JP2016153729A - Deformation amount measuring structure - Google Patents

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高橋 渉
Wataru Takahashi
渉 高橋
有作 ▲高▼垣
有作 ▲高▼垣
Yusaku Takagaki
吉川 均
Hitoshi Yoshikawa
均 吉川
陽 加藤
Yo Kato
陽 加藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a deformation amount measuring structure capable of repeatedly and accurately measuring deformation amounts of a measuring object when the same is extended or bent without interfering movement of the measuring object.SOLUTION: A deformation amount measuring structure comprises a base material 10 subject to extensional deformation or bending deformation and a sensor element 11. The sensor element 11: has a dielectric layer 12 which is arranged on a surface of the base material 10 and includes elastomer, a pair of electrode layers 13a and 13b which are arranged with the dielectric layer 12 placed in between and include the elastomer and an electrical conducting material, and a protection layer 14a or 14b which is arranged on a surface of at least one of the pair of electrode layers 13a and 13b and includes the elastomer; and extends or contracts according to deformation of the base material 10. In the deformation amount measuring structure, permanent tensile deformation of at least either the dielectric layer 12 or the protection layer 14a or 14b is not more than 10%; and a tensile or bending deformation amount of the base material 10 is measured on the basis of a change in capacitance output by the sensor element 11.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、伸び変形または曲げ変形する基材の変形量を静電容量の変化から測定する変形量測定構造体に関する。   The present invention relates to a deformation amount measuring structure that measures a deformation amount of a base material that undergoes deformation or bending deformation from a change in capacitance.

荷重分布や部材の変形などを検出する手段として、エラストマーを使用した柔軟なセンサの開発が進められている。例えば、特許文献1〜4に記載されているように、エラストマー製の誘電層を挟むように電極層を配置して、静電容量型センサを構成することができる。静電容量型センサにおいては、圧縮や伸長などにより誘電層の厚さ、すなわち電極層間距離が小さくなると、静電容量が大きくなる。また、電極層の面積が大きくなると、静電容量が大きくなる。したがって、静電容量型センサによると、静電容量の変化に基づいて、測定対象物に加えられた荷重や、測定対象物の伸び量などの変形量を検出することができる。   Development of flexible sensors using elastomer as a means for detecting load distribution, deformation of members, and the like is in progress. For example, as described in Patent Documents 1 to 4, a capacitive sensor can be configured by arranging electrode layers so as to sandwich an elastomeric dielectric layer. In the capacitance type sensor, the capacitance increases as the thickness of the dielectric layer, that is, the distance between the electrode layers decreases due to compression or expansion. Further, as the area of the electrode layer increases, the capacitance increases. Therefore, according to the capacitance type sensor, it is possible to detect the amount of deformation such as the load applied to the measurement object and the amount of elongation of the measurement object based on the change in capacitance.

エラストマー製の誘電層を備える静電容量型センサにおいては、測定対象物の変形に追従して誘電層と電極層とが一体になって変形できるように、電極層にも柔軟な導電材料が使用されている。例えば、特許文献4に記載されている静電容量型センサにおいては、クッションなどの柔らかい物の伸縮歪み量を測定するために、電極層の材料としてカーボンナノチューブを使用し、かつ、電極層の厚さを薄くして、誘電層に対する追従性を向上させている。   In a capacitive sensor with an elastomeric dielectric layer, a flexible conductive material is used for the electrode layer so that the dielectric layer and the electrode layer can be deformed integrally following the deformation of the measurement object. Has been. For example, in the capacitance-type sensor described in Patent Document 4, in order to measure the amount of stretching strain of a soft object such as a cushion, carbon nanotubes are used as the material of the electrode layer, and the thickness of the electrode layer By reducing the thickness, the followability to the dielectric layer is improved.

特開2011−2256号公報JP 2011-2256 A 特開2009−20006号公報JP 2009-20006 A 特開2010−43881号公報JP 2010-43881 A 特開2014−81355号公報JP 2014-81355 A

これまでは、測定対象物の動きを阻害することなく測定対象物の変形に追従できるように、誘電層や電極層の材料を検討し、センサの柔軟性を向上させてきた。誘電層としては、ウレタンゴムなどの柔軟なエラストマーが用いられる。しかしながら、柔軟なエラストマーは、伸縮を繰り返すとへたりやすい。すなわち、伸縮を繰り返すうちに誘電層が元の形状に戻りにくくなる。静電容量型センサにおいて、誘電層の伸び量と静電容量の変化との関係を予め作製しておくと、出力された静電容量の変化から測定対象物の伸び量を測定することができる。しかしながら、誘電層がへたると、誘電層の伸縮の仕方が変わるため、測定対象物の変形に応じて予め設定した静電容量値と出力値とが異なってくる。このため、測定対象物の伸び量を正確に測定することができない。また、応力−歪み(伸び量)線図を予め作製しておくことにより、静電容量の変化から算出された伸び量に基づいて、測定対象物に生じる応力をも測定することができる。しかしながら、誘電層がへたると、伸び量の正確な測定ができないため、応力を正確に測定することもできない。   Up to now, the materials of the dielectric layer and the electrode layer have been studied and the flexibility of the sensor has been improved so that the deformation of the measurement object can be followed without hindering the movement of the measurement object. As the dielectric layer, a flexible elastomer such as urethane rubber is used. However, a flexible elastomer is easy to sag after repeated expansion and contraction. That is, it becomes difficult for the dielectric layer to return to its original shape while repeating expansion and contraction. In a capacitance type sensor, if the relationship between the amount of elongation of the dielectric layer and the change in capacitance is prepared in advance, the amount of elongation of the measurement object can be measured from the output change in capacitance. . However, when the dielectric layer falls, the manner in which the dielectric layer expands and contracts changes, so that the preset capacitance value and output value differ depending on the deformation of the measurement object. For this reason, the amount of elongation of the measurement object cannot be accurately measured. In addition, by preparing a stress-strain (elongation) diagram in advance, it is possible to measure the stress generated in the measurement object based on the elongation calculated from the change in capacitance. However, if the dielectric layer is sunk, it is impossible to accurately measure the amount of elongation, and therefore stress cannot be measured accurately.

誘電層の耐へたり性を向上させるためには、例えば、エラストマーの架橋密度を大きくすることが考えられる。エラストマーの架橋密度を大きくすると弾性率が上昇するため、耐へたり性に有利になる。しかしながら、誘電層の弾性率が大きくなると、測定対象物の変形に対する追従性が低下してしまう。このため、誘電層のエラストマー種を変更したり、エラストマーの架橋密度を調整するだけでは、柔軟性と耐へたり性とを共に満足できるレベルにすることは難しい。   In order to improve the sag resistance of the dielectric layer, for example, it is conceivable to increase the crosslink density of the elastomer. Increasing the crosslink density of the elastomer increases the elastic modulus, which is advantageous for sag resistance. However, when the elastic modulus of the dielectric layer increases, the followability to the deformation of the measurement object decreases. For this reason, it is difficult to achieve a level that satisfies both flexibility and sag resistance by simply changing the elastomer type of the dielectric layer or adjusting the cross-linking density of the elastomer.

一方、センサの感度(S/N比(Signal−Noise Ratio:信号雑音比))を向上させるためには、誘電層の比誘電率を大きくすることが望ましい。例えば、比誘電率が大きいエラストマーを用いたり、エラストマーにチタン酸バリウム粒子などの誘電性粒子を配合して、誘電層の比誘電率を大きくすることができる。しかしながら、本発明者が検討したところ、誘電層に誘電性粒子を配合すると、誘電性粒子とエラストマーとが剥離することにより、耐へたり性がより低下することがわかった。したがって、耐へたり性を確保しつつ誘電層の比誘電率を大きくすることも難しい。   On the other hand, in order to improve the sensitivity of the sensor (S / N ratio (Signal-Noise Ratio)), it is desirable to increase the relative dielectric constant of the dielectric layer. For example, an elastomer having a large relative dielectric constant can be used, or dielectric particles such as barium titanate particles can be blended in the elastomer to increase the relative dielectric constant of the dielectric layer. However, as a result of investigation by the present inventor, it has been found that when dielectric particles are blended in the dielectric layer, the sag resistance is further lowered due to peeling of the dielectric particles and the elastomer. Therefore, it is difficult to increase the dielectric constant of the dielectric layer while ensuring sag resistance.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、測定対象物の動きを阻害することなく、測定対象物の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる変形量測定構造体を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such a situation, and the deformation amount measurement that can repeatedly and accurately measure the deformation amount due to elongation or bending of the measurement object without hindering the movement of the measurement object. It is an object to provide a structure.

(1)本発明の第一の変形量測定構造体は、伸び変形または曲げ変形する基材と、該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、一対の該電極層の少なくとも一方の表面に配置されエラストマーを含む保護層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、該誘電層および該保護層の少なくとも一方の引張永久歪みは10%以下であり、該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする。   (1) A first deformation amount measuring structure of the present invention includes a base material that is stretched or bent, a dielectric layer that is disposed on the surface of the base material, and that includes an elastomer, and is sandwiched between the dielectric layers. A sensor element that includes a pair of electrode layers including an elastomer and a conductive material; and a protective layer including an elastomer that is disposed on at least one surface of the pair of electrode layers, and that expands and contracts following the deformation of the base material. The tensile permanent strain of at least one of the dielectric layer and the protective layer is 10% or less, and the substrate is deformed by stretching or bending based on a change in capacitance output from the sensor element. It is characterized by measuring quantity.

本発明の第一の変形量測定構造体を構成する基材は、測定対象物である。基材は、伸び変形または曲げ変形するものであれば特に限定されない。基材の材質としては、例えば、樹脂、エラストマー、布などが挙げられる。布には、天然繊維や合成繊維の織物、編み物、不織布などが含まれる。基材としては、例えば、衣服、サポーターなどの伸縮可能な状態に加工したもの、およびこれらを積層させたものなどが挙げられる。   The base material constituting the first deformation measurement structure of the present invention is a measurement object. The base material is not particularly limited as long as it undergoes elongation deformation or bending deformation. Examples of the material for the substrate include resin, elastomer, and cloth. The cloth includes woven fabrics, knitted fabrics, and nonwoven fabrics of natural fibers and synthetic fibers. As a base material, what processed into the state which can be expanded-contracted, such as clothes and a supporter, and what laminated | stacked these, etc. are mentioned, for example.

本発明の第一の変形量測定構造体により測定される「基材の伸びまたは曲げによる変形量」には、基材の伸び量、曲げ角度、基材の応力などが含まれる(以下、本発明の第二、第三の変形量測定構造体において同じ)。   The “deformation amount due to elongation or bending of the base material” measured by the first deformation amount measuring structure of the present invention includes the elongation amount of the base material, the bending angle, the stress of the base material, etc. The same applies to the second and third deformation measuring structures of the invention).

本発明の第一の変形量測定構造体を構成するセンサ素子は、保護層を有する。保護層は、一対の電極層の片方または両方における誘電層とは反対側の表面に配置される。保護層を配置すると、外部からの機械的応力によるセンサ素子の破壊を抑制できると共に、外部の温度変化を誘電層に伝えにくくする効果が得られる。   The sensor element constituting the first deformation measurement structure of the present invention has a protective layer. The protective layer is disposed on the surface opposite to the dielectric layer in one or both of the pair of electrode layers. By disposing the protective layer, it is possible to suppress the destruction of the sensor element due to external mechanical stress, and to obtain an effect of making it difficult to transmit the external temperature change to the dielectric layer.

センサ素子において、誘電層および保護層の少なくとも一方の引張永久歪みは10%以下である。本明細書における引張永久歪みとしては、JIS K 6273:2006に規定される短冊状試験片を用いた定伸長引張永久歪み試験を、試験片に与える伸び50%、試験温度50℃、試験時間20時間という条件で行い測定された値を採用する。   In the sensor element, the tensile set of at least one of the dielectric layer and the protective layer is 10% or less. As the tensile permanent strain in this specification, a constant elongation tensile permanent strain test using a strip-shaped test piece defined in JIS K 6273: 2006 is given an elongation of 50%, a test temperature of 50 ° C., a test time of 20 The value measured under the condition of time is adopted.

誘電層および保護層は、エラストマーを含むため柔軟であるが、引張永久歪みが10%以下の場合には耐へたり性に優れる。例えば、誘電層および保護層の両方の引張永久歪みが10%以下である場合、センサ素子全体の耐へたり性が向上する。仮に電極層にへたりが生じても、電極層は誘電層および保護層に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、誘電層、電極、保護層は一体となって伸縮する。よって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。   The dielectric layer and the protective layer are flexible because they contain an elastomer, but have excellent sag resistance when the tensile permanent strain is 10% or less. For example, when the tensile permanent strain of both the dielectric layer and the protective layer is 10% or less, the sag resistance of the entire sensor element is improved. Even if sag occurs in the electrode layer, the electrode layer can be pulled back to the original shape by being pulled by the dielectric layer and the protective layer. Thereby, a dielectric layer, an electrode, and a protective layer are expanded and contracted integrally. Therefore, the sensor element can output a capacitance according to the deformation of the base material even if the sensor element is repeatedly expanded and contracted.

一方、誘電層のみの引張永久歪みが10%以下であってもよい。この場合、誘電層は、保護層や電極層が元の形状に戻るのを助ける役割を果たす。すなわち、仮に保護層や電極層にへたりが生じても、保護層や電極層は誘電層に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、保護層および電極層は誘電層と一体となって伸縮する。よって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。   On the other hand, the tensile set of only the dielectric layer may be 10% or less. In this case, the dielectric layer serves to help the protective layer and the electrode layer return to their original shape. That is, even if sag occurs in the protective layer or the electrode layer, the protective layer or the electrode layer can be pulled back to the original shape by being pulled by the dielectric layer. Thereby, the protective layer and the electrode layer expand and contract together with the dielectric layer. Therefore, the sensor element can output a capacitance according to the deformation of the base material even if the sensor element is repeatedly expanded and contracted.

他方、保護層のみの引張永久歪みが10%以下であってもよい。この場合、保護層は、誘電層や電極層が元の形状に戻るのを助ける役割を果たす。すなわち、仮に誘電層や電極層にへたりが生じても、誘電層や電極層は保護層に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、誘電層および電極層は保護層と一体となって伸縮する。よって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。   On the other hand, the tensile permanent strain of only the protective layer may be 10% or less. In this case, the protective layer serves to help the dielectric layer and the electrode layer return to their original shape. That is, even if a sag occurs in the dielectric layer or the electrode layer, the dielectric layer or the electrode layer can be returned to the original shape by being pulled by the protective layer. As a result, the dielectric layer and the electrode layer expand and contract integrally with the protective layer. Therefore, the sensor element can output a capacitance according to the deformation of the base material even if the sensor element is repeatedly expanded and contracted.

