JP2014160041A - Strain sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a strain sensor capable of improving bonding force between a CNT film and a base material and capable of improving persistence of a sensor function.SOLUTION: The strain sensor includes a flexible substrate, a CNT film laminated on the surface side of the substrate and composed of a plurality of CNT fibers oriented in one direction and a pair of electrodes arranged on end parts of the CNT film. The substrate comprises a base material layer and a CNT impregnation layer which is laminated on a surface of the base material layer and in which a partial area of the rear side of the CNT film is impregnated. The average thickness of the CNT impregnation layer of the substrate is preferably 5 to 80% of the average thickness of the CNT film. A formation material of the CNT impregnation layer preferably contains a coupling agent with the CNT fibers composing the CNT film or dispersant having adsorptivity for the CNT fibers.

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.

特開2011−47702号公報JP 2011-47702 A 特開2010−281824号公報JP 2010-281824 A

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.

本発明の第一実施形態に係る歪みセンサの模式的断面図(a)及び模式的平面図(b)Schematic sectional view (a) and schematic plan view (b) of the strain sensor according to the first embodiment of the present invention. 図1の歪みセンサのCNT膜の一部を示す模式図Schematic diagram showing a part of the CNT film of the strain sensor of FIG. 図1の歪みセンサの製造方法の一例を示す模式図The schematic diagram which shows an example of the manufacturing method of the distortion sensor of FIG. 図1の歪みセンサのCNT膜形成手順の一例を示す模式図The schematic diagram which shows an example of the CNT film | membrane formation procedure of the distortion sensor of FIG. 実施例1においてCNT繊維を形成しているところを示すSEM写真SEM photograph showing the formation of CNT fibers in Example 1 図1の歪みセンサとは異なる実施形態に係る歪みセンサの模式的断面図1 is a schematic cross-sectional view of a strain sensor according to an embodiment different from that of FIG.

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 substrate 2, a CNT film 4 formed of a plurality of CNT fibers 8 provided on the surface side of the substrate 2 and oriented in one direction, and the CNT film 8 of the CNT fiber 8. It mainly includes a pair of electrodes 3 disposed at both ends in a direction A different from the orientation direction, and a protective portion 5 that protects the CNT film 4.

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 substrate 2 is a flexible plate. The substrate 2 includes a base material layer 2a mainly composed of an elastomer, and a CNT impregnated layer 2b which is laminated on the surface of the base material layer 2a and is also composed mainly of an elastomer.

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 base material layer 2a is not particularly limited as long as it has flexibility, and examples thereof include rubber and synthetic resin. Among these, rubber is preferable. By using rubber, the flexibility of the base material layer 2a (substrate 2) can be further increased.

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 base material layer 2a, For example, they are 10 micrometers or more and 5 mm or less.

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 layer 2b is laminated on the surface of the base material layer 2a, and a plurality of CNT fibers 8 constituting a CNT film 4 described later are impregnated therein. As the elastomer used for the CNT impregnated layer 2b, the same elastomer as that of the base material layer 2a can be used, but an elastomer having thermoplasticity that can be easily combined with the CNT film 4 by impregnation with the CNT fibers 8 is preferable. The elastomer used for the CNT-impregnated layer 2b is preferably one having a solubility parameter (SP value) and elastic modulus close to those of the elastomer used for the base layer 2a, and the same type of elastomer as the base layer 2a is used. Particularly preferred. By making the solubility parameter and elastic modulus of the elastomer of the CNT impregnated layer 2b and the elastomer of the base material layer 2a close to each other, the affinity between the CNT impregnated layer 2b and the base material layer 2a and the continuity at the layer boundary are increased. The bonding strength and the peeling durability can be improved.

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 layer 2b may contain a coupling agent. Since the CNT impregnated layer 2b contains a coupling agent, the elastomer constituting the CNT impregnated layer 2b and the CNT fibers 8 can be cross-linked, and the bonding force between the CNT film 4 and the substrate 2 can be improved.

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 CNT fibers 8 and the elastomer may be insufficient. On the other hand, when the content of the coupling agent exceeds the upper limit, residual amine that does not form a crosslinked structure increases, and the quality of the strain sensor 1 may be deteriorated.

