KR20160129006A - 센서 장치 및 신축 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 용이하게 또한 확실하게 계측 대상물의 변형량 등을 계측할 수 있다 센서 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고, 본 발명의 센서 장치는, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트형의 유전층과, 카본 나노 튜브를 함유하는 도전성 조성물로 이루어지고, 상기 유전층의 표면 및 이면의 각각에 상기 유전층을 사이에 두고 적어도 일부가 대향하도록 형성된 전극층을 가지고, 상기 전극층이 대향하는 부분을 검출부로 하고, 상기 유전층의 주면(主面)의 면적이 변화하도록 가역적으로 변형되는 센서 소자와, 상기 센서 소자와 전기적으로 접속되고, 상기 유전층의 변형에 따라 변화하는 상기 검출부의 정전 용량을 전기적 특성으로 변환하는 변환기와, 상기 전기적 특성을 오감 중 어느 하나로 인식 가능한 정보로서 출력하는 출력기를 구비한다.

Description

센서 장치 및 신축 구조체{SENSOR DEVICE AND ELASTIC STRUCTURAL BODY}

본 발명은, 센서 장치, 및 그 센서 장치를 사용한 신축 구조체에 관한 것이다.

최근, 인지증을 앓는 사람의 수는 해마다 증가하고 있고, 인지증 환자의 상당수는 개호를 요하는 고령자이기도 하다. 이에 따라, 근력이 약해진 노인이 능동적으로 리허빌리테이션(rehabilitation)에 힘쓸 수 있는 기구에 대한 요구도 강해지고 있다.

리허빌리테이션에 사용하는 기구로서는, 예를 들면, 근 강화 밴드가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

이 특허 문헌 1에 개시된 근 강화 밴드는, 고무형 탄성체를 주재료로 하는 밴드를 신축시켜 사용하는 것이다. 상기 근 강화 밴드는, 밴드의 표면에 눈금이나 마크가 각인되어 있어, 사용자가 밴드의 변형량을 확인할 수 있도록 구성되어 있다.

일본 실용신안 등록출원 공개 소61-73362호 공보

그러나, 특허 문헌 1에 기재된 근 강화 밴드(리허빌리테이션 기구)는, 경도의 인지증 환자나 시력이 약해진 노인이 사용하는 경우, 밴드의 표면에 표시된 눈금이나 문자를 인식하기 곤란한(또는, 인식할 수 없는) 문제가 있었다.

또한, 사용 시에 밴드의 변형량을 확인할 수 있더라도, 그것만으로는 리허빌리테이션에 힘쓰고, 적극적으로 리허빌리테이션을 실시하고자 하는 모티베이션의 상승으로는 쉽게 이어지지 않았다.

본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 행해진 것이다. 본 발명의 목적은, 용이하게, 또한 확실하게 계측 대상물의 변형량 등을 계측할 수 있는 센서 장치를 제공하는 것, 또한 이와 같은 센서 장치를 구비한 신축 구조체를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은, 예의(銳意) 검토한 결과, 면 방향으로 가역적으로 변형 가능한 시트형의 유전층과, 그 양면에 유전층에 추종하여 변형 가능한 전극층을 구비한 센서 소자를 사용한 센서 장치가 상기 목적을 달성하는 데 적합한 것을 발견하고, 본 발명을 완성했다.

본 발명의 센서 장치는, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트형의 유전층과, 카본 나노 튜브를 함유하는 도전성 조성물로 이루어지고, 상기 유전층의 표면 및 이면(裏面)의 각각에 상기 유전층을 사이에 두고 적어도 일부가 대향하도록 형성된 전극층을 가지고, 상기 전극층이 대향하는 부분을 검출부로 하고, 상기 유전층의 주면(主面)의 면적이 변화하도록 가역적으로 변형되는 센서 소자와, 상기 센서 소자와 전기적으로 접속되고, 상기 유전층의 변형에 따라 변화하는 상기 검출부의 정전(靜電) 용량을 전기적 특성으로 변환하는 변환기와, 상기 전기적 특성을 오감 중 어느 하나로 인식 가능한 정보로서 출력하는 출력기를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 센서 장치에 있어서, 상기 유전층은, 그 주면의 면적이 무신장(無伸長) 상태로부터 30% 이상 증대하도록 변형 가능한 것이 바람직하다.

본 발명의 센서 장치에 있어서, 상기 정보는, 소리에 의한 정보 및 광에 의한 정보 중 적어도 한쪽인 것이 바람직하다.

본 발명의 신축(伸縮) 구조체는, 신축 가능한 기구 본체 및 상기 기구 본체와 일체화된 본 발명의 센서 장치를 구비하고, 상기 기구 본체의 신축에 추종하여 상기 센서 소자가 신축되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 신축 구조체에 있어서, 상기 기구 본체는, 익스팬더 또는 리허빌리테이션(rehabilitation) 튜브인 것이 바람직하다.

본 발명의 센서 장치에서는, 센서 소자를 구성하는 시트형의 유전층이 엘라스토머 조성물로 이루어지고, 전극층이 카본 나노 튜브를 함유하는 도전성 조성물로 이루어진다. 그러므로, 유전층은 면 방향으로 크게 변형되는 것이 가능하며, 전극층도 또한 유전층의 변형에 추종하여 변형되는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 센서 장치에 의하면, 측정 대상물이 크게 변형(신축)하는 것이라도 그 변형 상태를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 신축 구조체에서는, 신축 가능한 기구 본체에 본 발명의 센서 장치가 일체로 되어 있다. 그러므로, 상기 신축 구조체에서는, 기구 본체의 변형(신축) 상태를 상기 센서 장치에 의해 확실하게 인식할 수 있다.

도 1은 본 발명의 센서 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2의 (a)은, 본 발명의 센서 장치를 구성하는 센서 소자의 일례를 모식적으로 나타낸 사시도이며, (b)는, (a)의 A-A선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 센서 장치가 구비하는 유전층의 제작에 사용하는 성형 장치의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4의 (a)∼(e)는, 각각 본 발명의 신축 구조체의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)∼(d)는, 실시예에서의 센서 소자의 제작 공정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 실시예에서 제작한 센서 장치를 나타낸 개략도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

본 발명의 센서 장치는, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트형의 유전층과, 카본 나노 튜브를 함유하는 도전성 조성물로 이루어지고, 상기 유전층의 표면 및 이면의 각각에 상기 유전층을 사이에 두고 적어도 일부가 대향하도록 형성된 전극층을 가지고, 상기 전극층이 대향하는 부분을 검출부로 하고, 상기 유전층의 주면의 면적이 변화하도록 가역적으로 변형되는 센서 소자와, 상기 센서 소자와 전기적으로 접속되고, 상기 유전층의 변형에 따라 변화하는 상기 검출부의 정전 용량을 전기적 특성으로 변환하는 변환기와, 상기 전기적 특성을 오감 중 어느 하나로 인식 가능한 정보로서 출력하는 출력기를 구비한 것을 특징으로 한다.

도 1은, 본 발명의 센서 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.

도 2의 (a)는 본 발명의 센서 장치를 구성하는 센서 소자의 일례를 모식적으로 나타낸 사시도이며, (b)는 (a)의 A-A선 단면도이다.

본 발명에 따른 센서 장치(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 정전 용량을 검출하는 센서 소자(2)와, 센서 소자(2)와 전기적으로 접속되고, 센서 소자(2)에서 검출된 정전 용량을 전기적 특성으로 변환하는 변환기(3)와, 변환기(3)와 전기적으로 접속되고, 상기 전기적 특성을 발광 정보 등의 오감으로 인식 가능한 정보로서 출력하는 출력기(4)를 구비하고 있다.

변환기(3)는, 정전 용량(C)을 주파수 신호(F)로 변환하기 위한 슈미트 트리거(Schmitt trigger) 발진(發振) 회로(3a)와, 주파수 신호(F)를 전압 신호(V)로 변환하는 F/V 변환 회로(3b)를 구비한다. 변환기(3)는, 센서 소자(2)의 검출부에 의해 검출된 정전 용량(C)을 주파수 신호(F)로 변환한 후, 또한 전압 신호(V)로 변환하고, 출력기(4)에 송신한다. 변환기(3)에서는, 전압 신호를 앰프(도시하지 않음)로 증폭한 후, 출력기(4)에 송신할 수도 있다.

출력기(4)는, PIC 제어 회로(4a)와 발광색이 상이한 복수의 LED 소자가 배열된 LED 표시부(4b)를 구비한다. 출력기(4)는, 변환기(3)로부터 수신한 전압 신호에 따라, PIC 제어 회로(4a)를 통하여 소정의 LED 소자를 점등시킨다.

센서 소자(2)는, 도 2의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트형의 유전층(11)과, 유전층(11)의 표면(앞면)에 적층된 표면측 전극층(12A)과, 유전층(11)의 이면에 적층된 이면측 전극층(12B)과, 표면측 전극층(12A)에 연결된 표면측 배선(13A)과, 이면측 전극층(12B)에 연결된 이면측 배선(13B)과, 표면측 배선(13A)의 표면측 전극층(12A)과는 반대측의 단부에 장착된 표면측 접속부(14A)와, 이면측 배선(13B)의 이면측 전극층(12B)과는 반대측의 단부에 장착된 이면측 접속부(14B)와, 유전층(11)의 표면측 및 이면측의 각각에 적층된 표면측 보호층(15A) 및 이면측 보호층(15B)을 구비한다.

표면측 전극층(12A)과 이면측 전극층(12B)은, 동일 평면시(平面視) 형상을 가지고 있고, 유전층(11)을 사이에 두고 표면측 전극층(12A)과 이면측 전극층(12B)은 전체가 대향하고 있다. 센서 소자(2)에서는, 표면측 전극층(12A)과 이면측 전극층(12B)이 대향한 부분이 검출부가 된다.