このように、本発明の第一の変形量測定構造体においては、センサ素子の柔軟性を確保しつつ、(a)誘電層および保護層の耐へたり性を向上させる、あるいは(b)保護層の耐へたり性を誘電層で補う、あるいは(c)誘電層の耐へたり性を保護層で補うことにより、センサ素子全体の耐へたり性を向上させている。したがって、本発明の第一の変形量測定構造体によると、基材の動きを阻害することなく、基材の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる。   As described above, in the first deformation amount measuring structure of the present invention, (a) the sag resistance of the dielectric layer and the protective layer is improved, or (b) the protection, while ensuring the flexibility of the sensor element. The sag resistance of the entire sensor element is improved by supplementing the sag resistance of the layer with a dielectric layer, or (c) supplementing the sag resistance of the dielectric layer with a protective layer. Therefore, according to the first deformation amount measurement structure of the present invention, the deformation amount due to the elongation or bending of the base material can be repeatedly and accurately measured without hindering the movement of the base material.

また、保護層のみの引張永久歪みが10%以下である場合には、保護層によりセンサ素子の耐へたり性を確保できるため、誘電層には耐へたり性とは別の特性を付与することができる。例えば、誘電層に誘電性粒子を配合して、誘電層の比誘電率を大きくすることができる。このように、保護層と誘電層とにおいて機能分離をすることにより、耐久性だけでなくセンサ素子の性能をも向上させることができる。   In addition, when the tensile permanent strain of only the protective layer is 10% or less, the protective layer can secure the sag resistance of the sensor element, and thus the dielectric layer is given characteristics different from the sag resistance. be able to. For example, the dielectric layer can be mixed with dielectric particles to increase the dielectric constant of the dielectric layer. Thus, by separating the functions of the protective layer and the dielectric layer, not only the durability but also the performance of the sensor element can be improved.

(2)好ましくは、上記(1)の構成において、前記センサ素子における前記誘電層、前記電極層、および前記保護層の各々の弾性率と断面積とが、次式(I)、(II)、(III)のいずれかを満たす構成とするとよい。
(i)該誘電層および該保護層のうち該保護層のみの引張永久歪みが10%以下である場合
(EeSe+EySy)<EcSc ・・・(I)
(ii)該誘電層および該保護層のうち該誘電層のみの引張永久歪みが10%以下である場合
(EeSe+EcSc)<EySy ・・・(II)
(iii)該保護層および該誘電層の引張永久歪みがいずれも10%以下である場合
EeSe<(EcSc+EySy) ・・・(III)
[Ee:電極層の弾性率、Se:電極層の断面積、Ey:誘電層の弾性率、Sy:誘電層の断面積、Ec:保護層の弾性率、Sc:保護層の断面積]
電極層、誘電層、保護層の断面積は、各々、センサ素子が変形していない自然状態において、センサ素子を積層方向に切断した場合の積層部分の断面積である。電極層の断面積は、誘電層を挟む二つの電極層の断面積の合計である。保護層が二つ配置される場合、保護層の断面積は、二つの保護層の断面積の合計である。なお、二つの電極層の弾性率が異なる場合には、各層ごとに弾性率×断面積を計算して、それらの和を使用する。保護層についても同様である。例えば、一方の電極層の弾性率がEe、断面積がSe、他方の電極層の弾性率がEe、断面積がSeである場合、式(I)中のEeSeは、(EeSe+EeSe)となる。
(2) Preferably, in the configuration of (1) above, the elastic modulus and the cross-sectional area of each of the dielectric layer, the electrode layer, and the protective layer in the sensor element are represented by the following formulas (I) and (II): , (III) may be satisfied.
(I) When the tensile set of only the protective layer of the dielectric layer and the protective layer is 10% or less (EeSe + EySy) <EcSc (I)
(Ii) When the tensile set of only the dielectric layer of the dielectric layer and the protective layer is 10% or less (EeSe + EcSc) <EySy (II)
(Iii) When the tensile set of the protective layer and the dielectric layer is 10% or less EeSe <(EcSc + EySy) (III)
[Ee: Elastic modulus of electrode layer, Se: Cross sectional area of electrode layer, Ey: Elastic modulus of dielectric layer, Sy: Cross sectional area of dielectric layer, Ec: Elastic modulus of protective layer, Sc: Cross sectional area of protective layer]
The cross-sectional areas of the electrode layer, the dielectric layer, and the protective layer are cross-sectional areas of laminated portions when the sensor elements are cut in the laminating direction in a natural state where the sensor elements are not deformed. The cross-sectional area of the electrode layer is the sum of the cross-sectional areas of the two electrode layers sandwiching the dielectric layer. When two protective layers are arranged, the cross-sectional area of the protective layer is the sum of the cross-sectional areas of the two protective layers. In addition, when the elastic modulus of two electrode layers differs, elastic modulus x cross-sectional area is calculated for each layer, and the sum thereof is used. The same applies to the protective layer. For example, when the elastic modulus of one electrode layer is Ee 1 , the cross-sectional area is Se 1 , the elastic modulus of the other electrode layer is Ee 2 , and the cross-sectional area is Se 2 , EeSe in the formula (I) is (Ee 1 Se 1 + Ee 2 Se 2 ).

弾性率としては、JIS K 7127:1999に規定される引張試験を行い、得られた応力−伸び曲線から算出した値を採用する。試験片には、試験片タイプ2を使用することとする。   As the elastic modulus, a value calculated from a stress-elongation curve obtained by conducting a tensile test specified in JIS K 7127: 1999 is adopted. Specimen type 2 shall be used for the specimen.

センサ素子の耐へたり性は、ばね定数が大きい層の耐へたり性に大きく影響される。誘電層、電極層、および保護層の伸縮方向におけるばね定数は、各層を構成する材料の弾性率と、各層の積層方向(伸縮方向に直交する方向に相当)の断面積に依存する。本構成によると、(i)〜(iii)のいずれの場合においても、ばね定数が大きい層の引張永久歪みが10%以下になる。これにより、耐へたり性に優れるセンサ素子を構成することができる。   The sag resistance of the sensor element is greatly influenced by the sag resistance of the layer having a large spring constant. The spring constant in the expansion / contraction direction of the dielectric layer, the electrode layer, and the protective layer depends on the elastic modulus of the material constituting each layer and the cross-sectional area in the stacking direction (corresponding to the direction orthogonal to the expansion / contraction direction) of each layer. According to this configuration, in any of the cases (i) to (iii), the tensile permanent strain of the layer having a large spring constant is 10% or less. Thereby, the sensor element which is excellent in sag resistance can be constituted.

(3)好ましくは、上記(1)または(2)の構成において、前記誘電層および前記保護層の少なくとも一方の前記エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動するものである構成とするとよい。   (3) Preferably, in the configuration of the above (1) or (2), the elastomer of at least one of the dielectric layer and the protective layer penetrates the cyclic molecule and the opening of the cyclic molecule into the cyclic molecule. A crosslinked structure via a ring-moving molecule having a linear molecule to be included, and at least a part of the polymer chain of the elastomer is crosslinked with the cyclic molecule, and the cyclic molecule is the linear molecule The cross-linking point may be moved by moving along the molecule.

本構成において、エラストマーは、環動分子を介した架橋構造を有すれば、自身のポリマー鎖同士が架橋していても、架橋していなくてもよい。環動分子は、環状分子と直鎖状分子とを持つ。環状分子は、直鎖状分子に沿って移動することができる。エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は、環状分子と架橋している。このため、環状分子の移動に伴い、架橋点も移動する。環動分子を介さない通常の架橋構造においては、架橋点は固定される。このため、伸縮を繰り返すと架橋点に応力が集中し、架橋鎖やポリマー鎖が切断されてへたりが生じやすい。これに対して、架橋点が移動するエラストマーにおいては、伸縮を繰り返しても応力は架橋点に集中することなく、エラストマー全体に分散される。したがって、当該エラストマーを使用することにより、エラストマー自身の柔軟性(低弾性)を維持しつつ、耐へたり性に優れる誘電層、保護層を実現することができる。   In this configuration, as long as the elastomer has a cross-linked structure via a ring-moving molecule, its own polymer chain may or may not be cross-linked. The ring-moving molecule has a cyclic molecule and a linear molecule. Cyclic molecules can move along linear molecules. At least part of the polymer chain of the elastomer is cross-linked with the cyclic molecule. For this reason, a crosslinking point also moves with the movement of a cyclic molecule. In a normal cross-linked structure not involving a ring-moving molecule, the cross-linking point is fixed. For this reason, when expansion and contraction is repeated, stress concentrates on the cross-linking point, and the cross-linked chain or polymer chain is likely to be cut and sag occurs. On the other hand, in an elastomer in which a cross-linking point moves, stress is not concentrated on the cross-linking point even if the expansion and contraction is repeated, and is dispersed throughout the elastomer. Therefore, by using the elastomer, it is possible to realize a dielectric layer and a protective layer having excellent sag resistance while maintaining the flexibility (low elasticity) of the elastomer itself.

例えば、誘電層のエラストマーとして、環動分子を介した架橋構造を有するエラストマーを用いた場合には、比誘電率が大きい無機粒子、有機粒子、ポリマー、可塑剤などを配合しても、誘電層の耐へたり性が低下しにくい。比誘電率が大きい成分を配合して誘電層の比誘電率を大きくすることができるため、耐久性は勿論、センサ素子の性能をも向上させることができる。   For example, when an elastomer having a cross-linked structure via a ring-moving molecule is used as the dielectric layer elastomer, the dielectric layer may be blended with inorganic particles, organic particles, polymers, plasticizers, etc. having a high relative dielectric constant. The sag resistance is difficult to decrease. Since a component having a high relative dielectric constant can be blended to increase the relative dielectric constant of the dielectric layer, not only the durability but also the performance of the sensor element can be improved.

(4)本発明の第二の変形量測定構造体は、伸び変形または曲げ変形する基材と、該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、該誘電層の該エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動するものであり、該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする。   (4) The second deformation amount measuring structure of the present invention is a base material that is stretched or bent, a dielectric layer that is disposed on the surface of the base material and includes an elastomer, and is sandwiched between the dielectric layers. A pair of electrode layers including an elastomer and a conductive material, and a sensor element that expands and contracts following the deformation of the base material. The elastomer of the dielectric layer includes a cyclic molecule, and A linear molecule penetrating through the opening and being included in the cyclic molecule, and having a cross-linked structure via a ring-moving molecule, and at least a part of the polymer chain of the elastomer is cross-linked with the cyclic molecule. The cyclic point moves along the linear molecule, and the cross-linking point moves. Based on the change in the capacitance output from the sensor element, the base material is stretched or bent. The deformation amount is measured.

本発明の第二の変形量測定構造体を構成する基材は、測定対象物である。基材は、本発明の第一の変形量測定構造体における基材と同じであり、伸び変形または曲げ変形するものであれば特に限定されない。   The base material constituting the second deformation amount measurement structure of the present invention is a measurement object. The base material is the same as the base material in the first deformation amount measurement structure of the present invention, and is not particularly limited as long as it undergoes elongation deformation or bending deformation.

センサ素子の誘電層としては、環動分子を介した架橋構造を有するエラストマーを使用する。エラストマーは、環動分子を介した架橋構造を有すれば、自身のポリマー鎖同士が架橋していても、架橋していなくてもよい。上述したように、環動分子を介した架橋構造を有するエラストマーを使用すると、誘電層の柔軟性を維持しつつ耐へたり性を向上させることができる。センサ素子が耐へたり性に優れる誘電層を備えることにより、仮に保護層や電極層にへたりが生じても、保護層や電極層は誘電層に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、保護層および電極層は誘電層と一体となって伸縮する。よって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。したがって、本発明の第二の変形量測定構造体によると、測定対象物である基材の動きを阻害することなく、基材の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる。   As the dielectric layer of the sensor element, an elastomer having a crosslinked structure via a ring-moving molecule is used. As long as the elastomer has a cross-linked structure via a ring-moving molecule, its own polymer chain may or may not be cross-linked. As described above, when an elastomer having a crosslinked structure via a ring-moving molecule is used, the sag resistance can be improved while maintaining the flexibility of the dielectric layer. By providing the sensor element with a dielectric layer having excellent sag resistance, even if sag occurs in the protective layer or the electrode layer, the protective layer or the electrode layer can be pulled back to the original shape by the dielectric layer. . Thereby, the protective layer and the electrode layer expand and contract together with the dielectric layer. Therefore, the sensor element can output a capacitance according to the deformation of the base material even if the sensor element is repeatedly expanded and contracted. Therefore, according to the second deformation amount measurement structure of the present invention, the deformation amount due to the elongation or bending of the base material can be repeatedly measured with high accuracy without hindering the movement of the base material that is the measurement object.

また、上記(3)の構成において説明したように、本構成の誘電層は、比誘電率が大きい無機粒子、有機粒子、ポリマー、可塑剤などを配合しても、耐へたり性が低下しにくい。比誘電率が大きい成分を配合して誘電層の比誘電率を大きくすることができるため、耐久性は勿論、センサ素子の性能をも向上させることができる。   In addition, as described in the configuration (3) above, even if the dielectric layer of this configuration is blended with inorganic particles, organic particles, polymers, plasticizers or the like having a high relative dielectric constant, the sag resistance is reduced. Hateful. Since a component having a high relative dielectric constant can be blended to increase the relative dielectric constant of the dielectric layer, not only the durability but also the performance of the sensor element can be improved.

(5)本発明の第三の変形量測定構造体は、伸び変形または曲げ変形する基材と、該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、該基材の引張永久歪みは10%以下であり、該基材および該センサ素子を、各々面方向において同じ一方向に伸長した場合に、該基材のばね定数は該センサ素子のばね定数よりも大きく、該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする。   (5) The third deformation amount measuring structure of the present invention is a base material that is stretched or bent, a dielectric layer that is disposed on the surface of the base material and includes an elastomer, and is sandwiched between the dielectric layers. A pair of electrode layers including an elastomer and a conductive material, and a sensor element that expands and contracts following the deformation of the base material, the tensile permanent strain of the base material being 10% or less, When the material and the sensor element are stretched in the same direction in the plane direction, the spring constant of the base material is larger than the spring constant of the sensor element, and the capacitance output from the sensor element changes. Based on this, the amount of deformation due to elongation or bending of the substrate is measured.

