本发明涉及应变传感器元件。
背景技术：
近年来，作为例如机器人、可穿戴设备等的检测元件，对伸缩应变进行检测的应变传感器元件的用途广泛。伴随于此，对应变传感器元件的需求也变得多样化，也存在对线状乃至绳状应变传感器元件的需求。
作为线状应变传感器元件，提出了一种应变传感器(元件)，具备线状的导体相(芯材)和覆盖该导体相的绝缘性的覆盖层，该线状的导体相具有有机质相，该有机质相通过对在长度方向上排列的多个绝缘性纤维和在该多个绝缘性纤维之间填充的有机高分子材料进行加热处理而具有导电性(参照特开2005-337819号公报)。
上述公报所述的应变传感器由于形成了使有机高分子材料碳化而显现导电性的导体相，因此在施加大的应变时导体相会断裂。因此，上述公报所述的应变传感器能够测定的伸缩应变的范围较小。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2005-337819号公报
技术实现要素：
发明所要解决的技术问题
鉴于上述不便，本发明的课题在于提供一种能够检测出较大的伸缩应变的线状应变传感器元件。
用于解决技术问题的技术方案
为了解决上述课题而做出的发明是阻值随着长度方向的伸缩而变化的应变传感器元件，其特征在于，具备：由碳纳米管束形成的线状的第一导电部和覆盖该第一导电部的周面并且具有伸缩性和导电性的第二导电部，所述第一导电部在一个或多个部位断裂。
在该应变传感器元件中，通过第二导电部来覆盖第一导电部的周面，第一导电部在一个或多个部位断裂，由此具有：第一导电部未断裂的部分、即第一导电部与第二导电部并联连接的电阻较小的部分；第一导电部断裂的部分、即仅由第二导电部构成而电阻较大的部分。该应变传感器元件的两端之间的阻值成为所述电阻较小的部分与电阻较大的部分串联连接的电路的阻值。在该应变传感器元件伸缩时，由于该伸缩，断裂的部分的间距、即电阻较大的部分的比例发生增减，由此该应变传感器元件的两端之间的阻值发生变化。通过这样的机构以阻值的变化来检测伸缩应变，因此该应变传感器元件能够较为准确地检测出较大的伸缩应变。
优选所述第二导电部具有碳纳米管束和含浸于该碳纳米管束的树脂组成物。这样，所述第二导电部具有碳纳米管束和含浸于该碳纳米管束的树脂组成物，由此能够得到具有较大的伸缩性和适当的电阻率的第二导电部。由此，能够更可靠地检测出较大的伸缩应变。
优选所述第二导电部具有在第一导电部的外周呈螺旋状卷绕的导电性的带材。这样，所述第二导电部具有在第一导电部的外周呈螺旋状卷绕的导电性的带材，难以发生由伸缩导致的第二导电部的断裂，因此能够检测出更大的伸缩应变。
优选所述带材含有碳纳米管。这样，所述带材含有碳纳米管，由此能够使基于第二导电部的伸缩的电阻变化较小，能够更可靠地检测出较大的伸缩应变。
优选进一步具备覆盖所述第二导电部的周面并且具有伸缩性和绝缘性的覆盖层。这样，通过进一步具有覆盖所述第二导电部的周面且具有伸缩性和绝缘性的覆盖层，能够防止与外部物体的接触引发的第二导电部的损伤，并且防止拉伸应力集中在第一导电部和第二导电部的长度方向的一部分而发生断裂、导致检测值不准确的情况。
发明的效果
如上所述，本发明的应变传感器元件能够检测出较大的伸缩应变。
附图说明
图1是本发明一实施方式的应变传感器元件的径向剖面示意图。
图2是图1的应变传感器元件的轴向剖面示意图。
图3是表示图1的应变传感器元件的初始状态下的电阻的电路图。
图4是表示图1的应变传感器元件的伸长状态下的电阻的电路图。
图5是本发明的与图1不同的实施方式的应变传感器元件的正面分解示意图。
具体实施方式
以下，适当地参照附图，对本发明的实施方式详细地进行说明。
【第一实施方式】
图1的应变传感器元件形成为线状，其阻值(电阻)随着长度方向的伸缩而变化。因此，该应变传感器元件能够通过测定两端之间的阻值来检测伸缩应变。
该应变传感器元件具备：由碳纳米管束形成的线状的第一导电部1；第二导电部2，其覆盖该第一导电部1的周面，并且具有伸缩性和导电性。另外，优选该应变传感器元件进一步具备覆盖层3，其覆盖第二导电部2的周面，并且具有伸缩性和绝缘性。
在该应变传感器元件中，如图2所示，第一导电部1在长度方向上的一个或多个部位断裂。另一方面，第二导电部2不断裂而遍及整个长度方向地连续存在。
在该应变传感器元件中，由于第一导电部1在一个或多个部位断裂，由此具有第一导电部1未断裂的连续区域c和第一导电部1发生断裂的断裂区域b。断裂区域b的长度在该应变传感器元件上未作用有长度方向的拉伸应力的状态下可以为零。也就是说，在无负荷状态下，该应变传感器元件的断裂区域b的长度为零，第一导电部1的相邻的连续区域c彼此之间可以相互接触而导通。
在该应变传感器元件的连续区域c，第一导电部1和第二导电部2并联连接，是长度方向的电阻较小的部分。另一方面，断裂区域b仅由第二导电部2构成，是长度方向的电阻较大的部分。
＜第一导电部＞
第一导电部1能够由碳纳米管束形成。该碳纳米管束是将多个碳纳米管(单纤维)大致在该应变传感器元件的大致长度方向上排列的纤维束。为了对电阻进行调节，碳纳米管束可以含有具有绝缘性的纤维。
另外，优选第一导电部1实质上不含有连接多个碳纳米管之间的基体(树脂)。由此，能够得到高导电性，并且能够较为容易地形成断裂区域b。
该第一导电部1使多个碳纳米管彼此重叠且接触地电连接而形成电流路径，由此具有导电性。作为这样的碳纳米管的集合体的第一导电部1在长度方向上受到强的拉伸应力时会断裂，电流路径被切断。因此，在形成第二导电部2、更优选的是形成覆盖层3后，把持形成断裂区域b的位置的长度方向两侧部分而施加足够大且不使第二导电部2和覆盖层3断裂的程度的拉伸应力，由此有意地使第一导电部1断裂，从而形成该应变传感器元件的断裂区域b。
另外，形成第一导电部1的碳纳米管束拧成一股即可。通过将碳纳米管束拧成一股而成形为线状，能够抑制碳纳米管彼此之间向彼此的长度方向的移动，能够可靠地使断裂区域b的两侧的连续区域c的第一导电部1之间电分离，能够使伸缩应变的检测精度提高。
需要说明的是，在本实施方式中，通过在将碳纳米管束拧成一股而预先形成的一根线状体的表层部分(与长度方向垂直的剖面的外周部分)含浸树脂组成物来形成第二导电部2，以该碳纳米管线的不含浸树脂组成物的中心部为第一导电部1。
作为第一导电部1的平均径的下限，优选为0.5μm，更优选的是5μm。另一方面，作为第一导电部1的平均径的上限，优选为5mm，更优选的是1mm。在第一导电部1的平均径没有达到所述下限的情况下，第一导电部1的电阻变大，由此该应变传感器元件的电阻的初始值变大，存在检测精度不充分的问题。相反，在第一导电部1的平均径超过所述上限的情况下，存在难以形成第一导电部1和第一导电部1的中心部的碳纳米管伸出到断裂区域b而引发短接，由此不能准确地检测伸缩应变的问题。
(碳纳米管)
作为构成形成第一导电部1的碳纳米管束的碳纳米管，能够使用单层单壁碳纳米管(swnt)、多层多壁碳纳米管(mwnt)中的任一种。其中，从导电性和热容量等的点出发，优选为mwnt，更优选的是直径1.5nm以上100nm以下的mwnt。
碳纳米管能够通过公知的方法制造，例如能够通过cvd法、电弧放电法、激光剥蚀法、dips法、comocat法等制造。其中，从高效地得到所期望的尺寸的碳纳米管(mwnt)这一点出发，优选以铁为催化剂，通过使用气体乙烯的cvd法制造。在这种情况下，在石英玻璃基板或带氧化镁的硅基板等基板上形成成为催化剂的铁或镍薄膜，能够得到垂直排列地成长的所期望的长度的碳纳米管的结晶。
(绝缘性纤维)
第一导电部1中的绝缘性纤维的配合率能够根据所要得到的电阻而确定。作为第一导电部1中的绝缘性纤维的配合率的下限，为0％。另一方面，作为绝缘性纤维的配合率的上限，优选为50体积％。在绝缘性纤维的配合率超过所述上限的情况下，碳纳米管之间的接触不可靠，存在该应变传感器元件的检测精度不足的问题。
作为绝缘性纤维，能够使用任意的化学纤维。虽然绝缘性纤维不必具有伸缩性，但通过使用具有伸缩性的绝缘性纤维，能够提高第一导电部1的强度。作为能够作为绝缘性纤维使用的具有伸缩性的纤维，例如能够举出弹性合成纤维(伸缩性聚氨酯纤维)等。
另外，作为绝缘性纤维的直径，能够选择与碳纳米管相同的范围，优选为与碳纳米管大致相等。
作为由碳纳米管形成碳纳米管束进而形成第一导电部1的方法，能够举出在成长用基板上形成催化剂层，通过cvd法使在一定的方向上排列的多个碳纳米管成长，与纺制天然线同样地将多个碳纳米管连续抽出的方法。绝缘性纤维的混线例如能够通过在形成有碳纳米管的成长用基板上散布绝缘性纤维来实现。也就是说，通过抽出成长用基板上的一部分的碳纳米管，伴随于此，其他碳纳米管和绝缘性纤维在一个方向上被抽出而能够抽出连续的碳纳米管束。可以将该碳纳米管束捆成多束或拧成一股而作为第一导电部1使用。
＜第二导电部＞
在图1的应变传感器元件中，第二导电部2具有碳纳米管束和含浸于该碳纳米管束的树脂组成物。
如上所述，在本实施方式中，该第二导电部2的碳纳米管束与构成第一导电部1的碳纳米管束一体地拧在一起。也就是说，第二导电部2是通过将碳纳米管束拧成一股而预先形成的一根线状体的与长度方向垂直的剖面的周边部分，是含浸了树脂组成物的部分。
作为第二导电部2的平均厚度的下限，优选为0.5μm，更优选的是20μm。另一方面，作为第二导电部2的平均厚度的上限，优选为2mm，更优选的是1mm。在第二导电部2的平均厚度不满足所述下限的情况下，存在第二导电部2的强度不足的问题。相反，在第二导电部2的平均厚度超过所述上限的情况下，存在第二导电部2的电阻率变得过小的问题。
(树脂组成物)
含浸于第二导电部2的碳纳米管束的树脂组成物以具有绝缘性和伸缩性的合成树脂或橡胶为主成分。该树脂组成物具有绝缘性，由此，如后所述，能够通过该应变传感器元件的两端之间的阻值而将第二导电部2的电阻率设定为适合检测伸缩应变的范围。
作为第二导电部2的树脂组成物的主成分，尤其优选的是橡胶。通过使用橡胶，能够进一步提高第二导电部2的柔软性。
作为所述合成树脂，能够举出例如酚醛树脂(pf)、环氧树脂(ep)、三聚氰胺树脂(mf)、尿素树脂(脲醛树脂，uf)、不饱和聚酯树脂(up)、醇酸树脂、聚氨酯(pur)、热固化性聚酰亚胺(pi)、聚乙烯(pe)、高密度聚乙烯(hdpe)、中密度聚乙烯(mdpe)、低密度聚乙烯(ldpe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯(ps)、聚醋酸乙烯(pvac)、丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂(abs)、苯乙烯丙烯腈树脂(as)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚酰胺(pa)、聚缩醛(pom)、聚碳酸酯(pc)、改性聚苯醚(m-ppe)、聚对苯二甲酸丁二酯(pbt)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、环状聚烯烃(cop)等。
作为所述橡胶，能够举出例如天然橡胶(nr)、异丁橡胶(iir)、异戊二烯橡胶(ir)、三元乙丙橡胶(epdm)、丁二烯橡胶(br)、聚氨酯橡胶(u)、丁苯橡胶(sbr)、硅橡胶(q)、氯丁橡胶(cr)、氯磺化聚乙烯橡胶(csm)、丁腈橡胶(nbr)、氯化聚乙烯(cm)、丙烯酸橡胶(acm)、环氧氯丙烷橡胶(co、eco)、氟橡胶(fkm)、pdms等。在这些橡胶中从强度的观点出发优选为天然橡胶。
另外，优选第二导电部2的树脂组成物由水性乳浊液形成。水性乳浊液是分散溶剂的主成分为水的乳浊液。由于碳纳米管疏水性高，因此例如通过在由碳纳米管束形成的碳纳米管线上涂布或浸渍含浸水性乳浊液来形成第二导电部2，并且在碳纳米管线的中心部形成不含浸树脂组成物的第一导电部1。需要说明的是，水性乳浊液经过干燥工序能够形成更为稳定的第二导电部2。
上述水性乳浊液的分散溶剂的主成分为水，但也可以含有其他例如酒精等亲水性分散溶剂。作为上述乳浊液的分散溶质，通常为树脂，优选为前述橡胶、尤其优选为天然橡胶。另外，作为分散溶质可以使用聚氨酯。作为优选的乳浊液，能够举出以水为分散溶剂、以橡胶为分散溶质的所谓的乳胶，更优选的是天然乳胶。通过使用天然乳胶，能够形成薄且有强度的第二导电部2。
另外，第二导电部2的树脂组成物可以含有耦合剂。通过使第二导电部2的树脂组成物含有耦合剂，能够使第二导电部2与碳纳米管的接合力增大而使第二导电部2的可靠性提高。
作为上述耦合剂，能够使用例如氨基硅烷类耦合剂、氨基钛耦合剂、氨基铝耦合剂等氨基耦合剂或硅烷耦合剂等。
作为耦合剂相对于100质量份数的第二导电部2的树脂成分的含量的下限，优选为0.1质量份数，更优选的是0.5质量份数。另一方面，作为耦合剂相对于100质量份数的第二导电部2的树脂成分的含量的上限，优选为10质量份数，更优选的是5质量份数。在耦合剂的含量不足所述下限的情况下，存在不能充分地提高相对于碳纳米管的密接性的问题。相反，在耦合剂的含量超过所述上限的情况下，不利于树脂与碳纳米纤维结合的残留胺等增加，存在该应变传感器元件的品质降低的问题。
另外，优选第二导电部2的树脂组成物含有具有吸附性的分散剂。作为具有这样的吸附性的分散剂，能够使用吸附基部分成为盐构造的分散剂(例如烷基铵盐等)、在分子中具有能够与第一导电部1的疏水性基(例如烷基链、芳香族环等)相互作用的亲水性基(例如聚醚等)的分散剂等。
作为上述分散剂相对于第二导电部2中的树脂组成物中的100质量份数的树脂成分的含量的下限，优选为0.1质量份数，更优选的是1质量份数。另一方面，作为分散剂相对于100质量份数的树脂成分的含量的上限，优选为5质量份数，更优选的是3质量份数。在分散剂的含量不足所述下限的情况下，存在第一导电部1与第二导电部2的接合力不充分的问题。相反，在分散剂的含量超过所述上限的情况下，不利于与第一导电部1接合的分散剂增加，存在该应变传感器元件的品质下降的问题。
＜覆盖层＞
覆盖层3以具有绝缘性和伸缩性的合成树脂或橡胶为主成分，通过覆盖第二导电部2的周面来防止碳纳米管与周围的物体接触而发生损伤或异物混入第二导电部2而妨碍碳纳米管之间的电接触。
作为覆盖层3的材质，能够与第二导电部2的树脂组成物为相同的材质。另外，在如上所述地使树脂组成物含浸于碳纳米管线的表层部而形成第二导电部2的情况下，覆盖层3可以通过在碳纳米管线上过度地涂布树脂组成物，使其不含浸于碳纳米管线的内部而作为残留在碳纳米管线的周围的树脂组成物层形成。
作为覆盖层3的平均厚度的下限，优选为0.1μm，更优选的是0.2μm。另一方面，作为覆盖层3的平均厚度的上限，优选为2mm，更优选的是1mm。在覆盖层3的平均厚度不足所述下限的情况下，存在第一导电部1与第二导电部2的保护不充分的问题。相反，在覆盖层3的平均厚度超过所述上限的情况下，存在阻碍该应变传感器元件的伸缩的问题。
＜应变检测＞
接下来，对上述结构的该应变传感器元件的伸缩应变的检测原理进行说明。
图3表示以第一导电部1的每微小单位长度的阻值为r1[ω]、第二导电部2的每微小单位长度的阻值为r2[ω]，无负荷状态下第一导电部1的微少单位长度的数量(将长度除以微小单位长度得到的数量)为l[个]、断裂区域b的长度为零的该应变传感器元件的两端之间的电阻的模型。
图3的无负荷状态下的应变传感器元件的两端之间的阻值(初始值)r0[ω]能够通过下式(1)表示。
r0＝l×(r1×r2)/(r1+r2)···(1)
将图3的应变传感器元件延长长度g[微小单位长度的数量]的模型如图4所示。在该模型中，第一导电部1的微小单位长度的数量l为一定，断裂区域b的微小单位长度的数量为g[个]。需要说明的是，断裂区域b在多个部位分散形成，但在电学上是等价的因而仅以一个部位表示。另外，严格地说，由于伸缩，第二导电部2的截面积减少而每微小单位长度的阻值r2增大，但在本模型中认为阻值r2一定而进行说明。
以断裂区域b的微小单位长度的数量为g[个]、作为该应变传感器元件的长度的变化量的函数，图4的应变传感器元件的两端之间的阻值r(g)能够通过下式(2)表示。
r(g)＝l×(r1×r2)/(r1+r2)+g×r2···(2)
在该应变传感器元件中，通过增大第二导电部2的每微小单位长度的阻值r2能够使阻值的变化量、即式(1)所示的阻值的初始值与式(2)所示的伸长时的阻值的差较大。另外，通过减小第一导电部1的每微小单位的阻值r1，能够不减小阻值的变化量地使式(1)所示的无负荷状态下的阻值较小。
能够通过这样的原理使阻值变化的该应变传感器元件不需要增大实质上伸缩的第二导电部2的阻值变化(可以不变化)，因此增大第二导电部2的伸缩性较为容易。因此，该应变传感器元件能够较为准确地检测出较大的伸缩应变。并且，由于断裂区域为空间，因此第一导电部1的端面容易动作而能够得到快速的响应性。
【第二实施方式】
图5所示的本发明另一实施方式的应变传感器元件具备：由碳纳米管束形成的线状的第一导电部11；覆盖该第一导电部11的周面并且具有伸缩性和导电性的第二导电部12；覆盖该第二导电部12的周面，并且具有伸缩性和绝缘性的覆盖层13。
在该应变传感器元件中，第一导电部11在长度方向的一个或多个部位断裂。另一方面，第二导电部12不断裂而遍及全长地连续存在。
图5的应变传感器元件的第一导电部11和覆盖层13能够采用与图1的应变传感器元件的导电部1和覆盖层3相同的结构。因此，省略对图5的应变传感器元件的第一导电部11和覆盖层13的重复说明。
＜第二导电部＞
第二导电部12具有在第一导电部11的外周卷绕为螺旋状的导电性的带材w。这样，通过将带材w卷绕为螺旋状，能够在第一导电部11的周围可靠地层叠第二导电部12。
另外，通过这种方式卷绕为螺旋状的带材w能够像线圈弹簧那样伸缩，因此即使该应变传感器元件的伸缩变大也难以断裂，因此能够使该应变传感器元件能够检测的伸缩应变的范围较大。
作为图5的应变传感器元件的第二导电部12的平均厚度，能够与图1的应变传感器元件的第二导电部2的平均厚度相同。
作为带材w，只要具有导电性和可挠性即可，例如能够使用将树脂组成物含浸于导电性纤维的纺布、无纺布、编织物等的带材、或使用在树脂基体中含有导电性粒子乃至纤维的带材。
带材w向大致一个一方向、优选为向带材w的长度方向被抽出而具有彼此接触的多个导电性纤维。这样，带材w包含容易维持彼此的接触状态的纤维状的导电体，由此能够抑制该应变传感器元件的伸缩造成的第二导电部12的电阻的增加。
含有这样的导电性纤维的带材w可以在卷绕前含浸树脂组成物，但优选将导电性纤维形成为带状的带材卷绕在第一导电部11的外周后含浸树脂组成物。这样，通过将由导电性纤维形成的带材w进行卷绕后含浸树脂组成物，带材w的卷绕变得较为容易，能够由树脂组成物对带材w进行补强而更可靠地维持第二导电部12的导电性。
作为所述导电性纤维，优选使用碳纳米管。另外，由于碳纳米管极为微细，能够使带材w变薄。具体地说，作为带材w，优选使用由向大致一个方向被抽出的多个碳纳米管形成的薄膜。
另外，可以通过对含浸于带材w的树脂组成物进行过度涂布，通过不含浸于带材的树脂组成物来形成覆盖层13。
作为带材w含有的碳纳米管，能够使用与构成第一导电部11的碳纳米管束的碳纳米管相同的碳纳米管。另外，作为含浸于带材w的树脂组成物，能够使用与含浸于图1的应变传感器的第二导电部2的树脂组成物相同的树脂组成物。
作为带材w的平均厚度的下限，优选为0.5μm，更优选的是20μm。另一方面，作为带材w的平均厚度的上限，优选为2mm，更优选的是1mm。在带材w的平均厚度没有达到所述下限的情况下，存在带材w的强度不足的问题。相反，在带材w的平均厚度超过所述上限的情况下，该带材w的可挠性不足而存在该应变传感器元件能够检测的范围变小的问题。
作为带材w的平均宽度的下限，优选为0.2mm，更优选的是0.5mm。另一方面，作为带材w的平均宽度的上限，优选为5mm，更优选的是2mm。在带材w的平均宽度没有达到所述下限的情况下，存在难以卷绕带材w的问题。相反，在带材w的平均宽度超过所述上限的情况下，存在该应变传感器元件的伸缩性不充分的问题。
【其他实施方式】
上述实施方式并非用于限定本发明。因此，对于上述实施方式来说，能够基于本说明书的记载和技术常识对上述实施方式各部分构成要素进行省略、置换或追加，这些均应被解释为包含于本发明的范围之内。
在该应变传感器元件中，第二导电部可以通过将含有导电性粒子或纤维的树脂组成物涂布于第一导电部的周面而形成。
该应变传感器元件可以不具有覆盖层。
在无负荷状态下，该应变传感器元件的断裂区域可以具有长度方向上的宽度。这样，作为使该应变传感器元件成为在初始状态下在断裂区域具有使第一导电部电隔离的空隙的方法，例如能够举出在对第一导电部施加张力的状态下形成第二导电部和覆盖层的方法。在初始状态下断裂区域具有长度方向的宽度，由此能够在伸缩应变小的范围内提高伸缩应变与该应变传感器元件两端之间的阻值的相关关系。
工业实用性
本发明的应变传感器元件适合作为可穿戴设备等的检测元件使用。
附图标记说明
1，11第一导电部；
2，12第二导电部；
3，13覆盖层；
b断裂区域；
c连续区域；
g断裂区域的长度；
l第一导电部的长度；
r1第一导电部的每微小单位长度的阻值；
r2第二导电部的每微小单位长度的阻值；
w带材。