JP2005049331A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 構成が簡単であるとともに感度を容易に調整することができるセンサを提供する。
【解決手段】 センサ１１は、媒体１２と、媒体１２中に分散されているセンサ素子１３と、媒体１２に電気的に接続されている一対の電極１４とから構成されている。媒体１２は、各センサ素子１３同士を機械力学的に接続するとともに各センサ素子１３同士並びに電極１４及びセンサ素子１３を電気的に接続し、誘電体により形成されキャパシタンス成分を有するものが好ましい。センサ素子１３は導電性を有する材料により形成されているコイル１３ａによって構成され、ＬＣＲ共振回路として作用するものが好ましい。センサ素子１３は、各センサ素子１３の相互間に存在する媒体１２を介し互いに接続され機械力学的等価回路として構成されるとともに、ＬＣＲ共振回路として作用するときには、媒体１２を介して互いに接続され電気的等価回路として構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力センサや触覚センサ等のセンサに関するものである。より詳しくは、構成が簡単であるとともに感度を容易に調整することができるセンサに関するものである。

従来、触覚センサとして用いられるセンサは、シリコーンゴム等の固体状部材と、固体状部材中に埋没されたセンサ素子と、固体状部材に取付けられた電力送信コイル及び信号受信コイルとを備えている。センサ素子は、コンデンサを備えるセンサ回路チップに信号送信コイル及び電力受給コイルが取付けられることにより、コルピッツ型のＬＣ発振回路として構成されている。センサ素子は電力送信コイルから電力受給コイルを介して電力が供給されるとともにＬＣ発信回路により信号送信コイルを介して一定の周波数で発振し、発信された信号は信号受信コイルによって受信されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。そして、固体状部材の表面に物体が接触したときには、固体状部材を介してセンサ素子が押圧される。このため、センサ素子が発振する信号の周波数が変化し、この周波数の変化に基づいて物体の接触を検出するようになっている。
特開平１１−２４５１９０号公報（第２〜４頁）

ところが、この従来のセンサを構成するセンサ素子は、センサ回路チップに信号送信コイル及び電力受給コイルが取付けられて構成されているために、その構成が複雑であるという問題があった。さらに、センサの感度を調整するためにはＬＣ発信回路を構成するコンデンサの種類等を変更する必要があり、センサの感度の調整が煩雑であるという問題があった。

本発明は、上記のような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、構成が簡単であるとともに感度を容易に調整することができるセンサを提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明のセンサは、媒体と、導電性を有する材料により形成されているコイルによって構成されるとともに前記媒体中に設けられているセンサ素子と、前記媒体に電気的に接続されている一対の電極とを備えているものである。

請求項２に記載の発明のセンサは、請求項１に記載の発明において、前記センサ素子は、コイルの螺旋構造に基づくインダクタンス（Ｌ）成分を有するとともにキャパシタンス（Ｃ）成分及びレジスタンス（Ｒ）成分を有し、ＬＣＲ共振回路として作用するものである。

請求項３に記載の発明のセンサは、請求項２に記載の発明において、前記媒体は誘電体により形成されキャパシタンス（Ｃ）成分を有するものである。
請求項４に記載の発明のセンサは、媒体と、弾力性を有する導電性繊維により構成されるとともに前記媒体中に設けられているセンサ素子と、前記媒体に電気的に接続されている一対の電極とを備えているものである。

本発明によれば、次のような効果を奏する。
請求項１に記載の発明のセンサによれば、構成が簡単であるとともに感度を容易に調整することができる。

請求項２に記載の発明のセンサによれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、感度を向上させることができる。
請求項３に記載の発明のセンサによれば、請求項２に記載の発明の効果に加え、感度をより容易に調整することができる。

