JP2014160041A - Strain sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
Strain sensor and method for manufacturing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014160041A JP2014160041A JP2013031548A JP2013031548A JP2014160041A JP 2014160041 A JP2014160041 A JP 2014160041A JP 2013031548 A JP2013031548 A JP 2013031548A JP 2013031548 A JP2013031548 A JP 2013031548A JP 2014160041 A JP2014160041 A JP 2014160041A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cnt
- film
- substrate
- impregnated
- cnt film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 10
- 239000002238 carbon nanotube film Substances 0.000 claims abstract description 141
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 118
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 60
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 56
- 239000007822 coupling agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 4
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 4
- 230000002688 persistence Effects 0.000 abstract 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 179
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 178
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 178
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 111
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 46
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 23
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 23
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 20
- 230000006870 function Effects 0.000 description 16
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 15
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 15
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 13
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 11
- 239000010408 film Substances 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- -1 UF) Polymers 0.000 description 6
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 6
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 5
- 244000043261 Hevea brasiliensis Species 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 4
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 description 4
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 description 4
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 4
- 239000000057 synthetic resin Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005062 Polybutadiene Substances 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920002857 polybutadiene Polymers 0.000 description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 3
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 229920001807 Urea-formaldehyde Polymers 0.000 description 2
- 229920006311 Urethane elastomer Polymers 0.000 description 2
- XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N acrylonitrile butadiene styrene Chemical compound C=CC=C.C=CC#N.C=CC1=CC=CC=C1 XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 description 2
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 description 2
- 229920005549 butyl rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 229920005558 epichlorohydrin rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 description 2
- 229920003049 isoprene rubber Polymers 0.000 description 2
- 229920001684 low density polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004702 low-density polyethylene Substances 0.000 description 2
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 2
- 229920001179 medium density polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004701 medium-density polyethylene Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229920006173 natural rubber latex Polymers 0.000 description 2
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 2
- 229920001707 polybutylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920001955 polyphenylene ether Polymers 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 2
- 239000011118 polyvinyl acetate Substances 0.000 description 2
- 229920002689 polyvinyl acetate Polymers 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 2
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229920006337 unsaturated polyester resin Polymers 0.000 description 2
- VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)-N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)C(=O)NCCC(N1CC2=C(CC1)NN=N2)=O VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004709 Chlorinated polyethylene Substances 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004640 Melamine resin Substances 0.000 description 1
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 description 1
- 229930182556 Polyacetal Natural products 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 229920001328 Polyvinylidene chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000006087 Silane Coupling Agent Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXSHDOMYSLTUTJ-UHFFFAOYSA-N [Ti]N Chemical compound [Ti]N PXSHDOMYSLTUTJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000800 acrylic rubber Polymers 0.000 description 1
- 229920001893 acrylonitrile styrene Polymers 0.000 description 1
- 239000004840 adhesive resin Substances 0.000 description 1
- 229920006223 adhesive resin Polymers 0.000 description 1
- 230000000274 adsorptive effect Effects 0.000 description 1
- 229920000180 alkyd Polymers 0.000 description 1
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 1
- FVLMDTCQEQACLK-UHFFFAOYSA-N aminoaluminum Chemical compound [Al]N FVLMDTCQEQACLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- MTAZNLWOLGHBHU-UHFFFAOYSA-N butadiene-styrene rubber Chemical compound C=CC=C.C=CC1=CC=CC=C1 MTAZNLWOLGHBHU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 1
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 1
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N ethene;prop-1-ene Chemical group C=C.CC=C HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 125000001165 hydrophobic group Chemical group 0.000 description 1
- 229920002681 hypalon Polymers 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 1
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 1
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 1
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920013636 polyphenyl ether polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 239000005033 polyvinylidene chloride Substances 0.000 description 1
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- SCUZVMOVTVSBLE-UHFFFAOYSA-N prop-2-enenitrile;styrene Chemical compound C=CC#N.C=CC1=CC=CC=C1 SCUZVMOVTVSBLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009993 protective function Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical group 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- FZHAPNGMFPVSLP-UHFFFAOYSA-N silanamine Chemical compound [SiH3]N FZHAPNGMFPVSLP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
本発明は、歪みセンサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a strain sensor and a manufacturing method thereof.
歪みを検出する歪みセンサは、歪み(伸縮)に対する抵抗体の抵抗変化から歪みを検出するよう構成されている。この抵抗体としては、一般的に金属や半導体が用いられている。しかし、金属や半導体は可逆的に伸縮可能な変形量が小さいため、歪みセンサの用途等に制限がある。 A strain sensor that detects strain is configured to detect strain from a resistance change of the resistor with respect to strain (stretching). As this resistor, a metal or a semiconductor is generally used. However, since metals and semiconductors have a small amount of deformation that can be reversibly expanded and contracted, there are limitations on the applications of strain sensors.
そこで、前記抵抗体として、カーボンナノチューブ(CNT)を用いたデバイスが提案されている(特開2011−47702号公報、特開2010−281824号公報参照)。これらのデバイスにおいては、所定方向に配向させた複数のCNTからなるCNT膜等が用いられている。前記CNT膜はCNTの配向方向と垂直方向への比較的大きな伸縮が可能であるため、大きな歪みにも対応可能なセンサとして利用することができるとされている。しかし、前記デバイスにおいては、CNT膜は基材に分子間力によって接合されているのみであるため、伸縮が繰り返されることによって、CNT膜が基材から剥がれて基材の伸縮に対する追従性が低下するおそれがある。そのため、センサ機能の持続性(寿命)の点で不都合がある。 Therefore, devices using carbon nanotubes (CNT) as the resistor have been proposed (see JP 2011-47702 A and JP 2010-281824 A). In these devices, a CNT film composed of a plurality of CNTs oriented in a predetermined direction is used. Since the CNT film can be expanded and contracted in a direction perpendicular to the orientation direction of the CNT, it can be used as a sensor that can cope with a large strain. However, in the device, since the CNT film is only bonded to the base material by intermolecular force, the CNT film is peeled off from the base material by repeated expansion and contraction, and the followability to the base material expansion and contraction is reduced. There is a risk. Therefore, there is a disadvantage in terms of the sustainability (lifetime) of the sensor function.
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、CNT膜と基材との接合力を高め、センサ機能の持続性を高めることができる歪みセンサを提供することを目的とする。 This invention is made | formed based on the above situations, and it aims at providing the distortion sensor which can raise the joining force of a CNT film | membrane and a base material, and can improve the sustainability of a sensor function. .
前記課題を解決するためになされた発明は、
柔軟性を有する基板と、
この基板の表面側に積層され、一方向に配向する複数のCNT繊維からなるCNT膜と、
このCNT膜の端部に配設される一対の電極と
を備えた歪みセンサであって、
前記基板が、
基材層と、
この基材層の表面に積層され、前記CNT膜の裏面側の一部領域が含浸したCNT含浸層と
を備えることを特徴とする。
The invention made to solve the above problems is
A flexible substrate;
A CNT film composed of a plurality of CNT fibers laminated on the surface side of the substrate and oriented in one direction;
A strain sensor comprising a pair of electrodes disposed at an end of the CNT film,
The substrate is
A base material layer;
And a CNT impregnated layer laminated on the surface of the base material layer and impregnated in a partial region on the back side of the CNT film.
