JP6883182B2 - 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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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (5)
- 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であって、
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)イミドからなり、
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つであり、
前記イオン液体−高分子材料ゲル層に含まれるイオン液体の濃度が30乃至70wt%であることを特徴とするフレキシブル加速度センサ。 - 前記伸縮性電極は、ポリグリセリン(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の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または2の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片面にPETフィルムを張り付けてなる請求項1または2のフレキシブル加速度センサ。
- 請求項1乃至4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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