KR20230052942A - 압전 디바이스, 힘 센서 및 생체 정보 취득 디바이스 - Google Patents

압전 디바이스, 힘 센서 및 생체 정보 취득 디바이스 Download PDF

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KR20230052942A
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노부히로 마루코
미츠노부 요시다
가츠토시 오자키
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미쯔이가가꾸가부시끼가이샤
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Abstract

압전 디바이스는, 제1 내부 도체, 제1 압전체, 제1 외부 도체를 갖는 제1 압전 센서와, 제2 내부 도체, 제2 압전체, 제2 외부 도체를 갖는 제2 압전 센서와, 한 쌍의 차동 입력 단자를 갖는 차동 신호 형성부를 구비한다. 제1 압전 센서는, 외력이 제1 압전체에 작용하면, 외력에 의한 제1 압전체의 변위에 따라서, 제1 외부 도체에 대하여 제1 내부 도체에 제1 전압을 발생시킨다. 제2 압전 센서는, 외력이 제2 압전체에 작용하면, 외력에 의한 제2 압전체의 변위에 따라서, 제2 외부 도체에 대하여 제2 내부 도체에, 제1 전압과 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다. 한쪽의 차동 입력 단자에는, 제1 내부 도체가 전기적으로 접속된다. 다른 쪽의 차동 입력 단자에는, 제2 내부 도체가 전기적으로 접속된다. 차동 신호 형성부는, 상기 한쪽의 차동 입력 단자에 입력된 제1 신호 및 상기 다른 쪽의 차동 입력 단자의 입력된 제2 신호에 기초하여, 차동 신호를 형성한다.

Description

압전 디바이스, 힘 센서 및 생체 정보 취득 디바이스
본 개시는, 압전 디바이스, 힘 센서 및 생체 정보 취득 디바이스에 관한 것이다.
근년, 압전성을 갖는 재료는, 도체에 피복하여 이용되고 있다.
특허문헌 1은, 와이어 하네스를 개시하고 있다. 특허문헌 1에 개시된 와이어 하네스는, 피에조 케이블과, 전기 커넥터로 이루어진다. 피에조 케이블은, 중심 도체, 압전 재료층, 외측 도체 및 외피를 갖는다. 중심 도체, 압전 재료층, 외측 도체 및 외피는, 이 순으로 중심으로부터 외측을 향하여 동축형으로 배치되어 있다. 압전 재료층은, 폴리불화비닐리덴(PVDF)의 공중합체가 사용된다. 전기 커넥터는, A/D 변환 회로를 내장한다.
일본 특허 공개 평10-132669호 공보
그러나, 특허문헌 1에 개시된 피에조 케이블에서는, 외래의 전자 노이즈 등에 의해 외측 도체에 노이즈가 중첩될 우려가 있었다. 그 때문에, 중심 도체와 외측 도체 사이에 발생하는 전압에도 노이즈가 중첩될 우려가 있었다. 그 결과, 특허문헌 1에 개시된 피에조 케이블은, 미세한 진동 등의 외력을 감도 좋게 검출할 수 없을 우려가 있었다.
본 개시는, 상기 사정을 감안하여, 외력을 감도 좋게 검출할 수 있는 압전 디바이스, 힘 센서 및 생체 정보 취득 디바이스를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단에는, 이하의 실시 양태가 포함된다.
<1> 제1 방향을 향하여 연장되는 제1 내부 도체와, 상기 제1 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제1 압전체와, 상기 제1 압전체의 외주에 배치된 제1 외부 도체를 갖고, 외력이 상기 제1 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제1 압전체의 변위에 따라서, 상기 제1 외부 도체에 대하여 상기 제1 내부 도체에 제1 전압을 발생시키는 제1 압전 센서와,
제2 방향을 향하여 연장되는 제2 내부 도체와, 상기 제2 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제2 압전체와, 상기 제2 압전체의 외주에 배치된 제2 외부 도체를 갖고, 상기 외력이 상기 제2 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제2 압전체의 변위에 따라서, 상기 제2 외부 도체에 대하여 상기 제2 내부 도체에 상기 제1 전압과 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시키는 제2 압전 센서와,
상기 제1 내부 도체가 전기적으로 접속된 한쪽의 차동 입력 단자, 및 상기 제2 내부 도체가 전기적으로 접속된 다른 쪽의 차동 입력 단자를 갖고, 상기 한쪽의 차동 입력 단자에 입력된 제1 신호 및 상기 다른 쪽의 차동 입력 단자의 입력된 제2 신호에 기초하여, 차동 신호를 형성하는 차동 신호 형성부를 구비하는 압전 디바이스.
<2> 상기 차동 신호 형성부는, 차동 증폭 회로를 포함하는, 상기 <1>에 기재된 압전 디바이스.
<3> 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은, 대략 평행인, 상기 <1> 또는 <2>에 기재된 압전 디바이스.
<4> 상기 제1 외부 도체와, 상기 제2 외부 도체가 물리적으로 접촉하고 있는, 상기 <3>에 기재된 압전 디바이스.
<5> 상기 제1 압전체는, 압전 상수 d14를 갖는 유기 압전 재료를 포함하는 긴 형상 유기 압전체가 상기 제1 방향을 향하여 제1 나선 방향으로 나선형으로 권회되어 이루어지고,
상기 제2 압전체는, 상기 긴 형상 유기 압전체가 상기 제2 방향을 향하여 상기 제1 나선 방향과는 다른 제2 나선 방향으로 나선형으로 권회되어 이루어지는, 상기 <1> 내지 <4> 중 어느 하나에 기재된 압전 디바이스.
<6> 상기 유기 압전 재료는, 광학 활성을 갖는 헬리컬 키랄 고분자를 포함하는, 상기 <5>에 기재된 압전 디바이스.
<7> 상기 헬리컬 키랄 고분자는, 폴리락트산을 포함하는, 상기 <6>에 기재된 압전 디바이스.
<8> 상기 유기 압전 재료는, 광학 활성 폴리펩티드로 이루어지는 장섬유를 포함하는, 상기 <5>에 기재된 압전 디바이스.
<9> 상기 제1 압전체는, 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 갖고, 압전 상수 d14를 갖지 않는 압전 재료를 포함하는 시트형 압전체의 한쪽 면이 상기 제1 내부 도체의 측이 되도록, 상기 시트형 압전체가 권회되어 이루어지고,
상기 제2 압전체는, 상기 시트형 압전체의 다른 쪽 면이 상기 제2 내부 도체의 측이 되도록, 상기 시트형 압전체가 권회되어 이루어지는, 상기 <1> 내지 <4> 중 어느 하나에 기재된 압전 디바이스.
<10> 상기 시트형 압전체는, 폴리불화비닐리덴을 포함하는, 상기 <9>에 기재된 압전 디바이스.
<11> 제1 방향을 향하여 연장되는 제1 내부 도체와, 상기 제1 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제1 압전체와, 상기 제1 압전체의 외주에 배치된 제1 외부 도체를 갖고, 외력이 상기 제1 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제1 압전체의 변위에 따라서, 상기 제1 외부 도체에 대하여 상기 제1 내부 도체에 제1 전압을 발생시키는 제1 압전 센서와,
제2 방향을 향하여 연장되는 제2 내부 도체와, 상기 제2 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제2 압전체와, 상기 제2 압전체의 외주에 배치된 제2 외부 도체를 갖고, 상기 외력이 상기 제2 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제2 압전체의 변위에 따라서, 상기 제2 외부 도체에 대하여 상기 제2 내부 도체에 상기 제1 전압과 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시키는 제2 압전 센서와,
상기 제1 내부 도체가 전기적으로 접속된 한쪽의 차동 입력 단자, 상기 제2 내부 도체가 전기적으로 접속된 다른 쪽의 차동 입력 단자, 그리고 상기 제1 외부 도체 및 상기 제2 외부 도체의 각각과 전기적으로 접속된 기준 단자를 갖는 계장 증폭기를 구비하는, 압전 디바이스.
<12> 상기 <1> 내지 <11> 중 어느 하나에 기재된 압전 디바이스를 구비하는, 힘 센서.
<13> 상기 <1> 내지 <11> 중 어느 하나에 기재된 압전 디바이스를 구비하는, 생체 정보 취득 디바이스.
본 개시에 의하면, 외력을 감도 좋게 검출할 수 있는 압전 디바이스, 힘 센서 및 생체 정보 취득 디바이스가 제공된다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 압전 디바이스의 개략 구성도이다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 계장 증폭기의 블록 회로도이다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 정보 처리 유닛의 하드웨어 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 CPU의 기능 구성의 예를 도시하는 블록도이다.
도 5는 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서의 일 양태를 도시하는 정면도이다.
도 6은 도 5의 VI-VI선 단면도이다.
도 7은 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서의 다른 양태를 도시하는 정면도이다.
도 8은 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서의 또 다른 양태를 도시하는 정면도이다.
도 9는 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서 및 제2 압전 센서의 일 양태의 일부 절결 사시도이다.
도 10은 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 다른 양태의 일부 절결 사시도이다.
도 11은 본 실시 형태에 관한 힘 센서의 개념도이다.
도 12는 실시예 1의 측정용 장치 및 진동 발생 장치의 상면도이다.
도 13은 도 12의 절단선 XIII의 단면도이다.
도 14는 도 12의 절단선 XIV의 단면도이다.
도 15는 도 12의 방향 D4로부터 본 실시예 1의 측정용 장치(100) 및 진동 발생 장치(200)의 측면도이다.
도 16은 실시예 1의 FFT(Fast Fourier Transform) 해석의 측정 결과이다.
도 17은 비교예 1의 FFT 해석의 측정 결과이다.
도 18은 비교예 2의 FFT 해석의 측정 결과이다.
본 개시에 대하여, 바람직한 실시 형태의 일례에 대하여 상세하게 설명한다. 이들의 설명 및 실시예는 실시 형태를 예시하는 것이며, 실시 형태의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 개시에 있어서, 2 이상의 바람직한 양태의 조합은, 보다 바람직한 양태이다.
본 명세서에 있어서, 「내지」를 사용하여 표시되는 수치 범위는, 「내지」의 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 범위를 의미한다.
본 개시에 단계적으로 기재되어 있는 수치 범위에 있어서, 어떤 수치 범위에서 기재된 상한값 또는 하한값은, 다른 단계적인 기재의 수치 범위의 상한값 또는 하한값으로 치환해도 된다. 또한, 본 개시에 기재되어 있는 수치 범위에 있어서, 어떤 수치 범위에서 기재된 상한값 또는 하한값은, 실시예에 나타내어져 있는 값으로 치환해도 된다.
본 개시의 제1 양태에 관한 압전 디바이스는, 제1 압전 센서와, 제2 압전 센서와, 차동 신호 형성부를 구비한다.
제1 압전 센서는, 제1 방향을 향하여 연장되는 제1 내부 도체와, 상기 제1 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제1 압전체와, 상기 제1 압전체의 외주에 배치된 제1 외부 도체를 갖는다. 외력이 상기 제1 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제1 압전체의 변위에 따라서, 상기 제1 외부 도체에 대하여 상기 제1 내부 도체에 제1 전압을 발생시킨다.
제2 압전 센서는, 제2 방향을 향하여 연장되는 제2 내부 도체와, 상기 제2 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제2 압전체와, 상기 제2 압전체의 외주에 배치된 제2 외부 도체를 갖는다. 상기 외력이 상기 제2 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제2 압전체의 변위에 따라서, 상기 제2 외부 도체에 대하여 상기 제2 내부 도체에 상기 제1 전압과 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다.
차동 신호 형성부는, 상기 제1 내부 도체가 전기적으로 접속된 한쪽의 차동 입력 단자, 및 상기 제2 내부 도체가 전기적으로 접속된 다른 쪽의 차동 입력 단자를 갖는다. 차동 신호 형성부는, 상기 한쪽의 차동 입력 단자에 입력된 제1 신호 및 상기 다른 쪽의 차동 입력 단자의 입력된 제2 신호에 기초하여, 차동 신호를 형성한다.
제1 양태에 있어서, 제1 신호, 제2 신호 및 차동 신호의 각각의 종류는, 동일하고, 예를 들어 전압, 전류, 또는 전하량이어도 된다.
제1 전압 및 제2 전압의 각각은, 외래의 전자 노이즈 등에 의해 동상(同相) 모드의 노이즈를 포함하기 쉽다. 동상 모드의 노이즈는, 제1 양태에 관한 압전 디바이스가 검출하는 외력의 감도를 낮게 하는 요인이 될 수 있다.
차동 신호 형성부는, 제1 신호와 제2 신호를 차동하여 얻어지는 차동 신호를 형성한다. 즉, 차동 신호에서는, 제1 신호 및 제2 신호의 동상 모드의 노이즈가 저감된다. 그 결과, 제1 양태에 관한 압전 디바이스는, 차동 신호에 기초하여 외력을 감도 좋게 검출할 수 있다.
제1 양태에 있어서, 제1 압전 센서로서는, 후술하는 제1 압전 센서(10A)로서 예시된 것과 마찬가지의 것을 들 수 있다. 제2 압전 센서로서는, 후술하는 제2 압전 센서(10B)로서 예시된 것과 마찬가지의 것을 들 수 있다.
이하, 제1 양태에 있어서의 제1 압전 센서의 구성 부재, 및 제2 압전 센서의 구성 부재 등의 상세한 설명은 생략한다.
차동 신호 형성부는, 제1 신호 및 제2 신호에 기초하여 차동 신호를 형성한다. 차동 신호는, 차동 회로(하드웨어) 및 디지털 연산 처리의 소프트웨어 중 적어도 하나에 의해 형성되어도 된다. 차동 신호 형성부는, 공지의 구성이다.
차동 신호가 차동 회로에 의해 형성되는 경우, 차동 신호 형성부로서는, 한 쌍의 차동 입력 단자에 더하여, 예를 들어 연산 증폭기를 가져도 된다. 구체적으로, 차동 신호 형성부로서는, 연산 증폭기를 사용한 차동 증폭 회로, 복수의 연산 증폭기 및 버퍼 증폭기를 사용한 차동 증폭 회로, 계장 증폭기 등을 들 수 있다.
차동 신호가 디지털 연산 처리의 소프트웨어에 의해 형성되는 경우, 차동 신호 형성부는, 한 쌍의 차동 입력 단자에 더하여, 예를 들어 디지털/아날로그(AD) 변환기, 및 정보 처리 장치를 갖는다. 정보 처리 장치는, AD 변환기의 후단에 배치된다.
AD 변환기는, 입력된 제1 신호 및 제2 신호의 각각을 디지털 신호로 변환하여, 정보 처리 장치에 출력한다. 정보 처리 장치는, 입력된 한 쌍의 디지털 신호에 디지털 연산 처리를 실시하여, 차동 신호를 형성한다.
정보 처리 장치는, 각 기능을 실현하는 소프트웨어인 프로그램의 명령을 실행한다. 정보 처리 장치는, 기억부와, 제어부를 구비한다.
기억부는, 각종 데이터를 기억한다. 기억부는, ROM(Read Only Memory), 및 RAM(Random Access Memory)과 같은 주 기억부, 및 보조 기억부를 포함한다. 주 기억부는, 반도체 메모리를 포함한다. 보조 기억부는, SSD(Solid State Drive)를 포함한다. 기억부는, 제어부에 의해 실행되는 다양한 프로그램을 기억한다. 프로그램은, 한 쌍의 디지털 신호에 디지털 연산 처리를 실시하기 위한 프로그램, 펌웨어, 및 제어 프로그램을 포함한다.
제어부는, CPU(Central Processing Unit)와 같은 프로세서를 포함하는 하드웨어 회로이다. 제어부는, 기억부에 저장된 프로그램을 실행함으로써, 디지털 연산 처리 등을 실행한다.
제1 양태에서는, 차동 신호 형성부는, 차동 증폭 회로를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제1 신호 및 제2 신호의 각각은, 아날로그 신호이다. 이에 의해, 차동 증폭 회로는, 제1 압전 센서 및 제2 압전 센서의 각각으로부터의 출력을, 아날로그 신호로서, 증폭하고, 또한 차동 신호를 형성할 수 있다. 그 때문에, 외래 노이즈는, 회로 노이즈 등의 영향을 받기 어렵다. 그 결과, 차동 증폭 회로는, 제1 압전 센서 및 제2 압전 센서의 각각이 검지한 신호를 보다 정확하게 신호 처리할 수 있다.
제1 양태에서는, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은, 대략 평행인 것이 바람직하다. 환언하면, 제1 압전 센서와 제2 압전 센서는 대략 평행으로 배치되는 것이 바람직하다.
본 개시에 있어서, 「대략 평행」이란, 제1 압전 센서와 제2 압전 센서를 언뜻 보아 평행으로 간주할 수 있는 관계이다. 구체적으로, 대략 평행이란, 제1 압전 센서와 제2 압전 센서가 이루는 각도가 10도 미만이다.
이에 의해, 압전 디바이스에 외력이 작용하였을 때, 제1 압전체 및 제2 압전체의 각각에, 대략 동일한 외력이, 제1 압전 센서와 제2 압전 센서가 대략 평행으로 배치되어 있지 않은 경우보다도 작용하기 쉬워진다. 그 결과, 제1 양태에 관한 압전 디바이스는, 보다 감도 좋게 외력을 검출할 수 있다.
제1 양태에서는, 상기 제1 외부 도체와, 상기 제2 외부 도체가 물리적으로 접촉하고 있는 것이 바람직하다.
이에 의해, 압전 디바이스에 외력이 작용하였을 때, 제1 압전체 및 제2 압전체의 각각에, 대략 동일한 외력이, 제1 외부 도체와, 제2 외부 도체가 물리적으로 접촉하고 있지 않은 경우보다도 작용하기 쉬워진다. 제1 외부 도체와, 제2 외부 도체는, 단락된다. 그 결과, 제1 양태에 관한 압전 디바이스는, 외력을 더욱 감도 좋게 검출할 수 있다.
제1 양태에서는, 상기 제1 압전체는, 압전 상수 d14를 갖는 유기 압전 재료를 포함하는 긴 형상 유기 압전체가 상기 제1 방향을 향하여 제1 나선 방향으로 나선형으로 권회되어 이루어지고, 상기 제2 압전체는, 상기 긴 형상 유기 압전체가 상기 제2 방향을 향하여 상기 제1 나선 방향과는 다른 제2 나선 방향으로 나선형으로 권회되어 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 의해, 제1 압전 센서의 제1 압전체 및 제2 압전 센서의 제2 압전체의 각각의 재료로서, 압전성 등이 우수한 광학 활성 고분자(A)를 사용할 수 있다.
압전성(피에조)이란, 응력을 가하면 전하를 발생시키는 성질을 나타낸다.
광학 활성 고분자(A)의 상세에 대해서는, 후술한다.
제1 양태에서는, 상기 유기 압전 재료는, 광학 활성을 갖는 헬리컬 키랄 고분자를 포함하는 것이 바람직하다.
이에 의해, 유기 압전 재료의 가공성 및 입수 용이성 등은 보다 우수함과 함께, 제1 압전 센서 및 제2 압전 센서의 각각의 압전성은 보다 우수하다.
제1 양태에서는, 상기 헬리컬 키랄 고분자는, 폴리락트산을 포함하는 것이 바람직하다.
이에 의해, 유기 압전 재료의 가공성 및 입수 용이성 등은 더욱 우수함과 함께, 제1 압전 센서 및 제2 압전 센서의 각각의 압전성은 더욱 우수하다.
제1 양태에서는, 유기 압전 재료는, 광학 활성 폴리펩티드로 이루어지는 장섬유를 포함하는 것이 바람직하다.
이에 의해, 제1 압전 센서 및 제2 압전 센서의 각각의 압전성은 특히 우수하다.
제1 양태에서는, 상기 제1 압전체는, 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 갖고, 압전 상수 d14를 갖지 않는 압전 재료를 포함하는 시트형 압전체의 한쪽 면이 상기 제1 내부 도체의 측이 되도록, 상기 시트형 압전체가 권회되어 이루어지고, 상기 제2 압전체는, 상기 시트형 압전체의 다른 쪽 면이 상기 제2 내부 도체의 측이 되도록, 상기 시트형 압전체가 권회되어 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 의해, 제1 압전 센서의 제1 압전체 및 제2 압전 센서의 제2 압전체의 각각의 재료로서, 압전성 등이 우수한, 폴리불화비닐리덴(PVDF)과 같은 유기 압전 재료 및 티타늄산지르콘산납(PZT)계와 같은 무기 압전 재료를 사용할 수 있다.
폴리불화비닐리덴(PVDF)과 같은 유기 압전 재료 및 티타늄산지르콘산납(PZT)계와 같은 무기 압전 재료의 상세에 대해서는, 후술한다.
제1 양태에서는, 상기 시트형 압전체는, 폴리불화비닐리덴을 포함하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 시트형 압전체는, 경량이며 유연성이 풍부하고, 가공성 등이 우수하다.
본 개시의 제2 양태에 관한 압전 디바이스는, 제1 압전 센서와, 제2 압전 센서와, 계장 증폭기를 구비해도 된다.
제1 압전 센서는, 제1 방향을 향하여 연장되는 제1 내부 도체와, 상기 제1 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제1 압전체와, 상기 제1 압전체의 외주에 배치된 제1 외부 도체를 갖는다. 외력이 상기 제1 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제1 압전체의 변위에 따라서, 상기 제1 외부 도체에 대하여 상기 제1 내부 도체에 제1 전압을 발생시킨다.
제2 압전 센서는, 제2 방향을 향하여 연장되는 제2 내부 도체와, 상기 제2 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제2 압전체와, 상기 제2 압전체의 외주에 배치된 제2 외부 도체를 갖는다. 상기 외력이 상기 제2 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제2 압전체의 변위에 따라서, 상기 제2 외부 도체에 대하여 상기 제2 내부 도체에 상기 제1 전압과 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다.
계장 증폭기는, 상기 제1 내부 도체가 전기적으로 접속된 한쪽의 차동 입력 단자, 상기 제2 내부 도체가 전기적으로 접속된 다른 쪽의 차동 입력 단자, 그리고 상기 제1 외부 도체 및 상기 제2 외부 도체의 각각과 전기적으로 접속된 기준 단자를 갖는다.
제1 전압 및 제2 전압의 각각은, 외래의 전자 노이즈 등에 의해 동상 모드 전압을 포함하기 쉽다. 동상 모드 전압은, 제2 양태에 관한 압전 디바이스가 검출하는 외력의 감도를 낮게 하는 요인이 될 수 있다. 계장 증폭기는, 기준 단자의 전압을 기준으로 하여, 제1 전압과 제2 전압을 차동 증폭하여 얻어지는 차동 전압을 출력한다. 즉, 계장 증폭기로부터 출력되는 차동 전압은, 제1 전압 및 제2 전압의 동상 모드 전압이 저감되고, 또한 증폭된다. 환언하면, 차동 전압은, SN비가 우수하다. 그 결과, 제2 양태에 관한 압전 디바이스는, 차동 전압에 기초하여 외력을 감도 좋게 검출할 수 있다.
제2 양태에 관한 압전 디바이스의 상세에 대해서는, 도 1 내지 도 10을 참조하여 후술한다.
본 개시의 힘 센서는, 제1 양태에 관한 압전 디바이스, 또는 제2 양태에 관한 압전 디바이스를 구비한다.