本発明の第三の変形量測定構造体を構成する基材は、測定対象物である。基材は、引張永久歪みが10%以下であり、面方向のばね定数がセンサ素子のばね定数よりも大きいという点で限定される以外は、本発明の第一の変形量測定構造体における基材と同じである。本発明の第三の変形量測定構造体において、「面方向」は、基材およびセンサ素子の積層方向に対して直交する方向である。本発明の第三の変形量測定構造体において、「ばね定数」は、基材とセンサ素子との各々の荷重−変位特性における0〜10%伸びまでの傾きである。   The base material constituting the third deformation measurement structure of the present invention is a measurement object. The substrate is limited in that the permanent set is 10% or less and the spring constant in the plane direction is larger than the spring constant of the sensor element. Same as wood. In the third deformation amount measuring structure of the present invention, the “plane direction” is a direction orthogonal to the stacking direction of the base material and the sensor element. In the third deformation amount measuring structure of the present invention, the “spring constant” is an inclination of 0 to 10% elongation in each load-displacement characteristic of the base material and the sensor element.

本発明の第三の変形量測定構造体において、基材の引張永久歪みは10%以下であり、基材の面方向のばね定数はセンサ素子の面方向のばね定数よりも大きい。このため、基材はセンサ素子よりもへたりにくく、センサ素子が元の形状に戻るのを助ける役割を果たす。よって、仮にセンサ素子の誘電層などにへたりが生じても、センサ素子は基材に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、センサ素子は基材の変形に追従して伸縮する。したがって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。   In the third deformation amount measuring structure of the present invention, the tensile permanent strain of the substrate is 10% or less, and the spring constant in the surface direction of the substrate is larger than the spring constant in the surface direction of the sensor element. For this reason, a base material is harder to sag than a sensor element, and plays a role which helps that a sensor element returns to an original shape. Therefore, even if a sag occurs in the dielectric layer or the like of the sensor element, the sensor element can be pulled to the base material and return to its original shape. Thereby, the sensor element expands and contracts following the deformation of the base material. Therefore, the sensor element can output a capacitance according to the deformation of the base material even if the sensor element is repeatedly expanded and contracted.

このように、本発明の第三の変形量測定構造体においては、測定対象物である基材を、引張永久歪みが10%以下であり、かつ、センサ素子よりもばね定数が大きいものに限定することにより、センサ素子の耐へたり性の課題を解決している。本発明の第三の変形量測定構造体によると、基材の動きを阻害することなく、基材の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる。勿論、本発明の第三の変形量測定構造体においても、上記(1)〜(4)において説明した形態、すなわち、誘電層の引張永久歪みが10%以下である形態、誘電層のエラストマーとして環動分子を介した架橋構造を有するものを使用する形態などを採用することができる。   Thus, in the third deformation measurement structure of the present invention, the base material that is the object to be measured is limited to one having a tensile permanent strain of 10% or less and a spring constant larger than that of the sensor element. By doing so, the problem of sag resistance of the sensor element is solved. According to the third deformation amount measurement structure of the present invention, the deformation amount due to the elongation or bending of the base material can be repeatedly and accurately measured without hindering the movement of the base material. Of course, also in the third deformation amount measuring structure of the present invention, the form described in the above (1) to (4), that is, the form in which the tensile set of the dielectric layer is 10% or less, as the dielectric layer elastomer The form using what has a crosslinked structure via a ring-moving molecule is employable.

(6)好ましくは、上記(5)の構成において、前記センサ素子は、さらに、一対の前記電極層の少なくとも一方の表面に配置されエラストマーを含む保護層を有する構成とするとよい。   (6) Preferably, in the configuration of (5), the sensor element further includes a protective layer that is disposed on at least one surface of the pair of electrode layers and includes an elastomer.

保護層は、一対の電極層の片方または両方における誘電層とは反対側の表面に配置される。上述したように、保護層を配置すると、外部からの機械的応力によるセンサ素子の破壊を抑制できると共に、外部の温度変化を誘電層に伝えにくくする効果が得られる。また、保護層の引張永久歪みが10%以下である場合には、センサ素子の耐へたり性が向上する。   The protective layer is disposed on the surface opposite to the dielectric layer in one or both of the pair of electrode layers. As described above, when the protective layer is disposed, it is possible to suppress the destruction of the sensor element due to the mechanical stress from the outside, and to obtain an effect of making it difficult to transmit the external temperature change to the dielectric layer. Further, when the tensile permanent strain of the protective layer is 10% or less, the sag resistance of the sensor element is improved.

(7)好ましくは、上記(1)ないし(6)のいずれかの構成において、前記誘電層の比誘電率は、5以上である構成とするとよい。   (7) Preferably, in any one of the configurations (1) to (6), the dielectric layer has a relative dielectric constant of 5 or more.

本構成によると、センサ素子から出力される静電容量の値が大きくなり、センサ素子の感度(S/N比)が向上する。   According to this configuration, the capacitance value output from the sensor element is increased, and the sensitivity (S / N ratio) of the sensor element is improved.

(8)好ましくは、上記(1)ないし(7)のいずれかの構成において、前記誘電層は、誘電性粒子を含む構成とするとよい。   (8) Preferably, in any one of the configurations (1) to (7), the dielectric layer includes a dielectric particle.

誘電性粒子には、比誘電率が大きい無機粒子および有機粒子が含まれる。誘電性粒子の比誘電率は、10以上、さらには200以上が望ましい。本構成によると、誘電層の比誘電率を大きくすることができる。これにより、基材の変形に対する静電容量の値が大きくなり、センサ素子の感度(S/N比)を向上させることができる。   The dielectric particles include inorganic particles and organic particles having a large relative dielectric constant. The relative dielectric constant of the dielectric particles is preferably 10 or more, more preferably 200 or more. According to this configuration, the dielectric constant of the dielectric layer can be increased. Thereby, the value of the electrostatic capacitance with respect to the deformation of the base material is increased, and the sensitivity (S / N ratio) of the sensor element can be improved.

第一実施形態の変形量測定構造体の上面図である。It is a top view of the deformation measurement structure of the first embodiment. 図1のII−II断面図である。It is II-II sectional drawing of FIG. 第二実施形態の変形量測定構造体の上面図である。It is a top view of the deformation measurement structure of the second embodiment. 図3のIV−IV断面図であるIt is IV-IV sectional drawing of FIG. 第三実施形態の変形量測定構造体の上面図である。It is a top view of the deformation measuring structure of a third embodiment. 図5のVI−VI断面図である。It is VI-VI sectional drawing of FIG.

以下、本発明の変形量測定構造体の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the deformation measuring structure of the present invention will be described.

<第一実施形態>
本発明の第一の変形量測定構造体の実施形態を示す。まず、本実施形態の変形量測定構造体の構成について説明する。図1に、変形量測定構造体の上面図を示す。図2に、図1のII−II断面図を示す。図1のII−II断面は、センサ素子の伸縮方向に直交する積層方向の断面である。図1においては、最上面の保護層の下側に配置される電極層を透過して示す。図1において、前後左右方向は基材およびセンサ素子の面方向に対応する。図2において、上下方向は積層方向に対応する。図1、図2に示すように、変形量測定構造体1は、基材10と、センサ素子11と、備えている。
<First embodiment>
Embodiment of the 1st deformation measuring structure of this invention is shown. First, the configuration of the deformation measurement structure of the present embodiment will be described. FIG. 1 shows a top view of the deformation measuring structure. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. The II-II cross section in FIG. 1 is a cross section in the stacking direction orthogonal to the expansion and contraction direction of the sensor element. In FIG. 1, the electrode layer disposed below the uppermost protective layer is shown in a transparent manner. In FIG. 1, the front-rear and left-right directions correspond to the surface directions of the base material and the sensor element. In FIG. 2, the vertical direction corresponds to the stacking direction. As shown in FIGS. 1 and 2, the deformation amount measurement structure 1 includes a base material 10 and a sensor element 11.

基材10は、ポリエステル網((株)相互理化学硝子製作所製)からなる。基材10は、左右方向に伸び変形したり、下方に開口するC字状に曲げ変形する。センサ素子11は、基材10の上面に配置されている。センサ素子11は、誘電層12と、一対の電極層13a、13bと、一対の保護層14a、14bと、を備えている。   The base material 10 is made of a polyester net (manufactured by Mutual Chemical Glass Co., Ltd.). The base material 10 extends and deforms in the left-right direction, or bends and deforms into a C shape that opens downward. The sensor element 11 is disposed on the upper surface of the base material 10. The sensor element 11 includes a dielectric layer 12, a pair of electrode layers 13a and 13b, and a pair of protective layers 14a and 14b.

誘電層12は、左右方向に延びる長方形状を呈している。誘電層12の前後方向の長さ(幅)は10mm、左右方向の長さは50mm、厚さは300μmである。誘電層12は、ウレタンゴムと、チタン酸バリウム粒子と、を含んでいる。ウレタンゴムは、本発明におけるエラストマーの概念に含まれる。チタン酸バリウム粒子は、本発明における誘電性粒子の概念に含まれる。誘電層12の比誘電率は12である。誘電層12の弾性率(Ey)は3MPa、II−II断面の断面積(Sy)は3×10−6である。 The dielectric layer 12 has a rectangular shape extending in the left-right direction. The length (width) of the dielectric layer 12 in the front-rear direction is 10 mm, the length in the left-right direction is 50 mm, and the thickness is 300 μm. The dielectric layer 12 includes urethane rubber and barium titanate particles. Urethane rubber is included in the concept of elastomer in the present invention. Barium titanate particles are included in the concept of dielectric particles in the present invention. The relative dielectric constant of the dielectric layer 12 is 12. The elastic modulus (Ey) of the dielectric layer 12 is 3 MPa, and the cross-sectional area (Sy) of the II-II cross section is 3 × 10 −6 m 2 .

一対の電極層13a、13bは、各々、左右方向に延びる長方形状を呈している。電極層13aは誘電層12の上面に配置されている。電極層13bは誘電層12の下面に配置されている。電極層13a、13bの幅および左右方向の長さは、誘電層12と同じである。電極層13a、13bの厚さはいずれも50μmである。電極層13a、13bは、アクリルゴムおよびカーボンブラックを含んでいる。電極層13a、13bの弾性率(Ee)はいずれも1MPa、II−II断面の断面積(Se)は合計1×10−6である。電極層13a、13bには、図示しない配線が接続されている。電極層13a、13bは、配線を介して、図示しない制御装置に接続されている。 Each of the pair of electrode layers 13a and 13b has a rectangular shape extending in the left-right direction. The electrode layer 13 a is disposed on the upper surface of the dielectric layer 12. The electrode layer 13 b is disposed on the lower surface of the dielectric layer 12. The electrode layers 13a and 13b have the same width and length in the left-right direction as the dielectric layer 12. The electrode layers 13a and 13b have a thickness of 50 μm. The electrode layers 13a and 13b contain acrylic rubber and carbon black. The elastic modulus (Ee) of the electrode layers 13a and 13b is 1 MPa, and the sectional area (Se) of the II-II section is 1 × 10 −6 m 2 in total. A wiring (not shown) is connected to the electrode layers 13a and 13b. The electrode layers 13a and 13b are connected to a control device (not shown) via wiring.

一対の保護層14a、14bは、各々、左右方向に延びる長方形状を呈している。保護層14aは、電極層13aの上面に配置されている。保護層14aは、誘電層12および電極層13a、13bを被覆している。保護層14bは電極層13bの下面に配置されている。保護層14a、14bは、幅10mm、左右方向の長さ50mmの領域で、誘電層12および電極層13a、13bに積層されている。保護層14a、14bの厚さは200μmである。保護層14a、14bは、ウレタンゴムと、ポリロタキサンと、を含んでいる。ウレタンゴムは、ポリロタキサンを介した架橋構造を有している。ポリロタキサンの環状分子はα−シクロデキストリン、直鎖状分子はポリエチレングリコール、封鎖基はアダマンタン基である。保護層14a、14bの弾性率(Ec)はいずれも4MPa、II−II断面の断面積(Sc)は合計4×10−6である。保護層14a、14bの引張永久歪みは1%である。 Each of the pair of protective layers 14a, 14b has a rectangular shape extending in the left-right direction. The protective layer 14a is disposed on the upper surface of the electrode layer 13a. The protective layer 14a covers the dielectric layer 12 and the electrode layers 13a and 13b. The protective layer 14b is disposed on the lower surface of the electrode layer 13b. The protective layers 14a and 14b are laminated on the dielectric layer 12 and the electrode layers 13a and 13b in a region having a width of 10 mm and a length in the left-right direction of 50 mm. The thickness of the protective layers 14a and 14b is 200 μm. The protective layers 14a and 14b contain urethane rubber and polyrotaxane. Urethane rubber has a crosslinked structure via a polyrotaxane. The cyclic molecule of polyrotaxane is α-cyclodextrin, the linear molecule is polyethylene glycol, and the blocking group is an adamantane group. The elastic modulus (Ec) of each of the protective layers 14a and 14b is 4 MPa, and the sectional area (Sc) of the II-II cross section is 4 × 10 −6 m 2 in total. The tensile permanent strain of the protective layers 14a and 14b is 1%.

次に、本実施形態の変形量測定構造体の動きについて説明する。一対の電極層13a、13bには、制御装置から電圧が印加されている。センサ素子11により、基材10が変形する前の自然状態の静電容量が出力される。基材10が左右方向に伸長すると、センサ素子11も基材10と共に伸長する。この際、誘電層12の厚さは薄くなり、電極層13a、13bの面積が大きくなる。これにより、電極層13a、13b間の静電容量は大きくなる。制御装置には、予め、静電容量の変化とセンサ素子11の伸び量との関係を示すマップ、およびセンサ素子11の伸び量と応力との関係を示すマップが、格納されている。センサ素子11により、基材10の伸長時の静電容量が出力されると、伸長前後の静電容量の変化量から、基材10の伸び量が算出される。基材10の伸び量から応力が算出される。   Next, the movement of the deformation amount measurement structure according to this embodiment will be described. A voltage is applied to the pair of electrode layers 13a and 13b from the control device. The sensor element 11 outputs a natural capacitance before the base material 10 is deformed. When the base material 10 extends in the left-right direction, the sensor element 11 also extends with the base material 10. At this time, the thickness of the dielectric layer 12 is reduced, and the areas of the electrode layers 13a and 13b are increased. Thereby, the electrostatic capacitance between electrode layers 13a and 13b becomes large. The control device stores in advance a map indicating the relationship between the change in capacitance and the amount of elongation of the sensor element 11, and a map indicating the relationship between the amount of elongation of the sensor element 11 and the stress. When the sensor element 11 outputs the electrostatic capacity when the base material 10 is extended, the extension amount of the base material 10 is calculated from the change amount of the electrostatic capacity before and after the extension. The stress is calculated from the elongation amount of the base material 10.