当該歪みセンサは、前記CNT膜の裏面側の一部が基材に含浸することで、CNT膜と基材とが複合化されている。従って、当該歪みセンサによれば、このような複合化により、CNT膜の基材からの剥離を抑制し、センサ機能の持続性を高めることができる。また、基材が基材層とCNT含浸層とを有することで、容易かつ確実にCNT膜を基板に含浸させることができるとともに、CNT含浸層の厚みを調整することで、CNT膜の含浸する膜厚を容易に調整することができる。 In the strain sensor, a part of the CNT film on the back side is impregnated into the base material, so that the CNT film and the base material are combined. Therefore, according to the strain sensor, it is possible to suppress the separation of the CNT film from the base material and to increase the sustainability of the sensor function by such combination. Further, since the base material has the base material layer and the CNT impregnated layer, the substrate can be easily and surely impregnated, and the CNT film is impregnated by adjusting the thickness of the CNT impregnated layer. The film thickness can be easily adjusted.
前記基板のCNT含浸層の平均厚みとしては、CNT膜の平均厚みの5%以上80%以下が好ましい。このようにCNT含浸層の平均厚みを前記範囲とすることで、CNT膜の抵抗変化性能を保持しつつ基板との接合力を高めることができる。 The average thickness of the CNT-impregnated layer of the substrate is preferably 5% to 80% of the average thickness of the CNT film. Thus, by setting the average thickness of the CNT-impregnated layer in the above range, it is possible to increase the bonding force with the substrate while maintaining the resistance change performance of the CNT film.
前記CNT含浸層の形成材料が、CNT膜を構成するCNT繊維とのカップリング剤又はCNT繊維に対する吸着性を有する分散剤を含有することが好ましい。このようにCNT含浸層の形成材料にCNT繊維とのカップリング剤を含有させた場合、CNT含浸層とCNT繊維とを架橋構造に結合してCNT膜と基板との接合力をさらに向上させることができる。また、CNT含浸層の形成材料にCNT繊維に対する吸着性を有する分散剤を含有させた場合もCNT膜と基板との接合力をさらに向上させることができる。これらの結果、当該歪みセンサのセンサ機能の持続性をより高めることができる。 It is preferable that the material for forming the CNT impregnated layer contains a coupling agent with a CNT fiber constituting the CNT film or a dispersant having an adsorptivity to the CNT fiber. In this way, when the coupling material with the CNT fiber is included in the material for forming the CNT-impregnated layer, the CNT-impregnated layer and the CNT fiber are bonded to the crosslinked structure to further improve the bonding force between the CNT film and the substrate. Can do. In addition, when the forming material of the CNT impregnated layer contains a dispersant having an adsorptivity to CNT fibers, the bonding force between the CNT film and the substrate can be further improved. As a result, the sustainability of the sensor function of the strain sensor can be further increased.
また、前記課題を解決するためになされた別の発明は、
柔軟性を有する基板と、
この基板の表面側に積層され、一方向に配向する複数のCNT繊維からなるCNT膜と、
このCNT膜の端部に配設される一対の電極と
を備えた歪みセンサの製造方法であって、
前記基板の有する基材層の表面にCNT含浸層の形成材料を積層する工程と、
前記CNT含浸層形成材料の内部に複数のCNT膜の裏面側の一部領域を配置する工程と、
前記CNT膜の配置後にCNT含浸層形成材料を硬化させてCNT含浸層を得る工程と
を有することを特徴とする。
Moreover, another invention made in order to solve the said subject is:
A flexible substrate;
A CNT film composed of a plurality of CNT fibers laminated on the surface side of the substrate and oriented in one direction;
A method of manufacturing a strain sensor comprising a pair of electrodes disposed at an end of the CNT film,
A step of laminating a CNT-impregnated layer forming material on the surface of the base material layer of the substrate;
Arranging a partial region on the back side of a plurality of CNT films inside the CNT impregnated layer forming material;
And a step of curing the CNT-impregnated layer forming material after the CNT film is disposed to obtain a CNT-impregnated layer.
当該歪みセンサの製造方法においては、基板を構成するCNT含浸層の内部に、CNT含浸層が未硬化の状態でCNT繊維を配置するか、又はCNT繊維を配置した後にCNT含浸層を軟化させ、その後CNT含浸層を硬化させることで、容易かつ確実に基板にCNT膜の一部が含浸した歪みセンサを得ることができる。当該歪みセンサの製造方法で得られる歪みセンサは、上述のように高いセンサ機能の持続性を有する。 In the method for manufacturing the strain sensor, the CNT fibers are arranged in an uncured state of the CNT impregnated layer inside the CNT impregnated layer constituting the substrate, or after the CNT fibers are arranged, the CNT impregnated layer is softened, Thereafter, by curing the CNT impregnated layer, a strain sensor in which a part of the CNT film is impregnated on the substrate can be obtained easily and reliably. The strain sensor obtained by the manufacturing method of the strain sensor has high sensor function durability as described above.
なお、「CNT膜の平均厚み」は、CNT膜の含浸部分(基板において複数のCNT繊維が含浸している部分)の平均厚みと、基板の表面に積層された(含浸していない)複数のCNT繊維で構成される膜の平均厚みとの和を意味する。 The “average thickness of the CNT film” refers to the average thickness of the impregnated part of the CNT film (the part in which the plurality of CNT fibers are impregnated in the substrate) and a plurality of layers (not impregnated) laminated on the surface of the substrate. It means the sum of the average thickness of a film composed of CNT fibers.
以上説明したように、本発明の歪みセンサによれば、CNT膜と基材との接合力を高め、センサ機能の持続性を高めることができる。 As described above, according to the strain sensor of the present invention, the bonding force between the CNT film and the base material can be increased, and the sustainability of the sensor function can be increased.
以下、本発明の歪みセンサの実施の形態を、第一実施形態、及びその他の実施形態として、適宜図面を参照にしつつ詳説する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a strain sensor of the present invention will be described in detail as a first embodiment and other embodiments with reference to the drawings as appropriate.
