JP2016176875A - Strain sensor and electrode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、歪みセンサ及び電極に関する。 The present invention relates to a strain sensor and an electrode.
伸縮に対する抵抗体の抵抗変化から歪みを検出する歪みセンサが知られている。また、このような抵抗体としては、一般的には金属や半導体が用いられている。しかしながら、金属や半導体は可逆的に伸縮可能な変形量が小さい。そのため、抵抗体として金属や半導体を用いた歪みセンサは用途等に制限がある。 There is known a strain sensor that detects strain from a resistance change of a resistor with respect to expansion and contraction. In general, a metal or a semiconductor is used as such a resistor. However, metals and semiconductors have a small amount of deformation that can be reversibly expanded and contracted. For this reason, a strain sensor using a metal or a semiconductor as a resistor has limitations on applications.
そこで、前記抵抗体として、カーボンナノチューブ(CNT)を用いた歪みセンサが提案されている(特開2011−47702号公報参照)。この歪みセンサは、所定方向に配向させた複数のCNTからなるCNT膜を有する。この歪みセンサは、CNT膜がCNTの配向方向又は配向方向と垂直方向へ比較的大きく伸縮できるため、大きな歪みにも対応できるとされている。 Therefore, a strain sensor using carbon nanotubes (CNT) as the resistor has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-47702). This strain sensor has a CNT film made of a plurality of CNTs oriented in a predetermined direction. This strain sensor is said to be able to cope with a large strain because the CNT film can expand and contract relatively greatly in the alignment direction of CNT or in a direction perpendicular to the alignment direction.
この歪みセンサは、CNT膜の両端部の一方の面に一対の電極を有し、この一対の電極によってCNT膜の抵抗の変化を検出可能とされている。また、この一対の電極は、CNT膜の両端部の一方の面に積層される一対の導電性ペースト層及びこの一対の導電性ペースト層の一方の面にそれぞれ積層される導電性フィルムによって形成可能とされている。 This strain sensor has a pair of electrodes on one surface at both ends of the CNT film, and the pair of electrodes can detect a change in resistance of the CNT film. The pair of electrodes can be formed by a pair of conductive paste layers stacked on one surface of both ends of the CNT film and a conductive film stacked on one surface of the pair of conductive paste layers. It is said that.
しかしながら、このようにCNT膜の一方の面に積層される導電性ペースト層及びこの導電性ペースト層に積層される導電性フィルムによって電極を構成する場合、CNT膜の伸縮の際にCNT膜と導電性ペースト層との接触面積が変化するおそれがある。またこれにより、CNT膜と導電性ペースト層との導通性が低下して、導通不良が生じるおそれがある。 However, when the electrode is constituted by the conductive paste layer laminated on one surface of the CNT film and the conductive film laminated on the conductive paste layer in this way, the CNT film and the conductive film are electrically conductive during expansion / contraction of the CNT film. The contact area with the conductive paste layer may change. This also reduces the electrical conductivity between the CNT film and the conductive paste layer, which may cause poor electrical conduction.
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、CNT膜と電極との導通性を十分に高めてCNT膜の伸縮歪みを精度よく検出することができる歪みセンサ及びCNT膜との導通性を十分に高めてCNT膜の伸縮歪みを精度よく検出することができる電極を提供することにある。 The present invention has been made based on such circumstances, and an object of the present invention is to provide a strain sensor capable of accurately detecting the expansion / contraction strain of the CNT film by sufficiently increasing the conductivity between the CNT film and the electrode. Another object of the present invention is to provide an electrode capable of sufficiently detecting the stretching strain of the CNT film by sufficiently increasing the conductivity with the CNT film.
前記課題を解決するためになされた本発明は、一方向に配向する複数のCNT繊維を含み、弾性を有するCNT膜と、このCNT膜の両端部に配設される一対の電極とを備える歪みセンサであって、前記電極が、前記CNT膜側に突出し、導電性を有する凸条の突起部を有することを特徴とする。 The present invention made in order to solve the above-mentioned problem is a strain comprising a plurality of CNT fibers oriented in one direction and having elasticity, and a pair of electrodes disposed at both ends of the CNT film. The sensor is characterized in that the electrode has a protruding portion of a protruding protrusion that protrudes toward the CNT film and has conductivity.
当該歪みセンサは、CNT膜の両端部に配設される一対の電極が、CNT膜側に突出し、導電性を有する凸条の突起部を有する。そのため、当該歪みセンサは、この凸状の突起部をCNT繊維に当接することによって、一対の電極と複数のCNT繊維との接触面積を容易かつ確実に大きくすることができる。つまり、凸条の突起部は稜線を有するので、この稜線を含む面をCNT膜を構成するCNT繊維と当接させ易く、突起部とCNT膜との接触面積を容易かつ確実に高めることができる。また、このように稜線を含む面をCNT繊維と当接させる場合、CNT膜の伸縮に起因して突起部とCNT繊維との接触面積が変化し難い。従って、当該歪みセンサは、CNT膜と電極との導通性を十分に高めてCNT膜の伸縮歪みを精度よく検出することができる。 In the strain sensor, a pair of electrodes disposed at both ends of the CNT film protrudes toward the CNT film, and has protruding protrusions having conductivity. Therefore, the strain sensor can easily and reliably increase the contact area between the pair of electrodes and the plurality of CNT fibers by bringing the convex protrusions into contact with the CNT fibers. That is, since the protruding portion of the ridge has a ridge line, the surface including the ridge line can be easily brought into contact with the CNT fiber constituting the CNT film, and the contact area between the protruding portion and the CNT film can be easily and reliably increased. . In addition, when the surface including the ridge line is brought into contact with the CNT fiber in this way, the contact area between the protrusion and the CNT fiber hardly changes due to the expansion and contraction of the CNT film. Therefore, the strain sensor can sufficiently detect the stretching strain of the CNT film by sufficiently increasing the conductivity between the CNT film and the electrode.
前記複数のCNT繊維の少なくとも表層に絶縁性エラストマーを主成分とする材料が被覆され、前記突起部が、この絶縁性エラストマーを主成分とする被覆を貫通しているとよい。このように、前記複数のCNT繊維の少なくとも表層に絶縁性エラストマーを主成分とする材料が被覆され、前記突起部がこの絶縁性エラストマーを主成分とする被覆を貫通していることによって、突起部を複数のCNT繊維に的確に当接させることができると共に、電極とCNT膜との接着強度を容易かつ確実に高めることができる。 It is preferable that at least a surface layer of the plurality of CNT fibers is coated with a material mainly composed of an insulating elastomer, and the protruding portion penetrates the coating mainly composed of the insulating elastomer. In this way, at least the surface layer of the plurality of CNT fibers is coated with a material mainly composed of an insulating elastomer, and the projecting portion penetrates the coating composed mainly of the insulating elastomer, whereby the projecting portion Can be accurately brought into contact with a plurality of CNT fibers, and the adhesive strength between the electrode and the CNT film can be easily and reliably increased.
前記突起部の長手方向が前記CNT繊維の配向方向と略平行であるとよい。このように前記突起部の長手方向が前記CNT繊維の配向方向と略平行であることによって、突起部の長手方向に伸びる面をCNT繊維の外周面に当接し易い。そのため、このCNT繊維と突起部との接触面積を著しく高めることができる。 The longitudinal direction of the protrusions may be substantially parallel to the orientation direction of the CNT fibers. Thus, when the longitudinal direction of the protrusion is substantially parallel to the orientation direction of the CNT fiber, the surface extending in the longitudinal direction of the protrusion is easily brought into contact with the outer peripheral surface of the CNT fiber. Therefore, the contact area between the CNT fiber and the protrusion can be significantly increased.
前記突起部が、電極を構成する平板状の基体部の外面からステープルを刺し通すことにより形成されているとよい。このように、前記突起部が電極を構成する平板状の基体部の外面からステープルを刺し通すことにより形成されていることによって、容易に突起部を形成することができる。さらに、かかる構成によると、電極とCNT膜との接着強度を高めることができる。 The protrusions may be formed by piercing staples from the outer surface of a flat base portion constituting the electrode. Thus, the protrusion can be easily formed by forming the protrusion by piercing the staple from the outer surface of the flat base portion constituting the electrode. Furthermore, according to this structure, the adhesive strength between the electrode and the CNT film can be increased.
また、前記課題を解決するためになされた本発明は、一方向に配向する複数のCNT繊維を含むCNT膜を用いた歪みセンサ用の電極であって、平板状の基体部と、この基体部のCNT膜側面に突出する凸条の突起部とを備えることを特徴とする。 In addition, the present invention made to solve the above-described problems is an electrode for a strain sensor using a CNT film including a plurality of CNT fibers oriented in one direction, and includes a flat base portion and the base portion. And a protruding portion of a ridge protruding on the side surface of the CNT film.
当該電極は、平板状の基体部と、この基体部のCNT膜側面に突出する凸条の突起部とを備えるので、既述のようにCNT膜との接触面積を容易かつ確実に大きくすることができる。従って、当該電極は、CNT膜との導通性を十分に高めてCNT膜の伸縮歪みを精度よく検出することができる。 Since the electrode includes a flat base portion and a protruding portion of a ridge protruding on the CNT film side surface of the base portion, the contact area with the CNT film can be easily and reliably increased as described above. Can do. Therefore, the electrode can sufficiently detect the stretching distortion of the CNT film by sufficiently increasing the conductivity with the CNT film.
なお、本発明において、「複数のCNT繊維が一方向に配向する」とは、複数のCNT繊維の配向方向が完全に一致することまで要求するものではなく、配向方向のランダムなばらつきやいわゆる撚りのような規則的な偏向を有する状態を含む。「突起部の長手方向」とは、突起部の稜線方向をいう。また、「突起部の長手方向及びCNT繊維の配向方向が略平行」とは、突起部の稜線とCNT繊維の中心軸とのなす角度が0°以上5°以下であることをいう。「主成分」とは、最も含有量の多い成分をいい、例えば含有量が50質量%以上の成分をいう。 In the present invention, the phrase “a plurality of CNT fibers are oriented in one direction” does not require that the orientation directions of the plurality of CNT fibers completely coincide with each other. Including a state having a regular deflection. The “longitudinal direction of the protruding portion” refers to the ridge line direction of the protruding portion. Further, “the longitudinal direction of the protrusion and the alignment direction of the CNT fibers are substantially parallel” means that the angle formed by the ridge line of the protrusion and the central axis of the CNT fiber is 0 ° or more and 5 ° or less. “Main component” refers to a component having the largest content, for example, a component having a content of 50% by mass or more.
以上説明したように、本発明の歪みセンサは、CNT膜と電極との導通性を十分に高めてCNT膜の伸縮歪みを精度よく検出することができる。また、本発明の電極は、CNT膜との導通性を十分に高めてCNT膜の伸縮歪みを精度よく検出することができる。 As described above, the strain sensor of the present invention can sufficiently detect the expansion / contraction strain of the CNT film by sufficiently increasing the conductivity between the CNT film and the electrode. In addition, the electrode of the present invention can sufficiently enhance the conductivity with the CNT film, and can accurately detect the stretching strain of the CNT film.
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
[第一実施形態]
<歪みセンサ>
図1及び図2の歪みセンサ1は、一方向に配向する複数のCNT繊維を含むCNT膜2と、このCNT膜2の両端部かつ一方の面側に配設される一対の電極3と、このCNT膜2の両端部かつ他方の面側に前記一対の電極3と対向して配設される一対の挟持シート4とを備える。また、図1及び図2の歪みセンサ1は、CNT膜2の一方の面側かつ一対の電極3の他方の面側に配設される保護層5aと、CNT膜2の他方の面側かつ一対の挟持シート4の一方の面側に配設される保護層5bとを有する。
[First embodiment]
<Strain sensor>
1 and 2 includes a
(CNT膜)
CNT膜2は、図2に示すように、前記両端部を長手方向の両端とする平面視略長方形状に形成されている。CNT膜2を構成する複数のCNT繊維は、長手方向に配向している。CNT膜2は、複数のCNT繊維の少なくとも表層に絶縁性エラストマーを主成分とする材料が被覆されている。CNT膜2は、この絶縁性エラストマーの弾性力によって弾性を有し、少なくとも長手方向に伸縮可能に構成されている。CNT膜2は、少なくとも長手方向に伸縮することによって抵抗値が変化可能に構成されている。
(CNT film)
As shown in FIG. 2, the
各CNT繊維は、複数のCNT単繊維からなる。ここで、CNT単繊維とは、1本の長尺のCNTをいう。また、CNT繊維は、CNT単繊維の端部同士が連結する連結部を有する。CNT単繊維同士は、これらのCNT単繊維の長手方向に連結している。このように、CNT膜2において、CNT単繊維同士がその長手方向に連結することでCNT繊維の配向長さの大きいCNT膜2を形成することができ、当該歪みセンサ1の長手方向長さを大きくして感度を向上することができる。
Each CNT fiber consists of a plurality of CNT single fibers. Here, the CNT single fiber means one long CNT. In addition, the CNT fiber has a connection portion where the ends of the CNT single fibers are connected to each other. The CNT single fibers are connected in the longitudinal direction of these CNT single fibers. In this way, in the
また、CNT膜2を構成する複数のCNT繊維は、網目構造を形成していてもよい。具体的には、複数のCNT繊維はCNT単繊維同士が連結する連結部等により網目状に連結又は接触していてもよい。この際、この連結部では3つ以上のCNT単繊維の端部が結合していてもよく、2つのCNT単繊維の端部と他の単繊維の中間部とが結合していてもよい。複数のCNT繊維がこのような網目構造を形成することで、CNT繊維同士が密接し、CNT膜2の抵抗を下げることができる。
The plurality of CNT fibers constituting the
さらに、CNT膜2は、長手方向に配向する複数のCNT繊維からなるCNT繊維束を有してもよい。CNT膜2が長手方向に配向する複数のCNT繊維束を有する場合、CNT膜2が伸縮方向に延伸されるよう歪みが加わった際にCNT繊維の切断、離間、CNT繊維束の切断空間(ギャップ)の伸縮等によりCNT膜2の抵抗がより的確に変化する。
Furthermore, the
より具体的には、前記CNT繊維束は、複数のCNT繊維からなるバンドル構造となっており、このCNT繊維束の任意の横断面においては、切断されないCNT繊維と、CNT繊維が切断、離間したギャップの両方が存在することになる。CNT繊維のギャップが広がると、残された切断されないCNT繊維は伸びることになり、それによっても抵抗変化が発生する。また、複数のCNT繊維は、少なくとも表層が絶縁性エラストマーを主成分とする材料で被覆されているので、このギャップ内の圧力は大気圧よりも低い(負圧である)と考えられるため、当該歪センサ1の収縮時(歪の解放時)にはこのギャップの収縮力によって歪センサ1の収縮が付勢される。さらに、このギャップ内ではCNT繊維同士の摩擦が低減されるため、CNT繊維の動きが制限され難い。 More specifically, the CNT fiber bundle has a bundle structure composed of a plurality of CNT fibers. In an arbitrary cross section of the CNT fiber bundle, the CNT fibers that are not cut and the CNT fibers are cut and separated. Both gaps will exist. When the gap of the CNT fibers widens, the remaining uncut CNT fibers are stretched, which also causes a resistance change. In addition, since the plurality of CNT fibers are coated at least on the surface layer with a material mainly composed of an insulating elastomer, the pressure in the gap is considered to be lower than the atmospheric pressure (negative pressure). When the strain sensor 1 contracts (when strain is released), the contraction force of the gap urges the strain sensor 1 to contract. Furthermore, since the friction between the CNT fibers is reduced in the gap, the movement of the CNT fibers is difficult to be limited.
なお、CNT膜2は、複数のCNT繊維又は複数のCNT繊維束を平面状に略平行に配置した単層構造からなってもよいし、多層構造からなってもよい。但し、ある程度の導電性を確保するためには、多層構造とすることが好ましい。
The
CNT単繊維(CNT)としては、単層のシングルウォールナノチューブ(SWNT)や、多層のマルチウォールナノチューブ(MWNT)のいずれも用いることができるが、導電性及び熱容量等の点から、MWNTが好ましく、直径1.5nm以上100nm以下のMWNTがさらに好ましい。 As the CNT single fiber (CNT), both single-wall single-wall nanotubes (SWNT) and multi-wall multi-wall nanotubes (MWNT) can be used. From the viewpoint of conductivity and heat capacity, MWNT is preferable, MWNT having a diameter of 1.5 nm or more and 100 nm or less is more preferable.
前記CNT単繊維(CNT)は、公知の方法で製造することができ、例えばCVD法、アーク法、レーザーアブレーション法、DIPS法、CoMoCAT法等により製造することができる。これらの中でも、所望するサイズのCNT(MWNT)を効率的に得ることができる点から、鉄を触媒とし、エチレンガスを用いたCVD法により製造することが好ましい。この場合、石英ガラス基板や酸化膜付きシリコン基板等の基板に、触媒となる鉄又はニッケル薄膜を成膜した上に、垂直配向成長した所望の長さのCNTの結晶を得ることができる。 The CNT single fiber (CNT) can be produced by a known method, for example, by a CVD method, an arc method, a laser ablation method, a DIPS method, a CoMoCAT method, or the like. Among these, it is preferable to manufacture by a CVD method using iron as a catalyst and ethylene gas from the viewpoint that CNT (MWNT) having a desired size can be efficiently obtained. In this case, it is possible to obtain a CNT crystal having a desired length which has been grown in a vertical orientation on an iron or nickel thin film serving as a catalyst on a quartz glass substrate or a silicon substrate with an oxide film.
CNT膜2は、複数のCNT繊維の少なくとも表層に絶縁性エラストマーを主成分とする材料が被覆されている。これにより、複数のCNT繊維は、この絶縁性エラストマーの弾性力によって伸縮可能となる。また、複数のCNT繊維が絶縁性エラストマーで被覆されることで、この絶縁性エラストマーは複数のCNT繊維の伸縮方向をガイドするガイド部材としても機能する。その結果、当該歪みセンサ1は、伸長時に離間されたCNT繊維同士を収縮時に再度同一部位で再接触させることが可能となり、繰り返し使用に基づく伸縮歪みの検出精度の低下を防止することができる。さらに、かかる構成によると、複数のCNT繊維間の当接関係が維持され易い。また、複数のCNT繊維の伸縮性を調整し易い。従って、CNT膜2の伸縮歪みをさらに精度よく検出することができる。また、このような当接関係の維持及び伸縮性の調整をさらに容易にするためには、CNT膜2の裏層にも絶縁性エラストマーが被覆されているのが好ましい。なお、「表層」とは、一対の電極3の配設面側をいい、「裏層」とは、その逆側をいう。
In the
前記絶縁性エラストマーとしては、例えば合成樹脂、ゴム等が挙げられ、中でもゴムが好ましい。ゴムを用いることで、大きな歪に対してもCNT繊維の十分な保護機能を発揮することができる。 Examples of the insulating elastomer include synthetic resin and rubber. Among these, rubber is preferable. By using rubber, a sufficient protective function of the CNT fiber can be exhibited even against a large strain.
前記合成樹脂としては、例えばフェノール樹脂(PF)、エポキシ樹脂(EP)、メラミン樹脂(MF)、尿素樹脂(ユリア樹脂、UF)、不飽和ポリエステル(UP)、アルキド樹脂、ポリウレタン(PUR)、熱硬化性ポリイミド(PI)、ポリエチレン(PE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン(PS)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂(ABS)、アクリロニトリルスチレン樹脂(AS)、ポリメチルメタアクリル(PMMA)、ポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリカーボネート(PC)、変性ポリフェニレンエーテル(m−PPE)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、環状ポリオレフィン(COP)等が挙げられる。 Examples of the synthetic resin include phenol resin (PF), epoxy resin (EP), melamine resin (MF), urea resin (urea resin, UF), unsaturated polyester (UP), alkyd resin, polyurethane (PUR), heat Curable polyimide (PI), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), medium density polyethylene (MDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAc), acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), acrylonitrile styrene resin (AS), polymethyl methacrylate (PMMA), polyamide (PA), polyacetal (POM), polycarbonate (PC), modified Polyphe Ether (m-PPE), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), and cyclic polyolefin (COP) and the like.
前記ゴムとしては、例えば天然ゴム(NR)、ブチルゴム(IIR)、イソプレンゴム(IR)、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、ブタジエンゴム(BR)、ウレタンゴム(U)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、シリコーンゴム(Q)、クロロプレンゴム(CR)、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム(CSM)、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)、塩素化ポリエチレン(CM)、アクリルゴム(ACM)、エピクロルヒドリンゴム(CO,ECO)、フッ素ゴム(FKM)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)等が挙げられる。 Examples of the rubber include natural rubber (NR), butyl rubber (IIR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), butadiene rubber (BR), urethane rubber (U), and styrene / butadiene rubber (SBR). , Silicone rubber (Q), chloroprene rubber (CR), chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), chlorinated polyethylene (CM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber (CO, ECO), Examples thereof include fluororubber (FKM) and polydimethylsiloxane (PDMS).
前記絶縁性エラストマーを主成分とする材料は、水性エマルジョンの塗工により複数のCNT繊維の少なくとも表層に被覆されているとよい。前記水性エマルジョンとは、分散媒の主成分が水であるエマルジョンをいう。CNTは疎水性が高いため、水性エマルジョンを用いた塗工により絶縁性エラストマーを被覆させると、この絶縁性エラストマーは複数のCNT繊維間に完全には入り込まない。つまり、複数のCNT繊維の間には部分的に絶縁性エラストマーが含浸するが、この絶縁性エラストマーは各CNT繊維の径方向の断面における全領域には付着しない。これにより、絶縁性エラストマーが複数のCNT繊維間に完全にしみ込んで、CNT膜2の抵抗変化に影響を及ぼすことを抑制し、絶縁性エラストマーの存在に起因するCNT膜2の歪に対する感度の低下を抑えることができる。
The material mainly composed of the insulating elastomer may be coated on at least the surface layer of the plurality of CNT fibers by applying an aqueous emulsion. The aqueous emulsion refers to an emulsion in which the main component of the dispersion medium is water. Since CNT has high hydrophobicity, when the insulating elastomer is coated by application using an aqueous emulsion, the insulating elastomer does not completely enter between the plurality of CNT fibers. That is, the insulating elastomer is partially impregnated between the plurality of CNT fibers, but this insulating elastomer does not adhere to the entire region in the radial cross section of each CNT fiber. As a result, it is suppressed that the insulating elastomer completely penetrates between the plurality of CNT fibers and affects the resistance change of the
前記水性エマルジョンの分散媒の主成分は、水であるが、その他の例えばアルコール等の親水性分散媒が含有されていてもよい。 The main component of the dispersion medium of the aqueous emulsion is water, but other hydrophilic dispersion medium such as alcohol may be contained.
好ましいエマルジョンとしては、分散媒を水とし、ゴムを分散質とするいわゆるラテックスが挙げられ、天然ゴムラテックスが好ましい。天然ゴムラテックスを用いることで、薄くかつ強度のある被膜を形成することができる。 Preferred emulsions include so-called latexes in which the dispersion medium is water and rubber is a dispersoid, and natural rubber latex is preferred. By using natural rubber latex, a thin and strong film can be formed.
また、前記絶縁性エラストマーを主成分とする材料はカップリング剤を含有しているとよい。絶縁性エラストマーを主成分とする材料がカップリング剤を含有することで、絶縁性エラストマーとCNT繊維とを架橋し、絶縁性エラストマーとCNT繊維との接合力を向上させることができる。 Moreover, the material which has the said insulating elastomer as a main component is good to contain the coupling agent. When the material containing the insulating elastomer as a main component contains a coupling agent, the insulating elastomer and the CNT fiber can be cross-linked and the bonding strength between the insulating elastomer and the CNT fiber can be improved.
前記カップリング剤としては、例えばアミノシランカップリング剤、アミノチタンカップリング剤、アミノアルミニウムカップリング剤等のアミノカップリング剤やシランカップリング剤などを用いることができる。 As said coupling agent, amino coupling agents, such as an aminosilane coupling agent, an amino titanium coupling agent, and an amino aluminum coupling agent, a silane coupling agent, etc. can be used, for example.
また、絶縁性エラストマーを主成分とする材料はCNT繊維に対する吸着性を有する分散剤を含有することが好ましい。このような吸着性を有する分散剤としては、吸着基部分が塩構造になっているもの(例えばアルキルアンモニウム塩等)や、CNT繊維の疎水性の基(例えばアルキル鎖や芳香族リング等)と相互作用できる親水性の基(例えばポリエーテル等)を分子中に有するもの等を用いることができる。 Moreover, it is preferable that the material which has an insulating elastomer as a main component contains the dispersing agent which has the adsorptivity with respect to CNT fiber. Examples of such a dispersing agent having an adsorptive property include an adsorbing group having a salt structure (for example, an alkylammonium salt) and a hydrophobic group (for example, an alkyl chain or an aromatic ring) of a CNT fiber. The thing etc. which have the hydrophilic group (for example, polyether etc.) which can interact in a molecule | numerator etc. can be used.
CNT膜2の無荷重状態での抵抗値(一対の電極3間で測定される値)の下限としては、10Ωが好ましく、100Ωがより好ましい。一方、CNT膜2の無荷重状態での抵抗値の上限としては、100kΩが好ましく、10kΩがより好ましい。CNT膜2の無荷重所帯での抵抗値が前記下限に満たないと、伸びを検出するための電流が大きくなり当該歪センサ1の消費電力が大きくなるおそれがある。逆に、CNT膜2の無荷重状態での抵抗値が前記上限を超えると、検出回路の電圧が高くなり、当該歪センサ1の出力を処理する装置の小型化や省電力化が困難となるおそれがある。
The lower limit of the resistance value of the
CNT膜2の長手方向の平均長さとしては、特に限定されず、当該歪センサ1を用いる測定対象に応じて自由に選択することができるが、例えば1cm以上20cm以下とすることができる。
The average length in the longitudinal direction of the
CNT膜2の平面視で一対の電極3間に挟まれる領域における長手方向の平均長さ(図1のAsの平均長さ)は、当該歪センサ1を用いる測定対象に応じて自由に選択することができる。前記平均長さとしては、例えば2mm以上18cm以下とすることができる。
The average length in the longitudinal direction (the average length of As in FIG. 1) in the region sandwiched between the pair of
CNT膜2の平面視で一対の電極3と重複する領域における長手方向の平均長さ(図1のAnの平均長さ)は、測定対象への固定方法、電極3への配線方法等に応じて適宜選択されるが、例えば3mm以上5cm以下とすることができる。
The average length in the longitudinal direction (the average length of An in FIG. 1) in the region overlapping with the pair of
CNT膜2の平均幅は、当該歪センサ1を用いる測定対象に応じて自由に選択することができる。CNT膜2の平均幅の下限としては、1mmが好ましく、1cmがより好ましい。一方、CNT膜2の平均幅の上限としては、10cmが好ましく、5cmがより好ましい。CNT膜2の平均幅が前記下限に満たないと、CNT膜2の抵抗値が過度に大きくなったり、ばらついたりするおそれがある。逆に、CNT膜2の平均幅が前記上限を超えると、当該歪センサ1が大きくなり、適用可能な測定対象が過度に限定されるおそれがある。
The average width of the
CNT膜2の平均厚みの下限としては、1μmが好ましく、10μmがより好ましい。一方、CNT膜2の平均厚みの上限としては、5mmが好ましく、1mmがより好ましい。CNT膜2の平均厚みが前記下限に満たないと、CNT膜2の形成が困難になるおそれや、抵抗が上昇しすぎるおそれがある。逆に、CNT膜2の平均厚みが前記上限を超えると、歪に対する感度が低下するおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the
(保護層)
保護層5a,5bは、CNT膜2の両面に直接積層される。保護層5a,5bは、CNT膜2の両面を覆い、CNT膜2を保護する。
(Protective layer)
The
この保護層5a,5bとCNT膜2との積層構造は、いずれかの層(又は膜)に他の層(又は膜)を形成する材料を塗工等により形成してもよく、各層(又は膜)の融着又は溶着により形成してもよく、弾性接着剤を用いた各層(又は膜)の接着により形成してもよい。
The laminated structure of the
この保護層5a,5bの材質としては、柔軟性を有する限り特に限定されず、例えば合成樹脂、ゴム、不織布、変形可能な形状又は材質の金属や金属化合物等が挙げられる。なお、表裏の保護層5a,5bは、異なる材質で形成されてもよい。
The material of the
前記合成樹脂としては、例えばフェノール樹脂(PF)、エポキシ樹脂(EP)、メラミン樹脂(MF)、尿素樹脂(ユリア樹脂、UF)、不飽和ポリエステル(UP)、アルキド樹脂、ポリウレタン(PUR)、熱硬化性ポリイミド(PI)、ポリエチレン(PE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン(PS)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂(ABS)、アクリロニトリルスチレン樹脂(AS)、ポリメチルメタアクリル(PMMA)、ポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリカーボネート(PC)、変性ポリフェニレンエーテル(m−PPE)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、環状ポリオレフィン(COP)等が挙げられる。 Examples of the synthetic resin include phenol resin (PF), epoxy resin (EP), melamine resin (MF), urea resin (urea resin, UF), unsaturated polyester (UP), alkyd resin, polyurethane (PUR), heat Curable polyimide (PI), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), medium density polyethylene (MDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAc), acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), acrylonitrile styrene resin (AS), polymethyl methacrylate (PMMA), polyamide (PA), polyacetal (POM), polycarbonate (PC), modified Polyphe Ether (m-PPE), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), and cyclic polyolefin (COP) and the like.
前記ゴムとしては、例えば天然ゴム(NR)、ブチルゴム(IIR)、イソプレンゴム(IR)、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、ブタジエンゴム(BR)、ウレタンゴム(U)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、シリコーンゴム(Q)、クロロプレンゴム(CR)、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム(CSM)、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)、塩素化ポリエチレン(CM)、アクリルゴム(ACM)、エピクロルヒドリンゴム(CO,ECO)、フッ素ゴム(FKM)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)等が挙げられる。中でも、強度等の点から天然ゴムが好ましい。 Examples of the rubber include natural rubber (NR), butyl rubber (IIR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), butadiene rubber (BR), urethane rubber (U), and styrene / butadiene rubber (SBR). , Silicone rubber (Q), chloroprene rubber (CR), chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), chlorinated polyethylene (CM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber (CO, ECO), Examples thereof include fluororubber (FKM) and polydimethylsiloxane (PDMS). Among these, natural rubber is preferable from the viewpoint of strength and the like.
保護層5a,5bの平均厚みの下限としては、10μmが好ましく、15μmがより好ましい。一方、保護層5a,5bの平均厚みの上限としては、5mmが好ましく、2mがより好ましい。保護層5a,5bの平均厚みが前記下限に満たないと、十分にCNT膜2を保護できないおそれがある。逆に、保護層5a,5bの平均厚みが前記上限を超えると、当該歪センサ1が不必要に厚くなるおそれや、CNT膜2の弾性率が大きくなり測定対象の変形を阻害するおそれがある。なお、表裏の保護層5a,5bの平均厚みは、互いに異なってもよい。
As a minimum of average thickness of
(電極)
電極3は、平板状の基体部3aと、基体部3aのCNT膜2側の面に突出する凸条の突起部3bとを有する。基体部3a及び突起部3bはいずれも導電性を有する。突起部3bは、CNT繊維と当接することで電極3とCNT繊維との接触面積を高める。電極3は、突起部3bがCNT膜2に対向した状態で保護層5aの一方の面に押圧されることで、突起部3bが保護層5aを突き破り、さらにこの突起部3bがCNT膜2の中へ侵入する。加えて、突起部3bは、複数のCNT繊維の絶縁性エラストマーを主成分とする被覆を貫通する。すなわち、突起部3bは保護層5aを突き破る効果、複数のCNT繊維を被覆する絶縁性エラストマーを主成分とする被覆を貫通する効果及びCNT膜2と広い面積で接触する効果を兼ね備える。これにより、当該歪みセンサ1は、突起部3bを複数のCNT繊維に的確に当接させることができると共に、電極3とCNT膜2との接着強度を容易かつ確実に高めることができる。なお、電極3は、それ自体本発明を構成するものである。
(electrode)
The
電極3は当該歪センサ1の検出信号を電気的に取り出すための端子として使用される。また、電極3は、当該歪センサ1の使用中に実質的に伸縮しない。なお、「実質的に伸縮しない」とは、当該歪センサ1を用いた測定中における平面視で一対の電極3間に配設される領域(以下、「伸縮領域As」ともいう。)の伸縮率に対する電極3の伸縮率の比が、1/100以下、好ましくは1/1000以下であることを意味する。
The
また、当該歪センサ1を用いた測定中における電極3の伸縮率に対する伸縮領域Asの伸縮率の比の桁数としては、測定における有効数値の桁数より大きいことが好ましく、2桁以上大きいことがより好ましい。
Further, the number of digits of the ratio of the expansion / contraction ratio of the expansion / contraction region As to the expansion / contraction ratio of the
基体部3aとしては、十分な非伸縮性(引張強度)と導電性とを有するものであれば特に限定されないが、例えば金属箔、導電性織布等が使用される。また、基体部3aは、少なくとも外面に配置される導電層と、非伸縮性を付与する補強材層とを有する積層体であってもよい。前記金属箔の材質としては、例えば銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼等が挙げられる。また、前記導電性織布としては、導電性を有する金属やカーボンの繊維を含むものが使用できる。さらに、基体部3aの表面を金等の腐食しにくい材料で被覆してもよい。また、セラミックスの表面を金等で被覆することで基体部3aを構成してもよい。
The
基体部3aの平均厚みの下限としては、10μmが好ましく、50μmがより好ましい。一方、基体部3aの平均厚みの上限としては、1mmが好ましく、0.5mmがより好ましい。基体部3aの平均厚みが前記下限に満たないと、曲げ等により基体部3aが破断するおそれがある。逆に、基体部3aの平均厚みが前記上限を超えると、当該歪センサ1が不必要に厚くなるおそれや、非伸縮領域Anの可撓性が不足して測定対象に適切に貼着できないおそれがある。
As a minimum of average thickness of
突起部3bは、基体部3aのCNT膜2側の面に複数形成されている。複数の突起部3bの長手方向は平行である。また、複数の突起部3bは、図3に示すように、長手方向が前記CNT繊維の配向方向と略平行である。つまり、複数の突起部3bは、長手方向が当該歪みセンサ1の伸縮方向と略平行である。このように複数の突起部3bの長手方向がCNT繊維の配向方向と略平行であることによって、複数のCNT繊維により構成されるCNT膜2の中に複数の突起部3bを浸入させつつ、複数の突起部3bの長手方向に伸びる面をCNT繊維の外周面に当接し易い。そのため、このCNT繊維と突起部3bとの接触面積を著しく高めることができる。
A plurality of protruding
なお、電極3は、この突起部3bを必ずしも複数有する必要はなく、突起部3bの数は1個であってもよい。前記突起部3bの個数の下限としては、1個であり、2個がより好ましい。一方、前記突起部3bの個数の上限としては、8個が好ましく、6個がより好ましい。前記突起部3bの個数が前記範囲内であることによって、突起部3bとCNT繊維との接触面積を高めることができる。また、この突起部3bによってCNT繊維が切断されるのを抑制することができると共に、CNT膜2の強度が低下するのを抑制することができる。
The
複数の突起部3bの材質としては、導電性を有すると共に一定の耐熱性及び硬度を有する限り特に限定されるものではなく、例えば銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼等の金属やこれらの金属を含む合金が挙げられる。複数の突起部3bの製造方法としては、特に限定されるものではなく、例えばプレス成型等によって基体部3aと一体成型する製造や、ナノインプリント、エッチング、サンドブラスト等によって形成する方法等が挙げられる。また、電極3は、基体部3a及び複数の突起部3bを別個に製造した上、複数の突起部3bを基体部3aの表面に接着剤等によって貼り付けることで製造してもよい。
さらに、複数の突起部3aの表面を金等の腐食しにくい材料で被覆してもよい。また、セラミックスの表面を金等によって被覆することで突起部3bを構成してもよい。
The material of the plurality of
Furthermore, the surfaces of the plurality of
各突起部3bは、図4及び図5に示すように、稜線方向を長手方向とし、平面視でこの稜線方向と垂直な方向を幅方向とし、かつ突出方向を高さ方向とする略直方体状に形成されている。また、各突起部3bは、図6に示すように、先端部が先端に向けて徐々に縮幅している。このように、各突起部3bの先端部が先端に向けて徐々に縮幅していることによって、電極3を押圧によってCNT繊維に当接させやすい。具体的には、各突起部3bの先端部が先端に向けて徐々に縮幅している場合、電極3がCNT膜2の一方の面側に押圧された際に、各突起部3bが保護層5aを貫通してCNT膜2を構成するCNT繊維間の隙間に入り易い。また、この際各突起部3bが一定以上の高さを有することで、この突起部3bの先端は、CNT膜2の他方の面側まで至ることもできる。これにより、各突起部3bの長手方向に伸びる面とCNT繊維の外周面との当接面積が十分に高められる。さらに、各突起部3bの長手方向とCNT繊維の配向方向が略平行であるので、当該歪みセンサ1の伸縮によって各突起部3bの長手方向とCNT繊維の配向方向とが多少ずれたとしてもCNT繊維にストレスがかかり難く、かつ接触面積も保たれ易い。
As shown in FIGS. 4 and 5, each
突起部3bの長手方向の平均長さの下限としては、0.2mmが好ましく、2mmがより好ましい。一方、突起部3bの長手方向の平均長さの上限としては、1cmが好ましく、5mmがより好ましい。突起部3bの長手方向の平均長さが前記下限に満たないと、CNT繊維との接触面積を十分に大きくすることができないおそれがある。逆に、突起部3bの長手方向の平均長さが前記上限を超えると、保護層5a、保護層5b及びCNT膜2を長手方向(CNT繊維の配向方向)に割ってしまうおそれがある。
The lower limit of the average length in the longitudinal direction of the
突起部3bの幅方向の平均長さの下限としては、0.05mmが好ましく、0.5mmがより好ましい。一方、突起部3bの幅方向の平均長さの上限としては、2mmが好ましく、1mmがより好ましい。突起部3bの幅方向の平均長さが前記下限に満たないと、突起部3bの強度が十分高くならず、突起部3bをCNT膜2側に差し込み難くなるおそれがある。
As a minimum of average length of the width direction of
突起部3bの平均高さの下限としては、10μmが好ましく、15μmがより好ましく、18μmがさらに好ましい。一方、突起部3bの平均高さの上限としては、1cmが好ましく、5mmがより好ましく、2mmがさらに好ましい。突起部3bの平均高さが前記下限に満たないと、突起部3bを的確にCNT繊維に当接することができないおそれがある。逆に、突起部3bの平均高さが前記上限を超えると、突起部3bが不要に高くなり、当該歪みセンサ1の裏面側から突出するおそれがある。
As a minimum of average height of
なお、突出部3bは、CNT膜2を表裏方向に貫通することによって、電極3とCNT膜2との接着強度を容易かつ確実に高めることができると共に、非伸縮領域Anが不規則に伸長するのを的確に抑制することができる。そのため、突起部3bは、CNT膜2を表裏方向に貫通できるだけの高さを有することが好ましい。従って、この点を考慮した場合の突起部23bの平均高さの下限としては、例えば20μmとすることができる。また、非伸縮領域Anが不規則に伸長するのをさらに的確に防止するためには、突起部3bはこの突起部3bが配設される基体部3aと対向する挟持シート4の内部まで貫通させてもよい。この点を考慮した場合の突起部23bの平均高さ下限としては、例えば30μmとすることも可能である。
In addition, the
突起部3bの突出方向に対するこの突起部3bの先端部の傾斜角の下限としては、10°が好ましく、20°がより好ましい。一方、前記傾斜角の上限としては、60°が好ましく、45°がより好ましい。前記傾斜角が前記下限に満たないと、先端部の先端側の強度が低下するおそれがある。逆に、前記傾斜角が前記上限を超えると、突起部3bをCNT膜2側に差し込み難くなるおそれがある。
The lower limit of the inclination angle of the tip of the
電極3は、例えば接着剤を用いて積層することができる。またこの接着剤としては、例えば粘着剤、硬化性接着剤、熱可塑性接着剤等が使用できる。前記粘着剤としては、例えばアクリル系粘着剤等が挙げられる。前記硬化性接着剤としては、エポキシ系接着剤等が挙げられる。また、前記接着剤としては、合成樹脂中に導電性フィラーを含有する導電性接着剤を用いることもできる。
The
電極3をCNT膜2の一方の面側に積層する場合、複数の突起部3bを的確にCNT繊維と当接させるためには、前記接着剤は基体部3bの他方の面側のみに付着させるのが好ましい。つまり、前記接着剤は、複数の突起部3bには付着させないことが好ましい。そのため、例えば基体部3aの他方の面側に接着剤を配置するための接着剤収容凹部を設けてもよい。このような構成によれば、接着剤が複数の突起部3bに付着するのを容易に防止することができる。
When the
(挟持シート)
挟持シート4は、非伸縮領域Anの他方の面を覆うよう保護層5bの他方の面に積層されている。挟持シート4は、例えば接着剤を用いて積層することができる。この接着剤としては、電極3を積層するために使用されるものと同様のものを用いることができる。
(Nipping sheet)
The sandwich sheet 4 is laminated on the other surface of the
この挟持シート4は、電極3と同様に、当該歪センサ1の使用中に実質的に伸縮せず、非伸縮領域Anの伸縮を防止する。つまり、挟持シート4は、電極3との間にCNT膜2及び一対の保護層5a,5bの非伸縮領域Anを挟み込むことで、非伸縮領域Anの伸縮をより確実に防止する。このため、挟持シート4を備えることにより、当該歪センサ1は、CNT膜2及び一対の保護層5a,5bの非伸縮領域Anと伸縮領域Asとがより明確に区分される。従って、当該歪センサ1は、伸縮量とCNT膜2の電気抵抗値との相関が高く、歪の検出精度に優れる。
Like the
挟持シート4の材質としては、十分な非伸縮性を有するものであればよく、導電性のものであっても絶縁性のものであってもよい。具体的には、挟持シート4としては、例えばポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等を主成分とする樹脂製シート、ガラスクロス等の織布などを使用することができ、電極3と同様のものを使用することもできる。また、挟持シート4として、予め粘着剤が積層された市販の粘着テープを使用してもよい。
The material of the sandwiching sheet 4 may be any material that has sufficient non-stretchability, and may be conductive or insulating. Specifically, as the sandwich sheet 4, for example, a resin sheet mainly composed of polyimide, polyethylene terephthalate, or the like, a woven cloth such as a glass cloth, or the like can be used, and the same one as the
挟持シート4の平均厚みの下限としては、20μmが好ましく、50μmがより好ましい。一方、挟持シート4の平均厚みの上限としては、1mmが好ましく、0.5mmがより好ましい。挟持シート4の平均厚みが前記下限に満たないと、曲げ等により挟持シート4が破断するおそれがある。逆に、挟持シート4の平均厚みが前記上限を超えると、当該歪センサ1が不必要に厚くなるおそれや、非伸縮領域Anの可撓性が不足して測定対象に適切に貼着できないおそれがある。 As a minimum of average thickness of pinching sheet 4, 20 micrometers is preferred and 50 micrometers is more preferred. On the other hand, the upper limit of the average thickness of the sandwich sheet 4 is preferably 1 mm, and more preferably 0.5 mm. If the average thickness of the sandwiching sheet 4 is less than the lower limit, the sandwiching sheet 4 may be broken by bending or the like. Conversely, if the average thickness of the sandwich sheet 4 exceeds the upper limit, the strain sensor 1 may be unnecessarily thick, or the flexibility of the non-stretchable region An may be insufficient and cannot be appropriately attached to the measurement target. There is.
対向し合う電極3と挟持シート4とは、例えばボルト、リベット、クランプ等の締結部材(不図示)により挟持されてもよい。この締結部材は、電極3、保護層5a,5b、CNT膜2及び挟持シート4を貫通してもよい。また、締結部材は、測定対象に当該歪センサ1を固定するための部材と兼用されてもよい。
The opposing
<製造方法>
当該歪センサ1は、例えばCNT膜2及び一対の保護層5a,5bを有するシート体を形成する工程と、このシート体を切り抜きにより所望の平面形状に形成する工程と、保護層5aの一方の面に一対の電極3を積層する工程と、保護層5bの他方の面に一対の挟持シート4を積層する工程とを備える方法により製造することができる。
<Manufacturing method>
The strain sensor 1 includes, for example, a step of forming a sheet body having a
<利点>
当該歪みセンサ1は、CNT膜2の両端部の一方の面側に配設される一対の電極3がCNT膜2側に突出し、導電性を有する凸条の突起部3bを有する。そのため、当該歪みセンサ1は、この凸状の突起部3bをCNT繊維に当接することによって、一対の電極3と複数のCNT繊維との接触面積を容易かつ確実に大きくすることができる。つまり、凸条の突起部3bは稜線を有するので、この稜線を含む面をCNT膜2を構成するCNT繊維と当接させ易く、突起部3bとCNT膜2との接触面積を容易かつ確実に高めることができる。また、このように稜線を含む面をCNT繊維と当接させる場合、CNT膜2の伸縮に起因して突起部3bとCNT繊維との接触面積が変化し難い。従って、当該歪みセンサ1は、CNT膜2と電極3との導通性を十分に高めてCNT膜2の伸縮歪みを精度よく検出することができる。
<Advantages>
In the strain sensor 1, a pair of
当該電極3は、平板状の基体部3aと、この基体部3aのCNT膜2側面に突出する凸条の突起部3bとを備えるので、既述のようにCNT膜2との接触面積を容易かつ確実に大きくすることができる。従って、当該電極3は、CNT膜2との導通性を十分に高めてCNT膜2の伸縮歪みを精度よく検出することができる。
Since the
[第二実施形態]
<歪みセンサ>
図7の歪みセンサ11は、一方向に配向する複数のCNT繊維を含むCNT膜12と、このCNT膜12の両端部かつ一方の面側に配設される一対の電極13と、このCNT膜12の両端部かつ他方の面側に前記一対の電極13と対向して配設される一対の挟持シート4とを備える。また、図7の歪みセンサ1は、CNT膜12の一方の面側かつ一対の電極13の他方の面側に配設される保護層5aと、CNT膜12の他方の面側かつ一対の挟持シート4の一方の面側に配設される保護層5bとを有する。図7の歪みセンサ11の一対の挟持シート4及び保護層5a,5bは、図1及び図2の歪みセンサ1の一対の挟持シート4及び保護層5a,5bと同様のため、同一符号を付して説明を省略する。
[Second Embodiment]
<Strain sensor>
The
(CNT膜)
CNT膜12は、図8に示すように、複数のCNT繊維の配向方向がこのCNT膜12の幅方向とされており、このCNT繊維の配向方向以外は図1及び図2の歪みセンサ1のCNT膜12と同様とすることができる。
(CNT film)
In the
(電極)
電極13は、平板状の基体部13aと、基体部13aのCNT膜12側の面に突出する凸条の突起部13bとを有する。電極13は、複数の突起部13bの長手方向がCNT膜2の幅方向と平行であること以外は図1及び図2の電極3と同様に構成される。
(electrode)
The
<利点>
当該歪みセンサ11は、図1及び図2の当該歪みセンサ1と同様、凸状の突起部13bをCNT繊維により構成されるCNT膜12の中に侵入させて、突起部13bをCNT繊維に当接させることによって、一対の電極13と複数のCNT繊維との接触面積を容易かつ確実に大きくすることができる。従って、当該歪みセンサ11は、CNT膜12と一対の電極13との導通性を十分に高めてCNT膜12の伸縮歪みを精度よく検出することができる。
<Advantages>
Similar to the strain sensor 1 in FIGS. 1 and 2, the
[第三実施形態]
図9及び図10の歪みセンサ21は、一方向に配向する複数のCNT繊維を含むCNT膜2と、このCNT膜2の両端部かつ一方の面側に配設される一対の電極23と、このCNT膜2の両端部かつ他方の面側に前記一対の電極23と対向して配設される一対の挟持シート4とを備える。また、図9及び図10の歪みセンサ21は、CNT膜2の一方の面側かつ一対の電極23の他方の面側に配設される保護層5aと、CNT膜2の他方の面側かつ一対の挟持シート4の一方の面側に配設される保護層5bとを有する。図9及び図10の歪みセンサ21のCNT膜2、一対の挟持シート4及び保護層5a,5bは、図1及び図2の歪みセンサ1のCNT膜2、一対の挟持シート4及び保護層5a,5bと同様のため、同一符号を付して説明を省略する。
[Third embodiment]
The
(電極)
電極23は、平板状の基体部23aと、基体部23aのCNT膜2側の面に突出する凸条の突起部23bとを有する。基体部23a及び突起部23bは、いずれも導電性を有する。基体部23aは、図1及び図2の電極3の基体部3aと同様の構成とすることができる。突起部23bは、図11に示すように、基体部23aの外面(一方の面)からステープルを刺し通すことによって形成されている。具体的には、ステープルの対向する一対の脚部がそれぞれ突起部23bとして構成されている。なお、ステープルとしては、凸条を形成できるものである限り特に限定されるものではなく、例えば市販のホッチキスの針等を用いることが可能である。また、このステープルは、挟持シート4を貫通した上、先端が挟持シート4の他方の面から突出するのが好ましい。さらに、挟持シート4の他方の面から突出したステープルの先端は、挟持シート4の他方の面に当接するように折り曲げて固定されるのが好ましい。また、この折り曲げ方向としては対向方向が好ましい。なお、このようにステープルの先端を挟持シート4の他方の面から突出させる場合、突起部23bの平均高さとしては、例えば2mm以上8mm以下とすることができる。
(electrode)
The
突起部23bの材質としては、導電性を有すると共に一定の耐熱性及び硬度を有する限り特に限定されるものではなく、例えば図1及び図2の電極3の突起部3bと同様のものが挙げられる。各突起部23bは、稜線方向を長手方向とし、平面視でこの稜線方向と垂直な方向を幅方向とし、かつ突出方向を高さ方向とする略直方体状に形成されている。また、各突起部23bは、先端部が先端に向けて徐々に縮幅している。また、突起部23bは、長手方向がCNT繊維の配向方向と略平行である。
The material of the projecting
突起部23bの長手方向の平均長さ、幅方向の平均長さ、平均高さ及び先端部の傾斜角は、図1及び図2の電極3の突起部3bと同様とすることができる。
The average length in the longitudinal direction, the average length in the width direction, the average height, and the inclination angle of the tip of the
<利点>
当該歪みセンサ21は、突起部23bが基体部23aの外面からステープルを刺し通すことにより形成されるので、容易に突起部23bを形成することができる。さらに、かかる構成によると、電極23とCNT膜2との接着強度を高めることができる。
<Advantages>
The
[第四実施形態]
図12及び図13の歪みセンサ31は、一方向に配向する複数のCNT繊維を含むCNT膜32と、このCNT膜32の両端部かつ一方の面側に配設される一対の電極33とを備える。また、図12及び図13の歪みセンサ31は、CNT膜32の他方の面側に配設される保護層34を備える。
[Fourth embodiment]
12 and 13 includes a CNT film 32 including a plurality of CNT fibers oriented in one direction, and a pair of
(CNT膜)
CNT膜32は、長手方向に配向する複数のCNT繊維を含む芯材と、この芯材の外周面を被覆する保護膜とを有する複数の糸状の歪みセンサ素子32aを有する。複数の歪みセンサ素子32aは、平面状に略平行に配設されている。これらの歪みセンサ素子32aは、保護層34の一方の面に単層状に積層されている。また、前記芯材は、CNT繊維と絶縁性繊維とを含む複数の繊維を一方向に配向した繊維束として構成されている。
(CNT film)
The CNT film 32 includes a plurality of thread-like
前記保護膜は、絶縁性エラストマーを主成分とする材料によって構成されている。つまり、複数のCNT繊維の外周に絶縁性エラストマーを主成分とする材料が被覆されている。CNT膜32は、この絶縁性エラストマーの弾性力によって弾性を有し、少なくとも長手方向に伸縮可能に構成されている。前記保護膜は、絶縁性エラストマーを主成分とする材料によって外周を被覆することでCNT繊維の損傷や、芯材への異物の混入を防止する。この絶縁性エラストマーとしては、例えば図1及び図2の歪みセンサ1のCNT繊維を被覆するのと同様の絶縁性エラストマーが挙げられる。 The protective film is made of a material whose main component is an insulating elastomer. That is, the outer periphery of a plurality of CNT fibers is coated with a material mainly composed of an insulating elastomer. The CNT film 32 is elastic by the elastic force of the insulating elastomer and is configured to be stretchable at least in the longitudinal direction. The protective film covers the outer periphery with a material mainly composed of an insulating elastomer to prevent CNT fibers from being damaged and foreign matters from being mixed into the core material. As this insulating elastomer, for example, an insulating elastomer similar to that covering the CNT fiber of the strain sensor 1 of FIGS.
(電極)
電極33は、平板状の基体部33aと、基体部33aのCNT膜32側の面に突出する1個の凸条の突起部33bとを有する。基体部33a及び突起部33bは、いずれも導電性を有する。基体部33aは、図1及び図2の電極3の基体部3aと同様の構成とすることができる。
(electrode)
The
突起部33bの材質としては、導電性を有すると共に一定の耐熱性及び硬度を有する限り特に限定されるものではなく、例えば図1及び図2の電極3の突起部3bと同様のものが挙げられる。突起部33bは、稜線方向を長手方向とし、平面視でこの稜線方向と垂直な方向を幅方向とし、かつ突出方向を高さ方向とする略直方体状に形成されている。また、突起部33bは、先端部が先端に向けて徐々に縮幅している。さらに、突起部33bは、長手方向がCNT繊維の配向方向と交差する。具体的には、突起部33bの長手方向はCNT繊維の配向方向と略直交する。
The material of the
突起部33bは、複数の糸状の歪みセンサ素子32aと接触しており、好ましくは全ての糸状の歪みセンサ素子32aと接触している。突起部33bは、これらの糸状の歪みセンサ素子32aの一方の面側と接触している。突起部33bは、複数の糸状の歪みセンサ素子32aを構成する芯材の表層に被覆される保護膜を貫通することで複数のCNT繊維と当接しており、これにより電極33とCNT膜32とが導通している。
The
突起部33bの長手方向の平均長さの下限としては、1mmが好ましく、1cmがより好ましい。一方、突起部33bの長手方向の平均長さの上限としては、10cmが好ましく、5cmがより好ましい。突起部33bの長手方向長さが前記下限に満たないと、複数の糸状の歪みセンサ素子32aと接触させ難くなるおそれがある。逆に、突起部33bの長手方向の平均長さが前記上限を超えると、突起部33bがCNT膜32の幅方向の両端よりも外側に突出するおそれがある。なお、突起部33bの長手方向の両端は、CNT膜32の幅方向の両端まで至るのが好ましい。突起部33bの長手方向の両端がCNT膜32の幅方向の両端まで至る場合、1個の突起部33bを複数の歪みセンサ素子32aに接触させることで、複数の歪みセンサ素子32aとの接触面積を容易かつ確実に大きくすることができる。またこのような構成によると、本実施形態のように複数の歪みセンサ素子32aが保護層34の一方の面に単層状に積層されている場合、1個の突起部33bによって、全ての歪みセンサ素子32aとの接触面積を高めることができる。
The lower limit of the average length in the longitudinal direction of the
突起部33bの平均高さの下限としては、10μmが好ましく、15μmがさらに好ましい。一方、突起部33bの平均高さの上限としては、4mmが好ましく、2mmがより好ましい。突起部33bの平均高さが前記下限に満たないと、突起部33bを的確にCNT繊維に当接することができないおそれがある。逆に、突起部33bの平均高さが前記上限を超えると、突起部33bの長手方向がCNT繊維の配向方向と交差していることから、CNT繊維を切断してしまうおそれがある。
As a minimum of average height of
なお、突起部33bの幅方向の平均長さ及び先端部の傾斜角としては、図1及び図2の電極3の突起部3bと同様とすることができる。
The average length in the width direction of the
(保護層)
保護層34は、CNT膜32の他方の面に直接積層される。保護層34は、CNT膜32の他方の面を覆い、CNT膜32を保護する。保護層34としては、例えば図1及び図2の歪みセンサ1の保護層5bと同様の構成とすることができる。また、保護層32としては、CNT膜32の長手方向に伸縮可能な布帛を用いることも可能である。
(Protective layer)
The
<利点>
当該歪みセンサ31は、図1及び図2の当該歪みセンサ1と同様、凸状の突起部33bをCNT繊維に当接させることによって、一対の電極33と複数のCNT繊維との接触面積を容易かつ確実に大きくすることができる。従って、当該歪みセンサ31は、CNT膜32と一対の電極33との導通性を十分に高めてCNT膜32の伸縮歪みを精度よく検出することができる。
<Advantages>
Similar to the strain sensor 1 in FIGS. 1 and 2, the
さらに、当該歪みセンサ31は、突起部33bの長手方向がCNT繊維の配向方向と略直交するので、1個の突起部33bを複数のCNT繊維に接触させることで、複数のCNT繊維との接触面積を容易かつ確実に大きくすることができる。
Furthermore, since the longitudinal direction of the
[その他の実施形態]
なお、本発明に係る歪みセンサ及び電極は、前記態様の他、種々の変更、改変を施した態様で実施することができる。例えば当該歪みセンサは、必ずしも前記CNT膜の両面に積層される保護層、並びに一対の電極に対向して配設される一対の挟持シートを有する必要はない。また、当該歪みセンサは、必ずしも突起部が絶縁性エラストマーを主成分とするCNT繊維の被覆を貫通していなくてもよい。当該歪みセンサは、例えば複数のCNT繊維の表層に絶縁性エラストマーを主成分とする材料が被覆されている場合であっても、CNT膜と電極とが平面視で対向する領域において、この絶縁性エラストマーを主成分とする被覆を除去した上で電極と複数のCNT繊維とを積層してもよい。
[Other Embodiments]
In addition, the strain sensor and electrode which concern on this invention can be implemented in the aspect which gave the various change and modification other than the said aspect. For example, the strain sensor is not necessarily required to have a protective layer laminated on both surfaces of the CNT film and a pair of sandwich sheets disposed to face the pair of electrodes. Further, in the strain sensor, the protrusion does not necessarily have to penetrate the coating of the CNT fiber whose main component is an insulating elastomer. For example, even when the surface layer of a plurality of CNT fibers is coated with a material mainly composed of an insulating elastomer, the strain sensor has an insulating property in a region where the CNT film and the electrode face each other in a plan view. The electrode and a plurality of CNT fibers may be laminated after removing the coating containing the elastomer as a main component.
当該歪みセンサ及び電極は、前記各実施形態の構成を適宜組み合わせて構成することが可能である。例えば、CNT膜が長手方向に配向する複数のCNT繊維を含む芯材と、この芯材の外周面を被覆する保護膜とを有する糸状体である第四実施形態のような場合に、電極の突起部の長手方向とCNT繊維の配向方向が略平行であってもよい。また、CNT膜がこのような糸状体を有しない場合に、電極の突起部の長手方向とCNT繊維の配向方向が略直交していてもよい。さらに、当該歪みセンサは、例えば一方の電極の突起部の長手方向とCNT繊維の配向方向が略平行とされ、かつ他方の電極の突起部の長手方向がCNT繊維の配向方向と略直交してもよい。加えて、当該歪みセンサは、各電極が2以上の突起部を有する場合、これらの突起部の長手方向が平行である必要はない。また、突起部の長手方向とCNT繊維の配向方向とが略平行とされる場合でも、この突起部の先端はCNT膜の他方の面側まで至る必要はなく、例えばCNT膜の表層側に位置してもよい。 The strain sensor and the electrode can be configured by appropriately combining the configurations of the respective embodiments. For example, in the case of the fourth embodiment in which the CNT film is a filament having a core material including a plurality of CNT fibers oriented in the longitudinal direction and a protective film covering the outer peripheral surface of the core material, The longitudinal direction of the protrusions and the orientation direction of the CNT fibers may be substantially parallel. Further, when the CNT film does not have such a filamentous body, the longitudinal direction of the protruding portion of the electrode and the orientation direction of the CNT fiber may be substantially orthogonal. Further, the strain sensor has, for example, the longitudinal direction of the protruding portion of one electrode and the orientation direction of the CNT fiber substantially parallel, and the longitudinal direction of the protruding portion of the other electrode is substantially orthogonal to the orientation direction of the CNT fiber. Also good. In addition, in the strain sensor, when each electrode has two or more protrusions, the longitudinal directions of these protrusions do not need to be parallel. Even when the longitudinal direction of the protrusion and the orientation direction of the CNT fiber are substantially parallel, the tip of the protrusion does not need to reach the other surface side of the CNT film, for example, it is positioned on the surface layer side of the CNT film. May be.
突起部の形状は前記実施形態の形状に限定されるものではない。例えば前記突起部は先端に向けて徐々に縮幅する先端部を有しなくてもよい。また、先端部を有する場合であっても、この先端部は、例えば略同一幅を有する基端部の先端に連結されてもよく、突起部が先端部のみから構成されてもよい。さらに、先端部の先端は、V字状の突出形状であってもよく、台形状であってもよい。前記先端部の先端が台形状とされる場合、この先端の平均幅としては、例えば1μm以上2mm以下とすることができる。 The shape of the protrusion is not limited to the shape of the above embodiment. For example, the protrusion may not have a tip portion that gradually decreases toward the tip. Moreover, even when it has a front-end | tip part, this front-end | tip part may be connected with the front-end | tip of the base end part which has substantially the same width, for example, and a projection part may be comprised only from a front-end | tip part. Furthermore, the tip of the tip may be a V-shaped protrusion or a trapezoid. When the tip of the tip is trapezoidal, the average width of the tip can be, for example, 1 μm or more and 2 mm or less.
前記突起部は、例えば基体部の外面からCNT膜に扁平な導電性糸を刺し通すことによって形成されてもよい。さらに、前記電極としては、例えば図14及び図15に示すような形状を採用することも可能である。以下、図14及び図15の電極について説明する。 The protrusion may be formed, for example, by piercing a flat conductive thread through the CNT film from the outer surface of the base body. Furthermore, as the electrode, for example, a shape as shown in FIGS. 14 and 15 can be adopted. Hereinafter, the electrodes of FIGS. 14 and 15 will be described.
図14の電極41は、平板状の基体部41aと、この基体部41aのCNT膜側の面に突出する複数の凸条の突起部41bとを有する。この電極41は、突起部41bの一方の側面が他方の側面側に湾曲している。これにより、この湾曲面をCNT繊維の外周面に沿わせるように当接することで、この突起部41bとCNT繊維との接触面積をさらに大きくすることができる。また、かかる構成によると、突起部41bとCNT繊維との当接状態を安定的に保持し易い。
The
図15の電極51は、平板状の基体部51aと、この基体部51aのCNT膜側の面に突出する複数の凸条の突起部51bとを有する。この電極51は、複数の突起部51bが基体部51aの表面にストライプ状に配設されている。これにより、突起部51bを密に配置して、電極51とCNT繊維との接触面積を大きくすることができる。
The
前記一対の電極は、必ずしもCNT膜の一方の面側に配設される必要はない。前記一対の電極は、例えば一方の電極がCNT膜の一方の面側に配設され、かつ他方の電極がCNT膜の他方の面側に配設されてもよい。 The pair of electrodes do not necessarily need to be disposed on one surface side of the CNT film. For example, one electrode of the pair of electrodes may be disposed on one surface side of the CNT film, and the other electrode may be disposed on the other surface side of the CNT film.
以上説明したように、本発明の歪みセンサは、CNT膜と電極との導通性を十分に高めてCNT膜の伸縮歪みを精度よく検出することができるので、伸縮率が大きい伸び歪みを測定するためのセンサとして適している。また、本発明の電極は、伸縮率が大きい伸び歪みを測定するためのセンサ用の電極として適している。 As described above, since the strain sensor of the present invention can sufficiently detect the stretching strain of the CNT film by sufficiently increasing the conductivity between the CNT film and the electrode, it measures the stretching strain having a large stretching rate. Suitable as a sensor for Moreover, the electrode of the present invention is suitable as an electrode for a sensor for measuring elongation strain having a large expansion / contraction rate.
1,11,21,31 歪みセンサ
2,12,32 CNT膜
32a 歪みセンサ素子
3,13,23,33,41,51 電極
3a,13a,23a,33a,41a,51a 基体部
3b,13b,23b,33b,41b,51b 突起部
4 挟持シート
5a,5b,34 保護層
As 伸縮領域
An 非伸縮領域
1, 11, 21, 31
Claims (5)
このCNT膜の両端部に配設される一対の電極と
を備える歪みセンサであって、
前記電極が、前記CNT膜側に突出し、導電性を有する凸条の突起部を有することを特徴とする歪みセンサ。 A CNT film including a plurality of CNT fibers oriented in one direction and having elasticity;
A strain sensor comprising a pair of electrodes disposed at both ends of the CNT film,
The strain sensor characterized in that the electrode has a protruding portion of a protruding protrusion that protrudes toward the CNT film and has conductivity.
平板状の基体部と、
この基体部のCNT膜側面に突出する凸条の突起部と
を備えることを特徴とする電極。 An electrode for a strain sensor that includes a plurality of CNT fibers oriented in one direction and uses an elastic CNT film,
A flat substrate portion;
An electrode comprising: a protruding portion protruding from a CNT film side surface of the base portion.
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