본 개시의 힘 센서의 일례에 대하여, 도 1 내지 도 11을 참조하여 후술한다.
본 개시의 생체 정보 취득 디바이스는, 제1 양태에 관한 압전 디바이스, 또는 제2 양태에 관한 압전 디바이스를 구비한다.
본 개시의 생체 정보 취득 디바이스의 일례에 대하여, 도 1 내지 도 10을 참조하여 후술한다.
이하, 도면을 참조하여, 계장 증폭기를 사용한 본 개시의 실시 형태에 관한 압전 디바이스, 힘 센서 및 생체 정보 취득 디바이스의 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 도면 중, 동일하거나 또는 상당 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이고 설명을 반복하지 않는다.
〔압전 디바이스〕
도 1을 참조하여, 본 개시의 실시 형태에 관한 압전 디바이스(1)에 대하여 설명한다. 도 1은 본 개시의 실시 형태에 관한 압전 디바이스(1)의 개략 구성도이다.
압전 디바이스(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 압전 센서(10A)와, 제2 압전 센서(10B)와, 제1 동축 케이블(20A)과, 제2 동축 케이블(20B)과, 계장 증폭기(30)와, 정보 처리 유닛(40)을 구비한다. 제1 압전 센서(10A)는, 제1 동축 케이블(20A)을 통해, 계장 증폭기(30)와 전기적으로 접속되어 있다. 제2 압전 센서(10B)는, 제2 동축 케이블(20B)을 통해, 계장 증폭기(30)와 전기적으로 접속되어 있다. 계장 증폭기(30)는, 정보 처리 유닛(40)과 전기적으로 접속되어 있다.
제1 압전 센서(10A)는, 제1 내부 도체(11A)와, 제1 압전체(12A)와, 제1 외부 도체(13A)를 갖는다. 제1 압전체(12A)는, 제1 내부 도체(11A)와 제1 외부 도체(13A) 사이에 위치한다. 제1 내부 도체(11A)와 제1 외부 도체(13A)는 물리적으로 접촉하고 있지 않다. 제1 압전 센서(10A)의 구성의 상세에 대해서는, 도 5 내지 도 8을 참조하여 후술한다.
제1 압전 센서(10A)는, 외력이 제1 압전체(12A)에 작용하면, 외력에 의한 제1 압전체(12A)의 변위에 의해, 제1 내부 도체(11A)와 제1 외부 도체(13A) 사이에, 제1 전압을 발생시킨다. 제1 전압은, 제1 외부 도체(13A)에 대한 제1 내부 도체(11A)의 전위차를 나타낸다.
외력은, 인장, 가압 및 굴곡을 포함한다. 제1 압전체(12A)의 변위는, 외력에 따른 제1 압전체(12A)의 복귀 가능한 변형(이하, 「비소성 변형」이라 함)을 포함한다. 제1 압전체(12A)의 비소성 변형은, 제1 압전체(12A)의 부분적 또는 전체적인 신장, 및 압축을 포함한다.
제2 압전 센서(10B)는, 제2 내부 도체(11B)와, 제2 압전체(12B)와, 제2 외부 도체(13B)를 갖는다. 제2 압전체(12B)는, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에 위치한다. 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B)는 물리적으로 접촉하고 있지 않다. 제2 압전 센서(10B)의 구성의 상세에 대해서는, 후술한다.
제2 압전 센서(10B)는, 외력이 제2 압전체(12B)에 작용하면, 외력에 의한 제2 압전체(12B)의 변위에 의해, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에, 제2 전압을 발생시킨다. 제2 전압은, 제2 외부 도체(13B)에 대한 제2 내부 도체(11B)의 전위차를 나타낸다. 제2 전압과, 제1 전압은 전압의 정부가 다르다.
제2 압전체(12B)의 변위는, 외력에 따른 제2 압전체(12B)의 비소성 변형을 포함한다. 제2 압전체(12B)의 비소성 변형은, 제2 압전체(12B)의 부분적 또는 전체적인 신장, 및 압축을 포함한다.
본 실시 형태에서는, 제1 내부 도체(11A) 및 제2 내부 도체(11B)의 각각은, 방향 D1을 향하여 연장되어 있다. 즉, 제1 내부 도체(11A)와, 제2 내부 도체(11B)는 대략 평행이다. 환언하면, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)는, 대략 평행으로 배치되어 있다. 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)는, 물리적으로 접촉하고 있는 것이 바람직하다. 방향 D1은, 제1 방향 및 제2 방향의 일례이다.
대략 평행이란, 제1 압전 센서(10A)와 제2 압전 센서(10B)를 언뜻 보아 평행으로 간주할 수 있는 관계이다. 구체적으로, 대략 평행이란, 제1 압전 센서(10A)와 제2 압전 센서(10B)가 이루는 각도가 10도 미만이다.
계장 증폭기(30)는, 입력되는 제1 전압 및 제2 전압의 전위차를 증폭하고, 얻어지는 차동 전압을 싱글 출력한다. 계장 증폭기(30)는, 제1 차동 입력 단자 VIN -와, 제2 차동 입력 단자 VIN +와, 기준 단자 Vref와, 출력 단자 Vout를 갖는다. 계장 증폭기(30)의 구성의 상세에 대해서는, 도 2를 참조하여 후술한다. 제1 차동 입력 단자 VIN -는, 한쪽의 차동 입력 단자의 일례이다. 제2 차동 입력 단자 VIN +는, 다른 쪽의 차동 입력 단자의 일례이다.
제1 동축 케이블(20A)은, 제1 도선(21A)과, 제1 절연층(22A)과, 제1 도체층(23A)을 갖는다. 제1 도선(21A)은, 제1 압전 센서(10A)의 제1 내부 도체(11A)와 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -를 전기적으로 접속한다. 제1 절연층(22A)은, 제1 도선(21A)을 덮는다. 즉, 제1 도선(21A)과 제1 도체층(23A)은 물리적으로 접촉하고 있지 않다. 제1 도체층(23A)은, 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A)와, 계장 증폭기(30)의 기준 단자 Vref를 전기적으로 접속한다. 제1 도체층(23A)은, 제1 절연층(22A)을 덮는다.
제1 도선(21A)의 재질로서는, 구리 등을 들 수 있다. 제1 절연층(22A)의 재료는, 전기적 절연성을 갖는 재료이면 되고, 예를 들어 불소 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아몰퍼스 폴리올레핀 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 등을 들 수 있다. 제1 도체층(23A)의 재질은, 예를 들어 구리, 알루미늄 등을 들 수 있다. 제1 도체층(23A)은, 편조선이어도 된다. 제1 도체층(23A)은, 보호 피막으로 덮여 있어도 된다. 보호 피막의 재질로서는, 예를 들어 염화비닐 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드 등을 들 수 있다.
제2 동축 케이블(20B)은, 제2 도선(21B)과, 제2 절연층(22B)과, 제2 도체층(23B)을 갖는다. 제2 도선(21B)은, 제2 압전 센서(10B)의 제2 내부 도체(11B)와 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +를 전기적으로 접속한다. 제2 절연층(22B)은, 제2 도선(21B)을 덮는다. 즉, 제2 도선(21B)과 제2 도체층(23B)은, 물리적으로 접속하고 있지 않다. 제2 도체층(23B)은, 제2 압전 센서(10B)의 제2 외부 도체(13B)와, 계장 증폭기(30)의 기준 단자 Vref를 전기적으로 접속한다. 제2 도체층(23B)은, 제2 절연층(22B)을 덮는다.
제2 도선(21B)의 재질로서는, 제1 도선(21B)의 재질로서 예시한 재질과 동일한 재질을 들 수 있다. 제2 절연층(22B)의 재료로서는, 제1 절연층(22A)의 재질로서 예시한 재질과 동일한 재질을 들 수 있다. 제2 도체층(23B)의 재질은, 제1 도체층(23A)의 재질로서 예시한 재질과 동일한 재질을 들 수 있다. 제2 도체층(23B)은, 보호 피막으로 덮여 있어도 된다. 제2 동축 케이블(20B)의 구성은, 제1 동축 케이블(20A)과 동일해도 되고, 달라도 된다.
정보 처리 유닛(40)은, 계장 증폭기(30)로부터 출력된 차동 전압을 디지털 신호로 변환하여, 데이터 처리를 행한다. 데이터 처리는, 차동 전압의 표시, 외력의 검지, 차동 전압의 기록 등을 포함한다. 정보 처리 유닛(40)의 상세에 대해서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다.
본 실시 형태에서는, 제1 내부 도체(11A)와, 제2 내부 도체(11B)는 대략 평행이지만, 본 개시는 이것에 한정되지는 않고, 제1 내부 도체(11A)와, 제2 내부 도체(11B)는 대략 평행이 아니어도 된다. 본 실시 형태에서는, 압전 디바이스(1)는, 제1 동축 케이블(20A) 및 제2 동축 케이블(20B)를 구비하지만, 본 개시는 이것에 한정되지는 않고, 압전 디바이스(1)는, 제1 동축 케이블(20A) 및 제2 동축 케이블(20B)을 구비하고 있지 않아도 된다. 본 실시 형태에서는, 압전 디바이스(1)는, 정보 처리 유닛(40)을 구비하지만, 본 개시는 이것에 한정되지는 않고, 압전 디바이스(1)는, 정보 처리 유닛(40)을 구비하고 있지 않아도 된다.
(계장 증폭기)
다음으로 도 2를 참조하여, 계장 증폭기(30)에 대하여 더 설명한다. 도 2는 본 실시 형태에 관한 계장 증폭기(30)의 블록 회로도이다.
계장 증폭기(30)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 증폭기(31), 제2 증폭기(32), 제3 증폭기(33), 및 저항기 R1 내지 R7을 갖는다. 제1 증폭기(31) 및 제2 증폭기(32)는, 한 쌍의 입력단을 구성한다. 제3 증폭기(33)는, 제1 증폭기(31) 및 제2 증폭기(32)의 각각으로부터 출력되는 전압의 차를 증폭한다.
제1 증폭기(31)는, 제1 비반전 차동 입력 단자 I1과, 제1 반전 차동 입력 단자 I2와, 제1 출력 단자 O1을 갖는다. 제1 비반전 차동 입력 단자 I1은, 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 접속되어 있다. 그 때문에, 제1 비반전 차동 입력 단자 I1에는, 제1 압전 센서(10A)의 제1 내부 도체(11A)가 전기적으로 접속되어 있다. 그 때문에, 제1 비반전 차동 입력 단자 I1에는, 제1 전압이 입력된다.
제2 증폭기(32)는, 제2 비반전 차동 입력 단자 I3과, 제2 반전 차동 입력 단자 I4와, 제2 출력 단자 O2를 갖는다. 제2 비반전 차동 입력 단자 I3은, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 접속되어 있다. 그 때문에, 제2 비반전 차동 입력 단자 I3에는, 제2 압전 센서(10B)의 제2 내부 도체(11B)가 전기적으로 접속되어 있다. 그 때문에, 제2 비반전 차동 입력 단자 I3에는, 제2 전압이 입력된다.
제1 증폭기(31)의 출력 단자 O1과, 제2 증폭기(32)의 출력 단자 O2는, 저항기 R2, R1, R3의 각각을 통해 접속되어 있다. 제1 증폭기(31)의 반전 차동 입력 단자 I2는, 저항기 R2와 저항기 R1 사이에 접속되어 있다. 제2 증폭기(32)의 반전 차동 입력 단자 I4는, 저항기 R1과 저항기 R3 사이에 접속되어 있다.
제3 증폭기(33)는, 비반전 차동 입력 단자 I5와, 반전 차동 입력 단자 I6과, 출력 단자 O3을 갖는다. 비반전 차동 입력 단자 I5는, 저항기 R4를 통해 제1 증폭기(31)의 출력 단자 O1에 접속되고, 또한, 저항기 R6을 통해 출력 단자 O3에 접속되어 있다. 반전 차동 입력 단자 I6은, 저항기 R5를 통해 제2 증폭기(32)의 출력 단자 O2에 접속되고, 또한, 저항기 R7을 통해 계장 증폭기(30)의 기준 단자 Vref에 접속되어 있다. 즉, 기준 단자 Vref는, 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A) 및 제2 압전 센서(10B)의 제2 외부 도체(13B)의 각각과 전기적으로 접속되고, 또한 접지되어 있다. 기준 단자 Vref의 전압은, 바람직하게는 0V이다. 출력 단자 O3은, 계장 증폭기(30)의 출력 단자 VOUT에 접속되어 있다.
도 2에 있어서, 제1 차동 입력 단자 VIN -, 제2 차동 입력 단자 VIN +, 및 출력 단자 VOUT의 각각의 전압은, 기준 단자 Vref의 전압을 기준으로 한다.
이와 같이 하여, 계장 증폭기(30)에서는, 제1 증폭기(31) 및 제2 증폭기(32)는, 제1 전압과 제2 전압의 전압차를 취한다. 이어서, 제3 증폭기(33)는, 제1 전압과 제2 전압의 전압차를 증폭하여, 얻어지는 차동 전압을 출력한다.
(정보 처리 유닛)
다음으로, 도 3을 참조하여, 정보 처리 유닛(40)에 대하여 설명한다. 도 3은 본 실시 형태에 관한 정보 처리 유닛(40)의 하드웨어 구성을 도시하는 블록도이다. 도 4는 본 실시 형태에 관한 CPU(421)의 기능 구성의 예를 도시하는 블록도이다.
정보 처리 유닛(40)은, 도 3에 도시한 바와 같이, AD 변환기(41)와, PC(42)와, 모니터(43)와, 스피커(44)를 갖는다. AD 변환기(41), 모니터(43), 및 스피커(44)의 각각은, PC(42)와 전기적으로 접속되어 있다. AD 변환기(41)는, 아날로그 신호인 차동 전압을 디지털 신호로 변환한다. PC(42)는, AD 변환기(41)에 의해 변환된 디지털 신호를 검출한다.
PC(42)는, CPU(Central Processing Unit)(421), ROM(Read Only Memory)(422), RAM(Random Access Memory)(423), 스토리지(424), 통신 I/F(Inter Face)(425), 및 입출력 I/F(426)를 갖는다. CPU(421), ROM(422), RAM(423), 스토리지(424), 통신 I/F(425), 및 입출력 I/F(426)의 각각은, 버스(427)를 통해 서로 통신 가능하게 접속되어 있다.
CPU(421)는, 중앙 연산 처리 유닛이다. CPU(421)는, 각종 프로그램을 실행한다. CPU(421)는, 각 부를 제어한다. 즉, CPU(421)는, ROM(422) 또는 스토리지(424)로부터 프로그램을 읽어내고, RAM(423)을 작업 영역으로 하여 프로그램을 실행한다. 본 실시 형태에서는, 스토리지(424)에 각종 처리를 실행하기 위한 실행 프로그램이 기억되어 있다. CPU(421)는, 실행 프로그램을 실행함으로써, 도 4에 도시한 검출부(4211), 판정부(4212), 및 통보부(4213)로서 기능한다.
ROM(422)은, 각종 프로그램 및 각종 데이터를 기억하고 있다. RAM(422)은, 작업 영역으로서 일시적으로 프로그램 또는 데이터를 기억한다. 기억부로서의 스토리지(424)는, HDD(Hard Disk Drive) 또는 SSD(Solid State Drive) 등에 의해 구성되고, 오퍼레이팅 시스템을 포함하는 각종 프로그램 및 각종 데이터를 기억하고 있다.
통신 I/F(425)는, 스마트폰 등의 휴대 단말기와 통신하기 위한 인터페이스이다. 통신 I/F(425)는, 예를 들어 이더넷(등록 상표), FDDI(Fiber-distributed data interface), Wi-Fi(등록 상표) 등의 규격이 사용된다.
입출력 I/F(426)는, 정보 처리 유닛(40)을 구성하는 각 장치와 통신하기 위한 인터페이스이다. 본 실시 형태의 PC(42)에는, 입출력 I/F(426)를 통해 AD 변환기(41), 모니터(43) 및 스피커(44)가 접속되어 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, CPU(421)는, 검출부(4211), 판정부(4212), 및 통보부(4213)를 갖고 있다. 각 기능 구성은, CPU(421)가 스토리지(424)에 기억된 실행 프로그램을 읽어내고, 이것을 실행함으로써 실현된다.
검출부(4211)는, 통신 I/F(425)를 통해 AD 변환기(41)로부터 출력된 디지털 신호를 검출하는 기능을 갖는다. 검출부(4211)는, 검출된 디지털 신호를 수치화한다. 이에 의해, 유저는, 어느 정도의 외력이 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 작용하였는지를 알 수 있다.
판정부(4212)는, 소정값과, 수치화된 디지털 신호를 비교함으로써, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 소정의 외력이 작용하였는지 여부를 판정하는 기능을 갖는다. 소정값은, ROM(422)은 기억되어 있다. 예를 들어, 판정부(4212)는, 수치화된 디지털 신호가 소정값 이상인지 여부를 판정한다. 판정부(4212)는, 수치화된 디지털 신호가 소정값 이상이라고 판정한 경우, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 소정의 외력이 작용하였다고 판정한다. 판정부(4212)는, 수치화된 디지털 신호가 소정값 이상이 아니라고 판정한 경우, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 소정의 외력이 작용하지 않았다고 판정한다.
통보부(4213)는, 검출된 디지털 신호를 통보하는 기능을 갖는다. 예를 들어, 통보부(57)는, 통신 I/F(425)를 통해 모니터(43)에 판정 결과에 관한 문자 정보를 출력한다. 통보부(4213)는, 스피커(44)에 판정 결과에 관한 음성 정보를 출력한다.
(압전 디바이스의 작용)
도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 압전 디바이스(1)는, 제1 압전 센서(10A)와, 제2 압전 센서(10B)와, 계장 증폭기(30)를 구비한다. 제1 압전 센서(10A)는, 제1 내부 도체(11A)와, 제1 압전체(12A)와, 제1 외부 도체(13A)를 갖는다. 제1 압전 센서(10A)는, 외력이 제1 압전체(12A)에 작용하면, 제1 전압을 발생시킨다. 제2 압전 센서(10B)는, 제2 내부 도체(11B)와, 제2 압전체(12B)와, 제2 외부 도체(13B)를 갖는다. 제2 압전 센서(10B)는, 외력이 제2 압전체(12B)에 작용하면, 제1 전압과 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다. 계장 증폭기(30)는, 한 쌍의 차동 입력 단자 VIN -, VIN +와, 기준 단자 VREF를 갖는다. 한쪽의 차동 입력 단자 VIN -에는, 제1 내부 도체(11A)가 전기적으로 접속되어 있다. 다른 쪽의 차동 입력 단자 VIN +에는, 제2 내부 도체(11B)가 전기적으로 접속되어 있다. 기준 단자 VREF에는, 제1 외부 도체(13A) 및 제2 외부 도체(13B)의 각각과 전기적으로 접속되어 있다.
제1 전압 및 제2 전압의 각각은, 외래의 전자 노이즈 등에 의해 동상 모드 전압을 포함하기 쉽다. 동상 모드 전압은, 압전 디바이스(1)가 검출하는 외력의 감도를 낮게 하는 요인이 될 수 있다. 계장 증폭기(30)는, 기준 단자 VREF의 전압을 기준으로 하여, 제1 전압과 제2 전압을 차동 증폭하여 얻어지는 차동 전압을 출력한다. 즉, 계장 증폭기(30)로부터 출력되는 차동 전압은, 제1 전압 및 제2 전압의 동상 모드 전압이 저감되고, 또한 증폭된다. 환언하면, 차동 전압은, SN비가 우수하다. 그 결과, 압전 디바이스(1)는, 차동 전압에 기초하여 외력을 감도 좋게 검출할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 제1 내부 도체(11A)는 방향 D1을 향하여 연장되고, 제2 내부 도체(11B)는 방향 D1을 향하여 연장되어 있다. 그 때문에, 제1 내부 도체(11A)와, 제2 내부 도체(11B)는 대략 평행이다.
환언하면, 제1 압전 센서(10A)와 제2 압전 센서(10B)는 대략 평행으로 배치된다. 이에 의해, 압전 디바이스(1)에 외력이 작용하였을 때, 제1 압전체(12A) 및 제2 압전체(12B)의 각각에, 대략 동일한 외력이, 제1 압전 센서(10A)와 제2 압전 센서(10B)가 대략 평행으로 배치되어 있지 않은 경우보다도 작용하기 쉬워진다. 그 결과, 압전 디바이스(1)는, 감도 좋게 외력을 검출할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 제1 외부 도체(13A)와, 제2 외부 도체(13B)는 물리적으로 접촉하고 있는 것이 바람직하다.
이에 의해, 압전 디바이스(1)에 외력이 작용하였을 때, 제1 압전체(12A) 및 제2 압전체(12B)의 각각에, 대략 동일한 외력이, 제1 외부 도체(13A)와, 제2 외부 도체(13B)가 물리적으로 접촉하고 있지 않은 경우보다도 작용하기 쉬워진다. 제1 외부 도체(13A)와, 제2 외부 도체(13B)는, 단락된다. 그 결과, 압전 디바이스(1)는, 외력에 더욱 감도 좋게 검출할 수 있다.
(제1 압전 센서)
다음으로, 도 1, 및 도 5 내지 도 8을 참조하여, 제1 압전 센서(10A)의 상세에 대하여 설명한다. 도 5는 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서(10A)의 일 양태를 도시하는 정면도이다. 도 6은 도 5의 VI-VI선 단면도이다. 도 7은 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서(10A)의 다른 양태를 도시하는 정면도이다. 도 8은 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서(10A)의 또 다른 양태를 도시하는 정면도이다. 도 5, 도 7 및 도 8 중, 제1 외부 도체(13A)는 생략되어 있다.
제1 압전 센서(10A)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 내부 도체(11A)와, 제1 압전체(12A)와, 제1 외부 도체(13A)를 갖는다. 제1 내부 도체(11A)는, 방향 D1을 향하여 연장되어 있다. 제1 압전체(12A)는, 제1 내부 도체(11A)의 적어도 일부를 덮는다. 제1 외부 도체(13A)는, 제1 압전체(12A)의 외주에 배치되어 있다.
제1 압전 센서(10A)는, 선 형상물이다. 제1 압전 센서(10A)의 방향 D1에 직교하는 면에 있어서의 단면 형상은, 압전 디바이스(1)의 용도 등에 따라서 적절히 조정되고, 예를 들어 원 형상, 타원 형상, 직사각 형상, 누에고치 형상, 4잎 형상, 별 형상, 이(異)형상 등을 들 수 있다. 제1 압전 센서(10A)의 단면 형상이 원 형상인 경우, 제1 압전 센서(10A)의 직경은, 바람직하게는 0.1㎜ 이상 10㎜ 이하이다. 제1 압전 센서(10A)의 방향 D1에 있어서의 길이는, 압전 디바이스(1)의 용도 등에 따라서 적절히 조정되고, 예를 들어 1㎜ 이상 100㎜ 이하이다.
<제1 내부 도체>
제1 내부 도체(11A)는, 제1 압전 센서(10A)로부터 효율적으로 전기적 신호를 검출하기 위한 도체이다.
