DISTORTION SENSOR ELEMENT

　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。