KR20190092523A

KR20190092523A - 압전 구조체 및 그것을 사용한 디바이스

Info

Publication number: KR20190092523A
Application number: KR1020197019956A
Authority: KR
Inventors: 요시로 다지츠; 유헤이 오노; ?스케 가네마츠; 도모요시 야마모토
Original assignee: 데이진 프론티아 가부시키가이샤; 각코우호우진 간사이다이가쿠
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2019-08-07
Also published as: EP3570336A1; US11700772B2; WO2018131612A1; KR102322560B1; EP3570336A4; TWI745526B; EP3570336B1; TW201834279A; JP6842059B2; US20210135087A1; CN110226238A; CN110226238B; JP2018113334A

Abstract

도전성 섬유 (B) 및 압전성 섬유 (A) 로 이루어지는 조물을 포함하고, 상기 조물은 상기 도전성 섬유가 심 (3) 이고, 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위를 피복하는 피복 섬유 (1) 인 압전 구조체 (10) 로서, 상기 피복 섬유가 적어도 1 개의 굽힘부를 갖고, 상기 압전 구조체를 수평면에 놓았을 때의 상기 수평면으로부터 상기 압전 구조체의 최상부까지의 높이 (h) 가 상기 피복 섬유의 직경보다 큰 압전 구조체가 제공된다.

Description

압전 구조체 및 그것을 사용한 디바이스

본 발명은, 압전성 섬유를 사용한 압전 구조체 및 그것을 사용한 디바이스에 관한 것이다.

최근, 이른바 터치 패널 방식을 채용한 입력 장치, 즉 터치식 입력 장치가 대폭 증가하고 있다. 은행 ATM 이나 역의 매표기뿐만 아니라, 휴대 전화기, 휴대 게임기, 휴대 음악 플레이어 등에 있어서, 박형 디스플레이 기술의 발전과 아울러, 입력 인터페이스로서 터치 패널 방식이 채용되는 기기가 대폭 증가하고 있다.

최근의 휴대 전화나 스마트 폰에 있어서는, 액정이나 유기 일렉트로루미네선스 등을 사용한 표시 장치 상에 터치식 입력 장치를 설치하고, 화면 상에 직접적으로 입력할 수 있는 방식이 많이 채용되고 있다. 고도화가 진행되는 스마트 폰 등의 휴대 기기의 편리성을 한층 더 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 한 경우, 한쪽 손으로 스마트 폰을 들고, 다른 한쪽 손의 손가락으로 입력을 하게 되기 때문에, 양손을 사용한 조작이 되지 않을 수 없다. 한편, 스마트 폰의 케이스에도 터치 센서 등이 장착되어 있으면, 한손으로의 조작이 가능해진다는 이점이 있다.

그 일례로서, 통상은 센서로서 사용되고 있지 않은 표시 화면 뒤 등의 비표시 화면 부분의 케이스 부분에 터치 센서 등을 장착하고, 이 센서로 화면 정보 중의 항목 상 또는 앵커 포인트를 선택하는 방식이, 특허문헌 1 에 개시되어 있다. 특허문헌 1 과 같은 터치 센서를 실현하는 입력 장치로는, 정전 용량 방식, 저항막식, 광학식, 전자 유도 방식, 압전 시트를 사용하는 방식 등이 있다.

압전 시트를 사용하는 방식의 예로는, 특허문헌 2 에 개시가 있다. 압전 시트 방식은, 정전 용량 방식이나 저항막 방식의 터치 센서와는 달리, 그것 단체 (單體) 로 센서에 가해지는 압력과 위치 정보의 양방을 동시에 검출 가능하여, 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, 입력시에 압전 시트를 그 응력에 의해 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 케이스에 첩합 (貼合) 혹은 케이스와 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 케이스 표면은 반드시 평면이라고는 할 수 없고, 의장성 확보 등의 이유로, 그 형상에는 삼차원적인 요철이 많고, 그곳에 사용되는 압전 소자는 플렉시블할 것이 요망되고 있었다.

그런데, 압전 섬유 기술로서, 압전성 고분자에 비틀림을 가한 배향시킨 것이 특허문헌 3 에 개시되어 있다. 특허문헌 3 에 기재된 압전 섬유는, 섬유를 특수한 제조 방법으로 미리 비틀어 놓음으로써, 섬유에 대한 인장이나 압축에 대해서는 전기 출력이 얻어진다. 그러나 특허문헌 3 에는, 섬유 표면을 문지르는 것에 의한 전단 응력에 대하여 충분한 전기 출력을 발생시키고, 그것을 취출 (取出) 하는 것에 대한 기술은 전혀 개시되어 있지 않다. 따라서, 이와 같은 압전 섬유 소자를, 스마트 폰의 케이스 등에 장착하여, 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 대하여 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 부여하는 것에 의해 분극이 생기고, 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 적용한 경우, 탄소 섬유는 굽힘 강성이 약하기 때문에, 서서히 섬유가 꺾어져 정량적인 압전성이 얻어지지 않고, 서서히 압전 성능이 떨어져 갈 우려가 있다. 또, 끈목상의 압전 소자를 접촉식 프로브로서 사용하고, 피계측물의 높이나 형상 정보를 얻고자 하는 경우에는, 탄소 섬유가 꺾어져 선단이 날카로워지고, 또한 탄소 섬유 고유의 강성 때문에, 피계측물의 표면을 흠집낼 우려가 있다.

이것들을 해결하기 위해, 먼저 본 출원인들은, 특허문헌 5 에 기재된 바와 같이, 도전성 섬유 및 압전성 섬유로 이루어지는 조물을 포함하고, 상기 조물은 상기 도전성 섬유가 심 (core) 이고, 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위를 피복하는 피복 섬유인, 압전 소자에 관한 발명을 개발하였다. 이 발명에 있어서는, 비교적 작은 인가 응력에 의해 전기 출력을 취출할 수 있는 섬유상의 압전 소자가 얻어지기는 하지만, 전기 출력의 관점에서 더 나은 개선이 요구되고 있었다.

일본 공개특허공보 2001-189792호 일본 공개특허공보 2011-253517호 일본 특허 제3540208호 국제 공개 제2014/058077호 국제 공개 제2016/175321호

본 발명은 상기의 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능한 압전 구조체 및 그것을 사용한 디바이스를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 도전성 섬유와 압전성 고분자의 조합으로서, 심이 되는 도전성 섬유의 표면을 압전성 고분자로 피복한 끈목상의 피복 섬유를 사용하여 특정 구조를 갖는 압전 구조체를 형성하면, 종래의 압전 소자와 비교하여, 보다 큰 전기 신호를 취출할 수 있는 것을 알아내고, 본 발명에 도달하였다.

즉, 본 발명은 이하의 발명을 포함한다.

1. 도전성 섬유 및 압전성 섬유로 이루어지는 조물을 포함하고, 상기 조물은 상기 도전성 섬유가 심이고, 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위를 피복하는 피복 섬유인 압전 구조체로서, 상기 피복 섬유가 적어도 1 개의 굽힘부를 갖고, 상기 압전 구조체를 수평면에 놓았을 때의 상기 수평면으로부터 상기 압전 구조체의 최상부까지의 높이가 상기 피복 섬유의 직경보다 큰, 압전 구조체.

2. 상기 수평면으로부터 상기 압전 구조체의 최상부까지의 높이가 상기 피복 섬유의 직경의 2 배 이상인, 상기 1 에 기재된 압전 구조체.

3. 상기 피복 섬유가 임의의 지점에 1 이상의 매듭눈을 갖는, 상기 1 또는 2 에 기재된 압전 구조체.

4. 상기 매듭눈은, 장식 매듭, 로프 매듭, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는, 상기 1 ∼ 3 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

5. 상기 매듭눈이 장식 매듭이고, 그 장식 매듭이, 한 매듭, 길상 매듭, 합장 매듭, 바구니눈 매듭 15 각, 양하 매듭, 국화 매듭, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는, 상기 4 에 기재된 압전 구조체.

6. 상기 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10^-4 N·㎡/m 이하인, 상기 1 ∼ 5 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

7. 상기 도전성 섬유가 금속 코트된 유기 섬유인, 상기 1 ∼ 6 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

8. 상기 압전성 섬유가 주성분으로서 폴리락트산을 포함하는, 상기 1 ∼ 7 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

9. 상기 압전성 섬유가 주로 광학 순도 99 ％ 이상의 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하는, 상기 8 에 기재된 압전 구조체.

10. 상기 압전성 섬유가 1 축 배향하며 또한 결정을 포함하는, 상기 1 ∼ 9 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

11. 상기 피복 섬유에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는, 상기 1 ∼ 10 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

12. 검출되는 상기 응력이, 상기 피복 섬유의 표면과 피접촉물의 표면 사이의 마찰력인, 상기 11 에 기재된 압전 구조체.

13. 검출되는 상기 응력이, 상기 피복 섬유의 표면 또는 선단부에 대한 수직 방향의 저항력인, 상기 11 에 기재된 압전 구조체.

14. 상기 피복 섬유는 신장 변형에 의해 전기 신호를 출력하는, 상기 1 ∼ 13 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

15. 상기 피복 섬유는, 도전성 섬유로 형성된 심부와, 상기 심부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 초부를 갖는, 상기 1 ∼ 14 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

16. 상기 압전성 섬유는, 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 (d14) 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하의 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 압전성 고분자이고, 그 압전성 고분자에 의해 피복된 상기 심의 중심축의 방향에 대한 상기 압전성 고분자의 배향 각도가 15°이상 75°이하이고, 상기 압전성 고분자는, 압전 정수 (d14) 의 값이 정 (正) 인 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부 (負) 인 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 상기 중심축이 1 ㎝ 의 길이를 가지는 부분에 대하여, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 그 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 그 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 그 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 그 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP ＋ SN) 과 (SP ＋ ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하인, 상기 15 에 기재된 압전 구조체.

17. 상기 도전성 섬유의 주위를 절연성 섬유가 추가로 피복하는, 상기 1 ∼ 16 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

18. 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위에 Z 꼬임 방향으로 감기고, 상기 절연성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위에 S 꼬임 방향으로 감기거나, 또는 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위에 S 꼬임 방향으로 감기고, 상기 절연성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위에 Z 꼬임 방향으로 감긴, 상기 17 에 기재된 압전 구조체.

19. 상기 피복 섬유의 외측에 도전성 섬유로 이루어지는 층을 추가로 형성한, 상기 1 ∼ 18 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체.

20. 상기 1 ∼ 19 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체를 사용한 압전 센서.

21. 상기 20 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.

22. 상기 디바이스는, 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 추가로 구비하는, 상기 21 에 기재된 디바이스.

23. 상기 20 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.

본 발명에 의하면, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능한 압전 구조체 및 그것을 사용한 디바이스를 제공할 수 있다. 또, 장식 매듭 등의 매듭눈을 형성한 압전 구조체의 경우에는, 매듭눈을 형성하지 않은 종래의 피복 섬유로 이루어지는 압전 소자의 경우와 비교하여, 보다 큰 전기 신호를 취출할 수 있을 뿐만 아니라, 압전 구조체로서의 미관 (의장성) 을 높일 수도 있다. 따라서, 이와 같은 압전 구조체는, 높은 의장성이 요구되는 기술 분야에 있어서도 폭넓게 적용하는 것이 가능하다.

도 1 은, 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합에 있어서의 전기 신호의 발생 원리를 설명하는 모식적인 단면도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 압전 구조체의 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 피복 섬유의 바람직한 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4 는, 배향 각도 (θ) 의 계산 방법을 설명하는 모식도이다.
도 5 는, 본 발명의 압전 구조체를 구비하는 센서를 나타내는 블록도이다.
도 6 은, 본 발명에 관련된 압전 구조체를 구비하는 센서에 있어서의 피복 섬유와 증폭 수단의 접속예를 나타내는 모식도이다.
도 7 의 (a) 는, 매듭눈을 형성하지 않은 끈목상 피복 섬유로부터 출력되는 전기 신호의 일례를 나타내는 도면이고, (b) 는, 매듭눈을 형성한 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8 의 (a) 및 (b) 는, 본 발명에 관련된 매듭눈이 없는 압전 구조체를 나타내는 사진이고, (c) 는, 복수의 상이한 동작에 대하여 당해 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다.
도 9 의 (a) 는, 길상 매듭과 합장 매듭의 조합을 포함하는 압전 구조체를 나타내는 사진이고, (b) ∼ (d) 는, 각각 「흔든다」, 「손가락으로 집는다」 및 「잡아당긴다」의 동작에 대하여 당해 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다.
도 10 의 (a) 는, 길상 매듭과 합장 매듭의 조합을 포함하는 압전 구조체의 초커를 나타내는 사진이고, (b) ∼ (d) 는, 각각 「목의 맥」, 「음료를 마신다」 및 「기침을 한다」의 동작에 대하여 당해 초커로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다.
도 11 은, 바구니눈 매듭 15 각을 포함하는 압전 구조체의 코스터를 나타내는 사진이다.
도 12 의 (a) ∼ (c) 는, 각각 「손가락으로 누른다」, 「비커로 누른다」 및 「비커에 물을 붓는다」의 동작에 대하여 바구니눈 매듭 15 각을 포함하는 압전 구조체의 코스터로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다.
도 13 은, 양하 매듭을 포함하는 압전 구조체를 나타내는 사진이다.
도 14 의 (a) ∼ (c) 는, 각각 「손가락으로 누른다」, 「흔든다」 및 「세로에 늘린다」의 동작에 대하여 양하 매듭을 포함하는 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다.
도 15 는, 국화 매듭을 포함하는 압전 구조체의 키홀더를 나타내는 사진이다.
도 16 은, 실시형태에 관련된 끈목상 피복 섬유의 단면 사진이다.

처음에, 본 발명의 도전성 섬유와 압전성 섬유의 조합에 있어서의 전기 신호의 발생 원리에 대하여 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) 에 외력이 가해지고 있지 않은 상태에서는, 도전성 섬유 (B) 및 압전성 섬유 (A) 에 있어서, 정부 각 전하는 균일하게 분포하고 있다. 압전성 섬유 (A) 에 외력이 가해지기 시작하면, 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 압전성 섬유 (A) 에 있어서 분극이 발생하고, 전하의 정부가 일방향으로 배열된 상태가 된다. 압전성 섬유 (A) 의 분극에 의해 발생한 정부 각 전하의 배열에 이끌려, 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) 에 대한 외력이 유지 (고정) 되는 한 계속된다.

