DE112015003110B4

DE112015003110B4 - Sensoreinheit, die ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertrage/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, und Sensor, der diese nutzt

Info

Publication number: DE112015003110B4
Application number: DE112015003110.3T
Authority: DE
Inventors: Seung Hwan Chang; Ji Hun Bae
Original assignee: Industry Academic Cooperation Foundation of Chung Ang University
Current assignee: Industry Academic Cooperation Foundation of Chung Ang University
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2021-01-14
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: US10393498B2; CN106662424B; WO2016060427A1; DE112015003110T5; CN106662424A; US20170153105A1

Abstract

Sensor, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, wobei der Sensor umfasst:mindestens eine erste Faser, enthaltend ein elektroaktives Polymermaterial, das eine Spannung erzeugt, wenn mindestens eine erste Faser durch eine externe Kraft verformt wird, undmindestens eine zweite Faser, die flexibel ist und ein leitendes Material enthält,wobei die erste Faser und die zweite Faser gewoben sind, um einander zu kreuzen, oder ein Faserkörper ausgebildet wird, sodass eine zweite Faserschicht auf mindestens entweder einer Innenseite und/oder einer Oberfläche einer ersten Faserschicht ausgebildet wird und der Faserkörper in Form eines Gewebes gewoben ist,dadurch gekennzeichnet, dassder Sensor zudem eine dritte Faser umfasst, die ein elektrisch isolierendes Material enthält, wobei die erste Faser, die zweite Faser und die dritte Faser gewoben sind, um einander zu kreuzen, sodass eine Berührung zwischen den zweiten Fasern durch die dritte Faser verhindert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die folgenden Ausführungsformen beziehen sich auf eine Sensoreinheit, die ausgelegt ist, um ein elektroaktives Polymermaterial und die Struktur einer Elektrode zu enthalten, um beispielsweise die Verformung einer Struktur usw. draht- und stromlos zu erfassen, sowie einen Sensor, der diese Sensoreinheit nutzt.
STAND DER TECHNIK
Da ein verformter Teil eines Gegenstands wie einer Struktur, die beispielsweise ein Verbundmaterial enthält, durch Energie, Stöße usw. durch eine Federkraft wiederhergestellt wird, zeigt sich die Verformung anders als bei einer bestehenden Metallstruktur nicht außenseitig, und der Gegenstand sieht so aus, als befände er sich in seinem normalen Zustand. Jedoch können Fehler wie eine Trennung zwischen dünnen Schichten im Gegenstand und feine Risse auftreten. Wenn sich diese Fehler ausdehnen oder sich während eines Betriebs der Struktur vergrößern, oder wenn der Gegenstand aufgrund der Fehler stark belastet wird, kann es zur plötzlichen Zerstörung und Beschädigung des Gegenstands kommen. Zwecks der Sicherheit des Gegenstands muss daher die Position des beschädigten Teils in einem Anfangsstadium erfasst werden, und wird es eine ordnungsgemäße Instandhaltung durchgeführt, sodass der ursprüngliche Zustand des Gegenstands wiederhergestellt werden kann.
Eine Technik zur Überwachung der Sicherheit der Struktur wird als Technik zum Prüfen der Position des beschädigten Teils und ob der Gegenstand beschädigt ist, eingesetzt. Kürzlich wurden aktiv Entwicklungen betreffend kleinformatige Sensoren durchgeführt, die in der Lage sind, die Struktur mittels der Auslegung eines piezoelektrischen Sensors (PZT) und einer Elektrode zu überwachen, die durch die Verformung des PZT-Sensors ein elektrisches Signal vom PZT-Sensor empfängt.
Beispielsweise offenbart die koreanische Offenlegungsschrift KR 10 2012 0 083 261 A als einschlägige Technik einen kleinen Sensor, der in der Lage ist, eine Struktur mittels eines PZT-Sensors und einer Elektrode, die am oberen und unteren Teil des PZT-Sensors angebracht ist, zu überwachen. Der PZT-Sensor wurde als Hindernis für die weit verbreitete Nutzung angesehen, insbesondere was die Installation und die Messung von Verformungswerten in mehreren Richtungen in einer Struktur mit einer starken Krümmung betrifft, aufgrund der durch ein Keramikmaterial verursachten Sprödigkeit. Der Einsatzbereich eines Sensors, der gegenüber verschiedenen externen Kräften keine Flexibilität aufweist, wie dies bei dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (FBG) und beim PZT-Sensor der Fall ist, ist, was die Prüfung und Evaluation des einwandfreien Zustands der Struktur angeht, äußerst eingeschränkt.
EP 1 507 040 A1 beschreibt einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
US 2009 / 0 085 444 A1 offenbart einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Wie bereits erwähnt, ist es bei einem Sensor zur Erfassung von Verformungsinformationen gemäß dem einschlägigen Stand der Technik aufgrund von Merkmalen betreffend die geringe Flexibilität und piezoelektrische Merkmale schwierig, den Sensor an verschiedenen Orten zu installieren, und es kann nur die Verformung ein eine bestimmte Richtung gemessen werden, sodass die Verformungsinformationen in mehrere Richtungen im Wesentlichen nicht gemessen werden können, wodurch der Einsatzbereich des Sensors wie oben beschrieben äußerst eingeschränkt ist.
Es wird eine neue Sensoreinheit bereitgestellt, die flexibel ist, sodass die Sensoreinheit an verschiedenen Orten wie in einer Struktur mit starker Krümmung installiert werden und die Verformung in mehrere Richtungen stabil messen kann, wobei eine Technik einer Sensorstruktur bereitgestellt wird, die universell in verschiedenen Systemen zum Messen von Verformungsinformationen eingesetzt werden kann.
Es wird ebenso eine Technik bereitgestellt, deren Flexibilität und Haltbarkeit ausreichend erlangt sind und Verformungsinformationen eines installierten Orts trotz verschiedener Arten externer Kräfte ohne Funktionalität präzise gemessen werden können, sodass die Technik frei in verschiedenen Systemen eingesetzt werden kann, um die Verformungsinformationen zu messen, zusätzlich zu einem System zur Überwachung des einwandfreien Zustands einer Struktur.
Es wird auch eine Sensoreinheit bereitgestellt, die Verformungsinformationen einer Struktur usw. draht- und stromlos mit hohem Wirkungsgrad messen kann, was auf eine erhöhte Erzeugung von Energie durch Verformung und eine Technik einer Sensorstruktur unter Nutzung der Sensoreinheit zurückzuführen ist.
TECHNISCHE LÖSUNG
Nach einem Aspekt wird eine Sensoreinheit bereitgestellt, die ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung nutzt, wobei die Sensoreinheit enthält: einen ersten Sensorteil, der in einer Faser oder Folie ausgebildet ist, die ein ferroelektrisches elektroaktives Polymermaterial enthält; einen zweiten Sensorteil, der ausgelegt ist, um den ersten Sensorteil zu enthalten, und in einer Matrix ausgebildet ist, die ein dielektrisches elektroaktives Elastomer-Polymermaterial enthält, und einen Elektrodenteil, der bereitgestellt ist, um mit dem ersten Sensorteil oder dem zweiten Sensorteil in Berührung zu kommen, und ein vom ersten Sensorteil oder vom zweiten Sensorteil generiertes elektrisches Signal nach außen übermittelt, wenn eine externe Kraft auf den ersten Sensorteil oder den zweiten Sensorteil einwirkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Sensoreinheit bereitgestellt, die ein elektroaktives Polymer für das drahtlose Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nach einer zweiten Ausführungsform nutzt, wobei die Sensoreinheit enthält: eine erste Elektrode; einen Sensorteil, der ein elektroaktives Polymermaterial enthält und ausgelegt ist, um die erste Elektrode in Form einer Spule zu umgeben, und eine zweite Elektrode, die bereitgestellt ist, um von der zweiten Elektrode isoliert zu werden, und die ausgebildet ist, um den Sensorteil zu umgeben. Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Sensoreinheit bereitgestellt, die ein elektroaktives Polymer für das drahtlose Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nach einer dritten Ausführungsform nutzt, wobei der Sensor enthält: mindestens eine erste Faser, die ein elektroaktives Polymermaterial enthält, das eine Spannung erzeugt, wenn mindestens eine erste Faser durch eine externe Kraft verformt wird, und mindestens eine zweite Faser, die flexibel ist und ein leitendes Material enthält, wobei die erste Faser und die zweite Faser gewoben sind, um sich zu kreuzen, oder ein Faserkörper gebildet wird, sodass eine zweite Faserschicht auf mindestens entweder einer Innenseite und/oder einer Oberfläche einer ersten Faserschicht ausgebildet wird und der Faserkörper somit in Form eines Gewebes gewoben ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Sensoreinheit bereitgestellt, die ein elektroaktives Polymer für das drahtlose Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen gemäß einer vierten Ausführungsform nutzt, wobei die Sensoreinheit enthält: eine spulenförmige Faserspule, enthaltend mindestens eine erste Faser, die ein elektroaktives Polymermaterial enthält, das eine Spannung erzeugt, wenn der Sensor durch eine externe Kraft verformt wird und mindestens eine zweite Faser, die aus einem leitenden Material ausgebildet ist; und einen Kondensator, der an mindestens einen Teil der Faserspule angeschlossen ist, wobei die erzeugte Spannung, wenn sie auf die mindestens eine zweite Faser einwirkt, vom Kondensator durch die zweite Faser eingespeist oder entladen wird, sodass ein Strom durch die mindestens eine zweite Faser fließt und ein elektromagnetisches Feld außerhalb der Faserspule gebildet wird, wenn der Strom durch die zweite Faser fließt.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Wenn gemäß Ausführungsform eins bis vier ein Sensor zum Erfassen von Verformungsinformationen, unter Nutzung von Merkmalen aus elektroaktiven Polymermaterial ausgebildet wird, das elektrische Energie erzeugt, wenn durch eine externe Kraft Stoß und Verformung auf den Sensor einwirken, weist ein erster Sensorteil, der ein ferroelektrisches elektroaktives Polymer enthält, Eigenschaften wie hohe Zuverlässigkeit und Stabilität im Hinblick auf eine schnelle mechanisch-elektrische Dehnbarkeitsreaktionsgeschwindigkeit und einen mechanisch-chemischen Mechanismus und niedrige Impedanz auf, und ein zweiter Sensorteil, der ein dielektrisches Elastomer und elektroaktives Polymer enthält, weist Eigenschaften wie eine große Verformung und eine schnelle mechanisch elektrische Dehnbarkeitsreaktionsgeschwindigkeit auf und besitzt gleichzeitig eine sehr hohe Flexibilität.
