JPH01185407A - 物理変化検出方法及び検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は変形、変位、応力、歪み等の物理変化の検知方
法と検知素子に関する。更に詳しくは導電性高分子化合
物の光吸収スペクトルまたは光反射スペクトルの変化を
利用して変形、変位、応力、歪み等の物理変化を検知す
る方法と素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、変形、変位、応力、歪み等の物理変化のセンサと
して利用されて来たものは、（ａ）ピエゾエレクトリッ
ク効果（圧電効果）を利用するもの、（ｂ）歪みゲージ
、即ち歪みを加えると原子間隔が変化し、また物理的に
外形（長さ、幅、厚さ）が変化することによって抵抗が
変化することを利用するセンサ、（Ｃ）キャパシタンス
変化を利用するもの、即ち、基ｔ１ζ１体物対象物体と
の相対的距離、位置が変化することによるキャパシタン
スの変化を検知するセンサ、（ｄ）光の透過量が物体の
位置により増減することを利用するもの、（ｅ）電波、
音波などが対象物体から反射されて帰る遅れ時間等を利
用するもの、等が用いられている。

一方、導電性高分子化合物は共役系が高度に発達してい
る高分子化合物であり、可視域に吸収端を有しているの
で、光との相互作用という面から非常に興味深い対象で
ある。これらの性質を利用して各種の機能応用が提案さ
れている。そのなかでも、吉野は導電性高分子化合物が
圧力、歪み等により誘起ドーピングによって絶縁体−金
属転移を起こすことが可能であり、これにより機械的変
形および圧力の検知が可能であることを発表している（
吉野、センサ技術、第４４巻、Ｎｏ、４　（１９８４）
第６８−７３頁ｒハイブリッド材料と光機能性およびセ
ンサへの応用ｊ）。しかしながら、導電性高分子化合物
を用いた他のタイプの機械量センサは知られていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

近年、大量の情報の処理、伝達、変換、記録、表示等を
行う様々な方式が開発され実用化されている。なかでも
様々な情報を処理する人間の頭脳に対応するコンピュー
ターが著しく発達したのに対し、外界の情報を検知、計
測するインターフェイスに対応するセンサの進歩が遅れ
ており、より高性能、高感度、高速、安価、かつ使いや
すいセンサの開発が求められている。中でも、機械量、
即ち変形、変位、応力、歪み等の物理変化のセンサは充
分な性能を有するものがあるとはいえないのが現状であ
る。

従来技術によるセンサはそれぞれ優れた面を持っている
が、また使いにくい、感度が悪い、ダイナミックレンジ
が狭い、大型である、安定性に欠ける、特殊条件でない
と使えない、高価である等の難点をもっている。

〔問題点を解決するための手段〕

従来、導電性高分子化合−物は、いかなる溶媒にも不溶
であり、加熱によっても溶融しないものがほとんどであ
ったが、最近、側鎖に長いアルキル鎖を有する複素５員
環式化合物重合体はある種の溶媒に可溶で、また溶融す
ることも見出された。

特に、この場合、溶媒に溶解した状態では、温度変化に
よって溶液の吸収スペクトルが可逆的に変化することが
知られている。例えば、本発明者らはポリ（３−へキシ
ルチオフェン）の塩化メチレン溶液では室温では赤色で
あるが約４０°Ｃ以上に加熱すると黄色になり、それ以
下に温度を下げるとまた赤色に戻るという変化を見出し
た〔例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス、第２６巻（１９１３７）　Ｌ１３
７　〕。この現象は溶液中での分子のコンフォーメーシ
ョンが溶媒、温度により大きく変わり、それに伴い、光
学的性質が大きく変化するものと考えられる。そこで本
発明者らは、この分子のコンフォーメーションの変化を
変形、変位、歪み、応力等の物理変化によって生ぜしめ
れば同様に光学的性質が変化するのではないかというこ
とに着眼して、前記目的を達成するために鋭意検討した
結果、特定の構造を有する高分子化合物を使用すれば、
変形、変位、歪み、応力等の物理変化によってスペクト
ル変化が生じることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、共役結合を主鎖に有する高分子化合物
を主成分とする組成物又は該組成物と高分子マトリック
ス化合物との複合体よりなる成形物の光吸収スペクトル
または光反射スペクトルが変形、変位、歪み、応力等の
物理変化を受けることにより変化する事を利用する変形
、変位、歪み、応力等の物理変化の検出方法及び検出素
子である。

本発明では、共役結合を主鎖に有する高分子化合物のコ
ンフォーメーションが変形、変位、歪み、°応力等の物
理変化により変わり、それに伴って光吸収スペクトルが
大きく変化するのを検知するセンサであり、共役結合を
主鎖に有する限り、導電性高分子化合物の分子構造には
制約されない。

この動作原理は例えば、コイル状の導電性高分子化合物
がロッド状に変化した場合、或いはコイルがヘリックス
であり、そのヘリックスのピッチが伸びた場合、実効的
に共役長が異なるので、禁止帯幅に変化が生じ、それに
伴い光学的性質が大きく変化するものと推定される。従
って、具体的に変形、変位、歪み、応力等の物理変化を
検知するための構造としては、このような導電性高分子
化合物単体、導電性高分子化合物と他の高分子化合物と
からなる複合体、導電性高分子化合物と他の高分子化合
物とを単層或いは多層積層した構造等が挙げられる。し
かしながら、上記の動作原理ばあ（までも推定であり、
たとえ、動作原理が異なっていたとしても上記の構造の
ものにより変形、変位、歪み、応力のセンシングが可能
であり、必ずしも動作原理を特定するものではないこと
は理解される。

本発明において用いることができる高分子化合物は共役
結合を主鎖に有する高分子化合物を主成分とするもので
あり、このような高分子化合物は通常、導電性高分子化
合物といわれ、すでに１００種類以上の化合物が知られ
ている。具体的にはポリアセチレン、ポリアニリン、ポ
リピロール、ポリフラン、ポリチオフェン、ポリセレノ
フェン、ポリジアセチレン、ポリフェニレンビニレン、
それらの誘導体などが挙げられるが、本発明では、これ
らの化合物に限定するものではない。一般に導電性高分
子化合物は、いかなる溶媒にも不溶であり、加熱によっ
ても溶融しないものがほとんどであるので、成形性の面
からは溶媒に可溶性或いは溶融性の化合物が好ましいが
、製造方法を工夫することによって種々の化合物が使用
できる。溶媒に可溶性の高分子化合物としてはポリアセ
チレンの誘導体、ポリジアセチレンの誘導体、複素５員
環式化合物誘導体の重合体等が挙げられる。なかでも複
素５員環の３位の位置あるいは３．４位の位置に置換基
を有する複素５員環式化合物重合体が好ましく用いられ
る。又、この導電性高分子化合物は公知の方法でドーパ
ントによってドーピングされたものを用いてもよい。

ここで、これらの導電性高分子化合物は、それ自体の単
体で使用することもできるが、導電性高分子化合物及び
他の高分子化合物とからなる複合体、導電性高分子化合
物と他の高分子化合物とを単層或いは多層積層した構造
等のかたちで使用される。又、マトリックス化合物との
複合体でもよい。ここでマトリックス化合物としては上
記導電性高分子化合物重合体を分散、溶解等が可能で、
薄膜の形状を保持できるものであればよく、種々の高分
子化合物が使用可能であり、なかでも、本素子の吸収ス
ペクトルや反射スペクトルの変化がわかり易いように、
できるだけ透明性の良好な化合物が用いられる。また、
機械的強度、安定性などの物性を改良する目的で種々の
可塑剤や充填剤を添加することもできる。

本発明の検知素子の基本的構造は、導電性高分子化合物
重合体単体、特に複素５員環式化合物重合体とマトリッ
クス化合物との複合体或いはそれらを積層した構造を有
するものであり、非常に構造が単純であるので、製造も
容易であり、安価に提供することが可能である。膜の光
吸収スペクトルを利用する場合は、光が透過できる程度
の薄膜にすれば良く、その場合は、基板等の支持材の上
に形成してもよい。

〔実施例〕

以下に本発明を実施例を挙げて具体的に説明する。

参考例 複素５員環式化合物重合体として、３−デシルチオフェ
ンをクロロフォルム中で三塩化鉄を触媒として重合した
ポリ（３−デシルチオフェン）を用い、それをテトラヒ
ドロフランに？容かしたン容液と、別に用意したポリ塩
化ビニルをテトラヒドロフランに溶かした溶液とを混合
し、この混合液をガラス板上にキャスティングして乾燥
して素子とした。ポリ　（３−デシルチオフェン）とポ
リ塩化ビニルの混合割合を変えて、ポリ（３−デシルチ
オフェン）がそれぞれ重量比で８％（厚さ１μ）、４％
（厚さ４μ）、２％（厚さ２３μ）含まれている素子及
びポリ（３−デシルチオフェン）のみからなる素子（厚
さ１μ）を作った。

実施例１ 参考例で作成した素子〔ポリ（３−デシルチオフェン）
が重量比で４％（厚さ４μ）含まれている素子〕を、室
温で赤色の状態で２倍に延伸したところ黄橙色に変色し
た。この場合、絶対変位量が一定であれば、素子の長さ
を変えることによってその変化率は大きく異なる。逆に
いえば、どのような変位であってもこの素子で測定する
ことが可能である。

実施例２ 実施例１と同様にして、ポリ塩化ビニルの代わりにポリ
スチレンを用いて素子を作成した。この素子の吸収スペ
クトルの延伸による変化は実施例１の時と同様であり、
３倍に延伸することによって赤色から褐色に変色した。

実施例３ 実施例１における複素５員環式化合物重合体としての、
ポリ（３−デシルチオフェン）の代わりにポリ（３−ペ
ンチルチオフェン）を用いて実施例１と同様の素子を作
成した。この素子の吸収スペクトルの延伸による変化は
実施例１０時と同様であり、未延伸では赤色をしている
が延伸してい（と、橙色から黄色に変色した。

実施例４ 実施例１で使用したポリ（３−デシルチオフェン）を用
いて、ポリプロピレンとともに溶融成形してポリ（３−
デシルチオフェン）が１％含まれる厚さ０．２１１１ｆ
ｆｌのフィルムを作成した。このフィルムの色は未延伸
では赤色をしているが延伸していくと橙色から黄色に変
色した。

実施例５ 実施例１における複素５員環式化合物重合体としての、
ポリ（３−デシルチオフェン）の代わりにポリ（３−オ
クチルセレノフェン）を用いて実施例１と同様の素子を
作成した。この素子の吸収スペクトルの延伸による変化
は実施例１の時と同様であり、未延伸では赤色をしてい
るが延伸していくと橙色から黄色に変色した。

実施例６ 実施例３で使用したポリ（３−ペンチルチオフェン）の
？８液をポリエチレンテレフタレートのフィルム上に塗
布して積層構造の素子を作成した。

この素子の吸収スペクトルの延伸による変化は実施例３
の時と同様であり、未延伸では赤色をしているが延伸し
ていくと橙色から黄色に変色した。

〔発明の効果〕

本発明の素子は従来の素子に較べて、その構造が極めて
シンプルであるため、その作成が容易であり、安価に提
供することができる。また変化が測定し易い範囲にあり
、光を使う場合は、リモート、無接触センシングが可能
で、大きな変形まで測定できる等、多（の優れた特徴を
有しており機械的諸量の検知、計測の分野に寄与する効
果が大きく、工業上その価値が高い。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）共役結合を主鎖に有する高分子化合物を主成分とす
   る組成物又は該組成物と高分子マトリックス化合物との
   複合体よりなる成形物の物理変化による光吸収スペクト
   ルまたは光反射スペクトルの変化を検出し、該物理変化
   の量を検出することを特徴とする検出方法。２）共役結
   合を主鎖に有する高分子化合物を主成分とする組成物又
   は該組成物と高分子マトリックス化合物との複合体の成
   形物からなる、物理変化による光吸収スペクトルまたは
   光反射スペクトルの変化の検出素子。