JP2006337118A - Elastomer sensor and vibration detection method using same - Google Patents

Elastomer sensor and vibration detection method using same Download PDF

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Tomonori Hayakawa
知範 早川
Takenori Saito
雄紀 齋藤
Kazunobu Hashimoto
和信 橋本
Matsu Kaku
松 郭
Rentaro Kato
錬太郎 加藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an elastomer sensor which is easily and inexpensively manufacturable, and enables high-precision and stable measurement of stress, strain, vibration, or the like input over a broad measuring range. <P>SOLUTION: The elastomer sensor is constituted by using a sensor body molded in such a state that fine fillers having a granular or linear simple shape are mixed with elastomer material being scattered, and attaching a plurality of detecting electrodes for applying a detecting alternating voltage, to the sensor body. There, an impedance: Z to be detected in such a state that the detecting alternating voltage of a frequency of 1 kHz is applied to the detecting electrodes, is made to satisfy 100 Ω≤Z≤100 MΩ. Moreover, the phase angle: θ between the detecting alternating voltage and the detected impedance under detection conditions is made to satisfy 1°≤¾θ¾≤90°. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、所定部材における応力や加速度,振動,変形等を検出するのに好適に用いることの出来るエラストマセンサと、それを用いた振動検出方法に関するものである。   The present invention relates to an elastomer sensor that can be suitably used for detecting stress, acceleration, vibration, deformation, and the like in a predetermined member, and a vibration detection method using the same.

従来から、部材に作用せしめられる外力や、それに起因する部材の変形、或いは応力などを検出するセンサとしては、ピエゾセラミックに代表される無機系のセンサ材料を用いた無機系歪センサが利用されている。   Conventionally, an inorganic strain sensor using an inorganic sensor material typified by a piezoceramic has been used as a sensor for detecting external force applied to a member, deformation of the member resulting from the force, or stress. Yes.

しかしながら、このような無機系歪センサは、一般的に剛性の高い材料で形成されていることから、加工形状の自由度に制限がある。また、検出対象部材に予測される歪み等の検出範囲に応じて、センサ材料を決定して調整する必要があり、広い測定レンジに亘って外力や変形等を検出できる歪センサの実現が困難であった。   However, since such an inorganic strain sensor is generally formed of a highly rigid material, the degree of freedom of the processing shape is limited. In addition, it is necessary to determine and adjust the sensor material according to the detection range such as the strain expected for the detection target member, and it is difficult to realize a strain sensor that can detect external force and deformation over a wide measurement range. there were.

このような事情に鑑み、感圧導電性エラストマを利用した有機系センサであるエラストマセンサも提案されている(特許文献1)。かかるエラストマセンサは、エラストマに導電性粒子を混合した複合材料によって得られるものであり、圧縮変形に伴って導電性粒子間の接触状態が変化することに基づいて、圧縮変形量を直流電流抵抗値として検出するようになっている。   In view of such circumstances, an elastomer sensor which is an organic sensor using a pressure-sensitive conductive elastomer has also been proposed (Patent Document 1). Such an elastomer sensor is obtained from a composite material in which conductive particles are mixed with an elastomer, and the amount of compressive deformation is determined based on the fact that the contact state between the conductive particles changes with compressive deformation. It is supposed to detect as.

かくの如きエラストマセンサは、加工が容易であることから形状を高い自由度で選択できる利点がある。しかし、単に直流電流の抵抗値変化で圧縮変形量を検出するに過ぎない従来構造のエラストマセンサでは、歪と検出値の特性にばらつきが大きく、安定した測定結果を得ることが困難であった。歪と検出値の特性のばらつきは、センサ個体間だけでなく、一つのセンサでも変形方向が異なったりすると大きなばらつきが発生する傾向がある。そのために、測定結果の信頼性が低く、産業界で要求される程の精度を得ることが出来ない場合が多かった。   Such an elastomer sensor has an advantage that the shape can be selected with a high degree of freedom since it is easy to process. However, an elastomer sensor having a conventional structure that merely detects the amount of compressive deformation by simply changing the resistance value of a direct current has a large variation in the characteristics of strain and detected value, making it difficult to obtain stable measurement results. Variations in the characteristics of the distortion and the detected value tend to occur greatly when the deformation direction is different not only among the individual sensors but also with one sensor. For this reason, the reliability of the measurement results is low, and there are many cases where the accuracy required in the industry cannot be obtained.

加えて、従来構造のエラストマセンサでは、エラストマ材料に対する導電性粒子の混合割合によって検出感度が顕著に異なる。そのために、目的とする感度等の測定特性を付与することが難しく、設計や製造が非常に困難であった。   In addition, in an elastomer sensor having a conventional structure, the detection sensitivity differs significantly depending on the mixing ratio of the conductive particles to the elastomer material. For this reason, it is difficult to impart measurement characteristics such as intended sensitivity, and it is very difficult to design and manufacture.

さらに、従来構造のエラストマセンサでは、単に直流電流の抵抗値変化で圧縮変形量を検出していることから、混合された導電性粒子がある程度の接触状態となった後は、検出値が殆ど変化しなくなってしまう。それ故、外力や応力の検出レンジが小さいという問題もあったのである。   Furthermore, in the conventional structure of the elastomer sensor, the amount of compressive deformation is detected simply by the change in the resistance value of the direct current, so that the detected value changes little after the mixed conductive particles reach a certain contact state. I will not. Therefore, there is a problem that the detection range of external force and stress is small.

なお、特許文献2(特開2005−49332号公報)には、微小螺旋状のコイル形状を有する特別な炭素繊維を採用し、このコイル状炭素繊維を、ゴム等の媒体中に散在せしめた構造の触覚センサが提案されている。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-49332), a special carbon fiber having a micro helical coil shape is employed, and the coiled carbon fiber is dispersed in a medium such as rubber. A tactile sensor has been proposed.

しかしながら、かかる触覚センサでは、極めて特殊なコイル状炭素繊維を必須とするものであるが故に、製造が極めて困難であり、特殊な用途以外には実用的であるとは言い難い。また、コイル形状の炭素繊維自体が有するインダクタンス成分とキャパシタンス成分と抵抗成分を利用するものであるが故に、接触センサ自体の特性が、炭素繊維自体の構造や性能に大きく異存する。しかも、そのようなコイル状炭素繊維自体が未だ安定供給体勢にあると言い難い現状を鑑みれば、高度な信頼性や性能安定性を望むことが困難であると予想される。   However, since such a tactile sensor requires a very special coiled carbon fiber, it is extremely difficult to manufacture, and it is difficult to say that it is practical except for special applications. Further, since the inductance component, the capacitance component, and the resistance component of the coil-shaped carbon fiber itself are used, the characteristics of the contact sensor itself greatly depend on the structure and performance of the carbon fiber itself. Moreover, in view of the current situation where it is difficult to say that such a coiled carbon fiber itself is still in a stable supply state, it is expected that it is difficult to desire high reliability and performance stability.

また、その検出特性は、コイル形状の炭素繊維自体におけるインダクタンス成分等に由来するが、微小な炭素繊維自体の変形量がそれ程大きいとは考え難い。それ故、かかる触覚センサにおいては、それ程に高感度な測定特性を得ることが難しかったり、広い測定レンジを確保することも難しいと考えられる。   Further, the detection characteristic is derived from an inductance component or the like in the coil-shaped carbon fiber itself, but it is difficult to think that the deformation amount of the minute carbon fiber itself is so large. Therefore, in such a tactile sensor, it is difficult to obtain a measurement characteristic with such a high sensitivity or to secure a wide measurement range.

特開平03−93109号公報JP 03-93109 A 特開2005−49332号公報JP 2005-49332 A

ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、広い測定範囲(測定レンジ)に亘って歪み量を測定できると共に、高精度な測定を安定して実現できる、製造が容易で新規な構造のエラストマセンサを提供することを目的とする。   Here, the present invention has been made in the background as described above, and the problem to be solved is that it is possible to measure the amount of distortion over a wide measurement range (measurement range) and to provide high accuracy. An object of the present invention is to provide an elastomer sensor having a novel structure that can be stably realized and can be easily manufactured.

以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意な組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。   Hereinafter, the aspect of this invention made | formed in order to solve such a subject is described. In addition, the component employ | adopted in each aspect as described below is employable by arbitrary combinations as much as possible. Further, aspects or technical features of the present invention are not limited to those described below, but are described in the entire specification and drawings, or an invention that can be understood by those skilled in the art from those descriptions. It should be understood that it is recognized based on thought.

すなわち、本発明におけるエラストマセンサに関する第一の態様は、エラストマに導電性フィラーを混合せしめたセンサ本体と、該センサ本体のインピーダンスを検出するための検出用電極とを備えたエラストマセンサであって、前記センサ本体における前記導電性フィラーとして粒状又は線状の微小フィラーが採用されており、前記検出用電極に対する周波数1kHzの検出用の交流電圧の印加状態で検出されるインピーダンス:Zが100Ω≦Z≦100MΩとされていると共に、検出する荷重の作用状態下での検出用の交流電圧と検出されたインピーダンスとの位相角:θが1度≦|θ|≦90度とされていることを、特徴とする。   That is, the first aspect of the elastomer sensor according to the present invention is an elastomer sensor comprising a sensor main body in which an elastomer is mixed with a conductive filler, and a detection electrode for detecting the impedance of the sensor main body. A granular or linear fine filler is employed as the conductive filler in the sensor body, and impedance detected when an AC voltage for detection having a frequency of 1 kHz is applied to the detection electrode: Z is 100Ω ≦ Z ≦ 100 MΩ, and the phase angle between the detected AC voltage and the detected impedance under the action state of the load to be detected: θ is 1 degree ≦ | θ | ≦ 90 degrees And

このような本態様に従う構造とされたエラストマセンサにおいては、前述の特許文献1に記載されている感圧導電性エラストマーにおける直流抵抗値の変化に基づいて外力等を検出することに代えて、インピーダンス:Zの変化に基づいて外力等が検出されることとなる。   In the elastomer sensor having the structure according to this aspect, instead of detecting an external force or the like based on a change in DC resistance value in the pressure-sensitive conductive elastomer described in Patent Document 1, impedance is detected. : An external force or the like is detected based on the change in Z.

しかも、周波数1kHzの交流電圧の印加状態でのインピーダンス:Zの値が、100Ω≦Z≦100MΩとされた特定のセンサ本体を採用したことにより、充分に広い測定レンジを確保することができるのである。   In addition, a sufficiently wide measurement range can be ensured by adopting a specific sensor main body in which the value of impedance Z in the applied state of an alternating voltage with a frequency of 1 kHz is 100Ω ≦ Z ≦ 100MΩ. .

さらに、検出荷重が作用せしめられて所定量だけ弾性変形せしめられた状態下において、検出用の印加交流電圧と、検出されたインピーダンスとの位相角θの値が、1度≦|θ|≦90度とされた特定のばね特性および電気特性のセンサ本体を採用したことにより、優れた測定精度を、広い測定レンジに亘って一層有利に確保することが可能となるのである。   Furthermore, in a state where the detection load is applied and elastically deformed by a predetermined amount, the value of the phase angle θ between the detection applied AC voltage and the detected impedance is 1 degree ≦ | θ | ≦ 90. By adopting a sensor body with specific spring characteristics and electrical characteristics that have been measured, excellent measurement accuracy can be more advantageously ensured over a wide measurement range.

けだし、このような位相角:θを有するセンサ本体を採用することにより、検出されるインピーダンスへの寄与として、誘導リアクタンス:Lや容量リアクタンス:Cだけでなく、抵抗:Rも考慮することが出来る。従って、例えば入力振動の周波数が異なる場合や変化する場合においても、静的荷重に対して有効な検出値と、動的荷重に対して有効な検出値とによって、入力荷重を精度良く検出することが可能となるのである。   However, by employing a sensor body having such a phase angle: θ, not only inductive reactance: L and capacitive reactance: C but also resistance: R can be considered as a contribution to the detected impedance. . Therefore, for example, even when the frequency of the input vibration is different or changes, the input load can be detected with high accuracy using the detection value effective for the static load and the detection value effective for the dynamic load. Is possible.

加えて、本発明においては、特に、前述の特許文献2に示されているような特殊な混合材を必要とすることない。すなわち、本態様において採用される導電性フィラーとしての微小フィラーは、粒状又は線状のものであって、特許文献2において必須とされるカーボンマイクロコイル(コイル状炭素繊維)等という特殊な材料は必要ない。   In addition, in the present invention, a special mixed material as shown in Patent Document 2 described above is not particularly required. That is, the fine filler as the conductive filler employed in this embodiment is granular or linear, and a special material such as carbon microcoil (coiled carbon fiber) that is essential in Patent Document 2 is unnecessary.

すなわち、特許文献2においては、極めて特殊なコイル状炭素繊維を採用することにより、該コイル状炭素繊維そのものが有する通電コイルとしての特性自体を利用してLCR共振回路を構成した触覚センサが開示されている。これに対して、本発明者は、研究の結果、そのようなコイル状炭素繊維を採用することなく、インダクタンスの変化に基づいて外力を検出することのできるセンサの実用化が可能であることを、初めて見い出したのであり、かかる知見に基づいて、本願発明が完成されたのである。   In other words, Patent Document 2 discloses a tactile sensor in which an LCR resonance circuit is configured by using a very special coiled carbon fiber and utilizing the characteristics of the coiled carbon fiber itself as a current-carrying coil. ing. On the other hand, the present inventor has found that, as a result of research, a sensor capable of detecting an external force based on a change in inductance can be put into practical use without employing such a coiled carbon fiber. It was discovered for the first time, and the present invention was completed based on such knowledge.

なお、本願発明に従うエラストマセンサの技術的解明は未だ完全でないが、後述する実施例からも明白なように、粒状や線状の単純形状の導電性フィラー(微小フィラー)を媒体としてのゴム弾性体等のエラストマ中に散在させることで、全体としてインダクタンスによる変形状態の検出が可能になることに疑いはない。このことは、エラストマ中に散在する導電性フィラーが、相互に近接するもの同志が電気的に相互作用することで全体としてコイルやコンデンサ,抵抗器などとして機能し得るものと推定される。なお、微小フィラーは、全てが分離独立して散在している必要はなく、多数の微小フィラー同士が相互に接触したり絡み合ったりした状態で存在していても良く、その存在の状態はエラストマーに対する配合量や混合する微小フィラーの粒径や長さ、細長比等によって、目的とする性能を考慮して適宜に設定することが出来る。そして、センサ本体に弾性変形が及ぼされると、エラストマ中に散在する導電性フィラー同志の相互位置関係が変化することから、それら導電性フィラーによって構成されていたコイルやコンデンサ,抵抗器などの仮想的な電気素子の特性が変化し、その結果がインピーダンスの変化として検出されるものと考えられるのである。   Although the technical clarification of the elastomer sensor according to the present invention is not yet complete, as is clear from the examples described later, a rubber elastic body using a granular or linear simple shape conductive filler (micro filler) as a medium. There is no doubt that it is possible to detect the deformation state by the inductance as a whole by being dispersed in the elastomer. This is presumed that the conductive fillers scattered in the elastomer can function as a coil, a capacitor, a resistor, etc. as a whole by electrically interacting with each other close to each other. Note that the fine fillers do not have to be separated and scattered separately, and a large number of fine fillers may exist in a state where they are in contact with each other or entangled with each other. Depending on the blending amount, the particle size and length of the fine filler to be mixed, the slenderness ratio, etc., the desired performance can be set appropriately. When the sensor body is elastically deformed, the mutual positional relationship between the conductive fillers dispersed in the elastomer changes, so that virtual components such as coils, capacitors, resistors, etc. that are formed by these conductive fillers change. Therefore, it is considered that the characteristic of a simple electric element changes and the result is detected as a change in impedance.

しかも、特に注目すべきところは、後述の実施例の結果からも明白なように、導電性粒子自体が、特許文献2に記載のコイル状炭素繊維の如く特殊な電気特性(L成分)を有するものでないが故に、センサ本体全体の弾性変形が検出インピーダンスの値の変化として素直に且つ効率的に反映されることとなるのである。従って、本発明に従う構造とされたエラストマセンサにおいては、比較的に広い測定レンジに亘って、安定した検出精度をもって、充分に満足できる精度で、外力を検出することが可能となるのである。   In addition, it should be particularly noted that the conductive particles themselves have special electrical characteristics (L component) like the coiled carbon fiber described in Patent Document 2, as is apparent from the results of Examples described later. Since it is not a thing, the elastic deformation of the whole sensor main body will be reflected obediently and efficiently as a change of the value of detection impedance. Therefore, in the elastomer sensor having the structure according to the present invention, it is possible to detect the external force with a sufficiently satisfactory accuracy with a stable detection accuracy over a relatively wide measurement range.

勿論、本発明に従う構造とされたエラストマセンサにおいては、特許文献2に記載の触覚センサに必要とされるコイル状炭素繊維のように極めて特殊な材料が必要とされることがなく、従来から市場に提供されているカーボンブラック等の炭素粒子や、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の単純形状の導電性フィラーを、微小粒子として採用することによって構成されることから、製造が容易で、製造コストも安いという、産業上での実施に際して極めて有利な効果が発揮されるのである。   Of course, the elastomer sensor having a structure according to the present invention does not require a very special material like the coiled carbon fiber required for the tactile sensor described in Patent Document 2, and has been marketed conventionally. Because it is configured by adopting carbon particles such as carbon black and conductive fillers of simple shape such as carbon fibers and carbon nanotubes as fine particles, it is easy to manufacture and inexpensive to manufacture. This is a very advantageous effect in industrial implementation.

また、本発明におけるエラストマセンサに関する第二の態様は、前記第一の態様に係るエラストマセンサにおいて、前記センサ本体において互いに異なる場所に固着された複数の電極によって前記検出用電極が構成されていることを、特徴とする。   A second aspect of the elastomer sensor according to the present invention is the elastomer sensor according to the first aspect, wherein the detection electrode is configured by a plurality of electrodes fixed to different positions in the sensor body. Is a feature.

本態様に従い、検出用の交流電圧を印加するための電極を、充分に離隔させて設けることにより、より広い範囲の電気特性を検出することが可能となり、それによって、検出精度の更なる向上が図られ得る。   According to this aspect, by providing electrodes for applying an AC voltage for detection sufficiently apart, it is possible to detect a wider range of electrical characteristics, thereby further improving detection accuracy. Can be illustrated.

また、採用する電極は、一対である必要はなく、三つ以上、或いは二対以上設けても良い。そのように多数の電極を設けることにより、それらの電極間での電気特性(インピーダンス)の変化を、例えば平均値等として求めることで一層高精度に検出したり、また、例えば合計値等として求めることで一層高感度に検出したりすることも可能となるのである。   Further, the electrodes to be employed do not have to be a pair, and may be provided in three or more, or two or more pairs. By providing such a large number of electrodes, a change in electrical characteristics (impedance) between these electrodes can be detected with higher accuracy by, for example, obtaining an average value or the like, or obtaining, for example, a total value or the like. This makes it possible to detect with higher sensitivity.

さらに、本発明におけるエラストマセンサに関する第三の態様は、前記第一又は第二の態様に係るエラストマセンサにおいて、前記センサ本体における動的な歪と検出される前記インピーダンス:Zとが線形性を有する領域が、該センサ本体における歪み率(ε)の範囲:ε(1)〜ε(2)の領域に亘っており、|ε(1)−ε(2)|≧5(%)とされていることを、特徴とする。   Further, according to a third aspect of the elastomer sensor of the present invention, in the elastomer sensor according to the first or second aspect, the dynamic distortion in the sensor body and the detected impedance: Z have linearity. The region covers the range of strain rate (ε) in the sensor body: ε (1) to ε (2), and | ε (1) −ε (2) | ≧ 5 (%) It is characterized by being.

このような本態様に従う構造とされたエラストマセンサにおいては、充分な広い測定レンジに亘って、荷重−歪特性、すなわち外力−検出値特性を、略線形性とすることで、検出回路の簡略化や、検出精度の更なる向上が実現可能となるのである。   In the elastomer sensor having the structure according to this aspect, the detection circuit is simplified by making the load-strain characteristic, that is, the external force-detection value characteristic substantially linear over a sufficiently wide measurement range. In addition, the detection accuracy can be further improved.

また、本発明における振動検出方法に関する第一の態様は、前記第一乃至第三の何れか一つの態様に記載のエラストマセンサを振動体に装着せしめて、該振動体の振動に伴う該エラストマセンサの前記センサ本体における動的な弾性変形を、該センサ本体のインピーダンス変化として前記検出手段で検出することによって該振動体の振動状態を検出することを、特徴とする。   According to a first aspect of the vibration detection method of the present invention, the elastomer sensor according to any one of the first to third aspects is attached to a vibration body, and the elastomer sensor accompanying vibration of the vibration body is provided. The vibration state of the vibrating body is detected by detecting the dynamic elastic deformation of the sensor body as an impedance change of the sensor body by the detecting means.

このような本態様に従う構造とされたエラストマセンサにおいては、振動体の振動状態、すなわち動的な状態変化や力変化などを、高精度に検出することが可能となる。特に、エラストマセンサの弾性変形が各種方向に発生した場合に、その変形方向にかかわらず、弾性変形をインピーダンス変化としてとらえて検出することが可能となる。それ故、従来のセラミック系材料による荷重センサ等に比して、検出データの多様化が図られ得ると共に、センサを装着して測定する条件の緩和による設計自由度の向上などが達成され得るのである。   In the elastomer sensor having the structure according to this aspect, it is possible to detect the vibration state of the vibrating body, that is, the dynamic state change or force change with high accuracy. In particular, when elastic deformation of the elastomer sensor occurs in various directions, it is possible to detect the elastic deformation as an impedance change regardless of the deformation direction. Therefore, the detection data can be diversified as compared with conventional load sensors made of ceramic materials, and the degree of freedom in design can be improved by easing the conditions for mounting the sensor. is there.

上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされたエラストマセンサは、従来にない新規な構造を備えており、しかも一般に市場に提供されており容易に入手できる材料で製造することが出来る。加えて、入力される外力等を、複数の入力方向において、大きな測定範囲に亘って、且つ良好な精度で検出することが可能となる。   As is apparent from the above description, the elastomer sensor having the structure according to the present invention has a novel structure which has not been heretofore known, and can be manufactured from a material that is generally provided on the market and is easily available. . In addition, it is possible to detect an input external force or the like over a large measurement range and with good accuracy in a plurality of input directions.

それ故、かかるセンサによって、静的外力や動的外力を、大きな自由度と良好な精度で検出することが、容易に且つ低コストに実現可能となるのであり、そこに、産業上の大きな利益が存するのである。   Therefore, with such a sensor, it is possible to detect static external force and dynamic external force with great flexibility and good accuracy easily and at low cost. There exists.

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施例について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。   Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

先ず、エラストマとして液状シリコンゴムと液状シリコンゲルを用い、そのエラストマ材料に対して、導電性フィラー(微小フィラー)としてカーボンナノチューブを混合することでセンサ成形材料を得た。なお、本実施例におけるカーボンナノチューブの混合量は、エラストマ材料の95重量%に対して、5重量%とした。   First, liquid silicone rubber and liquid silicon gel were used as elastomers, and carbon nanotubes were mixed as conductive fillers (fine fillers) into the elastomer material to obtain a sensor molding material. The amount of carbon nanotubes mixed in this example was 5% by weight with respect to 95% by weight of the elastomer material.

本実施例におけるエラストマ材料としては、信越化学工業株式会社製の二液硬化型シリコンゴムである品番:KE103(触媒cat−103を5%混合)と、同信越化学工業株式会社製の一液型シリコンゲルである品番:KE1151を重量比で1:2となるように混合した後、攪拌したものを使用した。また、エラストマ材料に混合されるカーボンナノチューブとしては、Shenzhen Nanotech Port Co.,LTD.,から販売されている単層カーボンナノチューブを使用した。なお、使用したカーボンナノチューブは、直径:2nm以上,チューブ長:0.5〜500μm,純度:90%以上,灰分:2wt%以下,比表面積:600m2 /g以上,非晶性カーボンの割合:3%以下とされている。 As an elastomer material in this example, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. two-part curable silicone rubber product number: KE103 (mixed with 5% of catalyst cat-103) and Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., one-pack type A silicon gel product number: KE1151 was mixed at a weight ratio of 1: 2, and then stirred. Carbon nanotubes mixed with the elastomer material include Shenzhen Nanotech Port Co. , LTD. Single-walled carbon nanotubes sold by, were used. The carbon nanotubes used had a diameter of 2 nm or more, tube length: 0.5 to 500 μm, purity: 90% or more, ash content: 2 wt% or less, specific surface area: 600 m 2 / g or more, ratio of amorphous carbon: 3% or less.

そして、このカーボンナノチューブを混入したエラストマ材料を十分に混合し、エラストマ材料におけるカーボンナノチューブの分散性の均一化を行った後、10mm(幅)×10mm(奥行)×5mm(高さ)の矩形ブロック形状の空間を内部に有する成形金型にエラストマ材料を注入して、150℃で1時間加熱して硬化させた後に脱型することにより、10mm(幅)×10mm(奥行)×5mm(高さ)の矩形ブロック形状に成形して、ブロック形状の成形体からなるセンサ本体10を得た(図1参照)。また、かかるセンサ本体10の成形に際しては、成形金型の高さ方向で対向する内部空間壁面に対して上下一対の銅板12,14をセットした状態でエラストマ材料を注入して成形することにより、センサ本体10の高さ方向両側端面に対してかかる一対の銅板12,14を、電極として固着せしめた。なお、本実施例において銅板12,14は、12mm(幅)×12mm(奥行)×0.2mm(高さ)の薄肉矩形板形状とされている。   Then, the elastomer material mixed with the carbon nanotubes is sufficiently mixed, and the dispersibility of the carbon nanotubes in the elastomer material is made uniform, and then a rectangular block of 10 mm (width) × 10 mm (depth) × 5 mm (height) 10 mm (width) x 10 mm (depth) x 5 mm (height) by injecting an elastomer material into a molding die having a shape space inside, and curing by heating at 150 ° C. for 1 hour, followed by demolding ) To obtain a sensor main body 10 made of a block-shaped molded body (see FIG. 1). Further, when molding the sensor body 10, by injecting and molding an elastomer material in a state where a pair of upper and lower copper plates 12, 14 are set on the inner space wall surfaces facing in the height direction of the molding die, A pair of copper plates 12 and 14 applied to both end surfaces in the height direction of the sensor body 10 were fixed as electrodes. In the present embodiment, the copper plates 12 and 14 have a thin rectangular plate shape of 12 mm (width) × 12 mm (depth) × 0.2 mm (height).

また、センサ本体10に固着された一対の銅板12,14に対してそれぞれ給電用リード線16が接続されている。さらに、これらの給電用リード線16を通じて、交流の検出電流給電装置18を接続することで、センサ本体10を含んで電気回路を構成した。また、かかる電気回路上には、交流電流や電圧の大きさに基づいて当該電気回路におけるインピーダンスの値を測定するインピーダンス検出装置20を接続した。これにより、本実施例における検出手段が、センサ本体10に固着された一対の銅板12,14と、一対の銅板12,14に接続された給電用リード線16と、給電用リード線16を通じてそれら銅板12,14に対して交流電圧を印加する検出電流給電装置18と、検出電流給電装置18で交流電圧を印加したことによるセンサ本体10のインピーダンスを検出するインピーダンス検出装置20とを含んで構成されている。   Further, power feeding lead wires 16 are connected to a pair of copper plates 12 and 14 fixed to the sensor body 10. Further, an electric circuit including the sensor main body 10 was configured by connecting an AC detection current power supply device 18 through these power supply lead wires 16. In addition, an impedance detection device 20 that measures the value of impedance in the electric circuit based on the magnitude of the alternating current or voltage is connected on the electric circuit. As a result, the detection means in the present embodiment is configured such that the pair of copper plates 12 and 14 fixed to the sensor body 10, the power supply lead wires 16 connected to the pair of copper plates 12 and 14, and the power supply lead wires 16. The detection current feeder 18 that applies an AC voltage to the copper plates 12 and 14 and the impedance detector 20 that detects the impedance of the sensor body 10 when the AC voltage is applied by the detection current feeder 18 are configured. ing.

なお、センサ本体10では、導電性フィラーとしてのカーボンナノチューブをエラストマ材料に混合して散在せしめることにより、多数のカーボンナノチューブが全体として誘導リアクタンス:Lと容量リアクタンス:Cを有している。また、検出電流給電装置18によってセンサ本体10に周波数:1kHzの交流電圧が印加された状態で、インピーダンス検出装置20において検出されるインピーダンス:Zの値が100Ω≦Z≦100MΩとなるようにセンサ本体10の材料や形状等が設定されている。また、好適には、周波数:1kHzの電圧が印加された状態において、検出されるインピーダンス:Zの値が1kΩ≦Z≦1MΩとなるようにされる。   In the sensor body 10, carbon nanotubes as conductive fillers are mixed and dispersed in an elastomer material, so that a large number of carbon nanotubes as a whole have an inductive reactance: L and a capacitive reactance: C. In addition, in a state where an AC voltage having a frequency of 1 kHz is applied to the sensor main body 10 by the detection current power supply device 18, the sensor main body such that the value of impedance: Z detected by the impedance detection device 20 satisfies 100Ω ≦ Z ≦ 100MΩ. Ten materials, shapes, and the like are set. Preferably, the value of the detected impedance Z is 1 kΩ ≦ Z ≦ 1 MΩ in a state where a voltage having a frequency of 1 kHz is applied.

このような構造とされたエラストマセンサ22を用いて、入力される歪み等に対応するインピーダンス変化の検出を有利に行うためには、検出されるインピーダンス:Zに対して抵抗:Rと誘導リアクタンス:Lと容量リアクタンス:Cが複合的に影響していることが望ましい。蓋し、抵抗:Rが支配的であって、誘導リアクタンス:L及び容量リアクタンス:Cの影響が殆どない場合には、インピーダンス変化の測定によって歪みを測定することによる測定可能な入力歪み領域の拡大といった優れた効果が十分に発揮されない。   In order to advantageously detect an impedance change corresponding to an input strain or the like using the elastomer sensor 22 having such a structure, a resistance: R and an inductive reactance: It is desirable that L and capacitive reactance: C have a complex influence. If the resistance: R is dominant and there is little influence of the inductive reactance: L and the capacitive reactance: C, the measurable input distortion region can be expanded by measuring the distortion by measuring the impedance change. Such excellent effects are not fully exhibited.

また、誘導リアクタンスと容量リアクタンスは、何れも印加電圧の周波数に応じて増減する。それ故、印加電圧の周波数を適宜に設定することにより、インピーダンスにおける抵抗と誘導リアクタンス及び容量リアクタンスの割合を適切に調節することが出来る。   Inductive reactance and capacitive reactance both increase and decrease according to the frequency of the applied voltage. Therefore, by appropriately setting the frequency of the applied voltage, the ratio of the resistance, the inductive reactance, and the capacitive reactance in the impedance can be adjusted appropriately.

このようなインピーダンスの測定に好適な印加電圧の周波数は、センサ本体10に対して外力が作用せしめられていない定常状態における印加電圧の周波数変化に対するインピーダンスの変化を実測する実験を行うことにより、容易に得ることが出来る。そこで、先ず、定常状態で振幅:±3.0Vの印加電圧をセンサ本体10に印加して、印加電圧の周波数を変化させることによるインピーダンス値の変化を実測する実験を行った。図2は、かかる定常状態におけるインピーダンスの周波数依存性の実測データの一例である。なお、本実施例においては、かかる実験に用いるインピーダンス検出装置20として、ヒューレットパッカードカンパニー製の誘電体テスト電極治具(品番:HP−16451B)とヒューレットパッカードカンパニー製のインピーダンスアナライザ(品番:HP−4194A)を採用した。   The frequency of the applied voltage suitable for the impedance measurement can be easily determined by performing an experiment for measuring the change in impedance with respect to the frequency change of the applied voltage in a steady state in which no external force is applied to the sensor body 10. Can be obtained. Therefore, first, an experiment was performed in which an applied voltage having an amplitude of ± 3.0 V was applied to the sensor body 10 in a steady state, and an impedance value change due to a change in the frequency of the applied voltage was measured. FIG. 2 is an example of measured data of the frequency dependence of impedance in such a steady state. In the present embodiment, as an impedance detection device 20 used for such an experiment, a dielectric test electrode jig (product number: HP-16451B) manufactured by Hewlett-Packard Company and an impedance analyzer (product number: HP-4194A) manufactured by Hewlett-Packard Company are used. )It was adopted.

図2に示された実験結果によれば、100kHz未満の周波数領域(A)においては、インピーダンスに抵抗が支配的に作用しており、誘導リアクタンスおよび容量リアクタンスは実質的にインピーダンスに影響を与えていない。一方、1MHzより高い周波数領域(C)においては、インピーダンスに対して誘導リアクタンスおよび容量リアクタンスが支配的に作用しており、抵抗が影響を及ぼしていない。また、100kHz以上1MHz以下の周波数領域(B)においては、インピーダンスに対して抵抗と誘導リアクタンスと容量リアクタンスが総合的に作用せしめられていることを確認することが出来る。それ故、周波数領域(A)と周波数領域(C)の移行領域である周波数領域(B)の周波数を印加電圧の周波数として採用することにより、インピーダンス:Zに対してR,L,Cが複合的に影響する好適な周波数に調節された印加電圧を実現できて、インピーダンス変化の測定を有利に行うことが出来るのである。なお、図2からも明らかなように、本実施例においては、100kHz以上且つ1MHz以下程度の周波数領域において、インピーダンス:Zに対してR,L,C成分が複合的に影響している。特に、実測結果によれば500kHz程度の周波数がインピーダンスの測定に好適な印加電圧の周波数であることから、本実施例では、以下の実験において、特に説明がない限り、振幅:±3.0V、周波数:500kHzの印加電圧を検出電流給電装置18によってセンサ本体10に対して印加するものとする。   According to the experimental results shown in FIG. 2, in the frequency region (A) of less than 100 kHz, the resistance mainly affects the impedance, and the inductive reactance and the capacitive reactance substantially affect the impedance. Absent. On the other hand, in the frequency region (C) higher than 1 MHz, the inductive reactance and the capacitive reactance are dominantly acting on the impedance, and the resistance has no influence. Further, in the frequency region (B) of 100 kHz or more and 1 MHz or less, it can be confirmed that resistance, inductive reactance, and capacitive reactance are caused to act comprehensively on the impedance. Therefore, by adopting the frequency of the frequency domain (B), which is the transition area between the frequency domain (A) and the frequency domain (C), as the frequency of the applied voltage, R, L, and C are combined with respect to the impedance Z. The applied voltage adjusted to a suitable frequency that influences the frequency can be realized, and the impedance change can be advantageously measured. As is clear from FIG. 2, in the present embodiment, the R, L, and C components affect the impedance: Z in a complex manner in a frequency range of about 100 kHz to 1 MHz. In particular, according to the actual measurement result, since the frequency of about 500 kHz is the frequency of the applied voltage suitable for impedance measurement, in this example, in the following experiment, unless otherwise specified, the amplitude: ± 3.0 V, Frequency: An applied voltage of 500 kHz is applied to the sensor body 10 by the detection current power supply device 18.

このような印加電圧の印加状態において、本実施例のセンサ本体10では、抵抗に対応するインピーダンスの実数項と誘導リアクタンスと容量リアクタンスの合計であるリアクタンスに対応するインピーダンスの虚数項の相対割合を示すtanθにおける位相角:θの絶対値|θ|が1≦|θ|≦π/2となっている。即ち、インピーダンスに対して抵抗とリアクタンスが何れも影響を及ぼすようにされているのである。なお、検出されるインピーダンスにおける抵抗とリアクタンスの相対割合を示すtanθにおいて、位相角:θの絶対値|θ|は、π/9≦θ≦π/3となっていることがより望ましい。   In such an applied voltage application state, the sensor body 10 of the present embodiment shows the relative ratio of the real number term of the impedance corresponding to the resistance and the imaginary number term of the impedance corresponding to the reactance which is the sum of the inductive reactance and the capacitive reactance. Phase angle at tan θ: The absolute value | θ | of θ is 1 ≦ | θ | ≦ π / 2. That is, both resistance and reactance influence the impedance. It is more desirable that the absolute value | θ | of the phase angle: θ is π / 9 ≦ θ ≦ π / 3 in tan θ indicating the relative ratio between resistance and reactance in the detected impedance.

次に、センサ本体10に対して振幅:±3.0V、周波数:500kHzの交流電圧を印加せしめて、同一の条件下でインピーダンス値の実測を10回行った。図3には、かかるインピーダンス値の実測データの一例が示されている。なお、比較対象として、同一条件下で電圧をL、C成分を有していない直流抵抗に印加して、抵抗値の実測を10回行った結果を図3に実測データとして示す。   Next, an AC voltage having an amplitude of ± 3.0 V and a frequency of 500 kHz was applied to the sensor body 10, and the impedance value was actually measured 10 times under the same conditions. FIG. 3 shows an example of actual measurement data of such impedance values. As a comparison object, the results of 10 measurements of the resistance value by applying a voltage to a DC resistor having no L and C components under the same conditions are shown as measured data in FIG.

図3に示された実測データによれば、センサ本体10におけるインピーダンスの実測結果は、直流抵抗の実測結果に比べて、略同一条件下での複数回の測定において測定値のばらつきが小さいことが明らかである。即ち、10回の測定を行った結果において、インピーダンス値を測定した場合には標準偏差:σが0.037であるのに対して、直流抵抗値を測定した場合には、標準偏差:σが0.1457であり、インピーダンス値を測定した場合の方がより平均値に近いデータを安定して得ることが出来ていることが実測データにより証明されている。また、測定値の最大値と最小値の差は、インピーダンス値を測定した測定結果では0.11546であるのに対して、直流抵抗値を測定した測定結果では0.45であり、最大値と最小値のばらつきにも、顕著な差が見られる。蓋し、このような実測結果の傾向は、抵抗:Rと誘導リアクタンス:Lと容量リアクタンス:Cによって構成されるインピーダンス:Zを測定することにより、抵抗:Rのみで構成された直流抵抗:Rを検出する場合に比して、安定した測定結果を得ることが出来るものと考えられる。   According to the actual measurement data shown in FIG. 3, the actual measurement result of the impedance in the sensor main body 10 has a smaller variation in the measurement value in a plurality of measurements under substantially the same condition as compared with the actual measurement result of the DC resistance. it is obvious. That is, in the result of 10 measurements, when the impedance value is measured, the standard deviation: σ is 0.037, whereas when the DC resistance value is measured, the standard deviation: σ is It is 0.1457, and it is proved by the actual measurement data that the data closer to the average value can be stably obtained when the impedance value is measured. Further, the difference between the maximum value and the minimum value of the measured value is 0.11546 in the measurement result of measuring the impedance value, whereas it is 0.45 in the measurement result of measuring the DC resistance value. There is also a noticeable difference in the variation of the minimum value. Then, the tendency of such an actual measurement result is as follows. By measuring impedance: Z constituted by resistance: R, inductive reactance: L, and capacitive reactance: C, DC resistance: R constituted only by resistance: R It is considered that a stable measurement result can be obtained as compared with the case of detecting.

次に、センサ本体10に対して振幅:±3.0Vの交流電圧を印加せしめた状態で、センサ本体10に対して一対の銅板12,14の対向方向に静的な圧縮歪みを加えて、センサ本体10の弾性変形に伴うインピーダンス変化を実測する実験を行った。図4には、本実験における実測データの一例が示されている。なお、この実験においては、印加電圧の周波数がそれぞれ1kHz、10kHz、500kHzとされた3つのパターンに対して実験を行い、歪み−インピーダンス特性をそれぞれ実測した。   Next, in a state where an AC voltage having an amplitude of ± 3.0 V is applied to the sensor body 10, a static compressive strain is applied to the sensor body 10 in the opposing direction of the pair of copper plates 12 and 14, An experiment was conducted to measure the impedance change accompanying the elastic deformation of the sensor body 10. FIG. 4 shows an example of actual measurement data in this experiment. In this experiment, experiments were performed on three patterns in which the frequency of the applied voltage was 1 kHz, 10 kHz, and 500 kHz, respectively, and the distortion-impedance characteristics were measured.

図4に示された実測データでは、測定されるインピーダンス値とセンサ本体10に入力される圧縮歪みの大きさとの間に直線的な関連性があることがわかる。即ち、入力歪みの大きさに対して測定されるインピーダンス値が略比例していることが図4のグラフより明らかである。このような歪み−インピーダンス特性によれば、測定されるインピーダンス変化から入力された静的歪みの大きさを精度良く検出することが可能である。   In the actual measurement data shown in FIG. 4, it can be seen that there is a linear relationship between the measured impedance value and the magnitude of the compressive strain input to the sensor body 10. That is, it is clear from the graph of FIG. 4 that the impedance value measured with respect to the magnitude of the input distortion is substantially proportional. According to such strain-impedance characteristics, it is possible to accurately detect the magnitude of the static strain input from the measured impedance change.

なお、前記センサ本体における静的な歪と検出される前記インピーダンス:Zとが線形性を有する領域が、該センサ本体における歪み率(ε)の範囲:ε(1)〜ε(2)の領域に亘っており、|ε(1)−ε(2)|≧5(%)とされていることが望ましい。   The region where the static strain in the sensor body and the detected impedance Z are linear is the range of strain rate (ε) in the sensor body: ε (1) to ε (2) It is desirable that | ε (1) −ε (2) | ≧ 5 (%).

なお、本実施例においては、少なくともセンサ本体の歪み率が5%以内となる変形範囲で入力歪みとそれに対応するインピーダンス変化が線形性を有するようになっている。また、センサ本体の歪み率が20%以内となる変形範囲で歪みとインピーダンス変化が線形性を有することが望ましく、センサ本体の歪み率が50%以内となる変形範囲で歪みとインピーダンス変化が線形性を有することがより望ましい。   In this embodiment, at least in the deformation range where the distortion rate of the sensor body is within 5%, the input distortion and the corresponding impedance change have linearity. Further, it is desirable that the distortion and impedance change have linearity in a deformation range where the distortion rate of the sensor body is within 20%, and the distortion and impedance change are linear in a deformation range where the distortion rate of the sensor body is within 50%. It is more desirable to have

また、図4の実測結果を示すグラフでは、印加電圧の周波数が小さくなると、同じ歪みに対するインピーダンスの値が大きくなっている。従って、予測される入力歪みの大きさに応じて図2における周波数領域(B)の範囲で印加電圧の周波数を調節することにより、測定の感度を容易に調節することが出来る。   Further, in the graph showing the actual measurement result of FIG. 4, when the frequency of the applied voltage is decreased, the impedance value for the same distortion is increased. Therefore, the sensitivity of the measurement can be easily adjusted by adjusting the frequency of the applied voltage in the frequency range (B) in FIG. 2 in accordance with the predicted magnitude of the input distortion.

次に、センサ本体10に対して振幅:±3.0V、周波数:500kHzの交流電圧を印加せしめた状態で、センサ本体14に対して一対の銅板12,14の対向方向に動的な圧縮歪みを加えて、センサ本体10の弾性変形に伴うインピーダンス変化に対応する出力電圧(mV)(インピーダンスに換算していない値を示す。)として計測した。図5には、かかる動的な入力歪みに対するインピーダンス変化の実測データの一例が示されている。   Next, in a state where an AC voltage having an amplitude of ± 3.0 V and a frequency of 500 kHz is applied to the sensor body 10, a dynamic compressive strain is applied to the sensor body 14 in the opposing direction of the pair of copper plates 12 and 14. And measured as an output voltage (mV) corresponding to an impedance change accompanying elastic deformation of the sensor body 10 (showing a value not converted to impedance). FIG. 5 shows an example of actual measurement data of impedance change with respect to such dynamic input distortion.

図5に示された実測データにおいて、実測値は直線的関連性の度合いが大きく、入力歪みが正弦的な動的歪みの場合においても、入力歪みに対応するインピーダンス変化を測定することによって入力歪みの大きさを精度良く測定可能であることが明らかである。即ち、例えば、振動体としてのエンジンの振動等といった動的な歪みの入力に対しても、本実施例のセンサ本体10を用いたインピーダンス変化の測定によって、高精度なセンシングを実現することが出来るのである。   In the actual measurement data shown in FIG. 5, the actual measurement value has a large degree of linear relevance, and even when the input distortion is a sinusoidal dynamic distortion, the input distortion is measured by measuring the impedance change corresponding to the input distortion. It is clear that the size of can be measured with high accuracy. That is, for example, even for dynamic strain input such as vibration of an engine as a vibrating body, high-precision sensing can be realized by measuring impedance change using the sensor body 10 of the present embodiment. It is.

また、図5中に示されているように、本実施例では、前記センサ本体における動的な歪みと検出される前記インピーダンス:Zとが、歪み率(ε)の範囲:ε(1)〜ε(2)の領域において線形性を有しており、かかる歪み率の範囲においてより高精度な検出を好適に実現することが可能とされているのである。なお、図5からも明らかなように、本実施例では、ε(1)は歪み量が0μmの場合の歪み率であり、ε(2)は歪み量がおよそ300μmの場合の歪み率とされている。   Further, as shown in FIG. 5, in this embodiment, the dynamic strain in the sensor body and the detected impedance: Z are in the range of strain rate (ε): ε (1) to It has linearity in the region of ε (2), and it is possible to suitably realize highly accurate detection within the range of the distortion rate. As is apparent from FIG. 5, in this embodiment, ε (1) is the strain rate when the strain amount is 0 μm, and ε (2) is the strain rate when the strain amount is approximately 300 μm. ing.

なお、入力歪みによるセンサ本体10の歪み率が5%以下となる変形範囲において入力される動的歪みの振幅とかかる入力歪みに対応するインピーダンス変化に対応する出力電圧が線形性を有していることが望ましい。また、センサ本体10の材料を適当に調製すること等により、より好適には、入力歪みによるセンサ本体10の歪み率が20%以下となる変形範囲において入力される動的歪みの振幅とかかる入力歪みに対応するインピーダンス変化に対応する出力電圧が線形性を有するようにされており、更に好適には、センサ本体10の歪み率が50%以下となる変形範囲において、入力される動的歪みの振幅とかかる入力歪みに対応するインピーダンス変化に対応する出力電圧が線形性を有するようにされている。   Note that the amplitude of the dynamic strain input in the deformation range where the distortion rate of the sensor body 10 due to the input strain is 5% or less and the output voltage corresponding to the impedance change corresponding to the input strain have linearity. It is desirable. In addition, by appropriately preparing the material of the sensor body 10 and the like, more preferably, the amplitude of the dynamic strain input in the deformation range in which the distortion rate of the sensor body 10 due to the input strain is 20% or less and the input. The output voltage corresponding to the impedance change corresponding to the distortion has linearity, and more preferably, in the deformation range where the distortion rate of the sensor body 10 is 50% or less, The output voltage corresponding to the impedance and the impedance change corresponding to the input distortion has linearity.

このような本実施例に従う構造とされたエラストマセンサ22においては、周波数:1kHzの印加電圧を印加した場合にインピーダンス:Zが100Ω≦Z≦100MΩとなるようにセンサ本体10が構成されていると共に、印加電圧の周波数が適当に設定されること等により、インピーダンス:Zにおける抵抗:Rとリアクタンスとの相対割合を示すtanθにおける位相角:θの絶対値|θ|が1≦|θ|≦π/2とされている。これにより、抵抗:Rと誘導リアクタンス:Lと容量リアクタンス:Cが総合的に影響したインピーダンス:Zの変化によって入力歪み等を測定することが出来て、幅広い大きさの歪み入力に対して、高精度な検出を安定して実現することが出来る。   In the elastomer sensor 22 having the structure according to the present embodiment, the sensor body 10 is configured so that the impedance Z is 100Ω ≦ Z ≦ 100 MΩ when an applied voltage having a frequency of 1 kHz is applied. When the frequency of the applied voltage is appropriately set, etc., the absolute value | θ | of tan θ indicating the relative ratio of the resistance: R and reactance in impedance: Z is θ ≦ 1 || θ | / 2. As a result, it is possible to measure an input distortion or the like by a change in impedance: Z, which is comprehensively affected by resistance: R, inductive reactance: L, and capacitive reactance: C. Accurate detection can be realized stably.

特に、本実施例のエラストマセンサ22では、R,L,Cが適当な割合で含まれていることから、導電性フィラー(カーボンナノチューブ)の混合量が比較的多く、ある程度の歪み入力時に抵抗が略0となる場合において、それ以上の大きさの歪みが入力された場合であっても、誘導リアクタンスと容量リアクタンスが変化することによってインピーダンスが変化せしめられて、歪みが測定されるようになっている。また一方、導電性フィラーの混合量が比較的少なく、微小な歪みの入力時に抵抗の変化が生じない場合においても、誘導リアクタンスや容量リアクタンスの変化によってインピーダンスの変化が測定されるようになっているのである。   In particular, in the elastomer sensor 22 of this embodiment, R, L, and C are contained at an appropriate ratio, so that the amount of conductive filler (carbon nanotubes) mixed is relatively large, and resistance when a certain amount of strain is input. Even when a strain larger than that is input in the case of being almost zero, the impedance is changed by changing the inductive reactance and the capacitive reactance, and the strain is measured. Yes. On the other hand, even when the amount of conductive filler mixed is relatively small and no change in resistance occurs when a minute strain is input, the change in impedance is measured by the change in inductive reactance or capacitive reactance. It is.

さらに、抵抗,誘導リアクタンス,容量リアクタンスをバランス良く含んだインピーダンスの変化を測定することにより、直流抵抗の変化を測定する場合に比して、測定結果のばらつきが抑えられて、より高精度な測定結果を得ることが可能となる。   Furthermore, by measuring the change in impedance that includes resistance, inductive reactance, and capacitive reactance in a well-balanced manner, variations in measurement results are suppressed compared to when measuring changes in DC resistance, resulting in more accurate measurements. The result can be obtained.

さらに、エラストマ材料に混合された多数のカーボンナノチューブの全体によって誘導リアクタンスと容量リアクタンスを有するようにされていることから、エラストマ材料に混合されるカーボンナノチューブ等の導電性フィラーとしてコイル状のカーボンマイクロコイル等の特殊な導電性フィラーを採用することなく、R,L,Cを含んだインピーダンスの変化の測定を容易に実現することが出来る。それ故、特殊な材料を使用しないことによる生産性の向上や製造コストの低減を実現することが出来る。   In addition, since a large number of carbon nanotubes mixed with the elastomer material have an inductive reactance and a capacitive reactance, a coiled carbon microcoil is used as a conductive filler such as carbon nanotubes mixed with the elastomer material. Measurement of a change in impedance including R, L, and C can be easily realized without employing a special conductive filler such as. Therefore, productivity can be improved and manufacturing costs can be reduced by not using special materials.

また、本実施例のエラストマセンサ22におけるセンサ本体10は、エラストマ材料にカーボンナノチューブを混合して形成されていることから、形状や材料物性を比較的自由に設定可能であり、加工形状の設計自由度を大きく得ることが出来る。   In addition, since the sensor body 10 in the elastomer sensor 22 of the present embodiment is formed by mixing carbon nanotubes with an elastomer material, the shape and material properties can be set relatively freely, and the design shape of the processed shape can be freely set. A large degree can be obtained.

次に、図6には、本発明の第二の実施例としてのエラストマセンサ24が示されている。なお、以下の説明において、前記第一の実施例と実質的に同一の部材乃至部位については、図中に同一の符号を付すことにより説明を省略する。   Next, FIG. 6 shows an elastomer sensor 24 as a second embodiment of the present invention. In the following description, members and portions that are substantially the same as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof is omitted.

すなわち、本実施例におけるエラストマセンサ24では、前記第一の実施例に示されたエラストマ材料と同じエラストマ材料に対して、微細な炭素繊維を導電性フィラーとして混合したセンサ本体26が採用されている。かかる炭素繊維としては、任意の炭素繊維が採用可能であるが、好適には繊維径が10μm以下であると共に、繊維長が1mm以下であることが望ましい。蓋し、繊維径が大きい、若しくは、繊維長が長い炭素繊維では、エラストマ材料に混合された状態において十分に分散せしめることが困難となるおそれがある。なお、特に本実施例では、炭素繊維として、昭和電工株式会社が販売している微細炭素繊維(登録商標:VGCF)を採用しており、繊維径:150nm,繊維長:9μm,抵抗率:0.013Ω・cmとされている。   That is, the elastomer sensor 24 in this embodiment employs a sensor body 26 in which fine carbon fibers are mixed as a conductive filler with the same elastomer material as that shown in the first embodiment. . Any carbon fiber can be used as the carbon fiber, but it is preferable that the fiber diameter is 10 μm or less and the fiber length is 1 mm or less. When the carbon fiber is covered and has a large fiber diameter or a long fiber length, it may be difficult to sufficiently disperse the carbon fiber in a state of being mixed with the elastomer material. In particular, in this example, a fine carbon fiber (registered trademark: VGCF) sold by Showa Denko Co., Ltd. is adopted as the carbon fiber, the fiber diameter: 150 nm, the fiber length: 9 μm, and the resistivity: 0. .013 Ω · cm.

このようなエラストマセンサ24を用いて、前記第一の実施例と略同様な実測を行った実測データを、図7〜図9に示す。これらの実測データによれば、本実施例におけるエラストマセンサ24によっても、前記第一の実施例と同様に、印加電圧の好適な周波数の選定を容易に実現できて、かかる周波数の印加電圧を用いてインピーダンス:Zの変化を測定することにより、静的及び動的な入力歪み等を有利に測定することが可能である。要するに、エラストマ材料に混合される導電性フィラーとして、微細な炭素繊維を採用したセンサ本体26によっても、精度良くインピーダンス変化の測定を実現することが出来るのである。   7 to 9 show actual measurement data obtained by performing an actual measurement similar to that of the first embodiment using the elastomer sensor 24 as described above. According to these measured data, the elastomer sensor 24 in the present embodiment can easily select a suitable frequency for the applied voltage as in the first embodiment, and use the applied voltage at the frequency. By measuring the change of impedance: Z, static and dynamic input distortions can be advantageously measured. In short, the impedance change can be measured with high accuracy even by the sensor body 26 employing fine carbon fibers as the conductive filler mixed with the elastomer material.

以上、本発明の幾つかの実施例について説明してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施例における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。   As mentioned above, although several Example of this invention was described, this is an illustration to the last, Comprising: This invention is not interpreted limitedly by the specific description in this Example.

例えば、前記第一,第二の実施例では、導電性フィラーとしてカーボンナノチューブや微細な炭素繊維を採用した例を示したが、導電性フィラーは、これらカーボンナノチューブや炭素繊維に限定されるものではない。具体的には、例えば、導電性フィラーとしてカーボンブラック(例えば、ライオン株式会社から販売されているケッチェンブラック等)を採用することも可能である。また、導電性フィラーは、カーボンナノチューブ等の中空炭素繊維や、微細炭素繊維や、カーボンブラック等の粒子状炭素のような炭素系材料に限定されるものではなく、ナノ金属粒子等を含む金属粒子や導電性高分子,イオン性化合物なども導電性フィラーとして採用され得る。   For example, in the first and second embodiments, carbon nanotubes and fine carbon fibers are used as the conductive filler. However, the conductive filler is not limited to these carbon nanotubes and carbon fibers. Absent. Specifically, for example, carbon black (for example, ketjen black sold by Lion Corporation) can be employed as the conductive filler. In addition, the conductive filler is not limited to carbon-based materials such as hollow carbon fibers such as carbon nanotubes, fine carbon fibers, and particulate carbon such as carbon black, but metal particles including nano metal particles , Conductive polymers, ionic compounds, and the like can also be employed as the conductive filler.

また、導電性フィラーは、必ずしも一種類の材料によって構成されている必要はなく、複数種類の材料を混合して採用することも可能であって、より有効な導電性や分散性を実現することも可能となり得る。   In addition, the conductive filler does not necessarily need to be composed of one type of material, and it is possible to employ a mixture of multiple types of materials, realizing more effective conductivity and dispersibility. Can also be possible.

また、前記第一の実施例に示されているように、導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを採用する場合においても、その直径やチューブ長、或いは、形状等は、前記実施例における具体的な記載によって何等限定されるものではない。なお、カーボンナノチューブの直径やチューブ長は、エラストマ材料内での導電性フィラーの分散性やセンサ本体10の導電性を良好に得るために、小径でチューブ長が短いカーボンナノチューブが望ましい。   In addition, as shown in the first embodiment, even when carbon nanotubes are used as the conductive filler, the diameter, tube length, shape, etc., are determined according to the specific description in the embodiment. It is not limited at all. The diameter and the tube length of the carbon nanotubes are desirably carbon nanotubes having a small diameter and a short tube length in order to obtain good dispersibility of the conductive filler in the elastomer material and good conductivity of the sensor body 10.

また、前記第一,第二の実施例では、二液硬化型シリコンゴムと一液型シリコンゲルを重量比で1:2となるように混合・攪拌してエラストマ材料を構成していたが、かかるエラストマ材料は前記実施例に記載のものに何ら限定されることはなく、他の任意の汎用エラストマも採用することが可能である。なお、エラストマ材料に混合される導電性フィラーの良好な分散性を実現するために、好適には、粘度の低い液状ポリマーが採用される。   In the first and second embodiments, the two-part curable silicone rubber and the one-part silicone gel are mixed and stirred so that the weight ratio is 1: 2, and the elastomer material is configured. Such an elastomer material is not limited to those described in the above-described embodiments, and any other general-purpose elastomer can be used. In addition, in order to implement | achieve the favorable dispersibility of the electroconductive filler mixed with an elastomer material, the liquid polymer with a low viscosity is employ | adopted suitably.

また、例えば、エンジンマウント等にエラストマセンサ22,24を用いる場合であって、エラストマセンサ22,24に対して初期荷重が作用せしめられる場合には、かかる初期荷重が作用せしめられた状態において、周波数1kHzの印加電圧での測定でインピーダンス:Zが100Ω≦Z≦100MΩとなるようにされている。   Further, for example, when the elastomer sensors 22 and 24 are used for an engine mount or the like and an initial load is applied to the elastomer sensors 22 and 24, the frequency is set in a state where the initial load is applied. Impedance: Z is set to satisfy 100Ω ≦ Z ≦ 100MΩ by measurement at an applied voltage of 1 kHz.

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更,修正,改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。   In addition, although not enumerated one by one, the present invention can be carried out in a mode to which various changes, modifications, improvements and the like are added based on the knowledge of those skilled in the art. It goes without saying that all are included in the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention.

本発明の第一の実施例としてのエラストマセンサを実験装置にセットした状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the state which set the elastomer sensor as 1st Example of this invention to the experiment apparatus. 図1に示された実験装置で実施例としてのエラストマセンサの印加電圧の周波数変化に対するインピーダンスの変化を実測した実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result which measured the change of the impedance with respect to the frequency change of the applied voltage of the elastomer sensor as an Example with the experimental apparatus shown by FIG. 図1に示された実験装置で実施例としてのエラストマセンサの出力を実測した実験結果を示す表である。It is a table | surface which shows the experimental result which measured the output of the elastomer sensor as an Example with the experimental apparatus shown by FIG. 図1に示された実験装置で実施例としてのエラストマセンサの静的圧縮力作用時における印加電圧の周波数別での歪み−インピーダンス特性を示すグラフである。It is a graph which shows the distortion-impedance characteristic according to the frequency of the applied voltage at the time of the static compressive force effect | action of the elastomer sensor as an Example by the experimental apparatus shown by FIG. 図1に示された実験装置で実施例としてのエラストマセンサの動的圧縮力作用時における歪み−インピーダンス特性を示すグラフである。It is a graph which shows the distortion-impedance characteristic at the time of the dynamic compressive force effect | action of the elastomer sensor as an Example by the experimental apparatus shown by FIG. 本発明の第二の実施例としてのエラストマセンサを実験装置にセットした状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the state which set the elastomer sensor as 2nd Example of this invention to the experiment apparatus. 図6に示された実験装置で実施例としてのエラストマセンサの印加電圧の周波数変化に対するインピーダンスの変化を実測した実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result which measured the change of the impedance with respect to the frequency change of the applied voltage of the elastomer sensor as an Example with the experimental apparatus shown by FIG. 図6に示された実験装置で実施例としてのエラストマセンサの静的圧縮力作用時における印加電圧の周波数別での歪み−インピーダンス特性を示すグラフである。It is a graph which shows the distortion-impedance characteristic according to the frequency of the applied voltage at the time of the static compressive force effect | action of the elastomer sensor as an Example by the experimental apparatus shown by FIG. 図6に示された実験装置で実施例としてのエラストマセンサの動的圧縮力作用時における歪み−インピーダンス特性を示すグラフである。It is a graph which shows the distortion-impedance characteristic at the time of the dynamic compressive force effect | action of the elastomer sensor as an Example with the experimental apparatus shown by FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 センサ本体
12 銅板
14 銅板
18 給電用リード
20 検出電流給電装置
22 インピーダンス検出装置
24 エラストマセンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sensor main body 12 Copper plate 14 Copper plate 18 Feeding lead 20 Detecting current feeding device 22 Impedance detecting device 24 Elastomer sensor

Claims (4)

エラストマに導電性フィラーを混合せしめたセンサ本体と、該センサ本体のインピーダンスを検出するための検出用電極とを備えたエラストマセンサにおいて、
前記センサ本体における前記導電性フィラーとして粒状又は線状の微小フィラーが採用されており、前記検出用電極に対する周波数1kHzの検出用の交流電圧の印加状態で検出されるインピーダンス:Zが100Ω≦Z≦100MΩとされていると共に、検出する荷重の作用状態下での検出用の交流電圧と検出されたインピーダンスとの位相角:θが1度≦|θ|≦90度とされていることを特徴とするエラストマセンサ。
In an elastomer sensor comprising a sensor body in which an elastomer is mixed with a conductive filler, and a detection electrode for detecting the impedance of the sensor body,
A granular or linear fine filler is employed as the conductive filler in the sensor body, and impedance detected when an AC voltage for detection having a frequency of 1 kHz is applied to the detection electrode: Z is 100Ω ≦ Z ≦ The phase angle between the AC voltage for detection and the detected impedance under the action state of the load to be detected: θ is 1 degree ≦ | θ | ≦ 90 degrees. Elastomer sensor.
前記センサ本体において互いに異なる場所に固着された複数の電極によって前記検出用電極が構成されている請求項1に記載のエラストマセンサ。   The elastomer sensor according to claim 1, wherein the detection electrode is configured by a plurality of electrodes fixed to different positions in the sensor body. 前記センサ本体における動的な歪と検出される前記インピーダンス:Zとが線形性を有する領域が、該センサ本体における歪み率(ε)の範囲:ε(1)〜ε(2)の領域に亘っており、|ε(1)−ε(2)|≧5(%)とされている請求項1又は2に記載のエラストマセンサ。   The region where the dynamic strain in the sensor body and the detected impedance: Z are linear covers the range of strain rate (ε) in the sensor body: ε (1) to ε (2). The elastomer sensor according to claim 1, wherein | ε (1) −ε (2) | ≧ 5 (%). 請求項1乃至3の何れか一項に記載のエラストマセンサを振動体に装着せしめて、該振動体の振動に伴う該エラストマセンサの前記センサ本体における動的な弾性変形を、該センサ本体のインピーダンス変化として前記検出手段で検出することによって該振動体の振動状態を検出することを特徴とする振動検出方法。
The elastomer sensor according to any one of claims 1 to 3 is attached to a vibration body, and dynamic elastic deformation of the sensor body of the elastomer sensor due to vibration of the vibration body is caused by impedance of the sensor body. A vibration detection method characterized by detecting a vibration state of the vibrating body by detecting the change by the detection means.
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