特許 5924725 歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5924725

(24)【登録日】2016年4月28日

(45)【発行日】2016年5月25日

(54)【発明の名称】歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20160516BHJP

【ＦＩ】

   G01B7/16 R

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2011-249172(P2011-249172)

(22)【出願日】2011年11月14日

(65)【公開番号】特開2013-104796(P2013-104796A)

(43)【公開日】2013年5月30日

【審査請求日】2014年10月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004075

【氏名又は名称】ヤマハ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(74)【代理人】

【識別番号】100120329

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 一規

(74)【代理人】

【識別番号】100159581

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 勝誠

(74)【代理人】

【識別番号】100159499

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 義典

(74)【代理人】

【識別番号】100158540

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 博生

(74)【代理人】

【識別番号】100150027

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 早苗

(74)【代理人】

【識別番号】100106264

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 耕治

(74)【代理人】

【識別番号】100133651

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 慶子

(74)【代理人】

【識別番号】100176876

【弁理士】

【氏名又は名称】各務 幸樹

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 克典

(72)【発明者】

【氏名】榊原 慎吾

(72)【発明者】

【氏名】谷高 幸司

(72)【発明者】

【氏名】奥宮 保郎

(72)【発明者】

【氏名】寺田 佳樹

(72)【発明者】

【氏名】井上 翼

【審査官】 眞岩 久恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０４７７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１８９７４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２２３１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２００７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 三村秀典，井上翼 ，カーボンナノチューブの高速成長とその繊維化(キーノート講演)，IIP情報・知能・精密機器部門講演会講演論文集，２０１０年 ３月１６日，ｐ．１−５

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ７／００−７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

柔軟性を有する基板と、
この基板の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維からなるＣＮＴ膜と、
このＣＮＴ膜の、上記ＣＮＴ繊維の配向とは異なる方向の両端に配設される一対の電極と
を備えた歪みセンサであって、
上記ＣＮＴ繊維表面の少なくとも一部と接触し、上記ＣＮＴ膜を保護する樹脂製の保護部をさらに備え、
上記保護部が水性エマルジョンから形成されていることを特徴とする歪みセンサ。

【請求項2】

上記保護部がＣＮＴ膜の表面に積層されている請求項１に記載の歪みセンサ。

【請求項3】

上記ＣＮＴ膜がＣＮＴ繊維の配向方向に沿って開裂可能な部分を有する請求項１又は請求項２に記載の歪みセンサ。

【請求項4】

上記ＣＮＴ繊維が複数のＣＮＴ単繊維からなり、このＣＮＴ単繊維の端部同士が長手方向に連結する連結部を有する請求項１、請求項２又は請求項３に記載の歪みセンサ。

【請求項5】

上記複数のＣＮＴ繊維が網目構造を形成している請求項４に記載の歪みセンサ。

【請求項6】

柔軟性を有する基板と、この基板の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維からなるＣＮＴ膜と、このＣＮＴ膜の、上記ＣＮＴ繊維の配向とは異なる方向の両端に配設される一対の電極とを備えた歪みセンサの製造方法であって、
上記基板の表面側にＣＮＴ膜及び電極が設けられた積層体を準備する工程と、
上記積層体の水性エマルジョンへの浸漬又はＣＮＴ膜表面への水性エマルジョンの塗布により上記ＣＮＴ膜を保護する樹脂製の保護部を形成する工程と
を備え、
上記保護部がＣＮＴ繊維表面の少なくとも一部と接触することを特徴とする歪みセンサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、歪みセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

歪みを検出する歪みセンサは、歪み（伸縮）に対する抵抗体の抵抗変化から歪みを検出するよう構成されている。この抵抗体としては、一般的に金属や半導体が用いられている。しかし、金属や半導体は可逆的に伸縮可能な変形量が小さいため、歪みセンサの用途等に制限がある。

【0003】

そこで、上記抵抗体として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いたデバイスが提案されている（特開２０１１−４７７０２号公報、特開２０１０−２８１８２４号公報参照）。これらのデバイスにおいては、所定方向に配向させた複数のＣＮＴからなるＣＮＴ膜等が用いられている。上記ＣＮＴ膜はＣＮＴの配向方向と垂直方向への比較的大きな伸縮が可能であるため、大きな歪みにも対応可能なセンサとして利用することができるとされている。しかし、上記デバイスにおいては、ＣＮＴ膜が表面に露出した状態で配設されているため、不意の接触によるＣＮＴ膜の破損、ＣＮＴ同士の隙間への異物混入、または湿気や浮遊ガス等のＣＮＴへの付着等により抵抗変化に異常が生じうるなど、センサ機能の持続性（寿命）の点で不都合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−４７７０２号公報

【特許文献2】特開２０１０−２８１８２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、ＣＮＴ膜の破損や異物混入等の発生を抑え、センサ機能の持続性を高めることができる歪みセンサを提供することを目的とする。

【0006】

上記課題を解決するためになされた発明は、
柔軟性を有する基板と、
この基板の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維からなるＣＮＴ膜と、
このＣＮＴ膜の、上記ＣＮＴ繊維の配向とは異なる方向の両端に配設される一対の電極と
を備えた歪みセンサであって、
上記ＣＮＴ繊維表面の少なくとも一部と接触し、上記ＣＮＴ膜を保護する樹脂製の保護部をさらに備えることを特徴とする。

【0007】

当該歪みセンサは、上記ＣＮＴ繊維表面の少なくとも一部と接触し、上記ＣＮＴ膜を保護する保護部を備えている。従って、当該歪みセンサによれば、このような保護部によりＣＮＴ膜の破損等を抑制し、センサ機能の持続性を高めることができる。