제1 내부 도체(11A)로서는, 전기적인 양도체(良導體)인 것이 바람직하고, 예를 들어 구리선, 알루미늄선, SUS(Steel Use Stainless)선, 절연 피막 피복된 금속선, 카본 파이버, 카본 파이버와 일체화한 수지 섬유, 금사선, 유기 도전 재료 등을 들 수 있다. 금사선은, 섬유에 구리박이 스파이럴로 권회되어 이루어진다. 섬유의 외경은, 제1 압전 센서(10A)의 원하는 특성에 따라서 적절히 조정되며, 0.1㎜ 이상 10㎜ 이하가 바람직하다. 그 중에서도, 제1 내부 도체(11A)는, 압전 감도, 및 압전 출력의 안정성을 향상시키고, 높은 굴곡성을 부여하는 관점에서, 금사선, 또는 카본 파이버인 것이 바람직하고, 전기적 저항이 낮은 관점에서, 금사선인 것이 보다 바람직하다.
<제1 외부 도체>
제1 외부 도체(13A)는, 제1 압전 센서(10A)로부터 전기적 신호를 검출하기 위해, 제1 내부 도체(11A)의 쌍이 되는 도체이다.
제1 외부 도체(13A)는, 제1 압전체(12A)의 외주에 배치되어 있으면 되고, 제1 압전체(12A)의 적어도 일부를 덮고 있어도 된다. 상세하게는, 제1 외부 도체(13A)는, 제1 압전체(12A)의 외주면의 일부를 덮고 있어도 되고, 제1 압전체(12A)의 외주면의 전체면을 덮고 있어도 된다.
제1 외부 도체(13A)는, 예를 들어 긴 형상 도체를 권회하여 이루어진다.
긴 형상 도체의 단면 형상은, 예를 들어 원 형상, 타원 형상, 직사각 형상, 이형상 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 제1 압전체(12A)에 평면으로 밀착되어, 제1 전압을 효율적으로 발생시키는 관점에서, 긴 형상 도체의 단면 형상은, 직사각 형상이 바람직하다.
긴 형상 도체의 재료는 특별히 한정되지는 않고, 단면 형상에 따라, 주로 이하의 것을 들 수 있다.
직사각형 단면을 갖는 긴 형상 도체로서는, 원형 단면의 구리선을 압연하여 평판형으로 가공한 구리박 리본, 알루미늄박 리본 등을 들 수 있다.
원형 단면을 갖는 긴 형상 도체로서는, 구리선, 알루미늄선, SUS선, 절연 피막 피복된 금속선, 카본 파이버, 카본 파이버와 일체화한 수지 섬유, 섬유에 구리박이 스파이럴로 권회된 금사선 등을 들 수 있다.
긴 형상 도체로서, 유기 도전 재료를 절연 재료로 코팅한 것을 사용해도 된다.
긴 형상 도체의 권회 방법은, 예를 들어 제1 압전체(12A)에 대하여 구리박 등을 나선형으로 권회하는 방법, 구리선 등을 통형의 끈목으로 하여, 제1 압전체(12A)를 감싸는 방법, 제1 압전체(12A)를 원통형으로 포접하는 방법 등을 들 수 있다.
<제1 압전체>
제1 압전체(12A)에서는, 외력이 작용하면, 제1 내부 도체(11A)와 제1 외부 도체(13A) 사이에, 제1 전압이 발생한다.
제1 압전체(12A)는, 제1 내부 도체(11A)의 적어도 일부를 덮고 있으면 되고, 제1 내부 도체(11A)의 외주면의 일부를 덮고 있어도 되고, 제1 내부 도체(11A)의 외주면의 전체면을 덮고 있어도 된다.
제1 압전체(12A)의 구성은, 예를 들어 하기의 제1 구성 A, 제2 구성 A, 제3 구성 A, 또는 제4 구성 A여도 된다.
제1 구성 A에서는, 제1 압전체(12A)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)를 권회하여 이루어진다. 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 대해서는, 후술한다.
제2 구성 A에서는, 제1 압전체(12A)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)를 권회하여 이루어진다. 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 대해서는, 후술한다.
제3 구성 A에서는, 제1 압전체(12A)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 끈목 구조를 권회하여 이루어진다. 끈목 구조는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)와 제2 긴 형상 유기 압전체(122)를 교호로 교차시켜 이루어진다.
제4 구성 A에서는, 시트형 압전체를 권회하여 이루어진다. 시트형 압전체에 대해서는, 후술한다.
이하, 제1 긴 형상 유기 압전체(121), 제1 구성 A, 제2 긴 형상 유기 압전체(122), 제2 구성 A, 제3 구성 A, 시트형 압전체, 및 제4 구성 A에 대하여, 이 순으로 설명한다.
(제1 긴 형상 유기 압전체)
제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 유기 압전 재료로 이루어지고, 압전 상수 d14를 갖는다.
「제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 압전 상수 d14를 갖는다」에 해당하는지 여부는, 하기의 제1 판정 방법에 의해 판정한다.
제1 판정 방법에서는, 후술하는 실시예 1에 준거하여 제작한 제1 압전 센서(10A) 및 제1 압전 센서(10B)와, 전압계를 사용한다.
상세하게는, 제1 판정 방법에서는, 후술하는 실시예 1에 준거하여, 제1 압전 센서(10A) 및 제1 압전 센서(10B)를 제작한다.
제1 압전 센서(10A)의 제1 내부 도체(11A)의 후방측(도 12 참조)의 단부와, 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A)의 후방측(도 12 참조)의 단부를 전압계에 전기적으로 접속한다. 이어서, 제1 압전 센서(10A)에 소정의 외력을 가하여, 판정용 전압을 검출한다.
마찬가지로, 제2 압전 센서(10B)의 제1 내부 도체(11A)의 후방측(도 12 참조)의 단부와, 제2 압전 센서(10B)의 제1 외부 도체(13A)의 후방측(도 12 참조)의 단부를 전압계에 전기적으로 접속한다. 이어서, 제1 압전 센서(10A)에 가한 외력과 동일한 외력을 제2 압전 센서(10B)에 가하여, 판정용 전압을 검출한다.
제1 판정 방법에서는, 하기의 조건(Y1)을 충족하는 경우, 「제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 압전 상수 d14를 갖는다」에 해당한다고 판단한다. 한편, 하기의 조건(Y1)을 충족하지 않는 경우, 「제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 압전 상수 d14를 갖는다」에 해당하지 않는다고 판단한다.
(Y1) 제1 압전 센서(10A)의 판정용 전압의 극성과, 제2 압전 센서(10B)의 판정용 전압의 극성이 반대인 것
제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 긴 형상물이다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 형상으로서는, 예를 들어 리본 형상, 섬유 형상 등을 들 수 있다. 리본 형상은, 평평하고 가늘고 긴 형상이다. 섬유의 구조는, 모노 필라멘트 또는 멀티 필라멘트여도 된다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 리본 형상인 경우, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 폭은, 바람직하게는 0.1㎜ 이상 30㎜ 이하이다. 폭이 0.1㎜ 이상임으로써, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 강도가 확보된다. 또한, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 제조 적성(예를 들어, 후술하는 슬릿 공정에 있어서의 제조 적성)도 우수하다. 폭이 30㎜ 이하임으로써, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 비소성 변형 자유도(유연성)가 향상된다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 리본 형상인 경우, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 두께는, 바람직하게는 0.001㎜ 이상 0.2㎜ 이하이다. 두께가 0.001㎜ 이상임으로써, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 강도가 확보된다. 또한, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 제조 적성도 우수하다. 두께가 0.2㎜ 이하임으로써, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 두께 방향의 비소성 변형의 자유도(유연성)가 향상된다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 리본 형상인 경우, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 두께에 대한 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 폭의 비(이하, 「비〔폭/두께〕」라 함)는 2 이상인 것이 바람직하다. 비〔폭/두께〕가 2 이상임으로써, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 주면이 명확해진다. 그 때문에, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 길이 방향에 걸쳐 방향을 일치시켜 제1 외부 도체(13A)에 권회되기 쉽다. 이 때문에, 제1 압전 센서(10A)는, 압전 감도가 우수하고, 압전 감도의 안정성도 우수하다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 섬유 형상인 경우, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 단면 형상으로서는, 예를 들어 원 형상, 타원 형상, 직사각 형상, 누에고치 형상, 네 잎 형상, 별 형상, 이형상 등을 들 수 있다. 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 단면의 장축 직경은, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 단면의 장축 직경은, 바람직하게는 0.0001㎜ 내지 10㎜, 보다 바람직하게는 0.001㎜ 내지 5㎜, 더욱 바람직하게는 0.002㎜ 내지 1㎜이다.
「단면의 장축 직경」은, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 단면 형상이 원 형상인 경우, 「직경」에 상당하고, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 단면 형상이 원 형상이 아닌 경우, 단면의 폭 중에서, 가장 긴 폭으로 한다.
섬유 형상이 멀티 필라멘트로 이루어지는 경우, 「단면의 장축 직경」이란, 멀티 필라멘트의 단면의 장축 직경으로 한다.
유기 압전 재료는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 압전 상수 d14를 갖도록 하는 재료이면 되고, 예를 들어 광학 활성 고분자(A) 등을 들 수 있다.
광학 활성 고분자(A)로서는, 예를 들어 광학 활성을 갖는 헬리컬 키랄 고분자(A1)(이하, 「헬리컬 키랄 고분자(A1)」라 하는 경우가 있음), 광학 활성을 갖는 폴리펩티드(A2)(이하, 「광학 활성 폴리펩티드(A2)」라 하는 경우가 있음) 등을 들 수 있다.
「광학 활성을 갖는 헬리컬 키랄 고분자(A1)」란, 분자 구조가 나선 구조이며 분자 광학 활성을 갖는 고분자를 가리킨다. 헬리컬 키랄 고분자(A1)로서는, 예를 들어 폴리락트산계 고분자, 합성 폴리펩티드, 셀룰로오스 유도체, 폴리프로필렌옥시드, 폴리(β-히드록시부티르산) 등을 들 수 있다.
폴리락트산계 고분자는, L-락트산의 호모 폴리머(이하, 「PLLA」라 함), D-락트산의 호모 폴리머(이하, 「PDLA」라 함) 등을 들 수 있다. PLLA의 분자 구조는, 왼쪽 감기 나선 구조로 이루어진다. PDLA의 분자 구조는, 오른쪽 감기 나선 구조로 이루어진다.
합성 폴리펩티드로서는, 예를 들어 폴리(글루타르산 γ-벤질), 폴리(글루타르산 γ-메틸) 등을 들 수 있다.
셀룰로오스 유도체로서는, 예를 들어 아세트산셀룰로오스, 시아노에틸셀룰로오스 등을 들 수 있다.
폴리락트산계 고분자, 및 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 각각의 상세에 대해서는, 후술한다.
「광학 활성 폴리펩티드(A2)」란, 비대칭 탄소 원자를 갖고, 또한, 광학 이성체의 존재량에 편중이 있는 폴리펩티드를 가리킨다. 광학 활성 폴리펩티드(A2)는, 압전성 및 강도의 관점에서, β 시트 구조를 갖는 것이 바람직하다. 광학 활성 폴리펩티드(A2)로서는, 광학 활성을 갖는 동물성 단백질 등을 들 수 있다. 동물성 단백질로서는, 피브로인, 거미줄 단백질 등을 들 수 있다. 동물성 단백질로 이루어지는 섬유는, 실크, 거미줄 등을 들 수 있다.
동물성 단백질의 상세에 대해서는, 후술한다.
그 중에서도, 유기 압전 재료는, 양호한 압전성, 가공성, 입수 용이성 등의 관점에서, 광학 활성 고분자(A), 특히 헬리컬 키랄 고분자(A1) 또는 광학 활성 폴리펩티드(A2)를 포함하는 것이 바람직하다. 헬리컬 키랄 고분자(A1)는, 폴리락트산계 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 광학 활성 폴리펩티드(A2)는, 동물성 단백질을 포함하는 것이 바람직하다.
폴리락트산계 고분자 및 광학 활성 폴리펩티드(A2)의 각각은, 비초전성이다. 유기 압전 재료가 폴리락트산계 고분자 또는 광학 활성 폴리펩티드(A2)를 포함함으로써, 제1 압전 센서(10A)는, 초전성의 PVDF를 사용한 압전 센서에 비해, 압전 감도의 안정성, 및 압전 출력의 안정성(경시 또는 온도 변화에 대한 안정성)이 보다 향상된다.
광학 활성 폴리펩티드(A2)는, 고온 고습 환경에서의 내가수 분해성이 우수하다. 광학 활성 폴리펩티드(A2)를 포함하는 제1 압전 센서(10A)는, 예를 들어 폴리락트산계 고분자를 포함하는 제1 압전 센서(10A)와 비교하여, 특히 고온 고습 환경 하에서, 제1 전압의 저하가 억제된다.
헬리컬 키랄 고분자(A)의 상세에 대해서는 후술한다.
광학 활성 고분자(A)가 섬유 형상인 경우, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 형상은, 섬유 형상이어도 되고, 리본 형상이어도 된다.
광학 활성 고분자(A)가 섬유 형상이며, 또한 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 형상이 섬유 형상인 경우, 유기 압전 재료는, 광학 활성 고분자(A)만으로 이루어져도 된다.
광학 활성 고분자(A)가 섬유 형상이며, 또한 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 형상이 리본 형상인 경우, 유기 압전 재료는, 광학 활성 고분자(A) 및 수지를 함유해도 된다. 이 경우, 유기 압전 재료는, 수지에 의해 리본 형상으로 성형될 수 있다. 유기 압전 재료가 복수의 섬유 형상의 고분자 재료(A)를 함유하는 경우, 복수의 광학 활성 고분자(A)의 각각은, 수지에 의해 접합되어 있어도 된다.
수지로서는, 열가소성 수지, 및 열경화성 수지 중 적어도 한쪽을 포함한다.
열가소성 수지로서는, 예를 들어 폴리메타크릴계 수지, 폴리아크릴계 수지, 방향족 폴리에테르케톤, 폴리아릴렌계 수지 등을 들 수 있다. 폴리메타크릴계 수지로서는, 폴리메타크릴계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리메타크릴산메틸 수지 등을 들 수 있다. 폴리아크릴계 수지로서는, 폴리아크릴산메틸 수지 등을 들 수 있다. 방향족 폴리에테르케톤으로서는, 폴리스티렌 수지, 폴리비닐아세탈 수지, 폴리카르보네이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지 등을 들 수 있다. 폴리아릴렌계 수지로서는, 폴리페닐렌옥시드 수지, 폴리페닐렌술피드(PPS) 수지 등을 들 수 있다. 이들 열가소성 수지는 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상 조합하여 사용해도 된다.
열경화성 수지로서는, 예를 들어 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 열경화성 폴리이미드 수지, 비스말레이미드 트리아진 수지, 벤조옥사진 수지 등을 들 수 있다. 이들 열경화성 수지는 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상 조합하여 사용해도 된다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 제1 조성인 것이 바람직하다.
제1 조성에서는,
유기 압전 재료는, 광학 활성 고분자(A)를 포함하고,
제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 길이 방향과, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 광학 활성 고분자(A)의 주 배향 방향이 대략 평행(도 5의 양쪽 화살표 D2에 평행인 방향)이고,
X선 회절 측정으로부터 하기 식 (a)에 의해 구해지는 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배향도 F가 0.5 이상 1.0 미만이다.
배향도 F=(180°―α)/180°··(a)
단, α는 배향 유래의 피크의 반값폭을 나타낸다. α의 단위는, °이다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배향도 F는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 광학 활성 고분자(A)의 배향의 정도를 나타내는 지표이다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배향도 F는, 예를 들어 광각 X선 회절 장치(리가쿠사제 RINT2550, 부속 장치: 회전 시료대, X선원: CuKα, 출력: 40kV 370mA, 검출기: 신틸레이션 카운터)에 의해 측정되는 c축 배향도이다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배향도 F는, 0.50 이상 0.99 이하인 것이 바람직하고, 0.70 이상 0.98 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.80 이상 0.97 이하인 것이 특히 바람직하다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 있어서, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 길이 방향과, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 광학 활성 고분자(A)의 주 배향 방향이 대략 평행인 것도, 압전성의 발현에 기여한다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 길이 방향과, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 광학 활성 고분자(A)의 주 배향 방향이 대략 평행인 것은, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 그 길이 방향으로의 인장 강도가 우수하다는 이점도 갖는다. 따라서, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)를 제1 내부 도체(11A)에 나선형으로 권회할 때, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 파단되기 어렵다.
「대략 평행」이란, 2개의 선분이 이루는 각도가, 0° 이상 30° 미만인 것을 나타낸다. 2개의 선분이 이루는 각도는, 바람직하게는 0° 이상 22.5° 이하, 보다 바람직하게는 0° 이상 10° 이하, 더욱 바람직하게는 0° 이상 5° 이하, 특히 바람직하게는 0° 이상 3° 이하이다.
예를 들어, 유기 압전 재료가 동물성 단백질로 이루어지는 섬유의 일례인 실크 또는 거미줄을 포함하는 경우, 실크 또는 거미줄의 생성의 과정에서, 실크 또는 거미줄의 길이 방향과, 광학 활성 폴리펩티드(A2)(예를 들어, 동물성 단백질의 일례인 피브로인 또는 거미줄 단백질)의 주 배향 방향이 대략 평행이 되어 있다.
광학 활성 고분자(A)의 주 배향 방향이란, 광학 활성 고분자(A)의 주된 배향 방향을 의미한다. 광학 활성 고분자(A)의 주 배향 방향은, 예를 들어 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배향도 F를 측정함으로써 확인할 수 있다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 필름의 연신 및 연신된 필름의 슬릿을 형성하여 제조되는 경우, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 있어서의 광학 활성 고분자(A)의 주 배향 방향은, 주 연신 방향을 의미한다. 여기서, 주 연신 방향이란, 1축 연신의 경우에는 연신 방향을 가리키고, 2축 연신의 경우에는, 연신 배율이 높은 쪽의 연신 방향을 가리킨다.
이하, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 제1 조성이고, 또한 광학 활성 고분자(A)가 헬리컬 키랄 고분자(A1)인 경우에 대하여 설명한다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 제조 방법은, 예를 들어 원료(예를 들어, 광학 활성 고분자(A))를 필름형으로 성형하여 미연신 필름을 얻고, 얻어진 미연신 필름에 대해, 연신 및 결정화를 실시하고, 얻어진 유기 압전 필름을 슬릿하는 방법 등을 들 수 있다.
여기서, 「슬릿한다」란, 유기 압전 필름을 긴 형상으로 커트하는 것을 의미한다.
또한, 연신 및 결정화는, 어느 것이 먼저여도 된다. 미연신 필름에 대해, 예비 결정화, 연신, 및 결정화(어닐)는, 이 순으로 실시되어도 된다. 연신은, 1축 연신이어도 2축 연신이어도 된다. 연신이 2축 연신인 경우에는, 바람직하게는 한쪽(주 연신 방향)의 연신 배율을 높게 한다.
유기 압전 필름의 제조 방법에 대해서는, 일본 특허 제4934235호 공보, 국제 공개 제2010/104196호, 국제 공개 제2013/054918호, 국제 공개 제2013/089148호 등의 공지 문헌을 적절히 참조할 수 있다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 대해서는, 후술한다.
[제1 압전체의 제1 구성]
다음으로, 도 5 및 도 6을 참조하여, 제1 압전체(12A)의 제1 구성 A에 대하여 설명한다.
제1 구성 A에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 방향 D1을 향하여 좌측 방향(왼쪽 감기, 즉 반시계 방향)으로 권회되어 있다. 상세하게는, 제1 내부 도체(11A)의 외주면을 따라서, 제1 나선 각도 β1로 방향 D1을 향하여, 간극이 없도록 제1 나선 방향 D2로 나선형으로 권회되어 있다. 이 권회된 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 제1 압전체(12A)를 구성한다.
「나선 각도 β1」이란, 제1 내부 도체(11A)의 축 방향 AX와, 제1 내부 도체(11A)의 축 방향 AX에 대한 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배치 방향이 이루는 각도를 의미한다.
나선 각도 β1은, 바람직하게는 15° 이상 75° 이하(45°±30°), 보다 바람직하게는 35° 이상 55° 이하(45°±10°)이다.
「제1 나선 방향 D2」란, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 방향 D1을 향하여 권회되어 있는 방향을 말한다.
다음으로, 제1 구성 A의 작용에 대하여 설명한다.
예를 들어, 제1 압전 센서(10A)는, 축 방향 AX와 평행인 방향으로 장력(응력)이 작용되었을 때, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 전단 변형이 가해지면, 제1 압전 센서(10A)의 직경 방향으로 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 분극이 발생한다. 이 분극 방향은, 압전 상수 d14에 기인하여 발생하는 전계의 방향과 대략 일치한다. 상세하게는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 나선형으로 권회된 제1 구성 A의 제1 압전체(12A)를 축 방향 AX에 대하여 평면으로 간주할 수 있을 정도의 미소 영역의 집합체로 간주한 경우, 그 구성하는 미소 영역의 평면에, 장력(응력)에 기인한 전단력이 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 작용되었을 때, 압전 상수 d14에 기인하여 발생하는 전계의 방향과, 분극 방향은, 대략 일치한다. 구체적으로, 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 분극은, 도 6 중, 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 제1 압전 센서(10A)의 직경 방향으로 발생하고, 그 분극 방향은 위상이 일치되어 발생한다고 생각된다. 이에 의해, 제1 압전 센서(10A)는, 외력에 비례한 제1 전압을 효과적으로 발생시키기 쉬워진다.
이상의 것으로부터, 제1 압전체(12A)가 제1 구성 A인 경우, 제1 압전 센서(10A)의 압전 감도 및 압전 출력의 안정성은, 우수하다.
제1 구성 A에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PLLA인 경우, 축 방향 AX와 평행인 방향에 있어서, 제1 압전 센서(10A)에 장력이 작용하면, 직경 방향에 평행으로, 장력과 수직인 원형 단면의 원의 중심으로부터 외측 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 정이 된다.
제1 구성 A에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PLLA인 경우, 축 방향 AX와 평행인 방향에 있어서, 제1 압전 센서(10A)에 가압이 작용하면, 직경 방향에 평행으로, 가압과 수직인 원형 단면의 원의 외측으로부터 중심 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 부가 된다.
제1 구성 A에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PDLA인 경우, 제1 전압의 정부는, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PLLA인 경우와는 반대가 된다.
구체적으로, 제1 구성 A에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PDLA인 경우, 축 방향 AX와 평행인 방향으로 제1 압전 센서(10A)에 장력이 작용하면, 직경 방향에 평행으로, 장력과 수직인 원형 단면의 원의 외측으로부터 중심 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 부가 된다.
제1 구성 A에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PDLA인 경우, 축 방향 AX와 평행인 방향에 있어서, 제1 압전 센서(10A)에 가압이 작용하면, 직경 방향에 평행으로, 가압과 수직인 원형 단면의 원의 중심으로부터 외측 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 정이 된다.
제1 구성 A에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 방향 D1을 향하여 왼쪽 감기로 권회되어 있지만, 제1 압전체(12A)의 구성은, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 방향 D1을 향하여 오른쪽 감기로 권회되어 있는 구성(이하, 「제1 구성 A'」라 함)이어도 된다.
제1 구성 A'에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PLLA인 경우, 제1 전압의 정부는, 제1 구성 A의 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PLLA인 경우와는 반대가 된다.
구체적으로, 제1 구성 A'에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PLLA인 경우, 축 방향 AX와 평행인 방향에 있어서, 제1 압전 센서(10A)에 장력이 작용하면, 직경 방향에 평행으로, 장력과 수직인 원형 단면의 원의 외측으로부터 중심 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 부가 된다.
