JP5397896B2 - カーボンナノチューブを用いた伸縮装置、伸縮駆動装置およびcnt膜構造体 - Google Patents
カーボンナノチューブを用いた伸縮装置、伸縮駆動装置およびcnt膜構造体 Download PDFInfo
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Description
以下に本発明による伸縮装置、及び伸縮駆動装置の一例を添付の図1を参照して詳細に説明する。図1は、実施形態1に係る本発明の伸縮装置の概略図である。
本発明における基材とは、少なくとも一方向に伸縮性を有し、かつ配向CNT膜構造体3が配置できればよく、形状、材質、装着方法に左右されない。材質は、伸縮可能であればよく、例えば、樹脂、ゴム、弾性体などが例示できる。特に、伸縮性が非常に高い材料、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)は大きな伸縮を検出できるため好ましい。伸縮による配向CNT膜構造体3の抵抗変化を検出する場合には、基材2は、それ自体が電気伝導性を有しないことが好ましい。
本明細書で言うCNTフィルムとは、成長用基材から成長した複数のCNTの集合体を言い、このCNT配向集合体を成長用基材から剥離して得られる。CNTフィルムの少なくとも一部において、複数のCNTが一定の方向が配向していると、伸縮性に優れた伸縮装置が得られる。本明細書では、上記のCNTフィルムを、配向CNTフィルムと定義する。配向CNTフィルムの形状、形態は伸縮可能な上述した基材に配置可能で、高密度化工程が実施可能であればよく、例えば、薄板状、シート状、フォイル状、リボン状の形状でも良い。
配向CNT膜構造体とは、伸縮可能な基材上に配置可能な、複数のCNTを高密度に充填してなるCNTの構造体をいう。このような配向CNT膜構造体は、上記配向CNTフィルムを成長用基材から取り外し、伸縮可能な別の基材へ配置し、高密度化処理を行うことで得られる。位置、及び配向が制御され、反り返りがなく基材上に配置され、かつ厚さが均一なフィルム状の配向CNT膜構造体は、伸縮時の構造変化の制御が容易なため、好ましい。
配向CNT膜構造体はその位置、及び配向を制御され、かつ反り返りがない状態で基材上に配置されることが、特性を制御するために大事である。ここで、配向CNT膜構造体の位置を制御された状態とは、配向CNT膜構造体が基材上の所望領域に、配置されている状態を指す。さらに、「配向CNT膜構造体の配向を制御された状態」とは、配向CNT膜構造体の配向方向が許容可能な範囲で揃っている状態を指す。さらに、「配向CNT膜構造体に反り返りがない状態」とは、配向CNT膜構造体が基板上の所望領域に、配向CNTフィルムの各CNTが上下方向の許容範囲内にある状態を指す。
配向CNT膜構造体における体積と重量との比であり、厚さが一様の場合には下式で与えられる。
重量密度=CNT集合体の重量/(CNT集合体の面積×CNT集合体の厚さ)
さらには、配向CNT膜構造体の少なくとも一部領域において、複数のCNTが一定の方向に配向していると、伸縮時に配向CNT膜構造体に後述の亀裂帯が好適に発生し、従来よりも格段に大きな伸縮を、繰り返し検出できる、優れた伸縮装置が製造できる。
配向CNT膜構造体の厚さは、伸縮装置の要望に応じてその望ましい値を任意に設定することができる。配向CNT膜構造体の厚さが10nm以上であると、膜としての一体性を保持できるようになり、配置工程、高密度化工程を実施することができる。逆に、10nm以下であると、連続性、均一性を持つ配向CNT膜構造体の製造が困難であった。膜厚の上限値に格別な制限はないが、このような伸縮装置に利用する場合は、伸縮性と柔軟性を兼ね備えるために、100μm程度が好ましい。
CNT層を構成するCNTは、単層CNTであってもよいし、多層CNTであってもよい。いずれの種類のCNTを用いるかは、配向CNT膜構造体の必要とされる特性に応じて決めることができ、例えば、高い導電性や可撓性などが要求される場合には単層CNTを用いることができ、剛性や金属的性質などが重視される場合には多層CNTを用いることができる。