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 layer 2 b may contain a dispersant having an adsorptivity to the CNT fibers 8. Examples of the dispersing agent having an adsorptive property include an interaction with an adsorbing group having a salt structure (for example, an alkylammonium salt) or a hydrophobic group (for example, an alkyl chain or an aromatic ring) of the CNT fiber 8. What has a hydrophilic group (for example, polyether etc.) which can be used in a molecule | numerator etc. can be used.

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 fiber 8 and the elastomer may be insufficient. On the contrary, when the content of the dispersant exceeds the upper limit, the dispersant that does not contribute to the bonding with the CNT fibers 8 increases, and the quality of the strain sensor 1 may be deteriorated.

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 layer 2b is preferably 1 μm, and more preferably 2 μm. On the other hand, the upper limit of the average thickness of the CNT impregnated layer 2b is preferably 5 μm, and more preferably 4 μm. When the average thickness of the CNT impregnated layer 2b is less than the lower limit, the amount of CNT fibers 8 impregnated in the CNT impregnated layer 2b decreases, and the bonding force between the substrate 2 and the CNT film 4 may not be improved. Conversely, if the average thickness of the CNT impregnated layer 2b exceeds the above upper limit, the amount of CNT fibers 8 impregnated in the CNT impregnated layer 2b becomes excessive, so that the conductivity of the CNT film 4 is impaired and the sensor function is reduced or May disappear.

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 substrate 2 on which the base material layer 2a and the CNT impregnated layer 2b are laminated is not particularly limited, and for example, the width can be 1 mm or more and 5 cm or less, and the length can be 1 cm or more and 20 cm or less.

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 electrodes 3 are disposed at both end portions in the longitudinal direction A (direction substantially perpendicular to the orientation direction of the CNT fibers 8) on the surface side of the substrate 2. Specifically, each electrode 3 is disposed on the surface of a pair of conductive layers 6 that are spaced apart from each other in the longitudinal direction A of the surface of the substrate 2.

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 conductive layer 6 is laminated on the surface of the base material layer 2 a and the CNT film 4 to enhance electrical connectivity between the electrode 3 and the CNT film 4. The material for forming the conductive layer 6 is not particularly limited as long as it has conductivity, and for example, a conductive rubber adhesive can be used. By using the adhesive as the conductive layer 6 in this way, the adhesion of both ends of the substrate 2, the electrode 3, and the CNT film 4 can be enhanced, and the durability of the strain sensor 1 can be enhanced.

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 electrode 3 has a strip shape. The pair of electrodes 3 are arranged in parallel to each other in the width direction of the substrate 2. It does not specifically limit as a material which forms the electrode 3, For example, metals, such as copper, silver, aluminum, etc. can be used.

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 electrode 3 is not particularly limited and can be, for example, a film shape, a plate shape, a mesh shape, or the like, but a mesh shape is preferable. By using the mesh-like electrode 3 in this manner, the adhesion and adhesion with the conductive layer 6 can be enhanced. As such a mesh-like electrode 3, a metal mesh or a non-woven fabric obtained by vapor deposition or sputtering of metal can be used. The electrode 3 may be formed by applying a conductive adhesive or the like.

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 film 4 has a rectangular shape in plan view, and both end portions in the longitudinal direction A are connected to the electrode 3 through the conductive layer 6. In the strain sensor 1, the CNT impregnated layer 2b is impregnated with a part of the CNT film 4 (back surface side). Specifically, some of the plurality of CNT fibers 8 constituting the CNT film 4 are present in the CNT impregnated layer 2b. Further, both end portions of the CNT film 4 are fixed while being sandwiched between the conductive layer 6 and the base material layer 2a.

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 CNT film 4 is composed of a plurality of CNT fibers 8 oriented in one direction (a direction different from the facing direction A of the pair of electrodes 3). When the CNT fibers 8 are oriented in this way and strain is applied in the direction in which the pair of electrodes 3 are separated (direction A), the contact state between the CNT fibers 8 changes, and the strain sensor 1 causes resistance. Change can be obtained. In order to detect strain more efficiently, it is desirable that the CNT film 4 has the CNT fibers 8 oriented in a direction substantially perpendicular to the facing direction A of the pair of electrodes 3, preferably in the perpendicular direction.

