JPH11241903A

JPH11241903A - 導電性粒子―高分子系による歪みセンサ―

Info

Publication number: JPH11241903A
Application number: JP10371503A
Authority: JP
Inventors: Toyoaki Kimura; 豊明木村; Tadashi Fujisaki; 忠志藤崎
Original assignee: FOR LIFE KK; MITAKE DENSHI KOGYO KK; Shimizu Construction Co Ltd; Maruha Corp; Shimizu Corp
Current assignee: FOR LIFE KK; MITAKE DENSHI KOGYO KK; Shimizu Construction Co Ltd; Maruha Corp; Shimizu Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1998-12-25
Publication date: 1999-09-07
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: JP3418561B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ビル、橋梁、高架道路、トンネル、ダム等の
鉄骨構造物、鉄筋コンクリート構造物の安全監視用の歪
みセンサーを得る。【解決手段】導電性粒子をプラスチック、ゴムなどの
高分子に分散させ、粒子の接触による粒子連鎖を形成
し、系内に導電性回路を形成した系を用い、系が外力に
より伸張を受けたとき、この回路も伸張を受け、この結
果系の電気抵抗が増加し、この増加分を測定することに
より伸張歪みを計測するセンサーとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導電性粒子をプラ
スチック、ゴムなどの高分子に分散させ、粒子の接触に
よる粒子連鎖を形成し、系内に導電性回路を形成した系
を用い、系が外力により伸張を受けたとき、この回路も
伸張を受け、この結果系の電気抵抗が増加し、この増加
分を測定することにより伸張歪みを計測するセンサーに
関するものである。

【０００２】この技術の主要な応用分野としては、鉄骨
構造物、鉄筋コンクリート構造物の安全監視にある。ビ
ル、橋梁、高架道路、トンネル、ダム等、現代社会の構
築物は殆ど全てが鉄骨、鉄筋コンクリートを主要材料と
した構造物からなっている。これら鉄骨、鉄筋コンクリ
ートの安全確認が地震国である我が国の主要なテーマで
あることは言うまでもない。しかもコンピューターによ
る情報システムを設置すれば、日本中何処ででもリアル
タイムによるオンライン監視が可能である。

【０００３】前述の構造物のみならず、重化学産業のタ
ンクなどの不等沈下のオンラインシステムによる監視も
可能である。また危険物取り扱い法で定められている、
危険物貯蔵所、たとえば地下タンク等の検査も、検査日
に内容物を取り出して検査しなくても、通常の業務中
に、常時検査することも可能になる。

【０００４】上記の他にも船舶、メガフロート、航空
機、大型車両等にも設置して安全管理にも寄与できる。
特にメガフロートは現在のところ一定期間後にドックに
曳航して検査しているので莫大な経費が必要となる。本
発明のようなセンサー設置によりドックの使用回数を減
らすことができれば大きな経費節減につながる。

【０００５】

【従来の技術】従来、鉄骨構造物、鉄筋コンクリート構
造物は、その外部構造の耐火被覆材やコンクリートを剥
離しない限り主構造の鉄骨、鉄筋の安全状況、すなわち
破断、亀裂等の有無を確認することが出来なかった。近
年これらの構造物に対して歪みセンサーを用いることに
よりどの部分も破壊することなく、鉄骨、鉄筋などの安
全性を確認する技術が要望されている。

【０００６】これらの技術は，蛇行した抵抗線による歪
み測定器、プラスチックフィルムに金属粉に依る導電性
インクで蛇行のパターンを印刷したもの、セラミックの
変形によるもの、およびカーボン繊維の切断による歪み
測定器が知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】これらのうち、導電性
インクをフイルムに印刷したものは一見本発明に類似し
ているが、次に述べるように大きな相違がある。導電性
インクを印刷したセンサーの場合は、センサーの歪みを
抵抗値の変化から計測している。この場合抵抗値は歪み
に比例している。すなわち抵抗値は歪みの１次関数(直
線関係)である。従ってこの様なセンサーを建物などに
設置して、地震による破壊を検知するには、センサーの
徹底した校正が必要となる。また厳密な校正が施された
としても、センサー特性の経時変化が微小であることが
要求される。すなわちセンサーの抵抗値に変化があった
場合、歪みによるものかあるいは経時変化なのか解らな
いようなことがあれば不都合である。一般的に言えば、
校正は数年の間隔で行われるが、建築物が破壊するよう
な地震は10年先か100年先か解らない。そのような長期
間特性が安定していることが要求される。導電性インク
の印刷物がそのような長期間の安定性をもっているかど
うかは疑問である。

【０００８】導電性インクを印刷したセンサーのもう一
つの問題点は、前述のセンサーの校正に関するものであ
るが、歪みと抵抗値の間に常に定まった関係を維持する
ためには、センサー全体にわたって印刷膜が一定の特性
を示さなければならない。大きなセンサーを作製した場
合センサーの印刷部のどの部分においても単位長さ当た
りの抵抗値は一定である印刷膜を形成せねばならない。
一般に小面積を一定の特性に押さえ込むことはできて
も、大面積を一定の特性に保つのは困難である。こうし
た理由からか導電性インクを印刷したセンサーは極度に
小さい。

【０００９】また導電性インクの印刷膜は金属粒子が沈
積したものであるから、印刷膜の体積抵抗も自ずからあ
る範囲内に限定されてしまって、体積抵抗を自由に調節
するわけには行かない。これもこのセンサーが大型にで
きない要因の一つである。

