JP2018031680A - フレキシブル加速度センサならびにそれを用いたモーションセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】種々のウェアラブル生体情報収集装置やセンサが提案されているが、イオン液体によるピエゾイオン効果を用いた加速度センサの具体的提案はない。成形性、伸縮性、装着性が要求されるウェアラブルセンサであって、さらに素子の抵抗値の変化をモニタすることなく、簡便に加速度を検出する新たなフレキシブル加速度センサが求められている。
【解決手段】本発明のフレキシブル加速度センサは、イオン液体と高分子材料との混合物を含みシート状に形成されたゲル層と、イオン液体−高分子材料ゲル層の両面にそれぞれ独立して積層された伸縮性電極とを備え、イオン液体−高分子材料ゲル層に加わった加速度に応じてイオン液体−高分子材料ゲル層に生成された電荷を出力する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のフレキシブル加速度センサは、イオン液体と高分子材料との混合物を含みシート状に形成されたゲル層と、イオン液体−高分子材料ゲル層の両面にそれぞれ独立して積層された伸縮性電極とを備え、イオン液体−高分子材料ゲル層に加わった加速度に応じてイオン液体−高分子材料ゲル層に生成された電荷を出力する。
【選択図】図１
Description
本発明は、加速度センサに関し、特に伸縮性を備えたフレキシブル加速度センサおよびフレキシブル加速度センサを用いたモーションセンサに関する。
現在、インターネットを通じてヒトとモノ、モノとモノが繋がるシステムであるモノのインターネット（ＩｏＴ：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）が注目されている。具体的なＩｏＴとしては、例えば、センサグローブを用いた遠隔手術、ウェアラブルデバイスを用いた家電のリモートコントロール、ウェアラブルセンサを用いたヘルスモニタリングなどがある。
特許文献１には、多種多様な人体の生体情報の一括収集を可能とするウェアラブル生体情報収集装置に関する技術が開示されている。
ＩｏＴの実現にはウェアラブルエレクトロニクスが不可欠であり、そのキーデバイスはフレキシブルセンサである。このようなセンサとしては、たとえば特許文献２のような伸長センサの技術が開示されている。
フレキシブルセンサにおいては、成形性、伸縮性、装着性が要求される。伸縮性電極に関する報告としては、特許文献３のように導電性高分子であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのコロイド水分散液に、ポリグリセリンを加えることで、電気伝導度と切断伸度を向上させた伸縮性電極をアクチュエータに用いた技術が開示されている。なお、特許文献３のアクチュエータに開示されたイオン液体の輸率やイオン体積などの物理情報は、非特許文献１に開示されている。
また、加速度センサは種々の方式があるが、代表的な圧電型加速度センサではその感度は高くても０．０３５ｎＣ／（ｍ／ｓ２）程度である。
"Driving Mechanisms of Ionic Polymer Actuators Having ElectricDoubleLayer Capacitor Structures", S.Imaisumi et al., J.Phys.chem. B, 116, 5080(2012)
特許文献１、２にあるように種々のウェアラブル生体情報収集装置やセンサが提案されているが、イオン液体によるピエゾイオン効果を用いた加速度センサの具体的提案はない。成形性、伸縮性、装着性が要求されるウェアラブルセンサであって、さらに素子の抵抗値の変化をモニタすることなく、簡便に加速度を検出する新たなフレキシブル加速度センサが求められている。
本発明のフレキシブル加速度センサは、イオン液体と高分子材料との混合物を含みシート状に形成されたゲル層と、イオン液体−高分子材料ゲル層の両面にそれぞれ独立して積層された伸縮性電極とを備え、イオン液体−高分子材料ゲル層に加わった加速度に応じてイオン液体−高分子材料ゲル層に生成された電荷を出力するものである。
また、本発明のモーションセンサは本発明のフレキシブル加速度センサを複数有し、複数のセンサによる計測値を演算する演算部を具備し、複数のセンサの演算結果によりセンサが備えられたウェアラブルな被計測物の動きをセンシングする。
簡便に加速度を検出する新たなフレキシブル加速度センサを構築できる。
以下、本発明の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
（センサの構造）
図１は、本願発明のフレキシブル加速度センサの一例を示す断面図である。また、図２は図１で示したフレキシブル加速度センサの電極２−１側からみた図(上面図）である。図１に示すようにフレキシブル加速度センサ１０は、シート状に成形したイオン液体−ポリウレタン（ＩＬ−ＰＵ）ゲル１の両面に、伸縮性を備えた電極（伸縮性電極）（２−１、２−２）を備える。伸縮性電極２−１、２−２は薄膜であってもよい。