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 CNT fiber 8 includes a plurality of CNT single fibers 9 as shown in FIG. Here, the CNT single fiber 9 refers to one long CNT. Moreover, the CNT fiber 8 has the connection part 10 which the edge parts of the CNT single fiber 9 connect. The CNT single fibers 9 are connected to each other in the longitudinal direction B of the CNT single fibers 9. Thus, in the CNT film 4, by using the CNT fiber 8 in which the CNT single fibers 9 are connected in the longitudinal direction B, the CNT film 4 having a wide width in the alignment direction of the CNT fiber 8 can be formed. As a result, the resistance value of the CNT film 4 can be lowered, and variations in the resistance value can also be reduced.

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 CNT fibers 8 form a network structure as shown in FIG. Specifically, the plurality of CNT fibers 8 are connected or contacted in a mesh shape by the connecting portion 10 or the like. At this time, in the connecting portion 10, the end portions of three or more CNT single fibers 9 may be combined as in the connecting portion 10 a, or the end portions of the two CNT single fibers 9 in the connecting portion 10 b The intermediate part of the other CNT single fiber 9 may couple | bond. When the plurality of CNT fibers 8 form such a network structure, the CNT fibers 8 are in close contact with each other, and the resistance of the CNT film 4 can be reduced.

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 CNT fibers 8 can function as a doubly supported beam structure by connecting or contacting neighboring CNT fibers 8 with the connecting portions 10a and 10b as main base points. The connection between the CNT fibers 8 means that the connection portions 10a, 10b, etc. and the CNT fibers 8 are electrically connected, and the case where the non-connection portions of the CNT fibers 8 are electrically connected is also included in the connection. . The contact between the CNT fibers 8 means that the connection portions 10a, 10b, etc. and the CNT fibers 8 are touched but not electrically connected, and the portions that are not the connection portions of the CNT fibers 8 are in contact with each other. Even if they are not connected, they are included in the contact. The CNT fiber 8 that functions as a doubly supported beam has a large spring constant. Therefore, the CNT fiber 8 has a structure that is difficult to expand and contract in the direction perpendicular to the orientation direction B (longitudinal direction A of the CNT film 4). Accordingly, the rigidity of the CNT film 4 is increased in the direction perpendicular to the alignment direction B of the CNT fibers 8 (longitudinal direction A of the CNT film 4). Can be detected sensitively, and the linearity can be further improved. In addition, the connection part 10 of the CNT fiber 8 serves as a main base point, and may be connected or contacted with not only the adjacent CNT fibers 8 but also some CNT fibers 8 jumped over. As described above, the CNT film 4 made of the complex network-like CNT fiber 8 has a lower resistance value and can be a strain sensor having a high rigidity in a direction perpendicular to the CNT fiber 8.

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 CNT fibers 8 are in a state in which each CNT single fiber 9 is substantially oriented in the longitudinal direction B of the CNT fibers 8 and is not twisted. By using such a CNT fiber 8, the uniformity of the CNT film 4 can be enhanced and the linearity as a strain sensor can be enhanced.

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 connection part 10, each CNT single fiber 9 is couple | bonded by the intermolecular force. For this reason, even when a plurality of CNT fibers 8 are connected in a mesh shape by the connecting portion 10, an increase in resistance due to the presence of the connecting portion 10 is suppressed.

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 film 4 is preferably 1 mm, and more preferably 1 cm. On the other hand, the upper limit of the width of the CNT film 4 is preferably 10 cm, and more preferably 5 cm. Thus, by making the width of the CNT film 4 relatively large, it is possible to reduce the resistance value of the CNT film 4 as described above, and to reduce variations in the resistance value.

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 film 4 is not particularly limited. For example, the lower limit of the average thickness of the CNT film 4 is preferably 1 μm, and more preferably 10 μm. On the other hand, the upper limit of the average thickness of the CNT film 4 is preferably 5 mm, and more preferably 1 mm. If the average thickness of the CNT film 4 is less than the lower limit, it may be difficult to form such a thin film, the resistance may increase excessively, or the CNT impregnated layer 2b may not be sufficiently impregnated with the CNT film 4. When the CNT film 4 is impregnated, the sensor function of the strain sensor 1 may be reduced or lost. Conversely, when the average thickness of the CNT film 4 exceeds the upper limit, the sensitivity to strain may be reduced.