압전성 섬유 (A) 에 대한 외력이 유지 (고정) 된 상태 (도 1(b)) 로부터 압전성 섬유 (A) 에 대한 외력이 감소하기 시작하면, 도 1(c) 에 나타내는 바와 같이 압전성 섬유 (A) 에 있어서 분극은 해소되고, 압전성 섬유 (A) 에 있어서 정부 각 전하가 균일하게 분포한 상태가 된다. 압전성 섬유 (A) 에 있어서의 정부 각 전하의 균일 분포에 이끌려, 도전성 섬유 (B) 에 부의 전하가 유입된다. 이 부의 전하의 이동은 미소한 전기 신호의 흐름 (즉 전류) 으로서 나타나는데, 증폭 수단 (12) 에서는 이 전기 신호를 증폭하고, 증폭된 전기 신호를 출력 수단 (13) 에서 출력한다. 또한, 압전성 섬유 (A) 에 대한 외력이 증가하는 동작 중의 상태 (도 1(b)) 와 외력이 가해지고 있는 상태로부터 외력이 감소하고 있는 상태 (도 1(c)) 에서는, 부의 전하의 이동의 방향은 역방향이 되기 때문에, 외력이 증가하는 동작과 외력이 감소하는 동작에서는 역극성의 전기 신호가 발생한다. 예를 들어, 압전성 섬유 (A) 의 신장 동작시에는 정의 전기 신호가 발생하고, 압전성 섬유 (A) 의 복귀 동작시에는 부의 전기 신호가 발생한다.

본 발명에서는, 압전성 섬유 (A) 에 대한 신장 및 복귀 동작에 수반하여 발생하는 미소한 전기 신호를, 증폭 수단 (12) 에 의해 증폭하고 출력 수단 (13) 에 의해 출력하고, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리에 의해, 증폭 전기 신호가 정인지 부인지를 구분하고, 압전성 섬유 (A) 의 신장의 유무 및 신장의 정도를 검출한다. 예를 들어, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서, 증폭 수단 (12) 에서 증폭되고 출력 수단 (13) 으로부터 출력된 증폭 전기 신호를 시간 적분하고, 그리고, 이 적분치가, 소정의 상한치 이상이 되었을 때는 「신장 동작」으로 판정하고, 소정의 하한치 미만이 되었을 때는 「복귀 동작」으로 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, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

(압전 구조체)

본 발명의 압전 구조체는, 도전성 섬유 및 압전성 섬유로 이루어지는 조물을 포함하고, 상기 조물은 상기 도전성 섬유가 심이고, 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위를 피복하는 피복 섬유이고, 상기 피복 섬유가 적어도 1 개의 굽힘부를 갖고, 상기 압전 구조체를 수평면에 놓았을 때의 상기 수평면으로부터 상기 압전 구조체의 최상부까지의 높이가 상기 피복 섬유의 직경보다 큰 것을 특징으로 하고 있다. 도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 압전 구조체의 구성의 일례를 나타내는 모식도이고, 도 2(a) 는 상면도를 나타내고, 도 2(b) 는 측면도를 나타낸다.

도 2(a) 를 참조하면, 압전 구조체 (10) 는, 다음에 상세히 설명하는 피복 섬유 (1) 로 구성되고, 보다 구체적으로는 당해 피복 섬유 (1) 에 굽힘부가 형성되도록 매듭눈을 형성한 구조를 갖는다. 이 압전 구조체 (10) 를 수평면에 놓으면, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 수평면으로부터 압전 구조체 (10) 의 최상부까지의 높이 (h) 는 피복 섬유 (1) 의 직경보다 커진다. 이 경우에는, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 피복 섬유 (1) 는, 매듭눈 부분에 있어서, 수평면에 평행인 방향과는 상이한 복수의 방향으로 배향된 섬유축을 갖게 된다. 이 압전 구조체 (10) 에 대하여, 예를 들어, 수평면에 수직인 방향으로부터 응력을 인가한 경우에는, 매듭눈 부분의 피복 섬유 (1) 에 복수의 신장에 의한 변형이 생기고, 이와 같은 복수의 신장 변형에 의해 압전 구조체 (10) 에 있어서 복수의 전기 신호가 발생한다. 또, 이 압전 구조체 (10) 는, 상기와 같이, 복수의 방향으로 배향된 섬유축을 갖기 때문에, 수평면에 수직인 방향으로부터의 응력뿐만 아니라, 다른 여러 방향으로부터의 응력에 대해서도 신장 변형이 생기고, 전기 신호를 발생시키는 것이 가능하다. 덧붙여 말하면, 이와 같은 복수의 신장 변형에 의해 발생하는 전기 신호는, 당연히, 1 개의 신장 변형에 의해 발생하는 전기 신호보다 큰 것이 분명하다. 또, 매듭눈 부분은 복잡하게 구속되어 있기 때문에, 특정 방향의 응력에 대하여 국소적으로 응력이 집중되고, 그 결과 발생하는 전기 신호가 커지는 경우도 있다. 따라서, 이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 압전 구조체에 의하면, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도 보다 큰 전기 신호를 확실하게 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 이 압전 구조체 (10) 는 복수의 방향으로 배향된 섬유축을 갖기 때문에, 인가되는 응력의 방향이나 강도에 따라, 신장 변형의 방식이나 정도가 크게 변화하는 경우가 있다. 이 경우에는, 출력되는 신호의 강도나 거동도 변화하기 때문에, 응력이 인가되는 동작을 구별하는 것도 가능하다.

이와는 대조적으로, 1 개의 피복 섬유 (1) 를 단순히 수평면에 놓은 경우에는, 예를 들어, 피복 섬유 (1) 의 양단을 잡아당김으로써 신장 변형을 일으킬 수는 있지만, 다른 여러 방향으로부터의 응력, 예를 들어, 수평면에 대하여 평행이 아닌 방향으로부터의 응력에 대하여 충분한 신장 변형을 일으킬 수는 없다. 또한, 1 개의 피복 섬유 (1) 를 단순히 수평면에 놓은 경우에는, 본 발명의 압전 구조체와는 달리, 1 개의 응력 인가에 대하여 동시에 복수의 신장 변형을 일으키는 것도 곤란하다. 따라서, 본 발명의 압전 구조체에 의하면, 종래의 피복 섬유로 이루어지는 압전 소자와 비교하여, 보다 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능하다.

또한, 도 2 에서는, 이해를 용이하게 하기 위해, 본 발명의 압전 구조체로서 매듭눈을 갖는 구성을 나타냈지만, 본 발명의 압전 구조체는, 이와 같은 구성에는 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 압전 구조체는, 피복 섬유가 적어도 1 개의 굽힘부, 바람직하게는 적어도 2 개 또는 적어도 3 개의 굽힘부를 갖고, 압전 구조체를 수평면에 놓았을 때의 수평면으로부터 당해 압전 구조체의 최상부까지의 높이가 피복 섬유의 직경보다 큰 임의의 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 압전 구조체는, 피복 섬유에 단순히 굽힘부를 형성한 후, 당해 굽힘부를 접착제 등으로 고화시켜 그 구조를 유지할 수 있도록 한 것도 포함한다.

본 발명에 의하면, 수평면으로부터 압전 구조체 (10) 의 최상부까지의 높이는, 피복 섬유 (1) 의 직경보다 크면 되고 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 피복 섬유 (1) 의 직경의 2 배 이상이고, 보다 바람직하게는 3 배 이상이다. 압전 구조체 (10) 가 이와 같은 보다 큰 높이를 갖는 경우에는, 압전 구조체 (10) 가 배치되는 면에 대한 피복 섬유 (1) 의 섬유축의 기울기를 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 압전 구조체 (10) 에 대한 특정 방향으로부터의 응력의 인가, 예를 들어, 수평면에 수직인 방향으로부터의 응력의 인가에 대하여, 피복 섬유 (1) 에 있어서 보다 큰 신장 변형을 일으킬 수 있고, 그 결과로서 압전 구조체 (10) 로부터 보다 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능해진다. 또, 수평면으로부터 압전 구조체 (10) 의 최상부까지의 높이와 피복 섬유 (1) 의 굽힘부의 수를 적절히 조합함으로써, 비교적 작은 변형에 의해, 복수의 피복 섬유 (1) 의 각각으로부터 보다 큰 전기 신호를 취출함으로써, 전체로서 매우 큰 전기 신호를 취출하는 것도 가능하다.

본 발명에 있어서, 「피복 섬유의 직경」이란, 압전 구조체를 구성하는 피복 섬유의 가장 가는 부분의 직경을 말하는 것이다.

본 발명의 압전 구조체 (10) 에 있어서는, 피복 섬유 (1) 는, 임의의 지점에 1 이상의 매듭눈을 갖는 것이 바람직하다. 매듭눈을 형성함으로써, 접착제 등을 사용하는 일 없이, 피복 섬유 (1) 가 적어도 1 개의 굽힘부를 갖고, 수평면으로부터 압전 구조체 (10) 의 최상부까지의 높이가 피복 섬유 (1) 의 직경보다 큰 압전 구조체 (10) 를 보다 간단하게 형성할 수 있다. 보다 바람직하게는, 피복 섬유 (1) 는, 임의의 지점에 2, 3, 4 또는 그 이상의 매듭눈을 갖는다. 매듭눈의 수를 증가시킴으로써, 여러 방향으로 배향된 섬유축을 갖는 많은 피복 섬유 (1) 를 포함하는 압전 구조체 (10) 를 형성할 수 있다. 그 결과로서, 1 개의 응력 인가에 대하여 동시에 복수의 신장 변형을 일으킴으로써, 전체로서 매우 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능해진다.

이와 같은 매듭눈으로는, 당업자에게 공지된 임의의 매듭눈을 채용 가능하고, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 장식 매듭, 로프 매듭, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 채용 가능하다.

장식 매듭으로는, 예를 들어, 카와시마 비엔저 「도해 첫 장식 매듭 1 보정판」 스이요사 발행에 기재되어 있는 장식 매듭, 구체적으로는, 날개 매듭 (우상), 날개 매듭 (좌상), 전복 매듭 (한쪽 끈의 이동/좌돌림), 전복 매듭 (한쪽 끈의 이동/우돌림), 네쪽 날개 매듭, 장엄 매듭, 화만 매듭, 혼간지 (本願寺) 매듭 (거북 매듭), 잠자리 매듭 (아게마키 매듭/人 형), 잠자리 매듭 (아게마키 매듭/入 형), 국화 매듭, 국화 매듭 (쐐기 매듭), 뒤국화 매듭, 십이편 국화 매듭, 팔겹 국화 매듭, 매화 매듭, 나비 매듭 1, 나비 매듭 2, 석가 매듭 (석가 머리), 연봉 매듭, 네 마름 매듭, 아이오이 (相生) 매듭, 머리 장식 매듭, 바구니눈 매듭 10 각, 바구니눈 매듭 15 각, 육방 오지메 매듭, 생쪽 매듭, 두잎 매듭, 세잎 매듭, 매화꽃 매듭, 합장 매듭 (남매듭/人 형), 합장 매듭 (여매듭/入 형), 변화 도래 매듭 (가로), 변화 도래 매듭 (세로), 정자 매듭, 베틀 매듭, 뿔 매듭 (환), 뿔 매듭 (각), 가사 매듭, 부적 주머니 매듭 (가로), 부적 주머니 매듭 (세로), 옥방 (玉房) 매듭 (Mystic Knot), 안경 매듭, 평치기 (3 개), 평치기 (4 개), 평치기 (5 개), 비늘 치기 (평 7 개), 비늘 치기 (평 9 개), 밧줄 뜨기 (평), 각치기 (4 개), 각치기 (6 개), 각치기 (8 개), 환치기 (4 개), 환치기 (6 개), 좌우 매듭, 다슬기 매듭, 사슬 매듭, 겹침 네쪽 날개 매듭, 날개 이음 매듭, 겹침 날개 매듭, 더블 연봉 매듭, 밧줄 뜨기 매듭 삼각, 밧줄 뜨기 매듭 사각, 밧줄 뜨기 매듭 장방형, 바람개비 매듭, 바람개비 매듭 (한쪽 끈의 이동), 겹침 생쪽 매듭 (상삼각), 겹침 생쪽 이음 매듭 (하삼각), 삼정 (三井) 매듭, 양하 매듭, 호랑나비 매듭 (상향), 호랑나비 매듭 (하향), 옥방 매듭 삼각 (상향), 옥방 매듭 삼각 (하향), 옥방 매듭 변화 (마름꽃 매듭), 장 8 자 매듭, 횡 8 자 매듭, 밧줄 뜨기 매듭 사각 (2 방입), 장 안경 매듭, 횡 안경 매듭, 두겹 부적 주머니 매듭, 태양 매듭, 링 태양 매듭, 행운 우산 매듭, 개선 (開扇) 옥방 매듭, 종달새 매듭, 평 (平) 매듭, 칠보 (七寶) 매듭 (1 회 평매듭), 칠보 매듭 (1 회 반평매듭), 감음 매듭, 표 (表) 태팅 매듭, 좌상 비틀림 매듭, 우상 비틀림 매듭, 8 자 매듭, 고정 매듭, 정리 매듭 (래핑) 등을 채용 가능하다. 본 발명에 있어서는, 예를 들어, 한 매듭, 길상 매듭, 합장 매듭, 바구니눈 매듭 15 각, 양하 매듭, 국화 매듭, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 장식 매듭을 채용 가능하다.

로프 매듭으로는, 예를 들어, 스기우라 아키노리저 「도해 신·로프의 매듭법」 카이분도 발행에 기재되어 있는 로프 매듭, 구체적으로는, 한겹 매듭, 8 자 매듭, 한 매듭, 비틀림 매듭, 감음 매듭, 두겹 매듭, 보우라인 매듭, 체어 매듭, 올가미 매듭, 중간 고리 매듭, 조임 매듭, 진 (眞) 매듭, 한겹 이음, 캐릭 벤드, 오모이 매듭, 화만 매듭, 아게마키 매듭, 봉 매듭, 포박 매듭, 손잡이 매듭 (크라운·노트, 월·노트, 월·앤드·크라운·노트, 매슈·워커·노트, 다이아몬드·노트, 6 개 스트랜드의 손잡이 매듭), 테 매듭 (3 변 3 개형 턱스·헤드, 4 변 3 개형 턱스·헤드, 5 변 3 개형 턱스·헤드, 다변 3 개형 턱스·헤드, 4 개형 턱스·헤드) 등을 모두 채용 가능하다. 또, 장식 매듭 및 로프 매듭의 구체적인 매듭눈에 대해서는, 상기 문헌의 기재에 기초하여 용이하게 형성하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 압전 구조체에서는, 복수 개의 피복 섬유를 묶은 것을 사용해도 되고, 예를 들어, 피복 섬유의 직경이 적절한 사이즈가 되도록 당해 피복 섬유의 주위를 또 다른 섬유 또는 층으로 피복하고, 이와 같이 하여 얻어진 피복 섬유를 복수 개 묶어 사용해도 된다. 특히 상기의 장식 매듭을 갖는 피복 섬유를 포함하는 압전 구조체의 경우에는, 피복 섬유의 주위를 또 다른 여러 가지 형상 (예를 들어, 끈목상, 커버링사상 등) 이나 색을 갖는 섬유 또는 층으로 피복한 것을 (단독으로 또는) 복수 개 묶어 사용함으로써, 보다 의장성이 높은 압전 구조체를 얻을 수 있다. 이 때, 장식 매듭을 형성하는 모든 끈상물을 압전 피복 섬유로 해도 되고, 당해 끈상물의 일부에 압전 피복 섬유를 사용해도 된다.