ここで、イオン液体−ポリウレタン（ＩＬ−ＰＵ）ゲル１は、イオン液体の１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］）と高分子材料（ＰＯ）のポリウレタン（ＰＵ）との混合物（イオン液体ー高分子材料ゲル）である。
図１は、本願発明のフレキシブル加速度センサの一例を示す断面図である。また、図２は図１で示したフレキシブル加速度センサの電極２−１側からみた図(上面図）である。図１に示すようにフレキシブル加速度センサ１０は、シート状に成形したイオン液体−ポリウレタン（ＩＬ−ＰＵ）ゲル１の両面に、伸縮性を備えた電極（伸縮性電極）（２−１、２−２）を備える。伸縮性電極２−１、２−２は薄膜であってもよい。
ここで、イオン液体−ポリウレタン（ＩＬ−ＰＵ）ゲル１は、イオン液体の１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］）と高分子材料（ＰＯ）のポリウレタン（ＰＵ）との混合物（イオン液体ー高分子材料ゲル）である。
伸縮性電極（２−１、２−２）は、それぞれが独立してＩＬ−ＰＵゲル１の一方ならびに他方の表面をそれぞれ覆うよう積層される。図１においては２−１側を正極、２−２側を負極とする。ここで、伸縮性電極（２−１、２−２）は、たとえば、ポリグリセリン（ＰＧ）を混合したＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）：Ｐｏｌｙ（４−ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ））膜（以下ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ膜と称する）である。
本実施例においてイオン液体（ＩＬ）は、１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］）としたが、これに代えて、イミダゾリウム塩、ピペリジニウム塩、ピリジニウム化合物、ピロリジニウム塩等を用いることができる。好ましくは、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（［ＥＭＩ］［ＢＦ４］：１−Ｅｔｈｙｌ−３−ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｂｏｒａｔｅ）、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（［ＢＭＩ］［ＢＦ４］：１−Ｂｕｔｙｌ−３−ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｂｏｒａｔｅ）、１−へキシル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（［ＨＭＩ］［ＢＦ４］：１−Ｈｅｘｙｌ−３−ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｂｏｒａｔｅ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム２−（２−メトキシエトキシ）−エチルスルファート（［ＥＭＩ］［ＭＥＥＳ］：１−Ｅｔｈｙｌ−３−ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ ２−（２−ｍｅｔｈｏｘｙｅｔｈｏｘｙ）ｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ）、 １−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスフォニル）イミド（［ＢＭＰ］［ＴＦＳＩ］：１−Ｂｕｔｙｌ−１−ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅ）などが挙げられる。
また、ポリウレタン（ＰＵ）に代えて、イオン液体を含有できる他の高分子材料を用いることができる。このような高分子材料としては、例えばシリコンを含むエラストマー等であってもよい。シリコンを含むエラストマーとしては、ＤＶＰＤＭＳ（α，ω−ｄｉｖｉｎｙｌ−ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）とＰＭＨＳ（ｐｏｌｙ ｍｅｔｈｙｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｉｌｏｘａｎｅ）とを架橋反応させることにより生成されるポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を用いることができる。
伸縮性電極２−１、２−２は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳにポリグリセリン（ＰＧ）を含有させたＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ膜としたが、これに代えて単にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ膜やアルミニウム薄膜を用いることもできる。
また、本願発明のフレキシブル加速度センサ１０は、図１のフレキシブル加速度センサ１１に示すように、各伸縮性電極２−１、２−２の表面の一部（又な全部）に、各伸縮性電極２−１、２−２と外部の測定系（不図示）とを接続するためのリード線４−１，４−２の接続用端子３−１，３−２を備えるようにしてもよい。
（実験）
１．センサの製造
図３は、図１に示すフレキシブルセンサを構成するＩＬ−ＰＵゲル１の作成フローを示している。ＩＬ−ＰＵゲルは、次のように作成される。
１．センサの製造
図３は、図１に示すフレキシブルセンサを構成するＩＬ−ＰＵゲル１の作成フローを示している。ＩＬ−ＰＵゲルは、次のように作成される。
１−１．ＩＬ−ＰＵゲル作製
まず、ポリカーボネート系ポリウレタン（ＰＵ）を１０ｗｔ％で溶媒に溶かし、イオン液体を添加する（ステップ１：Ｓ１）。ここで、ポリカーボネート系ポリウレタン（ＰＵ）はＴ−９２８０、溶媒はＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、イオン液体（ＩＬ）は１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］）を用いる。
まず、ポリカーボネート系ポリウレタン（ＰＵ）を１０ｗｔ％で溶媒に溶かし、イオン液体を添加する（ステップ１：Ｓ１）。ここで、ポリカーボネート系ポリウレタン（ＰＵ）はＴ−９２８０、溶媒はＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、イオン液体（ＩＬ）は１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］）を用いる。
次に、ステップ１で作成されたＤＭＡＣ溶媒に溶かされたＰＵにＩＬを添加した溶液をガラス基板上にキャスト（成形）する（ステップ２：Ｓ２）。
その後、キャストされた溶液を５０℃で１２時間乾燥させる（ステップ３：Ｓ３）。この結果図３のＳ３に示すようなシート状に成形したＩＬ−ＰＵゲル１が作成される。
１−２．伸縮電極の形成
このようにして作成されたＩＬ−ＰＵゲル１の両面に伸縮性を備えた電極膜としてポリグリセリンを混合したＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ）膜を形成する。具体的には、ホットプレート上にＩＬ−ＰＵをセットし、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液をエアブラシを用いて塗布し、ホットプレート上で所定の時間熱処理を行うことで伸縮性電極２−１，２−２を形成する。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液の塗布はＩＬ−ＰＵの両面に対して行う。
このようにして作成されたＩＬ−ＰＵゲル１の両面に伸縮性を備えた電極膜としてポリグリセリンを混合したＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ）膜を形成する。具体的には、ホットプレート上にＩＬ−ＰＵをセットし、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液をエアブラシを用いて塗布し、ホットプレート上で所定の時間熱処理を行うことで伸縮性電極２−１，２−２を形成する。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液の塗布はＩＬ−ＰＵの両面に対して行う。
実験（試作）では、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ水分散液（ｐＨ＝７，中和剤：アンモニア）と重合度４のポリグリセリン（ＰＧ）をＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ：ＰＧ＝４：６の割合で混合し、固形成分が１ｗｔ％になるように調製したＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液を用いた。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液の塗布にあたってはエアブラシをスタンドに固定し、ホットプレートの温度は１６０℃とした。また、ホットプレートでの熱処理時間は１時間とした。また、IＬ−ＰＵゲルの膜厚（図１のＴIL-PU）は、１００ｕｍとした。
エアブラシによるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液の塗布時間とＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧによる伸縮性電極の膜厚との関係を図４に示す。ここで伸縮性電極の膜厚の測定のため、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液を塗布するIＬ−ＰＵゲルサンプルの上下にスライドガラスを設置し、スライドガラスも含めてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液を塗布する。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧ溶液が塗布されたスライドガラス上の伸縮性電極の膜厚をIＬ−ＰＵゲルサンプルの膜厚として測定した。測定は、触針式段差計（Ｄ−１００，ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ）により行った。
図４に示すように、伸縮性電極の膜厚（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）（ｕｍ）はエアブラシによる塗布時間（Ｓｐｒａｙ ｃｏａｔｉｎｇ ｔｉｍｅ）（ｍｉｎ）によりリニアに変化することがわかった。
２．サンプル特性の測定
２−１．延伸−抵抗測定
上述の製造方法を用いて、積層する伸縮性電極の膜厚（Ｔpedot:pss-pg）を０．２ｕｍ〜１１ｕｍと変えた複数のIＬ−ＰＵゲルサンプルを作成し、サンプルを延伸させて歪（Ｓｔｒａｉｎ）を与えその抵抗値（Ω）の測定を行った。図５は伸縮性電極の膜厚ごとのサンプルの歪（％）と抵抗率（Ω）との関係を示した図（結果）であり、図６はIＬ−ＰＵゲルサンプルが断線したときの歪（％）と伸縮性電極の膜厚との関係を示した図（結果）である。図５、図６では、各サンプルのIＬ−ＰＵゲルの膜厚はいずれも１００ｕｍとして伸縮性電極の膜厚を変えた場合の結果である。なお、ここではこの歪は延伸率（％）として示している。また、延伸率（％）は延伸させたサンプルの長さを元の伸縮性電極の長さ（１００％）に対する伸びの比率（％）として表している。つまり１００％の延伸で元の長さの２倍の長さに相当する。
２−１．延伸−抵抗測定
上述の製造方法を用いて、積層する伸縮性電極の膜厚（Ｔpedot:pss-pg）を０．２ｕｍ〜１１ｕｍと変えた複数のIＬ−ＰＵゲルサンプルを作成し、サンプルを延伸させて歪（Ｓｔｒａｉｎ）を与えその抵抗値（Ω）の測定を行った。図５は伸縮性電極の膜厚ごとのサンプルの歪（％）と抵抗率（Ω）との関係を示した図（結果）であり、図６はIＬ−ＰＵゲルサンプルが断線したときの歪（％）と伸縮性電極の膜厚との関係を示した図（結果）である。図５、図６では、各サンプルのIＬ−ＰＵゲルの膜厚はいずれも１００ｕｍとして伸縮性電極の膜厚を変えた場合の結果である。なお、ここではこの歪は延伸率（％）として示している。また、延伸率（％）は延伸させたサンプルの長さを元の伸縮性電極の長さ（１００％）に対する伸びの比率（％）として表している。つまり１００％の延伸で元の長さの２倍の長さに相当する。
この測定（延伸−抵抗測定）に際しては、引張試験機（ＥＺ−ＴＥＳＴ，島津製作所）によって歪を加えていき、ポテンショスタット（ＨＡ−３０，北斗電工）により電流値を測定した。定電圧１Ｖを印加した際の電流値をデータ収集ユニット（ＮＲ−５００，ＫＥＹＥＮＣＥ）で読み取り、抵抗値を算出した。引張試験機は試料（サンプル幅２ｍｍ、チャック間距離１０ｍｍ、歪速度１０ｍｍ／ｍｉｎで設定し、時間とともに歪を加えて測定を行った。また測定は、各IＬ−ＰＵゲルサンプルが延伸により断線して電流が流れなくなるまで行った。
図５に示すように（たとえば歪が０％における抵抗（Ω）と伸縮性電極の膜厚を比較すると）延伸前の抵抗（Ω）は伸縮性電極の膜厚の増加とともに小さくなることがわかる。また、膜厚に関係なく延伸により伸縮性電極の抵抗は増加し、ある歪以上で電流が流れなくなった。この電流がながれなくなった時を断線と定義し、この時の歪（％）を断線歪と定義する。膜厚が薄いと（１ｕｍよりも薄い場合）、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧの塗布量が十分でなく、均一かつ連続な導電パスが形成できず、延伸するとすぐに断線する。その結果、断線歪は小さくなったと考えられる。膜厚を厚くするにつれ導電パスは十分に形成されるが、厚すぎると（１ｕｍよりも厚い場合）、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ−ＰＧフィルム固有の切断伸度に近づくため、延伸時完全に断線する。本実験においては１μｍの膜厚において断線歪は最大となった。１ｕｍの膜厚では延伸すると、伸縮性電極にクラックが観察されても歪が１７０％未満では断線に至らなかった。これはクラックが生じてもすべての導電パスが切れているわけではなく一部繋がった状態を保持しており、このため断線歪が大きくなったと考えられる。実際、断線歪は最大１７０％に達した。
２−２．センサ応答の測定
図７は試作した本発明のフレキシブル加速度センサのサンプルのセンサ応答特性を測定する測定装置を示す図である。ここで図７の（Ａ）はサンプルおよびサンプルホルダを示す図であり、図７の（Ｂ）は実際の測定装置である。試作したフレキシブル加速度センサ１０の各サンプルは、図１に示したようにシート状に成形したイオン液体−ポリウレタン（ＩＬ−ＰＵ）ゲル１の両面に、伸縮性を備えた電極（伸縮性電極）（２−１、２−２）から構成される。
図７は試作した本発明のフレキシブル加速度センサのサンプルのセンサ応答特性を測定する測定装置を示す図である。ここで図７の（Ａ）はサンプルおよびサンプルホルダを示す図であり、図７の（Ｂ）は実際の測定装置である。試作したフレキシブル加速度センサ１０の各サンプルは、図１に示したようにシート状に成形したイオン液体−ポリウレタン（ＩＬ−ＰＵ）ゲル１の両面に、伸縮性を備えた電極（伸縮性電極）（２−１、２−２）から構成される。
ここで、サンプル及びサンプルホルダは図７の（Ｂ）の３０（サンプルおよびサンプルホルダ）に示すようにセッティングされ、３０の詳細なセッティングは図７の（Ａ）に示すようになされる。まず、図７の（Ａ）（Ｂ）に示すようにサンプルのフレキシブル加速度センサ１０をＰＥＴフィルム３５にのせ、サンプルの各々の電極がそれぞれ接続するようにサンプルの一端を金電極３１で挟むように測定装置にセッティングする。
測定は、引張／圧縮試験機３７（ＥＺ−ＴＥＳＴ，島津製作所）を用いて他端を押し下げることによりサンプルのセンサを屈曲させ歪を与え、屈曲による歪で発生した電荷をチャージアンプ（ＮＲ−ＣＡ０４）（不図示）により増幅しデータ収集ユニット（ＮＲ−５００，ＫＥＹＥＮＣＥ）（不図示）を用いてリアルタイムに収集して行った。また、収集した測定データをパソコン上のソフトウェアであるＷＡＶＥＲＯＧＧＥＲで解析した。以上によりセンサ特性を評価した。また、引張／圧縮試験機３７を用いてサンプルの他端を押し下げる時にかかる加速度をそれぞれ変えて計測した。この時の加速度は引張／圧縮試験機３７のヘッドに取り付けた圧電型加速度センサ（共和電業、ＡＳ−１ＧＢ）により計測した。また、引張／圧縮試験機３７を用いてサンプルの他端を押し下げる距離ｄ（図７の（Ａ）に示す押し下げ量）（ｍｍ）を変位（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）とする。
図８に測定結果の一例を示す。図８は、サンプルのフレキシブル加速度センサ１０を（Ａ）屈曲時／（Ｂ）復元（屈曲した状態から元に戻す）時のセンサの発生電荷の時間応答を表している。なお、図８はサンプルのＩＬ−ＰＵゲル層１の厚さ（ＴＩＬ−ＰＵ）は１００ｕｍ、伸縮性電極厚（Ｔpedot:pss-pg）は１ｕｍである。図８の（Ａ）より明らかなようにサンプルのセンサを屈曲させると（ｔ１〜ｔ３）、急激に電荷を発生することがわかる。また、屈曲を止めると逆電荷を発生する（ｔ３〜ｔ５）ことから、典型的な加速度センサとして機能している。実際、屈曲した状態から元に戻す（復元時）と屈曲時と逆の応答を示した。
次に、サンプルに加える加速度を変えた実験を行った。図９は、サンプルのフレキシブル加速度センサ１０を（Ａ）屈曲時／（Ｂ）復元（屈曲した状態から元に戻す）時にサンプルにかける加速度を（１）０．１９、（２）０．３９、（３）０．５４、（４）０．６７、（５）０．７９、（６）０．８５、（７）０．９１および（８）０．９３（いずれも単位はｍ／ｓ２）とそれぞれ変えた場合のセンサの発生電荷の時間応答を表している。サンプルにかける加速度は、引張／圧縮試験機３７の昇降速度を変化させることで、変化させた。加速度の上昇とともに発生電荷も増加し、約０．９ｍ／ｓ２で最大８ｎＣの電荷を発生した。
図１０に加速度と発生電荷との関係（Ａ）および変位（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）（ｍｍ）と感度との関係（Ｂ）をそれぞれ示す。図１０の（Ａ）に示すように本実験では、加速度と発生電荷（発生した電荷総量）はほぼ直線関係であり、傾きから算出したセンサ感度は図１０の（Ｂ）に示すように変位（図７の（Ａ）のｄ）によらず５．３ｎＣ／（ｍ／ｓ２）であることがわかった。この値は、代表的な圧電型加速度センサの感度は高くても０．０３５ｎＣ／（ｍ／ｓ２）であることから、このフレキシブルセンサは３桁以上高感度であることが明らかになった。なお、図９、図１０も測定に用いたサンプルのＩＬ−ＰＵゲル層１の厚さ（ＴＩＬ−ＰＵ）は１００ｕｍ、伸縮性電極厚（Ｔpedot:pss-pg）は１ｕｍである。
３．考察並びにセンサ動作説明
３−１．ピエゾイオン効果
イオン液体（ＩＬ）により電荷を発生するメカニズムはピエゾイオン効果と言われ、一般的な圧電現象とは異なり、イオンが移動することで大きな電荷を発生する。本実施例においては、イオン液体（ＩＬ）として、１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］）を用いている。非特許文献１にて明らかにされているように、本実施例におけるイオン液体（ＩＬ）１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド中のＥＭＩ＋（カチオン）とＴＦＳＩ−（アニオン）のイオン体積（Ｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ）は同程度だが、ＥＭＩ＋の方が高い輸率（Ｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｃｅ Ｎｕｍｂｅｒ）を示すことがわかっている（表１）。本事例の場合、センサを屈曲させると両面で約１％の歪差を生じる。
３−１．ピエゾイオン効果
イオン液体（ＩＬ）により電荷を発生するメカニズムはピエゾイオン効果と言われ、一般的な圧電現象とは異なり、イオンが移動することで大きな電荷を発生する。本実施例においては、イオン液体（ＩＬ）として、１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］）を用いている。非特許文献１にて明らかにされているように、本実施例におけるイオン液体（ＩＬ）１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド中のＥＭＩ＋（カチオン）とＴＦＳＩ−（アニオン）のイオン体積（Ｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ）は同程度だが、ＥＭＩ＋の方が高い輸率（Ｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｃｅ Ｎｕｍｂｅｒ）を示すことがわかっている（表１）。本事例の場合、センサを屈曲させると両面で約１％の歪差を生じる。
図１１はセンサの屈曲時の発生電荷の時間応答の結果を模式的に示したものである。図１１においては図１、図７、図１２等における電極２−１側を正極と定義し、図１１中の下方向を正の向きとしている。また図１２の（Ａ）〜（Ｋ）は動作の考察を説明する図である。図１１のｔ０の時点では図１２の（Ａ）のようにカチオン２１、アニオン２２、ポリウレタン２３は均一にＩＬ−ＰＵゲル層１に存在しており、電極２−１，２−２には電荷は発生していない。図１１のｔ１の時点（図１２の（Ｂ））よりセンサが屈曲をはじめ内部のバランスが崩れる。図１２の（Ｂ）の図のように上に凸の形でセンサが屈曲した場合、電極２−１（便宜上の正極）が伸びそこに向かってカチオンならびにアニオンが移動を開始する(図１２の（Ｃ）、ｔ１〜ｔ２）。表１に示すように本実施例においては、カチオンのＥＭＩ＋のほうがアニオンのＴＦＳＩ−よりも輸率が大きい。したがって輸率の高いカチオンが先に＋極側に移動することで正の電荷を発生する。したがって正の電荷が最大値を取るｔ２の時点では図１２の（Ｄ）のカチオンが正電極２−１側に多く集まった状態となる。一方、アニオンも遅れて移動することから電荷は小さくなる（図１２の（Ｅ）、ｔ２〜ｔ３）。これに対し、ｔ３において屈曲が止まると（ポリウレタンの）緩和がおこる（図１２の（Ｆ）および（Ｇ））。緩和に向け全体を均す方向にカチオンならびにアニオンが移動を開始する（図１２の（Ｈ）、ｔ３〜ｔ４）。ここでも、カチオンが先に移動することから結果として負の電荷を発生する。負の電荷が最大値をとるｔ４の時点で負電極２−２にカチオンが先に集中する（図１２の（Ｉ））。遅れてアニオンが負電極２−２に移動してくることによりｔ４〜ｔ５にかけて電荷集積は小さくなり（図１２の（Ｊ））、最終的（ｔ５）にバランスがとれ、カチオン２１、アニオン２２、ポリウレタン２３が均一にＩＬ−ＰＵゲル層１に存在する状態となって電荷はなくなる（図１２の（Ｋ））。なお、センサが元の形状に戻る際も同様なメカニズムで電荷を発生すると考えられる。
この考えに立てばセンサ感度はイオン液体の種類や濃度に依存することが予想される。したがって、以下の実験を重ねて行った。
３−２．ＩＬ濃度とセンサ動作
ＩＬ濃度の異なるゲルを作製し、同様の測定を行った。図１３はＩＬ濃度（１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］）の濃度）を（１）０ｗｔ％、（２）１０ｗｔ％、（３）３０ｗｔ％、（４）５０ｗｔ％および（５）７０ｗｔ％と変えてセンサの応答特性を示したもの（ＩＬ濃度とセンサ応答特性を示す図）である。なお、図１３の上段は屈曲時、下段は復元時の応答特性である。
ＩＬ濃度の異なるゲルを作製し、同様の測定を行った。図１３はＩＬ濃度（１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］）の濃度）を（１）０ｗｔ％、（２）１０ｗｔ％、（３）３０ｗｔ％、（４）５０ｗｔ％および（５）７０ｗｔ％と変えてセンサの応答特性を示したもの（ＩＬ濃度とセンサ応答特性を示す図）である。なお、図１３の上段は屈曲時、下段は復元時の応答特性である。
図１３より明らかなようにＩＬを含まない（０ｗｔ％）ポリウレタンだけでは全く応答しないことがわかる。一方、ＩＬ濃度が１０，３０，５０，７０ｗｔ％と増加することにより、より大きな電荷を発生することがわかった。さらに、加速度を変化させた時の実験結果を示す(図１４の（Ａ）（Ｂ））。図１４は加速度と電荷の関係（Ａ）およびＩＬ濃度と感度との関係（Ｂ）をそれぞれ示している。これら結果より、いずれのＩＬ濃度でも発生電荷は加速度に比例して増加し、その傾きから求めたセンサ感度はＩＬ濃度の増加とともに上昇することが明らかになった。なお、図１３、図１４も測定に用いたサンプルのＩＬ−ＰＵゲル層１の厚さ（ＴＩＬ−ＰＵ）は１００ｕｍ、伸縮性電極厚（Ｔpedot:pss-pg）は１ｕｍである。
３−３．センサの耐久性
本実施例のセンサの耐久性を調べるためサイクル試験を行った。図１５はサイクル試験を１サイクル、５０００サイクル、１００００サイクルと変えた時のセンサの時間応答である。また図１６は発生する電荷量と屈曲サイクル数との関係を示している。これらより屈曲を１００００回繰り返しても波形に変化は見られず、発生する電荷量は一定であることがわかった。このことから、フレキシブルセンサは優れた繰り返し特性を有することが明らかになった。なお、図１５、図１６も測定に用いたサンプルのＩＬ−ＰＵゲル層１の厚さ（ＴＩＬ−ＰＵ）は１００ｕｍ、伸縮性電極厚（Ｔpedot:pss-pg）は１ｕｍである。
本実施例のセンサの耐久性を調べるためサイクル試験を行った。図１５はサイクル試験を１サイクル、５０００サイクル、１００００サイクルと変えた時のセンサの時間応答である。また図１６は発生する電荷量と屈曲サイクル数との関係を示している。これらより屈曲を１００００回繰り返しても波形に変化は見られず、発生する電荷量は一定であることがわかった。このことから、フレキシブルセンサは優れた繰り返し特性を有することが明らかになった。なお、図１５、図１６も測定に用いたサンプルのＩＬ−ＰＵゲル層１の厚さ（ＴＩＬ−ＰＵ）は１００ｕｍ、伸縮性電極厚（Ｔpedot:pss-pg）は１ｕｍである。
（ウェアラブルセンサ）
そこで実際に、ウェアラブルセンサを作製した(図１８）。本実施例における、フレキシブル加速度センサ１００は図１７に示すように実施例１のフレキシブル加速度センサ１０の全体に保護膜１０３を備えた構成である。保護膜は非導電性のフィルムなどをラミネート加工することによって作成する。ラミネート加工に代えて図７の（Ａ）のようにＰＥＴフィルム３５を片面（あるいは両面）に張り付けてもよい。これによりさらに耐久性の向上が図れる。また安定した加速度の測定が可能となる。
そこで実際に、ウェアラブルセンサを作製した(図１８）。本実施例における、フレキシブル加速度センサ１００は図１７に示すように実施例１のフレキシブル加速度センサ１０の全体に保護膜１０３を備えた構成である。保護膜は非導電性のフィルムなどをラミネート加工することによって作成する。ラミネート加工に代えて図７の（Ａ）のようにＰＥＴフィルム３５を片面（あるいは両面）に張り付けてもよい。これによりさらに耐久性の向上が図れる。また安定した加速度の測定が可能となる。
本実施例のウェアラブルセンサ２００は、このようにして作成されたフレキシブル加速度センサ１００をグローブ（手袋）２１０の親指、人差し指、中指に備えている。したがって親指、人差し指、中指の動きに応答し、センサグローブとして機能する。
加速度センサは直接力を計測するとともに、加速度センサ外部で計測値を元に積分により速度や変位も計算できることから、モーションセンサとしてさまざまな分野で使用されている。したがって本発明のフレキシブル加速度センサを複数有し、これら複数のセンサによる計測値を演算する演算部を具備し、複数のセンサの演算結果によりセンサが備えられたウェアラブルな被計測物（たとえばグローブ２１０）の動きをセンシングするモーションセンサを構成することもできる。
本発明のフレキシブル加速度センサは、イオン液体と伸縮性電極とにより構成されており、フレキシブルセンサ、ウェアラブルセンサに要求される成形性、伸縮性、装着性において他の加速度センサに比べ優位性を備える。またピエゾイオン効果を用いておりその感度も圧電型加速度センサに比べて３桁優れる。実験室レベルであるがその耐久性も備えている。したがって、フレキシブルセンサをモーションセンサに応用することにより、成形性、伸縮性、装着性を有するウェアラブルセンサの実現が可能である。
以上説明したように、本発明のフレキシブル加速度センサは、イオン液体と高分子材料との混合物を含みシート状に形成されたゲル層１と、イオン液体−高分子材料ゲル層の両面にそれぞれ独立して積層された伸縮性電極２とを備え、イオン液体−高分子材料ゲル層に加わった加速度に応じて前記イオン液体−高分子材料ゲル層に生成された電荷を出力するフレキシブル加速度センサである。
本発明のフレキシブル加速度センサは、イオン液体のピエゾイオン効果を用いている。図１０などに示すように、イオン液体−高分子材料ゲル層１に加わった加速度に応じてイオン液体−高分子材料ゲル層に多量の電荷を生成する。その値は従来の圧電型加速度センサに比して３桁以上値が大きい。このことは、加速度（力）の印加によるセンサの抵抗値をモニタリングするような計測システムを備えなくてもよいことを示す。
また、その材料、構成から、ウエットプロセスによる成形性の良さ、伸縮性の高さを備えており、ウェアラブルセンサとしての装着性の良さも兼ね備えている。
さらに簡素なつくりであり製造工数の削減が可能であり、このため安価に作成が可能である。また、以上述べてきたように本発明の加速度センサは、特許文献２のような抵抗型センサとも全く異なる新たな加速度センサである。
フレキシブルな加速度センサとして利用が可能である。また、本発明のフレキシブル加速度センサをモーションセンサに応用することにより、成形性、伸縮性、装着性を有するウェアラブルセンサの実現が可能である。
１ イオン液体
２−１、２−２ 伸縮性電極
３−１、３−２ リード線接続用電極
４−１、４−２ リード線
１０、１００ フレキシブル加速度センサ
２１ カチオン（ＥＭＩ＋）
２２ アニオン（ＴＦＳＩ−）
２３ ポリウレタン
３０ センサおよびホルダ
３１ 金電極
３５ ＰＥＴフィルム
３６ サンプルホルダ
３７ 引張／圧縮試験機
１０３ 保護膜
２００ ウェアラブルセンサ
２１０ グローブ
２−１、２−２ 伸縮性電極
３−１、３−２ リード線接続用電極
４−１、４−２ リード線
１０、１００ フレキシブル加速度センサ
２１ カチオン（ＥＭＩ＋）
２２ アニオン（ＴＦＳＩ−）
２３ ポリウレタン
３０ センサおよびホルダ
３１ 金電極
３５ ＰＥＴフィルム
３６ サンプルホルダ
３７ 引張／圧縮試験機
１０３ 保護膜
２００ ウェアラブルセンサ
２１０ グローブ
Claims (7)
- イオン液体と高分子材料との混合物を含みシート状に形成されたゲル層と、
前記イオン液体−高分子材料ゲル層の両面にそれぞれ独立して積層された伸縮性電極と
を備え、
前記イオン液体−高分子材料ゲル層に加わった加速度に応じて前記イオン液体−高分子材料ゲル層に生成された電荷を出力するフレキシブル加速度センサ。 - 前記高分子材料は、ポリウレタン、エラストマーの何れか１つである請求項１記載のフレキシブル加速度センサ。
- 前記イオン液体は、イミダゾリウム塩、ピペリジニウム塩、ピリジニウム化合物、ピロリジニウム塩のいずれか１つを含む請求項１乃至２のいずれかに記載のフレキシブル加速度センサ。
- 前記イオン液体は、１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（［ＥＭＩ］［ＢＦ４］：１−Ｅｔｈｙｌ−３−ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｂｏｒａｔｅ）、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（［ＢＭＩ］［ＢＦ４］：１−Ｂｕｔｙｌ−３−ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｂｏｒａｔｅ）、１−へキシル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（［ＨＭＩ］［ＢＦ４］：１−Ｈｅｘｙｌ−３−ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｂｏｒａｔｅ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム２−（２−メトキシエトキシ）−エチルスルファート（［ＥＭＩ］［ＭＥＥＳ］：１−Ｅｔｈｙｌ−３−ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ ２−（２−ｍｅｔｈｏｘｙｅｔｈｏｘｙ）ｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ）、 １−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスフォニル）イミド（［ＢＭＰ］［ＴＦＳＩ］：１−Ｂｕｔｙｌ−１−ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅ）のいずれか１つである請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフレキシブル加速度センサ。
- 前記伸縮性電極は、リグリセリン（ＰＧ）を混合したＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）：Ｐｏｌｙ（４−ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ））からなる電極である請求項１乃至４のいずれか１つであるフレキシブル加速度センサ。
- 前記フレキシブル加速度センサの表面全体または一部を非導電性材料でラミネート加工した請求項１乃至５のいずれか１つであるフレキシブル加速度センサ。
- 請求項１乃至６のいずれか１つに記載のフレキシブル加速度センサを複数有し、前記複数のセンサによる計測値を演算する演算部を具備し、複数の前記センサの演算結果により前記センサが備えられたウェアラブルな被計測物の動きをセンシングするモーションセンサ。
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