WO2017119197A1 - 歪みセンサ素子 - Google Patents

歪みセンサ素子 Download PDF

Info

Publication number
WO2017119197A1
WO2017119197A1 PCT/JP2016/084182 JP2016084182W WO2017119197A1 WO 2017119197 A1 WO2017119197 A1 WO 2017119197A1 JP 2016084182 W JP2016084182 W JP 2016084182W WO 2017119197 A1 WO2017119197 A1 WO 2017119197A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor element
conductive portion
strain sensor
conductive
carbon nanotube
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/084182
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
保郎 奥宮
鈴木　克典
谷高　幸司
優典 佐藤
Original Assignee
ヤマハ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ヤマハ株式会社 filed Critical ヤマハ株式会社
Priority to EP16883697.1A priority Critical patent/EP3401633B1/en
Priority to CN201680077370.2A priority patent/CN108431543B/zh
Publication of WO2017119197A1 publication Critical patent/WO2017119197A1/ja
Priority to US16/027,968 priority patent/US10816317B2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G01L5/226—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Definitions

  • the present invention relates to a strain sensor element.
  • strain sensor elements that detect expansion and contraction have expanded as detection elements for robots and wearable devices, for example.
  • the needs for strain sensor elements are diversified, and there is a need for strain sensor elements in the form of threads or strings.
  • the thread-shaped strain sensor element an organic material having conductivity by heat-treating a plurality of insulating fibers oriented in the longitudinal direction and an organic polymer material filled between the plurality of insulating fibers
  • a strain sensor including a thread-like conductor phase (core material) having a phase and an insulating coating layer covering the conductor phase (see JP 2005-337819 A).
  • the strain sensor described in the above publication is formed by carbonizing an organic polymer material to form a conductor phase that exhibits conductivity, the conductor phase is broken when a large strain is applied. For this reason, the strain sensor described in the above publication has a relatively small range of stretchable strain that can be measured.
  • an object of the present invention is to provide a thread-like strain sensor element capable of detecting a relatively large stretching strain.
  • the invention made in order to solve the above-mentioned problems is a strain sensor element whose resistance value changes due to expansion and contraction in the longitudinal direction, and includes a thread-like first conductive portion formed from a bundle of carbon nanotubes, and the first conductive portion.
  • a strain sensor element comprising a second conductive portion covering a peripheral surface and having elasticity and conductivity, wherein the first conductive portion is torn at one or a plurality of locations.
  • the strain sensor element is a portion where the first conductive portion is not torn by covering the peripheral surface of the first conductive portion with the second conductive portion, and the first conductive portion is torn at one or a plurality of locations, In other words, the first conductive portion and the second conductive portion are connected in parallel, and the portion having a relatively low resistance and the portion where the first conductive portion is torn, that is, the second conductive portion is relatively configured. Part with large resistance.
  • the resistance value between both ends of the strain sensor element is a resistance value of a circuit in which the relatively low resistance portion and the relatively high resistance portion are connected in series.
  • the strain sensor element When the strain sensor element expands or contracts, the resistance value between both ends of the strain sensor element changes by increasing or decreasing the gap width of the portion that is torn by the expansion or contraction, that is, the ratio of the portion having a relatively large resistance. Since such a mechanism detects expansion / contraction strain as a change in resistance value, the strain sensor element can detect relatively large expansion / contraction strain relatively accurately.
  • the second conductive part may include a carbon nanotube bundle and a resin composition impregnated in the carbon nanotube bundle.
  • the second conductive portion includes the carbon nanotube bundle and the resin composition impregnated in the carbon nanotube bundle, so that the second conductive portion has relatively large stretchability and appropriate resistivity. Can be. As a result, a relatively large stretch distortion can be detected more reliably.
  • the second conductive portion has a conductive strip that is spirally wound around the outer periphery of the first conductive portion.
  • the second conductive part since the second conductive part has the conductive band member that is spirally wound around the outer periphery of the first conductive part, the second conductive part is not easily broken due to the expansion and contraction. Can be detected.
  • the strip material may contain carbon nanotubes.
  • the change in electric resistance due to the expansion and contraction of the second conductive portion can be made relatively small, and a relatively large stretching strain can be detected more reliably.
  • the second conductive portion can be prevented from being damaged by contact with an external object, and It is possible to prevent the tensile stress from concentrating on a part of the longitudinal direction of the first conductive part and the second conductive part and tearing or inaccurate detection values.
  • the strain sensor element of the present invention can detect a relatively large stretching strain.
  • FIG. 2 is a schematic axial sectional view of the strain sensor element of FIG. 1. It is a circuit diagram which shows the electrical resistance in the initial state of the distortion sensor element of FIG. It is a circuit diagram which shows the electrical resistance in the expansion
  • FIG. 2 is a schematic exploded front view of a strain sensor element of an embodiment different from FIG. 1 of the present invention.
  • the strain sensor element of FIG. 1 is formed in a thread shape, and its resistance value (electric resistance) changes due to expansion and contraction in the longitudinal direction. For this reason, the said strain sensor element can detect expansion-contraction distortion by measuring the resistance value between both ends.
  • the strain sensor element includes a thread-like first conductive portion 1 formed from a carbon nanotube bundle, and a second conductive portion 2 that covers the peripheral surface of the first conductive portion 1 and has stretchability and conductivity. Moreover, it is desirable that the strain sensor element further includes a coating layer 3 that covers the peripheral surface of the second conductive portion 2 and has stretchability and insulation properties.
  • the first conductive portion 1 is torn at one or more places in the longitudinal direction.
  • the 2nd electroconductive part 2 exists continuously over the full length, without tearing.
  • the strain sensor element includes a continuous region C in which the first conductive portion 1 is not torn and the first conductive portion 1 is torn because the first conductive portion 1 is torn in one or a plurality of locations. And region B.
  • the length of the fracture region B may be zero in a state where a tensile stress in the longitudinal direction is not applied to the strain sensor element.
  • the strain sensor element may be one in which the length of the tearing region B becomes zero and the adjacent continuous regions C of the first conductive portion 1 are in contact with each other to conduct in an unloaded state.
  • the continuous region C of the strain sensor element is a portion where the first conductive portion 1 and the second conductive portion 2 are connected in parallel and the electrical resistance in the longitudinal direction is relatively small.
  • the rupture region B is a portion having a relatively large resistance in the longitudinal direction by being configured only by the second conductive portion 2.
  • the first conductive portion 1 can be formed from a carbon nanotube bundle.
  • This carbon nanotube bundle is a fiber bundle in which a plurality of carbon nanotubes (single fibers) are roughly oriented in the substantially longitudinal direction of the strain sensor element.
  • the carbon nanotube bundle may include an insulating fiber in order to adjust electric resistance.
  • the first conductive portion 1 does not substantially contain a matrix (resin) that connects a plurality of carbon nanotubes. Thereby, high electroconductivity is obtained and the fracture region B can be formed relatively easily.
  • the first conductive portion 1 has conductivity by forming a current path by contacting and electrically connecting a plurality of carbon nanotubes with each other.
  • the tear region B of the strain sensor element is sufficiently large by gripping both longitudinal portions of the position where the tear region B is formed after forming the second conductive portion 2, preferably the coating layer 3. It can be formed by intentionally tearing the first conductive portion 1 by applying a tensile stress that does not cause the second conductive portion 2 and the coating layer 3 to break.
  • the carbon nanotube bundle forming the first conductive part 1 is preferably twisted together. Since the carbon nanotube bundles are twisted and formed into a thread shape, the carbon nanotubes are prevented from moving in the longitudinal direction of each other, so that the first conductive portion 1 in the continuous region C on both sides of the fracture region B can be electrically electrically connected. It is possible to improve the detection accuracy of the stretching strain.