제1 구성 A'에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PLLA인 경우, 축 방향 AX와 평행인 방향에 있어서, 제1 압전 센서(10A)에 가압이 작용하면, 직경 방향에 평행으로, 가압과 수직인 원형 단면의 원의 중심으로부터 외측 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 정이 된다.
제1 구성 A'에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PDLA인 경우, 제1 전압의 정부는, 제1 구성 A의 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PDLA인 경우와는 반대가 된다.
구체적으로, 제1 구성 A'에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PDLA인 경우, 제1 압전 센서(10A)에 장력이 작용하면, 직경 방향에 평행으로, 장력과 수직인 원형 단면의 원의 중심으로부터 외측 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 정이 된다.
제1 구성 A'에 있어서, 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PDLA인 경우, 제1 압전 센서(10A)에 가압이 작용하면, 직경 방향에 평행으로, 가압과 수직인 원형 단면의 원의 외측으로부터 중심 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 부가 된다.
(제2 긴 형상 유기 압전체)
제2 긴 형상 유기 압전체(122)는, 유기 압전 재료로 이루어지고, 압전 상수 d14를 갖는다.
「제2 긴 형상 유기 압전체(122)가 압전 상수 d14를 갖는다」에 해당하는지 여부는, 예를 들어 상술한 제1 판정 방법에 의해 판정한다.
제2 긴 형상 유기 압전체(122)는, 긴 형상물이다.
제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 형상, 폭, 두께, 비〔폭/두께〕, 단면 형상, 및 장축 직경의 각각은, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에서 예시한 것과 마찬가지이다. 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 폭, 두께, 및 비〔폭/두께〕의 각각은, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 폭, 두께, 및 비〔폭/두께〕와 동일해도 되고, 달라도 된다.
제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 유기 압전 재료로서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 유기 압전 재료로서 예시한 재료와 마찬가지의 재료를 들 수 있다. 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 유기 압전 재료는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 유기 압전 재료와 동일해도 되고, 달라도 된다.
제2 긴 형상 유기 압전체(122)는, 하기의 제2 조성인 것이 바람직하다.
제2 조성물에서는,
유기 압전 재료는, 광학 활성 고분자(A)를 포함하고,
제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 길이 방향과, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 광학 활성 고분자(A)의 주 배향 방향이 대략 평행이고,
X선 회절 측정으로부터 상기 식 (a)에 의해 구해지는 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 배향도 F는 0.5 이상 1.0 미만이다.
제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 배향도 F는, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 광학 활성 고분자(A)의 배향의 정도를 나타내는 지표이다.
「대략 평행」이란, 2개의 선분이 이루는 각도가, 0° 이상 30° 미만인 것을 나타낸다. 2개의 선분이 이루는 각도는, 바람직하게는 0° 이상 22.5° 이하, 보다 바람직하게는 0° 이상 10° 이하, 더욱 바람직하게는 0° 이상 5° 이하, 특히 바람직하게는 0° 이상 3° 이하이다.
이하, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 유기 압전 재료가 제2 조성이며, 또한 광학 활성 고분자(A)가 헬리컬 키랄 고분자(A1)인 경우에 대하여 설명한다.
제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 제조 방법은, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 제조 방법으로서 예시한 제조 방법과 마찬가지의 제조 방법을 들 수 있다.
제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 대해서는, 후술한다.
[제1 압전체의 제2 구성]
다음으로, 도 7을 참조하여, 제1 압전체(12A)의 제2 구성 A에 대하여 설명한다.
제1 압전체(12A)의 제2 구성 A는, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)를 구비하고 있는 점에서, 제1 압전체(12A)의 제1 구성 A와 다르다.
상세하게는, 제1 압전체(12A)의 제2 구성 A는, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)와, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)를 구비한다.
제2 구성 A에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 제1 구성 A와 마찬가지로, 제1 내부 도체(11A)의 외주면을 따라서, 나선 각도 β1로 방향 D1을 향하여, 간극이 없도록 제1 나선 방향 D2로 나선형으로 권회되어 있다. 즉, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 방향 D1을 향하여 좌측 방향(왼쪽 감기, 즉 반시계 방향)으로 권회되어 있다.
제2 구성 A에서는, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 외주면을 따라서, 나선 각도 β2로 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 권회 방향과는 반대의 방향으로 나선형으로 권회되어 있다.
「나선 각도 β2」란, 전술한 나선 각도 β1과 동의이다. 나선 각도 β2는, 나선 각도 β1과 대략 동일 각도이다.
여기서, 제2 구성 A에 있어서의 「제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 권회 방향과 반대의 방향」이란, 오른쪽 감기이다. 즉, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)는, 방향 D1을 향하여 오른쪽 감기로 권회되어 있다.
도 7 중, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 주 배향 방향은, 양쪽 화살표 D3으로 나타내어져 있다. 즉, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 주 배향 방향과, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 배치 방향(제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 길이 방향)은, 대략 평행이 되어 있다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 키랄리티와, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 키랄리티는, 서로 다른 것이 바람직하다. 이에 의해, 예를 들어 제1 압전 센서(10A)에 축 방향 AX의 장력이 작용되었을 때, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)와, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 양쪽에 분극이 발생한다. 분극 방향은 모두 제1 압전 센서(10A)의 직경 방향이다. 이 결과, 보다 효과적으로 장력에 비례한 전압 신호(전하 신호)가 검출된다. 따라서, 압전 감도 및 압전 출력의 안정성이 보다 향상된다.
이하, 제2 구성 A의 제1 압전 센서(10A)의 작용에 대하여 설명한다.
예를 들어, 제1 압전 센서(10A)의 방향 D1과 평행인 방향으로 장력이 작용되면, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 양쪽에 전단 응력이 작용되어, 분극이 발생한다. 분극 방향은 모두 제1 압전 센서(10A)의 직경 방향이다. 이에 의해, 효과적으로 장력에 비례한 전압 신호가 검출된다.
이상의 것으로부터, 제2 구성 A의 제1 압전 센서(10A)에 의하면, 압전 감도, 및 압전 출력의 안정성이 제1 구성 A의 제1 압전 센서(10A)보다도 향상된다.
특히, 제1 압전체(12A)는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)를 구비하고, 또한 2층 구조를 이룬다. 그 때문에, 제1 내부 도체(11A)나 제1 외부 도체(13A)에 대하여, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 각각은, 공극이 적어 밀착될 수 있다. 이에 의해, 장력에 의해 발생한 전계가 효율적으로 제1 내부 도체(11A)에 전달되기 쉽다.
따라서, 제2 구성 A의 제1 압전 센서(10A)는, 외력을 보다 감도 좋게 검출할 수 있다.
[제1 압전체의 제3 구성]
다음으로, 도 8을 참조하여, 제1 압전체(12A)의 제3 구성 A에 대하여 설명한다.
제1 압전체(12A)의 제3 구성 A는, 끈목 구조를 이루고 있는 점에서, 제1 압전체(12A)의 제2 구성 A의 제1 압전 센서(10A)와 다르다.
구체적으로, 제1 압전체(12A)의 제3 구성 A는, 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)와, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)를 구비한다.
제3 구성 A에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가, 제1 내부 도체(11A)의 축 방향 AX에 대해, 나선 각도 β1로 왼쪽 감기로 나선형으로 권회되고, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)가, 나선 각도 β2로 오른쪽 감기로 나선형으로 권회됨과 함께, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)가 교호로 교차되어 있다. 제1 내부 도체(11A)의 축 방향 AX와, 방향 D1은 대략 평행인 관계에 있다.
「대략 평행」이란, 2개의 선분이 이루는 각도가, 0° 이상 30° 미만인 것을 나타낸다. 2개의 선분이 이루는 각도는, 바람직하게는 0° 이상 22.5° 이하, 보다 바람직하게는 0° 이상 10° 이하, 더욱 바람직하게는 0° 이상 5° 이하, 특히 바람직하게는 0° 이상 3° 이하이다.
도 8에 도시한 끈목 구조에 있어서, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 주 배향 방향(양쪽 화살표 D2)과, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배치 방향은, 대략 평행이 되어 있다. 마찬가지로, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 주 배향 방향(양쪽 화살표 D2)과, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 배치 방향은, 대략 평행이 되어 있다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 키랄리티와, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 키랄리티는, 서로 다른 것이 바람직하다. 이에 의해, 예를 들어 제1 압전 센서(10A)에 축 방향 AX의 장력이 작용되었을 때, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)와, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 양쪽에 분극이 발생한다. 분극 방향은 모두 제1 압전 센서(10A)의 직경 방향이다. 이에 의해, 보다 효과적으로 장력에 비례한 전압 신호가 검출된다. 이 결과, 압전 감도, 및 압전 출력의 안정성이 보다 향상된다.
이하, 제3 구성 A의 제1 압전 센서(10A)의 작용에 대하여 설명한다.
예를 들어, 제1 압전 센서(10A)에 축 방향 AX의 장력이 작용되면, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)와, 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 양쪽에 분극이 발생한다. 분극 방향은 모두 제1 압전 센서(10A)의 직경 방향이다. 이에 의해, 효과적으로 장력에 비례한 전압 신호가 검출된다
이상의 것으로부터, 제3 구성 A의 제1 압전 센서(10A)는, 제1 압전체(12A)에 가해지는 외력을 보다 감도 좋게 검출할 수 있다.
특히, 제1 압전 센서(10A)의 길이 방향으로 장력이 작용되었을 때, 끈목 구조를 형성하는 왼쪽 감기의 제1 긴 형상 유기 압전체(121)와 오른쪽 감기의 제2 긴 형상 유기 압전체(122)에, 전단 응력이 작용한다. 이들 분극의 방향은 일치하고, 제1 내부 도체(11A)와 제1 외부 도체(13A) 사이의 절연체(즉, 제1 압전체(12A) 및 제2 압전체(12B))에 있어서의 압전 성능에 기여하는 체적 분율이 증가된다. 그 때문에, 압전 성능이 보다 향상된다.
(시트형 압전체)
시트형 압전체는, 압전 재료로 이루어지고, 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 갖고, 압전 상수 d14를 갖지 않는다.
「시트형 압전체가, 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 갖고, 압전 상수 d14를 갖지 않는다」의 여부는, 하기의 제2 판정 방법에 의해 판정한다.
제2 판정 방법에서는, 제1 압전체(12A)가 후술하는 제4 구성 A인 제1 압전 센서(10A)(이하, 「제4 구성 A의 제1 압전 센서(10A)」라 하는 경우가 있음)와, 후술하는 제2 압전체(12B)가 후술하는 제4 구성 B인 제2 압전 센서(10B)(이하, 「제4 구성 B의 제2 압전 센서(10B)」라 하는 경우가 있음)와, 전압계를 사용한다.
상세하게는, 제2 판정 방법에서는, 제4 구성 A의 제1 압전 센서(10A) 및 제4 구성 B의 제2 압전 센서(10B)를 제작한다.
제4 구성 A의 제1 압전 센서(10A)의 제1 내부 도체(11A)와, 제4 구성 A의 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A)를 전압계에 전기적으로 접속한다. 이어서, 제4 구성 A의 제1 압전 센서(10A)에 소정의 외력을 가하여, 판정용 전압을 검출한다.
마찬가지로, 제4 구성 B의 제2 압전 센서(10B)의 제1 내부 도체(11A)와, 제4 구성 B의 제2 압전 센서(10B)의 제1 외부 도체(13A)를 전압계에 전기적으로 접속한다. 이어서, 제4 구성 A의 제1 압전 센서(10A)에 가한 외력과 동일한 외력을, 제4 구성 B의 제2 압전 센서(10B)에 가하여, 판정용 전압을 검출한다.
제2 판정 방법에서는, 하기의 조건(Y2)을 충족하는 경우, 「시트형 압전체가, 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 갖고, 압전 상수 d14를 갖지 않는다」에 해당한다고 판단한다. 한편, 하기의 조건(Y2)을 충족하지 않는 경우, 「시트형 압전체가, 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 갖고, 압전 상수 d14를 갖지 않는다」에 해당하지 않는다고 판단한다.
(Y2) 제4 구성 A의 제1 압전 센서(10A)의 판정용 전압의 극성과, 제4 구성 B의 제2 압전 센서(10B)의 판정용 전압의 극성이 반대인 것
시트형 압전체는, 시트 형상이다.
시트형 압전체의 두께는, 바람직하게는 0.001㎜ 이상 0.2㎜ 이하이다. 두께가 0.001㎜ 이상임으로써, 시트형 압전체의 강도가 확보된다. 또한, 두께가 0.2㎜ 이하임으로써, 시트형 압전체의 두께 방향의 비소성 변형의 자유도(유연성)가 향상된다.
압전 재료는, 시트형 압전체가 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 갖고, 압전 상수 d14를 갖지 않도록 하는 재료이면 되고, 유기 압전 재료, 무기 압전 재료 등을 들 수 있다. 유기 압전 재료는, 저분자 재료여도 되고, 고분자 재료여도 된다.
유기 압전 재료는, 예를 들어 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐플루오라이드(PVF), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 트리플루오로아세트산에틸(EFA), 테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오로에틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 클로로트리플루오에틸렌·에틸렌 공중합체(ETFE), 클로로트리플루오로에틸렌·에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리(불화비닐리덴/헥사플루오로프로필렌) 공중합체(PVDF-HFP), 및 폴리(불화비닐리덴/트리플루오로에틸렌)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다.
무기 압전 재료로서는, 티타늄산지르콘산납(PZT)계 등의 무기 세라믹스 압전 재료의 분말을 시트형으로 폴리머를 사용하여 성형한 재료 등을 들 수 있다.
그 중에서도, 압전 재료는, 경량이며 유연성이 풍부하고, 가공성 등이 우수한 관점에서, PVDF를 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 압전 재료가 PVDF로 이루어지는 경우에 대하여 설명한다.
시트형 압전체의 제조 방법은, 원료(PVDF)를 시트형으로 성형하고, 연신 처리하여 연신 시트를 얻고, 얻어진 연신 시트에 대해 폴링 처리를 실시하는 방법 등을 들 수 있다.
폴링 처리에서는, 예를 들어 연신 시트를 가열하면서, 연신 시트의 한쪽 면에 플러스의 전압을 인가함과 함께, 연신 시트의 다른 쪽 면에 마이너스의 전압을 인가한다. 이에 의해, 연신 시트의 막 두께 방향에 있어서, 연신 시트의 한쪽 면으로부터 다른 쪽에 면을 향하여, 불소 원자와 탄소 원자의 전기 인성도의 차에 기인하는 쌍극자 모멘트가 형성된다. 즉, 시트형 압전체는, 자발 분극을 갖는다.
[제1 압전체의 제4 구성]
다음으로, 제1 압전체(12A)의 제4 구성 A에 대하여 설명한다.
제4 구성 A에서는, 시트형 압전체는, 제1 내부 도체(11A)의 외주면을 따라서, PVDF의 고분자쇄가 축 방향 AX를 따라서 배향되도록, 원통형으로 권회되어 있다. 시트형 압전체의 한쪽 면은, 제1 내부 도체(11A)측이다. 이 권회된 시트형 압전체는, 제1 압전체(12A)를 구성한다.
「PVDF의 고분자쇄가 축 방향 AX를 따라서 배향된다」란, 시트형 압전체의 제조 공정의 연신 처리에 있어서의 연신 방향과, 축 방향 AX가 평행인 관계인 것을 의미한다.
다음으로, 제4 구성 A의 작용에 대하여 설명한다.
예를 들어, 제1 압전 센서(10A)에서는, 외력이 작용되었을 때, 제1 압전체(12A)가 수축되면, 직경 방향에 평행으로, 원형 단면의 원의 중심으로부터 외측 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 정이 된다.
예를 들어, 제1 압전 센서(10A)에서는, 외력이 작용되었을 때, 제1 압전체(12A)가 신장되면, 직경 방향에 평행으로, 원형 단면의 원의 외측으로부터 중심 방향으로의 전계(분극)가 발생한다. 즉, 제1 전압의 정부는, 부가 된다.
<접착제층>
제1 압전 센서(10A)는, 접착층을 가져도 된다. 접착층은, 예를 들어 제1 내부 도체(11A)와 제1 압전체(12A) 사이에 배치된다. 이에 의해, 내부 도체(11A)의 축 방향 AX에 있어서, 예를 들어 외력에 기인하는 장력이 제1 압전 센서(10A)에 작용해도, 제1 압전체(12A)와 제1 내부 도체(11A)의 상대 위치의 어긋남의 발생은 억제될 수 있다. 축 방향 AX와 방향 D1은 평행이다. 또한, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 외력에 기인하는 장력이 보다 작용되기 쉬워진다.
접착층을 형성하는 접착제의 재료로서는, 예를 들어 에폭시계 접착제, 우레탄계 접착제, 아세트산비닐 수지계 에멀션형 접착제, 에틸렌아세트산비닐(EVA)계 에멀션형 접착제, 아크릴 수지계 에멀션형 접착제, 스티렌·부타디엔 고무계 라텍스형 접착제, 실리콘 수지계 접착제, α-올레핀(이소부텐-무수 말레산 수지)계 접착제, 염화비닐 수지계 용제형 접착제, 고무계 접착제, 탄성 접착제, 클로로프렌 고무계 용제형 접착제, 니트릴 고무계 용제형 접착제 등, 시아노아크릴레이트계 접착제 등을 들 수 있다.
<제1 절연체>
제1 압전 센서(10A)는, 제1 절연체를 가져도 된다. 제1 절연체는, 예를 들어 제1 압전체(12A)와 제1 내부 도체(11A) 사이, 및 제1 압전체(12A)와 제1 외부 도체(13A) 사이 중 적어도 한쪽에 배치된다. 이에 의해, 제1 내부 도체(11A)와 제1 외부 도체(13A)의 단락의 발생을 보다 억제할 수 있다.
제1 절연체는, 예를 들어 긴 형상물이, 제1 내부 도체(11A)의 외주면을 따라서 나선형으로 권회되어 이루어진다.
제1 절연체의 재료로서는, 전기적 절연성을 갖는 재료이면 되고, 예를 들어 염화비닐 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 에틸렌·사불화에틸렌 공중합체(ETFE), 사불화에틸렌·육불화프로필렌 공중합체(FEP), 사불화에틸렌 수지(PTFE), 사불화에틸렌·퍼플로로프로필비닐에테르 공중합체(PFA), 불소 고무, 폴리에스테르 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(PET), 고무(엘라스토머를 포함함) 등을 들 수 있다.
<제2 절연체>
제1 압전 센서(10A)는, 제2 절연체를 가져도 된다. 제2 절연체는, 제1 외부 도체(13A)의 외주에 배치된다. 제2 절연체는, 제1 외부 도체(13A)의 외주의 전체면을 덮고 있어도 된다. 이에 의해, 제1 내부 도체(11A)를 정전 실드하는 것이 가능해져, 외부의 정전기 영향에 의한, 제1 전압의 전압 변화를 억제할 수 있다.
제2 절연체의 재질은, 전기적 절연성을 갖는 재료이면 되고, 제1 절연체의 재료로서 예시한 재료와 동일한 재료를 들 수 있다.
<기능층>
제1 압전 센서(10A)는, 기능층을 가져도 된다. 기능층은, 예를 들어 제1 압전체(12A)와 제1 내부 도체(11A) 사이, 및 제1 압전체(12A)와 제1 외부 도체(13A) 사이 중 적어도 한쪽에 배치된다.
기능층을 구성하는 층(이하, 「구성층」이라 함)으로서, 예를 들어 접착 용이층, 하드 코트층, 굴절률 조정층, 안티 리플렉션층, 안티 글레어층, 이활층, 안티 블록층, 보호층, 접착층, 대전 방지층, 방열층, 자외선 흡수층, 안티 뉴튼링층, 광산란층, 편광층, 가스 배리어층, 색상 조정층, 전극층 등을 들 수 있다.
기능층은, 구성층의 단층으로 이루어지는 단층 구조여도 되고, 2층 이상의 구성층으로 이루어지는 복수 구조여도 된다. 기능층이 복수 구조로 경우, 복수의 구성층의 각각은, 동일한 구성층이어도 되고, 다른 구성층이어도 된다. 제1 압전 센서(10A)가 제1 압전체(12A)와 제1 내부 도체(11A) 사이, 및 제1 압전체(12A)와 제1 외부 도체(13A) 사이에 기능층을 갖는 경우, 제1 압전체(12A)와 제1 내부 도체(11A) 사이의 기능층과, 제1 압전체(12A)와 제1 외부 도체(13A) 사이에 기능층은, 동일해도 되고, 달라도 된다.
기능층의 막 두께는, 특별히 한정되지는 않고, 0.01㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 바람직하다.
기능층의 재료는, 기능층에 요구되는 기능에 따라서 적절히 선택되고, 예를 들어 금속, 금속 산화물 등의 무기물; 수지 등의 유기물; 수지와 미립자를 포함하는 복합 조성물; 등을 들 수 있다. 수지로서는, 예를 들어 온도나 활성 에너지선으로 경화시킴으로써 얻어지는 경화물을 들 수 있다.
(제2 압전 센서)
다음으로, 제2 압전 센서(10B)의 상세에 대하여 설명한다.
제2 압전 센서(10B)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 제2 내부 도체(11B)와, 제2 압전체(12B)와, 제2 외부 도체(13B)를 갖는다. 제2 내부 도체(11B)는, 방향 D1을 향하여 연장되어 있다. 제2 압전체(12B)는, 제2 내부 도체(11B)의 적어도 일부를 덮는다. 제2 외부 도체(13B)는, 제2 압전체(12B)의 외주에 배치되어 있다.
제2 압전 센서(10B)의 구성은, 제2 압전체(12B)와 제1 압전체(12A)가 다른 것 외에는, 제1 압전 센서(10A)의 구성과 동일해도 된다. 압전 디바이스가 외력을 보다 감도 좋게 검출하는 관점에서, 제2 압전 센서(10B)에 있어서, 제2 압전체(12B)의 다른 구성은, 제1 압전 센서(10A)의 구성과 동일한 것이 바람직하다.
제2 압전 센서(10B)는, 선 형상물이다. 제2 압전 센서(10B)의 방향 D1에 직교하는 면에 있어서의 단면 형상은, 제1 압전 센서(10A)의 단면 형상으로서 예시한 것과 마찬가지의 것을 들 수 있다. 제2 압전 센서(10B)의 단면 형상 등은, 제1 압전 센서(10A)의 단면 형상 등과 동일해도 되고, 달라도 된다.
<제2 내부 도체>
제2 내부 도체(11B)는, 제1 압전 센서(10A)의 제1 내부 도체(11A)로서 예시한 것과 마찬가지의 것을 들 수 있다. 제2 내부 도체(11B)는, 제1 내부 도체(11A)와 동일해도 되고, 달라도 된다.
<제2 외부 도체>
제2 외부 도체(13B)는, 제1 압전 센서(10A)의 제2 외부 도체(13A)로서 예시한 것과 마찬가지의 것을 들 수 있다. 제2 외부 도체(13B)는, 제2 외부 도체(13A)와 동일해도 되고, 달라도 된다.
(제2 압전체)
제2 압전체(12B)는, 외력이 작용하면, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에, 제2 전압을 발생시킨다.