<第一実施形態>
図1の歪みセンサ1は、基板2と、この基板2の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のCNT繊維8からなるCNT膜4と、このCNT膜4の、前記CNT繊維8の配向方向とは異なる方向Aの両端に配設される一対の電極3と、前記CNT膜4を保護する保護部5とを主に備える。
<First embodiment>
A strain sensor 1 in FIG. 1 includes a
基板2は柔軟性を有する板状体である。基板2は、エラストマーを主成分とした基材層2aと、この基材層2aの表面に積層され、同じくエラストマーを主成分としたCNT含浸層2bとを有する。
The
基材層2aに用いるエラストマーとしては、柔軟性を有する限り特に限定されず、例えばゴム、合成樹脂等を挙げることができ、これらの中でもゴムが好ましい。ゴムを用いることで、基材層2a(基板2)の柔軟性をより高めることができる。
The elastomer used for the
前記ゴムとしては、例えば天然ゴム(NR)、ブチルゴム(IIR)、イソプレンゴム(IR)、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、ブタジエンゴム(BR)、ウレタンゴム(U)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、シリコーンゴム(Q)、クロロプレンゴム(CR)、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム(CSM)、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)、塩素化ポリエチレン(CM)、アクリルゴム(ACM)、エピクロルヒドリンゴム(CO,ECO)、フッ素ゴム(FKM)、PDMS等を挙げることができる。これらの中でも強度等の点から天然ゴム、シリコーンゴム又はウレタンゴムが好ましい。 Examples of the rubber include natural rubber (NR), butyl rubber (IIR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), butadiene rubber (BR), urethane rubber (U), and styrene / butadiene rubber (SBR). , Silicone rubber (Q), chloroprene rubber (CR), chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), chlorinated polyethylene (CM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber (CO, ECO), Fluoro rubber (FKM), PDMS, etc. can be mentioned. Among these, natural rubber, silicone rubber, or urethane rubber is preferable in terms of strength and the like.
前記合成樹脂としては、例えばフェノール樹脂(PF)、エポキシ樹脂(EP)、メラミン樹脂(MF)、尿素樹脂(ユリア樹脂、UF)、不飽和ポリエステル樹脂(UP)、アルキド樹脂、ポリウレタン(PUR)、熱硬化性ポリイミド(PI)、ポリエチレン(PE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン(PS)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂(ABS)、アクリロニトリルスチレン樹脂(AS)、ポリメチルメタアクリル樹脂(PMMA)、ポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリカーボネート(PC)、変性ポリフェニレンエーテル(m−PPE)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、環状ポリオレフィン(COP)等を挙げることができる。 Examples of the synthetic resin include phenol resin (PF), epoxy resin (EP), melamine resin (MF), urea resin (urea resin, UF), unsaturated polyester resin (UP), alkyd resin, polyurethane (PUR), Thermosetting polyimide (PI), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), medium density polyethylene (MDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, Polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAc), acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), acrylonitrile styrene resin (AS), polymethyl methacrylate resin (PMMA), polyamide (PA), polyacetal (POM), polycarbonate (PC) , Degeneration Polyphenylene ether (m-PPE), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), and cyclic polyolefin (COP) and the like.
基材層2aの平均厚みとしては特に限定されず、例えば10μm以上5mm以下とすることができる。
It does not specifically limit as average thickness of the
CNT含浸層2bは、基材層2aの表面に積層され、その内部に後述するCNT膜4を構成する複数のCNT繊維8が含浸している。CNT含浸層2bに用いるエラストマーとしては、基材層2aと同様のエラストマーを用いることができるが、CNT繊維8の含浸によるCNT膜4との複合化が容易な熱可塑性を有するエラストマーが好ましい。また、CNT含浸層2bに用いるエラストマーは、基材層2aに用いるエラストマーと溶解性パラメータ(SP値)及び弾性率が近いものを用いることが好ましく、基材層2aと同種のエラストマーを用いることが特に好ましい。CNT含浸層2bのエラストマー及び基材層2aのエラストマーの溶解性パラメータ及び弾性率を近くすることで、CNT含浸層2bと基材層2aとの親和性及び層境界における連続性が高まり、2層間の結合力及び剥離耐久性を向上させることができる。
The CNT impregnated
また、CNT含浸層2bはカップリング剤を含有しているとよい。CNT含浸層2bがカップリング剤を含有することで、CNT含浸層2bを構成するエラストマーとCNT繊維8とを架橋し、CNT膜4と基板2との接合力を向上させることができる。
Further, the CNT impregnated
前記カップリング剤としては、例えばアミノシランカップリング剤、アミノチタンカップリング剤、アミノアルミニウムカップリング剤等のアミノカップリング剤やシランカップリング剤などを用いることができる。 As said coupling agent, amino coupling agents, such as an aminosilane coupling agent, an amino titanium coupling agent, and an amino aluminum coupling agent, a silane coupling agent, etc. can be used, for example.
カップリング剤のCNT含浸層100質量部に対する含有量の下限としては、0.1質量部が好ましく、0.5質量部がより好ましい。一方、カップリング剤のCNT含浸層100質量部に対する含有量の上限としては、10質量部が好ましく、5質量部がより好ましい。カップリング剤の含有量が前記下限未満の場合、CNT繊維8とエラストマーとの架橋構造の形成が不十分となるおそれがある。逆に、カップリング剤の含有量が前記上限を超える場合、架橋構造を形成しない残留アミン等が増加し、当該歪みセンサ1の品質が低下するおそれがある。
As a minimum of content with respect to 100 mass parts of CNT impregnation layers of a coupling agent, 0.1 mass part is preferred and 0.5 mass part is more preferred. On the other hand, as an upper limit of content with respect to 100 mass parts of CNT impregnation layers of a coupling agent, 10 mass parts is preferable and 5 mass parts is more preferable. When the content of the coupling agent is less than the lower limit, the formation of a crosslinked structure between the