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 film 4 in the CNT-impregnated layer 2b is preferably 5% of the average thickness of the CNT film 4 and more preferably 10%. On the other hand, the upper limit of the average thickness of the impregnated portion is preferably 80% of the average thickness of the CNT film 4 and more preferably 50%. When the average thickness of the impregnated portion of the CNT film 4 is less than the lower limit, the bonding force between the substrate 2 and the CNT film 4 may not be improved. On the contrary, when the average thickness of the impregnated portion of the CNT film 4 exceeds the upper limit, the amount of the CNT fibers 8 impregnated in the CNT impregnated layer 2b becomes excessive, so that the sensor function of the strain sensor 1 may be reduced or lost. There is.

CNT膜4の密度の下限としては、1.0g/cmが好ましく、0.8g/cmがより好ましい。一方、CNT膜4の密度の上限としては、1.8g/cmが好ましく、1.5g/cm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 CNT film 4 is preferably 1.0g / cm 3, 0.8g / cm 3 is more preferable. On the other hand, the upper limit of the density of the CNT film 4 is preferably 1.8g / cm 3, 1.5g / cm 3 is more preferable. When the density of the CNT film 4 is less than the lower limit, the resistance value of the CNT film 4 may be increased. On the contrary, when the density of the CNT film 4 exceeds the upper limit, there is a possibility that a sufficient resistance change cannot be obtained.

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 CNT film 4 may have a single-layer structure in which the CNT fibers 8 are arranged substantially in parallel in a planar shape, or may have a multilayer structure. However, in order to ensure a certain degree of conductivity, a multilayer structure is preferable.

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 CNT film 4. By applying the conductive rubber-based adhesive, the CNT fibers 8 are electrically joined, so that the sensor function of the strain sensor 1 can be improved. The conductive rubber-based adhesive is not particularly limited as long as it has conductivity, and for example, an adhesive containing carbon black, silver nanoparticles, or the like can be suitably used.

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 film 4. When the application amount of the conductive rubber-based adhesive is less than the above range, the effect of improving the electrical bonding degree may not be sufficiently obtained. On the contrary, when the application amount of the conductive rubber adhesive exceeds the above range, the flexibility of the strain sensor 1 may be reduced. The conductive rubber-based adhesive is preferably applied in multiple steps in order to form a film uniformly on the surface of the CNT film 4.

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 protection part 5 has a film shape and is laminated on the surface of the CNT film 4. Specifically, as shown in FIG. 1, the protection unit 5 covers a part of the surfaces of the CNT film 4 and the pair of conductive layers 6. A part of the pair of conductive layers 6 has an exposed portion for laminating the electrode 3 that is not covered with the protective portion 5. By laminating the protective part 5 in this way, the protective part 5 is in contact with at least a part of the surface of the CNT fiber 8 and protects the CNT film 4. In particular, according to the strain sensor 1, the protective part 5 is laminated on the surface of the CNT film 4, so that the CNT film 4 is damaged due to unexpected contact or the like, foreign matter is mixed into the gap between the CNT fibers 8, Alternatively, it is possible to suppress adhesion of moisture or floating gas to the CNT fibers 8.

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 protection part 5 is made of an elastomer. Examples of the elastomer include rubbers and synthetic resins exemplified as the material of the substrate 2, and among these, rubber is preferable. By using rubber, a sufficient protective function can be exhibited even against large strains.

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 protective part 5 is preferably formed from an aqueous emulsion. An aqueous emulsion refers to an emulsion in which the main component of the dispersion medium is water. CNT is highly hydrophobic. Therefore, when the protective part 5 is formed from an aqueous emulsion, for example, when the protective part 5 is provided by coating or dipping, the protective part 5 is not impregnated in the CNT film 4 and is laminated on the surface of the CNT film 4 can do. By doing in this way, it suppresses that the elastomer which forms the protection part 5 penetrates into the CNT film 4 and affects the resistance change of the CNT film 4, and the strain sensitivity of the CNT film 4 due to the presence of the protection part 5 is suppressed. The decrease can be suppressed. The aqueous emulsion can be made a more stable protective part 5 through a drying process.