제2 압전체(12B)는, 제2 내부 도체(11B)의 적어도 일부를 덮고 있으면 되고, 제2 내부 도체(11B)의 외주면의 일부를 덮고 있어도 되고, 제2 내부 도체(11B)의 외주면의 전체면을 덮고 있어도 된다.
제2 압전체(12B)의 구성은, 제1 전압과는 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시키는 구성이면 되고, 제1 압전체(12A)의 구성에 따라서 적절히 조정된다.
제1 압전체(12A)의 구성이 제1 구성 A인 경우, 제2 압전체(12B)의 구성은, 제1 구성 B인 것이 바람직하다. 제1 구성 B에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)를 권회하여 이루어진다. 제2 압전체(12B)의 제1 구성 B의 상세에 대해서는, 후술한다.
제1 압전체(12A)의 구성이 제2 구성 A인 경우, 제2 압전체(12B)의 구성은, 제2 구성 B인 것이 바람직하다. 제2 구성 B에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)를 권회하여 이루어진다. 제2 압전체(12B)의 제2 구성 B의 상세에 대해서는, 후술한다.
제1 압전체(12A)의 구성이 제3 구성 A인 경우, 제2 압전체(12B)의 구성은, 제3 구성 B인 것이 바람직하다. 제3 구성 B에서는, 끈목 구조를 권회하여 이루어진다. 끈목 구조는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)와 제2 긴 형상 유기 압전체(122)를 교호로 교차시켜 이루어진다. 제2 압전체(12B)의 제3 구성 B의 상세에 대해서는, 후술한다.
제1 압전체(12A)의 구성이 제4 구성 A인 경우, 제2 압전체(12B)의 구성은, 제4 구성 B인 것이 바람직하다. 제4 구성 B에서는, 시트형 압전체를 권회하여 이루어진다. 제2 압전체(12B)의 제4 구성 B의 상세에 대해서는, 후술한다.
<제2 압전체의 제1 구성>
제2 압전체의 제1 구성 B는, 제1 구성 A와 마찬가지로, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)를 권회하여 이루어진다. 이때, 제1 구성 B에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 제1 구성 A의 권회 방향과는 반대의 방향으로 나선형으로 권회된다. 구체적으로, 제2 압전체(12B)에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 제1 내부 도체(11A)에 대하여 방향 D1을 향하여 제2 나선 방향 D3으로 권회되어 있다. 즉, 제1 구성 B에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 방향 D1을 향하여 오른쪽 감기로 권회된다. 이에 의해, 제2 압전체 B에 제1 압전체(12A)와 동일한 외력이 작용하였을 때, 제2 압전체(12B)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 분극 방향과, 제1 압전체(12A)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 분극 방향은 다르다. 즉, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에, 제1 전압과는 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다.
도 9 및 도 10을 참조하여, 제1 구성 A 및 제1 구성 B에 대하여 더 설명한다. 도 9는 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 일 양태의 일부 절결 사시도이다. 도 10은 본 실시 형태에 관한 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 다른 양태의 일부 절결 사시도이다.
도 9에 도시한 제1 압전 센서(10A)의 제1 압전체(12A)는, 제1 구성 A이다. 도 9에 도시한 제2 압전 센서(10B)의 제2 압전체(12B)는, 제1 구성 B이다. 도 9에 도시한 제1 구성 A 및 제1 구성 B의 각각의 헬리컬 키랄 고분자(A1)는, PLLA이다.
압전 디바이스(1)에 외력이 작용하여, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 대해, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 축 방향 AX로 장력 F1이 작용한 경우, 또는 나선축을 중심축으로 하여 시계 방향 F2의 비틀림력이 작용한 경우에 대하여 설명한다.
이 경우, 도 9에 도시한 바와 같이, 제1 압전 센서(10A)의 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 전단 응력 SF가 작용되어, 원형 단면의 중심 방향으로부터 외측 방향으로 PLLA의 분극이 발생한다. 그 때문에, 제1 압전 센서(10A)에는, 제1 전압이 발생한다.
한편, 제2 압전 센서(10B)의 제1 긴 형상 유기 압전체(122)에 전단 응력 SF가 작용되어, 원형 단면의 외측 방향으로부터 내측 방향으로 PLLA의 분극이 발생한다. 그 때문에, 제1 압전 센서(10A)에는, 제1 전압이 발생한다.
따라서, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 있어서, 장력 F1 및 비틀림력에 비례한 전하(전계)가 발생하고, 발생한 전하는 전압 신호(전하 신호)로서 검출된다.
압전 디바이스(1)에 외력이 작용하여, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 대해, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 축 방향 AX로 가압 F3이 작용한 경우, 또는 나선축을 중심축으로 하여 반시계 방향 F4의 비틀림력이 작용한 경우에 대하여 설명한다.
이 경우, 도 10에 도시한 바와 같이, 제1 압전 센서(10A)의 제1 긴 형상 유기 압전체(121)에 전단 응력 SF가 작용되어, 원형 단면의 외측 방향으로부터 내측 방향으로 PLLA의 분극이 발생한다. 그 때문에, 제1 압전 센서(10A)에는, 제1 전압이 발생한다.
한편, 제2 압전 센서(10B)의 제1 긴 형상 유기 압전체(122)에 전단 응력 SF가 작용되어, 원형 단면의 중심 방향으로부터 외측 방향으로 PLLA의 분극이 발생한다. 그 때문에, 제1 압전 센서(10A)에는, 제2 전압이 발생한다.
따라서, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 있어서, 가압 F3 및 비틀림력에 비례한 전하(전계)가 발생하고, 발생한 전하는 전압 신호(전하 신호)로서 검출된다.
제1 압전체(12A)가 제1 구성 A이고, 제2 압전체(12A)가 제1 구성 B이며, 제1 구성 A 및 제1 구성 B의 각각의 헬리컬 키랄 고분자(A1)가 PDLA인 경우, PDLA의 분극 방향은, PLLA의 분극 방향의 반대가 된다.
제1 구성 B에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 제1 구성 A의 권회 방향과는 반대의 방향으로 나선형으로 권회되지만, 본 개시는 이것에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 제2 압전체(12B)의 구성은, 제1 구성 B'여도 된다.
제1 구성 B'에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 제1 구성 A의 권회 방향과 동일한 방향으로 나선형으로 권회된다. 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 대하여, 제1 구성 A가 PLLA인 경우, 제1 구성 B'는 PDLA이고, 제1 구성 A가 PDLA인 경우, 제1 구성 B'는 PLLA이다. 이에 의해, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에, 제1 전압과는 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다.
<제2 압전체의 제2 구성>
제2 압전체(12B)의 제2 구성 B는, 제1 압전체(12A)의 제2 구성 A와 마찬가지로, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)를 권회하여 이루어진다. 이때, 제2 구성 B에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 각각은, 제2 구성 A의 권회 방향과는 반대의 방향으로 나선형으로 권회된다. 이에 의해, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에, 제1 전압과는 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다.
제2 구성 B에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 각각은, 제2 구성 A의 권회 방향과는 반대의 방향으로 나선형으로 권회되지만, 본 개시는 이것에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 제2 압전체(12B)의 구성은, 제2 구성 B'여도 된다.
제2 구성 B'에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 각각은, 제2 구성 A의 권회 방향과 동일한 방향으로 나선형으로 권회된다. 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 대하여, 제2 구성 A가 PLLA인 경우, 제2 구성 B'는 PDLA이고, 제2 구성 A가 PDLA인 경우, 제2 구성 B'는 PLLA이다. 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 대하여, 제2 구성 A가 PLLA인 경우, 제2 구성 B'는 PDLA이고, 제2 구성 A가 PDLA인 경우, 제2 구성 B'는 PLLA이다. 이에 의해, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에, 제1 전압과는 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다.
<제2 압전체의 제3 구성>
제2 압전체(12B)의 제3 구성 B는, 제1 압전체(12A)의 제3 구성 A와 마찬가지로, 끈목 구조를 권회하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 제3 구성 B에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 각각은, 제3 구성 A의 권회 방향과는 반대의 방향으로 나선형으로 권회된다. 이에 의해, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에, 제1 전압과는 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다.
제3 구성 B에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 각각은, 제3 구성 A의 권회 방향과는 반대의 방향으로 나선형으로 권회되지만, 본 개시는 이것에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 제3 압전체(12B)의 구성은, 제3 구성 B'여도 된다.
제3 구성 B'에서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 각각은, 제3 구성 A의 권회 방향과 동일한 방향으로 나선형으로 권회된다. 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 대하여, 제2 구성 A가 PLLA인 경우, 제2 구성 B'는 PDLA이고, 제2 구성 A가 PDLA인 경우, 제2 구성 B'는 PLLA이다. 제2 긴 형상 유기 압전체(122)의 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 대하여, 제2 구성 A가 PLLA인 경우, 제2 구성 B'는 PDLA이고, 제2 구성 A가 PDLA인 경우, 제2 구성 B'는 PLLA이다. 이에 의해, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에, 제1 전압과는 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다.
<제2 압전체의 제4 구성>
제2 압전체(12B)의 제4 구성 B는, 제1 압전체(12A)의 제4 구성 A와 마찬가지로, 시트형 압전체를 권회하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 제4 구성 B에서는, 시트형 압전체의 면의 방향이 제1 압전체(12A)와는 반대이다. 구체적으로, 제1 압전체(12A)에 있어서 시트형 압전체의 한쪽 면은 제1 내부 도체(11A)측이기 때문에, 제2 압전체(12B)에서는, 시트형의 다른 쪽 면은 제2 내부 도체(11B)측이다. 이에 의해, 제2 내부 도체(11B)와 제2 외부 도체(13B) 사이에, 제1 전압과는 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시킨다.
<접착층>
제2 압전 센서(10B)는, 접착층을 가져도 된다. 제2 압전 센서(10B)의 접착층은, 제2 내부 도체(11B)와 제2 압전체(12B) 사이에 배치된다.
제2 압전 센서(10B)의 접착층으로서는, 제1 압전 센서(10A)의 접착층으로서 예시한 것과 마찬가지의 것을 들 수 있다.
<제1 절연체>
제2 압전 센서(10B)는, 제1 절연체를 가져도 된다. 제1 절연체는, 예를 들어 제2 압전체(12B)와 제2 내부 도체(11B) 사이, 및 제2 압전체(12B)와 제2 외부 도체(13B) 사이 중 적어도 한쪽에 배치된다.
제2 압전 센서(10B)의 제1 절연체로서는, 제1 압전 센서(10A)의 제1 절연체로서 예시한 것과 마찬가지의 것을 들 수 있다.
<제2 절연체>
제2 압전 센서(10B)는, 제2 절연체를 가져도 된다. 제2 절연체는, 제2 외부 도체(13B)의 외주에 배치된다. 제2 절연체는, 제2 외부 도체(13B)의 외주의 전체면을 덮고 있어도 된다.
제2 압전 센서(10B)의 제2 절연체로서는, 제1 압전 센서(10A)의 제2 절연체로서 예시한 것과 마찬가지의 것을 들 수 있다.
<기능층>
제2 압전 센서(10B)는, 기능층을 가져도 된다. 제2 압전 센서(10B)는, 예를 들어 제2 압전체(12B)와 제2 내부 도체(11B) 사이, 및 제2 압전체(12B)와 제2 외부 도체(13B) 사이 중 적어도 한쪽에 배치된다.
제2 압전 센서(10B)의 기능층으로서는, 제1 압전 센서(10A)의 기능층으로서 예시한 것과 마찬가지의 것을 들 수 있다.
(헬리컬 키랄 고분자(A1))
다음으로, 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 대하여 설명한다.
헬리컬 키랄 고분자(A1)는, 압전성을 보다 향상시키는 관점에서, 광학 순도가 95.00％ee 이상인 것이 바람직하다. 헬리컬 키랄 고분자(A1)는, 압전성을 보다 향상시키는 관점에서, D체 또는 L체로 이루어지는 것이 바람직하다. 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 함유량은, 압전성을 보다 향상시키는 관점에서, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 전량에 대해, 80질량％ 이상인 것이 바람직하다.
헬리컬 키랄 고분자(A1)의 광학 순도는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 압전성을 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 95.00％ee 이상, 보다 바람직하게는 96.00％ee 이상, 더욱 바람직하게는 99.00％ee 이상, 특히 바람직하게는 99.99％ee 이상, 바람직하게는 100.00％ee이다. 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 광학 순도를 상기 범위로 함으로써, 압전성을 발현하는 고분자 결정의 패킹성이 높아지고, 그 결과, 압전성이 높아지는 것으로 생각된다.
헬리컬 키랄 고분자(A1)의 광학 순도는, 하기 식으로 산출한 값이다.
광학 순도(％ee)=100×|L체량-D체량|/(L체량+D체량)
즉, 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 광학 순도는,
『「헬리컬 키랄 고분자(A1)의 L체의 양〔질량％〕과 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 D체의 양〔질량％〕의 양 차(절댓값)」를 「헬리컬 키랄 고분자(A1)의 L체의 양〔질량％〕과 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 D체의 양〔질량％〕의 합계량」으로 나눈(제산한) 수치』에, 『100』을 곱한(승산한) 값이다.
또한, 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 L체의 양〔질량％〕과 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 D체의 양〔질량％〕은, 고속 액체 크로마토그래피(HPLC)를 사용한 방법에 의해 얻어지는 값을 사용한다. 구체적인 측정의 상세에 대해서는 후술한다.
-중량 평균 분자량-
헬리컬 키랄 고분자(A1)의 중량 평균 분자량(Mw)은, 5만 이상 100만 이하인 것이 바람직하다.
헬리컬 키랄 고분자(A1)의 Mw가 5만 이상임으로써, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 및 제2 긴 형상 유기 압전체(122)(이하, 통합하여 「제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등」이라 하는 경우가 있음)의 기계적 강도가 향상된다. 상기 Mw는, 보다 바람직하게는 10만 이상, 더욱 바람직하게는 20만 이상이다.
헬리컬 키랄 고분자(A1)의 Mw가 100만 이하임으로써, 성형(예를 들어 압출 성형, 용융 방사)에 의해 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등을 얻을 때의 성형성이 향상된다. 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 Mw는, 보다 바람직하게는 80만 이하, 더욱 바람직하게는 30만 이하이다.
헬리컬 키랄 고분자(A1)의 분자량 분포(Mw/Mn)는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등의 강도의 관점에서, 바람직하게는 1.1 이상 5 이하, 보다 바람직하게는 1.2 이상 4 이하, 더욱 바람직하게는 1.4 이상 3 이하이다.
헬리컬 키랄 고분자(A1)의 중량 평균 분자량(Mw) 및 분자량 분포(Mw/Mn)는, 겔 침투 크로마토그래프(GPC)를 사용하여 측정된 값을 가리킨다. 여기서, Mn은, 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 수 평균 분자량이다.
이하, GPC에 의한 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 Mw 및 Mw/Mn의 측정 방법의 일례를 나타낸다.
-GPC 측정 장치-
Waters사제 GPC-100
-칼럼-
쇼와 덴코사제, Shodex LF-804
-샘플의 조제-
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등을 40℃에서 용매(예를 들어, 클로로포름)에 용해시켜, 농도 1mg/㎖의 샘플 용액을 준비한다.
-측정 조건-
샘플 용액 0.1㎖를 용매〔클로로포름〕, 온도 40℃, 1㎖/분의 유속으로 칼럼에 도입한다.
칼럼에서 분리된 샘플 용액 중의 샘플 농도를 시차 굴절계로 측정한다.
폴리스티렌 표준 시료로 유니버설 검량선을 작성하고, 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 중량 평균 분자량(Mw) 및 분자량 분포(Mw/Mn)를 산출한다.
헬리컬 키랄 고분자(A1)의 예인 폴리락트산계 고분자로서는, 시판되고 있는 폴리락트산을 사용할 수 있다.
시판품으로서는, 예를 들어 PURAC사제의 PURASORB(PD, PL), 미쓰이 가가쿠사제의 LACEA(H-100, H-400), NatureWorks LLC사제의 IngeoTM biopolymer 등을 들 수 있다.
헬리컬 키랄 고분자(A1)로서 폴리락트산계 고분자를 사용할 때, 폴리락트산계 고분자의 중량 평균 분자량(Mw)을 5만 이상으로 하기 위해서는, 락티드법, 또는 직접 중합법에 의해 폴리락트산계 고분자를 제조하는 것이 바람직하다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등은, 헬리컬 키랄 고분자(A1)를, 1종만 함유하고 있어도 되고, 2종 이상 함유하고 있어도 된다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등 중에 있어서의 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 함유량(2종 이상인 경우에는 총 함유량)은, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 전량에 대해, 80질량％ 이상이 바람직하다.
(폴리락트산계 고분자)
다음으로, 폴리락트산계 고분자에 대하여 설명한다.
폴리락트산계 고분자로서는, 광학 순도를 높여, 압전성을 향상시키는 관점에서, 하기 식 (1)로 표시되는 반복 단위를 포함하는 주쇄를 갖는 것이 바람직하다.
Figure pct00001
폴리락트산계 고분자는, 「폴리락트산(L-락트산 및 D-락트산으로부터 선택되는 모노머 유래의 반복 단위만으로 이루어지는 고분자)」, 「L-락트산 또는 D-락트산과, 해당 L-락트산 또는 D-락트산과 공중합 가능한 화합물의 코폴리머」, 또는, 양자의 혼합물을 말한다.
폴리락트산계 고분자 중에서도, 폴리락트산이 바람직하고, PLLA 또는 PDLA가 가장 바람직하다.
폴리락트산은, 락트산이 에스테르 결합에 의해 중합되어, 길게 연결된 고분자이다.
폴리락트산의 제조 방법으로서는, 락티드를 경유하는 락티드법; 용매 중에서 락트산을 감압 하 가열하여, 물을 제거하면서 중합시키는 직접 중합법 등을 들 수 있다.
폴리락트산으로서는, 블록 코폴리머, 그래프트 코폴리머를 들 수 있다. 블록 코폴리머는, L-락트산의 호모 폴리머, D-락트산의 호모 폴리머, L-락트산 및 D-락트산 중 적어도 한쪽의 중합체를 포함한다. 그래프트 코폴리머는, L-락트산 및 D-락트산 중 적어도 한쪽의 중합체를 포함한다.
「L-락트산 또는 D-락트산과 공중합 가능한 화합물」로서는, 글리콜산, 디메틸글리콜산, 3-히드록시부티르산, 4-히드록시부티르산, 2-히드록시프로판산, 3-히드록시프로판산, 2-히드록시발레르산, 3-히드록시발레르산, 4-히드록시발레르산, 5-히드록시발레르산, 2-히드록시카프로산, 3-히드록시카프로산, 4-히드록시카프로산, 5-히드록시카프로산, 6-히드록시카프로산, 6-히드록시메틸카프로산, 만델산 등의 히드록시카르복실산; 글리콜리드, β-메틸-δ-발레로락톤, γ-발레로락톤, ε-카프로락톤 등의 환형 에스테르; 옥살산, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 피멜산, 아젤라산, 세바스산, 운데칸이산, 도데칸이산, 테레프탈산 등의 다가 카르복실산 및 이들의 무수물; 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2,3-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 1,9-노난디올, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 네오펜틸글리콜, 테트라메틸렌글리콜, 1,4-헥산디메탄올 등의 다가 알코올; 셀룰로오스 등의 다당류; α-아미노산 등의 아미노카르복실산; 등을 들 수 있다.
「L-락트산 또는 D-락트산과, 해당 L-락트산 또는 D-락트산과 공중합 가능한 화합물의 코폴리머」로서는, 나선 결정을 생성 가능한 폴리락트산 시퀀스를 갖는, 블록 코폴리머 또는 그래프트 코폴리머를 들 수 있다.
폴리락트산계 고분자 중에 있어서의 코폴리머 성분에서 유래되는 구조의 농도는 20mol％ 이하인 것이 바람직하다.
예를 들어, 폴리락트산계 고분자 중에 있어서의, 락트산에서 유래되는 구조와, 락트산과 공중합 가능한 화합물(코폴리머 성분)에서 유래되는 구조의 몰수의 합계에 대하여, 코폴리머 성분에서 유래되는 구조의 농도가 20mol％ 이하인 것이 바람직하다.
폴리락트산계 고분자의 제조 방법으로서는, 예를 들어, 일본 특허 공개 소59-096123호 공보, 및 일본 특허 공개 평7-033861호 공보에 기재되어 있는 락트산을 직접 탈수 축합하여 얻는 방법; 미국 특허 제2,668,182호 등에 기재되어 있는 락트산의 환형 2량체인 락티드를 사용하여 개환 중합시키는 방법; 등을 들 수 있다.
또한, 상기 각 제조 방법에 의해 얻어진 폴리락트산계 고분자는, 광학 순도를 95.00％ee 이상으로 하기 위해, 예를 들어 폴리락트산을 락티드법으로 제조하는 경우, 정석 조작에 의해 광학 순도를 95.00％ee 이상의 광학 순도로 향상시킨 락티드를, 중합하는 것이 바람직하다.
(동물성 단백질)
이하, 광학 활성 폴리펩티드(A2)의 일례인 동물성 단백질에 대하여 설명한다.
동물성 단백으로서는, 상술한 피브로인 및 거미줄 단백질 외에, 세리신, 콜라겐, 케라틴, 엘라스틴 등을 들 수 있다.
그 중에서도, 광학 활성 폴리펩티드(A2)는, 피브로인 및 거미줄 단백질 중 적어도 한쪽을 포함하는 것이 바람직하고, 피브로인 및 거미줄 단백질 중 적어도 한쪽으로 이루어지는 것이 보다 특히 바람직하다.
거미줄 단백질은, 천연 거미줄 단백질, 또는, 천연 거미줄 단백질에 유래 또는 유사(이하, 이들을 통합하여 「유래」라 함)한 것이면 되고, 특별히 한정되지는 않는다.
「천연 거미줄 단백질에서 유래되는 것」이란, 천연 거미줄 단백질이 갖는 아미노산의 반복 배열과 마찬가지의 또는 유사한 아미노산 서열을 갖는 것이다. 「천연 거미줄 단백질에서 유래되는 것」으로서, 예를 들어 재조합 거미줄 단백질, 천연 거미줄 단백질의 변이체, 천연 거미줄 단백질의 유사체, 천연 거미줄 단백질의 유도체 등을 들 수 있다.
거미줄 단백질로서는, 강인성이 우수하다는 관점에서, 거미의 대병상선에서 산생되는 대토사관 드래그라인 단백질, 또는, 대토사관 드래그라인 단백질에서 유래되는 거미줄 단백질이 바람직하다.
대토사관 드래그라인 단백질로서는, 아메리카 무당거미(Nephila clavipes)에서 유래되는 대병상선 스피드로인인, MaSp1 또는 MaSp2, 유럽 정원 거미(Araneus diadematus)에서 유래되는, ADF3 또는 ADF4 등을 들 수 있다.
거미줄 단백질은, 거미의 소병상선에서 산생되는 소토사관 드래그라인 단백, 또는, 소토사관 드래그라인 단백에서 유래되는 거미줄 단백질이어도 된다.
소토사관 드래그라인 단백질로서는, 아메리카 무당거미(Nephila clavipes)에서 유래되는 소병상선 스피드로인인, MiSp1, MiSp2를 들 수 있다.
그 밖에도, 거미줄 단백질은, 거미의 편모상선(flagelliform gland)에서 산생되는 횡사 단백질, 또는, 이 횡사 단백질에서 유래되는 거미줄 단백질이어도 된다.