(피복 섬유)

본 발명의 압전 구조체는, 도전성 섬유의 표면을 압전성 고분자의 섬유, 즉 압전성 섬유로 피복한 피복 섬유를 포함한다. 도 3 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 피복 섬유의 바람직한 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 피복 섬유 (1') 는, 도전성 섬유 (B) 로 형성된 심부 (3) 와, 심부 (3) 를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유 (A) 로 형성된 초부 (2) 를 구비하고 있다. 또한, 도 3 에서는, 상기와 같이, 피복 섬유 (1) 의 바람직한 구성의 일례로서 끈목상 피복 섬유 (1') 가 도시되어 있지만, 본 발명에 관련된 피복 섬유 (1) 는, 이와 같은 끈목상 피복 섬유 (1') 에는 한정되지 않고, 도전성 섬유와 압전성 섬유로 이루어지는 임의의 형상의 조물을 포함할 수 있다. 이하, 피복 섬유 (1) 의 바람직한 구성의 일례인 끈목상 피복 섬유 (1') 에 대하여 보다 상세히 설명한다.

끈목상 피복 섬유 (1') 에서는, 적어도 1 개의 도전성 섬유 (B) 의 외주면을 다수의 압전성 섬유 (A) 가 치밀하게 둘러 감고 있다. 끈목상 피복 섬유 (1') 에 변형이 생기면, 다수의 압전성 섬유 (A) 각각에 변형에 의한 응력이 생기고, 그것에 의해 다수의 압전성 섬유 (A) 각각에 전장이 생기고 (압전 효과), 그 결과, 도전성 섬유 (B) 를 둘러 감는 다수의 압전성 섬유 (A) 의 전장을 중첩한 전압 변화가 도전성 섬유 (B) 에 생긴다. 즉 압전성 섬유 (A) 의 끈목상의 초부 (2) 를 사용하지 않는 경우와 비교하여 도전성 섬유 (B) 로부터의 전기 신호가 증대된다. 그것에 의해, 끈목상 피복 섬유 (1') 에서는, 비교적 작은 변형으로 생기는 응력에 의해서도, 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 도전성 섬유 (B) 는 복수 개여도 된다.

끈목상 피복 섬유 (1') 는, 그 중심축 (도 3 중의 CL) 방향으로의 신장 변형에 대하여 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 것이 바람직하다.

(신장 변형에 대하여 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 피복 섬유)

중심축 방향으로의 신장 변형에 대하여 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 피복 섬유 (1') 로는, 예를 들어, 압전성 섬유 (A) 로서, 1 축 배향한 고분자의 성형체이고, 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 (d14) 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하의 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 압전성 고분자를 사용할 수 있다. 본 발명에 있어서 「주성분으로서 포함하는」이란, 구성 성분의 50 질량％ 이상을 차지하는 것을 가리킨다. 또, 본 발명에 있어서 결정성 고분자란, 1 질량％ 이상의 결정부와, 결정부 이외의 비정부로 이루어지는 고분자이고, 결정성 고분자의 질량이란 결정부와 비정부를 합계한 질량이다. 또한, d14 의 값은 성형 조건이나 순도 및 측정 분위기에 따라 상이한 값을 나타내는데, 본 발명에 있어서는, 실제로 사용되는 압전성 고분자 중의 결정성 고분자의 결정화도 및 결정 배향도를 측정하고, 그것과 동등한 결정화도 및 결정 배향도를 갖는 1 축 연신 필름을 당해 결정성 고분자를 사용하여 제조하고, 그 필름의 d14 의 절대값이, 실제로 사용되는 온도에 있어서 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하의 값을 나타내면 되고, 본 실시형태의 압전성 고분자에 포함되는 결정성 고분자로는, 후술되는 바와 같은 특정 결정성 고분자에는 한정되지 않는다. 필름 샘플의 d14 의 측정은 공지된 여러 방법을 취할 수 있지만, 예를 들어 필름 샘플의 양면에 금속을 증착하여 전극으로 한 샘플을, 연신 방향으로부터 45 도 경사진 방향으로 4 변을 갖는 장방형으로 잘라내고, 그 장척 방향으로 인장 하중을 가했을 때에 양면의 전극에 발생하는 전하를 측정함으로써, d14 의 값을 측정할 수 있다.

또, 중심축 방향으로의 신장 변형에 대하여 선택적으로 큰 전기 신호를 출력하는 끈목상 피복 섬유 (1') 에 있어서는, 중심축의 방향과 압전성 고분자의 배향 방향이 이루는 각도 (배향 각도 (θ)) 는 15°이상 75°이하인 것이 바람직하다. 이 조건을 만족할 때, 끈목상 피복 섬유 (1') 에 대하여 중심축 방향의 신장 변형 (인장 응력 및 압축 응력) 을 부여함으로써, 압전성 고분자에 포함되는 결정성 고분자의 압전 정수 (d14) 에 대응하는 압전 효과를 효율적으로 이용하고, 끈목상 피복 섬유 (1') 의 중심축측과 외측에 효율적으로 역극성 (역부호) 의 전하를 발생시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 배향 각도 (θ) 는 25°이상 65°이하인 것이 바람직하고, 35°이상 55°이하인 것이 보다 바람직하고, 40°이상 50°이하인 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이 압전성 고분자를 배치하면, 압전성 고분자의 배향 방향은 나선을 그리게 된다.

또, 이와 같이 압전성 고분자를 배치함으로써, 끈목상 피복 섬유 (1') 의 표면을 문지르는 전단 변형이나, 중심축을 굽히는 굽힘 변형이나, 중심축을 축으로 한 비틀림 변형에 대해서는 피복 섬유 (1) 의 중심축측과 외측에는 큰 전하를 발생시키지 않도록 하는, 즉 중심축 방향의 신장에 대하여 선택적으로 큰 전하를 발생시키는 끈목상 피복 섬유 (1') 로 할 수 있다.

배향 각도 (θ) 는, 가능한 한 하기 방법으로 측정한다. 끈목상 피복 섬유 (1') 의 측면 사진을 촬영하고, 압전성 고분자 (A') 의 나선 피치 (HP) 를 측정한다. 나선 피치 (HP) 는 도 4 와 같이, 1 개의 압전성 고분자 (A') 가 표면으로부터 이면을 돌아 다시 표면으로 오기까지 필요로 한, 중심축 방향의 직선 거리이다. 또, 필요에 따라 접착제로 구조를 고정 후에, 끈목상 피복 섬유 (1') 의 중심축에 수직인 단면을 잘라내어 사진을 촬영하고, 초부 (2) 가 차지하는 부분의 외측 반경 (Ro) 및 내측 반경 (Ri) 을 측정한다. 단면의 바깥 가장자리 및 안 가장자리가 타원형이나 편평한 원형인 경우에는, 장경과 단경의 평균치를 Ro 및 Ri 로 한다. 하기 식으로부터 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 (θ) 를 계산한다.

θ ＝ arctan(2πRm/HP) (0°≤ θ ≤ 90°)

단 Rm ＝ 2(Ro³ － Ri³)/3(Ro² － Ri²), 즉 단면적으로 가중 평균한 피복 섬유 (1) 의 반경이다.

피복 섬유 (1) 의 측면 사진에 있어서 압전성 고분자가 균일한 표면을 가지고 있고, 압전성 고분자의 나선 피치를 판별할 수 없는 경우에는, 접착제 등으로 고정시킨 끈목상 피복 섬유 (1') 를 중심축을 통과하는 평면으로 할단하고, 할단면에 수직인 방향으로, 중심축을 통과하도록 충분히 좁은 범위에서 X 선을 투과하도록 광각 X 선 회절 분석을 실시하고, 배향 방향을 결정하여 중심축과의 각도를 취하고, θ 로 한다.

본 발명에 관련된 끈목상 피복 섬유 (1') 에서는, 압전성 고분자의 배향 방향을 따라 그려지는 나선에 대하여, 나선 방향 (S 꼬임 방향 또는 Z 꼬임 방향) 이나 나선 피치를 달리하는 2 개 이상의 나선이 동시에 존재하는 경우가 있지만, 각각의 나선 방향 및 나선 피치의 압전성 고분자에 대하여 각각 상기 측정을 실시하고, 어느 하나의 나선 방향 및 나선 피치의 압전성 고분자가 전술한 조건을 만족하는 것이 필요하다.

중심축 방향의 신장 변형에 대하여 중심축측과 외측에 발생하는 전하의 극성은, 압전성 고분자의 배향 방향을 S 꼬임의 나선을 따라 배치한 경우와, 동일한 압전성 고분자의 배향 방향을 Z 꼬임의 나선을 따라 배치한 경우에서는, 서로 반대의 극성이 된다. 이 때문에, 압전성 고분자의 배향 방향을 S 꼬임의 나선을 따라 배치함과 동시에 Z 꼬임의 나선을 따라 배치한 경우에는, 신장 변형에 대한 발생 전하가 S 꼬임 방향과 Z 꼬임 방향에서 서로 상쇄되어 효율적으로 이용할 수 없기 때문에, 바람직하지 않다. 따라서, 상기의 압전성 고분자는, 압전 정수 (d14) 의 값이 정인 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부인 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 피복 섬유 (1) 의 중심축이 1 ㎝ 의 길이를 가지는 부분에 대하여, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP ＋ SN) 과 (SP ＋ ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하인 것이 바람직하고, 또한 0 이상 0.5 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 압전성 섬유로서 주성분으로서 폴리락트산이 포함되는 섬유를 사용하는 경우, 폴리락트산 중의 락트산 유닛은 90 몰％ 이상인 것이 바람직하고, 95 몰％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 98 몰％ 이상이 더욱 바람직하다.

또한, 끈목상 피복 섬유 (1') 에서는, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 초부 (2) 에서는 압전성 섬유 (A) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 되고, 심부 (3) 에서는 도전성 섬유 (B) 이외의 다른 섬유와 조합하여 혼섬 등을 실시해도 된다.

피복 섬유 (1) 또는 끈목상 피복 섬유 (1') 의 길이는 특별히 한정은 없지만, 제조에 있어서 연속적으로 제조되고, 그 후에 선호하는 길이로 커트하여 이용해도 된다. 실제의 압전 구조체로서의 이용에 있어서는, 피복 섬유 (1) 또는 끈목상 피복 섬유 (1') 의 길이는 1 ㎜ ∼ 20 m, 바람직하게는 1 ㎝ ∼ 10 m, 보다 바람직하게는 10 ㎝ ∼ 5 m 이다. 길이가 지나치게 짧으면 압전 구조체의 형성에 있어 불리한 경우가 있고, 또, 길이가 지나치게 길면 도전성 섬유 (B) 의 저항치의 문제 등에 의해 전기 출력이 저하되는 등의 문제가 있다.

이하, 각 구성에 대하여 상세히 설명한다.

(도전성 섬유)

도전성 섬유 (B) 로는, 도전성을 나타내는 것이면 되고, 공지된 모든 것이 사용된다. 도전성 섬유 (B) 로는, 예를 들어, 금속 섬유, 도전성 고분자로 이루어지는 섬유, 탄소 섬유, 섬유상 혹은 입상의 도전성 필러를 분산시킨 고분자로 이루어지는 섬유, 혹은 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성한 섬유를 들 수 있다. 섬유상물의 표면에 도전성을 갖는 층을 형성하는 방법으로는, 금속 코트, 도전성 고분자 코트, 도전성 섬유의 감음 등을 들 수 있다. 그 중에서도 금속 코트가 도전성, 내구성, 유연성 등의 관점에서 바람직하다. 금속을 코트하는 구체적인 방법으로는, 증착, 스퍼터, 전해 도금, 무전해 도금 등을 들 수 있지만 생산성 등의 관점에서 도금이 바람직하다. 이와 같은 금속이 도금된 섬유는 금속 도금 섬유라고 할 수 있다.

금속이 코트되는 베이스의 섬유로서, 도전성의 유무에 의존하지 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 이들에 한정되는 것은 아니고, 공지된 섬유를 임의로 사용할 수 있고, 이들 섬유를 조합하여 사용해도 된다.

베이스의 섬유에 코트되는 금속은 도전성을 나타내고, 본 발명의 효과를 발휘하는 한, 어느 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 주석, 아연, 팔라듐, 산화인듐주석, 황화구리 등, 및 이들의 혼합물이나 합금 등을 사용할 수 있다.

도전성 섬유 (B) 에 굴곡 내성이 있는 금속 코트한 유기 섬유를 사용하면, 도전성 섬유가 꺾이는 경우가 매우 적고, 압전 구조체를 사용한 센서로서의 내구성이나 안전성이 우수하다.

도전성 섬유 (B) 는 필라멘트를 복수 개 묶은 멀티필라멘트를 사용해도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노필라멘트를 사용해도 된다. 멀티필라멘트 쪽이 전기 특성의 장척 안정성의 관점에서 바람직하다. 모노필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사 직경은 1 ㎛ ∼ 5000 ㎛ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛ 이다. 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티필라멘트의 경우, 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 개 ∼ 500 개, 더욱 바람직하게는 10 개 ∼ 100 개이다. 단, 도전성 섬유 (B) 의 섬도·개수란, 끈목을 제작할 때에 사용하는 심부 (3) 의 섬도·개수이고, 복수 개의 단사 (모노필라멘트) 로 형성되는 멀티필라멘트도 1 개의 도전성 섬유 (B) 로 세는 것으로 한다. 여기서 심부 (3) 란, 도전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우라도, 그것을 포함시킨 전체의 양으로 한다.

섬유의 직경이 작으면 강도가 저하되어 핸들링이 곤란해지고, 또, 직경이 큰 경우에는 플렉시블성이 희생된다. 도전성 섬유 (B) 의 단면 형상으로는 원 또는 타원인 것이, 피복 섬유의 설계 및 제조의 관점에서 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다.

또, 압전성 고분자로부터의 전기 출력을 효율적으로 취출하기 위해, 전기 저항은 낮은 것이 바람직하고, 체적 저항률로는 10^-1 Ω·㎝ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10^-2 Ω·㎝ 이하, 더욱 바람직하게는 10^-3 Ω·㎝ 이하이다. 단, 전기 신호의 검출로 충분한 강도가 얻어지는 것이면 도전성 섬유 (B) 의 저항률은 이것에 한정되지 않는다.