【００１０】前述の問題点の他に、従来のセンサーの第
一の欠点は、小型である事である。今、ビルを例にとる
と、使用する鉄骨量は莫大であり、従ってモニターすべ
き箇所もかなりの数になる。センサーが小型の場合は、
ビルを安全に管理するためには無数のセンサーが必要と
なり、この分のコスト増はそれだけ負担となる。まして
高架道路となるとこの問題は更に深刻となる。更に、こ
れら従来のセンサーは高価なものであるので、建築物、
橋梁などに使用するのは事実上不可能である。

【００１１】従来のセンサーの第二の欠点は、先に述べ
たようにセンサーからの出力が直線的な点である。セン
サーの徹底した更正、数十年にわたる特性維持無しに
は、監視システムの設計が難しくなる。つまりどの値が
構造物の危険な状態であるのか明確に指示できなければ
ならない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の導電性粒子−高
分子系による歪みセンサーは導電性粒子を高分子に分散
させてシート状その他所定形状の成形物とし、該成形物
に張力が働いて系が伸張することにより引き起こされる
電気抵抗の変化から、系に課せられた伸び歪みを読みと
るセンサーである。

【００１３】ここで、成形物は導電性粒子を高分子の溶
媒溶液に混合分散させ、溶媒を除去してシート状に成形
したり、導電性粒子を高分子の溶媒溶液に混合分散して
印刷インキとし、該印刷インキを基材フィルムに塗布・
印刷したり、導電性粒子と熱可塑性高分子とを溶融混練
して導電性粒子を高分子に分散させ、シート状その他所
定形状に成形したり、導電性粒子と硬化性樹脂とその硬
化剤に混合分散させた後、成形硬化して得られる。

【００１４】したがって、本発明で使用可能な導電性粒
子はカーボンブラック、黒鉛、活性炭、カーボン繊維、
カーボンウィスカー、フラーレン、カーボンナノチュー
ブ、金属粉、金属箔、金属繊維、絶縁体ビーズ又はマイ
クロビーズの表面にカーボンを付与したもの、雲母、チ
タン酸カリウムなどの絶縁物微細片に化学メッキ、ＣＶ
Ｄ又はＰＶＤの処理により導電性を付与したものが用途
に応じて選択できる。

【００１５】また、発明で使用可能な高分子は上記導電
性粒子が分散し、常温域で適度な強伸度を有するもので
あれば、いずれも使用可能であるが、好ましい高分子と
しては、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル樹
脂、ポリエステル、ナイロン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩
化ビニリデン、フッ素樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリスチ
レン、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチ
ル、ポリヒドロキシメタクリル酸メチル、ポリビニルア
ルコール、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリス
ルホン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレ
タン、ポリフェニレンオキシド、ポリキシレン、ポリホ
ルマール、ポリブチラール、ポリオキシエチレン、ポリ
オキシメチレン(無定形)、上記ポリマー二種以上の共重
合体、ゴム類、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、変性
アルキッド樹脂、セルローズである。なかでも、ポリマ
ー二種以上の共重合体は酢酸ビニル−ポリエチレン系共
重合体が広範囲の温度域で、しかも各種建造物に装着す
るのに好適なものである。

【００１６】このように、我々は従来の高価なカーボン
繊維、蛇行抵抗線、金属粉の導電性インクの印刷フィル
ムによるセンサーの代わりに、プラスチック、ゴムなど
の高分子に導電性粒子を分散させた系を用い、この系の
伸張時の電気抵抗の増加から伸び歪みを測定するセンサ
ーの発明に至った。しかも、この系の従来にない特色は
センサー出力が歪みに対して指数関数である点である。
すなわち歪みがある値に至ると出力が急激に増加するの
で、危険ゾーンを検知する上で極めて有利である。

【００１７】本発明のセンサーは、抵抗線、カーボン繊
維と比較すると著しく低コストである。これは導電性粒
子として、安価でしかも性能の良いカーボンブラック、
もっと低コストの黒鉛を使用でき、高分子としては大量
生産のゴム、プラスチック類が低コストで入手可能であ
る。しかもセンサー製造においては、溶媒により溶解し
た、または加熱により熔融した高分子に粒子を添加、分
散せしめるのみであるから製造コストがそれ程かからな
い。

【００１８】これらの系に電極を付与してセンサーを作
製し、構造物に対して予め歪み発生が予測できる箇所を
中心としてセンサーを配置し、抵抗値の変化を計測して
構造物の受けた歪みの値を得ることができる。歪み発生
率が高い箇所は従来の土木・建築技術の蓄積から推定可
能であり、また予測困難な場合も複数のセンサーの設置
で対処できる。

【００１９】計測方法としてはセンサーからリード線を
引き出し、ターミナルを適当な位置に設けて定期的ある
いは地震の後などに計測する方法がある。あるいは、コ
ンピューターによるオンライン計測を行い、歪みの発生
したときその歪みの大きさおよび発生位置を画面表示し
て、警戒警報を与えたり、速やかに修復指示を出したり
することができる。

【００２０】前述の方法を重化学プラントの不等沈下監
視にも利用できる。沈下が起こらないかあるいは沈下量
が少ない位置を基点として、これとタンクなどにセンサ
ーを固定し、沈下による伸びをモニターして、各位置の
沈下を常時計測し、不等沈下があればこれを知ることが
できる。また現在は不等沈下とは呼べないような程度で
あっても将来どれくらい後に不等沈下に至るかを知るこ
とができる。

【００２１】同様に船舶、メガフロート等に設置すれば
点検のための高額なドック使用料の低減につながり、大
きな経済効果が期待できる。

【００２２】カーボンなどの導電性粒子を高分子に分散
させ、これに導電性を付与した面状発熱体は良く知られ
ていて、現在いろいろな分野で使用されている。これら
の面状発熱体のあるものはスイッチング特性により自ら
一定温度を維持する。ここでスイッチング特性は次の現
象を意味する。すなわち、低温時には低い電気抵抗値を
示し、温度が上昇するとある温度から抵抗値が激増す
る。これに電力を与えると、低温時は抵抗値が低いので
電流が流れ(スイッチオンに相当)系の温度が上昇し、あ
る温度に至ると抵抗激増のため電流が制限される(スイ
ッチオフに相当)。このスイッチング特性、換言すれば
自己温度調節特性の機構は、系を構成する高分子の熱膨
脹に依ると言われている。従ってこの様な発熱体におい
ては、スイッチング温度での急激な体積膨脹が不可欠で
あるので、用いるポリマーは必然的に結晶化度の高いも
のとなる。

【００２３】前述の自己温度調節発熱体において、スイ
ッチングの原理が熱膨脹であることはいまや多くの研究
者が認めてはいるものの、一部にはこれを認めないもの
もいる。反熱膨脹説派の根拠として、これらの発熱体を
外力により引っ張っても抵抗値が増加しなかったと主張
している。また現にカーボンブラック−高分子の系で伸
張による抵抗値の増加は見られなかったという報告もあ
る。

【００２４】前述の一部の否定的な予測にも拘わらず、
我々は導電性粒子と高分子との相互作用を十分考慮すれ
ば、導電性粒子−高分子系を外力で伸張すると抵抗値の
指数的な増加が期待できると考えた。熱膨脹の場合、高
分子の性質として不可欠であった高結晶性は外力による
伸張の場合は必要ないと考えられる。この無定形高分子
と結晶性高分子の相違は本発明においても意味を持つも
のであるが、この点については後から述べることとす
る。

【００２５】本発明は自己温度調節面状発熱体の原理か
ら実現に到ったものである。自己温度調節面状発熱体の
場合は、本発明者の一部が開示したもの(特願平９−133
746号)以外は全て結晶性の高分子でなくてはならない。
ところが本発明においては、外力を受けて伸張する高分
子である限り、どの様な高分子を用いてもセンサーとし
て機能するもっとも高分子の種類によって、センサーと
しての優劣は現れてくるから、目的にかなったものを選
択することは必要である。

【００２６】導電性粒子についても原理的にはどの様な
ものであってもセンサーとして機能する。現実には使用
条件、製作技術を考慮してふさわしいものを選択するこ
とが重要であることは言うまでもない。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明においてはポリエチレンと
ポリ酢酸ビニルの共重合体であるＥＶＡを溶媒に溶解
し、これに所定量の黒鉛を添加混合し、溶媒を蒸発せし
めた後ホットプレスで成形して試料を作製した。これに
外力を加えて伸張せしめ、伸び歪みと電気抵抗を同時計
測した。その結果試料の伸び歪みと電気抵抗の関係は、
伸び歪みの増加に伴って電気抵抗が指数的に増加すると
いう結果が得られた。

【００２８】導電性粒子を高分子に分散させる方法は大
まかに二通りの方法がある。一つは高分子を高温で熔融
しこれに導電性粒子を混ぜて混練する方法であるが、高
分子が高粘度であるため通常ニーダー等により混練を行
い、目的の形態に成形する。これに電極を設ければよ
い。電極を設ける方法は、前述の成形時に電極の付与さ
れたベースと熔融した導電性粒子−高分子の組成物とを
成形するか、あるいは成形された組成物に後から超音波
などで電極を接着する方法がある。

【００２９】もう一つはいわゆる印刷法である。高分子
を溶媒に溶解しておいてこれに導電性粒子を添加し混合
する。溶媒は高分子が溶解すれば基本的には何でも良い
のだが、次の印刷の工程を考えると沸点の低いものは好
まれない。従って通常はキシレン、デカリン、テトラリ
ンなどが使用される。またインク(導電性粒子−高分子
の溶液)の延びを向上したり印刷生地との密着性のため
にテルペン油、エチレングリコールなどの添加物が少量
加えられることもある。

【００３０】上記の方法で得られたセンサーの歪みのな
い状態(伸長していない状態)での抵抗値は、組成物の印
刷部分のサイズ、電極間隔、導電性粒子濃度等を変える
ことにより、様々な抵抗値のものを作製することができ
る。同様に、導電性粒子の濃度、電極間隔を選択するこ
とにより、数ミリからから数メートルの様々なサイズの
センサーの作製が可能である。この様な選択性は従来の
歪みセンサーでは不可能であった。

【００３１】本発明に依れば設置する基材の歪みがある
値(使用上要注意な値か、あるいは損傷に至った値)にな
るとき、抵抗値の増加が指数的になる様な設計が可能で
ある。これは、導電性粒子の濃度、センサーのサイズ、
電極間隔を選択して実現できる。この様な幅広い選択性
もまた従来の歪みセンサーでは不可能であった。

【００３２】本発明で得られたセンサーは、鉄骨・鉄筋
に密着固定して用いる。地震その他の外力により鉄骨・
鉄筋が伸び歪みを受けたとき、密着しているセンサーも
鉄骨・鉄筋と等価の歪みを受ける。その結果センサーの
電気抵抗が指数的に増加する。これにより当該鉄骨・鉄
筋の受けた歪みが許容範囲か否かを判定する。鉄骨構造
物・鉄筋コンクリート構造物において許容される歪みの
値は現在においては十分に知られているので、その許容
値あたりで電気抵抗変化が大きく増加するようにセンサ
ーのサイズなどの設計をすればよい。

【００３３】前述のように、センサーが歪みと抵抗値と
の間に一定の関係を有しつつ伸びることができる伸びの
上限値、および単位伸び歪み当たりの抵抗変化は、系に
分散する粒子濃度に依存する。従って監視すべき鉄骨・
鉄筋の性質、歪み発生が予想される部分の寸法などにを
十分考慮して、これに最もふさわしいセンサーを設計す
ることができる。この場合センサーの設計とはセンサー
の形、寸法のみを言うのではなく、センサーを構成する
粒子−高分子系の粒子濃度、用いる導電性粒子、および
高分子の適切な選択をも含む。

【００３４】

【実施例】実施例１ここでは総括的な実施例を示す。ポリマーはエチレンと
酢酸ビニル共重合体のＥＶＡ(ポリエチレン20wt%)を用
いた。所定量ＥＶＡをトルエンに溶解し、計算量の鱗片
状黒鉛(平均粒径１μm)を加えて混合し、溶媒を蒸発さ
せた後真空乾燥器で溶媒除去を徹底し、ホットプレスを
行って200×200ミリ、厚さ２ミリのシートに成形した。
このシートを図１に示すようなダンベル型に切り取り、
中央部(長さ25mm)の部分以外は表面、裏面、側面全て銀
ペーストを塗布してこれを電極とした。

【００３５】この試料の両端を絶縁材(ポリエチレンフ
ィルム)で挟んで固定し、試験機で引っ張り歪みを加え
ながら電気抵抗を同時に測定した。試験機の機構はコン
ピューター制御されたステップモーターから数段のギア
を経て試料を引っ張り、引っ張り長さはデジタル表示装
置(ソニー(株)製LY41)、電気抵抗はデジタルマルチメー
ター(アドバンテスト社R6452A)で計測し、コンピュータ
ーに取り込んだ。装置全体のコントロールおよび計測デ
ーター処理はパソコン(NEC社、PC9821 V16)で行った。
引っ張り長はμｍ単位で計測できるよう設計した。

【００３６】試料に張力をかけない前の抵抗値と、添加
した黒鉛濃度との関係を図２に示した。今回の装置で
は、デジタルマルチメーターとインターフェースの関係
から、抵抗値が100ＭΩを越えるとコンピューターに取
り込む事ができないという制約がある。従って黒鉛濃度
が27.5％を下回る場合は引っ張り試験は行わなかった。
図２から解るように張力をかける前の抵抗値は1.15ＭΩ
から133Ωにまで広がっている。但し、いずれの濃度に
おいても読みとりの上限値は100ＭΩである。

【００３７】各黒鉛濃度の試料の伸び歪みと抵抗値との
関係を図３〜図８に示した。ここでは伸び歪みは、実際
の伸びの長さに対する抵抗体伸長を受ける部分の長さ(2
5mm)の割合(％)で表されている。この図において縦軸は
直線的であり、スケールが各々の場合で異なっているこ
とに留意すべきである。黒鉛濃度が低い場合、引っ張る
前の抵抗値が既に高く読み取りの上限値があるので、抵
抗の増加が低く現れている。30wt%の場合は指数関数的
な抵抗増加が見られ、32.5wt%が最も激しい抵抗増加が
見られる。35wt%の場合はこの激しさが少し衰え、末期
に試料の破壊(ひび割れの発生)によるものと見られるシ
グナルの乱れが現れる。これはカーボン添加濃度の増加
に伴う力学的性質の変化である。カーボン濃度が増加す
るにつれて系が硬く脆くなる。37.5wt%の場合抵抗増加
率が低くなり、試料の破壊が起こる。40wt%ではこの傾
向が更に顕著になる。

【００３８】図３〜図８では伸び歪みに対する抵抗値を
縦軸に直線目盛りで表したが、今度は伸び歪みに対して
抵抗値を対数目盛で表し図９〜図14に示した。注目すべ
き事はどの黒鉛濃度の場合も抵抗値の対数と伸び歪みは
ほぼ直線関係が成立すると言うことである。すなわち、
抵抗(Ｒ)と伸び歪み(ε)においては数１の関係が認めら
れる。

【００３９】

【数１】

【００４０】ここでa、b はある定数を意味する。数１
を変形すると、すなわち、数２の形になり、抵抗が歪み
に対して指数的に増加することが解る。

【００４１】

【数２】

【００４２】この様な抵抗値の対数と歪みとの直線関係
はこれまで如何なる文献にも報告されていない。ここで
は一応トンネル電流により説明を試みる。試料を引っ張
ることにより、引っ張り以前に接触していた粒子の間に
間隙が生じたり、同じく引っ張り以前から存在していた
間隙が引っ張ることにより更に間隙の距離が増加するこ
とは容易に予想し得る。この間隙の距離が十分長ければ
もはやこの様な間隙を通じての電気伝導はない。しかし
間隙距離が短い場合、この間隙によるポテンシャルを通
しての電気伝導が可能になる。この様なことは量子の世
界では可能である。例えば、テニスボールが壁を抜けて
向こう側に到達することはないが、電子がポテンシャル
障壁を抜けて向こう側に到達することはできる。この様
な現象はトンネル効果と呼ばれている。以下に、このト
ンネル効果によりポテンシャルをすり抜けて流れるトン
ネル電流について説明する。

【００４３】いまＸ-軸方向にＥxの運動エネルギーを持
つ電子が、図15に示されるようなポテンシャル障壁を越
えてＸ-軸方向、すなわち、左から右側に移る確率Ｐ(Ｅ
x)を求めると、数３のように表すことができる。

【００４４】

【数３】

【００４５】ここでｍ、ｈ、ｓ、ｆ(x)は、それぞれ電
子の質量、プランク定数、ポテンシャルの幅、ポテンシ
ャルの高さを表す。この確率Ｐ(Ｅx)を用いるとトンネ
ル電流は数４で表すことができる。

【００４６】

【数４】

【００４７】ここでＥxは電子の動径方向の運動エネル
ギー、ｆ(Ｅ)はFermi-Dirac分布を表す。問題は数４の
積分が数学的にはできないことにある。従って何らかの
近似を用いる必要がある。ここでは図４の結果を説明す
るためにSimmonsによる方法を用いる(J. G. Simmons,
J. Appl. Phys. 34, 1793(1963).)。これに関する詳細
は省略するが、ポテンシャル障壁にかかる電圧が低い場
合は、トンネル電流は数５で近似できるとしている。

【００４８】

【数５】

【００４９】ここで、トンネル障壁にかかる電場をＦと
するとＦ=Ｖ/ｓであるからこれを用い、数５両辺をＦで
割り、更に対数をとると、数６となる。

【００５０】

【数６】

【００５１】ここで、ｓは伝導度、すなわち体積抵抗の
逆数である。従って体積抵抗ｒは、数７で表される。

【００５２】

【数７】

【００５３】すなわち、幅ｓのトンネル障壁に電圧をか
けて抵抗を求め、抵抗と障壁の幅との関係を求めると数
７のように抵抗の対数と幅は直線関係となることが解
る。

【００５４】上で述べた数７の関係を無条件に図９〜図
14の結果と結びつけるわけには行かない。現実の試料に
は無数の粒子が存在し、これらの粒子間の間隙がトンネ
ル障壁となっていると考えることができる。厳密に言え
ば、これら全てのトンネル障壁を考慮すべきである。こ
の目的のために、障壁の幅にボルツマン分布を考慮し、
等価回路を用い、シュミレーションを行った。この結
果、系に多数のトンネル障壁が存在する系において電気
抵抗の対数と伸び歪みとの間に直線関係があることが理
論的に明らかになった(T. Kimura, N. Yoshimura, T. O
giso, K. Maruyama and M. Ikeda, Polym. Commun., in
press. )。従って、図９〜図14の結果はトンネル効果
で説明することができる

【００５５】抵抗値の対数と伸び歪みとの直線関係は明
らかになったが、今度はこの関係に対するカーボン濃度
の影響について述べる。図９〜図14の結果から試料を引
っ張ったとき、単位伸び歪み当たりで抵抗値が何倍にな
ったかを求めた。すなわち、歪み量がある値の時の抵抗
値をＲ₀とする。これから単位歪み量(ε)試料が伸びた
ときの抵抗値をＲとし、抵抗値の比、(Ｒ/Ｒ₀)/εを図
９〜図14から求め、これをカーボン濃度の関数としてプ
ロットし、図16に示した。図16から解るように[(Ｒ/
Ｒ₀)/ε]の値は30wt%の当たりで極大値を持つ。従って
この辺りの濃度を選択すると伸び歪みに対して最も鋭敏
な歪みセンサーが可能になる。このカーボン濃度と[(Ｒ
/Ｒ₀)/ε]の関係は次のように説明できると考える。す
なわち、カーボン濃度が低い場合粒子間の間隙は広いの
でポテンシャル障壁は高いものが多く、従ってトンネル
電流は極めて低く事実上電流は観測されない。従ってこ
うした試料を伸張しても抵抗値の増加はそれほどは期待
できない。逆にカーボン濃度が高い場合、粒子が直接接
触していてトンネル効果による寄与は少なくなってい
る。従って図16に現れるようにあるカーボン濃度で極大
値が現れることは十分予想できる。

【００５６】実施例２実施例１では、ＥＶＡと黒鉛の系について、黒鉛濃度の
影響を詳細に述べたが、本実施例以下数例にわたって、
導電性粒子に種々のものを用いた例を示す。ＥＶＡ(酢
酸ビニル25wt%、エチレン75wt%)94重量部をトルエンに
溶解し、このトルエン溶液に、ケッチェンブラックＥＣ
を予め粉砕して造粒されている粒子を砕いておいたもの
６重量部を混合した。これをテフロンバットにキャスト
して溶媒を蒸発せしめ、組成物をホットプレスにかけて
図１に示されているダンベル型に成形し、銀ペーストを
塗布した。

【００５７】この系の伸び歪みと電気抵抗の関係は実施
例１に述べた方法で測定した。この結果を図17に示す。
実施例１と比較すると伸びに対する抵抗増加が少ないこ
とが解る。もっとも添加量をより少なくすれば抵抗値の
変化はもっと大きくなる。後の実施例からも解るように
ケッチェンブラックの場合が最も抵抗変化が少ない。こ
の原因は現在研究中であるが、カーボン粒子間の強い相
互作用に依るものと考えられる。

【００５８】実施例３ＥＶＡ(酢酸ビニル25wt%、エチレン75wt%)80重量部をト
ルエンに溶解し、このトルエン溶液に、20重量部のアセ
チレンブラックを実施例２と同様な方法で分散させ、キ
ャスト、ホットプレスの後、実施例１と同様なダンベル
型試料を作製した。伸び歪みと電気抵抗の関係を図18に
示した。この場合もケッチェンブラックの場合とほぼ同
様に伸び歪みに対する抵抗値の変化は少ない。本実施例
および実施例２の場合でもカーボンの添加量を減じてパ
ーコレーション閾値近くまで持って行くと抵抗値の変化
は大きくなる。

【００５９】実施例４ＥＶＡ(酢酸ビニル20wt%、エチレン80wt%)65重量部をト
ルエンに溶解し、このトルエン溶液に、デントールWK-2
00B(チタン酸カリウム針状結晶の表面に化学的蒸着法で
カーボンを蒸着して導電性を付与したもの)35重量部を
前述の実施例と同様な方法で分散させ、試料作成後伸び
歪みと電気抵抗の関係を測定し図19に示した。この場合
は粒子径の極度に細かいカーボンブラックとは異なり伸
び歪みの変化に伴って大きな抵抗変化が見られた。

【００６０】実施例５ＥＶＡ(酢酸ビニル20wt%、エチレン80wt%)70重量部をト
ルエンに溶解し、このトルエン溶液に、マイカ微粒子に
ニッケルの化学メッキを施したものを30重量部分散さ
せ、キャスト、ホットプレス後、ダンベル型試料を作製
し、これまでの実施例と同様に伸び歪みと電気抵抗の関
係を測定し図20に示した。この場合も実施例４と同様に
伸び歪みに対して大きな抵抗値の変化が見られた。

【００６１】実施例６これ以後数例にわたって種々のポリマーを用いてセンサ
ーを作製した場合の例を示す。軟質ポリ塩化ビニル65重
量部を熱熔融し、黒鉛(日本黒鉛、J-SP)35重量部を混練
しプレスによりダンベル型の試料を作製し、銀ペースト
による電極を付与し、先の応用例と同じ方法で伸び歪み
と電気抵抗の関係を求めた。この結果を図21に示した。
この場合も伸び歪みに対して大きな抵抗値変化が得られ
た。

【００６２】実施例７シリコーン未硬化物(東レシリコーン、SE9187)65重量部
にトルエン30重量部を加え撹拌して粘度を下げ、黒鉛
(日本黒鉛、J-SP)35重量部を混練し、ダンベル型の鋳型
に入れて放置し、溶媒を蒸発せしめ、真空乾燥して試料
を得た。この試料に対して伸び歪み−電気抵抗の測定を
行い、その結果を図22に示した。この系の場合は銀ペー
ストの接着性に問題があった。実用には銀ペーストでは
なく予め金属メッシュの電極を成形時に入れておく等の
対策が必要である。またシリコーンの硬化の際、試料内
に応力が発生するので、初期の歪み−抵抗の対数の関係
において、初期の直線性のない部分は残留応力に起因す
るのかも知れない。しかし伸び歪みと抵抗値をリニアー
プロットすれば、ある歪み量から抵抗値が鋭く増加する
のでセンサーとしての有用であることが解る。

【００６３】実施例８ 65重量部の未加硫のアクリロニトリル−ブタジエンゴム
をテトラヒドロフランに溶解して、これに黒鉛(日本黒
鉛、J-SP)35重量部を加え、ダンベル型の鋳型にキャス
トし、銀ペーストで電極を設け、伸び歪みと電気抵抗と
の関係を求め、図23に示した。この場合も伸び歪みと抵
抗値の対数のプロットでは初期には直線性からのずれが
見られるが、センサーとしての有用性は十分認知でき
る。

【００６４】実施例９本例においてはポリマーを溶媒で溶解せず、熱熔融にて
溶解し、導電性粒子を分散させてセンサーを作製した例
を示す。低密度ポリエチレン(トーソー(株)製ペトロセ
ン203)65重量部および黒鉛(日本黒鉛、J-SP)35重量部を
ニーダーを用いて混練した。これをホットプレスし、ダ
ンベル型にカットして、銀ペイントで電極を形成した。
この試料に対して同様に伸び歪み−電気抵抗の関係を測
定し図24に示した。この場合は伸び歪みと電気抵抗の対
数の間に優れた直線性を有するが、混練の再現性にはか
なりの熟練があることが解り、実用的な面では品質管理
に多少の困難が伴うことが予見された。

【００６５】実施例10 本例から以後は、印刷法によりセンサーを作製し、特性
を評価した例を示す。ＥＶＡ(エチレン20%)65重量部を
テトラリンに溶解し、黒鉛(日本黒鉛、ＣＳＰ)35重量部
を加えてインク化し、厚み120ミクロンの二軸延伸ＰＥ
Ｔフィルム(予め電極が銀ペーストで印刷してある)に印
刷した。印刷膜は90ミクロンであった。試料は図25に示
してある。この試料の伸び歪みと電気抵抗の関係を求め
図26に示した。抵抗の対数と伸び歪みとの関係は、初期
には直線性から少しずれるがその後すぐ直線に戻る。リ
ニアーな目盛りでプロットすれば、ある歪み量から電気
抵抗が急増することが解り、センサーとしての有用性が
確認できた。

【００６６】実施例11 ＥＶＡ(エチレン20%)65重量部をテトラリンに溶解し、
黒鉛(日本黒鉛、ＣＳＰ)35重量部を加えてインク化し、
厚み100ミクロンのポリカーボネートフィルムに印刷し
た。これを実施例10と同じ形状にし、伸び歪みと電気抵
抗を計測し、図27に示した。この場合は抵抗値の対数と
伸び歪みの間に良い直線関係が得られ、センサーとして
使用し得ることが判明した。

【００６７】実施例12 ＥＶＡ(エチレン20%)65重量部をテトラリンに溶解し、
黒鉛(日本黒鉛、ＣＳＰ)35重量部を加えてインク化し、
厚み100ミクロンの硬質ポリ塩化ビニルフィルムに印刷
した。これを実施例10と同じ形状にし、伸び歪みと電気
抵抗を計測し、図28に示した。この場合も実施例11と同
様の結果が得られた。

【００６８】実施例13 ＥＶＡ(エチレン20%)65重量部をテトラリンに溶解し、
黒鉛(日本黒鉛、ＣＳＰ)35重量部を加えてインク化し、
厚み125ミクロンのポリイミド(宇部興産ユーピレック
ス)フィルムに印刷した。これを実施例10と同じ形状に
し、伸び歪みと電気抵抗を計測し、図29に示した。図よ
り解るようにこの場合は安定した良好な結果が得られ
た。

【００６９】

【発明の効果】上に述べたようにカーボンを高分子に分
散させた系を伸長せしめると、伸び歪みに対して系の電
気抵抗は指数的に増加する事が判明した。上記実施例で
はカーボン濃度30wt%の系で伸び歪みに対して抵抗値増
加が最も鋭敏であることも解った。歪みの許容量の辺り
で抵抗値変化が鋭く変化するようにセンサーの寸法を設
計することは上に示されたデーターから可能となる。セ
ンサー出力が歪みに対して指数的であることは安全管理
基準を定めることが極めて容易になる。もしもセンサー
出力が直線的であれば、危険と判断する限界値を決める
のにかなりの労力を必要とするし、またその判断そのも
のの信頼性も問題となる。またセンサー特性の経時変化
の点についても、認識したい歪み量に対して例えばセン
サー出力が二桁の抵抗値増加であれば、長期間後にセン
サー特性が数十％変化しても十分使用に耐え得る。この
点からもこのセンサーは従来にない特性を持つ。

【００７０】上記実施例から伸び歪みセンサーを設計す
るにあたり[(Ｒ/Ｒ₀)/ε]の値以外にもセンサーの機械
的性質そのものの利用価値がある。すなわちカーボン濃
度を高くすると伸び歪みに対する抵抗変化の鋭敏性は犠
牲になるけれど、系を脆くしてセンサーが切断を受ける
ようにすることもできる。この場合ある量の歪みを受け
たことは、破壊がセンサー切断という事実で記録され
る。逆にカーボン濃度が低い場合、歪みを受けた後のセ
ンサーの復元がある程度期待できる。歪みを常時監視す
るシステムの場合は、この様なカーボン濃度の低い系が
有用であると考えられる。

【００７１】導電性粒子の濃度で抵抗値を幅広く選択す
ることができる。また電極間距離を選択して、設置基材
の危険歪みに対してセンサー出力を明確に急増せしめる
ことが可能である。これらの選択によりセンサーのサイ
ズとして大型ものもが可能であり、建築物、船舶、メガ
フロート等に対するセンサーが初めて可能になった。

【００７２】カーボン−高分子系を伸張して電気抵抗変
化を観測する際、次の二つの点が重要となる。一つはカ
ーボンそのものの問題である。カーボンの種類によって
得られる結果が異なることが考えられる。予測されてい
ることは、カーボンと高分子との相互作用が強いケッチ
ェンブラックを用いると伸び歪みに対する電気抵抗変化
が少ないことである。逆に黒鉛の場合は電気抵抗変化が
大きいと予測できる。この様にカーボンの種類を選択し
て目的にかなったセンサーの作製をすることができる。

【００７３】高分子について言えば、原則として高分子
の伸長する範囲内でどの様な高分子を用いてもセンサー
の作製が可能であることは前述の実施例より明らかであ
る。このセンサーの更なる展開について述べると、高分
子の機械的性質の二つの要素、弾性と粘性を適宜使い分
けることで新たな展開が生ずる。粘性の支配的な高分子
であれば伸び歪みを受けた後外力を除去しても、電気抵
抗は増加したままの状態に留りやすく、弾性的性質が支
配的なものであれば、外力を除去すれば抵抗値も元の状
態に戻りやすい。この様に粘弾性を見極めて、常時モニ
ター用のセンサーに用いるか、外力を受けた後のみセン
サーを調べるようなタイプに用いるか使い分けることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】試料センサーの形状を示す平面図であり、中央
部の灰色の部分(表面、裏面および側面を含む)以外は銀
ペーストを塗布してある。

【図２】張力ゼロの抵抗値とカーボン添加量の関係を示
すグラフである。

【図３】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カーボン
濃度:27.5wt％)。

【図４】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カーボン
濃度:30wt％)。

【図５】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カーボン
濃度:32.5wt％)。

【図６】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カーボン
濃度:35.0wt％)。

【図７】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カーボン
濃度:37.5wt％)。

【図８】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カーボン
濃度:40.0wt％)。

【図９】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗の対数と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カ
ーボン濃度:27.5wt％)。

【図10】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗の対数と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カ
ーボン濃度:30wt％)。

【図11】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗の対数と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カ
ーボン濃度:32.5wt％)。

【図12】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗の対数と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カ
ーボン濃度:35.0wt％)。

【図13】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗の対数と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カ
ーボン濃度:37.5wt％)。

【図14】カーボン−ＥＶＡ(PE20wt％)系センサーの電気
抵抗の対数と伸び歪みとの関係を示すグラフである(カ
ーボン濃度:40.0wt％)。

【図15】トンネル障壁の説明図である。電子は幅ｓ高さ
の障壁φ(x)を量子力学的に抜けてとおる。

【図16】単位伸び歪み当たりの抵抗増加比とカーボン濃
度との関係を示すグラフである。

【図17】６wt％ケッチェンブラック−ＥＶＡ(エチレン7
5％)系の伸び歪みと電気抵抗の関係を示すグラフであ
る。

【図18】20wt％アセチレンブラック−ＥＶＡ(エチレン7
5％)系の伸び歪みと電気抵抗の関係を示すグラフであ
る。

【図19】35wt％デントールWK-200Ｂ−ＥＶＡ(エチレン8
0％)系の伸び歪みと電気抵抗の関係を示すグラフであ
る。

【図20】30wt％ニッケルメッキマイカ−ＥＶＡ(エチレ
ン80％)系の伸び歪みと電気抵抗の関係を示すグラフで
ある。

【図21】35wt％黒鉛(J-SP)−硬質ポリ塩化ビニル系の伸
び歪みと電気抵抗の関係を示すグラフである。

【図22】35wt％黒鉛(J-SP)−軟質ポリ塩化ビニル系の伸
び歪みと電気抵抗の関係を示すグラフである。

【図23】35wt％黒鉛(J-SP)−アクリロニトリル−ブタジ
エンゴム系の伸び歪みと電気抵抗との関係を示すグラフ
である。

【図24】35wt％黒鉛(J-SP)−低密度ポリエチレン(トー
ソー(株)製ペトロセン203)系の伸び歪みと電気抵抗との
関係を示すグラフである。

【図25】は左右の両端部分は銀ペーストによる電極を設
けているプリント試料の形状を示す平面図である。

【図26】35wt％黒鉛(ＣＳＰ)−ＥＶＡ系のＰＥＴプリン
ト試料の伸び歪みと電気抵抗の関係を示すグラフであ
る。

【図27】35wt％黒鉛(ＣＳＰ)−ＥＶＡ系をポリカーボネ
ートフィルムに印刷した試料の伸び歪みと電気抵抗の関
係を示すグラフである。

【図28】35wt％黒鉛(ＣＳＰ)−ＥＶＡ系を硬質ポリ塩化
ビニルフィルムに印刷した試料の伸び歪みと電気抵抗の
関係を示すグラフである。

【図29】35wt％黒鉛(ＣＳＰ)−ＥＶＡ系をポリイミドフ
ィルムに印刷した試料の伸び歪みと電気抵抗の関係を示
すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 396020970 ミタケ電子工業株式会社京都府福知山市新庄747 (71)出願人 391030088 株式会社フォーライフ東京都千代田区内神田２丁目４番２号 (72)発明者木村豊明愛知県名古屋市中川区荒子町字大和ヶ池75 番地 (72)発明者藤崎忠志東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性粒子を高分子に分散させてシート
状その他所定形状の成形物とし、該成形物に張力が働い
て系が伸張することにより引き起こされる電気抵抗の変
化から、系に課せられた伸び歪みを読みとるセンサーで
ある導電性粒子−高分子系による歪みセンサー。
【請求項２】成形物は導電性粒子を高分子の溶媒溶液
に混合分散させ、溶媒を除去してシート状に成形してな
る請求項１記載の導電性粒子−高分子系による歪みセン
サー。
【請求項３】成形物は導電性粒子を高分子の溶媒溶液
に混合分散して印刷インキとし、該印刷インキを基材フ
ィルムに塗布・印刷してなる請求項１記載の導電性粒子
−高分子系による歪みセンサー。
【請求項４】成形物は導電性粒子と熱可塑性高分子と
を溶融混練して導電性粒子を高分子に分散させ、シート
状その他所定形状に成形してなる請求項１記載の導電性
粒子−高分子系による歪みセンサー。
【請求項５】成形物は導電性粒子と硬化性樹脂とその
硬化剤に混合分散させた後、成形硬化してなる請求項１
記載の導電性粒子−高分子系による歪みセンサー。
【請求項６】導電性粒子はカーボンブラック、黒鉛、
活性炭、カーボン繊維、カーボンウィスカー、フラーレ
ン、カーボンナノチューブ、金属粉、金属箔、金属繊
維、絶縁体ビーズ又はマイクロビーズの表面にカーボン
を付与したもの、雲母、チタン酸カリウムなどの絶縁物
微細片に化学メッキ、ＣＶＤ又はＰＶＤの処理により導
電性を付与したものの１種又は２種以上の混合物である
請求項１記載の導電性粒子−高分子系による歪みセンサ
ー。
【請求項７】高分子はポリエチレン、ポリプロピレ
ン、アクリル樹脂、ポリエステル、ナイロン、ポリ塩化
ビニル、ポリ塩化ビニリデン、フッ素樹脂、ポリ酢酸ビ
ニル、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリメ
タクリル酸エチル、ポリヒドロキシメタクリル酸メチ
ル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポ
リイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリアセ
タール、ポリウレタン、ポリフェニレンオキシド、ポリ
キシレン、ポリホルマール、ポリブチラール、ポリオキ
シエチレン、ポリオキシメチレン(無定形)、上記ポリマ
ー二種以上の共重合体、ゴム類、シリコーン樹脂、フェ
ノール樹脂、変性アルキッド樹脂、セルローズの１種又
は２種以上の混合物である請求項１記載の導電性粒子−
高分子系による歪みセンサー。
【請求項８】ポリマー二種以上の共重合体は酢酸ビニ
ル−ポリエチレン系共重合体である請求項７記載の導電
性粒子−高分子系による歪みセンサー。