그리고, 본 발명에 있어서, 센서 소자가 구비하는 표면측 전극층과 이면측 전극층은, 반드시 유전층을 사이에 두고 그 전체가 대향하고 있을 필요는 없으며, 적어도 그 일부가 대향하고 있으면 된다.

이와 같은 센서 소자는, 유전층이 엘라스토머 조성물로 이루어지므로 면 방향으로 변형(신축) 가능하다. 상기 센서 소자에서는, 유전층이 면 방향으로 변형되었을 때, 그 변형에 추종하여 표면측 전극층 및 이면측 전극층(이하, 특히 구별할 필요가 없는 경우에는, 양자를 합쳐서 간단하게 전극층이라고도 함), 및 보호층이 변형된다.

그리고, 상기 전극층의 변형에 따라, 상기 검출부의 정전 용량이 유전층의 변형량과 상관관계를 가지고 변화한다. 따라서, 상기 검출부의 정전 용량의 변화를 검출함으로써, 센서 소자의 변형량을 검출할 수 있다.

이하, 본 발명의 센서 장치가 구비하는 각 부재에 대하여 상세하게 설명한다.

<센서 소자>

<<유전층>>

상기 유전층은, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트형 부재이다. 상기 유전층은, 그 주면의 면적이 변화하도록 가역적으로 변형될 수 있다.

상기 엘라스토머 조성물로서는, 엘라스토머와, 필요에 따라 다른 임의 성분을 함유하는 것을 예로 들 수 있다.

상기 엘라스토머로서는, 예를 들면, 천연 고무, 이소프렌 고무, 니트릴 고무(NBR), 에틸렌프로필렌 고무(EPDM), 스티렌·부타디엔 고무(SBR), 부타디엔 고무(BR), 클로로프렌 고무(CR), 실리콘 고무, 불소 고무, 아크릴 고무, 수소 첨가 니트릴 고무, 우레탄 고무 등이 있다. 이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상 병용할 수도 있다.

이들 중에서는, 우레탄 고무, 실리콘 고무가 바람직하다. 이는, 영구 변형(또는 영구 신장)이 작기 때문이다. 또한, 실리콘 고무에 비해, 카본 나노 튜브와의 밀착성이 우수한 점을 고려하여, 우레탄 고무가 특히 바람직하다.

상기 우레탄 고무는, 적어도 폴리올 성분과 이소시아네이트 성분이 반응하여 형성된다. 상기 우레탄 고무의 구체예로서는, 예를 들면, 올레핀계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 올레핀계 우레탄 고무, 에스테르계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 에스테르계 우레탄 고무, 에테르계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 에테르계 우레탄 고무, 카보네이트계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 카보네이트계 우레탄 고무, 피마자유계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 피마자유계 우레탄 고무 등이 있다. 이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 또한, 상기 우레탄 고무는, 2종 이상의 상기 폴리올 성분을 병용한 것일 수도 있다.

상기 올레핀계 폴리올로서는, 예를 들면, 에폴(EPOL^TM)(이데미쓰흥산사 제조) 등이 있다.

또한, 상기 에스테르계 폴리올로서는, 예를 들면, 폴리라이트 8651(DIC사 제조) 등이 있다.

또한, 상기 에테르계 폴리올로서는, 예를 들면, 폴리옥시테트라메틸렌글리콜, PTG-2000SN(호도가야화학공업사 제조), 폴리프로필렌글리콜, 프레미놀 S3003(아사히유리사 제조), 판덱스 GCB-41(DIC사 제조) 등이 있다.

또한, 상기 우레탄 고무를 합성할 때는, 그 반응계 중에 필요에 따라, 쇄연장제, 가교제, 촉매, 가류(加硫) 촉진제 등을 가할 수도 있다.

또한, 상기 엘라스토머 조성물은, 엘라스토머 이외에, 가소제, 산화 방지제, 노화 방지제, 착색제 등의 첨가제를 함유할 수도 있다.

또한, 상기 엘라스토머 조성물은, 티탄산 바륨 등의 유전 필러(filler)를 함유할 수도 있다. 그 이유는, 유전층의 정전 용량(C)을 크게 할 수 있으며, 그 결과, 센서 소자의 검출 감도를 높일 수 있기 때문이다.

상기 유전 필러를 함유하는 경우, 상기 엘라스토머 조성물 중에서의 그 함유량은, 통상, 0 체적%보다 많고, 25 체적% 이하 정도이다. 유전 필러의 함유량이 25 체적%를 넘으면, 유전층의 경도가 높아지거나, 영구 변형이 커지는 경우가 있다. 또한, 우레탄 고무제의 유전층을 성형하는 경우에는, 경화 전의 액 점도가 높아지므로 두께가 균일한 유전층을 형성하는 것이 곤란하게 되는 경우가 있다.

상기 유전층의 평균 두께는, 정전 용량(C)을 크게 하여 검출 감도의 향상을 도모하는 관점, 및 측정 대상물로의 추종성의 향상을 도모하는 관점에서, 10∼1000 ㎛인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 30∼200 ㎛이다.

상기 유전층은, 그 주면의 면적이 무신장 상태로부터 30% 이상 증대하도록 변형 가능한 것이 바람직하다. 이와 같은 특성을 가지는 유전층은, 측정 대상물에 접착하여 사용하는 경우에, 측정 대상물의 변형에 추종하여 변형되는 것에 적합하다.

여기서, 30% 이상 증대하도록 변형 가능한 것으로는, 하중을 인가하여 면적을 30% 증대시켜도 파단되지 않고, 또한 하중을 제거하면 원래 상태로 복원하는(즉, 탄성 변형 범위에 있는) 것을 의미한다.

상기 유전층의 주면의 면적의 증대하도록 변형 가능한 범위는, 50% 이상인 것이 보다 바람직하고, 100% 이상인 것이 더욱 바람직하고, 200% 이상인 것이 특히 바람직하다.

상기 유전층의 면 방향의 변형 가능한 범위는, 유전층의 설계(재질이나 형상 등)에 의해 제어할 수 있다.

상기 유전층의 상온에서의 비유전율(relative permittivity)는, 2 이상이 바람직하고, 5 이상이 더욱 바람직하다. 유전층의 비유전율이 2 미만이면, 정전 용량(C)이 작아져, 센서 소자로서 충분한 감도를 얻을 수 없게 될 우려가 있다.

상기 유전층의 영률(Young's modulus)은, 0.1∼10 MPa인 것이 바람직하다. 영률이 0.1 MPa 미만이면, 유전층이 지나치게 연성(軟性)이므로 고품질 가공이 어렵고, 충분한 측정 정밀도를 얻을 수 없는 경우가 있다. 한편, 영률이 10 MPa를 넘으면, 유전층이 지나치게 경성(硬性)이므로, 예를 들면, 신축 가능한 기구 본체에 장착했을 때 상기 기구 본체의 변형을 저해할 우려가 있다.

상기 유전층의 경도는, JIS K 6253에 준거한 타입 A 듀로미터(durometer)를 사용한 경도(JIS A 경도)로, 0∼30 °이거나, 또는 JIS K 7321에 준거한 타입 C 듀로미터를 사용한 경도(JIS C 경도)로 10∼55 °가 바람직하다.

유전층이 지나치게 연성이면 고품질 가공이 어렵고, 충분한 측정 정밀도를 확보할 수 없는 경우가 있다. 한편, 유전층이 지나치게 경성이면, 예를 들면, 신축 가능한 기구 본체에 장착했을 때 상기 기구 본체의 변형을 저해할 우려가 있다.

<<전극층>>

상기 전극층(표면측 전극층 및 이면측 전극층)은, 카본 나노 튜브를 함유하는 도전성 조성물로 이루어진다.

상기 카본 나노 튜브로서는 공지의 카본 나노 튜브를 사용할 수 있다. 상기 카본 나노 튜브는, 단층 카본 나노 튜브(SWNT)라도 되고, 2층 카본 나노 튜브(DWNT) 또는 3층 이상의 다층 카본 나노 튜브(MWNT)라도 된다(본 명세서에서는, 양자를 합쳐서 간단하게 다층 카본 나노 튜브라고 함). 또한, 본 발명에서는, 층수가 상이한 카본 나노 튜브를 2종 이상 병용할 수도 있다.

또한, 각 카본 나노 튜브의 형상(평균 길이나 섬유 직경, 어스펙트비)도 특별히 한정되지 않고, 센서 장치의 사용 목적이나, 센서 소자에 요구되는 도전성이나 내구성(耐久性), 또한 전극층을 형성하기 위한 처리나 비용을 종합적으로 판단하여 적절하게 선택하면 된다.

상기 카본 나노 튜브는, 그 평균 길이가 50㎛ 이상인 카본 나노 튜브인 것이 바람직하다.

이와 같은 섬유 길이가 긴 카본 나노 튜브를 사용하여 형성된 전극층은, 도전성이 우수하고, 유전층의 변형에 추종하여 변형되었을 때(특히 신장되었을 때) 전기 저항이 거의 증대하지 않으며, 또한 반복적으로 신축되어도 전기 저항의 불균일이 적은, 우수한 특성을 가진다.

이에 비해, 카본 나노 튜브의 평균 길이가 50㎛ 미만에서는, 전극층의 변형에 따라 전기 저항이 증대하거나, 전극층을 반복적으로 신축시켰을 때 전기 저항의 불균일이 커지는 경우가 있다. 특히, 센서 소자(유전층)의 변형량이 크게 된 경우에 이와 같은 문제가 쉽게 발생한다.

