JP2017020856A - 歪みセンサ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る歪みセンサ素子は、伸縮性を有する帯状の基板と、この基板に積層され、前記基板の長手方向に引き揃えられる複数のカーボンナノチューブを含む検出層と、前記検出層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素子であって、前記検出層が、前記基板の幅方向に並列して配置される複数の検出領域を有することを特徴とする。前記複数の検出領域が、異なる電気抵抗を有するとよい。前記複数の検出領域が、異なる断面積を有するとよい。前記複数の検出領域が、帯状又は糸状であり、互いに離間して配設されるとよい。前記複数の検出領域が、検出層に形成される開口によって画定されるとよい。
【選択図】図1
Description
図1、図2及び図3に示す本発明の第一実施形態の歪みセンサ素子は、伸縮性を有する帯状の基板1と、この基板1の一方の面側に積層され、基板1の長手方向に引き揃えられる複数のカーボンナノチューブを含む検出層2と、この検出層2の一方の面側の両端部に配設される一対の電極3と、基板1の検出層2と他方の面側の両端部に一対の電極3に対向するよう配設される一対の挟持シート4とを備える。
基板1は、当該歪みセンサ素子の構造材であり、検出層2、一対の電極3及び一対の挟持シート4を保持する。また、基板1は、当該歪みセンサ素子が取り付けられた測定対象と共に伸縮し、この伸縮を検出層2に伝達することによって検出層2を測定対象と共に伸縮させる機能を果たす。
検出層2は、基板1の長手方向に延伸することによりカーボンナノチューブ同士が次第に離間して電気抵抗が増大する。また、この延伸した検出層2は、収縮することによりカーボンナノチューブ同士が再度接触して電気抵抗が減少する。このように、検出層2は、基板1と一体に伸縮するよう、例えば接着剤により基板1に接着される。
芯材部5a,6aは、カーボンナノチューブ又は複数のカーボンナノチューブから形成される長尺のカーボンナノチューブ繊維を主に含む。また、芯材部5a,6aは、カーボンナノチューブ繊維の接触し易さを調整するために、例えば合成樹脂製繊維等の他の繊維を含んでもよい。なお、複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ繊維は、カーボンナノチューブの端部同士が連結する連結部を有する。つまり、カーボンナノチューブは、前記引き揃え方向に互いに連結し合う。逆にいうと、このようにカーボンナノチューブが連結したカーボンナノチューブ繊維を使用することにより、複数のカーボンナノチューブを一方向に引き揃えた薄膜状の芯材部5a,6aを容易に形成することができる。このように複数のカーボンナノチューブが一方向に引き揃えられた芯材部5a,6aは、複数のカーボンナノチューブが引き揃え方向に互いに接触して導通する。
絶縁性エラストマーを主成分とする被覆部5b,6bは、芯材部5a,6aを被覆し、好ましくは芯材部5a,6aの表層及び裏層(一方側の面又は他方側の面に近い領域)に含浸する。これにより、複数のカーボンナノチューブ繊維は、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、複数のカーボンナノチューブ繊維から構成されるCNT繊維束の表面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カーボンナノチューブ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、当該歪みセンサ素子は、伸長時に離間されたカーボンナノチューブ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、繰り返し使用した際の伸縮歪みの検出精度の低下を防止することができる。芯材部5a,6aの下側にある被覆部5b,6bは、基板1の一部で構成されてもよい。また、芯材部5a,6aの上側にある被覆部5b,6aは、芯材部5a,6aの上面から絶縁性エラストマーを塗布することで形成してもよい。すなわち、芯材部5a,6a、被覆部5b,6b及び基板1の積層体は、カーボンナノチューブ繊維の層を一対の絶縁性エラストマーで挟み込んだ3層構造であってもよい。また、検出層2の少なくとも一方の面、つまり上側の被覆部5b,6bの上面及び下側の被覆層5b,6bの下面の少なくとも一方、又は基板1の下面に、歪みセンサの弾性力を高めるためのアシスト樹脂がさらに積層されていてもよい。
一対の電極3は、基板1の両端部の一方の面側に検出領域5,6の両端部を覆うよう積層される。この電極3と検出領域5,6の芯材部5a,6aとは電気的に接続される。
挟持シート4は、非伸縮領域の他方の面を覆うよう基板1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。
当該歪みセンサ素子は、一方向に引き揃えられる複数のカーボンナノチューブを含む芯材層と、絶縁性エラストマーを主成分とし、前記芯材層の少なくとも一方側及び他方側の表面を覆う被覆層とを有する、つまり検出層2と同じ積層構造を有するシート体(カーボンナノチューブ膜)を形成する工程と、このシート体の切断により帯状の検出領域5,6を形成する工程と、基板1の一方の面に検出層2(検出領域5,6)を貼着する工程と、基板1の一方の面に一対の電極3を配設する工程と、基板1の他方の面に一対の挟持シート4を配設する工程とを備える方法により製造することができる。
当該歪みセンサ素子は、検出層2が、基板1の幅方向に並列して配置される複数の検出領域5,6を有するので、基板1の幅に拘わらず検出領域5,6の幅、ひいては電気抵抗特性を設定することができる。このため、当該歪みセンサ素子は、比較的正確に所望の寸法及び所望の電気抵抗特性を有することができる。
図4及び図5に示す本発明の第二実施形態の歪みセンサ素子は、伸縮性を有する帯状の基板1と、この基板1の一方の面側に積層され、基板1の長手方向に引き揃えられる複数のカーボンナノチューブを含む検出層12と、この検出層12の一方の面側の両端部に配設される一対の電極3と、基板1の検出層12と他方の面側の両端部に一対の電極3に対向するよう配設される一対の挟持シート4とを備える。
検出層12は、基板1の長手方向に延伸することによりカーボンナノチューブ同士が次第に離間して電気抵抗が増大する。また、この延伸した検出層12は、収縮することによりカーボンナノチューブ同士が再度接触して電気抵抗が増大する。
芯材部15a,16a,17aは、一方向に引き揃えられた複数のカーボンナノチューブが互いにオーバーラップしながら接触し、電気的に接続されることによって電流パスを形成することで導電性を有する。このような構成の芯材部15a,16a,17aは、特にカーボンナノチューブ間の接触面積が限られることによってある程度の電気抵抗を示す。そして、芯材部15a,16a,17aが長手方向に伸縮すると、カーボンナノチューブ同士の接触具合に変化が起こり、芯材部15a,16a,17aの電気抵抗に変化を生じる。
被覆部15b,16b,17bは、芯材部15a,16a,17aを被覆し、好ましくは芯材部15a,16a,17aの表層及び裏層(一方側の面又は他方側の面に近い領域)に含浸する。これにより、複数のカーボンナノチューブ繊維は、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、複数のカーボンナノチューブ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カーボンナノチューブ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、当該歪みセンサ素子は、伸長時に離間されたカーボンナノチューブ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。
当該歪みセンサ素子は、基板1の一方の面側に並べて配設される複数の検出領域15,16,17の組合せを選択することによって、検出層12の電気抵抗特性(伸び歪みがないときの値及び伸び歪に対する変化率)を基板1の寸法に拘わらず比較的正確に所望のものとすることができる。
図6及び図7に示す本発明の第三実施形態の歪みセンサ素子は、伸縮性を有する帯状の基板1と、この基板1の一方の面側に積層され、基板1の長手方向に引き揃えられる複数のカーボンナノチューブを含む検出層22と、この検出層22の一方の面側の両端部に配設される一対の電極3と、基板1の検出層22と他方の面側の両端部に一対の電極3に対向するよう配設される一対の挟持シート4とを備える。
検出層22は、基板1の幅方向に並列するよう離間して配設され、一対の電極3間に電気的に並列に接続される複数の検出領域25,26を有する。
当該歪みセンサ素子は、基板1の一方の面側に並べて配設される複数の検出領域25,26の断面形状を異ならせることにより、得られる検出層2の電気抵抗、すなわち検出領域25,26の並列抵抗の可能な組合わせがより多様となる。これによって、当該歪みセンサ素子の電気抵抗特性をより容易に所望のものとすることができる。
図8に示す本発明の第四実施形態の歪みセンサ素子は、伸縮性を有する帯状の基板1と、この基板1の一方の面側に積層され、基板1の長手方向に引き揃えられる複数のカーボンナノチューブを含む検出層32と、この検出層32の一方の面側の両端部に配設される一対の電極3と、基板1の検出層32と他方の面側の両端部に一対の電極3に対向するよう配設される一対の挟持シート(不図示)とを備える。
検出層32は、基板1の長手方向に引き揃えられる複数のカーボンナノチューブを含む芯材層と、絶縁性エラストマーを主成分とし、芯材層の少なくとも一方側及び他方側の表面を覆う被覆層とを有するシート体(カーボンナノチューブ膜)から形成される。
この実施形態の歪みセンサ素子は、例えば基板1に検出層2を構成するカーボンナノチューブ膜を積層し、その上からさらに絶縁性エラストマーを塗布した3層構造の積層体を所定の形状(帯状)に切断し、切り出した積層体に電極並びに挟持シートを配設することによって形成することができる。このように形成したものに、検出領域35,36を検出層32の開口32aによって画定することで、当該歪みセンサ素子の製造が容易となる。開口の仕方は例えば金型を用いて打ち抜きで行うことができる。また、例えばカッターナイフ等でカーボンナノチューブの引き揃え方向に交差する方向に切れ溝を入れるだけでも同様の効果を得られると考えられる。
前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
2,12,22,32 検出層
3 電極
4 挟持シート
5,6,15,16,17,25,26,35,36 検出領域
5a,6a,15a,16a,17a,25a,26a 芯材部
5b,6b,15b,16b,17b,25b,26b 被覆部
32a 開口
P 接着剤
Claims (5)
- 伸縮性を有する帯状の基板と、この基板に積層され、前記基板の長手方向に引き揃えられる複数のカーボンナノチューブを含む検出層と、前記検出層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素子であって、
前記検出層が、前記基板の幅方向に並列して配置される複数の検出領域を有することを特徴とする歪みセンサ素子。 - 前記複数の検出領域が、異なる電気抵抗を有する請求項1に記載の歪みセンサ素子。
- 前記複数の検出領域が、異なる断面積を有する請求項1又は請求項2に記載の歪みセンサ素子。
- 前記複数の検出領域が、帯状又は糸状であり、互いに離間して配設される請求項1、請求項2又は請求項3に記載の歪みセンサ素子。
- 前記複数の検出領域が、検出層に形成される開口によって画定される請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の歪みセンサ素子。
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