次に、本実施形態の変形量測定構造体の作用効果について説明する。変形量測定構造体1においては、誘電層12および電極層13a、13bを覆うように保護層14a、14bが配置されている。よって、外部からの機械的応力によるセンサ素子11の破壊が抑制される。また、外部の温度変化が誘電層12に伝わりにくい。保護層14a、14bは、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するウレタンゴムからなる。当該ウレタンゴムにおいては、架橋点が固定されておらず変形時にスライドするため、伸縮を繰り返しても、架橋点に応力が集中しにくい。また、保護層14a、14bの引張永久歪みは10%以下である。このため、保護層14a、14bは、柔軟(低弾性)であり、かつ、耐へたり性に優れる。   Next, the effect of the deformation amount measurement structure of this embodiment will be described. In the deformation amount measuring structure 1, protective layers 14a and 14b are disposed so as to cover the dielectric layer 12 and the electrode layers 13a and 13b. Therefore, destruction of the sensor element 11 due to external mechanical stress is suppressed. In addition, external temperature changes are not easily transmitted to the dielectric layer 12. The protective layers 14a and 14b are made of urethane rubber having a crosslinked structure via a polyrotaxane. In the urethane rubber, since the cross-linking point is not fixed and slides at the time of deformation, stress is hardly concentrated at the cross-linking point even if the expansion and contraction is repeated. Moreover, the tensile permanent strain of the protective layers 14a and 14b is 10% or less. For this reason, the protective layers 14a and 14b are flexible (low elasticity) and excellent in sag resistance.

センサ素子11を構成する部材のうち、引張永久歪みが10%以下であるのは保護層14a、14bのみである。ここで、誘電層12、電極層13a、13b、および保護層14a、14bの各々の弾性率と断面積との関係は、式(I)の(EeSe+EySy)<EcScを満たしている。すなわち、センサ素子11において、最もばね定数が大きいと見なされる保護層14a、14bが耐へたり性にも優れている。よって、誘電層12および電極13a、13bにへたりが生じても、誘電層12および電極13a、13bは、保護層14a、14bに引っ張られて元の形状に戻ることができる。このため、センサ素子11は、伸縮を繰り返しても、基材10の変形に応じた静電容量を出力することができる。したがって、変形量測定構造体1によると、基材10の動きを阻害することなく、基材10の伸び量および応力を繰り返し精度良く測定することができる。   Of the members constituting the sensor element 11, only the protective layers 14a and 14b have a tensile permanent strain of 10% or less. Here, the relationship between the elastic modulus and the cross-sectional area of each of the dielectric layer 12, the electrode layers 13a and 13b, and the protective layers 14a and 14b satisfies (EeSe + EySy) <EcSc in the formula (I). That is, in the sensor element 11, the protective layers 14a and 14b, which are considered to have the largest spring constant, are excellent in sag resistance. Therefore, even if the dielectric layer 12 and the electrodes 13a and 13b are sag, the dielectric layer 12 and the electrodes 13a and 13b can be pulled by the protective layers 14a and 14b to return to the original shape. For this reason, even if the sensor element 11 repeats expansion and contraction, the sensor element 11 can output a capacitance according to the deformation of the substrate 10. Therefore, according to the deformation amount measurement structure 1, the elongation amount and stress of the base material 10 can be repeatedly measured with high accuracy without hindering the movement of the base material 10.

誘電層12、保護層14a、14bに含まれるウレタンゴムは、粘着性を有している。このため、誘電層12、電極層13a、13b、保護層14a、14bの層間密着性が高い。また、保護層14bと基材10との間の密着性も高い。よって、伸縮を繰り返しても、センサ素子11の構成部材同士、およびセンサ素子11と基材10とが剥離しにくい。この点においても、センサ素子21は耐久性に優れる。   The urethane rubber contained in the dielectric layer 12 and the protective layers 14a and 14b has adhesiveness. For this reason, the interlayer adhesion of the dielectric layer 12, the electrode layers 13a and 13b, and the protective layers 14a and 14b is high. Moreover, the adhesiveness between the protective layer 14b and the base material 10 is also high. Therefore, even if the expansion and contraction is repeated, the constituent members of the sensor element 11 and the sensor element 11 and the base material 10 are hardly separated. Also in this point, the sensor element 21 is excellent in durability.

また、誘電層12には、チタン酸バリウム粒子が含有されている。このため、誘電層12の比誘電率は大きい。変形量測定構造体1においては、保護層14a、14bにて耐へたり性を向上させ、誘電層12にて比誘電率を大きくするという機能分離がされている。したがって、変形量測定構造体1においては、耐久性だけでなくセンサ素子11の感度(S/N比)も高い。   The dielectric layer 12 contains barium titanate particles. For this reason, the dielectric constant of the dielectric layer 12 is large. In the deformation amount measuring structure 1, functional separation is performed such that the sag resistance is improved by the protective layers 14 a and 14 b and the relative dielectric constant is increased by the dielectric layer 12. Therefore, in the deformation amount measuring structure 1, not only the durability but also the sensitivity (S / N ratio) of the sensor element 11 is high.

<第二実施形態>
本発明の第二の変形量測定構造体の実施形態を示す。まず、本実施形態の変形量測定構造体の構成について説明する。図3に、変形量測定構造体の上面図を示す。図4に、図3のIV−IV断面図を示す。図3のIV−IV断面は、センサ素子の伸縮方向に直交する積層方向の断面である。図3において、前後左右方向は基材およびセンサ素子の面方向に対応する。図4において、上下方向は積層方向に対応する。図3、図4に示すように、変形量測定構造体2は、基材20と、センサ素子21と、備えている。
<Second embodiment>
2 shows an embodiment of a second deformation measurement structure of the present invention. First, the configuration of the deformation measurement structure of the present embodiment will be described. FIG. 3 shows a top view of the deformation amount measuring structure. FIG. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 3 is a cross section in the stacking direction orthogonal to the expansion and contraction direction of the sensor element. In FIG. 3, the front-rear and left-right directions correspond to the surface directions of the base material and the sensor element. In FIG. 4, the vertical direction corresponds to the stacking direction. As shown in FIGS. 3 and 4, the deformation amount measurement structure 2 includes a base material 20 and a sensor element 21.

基材20は、ポリエステル網((株)相互理化学硝子製作所製)からなる。基材20は、左右方向に伸び変形したり、下方に開口するC字状に曲げ変形する。センサ素子21は、基材20の上面に配置されている。センサ素子21は、誘電層22と、一対の電極層23a、23bと、を備えている。   The substrate 20 is made of a polyester net (manufactured by Mutual Chemical Glass Co., Ltd.). The base material 20 extends and deforms in the left-right direction or bends and deforms into a C-shape that opens downward. The sensor element 21 is disposed on the upper surface of the base material 20. The sensor element 21 includes a dielectric layer 22 and a pair of electrode layers 23a and 23b.

誘電層22は、左右方向に延びる長方形状を呈している。誘電層22の前後方向の長さ(幅)は10mm、左右方向の長さは50mm、厚さは300μmである。誘電層22は、ウレタンゴムと、ポリロタキサンと、チタン酸バリウム粒子と、を含んでいる。ウレタンゴムは、ポリロタキサンを介した架橋構造を有している。ポリロタキサンの環状分子はα−シクロデキストリン、直鎖状分子はポリエチレングリコール、封鎖基はアダマンタン基である。誘電層22の比誘電率は12である。   The dielectric layer 22 has a rectangular shape extending in the left-right direction. The length (width) of the dielectric layer 22 in the front-rear direction is 10 mm, the length in the left-right direction is 50 mm, and the thickness is 300 μm. The dielectric layer 22 includes urethane rubber, polyrotaxane, and barium titanate particles. Urethane rubber has a crosslinked structure via a polyrotaxane. The cyclic molecule of polyrotaxane is α-cyclodextrin, the linear molecule is polyethylene glycol, and the blocking group is an adamantane group. The relative dielectric constant of the dielectric layer 22 is 12.

一対の電極層23a、23bは、各々、左右方向に延びる長方形状を呈している。電極層23aは誘電層22の上面に配置されている。電極層23bは誘電層22の下面に配置されている。電極層23a、23bの前後方向および左右方向の長さは、誘電層22のそれと同じである。電極層23a、23bの厚さは50μmである。電極層23a、23bは、アクリルゴムおよびカーボンブラックを含んでいる。電極層23a、23bには、図示しない配線が接続されている。電極層23a、23bは、配線を介して、図示しない制御装置に接続されている。   Each of the pair of electrode layers 23a and 23b has a rectangular shape extending in the left-right direction. The electrode layer 23 a is disposed on the upper surface of the dielectric layer 22. The electrode layer 23 b is disposed on the lower surface of the dielectric layer 22. The lengths of the electrode layers 23 a and 23 b in the front-rear direction and the left-right direction are the same as those of the dielectric layer 22. The electrode layers 23a and 23b have a thickness of 50 μm. The electrode layers 23a and 23b contain acrylic rubber and carbon black. A wiring (not shown) is connected to the electrode layers 23a and 23b. The electrode layers 23a and 23b are connected to a control device (not shown) via wiring.

次に、本実施形態の変形量測定構造体の動きについて説明する。一対の電極層23a、23bには、制御装置から電圧が印加されている。センサ素子21により、基材20が変形する前の自然状態の静電容量が出力される。基材20が下方に開口するC字状に曲げ変形すると、センサ素子21も基材20と共に曲げ変形する。この際、誘電層22の厚さは薄くなり、電極層23aの面積が大きくなる。これにより、電極層23a、23b間の静電容量は大きくなる。制御装置には、予め、静電容量の変化とセンサ素子21の曲げ角度との関係を示すマップが、格納されている。センサ素子21により、基材20の曲げ変形時の静電容量が出力されると、変形前後の静電容量の変化量から、基材20の曲げ角度が算出される。   Next, the movement of the deformation amount measurement structure according to this embodiment will be described. A voltage is applied from the control device to the pair of electrode layers 23a and 23b. The sensor element 21 outputs a natural capacitance before the base material 20 is deformed. When the base material 20 is bent and deformed into a C shape that opens downward, the sensor element 21 is also bent and deformed together with the base material 20. At this time, the thickness of the dielectric layer 22 is reduced, and the area of the electrode layer 23a is increased. Thereby, the electrostatic capacitance between electrode layers 23a and 23b becomes large. The control device stores in advance a map showing the relationship between the change in capacitance and the bending angle of the sensor element 21. When the capacitance at the time of bending deformation of the substrate 20 is output by the sensor element 21, the bending angle of the substrate 20 is calculated from the amount of change in capacitance before and after the deformation.

次に、本実施形態の変形量測定構造体の作用効果について説明する。変形量測定構造体2においては、誘電層22の材料として、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するウレタンゴムを使用する。当該ウレタンゴムにおいては、架橋点が固定されておらず変形時にスライドするため、伸縮を繰り返しても、架橋点に応力が集中しにくい。このため、誘電層22は、柔軟(低弾性)であり、かつ、耐へたり性に優れる。よって、センサ素子21は、伸縮を繰り返しても、基材20の変形に応じた静電容量を出力することができる。また、当該ウレタンゴムは、粘着性を有している。このため、誘電層22と電極層23a、23bとの密着性が高い。よって、伸縮を繰り返しても、誘電層22と電極層23a、23bとが剥離しにくい。この点においても、センサ素子21は耐久性に優れる。したがって、変形量測定構造体2によると、基材20の動きを阻害することなく、基材20の伸び量および応力を繰り返し精度良く測定することができる。   Next, the effect of the deformation amount measurement structure of this embodiment will be described. In the deformation measurement structure 2, urethane rubber having a crosslinked structure via polyrotaxane is used as the material of the dielectric layer 22. In the urethane rubber, since the cross-linking point is not fixed and slides at the time of deformation, stress is hardly concentrated at the cross-linking point even if the expansion and contraction is repeated. Therefore, the dielectric layer 22 is flexible (low elasticity) and excellent in sag resistance. Therefore, the sensor element 21 can output a capacitance according to the deformation of the base material 20 even if the expansion and contraction is repeated. The urethane rubber has adhesiveness. For this reason, the adhesiveness of the dielectric layer 22 and electrode layer 23a, 23b is high. Therefore, even if the expansion and contraction is repeated, the dielectric layer 22 and the electrode layers 23a and 23b are hardly peeled off. Also in this point, the sensor element 21 is excellent in durability. Therefore, according to the deformation amount measurement structure 2, the elongation amount and stress of the base material 20 can be repeatedly measured with high accuracy without hindering the movement of the base material 20.

また、誘電層22には、チタン酸バリウム粒子が含有されている。このため、誘電層22の比誘電率は大きい。したがって、変形量測定構造体2においては、耐久性だけでなくセンサ素子21の感度(S/N比)も高い。   The dielectric layer 22 contains barium titanate particles. For this reason, the dielectric constant of the dielectric layer 22 is large. Therefore, in the deformation measuring structure 2, not only the durability but also the sensitivity (S / N ratio) of the sensor element 21 is high.

<第三実施形態>
本発明の第三の変形量測定構造体の実施形態を示す。まず、本実施形態の変形量測定構造体の構成について説明する。図5に、変形量測定構造体の上面図を示す。図6に、図5のVI−VI断面図を示す。図5のVI−VI断面は、センサ素子の伸縮方向に直交する積層方向の断面である。図5においては、保護層の下側に配置される電極層を透過して示す。図5において、前後左右方向は基材およびセンサ素子の面方向に対応する。図6において、上下方向は積層方向に対応する。図5、図6に示すように、変形量測定構造体3は、基材30と、センサ素子31と、備えている。
<Third embodiment>
3 shows an embodiment of a third deformation measurement structure of the present invention. First, the configuration of the deformation measurement structure of the present embodiment will be described. FIG. 5 shows a top view of the deformation amount measuring structure. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. The VI-VI cross section of FIG. 5 is a cross section in the stacking direction orthogonal to the expansion and contraction direction of the sensor element. In FIG. 5, the electrode layer disposed below the protective layer is shown in a transparent manner. In FIG. 5, the front-rear and left-right directions correspond to the surface directions of the base material and the sensor element. In FIG. 6, the vertical direction corresponds to the stacking direction. As shown in FIGS. 5 and 6, the deformation amount measurement structure 3 includes a base material 30 and a sensor element 31.