次に、CNTマイクロ膜構造体について述べる。ここで、「CNTマイクロ膜構造体」とは、パターニングし加工された配向CNT膜構造体を指す。パターニングは、基材上の所望領域に配向CNT膜構造体を配置するのに好適であり、これにより制御性よく所望の性能を示す伸縮装置を製造できる。配向CNT膜構造体が上記のような密度及び厚さであると、配向CNT膜構造体上にレジストを塗布し、リソグラフィーでレジストに任意のパターンを描き、レジストをマスクとして配向CNT膜構造体の不用部分をエッチングし、任意形状の回路あるいはデバイスを形成することが容易に実行可能となる。すなわちこれによれば、周知のパターニング技術やエッチング技術の適用が可能となり、形状が厳密に制御され、所望の特性を有する配向CNT膜構造体を製造することが可能となる。
(1)高密度化した配向CNTフィルムでも、例えばエッチングの選択比の稼げるシリカ系のレジストHSQ(hydrogen silsesquioxane)(FOX16:ダウコーニング社製)を均一に塗布できないことがある。また、HSQレジストの再現性を得るのが難しいことがある。
(2)配向の異なる配向CNTフィルムから成るマイクロ膜構造体を、一つの基板内に構築できることが望まれる。
物体は、伸縮力により歪みを受けた場合、変形する。初め、伸縮されたことのない、配向CNT膜構造体3には、裂け目や亀裂帯はない。(図5(a))。配向CNT膜構造体を伸張すると、伸張された初回は、図5(b)の模式図に示すように、CNTが配向している領域の、高密度に充填されたCNTの間に複数の裂け目が生じる。伸張量の増加とともに、各々の裂け目はCNTの配向方向に沿って帯状・縦長に急速に大きくなる。さらに伸張量が増加すると、裂け目は、次々と融合し始める(図5(c))。CNTが繊維状の物質であるために、図5(d)に示すように、裂け目の境界にあるCNTは、裂け目が融合した際に、融合した裂け目を架橋する形で残る。本明細書では、架橋するCNTを含む、このような裂け目を亀裂帯と呼ぶ。また架橋CNTとは、亀裂帯を架橋するCNTのことを示す。
後述の実施例1の方法で製造した、伸縮装置1の動作機構について、図10を用いて説明する。実施例1の方法で製造した伸縮装置を、図6で示すように、配向CNT膜構造体3のCNTの配向の方向6に対して、90度の方向で伸縮させた。図10は、様々な伸縮をうけている伸縮装置の配向CNT膜構造体の写真である。配向CNT膜構造体中のCNTは、図の上下方向に配向している。図のサイズは一辺60μmであり、各図の左上の数値は伸長率を示している。
本明細書での検知装置とは、伸縮装置の伸縮を検出する装置のことである。検知装置は、伸縮装置の伸縮を検出できれば、構造、形状、材質を問わず、適宜選択することができ、伸縮装置と非接触で配置されていてもよい。
伸縮が抑制された、剛直域を設けて、その領域に検知装置を設置した。このようにすれば、伸縮装置が伸縮する際に、検知装置は、伸縮の影響を受けず、上記問題が解決できた。具体的には、配向CNT膜構造体に二つの電極から構成される検知装置をつけ、伸縮による配向CNT膜構造体の抵抗変化を検出する伸縮装置を製造した。伸縮可能な基材の、配向CNT膜構造体を配置した面と、反対側の面に、硬い基板であるガラスを接着剤で接合した。このようにして伸縮しない、剛直域を形成した。このような剛直域を、2つの離間する領域に、形成した。次に、その反対面にある、剛直域上の配向CNT膜構造体上に、導電性ペーストと、導電性フィルムを接合し、電極を構成した。このような、構成の検知装置を用いると、検知装置は、伸縮により変形しないため、上記の課題が解決できた。
伸縮性を有する電極を用いて検知装置を構成することで、伸縮可能な検知装置を得ることができた。このような伸縮可能な検知装置は、伸縮装置が伸縮する際に、検知装置自体も伸縮するため、伸縮の影響を受けず、上記問題が解決できた。具体的には、配向CNT膜構造体に二つの電極から構成される検知装置をつけ、伸縮による配向CNT膜構造体の抵抗変化を検出する検知装置を製造した。基材を形成後に、伸縮可能な基材上の一部の領域に、スパッタ法で成膜したチタン/金/チタンの薄膜を成膜し密着層とした。この密着層は、後述の伸縮性電極と伸縮可能な基材を強く密着させるために必要であり、これがないと、伸縮性電極は容易に基材から剥離した。次に、密着層上に、金属配線(リード線)を配置し、その上に、配向CNT膜構造体を形成した。次に、密着層上に、金属配線を覆うように、伸縮性と導電性を有する材料である、導電性CNTゴムペーストを塗り、伸縮性電極を形成した。導電性ゴムペーストは非特許文献(Nature Materials,8(6),494−499(2009))に記載の方法を用いて製造した。最後に、伸縮性電極をPDMS封止材で覆った。このPDMS封止材は、伸縮時に検知装置に発生する応力を軽減する効果があった。
後述の実施例3の方法で製造した、検知装置付きの伸縮装置の動作特性について、図13を用いて説明する。実施例3の方法で生成した伸縮装置を、図6で示すように、配向CNT膜構造体3のCNTの配向の方向6に対して、90度の方向で伸縮させた。
本伸縮装置を2面間で伸縮力を発生する伸縮駆動装置に取り付け、伸縮に対する伸縮装置の抵抗変化率を検知装置で測定した。具体的には、伸長に伴う、配向CNT膜構造体中の亀裂帯の発生、及び成長に伴う、構造変化に起因した、配向CNT膜構造体の抵抗変化を検出している。図13(a)内のaligned CNTで示してあるように250%以上の伸長に対して、測定可能な抵抗変化率を示している。これは、本伸縮装置は、250%程度まで伸長させても、配向CNT膜構造体中が破断せず、伸長を測定可能であった。
図13(b)に、実施例3の方法で作製した検知装置付きの伸縮装置を、2面間で伸縮力を発生する伸縮駆動装置に取り付け、繰り返し伸長―縮小のサイクルをおこなった時の、伸縮装置の抵抗変化率を測定した。その結果、本伸縮装置は、初回の伸長過程とその後の伸縮過程で抵抗変化の様子が異なっていた。これは、上述した通り、初回の伸長過程と、その後の伸縮過程で、伸長に伴う配向CNT膜構造体の構造変化の様子が異なるためである。初回の伸長過程では、抵抗は伸長に対してほぼ直線的に単調増加する。一方で、初回の伸長以降は、抵抗は伸長に対して単調増加するものの、伸長率が小さい領域と伸長率が大きな領域とで抵抗が変化する度合いが異なる。伸長に対して、抵抗が単調増加することは、本伸縮装置を用いて、大きな伸縮の伸縮量を定量的に評価できることを意味する。
図13(c)に、実施例3の方法で作製した、検知装置付きの伸縮装置を、2面間で伸縮力を発生する伸縮駆動装置に取り付け、2回目以後、500回までの伸縮を繰り返した際の抵抗変化率を示す。繰り返し大きな伸縮を受けても、伸縮に伴う抵抗変化は非常に再現性が良く、また、配向CNT膜構造体も破断しなかった。これにより、本発明による伸縮装置は、大きな伸縮を繰り返し検出することが可能なことが分かる。
本明細書での伸縮力供給用部材とは、配向CNT膜構造体に伸縮力を供給するための部材である。伸縮力供給用部材4は、駆動装置9に取り付けるための取り付け具として用いることもでき、その場合、駆動装置9により発生した伸縮力を効率よく伸縮装置1に供給する役割を果たす。伸縮力供給用部材は、伸縮装置の配向CNT膜構造体に伸縮力を供給できれば、構造、形状、材質を問わず、適宜選択することができる。
伸縮駆動装置とは、伸縮装置と、伸縮装置を駆動する駆動装置を備える装置である。駆動装置は、伸縮装置に伸縮力を加え、伸縮装置を伸縮させることができれば、構造、形状、材質を問わず、適宜選択することができる。例えば、適当な駆動力により変位する二つの物体の間に伸縮装置を接続した場合、二物体間の距離を伸縮装置の伸縮量を検知装置で計測することで測定できる。このような構成の装置においては、二つの物体が駆動装置となる。駆動装置として、ロボット、アームや関節を備える機械加工装置、などの可動部を備える機械を例示できる。また、伸縮装置を含む装置全体が、伸縮駆動装置と定義される。適宜必要があれば、効率よく伸縮力を伸縮装置に供給するために、伸縮力供給用部材を用いても良い。
本発明の一実施形態に係る伸縮装置製造方法の詳細を、図1を参照しながら、以下に具体的に説明する。先ず、予め、公知の手法を用いて伸縮可能な基材2を製造する(基材製造工程)。基材は、配向CNTフィルムを配置できる伸縮可能な基材であればよい。また、予め、配向CNTフィルムを製造する(配向CNTフィルム製造工程)。一般的に、配向CNTフィルムの製造に用いる成長用基材は高温に晒されるため、伸縮性を有さない材料から成る。そのため、成長用基材の上に製造した配向CNTフィルムを成長用基材から取り外し、それを伸縮可能な基材に貼り付けることで配置し(配向CNTフィルム配置工程)、高密度化処理を行うことで、配向CNT膜構造体3を製造する(高密度化工程)。この時、配向CNT膜構造体3はその位置、及び配向を制御され、かつ反り返りがない状態で基材2上に配置されることが、特性を制御するために大事である。さらには必要に応じて、伸縮を検出するための検知装置5を製造する(検知装置製造工程)。また、基材2を通して、配向CNT膜構造体3に伸縮を与えるための伸縮力供給用部材4を製造する(伸縮力供給用部材製造工程)。さらには、このように製造された、伸縮装置1を備えかつ、伸縮装置1を駆動する駆動装置9を備える伸縮駆動装置10を製造しても良い(伸縮駆動装置製造工程)。
配向CNTフィルム配置工程とは、成長用基材の上に合成された、配向CNTフィルムを、成長基材から取り外し、別の伸縮可能な基材上に、配向CNTフィルムを貼り付けて配置する工程である。配向CNTフィルム取り外し工程は、配向CNTフィルムを所望の形状、特性を著しく損なわない程度で、成長用基材から取り外せることができる方法であれば、何でもよい。具体的には、成長用基材に形成された配向CNTフィルムをピンセットで把持して直接取り外す方法や、合成樹脂製のメンブレンをピンセットの先端に貼り付けておき、このメンブレンに配向CNTフィルムを貼りつかせて取り外す方法を、状況に応じて実施者が適宜に選ぶことによって実現することができる(図14)。
次の高密度化処理(工程)においては、液体に晒して伸縮可能な基材2の表面に載置した状態にある配向CNTフィルムを高密度化し、伸縮可能な基材2の表面に被着した配向CNT膜構造体3を形成する。この工程は、典型的には、液体が付着した配向CNTフィルムを乾燥させることで行う。配向CNTフィルムを乾燥させる手法としては、たとえば室温空気中での自然乾燥、室温窒素雰囲気下での自然乾燥、真空引き乾燥、アルゴン等の不活性ガス存在下での自然乾燥、及びこれらの雰囲気状態での加熱乾燥などを用いることができる。
高密度化処理(高密度化工程)とは、配向CNTフィルムをCNTと親和性のある液体に浸し、CNT集合体中のCNT間に浸漬した液体の蒸発と、それに伴う液体の表面張力により、CNT集合体中のCNT同士の凝集を誘発し、CNT集合体の本数密度を向上させる方法である。配向CNTフィルムの高密度化処理によって、液体が浸漬もしくは付着したCNT集合体を乾燥させると、高密度化が進む。この現象は、個々のCNTに付着した液体が蒸発する際の表面張力によって互いに隣接するCNT同士がくっつき合うことで起こるものと考えられる。さらにCNT集合体をフィルム状にし、その配向方向を基材の表面と平行にして高密度化処理を施すと、配向CNTフィルムの収縮方向が基材に垂直な方向の1次元上に規定される。これは、基材の表面に沿っての個々のCNTの移動が配向CNTフィルムと基材との密着力によって制限されるのみならず、配向CNTフィルムの側部からなされる液体の蒸発が専ら高さ方向に表面張力を発生させることによる。これらにより、配向CNTフィルムは厚さ方向のみに均一に高密度化されるので、成長用基材から垂直に成長したバルク状のCNT集合体に高密度化処理を施した際の島状に収縮するという問題が起こらない。
高密度化工程において、高密度化する際に溶液に浸したカーボンナノチューブフィルムもしくはカーボンナノチューブを扱うピンセット、カーボンナノチューブフィルムを扱っているメンブレンに泡が生じると、高密度化する際にシワができることがある問題があった。また、高密度化する際に配向CNTフィルムを所望の方向に合わせるのが難しい問題があった。さらに、高密度化乾燥する際に溶媒が高密度化した配向CNTフィルム内に残ることがある問題があった。さらには、配向CNTフィルムを配置、高密度化する際には、基板表面上に液体の表面張力で基板の法線方向に収縮するだけでなく、一部の配向CNTフィルムが基板表面で反り返り高密度化することがある問題があった。
これらの問題を解決するために、配向CNTフィルムの厚みを100μm以下に薄くするとともに、観察に用いる顕微鏡の照明の強度を、乾燥する直前に照明強度を最大から最小に変化させた。これは、実体顕微鏡の照度を調整することにより、配向CNTフィルムの乾燥状態が制御され、反り返りを抑制できているものと推認される。
以下に具体的な実施例を挙げて本発明による伸縮装置、及びその製造方法についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本発明による伸縮装置を、図1を参考に説明する。
本発明の伸縮装置の製造方法のうち、特に好ましいプロセスの一例を、図18を参照しながら、以下に具体的に説明する。
基材の材質として、電気伝導性を有さず、優れた伸長性を示す、ポリジメチルシロキサン(PDMS)であるシルポット184(東レ・ダウコーニング株式会社製)を選んだ。また、形状としては、均一な伸縮を実現するために、均一な厚みを有する板状に成形した。以下に示す、脱泡工程、板状成形工程、剥離工程、成形工程によりかかる基材を製造した。
配向CNTフィルムは、公知の化学気相合成法により製造できる。これは、基材上に触媒を製造し、その触媒に複数のCNTを化学気相成長(CVD)させるものである。配向CNTフィルムは、特願2009−001586に記載の方法などを用い、基材上にパターニングされた触媒から、一定の方向に配向した複数のCNTを成長させた。
次に、成長用基材の上に合成された、配向CNTフィルムを、成長用基材から取り外し、別の伸縮可能な基材2上に、配向CNTフィルムを貼り付けて配置した。
配向CNTフィルムを液体に晒して、乾燥させることで、高密度化させ、配向CNT膜構造体を得た。配向CNTフィルムの配置、高密度化は、同時行っても良い。その際、配向CNTフィルムの周囲から溶液が乾燥していると、配向CNTフィルムの一部のみが、高密度化され、配向CNT膜構造体となって基材に密着することがある。その場合、配向CNTフィルムを任意の位置に配置したり、所望の配向方向を得たりすることが困難となる。そのため、溶液が乾燥し、高密度工程が完了する前に、配向CNTフィルムの配置を完了した。
大きな配向CNT膜構造体を得るため、前述した配向CNTフィルム配置工程及び、配向CNTフィルム高密度化工程を繰り返し、複数の配向CNT膜構造体を、同一の配向方向に、僅かな重ねをもってつなぎ合わせて配置した。
高密度化工程での配向CNTフィルムの圧縮率を〈圧縮率=元の厚さ÷高密度化後の厚さ〉と定義すると、配向CNT膜構造体の重量密度は、〈CNT密度=圧縮率×0.03g/cm3〉となる。配向CNTフィルムの元の厚さを制御することにより、重量密度を0.11g/cm3から0.54g/cm3まで制御することができた。
配向CNTフィルムの元の厚さと高さを制御することにより、配向CNT膜構造体の厚さを100nmから100μmまで制御することができた。高密度化処理での圧縮率は約10であるため、おおまかに、配向CNT膜構造体の10倍の厚みを有する配向CNTフィルムを合成すればよい。配向CNTフィルムの厚みは、公知の半導体の微細加工技術を用いて、触媒のパターニングをすることで制御する。そのため、厚みは、公知の半導体微細加工技術の精度と分解能で制御可能である。配向CNT膜構造体の厚さを100nmとする場合には、約配向CNT膜構造体の厚さを500nm〜1μmの厚さに触媒をパターニングすればよい。また、高さを制御することで、厚い配向CNT膜構造体を得ることもできる。このようにして得た、厚みが100nmから100μmの配向CNT膜構造体から、好適に伸縮装置を製造することができた。
配向CNT膜構造体を構成しているCNTの配向度を評価するたには、走査型電子顕微鏡(SEM)画像などを用いるのがよい。配向CNT膜構造体は、その機能を損なわない程度に一部等方的な構造を含んでいてもかまわない。
以下に具体的な実施例を挙げて本発明によるCNTマイクロ膜構造体を用いた伸縮装置、及びその製造方法についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本発明による伸縮装置を、図25を参考に説明する。
以下に具体的な実施例を挙げて本発明による検知装置を備える伸縮装置、及びその製造方法についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本発明による検知装置を備える伸縮装置70を、図面26を参考に説明する。
このような配向CNT膜構造体3は、複数枚の、高さ(長さ)1mm、厚み6μm、幅18mmのサイズの配向CNTフィルムを用いて製造した。配向CNTフィルムは、1mm程度の重ね部分を設けて配置し、高密度化し、配向CNT膜構造体を得た。
本発明による検知装置付きの伸縮装置、及びその製造方法についての別の実施例について、詳細に説明する。本発明による検知装置付きの伸縮装置80を、図面28を参考に説明する。
本発明による剛直な伸縮力供給用部を備える伸縮装置、及びその製造方法について、詳細に説明する。本発明による剛直な伸縮力供給用部を備える伸縮装置を、図30を参考に説明する。
本発明による伸縮力供給用部付きの伸縮装置、及びその製造方法について、別の実施例を詳細に説明する。本発明による伸縮力供給用部付きの伸縮装置を、図面31を参考に説明する。
本発明による伸縮力供給用部付きの伸縮装置、及びその製造方法について、グローブを伸縮力供給用部材として用いた、実施例6の別の形態について、詳細に説明する。本発明によるデータグローブ伸縮装置を、図32及び33を参考に説明する。
本発明による伸縮力供給用部付きの伸縮装置、及びその製造方法について、絆創膏を伸縮力供給用部材として用いた、実施例6の別の形態について詳細に説明する。本発明による絆創膏伸縮装置を、図35を参考に説明する。
本発明による伸縮力供給用部付きの伸縮装置、及びその製造方法について、ストッキングを伸縮力供給用部材として用いた、実施例6の別の形態について詳細に説明する。本発明によるストッキングデバイスを、図37を参考に説明する。
以下に具体的な実施例を挙げて、本発明によるねじれを検出することができる、伸縮駆動装置、及びその製造方法についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本発明における基材143とは、少なくとも一方向にねじれ性を有し、かつ配向CNT膜構造体3が配置できる物であればよい。材質は、ねじれ可能であればよい。それらを利用し、好ましくは、均一なねじれを実現する形状及び材質にする。そのため、均一なねじれを実現する形状として、均一な直径を有する棒状に成形し、大きな伸びを実現する材質として、ポリジメチルシロキサン(PDMS)であるシルポット184(東レ・ダウコーニング株式会社製)を採用した。さらに、伸縮による配向CNT膜構造体3の抵抗変化を検出する場合には、基材143は、それ自体が電気伝導性を有しないことが好ましく、その点においても、PDMSは好適である。これらの形状及び、材質を有する基材製造工程は、実施例1に示す脱泡工程を経て、以下に示す棒成形工程からなる。
調製した前駆体に、基材成形加工用のテフロン(登録商標)から成る、内径3mmのチューブの一端を射す。チューブの他端を真空ポンプに繋ぎ、真空に引き、前駆体をチューブ内に引き込む。十分に引き込んだら、真空ポンプの繋ぎを外し、M3のネジを用いて栓をする。その後、前駆体に挿入した方のチューブ端を前駆体から取り出し、同様にM3のネジを用いて栓をする。両端を密栓後、前駆体が固化するまで1日置く。前駆体が固化した後、栓を外し、基材を傷つけないように一端からチューブを切開して、基材の一部を露出させる。基材の一部を露出させた後、露出部をピンセット等で把持し、基材をチューブから引き抜き、取り出す。取り出した基材は、5〜8cm程度の長さに、はさみを用いて切断し、棒状の基材2とした。この製造工程で、基材成形加工用のチューブにシリコンゴムを用いた場合、基材の成分であるPDMSと反応し、棒状の基材をチューブから取り出すことが困難になる。また、この基材に回転対称性を与える軸を、この基材の中心軸とする。
配向CNT膜構造体製造工程は、実施例1の配向CNTフィルム製造工程で製造した配向CNTフィルムを、以下に示す配向CNTフィルム配置工程、配向CNTフィルム高密度化工程を、図39に示す転写用基板148に行い、実施例1と同様の配向CNTフィルムの重ね配置工程を行った。転写用基板148とは、配向CNT膜構造体3を、反り返りが無く作製可能で且つ、作製した配向CNT膜構造体3を、基材2に転写可能な基板である。これらの工程により、実施例1と同様の配向CNT膜構造体3の特徴を得た。さらに、配向CNT膜構造体転写工程により、棒状の基材143上に配向CNT膜構造体3を製造した。
配向CNTフィルム配置工程とは、成長用基材の上に合成された配向CNTフィルムを、成長基材から取り外し、別の転写用基板148上に、配向CNTフィルムを貼り付けて配置する工程である。転写用基板148とは、この基材143上に配向CNT膜構造体3を、反り返りが無く作製可能で且つ、作製した配向CNT膜構造体3を基材143に転写可能な材質の基板ならば何でも良い。本実施例では、転写用基板148として、縦20cm、横20cm、厚み1mmのテフロン(登録商標)製の板を用いた。
前述した配向CNTフィルム配置工程で、配向CNT膜構造体3を配置するための転写用基板148上で液体に晒して、液体が付着した配向CNTフィルムを乾燥させることで、配向CNTフィルムの高密度化工程を行う。前述した配向CNTフィルム配置工程は、この高密度化工程で、溶液に晒されている配向CNTフィルムの周囲から溶液が乾燥する前に行い、任意の位置に配向方向をそろえる。配向CNTフィルムの周囲から溶液が乾燥していると、配向CNTフィルムの一部が高密度化され、配向CNT膜構造体となって転写用基板に密着していることがあり、その場合は、配向CNTフィルムを任意の位置に配置することや、配向方向をそろえることは困難となる。
転写用基板上に配向CNTフィルム配置工程及び、配向CNTフィルム高密度化工程で製造した配向CNT膜構造体の端を、棒状の基材の端に接触させる。そこから、図39に示す様に、棒状の基材143を転写用基板148の辺と平行にゆっくり転がし、配向CNT膜構造体3を巻き付ける事を目視で確認しながら、棒状の基材143に配向CNT膜構造体3を巻き付けて転写する。棒状の基材143の初めに配向CNT膜構造体3を接触させた端ともう一方の端まで、配向CNT膜構造体3を巻き付けて到達するまで、棒状の基材143を回転させ、配向CNT膜構造体3を転写する。この様にして伸縮装置141を製造する。
駆動装置142は、伸縮装置141に均一なねじれを与えるため、伸縮装置141に重力の影響を与えないように、基材143の中心軸を鉛直方向に沿うように、図40のように駆動装置142を製造する。また、下記に示す伸縮装置141の基材143の中心軸の両端を把持するため、把持機構であるスウェージロック149を、図40左図で示すように、駆動装置142の上側と下側で固定できるようにする。ねじれを供給するため、駆動装置142の下側に、棒状の基材143に対して垂直な面内で、ある所望の角度回転させる、ねじれを与える回転機構を持たせる。光学的回転ステージ等、公知の物を用いればよい。スウェージロックは導電性のある金属であるステンレス製を用いる。
棒状表面への伸縮力である、ねじれを伸縮装置に供給するため、伸縮装置141を駆動装置142に取り付けられる形態にする必要があった。そのため、伸縮力供給用部材144を通して、駆動装置142に伸縮装置141を設置し、ねじれを供給可能にする必要があった。駆動装置142から伸縮装置141にねじれを供給可能とするためには、基材143上の二つ以上の離間した剛直域に、硬い伸縮力供給用部材144を設けて、駆動装置142からねじれを供給する方法がある。そのため、その製造法について図41及び42を用い以下に詳述する。
本実施例では、検知装置として、配向CNT膜構造体に二つの電極をつけ、ねじれにより、CNT架橋構造を備える亀裂帯の発生により構造が変化した、配向CNT膜構造体の抵抗変化を検出することで、伸縮を検出する装置を示す。検知装置を、伸縮装置のねじれ可能な基材上に配置する場合は、基材がねじれるため、検知装置が変形して検出値が変化したり、検知装置そのものが破壊されたり、検知装置が基材から剥離するという問題があった。これらの問題を解決するために、検知装置は、伸縮装置の配向CNT膜構造体と安定的に接触されている必要があった。配向CNT膜構造体と安定的に接触されているとは、伸縮装置の伸縮時に、伸縮装置の抵抗変化に比して、検知装置の抵抗変化が十分に小さい状態を指し、伸縮装置と検知装置の接合部での解離を生じない状態を指す。このような課題を解決するため、伸縮可能な検知装置を製造する工程を実施したので、以下に詳述する。
CNTを公知の化学気相合成法により製造した。これは、基材上に触媒を製造し、その触媒に複数のCNTを化学気相成長(CVD)させるものである。CNTは、特願2009−001586、特願2006−527894に記載の方法などを用い、基材上に成膜した触媒から、一定の方向に配向した複数のCNTを成長させることで製造すればよい。
2 基材
3 配向CNT膜構造体
4 伸縮力供給用部材
5 検知装置
6 CNTの配向方向
7 亀裂帯
8 CNT架橋体
9 駆動装置
10 伸縮駆動装置
11 硬い基板
12 剛直域
13 伸縮域
14 導電性ペースト
15 導電性フィルム
16 伸縮性電極
17 配線
18 密着層
19 封止材
20 配向CNT膜構造体
21 基材
22 電子回路
23 中間層
24 間隙
50 CNTマイクロ膜構造体
51 配向CNT膜構造体
52 レジスト膜
53 レジストマスク
60 実施例2の伸縮装置
70 実施例3の伸縮装置
75 検知装置
80 実施例4の伸縮装置
85 検知装置
90 実施例5の伸縮装置
94 伸縮力供給用部材
95 接着剤
96 ガラス基板
100 実施例6の伸縮装置
104 伸縮力供給用部材
105 接着剤
106 ゴムシート
110 実施例7の伸縮装置
114 伸縮力供給用部材
120 実施例8の伸縮装置
124 伸縮力供給用部材
130 実施例9の伸縮装置
134 伸縮力供給用部材
137 検知装置
140 実施例10の伸縮駆動装置
141 伸縮装置
142 駆動装置
143 基材
144 伸縮力供給用部材
145 固定部品
146 回転部品
147 検知装置
148 転写用基材
149 把持機構
150 接着剤
Claims (13)
- 伸ばした時に亀裂帯を生じさせる方向に配向しているCNT膜構造体を備え、
前記CNT膜構造体の厚さが10nm以上100μm以下であり、かつ、
前記CNT膜構造体を伸ばした時に形成される亀裂帯を備え、
前記亀裂帯は、伸縮方向に対して少なくとも1本の傾斜した架橋CNTを備えることを特徴とする伸縮装置。 - 前記亀裂帯は、所定の伸びに達した後、網目状に配置されることを特徴とする請求項1記載の伸縮装置。
- 前記CNT膜構造体は、高密度化処理されていることを特徴とする請求項1記載の伸縮装置。
- 前記CNT膜構造体は、前記伸縮可能な基材上に反りのない状態で貼り付けて配置されていることを特徴とする請求項1記載の伸縮装置。
- 前記CNT膜構造体は、重量密度0.1〜1.5g/cm3を有することを特徴とする請求項1記載の伸縮装置。
- 伸ばした時に亀裂帯を生じさせる方向に配向しているCNT膜構造体を備え、
前記CNT膜構造体の厚さが10nm以上100μm以下であり、かつ、
前記CNT膜構造体を伸ばした時に形成される亀裂帯を備え、
前記CNT膜構造体に伸縮力を供給するための伸縮力供給用部材と、を備える伸縮装置。 - 前記伸縮力供給用部材は、伸縮駆動装置に取り付けるための取り付け具であることを特徴とする請求項6記載の伸縮装置。
- 伸縮を検知する検知装置を備えることを特徴とする請求項6記載の伸縮装置。
- 請求項1記載の伸縮装置と、該伸縮装置を駆動する駆動装置とを備える伸縮駆動装置。
- 伸ばした時に亀裂帯を生じさせる方向に配向しているCNT膜構造体であり、
前記CNT膜構造体の厚さが10nm以上100μm以下であり、かつ、
前記CNT膜構造体を伸ばした時に形成される亀裂帯を備え、
前記亀裂帯は、伸縮方向に対して少なくとも1本の傾斜した架橋CNTを備えることを特徴とするCNT膜構造体。 - 前記亀裂帯は、所定の伸びに達した後、網目状に配置されることを特徴とする請求項10記載のCNT膜構造体。
- 前記CNT膜構造体は、高密度化処理されていることを特徴とする請求項10記載のCNT膜構造体。
- 前記CNT膜構造体は、重量密度0.1〜1.5g/cm 3 を有することを特徴とする請求項10記載のCNT膜構造体。
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