JP6161041B2 - 歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、歪みセンサに関する。

歪みを検出する歪みセンサは、歪み（伸縮）に対する抵抗体の抵抗変化から歪みを検出するよう構成されている。この抵抗体としては、一般的に金属や半導体が用いられている。しかし、金属や半導体は可逆的に伸縮可能な変形量が小さいため、歪みセンサの用途等に制限がある。

そこで、前記抵抗体として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いたデバイスが提案されている（特開２００３−２２７８０８号公報参照）。このデバイスにおいては、所定方向に配向させた複数のＣＮＴからなるＣＮＴ膜等が用いられている。

しかし、前記従来デバイスにおいては、ＣＮＴ膜の伸張時にＣＮＴが不特定の個所で断裂するため、開裂状態によっては抵抗変化のリニアリティが低下する場合がある。また、センサ毎にＣＮＴの断裂個所が異なるため、計測精度にバラツキが発生する。

特開２００３−２２７８０８号公報

本発明は、前述のような事情に基づいてなされたものであり、抵抗変化のリニアリティを高め、かつ計測精度のバラツキを低減できる歪みセンサを提供することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた発明は、柔軟性を有する基板と、この基板の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維を有するＣＮＴ膜と、このＣＮＴ膜における前記ＣＮＴ繊維の配向方向の両端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ＣＮＴ膜が、平面視で規則的パターン又はランダムパターン状に配設された複数の開裂惹起領域を有することを特徴とする。

当該歪みセンサは、一対の電極を離反又は接近させる方向（電極配設方向）に伸張又は収縮すると、ＣＮＴ膜の電気抵抗が変化することにより、歪みを感知することができる。当該歪みセンサはさらに、ＣＮＴ膜に平面視で規則的パターン又はランダムパターン状に配設された複数の開裂惹起領域を設けているため、ＣＮＴ膜の伸張時にこの開裂惹起領域又はその周辺領域でＣＮＴ繊維を優先的に開裂させることができる。これにより、当該歪みセンサは、抵抗変化が大きい領域を容易かつ確実に制御して形成することができるため、抵抗変化のリニアリティを向上させることができると共に、センサの計測精度を一定に保つことができる。

前記開裂惹起領域が、ＣＮＴ繊維が部分的に切除された領域であるとよい。このようにＣＮＴ繊維の部分的な切除により開裂惹起領域を形成することで、容易かつ確実にＣＮＴ繊維の開裂個所を制御することができる。その結果、抵抗変化のリニアリティ及び計測精度の均質化をさらに促進することができる。

前記開裂惹起領域が、レーザー照射によりＣＮＴ繊維の一部を切断又は改質させた領域であるとよい。このようにレーザー照射によるＣＮＴ繊維の切断又は改質により開裂惹起領域を形成することでも、容易かつ確実にＣＮＴ繊維の開裂個所を制御することができる。その結果、抵抗変化のリニアリティ及び計測精度の均質化をさらに促進することができる。

前記開裂惹起領域が、前記改質領域のＣＮＴ繊維を引張により分断した領域であるとよい。このように、レーザー照射により改質させた領域のＣＮＴ繊維を分断して開裂惹起領域を形成することで、さらに確実に計測精度の均質化を促進することができる。

以上説明したように、本発明の歪みセンサによれば、抵抗変化のリニアリティを高め、かつ計測精度のバラツキを低減できる。従って、当該歪みセンサは、圧力センサ、ロードセル、トルクセンサ、位置センサ等として広く利用することができる。

本発明の第一実施形態に係る歪みセンサの模式的平面図（ａ）、ＢＢ線での模式的端面図（ｂ）、及びＣＣ線での模式的端面図（ｃ） 図１の歪みセンサのＣＮＴ繊維束を示す模式図 図１の歪みセンサの製造方法を示す図１（ｂ）に対応する模式的端面図 ＣＮＴ繊維束を形成しているところを示すＳＥＭ写真 図１の歪みセンサのＣＮＴ膜を形成しているところを示す模式図 図１の歪みセンサとは異なる実施形態に係る歪みセンサの図１（ｂ）に対応する模式的端面図 ＣＮＴ膜の表面にレーザー照射したところを示す写真 図１及び図６の歪みセンサとは異なる実施形態に係る歪みセンサの模式的平面図

以下、本発明の歪みセンサの実施の形態を適宜図面を参照しつつ詳説する。

＜第一実施形態＞
図１の歪みセンサ１は、基板２と、この基板２の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維を有するＣＮＴ膜４と、このＣＮＴ膜４の前記ＣＮＴ繊維の配向方向Ａの両端に配設される一対の電極３とを主に備える。

（基板）
基板２は柔軟性を有する平面視矩形状の板状体である。基板２のサイズとしては特に限定されず、例えば平均厚みが１０μｍ以上５ｍｍ以下、幅が１ｍｍ以上５ｃｍ以下、長さが１ｃｍ以上２０ｃｍ以下とすることができる。