  • the second conductive portion is formed by impregnating the resin composition into the surface layer portion (the outer peripheral portion in the cross section perpendicular to the longitudinal direction) of one filamentous body formed in advance by twisting the carbon nanotube bundle. 2 is formed, and the central portion that is not impregnated with the resin composition of the carbon nanotube yarn is the first conductive portion 1.
  • the lower limit of the average diameter of the first conductive part 1 is preferably 0.5 ⁇ m and more preferably 5 ⁇ m.
  • an upper limit of the average diameter of the 1st electroconductive part 1 5 mm is preferable and 1 mm is more preferable.
  • the average diameter of the first conductive portion 1 is less than the lower limit, the electrical resistance of the first conductive portion 1 is increased, so that the initial value of the electrical resistance of the strain sensor element is increased and the detection accuracy is insufficient. There is a fear.
  • the average diameter of the first conductive portion 1 exceeds the upper limit, it may not be easy to form the first conductive portion 1, or the carbon nanotubes at the center of the first conductive portion 1 may enter the fracture region B. There is a possibility that the expansion and contraction strain cannot be accurately detected by protruding and short-circuiting.
  • both a single-wall single wall nanotube (SWNT) and a multilayer multi-wall nanotube (MWNT) can be used.
  • SWNT single-wall single wall nanotube
  • MWNT multilayer multi-wall nanotube
  • MWNT is preferable from the viewpoint of conductivity and heat capacity, and MWNT having a diameter of 1.5 nm to 100 nm is more preferable.
  • Carbon nanotubes can be manufactured by a known method, for example, CVD method, arc method, laser ablation method, DIPS method, CoMoCAT method and the like. Among these, it is preferable to produce by a CVD method using iron as a catalyst and ethylene gas from the viewpoint that carbon nanotubes (MWNT) having a desired size can be efficiently obtained. In this case, it is possible to obtain a carbon nanotube crystal having a desired length which is grown in a vertical orientation on a substrate such as a quartz glass substrate or a silicon substrate with an oxide film, on which an iron or nickel thin film serving as a catalyst is formed. it can.
  • the blending ratio of the insulating fibers in the first conductive part 1 is determined according to the electrical resistance to be obtained.
  • the lower limit of the blending ratio of the insulating fibers in the first conductive part 1 is 0%.
  • the upper limit of the blending ratio of the insulating fibers is preferably 50% by volume. When the blending ratio of the insulating fibers exceeds the upper limit, the contact between the carbon nanotubes becomes uncertain, and the detection accuracy of the strain sensor element may be insufficient.
  • any chemical fiber can be used as the insulating fiber.
  • the stretchability of the insulating fiber is not essential, but the strength of the first conductive portion 1 can be improved by using the stretchable insulating fiber.
  • Examples of stretchable fibers that can be used as insulating fibers include spandex (stretchable urethane fibers).
  • the diameter of the insulating fiber can be in the same range as that of the carbon nanotube, and is preferably substantially equal to the carbon nanotube.
  • a catalyst layer is formed on the growth substrate, a plurality of carbon nanotubes oriented in a certain direction are grown by a CVD method, and the natural yarn is grown.
  • the method of pulling out a plurality of carbon nanotubes continuously can be mentioned as in the case of spinning.
  • Insulating fibers can be mixed by, for example, spraying insulating fibers on a growth substrate on which carbon nanotubes are formed. That is, by pulling out some of the carbon nanotubes on the growth substrate, other carbon nanotubes and insulating fibers can follow and be aligned in one direction to pull out a continuous carbon nanotube bundle.
  • a bundle of carbon nanotube bundles or a twisted bundle of carbon nanotubes may be used as the first conductive portion 1.
  • the second conductive portion 2 has a carbon nanotube bundle and a resin composition impregnated in the carbon nanotube bundle.
  • the carbon nanotube bundle of the second conductive portion 2 is twisted integrally with the carbon nanotube bundle constituting the first conductive portion 1. That is, the 2nd electroconductive part 2 is a peripheral part in the cross section perpendicular
  • the lower limit of the average thickness of the second conductive part 2 is preferably 0.5 ⁇ m, more preferably 20 ⁇ m.
  • the upper limit of the average thickness of the second conductive part 2 is preferably 2 mm, and more preferably 1 mm.
  • the average thickness of the second conductive part 2 is less than the lower limit, the strength of the second conductive part 2 may be insufficient.
  • the resistivity of the second conductive part 2 may be too small.
  • the resin composition impregnated into the carbon nanotube bundle of the second conductive part 2 is mainly composed of a synthetic resin or rubber having insulating properties and stretchability. Since the resin composition has an insulating property, as will be described later, the resistivity of the second conductive portion 2 is set to an appropriate range for detecting the stretching strain by the resistance value between both ends of the strain sensor element. be able to.
  • rubber is particularly preferable. By using rubber, the flexibility of the second conductive portion 2 can be further increased.
  • the synthetic resin examples include phenol resin (PF), epoxy resin (EP), melamine resin (MF), urea resin (urea resin, UF), unsaturated polyester (UP), alkyd resin, polyurethane (PUR), heat Curable polyimide (PI), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), medium density polyethylene (MDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAc), acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), acrylonitrile styrene resin (AS), polymethyl methacrylate (PMMA), polyamide (PA), polyacetal (POM), polycarbonate (PC), modified Polif Niren'eteru (m-PPE), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), and cyclic polyolefin (COP)
  • Examples of the rubber include natural rubber (NR), butyl rubber (IIR), isoprene rubber (IR), ethylene / propylene rubber (EPDM), butadiene rubber (BR), urethane rubber (U), and styrene / butadiene rubber (SBR). , Silicone rubber (Q), chloroprene rubber (CR), chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), chlorinated polyethylene (CM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber (CO, ECO), Fluoro rubber (FKM), PDMS, etc. can be mentioned. Among these rubbers, natural rubber is preferable from the viewpoint of strength.
  • the resin composition of the second conductive part 2 is preferably formed from an aqueous emulsion.
  • An aqueous emulsion refers to an emulsion in which the main component of the dispersion medium is water. Since the carbon nanotube has high hydrophobicity, the carbon nanotube yarn formed from the carbon nanotube bundle is impregnated with an aqueous emulsion by, for example, coating or dipping to form the second conductive portion 2, and the center portion of the carbon nanotube yarn The first conductive portion 1 that is not impregnated with the resin composition can be formed.
  • water-based emulsion can form the more stable 2nd electroconductive part 2 by passing through a drying process.
  • the main component of the dispersion medium of the aqueous emulsion is water, but other hydrophilic dispersion medium such as alcohol may be contained.
  • the dispersoid of the emulsion is usually a resin, and the above-described rubber, particularly natural rubber is preferable. Further, polyurethane may be used as the dispersoid.
  • Preferred emulsions include so-called latexes in which the dispersion medium is water and rubber is a dispersoid, and natural rubber latex is more preferable. By using natural rubber latex, the thin and strong second conductive portion 2 can be formed.
  • the resin composition of the second conductive part 2 may contain a coupling agent.
  • the resin composition of the 2nd electroconductive part 2 contains a coupling agent, the joining force with the carbon nanotube in the 2nd electroconductive part 2 can be increased, and the reliability of the 2nd electroconductive part 2 can be improved.
  • the coupling agent examples include amino coupling agents such as aminosilane coupling agents, aminotitanium coupling agents, and aminoaluminum coupling agents, and silane coupling agents.
  • the resin composition of the second conductive part 2 contains an adsorbent dispersant.
  • a dispersing agent having an adsorptive property include an adsorbing group portion having a salt structure (for example, an alkylammonium salt), and a hydrophobic group (for example, an alkyl chain or an aromatic ring) of the first conductive portion 1. Etc.) having a hydrophilic group (for example, polyether etc.) in the molecule capable of interacting with the like.
  • the lower limit of the content of the dispersant in the resin composition in the second conductive part 2 with respect to 100 parts by mass of the resin component is preferably 0.1 parts by mass, and more preferably 1 part by mass.
  • an upper limit of content with respect to 100 mass parts of resin components of a dispersing agent 5 mass parts is preferable and 3 mass parts is more preferable.
  • content of a dispersing agent is less than the said minimum, there exists a possibility that the joining force of the 1st electroconductive part 1 and the 2nd electroconductive part 2 may become inadequate.
