JP2008304390A - Sensor module - Google Patents

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Hiroyuki Sato
寛之 佐藤
Kazuo Onishi
和夫 大西
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ADM Inc
Eamex Corp
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ADM Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a suitable sensor module that allows use in a wide field and operates stably, as a sensor using a flexible element. <P>SOLUTION: The sensor module 10 includes a flexible element 13 where a plurality of metal electrode layers are separated in electrical insulation and formed on a surface of ion-exchange resin, a case having the flexible element 13 inside, and a connector section for transmitting the electric energy generated by deformation of the flexible element 13 to the outside of the case. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、イオン交換樹脂の表面に複数の金属電極層が互いに電気絶縁的に分離されて形成された可撓性素子を用いたセンサモジュールに関する。   The present invention relates to a sensor module using a flexible element in which a plurality of metal electrode layers are electrically isolated from each other on the surface of an ion exchange resin.

機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する可撓性素子として、本願出願人による先行出願の構成が公知である(特許文献1)。この構成の可撓性素子は、イオン交換樹脂層上に電極層が形成されたイオン交換樹脂複合体である可撓性素子であって、該電極層がイオン交換樹脂層上に複数形成されたことを特徴とし、該素子の変形を電気エネルギーに変換することができる。そして、この可撓性素子の応用として、各種センサへの応用について記載している。
特開2005−39995号公報
As a flexible element that converts mechanical energy into electrical energy, a configuration of a prior application by the present applicant is known (Patent Document 1). The flexible element having this configuration is a flexible element that is an ion exchange resin composite in which an electrode layer is formed on an ion exchange resin layer, and a plurality of the electrode layers are formed on the ion exchange resin layer. The deformation of the element can be converted into electric energy. And as an application of this flexible element, the application to various sensors is described.
JP 2005-39995 A

上記特許文献1に記載の可撓性素子を用いたセンサとしては、幅広い分野での使用が望まれている。また、可撓性素子をセンサとして用いる場合に、その安定動作のために、外部環境の影響を低減し、かつ異物等との接触による不具合を無くすことが必要である。   As a sensor using the flexible element described in Patent Document 1, use in a wide range of fields is desired. In addition, when a flexible element is used as a sensor, it is necessary to reduce the influence of the external environment and eliminate problems caused by contact with foreign matter or the like for stable operation.

そこで、本発明の目的は、可撓性素子を用いたセンサとして、幅広い分野での使用を可能とし、かつ安定に動作する好適なセンサモジュールを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a suitable sensor module that can be used in a wide range of fields as a sensor using a flexible element and that operates stably.

上記課題を解決するため、本発明のセンサモジュールは、
イオン交換樹脂の表面に複数の金属電極層が互いに電気絶縁的に分離されて形成された可撓性素子と、
前記可撓性素子を内部に設ける筐体と、
前記可撓性素子の変形によって生じる電気エネルギーを前記筐体外部に伝達するコネクタ部と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the sensor module of the present invention is:
A flexible element formed by electrically insulating a plurality of metal electrode layers from each other on the surface of an ion exchange resin;
A housing in which the flexible element is provided;
And a connector portion that transmits electric energy generated by deformation of the flexible element to the outside of the housing.

この構成によれば、筐体内部の可撓性素子の変形による電気エネルギーをコネクタ部によって筐体外部に好適に取り出せる。また、筐体内部に可撓性素子が設けられているため、可撓性素子に対する外的環境の影響を低減し、直接の機械的衝撃が加わることがなく、センサとして安定に作動することができる。また、筐体形状のモジュール化によって、汎用部品化し、他装置に組み込み容易となり、幅広い用途に用いることができる。   According to this configuration, the electrical energy generated by the deformation of the flexible element inside the housing can be suitably taken out of the housing by the connector portion. In addition, since a flexible element is provided inside the housing, the influence of the external environment on the flexible element is reduced, no direct mechanical shock is applied, and the sensor can operate stably. it can. In addition, the modularization of the housing shape makes it a general-purpose component that can be easily incorporated into other devices and can be used for a wide range of applications.

また、本発明において前記筐体は、円柱状または角柱状であって、前記可撓性素子の変形を許容するように構成されていることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the casing has a columnar shape or a prismatic shape, and is configured to allow deformation of the flexible element.

センサとして機能させる場合に、可撓性素子を変形させることが必要であり、方位を検出するためには、方位に依存した変形方位を制限することも可能であり、また、空間的制限を設けないように構成することもできる。また、対となる金属電極を複数設けることで、複数の方位検出ができる。また、可撓性素子を複数個筐体内部に設置することで、多軸の方位検出もできる。筐体の形状は、モジュール化にあたり、他装置に組み込みやすい形状が好ましく、この観点からすれば、円柱状、角柱状が好ましい。角柱状としては、特に制限されないが、4角柱、6角柱、8角柱等が例示できる。   When functioning as a sensor, it is necessary to deform the flexible element, and in order to detect the orientation, it is possible to restrict the orientation depending on the orientation, and to provide a spatial restriction. It can also be configured so as not to exist. Moreover, a plurality of directions can be detected by providing a plurality of pairs of metal electrodes. Further, by installing a plurality of flexible elements inside the housing, multi-axis orientation detection can also be performed. The shape of the housing is preferably a shape that can be easily incorporated into other devices when modularized. From this viewpoint, a cylindrical shape and a prismatic shape are preferable. The prismatic shape is not particularly limited, and examples thereof include a quadrangular column, a hexagonal column, and an octagonal column.

また、本発明において前記電気エネルギーを増幅する増幅部をさらに備えることを特徴とする。   The present invention is further characterized by further comprising an amplifying unit for amplifying the electric energy.

この構成によれば、可撓性素子の変形による電気エネルギーを増幅することができ、センサモジュールの用途によって必要とされる電気エネルギー量に依存して増幅させることができるため、より幅広い用途に拡張することができる。   According to this configuration, the electric energy due to the deformation of the flexible element can be amplified, and can be amplified depending on the amount of electric energy required by the application of the sensor module. can do.

(可撓性素子)
本発明に用いられる可撓性素子は、イオン交換樹脂の表面に複数の金属電極層が互いに電気的に絶縁されるように分離されて形成されているものである。この可撓性素子は、その変形によって電気エネルギーが生じる。この性質を利用して、各種センサに応用できるものであって、特に、本実施形態では、加速度センサ、衝撃感知センサとしての用途について説明する。まず、可撓性素子について説明する。
(可撓性素子)
(Flexible element)
The flexible element used in the present invention is formed by separating a plurality of metal electrode layers on the surface of an ion exchange resin so as to be electrically insulated from each other. This flexible element generates electrical energy due to its deformation. Utilizing this property, it can be applied to various sensors. In particular, in this embodiment, applications as an acceleration sensor and an impact detection sensor will be described. First, the flexible element will be described.
(Flexible element)

イオン交換樹脂複合体は、公知の方法により得ることができる。例えば、イオン交換樹脂に無電解メッキをすることにより金属層を形成し、該金属層を金属電極層として用いることにより、前記イオン交換樹脂複合体を得ることができる。   The ion exchange resin complex can be obtained by a known method. For example, the ion exchange resin composite can be obtained by forming a metal layer by electroless plating on an ion exchange resin and using the metal layer as a metal electrode layer.

前記無電解メッキとしては、例えば、粗面化処理を行った後に、水中に浸漬してイオン交換樹脂を膨潤させた状態で、イオン交換樹脂に白金錯体や金錯体等の金属錯体を吸着させる吸着工程を行い、次いで吸着された金属錯体を還元剤により還元させて金属を析出させる還元工程を行い、所望により還元剤を洗浄除去する洗浄工程を行う無電解メッキ方法を好適に用いることができる。この無電解メッキでは、電極である電極層を通電や湾曲をさせるのに充分な厚さとするために、吸着工程、還元工程及び洗浄工程を繰り返し行うこともできる。このようにして得られたイオン交換樹脂複合体は、イオン交換樹脂の内部方向に電極層が成長して電極が形成され、イオン交換樹脂と電極層との界面において、電極層の断面がフラクタル状の構造を形成しているので、前記電極層と前記イオン交換樹脂層との界面で大きな電気二重層を持つことができる。更に、前記電極層がイオン交換樹脂層の内部方向にフラクタル状の構造を形成しているので、アンカー効果が働くために、前記イオン交換樹脂複合体は、繰り返し曲げても耐久性を有する。   As the electroless plating, for example, after performing a roughening treatment, the ion exchange resin is adsorbed to adsorb a metal complex such as a platinum complex or a gold complex in a state where the ion exchange resin is swollen by being immersed in water. An electroless plating method can be suitably used in which a step is performed, a reduction step is performed in which the adsorbed metal complex is reduced with a reducing agent to deposit a metal, and a cleaning step is performed to remove the reducing agent as desired. In this electroless plating, the adsorption process, the reduction process, and the cleaning process can be repeated in order to make the electrode layer, which is an electrode, thick enough to energize or bend. In the ion exchange resin composite thus obtained, an electrode layer grows in the inner direction of the ion exchange resin to form an electrode, and the cross section of the electrode layer is fractal at the interface between the ion exchange resin and the electrode layer. Therefore, it is possible to have a large electric double layer at the interface between the electrode layer and the ion exchange resin layer. Furthermore, since the electrode layer forms a fractal structure in the inner direction of the ion exchange resin layer, the anchor effect works, so that the ion exchange resin composite has durability even when it is repeatedly bent.

前記イオン交換樹脂は、特に限定されるものではない。前記イオン交換樹脂としては、特に限定されるものではなく、公知のイオン交換樹脂を用いることができ、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの親水性官能基を導入したものを用いることができる。このような樹脂としては、例えばパーフルオロスルホン酸樹脂(商品名「Nafion」、DuPont社製)、パーフルオロカルボン酸樹脂(商品名「フレミオン」、旭硝子社製)、ACIPLEX(旭化成工業社製)、NEOSEPTA(トクヤマ社製)を用いることができる。   The ion exchange resin is not particularly limited. The ion exchange resin is not particularly limited, and known ion exchange resins can be used, and those obtained by introducing hydrophilic functional groups such as sulfonic acid groups and carboxyl groups into polyethylene, polystyrene, fluororesin and the like. Can be used. Examples of such a resin include perfluorosulfonic acid resin (trade name “Nafion”, manufactured by DuPont), perfluorocarboxylic acid resin (trade name “Flemion”, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), ACIPLEX (manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), NEOSEPTA (manufactured by Tokuyama Corporation) can be used.

無電解メッキの吸着工程に用いられる金属錯体溶液は、還元されることにより形成される金属層が電極層として機能することができる金属の錯体を含むものであれば、特に限定されるものではない。前記金属錯体は、イオン化傾向の小さい金属が電気化学的に安定であるために金錯体、白金錯体、パラジウム錯体、ロジウム錯体、ルテニウム錯体等の金属錯体を使用することが好ましく、析出した金属が電極として水中で使用されるため、通電性が良好で電気化学的な安定性に富んだ貴金属からなる金属錯体が好ましく、さらに電気分解が比較的起こり難い金を含む金錯体が好ましい。前記金属塩溶液は、溶媒が特に限定されるものではないが、金属塩の溶解が容易であって取り扱いが容易であることから溶媒が水を主成分とすることが好ましく、前記金属塩溶液が金属塩水溶液であることが好ましい。したがって、前記金属錯体溶液としては、金属錯体水溶液であることが好ましく、特に金錯体水溶液または白金錯体水溶液であることが好ましく、さらに金錯体水溶液が好ましい。   The metal complex solution used in the electroless plating adsorption step is not particularly limited as long as the metal layer formed by reduction contains a metal complex that can function as an electrode layer. . The metal complex is preferably a metal complex such as a gold complex, a platinum complex, a palladium complex, a rhodium complex, or a ruthenium complex because a metal with a small ionization tendency is electrochemically stable. As such, a metal complex composed of a noble metal having good electrical conductivity and high electrochemical stability is preferable, and a gold complex containing gold that is relatively difficult to undergo electrolysis is preferable. In the metal salt solution, the solvent is not particularly limited. However, since the metal salt is easy to dissolve and easy to handle, the solvent is preferably based on water. A metal salt aqueous solution is preferred. Therefore, the metal complex solution is preferably a metal complex aqueous solution, particularly preferably a gold complex aqueous solution or a platinum complex aqueous solution, and more preferably a gold complex aqueous solution.

無電解メッキの還元剤工程に用いられる還元剤としては、イオン交換樹脂に吸着される金属錯体溶液に使用される金属錯体の種類に応じて、種類を適宜選択して使用することができ、例えば亜硫酸ナトリウム、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム等を用いることができる。なお、金属錯体を還元する際に、必要に応じて、酸またはアルカリを添加してもよい。前記還元剤溶液の濃度は、金属錯体の還元により析出させる金属量を得ることができるのに十分な量の還元剤を含んでいればよく、特に限定されるものではないが、通常の無電解メッキにより電極を形成する場合に用いられる金属塩溶液と同等の濃度を用いることも可能である。また、還元剤溶液中には、イオン交換樹脂の良溶媒を含むことができる。   As the reducing agent used in the reducing agent step of electroless plating, it can be used by appropriately selecting the type according to the type of metal complex used in the metal complex solution adsorbed on the ion exchange resin, for example, Sodium sulfite, hydrazine, sodium borohydride and the like can be used. In addition, when reducing a metal complex, you may add an acid or an alkali as needed. The concentration of the reducing agent solution is not particularly limited as long as it contains a sufficient amount of reducing agent to obtain the amount of metal to be deposited by reduction of the metal complex. It is also possible to use a concentration equivalent to the metal salt solution used when forming the electrode by plating. Further, the reducing agent solution can contain a good solvent for the ion exchange resin.

前記の無電解メッキで得られたイオン交換樹脂層上の電極層を複数形成する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、イオン交換樹脂層上に形成された電極層に対してレーザー照射や鋭利な刃物を用いて金属層を部分的に切除して、互いに絶縁された金属層を形成してもよい。   The method for forming a plurality of electrode layers on the ion exchange resin layer obtained by electroless plating is not particularly limited. For example, a laser is applied to the electrode layer formed on the ion exchange resin layer. The metal layer may be partially excised using irradiation or a sharp blade to form metal layers insulated from each other.

可撓性素子は、イオンを含む溶液によりイオン交換樹脂が膨潤した状態である。前記イオンは、電荷のキャリアーとして機能し、特に限定されるものではない。前記イオン交換樹脂の樹脂成分が、陽イオン交換樹脂である場合には、前記のイオンを含む溶媒中に含まれる陽イオンとして、(C、(C(CH)N、(CHなどの炭素数が1〜4の範囲内であるアルキル基を有するテトラアルキルアンモニウムイオン、(Cなどのテトラアルキルホスホニウムイオン、H,Li、Na、K、Rb、Cs、Frなどの一価イオン、Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Fe3+、Al2+、Al3+、Zn2+、Pb2+、Sn2+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cr3+などの二価又は三価のイオンを使用することができる。 The flexible element is in a state where the ion exchange resin is swollen by a solution containing ions. The ions function as charge carriers and are not particularly limited. When the resin component of the ion exchange resin is a cation exchange resin, (C 2 H 5 ) 4 N + , (C 2 H 5 ) 3 is used as a cation contained in the solvent containing the ions. Tetraalkylammonium ions having an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms such as (CH 3 ) N + and (CH 3 ) 4 N +, and tetraalkylphosphoniums such as (C 2 H 5 ) 4 P + Ions, monovalent ions such as H + , Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , Fr + , Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Al 2+ , Al 3+ , Zn Divalent or trivalent ions such as 2+ , Pb 2+ , Sn 2+ , Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Cr 3+ can be used.

また、本発明の可撓性素子のイオン交換樹脂を膨潤する溶液が、陰イオンを含む溶液である場合には、陰イオンとしてBF 、PF 、ClO 、Ts、SO 2−、NO 、Cl、Br、I、CFSO 、CSO 、(CFSO、BCH(C 、B(C 、B(C 、AsF、SbF 等を用いることができる。上記と同様に、イオン交換樹脂として陰イオン交換樹脂を用いた場合において、イオン交換樹脂中に含まれる溶液中のイオンは、イオン半径のイオンであることが好ましい。なお、イオン交換樹脂に含まれるイオンを含む溶液に用いられる溶媒は、前記イオン交換樹脂が、陽イオン交換樹脂であっても陰イオン交換樹脂であっても、イオンを溶解することができる極性溶媒であれば、特に限定されるものではない。
(可撓性素子の形状)
When the solution for swelling the ion exchange resin of the flexible element of the present invention is a solution containing an anion, BF 4 , PF 6 , ClO 4 , Ts , SO 4 are used as the anion. 2-, NO 3 -, Cl - , Br -, I -, CF 3 SO 4 -, C 4 F 9 SO 4 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, BCH 3 (C 2 H 5) 3 - B (C 2 H 5 ) 4 , B (C 4 H 9 ) 4 , AsF , SbF 6 − and the like can be used. Similarly to the above, when an anion exchange resin is used as the ion exchange resin, the ions in the solution contained in the ion exchange resin are preferably ions having an ion radius. The solvent used for the solution containing ions contained in the ion exchange resin is a polar solvent that can dissolve ions regardless of whether the ion exchange resin is a cation exchange resin or an anion exchange resin. If it is, it will not specifically limit.
(Shape of flexible element)

可撓性素子は、形状が特に限定されることが無く、膜状(又は板状)のイオン交換樹脂に無電解メッキを行って膜状イオン交換樹脂複合体であっても良い。また、円筒状のイオン交換樹脂の内側面及び/又は外側面に電極層を形成し、レーザー照射等によって絶縁溝を設けて、相互に絶縁された状態の電極対を形成しうる複数の電極層を備えたイオン交換樹脂複合体を前記可撓性素子として用いても良い。また、前記可撓性素子は、十分な可撓性を有するために、前記膜状イオン交換樹脂複合体を筒状、箱状、短径、平板状、円柱状、角柱状、コイル状、中空の円柱状などの所望の形状に容易に成形することができる。そのため、可撓性素子は、成形性に優れている。   The shape of the flexible element is not particularly limited, and may be a membrane ion exchange resin composite by electroless plating on a membrane (or plate) ion exchange resin. In addition, a plurality of electrode layers that can form electrode pairs on the inner side surface and / or outer side surface of the cylindrical ion exchange resin and provide insulating grooves by laser irradiation or the like to form mutually insulated electrode pairs An ion exchange resin composite provided with the above may be used as the flexible element. The flexible element has a sufficient flexibility so that the membrane ion-exchange resin composite is formed into a cylindrical shape, a box shape, a short diameter, a flat plate shape, a cylindrical shape, a prismatic shape, a coil shape, a hollow shape, and the like. Can be easily formed into a desired shape such as a cylindrical shape. Therefore, the flexible element is excellent in moldability.

前記可撓性素子の形状が円柱状である場合には、円柱状のイオン交換樹脂層の同じ面上に相互に絶縁状態とされた状態で、2つ以上の電極層が配された可撓性素子とすることができる。円柱状である前記可撓性素子においては、360°の各方向からの感知を容易とするために3つ以上の電極層が配された可撓性素子であることがより好ましい。この可撓性素子は、円柱状のイオン交換樹脂層の同じ面上に2つ以上の電極層を備えているので、どの電極層から電荷が移動しているかを検知することで、どの方向から円柱状素子の外周に力が加わったか、または変形部分を容易に検知することができる。円柱状は、その内部が中空でもあってもよい。図1(a)に円柱状の可撓性素子を示す。金属電極は4つ形成され、つまり、上下左右の4方向からの変形を検出することができる。また、図1(c)に中空円柱状の可撓性素子を示す。   In the case where the shape of the flexible element is a cylindrical shape, a flexible structure in which two or more electrode layers are arranged on the same surface of the cylindrical ion exchange resin layer in an insulated state. Element. The flexible element having a columnar shape is more preferably a flexible element in which three or more electrode layers are arranged in order to facilitate sensing from each direction of 360 °. Since this flexible element has two or more electrode layers on the same surface of a cylindrical ion exchange resin layer, it can be detected from which direction by detecting which electrode layer the charge is moving from. It is possible to easily detect whether a force is applied to the outer periphery of the cylindrical element or a deformed portion. The cylindrical shape may be hollow inside. FIG. 1A shows a cylindrical flexible element. Four metal electrodes are formed, that is, it is possible to detect deformation from four directions of up, down, left and right. FIG. 1C shows a hollow cylindrical flexible element.

また、可撓性素子の形状が平板状の場合、その2平面に金属電極を設けることで、2方向からの変形を検出することができる。図1(b)に平板状の可撓性素子を示す。   Further, when the shape of the flexible element is a flat plate shape, it is possible to detect deformation from two directions by providing metal electrodes on the two planes. FIG. 1B shows a flat flexible element.

また、可撓性素子の形状が四角柱状の場合、その4平面に金属電極を設けることで、4方向からの変形を検出することができる。図1(d)に四角柱状の可撓性素子を示す。   When the shape of the flexible element is a quadrangular prism, deformation from four directions can be detected by providing metal electrodes on the four planes. FIG. 1D shows a quadrangular prism-like flexible element.

可撓性素子を構成するイオン交換樹脂複合体の厚さは、特に限定されるものではないが、可撓性を容易に発揮できる厚さである必要があり、例えば、角柱状や板状体の場合、0.05mm以上であることが好ましく、0.05mm〜5mmの範囲がより好ましい。また、円柱状の場合、直径0.5mm以上であることが好ましい。また、イオン交換樹脂複合体の厚さに対するイオン交換樹脂複合体の面積の比が10(mm/mm)であることが好ましく、20(mm/mm)であることが更に好ましい。 The thickness of the ion exchange resin composite constituting the flexible element is not particularly limited, but it needs to be a thickness that can easily exhibit flexibility, for example, a prismatic or plate-like body. In this case, it is preferably 0.05 mm or more, and more preferably in the range of 0.05 mm to 5 mm. In the case of a cylindrical shape, the diameter is preferably 0.5 mm or more. Further, the ratio of the area of the ion exchange resin composite to the thickness of the ion exchange resin composite is preferably 10 (mm 2 / mm), more preferably 20 (mm 2 / mm).

次に、可撓性素子の変形による電気エネルギー発生について簡単に説明する。図2は、イオン交換樹脂層3が挟まれるように電極層2、2’を設けた場合における素子変形を電気エネルギーに変換する可撓性素子の一実施態様例の断面図である。前記可撓性素子1は、前記イオン交換樹脂複合体に一方向から外力が加えられた場合には、図1(a)の静置状態から、図1(b)のように変形した状態となる。図1(b)の状態では、イオン交換樹脂層上に形成された2以上の電極のうち少なくとも一の電極層2が伸長し、他の電極層2’が収縮することとなる。前記イオン交換樹脂層の樹脂成分が陽イオン交換樹脂である場合には、電極層2が負極となり、電極層2’が正極となる。前記イオン交換樹脂層の樹脂成分が陰イオン交換樹脂である場合には、正極と負極は、その逆となる。   Next, generation of electrical energy due to deformation of the flexible element will be briefly described. FIG. 2 is a cross-sectional view of an embodiment of a flexible element that converts element deformation into electric energy when the electrode layers 2 and 2 ′ are provided so that the ion exchange resin layer 3 is sandwiched therebetween. When an external force is applied to the ion exchange resin composite from one direction, the flexible element 1 is deformed from a stationary state shown in FIG. 1 (a) as shown in FIG. 1 (b). Become. In the state of FIG. 1B, at least one electrode layer 2 of the two or more electrodes formed on the ion exchange resin layer expands, and the other electrode layer 2 'contracts. When the resin component of the ion exchange resin layer is a cation exchange resin, the electrode layer 2 is a negative electrode and the electrode layer 2 'is a positive electrode. When the resin component of the ion exchange resin layer is an anion exchange resin, the positive electrode and the negative electrode are reversed.

変形により電気エネルギーが発生する詳細なメカニズムについては明らかではないが、陽イオン交換樹脂を用いた場合、この変形において、イオン交換樹脂層中の水分子は、変形により伸びた側である電極層2側付近にイオン交換樹脂の体積膨張により水分子と対イオンが偏在しやすい。また、縮んだ側の電極層2’側付近ではイオン交換樹脂の体積収縮による水分子と対イオンが疎な状態となりやすい。このような偏在が生じるために、イオン交換樹脂内部で電荷の偏りが発生するためと考えられる。この電荷の偏りにより、電極層2’が正極となり、電極層2が負極となって、電荷は負極から正極へと移動する。電流は電極層2’から電極層2へと流れることになる。つまり前記可撓性素子は、電気化学的なイオン挙動により電気エネルギーを得るために、通常の圧電素子とは異なるものである。   Although the detailed mechanism by which electric energy is generated by the deformation is not clear, when a cation exchange resin is used, in this deformation, the water molecules in the ion exchange resin layer are the electrode layer 2 on the side extended by the deformation. Water molecules and counter ions are likely to be unevenly distributed near the side due to the volume expansion of the ion exchange resin. Further, in the vicinity of the contracted electrode layer 2 ′ side, water molecules and counter ions tend to be sparse due to the volume contraction of the ion exchange resin. Such uneven distribution is considered to be due to the occurrence of charge unevenness inside the ion exchange resin. Due to this bias of charge, the electrode layer 2 ′ becomes a positive electrode, the electrode layer 2 becomes a negative electrode, and the charge moves from the negative electrode to the positive electrode. The current flows from the electrode layer 2 ′ to the electrode layer 2. That is, the flexible element is different from a normal piezoelectric element in order to obtain electric energy by electrochemical ion behavior.

前記可撓性素子は、イオン交換樹脂層上に電極層が形成されたイオン交換樹脂複合体により形成されていれば、特に限定されるものではない。前記可撓性素子は、イオン交換樹脂複合体そのものであっても、イオン交換樹脂複合体の外側が部分的または全面に被覆層により覆われても良い。   The flexible element is not particularly limited as long as it is formed of an ion exchange resin composite in which an electrode layer is formed on an ion exchange resin layer. The flexible element may be the ion exchange resin composite itself, or the outside of the ion exchange resin composite may be partially or entirely covered with a coating layer.

(筐体)
筐体としては、そのサイズ、形状、材質等が特に制限されず、用途に応じて設定することが可能である。特に、幅広く装置に組み込まれることを考慮し、例えば、円柱状または角柱状がより好ましい。この筐体の内部は、可撓性素子の変形を許容するように自由空間であることが好ましい。また、変更方向を制限するように、空間を仕切るような壁部を設けてもよい。また、筐体としては、内部に設置された可撓性素子を視認できるように、ガラス、透明樹脂材を用いるとより好ましい。また、筐体は、可撓性素子に対する悪影響(例えば、環境温度、湿度、異物との接触等)を低減するように、密封構成が好ましい。また、可撓性素子の仕様、用途に応じて筐体内部を減圧状態、真空状態、不活性ガス充填状態にすることが好ましい。また、筐体には、可撓性素子の一方の端部を固定するための固定部を設けてある。この固定部の構成は、特に制限されないが、後述するコネクタ部を介して可撓性素子端部の外周を挟み込むように固定される構成が好ましい。また、筐体は、外部機器への接続を容易にするようなホルダ部を設けて、このホルダ部に出力端子(後述)を設けている。ホルダ部は、密閉性、強度、温度特性の優れた材質のものが好ましい。
(Casing)
The size, shape, material, etc. of the housing are not particularly limited, and can be set according to the application. In particular, considering that it is widely incorporated into the apparatus, for example, a cylindrical shape or a prismatic shape is more preferable. The inside of the housing is preferably free space so as to allow deformation of the flexible element. Moreover, you may provide the wall part which partitions off space so that a change direction may be restrict | limited. Moreover, as a housing | casing, it is more preferable to use glass and a transparent resin material so that the flexible element installed in the inside can be visually recognized. Further, the casing preferably has a sealed configuration so as to reduce adverse effects on the flexible element (for example, environmental temperature, humidity, contact with foreign matter, etc.). Moreover, it is preferable to make the inside of a housing | casing into a pressure reduction state, a vacuum state, and an inert gas filling state according to the specification and application of a flexible element. Further, the housing is provided with a fixing portion for fixing one end portion of the flexible element. The configuration of the fixing portion is not particularly limited, but a configuration in which the fixing portion is fixed so as to sandwich the outer periphery of the end portion of the flexible element via a connector portion described later is preferable. Further, the housing is provided with a holder part that facilitates connection to an external device, and an output terminal (described later) is provided on the holder part. The holder part is preferably made of a material having excellent sealing properties, strength, and temperature characteristics.

(コネクタ部)
コネクタ部は、可撓性素子の金属電極層のそれぞれに対応するように設けられている。可撓性素子の変形によって生じる電気エネルギーは、コネクタ部によって筐体の外部に伝達され、検出可能に構成されている。例えば、コネクタ部の一方の端部は、金属電極層に接触し、もう一方の端部は、筐体外部に設けられていて、出力端子として機能している。コネクタ部は、電気伝導性部材であれば、特に制限されないが、金属電極層と同一の素材がより好ましい。
(Connector part)
The connector portion is provided so as to correspond to each of the metal electrode layers of the flexible element. The electrical energy generated by the deformation of the flexible element is transmitted to the outside of the housing by the connector portion, and is configured to be detectable. For example, one end of the connector portion is in contact with the metal electrode layer, and the other end is provided outside the housing and functions as an output terminal. The connector part is not particularly limited as long as it is an electrically conductive member, but the same material as the metal electrode layer is more preferable.

(増幅部)
増幅部は、電気エネルギーを増幅する増幅回路、チップ等である。可撓性素子の変形によって生じる電気エネルギーが、数mVである場合、この増幅部によって、所望の値に増幅(例えば、数百〜数千mV)し、用途に応じて設定できる。この増幅部は、筐体内部に設けることもでき、筐体外部に設けることもできる。
(センサモジュール)
図3にセンサモジュールの実施例を示す。図3(a)は、円柱形状のセンサモジュール10であり、図3(b)は、直方体形状のセンサモジュール20の例である。図3(a)の円柱状のセンサモジュール10は、円柱本体がガラス管11であり、その両端部が金属製のホルダ部12である。内部に図1(a)に示す可撓性素子13が固定され、この可撓性素子13の表面に、4つの金属電極13a、13b、13c、13dが形成されている。4つの金属電極13a、13b、13c、13dには、そのそれぞれに対応するようにコネクタ部14a、14b、14c、14dが接触している。
(Amplification part)
The amplification unit is an amplification circuit, a chip, or the like that amplifies electric energy. When the electric energy generated by the deformation of the flexible element is several mV, it can be amplified to a desired value (for example, several hundred to several thousand mV) by this amplification unit, and can be set according to the application. The amplifying unit can be provided inside the casing or can be provided outside the casing.
(Sensor module)
FIG. 3 shows an embodiment of the sensor module. FIG. 3A shows an example of a cylindrical sensor module 10, and FIG. 3B shows an example of a rectangular parallelepiped sensor module 20. In the columnar sensor module 10 of FIG. 3A, the column body is a glass tube 11 and both end portions are metal holder portions 12. A flexible element 13 shown in FIG. 1A is fixed inside, and four metal electrodes 13 a, 13 b, 13 c, and 13 d are formed on the surface of the flexible element 13. Connector portions 14a, 14b, 14c, and 14d are in contact with the four metal electrodes 13a, 13b, 13c, and 13d so as to correspond to the respective electrodes.

また、図3(b)の直方体形状のセンサモジュール20は、その上面の中央部がガラス製の天板21であり、他の面材22は、金属製である。内部に2つの角柱状の可撓性素子23a、23bが固定されている。可撓性素子23aは、図面では底面から垂直上方に固定され、可撓性素子23bは、図面では、側面から水平方向に固定され、可撓性素子23a、23bの長手方向の向きは互いに直交するように設置されている。このように設置することで、2軸の感知が可能となる。角柱状の可撓性素子23a、23bの4平面には、それぞれ金属電極層が形成され、そのそれぞれに対応するようにコネクタ部(不図示)が接触している。   In addition, the rectangular parallelepiped sensor module 20 in FIG. 3B has a glass top plate 21 at the center of the upper surface, and the other face material 22 is made of metal. Two prismatic flexible elements 23a and 23b are fixed inside. The flexible element 23a is fixed vertically upward from the bottom surface in the drawing, the flexible element 23b is fixed horizontally from the side surface in the drawing, and the longitudinal directions of the flexible elements 23a and 23b are orthogonal to each other. It is installed to do. By installing in this way, biaxial sensing is possible. Metal electrode layers are respectively formed on the four planes of the prismatic flexible elements 23a and 23b, and connector portions (not shown) are in contact with the respective metal electrode layers.

以下、本発明に係るセンサモジュールを衝撃センサとして用いた実施例を以下に説明する。なお、本願発明は、これに限定されるものではない。
(実施例1) イオン交換樹脂膜(フッ素樹脂系イオン交換樹脂:パーフルオロカルボン酸樹脂、旭硝子社製、フレミオン、乾燥時の膜厚:0.2mm、イオン交換容量:1.4meq/g)を用いて下記(1)〜(3)の工程を6サイクル繰り返し、イオン交換樹脂を挟んで形成された一対の金属電極を備えたイオン交換樹脂複合体を得た。
(1)吸着工程:ジクロロフフェナントロリン金塩化物水溶液に12時間浸漬し、上記イオン交換樹脂複合体内にジクロロフェナントロリン金錯体を吸着させた。
(2)還元工程:亜硫酸ナトリウムおよびエチルメチルイミダゾール(5重量%)を含む水溶液中で、吸着したジクロロフェナントロリン金錯体を還元し、上記膜状高分子電解質(イオン交換樹脂複合体)に金電極を形成させた。このとき、水溶液の温度を60〜80℃とし、亜硫酸ナトリウムを徐々に添加しながら、6時間ジクロロフェナントリン金錯体の還元処理を行った。
(3)洗浄工程:表面に金電極が形成した膜状高分子電解質(イオン交換樹脂複合体)を取り出し、70℃の水で1時間洗浄した。
(4)切断工程:上記無電解メッキにより一対の金属電極が形成されたイオン交換樹脂複合体を長さ(L):3mm、幅(W):5mmのサイズに切断した。
(5)浸漬工程:上記イオン交換樹脂複合体をグリセリンカーボネートの水混合溶液(1)(67重量%)に浸漬した。次いで、上記イオン交換樹脂複合体を0.01mol/lのLiTFSI(トリフルオロメタンスルホイミド)塩を含む上記混合溶液(1)に浸漬し、膨潤度が約25%となるように3時間浸漬した。
Hereinafter, examples in which the sensor module according to the present invention is used as an impact sensor will be described. Note that the present invention is not limited to this.
(Example 1) An ion exchange resin membrane (fluororesin-based ion exchange resin: perfluorocarboxylic acid resin, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Flemion, film thickness when dried: 0.2 mm, ion exchange capacity: 1.4 meq / g) The following steps (1) to (3) were repeated for 6 cycles to obtain an ion exchange resin composite including a pair of metal electrodes formed with the ion exchange resin interposed therebetween.
(1) Adsorption step: The dichlorophenanthroline gold complex was immersed in an aqueous solution of dichlorophenphenanthroline gold chloride for 12 hours to adsorb the dichlorophenanthroline gold complex in the ion exchange resin complex.
(2) Reduction step: The adsorbed dichlorophenanthroline gold complex is reduced in an aqueous solution containing sodium sulfite and ethylmethylimidazole (5% by weight), and a gold electrode is formed on the membrane polymer electrolyte (ion exchange resin complex). Formed. At this time, the temperature of the aqueous solution was set to 60 to 80 ° C., and the dichlorophenanthrine gold complex was subjected to reduction treatment for 6 hours while gradually adding sodium sulfite.
(3) Washing step: The membranous polymer electrolyte (ion exchange resin composite) having a gold electrode formed on the surface was taken out and washed with water at 70 ° C. for 1 hour.
(4) Cutting step: The ion exchange resin composite in which a pair of metal electrodes was formed by electroless plating was cut into a size of length (L): 3 mm and width (W): 5 mm.
(5) Immersion step: The ion exchange resin composite was immersed in a water mixed solution (1) (67% by weight) of glycerin carbonate. Next, the ion exchange resin composite was immersed in the mixed solution (1) containing 0.01 mol / l LiTFSI (trifluoromethanesulfonimide) salt, and immersed for 3 hours so that the degree of swelling was about 25%.