횡사 단백질로서는, 예를 들어 아메리카 무당거미(Nephila clavipes)에서 유래되는 편모상 실크 단백질(flagelliform silk protein) 등을 들 수 있다.
상술한 대토사관 드래그라인 단백질에서 유래되는 거미줄 단백질로서는, 예를 들어 하기 식 (2)로 나타내어지는 아미노산 서열의 단위를 포함하는 재조합 거미줄 단백질을 들 수 있다.
재조합 거미줄 단백질은, 하기 식 (2)로 나타내어지는 아미노산 서열의 단위를 2 이상 포함해도 된다. 아미노산 서열의 단위수는, 바람직하게는 4 이상, 보다 바람직하게는 6 이상이다.
재조합 거미줄 단백질이 하기 식 (2)로 나타내어지는 아미노산 서열의 단위를 2 이상 포함하는 경우, 2 이상의 아미노산 서열의 단위는, 동일해도 달라도 된다.
REP1-REP2 … 식 (2)
〔식 (2) 중, REP1은, 주로 알라닌에 의해 구성되며 (X1)p로 표시되는 폴리알라닌 영역이고, REP2는, 10 내지 200잔기의 아미노산으로 이루어지는 아미노산 서열이다.〕
식 (2)에 있어서, REP1은, 주로 알라닌에 의해 구성되며 (X1)p로 표시되는 폴리알라닌 영역이다. REP1로서, 바람직하게는 폴리알라닌이다.
(X1)p에 있어서, p는, 정수이며, 특별히 한정되지는 않고, 바람직하게는 2 내지 20, 보다 바람직하게는 4 내지 12이다.
(X1)p에 있어서, X1은, 알라닌(Ala), 세린(Ser), 또는 글리신(Gly)을 나타낸다.
(X1)p로 표시되는 폴리알라닌 영역에 있어서, 알라닌의 합계 잔기수가, 상기 폴리알라닌 영역의 아미노산의 합계 잔기수의 80％ 이상(보다 바람직하게는 85％ 이상)인 것이 바람직하다.
식 (2) 중의 REP1에 있어서, 연속하여 배열되어 있는 알라닌은, 바람직하게는 2잔기 이상, 보다 바람직하게는 3잔기 이상, 더욱 바람직하게는 4잔기 이상, 특히 바람직하게는 5잔기 이상이다.
식 (2) 중의 REP1에 있어서, 연속하여 배열되어 있는 알라닌은, 바람직하게는 20잔기 이하, 보다 바람직하게는 16잔기 이하, 더욱 바람직하게는 12잔기 이하, 특히 바람직하게는 10잔기 이하이다.
식 (2)에 있어서, REP2는, 10 내지 200잔기의 아미노산으로 이루어지는 아미노산 서열이다. 이 아미노산 서열 중에 포함되는, 글리신, 세린, 글루타민, 프롤린 및 알라닌의 합계 잔기수는, 상기 아미노산 잔기수 전체에 대해, 바람직하게는 40％ 이상, 보다 바람직하게는 50％ 이상, 특히 바람직하게는 60％ 이상이다.
상기 소토사관 드래그라인 단백질에서 유래되는 거미줄 단백질로서는, 예를 들어 하기 식 (3)으로 나타내어지는 아미노산 서열을 포함하는 재조합 거미줄 단백질을 들 수 있다.
REP3-REP4-REP5 … 식 (3)
〔식 (3) 중, REP3은, (Gly-Gly-Z)m으로 표시되는 아미노산 서열이고, REP4는, (Gly-Ala)l로 표시되는 아미노산 서열이며, REP5는 (Ala)r로 표시되는 아미노산 서열이다.
REP3에 있어서, Z는 임의의 하나의 아미노산을 의미한다.
REP3에 있어서, m은 1 내지 4이고, REP4에 있어서, l은, 0 내지 4이며, REP5에 있어서, r은, 1 내지 6이다.〕
REP3에 있어서, Z는 임의의 1개의 아미노산을 의미하지만, 특히 Ala, Tyr 및 Gln으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나의 아미노산인 것이 바람직하다.
상술한 재조합 거미줄 단백질(예를 들어, 식 (2)로 나타내어지는 아미노산 서열의 단위를 포함하는 재조합 거미줄 단백질, 식 (3)으로 나타내어지는 아미노산 서열을 포함하는 재조합 거미줄 단백질 등)은, 재조합의 대상이 되는 천연형 거미줄 단백질을 코드하는 유전자를 함유하는 발현 벡터로 형질 전환된 숙주를 사용하여 제조할 수 있다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등은, 압전성의 관점에서, 광학 활성 폴리펩티드(A2)로 이루어지는 섬유를 포함하는 것이 바람직하다.
광학 활성 폴리펩티드(A2)로 이루어지는 섬유로서는, 광학 활성을 갖는 동물성 단백질로 이루어지는 섬유를 들 수 있다. 광학 활성을 갖는 동물성 단백질로 이루어지는 섬유로서는, 예를 들어 실크, 울, 모헤어, 캐시미어, 카멜, 라마, 알파카, 비큐나, 앙고라, 거미줄 등을 들 수 있다.
광학 활성 폴리펩티드(A2)로 이루어지는 섬유는, 압전성의 관점에서, 실크 및 거미줄 중 적어도 한쪽을 포함하는 것이 바람직하고, 실크 및 거미줄 중 적어도 한쪽으로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.
실크로서는, 생사(raw silk), 정련 실크, 재생 실크, 형광 실크 등을 들 수 있다.
실크로서는, 생사 또는 정련 실크가 바람직하고, 정제 실크가 특히 바람직하다.
정련 실크란, 세리신과 피브로인의 2중 구조인 생사로부터 세리신을 제거한 실크를 의미하고, 정련이란, 생사로부터 세리신을 제거하는 조작을 의미한다. 생사의 색은 광택이 없는 백색이지만, 생사로부터 세리신을 제거하는 것(즉, 정련)에 의해, 광택이 없는 백색으로부터 광택이 있는 백은색으로 변화된다. 정련에 의해, 부드러운 질감이 증가된다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등은, 압전성의 관점에서, 광학 활성 폴리펩티드(A2)로 이루어지는 장섬유(이하, 「광학 활성 폴리펩티드 섬유」라 하는 경우가 있음)를 포함하는 것이 바람직하다. 이 이유는, 단섬유에 비해 장섬유쪽이, 제1 압전 센서(10A)에 인가된 응력이 제1 압전체(12A)에 전달되기 쉽기 때문이라고 생각된다.
「장섬유」란, 제1 압전 센서(10A)의 긴 방향의 일단으로부터 타단까지 연속하여 권회할 수 있는 길이를 갖는 섬유를 의미한다.
실크, 울, 모헤어, 캐시미어, 카멜, 라마, 알파카, 비큐나, 앙고라, 및 거미줄은, 모두 장섬유에 해당한다. 장섬유 중에서도, 실크 및 거미줄이, 압전성의 관점에서, 바람직하다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 상기 섬유를 포함하는 경우, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)는, 적어도 1개의 상기 섬유로 이루어지는 실을 적어도 1개 포함하는 것이 바람직하다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 상기 실을 포함하는 경우의 양태로서는, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 1개의 상기 실로 이루어지는 양태, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)가 복수의 상기 실의 집합체인 양태 등을 들 수 있다.
상기 실은, 연사여도 무연사여도 되지만, 압전성의 관점에서, 꼬임수가 500T/m 이하인 실(즉, 꼬임수 500T/m 이하의 연사 또는 무연사(꼬임수 0T/m))인 것이 바람직하다.
무연사로서는, 1개의 원사, 복수개의 원사의 집합체 등을 들 수 있다.
(제1 긴 형상 유기 압전체 및 제2 긴 형상 유기 압전체)
다음으로, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등에 대하여, 더 설명한다.
<안정화제>
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등은, 또한, 1분자 중에, 카르보디이미드기, 에폭시기, 및 이소시아네이트기로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상의 관능기를 갖는 중량 평균 분자량이 200 이상 60000 이하인 안정화제(B)를 함유하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 내습 열성을 보다 향상시킬 수 있다.
안정화제(B)로서는, 국제 공개 제2013/054918호의 단락 0039 내지 0055에 기재된 「안정화제(B)」를 사용할 수 있다.
안정화제(B)로서 사용할 수 있는, 1분자 중에 카르보디이미드기를 포함하는 화합물(카르보디이미드 화합물)로서는, 모노카르보디이미드 화합물, 폴리카르보디이미드 화합물, 환형 카르보디이미드 화합물을 들 수 있다.
모노카르보디이미드 화합물로서는, 디시클로헥실카르보디이미드, 비스-2,6-디이소프로필페닐카르보디이미드 등이 적합하다.
폴리카르보디이미드 화합물로서는, 다양한 방법으로 제조한 것을 사용할 수 있다. 종래의 폴리카르보디이미드의 제조 방법(예를 들어, 미국 특허 제2941956호 명세서, 일본 특허 공고 소47-33279호 공보, J. 0rg. Chem. 28, 2069-2075(1963), Chemical Review 1981, Vol.81 No.4, p619-621)에 의해, 제조된 것을 사용할 수 있다. 구체적으로는 특허 제4084953호 공보에 기재된 카르보디이미드 화합물을 사용할 수도 있다.
폴리카르보디이미드 화합물로서는, 폴리(4,4'-디시클로헥실메탄카르보디이미드), 폴리(N,N'-디-2,6-디이소프로필페닐카르보디이미드), 폴리(1,3,5-트리이소프로필페닐렌-2,4-카르보디이미드 등을 들 수 있다.
환형 카르보디이미드 화합물은, 일본 특허 공개 제2011-256337호 공보에 기재된 방법 등에 기초하여 합성할 수 있다.
카르보디이미드 화합물로서는, 시판품을 사용해도 되고, 예를 들어, 도쿄 카세이사제, B2756(상품명), 닛신보 케미컬사제, 카르보딜라이트(등록 상표) LA-1(상품명), 라인 케미사제, Stabaxol P, Stabaxol P400, Stabaxol I(모두 상품명) 등을 들 수 있다.
안정화제(B)로서 사용할 수 있는, 1분자 중에 이소시아네이트기를 포함하는 화합물(이소시아네이트 화합물)로서는, 이소시안산3-(트리에톡시실릴)프로필, 2,4-톨릴렌디이소시아네이트, 2,6-톨릴렌디이소시아네이트, m-페닐렌디이소시아네이트, p-페닐렌디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 2,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 2,2'-디페닐메탄디이소시아네이트, 크실릴렌디이소시아네이트, 수소 첨가 크실릴렌디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트 등을 들 수 있다.
안정화제(B)로서 사용할 수 있는, 1분자 중에 에폭시기를 포함하는 화합물(에폭시 화합물)로서는, 페닐글리시딜에테르, 디에틸렌글리콜디글리시딜에테르, 비스페놀 A-디글리시딜에테르, 수소 첨가 비스페놀 A-디글리시딜에테르, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 에폭시화 폴리부타디엔 등을 들 수 있다.
안정화제(B)의 중량 평균 분자량은, 200 이상 60000 이하이며, 바람직하게는 200 이상 30000 이하, 보다 바람직하게는 300 이상 18000 이하이며, 특히 바람직하게는 200 이상 900 이하이다.
분자량이 상기 범위 내이면, 안정화제(B)가 보다 이동하기 쉬워져, 내습열성이 향상된다.
또한, 중량 평균 분자량 200 이상 900 이하는, 수 평균 분자량 200 이상 900 이하와 거의 일치한다. 중량 평균 분자량 200 이상 900 이하의 경우, 분자량 분포가 1.0인 경우가 있고, 이 경우에는, 「중량 평균 분자량 200 이상 900 이하」를, 간단히 「분자량 200 이상 900 이하」로 바꿔 말할 수도 있다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등이 안정화제(B)를 함유하는 경우, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등은, 안정화제를 1종만 함유해도 되고, 2종 이상 함유해도 된다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등이 안정화제(B)를 포함하는 경우, 안정화제(B)의 함유량은, 헬리컬 키랄 고분자(A1) 100질량부에 대해, 바람직하게는 0.01질량부 이상 10질량부 이하, 보다 바람직하게는 0.01질량부 이상 5질량부 이하, 더욱 바람직하게는 0.1질량부 이상 3질량부 이하, 특히 바람직하게는 0.5질량부 이상 2질량부 이하이다.
안정화제(B)의 함유량이 0.01질량부 이상이면, 내습열성이 보다 향상된다.
상기 함유량이 10질량부 이하이면, 투명성의 저하가 보다 억제된다.
안정화제(B)의 바람직한 형태로서는, 카르보디이미드기, 에폭시기, 및 이소시아네이트기로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상의 관능기를 갖고, 또한, 수 평균 분자량이 200 이상 900 이하인 안정화제(B1)와, 카르보디이미드기, 에폭시기, 및 이소시아네이트기로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상의 관능기를 1 분자 내에 2 이상 갖고, 또한, 중량 평균 분자량이 1000 이상 60000 이하인 안정화제(B2)를 병용하는 양태를 들 수 있다. 또한, 수 평균 분자량이 200 이상 900 이하인 안정화제(B1)의 중량 평균 분자량은, 대략 200 이상 900 이하이고, 안정화제(B1)의 수 평균 분자량과 중량 평균 분자량은 거의 동일한 값이 된다.
안정화제로서 안정화제(B1)와 안정화제(B2)를 병용하는 경우, 안정화제(B1)를 많이 포함하는 것이 투명성 향상의 관점에서 바람직하다.
구체적으로는, 안정화제(B1) 100질량부에 대하여, 안정화제(B2)가 10질량부 이상 150질량부 이하의 범위인 것이, 투명성과 내습열성의 양립이라는 관점에서 바람직하고, 50질량부 이상 100질량부 이하의 범위인 것이 보다 바람직하다.
이하, 안정화제(B)의 구체예(안정화제(B-1) 내지 (B-3))를 나타낸다.
Figure pct00002
이하, 안정화제(B-1) 내지 (B-3)에 대하여, 화합물명, 시판품 등을 나타낸다.
·안정화제(B-1)… 화합물명은, 비스-2,6-디이소프로필페닐카르보디이미드이다. 중량 평균 분자량(이 예에서는, 단순한 「분자량」과 동등함)은 363이다. 시판품으로서는, 라인 케미사제 「Stabaxol I」, 도쿄 카세이사제 「B2756」을 들 수 있다.
·안정화제(B-2)… 화합물명은, 폴리(4,4'-디시클로헥실메탄카르보디이미드)이다. 시판품으로서는, 중량 평균 분자량 약 2000의 것으로서, 닛신보 케미컬사제 「카르보딜라이트(등록 상표) LA-1」을 들 수 있다.
·안정화제(B-3)… 화합물명은, 폴리(1,3,5-트리이소프로필페닐렌-2,4-카르보디이미드)이다. 시판품으로서는, 중량 평균 분자량 약 3000의 것으로서, 라인 케미사제 「Stabaxol P」를 들 수 있다. 중량 평균 분자량 20000의 것으로서, 라인 케미사제 「Stabaxol P400」을 들 수 있다.
<그 밖의 성분>
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등은, 필요에 따라, 그 밖의 성분을 함유해도 된다.
그 밖의 성분으로서는, 폴리불화비닐리덴, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지 등의 공지의 수지; 실리카, 히드록시아파타이트, 몬모릴로나이트 등의 공지의 무기 필러; 프탈로시아닌 등의 공지의 결정 핵제; 안정화제(B) 이외의 안정화제; 등을 들 수 있다.
무기 필러 및 결정 핵제로서는, 국제 공개 제2013/054918호의 단락 0057 내지 0058에 기재된 성분을 들 수도 있다.
(배향도 F)
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등의 배향도 F는, 바람직하게는 0.5 이상 1.0 미만, 보다 바람직하게는 0.7 이상 1.0 미만, 더욱 바람직하게는 0.8 이상 1.0 미만이다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등의 배향도 F가 0.5 이상이면, 연신 방향으로 배열되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 분자쇄(예를 들어 폴리락트산 분자쇄)가 많다. 그 결과, 배향 결정이 생성되는 비율이 높아져, 압전성이 향상된다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등의 배향도 F가 1.0 미만이면, 종렬 강도가 더욱 향상된다.
(결정화도)
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등의 결정화도는, 상술한 X선 회절 측정(광각 X선 회절 측정)에 의해 측정되는 값이다.
제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등의 결정화도는, 바람직하게는 20％ 이상 80％ 이하, 보다 바람직하게는 25％ 이상 70％ 이하, 더욱 바람직하게는 30％ 이상 60％ 이하이다.
결정화도가 20％ 이상임으로써, 압전성이 높게 유지된다. 결정화도가 80％ 이하임으로써, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등의 투명성이 높게 유지된다.
결정화도가 80％ 이하임으로써, 예를 들어 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등의 원료가 되는 유기 압전 필름을 연신에 의해 제조할 때 백화나 파단이 생기기 어렵다. 그 때문에, 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등을 제조하기 쉽다. 결정화도가 80％ 이하임으로써, 예를 들어 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등의 원료(예를 들어 폴리락트산)를 용융 방사 후에 연신에 의해 제조할 때 굴곡성이 높아, 유연한 성질을 갖는 섬유가 된다. 그 때문에 제1 긴 형상 유기 압전체(121) 등을 제조하기 쉽다.
<압전 디바이스의 용도>
본 실시 형태의 압전 디바이스(1)는, 예를 들어 센서 용도(착좌 센서 등의 힘 센서, 압력 센서, 변위 센서, 변형 센서, 진동 센서, 초음파 센서, 생체 센서, 라켓, 골프 클럽, 배트 등의 각종 구기용 스포츠 용구의 타격 시의 가속도 센서나 임팩트 센서 등, 봉제 인형의 터치·충격 센서, 침대의 워칭 센서, 유리나 창틀 등의 시큐리티 센서 등), 액추에이터 용도(시트 반송용 디바이스 등), 에너지 하베스팅 용도(발전 웨어, 발전 구두 등), 헬스 케어 관련 용도(티셔츠, 스포츠 웨어, 스패츠, 양말 등의 각종 의류, 서포터, 깁스, 기저귀, 영유아용 손수레의 시트, 휠체어용 시트, 의료용 보육기의 매트, 구두, 구두의 안창, 시계 등에 본 센서를 마련한 웨어러블 센서 등) 등으로서 이용할 수 있다.
배치 방법으로서는, 예를 들어, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)를 대상물 사이에 끼워 넣거나, 대상물에 점접착제로 고정하는 등의 각종 방법을 들 수 있다.
상기 용도 중에서도, 본 실시 형태의 압전 디바이스(1)는, 센서 용도로서 이용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 본 실시 형태의 압전 디바이스(1)는, 힘 센서에 탑재하여 이용되는 것이 바람직하다.
압전 디바이스(1)는, 응력에 의해 발생하는 전압을 전계 효과 트랜지스터(FET)의 게이트·소스간에 가함으로써 FET의 스위칭이 가능하여, 응력에 의해 ON-OFF가 가능한 스위치로서 이용할 수도 있다.
본 실시 형태의 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)는, 예를 들어 차량 탑재 용도; 진동·음향 센싱을 이용한 자동차 핸들 파지 검출 용도, 진동·음향 센싱을 이용한 공진 스펙트럼에 의한 차량 탑재 기기 조작 시스템 용도, 차량 탑재 디스플레이의 터치 센서 용도, 진동체 용도, 자동차 도어 및 자동차 윈도우의 끼임 검지 센서 용도, 차체 진동 센서 용도 등에 특히 적합하다.
이하, 본 실시 형태에 관한 압전 디바이스(1)를 구비한 힘 센서의 구성에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.
도 11은 본 실시 형태에 관한 힘 센서의 개념도이다. 또한, 도 11 중, 후술하는 제2 유닛은, 생략되어 있다.
본 실시 형태에 관한 힘 센서(50)는, 제1 유닛과, 제2 유닛을 갖는다. 제1 유닛과 제2 유닛은 병렬로 배치된다. 제1 유닛은, 제1 압전 센서(10A)를 갖는다. 제2 유닛은, 제2 압전 센서(10B)를 갖는다.
제1 유닛은, 제2 절연체로서의 원통 형상의 고무계 열수축 튜브(이하, 간단히 「수축 튜브」라고도 칭함)(51)와, 수축 튜브(51)의 내부에 배치된 제1 압전 센서(10A)와, 수축 튜브(51)의 양단부에 배치된 한 쌍의 압착 단자(취출 전극)(52)를 구비한다. 한 쌍의 압착 단자(52)는, 본체부(521)와, 압착부(522)로 이루어지고, 중앙부에 관통 구멍(523)을 갖는다. 제1 압전 센서(10A)는, 제1 내부 도체(11A)와, 제1 내부 도체(11A)의 둘레에 일방향으로 나선형으로 권회된 제2 압전체(12A)와, 제1 압전체(12A)의 외주면에 일방향으로 나선형으로 권회된 제1 외부 도체(13A)를 구비한다.
제1 압전 센서(10A)에 있어서는, 제1 내부 도체(11A)의 일단(도 11의 우측 단부)이, 수축 튜브(51)의 외측으로 연장되어, 압착부(522)에서 압착되어 압착 단자(52)에 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 제1 외부 도체(13A)는, 제1 내부 도체(11A)의 일단측으로부터 타단측을 향하여 권회된 후, 제1 내부 도체(11A)의 타단(도 11의 좌측 단부)을 넘어 연장되고, 그 연장 부분이 수축 튜브(51) 내에서 응력 완화부(53)를 형성하고 있다.
제1 외부 도체(13A)는, 이 응력 완화부(53)를 거친 후, 수축 튜브(51)의 더 외측(도 11의 좌측 단부)으로 연장되어, 압착부(522)에서 압착되어 압착 단자(52)에 전기적으로 접속되어 있다.
응력 완화부(53)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 느슨해진 제1 외부 도체(13A) 로 이루어진다. 응력 완화부(53)에 있어서는, 힘 센서(50)에 장력(응력)이 작용되었을 때, 느슨해진 부분이 연장됨으로써 제1 압전체(12A)에 과도한 힘이 부하되는 것을 억제한다.
제1 압전체(12A)는, 긴 형상 유기 압전체(121)로 이루어지고, 양면에는 기능층으로서 알루미늄 증착막(도시하지 않음)이 증착되어 있다. 또한, 한 쌍의 압착 단자(52)는, 힘 센서(50)의 출력 신호를 처리하는 외부 회로 등(도시하지 않음)에 접속되어 있다.
또한, 도 11에서 도시한 실시 형태에서는, 응력 완화부(53)로서, 느슨해진 제1 외부 도체(13A)가 배치되어 있지만, 본 개시의 실시 형태는 이것에 한정되지는 않고, 제1 압전 센서(10A) 중 적어도 어느 한쪽의 단부, 혹은 양단부에, 선형의 응력 완화부를 접착, 실매듭 등의 방법 등에 의해 장력이 전달되도록 배치함으로써 응력을 완화하는 기능을 힘 센서(50)에 부여해도 된다.
이때 선형의 응력 완화부에는 전기적인 접속의 기능은 존재하지 않지만, 전기적 접속 기능은, 응력 완화부와는 독립적으로, 제1 압전 센서(10A)의 단부로부터 제1 내부 도체(11A) 및 제1 외부 도체(13B)를 동축 케이블 등에 접속함으로써, 응력이나 변형의 전압 신호를 검출하는 것이 가능해진다.
이때 응력 완화부의 재료 및 형태는 특별히 한정되지는 않고, 예를 들어, 천연 고무, 실리콘 고무, 우레탄 고무 등의 신축성이 있는 탄성 재료로 이루어지는 실, 끈, 튜브 등; 인청동 등의 금속 재료, 선형의 폴리머 등으로 이루어지는 스프링; 등을 들 수 있다. 응력 완화부와 전기적 접속부를 각각 독립적으로 다른 부위에 배치함으로써, 전기적 접속부의 최대 신장량에 기인하는 응력 완화부의 변형량의 제한이 없어져, 장력 센서로서의 최대 변형량을 증대시키는 것이 가능해진다.
이하, 본 실시 형태의 힘 센서(50)의 작용에 대하여 설명한다.
힘 센서(50)에 장력(응력)이 작용되면, 제1 압전 센서(10A)에 장력이 작용되어, 제1 압전 센서(10A)의 제1 압전체(12A)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 전단력이 가해지고, 이 전단력에 의해 제1 압전 센서(10A)의 직경 방향으로 헬리컬 키랄 고분자(A1)의 분극이 발생한다. 분극 방향은 제1 압전 센서(10A)의 직경 방향이다. 이에 의해, 장력에 비례한 전하(전계)가 발생하고, 발생한 전하는 전압 신호(전하 신호)로서 검출된다. 또한, 전압 신호는, 압착 단자(52)에 접속되는 외부 회로 등(도시하지 않음)에서 검출된다.
본 실시 형태의 힘 센서(50)는, 동축 케이블에 구비되는 내부 구조와 동일 구조를 이루는 제1 압전 센서(10A)를 구비하기 때문에, 전자 실드성이 높아, 노이즈에 강한 구조가 될 수 있다. 게다가, 구조가 간이하기 때문에, 예를 들어 웨어러블 센서로서, 신체의 일부에 장착하여 사용할 수 있다.
제2 유닛은, 제1 압전체(12A) 대신에, 제2 압전체(12A)를 사용한 것 외에는, 제1 유닛과 마찬가지의 구성이다.
본 실시 형태의 힘 센서로서는, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 장력이 작용되었을 때 발생하는 전하(전계)를 전압 신호로서 취출하는 구성에 한정되지는 않고, 예를 들어 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)에 비틀림력이 작용되었을 때 발생하는 전하(전계)를 전압 신호로서 취출하는 구성이어도 된다.
본 실시 형태의 압전 디바이스(1)의 용도로서는, 생체 정보 취득 디바이스도 바람직하다.
즉, 본 실시 형태의 생체 정보 취득 디바이스는, 본 실시 형태의 압전 디바이스(1)를 포함한다.
본 실시 형태의 생체 정보 취득 디바이스는, 압전 디바이스(1)에 의해, 피험자 또는 피험동물(이하, 이들을 통합하여 「피험체」라고도 함)의 생체 신호를 검출함으로써, 피험체의 생체 정보를 취득하기 위한 디바이스이다.
여기에서 말하는 생체 신호로서는, 맥파 신호(심박 신호), 호흡 신호, 체동 신호, 심탄동, 생체 진전 등을 들 수 있다.
생체 진전이란, 신체 부위(손가락, 손, 전완, 상지 등)의 율동적인 불수의 운동이다.
상기 심탄동의 검출에는, 신체의 심기능에 의한 힘의 효과의 검출도 포함된다.
즉, 심장이 대동맥 및 폐동맥에 혈액을 펌핑하는 경우, 몸은, 혈류와 반대의 방향으로 반동력을 받는다. 이 반동력의 크기 및 방향은, 심장의 기능적인 단계와 함께 변화된다. 이 반동력은, 신체의 외측의 심탄동을 센싱함으로써 검출된다.
생체 정보 취득 디바이스는, 각종 의료(셔츠, 수트, 블레이저, 블라우스, 코트, 재킷, 블루종, 점퍼, 베스트, 원피스, 바지, 팬츠, 속옷(슬립, 페티코트, 캐미솔, 브래지어), 양말, 장갑, 일본 옷, 띠를 만들 천, 금란, 냉감 의료, 넥타이, 행커치프, 머플러, 스카프, 스톨, 안대), 서포터(목용 서포터, 어깨용 서포터, 가슴용 서포터, 배용 서포터, 허리용 서포터, 팔용 서포터, 발용 서포터, 팔꿈치용 서포터, 무릎용 서포터, 손목용 서포터, 발목용 서포터), 신발(스니커즈, 부츠, 샌들, 펌프스, 뮬, 슬리퍼, 발레 슈즈, 쿵후 슈즈), 깔창, 타월, 배낭, 모자(해트, 캡, 카스케트, 헌팅모, 텐갤런 해트, 튤립 해트, 선바이저, 베레모), 헬멧, 헬멧 턱끈, 두건, 벨트, 시트 커버, 시트(sheet), 방석, 쿠션, 이불, 이불 커버, 담요, 베개, 베개 커버, 소파, 의자, 데스크, 테이블, 시트(seat), 좌석, 변기 시트, 마사지 체어, 침대, 침대 패드, 카펫, 바구니, 마스크, 붕대, 로프, 각종 네트, 욕조, 바닥재, 벽재, 퍼스널 컴퓨터, 마우스 등의 각종 물품에 배치되어 사용된다.
생체 정보 취득 디바이스가 배치되는 물품으로서는, 신발, 깔창, 시트, 방석, 쿠션, 이불, 이불 커버, 베개, 베개 커버, 소파, 의자, 시트, 좌석, 변기 시트, 침대, 카펫, 욕조, 바닥재 등, 피험체의 체중이 가해지는 물품이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 영유아용 손수레의 시트, 좌석부, 차륜, 영유아의 전락을 방지하기 위한 스토퍼 등; 휠체어용의 시트, 좌석부 등; 의료용 보육기의 매트; 등이 바람직하다.
이하, 생체 정보 취득 디바이스의 동작의 일례를 설명한다.
생체 정보 취득 디바이스는, 예를 들어 침대 상 또는 의자의 좌면 상 등에 배치된다. 이 생체 정보 취득 디바이스 상에 피험체가, 횡와, 착좌, 또는 기립한다. 이 상태에서, 피험체로부터 발해지는 생체 신호(체동, 주기적인 진동(맥, 호흡 등), 인간의 「귀엽다」, 「무섭다」 등의 감성이 원인으로 변화된 심박수 등)에 의해, 생체 정보 취득 디바이스의 압전 디바이스(1)에 장력이 부여되면, 압전 디바이스(1)에 포함되는 헬리컬 키랄 고분자(A1)에 분극이 발생하고, 장력에 비례한 전위가 발생한다. 이 전위는 피험체로부터 발해지는 생체 신호에 수반하여 경시적으로 변화된다. 예를 들어, 피험체로부터 발해지는 생체 신호가, 맥, 호흡 등의 주기적인 진동인 경우에는, 압전 디바이스(1)에서 발생하는 전위도, 주기적으로 변화된다.
압전 디바이스(1)에 대한 장력의 부여에 수반하여 발생한 전위의 경시적인 변화를, 전압 신호로서 측정 모듈에 의해 취득한다. 취득되는 전위의 경시적인 변화(압전 신호)는, 복수의 생체 신호(맥파 신호(심박 신호), 호흡 신호, 체동 신호)의 합성파이다. 이 합성파를 푸리에 변환에 의해 주파수마다 분리하여, 분리 신호를 생성한다. 생성된 분리 신호의 각각을 역푸리에 변환함으로써, 분리 신호의 각각에 대응하는 생체 신호를 각각 얻는다.
예를 들어, 피험체로부터 발해지는 생체 신호가 심박 신호와 호흡 신호의 합성파인 경우, 생체 정보 취득 디바이스의 압전 디바이스(1)에 대한 장력의 부여에 수반하여 발생하는 전위는, 경시적으로 주기적으로 변화된다.
일반적으로, 사람의 맥은 1분간당 50회 이상 90회 이하이며 주기로서는 0.6Hz 이상 3Hz 이하이다. 일반적으로, 사람의 호흡은 1분간당 16회 이상 18회 이하이며 주기로서는 0.1Hz 이상 1Hz 이하이다. 일반적으로, 사람의 체동은 10Hz 이상이다.
이들 기준에 기초하여, 복수의 생체 신호의 합성파를, 각각의 생체 신호로 분리할 수 있다. 또한 심박 신호로부터 속도 맥파의 신호를 얻을 수도 있다.
복수의 생체 신호의 합성파의 각각의 생체 신호로의 분리는, 예를 들어 생체 신호 통보 프로그램을 사용하여, 상기 푸리에 변환 및 상기 역푸리에 변환에 의해 행한다.
이상과 같이 하여, 복수의 생체 신호의 합성파를, 복수의 생체 신호의 각각으로 분리할 수 있다.
또한, 상기와 같이 하여 분리된 생체 신호 중 적어도 하나에 기초하여, 생체 신호 데이터를 생성해도 된다.
생체 신호 데이터는, 생체 신호에 기초하여 산출된 것이면, 특별히 한정되지는 않는다. 생체 신호 데이터로서는, 예를 들어 단위 시간당 생체 신호수, 과거의 생체 신호수의 평균값 등을 들 수 있다.
실시예
이하, 본 개시에 관한 실시 형태를, 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 개시는, 이들 실시예의 기재에 전혀 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
(제1 압전 센서의 제작)
10질량부의 하기의 안정화제 A와, 70질량부의 하기의 안정화제 B와, 20질량부의 하기의 안정화제 C를 혼합하여, 안정화제 D를 얻었다. 이어서, 100질량부의 하기의 폴리락트산에, 1.0질량부의 안정화제 D를 첨가하고, 드라이 블렌드하여 원료를 제작하였다.
폴리락트산, 안정화제 A, 안정화제 B, 및 안정화제 C는, 하기의 제품을 사용하였다.
폴리락트산: 「IngeoTM biopolymer 4032D」(NatureWorks LLC사제, 헬리컬 키랄 고분자(A1))
안정화제 A: 「Stabaxol P400」(라인 케미사제, 중량 평균 분자량: 20000)
안정화제 B: 「Stabaxol I」(라인 케미사제, 중량 평균 분자량: 363)
안정화제 C: 「카르보딜라이트(등록 상표) LA-1」(닛신보 케미컬사제, 중량 평균 분자량: 2000)
제작한 원료를 압출 성형기 호퍼에 넣어, 210℃로 가열하면서 T 다이로부터 압출하고, 50℃의 캐스트 롤에 0.3분간 접촉시켜, 두께 150㎛의 예비 결정화 시트를 제막하였다(예비 결정화 공정). 얻어진 예비 결정화 시트를 70℃로 가열하면서 롤 투 롤로, 연신 속도 10m/분으로 연신을 개시하고, 3.5배까지 시트의 흐름 방향(MD: Machine Direction)으로 1축 연신하였다(연신 공정).
그 후, 1축 연신 필름을, 롤 투 롤로, 145℃로 가열한 롤 상에 15초간 접촉시켜 어닐 처리하고, 급랭을 행하여, 유기 압전 필름을 제작하였다(어닐 처리 공정).
이어서, 슬릿 가공기를 사용하여, 유기 압전 필름을 슬릿하는 방향과 유기 압전 필름의 연신 방향이 대략 평행이 되도록 슬릿하여, 폭 0.6㎜, 평균 두께 50㎛의 유기 압전 필름의 슬릿 리본(제1 긴 형상 유기 압전체(121))을 얻었다.
얻어진 슬릿 리본이 「압전 상수 d14를 갖는」 것인지 여부를, 상술한 제1 판정 방법에 의해 판정한바, 슬릿 리본은 압전 상수 d14를 가짐을 알 수 있었다.
(제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배향도 F의 측정)
광각 X선 회절 장치(리가쿠사제 RINT2550, 부속 장치: 회전 시료대, X선원: CuKα, 출력: 40kV 370mA, 검출기: 신틸레이션 카운터)를 사용하여, 제1 긴 형상 유기 압전체(121)를 홀더에 고정하고, 결정면 피크[(110)면/(200)면]의 방위각 분포 강도를 측정하였다.
얻어진 방위각 분포 곡선(X선 간섭도)에 있어서, 결정화도, 및 피크의 반값폭(α)으로부터 하기의 식으로부터 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배향도 F(C축배향도)를 산출하여 평가하였다. 제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 배향도 F는, 0.97이었다.
배향도(F)=(180°-α)/180°
(α는 배향 유래의 피크의 반값폭)
유기 압전 필름의 슬릿 리본의 감기 방향이 왼쪽 감기인 제1 압전 센서(10A)와, 유기 압전 필름의 슬릿 리본의 감기 방향이 오른쪽 감기인 제2 압전 센서(10B)를, 이하와 같이 하여 준비하였다.
제1 내부 도체(11A)로서, 반경이 0.135㎜, 길이 850㎜의 금사선을 준비하였다. 금사선은, 폴리에스테르의 실에 구리박이 오른쪽 감기로 감겨진 것을 사용하였다. 얻어진 유기 압전 필름의 슬릿 리본을, 금사선의 외주면 상에, 왼쪽 감기로, 금사선의 장축 방향에 대하여 45°의 각도(나선 각도)로, 금사선이 노출되지 않도록 간극없이, 나선형으로 권회하였다. 이에 의해, 금사선 및 슬릿 리본(제1 압전체(12A))으로 이루어지는 동축선 구조체를 얻었다. 이때의 금사선에 대한 슬릿 리본의 권회수는 17회/㎝였다.
다음으로, 제1 외부 도체(13A)로서, 폭 0.6㎜로 슬릿 커트된 구리박 리본을 준비하였다. 이 구리박 리본을, 상술한 유기 압전 필름의 슬릿 리본과 마찬가지의 방법에 의해, 동축선 구조체의 외주면 상에, 유기 압전 필름의 슬릿 리본(제1 압전체(12A))이 노출되지 않도록 간극없이 권회하였다. 이와 같이 하여, 길이 800㎜의 제1 압전 센서(10A)를 얻었다.
(제2 압전 센서의 제작)
금사선의 구리박의 감기 방향, 유기 압전 필름의 슬릿 리본의 감기 방향, 및 구리박 리본의 감기 방향을, 제1 압전 센서(10A)와는 반대로 한 것 외에는, 제1 압전 센서(10A)와 마찬가지로 하여, 길이 800㎜의 제2 압전 센서(10B)를 얻었다. 상세하게는, 제2 압전 센서(10B)에 있어서, 금사선의 구리박의 감기 방향은 왼쪽 감기, 유기 압전 필름의 슬릿 리본의 감기 방향은 오른쪽 감기, 구리박 리본의 감기 방향은 왼쪽 감기이다.
이상과 같이 하여, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)를 얻었다.
제1 압전 센서(10A)에서는, 유기 압전 필름의 슬릿 리본은, 제1 방향 D1을 향하여 왼쪽 감기로 권회되어 있었다. 제2 압전 센서(10B)에서는, 유기 압전 필름의 슬릿 리본은, 제1 방향 D1을 향하여 오른쪽 감기로 권회되어 있었다.
제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 각각의 금사선의 평균 반경 및 슬릿 리본의 평균 두께를 이미 설명한 방법으로 측정하였다. 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B) 중 어느 쪽도, 금사선의 평균 반경은 0.135㎜이며, 슬릿 리본의 평균 두께는 0.05㎜였다.
<측정용 장치의 제작>
제1 압전 센서(10A) 및 제1 압전 센서(10B)를 사용하여 측정용 장치(100)를 제작하였다. 도 12는 실시예 1의 측정용 장치(100) 및 진동 발생 장치(200)의 상면도이다. 도 13은 도 12의 절단선 XIII의 단면도이다. 도 14는 도 12의 절단선 XIV의 단면도이다. 도 15는 도 12의 방향 D4로부터 본 실시예 1의 측정용 장치(100) 및 진동 발생 장치(200)의 측면도이다.
이하, 전후 방향(도 12 및 도 15 참조)의 길이를 「길이」, 좌우 방향(도 12 내지 도 14 참조)의 길이를 「폭」, 상하 방향(도 13 내지 도 15 참조)의 길이를 「두께」라 한다.
도 13에 도시한 바와 같이, 먼저, 길이 850㎜, 폭 30㎜, 두께 5㎜의 알루미늄제의 지지판(110)의 상면에, 양면 테이프(101)가 첩부된 길이 800㎜, 폭 20㎜, 두께 5㎜의 발포 수지제의 하부 완충층(120)을 첩부하였다. 이어서, 상면 및 하면의 양면에 양면 테이프(101)가 첩부된 길이 800㎜, 폭 5㎜, 두께 5㎜의 발포 수지제의 상부 완충층(130)을 하부 완충층(120)의 상면에 첩부하였다. 이어서, 상부 완충층(130)의 상면에, 양면 테이프(101)를 통해, 두께 25㎛의 폴리이미드 테이프로 이루어지는 하부 절연층(140)을 첩부하였다. 하부 절연층(140)의 상면의 폭 방향(도 13의 좌우 방향)의 중앙부에, 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A)와 제2 압전 센서(10B)의 제2 외부 도체(13B)를 접촉시킨 상태에서, 옆에 부착하였다. 이어서, 제1 압전 센서(10A), 제2 압전 센서(10B), 및 하부 절연층(140)의 상부에 두께 25㎛의 폴리이미드 테이프로 이루어지는 상부 절연층(150)을 첩부하였다. 이에 의해, 측정용 장치(100)가 얻어졌다.
제1 압전 센서(10A)를 잭 커넥터가 구비된 2m의 제1 동축 케이블(20A)에 전기적으로 접속하였다. 제2 압전 센서(10B)를 잭 커넥터가 구비된 2m의 제2 동축 케이블(20B)에 전기적으로 접속하였다.
상세하게는, 제1 동축 케이블(20A)의 암형 커넥터의 중심축측과, 제1 압전 센서(10A)의 제1 내부 도체(11A)의 후방측(도 12 참조)의 단부를 납땜하고, 제1 동축 케이블(20A)의 암형 커넥터의 외측 라인과, 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A)의 후방측(도 12 참조)의 단부를 납땜하였다. 마찬가지로, 제2 동축 케이블의 암형 커넥터의 중심축측과, 제2 압전 센서(10B)의 제1 내부 도체(11A)의 후방측(도 12 참조)의 단부를 납땜하고, 제2 동축 케이블의 암형 커넥터의 외측 라인과, 제2 압전 센서(10B)의 제2 외부 도체(13B)의 후방측(도 12 참조)의 단부를 납땜하였다.
다음으로, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 각각을, 금속 하우징(GND)에 수용된 계장 증폭기(30)에 전기적으로 접속하였다. 계장 증폭기(30)에는, 「INA128」(TI사제)을 사용하였다. 「INA128」은, 도 4에 있어서, 저항기 R2 및 저항기 R3은 25kΩ, 저항기 R4 내지 R8은 40kΩ이다. 저항기 R1에 50kΩ을 접속하여, 증폭률 2배의 회로로 하였다.
계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 제1 동축 케이블(20A)의 제1 도선(21A)을 접속하였다. 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 제2 동축 케이블(20B)의 제2 도선(21B)을 접속하였다. 계장 증폭기(30)의 기준 단자 Vref에, 제1 동축 케이블(20A)의 제1 도체층(23A) 및 제2 동축 케이블(20B)의 제2 도체층(23B)을 계장 증폭기(30)를 수용하는 금속 하우징(GND)에 접속하였다.
즉, 제1 압전 센서(10A)의 제1 내부 도체(11A)를, 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 전기적으로 접속하였다. 제2 압전 센서(10B)의 제2 내부 도체(11B)를, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 전기적으로 접속하였다. 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A), 및 제2 압전 센서(10B)의 제2 외부 도체(13B)를, 계장 증폭기(30)의 기준 단자 Vref에 전기적으로 접속하였다.
다음으로, 계장 증폭기(30)의 출력 단자 VOUT를 전압계에 접속하고, 진동 발생 장치(200)를 사용하여, 측정용 장치(100)로부터의 차동 전압을 검지하였다.
센서 감도 및 노이즈 측정은, 회전 모터(210)의 회전축(211)을, 놋쇠제의 원기둥형 회전자(220)의 중심축 BX로부터 어긋나게 한 위치에 고정하여, 원기둥형 회전자(220)의 편심 회전에 기인하는 진동을 측정용 장치(100)에 부여함으로써 측정을 행하였다.
구체적으로는, 외경 15㎜, 길이 31.2㎜의 원기둥형 회전자(220)의 중심축 BX로부터 4.5㎜ 어긋나게 한 위치에 펀칭 가공을 하고, 이 구멍에 회전 모터(210)(니혼덴산(주)제, 「SYNCHRONOUS MOTER TYPE-D-5」)의 회전축(211)을 삽입하여 고정하였다. 회전 모터(210)를 고정용 지그(230)에 나사 고정하였다.
고정용 지그(230)는, コ자형으로, 두께 10m의 아크릴제의 아크릴판 3매로 구성되어 있다. 75㎜×75㎜의 아크릴판(231)은 고정용 지그(230)의 상하에 배치하고, 세로로 사용하는 75㎜×55㎜의 아크릴판(232)의 중앙 부분을 도려내어, 회전 모터(210)를 고정하고, 상하의 2매의 아크릴판(231)의 단부와 아크릴판(232)의 단부를 맞추어 コ자형으로 나사 고정하였다. 측정용 장치(100)의 좌우 방향(도 12 참조)의 거의 중앙부 부근의 상부에 원기둥형 회전자(220)의 긴 변 방향이 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 각각과 수직이 되도록 놓고, 고정용 지그(230)의 회전 모터(210)를 고정한 측의 아크릴판(231) 아래에 측정용 장치(100)의 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)를 따르도록 얹고, 하부의 아크릴판(232)의 회전 모터(210)를 고정하지 않은 측의 하측에 발(233)을 부착하여, 아크릴판(231)이 하면과 평행이 되도록 높이 조절하여 고정하였다. 또한, 고정용 지그(230)의 상측에 금속 추(240)를 얹어 하중을 가하여 측정하였다. 금속 추(240)는, 외경 100㎜, 내경 40㎜, 두께 17㎜의 도넛형이며, 중량은 865g이었다.
세팅 종료 후, 상용 전원이 60Hz인 지역이기 때문에, 회전 모터(210)를 회전시킴으로써 발생하는 1.2Hz의 흔들림 진동을 측정용 장치(100)에 전달하여, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 각각으로부터 얻어지는 신호를 계장 증폭기(30)에 입력하고, 계장 증폭기(30)의 출력을 Nathional Instrument사제의 「USB-6001」을 사용하여 전압 계측을 행하고, PC(Personal Computer)에 데이터를 도입하여, 전압 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 해석하여, 주파수 특성을 평가하였다.
FFT 해석은, LabView의 스펙트럼 계측 구성 ExpressVI를 사용하여, 진폭 계측, 해닝창, 샘플수: 32768, 레이트: 1kHz의 조건에서 행하였다. 실시예 1의 FFT 해석한 측정 결과를 도 16에 도시한다.
노이즈 레벨의 평가 대상은, 상용 전원 주파수(60Hz)의 험 노이즈로 하였다. 60Hz의 신호 전압 레벨은, 도 16에 도시한 바와 같이, 0.027V였다.