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 protection part 5, For example, they are 10 micrometers or more and 3 mm or less.

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 CNT film 4 has a portion 11 that can be cleaved along the orientation direction B of the CNT fiber 8. Thus, by forming the portion 11 that can be cleaved along the alignment direction B of the CNT fiber 8 in the CNT film 4, the transient response of the resistance change is enhanced, and it is excellent against a larger strain (stretching). The sensor function can be demonstrated. In this case, the protective portion 5 that contacts the cleavable portion 11 is greatly deformed, while the protective portion 5 that is in contact with the non-cleavable portion is less deformed. The cleavable portion 11 may be formed by being inserted up to the portion impregnated in the CNT impregnated layer 2b.

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 CNT film 4 is provided in this manner, the CNT film 4 is distorted (stretched / contracted) in accordance with the strain of the substrate 2, and the resistance of the CNT film 4 changes. It can function as a sensor for detecting distortion. The distortion of the substrate 2 includes not only expansion and contraction in the longitudinal direction A but also deformation in the normal direction of the substrate 2 and twisting about the longitudinal direction. According to the strain sensor 1, such a strain of the substrate 2 can also be detected. In addition, according to the strain sensor 1, since the substrate 2 (CNT-impregnated layer 2b) is impregnated with a part of the CNT film 4 (back surface side), peeling of the CNT film 4 from the base material 2 is suppressed, The sustainability of the sensor function can be increased.

(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 base material layer 2a is formed on a release plate such as a slide glass. Specifically, the slide glass X is immersed in a latex or an elastomer solution and then dried. Thereby, the base material layer 2a made of an elastomer and having a rectangular shape in a plan view can be formed on the surface of the slide glass X. In addition, as a release plate, you may use other board | plate materials, such as synthetic resins other than a slide glass.

(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 layer 2b, is applied to the surface of the base material layer 2a.

(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 CNT film 4 is formed while impregnating the CNT fibers 8 on the surface of the forming material of the uncured CNT impregnated layer 2b. Specifically, CNT paper (film) composed of a plurality of CNT fibers 8 oriented in one direction is disposed from the surface of the CNT impregnated layer 2b, and the back side thereof is impregnated into the CNT impregnated layer 2b. At this time, the orientation of the CNT paper is adjusted so that the CNT fibers 8 are oriented in a direction substantially perpendicular to the opposing direction (longitudinal direction) of the pair of electrodes 3 stacked in the subsequent process.

(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 layer 2b impregnated with the CNT fibers 8 is cured to form the CNT impregnated layer 2b. Specifically, after disposing the CNT paper, the uncured CNT impregnated layer 2b is cured by drying or heating.

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 CNT fibers 8 oriented in a certain direction are grown by a CVD method, and are drawn as they are without twisting as shown in FIG. It can be obtained by taking out a necessary amount of sheet-like CNT fibers 8 after being wound around the plate material or cylinder material. This CNT paper is disposed on the surface of the CNT impregnated layer 2b.

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 CNT film 4 is formed, it is preferable to spray the CNT film 4 with a solvent such as isopropyl alcohol or ethanol, or soak it in this solvent and then dry it. Through this step, the adhesion between the CNT film 4 and the CNT impregnated layer 2b can be further increased, and the CNT fibers 8 constituting the CNT film 4 can be densified. In addition, by increasing the density of the CNT fibers 8 in this way, the contact area between the CNT fibers can be increased in advance, and the effect of lowering the power consumption by reducing the resistance of the CNT film 4 and the resistance when strain is applied. An effect of increasing the sensitivity of change can be obtained.

(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 CNT film 4. Thereafter, the conductive rubber adhesive is cured by drying at room temperature for 30 minutes. The number of times of applying the conductive rubber adhesive is preferably 2 times or more.

(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 substrate 2 in the longitudinal direction to form a conductive layer 6. At this time, the conductive layer 6 is formed so that the conductive layer 6 covers a part of the CNT film 4.

