JP3924472B2 - カーボンナノチューブを用いたセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブを用いた新規なセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
近年、グラファイト構造を有するナノメータオーダの円筒状の物質、いわゆるカーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」とする）が発見された〔S. Iijima, Nature, 354, 56 (1991)〕。ＣＮＴは、その微細な構造と種々の特徴的な性質ゆえに、工業的な利用についての研究が盛んに行われている。
【０００３】
しかし現在のところ、ＣＮＴ自体の効率的な製造方法が十分に確立されていないこともあって、具体的な利用についての研究は、そのほとんどが緒についたばかりであり、一定の成果が得られているものはごく一部に過ぎないのが現状である。例えば特許第３０２８６７４号公報には、ＣＮＴを、光、磁気、圧力、歪みおよび温度などの、外部刺激の変化を検出するセンサとして使用できる可能性が示唆されている。
【０００４】
ところが上記の公報には、ＣＮＴを用いたセンサの具体的な構成について一切、記載されていないことから、かかるセンサが未だに実用化されていないことは明らかである。
本発明の目的は、種々の外部刺激の変化に応じてＣＮＴの電気的特性が変化することを利用したセンサを実用化するための、新規な技術を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、絶縁基板表面に、一対の薄膜状の電極部を、互いに接触しないように近接配置するとともに、当該絶縁基板表面の、両電極部間の領域と、両電極部上のそれぞれ少なくとも一部の領域とを含む範囲に、多数のカーボンナノチューブと、バインダー樹脂とを含む膜を配設して、両電極部間を、配設した膜中のカーボンナノチューブを介して電気的に接続したことを特徴とするセンサである。
【０００６】
請求項１のセンサにおいては、上記の範囲に配設したＣＮＴの、光、磁気、圧力、歪み、温度、雰囲気ガスの種類、気圧などの外部刺激の変化に応じた電気的特性（電気抵抗値や電気容量など）の変化を、一対の電極部に検出回路を接続することによって、電気信号として取り出すことができる。
上記センサは、例えば多数のＣＮＴを、バインダー樹脂とともに溶媒に分散して塗布液を調製し、この塗布液を、前記範囲に選択的に塗布したのち乾燥させてＣＮＴを含む膜を形成することによって製造される。
【０００７】
前記方法によって製造されたセンサにおいては、多数のＣＮＴの配向がランダムになる。
またＣＮＴとしては、センサの特性を考慮すると、そのサイズや構造などが揃ったものを使用するのが望ましいが、サイズや構造などが不揃いのものを用いてコストダウンを図ることもできる。
これらの場合、ＣＮＴのサイズや構造、あるいは配向のばらつきなどに基づいて、一対の電極部から取り出される電気信号にばらつきを生じるおそれがあるが、こうしたばらつきは、例えば検出回路に補償手段を設けるなどして校正することができる。このため、センサを安価かつ容易に製造できるという利点がある。
【０００８】
請求項２記載の発明は、一対の面状電極を、互いに接触しないように両者の間に空隙を設けて対向配置するとともに、上記空隙に、多数のカーボンナノチューブと、バインダー樹脂とを含む膜を配設して、両面状電極間を、配設した膜中のカーボンナノチューブを介して電気的に接続したことを特徴とするセンサである。
請求項２のセンサにおいては、一対の面状電極間の空隙に充填した多数のＣＮＴの、外部刺激の変化に応じた電気的特性の変化を、請求項１の場合と同様に、一対の面状電極に検出回路を接続することによって、電気信号として取り出すことができる。
【０００９】
上記センサは、例えば一対の面状電極間の空隙を、前述したＣＮＴを含む膜によって充填することで製造される。詳しくは、一方の面状電極上にＣＮＴを含む膜を形成したのち、他方の面状電極を積層することなどによってセンサが製造される。
これらの方法によって製造されたセンサにおいては、多数のＣＮＴの配向がランダムになる。またＣＮＴとして、サイズや構造などが不揃いのものを用いてコストダウンを図ることもできる。ＣＮＴのサイズや構造や配向のばらつきなどに基づく、一対の電極部から取り出される電気信号のばらつきは、前記のように検出回路に補償手段を設けるなどして校正すればよい。このため、センサを安価かつ容易に製造できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１(a)は、本発明のセンサの、実施の形態の一例を示す拡大斜視図である。
図のセンサＳ２は、絶縁基板１の表面に、一対の電極部２１、２２を互いに接触しないように近接配置するとともに、当該絶縁基板１の表面の、両電極部２１、２２間の領域と、両電極部２１、２２上のそれぞれ一部の領域とを含む範囲に、多数のＣＮＴと、バインダー樹脂とを含む膜３０を形成することで、両電極部２１、２２間を、当該膜３０中に含まれるＣＮＴを介して電気的に接続したものである。
【００１１】
なお図において符号２３、２４はそれぞれ、電極部２１、２２と一体に形成された、検出回路を接続するための端子部である。
上記のうち絶縁基板１としては、例えばプラスチック、繊維強化プラスチック、セラミックスなどからなり、プリント配線板用などとして従来公知の種々の構成を有する絶縁基板がいずれも使用可能である。
また電極部２１、２２、および端子部２３、２４は、例えば金、銅、アルミニウムなどの導電性材料を用いて、アディティブ法やサブトラクティブ法などの従来公知の種々の形成方法によって、上記絶縁基板１上に形成することができる。
【００１２】
ＣＮＴとしては、前述した各種の外部刺激の変化に応じて電気的特性が変化する機能を有するものが、いずれも使用可能である。すなわちグラファイトを１層、筒状に丸めた形状を有し、かつグラファイトのらせんの状態に応じてアームチェア型、ジグザグ型、カイラル型などに分類される種々の単層ＣＮＴ（以下「ＳＷＣＮＴ」とする）や、当該ＳＷＣＮＴを複数層、同芯筒状に重ねた形状を有する多層ＣＮＴ（以下「ＭＷＣＮＴ」とする）を使用することができる。
【００１３】
上記膜３０は、前述したように多数のＣＮＴを、バインダー樹脂とともに溶媒に分散して塗布液を調製し、この塗布液を、前記範囲に選択的に塗布したのち乾燥させるなどして形成される。
【００１４】
膜３０中のＣＮＴは、先に述べたようにランダムに配向されるが、そのうち少なくとも１つのＣＮＴでも、両端がそれぞれの電極部２１、２２と電気的に接続されるように配向されていれば、センサＳ２は動作可能である。また２つ以上のＣＮＴが接触してＣＮＴの列を形成し、その列の両端がそれぞれの電極部２１、２２と電気的に接続された状態でも、センサＳ２は動作可能である。
【００１５】
なお、膜３０中のＣＮＴの配向方向をできるだけ揃えるために、前記の製造方法においては、塗布液を塗布して膜３０を形成する際に、塗布液に一定方向から外力を加えるようにしたり、あるいは吹き付けの途中や吹き付け後、乾燥前の塗布液に、一定方向から電場や磁場を印加したりしてもよい。
あるいはまた、電極部２１、２２と、その間の絶縁基板１の表面とを一定方向にラビング処理するなどしてもよい。
【００１６】
膜３０中に含まれるＣＮＴとしては、先に述べたように、長さなどのサイズや構造などが揃ったものを使用するのが好ましいが、サイズや構造などが不揃いのものを用いてコストダウンを図ることもできる。
図１ (b)は、上記図１ (a)のセンサＳ２を用いて、外部刺激の変化を検出するための検出回路の一例を等価的に示した回路図である。
図の検出回路は、センサＳ２と電源ＰＳとを繋ぐ２本の線路Ｌ１、Ｌ２のうちの一方の線路Ｌ１に、抵抗値を調整することと、前述したばらつきを補償することとを目的として可変抵抗ＶＲを直列に挿入するとともに、他方の線路Ｌ２に、電流計ＡＭを直列に挿入したものである。
【００１７】
図の検出回路においては、外部刺激の変化によって膜３０中のＣＮＴの電気抵抗値が変化すると、回路を流れる電流値が変化するので、この変化を電流計ＡＭによって読み取ることができる。
なお図の例では、絶縁基板１上に、一対の電極部２１、２２とそれぞれ直結する端子部２３、２４を設けて、上記検出回路の全体を外付けとしていたが、例えば絶縁基板１上に、可変抵抗ＶＲなどの検出回路の一部を実装してもよい。
【００１８】
図２ (a)は、本発明のセンサの、実施の形態の他の例を示す拡大断面図である。
図のセンサＳ４は、一対の面状電極４１、４２を、互いに接触しないように両者の間に空隙を設けて対向配置するとともに、上記空隙に多数のＣＮＴと、バインダー樹脂とを含む膜３０を挟むことで、両面状電極４１、４２間を、当該膜３０中に含まれるＣＮＴを介して電気的に接続したものである。
【００１９】
一対の面状電極４１、４２はそれぞれ、絶縁基板１１、１２の表面に、前記金、銅、アルミニウムなどの導電性材料を用いて、アディティブ法やサブトラクティブなどの従来公知の形成方法によって導電性の薄膜を形成することで得られる。
絶縁基板１１、１２としては、プラスチック、繊維強化プラスチック、セラミックスなどからなり、プリント配線板用などとして従来公知の種々の構成を有する絶縁基板が使用できる他、上記導電性材料にて形成した板材などの表面を平面状に仕上げて一対の面状電極４１、４２として、絶縁基板１１、１２を省略することもできる。
【００２０】
膜３０は、図１ (a)の例と同様にして形成される。すなわち多数のＣＮＴを、バインダー樹脂とともに溶媒に分散して塗布液を調製し、この塗布液を、一対の面状電極４１、４２のうちの一方（例えば面状電極４２）の表面に塗布したのち乾燥させるなどして膜３０が形成される。
【００２１】
このあと、上記膜３０上に他方の面状電極４１を積層するとセンサＳ４が得られるのであるが、例えば両面状電極４１、４２間にスペーサを挟むなどして膜３０を保護するのが好ましい。
膜３０中のＣＮＴは、先に述べたようにランダムに配向されるが、そのうち少なくとも１つのＣＮＴでも、両端がそれぞれの面状電極４１、４２と電気的に接続されるように配向されているか、もしくは２つ以上のＣＮＴが接触してＣＮＴの列を形成し、その列の両端がそれぞれの面状電極４１、４２と電気的に接続された状態であれば、センサＳ４は動作可能である。
【００２２】
なお、膜３０中のＣＮＴの配向方向をできるだけ揃えるためには、前記と同様の処理を施してもよい。
膜３０中に含まれるＣＮＴとしては、先に述べたように、長さなどのサイズや構造などが揃ったものを使用するのが好ましいが、コストダウンを図るために、サイズや構造などが不揃いのものを用いてもよい。
図２ (b)は、上記図２ (a)のセンサＳ３を用いて、外部刺激の変化を検出するための検出回路の一例を等価的に示した回路図である。
【００２３】
図の検出回路は、先の図１ (b)のものと同様に、センサＳ４と電源ＰＳとを繋ぐ２本の線路Ｌ１、Ｌ２のうちの一方の線路Ｌ１に、抵抗値調整とばらつき補償のための可変抵抗ＶＲを直列に挿入するとともに、他方の線路Ｌ２に、電流計ＡＭを直列に挿入したものであって、外部刺激の変化によって膜３０中のＣＮＴの電気抵抗値が変化したことを、回路を流れる電流値の変化として、電流計ＡＭによって読み取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図(a)は、本発明のセンサの、実施の形態の一例を示す拡大斜視図、図(b)は、上記センサに接続する検出回路の一例を等価的に示した回路図である。
【図２】 図(a)は、本発明のセンサの、実施の形態の他の例を示す拡大断面図、図(b)は、上記センサに接続する検出回路の一例を等価的に示した回路図である。
【符号の説明】
１ 絶縁基板
２１、２２ 電極部
３０ 膜

Claims (2)

1. 絶縁基板表面に、一対の薄膜状の電極部を、互いに接触しないように近接配置するとともに、当該絶縁基板表面の、両電極部間の領域と、両電極部上のそれぞれ少なくとも一部の領域とを含む範囲に、多数のカーボンナノチューブと、バインダー樹脂とを含む膜を配設して、両電極部間を、配設した膜中のカーボンナノチューブを介して電気的に接続したことを特徴とするセンサ。
2. 一対の面状電極を、互いに接触しないように両者の間に空隙を設けて対向配置するとともに、上記空隙に、多数のカーボンナノチューブと、バインダー樹脂とを含む膜を配設して、両面状電極間を、配設した膜中のカーボンナノチューブを介して電気的に接続したことを特徴とするセンサ。

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