また、CNT含浸層2bはCNT繊維8に対する吸着性を有する分散剤を含有していてもよい。吸着性を有する分散剤としては、吸着基部分が塩構造になっているもの(例えばアルキルアンモニウム塩等)や、CNT繊維8の疎水性の基(例えばアルキル鎖や芳香族リング等)と相互作用できる親水性の基(例えばポリエーテル等)を分子中に有するもの等を用いることができる。
Further, the CNT impregnated
前記分散剤のCNT含浸層100質量部に対する含有量の下限としては、0.1質量部が好ましく、1質量部がより好ましい。一方、分散剤のCNT含浸層100質量部に対する含有量の上限としては、5質量部が好ましく、3質量部がより好ましい。分散剤の含有量が前記下限未満の場合、CNT繊維8とエラストマーとの接合力が不十分となるおそれがある。逆に、分散剤の含有量が前記上限を超える場合、CNT繊維8との接合に寄与しない分散剤が増加し、当該歪みセンサ1の品質が低下するおそれがある。
As a minimum of content with respect to 100 mass parts of CNT impregnation layers of the above-mentioned dispersing agent, 0.1 mass part is preferred and 1 mass part is more preferred. On the other hand, as an upper limit of content with respect to 100 mass parts of CNT impregnation layers of a dispersing agent, 5 mass parts is preferable and 3 mass parts is more preferable. When the content of the dispersant is less than the lower limit, the bonding force between the
CNT含浸層2bの平均厚みの下限としては、1μmが好ましく、2μmがさらに好ましい。一方、CNT含浸層2bの平均厚みの上限としては、5μmが好ましく、4μmがさらに好ましい。CNT含浸層2bの平均厚みが前記下限未満の場合、CNT含浸層2bに含浸するCNT繊維8の量が減少し、基板2とCNT膜4との接合力が向上しないおそれがある。逆に、CNT含浸層2bの平均厚みが前記上限を超える場合、CNT含浸層2bに含浸するCNT繊維8の量が過大となるため、CNT膜4の導電性が損なわれてセンサ機能が低下又は消失するおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the CNT impregnated
前記基材層2a及びCNT含浸層2bが積層されてなる基板2のサイズとしては特に限定されず、例えば幅が1mm以上5cm以下、長さが1cm以上20cm以下とすることができる。
The size of the
一対の電極3は、基板2の表面側の長手方向A(CNT繊維8の配向方向と略垂直な方向)の両端部分に配設されている。具体的には、各電極3は、基板2の表面の長手方向Aの両端部分に離間して配設される一対の導電層6の表面にそれぞれ配設されている。
The pair of
導電層6は、基材層2a及びCNT膜4の表面に積層され、電極3とCNT膜4との電気的な接続性を高めている。導電層6を形成する材料としては、導電性を有する限り特に限定されず、例えば導電性ゴム系接着剤等を用いることができる。導電層6としてこのように接着剤を用いることで、基板2、電極3及びCNT膜4の両端の固着性を高め、当該歪みセンサ1の持続性を高めることができる。
The
電極3は、帯状形状を有している。一対の電極3は、基板2の幅方向に、互いに平行に配設されている。電極3を形成する材料としては、特に限定されず、例えば銅、銀、アルミニウム等の金属等を用いることができる。
The
電極3の形状としては、特に限定されず、例えば膜状、板状、メッシュ状等とすることができるが、メッシュ状が好ましい。このようにメッシュ状の電極3を用いることで、導電層6との密着性及び固着性を高めることができる。このようなメッシュ状の電極3としては、金属メッシュ製のものや、不織布に金属を蒸着又はスパッタさせたものを用いることができる。なお、電極3としては、導電性接着剤の塗布等によって形成したものであってもよい。
The shape of the
CNT膜4は、平面視矩形形状を有し、長手方向Aの両端部分がそれぞれ導電層6を介して電極3と接続している。当該歪みセンサ1においては、前記CNT含浸層2bにCNT膜4の一部(裏面側)が含浸している。具体的には、CNT膜4を構成する複数のCNT繊維8の一部がCNT含浸層2b内に存在している。また、CNT膜4の両端部分は導電層6と基材層2aとに挟持された状態で固定されている。
The
CNT膜4は、一方向(一対の電極3の対向方向Aと異なる方向)に配向する複数のCNT繊維8からなる。CNT繊維8がこのように配向していることにより一対の電極3が離れる方向(方向A)へ歪みが加わった場合に、CNT繊維8同士の接触具合に変化が起こり、当該歪みセンサ1により抵抗変化を得ることができる。なお、より効率よく歪みを検出するには、CNT膜4は、一対の電極3の対向方向Aと略垂直方向、好ましくは垂直方向にCNT繊維8が配向されていることが望ましい。
The
各CNT繊維8は、図2に示すように、複数のCNT単繊維9からなる。ここで、CNT単繊維9とは、1本の長尺のCNTをいう。また、CNT繊維8は、CNT単繊維9の端部同士が連結する連結部10を有する。CNT単繊維9同士は、これらのCNT単繊維9の長手方向Bに連結している。このように、CNT膜4において、CNT単繊維9同士がその長手方向Bに連結してなるCNT繊維8を用いることで、CNT繊維8の配向方向に幅の広いCNT膜4を形成することができ、その結果、CNT膜4の抵抗値を下げ、かつ、この抵抗値のバラツキも低減することができる。
Each
また、複数のCNT繊維8は、図2に示すように網目構造を形成している。具体的には、複数のCNT繊維8は連結部10等により網目状に連結又は接触している。この際、連結部10において、連結部10aのように3つ以上のCNT単繊維9の端部が結合していてもよいし、連結部10bのように2つのCNT単繊維9の端部と他のCNT単繊維9の中間部とが結合していてもよい。複数のCNT繊維8がこのような網目構造を形成することで、CNT繊維8同士が密接し、CNT膜4の抵抗を下げることができる。
Further, the plurality of
また、この際、前記連結部10a、10bが主な基点となって近隣のCNT繊維8同士が連結又は接触することによって、CNT繊維8が両持ち梁構造として機能することができる。CNT繊維8同士の連結とは前記連結部10a、10b等とCNT繊維8が電気的に繋がることであり、CNT繊維8の連結部ではない部分同士が電気的に繋がった場合も連結に含まれる。CNT繊維8同士の接触とは前記連結部10a、10b等とCNT繊維8が触れているが電気的に繋がっていないことであり、CNT繊維8の連結部ではない部分同士が触れているが電気的に繋がっていない場合も接触に含まれる。両持ち梁として機能するCNT繊維8はバネ定数が大きくなる。そのため、CNT繊維8は、この配向方向Bと垂直方向(CNT膜4の長手方向A)には伸縮しにくい構造となっている。従って、CNT膜4がCNT繊維8の配向方向Bと垂直方向(CNT膜4の長手方向A)に対して剛性が強くなり、当該歪みセンサ1によれば、CNT膜4の長手方向Aの歪みに対して、敏感に検知することができ、さらにリニアリティを高めることができる。なお、当該CNT繊維8の連結部10が主な基点となって、隣り合うCNT繊維8間に限らず、何本か飛び越えた場所のCNT繊維8と連結又は接触してもよい。このように、複雑な網目状のCNT繊維8からなるCNT膜4であれば、より抵抗値が低くなり、CNT繊維8と垂直な方向に剛性の強い歪みセンサとすることができる。
At this time, the
なお、前記CNT繊維8は、各CNT単繊維9が実質的にCNT繊維8の長手方向Bに配向され、撚糸されていない状態のものである。このようなCNT繊維8を用いることで、CNT膜4の均一性を高め、歪みセンサとしてのリニアリティを高めることができる。
The
また、前記連結部10において、各CNT単繊維9同士は分子間力により結合している。このため、複数のCNT繊維8が連結部10により網目状に連結した場合においても、連結部10の存在による抵抗の上昇が抑えられる。
Moreover, in the said
CNT膜4の幅の下限としては、1mmが好ましく、1cmがより好ましい。一方、CNT膜4の幅の上限としては、10cmが好ましく、5cmがより好ましい。このようにCNT膜4の幅を比較的大きくすることで、上述のようにCNT膜4の抵抗値を下げ、かつ、この抵抗値のバラツキも低減することができる。
The lower limit of the width of the
CNT膜4の平均厚みとしては、特に限定されないが、例えばCNT膜4の平均厚みの下限としては、1μmが好ましく、10μmがさらに好ましい。一方、CNT膜4の平均厚みの上限としては、5mmが好ましく、1mmがさらに好ましい。CNT膜4の平均厚みが前記下限未満の場合は、このような薄膜の形成が困難になるおそれや、抵抗が上昇しすぎるおそれのほか、CNT含浸層2bにCNT膜4が十分含浸できないおそれや、CNT膜4が含浸した場合に当該歪みセンサ1のセンサ機能が低下又は消失するおそれがある。逆に、CNT膜4の平均厚みが前記上限を超える場合は、歪みに対する感受性が低下するおそれがある。