基材30は、アズワン(株)から販売されている商品「ワンサポーター」からなる。基材30は、左右方向に伸び変形する。基材30の引張永久歪みは3%であり、左右方向におけるばね定数は315Nである。センサ素子31は、基材30の上面に配置されている。センサ素子31は、誘電層32と、一対の電極層33a、33bと、保護層34aと、を備えている。   The base material 30 is a product “One Supporter” sold by As One Co., Ltd. The base material 30 extends and deforms in the left-right direction. The tensile permanent strain of the base material 30 is 3%, and the spring constant in the left-right direction is 315N. The sensor element 31 is disposed on the upper surface of the base material 30. The sensor element 31 includes a dielectric layer 32, a pair of electrode layers 33a and 33b, and a protective layer 34a.

誘電層32は、左右方向に延びる長方形状を呈している。誘電層32の前後方向の長さ(幅)は10mm、左右方向の長さは50mm、厚さは300μmである。誘電層32は、ウレタンゴムを含んでいる。誘電層32の比誘電率は8である。   The dielectric layer 32 has a rectangular shape extending in the left-right direction. The length (width) of the dielectric layer 32 in the front-rear direction is 10 mm, the length in the left-right direction is 50 mm, and the thickness is 300 μm. The dielectric layer 32 includes urethane rubber. The relative dielectric constant of the dielectric layer 32 is 8.

一対の電極層33a、33bは、各々、左右方向に延びる長方形状を呈している。電極層33aは誘電層32の上面に配置されている。電極層33bは誘電層32の下面に配置されている。電極層33a、33bの幅および左右方向の長さは、誘電層32と同じである。電極層33a、33bの厚さはいずれも50μmである。電極層33a、33bは、アクリルゴムおよびカーボンブラックを含んでいる。電極層33a、33bには、図示しない配線が接続されている。電極層33a、33bは、配線を介して、図示しない制御装置に接続されている。   Each of the pair of electrode layers 33a and 33b has a rectangular shape extending in the left-right direction. The electrode layer 33 a is disposed on the upper surface of the dielectric layer 32. The electrode layer 33 b is disposed on the lower surface of the dielectric layer 32. The electrode layers 33 a and 33 b have the same width and length in the left-right direction as the dielectric layer 32. The electrode layers 33a and 33b have a thickness of 50 μm. The electrode layers 33a and 33b contain acrylic rubber and carbon black. A wiring (not shown) is connected to the electrode layers 33a and 33b. The electrode layers 33a and 33b are connected to a control device (not shown) via wiring.

保護層34aは、左右方向に延びる長方形状を呈している。保護層34aは、電極層33aの上面に配置されている。保護層34aは、誘電層32および電極層33a、33bを被覆している。保護層34aは、幅10mm、左右方向の長さ50mmの領域で、誘電層32および電極層33a、33bに積層されている。保護層34aの厚さは300μmである。保護層34aは、ウレタンゴムを含んでいる。   The protective layer 34a has a rectangular shape extending in the left-right direction. The protective layer 34a is disposed on the upper surface of the electrode layer 33a. The protective layer 34a covers the dielectric layer 32 and the electrode layers 33a and 33b. The protective layer 34a is laminated on the dielectric layer 32 and the electrode layers 33a and 33b in a region having a width of 10 mm and a length in the left-right direction of 50 mm. The thickness of the protective layer 34a is 300 μm. The protective layer 34a contains urethane rubber.

基材30およびセンサ素子31を、各々、左右方向に伸長した場合、基材30のばね定数は、センサ素子31のばね定数よりも大きい。具体的には、基材30のばね定数は、センサ素子31のばね定数の約20倍である。   When the base material 30 and the sensor element 31 are each extended in the left-right direction, the spring constant of the base material 30 is larger than the spring constant of the sensor element 31. Specifically, the spring constant of the base material 30 is about 20 times the spring constant of the sensor element 31.

次に、本実施形態の変形量測定構造体の動きについて説明する。一対の電極層33a、33bには、制御装置から電圧が印加されている。センサ素子31により、基材30が変形する前の自然状態の静電容量が出力される。基材30が左右方向に伸長すると、センサ素子31も基材30と共に伸長する。この際、誘電層32の厚さは薄くなり、電極層33a、33bの面積が大きくなる。これにより、電極層33a、33b間の静電容量は大きくなる。制御装置には、予め、静電容量の変化とセンサ素子31の伸び量との関係を示すマップが、格納されている。センサ素子31により、基材30の伸長時の静電容量が出力されると、伸長前後の静電容量の変化量から、基材30の伸び量が算出される。   Next, the movement of the deformation amount measurement structure according to this embodiment will be described. A voltage is applied to the pair of electrode layers 33a and 33b from the control device. The sensor element 31 outputs a natural capacitance before the base material 30 is deformed. When the base material 30 extends in the left-right direction, the sensor element 31 also extends with the base material 30. At this time, the thickness of the dielectric layer 32 is reduced, and the areas of the electrode layers 33a and 33b are increased. Thereby, the electrostatic capacitance between electrode layers 33a and 33b becomes large. The control device stores in advance a map showing the relationship between the change in capacitance and the amount of elongation of the sensor element 31. When the sensor element 31 outputs the electrostatic capacity when the base material 30 is extended, the extension amount of the base material 30 is calculated from the change amount of the electrostatic capacity before and after the extension.

次に、本実施形態の変形量測定構造体の作用効果について説明する。変形量測定構造体3においては、基材30の引張永久歪みは10%以下であり、かつ、伸長方向における基材30のばね定数がセンサ素子31のばね定数よりも大きい。すなわち、基材30はセンサ素子31よりもへたりにくい。このため、仮に誘電層32にへたりが生じても、誘電層32は基材30に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、センサ素子31は、伸縮を繰り返しても、基材30の変形に応じた静電容量を出力することができる。したがって、変形量測定構造体3によると、基材30の動きを阻害することなく、基材30の伸び量を繰り返し精度良く測定することができる。   Next, the effect of the deformation amount measurement structure of this embodiment will be described. In the deformation amount measuring structure 3, the tensile permanent strain of the base material 30 is 10% or less, and the spring constant of the base material 30 in the extension direction is larger than the spring constant of the sensor element 31. That is, the base material 30 is less likely to sag than the sensor element 31. For this reason, even if a sag occurs in the dielectric layer 32, the dielectric layer 32 can be pulled back to the base material 30 to return to its original shape. Thereby, the sensor element 31 can output the electrostatic capacity according to the deformation of the base material 30 even if the expansion and contraction is repeated. Therefore, according to the deformation amount measurement structure 3, the elongation amount of the base material 30 can be repeatedly measured with high accuracy without inhibiting the movement of the base material 30.

<その他>
以上、本発明の変形量測定構造体の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
<Others>
The embodiment of the deformation amount measuring structure of the present invention has been described above. However, the embodiment is not limited to the above embodiment. Various modifications and improvements that can be made by those skilled in the art are also possible.

例えば、上記第一実施形態においては、保護層を電極層の上面または下面の一方のみに配置してもよい。また、保護層だけでなく、誘電層のエラストマーについても、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するものにしてもよい。また、誘電層の引張永久歪みが10%以下であってもよい。一方、誘電層の引張永久歪みが10%以下であれば、必ずしも保護層の引張永久歪みは10%以下でなくてもよい。誘電層および保護層の少なくとも一方の引張永久歪みが10%以下であれば、保護層および誘電層の構成は限定されない。保護層のエラストマーは、必ずしもポリロタキサンを介した架橋構造を有しなくてもよい。   For example, in the first embodiment, the protective layer may be disposed only on one of the upper surface and the lower surface of the electrode layer. Moreover, not only the protective layer but also the elastomer of the dielectric layer may have a crosslinked structure via a polyrotaxane. Further, the permanent set of the dielectric layer may be 10% or less. On the other hand, if the tensile set of the dielectric layer is 10% or less, the tensile set of the protective layer is not necessarily 10% or less. If the tensile permanent strain of at least one of the dielectric layer and the protective layer is 10% or less, the configuration of the protective layer and the dielectric layer is not limited. The elastomer of the protective layer does not necessarily have a cross-linked structure via a polyrotaxane.

上記第三実施形態においては、保護層を配置しなくてもよい。一方、基材と電極層との間にさらに保護層を配置してもよい。また、誘電層および保護層のいずれか、または両方のエラストマーを、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するものにしてもよい。伸長方向における基材のばね定数は、センサ素子のばね定数よりも大きければよく、例えばセンサ素子のばね定数の2倍以上であるとよい。センサ素子のばね定数は、基材の伸縮を阻害しないという観点から小さいほど望ましい。センサ素子のばね定数は、300N以下、200N以下、さらには100N以下であると好適である。   In the third embodiment, the protective layer may not be disposed. On the other hand, you may arrange | position a protective layer further between a base material and an electrode layer. In addition, either or both of the dielectric layer and the protective layer may have a crosslinked structure via a polyrotaxane. The spring constant of the base material in the extension direction is only required to be larger than the spring constant of the sensor element, and for example, it is preferably 2 or more times the spring constant of the sensor element. The smaller the spring constant of the sensor element, the better from the viewpoint of not inhibiting the expansion and contraction of the base material. The spring constant of the sensor element is preferably 300N or less, 200N or less, and further 100N or less.

いずれの実施形態においても、測定する基材の変形量は、基材の変形態様に応じて、伸び量、曲げ角度、応力など適宜決定すればよい。基材、誘電層、保護層、電極層の各々の構成材料も限定されない。   In any of the embodiments, the amount of deformation of the base material to be measured may be appropriately determined according to the deformation mode of the base material, such as an elongation amount, a bending angle, and stress. The constituent materials of the substrate, the dielectric layer, the protective layer, and the electrode layer are not limited.

誘電層のエラストマーとしては、比誘電率が比較的大きいものを採用することが望ましい。例えば、比誘電率が5以上(測定周波数100Hz)のものが好適である。このようなエラストマーとしては、ウレタンゴムの他、シリコーンゴム、ニトリルゴム(NBR)、水素化ニトリルゴム(H−NBR)、アクリルゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体、ブチルゴム、スチレン−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロプレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレンなどが挙げられる。   As the elastomer of the dielectric layer, it is desirable to employ one having a relatively large relative dielectric constant. For example, those having a relative dielectric constant of 5 or more (measurement frequency 100 Hz) are suitable. Such elastomers include urethane rubber, silicone rubber, nitrile rubber (NBR), hydrogenated nitrile rubber (H-NBR), acrylic rubber, natural rubber, isoprene rubber, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), ethylene. -Vinyl acetate copolymer, ethylene-vinyl acetate-acrylic ester copolymer, butyl rubber, styrene-butadiene rubber, fluorine rubber, epichlorohydrin rubber, chloroprene rubber, chlorinated polyethylene, chlorosulfonated polyethylene and the like.

誘電層の比誘電率を大きくするという観点から、上記第一実施形態のように、誘電層に誘電性粒子を含有させてもよい。誘電性粒子は、マトリクスのエラストマーよりも、比誘電率が大きい粒子であればよい。例えば、チタン酸バリウムの他、チタン酸ジルコン酸鉛、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスバリウムなどの無機粒子が好適である。誘電性粒子としては、これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。なかでも、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電体の粒子が好適である。強誘電体粒子に分極処理を施すことにより、圧電性を発現させることができる。これにより、基材の変形量だけでなく、変形時の加速度も測定することができる。   From the viewpoint of increasing the relative dielectric constant of the dielectric layer, the dielectric layer may contain dielectric particles as in the first embodiment. The dielectric particles may be particles having a relative dielectric constant larger than that of the matrix elastomer. For example, inorganic particles such as barium titanate, lead zirconate titanate, lanthanum-doped lead zirconate titanate, strontium titanate, bismuth titanate, and barium titanate titanate are suitable. As the dielectric particles, one kind of these may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used. Among these, ferroelectric particles such as barium titanate and lead zirconate titanate are suitable. By applying polarization treatment to the ferroelectric particles, piezoelectricity can be expressed. Thereby, not only the deformation amount of a base material but the acceleration at the time of a deformation | transformation can also be measured.

保護層のエラストマーは、柔軟性、引張永久歪みなどを考慮して選択すればよい。例えば、ウレタンゴムの他、シリコーンゴム、NBR、H−NBR、エチレン−プロピレン共重合ゴム、EPDM、天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンなどが挙げられる。   The elastomer for the protective layer may be selected in consideration of flexibility, tensile set, and the like. For example, in addition to urethane rubber, silicone rubber, NBR, H-NBR, ethylene-propylene copolymer rubber, EPDM, natural rubber, styrene-butadiene rubber, acrylic rubber, epichlorohydrin rubber, chlorosulfonated polyethylene, chlorinated polyethylene, etc. Is mentioned.

誘電層、保護層に含有される環動分子は、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ。環状分子の種類は、特に限定されない。例えば、α−シクロデキストリン、β−シクロデキストリン、γ−シクロデキストリンなどが挙げられる。環状分子は、エラストマーの原料ポリマーと架橋するために、エポキシ基、グリシジル基、−OH、−SH、−NH、−COOH、−SOH、−POHなどの反応基を有することが望ましい。例えば、α−シクロデキストリンなどの−OHの一部を、他の反応基に置換してもよい。また、α−シクロデキストリンなどが化学修飾されていても構わない。化学修飾としては、例えば、アセチル基、プロピオニル基、ヘキサノイル基、メチル基、エチル基、プロピル基、2−ヒドロキシプロピル基、1,2−ジヒドロキシプロピル基、シクロヘキシル基、ブチルカルバモイル基、ヘキシルカルバモイル基、フェニル基、カプロラクトン基、アルコキシシラン基、アクリロイル基、メタクリロイル基、シンナモイル基などの反応基を、環状分子に結合させればよい。また、ポリカプロラクトンやポリカーボネートなどのポリマー鎖を、直接あるいは上記反応基を介して結合させてもよい。 The ring-moving molecule contained in the dielectric layer and the protective layer has a cyclic molecule and a linear molecule that penetrates the opening of the cyclic molecule and is included in the cyclic molecule. The kind of cyclic molecule is not particularly limited. For example, α-cyclodextrin, β-cyclodextrin, γ-cyclodextrin and the like can be mentioned. The cyclic molecule may have a reactive group such as an epoxy group, a glycidyl group, —OH, —SH, —NH 2 , —COOH, —SO 3 H, —PO 4 H or the like in order to crosslink with the elastomer raw material polymer. desirable. For example, a part of —OH such as α-cyclodextrin may be substituted with another reactive group. Further, α-cyclodextrin and the like may be chemically modified. Examples of the chemical modification include acetyl group, propionyl group, hexanoyl group, methyl group, ethyl group, propyl group, 2-hydroxypropyl group, 1,2-dihydroxypropyl group, cyclohexyl group, butylcarbamoyl group, hexylcarbamoyl group, A reactive group such as a phenyl group, a caprolactone group, an alkoxysilane group, an acryloyl group, a methacryloyl group, or a cinnamoyl group may be bonded to the cyclic molecule. In addition, polymer chains such as polycaprolactone and polycarbonate may be bonded directly or via the reactive group.

