JP2021182004A - Method for manufacturing distortion sensor element, and distortion sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、歪みセンサ素子の製造方法及び歪みセンサ素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a strain sensor element and a strain sensor element.
薄膜状の導電性エラストマー層とこの導電性エラストマー層の両面に積層される絶縁性エラストマー層とを備える積層体を帯状に形成して、長手方向の伸縮による導電性エラストマー層の抵抗変化を検出する歪みセンサ素子が知られている(例えば特開2000−258112号公報参照)。 A laminate having a thin-film conductive elastomer layer and an insulating elastomer layer laminated on both sides of the conductive elastomer layer is formed in a band shape, and a change in resistance of the conductive elastomer layer due to expansion and contraction in the longitudinal direction is detected. Strain sensor elements are known (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-258112).
前記公報に記載の歪みセンサ素子は、長手方向両端部に、導電性エラストマー層と絶縁性エラストマー層との間に挿入され、導電性エラストマー層及び絶縁性エラストマー層から長手方向に突出する一対の電極用導体を備えることによって、導電性エラストマー層の抵抗変化を検出可能としている。 The strain sensor element described in the publication is a pair of electrodes that are inserted between the conductive elastomer layer and the insulating elastomer layer at both ends in the longitudinal direction and project in the longitudinal direction from the conductive elastomer layer and the insulating elastomer layer. By providing a conductor for use, it is possible to detect a change in resistance of the conductive elastomer layer.
このような歪みセンサ素子は、導電性エラストマー層と絶縁性エラストマー層とを積層する際に予め電極用導体を配置しておく必要があり、製造工程が複雑であると共に、設計変更が容易ではない。 In such a strain sensor element, it is necessary to arrange an electrode conductor in advance when laminating the conductive elastomer layer and the insulating elastomer layer, the manufacturing process is complicated, and the design change is not easy. ..
また、抵抗体としてカーボンナノチューブ(CNT)を用いた歪みセンサ素子も提案されている(特開2011−47702号公報参照)。この歪みセンサ素子は、所定方向に配向させた複数のカーボンナノチューブからなるCNT膜を有する。この歪みセンサ素子は、CNT膜がカーボンナノチューブの配向方向又は配向方向と垂直方向へ比較的大きく伸縮できるため大きな歪みにも対応できるとされている。 Further, a strain sensor element using carbon nanotubes (CNT) as a resistor has also been proposed (see JP-A-2011-47702). This strain sensor element has a CNT film made of a plurality of carbon nanotubes oriented in a predetermined direction. It is said that this strain sensor element can cope with a large strain because the CNT film can expand and contract relatively large in the orientation direction of the carbon nanotubes or in the direction perpendicular to the orientation direction.
このCNT膜を用いる歪みセンサ素子は、伸縮可能なシート状の基材の表面にCNT膜を形成し、このCNT膜をパターニング後、CNT膜のパターン両端に導電性ペーストを用いてそれぞれ電極を接続することによって製造されている。つまり、この歪みセンサ素子も製造工程が複雑であると共に、設計変更が容易ではない。 In the strain sensor element using this CNT film, a CNT film is formed on the surface of a stretchable sheet-like substrate, and after patterning the CNT film, electrodes are connected to both ends of the pattern of the CNT film using conductive paste. Manufactured by That is, the manufacturing process of this strain sensor element is complicated, and it is not easy to change the design.
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、設計変更が比較的容易でかつ比較的簡単に製造できる歪みセンサ素子の製造方法及び歪みセンサ素子を提供することを課題とする。 The present invention has been made based on such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a strain sensor element and a strain sensor element that can be manufactured relatively easily and relatively easily by design change.
前記課題を解決するためになされた発明は、一方向に引き揃えられる複数のCNT繊維を含むCNT膜又はCNT糸と、前記CNT膜の表裏又はCNT糸の外周に被覆される樹脂層と、前記CNT膜又はCNT糸の樹脂層被覆体の両端部領域に積層され、CNT膜又はCNT糸と電気的に接続される一対の電極とを備える歪みセンサ素子の製造方法であって、前記樹脂層被覆体の両端部領域の表面の少なくとも一部にレーザーを照射する工程と、前記レーザー照射工程で樹脂層に形成される穴に導電性材料を充填する工程とを備えることを特徴とする歪みセンサ素子の製造方法である。 The invention made to solve the above problems includes a CNT film or CNT thread containing a plurality of CNT fibers aligned in one direction, a resin layer coated on the front and back surfaces of the CNT film or the outer periphery of the CNT thread, and the above-mentioned invention. A method for manufacturing a strain sensor element, which is laminated on both end regions of a resin layer coating body of a CNT film or a CNT thread and includes a pair of electrodes electrically connected to the CNT film or the CNT thread, wherein the resin layer coating is provided. A strain sensor element comprising a step of irradiating at least a part of the surface of both end regions of the body with a laser and a step of filling a hole formed in the resin layer with a conductive material in the laser irradiation step. It is a manufacturing method of.
前記レーザー照射工程の前に、前記樹脂層被覆体の両端部領域の表面にレーザー吸収材料を塗布する工程をさらに備え、前記レーザー照射工程で前記塗布工程で得られる塗膜の少なくとも一部にレーザーを照射するとよい。 Prior to the laser irradiation step, a step of applying a laser absorbing material to the surfaces of both end regions of the resin layer coating is further provided, and the laser is applied to at least a part of the coating film obtained in the coating step in the laser irradiation step. It is good to irradiate.
前記レーザー吸収材料が揮発性溶媒にカーボンブラック微粒子を分散したインクであるとよい。 It is preferable that the laser absorbing material is an ink in which carbon black fine particles are dispersed in a volatile solvent.
前記樹脂層に形成する穴の平均径としては0.5mm以上2.0mm以下が好ましい。 The average diameter of the holes formed in the resin layer is preferably 0.5 mm or more and 2.0 mm or less.
前記レーザー照射工程で樹脂層被覆体の各端部領域に複数の穴を形成し、前記導電性材料充填工程で各端部領域の複数の穴に跨がって導電性材料を塗布するとよい。 In the laser irradiation step, a plurality of holes may be formed in each end region of the resin layer covering body, and in the conductive material filling step, the conductive material may be applied across the plurality of holes in each end region.
また、前記課題を解決するためになされた別の発明は、一方向に引き揃えられる複数のCNT繊維を含むCNT膜又はCNT糸と、前記CNT膜の表裏又はCNT糸の外周に被覆される樹脂層と、前記CNT膜又はCNT糸の樹脂層被覆体の両端部領域に積層され、CNT膜又はCNT糸と電気的に接続される一対の電極とを備えた歪みセンサ素子であって、前記樹脂層がCNT膜又はCNT糸に至る接続穴を有し、前記電極が前記接続穴に充填される導電性材料を含むことを特徴とする歪みセンサ素子である。 Another invention made to solve the above problems is a CNT film or CNT thread containing a plurality of CNT fibers aligned in one direction, and a resin coated on the front and back surfaces of the CNT film or the outer periphery of the CNT thread. A strain sensor element comprising a layer and a pair of electrodes laminated on both end regions of the resin layer coating of the CNT film or the CNT thread and electrically connected to the CNT film or the CNT thread, wherein the resin is provided. It is a strain sensor element characterized in that the layer has a connection hole leading to a CNT film or a CNT thread, and the electrode contains a conductive material filled in the connection hole.
当該歪みセンサ素子は、前記接続穴の周囲の樹脂層の表面と電極との間に存在するレーザー吸収材料層をさらに備えるとよい。 The strain sensor element may further include a laser absorbing material layer existing between the surface of the resin layer around the connection hole and the electrode.
