유 (A) 를 감을 수 있는 도전성 섬유 (B) 로는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다.
피복의 바람직한 형태로는, 도전성 섬유 (B) 를 심사로 하고, 그 주위에 압전성 섬유 (A) 를 끈목상으로 제뉴하여, 환타 조물 (Tubular Braid) 을 제조함으로써 피복할 수 있다. 보다 구체적으로는 심부 (203) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목을 들 수 있다. 단, 예를 들어, 압전성 섬유 (A) 를 편조 튜브와 같은 형태로 하고, 도전성 섬유 (B) 를 심으로 하여 당해 편조 튜브에 삽입함으로써 피복해도 된다.
도전층 (204) 은, 코팅이나 섬유의 감기에 의해 제조되지만, 제조의 용이함의 관점에서, 섬유의 감기가 바람직하다. 섬유의 감기 방법으로는 커버링, 편물, 조물이 생각되고, 어느 방법에 의해 제조해도 된다.
이상과 같은 제조 방법에 의해, 도전성 섬유 (B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 피복하고, 또한 그 주위에 도전층 (204) 을 형성한 끈목상 압전 소자 (201) 를 얻을 수 있다.
여기서, 본 발명의 끈목상 압전 소자에서는, 심부의 직경과 압전성 섬유로 이루어지는 층 (초부) 의 두께의 관계가 매우 중요하다. 본 발명의 압전 소자는, 그대로 섬유상인 채로 사용되거나, 포백상으로 짜여지거나, 떠지거나 하는 것이지만, 사용시 및 가공시에 있어서 심부 신호선과 실드층 (도전층) 이 단락되어 버리는 경우가 있다. 본 발명자는 예의 검토한 결과, 심부의 반경 Rc 와 압전성 섬유로 이루어지는 층의 두께 d 가 d/Rc ≥ 1.0 의 관계일 필요가 있다.
끈목상 압전 소자를 곡률 R 로 구부렸을 경우에 소자의 중심이 기준선이 되어 구부러진다고 가정하면, 심부 표면의 변형률은,
(R + Rc)/R
이 된다. 예를 들어 곡률 반경 R = 2 ㎜ 의 경우에는 Rc = 0.2 ㎜ 의 경우에 변형률은 1.1 이고, 굽힘의 외측에서는 10 ％ 신장되고, 굽힘의 내측에서는 10 ％ 느슨해지게 된다. 이 때, 짜여져 있는 압전성 섬유로 이루어지는 층의 조목 (組目) 이 흐트러져 실드층을 형성하는 층과 심부의 신호선이 단락되어 버리는 경우가 있다. 여기서, 변형에 의해 압전성 섬유로 이루어지는 층이 흐트러졌다고 해도 실드층이 심부의 신호선과 단락되지 않기 위해서는, 압전성 섬유로 이루어지는 층의 두께가 심부와의 관계에서 이하의 조건을 만족시킬 필요가 있다.
끈목상 압전 소자의 실용상의 심부 표면의 변형은 20 ％ 정도로 억제하는 것이 바람직하고, 그 때문에, 심부의 굵기에 따라 거의 일의적 (一義的) 으로 실용상의 곡률 반경도 정해진다. 더 말하면 그 경우에 단락되지 않기 위한 압전성 섬유로 이루어지는 층의 두께도 거의 일의적으로 정해진다. 요컨대 Rc > R/20 인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 Rc > R/10 이다. 또한 d/Rc 는 1.0 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.2 이상이고, 더욱 바람직하게는 1.5 이상이다.
또, 압전성 섬유로 이루어지는 층은 압전성 섬유를 복수회 적층해도 된다. 복수회 적층하는 편이 동일한 두께이어도 잘 단락되지 않게 되는 경향이 있고, 적층 횟수를 n 으로 했을 경우에, d/Rc × n 은 0.8 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.0 이상이고, 더욱 바람직하게는 1.2 이상이다.
또한, 단락이라는 점에서는 압전성 섬유로 이루어지는 층의 두께는 두꺼운 편이 바람직하지만, 끈목상 압전 소자의 관점에서는 가는 편이 핸들링성이 양호하기 때문에, 실드층은 얇게 하는 것이 바람직하다.
여기서, 끈목상 압전 소자의 심부의 반경 Rc 와, 압전성 섬유로 이루어지는 층의 두께 d 는, 도 11 에 나타내는 단면의 현미경 촬영 화상으로부터 다음과 같이 산출한다. 또한, 단면의 관찰에 대해서는, 끈목상 압전 소자에 저점성의 순간 접착제 「아론알파 EXTRA2000」 (토아 합성) 을 스며들게 하여 고화 (固化) 시킨 후, 끈목의 장축에 수직인 단면을 잘라내어 단면 사진을 촬영해도 된다. 심부의 반경 Rc 는, 도 11-1 에 나타내는 바와 같이, 심부의 섬유속만으로 이루어지는 최대의 원 X 의 반경과, 그 섬유속을 완전히 포함하는 최소의 원 Y 의 반경의 평균값으로 한다. 압전성 섬유로 이루어지는 층의 두께 d 는, 도 11-2 에 나타내는 바와 같이, 그 심부를 포함하는 압전성 섬유의 섬유속만으로 이루어지는 최대의 원 X' 의 반경과, 그 섬유속을 완전히 포함하는 최소의 원 Y' 의 반경의 평균값으로부터, 당해 심부의 반경 Rc 를 차감한 값으로 한다.
(포백상 압전 소자)
도 12 는 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
포백상 압전 소자 (207) 는, 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (201) 를 포함하는 포백 (208) 을 구비하고 있다. 포백 (208) 은, 포백을 구성하는 섬유 (끈목을 포함한다) 의 적어도 1 개가 끈목상 압전 소자 (201) 이고, 끈목상 압전 소자 (201) 가 압전 소자로서의 기능을 발휘 가능한 한 전혀 한정은 없고, 어떠한 직편물이어도 된다. 포상으로 하는데 있어서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다른 섬유 (끈목을 포함한다) 와 조합하여, 교직, 교편 등을 실시해도 된다. 물론, 끈목상 압전 소자 (201) 를, 포백을 구성하는 섬유 (예를 들어, 경사나 위사) 의 일부로서 사용해도 되고, 끈목상 압전 소자 (201) 를 포백에 자수해도 되고, 접착해도 된다. 도 12 에 나타내는 예에서는, 포백상 압전 소자 (207) 는, 경사로서, 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (201) 및 절연성 섬유 (209) 를 배치하고, 위사로서 도전성 섬유 (210) 및 절연성 섬유 (209) 를 교대로 배치한 평직물이다. 도전성 섬유 (210) 는 도전성 섬유 (B) 와 동일종이어도 되고 이종의 도전성 섬유이어도 되고, 또 절연성 섬유 (209) 에 대해서는 후술된다. 또한, 절연성 섬유 (209) 및/또는 도전성 섬유 (210) 의 전부 또는 일부가 끈목 형태이어도 된다.
이 경우, 포백상 압전 소자 (207) 가 구부러지는 등을 하여 변형되었을 때, 그 변형에 수반하여 끈목상 압전 소자 (201) 도 변형되므로, 끈목상 압전 소자 (201) 로부터 출력되는 전기 신호에 의해, 포백상 압전 소자 (207) 의 변형을 검출할 수 있다. 그리고, 포백상 압전 소자 (207) 는, 포백 (직편물) 으로서 사용할 수 있으므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다.
또, 도 12 에 나타내는 포백상 압전 소자 (207) 에서는, 끈목상 압전 소자 (201) 에 도전성 섬유 (210) 가 교차하여 접촉하고 있다. 따라서, 도전성 섬유 (210) 는, 끈목상 압전 소자 (201) 의 적어도 일부와 교차하여 접촉하고, 그것을 덮고 있어, 외부로부터 끈목상 압전 소자 (201) 로 향하고자 하는 전자파의 적어도 일부를 차단하고 있다고 볼 수 있다. 이와 같은 도전성 섬유 (210) 는, 접지 (어스) 됨으로써, 끈목상 압전 소자 (201) 에 대한 전자파의 영향을 경감시키는 기능을 가지고 있다. 즉 도전성 섬유 (210) 는 끈목상 압전 소자 (201) 의 전자파 실드로서 기능할 수 있다. 그에 의해, 예를 들어 포백상 압전 소자 (207) 의 상하에 전자파 실드용의 도전성의 포백을 겹치지 않아도, 포백상 압전 소자 (207) 의 S/N 비를 현저하게 향상시킬 수 있다. 이 경우, 전자파 실드의 관점에서 끈목상 압전 소자 (201) 와 교차하는 위사 (도 12 의 경우) 에 있어서의 도전성 섬유 (210) 의 비율이 높을수록 바람직하다. 구체적으로는, 포백 (208) 을 형성하는 섬유이고 또한 끈목상 압전 소자 (201) 와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인 것이 바람직하고, 40 ％ 이상이 보다 바람직하고, 50 ％ 이상이 더욱 바람직하다. 이와 같이 포백상 압전 소자 (207) 에 있어서, 포백을 구성하는 섬유의 적어도 일부로서 도전성 섬유를 넣음으로써, 전자파 실드가 부여된 포백상 압전 소자 (207) 로 할 수 있다.
직물의 직조직으로는, 평직, 능직, 주자직 등의 삼원 조직, 변화 조직, 종이중직, 횡이중직 등의 편이중 조직, 종비로도 등이 예시된다. 편물의 종류는, 환편물 (위편물) 이어도 되고 경편물이어도 된다. 환편물 (위편물) 의 조직으로는, 평편, 고무편, 양면편, 펄편, 턱편, 부편, 편반편, 레이스편, 첨모편 등이 바람직하게 예시된다. 경편 조직으로는, 싱글 덴비편, 싱글 아틀라스편, 더블 코드편, 하프 트리콧편, 이모편, 쟈가드편 등이 예시된다. 층수도 단층이어도 되고, 2 층 이상의 다층이어도 된다. 나아가서는, 커트 파일 및/또는 루프 파일로 이루어지는 입모부와 지조직부로 구성되는 입모 직물, 입모 편물이어도 된다.
(복수의 압전 소자)
또, 포백상 압전 소자 (207) 에서는, 끈목상 압전 소자 (201) 를 복수 나열하여 사용하는 것도 가능하다. 나열 방법으로는, 예를 들어 경사 또는 위사로서 모두에 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용해도 되고, 몇 개마다나 일부분에 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용해도 된다. 또, 어느 부분에서는 경사로서 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용하고, 다른 부분에서는 위사로서 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용해도 된다.
이와 같이 끈목상 압전 소자 (201) 를 복수개 나열하여 포백상 압전 소자 (207) 를 형성할 때에는, 끈목상 압전 소자 (201) 는 표면에 전극을 갖지 않기 때문에, 그 나열 방법, 뜨는 방법을 광범위하게 선택할 수 있다는 이점이 있다.
또, 끈목상 압전 소자 (201) 를 복수 나열하여 사용하는 경우, 도전성 섬유 (B) 간의 거리가 짧기 때문에 전기 신호의 취출에 있어서 효율적이다.
(압전 소자의 적용 기술)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (201) 나 포백상 압전 소자 (207) 와 같은 압전 소자는 어느 양태이어도, 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화를 전기 신호로서 출력할 수 있으므로, 그 압전 소자에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는 센서 (디바이스) 로서 이용할 수 있다. 또, 이 전기 신호를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원 혹은 축전하는 등, 발전 소자로서 사용할 수도 있다. 구체적으로는, 인간, 동물, 로봇, 기계 등 자발적으로 움직이는 것의 가동부에 사용하는 것에 의한 발전, 구두창, 깔개, 외부로부터 압력을 받는 구조물의 표면에서의 발전, 유체 중에서의 형상 변화에 의한 발전 등을 들 수 있다. 또, 유체 중에서의 형상 변화에 의해 전기 신호를 발하기 위해, 유체 중의 대전성 물질을 흡착시키거나 부착을 억제시키거나 할 수도 있다.
도 6 은, 본 발명의 압전 소자 (112) 를 구비하는 디바이스 (111) 를 나타내는 블록도이다. 디바이스 (111) 는, 압전 소자 (112) (예시 : 끈목상 압전 소자 (201), 포백상 압전 소자 (207)) 와, 임의 선택으로, 인가된 압력에 따라 압전 소자 (112) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭시키는 증폭 수단 (113) 과, 당해 임의 선택의 증폭 수단 (113) 으로 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (114), 및 출력 수단 (114) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 에 송신하는 송신 수단 (115) 을 갖는 전기 회로를 구비한다. 이 디바이스 (111) 를 사용하면, 압전 소자 (112) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리로, 압전 소자에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다.
임의 선택의 증폭 수단 (113), 출력 수단 (114), 및 송신 수단 (115) 은, 예를 들어 소프트웨어 프로그램 형식으로 구축되어도 되고, 혹은 각종 전자 회로와 소프트웨어 프로그램의 조합으로 구축되어도 된다. 예를 들어, 연산 처리 장치 (도시 생략) 에 당해 소프트웨어 프로그램이 인스톨되고, 연산 처리 장치가 당해 소프트웨어 프로그램에 따라 동작함으로써, 각 부의 기능을 실현한다. 또 혹은, 임의 선택의 증폭 수단 (113), 출력 수단 (114), 및 송신 수단 (115) 을, 이들 각 부의 기능을 실현하는 소프트웨어 프로그램을 기입한 반도체 집적 회로로서 실현해도 된다. 또한, 송신 수단 (115) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 구성하는 센서에 따라 적절히 결정하면 된다. 혹은, 디바이스 (111) 내에, 출력 수단 (114) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 압전 소자 (112) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다.
또, 증폭 수단 뿐만 아니라, 노이즈를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 수단의 접속의 순서는 목적에 따라 적절히 바꿀 수 있다. 물론, 압전 소자 (112) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기에 송신한 후에 신호 처리해도 된다.
도 13 은, 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 13 의 증폭 수단 (113) 은, 도 6 을 참조하여 설명한 것에 상당하지만, 도 6 의 출력 수단 (114) 및 송신 수단 (115) 에 대해서는 도 13 에서는 도시를 생략하고 있다. 끈목상 압전 소자 (201) 를 구비하는 디바이스를 구성하는 경우, 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 끈목상 압전 소자 (201) 의 도전층 (204) 을 접속한다. 예를 들어, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 끈목상 압전 소자 (201) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (201) 의 도전층 (204) 을 접지 (어스) 한다.
도 14 ∼ 도 16 은, 실시형태에 관련된 끈목 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 14 ∼ 도 16 의 증폭 수단 (113) 은, 도 6 을 참조하여 설명한 것에 상당하지만, 도 6 의 출력 수단 (114) 및 송신 수단 (115) 에 대해서는 도 14 ∼ 도 16 에서는 도시를 생략하고 있다. 포백상 압전 소자 (207) 를 구비하는 디바이스를 구성하는 경우, 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) (도전성 섬유 (B) 로 형성된다) 로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 끈목상 압전 소자 (201) 의 도전층 (204) 또는 포백상 압전 소자 (207) 의 도전성 섬유 (210) 또는 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속한 끈목상 압전 소자 (201) 와는 다른 끈목상 압전 소자를 접속한다. 예를 들어, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (207) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (201) 의 도전층 (204) 을 접지 (어스) 한다. 또 예를 들어, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (207) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (201) 에 교차하여 접촉한 도전성 섬유 (210) 를 접지 (어스) 한다. 또 예를 들어, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (207) 에 있어서 끈목상 압전 소자 (201) 를 복수 나열하고 있는 경우, 1 개의 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속하고, 당해 끈목상 압전 소자 (201) 에 나열된 다른 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 로부터의 인출선을 접지 (어스) 한다.
끈목상 압전 소자 (201) 에 변형이 생기면, 압전성 섬유 (A) 는 변형되어 분극이 발생한다. 압전성 섬유 (A) 의 분극에 의해 발생한 정부 각 전하의 배열에 끌려, 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 를 형성하는 도전성 섬유 (B) 로부터의 인출선 상에 있어서, 전하의 이동이 발생한다. 도전성 섬유 (B) 로부터의 인출선 상에 있어서의 전하의 이동은 미소한 전기 신호 (즉 전류) 의 흐름으로서 나타난다. 증폭 수단 (113) 은, 이 전기 신호를 증폭시키고, 출력 수단 (114) 은, 증폭 수단 (113) 으로 증폭된 전기 신호를 출력하고, 송신 수단 (115) 은, 출력 수단 (114) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 에 송신한다.
본 발명의 디바이스 (111) 는 유연성이 있고, 끈상 및 포백상 중 어느 형태로도 사용할 수 있기 때문에, 매우 광범위한 용도가 생각된다. 본 발명의 디바이스 (111) 의 구체적인 예로는, 모자나 장갑, 양말 등을 포함하는 착의, 서포터, 손수건상 등의 형상을 한 터치 패널, 인간이나 동물의 표면 감압 센서, 예를 들어, 장갑이나 밴드, 서포터 등의 형상을 한 관절부의 굽힘, 비틀림, 신축을 감지하는 센서를 들 수 있다. 예를 들어 인간에게 사용하는 경우에는, 접촉이나 움직임을 검출하여, 의료 용도 등의 관절 등의 움직임의 정보 수집, 어뮤즈먼트 용도, 상실된 조직이나 로봇을 움직이기 위한 인터페이스로서 사용할 수 있다. 그 밖에, 동물이나 인형을 본뜬 봉제 인형이나 로봇의 표면 감압 센서, 관절부의 굽힘, 비틀림, 신축을 감지하는 센서로서 사용할 수 있다. 그 밖에, 시트나 베개 등의 침구, 구두창, 장갑, 의자, 깔개, 봉투, 기 등의 표면 감압 센서나 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 디바이스 (111) 는 끈목상 혹은 포백상이고, 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 디바이스 (111) 는, 끈목상 압전 소자 (201) 의 표면을 문지르는 것만으로 충분한 전기 신호를 발생할 수 있기 때문에, 터치 센서와 같은 터치식 입력 장치나 포인팅 디바이스 등에 사용할 수 있다. 또, 끈목상 압전 소자 (201) 로 피계측물의 표면을 문지름으로써 피계측물의 높이 방향의 위치 정보나 형상 정보를 얻을 수 있으므로, 표면 형상 계측 등에 사용할 수 있다.
이하, 제 3 발명에 대해 상세하게 설명한다.
(끈목상 압전 소자)
제 3 발명에 관련된 끈목상 압전 소자에서는, 제 1 발명에 관련된 구조체에 있어서의 압전성 고분자가 원통형으로 배치되고, 당해 원통형의 중심축의 위치에 도전성 섬유로 이루어지는 도전체를 배치한 소자로서, 압전성 고분자가 압전성 섬유로서 도전성 섬유의 둘레에 끈목상으로 짜여져 배치된 소자를 사용할 수 있다. 이하, 제 3 발명에 관련된 끈목상 압전 소자에 대해 상세하게 설명한다.