直鎖状分子の種類は、特に限定されない。例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ(メタ)アクリル酸、セルロース系樹脂(カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなど)、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリビニルメチルエーテル、ポリアミン、ポリエチレンイミン、カゼイン、ゼラチン、でんぷんなどの親水性ポリマーが挙げられる。なかでも、ポリエチレングリコールが好適である。   The kind of linear molecule is not particularly limited. For example, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, poly (meth) acrylic acid, cellulose resin (carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, etc.), polyacrylamide, polyethylene oxide, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyvinyl acetal resin, polyvinyl methyl Examples include hydrophilic polymers such as ether, polyamine, polyethyleneimine, casein, gelatin, and starch. Of these, polyethylene glycol is preferred.

直鎖状分子の両末端には、環状分子が脱離しないように、封鎖基が配置されていてもよい。封鎖基としては、ジニトロフェニル基類、シクロデキストリン類、アダマンタン基類、トリチル基類、フルオレセイン類、シルセスキオキサン類、ピレン類、置換ベンゼン類、置換されていてもよい多核芳香族類、およびステロイド類などが挙げられる。   A blocking group may be arranged at both ends of the linear molecule so that the cyclic molecule is not detached. Blocking groups include dinitrophenyl groups, cyclodextrins, adamantane groups, trityl groups, fluoresceins, silsesquioxanes, pyrenes, substituted benzenes, optionally substituted polynuclear aromatics, and Examples include steroids.

電極層のエラストマーは、柔軟性、誘電層に対する粘着性などを考慮して選択すればよい。例えば、アクリルゴムの他、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、H−NBR、および各種の熱可塑性エラストマーが挙げられる。   The elastomer of the electrode layer may be selected in consideration of flexibility, adhesiveness to the dielectric layer, and the like. For example, in addition to acrylic rubber, silicone rubber, urethane rubber, urea rubber, fluororubber, H-NBR, and various thermoplastic elastomers can be used.

電極層の導電材の種類は、特に限定されない。例えば、銀、金、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム、クロム、チタン、白金、鉄、およびこれらの合金などからなる金属粒子、酸化亜鉛、酸化チタンなどからなる金属酸化物粒子、チタンカーボネートなどからなる金属炭化物粒子、銀、金、銅、白金、およびニッケルなどからなる金属ナノワイヤ、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト、およびグラフェンなどの導電性炭素材料の中から、適宜選択すればよい。また、銀被覆銅粒子など、金属で被覆された粒子を用いてもよい。導電材としては、これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。   The kind of conductive material for the electrode layer is not particularly limited. For example, metal particles made of silver, gold, copper, nickel, rhodium, palladium, chromium, titanium, platinum, iron, and alloys thereof, metal oxide particles made of zinc oxide, titanium oxide, etc., titanium carbonate, etc. What is necessary is just to select suitably from electroconductive carbon materials, such as metal nanowire which consists of metal carbide particle | grains, silver, gold | metal | money, copper, platinum, nickel, etc., carbon black, a carbon nanotube, graphite, and graphene. Alternatively, particles coated with a metal such as silver-coated copper particles may be used. As the conductive material, one of these can be used alone, or two or more can be mixed and used.

センサの感度(S/N比)を向上させるという観点から、電極層の電極抵抗は小さい方が望ましい。具体的には、電極層の体積抵抗率は1×10Ω・cm以下、好ましくは1×10−1Ω・cm以下であるとよい。 From the viewpoint of improving the sensitivity (S / N ratio) of the sensor, it is desirable that the electrode resistance of the electrode layer is small. Specifically, the volume resistivity of the electrode layer is 1 × 10 1 Ω · cm or less, preferably 1 × 10 −1 Ω · cm or less.

基材とセンサ素子との密着性を向上させるという観点から、基材とセンサ素子とを熱で圧着したり、柔軟な粘着剤、接着剤などにより接着することが望ましい。また、センサ素子のセンシングに寄与しない部分を基材に縫い付けてもよい。   From the viewpoint of improving the adhesion between the base material and the sensor element, it is desirable that the base material and the sensor element are pressure-bonded by heat, or bonded with a soft adhesive or adhesive. Moreover, you may sew the part which does not contribute to the sensing of a sensor element to a base material.

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。   Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

<誘電層の製造>
[誘電層1]
まず、反応容器にポリカーボネートジオール(旭化成ケミカルズ(株)「デュラノ−ル(登録商標)T5650J」、分子量800)を30.0質量部入れ、攪拌しながら減圧脱水を2時間実施した。次に、反応容器内を窒素置換した。それから、反応容器内にヘキサメチレンジイソシアネート(旭化成ケミカルズ(株)「デュラネート(登録商標)D201)46.6質量部、および1,4−フェニレンジイソシアナート(東京化成工業(株)製)6.05質量部を滴下し、窒素気流下100℃にて4時間攪拌して、イソシアネート末端プレポリマーAを合成した。続いて、ポリカーボネートジオール(同上)20.0質量部と、イソシアネート末端プレポリマーA18.6質量部と、トリエチレンジアミン0.01質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。調製したウレタン反応液をPET製の基板上に塗布し、乾燥させた後、150℃で3時間加熱して、幅25mm、長さ50mmの短冊状の誘電層1を製造した。誘電層の幅および長さは、以下の誘電層2〜5においても同じである。
<Manufacture of dielectric layer>
[Dielectric layer 1]
First, 30.0 parts by mass of polycarbonate diol (Asahi Kasei Chemicals Co., Ltd. “Duranol (registered trademark) T5650J”, molecular weight 800) was placed in a reaction vessel, and vacuum dehydration was carried out for 2 hours while stirring. Next, the inside of the reaction vessel was purged with nitrogen. Then, 46.6 parts by mass of hexamethylene diisocyanate (Asahi Kasei Chemicals Corporation “Duranate (registered trademark) D201) and 1,4-phenylene diisocyanate (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 6.05 in the reaction vessel. A mass part was added dropwise and stirred for 4 hours at 100 ° C. under a nitrogen stream to synthesize an isocyanate-terminated prepolymer A. Subsequently, 20.0 parts by mass of a polycarbonate diol (same as above) and an isocyanate-terminated prepolymer A18.6 were synthesized. A urethane reaction liquid was prepared by blending, with stirring, 0.01 parts by mass of triethylenediamine, and degassing under reduced pressure after stirring.The prepared urethane reaction liquid was applied onto a PET substrate and dried. Thereafter, heating was performed at 150 ° C. for 3 hours to produce a strip-shaped dielectric layer 1 having a width of 25 mm and a length of 50 mm. The same is true in the following dielectric layer 2-5.

[誘電層2]
ポリカーボネートジオール(同上)20.0質量部と、水酸基を有する修飾ポリロタキサン(アドバンスト・ソフトマテリアルズ(株)製「SH3400P」)2.2質量部と、合成したイソシアネート末端プレポリマーA19.7質量部と、トリエチレンジアミン0.01質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。水酸基を有する修飾ポリロタキサンの環状分子はα−シクロデキストリン、直鎖状分子はポリエチレングリコール、封鎖基はアダマンタン基である。調製したウレタン反応液をPET製の基板上に塗布し、乾燥させた後、150℃で3時間加熱して短冊状の誘電層2を製造した。
[Dielectric layer 2]
20.0 parts by mass of polycarbonate diol (same as above), 2.2 parts by mass of a modified polyrotaxane having a hydroxyl group (“SH3400P” manufactured by Advanced Soft Materials Co., Ltd.), 19.7 parts by mass of synthesized isocyanate-terminated prepolymer A, Then, 0.01 part by mass of triethylenediamine was blended, and after stirring, degassed under reduced pressure to prepare a urethane reaction solution. The cyclic molecule of the modified polyrotaxane having a hydroxyl group is α-cyclodextrin, the linear molecule is polyethylene glycol, and the blocking group is an adamantane group. The prepared urethane reaction liquid was applied onto a PET substrate, dried, and then heated at 150 ° C. for 3 hours to produce a strip-shaped dielectric layer 2.

[誘電層3]
ポリカーボネートジオール(同上)20.0質量部と、水酸基を有する修飾ポリロタキサン(同上)5.0質量部と、合成したイソシアネート末端プレポリマーA21.0質量部と、トリエチレンジアミン0.01質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。調製したウレタン反応液をPET製の基板上に塗布し、乾燥させた後、150℃で3時間加熱して短冊状の誘電層3を製造した。
[Dielectric layer 3]
20.0 parts by mass of a polycarbonate diol (same as above), 5.0 parts by mass of a modified polyrotaxane having a hydroxyl group (same as above), 21.0 parts by mass of the synthesized isocyanate-terminated prepolymer A, and 0.01 parts by mass of triethylenediamine. After mixing and stirring, vacuum degassing was performed to prepare a urethane reaction solution. The prepared urethane reaction solution was applied onto a PET substrate, dried, and then heated at 150 ° C. for 3 hours to produce a strip-shaped dielectric layer 3.

[誘電層4]
誘電層3の製造に使用したウレタン反応液に、チタン酸バリウム粉末(堺化学工業(株)「KZM50」)をウレタンポリマー100質量部に対して20質量部加え、3本ロールで分散した。この反応液を、PET製の基板上に塗布し、乾燥させた後、150℃で3時間加熱して短冊状の誘電層4を製造した。
[Dielectric layer 4]
20 parts by mass of barium titanate powder (Sakai Chemical Industry Co., Ltd. “KZM50”) was added to 100 parts by mass of the urethane polymer in the urethane reaction liquid used for the production of the dielectric layer 3 and dispersed with three rolls. The reaction solution was applied onto a PET substrate, dried, and then heated at 150 ° C. for 3 hours to produce a strip-shaped dielectric layer 4.

[誘電層5]
まず、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム(ランクセス社製「テルバン(登録商標)XT8889」)を、アセチルアセトンに溶解して、固形分濃度が12質量%のポリマー溶液を調製した。次に、調製したポリマー溶液に、架橋剤として有機金属化合物のテトラキス(2−エチルヘキシルオキシ)チタンを、ポリマー分100質量部に対して5質量部混合した。続いて、この溶液にチタン酸バリウム粉末の分散液を加えて、原料液を調製した。チタン酸バリウム粉末の分散液は、ポリマー分100質量部に対してチタン酸バリウム粉末が80質量部になるように加えた。それから、調製した原料液をPET製の基板上に塗布し、乾燥させた後、150℃で1時間加熱して短冊状の誘電層5を製造した。
[Dielectric layer 5]
First, carboxyl group-modified hydrogenated nitrile rubber (“Terban (registered trademark) XT8889” manufactured by LANXESS) was dissolved in acetylacetone to prepare a polymer solution having a solid concentration of 12% by mass. Next, 5 mass parts of tetrakis (2-ethylhexyloxy) titanium, an organometallic compound, was mixed with the prepared polymer solution as a crosslinking agent with respect to 100 mass parts of the polymer content. Subsequently, a dispersion of barium titanate powder was added to this solution to prepare a raw material solution. The dispersion of the barium titanate powder was added so that the barium titanate powder was 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the polymer content. Then, the prepared raw material liquid was applied onto a PET substrate, dried, and then heated at 150 ° C. for 1 hour to produce a strip-shaped dielectric layer 5.

チタン酸バリウム粉末の分散液は、次のようにして製造した。まず、チタン酸バリウム粉末(戸田工業(株)製「BT−TO−020RF」)を溶剤のアセチルアセトンに加えて予備分散液を調製した。次に、予備分散液を湿式ビーズミル(ウィリー・エ・バッコーフェン社製「リサーチラボ」、使用メディア径:0.1mm)を用いてメカノケミカル処理した。処理後の液を、フィルター((株)ロキテクノ製「LPJ−MPX−006−N2」)に通して分散液とした。   A dispersion of barium titanate powder was produced as follows. First, barium titanate powder ("BT-TO-020RF" manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd.) was added to acetylacetone as a solvent to prepare a preliminary dispersion. Next, the preliminary dispersion was subjected to mechanochemical treatment using a wet bead mill (“Research Lab” manufactured by Willy et Bacofen, media diameter: 0.1 mm). The liquid after the treatment was passed through a filter (“LPJ-MPX-006-N2” manufactured by Loki Techno Co., Ltd.) to obtain a dispersion.

製造した誘電層の材料および物性を表1に示す。表1中、比誘電率、切断時伸び、引張永久歪み、弾性率の測定方法は、以下の通りである。切断時伸び、引張永久歪み、弾性率の測定方法については、後述する電極層、保護層においても同じである。   Table 1 shows the material and physical properties of the manufactured dielectric layer. In Table 1, methods for measuring the dielectric constant, elongation at break, tensile permanent strain, and elastic modulus are as follows. The measuring method of elongation at break, tensile set, and elastic modulus is the same for the electrode layer and protective layer described later.

[比誘電率]
誘電層をサンプルホルダー(ソーラトロン社製、12962A型)に設置し、誘電率測定インターフェイス(同社製、1296型)および周波数応答アナライザー(同社製、1255B型)を併用して、比誘電率を測定した(周波数100Hz)。
[Relative permittivity]
The dielectric layer was placed on a sample holder (Solartron, type 12962A), and the dielectric constant was measured using a dielectric constant measurement interface (made by the company, type 1296) and a frequency response analyzer (made by the company, type 1255B). (Frequency 100 Hz).

[切断時伸び]
JIS K 6251:2010に規定される引張試験を行い、切断時伸びを算出した。試験片の形状はダンベル状5号形とした。
[Elongation at cutting]
The tensile test prescribed | regulated to JISK6251: 2010 was done and elongation at break was computed. The shape of the test piece was dumbbell-shaped No. 5.

[引張永久歪み]
JIS K 6273:2006に規定される短冊状試験片を用いた定伸長引張永久歪み試験を、試験片に与える伸び50%、試験温度50℃、試験時間20時間という条件で行い、引張永久歪みを算出した。
[Tensile permanent set]
A constant elongation tensile permanent strain test using a strip-shaped test piece specified in JIS K 6273: 2006 is performed under the conditions of an elongation of 50% applied to the test piece, a test temperature of 50 ° C., and a test time of 20 hours. Calculated.

[弾性率]
JIS K 7127:1999に規定される引張試験を行い、得られた応力−伸び曲線から弾性率を算出した。試験片の形状は試験片タイプ2とした。

Figure 2016153729
[Elastic modulus]
The tensile test prescribed | regulated to JISK7127: 1999 was done, and the elasticity modulus was computed from the obtained stress-elongation curve. The shape of the test piece was test piece type 2.
Figure 2016153729

<電極層の製造>
[電極層1]
まず、アクリルゴムポリマー(日本ゼオン(株)製「Nipol(登録商標)AR42W」)100質量部と、架橋剤のイソホロンジアミン0.25質量部と、をロール練り機で混合し、混合物を調製した。次に、混合物を、溶剤のエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートに溶解して、ポリマー溶液を調製した。続いて、調製したポリマー溶液に、カーボンナノチューブ(昭和電工(株)製「VGCF(登録商標)」、繊維径150nm、長さ10μm)35質量部と、導電性カーボンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル社製「ケッチェンブラックEC300J」)18質量部と、分散剤としてアミノ基を含む高分子化合物(ビックケミー・ジャパン(株)製「BYK−185」)20質量部と、を添加して、三本ロールで混練りして導電塗料を調製した。そして、導電塗料をPET製の基板上にバーコート法により塗布し、乾燥させた後、150℃で1時間加熱して、幅15mm、長さ40mmの短冊状の電極層1を製造した。製造した電極層1の体積抵抗率は0.05Ω・cmであった。体積抵抗率については、JIS K6271:2008に規定される平行端子電極法に準じて測定した。測定は、直流電圧100Vを印加して行った。
<Manufacture of electrode layer>
[Electrode layer 1]
First, 100 parts by mass of an acrylic rubber polymer (“Nipol (registered trademark) AR42W” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) and 0.25 parts by mass of isophoronediamine as a crosslinking agent were mixed with a roll kneader to prepare a mixture. . Next, the mixture was dissolved in the solvent ethylene glycol monobutyl ether acetate to prepare a polymer solution. Subsequently, 35 parts by mass of carbon nanotubes (“VGCF (registered trademark)” manufactured by Showa Denko KK, fiber diameter: 150 nm, length: 10 μm) and conductive carbon black (manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) 18 parts by mass of “Ketjen Black EC300J”) and 20 parts by mass of a polymer compound containing an amino group as a dispersant (“BYK-185” manufactured by Big Chemie Japan Co., Ltd.) A conductive paint was prepared by kneading. Then, the conductive paint was applied on a PET substrate by a bar coating method, dried, and then heated at 150 ° C. for 1 hour to produce a strip-shaped electrode layer 1 having a width of 15 mm and a length of 40 mm. The volume resistivity of the manufactured electrode layer 1 was 0.05 Ω · cm. About volume resistivity, it measured according to the parallel terminal electrode method prescribed | regulated to JISK6271: 2008. The measurement was performed by applying a DC voltage of 100V.

製造した電極の材料および物性を表2に示す。

Figure 2016153729
Table 2 shows the materials and physical properties of the manufactured electrodes.
Figure 2016153729

<保護層の製造>
[保護層1]
シリコーンゴム(信越化学工業(株)製「KE1935」)のA液とB液とを同じ質量で混合し、真空脱泡して気泡を抜いた後、150℃で30分間プレス成形した。これを150℃で4時間熱処理し、幅25mm、長さ50mmの短冊状の保護層1を製造した。保護層の幅および長さは、以下の保護層2〜7においても同じである。
<Manufacture of protective layer>
[Protective layer 1]
A liquid A and B liquid of silicone rubber (“KE1935” manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) were mixed at the same mass, degassed by vacuum to remove bubbles, and press molded at 150 ° C. for 30 minutes. This was heat-treated at 150 ° C. for 4 hours to produce a strip-shaped protective layer 1 having a width of 25 mm and a length of 50 mm. The width and length of the protective layer are the same in the following protective layers 2 to 7.

[保護層2]
まず、反応容器にポリカーボネートジオール(同上)を30.0質量部入れ、攪拌しながら減圧脱水を2時間実施した。次に、反応容器内を窒素置換した。それから、反応容器内にヘキサメチレンジイソシアネート(同上)21.9質量部、および1,4−フェニレンジイソシアナート(同上)10.0質量部を滴下し、窒素気流下100℃にて4時間攪拌して、イソシアネート末端プレポリマーBを合成した。続いて、ポリカーボネートジオール(同上)20.0質量部と、イソシアネート末端プレポリマーB18.6質量部と、トリエチレンジアミン0.01質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。調製したウレタン反応液をPET製の基板上に塗布し、乾燥させた後、150℃で3時間加熱して短冊状の保護層2を製造した。
[Protective layer 2]
First, 30.0 parts by mass of polycarbonate diol (same as above) was placed in a reaction vessel, and dehydration under reduced pressure was carried out for 2 hours while stirring. Next, the inside of the reaction vessel was purged with nitrogen. Then, 21.9 parts by mass of hexamethylene diisocyanate (same as above) and 10.0 parts by mass of 1,4-phenylene diisocyanate (same as above) are dropped into the reaction vessel and stirred at 100 ° C. for 4 hours under a nitrogen stream. Thus, an isocyanate-terminated prepolymer B was synthesized. Subsequently, 20.0 parts by mass of polycarbonate diol (same as above), 18.6 parts by mass of isocyanate-terminated prepolymer B, and 0.01 parts by mass of triethylenediamine were blended, deaerated under reduced pressure after stirring, and urethane reaction liquid Was prepared. The prepared urethane reaction liquid was applied onto a substrate made of PET, dried, and then heated at 150 ° C. for 3 hours to produce a strip-shaped protective layer 2.

[保護層3]
誘電層2と同様にして保護層3を製造した。
[Protective layer 3]
A protective layer 3 was produced in the same manner as the dielectric layer 2.

[保護層4]
シリコーンゴムを、信越化学工業(株)製「KE1950−10」に変更した以外は、保護層1と同様にして保護層4を製造した。
[Protective layer 4]
A protective layer 4 was produced in the same manner as the protective layer 1 except that the silicone rubber was changed to “KE1950-10” manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.

[保護層5]
まず、反応容器にポリカーボネートジオール(同上)を30.0質量部入れ、攪拌しながら減圧脱水を2時間実施した。次に、反応容器内を窒素置換した。それから、反応容器内にヘキサメチレンジイソシアネート(同上)85.0質量部を滴下し、窒素気流下100℃にて4時間攪拌して、イソシアネート末端プレポリマーCを合成した。続いて、ポリカーボネートジオール(同上)20.0質量部と、水酸基を有する修飾ポリロタキサン(同上)2.2質量部と、イソシアネート末端プレポリマーC19.7質量部と、トリエチレンジアミン0.01質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。調製したウレタン反応液をPET製の基板上に塗布し、乾燥させた後、150℃で3時間加熱して短冊状の保護層5を製造した。
[Protective layer 5]
First, 30.0 parts by mass of polycarbonate diol (same as above) was placed in a reaction vessel, and dehydration under reduced pressure was carried out for 2 hours while stirring. Next, the inside of the reaction vessel was purged with nitrogen. Then, 85.0 parts by mass of hexamethylene diisocyanate (same as above) was dropped into the reaction vessel and stirred at 100 ° C. for 4 hours under a nitrogen stream to synthesize isocyanate-terminated prepolymer C. Subsequently, 20.0 parts by mass of polycarbonate diol (same as above), 2.2 parts by mass of a modified polyrotaxane having a hydroxyl group (same as above), 19.7 parts by mass of isocyanate-terminated prepolymer C, 0.01 parts by mass of triethylenediamine, Was mixed and deaerated under reduced pressure after stirring to prepare a urethane reaction solution. The prepared urethane reaction liquid was applied onto a substrate made of PET, dried, and then heated at 150 ° C. for 3 hours to produce a strip-shaped protective layer 5.

[保護層6]
誘電層3と同様にして保護層6を製造した。
[Protective layer 6]
A protective layer 6 was produced in the same manner as the dielectric layer 3.

[保護層7]
誘電層1と同様にして保護層7を製造した。
[Protective layer 7]
A protective layer 7 was produced in the same manner as the dielectric layer 1.

製造した保護層の材料および物性を表3に示す。

Figure 2016153729
Table 3 shows the materials and physical properties of the manufactured protective layer.
Figure 2016153729

<変形量測定構造体の製造>
誘電層、電極層、保護層を適宜組み合わせて、次のようにしてセンサ素子を製造した。まず、誘電層の厚さ方向の二面(上面および下面)に各々電極層を配置して、ラミネーター(フジプラ(株)製「LPD3223」)を用いて誘電層と電極層とを圧着した。次に、電極層に保護層を積層して、ラミネーター(同上)を用いて保護層と電極層とを圧着した。なお、シリコーンゴム製の保護層(保護層1、保護層4)を用いる場合には、前処理としてエキシマ処理を施してから電極層と圧着した。エキシマ処理には、浜松ホトニクス(株)製エキシマランプ光源「FLAT EXCIMER」を使用した。
<Manufacture of deformation measurement structure>
A sensor element was manufactured as follows by appropriately combining a dielectric layer, an electrode layer, and a protective layer. First, electrode layers were respectively arranged on two surfaces (upper surface and lower surface) in the thickness direction of the dielectric layer, and the dielectric layer and the electrode layer were pressure-bonded using a laminator (“LPD3223” manufactured by Fuji Plastics Co., Ltd.). Next, a protective layer was laminated on the electrode layer, and the protective layer and the electrode layer were pressure bonded using a laminator (same as above). In addition, when using the protective layer (protective layer 1, protective layer 4) made from a silicone rubber, after performing an excimer process as a pre-processing, it crimped | bonded with the electrode layer. For excimer treatment, an excimer lamp light source “FLAT EXCIMER” manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. was used.

得られたセンサ素子と基材とを接着剤により接着し、さらに周囲を縫い付けて、変形量測定構造体を製造した。保護層を備えるセンサ素子は、基材側から順に、保護層/電極層/誘電層/電極層/保護層という構成を有しており(前出図2参照)、保護層を備えないセンサ素子(後出の表4中、実施例9)は、基材側から順に、電極層/誘電層/電極層(前出図4参照)という構成を有している。   The obtained sensor element and the substrate were bonded with an adhesive, and the periphery was further sewn to produce a deformation measuring structure. The sensor element provided with the protective layer has a configuration of protective layer / electrode layer / dielectric layer / electrode layer / protective layer in order from the base material side (see FIG. 2), and does not include the protective layer. Example 9 in Table 4 below has a configuration of electrode layer / dielectric layer / electrode layer (see FIG. 4 above) in order from the substrate side.

使用した基材は以下の通りである。基材のばね定数は、基材をセンサ素子の長手方向と同方向に伸長した場合の荷重−変位特性における0〜10%伸びまでの傾きである。   The base materials used are as follows. The spring constant of the base material is an inclination from 0 to 10% in the load-displacement characteristic when the base material is extended in the same direction as the longitudinal direction of the sensor element.

[基材1]
アズワン(株)から販売されている商品「ワンサポーター」(引張永久歪み3%、ばね定数315N)。
[Substrate 1]
The product “One Supporter” (3% tensile set, spring constant 315N) sold by As One Co., Ltd.

[基材2]
三ツ星靴下(株)製「べスケア弾性ストッキング」(引張永久歪み6%、ばね定数580N)。
[Substrate 2]
“Vescare elastic stockings” manufactured by Mitsuboshi Socks Co., Ltd. (6% tensile set, spring constant 580 N).

[基材3]
アキレス(株)製の軟質ポリウレタンフォーム「OY」(引張永久歪み18%、ばね定数30N)。
[Substrate 3]
Soft polyurethane foam “OY” manufactured by Achilles Co., Ltd. (18% tensile set, 30 N spring constant).

[基材4]
保護層2と同じウレタンゴム(引張永久歪み9%、ばね定数56N)。
[Substrate 4]
The same urethane rubber as the protective layer 2 (tensile permanent strain 9%, spring constant 56N).

<変形量測定構造体の評価>
製造した変形量測定構造体について、基材を変形させる前の初期の静電容量を測定した。それから、基材を長手方向に繰り返し伸縮させた。具体的には、20%伸長−復元というサイクルを10万回繰り返した。その後再び静電容量を測定し、初期の静電容量に対する変化率を算出した。
<Evaluation of deformation measurement structure>
About the manufactured deformation amount measurement structure, the initial capacitance before the substrate was deformed was measured. Then, the base material was repeatedly expanded and contracted in the longitudinal direction. Specifically, the cycle of 20% elongation-recovery was repeated 100,000 times. Thereafter, the capacitance was measured again, and the rate of change relative to the initial capacitance was calculated.

表4〜表6に、製造した変形量測定構造体の構成と、静電容量の測定結果と、を示す。表4および表5には、実施例の変形量測定構造体を、表6には比較例の変形量測定構造体を示す。表4〜表6中、各層の断面積は、短手方向の断面積(幅×厚さ)である。電極層における弾性率と断面積との積(EeSe)は、センサ素子を構成する2層分の値である。保護層における弾性率と断面積との積(EcSc)も、センサ素子を構成する保護層2層分の値である。

Figure 2016153729
Figure 2016153729
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Tables 4 to 6 show the configuration of the manufactured deformation amount measurement structure and the measurement results of the capacitance. Tables 4 and 5 show the deformation measurement structures of the examples, and Table 6 shows the deformation measurement structures of the comparative examples. In Tables 4 to 6, the cross-sectional area of each layer is the cross-sectional area (width × thickness) in the lateral direction. The product (EeSe) of the elastic modulus and the cross-sectional area in the electrode layer is a value for two layers constituting the sensor element. The product (EcSc) of the elastic modulus and the cross-sectional area in the protective layer is also a value corresponding to two protective layers constituting the sensor element.
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表4および表5において、実施例1〜8、10〜12の変形量測定構造体を構成するセンサ素子は、保護層を有する。このうち、実施例1〜3においては、誘電層の引張永久歪みは10%を超えているが、保護層の引張永久歪みは10%以下である。加えて(EeSe+EySy)<EcScを満足する。このため、保護層により誘電層の耐へたり性を補うことができ、後述する比較例1、2と比較して、伸縮を繰り返しても静電容量の変化率は小さくなった。実施例12においては、(EeSe+EySy)<EcScを満足しないものの、保護層の引張永久歪みは10%以下である。加えて、基材1の引張永久歪みは10%以下であり、伸縮方向における基材1のばね定数は同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも大きい。このため、比較例1、2と比較して、伸縮を繰り返しても静電容量の変化率は小さくなった。   In Table 4 and Table 5, the sensor element which comprises the deformation measuring structure of Examples 1-8 and 10-12 has a protective layer. Among these, in Examples 1 to 3, the tensile permanent strain of the dielectric layer exceeds 10%, but the tensile permanent strain of the protective layer is 10% or less. In addition, (EeSe + EySy) <EcSc is satisfied. For this reason, the sag resistance of the dielectric layer can be compensated by the protective layer, and the rate of change in capacitance is small even when the expansion and contraction are repeated, as compared with Comparative Examples 1 and 2 described later. In Example 12, although (EeSe + EySy) <EcSc is not satisfied, the tensile permanent strain of the protective layer is 10% or less. In addition, the tensile set of the substrate 1 is 10% or less, and the spring constant of the substrate 1 in the expansion / contraction direction is larger than the spring constant of the sensor element in the same direction. For this reason, compared with the comparative examples 1 and 2, even if expansion / contraction was repeated, the change rate of the electrostatic capacitance became small.

前出表1に示すように、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するエラストマーを含む誘電層2〜4においては、引張永久歪みが10%以下になった。誘電層4においては、誘電性粒子を含んでいても、引張永久歪みが10%以下になった。このうち、誘電層3を備える実施例5、10においては、保護層の引張永久歪みは10%を超えているが、誘電層の引張永久歪みは10%以下である。加えて(EeSe+EcSc)<EySyを満足する。このため、誘電層により保護層の耐へたり性を補うことができ、比較例1、2と比較して、伸縮を繰り返しても静電容量の変化率は小さくなった。また、実施例4、6、7においては、保護層および誘電層の両方の引張永久歪みが10%以下である。加えてEeSe<(EcSc+EySy)を満足する。この場合、静電容量の変化率はより小さく5%以下になった。また、誘電性粒子を含む誘電層4、5を備える実施例7、8においても、誘電層および保護層、あるいは保護層のみの耐へたり性が高いため、静電容量の変化率は小さくなった。   As shown in Table 1 above, in the dielectric layers 2 to 4 including the elastomer having a crosslinked structure via a polyrotaxane, the tensile set was 10% or less. In the dielectric layer 4, even when dielectric particles were included, the tensile permanent set was 10% or less. Among these, in Examples 5 and 10 including the dielectric layer 3, the tensile permanent strain of the protective layer exceeds 10%, but the tensile permanent strain of the dielectric layer is 10% or less. In addition, (EeSe + EcSc) <EySy is satisfied. For this reason, the sag resistance of the protective layer can be compensated for by the dielectric layer, and the rate of change in capacitance is small even when the expansion and contraction are repeated, as compared with Comparative Examples 1 and 2. In Examples 4, 6, and 7, the tensile set of both the protective layer and the dielectric layer is 10% or less. In addition, EeSe <(EcSc + EySy) is satisfied. In this case, the change rate of the capacitance was smaller and became 5% or less. In Examples 7 and 8 including dielectric layers 4 and 5 including dielectric particles, the rate of change in capacitance is small because the dielectric layer and the protective layer or only the protective layer has high sag resistance. It was.

実施例11においては、誘電層および保護層の引張永久歪みがいずれも10%を超えている。また、誘電層のエラストマーは、ポリロタキサンを介した架橋構造を有しない。しかし、基材1の引張永久歪みは10%以下であり、伸縮方向における基材1のばね定数は同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも大きい。このため、比較例1、2と比較して、伸縮を繰り返しても静電容量の変化率は小さくなった。   In Example 11, both the permanent set of the dielectric layer and the protective layer exceed 10%. Further, the elastomer of the dielectric layer does not have a crosslinked structure via a polyrotaxane. However, the tensile permanent strain of the base material 1 is 10% or less, and the spring constant of the base material 1 in the expansion / contraction direction is larger than the spring constant of the sensor element in the same direction. For this reason, compared with the comparative examples 1 and 2, even if expansion / contraction was repeated, the change rate of the electrostatic capacitance became small.

実施例9の変形量測定構造体を構成するセンサ素子は、保護層を有しない。しかし、誘電層3のエラストマーはポリロタキサンを介した架橋構造を有する。このため、誘電層3の引張永久歪みは10%以下であり、誘電層3の耐へたり性が高い。また、伸縮方向における基材のばね定数は、同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも大きい(約3.8倍)。したがって、実施例9の変形量測定構造体においても、比較例1、2と比較して、静電容量の変化率は小さくなった。   The sensor element constituting the deformation measurement structure of Example 9 does not have a protective layer. However, the elastomer of the dielectric layer 3 has a crosslinked structure via polyrotaxane. For this reason, the tensile set of the dielectric layer 3 is 10% or less, and the sag resistance of the dielectric layer 3 is high. Moreover, the spring constant of the base material in the expansion / contraction direction is larger than the spring constant of the sensor element in the same direction (about 3.8 times). Therefore, also in the deformation amount measurement structure of Example 9, the rate of change in capacitance was smaller than in Comparative Examples 1 and 2.

一方、表6に示すように、比較例1、2の変形量測定構造体は、実施例11の変形量測定構造体と同じセンサ素子を備える。しかし、比較例1の変形量測定構造体を構成する基材3の引張永久歪みは10%より大きい。加えて、伸縮方向における基材3のばね定数は同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも小さい。このため、伸縮を繰り返した後の静電容量の変化率は17%になった。比較例2の変形量測定構造体を構成する基材4の引張永久歪みは10%以下である。しかし、伸縮方向における基材4のばね定数は同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも小さい。このため、伸縮を繰り返した後の静電容量の変化率は15%になった。   On the other hand, as shown in Table 6, the deformation amount measurement structures of Comparative Examples 1 and 2 include the same sensor elements as the deformation amount measurement structure of Example 11. However, the tensile set of the base material 3 constituting the deformation amount measurement structure of Comparative Example 1 is greater than 10%. In addition, the spring constant of the base material 3 in the expansion / contraction direction is smaller than the spring constant of the sensor element in the same direction. For this reason, the rate of change in capacitance after repeated expansion and contraction was 17%. The tensile permanent strain of the base material 4 constituting the deformation amount measurement structure of Comparative Example 2 is 10% or less. However, the spring constant of the base material 4 in the expansion / contraction direction is smaller than the spring constant of the sensor element in the same direction. For this reason, the rate of change in capacitance after repeated expansion and contraction was 15%.

変形前後における静電容量の変化率が小さいと、基材の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる。静電容量の変化率が小さいものほど、高いセンシング精度が要求される用途に用いることができる。例えば、20%伸長−復元を10万回繰り返した場合の静電容量変化率は、12%以下であることが望ましい。10%以下、さらには5%以下であるとより好適である。   If the rate of change in capacitance before and after deformation is small, the amount of deformation due to elongation or bending of the substrate can be measured repeatedly with high accuracy. The smaller the change rate of the capacitance, the higher the sensing accuracy can be used. For example, it is desirable that the capacitance change rate when 20% elongation-restoration is repeated 100,000 times is 12% or less. It is more preferable that it is 10% or less, further 5% or less.

本発明の変形量測定構造体は、例えば、ウエアラブルデバイス、パワードスーツ、パワーアシスト装置、介護用、産業用のロボットなどに好適である。   The deformation measurement structure of the present invention is suitable for wearable devices, powered suits, power assist devices, nursing care, industrial robots, and the like.

1:変形量測定構造体、10:基材、11:センサ素子、12:誘電層、13a、13b:電極層、14a、14b:保護層。
2:変形量測定構造体、20:基材、21:センサ素子、22:誘電層、23a、23b:電極層。
3:変形量測定構造体、30:基材、31:センサ素子、32:誘電層、33a、33b:電極層、34a:保護層。
1: Deformation measurement structure, 10: base material, 11: sensor element, 12: dielectric layer, 13a, 13b: electrode layer, 14a, 14b: protective layer.
2: Deformation measurement structure, 20: base material, 21: sensor element, 22: dielectric layer, 23a, 23b: electrode layer.
3: Deformation measurement structure, 30: base material, 31: sensor element, 32: dielectric layer, 33a, 33b: electrode layer, 34a: protective layer.

Claims (8)

伸び変形または曲げ変形する基材と、
該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、一対の該電極層の少なくとも一方の表面に配置されエラストマーを含む保護層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、
該誘電層および該保護層の少なくとも一方の引張永久歪みは10%以下であり、
該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする変形量測定構造体。
A base material that stretches or bends, and
A dielectric layer disposed on the surface of the substrate and containing an elastomer, a pair of electrode layers disposed between the dielectric layers and including an elastomer and a conductive material, and an elastomer disposed on at least one surface of the pair of electrode layers And a sensor layer that expands and contracts following the deformation of the base material.
The tensile set of at least one of the dielectric layer and the protective layer is 10% or less,
A deformation amount measuring structure, wherein the deformation amount due to elongation or bending of the base material is measured based on a change in capacitance output from the sensor element.
前記センサ素子における前記誘電層、前記電極層、および前記保護層の各々の弾性率と断面積とが、次式(I)、(II)、(III)のいずれかを満たす請求項1に記載の変形量測定構造体。
(i)該誘電層および該保護層のうち該保護層のみの引張永久歪みが10%以下である場合
(EeSe+EySy)<EcSc ・・・(I)
(ii)該誘電層および該保護層のうち該誘電層のみの引張永久歪みが10%以下である場合
(EeSe+EcSc)<EySy ・・・(II)
(iii)該保護層および該誘電層の引張永久歪みがいずれも10%以下である場合
EeSe<(EcSc+EySy) ・・・(III)
[Ee:電極層の弾性率、Se:電極層の断面積、Ey:誘電層の弾性率、Sy:誘電層の断面積、Ec:保護層の弾性率、Sc:保護層の断面積]
The elastic modulus and cross-sectional area of each of the dielectric layer, the electrode layer, and the protective layer in the sensor element satisfy any one of the following formulas (I), (II), and (III). Deformation measurement structure.
(I) When the tensile set of only the protective layer of the dielectric layer and the protective layer is 10% or less (EeSe + EySy) <EcSc (I)
(Ii) When the tensile set of only the dielectric layer of the dielectric layer and the protective layer is 10% or less (EeSe + EcSc) <EySy (II)
(Iii) When the tensile set of the protective layer and the dielectric layer is 10% or less EeSe <(EcSc + EySy) (III)
[Ee: Elastic modulus of electrode layer, Se: Cross sectional area of electrode layer, Ey: Elastic modulus of dielectric layer, Sy: Cross sectional area of dielectric layer, Ec: Elastic modulus of protective layer, Sc: Cross sectional area of protective layer]
前記誘電層および前記保護層の少なくとも一方の前記エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動するものである請求項1または請求項2に記載の変形量測定構造体。   The elastomer of at least one of the dielectric layer and the protective layer is mediated by a ring molecule having a cyclic molecule and a linear molecule penetrating through the opening of the cyclic molecule and being included in the cyclic molecule. A cross-linked structure, wherein at least a part of the polymer chain of the elastomer is cross-linked with the cyclic molecule, and the cross-linking point moves by moving the cyclic molecule along the linear molecule. The deformation measuring structure according to claim 1 or 2. 伸び変形または曲げ変形する基材と、
該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、
該誘電層の該エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動するものであり、
該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする変形量測定構造体。
A base material that stretches or bends, and
A dielectric layer including an elastomer disposed on the surface of the substrate and a pair of electrode layers disposed between the dielectric layer and including an elastomer and a conductive material, and expanding and contracting following the deformation of the substrate And a sensor element
The elastomer of the dielectric layer has a crosslinked structure via a ring-moving molecule having a cyclic molecule and a linear molecule penetrating through the opening of the cyclic molecule and being included in the cyclic molecule, At least a part of the polymer chain of the elastomer is crosslinked with the cyclic molecule, and the crosslinking point moves when the cyclic molecule moves along the linear molecule,
A deformation amount measuring structure, wherein the deformation amount due to elongation or bending of the base material is measured based on a change in capacitance output from the sensor element.
伸び変形または曲げ変形する基材と、
該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、
該基材の引張永久歪みは10%以下であり、
該基材および該センサ素子を、各々面方向において同じ一方向に伸長した場合に、該基材のばね定数は該センサ素子のばね定数よりも大きく、
該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする変形量測定構造体。
A base material that stretches or bends, and
A dielectric layer including an elastomer disposed on the surface of the substrate and a pair of electrode layers disposed between the dielectric layer and including an elastomer and a conductive material, and expanding and contracting following the deformation of the substrate And a sensor element
The tensile set of the substrate is 10% or less,
When the base material and the sensor element are each stretched in the same direction in the plane direction, the spring constant of the base material is larger than the spring constant of the sensor element,
A deformation amount measuring structure, wherein the deformation amount due to elongation or bending of the base material is measured based on a change in capacitance output from the sensor element.
前記センサ素子は、さらに、一対の前記電極層の少なくとも一方の表面に配置されエラストマーを含む保護層を有する請求項5に記載の変形量測定構造体。   The deformation amount measuring structure according to claim 5, wherein the sensor element further includes a protective layer disposed on at least one surface of the pair of electrode layers and containing an elastomer. 前記誘電層の比誘電率は、5以上である請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の変形量測定構造体。   The deformation measuring structure according to claim 1, wherein the dielectric layer has a relative dielectric constant of 5 or more. 前記誘電層は、誘電性粒子を含む請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の変形量測定構造体。   The deformation measurement structure according to claim 1, wherein the dielectric layer includes dielectric particles.
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