상기 카본 나노 튜브의 평균 길이의 바람직한 상한은 1000㎛이다. 평균 길이가 1000㎛를 넘는 카본 나노 튜브는, 현시점에서는, 그 제조 및 입수가 곤란하다. 또한, 상기 평균 길이가 1000㎛를 넘으면, 후술하는 바와 같이, 카본 나노 튜브의 분산액을 도포하여 전극층을 형성하는 경우에, 카본 나노 튜브의 분산성이 불충분하므로 도전 패스(path)가 형성되기 어려우며, 결과적으로 전극층의 도전성이 불충분하게 될 우려가 있다.

상기 카본 나노 튜브의 평균 길이의 하한은 100㎛가 바람직하고, 상한은 600㎛가 바람직하다. 상기 카본 나노 튜브의 평균 길이가 전술한 범위 내에 있으면, 도전성이 우수하고, 신장 시에 전기 저항이 거의 증대하지 않으며, 반복 신축 시에 전기 저항의 불균일이 적은, 우수한 특성을 높은 레벨로 더욱 확실하게 확보할 수 있다.

상기 카본 나노 튜브의 섬유 길이는, 카본 나노 튜브를 전자 현미경으로 관찰하고, 그 관찰 화상으로부터 측정하면 된다.

또한, 상기 카본 나노 튜브의 평균 길이는, 예를 들면, 카본 나노 튜브의 관찰 화상으로부터 무작위로 선택한 10개소의 카본 나노 튜브의 섬유 길이에 기초하여 평균값을 산출하면 된다.

상기 카본 나노 튜브의 평균 섬유 직경은 특별히 한정되지 않지만, 0.5∼30 ㎚가 바람직하다.

상기 섬유 직경이 0.5 ㎚ 미만에서는, 카본 나노 튜브의 분산이 악화되고, 그 결과, 도전 패스가 퍼지지 않아, 전극층의 도전성이 불충분하게 되는 경우가 있다. 한편, 30 ㎚를 넘으면, 동일한 중량이라도 카본 나노 튜브의 개수가 적어지게 되어, 도전성이 불충분하게 되는 경우가 있다. 상기 카본 나노 튜브의 평균 섬유 직경은 5∼20 ㎚가 더욱 바람직하다.

상기 카본 나노 튜브는, 다층 카본 나노 튜브가 단층 카본 나노 튜브보다 바람직하다.

단층 카본 나노 튜브를 사용한 경우, 전술한 바람직한 범위의 평균 길이를 가지는 카본 나노 튜브를 사용한 경우라도, 전기 저항이 높아지거나, 신장 시에 전기 저항이 크게 증대하거나, 반복 신축 시에 전기 저항이 크게 불균일하게 되는 경우가 있다.

여기에 대해서는 하기와 같이 추측하고 있다. 즉, 단층 카본 나노 튜브는, 통상, 금속성 카본 나노 튜브와 반도체성 카본 나노 튜브와의 혼합물로서 합성되므로, 이 반도체성 카본 나노 튜브의 존재가, 전기 저항이 높이거나, 신장 시에 전기 저항이 크게 증대하거나, 반복 신축 시에 전기 저항이 크게 불균일하게 되는 원인이 되는 것으로 추측하고 있다.

그리고, 금속성 카본 나노 튜브와 반도체성 카본 나노 튜브를 분리하여, 평균 길이가 긴 금속성 단층 카본 나노 튜브를 사용하면, 평균 길이가 긴 다층 카본 나노 튜브를 사용한 경우와 동일한 전기적 특성을 구비한 전극층을 형성할 가능성이 있다. 그러나, 금속성 카본 나노 튜브와 반도체성 카본 나노 튜브의 분리는 용이하지 않으며(특히, 섬유 길이가 긴 카본 나노 튜브에 있어서), 양자의 분리에는 번거로운 작업이 필요하다. 그러므로, 전극층을 형성할 때의 작업 용이성, 및 경제성의 관점에서도 전술한 바와 같이, 상기 카본 나노 튜브로서는 다층 카본 나노 튜브가 바람직하다.

상기 카본 나노 튜브는, 탄소 순도가 99 중량% 이상인 것이 바람직하다. 카본 나노 튜브는, 그 제조 공정에 있어서, 촉매 금속이나 분산제 등이 포함되는 경우가 있고, 이와 같은 카본 나노 튜브 이외의 성분(불순물)을 다량으로 함유하는 카본 나노 튜브를 사용한 경우, 도전성의 저하나, 전기 저항의 불균일을 일으키는 경우가 있다.

상기 카본 나노 튜브는, 종래 공지의 제조 방법으로 제조된 것이면 되지만, 기판 성장법에 의해 제조된 것이 바람직하다.

기판 성장법은, CVD법의 일종으로, 기판 상에 도포한 금속 촉매에 탄소원을 공급함으로써 성장시켜 카본 나노 튜브를 제조하는 방법이다. 기판 성장법은, 비교적 섬유 길이가 길고, 또한 섬유 길이가 맞추어진 카본 나노 튜브를 제조하는 것에 적절한 제조 방법이다. 그러므로, 본 발명에서 사용하는 카본 나노 튜브의 제조 방법으로서 적합하다.

상기 카본 나노 튜브가 기판 성장법에 의해 제조된 것인 경우, 카본 나노 튜브의 섬유 길이는, CNT 포레스트(forest)의 성장 길이와 실질적으로 동일하다. 그러므로, 이 카본 나노 튜브의 섬유 길이를 전자 현미경을 사용하여 측정하는 경우에는, CNT 포레스트의 성장 길이를 측정하면 된다.

상기 도전성 조성물은, 카본 나노 튜브 이외에, 예를 들면, 바인더 성분을 함유하고 있어도 된다.

상기 바인더 성분은 연결 재료로서 기능하며, 상기 바인더 성분을 함유시킴으로써, 전극층과 유전층과의 밀착성, 및 전극층 자체의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 바인더 성분을 함유하는 경우, 후술하는 방법으로 전극층을 형성할 때 카본 나노 튜브의 비산을 억제할 수 있으므로, 전극층 형성 시의 안전성도 높일 수 있다.

상기 바인더 성분으로서는, 예를 들면, 부틸 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 폴리에틸렌, 클로로술폰화 폴리에틸렌, 천연 고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌·부타디엔 고무, 폴리스티렌, 클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 폴리메타크릴산 메틸, 폴리아세트산 비닐, 폴리염화 비닐, 아크릴 고무, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체(SEBS) 등이 있다.

또한, 상기 바인더 성분으로서는, 생고무(천연 고무 및 합성 고무를 가류시키고 있지 않은 상태인 것) 도 사용할 수 있다. 생고무와 같이 비교적 탄성이 약한 재료를 사용함으로써, 유전층의 변형에 대한 전극층의 추종성도 높일 수 있다.

상기 바인더 성분은, 그 용해도 파라미터(SP값[cal/cm³)^{1 /2}])가 유전층을 구성하는 엘라스토머와 유사한 것이 바람직하고, 양자의 용해도 파라미터(SP값)의 차이의 절대값이 1 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이는, 용해도 파라미터가 유사할수록, 유전층과 전극층과의 밀착성이 향상되기 때문이다. 본 발명에 있어서, 상기 SP값은 Fedors의 추산법에 의해 산출한 값이다.

상기 바인더 성분은, 특히, 유전층을 구성하는 엘라스토머와 동종인 것이 바람직하다. 이는, 유전층과 전극층과의 밀착성을 현저하게 향상시킬 수 있기 때문이다.

상기 도전성 조성물은, 카본 나노 튜브 및 바인더 성분 이외에, 각종 첨가제를 더 함유할 수도 있다. 상기 첨가제로서는, 예를 들면, 카본 나노 튜브의 분산성을 높이기 위하여 분산제, 바인더 성분을 위한 가교제, 가류 촉진제, 가류 조제, 또한 노화 방지제, 가소제, 연화제, 착색제 등이 있다.

여기서, 상기 도전성 조성물이 가소제를 함유하고, 또한 유전층을 형성하기 위한 엘라스토머 조성물도 가소제를 함유하는 경우에는, 양 조성물에 있어서 가소제 농도는 동일한 것이 바람직하다. 이는, 유전층과 전극층의 사이에서의 가소제의 이행(移行)을 방지하고, 센서 소자에서의 휨이나 주름의 발생 등을 억제할 수 있기 때문이다.

상기 센서 소자에서는, 전극층이 실질적으로 카본 나노 튜브만으로 형성되어 있어도 된다. 이 경우에도 유전층과의 사이에서 충분한 밀착성을 확보할 수 있다. 이 경우에, 카본 나노 튜브와 유전층은 반데르발스 힘(van der Waals force) 등에 의해 견고하게 밀착되어 있다.

상기 전극층 중의 카본 나노 튜브의 함유량은 도전성이 발현되는 농도이면 특별히 한정되지 않는다. 상기 카본 나노 튜브의 함유량은, 바인더 성분을 함유하는 경우에는 바인더 성분의 종류에 따라 다르지만, 전극층의 전체 고형 성분에 대하여 0.1∼100 중량%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 카본 나노 튜브의 함유량을 높이고, 전극층의 도전성을 향상시킬 수 있다. 그러므로, 전극층을 얇게 해도 요구되는 도전성을 확보할 수 있고, 그 결과, 전극층을 얇게 하거나, 전극층의 유연성을 확보한하는 것이 보다 용이하게 된다.

상기 전극층의 평균 두께는, 0.1∼10 ㎛인 것이 바람직하다. 전극층의 평균 두께가 전술한 범위에 있으면, 전극층이 유전층의 변형에 대하여 보다 우수한 추종성을 발휘할 수 있다.