센서 감도의 평가 대상은, 진동을 가한 1.2Hz 근방의 피크의 전압 신호 레벨로 하였다. 1.2Hz 근방의 피크의 전압 신호 레벨은, 도 16에 도시한 바와 같이, 0.021V였다.
[실시예 2]
하부 절연층(140)의 상면의 폭 방향(도 13의 좌우 방향)의 중앙부에 있어서, 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A)와 제2 압전 센서(10B)의 제2 외부 도체(13B)의 간격을 2㎜ 정도 이격하여 옆에 부착한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 측정용 장치(100)를 제작하였다.
실시예 1과 마찬가지로 하여, 60Hz의 험 노이즈 및 센서 감도를 측정하였다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 1]
제1 압전 센서(10A) 대신에 실시예 1의 제2 압전 센서(10B)를 사용한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정용 장치(100)를 제작하였다. 즉, 비교예 1의 측정용 장치(100)에는, 2개의 제2 압전 센서(10B)가 배치되어 있다.
비교예 1에 있어서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 FFT 해석한 측정 결과를 도 17에 도시한다. 60Hz의 험 노이즈 및 센서 감도의 비교예 1의 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 2]
제2 압전 센서(10B)의 제2 내부 도체(11B)를 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 전기적으로 접속하지 않은 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 측정용 장치(100)를 제작하였다. 상세하게는, 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 제1 압전 센서(10A)의 제1 내부 도체(11A)를 전기적으로 접속하고, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에, 계장 증폭기(30)를 수용하는 금속 하우징(GND)을 접속하였다.
비교예 2에 있어서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 FFT 해석한 측정 결과를 도 18에 도시한다. 60Hz의 험 노이즈 및 센서 감도의 비교예 2의 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 3]
제2 압전 센서(10B)의 구성을 실시예 1의 제1 압전 센서(10A)의 구성으로 변경한 것, 제1 동축 케이블(20A)의 제1 도선(21A)을 금속 하우징(GND)에 접속하고, 또한 제1 동축 케이블(20A)의 제1 도체층(23A)을 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 접속한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 60Hz의 험 노이즈 및 센서 감도를 측정하였다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 3에서는, 제1 압전 센서(10A)의 제1 내부 도체(11A)는 금속 하우징(GND)에 전기적으로 접속되고, 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A)는 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 전기적으로 접속되어 있다.
[실시예 3]
<제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 준비>
제1 긴 형상 유기 압전체(121)의 유기 압전 재료로서, 생사 실크를 준비하였다. 생사 실크는, 광학 활성 폴리펩티드로 이루어지는 장섬유이다. 생사 실크는, 21데니어였다. 생사 실크의 굵기는 0.06㎜ 내지 0.04㎜였다.
생사 실크가 「압전 상수 d14를 갖는」 것인지 여부를, 리본 형상의 생사 실크 경화물을 사용하여, 상술한 제1 판정 방법에 의해 판정한바, 생사 실크는 압전 상수 d14를 가짐을 알 수 있었다.
생사 실크 경화물은, 리본 형상물이며, 4개의 생사 실크에 시아노아크릴레이트계 접착제(도아 고세 가부시키가이샤제의 「201」)를 함침시켜, 시아노아크릴레이트계 접착제를 경화하여 얻어졌다. 4개의 생사 실크는, 생사 실크의 길이 방향에 직교하는 방향에 있어서 병렬되며, 또한 인접하는 생사 실크끼리가 접촉하도록 배치되어 있다.
(광학 활성 폴리펩티드 섬유의 배향도 F의 측정)
광각 X선 회절 장치(리가쿠사제의 「RINT2550」, 부속 장치: 회전 시료대, X선원: CuKα, 출력: 40kV 370mA, 검출기: 신틸레이션 카운터)를 사용하여, 생사 실크(광학 활성 폴리펩티드 섬유)를 홀더에 고정하고, 결정면 피크[2θ=20°]의 방위각 분포 강도를 측정하였다.
얻어진 방위각 분포 곡선(X선 간섭도)에 있어서, 피크의 반값폭(α)으로부터, 하기 식 (a)에 의해, 생사 실크(광학 활성 폴리펩티드 섬유)의 배향도 F(c축 배향도)를 산출하였다.
광학 활성 폴리펩티드 섬유의 배향도 F는, 0.91이었다.
배향도(F)=(180°-α)/180° … (a)
(α는 배향 유래의 피크의 반값폭)
<압전 기재의 제작>
제1 내부 도체(11A)로서, 가부시키가이샤 메이세이 산교제의 금사선 「U24-01-00」(선 직경 0.26㎜, 길이 200㎜)을 준비하였다.
생사 실크(제1 긴 형상 유기 압전체(121))를 제1 내부 도체(11A)의 외주면 상에, 나선 각도가 약 45°가 되도록, 왼쪽 감기로 최대한 간극없어, 감았다. 이에 의해, 제1 내부 도체(11A)의 외주면 상에 층(이하, 「생사 실크층」이라 함)을 형성하여, 제1 압전체 전구체를 얻었다. 생사 실크층은, 제1 내부 도체(11A)의 외주면의 전체면을 덮고 있었다. 즉, 제1 내부 도체(11A)의 외주면은 노출되어 있지 않았다.
또한, 「왼쪽 감기」란, 제1 내부 도체(11A)(금사선)의 축 방향의 일단으로부터 보았을 때, 내부 도체의 앞쪽으로부터 안쪽을 향하여 생사 실크가 왼쪽 감기로 권회되어 있는 것을 나타낸다. 「나선 각도」란, 제1 내부 도체(11A)의 축 방향에 대한, 생사 실크의 길이 방향이 이루는 각도를 나타낸다.
수렴제로서, 도아 고세 가부시키가이샤제의 「201」(시아노아크릴레이트계 접착제)을 준비하였다.
제1 압전체 전구체의 생사 실크층의 외주면 상에 수렴제(시아노아크릴레이트계 접착제)를 적하하여, 생사 실크의 내부에 스며들게 하였다. 그 후, 바로 킴와이프로 잉여분의 수렴제를 생사 실크의 외주면으로부터 닦아내고, 실온에서 방치하여, 수렴제를 경화시켰다. 이에 의해, 압전사층으로 제1 압전체(12A)를 형성하였다.
잭 커넥터가 구비된 2m의 제1 동축 케이블(20A)을 준비하였다. 이 제1 압전체(12A)의 양단부의 압전층의 일부를 제거하여 제1 내부 도체(11A)를 노출시켰다. 제1 내부 도체(11A)가 노출된 상태에서, 제1 동축 케이블(20A)의 암형 커넥터의 중심축측과, 2층 압전 기재의 제1 내부 도체(11A)의 후방측(도 12 참조)의 단부를 납땜하여, 2층 압전 기재를 얻었다.
제1 외부 도체(13A)의 긴 형상 도체로서, 평각 단면의 압연 구리박 리본을 준비하였다. 압연 구리박 리본의 폭은, 0.3㎜였다. 압연 구리박 리본의 두께는 30㎛였다.
이 압연 구리박 리본을, 제1 압전체(12A)의 외주면 상에, 제1 압전체(12A)가 노출되지 않도록 간극없이 오른쪽 감기로 권회하였다. 이에 의해, 제1 압전체(12A)의 외주에 배치된 제1 외부 도체(13A)를 형성하였다.
제1 동축 케이블(20A)의 암형 커넥터의 외측의 라인과, 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A)의 후방측(도 12 참조)의 단부를 납땜하였다.
이상과 같이 하여, 제1 동축 케이블(20A)과 전기적으로 접속된, 길이 150㎜의 제1 압전 센서(10A)를 제작하였다.
제1 압전 센서(10A)와 마찬가지로 하여, 제2 동축 케이블(20B)과 전기적으로 접속된, 길이 150㎜의 제2 압전 센서(10B)를 제작하였다. 제2 압전 센서(10B)에서는, 생사 실크의 감기 방향은 오른쪽 감기, 압연 구리박 리본의 감기 방향은 왼쪽 감기이다.
길이 150㎜의 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 각각을 하부 절연층(140)(도 13)의 상면에 얹어 첩부한 것, 하부 절연층(140)의 상면의 폭 방향(도 13의 좌우 방향)의 중앙부에 있어서, 제1 압전 센서(10A)의 제1 외부 도체(13A)와 제2 압전 센서(10B)의 제2 외부 도체(13B)의 간격을 1㎜ 정도 이격하여 옆에 부착한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 측정용 장치(100)를 제작하였다.
제1 동축 케이블(20A)의 제1 도선(21A)을, 연산 증폭기를 사용한 버퍼 회로, 및 10배 증폭 회로를 이 순으로 경유하여, 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 접속한 것, 제2 동축 케이블(20B)의 제2 도선(21B)을, 연산 증폭기를 사용한 버퍼 회로, 및 10배 증폭 회로를 이 순으로 경유하여, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 접속한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 60Hz의 험 노이즈 및 센서 감도를 측정하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
[비교예 4]
실시예 3의 제1 압전 센서(10A)를 사용하지 않은 것(즉, 제2 압전 센서(10B)를 1개만 사용한 것), 지지판(110)(도 13 참조)과 제1 양면 테이프(101)(도 13 참조) 사이에, 고정을 위해 캡톤 테이프를 첩부한 것 외에는, 실시예 3과 마찬가지로 하여 측정용 장치(100)를 제작하였다.
계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -와, 계장 증폭기(30)를 수용하는 금속 하우징(GND)을 전기적으로 접속하였다.
실시예 3과 마찬가지로 하여, 60Hz의 험 노이즈 및 센서 감도를 측정하였다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 4)
시트형 압전체로서, PVDF의 분극 완료 시트를 약 0.6㎜ 폭으로 슬릿하여 테이프형으로 가공한, PVDF 테이프를 준비하였다.
PVDF의 분극 완료 시트는, 가부시키가이샤 와키 겐큐죠제의 「피에조 필름 시트」(두께: 50㎛)이다.
PVDF 테이프가 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 갖는 것인지 여부를, 상술한 제2 판정 방법에 의해 판정한바, PVDF 테이프는 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 가짐을 알 수 있었다.
제1 내부 도체(11A), 제1 외부 도체(13A), 제2 내부 도체(11B), 및 제2 외부 도체(13B)로서, 제1 내부 도체(11A) 및 제2 외부 도체(13B)의 길이를 150㎜로 한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지의 재료를 준비하였다.
슬릿 리본 대신에 PVDF 테이프를 사용한 것, 및 PVDF 테이프의 권회 방법이 다른 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 길이 150㎜의 제1 압전 센서(10A)를 제작하였다. 제1 압전 센서(10A)의 제작 방법과 마찬가지로 하여, 길이 150㎜의 제2 압전 센서(10B)를 제작하였다.
여기서, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 각각에 가압하였을 때 역특성의 전압을 발생시키도록(즉, PVDF 테이프를 감았을 때, PVDF 테이프의 분극 방향이 역면(逆面)이 되도록), 압전체 P+(제1 압전체(12A))와 압전체 P-(제1 압전체(12B))를 제작하였다.
구체적으로는, 제1 압전 센서(10A)에 가압하였을 때 플러스 전압이 발생하는 측이 내측(제1 내부 도체(11A)측)이 되도록, PVDF 테이프를 제1 내부 도체(11A)의 외주면 상에 오른쪽 감기(S 감기)하여, 압전체 P+(제1 압전체(12A))를 형성하였다. 제2 압전 센서(10B)에 상기 가압과 마찬가지로 가압하였을 때 플러스 전압이 발생하는 측이 외측(제2 내부 도체(11B)측과는 반대측)이 되도록, 오른쪽 감기(S 감기)하여, 압전체 P-(제2 압전체(12B))를 형성하였다.
실시예 3과 마찬가지로 하여, 60Hz의 험 노이즈 및 센서 감도를 측정하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
[비교예 5]
실시예 4의 제1 압전 센서(10A)를 사용하지 않은 것(즉, 실시예 4의 제2 압전 센서(10B)만을 1개 사용한 것), 지지판(110)(도 13 참조)과 제1 양면 테이프(101)(도 13 참조) 사이에 캡톤 테이프로 첩부한 것 외에는, 실시예 4와 마찬가지로 하여 측정용 장치(100)를 제작하였다.
계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN-와, 계장 증폭기(30)를 수용하는 금속 하우징(GND)을 전기적으로 접속하였다.
실시예 3과 마찬가지로 하여, 60Hz의 험 노이즈 및 센서 감도를 측정하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00003
Figure pct00004
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 내지 비교예 3의 센서 길이는, 표 1에 나타내는 바와 같이 800㎜였다. 실시예 3, 실시예 4, 비교예 4 및 비교예 5의 센서의 길이는, 표 2에 나타내는 바와 같이 200㎜였다.
비교예 1의 압전 디바이스는, 제1 압전 센서(10A)와, 제2 압전 센서(10B)와, 계장 증폭기(30)를 구비한다. 제1 내부 도체(11A)는, 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 전기적으로 접속되어 있었다. 제2 내부 도체(11B)는, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 전기적으로 접속되어 있었다.
그러나, 제2 전압의 정부는, 제1 전압과 동일하다. 그 때문에, 표 1에 나타내는 바와 같이, 센서 감도가 낮았다.
이상으로부터, 비교예 1의 압전 디바이스는, 외력을 감도 좋게 검출할 수 없음을 알 수 있었다.
비교예 2의 압전 디바이스는, 제1 압전 센서(10A)와, 제2 압전 센서(10B)와, 계장 증폭기(30)를 구비한다. 제2 전압의 정부는, 제1 전압과 다르다. 제1 내부 도체(11A)는, 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 전기적으로 접속되어 있었다.
그러나, 비교예 2에서는, 제2 내부 도체(11B)는, 금속 하우징(GND)에 전기적으로 접속되어 있었다. 그 때문에, 표 1에 나타내는 바와 같이, 센서 감도는 낮고, 60Hz의 험 노이즈가 매우 높았다.
이상으로부터, 비교예 2의 압전 디바이스는, 외력을 감도 좋게 검출할 수 없음을 알 수 있었다.
비교예 3의 압전 디바이스는, 제1 압전 센서(10A)와, 제2 압전 센서(10B)와, 계장 증폭기(30)를 구비한다. 제2 전압의 정부는, 제1 전압과 다르다. 제2 내부 도체(11B)는, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 전기적으로 접속되어 있었다.
그러나, 비교예 3에서는, 제1 내부 도체(11A)는, 금속 하우징(GND)에 전기적으로 접속되어 있었다. 그 때문에, 표 1에 나타내는 바와 같이, 60Hz의 험 노이즈가 매우 높았다.
이상으로부터, 비교예 3의 압전 디바이스는, 외력을 감도 좋게 검출할 수 없음을 알 수 있었다.
이에 반해, 실시예 1 및 실시예 2의 압전 디바이스는, 제1 압전 센서(10A)와, 제2 압전 센서(10B)와, 계장 증폭기(30)를 구비한다. 제2 전압의 정부는, 제1 전압과 다르다. 제1 내부 도체(11A)는, 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 전기적으로 접속되어 있었다. 제2 내부 도체(11B)는, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 전기적으로 접속되어 있었다.
그 때문에, 표 1에 나타내는 바와 같이, 60Hz의 험 노이즈의 레벨은 비교예 2 및 비교예 3보다 낮았다. 즉, 실시예 1 및 실시예 2의 압전 디바이스가 외래의 전자 노이즈를 저감할 수 있는 효과를 확인할 수 있었다.
또한, 제1 압전 센서(10A) 및 제2 압전 센서(10B)의 각각의 출력 전압을 차동 증폭함으로써, 외래의 전자 노이즈는 저감되고, 센서 감도는 비교예 1 및 비교예 2보다 높았다. 즉, 실시예 1 및 실시예 2의 압전 디바이스는, 고감도로 또한 저노이즈에 의한 고SN비의 센싱이 가능함을 알 수 있었다.
이상으로부터, 실시예 1 및 실시예 2의 압전 디바이스는, 외력을 감도 좋게 검출할 수 있음을 알 수 있었다.
비교예 4의 압전 디바이스는, 제2 압전 센서(10B)와, 계장 증폭기(30)를 구비한다. 제2 내부 도체(11B)는, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 전기적으로 접속되어 있었다.
그러나, 비교예 4에서는, 압전 디바이스는, 제1 압전 센서(10A)를 구비하지 않았다. 그 때문에, 표 2에 나타내는 바와 같이, 센서 감도는 낮고, 60Hz의 험 노이즈는 높았다.
이상으로부터, 비교예 4의 압전 디바이스는, 외력을 감도 좋게 검출할 수 없음을 알 수 있었다.
이에 반해, 실시예 3의 압전 디바이스는, 제1 압전 센서(10A)와, 제2 압전 센서(10B)와, 계장 증폭기(30)를 구비한다. 제2 전압의 정부는, 제1 전압과 다르다. 제1 내부 도체(11A)는, 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 전기적으로 접속되어 있었다. 제2 내부 도체(11B)는, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 전기적으로 접속되어 있었다.
그 때문에, 표 2에 나타내는 바와 같이, 60Hz의 험 노이즈의 레벨은 비교예 4보다 낮고, 센서 감도는 비교예 4보다 높았다.
이상으로부터, 실시예 3의 압전 디바이스는, 외력을 감도 좋게 검출할 수 있음을 알 수 있었다.
비교예 5의 압전 디바이스는, 제2 압전 센서(10B)와, 계장 증폭기(30)를 구비한다. 제2 내부 도체(11B)는, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 전기적으로 접속되어 있었다.
그러나, 비교예 5에서는, 압전 디바이스는, 제1 압전 센서(10A)를 구비하지 않았다. 그 때문에, 표 2에 나타내는 바와 같이, 센서 감도는 낮고, 60Hz의 험 노이즈는 높았다.
이상으로부터, 비교예 5의 압전 디바이스는, 외력을 감도 좋게 검출할 수 없음을 알 수 있었다.
이에 반해 실시예 4의 압전 디바이스는, 제1 압전 센서(10A)와, 제2 압전 센서(10B)와, 계장 증폭기(30)를 구비한다. 제2 전압의 정부는, 제1 전압과 다르다. 제1 내부 도체(11A)는, 계장 증폭기(30)의 제1 차동 입력 단자 VIN -에 전기적으로 접속되어 있었다. 제2 내부 도체(11B)는, 계장 증폭기(30)의 제2 차동 입력 단자 VIN +에 전기적으로 접속되어 있었다.
그 때문에, 표 2에 나타내는 바와 같이, 60Hz의 험 노이즈의 레벨은 비교예 5보다 낮고, 센서 감도는 비교예 5보다 높았다.
이상으로부터, 실시예 4의 압전 디바이스는, 외력을 감도 좋게 검출할 수 있음을 알 수 있었다.
2020년 9월 25일에 출원된 일본 특허 출원 제2020-161350호의 개시는, 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허 출원, 및 기술 규격은, 개개의 문헌, 특허 출원, 및 기술 규격이 참조에 의해 포함되는 것이 구체적으로 또한 개개로 기재된 경우와 동일한 정도로, 본 명세서 중에 참조에 의해 포함된다.

Claims (13)

  1. 제1 방향을 향하여 연장되는 제1 내부 도체와, 상기 제1 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제1 압전체와, 상기 제1 압전체의 외주에 배치된 제1 외부 도체를 갖고, 외력이 상기 제1 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제1 압전체의 변위에 따라서, 상기 제1 외부 도체에 대하여 상기 제1 내부 도체에 제1 전압을 발생시키는 제1 압전 센서와,
    제2 방향을 향하여 연장되는 제2 내부 도체와, 상기 제2 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제2 압전체와, 상기 제2 압전체의 외주에 배치된 제2 외부 도체를 갖고, 상기 외력이 상기 제2 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제2 압전체의 변위에 따라서, 상기 제2 외부 도체에 대하여 상기 제2 내부 도체에 상기 제1 전압과 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시키는 제2 압전 센서와,
    상기 제1 내부 도체가 전기적으로 접속된 한쪽의 차동 입력 단자, 및 상기 제2 내부 도체가 전기적으로 접속된 다른 쪽의 차동 입력 단자를 갖고, 상기 한쪽의 차동 입력 단자에 입력된 제1 신호 및 상기 다른 쪽의 차동 입력 단자의 입력된 제2 신호에 기초하여, 차동 신호를 형성하는 차동 신호 형성부를 구비하는 압전 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차동 신호 형성부는, 차동 증폭 회로를 포함하는, 압전 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은, 대략 평행인, 압전 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 외부 도체와, 상기 제2 외부 도체가 물리적으로 접촉하고 있는, 압전 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압전체는, 압전 상수 d14를 갖는 유기 압전 재료를 포함하는 긴 형상 유기 압전체가 상기 제1 방향을 향하여 제1 나선 방향으로 나선형으로 권회되어 이루어지고,
    상기 제2 압전체는, 상기 긴 형상 유기 압전체가 상기 제2 방향을 향하여 상기 제1 나선 방향과는 다른 제2 나선 방향으로 나선형으로 권회되어 이루어지는, 압전 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유기 압전 재료는, 광학 활성을 갖는 헬리컬 키랄 고분자를 포함하는, 압전 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 헬리컬 키랄 고분자는, 폴리락트산을 포함하는, 압전 디바이스.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유기 압전 재료는, 광학 활성 폴리펩티드로 이루어지는 장섬유를 포함하는, 압전 디바이스.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압전체는, 압전 상수 d33 및 압전 상수 d31을 갖고, 압전 상수 d14를 갖지 않는 압전 재료를 포함하는 시트형 압전체의 한쪽 면이 상기 제1 내부 도체의 측이 되도록, 상기 시트형 압전체가 권회되어 이루어지고,
    상기 제2 압전체는, 상기 시트형 압전체의 다른 쪽 면이 상기 제2 내부 도체의 측이 되도록, 상기 시트형 압전체가 권회되어 이루어지는, 압전 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 시트형 압전체는, 폴리불화비닐리덴을 포함하는, 압전 디바이스.
  11. 제1 방향을 향하여 연장되는 제1 내부 도체와, 상기 제1 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제1 압전체와, 상기 제1 압전체의 외주에 배치된 제1 외부 도체를 갖고, 외력이 상기 제1 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제1 압전체의 변위에 따라서, 상기 제1 외부 도체에 대하여 상기 제1 내부 도체에 제1 전압을 발생시키는 제1 압전 센서와,
    제2 방향을 향하여 연장되는 제2 내부 도체와, 상기 제2 내부 도체의 적어도 일부를 덮는 제2 압전체와, 상기 제2 압전체의 외주에 배치된 제2 외부 도체를 갖고, 상기 외력이 상기 제2 압전체에 작용하면, 상기 외력에 의한 상기 제2 압전체의 변위에 따라서, 상기 제2 외부 도체에 대하여 상기 제2 내부 도체에 상기 제1 전압과 전압의 정부가 다른 제2 전압을 발생시키는 제2 압전 센서와,
    상기 제1 내부 도체가 전기적으로 접속된 한쪽의 차동 입력 단자, 상기 제2 내부 도체가 전기적으로 접속된 다른 쪽의 차동 입력 단자, 그리고 상기 제1 외부 도체 및 상기 제2 외부 도체의 각각과 전기적으로 접속된 기준 단자를 갖는 계장 증폭기를 구비하는, 압전 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 압전 디바이스를 구비하는, 힘 센서.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 압전 디바이스를 구비하는, 생체 정보 취득 디바이스.
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