【0008】

上記保護部がＣＮＴ膜の表面に積層されていることが好ましい。このように、上記保護部をＣＮＴ膜の表面に積層させることで、不意の接触等によるＣＮＴ膜の破損、ＣＮＴ繊維間の隙間への異物混入、または湿気や浮遊ガス等のＣＮＴ繊維への付着等を効果的に抑えることができ、保護部の保護機能を高めることができる。

【0009】

上記保護部が水性エマルジョンから形成されていることが好ましい。このように保護部の形成に水性エマルジョンを用いることで、例えば塗工や浸漬によりこの保護部を設けた場合、保護部を形成する樹脂がＣＮＴ膜に含浸せずにＣＮＴ膜表面に積層された状態とすることができる。このようにすることで、保護部を形成する樹脂がＣＮＴ膜へしみ込んでＣＮＴ膜の抵抗変化に影響を及ぼすことを抑制することができる。

【0010】

上記保護部はＣＮＴ膜を構成するＣＮＴ繊維の隙間の少なくとも一部に存在することも好ましい。このように、保護部をＣＮＴ繊維の隙間の少なくとも一部に存在させることによっても、不意の接触等によるＣＮＴ膜の破損、ＣＮＴ繊維間の隙間への異物混入、または湿気や浮遊ガス等のＣＮＴ繊維への付着等を抑えることができ、保護部として機能させることができる。なお、保護部はＣＮＴ繊維を包んだ状態で存在する部分があってもよい。加えて、このように保護部をＣＮＴ繊維の隙間に存在させることで、ＣＮＴ膜が伸張した際にこの膜厚が小さくなりすぎ、複数のＣＮＴ繊維同士が基板の厚さ方向に接近することによって抵抗が低下することを抑えることができる。

【0011】

上記保護部が導電性添加剤を含むとよい。このように、保護部に導電性添加剤を含ませることで、保護部をＣＮＴ繊維の隙間の少なくとも一部に存在させることによるＣＮＴ膜の抵抗の上昇を抑えることができる。

【0012】

上記ＣＮＴ膜がＣＮＴ繊維の配向方向に沿って開裂可能な部分を有するとよい。このように、上記ＣＮＴ膜にＣＮＴ繊維の配向方向に沿って開裂可能な部分を形成することで、抵抗変化の過渡応答性が高まり、より大きな歪み（伸縮）に対しても優れたセンサ機能を発揮することができる。

【0013】

上記ＣＮＴ繊維が、複数のＣＮＴ単繊維からなり、このＣＮＴ単繊維同士が長手方向に連結する連結部を有するとよい。このように、ＣＮＴ単繊維同士が長手方向に連結したＣＮＴ繊維を用いることで、ＣＮＴ繊維の配向方向に幅の広いＣＮＴ膜を形成することができ、その結果、ＣＮＴ膜の抵抗値を下げ、かつ、この抵抗値のバラツキも低減することができる。

【0014】

上記複数のＣＮＴ繊維が網目構造を形成していることが好ましい。このようにすることで、ＣＮＴ繊維同士が密接し、ＣＮＴ膜の抵抗を下げることができる。また、このような網目構造を形成する際、ＣＮＴ膜におけるＣＮＴ繊維の上記連結部分が主な基点となって近隣のＣＮＴ繊維と連結することによって、ＣＮＴ繊維が両持ち梁構造として機能することができる。両持ち梁として機能するＣＮＴ繊維はバネ定数が大きくなる。そのため、このように網目状に連結したＣＮＴ繊維からなるＣＮＴ膜を有する歪みセンサは、ＣＮＴ繊維の配向方向と垂直方向により強い剛性をもつことができ、歪みセンサ機能のリニアリティを高めることができる。

【発明の効果】

【0015】

以上説明したように、本発明の歪みセンサによれば、ＣＮＴ膜の破損等の発生を抑え、センサ機能の持続性を高めることができる。従って、当該歪みセンサは、圧力センサ、ロードセル、トルクセンサ、位置センサ等として広く利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の第一実施形態に係る歪みセンサの模式的断面図（ａ）及び模式的平面図（ｂ）

【図2】図１の歪みセンサのＣＮＴ膜の一部を示す模式図

【図3】図１の歪みセンサのＣＮＴ膜を形成しているところを示す模式図

【図4】本発明の第二実施形態に係る歪みセンサの模式的断面図（ａ）及び模式的平面図（ｂ）

【図5】実施例１においてＣＮＴ繊維を形成しているところを示すＳＥＭ写真

【図6】実施例２で得られた歪みセンサの抵抗変化を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の歪みセンサの実施の形態を、第一及び第二実施形態、並びにその他の実施形態として、適宜図面を参照にしつつ詳説する。

【0018】

＜第一実施形態＞
図１の歪みセンサ１は、基板２と、この基板２の表面側に設けられ、一方向に配向する複数のＣＮＴ繊維８からなるＣＮＴ膜４と、このＣＮＴ膜４の、上記ＣＮＴ繊維８の配向方向とは異なる方向Ａの両端に配設される一対の電極３と、上記ＣＮＴ膜４を保護する保護部５とを主に備える。

【0019】

基板２は柔軟性を有する板状体である。基板２のサイズとしては特に限定されず、例えば厚みが１０μｍ以上５ｍｍ以下、幅が１ｍｍ以上５ｃｍ以下、長さが１ｃｍ以上２０ｃｍ以下とすることができる。