The average thickness of the
CNT膜4のCNT含浸層2bへの含浸部分の平均厚みの下限としては、CNT膜4の平均厚みの5%が好ましく、10%がさらに好ましい。一方、含浸部分の平均厚みの上限としては、CNT膜4の平均厚みの80%が好ましく、50%がさらに好ましい。CNT膜4の含浸部分の平均厚みが前記下限未満の場合、基板2とCNT膜4との接合力が向上しないおそれがある。逆に、CNT膜4の含浸部分の平均厚みが前記上限を超える場合、CNT含浸層2bに含浸するCNT繊維8の量が過大となるため、当該歪みセンサ1のセンサ機能が低下又は消失するおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the impregnated portion of the
CNT膜4の密度の下限としては、1.0g/cm3が好ましく、0.8g/cm3がより好ましい。一方、CNT膜4の密度の上限としては、1.8g/cm3が好ましく、1.5g/cm3がより好ましい。CNT膜4の密度が前記下限未満の場合、CNT膜4の抵抗値が高くなるおそれがある。逆に、CNT膜4の密度が前記上限を超える場合、十分な抵抗変化が得られないおそれがある。
The lower limit of the density of the
なお、CNT膜4は、CNT繊維8を平面状に略平行に配置した単層構造からなってもよいし、多層構造からなってもよい。但し、ある程度の導電性を確保するためには、多層構造とすることが好ましい。
Note that the
また、CNT膜4の表面には導電性ゴム系接着剤を塗布することが好ましい。導電性ゴム系接着剤を塗布することで、CNT繊維8間が電気的に接合されるため、当該歪みセンサ1のセンサ機能を向上させることができる。この導電性ゴム系接着剤としては導電性を有すれば特に限定されず、例えばカーボンブラックや銀ナノ粒子等を含有する接着剤を好適に用いることができる。
Moreover, it is preferable to apply a conductive rubber adhesive to the surface of the
前記導電性ゴム系接着剤の塗布量としては、CNT膜4の質量に対して、固形分比で5質量%以上10質量%以下が好ましい。導電性ゴム系接着剤の塗布量が前記範囲未満の場合、電気接合度の向上効果が十分得られないおそれがある。逆に、導電性ゴム系接着剤の塗布量が前記範囲を超える場合、当該歪みセンサ1の柔軟性が低下するおそれがある。なお、導電性ゴム系接着剤は、CNT膜4の表面に被膜を均一に形成するために複数回に分けて塗布することが好ましい。
The coating amount of the conductive rubber-based adhesive is preferably 5% by mass or more and 10% by mass or less in terms of solid content with respect to the mass of the
CNT単繊維9(CNT)としては、単層のシングルウォールナノチューブ(SWNT)や、多層のマルチウォールナノチューブ(MWNT)のいずれも用いることができるが、導電性及び熱容量等の点から、MWNTが好ましく、直径1.5nm以上100nm以下のMWNTがさらに好ましい。 As the CNT single fiber 9 (CNT), either single-wall single-wall nanotubes (SWNT) or multi-wall multi-wall nanotubes (MWNT) can be used, but MWNT is preferable from the viewpoint of conductivity and heat capacity. MWNT having a diameter of 1.5 nm or more and 100 nm or less is more preferable.
前記CNT単繊維9(CNT)は、公知の方法で製造することができ、例えばCVD法、アーク法、レーザーアブレーション法、DIPS法、CoMoCAT法等により製造することができる。これらの中でも、所望するサイズのCNT(MWNT)を効率的に得ることができる点から、鉄を触媒とし、エチレンガスを用いたCVD法により製造することが好ましい。この場合、石英ガラス基板や酸化膜付きシリコン基板等の基板に、触媒となる鉄あるいはニッケル薄膜を成膜した上に、垂直配向成長した所望する長さのCNTの結晶を得ることができる。 The CNT single fiber 9 (CNT) can be manufactured by a known method, for example, CVD method, arc method, laser ablation method, DIPS method, CoMoCAT method and the like. Among these, it is preferable to manufacture by a CVD method using iron as a catalyst and ethylene gas from the viewpoint that CNT (MWNT) having a desired size can be efficiently obtained. In this case, a CNT crystal having a desired length can be obtained which is obtained by forming an iron or nickel thin film serving as a catalyst on a substrate such as a quartz glass substrate or a silicon substrate with an oxide film and then vertically growing.
保護部5は膜状であり、CNT膜4の表面に積層されている。具体的には図1に示すように、保護部5は、CNT膜4及び一対の導電層6の表面の一部を被覆している。なお、一対の導電層6の一部は、保護部5に被覆されない電極3を積層するための露出部分を有する。このように保護部5を積層することで、前記保護部5はCNT繊維8表面の少なくとも一部と接触し、CNT膜4を保護している。特に、当該歪みセンサ1によれば、前記保護部5をCNT膜4の表面に積層させていることで、不意の接触等によるCNT膜4の破損、CNT繊維8間の隙間への異物混入、または湿気や浮遊ガス等のCNT繊維8への付着等を抑えることができる。
The
保護部5は、エラストマー製である。このエラストマーとしては、基板2の材料として例示したゴムや合成樹脂等を挙げることができ、これらの中でもゴムが好ましい。ゴムを用いることで、大きな歪みに対しても十分な保護機能を発揮することができる。
The
保護部5は、水性エマルジョンから形成されていることが好ましい。水性エマルジョンとは、分散媒の主成分が水であるエマルジョンをいう。CNTは疎水性が高い。そのため、前記保護部5を水性エマルジョンから形成すると、例えば塗工や浸漬によりこの保護部5を設けた場合、保護部5がCNT膜4に含浸せずにCNT膜4表面に積層された状態とすることができる。このようにすることで、保護部5を形成するエラストマーがCNT膜4にしみ込んで、CNT膜4の抵抗変化に影響を及ぼすことを抑制し、保護部5の存在によるCNT膜4の歪み感受性の低下を抑えることができる。水性エマルジョンは乾燥工程を経ることによって、より安定した保護部5とすることができる。
The
前記水性エマルジョンの分散媒の主成分は、水であるが、その他の例えばアルコール等の親水性分散媒が含有されていてもよい。また、前記エマルジョンの分散質としては、通常エラストマーであり、上述したゴム、特には天然ゴムが好ましい。この好ましいエマルジョンは、分散媒を水とし、ゴムを分散質とするするいわゆるラテックスが挙げられ、天然ゴムラテックスが好ましい。天然ゴムラテックスを用いることで、薄くかつ強度のある保護膜を形成することができる。 The main component of the dispersion medium of the aqueous emulsion is water, but other hydrophilic dispersion medium such as alcohol may be contained. Further, the dispersoid of the emulsion is usually an elastomer, and the above-described rubber, particularly natural rubber is preferable. Examples of the preferable emulsion include so-called latex in which the dispersion medium is water and the rubber is a dispersoid, and natural rubber latex is preferable. By using natural rubber latex, a thin and strong protective film can be formed.