도 10 은 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
끈목상 압전 소자 (201) 는, 도전성 섬유 (B) 로 형성된 심부 (203) 와, 심부 (203) 를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 형성된 초부 (202) 와, 초부 (202) 를 피복하는 도전층 (204) 을 구비하고 있다. 도전층 (204) 은 심부 (203) 의 도전성 섬유의 대극이 되는 전극으로서의 기능과, 심부 (203) 의 도전성 섬유를 외부의 전자파로부터 차폐하고, 심부 (203) 의 도전성 섬유에 발생하는 노이즈 신호를 억제하는 실드로서의 기능을 동시에 갖는다.
도전층 (204) 에 의한 초부 (202) 의 피복률은 25 ％ 이상이 바람직하다. 여기서 피복률이란, 도전층 (204) 을 초부 (202) 에 투영했을 때의 도전층 (204) 에 포함되는 도전성 물질 (205) 의 면적과 초부 (202) 의 표면적의 비율이고, 그 값은 25 ％ 이상이 바람직하고, 50 ％ 이상이 보다 바람직하고, 75 ％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 도전층 (204) 의 피복률이 25 ％ 를 하회하면 노이즈 신호의 억제 효과가 충분히 발휘되지 않는 경우가 있다. 도전성 물질 (205) 이 도전층 (204) 의 표면에 노출되어 있지 않은 경우, 예를 들어 도전성 물질 (205) 을 내포하는 섬유를 도전층 (204) 으로서 사용하여 초부 (202) 를 피복하고 있는 경우에는, 그 섬유의 초부 (202) 에 투영했을 때의 면적과 초부 (202) 의 표면적의 비율을 피복률로 할 수 있다.
도전성 물질 (205) 이란, 도전층 (204) 에 포함되는 도전성 물질을 말하고, 공지된 모든 것이 해당한다.
끈목상 압전 소자 (201) 에서는, 적어도 1 개의 도전성 섬유 (B) 의 외주면을 다수의 압전성 섬유 (A) 가 치밀하게 둘러싸고 있다. 끈목상 압전 소자 (201) 에 변형이 생기면, 다수의 압전성 섬유 (A) 각각에 변형에 의한 응력이 생기고, 그에 의해 다수의 압전성 섬유 (A) 각각에 전기장이 생기며 (압전 효과), 그 결과, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 다수의 압전성 섬유 (A) 의 전기장을 중첩한 전압 변화가 도전성 섬유 (B) 에 생긴다. 즉 압전성 섬유 (A) 의 끈목상의 초부 (202) 를 사용하지 않는 경우와 비교하여 도전성 섬유 (B) 로부터의 전기 신호가 증대된다. 그에 의해, 끈목상 압전 소자 (201) 에서는, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 도전성 섬유 (B) 는 복수개이어도 된다.
끈목상 압전 소자 (201) 는, 제 3 발명의 목적을 달성한다는 관점에서는 도 10 에 나타내는 구성을 갖는 것이면 되고 특별히 한정되지 않지만, 그 중심축 (도 1 중의 CL) 방향으로의 신축 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력한다는 관점에서는, 이하의 구성을 갖는 것이 바람직하다.
(신축 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자)
중심축 방향으로의 신축 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자 (201) 로는, 압전성 섬유 (A) 로서, 1 축 배향한 고분자의 성형체이고, 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하인 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 압전성 고분자를 사용할 수 있다. 본 발명에 있어서 「주성분으로서 포함하는」 이란, 구성 성분의 50 질량％ 이상을 차지하는 것을 가리킨다. 또, 본 발명에 있어서 결정성 고분자란, 1 질량％ 이상의 결정부와, 결정부 이외의 비정부로 이루어지는 고분자이고, 결정성 고분자의 질량이란 결정부와 비정부를 합계한 질량이다. 또한, d14 의 값은 성형 조건이나 순도 및 측정 분위기에 따라 상이한 값을 나타내지만, 본 발명에 있어서는, 실제로 사용되는 압전성 고분자 중의 결정성 고분자의 결정화도 및 결정 배향도를 측정하고, 그것과 동등한 결정화도 및 결정 배향도를 갖는 1 축 연신 필름을 당해 결정성 고분자를 사용하여 제조하고, 그 필름의 d14 의 절대값이, 실제로 사용되는 온도에 있어서 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하의 값을 나타내면 되고, 본 실시형태의 압전성 고분자에 포함되는 결정성 고분자로는, 후술되는 특정한 결정성 고분자에는 한정되지 않는다. 필름 샘플의 d14 의 측정은 공지된 여러 가지 방법을 취할 수 있지만, 예를 들어 필름 샘플의 양면에 금속을 증착하여 전극으로 한 샘플을, 연신 방향에서 45 도 기울어진 방향으로 4 변을 갖는 장방형으로 잘라내고, 그 장척 방향에 인장 하중을 가했을 때에 양면의 전극에 발생하는 전하를 측정함으로써, d14 의 값을 측정할 수 있다.
또, 중심축 방향으로의 신축 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자 (201) 에 있어서는, 중심축의 방향과 압전성 고분자의 배향 방향이 이루는 각도 (배향 각도 θ) 는 15°이상 75°이하이다. 이 조건을 만족시킬 때, 끈목상 압전 소자 (201) 에 대해 중심축 방향의 신축 변형 (인장 응력 및 압축 응력) 을 부여함으로써, 압전성 고분자에 포함되는 결정성 고분자의 압전 정수 d14 에 대응하는 압전 효과를 효율적으로 이용하여, 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축측과 외측에 효율적으로 역극성 (역부호) 의 전하를 발생시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 배향 각도 θ 는 25°이상 65°이하인 것이 바람직하고, 35°이상 55°이하인 것이 보다 바람직하고, 40°이상 50°이하인 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이 압전성 고분자를 배치하면, 압전성 고분자의 배향 방향은 나선을 그리게 된다.
또, 이와 같이 압전성 고분자를 배치함으로써, 끈목상 압전 소자 (201) 의 표면을 문지르는 것과 같은 전단 변형이나, 중심축을 구부리는 것과 같은 굽힘 변형이나, 중심축을 축으로 한 비틀림 변형에 대해서는 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축측과 외측에는 큰 전하를 발생시키지 않게 하는, 즉 중심축 방향의 신축에 대해 선택적으로 큰 전하를 발생시키는 끈목상 압전 소자 (201) 로 할 수 있다.
배향 각도 θ 는, 가능한 한 하기 방법으로 측정한다. 끈목상 압전 소자 (201) (도 3 중의 압전성 구조체 (1) 에 상당) 의 측면 사진을 촬영하고, 압전성 고분자 (2) 의 나선 피치 (HP) 를 측정한다. 나선 피치 (HP) 는 도 3 과 같이, 1 개의 압전성 고분자 (2) 가 표면으로부터 이면을 돌아 다시 표면에 올 때까지 필요로 한, 중심축 방향의 직선 거리이다. 또, 필요에 따라 접착제로 구조를 고정 후에, 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축에 수직인 단면을 잘라내어 사진을 촬영하고, 초부 (202) 가 차지하는 부분의 외측 반경 Ro 및 내측 반경 Ri 를 측정한다. 단면의 외측 가장자리 및 내측 가장자리가 타원형이나 편평한 원형인 경우에는, 장경과 단경의 평균값을 Ro 및 Ri 로 한다. 하기 식으로부터 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 를 계산한다.
θ = arctan(2πRm/HP)(0°≤ θ ≤ 90°)
단 Rm = 2(Ro3 - Ri3)/3(Ro2 - Ri2), 즉 단면적으로 가중 평균한 끈목상 압전 소자 (201) 의 반경이다.
끈목상 압전 소자 (201) 의 측면 사진에 있어서 압전성 고분자가 균일한 표면을 가지고 있어, 압전성 고분자의 나선 피치를 판별할 수 없는 경우에는, 접착제 등으로 고정시킨 끈목상 압전 소자 (201) 를 중심축을 지나는 평면으로 할단하고, 할단면에 수직인 방향으로, 중심축을 지나도록 충분히 좁은 범위에서 X 선을 투과하도록 광각 X 선 회절 분석을 실시하고, 배향 방향을 결정하여 중심축과의 각도를 취하고, θ 로 한다.
본 발명에 관련된 끈목상 압전 소자 (201) 에서는, 압전성 고분자의 배향 방향을 따라 그려지는 나선에 대해, 나선 방향 (S 꼬임 방향 또는 Z 꼬임 방향) 이나 나선 피치를 상이하게 하는 2 개 이상의 나선이 동시에 존재하는 경우가 있지만, 각각의 나선 방향 및 나선 피치의 압전성 고분자에 대해 각각 상기 측정을 실시하여, 어느 하나의 나선 방향 및 나선 피치의 압전성 고분자가 전술한 조건을 만족시키는 것이 필요하다.
중심축 방향의 신축 변형에 대해 중심축측과 외측에 발생하는 전하의 극성은, 압전성 고분자의 배향 방향을 S 꼬임의 나선을 따라 배치했을 경우와, 동일한 압전성 고분자의 배향 방향을 Z 꼬임의 나선을 따라 배치했을 경우에서는, 서로 반대의 극성이 된다. 이 때문에, 압전성 고분자의 배향 방향을 S 꼬임의 나선을 따라 배치함과 동시에 Z 꼬임의 나선을 따라 배치한 경우에는, 신축 변형에 대한 발생 전하가 S 꼬임 방향과 Z 꼬임 방향에서 서로 없어져 효율적으로 이용할 수 없기 때문에, 바람직하지 않다. 따라서, 상기의 압전성 고분자는, 압전 정수 d14 의 값이 정의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축이 1 ㎝ 인 길이를 갖는 부분에 대해, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP + SN) 과 (SP + ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하이고, 바람직하게는 0 이상 0.5 이하이다.
(비틀림 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자)
이후에 설명하는 포백상 압전 소자에 있어서는, 상기의 중심축 방향으로의 신축 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자와 함께, 중심축을 축으로 한 비틀림 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자를 사용할 수도 있다. 중심축을 축으로 한 비틀림 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자로는, 상기와 동일하게, 예를 들어, 압전성 섬유 (A) 로서, 1 축 배향한 고분자의 성형체이고, 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하인 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 압전성 고분자를 사용할 수 있다. 또, 중심축을 축으로 한 비틀림 변형에 대해 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자 (201) 에 있어서는, 중심축의 방향과 압전성 고분자의 배향 방향이 이루는 각도 θ 는 0°이상 40°이하 또는 50°이상 90°이하인 것이 바람직하다. 이 조건을 만족시킬 때, 끈목상 압전 소자 (201) 에 대해 중심축을 축으로 한 비틀림 변형 (비틀림 응력) 을 부여함으로써, 압전성 고분자에 포함되는 결정성 고분자의 압전 정수 d14 에 대응하는 압전 효과를 효율적으로 이용하여, 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축측과 외측에 효율적으로 역극성의 전하를 발생시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 는 0°이상 35°이하 또는 55°이상 90°이하인 것이 바람직하고, 0°이상 30°이하 또는 60°이상 90°이하인 것이 보다 바람직하고, 0°이상 25°이하 또는 65°이상 90°이하인 것이 더욱 바람직하다. 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 가 0°을 초과하고 90°미만인 경우에는, 압전성 고분자의 배향 방향은 나선을 그리게 된다.
또, 이와 같이 압전성 고분자를 배치함으로써, 끈목상 압전 소자 (201) 의 표면을 문지르는 것과 같은 전단 변형이나, 중심축을 구부리는 것과 같은 굽힘 변형이나, 중심축 방향의 신축 변형에 대해서는 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축측과 외측에는 큰 전하를 발생시키지 않게 하는, 즉 중심축을 축으로 한 비틀림에 대해 선택적으로 큰 전하를 발생시키는 끈목상 압전 소자 (201) 로 할 수 있다.
압전성 고분자의 배향 방향이 나선을 이루는 경우, 나선 방향 (S 꼬임 방향 또는 Z 꼬임 방향) 이 어느 쪽일지는, 비틀림 변형에 대해 발생하는 전하의 극성에 영향을 미치지 않는다. 단, 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 가 0°이상 40°이하인 경우와, 50°이상 90°이하인 경우에서는, 비틀림 변형에 대해 발생하는 전하의 극성이 역전된다. 또, 폴리-L-락트산과 폴리-D-락트산과 같이, d14 의 부호가 서로 상이한 결정성 고분자를 포함하는 압전성 고분자도, 비틀림 변형에 대해 발생하는 전하의 극성이 역전된다. 따라서, 비틀림 변형에 대해 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축측과 외측에 효율적으로 역극성의 전하를 발생시키기 위해서는, d14 의 부호가 동일한 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 압전성 고분자만을 사용하고, 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 는 0°이상 40°이하 또는 50°이상 90°이하 중 어느 쪽만으로 맞추는 것이 바람직하다.
신축 변형에 대해 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축측과 외측에는 큰 전하를 발생시키지 않게 하는 관점에서, 상기의 압전성 고분자는, 압전 정수 d14 의 값이 정의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 끈목상 압전 소자 (201) 의 중심축이 1 ㎝ 인 길이를 갖는 부분에 대해, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP + SN) 과 (SP + ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0.8 초과, 특히 0.8 초과 1.0 이하인 것이 보다 바람직하고, 또한 0.9 초과인 것이 바람직하다. 여기서 상기의 T1/T2 의 값을 만족시키지 않는 경우에도, 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 가 0°이상 10°이하, 또는 80°이상 90°이하인 경우에는, 10°초과 80°미만인 경우에 비해 신축 변형에 대해 발생하는 전하량이 작아지는 결과, 비틀림 변형에 대해 선택적으로 전기 신호를 발생시킬 수 있어 바람직하다.
본 발명의 압전성 섬유로서 주성분으로서 폴리락트산이 포함되는 섬유를 사용하는 경우, 폴리락트산 중의 락트산 유닛은 90 몰％ 이상인 것이 바람직하고, 95 몰％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 98 몰％ 이상이 더욱 바람직하다.
또한, 끈목상 압전 소자 (201) 에서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 초부 (202) 에서는 압전성 섬유 (A) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 되고, 심부 (203) 에서는 도전성 섬유 (B) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 된다.
도전성 섬유 (B) 의 심부 (203) 와, 끈목상의 압전성 섬유 (A) 의 초부 (202) 와, 초부 (202) 를 피복하는 도전층 (204) 으로 구성되는 끈목상 압전 소자의 길이는 특별히 한정은 없다. 예를 들어, 그 끈목상 압전 소자는 제조에 있어서 연속적으로 제조되고, 그 후에 필요한 길이로 절단하여 이용해도 된다. 끈목상 압전 소자의 길이는 1 ㎜ ∼ 10 m, 바람직하게는, 5 ㎜ ∼ 2 m, 보다 바람직하게는 1 ㎝ ∼ 1 m 이다. 길이가 지나치게 짧으면 섬유 형상인 편리성이 상실되고, 또, 길이가 지나치게 길면 도전성 섬유 (B) 의 저항값을 고려할 필요가 나올 것이다.
이하, 각 구성에 대해 상세하게 설명한다.
(도전성 섬유)
도전성 섬유 (B) 로는, 도전성을 나타내는 것이면 되고, 공지된 모든 것이 사용된다. 도전성 섬유 (B) 로는, 예를 들어, 금속 섬유, 도전성 고분자로 이루어지는 섬유, 탄소 섬유, 섬유상 혹은 입상의 도전성 필러를 분산시킨 고분자로 이루어지는 섬유, 혹은 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 섬유를 들 수 있다. 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성하는 방법으로는, 금속 코트, 도전성 고분자 코트, 도전성 섬유의 감기 등을 들 수 있다. 그 중에서도 금속 코트가 도전성, 내구성, 유연성 등의 관점에서 바람직하다. 금속을 코트하는 구체적인 방법으로는, 증착, 스퍼터, 전해 도금, 무전해 도금 등을 들 수 있지만 생산성 등의 관점에서 도금이 바람직하다. 이와 같은 금속이 도금된 섬유는 금속 도금 섬유라고 할 수 있다.
금속이 코트되는 베이스의 섬유로서, 도전성의 유무에 상관없이 공지된 섬유를 사용할 수 있고, 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등의 합성 섬유 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 베이스의 섬유는 이들에 한정되는 것은 아니며, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들 섬유를 조합하여 사용해도 된다.
베이스의 섬유에 코트되는 금속은 도전성을 나타내고, 본 발명의 효과를 발휘하는 한, 어느 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리 등, 및 이들의 혼합물이나 합금 등을 사용할 수 있다.
도전성 섬유 (B) 에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 접히는 경우가 매우 적고, 압전 소자를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.
도전성 섬유 (B) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트이어도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노 필라멘트이어도 된다. 멀티 필라멘트쪽이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다. 단, 도전성 섬유 (B) 의 섬도·개수란, 끈목을 제조할 때에 사용하는 심부 (203) 의 섬도·개수이고, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 1 개의 도전성 섬유 (B) 로 세는 것으로 한다. 여기서 심부 (203) 란, 도전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우에도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
섬유의 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유 (B) 의 단면 형상으로는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다.
또, 압전성 고분자로부터의 전기 출력을 효율적으로 취출하기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로는 10-1 Ω·㎝ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·㎝ 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·㎝ 이하이다. 단, 전기 신호의 검출로 충분한 강도가 얻어지는 것이면 도전성 섬유 (B) 의 저항률은 이것에 한정되지 않는다.
도전성 섬유 (B) 는, 본 발명의 용도에서, 반복되는 굽힘이나 비틀림과 같은 움직임에 대해 내성이 없으면 안 된다. 그 지표로는, 결절 강도가 보다 큰 것이 선호된다. 결절 강도는 JIS L1013 8.6 의 방법으로 측정할 수 있다. 본 발명에 적당한 결절 강도의 정도로는, 0.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 1.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 1.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 또, 다른 지표로는, 굽힘 강성이 보다 작은 것이 선호된다. 굽힘 강성은, 카토텍 (주) 제조 KES-FB2 순굽힘 시험기 등의 측정 장치로 측정되는 것이 일반적이다. 본 발명에 적당한 굽힘 강성의 정도로는, 토호 테낙스 (주) 제조의 탄소 섬유 "테낙스" (등록상표) HTS40-3K 보다 작은 편이 바람직하다. 구체적으로는, 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 바람직하고, 0.02 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.01 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 더욱 바람직하다.
(압전성 섬유)
압전성 섬유 (A) 의 재료인 압전성 고분자로는 폴리불화비닐리덴이나 폴리락트산과 같은 압전성을 나타내는 고분자를 이용할 수 있지만, 본 실시형태에서는 상기와 같이 압전성 섬유 (A) 는 주성분으로서 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 높은 결정성 고분자, 특히 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리락트산은, 예를 들어 용융 방사 후에 연신에 의해 용이하게 배향하여 압전성을 나타내고, 폴리불화비닐리덴 등에서 필요한 전계 배향 처리가 불필요한 점에서 생산성이 우수하다. 그러나 이러한 점은, 본 발명을 실시할 때 폴리불화비닐리덴 그 밖의 압전성 재료의 사용을 배제하는 것을 의도하는 것은 아니다.