한편, 상기 평균 두께가 0.1㎛ 미만에서는, 도전성이 부족하고, 센서 소자로서의 측정 정밀도가 저하될 우려가 있다. 한편, 상기 평균 두께가, 10㎛를 넘으면 카본 나노 튜브의 보강 효과에 의해 센서 소자가 경화되어, 센서 소자의 신축성이 저하된다. 그 결과, 상기 센서 소자를 신축 가능한 기구 본체에 장착했을 때, 기구 본체에 대한 추종성이 저하되거나, 기구 본체의 변형을 저해하는 경우가 있다.

본 발명에 있어서, 「전극층의 평균 두께」는 레이저 현미경(예를 들면, 키엔스사 제조, VK-9510)을 사용하여 측정할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 유전층의 표면에 형성된 전극층의 두께 방향을 0.01㎛ 단위로 스캐닝하고, 그 3D 형상을 측정한 후, 유전층 상의 전극층이 적층되어 있는 영역 및 적층되어 있지 않은 영역에 있어서, 각각 가로 200㎛×세로 200㎛의 직사각형 영역의 평균 높이를 계측하고, 그 평균 높이의 단차를 전극층의 평균 두께로 하면 된다.

상기 전극층의 투명성은 특별히 한정되지 않으며, 투명(예를 들면, 가시광(550 ㎚ 광) 투과율이 85% 이상)해도 되고, 불투명해도 된다. 그리고, 상기 전극층을 투명하게 하는 경우에는, 카본 나노 튜브에 대하여 고도의 분산화 처리나 정제 처리 등의 전처리(前處理)가 필요하게 되므로, 전극층의 형성 공정이 번잡하게 되어 경제적으로도 불리하게 된다. 한편, 전극층의 투명성은 정전 용량형 센서 시트로서의 성능에는 영향을 주지 않는다. 그러므로, 정전 용량형 센서 시트로서 투명성이 요구되는 경우에는 투명한 전극층을 형성하면 되고, 그렇지 않은 경우에는 불투명한 전극층을 형성하면 된다.

<<그 외>>

상기 센서 소자는, 도 2에 나타낸 예와 같이, 필요에 따라, 전극층과 접속된 표면측 배선 및 이면측 배선이 형성되어 있어도 된다.

상기 배선(표면측 배선 및 이면측 배선)은, 유전층의 변형을 저해하지 않고, 또한 유전층이 변형되어도 도전성이 유지되는 것이면 된다. 구체예로서는, 예를 들면, 상기 전극층과 동일한 재질로 이루어지는 것이 있다.

또한, 상기 표면측 배선 및 상기 이면측 배선의 각각의 전극층과는 반대측의 단부에는, 도 2에 나타낸 예와 같이, 필요에 따라, 외부 배선과 접속하기 위한 표면측 접속부 및 이면측 접속부가 형성되어 있어도 된다. 상기 이면측 접속부로서는, 예를 들면, 동박(銅箔) 등을 사용하여 형성된 것이 있다.

상기 센서 소자는, 도 2에 나타낸 예와 같이, 필요에 따라, 표면측의 최외층 및/또는 이면측의 최외층에 보호층(표면측 보호층 및/또는 이면측 보호층)이 적층되어 있어도 된다.

상기 보호층을 형성함으로써, 센서 소자의 강도나 내구성을 높이거나, 센서 소자의 표면을 점착성이 없는 표면으로 만들 수 있다.

상기 보호층의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 그 요구 특성에 따라 적절하게 선택하면 된다. 구체예로서는, 상기 유전층의 재질과 동일한 것을 등을 예로 들 수 있다.

상기 센서 소자는, 무신장 상태로부터 1축 방향으로 100% 신장시킨 후, 무신장 상태로 되돌리는 사이클을 1 사이클로 하는 신축을 1000 사이클 반복했을 때, 2사이클째의 100% 신장 시의 상기 전극층의 전기 저항에 대한, 1000 사이클째의 100% 신장 시의 상기 전극층의 전기 저항의 변화율([1000 사이클째, 100% 신장 시의 전기 저항값] - [2 사이클째, 100% 신장시의 전기 저항값]의 절대값]/[2 사이클째, 100% 신장 시의 전기 저항값]×100)이 작은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 10% 이하인 것이 바람직하고, 5% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

여기서, 1 사이클째가 아닌, 2 사이클째 이후의 전극층의 전기 저항을 평가 대상으로 하고 있는 이유는, 미신장 상태로부터 신장시킨 1 회째(1 사이클째)의 신장 시에는, 신장 시의 전극층의 거동(擧動)(전기 저항의 변동 방식)이 2 회째(2 사이클째) 이후의 신축 시와 크게 상이하기 때문이다. 그 이유에 대해서는, 센서 소자를 제작한 후, 1회 신장시킴으로써 처음으로 전극층을 구성하는 카본 나노 튜브 상태가 안정화되기 때문인 것으로 추측하고 있다.

상기 센서 소자는, 예를 들면, 하기 공정을 거침으로써 제조할 수 있다. 즉,

(1) 엘라스토머 조성물로 이루어지는 유전층을 제작하는 공정(공정(1)), 및

(2) 카본 나노 튜브 및 분산매를 포함하는 조성물을 유전층에 도포하고, 전극층(표면측 전극층 및 이면측 전극층)을 형성하는 공정(공정(2))

을 거치는 것에 의해 제조할 수 있다.

[공정(1)]

본 공정에서는, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 유전층을 제작한다.

먼저, 원료 조성물로서 엘라스토머(또는 그 원료)에, 필요에 따라, 체인 연장제, 가교제, 가류 촉진제, 촉매, 유전 필러, 가소제, 산화 방지제, 노화 방지제, 착색제 등의 첨가제를 배합한 원료 조성물을 조제한다. 다음으로, 이 원료 조성물을 성형함으로써 유전층을 제작한다. 그리고, 성형 방법으로서는 종래 공지의 방법을 채용할 수 있다.

구체적으로는, 예를 들면, 우레탄 고무를 포함하는 유전층을 성형하는 경우에는 하기 방법 등을 사용할 수 있다.

먼저, 폴리올 성분, 가소제 및 산화 방지제를 계량하고, 가열, 감압 하에 있어서 일정 시간 교반 혼합하고, 혼합액을 조제한다. 다음으로, 혼합액을 계량하고, 온도를 조정한 후, 촉매를 첨가하고 교반기인 아지터(AJITER) 등으로 교반한다. 그 후, 소정량의 이소시아네이트 성분을 첨가하고, 아지터 등으로 교반한 후, 즉시 혼합액을 도 3에 나타낸 성형 장치에 주입하고, 보호 필름으로 샌드위치형으로 만들고 반송하면서 가교 경화시켜, 보호 필름이 부착된 소정 두께의 롤 권취 시트를 얻는다. 그 후, 노(爐)에서 일정 시간 가교시킴으로써 유전층을 제조할 수 있다.

도 3은, 유전층의 제작에 사용하는 성형 장치의 일례를 설명하기 위한 모식도이다. 도 3에 나타낸 성형 장치(30)에서는, 원료 조성물(33)을, 이격되어 배치된 한 쌍의 롤(32, 32)로부터 연속적으로 송출되는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)제의 보호 필름(31)의 간극(間隙)에 주입하고, 그 간극에 원료 조성물(33)을 유지한 상태에서 경화 반응(가교 반응)을 진행시키면서, 가열 장치(34) 내에 도입하고, 원료 조성물(33)을 한 쌍의 보호 필름(31) 사이에서 유지한 상태에서 열경화시켜, 시트형의 유전층(35)을 성형한다.

상기 유전층은, 원료 조성물을 조제한 후, 각종 코팅 장치, 바 코터, 닥터 블레이드(doctor blade) 등의 범용의 성막 장치나 성막 방법을 사용하여 제작할 수도 있다.

[공정(2)]

본 공정에서는, 카본 나노 튜브 및 분산매를 포함하는 조성물(카본 나노 튜브 분산액)을 도포하고, 그 후, 건조 처리에 의해 분산매를 제거함으로써, 상기 유전층과 일체화된 전극층을 형성한다.

구체적으로는, 먼저, 카본 나노 튜브를 분산매에 첨가한다. 이 때, 필요에 따라, 바인더 성분(또는, 바인더 성분의 원료) 등의 전술한 것 외의 다른 성분이나 분산제를 더 첨가할 수도 있다.

다음으로, 습식 분산기를 사용하여 카본 나노 튜브를 포함하는 각 성분을 분산매 중에 분산(또는 용해)시킴으로써 도포액(카본 나노 튜브 분산액)을 조제한다. 구체적으로는, 예를 들면, 초음파 분산기, 제트밀, 비즈 밀 등 기존의 분산기를 사용하여 카본 나노 튜브를 포함하는 각 성분을 분산시키면 된다.

상기 분산매로서는, 예를 들면, 톨루엔, 메틸이소부틸케톤(MIBK), 알코올류, 물 등이 있다. 이들 분산매는, 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상 병용할 수도 있다.

상기 도포액에 있어서, 카본 나노 튜브의 농도는, 0.01∼10 중량%가 바람직하다. 상기 농도가 0.01 중량% 미만에서는, 카본 나노 튜브의 농도가 지나치게 낮아 반복적 도포가 필요한 경우가 있다. 한편, 10 중량%를 넘으면, 도포액의 점도가 지나치게 높고, 또한 재응집에 의해 카본 나노 튜브의 분산성이 저하되어, 균일한 전극층을 형성하는 것이 곤란하게 되는 경우가 있다.

이어서, 스프레이 코팅 등에 의해 상기 유전층의 표면의 소정의 위치에 도포액을 도포하여 건조시킨다. 이 때, 필요에 따라, 유전층 표면의 전극층을 형성하지 않는 위치를 마스킹한 후 상기 도포액을 도포할 수도 있다.

상기 도포액의 건조 조건은 특별히 한정되지 않으며, 분산매의 종류나 엘라스토머 조성물의 조성 등에 따라 적절하게 선택하면 된다.

또한, 상기 도포액을 도포하는 방법은, 스프레이 코팅으로 한정되는 것은 아니다. 다른 도포 방법으로서는, 예를 들면, 스크린 인쇄법, 잉크젯 인쇄법 등도 채용할 수 있다.

그리고, 경우에 따라서는, 상기 전극층을 형성하기 전에, 상기 유전층과 상기 전극층과의 밀착성을 높이기 위하여, 유전층의 표면에 전처리를 행할 수도 있다. 그러나, 상기 카본 나노 튜브를 사용하여 형성된 전극층과 상기 유전층은 극히 우수한 밀착성을 가지고 있다. 그러므로, 상기 전처리를 행하지 않아도 유전층과 전극층의 사이에서 충분한 밀착성을 확보할 수 있다.

상기 (1) 및 (2)의 공정을 거쳐 유전층 및 전극층을 형성한 후에는, 필요에 따라, 상기 전극층과 접속된 배선(표면측 배선 및 이면측 배선) 및 접속부(표면측 접속부 및 이면측 접속부)를 형성한다.

상기 전극층과 접속된 배선의 형성은, 예를 들면, 상기 전극층의 형성에서와 동일한 방법을 상용하여, 소정의 개소에 상기 카본 나노 튜브 분산액(도포액)을 도포하고, 건조하는 것 등에 의해 행할 수 있다. 또한, 상기 배선의 형성은 상기 전극층의 형성과 동시에 행할 수도 있다.

상기 접속부의 형성은, 예를 들면, 상기 배선의 소정의 단부에 동박 등을 장착하는 것 등에 의해 행할 수 있다.

또한, 상기 전극층을 형성하고, 필요에 따라 상기 배선이나 상기 접속부를 형성한 후에는, 또한 표면측 및/또는 이면측의 최외층에 보호층을 형성할 수도 있다.

상기 보호층의 형성은, 예를 들면, 상기 (1)의 공정과 동일한 방법을 사용하여 엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트형 부재를 제작한 후, 소정의 사이즈로 재단(裁斷)하고, 그것을 라미네이팅하는 것 등에 의해 형성할 수 있다.

또한, 보호층을 구비한 센서 소자를 제작하는 경우에는, 이면측의 보호층으로부터 출발하고, 그 위에 순차적으로 구성 부재(이면측 전극층, 유전층, 표면측 전극층, 표면측 보호층)를 적층함으로써, 센서 소자를 제작할 수도 있다.

이와 같은 공정을 거쳐서, 상기 센서 소자를 제조할 수 있다.

도 2의 (a), (b)에 나타낸 센서 소자는, 검출부를 1개 구비한 것이지만, 본 발명의 센서 장치를 구성하는 센서 소자에 있어서, 검출부의 개수는 1개로 한정되는 것은 아니며, 복수의 검출부를 구비한 것이라도 된다.

복수의 검출부를 구비한 센서 소자의 구체예로서는, 표면측 전극층 및 이면측 전극층으로서 복수 열의 띠형의 전극층이 유전층의 표면 및 이면에 형성되고, 또한 평면에서 볼 때, 표면측 전극층의 열과 이면측 전극층의 열이 직교하도록 배치된 센서 소자를 예로 들 수 있다. 이와 같은 센서 소자에서는 표면측 전극층 및 이면측 전극층이 유전층을 사이에 두고 대향하는 복수의 부분이 검출부가 되며, 그 검출부가 격자형으로 배치되어 있게 된다.

<변환기>

상기 변환기는, 상기 센서 소자와 전기적으로 접속되어 있다. 상기 변환기는, 상기 유전층의 변형에 따라 변화하는 상기 검출부의 정전 용량을 측정하고, 그 정전 용량을 다른 전기적 특성으로 변환하는 기능을 가진다.

상기 정전 용량을 다른 전기적 특성으로 변환하는 방법으로서는 특별히 한정되지 않으며, 종래 공지의 방법을 채용할 수 있다. 상기 다른 전기적 특성으로서는, 예를 들면, 주파수 신호, 전압 신호 등이 있다.

정전 용량을 주파수 신호로 변환하는 방법은 특별히 한정되지 않으며 종래 공지의 방법을 사용할 수 있고, 예를 들면, 전술한 바와 같은 슈미트 트리거 발진 회로를 사용하는 방법 등이 있다. 슈미트 트리거 발진 회로를 사용하는 방법은, 센서 장치의 소형화에 적합하며, 또한 저비용으로 발진기(센서 장치)를 제공하는 것이 가능하게 된다.

상기 변환기에서는, 예를 들면, 상기 주파수 신호를 전압 신호로 변환해도 된다. 이 변환은, 공지의 F/V 변환 회로를 사용하여 행하면 된다. 물론, 공지의 방법을 사용하여, 정전 용량을 직접 전압 신호로 변환할 수도 있다.

이와 같은 변환기는, 정전 용량을 다른 전기적 특성으로 변환한 후, 상기 주파수 신호나 상기 전압 신호 등을 상기 출력기로 송신한다.

또한, 상기 변환기는, 슈미트 트리거 발진 회로 등을 사용하여 정전 용량을 주파수 신호로 변환한 후, 이 주파수 신호를 2개의 신호로 분배하고, 그 후, 한쪽 신호는 전술한 바와 같이 전압 신호 등의 다른 신호로 변환하고, 나머지 신호는 주파수 신호인 채로 출력기에 송신할 수도 있다. 물론, 3개 이상의 신호로 분배할 수도 있다.

상기 변환기는, 예를 들면, 주파수 신호나 전압 신호 등을 증폭시키기 위한 앰프나, 주파수 신호의 주파수를 변환하기 위한 분주기(分周器) 등을 구비하고 있어도 된다.

상기 변환기에 있어서, 상기 센서 소자에서의 정전 용량을 어떠한 전기적 특성(전기 신호)으로 변환할 것인지는, 상기 출력기로부터 출력하는 정보의 종류도 고려하여 결정하면 된다.

<출력기>

상기 출력기는, 상기 변환기로부터 출력된 전기적 특성(전기 신호)을 오감 중 어느 하나로 인식 가능한 정보로서 출력하는 기능을 가진다.

상기 오감 중 어느 하나로 인식 가능한 정보는, 시각 또는 청각으로 인식 가능한 정보인 것이 바람직하다. 특히, 전술한 바와 같은 LED 소자 등에 의한 발광 정보(광에 의한 정보)나, 소리에 의한 정보인 것이 바람직하다. 그 이유는, 이들 정보라면, 사용자는, 용이하게 또한 확실하게 정보를 인식할 수 있고, 또한 센서 장치의 사용과 동시에(센서 장치를 사용하면서) 정보를 입수하기에 적합하기 때문이다.

또한, 사용자 상태(예를 들면, 시력이 약하지만 청력은 정상적인 경우나, 그 반대의 경우 등)에 따라, 출력하는 정보의 종류를 선택할 수도 있다.

도 1에 나타낸 예와 같이, 출력기가 PIC 제어 회로와 복수의 LED 소자가 배열된 LED 표시부로 이루어지는 경우, 상기 LED 표시부로서는, 센서 소자가 미변형의 상태에서는 모든 LED 소자가 소등하고 있고, 센서 소자의 변형량이 커짐에 따라 점등하는 LED 소자의 개수가 순차적으로 증가하도록 구성된 LED 표시부 등을 예로 들 수 있다. 또한, 이와 같은 LED 표시부에서는, 각 LED 소자가, 상이한 색으로 발광하는 것이라도 되고, 동일한 색으로 발광하는 것이라도 된다. 또한, 상기 LED 표시부에 있어서, LED 소자는 발광 강도가 변화하는 것이라도 된다. 또한, 상기 LED 표시부에서의 LED 소자의 개수는 1개라도 된다.

그리고, 본 발명의 센서 장치에 있어서, 도 1에 나타낸 예와 같이 PIC 제어 회로를 사용하는 경우, PIC 제어 회로에 상기 변환기의 기능을 함께 포함해도 된다.

상기 출력기가 소리에 의한 정보를 출력하는 경우에는, 예를 들면, 상기 출력기는 오디오 앰프와 스피커를 구비하고 있고, 센서 소자의 변형량의 대소에 맞추어 소리의 고저(高低)가 변화(변형량이 작으면 고음으로 울리고, 변형량이 크면 저음으로 울리는 등)하거나, 음의 대소가 변화하도록 구성되어 있다.

또한, 상기 출력기가 소리에 의한 정보를 출력하는 경우, 그 정보는 음성이라도 된다.

그리고, 상기 출력기에 있어서, 소리에 의한 정보나 발광 정보 등의 오감으로 인식 가능한 정보를 출력하는 구체적인 수단으로서는 종래 공지의 방법을 적절하게 채용하면 된다.

도 1에 나타낸 센서 장치(1)에 있어서, 변환기(3)와 출력기(4)와의 접속은 유선으로 행해지고 있다. 그러나, 본 발명의 센서 장치에 있어서 이들의 접속은 반드시 유선으로 행해질 필요는 없으며, 무선으로 접속되어 있어도 된다. 상기 센서 장치의 사용 태양에 따라서는, 변환기와 출력기가 물리적으로 분리되어 있는 편이 사용하기 쉬운 경우도 있다. 이 경우, 예를 들면, PC, 스마트폰, 태블릿 등의 단말 기기에 상기 출력기로서의 기능을 부여해 둠으로써, 상기 단말 기기를 소리나 광, 화상, 수치 정보 등의 오감으로 인식 가능한 정보를 출력하는 출력기로 할 수도 있다.

이와 같은 센서 장치에서는, 유전층의 변형(신축)에 따라 검출부의 정전 용량이 변화되므로, 그 정전 용량을 소리에 의한 정보나 발광 정보 등으로서 출력함으로써 센서 소자의 변형 상태를 사용자는 인식할 수 있다.

따라서, 예를 들면, 상기 센서 소자를 변형할 수 있는 측정 대상물에 접합하여 사용함으로써 그 변형 상태를 알 수 있다.

그 외에, 상기 센서 장치는, 예를 들면, 사용자가 능동적으로 센서 소자를 변형시킴으로써, 사용자의 의도를 반영한 정보를 발신하는 정보 발신기로서도 사용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 발신하는 정보가 소리에 의한 정보인 경우에는, 음원이나 음성 발생기로서도 사용할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 신축 구조체에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

본 발명의 신축 구조체는, 신축 가능한 기구 본체와, 상기 기구 본체와 일체화된 본 발명의 센서 장치를 구비하고, 상기 기구 본체의 신축에 추종하여 상기 센서 소자가 신축되는 것을 특징으로 한다.

도 4의 (a)는, 본 발명의 신축 구조체의 일례를 모식적으로 나타낸 평면도이다.

도 4의 (a)에 나타낸 신축 구조체(100)는, 리허빌리테이션 튜브(트레이닝 튜브)의 일례인 띠형의 엘라스토머 튜브(102)를 기구 본체로 하는 신축 구조체이다. 신축 구조체(100)에서는, 엘라스토머 튜브(102)와 본 발명의 센서 장치(101)가 일체로 되어 있다. 구체적으로는, 엘라스토머 튜브(102)의 표면에 센서 장치(101)를 구성하는 센서 소자(101a)가 점착층(도시하지 않음)을 통하여 접합되며, 또한 변환기 및 출력기를 내장한 표시 유닛(101b)이 리드선(103)을 통하여 센서 소자와 접속되어 있다. 여기서, 센서 소자(101a)를 접합하는 점착층은, 센서 소자(101a)의 이면측의 표면 전체에 적층되어 있다.

신축 구조체(100)에서는, 엘라스토머 튜브(102)의 길이 방향의 신축에 추종하여 센서 소자(101a)도 신축하고, 이 때, 신축량에 따라 센서 소자(101a)의 검출부의 정전 용량이 변화한다. 그리고, 이미 설명한 바와 같이, 표시 유닛(101b)에 내장된 출력부로부터, 검출된 정전 용량에 따른 소리나 광 등의 정보가 출력된다.

그러므로, 사용자는 상기 신축 구조체의 사용 상태, 및 이에 기초한 사용자 자체의 운동 상태를 파악할 수 있다.

또한, 본 발명의 신축 구조체에서는, 출력부로부터 출력되는 정보가 음성 정보인 경우, 엘라스토머 튜브(102)의 신장율이 미리 정해둔 신장율을 달성했는지의 여부에 따라, 사용자를 격려하거나, 칭찬하는 음성을 출력하도록 할 수도 있다. 이로써, 사용자의 리허빌리테이션에 대하여 힘쓰고자 하는 모티베이션을 더욱 높일 수도 있다. 또한, 미리 정해둔 신장율을 초과한 경우에는, 오버워크(overwork)인 것을 통지하는 음성을 출력하도록 해 둘 수도 있다.

본 발명의 신축 구조체는, 상기 센서 장치에서의 계측 결과를 기록하기 위한 기억부를 더 구비하고 있어도 된다. 이로써, 상기 신축 구조체를 사용한 운동 결과를 기록할 수 있다. 상기 기억부를 구비하는 신축 구조체는, 특히 리허빌리테이션에 사용하는 것에 바람직하다.

전문가의 지도 하에서, 리허빌리테이션 운동을 행하는 경우, 전문가는, 리허빌리테이션 기구 사용자에 대하여 운동의 종류, 강도, 횟수, 빈도 등을 처방하는 것이 일반적으로 행해지고 있다. 그리고, 리허빌리테이션 기구로서 사용하는 상기 신축 구조체가 기억부를 구비하고 있는 경우, 상기 출력기로부터 출력되는 정보에 기초하여, 상기 신축 구조체의 사용 상태를 실시간으로 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 운동의 종류, 강도, 횟수, 빈도 등을 상기 기억부에 기록함으로써, 매일의 리허빌리테이션 트레이닝의 이력을 확인하거나, 전문가와 정보를 공유할 수 있으며, 또한 기록된 정보를 리허빌리테이션 운동의 처방(리허빌리테이션 프로그램)의 피드백 정보로 할 수도 있다.

본 발명의 신축 구조체는, 도 4의 (b)∼(e)에 나타낸 바와 같은 구성을 구비한 것이라도 된다.

도 4의 (b)는, 본 발명의 신축 구조체의 다른 일례를 모식적으로 나타낸 사시도이다.

도 4의 (b)에 나타낸 신축 구조체(110)는, 리허빌리테이션 튜브(트레이닝 튜브)의 일례인 엘라스토머제의 무단(無端) 밴드(112)를 기구 본체로 하는 신축 구조체이다. 신축 구조체(110)에서는, 무단 밴드(112)와 본 발명의 센서 장치(111)가 일체로 되어 있다. 구체적으로는, 무단 밴드(112)의 표면에 센서 장치(111)를 구성하는 센서 소자(111a)가 점착층(도시하지 않음)을 통하여 접합되고, 또한 변환기 및 출력기를 내장한 표시 유닛(111b)이 리드선(113)을 통하여 센서 소자와 접속되어 있다. 여기서, 센서 소자(111a)를 접합하는 점착층은, 센서 소자(111a)의 이면측의 표면 전체에 적층되어 있다.

신축 구조체(110)는, 신축 구조체(100)와 마찬가지로, 무단 밴드(112)의 신축에 추종하여 센서 소자(111a)가 신축하고, 그 신축량에 따라 센서 소자(111a)의 검출부의 정전 용량이 변화한다. 그리고, 표시 유닛(111b)에 내장된 출력부로부터, 검출된 정전 용량에 따른 소리나 광 등의 정보가 출력되고, 사용자는, 신축 구조체(110)의 사용 상태를 소리나 광 등의 정보에 의해 인식할 수 있다.

도 4의 (c)는, 본 발명의 신축 구조체의 다른 일례의 일부를 모식적으로 나타낸 단면도이다.

도 4의 (c)에 나타낸 신축 구조체(120)는, 엘라스토머제의 튜브(122a) 내에 금속 코일 스프링(122b)이 내포(內包)된 익스팬더(122)를 기구 본체로 하는 신축 구조체이다. 신축 구조체(120)에서는, 익스팬더(122)와 본 발명의 센서 장치(121)가 일체로 되어 있다. 구체적으로는, 익스팬더(122)의 표면에 센서 장치(121)를 구성하는 센서 소자(121a)가 점착층(124)을 통하여 접합되고, 또한 변환기 및 출력기를 내장한 표시 유닛(121b)이 리드선(123)을 통하여 센서 소자와 접속되어 있다. 여기서, 점착층(124)은, 센서 소자(121a)의 이면측의 표면 전체에 적층되어 있다.

신축 구조체(120)는, 익스팬더(122)의 신축에 추종하여 센서 소자(121a)가 신축하고, 그 신축량에 따라 센서 소자(121a)의 검출부의 정전 용량이 변화한다. 그리고, 표시 유닛(121b)에 내장된 출력부로부터, 검출된 정전 용량에 따른 소리나 광 등의 정보가 출력되고, 사용자는, 신축 구조체(120)의 사용 상태를 소리나 광 등의 정보에 의해 인식할 수 있다.

도 4의 (d)는, 본 발명의 신축 구조체의 다른 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.

도 4의 (d)에 나타낸 신축 구조체(130)는, 대략 원호형의 만곡부를 가지는 판 스프링(132a)과, 상기 만곡부에 적층된 엘라스토머층(132b)과, 판스프링(132a)의 양 단부에 설치된 파지부(132c)를 구비한 기구 본체(132)와, 기구 본체(132)에 접합된 센서 장치(131)로 이루어지는 신축 구조체이다. 구체적으로는, 기구 본체(132)의 엘라스토머층(132b)의 표면에 센서 장치(131)를 구성하는 센서 소자(131a)가 점착층(134)을 통하여 접합되고, 또한 변환기 및 출력기를 내장한 표시 유닛(131b)이 리드선(133)을 통하여 센서 소자와 접속되어 있다. 여기서, 점착층(134)은, 센서 소자(131a)의 이면측의 표면 전체에 적층되어 있다.

이와 같은 신축 구조체(130)를 사용하는 경우, 사용자는, 파지부(132c)를 파지하고, 만곡부가 더욱 만곡되도록 부하를 가하여 신축 구조체(130)를 사용한다. 이 때, 만곡부의 만곡 정도에 따라, 엘라스토머층(132b)이 신축하고, 이 엘라스토머층(132b)의 신축에 추종하여 센서 소자(131a)가 신축하고, 이 신축량에 따라, 센서 소자(131a)의 검출부의 정전 용량이 변화한다. 그리고, 표시 유닛(131b)에 내장된 출력부로부터, 검출된 정전 용량에 따른 소리나 광 등의 정보가 출력되고, 사용자는, 신축 구조체(130)의 사용 상태를 소리나 광 등의 정보에 의해 인식할 수 있다.

