JP7083996B2

JP7083996B2 - 歪センサ素子及びその製造方法

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Publication number: JP7083996B2
Application number: JP2018113395A
Authority: JP
Inventors: 祐市須永; 晃一杉田; 秀志鶴岡; 浩一高橋; 亮山村
Original assignee: 杉田電線株式会社; 井上リボン工業株式会社
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: JP2019215291A

Description

特許法第３０条第１項適用平成３０年１月１７日第４回ウェアラブルＥＸＰＯ（於：東京ビックサイト）に発表

特許法第３０条第２項適用平成３０年１月１７日第４回ウェアラブルＥＸＰＯ（於：東京ビックサイト）に発表

本発明は、帯状の伸縮性織物からなる歪センサ素子及びその製造方法に関し、詳しくは、弾性部材からなる経糸に、カーボンナノチューブからなる糸を緯糸として織り込んでなる伸縮可能な帯状の伸縮性織物からなる歪センサ素子及びその製造方法に関する。

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、伸縮歪を検出する歪センサ素子の用途が広がっている。これに合わせて、歪センサ素子へのニーズも多様化している。中でも、人間の身体の動きやロボットの動きを検出するために、軽量で、細い糸状又は帯状で、かつ比較的大きな伸縮を検出できる歪センサ素子へのニーズがある。

伸縮に対して変化するインピーダンスを測定することにより歪を検出するセンサ素子としては、一般的には金属や半導体を用いた歪センサ素子が用いられている。しかしながら、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、金属や半導体を用いた歪センサ素子は、比較的大きな伸縮を検出できる用途には向かない。

特許文献1（特開2011-089923号）は、糸状の弾性体の周囲に螺旋状に導電線を捲回してなり、前記導電線の捲回角が弾性体の伸張変化に伴って変化することにより、インダクタンス（及びキャパシタンス）が変化し、それを検出することで前記伸張変化を計測することのできる糸状の歪センサ素子を開示している。

しかしながら、特許文献1に記載の歪センサ素子は、導電線の捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一でなければ正確な歪を検出できないため、例えば、導電線を均一に固定するための補助部材を捲回する必要があり、そのため弾性体を大きく伸縮させることが困難となる。また特許文献1に記載の実施例によると、伸張による特性インピーダンスの変化が7%程度であり、さらに高い検出感度を有する歪センサが望まれている。

特許文献2（特開2011-47702号）は、複数のカーボンナノチューブ（CNT）を高密度に充填してなる配向CNT膜構造体を、前記複数のCNTが伸縮の方向に対して90度の方向に配向するように伸縮可能な基材上に配置してなる伸縮装置（歪センサ素子）を開示している。特許文献2は、この配向CNT膜構造体は、伸びにより裂け目が生じることにより部分的にカーボンナノチューブ同士の接触が断絶しインピーダンスが変化するので、このインピーダンスを検出することで伸張度を検出できると記載している。この歪センサ素子は格段に大きな伸縮を、繰り返し検出できると記載している。

しかしながら、特許文献2に記載の歪センサ素子は、ゲージ率Kが1～1.5程度でありわずかな変化量に対する感度は十分とは言えない。ここで、ゲージ率Kは、歪センサ素子が伸張する前の長さをL、外力による歪センサ素子の伸張量をΔL、歪センサ素子が伸張する前のインピーダンスをR、歪センサ素子のインピーダンス変化量をΔR、及び歪をεとしたとき、次式：
ε＝ΔL／L＝（ΔR／R）／K ・・・(1)、すなわち
K＝（ΔR／R）／（ΔL／L）・・・（2）
で表される値である。この値が大きいほど歪センサ素子の伸張量に対するインピーダンス変化が大きく、歪みに対する検出感度が高いと言える。さらに、特許文献2に記載の歪センサ素子は、カーボンナノチューブの断絶による電気インピーダンスの変化を検出するといった機構であるため、伸縮を繰り返すとその検出感度が低下してゆき、耐久性という点ではさらなる改良が望まれている。

特許文献3（特開2016-176874号）は、伸縮するよう編成されている１種又は複数種の編糸と、前記編糸の編成体の伸縮方向に引き揃えられ、前記編糸の少なくとも１種と近接するよう配設されている１又は複数の糸状又は膜状に形成されたカーボンナノチューブ束（CNT束）とを備える歪センサ素子を開示しており、糸状に形成されたCNTが編糸と共に編み込まれた構成を記載している。ここで前記糸状に形成されたCNT束とは、複数のCNT繊維が複数の絶縁性繊維と共に集束した繊維束として糸状体を構成したものである。特許文献3は、この歪センサ素子は、編成体が限界まで伸長されても、合成樹脂やゴム等のように塑性変形しないため、CNT束の優れた伸縮性を長期的に発揮することができ、これにより比較的大きな伸縮歪みを繰り返し検出することができると記載している。

しかしながら、特許文献3に記載の歪センサ素子は、前述の特許文献2に記載の歪センサ素子と同じ原理で伸張量を検出しているため、ゲージ率Kの向上は期待できず、わずかな変化量に対する感度は十分とは言えない。

従って、外力による伸張量に対するインピーダンス変化が大きく、歪みに対する検出感度がさらに向上した、すなわち高いゲージ率Kを有する歪センサ素子の開発が望まれている。

特開2011-089923号公報特開2011-47702号公報特開2016-176874号公報

従って、本発明の目的は、外力による伸張量に対するインピーダンス変化が大きく、歪に対する検出感度がさらに向上した、すなわち高いゲージ率Kを有する歪センサ素子を提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、ニードル織機を用いて帯状の伸縮性織物を製造する際に、緯糸としてカーボンナノチューブからなる糸を織り込んで得られた伸縮性織物が、歪センサ素子として著しく高い検出感度を有することを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の歪センサ素子は、弾性部材からなる経糸に、カーボンナノチューブからなる糸を緯糸として織り込んでなる長手方向に伸縮可能な帯状の伸縮性織物からなり、前記緯糸が、前記帯状の伸縮性織物の一方の側部及び他方の側部で折り返すことにより、長手方向の一端から他端まで連続した少なくとも1本の糸で形成されており、前記帯状の伸縮性織物が縮んだ状態のときに、少なくとも1組の隣接する緯糸同士が、前記帯状の伸縮性織物の幅方向の少なくとも一部で接触していることを特徴とする。

本発明の歪センサ素子において、前記隣接する緯糸同士の接触部分が、前記帯状の伸縮性織物の伸びに応じて減少してゆくように構成されているのが好ましい。

本発明の歪センサ素子において、前記隣接する緯糸同士の接触部分の減少に伴って、長手方向の一方の端部と他方の端部との間のインピーダンスが変化するように構成されているのが好ましい。

本発明の歪センサ素子において、前記歪センサ素子が伸張する前の長さをL、外力による前記歪センサ素子の伸張量をΔL、前記歪センサ素子が伸張する前のインピーダンスをR、前記歪センサ素子が伸張したときのインピーダンス変化量をΔRとしたとき、前記歪センサ素子の伸張率（ΔL／L）が20～60％の範囲でゲージ率Kが2以上であるのが好ましく、10以上であるのがさらに好ましい。ただし、ゲージ率Kは、式：K＝（ΔR／R）／（ΔL／L）で表される値である。

本発明の歪センサ素子において、前記弾性部材からなる経糸は、伸縮性樹脂からなるのが好ましい。

本発明の歪センサ素子において、前記弾性部材からなる経糸は、前記伸縮性樹脂からなる本体部と、前記ゴム本体部の周面に螺旋状に巻き付けたポリアミド又はPETの糸からなる被覆部とを有するのが好ましい。

本発明の歪センサ素子において、前記カーボンナノチューブからなる糸が、80～350μmの長さを有するカーボンナノチューブからなる紡績糸であるのが好ましい。

本発明の歪センサ素子において、前記カーボンナノチューブからなる紡績糸が10～200μmの直径を有し、直径偏差が20%以下であるのが好ましい。

前記長手方向に伸縮可能な帯状の伸縮性織物からなる歪センサ素子を製造する本発明の方法は、弾性部材からなる経糸に、カーボンナノチューブからなる糸を緯糸としてニードル織機を用いて織り込むことを特徴とする。

本発明の歪センサ素子は、外力による伸張量に対するインピーダンス変化が大きく、歪に対する検出感度が高いので、人の動き等を検出するための歪センサとして好適である。純粋の炭素からなるカーボンナノチューブの紡績糸は軽量で極めて柔軟であるため、この紡績糸を用いて作製した伸縮性織物は、薄く、洗濯が可能である。

本発明の歪センサ素子の一例を示す顕微鏡写真である。本発明の歪センサ素子の一例を示す模式図である。本発明の歪センサ素子が50％伸張した状態を示す模式図である。本発明の歪センサ素子が100％伸張した状態を示す模式図である。カーボンナノチューブアレイの製造工程を模式的に示す断面図である。基板上に形成されたカーボンナノチューブアレイから紡績糸を作製する工程を示す模式図である。カーボンナノチューブの糸を示す電子顕微鏡写真である。実施例1の歪センサ素子の縮んだ状態を示す顕微鏡写真である。実施例1の歪センサ素子の50%伸張した状態を示す顕微鏡写真である。実施例1の歪センサ素子の100%伸張した状態を示す顕微鏡写真である。実施例1の歪センサ素子の伸張量（ひずみ量）に対するインピーダンスの関係を示すグラフである。実施例2の歪センサ素子を示す顕微鏡写真である。実施例3の歪センサ素子を示す顕微鏡写真である。実施例2の歪センサ素子の伸張量（ひずみ量）に対するインピーダンスの関係を示すグラフである。実施例3の歪センサ素子の伸張量（ひずみ量）に対するインピーダンスの関係を示すグラフである。実施例4の歪センサ素子の伸張量（ひずみ量）に対するインピーダンスの関係を示すグラフである。実施例5の歪センサ素子の伸張量（ひずみ量）に対するインピーダンスの関係を示すグラフである。実施例6の歪センサ素子の伸張量（ひずみ量）に対するインピーダンスの関係を示すグラフである。実施例7の歪センサ素子の伸張量（ひずみ量）に対するインピーダンスの関係を示すグラフである。実施例8の歪センサ素子の伸張量（ひずみ量）に対するインピーダンスの関係を示すグラフである。

[1] 歪センサ素子
(1)構成
本発明の歪センサ素子は、図1及び図2に示すように、弾性部材からなる経糸1に、カーボンナノチューブからなる糸を緯糸2として織り込んでなる長手方向に伸縮可能な帯状の伸縮性織物からなる歪センサ素子10であって、
前記緯糸2は、前記帯状の伸縮性織物の一方の側部3a及び他方の側部3bで折り返すことにより、長手方向の一方の端部から他方の端部まで連続した少なくとも1本の糸で形成されており、前記帯状の伸縮性織物が縮んだ状態のときに、少なくとも1組の隣接する緯糸2a,2b同士が、前記帯状の伸縮性織物の幅方向の少なくとも一部で接触していることを特徴とする。なお、本願明細書において、「カーボンナノチューブ」を「CNT」と略して表記する場合がある。

図1及び図2は、本発明の歪センサ素子10を構成する帯状の伸縮性織物が縮んだ状態を示す。緯糸2は、ニードル織機を用いて、一方の側部3a（打込み側部）から緯糸ループ4を経糸1の間に打込んで製造されるため、長手方向の一方の端部から他方の端部まで連続した少なくとも1本のCNTからなる糸で形成されているとともに、緯糸ループ4を形成する隣接する緯糸2a,2b同士が部分的に接触した状態となっている。緯糸ループ4は、一方の側部3a（打込み側部）とは反対の他方の側部3bで、線として概略的に示される止め糸5によって相互に結ばれている。このような構成により、伸縮性織物が縮んだ状態においては、CNTからなる糸（緯糸2）が前記接触部分で電気的に短絡した状態となっている。

本発明の歪センサ素子10を長手方向に引っ張り、帯状の伸縮性織物が50％伸張（元の長さの1.5倍に伸張）した状態を図3に示す。このように伸縮性織物が伸張した状態では、伸縮性織物が縮んだ状態のときよりも、隣接する緯糸2a,2b同士が他方の側部3a側で乖離しており、隣接する緯糸2a,2b同士の接触部分が減少している。接触部分の長さが減少することによって、CNTからなる糸の短絡部分が一方の側部3b側に移動し、電気的に接続したCNTからなる糸の実質的な長さが長くなっている。

本発明の歪センサ素子10を長手方向にさらに引っ張り、帯状の伸縮性織物が100％伸張（元の長さの2倍に伸張）した状態を図4に示す。このように伸縮性織物がさらに伸張した状態では、隣接する緯糸2a,2b同士の乖離部分が他方の側部3a側でさらに広がり、それに伴って隣接する緯糸2a,2b同士の接触部分がさらに減少している。接触部分の長さがさらに減少することによって、CNTからなる糸の短絡部分が一方の側部3b側にさらに移動し、電気的に接続したCNTからなる糸の実質的な長さがさらに長くなっている。

このように、本発明の歪センサ素子10を長手方向に引っ張り、その長手方向長さが伸張して行くに従って、隣接する緯糸2a,2b同士の乖離部分が他方の側部3a側から一方の側部3b側に徐々に広がって行き、その結果、電気的に接続したCNTからなる糸の実質的な長さが長くなって行くので、歪センサ素子10の長手方向の一方の端部と他方の端部との間のインピーダンスが大きくなって行く。従って、歪センサ素子10の長手方向両端間のインピーダンスを検出することにより、歪センサ素子10の長手方向の伸張度を求めることができる。

歪センサ素子が伸張する前の長さをL、外力による歪センサ素子の伸張量をΔL、歪センサ素子が伸張する前のインピーダンスをR、歪センサ素子が伸張したときのインピーダンス変化量をΔRとしたとき、ゲージ率Kは、式：K＝（ΔR／R）／（ΔL／L）で表される値である。本発明の歪センサ素子において、前記歪センサ素子の伸張率（ΔL／L）が20～60％の範囲で、ゲージ率Kが2以上であるのが好ましく、5以上であるのがより好ましく、10以上であるのがさらに好ましい。また前記歪センサ素子の伸張率（ΔL／L）が40％のときのゲージ率Kは7以上であるのが好ましく、10以上であるのがより好ましく、15以上であるのがさらに好ましい。

本発明の歪センサ素子の長手方向におけるCNTからなる糸のピッチは、特に限定されないが、帯状の伸縮性織物が縮んだ状態において、隣接する緯糸ループ4同士の繰り返し距離（ピッチ）として0.05～1.0 mmであるのが好ましく、0.1～0.55 mmであるのがより好ましく、0.15～0.45 mmであるのが最も好ましい。

本発明の歪センサ素子の幅は、特に限定されないが、帯状の伸縮性織物が縮んだ状態において、1.2～20 mmであるのが好ましく、3～15 mmであるのがより好ましく、5～10 mmであるのが最も好ましい。

(2)帯状の伸縮性織物
本発明の歪センサ素子を構成する長手方向に伸縮可能な帯状の伸縮性織物は、緯糸としてカーボンナノチューブからなる糸を使用し、経糸として弾性部材からなる糸を使用して得られる。

(a) カーボンナノチューブからなる糸
本発明の歪センサ素子の緯糸として用いるカーボンナノチューブからなる糸としては、例えば、カーボンナノチューブを紡績して作製した紡績糸を用いる。カーボンナノチューブからなる糸は、10～200 μmの直径を有するのが好ましく、その直径偏差が20%以下であるのが好ましい。

カーボンナノチューブからなる紡績糸は、基板上に垂直に配向して形成された多数のカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブアレイ）を引き出して、紡績することによって作製することができる。カーボンナノチューブアレイから引き出された個々のカーボンナノチューブは、引き出された方向に連続的に配向し、複数の繊維を形成する。それらの複数の繊維に縒りをかけることで紡績糸が得られる。各カーボンナノチューブは主に二層カーボンナノチューブからなるのが好ましく、2～10 nm程度の直径を有しているのが好ましい。

これらのカーボンナノチューブが基板上に垂直配向してなるカーボンナノチューブアレイは、紡績性の観点からは、カーボンナノチューブの長さが80～350μm程度であるのが好ましく、100～200μm程度であるのがより好ましい。

(b) 弾性部材からなる糸
本発明の歪センサ素子の経糸として用いる弾性部材からなる糸としては、限定されないが、伸縮性樹脂からなるものが好ましい。経糸としては、ポリウレタン系弾性繊維、ポリオレフィン系弾性繊維、ポリエステル系弾性繊維、ポリアミド系弾性繊維、天然ゴム系弾性繊維、合成ゴム系弾性繊維、天然ゴムと合成ゴムの複合ゴム系弾性繊維等の弾性繊維からなる糸が好ましく、特にポリウレタン繊維からなる糸が好ましい。

経糸として用いる糸は、これらの弾性部材からなる糸に合成繊維、再生繊維、半合成繊維、天然繊維等の繊維で横巻きを行った複合繊維であってもよい。このような複合繊維としては、ポリウレタン繊維からなる本体部の周面にポリアミド又はPETを螺旋状に巻き付けてなる被覆部を有する複合繊維（横巻きゴム）が好ましい。

[2] 歪センサ素子の製造方法
(1) 帯状の伸縮性織物の製造
本発明の歪センサ素子は、弾性部材からなる経糸に、カーボンナノチューブからなる糸を緯糸としてニードル織機を用いて織り込むことによって製造する。

ニードル織機とは、固定給糸装置から緯糸を引き出し、二本取りの形で糸を引っかけた緯糸挿入針を、一方の側部3aから杼口に通し、他方の側部3bで緯糸又は止め糸を経糸針で編み込み緯糸を筬打ちさせるシャトルレス織機である。杼口に通した緯糸は、緯糸ループ4を形成する際に、編みの作用又は別の給糸装置から止め糸5を入れて他方の側部3bに編み込んで保持される。このような方法により二本ずつの組になって緯糸が織り込まれる。なお図2、図3及び図4は、他方の側部3bにおいて編み込んだ止め糸を簡略的に1本の止め糸5として示したが、実際は緯糸ループ4に止め糸を編み込んで緯糸抜けないよう保持される。

他方の側部3bで緯糸又は止め糸を編み込む方法は、公知の方法を用いることができる。例えば、(a)緯糸のみで編み込む方法、(b)止め糸で緯糸ループを編み込む方法、(c)緯糸と止め糸とを同時に編み込む方法、(d)二本の止め糸で緯糸ループを編み込む方法が挙げられる。本発明においては、伸縮性織物からなる歪センサ素子を長手方向途中で切断して使用することもあるため、切断時にほつれないような方法である(c)及び(d)の方法が好ましい。

(2) カーボンナノチューブからなる糸の製造
カーボンナノチューブからなる糸は、基板上に垂直配向した多数のカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブアレイ）を紡績することによって得られる。本発明の歪センサ素子で用いるカーボンナノチューブからなる糸を製造する方法の一例を以下に説明するが、本発明はこれらの方法に限定されるものではない。

(A)カーボンナノチューブアレイの製造
カーボンナノチューブアレイを製造する方法は、金属微粒子からなる反応触媒が表面に形成された基板を形成する工程（第１工程）と、前記基板を用いてカーボンナノチューブを合成する工程（第２工程）とを有する。

(i)金属微粒子からなる反応触媒を形成する工程（第１工程）
まず、図5(a)に示すように、平板状の基板101の表面に、触媒となる金属膜102を形成する。基板としては、酸化膜を形成したシリコン、石英等のSiO₂からなる表面に、さらにスパッタ等の方法でAl₂O₃を成膜したもの、又はAl₂O₃からなるサファイヤ基板を使用するのが好ましい。これらの基板に、電子ビーム蒸着等の方法により金属膜（例えば、Fe薄膜）102を成膜する。

触媒となる金属膜（Fe薄膜）102を成膜した後の基板101を反応容器（CVD装置）内に設置し、還元雰囲気下で加熱することにより、図5(b)に示すように、成膜した金属膜102内に金属微粒子102aが形成されるとともに触媒活性が発現する。前記加熱温度は100～1000℃であるのが好ましく、加熱時間は1～100分間であるのが好ましい。

(ii)カーボンナノチューブを合成する工程（第２工程）
第１工程で触媒活性を有する金属微粒子102aを形成させた後、引き続き反応容器（CVD装置）内で、還元雰囲気下で炭素源ガス（原料ガス）を供給し、加熱することにより、基板1上に形成された金属微粒子102aから気相合成法によってカーボンナノチューブ103が形成される（図5(c)）。第２工程は、昇温過程、合成過程及び冷却過程を有している。これらの過程について以下に詳述する。

(a) 昇温過程
炉内の温度を300～1000℃まで昇温する。昇温速度は特に限定されないが、50～1000℃/minであるのが好ましく、100～500℃/minであるのがより好ましい。炭素源ガスの供給は、この昇温過程の開始と同時、又は昇温過程の途中で開始するのが好ましい。炭素源ガスの供給は、昇温後に行ってもよい。

(b) 合成過程
反応容器を昇温した後、還元雰囲気に炭素源ガスを混合してなる混合ガス中で、1～100分間保持することにより、供給した炭素源ガスから気相合成法によりカーボンナノチューブが合成される。炭素源ガスとしては、特に限定されない。混合ガス（還元ガス＋炭素源ガス）中の炭素源ガスの濃度は、1～100体積%であるのが好ましく、5～60体積%であるのがより好ましい。保持温度は500～900℃であるのがより好ましい。また保持時間は、1～20分であるのがより好ましい。

(c) 冷却過程
合成が終了した後、還元性ガス及び炭素源ガスを止めて（又は真空にして）反応容器を室温まで冷却する。降温速度は特に限定されない。

(B) 紡績糸の作製
図6は基板上に形成されたカーボンナノチューブアレイ104から紡績糸を作製する工程を模式的に示す。前述の方法によって得られたカーボンナノチューブアレイ104は図6(a)に示すように、基板上に垂直に配向して形成されている。この基板の一つの辺から、図6(b)に示すように、3～5 mmの部分をその辺に平行に割って、小さい側の基板片101aを水平方向に引き離すと、大きい側の基板片101bと小さい側の基板片101aとの間にカーボンナノチューブ103が連続的に配向し、複数の繊維131を形成する（図6(c)参照）。このようにして引き出された複数の繊維131に、例えば、基板片101bを引き出し方向を軸にして回転させて縒りをかけ、カーボンナノチューブ103からなる紡績糸132を形成する（図6(d)参照）。このようにして得られた紡績糸132は、ボビン105等に巻き付ける。

本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

［実施例1］
(1) カーボンナノチューブからなる糸の作製
シリコンの平板（６インチシリコンウェハ(100)を20 mm×40 mmに切出したもの）の表面に、熱酸化によりSiO₂の薄膜を形成し、さらにスパッタによりAl₂O₃を成膜した。Al₂O₃を成膜した後のシリコン平板に有機溶剤洗浄及びオゾン処理を施した後、電子ビーム蒸着によりFe薄膜を形成し基板を得た。

得られた基板をCVD装置の中に設置し、真空中（10 Pa以下）で150℃及び10分間加熱し、基板に残留する空気、水分等を除去した。次にCVD装置に還元ガスを供給し、還元雰囲気下で400℃まで昇温し、400℃で5分間保持することにより、Fe薄膜表面の酸化膜を還元するとともにFe微粒子を形成した(第１工程)。この状態で金属膜の触媒活性が向上している。

引き続き400℃でアセチレンガスの供給を開始するとともに、約2分かけて800℃まで昇温し、10分間保持してカーボンナノチューブの合成を行った（第２工程）。アセチレンガスと還元ガスとの混合比は、1:7（体積比）であった。800℃で10分間保持した後、アセチレンガスの供給を止め合成を停止し、還元雰囲気のまま800℃で10分間保持した。その後、還元ガスの供給を止め、室温まで冷却し、基板上にカーボンナノチューブが形成されてなるカーボンナノチューブアレイを得た。

得られたカーボンナノチューブアレイを用いて、図6に示すように、基板の一方の短辺（20 mmの辺）から3～5 mmの部分を短辺に平行に割って、小さい側の基板片を水平方向に2～3cm引き離し、両基板片の間に形成されるカーボンナノチューブからなる複数の繊維を縒って紡績糸（長さ40 m以上）を作製した。得られた紡績糸のSEM写真を図7に示す。

(2) 帯状の伸縮性織物の作製
ポリウレタン（44デシテックス）にナイロン（登録商標）（8デシテックス）を横巻きして得られた複合繊維を経糸として使用し、得られたカーボンナノチューブからなる糸を緯糸としてニードル織機を用いて織り込むことによって帯状の伸縮性織物（幅5 mm、緯糸のピッチ0.23 mm）からなる歪センサ素子を作製した。なお緯糸のピッチは、緯糸ループ（緯糸2本組）の繰り返しの間隔である。すなわち、1 cmあたりに44組の緯糸ループを形成するように織物を作製した。

図8～図10に得られた歪センサ素子の顕微鏡写真を示す。図8(a)が縮んだ状態（引張応力がかかっていない状態）、図9(a)が50％伸張した状態、及び図10(a)が100％伸張した状態を示す。図8(b)、図9(b)及び図10(b)は、それぞれ図8(a)、図9(a)及び図10(a)の一方の側部3a側（写真の下端部）を約3倍に拡大した写真である。伸張度が大きくなるに従って、隣接する緯糸同士の接触部分が減少している様子が分かる。

得られた歪センサ素子の長手方向両端に電極を取り付け、長手方向に伸張し、歪センサ素子の伸張量に対するインピーダンスを測定した。なお縮んだ状態における電極間の距離は50 mmであった。結果を図11に示す。

［実施例2及び3］
緯糸のピッチを0.15 mm及び0.55 mmとした以外実施例1と同様にして、それぞれ実施例2及び実施例3の帯状の伸縮性織物からなる歪センサ素子を作製した。得られた伸縮性織物の顕微鏡写真を図12及び図13に示す。

実施例1と同様にして、得られた歪センサ素子の長手方向両端に電極を取り付け、長手方向に伸張し、歪センサ素子の伸張量に対するインピーダンスを測定した。なお縮んだ状態における電極間の距離は50 mmであった。結果を図14及び図15に示す。

［実施例4～8］
伸縮性織物の幅及び緯糸のピッチを表1に示すように変更した以外実施例1と同様にして、実施例4～実施例8の帯状の伸縮性織物からなる歪センサ素子を作製した。

実施例1と同様にして、得られた歪センサ素子の長手方向両端に電極を取り付け、長手方向に伸張し、歪センサ素子の伸張量に対するインピーダンスを測定した。なお縮んだ状態における電極間の距離は50 mmであった。結果を図16～図20に示す。

［ゲージ率の評価］
歪センサ素子の伸張量に対するインピーダンスの関係から、伸張率（ΔL/L）が20%、40%及び60%のときのゲージ率を求めた。結果を表1に示す。

表1の結果から、本発明の歪センサ素子はゲージ率Kが2以上の優れたセンサ性能を有しているのが分かる。特に伸縮性織物の幅及び緯糸のピッチを最適化することにより、ゲージ率Kが10以上の優れた歪センサとして働くことが分かった。

10・・・歪センサ素子
1・・・経糸
2a,2b・・・緯糸
3a・・・一方の側部
3b・・・他方の側部
4・・・緯糸ループ
5・・・止め糸
101・・・基板
101a、101b・・・基板片
102・・・金属膜
102a・・・金属微粒子
103・・・カーボンナノチューブ
104・・・カーボンナノチューブアレイ
131・・・繊維
132・・・紡績糸
105・・・ボビン

Claims

弾性部材からなる経糸に、カーボンナノチューブからなる糸を緯糸として織り込んでなる長手方向に伸縮可能な帯状の伸縮性織物からなる歪センサ素子であって、
前記緯糸が、前記帯状の伸縮性織物の一方の側部及び他方の側部で折り返すことにより、長手方向の一方の端部から他方の端部まで連続した少なくとも1本の糸で形成されており、
前記帯状の伸縮性織物が縮んだ状態のときに、少なくとも1組の隣接する緯糸同士が、前記帯状の伸縮性織物の幅方向の少なくとも一部で接触していることを特徴とする歪センサ素子。
請求項1に記載の歪センサ素子において、
前記隣接する緯糸同士の接触部分が、前記帯状の伸縮性織物の伸びに応じて減少してゆくことを特徴とする歪センサ素子。
請求項2に記載の歪センサ素子において、
前記隣接する緯糸同士の接触部分の減少に伴って、長手方向の一方の端部と他方の端部との間のインピーダンスが変化することを特徴とする歪センサ素子。
請求項3に記載の歪センサ素子において、
前記歪センサ素子が伸張する前の長さをL、外力による前記歪センサ素子の伸張量をΔL、前記歪センサ素子が伸張する前のインピーダンスをR、前記歪センサ素子が伸張したときのインピーダンス変化量をΔRとしたとき、
前記歪センサ素子の伸張率（ΔL／L）が20～60％の範囲でゲージ率Kが2以上［ただし、ゲージ率Kは、式：K＝（ΔR／R）／（ΔL／L）で表される値である。］であることを特徴とする歪センサ素子。
請求項4に記載の歪センサ素子において、
前記歪センサ素子の伸張率（ΔL／L）が20～60％の範囲でゲージ率Kが10以上であることを特徴とする歪センサ素子。
請求項1～5のいずれかに記載の歪センサ素子において、
前記弾性部材からなる経糸が、伸縮性樹脂からなることを特徴とする歪センサ素子。
請求項1～6のいずれかに記載の歪センサ素子において、
前記弾性部材からなる経糸が、前記伸縮性樹脂からなる本体部と、前記本体部の周面に螺旋状に巻き付けたポリアミド又はPETの糸からなる被覆部とを有することを特徴とする歪センサ素子。
請求項1～7のいずれかに記載の歪センサ素子において、
前記カーボンナノチューブからなる糸が、80～350μmの長さを有するカーボンナノチューブからなる紡績糸であることを特徴とする歪センサ素子。
請求項1～8のいずれかに記載の歪センサ素子において、
前記カーボンナノチューブからなる糸が、10～200μmの直径を有し、直径偏差が20%以下であることを特徴とする歪センサ素子。
請求項1～9に記載の長手方向に伸縮可能な帯状の伸縮性織物からなる歪センサ素子を製造する方法であって、
弾性部材からなる経糸に、カーボンナノチューブからなる糸を緯糸としてニードル織機を用いて織り込むことを特徴とする歪センサ素子の製造方法。