(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 protective part 5 is laminated on the surfaces of the CNT film 4 and the conductive layer 6. Specifically, the protective part 5 is formed by immersing the entire glass including the slide glass in latex or applying latex to the surface of the CNT film 4. Thus, the protective part 5 can be laminated | stacked on the CNT film | membrane 4 surface by using latex. At this time, the protective portion 5 is formed so that a part of the conductive layer 6 is exposed so that the electrode 3 can be disposed. As described above, the latex is an aqueous emulsion and has hydrophilicity.

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 protection part 5 exists in at least one part of the clearance gap between the CNT fibers 8 which comprise the CNT film | membrane 4 by using an oil-based emulsion instead of the said water-based emulsion.

(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 electrode 3 is laminated on the surface of each conductive layer 6.

(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 electrodes 3, at least one pair of strain sensors 1 can be obtained by cutting out these stacked bodies from both sides of the slide glass. You may cut off the both ends of the width direction in a slide glass. Moreover, the some distortion sensor 1 can also be manufactured from one side by dividing in a longitudinal direction. In addition, after cutting out from the slide glass, the strain sensor 1 can be extended in the direction opposite to the electrode 3 to form a cleavable portion 11 in the CNT film 4 or the protective film 5.

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 | membrane 4 can also be set as the following procedures.

(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 layer 2b, is applied to the surface of the base material layer 2a, and is cured by drying or heating.

(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 CNT fiber 8 is wound on a slide glass (CNT-impregnated layer 2 b). By doing in this way, the CNT film | membrane 4 which consists of several CNT fiber 8 oriented in one direction (a direction perpendicular to the opposing direction of a pair of electrode 3) can be obtained. At this time, the CNT fiber 8 can be wound by sandwiching both ends of the slide glass (substrate 2) with a pair of supporters 13 and rotating the slide glass (substrate 2) around the longitudinal direction. In addition, you may mask the width direction both ends of the slide glass with the masking tape 12 grade | etc.,.

(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 CNT fiber 8 reaches a certain value (amount to be impregnated into the CNT impregnated layer 2b), the CNT impregnated layer 2b is heated with an iron or the like to be softened and wound. 8 is impregnated into the CNT impregnated layer 2b. Thereafter, the CNT impregnated layer 2b is again cured by drying or heating, and the remaining CNT fibers 8 are wound on the CNT impregnated layer 2b to form the CNT film 4.

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 CNT fibers 8 can be obtained by pulling out crystals of CNT single fibers 9 (CNT) vertically grown on the substrate by the CVD method as described above without twisting them (see FIG. 5). The CNT fiber 8 obtained in this way is composed of a plurality of CNT single fibers 9, and has a structure having a connecting portion for connecting the CNT single fibers 9 to each other in the longitudinal direction.

<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 electrodes 3 may be disposed at both ends of the orientation direction (direction A) of the CNT fibers 8 as in the strain sensor 101 shown in FIG. In the strain sensor 101, when a strain is applied in a direction in which the pair of electrodes 3 are separated (direction A), the CNT fiber 8 is deformed (stretched) in the longitudinal direction, and a resistance change can be obtained. In the case of the strain sensor 101 in which the strain sensing direction is the orientation direction of the CNT fibers 8, it is preferable to impregnate the CNT film 4 with the protective layer 5, and the density of the CNT fibers 8 in the CNT film 4 is first. It may be smaller than the embodiment. Further, the CNT fibers 8 tend to exist as a plurality of bundles, and the protective layer 5 impregnates the gaps between the plurality of bundles in the CNT film 4, thereby increasing the strength of the CNT fibers 8. It is possible to prevent cutting due to strain in the orientation direction.

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 Strain sensor 2 Board | substrate 2a Base material layer 2b CNT impregnation layer 3 Electrode 4 CNT film | membrane 5 Protection part 6 Conductive layer 8 CNT fiber 9 CNT single fiber 10, 10a, 10b Connection part 11 Cleavageable part 12 Masking tape 13 Support Ingredients

Claims (4)

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.
前記基板のCNT含浸層の平均厚みがCNT膜の平均厚みの5%以上80%以下である請求項1に記載の歪みセンサ。   The strain sensor according to claim 1, wherein the average thickness of the CNT-impregnated layer of the substrate is 5% or more and 80% or less of the average thickness 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請求項1又は請求項2に記載の歪みセンサ。   The strain sensor according to claim 1, wherein 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. 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.
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