JPWO2017179716A1 - Method for adjusting elasticity of sheet material, force sensor, and sheet material - Google Patents

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Abstract

切り紙構造の切り込みを有するシート材で所望の弾性率を設計する。シート素材に、面内変形が保たれる初期変形領域での関係式K1=(α/2N)×E×d3h/w3、またはE1=α(d/w)4×Eに基づいて、第1の方向への幅がw、第1の方向と直交する第2の方向への配列ピッチがd、前記第2の方向への前記切り込みの繰り返しユニット数がNである互い違いの切り紙構造の切り込みを形成し、切り込み幅w、ピッチd、及び繰り返しユニット数Nの値を適切に選択することで、剛さ定数K1またはヤング率E1を所望の値に調整する。ここで、Eはシート素材の構成材料の切り込み前のヤング率、hはシート素材の厚さ、αは数値係数である。The desired elastic modulus is designed with a sheet material having a cut paper structure cut. Based on the relational expression K1 = (α / 2N) × E × d3h / w3 or E1 = α (d / w) 4 × E in the initial deformation region where in-plane deformation is maintained in the sheet material, the first Incision of staggered cut paper structure in which the width in the direction of w is w, the arrangement pitch in the second direction orthogonal to the first direction is d, and the number of repeating units of the incision in the second direction is N And the stiffness constant K1 or Young's modulus E1 is adjusted to a desired value by appropriately selecting the values of the cut width w, the pitch d, and the number of repeating units N. Here, E is the Young's modulus before the cutting of the constituent material of the sheet material, h is the thickness of the sheet material, and α is a numerical coefficient.

Description

本発明は、シート材の弾性調整方法とフォースセンサ、及びシート材に関する。   The present invention relates to a sheet material elasticity adjusting method, a force sensor, and a sheet material.

切り紙構造の伸縮性に着目した多数の応用例が研究され、ナノコンポジットと呼ばれるシート状物質に切り込みを入れた伸縮性の電極(たとえば、非特許文献1)、伸縮性のグラフェン(たとえば、非特許文献2参照)、伸縮性のリチウムイオン電池(たとえば、非特許文献3参照)などが提案されている。また、ソーラーパネルのパネル面を太陽に追従させるソーラートラッカーへの応用が提案されている(たとえば、非特許文献4参照)。これらはいずれも切り紙構造の3次元的な変位または変形(回転を含む変位・変形)を利用しており、変位によりシートの平面性が失われる。   Many applications focusing on the elasticity of the cut paper structure have been studied, and an elastic electrode (for example, Non-Patent Document 1) in which a sheet-like material called a nanocomposite is cut, and an elastic graphene (for example, a non-composite material). Patent Document 2), a stretchable lithium ion battery (for example, see Non-Patent Document 3), and the like have been proposed. Moreover, the application to the solar tracker which makes the panel surface of a solar panel track the sun is proposed (for example, refer nonpatent literature 4). All of them utilize a three-dimensional displacement or deformation (displacement / deformation including rotation) of the cut paper structure, and the flatness of the sheet is lost due to the displacement.

他方、切り込みを入れた歪測定板の中心軸上に誘起される変位をせん断応力として拡大検出する構成が知られている(たとえば、特許文献1参照)。   On the other hand, a configuration is known in which a displacement induced on the center axis of a strain measurement plate with a cut is enlarged and detected as a shear stress (see, for example, Patent Document 1).

特開昭57−124203JP-A-57-124203

T.C. Shyu, et. al., “A kirigami approach to engineering elasticity in nanocomposites through patterned defects” Nature Materials, 14 (2015) 785T.C.Shyu, et.al., “A kirigami approach to engineering elasticity in nanocomposites through patterned defects” Nature Materials, 14 (2015) 785 M.K.Blees, et al., “Graphene kirigami”, Nature 524 (2015) 204M.K.Blees, et al., “Graphene kirigami”, Nature 524 (2015) 204 Z. Song et al., Kirigami-based stretchable lithiumion batteries”, Scientific Reports 5 (2015) 10988Z. Song et al., Kirigami-based stretchable lithiumion batteries ”, Scientific Reports 5 (2015) 10988 A. Lamoureux et al. “Dynamic kirigami structures for integrated solar tracking”, Nature Communications 6 (2015) 8092A. Lamoureux et al. “Dynamic kirigami structures for integrated solar tracking”, Nature Communications 6 (2015) 8092

従来の技術では、切り紙構造の伸縮性を利用する場合、実際に試作してみなければその弾性率を予測することができなかった。そこで、本発明は、簡易な数式に基づいて任意のシート状素材の弾性率を制御する手法と、所望の弾性率に調整された切り込みシートの応用例を提供することを目的とする。   In the prior art, when using the stretchability of the cut paper structure, the elastic modulus could not be predicted without actually making a prototype. Then, this invention aims at providing the application example of the method of controlling the elasticity modulus of arbitrary sheet-like raw materials based on simple numerical formula, and the cut sheet | seat adjusted to the desired elasticity modulus.

上記の目的を達成するために、本発明では、シートの平面性が保たれている初期変形領域に着目し、シンプルな数式に基づいて任意の材料で所望の弾性率を設計することを実現にする。   In order to achieve the above object, the present invention focuses on the initial deformation region where the flatness of the sheet is maintained, and realizes the design of a desired elastic modulus with an arbitrary material based on a simple mathematical formula. To do.

本発明のひとつの側面では、シート材の弾性調整方法は、
シート素材を準備し、
前記シート素材に、面内変形が保たれる初期変形領域に適用される関係式
K1=(α/2N)×E×dh/w、または
E1=α(d/w)×E
に基づいて、第1の方向への幅がw、第1の方向と直交する第2の方向への配列ピッチがd、前記第2の方向への繰り返しユニット数がNである互い違いの切り紙構造の切り込みを形成し、ここで、K1は剛さ定数、Eは前記シート素材の構成材料の切り込み前のヤング率、hは前記シート素材の厚さ、αは数値係数であり、
前記w、d、及びNの値を選択することで剛さ定数K1またはヤング率E1を目標値に調整する、
ことを特徴とする。
In one aspect of the present invention, the method of adjusting the elasticity of the sheet material is:
Prepare the sheet material,
Relational expression K1 = (α / 2N) × E × d 3 h / w 3 or E1 = α (d / w) 4 × E applied to the sheet material in an initial deformation region where in-plane deformation is maintained.
Based on the above, staggered cut sheets whose width in the first direction is w, the arrangement pitch in the second direction orthogonal to the first direction is d, and the number of repeating units in the second direction is N Forming a cut in the structure, where K1 is a stiffness constant, E is a Young's modulus before the cut of the material constituting the sheet material, h is a thickness of the sheet material, α is a numerical coefficient,
The stiffness constant K1 or Young's modulus E1 is adjusted to a target value by selecting the values of w, d, and N.
It is characterized by that.

簡単な方法で任意のシート材の弾性率を調整、制御することができる。   The elastic modulus of an arbitrary sheet material can be adjusted and controlled by a simple method.

切り紙構造のパラメータを定義する図である。It is a figure which defines the parameter of a cut sheet structure. 切り紙構造のパラメータを定義する図である。It is a figure which defines the parameter of a cut sheet structure. 本発明の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of this invention. 面内変位と3次元的な変位を説明する図である。It is a figure explaining in-plane displacement and three-dimensional displacement. シートの剛さ定数(バネ定数)とシート厚さの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the stiffness constant (spring constant) of a sheet | seat, and sheet | seat thickness. シートの剛さ定数(バネ定数)とパラメータd/wの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the stiffness constant (spring constant) of a sheet | seat, and parameter d / w. 実施形態のフォースセンサの概略図である。It is the schematic of the force sensor of embodiment. 実施例1のフォースセンサの画像である。2 is an image of a force sensor of Example 1. 実施例2のフォースセンサの画像である。It is an image of the force sensor of Example 2. フォースセンサの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a force sensor. 実施形態のフォースセンサが材料を問わないことを示す図である。It is a figure which shows that the force sensor of embodiment does not ask | require material. 切り込み列が横方向に複数形成された切り紙構造を示す図である。It is a figure which shows the cut paper structure in which the cutting row | line | column was formed in multiple numbers by the horizontal direction. 図11の構成にも本発明の初期領域での弾性率の設計を適用できることを示す図である。It is a figure which shows that the design of the elasticity modulus in the initial region of this invention is applicable also to the structure of FIG. 医療用再生シートへの発明の適用を示す図である。It is a figure which shows application of invention to a medical reproduction | regeneration sheet | seat. サポータ、コルセット、腰痛ベルト等の装着具への適用を示す図である。It is a figure which shows application to mounting tools, such as a supporter, a corset, and a low back pain belt.

以下で、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
<原理説明>
図1A及び図1Bは、本発明で用いる切り紙構造のパラメータの定義を説明する図、図2は本発明の原理を説明する図である。実施形態では、切り紙構造のシートの平面性が維持される初期領域での変位を利用して、所望の弾性率を設計する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Principle explanation>
FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams for explaining the definition of parameters of the cut paper structure used in the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the present invention. In the embodiment, a desired elastic modulus is designed by using a displacement in an initial region where the flatness of a sheet having a cut paper structure is maintained.

図1Aの切り紙構造は、シート101に一定間隔で互い違いに形成された切り込み102e、及び切り込み102cを有する。シート101の素材は問わず、紙、プラスチック、ゴム、金属等を用いることができる。   The cut paper structure in FIG. 1A has cuts 102e and cuts 102c that are alternately formed on the sheet 101 at regular intervals. The material of the sheet 101 is not limited, and paper, plastic, rubber, metal, or the like can be used.