  • the content of the dispersant exceeds the upper limit, the dispersant that does not contribute to the bonding with the first conductive portion 1 increases, and the quality of the strain sensor element may be deteriorated.
  • the covering layer 3 is mainly composed of a synthetic resin or rubber having insulating properties and stretchability, and by covering the peripheral surface of the second conductive portion 2, the carbon nanotubes are in contact with surrounding objects and are damaged, It prevents the foreign matter from entering the second conductive portion 2 and hindering electrical contact between the carbon nanotubes.
  • the material of the coating layer 3 can be the same as the resin composition of the second conductive portion 2.
  • the coating layer 3 forms the second conductive portion 2 by impregnating the surface of the carbon nanotube yarn with the resin composition as described above, the coating layer 3 is formed by excessively applying the resin composition to the carbon nanotube yarn. You may form as a layer of the resin composition which does not impregnate the inside of a carbon nanotube thread
  • the lower limit of the average thickness of the coating layer 3 is preferably 0.1 ⁇ m, more preferably 0.2 ⁇ m.
  • the upper limit of the average thickness of the coating layer 3 is preferably 2 mm, and more preferably 1 mm.
  • the average thickness of the coating layer 3 is less than the lower limit, the protection of the first conductive part 1 and the second conductive part 2 may be insufficient.
  • the average thickness of the coating layer 3 exceeds the upper limit, there is a possibility that the expansion and contraction of the strain sensor element is hindered.
  • FIG. 3 shows the electrical resistance between both ends of the strain sensor element, the resistance value per minute unit length of the first conductive portion 1 is r1 [ ⁇ ], and the resistance per minute unit length of the second conductive portion 2.
  • the value r2 [ ⁇ ] the number of minute unit lengths of the first conductive portion 1 (the number obtained by dividing the length by the minute unit length) in the no-load state is L [pieces], and the length of the fracture region B Indicates a model where is zero.
  • the resistance value (initial value) R0 [ ⁇ ] between both ends of the strain sensor element in the no-load state in FIG. 3 can be expressed by the following equation (1).
  • R0 L ⁇ (r1 ⁇ r2) / (r1 + r2) (1)
  • FIG. 4 shows a model in which the strain sensor element of FIG. 3 is extended by a length G [number of minute unit lengths].
  • the number L of the minute unit lengths of the first conductive portion 1 is constant, and the number of the minute unit lengths of the fracture region B is G [pieces].
  • region B may be distributed and formed in several places, since it is electrically equivalent, it shows as only one place. Strictly speaking, the cross-sectional area of the second conductive portion 2 decreases due to expansion and contraction and the resistance value r2 per minute unit length increases, but in this model, the resistance value r2 is assumed to be constant.
  • the resistance value R (G) between both ends of the strain sensor element of FIG. 4 is expressed as a function of the amount G of the minute unit length of the fracture region B, that is, the change amount of the length of the strain sensor element as follows: It can be represented by Formula (2).
  • R (G) L ⁇ (r1 ⁇ r2) / (r1 + r2) + G ⁇ r2 (2)
  • the resistance value change amount that is, the initial value of the resistance value represented by the equation (1) and the equation (2)
  • the difference from the resistance value at the time of expansion represented by () can be made relatively large.
  • the resistance value in the no-load state represented by the formula (1) can be reduced without reducing the change amount of the resistance value. It can be made relatively small.
  • the strain sensor element that obtains the change in resistance value according to such a principle does not need to increase the resistance value change of the second conductive part 2 that substantially expands and contracts (it does not need to change), the second conductive part It is relatively easy to increase the stretchability of 2. For this reason, the said strain sensor element can detect comparatively big expansion-contraction distortion comparatively accurately. Moreover, since the tearing region is a space, the end surface of the first conductive portion 1 is easy to move and quick response can be obtained.
  • a strain sensor element according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 5 covers a thread-like first conductive portion 11 formed from a bundle of carbon nanotubes and a peripheral surface of the first conductive portion 11, and has elasticity and conductivity.
  • the second conductive part 12 having the property and the covering layer 13 covering the peripheral surface of the second conductive part 12 and having stretchability and insulation.
  • the first conductive portion 11 is torn at one or more locations in the longitudinal direction.
  • the 2nd electroconductive part 12 exists continuously over the full length, without tearing.
  • the first conductive portion 11 and the covering layer 13 of the strain sensor element of FIG. 5 can be the same as the conductive portion 1 and the covering layer 3 of the strain sensor element of FIG. For this reason, the overlapping description about the 1st electroconductive part 11 and the coating layer 13 of the distortion sensor element of FIG. 5 is abbreviate
  • the second conductive portion 12 has a conductive strip W wound around the outer periphery of the first conductive portion 11 in a spiral shape.
  • the second conductive portion 12 can be reliably stacked around the first conductive portion 11 by winding the strip W in a spiral shape.
  • the strip W wound in a spiral manner can be expanded and contracted like a coil spring, it is difficult to break even if the expansion and contraction of the strain sensor element increases, and therefore the strain sensor element can be detected.
  • the range of stretch distortion can be made relatively large.
  • the average thickness of the second conductive portion 12 of the strain sensor element in FIG. 5 can be the same as the average thickness of the second conductive portion 2 of the strain sensor element in FIG.
  • the band material W may be any material having conductivity and flexibility.
  • the thing containing a fiber etc. can be used.
  • the strip W has a plurality of conductive fibers that are arranged in substantially one direction, preferably in the longitudinal direction of the strip W, and are in contact with each other.
  • the increase in the electrical resistance of the 2nd electroconductive part 12 by the expansion-contraction of the said strain sensor element can be suppressed by the band material W containing the fibrous conductor which is easy to maintain a mutual contact state.
  • the band material W including such conductive fibers may be impregnated with the resin composition before being wound, but a conductive fiber formed in a band shape is spirally wound around the outer periphery of the first conductive portion 11. It is preferable that the resin composition is impregnated later.
  • the winding of the strip W becomes relatively easy, and the strip W is reinforced by the resin composition.
  • the conductivity of the two conductive portions 12 can be more reliably maintained.
  • Carbon nanotubes are preferably used as the conductive fibers. Moreover, since the carbon nanotube is fine, the strip W can be made thin. Specifically, as the strip material W, a thin film formed from a plurality of carbon nanotubes aligned in approximately one direction can be suitably used.
  • the coating layer 13 may be formed of a resin composition that does not impregnate the band material by overcoating the resin composition impregnated into the band material W.
  • the same carbon nanotubes that constitute the bundle of carbon nanotubes of the first conductive portion 11 can be used.
  • the resin composition impregnated in the strip W can be the same as the resin composition impregnated in the second conductive portion 2 of the strain sensor of FIG.
  • the lower limit of the average thickness of the strip W is preferably 0.5 ⁇ m, more preferably 20 ⁇ m.
  • the upper limit of the average thickness of the strip W is preferably 2 mm, and more preferably 1 mm.
  • the average thickness of the strip W is less than the lower limit, the strength of the strip W may be insufficient.
  • the average thickness of the strip W exceeds the upper limit, the flexibility of the strip W may be insufficient, which may reduce the detectable range of the strain sensor element.
  • the lower limit of the average width of the strip W is preferably 0.2 mm, and more preferably 0.5 mm.
  • the upper limit of the average width of the strip W is preferably 5 mm, and more preferably 2 mm.
  • the second conductive part may be formed by coating a resin composition containing conductive particles or fibers on the peripheral surface of the first conductive part.
  • the strain sensor element may not have a coating layer.
  • the strain sensor element may have a width in the longitudinal direction in a no-load state and a tearing region.
  • the second conductive state is applied in a state where tension is applied to the first conductive portion.
  • the method of forming a conductive part and a coating layer is mentioned. Since the tearing region has a width in the longitudinal direction in the initial state, it is possible to improve the correlation between the stretching strain in a range where the stretching strain is small and the resistance value between both ends of the strain sensor element.
  • the strain sensor element of the present invention can be suitably used as a detection element such as a wearable device.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