当該歪みセンサ素子の製造方法は、前記CNT膜又はCNT糸の樹脂層被覆体の両端部領域にレーザーを照射することで、樹脂層にCNTを露出させる孔を容易かつ正確に形成することができ、この樹脂層の孔に導電性材料を充填することでCNT膜又はCNT糸への電気的接続を比較的簡単に行うことができるため、歪みセンサ素子を比較的簡単に製造できる。また、レーザーの照射位置は容易に変更できるので、当該歪みセンサ素子の製造方法は、歪みセンサ素子の設計変更が比較的容易である。同様の理由で、当該歪みセンサ素子は、電極が樹脂層の接続穴に充填される導電性材料を含む構成とされるので、設計変更が比較的容易でかつ比較的簡単に製造できる。 The method for manufacturing the strain sensor element can easily and accurately form holes in the resin layer for exposing CNTs by irradiating both end regions of the resin layer coating of the CNT film or CNT yarn with a laser. By filling the pores of the resin layer with a conductive material, electrical connection to the CNT film or CNT thread can be made relatively easily, so that the strain sensor element can be manufactured relatively easily. Further, since the laser irradiation position can be easily changed, it is relatively easy to change the design of the strain sensor element in the method of manufacturing the strain sensor element. For the same reason, the strain sensor element is configured to include a conductive material in which an electrode is filled in a connection hole of a resin layer, so that a design change can be made relatively easily and can be manufactured relatively easily.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
[第一実施形態]
図1及び図2に示す本発明の第一実施形態の歪みセンサ素子は、帯状に形成され、長手方向に引き揃えられる複数のCNT繊維を含むCNT膜11と、このCNT膜11の表裏に被覆される樹脂層12,13と、このCNT膜11及び樹脂層12,13からなる樹脂層被覆体の表側の前記CNT繊維引き揃え方向両端部領域に積層され、CNT膜11と電気的に接続される一対の電極14と、表側の樹脂層12と電極14との間に部分的に存在するレーザー吸収材料層15とを備える。なお、「表」とは、一対の電極14の配設面側をいい、「裏」とは、その逆側をいい、必ずしも当該歪センサ素子の使用状態における表裏を意味するものではない。
[First Embodiment]
The strain sensor element of the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 is formed in a band shape and includes a
<CNT膜>
CNT膜11は、一方向に引き揃えられる複数のCNT繊維から形成される層からなり、表裏層に後述の樹脂層となる絶縁性エラストマーを主成分とする材料(以下、単に「絶縁性エラストマー」ということがある)が積層され、またCNT膜11の表裏層に(少なくともCNT膜11の表層側から)絶縁性エラストマーが含浸することによりCNT繊維と絶縁性エラストマーが複合化されて膜状に形成されている。CNT膜11は、前記絶縁性エラストマーの弾性力によって弾性を有し、少なくとも長手方向に伸縮可能である。このCNT膜11は、少なくとも長手方向に伸長することによってCNT繊維同士が離間して電気抵抗が増大し、弾性力により収縮することで、CNT繊維同士が再度接触して電気抵抗が減少する。なお、CNT膜11は、CNT繊維間の接触率を抑制して電気抵抗を調整するために、例えば合成樹脂等からなる絶縁性の繊維を含んでもよい。
<CNT film>
The
CNT膜11は、少なくとも表層に絶縁性エラストマーが含浸しつつ積層されているので、後述のCNT繊維束を絶縁性エラストマーが被覆するため、この絶縁性エラストマーが複数のCNT繊維束の伸縮方向をガイドするガイド部材としても機能する。その結果、当該歪みセンサは、伸長時に離間されたCNT繊維同士を収縮時に再度同一部位で再接触させることが可能となり、繰り返し使用に基づく伸縮歪みの検出精度の低下を防止することができる。さらに、かかる構成によると、複数のCNT繊維間の当接関係が維持され易いと共に、複数のCNT繊維の伸縮性を調整し易い。従って、CNT膜11の伸縮歪みをさらに精度よく検出することができる。また、このような当接関係の維持及び伸縮性の調整をさらに容易にするためには、CNT膜11の裏層(裏面近傍領域)にも絶縁性エラストマーが含浸しているのが好ましい。この際、CNT繊維束の表層の少なくとも一部に絶縁性エラストマーが含浸するので、CNT繊維束と絶縁性エラストマーとの結合力も高まる。
Since the
(CNT繊維)
CNT膜11を構成するCNT繊維は、それぞれ複数のCNT単繊維から形成することができる。ここで、CNT単繊維とは、1本の長尺のカーボンナノチューブをいう。また、CNT繊維は、CNT単繊維の端部同士が連結する連結部を有する。CNT単繊維同士は、これらのCNT単繊維の長手方向に連結している。このように、CNT膜11において、CNT単繊維同士がその長手方向に連結することでCNT繊維の配向長さの大きいCNT膜11を形成することができ、当該歪みセンサの長手方向の長さを大きくして感度を向上することができる。
(CNT fiber)
The CNT fibers constituting the
また、CNT膜11を構成する複数のCNT繊維は、網目構造を形成していてもよい。具体的には、複数のCNT繊維はCNT単繊維同士が連結する連結部等により網目状に連結又は接触していてもよい。この際、この連結部では3つ以上のCNT単繊維の端部が結合していてもよく、2つのCNT単繊維の端部と他の単繊維の中間部とが結合していてもよい。複数のCNT繊維がこのような網目構造を形成することで、CNT繊維同士が密接し、CNT膜11の抵抗を下げることができる。
Further, the plurality of CNT fibers constituting the
さらに、CNT膜11は、長手方向に配向する複数のCNT繊維からなるCNT繊維束を有してもよい。CNT膜11が長手方向に配向する複数のCNT繊維束を有する場合、CNT膜11が伸縮方向に延伸されるよう歪みが加わった際にCNT繊維の切断、離間、CNT繊維束の切断空間(ギャップ)の伸縮等によりCNT膜11の抵抗がより的確に変化する。
Further, the
より具体的には、前記CNT繊維束は、複数のCNT繊維からなるバンドル構造となっており、このCNT繊維束の任意の横断面においては、切断されないCNT繊維と、CNT繊維が切断及び離間したギャップの両方が存在することになる。また、複数のCNT繊維束は、表層を絶縁性エラストマーで被覆されているので、このギャップ内の圧力は大気圧よりも低い(負圧である)と考えられるため、当該歪センサ1の収縮時(歪の解放時)にはこのギャップの収縮力によって歪センサ1の収縮が付勢される。さらに、このギャップ内ではCNT繊維同士の摩擦が低減されるため、CNT繊維の動きが制限され難い。
More specifically, the CNT fiber bundle has a bundle structure composed of a plurality of CNT fibers, and in any cross section of the CNT fiber bundle, the CNT fibers that are not cut and the CNT fibers are cut and separated. Both gaps will exist. Further, since the surface layer of the plurality of CNT fiber bundles is coated with an insulating elastomer, the pressure in this gap is considered to be lower than the atmospheric pressure (negative pressure), and therefore, when the
なお、CNT膜11は、複数のCNT繊維又は複数のCNT繊維束を平面状に略平行に配置した単層構造からなってもよいし、多層構造からなってもよい。但し、ある程度の導電性を確保するためには、多層構造とすることが好ましい。
The
CNT単繊維としては、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が、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。 As the CNT single fiber, either a single-walled nanotube (SWNT) or a multi-walled multi-walled nanotube (MWNT) can be used, but MWNT is preferable from the viewpoint of conductivity and heat capacity, and the diameter is 1. MWNTs of 5 nm or more and 100 nm or less are more preferable.
前記CNT単繊維は、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上に触媒となる鉄又はニッケル薄膜を成膜し、カーボンナノチューブを垂直配向成長させることによって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。 The CNT single fiber can be produced by a known method, for example, by a CVD method, an arc method, a laser ablation method, a DIPS method, a CoMoCAT method, or the like. Among these, it is preferable to produce carbon nanotubes (MWNT) of a desired size by a CVD method using iron as a catalyst and ethylene gas from the viewpoint of being able to efficiently obtain carbon nanotubes (MWNT). In this case, a crystal of carbon nanotubes having a desired length is obtained by forming an iron or nickel thin film as a catalyst on a substrate such as a quartz glass substrate or a silicon substrate with an oxide film and growing the carbon nanotubes in vertical orientation. Can be done.
CNT膜11の長手方向の平均長さとしては、特に限定されず、当該歪みセンサ素子を用いる測定対象に応じて自由に選択することができるが、例えば1cm以上20cm以下とすることができる。
The average length of the
CNT膜11の平面視で一対の電極14間に挟まれる領域における長手方向の平均長さは、当該歪みセンサ素子を用いる測定対象に応じて自由に選択することができる。前記平均長さとしては、例えば2mm以上18cm以下とすることができる。
The average length in the longitudinal direction in the region sandwiched between the pair of
CNT膜11の平面視で一対の電極14と重複する領域における長手方向の平均長さは、測定対象への固定方法、電極14への配線方法等に応じて適宜選択されるが、例えば3mm以上5cm以下とすることができる。
The average length in the longitudinal direction in the region overlapping the pair of
CNT膜11の平均幅は、当該歪みセンサ素子を用いる測定対象に応じて自由に選択することができる。CNT膜11の電極14間での平均幅の下限としては、0.5mmが好ましく、0.8mmがより好ましい。一方、CNT膜11の平均幅の上限としては、10cmが好ましく、5cmがより好ましい。CNT膜11の平均幅が前記下限に満たない場合、CNT膜11の電気抵抗が過度に大きくなったり、ばらついたりするおそれがある。逆に、CNT膜11の平均幅が前記上限を超える場合、当該歪みセンサ素子が大きくなり、適用可能な測定対象が過度に限定されるおそれがある。
The average width of the
CNT膜11の平均厚さの下限としては、1μmが好ましく、10μmがより好ましい。一方、CNT膜11の平均厚さの上限としては、5mmが好ましく、1mmがより好ましい。CNT膜11の平均厚さが前記下限に満たない場合、CNT膜11の形成が困難になるおそれや、抵抗が上昇しすぎるおそれがある。逆に、CNT膜11の平均厚さが前記上限を超える場合、歪みに対する感度が低下するおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the
CNT膜11の歪みがない状態での電気抵抗(一対の電極14間で測定される値)の下限としては、10Ωが好ましく、100Ωがより好ましい。一方、CNT膜11の歪みがない状態での電気抵抗の上限としては、100kΩが好ましく、10kΩがより好ましい。CNT膜11の歪みがない状態での電気抵抗が前記下限に満たない場合、伸び歪みを検出するための電流が大きくなり当該歪みセンサ素子の消費電力が大きくなるおそれがある。逆に、CNT膜11の歪みがない状態での電気抵抗が前記上限を超える場合、検出回路の電圧が高くなり、当該歪みセンサ素子の出力を処理する装置の小型化や省電力化が困難となるおそれがある。
As the lower limit of the electric resistance (value measured between the pair of electrodes 14) in the state where the
<樹脂層>
一対の樹脂層12,13は、絶縁性エラストマーからなり、CNT膜11の両面(前述の表裏層)にそれぞれ積層される。樹脂層12,13は上述の絶縁性エラストマーからなり、CNT膜11の両面を覆い、CNT膜11を保護する。
<Resin layer>
The pair of resin layers 12 and 13 are made of an insulating elastomer and are laminated on both sides of the CNT film 11 (the above-mentioned front and back layers), respectively. The resin layers 12 and 13 are made of the above-mentioned insulating elastomer and cover both sides of the
(絶縁性エラストマー)
CNT膜11の少なくとも表層に含浸する前記絶縁性エラストマーとしては、熱可塑性エラストマーを用いてもよい。熱可塑性エラストマーは、各種合成樹脂を含有することができる。
(Insulating elastomer)
As the insulating elastomer impregnated at least on the surface layer of the
前記熱可塑性エラストマーとしては、例えばスチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー等が挙げられる。 Examples of the thermoplastic elastomer include styrene-based elastomers, olefin-based elastomers, polyester-based elastomers, and the like.
前記熱可塑性エラストマーとしては、例えばポリウレタン(PUR)、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)等が挙げられる。 Examples of the thermoplastic elastomer include polyurethane (PUR), polyimide (PI), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), medium density polyethylene (MDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), and poly. Vinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAc), acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), acrylonitrile styrene resin (AS), polymethylmethacrylic (PMMA), polyamide (PA), Examples thereof include polyacetal (POM), polycarbonate (PC), modified polyphenylene ether (m-PPE), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), cyclic polyolefin (COP) and the like.
また、CNT膜11の少なくとも表層に含浸する前記絶縁性エラストマーとしては、合成熱硬化性エラストマーからなるゴムを用いてもよい。
Further, as the insulating elastomer impregnating at least the surface layer of the
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)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)等が挙げられる。中でも、強度等の点から天然ゴムが好ましい。 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), chlorosulfonized polyethylene rubber (CSM), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), chlorinated polyethylene (CM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber (CO, ECO), Fluoro rubber (FKM), polydimethylsiloxane (PDMS) and the like can be mentioned. Of these, natural rubber is preferable from the viewpoint of strength and the like.
前記絶縁性エラストマーは、水性エマルジョンの塗工により複数のCNT繊維の少なくとも表層に含浸されているとよい。前記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、水性エマルジョンを用いた塗工により絶縁性エラストマーを含浸させると、この絶縁性エラストマーは複数のCNT繊維間に完全には入り込まない。つまり、複数のCNT繊維層の表層には絶縁性エラストマーが含浸するが、この絶縁性エラストマーは各CNT繊維の厚さ方向の断面における全領域には含浸しない。これにより、絶縁性エラストマーが複数のCNT繊維間に完全にしみ込んで、CNT膜11の抵抗変化に影響を及ぼすことを抑制し、絶縁性エラストマーの存在に起因するCNT膜11の歪に対する感度の低下を抑えることができる。
It is preferable that the insulating elastomer is impregnated into at least the surface layer of a plurality of CNT fibers by coating with an aqueous emulsion. The aqueous emulsion means an emulsion in which the main component of the dispersion medium is water. Since carbon nanotubes are highly hydrophobic, when an insulating elastomer is impregnated by coating with an aqueous emulsion, the insulating elastomer does not completely penetrate between a plurality of CNT fibers. That is, the surface layer of the plurality of CNT fiber layers is impregnated with the insulating elastomer, but the insulating elastomer does not impregnate the entire region in the cross section of each CNT fiber in the thickness direction. As a result, the insulating elastomer completely penetrates between the plurality of CNT fibers and suppresses the influence of the resistance change of the
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。 The main component of the dispersion medium of the aqueous emulsion is water, but other hydrophilic dispersion medium such as alcohol may be contained.
また、前記絶縁性エラストマーはカップリング剤を含有しているとよい。絶縁性エラストマーを主成分とする材料がカップリング剤を含有することで、絶縁性エラストマーとCNT繊維とを架橋し、絶縁性エラストマーとCNT繊維との接合力を向上させることができる。 Further, the insulating elastomer may contain a coupling agent. When the material containing the insulating elastomer as a main component contains a coupling agent, the insulating elastomer and the CNT fiber can be crosslinked to improve the bonding force between the insulating elastomer and the CNT fiber.
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。 As the coupling agent, for example, an amino coupling agent such as an aminosilane coupling agent, an aminotitanium coupling agent, an aminoaluminum coupling agent, a silane coupling agent, or the like can be used.
また、絶縁性エラストマーはCNT繊維に対する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、CNT繊維の疎水性の基(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。 Further, the insulating elastomer preferably contains a dispersant having adsorptivity to CNT fibers. Dispersants having such adsorptivity include those having a salt structure in the adsorbing group portion (for example, an alkylammonium salt) and hydrophobic groups of CNT fibers (for example, an alkyl chain or an aromatic ring). Those having a hydrophilic group (for example, polyether, etc.) that can interact with each other in the molecule can be used.
これらの樹脂層12,13とCNT膜11との積層構造は、いずれかの層(又は膜)に他の層(又は膜)を形成する材料を塗工等により形成してもよく、各層(又は膜)の融着又は溶着により形成してもよく、熱可塑性接着剤を用いた各層(又は膜)の接着により形成してもよい。また、樹脂層12,13は、少なくとも部分的にCNT膜11の表層及び裏層に含浸させる絶縁性エラストマーと一体に形成されてもよい。つまり、CNT膜11の形成工程において複数のCNT繊維に含浸せず、複数のCNT繊維の表裏に留まって樹脂層12,13を形成するよう絶縁性エラストマーを塗布してもよい。また、樹脂層12,13は複数の異なる層からなる多層構造にしてもよい。その場合には、バネ性の高い材料と組み合わせるとよい。具体的には、バネ性の高い材料としてポリウレタンを使用することが好ましい。
In the laminated structure of these resin layers 12 and 13 and the
樹脂層12,13のそれぞれの平均厚さの下限としては、10μmが好ましく、15μmがより好ましい。一方、樹脂層12,13の平均厚さの上限としては、5mmが好ましく、2mmがより好ましい。樹脂層12,13の平均厚さが前記下限に満たない場合、十分にCNT膜11を保護できないおそれがある。逆に、樹脂層12,13の平均厚さが前記上限を超える場合、当該歪センサ1が不必要に厚くなるおそれや、CNT膜11の弾性率が大きくなり測定対象の変形を阻害するおそれがある。なお、表裏の樹脂層12,13の平均厚さは、互いに異なってもよい。
As the lower limit of the average thickness of each of the resin layers 12 and 13, 10 μm is preferable, and 15 μm is more preferable. On the other hand, as the upper limit of the average thickness of the resin layers 12 and 13, 5 mm is preferable, and 2 mm is more preferable. If the average thickness of the resin layers 12 and 13 is less than the lower limit, the
また、表側の樹脂層12は、電極14の積層領域(両端部領域)に、CNT膜11に至る複数の接続穴16を有する。この接続穴16は、電極14のCNT膜11に対する接続強度を向上するために、各端部領域に複数形成することが好ましい。また、複数の接続穴16は、樹脂層2の強度低下を抑制すると共に、製造を容易化するために一定のピッチで規則正しく配列して形成することが好ましい。なお、接続穴16は、平面視で当該歪みセンサ素子の外縁に開口する切欠状に形成されてもよい。
Further, the
(接続穴)
接続穴16の平均径の下限としては、0.5mmが好ましく、0.7mmがより好ましい。一方、接続穴16の平均径の上限としては、2.0mmが好ましく、1.5mmがより好ましい。接続穴16の平均径が前記下限に満たない場合、電極14のCNT膜11への接続が不確実となるおそれがある。逆に、接続穴16の平均径が前記上限を超える場合、接続穴16の形成時にCNT膜11が損傷し易くなるおそれがある。
(Connection hole)
The lower limit of the average diameter of the
電極14に対する接続穴16の合計面積率の下限としては、3%が好ましく、5%がより好ましい。一方、電極14に対する接続穴16の合計面積率の上限としては、60%が好ましく、50%がより好ましい。電極14に対する接続穴16の合計面積率が前記下限に満たない場合、電極14のCNT膜11に対する接続強度が不十分となるおそれがある。逆に、電極14に対する接続穴16の合計面積率が前記上限を超える場合、接続穴16の形成時にCNT膜11が損傷し易くなるおそれがある。
The lower limit of the total area ratio of the connection holes 16 with respect to the
<電極>
一対の電極14は、接続穴16に充填される導電性材料から形成される。この導電性材料は、接続穴16及びその周囲の樹脂層12及びレーザー吸収材料層15の表面に積層されることによって、表面積を大きくし、電気的な接続を容易にするとよい。
<Electrode>
The pair of
電極14は、接続穴16に充填される導電性材料の表面側に積層される例えば銅箔等のさらなる導体を有してもよい。つまり、電極14は、その一部分として接続穴16に充填される導電性材料を含むものであってもよい。電極14が導電性材料の表面に銅箔等を有することにより、電極14へのリード線の半田付けが容易となる。
The
(導電性材料)
接続穴16に充填される導電性材料としては、例えば導電性ペースト、導電性塗料等を用いることができる。つまり、電極14は、導電性ペースト又は導電性塗料の塗布及び硬化により形成することができる。この導電性ペースト及び導電性塗料としては、例えば銀、銅等からなる導電性微粒子を含む市販のものを用いることができる。
(Conductive material)
As the conductive material filled in the
樹脂層12上の導電性材料の平均厚さの下限としては、10μmが好ましく、15μmがより好ましい。一方、樹脂層12上の導電性材料の平均厚さの上限としては、50μmが好ましく、20μmがより好ましい。樹脂層12上の導電性材料の平均厚さが前記下限に満たない場合、導電性材料を一様に積層することが難しくなるおそれがある。逆に、樹脂層12上の導電性材料の平均厚さが前記上限を超える場合、不必要に製造コストが増大するおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the conductive material on the
<レーザー吸収材料層>
レーザー吸収材料層15は、接続穴16の周囲の樹脂層12の表面と電極14との間に介在する。レーザー吸収材料層15は、接続穴16の近傍のみに配置されてもよく、接続穴16の内側を除く電極14の積層領域略全体に配設されてもよい。
<Laser absorption material layer>
The laser
レーザー吸収材料層15の平均厚さの下限としては、1μmが好ましく、2μmがより好ましい。一方、レーザー吸収材料層15の平均厚さの上限としては、15μmが好ましく、10μmがより好ましい。レーザー吸収材料層15の平均厚さが前記下限に満たない場合、レーザー吸収材料層15が接続穴16の形成を十分に促進できず、当該歪みセンサ素子の製造効率が低下するおそれがある。逆に、レーザー吸収材料層15の平均厚さが前記上限を超える場合、電極14が剥離し易くなるおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the laser absorbing
(レーザー吸収材料)
レーザー吸収材料層15を形成するレーザー吸収材は、レーザー吸収率が比較的大きい材質からなる微粒子と、そのバインダーとを含むことができる。
(Laser absorption material)
The laser absorber forming the laser
前記微粒子としては、接続穴16を形成するために使用するレーザーの波長等にもよるが、各種顔料等を用いることができる。中でも、前記微粒子としては、レーザーの吸収率が比較的大きいと共に、導電性を有することでCNT膜11と電極14との電気的接続を阻害し難いカーボンブラックが特に好適に用いられる。
As the fine particles, various pigments and the like can be used, although it depends on the wavelength of the laser used to form the
前記バインダーとしては、各種高分子バインダーを用いることができる。 As the binder, various polymer binders can be used.
〔製造方法〕
当該歪みセンサ素子は、図3に示すように、CNT膜11を樹脂層12,13で被覆した樹脂層被覆体の両端部領域の表面にレーザー吸収材料を塗布する工程<ステップS1:レーザー吸収材料塗布工程>と、樹脂層被覆体の両端部領域の表面の少なくとも一部にレーザーを照射する工程<ステップS2:レーザー照射工程>と、前記レーザー照射工程で樹脂層12に形成される穴に導電性材料を充填する工程<ステップS3:導電性材料充填工程>と、樹脂層被覆体から歪みセンサ素子を切り出す工程<ステップS4:切り出し工程>とを備える方法によって製造することができる。
〔Production method〕
As shown in FIG. 3, the strain sensor element is a step of applying a laser absorbing material to the surfaces of both end regions of a resin layer covering body in which the
<レーザー吸収材料塗布工程>
ステップS1のレーザー吸収材料塗布工程では、大判のCNT膜11及び一対の樹脂層12,13の積層体の当該歪みセンサ素子として使用する複数の部分における両端部領域の表面にレーザー吸収材料の塗膜を形成する。つまり、当該歪みセンサの製造方法は、一度に複数の歪みセンサを製造する。
<Laser absorption material application process>
In the laser absorbing material coating step of step S1, a coating film of the laser absorbing material is applied to the surface of both end regions of a plurality of portions of the laminate of the large-
レーザー吸収材料の塗布は、例えばスクリーン印刷等の印刷技術を用いて行うこともできるが、例えば刷毛塗り等のより簡易な方法を用いて行ってもよい。 The application of the laser absorbing material can be performed by using a printing technique such as screen printing, but may be performed by using a simpler method such as brush coating.
(レーザー吸収材料)
レーザー吸収材料の塗布は、レーザー吸収率が比較的大きい微粒子を溶媒中に分散したレーザー吸収材料分散インクを用いて行うことができる。このレーザー吸収材料分散インクとしては、例えば、微粒子を分散させるための分散剤、溶媒が揮発した後に微粒子を保持するバインダー、塗工性を向上する界面活性剤等の任意の添加剤を含むものを用いることができる。
(Laser absorption material)
The laser absorbing material can be applied using a laser absorbing material-dispersed ink in which fine particles having a relatively large laser absorption rate are dispersed in a solvent. The laser absorbent material dispersion ink includes, for example, an optional additive such as a dispersant for dispersing fine particles, a binder for retaining fine particles after the solvent has volatilized, and a surfactant for improving coatability. Can be used.
このレーザー吸収材料分散インクの溶媒としては、塗工直後に揮発して安定な塗膜を形成できるよう、例えばトルエン、アセトン、メタノール、メチルエチルケトン、イソプロピルアルコール等の揮発性有機溶媒を用いること好ましい。 As the solvent of the laser absorbing material dispersion ink, it is preferable to use a volatile organic solvent such as toluene, acetone, methanol, methyl ethyl ketone, isopropyl alcohol or the like so that it can volatilize immediately after coating to form a stable coating film.
<レーザー照射工程>
ステップS2のレーザー照射工程では、前記塗布工程で得られる塗膜の少なくとも一部にレーザーを照射する。これにより、レーザー吸収材料がレーザーを吸収して発熱し、樹脂層12を熱分解することで接続穴16を形成する。
<Laser irradiation process>
In the laser irradiation step of step S2, at least a part of the coating film obtained in the coating step is irradiated with the laser. As a result, the laser absorbing material absorbs the laser and generates heat, and the
レーザーの出力は、接続穴16の径や樹脂層12の材質等に応じて選択されるが、一般的に、レーザーの出力の下限としては3Wが好ましく、5Wがより好ましい。一方、レーザーの出力の上限としては30Wが好ましく、20Wがより好ましい。レーザーの出力が前記下限に満たない場合、接続穴16を形成できないおそれがある。逆に、レーザーの出力が前記上限を超える場合、接続穴16の形成時に周囲の樹脂層12及びCNT膜11を損傷するおそれがある。
The laser output is selected according to the diameter of the
<導電性材料充填工程>
ステップS3の導電性材料充填工程では、接続穴16を形成した樹脂層被覆体の両端部領域の表面に導電性材料を塗布することにより、接続穴16の内部に導電性材料を充填すると共に、接続穴16の周囲の樹脂層12の表面に導電性材料の塗膜を形成する。この導電性材料の塗膜は、電極14の少なくとも一部分を形成する。
<Conductive material filling process>
In the step of filling the conductive material in step S3, the conductive material is applied to the surface of both end regions of the resin layer covering in which the connecting
各端部領域の複数の接続穴16が形成されている場合、この導電性材料充填工程では、各端部領域の複数の接続穴16に跨がって導電性材料を塗布することが好ましい。このように、各端部領域の複数の接続穴16に跨がって導電性材料を塗布ことによって、CNT膜11と電極14との電気的接続をより確実にすることができる。
When a plurality of connection holes 16 in each end region are formed, it is preferable to apply the conductive material across the plurality of connection holes 16 in each end region in this conductive material filling step. In this way, by applying the conductive material across the plurality of connection holes 16 in each end region, the electrical connection between the
導電性材料の塗布方法としては、例えばスクリーン印刷等の印刷技術を用いて行うこともできるが、例えば刷毛塗り等のより簡易な方法を用いて行ってもよい。 As a method of applying the conductive material, for example, a printing technique such as screen printing may be used, but a simpler method such as brush coating may be used.
<切り出し工程>
ステップS4の切り出し工程では、電極14を形成した樹脂層被覆体から複数の歪みセンサ素子を切り抜く。
<Cutout process>
In the cutting step of step S4, a plurality of strain sensor elements are cut out from the resin layer coating body on which the
この歪みセンサ素子の切り出しは、ダイとパンチとを用いた打ち抜き可能によってもよくカッター等で歪みセンサ素子の輪郭を順次切り離してもよい。 The strain sensor element may be cut out by punching using a die and a punch, or the contour of the strain sensor element may be sequentially separated by a cutter or the like.
<利点>
当該歪みセンサ素子は、接続穴16に導電性材料を充填することによって電極14を形成するので、CNT膜11と電極14との電気的接続が比較的容易である。また、当該歪みセンサ素子は、レーザーによって接続穴16を形成するので、設計変更が比較的容易である。
<Advantage>
Since the strain sensor element forms the
[第二実施形態]
図4に一方の端部領域における断面を示す本発明の第二実施形態に係る歪みセンサ素子は、一方向に引き揃えられる複数のCNT繊維を含むCNT糸21と、このCNT膜21の外周に被覆される樹脂層22と、CNT糸21の樹脂層22による被覆体の両端部領域に積層され、CNT糸21と電気的に接続される一対の電極23と、樹脂層22と電極23との間に部分的に存在するレーザー吸収材料層24とを備える。
[Second Embodiment]
The strain sensor element according to the second embodiment of the present invention, which shows a cross section in one end region in FIG. 4, has a
<CNT糸>
図4のセンサ素子のCNT糸21の構成としては、CNT繊維が糸状に配列されている点を除いて、図1のセンサ素子のCNT膜11の構成と同様とすることができる。なお、CNT繊維を糸状に配列する際、CNT繊維を撚り合わせてもよい。
<CNT thread>
The configuration of the
<樹脂層>
樹脂層22は、各端部領域にCNT糸21に至る1又は複数の接続穴25を有する。複数の接続穴25を形成する場合、CNT糸21の中心軸周りに異なる方向に開口するよう形成してもよいが、CNT糸21の中心軸周りに同じ方向に開口するよう軸方向に並んで形成することによって加工が容易となる。
<Resin layer>
The
図4のセンサ素子の樹脂層22のその他の構成としては、表裏がなく全周に積層される点を除いて、図1のセンサ素子の樹脂層12,13の構成と同様とすることができる。
Other configurations of the
<電極>
一対の電極23は、接続穴25に充填される導電性材料を含む。また、電極23は、接続穴25に充填される導電性材料の表面側に積層される例えば銅箔等のさらなる導体を有してもよい。
<Electrode>
The pair of
(導電性材料)
図4のセンサ素子の電極23の導電性材料としては、図1のセンサ素子の電極14の導電性材料と同様のものを用いることができる。
(Conductive material)
As the conductive material of the
〔製造方法〕
当該歪みセンサ素子は、CNT糸21を樹脂層22で被覆した樹脂層被覆体の両端部領域の表面にレーザー吸収材料を塗布してレーザー吸収材料層24を形成する工程と、樹脂層被覆体の両端部領域の表面の少なくとも一部にレーザーを照射する工程と、前記レーザー照射工程で樹脂層22に形成される接続穴25に導電性材料を充填して電極23を形成する工程とを備える方法によって製造することができる。
〔Production method〕
The strain sensor element includes a step of applying a laser absorbing material to the surface of both end regions of the resin layer covering body in which the
当該歪みセンサ素子は、糸状であるため、織布を構成する糸又は布帛に縫い付けられる糸として使用することができ、歪みを検出可能な布帛を形成するために用いることができる。 Since the strain sensor element is thread-like, it can be used as a thread constituting a woven fabric or a thread sewn on a cloth, and can be used to form a cloth in which strain can be detected.
[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。
[Other embodiments]
The embodiments do not limit the configuration of the present invention. Accordingly, the embodiments may be omitted, replaced or added to components of each of the embodiments based on the description of the present specification and common general knowledge, all of which are construed as belonging to the scope of the present invention. Should be.
当該歪みセンサ素子は、樹脂層のレーザー吸収率が比較的大きい場合には、レーザー吸収材層を有しなくてもよい。従って、当該歪みセンサ素子の製造方法において、レーザー吸収材塗布工程は省略することができる。 The strain sensor element may not have a laser absorber layer when the laser absorption rate of the resin layer is relatively large. Therefore, in the method for manufacturing the strain sensor element, the laser absorber coating step can be omitted.
また、当該歪みセンサ素子の製造方法において、CNT膜の樹脂層被覆体を当該歪みセンサ素子の形状に切り抜いてから、樹脂層に接続穴を形成して導電性材料を塗布してもよい。 Further, in the method for manufacturing the strain sensor element, the resin layer coating body of the CNT film may be cut out into the shape of the strain sensor element, and then a connection hole may be formed in the resin layer to apply the conductive material.
また、CNT糸を備える当該歪みセンサ素子は、レーザー吸収材料及び導電性材料を全周に亘って塗布してもよい。また、レーザーの照射によって開口される接続穴の平面形状は円形に限らなくてもよい。 Further, the strain sensor element provided with the CNT thread may be coated with a laser absorbing material and a conductive material over the entire circumference. Further, the planar shape of the connection hole opened by the irradiation of the laser does not have to be limited to a circle.
以下、本発明に関連する歪みセンサ素子の参考形態について説明する。 Hereinafter, a reference form of the strain sensor element related to the present invention will be described.
[第一参考形態]
図5及び図6に示す本発明の第一参考形態の歪みセンサ素子は、帯状に形成され、長手方向に引き揃えられる複数のCNT繊維を含むCNT膜1と、このCNT膜1の表裏に被覆される一対の樹脂層2,3と、このCNT膜1及び樹脂層2,3からなる樹脂層被覆体の表面のうち前記CNT繊維の引き揃え方向両端部領域に積層され、CNT膜1と電気的に接続される一対の板状電極4と、樹脂層被覆体の裏側の両端部領域に前記板状電極4に対向するよう配設される一対の挟持シート5とを備える。
[First reference form]
The strain sensor element of the first reference embodiment of the present invention shown in FIGS. 5 and 6 is formed in a band shape and is covered with a
当該歪みセンサ素子において、一対の板状電極4は、少なくとも一部が表側の樹脂層2に埋設されている。より詳しくは、一対の板状電極4は、表側の樹脂層2の表面側から厚さ方向に植え込まれている。この一対の板状電極4は、それぞれ少なくとも一部が樹脂層2から表出し、各表出部分において外部の配線(不図示)に接続される。
In the strain sensor element, at least a part of the pair of plate-shaped
<CNT膜>
CNT膜1は、一方向に引き揃えられる複数のCNT繊維から形成される層からなり、表裏層に後述の樹脂層となる絶縁性エラストマーを主成分とする材料(以下、単に「絶縁性エラストマー」ということがある)が積層され、またCNT膜1の表裏層に(少なくともCNT膜1の表層側から)絶縁性エラストマーが含浸することによりCNT繊維と絶縁性エラストマーが複合化されて膜状に形成されている。CNT膜1は、前記絶縁性エラストマーの弾性力によって弾性を有し、少なくとも長手方向に伸縮可能である。このCNT膜1は、少なくとも長手方向に伸長することによってCNT繊維同士が離間して電気抵抗が増大し、弾性力により収縮することで、CNT繊維同士が再度接触して電気抵抗が減少する。なお、CNT膜1は、CNT繊維間の接触率を抑制して電気抵抗を調整するために、例えば合成樹脂等からなる絶縁性の繊維を含んでもよい。
<CNT film>
The
CNT膜1は、少なくとも表層に絶縁性エラストマーが含浸しつつ積層されているので、後述のCNT繊維束を絶縁性エラストマーが被覆するため、この絶縁性エラストマーが複数のCNT繊維束の伸縮方向をガイドするガイド部材としても機能する。その結果、当該歪みセンサは、伸長時に離間されたCNT繊維同士を収縮時に再度同一部位で再接触させることが可能となり、繰り返し使用に基づく伸縮歪みの検出精度の低下を防止することができる。さらに、かかる構成によると、複数のCNT繊維間の当接関係が維持され易いと共に、複数のCNT繊維の伸縮性を調整し易い。従って、CNT膜1の伸縮歪みをさらに精度よく検出することができる。また、このような当接関係の維持及び伸縮性の調整をさらに容易にするためには、CNT膜1の裏層(裏面近傍領域)にも絶縁性エラストマーが含浸しているのが好ましい。この際、CNT繊維束の表層の少なくとも一部に絶縁性エラストマーが含浸するので、CNT繊維束と絶縁性エラストマーとの結合力も高まる。
Since the
(CNT繊維)
CNT膜1を構成するCNT繊維は、それぞれ複数のCNT単繊維から形成することができる。ここで、CNT単繊維とは、1本の長尺のカーボンナノチューブをいう。また、CNT繊維は、CNT単繊維の端部同士が連結する連結部を有する。CNT単繊維同士は、これらのCNT単繊維の長手方向に連結している。このように、CNT膜1において、CNT単繊維同士がその長手方向に連結することでCNT繊維の配向長さの大きいCNT膜1を形成することができ、当該歪みセンサの長手方向の長さを大きくして感度を向上することができる。
(CNT fiber)
The CNT fibers constituting the
また、CNT膜1を構成する複数のCNT繊維は、網目構造を形成していてもよい。具体的には、複数のCNT繊維はCNT単繊維同士が連結する連結部等により網目状に連結又は接触していてもよい。この際、この連結部では3つ以上のCNT単繊維の端部が結合していてもよく、2つのCNT単繊維の端部と他の単繊維の中間部とが結合していてもよい。複数のCNT繊維がこのような網目構造を形成することで、CNT繊維同士が密接し、CNT膜1の抵抗を下げることができる。
Further, the plurality of CNT fibers constituting the
さらに、CNT膜1は、長手方向に配向する複数のCNT繊維からなるCNT繊維束を有してもよい。CNT膜1が長手方向に配向する複数のCNT繊維束を有する場合、CNT膜1が伸縮方向に延伸されるよう歪みが加わった際にCNT繊維の切断、離間、CNT繊維束の切断空間(ギャップ)の伸縮等によりCNT膜1の抵抗がより的確に変化する。
Further, the
より具体的には、前記CNT繊維束は、複数のCNT繊維からなるバンドル構造となっており、このCNT繊維束の任意の横断面においては、切断されないCNT繊維と、CNT繊維が切断及び離間したギャップの両方が存在することになる。また、複数のCNT繊維束は、表層を絶縁性エラストマーで被覆されているので、このギャップ内の圧力は大気圧よりも低い(負圧である)と考えられるため、当該歪センサ1の収縮時(歪の解放時)にはこのギャップの収縮力によって歪センサ1の収縮が付勢される。さらに、このギャップ内ではCNT繊維同士の摩擦が低減されるため、CNT繊維の動きが制限され難い。
More specifically, the CNT fiber bundle has a bundle structure composed of a plurality of CNT fibers, and in any cross section of the CNT fiber bundle, the CNT fibers that are not cut and the CNT fibers are cut and separated. Both gaps will exist. Further, since the surface layer of the plurality of CNT fiber bundles is coated with an insulating elastomer, the pressure in this gap is considered to be lower than the atmospheric pressure (negative pressure), and therefore, when the
なお、CNT膜1は、複数のCNT繊維又は複数のCNT繊維束を平面状に略平行に配置した単層構造からなってもよいし、多層構造からなってもよい。但し、ある程度の導電性を確保するためには、多層構造とすることが好ましい。
The
CNT単繊維としては、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が、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。 As the CNT single fiber, either a single-walled nanotube (SWNT) or a multi-walled multi-walled nanotube (MWNT) can be used, but MWNT is preferable from the viewpoint of conductivity and heat capacity, and the diameter is 1. MWNTs of 5 nm or more and 100 nm or less are more preferable.
前記CNT単繊維は、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上に触媒となる鉄又はニッケル薄膜を成膜し、カーボンナノチューブを垂直配向成長させることによって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。 The CNT single fiber can be produced by a known method, for example, by a CVD method, an arc method, a laser ablation method, a DIPS method, a CoMoCAT method, or the like. Among these, it is preferable to produce carbon nanotubes (MWNT) of a desired size by a CVD method using iron as a catalyst and ethylene gas from the viewpoint of being able to efficiently obtain carbon nanotubes (MWNT). In this case, a crystal of carbon nanotubes having a desired length is obtained by forming an iron or nickel thin film as a catalyst on a substrate such as a quartz glass substrate or a silicon substrate with an oxide film and growing the carbon nanotubes in vertical orientation. Can be done.
CNT膜1の長手方向の平均長さとしては、特に限定されず、当該歪みセンサ素子を用いる測定対象に応じて自由に選択することができるが、例えば1cm以上20cm以下とすることができる。
The average length of the
CNT膜1の平面視で一対の板状電極4間に挟まれる領域における長手方向の平均長さは、当該歪みセンサ素子を用いる測定対象に応じて自由に選択することができる。前記平均長さとしては、例えば2mm以上18cm以下とすることができる。
The average length in the longitudinal direction in the region sandwiched between the pair of plate-shaped
CNT膜1の平面視で一対の板状電極4と重複する領域における長手方向の平均長さは、測定対象への固定方法、板状電極4への配線方法等に応じて適宜選択されるが、例えば3mm以上5cm以下とすることができる。
The average length in the longitudinal direction in the region overlapping the pair of plate-shaped
CNT膜1の平均幅は、当該歪みセンサ素子を用いる測定対象に応じて自由に選択することができる。CNT膜1の平均幅の下限としては、1mmが好ましく、2mmがより好ましい。一方、CNT膜1の平均幅の上限としては、10cmが好ましく、5cmがより好ましい。CNT膜1の平均幅が前記下限に満たない場合、CNT膜1の電気抵抗が過度に大きくなったり、ばらついたりするおそれがある。逆に、CNT膜1の平均幅が前記上限を超える場合、当該歪みセンサ素子が大きくなり、適用可能な測定対象が過度に限定されるおそれがある。
The average width of the
CNT膜1の平均厚さの下限としては、1μmが好ましく、10μmがより好ましい。一方、CNT膜1の平均厚さの上限としては、5mmが好ましく、1mmがより好ましい。CNT膜1の平均厚さが前記下限に満たない場合、CNT膜1の形成が困難になるおそれや、抵抗が上昇しすぎるおそれがある。逆に、CNT膜1の平均厚さが前記上限を超える場合、歪みに対する感度が低下するおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the
CNT膜1の歪みがない状態での電気抵抗(一対の板状電極4間で測定される値)の下限としては、10Ωが好ましく、100Ωがより好ましい。一方、CNT膜1の歪みがない状態での電気抵抗の上限としては、100kΩが好ましく、10kΩがより好ましい。CNT膜1の歪みがない状態での電気抵抗が前記下限に満たない場合、伸び歪みを検出するための電流が大きくなり当該歪みセンサ素子の消費電力が大きくなるおそれがある。逆に、CNT膜1の歪みがない状態での電気抵抗が前記上限を超える場合、検出回路の電圧が高くなり、当該歪みセンサ素子の出力を処理する装置の小型化や省電力化が困難となるおそれがある。
As the lower limit of the electric resistance (value measured between the pair of plate-shaped electrodes 4) in the state where the
<樹脂層>
一対の樹脂層2,3は、絶縁性エラストマーからなり、CNT膜1の両面(前述の表裏層)にそれぞれ積層される。樹脂層2,3は上述の絶縁性エラストマーからなり、CNT膜1の両面を覆い、CNT膜1を保護する。
<Resin layer>
The pair of
(絶縁性エラストマー)
CNT膜1の少なくとも表層に含浸する前記絶縁性エラストマーとしては、熱可塑性エラストマーを用いてもよい。熱可塑性エラストマーは、各種合成樹脂を含有することができる。
(Insulating elastomer)
As the insulating elastomer impregnating at least the surface layer of the
前記熱可塑性エラストマーとしては、例えばスチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー等が挙げられる。 Examples of the thermoplastic elastomer include styrene-based elastomers, olefin-based elastomers, polyester-based elastomers, and the like.
前記熱可塑性エラストマーとしては、例えばポリウレタン(PUR)、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)等が挙げられる。 Examples of the thermoplastic elastomer include polyurethane (PUR), polyimide (PI), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), medium density polyethylene (MDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), and poly. Vinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAc), acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), acrylonitrile styrene resin (AS), polymethylmethacrylic (PMMA), polyamide (PA), Examples thereof include polyacetal (POM), polycarbonate (PC), modified polyphenylene ether (m-PPE), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), cyclic polyolefin (COP) and the like.
また、CNT膜1の少なくとも表層に含浸する前記絶縁性エラストマーとしては、合成熱硬化性エラストマーからなるゴムを用いてもよい。
Further, as the insulating elastomer impregnating at least the surface layer of the
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)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)等が挙げられる。中でも、強度等の点から天然ゴムが好ましい。 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), chlorosulfonized polyethylene rubber (CSM), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), chlorinated polyethylene (CM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber (CO, ECO), Fluoro rubber (FKM), polydimethylsiloxane (PDMS) and the like can be mentioned. Of these, natural rubber is preferable from the viewpoint of strength and the like.
前記絶縁性エラストマーは、水性エマルジョンの塗工により複数のCNT繊維の少なくとも表層に含浸されているとよい。前記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、水性エマルジョンを用いた塗工により絶縁性エラストマーを含浸させると、この絶縁性エラストマーは複数のCNT繊維間に完全には入り込まない。つまり、複数のCNT繊維層の表層には絶縁性エラストマーが含浸するが、この絶縁性エラストマーは各CNT繊維の厚さ方向の断面における全領域には含浸しない。これにより、絶縁性エラストマーが複数のCNT繊維間に完全にしみ込んで、CNT膜1の抵抗変化に影響を及ぼすことを抑制し、絶縁性エラストマーの存在に起因するCNT膜1の歪に対する感度の低下を抑えることができる。
It is preferable that the insulating elastomer is impregnated into at least the surface layer of a plurality of CNT fibers by coating with an aqueous emulsion. The aqueous emulsion means an emulsion in which the main component of the dispersion medium is water. Since carbon nanotubes are highly hydrophobic, when an insulating elastomer is impregnated by coating with an aqueous emulsion, the insulating elastomer does not completely penetrate between a plurality of CNT fibers. That is, the surface layer of the plurality of CNT fiber layers is impregnated with the insulating elastomer, but the insulating elastomer does not impregnate the entire region in the cross section of each CNT fiber in the thickness direction. As a result, the insulating elastomer completely penetrates between the plurality of CNT fibers and suppresses the influence of the resistance change of the
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。 The main component of the dispersion medium of the aqueous emulsion is water, but other hydrophilic dispersion medium such as alcohol may be contained.
また、前記絶縁性エラストマーはカップリング剤を含有しているとよい。絶縁性エラストマーを主成分とする材料がカップリング剤を含有することで、絶縁性エラストマーとCNT繊維とを架橋し、絶縁性エラストマーとCNT繊維との接合力を向上させることができる。 Further, the insulating elastomer may contain a coupling agent. When the material containing the insulating elastomer as a main component contains a coupling agent, the insulating elastomer and the CNT fiber can be crosslinked to improve the bonding force between the insulating elastomer and the CNT fiber.
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。 As the coupling agent, for example, an amino coupling agent such as an aminosilane coupling agent, an aminotitanium coupling agent, an aminoaluminum coupling agent, a silane coupling agent, or the like can be used.
また、絶縁性エラストマーはCNT繊維に対する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、CNT繊維の疎水性の基(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。 Further, the insulating elastomer preferably contains a dispersant having adsorptivity to CNT fibers. Dispersants having such adsorptivity include those having a salt structure in the adsorbing group portion (for example, an alkylammonium salt) and hydrophobic groups of CNT fibers (for example, an alkyl chain or an aromatic ring). Those having a hydrophilic group (for example, polyether, etc.) that can interact with each other in the molecule can be used.
これらの樹脂層2,3とCNT膜1との積層構造は、いずれかの層(又は膜)に他の層(又は膜)を形成する材料を塗工等により形成してもよく、各層(又は膜)の融着又は溶着により形成してもよく、熱可塑性接着剤を用いた各層(又は膜)の接着により形成してもよい。また、樹脂層2,3は、少なくとも部分的にCNT膜1の表層及び裏層に含浸させる絶縁性エラストマーと一体に形成されてもよい。つまり、CNT膜1の形成工程において複数のCNT繊維に含浸せず、複数のCNT繊維の表裏に留まって樹脂層2,3を形成するよう絶縁性エラストマーを塗布してもよい。また、樹脂層2,3は複数の異なる層からなる多層構造にしてもよい。その場合には、バネ性の高い材料と組み合わせるとよい。具体的には、バネ性の高い材料としてポリウレタンを使用することが好ましい。
In the laminated structure of these
樹脂層2,3のそれぞれの平均厚さの下限としては、10μmが好ましく、15μmがより好ましい。一方、樹脂層2,3の平均厚さの上限としては、5mmが好ましく、2mmがより好ましい。樹脂層2,3の平均厚さが前記下限に満たない場合、十分にCNT膜1を保護できないおそれや、埋設した板状電極4が脱落し易くなるおそれがある。逆に、樹脂層2,3の平均厚さが前記上限を超える場合、当該歪センサ1が不必要に厚くなるおそれや、CNT膜1の弾性率が大きくなり測定対象の変形を阻害するおそれがあり、板状電極4の埋設が容易ではなくなおそれもある。なお、表裏の樹脂層2,3の平均厚さは、互いに異なってもよい。
The lower limit of the average thickness of each of the resin layers 2 and 3 is preferably 10 μm, more preferably 15 μm. On the other hand, the upper limit of the average thickness of the resin layers 2 and 3 is preferably 5 mm, more preferably 2 mm. If the average thickness of the resin layers 2 and 3 is less than the lower limit, the
<板状電極>
板状電極4としては、概略板状の導体が用いられる。このような導体としては、例えばシート状材料、網状材料等が用いられる。また、板状電極4の材質としては、例えば銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼等の金属、カーボンなどが挙げられる。この板状電極4は、例えばCNT膜1を貫通する突起、外部の配線に接続するための突出部等を有してもよい。
<Plate-shaped electrode>
As the plate-shaped
板状電極4は、図示するように、複数の貫通孔4aを有することが好ましい。この板状電極4の貫通孔4aは、例えばシート状材料に形成した穴、網状材料の素線間の開口等から構成される。また、板状電極4の貫通孔4aとしては、互いに独立したものだけでなく、例えば図7に例示するように、板状電極4の周縁に開口するスリット状又は切欠き状のものであってもよい。
As shown in the figure, the plate-shaped
このように、板状電極4が複数の貫通孔4aを有することによって、板状電極4を表側の樹脂層2に埋設する際、樹脂層2を構成する材料が板状電極4の貫通孔4aの中に逃げることができるので、比較的容易に板状電極4を樹脂層2に埋設することができる。また、貫通孔4aの中に流入した樹脂層2の形成材料は、板状電極4と樹脂層2との接触面積を増大させることで、板状電極4の保持をより確実にする。
As described above, since the plate-shaped
板状電極4は、板状電極4を加熱しつつ表側の樹脂層2に押圧することにより樹脂層2を流動化させて板状電極4を樹脂層2中に埋設できるよう、少なくとも表側の樹脂層2に埋設される部分の熱伝導率が高いことが好ましい。
The plate-shaped
板状電極4の埋設部分の熱伝導率の下限としては、5W/(m・K)が好ましく、10W/(m・K)がより好ましい。板状電極4の埋設部分の熱伝導率が前記下限に満たない場合、表側の樹脂層2に熱を伝達して流動させることが難しく、板状電極4を埋設することが容易ではなくなるおそれがある。
As the lower limit of the thermal conductivity of the embedded portion of the plate-shaped
板状電極4は、埋設時に撓んで表面側の樹脂層2を平面視で外側方向にスムーズに押し出すことができるよう可撓性を有することが好ましい。また、可撓性を有する板状電極4が撓んだ状態で固定されることにより、板状電極4とCNT膜1との間に断面形状が楔型の樹脂層2が残され、板状電極4と樹脂層2との接触面積が増大して、板状電極4の脱離を防止する効果も得られる。
It is preferable that the plate-shaped
このように樹脂層2との接触面積を大きくするために、可撓性を有する板状電極4は、中央部を表面側の樹脂層2に押し込んで、平面視外周部が樹脂層2の表面から突出するよう埋設することが好ましい。また、このような埋設を容易にするために、板状電極4は、平面視で中央部の熱伝導率が大きくなるよう複数種類の材料を組み合わせて形成してもよい。また、板状電極4とCNT膜1との接触面積を大きくするために、板状電極4のCNT膜1に接触させる中央部分よりも周辺部分の可撓性を大きくしてもよい。板状電極4の可撓性は、貫通孔4aの例えば大きさ、形状、配設密度等によって調節してもよい。
In order to increase the contact area with the
また、板状電極4は、CNT膜1と接続するよう固定された状態で、CNT膜1の側に膨出するような凸状となっていることが好ましい。この凸状の形状は、板状電極4が湾曲することにより形成されることがより好ましい。板状電極4がこのような凸状であることによって、板状電極4が埋設時に樹脂層2を平面視で外側方向にスムーズに押し出すことができる。また、板状電極4が凸状であることによって、板状電極4とCNT膜1との接触面積を増大させて電気的接続をより向上することができる。さらに、凸状の板状電極4は、その周縁部分と挟持シート5との間にCNT膜1及び裏側の樹脂層3だけでなく表側の樹脂層2も挟持することができるので、使用時の張力が分散するため破損し難い。
Further, it is preferable that the plate-shaped
このような凸状部を有する板状電極4は、少なくとも凸状部の厚さ方向先端がCNT膜1の表面に達するよう埋設される。より好ましくは、板状電極4は、CNT膜1の厚さ方向に異なる位置のCNT繊維に当接してCNT膜1とのより確実な電気的接続が得られるよう、凸状部の厚さ方向先端がCNT膜1の裏面に達するよう埋設される。
The plate-shaped
また、板状電極4は、当該歪みセンサ素子の使用中に実質的に伸縮しないことが好ましい。なお、「実質的に伸縮しない」とは、当該歪みセンサ素子を用いた測定中における平面視で一対の板状電極4間に配設される領域(以下、「伸縮領域」ともいう。)の長手方向の伸縮率に対する板状電極4の長手方向の伸縮率の比が、1/100以下、好ましくは1/1000以下であることを意味する。
Further, it is preferable that the plate-shaped
また、当該歪みセンサ素子を用いた測定中における板状電極4の伸縮率に対する伸縮領域の伸縮率の比の桁数としては、測定における有効数値の桁数より大きいことが好ましく、2桁以上大きいことがより好ましい。
Further, the number of digits of the ratio of the expansion / contraction ratio of the expansion / contraction region to the expansion / contraction ratio of the plate-shaped
板状電極4の平均厚さ(メッシュ状の場合は平均線径)の下限としては、10μmが好ましく、50μmがより好ましい。一方、板状電極4の平均厚さの上限としては、1mmが好ましく、0.5mmがより好ましい。板状電極4の平均厚さが前記下限に満たない場合、曲げ等により板状電極4が破断するおそれがある。逆に、板状電極4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が不必要に厚くなるおそれや、非伸縮領域の可撓性が不足して測定対象に適切に貼着できないおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the plate-shaped electrode 4 (in the case of a mesh shape, the average wire diameter) is preferably 10 μm, more preferably 50 μm. On the other hand, the upper limit of the average thickness of the plate-shaped
板状電極4の平面形状としては、CNT膜1の端部領域の平面形状と略同一とすることができる。板状電極4は、図5に示すように、平面視でCNT膜1からはみ出さないようCNT膜1の端部領域よりも僅かに小さく形成されてもよい。板状電極4の周囲に、板状電極4の埋設により厚さが減じられていない表面側の樹脂層2を残すことによって、樹脂層2の強度低下を抑制することができる。
The planar shape of the plate-shaped
以上の条件を満たす板状電極4としては、例えばステンレス製で平均線径3μm以上100μm以下の素線から形成される公称目開き5μm以上100μm以下の金網を用いることができる。
As the plate-shaped
(挟持シート)
挟持シート5は、非伸縮領域の他方の面を覆うよう樹脂層2,3の他方の面に積層されている。挟持シート5は、例えば接着剤を用いて積層することができる。この接着剤としては、例えば粘着剤、硬化性接着剤、熱可塑性接着剤等が使用できる。前記粘着剤としては、例えばアクリル系粘着剤等が挙げられる。前記硬化性接着剤としては、エポキシ系接着剤等が挙げられる。
(Pinch sheet)
The
この挟持シート5は、板状電極4と同様に、当該歪みセンサ素子の使用中に実質的に伸縮せず、非伸縮領域の伸縮を防止する。つまり、挟持シート5は、板状電極4との間に樹脂層2,3及びCNT膜1の非伸縮領域を挟み込むことで、非伸縮領域の伸縮をより確実に防止する。このため、挟持シート5を備えることにより、当該歪みセンサ素子は、樹脂層2,3及びCNT膜1の非伸縮領域と伸縮領域とがより明確に区分される。従って、当該歪みセンサ素子は、伸縮量とCNT膜1の電気抵抗との相関が高く、歪の検出精度に優れる。
Like the plate-shaped
挟持シート5の材質としては、十分な非伸縮性を有するものであればよく、導電性のものであっても絶縁性のものであってもよい。具体的には、挟持シート5としては、例えばポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等を主成分とする樹脂製シート、ガラスクロス等の織布などを使用することができる。また、挟持シート5として、予め粘着剤が積層された市販の粘着テープを使用してもよい。
The material of the
挟持シート5の平均厚さの下限としては、20μmが好ましく、50μmがより好ましい。一方、挟持シート5の平均厚さの上限としては、1mmが好ましく、0.5mmがより好ましい。挟持シート5の平均厚さが前記下限に満たない場合、曲げ等により挟持シート5が破断するおそれがある。逆に、挟持シート5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が不必要に厚くなるおそれや、非伸縮領域の可撓性が不足して測定対象に適切に貼着できないおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the
<製造方法>
当該歪みセンサ素子は、CNT膜1及び樹脂層2,3の積層構造を有するシート体を形成する工程と、このシート体の切断により所望の平面形状を有するCNT膜1及び樹脂層2,3の積層体(被覆体)を形成する工程と、この積層体の両端部の表面側の樹脂層2に板状電極4を埋設する工程と、前記積層体の両端部の裏面側に一対の挟持シート5を接着する工程とを備える方法により製造することができる。
<Manufacturing method>
The strain sensor element is a step of forming a sheet body having a laminated structure of the
前記埋設工程では、板状電極4の表面に比較的高温の加熱部材を押圧することによって、板状電極4を表面側の樹脂層2に押し込む。つまり、加熱部材の熱を板状電極4を介して樹脂層2の板状電極4との接触領域に伝達することで樹脂層2の形成材料を流動化させ、この流動化した材料を押し退けるようにして板状電極4を樹脂層2の内部に進入させる。従って、加熱部材の温度としては、表面側の樹脂層2の軟化点よりも10℃以上50℃以下高い温度とすることが好ましい。簡易的には、加熱部材として、例えば半田ごて等を用いることができる。
In the burying step, the plate-shaped
<利点>
当該歪みセンサ素子は、CNT膜1を樹脂層2,3で被覆したシート体を任意の寸法に切断してから板状電極4を樹脂層2に埋め込むことによりCNT膜1に配線のための電極を接続することができるので、比較的簡単に製造できる。また、上述のように、当該歪みセンサ素子は、シート体から任意の寸法に切り出した被覆体に後から板状電極4を埋め込むので、シート体から切り出す被覆体の形状を任意に変更することができ、設計変更が比較的容易である。
<Advantage>
The strain sensor element is an electrode for wiring in the
[第二参考形態]
図8に示す本発明の第二参考形態の歪みセンサ素子は、帯状に形成され、長手方向に引き揃えられる複数のCNT繊維を含むCNT膜1と、このCNT膜1の表裏に被覆される一対の樹脂層2,3と、このCNT膜1及び樹脂層2,3からなる樹脂層被覆体の表側の前記CNT繊維の引き揃え方向両端部領域に積層され、CNT膜1と電気的に接続される一対の板状電極4と、樹脂層被覆体の裏側の両端部領域に前記板状電極4に対向するよう配設される一対の挟持シート5と、板状電極4のCNT膜1側に介在する一対の導電性布帛6とを備える。
[Second reference form]
The strain sensor element of the second reference embodiment of the present invention shown in FIG. 8 is formed in a band shape and contains a plurality of CNT fibers aligned in the longitudinal direction, and a pair of
図8の歪みセンサ素子におけるCNT膜1、樹脂層2,3、板状電極4及び挟持シート5は、図5の歪みセンサ素子におけるCNT膜1、樹脂層2,3、板状電極4及び挟持シート5と同様であるため、重複する説明を省略する。
The
<導電性布帛>
導電性布帛6は、導電性の繊維の織編物又は不織布から形成される。この導電性布帛6は、CNT膜1と板状電極4との間に介在し、CNT膜1及び板状電極4の双方に当接する。導電性布帛6は、表裏面に導電性繊維により形成される微細な凹凸を有し、この微細な凹凸がCNT膜1及び板状電極4に対して多くの箇所で当接する。これによって、導電性布帛6は、CNT膜1と板状電極4と間の導電性を向上させる。
<Conductive fabric>
The
この導電性布帛6としては、樹脂層2の形成材料によって板状電極4を保持するために、表面側の樹脂層2の形成材料が溶融状態で浸透して厚さ方向に通過できる程度に目の粗いものが用いられる。
In this
導電性布帛6の平均厚さの下限としては、10μmが好ましく、15μmがより好ましい。一方、導電性布帛6の平均厚さの上限としては、3mmが好ましく、1mmがより好ましい。導電性布帛6の平均厚さが前記下限に満たない場合、板状電極4の埋設時に導電性布帛6が強度不足により断裂するおそれがある。逆に、導電性布帛6の平均厚さが前記上限を超える場合、板状電極4の埋設時に樹脂層3の形成材料が導電性布帛6を貫通することができず、板状電極4を保持できないおそれがある。
The lower limit of the average thickness of the
導電性布帛6は、埋設後の板状電極4の裏面全体を確実に覆うことができるよう、平面視で板状電極4よりも大きいことが好ましい。
The
導電性布帛6としては、導電布の一方の面に導電性粘着剤が塗布された市販の導電性粘着テープを用いてもよい。導電性粘着テープからなる導電性布帛6は、板状電極4の埋設前に表面側の樹脂層2の表面又は板状電極4の裏面に貼着することで位置ずれを防止し、板状電極4の埋設作業を容易にする。なお、導電性粘着テープの導電性粘着剤は、導電性布帛6とCNT膜1又は板状電極4との電気的接触を補助することができる一方、樹脂層3の形成材料と同様に板状電極4によって押し退けられるので板状電極4の埋設を阻害しない。
As the
[第三参考形態]
図9に示す本発明の第三参考形態の歪みセンサ素子は、帯状に形成され、長手方向に引き揃えられる複数のCNT繊維を含むCNT膜1と、このCNT膜1の表裏に被覆される樹脂層2,3と、このCNT膜1及び樹脂層2,3からなる樹脂層被覆体の表側の前記CNT繊維引き揃え方向両端部領域に積層され、CNT膜1と電気的に接続される一対の板状電極4と、樹脂層被覆体の裏側の両端部領域に前記板状電極4に対向するよう配設される一対の挟持シート5と、板状電極4内の少なくとも一部に含浸する導電性ペースト7とを備える。
[Third reference form]
The strain sensor element of the third reference embodiment of the present invention shown in FIG. 9 has a
図9の歪みセンサ素子におけるCNT膜1、樹脂層2,3、板状電極4及び挟持シート5は、図5の歪みセンサ素子におけるCNT膜1、樹脂層2,3、板状電極4及び挟持シート5と同様であるため、重複する説明を省略する。
The
板状電極4を加熱及び加圧して、CNT膜1と当接するよう表側の樹脂層2中に埋設したとき、板状電極4の複数の貫通孔4aには、樹脂層2の形成材料が進入するが、板状電極4の複数の貫通孔4aに完全に樹脂層2の形成材料が充填されるとは限らない。特に板状電極4として貫通孔4aの形状が複雑となる金網等を用いる場合には、板状電極4の貫通孔4aの内部の例えば金属線の交差部分等に空間が残され易い。従って、この板状電極4の貫通孔4aに残される空間に導電性ペースト7を充填することによって、板状電極4とCNT膜1との電気的接続の信頼性をより向上することができる。
When the plate-shaped
<導電性ペースト>
導電性ペースト7は、導電性の微粒子を樹脂マトリックス中に分散したものを使用することができ、具体的には、例えば市販の銀ペースト等を用いることができる。この導電性ペースト7は、板状電極4を埋設した後、板状電極4の表面側から塗布して板状電極4内に含浸させるとよい。
<Conductive paste>
As the
<利点>
当該歪みセンサ素子は、CNT膜1を樹脂層2,3で被覆したシート体を任意の寸法に切断してからレーザー照射により樹脂層2に開口を形成し、この開口に材料を充填することによって電極8を埋設するので、シート体から切り出す被覆体の形状を任意に変更することができ、設計変更が比較的容易である。
<Advantage>
The strain sensor element is formed by cutting a sheet body in which the
また、当該歪みセンサ素子は、レーザーの照射により、樹脂層2及びCNT膜1の表層の絶縁性エラストマーを熱分解してCNT繊維を露出させるので、CNT繊維と電極8との間の電気的接続が比較的確実である。
Further, since the strain sensor element thermally decomposes the insulating elastomer on the surface layers of the
当該歪みセンサ素子は、上述の各実施形態におけるCNT膜に換えて、一対の板状電極間を結ぶ方向に引き揃えられる複数のCNT繊維を含む1又は複数のCNT糸を備えもよい。この場合、CNT糸は、外周面近傍領域に絶縁性エラストマーが含浸するものとされる。また、樹脂層は、CNT糸の外周を被覆する表裏一体のものとされる。複数のCNT糸を備える場合、板状電極は、各CNT糸に接触するよう、CNT繊維の引き揃え方向に垂直な幅方向に略等断面となるよう凸状に湾曲することが好ましい。 The strain sensor element may include one or a plurality of CNT threads including a plurality of CNT fibers aligned in a direction connecting the pair of plate-shaped electrodes instead of the CNT film in each of the above-described embodiments. In this case, the CNT yarn is impregnated with the insulating elastomer in the region near the outer peripheral surface. Further, the resin layer is integrated on the front and back sides to cover the outer circumference of the CNT yarn. When a plurality of CNT threads are provided, it is preferable that the plate-shaped electrode is convexly curved so as to have a substantially equal cross section in the width direction perpendicular to the alignment direction of the CNT fibers so as to come into contact with each CNT thread.
[参考形態の変形]
前記参考形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能である。
[Transformation of reference form]
In the reference form, the components of each part can be omitted, replaced or added based on the description of the present specification and the common general technical knowledge.
当該歪みセンサ素子において、板状電極は、少なくとも一部が配線可能に表出していればよい。従って、板状電極全体が樹脂層の表面より裏面側に位置するよう埋設されていても、樹脂層に板状電極にアクセス可能な開口が残されていればよい。 In the strain sensor element, at least a part of the plate-shaped electrode may be exposed so as to be wireable. Therefore, even if the entire plate-shaped electrode is embedded so as to be located on the back surface side of the front surface of the resin layer, it is sufficient that the resin layer has an opening accessible to the plate-shaped electrode.
当該歪みセンサ素子において、CNT膜は、伸縮領域の幅が両端部領域よりも小さい平面形状を有してもよい。 In the strain sensor element, the CNT film may have a planar shape in which the width of the expansion / contraction region is smaller than that of both end regions.
当該歪みセンサ素子は、板状電極のCNT膜又はCNT糸側に導電性布帛が介在する場合にも、板状電極に表面側から塗布されて板状電極内に含浸する導電性ペーストを備えてもよい。 The strain sensor element is provided with a conductive paste that is applied to the plate-shaped electrode from the surface side and impregnated into the plate-shaped electrode even when the conductive cloth is interposed on the CNT film or the CNT thread side of the plate-shaped electrode. May be good.
当該歪みセンサ素子の製造において、板状電極を樹脂層に埋設する際の加熱は、板状電極に通電又は高周波磁界を印加することにより板状電極自体を発熱させる方法を用いてもよい。 In the manufacture of the strain sensor element, for heating when the plate-shaped electrode is embedded in the resin layer, a method of generating heat of the plate-shaped electrode itself by energizing the plate-shaped electrode or applying a high-frequency magnetic field may be used.
当該歪みセンサ素子において、CNT膜はその表面に積層される樹脂層が含浸することによって導電性のエラストマーとなるが、樹脂層を積層する前に樹脂を含浸させておくこともできる。 In the strain sensor element, the CNT film becomes a conductive elastomer by impregnating the resin layer laminated on the surface thereof, but it can also be impregnated with the resin before laminating the resin layer.
第五実施形態の歪みセンサ素子では、レーザーによって樹脂層を熱分解した領域には電極形成材料を充填しているが、その領域に固体からなる電極を配置してもよい。その際には、前記の電極形成材料や導電性接着剤を併せて充填してもよい。 In the strain sensor element of the fifth embodiment, the region where the resin layer is thermally decomposed by the laser is filled with the electrode forming material, but an electrode made of a solid may be arranged in the region. In that case, the electrode forming material and the conductive adhesive may be filled together.
また、複数のCNT膜又はCNT糸を有する歪みセンサ素子の場合、レーザー照射によって、複数のCNT膜又はCNT糸の互いのCNTを直接接触させて電気的に接続することができる。 Further, in the case of a strain sensor element having a plurality of CNT films or CNT threads, the CNTs of the plurality of CNT films or CNT threads can be directly contacted with each other and electrically connected by laser irradiation.
また、このレーザー照射によるCNT膜又はCNT糸の電気的接続方法は、CNT膜又はCNT糸を有するセンサ素子に限らず、金属線や導電性繊維を樹脂層で被覆した導電糸の電気的接続にも適用できる。従って、導電糸を織り込んだ布や導電糸を縫い付けた布にレーザーを照射して電極形成材料を充填することによって電極を形成し、外部回路等との電気的接続を行うことができる。この場合も、レーザー吸収率を増大させる塗料を予めレーザーを照射する位置へ塗布しておくことが好ましい。樹脂層で被覆された導電糸を用いて布帛を形成して、当該布帛にユーザーが任意に布帛の中に配線を形成することもできる。具体的には、布帛を構成する糸の全て又は一部を樹脂層で被覆された導電糸とする。レーサー照射をすることで任意の導電糸の樹脂層を開口して配線として利用することができる。また、導電糸同士を樹脂層を開口させて部分で電気的に接続することで、屈曲した配線や多層配線を形成することも可能になる。平行に配置された複数の配線を連結することで配線の抵抗値を下げることもできる。 Further, the method of electrically connecting the CNT film or the CNT thread by this laser irradiation is not limited to the sensor element having the CNT film or the CNT thread, but is not limited to the electrical connection of the conductive thread in which the metal wire or the conductive fiber is coated with the resin layer. Can also be applied. Therefore, an electrode can be formed by irradiating a cloth woven with a conductive thread or a cloth sewn with a conductive thread with a laser to fill an electrode forming material, and electrical connection with an external circuit or the like can be made. In this case as well, it is preferable to apply a paint that increases the laser absorption rate to the position where the laser is irradiated in advance. It is also possible to form a cloth using the conductive thread coated with the resin layer, and the user can optionally form wiring in the cloth on the cloth. Specifically, all or part of the yarn constituting the fabric is a conductive yarn coated with a resin layer. By irradiating with a racer, the resin layer of any conductive yarn can be opened and used as wiring. Further, by opening the resin layer between the conductive threads and electrically connecting them at the portion, it is possible to form a bent wiring or a multi-layer wiring. It is also possible to reduce the resistance value of the wiring by connecting a plurality of wiring arranged in parallel.
本発明に係る歪みセンサ素子は、ウェアラブルデバイス等のセンサとして好適に利用できる。 The strain sensor element according to the present invention can be suitably used as a sensor for a wearable device or the like.
1 CNT膜
2,3 樹脂層
4 板状電極
4a 貫通孔
5 挟持シート
6 導電性布帛
7 導電性ペースト
11 CNT膜
12,13 樹脂層
14 電極
15 レーザー吸収材料層
16 接続穴
21 CNT糸
22 樹脂層
23 電極
24 レーザー吸収材料層
25 接続穴
S1 レーザー吸収材料塗布工程
S2 レーザー照射工程
S3 導電性材料充填工程
S4 切り出し工程
1
Claims (16)
前記CNT膜の表裏又はCNT糸の外周に被覆される樹脂層と、
前記CNT膜又はCNT糸の樹脂層被覆体の両端部領域に積層され、CNT膜又はCNT糸と電気的に接続される一対の電極と
を備える歪みセンサ素子の製造方法であって、
前記樹脂層被覆体の両端部領域の表面の少なくとも一部にレーザーを照射することで、前記樹脂層に前記CNT膜又はCNT糸に至る接続穴を形成するレーザー照射工程と、
前記接続穴に導電性材料を充填する工程と
を備えることを特徴とする歪みセンサ素子の製造方法。 A CNT film or CNT thread containing a plurality of CNT fibers aligned in one direction,
The resin layer coated on the front and back of the CNT film or the outer circumference of the CNT thread,
A method for manufacturing a strain sensor element, which is laminated on both end regions of the resin layer coating of the CNT film or the CNT thread and includes a pair of electrodes electrically connected to the CNT film or the CNT thread.
A laser irradiation step of forming a connection hole leading to the CNT film or the CNT thread in the resin layer by irradiating at least a part of the surface of both end regions of the resin layer covering body with a laser.
A method for manufacturing a strain sensor element, which comprises a step of filling the connection hole with a conductive material.
前記レーザー照射工程で前記塗布工程で得られる塗膜の少なくとも一部にレーザーを照射する請求項1に記載の歪みセンサ素子の製造方法。 Prior to the laser irradiation step, a step of applying a laser absorbing material to the surfaces of both end regions of the resin layer covering body is further provided.
The method for manufacturing a strain sensor element according to claim 1, wherein at least a part of the coating film obtained in the coating step in the laser irradiation step is irradiated with a laser.
前記絶縁エラストマーが含浸し前記CNT繊維と前記絶縁性エラストマーが複合化されている表層を少なくとも一部に有する前記CNT膜を備える請求項1、請求項2又は請求項3に記載の歪みセンサ素子の製造方法。 The resin layer is made of an insulating elastomer and is made of an insulating elastomer.
The strain sensor element according to claim 1, claim 2 or claim 3, further comprising the CNT film impregnated with the insulating elastomer and having at least a part of a surface layer in which the CNT fiber and the insulating elastomer are composited. Production method.
前記導電性材料充填工程で各端部領域の複数の前記接続穴に跨がって導電性材料を塗布する請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の歪みセンサ素子の製造方法。 In the laser irradiation step, a plurality of the connection holes are formed in each end region of the resin layer coating body.
The method for manufacturing a strain sensor element according to any one of claims 1 to 7, wherein the conductive material is applied across the plurality of connection holes in each end region in the conductive material filling step.
前記CNT膜の表裏又はCNT糸の外周に被覆される樹脂層と、
前記CNT膜又はCNT糸の樹脂層被覆体の両端部領域に積層され、CNT膜又はCNT糸と電気的に接続される一対の電極と
を備えた歪みセンサ素子であって、
前記樹脂層がCNT膜又はCNT糸に至る接続穴を有し、
前記電極が、前記接続穴に充填された導電性材料を含むことを特徴とする歪みセンサ素子。 A CNT film or CNT thread containing a plurality of CNT fibers aligned in one direction,
The resin layer coated on the front and back of the CNT film or the outer circumference of the CNT thread,
A strain sensor element laminated on both end regions of the resin layer coating of the CNT film or the CNT thread and provided with a pair of electrodes electrically connected to the CNT film or the CNT thread.
The resin layer has a connection hole leading to the CNT film or the CNT thread.
A strain sensor element, wherein the electrode contains a conductive material filled in the connection hole.
前記絶縁エラストマーが含浸し前記CNT繊維と前記絶縁性エラストマーが複合化されている表層を少なくとも一部に有する前記CNT膜を備える請求項8から請求項11に記載の歪みセンサ素子。 The resin layer is made of an insulating elastomer and is made of an insulating elastomer.
The strain sensor element according to claim 8 to 11, further comprising the CNT film having the CNT film impregnated with the insulating elastomer and having a surface layer in which the CNT fiber and the insulating elastomer are composited at least in a part.
前記導電性材料が、各端部領域の複数の前記接続穴に跨がって配されている請求項8から請求項15のいずれか1項に記載の歪みセンサ素子の製造方法。 The resin layer has a plurality of the connection holes in each end region.
The method for manufacturing a strain sensor element according to any one of claims 8 to 15, wherein the conductive material is arranged so as to straddle the plurality of connection holes in each end region.
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