도전성 섬유 (B) 는, 본 발명의 용도로부터, 반복적인 굽힘이나 비틀림과 같은 움직임에 대하여 내성이 있어야 한다. 그 지표로는, 결절 강도가, 보다 큰 것이 선호된다. 결절 강도는 JIS L1013 8.6 의 방법으로 측정할 수 있다. 본 발명에 적당한 결절 강도의 정도로는, 0.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 1.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 1.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 또, 다른 지표로는, 굽힘 강성이, 보다 작은 것이 선호된다. 굽힘 강성은, 카토테크 (주) 제조의 KES-FB2 순굽힘 시험기 등의 측정 장치로 측정되는 것이 일반적이다. 본 발명에 적당한 굽힘 강성의 정도로는, 토호 테낙스 (주) 제조의 탄소 섬유 “테낙스” (등록 상표) HTS40-3K 보다 작은 편이 바람직하다. 구체적으로는, 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10^-4 N·㎡/m 이하인 것이 바람직하고, 0.02 × 10^-4 N·㎡/m 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.01 × 10^-4 N·㎡/m 이하인 것이 더욱 바람직하다.

(압전성 섬유)

압전성 섬유 (A) 의 재료인 압전성 고분자로는 폴리불화비닐리덴이나 폴리락트산과 같은 압전성을 나타내는 고분자를 이용할 수 있지만, 본 실시형태에서는 상기와 같이 압전성 섬유 (A) 는 주성분으로서 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 (d14) 의 절대값이 높은 결정성 고분자, 특히 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리락트산은, 예를 들어 용융 방사 후에 연신에 의해 용이하게 배향하여 압전성을 나타내고, 폴리불화비닐리덴 등에서 필요해지는 전계 배향 처리가 불필요한 점에서 생산성이 우수하다. 그러나 이것은, 본 발명을 실시할 때에 폴리불화비닐리덴 그 밖의 압전성 재료의 사용을 배제하는 것을 의도하는 것은 아니다.

폴리락트산으로는, 그 결정 구조에 따라, L-락트산, L-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-L-락트산, D-락트산, D-락티드를 중합하여 이루어지는 폴리-D-락트산, 또한, 그들의 하이브리드 구조로 이루어지는 스테레오 컴플렉스 폴리락트산 등이 있지만, 압전성을 나타내는 것이면 모두 이용할 수 있다. 압전율의 높이의 관점에서 바람직하게는, 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산이다. 폴리-L-락트산, 폴리-D-락트산은 각각, 동일한 응력에 대하여 분극이 반대가 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 압전율이 저하되는 경우가 있고, 압전성 섬유 (A) 의 형상 변화에 의해 충분한 전기 신호를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다. 특히, 압전성 섬유 (A) 는, 주성분으로서 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하고, 이들의 광학 순도가 99 ％ 이상인 것이 바람직하다.

폴리락트산을 주성분으로 하는 압전성 섬유 (A) 는, 제조시에 연신되어, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향되어 있다. 또한, 압전성 섬유 (A) 는, 그 섬유축 방향으로 1 축 배향되어 있을 뿐만 아니라, 폴리락트산의 결정을 포함하는 것인 것이 바람직하고, 1 축 배향한 폴리락트산의 결정을 포함하는 것인 것이 보다 바람직하다. 왜냐하면, 폴리락트산은 그 결정성이 높은 것 및 1 축 배향되어 있는 것에 의해 보다 큰 압전성을 나타내고, d14 의 절대값이 높아지기 때문이다.

결정성 및 1 축 배향성은 호모 PLA 결정화도 (X_homo) (％) 및 결정 배향도 (Ao) (％) 로 구해진다. 본 발명의 압전성 섬유 (A) 로는, 호모 PLA 결정화도 (X_homo) (％) 및 결정 배향도 (Ao) (％) 가 하기 식 (1) 을 만족하는 것이 바람직하다.

X_homo × Ao × Ao ÷ 10⁶ ≥ 0.26 (1)

상기 식 (1) 을 만족하지 않는 경우, 결정성 및/또는 1 축 배향성이 충분하지 않고, 동작에 대한 전기 신호의 출력값이 저하되거나, 특정 방향의 동작에 대한 신호의 감도가 저하되거나 할 우려가 있다. 상기 식 (1) 의 좌변의 값은, 0.28 이상이 보다 바람직하고, 0.3 이상이 더욱 바람직하다. 여기서, 각각의 값은 하기에 따라 구한다.

호모 폴리락트산 결정화도 (X_homo) :

호모 폴리락트산 결정화도 (X_homo) 에 대해서는, 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의한 결정 구조 해석으로부터 구한다. 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에서는, (주) 리가쿠 제조의 ultrax18 형 X 선 회절 장치를 사용하여 투과법에 의해, 이하 조건에서 샘플의 X 선 회절 도형을 이미징 플레이트에 기록한다.

X 선원 : Cu-Kα 선 (컨포컬 미러)

출력 : 45 ㎸ × 60 ㎃

슬릿 : 1st : 1 ㎜Φ, 2nd : 0.8 ㎜Φ

카메라 길이 : 120 ㎜

적산 시간 : 10 분

샘플 : 35 mg 의 폴리락트산 섬유를 가지런히 하여 3 ㎝ 의 섬유속으로 함.

얻어지는 X 선 회절 도형에 있어서 방위각에 걸쳐 전산란 강도 (I_total) 를 구하고, 여기서 2θ ＝ 16.5°, 18.5°, 24.3° 부근에 나타나는 호모 폴리락트산 결정에 유래하는 각 회절 피크의 적분 강도의 총합 (ΣI_HMi) 을 구한다. 이들 값으로부터 하기 식 (2) 에 따라, 호모 폴리락트산 결정화도 (X_homo) 를 구한다.

호모 폴리락트산 결정화도 (X_homo) (％) ＝ ΣI_HMi/I_total × 100 (2)

또한, ΣI_HMi 는, 전산란 강도에 있어서 백그라운드나 비정 (非晶) 에 의한 산만 산란을 뺌으로써 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 결정에 유래하는 회절 피크에 대하여, 방위각 (°) 에 대한 강도 분포를 취하고, 얻어진 분포 프로파일의 반치폭의 총계 (ΣW_i) (°) 로부터 다음 식 (3) 으로부터 산출한다.

결정 배향도 (Ao) (％) ＝ (360 － ΣW_i) ÷ 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.

압전성 섬유 (A) 는 필라멘트를 복수 개 묶은 멀티필라멘트여도 되고, 또, 필라멘트 1 개로 이루어지는 모노필라멘트여도 된다. 모노필라멘트 (방적사를 포함한다) 의 경우, 그 단사 직경은 1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 2 ㎜, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 1 ㎜ 이다. 멀티필라멘트의 경우, 그 단사 직경은 0.1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티필라멘트의 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50 개 ∼ 50000 개, 더욱 바람직하게는 100 개 ∼ 20000 개이다. 단, 압전성 섬유 (A) 의 섬도나 개수에 대해서는, 끈목을 제작할 때의 캐리어 1 개당의 섬도, 개수이고, 복수 개의 단사 (모노필라멘트) 로 형성되는 멀티필라멘트도 1 개의 압전성 섬유 (A) 로 세는 것으로 한다. 여기서, 캐리어 1 개 중에, 압전성 섬유 이외의 섬유를 사용한 경우라도, 그것을 포함시킨 전체의 양으로 한다.

이와 같은 압전성 고분자를 압전성 섬유 (A) 로 하기 위해서는, 고분자로부터 섬유화하기 위한 공지된 수법을, 본 발명의 효과를 발휘하는 한 모두 채용할 수 있다. 예를 들어, 압전성 고분자를 압출 성형하여 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 용융 방사하여 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 건식 혹은 습식 방사에 의해 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 정전 방사에 의해 섬유화하는 수법, 필름을 형성한 후에 가늘게 커트하는 수법 등을 채용할 수 있다. 이들의 방사 조건은, 채용하는 압전성 고분자에 따라 공지된 수법을 적용하면 되고, 통상은 공업적으로 생산이 용이한 용융 방사법을 채용하면 된다. 또한, 섬유를 형성한 후에는 형성된 섬유를 연신한다. 그것에 의해 1 축 연신 배향하며 또한 결정을 포함하는 큰 압전성을 나타내는 압전성 섬유 (A) 가 형성된다.

또, 압전성 섬유 (A) 는, 상기와 같이 제작된 것을 끈목으로 하기 전에, 염색, 연사, 합사, 열처리 등의 처리를 할 수 있다.

또한, 압전성 섬유 (A) 는, 끈목을 형성할 때에 섬유끼리가 문질러져 단사 (斷絲) 되거나, 보풀이 생기거나 하는 경우가 있기 때문에, 그 강도와 내마모성은 높은 편이 바람직하고, 강도는 1.5 cN/dtex 이상인 것이 바람직하고, 2.0 cN/dtex 이상인 것이 보다 바람직하고, 2.5 cN/dtex 이상인 것이 더욱 바람직하고, 3.0 cN/dtex 이상인 것이 가장 바람직하다. 내마모성은, JIS L1095 9.10.2 B 법 등으로 평가할 수 있고, 마찰 횟수는 100 회 이상이 바람직하고, 1000 회 이상인 것이 보다 바람직하고, 5000 회 이상인 것이 더욱 바람직하고, 10000 회 이상인 것이 가장 바람직하다. 내마모성을 향상시키기 위한 방법은 특별히 한정되는 것은 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 후의 후처리 공정이나 실사용시에 열이 가해졌을 때나 시간 경과적 변화에 의해 끈목이 구부러지거나, 압전 신호가 약해지는 경우가 있다. 수축률을 후술하는 비수 (沸水) 수축률로 정량화한 경우, 압전성 섬유의 비수 수축률 (S(p)) 및 도전성 섬유의 비수 수축률 (S(c)) 이 하기 식 (4) 를 만족하는 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 후의 후처리 공정이나 실사용시에 열이 가해졌을 때나 시간 경과적 변화에 의해 끈목이 구부러지거나, 압전 신호가 약해지는 경우가 있다. 수축률을 비수 수축률로 정량화한 경우, 압전성 섬유의 비수 수축률 (S(p)) 및 절연성 섬유의 비수 수축률 (S(ⅰ)) 이 하기 식 (5) 를 만족하는 것이 바람직하다.

｜S(p) － S(ⅰ)｜ ≤ 10 (5)

상기 식 (5) 의 좌변은 5 이하인 것이 보다 바람직하고, 3 이하이면 더욱 바람직하다.

또, 압전성 섬유의 수축률은 작은 편이 바람직하다. 예를 들어 수축률을 비수 수축률로 정량화한 경우, 압전성 섬유의 수축률은 15 ％ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 5 ％ 이하, 가장 바람직하게는 3 ％ 이하이다. 수축률을 낮추는 수단으로는, 공지된 모든 방법을 적용할 수 있고, 예를 들어, 열처리에 의해 비정부의 배향 완화나 결정화도를 높이는 것에 의해 수축률을 저감시킬 수 있고, 열처리를 실시하는 타이밍은 특별히 한정되지 않고, 연신 후, 연사 후, 끈목화 후 등을 들 수 있다. 또한, 상기 서술한 비수 수축률은 이하의 방법으로 측정하는 것으로 한다. 프레임 둘레 1.125 m 의 검척기 (檢尺機) 로 권수 20 회의 실패를 만들고, 0.022 cN/dtex 의 하중을 가하고, 스케일판에 매달아 초기의 실패 길이 (L0) 를 측정하였다. 그 후, 이 실패를 100 ℃ 의 비등수욕 중에서 30 분간 처리 후, 방랭하고 다시 상기 하중을 가하고 스케일판에 매달아 수축 후의 실패 길이 (L) 를 측정하였다. 측정된 L0 및 L 을 사용하여 하기 식 (6) 에 의해 비수 수축률을 계산한다.

비수 수축률 ＝ (L0 － L)/L0 × 100 (％) (6)

(피복)

도전성 섬유 (B) 또는 심부 (3) 는, 압전성 고분자로부터 형성되는 압전성 섬유 (A) 로 표면이 피복되어 있다. 도전성 섬유 (B) 를 피복하는 압전성 섬유층 또는 초부 (2) 의 두께는 1 ㎛ ∼ 10 ㎜ 인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 5 ㎜, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 3 ㎜, 가장 바람직하게는 20 ㎛ ∼ 1 ㎜ 이다. 지나치게 얇으면 강도의 면에서 문제가 되는 경우가 있고, 또, 지나치게 두꺼우면 전기 출력을 취출하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.

끈목상 피복 섬유 (1') 에 있어서, 초부 (2) 의 압전성 섬유 (A) 의 총섬도는, 심부 (3) 의 도전성 섬유 (B) 의 총섬도의 1/2 배 이상, 20 배 이하인 것이 바람직하고, 1 배 이상, 15 배 이하인 것이 보다 바람직하고, 2 배 이상, 10 배 이하인 것이 더욱 바람직하다. 압전성 섬유 (A) 의 총섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대하여 지나치게 작으면, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 적어 도전성 섬유 (B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 도전성 섬유 (B) 가 근접하는 다른 도전성 섬유에 접촉할 우려가 있다. 압전성 섬유 (A) 의 총섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대하여 지나치게 크면, 도전성 섬유 (B) 를 둘러싸는 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 많아 끈목상 피복 섬유 (1') 가 단단해지고 변형하기 어려워진다. 즉, 어느 경우에도 압전 구조체 (10) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.

여기서 말하는 총섬도란, 초부 (2) 를 구성하는 압전성 섬유 (A) 모든 섬도의 합이고, 예를 들어, 일반적인 8 타 (打) 끈목의 경우에는, 8 개의 섬유의 섬도의 총합이 된다.

또, 끈목상 피복 섬유 (1') 에 있어서, 초부 (2) 의 압전성 섬유 (A) 의 1 개당의 섬도는, 도전성 섬유 (B) 의 총섬도의 1/20 배 이상, 2 배 이하인 것이 바람직하고, 1/15 배 이상, 1.5 배 이하인 것이 보다 바람직하고, 1/10 배 이상, 1 배 이하인 것이 더욱 바람직하다. 압전성 섬유 (A) 1 개당의 섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대하여 지나치게 작으면, 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 가늘어 도전성 섬유 (B) 가 충분한 전기 신호를 출력할 수 없고, 또한 압전성 섬유 (A) 가 절단될 우려가 있다. 압전성 섬유 (A) 1 개당의 섬도가 도전성 섬유 (B) 의 총섬도에 대하여 지나치게 크면, 압전성 섬유 (A) 가 지나치게 굵어 피복 섬유 (1) 가 단단해지고 변형하기 어려워진다. 즉, 어느 경우에도 압전 구조체 (10) 가 센서로서 충분히 기능하지 않게 된다.

또한, 도전성 섬유 (B) 에 금속 섬유를 사용한 경우나, 금속 섬유를 도전성 섬유 (B) 혹은 압전성 섬유 (A) 에 혼섬한 경우에는, 섬도의 비율은 상기에 한정되지 않는다. 본 발명에 있어서, 상기 비율은, 접촉 면적이나 피복률, 즉, 면적 및 체적의 관점에서 중요하기 때문이다. 예를 들어, 각각의 섬유의 비중이 2 를 초과하는 경우에는, 섬유의 평균 단면적의 비율이 상기 섬도의 비율인 것이 바람직하다.