本発明は、比較的大きな伸縮歪みを検出できる糸状の歪みセンサ素子を提供することを課題とする。本発明の歪みセンサ素子は、長手方向の伸縮により抵抗値が変化する歪みセンサ素子であって、カーボンナノチューブ束から形成される糸状の第１導電部と、この第１導電部の周面を被覆し、伸縮性及び導電性を有する第２導電部とを備え、前記第１導電部が１又は複数箇所で断裂していることを特徴とする。

Description

歪みセンサ素子
　本発明は、歪みセンサ素子に関する。
　近年、例えばロボット、ウェアラブルデバイス等の検出素子として、伸縮歪みを検出する歪みセンサ素子の用途が広がっている。これに合わせて、歪みセンサ素子へのニーズも多様化しており、糸状乃至紐状の歪みセンサ素子へのニーズも存在する。
　糸状の歪みセンサ素子としては、長手方向に配向される複数の絶縁性繊維、及びこの複数の絶縁性繊維間に充填される有機高分子材料を加熱処理することで導電性を有するものとした有機質相を有する糸状の導体相（芯材）と、この導体相を被覆する絶縁性の被覆層とを備える歪みセンサ（素子）が提案されている（特開２００５－３３７８１９号公報参照）。
　前記公報に記載の歪みセンサは、有機高分子材料を炭化して導電性を発現する導体相を形成したものであるため、大きな歪みを与えると導体相が断裂してしまう。このため、前記公報に記載の歪みセンサは、測定できる伸縮歪みの範囲が比較的小さい。
特開２００５－３３７８１９号公報
　前記不都合に鑑みて、本発明は、比較的大きな伸縮歪みを検出できる糸状の歪みセンサ素子を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するためになされた発明は、長手方向の伸縮により抵抗値が変化する歪みセンサ素子であって、カーボンナノチューブ束から形成される糸状の第１導電部と、この第１導電部の周面を被覆し、伸縮性及び導電性を有する第２導電部とを備え、前記第１導電部が１又は複数箇所で断裂していることを特徴とする歪みセンサ素子である。
　当該歪みセンサ素子は、第１導電部の周面を第２導電部により被覆し、第１導電部が１又は複数箇所で断裂していることによって、第１導電部が断裂していない部分、つまり第１導電部と第２導電部とが並列に接続された比較的抵抗が小さい部分と、第１導電部が断裂している部分、つまり第２導電部のみで構成されることで比較的抵抗が大きい部分とを有する。当該歪みセンサ素子の両端間の抵抗値は、前記比較的抵抗が小さい部分と比較的抵抗が大きい部分とを直列に接続した回路の抵抗値となる。当該歪みセンサ素子が伸縮すると、この伸縮によって断裂している部分のギャップ幅、つまり比較的抵抗が大きい部分の比率が増減することで、当該歪みセンサ素子の両端間の抵抗値が変化する。このような機構により伸縮歪みを抵抗値の変化として検出するので、当該歪みセンサ素子は、比較的大きな伸縮歪みを比較的正確に検出することができる。
　前記第２導電部が、カーボンナノチューブ束と、このカーボンナノチューブ束に含浸する樹脂組成物とを有するとよい。このように、前記第２導電部が、カーボンナノチューブ束と、このカーボンナノチューブ束に含浸する樹脂組成物とを有することによって、第２導電部を比較的大きい伸縮性と適度な抵抗率とを有するものとすることができる。これによって、比較的大きな伸縮歪みをより確実に検出することができる。
　前記第２導電部が第１導電部の外周にらせん状に巻き付けられる導電性の帯材を有するとよい。このように、前記第２導電部が第１導電部の外周にらせん状に巻き付けられる導電性の帯材を有することによって、伸縮による第２導電部の断裂が生じ難くなるので、より大きな伸縮歪みを検出することができる。
　前記帯材がカーボンナノチューブを含有するとよい。このように、前記帯材がカーボンナノチューブを含有することによって、第２導電部の伸縮による電気抵抗変化を比較的小さくすることができ、比較的大きな伸縮歪みをより確実に検出することができる。
　前記第２導電部の周面を被覆し、伸縮性及び絶縁性を有する被覆層をさらに備えるとよい。このように、前記第２導電部の周面を被覆し、伸縮性及び絶縁性を有する被覆層をさらに備えることによって、外部の物体との接触による第２導電部の損傷を防止すると共に、第１導電部及び第２導電部の長手方向の一部に引っ張り応力が集中して断裂したり検出値が不正確となることを防止できる。
　上述のように、本発明の歪みセンサ素子は、比較的大きな伸縮歪みを検出することができる。
本発明の一実施形態の歪みセンサ素子の模式的径方向断面図である。 図１の歪みセンサ素子の模式的軸方向断面図である。 図１の歪みセンサ素子の初期状態での電気抵抗を示す回路図である。 図１の歪みセンサ素子の伸長状態での電気抵抗を示す回路図である。 本発明の図１とは異なる実施形態の歪みセンサ素子の模式的分解正面図である。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
［第一実施形態］
　図１の歪みセンサ素子は、糸状に形成され、長手方向の伸縮により抵抗値（電気抵抗）が変化する。このため、当該歪みセンサ素子は、両端間の抵抗値を測定することにより伸縮歪みを検出することができる。
　当該歪みセンサ素子は、カーボンナノチューブ束から形成される糸状の第１導電部１と、この第１導電部１の周面を被覆し、伸縮性及び導電性を有する第２導電部２とを備える。また、当該歪みセンサ素子は、第２導電部２の周面を被覆し、伸縮性及び絶縁性を有する被覆層３をさらに備えることが望ましい。
　当該歪みセンサ素子は、図２に示すように、第１導電部１が、長手方向の１又は複数箇所で断裂している。一方、第２導電部２は、断裂することなく全長にわたって連続して存在する。
　当該歪みセンサ素子は、第１導電部１が１又は複数箇所で断裂していることによって、第１導電部１が断裂していない連続領域Ｃと、第１導電部１が断裂している断裂領域Ｂとを有する。断裂領域Ｂの長さは、当該歪みセンサ素子に長手方向の引っ張り応力が作用していない状態でゼロであってもよい。つまり、当該歪みセンサ素子は、無負荷状態において、断裂領域Ｂの長さがゼロとなり、第１導電部１の隣接する連続領域Ｃ同士が互いに接触して導通するものであってもよい。
　当該歪みセンサ素子の連続領域Ｃは、第１導電部１と第２導電部２とが並列に接続され、長手方向の電気抵抗が比較的小さい部分である。一方、断裂領域Ｂは、第２導電部２のみで構成されることにより長手方向の比較的抵抗が大きい部分である。
＜第１導電部＞
　第１導電部１は、カーボンナノチューブ束から形成することができる。このカーボンナノチューブ束は、複数のカーボンナノチューブ（単繊維）を当該歪みセンサ素子の略長手方向に概略配向した繊維束である。カーボンナノチューブ束は、電気抵抗を調整するために、絶縁性を有する繊維を含んでもよい。