保護部5の平均厚みとしては、特に限定されず、例えば10μm以上3mm以下とすることができる。
It does not specifically limit as average thickness of the
CNT膜4は、CNT繊維8の配向方向Bに沿って開裂可能な部分11を有する。このように、前記CNT膜4にCNT繊維8の配向方向Bに沿って開裂可能な部分11を形成することで、抵抗変化の過渡応答性が高まり、より大きな歪み(伸縮)に対しても優れたセンサ機能を発揮することができる。この場合、開裂可能な部分11に接触する保護部5は大きく変形し、一方開裂しない部分に接触する保護部5は変形が小さいこととなる。なお、この開裂可能な部分11は、CNT含浸層2bに含浸した部分まで挿通して形成してもよい。
The
当該歪みセンサ1によれば、CNT膜4がこのように設けられていることで、基板2の歪みに応じて、CNT膜4が歪み(伸縮し)、CNT膜4の抵抗が変化するため、歪みを検知するセンサとして機能することができる。なお、基板2の歪みには、長手方向Aの伸縮のみではなく、基板2の法線方向の変形や、長手方向を軸としたねじれ等も含む。当該歪みセンサ1によれば、このような基板2の歪みも検知することができる。また、当該歪みセンサ1によれば、基板2(CNT含浸層2b)にCNT膜4の一部(裏面側)が含浸しているため、CNT膜4の基材2からの剥離を抑制し、センサ機能の持続性を高めることができる。
According to the strain sensor 1, since the
(製造方法)
歪みセンサ1の製造方法としては、特に限定されないが、例えば以下の製造工程で製造することができる。
(Production method)
Although it does not specifically limit as a manufacturing method of the distortion sensor 1, For example, it can manufacture with the following manufacturing processes.
(1−1)図3(a)に示すように、スライドガラス等の離型板上に基材層2aを形成する。具体的には、スライドガラスXをラテックスやエラストマー溶液に浸漬し、その後乾燥させる。これにより、スライドガラスXの表面にエラストマー製の平面視矩形状の基材層2aを形成することができる。なお、離形板としては、スライドガラス以外の合成樹脂等の他の板材を用いてもよい。
(1-1) As shown in FIG. 3A, a
(1−2)図3(b)に示すように、前記基材層2aの表面にCNT含浸層2bの形成材料であるエラストマー溶液を塗布する。
(1-2) As shown in FIG. 3B, an elastomer solution, which is a material for forming the CNT impregnated
(1−3)図3(c)に示すように、未硬化状態のCNT含浸層2bの形成材料表面に、CNT繊維8を含浸させつつCNT膜4を形成する。具体的には、一方向に配向する複数のCNT繊維8からなるCNTペーパー(フィルム)をCNT含浸層2bの表面から配置し、その裏面側をCNT含浸層2bに含浸させる。このとき、後工程で積層される一対の電極3の対向方向(長手方向)と略垂直方向にCNT繊維8が配向するようにCNTペーパーの向きを調節する。
(1-3) As shown in FIG. 3C, the
(1−4)CNT繊維8が含浸した未硬化状態のCNT含浸層2bの形成材料を硬化し、CNT含浸層2bを形成する。具体的には、CNTペーパーを配置後、未硬化状態のCNT含浸層2bを乾燥又は加熱することで硬化させる。
(1-4) The material for forming the uncured CNT impregnated
なお、前記CNTペーパーは、成長用基材上に触媒層を形成し、CVD法により一定の方向に配向した複数のCNT繊維8を成長させ、図5のように撚糸せずにそのまま引き出し、他の板材又は筒材等に巻き付けた後に、必要な分のシート状のCNT繊維8を取り出すことで得ることができる。このCNTペーパーは、CNT含浸層2bの表面に配置される。
In the CNT paper, a catalyst layer is formed on a growth base material, a plurality of
また、CNT膜4形成後、例えばイソプロピルアルコールやエタノール等の溶媒をCNT膜4に噴霧するか、又はこの溶媒に浸した後、乾燥させることが好ましい。この工程を経ることで、CNT膜4とCNT含浸層2bとの密着性をさらに高めることができると共に、CNT膜4を構成するCNT繊維8を高密度化することができる。なお、このようにCNT繊維8を高密度化することによって、CNT繊維同士の接触面積をあらかじめ増やすことができ、CNT膜4の抵抗を下げて消費電力を下げる効果と、歪みを加えた時に抵抗変化の感度を高める効果を得ることができる。
Further, after the
(1−5)前記CNT膜4の表面に導電性ゴム系接着剤を塗布する。その後、常温で30分間乾燥させ、導電性ゴム系接着剤を硬化させる。なお、導電性ゴム系接着剤の塗布回数は2回以上が好ましい。
(1-5) A conductive rubber adhesive is applied to the surface of the
(1−6)図3(d)に示すように、この基板2の長手方向両端部分に導電性ゴム系接着剤を塗布し、導電層6を形成する。この際、CNT膜4の一部を導電層6が被覆するように導電層6を形成する。
(1-6) As shown in FIG. 3D, a conductive rubber adhesive is applied to both ends of the
(1−7)図3(e)に示すように、CNT膜4及び導電層6の表面に保護部5を積層する。具体的には、スライドガラスも含めた全体をラテックスに浸漬するか、あるいはCNT膜4の表面にラテックスを塗布することで保護部5を形成する。このようにラテックスを用いることで、保護部5をCNT膜4表面に積層させることができる。なお、この際、電極3が配設できるように導電層6の一部は露出するように保護部5を形成する。ラテックスは上述のとおり水性エマルジョンであり、親水性を有する。
(1-7) As shown in FIG. 3 (e), the
なお、前記水性エマルジョンの代わりに油性エマルジョンを用いることで、保護部5がCNT膜4を構成するCNT繊維8の隙間の少なくとも一部に存在する歪みセンサとすることもできる。
In addition, it can also be set as the strain sensor which the
(1−8)図3(f)に示すように、各導電層6の表面に電極3を積層する。
(1-8) As shown in FIG. 3 (f), the
(1−9)電極3の積層後、スライドガラスの両面からこれらの積層体を切り出すことで、少なくとも1対の歪みセンサ1を得ることができる。スライドガラスにおける幅方向両端部分は切り落としてもよい。また、長手方向に分断することで、片面から複数の歪みセンサ1を製造することもできる。なお、スライドガラスから切り出した後、歪みセンサ1を電極3の対向方向に伸張させて、CNT膜4や保護膜5に開裂可能な部分11を形成することができる。
(1-9) After stacking the
なお、CNT膜4の積層手順である前記(1−2)〜(1−4)は以下のような手順とすることも可能である。
In addition, the above-mentioned (1-2)-(1-4) which is the lamination | stacking procedure of the CNT film |
(1−2’)前記基材層2aの表面にCNT含浸層2bの形成材料であるエラストマー溶液を塗布し、乾燥又は加熱により硬化させる。
(1-2 ') An elastomer solution, which is a material for forming the CNT impregnated
(1−3’)図4に示すように、CNT繊維8をスライドガラス(CNT含浸層2b)上に巻き付ける。このようにすることで、一方向(一対の電極3の対向方向と略垂直方向)に配向する複数のCNT繊維8からなるCNT膜4を得ることができる。この際、スライドガラス(基板2)の両端を一対の支持具13で挟持し、スライドガラス(基板2)の長手方向を軸に回転させることで、CNT繊維8を巻き付けることができる。なお、スライドガラスの幅方向両端部分をマスキングテープ12等によりマスクしておいてもよい。
(1-3 ′) As shown in FIG. 4, the
(1−4’)CNT繊維8の巻き付け量が一定値(CNT含浸層2bに含浸させる分量)に達した時点で、CNT含浸層2bをアイロン等により加熱して軟化状態にし、巻き付けたCNT繊維8をCNT含浸層2bに含浸させる。その後、乾燥又は加熱により再びCNT含浸層2bを硬化させ、残りのCNT繊維8をCNT含浸層2b上に巻き付けることでCNT膜4を形成する。
(1-4 ') When the winding amount of the
なお、前記CNT繊維8は、上述のようにCVD法により基板上に垂直配向成長したCNT単繊維9(CNT)の結晶を撚糸せずにそのまま引き出すことで得ることができる(図5参照)。このようにして得られたCNT繊維8は、複数のCNT単繊維9からなり、このCNT単繊維9同士が長手方向に連結する連結部を有する構造となっている。
The
<その他の実施形態>
本発明の歪みセンサは前記実施形態に限定されるものではない。例えば本発明は、図6に示す歪みセンサ101のように、電極3をCNT繊維8の配向方向(方向A)の両端に配設してもよい。この歪みセンサ101は、一対の電極3が離れる方向(方向A)へ歪みが加わった場合に、CNT繊維8に長手方向の変形(伸縮)が起こり、抵抗変化を得ることができる。なお、このように歪みの感知方向がCNT繊維8の配向方向である歪みセンサ101の場合、保護層5をCNT膜4に含浸させることが好ましく、CNT膜4におけるCNT繊維8の密度は第一実施形態よりも小さくてもよい。また、CNT繊維8は複数の束となって存在する傾向にあり、CNT膜4のおける複数の束の隙間に保護層5が含浸することで、CNT繊維8の強度を高め、CNT繊維8の配向方向の歪みにより切断することを防止することができる。
