JP6470049B2 - Yarn-like strain sensor element and fabric-like strain sensor element - Google Patents
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Description
本発明は、糸状歪みセンサ素子及び布帛状歪みセンサ素子に関する。 The present invention relates to a thread-like strain sensor element and a fabric-like strain sensor element.
近年、例えばロボット、ウェアラブルデバイス等のセンサとして、伸縮歪みを検出する歪みセンサ素子の用途が広がっている。これに合わせて、歪みセンサ素子へのニーズも多様化している。中でも、細い糸状でかつ比較的大きな伸縮を検出できる歪みセンサ素子へのニーズがある。 In recent years, applications of strain sensor elements that detect expansion and contraction have expanded as sensors for robots and wearable devices, for example. Along with this, the needs for strain sensor elements are diversifying. In particular, there is a need for a strain sensor element that is thin and can detect relatively large expansion and contraction.
糸状の歪みセンサ素子としては、糸状の伸縮可能な弾性体の周囲に螺旋状に導電線を捲回してなり、弾性体の伸縮に伴って捲回ピッチが変化する導電線間のインダクタンス又はキャパシタンスの測定することで、伸縮歪みを検出する歪みセンサ素子が提案されている(特開2011−089923号公報参照)。 As a thread-like strain sensor element, a conductive wire is spirally wound around a thread-like stretchable elastic body, and an inductance or capacitance between the conductive wires whose winding pitch changes as the elastic body stretches. A strain sensor element that detects expansion and contraction strain by measurement is proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-089923).
前記公報に記載の歪みセンサ素子では、導電線の捲回ピッチが一定でなければ正確な歪を検出できない。このため、前記公報には、導電線を固定するために、導電線の上から、導電線と反対方向の螺旋状に補助部材を捲回することが開示されている。しかしながら、このように補助部材を捲回すると弾性体を長手方向に大きく伸縮させることは困難となる。従って、前記公報に記載の歪みセンサ素子では、検出精度と検出可能な歪の大きさとがトレードオフの関係となる。 In the strain sensor element described in the above publication, accurate strain cannot be detected unless the winding pitch of the conductive wires is constant. For this reason, the publication discloses that the auxiliary member is wound in a spiral shape in the direction opposite to the conductive line from above the conductive line in order to fix the conductive line. However, when the auxiliary member is wound in this way, it is difficult to greatly expand and contract the elastic body in the longitudinal direction. Therefore, in the strain sensor element described in the above publication, there is a trade-off between detection accuracy and detectable strain magnitude.
前記不都合に鑑みて、本発明は、比較的大きな伸縮歪みを検出できる精度の高い糸状歪みセンサ素子及び布帛状歪みセンサ素子を提供することを課題とする。 In view of the above inconveniences, an object of the present invention is to provide a highly accurate yarn-like strain sensor element and fabric-like strain sensor element capable of detecting a relatively large stretching strain.
前記課題を解決するためになされた発明は、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と、この芯材の周面を被覆し、伸縮性を有する合成樹脂又はゴムを主成分とする保護層とを備える糸状歪みセンサ素子である。 The invention made in order to solve the above-mentioned problems is mainly composed of a core material including a plurality of carbon nanotubes aligned in one direction, a peripheral surface of the core material, and a synthetic resin or rubber having elasticity. A yarn-like strain sensor element comprising a protective layer.
当該糸状歪みセンサ素子は、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が伸長すると、芯材の長さ変化に応じて複数のカーボンナノチューブ同士が離間して電気抵抗を増大させるので、この電気抵抗を測定することにより伸縮歪みを検出できる。また、当該糸状歪みセンサ素子は、芯材の周面を被覆する伸縮可能な保護層を有することにより、伸縮を繰り返した後にも複数のカーボンナノチューブ間の当接関係が保持されるので、伸縮を阻害することなく伸縮歪みの検出精度が担保される。従って、当該糸状歪みセンサ素子は、比較的大きな伸縮歪みを高精度に検出できる。 When the core material including a plurality of carbon nanotubes that are aligned in one direction is elongated, the plurality of carbon nanotubes are separated from each other according to a change in the length of the core material to increase the electrical resistance. By measuring this electrical resistance, stretch distortion can be detected. In addition, since the thread-like strain sensor element has a stretchable protective layer covering the peripheral surface of the core material, the contact relationship between the plurality of carbon nanotubes is maintained even after repeated stretches, so The detection accuracy of expansion / contraction strain is ensured without obstruction. Therefore, the thread-like strain sensor element can detect a relatively large stretching strain with high accuracy.
前記保護層の外周面に配設され、保護層の伸縮を部分的に規制する節形成部材をさらに備えるとよい。このように、前記保護層の外周面に配設され、保護層の伸縮を部分的に規制する節形成部材をさらに備えることによって、芯材の伸長によるカーボンナノチューブの離間を部分的に促進し、抵抗率変化のリニアリティを高めることで検出感度をより向上することができる。 It is preferable to further include a node forming member that is disposed on the outer peripheral surface of the protective layer and partially restricts expansion and contraction of the protective layer. Thus, by further providing a node forming member that is disposed on the outer peripheral surface of the protective layer and partially restricts expansion and contraction of the protective layer, the separation of the carbon nanotubes due to the elongation of the core material is partially promoted, The detection sensitivity can be further improved by increasing the linearity of the resistivity change.
前記節形成部材が、保護層の外周面に螺旋状に巻き付けられる線状体又は帯状体であるとよい。このように、前記節形成部材が、保護層の外周面に螺旋状に巻き付けられる線状体又は帯状体であることによって、効率よくカーボンナノチューブの部分的離間を促進して検出感度をさらに向上することができる。 The node forming member may be a linear body or a belt-like body that is spirally wound around the outer peripheral surface of the protective layer. As described above, when the node forming member is a linear body or a belt-like body that is spirally wound around the outer peripheral surface of the protective layer, the partial separation of the carbon nanotubes is efficiently promoted to further improve the detection sensitivity. be able to.
前記節形成部材が導電性を有するとよい。このように、前記節形成部材が導電性を有することによって、この節形成部材を芯材の一端近傍から他端近傍までの電路として利用することができ、当該糸状歪みセンサ素子の抵抗値を検出するための配線が容易となる。 The node forming member may be conductive. As described above, since the node forming member has conductivity, the node forming member can be used as an electric circuit from one end vicinity of the core material to the other end vicinity, and the resistance value of the filamentous strain sensor element is detected. Wiring for this is facilitated.
前記保護層の外周面を被覆するエラストマー層をさらに備えるとよい。このように、前記保護層の外周面を被覆するエラストマー層をさらに備えることによって、芯体及び保護層を保護すると共に張力に対する伸縮率を安定させることで検出精度をより向上できる。 An elastomer layer that covers the outer peripheral surface of the protective layer may be further provided. Thus, by further providing an elastomer layer that covers the outer peripheral surface of the protective layer, the detection accuracy can be further improved by protecting the core body and the protective layer and stabilizing the expansion / contraction rate with respect to the tension.
また、前記課題を解決するためになされた別の発明は、前記糸状歪みセンサ素子を編成又は織成してなる歪みセンサ素子である。 Another invention made to solve the above problem is a strain sensor element formed by knitting or weaving the thread-like strain sensor element.
当該布帛状歪みセンサ素子は、布帛を構成する糸として前記糸状歪みセンサ素子を含むため、衣服等の生地として使用することで、歪み検出機能を付加することができる。また、当該布帛状歪みセンサ素子は、前記糸状歪みセンサ素子を編成又は織成したことによって、この糸状歪みセンサ素子の伸縮を他の繊維が部分的に抑制するため、芯材の伸長によるカーボンナノチューブの離間が部分的に促進されることで高いリニアリティを有し、検出感度に優れる。 Since the cloth-like strain sensor element includes the thread-like strain sensor element as a thread constituting the cloth, a strain detecting function can be added by using the cloth-like strain sensor element as a cloth such as clothes. In addition, the fabric-like strain sensor element is formed by knitting or weaving the thread-like strain sensor element, so that other fibers partially suppress the expansion and contraction of the thread-like strain sensor element. Since the separation is partially promoted, it has high linearity and excellent detection sensitivity.
ここで、「一方向に引き揃えられる」とは、その配向方向を完全に一致させることまでは要求されず、配向方向のランダムなばらつきやいわゆる撚りのような規則的な偏向を有する状態とされることを含む。 Here, “aligned in one direction” does not require until the alignment directions are completely matched, and is a state having a random variation in the alignment direction and a regular deflection such as a so-called twist. Including.
本発明の糸状歪みセンサ素子及び布帛状歪みセンサ素子は、比較的大きな伸縮歪みを検出でき、かつ検出精度が高い。 The yarn-like strain sensor element and the fabric-like strain sensor element of the present invention can detect a relatively large stretching strain and have high detection accuracy.
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
[第一実施形態]
図1の糸状歪みセンサ素子1は、芯材2と、この芯材の周面を被覆する保護層3とを備える。当該糸状歪みセンサ素子1は、この芯材2の両端間の抵抗値を測定することで、その伸縮歪を検出する。
[First embodiment]
1 includes a
<芯材>
芯材2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4を含む。詳しくは、この芯材2は、カーボンナノチューブ4と絶縁性繊維5とを含む複数の繊維を略一定の方向に配向した繊維束である。
<Core>
The
この芯材2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4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体2は、特にカーボンナノチューブ4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2が長手方向に伸縮すると、カーボンナノチューブ4同士の接触具合に変化が起こり、芯材2の抵抗値に変化を生じる。
The
芯材2の平均径の下限としては、0.5μmが好ましく、5μmがより好ましい。一方、芯材2の平均径の上限としては、5mmが好ましく、1mmがより好ましい。芯材2の平均径が前記下限に満たない場合、カーボンナノチューブ4の連続的な接触を確保できず導通が得られないおそれがある。逆に、芯材2の平均径が前記上限を超える場合、芯材2を形成することが容易ではなくなるおそれや、芯材2の中心部のカーボンナノチューブ4が不規則に移動して検出精度が不十分となるおそれがある。
The lower limit of the average diameter of the
(カーボンナノチューブ)
上記芯材2に含まれるカーボンナノチューブ4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。中でも、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。
(carbon nanotube)
As the
カーボンナノチューブ4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、所望するサイズのカーボンナノチューブ4(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、触媒となる鉄又はニッケル薄膜を成膜した上に、垂直配向して成長した所望の長さのカーボンナノチューブ4の結晶を得ることができる。
The
(絶縁性繊維)
絶縁性繊維5は、カーボンナノチューブ4に混糸されることにより、カーボンナノチューブ4同士の接触を抑制することで、芯材2の電気抵抗率を調節する機能を有する。
(Insulating fiber)
The insulating
絶縁性繊維5の配合率は、得ようとする電気抵抗に応じて定められる。一般論として、芯材2中の絶縁性繊維5の配合率の下限としては、0%である。一方、絶縁性繊維5の配合率の上限としては、50体積%が好ましい。絶縁性繊維5の配合率を0%とするということは、芯材2をカーボンナノチューブ4のみで形成することを意味する。また、絶縁性繊維5の配合率が上記上限を超える場合、カーボンナノチューブ4間の接触が不確実となり、当該糸状歪みセンサ素子1の検出精度が不十分となるおそれがある。
The blending ratio of the
絶縁性繊維5としては、任意の化学繊維を使用することができる。絶縁性繊維5に伸縮性は必須とされないが、伸縮性を有する絶縁性繊維5を使用することで、芯材2の強度を向上することができる。絶縁性繊維5として使用できる伸縮性を有する繊維としては、例えばスパンデックス(伸縮性ウレタン繊維)等が挙げられる。
As the insulating
また、絶縁性繊維5の直径としては、カーボンナノチューブ4と同程度とすることができる。
Further, the diameter of the insulating
このようなカーボンナノチューブ4を一方向に引き揃えて芯材2を形成する方法としては、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カーボンナノチューブ4を成長させ、天然糸を紡ぐのと同様に、複数のカーボンナノチューブ4を連続して引き出す方法が挙げられる。絶縁性繊維5の混糸は、例えばカーボンナノチューブ4が形成された成長用基板上に絶縁性繊維5を散布することによって可能である。つまり、成長用基板上の一部のカーボンナノチューブ4を引き出すことで、他のカーボンナノチューブ4及び絶縁性繊維5が追従して一方向に引き揃えられて連続する糸状に引き出される。この糸状体をそのまま芯材2として使用してもよいし、この糸状体を複数束ねたものを芯材2として使用してもよい。
As a method of forming the
<保護層>
保護層3は、絶縁性及び伸縮性を有する合成樹脂又はゴムを主成分とし、芯材2の周面を被覆することによって、カーボンナノチューブ4が周囲の物体に接触して損傷することや、芯材2に異物が混入してカーボンナノチューブ4間の電気的接触を阻害することを防止する。
<Protective layer>
The
保護層3は、芯材2の表層の少なくとも一部に含浸していることが好ましい。このように、保護層3は、芯材2の表層の少なくとも一部に含浸することによって、芯材2の外周側のカーボンナノチューブ4及び絶縁性繊維5を保持し、カーボンナノチューブ4及び絶縁性繊維5の相互の位置関係の保持を補助する機能を果たすことができる。これによって、当該糸状歪みセンサ素子1の検出感度及び抵抗変化のリニアリティをさらに向上することができる。さらに、芯材2の表層への保護層3の含浸程度に差異を設けることにより、伸長し易い部分と伸長し難い部分とを形成して芯材2の部分的伸縮を誘導し、当該糸状歪みセンサ素子1の応答性をさらに高めることもできる。ただし、保護層3は、カーボンナノチューブ4を被覆してカーボンナノチューブ4間の電気的接触を阻害するので、芯材2の中心部まで完全に含浸してはならない。つまり、芯材2の内部に保護層3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、芯材2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。
The
芯材2の外周面上の保護層3の平均厚さの下限としては、0.1μmが好ましく、0.2μmがより好ましい。一方、芯材2の外周面上の保護層3の平均厚さの上限としては、2mmが好ましく、1mmがより好ましい。芯材2の外周面上の保護層3の平均厚さが前記下限に満たない場合、芯材2の保護が不十分となるおそれがある。逆に、芯材2の外周面上の保護層3の平均厚さが前記上限を超える場合、当該糸状歪みセンサ素子1の伸縮を阻害するおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the
保護層3の主成分としては、特にゴムが好ましい。ゴムを用いることで、保護層3の柔軟性をより高めることができる。
As the main component of the
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。 Examples of the synthetic resin include phenol resin (PF), epoxy resin (EP), melamine resin (MF), urea resin (urea resin, UF), unsaturated polyester (UP), alkyd resin, polyurethane (PUR), heat Curable polyimide (PI), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), medium density polyethylene (MDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAc), acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), acrylonitrile styrene resin (AS), polymethyl methacrylate (PMMA), polyamide (PA), polyacetal (POM), polycarbonate (PC), modified Polyphe Ether (m-PPE), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), and cyclic polyolefin (COP) and the like.
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。 Examples of the rubber include natural rubber (NR), butyl rubber (IIR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), butadiene rubber (BR), urethane rubber (U), and styrene / butadiene rubber (SBR). , Silicone rubber (Q), chloroprene rubber (CR), chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), chlorinated polyethylene (CM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber (CO, ECO), Fluoro rubber (FKM), PDMS, etc. can be mentioned. Among these rubbers, natural rubber is preferable from the viewpoint of strength.
また、保護層3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。カーボンナノチューブ4は疎水性が高いため、保護層3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保護層3を設けることで、保護層3が芯材2の内部全体に含浸せずに芯材2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、保護層3を形成する樹脂が芯材2内部全体に浸み込んで、当該糸状歪みセンサ素子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、より安定した保護層3を形成することができる。
The
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層3を形成することができる。
The main component of the dispersion medium of the aqueous emulsion is water, but other hydrophilic dispersion medium such as alcohol may be contained. The dispersoid of the emulsion is usually a resin, and the above-described rubber, particularly natural rubber is preferable. Further, polyurethane may be used as the dispersoid. Preferred emulsions include so-called latexes in which the dispersion medium is water and rubber is a dispersoid, and natural rubber latex is more preferable. By using natural rubber latex, a thin and strong
また、保護層3はカップリング剤を含有しているとよい。保護層3がカップリング剤を含有することで、保護層3と芯材2とを架橋し、保護層3と芯材2との接合力を向上させることができる。
Moreover, the
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。 As said coupling agent, amino coupling agents, such as an aminosilane coupling agent, an amino titanium coupling agent, and an amino aluminum coupling agent, a silane coupling agent, etc. can be used, for example.
カップリング剤の保護層3の樹脂成分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、カップリング剤の保護層3の樹脂成分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に満たない場合、芯材2と保護層3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、当該糸状歪みセンサ素子1の品質が低下するおそれがある。
As a minimum of content to 100 mass parts of resin components of
また、保護層3は芯材2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、芯材2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。
Further, the
前記分散剤の保護層3の樹脂成分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、分散剤の保護層3の樹脂成分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、芯材2と保護層3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、芯材2との接合に寄与しない分散剤が増加し、当該糸状歪みセンサ素子1の品質が低下するおそれがある。
As a minimum of content to 100 mass parts of resin components of
<利点>
当該糸状歪みセンサ素子1は、芯材2の周面を被覆する伸縮可能な保護層3を有することにより、芯材2の伸縮を阻害することなく、複数のカーボンナノチューブ4間の当接関係が保持されるので比較的大きな伸縮歪みを高精度に検出できる。
<Advantages>
The thread-like
当該糸状歪みセンサ素子1は、糸状であるので、衣服等の生地に縫い糸として縫い付けることができ、これにより生地の伸縮を検出するセンサとして利用することができる。
Since the thread-like
[歪みセンサ素子]
図2の歪みセンサ素子は、図1の糸状歪みセンサ素子1を織成してなる。詳しくは、当該布帛状歪みセンサ素子は、複数の糸状歪みセンサ素子1を縦糸とし、天然繊維又は化学繊維からなる通常糸を横糸6として使用した織物である。
[Strain sensor element]
The strain sensor element of FIG. 2 is formed by weaving the thread-like
また、当該布帛状歪みセンサ素子は、複数の糸状歪みセンサ素子1の両端を接続する一対の接続端子7を備える。この接続端子7は、各糸状歪みセンサ素子1の芯材2に電気的に接続されている。
The fabric-like strain sensor element includes a pair of
当該布帛状歪みセンサ素子は、各糸状歪みセンサ素子1の長手方向の伸縮を検出する。
The fabric-like strain sensor element detects expansion and contraction in the longitudinal direction of each thread-like
<利点>
当該布帛状歪みセンサ素子は、横糸6がそれぞれ糸状歪みセンサ素子1の伸縮を部分的に抑制する節を形成する。このため、当該布帛状歪みセンサ素子は、糸状歪みセンサ素子1のこれらの節の間の部分が集中的に伸縮して、小さな歪みに対してもカーボンナノファイバー4間の接触状態の変化を確実に生じさせるので、リニアリティが高く検出感度に優れる。また、当該布帛状歪みセンサ素子を局所的に伸長させるような力が作用した場合にも、力が作用した部分の対をなす横糸6つまり隣接する節の間において、糸状歪みセンサ素子1を局所的に伸長させるので、局所的な伸縮歪みも高精度に検出することができる。
<Advantages>
In the fabric-like strain sensor element, the
当該布帛状歪みセンサ素子は、他の布帛と縫い合わされて衣服等の生地の一部を構成することができる。これにより、人体の動きを検出するウェアラブルデバイスが容易に構成できる。 The cloth-like strain sensor element can be stitched with another cloth to constitute a part of a cloth such as clothes. Thereby, the wearable device which detects a motion of a human body can be comprised easily.
[第二実施形態]
図3の糸状歪みセンサ素子10は、芯材2と、この芯材の周面を被覆する保護層3と、保護層3の外周面に螺旋状に巻き付けられる節形成部材11と、保護層3及び節形成部材11の外周面を被覆するエラストマー層12とを備える。
[Second Embodiment]
3 includes a
図3の糸状歪みセンサ素子10における芯材2及び保護層3は、図1の糸状歪みセンサ素子1における芯材2及び保護層3と同様であるため、重複する説明は省略する。
The
<節形成部材>
節形成部材11は、保護層3に巻き付けられることにより、保護層3及び芯材2の節形成部材11直下に位置する領域の伸縮を部分的に規制する。
<Knot forming member>
The
これにより、芯材2の伸縮領域を限定し、当該糸状歪みセンサ素子10の長手方向の一部に伸縮応力が作用した場合に、芯材2を部分的に伸縮させ、芯材2の抵抗値変化を生じさせる。このため、当該糸状歪みセンサ素子10は、このような部分的な伸縮歪みに対してもリニアに抵抗値が変化し、伸縮歪みを精度よく検出することができる。
Thereby, the expansion / contraction area | region of the
この節形成部材11としては、線状体又は帯状体が用いられる。また、節形成部材11の材質としては、保護層3に螺旋状に巻き付けられる可撓性を有するものであればよく、例えば金属、樹脂等が挙げられる。節形成部材11は、伸縮性を有しないものであっても、螺旋状に巻き付けられることによって、芯材2及び保護層3と共に伸縮することができる。
As the
螺旋状に巻き付けられる節形成部材11の平均径(帯状体にあっては平均幅)としては、例えば10μm以上500μm以下とすることができる。また、節形成部材11の巻回ピッチとしては、節形成部材11の平均径の1.5倍以上保護層3の平均径以下とすることができる。
The average diameter of the
また、節形成部材11として導電性を有するものを用いることによって、節形成部材11を芯材2の電気抵抗を測定するための配線の一部として使用することができる。つまり、当該糸状歪みセンサ素子10の一端において芯材2及び節形成部材11を短絡することにより、他端において芯材2及び節形成部材11の間に検出回路を接続することで芯材2の両端間の電気抵抗を測定できる。
Further, by using a conductive member as the
また、導電性を有する節形成部材11は、芯材2への外部からの電磁気的ノイズを遮断するシールド又はグランドとしての機能も果たし得る。
Further, the conductive
導電性を有する節形成部材11としては、例えば金属糸、樹脂フィルムに金属を蒸着したものを帯状に切断したリボン等が挙げられる。
Examples of the conductive
<エラストマー層>
エラストマー層12は、保護層3の機能をさらに補強すると共に、節形成部材11の保護層3に対する位置ずれを防止する。
<Elastomer layer>
The
エラストマー層12の材質としては、保護層3と同様とすることができる。
The material of the
エラストマー層12の平均厚さの下限としては、10μmが好ましく、50μmがより好ましい。一方、エラストマー層12の平均厚さの上限としては、5mmが好ましく、2mmがより好ましい。上記エラストマー層12の平均厚さが上記下限に満たない場合、節形成部材11の位置ずれを防止できないおおそれがある。逆に、上記エラストマー層12の平均厚さが上記上限を超える場合、当該糸状歪みセンサ素子10が不必要に大径化するおそれがある。
As a minimum of average thickness of
<利点>
当該糸状歪みセンサ素子10は、前述のように、節形成部材11を有するため、長手方向の一部が部分的に伸縮する場合にも、その伸縮歪みを精度よく検出することができる。
<Advantages>
Since the thread-like
[第三実施形態]
図4の糸状歪みセンサ素子20は、芯材2と、この芯材の周面を被覆する保護層3と、保護層3の外周面に配設される複数の環状の節形成部材21と、保護層3及び複数の節形成部材21の外周面を被覆するエラストマー層12とを備える。
[Third embodiment]
4 includes a
図4の糸状歪みセンサ素子20における芯材2、保護層3及びエラストマー層12は、図1の糸状歪みセンサ素子1における芯材2及び保護層3並びに図3の糸状歪みセンサ素子10におけるエラストマー層12と同様であるため、重複する説明は省略する。
The
<節形成部材>
節形成部材21は、保護層3の外周面に密接して任意の間隔で配設されることによって、保護層3及び芯材2の節形成部材21直下に位置する領域の伸縮を部分的に規制する。この節形成部材21は、等間隔に配設してもよく、当該糸状歪みセンサ素子20の用途に合わせて部分的に異なる間隔で配設してもよい。
<Knot forming member>
The
この節形成部材21としては、例えば保護層3の外周に嵌装後に加熱される環状の熱収縮フィルム(短く切断した熱収縮チューブ)、保護層3の外周面に盛り付けられた後に硬化する各種硬化性樹脂等が挙げられる。
As this
節形成部材21の平均厚さとしては、例えば10μm以上1mm以下とすることができる。節形成部材21の平均幅としては、用途に応じて適宜選択されるが、例えば100μm以上10mm以下とすることができる。
The average thickness of the
<利点>
当該糸状歪みセンサ素子20は、複数の節形成部材21が独立して配設されるので、芯材2の所望の位置の伸縮を選択的に規制することができる。また、複数の節形成部材21が互いに分離されているため、節形成部材21の間においては芯材2及び保護層3の伸縮を阻害せず、高い検出感度が得られる。
<Advantages>
In the thread-like
[第四実施形態]
図5の糸状歪みセンサ素子30は、芯材2と、この芯材の周面を被覆する保護層3と、保護層3の外周面に配設される複数の節形成部材31と、この節形成部材31と一体に形成されて保護層3を被覆するエラストマー層32とを備える。
[Fourth embodiment]
5 includes a
図5の糸状歪みセンサ素子30における芯材2及び保護層3は、図1の糸状歪みセンサ素子1における芯材2及び保護層3と同様であるため、重複する説明は省略する。
The
節形成部材31及びエラストマー層32は、保護層3の外周面に樹脂組成物を塗工して形成され、塗膜の厚さを変化させることによって、膜厚が大きい部分として、芯材2及び保護層3の伸縮を部分的に規制する節形成部材31が形成される。
The
このような節形成部材31及びエラストマー層32を形成する方法としては、樹脂組成物を塗工するダイを振動させたり、エアを噴き付けることにより塗膜の表面を荒したりすることによって形成できる。
As a method of forming such a
節形成部材31のエラストマー層32からの最大突出高さとしては、例えばエラストマー層32の平均厚さの1倍以上5倍以下とすることができる。
The maximum protrusion height of the
[その他の実施形態]
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。
[Other Embodiments]
The said embodiment does not limit the structure of this invention. Therefore, in the above-described embodiment, components of each part of the above-described embodiment can be omitted, replaced, or added based on the description and common general knowledge of the present specification, and they are all interpreted as belonging to the scope of the present invention. Should.
当該糸状歪みセンサ素子の第二乃至第四実施形態において、エラストマー層及び節形成部材はいずれか一方を省略してもよい。 In the second to fourth embodiments of the thread strain sensor element, either one of the elastomer layer and the node forming member may be omitted.
また、当該糸状歪みセンサ素子において、節形成部材は、エラストマー層の内側ではなく、エラストマー層の外周面に配設してもよい。 Further, in the thread-like strain sensor element, the node forming member may be disposed not on the inner side of the elastomer layer but on the outer peripheral surface of the elastomer layer.
また、当該糸状歪みセンサ素子において、節形成部材は、保護層と一体に形成されてもよい。 In the thread-like strain sensor element, the node forming member may be formed integrally with the protective layer.
また、当該布帛状歪みセンサ素子は、当該糸状歪みセンサ素子を横糸として織成してもよい。この場合、織成した布帛の幅のまま使用すれば、各当該糸状歪みセンサ素子が直列に接続された状態であるので、布帛縦方向両端の各当該糸状歪みセンサ素子の端部間の電気抵抗を測定することによって伸縮歪みを検出してもよい。 The fabric-like strain sensor element may be woven using the yarn-like strain sensor element as a weft. In this case, if the width of the woven fabric is used as it is, the respective thread strain sensor elements are connected in series. Therefore, the electrical resistance between the ends of the respective thread strain sensor elements at both ends in the longitudinal direction of the cloth is set. Stretching distortion may be detected by measuring.
また、当該布帛状歪みセンサ素子は、縦糸と横糸の両方に当該糸状歪みセンサ素子を用いて、2方向の伸縮歪みを検出するものとしてもよい。 Further, the fabric-like strain sensor element may be configured to detect bi-directional stretching strain by using the yarn-like strain sensor element for both warp and weft.
また、当該布帛状歪みセンサ素子は、縦糸又は横糸の一部として当該糸状歪みセンサ素子を用いて織成した織物であってもよい。 In addition, the fabric-like strain sensor element may be a fabric woven using the yarn-like strain sensor element as part of the warp or weft.
また、当該布帛状歪みセンサ素子は、当該糸状歪みセンサ素子を少なくとも部分的に使用して編成した編み物であってもよい。 The fabric-like strain sensor element may be a knitted fabric knitted using at least a part of the yarn-like strain sensor element.
本発明の糸状歪みセンサ素子及び布帛状歪みセンサ素子は、ウェアラブルデバイス等のセンサとして好適に利用できる。 The thread-like strain sensor element and the fabric-like strain sensor element of the present invention can be suitably used as a sensor for a wearable device or the like.
1,10,20,30 糸状歪みセンサ素子
2 芯材
3 保護層
4 カーボンナノチューブ
5 絶縁性繊維
6 横糸
7 接続端子
11,21,31 節形成部材
12,32 エラストマー層
1, 10, 20, 30 Threaded
Claims (4)
この芯材の周面を被覆し、伸縮性を有する合成樹脂又はゴムを主成分とする保護層と
を備え、
前記保護層の外周面に配設され、保護層の伸縮を部分的に規制する節形成部材をさらに備える糸状歪みセンサ素子。 A core material including a plurality of carbon nanotubes aligned in one direction;
Covering the peripheral surface of this core material, and comprising a protective layer mainly composed of a synthetic resin or rubber having elasticity ,
A thread-like strain sensor element further comprising a node forming member disposed on the outer peripheral surface of the protective layer and partially restricting expansion and contraction of the protective layer .
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