　また、第１導電部１は、複数のカーボンナノチューブ間を接続するマトリックス（樹脂）を実質的に含まないことが望ましい。これにより、高い導電性が得られると共に、断裂領域Ｂを比較的容易に形成できる。
　この第１導電部１は、複数のカーボンナノチューブが互いにオーバーラップしながら接触し、電気的に接続されることによって電流パスを形成することで導電性を有する。このようなカーボンナノチューブの集合体である第１導電部１は、長手方向に強い引っ張り応力を受けると断裂し、電流パスが遮断される。このため、当該歪みセンサ素子の断裂領域Ｂは、第２導電部２、好ましくはさらに被覆層３を形成した後に、断裂領域Ｂを形成する位置の長手方向両側部分を把持して十分に大きくかつ第２導電部２及び被覆層３を破断させない程度の引っ張り応力を与えることで、意図的に第１導電部１を断裂させることによって形成することができる。
　また、第１導電部１を形成するカーボンナノチューブ束は、撚り合わされているとよい。カーボンナノチューブ束を撚り合わせて糸状に成形することによって、カーボンナノチューブ同士が互いの長手方向の移動を抑制するため、断裂領域Ｂの両側の連続領域Ｃの第１導電部１間を電気的に確実に分離し、伸縮ひずみの検出精度を向上することができる。
　なお、本実施形態は、カーボンナノチューブ束を撚り合わせることにより予め形成した１本の糸状体の表層部分（長手方向に垂直な断面における外周部分）に樹脂組成物を含浸することにより第２導電部２を形成し、このカーボンナノチューブ糸の樹脂組成物が含浸していない中心部を第１導電部１としたものである。
　第１導電部１の平均径の下限としては、０．５μｍが好ましく、５μｍがより好ましい。一方、第１導電部１の平均径の上限としては、５ｍｍが好ましく、１ｍｍがより好ましい。第１導電部１の平均径が前記下限に満たない場合、第１導電部１の電気抵抗が大きくなることで当該歪みセンサ素子の電気抵抗の初期値が大きくなり、検出精度が不十分となるおそれがある。逆に、第１導電部１の平均径が前記上限を超える場合、第１導電部１を形成することが容易ではなくなるおそれや、第１導電部１の中心部のカーボンナノチューブが断裂領域Ｂにはみ出して短絡することにより伸縮歪みを正確に検出できないおそれがある。
（カーボンナノチューブ）
　第１導電部１を形成するカーボンナノチューブ束を構成するカーボンナノチューブとしては、単層のシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）や、多層のマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）のいずれも用いることができる。中でも、導電性及び熱容量等の点から、ＭＷＮＴが好ましく、直径１．５ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＭＷＮＴがさらに好ましい。
　カーボンナノチューブは、公知の方法で製造することができ、例えばＣＶＤ法、アーク法、レーザーアブレーション法、ＤＩＰＳ法、ＣｏＭｏＣＡＴ法等により製造することができる。これらの中でも、所望するサイズのカーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を効率的に得ることができる点から、鉄を触媒とし、エチレンガスを用いたＣＶＤ法により製造することが好ましい。この場合、石英ガラス基板や酸化膜付きシリコン基板等の基板に、触媒となる鉄又はニッケル薄膜を成膜した上に、垂直配向して成長した所望の長さのカーボンナノチューブの結晶を得ることができる。
（絶縁性繊維）
　第１導電部１における絶縁性繊維の配合率は、得ようとする電気抵抗に応じて定められる。第１導電部１中の絶縁性繊維の配合率の下限としては、０％である。一方、絶縁性繊維の配合率の上限としては、５０体積％が好ましい。絶縁性繊維の配合率が前記上限を超える場合、カーボンナノチューブ間の接触が不確実となり、当該歪みセンサ素子の検出精度が不十分となるおそれがある。
　絶縁性繊維としては、任意の化学繊維を使用することができる。絶縁性繊維に伸縮性は必須とされないが、伸縮性を有する絶縁性繊維を使用することで、第１導電部１の強度を向上することができる。絶縁性繊維として使用できる伸縮性を有する繊維としては、例えばスパンデックス（伸縮性ウレタン繊維）等が挙げられる。
　また、絶縁性繊維の直径としては、カーボンナノチューブと同様の範囲とすることができ、カーボンナノチューブと略等しいことが好ましい。
　カーボンナノチューブによってカーボンナノチューブ束ひいては第１導電部１を形成する方法としては、成長用基板上に触媒層を形成し、ＣＶＤ法により一定の方向に配向した複数のカーボンナノチューブを成長させ、天然糸を紡ぐのと同様に、複数のカーボンナノチューブを連続して引き出す方法が挙げられる。絶縁性繊維の混糸は、例えばカーボンナノチューブが形成された成長用基板上に絶縁性繊維を散布することによって可能である。つまり、成長用基板上の一部のカーボンナノチューブを引き出すことで、他のカーボンナノチューブ及び絶縁性繊維が追従して一方向に引き揃えられて連続するカーボンナノチューブ束を引き出すことができる。このカーボンナノチューブ束を複数束ねたものや撚り合わせたものを第１導電部１として使用してもよい。
＜第２導電部＞
　図１の歪みセンサ素子において、第２導電部２は、カーボンナノチューブ束と、このカーボンナノチューブ束に含浸する樹脂組成物とを有する。
　上述のように、本実施形態において、この第２導電部２のカーボンナノチューブ束は、第１導電部１を構成するカーボンナノチューブ束と一体に撚糸されたものである。つまり、第２導電部２は、カーボンナノチューブ束を撚り合わせることにより予め形成した１本の糸状体の長手方向に垂直な断面における周辺部分であり、樹脂組成物が含浸している部分である。
　第２導電部２の平均厚さの下限としては、０．５μｍが好ましく、２０μｍがより好ましい。一方、第２導電部２の平均厚さの上限としては、２ｍｍが好ましく、１ｍｍがより好ましい。第２導電部２の平均厚さが前記下限に満たない場合、第２導電部２の強度が不十分となるおそれがある。逆に、第２導電部２の平均厚さが前記上限を超える場合、第２導電部２の抵抗率が小さくなり過ぎるおそれがある。
（樹脂組成物）
　第２導電部２のカーボンナノチューブ束に含浸する樹脂組成物は、絶縁性及び伸縮性を有する合成樹脂又はゴムを主成分とする。この樹脂組成物が絶縁性を有することによって、後述するように、第２導電部２の抵抗率を当該歪みセンサ素子の両端間の抵抗値によって伸縮歪みを検出するのに適当な範囲に設定することができる。
　第２導電部２の樹脂組成物の主成分としては、特にゴムが好ましい。ゴムを用いることで、第２導電部２の柔軟性をより高めることができる。