請求項４に記載の発明のセンサによれば、構成が簡単であるとともに感度を容易に調整することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、第１実施形態のセンサ１１は、媒体１２と、媒体１２中に分散されている複数のセンサ素子１３と、媒体１２に電気的に接続されている一対の電極１４とから構成されている。このセンサ１１は、例えば媒体１２としてのアクリル樹脂の加熱溶融液中にセンサ素子１３を加熱溶融液とセンサ素子１３との合計量に対して３〜５質量％分散させた後に加熱溶融液を冷却して固化させ、固化したアクリル樹脂に一対の電極１４を取付けることにより形成されている。一対の電極１４には導線１５を介して図示しない電源及び電圧計等の測定器が取付けられ、電源から電流が電極１４を介して媒体１２に通電されるとともに、測定器により媒体１２での電圧の変動等が検知されるようになっている。

媒体１２は、分散されている各センサ素子１３同士を機械力学的に接続するとともに、各センサ素子１３同士並びに電極１４及びセンサ素子１３を電気的に接続する。媒体１２はセンサ素子１３を構成するコイル１３ａよりも導電性が低いものであれば特に限定されず、固体、液体、気体のいずれでもよいし真空でもよい。固体の具体例としてはアクリル樹脂等の合成樹脂材料、フェライト等の非導電性磁性材料、シリカ（二酸化ケイ素）等のセラミックス材料、天然ゴム等が挙げられ、液体としては油等が挙げられるとともに気体としては空気等が挙げられる。これらは単独で媒体１２を形成してもよいし、二種以上が組み合わされて媒体１２を形成してもよい。

ここで、媒体１２中に分散されている各センサ素子１３の相互間に存在する媒体１２は質量を有し、バネ質点系における質点として作用する。このため、各センサ素子１３同士を機械力学的に接続するとは、図４（ａ）、図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、媒体１２中に分散され微小バネ１６として作用する各センサ素子１３同士を、それらの相互間に存在するとともに質点１７として作用する媒体１２を介して接続することである。一方、各センサ素子１３同士並びに電極１４及びセンサ素子１３を電気的に接続するとは、電極１４を介して媒体１２に通電された電流が、各センサ素子１３の相互間に存在する媒体１２を介して各センサ素子１３を流れるように、各センサ素子１３同士並びに電極１４及びセンサ素子１３を接続することである。

媒体１２は、センサ素子１３がＬＣＲ共振回路として作用するときには、誘電体により形成されキャパシタンス（Ｃ）成分を有するものであることが好ましい。誘電体により形成されＣ成分を有する媒体１２の具体例としては、フェライトが混合されている合成樹脂材料等が挙げられる。この場合には、各センサ素子１３の相互間に存在する媒体１２が、センサ素子１３を構成しＣ成分としての機能を有するコイル１３ａとともにコンデンサとして作用することにより、ＬＣＲ共振回路におけるコンデンサの静電容量を増大させることができる。このため、ＬＣＲ共振回路の静電容量の調整の幅を大きくすることができる。ここで、Ｃ成分とは静電容量のことであり、電界に対する誘電特性を示す。

さらに、センサ１１が圧力センサ、触覚センサ、変位センサ等として用いられるときには、媒体１２は固体であることがセンサ１１の強度を向上させることができるためにより好ましい。一方、センサ１１が加速度センサ、臭いセンサ、味覚センサ、ガスセンサ等として用いられるときには、微小バネとして作用するセンサ素子１３の変動を容易にするために、媒体１２は液体又は気体であることがより好ましい。また、センサ１１が光センサ、電磁波センサ、磁気センサ等として用いられるときには、媒体１２は一般的に固体、液体又は気体が用いられる。

センサ素子１３は導電性を有する材料により形成されているコイル１３ａによって構成され、導電性を有する材料の具体例としては銅等の金属材料、ポリアセチレン等の高分子材料、炭素材料等が挙げられる。センサ素子１３は、上記材料により形成されているコイル１３ａの中でも炭素材料により形成されているコイル１３ａ、即ちコイル状炭素繊維によって構成されたものであることが好ましい。この場合には、導電性が高く、検出精度が向上されることによってセンサ１１の感度を向上させることができる。