<Other embodiments>
The strain sensor of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the present invention, the
また、当該歪みセンサは、電極の裏面及び表面に導電層を設けた構成としてもよい。具体的には、基板の表面に長手方向Aの両端部分に離間して配設される一対の第一導電層を設け、この第一導電層の表面にCNT膜の一部及び一対の電極を積層し、さらにCNT膜及び電極の表面の一部を被覆するように一対の第二導電層を設ける。これによりCNT膜の長手方向の両端部分が第一導電層と第二導電層とで挟持される。このような導電層を設けることで、電極とCNT膜との電気的な接続性を高めることができる。 The strain sensor may have a configuration in which a conductive layer is provided on the back surface and the front surface of the electrode. Specifically, a pair of first conductive layers are provided on the surface of the substrate so as to be spaced apart at both ends in the longitudinal direction A, and a part of the CNT film and a pair of electrodes are provided on the surface of the first conductive layer. A pair of second conductive layers is provided so as to cover the CNT film and a part of the surface of the electrode. As a result, both end portions of the CNT film in the longitudinal direction are sandwiched between the first conductive layer and the second conductive layer. By providing such a conductive layer, the electrical connectivity between the electrode and the CNT film can be improved.
さらに、当該歪みセンサにおいて、保護部はCNT繊維表面の少なくとも一部と接触していればよく、例えばCNT膜の表面近傍のみ等、CNT膜の一部のみに保護膜を形成するエラストマーが含浸しているものであってもよい。さらには、CNT繊維間の隙間の少なくとも一部に保護部を有しつつ、CNT膜に保護部が積層されている構成であってもよい。このような歪みセンサにおいても、保護部によりCNT膜が保護されるので、当該歪みセンサの持続性を高めることができる。 Furthermore, in the strain sensor, the protective part only needs to be in contact with at least a part of the CNT fiber surface, for example, only the vicinity of the surface of the CNT film is impregnated with an elastomer that forms a protective film only on a part of the CNT film. It may be. Furthermore, the protection part may be laminated | stacked on the CNT film | membrane, having a protection part in at least one part of the clearance gap between CNT fibers. Also in such a strain sensor, since the CNT film is protected by the protection unit, the sustainability of the strain sensor can be improved.
また、基板は、完全な直方体からなる板状体に限定されるものではなく、変形させて用いることもできる。例えば、筒状や波状とすることで、当該歪みセンサの用途を広げることができる。CNT繊維としても、CNTを紡いで得られたCNTファイバー等を用いてもよい。さらには、CNT膜において、一対の電極の対向方向と垂直方向に対向するさらにもう一対の電極を設けてもよい。このように直交する2対の電極を設けることで、当該歪みセンサを二次元センサとして用いることもできる。また、粘着性を有する樹脂で当該歪みセンサの表面を被覆することによって、人体、構造物等の歪みを検出したい場所へ簡易に貼り付けて用いることもできる。 Further, the substrate is not limited to a plate-like body made of a complete rectangular parallelepiped, and can be used by being deformed. For example, the use of the strain sensor can be expanded by using a cylindrical shape or a wave shape. As the CNT fiber, a CNT fiber obtained by spinning CNT may be used. Furthermore, in the CNT film, a further pair of electrodes facing each other in the direction perpendicular to the facing direction of the pair of electrodes may be provided. By providing two pairs of electrodes orthogonal to each other in this way, the strain sensor can be used as a two-dimensional sensor. In addition, by covering the surface of the strain sensor with an adhesive resin, the strain sensor can be easily attached to a place where it is desired to detect strain such as a human body or a structure.
以上説明したように、本発明の歪みセンサは、CNT膜の一部が基板に含浸していることで持続性に優れ、また、センサとして十分に機能し、圧力センサ、ロードセル、トルクセンサ、位置センサ等として広く利用することができる。 As described above, the strain sensor of the present invention is excellent in sustainability because a part of the CNT film is impregnated in the substrate, and also functions sufficiently as a sensor, such as a pressure sensor, load cell, torque sensor, position It can be widely used as a sensor or the like.
1、101 歪みセンサ
2 基板
2a 基材層
2b CNT含浸層
3 電極
4 CNT膜
5 保護部
6 導電層
8 CNT繊維
9 CNT単繊維
10、10a、10b 連結部
11 開裂可能な部分
12 マスキングテープ
13 支持具
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101
Claims (4)
この基板の表面側に積層され、一方向に配向する複数のCNT繊維からなるCNT膜と、
このCNT膜の端部に配設される一対の電極と
を備えた歪みセンサであって、
前記基板が、
基材層と、
この基材層の表面に積層され、前記CNT膜の裏面側の一部領域が含浸したCNT含浸層と
を備えることを特徴とする歪みセンサ。 A flexible substrate;
A CNT film composed of a plurality of CNT fibers laminated on the surface side of the substrate and oriented in one direction;
A strain sensor comprising a pair of electrodes disposed at an end of the CNT film,
The substrate is
A base material layer;
A strain sensor comprising: a CNT impregnated layer laminated on a surface of the base material layer and impregnated in a partial region on the back side of the CNT film.