シート101の長さ方向(図1のy方向)に沿って、幅wの切り込み102cが形成されている。切り込み102cと互い違いに、切り込み102eがシート101の両端から伸びている。切り込み102cは、x方向への幅wを有する。互い違いの切り込み102cと102eは、y方向に間隔またはピッチdで配列されている。y方向で隣接する切り込み102eと切り込み102eの間に幅wの切り込み102cを含む領域(y方向の長さが2d)を、切り込みの繰り返し1ユニットとする。繰り返しユニット数Nは、切り込み102cのy方向の数Nと一致する。図1の例では、10ユニットの切り込みが形成されている。切り込み領域全体の長さは2Ndであり、シート101の幅はw+2dに設定されている。図1Aでは、説明の簡便のため、切り込み102c及び切り込み102eのx方向の間隔もdに設定してあるが、本発明で定義されるパラメータdは、y方向への切り込みのピッチである。   A notch 102c having a width w is formed along the length direction of the sheet 101 (y direction in FIG. 1). The cuts 102e extend from both ends of the sheet 101 alternately with the cuts 102c. The notch 102c has a width w in the x direction. The alternating cuts 102c and 102e are arranged at intervals or pitches d in the y direction. A region including the notch 102c having a width w between the notch 102e and the notch 102e adjacent in the y direction (the length in the y direction is 2d) is defined as one unit of the notch repetition. The number N of repeating units coincides with the number N in the y direction of the cuts 102c. In the example of FIG. 1, 10 units of cuts are formed. The entire length of the cut area is 2Nd, and the width of the sheet 101 is set to w + 2d. In FIG. 1A, for ease of explanation, the distance between the notches 102c and 102e in the x direction is also set to d, but the parameter d defined in the present invention is the pitch of the notches in the y direction.

図1Bにおいて、y方向の切り込みピッチdと、切り込み102cのx方向の幅wは図1Aと同じである。図1Aと異なり、シート101の幅はw+d”、切り込み102eのx方向の間隔はd’に設定されている。d’の値は、dと同等またはそれ以下であれば、後述する弾性率の式が成り立ち、所望の弾性率の設計が可能である。ただし、切り込み102eのx方向の間隔d’は、シート101が伸長したときに切れてしまわないように、一定程度の幅をもたせる。具体的には、シート101の破断応力をσf、そのときにシートにかかる閾値荷重をFc、シート101の厚さをhとすると、
Fc/(d’×h)<σf、すなわち
d’>Fc/(h×σf
を満たすように設計する。d”の値は、dと同等またはそれ以上であれば、後述する弾性率の式が成り立ち、所望の弾性率の設計が可能である。
In FIG. 1B, the cut pitch d in the y direction and the width w in the x direction of the cut 102c are the same as in FIG. 1A. Unlike FIG. 1A, the width of the sheet 101 is set to w + d ″, and the interval in the x direction of the notch 102e is set to d ′. If the value of d ′ is equal to or less than d, the elastic modulus described later is set. The desired elastic modulus can be designed, and the distance d ′ in the x direction of the notch 102e has a certain width so as not to be cut when the sheet 101 is stretched. Specifically, when the breaking stress of the sheet 101 is σ f , the threshold load applied to the sheet at that time is Fc, and the thickness of the sheet 101 is h,
Fc / (d ′ × h) <σ f , ie
d ′> Fc / (h × σ f )
Design to meet If the value of d ″ is equal to or greater than d, the elastic modulus formula described later holds, and a desired elastic modulus can be designed.

図2は、シート101にかかる力Fと伸びΔの関係を示す。図2(a)はシート101としてケント紙を用いて図1の切り込みを形成したときの変化の全体図、図2(b)は図2(a)の初期領域の拡大図である。図2(a)に示すように、シート101の切り込みの幅と直交する方向に力F[N]がかかると、シート101は伸びΔ[mm]だけ変位する。このとき、初期領域では、シート101の平面性が保たれたまま、明確な線形応答がみられる。ある一定の力になるまで線形特性が続き、第2領域に移る際に急激な変化が起きてシート101の平面性が失われる。この変化点を遷移点と呼ぶ。   FIG. 2 shows the relationship between the force F applied to the sheet 101 and the elongation Δ. 2A is an overall view of a change when the cut of FIG. 1 is formed using Kent paper as the sheet 101, and FIG. 2B is an enlarged view of the initial region of FIG. As shown in FIG. 2A, when a force F [N] is applied in a direction orthogonal to the cut width of the sheet 101, the sheet 101 is displaced by an elongation Δ [mm]. At this time, in the initial region, a clear linear response is observed while the flatness of the sheet 101 is maintained. The linear characteristic continues until a certain force is reached, and a sudden change occurs when moving to the second region, and the flatness of the sheet 101 is lost. This change point is called a transition point.

第2領域では、シート101の切り込み102c、102eが大きく開口し、シート101が3次元的に変形する。この領域では、わずかな力でシート101が大きく伸びる。ある程度までシート101が延びると、以降は大きな力を加えないとシート101は伸びなくなる。この領域が最終領域である。最終領域でさらに力を加えると、シート101は破断に至る。   In the second region, the notches 102c and 102e of the sheet 101 are greatly opened, and the sheet 101 is deformed three-dimensionally. In this region, the sheet 101 is greatly extended with a slight force. When the sheet 101 extends to a certain extent, the sheet 101 cannot be extended unless a large force is applied thereafter. This area is the final area. If more force is applied in the final region, the sheet 101 will break.

従来の切り紙構造の応用例は、第2領域を利用していた。発明者らは、初期領域においてシートの弾性を表わす剛さ定数と、初期領域から第2領域への遷移点での伸び(ひずみ)が、簡単な数式で容易に予測できることを見出した。初期領域から第2領域に遷移する際に、急激な伸びを呈してシート101の平面性が失われることから、変化の視認が容易であり、遷移点に相当する力を容易に検出することができる。この知見に基づいて初期領域を用いた応用例を提供する。   The application example of the conventional cut paper structure uses the second region. The inventors have found that the stiffness constant representing the elasticity of the sheet in the initial region and the elongation (strain) at the transition point from the initial region to the second region can be easily predicted with a simple mathematical formula. When transitioning from the initial region to the second region, the sheet 101 loses its flatness due to abrupt elongation, making it easy to see the change and easily detecting the force corresponding to the transition point. it can. Based on this knowledge, an application example using the initial region is provided.

ここで、図3を参照して、面内の変位と3次元的な変位の違いを説明する。図3(a)は面内での変形(伸び)を示し、図3(b)は3次元的な変形(曲げ)を示す。切り込み102cをエッジに含む面105に着目すると、図3(a)では、切り込み102cはxy面内での平面性を維持したまま、y方向にδ1変形する。これに対し、図3(b)では、切り込み102cが開く際にシート101の面がz方向に角度θでねじれてxy面を超えて変形する。この面外方向への回転を含む変位を3次元的な変形または曲げと称する。Here, the difference between the in-plane displacement and the three-dimensional displacement will be described with reference to FIG. 3A shows in-plane deformation (elongation), and FIG. 3B shows three-dimensional deformation (bending). When attention is paid to the surface 105 including the notch 102c at the edge, in FIG. 3A, the notch 102c is deformed by δ 1 in the y direction while maintaining the planarity in the xy plane. In contrast, in FIG. 3B, when the notch 102c is opened, the surface of the sheet 101 is twisted in the z direction at an angle θ and deformed beyond the xy plane. This displacement including rotation in the out-of-plane direction is referred to as three-dimensional deformation or bending.

面内変形する初期領域から3次元変形する第2領域への遷移では、面内ひずみエネルギーと面外ひずみエネルギーが競合する。これら2つのエネルギーが等しくなったときに、2つの領域間で遷移が起きる。   In the transition from the initial region that undergoes in-plane deformation to the second region that undergoes three-dimensional deformation, in-plane strain energy and out-of-plane strain energy compete. When these two energies are equal, a transition occurs between the two regions.

図3(a)において、面105がxy面内での平面性を維持したまま変形し得る臨界伸び量をδとすると、臨界伸び量δは、シート101の臨界伸び量Δc(Δc=2Nδ)または臨界ひずみε(ε=δ/d)により、式(1)で与えられる。In FIG. 3A, when the critical elongation amount that can deform the surface 105 while maintaining the planarity in the xy plane is δ c , the critical elongation amount δ c is the critical elongation amount Δc (Δc = 2Nδ c ) or critical strain ε cc = δ c / d), given by equation (1).

ここで、hはシート101の厚さ、dはy方向への切り込みのピッチ、βは後述する数値係数である。初期領域では、シート101の伸び量Δはy方向への繰り返しユニット数Nに比例する。一方、歪みεはNには依存しない。これらの量は、与えられた力Fまたは応力σに対し、シート101の厚さhが決まっている場合、切り込みピッチdの関数として表される。ひとつの切り込み102cの臨界伸び量Δ及び臨界歪みεは、切り込みのピッチdによって設計できる。以下で、これについてさらに詳しく説明する。 Here, h is the thickness of the sheet 101, d is the pitch of cutting in the y direction, and β is a numerical coefficient described later. In the initial region, the extension amount Δ of the sheet 101 is proportional to the number N of repeating units in the y direction. On the other hand, the strain ε does not depend on N. These amounts are expressed as a function of the cutting pitch d when the thickness h of the sheet 101 is determined for a given force F or stress σ. The critical elongation amount Δ c and the critical strain ε c of one notch 102c can be designed by the notch pitch d. This will be described in more detail below.

まず、面内変形が生じる初期領域において、シート101の応答特性はシート101にかかる力Fとシート101の伸びΔの関係、または応力(ストレスσ)と歪み(ストレインε)の関係により、式(A)で与えられる。   First, in the initial region where in-plane deformation occurs, the response characteristic of the sheet 101 is expressed by the relationship between the force F applied to the sheet 101 and the elongation Δ of the sheet 101, or the relationship between stress (stress σ) and strain (strain ε). Given in A).