압전성 섬유 (A) 와 도전성 섬유 (B) 는 가능한 한 밀착되어 있는 것이 바람직하지만, 밀착성을 개량하기 위해, 도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 사이에 앵커층이나 접착층 등을 형성해도 된다.

피복의 방법은 도전성 섬유 (B) 를 심으로 하고, 그 주위에 압전성 섬유 (A) 를 감는 방법이 취해진다. 한편, 압전성 섬유층의 형상은, 인가된 응력에 대하여 전기 출력을 낼 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 끈목상 피복 섬유 (1') 의 경우에 있어서는, 심부 (3) 를 갖는 8 타 끈목이나 16 타 끈목이 바람직하다.

도전성 섬유 (B) 와 압전성 섬유 (A) 의 형상으로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 가능한 한 동심원상에 가까운 것이 바람직하다. 또한, 도전성 섬유 (B) 로서 멀티필라멘트를 사용하는 경우, 압전성 섬유 (A) 는, 도전성 섬유 (B) 의 멀티필라멘트의 표면 (섬유 둘레면) 의 적어도 일부가 접촉하고 있도록 피복되어 있으면 되고, 멀티필라멘트를 구성하는 모든 필라멘트 표면 (섬유 둘레면) 에 압전성 섬유 (A) 가 피복되어 있어도 되고, 또, 피복되어 있지 않아도 된다. 도전성 섬유 (B) 의 멀티필라멘트를 구성하는 내부의 각 필라멘트에 대한 압전성 섬유 (A) 의 피복 상태는, 압전성 소자로서의 성능, 취급성 등을 고려하여, 적절히 설정하면 된다.

본 발명에 있어서의 피복 섬유 (1) 는 적어도 1 개의 도전성 섬유를 포함하지만, 도전성 섬유는 1 개에 한정되지 않고, 보다 많아도 된다.

본 발명에 있어서의 피복 섬유 (1) 는, 그 표면에 전극을 존재시킬 필요가 없기 때문에, 피복 섬유 (1) 자체를 추가로 피복할 필요가 없고, 또, 오동작하기 어렵다는 이점이 있다.

(절연성 섬유)

본 발명에 관련된 피복 섬유 (1) 에서는, 도전성 섬유 (B) 의 주위를 절연성 섬유로 추가로 피복해도 된다. 보다 구체적으로는, 끈목상 피복 섬유 (1') 에서는, 초부 (2) 는 압전성 섬유 (A) 만에 의해 형성해도 되고, 또는 압전성 섬유 (A) 와 절연성 섬유의 조합에 의해 형성해도 된다. 예를 들어, 압전성 섬유 (A) 가 도전성 섬유 (B) 의 주위에 Z 꼬임 방향으로 감기고, 절연성 섬유가 도전성 섬유 (B) 의 주위에 S 꼬임 방향으로 감기거나, 또는 압전성 섬유 (A) 가 도전성 섬유 (B) 의 주위에 S 꼬임 방향으로 감기고, 절연성 섬유가 도전성 섬유 (B) 의 주위에 Z 꼬임 방향으로 감겨도 된다.

이와 같은 절연성 섬유로는, 예를 들어, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 염화비닐 섬유, 아라미드 섬유, 폴리술폰 섬유, 폴리에테르 섬유, 폴리우레탄 섬유 등의 합성 섬유 외에, 면, 마, 견 등의 천연 섬유, 아세테이트 등의 반합성 섬유, 레이온, 큐프라 등의 재생 섬유를 사용할 수 있다. 이들에 한정되는 것은 아니고, 공지된 절연성 섬유를 임의로 사용할 수 있다. 또한, 이들 절연성 섬유를 조합하여 사용해도 되고, 절연성을 가지지 않는 섬유와 조합하고, 전체로서 절연성을 갖는 섬유로 해도 된다.

또, 공지된 모든 단면 형상의 섬유도 사용할 수 있다.

(제조 방법)

본 발명의 압전 구조체는, 적어도 1 개의 도전성 섬유 (B) 의 표면을 압전성 섬유 (A) 로 피복한 피복 섬유를 포함한다. 이 피복 섬유의 제조 방법으로서 이하의 방법을 들 수 있다. 즉, 도전성 섬유 (B) 와 연신한 압전성 섬유 (A) 를 별도의 공정으로 제작하고, 도전성 섬유 (B) 에 압전성 섬유 (A) 를 감거나 하여 피복하는 방법이다. 이 경우에는, 가능한 한 동심원상에 가까워지도록 피복하는 것이 바람직하다.

이 경우, 압전성 섬유 (A) 를 형성하는 압전성 고분자로서 폴리락트산을 사용하는 경우의 바람직한 방사, 연신 조건으로서, 용융 방사 온도는 150 ∼ 250 ℃ 가 바람직하고, 연신 온도는 40 ∼ 150 ℃ 가 바람직하고, 연신 배율은 1.1 배 내지 5.0 배가 바람직하고, 결정화 온도는 80 ∼ 170 ℃ 가 바람직하다.

도전성 섬유 (B) 에 감는 압전성 섬유 (A) 로는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다. 또, 압전성 섬유 (A) 가 감기는 도전성 섬유 (B) 로는, 복수의 필라멘트를 묶은 멀티필라멘트를 사용해도 되고, 또, 모노필라멘트 (방적사를 포함한다) 를 사용해도 된다.

감아서 피복하는 형태로는, 예를 들어, 압전성 섬유 (A) 를 편조 튜브와 같은 형태로 하고, 도전성 섬유 (B) 를 심으로서 당해 편조 튜브에 삽입함으로써 피복해도 된다. 또, 도전성 섬유 (B) 를 심사 (芯絲) 로 하고, 그 주위에 압전성 섬유 (A) 를 제뉴 (製紐) 하여, 환타 조물 (Tubular Braid) 을 제작함으로써, 피복해도 된다. 압전성 섬유 (A) 를 모노필라멘트로서 사용하는 경우, 그 단사 직경은 1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 5 ㎛ ∼ 2 ㎜, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ∼ 1 ㎜ 이다. 멀티필라멘트로서 사용하는 경우, 그 단사 직경은 0.1 ㎛ ∼ 5 ㎜ 이고, 바람직하게는 2 ㎛ ∼ 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 ㎛ ∼ 50 ㎛ 이다. 멀티필라멘트의 필라멘트수로는, 1 개 ∼ 100000 개가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50 개 ∼ 50000 개, 더욱 바람직하게는 100 개 ∼ 20000 개이다.

본 발명의 압전 구조체는, 이상과 같은 방법으로 제조한 피복 섬유를 사용하여 임의의 적절한 방법에 의해 제조할 수 있다. 예를 들어, 피복 섬유에 적어도 1 개의 굽힘부를 형성한 후, 당해 적어도 1 개의 굽힘부를 접착제 등으로 고화시켜 압전 구조체가 3 차원의 구조를 유지할 수 있도록 해도 된다. 혹은 또, 본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 피복 섬유의 임의의 지점에 1 이상의 매듭눈을 형성해도 된다. 이와 같은 방법에 의하면, 접착제 등을 사용하는 일 없이, 피복 섬유가 적어도 1 개의 굽힘부를 갖고, 수평면으로부터 압전 구조체의 최상부까지의 높이가 피복 섬유의 직경보다 큰 압전 구조체를 보다 간단하게 형성할 수 있다. 또한, 매듭눈은, 공지된 매듭 수법을 모두 사용할 수 있고, 동일한 매듭눈을 복수 형성해도 되고, 이종을 복수 형성해도 된다. 공지된 매듭 수법으로는, 장식 매듭이나 로프 매듭이 알려져 있고, 이들의 조합 등, 모두 적용 가능하다. 예를 들어, 카와시마 비엔저 「도해 첫 장식 매듭 1 보정판」 스이요사 발행에 기재되어 있는 장식 매듭이나, 스기우라 아키노리저 「도해 신·로프의 매듭법」 카이분도 발행에 기재되어 있는 로프 매듭 등을 모두 채용 가능하고, 구체적인 매듭눈에 대해서는, 이들 문헌의 기재에 기초하여 용이하게 형성하는 것이 가능하다. 이들 매듭눈은, 예를 들어, 피복 섬유의 주위를 추가로 다른 여러 가지 형상 (예를 들어, 끈목상, 커버링사상 등) 이나 색을 갖는 섬유 또는 층으로 피복한 것을 단독으로 또는 복수 개 묶어 사용함으로써 형성해도 된다. 이와 같은 피복 섬유는, 예를 들어, 피복 섬유의 주위에 다른 여러 가지 색을 갖는 섬유를 끈목상 혹은 커버링사상으로 감음으로써 형성해도 되고, 또는 끈목상 혹은 커버링사상의 끈에 본 발명에 관련된 피복 섬유를 삽입함으로써 형성해도 된다.

(보호층)

본 발명에 관련된 피복 섬유 (1) 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 보호층째 변형시키거나, 보호층 상을 문지르거나 하게 되지만, 이들 외력이 압전성 섬유 (A) 까지 도달하고, 그 분극을 야기할 수 있는 것이면 특별히 한정은 없다. 보호층으로는, 고분자 등의 코팅에 의해 형성되는 것에 한정되지 않고, 필름, 포백, 섬유 등을 감아도 되고, 혹은, 그것들이 조합된 것이어도 된다.

보호층의 두께로는 가능한 한 얇은 편이, 전단 응력을 압전성 섬유 (A) 에 전달하기 쉽지만, 지나치게 얇으면 보호층 자체가 파괴되는 등의 문제가 발생하기 쉬워지기 때문에, 바람직하게는 10 ㎚ ∼ 200 ㎛, 보다 바람직하게는 50 ㎚ ∼ 50 ㎛, 더욱 바람직하게는 70 ㎚ ∼ 30 ㎛, 가장 바람직하게는 100 ㎚ ∼ 10 ㎛ 이다.

또, 노이즈 저감을 목적으로 하여, 피복 섬유 (1) 의 외측에 전자파 실드층을 추가로 형성해도 된다. 전자파 실드층은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도전성의 물질을 코팅해도 되고, 도전성을 갖는 필름, 포백, 섬유 등을 감아도 된다. 전자파 실드층의 체적 저항률로는 10^-1 Ω·㎝ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10^-2 Ω·㎝ 이하, 더욱 바람직하게는 10^-3 Ω·㎝ 이하이다. 단, 전자파 실드층의 효과가 얻어지는 것이면 저항률은 이것에 한정되지 않는다. 이 전자파 실드층은, 초의 압전성 섬유 (A) 의 표면에 형성해도 되고, 전술한 보호층의 외측에 형성해도 된다. 물론, 전자파 실드층과 보호층이 복수 층 적층되어 있어도 되고, 그 순서도 목적에 따라 적절히 결정된다.

나아가서는, 압전성 섬유로 이루어지는 층을 복수 층 형성하거나, 신호를 취출하기 위한 도전성 섬유로 이루어지는 층을 복수 층 형성하거나 할 수도 있다. 물론, 이들 보호층, 전자파 실드층, 압전성 섬유로 이루어지는 층, 도전성 섬유로 이루어지는 층은, 그 목적에 따라, 그 순서 및 층수는 적절히 결정된다. 또한, 감는 방법으로는, 예를 들어, 끈목상 피복 섬유 (1') 의 경우에는, 초부 (2) 의 더욱 외층에 끈목 구조를 형성하거나, 커버링하거나 하는 방법을 들 수 있다.

(작용)

본 발명의 압전 구조체는, 표면을 누른다, 문지른다 혹은 흔든다 등에 의해 압전성 고분자에 전단 응력이 부여된다면, 전기 출력을 취출하는 것이 가능하고, 압전 구조체에 응력이 인가된 것, 응력의 크기, 인가된 위치 등을 검출하는 센서로서 이용할 수 있다.

또한, 매듭눈을 형성한 압전 구조체의 경우에는, 상기와 같이, 매듭눈을 형성하지 않은 종래의 피복 섬유로 이루어지는 압전 소자의 경우와 비교하여, 보다 큰 전기 신호를 취출하는 것이 가능하고, 따라서 이와 같은 압전 구조체를 이용함으로써 센싱 성능이 향상된 센서를 제조할 수 있다. 더구나, 장식 매듭 등의 매듭눈을 형성함으로써 압전 구조체로서의 미관 (의장성) 을 높일 수도 있기 때문에, 높은 의장성이 요구되는 기술 분야에 있어서도 폭넓게 적용하는 것이 가능하다.

(압전 구조체의 적용 기술)

본 발명의 압전 구조체는 어떠한 양태라도, 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화, 진동 등을 전기 신호로서 출력할 수 있기 때문에, 압전 구조체에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는 센서로서 이용할 수 있다. 도 5 는, 본 발명의 압전 구조체를 구비하는 센서를 나타내는 블록도이다. 본 발명의 압전 구조체 (10) 와, 인가된 압력에 따라 압전 구조체 (10) 로부터 출력되는 전기 신호를 증폭하는 증폭 수단 (12) 과, 증폭 수단 (12) 에서 증폭된 전기 신호를 출력하는 출력 수단 (13) 과, 출력 수단 (13) 으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기 (도시 생략) 로 송신하는 송신 수단 (14) 으로 이루어지는 압전 센서 (11) 를 구성하면, 압전 구조체 (10) 의 표면에 대한 접촉, 압력, 형상 변화, 진동에 의해 출력된 전기 신호에 기초하여, 외부 기기 (도시 생략) 에 있어서의 연산 처리로, 압전 구조체 (10) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출할 수 있다. 혹은, 압전 센서 (11) 내에, 출력 수단 (13) 으로부터 출력된 전기 신호에 기초하여 압전 구조체 (10) 에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 연산하는 연산 수단 (도시 생략) 을 설치해도 된다.

증폭 수단 (12) 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. 프로세서로는, 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 (13) 은, 예를 들어 각종 커넥터로 단독으로 구축되어도 되고, 혹은 송신 수단 (14) 과 일체화한 통신 장치로서 구축되어도 된다. 또한 혹은, 증폭 수단 (12), 출력 수단 (13) 및 송신 수단 (14) 의 기능을 통합하여, 소프트웨어 프로그램을 기록한 집적 회로 혹은 마이크로 프로세서 등으로 실현해도 된다. 또한, 송신 수단 (14) 에 의한 송신 방식을 무선에 의한 것으로 할지, 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 접속의 순서는 목적에 따라 적절히 변경할 수 있다. 물론, 압전 구조체 (10) 로부터 출력되는 전기 신호를 그대로 외부 기기로 송신한 후에 신호 처리해도 된다. 또, 예를 들어, 압전 구조체 (10) 로부터 출력되는 전기 신호의 크기로서, 전류치나 전압치 등과 같은 신호 강도 자체가 아니라, 이들 값의 미분치나 그 밖의 연산치를 사용해도 된다. 예를 들어 미분치이면 급격한 전기 신호의 변화를 양호한 정밀도로 취득할 수 있거나, 적분치이면 변형의 크기에 기초하는 해석을 할 수 있다.

도 6 은, 본 발명에 관련된 압전 구조체를 구비하는 센서에 있어서의 피복 섬유, 보다 구체적으로는 끈목상 피복 섬유와 증폭 수단의 접속예를 나타내는 모식도이다. 도 6 의 증폭 수단 (12) 은, 도 5 를 참조하여 설명한 것에 상당하지만, 도 5 의 출력 수단 (13) 및 송신 수단 (14) 에 대해서는 도 6 에서는 도시를 생략하고 있다. 압전 구조체 (10) 를 구비하는 센서를 구성하는 경우, 예를 들어, 증폭 수단 (12) 의 입력 단자에는, 압전 구조체 (10) 에 있어서의 끈목상 피복 섬유 (1') 의 도전성 섬유 (B) 로부터의 인출선을 접속하고, 접지 (어스) 단자에는, 압전성 섬유 (A) 를 접속한다.

산업상 이용가능성

본 발명의 압전 구조체는, 유연성이 있고, 미관도 갖기 때문에 매우 광범위한 용도를 생각할 수 있다. 본 발명의 압전 구조체로 이루어지는 디바이스의 구체적인 예로는, 모자나 장갑, 양말 등을 포함하는 착의, 서포터, 손수건상 등의 형상을 한, 터치 패널, 사람이나 동물의 표면 감압 센서, 예를 들어, 장갑이나 밴드, 서포터 등의 형상을 한 관절부의 굽힘, 비틀림, 신축을 감지하는 센서를 들 수 있다. 예를 들어 사람에 사용하는 경우에는, 접촉이나 움직임을 검출하고, 의료 용도 등의 관절 등의 움직임의 정보 수집, 어뮤즈먼트 용도, 소실된 조직이나 로봇을 움직이게 하기 위한 인터페이스로서 사용할 수 있다. 그 밖에는, 동물이나 사람 형태를 본뜬 봉제 인형이나 로봇의 표면 감압 센서, 관절부의 굽힘, 비틀림, 신축을 감지하는 센서로서 사용할 수 있다. 그 밖에는, 시트나 베개 등의 침구, 구두창, 장갑, 의자, 깔개, 주머니, 깃발, 장식용 장신구 (목걸이 (네크리스), 브레이슬릿, 귀걸이) 등의 표면 감압 센서나 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.

예를 들어, 미산가와 같은 형상으로 손목 둘레에 항상 밀접시키는 장신구 형상으로 하면, 착용자가 의식하지 않고, 항상, 맥동을 센싱할 수 있고, 또, 특히 초커와 같이, 목 둘레에 피부에 항상 밀접하고 있는 형상으로 하면, 착용자가 특별히 의식하지 않고, 맥동, 목의 움직임 (물건을 삼켰을 때), 목의 움직임 (기침을 했을 때) 을, 신호 강도에 의해 구별하여 센싱하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 디바이스는 유연성이 있기 때문에, 모든 구조물의 전체 혹은 일부의 표면에 첩부 혹은 피복함으로써 미관을 갖는 표면 감압 센서, 형상 변화 센서로서 사용할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 기재하지만, 본 발명은 이것에 의해 전혀 한정을 받지 않는다.

이하의 실시예에서는, 본 발명에 관련된 피복 섬유로서, 이하에서 설명하는 끈목상 피복 섬유 1-2 가 사용되고 있고, 그것은 이하의 방법으로 제조하였다.

끈목상 피복 섬유에 있어서 사용된 압전성 섬유의 특성은, 이하의 방법에 의해 결정하였다.

(1) 폴리-L-락트산 결정화도 (X_homo) :

폴리-L-락트산 결정화도 (X_homo) 에 대해서는, 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의한 결정 구조 해석으로부터 구하였다. 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에서는, (주) 리가쿠 제조의 ultrax18 형 X 선 회절 장치를 사용하여 투과법에 의해, 이하 조건에서 샘플의 X 선 회절 도형을 이미징 플레이트에 기록하였다.

X 선원 : Cu-Kα 선 (컨포컬 미러)

출력 : 45 ㎸ × 60 ㎃

슬릿 : 1st : 1 ㎜Φ, 2nd : 0.8 ㎜Φ

카메라 길이 : 120 ㎜

적산 시간 : 10 분

샘플 : 35 mg 의 폴리락트산 섬유를 가지런히 하여 3 ㎝ 의 섬유속으로 함

얻어진 X 선 회절 도형에 있어서 방위각에 걸쳐 전산란 강도 (I_total) 를 구하고, 여기서 2θ ＝ 16.5°, 18.5°, 24.3° 부근에 나타나는 폴리-L-락트산 결정에 유래하는 각 회절 피크의 적분 강도의 총합 (ΣI_HMi) 을 구하였다. 이들 값으로부터 하기 식 (3) 에 따라, 폴리-L-락트산 결정화도 (X_homo) 를 구하였다.

[수학식 3]

폴리-L-락트산 결정화도 (X_homo) (％) ＝ ΣI_HMi/I_total × 100 (3)

또한, ΣI_HMi 는, 전산란 강도에 있어서 백그라운드나 비정에 의한 산만 산란을 뺌으로써 산출하였다.

(2) 폴리-L-락트산 결정 배향도 (A) :

폴리-L-락트산 결정 배향도 (A) 에 대해서는, 상기의 광각 X 선 회절 분석 (WAXD) 에 의해 얻어진 X 선 회절 도형에 있어서, 동경 방향의 2θ ＝ 16.5° 부근에 나타나는 폴리-L-락트산 결정에 유래하는 회절 피크에 대하여, 방위각 (°) 에 대한 강도 분포를 취하고, 얻어진 분포 프로파일의 반치폭의 총계 (ΣW_i) (°) 로부터 다음 식 (4) 로부터 산출하였다.

[수학식 4]

폴리-L-락트산 결정 배향도 (A) (％) ＝ (360 － ΣW_i) ÷ 360 × 100 (4)

(3) 폴리락트산의 광학 순도 :

끈목상 피복 섬유를 구성하는 1 개 (멀티필라멘트의 경우에는 1 속) 의 폴리락트산 섬유 0.1 g 을 채취하고, 5 몰/리터 농도의 수산화나트륨 수용액 1.0 ㎖ 와 메탄올 1.0 ㎖ 를 첨가하고, 65 ℃ 로 설정한 수욕 진탕기에 세트하여, 폴리락트산이 균일 용액이 될 때까지 30 분 정도 가수 분해를 실시하고, 추가로 가수 분해가 완료된 용액에 0.25 몰/리터의 황산을 첨가하여 pH 7 까지 중화시키고, 그 분해 용액을 0.1 ㎖ 채취하여 고속 액체 크로마토그래피 (HPLC) 이동상 용액 3 ㎖ 에 의해 희석하고, 멤브레인 필터 (0.45 ㎛) 에 의해 여과하였다. 이 조정 용액의 HPLC 측정을 실시하고, L-락트산 모노머와 D-락트산 모노머의 비율을 정량하였다. 1 개의 폴리락트산 섬유가 0.1 g 에 미치지 않는 경우에는, 채취 가능한 양에 맞추어 다른 용액의 사용량을 조정하여, HPLC 측정에 제공하는 샘플 용액의 폴리락트산 농도가 상기와 동등 내지 100 분의 1 의 범위가 되도록 하였다.

＜HPLC 측정 조건＞

칼럼 : (주) 스미카 분석 센터사 제조 「스미키랄 (등록 상표)」 OA-5000 (4.6 ㎜φ × 150 ㎜),

이동상 : 1.0 밀리몰/리터의 황산구리 수용액

이동상 유량 : 1.0 밀리리터/분

검출기 : UV 검출기 (파장 254 ㎚)

주입량 : 100 마이크로리터

L-락트산 모노머에 유래하는 피크 면적을 S_LLA 로 하고, D-락트산 모노머에 유래하는 피크 면적을 S_DLA 로 하면, S_LLA 및 S_DLA 는 L-락트산 모노머의 몰 농도 (M_LLA) 및 D-락트산 모노머의 몰 농도 (M_DLA) 에 각각 비례하기 때문에, S_LLA 와 S_DLA 중 큰 쪽의 값을 S_MLA 로 하고, 광학 순도는 하기 식 (5) 로 계산하였다.

[수학식 5]

광학 순도 (％) ＝ S_MLA ÷ (S_LLA ＋ S_DLA) × 100 (5)

(폴리락트산의 제조)

폴리락트산은 이하의 방법으로 제조하였다.

L-락티드 ((주) 무사시노 화학 연구소 제조, 광학 순도 100 ％) 100 질량부에 대하여, 옥틸산주석을 0.005 질량부 첨가하고, 질소 분위기하, 교반 날개가 부착된 반응기로 180 ℃ 에서 2 시간 반응시키고, 옥틸산주석에 대하여 1.2 배 당량의 인산을 첨가하고 그 후, 13.3 Pa 로 잔존하는 락티드를 감압 제거하고, 칩화하여, 폴리-L-락트산 (PLLA1) 을 얻었다. 얻어진 PLLA1 의 질량 평균 분자량은 15.2 만, 유리 전이점 (Tg) 은 55 ℃, 융점은 175 ℃ 였다.

(압전성 섬유)

240 ℃ 에서 용융시킨 PLLA1 을 24 홀의 캡으로부터 20 g/min 로 토출하고, 887 m/min 로 인취하였다. 이 미연신 멀티필라멘트사를 80 ℃, 2.3 배로 연신하고, 100 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 84 dTex/24 필라멘트의 멀티필라멘트 1 축 연신사 PF1 을 얻었다. 또, 240 ℃ 에서 용융시킨 PLLA1 을 12 홀의 캡으로부터 8 g/min 로 토출하고, 1050 m/min 로 인취하였다. 이 미연신 멀티필라멘트사를 80 ℃, 2.3 배로 연신하고, 150 ℃ 에서 열고정 처리함으로써 33 dtex/12 필라멘트의 멀티필라멘트 1 축 연신사 PF2 를 얻었다. 이들 압전성 섬유 PF1 및 PF2 를 압전성 고분자로서 사용하였다. PF1 및 PF2 의 폴리-L-락트산 결정화도, 폴리-L-락트산 결정 배향도 및 광학 순도는 상기의 방법으로 측정하고, 표 1 과 같았다.

(도전성 섬유)

미츠후지 (주) 제조의 은 도금 나일론, 품명 『AGposs』 100d34f (CF1) 를 도전성 섬유 (B) 로서 사용하였다. CF1 의 저항률은 250 Ω/m 였다.

또, 미츠후지 (주) 제조의 은 도금 나일론, 품명 『AGposs』 30d10f (CF2) 를 도전성 섬유 (B) 로서 사용하였다. CF2 의 도전성은 950 Ω/m 였다.

(절연성 섬유)

폴리에틸렌테레프탈레이트를 용융 방사 후에 연신함으로써 제조한 84 dTex/24 필라멘트의 연신사 IF1, 및 33 dTex/12 필라멘트의 연신사 IF2 를 각각 절연성 섬유로 하였다.

(끈목상 피복 섬유)

도 3 에 나타내는 바와 같이, 도전성 섬유 CF1 을 심사로 하고, 8 타 환끈목 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어에 상기의 압전성 섬유 PF1 을 세트하고, S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어에 상기의 절연성 섬유 IF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 주위에 Z 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감겨진 끈목상 피복 섬유 1-1 을 제작하였다. 여기서, 도전성 섬유의 섬유축 (CL) 에 대한 압전성 섬유의 감김 각도 (배향 각도 (θ)) 는 45°로 하였다. 또한, 끈목상 피복 섬유 1-1 을 심사로 하고, 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 및 S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 모두에 상기의 도전성 섬유 CF2 를 세트하여 짬으로써, 끈목상 피복 섬유 1-1 의 주위를 도전성 섬유로 덮은 것을 제작하고, 끈목상 피복 섬유 1-2 (직경 : 약 0.4 ㎜) 로 하였다.

(실시예 1)

끈목상 피복 섬유 1-2 에 대하여, 매듭눈을 형성한 경우에 얻어지는 신호 강도를 조사하였다. 시험은, 먼저, 한 매듭의 매듭눈을 형성한 압전 구조체를 수평면에 놓고, 이어서 당해 압전 구조체 상에 응력이 균일하게 전달되도록 추가로 경질 시트를 놓은 후, 그 위로부터 손으로 당해 경질 시트를 복수 회에 걸쳐 두드림으로써 실시하였다. 그 결과를 도 7(b) 에 나타낸다. 도 7(a) 는, 매듭눈을 형성하지 않은 끈목상 피복 섬유 1-2 에 대하여 동일한 시험을 실시한 경우의 결과를 나타내고 있다.

도 7(b) 를 참조하면, 약 1 초 간격에 있어서, 압전 구조체를 손으로 두드리는 동작에 대응하여 당해 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 검출할 수 있었던 것을 알 수 있다. 한편, 매듭눈을 형성하지 않은 끈목상 피복 섬유 1-2 에 대하여 동일한 시험을 실시한 경우에는, 도 7(a) 의 결과로부터도 분명한 바와 같이, 당해 끈목상 피복 섬유 1-2 로부터 출력되는 전기 신호에 있어서 현저한 변동은 보이지 않았다.

(실시예 2)

본 실시예에서는, 끈목상 피복 섬유 1-2 를 사용하여, 도 8(a) 및 (b) 에 나타내는 매듭눈이 없는 압전 구조체를 제조하고, 당해 압전 구조체로부터 얻어지는 전기 신호를 조사하였다. 그 결과를 도 8(c) 에 나타낸다. 또한, 압전 구조체는, 끈목상 피복 섬유 1-2 에 굽힘부 (루프부) 를 형성한 후, 당해 굽힘부를 순간 접착제 「아론알파 EXTRA2000」 (토아 합성 (주) 제조) 으로 고화시킴으로써 제조하였다.

도 8(a) 및 (b) 는, 본 발명에 관련된 매듭눈이 없는 압전 구조체를 나타내는 사진이고, 도 8(c) 는, 복수의 상이한 동작에 대하여 당해 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 8(c) 에 나타내는 바와 같이, (ⅰ) 압전 구조체의 직선부를 신장시킨 경우, (ⅱ) 압전 구조체의 직선부의 신장을 해방시킨 경우, 및 (ⅲ) 압전 구조체의 루프부를 튕긴 경우의 어느 것에 있어서도 현저한 신호 출력을 검출할 수 있었다. 이 결과는, 본 발명에 관련된 압전 구조체가 특정 응력 또는 특정 방향으로부터의 응력뿐만 아니라, 여러 가지 응력에 대하여 전기 신호를 출력할 수 있는 것을 시사하는 것이라고 할 수 있다.

(실시예 3)

본 실시예에서는, 절연성 섬유로 이루어지는 직경 1 ㎜ 의 끈목에 끈목상 피복 섬유 1-2 를 삽입한 것을 사용하여, 도 9(a) 에 나타내는 길상 매듭과 합장 매듭의 조합을 포함하는 압전 구조체를 제조하고, 복수의 상이한 동작에 대하여 당해 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 조사하였다. 그 결과를 도 9(b) ∼ (d) 에 나타낸다.

도 9(a) 는, 길상 매듭과 합장 매듭의 조합을 포함하는 압전 구조체를 나타내는 사진이고, 도 9(b) ∼ (d) 는, 각각 「흔든다」, 「손가락으로 집는다」 및 「잡아당긴다」의 동작에 대하여 당해 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다. 도 9(b) ∼ (d) 의 결과로부터 분명한 바와 같이, 이들 동작에 대하여 완전히 상이한 전기 신호의 거동을 검출할 수 있고, 따라서 이들 동작을 명확하게 구별할 수 있었다.

(실시예 4)

본 실시예에서는, 절연성 섬유로 이루어지는 직경 1 ㎜ 의 끈목에 끈목상 피복 섬유 1-2 를 삽입한 것을 사용하여, 도 10(a) 에 나타내는 길상 매듭과 합장 매듭의 조합을 포함하는 압전 구조체의 초커를 제조하고, 이것을 사람의 목에 감고, 복수의 상이한 동작에 대하여 당해 초커로부터 출력되는 전기 신호를 조사하였다. 그 결과를 도 10(b) ∼ (d) 에 나타낸다.

도 10(a) 는, 길상 매듭과 합장 매듭의 조합을 포함하는 압전 구조체의 초커를 나타내는 사진이고, 도 10(b) ∼ (d) 는, 각각 「목의 맥」, 「음료를 마신다」 및 「기침을 한다」의 동작에 대하여 당해 초커로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다. 도 10(b) ∼ (d) 의 결과로부터 분명한 바와 같이, 맥과 같은 미소한 움직임을 전기 신호로서 검출할 수 있음과 함께, 이들 동작에 대하여 완전히 상이한 전기 신호의 거동을 검출할 수 있고, 따라서 이들 동작을 명확하게 구별할 수 있었다.

(실시예 5)

본 실시예에서는, 절연성 섬유로 이루어지는 청, 황 및 백의 3 개의 직경 3 ㎜ 의 끈목에 끈목상 피복 섬유 1-2 를 삽입한 것을 사용하여, 도 11 에 나타내는 바구니눈 매듭 15 각을 포함하는 압전 구조체의 코스터를 제조하고, 복수의 상이한 동작에 대하여 당해 코스터로부터 출력되는 전기 신호를 조사하였다. 그 결과를 도 12 에 나타낸다.

도 12(a) ∼ (c) 는, 각각 「손가락으로 누른다」, 「비커로 누른다」 및 「비커에 물을 붓는다」의 동작에 대하여 바구니눈 매듭 15 각을 포함하는 압전 구조체의 코스터로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다. 도 12(a) ∼ (c) 의 각각에 있어서, 위로부터, 청, 황 및 백의 3 개의 끈목상 피복 섬유의 각각으로부터 출력되는 전기 신호를 나타내고 있다. 이들로부터, 「손가락으로 누른다」, 「비커로 누른다」의 동작의 경우에, 눌렀을 때와, 그것을 떼었을 때에서 상이한 파형이 보여, 이들 동작을 구별할 수 있었던 것을 알 수 있다. 또, 「비커로 누른다」 동작을 한 경우에 있어서, 청, 황 및 백의 3 개의 끈목상 피복 섬유의 각각으로부터 출력되는 전기 신호의 형상이 약간 상이한 것을 알 수 있다. 이것은, 코스터 중의 3 개의 끈목상 피복선의 위치와 구속 장소의 차이에 의해 생긴 것으로 생각되고, 코스터 상에 놓여진 것이나 놓여지는 방법을 판별할 수 있는 것을 시사할 수 있는 것이라고 할 수 있다. 나아가서는, 「손가락으로 누른다」, 「비커로 누른다」의 동작과 「비커에 물을 붓는다」의 동작 사이에서는, 전기 신호의 거동에 분명한 차이를 검출할 수 있어, 이들 동작을 명확하게 구별할 수 있었다.

(실시예 6)

본 실시예에서는, 절연성 섬유로 이루어지는 직경 3 ㎜ 의 끈목에 끈목상 피복 섬유 1-2 를 삽입한 것을 사용하여, 도 13 에 나타내는 양하 매듭을 포함하는 압전 구조체를 제조하고, 복수의 상이한 동작에 대하여 당해 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 조사하였다. 그 결과를 도 14 에 나타낸다.

도 14(a) ∼ (c) 는, 각각 「손가락으로 누른다」, 「흔든다」 및 「세로로 늘린다」의 동작에 대하여 양하 매듭을 포함하는 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 14(a) 를 참조하면, 압전 구조체를 손가락으로 눌렀을 때와, 그것을 떼었을 때에서 상이한 파형이 보여, 이들 동작을 구별할 수 있었던 것을 알 수 있다. 동일하게, 도 14(c) 를 참조하면, 압전 구조체를 세로로 늘렸을 때와, 그것을 되돌렸을 때에서 상이한 파형이 보여, 이들 동작을 구별할 수 있었던 것을 알 수 있다. 또, 도 14(a) ∼ (c) 의 결과로부터 분명한 바와 같이, 「손가락으로 누른다」, 「흔든다」 및 「세로로 늘린다」의 동작에 대하여 완전히 상이한 전기 신호의 거동을 검출할 수 있고, 따라서 이들 동작을 명확하게 구별할 수 있었다.

(실시예 7)

본 실시예에서는, 절연성 섬유로 이루어지는 직경 3 ㎜ 의 끈목에 끈목상 피복 섬유 1-2 를 삽입한 것을 사용하여, 도 15 에 나타내는 국화 매듭을 포함하는 압전 구조체를 제조하고, 복수의 상이한 동작에 대하여 당해 압전 구조체로부터 출력되는 전기 신호를 조사하여, 다른 매듭과 동일하게, 「손가락으로 누른다」, 「흔든다」 및 「세로로 늘린다」의 동작에 대하여 완전히 상이한 전기 신호의 거동을 검출할 수 있고, 따라서 이들 동작을 명확하게 구별할 수 있었다.

(실시예 8)

본 실시예에서는, 본 발명의 압전 구조체에 있어서 사용되는 피복 섬유에 관하여, 압전성 고분자의 배향 각도 (θ) 및 T1/T2 의 값이 신장 변형에 대한 전기 신호에 미치는 영향에 대하여 조사하였다.

피복 섬유의 특성은, 이하의 방법에 의해 결정하였다.

(1) 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 (θ)

중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 (θ) 는, 하기 식으로부터 계산하였다.

θ ＝ arctan(2πRm/HP) (0°≤ θ ≤ 90°)

단 Rm ＝ 2(Ro³ － Ri³)/3(Ro² － Ri²), 즉 단면적으로 가중 평균한 끈목상 피복 섬유 (또는 다른 구조체) 의 반경이다. 나선 피치 (HP), 끈목상 피복 섬유 (또는 다른 구조체) 가 차지하는 부분의 외측 반경 (Ro) 및 내측 반경 (Ri) 은 이하와 같이 측정하였다.

(1-1) 끈목상 피복 섬유의 경우에는, (끈목상 피복 섬유의 압전성 고분자 이외에 의한 피복이 이루어져 있는 경우에는 필요에 따라 피복을 제거하여 측면으로부터 압전성 고분자를 관찰할 수 있는 상태로 하고 나서) 측면 사진을 촬영하고, 임의의 5 개 지점에서 도 4 와 같이 압전성 고분자의 나선 피치 (HP) (㎛) 를 측정하고, 평균치를 취하였다. 또, 끈목상 피복 섬유에 저점성의 순간 접착제 「아론알파 EXTRA2000」 (토아 합성 (주) 제조) 을 스며들게 하여 고화시킨 후, 끈목의 장축에 수직인 단면을 잘라내어 단면 사진을 촬영하고, 1 장의 단면 사진에 대하여 후술하는 바와 같이 끈목상 피복 섬유가 차지하는 부분의 외측 반경 (Ro) (㎛) 및 내측 반경 (Ri) (㎛) 을 측정하고, 동일한 측정을 다른 임의의 단면 5 개 지점에 대하여 측정하고, 평균치를 취하였다. 압전성 고분자와 절연성 고분자가 동시에 짜여져 있는 경우, 예를 들어 압전성 섬유와 절연성 섬유를 합사한 것을 사용하고 있는 경우나, 8 타 끈목의 4 개의 섬유가 압전성 고분자이고, 나머지 4 개의 섬유가 절연성 고분자인 경우에는, 여러 장소에서 단면을 취했을 때, 압전성 고분자가 존재하는 영역과 절연성 고분자가 존재하는 영역이 서로 뒤바뀌기 때문에, 압전성 고분자가 존재하는 영역과 절연성 고분자가 존재하는 영역을 합하여 끈목상 피복 섬유가 차지하는 부분으로 간주한다. 단, 절연성 고분자가 압전성 고분자와 동시에 짜여져 있지 않은 부분에 대해서는, 끈목상 피복 섬유의 일부로는 간주하지 않는다.

외측 반경 (Ro) 과 내측 반경 (Ri) 에 대해서는, 이하와 같이 측정하였다. 도 16(a) 의 단면 사진과 같이, 압전성 섬유 (A) 로 형성된 초부 (2) 가 차지하는 영역 (이후 PSA 라고 기재한다) 과, PSA 의 중앙부에 있고 PSA 가 아닌 영역 (이후 CA 라고 기재한다) 을 정의한다. PSA 의 외측에 있고, PSA 에 겹치지 않는 최소의 진원의 직경과, PSA 의 외측을 통과하지 않는 (CA 는 통과해도 됨) 최대의 진원의 직경과의 평균치를 Ro 로 한다 (도 16(b)). 또, CA 의 외측에 있고, CA 에 겹치지 않는 최소의 진원의 직경과, CA 의 외측을 통과하지 않는 최대의 진원의 직경과의 평균치를 Ri 로 한다 (도 16(c)).

(1-2) 커버링사상 피복 섬유의 경우에는, 압전성 고분자를 커버링할 때의 감김 속도가 T 회/m (커버링사의 길이당 압전성 고분자의 회전수) 일 때, 나선 피치 (HP) (㎛) ＝ 1000000/T 로 하였다. 또, 커버링사상 피복 섬유에 저점성의 순간 접착제 「아론알파 EXTRA2000」 (토아 합성 (주) 제조) 을 스며들게 하여 고화시킨 후, 끈목의 장축에 수직인 단면을 잘라내어 단면 사진을 촬영하고, 1 장의 단면 사진에 대하여 끈목상 피복 섬유의 경우와 동일하게 커버링사상 피복 섬유가 차지하는 부분의 외측 반경 (Ro) (㎛) 및 내측 반경 (Ri) (㎛) 을 측정하고, 동일한 측정을 다른 임의의 단면 5 개 지점에 대하여 측정하고, 평균치를 취하였다. 압전성 고분자와 절연성 고분자가 동시에 커버링되어 있는 경우, 예를 들어 압전성 섬유와 절연성 섬유를 합사한 것이 커버링되어 있는 경우나, 압전성 섬유와 절연성 섬유가 겹치지 않도록 동시에 커버링되어 있는 경우에는, 여러 장소에서 단면을 취했을 때, 압전성 고분자가 존재하는 영역과 절연성 고분자가 존재하는 영역이 서로 뒤바뀌기 때문에, 압전성 고분자가 존재하는 영역과 절연성 고분자가 존재하는 영역을 합하여 커버링사상 피복 섬유가 차지하는 부분으로 간주한다. 단, 절연성 고분자가 압전성 고분자와 동시에 커버링되어 있지 않은, 즉 어느 단면을 취해도 절연성 고분자가 항상 압전성 고분자의 내측 또는 외측에 있는 부분에 대해서는, 커버링사상 피복 섬유의 일부로는 간주하지 않는다.

(2) 전기 신호 측정

일렉트로미터 (Keysight Technologies Inc. 제조 B2987A) 를, 동축 케이블 (심 : Hi 극, 실드 : Lo 극) 을 개재하여 피복 섬유의 도전체에 접속한 상태에서, 피복 섬유에 대하여 하기 2-1 ∼ 2-5 중 어느 것의 동작 시험을 하면서 50 m초의 간격으로 전류치를 계측하였다.

(2-1) 인장 시험

(주) 오리엔테크 제조 만능 시험기 「텐실론 RTC-1225A」를 사용하여, 피복 섬유의 장척 방향으로 12 ㎝ 의 간격을 두고 피복 섬유를 척으로 파지하고, 피복 섬유가 느슨해진 상태를 0.0 N 으로 하고, 0.5 N 의 장력까지 잡아당긴 상태에서 변위를 0 ㎜ 로 하고, 100 ㎜/min 의 동작 속도로 1.2 ㎜ 까지 잡아당긴 후, 0 ㎜ 까지 -100 ㎜/min 의 동작 속도로 되돌리는 동작을 10 회 반복하였다.

(2-2) 비틀림 시험

피복 섬유를 파지하는 2 지점의 척 중, 편방의 척은 비틀림 동작을 실시하지 않고 피복 섬유의 장축 방향으로 자유롭게 움직이는 레일 상에 설치되어 피복 섬유에 0.5 N 의 장력이 항상 가해지는 상태로 하고, 타방의 척은 피복 섬유의 장축 방향으로는 움직이지 않고 비틀림 동작을 실시하도록 설계된 비틀림 시험 장치를 사용하여, 피복 섬유의 장척 방향으로 72 ㎜ 의 간격을 두고 피복 섬유를 이들 척으로 파지하고, 피복 섬유의 중앙으로부터 척을 보고 시계 방향으로 비틀도록 100°/s 의 속도로 0°로부터 45°까지 회전한 후, -100°/s 의 속도로 45°로부터 0°까지 회전하는 왕복 비틀림 동작을 10 회 반복하였다.

(2-3) 굽힘 시험

상부와 하부의 2 개의 척을 구비하고, 하부의 척은 고정되고, 상부의 척은 하부의 척의 72 ㎜ 상방에 위치하고, 2 개의 척을 연결하는 선분을 직경으로 하는 가상의 원주 상을 상부의 척이 이동하는 시험 장치를 사용하여, 피복 섬유를 척에 파지하여 고정시키고, 그 원주 상에서 상부의 척을 12 시의 위치, 하부의 척을 6 시의 위치로 했을 때, 피복 섬유를 9 시 방향으로 볼록하게 약간 휘게 한 상태로 한 후, 상부의 척을 12 시의 위치로부터 그 원주 상의 1 시, 2 시의 위치를 경유하여 3 시의 위치로 일정 속도로 0.9 초에 걸쳐 이동시킨 후, 12 시의 위치까지 0.9 초에 걸쳐 이동시키는 왕복 굽힘 동작을 10 회 반복하였다.

(2-4) 전단 시험

50 번수의 면사로 짜여진 평직포를 표면에 첩부한 2 장의 강직한 금속판에 의해, 피복 섬유의 중앙부 64 ㎜ 의 길이의 부분을 상하로부터 수평으로 끼우고 (하부의 금속판은 대에 고정되어 있다), 위로부터 3.2 N 의 수직 하중을 가하고, 금속판 표면의 면포와 피복 섬유 사이가 미끄러지지 않게 한 상태인 채로, 위의 금속판을 0 N 으로부터 1 N 의 하중까지 1 초에 걸쳐 피복 섬유의 장척 방향으로 잡아당긴 후, 인장 하중을 0 N 까지 1 초에 걸쳐 되돌리는 전단 동작을 10 회 반복하였다.

(2-5) 가압 시험

(주) 오리엔테크 제조 만능 시험기 「텐실론 RTC-1225A」를 사용하여, 수평으로 강직한 금속대 상에 정치 (靜置) 한 피복 섬유의 중앙부 64 ㎜ 의 길이의 부분을, 상부의 크로스 헤드에 설치된 강직한 금속판에 의해 수평으로 피복 섬유를 끼우고, 피복 섬유로부터 상부의 금속판에 대한 반력이 0.01 N 으로부터 20 N 이 될 때까지 0.6 초에 걸쳐 상부의 크로스 헤드를 내려 가압하고, 반력이 0.01 N 이 될 때까지 0.6 초에 걸쳐 제압 (除壓) 하는 동작을 10 회 반복하였다.

(예 A)

예 A 의 시료로서, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 도전성 섬유 CF1 을 심사로 하고, 8 타 환끈목 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어에 상기의 압전성 섬유 PF1 을 세트하고, S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어에 상기의 절연성 섬유 IF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 주위에 Z 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감겨진 끈목상 피복 섬유 1-A 를 제조하였다.

(예 B)

끈목상 피복 섬유 1-A 를 심사로 하고, 제뉴기의 8 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 및 S 꼬임 방향으로 짜여지는 4 개의 캐리어 모두에 상기의 도전성 섬유 CF2 를 세트하여 짬으로써, 끈목상 피복 섬유 1-A 의 주위를 도전성 섬유로 덮은 것을 제작하고, 끈목상 피복 섬유 1-B 로 하였다.

(예 C, D)

PF1 의 감김 속도를 변경한 것 이외에는 끈목상 피복 섬유 1-A 와 동일하게 하여, 2 개의 끈목상 피복 섬유를 제조하고, 이들 끈목상 피복 섬유를 심사로 하고, 끈목상 피복 섬유 1-B 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제작하고, 끈목상 피복 섬유 1-C 및 1-D 로 하였다.

(예 E ∼ H)

제뉴기의 8 개의 캐리어 중, 표 2 와 같이 Z 꼬임 방향 및 S 꼬임 방향으로 짜여지는 캐리어에 각각 PF1 혹은 IF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 주위에 Z 꼬임 방향 및 S 꼬임 방향의 각각에 소정의 비율로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감겨진 끈목상 피복 섬유를 제조하고, 이들 끈목상 피복 섬유를 심사로 하고, 끈목상 피복 섬유 1-B 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제작하고, 끈목상 피복 섬유 1-E ∼ 1-H 로 하였다.

(예 I)

PF1 대신에 PF2 를 사용하고, IF1 대신에 IF2 를 사용하고, 감김 속도를 조정한 것 이외에는 끈목상 피복 섬유 1-A 와 동일하게 하여 끈목상 피복 섬유를 제조하고, 이 끈목상 피복 섬유를 심사로 하고, 끈목상 피복 섬유 1-B 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제작하고, 끈목상 피복 섬유 1-I 로 하였다.

(예 J)

PF2 대신에 IF2 를 사용하고, IF2 대신에 PF2 를 사용한 것 이외에는 끈목상 피복 섬유 1-A 와 동일하게 하여 끈목상 피복 섬유를 제조하고, 이 끈목상 피복 섬유를 심사로 하고, 끈목상 피복 섬유 1-B 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제작하고, 끈목상 피복 섬유 1-J 로 하였다.

(예 K)

CF1 을 심사로 하고, PF1 을 심사의 주위에 S 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 IF1 을 Z 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 S 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 Z 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감아, 심사의 주위에 S 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감기고, 추가로 외측을 도전성 섬유로 덮은 커버링사상 피복 섬유 1-K 를 제조하였다.

(예 L)

PF1 대신에 IF1 을 사용한 것 이외에는 끈목상 피복 섬유 1-A 와 동일하게 하여 끈목상 피복 섬유를 제조하고, 이 끈목상 피복 섬유를 심사로 하고, 끈목상 피복 섬유 1-B 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제작하고, 끈목상 피복 섬유 1-L 로 하였다.

(예 M)

PF1 대신에 IF1 을 사용한 것 이외에는 커버링사상 피복 섬유 1-K 와 동일하게 하여 커버링사상 피복 섬유를 제조하고, 커버링사상 피복 섬유 1-M 으로 하였다.

(예 N)

IF1 대신에 PF1 을 사용한 것 이외에는 끈목상 피복 섬유 1-B 와 동일하게 하여 끈목상 피복 섬유 1-N 을 제조하였다.

(예 O)

IF2 대신에 PF2 를 사용한 것 이외에는 끈목상 피복 섬유 1-I 와 동일하게 하여 끈목상 피복 섬유 1-O 를 제조하였다.

(예 P)

도전성 섬유 CF1 을 심사로 하고, 16 타 환끈목 제뉴기의 16 개의 캐리어 중, Z 꼬임 방향으로 짜여지는 8 개의 캐리어에 상기의 압전성 섬유 PF1 을 세트하고, S 꼬임 방향으로 짜여지는 8 개의 캐리어에 상기의 절연성 섬유 IF1 을 세트하여 짬으로써, 심사의 주위에 Z 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감겨진 끈목상 피복 섬유를 제조하고, 이 끈목상 피복 섬유를 심사로 하고, 끈목상 피복 섬유 1-B 와 동일하게 도전성 섬유로 덮은 것을 제작하고, 끈목상 피복 섬유 1-P 로 하였다.

(예 Q)

CF1 을 심사로 하고, PF1 을 심사의 주위에 S 꼬임 방향으로 6000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 IF1 을 Z 꼬임 방향으로 6000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 S 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감고, 그 외측에 추가로 CF2 를 Z 꼬임 방향으로 3000 회/m 의 커버링 횟수로 감아, 심사의 주위에 S 꼬임 방향으로 압전성 섬유 PF1 이 나선상으로 감기고, 추가로 외측을 도전성 섬유로 덮은 커버링사상 피복 섬유 1-Q 를 제조하였다.

각 피복 섬유의 Ri, Ro, HP 를 측정하고, 계산된 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 (θ) 의 값, 및 T1/T2 의 값을 표 2 에 나타낸다. 끈목상 피복 섬유에 대해서는, Ri 및 Ro 는, 단면에 있어서 압전성 섬유와 절연성 섬유가 존재하는 영역을 합하여 피복 섬유가 차지하는 영역으로서 측정하였다. 커버링사상 피복 섬유에 대해서는, Ri 및 Ro 는, 단면에 있어서 압전성 섬유가 존재하는 영역을 피복 섬유가 차지하는 영역으로서 측정하였다. 또, 각 피복 섬유를 15 ㎝ 의 길이로 절단하고, 심의 도전성 섬유를 Hi 극으로 하고, 주변을 실드하는 금망 또는 초의 도전성 섬유를 Lo 극으로 하여 일렉트로미터 (Keysight Technologies Inc. 제조 B2987A) 에 접속하고, 전류치를 모니터하였다. 인장 시험, 비틀림 시험, 굽힘 시험, 전단 시험 및 가압 시험시의 전류치를 표 2 에 나타낸다. 또한, 예 L, M 은 압전성 고분자를 포함하지 않기 때문에, θ 및 T1/T2 의 값은 측정할 수 없다.

표 2 의 결과로부터, 중심축의 방향에 대한 압전성 고분자의 배향 각도 (θ) 가 15° 이상 75° 이하이고, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하일 때, 인장 동작 (신장 변형) 에 대하여 큰 신호를 발생하고, 인장 이외의 동작에는 큰 신호를 발생하지 않고, 인장 동작에 선택적으로 응답하는 피복 섬유인 것을 알 수 있다. 또한 예 I 와 J 를 비교하면, Z 꼬임 방향으로 많이 압전성 섬유를 감은 경우와, S 꼬임 방향으로 많이 압전성 섬유를 감은 경우를 비교하면, 인장 시험시의 신호의 극성이 반대로 되어 있고, 감김 방향이 신호의 극성에 대응하고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 표에는 나타내지 않았지만, 예 A ∼ K 의 피복 섬유는 인장 하중을 부여했을 때의 신호와, 인장 하중을 제거했을 때의 신호를 비교하면, 극성이 서로 반대이고 절대값이 대략 동일한 신호를 발생했기 때문에, 이들 피복 섬유는 인장 하중이나 변위의 정량에 적절한 것을 알 수 있다. 한편, 예 N 및 O 의 피복 섬유는 인장 하중을 부여했을 때의 신호와, 인장 하중을 제거했을 때의 신호를 비교하면, 극성이 서로 반대인 경우도 동일한 경우도 있었기 때문에, 이들 피복 섬유는 인장 하중이나 변위의 정량에 적절하지 않은 것을 알 수 있다. 또, 표에는 나타내지 않았지만, 예 B 의 인장 시험시의 노이즈 레벨은, 예 A 의 인장 시험시의 노이즈 레벨보다 낮고, 끈목상 피복 섬유의 외측에 도전성 섬유를 배치하여 실드로 한 피복 섬유에서는 노이즈를 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

A : 압전성 섬유
A' : 압전성 고분자
B : 도전성 섬유
1 : 피복 섬유
1' : 끈목상 피복 섬유
2 : 초부
3 : 심부
10 : 압전 구조체
11 : 압전 센서
12 : 증폭 수단
13 : 출력 수단
14 : 송신 수단
CL : 섬유축
α : 감김 각도

Claims

도전성 섬유 및 압전성 섬유로 이루어지는 조물을 포함하고, 상기 조물은 상기 도전성 섬유가 심 (core) 이고, 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위를 피복하는 피복 섬유인 압전 구조체로서, 상기 피복 섬유가 적어도 1 개의 굽힘부를 갖고, 상기 압전 구조체를 수평면에 놓았을 때의 상기 수평면으로부터 상기 압전 구조체의 최상부까지의 높이가 상기 피복 섬유의 직경보다 큰, 압전 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 수평면으로부터 상기 압전 구조체의 최상부까지의 높이가 상기 피복 섬유의 직경의 2 배 이상인, 압전 구조체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 피복 섬유가 임의의 지점에 1 이상의 매듭눈을 갖는, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 매듭눈은, 장식 매듭, 로프 매듭, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는, 압전 구조체.
제 4 항에 있어서,
상기 매듭눈이 장식 매듭이고, 상기 장식 매듭이, 한 매듭, 길상 매듭, 합장 매듭, 바구니눈 매듭 15 각, 양하 매듭, 국화 매듭, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도전성 섬유의 굽힘 강성이 0.05 × 10^-4 N·㎡/m 이하인, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도전성 섬유가 금속 코트된 유기 섬유인, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전성 섬유가 주성분으로서 폴리락트산을 포함하는, 압전 구조체.
제 8 항에 있어서,
상기 압전성 섬유가 주로 광학 순도 99 ％ 이상의 폴리-L-락트산 또는 폴리-D-락트산을 포함하는, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전성 섬유가 1 축 배향하며 또한 결정을 포함하는, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피복 섬유에 인가된 응력의 크기 및/또는 인가된 위치를 검출하는, 압전 구조체.
제 11 항에 있어서,
검출되는 상기 응력이, 상기 피복 섬유의 표면과 피접촉물의 표면 사이의 마찰력인, 압전 구조체.
제 11 항에 있어서,
검출되는 상기 응력이, 상기 피복 섬유의 표면 또는 선단부에 대한 수직 방향의 저항력인, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피복 섬유는 신장 변형에 의해 전기 신호를 출력하는, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피복 섬유는, 도전성 섬유로 형성된 심부와, 상기 심부를 피복하도록 끈목상의 압전성 섬유로 형성된 초부를 갖는, 압전 구조체.
제 15 항에 있어서,
상기 압전성 섬유는, 배향축을 3 축으로 했을 때의 압전 정수 (d14) 의 절대값이 0.1 pC/N 이상 1000 pC/N 이하의 값을 갖는 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 압전성 고분자이고, 상기 압전성 고분자에 의해 피복된 상기 심의 중심축의 방향에 대한 상기 압전성 고분자의 배향 각도가 15°이상 75°이하이고, 상기 압전성 고분자는, 압전 정수 (d14) 의 값이 정 (正) 인 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 P 체와, 부 (負) 인 결정성 고분자를 주성분으로서 포함하는 N 체를 포함하고, 상기 중심축이 1 ㎝ 의 길이를 가지는 부분에 대하여, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 상기 P 체의 질량을 ZP, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 상기 P 체의 질량을 SP, 배향축이 Z 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 상기 N 체의 질량을 ZN, 배향축이 S 꼬임 방향으로 나선을 감아 배치된 상기 N 체의 질량을 SN 으로 하고, (ZP ＋ SN) 과 (SP ＋ ZN) 중 작은 쪽을 T1, 큰 쪽을 T2 로 했을 때, T1/T2 의 값이 0 이상 0.8 이하인, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도전성 섬유의 주위를 절연성 섬유가 추가로 피복하는, 압전 구조체.
제 17 항에 있어서,
상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위에 Z 꼬임 방향으로 감기고, 상기 절연성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위에 S 꼬임 방향으로 감기거나, 또는 상기 압전성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위에 S 꼬임 방향으로 감기고, 상기 절연성 섬유가 상기 도전성 섬유의 주위에 Z 꼬임 방향으로 감긴, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피복 섬유의 외측에 도전성 섬유로 이루어지는 층을 추가로 형성한, 압전 구조체.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 기재된 압전 구조체를 사용한 압전 센서.
제 20 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.
제 21 항에 있어서,
상기 디바이스는, 상기 출력 수단으로부터 출력된 전기 신호를 외부 기기로 송신하는 송신 수단을 추가로 구비하는, 디바이스.
제 20 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.