　前記合成樹脂としては、例えばフェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、メラミン樹脂（ＭＦ）、尿素樹脂（ユリア樹脂、ＵＦ）、不飽和ポリエステル（ＵＰ）、アルキド樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、熱硬化性ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂（ＡＢＳ）、アクリロニトリルスチレン樹脂（ＡＳ）、ポリメチルメタアクリル（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ－ＰＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）等を挙げることができる。
　前記ゴムとしては、例えば天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、ウレタンゴム（Ｕ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、シリコーンゴム（Ｑ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、塩素化ポリエチレン（ＣＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＥＣＯ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ＰＤＭＳ等を挙げることができる。これらのゴムの中でも強度等の点から天然ゴムが好ましい。
　また、第２導電部２の樹脂組成物は、水性エマルジョンから形成されていることが好ましい。水性エマルジョンとは、分散媒の主成分が水であるエマルジョンをいう。カーボンナノチューブは疎水性が高いため、カーボンナノチューブ束から形成されるカーボンナノチューブ糸に、例えば塗工や浸漬により水性エマルジョンを含浸させることで第２導電部２を形成すると共に、カーボンナノチューブ糸の中心部に樹脂組成物が含浸しない第１導電部１を形成することができる。なお、水性エマルジョンは乾燥工程を経ることによって、より安定した第２導電部２を形成することができる。
　前記水性エマルジョンの分散媒の主成分は水であるが、その他の例えばアルコール等の親水性分散媒が含有されていてもよい。前記エマルジョンの分散質としては、通常樹脂であり、前述したゴム、特には天然ゴムが好ましい。また、分散質としてポリウレタンを用いてもよい。好ましいエマルジョンとしては、分散媒を水とし、ゴムを分散質とするいわゆるラテックスが挙げられ、天然ゴムラテックスがより好ましい。天然ゴムラテックスを用いることで、薄くかつ強度のある第２導電部２を形成することができる。
　また、第２導電部２の樹脂組成物はカップリング剤を含有しているとよい。第２導電部２の樹脂組成物がカップリング剤を含有することで、第２導電部２中のカーボンナノチューブとの接合力を増大させて第２導電部２の信頼性を向上できる。
　前記カップリング剤としては、例えばアミノシランカップリング剤、アミノチタンカップリング剤、アミノアルミニウムカップリング剤等のアミノカップリング剤やシランカップリング剤などを用いることができる。
　カップリング剤の第２導電部２の樹脂成分１００質量部に対する含有量の下限としては、０．１質量部が好ましく、０．５質量部がより好ましい。一方、カップリング剤の第２導電部２の樹脂成分１００質量部に対する含有量の上限としては、１０質量部が好ましく、５質量部がより好ましい。カップリング剤の含有量が前記下限に満たない場合、カーボンナノチューブに対する密着性を十分に向上できないおそれがある。逆に、カップリング剤の含有量が前記上限を超える場合、樹脂とカーボンナノファイバーとの結合に寄与しない残留アミン等が増加し、当該歪みセンサ素子の品質が低下するおそれがある。
　また、第２導電部２の樹脂組成物は吸着性を有する分散剤を含有することが好ましい。このような吸着性を有する分散剤としては、吸着基部分が塩構造になっているもの（例えばアルキルアンモニウム塩等）や、第１導電部１の疎水性の基（例えばアルキル鎖や芳香族リング等）と相互作用できる親水性の基（例えばポリエーテル等）を分子中に有するもの等を用いることができる。
　前記分散剤の第２導電部２中の樹脂組成物における樹脂成分１００質量部に対する含有量の下限としては、０．１質量部が好ましく、１質量部がより好ましい。一方、分散剤の樹脂成分１００質量部に対する含有量の上限としては、５質量部が好ましく、３質量部がより好ましい。分散剤の含有量が前記下限に満たない場合、第１導電部１と第２導電部２との接合力が不十分となるおそれがある。逆に、分散剤の含有量が前記上限を超える場合、第１導電部１との接合に寄与しない分散剤が増加し、当該歪みセンサ素子の品質が低下するおそれがある。
＜被覆層＞
　被覆層３は、絶縁性及び伸縮性を有する合成樹脂又はゴムを主成分とし、第２導電部２の周面を被覆することによって、カーボンナノチューブが周囲の物体に接触して損傷することや、第２導電部２に異物が混入してカーボンナノチューブ間の電気的接触を阻害することを防止する。
　被覆層３の材質としては、第２導電部２の樹脂組成物と同様とすることができる。また、被覆層３は、上述のようにカーボンナノチューブ糸の表層部に樹脂組成物を含浸させて第２導電部２を形成する場合、カーボンナノチューブ糸に樹脂組成物を過剰塗布することで、カーボンナノチューブ糸の内部に含浸せず、カーボンナノチューブ糸の周囲に残る樹脂組成物の層として形成してもよい。
　被覆層３の平均厚さの下限としては、０．１μｍが好ましく、０．２μｍがより好ましい。一方、被覆層３の平均厚さの上限としては、２ｍｍが好ましく、１ｍｍがより好ましい。被覆層３の平均厚さが前記下限に満たない場合、第１導電部１と及び第２導電部２の保護が不十分となるおそれがある。逆に、被覆層３の平均厚さが前記上限を超える場合、当該歪みセンサ素子の伸縮を阻害するおそれがある。
＜歪み検出＞
　これより、上述の構成の当該歪みセンサ素子による伸縮歪みの検出原理について説明する。
　図３に、当該歪みセンサ素子の両端間の電気抵抗を、第１導電部１の微少単位長さあたりの抵抗値をｒ１［Ω］とし、第２導電部２の微少単位長さあたりの抵抗値ｒ２［Ω］として、無負荷状態で第１導電部１の微少単位長さの数（長さを微少単位長さで除した数）がＬ［個］であり、断裂領域Ｂの長さがゼロであるモデルを示す。
　図３の無負荷状態の歪みセンサ素子の両端間の抵抗値（初期値）Ｒ０［Ω］は、次の式（１）で表すことができる。
　Ｒ０＝Ｌ×（ｒ１×ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２）　・・・（１）