基板２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を挙げることができる。基板２は絶縁体又は抵抗値の高い材質であればよいが、金属等の抵抗値の低い材料を用いる場合はその表面に絶縁層又は抵抗値の高い材料をコーティングすればよい。これらの中でも、合成樹脂及びゴムが好ましく、ゴムがさらに好ましい。ゴムを用いることで、基板２の柔軟性をより高めることができる。後述の開裂惹起領域４ａをレーザー照射で形成する場合、レーザー照射面に使用する合成樹脂は、そのレーザー波長に対して透過率が高いことが好ましく、この合成樹脂の具体的なレーザー透過率としては９０％以上が好ましい。

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）等を挙げることができる。

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）、ＰＤＭＳ等を挙げることができる。これらのゴムの中でも強度等の点から天然ゴムが好ましい。

（電極及び導電層）
一対の電極３は、基板２の表面側の長手方向Ａ（ＣＮＴ繊維の配向方向）の両端部分に配設されている。具体的には、各電極３は、基板２の表面の長手方向Ａの両端部分に離間して配設される一対の導電層５の表面にそれぞれ配設されている。

各導電層５は、電極３とＣＮＴ膜４との電気的な接続性を高めている。導電層５を形成する材料としては、導電性を有する限り特に限定されず、例えば導電性ゴム系接着剤等を用いることができる。導電層５としてこのように接着剤を用いることで、基板２、電極３、及びＣＮＴ膜４の両端の固着性を高め、当該歪みセンサ１の持続性を高めることができる。

電極３は、帯状形状を有している。一対の電極３は、基板２の幅方向に、互いに平行に配設されている。電極３を形成する材料としては、特に限定されず、例えば銅、銀、アルミニウム等の金属等を用いることができる。

電極３の形状としては、特に限定されず、例えば膜状、板状、メッシュ状等とすることができるが、メッシュ状とすることが好ましい。このようにメッシュ状の電極３を用いることで、導電層５との密着性及び固着性を高めることができる。このようなメッシュ状の電極３としては、金属メッシュや、不織布に金属を蒸着又はスパッタさせたものを用いることができる。なお、電極３としては、導電性接着剤の塗布等によって形成したものであってもよい。

（ＣＮＴ膜）
ＣＮＴ膜４は、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維からなる複数のＣＮＴ繊維束６及びこの複数のＣＮＴ繊維束６の少なくとも周面を被覆する樹脂層７を有する。つまり、ＣＮＴ繊維束６は複数のＣＮＴ繊維から構成され、このＣＮＴ繊維束６の周囲を樹脂層７が被覆している。また、ＣＮＴ膜４は平面視矩形形状を有し、ＣＮＴ膜４の長手方向Ａの両端部分がそれぞれ導電層５を介して電極３と接続されている。

ＣＮＴ膜４は、一方向（一対の電極３の対向方向Ａ）に配向する複数のＣＮＴ繊維束６を有する。ＣＮＴ繊維束６がこのように配向していることにより一対の電極３が離れる方向（前記方向Ａ）へ歪みが加わった場合に、ＣＮＴ繊維束６を構成するＣＮＴ繊維の切断、離間、ＣＮＴ繊維束６の切断空間（ギャップ）の伸縮等によって当該歪みセンサ１をして抵抗変化を得ることができる。より具体的には、ＣＮＴ繊維束６は、ＣＮＴ繊維からなるバンドル構造となっており、ＣＮＴ繊維束６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。また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、当該歪みセンサ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みセンサの収縮が付勢される。さらに、このギャップ内ではＣＮＴ繊維同士やＣＮＴ繊維と周囲の樹脂との摩擦が低減されるため、樹脂の残留応力等によってＣＮＴ繊維の動きが制限され難い。

各ＣＮＴ繊維束６は、複数のＣＮＴ繊維からなる。ここで、ＣＮＴ繊維とは、１本の長尺のＣＮＴをいう。また、ＣＮＴ繊維束６は、ＣＮＴ繊維の端部同士が連結する連結部を有する。ＣＮＴ繊維同士は、これらのＣＮＴ繊維の長手方向に連結している。このようにＣＮＴ膜４において、ＣＮＴ繊維同士がその長手方向に連結してなるＣＮＴ繊維束６を用いることで、ＣＮＴ繊維束６の配向方向長さの大きいＣＮＴ膜４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、感度を向上させることができる。

また、複数のＣＮＴ繊維束６は前記連結部等により網目状に連結又は接触しているとよい。この際、連結部において、３つ以上のＣＮＴ繊維の端部が結合していてもよいし、２つのＣＮＴ繊維の端部と他のＣＮＴ繊維の中間部とが結合していてもよい。複数のＣＮＴ繊維束６がこのような網目構造を形成することで、ＣＮＴ繊維束６同士が密接し、ＣＮＴ膜４の抵抗を下げることができる。さらに、当該ＣＮＴ繊維束６の連結部が主な基点となって、隣り合うＣＮＴ繊維束６間に限らず、何本か飛び越えた場所のＣＮＴ繊維束６と連結又は接触してもよい。このように、複雑な網目状のＣＮＴ繊維束６からなるＣＮＴ膜４であれば、より抵抗値が低くなり、ＣＮＴ繊維束６と垂直な方向に剛性の強い歪みセンサとすることができる。なお、ＣＮＴ繊維束６同士の連結とは前記連結部等とＣＮＴ繊維束６とが電気的に繋がることであり、ＣＮＴ繊維束６の連結部ではない部分同士が電気的に繋がった場合も連結に含まれる。ＣＮＴ繊維束６同士の接触とは前記連結部等とＣＮＴ繊維束６とが触れているが電気的に繋がっていないことであり、ＣＮＴ繊維束６の連結部ではない部分同士が触れているが電気的に繋がっていない場合も接触に含まれる。

なお、ＣＮＴ繊維束６は、各ＣＮＴ繊維が実質的にＣＮＴ繊維束６の長手方向Ａに配向され、撚糸されていない状態のものである。このようなＣＮＴ繊維束６を用いることで、ＣＮＴ膜４の均一性を高め、歪みセンサとしてのリニアリティを高めることができる。

なお、前記連結部において、各ＣＮＴ繊維同士は分子間力により結合している。このため、複数のＣＮＴ繊維束６が連結部により網目状に連結した場合においても、連結部の存在による抵抗の上昇が抑えられる。なお、「略平行」とは、複数のＣＮＴ繊維束６の配向方向の成す角度が±５°以内であることを意味する。

なお、ＣＮＴ膜４は、ＣＮＴ繊維束６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。ただし、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。

ＣＮＴ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。

前記ＣＮＴ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、触媒となる鉄あるいはニッケル薄膜を成膜した上に、垂直配向成長した所望する長さのＣＮＴの結晶を得ることができる。

樹脂層７は樹脂を主成分とし、複数のＣＮＴ繊維束６の少なくとも周面を被覆する層である。樹脂層７の主成分としては、基板２の材料として例示した合成樹脂やゴム等を挙げることができ、これらの中でもゴムが好ましい。ゴムを用いることで、大きな歪みに対してもＣＮＴ繊維の十分な保護機能を発揮することができる。なお、「ＣＮＴ繊維束の周面」とは、ＣＮＴ繊維束を形成する複数のＣＮＴ繊維のうち、最も径方向外側の複数のＣＮＴ繊維で形成される外面を意味する。

樹脂層７は、水性エマルジョンから形成されていることが好ましい。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。そのため、樹脂層７を水性エマルジョンから形成すると、例えば塗工や浸漬によりこの樹脂層７を設けることで、樹脂層７がＣＮＴ繊維束６の内部全体に含浸せずにＣＮＴ繊維束６の周囲又は表層の一部に充填された状態とすることができる。このようにすることで、樹脂層７を形成する樹脂がＣＮＴ繊維束６内部全体にしみ込んで、ＣＮＴ膜４の抵抗変化に影響を及ぼすことを抑制できる。なお、水性エマルジョンは乾燥工程を経ることによって、より安定した樹脂層７とすることができる。

当該歪みセンサ１は、樹脂層７がＣＮＴ繊維束６の表層の少なくとも一部に含浸していてもよい。つまり、ＣＮＴ繊維束６の表層の少なくとも一部に樹脂層７が含浸することによって、ＣＮＴ膜４と基板２との結合性及びＣＮＴ膜４の強度が向上し、ＣＮＴ繊維束６が樹脂層７と共に伸縮し易くなる。一方で、ＣＮＴ繊維束６の内部に樹脂層７の含浸部により径方向に囲繞される非含浸部を有することで、ＣＮＴ繊維束６の配向方向に対する変形が樹脂によって阻害されることを防止できる。これらの結果、当該歪みセンサ１の感度及び抵抗変化のリニアリティをさらに高めることができる。さらに、ＣＮＴ繊維束６の表層への樹脂層７の含浸程度により、ＣＮＴ繊維束６の断裂を誘導でき、その面でも当該歪みセンサ１の応答性をさらに高めることができる。これらの作用によってＣＮＴ繊維束６の長手方向にＣＮＴ繊維の分布（濃淡）が発生し、この分布は光学式顕微鏡で確認することもできる。

なお、ＣＮＴ繊維束６は複数のＣＮＴ繊維からなるバンドル構造を有する。具体的には、ＣＮＴ繊維束６の中に複数のＣＮＴ繊維が互いにオーバーラップしながら、長いＣＮＴ繊維束６を形成する。この場合、複数のＣＮＴ繊維が繋がっていくことによって、電流パスを備える長いＣＮＴ繊維束６を形成することになる。これはＣＮＴ繊維が長手方向に切断されても電流パスを失わない理由でもある。樹脂層７は最低限バンドル構造体を形成している複数のＣＮＴ繊維中まで含浸しなければ、ＣＮＴ繊維束６の中へ含浸しても問題ない。ＣＮＴ繊維束６を構成する小さな径のバンドル構造体は、ＣＮＴ繊維束６の中の小さな径の束と考えられる。

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。前記エマルジョンの分散質としては、通常樹脂であり、前述したゴム、特には天然ゴムが好ましい。また、分散質としてポリウレタンを用いてもよい。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より好ましい。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保護膜を形成することができる。

また、樹脂層７はカップリング剤を含有しているとよい。樹脂層７がカップリング剤を含有することで、樹脂層７とＣＮＴ繊維束６とを架橋し、樹脂層７とＣＮＴ繊維束６との接合力を向上させることができる。

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。

カップリング剤の樹脂層７のマトリックス樹脂１００質量部に対する含有量の下限としては、０．１質量部が好ましく、０．５質量部がより好ましい。一方、カップリング剤の樹脂層７のマトリックス樹脂１００質量部に対する含有量の上限としては、１０質量部が好ましく、５質量部がより好ましい。カップリング剤の含有量が前記下限未満の場合、ＣＮＴ繊維束６と樹脂層７との架橋構造の形成が不十分となるおそれがある。逆に、カップリング剤の含有量が前記上限を超える場合、架橋構造を形成しない残留アミン等が増加し、当該歪みセンサ１の品質が低下するおそれがある。

また、樹脂層７はＣＮＴ繊維束６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繊維束６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。

前記分散剤の樹脂層７のマトリックス樹脂１００質量部に対する含有量の下限としては、０．１質量部が好ましく、１質量部がより好ましい。一方、分散剤の樹脂層７のマトリックス樹脂１００質量部に対する含有量の上限としては、５質量部が好ましく、３質量部がより好ましい。分散剤の含有量が前記下限未満の場合、ＣＮＴ繊維束６と樹脂層７との接合力が不十分となるおそれがある。逆に、分散剤の含有量が前記上限を超える場合、ＣＮＴ繊維束６との接合に寄与しない分散剤が増加し、当該歪みセンサ１の品質が低下するおそれがある。

ＣＮＴ膜４の幅の下限としては、１ｍｍが好ましく、１ｃｍがより好ましい。一方、ＣＮＴ膜４の幅の上限としては、１０ｃｍが好ましく、５ｃｍがより好ましい。このようにＣＮＴ膜４の幅を比較的大きくすることで、前述のようにＣＮＴ膜４の抵抗値を下げ、かつこの抵抗値のバラツキも低減することができる。

ＣＮＴ膜４の平均厚みは０．１μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。すなわち、ＣＮＴ膜４の平均厚みの下限としては、０．１μｍが好ましく、１μｍがより好ましく、３μｍがさらに好ましい。一方、ＣＮＴ膜４の平均厚みの上限としては、５０μｍが好ましく、１０μｍがより好ましく、５μｍがさらに好ましい。ＣＮＴ膜４の平均厚みが前記下限未満の場合、このような薄膜の形成が困難になるおそれや、ＣＮＴ膜４の抵抗値が上昇しすぎるおそれがある。逆に、ＣＮＴ膜４の平均厚みが前記上限を超える場合、樹脂層７が基板２の表面まで到達して接合されないので、ＣＮＴ膜４が樹脂層７と共に剥がれるおそれがある。すなわち、ＣＮＴ膜４の平均膜厚が５０μｍ以下の場合には、基板２の表面に樹脂層７が到達して、基板２の表面と樹脂層７とが接合するので、樹脂層７の接合によってＣＮＴ膜４が基板２から剥がれるのを防止できる。

また、前述のように樹脂層７が基板２の表面に接合していることが好ましい。ＣＮＴ膜４の平均厚みを５０μｍ以下とすることで、樹脂層７を基板２の表面に到達させて容易かつ確実に樹脂層７を基板２に接合することができる。これにより、ＣＮＴ膜４と基板２との接合強度を高め、ＣＮＴ膜４の剥離を防止できる。なお、ＣＮＴ膜４の膜厚をより大きくしたい場合は、予め基板２の表面に塗布等により樹脂層を形成しておき、その上にＣＮＴ膜４を配置した後にさらにその上から塗布等により樹脂層を形成してもよい。このように樹脂層７を基板２の表面に到達させることも可能である。

ＣＮＴ膜４におけるＣＮＴ繊維束６の密度の下限としては、１．０ｇ／ｃｍ^３が好ましく、０．８ｇ／ｃｍ^３がより好ましい。一方、ＣＮＴ膜４におけるＣＮＴ繊維束６の密度の上限としては、１．８ｇ／ｃｍ^３が好ましく、１．５ｇ／ｃｍ^３がより好ましい。ＣＮＴ膜４におけるＣＮＴ繊維束６の密度が前記下限未満の場合、ＣＮＴ膜４の抵抗値が高くなるおそれがある。逆に、ＣＮＴ膜４におけるＣＮＴ繊維束６の密度が前記上限を超える場合、十分な抵抗変化が得られないおそれがある。

（開裂惹起領域）
ＣＮＴ膜４は、平面視で規則的パターン状に配設された複数の開裂惹起領域４ａを有する。具体的には、この開裂惹起領域４ａは、ＣＮＴ繊維束６が部分的に切除された領域であり、平面視円形でＣＮＴ膜４を厚さ方向に貫通する孔で構成される。複数の開裂惹起領域４ａは、平面視で等間隔にＣＮＴ膜４に形成されている。また、開裂惹起領域４ａでは基板２の表面に樹脂層７のみが積層されている。

複数の開裂惹起領域４ａは、図２に示すようにＣＮＴ繊維束６が切除されている領域である。そのため、ＣＮＴ膜４の長手方向Ａの伸張によって複数の開裂惹起領域４ａの周辺領域のＣＮＴ繊維が優先的に変形する。その結果、ＣＮＴ膜４の抵抗変化が急激に変動することが防止されるため、抵抗変化のリニアリティを高めることができる。また、ＣＮＴ膜４の伸張を繰り返した際のＣＮＴ繊維束６間の距離変化の再現性も高められ、センサの感度（計測精度）のバラツキを抑えて均質化することができる。

開裂惹起領域４ａの大きさは、当該歪みセンサ１に求める感度やセンサの大きさに合わせて適宜設計することができる。例えば、センサ静置時（ＣＮＴ膜４の非伸縮時）の開裂惹起領域４ａの平均径の下限としては、０．１ｍｍが好ましく、０．５ｍｍがより好ましい。一方、開裂惹起領域４ａの平均径の上限としては、３ｍｍが好ましく、２ｍｍがより好ましい。開裂惹起領域４ａの平均径が前記下限未満の場合、ＣＮＴ膜４の伸縮時の抵抗変化のリニアリティや再現性が十分得られないおそれがある。逆に、開裂惹起領域４ａの平均径が前記上限を超える場合、当該歪みセンサ１の抵抗が必要以上に高くなるおそれがある。なお、「平均径」とは、開裂惹起領域４ａの面積と等しい真円の直径の平均値を意味する。

また、センサ静置時（ＣＮＴ膜４の非伸縮時）の開裂惹起領域４ａの平均間隔の下限としては、０．２ｍｍが好ましく、１ｍｍがより好ましい。一方、開裂惹起領域４ａの平均間隔の上限としては、６ｍｍが好ましく、４ｍｍがより好ましい。開裂惹起領域４ａの平均間隔が前記下限未満の場合、当該歪みセンサ１の抵抗が必要以上に高くなるおそれがある。逆に、開裂惹起領域４ａの平均間隔が前記上限を超える場合、ＣＮＴ膜４の伸縮時の抵抗変化のリニアリティや再現性が十分得られないおそれがある。なお、「平均間隔」とは、隣接する開裂惹起領域４ａの最小距離の平均値を意味する。

センサ静置時（ＣＮＴ膜４の非伸縮時）の開裂惹起領域４ａの面積占有率（ＣＮＴ膜４の平面視面積（開裂惹起領域４ａも含む）に対する複数の開裂惹起領域４ａの合計面積の割合）の下限としては、５％が好ましく、１０％がより好ましい。一方、開裂惹起領域４ａの面積占有率の上限としては、３０％が好ましく、２０％がより好ましい。開裂惹起領域４ａの面積占有率が前記下限未満の場合、ＣＮＴ膜４の伸縮時の抵抗変化のリニアリティや再現性が十分得られないおそれがある。逆に、開裂惹起領域４ａの面積占有率が前記上限を超える場合、当該歪みセンサ１の抵抗が必要以上に高くなるおそれがある。

なお、ＣＮＴ膜４においてＣＮＴ繊維がＣＮＴ繊維束６を構成するため、開裂惹起領域４ａにおいてＣＮＴ繊維を切除してもＣＮＴ繊維が飛散することが防止される。また、ＣＮＴ繊維束６の切断面が樹脂層７の樹脂によってコーティングされ、この端面からの電流のリークを防止できるため、当該歪みセンサ１は抵抗変化の安定性に優れる。さらに、開裂惹起領域４ａを構成する貫通孔には樹脂層７が充填され、樹脂層７が基板２に直接積層されるので、ＣＮＴ膜４と基板２との接合強度が向上する。

（利点）
当該歪みセンサ１は、ＣＮＴ膜４に平面視で規則的パターン状に配設された複数の開裂惹起領域４ａを設けているため、ＣＮＴ膜４の伸張時にこの開裂惹起領域４ａの周辺領域で優先的にＣＮＴ繊維間の距離を変化させることができる。これにより、当該歪みセンサ１は、抵抗変化が大きい領域を容易かつ確実に制御して形成することができるため、抵抗変化のリニアリティを向上させることができると共に、センサの計測精度を一定に保つことができる。

また、当該歪みセンサ１は、ＣＮＴ繊維の部分的な切除により開裂惹起領域４ａを形成するため、容易かつ確実にＣＮＴ繊維の開裂個所を制御することができる。

（製造方法）
当該歪みセンサ１の製造方法としては、特に限定されないが、例えば以下の製造工程で製造することができる。

（１−１）図３（ａ）に示すように、基材Ｘの表面に複数のＣＮＴ繊維束６を配置する。具体的には、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維束６からなるＣＮＴシート（フィルム）を基材Ｘの表面に配置する。このとき、後工程で積層される一対の電極３の対向方向（長手方向）にＣＮＴ繊維束６が配向するようにＣＮＴシートの向きを調節する。なお、基材Ｘとしては例えば離型紙を用いることができる。

なお、前記ＣＮＴシートは、成長用基板上に触媒層を形成し、ＣＶＤ法により一定の方向に配向した複数のＣＮＴ繊維を成長させ、図４のように撚糸せずにそのまま引き出し、他の板材又は筒材等に巻き付けた後に、必要な分のシート状のＣＮＴ繊維を取り出すことで得ることができる。このようにして得られたＣＮＴ繊維束６は、複数のＣＮＴ繊維からなり、このＣＮＴ繊維同士が長手方向に連結する連結部を有する構造となっている。

（１−２）図３（ｂ）に示すように、前記基材ＸとＣＮＴ繊維束６との積層体に対し、厚み方向に複数の貫通孔Ｈを形成し、ＣＮＴ繊維束６（ＣＮＴ繊維）を部分的に切除する。これにより、ＣＮＴ膜４の形成時に複数の開裂惹起領域４ａとなる領域を形成する。なお、貫通孔Ｈの形成方法としては、特に限定されないが、例えばパンチングを用いることができる。貫通孔形成後、基材ＸからＣＮＴ繊維束６を剥離する。

（２−１）図３（ｃ）に示すように、スライドガラス等の離型板上に基板２を形成する。具体的には、スライドガラスＹをラテックスや樹脂溶液に浸漬し、その後乾燥させる。これにより、スライドガラスＹの表面に樹脂製の基板２を形成することができる。なお、離型板としては、スライドガラス以外の他の板材を用いてもよい。

（２−２）図３（ｄ）に示すように、基板２の表面に前述の手順で得た複数の貫通孔Ｈを有するＣＮＴ繊維束６を積層する。

（２−３）図３（ｅ）に示すように、複数のＣＮＴ繊維束６の少なくとも周面に樹脂層７を被覆する。具体的には、スライドガラスＹも含めた全体をラテックスに浸漬するか、あるいは複数のＣＮＴ繊維束６（ＣＮＴシート）の表面にラテックスを塗布することで樹脂層７を形成し、複数の開裂惹起領域４ａを有するＣＮＴ膜４を完成させる。このラテックスは前述のとおり、親水性を有する水性エマルジョンを用いることが好ましい。

（２−４）図３（ｆ）に示すように、この基板２の長手方向両端部分に導電性ゴム系接着剤を塗布し、導電層５を形成する。この際、ＣＮＴ膜４の一部を導電層５が被覆するように導電層５を形成してもよい。

（２−５）図３（ｇ）に示すように、各導電層５の表面に電極３を積層する。

（２−６）電極３の積層後、スライドガラスＹの表面からこれらの積層体を切り出すことで、歪みセンサ１を得ることができる。スライドガラスＹにおける幅方向両端部分は切り落としてもよい。また、長手方向に分断することで、１つの積層体から複数の歪みセンサ１を製造することもできる。

なお、ＣＮＴ繊維を直接基板２に積層し、樹脂層７を形成してからレーザー照射等により貫通孔（開裂惹起領域４ａ）を形成してもよい。ただし、この場合は基板２に貫通孔が到達しないよう制御する必要があるため、前述した基材Ｘに積層した状態で貫通孔を形成する方法を用いる方が好ましい。また、ＣＮＴ膜４の積層手順である前記（１−１）は以下のような手順とすることも可能である。

（１−１’）図５に示すように、ＣＮＴ繊維束６を基材Ｘ上に巻き付ける。このようにすることで、一方向（一対の電極３の対向方向）に配向する複数のＣＮＴ繊維束６を得ることができる。この際、基材Ｘの両端を一対の支持具１３で挟持し、基材Ｘの長手方向を軸に回転させることで、ＣＮＴ繊維束６を巻き付けることができる。なお、基材Ｘの幅方向両端部分をマスキングテープ１２等によりマスクしておいてもよい。

また、硬化前の樹脂層７を基材２の表面に積層してから、ＣＮＴ繊維束６を樹脂層７の内部に配設してもよい。ＣＮＴ膜４の厚さが小さい場合は、このような手順でもＣＮＴ繊維束６の周面を被覆する樹脂層７を形成することができる。

＜第二実施形態＞
図６の歪みセンサ１１は、基板２と、この基板２の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維を有するＣＮＴ膜１４と、このＣＮＴ膜１４の前記ＣＮＴ繊維の配向方向Ａの両端に配設される一対の電極３とを主に備える。ＣＮＴ膜１４以外は、前記第一実施形態の歪みセンサ１と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

（ＣＮＴ膜）
ＣＮＴ膜１４は、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維からなる複数のＣＮＴ繊維束６及びこの複数のＣＮＴ繊維束６の少なくとも周面を被覆する樹脂層７を有する。また、ＣＮＴ膜１４は、平面視で規則的パターン状に配設された複数の開裂惹起領域１４ａを有する。ＣＮＴ繊維束６及び樹脂層７は、第一実施形態のＣＮＴ膜４と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

（開裂惹起領域）
ＣＮＴ膜１４は、平面視で規則的パターン状に配設された複数の開裂惹起領域１４ａを有する。具体的には、この開裂惹起領域１４ａは、レーザー照射によりＣＮＴ膜１４を構成するＣＮＴ繊維の一部を切断又は改質させた領域である。これら複数の開裂惹起領域１４ａは、平面視で等間隔にＣＮＴ膜１４に形成されている。

複数の開裂惹起領域１４ａは、レーザー照射によりＣＮＴ膜１４を構成するＣＮＴ繊維の一部が切断又は改質されているため、ＣＮＴ膜１４の伸張により、開裂惹起領域１４ａのＣＮＴ繊維が優先的に開裂する。その結果、ＣＮＴ膜１４の開裂間隔を開裂惹起領域１４ａの形成ピッチによって制御することが可能となり、抵抗変化のリニアリティを高めることができる。また、開裂惹起領域１４ａによって開裂したＣＮＴ膜１４は繰り返し伸縮させた場合も同じ場所で開裂を繰り返すことになり、歪みセンサ１の再現性も高められ、センサの感度（計測精度）のバラツキを抑えて均質化することができる。ここで、レーザーによって改質されたＣＮＴ繊維とは、ＣＮＴの中の炭素原子の結合が部分的に切断されたもの、ＣＮＴの中の炭素原子の一部が二酸化炭素となったもの、ＣＮＴの中の一部がアモルファス化したもの等が考えられる。

ＣＮＴ膜１４の表面側からレーザーを照射するとレーザーが樹脂層７を透過するため、開裂惹起領域１４ａはＣＮＴ膜１４の厚さ方向の一部に形成される。開裂惹起領域１４ａを形成するためのレーザーはＣＮＴ膜１４の表面にフォーカス（焦点）が合うように設定されることが好ましい。これにより、開裂惹起領域１４ａをＣＮＴ膜１４の表面側に形成することができる。

また、このレーザー照射に用いるレーザー光としてはＣＮＴ繊維を部分的に結晶改質できるものが好ましく、例えばガスレーザー、半導体レーザー、ＹＡＧレーザー等を用いることができる。また、レーザーの波長としては、赤外線波長や可視光波長とすることができる。

具体的なレーザー照射方法を以下に示す。レーザーの波長としては、１μｍ又は５００ｎｍを用いる。そして、例えばＣＮＴ膜１４の伸縮方向のピッチ（インクリメントピッチ）を１００μｍ、ＣＮＴ膜１４の伸縮方向と垂直方向のピッチ（パルスピッチ）を１０μｍとして、ＣＮＴ膜１４の表面にフォーカスが合うようにレーザーを照射する。レーザーのスポット径はフォーカスの合い具合によって変化するが、１μｍ以上５μｍ以下になると考えられる。また、点で照射するレーザーを用い、照射ポイントをライン状に配列させることで、ライン状の開裂惹起領域１４ａを形成することができる。このようにレーザー照射したＣＮＴ膜１４表面の光学式顕微鏡での写真を図７に示す。図７においては、パルスピッチの方向にスジ（レーザー痕）が形成され、このスジが等ピッチでインクリメントピッチ方向に配列されていることが分かる。このように形成された開裂惹起領域１４ａを起点として、ＣＮＴ膜１４は樹脂層７と共に伸縮方向に開裂するようになる。この開裂惹起領域１４ａは、歪みセンサ１のリニアリティを良好に保ち、繰り返しの安定性にも寄与する。

なお、前記レーザー照射はＣＮＴ膜１４を基板２に積層した後に行ってもよく、ＣＮＴ膜１４を離型紙等の表面に形成した状態でレーザー照射を行った後に基板２に積層してもよい。

当該歪みセンサ１１は、ＣＮＴ膜１４の伸張時に開裂惹起領域１４ａでＣＮＴ繊維を優先的に開裂させることができる。これにより、当該歪みセンサ１１は、抵抗変化が大きい領域を容易かつ確実に制御して形成することができるため、抵抗変化のリニアリティを向上させることができると共に、センサの計測精度を一定に保つことができる。

＜その他の実施形態＞
本発明の歪みセンサは前記実施形態に限定されるものではない。前記実施形態では複数の平面視円形の開裂惹起領域を有するＣＮＴ膜を説明したが、開裂惹起領域の形状はこれに限定されない。例えば図８（ａ）に示す歪みセンサ２１のように、平面視でＣＮＴ膜２４の伸張方向と平行な端部から中央側に突出する複数の開裂惹起領域２４ａを設けてもよい。この開裂惹起領域２４ａは、ＣＮＴ膜２４の伸張方向と平行な中心線を挟んで対称に設けられており、その平面形状は半円状である。また、図８（ｂ）に示す歪みセンサ３１のように、図８（ａ）の歪みセンサ２１と同様の位置に、矩形状の複数の開裂惹起領域３４ａを有するＣＮＴ膜３４を用いてもよい。さらに、図８（ｃ）に示す歪みセンサ４１のように、平面視でＣＮＴ膜４４の伸張方向と平行な端部から中央側に突出する複数の開裂惹起領域４４ａを伸張方向に互い違いになるよう形成してもよい。この開裂惹起領域４４ａの平面形状は、例えばＣＮＴ膜４４の端部を底辺とする三角形とすることができる。なお、図１の歪みセンサ１において、開裂惹起領域４ａの平面形状を多角形としてもよい。

また、複数の開裂惹起領域は、ランダムパターン状に配設してもよい。ランダムパターン状に開裂惹起領域を形成することでも、歪みセンサの抵抗変化のリニアリティ及び再現性を高めることができる。

なお、前記第一実施形態のように開裂惹起領域をＣＮＴ繊維の切除により形成する場合、必ずしも図１のような貫通孔を形成する必要はない。例えば表層のみ、中層のみ、又は裏層のみでＣＮＴ繊維を切除してもよい。このような厚さ方向の部分的なＣＮＴ繊維の切除は、例えばレーザーを用いてそのフォーカスを調整することで実現できる。また、開裂惹起領域において、ＣＮＴ繊維を完全に取り除かずに切断のみに留めても本発明の効果を奏することができる。

さらに、前記第二実施形態において、レーザー照射により改質したＣＮＴ繊維をさらに引張により分断して開裂惹起領域を形成してもよい。このように歪みセンサを使用する前に予め改質したＣＮＴ繊維を分断しておくことで、歪みセンサの抵抗変化のリニアリティ及び再現性をより確実に高めることができる。

また、レーザー照射によって形成される複数の開裂惹起領域は等間隔に配設されなくてもよい。例えば、歪みセンサの中央付近の伸縮方向のピッチ（インクリメントピッチ）を他の領域よりも大きくしてもよい。その場合には、歪みセンサの中央付近の感度が高まり、歪みセンサの中央付近を用いて歪みを検出したい対象物に対して有利である。逆に、歪みセンサの中央付近の伸縮方向のピッチを小さくし、歪みセンサの電極に近い部分の前記ピッチを大きくしてもよい。すなわち、歪みセンサの感度が低い領域である電極付近の前記ピッチを大きくすることで歪みセンサの感度を高め、歪みセンサ全体の感度を均一化することができる。なお、前記ピッチは不連続に変化してもよいし、徐々に変化するようにしてもよい。また、歪みセンサの伸縮方向と垂直方向のピッチ（パルスピッチ）を不等間隔としてもよい。その場合にはレーザーの照射するポイント数を調整することによってコスト削減をすることができる。このように不等間隔（不等ピッチ）の開裂惹起領域を備える歪みセンサも本発明の意図する範囲に含まれる。

なお、当該歪みセンサは、開裂惹起領域によって開裂個所を制御できればよいため、ＣＮＴ繊維がＣＮＴ繊維束を構成しないものも本発明の意図する範囲内である。

また、当該歪みセンサにおいて、ＣＮＴ膜の樹脂層の厚さは、ＣＮＴ繊維の積層厚さよりも大きくてもよい。このように樹脂層をＣＮＴ繊維の積層厚さよりも厚くすることで、ＣＮＴ膜内への異物混入等の発生を抑え、センサ機能の持続性を高める保護層を形成することができる。この保護層は、例えばＣＮＴ膜の樹脂層を形成する際に樹脂の塗布量を多くすることで容易かつ確実に形成できる。さらに、当該歪みセンサは、基板の裏面又はＣＮＴ膜の表面にそれぞれアシスト層を設けてもよい。このように歪みセンサの両面側にアシスト層を設けることで、計測対象物への貼付性、検出感度等をバランスよく高めることができる。

また、当該歪みセンサの基板は完全な直方体からなる板状体に限定されるものではなく、変形させて用いることもできる。例えば基板を筒状や波状とすることで、当該歪みセンサの用途を広げることができる。ＣＮＴ繊維束としても、ＣＮＴを紡いで得られたＣＮＴファイバー等を用いてもよい。さらには、ＣＮＴ膜において、一対の電極の対向方向と垂直方向に対向するさらにもう一対の電極を設けてもよい。このように直交する２対の電極を設けることで、当該歪みセンサを二次元センサとして用いることもできる。また、当該歪みセンサの表面又は裏面を粘着性を有する樹脂で被覆することによって、人体、構造物等の歪みを検出したい場所へ簡易に貼り付けて用いることもできる。

なお、ＣＮＴ膜の代わりに基板にレーザーを照射することで、基板に改質領域を形成し、基板に剛性分布を付与することができる。この基板の剛性分布によってＣＮＴ膜の開裂領域を制御することも可能である。

以上説明したように、本発明の歪みセンサは、抵抗変化のリニアリティを高め、かつ計測精度のバラツキを低減できる。そのため、圧力センサ、ロードセル、トルクセンサ、位置センサ等として広く利用することができる。

１、１１、２１、３１、４１ 歪みセンサ
２ 基板
３ 電極
４、１４、２４、３４、４４ ＣＮＴ膜
４ａ、１４ａ、２４ａ、３４ａ、４４ａ 開裂惹起領域
５ 導電層
６ ＣＮＴ繊維束
７ 樹脂層
１２ マスキングテープ
１３ 支持具
Ｘ 基材
Ｙ スライドガラス

Claims (3)

1. 柔軟性を有する基板と、
   この基板の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維を有するＣＮＴ膜と、
   このＣＮＴ膜における前記ＣＮＴ繊維の配向方向の両端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ＣＮＴ膜が、平面視で規則的パターン又はランダムパターン状に配設された複数の開裂惹起領域を有し、
   前記開裂惹起領域が、レーザー照射によりＣＮＴ繊維の一部を切断又は改質させた領域であることを特徴とする歪みセンサ。
2. 前記開裂惹起領域が、前記改質領域のＣＮＴ繊維を引張により分断した領域である請求項１に記載の歪みセンサ。
3. 柔軟性を有する基板と、この基板の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維を有するＣＮＴ膜と、このＣＮＴ膜における前記ＣＮＴ繊維の配向方向の両端に配設される一対の電極とを備える歪みセンサの製造方法であって、
   平面視で規則的パターン又はランダムパターン状に配設され、レーザー照射によりＣＮＴ繊維の一部を切除又は改質させた複数の開裂惹起領域を有するＣＮＴ膜を形成する工程を有することを特徴とする歪みセンサの製造方法。