또한, 기구 본체가 도 4의 (c), (d)에 나타낸 바와 같은 구성을 가지는 경우, 즉 금속 코일 스프링이나 금속성의 판 스프링 등, 금속제의 탄성 부재에 의해 기구 본체의 변형이 확보되고, 금속제의 탄성 부재가 엘라스토머로 피복되어 있는 경우, 상기 엘라스토머로서는 충분히 연질인 것을 사용할 수 있다. 그러므로, 엘라스토머에 가해지는 응력을 감소시킬 수 있어, 엘라스토머가 쉽게 피로하지 않아, 기구 본체의 고수명화를 도모할 수 있다.

도 4의 (e)는, 본 발명의 신축 구조체의 다른 일례를 모식적으로 나타낸 사시도이다.

도 4의 (e)에 나타낸 신축 구조체(140)는, 엘라스토머제의 볼(고무 볼)(142)을 기구 본체로 하는 신축 구조체이다. 신축 구조체(140)에서는, 고무 볼(142)과 본 발명의 센서 장치(141)가 일체로 되어 있다. 구체적으로는, 고무 볼(142)의 표면에 센서 장치(141)를 구성하는 센서 소자(141a)가 점착층(도시하지 않음)을 통하여 접착되고, 또한 변환기 및 출력기를 내장한 표시 유닛(141b)이 리드선(143)을 통하여 센서 소자와 접속되어 있다. 여기서, 점착층은, 센서 소자(141a)의 이면측의 표면 전체에 적층되어 있다.

신축 구조체(140)는, 고무 볼(142)의 변형(신축)에 추종하여 센서 소자(141a)가 신축하고, 그 신축량에 따라 센서 소자(141a)의 검출부의 정전 용량이 변화한다. 그리고, 표시 유닛(141b)에 내장된 출력부로부터, 검출된 정전 용량에 따른 소리나 광 등의 정보가 출력되고, 사용자는, 신축 구조체(140)의 사용 상태를 소리나 광 등의 정보에 의해 인식할 수 있다.

상기 신축 구조체에 있어서, 기구 본체는, 도 4의 (a)∼(e)에 예시된 것으로 한정되지 않고, 신축 가능한 것이면 된다. 한편, 사용 시의 기구 본체의 변형(신축)량이 지나치게 작은 경우에는, 상기 기구 본체에 추종하여 변형되는 센서 소자의 변형량도 작으며, 센서 소자에서의 정전 용량의 변화량이 지나치게 작은 경우가 있으며, 이 경우에, 기구 본체의 변화량을 정확하게 측정할 수 없는 경우가 있다. 그러므로, 상기 기구 본체는, 통상의 사용 태양에 있어서, 센서 소자를 일체화하는(접합하는) 부분의 변형량이, 신장 변형율로 20% 이상, 면적 증가율로 약 10% 이상인 것이 바람직하다. 이는, 전술한 범위의 변형량을 가지는 기구 본체가 본 발명의 센서 장치에 의해 변형량을 검출하는 대상으로서 특히 적합하기 때문이다.

상기 기구 본체는, 도 4의 (a), (b) 및 (e)에 나타낸 예와 같이 엘라스토머에 의해 신축성이 확보되는 것이라도 되고, 도 4의 (c) 및 (d)에 나타낸 예와 같이 금속제의 탄성 부재와 이 탄성 부재의 주위에 설치된 엘라스토머제의 부재로 이루어지고, 그 신축성이 주로 금속제의 탄성체에 의해 확보되는 것이라도 된다.

여기서, 상기 엘라스토머로서는, 예를 들면, 천연 고무, 합성 고무, 열가소성 엘라스토머, 열경화성 폴리우레탄, 실리콘 고무 등이 있다.

상기 기구 본체가 엘라스토머에 의해 신축성이 확보되는 것인 경우, 상기 엘라스토머는, 적절한 신장도-응력 특성(S-S 특성)을 가지며, 또한, 반복적으로 신축시켜도 영구 신장이 작은 것이 바람직하다.

상기 엘라스토머로서는, 반복 신축 시의 영구 신장이 작은 점을 고려하여, 예를 들면, 천연 고무나 합성 고무의 일종인 이소프렌 고무를 가교한 것이나, 영구 신장이 낮아지도록 설계한 열가소성 엘라스토머가 바람직하다.

또한, 상기 기구 본체가 사용 시에 인체와 직접 접촉하는 경우, 상기 기구 본체로서는, 알레르기의 원인 물질(예를 들면, 천연 고무에 포함되는 단백질 등)를 함유하지 않은 재질로 이루어지는 것을 선택하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 엘라스토머의 재질은, 본 발명의 센서 장치를 구성하는 유전층이나 보호층의 재질과 동일할 수도 있다. 이 경우에, 상기 기구 본체와 상기 센서 소자가 동일한 변형 거동을 나타내기 쉽다.

도 4의 (a)∼(e)에 나타낸 예에서는, 센서 소자를 기구 본체에 접합할 때, 센서 소자의 이면측 전체에 점착층을 적층하여 센서 소자를 기구 본체에 접합하고 있다. 그러나, 상기 점착층은 반드시 센서 소자의 이면측 전체에 형성할 필요는 없으며, 센서 소자의 이면측의 일부에만 형성되어 있어도 된다. 다만, 센서 소자가 기구 본체의 변형에 추종하여 변형시킬 수 있도록 점착층을 형성할 필요가 있다.

상기 점착층은 종래 공지의 점착제를 사용하여 형성할 수 있고, 상기 점착층은, 센서 장치나 기구 본체의 변형을 저해하지 않고, 이들의 변형에 추종하는 것이면 된다.

또한, 본 발명의 신축 구조체에 있어서, 센서 소자를 기구 본체에 접착하는 방법은 점착층을 형성하는 방법으로 한정되지 않으며, 종래 공지의 다른 점착(접착) 방법을 채용할 수도 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 상기 엘라스토머 조성물이나 상기 도전성 조성물, 상기 기구 본체의 조성에 따라서는, 직접적으로 또는 적절한 엘라스토머층을 통하여 센서 소자와 기구 본체를 가류 접착하는 방법 등을 채용할 수도 있다.

도 4의 (a)∼(e)에 나타낸 예에서는, 센서 소자만 기구 본체에 접합되고, 변환기와 출력기를 일체로 한 표시 유닛이 별도의 리드선을 통하여 센서 소자에 접속되어 있다. 한편, 본 발명의 신축 구조체에서는, 예를 들면, 센서 소자와 변환기를 일체로 한 유닛을 기구 본체에 접합하고, 이 유닛을 별도의 리드선을 통하여, 또는 무선 접속에 의해 출력기와 접속할 수도 있다. 또한, 상기 신축 구조체에서는, 센서 소자의 전체 부재를 기구 본체에 접합할 수도 있다.

출력기를 무선 접속한 경우에는, 사용 시에 출력기가 사용자의 방해가 되지 않으며, 또한, 사용자는 출력기를 인식하기 용이한 위치에 두고 신축 구조체를 사용할 수 있다.

또한, 지금까지 설명한 신축 구조체에서는, 기구 본체와 센서 장치를 점착층 등을 통하여 접합시킴으로써 양자를 일체화하고 있다. 그러나, 본 발명의 신축 구조체는, 기구 본체와 센서 장치를 따로따로 제작한 후, 양자를 접합시키는 것으로 한정되지 않고, 기구 본체의 일부를 센서 장치의 구성 부재로 함으로써 양자를 일체화한 것이라도 된다.

구체적으로는, 예를 들면, 도 4의 (a), (b)에 나타낸 바와 같은 엘라스토머제의 기구 본체의 일부를 상기 센서 소자의 유전층으로 하고, 기구 본체의 일부의 양면에 기구 본체를 사이에 두고 대향하는 전극층을 형성함으로써, 기구 본체와 센서 소자가 일체화된 신축 구조체로 할 수도 있다.

본 발명의 신축 구조체는, 신축 가능한 기구 본체에 본 발명의 센서 장치가 일체화되어 있다. 그러므로, 기구 본체의 신축에 따른 신축 상태(사용 상태)를 사용자에게 통지할 수 있다.

본 발명의 신축 구조체는, 예를 들면, 리허빌리테이션용 기구나 트레이닝 용 기구 등으로서 바람직하게 사용할 수 있다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

도 5는, 실시예에서의 센서 소자의 제작 공정을 설명하기 위한 사시도이다. 도 6은, 실시예에서 제작한 센서 장치를 나타낸 개략도이다.

<센서 장치를 구비한 리허빌리테이션 튜브>

1. 기구 본체

기구 본체로서, 시판 중인 리허빌리테이션 튜브(Thera-Band(등록상표), 루프 타이프 ＃TLB-1(수입 판매원: D&M사), 원둘레 90 cm×폭 7.5 cm)를 사용하였다.

2. 점착층 부착 센서 소자의 제작

(1) 유전층의 제작

폴리올(판덱스 GCB-41, DIC사 제조) 100 질량부에 대하여, 가소제(디옥틸술포네이트) 40 중량부와 이소시아네이트(판덱스 GCA-11, DIC사 제조) 17.62 중량부를 첨가하고, 아지터로 90초간 교반 혼합하여, 유전층용 원료 조성물을 조제하였다. 다음으로, 원료 조성물을 도 3에 나타낸 성형 장치(30)에 주입하고, 보호 필름(31)으로 샌드위치형으로 형성하여 반송하면서, 노 내 온도 70℃, 노 내 시간 30분간의 조건 하에서 가교 경화시켜, 보호 필름이 부착된 소정 두께의 롤 권취 시트를 얻었다. 그 후, 70℃로 조절하고 노에서 12시간 후 가교시키고, 폴리에테르계 우레탄 엘라스토머로 이루어지는 시트를 제작하였다. 얻어진 우레탄 시트를 20 ㎜×74 ㎜×두께 100㎛로 재단하고, 또한 모서리부의 1개소를 10 ㎜×7 ㎜×두께 100㎛의 사이즈로 잘라내고, 유전층을 제작하였다.