コイル状炭素繊維は、１本の炭素繊維で螺旋構造を形成する一重螺旋構造、又は２本以上の炭素繊維がそれぞれ同じ巻き方向で螺旋構造を形成する多重螺旋構造のいずれかの螺旋構造を有している。加えて、炭素繊維の巻き方向にはコイルの軸線を中心として時計方向（右巻き）と反時計方向（左巻き）とがあり、一重螺旋構造及び多重螺旋構造のコイル状炭素繊維は、右巻き又は左巻きのいずれかの形態をそれぞれ有している。

このコイル状炭素繊維は導電性、熱伝導性、吸着性、表面活性及び生物活性を有し、それ自身が伸縮することにより微小バネとして作用する。さらに、コイル状炭素繊維は、変動磁場等に曝されたときにはファラデーの法則に従って誘導起電力が発生する共振特性を有している。

コイル状炭素繊維は、非晶質の炭素繊維により構成されたものでもよいが、非晶質の炭素繊維に加熱処理を施すことによって結晶化されたグラファイト層を有するものが好ましい。この場合には、コイル状炭素繊維は、グラファイト層において炭素繊維を形成する炭素粒が規則正しく配列されることにより変動磁場等に曝されたときに生じる電気抵抗の変動が顕著となるために、共振特性が顕著となる。さらに、センサ素子１３がＬＣＲ共振回路として作用するときにはＬＣＲ共振回路におけるＲ成分等の変動が顕著となる。このため、センサ素子１３の検出精度が向上されることによってセンサ１１の感度を向上させることができる。ここで、加熱処理温度は好ましくは１５００〜３０００℃である。加熱処理温度が１５００℃未満では炭素繊維の結晶化が不十分となり、３０００℃を超えてもそれ以上結晶化させることができない。

コイル状炭素繊維はどのような製法で製造されたものであってもよいが、触媒活性化ＣＶＤ（化学気相成長）法等の気相成長法により製造されたものが、コイル状炭素繊維のコイル径やコイル長さを所定の範囲に容易にすることができるために好ましい。この気相成長法は、炭素材料としてのアセチレン等の炭化水素又は一酸化炭素を金属触媒の存在下６００〜３０００℃に加熱し、気相中で炭化水素又は一酸化炭素を分解反応させる方法である。この気相成長法により得られるコイル状炭素繊維は、その大半が炭素繊維の中心部分まで微細な炭素粒が詰まった状態で形成されており、一部には中空状に形成されたものも観察される。

センサ素子１３を構成するコイル１３ａは、コイル状炭素繊維と同様に、微小バネとして作用するとともに共振特性を有している。ここで、コイル１３ａは固有の周波数を有し、この周波数と同じ周波数の電磁波をコイル１３ａが受けたときにはこれらの周波数が同調することにより振幅が増幅され、コイル１３ａにはその固有の周波数と異なる周波数の電磁波を受けたときに比べて高い誘導起電力が発生する。

このため、媒体１２中には固有の周波数が互いに異なるコイル１３ａによりそれぞれ構成されている各センサ素子１３を分散させてもよいし、固有の周波数が同じコイル１３ａによりそれぞれ構成されている各センサ素子１３を分散させてもよい。媒体１２中に固有の周波数が互いに異なるコイル１３ａによりそれぞれ構成されている各センサ素子１３を分散させたときには、センサ素子１３は異なる周波数の電磁波に対して高い誘導起電力を発生させることができる。一方、媒体１２中に固有の周波数が同じコイル１３ａによりそれぞれ構成されている各センサ素子１３を分散させたときには、センサ素子１３は特定の周波数の電磁波に対してより高い誘導起電力を発生させることができる。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、センサ素子は、コイル１３ａの螺旋構造に基づくインダクタンス（Ｌ）成分１８を有するとともにＣ成分１９及びレジスタンス（Ｒ）成分２０を有し、センサ素子自身がＬＣＲ共振回路２１として作用するものが好ましい。この場合には、コイル１３ａの伸縮に起因してセンサ素子のコイル長さ等が変動したときには、コイル長さ等の変動によってセンサ素子のＬ成分１８、Ｃ成分１９及びＲ成分２０の大きさがそれぞれ変動する。

このため、センサ素子１３は、その伸縮に起因するコイル長さ等の変動を、ＬＣＲ共振回路２１のＬ成分１８、Ｃ成分１９及びＲ成分２０の総合的な変動に変換することによって電磁気的変動に変換することができる。ここで、Ｌ成分１８は自己誘導係数や相互誘導係数のことであり、電磁誘導特性を示す。一方、Ｒ成分２０は電気抵抗のことであり、導電特性を示す。

センサ素子１３を構成するコイル１３ａのコイル径は好ましくは１ｎｍ〜５０μｍであり、コイル長さは好ましくは１０ｎｍ〜１０ｍｍである。コイル径が１ｎｍ未満では、コイル１３ａの製造が困難になる。また、コイル長さが１０ｎｍ未満では、コイル長さが短いために、センサ素子１３がＬＣＲ共振回路２１として作用するときにＬ成分としての機能を十分に発揮することができない。一方、コイル径が５０μｍを超える、又はコイル長さが１０ｍｍを超えると、センサ素子１３が大きくなるためにセンサ１１の小型化が困難になる。さらに、コイル１３ａの繊維径、即ちコイル状をなす繊維の直径は好ましくは１ｎｍ〜１０μｍである。繊維径が１ｎｍ未満では、コイル１３ａの製造が困難になる。また、繊維径が１０μｍを超えると、コイル径を前記範囲にするのが困難になる。ここで、繊維径の概念は、断面円形状に形成された繊維の直径に限らず、断面楕円形状に形成された繊維の長辺（長径）の長さや、断面四角状に形成された繊維の長辺の長さ等も含む。

図１に示すように、センサ素子１３は、例えば液状をなす媒体１２にセンサ素子１３を配合した後に媒体１２を撹拌及び固化させることにより、媒体１２中にランダムに分散されてもよい。さらに、図３（ａ）に示すように、例えば液状をなす媒体１２にセンサ素子１３を複数分散させた後に磁力線が一方向に延びる磁場を印加することによってセンサ素子１３の全部を磁力線と平行をなすようにそれぞれ配向させる。そして、媒体１２を固化させることにより、センサ素子１３は同一方向に配向した状態で媒体１２中に分散されてもよい。

加えて、図３（ｂ）に示すように、例えばまず図示しない金型中に液状をなす媒体１２を金型の容積の３分の１程度まで充填した後にセンサ素子１３を媒体１２中に分散させ、上記と同様にしてセンサ素子１３が同一方向に配向した状態で媒体１２を固化させる。次いで、上記と同じ操作を繰返すことにより、各センサ素子１３を格子状をなすように媒体１２中に分散させてもよい。

センサ素子１３がランダムに分散されているときには、図４（ａ）に示すように、各センサ素子１３は、ランダムに分散された状態で、各センサ素子１３の相互間に存在する媒体１２を質点１７として各質点１７を介し互いに接続され、複合バネ質点系の機械力学的等価回路２２として構成されている。さらに、図４（ｂ）に示すように、センサ素子１３を構成するコイル１３ａがＬＣＲ共振回路２１として作用し媒体１２が誘電体により形成されＣ成分１９を有するときには、各センサ素子１３の相互間に存在する媒体１２はコンデンサとして作用する。そして、各センサ素子１３は、ランダムに分散された状態で、各センサ素子１３の相互間に存在する媒体１２を介して互いに接続され、複合共振回路である電気的等価回路２３として構成されている。ここで、図４（ａ）及び（ｂ）は図１における等価回路をそれぞれ示す。

一方、センサ素子１３の全部が同一方向に配向した状態で分散され、又はセンサ素子１３が格子状をなすように分散されているときには、図５（ａ）〜図６（ｂ）に示すように、各センサ素子１３は、上記と同様にして格子状をなす機械力学的等価回路２２及び電気的等価回路２３として構成されている。このため、図７に示すように、媒体１２中に分散されているセンサ素子は、電気的等価回路においてセンサ素子全部をまとめて一つのＬＣＲ共振回路２１として作用することができる。ここで、図５（ａ）及び（ｂ）は図３（ａ）における等価回路をそれぞれ示し、図６（ａ）及び（ｂ）は図３（ｂ）における等価回路をそれぞれ示す。

第１実施形態のセンサ１１は、加速度センサ、圧力センサ、歪みセンサ、温度センサ、湿度センサ、電磁波センサ、電波センサ、光センサ、ガスセンサ、電場センサ、磁場センサ、臭いセンサ、触覚センサ、微振動センサ、位置センサ、味覚センサ、極微小地震・地殻変動センサ、赤外線センサ、揺らぎセンサ、破壊検知センサ、角速度センサ、偏波センサ、超音波センサ、流量センサ、高指向性電磁波センサ、熱エネルギーセンサ、微弱電磁気センサ等として用いられる。

さて、例えばＬＣＲ共振回路２１として作用するセンサ素子１３が媒体１２中にランダムに分散されているセンサ１１を電磁波センサとして用いるときには、まず導線１５を介して電極１４に電源及び電圧計を取付けた後、空気中等にセンサ１１を配置する。ここで、媒体１２は、フェライトが混合されている合成樹脂材料により形成されている。続いて、電源によって常時一定の交流電流を媒体１２に通電する。交流電流の周波数は例えば１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚであり、波形は特に限定されず正弦波でもよいし矩形波でもよい。

このとき、各センサ素子１３には、電流が通電されることによって磁場が発生する。そして、センサ１１の一部が電磁波を受けたときには、媒体１２中に分散されているセンサ素子１３において電磁波を受けた箇所のセンサ素子１３は、電磁波の影響によって磁場の強さが変動する。センサ素子１３には一定の電流が流れているために磁場の強さの変動によってセンサ素子１３における電圧や電気抵抗が変動し、電圧の変動を電圧計により検知することができる。このため、センサ１１により電磁波を検出することができる。

一方、このセンサ１１を例えば圧力センサとして用いるときには、まず導線１５を介して電極１４に電源及びオシロスコープを取付けた後、上記と同様にして媒体１２に通電する。ここで、媒体１２中に分散されているセンサ素子１３は、図４（ａ）及び（ｂ）の等価回路に示されるように構成されている。センサ１１の一部においてセンサ１１に加わっている圧力が変化したとき、又は圧力が加わったときには、複合バネ質点系の機械力学的等価回路２２において、圧力が変化した箇所又は圧力が加わった箇所における微小バネ１６の長さが、圧力の変化等に起因して変動する。又は、圧力が変化した箇所又は圧力が加わった箇所における質点１７が、圧力の変化等に起因して各センサ素子１３の相互間に存在する媒体１２の体積が減少する等によって変動する。

このとき、センサ素子１３はＬＣＲ共振回路２１としても作用するために、微小バネ１６の長さや質点１７の変動をＬ成分１８、Ｃ成分１９及びＲ成分２０の総合的な変動に変換することによって電磁気的変動に変換することができる。このため、ＬＣＲ共振回路２１の電圧等が変動し、電圧等の変動をオシロスコープによって検知することができる。よって、センサ１１により圧力の変化を検出することができる。さらに、センサ素子１３を構成するコイル１３ａのコイル長さ等を変更することにより、機械力学的等価回路２２における微小バネ１６の長さ等を容易に変更することができるとともに、ＬＣＲ共振回路２１におけるＬ成分１８等の大きさを容易に変更することができる。このため、センサ素子１３を構成するコイル１３ａのコイル長さ等を変更するだけで、センサ素子１３の感度を容易に調整することができる。

以上詳述した本実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
・ 第１実施形態のセンサ１１を構成するセンサ素子１３は、導電性を有する材料により形成されているコイル１３ａによって構成されている。このため、従来のセンサに比べてセンサ素子１３の構成を簡単にすることにより、センサ１１の構成を簡単にすることができる。さらに、センサ１１は、センサ素子１３を構成するコイル１３ａのコイル長さ等を変更することにより機械力学的等価回路２２における微小バネ１６の長さ等を容易に変更することができ、センサ素子１３の感度を容易に調整することができる。このため、従来のセンサに比べてセンサ１１の感度を容易に調整することができる。

・ センサ素子１３はＬ成分１８、Ｃ成分１９及びＲ成分２０を有し、ＬＣＲ共振回路２１として作用するものが好ましい。この場合には、センサ素子１３は、機械力学的等価回路２２における微小バネ１６の長さや質点１７の変動をＬ成分１８、Ｃ成分１９及びＲ成分２０の総合的な変動に変換することができる。このため、Ｌ成分１８、Ｃ成分１９又はＲ成分２０の変動をそれぞれ単独で検知する場合に比べてセンサ１１の感度を向上させることができる。

・ センサ素子１３がＬＣＲ共振回路２１として作用するときには、媒体１２は誘電体により形成されＣ成分１９を有するものであることが好ましい。この場合には、各センサ素子１３の相互間に存在する媒体１２が、センサ素子１３を構成するコイル１３ａとともにコンデンサとして作用することにより、ＬＣＲ共振回路２１の静電容量の調整の幅を大きくすることができる。このため、センサ１１の感度をより容易に調整することができる。

・ 導電性を有する材料は炭素材料が好ましい。この場合には、センサ素子１３がコイル状炭素繊維によって構成されることにより、検出精度が向上されることによってセンサ１１の感度を向上させることができる。

・ センサ素子１３を構成するコイル１３ａのコイル径は好ましくは１ｎｍ〜５０μｍであり、コイル長さは好ましくは１０ｎｍ〜１０ｍｍである。この場合には、センサ素子１３が小さいためにセンサ１１の小型化を図ることができる。

・ コイル状炭素繊維はグラファイト層を有しているものが好ましい。この場合には、コイル状炭素繊維の共振特性及びＬＣＲ共振回路２１における各成分の変動を顕著にすることができるために、センサ１１の感度をより向上させることができる。

・ 固有の周波数が互いに異なるコイル１３ａによりそれぞれ構成されている各センサ素子１３を媒体１２中に分散させるのが好ましい。この場合には、例えばセンサ１１を電磁波センサとして用いるときに異なる周波数の電磁波に対して高い誘導起電力を発生させることができ、センサ１１の感度をさらに向上させることができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について詳細に説明する。尚、この第２実施形態については、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

第２実施形態のセンサ１１は、媒体１２と、媒体１２中に分散されている複数のセンサ素子１３と、媒体１２に電気的に接続されている前記電極１４とから構成されている。媒体１２はセンサ素子１３を構成する導電性繊維よりも導電性が低いものであれば特に限定されず、固体、液体、気体のいずれでもよいし真空でもよい。固体の媒体１２としてはシリコーン樹脂、ウレタン樹脂等の弾力性樹脂等が挙げられる。液体及び気体の具体例は第１実施形態と同じである。これらは単独で媒体１２を構成してもよいし、二種以上が組み合わされて媒体１２を構成してもよい。

センサ素子１３は導電性繊維により構成されている。この導電性繊維は導電性材料により形成され、導電性材料の具体例として銅や銀等の金属材料、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の合金材料、炭素材料、ポリアセチレン等の高分子材料が挙げられる。導電性繊維の繊維形状としては、線状、コイル状、筒状等が挙げられる。

この導電性繊維の製造方法は特に限定されず、前記気相成長法等が挙げられる。導電性繊維の具体例としては、前記コイル状炭素繊維、カーボンナノチューブ、ＶＧＣＦ（気相成長炭素繊維）、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、導電性ウィスカ等が挙げられる。これらは単独でセンサ素子１３を構成してもよいし、二種以上が組み合わされてセンサ素子１３を構成してもよい。

導電性繊維はＬ成分１８、Ｃ成分１９及びＲ成分２０を有してＬＣＲ共振回路として作用するうえに、弾力性を有している。即ち、導電性繊維は、例えば外方から応力が加わることにより容易に屈曲し、この屈曲により内部に歪が発生してＲ成分２０が変化するとともに、屈曲前に比べて媒体１２との位置関係が相違することによりリアクタンス成分（Ｌ成分１８及びＣ成分１９）が変化する。

導電性繊維は、繊維径が好ましくは１ｎｍ〜１０μｍ、繊維直径が好ましくは１ｎｍ〜５０μｍ、繊維長さが好ましくは１０ｎｍ〜１０ｍｍである。ここで、繊維径は、導電性繊維の繊維形状が線状のときにはその直径を示し、コイル形状のときにはコイル状をなす繊維の直径を示し、筒状のときには周壁の厚みを示す。さらに、繊維直径は、前記繊維形状が線状のときにはその直径を示し、コイル形状のときにはコイル径を示し、筒状のときには断面における外周の直径を示す。加えて、繊維における直径の概念は、断面円形状に形成された繊維の直径に限らず、断面楕円形状に形成された繊維の長辺（長径）の長さや、断面四角状に形成された繊維の長辺の長さ等も含む。また、繊維長さは、前記繊維形状がコイル状のときにはコイル長さを示す。

繊維径又は繊維直径が１ｎｍ未満では、導電性繊維が屈曲したときのＲ成分の変化が小さくなるおそれがある。また、繊維長さが１０ｎｍ未満では導電性繊維が十分に屈曲するこができない。一方、繊維径が１０μｍを超える、繊維直径が５０μｍを超える、又は繊維長さが１０ｍｍを超えると、導電性繊維の製造に時間を要し製造効率が低下するおそれがある。さらに、導電性繊維により構成されているセンサ素子１３が大きくなるために、センサ１１の小型化が困難になる。

導電性繊維は、その繊維長さを繊維直径で除算することにより求められるアスペクト比が好ましくは２〜１００００であり、より好ましくは１００〜１０００であり、最も好ましくは２００〜８００である。アスペクト比が２未満では導電性繊維が十分に屈曲することができず、逆に１００００を超えると導電性繊維が過剰に長くなってその製造効率が低下するとともにセンサ１１の小型化が困難になる。

従って、この第２実施形態のセンサ１１においても、センサ素子１３が導電性繊維によって構成されているために、従来のセンサに比べてセンサ素子１３の構成を簡単にしてセンサ１１の構成を簡単にすることができる。さらに、センサ１１は、センサ素子１３を構成する導電性繊維の繊維長さ等を変更することにより、その感度を容易に調整することができる。

なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
・ 前記各実施形態において、前記センサ１１を、エネルギー変換素子、リモート給電素子、マイクロアンテナ等として用いてもよい。

・ 前記第１の実施形態において、前記センサ素子１３がコイル状炭素繊維によって構成されているセンサ１１を湿度センサやガスセンサとして用いるときには、コイル状炭素繊維の表面にシリカゲル等の吸放湿性やガス吸放出性を有する物質を被覆してもよい。このとき、媒体１２は空気等の気体が好ましい。また、銅等の導電性の物質、シリカ、チタニア（酸化チタン）等の絶縁性の物質、フェライト等の磁性を有する物質等を被覆してもよい。

コイル状炭素繊維の表面にシリカゲル等の吸放湿性やガス吸放出性を有する物質を被覆したときには、コイル状炭素繊維の表面に被覆されたシリカゲル等の吸放湿又はガス吸放出に伴い機械力学的等価回路２２における微小バネ１６の長さを変動させることができる。さらに、シリカゲル等の吸放出に伴いＬＣＲ共振回路２１における電気抵抗、即ちＲ成分２０の大きさが変動するとともに、Ｌ成分１８及びＣ成分１９の大きさもそれぞれ変動する。このため、微小バネ１６の長さの変位を電磁気的変動に変換するとともにＬＣＲ共振回路２１におけるＬ成分１８、Ｃ成分１９及びＲ成分２０が総合的に変動することができる。よって、センサ１１により湿度やガス濃度の変化を検出することができる。同様に、前記第２の実施形態において、前記センサ素子１３を構成する導電性繊維の表面に前記物質を被覆してもよい。

・ 前記各実施形態において、前記媒体１２中にセンサ素子１３を一個のみ設けてもよい。
・ 前記各実施形態において、前記液状をなす媒体１２中にセンサ素子１３を埋没させた後、電場を印加することによりセンサ素子１３を配向させてもよい。

・ 前記各実施形態において、媒体１２中に圧電体粉末を分散させてもよい。圧電体粉末の具体例としてはフェライト、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ₃）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）等が挙げられる。このとき、媒体１２中に圧電体粉末を分散させることにより、ＬＣＲ共振回路として作用するセンサ素子１３の出力を安定させることができる。

次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
（１）前記導電性を有する材料は炭素材料である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のセンサ。この構成によれば、感度をより向上させることができる。

（２）前記炭素材料により形成されているコイルはグラファイト層を有している上記（１）に記載のセンサ。この構成によれば、感度をより向上させることができる。
（３）コイルは、コイル径が１ｎｍ〜５０μｍであるとともにコイル長さが１０ｎｍ〜１０ｍｍである請求項１から請求項３、上記（１）及び上記（２）のいずれか一項に記載のセンサ。この構成によれば、センサの小型化を図ることができる。

（４）前記媒体には、固有の周波数が互いに異なるコイルによりそれぞれ構成されている複数のセンサ素子が設けられている請求項１から請求項３及び上記（１）から上記（３）のいずれか一項に記載のセンサ。この構成によれば、感度をより向上させることができる。

（５）前記媒体は誘電体により形成されＣ成分を有する請求項４に記載のセンサ。この構成によれば、感度をより容易に調整することができる。

第１実施形態のセンサを示す断面図。 （ａ）及び（ｂ）はＬＣＲ共振回路を示す回路図。 （ａ）及び（ｂ）は媒体中に分散されたセンサ素子を示す断面図。 （ａ）は機械力学的等価回路を示す回路図、（ｂ）は電気的等価回路を示す回路図。 （ａ）は機械力学的等価回路を示す断面図、（ｂ）は電気的等価回路を示す断面図。 （ａ）は機械力学的等価回路を示す断面図、（ｂ）は電気的等価回路を示す断面図。 ＬＣＲ共振回路を示す断面図。

符号の説明

１１…センサ、１２…媒体、１３…センサ素子、１３ａ…コイル、１４…電極、１８…インダクタンス（Ｌ）成分、１９…キャパシタンス（Ｃ）成分、２０…レジスタンス（Ｒ）成分、２１…ＬＣＲ共振回路。

Claims (4)

1. 媒体と、導電性を有する材料により形成されているコイルによって構成されるとともに前記媒体中に設けられているセンサ素子と、前記媒体に電気的に接続されている一対の電極とを備えていることを特徴とするセンサ。
2. 前記センサ素子は、コイルの螺旋構造に基づくインダクタンス（Ｌ）成分を有するとともにキャパシタンス（Ｃ）成分及びレジスタンス（Ｒ）成分を有し、ＬＣＲ共振回路として作用する請求項１に記載のセンサ。
3. 前記媒体は誘電体により形成されキャパシタンス（Ｃ）成分を有する請求項２に記載のセンサ。
4. 媒体と、弾力性を有する導電性繊維により構成されるとともに前記媒体中に設けられているセンサ素子と、前記媒体に電気的に接続されている一対の電極とを備えていることを特徴とするセンサ。

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