　図３の歪みセンサ素子を長さＧ［微少単位長さの数］だけ引き延ばしたモデルを図４に示す。このモデルでは、第１導電部１の微少単位長さの数のＬを一定とし、断裂領域Ｂの微少単位長さの数をＧ［個］とする。なお、断裂領域Ｂは、複数箇所に分散して形成されてもよいが、電気的には等価であるので１箇所だけとして示す。また、厳密には、伸縮により第２導電部２の断面積が減少して微少単位長さあたりの抵抗値ｒ２が増大するが、本モデルでは抵抗値ｒ２を一定として説明する。
　図４の歪みセンサ素子の両端間の抵抗値Ｒ（Ｇ）は、断裂領域Ｂの微少単位長さの数Ｇ［個］、つまり当該歪みセンサ素子の長さの変化量の関数として、次の式（２）で表すことができる。
　Ｒ（Ｇ）＝Ｌ×（ｒ１×ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２）＋Ｇ×ｒ２　・・・（２）
　当該歪みセンサ素子では、第２導電部２の微少単位長さあたりの抵抗値ｒ２を大きくすることで抵抗値の変化量、つまり式（１）で表される抵抗値の初期値と式（２）で表される伸長時の抵抗値との差を比較的大きくすることができる。また、第１導電部１の微少単位長さあたりの抵抗値ｒ１を小さくすることで、抵抗値の変化量を小さくすることなく、式（１）で表される無負荷状態での抵抗値を比較的小さくすることができる。
　このような原理により抵抗値変化を得る当該歪みセンサ素子は、実質的に伸縮する第２導電部２の抵抗値変化を大きくする必要がない（変化しなくてもよい）ので、第２導電部２の伸縮性を大きくすることが比較的容易である。このため、当該歪みセンサ素子は、比較的大きな伸縮歪みを比較的正確に検出することができる。また、断裂領域は空間であるため、第１導電部１の端面が動きやすく早い応答性が得られる。
［第二実施形態］
　図５に示す本発明の別の実施形態の歪みセンサ素子は、カーボンナノチューブ束から形成される糸状の第１導電部１１と、この第１導電部１１の周面を被覆し、伸縮性及び導電性を有する第２導電部１２と、この第２導電部１２の周面を被覆し、伸縮性及び絶縁性を有する被覆層１３とを備える。
　当該歪みセンサ素子は、第１導電部１１が、長手方向の１又は複数箇所で断裂している。一方、第２導電部１２は、断裂することなく全長にわたって連続して存在する。
　図５の歪みセンサ素子の第１導電部１１及び被覆層１３は、図１の歪みセンサ素子の導電部１及び被覆層３と同様とすることができる。このため、図５の歪みセンサ素子の第１導電部１１及び被覆層１３についての重複する説明は省略する。
＜第２導電部＞
　第２導電部１２は、第１導電部１１の外周にらせん状に巻き付けられる導電性の帯材Ｗを有する。このように、帯材Ｗをらせん状に巻き付けることによって、第１導電部１１の周囲に確実に第２導電部１２を積層することができる。
　また、このようにらせん状に巻き付けられる帯材Ｗは、コイルばねのように伸縮することができるので当該歪みセンサ素子の伸縮が大きくなっても破断し難いため、当該歪みセンサ素子が検出可能な伸縮歪みの範囲を比較的大きくできる。
　図５の歪みセンサ素子の第２導電部１２の平均厚さとしては、図１の歪みセンサ素子の第２導電部２の平均厚さと同様とすることができる。
　帯材Ｗとしては、導電性及び可撓性を有するものであればよく、例えば導電性繊維の織布、不織布、編物等に樹脂組成物を含浸したもの、樹脂マトリックス中に導電性の粒子乃至繊維を含むものなどを用いることができる。
　帯材Ｗは、略一方向、好ましくは帯材Ｗの長手方向に引き揃えられ、互いに接触する複数の導電性繊維を有するものであることが好ましい。このように、帯材Ｗが互いの接触状態を維持しやすい繊維状の導電体を含むことによって、当該歪みセンサ素子の伸縮による第２導電部１２の電気抵抗の増加を抑制できる。
　このような導電性繊維を含む帯材Ｗは、巻き付ける前に樹脂組成物が含浸されてもよいが、導電性繊維を帯状に形成したものを第１導電部１１の外周にらせん状に巻き付けた後に樹脂組成物が含浸されていることが好ましい。このように、導電性繊維から形成される帯材Ｗを巻き付けてから樹脂組成物を含浸させることによって、帯材Ｗの巻き付けが比較的容易となり、樹脂組成物により帯材Ｗを補強して第２導電部１２の導電性の維持をより確実にすることができる。
　前記導電性繊維としては、カーボンナノチューブが好適に用いられる。また、カーボンナノチューブは微細であるため、帯材Ｗを薄くすることができる。具体的には、帯材Ｗとして、略一方向に引きそろえられる複数のカーボンナノチューブから形成される薄膜を好適に使用することができる。
　また、帯材Ｗに含浸させる樹脂組成物を過剰塗布することによって、帯材に含浸しない樹脂組成物により被覆層１３を形成してもよい。
　帯材Ｗに含まれるカーボンナノチューブとしては、第１導電部１１のカーボンナノチューブ束を構成するカーボンナノチューブと同様のものを用いることができる。また、帯材Ｗに含浸させる樹脂組成物としては、図１の歪センサの第２導電部２に含浸させる樹脂組成物と同様とすることができる。
　帯材Ｗの平均厚さの下限としては、０．５μｍが好ましく、２０μｍがより好ましい。一方、帯材Ｗの平均厚さの上限としては、２ｍｍが好ましく、１ｍｍがより好ましい。帯材Ｗの平均厚さが前記下限に満たない場合、帯材Ｗの強度が不十分となるおそれがある。逆に、帯材Ｗの平均厚さが前記上限を超える場合、当該帯材Ｗの可撓性が不十分となることで当該歪みセンサ素子の検出可能な範囲が小さくなるおそれがある。
　帯材Ｗの平均幅の下限としては、０．２ｍｍが好ましく、０．５ｍｍがより好ましい。一方、帯材Ｗの平均幅の上限としては、５ｍｍが好ましく、２ｍｍがより好ましい。帯材Ｗの平均幅が前記下限に満たない場合、帯材Ｗの巻き付けが容易でなくなるおそれがある。逆に、帯材Ｗの平均幅が前記上限を超える場合、当該歪みセンサ素子の伸縮性が不十分となるおそれがある。
［その他の実施形態］
　前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
　当該歪みセンサ素子において、第２導電部は、導電性の粒子又は繊維を含む樹脂組成物を第１導電部の周面に塗工することによって形成してもよい。
　当該歪みセンサ素子は、被覆層を有しないものであってもよい。
　当該歪みセンサ素子は、無負荷状態で断裂領域が長手方向の幅を有してもよい。このように、当該歪みセンサ素子を初期状態において断裂領域で第１導電部が電気的に分断される空隙を有するものとする方法としては、例えば第１導電部に張力を付与した状態で第２導電部及び被覆層を形成する方法が挙げられる。初期状態で断裂領域が長手方向の幅を有することによって、伸縮歪みが小さい範囲における伸縮歪みと当該歪みセンサ素子両端間の抵抗値との相関関係を向上することができる。
　本発明の歪みセンサ素子は、ウェアラブルデバイス等の検出素子として好適に利用できる。
１，１１　第１導電部
２，１２　第２導電部
３，１３　被覆層
Ｂ　断裂領域
Ｃ　連続領域
Ｇ　断裂領域の長さ
Ｌ　第１導電部の長さ
ｒ１　第１導電部の微少単位長さあたりの抵抗値
ｒ２　第２導電部の微少単位長さあたりの抵抗値
Ｗ　帯材