또한, 제작한 유전층에 대하여, 파단 시 신장(%) 및 비유전율을 측정하였다. 파단 시 신장(%)은 505%, 비유전율은 6.6이었다.

상기 파단 시 신장은, JIS K 6251에 준거하여 측정하였다. 상기 비유전율은, 20 ㎜Φ의 전극에서 유전층을 사이에 두고, LCR 하이테스터(히오키전기사 제조, 3522-50)를 사용하여 계측 주파수 1 kHz로 정전 용량을 측정한 후, 전극 면적과 측정 시료의 두께로부터 산출하였다.

(2) 전극층 재료의 조제

기판 성장법에 의해 제조한 다층 카본 나노 튜브인, 타이요닛산사(TAIYO NIPPON SANSO)에서 제조한 고배향 카본 나노 튜브(층수 4∼12 층, 섬유 직경 10∼20 ㎚, 섬유 길이 150∼300 ㎛, 탄소 순도 99.5%) 30 mg을 메틸이소부틸케톤(MIBK) 30 g에 첨가하고, 제트밀(나노 제트 펄 JN10-SP003, 조코사 제조)을 사용하여 습식 분산 처리를 행하고, 10배로 희석하여 농도 0.01 중량%의 카본 나노 튜브 분산액을 얻었다.

(3) 보호층의 제작

전술한 (1) 유전층의 제작에서와 동일한 방법을 사용하여, 폴리에테르계 우레탄 엘라스토머제로, 20 ㎜×74 ㎜×두께 50㎛의 이면측 보호층과 20 ㎜×67 ㎜×두께 50㎛의 표면측 보호층을 제작하였다.

(4) 점착층의 제작

점착제(소켄 화학사 제조, SK-1720) 100 중량부에 경화제(소켄 화학사 제조, L-45) 2 질량부를 첨가 혼합하였다. 얻어진 혼합물을, 표면이 이형(離型) 처리된 PET 필름에 바 코터를 사용하여 성막하고, 100℃, 30분간의 조건 하에서 경화시켜, 경화 후의 두께가 50㎛인 점착층을 제작하였다.

(5) 센서 소자의 제작

도 5의 (a)∼(d)에 나타낸 제작 공정을 거쳐 센서 소자를 제작하였다.

먼저, 상기 (3)의 공정에서 제작한 이면측 보호층(25B)의 한쪽 면(표면)에, 이형 처리된 PET 필름에 소정 형상의 개구부가 형성된 마스크(도시하지 않음)를 접합하였다.

상기 마스크에는, 이면측 전극층 및 이면측 배선에 상당하는 개구부가 형성되어 있고, 개구부의 사이즈는, 이면측 전극층에 상당하는 부분이 폭 16 ㎜×길이 60 ㎜, 이면측 배선에 상당하는 부분이 폭 5 ㎜×길이 10 ㎜이다.

다음으로, 상기 (2)의 공정에서 조제한 카본 나노 튜브 분산액 7.2 g을 10 cm의 거리로부터 에어 브러시를 사용하여 도포하고, 이어서, 100℃에서 10분간 건조시켜, 이면측 전극층(22B) 및 이면측 배선(23B)을 형성하였다. 그 후, 마스크를 박리하였다(도 5의 (a) 참조).

다음으로, 이면측 전극층(22B)의 전체 및 이면측 배선(23B)의 일부를 피복하도록, 상기 (1)의 공정에서 제작한 유전층(21)을 이면측 보호층(25B) 상에 접합시킴으로써 적층하였다.

또한, 유전층(21)의 표면측에, 이면측 전극층(22B) 및 이면측 배선(23B)의 형성에서와 동일한 방법을 사용하여, 표면측 전극층(22A) 및 표면측 배선(23A)을 형성하였다(도 5의 (b) 참조).

다음으로, 표면측 전극층(22A) 및 표면측 배선(23A)이 형성된 유전층(21)의 표면측에, 표면측 전극층(22A)의 전체 및 표면측 배선(23A)의 일부를 피복하도록, 상기 (3)의 공정에서 제작한 표면측 보호층(25A)을 라미네이팅에 의해 적층하였다.

또한, 표면측 배선(23A) 및 이면측 배선(23B)의 각각의 단부에 동박을 장착하여, 표면측 접속부(24A) 및 이면측 접속부(24B)로 하였다(도 5의 (c) 참조). 그 후, 표면측 접속부(24A) 및 이면측 접속부(24B)에 외부 배선이 되는 리드선(29)을 땜납으로 고정하였다.

다음으로, 표면측 접속부(24A) 및 이면측 접속부(24B)의 이면측 보호층(25B) 상에 위치하는 부분에, 두께 100㎛의 PET 필름(27)을 아크릴 접착 테이프(3M사 제조, Y-4905(두께 0.5 ㎜))(26)를 통하여 접합하여 보강하였다.

마지막으로, 이면측 보호층(25B)의 이면측에 상기 (4)에서 제작한 점착층(28)을 접합하여 센서 소자(222)를 완성하였다(도 5의 (d) 참조).

3. 신축 구조체(리허빌리테이션 튜브)의 제작

상기 기구 본체의 표면에, 상기 2.에서, 제작한 점착층 부착 센서 소자를 접합하여 고정하였다.

다음으로, 상기 센서 소자에 변환기 및 출력기를 접속하고, 신축 구조체를 제작하였다.

상기 신축 구조체에서의 센서 장치의 구성은, 도 6에 나타낸 바와 같다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 센서 장치(221)는, 상기 (1)∼(5)를 거쳐 제작한 센서 소자(222)를 슈미트 트리거 발진 회로(무신장 시의 발진 주파수: 1 KHz)(223)에 접속하고, 오디오 앰프 225(LM4889, Texas Instruments사 제조)를 통하여, 스피커(226)(K36WP, Visaton사 제조)에 접속한 것이다.

그리고, 슈미트 트리거 발진 회로(223)에서는, 슈미트 트리거 인버터 IC로서 도시바 반도체 & 스토리지사에서 제조한 Schmitt Inverter(모델넘버: TC7W14F)를 사용하였고, 저항은 고정 저항과 가변 저항에 의해 구성하고, 합계 저항값을 약 1.8 MΩ으로 하고, 무신장 시의 발진 주파수가 1 kHz로 되도록 가변 저항으로 미세 조절하였다.

4. 신축 구조체(리허빌리테이션 튜브)의 동작 검증

상기 3.에서 제작한 신축 구조체(센서 소자(222)의 유전층)를 100% 신장(2배로 신장)시킨 바, 검출부의 정전 용량이 약 2배로 증가하고, 슈미트 트리거 발진 회로로부터 출력되는 발진 주파수가 약 1/2배로 작아지는 것이 확인되었다. 또한, 신축 구조체(센서 소자(222)의 유전층)를 200% 신장(3배로 신장)시킨 바, 검출부의 정전 용량이 약 3배로 증가하고, 슈미트 트리거 발진 회로로부터 출력되는 발진 주파수가 약 1/3배로 작아지는 것이 확인되었다.

또한, 신축 구조체를 신장시킴에 따라 스피커(26)로부터 발진되는 소리가 고음으로부터 저음으로 변화하는 것도 확인되었다.

1, 101, 111, 121, 131, 141, 221: 센서 장치
2, 101a, 111a, 121a, 131a, 141a, 222: 센서 소자
3: 변환기
3a, 223: 슈미트 트리거 발진 회로
3b: F/V 변환 회로
4: 출력기
4a: PIC 제어 회로
4b: LED 표시부
11, 21: 유전층
12A, 22A: 표면측 전극층
12B, 22B: 이면측 전극층
13A, 23A: 표면측 배선
13B, 23B: 이면측 배선
14A, 24A: 표면측 접속부
14B, 24B: 이면측 접속부
15A, 25A: 표면측 보호층
15B, 25B: 이면측 보호층
28: 점착층
100, 110, 120, 130, 140: 신축 구조체
101b, 111b, 121b, 131b, 141b: 표시 유닛
102: 엘라스토머 튜브
112: 무단 밴드
122: 익스팬더
132: 기구 본체
142: 고무 볼
225: 오디오앰프
226: 스피커

Claims (5)

1. 엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트형의 유전층과, 카본 나노 튜브를 함유하는 도전성 조성물로 이루어지고, 상기 유전층의 표면 및 이면(裏面)의 각각에 상기 유전층을 사이에 두고 적어도 일부가 대향하도록 형성된 전극층을 포함하고, 상기 전극층이 대향하는 부분을 검출부로 하고, 상기 유전층의 주면(主面)의 면적이 변화하도록 가역적으로 변형되는 센서 소자;
   상기 센서 소자와 전기적으로 접속되고, 상기 유전층의 변형에 따라 변화하는 상기 검출부의 정전(靜電) 용량을 전기적 특성으로 변환하는 변환기; 및
   상기 전기적 특성을 오감 중 어느 하나로 인식 가능한 정보로서 출력하는 출력기를 포함하는, 센서 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유전층은, 그 주면의 면적이 무신장(無伸長) 상태로부터 30% 이상 증대하도록 변형 가능한, 센서 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 정보는, 소리에 의한 정보 및 광에 의한 정보 중 적어도 한쪽인, 센서 장치.
4. 신축(伸縮) 가능한 기구 본체 및 상기 기구 본체와 일체화된 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 센서 장치를 포함하고,
   상기 기구 본체의 신축에 추종하여 상기 센서 소자가 신축되는, 신축 구조체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 기구 본체는, 익스팬더(expander) 또는 리허빌리테이션(rehabilitation) 튜브인, 신축 구조체.

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