폴리락트산으로는, 그 결정 구조에 의해, L-락트산, L-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-L-락트산, D-락트산, D-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-D-락트산, 또한 그들의 하이브리드 구조로 이루어지는 스테레오 컴플렉스 폴리락트산 등이 있지만, 압전성을 나타내는 것이면 모두 이용할 수 있다. 압전율의 높이의 관점에서 바람직하게는, 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산이다. 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산은 각각, 동일한 응력에 대해 분극이 반대가 되기 때문에, 목적에 따라 이들을 조합하여 사용할 수도 있다.
폴리락트산의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하고, 99.3 ％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 99.5 ％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 광학 순도가 99 ％ 미만이면 현저하게 압전율이 저하되는 경우가 있고, 압전성 섬유 (A) 의 형상 변화에 의해 충분한 전기 신호를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다. 특히, 압전성 섬유 (A) 는, 주성분으로서 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하고, 이들의 광학 순도가 99 ％ 이상인 것이 바람직하다.
폴리락트산을 주성분으로 하는 압전성 섬유 (A) 는, 제조시에 연신되고, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있다. 또한 압전성 섬유 (A) 는, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있을 뿐만 아니라, 폴리락트산의 결정을 포함하는 것임이 바람직하고, 1 축 배향한 폴리락트산의 결정을 포함하는 것임이 보다 바람직하다. 왜냐하면, 폴리락트산은 그 결정성이 높은 것 및 1 축 배향하고 있음으로써 보다 큰 압전성을 나타내고, d14 의 절대값이 높아지기 때문이다.
결정성 및 1 축 배향성은 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 Ao (％) 로 구해진다. 본 발명의 압전성 섬유 (A) 로는, 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 Ao (％) 가 하기 식 (1) 을 만족시키는 것이 바람직하다.
Xhomo × Ao × Ao ÷ 106 ≥ 0.26 (1)
상기 식 (1) 을 만족시키지 않는 경우, 결정성 및/또는 1 축 배향성이 충분하지 않고, 동작에 대한 전기 신호의 출력값이 저하되거나, 특정 방향의 동작에 대한 신호의 감도가 저하되거나 할 우려가 있다. 상기 식 (1) 의 좌변의 값은, 0.28 이상이 보다 바람직하고, 0.3 이상이 더욱 바람직하다. 여기서, 각각의 값은 하기에 따라 구한다.
호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo :
호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo 에 대해서는, 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의한 결정 구조 해석으로부터 구한다. 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에서는, 리가쿠 제조 ultrax18 형 X 선 회절 장치를 사용하여 투과법에 의해, 이하 조건으로 샘플의 X 선 회절 도형을 이미징 플레이트에 기록한다.
X 선원 : Cu-Kα 선 (컨포칼 미러)
출력 : 45 ㎸ × 60 ㎃
슬릿 : 1st : 1 ㎜Φ, 2nd : 0.8 ㎜Φ
카메라 길이 : 120 ㎜
적산 시간 : 10 분
샘플 : 35 ㎎ 의 폴리락트산 섬유를 가지런히 모아서 3 ㎝ 의 섬유속으로 한다.
얻어지는 X 선 회절 도형에 있어서 방위각에 걸쳐 전체 산란 강도 Itotal 을 구하고, 여기서 2θ = 16.5°, 18.5°, 24.3°부근에 나타나는 호모 폴리락트산 결정에서 유래하는 각 회절 피크의 적분 강도의 총합 ΣIHMi 를 구한다. 이들 값으로부터 하기 식 (2) 에 따라, 호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo 를 구한다.
호모 폴리락트산 결정화도 Xhomo (％) = ΣIHMi/Itotal × 100 (2)
또한, ΣIHMi 는, 전체 산란 강도에 있어서 백그라운드나 비정에 의한 산만 산란을 차감함으로써 산출한다.
(2) 결정 배향도 Ao :
결정 배향도 Ao 에 대해서는, 상기의 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의해 얻어지는 X 선 회절 도형에 있어서, 동경 방향의 2θ = 16.5°부근에 나타나는 호모 폴리락트산 결정에서 유래하는 회절 피크에 대해, 방위각 (°) 에 대한 강도 분포를 취하고, 얻어진 분포 프로파일의 반치폭의 총계 ΣWi (°) 로부터 다음 식 (3) 에서 산출한다.
결정 배향도 Ao (％) = (360 - ΣWi) ÷ 360 × 100 (3)
또한, 폴리락트산은 가수분해가 비교적 빠른 폴리에스테르이기 때문에, 내습열성이 문제가 되는 경우에 있어서는, 공지된 이소시아네이트 화합물, 옥사졸린 화합물, 에폭시 화합물, 카르보디이미드 화합물 등의 가수분해 방지제를 첨가해도 된다. 또, 필요에 따라 인산계 화합물 등의 산화 방지제, 가소제, 광열화 방지제 등을 첨가하여 물성 개량해도 된다.
압전성 섬유 (A) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트이어도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노 필라멘트이어도 된다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사경은 1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 2 ㎜, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 1 ㎜ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 그 단사경은 0.1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50 개 ∼ 50000 개, 더욱 바람직하게는 100 개 ∼ 20000 개이다. 단, 압전성 섬유 (A) 의 섬도나 개수에 대해서는, 끈목을 제조할 때의 캐리어 1 개당의 섬도, 개수이고, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 1 개의 압전성 섬유 (A) 로 세는 것으로 한다. 여기서, 캐리어 1 개 중에, 압전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우에도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유 (A) 로 하기 위해서는, 고분자로부터 섬유화하기 위한 공지된 수법을, 본 발명의 효과를 발휘하는 한 모두 채용할 수 있다. 예를 들어, 압전성 고분자를 압출 성형하여 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 용융 방사하여 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 건식 혹은 습식 방사에 의해 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 정전 방사에 의해 섬유화하는 수법, 필름을 형성한 후에 가늘게 커트하는 수법 등을 채용할 수 있다. 이들 방사 조건은, 채용하는 압전성 고분자에 따라 공지된 수법을 적용하면 되고, 통상은 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다. 또한 섬유를 형성 후에는 형성된 섬유를 연신한다. 그에 의해 1 축 연신 배향하고 또한 결정을 포함하는 큰 압전성을 나타내는 압전성 섬유 (A) 가 형성된다.
또, 압전성 섬유 (A) 는, 상기와 같이 제조된 것을 끈목으로 하기 전에, 염색, 연사, 합사, 열처리 등의 처리를 할 수 있다.
또한 압전성 섬유 (A) 는, 끈목을 형성할 때에 섬유끼리가 스쳐 단사되거나, 보풀이 나거나 하는 경우가 있기 때문에, 그 강도와 내마모성은 높은 편이 바람직하고, 강도는 1.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 2.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 3.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 내마모성은, JIS L1095 9.10.2 B 법 등으로 평가할 수 있고, 마찰 횟수는 100 회 이상이 바람직하고, 1000 회 이상인 것이 보다 바람직하고, 5000 회 이상인 것이 더욱 바람직하고, 10000 회 이상인 것이 가장 바람직하다. 내마모성을 향상시키기 위한 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 공지된 모든 방법을 사용할 수 있고, 예를 들어, 결정화도를 향상시키거나, 미립자를 첨가하거나, 표면 가공하거나 할 수 있다. 또, 끈목으로 가공할 때, 섬유에 윤활제를 도포하여 마찰을 저감시킬 수도 있다.
또, 압전성 섬유의 수축률은, 전술한 도전성 섬유의 수축률과의 차가 작은 것이 바람직하다. 수축률차가 크면, 끈목 제조 후나 포백 제조 후의 후처리 공정이나 실사용시에 열이 가해졌을 때나 시간 경과적 변화에 의해 끈목이 구부러지거나, 포백의 평탄성이 나빠지거나, 압전 신호가 약해져 버리는 경우가 있다. 수축률을 후술하는 비수 수축률로 정량화했을 경우, 압전성 섬유의 비수 수축률 S(p) 및 도전성 섬유의 비수 수축률 S(c) 가 하기 식 (4) 를 만족시키는 것이 바람직하다.
｜S(p) - S(c)｜≤ 10 (4)
상기 식 (4) 의 좌변은 5 이하인 것이 보다 바람직하고, 3 이하이면 더욱 바람직하다.
또, 압전성 섬유의 수축률은, 도전성 섬유 이외의 섬유, 예를 들어 절연성 섬유의 수축률과의 차도 작은 것이 바람직하다. 수축률차가 크면, 끈목 제조 후나 포백 제조 후의 후처리 공정이나 실사용시에 열이 가해졌을 때나 시간 경과적 변화에 의해 끈목이 구부러지거나, 포백의 평탄성이 나빠지거나, 압전 신호가 약해져 버리는 경우가 있다. 수축률을 비수 수축률로 정량화했을 경우, 압전성 섬유의 비수 수축률 S(p) 및 절연성 섬유의 비수 수축률 S(i) 가 하기 식 (5) 를 만족시키는 것이 바람직하다.
｜S(p) - S(i)｜≤ 10 (5)
상기 식 (5) 의 좌변은 5 이하인 것이 보다 바람직하고, 3 이하이면 더욱 바람직하다.
또, 압전성 섬유의 수축률은 작은 편이 바람직하다. 예를 들어 수축률을 비수 수축률로 정량화했을 경우, 압전성 섬유의 수축률은 15 ％ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 5 ％ 이하, 가장 바람직하게는 3 ％ 이하이다. 수축률을 낮추는 수단으로는, 공지된 모든 방법을 적용할 수 있고, 예를 들어, 열처리에 의해 비정부의 배향 완화나 결정화도를 높임으로써 수축률을 저감시킬 수 있고, 열처리를 실시하는 타이밍은 특별히 한정되지 않고, 연신 후, 연사 후, 끈목화 후, 포백화 후 등을 들 수 있다. 또한, 상기 서술한 비수 수축률은 이하의 방법으로 측정하는 것으로 한다. 프레임 둘레 1.125 m 의 검척기로 감는수 20 회의 실패를 만들고, 0.022 cN/dtex 의 하중을 가하여, 스케일판에 매달아 초기의 실패 길이 L0 을 측정하였다. 그 후, 이 실패를 100 ℃ 의 비등수욕 중에서 30 분간 처리 후, 방랭하고 다시 상기 하중을 가하여 스케일판에 매달아 수축 후의 실패 길이 L 을 측정하였다. 측정된 L0 및 L 을 사용하여 하기 식 (6) 에 의해 비수 수축률을 계산한다.
비수 수축률 = (L0 - L)/L0 × 100 (％) (6)
(피복)
도전성 섬유 (B), 즉 심부 (203) 는, 압전성 섬유 (A), 즉 끈목상의 초부 (202) 로 표면이 피복되어 있다. 도전성 섬유 (B) 를 피복하는 초부 (202) 의 두께는 1 ㎛ ∼ 10 ㎜ 인 것이 바람직하고, 5 ㎛ ∼ 5 ㎜ 인 것이 보다 바람직하고, 10 ㎛ ∼ 3 ㎜ 인 것이 더욱 바람직하고, 20 ㎛ ∼ 1 ㎜ 인 것이 가장 바람직하다. 지나치게 얇으면 강도의 점에서 문제가 되는 경우가 있고, 또, 지나치게 두꺼우면 끈목상 압전 소자 (201) 가 단단해져 잘 변형되지 않게 되는 경우가 있다. 또한, 여기서 말하는 초부 (202) 란 심부 (203) 에 인접하는 층을 가리킨다.
끈목상 압전 소자 (201) 에 있어서, 초부 (202) 의 압전성 섬유 (A) 의 총섬도는, 심부 (203) 의 도전성 섬유 (B) 의 총섬도의 1/2 배 이상, 20 배 이하인 것이 바람직하고, 1 배 이상, 15 배 이하인 것이 보다 바람직하고, 2 배 이상, 10 배 이하인 것이 더욱 바람직하다. 압전성 섬유 (A) 의 총섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 작으면, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 적어 도전성 섬유 (B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 도전성 섬유 (B) 가 근접하는 다른 도전성 섬유에 접촉할 우려가 있다. 압전성 섬유 (A) 의 총섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 크면, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 많아 끈목상 압전 소자 (201) 가 단단해져 잘 변형되지 않게 된다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (201) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
여기서 말하는 총섬도란, 초부 (202) 를 구성하는 압전성 섬유 (A) 모든 섬도의 합이고, 예를 들어, 일반적인 8 타 끈목의 경우에는, 8 개의 섬유의 섬도의 총합이 된다.
또, 끈목상 압전 소자 (201) 에 있어서, 초부 (202) 의 압전성 섬유 (A) 의 1 개당 섬도는, 도전성 섬유 (B) 의 총섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인 것이 바람직하고, 1/15 배 이상, 1.5 배 이하인 것이 보다 바람직하고, 1/10 배 이상, 1 배 이하인 것이 더욱 바람직하다. 압전성 섬유 (A) 1 개당 섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 작으면, 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 적어 도전성 섬유 (B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 압전성 섬유 (A) 가 절단될 우려가 있다. 압전성 섬유 (A) 1 개당 섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대해 지나치게 크면, 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 굵어 끈목상 압전 소자 (201) 가 단단해져 잘 변형되지 않게 된다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (201) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
또한, 도전성 섬유 (B) 에 금속 섬유를 사용한 경우나, 금속 섬유를 도전성 섬유 (B) 혹은 압전성 섬유 (A) 에 혼섬한 경우에는, 섬도의 비율은 상기에 한정되지 않는다. 본 발명에 있어서, 상기 비율은, 접촉 면적이나 피복률, 즉, 면적 및 체적의 관점에서 중요하기 때문이다. 예를 들어, 각각의 섬유의 비중이 2 를 초과하는 경우에는, 섬유의 평균 단면적의 비율이 상기 섬도의 비율인 것이 바람직하다.
압전성 섬유 (A) 와 도전성 섬유 (B) 는 가능한 한 밀착되어 있는 것이 바람직하지만, 밀착성을 개량하기 위해, 도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 사이에 앵커층이나 접착층 등을 형성해도 된다.
피복의 방법은 도전성 섬유 (B) 를 심사로 하여, 그 둘레에 압전성 섬유 (A) 를 끈목상으로 감는 방법이 취해진다. 한편, 압전성 섬유 (A) 의 끈목의 형상은, 인가된 하중으로 생기는 응력에 대해 전기 신호를 출력할 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 심부 (203) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목이 바람직하다.
도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 의 형상으로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 가능한 한 동심원상에 가까운 것이 바람직하다. 또한, 도전성 섬유 (B) 로서 멀티 필라멘트를 사용하는 경우, 압전성 섬유 (A) 는, 도전성 섬유 (B) 의 멀티 필라멘트의 표면 (섬유 둘레면) 의 적어도 일부가 접촉하고 있도록 피복되어 있으면 되고, 멀티 필라멘트를 구성하는 모든 필라멘트 표면 (섬유 둘레면) 에 압전성 섬유 (A) 가 피복되어 있어도 되고, 피복되어 있지 않아도 된다. 도전성 섬유 (B) 의 멀티 필라멘트를 구성하는 내부의 각 필라멘트에 대한 압전성 섬유 (A) 의 피복 상태는, 압전성 소자로서의 성능, 취급성 등을 고려하여, 적절히 설정하면 된다.
(도전층)
도전층 (204) 은 심부 (203) 의 도전성 섬유의 대극이 되는 전극으로서의 기능과, 심부 (203) 의 도전성 섬유를 외부의 전자파로부터 차폐하고, 심부 (203) 의 도전성 섬유에 발생하는 노이즈 신호를 억제하는 실드로서의 기능을 동시에 가질 수 있다. 도전층 (204) 은 실드로서 기능하기 때문에, 접지 (어스 또는 전자 회로의 그라운드에 접속) 되는 것이 바람직하다. 그에 의해, 예를 들어 포백상 압전 소자 (207) 의 상하에 전자파 실드용의 도전성의 포백을 겹치지 않아도, 포백상 압전 소자 (207) 의 S/N 비 (신호 대 잡음비) 를 현저하게 향상시킬 수 있다. 도전층 (204) 의 양태로는, 코팅 외에, 필름, 포백, 섬유의 감기가 생각되고, 또 그것들을 조합해도 된다.
도전층 (204) 을 형성하는 코팅에는 도전성을 나타내는 물질을 포함하는 것이 사용되고 있으면 되고, 공지된 모든 것이 사용된다. 예를 들어, 금속, 도전성 고분자, 도전성 필러를 분산시킨 고분자를 들 수 있다.
도전층 (204) 을 필름의 감기에 의해 형성하는 경우에는, 도전성 고분자, 도전성 필러를 분산시킨 고분자를 제막하여 얻어지는 필름이 사용되고, 또 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 필름이 사용되어도 된다.
도전층 (204) 을 포백의 감기에 의해 형성하는 경우에는, 후술하는 도전성 섬유 (206) 를 구성 성분으로 하는 포백이 사용된다.
도전층 (204) 을 섬유의 감기에 의해 형성하는 경우, 그 수법으로는, 커버링, 편물, 조물이 생각된다. 또, 사용하는 섬유는, 도전성 섬유 (206) 이고, 도전성 섬유 (206) 는, 상기 도전성 섬유 (B) 와 동일종이어도 되고 이종의 도전성 섬유이어도 된다. 도전성 섬유 (206) 로는, 예를 들어, 금속 섬유, 도전성 고분자로 이루어지는 섬유, 탄소 섬유, 섬유상 혹은 입상의 도전성 필러를 분산시킨 고분자로 이루어지는 섬유, 혹은 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 섬유를 들 수 있다. 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성하는 방법으로는, 금속 코트, 도전성 고분자 코트, 도전성 섬유의 감기 등을 들 수 있다. 그 중에서도 금속 코트가 도전성, 내구성, 유연성 등의 관점에서 바람직하다. 금속을 코트하는 구체적인 방법으로는, 증착, 스퍼터, 전해 도금, 무전해 도금 등을 들 수 있지만 생산성 등의 관점에서 도금이 바람직하다. 이와 같은 금속이 도금된 섬유는 금속 도금 섬유라고 할 수 있다.
금속이 코트되는 베이스의 섬유로서, 도전성의 유무에 상관없이 공지된 섬유를 사용할 수 있고, 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등의 합성 섬유 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 베이스의 섬유는 이들에 한정되는 것은 아니며, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들 섬유를 조합하여 사용해도 된다.