F=K1×Δ または σ=E1×ε (A)
ここで、K1は初期領域でのシート101の剛さ定数(stiffness constant)、E1は初期領域でのシート101のヤング率であり、
K1=k1/2N
E1=k1×d/hw
k1∝E×dh/w (A)’
である。Eはシート101の素材本来の(切り込み前の)ヤング率である。K1は切り紙構造における初期領域でのバネ定数に相当する量を表わし、以下の説明では便宜上「バネ定数」と称する。k1は切り込み一つあたりの剛さ定数(バネ定数)である。式(A)’から、K1とE1は式(B)で与えられる。
F = K1 × Δ or σ = E1 × ε (A)
Here, K1 is the stiffness constant of the sheet 101 in the initial region, E1 is the Young's modulus of the sheet 101 in the initial region,
K1 = k1 / 2N
E1 = k1 × d / hw
k1∝E × d 3 h / w 3 (A) ′
It is. E is the original Young's modulus of the material of the sheet 101 (before cutting). K1 represents an amount corresponding to the spring constant in the initial region in the cut paper structure, and is referred to as “spring constant” for convenience in the following description. k1 is a stiffness constant (spring constant) per notch. From equation (A) ′, K1 and E1 are given by equation (B).

K1=(α/2N)×E×dh/w
E1=α(d/w)×E (B)
上述のとおり、dはy方向への切り込みのピッチ、hはシート101の厚さ、wは切り込み102cの幅、Nは切り込み幅と直交する方向(y方向)への繰り返しユニット数(または切り込み102cの数)である。αは数値係数であり、7.0程度である。より正確には、αは6.92程度であるが、以下では説明の簡単のためα=7.0とおく。なお、本明細書と特許請求の範囲で「α=7.0」というときは誤差も含むものとする。
K1 = (α / 2N) × E × d 3 h / w 3
E1 = α (d / w) 4 × E (B)
As described above, d is the pitch of the cut in the y direction, h is the thickness of the sheet 101, w is the width of the cut 102c, and N is the number of repeating units in the direction (y direction) orthogonal to the cut width (or the cut 102c). Number). α is a numerical coefficient and is about 7.0. More precisely, α is about 6.92, but in the following, α = 7.0 is set for ease of explanation. In the present specification and claims, “α = 7.0” includes an error.

式(B)は、シートの弾性を調整するための基本式であり、E、d、h、wの組み合わせによって、非常に広い範囲でシート101のバネ定数すなわち弾性率を調整・変更できることがわかる。なお、シート101のy方向の端部(切り込みのない領域)の影響を小さくするために、互い違いの切り込みの繰り返しユニット数Nは大きい方が望ましく、たとえば10以上とするのが望ましい。   Expression (B) is a basic expression for adjusting the elasticity of the sheet, and it can be seen that the spring constant, that is, the elastic modulus of the sheet 101 can be adjusted and changed in a very wide range by the combination of E, d, h, and w. . In order to reduce the influence of the end portion in the y direction of the sheet 101 (the region without the cut), it is desirable that the number N of repeated cut repeated units is larger, for example, 10 or more.

式(A)が成立する範囲は初期領域であり、初期領域でのシート101の伸びΔは、臨界伸び量Δcよりも小さくなければならない(Δ<Δc)。臨界伸び量Δcは、式(C)で表される。   The range in which the formula (A) is satisfied is the initial region, and the elongation Δ of the sheet 101 in the initial region must be smaller than the critical elongation amount Δc (Δ <Δc). The critical elongation amount Δc is represented by the formula (C).

Δc=β×2N×h/d (C)
式(C)は、印加される伸びの閾値を与える基本式である。βは実験的に求められた数値係数であり、3.02程度である。βの値には丸め込みによる誤差が含まれ、この明細書と特許請求の範囲で「β=3.02」というときは、誤差も含むものとする。シート101は、Δ=Δcのときに初期領域から第2領域へ遷移する。
Δc = β × 2N × h 2 / d (C)
Expression (C) is a basic expression that gives a threshold value of applied elongation. β is a numerical coefficient obtained experimentally and is about 3.02. The value of β includes an error due to rounding. In this specification and claims, when “β = 3.02”, the error is also included. The sheet 101 transitions from the initial region to the second region when Δ = Δc.

式(1)及び式(A)〜(C)の適用範囲は、次のとおりである。まず、長さのパラメータに関して、
h<d<w (D)
を満たす必要があり、h<d≪wであればさらに望ましい。図1Bのようにd、d’、d’’を区別する場合には、これらの不等式に入るのはd’、d’’ではなく、y方向へのピッチ「d」である。現実的には、w/d>4程度であれば、式(1)、及び式(A)〜(C)が成立する。シート101の厚さhは問わず、式(D)の条件を満たせば、1μmであっても1mであっても成立する。
The applicable range of Formula (1) and Formula (A)-(C) is as follows. First, regarding the length parameter,
h <d <w (D)
It is more desirable if h <d << w. When discriminating d, d ′, and d ″ as in FIG. 1B, it is not the d ′ and d ″ but the pitch “d” in the y direction that enters these inequalities. Actually, if w / d> 4, Equation (1) and Equations (A) to (C) are established. Regardless of the thickness h of the sheet 101, the thickness is 1 μm or 1 m as long as the condition of the expression (D) is satisfied.

シート101の材料のヤング率Eについても制限はない。応力をσ、歪をεとすると、ヤング率EはE=σ/εで表される。柔らかいゲルの典型的なヤング率の値である1MPaであっても、その1000倍であっても問題はない。ただし、微小変形に対して線形弾性を示すことが重要である。この点からは、シート101の遷移点でのひずみ[Δc/(2N×d)]が線形弾性応答を示す初期領域に入っていればよい。なお、遷移点でのひずみεは、式(C)から
ε=Δc/(2N×d)=β×h/d
と記述される。
The Young's modulus E of the material of the sheet 101 is not limited. When the stress is σ and the strain is ε, the Young's modulus E is expressed by E = σ / ε. There is no problem even if it is 1 MPa, which is a typical value of Young's modulus of a soft gel, or 1000 times that value. However, it is important to show linear elasticity against minute deformation. From this point, it is only necessary that the strain [Δc / (2N × d)] at the transition point of the sheet 101 is in an initial region showing a linear elastic response. Note that the strain ε c at the transition point is calculated from the equation (C) as follows: ε c = Δc / (2N × d) = β × h 2 / d 2
Is described.

ゲルやゴムであればd/hが1以上であれば十分に良い。実際には、h>dでも式(A)及び式(B)は成立するが、シート材料の場合は、加工性の観点からh<dとするのが現実的といえる。   In the case of gel or rubber, d / h of 1 or more is sufficient. Actually, the formulas (A) and (B) hold even when h> d, but in the case of a sheet material, it can be said that h <d is realistic from the viewpoint of workability.

図4は、切り込みのピッチdと、切り込み102cの幅wの多様な組み合わせで、K1を厚さhの関数として示す。ここでは、繰り返しユニット数NをN=10としている。厚さhが一定であっても、dとwを変えることで、シート101の弾性を制御できることがわかる。   FIG. 4 shows K1 as a function of thickness h with various combinations of notch pitch d and notch 102c width w. Here, the number N of repeating units is N = 10. It can be seen that even if the thickness h is constant, the elasticity of the sheet 101 can be controlled by changing d and w.

図5は、N=10とし、dとwの多様な組み合わせで、K1/(E×h)をパラメータd/w(切り込みの幅wに対するピッチdの比)の関数として示す。図5から、式(B)で表されるように、切り込みを形成したシートのバネ定数K1とヤング率E1は、(d/w)によって正確に規定されることが確認される。   FIG. 5 shows K1 / (E × h) as a function of the parameter d / w (the ratio of the pitch d to the cut width w) with N = 10 and various combinations of d and w. FIG. 5 confirms that the spring constant K1 and the Young's modulus E1 of the sheet having the cuts are accurately defined by (d / w), as represented by the formula (B).

本発明では、繰り返しユニット数N、切り込みの幅w、及びピッチdを適切に選択することで、任意の素材について所望の剛さまたは弾性率を設計することができる。   In the present invention, a desired stiffness or elastic modulus can be designed for any material by appropriately selecting the number of repeating units N, the width w of the cut, and the pitch d.

ここで、図1のデザインで実現されるより好ましい範囲について説明する。まず、使用可能な素材の例と、現実的な厚さおよび代表的な引張り弾性率(ヤング率)を示す。
・紙:厚さh=0.05〜0.5[mm]、ヤング率Eはおよそ100[MPa]
・プラスチック材料(アクリル樹脂等):厚さh=0.2〜5[mm]、ヤング率Eはおよそ1[GPa]
・ゴムゲル材料:厚さh=0.01〜10[mm]、ヤング率Eはおよそ1[MPa]
これらの範囲と、条件式(D)を加味して、d>10h、w>4dを満たす範囲で考える。式(B)から、K1とE1は、
K1≒(7.0/2N)×E×h×d3/w3
E1≒7.0×E×(d/w)
である。K1とE1は相関があるので(K1=E1×h×w/(2N×d))、以下ではK1について説明する。Nを一定値とした場合、wの値を大きくとれば、K1の値は限りなく小さくできる。K1の値を大きくするためには、wの値を小さくすればよいが、最小のwは、上記の前提からw=4d程度である。これ以上小さくすると、式(B)の適用限界となる。したがって、K1のとり得る最大の値K1maxは、
K1max=(7.0/2N)×E×h×d3/(4d)3
=(7.0/(2N×64))×E×h
程度である。N=10の場合、
・厚さh=0.5[mm]、ヤング率E=100[MPa]の紙を用いた場合、K1maxはE×h/180=2.8×102[N/m]程度である。
・厚さh=5[mm]、ヤング率E=100[MPa]のプラスチック材料を用いた場合、K1maxはE×h/180=2.8×103[N/m]程度である。
・厚さh=10[mm]、ヤング率E=1[MPa]のゴムゲルを用いた場合、K1maxはE×h/180=5.5×10[N/m]程度である。
Here, a more preferable range realized by the design of FIG. 1 will be described. First, examples of usable materials, realistic thicknesses, and typical tensile elastic modulus (Young's modulus) are shown.
Paper: Thickness h = 0.05 to 0.5 [mm], Young's modulus E is about 100 [MPa]
Plastic material (acrylic resin, etc.): thickness h = 0.2-5 [mm], Young's modulus E is approximately 1 [GPa]
Rubber gel material: thickness h = 0.01 to 10 [mm], Young's modulus E is about 1 [MPa]
Considering these ranges and conditional expression (D), a range satisfying d> 10h and w> 4d is considered. From equation (B), K1 and E1 are
K1≈ (7.0 / 2N) × E × h × d 3 / w 3
E1≈7.0 × E × (d / w) 4
It is. Since K1 and E1 are correlated (K1 = E1 × h × w / (2N × d)), K1 will be described below. When N is a constant value, the value of K1 can be reduced as much as possible by increasing the value of w. In order to increase the value of K1, the value of w may be decreased, but the minimum w is about w = 4d from the above assumption. If it is further reduced, the application limit of the formula (B) is reached. Therefore, the maximum value K1 max that K1 can take is
K1 max = (7.0 / 2N) × E × h × d 3 / (4d) 3
= (7.0 / (2N × 64)) × E × h
Degree. If N = 10,
When using paper with a thickness h = 0.5 [mm] and Young's modulus E = 100 [MPa], K1 max is about E × h / 180 = 2.8 × 10 2 [N / m]. .
When a plastic material having a thickness h = 5 [mm] and a Young's modulus E = 100 [MPa] is used, K1 max is about E × h / 180 = 2.8 × 10 3 [N / m].
When a rubber gel having a thickness h = 10 [mm] and a Young's modulus E = 1 [MPa] is used, K1 max is about E × h / 180 = 5.5 × 10 [N / m].

次に、Δcについて考える。式(C)で示されるとおり、Δc=β×2N×h/dの関係があり、Δcは繰り返しユニット数Nに比例し、βの値は実験から3.02程度である。説明の簡単のため、β=3とおく。繰り返しユニット数Nを一定とすると、Δcの値を大きくするにはdの値を小さくすればよいが、上記の前提範囲から最小のdをd=10hとする。N=10とした場合、最大のΔcmaxは、
Δcmax=3×2×10×h2/10h=6h
程度である。厚さhが大きければdとhを同等にすることもできるので、下記の値よりも大きくできる場合もある。N=10の場合、
・厚さh=0.5[mm]の紙を用いた場合、Δcmax=3[mm]
・厚さh=5[mm]のプラスチック材料を用いた場合、Δcmax=30[mm]
・厚さh=10[mm]のはゴムゲル材料を用いた場合、Δcmax=60[mm]
このように、実施形態では、初期領域での弾性が式(B)のK1=(α/2N)×E×dh/wで表され、平面性を失う臨界伸び量がΔc=β×2N×h/d(式(C))で決まる任意のシート状素材が提供される。
Next, consider Δc. As shown in the formula (C), there is a relationship of Δc = β × 2N × h 2 / d, Δc is proportional to the number of repeating units N, and the value of β is about 3.02 from the experiment. For simplicity of explanation, β = 3. Assuming that the number of repeating units N is constant, the value of Δc can be increased by decreasing the value of d, but the minimum d is set to d = 10 h from the above premise range. When N = 10, the maximum Δc max is
Δc max = 3 × 2 × 10 × h 2 / 10h = 6h
Degree. Since d and h can be made equal if the thickness h is large, it may be larger than the following value. If N = 10,
When using paper with a thickness h = 0.5 [mm], Δc max = 3 [mm]
When a plastic material having a thickness h = 5 [mm] is used, Δc max = 30 [mm]
・ Thickness h = 10 [mm], when rubber gel material is used, Δc max = 60 [mm]
Thus, in the embodiment, the elasticity in the initial region is represented by K1 = (α / 2N) × E × d 3 h / w 3 in the formula (B), and the critical elongation amount that loses flatness is Δc = β Any sheet-like material determined by × 2N × h 2 / d (formula (C)) is provided.

これらの知見に基づいて、以下で具体的な適用例を説明する。
<フォースセンサへの適用>
図6は、本発明を適用したフォースセンサ10Aの概略図である。切り紙構造のシートでは初期領域から第2領域への遷移点が明確であることから、遷移点での力を閾値とするフォースセンサあるいは重量チェッカーが作製可能である。
Based on these findings, specific application examples will be described below.
<Application to force sensor>
FIG. 6 is a schematic diagram of a force sensor 10A to which the present invention is applied. Since the transition point from the initial region to the second region is clear in the sheet of the cut paper structure, a force sensor or a weight checker using a force at the transition point as a threshold value can be manufactured.

フォースセンサ10Aはシート11と、シート11に形成された切り込み12c及び12eを有する。この例で、互い違いの切り込みの繰り返しユニット数(または中央の切り込み12eの繰り返しユニット数)Nは7である(N=7)。フォースセンサ10Aの下端に、測定対象を留める穴15が形成されている。穴15に替えて測定対象をひっかけるフックをシート11の下端に取り付けてもよいし、穴15に測定対象を保持するフックをひっかけてもよい。任意の形態の被測定物保持手段を採用し得る。フックやフック付きホルダを用いる場合は、その重量をあらかじめ測定しておき、フックまたはホルダの荷重を考慮して閾値、すなわち切り込み12cの幅wとピッチdを設計する。   The force sensor 10 </ b> A includes a sheet 11 and notches 12 c and 12 e formed in the sheet 11. In this example, the number of repeating units of alternating cuts (or the number of repeating units of the central cut 12e) N is 7 (N = 7). A hole 15 for holding the measurement target is formed at the lower end of the force sensor 10A. A hook for hooking the measurement object may be attached to the lower end of the sheet 11 instead of the hole 15, or a hook for holding the measurement object may be hooked in the hole 15. Any form of measured object holding means may be employed. When a hook or a holder with a hook is used, its weight is measured in advance, and the threshold value, that is, the width w and the pitch d of the notch 12c are designed in consideration of the load of the hook or the holder.

測定対象の荷重が閾値未満の場合、図6(a)に示すように、センサ10Aのシート11は平面性を維持したまま変位する。試料の荷重が閾値を超えた場合、図6(b)に示すように、急激に切り込み12c、12eが開いて、構造が回転を伴って大きく伸びる。   When the load to be measured is less than the threshold value, as shown in FIG. 6A, the sheet 11 of the sensor 10A is displaced while maintaining flatness. When the load of the sample exceeds the threshold value, as shown in FIG. 6B, the notches 12c and 12e are suddenly opened, and the structure is greatly extended with rotation.

通常は、シート11の急激な伸び、または切り込みの開口によって、目視により閾値判定を行うことができる。形状によっては平面性を維持したままある程度まで切り込みが開く場合がある。たとえば、ピッチdと厚さhが同程度の場合は、初期領域で平面性を保ったまま切り込み12c、12eが開口する。その場合でも、遷移点を超えた場合には、シート11全体が面外方向への回転を伴って急激に伸びるため目視が可能である。精密を要する場合は、シート11をタッチセンサ付きのケーシング内に収容してもよい。シート11の一部表面に導電薄膜を形成し、シート11が3次元的な変形を起こしてケーシングの内壁に形成された透明電極と接触したときに、LED等を点灯させてもよい。   Normally, the threshold value can be determined visually by the rapid elongation of the sheet 11 or the opening of the cut. Depending on the shape, the cut may open to some extent while maintaining the flatness. For example, when the pitch d and the thickness h are approximately the same, the cuts 12c and 12e are opened while maintaining the flatness in the initial region. Even in such a case, when the transition point is exceeded, the entire sheet 11 is suddenly extended with rotation in the out-of-plane direction, so that visual observation is possible. When precision is required, the sheet 11 may be accommodated in a casing with a touch sensor. A conductive thin film may be formed on a part of the surface of the sheet 11, and the LED or the like may be turned on when the sheet 11 is three-dimensionally deformed and comes into contact with the transparent electrode formed on the inner wall of the casing.

フォースセンサ10Aで測定可能な荷重の閾値Fcをもとめるには、式(A)に基づいてFc=K1×Δcを概算すればよい。上述の通り、K1とΔcは、それぞれ式(B)と式(C)で表される。   In order to obtain the load threshold value Fc measurable by the force sensor 10A, Fc = K1 × Δc may be roughly estimated based on the equation (A). As above-mentioned, K1 and (DELTA) c are each represented by Formula (B) and Formula (C).

K1=(α/2N)×E×dh/w (B)
Δc=β×2N×h/d (C)
Fc=K1×Δc=α×β×E×d23/w3 (E)
ここで、α=7.0、β=3、とおき簡略化のためα×β=20とすると、
Fc≒20×E×d23/w3
が得られる。実際の設計では、α×βを20±1とおいてもよい。式(E)から、閾値Fcは、Nの値に依らず、切り込みの幅wとピッチdで設計できることがわかる。閾値Fcを大きく取るにはwを小さくすればよい。現実的な条件としてw>4dを加味すると、閾値Fcは、
Fc=20×E×d23/(4d)3=0.31×E×h3/d
となる。Fcを大きくとるにはdを小さくすればよいが、d>10hとすると、最大の閾値は、
Fcmax=0.31×E×h3/10h=0.03×E×h2
程度となる。場合によっては、y方向への切り込みのピッチdとシートの厚さhを同等程度にできるので、これよりも大きな閾値を設定することも可能である。
・厚さh=0.5[mm]の紙を用いた場合、ヤング率E=100[MPa]として、閾値Fcmaxは0.03×E×h2=0.75[N]程度である。
・厚さh=5[mm]のプラスチック材料を用いた場合、ヤング率E=1[GPa]として、閾値Fcmaxは0.03×E×h2=0.75×103[N]程度である。
・厚さh=10[mm]のはゴムゲル材料を用いた場合、ヤング率E=1[MPa]として、最大の閾値Fcmaxは0.03×E×h2=3[N]程度である。
K1 = (α / 2N) × E × d 3 h / w 3 (B)
Δc = β × 2N × h 2 / d (C)
Fc = K1 × Δc = α × β × E × d 2 h 3 / w 3 (E)
Here, when α = 7.0, β = 3, and α × β = 20 for simplification,
Fc≈20 × E × d 2 h 3 / w 3
Is obtained. In actual design, α × β may be set to 20 ± 1. From the equation (E), it can be seen that the threshold value Fc can be designed with the cut width w and the pitch d regardless of the value of N. In order to increase the threshold value Fc, w may be decreased. If w> 4d is considered as a realistic condition, the threshold value Fc is
Fc = 20 × E × d 2 h 3 / (4d) 3 = 0.31 × E × h 3 / d
It becomes. In order to increase Fc, d should be reduced, but if d> 10h, the maximum threshold is
Fc max = 0.31 × E × h 3 /10h=0.03×E×h 2
It will be about. In some cases, the cutting pitch d in the y-direction and the sheet thickness h can be made comparable, so that a larger threshold value can be set.
When paper having a thickness of h = 0.5 [mm] is used, the threshold Fc max is about 0.03 × E × h 2 = 0.75 [N] with Young's modulus E = 100 [MPa]. .
When a plastic material having a thickness h = 5 [mm] is used, the threshold value Fc max is about 0.03 × E × h 2 = 0.75 × 10 3 [N] with Young's modulus E = 1 [GPa]. It is.
When the rubber gel material is used for the thickness h = 10 [mm], the Young's modulus E = 1 [MPa] and the maximum threshold value Fc max is about 0.03 × E × h 2 = 3 [N]. .

これらの材質を用いる場合は、上限は7.5×102[N]、あるいはdとhを同等にした場合はその10倍程度の閾値を有する重量センサをつくることができる。閾値Fcmaxの下限は任意に小さくできる。When these materials are used, the upper limit is 7.5 × 10 2 [N], or when d and h are made equal, a weight sensor having a threshold value about 10 times that can be made. The lower limit of the threshold value Fc max can be arbitrarily reduced.

図7は、面内変形と遷移点を利用したフォースセンサ10Aの実施例1である。実施例1で、フォースセンサ10Aは、シート11としてヤング率Eが約3GPaのアクリル樹脂を用い、パラメータを、
w=80[mm]、
d=10[mm]、
h=0.3[mm]
に設定する。このフォースセンサは0.3[N]センサとして機能する。なお、1[N]は約100グラム重である。図7(a)は0.26[N]の荷重を加えた場合である。センサは平面性を維持し、荷重は閾値を超えていない。図7(b)は、0.32[N]の荷重を加えた場合である。荷重が0.3[N]を超えるので切り込みが開き、シート11が3次元的に変形する。
FIG. 7 is a first embodiment of the force sensor 10A using in-plane deformation and transition points. In Example 1, the force sensor 10A uses an acrylic resin having a Young's modulus E of about 3 GPa as the sheet 11, and parameters are set as follows.
w = 80 [mm],
d = 10 [mm],
h = 0.3 [mm]
Set to. This force sensor functions as a 0.3 [N] sensor. Note that 1 [N] weighs about 100 grams. FIG. 7A shows a case where a load of 0.26 [N] is applied. The sensor remains flat and the load does not exceed the threshold. FIG. 7B shows a case where a load of 0.32 [N] is applied. Since the load exceeds 0.3 [N], the notch is opened and the sheet 11 is deformed three-dimensionally.

図8は、面内変形と遷移点を利用したフォースセンサ10Aの実施例2である。実施例2で、フォースセンサ10Aはヤング率Eが約3GPaのアクリル樹脂を用い、パラメータを、
w=60[mm]、
d=15[mm]、
h=0.2[mm]
に設定している。このフォースセンサは0.6[N]センサとして機能する。図8(a)は、0.58[N]の荷重を加えた場合であり、センサは平面性を維持している。図8(b)は、0.69[N]の荷重を加えた場合である。荷重が0.6[N]を超えるので切り込みが開き、シート11が3次元的に変形して伸びる。図8(b)で色の薄い部分はシート11の回転による反射を示す。
FIG. 8 is a second embodiment of the force sensor 10A using in-plane deformation and transition points. In Example 2, the force sensor 10A uses an acrylic resin having a Young's modulus E of about 3 GPa, and parameters are set as follows.
w = 60 [mm],
d = 15 [mm],
h = 0.2 [mm]
Is set. This force sensor functions as a 0.6 [N] sensor. FIG. 8A shows a case where a load of 0.58 [N] is applied, and the sensor maintains flatness. FIG. 8B shows a case where a load of 0.69 [N] is applied. Since the load exceeds 0.6 [N], the cut is opened, and the sheet 11 is deformed and stretched three-dimensionally. In FIG. 8B, the light-colored portion indicates reflection due to the rotation of the sheet 11.

実施例1、2のいずれも、荷重の閾値センサとして良く機能することがわかる。Δcmaxがシート材料の弾性限界を超えない伸びになっていることと、Fcmaxにおいてシートの切れ込みの先から破壊しないことが満たされれば、小さなひずみで塑性変形が現れる金属等でも応用が可能である。例えば、アルミ箔を用いて極めて軽量の物質の荷重を感度良く閾値判定することができる。It can be seen that both Examples 1 and 2 function well as load threshold sensors. If it is satisfied that Δc max is an elongation that does not exceed the elastic limit of the sheet material and that Fc max does not break from the tip of the sheet, it can be applied to metals that exhibit plastic deformation with a small strain. is there. For example, an aluminum foil can be used to determine the threshold of a load of a very light substance with high sensitivity.

逆に、厚さhが0.3[mm]のスチールで、d=2.3[mm]、w=12[mm]、N=10のデザインにした場合、ヤング率Eを100[GPa]とすると、閾値を求める式(E)すなわちFc=20×E×d23/w3から、閾値はおよそ200[N]になり、ほぼ20キログラムのスーツケースを吊るしたときに閾値を超えることになる。On the other hand, when the design is made of steel having a thickness h of 0.3 [mm], d = 2.3 [mm], w = 12 [mm], and N = 10, the Young's modulus E is 100 [GPa]. Then, from the formula (E) for obtaining the threshold value, that is, Fc = 20 × E × d 2 h 3 / w 3 , the threshold value is about 200 [N], which exceeds the threshold value when a nearly 20 kilogram suitcase is suspended. It will be.

金属に替えて、ゴムでセンサを実現する場合は以下のようになる。バネ定数K1を調整する式(B)、最大の臨界伸び量Δcmaxを求めるための式(C),及び閾値Fcを求める式(E)は、シートの厚さhと切り込みのピッチdが同程度の場合にも成立する。   When a sensor is realized with rubber instead of metal, it is as follows. The formula (B) for adjusting the spring constant K1, the formula (C) for obtaining the maximum critical elongation amount Δcmax, and the formula (E) for obtaining the threshold value Fc are approximately equal to the sheet thickness h and the notch pitch d. This is also true for

たとえば、h=d=10[mm]、切り込み幅w=40[mm]とし、ヤング率Eが10[MPa]のゴムを使用した場合、Fc=20×E×d23/w3より、閾値は300[N]になり、ほぼ30キログラムのスーツケースを吊るしたときに閾値をこえるセンサが実現できる。つまり、硬めのゴムを使えば、たとえば平面サイズが5[cm]×20[cm]で厚さが5[mm]の手軽に持ち運べるスーツケース重量チェッカーが実現できる。この構成は荷物の重量制限がある場合等の簡易チェックに有用である。
<フォースセンサの変形例>
図9は、変形例として、荷重自体を測定するフォースセンサ10Bを示す。図7〜図9では、閾値を超えるか超えないかで荷重を判定するものであった。これに対し、図9のフォースセンサ10Bでは、ひずみゲージ16を切り紙構造上に作り込んで、ひずみゲージ16の抵抗値を測定器17で測定することで、切り紙構造にかかる力を測定することができる。ひずみゲージの抵抗変化と力の関係をあらかじめ求めておくことで、試料の重さを測る重量センサとして使用できる。
For example, when h = d = 10 [mm], the cutting width w = 40 [mm], and a rubber having a Young's modulus E of 10 [MPa], Fc = 20 × E × d 2 h 3 / w 3 The threshold is 300 [N], and a sensor exceeding the threshold can be realized when a suitcase of approximately 30 kilograms is suspended. In other words, if a hard rubber is used, a suitcase weight checker that can be easily carried, for example, having a planar size of 5 [cm] × 20 [cm] and a thickness of 5 [mm] can be realized. This configuration is useful for simple checks such as when there is a limit on the weight of luggage.
<Modification of force sensor>
FIG. 9 shows a force sensor 10B that measures the load itself as a modification. 7 to 9, the load is determined based on whether or not the threshold value is exceeded. On the other hand, in the force sensor 10B of FIG. 9, the strain gauge 16 is built on the cut paper structure, and the resistance value of the strain gauge 16 is measured by the measuring instrument 17, thereby measuring the force applied to the cut paper structure. be able to. It can be used as a weight sensor that measures the weight of a sample by obtaining the relationship between the resistance change of the strain gauge and the force in advance.

ひずみゲージ16としては、既製のひずみゲージを切り紙構造に張り付けてもよいし、微細加工技術を用いて切り紙構造上に直接ひずみゲージを作り込んでもよい。測定対象となる力のオーダーに応じて切り紙構造の形状をデザインすることで、幅広い範囲の力を計測することができる。   As the strain gauge 16, an off-the-shelf strain gauge may be attached to the cut paper structure, or a strain gauge may be directly formed on the cut paper structure using a fine processing technique. A wide range of forces can be measured by designing the shape of the cut paper structure according to the order of the force to be measured.

フォースセンサ10A及びフォースセンサ10Bの双方において、用いるシート素材のヤング率Eと厚さhが与えられれば、式(E)から、切り込みの幅wとピッチdを適切に設定することで、所望の閾値Fcのセンサを作製できる。   If the Young's modulus E and the thickness h of the sheet material to be used are given in both the force sensor 10A and the force sensor 10B, a desired width w and pitch d can be set from the formula (E). A sensor with a threshold value Fc can be produced.

図10は、紙だけではなく、アクリルやゴムで所望の閾値Fcを有するセンサを設計できることを実証する図である。縦軸は荷重の閾値Fc[N]、横軸は式(E)の右辺のパラメータEd23/w3[N]である。黒丸はシート11にアクリルを用いたときの閾値、黒四角はゴムを用いたときの閾値である。アクリルとゴムの双方で、互い違いの切り込みの繰り返しユニット数をN=7として、手作業で5種類の切り込み構造を作製した。各データ点のパラメータは、原点に近い方から順に、次のとおりである。
1)E=8MPaのゴム;
w=30[mm],d=5[mm],h=1[mm]
2)E=3GPaのアクリル;
w=80[mm],d=10[mm],h=0.3[mm]
3)E=3GPaのアクリル;
w=60[mm],d=15[mm],h=0.2[mm]
4)E=3GPaのアクリル;
w=60[mm],d=10[mm],h=0.4[mm]
5)E=3GPaのアクリル;
w=60[mm],d=15[mm],h=0.4[mm]
図10のグラフから、FcとEd23/w3は傾き18のリニアな関係、すなわち、
Fc=18×E×d23/w3
の関係があることがわかる。閾値Fcの理論式は
Fc=20×E×d23/w3 (E)
であるから、作製誤差の範囲内で理論とよく一致していることがわかる。すなわち、式(E)は材質を問わず有効である。
FIG. 10 is a diagram demonstrating that a sensor having a desired threshold value Fc can be designed not only with paper but also with acrylic or rubber. The vertical axis represents the load threshold value Fc [N], and the horizontal axis represents the parameter Ed 2 h 3 / w 3 [N] on the right side of the equation (E). A black circle is a threshold when acrylic is used for the sheet 11, and a black square is a threshold when rubber is used. With both acrylic and rubber, the number of repeating units of alternating incisions was N = 7, and five types of incision structures were produced manually. The parameters of each data point are as follows in order from the one closer to the origin.
1) E = 8 MPa rubber;
w = 30 [mm], d = 5 [mm], h = 1 [mm]
2) E = 3 GPa acrylic;
w = 80 [mm], d = 10 [mm], h = 0.3 [mm]
3) E = 3 GPa acrylic;
w = 60 [mm], d = 15 [mm], h = 0.2 [mm]
4) E = 3 GPa acrylic;
w = 60 [mm], d = 10 [mm], h = 0.4 [mm]
5) E = 3 GPa acrylic;
w = 60 [mm], d = 15 [mm], h = 0.4 [mm]
From the graph of FIG. 10, Fc and Ed 2 h 3 / w 3 are linearly related to the slope 18, that is,
Fc = 18 × E × d 2 h 3 / w 3
It can be seen that there is a relationship. The theoretical formula of the threshold value Fc is Fc = 20 × E × d 2 h 3 / w 3 (E)
Therefore, it can be seen that it is in good agreement with the theory within the range of manufacturing errors. That is, the formula (E) is effective regardless of the material.

図11と図12は、切り込みの繰り返しユニットが横方向(図1のx方向)に複数配置される場合にも、本発明の弾性率の設計が適用されることを示す図である。   FIG. 11 and FIG. 12 are diagrams showing that the elastic modulus design of the present invention is applied even when a plurality of repeated cutting units are arranged in the lateral direction (x direction in FIG. 1).

図11は3種類の切り紙構造を示し、図12は図11の各構成での伸び(Δ)と力(F)の関係を示す。図11の構成(1)と(2)は、縦方向への互い違いの切り込みの繰り返しが横方向にも連続して複数連なっている構成である。図11の構成(3)は、2本の切り紙構造が独立して配置される構成である。   11 shows three types of cut paper structures, and FIG. 12 shows the relationship between elongation (Δ) and force (F) in each configuration of FIG. The configurations (1) and (2) in FIG. 11 are a configuration in which a plurality of alternately repeated cuts in the vertical direction are continuously arranged in the horizontal direction. The configuration (3) in FIG. 11 is a configuration in which two cut paper structures are arranged independently.

図12(a)の全体図に示すように、伸び(Δ)と力(F)の関係において、構成(1)〜(3)のいずれも同じ傾向の振る舞いをする。図12(b)は、図12(a)の初期領域Aの拡大図である。構成(1)〜(3)の初期領域での線形特性、すなわち変位−力特性の傾きもほぼ同じである。このことは、横方向に連結された切り紙構造の初期領域のバネ定数は、式(B)、すなわち切り込みが縦一列の場合のK1=(α/2N)×E×dh/wの足し合わせで表現できることを示している。切り込み列が横方向に複数連なったシートを用いる場合も、初期領域での弾性設計やセンサへの適用が可能になる。As shown in the overall view of FIG. 12A, in the relationship between the elongation (Δ) and the force (F), all of the configurations (1) to (3) behave in the same tendency. FIG. 12B is an enlarged view of the initial region A in FIG. The linear characteristics in the initial regions of configurations (1) to (3), that is, the slopes of the displacement-force characteristics are substantially the same. This means that the spring constant of the initial region of the cut paper structure connected in the horizontal direction is expressed by the equation (B), that is, K1 = (α / 2N) × E × d 3 h / w 3 in the case where the cuts are in a vertical line. It can be expressed by adding together. Even when a sheet having a plurality of cut rows in the horizontal direction is used, it is possible to apply the elastic design in the initial region and the sensor.

図12(a)に示すように、切り紙構造の列が横方向に連結された構成(1)の場合、互いに切り離された構成(3)の場合と比べて、少ない変位で破断が起きる。ただし、構成(2)のように、切り紙構造の上端付近と下端付近で切り紙の連結部をあらかじめ切り離しておくことで、破断が起きる変位を完全に切り離された構成(3)の場合に近づけることができる。切り込み列を横方向に複数連ねることで、平方メートルスケールの大面積の切り紙構造も可能である。
<医療用シートへの適用例>
≪生体材料を用いたシートの説明≫
生体適合材料である高分子材料やセラミックスや金属などの無機材料を基材としたシートを、ヒトの器官に接着したり挿入したりすることで器官の機能や状態を維持したり促進したりすることができる。例えば骨に巻いたり接合部材に用いたりすることで骨の再形成をサポートしたり、血管に挿入することで硬化した血管の運動をサポートしたりできる。 骨の弾性率は30GPa程度であるのに対し、金属では弾性率が低いとされているチタンでも110GPa程度である。その弾性率の差が生体に外となる応力遮蔽効果の原因となっている。本発明を用いれば、式(B)から、金属シートに切り込みを入れた際の弾性率E1は、
E1=α×E×d/w
で表すことができる。
As shown in FIG. 12A, in the configuration (1) in which the rows of the cut paper structures are connected in the horizontal direction, the fracture occurs with a smaller displacement than in the configuration (3) separated from each other. However, in the case of the configuration (3) in which the displacement at which the breakage occurs is completely separated by previously separating the connecting portions of the cut paper near the upper end and the lower end of the cut paper structure as in the configuration (2). You can get closer. By connecting a plurality of incision rows in the horizontal direction, a large square meter cut paper structure is possible.
<Application example to medical sheet>
≪Description of sheet using biomaterial≫
To maintain or promote the function and state of organs by attaching or inserting a sheet based on biomaterials, such as polymer materials or ceramics or metal inorganic materials, to human organs be able to. For example, it is possible to support bone remodeling by being wound around a bone or being used as a joining member, or supporting movement of a hardened blood vessel by being inserted into a blood vessel. The elastic modulus of bone is about 30 GPa, while titanium, which is considered to have a low elastic modulus for metals, is about 110 GPa. The difference in elastic modulus is the cause of the stress shielding effect that is outside the living body. If the present invention is used, from the formula (B), the elastic modulus E1 when cutting into the metal sheet is
E1 = α × E × d 4 / w 4
Can be expressed as

α=7.0なので、E=110GPaのチタンを用いる場合、d=2mm、w=10mmとなるように切込みをいれれば、E1=約1GPaとなるように弾性率をチューニングすることができる。
また、例えば心臓や肺などの内臓の外側に張ることで、内臓に理想とされる弾性をサポートすることができる。この場合、生体適合材料シートの弾性率は、理想とされる弾性と患者の現状の組織の弾性率の測定値または臓器の筋量や運動強度とから導かれるサポート弾性値に応じて、患者ごとにカスタマイズして切り紙構造を設計して得られる。一意の材質の生体適合材料シートを使って幅広い範囲で弾性率の調整が可能である。また、面内変位が維持される領域、すなわち回転を伴う3次元変位に至らない領域で弾性率を設計するので、シートが適用される患者の組織や器官との適合性が良い。
≪細胞を培養するシートの例≫
また、重症火傷を負った患者の皮膚移植のための培養表皮に、適用部位に最適な弾性を与えることができる。図13は、医療用再生シートへの切り紙構造の適用例を示す。図13(a)は切り込み12cと12eを持った培地25の模式図である。
Since α = 7.0 and titanium of E = 110 GPa is used, the elastic modulus can be tuned so that E1 = about 1 GPa if the slit is made to be d = 2 mm and w = 10 mm.
In addition, for example, by stretching outside the internal organs such as the heart and lungs, elasticity ideal for the internal organs can be supported. In this case, the elastic modulus of the biocompatible material sheet depends on the patient's current elasticity of the patient and the measured elasticity of the patient's current tissue, or the support elasticity value derived from the muscle mass and exercise strength of the organ. It can be obtained by customizing the cut paper structure. The elastic modulus can be adjusted over a wide range using a biomaterial sheet made of a unique material. In addition, since the elastic modulus is designed in a region where the in-plane displacement is maintained, that is, a region that does not reach a three-dimensional displacement with rotation, the compatibility with the tissue or organ of the patient to which the sheet is applied is good.
≪Example of cell culture sheet≫
Moreover, the optimal elasticity can be given to an application site | part to the cultured epidermis for skin transplantation of the patient who received the severe burn. FIG. 13 shows an application example of the cut paper structure to a medical recycled sheet. FIG. 13A is a schematic diagram of the medium 25 having the cuts 12c and 12e.

図13(a)のように設計された培地25に細胞を培養することで、所望の弾性率の細胞シートを作製することができる。細胞シートが適用される細胞組織の弾性率または剛さ定数をあらかじめ取得しておき、細胞シートで所望の弾性率が得られるように切り込みの幅wと、幅wと直交する方向(図1のy方向)へのピッチ(間隔)dを設計する。   By culturing the cells in the medium 25 designed as shown in FIG. 13A, a cell sheet having a desired elastic modulus can be produced. The elastic modulus or stiffness constant of the cell tissue to which the cell sheet is applied is acquired in advance, and the cut width w and the direction perpendicular to the width w so as to obtain a desired elastic modulus in the cell sheet (in FIG. 1) The pitch (interval) d in the y direction) is designed.

本発明の切り紙構造による弾性率調整技術を適用すると、細胞(弾性率約10MPa)の材料を使って、0.1MPaの弾性率の細胞シートを作ることが可能である。   When the elastic modulus adjusting technique using the cut paper structure of the present invention is applied, it is possible to make a cell sheet having an elastic modulus of 0.1 MPa using a material of cells (elastic modulus of about 10 MPa).

式(B)から、シートに切り込みを入れた際の弾性率E1は、
E1=α×E×d/w
で表すことができる。
From the formula (B), the elastic modulus E1 when the sheet is cut is
E1 = α × E × d 4 / w 4
Can be expressed as

α=7.0なので、E=10MPaの細胞を用いる場合、d=2.4mm、w=12mmとなるように図13(a)の培地をデザインすれば、その培地に作られる細胞シートがE1=約0.1MPaとなるように弾性率をチューニングすることができる。なお、細胞の弾性率は、E. Moeendarbary et al., “Cell mechanics: principles, practices, and prospects”, Wiley Interdisciplinary Reviews: Systems Biology and Medicine,Volume 6, Issue 5, 2014, Pages 371-388 に記載されている。   Since α = 7.0, when E = 10 MPa cells are used, if the medium shown in FIG. 13A is designed so that d = 2.4 mm and w = 12 mm, the cell sheet produced in the medium is E1. The elastic modulus can be tuned to be about 0.1 MPa. The elastic modulus of cells is described in E. Moeendarbary et al., “Cell mechanics: principles, practices, and prospects”, Wiley Interdisciplinary Reviews: Systems Biology and Medicine, Volume 6, Issue 5, 2014, Pages 371-388. Has been.

あらかじめ切り込み12c、12eを入れた培地に細胞を培養することで、細胞に機械的な損傷を与えることなく、切り紙構造をもつ細胞シートを作製することができる。このような細胞シートは、医療用再生シートとして用いることができる。この場合、力がかからない状態での培地の切り込み12c及び12eの間隙δ0が、ゼロ以外の適切な値をとる必要がある。切り込み12c、12eの間隙が小さい場合、培養中に細胞が切り込み12c、12eを塞ぐおそれがあるからである。培地の切り込み12c、12eの間隙δ0が有限の値を持つ場合(δ0≠0)、得られる細胞シートの切り紙構造も有限の切れ込み幅を持つ。
≪切り込みに隙間があってもデザイン法則が成り立つことの説明≫
本発明の原理説明とセンサへの適用例では、シートに形成される切り込みの間隙δ0が限りなく小さい場合(δ0=0)を想定してきたが、図13(b)に示されるように、切り込みの間隙がゼロでない場合も(δ0≠0)、本発明の原理が当てはまる。図13(b)は、図13(a)と同様に切り込みの間隙がゼロでない幅を持つ切り紙構造の変位−力特性の図である。実験においてd=2mm、w=20mm、繰り返しユニット数をN=10とした。用いた素材は紙である。
By culturing the cells in a medium in which the cuts 12c and 12e have been put in advance, a cell sheet having a cut paper structure can be produced without mechanically damaging the cells. Such a cell sheet can be used as a medical regeneration sheet. In this case, the gap δ 0 between the incisions 12c and 12e of the medium in a state where no force is applied needs to take an appropriate value other than zero. This is because when the gap between the cuts 12c and 12e is small, the cells may block the cuts 12c and 12e during the culture. When the gap δ 0 between the medium cuts 12c and 12e has a finite value (δ 0 ≠ 0), the resulting cut sheet structure of the cell sheet also has a finite cut width.
≪Explanation that the design rule holds even if there is a gap in the cuts≫
In the explanation of the principle of the present invention and the application example to the sensor, it is assumed that the notch gap δ 0 formed in the sheet is extremely small (δ 0 = 0), but as shown in FIG. 13B. Even when the notch gap is not zero (δ 0 ≠ 0), the principles of the present invention apply. FIG. 13B is a diagram of displacement-force characteristics of a cut paper structure having a width where the notch gap is not zero, as in FIG. 13A. In the experiment, d = 2 mm, w = 20 mm, and the number of repeating units was N = 10. The material used is paper.

図13(b)では、3種類の異なる間隙δでサンプルを作製して、切り紙構造の力学応答を測定した。サンプルaはδ0=0[mm]、サンプルbはδ0=0.1[mm]、サンプルcはδ0=0.5[mm]である。図13(b)からわかるように、3種類の切り紙構造の初期領域の傾きはほぼ同じである。これは、切り込みの間隙がある程度の大きさをもつ場合でも、理論式(1)及び(A)〜(E)が当てはまることを示している。すなわち、切り込みの間隙をもつ培地に細胞を培養して得られる細胞シートもまた、上述した理論式を用いてその剛さまたは弾性率を予測することが可能である。In FIG. 13B, samples were prepared with three different gaps δ, and the mechanical response of the cut paper structure was measured. Sample a has δ 0 = 0 [mm], sample b has δ 0 = 0.1 [mm], and sample c has δ 0 = 0.5 [mm]. As can be seen from FIG. 13B, the inclinations of the initial regions of the three types of cut sheet structures are substantially the same. This indicates that the theoretical formulas (1) and (A) to (E) apply even when the notch gap has a certain size. That is, a cell sheet obtained by culturing cells in a medium having a notch gap can also predict the stiffness or elastic modulus using the above-described theoretical formula.

あらかじめ間隙δ0を持った細胞シートを作製するかわりに、細胞シートとして使用する直前に、設計されたwとdを用いて細胞膜に切り込みを入れて切り紙構造の細胞シートを使用部位に適用してもよい。
≪ヒトの皮膚の弾性率をデザインする例≫
人間の皮膚の弾性率は1MPa程度であることが知られている。生体由来である豚真皮を使った創傷被覆材の弾性率も同程度の弾性率である。またハイドロゲルの弾性率も同程度である。
Instead of preparing a cell sheet having a gap δ 0 in advance, immediately before using it as a cell sheet, a cell sheet having a cut paper structure is applied to the use site by cutting the cell membrane using the designed w and d. May be.
≪Example of designing the elastic modulus of human skin≫
It is known that the elastic modulus of human skin is about 1 MPa. The elastic modulus of the wound dressing using porcine dermis derived from the living body is comparable. Moreover, the elastic modulus of hydrogel is also comparable.

本発明の切り紙構造による弾性調整技術を適用すると、生体分解性を持つPCL(poly ε-caprolactone;弾性率0.4GPa)の材料を使って、1MPaの弾性率のシートを作ることが可能である。式(B)から、シートに切り込みを入れた際の弾性率E1は、
E1=α×E×d4/w4
で表すことができる。α=7.0なので、E=0.4GPaのPCLを用いる場合、d=2.4mm、w=12mmとなるように切込みをいれれば、E1=4MPaとなるように弾性率をチューニングすることができる。この設計では、厚さhをマイクロスケールからdよりも小さいサブミリメートルのオーダーまでとることができる。面積に関して制限はない。
<その他の適用例>
図14は、さらに別の適用例として、スポーツ用あるいは治療用のサポータ、コルセット、腰痛ベルト等の装着具への適用例を示す。ここでは、装着具30を例にとる。装着具30はその少なくとも一部に切り込み領域31を有する。切り込み領域31には、
K1=(α/2N)×E×dh/w、または
E1=α(d/w)×E (B)
を満たすように、切り込み32が形成されている。ここで、αは係数であり、実験的にα=7.0である。Eは素材テクスチャのヤング率、hは素材テクスチャの厚さである。切り込み32の幅w、ピッチdおよび繰り返し数Nを適切に設計することで、装着者にとって最適な弾性を与えることができる。
By applying the elastic adjustment technology using the cut paper structure of the present invention, it is possible to make a sheet with an elastic modulus of 1 MPa using a biodegradable PCL (poly ε-caprolactone; elastic modulus 0.4 GPa) material. is there. From the formula (B), the elastic modulus E1 when the sheet is cut is
E1 = α × E × d 4 / w 4
Can be expressed as Since α = 7.0, when PCL with E = 0.4 GPa is used, the elastic modulus can be tuned so that E1 = 4 MPa if the cut is made so that d = 2.4 mm and w = 12 mm. it can. In this design, the thickness h can be taken from the microscale to the order of submillimeters smaller than d. There is no restriction on the area.
<Other application examples>
FIG. 14 shows an application example to a wearer such as a supporter for sports or treatment, a corset, and a low back pain belt as still another application example. Here, the wearing tool 30 is taken as an example. The mounting tool 30 has a cut region 31 at least in part. The cut area 31 includes
K1 = (α / 2N) × E × d 3 h / w 3 , or
E1 = α (d / w) 4 × E (B)
A cut 32 is formed so as to satisfy the above. Here, α is a coefficient, and α = 7.0 experimentally. E is the Young's modulus of the material texture, and h is the thickness of the material texture. By appropriately designing the width w, the pitch d, and the number of repetitions N of the cuts 32, it is possible to give the optimal elasticity for the wearer.

切り込みの方向は、用途、部位に応じて、適宜設定することができる。たとえば、関節等の曲げ伸ばしの部位に適用する場合は図14(a)の方向に形成された切り込みを用いる。身体の円筒形の部位(腕、足、腰など)を圧迫する目的として使うのであれば、図14(b)の方向に形成された切り込みを用いてもよい。   The direction of incision can be appropriately set according to the application and site. For example, in the case of application to a bending / extending part such as a joint, an incision formed in the direction of FIG. If it is used for the purpose of compressing a cylindrical part (arm, leg, waist, etc.) of the body, an incision formed in the direction of FIG. 14B may be used.

また、各切り込み32を粘着テープ等で仮留めしておいて、装着者が所望の範囲の切り込み32の粘着テープを剥離できる構成としてもよい。この場合、所望の部位で所望の弾性が与えられる快適な装着具が実現する。なお、円筒形の装着具の場合でも、変位は面内のみであり、法線方向への変位を含まない。   Moreover, it is good also as a structure which can temporarily peel each notch 32 with an adhesive tape etc., and a wearer can peel the adhesive tape of the notch 32 of a desired range. In this case, a comfortable wearing tool that provides desired elasticity at a desired site is realized. Even in the case of a cylindrical mounting tool, the displacement is only in the plane and does not include the displacement in the normal direction.

以上述べたように、本発明の弾性設計方法によれば、シート状材料の弾性率を幅広い範囲でチューニング可能であり、また、設計の段階で弾性率が予測可能である。   As described above, according to the elastic design method of the present invention, the elastic modulus of the sheet-like material can be tuned in a wide range, and the elastic modulus can be predicted at the design stage.

弾性率の設計をセンサに適用する場合は、単一のシートで広い範囲の力の測定が実現できる。紙のような安価な素材で、閾値判定型の使い捨てタイプのフォースセンサが実現される。また、ひずみゲージ等のキャリブレーション手段と併用することで、重さ測定センサが得られる。実施形態のフォースセンサは電源が不要である。また、平面構造でセンサを作製できるので、小型で省スペースである。   When the elastic modulus design is applied to a sensor, a wide range of force measurements can be achieved with a single sheet. A threshold determination type disposable force sensor is realized with an inexpensive material such as paper. Moreover, a weight measuring sensor is obtained by using together with calibration means, such as a strain gauge. The force sensor of the embodiment does not require a power source. In addition, since the sensor can be manufactured with a planar structure, it is small and space-saving.

さらに、再生医療やスポーツ用具、建築の分野への適用も期待される。建築の分野ではフォースセンサを橋げた、柱、横架材などに取り付けて歪みセンサとして用いることができる。フォースセンサが初期領域(面内変形領域)での伸びを超えて切り込みが大きく開いたか否かにより、建築材が応力限界を超えたか否か、あるいは建築基準に適合しているか否かを目視で簡単に確認することができる。
この出願は、2016年4月15日に日本国特許庁に出願された特許出願第2016−082472号に基づき、その全内容を含むものである。
Furthermore, application to the fields of regenerative medicine, sports equipment, and architecture is also expected. In the field of architecture, force sensors can be bridged, attached to pillars, horizontal members, etc., and used as strain sensors. Whether the building material has exceeded the stress limit or whether it complies with the building standards, depending on whether or not the force sensor has largely expanded beyond the elongation in the initial region (in-plane deformation region). It can be easily confirmed.
This application is based on patent application No. 2006-082472 filed with the Japan Patent Office on April 15, 2016, and includes the entire contents thereof.

10A、10B フォースセンサ
11,101 シート
12c、12e、32、102c、102e 切り込み
25 培地
30 装着具
31 切り込み領域
w 切り込み幅
d 切り込み幅と直交する方向への切り込みのピッチ
N 互い違いの切り込みの繰り返しユニット数
h シートの厚さ
10A, 10B Force sensors 11, 101 Sheets 12c, 12e, 32, 102c, 102e Cut 25 Medium 30 Mounting tool 31 Cut area w Cut width d Cut pitch d in the direction orthogonal to the cut width N h Sheet thickness

Claims (6)

シート素材を準備し、
前記シート素材に、面内変形が保たれる初期変形領域に適用される関係式
K1=(α/2N)×E×dh/w、または
E1=α(d/w)×E
に基づいて、第1の方向への幅がw、第1の方向と直交する第2の方向への配列ピッチがd、前記第2の方向への繰り返しユニット数がNである互い違いの切り紙構造の切り込みを形成し、ここで、K1は剛さ定数、Eは前記シート素材の構成材料の切り込み前のヤング率、hは前記シート素材の厚さ、αは数値係数であり、
前記w、d、及びNの値を選択することで剛さ定数K1またはヤング率E1を目標値に調整する、
ことを特徴とする弾性調整方法。
Prepare the sheet material,
Relational expression K1 = (α / 2N) × E × d 3 h / w 3 or E1 = α (d / w) 4 × E applied to the sheet material in an initial deformation region where in-plane deformation is maintained.
Based on the above, staggered cut sheets whose width in the first direction is w, the arrangement pitch in the second direction orthogonal to the first direction is d, and the number of repeating units in the second direction is N Forming a cut in the structure, where K1 is a stiffness constant, E is a Young's modulus before the cut of the material constituting the sheet material, h is a thickness of the sheet material, α is a numerical coefficient,
The stiffness constant K1 or Young's modulus E1 is adjusted to a target value by selecting the values of w, d, and N.
An elastic adjustment method characterized by the above.
前記シート素材は生体適合材料のシートであり、
前記シートに前記関係式に基づいて切り込みを形成して所望の弾性率の生体シートを作製する、
ことを特徴とする請求項1に記載の弾性調整方法。
The sheet material is a sheet of biocompatible material,
A notch is formed on the sheet based on the relational expression to produce a biological sheet having a desired elastic modulus.
The elastic adjustment method according to claim 1, wherein:
互い違いに形成された切り紙構造の切り込みを有するシートと、
測定対象を保持する保持手段と、
を有するフォースセンサであって、
前記フォースセンサは、前記シートの面内変形が保たれる初期変形領域において、
Fc=α×β×E×d23/w3
で表される荷重閾値を有し、
Eは前記シートの構成材料の切り込み前のヤング率、wは前記切り込みの第1の方向への幅、dは前記第1の方向と直交する第2の方向への前記切り紙構造の切り込みのピッチ、hは前記シートの厚さ、α×βは数値係数であることを特徴とするフォースセンサ。
Sheets having staggered cut paper structure cuts;
Holding means for holding the measurement object;
A force sensor having
In the initial deformation region where the in-plane deformation of the sheet is maintained,
Fc = α × β × E × d 2 h 3 / w 3
Having a load threshold represented by
E is the Young's modulus before the cutting of the constituent material of the sheet, w is the width of the cutting in the first direction, and d is the cutting of the cut paper structure in the second direction orthogonal to the first direction. A force sensor, wherein pitch, h is the thickness of the sheet, and α × β is a numerical coefficient.
前記シートの表面の少なくとも一部に形成されたひずみゲージと、
前記ひずみゲージの抵抗を測定する測定器と、
をさらに有し、前記荷重閾値の範囲内で測定対象物の重さを測定することを特徴とする請求項3に記載のフォースセンサ。
A strain gauge formed on at least a part of the surface of the sheet;
A measuring instrument for measuring the resistance of the strain gauge;
The force sensor according to claim 3, further comprising: measuring a weight of a measurement object within a range of the load threshold.
互い違いに形成された切り紙構造の切り込みを有するシート材であって、
前記切り込みの第1の方向への幅をw、前記第1の方向と直交する第2の方向への前記切り込みのピッチをd、前記シート材の厚さをh、前記第2の方向への前記切り込みの繰り返しユニット数をN、前記シート材の構成材料の切り込み前のヤング率をEとすると、前記シート材の弾性は、面内変形が保たれる初期変形領域において、数値係数αを用いて
K1=(α/2N)×E×dh/w、または
E1=α(d/w)×E
で決まる剛さ定数K1またはヤング率E1を有するように調整されていることを特徴とするシート材。
A sheet material having cuts of staggered cut paper structure,
The width of the notch in the first direction is w, the pitch of the notch in the second direction orthogonal to the first direction is d, the thickness of the sheet material is h, and the width in the second direction is When the number of repeating units of cutting is N and the Young's modulus before cutting of the constituent material of the sheet material is E, the elasticity of the sheet material uses a numerical coefficient α in an initial deformation region where in-plane deformation is maintained. K1 = (α / 2N) × E × d 3 h / w 3 , or E1 = α (d / w) 4 × E
A sheet material that is adjusted to have a stiffness constant K1 or a Young's modulus E1 determined by:
前記シート材は、面内での変位が維持される前記初期変位領域で前記第2の方向に伸長し、数値係数βを用いて、
Δc=β×2N×h/d
ε=Δc/(2N×d)=β×h/d
で決まる臨界伸び量Δcまたは臨界ひずみεを有する
ことを特徴とする請求項5に記載のシート材。
The sheet material extends in the second direction in the initial displacement region where the in-plane displacement is maintained, and using a numerical coefficient β,
Δc = β × 2N × h 2 / d
ε c = Δc / (2N × d) = β × h 2 / d 2
The sheet material according to claim 5, which has a critical elongation amount Δc or a critical strain ε c determined by:
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