Claims (5)

  1. 　長手方向の伸縮により抵抗値が変化する歪みセンサ素子であって、
    　カーボンナノチューブ束から形成される糸状の第１導電部と、
    　この第１導電部の周面を被覆し、伸縮性及び導電性を有する第２導電部と
    　を備え、
    　前記第１導電部が１又は複数箇所で断裂していることを特徴とする歪みセンサ素子。
  2. 　前記第２導電部が、カーボンナノチューブ束と、このカーボンナノチューブ束に含浸する樹脂組成物とを有する請求項１に記載の歪みセンサ素子。
  3. 　前記第２導電部が、第１導電部の外周にらせん状に巻き付けられる導電性の帯材を有する請求項１に記載の歪みセンサ素子。
  4. 　前記帯材がカーボンナノチューブを含有する請求項３に記載の歪みセンサ素子。
  5. 　前記第２導電部の周面を被覆し、伸縮性及び絶縁性を有する被覆層をさらに備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の歪みセンサ素子。
PCT/JP2016/084182 2016-01-06 2016-11-17 歪みセンサ素子 WO2017119197A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16883697.1A EP3401633B1 (en) 2016-01-06 2016-11-17 Strain sensor element
CN201680077370.2A CN108431543B (zh) 2016-01-06 2016-11-17 应变传感器元件
US16/027,968 US10816317B2 (en) 2016-01-06 2018-07-05 Strain sensor element

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016001321A JP6597318B2 (ja) 2016-01-06 2016-01-06 歪みセンサ素子
JP2016-001321 2016-01-06

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US16/027,968 Continuation US10816317B2 (en) 2016-01-06 2018-07-05 Strain sensor element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017119197A1 true WO2017119197A1 (ja) 2017-07-13

Family

ID=59274156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/084182 WO2017119197A1 (ja) 2016-01-06 2016-11-17 歪みセンサ素子

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10816317B2 (ja)
EP (1) EP3401633B1 (ja)
JP (1) JP6597318B2 (ja)
CN (1) CN108431543B (ja)
WO (1) WO2017119197A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7011775B2 (ja) * 2017-12-18 2022-01-27 日立金属株式会社 感圧センサの製造方法、及び感圧センサの製造装置
CN112535473A (zh) * 2020-12-01 2021-03-23 东南大学 一种用于测量衣的可穿戴纳米传感器及其测量系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005337819A (ja) 2004-05-25 2005-12-08 Japan Fine Ceramics Center 歪センサ、その製造方法および歪検出方法
JP2015078967A (ja) * 2013-10-18 2015-04-23 ヤマハ株式会社 歪みセンサ付き布帛及び被服
JP2015148588A (ja) * 2013-05-10 2015-08-20 ヤマハ株式会社 歪みセンサ

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5413561B2 (ja) * 2008-10-24 2014-02-12 学校法人立命館 感圧導電糸および生体情報測定用被服
JP5924725B2 (ja) * 2011-11-14 2016-05-25 ヤマハ株式会社 歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法
CN103808247B (zh) * 2012-11-06 2016-05-25 沈阳航空航天大学 一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法
JP6142387B2 (ja) * 2013-02-20 2017-06-07 ヤマハ株式会社 歪みセンサ及びその製造方法
CN103616097A (zh) * 2013-10-22 2014-03-05 中国石油大学(华东) 一种柔性薄膜触觉传感器件及其制作方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005337819A (ja) 2004-05-25 2005-12-08 Japan Fine Ceramics Center 歪センサ、その製造方法および歪検出方法
JP2015148588A (ja) * 2013-05-10 2015-08-20 ヤマハ株式会社 歪みセンサ
JP2015078967A (ja) * 2013-10-18 2015-04-23 ヤマハ株式会社 歪みセンサ付き布帛及び被服

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3401633A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108431543B (zh) 2020-11-06
EP3401633A4 (en) 2019-07-10
EP3401633A1 (en) 2018-11-14
EP3401633B1 (en) 2021-10-20
JP2017122627A (ja) 2017-07-13
US20180328708A1 (en) 2018-11-15
CN108431543A (zh) 2018-08-21
JP6597318B2 (ja) 2019-10-30
US10816317B2 (en) 2020-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6470049B2 (ja) 糸状歪みセンサ素子及び布帛状歪みセンサ素子
JP6014906B2 (ja) 歪みセンサ
JP6019890B2 (ja) 歪みセンサ付き布帛及び被服
JP2017106129A (ja) 導電体、歪みセンサー、及び導電体の製造方法
CN106705829B (zh) 一种柔性可穿戴导电纤维传感器及其制备方法和应用
JP6952607B2 (ja) 複合糸構造
JP5924725B2 (ja) 歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法
CN109073353B (zh) 应变传感器单元
WO2017119197A1 (ja) 歪みセンサ素子
JP5406662B2 (ja) センシング部材、及び当該センシング部材を具備するセンサ
WO2018047718A1 (ja) 異方性歪みセンサシート及び衣類
EP2251192B1 (en) An improved flexible hose for conveying fluid materials and electric current
JP2016121975A (ja) 歪み検出センサ素子及び外力検出アレイモジュール
JP2017009559A (ja) 歪みセンサ素子
JP6561636B2 (ja) 歪みセンサ素子
KR102063258B1 (ko) 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극을 포함하는 센서
JP2016176874A (ja) 歪みセンサ素子
JP2016080520A (ja) 歪センサ
JP2018040576A (ja) 歪みセンサー及び歪みセンサーの製造方法
JP2017211214A (ja) 歪みセンサ及び歪みセンサユニット
KR20240025844A (ko) 계층적 코일-플라이 구조를 갖는 섬유 구조체 및 그 제조 방법
KR102144097B1 (ko) 단일벽 탄소 나노튜브 섬유 집합체 및 이의 제조방법
KR101829142B1 (ko) 에너지 하베스팅 섬유, 그 제조 방법, 및 이를 포함하는 센서
JP2016176875A (ja) 歪みセンサ及び電極
BR112020020028A2 (pt) Um tubo composto rígido para enrolamento de fios

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16883697

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE