KR20180002630A - 압전 소자 및 그것을 사용한 디바이스 - Google Patents

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사토코 요시자키
스구루 오자와
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데이진 가부시키가이샤
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Abstract

비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능한 섬유상의 압전 소자를 제공하는 것. 도전성 섬유 및 압전성 섬유로 이루어지는 조물을 포함하고, 그 조물은 그 도전성 섬유가 코어이며, 그 압전성 섬유가 그 도전성 섬유의 주위를 피복한 피복 섬유인 압전 소자.

Description

압전 소자 및 그것을 사용한 디바이스{PIEZOELECTRIC ELEMENT AND DEVICE USING SAME}
본 발명은, 터치식 입력 장치나 포인팅 디바이스, 표면 형상 계측 등에 사용되는 섬유상 압전 소자에 관한 것이다. 한층 더 상세하게는, 섬유상 압전 소자의 표면을 문지르는 것만으로 터치 센서 등으로서 충분한 전기 출력을 발생할 수 있고, 또, 섬유상 압전 소자로 피계측물의 표면을 문지름으로써 피계측물의 높이 방향의 위치 정보나 형상 정보를 얻을 수 있는 센서에 관한 것이다.
본 발명은 또, 압전성 섬유를 사용한 끈목상 압전 소자, 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 (布帛狀) 압전 소자 및 그것들을 사용한 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 압전성 섬유를 사용한 끈목을 도전층으로 피복한 끈목상 압전 소자, 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 압전 소자 및 그것들을 사용한 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 또, 외력에 의한 형상 변화에 의해 전기 신호를 출력 및/또는 전기 신호의 입력에 의해 형상 변화되는 트랜스듀서에 관한 것이다. 한층 더 상세하게는, 유연하고 삼차원적으로 형상 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 포백상의 트랜스듀서에 관한 것이다.
최근, 이른바 터치 패널 방식을 채용한 입력 장치, 즉 터치식 입력 장치가 대폭 증가하고 있다. 은행 ATM 이나 역의 매표기 뿐만 아니라, 휴대 전화기, 휴대 게임기, 휴대 음악 플레이어 등에 있어서, 박형 디스플레이 기술의 발전과 함께, 입력 인터페이스로서 터치 패널 방식이 채용되는 기기가 대폭 증가하고 있다.
최근의 휴대 전화나 스마트 폰에 있어서는, 액정이나 유기 일렉트로 루미네선스 등을 사용한 표시 장치 위에 터치식 입력 장치를 설치하고, 화면 상에 직접적으로 입력할 수 있는 방식이 많이 채용되고 있다. 고도화가 진행되는 스마트 폰 등의 휴대 기기의 편리성을 더욱 향상시키기 위해서는, 화면 상에만 입력 장치를 설치하고 있는 것만이 아니고, 복수의 터치식 입력 수단이 있는 것이 바람직하다.
예를 들어, 스마트 폰에 있어서, 표시 화면에 손가락 등으로 입력하고자 했을 경우, 편방의 손으로 스마트 폰을 들고, 다른 일방의 손가락으로 입력을 하게 되기 때문에, 양손을 사용한 조작이 되지 않을 수 없다. 한편, 스마트 폰의 케이싱에도 터치 센서 등이 삽입되어 있으면, 한 손으로의 조작이 가능하게 된다는 이점이 있다.
그 일례로서, 통상적으로는 센서로서 사용되고 있지 않은 표시 화면 뒤 등의 비표시 화면 부분의 케이싱 부분에 터치 센서 등을 삽입하고, 이 센서로 화면 정보중의 항목 상 또는 앵커 포인트를 선택하는 방식이, 특허문헌 1 에 개시되어 있다. 특허문헌 1 과 같은 터치 센서를 실현하는 입력 장치로서는, 정전 용량 방식, 저항막식, 광학식, 전자 유도 방식, 압전 시트를 사용하는 방식 등이 있다.
압전 시트를 사용하는 방식의 예로서는, 특허문헌 2 에 개시가 있다. 압전 시트 방식은, 정전 용량 방식이나 저항막 방식의 터치 센서와는 상이하고, 그것 단체로 센서에 가해지는 압력과 위치 정보의 양방을 동시에 검출 가능하고, 입력 정보의 다양성에 공헌할 수 있다. 또, 특허문헌 2 에 있어서는, 압전 시트의 부재의 구체예로서 압전성 고분자인 폴리락트산을 이용한 예가 개시되어 있다.
특허문헌 2 에서 개시되어 있는 바와 같이 폴리락트산으로 이루어지는 압전 시트는, 플렉시블화가 가능하고, 또, 1 개의 소자로 위치 정보와 응력을 동시에 검출할 수 있는 우수한 소자이지만, 충분한 전기 출력을 얻기 위해서는, 입력 시에 압전 시트를 그 응력에 따라 어느 정도 휘게 할 필요가 있다. 폴리락트산으로 이루어지는 압전 시트는, 시트에 대한 전단 응력에 의해 전기 출력을 발생하지만, 인장이나 압축으로는 충분한 전기 출력이 얻어지지 않는다. 따라서, 큰 전기 출력을 얻으려면 압전 시트 평면의 수직 방향으로부터의 가압력에 의해 시트를 휘게 할 필요가 있다. 예를 들어, 이 압전 시트를 스마트 폰의 뒤쪽의 케이싱에 첩합 (貼合) 혹은 케이싱과 일체로 하여 사용하는 것을 생각하면, 시트에 수직 방향으로 가해지는 누름 압력에 의해, 시트를 휘게 하는 것은 공간적으로 어렵고, 압전 소자의 표면을 문지르는 것만으로 충분한 전기 출력을 발생시키는 것이 요망되고 있었다. 또, 스마트 폰 등의 케이싱 표면은 반드시 평면이라고는 할 수 없고, 의장성 확보 등의 이유에서, 그 형상에는 삼차원적인 요철이 많고, 거기에 사용되는 압전 소자는 플렉시블한 것이 요망되고 있었다.
그런데, 압전 섬유 기술로서, 압전성 고분자에 꼬임을 가해 배향시킨 것이 특허문헌 3 에 개시되어 있다. 특허문헌 3 에 기재된 압전 섬유는, 섬유를 특수한 제조 방법으로 미리 꼬아 둠으로써, 섬유에 대한 인장이나 압축에 대해서는 전기 출력이 얻어진다. 그러나 특허문헌 3 에는, 섬유 표면을 문지르는 것에 의한 전단 응력에 대해 충분한 전기 출력을 발생시키고, 그것을 취출하는 것에 대한 기술은 전혀 개시되지 않았다. 따라서, 이와 같은 압전 섬유 소자를, 스마트 폰의 케이싱 등에 삽입하여, 표면을 손가락 등으로 문지른다는 비교적 작은 인가 응력만으로 충분한 전기 출력을 취출하는 것은, 매우 곤란하다.
일반적으로, 1 축 연신 배향한 폴리락트산 섬유는, 연신축 및 그 수직 방향에 대한 연신이나 압축 응력에 대해 거의 분극이 생기지 않고, 그 때문에, 이와 같은 섬유의 표면을 손가락 등으로 문지름으로써 발생하는 비교적 작은 인가 응력으로는 전기 출력은 거의 얻어지지 않는 것이 알려져 있다. 한편, 폴리락트산 압전 섬유의 연신축에 평행도 수직도 아닌 방향으로부터 힘을 가하는, 즉, 전단 응력을 부여함으로써 분극이 생겨 압전체로서의 기능을 발현하는 것이 알려져 있다.
특허문헌 4 에서는, 표면을 손가락 등으로 문지른다는 비교적 작은 인가 응력에 의해 전기 출력을 취출할 수 있는 섬유상의 압전 소자가 개시되어 있다. 특허문헌 4 에서는, 이 섬유상 압전 소자의 구성 요소인 도전 섬유로서 탄소 섬유를 사용하고 있다. 그러나, 반복 내구성이 요구되는 용도에 이 섬유상 압전 소자를 적용했을 경우, 탄소 섬유는 굽힘 강성이 약하기 때문에, 서서히 섬유가 접혀 정량적인 압전성을 얻을 수 없고, 서서히 압전 성능이 떨어져 갈 우려가 있다. 또, 끈목상의 압전 소자를 접촉식 프로브로서 이용하고, 피계측물의 높이나 형상 정보를 얻고자 하는 경우에는, 탄소 섬유가 접혀 선단이 날카로워지고, 또 탄소 섬유 고유의 강성 때문에, 피계측물의 표면을 손상시킬 우려가 있다.
또 최근, 이른바 웨어러블 센서가 주목을 받고 있어, 안경형이나 손목 시계와 같은 형상의 상품이 세상에 나오기 시작했다. 그러나, 이들의 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 4 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 3 에는, 압전 고분자로 이루어지는 섬유상물, 또는 성형물이며, 이것의 축방향으로 부가되는 장력에 의해 압전성을 발생시키기 위해서, 이러한 장력의 부가 방향과 다른 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 매표기 뿐만 아니라, 스마트 폰, 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 2 에는, 소정 방향으로 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 4 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.
특허문헌 3 의 압전성 섬유는, 특수한 제조 방법으로 압전성 섬유를 미리 꼬아 둠으로써, 압전성 섬유에 대한 인장이나 압축에 대해 전기 신호를 출력할 수 있다. 그러나, 특허문헌 3 에는, 압전성 섬유를 구부리거나 펴거나 하는 굴곡이나, 압전성 섬유의 표면을 문지르는 행위에 의한 전단 응력에 대해 충분한 전기 신호를 발생시키는 기술은 개시되지 않았다. 따라서, 이와 같은 압전성 섬유를 사용한 경우, 표면을 문지르는 것과 같은 비교적 작은 변형으로 생기는 응력만으로 충분한 전기 신호를 취출하는 것은 곤란하다.
특허문헌 2 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.
또, 특허문헌 4 에 기재된 압전 소자는, 신호선이 되는 도전성 섬유가 노출되어 있고, 그 때문에 노이즈 신호를 억제하기 위해서는, 별도 노이즈 실드 구조를 구축할 필요가 있다. 따라서, 특허문헌 4 에 기재된 압전 소자에서는, 실용화에 대해 여전히 개선의 여지가 있었다.
또, 웨어러블 센서로서, 천에 압전 소자를 장착하고, 거기로부터 신호를 취출하는 것이 개시되어 있다 (특허문헌 5, 6). 그러나 이들은 직편물의 표면 상에 다른 구조체를 필요로 하는 점에서, 자유 곡면에 대한 적응이 곤란하여 촉감이 나쁘고, 취급성, 시공성, 가공성에서 문제를 일으키는 등 실용성이 부족하다. 또, 압전성 재료와 도전성 재료를 필름상으로 한 것으로 포상의 구조체를 형성하는 것 (특허문헌 7) 도 있지만, 이것도 자유 곡면에 대한 적응이 곤란하여 촉감이 나쁘고, 취급성, 시공성, 가공성에서 문제를 일으키는 등 실용성이 부족하다.
또한, 섬유만으로 이루어지는 포백상 센서로서 도전 섬유간의 저항을 검출하는 것 (특허문헌 8) 도 제안되어 있지만, 포백 상의 압력을 검출하는 것이며 직접적으로 형상 변화를 검출하는 것은 아니었다.
또한 특허문헌 4 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 개시되고, 평면 상에 복수의 압전 단위를 병렬시키는 기술에 대해 개시되어 있다. 그러나, 특정 위치 혹은 특정 방향의 응력에 대해 선택적으로 전기 신호를 응답시키는 것, 및 소자의 두께 방향으로 압전 단위를 복합화시키는 것에 의한 고기능화에 관해서는, 일절 시사가 없고, 가일층의 기술 향상이 과제였다.
또, 인체에 직접 접하고 있는 경우나 대전되어 있는 물체에 접촉했을 경우에, 본래 목적으로 하지 않은 신호를 출력해 버린다는 과제가 있었다.
일본 공개특허공보 2001-189792호 일본 공개특허공보 2011-253517호 일본 특허공보 제3540208호 국제 공개 제2014/058077호 일본 공표특허공보 2007-518886호 일본 공개특허공보 평6-323929호 일본 공개특허공보 2002-203996호 일본 공개특허공보 2006-284276호
본 발명은 상기의 배경을 감안하여 이루어진 것이며, 제 1 목적은, 표면을 손가락 등으로 문지른다는 비교적 작은 인가 응력에 의해 전기 출력을 취출할 수 있는 섬유상의 압전 소자를 제공하는 것에 있고, 나아가서는, 압전 소자의 표면이나 선단부에 대한 반복되는 마찰에 견딜 수 있는 섬유상 압전 소자를 제공하는 것에 있다.
또 제 2 목적은, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능한 섬유상의 압전 소자를 제공하는 것에 있다.
또한 제 3 목적은, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 노이즈 신호를 억제 가능한 섬유상의 압전 소자를 제공하는 것에 있다.
또 제 4 목적은, 섬유 재료를 사용하고, 또한 종전의 직편물 구조를 제작함으로써 특정 위치 혹은 특정 방향의 응력에 대해 선택적으로 전기 신호를 응답시킬 수 있는 평면상의 트랜스듀서를 제공하는 것에 있고, 나아가서는, 그 트랜스듀서로부터의 신호를 사용한 디바이스 및/또는 전기 신호를 입력함으로써 기능하는 디바이스를 제공하는 것에 있다.
또한 제 5 목적은, 섬유 재료를 사용하고, 또한 종전의 직편물 구조를 제작함으로써 오동작하기 어려운 실용성이 높은 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 제공하는 것에 있고, 나아가서는, 그 트랜스듀서로부터의 신호를 사용한 디바이스 및/또는 전기 신호를 입력함으로써 기능하는 디바이스를 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은 상기 제 1 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 도전성 섬유와 압전성 고분자의 조합으로서, 코어가 되는 도전성 섬유의 표면을 압전성 고분자로 피복한 끈목상 압전 소자에 의해 효율적으로 전기를 취출할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명에 도달했다.
즉 본 발명에 의하면, 상기 제 1 목적을 달성하기 위한 수단 (제 1 발명) 으로서, 하기 1 ∼ 13 이 제공된다.
1. 도전성 섬유 및 압전성 섬유로 이루어지는 조물 (組物) 을 포함하고, 상기 조물은 상기 도전성 섬유가 코어이며, 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위를 피복하는 피복 섬유인, 압전 소자.
2. 상기 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10-4 N·㎡/m 이하인, 상기 1 에 기재된 압전 소자.
3. 상기 도전성 섬유가 금속 코트된 유기 섬유인, 상기 1 에 기재된 압전 소자.
4. 상기 압전성 섬유가 주로 폴리락트산을 포함하는, 상기 1 ∼ 3 중 어느 한 항에 기재된 구두의 안창.
5. 상기 압전성 섬유가 주로 광학 순도 99 ％ 이상의 L-폴리락트산 또는 D-폴리락트산을 포함하는, 상기 4 에 기재된 압전 소자.
6. 상기 압전성 섬유가 1 축 배향하고 또한 결정을 포함하는, 상기 1 ∼ 5 중 어느 한 항에 기재된 압전 소자.
7. 상기 피복 섬유에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는, 상기 1 ∼ 6 중 어느 한 항에 기재된 압전 소자.
8. 검출되는 상기 응력이, 상기 피복 섬유의 표면과 피접촉물의 표면의 사이의 마찰력인, 상기 7 에 기재된 압전 소자.
9. 검출되는 상기 응력이, 상기 피복 섬유의 표면 또는 선단부에 대한 수직 방향의 저항력인, 상기 7 에 기재된 압전 소자.
10. 상기 1 ∼ 9 중 어느 한 항에 기재된 압전 소자를 사용한 센서.
11. 상기 10 에 기재된 압전 센서와,
인가된 압력에 따라 상기 압전 센서로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과,
상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단
을 구비하는 디바이스.
12. 상기 디바이스는, 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 추가로 구비하는, 상기 11 에 기재된 디바이스.
13. 상기 10 에 기재된 압전 센서와,
인가된 압력에 따라 상기 압전 센서로부터 전기 신호를 출력하는 출력 수단과,
상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단
을 구비하는 디바이스.
또, 본 발명자들은 상기 제 2 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합으로서, 코어가 되는 도전성 섬유의 표면을 끈목상의 압전성 섬유로 피복한 끈목상 압전 소자에 의해 효율적으로 전기를 취출할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명에 도달했다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기 제 2 목적을 달성하기 위한 수단 (제 2 발명) 으로서, 하기 14 ∼ 21 이 제공된다.
14. 도전성 섬유로 형성된 코어부와, 상기 코어부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 시스부를 구비하고, 상기 압전성 섬유가 주성분으로서 폴리락트산을 포함하고, 상기 도전성 섬유에 대한 상기 압전성 섬유의 감기 각도는 15 °이상, 75 °이하인, 끈목상 압전 소자.
15. 상기 압전성 섬유의 총 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총 섬도의 1/2 배 이상, 20 배 이하인, 상기 14 에 기재된 끈목상 압전 소자.
16. 상기 압전성 섬유의 한 개당 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총 섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인, 상기 14 에 기재된 끈목상 압전 소자.
17. 상기 14 ∼ 16 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자를 포함하는 포백을 구비하는, 포백상 압전 소자.
18. 상기 포백은, 상기 끈목상 압전 소자의 적어도 일부와 교차하여 접촉하는 도전성 섬유를 추가로 포함하는, 상기 17 에 기재된 포백상 압전 소자.
19. 상기 포백을 형성하는 섬유이며 또한 상기 끈목상 압전 소자와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인, 상기 18 에 기재된 포백상 압전 소자.
20. 상기 14 ∼ 16 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자와, 인가된 압력에 따라 상기 끈목상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는 디바이스.
21. 상기 17 ∼ 19 중 어느 한 항에 기재된 포백상 압전 소자와, 인가된 압력에 따라 상기 포백상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는 디바이스.
또한, 본 발명자들은 상기 제 3 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합으로서, 코어가 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 발견하여, 본 발명에 도달했다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기 제 3 목적을 달성하기 위한 수단 (제 3 발명) 으로서, 하기 22 ∼ 32 가 제공된다.
22. 도전성 섬유로 형성된 코어부와, 상기 코어부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 시스부와, 상기 시스부의 주위에 형성된 도전층을 구비한, 끈목상 압전 소자.
23. 상기 도전층에 의한 상기 시스부의 피복률이 25 ％ 이상인, 상기 22 에 기재된 끈목상 압전 소자.
24. 상기 도전층이 섬유로 형성되어 있는, 상기 22 또는 23 에 기재된 끈목상 압전 소자.
25. 상기 압전성 섬유가 주성분으로서 폴리락트산을 포함하고, 상기 도전성 섬유에 대한 상기 압전성 섬유의 감기 각도는 15 °이상, 75 °이하인, 상기 22 ∼ 24 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자.
26. 상기 압전성 섬유의 총 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총 섬도의 1 배 이상, 20 배 이하인, 상기 22 ∼ 25 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자.
27. 상기 압전성 섬유의 한 개당 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총 섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인, 상기 22 ∼ 25 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자.
28. 상기 22 ∼ 27 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자를 포함하는 포백을 구비하는, 포백상 압전 소자.
29. 상기 포백은, 상기 끈목상 압전 소자의 적어도 일부와 교차하여 접촉하는 도전성 섬유를 추가로 포함하는, 상기 28 에 기재된 포백상 압전 소자.
30. 상기 포백을 형성하는 섬유이며 또한 상기 끈목상 압전 소자와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인, 상기 29 에 기재된 포백상 압전 소자.
31. 상기 22 ∼ 27 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자와, 인가된 압력에 따라 상기 끈목상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는 디바이스.
32. 상기 28 ∼ 30 중 어느 한 항에 기재된 포백상 압전 소자와, 인가된 압력에 따라 상기 포백상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는 디바이스.
또, 본 발명자들은 상기 제 4 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합 배치에 의해, 압전 소자로서 기능하는 것을 알아내고, 또한 이 압전 소자 등으로 이루어지는 평면상의 트랜스듀서를 적층하여 복합화함으로써, 특정 위치 혹은 특정 방향의 응력에 대해 선택적으로 전기 신호를 응답시킬 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기 제 4 목적을 달성하기 위한 수단 (제 4 발명) 으로서, 하기 33 ∼ 48 이 제공된다.
33. 적어도 2 층의 시트 혹은 포백으로 구성되는 트랜스듀서로서, 그 시트 혹은 그 포백 중 적어도 1 층이 하기의 A 층으로 이루어지고, 그 A 층 이외의 층 중 적어도 1 층이 하기의 B 층으로 이루어지는 트랜스듀서.
A 층 ： 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 평면상의 트랜스듀서로서, 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 응력과, 선택적인 출력 또는 입력으로서의 전기 신호를 서로 변환하는 기능을 갖는 트랜스듀서
B 층 ： 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 평면상의 트랜스듀서로서, 그 A 층과는 상이한 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 신호와, 혹은 그 A 층과 다른 종류의 신호와, 선택적인 출력 또는 입력으로서의 전기 신호를 서로 변환하는 기능을 갖는 트랜스듀서
34. 상기 A 층 및 상기 B 층의 사이에, 하기의 C 층을 적어도 1 층 포함하는, 상기 33 에 기재된 트랜스듀서
C 층 ： 상기 A 층과 상기 B 층 사이의 전기적 간섭에 의한 노이즈를 저감 하는 기능을 갖는 층
35. 상기 압전 단위는 2 개의 도전성 섬유 및 1 개의 압전성 섬유를 포함하고, 도전성 섬유, 압전성 섬유 및 도전성 섬유가 이 순서로 배치되어 있는, 상기 33 또는 34 에 기재된 트랜스듀서.
36. 상기 도전성 섬유 및 상기 압전성 섬유가 서로 물리적으로 접하는 접점을 가지고 있는, 상기 33 또는 34 에 기재된 트랜스듀서.
37. 상기 압전 단위 중의 상기 도전성 섬유가 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 및/또는 압전성 섬유에 대해 전기적 접속하지 않도록, 절연성 섬유가 배치되어 있는, 상기 33 또는 34 에 기재된 트랜스듀서.
38. 상기 압전성 섬유가 주로 폴리락트산을 포함하는, 상기 33 또는 34 에 기재된 트랜스듀서.
39. 상기 압전성 섬유가 주로 광학 순도 99 ％ 이상의 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하는, 상기 33 또는 34 에 기재된 트랜스듀서.
40. 상기 압전성 섬유가 1 축 배향하고 또한 결정을 포함하는, 상기 33 또는 34 에 기재된 트랜스듀서.
41. 상기 도전성 섬유가 금속 도금 섬유인, 상기 33 또는 34 에 기재된 트랜스듀서.
42. 복수의 상기 압전 단위를 함유하는 직편물인, 상기 33 또는 34 에 기재된 트랜스듀서.
43. 복수의 상기 압전 단위를 함유하는 직물로서, 그 직조직이 평직, 능직, 새틴직 및 그들의 복합 조직인, 상기 42 에 기재된 트랜스듀서.
44. 복수의 상기 직편물을 조합하여 사용하는, 상기 43 에 기재된 트랜스듀서.
45. 상기 33 ∼ 44 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서와, 인가된 압력에 따라 상기 트랜스듀서로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는 디바이스.
46. 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 추가로 구비하는, 상기 45 에 기재된 디바이스.
47. 상기 33 ∼ 44 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서와, 인가된 압력에 따라 상기 트랜스듀서로부터 전기 신호를 출력하는 출력 수단과, 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 구비하는 디바이스.
48. 전기 신호를 수신하는 수신 수단과, 상기 수신 수단에 의해 수신한 전기 신호가 인가되는, 상기 33 ∼ 44 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서를 구비하는 디바이스.
또한, 본 발명자들은 상기 제 5 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합 배치에 의해, 압전 소자로서 기능하는 것을 알아내고, 또한 이 압전 소자에 도전성 시트 또는 도전성 포백을 적층함으로써, 오동작 하기 어려운 실용성이 높은 트랜스듀서를 제공할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기 제 5 목적을 달성하기 위한 수단 (제 5 발명) 으로서 하기 49 ∼ 64 가 제공된다.
49. 적어도 2 층의 시트 또는 포백으로 이루어지는 적층 트랜스듀서로서, 그 시트 또는 그 포백 중 적어도 1 층이 하기의 A 층으로 이루어지고, 그 A 층 이외의 층 중 적어도 1 층이 하기의 B 층으로 이루어지는 트랜스듀서.
A 층 ： 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서
B 층 ： 시트 저항이 104 Ω／□ (Ω／sq.) 이하인 도전성 시트 또는 도전성 포백
50. 상기 A 층과 상기 B 층의 사이에 하기의 C 층이 추가로 적층되어 이루어지는, 상기 49 에 기재된 트랜스듀서.
C 층 ： 시트 저항이 106 Ω／□ (Ω／sq.) 이상인 절연성 시트 또는 절연성 포백
51. 상기 압전 단위는 2 개의 도전성 섬유 및 1 개의 압전성 섬유를 포함하고, 상기 도전성 섬유, 상기 압전성 섬유 및 상기 도전성 섬유가, 이 순서로 배치되어 있는, 상기 49 또는 50 에 기재된 트랜스듀서.
52. 상기 도전성 섬유 및 상기 압전성 섬유가 서로 물리적으로 접하는 접점을 가지고 있는, 상기 49 또는 50 에 기재된 트랜스듀서.
53. 상기 압전 단위 중의 상기 도전성 섬유가 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 및/또는 압전성 섬유에 대해 전기적 접속하지 않도록, 절연성 섬유가 배치되어 있는, 상기 49 또는 50 에 기재된 트랜스듀서.
54. 상기 압전성 섬유가 주로 폴리락트산을 포함하는, 상기 49 또는 50 에 기재된 트랜스듀서.
55. 상기 압전성 섬유가 주로 광학 순도 99 ％ 이상의 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하는, 상기 49 또는 50 에 기재된 트랜스듀서.
56. 상기 압전성 섬유가 1 축 배향하고 또한 결정을 포함하는, 상기 49 또는 50 에 기재된 트랜스듀서.
57. 상기 도전성 섬유가 금속 도금 섬유인, 상기 49 또는 50 에 기재된 트랜스듀서.
58. 복수의 상기 압전 단위를 함유하는 직편물인, 상기 49 또는 50 에 기재된 트랜스듀서.
59. 복수의 상기 압전 단위를 함유하는 직물로서, 그 직조직이 평직, 능직, 새틴직 및 그들의 복합 조직인, 상기 58 에 기재된 트랜스듀서.
60. 복수의 상기 직물을 조합하여 사용하는, 상기 59 에 기재된 트랜스듀서.
61. 상기 49 ∼ 60 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서와, 인가된 압력에 따라 상기 트랜스듀서로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는 디바이스.
62. 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 추가로 구비하는, 상기 61 에 기재된 디바이스.
63. 상기 49 ∼ 60 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서와, 인가된 압력에 따라 상기 트랜스듀서로부터 전기 신호를 출력하는 출력 수단과, 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 구비하는 디바이스.
64. 전기 신호를 수신하는 수신 수단과, 상기 수신 수단에 의해 수신한 전기 신호가 인가되는, 상기 49 ∼ 60 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서를 구비하는 디바이스.
상기 제 1 발명에 의해, 표면을 손가락 등으로 문지른다는 비교적 작은 인가 응력에 의해 전기 출력을 취출할 수 있는 섬유상의 압전 소자를 얻을 수 있다. 나아가서는, 압전 소자의 표면이나 선단부에 대한 반복되는 마찰에 견딜 수 있는 섬유상 압전 소자를 얻을 수 있다.
또 상기 제 2 발명에 의해, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능한 섬유상의 압전 소자를 제공할 수 있다.
또한 상기 제 3 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 4 발명에 의해, 섬유 재료를 사용하고, 또한 종전의 직편물 구조를 제작함으로써 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 발명의 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
또한 상기 제 5 발명에 의해, 섬유 재료를 사용하여, 또한 종전의 직편물 구조를 제작함으로써 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 발명의 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
도 1 은, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합에 있어서의 전기 신호의 발생 원리를 설명하는 모식적인 단면도이다.
도 2 는, 제 1 발명의 압전 소자의 구성의 일례로서, 실시예 1 에 기재된 압전 소자의 모식도이다.
도 3 은, 실시예 1 의 압전 소자의 평가 시스템의 개략도이다.
도 4 는, 제 1 발명의 압전 소자를 구비하는 센서를 나타내는 블록도이다.
도 5 는, 제 1 발명에 관련된 압전 소자를 구비하는 센서에 있어서의 압전 소자와 증폭 수단의 접속예를 나타내는 모식도이다.
도 6 은, 제 2 발명에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 7 은, 제 2 발명에 관련된 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 8 은, 제 2 발명에 관련된 압전 소자를 구비하는 디바이스를 나타내는 블록도이다.
도 9 는, 제 2 발명에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성 예를 나타내는 모식도이다.
도 10 은, 제 2 발명에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 11 은, 비교예 1 에 관련된 압전 섬유를 포함하는 직물의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 12 는, 제 3 발명에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 13 은, 제 3 발명에 관련된 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 14 는, 제 3 발명에 관련된 압전 소자를 구비하는 디바이스를 나타내는 블록도이다.
도 15 는, 제 3 발명에 관련된 끈목상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 16 은, 제 3 발명에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 17 은, 제 3 발명에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 18 은, 제 3 발명에 관련된 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 19 는, 비교예 3 에 관련된 압전 섬유를 포함하는 직물의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 20 은, A 층의 직조직으로, 특정 방향의 굽힘을 선택적으로 검출하는 구조이다.
도 21 은, A 층의 직조직으로, 꼬임을 선택적으로 검출하는 구조이다.
도 22 는, A 층의 직조직으로, 전단 변형을 선택적으로 검출하는 구조이다.
도 23 은, 평직물을 적층한 센서의 모식도이다.
도 24 는, 평직물과 주자 직물을 적층한 센서의 모식도이다.
도 25 는, 주자 직물과 정전 용량 방식의 신축 센서를 적층한 센서의 모식도이다.
도 26 은, 제 4 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 1 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 27 은, 제 4 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 2 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 28 은, 제 4 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 3 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 29 는, 실시예 7, 및 비교예 4 의 평직물의 모식도이다.
도 30 은, 제 5 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 1 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 31 은, 제 5 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 2 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 32 는, 제 5 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 3 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 33 은, 굽힘 복원률을 측정하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 34 는, 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 35 는, 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 36 은, 실시 형태에 관련된 포백상 소자를 구비하는 디바이스를 나타내는 블록도이다.
도 37 은, 실시 형태에 관련된 평끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
처음에, 제 1 발명 내지 제 5 발명에 공통되는, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합에 있어서의 전기 신호의 발생 원리에 대해 설명한다.
도 1 은, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합에 있어서의 전기 신호의 발생 원리를 설명하는 모식적인 단면도이다. 증폭 수단 (12) 의 입력 단자에는, 도전성 섬유 B 로부터의 인출선을 접속한다. 도 1(A) 에 있어서, 도전성 섬유 B 및 압전성 섬유 A 가 절곡 (折曲) 되어 있지 않고 신장된 상태에서는, 도전성 섬유 B 및 압전성 섬유 A 에 있어서, 정부 (正負) 각 전하는 균일하게 분포되어 있다. 압전성 섬유 A 의 절곡이 시작되면, 도 1(B) 에 나타내는 바와 같이, 압전성 섬유 A 에 있어서 분극이 발생하여, 전하의 정부가 일방향으로 배열된 상태가 된다. 압전성 섬유 A 의 분극에 의해 발생한 정부 각 전하의 배열에 끌려, 도전성 섬유 B 로부터 부의 전하가 유출된다. 이 부의 전하의 이동은 미소한 전기 신호의 흐름 (즉, 전류) 으로서 나타나고, 증폭 수단 (12) 은 이 전기 신호를 증폭하고, 출력 수단 (13) 은, 증폭 수단 (12) 에서 증폭된 전기 신호를 출력한다. 도 1(B) 에 나타내는 분극 상태는, 압전성 섬유 A 의 절곡이 유지 (고정) 되는 한 계속된다.
압전성 섬유 A 의 절곡 형상이 유지 (고정) 된 상태 (도 1(B)) 로부터 압전성 섬유 A 를 신장시키는 동작이 시작되면, 도 1(C) 에 나타내는 바와 같이 압전성 섬유 A 에 있어서 분극은 해소되고, 압전성 섬유 A 에 있어서 정부 각 전하가 균일하게 분포된 상태가 된다. 압전성 섬유 A 에 있어서의 정부 각 전하의 균일 분포에 끌려, 도전성 섬유 B 로 부의 전하가 유입된다. 이 부의 전하의 이동은 미소한 전기 신호의 흐름 (즉, 전류) 으로서 나타나지만, 증폭 수단 (12) 에서는 이 전기 신호를 증폭하고, 증폭된 전기 신호를 출력 수단 (13) 으로 출력한다. 또한, 압전성 섬유 A 의 절곡 동작 중의 상태 (도 1(B)) 와 절곡 동작으로부터 신장시키는 동작으로 천이하고 있는 상태 (도 1(C)) 에서는, 부의 전하의 이동 방향은 역방향이 되므로, 절곡 동작과 신장 동작에서는 역극성의 전기 신호가 발생한다. 예를 들어, 압전성 섬유 A 의 절곡 동작 시에는 정의 전기 신호가 발생하고, 압전성 섬유 A 의 신장 동작 시에는 부의 전기 신호가 발생한다.
본 발명에서는, 압전성 섬유 A 에 대한 절곡 동작 및 신장 동작에 수반하여 발생하는 미소한 전기 신호를, 증폭 수단 (12) 에 의해 증폭하여 출력 수단 (12) 에 의해 출력하고, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리에 의해, 증폭 전기 신호가 정인지 부인지를 분리하여 압전성 섬유 A 가 절곡의 유무 및 절곡의 정도를 검출한다. 예를 들어, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서, 증폭 수단 (12) 에서 증폭되어 출력 수단 (13) 으로부터 출력된 증폭 전기 신호를 시간 적분하고, 그리고, 이 적분치가, 소정의 상한치 이상이 되었을 때는 「절곡 동작」 이라고 판정하고, 소정의 하한치 미만이 되었을 때는 「신장 동작」 이라고 판정하는 연산 처리를 실행할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 압전성 섬유 A 에 인가된 응력에 따라 전기 신호가 발생한다는 기재는, 압전성 섬유 A 의 변형에 따라 전기 신호가 발생하는 것과 동일한 의미이다.
이하, 제 1 발명에 대해 상세하게 설명한다.
(피복 섬유)
제 1 발명의 압전 소자는, 도전성 섬유의 표면을 압전성 고분자의 섬유, 즉 압전성 섬유로 피복한 피복 섬유를 포함한다. 도 2 는, 제 1 발명의 실시 형태에 관련된 압전 소자의 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 압전 소자의 피복 섬유 (1003) 는 압전성 섬유 (100A) 가 도전성 섬유 (100B) 의 표면을 피복하고 있다.
압전 소자의 피복 섬유 (1003) 의 길이는 특별히 한정은 없지만, 제조에 있어서 연속적으로 제조되고, 그 후에 선호하는 길이로 커트하여 이용해도 된다. 실제의 압전 소자로서의 이용에 있어서는, 피복 섬유 (1003) 의 길이는 1 mm ∼ 10 m, 바람직하게는, 5 mm ∼ 2 m, 보다 바람직하게는 1 cm ∼ 1 m 이다. 길이가 짧으면 섬유 형상인 편리성이 상실되고, 또, 길면 도전성 섬유 (100B) 의 저항치의 문제 등으로 전기 출력이 저하되는 등의 문제가 있다.
(도전성 섬유)
도전성 섬유로서는, 도전성을 나타내는 것이면 되고, 공지된 모든 것이 이용되며, 예를 들어, 금속 섬유, 도전성 고분자로 이루어지는 섬유, 탄소 섬유, 섬유상 혹은 입상의 도전성 필러를 분산시킨 고분자로 이루어지는 섬유, 혹은 섬유상 물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 섬유를 들 수 있다. 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성하는 방법으로서는, 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 방법으로서는, 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 의하지 않고 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 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들의 섬유를 조합하여 사용해도 된다.
베이스의 섬유에 코트되는 금속은 도전성을 나타내며, 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 섬유에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 접히는 경우가 매우 적고, 압전 소자를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.
도전성 섬유는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트를 사용하거나, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트를 사용해도 된다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 편이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트의 직경으로서는 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다.
직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유의 단면 형상으로서는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것으로 한정되지 않는다.
또, 압전성 고분자로부터의 전기 출력을 효율적으로 취출하기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로서는 10-1 Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·cm 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·cm 이하이다. 단, 신호 검출에 강도가 얻어지는 것이면 도전성 섬유의 저항률은 이것에 한정되지 않는다.
도전성 섬유는, 본 발명의 용도에서, 반복되는 굽힘이나 꼬임과 같은 움직임에 대해 내성이 없으면 안 된다. 그 지표로서는, 굽힘 강성이, 보다 작은 것이 선호된다. 굽힘 강성은, 카토텍사 제조 KES-FB2 순굽힘 시험기 등의 측정 장치로 측정되는 것이 일반적이다. 본 발명에 적당한 굽힘 강성의 정도로서는, 토호 테낙스 (주) 제조의 탄소 섬유 멀티 필라멘트인 품명 『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 고분자)
압전성 고분자로서는, 폴리불화비닐리덴, 폴리락트산 등 압전성을 나타내는 고분자이면 이용할 수 있지만, 주로 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리락트산은 용융 방사 후에 연신에 의해 용이하게 배향하여 압전성을 나타내고, 폴리불화비닐리덴 등에서 필요해지는 전계 배향 처리가 불필요한 점에서 생산성이 우수하다. 또한, 압전성 섬유는 압전성 고분자로부터 형성되지만, 폴리락트산으로 이루어지는 압전성 섬유는 그 축방향에 대한 인장이나 압축 응력으로는, 분극이 작고, 압전 소자로서 기능시키는 것이 곤란하지만, 전단 응력에 의해서는 비교적 큰 전기 출력을 얻을 수 있고, 전단 응력을 압전성 고분자에 부여하기 쉬운 구성체를 갖는 본 발명의 압전 소자에 있어서는 바람직하다.
압전성 고분자는, 주로 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 「주로」 란, 바람직하게는 90 몰％ 이상, 보다 바람직하게는 95 몰％ 이상, 더욱 바람직하게는 98 몰％ 이상을 말한다.
폴리락트산으로서는, 그 결정 구조에 따라, L-락트산, L-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-L-락트산, D-락트산, D-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-D-락트산, 추가로 그들의 하이브리드 구조로 이루어지는 스테레오 컴플렉스 폴리락트산 등이 있지만, 압전성을 나타내는 것이면 모두 이용할 수 있다. 압전률의 높이의 관점에서 바람직하게는, 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산이다. 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산은 각각, 동일한 응력에 대해 분극이 반대로 되기 때문에, 목적에 따라 이들을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 폴리락트산의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 99.3 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 99.5 ％ 이상이다. 광학 순도가 99 ％ 미만이면 현저하게 압전률이 저하되는 경우가 있고, 압전성 섬유의 형상 변화에 의해 충분한 전기 출력을 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다. 압전성 고분자가, 주로 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하고, 이들의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하다.
압전성 고분자로부터 형성되는 압전성 섬유는 피복 섬유의 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 또한 결정을 포함하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 결정을 갖는 1 축 배향 폴리락트산이다. 왜냐하면, 폴리락트산은 그 결정 상태 및 1 축 배향에 있어서 큰 압전성을 나타내기 때문이다.
폴리락트산은 가수 분해가 비교적 빠른 폴리에스테르이기 때문에, 내습열성이 문제가 되는 경우에 있어서는, 공지된, 이소시아네이트 화합물, 옥사졸린 화합물, 에폭시 화합물, 카르보디이미드 화합물 등의 가수 분해 방지제를 첨가해도 된다. 또, 필요에 따라 인산계 화합물 등의 산화 방지제, 가소제, 광 열화 방지제 등을 첨가하여 물성 개량해도 된다.
또, 폴리락트산은 다른 폴리머와의 알로이로서 사용해도 되지만, 폴리락트산을 주된 압전성 고분자로서 사용한다면, 알로이의 전체 중량을 기준으로하여 적어도 50 중량％ 이상으로 폴리락트산을 함유하고 있는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 70 중량％ 이상, 가장 바람직하게는 90 중량％ 이상이다.
알로이로 하는 경우의 폴리락트산 이외의 폴리머로서는, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 공중합체, 폴리메타크릴레이트 등을 바람직한 예로서 들 수 있지만, 이들로 한정되는 것이 아니고, 본 발명에서 목적으로 하는 압전성을 발휘하는 한, 어떠한 폴리머를 사용해도 된다.
이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유로 하기 위해서는, 고분자를 섬유화하기 위한 공지된 수법을, 본 발명의 효과를 발휘하는 한 모두 채용할 수 있고, 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 등을 채용할 수 있다. 이들의 방사 조건은, 채용하는 압전성 고분자에 따라 공지된 수법을 적용하면 되고, 통상적으로는 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다.
또한, 상기 서술한 바와 같이, 압전성 고분자가 폴리락트산인 경우에는, 1 축 연신 배향하고, 또한 결정을 포함하면 보다 큰 압전성을 나타내는 점에서, 섬유는 연신하는 것이 바람직하다.
(피복)
각 도전성 섬유는, 압전성 고분자로부터 형성되는 압전성 섬유로 표면이 피복되어 있다. 도전성 섬유를 피복하는 압전성 섬유층의 두께는 1 ㎛ ∼ 10 mm 인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 5 mm, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 3 mm, 가장 바람직하게는 20 ㎛ ∼ 1 mm 이다. 너무 얇으면 강도의 점에서 문제가 되는 경우가 있고, 또, 너무 두꺼우면 전기 출력을 취출하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.
압전성 섬유와 도전성 섬유는 가능한 한 밀착되어 있는 것이 바람직하지만, 밀착성을 개량하기 위해서, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 사이에 앵커층이나 접착층 등을 형성해도 된다.
피복 방법은 도전성 섬유의 둘레에 압전성 섬유를 감는 방법이 취해진다. 한편, 압전성 섬유층의 형상은, 인가된 응력에 대해 전기 출력을 낼 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니다.
이 압전성 고분자의 도전성 섬유의 피복 상태이지만, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 형상으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 가능한 한 동심원상에 가까운 것이, 바람직하다. 또한, 도전성 섬유로서 멀티 필라멘트를 사용하는 경우, 압전성 섬유는, 멀티 필라멘트의 표면 (섬유 둘레면) 의 적어도 일부가 접촉하고 있도록 피복되어 있으면 되고, 멀티 필라멘트를 구성하는 모든 필라멘트 표면 (섬유 둘레면) 에 압전성 섬유가 피복되어 있거나, 또, 피복되어 있지 않아도 된다. 도전성 섬유의 멀티 필라멘트를 구성하는 내부의 각 필라멘트에 대한 압전성 섬유의 피복 상태는, 압전성 소자로서의 성능, 취급성 등을 고려하여, 적절히 설정하면 된다.
본 발명의 압전 소자는 적어도 1 개의 도전성 섬유를 포함하지만, 도전성 섬유는 1 개로 한정되지 않고, 보다 많아도 된다.
본 발명의 압전 소자는 그 표면에 전극을 존재시킬 필요가 없기 때문에, 압전 소자 자체를 추가로 피복할 필요가 없고, 또, 오동작하기 어렵다는 이점이 있다.
(제조 방법)
본 발명의 압전 소자는, 1 개의 도전성 섬유의 표면을 압전성 섬유로 피복 한 피복 섬유를 포함한다. 이 피복 섬유의 제조 방법으로서 이하의 방법을 들 수 있다.
(i) 도전성 섬유와 연신한 압전성 섬유를 다른 공정에서 제작하고, 도전성 섬유에 압전성 섬유를 감거나 하여 피복하는 방법이 바람직하다. 이 경우에는, 가능한 한 동심원상에 가까워지도록 피복하는 것이 바람직하다.
이 경우, 압전성 섬유를 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.
감는 압전성 섬유로서는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트를 사용해도 된다.
감아 피복하는 형태로서는, 예를 들어, 압전성 섬유를 편조 튜브와 같은 형태로 하고, 도전성 섬유를 코어로서 당해 편조 튜브에 삽입함으로써 피복해도 된다. 또, 도전성 섬유를 코어사로 하고, 그 주위에 압전성 섬유를 제뉴 (製紐) 하여, 환타 조물 (Tubular Braid) 을 제작함으로써, 피복해도 된다. 압전성 섬유를 모노 필라멘트로서 사용하는 경우, 그 단사 직경은 1 ㎛ ∼ 5 mm 이며, 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 2 mm, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 1 mm 이다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 경우, 그 단사 직경은 0.1 ㎛ ∼ 5 mm 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50 개 ∼ 50000 개, 더욱 바람직하게는 100 개 ∼ 20000 개이다.
이상과 같은 방법으로 제조한, 도전성 섬유의 표면을 압전성 섬유로 피복한 섬유에 의해 본 발명의 압전 소자를 얻을 수 있다.
본 발명의 압전 소자는, 표면에 도전층의 형성을 필요로 하지 않기 때문에, 비교적 간단하게 제조할 수 있다.
(보호층)
본 발명의 압전 소자의 최표면에는 보호층을 형성해도 된다. 이 보호층은 절연성인 것이 바람직하고, 플렉시블성 등의 관점에서 고분자로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 물론, 이 경우에는 보호층 상을 문지르게 되지만, 이 문지름에 의한 전단 응력이 압전성 섬유까지 도달하고, 그 분극을 유기할 수 있는 것이면 특별히 한정은 없다. 보호층으로서는, 고분자 등의 코팅에 의해 형성되는 것으로 한정되지 않고, 필름 등 혹은, 그것들이 조합된 것이어도 된다. 보호층으로서는, 에폭시 수지, 아크릴 수지 등이 바람직하게 사용된다.
보호층의 두께로서는 가능한 한 얇은 것이, 전단 응력을 압전성 고분자에 전달하기 쉽지만, 너무 얇으면 보호층 자체가 파괴되는 등의 문제가 발생하기 쉬워지기 때문에, 바람직하게는 10 nm ∼ 200 ㎛, 보다 바람직하게는 50 nm ∼ 50 ㎛, 더욱 바람직하게는 70 nm ∼ 30 ㎛, 가장 바람직하게는 100 nm ∼ 10 ㎛ 이다. 이 보호층에 의해 압전 소자의 형상을 형성할 수도 있다.
(작용)
본 발명의 압전 소자는, 압전 소자의 표면을 문지르거나 하여, 압전 소자에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는 센서로서 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 압전 소자는, 문지르는 것 이외의 가압력 등에 의해서도 압전성 고분자에 전단 응력이 부여된다면, 전기 출력을 취출하는 것은 물론 가능하다. 예를 들어, 「인가된 응력」 으로서는, 압전 소자의 표면, 즉 피복 섬유 (의 압전성 섬유) 의 표면과 손가락과 같은 피접촉물의 표면 사이의 마찰력이나, 피복 섬유 (의 압전성 섬유) 의 표면 또는 선단부에 대한 수직 방향의 저항력을 들 수 있다. 특히, 본 발명의 압전 소자는, 도전성 섬유에 대해 평행 방향으로 굴곡시켰을 경우 및 문지른 경우에 큰 전기 출력을 효율적으로 취출하기 쉬워진다.
여기서, 「인가된 응력」 이란, 표면을 손가락으로 문지르는 정도의 크기의 응력을 의미하고 있고, 이, 표면을 손가락으로 문지르는 정도의 크기의 응력의 기준으로서는, 대체로 1 ∼ 1000 Pa 이다. 물론, 이 이상이어도 인가된 응력의 크기 및 그 인가 위치를 검출하는 것이 가능한 것은 말할 필요도 없다. 손가락 등으로 입력하는 경우에는, 1 Pa 이상 500 Pa 이하의 하중으로도 동작하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 Pa 이상 100 Pa 이하의 하중으로 동작하는 것이 바람직하다. 물론, 500 Pa 를 초과하는 하중으로도 동작하는 것은, 상기 서술한 바와 같다.
(복수의 압전 소자)
또, 본 발명의 압전 소자를 복수 나열하여 사용하는 것도 가능하다. 나열 방법으로서도 일차원적으로 일단으로 나열하거나, 이차원적으로 겹쳐서 나열해도 되고, 나아가서는 포상으로 편직하여 사용하거나, 끈목으로 제뉴하거나 해도 된다. 그것에 의해 포상, 끈상의 압전 소자를 실현하는 것도 가능해진다. 포상, 끈상으로 하는데 있어서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 압전 소자 이외의 다른 섬유와 조합하여, 혼섬, 교직, 교편 등을 실시해도 되고, 또, 스마트 폰의 케이싱의 수지 등에 삽입하여 사용해도 된다.
이와 같이 본 발명의 압전 소자를 복수개 나열하여 사용할 때에 있어서는, 본 발명의 압전 소자는 표면에 전극을 갖지 않기 때문에, 그 나열 방법, 뜨는 방법을 광범위하게 선택할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 압전 소자를 복수 나열하여 사용하는 경우, 도전성 섬유간의 거리가 짧기 때문에 전기 출력의 취출에 있어서 효율적이다. 또 도전성 섬유간의 거리를 일정하게 유지함으로써, 전기 출력의 장소에 의한 편차를 억제할 수 있다.
(절연성 섬유)
본 발명에서는, 압전 소자에 있어서의 피복 섬유 이외의 부분에는, 예를 들어 절연성 섬유를 사용할 수도 있다. 이 때, 절연성 섬유는 압전 소자의 유연성을 향상하는 목적으로 신축성이 있는 소재, 형상을 갖는 섬유를 사용할 수 있다.
피복 섬유 부분 이외에 이와 같이 절연성 섬유를 배치함으로써, 압전 소자의 조작성 (예를 들어 압전 소자를 사용한 접촉식 프로브의 움직임의 보조) 으로서의 성능을 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 절연성 섬유로서는, 체적 저항률이 106 Ω·cm 이상이면 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 108 Ω·cm 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω·cm 이상이 좋다.
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. 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 절연성 섬유를 임의로 사용할 수 있다. 또한, 이들의 절연성 섬유를 조합하여 사용해도 되고, 절연성을 가지지 않는 섬유와 조합하여, 전체적으로 절연성을 갖는 섬유로 해도 된다.
또, 유연성을 갖게 하는 목적으로, 공지된 모든 형상의 섬유도 사용할 수 있다.
(압전 소자의 적용 기술)
본 발명의 압전 소자는 어느 양태여도, 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화를 전기 신호로서 출력할 수 있으므로, 압전 소자에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는 센서로서 이용할 수 있다. 도 4 는, 본 발명의 압전 소자를 구비하는 센서를 나타내는 블록도이다. 본 발명의 압전 소자 (1011) 와, 인가된 압력에 따라 압전 소자 (1011) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단 (1012) 과, 증폭 수단 (1012) 에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (1013) 과, 출력 수단 (1013) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 로 송신하는 송신 수단 (1014) 으로 이루어지는 센서 (1101) 를 구성하면, 압전 소자 (1011) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리에서, 압전 소자 (1011) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다. 혹은, 센서 (1101) 내에, 출력 수단 (1013) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 압전 소자 (1011) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다.
증폭 수단 (1012) 은, 예를 들어 각종 전자 회로로 구축되어도 되고, 혹은 프로세서 상에서 동작하는 소프트웨어 프로그램에 의해 실장되는 기능 모듈로서 구축되어도 되고, 혹은 각종 전자 회로와 소프트웨어 프로그램의 조합으로 구축되어도 된다. 프로세서로서는, 예를 들어, CPU (Central Processing Unit), DSP (digital signal processor), LSI (large scale integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programming Gate Array) 등이 있다. 또, 출력 수단 (1013) 은, 예를 들어 각종 커넥터로 단독으로 구축되어도 되고, 혹은 송신 수단 (2014) 과 일체화된 통신 장치로서 구축되어도 된다. 또 혹은, 증폭 수단 (1012), 출력 수단 (1013) 및 송신 수단 (1014) 의 기능을 통합하여, 소프트웨어 프로그램을 기입한 집적 회로 혹은 마이크로 프로세서 등으로 실현해도 된다. 또한, 송신 수단 (1014) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 구성하는 센서에 따라 적절히 결정하면 된다. 또, 접촉식 프로브를 상기 센서와 동일한 구성으로 실현할 수도 있다.
또, 증폭 수단만이 아니고, 노이즈를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 수단의 접속 순서는 목적에 따라 적절히 변경할 수 있다. 물론, 압력 소자 (1011) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기로 송신한 후에 신호 처리해도 된다.
도 5 는, 제 1 발명에 관련된 압전 소자를 구비하는 센서에 있어서의 압전 소자와 증폭 수단의 접속예를 나타내는 모식도이다. 도 5 의 증폭 수단 (1012) 은, 도 4 를 참조하여 설명한 것에 상당하지만, 도 4 의 출력 수단 (1013) 및 송신 수단 (1014) 에 대해서는 도 5 에서는 도시를 생략하고 있다. 압전 소자 (1011) 를 구비하는 센서를 구성하는 경우, 예를 들어, 증폭 수단 (1012) 의 입력 단자에는, 압전 소자 (1011) 의 도전성 섬유 (100B) 로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 압전성 섬유 (100A) 를 접속한다.
이하, 제 2 발명에 대해 상세하게 설명한다.
(끈목상 압전 소자)
도 6 은, 제 2 발명에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
끈목상 압전 소자 (2001) 는, 도전성 섬유 (200B) 로 형성된 코어부 (2003) 와, 코어부 (2003) 를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유 (200A) 로 형성된 시스부 (2002) 를 구비하고 있다. 압전성 섬유 (200A) 는 주성분으로서 폴리락트산을 포함할 수 있다. 도전성 섬유 (200B) 에 대한 압전성 섬유 (200A) 의 감는 각도 α 는 15 °이상, 75 °이하이다.
끈목상 압전 소자 (2001) 에서는, 적어도 한 개의 도전성 섬유 (200B) 의 외주면을 다수의 압전성 섬유 A 가 치밀하게 둘러싸고 있다. 특정의 이론에 속박되는 것은 아니지만, 끈목상 압전 소자 (2001) 에 변형이 생기면, 다수의 압전성 섬유 (200A) 각각에 변형에 의한 응력이 생기고, 그것에 의해 다수의 압전성 섬유 (200A) 각각에 전기장이 생기고 (압전 효과), 그 결과, 도전성 섬유 (200B) 를 둘러싸는 다수의 압전성 섬유 (200A) 의 전기장을 중첩한 전압 변화가 도전성 섬유 (200B) 에 생기는 것이라고 추측된다. 즉 압전성 섬유 (200A) 의 끈목상의 시스부 (2002) 를 이용하지 않는 경우와 비교해서 도전성 섬유 (200B) 로부터의 전기 신호가 증대한다. 그것에 의해, 끈목상 압전 소자 (2001) 에서는, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 도전성 섬유 (200B) 는 복수개여도 된다.
여기서, 압전성 섬유 (200A) 는 주성분으로서 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 「주성분으로서」 란, 압전성 섬유 (200A) 의 성분 중 가장 많은 성분이 폴리락트산이라는 의미이다. 폴리락트산 중의 락트산 유닛은 90 몰％ 이상인 것이 바람직하고, 95 몰％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 98 몰％ 이상이 더욱 바람직하다.
또, 도전성 섬유 (200B) 에 대한 압전성 섬유 (200A) 의 감기 각도 α 는 15 °이상, 75 °이하이다. 즉, 도전성 섬유 (200B) (코어부 (2003)) 의 중심축 CL 의 방향에 대해, 압전성 섬유 (200A) 의 감기 각도 α 는 15 °이상, 75 °이하이다. 단, 본 실시 형태에서는, 도전성 섬유 (200B) 의 중심축 CL 은, 압전성 섬유 (200A) 의 끈목 (시스부 (2002)) 의 중심축 (이하, 「끈목축」 이라고도 한다.) 과 겹치는 점에서, 압전성 섬유 (200A) 의 끈목축의 방향에 대해, 압전성 섬유 (200A) 의 감기 각도 α 는 15 °이상, 75 °이하라고 할 수도 있다. 보다 큰 전기 신호를 취출하는 관점에서는, 각도 α 는 25 °이상, 65 °이하인 것이 바람직하고, 35 °이상, 55 °이하인 것이 보다 바람직하고, 40 °이상, 50 °이하인 것이 더욱 바람직하다. 각도 α 가 이 각도 범위를 벗어나면, 압전성 섬유 (200A) 에 생기는 전계가 현저하게 저하되고, 그것에 의해 도전성 섬유 (200B) 에서 얻어지는 전기 신호가 현저하게 저하되어 버리기 때문이다.
또한, 상기 각도 α 에 대해서는, 시스부 (2002) 를 형성하는 압전성 섬유 (200A) 의 주방향과 도전성 섬유 (200B) 의 중심축 CL 이 이루는 각이라고도 할 수 있고, 압전성 섬유 (200A) 의 일부가 느슨해져 있거나, 보풀이 있어도 된다.
여기서, 압전성 섬유 (200A) 에 생기는 전계가 현저하게 저하되는 이유는 이하와 같다. 압전성 섬유 (200A) 는 폴리락트산을 주성분으로 하여, 압전성 섬유 (200A) 의 섬유축의 방향으로 1 축 배향하고 있다. 여기서, 폴리락트산은, 그 배향 방향 (이 경우에는 압전성 섬유 (200A) 의 섬유축의 방향) 에 대해 전단 응력이 생겼을 경우에 전계를 발생하지만, 그 배향 방향에 대해 인장 응력이나 압축 응력이 생겼을 경우에 전계를 그다지 발생하지 않는다. 따라서, 끈목축의 방향으로 평행하게 변형되었을 때에 압전성 섬유 (200A) 에 전단 응력이 생기도록 하기 위해서는, 압전성 섬유 (200A) (폴리락트산) 의 배향 방향이 끈목축에 대해 소정의 각도 범위에 있는 것이 좋다고 추측된다.
또한, 끈목상 압전 소자 (2001) 에서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 시스부 (2002) 에서는 압전성 섬유 (200A) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 되고, 코어부 (2003) 에서는 도전성 섬유 (200B) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 된다.
도전성 섬유 (200B) 의 코어부 (2003) 와 끈목상의 압전성 섬유 (200A) 의 시스부 (2002) 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 mm ∼ 10 m, 바람직하게는, 5 mm ∼ 2 m, 보다 바람직하게는 1 cm ∼ 1 m 이다. 길이가 너무 짧으면 섬유 형상인 편리성이 상실되고, 또, 길이가 너무 길면 도전성 섬유 (200B) 의 저항치를 고려할 필요가 나올 것이다.
이하, 각 구성에 대해 상세하게 설명한다.
(도전성 섬유)
도전성 섬유 (200B) 로서는, 도전성을 나타내는 것이면 되고, 공지된 모든 것이 사용된다. 도전성 섬유 (200B) 로서는, 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 방법으로서는, 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 방법으로서는, 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 의하지 않고 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 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들의 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 (200B) 에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 접히는 경우가 매우 적고, 압전 소자를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.
도전성 섬유 (200B) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트이거나, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트여도 된다. 멀티 필라멘트가 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사 직경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다. 단, 도전성 섬유 (200B) 의 섬도·갯수란, 끈목을 제작할 때에 사용하는 코어부 (2003) 의 섬도·갯수이며, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 한 개의 도전성 섬유 (200B) 로 세는 것으로 한다. 여기서 코어부 (2003) 란, 도전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우여도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
섬유의 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유 (200B) 의 단면 형상으로서는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것으로 한정되지 않는다.
또, 압전성 고분자로부터의 전기 출력을 효율적으로 취출하기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로서는 10-1 Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·cm 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·cm 이하이다. 단, 전기 신호의 검출에서 충분한 강도가 얻어지는 것이면 도전성 섬유 (200B) 의 저항률은 이것으로 한정되지 않는다.
도전성 섬유 (200B) 는, 본 발명의 용도에서, 반복되는 굽힘이나 꼬임과 같은 움직임에 대해 내성이 없으면 안 된다. 그 지표로서는, 결절 강도가, 보다 큰 것이 선호된다. 결절 강도는 JIS L1013 ： 2010 8.6 의 방법으로 측정할 수 있다. 본 발명에 적당한 결절 강도의 정도로서는, 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 지표로서는, 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 정도로서는, 토호 테낙스 (주) 제조의 탄소 섬유 “테낙스”(등록상표) HTS40-3K 보다 작은 것이 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 (200A) 의 재료인 압전성 고분자로서는 폴리불화비닐리덴이나 폴리락트산과 같은 압전성을 나타내는 고분자를 이용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는 상기와 같이 압전성 섬유 (200A) 는 주성분으로서 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리락트산은, 예를 들어 용융 방사 후에 연신에 의해 용이하게 배향하여 압전성을 나타내고, 폴리불화비닐리덴 등에서 필요해지는 전계 배향 처리가 불필요한 점에서 생산성이 우수하다. 그러나 이것은, 본 발명을 실시하는데 있어서 폴리불화비닐리덴 그 밖의 압전성 재료의 사용을 배제하는 것을 의도하는 것은 아니다.
폴리락트산으로서는, 그 결정 구조에 따라, L-락트산, L-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-L-락트산, D-락트산, D-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-D-락트산, 추가로, 그들의 하이브리드 구조로 이루어지는 스테레오 컴플렉스 폴리락트산 등이 있지만, 압전성을 나타내는 것이면 모두 이용할 수 있다. 압전률의 높이의 관점에서 바람직하게는, 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산이다. 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산은 각각, 동일한 응력에 대해 분극이 반대로 되기 때문에, 목적에 따라 이들을 조합하여 사용하는 것도 가능하다.
폴리락트산의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하고, 99.3 ％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 99.5 ％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 광학 순도가 99 ％ 미만이면 현저하게 압전률이 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 (200A) 는, 제조 시에 연신되어, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있다. 또한, 압전성 섬유 (200A) 는, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있을 뿐만이 아니라, 폴리락트산의 결정을 포함하는 것이 바람직하고, 1 축 배향한 폴리락트산의 결정을 포함하는 것이 보다 바람직하다. 왜냐하면, 폴리락트산은 그 결정성이 높은 것 및 1 축 배향하고 있음으로써 보다 큰 압전성을 나타내기 때문이다.
결정성 및 1 축 배향성은 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 Ao (％) 로 구해진다. 본 발명의 압전성 섬유 A 로서는, 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 출력치가 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 kV × 60 mA
슬릿 ： 1st ： 1 mmΦ, 2nd ： 0.8 mmΦ
카메라 길이 ： 120 mm
적산 시간 ： 10 분
샘플 ： 35 mg 의 폴리락트산 섬유를 겹쳐 3 cm 의 섬유 다발로 한다.
얻어지는 X 선 회절 도형에 있어서 방위각에 걸쳐서 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.
이들의 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 비정 (非晶) 에 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 가수 분해가 비교적 빠른 폴리에스테르이기 때문에, 내습열성이 문제가 되는 경우에 있어서는, 공지된, 이소시아네이트 화합물, 옥사졸린 화합물, 에폭시 화합물, 카르보디이미드 화합물 등의 가수 분해 방지제를 첨가해도 된다. 또, 필요에 따라 인산계 화합물 등의 산화 방지제, 가소제, 광 열화 방지제 등을 첨가하여 물성 개량해도 된다.
또, 폴리락트산은 다른 폴리머와의 알로이로서 사용해도 되지만, 폴리락트산을 주된 압전성 고분자로서 사용한다면, 알로이의 전체 질량을 기준으로 하여 적어도 50 질량％ 이상으로 폴리락트산을 함유하고 있는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 70 질량％ 이상, 가장 바람직하게는 90 질량％ 이상이다.
알로이로 하는 경우의 폴리락트산 이외의 폴리머로서는, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 공중합체, 폴리메타크릴레이트 등을 바람직한 예로서 들 수 있지만, 이들로 한정되는 것이 아니고, 본 발명에서 목적으로 하는 압전성을 발휘하는 한, 어떠한 폴리머를 사용해도 된다.
압전성 섬유 (200A) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트여도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트여도 된다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사 직경은 1 ㎛ ∼ 5 mm 이며, 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 2 mm, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 1 mm 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 그 단사 직경은 0.1 ㎛ ∼ 5 mm 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50 개 ∼ 50000 개, 더욱 바람직하게는 100 개 ∼ 20000 개이다. 단, 압전성 섬유 (200A) 의 섬도나 갯수에 대해서는, 끈목을 제작할 때의 캐리어 1 개당 섬도, 갯수이며, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 한 개의 압전성 섬유 (200A) 로 세는 것으로 한다. 여기서, 캐리어 1 개 중에, 압전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우여도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유 (200A) 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, 통상적으로는 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다. 또한, 섬유를 형성 후에는 형성된 섬유를 연신한다. 그것에 의해 1 축 연신 배향하고 또한 결정을 포함하는 큰 압전성을 나타내는 압전성 섬유 (200A) 가 형성된다.
또, 압전성 섬유 (200A) 는, 상기와 같이 제작된 것을 끈목으로 하기 전에, 염색, 연사, 합사, 열처리 등의 처리를 할 수 있다.
또한, 압전성 섬유 (200A) 는, 끈목을 형성할 때에 섬유끼리가 스쳐 단사되거나, 보풀이 나거나 하는 경우가 있기 때문에, 그 강도와 내마모성은 높은 것이 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 ： 2010 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 것이 아니고, 공지된 모든 방법을 사용할 수 있고 예를 들어, 결정화도를 향상시키거나, 미립자를 첨가하거나, 표면 가공하거나 할 수 있다. 또, 끈목으로 가공할 때에, 섬유에 윤활제를 도포하여 마찰을 저감시킬 수도 있다.
또, 압전성 섬유의 수축률은, 전술한 도전성 섬유의 수축률과의 차가 작은 것이 바람직하다. 수축률차가 크면, 끈목 제작 후나 포백 제작 후의 후처리 공정이나 실사용 시에 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 제작 후나 포백 제작 후의 후처리 공정이나 실사용 시에 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 것이 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 내리는 수단으로서는, 공지된 모든 방법을 적용할 수 있고, 예를 들어, 열처리에 의해 비정부의 배향 완화나 결정화도를 올림으로써 수축률을 저감할 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 감는 수 20 회의 실패를 만들고, 0.022 cN/dtex 의 하중을 가하여, 스케일판에 매달아 초기의 실패 길이 L0 을 측정했다. 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 측정했다. 측정된 L0 및 L 을 사용하여 하기 식 (6) 에 의해 비수 수축률을 계산한다.
비수 수축률 = (L0 - L)/L0 × 100 (％) (6)
(피복)
도전성 섬유 (200B), 즉 코어부 (2003) 는, 압전성 섬유 (200A), 즉 끈목상의 시스부 (2002) 로 표면이 피복되어 있다. 도전성 섬유 (200B) 를 피복하는 시스부 (2002) 의 두께는 1 ㎛ ∼ 10 mm 인 것이 바람직하고, 5 ㎛ ∼ 5 mm 인 것이 보다 바람직하고, 10 ㎛ ∼ 3 mm 인 것이 더욱 바람직하고, 20 ㎛ ∼ 1 mm 인 것이 가장 바람직하다. 너무 얇으면 강도의 점에서 문제가 되는 경우가 있고, 또, 너무 두꺼우면 끈목상 압전 소자 (2001) 가 단단해져 변형되기 어려워지는 경우가 있다. 또한, 여기서 말하는 시스부 (2002) 란 코어부 (2003) 에 인접하는 층을 가리킨다.
끈목상 압전 소자 (2001) 에 있어서, 시스부 (2002) 의 압전성 섬유 (200A) 의 총 섬도는, 코어부 (2003) 의 도전성 섬유 (200B) 의 총 섬도의 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 (200A) 의 총 섬도가 도전성 섬유 (200B) 의 총 섬도에 대해 너무 작으면, 도전성 섬유 (200B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (200A) 가 너무 적어 도전성 섬유 (200B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 도전성 섬유 (200B) 가 근접하는 다른 도전성 섬유에 접촉할 우려가 있다. 압전성 섬유 (200A) 의 총 섬도가 도전성 섬유 (200B) 의 총 섬도에 대해 너무 크면, 도전성 섬유 (200B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (200A) 가 너무 많아 끈목상 압전 소자 (2001) 가 단단해져 변형되기 어려워진다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (2001) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
여기서 말하는 총 섬도란, 시스부 (2002) 를 구성하는 압전성 섬유 (200A) 모든 섬도의 합이며, 예를 들어, 일반적인 8 타 끈목의 경우에는, 8 개의 섬유의 섬도의 총합이 된다.
또, 끈목상 압전 소자 (2001) 에 있어서, 시스부 (2002) 의 압전성 섬유 (200A) 의 한 개당 섬도는, 도전성 섬유 (200B) 의 총 섬도의 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 (200A) 한 개당 섬도가 도전성 섬유 (200B) 의 총 섬도에 대해 너무 작으면, 압전성 섬유 (200A) 가 너무 적어 도전성 섬유 (200B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 압전성 섬유 (200A) 가 절단될 우려가 있다. 압전성 섬유 (200A) 한 개당 섬도가 도전성 섬유 (200B) 의 총 섬도에 대해 너무 크면, 압전성 섬유 (200A) 가 너무 굵어 끈목상 압전 소자 (2001) 가 단단해져 변형되기 어려워진다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (2001) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
또한, 도전성 섬유 (200B) 에 금속 섬유를 사용한 경우나, 금속 섬유를 도전성 섬유 (200B) 혹은 압전성 섬유 (200A) 에 혼섬한 경우에는, 섬도의 비율은 상기로 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 (200A) 와 도전성 섬유 (200B) 는 가능한 한 밀착되어 있는 것이 바람직하지만, 밀착성을 개량하기 위해서, 도전성 섬유 (200B) 와 압전성 섬유 (200A) 의 사이에 앵커층이나 접착층 등을 형성해도 된다.
피복 방법은 도전성 섬유 (200B) 를 코어사로서, 그 둘레에 압전성 섬유 (200A) 를 끈목상으로 감는 방법이 취해진다. 한편, 압전성 섬유 (200A) 의 끈목의 형상은, 인가된 하중으로 생기는 응력에 대해 전기 신호를 출력할 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 코어부 (2003) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목이 바람직하다.
도전성 섬유 (200B) 와 압전성 섬유 (200A) 의 형상으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 가능한 한 동심원상에 가까운 것이, 바람직하다. 또한, 도전성 섬유 (200B) 로서 멀티 필라멘트를 사용하는 경우, 압전성 섬유 (200A) 는, 도전성 섬유 (200B) 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 (200A) 가 피복되어 있어도 되고, 피복되어 있지 않아도 된다. 도전성 섬유 (200B) 의 멀티 필라멘트를 구성하는 내부의 각 필라멘트에 대한 압전성 섬유 (200A) 의 피복 상태는, 압전성 소자로서의 성능, 취급성 등을 고려하여, 적절히 설정하면 된다.
본 발명의 끈목상 압전 소자 (2001) 는, 그 표면에 전극을 존재시킬 필요가 없기 때문에, 끈목상 압전 소자 (2001) 자체를 추가로 피복할 필요가 없고, 또, 오동작하기 어렵다는 이점이 있다.
(제조 방법)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (2001) 는 적어도 1 개의 도전성 섬유 (200B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (200A) 로 피복하고 있지만, 그 제조 방법으로서는 예를 들어 이하의 방법을 들 수 있다. 즉, 도전성 섬유 (200B) 와 압전성 섬유 (200A) 를 다른 공정에서 제작하고, 도전성 섬유 (200B) 에 압전성 섬유 (200A) 를 끈목상으로 감아 피복하는 방법이다. 이 경우에는, 가능한 한 동심원상에 가까워지도록 피복하는 것이 바람직하다.
이 경우, 압전성 섬유 (200A) 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 (200B) 에 감는 압전성 섬유 (200A) 로서는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다. 또, 압전성 섬유 (200A) 를 감을 수 있는 도전성 섬유 (200B) 로서는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다.
피복의 바람직한 형태로서는, 도전성 섬유 (200B) 를 코어사로 하고, 그 주위에 압전성 섬유 (200A) 를 끈목상으로 제뉴하여, 환타 조물 (Tubular Braid) 을 제작함으로써 피복할 수 있다. 보다 구체적으로는 코어부 (2003) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목을 들 수 있다. 단, 예를 들어, 압전성 섬유 (200A) 를 편조 튜브와 같은 형태로 하여, 도전성 섬유 (200B) 를 코어로서 당해 편조 튜브에 삽입함으로써 피복해도 된다.
이상과 같은 제조 방법에 의해, 도전성 섬유 (200B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (200A) 로 피복한 끈목상 압전 소자 (2001) 를 얻을 수 있다.
본 발명의 끈목상 압전 소자 (2001) 는, 표면에 전기 신호를 검출하기 위한 전극의 형성을 필요로 하지 않기 때문에, 비교적 간단하게 제조할 수 있다.
(보호층)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (2001) 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, 이들의 외력이 압전성 섬유 (200A) 까지 도달하고, 그 분극을 유기할 수 있는 것이면 특별히 한정은 없다. 보호층으로서는, 고분자 등의 코팅에 의해 형성되는 것으로 한정되지 않고, 필름, 포백, 섬유 등을 감아도 되고, 혹은, 그것들이 조합된 것이어도 된다.
보호층의 두께로서는 가능한 한 얇은 것이, 전단 응력을 압전성 섬유 (200A) 에 전달하기 쉽지만, 너무 얇으면 보호층 자체가 파괴되는 등의 문제가 발생하기 쉬워지기 때문에, 바람직하게는 10 nm ∼ 200 ㎛, 보다 바람직하게는 50 nm ∼ 50 ㎛, 더욱 바람직하게는 70 nm ∼ 30 ㎛, 가장 바람직하게는 100 nm ∼ 10 ㎛ 이다. 이 보호층에 의해 압전 소자의 형상을 형성할 수도 있다.
또, 노이즈 저감을 목적으로 하여 전자파 실드층을 끈목 구조에 받아들이는 것도 가능하다. 전자파 실드층은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도전성의 물질을 코팅해도 되고, 도전성을 갖는 필름, 포백, 섬유 등을 감아도 된다. 전자파 실드층의 체적 저항률로서는 10-1 Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·cm 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·cm 이하이다. 단, 전자파 실드층의 효과가 얻어지는 것이면 저항률은 이것으로 한정되지 않는다. 이 전자파 실드층은, 시스의 압전성 섬유 (200A) 의 표면에 형성해도 되고, 전술한 보호층의 외측에 형성해도 된다. 물론, 전자파 실드층과 보호층이 복수층 적층되어 있어도 되고, 그 순번도 목적에 따라 적절히 결정할 수 있다.
나아가서는, 압전성 섬유로 이루어지는 층을 복수층 형성하거나, 신호를 취출하기 위한 도전성 섬유로 이루어지는 층을 복수층 형성하거나 할 수도 있다. 물론, 이들의 보호층, 전자파 실드층, 압전성 섬유로 이루어지는 층, 도전성 섬유로 이루어지는 층은, 그 목적에 따라, 그 순번 및 층수는 적절히 결정할 수 있다. 또한, 감는 방법으로서는, 시스부 (2002) 의 한층 더 외층에 끈목 구조를 형성하거나, 커버링하거나 하는 방법을 들 수 있다.
(작용)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (2001) 는, 예를 들어 끈목상 압전 소자 (2001) 의 표면을 문지르는 등으로, 끈목상 압전 소자 (2001) 에 하중이 인가되어 생기는 응력, 즉 끈목상 압전 소자 (2001) 에 인가되는 응력에 대해, 그 크기 및/또는 인가 위치를 검출하는 센서로서 이용할 수 있다. 또, 본 발명의 끈목상 압전 소자 (2001) 는, 문지르는 것 이외의 가압력이나 굽힘 변형 등에 의해서도 압전성 섬유 (200A) 에 전단 응력이 부여된다면, 전기 신호를 취출하는 것은 물론 가능하다. 예를 들어, 끈목상 압전 소자 (2001) 에 「인가되는 응력」 으로서는, 압전 소자의 표면, 즉 압전성 섬유 (200A) 의 표면과 손가락과 같은 피접촉물의 표면의 사이의 마찰력이나, 압전성 섬유 (200A) 의 표면 또는 선단부에 대한 수직 방향의 저항력, 압전성 섬유 (200A) 의 굽힘 변형에 대한 저항력 등을 들 수 있다. 특히, 본 발명의 끈목상 압전 소자 (2001) 는, 도전성 섬유 (200B) 에 대해 평행 방향으로 굴곡시켰을 경우나 문질렀을 경우에 큰 전기 신호를 효율적으로 출력할 수 있다.
여기서, 끈목상 압전 소자 (2001) 에 「인가된 응력」 이란, 예를 들어 표면을 손가락으로 문지르는 정도의 크기의 응력의 경우, 그 기준으로서는, 대체로 1 ∼ 1000 Pa 이다. 물론, 이 이상이어도 인가된 응력의 크기 및 그 인가 위치를 검출하는 것이 가능한 것은 말할 필요도 없다. 손가락 등으로 입력하는 경우에는, 1 Pa 이상 500 Pa 이하의 하중으로도 동작하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 Pa 이상 100 Pa 이하의 하중으로 동작하는 것이 바람직하다. 물론, 500 Pa 를 초과하는 하중으로도 동작하는 것은, 상기 서술한 바와 같다.
(포백상 압전 소자)
도 7 은, 제 2 발명에 관련된 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
포백상 압전 소자 (2005) 는, 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (2001) 를 포함하는 포백 (2006) 을 구비하고 있다. 포백 (2006) 은, 포백을 구성하는 섬유 (끈목을 포함한다) 의 적어도 1 개가 끈목상 압전 소자 (2001) 이며, 끈목상 압전 소자 (2001) 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 (2001) 를, 포백을 구성하는 섬유 (예를 들어, 경사나 위사) 의 일부로서 사용해도 되고, 끈목상 압전 소자 (2001) 를 포백에 자수해도 되고, 접착해도 된다. 도 7 에 나타내는 예에서는, 포백상 압전 소자 (2005) 는, 경사로서 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (2001) 및 절연성 섬유 (2007) 를 배치하고, 위사로서 도전성 섬유 (2008) 및 절연성 섬유 (2007) 를 교대로 배치한 평직물이다. 도전성 섬유 (2008) 는 도전성 섬유 (200B) 와 동일종이어도 이종의 도전성 섬유여도 되고, 또 절연성 섬유 (2007) 에 대해서는 후술된다. 또한, 절연성 섬유 (2007) 및/또는 도전성 섬유 (2008) 의 전부 또는 일부가 끈목 형태여도 된다.
이 경우, 포백상 압전 소자 (2005) 가 구부러지는 등하여 변형되었을 때, 그 변형에 수반하여 끈목상 압전 소자 (2001) 도 변형되므로, 끈목상 압전 소자 (2001) 로부터 출력되는 전기 신호에 의해, 포백상 압전 소자 (2005) 의 변형을 검출할 수 있다. 그리고, 포백상 압전 소자 (2005) 는, 포백 (직편물) 으로서 사용할 수 있으므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다.
또, 도 7 에 나타내는 포백상 압전 소자 (2005) 에서는, 끈목상 압전 소자 (2001) 에 도전성 섬유 (2008) 가 교차하여 접촉하고 있다. 따라서, 도전성 섬유 (2008) 는, 끈목상 압전 소자 (2001) 의 적어도 일부와 교차하여 접촉하고, 그것을 덮고 있어, 외부로부터 끈목상 압전 소자 (2001) 로 향하고자 하는 전자파의 적어도 일부를 차단하고 있다, 고 볼 수 있다. 이와 같은 도전성 섬유 (2008) 는, 접지 (어스) 됨으로써, 끈목상 압전 소자 (2001) 에 대한 전자파의 영향을 경감하는 기능을 가지고 있다. 즉 도전성 섬유 (2008) 는 끈목상 압전 소자 (2001) 의 전자파 실드로서 기능할 수 있다. 그것에 의해, 예를 들어 포백상 압전 소자 (2005) 의 상하에 전자파 실드용의 도전성의 포백을 겹치지 않아도, 포백상 압전 소자 (2005) 의 S/N 비를 현저하게 향상시킬 수 있다. 이 경우, 전자파 실드의 관점에서 끈목상 압전 소자 (2001) 와 교차하는 위사 (도 7 의 경우) 에 있어서의 도전성 섬유 (2008) 의 비율이 높을수록 바람직하다. 구체적으로는, 포백 (2006) 을 형성하는 섬유이며 또한 끈목상 압전 소자 (2001) 와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인 것이 바람직하고, 40 ％ 이상이 보다 바람직하고, 50 ％ 이상이 더욱 바람직하다. 이와 같이 포백상 압전 소자 (2005) 에 있어서, 포백을 구성하는 섬유의 적어도 일부로서 도전성 섬유를 넣음으로써, 전자파 실드 기능이 부여된 포백상 압전 소자 (2005) 로 할 수 있다.
직물의 직조직으로서는, 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 조직으로서는, 평편, 고무편, 양면편, 펄편, 턱편, 부편, 편반편, 레이스편, 첨모편 등이 바람직하게 예시된다. 경편 조직으로서는, 싱글 덴비편, 싱글 아틀라스편, 더블 코드편, 하프 트리코트편, 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 (2005) 에서는, 끈목상 압전 소자 (2001) 를 복수 나열하여 사용하는 것도 가능하다. 나열 방법으로서는, 예를 들어 경사 또는 위사로서 모두에 끈목상 압전 소자 (2001) 를 사용해도 되고, 몇 개마다나 일부분에 끈목상 압전 소자 (2001) 를 사용해도 된다. 또, 어느 부분에서는 경사로서 끈목상 압전 소자 (2001) 를 이용하고, 다른 부분에서는 위사로서 끈목상 압전 소자 (2001) 를 사용해도 된다.
이와 같이 끈목상 압전 소자 (2001) 를 복수개 나열하여 포백상 압전 소자 (2005) 를 형성할 때에는, 끈목상 압전 소자 (2001) 는 표면에 전극을 갖지 않기 때문에, 그 나열 방법, 뜨는 방법을 광범위하게 선택할 수 있다는 이점이 있다.
또, 끈목상 압전 소자 (2001) 를 복수 나열하여 사용하는 경우, 도전성 섬유 B 간의 거리가 짧기 때문에 전기 신호의 취출에 있어서 효율적이다.
(절연성 섬유)
포백상 압전 소자 (2005) 에서는, 끈목상 압전 소자 (2001) (및 도전성 섬유 (2008)) 이외의 부분에는, 절연성 섬유를 사용할 수 있다. 이 때, 절연성 섬유는 포백상 압전 소자 (2005) 의 유연성을 향상하는 목적으로 신축성이 있는 소재, 형상을 갖는 섬유를 사용할 수 있다.
이와 같이 끈목상 압전 소자 (2001) (및 도전성 섬유 (2008)) 이외에 이와 같이 절연성 섬유를 배치함으로써, 포백상 압전 소자 (2005) 의 조작성 (예시 ： 웨어러블 센서로서의 움직이기 쉬움) 을 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 절연성 섬유로서는, 체적 저항률이 106 Ω·cm 이상이면 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 108 Ω·cm 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω·cm 이상이 좋다.
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. 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 절연성 섬유를 임의로 사용할 수 있다. 또한, 이들의 절연성 섬유를 조합하여 사용해도 되고, 절연성을 가지지 않는 섬유와 조합하여, 전체로서 절연성을 갖는 섬유로 해도 된다.
또, 공지된 모든 단면 형상의 섬유도 사용할 수 있다.
(압전 소자의 적용 기술)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (2001) 나 포백상 압전 소자 (2005) 와 같은 압전 소자는 어느 양태여도, 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 발생하기 위해서, 유체 중의 대전성 물질을 흡착시키거나 부착을 억제시키거나 하는 것도 가능하다.
도 8 은, 본 발명의 압전 소자를 구비하는 디바이스를 나타내는 블록도이다. 디바이스 (2010) 는, 압전 소자 (2011) (예시 ： 끈목상 압전 소자 (2001), 포백상 압전 소자 (2005)) 와, 인가된 압력에 따라 압전 소자 (2011) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단 (2012) 과, 증폭 수단 (2012) 에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (2013) 과, 출력 수단 (2013) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 로 송신하는 송신 수단 (2014) 을 구비한다. 이 디바이스 (2010) 를 이용하면, 압전 소자 (2011) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리에서, 압전 소자에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다. 혹은, 디바이스 (2010) 내에, 출력 수단 (2013) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 압전 소자 (2011) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다.
증폭 수단 (2012) 은, 예를 들어 각종 전자 회로로 구축되어도 되고, 혹은 프로세서 상에서 동작하는 소프트웨어 프로그램에 의해 실장되는 기능 모듈로서 구축되어도 되고, 혹은 각종 전자 회로와 소프트웨어 프로그램과의 조합으로 구축되어도 된다. 프로세서로서는, 예를 들어, CPU (Central Processing Unit), DSP (digital signal processor), LSI (large scale integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programming Gate Array) 등이 있다. 또, 출력 수단 (2013) 은, 예를 들어 각종 커넥터로 단독으로 구축되어도 되고, 혹은 송신 수단 (2014) 과 일체화된 통신 장치로서 구축되어도 된다. 또 혹은, 증폭 수단 (2012), 출력 수단 (2013) 및 송신 수단 (2014) 의 기능을 통합하여, 소프트웨어 프로그램을 기입한 집적 회로 혹은 마이크로 프로세서 등으로 실현해도 된다. 또한, 송신 수단 (2014) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 구성하는 센서에 따라 적절히 결정하면 된다.
또, 증폭 수단만이 아니고, 노이즈를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 수단의 접속의 순서는 목적에 따라 적절히 변경할 수 있다. 물론, 압전 소자 (2011) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기로 송신한 후에 신호 처리해도 된다.
도 9 및 도 10 은, 실시 형태에 관련된 끈목 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 9 및 도 10 의 증폭 수단 (2012) 은, 도 8 을 참조하여 설명한 것에 상당하지만, 도 8 의 출력 수단 (2013) 및 송신 수단 (2014) 에 대해서는 도 9 및 도 10 에서는 도시를 생략하고 있다. 포백상 압전 소자 (2005) 를 구비하는 디바이스를 구성하는 경우, 증폭 수단 (2012) 의 입력 단자에 끈목상 압전 소자 (2001) 의 코어부 (2003) 로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 증폭 수단 (2012) 의 입력 단자에 접속한 끈목상 압전 소자 (2001) 와는 다른 끈목상 압전 소자 또는 도전성 섬유 (2008) 를 접속한다. 예를 들어, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (2005) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (2001) 의 코어부 (2003) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (2012) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (2001) 에 교차하여 접촉한 도전성 섬유 (2008) 를 접지 (어스) 한다. 또 예를 들어, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (2005) 에 있어서 끈목상 압전 소자 (2001) 를 복수 나열하고 있는 경우, 1 개의 끈목상 압전 소자 (2001) 의 코어부 (2003) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (2012) 의 입력 단자에 접속하고, 당해 끈목상 압전 소자 (2001) 에 나열된 다른 끈목상 압전 소자 (2001) 의 코어부 (2003) 로부터의 인출선을, 접지 (어스) 한다.
본 발명의 디바이스 (2010) 는 유연성이 있고, 끈상 및 포백상 어느 형태로도 사용할 수 있기 때문에, 매우 광범위한 용도가 생각된다. 본 발명의 디바이스 (2010) 의 구체적인 예로서는, 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, 꼬임, 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, 꼬임, 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 (2010) 는 끈목상 혹은 포백상이며, 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 디바이스 (2010) 는, 끈목상 압전 소자 (2001) 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 (2001) 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)
도 12 는 실시 형태에 관련된 끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
끈목상 압전 소자 (3001) 는, 도전성 섬유 (300B) 로 형성된 코어부 (3003) 와, 코어부 (3003) 를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유 (300A) 로 형성된 시스부 (3002) 와 시스부 (3002) 를 피복하는 도전층 (3004) 을 구비하고 있다.
도전층 (3004) 에 의한 시스부 (3002) 의 피복률은 25 ％ 이상이 바람직하다. 여기서 피복률이란, 도전층 (3004) 을 시스부 (3002) 에 투영했을 때의 도전층 (3004) 에 포함되는 도전성 물질 (3005) 의 면적과 시스부 (3002) 의 표면적의 비율이며, 그 값은 25 ％ 이상이 바람직하고, 50 ％ 이상이 보다 바람직하고, 75 ％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 도전층 (3004) 의 피복률이 25 ％ 를 밑돌면 노이즈 신호의 억제 효과가 충분히 발휘되지 않는 경우가 있다. 도전성 물질 (3005) 이 도전층 (3004) 의 표면에 노출되어 있지 않은 경우, 예를 들어 도전성 물질 (3005) 을 내포하는 섬유를 도전층 (3004) 으로서 사용하여 시스부 (3002) 를 피복하고 있는 경우에는, 그 섬유의 시스부 (3002) 에 투영했을 때의 면적과 시스부 (3002) 의 표면적의 비율을 피복률로 할 수 있다.
도전성 물질 (3005) 이란, 도전층 (3004) 에 포함되는 도전성 물질이며, 공지된 모든 것이 해당한다.
끈목상 압전 소자 (3001) 에서는, 적어도 한 개의 도전성 섬유 (300B) 의 외주면을 다수의 압전성 섬유 (300A) 가 치밀하게 둘러싸고 있다. 특정의 이론에 속박되는 것은 아니지만, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 변형이 생기면, 다수의 압전성 섬유 (300A) 각각에 변형에 의한 응력이 생기고, 그것에 의해 다수의 압전성 섬유 (300A) 각각에 전기장이 생기고 (압전 효과), 그 결과, 도전성 섬유 (300B) 를 둘러싸는 다수의 압전성 섬유 (300A) 의 전기장을 중첩한 전압 변화가 도전성 섬유 (300B) 에 생기는 것이라고 추측된다. 즉 압전성 섬유 (300A) 의 끈목상의 시스부 (3002) 를 이용하지 않는 경우와 비교해서 도전성 섬유 (300B) 로부터의 전기 신호가 증대한다. 그것에 의해, 끈목상 압전 소자 (3001) 에서는, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 도전성 섬유 (300B) 는 복수개여도 된다.
여기서, 압전성 섬유 (300A) 는 주성분으로서 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 「주성분으로서」 란, 압전성 섬유 (300A) 의 성분 중 가장 많은 성분이 폴리락트산이라는 의미이다. 폴리락트산 중의 락트산 유닛은 90 몰％ 이상인 것이 바람직하고, 95 몰％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 98 몰％ 이상이 더욱 바람직하다.
또, 도전성 섬유 (300B) 에 대한 압전성 섬유 (300A) 의 감기 각도 α 는 15 °이상, 75 °이하이다. 즉, 도전성 섬유 (300B) (코어부 (3003)) 의 중심축 CL 의 방향에 대해, 압전성 섬유 (300A) 의 감기 각도 α 는 15 °이상, 75 °이하이다. 단, 본 실시 형태에서는, 도전성 섬유 (300B) 의 중심축 CL 은, 압전성 섬유 (300A) 의 끈목 (시스부 (3002)) 의 중심축 (이하, 「끈목축」 이라고도 한다.) 과 겹치는 점에서, 압전성 섬유 (300A) 의 끈목축의 방향에 대해, 압전성 섬유 (300A) 가 감기 각도 α 는 15 °이상, 75 °이하이다, 라고 할 수도 있다. 보다 큰 전기 신호를 취출하는 관점에서는, 각도 α 는 25 °이상, 65 °이하인 것이 바람직하고, 35 °이상, 55 °이하인 것이 보다 바람직하고, 40 °이상, 50 °이하인 것이 더욱 바람직하다. 각도 α 가 이 각도 범위를 벗어나면, 압전성 섬유 (300A) 에 생기는 전계가 현저하게 저하되고, 그것에 의해 도전성 섬유 (300B) 에서 얻어지는 전기 신호가 현저하게 저하되어 버리기 때문이다.
또한, 상기 각도 α 에 대해서는, 시스부 (3002) 를 형성하는 압전성 섬유 (300A) 의 주방향과 도전성 섬유 (300B) 의 중심축 CL 이 이루는 각이라고도 할 수 있고, 압전성 섬유 (300A) 의 일부가 느슨해져 있거나, 보풀이 일어도 된다.
여기서, 압전성 섬유 (300A) 에 생기는 전계가 현저하게 저하되는 이유는 이하와 같다. 압전성 섬유 (300A) 는 폴리락트산을 주성분으로 하여, 압전성 섬유 (300A) 의 섬유축의 방향으로 1 축 배향하고 있다. 여기서, 폴리락트산은, 그 배향 방향 (이 경우에는 압전성 섬유 (300A) 의 섬유축의 방향) 에 대해 전단 응력이 생겼을 경우에 전계를 발생하지만, 그 배향 방향에 대해 인장 응력이나 압축 응력이 생겼을 경우에 전계를 그다지 발생하지 않는다. 따라서, 끈목축의 방향으로 평행하게 변형되었을 때에 압전성 섬유 (300A) 에 전단 응력이 생기도록 하기 위해서는, 압전성 섬유 (300A) (폴리락트산) 의 배향 방향이 끈목축에 대해 소정의 각도 범위에 있는 것이 좋다고 추측된다.
또한, 끈목상 압전 소자 (3001) 에서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 시스부 (3002) 에서는 압전성 섬유 (300A) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 되고, 코어부 (3003) 에서는 도전성 섬유 (300B) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 된다.
도전성 섬유 (300B) 의 코어부 (3003) 와, 끈목상의 압전성 섬유 (300A) 의 시스부 (3002) 와, 시스부 (3002) 를 피복하는 도전층 (3004) 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 mm ∼ 10 m, 바람직하게는, 5 mm ∼ 2 m, 보다 바람직하게는 1 cm ∼ 1 m 이다. 길이가 너무 짧으면 섬유 형상인 편리성이 상실되고, 또, 길이가 너무 길면 도전성 섬유 (300B) 의 저항치를 고려할 필요가 나올 것이다.
이하, 각 구성에 대해 상세하게 설명한다.
(도전성 섬유)
도전성 섬유 (300B) 로서는, 도전성을 나타내는 것이면 되고, 공지된 모든 것이 사용된다. 도전성 섬유 (300B) 로서는, 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 방법으로서는, 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 방법으로서는, 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 의하지 않고 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 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들의 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 (300B) 에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 접히는 경우가 매우 적고, 압전 소자를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.
도전성 섬유 (300B) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트여도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트여도 된다. 멀티 필라멘트가 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사 직경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다. 단, 도전성 섬유 (300B) 의 섬도·갯수란, 끈목을 제작할 때에 사용하는 코어부 (3003) 의 섬도·갯수이며, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 한 개의 도전성 섬유 (300B) 로 세는 것으로 한다. 여기서 코어부 (3003) 란, 도전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우여도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
섬유의 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유 (300B) 의 단면 형상으로서는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것으로 한정되지 않는다.
또, 압전성 고분자로부터의 전기 출력을 효율적으로 취출하기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로서는 10-1 Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·cm 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·cm 이하이다. 단, 전기 신호의 검출에서 충분한 강도가 얻어지는 것이면 도전성 섬유 (300B) 의 저항률은 이것으로 한정되지 않는다.
도전성 섬유 (300B) 는, 본 발명의 용도에서, 반복되는 굽힘이나 꼬임과 같은 움직임에 대해 내성이 없으면 안 된다. 그 지표로서는, 결절 강도가, 보다 큰 것이 선호된다. 결절 강도는 JIS L1013 ： 2010 8.6 의 방법으로 측정할 수 있다. 본 발명에 적당한 결절 강도의 정도로서는, 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 지표로서는, 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 정도로서는, 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 (300A) 의 재료인 압전성 고분자로서는 폴리불화비닐리덴이나 폴리락트산과 같은 압전성을 나타내는 고분자를 이용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는 상기와 같이 압전성 섬유 (300A) 는 주성분으로서 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리락트산은, 예를 들어 용융 방사 후에 연신에 의해 용이하게 배향하여 압전성을 나타내고, 폴리불화비닐리덴 등에서 필요해지는 전계 배향 처리가 불필요한 점에서 생산성이 우수하다. 그러나 이것은, 본 발명을 실시하는데 있어서 폴리불화비닐리덴 그 밖의 압전성 재료의 사용을 배제하는 것을 의도하는 것은 아니다.
폴리락트산으로서는, 그 결정 구조에 따라, L-락트산, L-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-L-락트산, D-락트산, D-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-D-락트산, 추가로 그들의 하이브리드 구조로 이루어지는 스테레오 컴플렉스 폴리락트산등이 있지만, 압전성을 나타내는 것이면 모두 이용할 수 있다. 압전률의 높이의 관점에서 바람직하게는, 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산이다. 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산은 각각, 동일한 응력에 대해 분극이 반대로 되기 때문에, 목적에 따라 이들을 조합하여 사용하는 것도 가능하다.
폴리락트산의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하고, 99.3 ％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 99.5 ％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 광학 순도가 99 ％ 미만이면 현저하게 압전률이 저하되는 경우가 있고, 압전성 섬유 (300A) 의 형상 변화에 의해 충분한 전기 신호를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다. 특히, 압전성 섬유 (300A) 는, 주성분으로서 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하고, 이들의 광학 순도가 99 ％ 이상인 것이 바람직하다.
폴리락트산을 주성분으로 하는 압전성 섬유 (300A) 는, 제조 시에 연신되어, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있다. 또한, 압전성 섬유 (300A) 는, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 있을 뿐만이 아니라, 폴리락트산의 결정을 포함하는 것이 바람직하고, 1 축 배향한 폴리락트산의 결정을 포함하는 것이 보다 바람직하다. 왜냐하면, 폴리락트산은 그 결정성이 높은 것 및 1 축 배향하고 있는 점에서 보다 큰 압전성을 나타내기 때문이다.
결정성 및 1 축 배향성은 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 Ao (％) 로 구해진다. 본 발명의 압전성 섬유 A 로서는, 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 출력치가 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 kV × 60 mA
슬릿 ： 1st ： 1 mmΦ, 2nd ： 0.8 mmΦ
카메라 길이 ： 120 mm
적산 시간 ： 10 분
샘플 ： 35 mg 의 폴리락트산 섬유를 겹쳐 3 cm 의 섬유 다발로 한다.
얻어지는 X 선 회절 도형에 있어서 방위각에 걸쳐서 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.
이들의 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 가수 분해가 비교적 빠른 폴리에스테르이기 때문에, 내습열성이 문제가 되는 경우에 있어서는, 공지된, 이소시아네이트 화합물, 옥사졸린 화합물, 에폭시 화합물, 카르보디이미드 화합물 등의 가수 분해 방지제를 첨가해도 된다. 또, 필요에 따라 인산계 화합물 등의 산화 방지제, 가소제, 광 열화 방지제 등을 첨가하여 물성 개량해도 된다.
또, 폴리락트산은 다른 폴리머와의 알로이로서 사용해도 되지만, 폴리락트산을 주된 압전성 고분자로서 사용한다면, 알로이의 전체 질량을 기준으로 하여 적어도 50 질량％ 이상으로 폴리락트산을 함유하고 있는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 70 질량％ 이상, 가장 바람직하게는 90 질량％ 이상이다.
알로이로 하는 경우의 폴리락트산 이외의 폴리머로서는, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 공중합체, 폴리메타크릴레이트 등을 바람직한 예로서 들 수 있지만, 이들로 한정되는 것이 아니고, 본 발명에서 목적으로 하는 압전성을 발휘하는 한, 어떠한 폴리머를 사용해도 된다.
압전성 섬유 (300A) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트여도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트여도 된다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사 직경은 1 ㎛ ∼ 5 mm 이며, 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 2 mm, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 1 mm 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 그 단사 직경은 0.1 ㎛ ∼ 5 mm 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50 개 ∼ 50000 개, 더욱 바람직하게는 100 개 ∼ 20000 개이다. 단, 압전성 섬유 (300A) 의 섬도나 갯수에 대해서는, 끈목을 제작할 때의 캐리어 1 개당 섬도, 갯수이며, 복수개의 단사 (모노 필라멘트) 로 형성되는 멀티 필라멘트도 한 개의 압전성 섬유 (300A) 로 세는 것으로 한다. 여기서, 캐리어 1 개 중에, 압전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우여도, 그것을 포함한 전체의 양으로 한다.
이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유 (300A) 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, 통상적으로는 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다. 또한, 섬유를 형성 후에는 형성된 섬유를 연신한다. 그것에 의해 1 축 연신 배향하고 또한 결정을 포함하는 큰 압전성을 나타내는 압전성 섬유 (300A) 가 형성된다.
또, 압전성 섬유 (300A) 는, 상기와 같이 제작된 것을 끈목으로 하기 전에, 염색, 연사, 합사, 열처리 등의 처리를 할 수 있다.
(3)
또한, 압전성 섬유 (300A) 는, 끈목을 형성할 때에 섬유끼리가 스쳐 단사되거나 보풀이 나거나 하는 경우가 있기 때문에, 그 강도와 내마모성은 높은 것이 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 ： 2010 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 것이 아니고, 공지된 모든 방법을 사용할 수 있고 예를 들어, 결정화도를 향상시키거나 미립자를 첨가하거나 표면 가공하거나 할 수 있다. 또, 끈목으로 가공할 때에, 섬유에 윤활제를 도포하여 마찰을 저감시킬 수도 있다.
또, 압전성 섬유의 수축률은, 전술한 도전성 섬유의 수축률과의 차가 작은 것이 바람직하다. 수축률차가 크면, 끈목 제작 후나 포백 제작 후의 후처리 공정이나 실사용 시에 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. 수축률 차가 크면, 끈목 제작 후나 포백 제작 후의 후처리 공정이나 실사용 시에 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 것이 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 내리는 수단으로서는, 공지된 모든 방법을 적용할 수 있고, 예를 들어, 열처리에 의해 비정부의 배향 완화나 결정화도를 올림으로써 수축률을 저감할 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 감는 수 20 회의 실패를 만들고, 0.022 cN/dtex 의 하중을 가하여, 스케일판에 매달아 초기의 실패 길이 L0 을 측정했다. 그 후, 이 실패를 100 ℃ 의 비등수욕 중에서 30 분간 처리 후, 방랭하고 다시 상기 하중을 가하여 스케일판에 매달고 수축 후의 실패 길이 L 을 측정했다. 측정된 L0 및 L 을 사용하여 하기 식 (6) 에 의해 비수 수축률을 계산한다.
비수 수축률 = (L0 - L)/L0 × 100 (％) (6)
(피복)
도전성 섬유 (300B), 즉 코어부 (3003) 는, 압전성 섬유 (300A), 즉 끈목상의 시스부 (3002) 로 표면이 피복되어 있다. 도전성 섬유 (300B) 를 피복하는 시스부 (3002) 의 두께는 1 ㎛ ∼ 10 mm 인 것이 바람직하고, 5 ㎛ ∼ 5 mm 인 것이 보다 바람직하고, 10 ㎛ ∼ 3 mm 인 것이 더욱 바람직하고, 20 ㎛ ∼ 1 mm 인 것이 가장 바람직하다. 너무 얇으면 강도의 점에서 문제가 되는 경우가 있고, 또, 너무 두꺼우면 끈목상 압전 소자 (3001) 가 단단해져 변형되기 어려워지는 경우가 있다. 또한, 여기서 말하는 시스부 (3002) 란 코어부 (3003) 에 인접하는 층을 가리킨다.
끈목상 압전 소자 (3001) 에 있어서, 시스부 (3002) 의 압전성 섬유 (300A) 의 총 섬도는, 코어부 (3003) 의 도전성 섬유 (300B) 의 총 섬도의 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 (300A) 의 총 섬도가 도전성 섬유 (300B) 의 총 섬도에 대해 너무 작으면, 도전성 섬유 (300B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (300A) 가 너무 적어 도전성 섬유 (300B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 도전성 섬유 (300B) 가 근접하는 다른 도전성 섬유에 접촉할 우려가 있다. 압전성 섬유 (300A) 의 총 섬도가 도전성 섬유 (300B) 의 총 섬도에 대해 너무 크면, 도전성 섬유 (300B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (300A) 가 너무 많아 끈목상 압전 소자 (3001) 가 단단해져 변형되기 어려워진다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (3001) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
여기서 말하는 총 섬도란, 시스부 (3002) 를 구성하는 압전성 섬유 (300A) 모든 섬도의 합이며, 예를 들어, 일반적인 8 타 끈목의 경우에는, 8 개의 섬유의 섬도의 총합이 된다.
또, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 있어서, 시스부 (3002) 의 압전성 섬유 (300A) 의 한 개당 섬도는, 도전성 섬유 (300B) 의 총 섬도의 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 (300A) 한 개당 섬도가 도전성 섬유 (300B) 의 총 섬도에 대해 너무 작으면, 압전성 섬유 (300A) 가 너무 적어 도전성 섬유 (300B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 압전성 섬유 (300A) 가 절단될 우려가 있다. 압전성 섬유 (300A) 한 개당 섬도가 도전성 섬유 (300B) 의 총 섬도에 대해 너무 크면, 압전성 섬유 (300A) 가 너무 굵어 끈목상 압전 소자 (3001) 가 단단해져 변형되기 어려워진다. 즉, 어느 경우에도 끈목상 압전 소자 (3001) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.
또한, 도전성 섬유 (300B) 에 금속 섬유를 사용한 경우나, 금속 섬유를 도전성 섬유 (300B) 혹은 압전성 섬유 (300A) 에 혼섬한 경우에는, 섬도의 비율은 상기로 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 (300A) 와 도전성 섬유 (300B) 는 가능한 한 밀착되어 있는 것이 바람직하지만, 밀착성을 개량하기 위해서, 도전성 섬유 (300B) 와 압전성 섬유 (300A) 의 사이에 앵커층이나 접착층 등을 형성해도 된다.
피복 방법은 도전성 섬유 (300B) 를 코어사로 하여, 그 둘레에 압전성 섬유 (300A) 를 끈목상으로 감는 방법이 취해진다. 한편, 압전성 섬유 (300A) 의 끈목의 형상은, 인가된 하중으로 생기는 응력에 대해 전기 신호를 출력할 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 코어부 (3003) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목이 바람직하다.
도전성 섬유 (300B) 와 압전성 섬유 (300A) 의 형상으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 가능한 한 동심원상에 가까운 것이, 바람직하다. 또한, 도전성 섬유 (300B) 로서 멀티 필라멘트를 사용하는 경우, 압전성 섬유 (300A) 는, 도전성 섬유 (300B) 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 (300A) 가 피복되어 있어도 되고, 피복되어 있지 않아도 된다. 도전성 섬유 (300B) 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 (3001) 는, 그 표면에 전극을 존재시킬 필요가 없기 때문에, 끈목상 압전 소자 (3001) 자체를 추가로 피복할 필요가 없고, 또, 오동작하기 어렵다는 이점이 있다.
(도전층)
도전층 (3004) 의 양태로서는, 코팅 외에, 필름, 포백, 섬유의 감기가 생각되고, 또 그것들을 조합해도 된다.
도전층 (3004) 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 (3004) 을 필름의 감기에 의해 형성하는 경우에는, 도전성 고분자, 도전성 필러를 분산시킨 고분자를 제막하여 얻어지는 필름이 이용되고, 또 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 필름이 이용되어도 된다.
도전층 (3004) 을 포백의 감기에 의해 형성하는 경우에는, 후술하는 도전성 섬유 (3006) 를 구성 성분으로 하는 포백이 사용된다.
도전층 (3004) 을 섬유의 감기에 의해 형성하는 경우, 그 수법으로서는, 커버링, 편물, 조물이 생각된다. 또, 사용하는 섬유는, 도전성 섬유 (3006) 이며, 도전성 섬유 (3006) 는, 상기 도전성 섬유 (300B) 와 동일종이어도 이종의 도전성 섬유여도 된다. 도전성 섬유 (3006) 로서는, 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 방법으로서는, 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 방법으로서는, 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 의하지 않고 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 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들의 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 (3006) 에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 접히는 경우가 매우 적고, 압전 소자를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.
도전성 섬유 (3006) 는 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트여도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트여도 된다. 멀티 필라멘트가 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사 직경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 경우, 필라멘트 수로서는, 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 (3006) 의 단면 형상으로서는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것으로 한정되지 않는다.
또, 노이즈 신호의 억제 효과를 높이기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로서는 10-1 Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·cm 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·cm 이하이다. 단, 노이즈 신호의 억제 효과가 얻어지는 것이면 저항률은 이것으로 한정되지 않는다.
도전성 섬유 (3006) 는, 본 발명의 용도에서, 반복되는 굽힘이나 꼬임과 같은 움직임에 대해 내성이 없으면 안 된다. 그 지표로서는, 결절 강도가, 보다 큰 것이 선호된다. 결절 강도는 JIS L1013 ： 2010 8.6 의 방법으로 측정할 수 있다. 본 발명에 적당한 결절 강도의 정도로서는, 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 지표로서는, 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 정도로서는, 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.
(제조 방법)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (3001) 는 적어도 1 개의 도전성 섬유 (300B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (300A) 로 피복하고 있지만, 그 제조 방법으로서는 예를 들어 이하의 방법을 들 수 있다. 즉, 도전성 섬유 (300B) 와 압전성 섬유 (300A) 를 다른 공정에서 제작하고, 도전성 섬유 (300B) 에 압전성 섬유 (300A) 를 끈목상으로 감아 피복하는 방법이다. 이 경우에는, 가능한 한 동심원상에 가까워지도록 피복하는 것이 바람직하다.
이 경우, 압전성 섬유 (300A) 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 (300B) 에 감는 압전성 섬유 (300A) 로서는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다. 또, 압전성 섬유 (300A) 를 감을 수 있는 도전성 섬유 (300B) 로서는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노 필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다.
피복의 바람직한 형태로서는, 도전성 섬유 (300B) 를 코어사로 하고, 그 주위에 압전성 섬유 (300A) 를 끈목상으로 제뉴하여, 환타 조물 (Tubular Braid) 을 제작함으로써 피복할 수 있다. 보다 구체적으로는 코어부 (3003) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목을 들 수 있다. 단, 예를 들어, 압전성 섬유 (300A) 를 편조 튜브와 같은 형태로 하여, 도전성 섬유 (300B) 를 코어로서 당해 편조 튜브에 삽입함으로써 피복해도 된다.
도전층 (3004) 은, 코팅이나 섬유의 감기에 의해 제조되지만, 제조의 용이함의 관점에서, 섬유의 감기가 바람직하다. 섬유의 감기 방법으로서는 커버링, 편물, 조물이 생각되고, 어느 방법에 의해 제조해도 된다.
이상과 같은 제조 방법에 의해, 도전성 섬유 (300B) 의 표면을 끈목상의 압전성 섬유 (300A) 로 피복하고, 또한 그 주위에 도전층 (3004) 을 형성한 끈목상 압전 소자 (3001) 를 얻을 수 있다.
본 발명의 끈목상 압전 소자 (3001) 는, 표면에 전기 신호를 검출하기 위한 전극의 형성을 필요로 하지 않기 때문에, 비교적 간단하게 제조할 수 있다.
(보호층)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (3001) 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, 이들의 외력이 압전성 섬유 A 까지 도달하고, 그 분극을 유기할 수 있는 것이면 특별히 한정은 없다. 보호층으로서는, 고분자 등의 코팅에 의해 형성되는 것으로 한정되지 않고, 필름, 포백, 섬유 등을 감아도 되고, 혹은, 그것들이 조합된 것이어도 된다.
보호층의 두께로서는 가능한 한 얇은 것이, 전단 응력을 압전성 섬유 (300A) 에 전달하기 쉽지만, 너무 얇으면 보호층 자체가 파괴되는 등의 문제가 발생하기 쉬워지기 때문에, 바람직하게는 10 nm ∼ 200 ㎛, 보다 바람직하게는 50 nm ∼ 50 ㎛, 더욱 바람직하게는 70 nm ∼ 30 ㎛, 가장 바람직하게는 100 nm ∼ 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, 이들의 보호층, 압전성 섬유로 이루어지는 층, 도전성 섬유로 이루어지는 층은, 그 목적에 따라, 그 순번 및 층수는 적절히 결정할 수 있다. 또한, 감는 방법으로서는, 시스부 (3002) 의 한층 더 외층에 끈목 구조를 형성하거나, 커버링하거나 하는 방법을 들 수 있다.
(작용)
본 발명의 끈목상 압전 소자 (3001) 는, 예를 들어 끈목상 압전 소자 (3001) 의 표면을 문지르는 등으로, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 하중이 인가되어 생기는 응력, 즉 끈목상 압전 소자 (3001) 에 인가되는 응력에 대해, 그 크기 및/또는 인가 위치를 검출하는 센서로서 이용할 수 있다. 또, 본 발명의 끈목상 압전 소자 (3001) 는, 문지르는 것 이외의 가압력이나 굽힘 변형 등에 의해서도 압전성 섬유 (300A) 에 전단 응력이 부여된다면, 전기 신호를 취출하는 것은 물론 가능하다. 예를 들어, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 「인가되는 응력」 으로서는, 압전 소자의 표면, 즉 압전성 섬유 (300A) 의 표면과 손가락과 같은 피접촉물의 표면의 사이의 마찰력이나, 압전성 섬유 (300A) 의 표면 또는 선단부에 대한 수직 방향의 저항력, 압전성 섬유 (300A) 의 굽힘 변형에 대한 저항력 등을 들 수 있다. 특히, 본 발명의 끈목상 압전 소자 (3001) 는, 도전성 섬유 (300B) 에 대해 평행 방향으로 굴곡시켰을 경우나 문질렀을 경우에 큰 전기 신호를 효율적으로 출력할 수 있다.
여기서, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 「인가된 응력」 이란, 예를 들어 표면을 손가락으로 문지르는 정도의 크기의 응력의 경우, 그 기준으로서는, 대체로 1 ∼ 1000 Pa 이다. 물론, 이 이상이어도 인가된 응력의 크기 및 그 인가 위치를 검출하는 것이 가능한 것은 말할 필요도 없다. 손가락 등으로 입력하는 경우에는, 1 Pa 이상 500 Pa 이하의 하중으로도 동작하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 Pa 이상 100 Pa 이하의 하중으로 동작하는 것이 바람직하다. 물론, 500 Pa 를 초과하는 하중으로도 동작하는 것은, 상기 서술한 바와 같다.
또, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 코어부의 도전성 섬유 (300B) 와 도전층 (3004) 의 사이의 정전 용량 변화를 계측함으로써, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 가해진 압력에 의한 변형을 검출하는 것도 가능하게 된다. 또한, 복수개의 끈목상 압전 소자 (1) 를 조합하여 사용하는 경우, 각각의 끈목상 압전 소자 (3001) 의 도전층 (3004) 간의 정전 용량 변화를 계측함으로써, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 가해진 압력에 의한 변형을 검출하는 것도 가능하게 된다.
(포백상 압전 소자)
도 13 은, 실시 형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
포백상 압전 소자 (3007) 는, 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (3001) 를 포함하는 포백 (3008) 을 구비하고 있다. 포백 (3008) 은, 포백을 구성하는 섬유 (끈목을 포함한다) 의 적어도 1 개가 끈목상 압전 소자 (3001) 이며, 끈목상 압전 소자 (3001) 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 (3001) 를, 포백을 구성하는 섬유 (예를 들어, 경사나 위사) 의 일부로서 사용해도 되고, 끈목상 압전 소자 (3001) 를 포백에 자수해도 되고, 접착해도 된다. 도 13 에 나타내는 예에서는, 포백상 압전 소자 (3007) 는, 경사로서 적어도 1 개의 끈목상 압전 소자 (3001) 및 절연성 섬유 (3009) 를 배치하고, 위사로서 도전성 섬유 (3010) 및 절연성 섬유 (3009) 를 교대로 배치한 평직물이다. 도전성 섬유 (3010) 는 도전성 섬유 (300B) 와 동일종이어도 이종의 도전성 섬유여도 되고, 또 절연성 섬유 (3009) 에 대해서는 후술된다. 또한, 절연성 섬유 (3009) 및/또는 도전성 섬유 (3010) 의 전부 또는 일부가 끈목 형태여도 된다.
이 경우, 포백상 압전 소자 (3007) 가 구부러지는 등하여 변형되었을 때, 그 변형에 수반하여 끈목상 압전 소자 (3001) 도 변형되므로, 끈목상 압전 소자 (3001) 로부터 출력되는 전기 신호에 의해, 포백상 압전 소자 (3007) 의 변형을 검출할 수 있다. 그리고, 포백상 압전 소자 (3007) 는, 포백 (직편물) 으로서 사용할 수 있으므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다.
또, 도 13 에 나타내는 포백상 압전 소자 (3007) 에서는, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 도전성 섬유 (3010) 가 교차하여 접촉하고 있다. 따라서, 도전성 섬유 (3010) 는, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 적어도 일부와 교차하여 접촉하고, 그것을 덮고 있어, 외부로부터 끈목상 압전 소자 (3001) 로 향하고자 하는 전자파의 적어도 일부를 차단하고 있다, 고 볼 수 있다. 이와 같은 도전성 섬유 (3010) 는, 접지 (어스) 됨으로써, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 대한 전자파의 영향을 경감하는 기능을 가지고 있다. 즉 도전성 섬유 (3010) 는 끈목상 압전 소자 (3001) 의 전자파 실드로서 기능할 수 있다. 그것에 의해, 예를 들어 포백상 압전 소자 (3007) 의 상하에 전자파 실드용의 도전성의 포백을 겹치지 않아도, 포백상 압전 소자 (3007) 의 S/N 비 (신호 대 잡음비) 를 현저하게 향상시킬 수 있다. 이 경우, 전자파 실드의 관점에서 끈목상 압전 소자 (3001) 와 교차하는 위사 (도 13 의 경우) 에 있어서의 도전성 섬유 (3010) 의 비율이 높을수록 바람직하다. 구체적으로는, 포백 (3008) 을 형성하는 섬유이며 또한 끈목상 압전 소자 (3001) 와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인 것이 바람직하고, 40 ％ 이상이 보다 바람직하고, 50 ％ 이상이 더욱 바람직하다. 이와 같이 포백상 압전 소자 (3007) 에 있어서, 포백을 구성하는 섬유의 적어도 일부로서 도전성 섬유를 넣음으로써, 전자파 실드 기능이 부여된 포백상 압전 소자 (3007) 로 할 수 있다.
직물의 직조직으로서는, 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 조직으로서는, 평편, 고무편, 양면편, 펄편, 턱편, 부편, 편반편, 레이스편, 첨모편 등이 바람직하게 예시된다. 경편 조직으로서는, 싱글 덴비편, 싱글 아틀라스편, 더블 코드편, 하프 트리코트편, 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 (3007) 에서는, 끈목상 압전 소자 (3001) 를 복수 나열하여 사용하는 것도 가능하다. 나열 방법으로서는, 예를 들어 경사 또는 위사로서 모두에 끈목상 압전 소자 (3001) 를 사용해도 되고, 몇 개마다나 일부분에 끈목상 압전 소자 (3001) 를 사용해도 된다. 또, 어느 부분에서는 경사로서 끈목상 압전 소자 (3001) 를 사용하고, 다른 부분에서는 위사로서 끈목상 압전 소자 (3001) 를 사용해도 된다.
이와 같이 끈목상 압전 소자 (3001) 를 복수개 나열하여 포백상 압전 소자 (3007) 를 형성할 때에는, 끈목상 압전 소자 (3001) 는 표면에 전극을 갖지 않기 때문에, 그 나열 방법, 뜨는 방법을 광범위하게 선택할 수 있다는 이점이 있다.
또, 끈목상 압전 소자 (3001) 를 복수 나열하여 사용하는 경우, 도전성 섬유 (300B) 간의 거리가 짧기 때문에 전기 신호의 취출에 있어서 효율적이다.
(절연성 섬유)
포백상 압전 소자 (3007) 에서는, 끈목상 압전 소자 (3001) (및 도전성 섬유 (3010)) 이외의 부분에는, 절연성 섬유를 사용할 수 있다. 이 때, 절연성 섬유는 포백상 압전 소자 (3007) 의 유연성을 향상하는 목적으로 신축성이 있는 소재, 형상을 갖는 섬유를 사용할 수 있다.
이와 같이 끈목상 압전 소자 (3001) (및 도전성 섬유 (3010)) 이외에 이와 같이 절연성 섬유를 배치함으로써, 포백상 압전 소자 (3007) 의 조작성 (예시 ： 웨어러블 센서로서의 움직이기 쉬움) 을 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 절연성 섬유로서는, 체적 저항률이 106 Ω·cm 이상이면 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 108 Ω·cm 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω·cm 이상이 좋다.
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. 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 절연성 섬유를 임의로 사용할 수 있다. 또한, 이들의 절연성 섬유를 조합하여 사용해도 되고, 절연성을 가지지 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 (3001) 나 포백상 압전 소자 (3007) 와 같은 압전 소자는 어느 양태여도, 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 발생하기 위해서, 유체 중의 대전성 물질을 흡착시키거나 부착을 억제시키거나 하는 것도 가능하다.
도 14 는, 본 발명의 압전 소자를 구비하는 디바이스를 나타내는 블록도이다. 디바이스 (3011) 는, 압전 소자 (3012) (예시 ： 끈목상 압전 소자 (3001), 포백상 압전 소자 (3007)) 와, 인가된 압력에 따라 압전 소자 (3012) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단 (3013) 과, 증폭 수단 (3013) 에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (3014) 과, 출력 수단 (3014) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 로 송신하는 송신 수단 (3015) 을 구비한다. 이 디바이스 (3011) 를 이용하면, 압전 소자 (3012) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리에서, 압전 소자에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다. 혹은, 디바이스 (3011) 내에, 출력 수단 (3014) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 압전 소자 (3012) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다.
증폭 수단 (3013) 은, 예를 들어 각종 전자 회로로 구축되어도 되고, 혹은 프로세서 상에서 동작하는 소프트웨어 프로그램에 의해 실장되는 기능 모듈로서 구축되어도 되고, 혹은 각종 전자 회로와 소프트웨어 프로그램의 조합으로 구축되어도 된다. 프로세서로서는, 예를 들어, CPU (Central Processing Unit), DSP (digital signal processor), LSI (large scale integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programming Gate Array) 등이 있다. 또, 출력 수단 (3014) 은, 예를 들어 각종 커넥터로 단독으로 구축되어도 되고, 혹은 송신 수단 (3015) 과 일체화된 통신 장치로서 구축되어도 된다. 또 혹은, 증폭 수단 (3013), 출력 수단 (3014) 및 송신 수단 (3015) 의 기능을 통합하여, 소프트웨어 프로그램을 기입한 집적 회로 혹은 마이크로 프로세서 등으로 실현해도 된다. 또한, 송신 수단 (3015) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 구성하는 센서에 따라 적절히 결정하면 된다.
또, 증폭 수단만이 아니고, 노이즈를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 수단의 접속의 순서는 목적에 따라 적절히 변경할 수 있다. 물론, 압전 소자 (3012) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기로 송신한 후에 신호 처리해도 된다.
도 15 는, 실시 형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 15 의 증폭 수단 (3013) 은, 도 14 를 참조하여 설명한 것에 상당하지만, 도 14 의 출력 수단 (3014) 및 송신 수단 (3015) 에 대해서는 도 15 에서는 도시를 생략하고 있다. 끈목상 압전 소자 (3001) 를 구비하는 디바이스를 구성하는 경우, 증폭 수단 (3013) 의 입력 단자에 끈목상 압전 소자 (3001) 의 코어부 (3003) 로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 도전층 (3004) 을 접속한다. 예를 들어, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 코어부 (3003) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (3013) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 도전층 (3004) 을 접지 (어스) 한다.
도 16 ∼ 18 은, 실시 형태에 관련된 끈목 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 16 ∼ 18 의 증폭 수단 (3013) 은, 도 14 를 참조하여 설명한 것에 상당하지만, 도 14 의 출력 수단 (3014) 및 송신 수단 (3015) 에 대해서는 도 16 ∼ 18 에서는 도시를 생략하고 있다. 포백상 압전 소자 (3007) 를 구비하는 디바이스를 구성하는 경우, 증폭 수단 (3013) 의 입력 단자에 끈목상 압전 소자 (3001) 의 코어부 (3003) 로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 도전층 (3004), 또는 포백상 압전 소자 (3007) 의 도전성 섬유 (3010), 또는 증폭 수단 (3013) 의 입력 단자에 접속한 끈목상 압전 소자 (1) 와는 다른 끈목상 압전 소자를 접속한다. 예를 들어, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (3007) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 코어부 (3003) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (3013) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 도전층 (3004) 을 접지 (어스) 한다. 또 예를 들어, 도 17 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (3007) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 코어부 (3003) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (3013) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 교차하여 접촉한 도전성 섬유 (3010) 를 접지 (어스) 한다. 또 예를 들어, 도 18 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (3007) 에 있어서 끈목상 압전 소자 (3001) 를 복수 나열하고 있는 경우, 1 개의 끈목상 압전 소자 (3001) 의 코어부 (3003) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (3013) 의 입력 단자에 접속하고, 당해 끈목상 압전 소자 (3001) 에 나열된 다른 끈목상 압전 소자 (3001) 의 코어부 (3003) 로부터의 인출선을, 접지 (어스) 한다.
본 발명의 디바이스 (3011) 는 유연성이 있어, 끈상 및 포백상 어느 형태로도 사용할 수 있기 때문에, 매우 광범위한 용도가 생각된다. 본 발명의 디바이스 (3011) 의 구체적인 예로서는, 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, 꼬임, 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, 꼬임, 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 (3011) 는 끈목상 혹은 포백상이며, 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 디바이스 (3011) 는, 끈목상 압전 소자 (3001) 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 (3001) 로 피계측물의 표면을 문지름으로써 피계측물의 높이 방향의 위치 정보나 형상 정보를 얻을 수 있으므로, 표면 형상 계측 등에 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서 도전성 섬유로 형성된 코어부와, 그 코어부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 시스부를 구비하고, 그 도전성 섬유의 인발 강도가 0.1 N 이상인, 끈목상 압전 소자를 제공함으로써, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능한 섬유상의 압전 소자를 제공할 수 있고, 나아가서는, 변형에 대한 신호 강도의 편차가 적고, 반복 사용해도 신호 강도의 재현성이 우수한 압전 소자를 제공할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 끈목상 압전 소자에 있어서, 적어도 한 개의 도전성 섬유의 외주면을 다수의 압전성 섬유가 치밀하게 둘러싸고 있다. 특정의 이론에 속박되는 것은 아니지만, 끈목상 압전 소자에 변형이 생기면, 다수의 압전성 섬유 각각에 변형에 의한 응력이 생기고, 그것에 의해 다수의 압전성 섬유 각각에 전기장이 생기고 (압전 효과), 그 결과, 도전성 섬유를 둘러싸는 다수의 압전성 섬유의 전기장을 중첩한 전압 변화가 도전성 섬유에 생기는 것이라고 추측된다. 이 때, 코어부인 도전성 섬유를 경유하여 검출되는 신호 강도는 시스부인 압전성 섬유와의 접촉 상태가 변화되지 않는 것이 중요하다. 이 접촉 상태를 나타내는 끈목상 압전 소자의 기계적 특성치로서 코어부의 인발 강도를 0.1 N 이상인 것이 중요하다. 인발 강도는, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 접촉 면적과 수직 항력에 의존하는 것이며, 특히 이 수직 항력은 끈목을 제작할 때의 압전성 섬유의 감기 장력에 의존하는 것이라고 생각된다. 그리고, 인발 강도가 0.1 N 이상인 경우에는 압전성 섬유가 탄성 변형된 상태로 도전성 섬유에 감겨져 있어 충분한 접촉을 하고 있다고 생각된다. 따라서, 변형되었을 때에도 그 접촉 상태가 변화되지 않고, 반복 변형시켜도 재현성이 우수한 소자가 얻어지는 것이라고 생각된다. 또, 끈목상 압전 소자에서는, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 끈목상의 시스부의 접촉 상태가 불충분한 경우, 즉 인발 강도가 낮은 경우와 비교해서 도전성 섬유로부터의 전기 신호가 증대하는 경우가 있다. 또한, 도전성 섬유는 복수개여도 된다.
인발 강도는, 0.1 N 이상이지만, 바람직하게는, 0.5 N 이상, 보다 바람직하게는 1 N 이상이다. 또한, 인발 강도가 도전 섬유의 강도 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 인발 강도가 0.1 N 미만인 경우에는, 충분한 수직 항력이 발생하고 있지 않은 상태, 즉 접촉이 불충분한 상태가 되어 있어, 변형되었을 때에 그 접촉 상태가 변화된다. 그 결과로서, 반복하여 변형시켰을 경우의 재현성을 얻을 수 없어, 센서로서 사용하는 것이 곤란해진다.
인발 강도는, 이하의 방법에 의해 측정할 수 있다. 먼저, 끈목을 7 cm 의 길이로 절단하고, 그 양 단부 1 cm 의 길이의 시스부를 풀어 코어부를 노출시키고, 일방의 단부는 코어부만을 절단하고, 다른 일방의 단부는 시스부만을 절단한다. 이 상태로, 양 단부의 코어부만과 시스부만을 파지하여, 50 cm/min 의 속도로 인장한 경우의 최대 강도를 측정한다. 또한, 평가부의 길이를 5 cm 확보하는 것이 곤란한 경우에는, 임의의 길이의 끈목의 인발 강도를 측정하여, 5 cm 당의 강도로 환산해도 된다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유로 형성된 코어부와, 그 코어부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 시스부를 구비하고, 굽힘 복원률이 70 이상인 끈목상 압전 소자를 제공함으로써, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력 에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 전기 신호의 반복 재현성이 양호한, 섬유상의 압전 소자를 제공할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 끈목상 압전 소자에 있어서, 굽힘 복원률은 이하의 식 (10) 으로 정의되는 값이다.
X = L/3 × 100 (식 10)
X ： 굽힘 복원률
L ： 굽힘 복원률 측정 시험 후의 끈목 돌출 거리
시험 후의 끈목 돌출 거리 L 은, 이하의 방법으로 측정된다. 즉, 먼저, 도 33 에 나타내는 바와 같은 장치에 있어서, 끈목상 압전 소자 (6001) 를, 곡률 반경 1 cm 의 모서리부를 갖는 대좌로부터 3 cm 돌출하도록 고정하고, 이어서 끈목상 압전 소자 (6001) 를 대좌를 따라 끈목의 대좌로 향한 면이 대좌에 전체면 접촉하도록 굽힌다. 그 후, 즉시 끈목상 압전 소자 (6001) 에 가하고 있던 외력을 제거한다. 굴곡되어 있던 끈목상 압전 소자 (6001) 가 응력으로 복원된 후, 그 대좌로부터 돌출한 거리를 계측하고, 이 값을 L 로 한다. 이 때, L 의 단위는 cm 이다. 또, 끈목이 짧아 3 cm 돌출하는 것이 곤란한 경우에는, 돌출 부분의 길이를 L0 으로 하여 하기 식 (11) 로 대용하는 것도 가능하다.
X = L/L0 × 100 (식 11)
코어부 및/또는 시스부는, 끈목상 압전 소자 (6001) 가 센서로서 충분히 기능하는 범위에서, 굽힘 복원률이 70 이상이 되도록, 굽힘 복원률을 조정하기 위한 필라멘트 (이하, 「굽힘 복원률 조정용 필라멘트」 라고 한다) 를 포함할 수 있다. 굽힘 복원률 조정용 필라멘트의 단면적은 0.001 ∼ 1.0 평방 밀리미터이며, 바람직하게는 0.005 ∼ 0.5 평방 밀리미터, 보다 바람직하게는 0.01 ∼ 0.3 평방 밀리미터이다. 굽힘 복원률 조정용 필라멘트가 너무 가늘면 굽힘 복원률이 70 이상이 되지 않고, 또 굽힘 복원률 조정용 필라멘트가 너무 굵으면 끈목상 압전 소자 (6001) 의 유연성이 상실되어 버린다. 코어부 및/또는 시스부에 대한 굽힘 복원률 조정용 필라멘트의 비율은 50 ％ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 30 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 10 ％ 이하이다. 코어부 및/또는 시스부에 대한 굽힘 복원률 조정용 필라멘트의 비율이 너무 적으면 굽힘 복원률이 70 이상이 되지 않고, 또 굽힘 복원률 조정용 필라멘트의 비율이 너무 많으면 끈목상 압전 소자의 유연성이 상실되어 버리거나, 끈목상 압전 소자로부터 얻어지는 전기 신호가 작아져 버리거나 하는 경우가 있다. 또한, 굽힘 복원률 조정용 필라멘트는 단독으로 사용하여 끈목 구조를 제작할 때의 하나의 섬유로 해도 되고, 코어부 및/또는 시스부의 섬유와 혼섬해도 된다. 코어부 및/또는 시스부에 굽힘 복원률 조정용 필라멘트를 포함함으로써, 끈목상 압전 소자는 한 번 변형된 후에 원래 상태로 돌아가기 쉬워지기 때문에, 전기 신호의 반복 재현성이 개선된다.
끈목상 압전 소자는, 끈목상 압전 소자 (6001) 가 센서로서 충분히 기능하는 범위에서, 굽힘 복원률이 70 이상이 되도록, 시스부의 외측에 피복층을 포함할 수 있다. 피복층의 두께는, 0.05 ∼ 2.0 mm 이며, 0.04 mm ∼ 1.0 mm 가 바람직하고, 0.03 ∼ 0.5 mm 가 보다 바람직하다. 피복층이 너무 얇으면 굽힘 복원률이 70 이상이 되지 않고, 또 피복층이 너무 두꺼우면 끈목상 압전 소자의 유연성이 상실되어 버리거나, 끈목상 압전 소자로부터 얻어지는 전기 신호가 작아져 버리거나 하는 경우가 있다. 시스부의 외측에 피복층을 포함함으로써, 끈목상 압전 소자는 한 번 변형된 후에 원래 상태로 돌아가기 쉬워지기 때문에, 전기 신호의 반복 재현성이 개선된다. 또, 피복층을 포함함으로써, 시스부의 구속력이 커지고, 그 때문에 압전성 섬유에 효율적으로 응력이 가해져, 신호 강도가 커지는 경우가 있다.
코어부 및/또는 시스부는, 끈목상 압전 소자가 센서로서 충분히 기능하는 범위에서, 굽힘 복원률이 70 이상이 되도록, 고탄성 섬유를 포함할 수 있다. 고탄성 섬유의 탄성률은 15.0 GPa 이며, 바람직하게는 30.0 GPa 이상, 보다 바람직하게는 0.0 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 100.0 GPa 이상이다. 고탄성 섬유의 탄성률이 낮으면 굽힘 복원률이 70 이상이 되지 않고, 또 고탄성 섬유의 탄성률이 너무 높으면 끈목상 압전 소자의 유연성이 상실되어 버린다. 코어부 및/또는 시스부에 대한 고탄성 섬유의 비율은 50 ％ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 30 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 10 ％ 이하이다. 코어부 및/또는 시스부에 대한 고탄성 섬유의 비율이 너무 적으면 굽힘 복원률이 70 이상이 되지 않고, 또 굽힘 복원률 조정용 필라멘트의 비율이 너무 많으면 끈목상 압전 소자의 유연성이 상실되어 버리거나, 끈목상 압전 소자로부터 얻어지는 전기 신호가 작아져 버리거나 하는 경우가 있다. 또한, 고탄성 섬유는 단독으로 사용하여 끈목 구조를 제작할 때의 하나의 섬유로 해도 되고, 코어부 및/또는 시스부의 섬유와 혼섬해도 된다. 코어부 및/또는 시스부에 고탄성 섬유를 포함함으로써, 끈목상 압전 소자는 한 번 변형된 후에 원래 상태로 돌아가기 쉬워지기 때문에, 전기 신호의 반복 재현성이 개선된다.
굽힘 복원률 조정용 필라멘트는, 코어부 또는/및 시스부에 포함되어도 된다. 굽힘 복원률 조정용 필라멘트의 단면적은 0.001 ∼ 1.0 평방 밀리미터이며, 바람직하게는 0.005 ∼ 0.5 평방 밀리미터, 보다 바람직하게는 0.01 ∼ 0.3 평방 밀리미터이다. 굽힘 복원률 조정용 필라멘트가 너무 가늘면 굽힘 복원률이 70 이상이 되지 않고, 또 굽힘 복원률 조정용 필라멘트가 너무 굵으면 끈목상 압전 소자의 유연성이 상실되어 버린다.
굽힘 복원률 조정용 필라멘트에는, 공지된 모든 필라멘트를 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리에스테르 필라멘트, 나일론 필라멘트, 아크릴 필라멘트, 폴리에틸렌 필라멘트, 폴리프로필렌 필라멘트, 염화비닐 필라멘트, 아라미드 필라멘트, 폴리술폰 필라멘트, 폴리에테르 필라멘트, 폴리우레탄 필라멘트 등의 합성 고분자의 필라멘트를 사용할 수 있다. 굽힘 복원률 조정용 필라멘트는 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 필라멘트를 임의로 사용할 수 있다. 또한, 이들의 필라멘트를 조합하여 사용해도 된다. 또, 굽힘 복원률 조정용 필라멘트로서는, 공지된 모든 단면 형상의 섬유도 사용할 수 있다. 또한, 굽힘 복원률 조정용 필라멘트는 모노 필라멘트여도 멀티 필라멘트여도 된다. 굽힘 복원률 조정용 필라멘트가 멀티 필라멘트의 경우, 그 단사 단면적의 총합을 단면적이라고 생각한다.
고탄성 섬유는, 코어부 또는/및 시스부에 포함되어도 된다. 고탄성 섬유의 탄성률은 15.0 GPa 이며, 바람직하게는 20.0 GPa 이상, 보다 바람직하게는 30.0 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 50.0 GPa 이상이다. 고탄성 섬유의 탄성률이 낮으면 굽힘 복원률이 70 이상이 되지 않고, 또 고탄성 섬유의 탄성률이 너무 높으면 끈목상 압전 소자의 유연성이 상실되어 버린다. 코어부 및/또는 시스부에 대한 고탄성 섬유의 비율은 50 ％ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 30 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 10 ％ 이하이다. 코어부 및/또는 시스부에 대한 고탄성 섬유의 비율이 너무 적으면 굽힘 복원률이 70 이상이 되지 않고, 또 굽힘 복원률 조정용 필라멘트의 비율이 너무 많으면 끈목상 압전 소자의 유연성이 상실되어 버린다. 코어부 및/또는 시스부에 고탄성 섬유를 포함함으로써, 끈목상 압전 소자는 한 번 변형된 후에 원래 상태로 돌아가기 쉬워지기 때문에, 전기 신호의 반복 재현성이 개선된다.
고탄성 섬유에는 탄성률이 15.0 GPa 이상인 공지된 모든 섬유를 사용할 수 있다. 예를 들어, 아라미드 섬유, PBO 섬유, LCP 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 유리 섬유, 세라믹 섬유 등을 들 수 있다. 이들을 조합하여 사용해도 된다. 또, 고강도 섬유는 고탄성일 뿐만 아니라, 1 ％ 이상의 신도를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 5 ％ 이상이다. 신도가 낮으면 끈목이 변형되었을 때에, 섬유가 파단되어 버려, 품질이 나빠질 뿐만 아니라, 전기 신호의 반복 재현성이 개선되지 않는 경우가 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 적어도 2 개의 끈목상 압전 소자를 포함하는 포백을 구비하고, 상기 적어도 2 개의 끈목상 압전 소자의 각각이, 도전성 섬유로 형성된 코어부와, 상기 코어부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 시스부를 갖는, 포백상 압전 소자를 제공함으로써, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력 에 의해서도, 효율적으로 전기를 취출하여, 움직임의 종류, 특히 꼬임에 관한 움직임을 검출하는 것이 가능한 섬유상의 압전 소자를 제공할 수 있다.
도 34 는 실시 형태에 관련된 끈목상 압전 소자를 사용한 포백상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다. 포백상 압전 소자 (7005) 는, 적어도 2 개의 끈목상 압전 소자 (7001) 를 포함하는 포백 (7006) 을 구비하고 있고, 이들의 끈목상 압전 소자 (7001) 는 대략 평행하게 배치되어 있다. 포백 (7006) 은, 포백을 구성하는 섬유 (끈목을 포함한다) 의 적어도 2 개가 끈목상 압전 소자 (7001) 이며, 끈목상 압전 소자 (7001) 가 압전 소자로서의 기능을 발휘 가능한 한 전혀 한정은 없고, 어떠한 직편물이어도 된다. 도 34 에 나타내는 예에서는, 포백상 압전 소자 (7005) 는, 경사로서 적어도 2 개의 끈목상 압전 소자 (7001) 및 절연성 섬유 (7007) 를 배치하고, 위사로서 도전성 섬유 (7008) 및 절연성 섬유 (7007) 를 교대로 배치한 평직물이다. 절연성 섬유 (7007) 및/또는 도전성 섬유 (7008) 의 전부 또는 일부가 끈목 형태여도 된다.
끈목상 압전 소자 (7001) 는, 변형되면 압전 신호를 발생하지만, 이 신호는 변형의 양태에 따라 크기나 형상이 변화된다. 도 34 에 나타내는 포백상 압전 소자 (7005) 의 경우, 포백상 압전 소자 (7005) 가 2 개의 끈목상 압전 소자 (7001) 에 직교하는 선을 굴곡부로서 굽힘 변형했을 때, 2 개의 끈목상 압전 소자 (7001) 는 동일한 변형을 한다. 따라서, 2 개의 끈목상 압전 소자 (7001) 로부터는 동일한 신호가 검출된다. 한편으로, 꼬임 등의 복잡한 변형을 부여한 경우, 2 개의 끈목상 압전 소자 (7001) 에는 다른 변형이 야기되게 되어, 각각의 끈목상 압전 소자 (7001) 가 발생하는 신호는 상이한 것이 된다. 이 원리에 의해, 복수의 끈목상 압전 소자 (7001) 를 조합하고, 각각의 끈목상 압전 소자 (7001) 에서 발생하는 신호를 비교 연산함으로써, 끈목상 압전 소자 (7001) 의 복잡한 변형의 해석이 가능하게 된다. 예를 들어, 각 끈목상 압전 소자 (7001) 에서 발생하는 신호의 극성, 진폭, 위상 등을 비교해서 얻어지는 결과에 기초하여, 꼬임 등의 복잡한 변형을 검출할 수 있다.
복수의 끈목상 압전 소자 (7001) 는, 대략 평행하게 배치되고, 각각 0.5 cm 이상 떨어져 있는 것이 바람직하고, 1.0 cm 이상 떨어져 있는 것이 보다 바람직하고, 3.0 cm 이상 떨어져 있는 것이 더욱 바람직하다. 끈목상 압전 소자 (7001) 간의 거리가 너무 가까우면, 꼬임 변형을 부여했을 때에 쌍방의 끈목상 압전 소자 (7001) 가 상이한 변형을 하기 어려워지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 굽힘 변형의 검출에 사용하는 경우에는 그것으로 한정되지 않는다. 또 신호 검출에 사용하지 않는 끈목상 압전 소자가 포백 중에 포함되는 경우, 그 끈목상 압전 소자와 다른 끈목상 압전 소자의 거리가 0.5 cm 미만이어도 된다.
이상과 같이, 복수의 끈목상 압전 소자 (7001) 를 조합하여, 각각의 끈목상 압전 소자 (7001) 에서 발생하는 신호를 비교 연산함으로써, 꼬임 등의 복잡한 변형의 해석이 가능하게 되므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다. 이 경우, 포백상 압전 소자 (7005) 가 구부러지는 등하여 변형되었을 때, 그 변형에 수반하여 끈목상 압전 소자 (7001) 도 변형되므로, 끈목상 압전 소자 (7001) 로부터 출력되는 전기 신호에 기초하여, 포백상 압전 소자 (7005) 의 변형을 검출할 수 있다. 그리고, 포백상 압전 소자 (7005) 는, 포백 (직편물) 으로서 사용할 수 있으므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다.
도 35 는, 실시 형태에 관련된 끈목 포백상 압전 소자를 구비하는 디바이스 (7010) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 35 에 있어서, 출력 수단 (7013) 의 후단에, 출력 수단 (7013) 으로부터 출력된 각각의 끈목상 압전 소자 (7001) 의 전기 신호를 비교 연산함으로써 압전 소자 (11) 의 변형을 해석하는 비교 연산 수단 (7015) 이 형성되어 있다. 포백상 압전 소자 (7005) 를 구비하는 디바이스를 구성하는 경우, 증폭 수단 (7012) 의 입력 단자에 끈목상 압전 소자 (7001) 의 코어부 (7003) 로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 증폭 수단 (7012) 의 입력 단자에 접속한 끈목상 압전 소자 (7001) 와는 다른 끈목상 압전 소자 또는 도전성 섬유 (7008) 를 접속한다. 예를 들어, 도 35 에 나타내는 바와 같이, 포백상 압전 소자 (7005) 에 있어서, 끈목상 압전 소자 (7001) 의 코어부 (7003) 로부터의 인출선을 증폭 수단 (7012) 의 입력 단자에 접속하고, 끈목상 압전 소자 (7001) 에 교차하여 접촉한 도전성 섬유 (7008) 를 접지 (어스) 한다. 또한, 도 35 에서는, 비교 연산 수단 (7015) 을 디바이스 (7010) 내에 형성했지만, 비교 연산 수단 (7015) 을, 외부 기기 내에 형성해도 된다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유로 형성된 코어부와, 그 코어부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 시스부를 구비한 끈목상 압전 소자와, 추가로 그 끈목상 압전 소자에 근접하여 배치된 다른 도전성 섬유를 구비한 포백상 소자에,
그 끈목상 압전 소자의 코어부에 접속되고, 그 끈목상 압전 소자의 시스부의 압전성에서 유래하는 신호를 검출하는 알고리즘을 구비한 전자 회로와,
그 끈목상 압전 소자의 코어부의 도전성 섬유와, 그 다른 도전성 섬유의 양방에 접속되고, 이들 2 개의 도전성 섬유간의 정전 용량을 검출하는 알고리즘을 구비한 전자 회로
를 접속한 포백상 센서를 제공함으로써, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력 에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능한 섬유상의 압전 소자를 제공할 수 있고, 또한, 정전 용량의 변화를 검출하는 방식을 병용한 고기능의 센서를 제공할 수 있다.
도 36 은, 본 양태에 의한 포백상 소자 (8005) 를 구비하는 디바이스 (8010) 를 나타내는 블록도이다. 디바이스 (8010) 는, 끈목상 압전 소자 (8001) 와, 변형이나 인가된 압력에 따라 끈목상 압전 소자 (8001) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 압전 신호 해석 수단 (8012) 과, 신축이나 인가된 압력에 따라 변화되는 정전 용량의 변화량을 검출하는 정전 용량 해석 수단 (8015) 과, 압전 신호 해석 (8012) 에서 증폭된 전기 신호 및 정전 용량 해석 수단 (8015) 에서 검출된 정전 용량의 변화량을 출력하는 출력 수단 (8013) 과, 출력 수단 (8013) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 로 송신하는 송신 수단 (8014) 을 구비한다. 이 디바이스 (8010) 를 이용하면, 포백상 소자 (8005) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리에서, 포백상 소자에 인가된 응력이나 신축량의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다. 혹은, 8010 내에, 출력 수단 (8013) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 포백상 소자 (8005) 에 인가된 응력이나 신축량의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다. 또, 압전 신호 해석 수단 (8012) 및 정전 용량 해석 수단 (8015) 의 전단에, 끈목상 압전 소자로부터의 압전성 신호와, 끈목상 압전 소자 및 다른 도전성 섬유간의 정전 용량 검출용 신호를 분리하는 분리 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다. 또한, 송신 수단 (8014) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 구성하는 센서에 따라 적절히 결정하면 된다.
본 양태에 의한 포백상 센서는, 끈목상 압전 소자 (8001) 의 코어부에 접속되고, 끈목상 압전 소자 (8001) 의 시스부의 압전성에서 유래하는 신호를 검출하는 알고리즘 (압전 신호 해석 수단 (8012)) 을 구비한 전자 회로와, 그 끈목상 압전 소자의 코어부의 도전성 섬유와, 그 다른 도전성 섬유의 양방에 접속되고, 이들 2 개의 도전성 섬유간의 정전 용량을 검출하는 알고리즘 (정전 용량 해석 수단 (8015)) 을 구비한 전자 회로가 접속되어 있다.
전술한 바와 같이, 압전 신호 해석 수단 (8012) 및 정전 용량 해석 수단 (8015) 의 전단에, 끈목상 압전 소자 (8001) 로부터의 압전성 신호와, 끈목상 압전 소자 (8001) 및 다른 도전성 섬유 (8008) 간의 정전 용량 검출용 신호를 분리하는 분리 수단을 형성하는 것이 바람직하다.
이 분리 수단의 바람직한 예의 하나는, 끈목상 압전 소자 (8001) 의 코어부에 접속된 전자 회로에 의해, 그 끈목상 압전 소자의 시스부의 압전성에서 유래하는 신호를 검출하는 알고리즘을 적용하는 기간과, 끈상 압전 소자의 코어부의 도전성 섬유와, 그 다른 도전성 섬유의 양방에 접속된 전자 회로에 의해, 이들 2 개의 도전성 섬유간의 정전 용량을 검출하는 알고리즘을 적용하는 기간을, 교대로 전환하면서 압전성 신호와 정전 용량 신호를 단속적으로 측정하는 것이다. 전환 시간을 충분히 짧게 설정함으로써, 인체 정도의 동작 속도이면 동시에 양방의 신호를 측정하고 있다고 간주할 수 있다.
이 분리 수단의 바람직한 예의 또 하나는, 정전 용량의 검출을 비교적 높은 주파수 (바람직하게는 1 kHz 이상, 더욱 바람직하게는 100 kHz 이상) 의 교류 전압 인가에 의해 실시하고, 또한 인체의 동작 모니터 시 등, 압전 신호에서 유래하는 신호의 주파수가 비교적 낮은 (예를 들어 1 kHz 미만) 경우에, 필터 처리에 의해 압전성 신호 유래의 성분과 정전 용량 검출용 교류 신호의 성분으로 분리하고, 압전성 신호를 검출하는 알고리즘과 정전 용량을 검출하는 알고리즘을 동시에 병행하여 적용하여 측정하는 것이다.
또, 증폭 수단만이 아니고, 노이즈를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 수단의 접속의 순서는 목적에 따라 적절히 변경할 수 있다. 물론, 포백상 소자 (8005) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기로 송신한 후에 신호 처리해도 된다.
본 양태에 의한 디바이스 (8010) 는, 끈목상 압전 소자 (8001) 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 (8001) 로 피계측물의 표면을 문지름으로써 피계측물의 높이 방향의 위치 정보나 형상 정보를 얻을 수 있으므로, 표면 형상 계측 등에 사용할 수 있다. 또, 상기의 용도에 더하여, 정전 용량의 해석에 의해 포백에 대한 가압력 변화나 신축성을 동시에 모니터하는 센서로서, 압전성 신호와 조합한 보다 고도의 입력 장치나 포인팅 디바이스나 웨어러블 인터페이스로서 사용할 수 있다.
특히, 끈목상 압전 소자에서는, 압전성 신호에 의해 굽힘을 특이적으로 검지할 수 있지만, 굽힘의 위치에 관한 정보를 단체로 검지하는 것이 곤란한 바, 정전 용량에 의한 해석을 수반함으로써, 가압된 부위에 관한 위치 정보를 검지할 수 있기 때문에, 이 쌍방을 해석함으로써, 센서가 받는 형상 변화 전반, 구체적으로는, 굽힘 위치, 굽힘 정도, 꼬임 위치, 꼬임 정도, 가압 유무 등의 차이 등, 을 용이하게, 간편한 구성으로 파악하는 것이 가능하고, 다양한 입력 자극에 대응한 웨어러블 센서로서 적용 범위를 확대 가능하다. 또, 구성 부재가 간편하게 되는 점에서, 노이즈 신호 발생의 요인 중 하나인 구성 부재간의 스침에 수반되는 정전기도 억제할 수 있는 것 외에 웨어러블 소재에 요구되는, 착용자의 사용감도 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 끈목상 압전 소자가 섬유상 구조체로 고정화된 센서를 제공함으로써, 움직임이나 질감을 제한하지 않고, 나중에 센서 기능의 추가가 가능한 섬유상의 압전 소자 디바이스를 제공할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 끈목상 압전 소자의 고정화법으로서는, 대상물이나 그 목적에 맞추어 임의의 방법을 취할 수 있다. 예를 들어, 풀이나 접착재 등의 점착물을 사용하여 첩부하는 방법이나, 자석, 열, 클립 등에 의해 고정화하는 방법, 포백상의 대상물에 대해, 자수와 같이 꿰매 붙임 또는 휘갑치는 방법, 또, 끈상의 대상물에 대해, 표면 혹은 내부에 끈목상 압전 소자가 위치하도록 꼼으로써 고정화하는 방법, 대상물에 끈목을 뻗쳐서 대상물과 끈목을 함께 패킹하는 방법 등을 들 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 또, 끈목상 압전 소자는 직선이 되도록 고정화할 필요는 없고, 대상물이나 목적에 맞추어 곡선 등 임의로 고정할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유로 형성된 코어부와, 그 코어부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 시스부를 구비하고, 그 압전성 섬유가 주성분으로서 폴리락트산을 포함하고, 그 도전성 섬유에 대한 그 압전성 섬유의 감기 각도는 15 °이상, 75 °이하인 끈목상 압전 소자를 포함하는 포백을 구비하는, 평끈목상 압전 소자로서, 그 포백은, 복수의 코어사를 임의의 섬유로 피복하도록 형성된 평끈목상의 포백으로서, 복수의 코어사의 적어도 2 개 이상으로 그 끈목상 압전 소자를 사용한 평끈목상 압전 소자를 제공함으로써, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 또한 움직임의 종류, 특히 꼬임에 관한 움직임을 검출할 수 있는 평끈목상 압전 소자를 제공할 수 있다.
도 37 은 실시 형태에 관련된 평끈목상 압전 소자의 구성예를 나타내는 모식도이다.
평끈목상 압전 소자 (9005) 는, 적어도 2 개의 끈목상 압전 소자 (9001) 를 포함하는 평끈목 (9006) 을 구비하고 있다. 평끈목 (9006) 은, 일반적인 평끈목이 아니고, 끈의 경방향으로 평행하게 배치된 코어사 (9007) 를 두고, 그 주위를 피복하도록 끈목을 구성한 평끈목이다. 포백을 구성하는 섬유 (끈목을 포함한다) 의 적어도 2 개가 끈목상 압전 소자 (9001) 이며, 끈목상 압전 소자 (9001) 가 압전 소자로서의 기능을 발휘 가능한 한 전혀 한정은 없고, 어떠한 평끈목이어도 된다. 평끈목은, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다른 섬유 (끈목을 포함한다) 와 조합하여, 교직, 교편 등을 실시해도 된다. 물론, 끈목상 압전 소자 (9001) 를, 코어사 (9007) 로서 사용해도, 코어사 (9007) 를 피복하는 끈목의 사의 일부로서 사용해도 되고, 끈목상 압전 소자 (9001) 를 포백에 자수해도 되고, 접착해도 된다. 도 37 에 나타내는 예에서는, 평끈목상 압전 소자 (9005) 는, 코어사 (9007) 에 대해, 적어도 2 개의 끈목상 압전 소자 (9001) 및 섬유 (9004) 를 배치한 평끈목이다. 코어사 (9007) 및 섬유 (9004) 는 특별히 한정되는 일 없이 임의의 섬유를 사용할 수 있다. 단 도 35 에 나타내는 평끈목상 압전 소자 (9005) 에서는, 끈목상 압전 소자 (9001) 에 섬유 (9004) 가 교차하여 접촉하고 있다. 섬유 (9004) 의 적어도 일부를 도전성 섬유로 하고, 접지 (어스) 함으로써, 끈목상 압전 소자 (9001) 에 대한 전자파의 영향을 경감할 수 있다. 즉 섬유 (9004) 에 도전성 섬유를 사용함으로써, 끈목상 압전 소자 (9001) 의 전자파 실드로서 기능할 수 있다. 그것에 의해, 예를 들어 평끈목상 압전 소자 (9005) 의 상하에 전자파 실드용의 도전성의 포백을 겹치지 않아도, 평끈목상 압전 소자 (9005) 의 S/N 비를 현저하게 향상시킬 수 있다. 이 경우, 전자파 실드의 관점에서 섬유 (4) 의 도전성 섬유의 비율은 높을수록 바람직하고, 바람직하게는 30 ％ 이상인 것이 바람직하다. 단 평끈목상 압전 소자 (9005) 가 피복 등에 의해 전자파 실드능을 가지고 있는 경우에는 그것으로 한정되지 않는다. 또한, 섬유 (9004, 9007) 가 끈목이어도 된다.
끈목상 압전 소자 (9001) 는, 변형을 받았을 경우, 압전 신호를 발생하지만, 이 신호는 변형의 방향에 따라 플러스/마이너스의 역방향의 신호가 얻어진다. 도 37 에 나타내는 평끈목상 압전 소자 (9005) 의 경우, 평끈목상 압전 소자 (9005) 가 굽힘 변형되었을 때, 그 변형에 수반하여 2 개의 끈목상 압전 소자 (9001) 는 동일한 방향으로 변형된다. 따라서 일방의 끈목상 압전 소자 (9001) 로부터 플러스 신호가 나왔다고 하면, 타방의 끈목상 압전 소자 (9001) 로부터도 플러스 신호가 나온다. 한편, 평끈목상 압전 소자 (9005) 에 꼬임 변형을 부여한 경우에는, 2 개의 끈목상 압전 소자 (9001) 는 서로 반대 방향으로 변형된다. 따라서, 일방의 끈목상 압전 소자 (9001) 로부터 플러스 신호가 나왔다고 하면, 타방의 끈목상 압전 소자 (9001) 로부터는 마이너스 신호가 나오게 된다.
끈목상 압전 소자 (9001) 는, 대략 평행하게 배치되고, 서로 1 cm 이상 떨어져 있는 것이 바람직하다. 2 개의 끈목상 압전 소자 (9001) 의 이간 거리가 너무 가까우면, 꼬임 변형을 부여했을 때에 쌍방의 끈목상 압전 소자 (9001) 가 반대 방향으로 변형되기 어려워지기 때문에 바람직하지 않다. 또한 꼬임 검출에 사용하지 않는 경우에는 그것으로 한정되지 않는다. 또 신호 검출에 사용하지 않는 끈목상 압전 소자가 평끈목 중에 포함되는 경우, 그 끈목상 압전 소자와 다른 끈목상 압전 소자의 거리가 1 cm 미만이어도 된다.
평끈목의 조직은, 오른쪽 감기사와 왼쪽 감기사의 교차시키는 방법이나, 코어사에의 휘감기게 하는 방법, 코어사에 대한 감기 각도 등, 임의의 조직을 적용할 수 있다.
이상과 같이, 복수개의 끈목상 압전 소자 (9001) 의 신호를 조합함으로써, 굽힘, 꼬임과 같은 움직임의 종류를 파악할 수 있다. 검출되는 신호 강도와 조합하면, 움직임의 종류와 그 변형도를 파악할 수 있으므로, 예를 들어 의류 형상의 웨어러블 센서에 적용할 수 있다.
끈목상 압전 소자 (9001) 의 일방 또는 양방을 복수개 나열하여 평끈목상 압전 소자 (9005) 를 형성할 때에는, 끈목상 압전 소자 (9001) 는 표면에 전극을 갖지 않기 때문에, 그 나열 방법, 짜는 방법을 광범위하게 선택할 수 있다는 이점이 있다. 또, 끈목상 압전 소자 (9001) 의 일방 또는 양방을 복수 나열하여 사용하는 경우, 도전성 섬유간의 거리가 짧기 때문에 전기 신호의 취출에 있어서 효율적이다.
이하, 제 4 발명에 대해 상세하게 설명한다.
제 4 발명의 목적은, 적어도 2 층의 시트 혹은 포백으로 구성되는 트랜스듀서로서, 그 시트 혹은 그 포백 중 적어도 1 층이 하기의 A 층으로 이루어지고, 그 A 층 이외의 층 중 적어도 1 층이 하기의 B 층으로 이루어지는 트랜스듀서에 의해 달성된다.
A 층 ： 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 평면상의 트랜스듀서로서, 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 응력과, 선택적인 출력 또는 입력으로서의 전기 신호를 서로 변환하는 기능을 갖는 트랜스듀서
B 층 ： 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 평면상의 트랜스듀서로서, 그 A 층과는 상이한 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 신호와, 혹은 그 A 층과 다른 종류의 신호와, 선택적인 출력 또는 입력으로서의 전기 신호를 서로 변환하는 기능을 갖는 트랜스듀서
또한, 필요에 따라 A 층 및 B 층의 사이에, 다음의 C 층을 배치함으로써, 보다 본원의 목적을 달성하기 쉬워진다.
C 층 ： A 층과 B 층간의 전기적 간섭에 의한 노이즈를 저감하는 기능을 갖는 층
이하에 각 구성에 대해 설명한다.
(A 층)
A 층은 후술하는 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 시트 또는 포백상의 트랜스듀서로서, 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 응력과, 선택적인 출력 또는 입력으로서의 전기 신호를 서로 변환하는 기능을 갖는 트랜스듀서이다.
(도전성 섬유)
도전성 섬유로서는, 도전성을 나타내는 것이면 되고, 공지된 모든 것이 이용되며, 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 방법으로서는, 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 방법으로서는, 증착, 스퍼터, 전해 도금, 무전해 도금 등을 들 수 있지만 생산성 등의 관점에서 도금이 바람직하다.
금속이 코트되는 베이스의 섬유로서, 도전성의 유무에 의하지 않고 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 등 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 베이스의 섬유는 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들의 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 섬유는, 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트를 사용해도 된다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 편이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트의 직경으로서는 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다. 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유의 단면 형상으로서는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것으로 한정되지 않는다.
또, 압전성 고분자로부터의 전기 출력을 효율적으로 취출하기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로서는 10-1 Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·cm 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·cm 이하이다. 단, 신호 검출에 강도가 얻어지는 것이면 도전성 섬유의 저항률은 이것으로 한정되지 않는다.
(압전성 섬유)
압전성 섬유는 압전성을 갖는 섬유이다. 압전성 섬유는 압전성 고분자로 이루어지는 것이 바람직하다. 압전성 고분자로서는, 폴리불화비닐리덴, 폴리락트산 등 압전성을 나타내는 고분자이면 이용할 수 있지만, 주로 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리락트산은 용융 방사 후에 연신에 의해 용이하게 배향하여 압전성을 나타내고, 폴리불화비닐리덴 등에서 필요해지는 전계 배향 처리가 불필요한 점에서 생산성이 우수하다. 또한, 폴리락트산으로 이루어지는 압전성 섬유는 그 축방향으로의 인장이나 압축 응력으로는, 분극이 작아, 압전 소자로서 기능시키는 것이 곤란하지만, 전단 응력에 의해서는 비교적 큰 전기 출력을 얻을 수 있어, 전단 응력을 압전성 고분자에 부여하기 쉬운 구성체를 갖는 본 발명의 압전 소자에 있어서는 바람직하다.
압전성 고분자는, 주로 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 「주로」 란, 바람직하게는 90 몰％ 이상, 보다 바람직하게는 95 몰％ 이상, 더욱 바람직하게는 98 몰％ 이상을 말한다.
폴리락트산으로서는, 그 결정 구조에 따라, L-락트산, L-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-L-락트산, D-락트산, D-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-D-락트산, 추가로, 그들의 하이브리드 구조로 이루어지는 스테레오 컴플렉스 폴리락트산 등이 있지만, 압전성을 나타내는 것이면 모두 이용할 수 있다. 압전률의 높이의 관점에서 바람직하게는, 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산이다. 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산은 각각, 동일한 응력에 대해 분극이 반대로 되기 때문에, 목적에 따라 이들을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 폴리락트산의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 99.3 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 99.5 ％ 이상이다. 광학 순도가 99 ％ 미만이면 현저하게 압전률이 저하되는 경우가 있고, 압전성 섬유의 형상 변화에 의해 충분한 전기 출력을 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다. 압전성 고분자가, 주로 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하고, 이들의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하다.
압전성 섬유는 섬유의 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 또한 결정을 포함하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 결정을 갖는 1 축 배향 폴리락트산이다. 왜냐하면, 폴리락트산은 그 결정 상태 및 1 축 배향에 있어서 큰 압전성을 나타내기 때문이다.
폴리락트산은 가수 분해가 비교적 빠른 폴리에스테르이기 때문에, 내습열성이 문제가 되는 경우에 있어서는, 공지된, 이소시아네이트 화합물, 옥사졸린 화합물, 에폭시 화합물, 카르보디이미드 화합물 등의 가수 분해 방지제를 첨가해도 된다. 또, 필요에 따라 인산계 화합물 등의 산화 방지제, 가소제, 광 열화 방지제 등을 첨가하여 물성 개량해도 된다.
또, 폴리락트산은 다른 폴리머와의 알로이로서 사용해도 되지만, 폴리락트산을 주된 압전성 고분자로서 사용한다면, 알로이의 전체 중량을 기준으로 하여 적어도 50 중량％ 이상으로 폴리락트산을 함유하고 있는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 70 중량％ 이상, 가장 바람직하게는 90 중량％ 이상이다.
알로이로 하는 경우의 폴리락트산 이외의 폴리머로서는, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 공중합체, 폴리메타크릴레이트 등을 바람직한 예로서 들 수 있지만, 이들로 한정되는 것이 아니고, 본 발명에서 목적으로 하는 압전성을 발휘하는 한, 어떠한 폴리머를 사용해도 된다.
압전성 섬유는, 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트를 사용해도 된다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 편이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트의 직경으로서는 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다.
이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유로 하기 위해서는, 고분자를 섬유화하기 위한 공지된 수법을, 본 발명의 효과를 발휘하는 한 모두 채용할 수 있고, 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 등을 채용할 수 있다. 이들 방사 조건은, 채용하는 압전성 고분자에 따라 공지된 수법을 적용하면 되고, 통상적으로는 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다.
또한, 상기 서술한 바와 같이, 압전성 고분자가 폴리락트산인 경우에는, 1 축 연신 배향하고, 또한 결정을 포함하면 보다 큰 압전성을 나타내는 점에서, 섬유는 연신하는 것이 바람직하다.
(대략 동일 평면 상)
본 발명의 압전 소자에 있어서, 도전성 섬유와 압전성 섬유는, 대략 동일 평면 상에 배치된다. 여기서 대략 동일 평면 상이란, 섬유의 섬유축이 대략 평면 상에 배치되는 것을 의미하고, 「대략」 이란, 섬유끼리의 교차점에서 두께가 생기는 것이 포함되는 것을 의미하는 것이다.
예를 들어, 2 개의 평행한 도전성 섬유의 사이에, 1 개의 압전성 섬유가 추가로 평행하게 겹쳐진 형태는, 대략 동일 평면 상에 있는 형태이다. 또, 당해 1 개의 압전성 섬유의 섬유축을, 당해 2 개의 평행한 도전성 섬유와는 평행이 아닌 상태로 기울어져 있어도, 대략 동일 평면 상에 있다. 또한, 1 개의 도전성 섬유와 1 개의 압전성 섬유를 평행하게 겹치고, 다른 1 개의 도전성 섬유를, 이 겹쳐진 도전성 섬유와 압전성 섬유에, 교차시켰다고 해도 대략 동일 평면 상에 있다.
대략 평면 상에 배치됨으로써, 당해 압전 단위를 조합하여, 포백상의 압전 소자를 형성하기 쉽고, 포백상의 형태의 압전 소자를 이용하면, 트랜스듀서의 형상 설계에 자유도를 증가시킬 수 있다. 본 발명에 있어서의 포백의 종류로서는, 직물, 편물, 부직포 등이 예시된다.
이들의, 압전 섬유와 도전 섬유의 관계는 검출하고자 하는 형상 변화에 따라 적절히 선택된다.
(배치 순서)
압전 단위에 있어서의 섬유의 배치는, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 배치되어 있는 한 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 압전 단위가 2 개의 도전성 섬유와 1 개의 압전성 섬유로 이루어지는 경우에는, 도전성 섬유, 압전성 섬유, 도전성 섬유가, 이 순서로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 배치함으로써, 압전 단위의 2 개의 도전성 섬유끼리가 접촉하는 일이 없어지고, 도전성 섬유에 다른 수단, 예를 들어 절연성 물질을 피복하는 등의 기술을 적용하지 않아도 압전 단위로서 유효하게 기능시킬 수 있다.
이 때, 도전성 섬유와 압전성 섬유가 서로 물리적으로 접하는 접점을 가지고 있는 것이 바람직하지만, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 간격이 4 mm 이내의 범위이면, 물리적으로 접하지 않아도 전기적 접속을 제공할 수 있다. 도전성 섬유와 압전성 섬유의 간격은, 바람직하게는 3 mm 이하, 보다 바람직하게는 2 mm 이하, 더욱 바람직하게는 1 mm 이하, 가장 바람직하게는 0.5 mm 이하이다. 이 간격이 4 mm 초과이면 압전성 섬유의 형상 변화에 수반되는 전기 출력이 작아져, 트랜스듀서로서 사용하는 것이 곤란해진다.
형태로서는, 예를 들어, 2 개의 도전성 섬유가 평행하게 배치되고, 1 개의 압전성 섬유가, 이들 2 개의 도전성 섬유에 교차하도록 배치된 형태 등을 들 수 있다. 나아가서는, 2 개의 도전성 섬유를 경사 (또는 위사) 로서 배치하고, 1 개의 압전성 섬유를 위사 (또는 경사) 로서 배치해도 된다. 이 경우에는 2 개의 도전성 섬유끼리는 접촉하고 있지 않는 것이 바람직하고, 2 개의 도전성 섬유의 사이에는 바람직하게는 절연성 물질, 예를 들어 절연성 섬유를 개재시키는 형태 외에, 도전성 섬유가 접촉하기 쉬운 표면에만 절연성 물질을 피복하고, 압전성 섬유와는 직접 도전성 섬유가 접촉하도록 하는 형태도 채용할 수 있다.
(절연성 섬유)
본 발명의 압전 단위는, 절연성 섬유를 포함하고, 그 절연성 섬유는, 압전 단위 중의 도전성 섬유가, 다른 도전성 섬유 그리고 압전성 섬유에 접하지 않도록 도전성 섬유와 압전성 섬유의 사이에 배치되는 경우가 있다. 이 때, 절연성 섬유는 포백의 유연성을 향상하는 목적으로 신축성이 있는 소재, 형상을 갖는 섬유를 사용할 수 있다. 또, 압전 단위 중의 도전성 섬유가, 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 그리고 압전성 섬유에 접하지 않도록 배치되는 경우도 있다.
압전 단위에 이와 같이 절연성 섬유를 배치함으로써, 압전 단위를 복수 조합한 경우여도 도전성 섬유가 접촉하는 일이 없어, 트랜스듀서로서의 성능을 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 절연성 섬유로서는, 체적 저항률이 106 Ω·cm 이상이면 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 108 Ω·cm 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω·cm 이상이 좋다.
절연성 섬유로서 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 절연성 섬유를 임의로 사용할 수 있다. 또한, 이들의 절연성 섬유를 조합하여 사용해도 되고, 절연성을 가지지 않는 섬유와 조합하여, 전체적으로 절연성을 갖는 섬유로 해도 된다.
절연성 섬유는, 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트를 사용해도 된다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 편이 절연 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트로서 사용하는 경우, 그 사 직경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 50 ㎛ ∼ 1000 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 경우에는, 그 단사 직경은 0.1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다.
또, 포백에 유연성을 갖게 하는 목적으로, 공지된 모든 형상의 섬유도 사용할 수 있다.
(압전 단위의 조합 형태)
본 발명에 있어서, 복수의 병렬된 압전 단위를 함유하는 직편물인 것이 바람직하다. 이와 같은 형태임으로써, 압전 소자로서 형상의 변형 자유도 (플렉시블함) 를 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 직편물 형상은 복수의 압전 단위를 포함하고, 압전 소자로서의 기능을 발휘하는 한 전혀 한정은 없다. 직물 형상 또는 편물 형상을 얻으려면, 통상적인 직기 또는 편기에 의해 제편직하면 된다. 1 매의 포백에 복수의 압전 단위를 도입하는 경우에는, 제직 혹은 제편 시에 연속하여 제작해도, 따로 따로 작성한 복수의 포백을 접합함으로써 제작해도 된다.
직물의 직조직으로서는, 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 조직으로서는, 평편, 고무편, 양면편, 펄편, 턱편, 부편, 편반편, 레이스편, 첨모편 등이 바람직하게 예시된다. 경편 조직으로서는, 싱글 덴비 편, 싱글 아틀라스편, 더블 코드편, 하프 트리코트편, 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.
또한, 압전 단위가 직조직 내지 편조직으로 구성되어 존재하는 경우, 압전성 섬유 그 자체에 굴곡 부분이 존재하지만, 압전 소자로서의 압전 성능을 효율적으로 발현시키기 위해서는, 압전성 섬유의 굴곡 부분이 작은 것이 바람직하다. 따라서, 직물과 편물에서는 직물이 바람직하다.
이 경우에서도, 상기 서술한 바와 같이, 압전성 섬유의 굴곡 부분이 작은 것이, 압전 성능이 효율적으로 발현하는 점에서, 직조직으로서는 평직보다는 능직이 바람직하고, 능직보다 새틴직 (주자직) 이 바람직하다. 특히 새틴직 (주자직) 중에서도, 스텝 수가 3 ∼ 7 의 범위에 있으면, 직조직의 유지와 압전성 성능을 높은 수준으로 발휘하는 점에서 바람직하다.
또, 압전성 섬유인 폴리락트산은 대전되기 쉽기 때문에, 오작동하기 쉬워지는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 신호를 취출하고자 하는 압전 섬유를 접지 (어스) 하여 사용할 수도 있다. 접지 (어스) 하는 방법으로서는 신호를 취출하는 도전성 섬유와는 별도로, 도전성 섬유를 배치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 도전성 섬유의 체적 저항률로서는 10-1 Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·cm 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·cm 이하이다.
(위치 또는 방향의 선택성)
A 층의 트랜스듀서는, 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 응력을, 선택적으로 전기 신호로 출력 또는 입력으로서 변환하는 기능을 갖는 것을 특징으로 한다. 특정의 위치에 있어서의 응력을 선택적으로 전기 신호로 변환하는 기능이란, 응력이 가해진 위치에 따라 전기 신호의 강도나 부합이 변화되는 기능이며, 예를 들어 A 층이 이루는 평면 상에 직선상 혹은 점상으로 압전 단위를 가지며, 그 압전 단위에 가해지는 응력만을 검출하는 트랜스듀서를 들 수 있다. 또한, A 층이 이루는 평면 상에 복수의 직선상 혹은 점상의 압전 단위를 가지며, 각각의 압전 단위에 가해지는 응력을, 다른 채널의 전기 신호로서 검출하는 트랜스듀서도 바람직한 예로서 들 수 있다. 또, 특정의 방향에 있어서의 응력을 선택적으로 전기 신호로 변환하는 기능이란, 가해진 응력의 방향 즉 응력 텐솔의 각 성분비에 따라 전기 신호의 강도나 부합이 변화되는 기능이며, 예를 들어 A 층의 압전 단위를 구성하는 압전성 섬유의 섬유축을 x 축으로 하고, A 층이 이루는 평면을 x-y 평면으로 했을 경우, 전단 응력 σxz 에 대해 특히 강도가 강한 전기 신호를 출력하고, σxz 이외의 응력 성분에 대해서는 전기 신호를 출력하지 않는 트랜스듀서를 들 수 있다. A 층의 트랜스듀서는, 특정의 위치에 있어서의 응력을, 선택적으로 전기 신호로 출력 또는 입력으로서 변환하는 기능과, 특정의 방향에 있어서의 응력을, 선택적으로 전기 신호로 출력 또는 입력으로서 변환하는 기능을, 양방 갖는 것이 바람직하다.
A 층의 직조직, 또는 필요에 따라 B 층에 배치되는 직조직은, 검출하고자 하는 위치 및 형상 변화에 따라 적절히 선택된다. 예를 들어 특정 방향의 굽힘을 검출하고자 하는 경우에는, 평직 구조로, 압전성 섬유와 도전성 섬유가 평행 관계인 것이 바람직하고, 이 경우, 도 20 에 나타내는 바와 같이 압전성 섬유 A 와 도전성 섬유 B 의 곡률이 커지는 방향의 굽힘을 선택적으로 검출하는 것이 가능하다. 도 21 에 나타내는 바와 같은 꼬임, 또는 도 22 에 나타내는 바와 같은 전단 변형을 검출하고자 하는 경우에는, 주자직 구조로, 압전성 섬유 A 와 도전성 섬유 B 가 직행 관계인 것이 바람직하다. 또, 특정 위치의 변형을 검출하고자 하는 경우에는, 압전성 섬유 A 와 도전성 섬유 B 로 이루어지는 압전 단위를 특정의 위치에 존재시키고, 이 압전 단위를 구성하는 도전성 섬유 B 로부터의 신호를 해석함으로써, 특정 위치의 변형을 검출할 수 있다. 압전성 섬유 A 와 도전성 섬유 B 가 평행 관계인 직조직의 경우에는, 선상의 위치의 변형을 검출할 수 있고, 압전성 섬유 A 와 도전성 섬유 B 가 직행 관계인 직조직의 경우에는, 점상의 위치의 변형을 검출할 수 있다.
(복수의 압전 소자)
또, 압전 소자를 복수 나열하여 사용하는 것도 가능하다. 나열 방법으로서도 일차원적으로 일단으로 나열해도, 이차원적으로 겹쳐서 나열해도 되고, 나아가서는 포상으로 편직하여 사용하거나, 끈목으로 제뉴하거나 해도 된다. 그것에 의해 포상, 끈상의 압전 소자를 실현하는 것도 가능해진다. 포상, 끈상으로 하는데 있어서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 압전 소자 이외의 다른 섬유와 조합하여, 혼섬, 교직, 교편 등을 실시해도 되고, 또, 수지 등에 삽입하여 사용해도 된다.
(B 층)
B 층은 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 평면상의 트랜스듀서이며, A 층과는 상이한 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 신호와, 혹은 A 층과 다른 종류의 신호와, 선택적인 출력 또는 입력으로서의 전기 신호를 서로 변환하는 기능을 갖는 트랜스듀서이다. A 층과 동일한 작동 원리를 가진 소자여도 되고, 작동 원리가 상이한 소자로 구성되어 있어도 되지만, 검출 혹은 출력하는 신호의 종류, 혹은 위치나 방향의 선택성이, A 층과 다르다.
B 층에 배치되는, A 층과 작동 원리가 상이한 소자의 예로서, 열전쌍, 측온 저항체, 포토 다이오드, 정전 용량 방식의 압력 검출기, 막저항 방식의 압력 검출기, 고무상 저항체를 사용한 신축 센서, 정전 용량 방식의 신축 센서, 압전 세라믹을 사용한 응력 검출기, 압전 폴리머 필름을 사용한 응력 검출기, 전극을 사용한 전위 측정기를 바람직한 예로서 들 수 있다. A 층으로서 포백상의 압전 소자를 사용한 경우에는, 그 유연성이나 통기성을 방해하지 않기 위해, B 층에도 포백상의 소자가 바람직하게 사용된다.
B 층에 A 층과 동일한 작동 원리의 직물상의 트랜스듀서를 사용하는 경우, 전술한 바와 같이 직조직에 의해 선택적으로 특정의 위치 및 방향에 있어서의 응력을 검출 가능한 특징을 활용할 수 있다.
그 1 개의 예로서는, 도 23 에 나타내는 바와 같이 A 층과 B 층에 각각에 평직물을 사용하여, 압전성 섬유 및 도전성 섬유의 방향을 90 도 회전시켜 겹쳐서 복합화한 포백을 사용한 센서에서는, 포백을 굽히는 방향에 따라 A 층과 B 층의 전기 신호의 출력 강도비가 변화되기 때문에, 해석에 의해 굽힌 방향을 상세하게 검지할 수 있다. 또한, A 층과 B 층 각각에 검출 위치가 줄무늬상으로 분포하고 있기 때문에, A 층과 B 층을 90 도 회전시켜 겹침으로써, 격자상으로 검출 위치를 구비한 소자로 하는 것이 가능해진다. 여기서 다른 압전 단위마다 전기 신호를 입력하는 채널을 설정하면, 각각의 압전 단위의 신호를 종합하여 해석함으로써, 격자상으로 위치하는 검출점의 어느 점에서 어떠한 굽힘 변형이 발생했는지 해석할 수 있는 센서가 된다. 이 예로, 후술하는 C 층을 A 층과 B 층의 사이에 끼운 구성도, 더욱 바람직한 예로서 들 수 있다.
또 하나의 예로서는, 도 24 에 나타내는 바와 같이 A 층에 평직물을 이용하고, B 층에 주자 직물을 이용하여, 이들을 겹쳐서 복합화한 포백을 사용한 센서이다. A 층이 포백의 굽힘, 즉 포백의 평면 외 (도면의 z 축 방향) 로의 변위 속도를 검출함과 동시에, B 층이 전단 변형, 즉 포백의 평면 내 (x-y 평면 내) 에서의 변위 속도를 검출하기 위해, 3 차원적인 포백의 변위 속도를 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 동일한 평직물과 주자 직물을, 각도를 바꾸어 겹침으로써, 전술한 예와 같이 변형 방향, 변형 위치도 해석할 수 있는 센서가 된다. 이 예로, 후술하는 C 층을 A 층과 B 층의 사이에 끼운 구성도, 더욱 바람직한 예로서 들 수 있다.
B 층에 A 층과 다른 작동 원리의 트랜스듀서를 사용하는 경우, A 층의 트랜스듀서를 검출할 수 없는 신호를 검출 가능해지는 이점이 있어, 바람직하다. 예를 들어, A 층의 트랜스듀서는 압전성을 작동 원리로 하고 있어, 소자가 움직이고 있는 동안 밖에 신호를 발생하지 않고, 소자가 멈춘 상태에서는 그 형태를 검지할 수 없다. 따라서, B 층에 정전 용량 방식의 압력 센서나 신축 센서, 혹은 고무상 저항체를 사용한 신축 센서 등, 소자가 멈춘 상태에서도 그 변형 상태를 검지할 수 있는 센서를 중첩하는 형태가 특히 바람직하다.
그러한 형태의 하나의 예로서는, 도 25 에 나타내는 바와 같이 A 층에 주자 직물을 이용하고, B 층에 유연한 포백 중에 2 개의 도전성 섬유를 평행하게 배치한 정전 용량식의 신축 센서를 이용하여, 이들을 겹쳐서 복합화한 센서이다. A 층이 전단 변형 동작 즉 포백의 평면 내 (x-y 평면 내) 에서의 변위 속도를 검출함과 동시에, B 층이 포백의 도전성 섬유에 수직인 방향 (도면의 (x, y, z) = (1,-1, 0) 방향) 으로의 신축 상태를 검출하기 위해, 전단 동작과 신축 상태, 즉 변위 속도와 변위 상태를 동시에 검출할 수 있다. 따라서, A 층을 검지할 수 없는 정지 상태의 변위 (변위가 계속되고 있는지의 여부) 를 B 층이 보완적으로 검지 가능하고, 한편으로 인체가 가까워졌을 때 등에 B 층에 발생하는 노이즈를, 실제로 신축이 일어났을 때에만 발생하는 A 층의 신호를 사용하여 커트할 수 있는 등의 이점이 있다. 이 예로, 후술하는 C 층을 A 층과 B 층의 사이에 끼운 구성도, 더욱 바람직한 예로서 들 수 있다.
(C 층)
C 층이란, A 층과 B 층의 사이의 전기적 간섭에 의한 노이즈를 저감하는 기능을 갖는 층이다 (도시 생략). 전기적 간섭에 의한 노이즈란, 예를 들어 정전 상호 작용에 의한 노이즈나, 전자 유도 작용에 의한 노이즈나, 단락, 방전에 의한 노이즈를 들 수 있다. A 층과 B 층은 모두 전기 신호를 입력 혹은 출력으로 하고 있기 때문에, 각각의 기능을 충분히 발휘하기 위해, A 층과 B 층의 사이에 C 층을 설치하는 것이 바람직하다.
C 층의 하나의 예로서는, A 층과 B 층의 사이의 정전적 상호 작용을 커트하는 제전층을 들 수 있고, 정전 상호 작용에 의한 노이즈를 저감할 수 있다. 제전층은 시트 또는 포백상의 제전 재료이면 일반적인 것을 사용할 수 있지만, A 층 및 B 층에 포백상의 소자를 사용하는 경우에는, 그 유연성이나 통기성을 방해하지 않기 위해, C 층에도 포백상의 제전 재료가 바람직하게 사용된다.
C 층의 또 하나의 예로서는, A 층과 B 층의 사이의 도통을 방지하는 절연층을 들 수 있고, 불필요한 도통이나 방전에 의한 노이즈를 저감할 수 있다. 절연층은 시트 또는 포백상의 제전 재료이면 일반적인 것을 사용할 수 있지만, A 층 및 B 층에 포백상의 소자를 사용하는 경우에는, 그 유연성이나 통기성을 방해하지 않기 위해, C 층에도 포백상의 절연 재료가 바람직하게 사용된다.
C 층에 제전층을 사용하는 경우에는, 제전층에 의한 A 층과 B 층의 사이의 도통 그리고 A 층 내 및 B 층 내의 불필요한 도통을 방지하기 위해, 제전층과 A 층, 및 제전층과 B 층의 사이에 각각 절연층을 설치하는 것이 바람직하다. 즉 C 층으로서 2 층의 절연층과 1 층의 제전층을 이용하여, A 층, 절연층, 제전층, 절연층, B 층의 순서로 적층된 구조를 갖는 것이 바람직하다. 표면이 절연성 재료로 피복된 도전성 섬유에 의한 포백을 사용하는 것도 바람직하다.
(적층)
본 발명의 A 층, B 층 및 C 층은, 그 상대 위치가 크게 어긋나지 않도록 필요에 따라 서로 고정되는 것이 바람직하다. 고정은 필요한 강도에 따라 봉합, 점착, 접착, 열압착 등 종래 공지된 방법으로 실시할 수 있다.
본 발명의 A 층, B 층 및 C 층은, 상이한 기능, 즉 트랜스듀서로서 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 신호, 혹은 특정의 종류의 신호를 선택적으로 전기 신호로 출력 또는 입력으로서 변환하는 기능, 혹은 절연 기능, 제전 기능을, 각각이 별개로 가지고 있는 것이 중요하고, 각 층의 사이는 접착제나 핫 프레스 등에 의해 접착되어 분할할 수 없는 상태로 되어 있어도, 다른 층으로 간주할 수 있다.
(압전 소자의 적용 기술)
본 발명의 트랜스듀서는 어느 양태여도, 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화를 전기 신호로서 출력할 수 있다. 도 26 은, 본 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 1 구체예를 나타내는 블록도이다. 예를 들어, 본 발명의 트랜스듀서 (4011) (예시 ： A 층, B 층) 와, 인가된 압력에 따라 트랜스듀서 (4011) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단 (4012) 과, 증폭 수단 (4012) 에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (4013) 과, 출력 수단 (4013) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 로 송신하는 송신 수단 (4014) 으로 이루어지는 디바이스 (4101) 를 구성한다. 여기서는 특별히 도시하지 않지만, 증폭 수단 (4012) 의 입력 단자에는, 트랜스듀서 (4011) 의 도전성 섬유로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 트랜스듀서 (4011) 의 압전성 섬유를 접속한다. 증폭 수단 (4012), 출력 수단 (4013), 및 송신 수단 (4014) 은, A 층의 트랜스듀서 (4011) 와 B 층의 트랜스듀서 (4011) 로, 각각 따로 따로 형성된다. 이로써, A 층 및 B 층 각각에 대한 트랜스듀서 (4011) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호를 용이하게 취출할 수 있으므로, 여러 가지 용도로 적용 가능하다. 예를 들어, 트랜스듀서 (4011) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리에서, 트랜스듀서 (4011) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다. 혹은, 트랜스듀서 (4011) 내에, 출력 수단 (4013) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 압전 소자 (4011) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다.
증폭 수단 (4012) 은, 예를 들어 각종 전자 회로로 구축되어도 되고, 혹은 프로세서 상에서 동작하는 소프트웨어 프로그램에 의해 실장되는 기능 모듈로서 구축되어도 되고, 혹은 각종 전자 회로와 소프트웨어 프로그램과의 조합으로 구축되어도 된다. 프로세서로서는, 예를 들어, CPU (Central Processing Unit), DSP (digital signal processor), LSI (large scale integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programming Gate Array) 등이 있다. 또, 출력 수단 (4013) 은, 예를 들어 각종 커넥터로 단독으로 구축되어도 되고, 혹은 송신 수단 (4014) 과 일체화된 통신 장치로서 구축되어도 된다. 또 혹은, 증폭 수단 (4012), 출력 수단 (4013) 및 송신 수단 (4014) 의 기능을 통합하여, 소프트웨어 프로그램을 기입한 집적 회로 혹은 마이크로 프로세서 등으로 실현해도 된다. 또한, 송신 수단 (4014) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 적용되는 장치에 따라 적절히 결정하면 된다.
또, 증폭 수단만이 아니고, 노이즈를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 수단의 접속의 순서는 목적에 따라 적절히 변경할 수 있다. 물론, 트랜스듀서 (4011) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기로 송신한 후에 신호 처리해도 된다.
구체적인 예로서는, 모자나 장갑, 양말 등을 포함하는 착의, 서포터, 손수건상 등의 형상을 한, 터치 패널, 인간이나 동물의 표면 감압 센서, 관절부의 굽힘, 꼬임, 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, 꼬임, 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.
나아가서는, 본 발명의 센서는 포백상이기 때문에, 신축성과 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 트랜스듀서는 전기 신호를 출력 (전력) 으로서 취출할 수 있기 때문에, 이 전기 신호 (전력) 를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원 혹은 축전하는 등, 발전 소자로서 사용할 수도 있다. 도 27 은, 본 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 2 구체예를 나타내는 블록도이다. 예를 들어, 본 발명의 트랜스듀서 (4011) (예시 ： A 층, B 층) 와, 인가된 압력에 따라 트랜스듀서 (4011) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단 (4012) 과, 증폭 수단 (4012) 에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (4013) 으로 이루어지는 디바이스 (4102) 를 구성한다. 여기서는 특별히 도시하지 않지만, 증폭 수단 (4012) 의 입력 단자에는, 트랜스듀서 (4011) 의 도전성 섬유로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 트랜스듀서 (4011) 의 압전성 섬유를 접속한다. 증폭 수단 (4012) 및 출력 수단 (4013) 은, A 층의 트랜스듀서 (4011) 와 B 층의 트랜스듀서 (4011) 로, 각각 따로 따로 형성된다. 이로써, A 층 및 B 층 각각에 대한 트랜스듀서 (4011) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력 수단 (4013) 으로부터 출력된 전기 신호를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원으로서 사용하거나 혹은 축전 장치에 축전하거나 할 수 있다.
또, 증폭 수단만이 아니라, 노이즈 (리플) 를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 수단의 접속의 순서는 목적에 따라 적절히 변경할 수 있다. 물론, 트랜스듀서 (4011) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기로 송신한 후에 노이즈 (리플) 를 제거하는 신호 처리를 실행해도 된다.
이와 같은 구체예로서는, 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. 유체 중에서의 형상 변화에 의해 전기 신호를 발생하기 위해서, 유체 중의 대전성 물질을 흡착시키거나 부착을 억제시키거나 하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 트랜스듀서는 어느 양태여도, 전기 신호가 입력됨으로써, 역학적인 힘을 발생시킬 수 있다. 도 28 은, 본 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 3 구체예를 나타내는 블록도이다. 예를 들어, 외부 기기 (도시 생략) 로부터 전기 신호를 수신하는 수신 수단 (4015) 과, 수신 수단 (4015) 에 의해 수신한 전기 신호가 인가되는 본 발명의 트랜스듀서 (4011) (예시 ： A 층, B 층) 로 이루어지는 디바이스 (4103) 를 구성한다. 수신 수단 (4015) 은, A 층의 트랜스듀서 (4011) 와 B 층의 트랜스듀서 (4011) 로, 각각 따로 따로 형성된다. 이로써, A 층 및 B 층 각각에 대한 수신 수단 (4015) 을 통해서 입력된 전기 신호에 따른 힘을, A 층의 트랜스듀서 (4011) 및 B 층의 트랜스듀서 (4011) 각각에 발생시킬 수 있다. 또한, 수신 수단 (4015) 에 의한 수신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 트랜스듀서의 용도나 사용 환경 등에 따라 적절히 결정하면 된다. 수신 수단 (4015) 에 의한 수신 방식을 유선으로 하는 경우, 수신 수단 (5015) 은, 예를 들어 각종 커넥터에 의해 실현되어도 된다.
전기 신호를 입력으로 하는 용도의 구체적인 예로서는, 포백상으로 한 압전 소자에 전기 신호를 인가하여, 포백 표면에 재치한 대상물을 이동시키거나, 대상물을 싸거나, 압축하거나 진동시킬 수 있다. 또 포백을 구성하는 각 압전 소자에 인가하는 전기 신호를 제어함으로써 다양한 형상을 표현하는 것이 가능하다. 나아가서는, 포백 자체가 진동함으로써 스피커로서 기능시키는 것도 가능하다.
다른 예로서는, 모자나 장갑, 양말 등을 포함하는 착의, 서포터, 손수건상 등의 형상을 한, 인간이나 동물이나 물건의 표면에 압력을 부여하는 액추에이터, 관절부의 굽힘, 꼬임, 신축을 서포트하는 액추에이터가 있다. 예를 들어 인간에게 사용하는 경우에는, 접촉이나 움직임이나 압력을 부여하는 어뮤즈먼트 용도나 상실된 조직을 움직일 수 있다. 그 밖에, 동물이나 인형을 본뜬 봉제 인형이나 로봇의 표면을 부풀리거나, 늘리거나 하는 액추에이터, 관절부에 굽힘, 꼬임, 신축 등의 움직임을 부여하는 액추에이터로서 사용할 수 있다. 그 밖에, 시트나 베개 등의 침구, 구두창, 장갑, 의자, 깔개, 봉투, 기 등의 표면을 움직이는 액추에이터나, 전기 신호로 형상 변화되는 손수건, 보자기, 봉투 등 포상의 모든 형상의 액추에이터로서 사용할 수 있다.
나아가서는, 본 발명의 액추에이터는 포백상이기 때문에, 신축성과 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 형상을 바꾸는 액추에이터로서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 트랜스듀서는 전기 신호를 입력으로서 움직일 수 있기 때문에, 그 진동에 의해 소리를 발생시키는 스피커로서 사용할 수도 있다.
이하, 제 5 발명에 대해 상세하게 설명한다.
제 5 발명의 목적은, 적어도 2 층의 시트 또는 포백으로 이루어지는 적층 트랜스듀서로서, 그 시트 또는 그 포백 중 적어도 1 층이 하기의 A 층으로 이루어지고, 그 A 층 이외의 층 중 적어도 1 층이 하기의 B 층으로 이루어지는 트랜스듀서 에 의해 달성된다.
A 층 ： 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서
B 층 ： 시트 저항이 104 Ω／□ (Ω／sq.) 이하인 도전성 시트 또는 도전성 포백
이하에 각 구성에 대해 설명한다.
(A 층)
A 층은 후술하는 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 평면상의 트랜스듀서이다.
(도전성 섬유)
도전성 섬유로서는, 도전성을 나타내는 것이면 되고, 공지된 모든 것이 이용되며, 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 방법으로서는, 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 방법으로서는, 증착, 스퍼터, 전해 도금, 무전해 도금 등을 들 수 있지만 생산성 등의 관점에서 도금이 바람직하다.
금속이 코트되는 베이스의 섬유로서, 도전성의 유무에 의하지 않고 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 등 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 베이스의 섬유는 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들의 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 섬유는, 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트를 사용해도 된다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 편이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트의 직경으로서는 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다. 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생이 된다. 도전성 섬유의 단면 형상으로서는 원 또는 타원인 것이, 압전 소자의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것으로 한정되지 않는다.
또, 압전성 고분자로부터의 전기 출력을 효율적으로 취출하기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로서는 10-1 Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·cm 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·cm 이하이다. 단, 신호 검출에 강도가 얻어지는 것이면 도전성 섬유의 저항률은 이것으로 한정되지 않는다.
(압전성 섬유)
압전성 섬유는 압전성을 갖는 섬유이다. 압전성 섬유는 압전성 고분자로 이루어지는 것이 바람직하다. 압전성 고분자로서는, 폴리불화비닐리덴, 폴리락트산 등 압전성을 나타내는 고분자이면 이용할 수 있지만, 주로 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리락트산은 용융 방사 후에 연신에 의해 용이하게 배향하여 압전성을 나타내고, 폴리불화비닐리덴 등에서 필요해지는 전계 배향 처리가 불필요한 점에서 생산성이 우수하다. 또한, 폴리락트산으로 이루어지는 압전성 섬유는 그 축방향으로의 인장이나 압축 응력으로는, 분극이 작아, 압전 소자로서 기능시키는 것이 곤란하지만, 전단 응력에 의해서는 비교적 큰 전기 출력을 얻을 수 있어, 전단 응력을 압전성 고분자에 부여하기 쉬운 구성체를 갖는 본 발명의 압전 소자에 있어서는 바람직하다.
압전성 고분자는, 주로 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 「주로」란, 바람직하게는 90 몰％ 이상, 보다 바람직하게는 95 몰％ 이상, 더욱 바람직하게는 98 몰％ 이상을 말한다.
폴리락트산으로서는, 그 결정 구조에 의해, L-락트산, L-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-L-락트산, D-락트산, D-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-D-락트산, 추가로, 그들의 하이브리드 구조로 이루어지는 스테레오 컴플렉스 폴리락트산 등이 있지만, 압전성을 나타내는 것이면 모두 이용할 수 있다. 압전률의 높이의 관점에서 바람직하게는, 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산이다. 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산은 각각, 동일한 응력에 대해 분극이 반대로 되기 때문에, 목적에 따라 이들을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 폴리락트산의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 99.3 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 99.5 ％ 이상이다. 광학 순도가 99 ％ 미만이면 현저하게 압전률이 저하되는 경우가 있고, 압전성 섬유의 형상 변화에 의해 충분한 전기 출력을 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다. 압전성 고분자가, 주로 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하고, 이들의 광학 순도는 99 ％ 이상인 것이 바람직하다.
압전성 섬유는 섬유의 섬유축 방향으로 1 축 배향하고 또한 결정을 포함하는 것임이 바람직하고, 보다 바람직하게는 결정을 갖는 1 축 배향 폴리락트산이다. 왜냐하면, 폴리락트산은 그 결정 상태 및 1 축 배향에 있어서 큰 압전성을 나타내기 때문이다.
폴리락트산은 가수 분해가 비교적 빠른 폴리에스테르이기 때문에, 내습열성이 문제가 되는 경우에 있어서는, 공지된, 이소시아네이트 화합물, 옥사졸린 화합물, 에폭시 화합물, 카르보디이미드 화합물 등의 가수 분해 방지제를 첨가해도 된다. 또, 필요에 따라 인산계 화합물 등의 산화 방지제, 가소제, 광 열화 방지제 등을 첨가하여 물성 개량해도 된다.
또, 폴리락트산은 다른 폴리머와의 알로이로서 사용해도 되지만, 폴리락트산을 주된 압전성 고분자로서 사용한다면, 알로이의 전체 중량을 기준으로 하여 적어도 50 중량％ 이상으로 폴리락트산을 함유하고 있는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 70 중량％ 이상, 가장 바람직하게는 90 중량％ 이상이다.
알로이로 하는 경우의 폴리락트산 이외의 폴리머로서는, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 공중합체, 폴리메타크릴레이트 등을 바람직한 예로서 들 수 있지만, 이들로 한정되는 것이 아니고, 본 발명에서 목적으로 하는 압전성을 발휘하는 한, 어떠한 폴리머를 사용해도 된다.
압전성 섬유는, 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트를 사용해도 된다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 편이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트의 직경으로서는 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다.
이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유로 하기 위해서는, 고분자를 섬유화하기 위한 공지된 수법을, 본 발명의 효과를 발휘하는 한 모두 채용할 수 있고, 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 등을 채용할 수 있다. 이들 방사 조건은, 채용하는 압전성 고분자에 따라 공지된 수법을 적용하면 되고, 통상적으로는 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다.
또한, 상기 서술한 바와 같이, 압전성 고분자가 폴리락트산인 경우에는, 1 축 연신 배향하고, 또한 결정을 포함하면 보다 큰 압전성을 나타내는 점에서, 섬유는 연신하는 것이 바람직하다.
(대략 동일 평면 상)
본 발명의 압전 소자에 있어서, 도전성 섬유와 압전성 섬유는, 대략 동일 평면 상에 배치된다. 여기서 대략 동일 평면 상이란, 섬유의 섬유축이 대략 평면 상에 배치되는 것을 의미하고, 「대략」 이란, 섬유끼리의 교차점에서 두께가 생기는 것이 포함되는 것을 의미하는 것이다.
예를 들어, 2 개의 평행한 도전성 섬유의 사이에, 1 개의 압전성 섬유가 추가로 평행하게 겹쳐진 형태는, 대략 동일 평면 상에 있는 형태이다. 또, 당해 1 개의 압전성 섬유의 섬유축을, 당해 2 개의 평행한 도전성 섬유와는 평행이 아닌 상태로 기울어져 있어도, 대략 동일 평면 상에 있다. 또한, 1 개의 도전성 섬유와 1 개의 압전성 섬유를 평행하게 겹치고, 다른 1 개의 도전성 섬유를, 이 겹쳐진 도전성 섬유와 압전성 섬유에, 교차시켰다고 해도 대략 동일 평면 상에 있다.
대략 평면 상에 배치됨으로써, 당해 압전 단위를 조합하여, 포백상의 압전 소자를 형성하기 쉽고, 포백상의 형태의 압전 소자를 이용하면, 트랜스듀서의 형상 설계에 자유도를 증가시킬 수 있다. 포백의 종류로서는, 직물, 편물, 부직포 등이 예시된다.
이들의, 압전 섬유와 도전 섬유의 관계는 검출하고자 하는 형상 변화에 의해 적절히 선택된다.
(배치 순서)
압전 단위에 있어서의 섬유의 배치는, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 배치되어 있는 한 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 압전 단위가 2 개의 도전성 섬유와 1 개의 압전성 섬유로 이루어지는 경우에는, 도전성 섬유, 압전성 섬유, 도전성 섬유가, 이 순서로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 배치함으로써, 압전 단위의 2 개의 도전성 섬유끼리가 접촉하는 일이 없어지고, 도전성 섬유에 다른 수단, 예를 들어 절연성 물질을 피복하는 등의 기술을 적용하지 않아도 압전 단위로서 유효하게 기능시킬 수 있다.
이 때, 도전성 섬유와 압전성 섬유가 서로 물리적으로 접하는 접점을 가지고 있는 것이 바람직하지만, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 간격이 4 mm 이내의 범위이면, 물리적으로 접하지 않아도 전기적 접속을 제공할 수 있다. 도전성 섬유와 압전성 섬유의 간격은, 바람직하게는 3 mm 이하, 보다 바람직하게는 2 mm 이하, 더욱 바람직하게는 1 mm 이하, 가장 바람직하게는 0.5 mm 이하이다. 이 간격이 4 mm 초과이면 압전성 섬유의 형상 변화에 수반되는 전기 출력이 작아져, 트랜스듀서로서 사용하는 것이 곤란해진다.
형태로서는, 예를 들어, 2 개의 도전성 섬유가 평행하게 배치되고, 1 개의 압전성 섬유가, 이들 2 개의 도전성 섬유에 교차하도록 배치된 형태 등을 들 수 있다. 나아가서는, 2 개의 도전성 섬유를 경사 (또는 위사) 로서 배치하고, 1 개의 압전성 섬유를 위사 (또는 경사) 로서 배치해도 된다. 이 경우에는 2 개의 도전성 섬유끼리는 접촉하고 있지 않는 것이 바람직하고, 2 개의 도전성 섬유의 사이에는 바람직하게는 절연성 물질, 예를 들어 절연성 섬유를 개재시키는 형태 외에, 도전성 섬유가 접촉하기 쉬운 표면에만 절연성 물질을 피복하고, 압전성 섬유와는 직접 도전성 섬유가 접촉하도록 하는 형태도 채용할 수 있다.
(절연성 섬유)
본 발명의 압전 단위는, 절연성 섬유를 포함하고, 그 절연성 섬유는, 압전 단위 중의 도전성 섬유가, 다른 도전성 섬유 그리고 압전성 섬유에 접하지 않도록 도전성 섬유와 압전성 섬유의 사이에 배치되는 경우가 있다. 이 때, 절연성 섬유는 포백의 유연성을 향상하는 목적으로 신축성이 있는 소재, 형상을 갖는 섬유를 사용할 수 있다. 또, 압전 단위 중의 도전성 섬유가, 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 그리고 압전성 섬유에 접하지 않도록 배치되는 경우도 있다.
압전 단위에 이와 같이 절연성 섬유를 배치함으로써, 압전 단위를 복수 조합한 경우여도 도전성 섬유가 접촉하는 일이 없고, 트랜스듀서로서의 성능을 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 절연성 섬유로서는, 체적 저항률이 106 Ω·cm 이상이면 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 108 Ω·cm 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω·cm 이상이 좋다.
절연성 섬유로서 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 이들로 한정되는 것이 아니고, 공지된 절연성 섬유를 임의로 사용할 수 있다. 또한, 이들의 절연성 섬유를 조합하여 사용해도 되고, 절연성을 가지지 않는 섬유와 조합하여, 전체적으로 절연성을 갖는 섬유로 해도 된다.
절연성 섬유는, 필라멘트를 복수개 묶은 멀티 필라멘트를 사용해도, 또, 필라멘트 한 개로 이루어지는 모노 필라멘트를 사용해도 된다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 편이 절연 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노 필라멘트로서 사용하는 경우, 그 사 직경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 50 ㎛ ∼ 1000 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트로서 사용하는 경우에는, 그 단사 직경은 0.1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티 필라멘트의 필라멘트 수로서는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다.
또, 포백에 유연성을 갖게 하는 목적으로, 공지된 모든 형상의 섬유도 사용할 수 있다.
(압전 단위의 조합 형태)
본 발명에 있어서, 복수의 병렬된 압전 단위를 함유하는 직편물인 것이 바람직하다. 이와 같은 형태임으로써, 압전 소자로서 형상의 변형 자유도 (플렉시블함) 를 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 직편물 형상은 복수의 압전 단위를 포함하고, 압전 소자로서의 기능을 발휘하는 한 전혀 한정은 없다. 직물 형상 또는 편물 형상을 얻으려면, 통상적인 직기 또는 편기에 의해 제편직하면 된다. 1 매의 포백에 복수의 압전 단위를 도입하는 경우에는, 제직 혹은 제편 시에 연속하여 제작해도, 따로 따로 작성한 복수의 포백을 접합함으로써 제작해도 된다.
직물의 직조직으로서는, 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 조직으로서는, 평편, 고무편, 양면편, 펄편, 턱편, 부편, 편반편, 레이스편, 첨모편 등이 바람직하게 예시된다. 경편 조직으로서는, 싱글 덴비편, 싱글 아틀라스편, 더블 코드편, 하프 트리코트편, 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.
또한, 압전 단위가 직조직 내지 편조직으로 구성되어 존재하는 경우, 압전성 섬유 그 자체에 굴곡 부분이 존재하지만, 압전 소자로서의 압전 성능을 효율적으로 발현시키기 위해서는, 압전성 섬유의 굴곡 부분이 작은 것이 바람직하다. 따라서, 직물과 편물에서는 직물이 바람직하다.
이 경우에서도, 상기 서술한 바와 같이, 압전성 섬유의 굴곡 부분이 작은 것이, 압전 성능이 효율적으로 발현하는 점에서, 직조직으로서는 평직보다는 능직이 바람직하고, 능직보다 새틴직 (주자직) 이 바람직하다. 특히 새틴직 (주자직) 중에서도, 스텝 수가 3 ∼ 7 의 범위에 있으면, 직조직의 유지와 압전성 성능을 높은 수준으로 발휘하는 점에서 바람직하다.
또한, 직조직은, 검출하고자 하는 형상 변화에 따라 적절히 선택된다. 예를 들어 굽힘을 검출하고자 하는 경우에는, 평직 구조, 압전성 섬유와 도전성 섬유가 평행 관계인 것이 바람직하고, 꼬임을 검출하고자 하는 경우에는, 주자직 구조, 압전성 섬유와 도전성 섬유가 직행 관계인 것이 바람직하다.
또, 압전성 섬유인 폴리락트산은 대전되기 쉽기 때문에, 오작동하기 쉬워지는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 신호를 취출하고자 하는 압전 섬유를 접지 (어스) 하여 사용할 수도 있다. 접지 (어스) 하는 방법으로서는 신호를 취출하는 도전성 섬유와는 별도로, 도전성 섬유를 배치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 도전성 섬유의 체적 저항률로서는 10-1 Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10-2 Ω·cm 이하, 더욱 바람직하게는 10-3 Ω·cm 이하이다.
(복수의 압전 소자)
또, 압전 소자를 복수 나열하여 사용하는 것도 가능하다. 나열 방법으로서도 일차원적으로 일단으로 나열해도, 이차원적으로 겹쳐서 나열해도 되고, 나아가서는 포상으로 편직하여 사용하거나, 끈목으로 제뉴하거나 해도 된다. 그것에 의해 포상, 끈상의 압전 소자를 실현하는 것도 가능해진다. 포상, 끈상으로 하는데 있어서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 압전 소자 이외의 다른 섬유와 조합하여, 혼섬, 교직, 교편 등을 실시해도 되고, 또, 수지 등에 삽입하여 사용해도 된다.
(B 층)
B 층은, A 층인 트랜스듀서에 대한 전기적 외란의 영향을 저감시키는 기능을 갖는 절연성 시트 또는 절연성 포백이며, 시트 저항은 104 Ω／□ (Ω／sq.) 이하인 것이 필요하고, 바람직하게는 102 Ω／□ (Ω／sq.) 이하, 더욱 바람직하게는 10 Ω／□ (Ω／sq.) 이하이며, 1 Ω／□ (Ω／sq.) 이하인 것이 가장 바람직하다. 104 Ω／□ (Ω／sq.) 보다 큰 경우에는, 예를 들어 인체에 직접 접하고 있는 경우나 대전되어 있는 물체에 접촉했을 경우에, 본래 목적으로 하지 않은 신호를 출력해 버리는 경우가 있다. 또한, 도전성 시트 또는 도전성 포백은 그 유연성에서 포백인 것이 바람직하지만, 유연성을 가지고 있으면 시트 혹은 필름상이어도 된다. 도전성 시트 또는 도전성 포백을 형성하는 재료로서는 도전성을 가지고 있으면 특별히 한정되는 것이 아니고, 공지된 모든 재료를 적용할 수 있다. 도전성을 부여하는 방법으로서는, 도전성 섬유를 사용하는, 시트 또는 포백에 도전성이 있는 물질을 적층 혹은 도포하는 것 등을 들 수 있다.
(적층)
본 발명의 A 층 및 B 층의 적층 방법은 특별히 한정되지 않지만, 봉합, 점착, 접착, 열압착 등 종래 공지된 방법으로 실시할 수 있다. 단, A 층에 포함되는 도전 섬유가 B 층의 도전 부분과 단락되지 않도록 A 층과 B 층의 사이에 C 층을 사용하는 것이 바람직하다. 또, A 층의 표면을 절연성의 물질로 피복하는 것도 단락을 방지하는 방법으로서 유효하다. 또, 그 적층 매수에 대해서도 본 발명의 목적을 상실하지 않는 범위이면 몇 매 적층해도 된다. 단, A 층을 복수매 적층하는 경우에는, A 층에 포함되는 도전 섬유가 다른 A 층의 도전 섬유와 단락되지 않도록, 두 개의 A 층의 사이에 C 층을 사용하는 것이 바람직하다. 복수의 A 층을 사용할 때에는, A 층의 조직은 동일할 필요는 없고, 목적이나 용도에 따라 적절히 그 조직이나 첩합의 각도는 변경할 수 있다. 또, 본 발명의 목적을 상실하지 않는 범위이면, A 층 및 B 층 이외의 다른 층을 형성해도 된다. 예를 들어, 절연성을 갖는 층, 다른 센싱 기능을 갖는 층, 내마모성 등의 내구성을 갖는 층, 점착층이나 접착층 등의 대상물에 고정시키는 층 등을 들 수 있다.
(C 층)
C 층은, A 층인 트랜스듀서와 B 층의 단락을 방지하는 기능을 갖는 절연성 시트 또는 절연성 포백이며, 시트 저항은 106 Ω／□ (Ω／sq.) 이상인 것이 필요하고, 바람직하게는 108 Ω／□ (Ω／sq.) 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω／□ (Ω／sq.) 이상이며, 1012 Ω／□ (Ω／sq.) 이상인 것이 가장 바람직하다. 106 Ω／□ (Ω／sq.) 미만에서는, A 층의 도전 섬유와 B 층이 단락되거나, 정전 용량이 변화되거나 함으로써, 본래 목적으로 하지 않은 신호를 출력해 버리는 경우가 있다. 또한, 절연성 시트 또는 절연성 포백은 그 유연성에서 포백인 것이 바람직하지만, 유연성을 가지고 있으면 시트 혹은 필름상이어도 된다. 절연성 시트 또는 절연성 포백을 형성하는 재료로서는 절연성을 가지고 있으면 특별히 한정되는 것이 아니고, 공지된 모든 재료를 적용할 수 있다.
(압전 소자의 적용 기술)
본 발명의 트랜스듀서는 어느 양태여도, 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화를 전기 신호로서 출력할 수 있다. 도 30 은, 본 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 1 구체예를 나타내는 블록도이다. 예를 들어, 본 발명의 트랜스듀서 (5011) 와, 인가된 압력에 따라 트랜스듀서 (5011) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단 (5012) 과, 증폭 수단 (5012) 에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (5013) 과, 출력 수단 (5013) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 로 송신하는 송신 수단 (5014) 으로 이루어지는 디바이스 (5101) 를 구성한다. 여기서는 특별히 도시하지 않지만, 증폭 수단 (5012) 의 입력 단자에는, 트랜스듀서 (5011) 의 도전성 섬유로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 트랜스듀서 (5011) 의 압전성 섬유를 접속한다. 이로써, 트랜스듀서 (5011) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호를 용이하게 취출할 수 있으므로, 여러 가지 용도에 적용 가능하다. 예를 들어, 트랜스듀서 (5011) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리에서, 트랜스듀서 (5011) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다. 혹은, 트랜스듀서 (5011) 내에, 출력 수단 (5013) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 압전 소자 (5011) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 형성해도 된다.
증폭 수단 (5012) 은, 예를 들어 각종 전자 회로로 구축되어도 되고, 혹은 프로세서 상에서 동작하는 소프트웨어 프로그램에 의해 실장되는 기능 모듈로서 구축되어도 되고, 혹은 각종 전자 회로와 소프트웨어 프로그램의 조합으로 구축되어도 된다. 프로세서로서는, 예를 들어, CPU (Central Processing Unit), DSP (digital signal processor), LSI (large scale integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programming Gate Array) 등이 있다. 또, 출력 수단 (5013) 은, 예를 들어 각종 커넥터로 단독으로 구축되어도 되고, 혹은 송신 수단 (5014) 과 일체화된 통신 장치로서 구축되어도 된다. 또 혹은, 증폭 수단 (5012), 출력 수단 (5013) 및 송신 수단 (5014) 의 기능을 통합하여, 소프트웨어 프로그램을 기입한 집적 회로 혹은 마이크로 프로세서 등으로 실현해도 된다. 또한, 송신 수단 (5014) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 적용되는 장치에 따라 적절히 결정하면 된다.
또, 증폭 수단만이 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 변경할 수 있다. 물론, 트랜스듀서 (5011) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기로 송신한 후에 신호 처리해도 된다.
구체적인 예로서는, 모자나 장갑, 양말 등을 포함하는 착의, 서포터, 손수건상 등의 형상을 한, 터치 패널, 인간이나 동물의 표면 감압 센서, 관절부의 굽힘, 꼬임, 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, 꼬임, 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.
나아가서는, 본 발명의 센서는 포백상이기 때문에, 신축성과 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 트랜스듀서는 전기 신호를 출력 (전력) 으로서 취출할 수 있기 때문에, 이 전기 신호 (전력) 를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원 혹은 축전하는 등, 발전 소자로서 사용할 수도 있다. 도 31 은, 본 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 2 구체예를 나타내는 블록도이다. 예를 들어, 본 발명의 트랜스듀서 (5011) 와, 인가된 압력에 따라 트랜스듀서 (5011) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단 (5012) 과, 증폭 수단 (5012) 에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (5013) 으로 이루어지는 디바이스 (5102) 를 구성한다. 여기서는 특별히 도시하지 않지만, 증폭 수단 (5012) 의 입력 단자에는, 트랜스듀서 (5011) 의 도전성 섬유로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 트랜스듀서 (5011) 의 압전성 섬유를 접속한다. 이로써, 트랜스듀서 (5011) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화에 의해 출력 수단 (5013) 으로부터 출력된 전기 신호를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원으로서 사용하거나 혹은 축전 장치에 축전하거나 할 수 있다.
또, 증폭 수단만이 아니라, 노이즈 (리플) 를 제거하는 수단이나 다른 신호와 조합하여 처리하는 수단 등의 공지된 신호 처리 수단을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 수단의 접속의 순서는 목적에 따라 적절히 변경할 수 있다. 물론, 트랜스듀서 (5011) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기로 송신한 후에 노이즈 (리플) 를 제거하는 신호 처리를 실행해도 된다.
이와 같은 구체예로서는, 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. 유체 중에서의 형상 변화에 의해 전기 신호를 발생하기 위해서, 유체 중의 대전성 물질을 흡착시키거나 부착을 억제시키거나 하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 트랜스듀서는 어느 양태여도, 전기 신호가 입력됨으로써, 역학적인 힘을 발생시킬 수 있다. 도 32 는, 본 발명의 트랜스듀서를 사용한 디바이스의 제 3 구체예를 나타내는 블록도이다. 예를 들어, 외부 기기 (도시 생략) 로부터 전기 신호를 수신하는 수신 수단 (5015) 과, 수신 수단 (5015) 에 의해 수신한 전기 신호가 인가되는 본 발명의 트랜스듀서 (5011) 로 이루어지는 디바이스 (5103) 를 구성한다. 이로써, 수신 수단 (5015) 을 통해서 입력된 전기 신호에 따른 힘을 트랜스듀서 (5011) 에 발생시킬 수 있다. 또한, 수신 수단 (5015) 에 의한 수신 방식을 무선에 의한 것 유선에 의한 것으로 할지는, 트랜스듀서의 용도나 사용 환경 등에 따라 적절히 결정하면 된다. 수신 수단 (5015) 에 의한 수신 방식을 유선으로 하는 경우, 수신 수단 (5015) 은, 예를 들어 각종 커넥터에 의해 실현되어도 된다.
전기 신호를 입력으로 하는 용도의 구체적인 예로서는, 포백상으로 한 압전 소자에 전기 신호를 인가하고, 포백 표면에 재치한 대상물을 이동시키거나, 대상물을 싸거나, 압축하거나, 진동시킬 수 있다. 또 포백을 구성하는 각 압전 소자에 인가하는 전기 신호를 제어함으로써 다양한 형상을 표현하는 것이 가능하다. 나아가서는, 포백 자체가 진동함으로써 스피커로서 기능시키는 것도 가능하다.
다른 예로서는, 모자나 장갑, 양말 등을 포함하는 착의, 서포터, 손수건상 등의 형상을 한, 인간이나 동물이나 물건의 표면에 압력을 부여하는 액추에이터, 관절부의 굽힘, 꼬임, 신축을 서포트하는 액추에이터가 있다. 예를 들어 인간에게 사용하는 경우에는, 접촉이나 움직임이나 압력을 부여하는 어뮤즈먼트 용도나 상실된 조직을 움직일 수 있다. 그 밖에, 동물이나 인형을 본뜬 봉제 인형이나 로봇의 표면을 부풀리거나, 늘리거나 하는 액추에이터, 관절부에 굽힘, 꼬임, 신축 등의 움직임을 부여하는 액추에이터로서 사용할 수 있다. 그 밖에, 시트나 베개 등의 침구, 구두창, 장갑, 의자, 깔개, 봉투, 기 등의 표면을 움직이는 액추에이터나, 전기 신호로 형상 변화되는 손수건, 보자기, 봉투 등 포상의 모든 형상의 액추에이터로서 사용할 수 있다.
나아가서는, 본 발명의 액추에이터는 포백상이기 때문에, 신축성과 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 형상을 바꾸는 액추에이터로서 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되고, 그 도전성 섬유 및 그 압전성 섬유의 배치의 전부 혹은 일부가 능직 구조이며, 그 능직 구조의 적어도 일부의 사문의 각도가 그 압전성 섬유의 섬유축 방향에 대해 30 도 이상 60 도 이하인 압전 단위를 포함하는 전기 신호를 출력으로 하는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부하고, 보다 강한 전기 신호를 발생하는 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 복수의 압전 단위를 함유하는 직물이며, 그 전부 혹은 일부가 능직 구조인 것이 필요하다. 능직 구조는 직구조에 의해 이른바 사문직이 나타나기 때문에, 별명 사문직이라고도 한다. 능직은 그 사문 방향으로 절곡되기 쉽고, 비교적 포백의 변형을 파악하기 쉽다는 특징이 있다. 또 그 사문의 각도는 압전성 섬유의 섬유축 방향에 대해 30 도 이상 60 도 이하인 것이 필요하다. 압전성 섬유가 변형된 경우, 섬유축에 대해 45 도의 방향으로 분극이 발생하기 때문에, 사문이 섬유축에 대해 45 도에 가까울수록, 포백의 변형에 대해 발생하는 압전 신호가 커진다. 그러므로 본 발명에 있어서의 포백은, 사문의 각도가 압전성 섬유의 섬유축 방향에 대해 30 도 이상 60 도 이하인 능직 구조를 적어도 그 일부에 포함하는 것이 필요하다. 사문의 각도는 압전성 섬유의 섬유축 방향에 대해 30 도 이상 60 도 이하이면 되지만, 바람직하게는 35 도 이상 55 도 이하, 더욱 바람직하게는 40 도 이상 50 도 이하이다. 능직 구조는, 상기 서술한 사문의 각도를 만족시키면 임의의 구조가 가능하고, 이른바 3 개 능의 2/1 조직, 4 개 능의 3/1 조직, 2/2 조직이 바람직한 구조로서 예시된다. 또, 이와 같은 트랜스듀서는, 복수의 병렬된 압전 단위를 함유하는 직편물인 것이 바람직하다. 이와 같은 형태임으로써, 압전 소자로서 형상의 변형 자유도 (플렉시블함) 를 향상시키는 것이 가능하다.
이와 같은 직편물 형상은 복수의 압전 단위를 포함하고, 압전 소자로서의 기능을 발휘하는 한 전혀 한정은 없다. 직물 형상 또는 편물 형상을 얻으려면, 통상적인 직기에 의해 제직하면 된다. 1 매의 포백에 복수의 압전 단위를 도입하는 경우에는, 제직 혹은 제편 시에 연속하여 제작해도, 따로 따로 작성한 복수의 포백을 접합함으로써 제작해도 된다. 본 양태에 의한 포백은, 상기 서술한 능직 구조를 적어도 일부에 포함하고 있으면, 임의의 직조직이 가능하고, 예를 들어, 평직, 능직, 주자직 등의 삼원 조직, 변화 조직, 종이중직, 횡이중직 등의 편이중 조직, 종비로도 등이 예시된다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유, 절연성 섬유 및 압전성 섬유가 서로 물리적으로 접하는 접점을 가지면서 대략 동일 평면 상에 배치되어 이루어지는 압전 단위를 포함하는 트랜스듀서로서, 그 압전 단위를 구성하는 그 압전성 섬유의 적어도 일부가, 그 도전성 섬유와 직교하고 있고, 또한, 4 개 이상의 간격을 두고 다른 섬유와 교차하고 있는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부하고, 보다 강한 전기 신호를 발생하는 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 대략 동일 평면 상에 배치된 도전성 섬유, 절연성 섬유 및 압전성 섬유가 서로 물리적으로 접하는 접점을 가지면서, 하기의 직구조를 가질 필요가 있다.
1. 압전성 섬유의 적어도 일부가 도전성 섬유와 수직 방향으로 교차 (직교) 하고 있는 것
2. 압전성 섬유는 4 개 이상의 간격을 두고 다른 섬유와 교차하고 있는 것
특히 꼬임의 움직임을 검출하는 경우, 압전성 섬유는 이른바 들뜸으로 불리는 비구속 상태를 만드는 것이 바람직하다. 즉 압전성 섬유를 경사로서 사용했을 경우, 위사와의 교차점을 적게 하여, 보다 루즈한 구조로 하는 편이 좋은 것을 알아냈다. 그 교차점은 위사를 4 개 이상의 간격으로 뛰어 교차시키는 것이 필요하다. 또한 4 개 이상의 간격이란, 사이에 4 개 이상의 위사를 넣는다는 의미이다. 이 4 개 이상의 섬유는 임의의 섬유여도 된다. 압전성 섬유를 위사로서 사용한 경우도 동일하게 4 개 이상의 간격으로 경사와 교차시키는 것이 필요하다.
이와 같은 구조로 압전성 섬유로부터의 전기 신호를 효율적으로 검출하기 위해서는, 압전성 섬유의 4 개 이상의 간격으로 교차하는 섬유를 도전성 섬유로 하는 것이 가장 바람직한 것도 판명되었다. 그러므로 압전성 섬유는 도전성 섬유와 직교로 배치하는 것이 필요하다. 특히 꼬임의 움직임을 검출하기 위해서는, 이 구조가 바람직하다. 그 이외는 임의의 구조를 취할 수 있지만, 도전성 섬유끼리가 접촉하지 않도록 도전성 섬유는 모두 동일 방향으로 배치하는 것이 바람직하다. 또, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 사이에는, 바람직하게는 절연성 물질, 예를 들어 절연성 섬유를 개재시키는 형태 외에, 도전성 섬유가 접촉하기 쉬운 표면에만 절연성 물질을 피복하고, 압전성 섬유와는 직접 도전성 섬유가 접촉하도록 하는 형태를 채용할 수도 있다. 그 직물 형상 또는 편물 형상을 얻으려면, 통상적인 직기에 의해 제직하면 된다. 1 매의 포백에 복수의 압전 단위를 도입하는 경우에는, 제직 혹은 제편 시에 연속하여 제작해도, 따로 따로 작성한 복수의 포백을 접합함으로써 제작해도 된다. 본 양태에 의한 포백은, 상기 서술한 직구조를 적어도 일부에 포함하고 있으면, 임의의 직조직이 가능하고, 예를 들어, 평직, 능직, 주자직 등의 삼원 조직, 변화 조직, 종이중직, 횡이중직 등의 편이중 조직, 종비로도 등이 예시된다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하고, 그 압전성 섬유가, 주로 폴리락트산을 포함하고, 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의해 정량되는, 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 A (％) 가 하기 식 (1) ：
Xhomo × A × A ÷ 106 ≥ 0.26 (1)
을 만족시키는, 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한, 특정 방향의 동작에 대해 보다 강한 전기 신호를 발생하는 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다. 또, 그 트랜스듀서로부터의 신호를 사용한 디바이스 및/또는 전기 신호를 입력함으로써 기능하는 디바이스를 실현할 수 있다. 호모 PLA 결정화도 Xhomo (％) 및 결정 배향도 A (％) 의 상세한 것에 대해서는 상기 서술한 바와 같다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 복수 포함하는 직편물로 이루어지는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서로서, 그 압전성 섬유가, 압전성 섬유 또는 압전성 섬유 이외의 섬유 중 어느 것과 교차하는 교점을 가지며, 그 교점의 적어도 일부에 있어서, 그 압전성 섬유와, 그 압전성 섬유와 교차하는 다른 섬유가, 접착되어 있는 것을 특징으로 하는, 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 포백의 트랜스듀서로서의 기능은, 포백의 변형이 압전성 섬유에 전달되어, 압전성 섬유의 변형이 전기적인 신호로 변환되어 취출되는 것에서 유래하고 있기 때문에, 압전성 섬유가 포백의 구조로 고정되어 있음으로써 효율적으로 포백의 변형을 압전성 섬유에 전달하여, 강한 신호를 얻는 것이 가능해진다. 여기서 접착되어 있다는 것은, 단순히 직편물을 작성한 것만으로는 생기지 않는, 섬유 표면의 강화된 상호 작용에 의해 섬유끼리가 떨어지기 어려워져 있는 상태를 가리킨다. 접착되어 있는 상태의 하나의 바람직한 형태로서, 압전성 섬유 및 이 압전성 섬유에 교차하는 섬유가, 그 교점에 있어서 서로의 표면을 따라 편평하게 변형된 상태를 들 수 있다. 이와 같은 상태는, 포백을 짤 때에 위사 및 경사의 장력을 강하게 하여 짜거나, 혹은 포백에 대해 강한 힘에 의한 프레스 및/또는 가열 분위기 중에서의 프레스를 실시함으로써 얻어진다. 이 때, 압전성 섬유와 교차하는 섬유의 접촉 계면에 있어서 분자 레벨의 침입 혹은 화학적 결합의 형성이 생겨 점착한 상태가 바람직하지만, 점착하지 않고, 접촉 면적의 증대에 수반하는 표면 상호 작용의 증대에 의해서만 섬유끼리가 떨어지기 어려워져 있는 상태도, 접착한 상태로 간주할 수 있다. 섬유끼리가 점착한 경우에는, 교차 부분의 압전성 섬유 단면을 관찰했을 때, 압전성 섬유와 교차하고 있는 섬유와의 계면이 불명료하게 되어 있는 상태를 가리킨다. 또, 접촉 면적이 증대하고 있는 경우에는, 교차 부분의 압전성 섬유 단면을 관찰했을 때, 교차한 상대의 섬유 표면 형상에 맞추어 압전성 섬유가 현저하게 편평하게 변형되어 있는 상태를 가리킨다. 이와 같이 현저하게 편평하게 변형되어 있는지의 여부는, 이하의 방법으로 평가할 수 있다. 포백을 그 상태가 변화되지 않도록, 접착제를 함침시킨 후 고화하여 얇은 시트상으로 고정시킨다. 패더 커터로 다른 섬유와 교차하고 있는 부분의 압전성 섬유의 수직 단면을 잘라, 단면을 현미경으로 관찰한다. 섬유 단면 상에, 포백이 이루는 평면에 평행한 x 축과, 이 x 축에 수직인 y 축을 취한다. 단면을 관찰하는 섬유가 모노 필라멘트의 경우, 필라멘트 1 개의 섬유 단면이 모두 들어가는 최소의 크기의 장방형을, 각 변이 x 축과 y 축에 평행하게 되도록 그리고, 이 장방형의 x 축 방향의 변의 길이를 x1, y 축 방향의 변의 길이를 y1 로 한다. 단면을 관찰하는 섬유가 멀티 필라멘트의 경우, 1 개의 멀티 필라멘트 중의 모든 필라멘트의 단면이 들어가는 최소의 크기의 장방형을, 각 변이 x 축과 y 축에 평행하게 되도록 그리고, 이 장방형의 x 축 방향의 변의 길이를 x1, y 축 방향의 변의 길이를 y1 로 한다. 이들의 측정 결과로부터 하기 식 (7) 에서 편평률을 계산한다.
편평률 = x1 ÷ y1 (7)
10 지점 이상의 상이한 점에 대해 편평률을 계산하고, 그 평균치를 채용한다. 편평률의 평균치가 2.0 이상인 경우, 본원에서는 교차 부분의 압전성 섬유가, 교차한 상대의 섬유 표면 형상에 맞추어 현저하게 편평하게 변형되어 있는, 즉 압전성 섬유가 다른 섬유에 교차하는 교점에 있어서, 압전성 섬유와 압전성 섬유에 교차하는 다른 섬유가 접착되어 있다고 판단한다. 교차 부분의 압전성 섬유가 보다 편평하게 변형되어 있는 것이, 교차점에서의 접촉 면적을 증대시키고, 섬유끼리의 접착 작용이 증가하여, 바람직하다. 그 때문에, 편평률은 2.3 이상이 보다 바람직하고, 2.5 이상이 더욱 바람직하다.
또, 멀티 필라멘트를 사용한 포백의 경우, 멀티 필라멘트를 구성하는 필라멘트 사이의 공극이 압축되어 밀집한 멀티 필라멘트를 구성하고, 필라멘트 1 개 1 개 사이의 접착 작용도 증대하는 것이, 압전성 섬유의 구조 고정의 관점에서 바람직하다.
상기와 같은 편평률을 달성하기 위해, 종래 공지된 프레스 방법이 바람직하게 사용된다. 특히 압전성 섬유로서 폴리락트산 섬유를 사용하는 경우에는, 그 유리 전이점인 60 ℃ 와 융점의 사이의 온도, 바람직하게는 70 ℃ 에서 160 ℃ 의 사이에서, 10 분 이내의 열 프레스를 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 압전성 섬유의 융해 개시 온도 근방 (폴리락트산이면 140 ℃ 에서 160 ℃ 의 사이) 에서, 또한 도전성 섬유 및 절연성 섬유의 융해가 일어나지 않는 온도에서 열 프레스를 실시하는 것이 더욱 바람직하다. 열 프레스는, 연속식으로 실시 가능한 롤 프레스기로 실시하는 것이 바람직하다. 또, 압전성 섬유, 도전성 섬유 혹은 절연성 섬유에 멀티 필라멘트를 사용한 경우에는, 상기와 같은 편평률을 달성하기 위해, 멀티 필라멘트의 꼬임 수는 적은 것이 바람직하다. 꼬임 수가 너무 크면 섬유는 편평하게 변형되기 어려워지고, 접착 효과가 작아지기 때문에, 바람직하지 않다. 이러한 관점에서, 꼬임 수는 1 m 당 1000 이하, 바람직하게는 500 이하, 더욱 바람직하게는 300 이하인 것이 바람직하다.
접착되어 있는 상태의 또 하나의 바람직한 형태로서, 접착제를 사용하여 압전성 섬유가 접착된 상태를 들 수 있다. 접착제는 압전성 섬유와, 압전성 섬유에 교차하는 섬유의 사이에 개재하여, 그들의 움직임을 서로 구속하는 기능을 갖는 것이면 뭐든지 사용할 수 있고, 구속력의 대소는 불문한다. 접착제로서 물풀, 본드, 아크릴계 접착제, 에폭시계 접착제, 페놀계 접착제, 점착성 고분자, 용융 고분자, 고분자 용액도 바람직하게 사용할 수 있다. 접착제는 섬유 표면에 미리 도포 혹은 섬유 중에 함유시킨 후에, 방직 혹은 편직 공정을 거쳐, 포백 상태로 필요한 표면 석출 혹은 경화 공정을 실시할 수도 있고, 포백 상태로 한 후에 접착제를 도포 혹은 함침할 수도 있다. 포백 상태로 접착제를 도포 혹은 함침하는 경우에는 포백 전체에 접착제가 분포하기 때문에, 접착제로서는 노이즈의 원인이 되는 압전성 및 초전성을 가지지 않는 것, 및 단락의 원인이 되는 도전성을 가지지 않는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 본 양태의 목적의 달성을 위해, 상기에 예시한 위사·경사를 강하게 친 방직, 프레스, 및 접착제의 적용은, 어느 것을 사용해도 되고, 복수를 조합하여 실시할 수도 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 복수 포함하는 직편물로 이루어지는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서로서, 1 개의 그 압전 단위를 구성하는 그 압전성 섬유와 그 도전성 섬유가, 섬유 표면끼리 직접 접하고, 또한/또는, 도전성 재료를 개재하여 간접적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 포백의 트랜스듀서로서의 기능은, 압전성 섬유의 변형이 압전성 섬유 표면에 정전 분극을 발생시키고, 이 정전 분극에서 유래하는 전기 신호가 도전성 섬유를 통해서 취출되는 것에서 유래하고 있기 때문에, 압전성 섬유와 도전성 섬유가 충분한 접점을 가짐으로써 양자간의 접촉 저항이 저감되어, 강한 전기 신호를 얻는 것이 가능해진다. 여기서 충분한 접점을 갖는다란, 단순히 직편물을 작성한 것만으로는 생기지 않는, 압전성 섬유와 도전성 섬유의 사이의 풍부한 도통 면적을 갖는 상태를 가리킨다.
충분한 접점을 갖는 상태의 하나의 바람직한 형태로서, 압전성 섬유 및/또는 도전성 섬유가, 그 교점에 있어서 서로의 표면을 따라 편평하게 변형된 상태를 들 수 있다. 이와 같은 상태는, 포백을 짤 때에 위사 및 경사의 장력을 강하게 하여 짜거나, 혹은 포백에 대해 강한 힘에 의한 프레스 및/또는 가열 분위기 중에서의 프레스를 실시함으로써 얻어진다. 이 경우, 압전성 섬유와 접촉하는 도전성 섬유의 접촉 계면에 있어서 분자 레벨의 침입 혹은 화학적 결합의 형성이 생겨 점착한 상태가 바람직하지만, 점착하지 않고, 각각의 섬유 표면의 변형에 의해 접촉 면적이 증대하고 있는 상태도, 충분한 접점을 갖는 상태로 간주할 수 있다. 섬유끼리가 점착한 경우에는, 교차 부분의 섬유 단면을 관찰했을 때, 압전성 섬유와 도전성 섬유의 계면이 불명료하게 되어 있는 상태를 가리킨다. 또, 접촉 면적이 증대하고 있는 경우에는, 교차 부분의 섬유 단면을 관찰했을 때, 교차한 상대의 섬유 표면 형상에 맞추어 압전성 섬유 또는 도전성 섬유가 현저하게 편평하게 변형되어 있는 상태를 가리킨다. 이와 같이 현저하게 편평하게 변형되어 있는지의 여부는, 이하의 방법으로 평가할 수 있다.
포백을 그 상태가 변화되지 않도록, 접착제를 함침시킨 후 고화하여 얇은 시트상으로 고정시킨다. 패더 커터로 도전성 섬유와 교차하고 있는 부분의 압전성 섬유의 수직 단면을 잘라, 단면을 현미경으로 관찰한다. 압전성 섬유의 단면 상에, 포백이 이루는 평면에 평행한 x 축과, 이 x 축에 수직인 y 축을 취한다. 단면을 관찰하는 섬유가 모노 필라멘트의 경우, 필라멘트 1 개의 섬유 단면이 모두 들어가는 최소의 크기의 장방형을, 각 변이 x 축과 y 축에 평행하게 되도록 그리고, 이 장방형의 x 축 방향의 변의 길이를 x1, y 축 방향의 변의 길이를 y1 로 한다. 단면을 관찰하는 섬유가 멀티 필라멘트의 경우, 1 개의 멀티 필라멘트 중의 모든 필라멘트의 단면이 들어가는 최소의 크기의 장방형을, 각 변이 x 축과 y 축에 평행하게 되도록 그리고, 이 장방형의 x 축 방향의 변의 길이를 x1, y 축 방향의 변의 길이를 y1 로 한다.
이들의 측정 결과로부터 하기 식 (8) 에서 편평률을 계산한다.
편평률 = x1 ÷ y1 (8)
10 지점 이상의 상이한 점에 대해 편평률을 계산하고, 그 평균치를 채용한다. 편평률의 평균치가 2.0 이상인 경우, 본원에서는 교차 부분의 압전성 섬유가, 교차한 상대의 도전성 섬유 표면 형상에 맞추어 현저하게 편평하게 변형되어 있는, 즉 압전성 섬유가 도전성 섬유에 교차하는 교점에 있어서, 충분한 접점을 갖는 상태에 있다고 판단한다. 교차 부분의 압전성 섬유가 보다 편평하게 변형되어 있는 것이, 교차점에서의 접촉 면적을 증대시켜, 바람직하다. 그 때문에, 편평률은 2.3 이상이 보다 바람직하고, 2.5 이상이 더욱 바람직하다.
또, 압전성 섬유에 멀티 필라멘트를 사용한 포백의 경우, 멀티 필라멘트를 구성하는 필라멘트 사이의 공극이 압축되어 밀집한 멀티 필라멘트를 구성하는 것이, 가능한 한 많은 압전성 필라멘트를 도전성 필라멘트의 근방에 존재하게 하여 압전성에서 유래하는 전기 신호를 취출하기 쉽게 하는 관점에서, 바람직하다.
상기와 같은 편평률을 달성하기 위해, 종래 공지된 프레스 방법이 바람직하게 사용된다. 특히 압전성 섬유로서 폴리락트산 섬유를 사용하는 경우에는, 그 유리 전이점인 60 ℃ 와 융점의 사이의 온도, 바람직하게는 70 ℃ 에서 160 ℃ 의 사이에서, 10 분 이내의 열 프레스를 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 압전성 섬유의 융해 개시 온도 근방 (폴리락트산이면 140 ℃ 에서 160 ℃ 의 사이) 에서, 또한 도전성 섬유 및 절연성 섬유의 융해가 일어나지 않는 온도에서 열 프레스를 실시하는 것이 더욱 바람직하다. 열 프레스는, 연속식으로 실시 가능한 롤 프레스기로 실시하는 것이 바람직하다.
또, 압전성 섬유 혹은 도전성 섬유에 멀티 필라멘트를 사용한 경우에는, 상기와 같은 편평률을 달성하기 위해, 멀티 필라멘트의 꼬임 수는 적은 것이 바람직하다. 꼬임 수가 너무 크면 섬유는 편평하게 변형되기 어려워지고, 접점을 충분히 크게 할 수 없기 때문에, 바람직하지 않다. 이러한 관점에서, 꼬임 수는 1 m 당 1000 이하, 바람직하게는 500 이하, 더욱 바람직하게는 300 이하인 것이 바람직하다.
충분한 접점을 갖는 상태의 또 하나의 바람직한 형태로서, 압전성 섬유와 도전성 섬유의 사이에 도전성 재료에 의한 간접 접점이 형성된 상태를 들 수 있다. 간접 접점에 사용되는 도전성 재료는 압전성 섬유와 도전성 섬유의 사이에 개재하여 전기적으로 도통시키는 기능을 갖는 것이면 뭐든지 사용할 수 있고, 솔더, 금속이나 카본 등의 도전성 필러를 함유하는 도전 페이스트, 도전성 점착제 혹은 도전성 접착제 등이 바람직하게 사용된다. 특히 포백의 변형을 효율적으로 압전성 섬유에 전달하여 압전 기능을 발현시키기 쉽게 하여, 간접 접점을 장기간 안정적으로 유지할 수 있기 때문에, 접착력을 갖는 도전성 접착제가 더욱 바람직하다. 도전성 재료는 섬유 표면에 미리 도포 혹은 섬유 중에 함유시킨 후에, 방직 혹은 편직 공정을 거쳐, 포백 상태로 필요에 따라 표면 석출 혹은 경화 공정을 실시할 수도 있고, 포백 상태로 한 후에 도전성 재료를 도포 혹은 함침할 수도 있다. 상이한 도전성 섬유간의 단락 방지나, 의도하지 않은 부분의 도통을 방지하기 위해, 도전성 재료는 도전성 섬유에 도포 혹은 도전성 섬유 중에 함유시킨 후에, 방직 혹은 편직 공정을 거쳐, 포백 상태로 필요에 따라 표면 석출 혹은 경화 공정을 거치는 방법을 취하는 것이 바람직하다. 본 양태의 목적의 달성을 위해, 상기에 예시한 위사·경사를 강하게 친 방직이나 프레스에 의한 직접 접점 면적의 증가, 및 도전성 재료에 의한 간접 접점의 설치는, 어느 것을 사용해도 되고, 복수를 조합하여 실시할 수도 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 1 개의 도전성 섬유 및 1 개의 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 이루어지는 압전 단위를 복수 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서로서, 상이한 그 압전 단위를 구성하는 상이한 복수의 그 도전성 섬유가 서로 4 mm 이상의 간격을 두고 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 1 개의 압전 단위에 있어서의 섬유의 배치는, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 배치되어 있는 한 특별히 한정되는 것은 아니지만, 신호 강도를 강하게 하는 관점에서, 1 개의 압전 단위 내의 1 개의 도전성 섬유 및 1 개의 압전성 섬유는, 보다 근접하여 배치되는 것이 바람직하다. 도전성 섬유와 압전성 섬유가 근접하는 지점은, 점상이어도 선상이어도 된다. 이 때, 도전성 섬유와 압전성 섬유가 서로 물리적으로 접하는 접점을 가지고 있는 것이 바람직하지만, 1 개의 압전 단위 내의 도전성 섬유와 압전성 섬유의 간격이 4 mm 이내의 범위이면, 물리적으로 접하지 않아도 전기적 접속을 제공할 수 있다. 1 개의 압전 단위 내의 도전성 섬유와 압전성 섬유의 간격은, 바람직하게는 3 mm 이하, 보다 바람직하게는 2 mm 이하, 더욱 바람직하게는 1 mm 이하, 가장 바람직하게는 0.5 mm 이하이다. 이 간격이 4 mm 초과이면 압전성 섬유의 형상 변화에 수반되는 전기 출력이 작아져, 트랜스듀서로서 사용하는 것이 곤란해진다.
1 개의 압전 단위의 형태로서는, 예를 들어, 1 개의 도전성 섬유와 1 개의 압전성 섬유가 평행하게 배치된 형태를 들 수 있다. 직물의 경우에는, 경사 (또는 위사) 의 1 개를 도전성 섬유로 하고, 다른 경사 (또는 위사) 의 1 개를 압전성 섬유로 하는 형태가 이것에 포함된다. 다른 압전 단위의 형태로서는, 예를 들어, 1 개의 도전성 섬유와 1 개의 압전성 섬유가 교차하여 배치된 형태를 들 수 있다. 직물의 경우에는, 위사 (또는 경사) 의 1 개를 도전성 섬유로 하고, 경사 (또는 위사) 의 1 개를 압전성 섬유로 하는 형태가 이것에 포함된다.
본 양태에 의한 트랜스듀서는, 복수의 압전 단위를 대략 동일 평면 상에 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 본 양태에서는, 압전 단위를 달리하는 2 개의 도전성 섬유끼리의 단락을 방지하기 위해, 이들 2 개의 도전성 섬유를 평행하게 배치하는 형태가 바람직하다. 또, 2 개의 도전성 섬유끼리의 단락을 보다 확실하게 방지하기 위해, 2 개의 도전성 섬유의 사이에 절연성 물질, 예를 들어 적어도 1 개의 절연성 섬유를 개재시키는 형태가 특히 바람직하다. 이 때, 2 개의 도전성 섬유의 사이에 절연성 섬유를 배치하는 경우에는, 이 절연성 섬유를 압전 단위의 일부로서 이용하지 않는 한, 압전성에서 유래하는 노이즈를 피하기 위해, 이 절연성 섬유는 압전성을 가지지 않는 것이 특히 바람직하게 사용된다. 압전성을 가지지 않는 절연성 섬유로서는, 결정 중에 나사 구조를 가지지 않는 절연성 섬유, 혹은 폴링 처리에 의한 쌍극자의 배열이나 공간 전하의 형성이 이루어지지 않은 절연성 섬유이면, 원리적으로 압전성을 가지지 않기 때문에 바람직하게 사용할 수 있다. 그 중에서도 경제 합리성의 점에서, 폴리에틸렌테레프탈레이트사가 특히 바람직하게 사용된다. 그러나, 2 개의 도전성 섬유 각각으로부터 4 mm 를 초과하는 간격을 두고 배치되는 절연성 섬유에 대해서는, 압전성에서 유래하는 노이즈의 영향이 작기 때문에, 압전성을 갖는 절연성 섬유를 사용해도 문제는 없다.
또한 본 양태에서는, 압전 단위를 달리하는 2 개의 도전성 섬유간의 정전적 간섭에 의한 문제나, 이들의 도전성 섬유를 간단하게 분리하여 입출력기에 접속하기 위해서 충분한 공간적 여유를 갖게하기 위해, 이들의 도전성 섬유를 평행하게 배치하고, 또한 이들의 도전성 섬유끼리의 간격이 4 mm 이상인 것이 바람직하고, 5 mm 이상인 것이 보다 바람직하고, 6 mm 이상인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하고,
상기 압전성 섬유의 비수 수축률 S(p) 및 상기 도전성 섬유의 비수 수축률 S(c) 가 하기 식 (9) ：
｜S(p) - S(c)｜ ≤ 10 (9)
를 만족시키는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한, 보다 실용성이 높은 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다. 나아가서는, 그 트랜스듀서로부터의 신호를 사용한 디바이스 및/또는 전기 신호를 입력함으로써 기능하는 디바이스를 실현할 수 있다. 비수 수축률 S 의 상세한 것에 대해서는 상기 서술한 바와 같다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 적어도 2 층의 시트 또는 포백으로 이루어지는 적층 트랜스듀서로서, 그 시트 또는 그 포백 중 적어도 1 층이 하기의 A 층으로 이루어지고, 그 A 층 이외의 층 중 적어도 1 층이 하기의 B 층으로 이루어지는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다.
A 층 ： 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서
B 층 ： 시트 저항이 106 Ω／□ (Ω／sq.) 이상인 절연성 시트 또는 절연성 포백
본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, A 층은 상기 서술한 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 평면상의 트랜스듀서이다. B 층은, A 층인 트랜스듀서에 대한 전기적 외란의 영향을 저감시키는 기능을 갖는 절연성 시트 또는 절연성 포백이며, 시트 저항은 106 Ω／□ (Ω／sq.) 이상인 것이 필요하고, 바람직하게는 108 Ω／□ (Ω／sq.) 이상, 더욱 바람직하게는 1010 Ω／□ (Ω／sq.) 이상이며, 1012 Ω／□ (Ω／sq.) 이상인 것이 가장 바람직하다. 106 Ω／□ (Ω／sq.) 미만에서는, 예를 들어 인체에 직접 접하고 있는 경우나 도전성의 물체에 접촉했을 경우에, 본래 목적으로 하지 않은 신호를 출력해 버리는 경우가 있다. 또한, 절연성 시트 또는 절연성 포백은 그 유연성에서 포백인 것이 바람직하지만, 유연성을 가지고 있으면 시트 혹은 필름상이어도 된다. 절연성 시트 또는 절연성 포백을 형성하는 재료로서는 절연성을 가지고 있으면 특별히 한정되는 것이 아니고, 공지된 모든 재료를 적용할 수 있다. 본 양태에 의한 A 층 및 B 층의 적층 방법은 특별히 한정되지 않지만, 봉합, 점착, 접착, 열압착 등 종래 공지된 방법으로 실시할 수 있다. 또, 그 적층 매수에 대해서도 본 양태의 목적을 상실하지 않는 범위이면 몇 매 적층해도 된다. 단, A 층을 복수매 적층하는 경우에는, A 층에 포함되는 도전 섬유가 다른 A 층의 도전 섬유와 단락되지 않도록, 두 개의 A 층의 사이에 B 층이 존재하는 것이 바람직하다. 복수의 A 층을 사용할 때에는, A 층의 조직은 동일할 필요는 없고, 목적이나 용도에 따라 적절히 그 조직이나 첩합의 각도는 변경할 수 있다. 또, 본 양태의 목적을 상실하지 않는 범위이면, A 층 및 B 층 이외의 다른 층을 형성해도 된다. 예를 들어, 도전성을 갖는 층, 다른 센싱 기능을 갖는 층, 내마모성 등의 내구성을 갖는 층, 점착층이나 접착층 등의 대상물에 고정시키는 층 등을 들 수 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서로서, 단섬유 직경 10 ∼ 2000 nm 의 극세 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 극세 섬유는, 도전성 섬유, 압전성 섬유, 절연성 섬유 중 어느 것이어도 되지만, 보다 재료 선택의 폭이 넓다는 관점에서 절연성 섬유를 극세 섬유로 하는 것이 바람직하다. 또, 2 종 이상의 섬유가 극세 섬유여도 되고, 물론 압전 단위를 구성하는 모든 섬유가 극세 섬유여도 된다. 극세 섬유는 단섬유 직경이 10 ∼ 2000 nm 이며, 보다 바람직하게는 50 ∼ 1500 nm, 더욱 바람직하게는 100 ∼ 1000 nm 이다. 단섬유 직경이 2000 nm 보다 큰 경우에는, 극세 섬유의 효과를 얻을 수 없어 대상 물체와의 밀착성이 얻어지지 않는 경우가 있고, 10 nm 보다 작은 경우에는, 생산성이 극단적으로 나빠진다는 문제가 있다. 또, 총 섬도 (단섬유 섬도와 필라멘트 수의 곱) 로서는, 5 ∼ 150 dtex 의 범위 내인 것이 바람직하다. 그 총 섬도로 하기 위해서, 복수의 극세 섬유를 합사해도 되고, 단섬유 직경이 2000 nm 보다 굵은 섬유와 합사해도 된다.
포백 중의 극세 섬유의 양은, 본 양태의 목적인 대상 물체와의 밀착성을 향상한다는 목적을 달성할 수 있으면, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 절연성 섬유를 극세 섬유로 하는 경우에 있어서, 절연성 섬유의 모두를 극세 섬유로 할 필요는 없고, 전체 포백 중의 1 중량％ 이상 포함되는 것이 바람직하다. 극세 섬유의 양이 1 중량％ 보다 적으면 대상 물체와의 밀착성을 얻을 수 없고, 바람직하게는 5 중량％ 이상, 더욱 바람직하게는 10 중량％ 이상, 가장 바람직하게는 15 중량％ 이상이다. 또, 극세 섬유는 보다 굵은 섬유와 합사한 것을 사용해도 된다. 극세 섬유의 제조 방법으로서는 특별히 한정되지 않고, 공지된 모든 방법이 적용되지만, 다도 (多島) 구조의 해도 (海島) 복합 섬유로부터 해 성분을 제거하여 제조하는 방법이 가장 바람직하다. 또한, 도 성분 수가 지나치게 너무 많아지면, 방사 구금의 제조 비용이 높아질 뿐만이 아니라, 방사 구금의 가공 정밀도 자체도 저하되기 쉬워지므로, 도 성분 수를 1000 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서로서, 그 도전성 섬유 및 그 압전성 섬유는 모두 신도가 3 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 신축성이 우수한 트랜스듀서 얻기 위해서는, 도전성 섬유의 신도가 3 ％ 이상인 것이 중요하다. 신도가 3 ％ 미만인 경우에는, 압전 소자를 변형 지점에 장착했을 때에, 섬유축과 병행 방향의 움직임을 억제해 버려, 본래의 움직임, 특히 큰 움직임을 충분히 검출할 수 없는 경우가 있다. 도전성 섬유의 신도는, 보다 바람직하게는 5 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 8 ％ 이상, 가장 바람직하게는 10 ％ 이상이다. 또, 도전성 섬유의 강도는 1 ∼ 15 cN/dtex 인 것이 바람직하다. 강도가 1 cN/dtex 미만이면 포백 강도를 유지할 수 없는 경우가 있고, 보다 바람직하게는 2 cN/dtex 이상, 더욱 바람직하게는 3 cN/dtex 이상이다. 한편, 15 cN/dtex 보다 크면 압전 소자가 변형 지점의 움직임을 억제해 버리는 경우가 있고, 보다 바람직하게는 10 cN/dtex 이하, 더욱 바람직하게는 8 cN/dtex 이하이다. 상기 서술한 신도 및 강도를 만족시키는 섬유로서는, 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 섬유가 바람직하고, 구체적으로는 금속을 도금한 고분자 섬유가 바람직하다.
또한, 본 양태에 의한 신축성이 우수한 트랜스듀서 얻기 위해서는, 압전성 섬유의 신도가 3 ％ 이상인 것이 중요하다. 신도가 3 ％ 미만인 경우에는, 압전 소자를 변형 지점에 장착했을 때에, 섬유축과 병행 방향의 움직임을 억제해 버려, 본래의 움직임, 특히 큰 움직임을 충분히 검출할 수 없는 경우가 있다. 압전성 섬유의 신도는, 보다 바람직하게는 5 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 8 ％ 이상, 가장 바람직하게는 10 ％ 이상이다. 또, 압전성 섬유의 강도는 1 ∼ 15 cN/dtex 인 것이 바람직하다. 강도가 1 cN/dtex 미만이면 포백 강도를 유지할 수 없는 경우가 있고, 보다 바람직하게는 2 cN/dtex 이상, 더욱 바람직하게는 3 cN/dtex 이상이다. 한편, 15 cN/dtex 보다 크면 압전 소자가 변형 지점의 움직임을 억제해 버리는 경우가 있고, 보다 바람직하게는 10 cN/dtex 이하, 더욱 바람직하게는 8 cN/dtex 이하이다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는 압전 소자를 구비하고, 상기 압전 소자의 한계 산소 지수가 24 이상인 트랜스듀서를 제공 함으로써, 유연성 또한 난연성이 풍부한 포백상 혹은 끈상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다. 나아가서는, 그 트랜스듀서로부터의 신호를 사용한 디바이스 및/또는 전기 신호를 입력함으로써 기능하는 디바이스를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유 중 적어도 1 개에 난연성을 갖는 섬유를 사용하거나, 혹은, 압전 소자를 난연제로 피복한다. 도전성 섬유에 난연성을 부여하는 방법으로서는, 예를 들어, 도전성 섬유의 원료로서 난연제를 첨가한 도전성 고분자를 사용하는, 도전성 필러와 난연제를 분산시킨 고분자를 사용하는, 베이스의 섬유상물에 예를 들어, 아라미드 섬유, 폴리벤조이미다졸 섬유, 폴리이미드 섬유, 폴리아미드이미드 섬유, 폴리에테르이미드 섬유, 폴리아릴레이트 섬유, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유, 노볼로이드 섬유, 난연 아크릴 섬유, 폴리크랄 섬유, 난연 폴리에스테르 섬유, 난연 면 섬유, 난연 울 섬유 등을 사용하는 등의 방법이나, 코트제에 난연제를 첨가해 두는 등의 방법을 들 수 있다. 압전성 섬유에 난연성을 부여하는 방법으로서는, 예를 들어, 인계 화합물 등의 유기계 난연제나, 삼산화이안티몬 등의 무기계 난연제를 폴리락트산에 첨가하는 등의 방법을 들 수 있다.
본 양태에 의한 압전 단위는, 절연성 섬유를 포함하고, 그 절연성 섬유는, 압전 단위 중의 도전성 섬유가, 다른 도전성 섬유 그리고 압전성 섬유에 접하지 않도록 도전성 섬유와 압전성 섬유의 사이에 배치되는 경우가 있다. 난연성의 절연성 섬유로서는, 한계 산소 지수가 24 이상인 유기 섬유인 것이 바람직하고, 아라미드 섬유, 폴리벤조이미다졸 섬유, 폴리이미드 섬유, 폴리아미드이미드 섬유, 폴리에테르이미드 섬유, 폴리아릴레이트 섬유, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유, 노볼로이드 섬유 등을 들 수 있고, 추가로 난연 아크릴 섬유, 폴리크랄 섬유, 난연 폴리에스테르 섬유, 난연 면 섬유, 난연 울 섬유 등도 사용할 수 있다. 난연제의 종류는 유기계 화합물이든, 무기계 화합물이든 불문한다.
포백상의 트랜스듀서의 압전 소자에 한계 산소 지수 24 이상의 난연성을 갖게 하는 방법으로서, 도전성 섬유, 압전성 섬유 및 절연성 섬유 중 적어도 하나에 난연성을 부여하는 방법이 있다. 그 경우, 압전 소자의 성능을 충분히 발휘시키기 위해서는, 압전성의 특성에 직접 영향을 미치지 않는 절연성 섬유에 난연성을 부여하는 것이 바람직하다. 섬유 성질의 관점에서도, 도전성 섬유나, 결정화도가 높은 압전성 섬유보다 절연성 섬유에 난연성을 부여하는 것이 가장 간편하고, 바람직하다.
포백상의 트랜스듀서의 압전 소자에 한계 산소 지수 24 이상의 난연성을 갖게 하는 다른 방법으로서, 트랜스듀서의 압전 소자 (압전 단위) 의 표면에 난연제피막을 형성하는 방법이 있다. 즉, 물 등의 용매나 수지에 분산시킨 난연제를, 포백상 혹은 끈상의 압전 소자에 함침, 혹은 코팅하여, 난연제 피막을 형성한다. 예를 들어, 난연제를 포함하는 수지로 피막하는 경우를 들 수 있다. 여기서 말하는 수지란, 난연제를 포백에 고착시키기 위한 바인더 작용을 나타내는 수지를 말한다. 수지의 구체예로서는, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아민 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 불소 수지, 실리콘 수지, 나아가서는 이들의 변성 수지 등을 들 수 있다. 또, 이들의 수지를 2 종 이상 복합하는 것도 가능하다. 바람직한 수지로서는, 질감이 부드럽고, 비용이 저렴한 아크릴 수지나 우레탄 수지 등을 들 수 있다.
또, 상기의 수지 중에 혼합하는 난연제로서는 공지된 난연제를 들 수 있다. 예를 들어, 할로겐계 화합물, 인계 화합물, 질소계 화합물, 안티몬 화합물 등을 들 수 있고, 이들은 2 종류 이상을 병용하는 것도 가능하다. 구체적으로는, 데카브로모디페닐에테르, 삼산화안티몬, 및 할로겐화인산에스테르의 혼합물, 혹은 폴리인산 암모늄 등을 들 수 있다.
상기 난연제와 수지의 배합비는, 중량 기준으로 수지를 100 부로 했을 때, 난연제를 20 부에서 300 부의 사이로 하는 것이 바람직하다. 수지의 비율이 적으면 난연제의 고착이 충분하지 않고, 또 너무 많으면 난연 효과의 점에서 열등한 경우가 있다.
수지층을 형성시키는 방법으로서는, 종래 공지된 편면 코팅법이나 침지법을 임의로 채용할 수 있고, 코팅법으로서는 나이프 코터, 그라비아 코터, 콤마 코터 등의 방법을 채용할 수 있다. 또, 미리 난연제를 포함한 수지 시트, 혹은 수지 필름을 포백에 라미네이트할 수도 있다. 수지층의 두께는, 너무 얇으면, 수지 중에 포함되는 난연제의 양이 적어져, 충분한 난연성이 얻어지지 않는 경우가 있으므로, 0.03 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 너무 두꺼우면 유연성이 손상되는 경우가 있으므로, 5 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 두께의 범위는 0.1 ∼ 3 ㎛ 이다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는 압전 소자를 구비하고, 상기 도전성 섬유 및 상기 압전성 섬유 중 적어도 1 개가 원착 폴리머를 사용한 섬유인 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성 또한 디자인성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다. 또, 이 트랜스듀서는 반복되는 되접기나 되꼬기에 대해, 퇴색이나 접은 마디 등이 생기기 어렵고, 장기간에 걸쳐 균일한 색을 유지할 수 있다. 나아가서는, 그 트랜스듀서로부터의 신호를 사용한 디바이스 및/또는 전기 신호를 입력함으로써 기능하는 디바이스를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 원착 폴리머란, 도전성 섬유, 압전성 섬유 및 절연성 섬유의 원료가 되는 폴리머에 각종 안료를 첨가 분산시킨 것이며, 그 안료로서는, 종래 공지된 아조레이크계, 벤조이미다졸론계, 디아소라이드계, 축합 아조계, 퀴나크리돈계, 디옥사진계, 이소인돌리논계, 배트계, 프탈로시아닌계 등으로 이루어지는 각종 유기 안료, 또는 티탄 옐로우, 산화철, 코발트 블루, 산화크롬, 황화카드뮴, 카본 블랙 등으로 이루어지는 각종 무기 안료 등을 사용할 수 있고, 그 외 일반적으로 폴리머의 착색에 사용할 수 있는 공지된 색소 혹은 그들의 혼합물은 모두 사용할 수 있다. 이 중에서, 본 양태는 도전성 섬유로서 탄소 섬유를 바람직하게 사용할 수 있는 점에서, 그 색 배합을 위해, 압전성 섬유, 절연성 섬유에는 예를 들어, 카본 블랙과 같은 흑색의 원착 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 원착 폴리머를 원료 폴리머에 소량 첨가함으로써, 도전성 섬유, 압전성 섬유 및 절연성 섬유를 착색할 수 있다. 상기 방법은 일례이며, 공지된 다른 방법을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도전성 섬유, 압전성 섬유 및 절연성 섬유를 공지된 분산 염료나 카티온성 안료에 의해 염색하는 방법이나, 바인더를 사용한 프린트법 등의 수법을 사용하여 섬유 표면을 도장하는 방법이 있다. 단, 색의 조절이 어렵거나, 본 발명의 트랜스듀서 사용의 과정에서 접은 마디가 눈에 띄거나 하는 경우가 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 구두의 안창 본체와, 상기 안창 본체에 탑재된 포백상 또는 끈목상의 압전 센서를 구비하는 구두의 안창을 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있고, 그것을 포상 압전 센서로서 구두의 안창에 탑재함으로써, 발의 움직임이나 발바닥의 하중 이동을 취득할 수 있는 구두의 안창 (센서) 을 얻을 수 있다. 또한, 본 양태에 의한 트랜스듀서는 전기 신호를 출력으로서 취출할 수 있기 때문에, 이 전기 신호를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원 혹은 축전하는 등, 발전 소자로서 사용할 수도 있다.
보다 구체적으로는, 압전 단위를 포함하는 압전 소자 (압전 센서) 를 구두의 안창에 사용하는데 있어서, 압전 소자의 직구조를 발이나 양말과의 마찰로부터 보호하기 위해, 센서의 기능의 방해가 되지 않는 범위에서, 표면을 수지 등으로 코팅하거나, 수지 시트/필름으로 피복하거나 할 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서를 구비하는 안창에 의해, 예를 들어, 런닝 슈즈에 사용하면, 주행 거리나 주행 속도의 데이터 취득과 함께, 런닝 폼 개량의 원조가 되는 데이터를 시기 적절하게 취할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 복수 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서로서, 그 압전 단위는 2 개의 그 도전성 섬유 및 1 개의 그 압전성 섬유로 이루어지고, 그 도전성 섬유, 그 압전성 섬유 및 그 도전성 섬유가, 이 순서로 배치되어 있고, 또한, 그 복수의 압전 단위는, 이웃하는 그 압전성 섬유끼리의 간격이 4 mm 이상이 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부하고, 안정적으로 압전 신호를 검출할 수 있는 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 압전 단위 내의 도전성 섬유의 사이에 있는 압전성 섬유끼리가 적어도 4 mm 이상, 바람직하게는 5 mm 이상, 더욱 바람직하게는 7 mm 이상의 간격을 두고 배치되어 있는 것이 필요하다. 여기서 「압전성 섬유끼리의 간격」 이란, 섬유의 「표면간」 거리를 가리킨다. 4 mm 미만에서는, 각각의 압전 소자에서 얻어지는 신호가 안정되지 않아, 정확한 신호가 얻어지지 않는다. 4 mm 이상이면 안정적인 신호를 얻을 수 있어, 센서로서 사용하는 것이 가능한 디바이스가 얻어진다. 4 mm 미만에서는 정확한 신호가 얻어지지 않는 원인은 명확하게는 불분명하지만, 아마 각각의 압전 소자간에서 발생하는 신호가 간섭하는 것이 원인은 아닌가 추찰된다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서로서, 그 압전성 섬유의 꼬임 수가 1 m 당 1000 회 이하인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 압전성 섬유의 꼬임 수는 1 m 당 1000 회 이하, 바람직하게는 500 회 이하, 더욱 바람직하게는 300 회 이하인 것이 바람직하다. 압전 성능의 향상이라는 관점만에서는, 꼬임을 가하지 않고 (즉 꼬임 수 0 으로) 제직을 실시하는 것이 이상적이다. 특정의 이론에 속박되는 것을 의도하는 것은 아니지만, 압전성 섬유의 변위에 의한 분극은 사의 배향 방향에 대해 일정 방향으로 발생하기 때문에, 꼬임 수를 증대시킬수록 사의 배향 방향이 보다 비스듬하게 되어, 분극 방향이 일정하지 않게 되는 것이 압전성 저하의 원인이라고 추찰된다. 한편으로, 꼬임 수를 증대시킴으로써 사의 강도를 높여 제직, 제편 시의 사 끊김이나 보풀 발생을 억제하는 것이 일반적으로 실시된다. 따라서, 본 양태의 구체적 적용에 있어서는, 대상물에 요구되는 기계 특성과 압전 성능을 비교 형량하면서, 꼬임 수의 최적화를 도모하게 된다.
이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유로 하기 위해서는, 고분자를 섬유화하기 위한 공지된 수법을, 본 발명의 효과를 발휘하는 한 모두 채용할 수 있고, 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 등을 채용할 수 있다. 이들의 방사 조건은, 채용하는 압전성 고분자에 따라 공지된 수법을 적용하면 되고, 통상적으로는 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다. 또한, 압전성 고분자가 폴리락트산인 경우에는, 1 축 연신 배향하고, 또한 결정을 포함하면 보다 큰 압전성을 나타내는 점에서, 섬유는 연신하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 포백상의 트랜스듀서로서,
하기 식에서 산출되는 커버 팩터 CF 가 500 이상인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 ：
CF = (DWp/1.1)1/2 × MWp ＋ (DWf/1.1)1/2 × MWf
(위 식 중, DWp 는 경사 총 섬도 (dtex), MWp 는 경사직 밀도 (개/2.54 cm), DWf 는 위사 총 섬도 (dtex), MWf 는 위사직 밀도 (개/2.54 cm) 이다.), 또는
하기 식에서 산출되는 피복 면적률이 0.40 이상인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 ：
피복 면적률 = D1 × N1 ＋ D2 × N2 - D1 × N1 × D2 × N2
(위 식 중, D1 은 경사의 직경 (mm), N1 은 경사 밀도 (개/mm), D2 는 위사의 직경 (mm), N2 는 위사 밀도 (개/mm) 이다.)
를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 커버 팩터를 올림으로써, 압전성 섬유를 보다 강고하게 고정화할 수 있기 때문에, 포백의 변위에 의한 압전 신호를 안정하고 또한 확실하게 파악할 수 있다. 한편 커버 팩터가 500 미만이면, 압전성 섬유의 고정이 약해져 움직이기 쉽게 됨으로써, 얻어지는 신호가 불안정화된다. 그러므로 센서로서 사용한 경우 안정적인 신호를 얻을 수 없게 된다. 또한 커버 팩터가 낮아지면 포백의 내구성도 저하된다. 또 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 피복 면적률을 올림으로써, 압전성 섬유를 보다 강고하게 고정화할 수 있기 때문에, 포백의 변위에 의한 압전 신호를 안정하고 또한 확실하게 파악할 수 있다. 한편 피복 면적률이 0.40 미만이면, 압전성 섬유의 고정이 약해져 움직이기 쉽게 됨으로써, 얻어지는 신호가 불안정화된다. 그러므로 센서로서 사용한 경우 안정적인 신호를 얻을 수 없게 된다. 또한 피복 면적률이 낮아지면 포백의 내구성도 저하된다.
피복 면적률의 산출은, 이하의 방법으로 실시할 수 있다. 천을 부자연스러운 장력이나 주름이 없는 자연스러운 상태로 하고, 25.4 mm 의 구간에서 경사 및 위사의 갯수를 세어 25.4 로 나누어 경사 밀도 N1 (개/mm) 및 위사 밀도 N2 (개/mm) 를 5 지점에서 산출하여, 평균치를 채용한다. 또, 천을 부자연스러운 장력이나 주름이 없는 자연스러운 상태에서 커버 유리에 끼워 수평하게 두고, 현미경으로 상방으로부터 세로 3 mm 가로 3 mm 의 면적을 5 지점 관찰한다. 각각의 관찰 지점에서, 경사 및 위사의 굵기를 각각 10 지점 관찰하고, 경사 및 위사 각각 합계 50 회의 측정치를 평균하여 경사의 직경 D1 (mm) 및 위사의 직경 D2 (mm) 로 한다. 경사에 2 종류 이상의 상이한 섬유를 사용하는 경우의 경사의 직경은, 사용하는 각 섬유에 대해 5 지점 × 각 10 회의 측정치를 평균한 값을 각 섬유의 직경으로 하고, 각 섬유의 직경에, 완전 조직에 있어서 사용하는 갯수의 비율을 곱하여 합계한 가중 평균치를 경사의 직경으로 한다. 위사에 2 종류 이상의 상이한 섬유를 사용하는 경우의 위사의 직경도, 동일하게 가중 평균치를 산출하여 위사의 직경으로 한다. 이상에서 구해진 경사 밀도 N1 (개/mm), 위사 밀도 N2 (개/mm), 경사의 직경 D1 (mm) 및 위사의 직경 D2 (mm) 로부터, 하기 식에서 피복 면적률을 산출한다.
피복 면적률 = D1 × N1 ＋ D2 × N2 - D1 × N1 × D2 × N2
본 양태에 의한 압전 소자는, 50 회 세탁 후에 압전 단위로부터 출력되는 전기 신호가 세탁 전의 70 ％ 이상이며, 또한 마틴데일법에 의한 100 회 마찰 시험 후에 압전 단위로부터 출력되는 전기 신호가 세탁 전의 70 ％ 이상이다. 또한 패브릭의 압전 단위 상을 손가락으로 1000 회 문지르고, 1 회째와 1000 회째에 검출되는 전위차의 저하도 억제할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 포백상의 트랜스듀서로서, 하기 식에서 산출되는 커버 팩터 CF 가 500 이상이며, 또한, 발수 처리가 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서 ：
CF = (DWp/1.1)1/2 × MWp ＋ (DWf/1.1)1/2 × MWf
(위 식 중, DWp 는 경사 총 섬도 (dtex), MWp 는 경사 직밀도 (개/2.54 cm), DWf 는 위사 총 섬도 (dtex), MWf 는 위사 직밀도 (개/2.54 cm) 이다.) 를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 커버 팩터를 올림으로써, 압전성 섬유를 보다 강고하게 고정화할 수 있기 때문에, 포백의 변위에 의한 압전 신호를 안정하고 또한 확실하게 파악할 수 있다. 한편 커버 팩터가 500 미만이면, 압전성 섬유의 고정이 약해져 움직이기 쉽게 됨으로써, 얻어지는 신호가 불안정화된다. 그러므로 센서로서 사용한 경우 안정적인 신호를 얻을 수 없게 된다. 또한 커버 팩터가 낮아지면 포백의 내구성도 저하된다. 또한 본 양태에 의한 트랜스듀서는, JIS L0844 ： 2011 「세탁에 대한 염색 견뢰도 시험 방법 A-1 법」 에 준거하는 50 회 세탁 내구 시험 후에 출력되는 전기 신호 강도가, 세탁 내구 시험 전의 70 ％ 이상이다. 또, 본 발명의 트랜스듀서의 발수성은 JIS L1092 ： 2009 스프레이법의 4 급 이상이다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서로서, 그 압전 단위 중의 그 도전성 섬유가 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 및/또는 압전성 섬유에 대해 전기적 접속하지 않도록 배치되어 있고, 또한, 정균 활성치가 2.2 이상인 것을 특징으로 하는, 항균성 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 발명의 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서, 압전 단위로서 사용되는 도전성 섬유와는 접촉하지 않는 섬유가 존재한다. 이 섬유에는 임의의 섬유를 사용하는 것이 가능하지만, 그 전체 갯수 중 적어도 50 ％ 이상, 바람직하게는 70 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 90 ％ 가 압전성 섬유일 필요가 있다. 이로써, 압전 성능 뿐만 아니라, 항균성도 부여할 수 있다. 또한 도전성 섬유의 일부가 압전 단위로서 사용되지 않는 경우도 있지만, 당연히 여기서 말하는 「압전 단위로서 사용되는 도전성 섬유」 로서는 다루어지지 않는다.
본 양태에 의한 압전 단위는, 절연성 섬유를 포함하고, 그 절연성 섬유는, 압전 단위 중의 도전성 섬유가, 다른 도전성 섬유 그리고 압전성 섬유에 접하지 않도록 도전성 섬유와 압전성 섬유의 사이에 배치되는 경우가 있다. 이 때, 절연성 섬유는 포백의 유연성을 향상하는 목적으로 신축성이 있는 소재, 형상을 갖는 섬유를 사용할 수 있다. 또, 압전 단위 중의 도전성 섬유가, 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 그리고 압전성 섬유에 접하지 않도록 배치되는 경우도 있다. 압전 단위에 이와 같이 절연성 섬유를 배치함으로써, 압전 단위를 복수 조합한 경우여도 도전성 섬유가 접촉하는 일이 없고, 트랜스듀서로서의 성능을 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는 트랜스듀서로서, 그 압전 단위 중의 그 도전성 섬유가 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 및/또는 압전성 섬유에 대해 전기적 접속하지 않도록 배치되고, 트랜스듀서의 정균 활성치가 2.2 이상의 항균성을 갖는 트랜스듀서를 사용한 침구를 제공함으로써, 유연성이 풍부하고, 또한 항균성이 우수한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다. 나아가서는, 그 트랜스듀서로부터의 신호를 사용한 디바이스 및/또는 전기 신호를 입력함으로써 기능하는 디바이스를 실현할 수 있다.
본 양태에 의한 트랜스듀서를 구비하는 디바이스를 시트나 베개·베개 커버나 침대나 이불·이불 커버 등의 침구에 삽입하는 것은 매우 유용하다. 예를 들어, 개호 시설에 있어서는, 환자의 배회를 방지하기 위해, 침대 상의 환자의 존재, 부재를 센싱하는 것이 실시되고 있고, 본 양태에 의한 트랜스듀서를 사용한 시트나 베개 등으로 이것을 실시하는 것은 매우 유용하다. 또 요즈음의 건강 지향이 높아짐에 따라, 나날의 수면 상태를 수면 중의 몸의 움직임을 센싱함으로써 모니터링하는 상품도 발매되고 있지만, 본 발명의 시트나 베개나 침대는 이 용도에도 적용할 수 있다. 단, 본 양태에 의한 트랜스듀서를 포함하는 디바이스를 구비하는 침구는, 디바이스가 침구인 구성을 포함한다.
본 양태에 의한 트랜스듀서가 우수한 항균성을 가지고 있는 것도, 시트나 베개·베개 커버나 침대나 이불·이불 커버 등의 침구에 삽입하는 것에 매우 적합하다. 침구는 인체에 접촉하기 위해 사용에 의해 황색 포도 구균과 같은 이른바 악옥균이 부착되어, 땀의 성분이나 때를 영양분으로서 포백 상에서 증식해 가지만, 증식의 과정에서 악취를 풍겨 시트나 베개 등의 악취의 원인이 된다. 또 황색 포도 구균은 아토피성 피부염 등의 염증의 원인으로서도 의심되고 있다. 본 발명의 트랜스듀서는 항균성이 우수하기 때문에, 황색 포도 구균 등의 균의 증식을 억제하고, 그것에 의해 악취의 발생을 억제할 수 있다.
본 양태에 의한 트랜스듀서 포백은 우수한 세탁 내구성도 가지고 있다. 또 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 포백에 항균성 가공을 실시한다는 표면 가공이 아니고, 트랜스듀서 그 자체가 높은 항균성을 가지고 있음으로써, 세탁을 반복해도 그 항균성이 저하되는 일은 없다.
나아가서는, 본 양태에 의한 센서는 포백상이기 때문에, 신축성과 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다. 또, 본 양태에 의한 트랜스듀서는 전기 신호를 출력으로서 취출할 수 있기 때문에, 이 전기 신호를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원 혹은 축전하는 등, 발전 소자로서 사용할 수도 있다. 이와 같은 디바이스를 시트나 베개 등의 침구에 삽입함으로써, 시트나 베개 등의 침구에 삽입된 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원으로 할 수 있고, 혹은 시트나 베개 등의 침구에 삽입된 축전 장치에 축전할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는 트랜스듀서로서, 그 압전 단위 중의 상기 도전성 섬유가 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 및/또는 압전성 섬유에 대해 전기적 접속하지 않도록 배치되고, 그 트랜스듀서의 정균 활성치가 2.2 이상의 항균성을 갖는 트랜스듀서를 사용한 구두의 인솔을 제공함으로써, 유연성이 풍부하고, 또한 항균성이 우수한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다. 나아가서는, 그 트랜스듀서로부터의 신호를 사용한 디바이스 및/또는 전기 신호를 입력함으로써 기능하는 디바이스를 실현할 수 있다.
본 양태에 의한 트랜스듀서를 사용한 디바이스를 구두의 인솔에 삽입하는 것은 매우 유용하다. 예를 들어, 스포츠 용도에 있어서는 운동선수의 체동을 구두창의 인솔에 의해 검지하고, 그 움직임을 해석하는 것이 요구되고 있다. 또 재활 용도에 있어서도, 구두창의 인솔을 센서로 하고, 환자의 회복을 모니터링하는 것이 요구되고 있지만, 본 양태에 의한 트랜스듀서를 포함하는 디바이스가 삽입된 인솔은 이 용도에도 적용할 수 있다. 단, 본 양태에 의한 트랜스듀서를 포함하는 디바이스를 구비하는 인솔은, 디바이스가 인솔인 구성을 포함한다.
본 양태에 의한 트랜스듀서가 우수한 항균성을 가지고 있는 것도, 인솔에 삽입하는 것에 매우 적합하다. 인솔은 인체에 접촉하기 위해 사용에 의해 황색 포도 구균과 같은 이른바 악옥균이 부착되어, 땀의 성분이나 때를 영양분으로서 포백 상에서 증식해 가지만, 증식의 과정에서 악취를 풍겨 구두의 악취의 원인이 된다. 또 황색 포도 구균은 아토피성 피부염 등의 염증의 원인으로서도 의심되고 있다. 본 발명의 트랜스듀서는 항균성이 우수하기 때문에, 황색 포도 구균 등의 균의 증식을 억제하고, 그것에 의해 악취의 발생을 억제할 수 있다.
본 양태에 의한 트랜스듀서의 포백은 우수한 세탁 내구성도 가지고 있다. 또 본 양태에 의한 트랜스듀서는, 포백에 항균성 가공을 실시한다는 표면 가공이 아니고, 트랜스듀서 그 자체가 높은 항균성을 가지고 있음으로써, 세탁을 반복해도 그 항균성이 저하되는 일은 없다.
나아가서는, 본 양태에 의한 센서는 포백상이기 때문에, 신축성과 유연성이 있으므로, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다. 또, 본 양태에 의한 트랜스듀서는 전기 신호를 출력으로서 취출할 수 있기 때문에, 이 전기 신호를 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원 혹은 축전하는 등, 발전 소자로서 사용할 수도 있다. 이와 같은 디바이스를 구두의 인솔에 삽입함으로써, 구두의 인솔에 삽입된 다른 디바이스를 움직이기 위한 전력원으로 할 수 있고, 혹은 구두의 인솔에 삽입된 축전 장치에 축전할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 양태로서, 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위와, 서로 이간된 복수의 도전성 섬유로 이루어지는 정전 용량 단위를 구비하는 트랜스듀서를 제공함으로써, 유연성이 풍부한 포백상의 트랜스듀서를 얻을 수 있다. 본 발명의 트랜스듀서는, 플렉시블하기 때문에, 손수건과 같은 접기 가능한 포백상, 나아가서는 착의상 등 포백으로 실현할 수 있는 모든 형상의 전기 신호를 입출력으로 하는 트랜스듀서를 실현할 수 있다. 나아가서는, 그 트랜스듀서로부터의 신호를 사용한 디바이스 및/또는 전기 신호를 입력함으로써 기능하는 디바이스를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 양태에 의한 트랜스듀서에 있어서는, 압전 단위 외에 정전 용량 단위를 포함한다. 여기서 말하는 정전 용량 단위란, 2 개의 도전성 섬유를 서로 평행하게 이간되도록 배치하여, 도전성 섬유간에 전압을 가한 상태로 해 두고, 도전성 섬유간의 거리가 바뀌어, 정전 용량이 변화됨으로써 생기는 저항치나 전기량 등을 측정함으로써, 포백에 가해지는 압력이나 변위를 검출하는 것이다. 2 개의 도전성 섬유를 서로 평행하게 이간시키는 방법으로서는, 예를 들어, 2 개의 도전성 섬유의 사이에 절연성 섬유를 개재시키는 방법이나, 2 개의 도전성 섬유의 사이에 유전체를 사이에 두는 방법이나, 방직 방법이나 편직 방법에 의해 2 개의 도전성 섬유의 사이에 공간을 형성하는 방법 등을 들 수 있다. 또, 검출에는, 하나의 정전 용량 단위로부터의 신호를 사용해도 되고, 직렬 및/또는 병렬로 접속된 복수의 정전 용량 단위로부터의 신호를 사용해도 된다.
압전 단위로부터의 신호가 변위의 순간에만 발생하는데 대해, 정전 용량 단위로부터의 신호는 변위하고 있는 동안 상시 신호를 얻을 수 있고, 또 정전 용량 단위로부터의 신호는 비교적 크다는 특징이 있다. 한편으로 정전 용량 단위는 정전기의 영향을 받기 쉽고, 예를 들어 센서로서 사용한 경우, 오작동을 일으킬 가능성이 있다. 따라서, 압전 단위와 정전 용량 단위의 쌍방을 갖는 포백 구조로 하고, 쌍방으로부터의 신호를 해석함으로써, 보다 상세한 움직임의 해석이 가능해진다. 예를 들어, 압전 단위로부터는 포백의 구체적인 움직임, 즉 굽힘이나 꼬임과 같은 움직임의 종류와 그 변위량을 검출하고, 한편으로 정전 용량 단위로부터는 그 변위가 계속되고 있는지의 여부를 검출한다는 움직임의 해석이 가능하다. 또는, 포백의 변위량을 정전 용량 단위로부터의 신호로 측정할 때는, 얻어진 신호 중 압전 소자로부터의 신호가 동시에 검출되었을 때의 신호만을 취출함으로써, 정전 용량 단위로부터의 오작동을 억제하는 등의 사용법이 생각된다. 이 때, 포백의 하나의 움직임에 대해 압전 단위 및 정전 용량 단위의 쌍방으로부터의 신호를 해석에 사용하는 점에서, 포백의 하나의 움직임에 대해 동일한 움직임이 되도록 압전 단위와 정전 용량 단위는 서로 근처에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
실시예
이하, 제 1 발명을 실시예에 의해 한층 더 구체적으로 기재하지만, 본 발명은 이로써 전혀 한정을 받는 것은 아니다.
압전 소자용의 포백은 이하의 방법으로 제조했다.
(폴리락트산의 제조)
실시예에 있어서 사용한 폴리락트산은 이하의 방법으로 제조했다.
L-락티드 ((주) 무사시노 화학 연구소 제조, 광학 순도 100 ％) 100 중량부에 대해, 옥틸산주석을 0.005 중량부 첨가하고, 질소 분위기하, 교반 날개가 부착된 반응기로 180 ℃ 에서 2 시간 반응시켜, 옥틸산주석에 대해 1.2 배 당량의 인산을 첨가하고 그 후, 13.3 Pa 로 잔존하는 락티드를 감압 제거하여, 칩화하고, 폴리-L-락트산 (PLLA1) 을 얻었다. 얻어진 PLLA1 의 중량 평균 분자량은 15.2만, 유리 전이점 (Tg) 은 55 ℃, 융점은 175 ℃ 였다.
(압전성 섬유)
PLLA1 을 240 ℃ 에서 용융시켜 24 홀의 캡으로부터 20 g/min 으로 토출하고, 887 m/min 으로 인취했다. 이 미연신 멀티 필라멘트사를 80 ℃, 2.3 배로 연신하고, 100 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 filament 의 멀티 필라멘트 1 축 연신사를 얻고, 이 멀티 필라멘트 1 축 연신사를 8 다발 통합하여, 압전성 섬유 (100A) 로 했다.
(도전성 섬유)
미츠후지 섬유 공업 제조의 은 도금 나일론 품명 『AGposs』 를 도전성 섬유 (100B) 로서 사용했다. 이 섬유의 체적 저항률은 1.1 × 10-3 Ω·cm 였다.
압전 소자의 평가는 이하의 방법으로 실시했다.
(압전 소자의 평가)
상기의 도전성 섬유 (100B) 및 압전성 섬유 (100A) 로 형성한 피복 섬유 (1003) 를 포함하는 끈목상 압전 소자의 피복 섬유 (1003) 를 길이 5 cm 로 잘라, 피복 섬유 (1003) 의 일단의 표면의 압전성 섬유 (100A) 를 제거하여, 도전성 섬유 (100B) 의 단부를 노출시켰다. 그리고, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 노출된 도전성 섬유 (100B) 의 단부를, 평가용 배선 (1002) 을 개재하여 오실로스코프 (1001) 에 접속하고, 피복 섬유 (1003) 의 타단의 압전성 섬유 (100A) 를 피측정물인 측정 샘플 (1004) 의 표면에 접촉시키면서 표면에 평행하게 주사함으로써 압전 소자의 압전 특성의 평가를 실시했다.
단, 측정 샘플 (1004) 은, 세로 1 cm × 가로 5 cm × 두께 0.5 cm 의 평탄한 판 (104a) 위에, 양단을 1 cm 씩 비운 다음, 세로 1 cm × 가로 0.5 cm × 두께 0.5 cm 의 판 (104b) 을 3 지점, 등간격으로 붙인 것을 준비했다.
또, 압전 특성의 평가는, 압전 소자의 피복 섬유 (1003) 의 단부가 측정 샘플 (1004) 의 표면으로부터 약 0.5 cm 의 높이 위치에 오도록 하는 일정한 힘으로, 측정 샘플 (1004) 의 표면을 약 0.5 m/s 의 속도로 문지름으로써 실시했다. 전압 평가의 오실로스코프 (1001) 로서는 요코가와 전기 (주) 제조의 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』 을 사용했다.
또, 이 압전 소자로 측정 샘플 (1004) 의 표면을 2000 회 문지른 후, 동일한 전압 평가를 했다.
(실시예 1)
도전성 섬유 (100B) 에, 8 개의 압전성 섬유 (100A) 를 감으면서 짜 감으로써, 길이 10 m 의 환타 조물의 끈목상 피복 섬유 (1003) 를 얻었다. 여기서, 피복 섬유 (1003) 에 있어서의 도전성 섬유 (100B) 인 은 도금 나일론 섬유는 체적 저항률은 1.1 × 10-3Ω·cm 였다. 그 후, 피복 섬유 (1003) 표면의 압전성 섬유 (100A) 의 일단을 제거하여, 도전성 섬유 (100B) 를 노출시켜, 압전 소자를 얻었다. 이 압전 소자를, 도 3 에 나타내는 바와 같은 구성으로 압전 특성의 평가를 실시했다.
측정 샘플 (1004) 상을 이 압전 소자로 덧썼는데, 베이스의 판 (104a) 의 부분과 2 매의 판 (104a, 104b) 이 겹친 부분에서, 서로 상이한 전압을 확인할 수 있었다.
또, 측정 샘플 (1004) 상을 2000 회 문지른 후, 이 압전 소자의 압전 특성의 평가를 했지만, 그 전기 신호의 크기는 2000 회 문지르기 전후에서 거의 변함이 없었다.
본 발명의 압전 소자는, 플렉시블하고 또한 압전 소자의 표면을 손가락 등으로 문지르는 것만으로, 압전성 고분자로부터 발생하는 전기 출력을 충분히 취출하는 것이 가능하고, 스침 등으로 발생하는 응력이나 그 응력의 위치를 검출할 수 있는 플렉시블한 터치 센서 등으로서 기능시킬 수 있기 때문에, 터치 센서로서 바람직하게 이용할 수 있다. 그리고, 이 압전 소자를 스마트 폰 등의 케이싱에 삽입함으로써, 한 손으로 조작이 가능한 스마트 폰 등을 실현할 수 있다.
또, 이 압전 소자는 플렉시블한 섬유상이므로, 방직이나 편직에 의해 포상으로 하는 것도 가능하고, 그것에 의해 손수건과 같은 접기 가능한 포상의 터치 패널도 실현하는 것이 가능하다.
또한, 문지르는 것만으로 전기 출력을 취출하는 것이 가능하므로, 마이크로 발전기 등에 대한 적용도 가능하다.
또, 이 끈상 압전 소자를 접촉식 프로브로서 사용하면, 접촉식이면서, 측정 대상의 손상을 최소한으로 억제하면서 측정할 수 있기 때문에, 예를 들어, 인간의 얼굴과 같은 지금까지 적용이 어려웠던 분야의 측정에도 사용할 수 있다.
이하, 제 2 발명을 실시예에 의해 한층 더 구체적으로 기재하지만, 본 발명은 이로써 전혀 한정을 받는 것은 아니다.
압전 소자용의 포백은 이하의 방법으로 제조했다.
(폴리락트산의 제조)
실시예에 있어서 사용한 폴리락트산은 이하의 방법으로 제조했다.
L-락티드 ((주) 무사시노 화학 연구소 제조, 광학 순도 100 ％) 100 질량부에 대해, 옥틸산주석을 0.005 질량부 첨가하고, 질소 분위기하, 교반 날개가 부착된 반응기로 180 ℃ 에서 2 시간 반응시켜, 옥틸산주석에 대해 1.2 배 당량의 인산을 첨가하고 그 후, 13.3 Pa 로 잔존하는 락티드를 감압 제거하여, 칩화하고, 폴리-L-락트산 (PLLA1) 을 얻었다. 얻어진 PLLA1 의 질량 평균 분자량은 15.2만, 유리 전이점 (Tg) 은 55 ℃, 융점은 175 ℃ 였다.
(압전성 섬유)
240 ℃ 에서 용융시킨 PLLA1 을 24 홀의 캡으로부터 20 g/min 으로 토출하고, 887 m/min 으로 인취했다. 이 미연신 멀티 필라멘트사를 80 ℃, 2.3 배로 연신하고, 100 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 필라멘트의 멀티 필라멘트 1 축 연신사를 얻었다.
(도전성 섬유)
미츠후지 (주) 제조의 은 도금 나일론, 품명 『AGposs』 100d34f 를 도전성 섬유 (200B) 로서 사용했다. 이 섬유의 체적 저항률은 1.1 × 10-3 Ω·cm 였다.
(절연성 섬유)
280 ℃ 에서 용융시킨 폴리에틸렌테레프탈레이트를 24 홀의 캡으로부터 45 g/min 으로 토출하고, 800 m/min 으로 인취했다. 이 미연신사를 80 ℃, 2.5 배로 연신하고, 180 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 필라멘트의 멀티 필라멘트 연신사를 얻고, 이것을 절연성 섬유로 했다.
(끈목상 압전 소자)
실시예 2 의 시료로서, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 상기의 도전성 섬유 (200B) 를 코어사로 하고, 상기의 압전성 섬유 (200A) 8 개를 코어사의 둘레에 끈목상으로 감아, 8 타 끈목으로 하여, 끈목상 압전 소자 (2001) 를 형성했다. 여기서, 도전성 섬유 (200B) 의 섬유축 CL 에 대한 압전성 섬유 (200A) 의 감기 각도 α 는 45 °로 했다.
(제직)
실시예 3 의 시료로서, 도 7 에 나타내는 바와 같이 경사에 절연성 섬유 (2007) 및 한 개의 끈목상 압전 소자 (2001) (실시예 2 의 시료와 동일) 를 배치하고, 위사에 절연성 섬유 (2007) 및 도전성 섬유 (2008) 를 교대로 배치하여 평직물을 제작하고, 포백상 압전 소자 (2005) 로 했다.
비교예 1 의 시료로서, 도 11 에 나타내는 바와 같이 절연성 섬유 (200C) 를 경사에 배치하고, 절연성 섬유 (200C), 압전성 섬유 (200A) 및 도전성 섬유 (200B) 를 위사에 배치한 평직물 (2100) 을 제작했다.
(성능 평가 및 평가 결과)
끈목상 압전 소자 (2001), 포백상 압전 소자 (2005) 및 평직물 (2100) 의 성능 평가 및 평가 결과는 이하와 같다.
(실시예 2)
끈목상 압전 소자 (2001) 중의 도전성 섬유 (200B) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 개재하여 1000 배 증폭 회로를 경유하여 접속했다. 끈목상 압전 소자 (2001) 를 접지 (어스) 된 금속 철망으로 보호된 전자파 실드 박스 내에서 90 도 절곡했다.
그 결과, 끈목상 압전 소자 (2001) 로부터의 출력으로서, 오실로스코프에 의해 약 100 mV 의 전위차가 검출되고, 끈목상 압전 소자 (2001) 의 변형에 의해 충분한 크기의 전기 신호를 검출할 수 있는 것이 확인되었다.
(실시예 3)
포백상 압전 소자 (2005) 의 끈목상 압전 소자 (2001) 중의 도전성 섬유 (200B) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 개재하여 1000 배 증폭 회로를 경유하여 접속했다. 또, 포백상 압전 소자 (2005) 의 위사의 도전성 섬유 (2008) 를 접지 (어스) 선으로서 접지했다. 이 상태에서, 끈목상 압전 소자 (2001) 에 대해 수직인 방향으로 포백상 압전 소자 (2005) 를 90 도 절곡했다.
그 결과, 포백상 압전 소자 (2005) 의 끈목상 압전 소자 (2001) 로부터의 출력으로서, 오실로스코프에 의해 노이즈가 거의 없는 전기 신호가 얻어지고, 약 100 mV 의 전위차가 검출되었다. 이상의 결과로부터, 포백상 압전 소자 (2005) 의 변형에 의해 충분한 크기의 전기 신호를 저노이즈로 검출할 수 있는 것이 확인되었다.
(비교예 1)
평직물 (2100) 중의 도전성 섬유 (200B) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 개재하여 1000 배 증폭 회로를 경유하여 접속했다.
그 결과, 도전성 섬유 (200B) 로부터의 출력으로서, 약 30 mV 의 전위차가 검출되었지만, S/N 이 작은 신호였다. 평직물 (2100) 에 끈목상 압전 소자 (2001) 가 삽입되어 있지 않기 때문이라고 생각된다.
이하, 제 3 발명을 실시예에 의해 한층 더 구체적으로 기재하지만, 본 발명은 이로써 전혀 한정을 받는 것은 아니다.
압전 소자용의 포백은 이하의 방법으로 제조했다.
(폴리락트산의 제조)
실시예에 있어서 사용한 폴리락트산은 이하의 방법으로 제조했다.
L-락티드 ((주) 무사시노 화학 연구소 제조, 광학 순도 100 ％) 100 질량부에 대해, 옥틸산주석을 0.005 질량부 첨가하고, 질소 분위기하, 교반 날개가 부착된 반응기로 180 ℃ 에서 2 시간 반응시켜, 옥틸산주석에 대해 1.2 배 당량의 인산을 첨가하고 그 후, 13.3 Pa 로 잔존하는 락티드를 감압 제거하여, 칩화하고, 폴리-L-락트산 (PLLA1) 을 얻었다. 얻어진 PLLA1 의 질량 평균 분자량은 15.2만, 유리 전이점 (Tg) 은 55 ℃, 융점은 175 ℃ 였다.
(압전성 섬유)
240 ℃ 에서 용융시킨 PLLA1 을 24 홀의 캡으로부터 20 g/min 으로 토출하고, 887 m/min 으로 인취했다. 이 미연신 멀티 필라멘트사를 80 ℃, 2.3 배로 연신하고, 100 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 필라멘트의 멀티 필라멘트 1 축 연신사를 얻었다.
(도전성 섬유)
미츠후지 (주) 제조의 은 도금 나일론, 품명 『AGposs』100d34f 를 도전성 섬유 (300B), 도전성 섬유 (3006) 및 도전성 섬유 (3010) 로서 사용했다. 이 섬유의 체적 저항률은 1.1 × 10-3 Ω·cm 였다.
(절연성 섬유)
280 ℃ 에서 용융시킨 폴리에틸렌테레프탈레이트를 24 홀의 캡으로부터 45 g/min 으로 토출하고, 800 m/min 으로 인취했다. 이 미연신사를 80 ℃, 2.5 배로 연신하고, 180 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 필라멘트의 멀티 필라멘트 연신사를 얻고, 이것을 절연성 섬유 (300C) 및 절연성 섬유 (3009) 로 했다.
(끈목상 압전 소자)
실시예 4 의 시료로서, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 상기의 도전성 섬유 (300B) 를 코어사로 하고, 상기의 압전성 섬유 (300A) 8 개를 코어사의 둘레에 끈목상으로 감아, 8 타 끈목으로 하고, 또한 도전성 섬유 (3006) 를 시스부의 압전성 섬유 (300A) 의 둘레에 끈목상으로 감아 도전층 (3004) 으로 하고, 끈목상 압전 소자 (3001) 를 형성했다. 여기서, 도전성 섬유 (300B) 의 섬유축 CL 에 대한 압전성 섬유 (300A) 의 감기 각도 α 는 45 °로 했다. 실시예 4 의 시료의 도전층 (3004) 의 피복률은 100 ％ 였다.
실시예 5 의 시료로서, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 상기의 도전성 섬유 (300B) 를 코어사로 하고, 상기의 압전성 섬유 (300A) 8 개를 코어사의 둘레에 끈목상으로 감아, 8 타 끈목으로 하고, 또한 4 개의 절연성 섬유 (3009) 를 오른쪽 감기, 1 개의 도전성 섬유 (3006) 및 3 개의 절연성 섬유 (3009) 를 왼쪽 감기로 시스부의 압전성 섬유 (300A) 의 둘레에 감아 8 타 끈목상의 도전층 (3004) 으로 하여, 끈목상 압전 소자 (3001) 를 형성했다. 여기서, 도전성 섬유 (300B) 의 섬유축 CL 에 대한 압전성 섬유 (300A) 의 감기 각도 α 는 45 °로 했다. 또, 실시예 5 의 시료의 도전층 (3004) 의 피복률은 25 ％ 였다.
비교예 2 의 시료로서, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 상기의 도전성 섬유 (300B) 를 코어사로 하고, 상기의 압전성 섬유 (300A) 를 코어사의 둘레에 끈목상으로 감아, 끈목상 압전 소자 (3001) 를 형성했다. 여기서, 도전성 섬유 (300B) 의 섬유축 CL 에 대한 압전성 섬유 (300A) 의 감기 각도 α 는 45 °로 했다.
(제직)
실시예 6 의 시료로서, 도 13 에 나타내는 바와 같이 경사에 절연성 섬유 (3009) 및 한 개의 끈목상 압전 소자 (3001) (실시예 4 의 시료와 동일) 를 배치하고, 위사에 절연성 섬유 (3009) 및 도전성 섬유 (3010) 를 교대로 배치하여 평직물을 제작하여, 포백상 압전 소자 (3007) 로 했다.
비교예 3 의 시료로서, 도 19 에 나타내는 바와 같이 절연성 섬유 (300C) 를 경사에 배치하고, 절연성 섬유 (300C), 압전성 섬유 (300A) 및 도전성 섬유 (300B) 를 위사에 배치한 평직물 (3100) 을 제작했다.
(성능 평가 및 평가 결과)
끈목상 압전 소자 (3001), 포백상 압전 소자 (3007) 및 평직물 (3100) 의 성능 평가 및 평가 결과는 이하와 같다.
(실시예 4)
끈목상 압전 소자 (3001) 중의 도전성 섬유 (300B) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 개재하여 1000 배 증폭 회로를 경유하여 접속하고, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 도전층 (3004) 을 접지 (어스) 했다. 끈목상 압전 소자 (3001) 를 90 도 절곡했다.
그 결과, 끈목상 압전 소자 (3001) 로부터의 출력으로서, 오실로스코프에 의해 약 100 mV 의 전위차가 검출되고, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 변형에 의해 충분한 크기의 전기 신호를 검출할 수 있는 것이 확인되었다. 또, 정치 (靜置) 하에서의 노이즈 신호는 20 mV 이며, S/N 비는 5 가 되어, 충분히 노이즈 신호가 억제되어 있는 것을 알 수 있었다.
(실시예 5)
끈목상 압전 소자 (3001) 중의 도전성 섬유 (300B) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 개재하여 1000 배 증폭 회로를 경유하여 접속하고, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 도전층 (3004) 을 접지 (어스) 했다. 끈목상 압전 소자 (3001) 를 90 도 절곡했다.
그 결과, 끈목상 압전 소자 (3001) 로부터의 출력으로서, 오실로스코프에 의해 약 100 mV 의 전위차가 검출되고, 끈목상 압전 소자 (3001) 의 변형에 의해 충분한 크기의 전기 신호를 검출할 수 있는 것이 확인되었다. 또, 정치하에서의 노이즈 신호는 20 mV 이며, S/N 비는 5 가 되어, 충분히 노이즈 신호가 억제되어 있는 것을 알 수 있었다.
(실시예 6)
포백상 압전 소자 (3007) 의 끈목상 압전 소자 (3001) 중의 도전성 섬유 (3003) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 개재하여 1000 배 증폭 회로를 경유하여 접속했다. 또, 포백상 압전 소자 (3007) 의 끈목상 압전 소자 (3001) 중의 도전층 (3004) 을 접지 (어스) 선으로서 접지했다. 이 상태에서, 끈목상 압전 소자 (3001) 에 대해 수직인 방향으로 포백상 압전 소자 (3007) 를 90 도 절곡했다.
그 결과, 포백상 압전 소자 (3007) 의 끈목상 압전 소자 (3001) 로부터의 출력으로서, 오실로스코프에 의해 노이즈가 거의 없는 전기 신호가 얻어지고, 약 100 mV 의 전위차가 검출되고, 포백상 압전 소자 (3007) 의 변형에 의해 충분한 크기의 전기 신호를 저노이즈로 검출할 수 있는 것이 확인되었다. 또, 정치하에서의 노이즈 신호는 20 mV 이며, S/N 비는 5 가 되어, 충분히 노이즈 신호가 억제되어 있는 것을 알 수 있었다.
(비교예 2)
끈목상 압전 소자 (3001) 중의 도전성 섬유 (300B) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 개재하여 1000 배 증폭 회로를 경유하여 접속한 결과, 정치하에서의 노이즈 신호는 1000 mV 였다. 끈목상 압전 소자 (3001) 를 90 도 절곡했지만 노이즈 신호가 커, 절곡에서 유래하는 전기 신호를 판별할 수 없었다.
(비교예 3)
평직물 (3100) 중의 도전성 섬유 (300B) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 배선을 개재하여 1000 배 증폭 회로를 경유하여 접속한 결과, 정치하에서의 노이즈 신호는 1000 mV 였다. 평직물 (3100) 을 90 도 절곡했지만 노이즈 신호가 커, 절곡에서 유래하는 전기 신호를 판별할 수 없었다.
이하, 제 5 발명을 실시예에 의해 한층 더 구체적으로 기재하지만, 본 발명은 이로써 전혀 한정을 받는 것은 아니다.
각 물성은 이하의 방법에 의해 측정했다.
(1) 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 ㎖/메탄올 1.0 ㎖ 를 첨가하고, 65 ℃ 로 설정한 수욕 진탕기에 세트하여, 폴리락트산이 균일 용액이 될 때까지 30 분 정도 가수 분해를 실시하고, 추가로 가수 분해가 완료된 용액에 0.25 몰/리터의 황산을 첨가하여 중화하고, 그 분해 용액을 0.1 ㎖ 채취하여 고속 액체 크로마토그래피 (HPLC) 이동상 용액 3 ㎖ 에 의해 희석하고, 멤브레인 필터 (0.45 ㎛) 에 의해 여과했다. 이 조정 용액의 HPLC 측정을 실시하여, L-락트산 모노머와 D-락트산 모노머의 비율을 정량했다. 1 개의 폴리락트산 섬유가 0.1 g 에 미치지 않은 경우에는, 채취 가능한 양에 맞추어 다른 용액의 사용량을 조정하고, HPLC 측정에 제공하는 샘플 용액의 폴리락트산 농도가 상기와 동등으로부터 100 분의 1 의 범위가 되도록 했다.
＜HPLC 측정 조건＞
칼럼 ： 스미카 분석 센타사 제조 「스미키랄 (등록상표)」 OA-5000 (4.6 mmφ × 150 mm),
이동상 ： 1.0 밀리 몰/리터의 황산구리 수용액
이동상 유량 ： 1.0 밀리리터/분
검출기 ： UV 검출기 (파장 254 nm)
주입량 ： 100 마이크로 리터
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 3 으로 계산했다.
광학 순도 (％) = SMLA ÷ (SLLA ＋ SDLA) × 100 (3)
(2) 시트 저항률 ：
히오키 전기 주식회사 제조 디지털 멀티미터 DT4222 를 이용하여, 클립 평행 전극폭 10 cm, 전극간 거리 10 cm 에 있어서의 저항률을 측정하여 시트 저항률로 했다.
(폴리락트산의 제조)
실시예에 있어서 사용한 폴리락트산은 이하의 방법으로 제조했다.
L-락티드 ((주) 무사시노 화학 연구소 제조, 광학 순도 100 ％) 100 중량부에 대해, 옥틸산주석을 0.005 중량부 첨가하고, 질소 분위기하, 교반 날개가 부착된 반응기로 180 ℃ 에서 2 시간 반응시키고, 옥틸산주석에 대해 1.2 배 당량의 인산을 첨가하고 그 후, 13.3 Pa 로 잔존하는 락티드를 감압 제거하여, 칩화하고, 폴리-L-락트산 (PLLA1) 을 얻었다. 얻어진 PLLA1 의 중량 평균 분자량은 15.2만, 유리 전이점 (Tg) 은 55 ℃, 융점은 175 ℃ 였다.
(압전성 섬유)
230 ℃ 에서 용융시킨 PLLA1 을 24 홀의 캡으로부터 16.8 g/min 으로 토출하고, 1300 m/min 으로 인취하고, 계속해서 80 ℃, 1.54 배로 연신하고, 125 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 filament 의 멀티 필라멘트 압전성 섬유 (5001) 를 얻었다.
(도전성 섬유)
체적 저항률이 1.1 × 10-3 Ω·cm 인 미츠후지 섬유 공업 제조의 은 도금 나일론 품명 『AGposs』 를 도전성 섬유 (5002) 로 했다.
(절연성 섬유)
280 ℃ 에서 용융시킨 폴리에틸렌테레프탈레이트를 24 홀의 캡으로부터 22 g/min 으로 토출하고, 800 m/min 으로 인취했다. 이 미연신사를 80 ℃, 2.5 배로 연신하고, 180 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 필라멘트의 절연성 섬유 (5003) 를 얻었다.
실시예 7
도 29 에 나타내는 바와 같이 경사에 절연성 섬유 (5003) 를 배치하고, 위사에 압전성 섬유 (5001), 도전성 섬유 (5002) 를 교대로 배치한 평직물 (5100) 을 제작했다. 또, 절연성 섬유 (5003) 만으로 평직물을 제작하고, 시트 저항률이 60 × 106 Ω／□ (Ω／sq.) 이상인 평직물 (5200) 을 얻었다. 또한, 평직물 (5200) 의 경사 및 위사의 10 개에 1 개를 도전성 섬유 (5002) 로 바꾼 평직물 (5300) 을 얻었다. 이 평직물 (5300) 의 시트 저항률은 3.2 Ω／□ (Ω／sq.) 였다.
평직물 (5100), 평직물 (5200), 평직물 (5300) 의 순번으로 적층하고, 절연성 섬유 (5003) 에 의해 봉합하여 적층 포백을 얻었다.
폴리에스테르 셔츠와 나일론 점퍼를 겹쳐 입은 팔꿈치부에, 적층 포백의 평직물 (5100) 이 표면이 되도록 감아 고정했다.
평직물 (5100) 중의 압전성 섬유 (5001) 를 사이에 두는 1 쌍의 도전성 섬유 (5002) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 접속하고, 당해 신호선을 연결한 상태로 팔꿈치를 구부린 결과, 팔의 움직임에 맞추어 전압 신호를 얻을 수 있었다.
비교예 4
폴리에스테르 셔츠와 나일론 점퍼를 겹쳐 입은 팔꿈치부에 평직물 (5100) 을 감아 고정했다.
평직물 (5100) 중의 압전성 섬유 (5001) 를 사이에 두는 1 쌍의 도전성 섬유 (5002) 를 신호선으로서 오실로스코프 (요코가와 전기 (주) 제조 디지털 오실로스코프 DL6000 시리즈 상품명 『DL6000』) 에 접속하고, 당해 신호선을 연결한 상태로 팔꿈치를 구부린 결과, 노이즈가 커 팔의 움직임에 맞춘 전압 신호는 얻어지지 않았다.
A : 압전성 섬유
B : 도전성 섬유
C : 절연성 섬유
12 : 증폭 수단
13 : 출력 수단
100A : 압전성 섬유
100B : 도전성 섬유
1001 : 오실로스코프
1002 : 평가용 배선
1003 : 피복 섬유
1004 : 측정 샘플
1011 : 압전 소자
1012 : 증폭 수단
1013 : 출력 수단
1014 : 송신 수단
1101 : 센서
200A : 압전성 섬유
200B : 도전성 섬유
200C : 절연성 섬유
2001 : 끈목상 압전 소자
2002 : 시스부
2003 : 코어부
2005 : 포백상 압전 소자
2006 : 포백
2007 : 절연성 섬유
2008 : 도전성 섬유
2010 : 디바이스
2011 : 압전 소자
2012 : 증폭 수단
2013 : 출력 수단
2014 : 송신 수단
CL : 섬유축
α : 감기 각도
2100 : 평직물
300A : 압전성 섬유
300B : 도전성 섬유
300C : 절연성 섬유
3001 : 끈목상 압전 소자
3002 : 시스부
3003 : 코어부
3004 : 도전층
3005 : 도전성 물질
3006 : 도전성 섬유
3007 : 포백상 압전 소자
3008 : 포백
3009 : 절연성 섬유
3010 : 도전성 섬유
3011 : 디바이스
3012 : 압전 소자
3013 : 증폭 수단
3014 : 출력 수단
3015 : 송신 수단
CL : 섬유축
α : 감기 각도
3100 : 평직물
400A : 압전성 섬유
400B : 도전성 섬유
400C : 절연성 섬유
400D : 포백의 변형 방향
400E : 직교 좌표축
4011 : 트랜스듀서
4012 : 증폭 수단
4013 : 출력 수단
4014 : 송신 수단
4015 : 수신 수단
4101, 4102, 4103 : 디바이스
5001 : 압전성 섬유
5002 : 도전성 섬유
5003 : 절연성 섬유
5011 : 트랜스듀서
5012 : 증폭 수단
5013 : 출력 수단
5014 : 송신 수단
5015 : 수신 수단
5100 : 평직물
5101, 5102, 5103 : 디바이스
6001 : 끈목상 압전 소자
7001 : 끈목상 압전 소자
7002 : 시스부
7003 : 코어부
7005 : 포백상 압전 소자
7006 : 포백
7007 : 절연성 섬유
7008 : 도전성 섬유
7010 : 디바이스
7012 : 증폭 수단
7013 : 출력 수단
7015 : 비교 연산 수단
8001 : 끈목상 압전 소자
8005 : 포백상 소자
8008 : 다른 도전성 섬유
8010 : 디바이스
8012 : 압전 신호 해석 수단
8013 : 출력 수단
8014 : 송신 수단
8015 : 정전 용량 해석 수단
9001 : 끈목상 압전 소자
9004 : 섬유
9005 : 평끈목상 압전 소자
9006 : 평끈목
9007 : 코어사

Claims (64)

  1. 도전성 섬유 및 압전성 섬유로 이루어지는 조물을 포함하고, 상기 조물은 상기 도전성 섬유가 코어이며, 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위를 피복하는 피복 섬유인, 압전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10-4 N·㎡/m 이하인, 압전 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 섬유가 금속 코트된 유기 섬유인, 압전 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 주로 폴리락트산을 포함하는, 압전 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 주로 광학 순도 99 ％ 이상의 L-폴리락트산 또는 D-폴리락트산을 포함하는, 압전 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 1 축 배향하고 또한 결정을 포함하는, 압전 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복 섬유에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는, 압전 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    검출되는 상기 응력이, 상기 피복 섬유의 표면과 피접촉물의 표면의 사이의 마찰력인, 압전 소자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    검출되는 상기 응력이, 상기 피복 섬유의 표면 또는 선단부에 대한 수직 방향의 저항력인, 압전 소자.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 압전 소자를 사용한, 압전 센서.
  11. 제 10 항에 기재된 압전 센서와,
    인가된 압력에 따라 상기 압전 센서로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과,
    상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단
    을 구비하는, 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 디바이스는, 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 추가로 구비하는, 디바이스.
  13. 제 10 항에 기재된 압전 센서와,
    인가된 압력에 따라 상기 압전 센서로부터 전기 신호를 출력하는 출력 수단과,
    상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단
    을 구비하는, 디바이스.
  14. 도전성 섬유로 형성된 코어부와, 상기 코어부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 시스부를 구비하고, 상기 압전성 섬유가 주성분으로서 폴리락트산을 포함하고, 상기 도전성 섬유에 대한 상기 압전성 섬유의 감기 각도는 15 °이상, 75 °이하인, 끈목상 압전 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유의 총 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총 섬도의 1/2 배 이상, 20 배 이하인, 끈목상 압전 소자.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유의 한 개당 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총 섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인, 끈목상 압전 소자.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자를 포함하는 포백을 구비하는, 포백상 압전 소자.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 포백은, 상기 끈목상 압전 소자의 적어도 일부와 교차하여 접촉하는 도전성 섬유를 추가로 포함하는, 포백상 압전 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 포백을 형성하는 섬유이며 또한 상기 끈목상 압전 소자와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인, 포백상 압전 소자.
  20. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자와, 인가된 압력에 따라 상기 끈목상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는, 디바이스.
  21. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 기재된 포백상 압전 소자와, 인가된 압력에 따라 상기 포백상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는, 디바이스.
  22. 도전성 섬유로 형성된 코어부와, 상기 코어부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 시스부와, 상기 시스부의 주위에 형성된 도전층을 구비한, 끈목상 압전 소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 도전층에 의한 상기 시스부의 피복률이 25 ％ 이상인, 끈목상 압전 소자.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 도전층이 섬유로 형성되어 있는, 끈목상 압전 소자.
  25. 제 22 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 주성분으로서 폴리락트산을 포함하고, 상기 도전성 섬유에 대한 상기 압전성 섬유의 감기 각도는 15 °이상, 75 °이하인, 끈목상 압전 소자.
  26. 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유의 총 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총 섬도의 1 배 이상, 20 배 이하인, 끈목상 압전 소자.
  27. 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유의 한 개당 섬도는, 상기 도전성 섬유의 총 섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인, 끈목상 압전 소자.
  28. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자를 포함하는 포백을 구비하는, 포백상 압전 소자.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 포백은, 상기 끈목상 압전 소자의 적어도 일부와 교차하여 접촉하는 도전성 섬유를 추가로 포함하는, 포백상 압전 소자.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 포백을 형성하는 섬유이며 또한 상기 끈목상 압전 소자와 교차하는 섬유 중 30 ％ 이상이 도전성 섬유인, 포백상 압전 소자.
  31. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 기재된 끈목상 압전 소자와, 인가된 압력에 따라 상기 끈목상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는, 디바이스.
  32. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 기재된 포백상 압전 소자와, 인가된 압력에 따라 상기 포백상 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는, 디바이스.
  33. 적어도 2 층의 시트 혹은 포백으로 구성되는 트랜스듀서로서, 그 시트 혹은 그 포백 중 적어도 1 층이 하기의 A 층으로 이루어지고, 그 A 층 이외의 층 중 적어도 1 층이 하기의 B 층으로 이루어지는, 트랜스듀서.
    A 층 ： 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 평면상의 트랜스듀서로서, 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 응력과, 선택적인 출력 또는 입력으로서의 전기 신호를 서로 변환하는 기능을 갖는 트랜스듀서
    B 층 ： 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 평면상의 트랜스듀서로서, 그 A 층과는 상이한 특정의 위치 또는 방향에 있어서의 신호와, 혹은 그 A 층과 다른 종류의 신호와, 선택적인 출력 또는 입력으로서의 전기 신호를 서로 변환하는 기능을 갖는 트랜스듀서
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 A 층 및 상기 B 층의 사이에, 하기의 C 층을 적어도 1 층 포함하는, 트랜스듀서
    C 층 ： 상기 A 층과 상기 B 층 사이의 전기적 간섭에 의한 노이즈를 저감 하는 기능을 갖는 층
  35. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서,
    상기 압전 단위는 2 개의 도전성 섬유 및 1 개의 압전성 섬유를 포함하고, 도전성 섬유, 압전성 섬유 및 도전성 섬유가 이 순서로 배치되어 있는, 트랜스듀서.
  36. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서,
    상기 도전성 섬유 및 상기 압전성 섬유가 서로 물리적으로 접하는 접점을 가지고 있는, 트랜스듀서.
  37. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서,
    상기 압전 단위 중의 상기 도전성 섬유가 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 및/또는 압전성 섬유에 대해 전기적 접속하지 않도록, 절연성 섬유가 배치되어 있는, 트랜스듀서.
  38. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 주로 폴리락트산을 포함하는, 트랜스듀서.
  39. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 주로 광학 순도 99 ％ 이상의 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하는, 트랜스듀서.
  40. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 1 축 배향하고 또한 결정을 포함하는, 트랜스듀서.
  41. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서,
    상기 도전성 섬유가 금속 도금 섬유인, 트랜스듀서.
  42. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서,
    복수의 상기 압전 단위를 함유하는 직편물인, 트랜스듀서.
  43. 제 42 항에 있어서,
    복수의 상기 압전 단위를 함유하는 직물로서, 그 직조직이 평직, 능직, 새틴직 및 그들의 복합 조직인, 트랜스듀서.
  44. 제 43 항에 있어서,
    복수의 상기 직편물을 조합하여 사용하는, 트랜스듀서.
  45. 제 33 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서와, 인가된 압력에 따라 상기 트랜스듀서로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는, 디바이스.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 추가로 구비하는, 디바이스.
  47. 제 33 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서와, 인가된 압력에 따라 상기 트랜스듀서로부터 전기 신호를 출력하는 출력 수단과, 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 구비하는, 디바이스.
  48. 전기 신호를 수신하는 수신 수단과, 상기 수신 수단에 의해 수신한 전기 신호가 인가되는, 제 33 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서를 구비하는, 디바이스.
  49. 적어도 2 층의 시트 또는 포백으로 이루어지는 적층 트랜스듀서로서, 그 시트 또는 그 포백 중 적어도 1 층이 하기의 A 층으로 이루어지고, 그 A 층 이외의 층 중 적어도 1 층이 하기의 B 층으로 이루어지는, 트랜스듀서.
    A 층 ： 도전성 섬유 및 압전성 섬유가 전기적 접속을 제공하도록 대략 동일 평면 상에 배치되어 있는 압전 단위를 포함하는, 전기 신호를 출력 또는 입력으로 하는 트랜스듀서
    B 층 ： 시트 저항이 104 Ω／□ (Ω／sq.) 이하인 도전성 시트 또는 도전성 포백
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 A 층과 상기 B 층의 사이에 하기의 C 층이 추가로 적층되어 이루어지는, 트랜스듀서.
    C 층 ： 시트 저항이 106 Ω／□ (Ω／sq.) 이상인 절연성 시트 또는 절연성 포백
  51. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    상기 압전 단위는 2 개의 도전성 섬유 및 1 개의 압전성 섬유를 포함하고, 상기 도전성 섬유, 상기 압전성 섬유 및 상기 도전성 섬유가, 이 순서로 배치되어 있는, 트랜스듀서.
  52. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    상기 도전성 섬유 및 상기 압전성 섬유가 서로 물리적으로 접하는 접점을 가지고 있는, 트랜스듀서.
  53. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    상기 압전 단위 중의 상기 도전성 섬유가 다른 압전 단위 중의 도전성 섬유 및/또는 압전성 섬유에 대해 전기적 접속하지 않도록, 절연성 섬유가 배치되어 있는, 트랜스듀서.
  54. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 주로 폴리락트산을 포함하는, 트랜스듀서.
  55. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 주로 광학 순도 99 ％ 이상의 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하는, 트랜스듀서.
  56. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    상기 압전성 섬유가 1 축 배향하고 또한 결정을 포함하는, 트랜스듀서.
  57. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    상기 도전성 섬유가 금속 도금 섬유인, 트랜스듀서.
  58. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    복수의 상기 압전 단위를 함유하는 직편물인, 트랜스듀서.
  59. 제 58 항에 있어서,
    복수의 상기 압전 단위를 함유하는 직물로서, 그 직조직이 평직, 능직, 새틴직 및 그들의 복합 조직인, 트랜스듀서.
  60. 제 59 항에 있어서,
    복수의 상기 직물을 조합하여 사용하는, 트랜스듀서.
  61. 제 49 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서와, 인가된 압력에 따라 상기 트랜스듀서로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단을 구비하는, 디바이스.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 추가로 구비하는, 디바이스.
  63. 제 49 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서와, 인가된 압력에 따라 상기 트랜스듀서로부터 전기 신호를 출력하는 출력 수단과, 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 구비하는, 디바이스.
  64. 전기 신호를 수신하는 수신 수단과, 상기 수신 수단에 의해 수신한 전기 신호가 인가되는, 제 49 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 기재된 트랜스듀서를 구비하는, 디바이스.
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