【0020】

基板２の材質としては、柔軟性を有する限り特に限定されず、例えば合成樹脂、ゴム、不織布、変形可能な形状又は材質の金属や金属化合物等を挙げることができる。基板２は絶縁体又は抵抗値の高い材質であればよいが、金属等の抵抗値の低い材料を用いる場合はその表面に絶縁層又は抵抗値の高い材料をコーティングすればよい。これらの中でも、合成樹脂及びゴムが好ましく、ゴムがさらに好ましい。ゴムを用いることで、基板２の柔軟性をより高めることができる。

【0021】

上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樹脂（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樹脂（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。

【0022】

上記ゴムとしては、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。

【0023】

一対の電極３は、基板２の表面側の長手方向Ａ（ＣＮＴ繊維８の配向方向と略垂直な方向）の両端部分に配設されている。具体的には、各電極３は、基板２の表面の長手方向Ａの両端部分に離間して配設される一対の第一導電層６の表面にそれぞれ配設されている。

【0024】

各第一導電層６は、電極３とＣＮＴ膜４との電気的な接続性を高めている。第一導電層６を形成する材料としては、導電性を有する限り特に限定されず、例えば導電性ゴム系接着剤等を用いることができる。第一導電層６としてこのように接着剤を用いることで、基板２、電極３及びＣＮＴ膜４の両端の固着性を高め、当該歪みセンサの持続性を高めることができる。

【0025】

電極３は、帯状形状を有している。一対の電極３は、基板２の幅方向に、互いに平行に配設されている。電極３を形成する材料としては、特に限定されず、例えば銅、銀、アルミニウム等の金属等を用いることができる。

【0026】

電極３の形状としては、特に限定されず、例えば膜状、板状、メッシュ状等とすることができるが、メッシュ状が好ましい。このようにメッシュ状の電極３を用いることで、第一導電層６や後述する第二導電層７との密着性及び固着性を高めることができる。このようなメッシュ状の電極３としては、金属メッシュや、不織布に金属を蒸着又はスパッタさせたものを用いることができる。なお、電極３としては、導電性接着剤の塗布等によって形成したものであってもよい。

【0027】

ＣＮＴ膜４は、平面視矩形形状を有する。ＣＮＴ膜４の長手方向Ａの両端部分がそれぞれ電極３と接続している。また、このＣＮＴ膜４の長手方向Ａの両端部分は、第一導電層６と第二導電層７とに挟持された状態で固定されている。

【0028】

各第二導電層７は、第一導電層６と同様、電極３とＣＮＴ膜４との電気的な接続性を高めている。第一導電層７を形成する材料としては、導電性を有する限り特に限定されず、例えば導電性ゴム系接着剤等を用いることができる。第一導電層７としてこのように接着剤を用いることで、電極３及びＣＮＴ膜４の両端の固着性を高め、当該歪みセンサの持続性を高めることができる。

【0029】

ＣＮＴ膜４は、一方向（一対の電極３の対向方向Ａと異なる方向）に配向する複数のＣＮＴ繊維８からなる。ＣＮＴ繊維８がこのように配向していることにより一対の電極３が離れる方向（方向Ａ）へ歪みが加わった場合に、ＣＮＴ繊維８同士の接触具合に変化が起こり、歪みセンサをして抵抗変化を得ることができる。なお、より効率よく歪みを検出するには、ＣＮＴ膜８は、一対の電極３の対向方向Ａと略垂直方向、好ましくは垂直方向にＣＮＴ繊維８が配向されていることが望ましい。

【0030】

各ＣＮＴ繊維８は、図２に示すように、複数のＣＮＴ単繊維９からなる。ここで、ＣＮＴ単繊維９とは、１本の長尺のＣＮＴをいう。また、ＣＮＴ繊維８は、ＣＮＴ単繊維９の端部同士が連結する連結部１０を有する。ＣＮＴ単繊維９同士は、これらのＣＮＴ単繊維９の長手方向Ｂに連結している。このように、ＣＮＴ膜４において、ＣＮＴ単繊維９同士がその長手方向Ｂに連結してなるＣＮＴ繊維８を用いることで、ＣＮＴ繊維８の配向方向に幅の広いＣＮＴ膜４を形成することができ、その結果、ＣＮＴ膜４の抵抗値を下げ、かつ、この抵抗値のバラツキも低減することができる。

【0031】

また、複数のＣＮＴ繊維８は、図２に示すように網目構造を形成している。具体的には、複数のＣＮＴ繊維８は連結部１０等により網目状に連結又は接触している。この際、連結部１０において、連結部１０ａのように３つ以上のＣＮＴ単繊維９の端部が結合していてもよいし、連結部１０ｂのように２つのＣＮＴ単繊維９の端部と他のＣＮＴ単繊維９の中間部とが結合していてもよい。複数のＣＮＴ繊維８がこのような網目構造を形成することで、ＣＮＴ繊維８同士が密接し、ＣＮＴ膜４の抵抗を下げることができる。

【0032】

また、この際、上記連結部１０ａ、１０ｂが主な基点なって近隣のＣＮＴ繊維８同士が連結又は接触することによって、ＣＮＴ繊維８が両持ち梁構造として機能することができる。ＣＮＴ繊維同士の連結とは上記連結部１０ａ、１０ｂ等とＣＮＴ繊維８が電気的に繋がることであり、ＣＮＴ繊維８の連結部ではない部分同士が電気的に繋がった場合も連結に含まれる。ＣＮＴ繊維同士の接触とは上記連結部１０ａ、１０ｂ等とＣＮＴ繊維８が触れているが電気的に繋がっていないことであり、ＣＮＴ繊維８の連結部ではない部分同士が触れているが電気的に繋がっていない場合も接触に含まれる。両持ち梁として機能するＣＮＴ繊維８はバネ定数が大きくなる。そのため、ＣＮＴ繊維８は、この配向方向Ｂと垂直方向（ＣＮＴ膜４の長手方向Ａ）には伸縮しにくい構造となっている。従って、ＣＮＴ膜４がＣＮＴ繊維８の配向方向Ｂと垂直方向（ＣＮＴ膜４の長手方向Ａ）に対して剛性が強くなり、当該歪みセンサ１によれば、ＣＮＴ膜４の長手方向Ａの歪みに対して、敏感に検知することができ、さらにリニアリティを高めることができる。なお、当該ＣＮＴ繊維８の連結部１０が主な基点となって、隣り合うＣＮＴ繊維８間に限らず、何本か飛び越えた場所のＣＮＴ繊維８と連結又は接触してもよい。このように、複雑な網目状のＣＮＴ繊維８からなるＣＮＴ膜４であれば、より抵抗値が低くなり、ＣＮＴ繊維８と垂直な方向に剛性の強い歪みセンサすることができる。

【0033】

なお、ＣＮＴ繊維８は、各ＣＮＴ単繊維９が実質的にＣＮＴ繊維８の長手方向Ｂに配向され、撚糸されていない状態のものである。このようなＣＮＴ繊維８を用いることで、ＣＮＴ膜４の均一性を高め、歪みセンサとしてのリニアリティを高めることができる。

【0034】

なお、上記連結部１０において、各ＣＮＴ単繊維９同士は分子間力により結合している。このため、複数のＣＮＴ繊維８が連結部１０により網目状に連結した場合においても、連結部１０の存在による抵抗の上昇が抑えられる。

【0035】

ＣＮＴ膜４の幅の下限としては、１ｍｍが好ましく、１ｃｍがより好ましい。一方、ＣＮＴ膜４の幅の上限としては、１０ｃｍが好ましく、５ｃｍがより好ましい。このようにＣＮＴ膜４の幅を比較的大きくすることで、上述のようにＣＮＴ膜４の抵抗値を下げ、かつ、この抵抗値のバラツキも低減することができる。

【0036】

ＣＮＴ膜４の厚みとしては、特に限定されない。例えば、ＣＮＴ膜４の平均厚みの下限としては、１μｍが好ましく、１０μｍがさらに好ましい。一方、ＣＮＴ膜４の平均厚みの上限としては、５ｍｍが好ましく、１ｍｍがさらに好ましい。ＣＮＴ膜４の平均厚みが上記下限未満の場合は、このような薄膜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４の平均厚みが上記上限を超える場合は、歪みに対する感受性が低下するおそれがある。

【0037】

なお、ＣＮＴ膜４は、ＣＮＴ繊維８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。

【0038】

ＣＮＴ単繊維９（ＣＮＴ）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。

【0039】

上記ＣＮＴ単繊維９（ＣＮＴ）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ＣＮＴ（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、触媒となる鉄あるいはニッケル薄膜を成膜した上に、垂直配向成長した所望する長さのＣＮＴの結晶を得ることができる。

【0040】

保護部５は膜状であり、ＣＮＴ膜４の表面に積層されている。具体的には図１に示すように、保護部５は、ＣＮＴ膜４及び一対の第二導電層７の表面並びに一対の電極３の表面の一部を被覆している。なお、一対の電極３の一部は、保護部５に被覆されず、露出している部分を有する。このように保護部５を積層することで、上記保護部５はＣＮＴ繊維８表面の少なくとも一部と接触し、ＣＮＴ膜４を保護している。特に、当該歪みセンサ１によれば、上記保護部５をＣＮＴ膜４の表面に積層させていることで、不意の接触等によるＣＮＴ膜４の破損、ＣＮＴ繊維８間の隙間への異物混入、または湿気や浮遊ガス等のＣＮＴ繊維８への付着等を抑えることができる。

【0041】

保護部５は、樹脂製である。この樹脂としては、基板２の材料として例示した合成樹脂やゴム等を挙げることができ、これらの中でもゴムが好ましい。ゴムを用いることで、大きな歪みに対しても十分な保護機能を発揮することができる。

【0042】

保護部５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。ＣＮＴは疎水性が高い。そのため、上記保護部を水性エマルジョンから形成すると、例えば塗工や浸漬によりこの保護部を設けた場合、保護部５がＣＮＴ膜４に含浸せずにＣＮＴ膜４表面に積層された状態とすることができる。このようにすることで、保護部５を形成する樹脂がＣＮＴ膜４にしみ込んで、ＣＮＴ膜４の抵抗変化に影響を及ぼすことを抑制し、保護部５の存在によるＣＮＴ膜４の歪み感受性の低下を抑えることができる。水性エマルジョンは乾燥工程を経ることによって、より安定した保護部５とすることができる。

【0043】

上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。また、上記エマルジョンの分散質としては、通常樹脂であり、上述したゴム、特には天然ゴムが好ましい。この好ましいエマルジョンは、分散媒を水とし、ゴムを分散質とする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保護膜を形成することができる。

【0044】

保護部５の厚みとしては、特に限定されず、例えば１０μｍ以上３ｍｍ以下とすることができる。

【0045】

ＣＮＴ膜４は、ＣＮＴ繊維８の配向方向Ｂに沿って開裂可能な部分１１を有する。このように、上記ＣＮＴ膜４にＣＮＴ繊維８の配向方向Ｂに沿って開裂可能な部分１１を形成することで、抵抗変化の過渡応答性が高まり、より大きな歪み（伸縮）に対しても優れたセンサ機能を発揮することができる。この場合、開裂可能な部分１１に接触する保護部５は大きく変形し、一方開裂しない部分に接触する保護部５は変形が小さいこととなる。

【0046】

当該歪みセンサ１によれば、ＣＮＴ膜４がこのように設けられていることで、基板２の歪みに応じて、ＣＮＴ膜４が歪み（伸縮し）、ＣＮＴ膜４の抵抗が変化するため、歪みを検知するセンサとして機能することができる。なお、基板２の歪みは、長手方向Ａの伸縮のみではなく、基板２の法線方向の変形や、長手方向を軸としたねじれ等も含む。当該歪みセンサ１によれば、このような基板２の歪みも検知することができる。また、当該歪みセンサ１によれば、保護部５の存在によりＣＮＴ膜４の破損等を抑制し、センサ機能の持続性を高めることができる。

【0047】

（製造方法）
歪みセンサ１の製造方法としては、特に限定されないが、例えば以下の製造工程で製造することができる。

【0048】

（１−１）スライドガラスをラテックスや樹脂溶液に浸漬し、その後乾燥させる。このようにすることで、スライドガラス両面に樹脂製の平面視矩形状の基板２を形成することができる。なお、スライドガラス以外の他の板材を用いてもよい。

【0049】

（１−２）この基板２の長手方向両端部分に導電性ゴム系接着剤を塗布し、一対の第一導電層６を形成する。次いで、各第一導電層６の表面に電極３を積層させる。

【0050】

（１−３）次いで、図３に示すように、ＣＮＴ繊維８をスライドガラス（基板２）上の電極３間に巻き付けていき、ＣＮＴ膜４を形成する。このようにすることで、一方向（一対の電極３の対向方向と略垂直方向）に配向する複数のＣＮＴ繊維８からなるＣＮＴ膜４を得ることができる。この際、スライドガラス（基板２）の両端を一対の支持具１３で挟持し、スライドガラス（基板２）の長手方向を軸に回転させることで、ＣＮＴ繊維８を巻き付けることができる。なお、スライドガラスの幅方向両端部分をマスキングテープ１２等によりマスクしておいてもよい。

【0051】

なお、上記ＣＮＴ繊維８は、ＣＶＤ法により基板上に垂直配向成長したＣＮＴ単繊維９（ＣＮＴ）の結晶を撚糸せずにそのまま引き出すことで得ることができる（図５参照）。このようにして得られたＣＮＴ繊維８は、複数のＣＮＴ単繊維９からなり、このＣＮＴ短繊維９同士が長手方向に連結する連結部を有する構造となっている。

【0052】

また、直接スライドガラスにＣＮＴ繊維８を巻き付けずに、他の板材又は筒材等にＣＮＴ繊維８を巻き付けて形成したＣＮＴ膜４を用いることもできる。

【0053】

（１−４）ＣＮＴ膜４形成後、例えばイソプロピルアルコールやエタノール等の溶媒をＣＮＴ膜４に噴霧するか、又はこの溶媒に浸した後、乾燥させることが好ましい。この工程を経ることで、ＣＮＴ膜４と基板２との密着性を高めることができると共に、ＣＮＴ膜４を構成するＣＮＴ繊維８を高密度化することができる。なお、このようにＣＮＴ繊維８を高密度化することによって、ＣＮＴ繊維同士の接触面積をあらかじめ増やすことができ、ＣＮＴ膜４の抵抗を下げて消費電力を下げる効果と、歪みを加えた時に抵抗変化の感度を高める効果を得ることができる。

【0054】

（１−５）このＣＮＴ膜４の長手方向両端部分に、電極３の一部を露出するように導電性ゴム系接着剤を塗布し、一対の第二導電層７を形成する。

【0055】

（１−６）次いで、スライドガラスも含めた全体をラテックスに浸漬するか、あるいはＣＮＴ膜４の表面にラテックスを塗布することで保護部５を形成する。このようにラテックスを用いることで、保護部５をＣＮＴ膜４表面に積層させることができる。なお、この際、電極３の一部は露出するように保護部５を形成する。ラテックスは上述のとおり水性エマルジョンであり、親水性を有する。

【0056】

（１−７）保護部５形成後、スライドガラスの両面からこれらの積層体を切り出すことで、少なくとも１対の歪みセンサ１を得ることができる。スライドガラスにおける幅方向両端部分は切り落としてもよい。また、長手方向に分断することで、片面から複数の歪みセンサ１を製造することもできる。なお、スライドガラスから切り出した後、歪みセンサを電極３の対向方向に伸張させて、ＣＮＴ膜４や保護膜５に開裂可能な部分１１を形成することができる。

【0057】

＜第二実施形態＞
図４の歪みセンサ２１は、基板２、一対の電極１３、ＣＮＴ膜１４、保護部１５及び樹脂層１６を主に備える。基板２は、図１の歪みセンサ１と同様であるので、同一番号を付して説明を省略する。

【0058】

ＣＮＴ膜１４は、基板２の表面に直接積層されている。また、このＣＮＴ膜１４を構成するＣＮＴ繊維８の隙間のすくなくとも一部に、後に詳述する保護部１５が存在している。このように、ＣＮＴ膜１４を構成するＣＮＴ繊維８の隙間の少なくとも一部に保護部１５を配置しても、不意の接触等によるＣＮＴ膜１４の破損、ＣＮＴ繊維間の隙間への異物混入、または湿気や浮遊ガス等のＣＮＴへの付着等を抑える効果を得ることができる。加えて、このように保護部をＣＮＴ繊維８の隙間に存在させることで、ＣＮＴ膜１４が伸張した際にＣＮＴ膜１４の膜厚が小さくなり、複数のＣＮＴ繊維８同士が基板の厚さ方向に接近することによって抵抗が低下することを抑えることができる。

【0059】

ＣＮＴ膜１４は、ＣＮＴ繊維８の配向方向Ｂに沿って開裂可能な部分１７を有する。このように、上記ＣＮＴ膜１４にＣＮＴ繊維８の配向方向Ｂに沿って開裂可能な部分１７を形成することで、抵抗変化の過渡応答性が高まり、より大きな歪み（伸縮）に対しても優れたセンサ機能を発揮することができる。

【0060】

ＣＮＴ膜１４における上記以外の点（形状、構造、材質等）は、図１の歪みセンサ１のものと同様であるので、詳細な説明を省略する。

【0061】

保護部１５は主に樹脂から構成され、この微粒子状の樹脂から形成されていることが好ましい。保護部１５を形成する成分としては、疎水性の有機溶媒中で溶けずに微粒子として存在可能であることが好ましい。疎水性の有機溶媒に分散された微粒子はＣＮＴ膜１４に含浸されやすくなる。この保護部１５を構成する樹脂（微粒子）は、ＣＮＴ膜１４を構成するＣＮＴ繊維８の隙間の少なくとも一部に配置されている。すなわち、保護部１５は、ＣＮＴ膜１４に含浸するようにＣＮＴ繊維８の隙間の少なくとも一部に配置される。さらに、ＣＮＴ膜１４の表面の少なくとも一部やＣＮＴ１４の表面を構成するＣＮＴ繊維８の隙間の少なくとも一部にも保護部１５は配置される。

【0062】

このような保護部１５は、疎水性の有機溶媒を分散媒とし、樹脂等を分散質（微粒子）とて用いた油性エマルジョンを、ＣＮＴ膜１４表面に塗布又は浸漬させることにより好適に形成することができる。上記油性エマルジョンにおける微粒子の固形分濃度としては、１質量％以上２０質量％以下が好ましく、５質量％以上１０質量％以下がより好ましい。このように比較的低濃度の微粒子を含む油性エマルジョンを塗布又は浸漬させることで、保護部１５をＣＮＴ膜１４を構成するＣＮＴ繊維８の隙間へ配置することが可能になる。保護部１５はＣＮＴ繊維８の隙間の少なくとも一部に配置されるので、ＣＮＴ膜１４の中に保護部１５が存在していても、ＣＮＴ膜１４が歪みに対して歪みセンサとして抵抗変化をすることができる。

【0063】

上記疎水性の有機溶媒は、特に限定されないが、例えばトルエンを用いることができる。また、上記保護部１５を構成する樹脂（微粒子）としては、上述した合成樹脂やゴムを挙げることができるが、ポリスチレンが好ましい。ポリスチレンは伸縮性を有する樹脂であるので歪みセンサに好適といえる。

【0064】

また、ＣＮＴ膜１４の抵抗値を下げたい場合の樹脂としては、導電性ゴム系接着剤等、導電性添加剤を含むものが好ましい。このようにすることで、保護部１５に導電性添加剤を含ませることができ、保護部１５をＣＮＴ膜１４の中に存在させることによるＣＮＴ膜１４の抵抗の上昇を抑え、センサ機能を維持することができる。

【0065】

上記導電性添加剤としては、特に限定されず、例えばカーボンブラックやカーボン繊維等の炭素系添加剤、金属（銀、銅、アルミニウム等）粉や金属繊維等の金属系添加剤などを挙げることができる。これらの中でも、ＣＮＴとの親和性に優れ、ＣＮＴ膜１４内で均一に分散することができる炭素系添加剤が好ましい。

【0066】

なお、保護部１５にも、ＣＮＴ膜１４と同様に、ＣＮＴ繊維８の配向方向に沿って開裂可能な部分１７が形成されている。従って、当該歪みセンサ２１においては、電極１３の対向方向に対する伸張に対して、ＣＮＴ膜１４及び保護部１５が一体的に伸張することができる。また、当該歪みセンサ２１によれば、このように形成された保護部１５によりＣＮＴ膜１４の形状が記憶されていることで、優れた過渡応答性を発揮することができる。

【0067】

一対の電極１３は、基板２及びＣＮＴ膜１４の長手方向両端部分に形成されている。すなわち、一対の電極１３は、ＣＮＴ膜１４におけるＣＮＴ繊維８の配向方向とは異なる方向（略垂直方向）の両端に配設されている。この一対の電極１３は、ＣＮＴ膜１４の両端部分と電気的に接続している。

【0068】

電極１３を形成する材料としては、導電性を有する限り特に限定されないが、導電性接着剤により形成することが好ましい。導電性接着剤を用いることで、基板２、ＣＮＴ膜１４及び保護部１５の固着性を高めることができる。さらに、導電性接着剤を用いることで、ＣＮＴ膜１４表面に塗布した際、この導電性接着剤が含浸し、ＣＮＴ膜１４と接着剤（電極１３）とを容易に接触させることができる。

【0069】

樹脂層１６は、電極１３とＣＮＴ膜１４との接続部分表面に形成されている。歪みセンサ２１が樹脂層１６を備えることで、電極１３とＣＮＴ膜１４との接着性を高め、当該歪みセンサ２１の持続性を高めることができる。樹脂層１６を形成する樹脂としては、特に限定されず、上述した合成樹脂やゴム等を用いることができる。

【0070】

（製造方法）
歪みセンサ２１の製造方法としては、特に限定されないが、例えば以下の製造工程で製造することができる。

【0071】

（２−１）第一実施形態と同様、スライドガラス等をラテックスや樹脂溶液に浸漬し、その後乾燥させる。このようにすることで、スライドガラス両面に樹脂製の平面視矩形状の基板２を形成することができる。

【0072】

（２−２）次いで、ＣＮＴ繊維をスライドガラスの幅方向に巻き付けていき、ＣＮＴ膜１４を基板２上に形成する。または、別途形成したＣＮＴ膜１４を基板２上に積層させてもよい。ＣＮＴ膜１４を形成後、第一実施形態と同様に、溶媒をＣＮＴ膜に噴霧又は浸漬させることが好ましい。この工程を経ることで、ＣＮＴ膜１４と基板２との密着性を高めることができると共に、ＣＮＴ膜１４を構成するＣＮＴ繊維８を高密度化することができる。このようにＣＮＴ繊維８を高密度化することによって、ＣＮＴ繊維同士の接触面積をあらかじめ増やすことができ、ＣＮＴ膜１４の抵抗を下げて消費電力を下げる効果と、歪みを加えた時に抵抗変化の感度を高める効果を得ることができる。

【0073】

（２−３）ＣＮＴ膜１４の表面に油性エマルジョン（例えば、微粒子状の樹脂が分散されたトルエン）を塗布し、保護部１５をＣＮＴ膜１４に含浸させる。このようにすることで、ＣＮＴ膜１４を構成するＣＮＴ繊維８の少なくとも一部に微粒子状の樹脂が配置される。具体的には、上記エマルジョンをＣＮＴ膜１４の表面に塗布することによって、ＣＮＴ膜１４の表面の少なくとも一部や、ＣＮＴ膜１４の表面を構成するＣＮＴ繊維８の隙間の少なくとも一部にも保護部１５は配置され、ＣＮＴ膜１４の表面も保護する。また、保護部１５はＣＮＴ繊維８を包んでいる場所があってもよい。また、この油性エマルジョンとしては、上述したように、導電性ゴム系接着剤をトルエンにて分散させたものを好適に用いてＣＮＴ膜１４の抵抗値を下げることもできる。

【0074】

（２−４）保護部１５形成後、保護部１５の長手方向両端部分に導電性ゴム系接着剤等を塗布することで、電極１３を形成する。

【0075】

（２−５）次いで、電極１３とＣＮＴ膜１４との接続部分に、例えば弾性接着剤やラテックスを塗布し、樹脂層１６を形成する。

【0076】

（２−６）樹脂層１６形成後、スライドガラスから上記積層体切り出すことで、両面から少なくとも１対の歪みセンサ２１を得ることができる。なお、スライドガラスから切り出した後、歪みセンサを電極１３の対向方向に伸張させて、ＣＮＴ膜１４や保護膜１５に開裂可能な部分１７を形成することができる。

【0077】

＜その他の実施形態＞
本発明の歪みセンサは上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第一実施形態の製造工程中、工程（１−６）において水性エマルジョンの代わりに油性エマルジョンを用いることで、保護部がＣＮＴ膜を構成するＣＮＴ繊維の隙間の少なくとも一部に存在する歪みセンサとすることができる。逆に、第二実施形態の製造工程中、工程（２−３）において油性エマルジョンの代わりに水性エマルジョンを用いることで、保護部がＣＮＴ膜表面に積層された歪みセンサとすることができる。さらに、ＣＮＴ膜表面に保護部を積層する際、樹脂フィルムをＣＮＴ膜表面に積層させてもよい。

【0078】

また、当該歪みセンサにおいて、保護部はＣＮＴ繊維表面の少なくとも一部と接触していればよく、例えばＣＮＴ膜の表面近傍のみ等、ＣＮＴ膜の一部のみに保護膜を形成する樹脂が含浸しているものであってもよい。さらには、ＣＮＴ繊維間の隙間の少なくとも一部に保護部を有しつつ、ＣＮＴ膜に保護部が積層されている構成であってもよい。このような歪みセンサにおいても、保護部によりＣＮＴ膜が保護されるので、当該歪みセンサの持続性を高めることができる。

【0079】

また、基板は、完全な直方体からなる板状体に限定されるものではなく、変形させて用いることもできる。例えば、筒状や波状とすることで、当該歪みセンサの用途を広げることができる。ＣＮＴ繊維としても、ＣＮＴを紡いで得られたＣＮＴファイバー等を用いてもよい。さらには、ＣＮＴ膜において、一対の電極の対向方向と垂直方向に対向するさらにもう一対の電極を設けてもよい。このように直交する２対の電極を設けることで、当該歪みセンサを二次元センサとして用いることもできる。また、当該歪みセンサの表面を粘着性を有する樹脂で被覆することによって、人体、構造物等の歪みを検出したい場所へ簡易に貼り付けて用いることもできる。

【実施例】

【0080】

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0081】

［実施例１］
（１−１）スライドガラスをラテックスに浸漬し、その後乾燥させた。上記ラテックスとしては、天然ゴムラテックスを用いた。この乾燥は、常温で８時間行った。このようにすることで、スライドガラス両面にゴム製の平面視矩形状の基板を形成した。
（１−２）次いで、基板の長手方向両端部分に導電性ゴム系接着剤を塗布し、一対の第一導電層を形成した。次いで、各第一導電層の表面に電極を積層した。上記電極としては、メッシュ状の電極を用いた。
（１−３）次いで、ＣＮＴ繊維をスライドガラスの幅方向に巻き付けていき、ＣＮＴ膜を形成した。この際、スライドガラスの幅方向両端部分をマスキングテープ等によりマスクして行った。
なお、上記ＣＮＴ繊維は、ＣＶＤ法により基板上に垂直配向成長したＣＮＴ分子の結晶を撚糸せずにそのまま引き出すことで形成した（図５参照）。
（１−４）ＣＮＴ膜形成後、エタノールをＣＮＴ膜に噴霧し、ドライヤーにより乾燥させた。
（１−５）次いで、ＣＮＴ膜の長手方向両端部分に、電極の一部を露出するように導電性ゴム系接着剤を塗布し、１２０℃で１時間乾燥させることで一対の第二導電層７を形成した。
（１−６）次いで、電極の一部を露出するように表面にラテックスを塗工し、その後、常温で８時間乾燥させることで、ＣＮＴ膜表面に保護部を形成した。このラテックスとしては、天然ゴムラテックスを用いた。
（１−７）保護部形成後、スライドガラスから切り出すことで、両面からそれぞれ１つの実施例１の歪みセンサ（図１の形状の歪みセンサ）を得た。

【0082】

［実施例２］
上記工程（１−６）の代わりに、下記工程（１−６’）を行ったこと以外は、実施例１と同様の操作をして、実施例２の歪みセンサを得た。
（１−６’）ＣＮＴ膜表面に、油性エマルジョン（分散媒としてのトルエンにて希釈した導電性ゴム系接着剤：固形分濃度８質量％）を塗布し、この接着剤をＣＮＴ膜中に含浸させた。この塗布は２回に分けて行った。塗布後常温で３０分間乾燥させた。この方法で、保護部を形成し、ＣＮＴ膜を構成するＣＮＴ繊維の隙間の少なくとも一部に保護部が存在するようにした。

【0083】

［実施例３］
（２−１）実施例１と同様の操作により、スライドガラス両面にゴム製の平面視矩形状の基板を形成した。
（２−２）次いで、ＣＮＴ繊維をスライドガラスの幅方向に巻き付けていき、ＣＮＴ膜を形成した。ＣＮＴ膜形成後、エタノールをＣＮＴ膜に噴霧し、ドライヤーにより乾燥させた。
（２−３）ＣＮＴ膜の表面に油性エマルジョンを塗布し、油性エマルジョン中の樹脂をＣＮＴ膜に含浸させることで、保護部を形成した。この油性エマルジョンとしては、分散媒としてのトルエンによって希釈した導電性ゴム系接着剤（固形分濃度８質量％）を用いた。この塗布は２回に分けて行った。塗布後常温で３０分間乾燥させた。この方法で、保護部を形成し、保護部がＣＮＴ膜を構成するＣＮＴ繊維の隙間に存在するようにした。なお、この導電性ゴム系接着剤には、導電性添加剤として、カーボンブラックが含有されているものを用いた。
（２−４）保護部形成後、ＣＮＴ膜の長手方向両端部分に導電性ゴム系接着剤を塗布し、電極を形成した。
（２−５）次いで、電極とＣＮＴ膜との接続部分に、弾性接着剤を塗布し、樹脂層を形成した。塗布後常温で８時間放置することで、接着剤を硬化させた。
（２−６）樹脂層形成後、スライドガラスから切り出し、両面からそれぞれ１つの歪みセンサを得た。この歪みセンサを電極の対向方向に伸張させて、ＣＮＴ膜に開裂可能な部分を形成させ、実施例３の歪みセンサ（図４の形状の歪みセンサ）を得た。

【0084】

［実施例４］
上記工程（２−３）以降を、下記工程（２−３’）以降に替えたこと以外は、実施例３と同様の操作をして、実施例４の歪みセンサを得た。
（２−３’）ＣＮＴ膜形成後、ＣＮＴ膜の長手方向両端部分に導電性ゴム系接着剤を塗布し、電極を形成した。塗布後、常温で１時間乾燥させた。
（２−４’）次いで、電極の一部を露出するように表面にラテックスを塗工し、その後、常温で８時間乾燥させることで、ＣＮＴ膜表面に膜状の保護部を形成した。このラテックスとしては、天然ゴムラテックスを用いた。
（２−５’）保護部形成後、スライドガラスから切り出し、両面からそれぞれ１つの歪みセンサを得た。この歪みセンサを電極の対向方向に伸張させて、ＣＮＴ膜及び保護部に開裂可能な部分を形成させた。

【0085】

［評価］
実施例１〜４で得られた歪みセンサを用いてセンサ機能を確認した。いずれの歪みセンサも、伸張時には両電極間の抵抗値が上昇し、元の状態に戻した時には抵抗値が元の状態に戻った。

【0086】

実施例２で得られた歪みセンサについて、両電極間を約２０％〜１００％の間で伸張させ、抵抗値の変化を測定した。抵抗値は両電極間をデジタルマルチメーターで測定した。測定結果を図６に示す。このように、伸び率と抵抗との間には高いリニアリティがあることがわかる。

【産業上の利用可能性】

【0087】

以上説明したように、本発明の歪みセンサは、ＣＮＴ膜が保護部で保護されていることで持続性に優れ、また、センサとして十分に機能し、圧力センサ、ロードセル、トルクセンサ、位置センサ等として広く利用することができる。

【符号の説明】

【0088】

１、２１ 歪みセンサ
２ 基板
３、１３ 電極
４、１４ ＣＮＴ膜
５、１５ 保護部
６ 第一導電層
７ 第二導電層
８ ＣＮＴ繊維
９ ＣＮＴ単繊維
１０、１０ａ、１０ｂ 連結部
１１、１７ 開裂可能な部分
１２ マスキングテープ
１３ 支持具
１６ 樹脂層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図6】

【図5】