上記で得られたイオン交換樹脂複合体が可撓性素子を構成している。その形状は板形状であり、厚み(t):約0.2mm、長さ(L):3mm、幅(W):5mmである。これを、円筒状の筐体に組み込んでセンサモジュールを構成した。センサモジュールのサイズは、直径8mm、高さ25mmである。   The ion exchange resin composite obtained above constitutes a flexible element. The shape is a plate shape, thickness (t): about 0.2 mm, length (L): 3 mm, width (W): 5 mm. This was incorporated into a cylindrical casing to constitute a sensor module. The sensor module has a diameter of 8 mm and a height of 25 mm.

このセンサモジュールを質量462g、直径40mmの鉄球内部に固定して設置した。センサモジュールのコネクタ部の出力端子は、鉄球外部へ電気的配線を延設し、電圧計に接続されている(不図示)。図4に示すように、この鉄球を下方の鉄板に自由落下(高さ50、75、100cmからの落下)させ、この時の衝撃による起電力を測定した。その結果を表1に示す。   This sensor module was fixed and installed inside an iron ball having a mass of 462 g and a diameter of 40 mm. The output terminal of the connector portion of the sensor module is connected to a voltmeter by extending electrical wiring to the outside of the iron ball (not shown). As shown in FIG. 4, this iron ball was allowed to freely drop (drop from 50, 75, and 100 cm in height) onto the lower iron plate, and the electromotive force due to the impact at this time was measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2008304390
Figure 2008304390

表1の結果からわかるように、鉄球内部のセンサモジュールは、衝撃を感知し、起電力を発生させている。さらに、落下距離に比例して(衝撃力の強度に比例して)起電力値も増加している。すなわち、センサモジュールは、衝撃センサとして機能し、さらに、衝撃力に比例して起電力値が増加するため、衝撃力の強度も検出することができた。   As can be seen from the results in Table 1, the sensor module inside the iron ball senses an impact and generates an electromotive force. Further, the electromotive force value increases in proportion to the drop distance (in proportion to the strength of the impact force). That is, the sensor module functions as an impact sensor, and furthermore, the electromotive force value increases in proportion to the impact force, so that the strength of the impact force can also be detected.

以上によれば、本発明のセンサモジュールは、加速度センサ、衝撃センサとして有効に機能し、かつ、装置に組み込みやすい構成(形状、サイズ)であるため、幅の広い用途展開が可能である。例えば、パソコンに組み込んで、電力供給の必要がなく、落下衝撃センサとして機能させ、例えば、バッテリの損傷を予測するのに用いることができる。また、加速度センサとして用いる場合、操作機器、例えば、ゲーム機の操作機器や、携帯電話の操作機器として用いることができる。   As described above, the sensor module according to the present invention effectively functions as an acceleration sensor and an impact sensor, and has a configuration (shape and size) that can be easily incorporated into the apparatus, so that it can be used in a wide range of applications. For example, it can be incorporated into a personal computer, does not require power supply, functions as a drop impact sensor, and can be used, for example, to predict battery damage. When used as an acceleration sensor, it can be used as an operating device, for example, an operating device for a game machine or an operating device for a mobile phone.

可撓性素子の形状例について説明するための図The figure for demonstrating the example of a shape of a flexible element 可撓性素子の変形による電気エネルギー発生について説明するための図The figure for demonstrating generation | occurrence | production of the electrical energy by deformation | transformation of a flexible element センサモジュールの例について説明するための図The figure for demonstrating the example of a sensor module 衝撃センサの実施例を説明するための図The figure for demonstrating the Example of an impact sensor

符号の説明Explanation of symbols

10、20 センサモジュール
11 ガラス管
12 ホルダ部
13、23a、23b 可撓性素子
14a、14b、14c、14d コネクタ部
10, 20 Sensor module 11 Glass tube 12 Holder part 13, 23a, 23b Flexible element 14a, 14b, 14c, 14d Connector part

Claims (3)

イオン交換樹脂の表面に複数の金属電極層が互いに電気絶縁的に分離されて形成された可撓性素子と、
前記可撓性素子を内部に設ける筐体と、
前記可撓性素子の変形によって生じる電気エネルギーを前記筐体外部に伝達するコネクタ部と、
を備えるセンサモジュール。
A flexible element formed by electrically insulating a plurality of metal electrode layers from each other on the surface of an ion exchange resin;
A housing in which the flexible element is provided;
A connector portion that transmits electrical energy generated by deformation of the flexible element to the outside of the housing;
A sensor module comprising:
前記筐体は、円柱状または角柱状であって、前記可撓性素子の変形を許容するように構成されている請求項1に記載のセンサモジュール。   The sensor module according to claim 1, wherein the casing has a columnar shape or a prismatic shape, and is configured to allow deformation of the flexible element. 前記電気エネルギーを増幅する増幅部をさらに備える請求項1または2に記載のセンサモジュール。

The sensor module according to claim 1, further comprising an amplifying unit that amplifies the electric energy.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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US8631703B2 (en) 2010-02-05 2014-01-21 Sony Corporation Sensor

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