베이스의 섬유에 코트되는 금속은 도전성을 나타내고, 본 발명의 효과를 발휘하는 한, 어느 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리 등, 및 이들의 혼합물이나 합금 등을 사용할 수 있다.
도전성 섬유 (206) 에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 접히는 경우가 매우 적고, 압전 소자를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.
도전성 섬유 (206) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트이어도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노 필라멘트이어도 된다. 멀티 필라멘트쪽이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다.
섬유의 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유 (206) 의 단면 형상으로는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다.
또, 노이즈 신호의 억제 효과를 높이기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로는 10-1 Ω·㎝ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·㎝ 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·㎝ 이하이다. 단, 노이즈 신호의 억제 효과가 얻어지는 것이면 저항률은 이것에 한정되지 않는다.
도전성 섬유 (206) 는, 본 발명의 용도에서, 반복되는 굽힘이나 비틀림과 같은 움직임에 대해 내성이 없으면 안 된다. 그 지표로는, 결절 강도가 보다 큰 것이 선호된다. 결절 강도는 JIS L1013 8.6 의 방법으로 측정할 수 있다. 본 발명에 적당한 결절 강도의 정도로는, 0.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 1.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 1.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 또, 다른 지표로는, 굽힘 강성이 보다 작은 것이 선호된다. 굽힘 강성은, 카토텍 (주) 제조 KES-FB2 순굽힘 시험기 등의 측정 장치로 측정되는 것이 일반적이다. 본 발명에 적당한 굽힘 강성의 정도로는, 토호 테낙스 (주) 제조의 탄소 섬유 "테낙스" (등록상표) HTS40-3K 보다 작은 편이 바람직하다. 구체적으로는, 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 바람직하고, 0.02 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.01 × 10-4 N·㎡/m 이하인 것이 더욱 바람직하다.
(보호층)
본 발명에 관련된 끈목상 압전 소자 (201) 의 최표면에는 보호층을 형성해도 된다. 이 보호층은 절연성인 것이 바람직하고, 플렉시블성 등의 관점에서 고분자로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 보호층에 절연성을 갖게 하는 경우에는, 물론, 이 경우에는 보호층마다 변형시키거나, 보호층 상을 문지르거나 하게 되지만, 이들 외력이 압전성 섬유 (A) 까지 도달하고, 그 분극을 야기할 수 있는 것이면 특별히 한정은 없다. 보호층으로는, 고분자 등의 코팅에 의해 형성되는 것에 한정되지 않고, 필름, 포백, 섬유 등을 감아도 되고, 혹은 그것들이 조합된 것이어도 된다. 또, 후술하는 본 발명에 관련된 포백을 보호층으로서 사용할 수도 있고, 구성의 간소화의 점에서 바람직하다.
보호층의 두께로는 가능한 한 얇은 편이, 전단 응력을 압전성 섬유 (A) 에 전달하기 쉽지만, 지나치게 얇으면 보호층 자체가 파괴되는 등의 문제가 발생하기 쉬워지기 때문에, 바람직하게는 10 ㎚ ∼ 200 ㎛, 보다 바람직하게는 50 ㎚ ∼ 50 ㎛, 더욱 바람직하게는 70 ㎚ ∼ 30 ㎛, 가장 바람직하게는 100 ㎚ ∼ 10 ㎛ 이다. 이 보호층에 의해 압전 소자의 형상을 형성할 수도 있다.
나아가서는, 압전성 섬유로 이루어지는 층을 복수층 형성하거나, 신호를 취출하기 위한 도전성 섬유로 이루어지는 층을 복수층 형성하거나 할 수도 있다. 물론, 이들 보호층, 압전성 섬유로 이루어지는 층, 도전성 섬유로 이루어지는 층은, 그 목적에 따라, 그 순번 및 층수는 적절히 정해진다. 또한, 감는 방법으로는, 초부 (202) 의 더 외층에 끈목 구조를 형성하거나, 커버링하거나 하는 방법을 들 수 있다.
본 발명에 관련된 끈목상 압전 소자 (201) 는, 전술한 압전 효과에 의한 전기 신호의 출력을 이용하여 변형이나 응력을 검출할 수 있는 것 외에, 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부의 도전성 섬유 (B) 와 도전층 (204) 사이의 정전 용량 변화를 계측함으로써, 끈목상 압전 소자 (201) 에 가해진 압력에 의한 변형을 검출하는 것도 가능해진다. 또한, 복수개의 끈목상 압전 소자 (201) 를 조합하여 사용하는 경우, 각각의 끈목상 압전 소자 (201) 의 도전층 (204) 간의 정전 용량 변화를 계측함으로써, 끈목상 압전 소자 (201) 에 가해진 압력에 의한 변형을 검출하는 것도 가능해진다.
(포백상 압전 소자)
본 발명의 포백상 압전 소자는, 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자가 포백에 고정되어 있다. 이렇게 함으로써 이 포백 자체를 의복 등 원하는 형상으로 가공하여 디바이스로 할 수 있을 뿐만 아니라, 기성의 옷이나 구조체 등 센서 기능을 갖지 않는 기재에 꿰메 붙임이나 접착 등의 여러 가지 방법으로 설치하고, 센서 기능을 부여하는 것을 간편하게 할 수 있게 된다. 도 17 은 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 17 의 예에서는, 포백상 압전 소자 (207) 는, 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (201) 가 포백 (208) 에 고정되어 있다. 포백 (208) 은, 포백을 구성하는 섬유 (끈목을 포함한다) 의 적어도 1 개가 끈목상 압전 소자 (201) 이고, 끈목상 압전 소자 (201) 가 압전 소자로서의 기능을 발휘 가능한 한 전혀 한정은 없고, 어떠한 직편물이어도 된다. 포상으로 하는데 있어서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다른 섬유 (끈목을 포함한다) 와 조합하여, 교직, 교편 등을 실시해도 된다. 물론, 끈목상 압전 소자 (201) 를, 포백을 구성하는 섬유 (예를 들어, 경사나 위사) 의 일부로서 사용해도 되고, 끈목상 압전 소자 (201) 를 포백에 자수해도 되고, 접착해도 된다. 도 17 에 나타내는 예에서는, 포백상 압전 소자 (207) 는, 경사로서, 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (201) 및 절연성 섬유 (209) 를 배치하고, 위사로서 절연성 섬유 (209) 를 배치한 평직물이다. 절연성 섬유 (209) 에 대해서는 후술된다. 또한, 절연성 섬유 (209) 의 전부 또는 일부가 끈목 형태이어도 된다.
이 경우, 포백상 압전 소자 (207) 가 구부러지는 등을 하여 변형되었을 때, 그 변형에 수반하여 끈목상 압전 소자 (201) 도 변형되므로, 끈목상 압전 소자 (201) 로부터 출력되는 전기 신호에 의해, 포백상 압전 소자 (207) 의 변형을 검출할 수 있다. 그리고, 포백상 압전 소자 (207) 는, 포백 (직편물) 으로서 사용할 수 있으므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다.
또, 도 17 에 나타내는 포백상 압전 소자 (207) 의 위사의 절연성 섬유를, 부분적으로 도전성 섬유 (210) 로 치환한 구성 (도 18) 에서는, 끈목상 압전 소자 (201) 에 도전성 섬유 (210) 가 교차하여 접촉하고 있다. 따라서, 도전성 섬유 (210) 는, 끈목상 압전 소자 (201) 의 도전층 (204) 의 적어도 일부와 교차하여 접촉하고 있고, 이와 같은 도전성 섬유 (210) 를 도전층 (204) 대신에 전자 회로에 접속할 수 있다. 도전성 섬유 (210) 는 도전성 섬유 (B) 와 동일종이어도 되고 이종의 도전성 섬유이어도 되고, 그 전부 또는 일부가 끈목 형태이어도 된다.
본 발명의 포백상 압전 소자는, 포백에 대한 끈목상 압전 소자의 5 ㎝ 당의 인발 강도가 0.1 N 이상이다. 이렇게 함으로써, 포백의 변형과 끈목상 압전 소자의 변형의 차가 최소한이 되기 때문에, 끈목상 압전 소자의 전기 신호에 의해 검지되는 끈목상 압전 소자의 변형량을 사용하여, 포백의 변형을 추정할 때의 오차를 최소화할 수 있고, 재현성도 향상시킬 수 있다. 포백에 대한 끈목상 압전 소자의 5 ㎝ 당의 인발 강도가 0.1 N 미만인 경우, 예를 들어 포백의 신축 변형이 일어나도 끈목상 압전 소자와 포백 사이에서 미끄러짐이 일어나, 끈목상 압전 소자가 충분히 신축 변형되지 않고, 포백의 신축량보다 끈목상 압전 소자의 전기 신호에 의해 검지되는 신축량이 현저하게 작아져 버려, 재현성도 낮다. 이러한 관점에서, 포백에 대한 끈목상 압전 소자의 5 ㎝ 당의 인발 강도는 0.2 N 이상이 바람직하고, 0.3 N 이상이 더욱 바람직하고, 0.4 N 이상이 특히 바람직하다. 또한, 인발 강도가 끈목상 압전 소자의 강도 이상인 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 있어서의 「포백에 대한 끈목상 압전 소자의 5 ㎝ 당의 인발 강도」 는, 이하와 같이 하여 결정된다. 먼저, 끈목상 압전 소자가 포백상 압전 소자로부터 노출되어 있는 장소가 있는 경우에는, 노출되어 있는 끈목상 압전 소자를 인장 시험기의 파지 지그의 일방으로 파지하고, 파지한 측의 끈목상 압전 소자가 고정된 단으로부터 5 ㎝ 의 부분에서 끈목상 압전 소자 및 포백상 압전 소자를 절단한다. 끈목상 압전 소자가 포백에 고정된 5 ㎝ 의 부분의 양편의, 끈목상 압전 소자로부터 1 ㎜ 이내의 영역을 제외한 부분을, 끈목상 압전 소자의 길이 방향으로 5 ㎝ 에 걸쳐 U 자형의 파지 지그로 파지하고, 인장 시험기의 파지 지그의 다른 일방에 접속한다. 또, 이 상태에서 10 ㎜/min 의 속도로 인장 시험을 실시하여, 최대 강도를 측정하고, 인발 강도로 한다. 또한, 끈목상 압전 소자가 포백상 압전 소자로부터 노출되어 있는 장소가 충분히 없는 경우에는, 포백의 일부 (끈목상 압전 소자 이외의 부분) 를 절단하여 끈목상 압전 소자를 노출시키고, 상기의 측정을 실시하면 된다. 또한, 끈목상 압전 소자가 포백에 고정된 부분의 길이를 5 ㎝ 확보하는 것이 곤란한 경우에는, 임의의 길이의 고정 부분에서 인발 강도를 측정하고, 5 ㎝ 당의 강도로 환산해도 된다.
본 발명의 포백상 압전 소자는, 포백을 구성하는 섬유에 의한 끈목상 압전 소자의 피복률이 포백의 양면 모두 30 ％ 를 초과하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 포백에 대한 끈목상 압전 소자의 인발 강도가 높아져, 포백의 변형과 끈목상 압전 소자의 변형의 차가 최소한이 될 뿐만 아니라, 외부로부터의 문지름, 열, 광 등에 의한 손상을 잘 받지 않게 할 수 있다. 이러한 관점에서, 포백을 구성하는 섬유에 의한 끈목상 압전 소자의 피복률은 포백의 양면 모두 50 ％ 를 초과하는 것이 보다 바람직하고, 70 ％ 를 초과하는 것이 더욱 바람직하고, 100 ％ 가 가장 바람직하다.
포백을 구성하는 섬유에 의한 끈목상 압전 소자의 피복률은, 포백상 압전 소자의 일방의 면으로부터 수직으로 관찰했을 때의 화상에 있어서, 끈목상 압전 소자의 투영 면적에 대해, 포백을 구성하는 섬유에 의해 끈목상 압전 소자가 숨어 있는 부분의 면적비를 산출한다. 다른 일방의 면으로부터의 관찰 화상에 대해서도 동일하게 평가하고, 포백의 양면에서 각각 피복률을 산출한다. 이와 같이 산출했을 경우, 통상적인 직물 조직 (평직이나 능직, 주자직 등) 에 의한 포백에서는, 양면 모두 피복률이 50 ％ 를 초과하는 것은 어렵지만, 평직이나 능직 조직으로 제직할 때에 방적사나 멀티 필라멘트사를 사용하거나, 끈목상 압전 소자에 직교하는 실의 밀도를 높게 하거나, 끈목상 압전 소자에 평행한 실의 밀도를 비교적 낮게 함으로써, 포백의 양면 모두 50 ％ 를 초과하는 피복률로 할 수 있다. 단, 끈목상 압전 소자에 직교하는 실의 밀도를 높게 하기 위해, 끈목상 압전 소자에 직교하는 실의 장력을 지나치게 낮춘 경우에는, 끈목상 압전 소자를 구속하는 힘이 약해지는 결과, 원하는 인발 강도를 달성할 수 없게 되기 때문에, 바람직하지 않다. 또, 2 중 방직 포백 혹은 2 중 편직 포백의 층간에 끈목상 압전 소자가 끼워 넣어지도록 포백을 제조함으로써, 포백의 양면의 피복률을 크게 향상시켜, 100 ％ 또는 100 ％ 에 가깝게 할 수도 있다. 한편, 피복률이 30 ％ 이하인 경우에는, 포백의 섬유간에서 끈목상 압전 소자가 노출되어 있는 지점이 많아, 보호가 충분하지 않다. 포백을 구성하는 섬유가 투명해도 피복되어 있는 것으로 간주한다. 끈목상 압전 소자가 도전층 (204) 의 외층에 보호층을 구비하고 있는 경우에는, 그 보호층도 포함하여 끈목상 압전 소자로 간주한다.
(복수의 압전 소자)
또, 포백상 압전 소자 (207) 에서는, 끈목상 압전 소자 (201) 를 복수 나열하여 사용하는 것도 가능하다. 나열 방법으로는, 예를 들어 경사 또는 위사로서 모두에 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용해도 되고, 몇 개마다나 일부분에 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용해도 된다. 또, 어느 부분에서는 경사로서 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용하고, 다른 부분에서는 위사로서 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용해도 된다.
도 19 는 실시형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 압전 소자의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다. 포백상 압전 소자 (207) 는, 적어도 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 를 포함하는 포백 (208) 을 구비하고 있고, 이들 끈목상 압전 소자 (201) 는 대략 평행하게 배치되어 있다. 포백 (208) 은, 포백을 구성하는 섬유 (끈목을 포함한다) 의 적어도 2 개가 끈목상 압전 소자 (201) 이고, 끈목상 압전 소자 (201) 가 압전 소자로서의 기능을 발휘 가능한 한 전혀 한정은 없고, 어떠한 직편물이어도 된다. 도 19 에 나타내는 예에서는, 포백상 압전 소자 (207) 는, 경사로서, 적어도 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 및 절연성 섬유 (209) 를 배치하고, 위사로서 절연성 섬유 (209) 를 배치한 평직물이다. 절연성 섬유 (209) 에 대해서는 후술된다. 또한, 절연성 섬유 (209) 의 전부 또는 일부가 끈목 형태이어도 된다. 또, 도 18 의 경우와 동일하게, 도 19 에 나타내는 포백상 압전 소자 (207) 의 위사의 절연성 섬유를, 부분적으로 도전성 섬유로 치환해도 된다.
끈목상 압전 소자 (201) 는, 변형되면 압전 신호를 발하지만, 이 신호는 변형의 양태에 따라 크기나 형상이 변화한다. 도 19 에 나타내는 포백상 압전 소자 (207) 의 경우, 포백상 압전 소자 (207) 가 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 에 직교하는 선을 굴곡부로 하여 굽힘 변형했을 때, 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 는 동일한 변형을 한다. 따라서, 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 에서는 동일한 신호가 검출된다. 한편, 비틀림 등의 복잡한 변형을 부여했을 경우, 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 에는 다른 변형이 야기되게 되어, 각각의 끈목상 압전 소자 (201) 가 발생하는 신호는 상이한 것이 된다. 이 원리에 의해, 복수의 끈목상 압전 소자 (201) 를 조합하여, 각각의 끈목상 압전 소자 (201) 에서 발생하는 신호를 비교 연산함으로써, 끈목상 압전 소자 (201) 의 복잡한 변형의 해석이 가능해진다. 예를 들어, 각 끈목상 압전 소자 (201) 에서 발생하는 신호의 극성, 진폭, 위상 등을 비교하여 얻어지는 결과에 기초하여, 비틀림 등의 복잡한 변형을 검출할 수 있다.
예를 들어, 2 개의 끈목상 압전 소자에 각각 신축에 의해 전기 신호를 출력하는 것을 사용하고, 도 19 와 같이 포백의 상면도에 있어서 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 는 상이한 위치에 배치된 포백상 압전 소자 (207) 를 바람직한 형태로서 들 수 있다. 이 형태에서는, 도 19 의 포백상 압전 소자 (207) 의 하변을 고정시키고, 상변의 좌단을 끌어올리고, 우단을 끌어내리는 굽힘 변형에 대해서는, 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 가 받는 신축 변형은 서로 상이한 것이 되는, 즉 좌측의 끈목상 압전 소자 (201) 가 늘어나고, 우측의 끈목상 압전 소자 (201) 가 줄어들기 때문에, 각각의 끈목상 압전 소자 (201) 에서 발생하는 신호를 비교함으로써, 상기의 굽힘을 검지할 수 있다. 이 경우, 포백의 일방향으로의 신축에서는 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 가 받는 신축 변형은 동일한 것이 되기 때문에, 상기의 굽힘 변형과 구별하여 검지하는 것이 가능해진다.
또, 도 20 에 나타내는 예와 같이, 각각 신축에 의해 전기 신호를 출력하는 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 를, 포백 (208) 의 중앙면 (208a) 을 기준으로 한 상대 위치가 서로 상이하도록 포백 중에 고정시킴으로써, 포백 (208) 에 수직인 방향으로의 굽힘에 의해, 1 개의 끈목상 압전 소자 (201) 에는 압축 변형이 부여되고, 타방의 끈목상 압전 소자 (201) 에는 신장 변형이 부여되므로, 이들 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 의 각각, 보다 구체적으로는 이들 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 에 포함되는 도전성 섬유 (B) 의 각각으로부터 출력되는 전기 신호를 사용하여 포백 (208) 에 수직인 방향으로의 포백의 굽힘을 검지하는 포백상 압전 소자 (207) 를 바람직한 형태로서 들 수 있다. 이 형태에서는, 예를 들어 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 에 동등한 성능의 소자를 사용한 경우에는, 포백상 압전 소자 (207) 가 끈목상 압전 소자 (201) 의 축 방향으로의 신축 변형을 했을 때 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 로부터 동등한 출력이 얻어지기 때문에, 상기의 포백의 굽힘 변형과 구별하여 검지하는 것이 가능해진다. 도 20 에서는 포백 (208) 의 중앙면 (208a) 을 대칭면으로 하여 면대칭의 위치에 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 를 배치하고 있지만, 포백 (208) 의 중앙면 (208a) 을 기준으로 한 상대 위치가 서로 상이하도록 포백 중에 고정되어 있으면 되고, 포백 (208) 의 동일한 면에 포백 (208) 의 중앙면 (208a) 으로부터의 거리를 상이하게 하여 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 가 고정되어 있어도 된다.
또, 이와 같은 형태에 있어서, 2 개의 끈목상 압전 소자에, 각각의 끈목상 압전 소자의 신축에 의해 서로 역극성의 전기 신호 (즉 역부호의 전기 신호) 를 출력하는 것을 사용한 경우에는, 그들 신호의 합에 의해 포백의 굽힘에 대해 큰 출력을 발생하고, 포백의 신축에 대해 작은 출력을 발생하는 소자로 하는 것도, 바람직한 형태로서 들 수 있다. 서로 역극성의 전기 신호를 출력하는 끈목상 압전 소자는, 전술한 바와 같이 사용하는 압전성 고분자의 주된 성분으로서 폴리-L-락트산과 폴리-D-락트산을 각각 사용하거나, 동일한 압전성 고분자를 사용하여 배향 방향이 S 꼬임 방향과 Z 꼬임 방향이 되도록 각각 배치하거나 함으로써 실현할 수 있다. 또, 2 개의 끈목상 압전 소자의 신호의 합을 취하는 방법으로는, 2 개의 끈목상 압전 소자의 심부를 단락시키는 방법이나, 전자 회로상 및 소프트웨어상에서 합을 취하는 방법 모두 사용할 수 있다.
상기의 형태에서는, 포백의 굽힘에 대해 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 가 상이한 변형을 받도록 하는 관점에서, 2 개의 끈목상 압전 소자 (201) 는, 서로 간격을 두고 배치되고, 구체적으로는 압전성 섬유가 서로 가장 가까운 부분의 거리가 0.05 ㎜ 이상 500 ㎜ 이하 떨어져 있는 것이 바람직하고, 0.1 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하 떨어져 있는 것이 보다 바람직하고, 0.5 ㎜ 이상 100 ㎜ 이하 떨어져 있는 것이 더욱 바람직하다. 또 신호 검출에 사용하지 않는 끈목상 압전 소자가 포백 중에 포함되는 경우, 그 끈목상 압전 소자와 다른 끈목상 압전 소자의 거리가 0.05 ㎜ 미만이어도 된다.
또 다른 예로서, 포백상 압전 소자에 포함되는 끈목상 압전 소자 중 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자에 신축에 의해 전기 신호를 출력하는 것을 사용하고, 그것과는 다른 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자에 비틀림에 의해 전기 신호를 출력하는 것을 사용하여, 당해 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호에 의해 포백의 신축 혹은 굽힘 변형을 검지하고, 당해 다른 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호에 의해 포백의 비틀림 변형을 검지하는 형태를 들 수 있다. 이 형태에서는, 포백의 신축 변형 혹은 굽힘 변형을 검지하는 끈목상 압전 소자는, 전술한 신축 변형에 의해 선택적으로 전기 신호를 출력하는 것을 사용하고, 포백의 비틀림 변형을 검지하는 끈목상 압전 소자는, 전술한 비틀림 변형에 의해 선택적으로 전기 신호를 출력하는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이 예에서는, 끈목상 압전 소자 사이의 거리는 상관없다.
이상과 같이, 복수의 끈목상 압전 소자 (201) 를 조합하여, 각각의 끈목상 압전 소자 (201) 에서 발생하는 신호를 비교 연산함으로써, 굽힘이나 비틀림 등의 복잡한 변형의 해석이 가능해지므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다. 이 경우, 포백상 압전 소자 (207) 가 구부러지는 등을 하여 변형되었을 때, 그 변형에 수반하여 끈목상 압전 소자 (201) 도 변형되므로, 끈목상 압전 소자 (201) 로부터 출력되는 전기 신호에 기초하여, 포백상 압전 소자 (207) 의 변형을 검출할 수 있다. 그리고, 포백상 압전 소자 (207) 는, 포백 (직편물) 으로서 사용할 수 있으므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다.
(절연성 섬유)
포백상 압전 소자 (207) 에서는, 끈목상 압전 소자 (201) (및 도전성 섬유 (210)) 이외의 부분에는, 절연성 섬유를 사용할 수 있다. 이 때, 절연성 섬유는 포백상 압전 소자 (207) 의 유연성을 향상시킬 목적으로 신축성이 있는 소재, 형상을 갖는 섬유를 사용할 수 있다.
이와 같이 끈목상 압전 소자 (201) (및 도전성 섬유 (210)) 이외에 이와 같이 절연성 섬유를 배치함으로써, 포백상 압전 소자 (207) 의 조작성 (예시 : 웨어러블 센서로서의 움직이기 쉬움) 을 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 절연성 섬유로는, 체적 저항률이 106 Ω·㎝ 이상이면 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 108 Ω·㎝ 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω·㎝ 이상이 바람직하다.
절연성 섬유로서 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등의 합성 섬유 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 이들에 한정되는 것은 아니며, 공지된 절연성 섬유를 임의로 사용할 수 있다. 또한 이들 절연성 섬유를 조합하여 사용해도 되고, 절연성을 갖지 않는 섬유와 조합하여, 전체적으로 절연성을 갖는 섬유로 해도 된다.
또, 공지된 모든 단면 형상의 섬유도 사용할 수 있다.
(제조 방법)
본 발명에 관련된 끈목상 압전 소자 (201) 는 적어도 1 개의 도전성 섬유 (B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 피복하고 있지만, 그 제조 방법으로는 예를 들어 이하의 방법을 들 수 있다. 즉, 도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 를 다른 공정으로 제조하고, 도전성 섬유 (B) 에 압전성 섬유 (A) 를 끈목상으로 감아 피복하는 방법이다. 이 경우에는, 가능한 한 동심원상에 가까워지도록 피복하는 것이 바람직하다.
이 경우, 압전성 섬유 (A) 를 형성하는 압전성 고분자로서 폴리락트산을 사용하는 경우의 바람직한 방사, 연신 조건으로서, 용융 방사 온도는 150 ℃ ∼ 250 ℃ 가 바람직하고, 연신 온도는 40 ℃ ∼ 150 ℃ 가 바람직하고, 연신 배율은 1.1 배 내지 5.0 배가 바람직하고, 결정화 온도는 80 ℃ ∼ 170 ℃ 가 바람직하다.
도전성 섬유 (B) 에 감는 압전성 섬유 (A) 로는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다. 또, 압전성 섬유 (A) 를 감을 수 있는 도전성 섬유 (B) 로는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다.
피복의 바람직한 형태로는, 도전성 섬유 (B) 를 심사로 하고, 그 주위에 압전성 섬유 (A) 를 끈목상으로 제뉴하여, 환타 조물 (Tubular Braid) 을 제조함으로써 피복할 수 있다. 보다 구체적으로는 심부 (203) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목을 들 수 있다. 단, 예를 들어, 압전성 섬유 (A) 를 편조 튜브와 같은 형태로 하고, 도전성 섬유 (B) 를 심으로 하여 당해 편조 튜브에 삽입함으로써 피복해도 된다.
도전층 (204) 은, 코팅이나 섬유의 감기에 의해 제조되지만, 제조의 용이함의 관점에서, 섬유의 감기가 바람직하다. 섬유의 감기 방법으로는 커버링, 편물, 조물이 생각되고, 어느 방법에 의해 제조해도 된다.
이상과 같은 제조 방법에 의해, 도전성 섬유 (B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 피복하고, 또한 그 주위에 도전층 (204) 을 형성한 끈목상 압전 소자 (201) 를 얻을 수 있다.
본 발명의 포백상 압전 소자 (207) 는, 제직, 제편에 의해 제조된다. 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다른 섬유 (끈목을 포함한다) 와 조합하여, 교직, 교편, 교조 (交組) 등을 실시해도 된다. 물론, 끈목상 압전 소자 (201) 를, 포백을 구성하는 섬유 (예를 들어, 경사나 위사) 의 일부로서 사용해도 되고, 끈목상 압전 소자 (201) 를 포백에 자수해도 되고, 접착해도 되고, 그들의 방법을 조합해도 된다. 또, 끈목상 압전 소자 (201) 의 근방에만 포백이 존재하는 테이프형의 포백상 압전 소자로 하면, 다른 포백에 꿰매 붙임이나 첩부에 의해 용이하게 설치할 수 있기 때문에 바람직하다. 이 때, 테이프의 단과 끈목상 압전 소자의 거리 (테이프의 폭 방향의 거리) 는, 1 ㎜ 이상 100 ㎜ 이하가 바람직하고, 3 ㎜ 이상 50 ㎜ 이하가 보다 바람직하고, 5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하가 더욱 바람직하다. 테이프형의 포백상 압전 소자로 하는 경우에는, 광폭의 포백상 압전 소자를 끈목상 압전 소자 (201) 와 평행하게 커트하여 제조해도 되지만, 천 테이프의 제직, 제편시에 교직, 교편, 교조 등을 실시하는 것이나, 천 테이프에 끈목상 압전 소자 (201) 를 자수, 접착하는 것이, 제조 공정의 간소화의 관점에서 바람직하다.
직물의 직조직으로는, 평직, 능직, 주자직 등의 삼원 조직, 변화 조직, 종이중직, 횡이중직 등의 편이중 조직, 종비로도 등이 예시된다. 편물의 종류는, 환편물 (위편물) 이어도 되고 경편물이어도 된다. 환편물 (위편물) 의 조직으로는, 평편, 고무편, 양면편, 펄편, 턱편, 부편, 편반편, 레이스편, 첨모편 등이 바람직하게 예시된다. 경편 조직으로는, 싱글 덴비편, 싱글 아틀라스편, 더블 코드편, 하프 트리콧편, 이모편, 쟈가드편 등이 예시된다. 층수도 단층이어도 되고, 2 층 이상의 다층이어도 된다. 나아가서는, 커트 파일 및/또는 루프 파일로 이루어지는 입모부와 지조직부로 구성되는 입모 직물, 입모 편물이어도 된다.
제조 공정의 간소화 및 인발 강도, 피복률의 향상의 관점에서, 포백에 끈목상 압전 소자가 섞여 짜여진 상태 또는 섞여 떠진 상태로 고정되어 있는 것이 보다 바람직하고, 다중 방직 포백 혹은 다중 편직 포백의 층간에 끈목상 압전 소자가 끼워 넣어져 있는 것이 더욱 바람직하다. 다중이란 이중 이상의 것을 가리킨다.
(압전 소자의 적용 기술)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (201) 나 포백상 압전 소자 (207) 와 같은 압전 소자는 어느 양태이어도, 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화를 전기 신호로서 출력할 수 있으므로, 그 압전 소자에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는 센서 (디바이스) 로서 이용할 수 있다. 또, 이 전기 신호를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원 혹은 축전하는 등, 발전 소자로서 사용할 수도 있다. 구체적으로는, 인간, 동물, 로봇, 기계 등 자발적으로 움직이는 것의 가동부에 사용하는 것에 의한 발전, 구두창, 깔개, 외부로부터 압력을 받는 구조물의 표면에서의 발전, 유체 중에서의 형상 변화에 의한 발전 등을 들 수 있다. 또, 유체 중에서의 형상 변화에 의해 전기 신호를 발하기 위해, 유체 중의 대전성 물질을 흡착시키거나 부착을 억제시키거나 할 수도 있다.
도 6 은, 본 발명의 압전 소자 (112) 를 구비하는 디바이스 (111) 를 나타내는 블록도이다. 디바이스 (111) 는, 압전 소자 (112) (포백상 압전 소자 (207)) 와, 임의 선택으로, 인가된 압력에 따라 압전 소자 (112) 의 출력 단자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭시키는 증폭 수단 (113), 당해 임의 선택의 증폭 수단 (113) 으로 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (114), 및 출력 수단 (114) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 에 송신하는 송신 수단 (115) 을 갖는 전기 회로를 구비한다. 이 디바이스 (111) 를 사용하면, 압전 소자 (112) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리로, 압전 소자에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다.
임의 선택의 증폭 수단 (113), 출력 수단 (114), 및 송신 수단 (115) 은, 예를 들어 소프트웨어 프로그램 형식으로 구축되어도 되고, 혹은 각종 전자 회로와 소프트웨어 프로그램의 조합으로 구축되어도 된다. 예를 들어, 연산 처리 장치 (도시 생략) 에 당해 소프트웨어 프로그램이 인스톨되고, 연산 처리 장치가 당해 소프트웨어 프로그램에 따라 동작함으로써, 각 부의 기능을 실현한다. 또 혹은, 임의 선택의 증폭 수단 (113), 출력 수단 (114), 및 송신 수단 (115) 을, 이들 각 부의 기능을 실현하는 소프트웨어 프로그램을 기입한 반도체 집적 회로로서 실현해도 된다. 또한, 송신 수단 (115) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 구성하는 센서에 따라 적절히 결정하면 된다. 혹은, 디바이스 (111) 내에, 출력 수단 (114) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 압전 소자 (112) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다. 또, 증폭 수단 뿐만 아니라, 노이즈를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 수단의 접속 순서는 목적에 따라 적절히 바꿀 수 있다. 물론, 압전 소자 (112) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기에 송신한 후에 신호 처리해도 된다.
도 21 ∼ 도 23 은, 실시형태에 관련된 끈목 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 21 ∼ 도 23 의 증폭 수단 (113) 은, 도 6 을 참조하여 설명한 것에 상당하지만, 도 6 의 출력 수단 (114) 및 송신 수단 (115) 에 대해서는 도 21 ∼ 도 23 에서는 도시를 생략하고 있다. 포백상 압전 소자 (207) 를 구비하는 디바이스를 구성하는 경우, 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) (도전성 섬유 (B) 로 형성된다) 의 출력 단자로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 끈목상 압전 소자 (201) 의 도전층 (204) 또는 포백상 압전 소자 (207) 의 도전성 섬유 (210) 또는 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속한 끈목상 압전 소자 (201) 와는 다른 끈목상 압전 소자를 접속한다. 예를 들어, 도 21 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (207) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 의 출력 단자로부터의 인출선을 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (201) 의 도전층 (204) 을 접지 (어스) 한다. 또 예를 들어, 도 22 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (207) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (201) 에 교차하여 접촉한 도전성 섬유 (210) 를 접지 (어스) 한다. 또 예를 들어, 도 23 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (207) 에 있어서 끈목상 압전 소자 (201) 를 복수 나열하고 있는 경우, 1 개의 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 의 출력 단자로부터의 인출선을 증폭 수단 (113) 의 입력 단자에 접속하고, 당해 끈목상 압전 소자 (201) 에 나열된 다른 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 로부터의 인출선을 접지 (어스) 한다.
끈목상 압전 소자 (201) 에 변형이 생기면, 압전성 섬유 (A) 는 변형되어 분극이 발생한다. 압전성 섬유 (A) 의 분극에 의해 발생한 정부 각 전하의 배열에 끌려, 끈목상 압전 소자 (201) 의 심부 (203) 를 형성하는 도전성 섬유 (B) 의 출력 단자로부터의 인출선 상에 있어서, 전하의 이동이 발생한다. 도전성 섬유 (B) 로부터의 인출선 상에 있어서의 전하의 이동은 미소한 전기 신호 (즉 전류 또는 전위차) 로서 나타난다. 요컨대, 끈목상 압전 소자 (201) 에 변형이 부여되었을 때에 발생하는 전하에 따라, 출력 단자로부터 전기 신호가 출력되는 증폭 수단 (113) 은 이 전기 신호를 증폭시키고, 출력 수단 (114) 은, 증폭 수단 (113) 으로 증폭된 전기 신호를 출력한다. 끈목상 압전 소자 (201) 의 변형의 종류에 따라 출력 수단 (114) 으로부터 출력되는 전기 신호의 극성, 진폭, 위상 등이 상이하므로, 출력 수단 (114) 으로부터 출력되는 전기 신호의 극성, 진폭, 위상 등을 비교하여 얻어지는 결과에 기초하여, 비틀림 등의 복잡한 변형의 양태를 판별한다.
끈목상 압전 소자와 도 21 ∼ 도 23 에 있어서의 증폭 수단 (113) 등의 전자 회로를 접속하기 위해, 끈목상 압전 소자와 다른 부재 (커넥터나 도선 등) 를 전기적으로 접속하기 위해서는, 끈목상 압전 소자가 포백에 피복된 채로는 접속하는 것이 곤란하다. 이 때문에, 끈목상 압전 소자는 포백으로부터 부분적으로 노출되어 있고, 그 노출 부분에 있어서 끈목상 압전 소자의 도전성 섬유 및/또는 도전층과 다른 부재가 전기적으로 접속되어 있는 것이 바람직하다. 노출 부분은 접속 작업의 간이함과 성능의 밸런스에서, 2 ㎜ 이상 100 ㎜ 이하가 바람직하고, 5 ㎜ 이상 50 ㎜ 이하가 보다 바람직하고, 10 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하가 더욱 바람직하다.
상기의 노출 부분을 포백상 압전 소자에 대해 나중에 부여하는 것은, 포백의 부분적인 절제 등의 후가공이 필요하여, 포백의 물성을 저해할 우려도 있기 때문에 바람직하지 않고, 포백상 압전 소자의 제조시에 미리 다른 부재와의 접속 지점에서 끈목상 압전 소자를 노출시키는 조직으로서 제직, 제편하는 것이 바람직하다.
본 발명의 디바이스 (111) 는 포백상이고, 유연성이 있기 때문에, 매우 광범위한 용도가 생각된다. 본 발명의 디바이스 (111) 의 구체적인 예로는, 모자나 장갑, 양말 등을 포함하는 착의, 서포터, 손수건상 등의 형상을 한 터치 패널, 인간이나 동물의 표면 감압 센서, 예를 들어, 장갑이나 밴드, 서포터 등의 형상을 한 관절부의 굽힘, 비틀림, 신축을 감지하는 센서를 들 수 있다. 예를 들어 인간에게 사용하는 경우에는, 접촉이나 움직임을 검출하여, 의료 용도 등의 관절 등의 움직임의 정보 수집, 어뮤즈먼트 용도, 상실된 조직이나 로봇을 움직이기 위한 인터페이스로서 사용할 수 있다. 그 밖에, 동물이나 인형을 본뜬 봉제 인형이나 로봇의 표면 감압 센서, 관절부의 굽힘, 비틀림, 신축을 감지하는 센서로서 사용할 수 있다. 그 밖에, 시트나 베개 등의 침구, 구두창, 장갑, 의자, 깔개, 봉투, 기 등의 표면 감압 센서나 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 디바이스 (111) 는 끈목상 혹은 포백상이고, 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 디바이스 (111) 는, 끈목상 압전 소자 (201) 의 표면을 문지르는 것만으로 충분한 전기 신호를 발생할 수 있기 때문에, 터치 센서와 같은 터치식 입력 장치나 포인팅 디바이스 등에 사용할 수 있다. 또, 끈목상 압전 소자 (201) 로 피계측물의 표면을 문지름으로써 피계측물의 높이 방향의 위치 정보나 형상 정보를 얻을 수 있으므로, 표면 형상 계측 등에 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 기재하지만 본 발명은 이에 의해 전혀 한정을 받는 것은 아니다.
본 실시예에서 나타내는 압전성 섬유 (압전성 구조체), 끈목상 압전 소자 및 포백상 압전 소자의 각 특성은, 이하의 방법에 의해 결정하였다.
[압전성 섬유]
(1) 폴리-L-락트산 결정화도 Xhomo :
폴리-L-락트산 결정화도 Xhomo 에 대해서는, 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의한 결정 구조 해석으로부터 구하였다. 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에서는, 리가쿠 제조 ultrax18 형 X 선 회절 장치를 사용하여 투과법에 의해, 이하 조건으로 샘플의 X 선 회절 도형을 이미징 플레이트에 기록하였다.
X 선원 : Cu-Kα 선 (컨포칼 미러)
출력 : 45 ㎸ × 60 ㎃
슬릿 : 1st : 1 ㎜Φ, 2nd : 0.8 ㎜Φ
카메라 길이 : 120 ㎜
적산 시간 : 10 분
샘플 : 35 ㎎ 의 폴리락트산 섬유를 가지런히 모아서 3 ㎝ 의 섬유속으로 한다.
얻어진 X 선 회절 도형에 있어서 방위각에 걸쳐 전체 산란 강도 Itotal 을 구하고, 여기서 2θ = 16.5°, 18.5°, 24.3°부근에 나타나는 폴리-L-락트산 결정에서 유래하는 각 회절 피크의 적분 강도의 총합 ΣIHMi 를 구하였다. 이들의 값으로부터 하기 식 (3) 에 따라, 폴리-L-락트산 결정화도 Xhomo 를 구하였다.
[수학식 3]
폴리-L-락트산 결정화도 Xhomo (％) = ΣIHMi/Itotal × 100 (3)
또한, ΣIHMi 는, 전체 산란 강도에 있어서 백그라운드나 비정에 의한 산만 산란을 차감함으로써 산출하였다.
(2) 폴리-L-락트산 결정 배향도 A :
폴리-L-락트산 결정 배향도 A 에 대해서는, 상기의 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의해 얻어진 X 선 회절 도형에 있어서, 동경 방향의 2θ = 16.5°부근에 나타나는 폴리-L-락트산 결정에서 유래하는 회절 피크에 대해, 방위각 (°) 에 대한 강도 분포를 취하고, 얻어진 분포 프로파일의 반치폭의 총계 ΣWi (°) 로부터 다음 식 (4) 에서 산출하였다.
[수학식 4]
폴리-L-락트산 결정 배향도 A (％) = (360 - ΣWi) ÷ 360 × 100 (4)
(3) 폴리락트산의 광학 순도 :
포백을 구성하는 1 개 (멀티 필라멘트의 경우에는 1 다발) 의 폴리락트산 섬유 0.1 g 을 채취하고, 5 몰/리터 농도의 수산화나트륨 수용액 1.0 ㎖ 와 메탄올 1.0 ㎖ 를 첨가하고, 65 ℃ 로 설정한 수욕 진탕기에 세트하고, 폴리락트산이 균일 용액이 될 때까지 30 분 정도 가수분해를 실시하고, 또한 가수분해가 완료한 용액에 0.25 몰/리터의 황산을 첨가하여 pH7 까지 중화시키고, 그 분해 용액을 0.1 ㎖ 채취하고 고속 액체 크로마토그래피 (HPLC) 이동상 용액 3 ㎖ 에 의해 희석시키고, 멤브레인 필터 (0.45 ㎛) 에 의해 여과하였다. 이 조정 용액의 HPLC 측정을 실시하여, L-락트산 모노머와 D-락트산 모노머의 비율을 정량하였다. 1 개의 폴리락트산 섬유가 0.1 g 에 미치지 않는 경우에는, 채취 가능한 양에 맞추어 다른 용액의 사용량을 조정하고, HPLC 측정에 제공하는 샘플 용액의 폴리락트산 농도가 상기와 동등 내지 100 분의 1 의 범위가 되도록 하였다.
<HPLC 측정 조건>
칼럼 : 스미카 분석 센터사 제조 「스미키랄 (등록상표)」 OA-5000 (4.6 ㎜φ × 150 ㎜),
이동상 : 1.0 밀리몰/리터의 황산구리 수용액
이동상 유량 : 1.0 밀리리터/분
검출기 : UV 검출기 (파장 254 ㎚)
주입량 : 100 마이크로리터
L 락트산 모노머에서 유래하는 피크 면적을 SLLA 로 하고, D-락트산 모노머에서 유래하는 피크 면적을 SDLA 로 하면, SLLA 및 SDLA 는 L-락트산 모노머의 몰 농도 MLLA 및 D-락트산 모노머의 몰 농도 MDLA 에 각각 비례하기 때문에, SLLA 와 SDLA 중 큰 쪽의 값을 SMLA 로 하고, 광학 순도는 하기 식 (5) 로 계산하였다.
[수학식 5]
광학 순도 (％) = SMLA ÷ (SLLA + SDLA) × 100 (5)
[포백상 압전 소자]
(4) 인발 강도
끈목상 압전 소자가 포백상 압전 소자로부터 노출되어 있는 장소가 있는 경우에는, 노출되어 있는 끈목상 압전 소자를 인장 시험기 (주식회사 오리엔텍 제조 만능 시험기 「텐실론 RTC-1225A」) 의 파지 지그의 일방으로 파지하고, 파지한 측의 끈목상 압전 소자가 고정된 단으로부터 5 ㎝ 의 부분에서 끈목상 압전 소자 및 포백상 압전 소자를 절단하였다. 끈목상 압전 소자가 포백에 고정된 5 ㎝ 의 부분의 양편의, 끈목상 압전 소자로부터 1 ㎜ 이내의 영역을 제외한 부분을, 끈목상 압전 소자의 길이 방향으로 5 ㎝ 에 걸쳐 U 자형의 파지 지그로 파지하고, 인장 시험기의 파지 지그의 다른 일방에 접속하였다. 이 상태에서 10 ㎜/min 의 속도로 인장 시험을 실시하여, 최대 강도를 측정하고, 인발 강도로 하였다. 또한, 끈목상 압전 소자가 포백상 압전 소자로부터 노출되어 있는 장소가 충분히 없는 경우에는, 포백의 일부 (끈목상 압전 소자 이외의 부분) 를 절단하여 끈목상 압전 소자를 노출시켜, 상기의 측정을 실시하였다. 또한, 끈목상 압전 소자가 포백에 고정된 부분의 길이를 5 ㎝ 확보하는 것이 곤란한 경우에는, 임의의 길이의 고정 부분에서 인발 강도를 측정하고, 5 ㎝ 당의 강도로 환산하였다.
(5) 피복률
포백상 압전 소자 중의 끈목상 압전 소자의 임의의 3 점에서, 현미경에 의해 표리 양면에서 촬영한 6 장의 사진의 각각에 대해, 끈목상 압전 소자의 폭에 대해 10 배 이상의 길이에 걸치는 부분에 있어서, 끈목의 폭과 관찰 부분의 길이의 곱으로 계산되는 면적에 대해, 끈목 표면이 노출되어 보이는 부분의 면적의 비율을 산출하고, 그 비율을 100 ％ 로부터 뺀 값을 피복률로 하고, 표면 3 장의 사진의 평균값을 피복률 (앞), 이면 3 장의 사진의 평균값을 피복률 (뒤) 로 하였다.
(6) 전기 신호 측정
일렉트로미터 (Keysight 사 B2987A) 를, 동축 케이블 (심 : Hi 극, 실드 : Lo 극) 을 통하여 압전 소자의 도전체에 접속한 상태에서, 압전 소자에 대해 이하의 굽힘 동작을 하면서 50 msec 의 간격으로 전류값을 계측하였다.
(6-1) 굽힘 시험
상부와 하부의 2 개의 척을 구비하고, 하부의 척은 연직 방향으로만 움직이는 레일 상에 고정되어 항상 하방향으로 0.5 N 의 하중이 가해지는 상태로 하고, 상부의 척은 하부의 척의 72 ㎜ 상방에 위치하고, 2 개의 척을 연결하는 선분을 직경으로 하는 가상의 원주 상을 상부의 척이 이동하고, 그 가상의 원의 중심으로부터 좌우에 각각 16 ㎜ 의 위치를 중심으로 한 직경 15 ㎜ 의 원을 단면으로 하는 2 개의 원주 (측면에는 50 번수의 면사로 이루어지는 평직포가 첩부되어 있다) 가 고정되고, 그 2 개의 원주 사이를 지나 포백상 압전 소자가 고정되고, 그 2 개의 원주를 지점으로 하여 굽힘 변형이 부여되는 시험 장치를 사용하여, 끈목상 압전 소자가 상하의 척으로 파지되도록 포백상 압전 소자를 상하의 척에 파지하여 고정시키고, 그 가상의 원주 상에서 상부의 척을 12 시의 위치, 하부의 척을 6 시의 위치로 했을 때, 상부의 척을 12 시의 위치로부터 그 가상의 원주 상의 1 시, 2 시의 위치를 경유하여 3 시의 위치로 일정 속도로 0.9 초에 걸쳐 이동시킨 후, 12 시의 위치를 경유하여 9 시의 위치까지 1.8 초에 걸쳐 이동시키고, 다시 0.9 초에 걸쳐 12 시의 위치로 되돌아가는 왕복 굽힘 동작을 10 회 반복하고, 그 사이의 전류값을 계측하고, 12 시의 위치로부터 3 시의 위치까지 이동하는 동안의 전류값의 피크값을 왕복 운동 10 회의 평균값을 취하고, 신호의 값으로 하였다.
(7) 끈목상 압전 소자의 외관
(6-1) 의 굽힘 시험을 왕복 1000 회 실시한 후, 포백상 압전 소자 중의 끈목상 압전 소자를 인발하고, 외측의 도전층 표면의 은 도금의 박리를 현미경으로 관찰하였다. 전혀 박리가 보이지 않는 것을 우수 합격, 약간 박리가 보이는 것을 합격, 빈번하게 박리가 보이는 것을 불합격으로 하였다.
[끈목상 압전 소자]
(8) 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ
중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 는, 하기 식으로부터 계산하였다.
θ = arctan(2πRm/HP)(0°≤ θ ≤ 90°)
단 Rm = 2(Ro3 - Ri3)/3(Ro2 - Ri2), 즉 단면적으로 가중 평균한 끈목상 압전 소자 (또는 다른 구조체) 의 반경이다. 나선 피치 (HP), 끈목상 압전 소자 (또는 다른 구조체) 가 차지하는 부분의 외측 반경 Ro 및 내측 반경 Ri 는 이하와 같이 측정하였다.
(8-1) 끈목상 압전 소자의 경우에는, (끈목상 압전 소자의 압전성 고분자 이외에 의한 피복이 되어 있는 경우에는 필요에 따라 피복을 제거하여 측면에서 압전성 고분자를 관찰할 수 있는 상태로 하고 나서) 측면 사진을 촬영하고, 임의의 5 지점에서 도 3 과 같이 압전성 고분자의 나선 피치 (HP) (㎛) 를 측정하고, 평균값을 취하였다. 또, 끈목상 압전 소자에 저점성의 순간 접착제 「아론알파 EXTRA2000」 (토아 합성) 을 스며들게 하여 고화시킨 후, 끈목의 장축에 수직인 단면을 잘라내어 단면 사진을 촬영하고, 1 장의 단면 사진에 대해 후술하는 바와 같이 끈목상 압전 소자가 차지하는 부분의 외측 반경 Ro (㎛) 및 내측 반경 Ri (㎛) 를 측정하고, 동일한 측정을 다른 임의의 단면 5 지점에 대해 측정하고, 평균값을 취하였다. 압전성 고분자와 절연성 고분자가 동시에 짜여져 있는 경우, 예를 들어 압전성 섬유와 절연성 섬유를 합사한 것을 사용하고 있는 경우나, 8 타 끈목의 4 개의 섬유가 압전성 고분자이고, 나머지 4 개의 섬유가 절연성 고분자인 경우에는, 여러 장소에서 단면을 취했을 때, 압전성 고분자가 존재하는 영역과 절연성 고분자가 존재하는 영역이 서로 바뀌기 때문에, 압전성 고분자가 존재하는 영역과 절연성 고분자가 존재하는 영역을 합하여 끈목상 압전 소자가 차지하는 부분으로 간주한다. 단, 절연성 고분자가 압전성 고분자와 동시에 짜여져 있지 않은 부분에 대해서는, 끈목상 압전 소자의 일부로는 간주하지 않는다.
외측 반경 Ro 와 내측 반경 Ri 에 대해서는, 이하와 같이 측정하였다. 도 9a 의 단면 사진과 같이, 압전성 구조체 (압전성 섬유 (A) 로 형성된 초부 (2)) 가 차지하는 영역 (이후 PSA 로 기재한다) 과, PSA 의 중앙부에 있고 PSA 가 아닌 영역 (이후 CA 로 기재한다) 을 정의한다. PSA 의 외측에 있고, PSA 에 겹치지 않는 최소의 진원의 직경과, PSA 의 외측을 지나지 않는 (CA 는 지나도 된다) 최대의 진원의 직경의 평균값을 Ro 로 한다 (도 9b). 또, CA 의 외측에 있고, CA 에 겹치지 않는 최소의 진원의 직경과, CA 의 외측을 지나지 않는 최대의 진원의 직경의 평균값을 Ri 로 한다 (도 9c).
(8-2) 커버링사상 압전 소자의 경우에는, 압전성 고분자를 커버링할 때의 감기 속도가 T 회/m (커버링사의 길이당의 압전성 고분자의 회전수) 일 때, 나선 피치 (HP) (㎛) = 1000000/T 로 하였다. 또, 커버링사상 압전 소자에 저점성의 순간 접착제 「아론알파 EXTRA2000」 (토아 합성) 을 스며들게 하여 고화시킨 후, 끈목의 장축에 수직인 단면을 잘라내어 단면 사진을 촬영하고, 1 장의 단면 사진에 대해 끈목상 압전 소자의 경우와 동일하게 커버링사상 압전 소자가 차지하는 부분의 외측 반경 Ro (㎛) 및 내측 반경 Ri (㎛) 를 측정하고, 동일한 측정을 다른 임의의 단면 5 지점에 대해 측정하고, 평균값을 취하였다. 압전성 고분자와 절연성 고분자가 동시에 커버링되어 있는 경우, 예를 들어 압전성 섬유와 절연성 섬유를 합사한 것을 커버링하고 있는 경우나, 압전성 섬유와 절연성 섬유가 겹치지 않게 동시에 커버링되어 있는 경우에는, 여러 장소에서 단면을 취했을 때, 압전성 고분자가 존재하는 영역과 절연성 고분자가 존재하는 영역이 서로 바뀌기 때문에, 압전성 고분자가 존재하는 영역과 절연성 고분자가 존재하는 영역을 합하여 커버링사상 압전 소자가 차지하는 부분으로 간주한다. 단, 절연성 고분자가 압전성 고분자와 동시에 커버링되지 않은, 즉 어느 단면을 취해도 절연성 고분자가 항상 압전성 고분자의 내측 또는 외측에 있는 부분에 대해서는, 커버링사상 압전 소자의 일부로는 간주하지 않는다.
(9) 전기 신호 측정
일렉트로미터 (Keysight 사 B2987A) 를, 동축 케이블 (심 : Hi 극, 실드 : Lo 극) 을 통하여 압전 소자의 도전체에 접속한 상태에서, 압전 소자에 대해 하기 9-1 ∼ 9-5 중 어느 동작 시험을 하면서 50 msec 의 간격으로 전류값을 계측하였다.
(9-1) 인장 시험
주식회사 오리엔텍 제조 만능 시험기 「텐실론 RTC-1225A」 를 사용하여, 압전 소자의 장척 방향으로 12 ㎝ 의 간격을 두고 압전 소자를 척으로 잡고, 소자가 느슨해진 상태를 0.0 N 으로 하고, 0.5 N 의 장력까지 인장한 상태에서 변위를 0 ㎜ 로 하고, 100 ㎜/min 의 동작 속도로 1.2 ㎜ 까지 인장한 후, 0 ㎜ 까지 -100 ㎜/min 의 동작 속도로 되돌리는 동작을 10 회 반복하였다.
(9-2) 비틀림 시험
압전 소자를 잡는 2 지점의 척 중, 편방의 척은 비틀림 동작을 실시하지 않고 압전 소자의 장축 방향으로 자유롭게 움직이는 레일 상에 설치되어 압전 소자에 0.5 N 의 장력이 항상 가해지는 상태로 하고, 타방의 척은 압전 소자의 장축 방향으로는 움직이지 않고 비틀림 동작을 실시하도록 설계된 비틀림 시험 장치를 사용하여, 압전 소자의 장척 방향으로 72 ㎜ 의 간격을 두고 압전 소자를 이들 척으로 잡고, 소자의 중앙에서 척을 보고 시계 방향으로 비틀도록 100°／s 의 속도로 0°에서 45°까지 회전한 후, -100/s 의 속도로 45°에서 0°까지 회전하는 왕복 비틀림 동작을 10 회 반복하였다.
(9-3) 굽힘 시험
상부와 하부의 2 개의 척을 구비하고, 하부의 척은 고정되고, 상부의 척은 하부의 척의 72 ㎜ 상방에 위치하고, 2 개의 척을 연결하는 선분을 직경으로 하는 가상의 원주 상을 상부의 척이 이동하는 시험 장치를 사용하고, 압전 소자를 척에 파지하여 고정시키고, 그 원주 상에서 상부의 척을 12 시의 위치, 하부의 척을 6 시의 위치로 했을 때, 압전 소자를 9 시 방향으로 볼록하게 약간 휘게 한 상태로 한 후, 상부의 척을 12 시의 위치로부터 그 원주 상의 1 시, 2 시의 위치를 경유하여 3 시의 위치에 일정 속도로 0.9 초에 걸쳐 이동시킨 후, 12 시의 위치까지 0.9 초에 걸쳐 이동시키는 왕복 굽힘 동작을 10 회 반복하였다.
(9-4) 전단 시험
50 번수의 면사로 짜여진 평직포를 표면에 첩부한 2 장의 강직한 금속판에 의해, 압전 소자의 중앙부 64 ㎜ 의 길이의 부분을 상하에서 수평으로 끼우고 (하부의 금속판은 받침대에 고정되어 있다), 위에서부터 3.2 N 의 수직 하중을 가하여, 금속판 표면의 면포와 압전 소자 사이가 미끄러지지 않게 한 상태인 채로, 위의 금속판을 0 N 내지 1 N 의 하중까지 1 초에 걸쳐 압전 소자의 장척 방향으로 인장한 후, 인장 하중을 0 N 까지 1 초에 걸쳐 되돌리는 전단 동작을 10 회 반복하였다.
(9-5) 가압 시험
주식회사 오리엔텍 제조 만능 시험기 「텐실론 RTC-1225A」 를 사용하여, 수평이고 강직한 금속대 상에 정치 (靜置) 시킨 압전 소자의 중앙부 64 ㎜ 의 길이의 부분을, 상부의 크로스헤드에 설치된 강직한 금속판에 의해 수평으로 압전 소자를 사이에 끼우고, 압전 소자로부터 상부의 금속판으로의 반력이 0.01 N 내지 20 N 이 될 때까지 0.6 초에 걸쳐 상부의 크로스헤드를 낮추어 가압하고, 반력이 0.01 N 이 될 때까지 0.6 초에 걸쳐 제압 (除壓) 하는 동작을 10 회 반복하였다.
압전 소자용의 포백은 이하의 방법으로 제조하였다.
(폴리락트산의 제조)
실시예에 있어서 사용한 폴리락트산은 이하의 방법으로 제조하였다.
L-락티드 ((주) 무사시노 화학 연구소 제조, 광학 순도 100 ％) 100 질량부에 대하여, 옥틸산주석을 0.005 질량부 첨가하고, 질소 분위기하, 교반 날개가 부착된 반응기로 180 ℃ 에서 2 시간 반응시키고, 옥틸산주석에 대해 1.2 배 당량의 인산을 첨가하고 그 후, 13.3 ㎩ 로 잔존하는 락티드를 감압 제거하고, 칩화하여, 폴리-L-락트산 (PLLA1) 을 얻었다. 얻어진 PLLA1 의 질량 평균 분자량은 15.2 만, 유리 전이점 (Tg) 은 55 ℃, 융점은 175 ℃ 이었다.
(압전성 섬유)
240 ℃ 에서 용융시킨 PLLA1 을 24 홀의 캡으로부터 20 g/min 으로 토출하고, 887 m/min 으로 인취하였다. 이 미연신 멀티 필라멘트사를 80 ℃, 2.3 배로 연신하고, 100 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 필라멘트의 멀티 필라멘트 1 축 연신사 PF1 을 얻었다. 또, 240 ℃ 에서 용융시킨 PLLA1 을 12 홀의 캡으로부터 8 g/min 으로 토출하고, 1050 m/min 으로 인취하였다. 이 미연신 멀티 필라멘트사를 80 ℃, 2.3 배로 연신하고, 150 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 33 dtex/12 필라멘트의 멀티 필라멘트 1 축 연신사 PF2 를 얻었다. 이들 압전성 섬유 PF1 및 PF2 를 압전성 고분자로서 사용하였다. PF1 및 PF2 의 폴리-L-락트산 결정화도, 폴리-L-락트산 결정 배향도 및 광학 순도는 상기의 방법으로 측정하고, 표 1 과 같았다.
(도전성 섬유)
미츠후지 (주) 제조의 은 도금 나일론, 품명 『AGposs』 100d34f(CF1) 을 도전성 섬유 (B) 로서 사용하였다. CF1 의 저항률은 250 Ω／m 이었다.
또, 미츠후지 (주) 제조의 은 도금 나일론, 품명 『AGposs』 30d10f(CF2) 를 도전성 섬유 (B) 및 도전성 섬유 (206) 로서 사용하였다. CF2 의 도전성은 950 Ω／m 이었다.
(절연성 섬유)
폴리에틸렌테레프탈레이트를 용융 방사 후에 연신함으로써 제조한 84 dTex/24 필라멘트의 연신사 IF1, 및 33 dTex/12 필라멘트의 연신사 IF2 를 각각 절연성 섬유로 하였다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 제 1 발명 ∼ 제 3 발명에 있어서 사용되는 압전 소자에 관해, 특히 압전성 고분자의 배향 각도 θ 및 T1/T2 의 값이 신축 변형에 대한 전기 신호에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
(예 A)
예 A 의 시료로서, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 도전성 섬유 CF1 을 심사로 하고, 8 타 환 (丸) 끈목 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어에 상기의 압전성 섬유 PF1 을 세트하고, S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어에 상기의 절연성 섬유 IF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 둘레에 Z 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감긴 끈목상 압전 소자 (1-A) 를 제조하였다.
(예 B)
끈목상 압전 소자 (1-A) 를 심사로 하고, 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 및 S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 모두에 상기의 도전성 섬유 CF2 를 세트하여 짬으로써, 끈목상 압전 소자 (1-A) 의 둘레를 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-B) 로 하였다.
(예 C, D)
PF1 이 감기 속도를 변경한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-A) 와 동일하게 하여, 2 개의 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이들의 끈목상 압전 소자를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-B) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-C 및 1-D) 로 하였다.
(예 E ∼ H)
제뉴기의 8 개의 캐리어 중, 표 2 와 같이 Z 꼬임 방향 및 S 꼬임 방향으로 짜여지는 캐리어에 각각 PF1 혹은 IF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 둘레에 Z 꼬임 방향 및 S 꼬임 방향의 각각에 소정의 비율로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감긴 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이들 끈목상 압전 소자를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-B) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-E ∼ 1-H) 로 하였다.
(예 I)
PF1 대신에 PF2 를 사용하고, IF1 대신에 IF2 를 사용하고, 감기 속도를 조정한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-A) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이 끈목상 압전 소자를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-B) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-I) 로 하였다.
(예 J)
PF2 대신에 IF2 를 사용하고, IF2 대신에 PF2 를 사용한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-A) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이 끈목상 압전 소자를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-B) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-J) 로 하였다.
(예 K)
CF1 을 심사로 하고, PF1 을 심사의 둘레에 S 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 IF1 을 Z 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 S 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 Z 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 심사의 둘레에 S 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감기고, 또한 외측을 도전성 섬유로 덮은 커버링사상 압전 소자 (1-K) 를 제조하였다.
(예 L)
PF1 대신에 IF1 을 사용한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-A) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이 끈목상 소자를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-B) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 소자 (1-L) 로 하였다.
(예 M)
PF1 대신에 IF1 을 사용한 것 이외에는 커버링사상 압전 소자 (1-K) 와 동일하게 하여 커버링사상 소자를 제조하여, 커버링사상 소자 (1-M) 로 하였다.
(예 N)
IF1 대신에 PF1 을 사용한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-B) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자 (1-N) 를 제조하였다.
(예 O)
IF2 대신에 PF2 를 사용한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-I) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자 (1-O) 를 제조하였다.
(예 P)
도전성 섬유 CF1 을 심사로 하고, 16 타 환끈목 제뉴기의 16 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 8 개의 캐리어에 상기의 압전성 섬유 PF1 을 세트하고, S 꼬임 방향으로 짜여지는 8 개의 캐리어에 상기의 절연성 섬유 IF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 둘레에 Z 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감겨진 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이 끈목상 압전 소자를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-B) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-P) 로 하였다.
(예 Q)
CF1 을 심사로 하고, PF1 을 심사의 둘레에 S 꼬임 방향으로 6000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 IF1 을 Z 꼬임 방향으로 6000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 S 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 Z 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 심사의 둘레에 S 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감기고, 또한 외측을 도전성 섬유로 덮은 커버링사상 압전 소자 (1-Q) 를 제조하였다.
각 압전 소자의 Ri, Ro, HP 를 측정하고, 계산된 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 의 값, 및 T1/T2 의 값을 표 2 에 나타낸다. 끈목상 압전 소자에 대해서는, Ri 및 Ro 는, 단면에 있어서 압전성 섬유와 절연성 섬유가 존재하는 영역을 합하여 압전 소자가 차지하는 영역으로서 측정하였다. 커버링사상 압전 소자에 대해서는, Ri 및 Ro 는, 단면에 있어서 압전성 섬유가 존재하는 영역을 압전 소자가 차지하는 영역으로서 측정하였다. 또, 각 압전 소자를 15 ㎝ 의 길이로 절단하고, 심의 도전성 섬유를 Hi 극으로 하고, 주변을 실드하는 철망 또는 초의 도전성 섬유를 Lo 극으로 하여 일렉트로미터 (Keysight 사 B2987A) 에 접속하고, 전류값을 모니터하였다. 인장 시험, 비틀림 시험, 굽힘 시험, 전단 시험 및 가압 시험시의 전류값을 표 2 에 나타낸다. 또한, 예 L, M 은 압전성 고분자를 포함하지 않기 때문에, θ 및 T1/T2 의 값은 측정할 수 없다.
표 2 의 결과로부터, 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 가 15°이상 75°이하이고, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하일 때, 인장 동작 (신축 변형) 에 대해 큰 신호를 발생하고, 인장 이외의 동작에는 큰 신호를 발생하지 않아, 인장 동작에 선택적으로 응답하는 소자인 것을 알 수 있다. 또 예 I 와 J 를 비교하면, Z 꼬임 방향으로 많이 압전성 섬유를 감았을 경우와, S 꼬임 방향으로 많이 압전성 섬유를 감았을 경우를 비교하면, 인장 시험시의 신호의 극성이 반대로 되어 있어, 감기 방향이 신호의 극성에 대응하고 있는 것을 알 수 있다.
또한 표에는 나타내지 않았지만, 예 A ∼ K 의 소자는 인장 하중을 부여했을 때의 신호와, 인장 하중을 제거했을 때의 신호를 비교하면, 극성이 서로 반대이고 절대값이 대체로 동일한 신호를 발생했기 때문에, 이들 소자는 인장 하중이나 변위의 정량에 적합한 것을 알 수 있다. 한편, 예 N 및 O 의 소자는 인장 하중을 부여했을 때의 신호와, 인장 하중을 제거했을 때의 신호를 비교하면, 극성이 서로 반대인 경우도 동일한 경우도 있었기 때문에, 이들 소자는 인장 하중이나 변위의 정량에 적합하지 않은 것을 알 수 있다. 또, 표에는 나타내지 않았지만, 예 B 의 인장 시험시의 노이즈 레벨은, 예 A 의 인장 시험시의 노이즈 레벨보다 낮아, 끈목상 압전 소자 (압전성 구조체) 의 외측에 도전성 섬유로 이루어지는 도전층을 배치하고 실드로 한 소자에서는 노이즈를 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
본 실시예에서는, 제 2 발명 및 제 3 발명에 있어서, 실시예 1 의 압전 소자와 함께 사용될 수 있는 압전 소자에 관해, 특히 압전성 고분자의 배향 각도 θ 및 T1/T2 의 값이 비틀림 변형에 대한 전기 신호에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
(예 AA)
실시예 1 의 시료로서, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 도전성 섬유 CF1 을 심사로 하고, 8 타 환끈목 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 및 S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 모두에 상기의 압전성 섬유 PF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 둘레에 Z 꼬임 방향 및 S 꼬임 방향 모두 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감겨진 끈목상 압전 소자 (1-AA) 를 제조하였다.
(예 AB)
끈목상 압전 소자 (1-AA) 를 심사로 하고, 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 및 S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 모두에 상기의 도전성 섬유 CF2 를 세트하여 짬으로써, 끈목상 압전 소자 (1-AA) 의 둘레를 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-AB) 로 하였다.
(예 AC)
PF1 대신에 PF2 를 사용하고, 감기 속도를 조정한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-AA) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이 끈목상 압전 소자 (1-AA) 를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-AB) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-AC) 로 하였다.
(예 AD)
CF1 대신에 CF2 를 사용하고, 감기 속도를 조정한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-AA) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이 끈목상 압전 소자 (1-AA) 를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-AB) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-AD) 로 하였다.
(예 AE)
도전성 섬유 CF1 을 심사로 하고, 16 타 환끈목 제뉴기의 16 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 8 개의 캐리어 및 S 꼬임 방향으로 짜여지는 8 개의 캐리어 모두에 상기의 압전성 섬유 PF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 둘레에 Z 꼬임 방향 및 S 꼬임 방향 모두 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감겨진 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이 끈목상 압전 소자를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-AB) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-AE) 로 하였다.
(예 AF)
CF1 을 심사로 하고, PF1 을 심사의 둘레에 S 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 PF1 을 Z 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 S 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 Z 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 심사의 둘레에 Z 꼬임 방향 및 S 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감기고, 또한 외측을 도전성 섬유로 덮은 커버링사상 압전 소자 (1-AF) 를 제조하였다.
(예 AG)
CF1 을 심사로 하고, PF1 을 심사의 둘레에 S 꼬임 방향으로 6000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 PF1 을 Z 꼬임 방향으로 6000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 S 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 Z 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 심사의 둘레에 Z 꼬임 방향 및 S 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감기고, 또한 외측을 도전성 섬유로 덮은 커버링사상 압전 소자 (1-AG) 를 제조하였다.
(예 AH)
PF1 대신에 IF1 을 사용한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-AA) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자를 제조하고, 이 끈목상 소자를 심사로 하고, 끈목상 압전 소자 (1-AB) 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 소자 (1-AH) 로 하였다.
(예 AI)
PF1 대신에 IF1 을 사용한 것 이외에는 커버링사상 압전 소자 (1-AF) 와 동일하게 하여 커버링사상 소자를 제조하여, 커버링사상 소자 (1-AI) 로 하였다.
(예 AJ, AK)
PF1 또는 PF2 의 감기 속도를 변경한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-AB 및 1-AC) 와 동일하게 하여, 2 개의 끈목상 압전 소자를 제조하여, 끈목상 압전 소자 (1-AJ 및 1-AK) 로 하였다.
(예 AL)
S 꼬임 방향으로 감은 PF1 대신에 IF1 을 사용한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-AB) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자 (1-AL) 를 제조하였다.
(예 AM)
Z 꼬임 방향으로 감은 PF2 대신에 IF2 를 사용한 것 이외에는 끈목상 압전 소자 (1-AC) 와 동일하게 하여 끈목상 압전 소자 (1-AM) 를 제조하였다.
(예 AN)
Z 꼬임 방향으로 감은 PF1 대신에 IF1 을 사용한 것 이외에는 커버링사상 압전 소자 (1-AF) 와 동일하게 하여 커버링사상 압전 소자 (1-AN) 를 제조하였다.
각 압전 소자의 Ri, Ro, HP 를 측정하고, 계산된 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 의 값, 및 T1/T2 의 값을 표 3 에 나타낸다. 끈목상 압전 소자에 대해서는, Ri 및 Ro 는, 단면에 있어서 압전성 섬유와 절연성 섬유가 존재하는 영역을 합하여 압전 소자가 차지하는 영역으로서 측정하였다. 커버링사상 압전 소자에 대해서는, Ri 및 Ro 는, 단면에 있어서 압전성 섬유가 존재하는 영역을 압전 소자가 차지하는 영역으로서 측정하였다. 또, 각 압전 소자를 15 ㎝ 의 길이로 절단하고, 심의 도전성 섬유를 Hi 극으로 하고, 주변을 실드하는 철망 또는 초의 도전성 섬유를 Lo 극으로 하여 일렉트로미터 (Keysight 사 B2987A) 에 접속하고, 전류값을 모니터하였다. 인장 시험, 비틀림 시험, 굽힘 시험, 전단 시험 및 가압 시험시의 전류값을 표 3 에 나타낸다. 또한, 예 AH, AI 는 압전성 고분자를 포함하지 않기 때문에, θ 및 T1/T2 의 값은 측정할 수 없다.
표 3 의 결과로부터, 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 θ 가 0°이상 40°이하 또는 50°이상 90°이하인 경우는, 비틀림 동작 (비틀림 변형) 에 대해 큰 신호를 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 예 AA ∼ AG 와 같이 T1/T2 의 값이 0.8 을 초과하고 1.0 이하일 때, 비틀림 동작 (비틀림 변형) 에 대해 큰 신호를 발생하고, 비틀림 이외의 동작에는 큰 신호를 발생하지 않아, 비틀림 동작에 선택적으로 응답하는 소자인 것을 알 수 있다. 또, 예 AA ∼ AE, AL 및 AM 과 예 AF, AG 및 AN 을 비교하면, θ 이 0°이상 40°이하인 경우와, θ 가 50°이상 90°이하인 경우에서, 비틀림 시험시의 신호의 극성이 반대로 되어 있어, θ 가 비틀림 시험시의 신호의 극성에 대응하고 있는 것을 알 수 있다.
또한 표에는 나타내지 않았지만, 예 AA ∼ AG 및 AL ∼ AN 의 소자는 S 꼬임 방향으로 비틀림을 부여했을 때의 신호와, Z 꼬임 방향으로 비틀림을 부여했을 때의 신호를 비교하면, 극성이 서로 반대이고 절대값이 대체로 동일한 신호를 발생했기 때문에, 이들 소자는 비틀림 하중이나 변위의 정량에 적합한 것을 알 수 있다. 한편, 예 AJ 및 예 AK 의 소자는 S 꼬임 방향으로 비틀림을 부여했을 때의 신호와, Z 꼬임 방향으로 비틀림을 부여했을 때의 신호를 비교하면, 극성이 서로 반대인 경우도 동일한 경우도 있었기 때문에, 이들 소자는 비틀림 하중이나 변위의 정량에 적합하지 않은 것을 알 수 있다. 또, 표에는 나타내지 않았지만, 예 AB 의 비틀림 시험시의 노이즈 레벨은, 예 AA 의 비틀림 시험시의 노이즈 레벨보다 낮아, 끈목상 압전 소자의 외측에 도전성 섬유로 이루어지는 도전층을 배치하고 실드로 한 소자에서는 노이즈를 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 3)
제 2 발명에 관련된 압전 소자용의 포백은 이하의 방법으로 제조하였다.
(폴리락트산의 제조)
실시예에 있어서 사용한 폴리락트산은 이하의 방법으로 제조하였다.
L-락티드 ((주) 무사시노 화학 연구소 제조, 광학 순도 100 ％) 100 질량부에 대하여, 옥틸산주석을 0.005 질량부 첨가하고, 질소 분위기하, 교반 날개가 부착된 반응기에서 180 ℃ 에서 2 시간 반응시키고, 옥틸산주석에 대해 1.2 배 당량의 인산을 첨가하고 그 후, 13.3 ㎩ 로 잔존하는 락티드를 감압 제거하고, 칩화하여, 폴리-L-락트산 (PLLA1) 을 얻었다. 얻어진 PLLA1 의 질량 평균 분자량은 15.2 만, 유리 전이점 (Tg) 은 55 ℃, 융점은 175 ℃ 이었다.
(압전성 섬유)
240 ℃ 에서 용융시킨 PLLA1 을 24 홀의 캡으로부터 22 g/min 으로 토출하고, 1300 m/min 으로 인취하였다. 이 미연신 멀티 필라멘트사를 80 ℃. 2.0 배로 연신하고, 150 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 필라멘트의 압전성 섬유 (A1) 를 얻었다.
또, 240 ℃ 에서 용융시킨 PLLA1 을 12 홀의 캡으로부터 8 g/min 으로 토출하고, 1300 m/min 으로 인취하였다. 이 미연신 멀티 필라멘트사를 80 ℃, 2.0 배로 연신하고, 150 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 33 dTex/12 필라멘트의 압전성 섬유 (A2) 를 얻었다.
(도전성 섬유)
미츠후지 (주) 제조의 은 도금 나일론, 품명 『AGposs』 100d34f 및 30d10f 를 도전성 섬유 (B), 도전성 섬유 (6) 및 도전성 섬유 (10) 로서 사용하였다. 이 섬유의 체적 저항률은 1.1 × 10-3 Ω·㎝ 이었다.
(끈목상 압전 소자)
실시예 3-1 의 시료로서, 상기의 도전성 섬유 『AGposs』 100d34f 를 심사로 하고, 상기의 압전성 섬유 (A1) 를 8 개 심사의 둘레에 끈목상으로 감아, 8 타 끈목으로 하고, 또한 도전성 섬유 『AGposs』 30d10f 를 초부의 압전성 섬유 (A1) 의 둘레에 끈목상으로 감아 실드층으로 하여, 끈목상 압전 소자 (1A) 를 형성하였다. 여기서, 도전성 섬유 (B) 의 섬유축 CL 에 대한 압전성 섬유 (A1) 의 감기 각도 α 는 30°로 하였다. 또한, 끈목상 압전 소자 (1A) 의 d/Rc 는 1.76 이었다.
실시예 3-2 의 시료로서, 상기의 도전성 섬유 『AGposs』 100d34f 를 심사로 하고, 상기의 압전성 섬유 (A2) 를 8 개 심사의 둘레에 끈목상으로 감아, 8 타 끈목으로 하고, 그 끈목 상에 추가로 또 1 층, 압전성 섬유 (2) 를 8 개 끈목상으로 감았다. 또한 도전성 섬유 『AGposs』 30d10f 를 압전성 섬유 (A2) 의 둘레에 끈목상으로 감아 실드층으로 하여, 끈목상 압전 소자 (1B) 를 형성하였다. 여기서, 도전성 섬유 (B) 의 섬유축 CL 에 대한 압전성 섬유 (A) 의 감기 각도 α 는 30°로 하였다. 또한, 끈목상 압전 소자 (1B) 의 d/Rc 는 1.52 이었다.
비교예 3-1 의 시료로서, 실시예 3-1 의 압전성 섬유 (A1) 대신에 압전성 섬유 (A2) 를 사용한 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여 끈목상 압전 소자 (1C) 를 형성하였다. 또한, 끈목상 압전 소자 (1C) 의 d/Rc 는 0.84 이었다.
(제편)
상기 끈목상 압전 소자 (1A ∼ 1C) 를 각각 사용하여, 환편직 니트 1 ∼ 3 을 제조하였다.
(성능 평가 및 평가 결과)
끈목상 압전 소자 (1A ∼ 1C) 및 환편직 니트 1 ∼ 3 의 평가 결과는 이하와 같다.
(실시예 3-1)
끈목상 압전 소자 (1A) 중의 도전성 섬유 (B) 를 신호선으로 하여 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 통하여 100 배 증폭 회로를 경유하여 접속하고, 끈목상 압전 소자 (1A) 의 도전층 (204) 을 접지 (어스) 하였다. 끈목상 압전 소자 (1A) 에 비틀림 변형을 가하였다.
그 결과, 끈목상 압전 소자 (1A) 로부터의 출력으로서, 오실로스코프에 의해 약 10 ㎷ 의 전위차가 검출되어, 끈목상 압전 소자 (1A) 의 변형에 의해 충분한 크기의 전기 신호를 검출할 수 있는 것이 확인되었다.
또, 환편직 니트 1 에 대해서도, 심부와 실드선은 단락되어 있지 않아, 변형에 대응하는 신호를 검출할 수 있었다.
(실시예 3-2)
끈목상 압전 소자 (1B) 중의 도전성 섬유 (B) 를 신호선으로 하여 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 통하여 100 배 증폭 회로를 경유하여 접속하고, 끈목상 압전 소자 (1B) 의 도전층 (204) 을 접지 (어스) 하였다. 끈목상 압전 소자 (1B) 에 비틀림 변형을 가하였다.
그 결과, 끈목상 압전 소자 (1B) 로부터의 출력으로서, 오실로스코프에 의해 약 10 ㎷ 의 전위차가 검출되어, 끈목상 압전 소자 (1B) 의 변형에 의해 충분한 크기의 전기 신호를 검출할 수 있는 것이 확인되었다.
또, 환편직 니트 2 에 대해서도, 심부와 실드선은 단락되어 있지 않아, 변형에 대응하는 신호를 검출할 수 있었다.
(비교예 3-1)
끈목상 압전 소자 (1C) 중의 도전성 섬유 (B) 를 신호선으로 하여 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 통하여 100 배 증폭 회로를 경유하여 접속하고, 끈목상 압전 소자 (1C) 의 도전층 (204) 을 접지 (어스) 하였다. 끈목상 압전 소자 (1C) 에 비틀림 변형을 가하였다.
그 결과, 끈목상 압전 소자 (1C) 로부터의 출력으로서, 오실로스코프에 의해 약 10 ㎷ 의 전위차가 검출되어, 끈목상 압전 소자 (1C) 의 변형에 의해 충분한 크기의 전기 신호를 검출할 수 있는 것이 확인되었다.
그러나, 환편직 니트 3 에 대해서는, 심부와 실드선이 단락되어 있어, 변형에 대응하는 신호는 검출할 수 없었다.
(실시예 4)
제 3 발명에 관련된 포백상 압전 소자는 이하의 방법으로 제조하였다.
(끈목상 압전 소자)
도 10 에 나타내는 바와 같이, 도전성 섬유 CF1 을 심사로 하고, 8 타 환끈목 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어에 상기의 압전성 섬유 PF1 을 세트하고, S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어에 상기의 절연성 섬유 IF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 둘레에 Z 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감겨진 끈목상 압전 소자를 제조하였다. 이어서, 이 끈목상 압전 소자를 심사로 하고, 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 및 S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 모두에 상기의 도전성 섬유 CF2 를 세트하여 짬으로써, 끈목상 압전 소자의 둘레를 도전성 섬유로 이루어지는 도전층으로 덮은 것을 제조하여, 끈목상 압전 소자 (201) 로 하였다.
(제직)
(실시예 4-1)
폴리에스테르의 스판사에 의한 2 중 방직 테이프 (폭 16 ㎜, 두께 0.3 ㎜) 의 층간에, 경사로 평행하게 5 지점의 통상 부분을 형성하고, 각각의 통 중에 끈목상 압전 소자 (201) 를 넣어 짠 포백상 압전 소자를 제조하였다. 통상 부분은 2 층 합하여 16 개의 84 dTex 의 경사로 구성하고, 통상 부분 이외의 부분은 167 dTex 의 경사로 구성하였다. 위사는 84 dTex 의 실을 사용하였다. 5 개의 끈목상 압전 소자끼리의 사이에는 167 dTex 의 경사를 2 개 (각 층 1 개) 넣었다. 포백상 압전 소자의 중앙의 끈목상 압전 소자 (201) 에 대해, 인발 강도, 피복률의 측정을 실시하고, 굽힘 시험의 신호 강도와, 굽힘 시험 후의 끈목상 압전 소자의 외측 도전층 외관을 확인하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.
(실시예 4-2)
폴리에스테르사 (330 dTex/72 필라멘트) 를 경사 및 위사에 사용한 평직포의 경사의 일부에, 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용하여 짠 포백상 압전 소자를 제조하였다. 이 평직포는 위사 밀도보다 경사 밀도가 높아, 경사간의 간극이 거의 없었다. 포백상 압전 소자 중의 끈목상 압전 소자 (201) 에 대해, 인발 강도, 피복률의 측정을 실시하고, 굽힘 시험의 신호 강도와, 굽힘 시험 후의 끈목상 압전 소자의 외측 도전층 외관을 확인하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.
(실시예 4-3)
실시예 4-2 와 동일하게 폴리에스테르의 스판사를 경사 및 위사에 사용하여 짠 평직포의 위사의 일부에, 끈목상 압전 소자 (201) 를 사용하여 짠 포백상 압전 소자를 제조하였다. 포백상 압전 소자 중의 끈목상 압전 소자 (201) 에 대해, 인발 강도, 피복률의 측정을 실시하여, 굽힘 시험의 신호 강도와, 굽힘 시험 후의 끈목상 압전 소자의 외측 도전층 외관을 확인하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.
(실시예 4-4)
실시예 4-2 에서 짠 평직포에, 끈목상 압전 소자 (201) 를 두고, 끈목상 압전 소자 (201) 를 걸치도록 60 번수의 폴리에스테르 스판 미싱사에 의한 지그재그 꿰맴 (폭 2 ㎜, 피치 1 ㎜) 을 실시하여 끈목상 압전 소자를 평직포에 고정시켜, 포백상 압전 소자를 제조하였다. 포백상 압전 소자 중의 끈목상 압전 소자 (201) 에 대해, 인발 강도, 피복률의 측정을 실시하여, 굽힘 시험의 신호 강도와, 굽힘 시험 후의 끈목상 압전 소자의 외측 도전층 외관을 확인하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.
(비교예 4-1)
폴리에스테르 스판 미싱사에 의한 지그재그 꿰맴의 폭을 4 ㎜, 피치를 2 ㎜ 로 변경한 것 이외에는 실시예 4-4 와 동일하게, 포백상 압전 소자를 제조하였다. 포백상 압전 소자 중의 끈목상 압전 소자 (201) 에 대해, 인발 강도, 피복률의 측정을 실시하여, 굽힘 시험의 신호 강도와, 굽힘 시험 후의 끈목상 압전 소자의 외측 도전층 외관을 확인하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.
표 4 의 결과로부터, 5 ㎝ 당의 인발 강도가 0.1 N 이상인 실시예 4-1 ∼ 4-4 에서는, 굽힘 시험에 있어서 강한 신호가 관측되고 있는 데에 대해, 0.1 N 미만인 비교예 4-1 에서는 굽힘 시험에 있어서 약한 신호밖에 관측되지 않아, 실시예 4-1 ∼ 4-4 의 포백상 압전 소자는 센서로서의 성능이 우수한 것을 알 수 있다. 또, 피복률이 표면과 이면 모두 30 ％ 를 초과하는 실시예 4-1 ∼ 4-4 에서는, 굽힘 시험 후의 끈목상 압전 소자의 도전층의 열화가 비교예 4-1 에 비해 억제되어 있고, 포백상 센서로서의 내구성이 우수한 것을 알 수 있다.
1 압전성 구조체
1-1 원통형의 압전성 구조체
1-2 원주형의 압전성 구조체
2 압전성 고분자
OL 배향 방향
HP 나선 피치
A 압전성 섬유
B 도전성 섬유
101, 201 끈목상 압전 소자
102, 202 초부
103, 203 심부
107, 207 포백상 압전 소자
108, 208 포백
109, 209 절연성 섬유
110, 210 도전성 섬유
111 디바이스
112 압전 소자
113 증폭 수단
114 출력 수단
115 송신 수단
204 도전층
205 도전성 물질
206 도전성 섬유
208a 포백의 중앙면
X 심부의 섬유속만으로 이루어지는 최대의 원
Y 심부의 섬유속을 완전히 포함하는 최소의 원 Y
X' 심부를 포함하는 압전성 섬유의 섬유속만으로 이루어지는 최대의 원
Y' 압전성 섬유의 섬유속을 완전히 포함하는 최소의 원
CL 중심축 또는 섬유축
α 감기 각도
1-1 원통형의 압전성 구조체
1-2 원주형의 압전성 구조체
2 압전성 고분자
OL 배향 방향
HP 나선 피치
A 압전성 섬유
B 도전성 섬유
101, 201 끈목상 압전 소자
102, 202 초부
103, 203 심부
107, 207 포백상 압전 소자
108, 208 포백
109, 209 절연성 섬유
110, 210 도전성 섬유
111 디바이스
112 압전 소자
113 증폭 수단
114 출력 수단
115 송신 수단
204 도전층
205 도전성 물질
206 도전성 섬유
208a 포백의 중앙면
X 심부의 섬유속만으로 이루어지는 최대의 원
Y 심부의 섬유속을 완전히 포함하는 최소의 원 Y
X' 심부를 포함하는 압전성 섬유의 섬유속만으로 이루어지는 최대의 원
Y' 압전성 섬유의 섬유속을 완전히 포함하는 최소의 원
CL 중심축 또는 섬유축
α 감기 각도
Claims (31)
- 배향한 압전성 고분자를 원통형 또는 원주형으로 배치한 구조체이고, 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도가 15°이상 75°이하이고, 압전성 고분자는 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 d14 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하인 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하고, 또한 상기 압전성 고분자는, 압전 정수 d14 의 값이 정의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부의 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 그 구조체의 중심축이 1 ㎝ 의 길이를 갖는 부분에 대해, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아서 배치된 그 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP + SN) 과 (SP + ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하인, 구조체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전성 고분자는 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 주성분으로서 포함하는, 구조체. - 제 2 항에 있어서,
상기 압전성 고분자는, 폴리-D-락트산을 주성분으로서 포함하는 P 체와, 폴리-L-락트산을 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하는, 구조체. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 중심축의 방향에 신축 변형이 부여되었을 때, 그 원통형 또는 원주형의 중심축측과 외측에 역극성의 전하가 발생하는, 구조체. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전성 고분자는 섬유상, 필라멘트상 또는 테이프상의 것이, 끈목상, 꼬임끈상, 커버링사상 또는 겹사상으로 되어 구성되어 있는, 구조체. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전성 고분자는 원통형 또는 원주형의 중심축에 수직인 단면에 있어서 1 개의 폐쇄 영역만을 구성하고 있는, 구조체. - 제 1 항에 기재된 구조체와, 상기 구조체에 인접하여 배치된 도전체를 구비하는, 소자.
- 제 7 항에 있어서,
상기 압전성 고분자가 원통형으로 배치되어 있고, 그 원통형의 중심축의 위치에 상기 도전체를 배치한, 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 도전체가 도전성 섬유로 이루어지고, 상기 압전성 고분자는 압전성 섬유로서 상기 도전성 섬유의 둘레에 끈목상으로 짜여져서 배치되는, 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 외측에 상기 도전체를 배치한, 소자. - 제 10 항에 있어서,
상기 도전체는 도전성 섬유로 이루어지고, 상기 압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 둘레에 상기 도전성 섬유가 끈목상으로 짜여져서 배치되는, 소자. - 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 소자와,
압전성 고분자가 배치된 원통형 또는 원주형의 중심축의 방향에 신축 변형이 부여되었을 때에 발생하는 전하에 따라, 상기 도전체에서 발생하는 전기 신호가 출력되는 출력 단자와,
상기 출력 단자를 통하여 출력되는 전기 신호를 검출하는 전기 회로를 구비하는 센서. - 상기 도전성 섬유로 형성된 심부와, 상기 심부를 피복하도록 끈목상의 상기 압전성 섬유로 형성된 초부를 구비한 제 9 항에 기재된 소자와,
상기 초부의 주위에 형성된 도전층을 구비하고,
상기 심부의 반경 Rc 에 대한 압전성 섬유로 이루어지는 층의 두께 d 의 비 d/Rc 가 1.0 이상인, 끈목상 압전 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 도전층에 의한 상기 초부의 피복률이 25 ％ 이상인, 끈목상 압전 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 도전층이 섬유로 형성되어 있는, 끈목상 압전 소자. - 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자를 포함하는 포백상 압전 소자.
- 제 16 항에 있어서,
상기 포백은, 상기 끈목상 압전 소자의 적어도 일부와 교차하여 접촉하는 도전성 섬유를 추가로 포함하는, 포백상 압전 소자. - 제 17 항에 있어서,
상기 포백을 형성하는 섬유이고 또한 상기 끈목상 압전 소자와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인, 포백상 압전 소자. - 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자와,
인가된 압력에 따라 상기 끈목상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭시키는 증폭 수단과,
상기 증폭 수단으로 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는 디바이스. - 제 17 항에 기재된 포백상 압전 소자와,
인가된 압력에 따라 상기 포백상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭시키는 증폭 수단과,
상기 증폭 수단으로 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는 디바이스. - 포백에 끈목상 압전 소자가 고정된 포백상 압전 소자이고, 상기 끈목상 압전 소자가,
상기 도전성 섬유로 형성된 심부와, 상기 심부를 피복하도록 끈목상의 상기 압전성 섬유로 형성된 초부를 구비한 제 9 항에 기재된 소자와,
상기 초부의 주위에 형성된 도전층을 구비하고,
상기 포백에 대한 상기 끈목상 압전 소자의 5 ㎝ 당의 인발 강도가 0.1 N 이상인, 포백상 압전 소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 포백을 구성하는 섬유에 의한 상기 끈목상 압전 소자의 피복률이 상기 포백의 양면 모두 30 ％ 를 초과하는, 포백상 압전 소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 포백에 상기 끈목상 압전 소자가 섞여 짜여진 상태 또는 섞여 떠진 상태로 고정된, 포백상 압전 소자. - 제 21 항에 있어서,
2 중 방직 포백 혹은 2 중 편직 포백의 층간에 상기 끈목상 압전 소자가 끼워 넣어져 있는, 포백상 압전 소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 포백으로부터 상기 끈목상 압전 소자가 부분적으로 노출되어 있고, 그 노출 부분에 있어서 상기 끈목상 압전 소자의 상기 도전성 섬유 및/또는 상기 도전층과 다른 부재가 전기적으로 접속되어 있는, 포백상 압전 소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 도전층에 의한 상기 초부의 피복률이 25 ％ 이상인, 포백상 압전 소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 도전층이 섬유로 형성되어 있는, 포백상 압전 소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 압전성 섬유의 총섬도는, 상기 도전성 섬유의 총섬도의 1 배 이상, 20 배 이하인, 포백상 압전 소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 압전성 섬유의 1 개당 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인, 포백상 압전 소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 포백은, 상기 끈목상 압전 소자의 적어도 일부와 교차하여 접촉하는 도전성 섬유를 추가로 포함하는, 포백상 압전 소자. - 제 21 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 기재된 포백상 압전 소자와,
인가된 압력에 따라 상기 포백상 압전 소자에 포함되는 상기 도전성 섬유로부터 출력되는 전기 신호를 검출하는 전기 회로를 구비하는 디바이스.
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