Wenn die elektroaktiven Polymermaterialien, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, im Verbund für zwei Sensorteile genutzt werden, kann der Sensor aufgrund der hohen Flexibilität eines jeden der Sensorteile in einer Struktur mit einer starken Krümmung installiert werden, sodass Einschränkungen an einem Installationsort auf ein Mindestmaß reduziert werden können, und Richtungen von Impulsen, die eventuell vom ersten Sensorteil und vom zweiten Sensorteil erfasst werden, unterscheiden sich voneinander, sodass die Verformung in mehrere Richtungen präzise erfasst werden kann.
Durch die Nutzung von Merkmalen aus ferroelektrischen elektroaktiven Polymermaterial, das den ersten Sensorteil bildet, kann der zweite Sensorteil, der eine große Dehnung aufweist, wie wenn der erste Sensorteil beschädigt wäre, indessen als Hilfssensor funktionieren, sodass die Stabilität einer Funktion in hohem Maß verbessert wird.
Ein elektroaktives Polymermaterial, das Energie durch eine externe Kraft erzeugen kann, weist indessen gleichzeitig eine schnelle mechanisch/elektrische Dehnbarkeitsreaktionsgeschwindigkeit und hohe Zuverlässigkeit und Stabilität im Hinblick auf den mechanisch/chemischen Mechanismus auf, und ein leitendes Material, das eine elektrische Energie erzeugen kann, die durch das elektroaktive Polymermaterial mit hohem Wirkungsgrad generiert wird, werden eingesetzt, sodass die elektrische Energie bei der Verformung der Struktur durch das elektroaktive Polymermaterial erzeugt werden kann und das leitende Material und somit die Verformungsinformationen der Struktur mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.
Wenn darüber hinaus eine Faserschicht des elektroaktiven Polymermaterials und eine flexible leitende Faserschicht in Form eines Gewebes verwoben und im Sensor genutzt werden, können die Verformungsinformationen aufgrund einer festen Gewebestruktur präzise gemessen werden, ohne dass die Funktionalität trotz der verschiedenen externen Kräfte verloren geht, und gleichzeitig kann der Sensor ohne Einschränkungen an verschiedenen Orten installiert werden so wie die Oberfläche der Struktur mit einer starken Krümmung oder einem tragbaren Gerät, sodass eine Ausmaß an Installationsfreiheit sichergestellt werden kann, zu welcher der der Sensorinstalliert werden kann, überall dort, wo Technologie zur Messung der Verformung des Aussehens erforderlich ist.
Da der Sensorteil einer Sensoreinheit eine Elektrode in Form einer Spule umgibt, wird die Effizienz beim Erzeugen elektrischer Energie und eines elektromagnetischen Felds indessen in hohem Maß erhöht, und ein großes elektromagnetisches Feld kann auch bei geringfügiger Verformung übertragen werden, sodass die Einschränkungen an einem Installationsort des Sensors zum strom- und drahtlosen Erfassen von Verformungsinformationen und der Messposition eines Messgeräts beseitigt werden können.
Figurenliste

1 zeigt eine Draufsicht eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 und 3 zeigen Querschnitte, um jeweils Beispiele entlang der Linie A-A' aus 1 zu beschreiben.
4 zeigt eine Draufsicht des Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform.
5 und 6 zeigen Querschnitte, um jeweils Beispiele entlang der Linie B-B' aus 1 zu beschreiben.
7 zeigt ein Beispiel einer Auslegungsansicht eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform.
8 zeigt ein Beispiel einer Auslegung eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform.
9 zeigt ein Beispiel einer Struktur eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer zweiten Ausführungsform.
10 zeigt ein Beispiel eines seitlichen Querschnitts einer Sensoreinheit, die ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer zweiten Ausführungsform.
11 zeigt ein Beispiel eines Querschnitts einer Sensoreinheit, die ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der zweiten Ausführungsform.
12 zeigt eine Ansicht, um den Ablauf, bei dem die Verformungsinformationen nach der zweiten Ausführungsform gemessen werden, zu beschreiben.
13 zeigt eine Ansicht einer Struktur eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer dritten Ausführungsform.
14 zeigt eine Ansicht einer Struktur eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der dritten Ausführungsform.
15 zeigt ein Beispiel eines seitlichen Querschnitts einer zweiten Faserschicht zur Implementierung der dritten Ausführungsform.
16 zeigt ein Beispiel einer Form eines Sensors, die gemäß der dritten Ausführungsform implementiert werden kann.
17 zeigt eine Ansicht einer Faserspule eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer vierten Ausführungsform, sowie eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Faserspule.
18 zeigt einen Teil einer Querschnittstruktur der Faserspule zur Implementierung der vierten Ausführungsform.
19 zeigt eine Teilauslegungsansicht eines Systems zur Überwachung des einwandfreien Zustands einer Struktur gemäß der vierten Ausführungsform.
20 zeigt eine Auslegungsansicht eines Lesegeräts des Systems zur Überwachung des einwandfreien Zustands der Struktur gemäß der vierten Ausführungsform.
21 zeigt eine Ansicht eines Querschnitts einer Spule, die in einem Empfangsmodul des Systems zur Überwachung des einwandfreien Zustands der Struktur gemäß der vierten Ausführung enthalten ist.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden im Folgenden detailliert eine Sensoreinheit, die ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß Ausführungsform eins bis vier, sowie ein Sensor, der diese Sensoreinheit nutzt, beschrieben.
Zum deutlichen Verständnis dieser Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung werden Beschreibungen von Merkmalen gut bekannter Technologie dieser Erfindung weggelassen. Natürlich handelt es sich bei den folgenden Ausführungsformen um detaillierte Beschreibungen, um das Verständnis dieser Erfindung zu erleichtern, die jedoch den Schutzumfang dieser Erfindung nicht einschränken. Daher fällt eine gleichwertige Erfindung, die dieselbe Aufgabe wie diese Erfindung erfüllt, ebenfalls unter den Schutzumfang dieser Erfindung.
Ähnliche Bezugszeichen in der folgenden Beschreibung bezeichnen ähnliche Elemente, und unnötige und überflüssige Beschreibungen sowie Beschreibungen des bekannten Stands der Technik werden weggelassen. Weggelassen werden zudem überflüssige Beschreibungen einer jeden der folgenden Ausführungsformen dieser Erfindung mit Beschreibungen des Stands der Technik dieser Erfindung.
Beschreibungen der Ausführungsformen eins bis vier können zudem gleich und überflüssig sein. Eine jede der Ausführungsformen kann jedoch unabhängig implementiert werden, und auch wenn Ausgestaltungen dieselben Bezeichnungen haben, jedoch unterschiedliche Bezugszeichen haben oder in unterschiedlichen Ausführungsformen erwähnt sind, sind sie als unterschiedliche technische Ausgestaltungen zu verstehen.
[Erste Ausführungsform]
1 zeigt eine Draufsicht eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer ersten Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 1, der Sensor unter Nutzung des elektroaktiven Polymers zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen, beinhaltet gegenständliche Ausführungsform einen ersten Sensorteil 10, einen zweiten Sensorteil 20 und einen Elektrodenteil 30.
Der erste Sensorteil 10 bezieht sich auf eine Sensoreinheit, die eine Faserform aufweist und ein elektroaktives Polymermaterial enthält, das nach einem ferroelektrischen Verhaltensprinzip arbeitet. Ein ferroelektrisches elektroaktives Polymer weist exzellente Eigenschaften auf, um für einen Sensor zum Erfassen von Verformungen eingesetzt zu werden, wie schnelle mechanische/elektrische Dehnbarkeitsreaktionsgeschwindigkeit (mehrere m Sekunden bis Sekunden), hohe Zuverlässigkeit und Stabilität in Bezug auf das mechanische/chemische Verhalten und niedrige Impedanz usw. Der erste Sensorteil 10 kann zum Beispiel ein Polyvinylidenfluorid (PVDF) sein. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Der zweite Sensorteil 20 bezieht sich auf einen Sensorteil, der ausgelegt ist, um den ersten Sensorteil 10 zu enthalten, und ist aus einer Matrix gebildet, die ein dielektrisches elektroaktives Elastomer-Polymermaterial enthält.
Ein dielektrisches elektroaktives Elastomer-Polymermaterial ist Silikon, zum Beispiel, weist Eigenschaften auf, um für einen Sensor genutzt zu werden, aufgrund der schnellen mechanischen/elektrischen Dehnbarkeitsreaktionsgeschwindigkeit und einer linearen elektrischen Reaktion gegen einen mechanische Impuls, sowie eine hohe Flexibilität.
Der zweite Sensorteil 20 enthält demnach das dielektrische elektroaktive Elastomer-Polymermaterial und beinhaltet darin den ersten Sensorteil 10. Demnach unterstützt der zweite Sensorteil 20 mit Ausrichtung des ersten Sensorteils 10, bei dem es sich um eine Faser, enthaltend das ferroelektrische elektroaktive Polymer und Funktionen als Isolator zur Gewährleistung der elektrischen Stabilität, handelt, und kann gleichzeitig als Hilfssensor dienen, wenn der erste Sensorteil 10 nicht in der Lage ist, irgendwelche Funktionen durchzuführen (z. B. bei Kurzschluss usw.), aufgrund einer großen externen Kraft (z. B. Verformung in eine Richtung von etwa 5 % oder mehr).
Um die Durchführung von Funktionen des ersten Sensorteils 10 und des zweiten Sensorteils 20 zu maximieren, können sich die Richtungen externer Kräfte, durch die der erste Sensorteil 10 und der zweite Sensorteil 20 elektrische Signale erzeugen, indessen voneinander unterscheiden. Wie bereits erwähnt, dient der zweite Sensorteil 20 somit ganz einfach als Hilfssensor und ist ausgelegt, um die Verformung einer Richtung zu erfassen, die sich von einer Verformungsrichtung unterscheidet, die vom ersten Sensorteil 10 erfasst wird, sodass die Messung verschiedener Verformungen bewirkt werden kann.
Der Elektrodenteil 30 ist installiert, um mit dem ersten Sensorteil 10 oder dem zweiten Sensorteil 20 in Berührung zu kommen, und erfüllt eine Aufgabe, bei der ein vom ersten Sensorteil 10 oder vom zweiten Sensorteil 20 generiertes elektrisches Signal, wenn die Funktion des ersten Sensorteils 10 oder des zweiten Sensorteils 20 durchgeführt wird, d. h., wenn eine externe Kraft auf den ersten Sensorteil 10 oder den zweiten Sensorteil 20 einwirkt, an den Elektrodenteil 30 übertragen wird, und der Elektrodenteil überträgt das elektrische Signal an ein externes Messgerät, um Verformungsinformationen zu erfassen. Ein spezielles Installationsbeispiel des Elektrodenteils 30 und Auslegungsbeispiele für den ersten Sensorteil 10 und den zweiten Sensorteil 20 sind in 2 und 3 dargestellt.
2 und 3 zeigen Querschnitte, um jeweils Beispiele entlang der Linie A-A' aus 1 zu beschreiben.
Unter Bezugnahme auf den Querschnitt aus 2 ist zunächst ein Teil 32 des Elektrodenteils ausgelegt, um in eine Innenseite einer Faser eingefügt zu werden, bei der es sich um den ersten Sensorteil 10 handelt, und der zweite Sensorteil 20 wird aus einer Matrix ausgebildet, die den ersten Sensorteil 10 umgibt. Der andere Teil 31 des Elektrodenteils kommt mit einer Außenseite des zweiten Sensorteils 20 in Berührung. Zudem kann ein weiterer Elektrodenteil 33 an einer außenseitigen Oberfläche des ersten Sensorteils 10 angebracht werden, um ein elektrisches Signal zu übertragen. Die Elektrodenteile 31, 32 und 33 können voneinander isoliert sein, sodass Richtung und Größe der Verformung unter Nutzung des übertragenen elektrischen Signals präzise gemessen werden können.
Unter Bezugnahme auf den Querschnitt aus 3 ist der erste Sensorteil indessen ausgelegt, um eine Vielzahl an Faserbündeln 11 anders als in 2 zu enthalten. In diesem Fall kann Teil 32 des Elektrodenteils von der Vielzahl an Faserbündeln 11 umgeben sein. Mit Ausnahme dessen sind der zweite Sensorteil 20 und der erste Teil 31 des Elektrodenteils auf dieselbe Weise wie die aus 2 ausgebildet.
Mittels dieser Auslegung unterstützt der zweite Sensorteil 20 die Ausrichtung der ersten Sensorteile 10 und 11. Die Elektrodenteile 31 und 32 sind voneinander isoliert, und wenn ein jeder der Elektrodenteile 31 und 32 mit den ersten Sensorteilen 10 und 11 oder dem zweiten Sensorteil 20 in Berührung kommt und eine externe Kraft auf die ersten Sensorteile 10 und 11 oder den zweiten Sensorteil 20 einwirkt, können die Elektrodenteile 31 und 32 eine Funktion ausführen, die das präzise Übermitteln von elektrischen Signalen betrifft, die von den ersten Sensorteilen 10 und 11 und vom zweiten Sensorteil 20 generiert wurden.
Darüber hinaus kann der Sensor gemäß der ersten Ausführungsform in komplizierten Strukturen installiert werden, insbesondere einer Struktur, die eine sehr starke Krümmung aufweist, indem Merkmale genutzt werden, die die hohe Flexibilität der ersten Sensorteile 10 und 11 und des zweiten Sensorteils 20 betreffen.
Auch wenn die ersten Sensorteile 10 und 11 durch große externe Kräfte, die darauf von der Außenseite aufgrund der hohen Dehnung des zweiten Sensorteils 20 beschädigt werden, kann der zweite Sensorteil 20 indessen als Hilfssensor dienen, sodass der Sensor gemäß der ersten Ausführungsform eine Aufrechterhaltungsenergie erhöhen kann, bezüglich von einer externen Kraft herbeigeführte Aufrechterhaltung.
4 zeigt eine Draufsicht des Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform. Deswegen werden in den Beschreibungen, die in der Beschreibung von 1 bis 3 erwähnten Beispiele und die Beispiele in den Beschreibungen von 4 bis 6, als unabhängige Erfindungen ausgelegt, auch wenn dieselben Ausführungen erwähnt sind, gelten sie als unterschiedliche technische Merkmale. Unnötige Beschreibungen eines überflüssigen Konzepts mit erwähnten Teilen in den Beschreibungen der 1 bis 3 werden weggelassen.
Unter Bezugnahme auf 4 enthält der Sensor, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform einen ersten Sensorteil 50, einen zweiten Sensorteil 60 und einen Elektrodenteil 70.
Der erste Sensorteil 50 ist ausgelegt, um das oben genannte ferroelektrische elektroaktive Polymermaterial zu enthalten, und ist aus einer Folie ausgebildet, anders als in der Ausführungsform gemäß 1 bis 3.
Der zweite Sensorteil 60 ist ausgelegt, um den ersten Sensorteil 50 darin zu enthalten, ist aus einer Matrix ausgebildet, enthaltend ein dielektrisches elektroaktives Elastomer-Polymermaterial, und bedeutet dieselbe Auslegung wie die der ersten Ausführungsform.
Der Elektrodenteil 70 kommt mit dem ersten Sensorteil 50 oder dem zweiten Sensorteil 60 wie in den Beschreibungen der Ausführungsform aus 1 bis 3 in Berührung, und wenn die Funktion des ersten Sensorteils 50 oder des zweiten Sensorteils 60 durchgeführt wird, d. h., wenn eine externe Kraft auf den ersten Sensorteil 50 oder den zweiten Sensorteil 60 einwirkt, führt der Elektrodenteil 70 eine Funktion zum Empfangen eines elektrischen Signals durch, das vom ersten Sensorteil 50 oder dem zweiten Sensorteil 60 generiert wurde, und zum Übermitteln des elektrischen Signals an ein externes Messgerät, um Verformungsinformationen zu übermitteln.
Gemäß demselben Konzept wie bei der Ausführungsform aus 1 bis 3 können sich die Richtungen der externen Kräfte, durch die der erste Sensorteil 50 und der zweite Sensorteil 60 elektrische Signale generieren, voneinander unterscheiden.
Die Ausführungsform gemäß 4 bis 6 und die Ausführungsform gemäß 1 bis 3 unterscheiden sich deutlich voneinander, und eine Ansicht zur Beschreibung eines spezifischen Installationsbeispiels des Elektrodenteils 70 sowie Auslegungsbeispiele für den ersten Sensorteil 50 und den zweiten Sensorteil 60 sind in 5 und 6 dargestellt.
5 und 6 zeigen Querschnitte, um jeweils Beispiele entlang der Linie B-B' aus 4 zu beschreiben.
Unter Bezugnahme auf das Beispiel aus 5 ist zunächst der erste Sensorteil 50 ausgebildet, um eine Form einer Folie aufzuweisen, die aus einer einzigen Schicht besteht. Indessen kommt ein Teil 72 einer Elektrode mit dem ersten Sensorteil 50 in Berührung, wie in den Beschreibungen der Ausführungsform aus 1 bis 3 erwähnt, und der zweite Sensorteil 60 ist ausgebildet, um eine Struktur einer Matrix aufzuweisen, die den ersten Sensorteil 50 umgibt.
Der andere Teil 71 des Elektrodenteils kann auch mit dem zweiten Sensorteil 60 in Berührung kommen wie in den Beschreibungen der Ausführungsform aus 1 bis 3. Wie oben erwähnt, sind die Teile 71 und 72 des Elektrodenteils natürlich voneinander isoliert, sodass die Informationen über die Verformungsrichtung und Verformungsgröße präzise gemessen werden können.
Indessen kann unter Bezugnahme auf das Beispiel aus 6 der erste Sensorteil 50 ausgebildet sein, um einen Schichtstapel einer Vielzahl an Schichten 51 anders als im Beispiel aus 5 aufzuweisen. Der Teil 72 des Elektrodenteils kann auch ausgelegt werden, um in eine jede der Stapel strukturen eingefügt zu werden.
Indessen können der zweite Sensorteil 60 und der andere Teil 71 des Elektrodenteils dieselbe Auslegung wie im Beispiel aus 5 aufweisen.
7 zeigt ein Beispiel einer Auslegungsansicht eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform. Da die Beispiele aus 1 bis 6 und die Beispiele aus 7 und 8 in der folgenden Beschreibung als unabhängige Erfindungen auszulegen sind, auch wenn dieselben Auslegungen erwähnt sind, gelten sie als unterschiedliche technische Merkmale. Unnötige Beschreibungen eines überflüssigen Konzepts mit erwähnten Teilen in den Beschreibungen der 1 bis 6 werden weggelassen.
Unter Bezugnahme auf 7 enthält der Sensor, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform einen ersten Sensorteil 90, einen zweiten Sensorteil 100 und einen Elektrodenteil (nicht dargestellt), wobei gemäß der Darstellung in 7 eine Faser, die den ersten Sensorteil 90 und den zweiten Sensorteil 100 bildet, eine Form von Leinenbindung, Köperbindung, Satin oder ein Mischgewebe aus diesen aufweist.
Das heißt, dass der erste Sensorteil 90 und der zweite Sensorteil 100 im in 7 dargestellten Beispiel aus einer Faser, Faserbündeln oder einer Folie mit einer geringen Breite ausgebildet sind. Gemäß demselben Konzept wie bei den Beispielen aus 1 bis 6 können sich natürlich die Richtungen der externen Kräfte, durch die der erste Sensorteil 90 und der zweite Sensorteil 100 elektrische Signale generieren, voneinander unterscheiden.
In den Beispielen aus 7 und 8 kann der Elektrodenteil ausgebildet sein, um dieselbe Funktion wie in den Beschreibungen der Beispiele aus 1 bis 6 auszuführen. Natürlich kann eine Auslegung für die Isolierung zwischen einem Elektrodenteil, der mit dem ersten Sensorteil 90 in Berührung kommt, und einem Elektrodenteil, der mit dem zweiten Sensorteil 100 in Berührung kommt, im Elektrodenteil enthalten sein.
Der Elektrodenteil kann beispielsweise ausgelegt sein, um in die Faser eingefügt zu werden, die den ersten Sensorteil 90 und den zweiten Sensorteil 100 bildet, oder um auf äußere Oberflächen des ersten Sensorteils 90 und des zweiten Sensorteils 100 angebracht zu werden und um eine isolierende Schicht aufzuweisen, die auf einer äußeren Oberfläche des Elektrodenteils angebracht ist. Darüber hinaus kann jede beliebige Auslegung genutzt werden, um die Elektrodenteile voneinander zu isolieren und die Funktion des Elektrodenteils auszuführen.
Indessen sind der erste Sensorteil 90 und der zweite Sensorteil 100 in 7 separat ausgelegt. Das Beispiel aus 7 kann jedoch gemäß der Darstellung in 8 geändert werden.
8 zeigt ein Beispiel einer Auslegung eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 8 ist der Sensor, der das elektroaktive Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform ausgelegt, um eine Sensoreinheit 110 zu enthalten, die einen Sensorteil enthält, der aus einer Art einer Faser ausgebildet ist, sodass die entsprechende Faser, d. h. die Sensoreinheit 110, ausgelegt ist, um eine Form von Leinenbindung, Köperbindung, Satin oder ein Mischgewebe aus diesen aufzuweisen.
Eine Struktur C dieser Faser kann die in den Beschreibungen aus 1 und 4 beschriebene Struktur sein. Das heißt, dass die Struktur eines ersten Sensorteils, eines zweiten Sensorteils und einer Elektrode gemäß der Darstellung in 1 und 4 ausgebildet ist und somit eine Sensoreinheit 110 bildet.
Das heißt, dass die Sensoreinheit 110 den ersten Sensorteil enthalten kann, der entweder aus einer Faser, die ein ferroelektrisches elektroaktives Polymermaterial enthält, oder einer Folie ausgebildet ist, wobei der zweite Sensorteil ausgelegt ist, um den ersten Sensorteil zu enthalten, und aus einer Matrix ausgebildet ist, die ein dielektrisches elektroaktives Elastomer-Polymermaterial enthält, und einen Elektrodenteil, der bereitgestellt ist, um mit dem ersten Sensorteil oder dem zweiten Sensorteil in Berührung zu kommen und ein vom ersten Sensorteil oder dem zweiten Sensorteil generiertes elektrisches Signal gemäß der Darstellung in 1 und 4 nach außen zu übertragen, wenn eine externe Kraft auf den ersten Sensorteil oder den zweiten Sensorteil einwirkt.
Gemäß dem obigen Beispiel ist eine Sensoreinheit 110 ausgebildet, um eine Faserform aufzuweisen, und die entsprechende Faser besitzt eine Form eines Gewebes, sodass die Flexibilität zusätzlich verbessert werden kann.
Auf diese Weise weist die im Beispiel aus 7 und 8 hergestellte Sensoreinheit eine bemerkenswert verbesserte Flexibilität auf und kann somit in mehr unterschiedlichen Strukturen installiert werden.
[Zweite Ausführungsform]
9 zeigt ein Beispiel einer Struktur eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 9 ist ein Gewebesensor 200 (der im Folgenden als Sensor bezeichnet wird), der das elektroaktive Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer Ausführung durch eine elektroaktive Polymerfaserspulensensoreinheit 210 (die im Folgenden als Sensoreinheit bezeichnet wird) zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen gekennzeichnet, die eine Form eines besonderen Fasergarns gemäß der Darstellung in 9 aufweist, das in Form eines Gewebes gewoben ist.
Gemäß der Beschreibung unten enthält die Sensoreinheit 210 einen Sensorteil, der ein elektroaktives Polymermaterial und eine Elektrode enthält. Die Sensoreinheit 210 ist ausgebildet, um eine Form eines Fasergarns aufzuweisen. Somit ist die Sensoreinheit 210 nach verschiedenen Webtechniken zu einem Gewebe verwoben (Leinenbindung, Köperbindung, Satin und Mischformen aus diesen) und bildet somit den Sensor 200.
Zu diesem Zweck können das elektroaktive Polymermaterial, das in der Elektrode enthalten ist, und der Sensorteil, der in der Sensoreinheit 210 enthalten ist, dielektrische Elastomereigenschaften aufweisen. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf begrenzt. Zum Beispiel kann ein elektroaktives Polymer aus Silikon ausgebildet sein. Das elektroaktive Polymer weist Eigenschaften auf, um für einen Sensor genutzt zu werden, aufgrund der großen Verformung und der schnellen mechanischen/elektrischen Dehnbarkeitsreaktionsgeschwindigkeit und einer linearen elektrischen Reaktion gegen einen mechanischen Impuls, und ist hochflexibel und daher für diese Erfindung geeignet. Es ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene elektroaktive Polymermaterialien einschließlich PVDF in dieser Erfindung genutzt werden können.
Gemäß der Auslegung des Sensors 200, der Eigenschaften und Gewebestruktur gemäß den obigen Angaben aufweist, da der Sensor 200 ausgebildet ist, um eine Form eines Gewebes aufzuweisen, der Sensor hat eine hohe Flexibilität und kann somit auch an einem Ort installiert werden, an dem ein bestehender Sensor zum Erfassen von Verformungsinformationen nicht problemlos installiert wird, d. h. in einer Struktur, die eine starke Krümmung aufweist, sodass die Einschränkung an Installationsorten auf ein Mindestmaß reduziert werden kann.
Im Folgenden wird die Struktur der Sensoreinheit 210, bei der es sich um eine Auslegungseinheit des oben beschriebenen Sensor 200 handelt, ausführlicher beschrieben.
10 zeigt ein Beispiel eines seitlichen Querschnitts einer Sensoreinheit, die ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 10 und 11 kann die in 9 erwähnte Sensoreinheit eine erste Elektrode 300, einen Sensorteil 310 und eine isolierende Schicht 330 enthalten. Wie in den Beschreibungen von 11 erwähnt, kann natürlich eine zweite Elektrode 320, die den Sensorteil 310 umgibt, in der Sensoreinheit enthalten sein.
Die Auslegung der Sensoreinheit ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass sie die erste Elektrode 300 und den Sensorteil 310 enthält. Die erste Elektrode 300 kann eine Form eines Fasergarns gemäß der Darstellung in 10 aufweisen. Die Form der Sensoreinheit ist somit auch die Form des Fasergarns, basiert auf der ersten Elektrode 300, und stellt somit einen Sensor dar, der die Form eines Gewebes gemäß der Darstellung in 9 aufweist.
Der Sensorteil 310 ist ausgelegt, um die erste Elektrode 300 in der Form einer Spule zu umgeben, und enthält ein elektroaktives Polymermaterial (EAP) wie PVDF, wie oben erwähnt. Der Sensorteil 310 ist ausgebildet, um die erste Elektrode 300 in der Form der Spule zu umgeben, wobei in der Spulenform kein Spalt ist, gemäß der Darstellung in 10.
Da indessen die Sensoreinheit 210 gemäß der Darstellung in 9 so gewoben ist, dass die Sensoreinheiten 210 miteinander in Berührung kommen, um eine Gewebestruktur zu bilden, kann die isolierende Schicht 300 äußere Oberflächen der ersten Elektrode 300 und der zweiten Elektrode 320 umgeben, die später zusammen mit dem Sensorteil 310 beschrieben werden, sodass die erste Elektrode 300 und die zweite Elektrode 320, die später zusammen mit dem Sensorteil 310 beschrieben werden, nicht miteinander in Berührung kommen. Somit wird ein elektromagnetisches Feld entsprechend einem Verformungsgrad präzise an einem Ort gebildet, in dem eine Verformung stattfindet, sodass die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden kann.
In 10 enthält der Sensorteil 310 eine Sensorfaser, um die erste Elektrode 300 in der Form einer Spule zu umgeben. Gemäß einer Ausführungsform kann jedoch der Sensorteil 310 eine Vielzahl an Sensorfasern enthalten, wobei eine jede der Vielzahl an Sensorfasern die erste Elektrode 300 in der Form der Spule umgibt.
Wie oben erwähnt, können die erste Elektrode 300 und der Sensorteil 310 in der Form eines Fasergarns ausgelegt werden. Somit hat die Sensoreinheit ebenfalls eine Form des Fasergarns, sodass die Sensoreinheit gemäß den Beschreibungen von 9 gewoben ist und somit ein Sensor gefertigt werden kann, der eine Fasergewebestruktur aufweist.
11 zeigt ein Beispiel eines Querschnitts einer Sensoreinheit, die ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der zweiten Ausführungsform.
11 enthält eine ähnliche Auslegung wie die aus 10. Im Vergleich zu 10 ist in 11 die zweite Elektrode 320 enthalten. Die zweite Elektrode 320 ist ausgelegt, um elektrische Energie zu empfangen, die vom Sensorteil 310 zusammen mit der ersten Elektrode 300 generiert wird, und um ein größeres elektromagnetisches Feld zu formen und das elektromagnetische Feld nach außen zu übertragen.
In diesem Fall kann eine Sensoreinheit gemäß der Darstellung in 11 eine Vielzahl an ersten Elektroden 300 und eine Vielzahl an zweiten Elektroden 320 enthalten. Wie oben erwähnt, kann die Vielzahl an zweiten Elektroden 320 natürlich zum Zweck der Erfassungsgenauigkeit voneinander durch die isolierende Schicht 330 isoliert werden.
Die Darstellung aus 10 kann natürlich auf das Beispiel aus 11 angewandt werden. Das heißt, dass gemäß den Beschreibungen von 10 eine erste Elektrode 300, ein Sensorteil 310 und eine zweite Elektrode 320 eine Sensoreinheit formen können. Sogar in diesem Fall umgibt die isolierende Schicht die zweite Elektrode 320, sodass die angrenzenden zweiten Elektroden 320 einer Sensoreinheit voneinander isoliert sein können, auch wenn die Sensoreinheiten aufgrund der in 9 dargestellten Gewebestruktur nicht miteinander in Berührung kommen. Es kann die isolierende Schicht 330 aus einem elastischen Körper ausgebildet sein aufgrund des Merkmals der Gewebestruktur und des Merkmals eines Installationsorts des Sensors. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Die zweite Elektrode 320 weist dieselbe Auslegung auf wie der Sensorteil 310 und kann ausgebildet sein, um den Sensorteil 310 in der Form einer Spule zu umgeben, kann aber auch ausgebildet sein, indem ein Elektrodenmaterial am Sensorteil 310 angebracht wird.
Gemäß der obigen Struktur kann die Effizienz beim Erzeugen elektrischer Energie und eines elektromagnetischen Felds in hohem Maß erhöht werden, da der Sensorteil 310 in der Sensoreinheit die Sensoreinheit bildet, indem die erste Elektrode 300 in der Form der Spule umgeben wird, und ein großes elektromagnetisches Feld kann auch bei geringfügiger Verformung übertragen werden, sodass die Einschränkungen an einem Installationsort eines Sensors zum strom- und drahtlosen Erfassen von Verformungsinformationen und eine Messposition eines Messgeräts beseitigt werden können.
12 zeigt eine Ansicht, um den Ablauf, bei dem die Verformungsinformationen nach der zweiten Ausführungsform gemessen werden, zu beschreiben.
Wenn ein externer Schlag und eine Verformung im Sensor 200 stattfinden, wirkt zuerst eine externe Kraft auf den Sensor 200 ein, und eine mechanische Verformung findet im Sensor 200 (S 1) statt. Das heißt, die Verformung findet in einem Sensorteil statt, der ein elektroaktives Polymermaterial, d. h. ein Gewebe, das eine Spulenstruktur enthält, enthält.
Aufgrund von Eigenschaften des elektroaktiven Polymermaterials werden in diesem Fall ein Strom und eine Spannung, d. h. elektrische Energie, im Sensor 200 (S2) erzeugt. In diesem Fall wird die elektrische Energie stromlos nach außen übertragen, sodass die Verformungsinformationen im Fernmodus gemessen werden können.
Bei diesem Ablauf wird ein elektromagnetisches Feld von der Elektrode gebildet, die im Sensor 200 enthalten ist, ausgebildet, um eine Spulenform (S3) aufzuweisen, und gleichzeitig wird aufgrund der Elektrode auch das elektromagnetische Feld außerhalb des Sensors 200 gebildet, sodass das elektromagnetische Feld nach außen übertragen werden kann (S4).
Ein Manager kann das übertragene elektromagnetische Feld durch einen Empfänger 410 an einem Ort empfangen, der an einen Ort angrenzt, in dem der Sensor 200 installiert ist, zum Beispiel an einem Ort, an das in Vorgang S4 erzeugte und übertragene elektromagnetische Feld vom Empfänger 410, der in einer Erfassungsvorrichtung 400 enthalten ist, erfasst werden kann, und kann die Verformungsinformationen unter Nutzung des empfangenen elektromagnetischen Felds unter Nutzung eines Spannungsmessers/Verstärkers 420 und eines Computers 430 messen.
Da der drahtlose/stromlose Sensor 200 die in den Beschreibungen von 9 bis 3 erwähnte Struktur enthält, kann die Stärke des von der externen Kraft erzeugten elektromagnetischen Felds in dieser Struktur hoch sein. Die Effizienz beim Erzeugen elektrischer Energie und des elektromagnetischen Felds wird somit in hohem Maß erhöht, und ein großes elektromagnetisches Feld kann auch bei geringfügiger Verformung übertragen werden, sodass die Einschränkungen an einem Installationsort des Sensors 200 zum strom- und drahtlosen Erfassen von Verformungsinformationen und eine Messposition eines Messgeräts beseitigt werden können.
[Dritte Ausführungsform]
13 zeigt eine Ansicht einer Struktur eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer dritten Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 13 kann der Sensor, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß der dritten Ausführungsform eine erste Faser 500 und eine zweite Faser 510 und zudem eine dritte Faser 520 enthalten.
Die erste Faser 500 bezieht sich auf mindestens eine Fasergruppe, die ein elektroaktives Polymermaterial enthält. Unter elektroaktivem Polymermaterial sind alle Materialien zu verstehen, die Eigenschaften zum Erzeugen einer Spannung aufweisen, wenn das elektroaktive Polymermaterial durch eine externe Kraft verformt wird. Die erste Faser 500 kann zum Beispiel ein elektroaktives Polymermaterial enthalten, das auf PVDF basiert, das durch einen ferroelektrischen Relaxationsmechanismus arbeitet. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf beschränkt, und die erste Faser 500 kann jedes beliebige Material enthalten, das Energie aufgrund einer externen Kraft erzeugen kann und dessen ursprünglicher Zustand wiederhergestellt werden kann, wenn die externe Kraft von der ersten Faser 500 aufgehoben wird.
Die zweite Faser 510 enthält eine flexible Faser, enthaltend ein leitendes Material, und kann als Elektrode aufgefasst werden. Die zweite Faser 510 kann ein Material enthalten, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen geringen spezifischen Widerstand aufweist, und bedeutet mindestens eine Fasergruppe, wie bei der ersten Faser 500.
Die zweite Faser 510 besitzt eine exzellente Haltbarkeit und Dehnbarkeit, sodass sie nicht durch die externe Kraft beschädigt wird, wie Presskraft, Spannkraft, Biegekraft usw., und besitzt gleichzeitig eine hohe Elastizität und Streckbarkeit und hat somit zusammen mit der ersten Faser 500 Flexibilität zu garantieren.
Die zweite Faser 510 kann einen Metalldraht wie zum Beispiel Kupfer oder Gold enthalten oder ein Material wie ein leitendes Polymer auf Polyethylendioxythiophen-Basis (PEDOT) und eine Kohlefaser. In diesem Fall kann ein Elastomermaterial zur Gewährleistung der Elastizität mit einem leitenden Polymermaterial in der zweiten Faser 510 gemischt werden.
Wird zum Beispiel Xylit, wobei es sich um eine Art Zuckeralkohol handelt, dem leitenden Polymermaterial hinzugefügt, kann eine Elektrode mit exzellenter Elastizität und Streckbarkeit hergestellt werden. PEDOT:PSS kann zum Beispiel als leitendes Polymermaterial verwendet werden.
Wenn PEDOT:PSS in der Form einer dicken Folie mit 50 um oder mehr angewandt wird, nimmt die Flexibilität von PEDOT:PSS ab, und PEDOT:PSS kann Sprödigkeit aufgrund von Wasserstoffbindung zwischen Sulfonsäuregruppen von PSS, das auf der Oberfläche von Kolloidpartikeln austritt, aufweisen. Zu diesem Zweck wird dem PEDOT:PSS ein Elastomermaterialpulver wie Xylit, aufweisend ein vorgegebenes Verhältnis (zum Beispiel 50 % Gewichtsanteil von PEDOT:PSS), hinzugefügt, und mehrere Nachbehandlungen einschließlich einer Wärmebehandlung werden durchgeführt, sodass eine Elektrode, die flexibel ist und eine ausgezeichnete Elastizität aufweist, hergestellt werden kann.
Um eine höhere elektrische Leitfähigkeit der zweiten Faser 510 zu gewährleisten, kann indessen eine leitende Pulverschicht, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, wie Ruß, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphen usw. mittels Beschichtung auf der Oberfläche der zweiten Faser 510 aufgebracht oder mit der zweiten Faser 510 vermischt werden. Die auf einer Oberflächenschicht der zweiten Faser 510 gebildete leitende Pulverschicht ist natürlich nicht auf das oben genannte Beispiel begrenzt.
Mit Ausnahme des obigen Beispiels ist es natürlich offensichtlich, dass eine flexible Elektrodenfaser, die eine garantierte Flexibilität aufweist, als zweite Faser 510 verwendet werden kann.
Gemäß der Darstellung in 13 sind die erste Faser 500 und die zweite Faser 510 in der Form eines Gewebes verwoben. Die erste Faser 500 und die zweite Faser 510 sind zum Beispiel in verschiedenen Gewebeformen verwoben einschließlich Leinenbindung, Köperbindung und Satin verwoben, sodass ein Sensor, aufweisend eine Gewebestruktur mit exzellenter Anpassungsfähigkeit gegen Verformungen hergestellt werden kann.
Eine Leinenbindungsstruktur weist ein Problem auf, das darin besteht, dass die Form der Leinenbindungsstruktur aufgrund von vergleichsweise vielen Kreuzungspunkten durch eine externe Kraft verformt wird und die Wiederherstellung deren ursprünglichen Zustands im Vergleich zu einer Köperbindungs- oder Satinstruktur verzögert stattfindet. Die Köperbindungsstruktur weist dagegen eine schwache Steifigkeit aufgrund kleinerer Kreuzungspunkte als bei der Leinenbindungsstruktur auf, ist aber weich, und es treten weniger Falten als bei der Leinenbindungsstruktur oder der Satinstruktur auf, wodurch sie eine exzellente Wiederherstellungskraft entsprechend der Verformung besitzt.
Somit können verschiedene Strukturen (eine Auslegung für kombinierende Strukturen) verwendet werden, indem die oben beschriebenen Strukturen je nach der Art einer externen Kraft, die auf eine Struktur einwirkt, in der ein Sensor installiert ist, den Bedingungen einer externen Umgebung kombiniert werden. Mit Ausnahme einer zweidimensionalen Gewebestruktur können auch alle allgemeinen Gewebeformen wie eine dreidimensionale Hüllenstruktur und eine sphärische Struktur angewandt werden.
Gemäß der Darstellung in 13 kann indessen die dritte Faser 520 zusätzlich eingeschlossen werden. Die dritte Faser 520 enthält ein elektrisch isolierendes Material und bezieht sich auf eine Faser, aufweisend dieselbe Flexibilität wie die der ersten Faser 500 und der zweiten Faser 510.
Die dritte Faser 520 kann so verwoben werden, dass sie die erste Faser 500 und die zweite Faser 510 zusammen kreuzt und dadurch eine Gewebestruktur bildet. Um die Störung aufgrund einer Berührung zwischen den zweiten Fasern 510 zu vermeiden, kann die dritte Faser 520 insbesondere ausgebildet sein, um eine Gewebeform aufzuweisen, um eine Berührung zwischen den zweiten Fasern 510 durch die dritte Faser 520 zu vermeiden.
Wenn die erste Faser 500 durch eine externe Kraft verformt wird, wird elektrische Energie erzeugt, und elektrische Energie wird mit hohem Wirkungsgrad durch eine Interaktion zwischen der ersten Faser 500 und der zweiten Faser 510 erzeugt. Die Größe der erzeugten elektrischen Energie variiert nach einem Verformungsgrad der ersten Faser 500, und wenn der Wert der Größe der elektrischen Energie mittels einer verdrahteten/drahtlosen Methode analysiert wird, kann ein Wert des Verformungsgrads gemessen werden.
Gemäß einer Ausführungsform, die in 13 dargestellt ist, können in diesem Fall, wenn eine Faserschicht, die aus einem elektroaktiven Polymermaterial gebildet ist, und eine flexible leitende Faserschicht in der Form eines Gewebes verwoben werden können und als Sensor genutzt werden, Verformungsinformationen präzise gemessen werden, ohne die Funktionalität zu verlieren, zusätzlich zu verschiedenen Arten externer Kräfte, und gleichzeitig kann der Sensor ohne Einschränkungen an verschiedenen Orten installiert werden, wie einer Oberfläche einer Struktur mit starker Krümmung, einem tragbaren Gerät usw., sodass eine Installationsfreiheit, bei der der Sensor überall dort installiert werden kann wo das Auftreten einer Verformungmesstechnologie erforderlich ist
14 zeigt eine Ansicht einer Struktur eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der dritten Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 14 ist ein Faserkörper, der im Sensor enthalten ist, der das elektroaktive Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einem weiteren Beispiel der dritten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass er eine erste Faserschicht 501 und eine zweite Faserschicht 511 und 512 enthält. Der Faserkörper ist in verschiedenen Gewebeformen, die in den Beschreibungen von 13 erwähnt sind, gewoben und stellt dadurch einen Gewebesensor dar. Detaillierte Eigenschaften der ersten Gewebeschicht 501 und der zweiten Gewebeschichten 511 und 512 gleichen zudem denen der Beschreibungen der ersten Faser und der zweiten Faser in den Beschreibungen von 13 und werden daher weggelassen.
Das Beispiel aus 14 ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserschicht 501 und die zweiten Faserschichten 511 und 512 in einem Faserkörper anders als im Beispiel aus 13 enthalten sind.
Das heißt, dass die zweite Faserschicht 511 als Elektrode in die erste Faserschicht 501 eingefügt werden kann, die aus einem elektroaktiven Polymermaterial ausgebildet ist, oder dass die zweite Faserschicht 512 auf der Oberfläche der ersten Faserschicht 501 ausgebildet sein kann.
Ein derartiger Faserkörper kann in der Form eines Gewebes gewoben werden und führt dabei dieselbe Funktion wie die des Beispiels aus 13 aus. In dem Beispiel, in dem die zweite Faserschicht 512 auf der Oberfläche der ersten Faserschicht 501 aufgebracht wird, kann natürlich ein elektrisch isolierendes Material an der zweiten Faserschicht 512 angebracht oder zwischen Faserkörpern zusammen mit der dritten Faserschicht aus 13 eingesetzt werden, sodass eine Berührung zwischen den zweiten Faserschichten 512, bei denen es sich um leitendes Material handelt, vermieden werden kann.
15 zeigt ein Beispiel eines seitlichen Querschnitts einer zweiten Faserschicht zur Implementierung der dritten Ausführungsform.
Wie in den Beschreibungen von 13 erwähnt, kann die zweite Faser 510 eine leitende Faser 513 enthalten, die ein leitendes Polymermaterial und ein Elastomer und eine leitende Pulverschicht 514 enthält, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.
Mittels der Struktur aus 15 kann wie in 13 erwähnt, eine Elektrode hergestellt werden, die eine garantierte Flexibilität aufweist, und gleichzeitig kann eine Elektrode erzeugt werden, die eine hohe Effizienz in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit aufweist, sodass eine Elektrodenstruktur bereitgestellt werden kann, die für die Eigenschaften eines Gewebesensors geeignet ist.
16 zeigt ein Beispiel einer Form eines Sensors, die gemäß der dritten Ausführungsform implementiert werden kann.
Gemäß der Darstellung in 16 kann der Sensor, der eine Gewebeform aufweist, in mehreren Formen gewoben werden, einschließlich eines Streifentypsensors 520 und eines Plattentypsensors 521. Wie in den 13 bis 14 erwähnt können ein elektroaktives Polymermaterial und eine Elektrode in der Form eines Gewebes gewoben werden, sodass der Sensor in der Form eines Gewebes hergestellt werden kann, das je nach dem Webvorgang unterschiedliche Formen aufweist.
So kann ein Sensor zum Erfassen von Verformungsinformationen, der eine exzellente Anpassungsfähigkeit an eine in verschiedenen Formen ausgebildete Struktur, ein tragbares, an einem menschlichen Körper angebrachtes Gerät usw. hergestellt werden, und die Erfassung von Verformungsinformationen kann in verschiedenen Bereichen genutzt werden.
[Vierte Ausführungsform]
17 zeigt eine Ansicht einer Faserspule eines Sensors, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer vierten Ausführungsform, sowie eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Faserspule, und 18 zeigt einen Teil einer Querschnittstruktur der Faserspule zur Implementierung der vierten Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 17 enthält der Sensor, der das elektroaktive Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, gemäß einer Ausführungsform (im Folgenden als Sensor bezeichnet) zuerst eine Faserspule 600, die einen spulenförmigen Faserkörper aufweist, der eine erste Faser 610 enthält, enthaltend ein elektroaktives Polymermaterial, in dem eine Spannung erzeugt wird, wenn die erste Faser 610 durch eine externe Kraft verformt wird, und eine zweite Faser 620, bei der es sich um eine Faser handelt, die ein leitendes Material enthält, auf das die in der ersten Faser 610 erzeugte Spannung einwirken kann, und einen Kondensator (nicht dargestellt), der an beiden Enden der Faserspule 600 angeschlossen ist.
In der vierten Ausführungsform kann Energie in der ersten Faser 610 erzeugt werden, wenn die Verformung in der Faserspule 600 durch eine externe Kraft auftritt, aufgrund von piezoelektrischen Eigenschaften der Faserspule 600. Wenn die erzeugte Energie (zum Beispiel eine Spannung) auf die zweite Faser 620 einwirkt, wird die Spannung vom Kondensator mithilfe der zweiten Faser 620 eingespeist oder entladen, sodass ein Strom durch die zweite Faser 620 fließt, und die zweite Faser 620 bildet eine Spulenstruktur wie in der Faserspule 600, sodass ein elektromagnetisches Feld durch den Strom, der durch die zweite Faser 620 fließt, erzeugt werden kann.
In der vierten Ausführungsform kann die erste Faser 610 das elektroaktive Polymermaterial enthalten. Die erste Faser 610 kann zum Beispiel ein elektroaktives Polymermaterial enthalten, das auf PVDF basiert, das durch einen ferroelektrischen Relaxationsmechanismus arbeitet. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf beschränkt, und für die erste Faser 610 kann jedes beliebige Material verwendet werden, das Energie durch eine externe Kraft erzeugen und dessen ursprünglicher Zustand wiederhergestellt werden kann, wenn die externe Kraft von der ersten Faser 610 aufgehoben wird.
In der vierten Ausführungsform kann die zweite Faser 620 als Elektrode aufgefasst werden. Wenn die von der ersten Faser 610 erzeugte Spannung zum Beispiel auf die zweite Faser 620 einwirkt, wird die Spannung vom Kondensator, der an die zweite Faser 620 angeschlossen ist, eingespeist oder entladen, und so kann ein Strom durch die zweite Faser 620 fließen. Wenn der Strom durch die zweite Faser 620 fließt, wird von der Spulenstruktur ein elektromagnetisches Feld erzeugt.
In der vierten Ausführungsform kann die zweite Faser 620 ein Material enthalten, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen geringen spezifischen Widerstand aufweist. In einem weiteren Beispiel der vierten Ausführungsform kann die zweite Faser 620 eine exzellente Haltbarkeit und Dehnbarkeit besitzen, sodass sie nicht durch eine externe Kraft, die darauf einwirkt, beschädigt wird, wie Presskraft, Spannkraft, Biegekraft usw. Die zweite Faser 620 kann beispielsweise ein leitendes Material wie ein Metall, zum Beispiel Kupfer oder Gold, oder Polymer mit Leitfähigkeit enthalten. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf begrenzt, und alle Materialien, die die oben beschriebene Aufgabe erfüllen, können genutzt werden.
Unter Bezugnahme auf 18 kann die erste Faser 610 der Faserspule 600 angeordnet werden, um die zweite Faser 620 zu umgeben. Bei einer Vielzahl von zweiten Fasern 620, die die Faserspule 600 bilden, kann die Faserspule 600 zur Verbesserung der Effizienz bei der Erzeugung von Energie und der Effizienz bei der Erzeugung des elektromagnetischen Felds mindestens einen Einheitsfaserkörper 700 und 710 enthalten, d. h. einen Einheitskörper, der so ausgebildet ist, dass die zweiten Fasern 620 elektrisch voneinander beabstandet sind. Die Faserspule kann beispielsweise ausgelegt sein, um eine Vielzahl an Einheitsfaserkörpern 700 und 710 zu enthalten, in denen die Einheitsfaserkörper 700 und 710 eine Einheit sind.
In der vierten Ausführungsform können die Einheitsfaserkörper 700 und 710 als eine Kombination der ersten Faser 610 und der zweiten Faser 620 ausgebildet sein, die unabhängig voneinander sind, wie beim Einheitsfaserkörper 700 unter (a) in 18. In einem weiteren Beispiel der vierten Ausführungsform können die Einheitsfaserkörper 700 und 710 so ausgebildet sein, dass die angrenzenden Einheitsfaserkörper 710 einen Teil der ersten Faser 610 teilen, wie beim Einheitsfaserkörper 710 unter (b) in 18.
Um der ersten Faser 610 und der zweiten Faser 620 eine piezoelektrische Wirkung zu verleihen, kann in der vierten Ausführungsform ein elektrisch leitendes Material (nicht dargestellt) an Außenwänden (nicht dargestellt) der Einheitsfaserkörper 700 und 710 angebracht oder mittels Beschichtung auf diese aufgebracht werden.
19 zeigt eine Teilauslegungsansicht eines Systems zur Überwachung des einwandfreien Zustands einer Struktur gemäß der vierten Ausführungsform. 20 zeigt eine Auslegungsansicht eines Lesegeräts des Systems zur Überwachung des einwandfreien Zustands der Struktur gemäß der vierten Ausführungsform, und 21 zeigt eine Ansicht eines Querschnitts einer Spule, die in einem Empfangsmodul des Systems zur Überwachung des einwandfreien Zustands der Struktur gemäß der vierten Ausführung enthalten ist.
19 zeigt zum Beispiel eine Ansicht, um eine Funktion gemäß der vierten Ausführungsform zu beschreiben, bei der Daten zur Berechnung von Verformungsinformationen einer Struktur generiert und übertragen werden. 20 zeigt eine Ansicht zur Beschreibung der Auslegung eines Lesegeräts, das eine Aufgabe zum Berechnen von Verformungsinformationen der Struktur durch Empfangen eines elektromagnetischen Felds erfüllt, wenn das elektromagnetische Feld erzeugt wird, und 21 zeigt eine Ansicht zur Darstellung einer schematischen Querschnittstruktur des Empfangsmoduls zum Empfangen des elektromagnetischen Felds.
Gemäß den Beschreibungen in 19 bis 21 enthält das System zur Überwachung des einwandfreien Zustands der Struktur gemäß der vierten Ausführungsform ein Sensormodul 800, das mindestens eine Faserspule 600 und einen Kondensator 810 enthält, sowie ein Lesegerät (nicht dargestellt), das ein Empfangsmodul 820 und einen Prozessor (nicht dargestellt) enthält.
Unter Bezugnahme auf 19 kann der Kondensator 810 basierend darauf an beide Enden der Faserspule 600 angeschlossen werden. In einer Ausführungsform können die Faserspule 600 und der Kondensator 810 von einem wasserfesten Polymer wie Polydimethylsiloxan (PDMS) umgeben sein. In einer Ausführungsform können die Faserspule 600 und der Kondensator 810 implementiert werden, um einen Durchmesser von 5 mm oder weniger aufzuweisen.
In der vierten Ausführungsform kann Energie in der Faserspule 600 erzeugt werden, wenn die Verformung in der Faserspule 600 durch eine externe Kraft auftritt, aufgrund der oben beschriebenen Funktion und Wirkung. Wie oben erwähnt, enthält die Faserspule 600 in der vierten Ausführungsform eine Elektrode, sodass die Faserspule 600 als konzentrische flache Spule dient, und wenn ein Strom durch die Faserspule 600 fließt, wird ein elektromagnetisches Feld gebildet, und das gebildete elektromagnetische Feld wird zur Außenseite übertragen.
In der vierten Ausführungsform führt das Empfangsmodul 820, das im System zur Überwachung des einwandfreien Zustands der Struktur enthalten ist, eine Funktion zum Empfangen des im Sensor gebildeten elektromagnetischen Felds gemäß der Beschreibung oben aus.
Das Empfangsmodul 820 kann das vom Sensor gebildete und übertragene elektromagnetische Feld empfangen. Wenn das vom Sensor gebildete und übertragene elektromagnetische Feld auf das Empfangsmodul 820 angewandt wird, findet ein Phänomen der elektromagnetischen Induktion betreffend das angewandte elektromagnetische Feld und die Struktur des Empfangsmoduls 820 statt (zum Beispiel eine Auslegung, die in einer Spulenstruktur gewunden ist).
In der vierten Ausführungsform kann das Empfangsmodul 820 in einer Entfernung platziert werden, in der das vom Sensor gebildete und übertragene elektromagnetische Feld auf das Empfangsmodul 820 angewandt werden kann. In einem anderen Beispiel der vierten Ausführungsform kann das Empfangsmodul 820 Empfangsspulen (ein leitendes Material der Spulenstruktur) enthalten, sodass das elektromagnetische Feld in mindestens entweder einen Strom- und/oder einen Spannungswert umgewandelt wird, wenn das elektromagnetische Feld auf das Empfangsmodul 820 angewandt wird. Wenn das Lesegerät, das das Empfangsmodul 820 enthält, tragbar ausgelegt hergestellt ist, kann das Empfangsmodul 820 indessen auch bewegt werden. In diesem Fall platziert ein Manager das Lesegerät in einer Entfernung, in der das vom Sensor gebildete und übertragene elektromagnetische Feld angewandt werden kann. In diesem Fall wird das elektromagnetische Feld auf das Empfangsmodul 820 angewandt. Das heißt, dass der Manager das Lesegerät an einem gewünschten Ort (einem Ort, an dem die Verformungsinformationen gemessen werden sollen) zu einem gewünschten Zeitpunkt platziert, sodass das erzeugte elektromagnetische Feld vom Empfangsmodul 820 empfangen werden kann.
In der vierten Ausführungsform können die Empfangsspulen des Empfangsmoduls 820 mindestens eine Windung 821, eine Windung 822 und eine Windung 823 enthalten. Die an der Windung 821 angebrachte Windung 822 ist eine Auslegung zur Verbesserung der drahtlosen Energieübertragungseffizienz, indem das vom Sensor erzeugte elektromagnetische Feld und eine Leckage des elektromagnetischen Felds zwischen den im Empfangsmodul 820 enthaltenen Empfangsspulen auf ein Mindestmaß reduziert werden. Die Windung 822 kann ein Material wie Ferrit enthalten. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf begrenzt. Die Windung 823 enthält ein Material wie PDMS, um, wie oben erwähnt, die Empfangsspulen vor einer externen Umgebung wie Feuchtigkeit zu schützen.
Wenn das elektromagnetische Feld auf das Empfangsmodul 820 angewandt wird, werden aufgrund der Spulenstruktur wie den in 21 erwähnten Empfangsspulen ein Strom und eine Spannung auf das Empfangsmodul 820 angewandt.
Der Spannungsmesser und Verstärker 830 kann den Strom und die Spannung, die auf das Empfangsmodul 820 angewandt werden, messen. Ein Computer 850 kann den gemessenen Wert als Verformungsinformationen berechnen.
In der vierten Ausführungsform können der Spannungsmesser und Verstärker 830 und der Computer 850 in einem Prozessor enthalten sein. Das heißt, dass der Prozessor eine Funktion zum Berechnen von von einer externen Kraft eingeleiteten Verformungsinformationen einer Region durchführt, in der ein Sensor zum Erfassen von Verformung, der ein elektroaktives Polymermaterial nutzt, installiert ist, unter Nutzung des Werts des Stroms und der Spannung, die auf das Empfangsmodul 820 angewandt wurden, je nach dem Wert des elektromagnetischen Felds, der vom Empfangsmodul 820 empfangen wurde.
In einem anderen Beispiel der vierten Ausführungsform kann der Verstärker 830 indessen im Empfangsmodul 820, bei dem es sich nicht um den Prozessor handelt, enthalten sein. Verwendet werden kann jede beliebige Art eines Verstärkers 830, der das vom Empfangsmodul 820 empfangene elektromagnetische Feld verstärkt, um den Wert des vom Empfangsmodul 820 verstärkten elektromagnetischen Felds in eine Spannung und Stromspannung umzuwandeln, oder der eine Funktion zum Verstärken des vom Empfangsmodul 820 umgewandelten Spannungs- und Stromwerts durchführt. In diesem Fall kann der Prozessor als eine Auslegung aufgefasst werden, die sich auf den Computer 850 bezieht.
In der vierten Ausführungsform emittiert die Faserspule das elektromagnetische Feld, indem sie Energie nutzt, die durch eine durch die externe Kraft herbeigeführte Veränderung des elektroaktiven Polymermaterials erzeugt wurde. Der Wert des emittierten elektromagnetischen Felds kann sehr gering sein. Das elektromagnetische Feld wird somit vom im Lesegerät oder Prozessor enthaltenen Empfangsmodul 820 verstärkt, sodass ein Verformungsgrad der Struktur präziser gemessen werden kann.
Gemäß der oben beschriebenen Auslegung können ein Energieversorgungsmodul und eine verdrahtete Struktur, die im Wesentlichen an einen bestehenden Verformungserfassungssensor angeschlossen werden müssen, der installiert ist, um eine externe Kraft direkt zu berechnen, und ein Kommunikationsmodul durch eine ultrakleine Faserspule ersetzt werden. Das heißt, dass eine Spannung erzeugt wird, wenn eine externe Kraft auf die Faserspule einwirkt, weil die Faserspule ein elektroaktives Polymermaterial, eine Elektrode und einen Kondensator enthält. Somit wird ein Strom auf die Elektrode angewandt, und aufgrund des Stroms wird ein elektromagnetisches Feld in der Spule erzeugt. Das heißt, dass dadurch, dass elektromagnetische Felder mit unterschiedlichen Größen gemäß einem durch die Größe der externen Kraft hervorgerufenen Verformungsgrad der Faserspule ohne Einspeisung von Strom erzeugt werden, Daten generiert werden, um Verformungsinformationen in einem stromlosen, einem Nichtkommunikationsmodulzustand und einem drahtlosen Zustand zu berechnen.
Mittels der oben beschriebenen Funktion und Wirkung kann gemäß der vierten Ausführungsform ein System implementiert werden, das eine äußerst kleine Größe im Vergleich zu einem bestehenden System zur Überwachung des einwandfreien Zustands einer Struktur aufweist, sodass die Installation leicht in der Struktur durchgeführt werden kann und eine zusätzliche Stromversorgungseinheit oder ein zusätzliches Kommunikationsmodul nicht erforderlich sind, wodurch die Installationskosten und die Instandhaltungskosten reduziert werden können.
Die hier verwendeten Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“ sind vorbehaltlich deutlicher anderweitiger Angaben im Kontext dahingehend auszulegen, dass sie die Anwesenheit eines entsprechenden Elements angeben, jedoch nicht ein anderes Element ausschließen, sondern das Hinzufügen eines anderen Elements angeben. Vorbehaltlich anderweitiger Angaben weisen alle in diesem Dokument genutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die Bedeutung gemäß der herkömmlichen Auffassung einer Person mit normalen Kenntnissen in dem Sachgebiet, zu dem diese Erfindung gehört, auf. Zudem gilt, dass Begriffe wie solche, die in normalerweise genutzten Wörterbüchern definiert sind, in der Bedeutung auszulegen sind, die mit ihrer Bedeutung im Kontext des entsprechenden Sachgebiets übereinstimmt, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig förmlichen Sinn auszulegen sind, es sei denn, sie sind in diesem Dokument ausdrücklich so definiert.
Die obigen Ausführungen dienen der Veranschaulichung von als Beispielen dienenden Ausführungsformen und beschränken sich nicht auf diese. Obwohl als Beispiel dienende Ausführungsformen beschrieben wurden, können Fachleute mit normalen Kenntnissen auf diesem Gebiet sofort feststellen, dass zahlreiche Änderungen bezüglich der als Beispiel dienenden Ausführungsformen möglich sind, ohne materiell vom Neuheitsgehalt und den Vorteilen der als Beispiel dienenden Ausführungsformen abzuweichen. Entsprechend gelten alle derartigen Änderungen als im Schutzumfang der Patentansprüche enthalten. Daher ist davon auszugehen, dass die obige Ausführung eine Veranschaulichung von als Beispiel dienenden Ausführungsformen darstellt und nicht als auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, und dass Änderungen der offenbarten Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen als im Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche enthalten gelten. Als Beispiel dienende Ausführungsformen sind durch die folgenden Patentansprüche definiert, wobei gleichwertige Ansprüche als hiermit inbegriffen gelten.

Claims

Sensor, der ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, wobei der Sensor umfasst: mindestens eine erste Faser, enthaltend ein elektroaktives Polymermaterial, das eine Spannung erzeugt, wenn mindestens eine erste Faser durch eine externe Kraft verformt wird, und mindestens eine zweite Faser, die flexibel ist und ein leitendes Material enthält, wobei die erste Faser und die zweite Faser gewoben sind, um einander zu kreuzen, oder ein Faserkörper ausgebildet wird, sodass eine zweite Faserschicht auf mindestens entweder einer Innenseite und/oder einer Oberfläche einer ersten Faserschicht ausgebildet wird und der Faserkörper in Form eines Gewebes gewoben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zudem eine dritte Faser umfasst, die ein elektrisch isolierendes Material enthält, wobei die erste Faser, die zweite Faser und die dritte Faser gewoben sind, um einander zu kreuzen, sodass eine Berührung zwischen den zweiten Fasern durch die dritte Faser verhindert wird.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Faser eine Mischung eines leitenden Polymermaterials und eines Elastomers enthält, wobei das Elastomer zumindest ein Zuckeralkoholmaterial umfasst.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Faser eine Mischung eines leitenden Polymermaterials und eines Elastomers enthält, wobei leitendes Pulver in die zweite Faser gemischt ist, oder eine leitende Pulverschicht auf der Oberfläche einer Faser ausgebildet ist.
Sensoreinheit, die ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, wobei die Sensoreinheit umfasst: eine erste Elektrode; einen Sensorteil, enthaltend ein elektroaktives Polymermaterial, ausgelegt, um die erste Elektrode in einer Form einer Spule zu umgeben, und eine zweite Elektrode, die bereitgestellt ist, um von der ersten Elektrode isoliert zu sein, und die den Sensorteil umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an Sensoreinheiten, die ein elektroaktives Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzen, in einer Form eines Gewebes verwoben sind, um einen Sensor zu bilden.
Sensoreinheit nach Anspruch 4, wobei der Sensor ausgelegt ist, um drahtlos elektrische Energie zu übertragen, die elektrische Energie von der Sensoreinheit unter Nutzung des elektroaktiven Polymers zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen, bedingt durch Deformation der Sensoreinheit, die das elektroaktive Polymer zum drahtlosen Übertragen/Empfangen von Verformungsinformationen nutzt, erzeugt wird, wenn eine externe Kraft einwirkt, und an eine Elektrode übertragen wird, um von einer drahtlosen Remote-Empfangseinrichtung für elektrische Energie empfangen zu werden, und um durch Nutzung der elektrischen Energie Verformungsinformationen einer Struktur an einem Ort, an dem der Sensor installiert ist, zu messen.