この基板の表面側に積層され、一方向に配向する複数のCNT繊維からなるCNT膜と、
このCNT膜の端部に配設される一対の電極と
を備えた歪みセンサの製造方法であって、
前記基板の有する基材層の表面にCNT含浸層の形成材料を積層する工程と、
前記CNT含浸層形成材料の内部に複数のCNT膜の裏面側の一部領域を配置する工程と、
前記CNT膜の配置後にCNT含浸層形成材料を硬化させてCNT含浸層を得る工程と
を有することを特徴とする歪みセンサの製造方法。
A flexible substrate;
A CNT film composed of a plurality of CNT fibers laminated on the surface side of the substrate and oriented in one direction;
A method of manufacturing a strain sensor comprising a pair of electrodes disposed at an end of the CNT film,
A step of laminating a CNT-impregnated layer forming material on the surface of the base material layer of the substrate;
Arranging a partial region on the back side of a plurality of CNT films inside the CNT impregnated layer forming material;
And a step of curing the CNT-impregnated layer forming material after the CNT film is disposed to obtain a CNT-impregnated layer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013031548A JP6142387B2 (en) | 2013-02-20 | 2013-02-20 | Strain sensor and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013031548A JP6142387B2 (en) | 2013-02-20 | 2013-02-20 | Strain sensor and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014160041A true JP2014160041A (en) | 2014-09-04 |
JP6142387B2 JP6142387B2 (en) | 2017-06-07 |
Family
ID=51611817
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013031548A Active JP6142387B2 (en) | 2013-02-20 | 2013-02-20 | Strain sensor and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6142387B2 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016170123A (en) * | 2015-03-13 | 2016-09-23 | セイコーインスツル株式会社 | Distortion sensor |
CN106580256A (en) * | 2016-12-15 | 2017-04-26 | 清华大学 | Flexible pressure sensor and manufacturing method thereof |
JP2017138467A (en) * | 2016-02-03 | 2017-08-10 | 株式会社ニコン | Arrangement method and arrangement device, and device manufacturing method and device manufacturing method |
CN108431543A (en) * | 2016-01-06 | 2018-08-21 | 雅马哈株式会社 | Strain sensor element |
CN110081808A (en) * | 2018-01-26 | 2019-08-02 | 北京纳米能源与系统研究所 | Difunctional flexible sensor and preparation method thereof, wearable device |
CN114087976A (en) * | 2021-11-25 | 2022-02-25 | 中国科学院长春应用化学研究所 | Flexible large-strain sensor and preparation method thereof |
CN114206775A (en) * | 2020-12-28 | 2022-03-18 | 深圳烯湾科技有限公司 | Composite carbon nanotube film, preparation method thereof and layered heating device |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009072478A1 (en) * | 2007-12-07 | 2009-06-11 | Daido Corporation | Method for producing carbon nanotube-containing conductor |
JP2009167092A (en) * | 2008-01-11 | 2009-07-30 | Qinghua Univ | Carbon nanotube-based composite material and method for fabricating the same |
JP2011047702A (en) * | 2009-08-25 | 2011-03-10 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Expansion device using carbon nanotube and method of manufacturing the same |
-
2013
- 2013-02-20 JP JP2013031548A patent/JP6142387B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009072478A1 (en) * | 2007-12-07 | 2009-06-11 | Daido Corporation | Method for producing carbon nanotube-containing conductor |
US20100252184A1 (en) * | 2007-12-07 | 2010-10-07 | Meijyo Nano Carbon Co., Ltd. | Method for producing carbon nanotube-containing conductor |
JP2009167092A (en) * | 2008-01-11 | 2009-07-30 | Qinghua Univ | Carbon nanotube-based composite material and method for fabricating the same |
JP2011047702A (en) * | 2009-08-25 | 2011-03-10 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Expansion device using carbon nanotube and method of manufacturing the same |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016170123A (en) * | 2015-03-13 | 2016-09-23 | セイコーインスツル株式会社 | Distortion sensor |
CN108431543A (en) * | 2016-01-06 | 2018-08-21 | 雅马哈株式会社 | Strain sensor element |
JP2017138467A (en) * | 2016-02-03 | 2017-08-10 | 株式会社ニコン | Arrangement method and arrangement device, and device manufacturing method and device manufacturing method |
CN106580256A (en) * | 2016-12-15 | 2017-04-26 | 清华大学 | Flexible pressure sensor and manufacturing method thereof |
CN106580256B (en) * | 2016-12-15 | 2019-06-18 | 清华大学 | A kind of pliable pressure sensor and preparation method thereof |
CN110081808A (en) * | 2018-01-26 | 2019-08-02 | 北京纳米能源与系统研究所 | Difunctional flexible sensor and preparation method thereof, wearable device |
CN114206775A (en) * | 2020-12-28 | 2022-03-18 | 深圳烯湾科技有限公司 | Composite carbon nanotube film, preparation method thereof and layered heating device |
WO2022140890A1 (en) * | 2020-12-28 | 2022-07-07 | 深圳烯湾科技有限公司 | Composite carbon nanotube film, preparation method therefor, and layered heating device |
CN114087976A (en) * | 2021-11-25 | 2022-02-25 | 中国科学院长春应用化学研究所 | Flexible large-strain sensor and preparation method thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6142387B2 (en) | 2017-06-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6014906B2 (en) | Strain sensor | |
JP5924725B2 (en) | Strain sensor and method for manufacturing strain sensor | |
JP6142387B2 (en) | Strain sensor and manufacturing method thereof | |
JP2014038088A (en) | Strain sensor | |
JP6469484B2 (en) | Strain sensor | |
KR101387387B1 (en) | Antistatic sheet and working stage with the same | |
JP2017009559A (en) | Distortion sensor element | |
CN113588140B (en) | Pressure sensor, pressure sensing array and preparation method thereof | |
JP7388412B2 (en) | Strain sensor element manufacturing method and strain sensor element | |
JP6647089B2 (en) | Electrostrictive element and method of manufacturing the same | |
JP6561636B2 (en) | Strain sensor element | |
JP2016080520A (en) | Strain sensor | |
JP6821949B2 (en) | Distortion sensor unit | |
JP6561640B2 (en) | Strain sensor element | |
TWI484060B (en) | Heating pad | |
CN213680494U (en) | Adhesion type electromagnetic shielding film | |
KR102659116B1 (en) | Highly stretchable composite material, and super capacitor comprising of the same, method of fabricating of the same | |
JP2016176874A (en) | Strain sensor element | |
JP2016225601A (en) | Electrostrictive element | |
JP6161041B2 (en) | Strain sensor and method for manufacturing strain sensor | |
KR20200142287A (en) | Graphene-coated carbon fiber cushion with exothermic function | |
KR101486636B1 (en) | Light transmittance composite film and method for fabricating the same | |
JP2017019700A (en) | Composite and manufacturing method thereof | |
JP2005123497A (en) | Field effect transistor and its manufacturing method | |
KR20140095859A (en) | Functionality sheet with carbon nanotube coating and the method for manufacturing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20151116 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20151118 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160920 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160921 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161116 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170411 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170417 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6142387 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |