(57)【要約】【課題】本発明は、人、構造物、ロボットなどの動きを阻害することなくモニタリングすることができ、かつ、センサ特性が不安定になることを抑制することができる歪センサを提供する。【解決手段】本発明の歪センサは、ポリイミドフィルムと、前記ポリイミドフィルム上に積層されたグラフェン層とを含む積層フィルムを備え、前記積層フィルムは、切れ目を有し、かつ、前記切れ目の形が変わるように前記積層フィルムが変形することにより前記積層フィルムが伸縮する伸縮構造を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリイミドフィルムと、前記ポリイミドフィルム上に積層されたグラフェン層とを含む積層フィルムを備え、
前記積層フィルムは、切れ目を有し、かつ、前記切れ目の形が変わるように前記積層フィルムが変形することにより前記積層フィルムが伸縮する伸縮構造を有することを特徴とする歪センサ。
【請求項２】
前記グラフェン層は、前記ポリイミドフィルムの炭化層である請求項１に記載の歪センサ。
【請求項３】
前記積層フィルムの厚さは、０．１μｍ以上５００μｍ以下である請求項１又は２に記載の歪センサ。
【請求項４】
保護層をさらに備え、
前記保護層は、前記グラフェン層を覆うように設けられた請求項１〜３のいずれか１つに記載の歪センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の歪センサの製造方法であって、
ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することにより前記ポリイミドフィルムの一部を炭化し前記グラフェン層を形成するレーザー照射工程を含む製造方法。
【請求項６】
前記レーザー照射工程において、ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することにより前記切れ目を形成する請求項５に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人の動き、構造物の動き、ロボットの動きなどをモニタリングする歪センサが注目されている。動きをモニタリングする歪センサには、人、構造物、ロボットなどの動きを阻害しないこと、人、構造物、ロボットなどが動くことによって歪センサが壊れないこと、センサ特性が安定していることなどが求められる。このため、モニタリング用の歪センサには伸縮性が求められる。
グラフェン層の電気抵抗の変化を利用した歪センサが知られている（例えば、非特許文献１、２参照）。
引用文献１は、レーザー照射によりポリイミドフィルムの表面に形成したグラフェン層を有する歪センサを開示している。引用文献２は、伸縮性のあるシリコーンゴムの表面上にグラフェン層を形成した歪センサを開示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1805271
【非特許文献２】ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(8), pp 8527-8536
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ポリイミドフィルムの表面上にグラフェン層を形成した歪センサでは、ポリイミドフィルムが十分な伸縮性を有していないため、人、構造物、ロボットなどの動きをモニタリングする際に歪センサが人、構造物、ロボットなどの動きを阻害する場合がある。
シリコーンゴムの表面上にグラフェン層を形成した歪センサでは、ゴム弾性を有するシリコーンゴムが大きく伸びるとグラフェン層に過大な歪みが生じセンサ特性が不安定になる場合がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、人、構造物、ロボットなどの動きを阻害することなくモニタリングすることができ、かつ、センサ特性が不安定になることを抑制することができる歪センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ポリイミドフィルムと、前記ポリイミドフィルム上に積層されたグラフェン層とを含む積層フィルムを備え、前記積層フィルムは、切れ目を有し、かつ、前記切れ目の形が変わるように前記積層フィルムが変形することにより前記積層フィルムが伸縮する伸縮構造を有することを特徴とする歪センサを提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の歪センサはポリイミドフィルム上に積層されたグラフェン層を含むため、グラフェン層の電気抵抗の変化に基づき歪みを検出することができる。
本発明の歪センサに含まれる積層フィルムは伸縮構造を有する。このため、人、構造物、ロボットなどの動きに合わせて歪センサを伸縮させることができ、グラフェン層の電気抵抗を変化させることができる。このため、人、構造物、ロボットなどの動きを阻害することなく人、構造物、ロボットなどの動きをモニタリングすることができる。
本発明の歪センサの伸縮構造は、切れ目の形が変わるように積層フィルムが変形することにより積層フィルムが伸縮する構造（切り紙構造）である。このため、伸張条件下において、過大な歪みがグラフェン層に生じることを抑制することができ、感度及び伸縮性を犠牲にすることなくセンサ特性の安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態の歪センサの概略上面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ａ−Ａにおける歪センサの概略断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施形態の歪センサの概略上面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｂ−Ｂにおける歪センサの概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の歪センサの概略上面図である。
【図４】本発明の一実施形態の歪センサの概略上面図である。
【図５】（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施形態の歪センサの概略断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施形態の歪センサの製造工程の説明図である。
【図７】（ａ）はグラフェン層の上面の写真であり、（ｂ）はグラフェン層の断面の写真である。
【図８】グラフェン層のラマンスペクトルである。
【図９】（ａ）（ｂ）はそれぞれ作製した歪センサを伸縮させた際のグラフェン層の電気抵抗の変化を示すグラフである。
【図１０】（ａ）（ｂ）はそれぞれ作製した歪センサを伸縮させた際のグラフェン層の電気抵抗の変化を示すグラフである。
【図１１】作製した歪センサの伸縮サイクル試験におけるグラフェン層の電気抵抗の変化を示すグラフである。
【図１２】作製した歪センサを肘に装着して肘の曲げ伸ばしを行った時のグラフェン層の電気抵抗の変化を示すグラフである。
【図１３】作製した歪センサを腹部に装着して呼吸を繰り返した時のグラフェン層の電気抵抗の変化及び呼吸周期の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の歪センサは、ポリイミドフィルムと、前記ポリイミドフィルム上に積層されたグラフェン層とを含む積層フィルムを備え、前記積層フィルムは、切れ目を有し、かつ、前記切れ目の形が変わるように前記積層フィルムが変形することにより前記積層フィルムが伸縮する伸縮構造を有することを特徴とする。
【０００９】
前記グラフェン層は、ポリイミドフィルムの炭化層であることが好ましい。このことにより、ポリイミドフィルムを炭化することによりグラフェン層を形成することができ、歪センサの製造コストを低減することができる。
前記積層フィルムの厚さは、０．１μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。このことにより、人、構造物、ロボットなどの動きを阻害することなく人、構造物、ロボットなどの動きをモニタリングすることができる。
本発明の歪センサは保護層を備えることが好ましく、保護層はグラフェン層を覆うように設けられることが好ましい。このことにより、グラフェンがグラフェン層から剥離することを防止することができ、歪センサのセンサ特性を安定化することができる。
【００１０】
本発明は、本発明の歪センサの製造方法であって、ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することによりポリイミドフィルムの一部を炭化しグラフェン層を形成するレーザー照射工程を含む製造方法も提供する。
前記レーザー照射工程において、ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することにより前記切れ目を形成することが好ましい。
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１２】
図１（ａ）は本実施形態の歪センサの概略上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線Ａ−Ａにおける歪センサの概略断面図である。図２（ａ）は本実施形態の歪センサの概略上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の破線Ｂ−Ｂにおける歪センサの概略断面図である。図３、図４はそれぞれ本実施形態の歪センサの概略上面図である。図５（ａ）（ｂ）はそれぞれ本実施形態の歪センサの概略断面図である。図６（ａ）〜（ｅ）は本実施形態の歪センサの製造工程の説明図である。
本実施形態の歪センサ２０は、ポリイミドフィルム２と、ポリイミドフィルム２上に積層されたグラフェン層３とを含む積層フィルム４を備え、積層フィルム４は、切れ目５を有し、かつ、切れ目５の形が変わるように積層フィルム４が変形することにより積層フィルム４が伸縮する伸縮構造を有することを特徴とする。
また、本実施形態の歪センサ２０は、保護層６、第１電極７又は第２電極８を備えてもよい。
【００１３】
歪センサ２０は、人の動き（例えば、関節の曲げ伸ばし、呼吸に伴う胸部や腹部の膨張・収縮、脈動に伴う血管の膨張・収縮など）、構造物の動き、ロボットの動きなどをモニタリングするための歪センサであり、歪センサ２０を人、構造物、ロボットなどに装着して使用する。歪センサ２０により人の動きを検出する場合、歪センサ２０を皮膚上に取り付けてもよく、取り付け具で歪センサ２０を人が装着してもよく、歪センサ２０を衣類に取り付けてもよい。
歪センサ２０は伸縮構造を有するため、人、構造物、ロボットなどの動きをモニタリングする際に歪センサ２０が人、構造物、ロボットなどの動きを阻害することを抑制することができる。また、歪センサ２０が人、構造物、ロボットなどの動きにより壊れることを抑制することができる。また、歪センサ２０は、伸縮性歪センサであってもよい。
【００１４】
ポリイミドフィルム２は、ポリイミド製のフィルムである。ポリイミドフィルム２の厚さは例えば１μｍ以上５００μｍ以下である。ポリイミドフィルム２は、グラフェン層３と共に積層フィルム４を構成する。また、ポリイミドフィルム２は、グラフェン層３の基材となる。ポリイミドフィルム２はゴム弾性を有さないため、グラフェン層３に過度の歪が生じること抑制することができる。
【００１５】
グラフェン層３は、多数のグラフェンを含む層であり、隣接する２つのグラフェンはファンデルワールス力により結合している。グラフェン層３に歪みが生じると、ピエゾ抵抗効果によりグラフェン層３の電気抵抗が変化する。このため、グラフェン層３の電気抵抗の変化からグラフェン層３に歪みが生じたことを検出することができる。グラフェン層３の厚みは、例えば、０．１μｍ以上３００μｍ以下とすることができる。また、グラフェン層３は、ポリイミドフィルム２に接触するように設けることができる。また、グラフェン層３は、ポリイミドフィルム２の炭化層とすることができる。ポリイミドフィルム２とグラフェン層３とが積層した積層フィルム４の厚さは、例えば、１０μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。
【００１６】
グラフェン層３は、ポリイミドフィルム２にレーザー光を照射することによりポリイミドフィルム２の一部を焼成し炭化することにより形成することができる。例えば、図６（ａ）（ｂ）に示した断面図のようにポリイミドフィルム２にレーザー光を走査させながら照射してグラフェン層３を形成することができる。このことにより、ポリイミドフィルム２の表面の所望の領域にグラフェン層３を形成することができる。グラフェン層３の形成に用いるレーザーは、例えば、ＣＯ2レーザー、ファイバーレーザー、ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ4レーザーなどである。また、レーザー出力、走査速度などを調節することにより、グラフェン層３の厚み及びグラフェン層３の下部に残すポリイミドフィルム２の厚みを調節することができる。
【００１７】
ポリイミドフィルム２とグラフェン層３とが積層された積層フィルム４は、積層フィルム４が伸縮するように設けられた切り紙構造（伸縮構造）を有する。この伸縮構造は、積層フィルム４の切れ目５の形が変わるように積層フィルム４が変形することにより積層フィルム４が伸縮する構造である。積層フィルム４が有する切れ目５の形状、数及び配置は、積層フィルム４が伸縮することができれば特に限定されない。積層フィルム４は、例えば、図１（ａ）（ｂ）に示した歪センサ２０のような複数の切れ目５を有することができる。この歪センサ２０を伸ばすような荷重を歪センサ２０に加えると、図２（ａ）（ｂ）に示した歪センサ２０のように、切れ目５の端に近接した部分において積層フィルム４が曲がり切れ目５の形状が変化して歪センサ２０が伸びる。この際、積層フィルム４は弾性変形する。このため、歪センサ２０に加えた荷重を弱めると、積層フィルム４は元の形に戻る。このように、積層フィルム４が切り紙構造を有することにより、歪センサ４が伸縮することができる。
【００１８】
切れ目５の端に近接した部分において積層フィルム４が弾性変形すると、グラフェン層３に歪みが生じ、グラフェン層３の電気抵抗が変化する。この電気抵抗をモニタリングすることにより、歪センサ４の伸縮を検出することができる。
切れ目５は、例えば、図６（ｂ）（ｃ）のようにポリイミドフィルム２にレーザー光を照射することにより形成することができる。例えば、グラフェン層３を形成する部分にレーザー光を照射する場合、レーザー光の出力を小さくし又は走査速度を速くし、切れ目５を形成する部分にレーザー光を照射する場合、レーザー光の出力を大きくし又は走査速度を遅くすることができる。このようにして、グラフェン層３の形成と切れ目５の形成を同じ工程で行うことが可能になる。また、グラフェン層３の形成と切れ目５の形成を別々の工程で行ってもよい。また、切れ目５は、金型を用いる穴抜き加工により形成してもよい。
【００１９】
第１電極７及び第２電極８は、グラフェン層３と配線とを接続する電極である。また、第１電極７及び第２電極８は、積層フィルム４の伸縮構造を構成するグラフェン層３の電気抵抗を測定することができるように設けられる。例えば、図１、図２に示した歪センサ２０のように、第１電極７と第２電極８との間に伸縮構造が位置するように第１電極７と第２電極８とを設けることができる。また、第１電極７又は第２電極８は、伸縮構造を横断するように設けることができる。このことにより、第１電極７の端子部と第２電極８の端子部を近接して配置することが可能になり、測定部（例えば、電源部、電流計など）と、第１電極７及び第２電極８との配線接続をシンプルにすることができる。例えば、図３に示した歪センサ２０のように、第２電極８を設けることができる。測定部は、グラフェン層３の電気抵抗の変化をモニタリングできるように設けられる。
【００２０】
伸縮構造に二列のグラフェン層３を設け、一方の端において二列のグラフェン層３を電気的に接続し、他方の端に第１電極７及び第２電極８を配置することができる。このことにより、第１電極７の端子部と第２電極８の端子部を近接して配置することが可能になり、測定部（例えば、電源部、電流計など）と、第１電極７及び第２電極８との配線接続をシンプルにすることができる。例えば、図４に示した歪センサ２０のように、グラフェン層３、第１電極７及び第２電極８を設けることができる。
グラフェン層３の電気抵抗は、第１電極７及び第２電極８に接続した測定部を用いてモニタリングすることができる。
第１電極７及び第２電極８は、例えば、図６（ｄ）のようにグラフェン層３の上に形成することができる。第１電極７及び第２電極８は、例えば、銀ペーストをグラフェン層３上に塗布又は印刷することにより形成することができる。
【００２１】
保護層６は、グラフェン層３を保護する層である。保護層６は、グラフェン層３を覆うように設けることができる。グラフェン層３は、ファンデルワールス力により結合している多数のグラフェンを含むため、グラフェンがグラフェン層から剥がれ、グラフェン層３に含まれるグラフェンの量が減少する場合がある。保護層６を設けることにより、グラフェン層３からグラフェンが剥がれることを防止することができ、グラフェン層３の導電特性を安定化することができる。保護層６は、例えば、シリコーンゴム層などのゴム層とすることができる。このことにより、グラフェン層３を保護することができると共に、保護層６が積層フィルム４の伸縮を阻害することを抑制することができる。
【００２２】
保護層６は、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示した歪センサ２０のように、保護層６がグラフェン層３の表面を覆うように設けることができる。また、保護層６は、図５（ａ）のように切り目５を塞がないように設けてもよい。このことにより、歪センサ２０が優れた伸縮性を有することができる。また、保護層６は、図５（ｂ）のように切り目５を塞ぐように設けてもよい。このことにより、歪センサ２０の表面を滑らかにすることができ、歪センサ２０が直接肌に触れる用途などに有用である。
保護層６は、例えば、図６（ｅ）のように液状シリコーンゴムでポリイミドフィルム２、グラフェン層３、第１電極７及び第２電極８をコーティングすることにより形成することができる。
【００２３】
グラフェン層形成実験
ポリイミドフィルム（厚さ１３０μｍ）にＣＯ2レーザー（レーザー出力：３Ｗ）を照射することによりグラフェン層を形成した。図７（ａ）は形成したグラフェン層の上面のＳＥＭ写真であり、図７（ｂ）はグラフェン層の断面のＳＥＭ写真である。図８は、形成したグラフェン層のラマンスペクトルである。図７に示したＳＥＭ写真からグラフェン層は多孔質層となっていることがわかった。また、図８に示したラマンスペクトルからグラフェンが欠陥を有することが示唆された。
【００２４】
歪センサ作製実験
図１、図２に示したような歪センサＡ〜Ｄを作製した。歪センサＡ、Ｃでは、２５μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて歪センサを作製し、歪センサＢ、Ｄでは、１３０μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて歪センサを作製した。グラフェン層及び切れ目はＣＯ2レーザー（レーザー出力：１．５Ｗ又は３Ｗ）を用いて形成し、第１電極及び第２電極は銀ペーストを印刷することにより形成した。また、歪センサＡ、Ｂは、図５（ｂ）のように、液状シリコーンゴムを用いて切れ目を塞ぐように保護層を形成した。歪センサＣ、Ｄは、図５（ａ）のように、液状シリコーンゴムを用いて切れ目が塞がれないように保護層を形成した。
図９（ａ）は、歪センサＡを３回伸縮させたときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示すグラフであり、図９（ｂ）は、歪センサＢを３回伸縮させたときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示すグラフである。図１０（ａ）は、歪センサＣを４回伸縮させたときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、歪センサＤを４回伸縮させたときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示すグラフである。
【００２５】
歪センサＡ〜Ｄの何れのセンサでも歪センサの伸縮を再現性よく検出することができた。
また、歪センサＢの電気抵抗の変化率は歪センサＡよりも大きく、歪センサＤの電気抵抗の変化率は歪センサＣよりも大きかった。これは、歪センサの厚みが厚いとグラフェン層により大きな歪みが生じていることを示している。歪センサに切り紙構造を伸張させるような荷重が加わっている場合、ポリイミドフィルムは切れ目の端の近辺において曲がる。ポリイミドフィルムが曲がると、フィルムの厚さと曲げ半径に応じた歪みがグラフェン層に生じる。この歪みεは、ε≒ d /2R（ｄはポリイミドフィルムの厚さ、Ｒは曲げ半径）で算出することができる。このため、歪センサＢ、Ｄの電気抵抗の変化率が大きくなったと考えられる。
【００２６】
歪センサＣの電気抵抗変化率は歪センサＡの電気抵抗変化率よりも小さく、歪センサＤの電気抵抗変化率は歪センサＢの電気抵抗変化率よりも小さかった。このことからグラフェン層で生じる歪みに保護層が影響を与えていることがわかった。
【００２７】
図１１は、歪センサＡ、Ｃを６００００回以上伸縮サイクルを繰り返したときのグラフェン層の電気抵抗の変化率を示したグラフである。歪センサＡ、Ｃを用いると６００００回以上伸縮を繰り返しても、安定して伸縮を検出することができることがわかった。
【００２８】
動作検出実験
図３に示したような歪センサＥ、Ｆを作製した。歪センサＥは２５μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて作製し、歪センサＦは１３０μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて作製した。グラフェン層及び切れ目はＣＯ2レーザー（レーザー出力：１．５Ｗ又は３Ｗ）を用いて形成し、第１電極及び第２電極は銀ペーストを塗布することにより形成した。また、歪センサＥでは、図５（ａ）に示した歪センサのように、液状シリコーンゴムを用いて切り目が塞がれないように保護層を形成した。歪センサＦでは、図５（ｂ）に示した歪センサのように、液状シリコーンゴムを用いて切り目が塞がれるように保護層を形成した。
【００２９】
図１２に示した写真のように歪センサＥを肘に装着して肘の曲げ伸ばしを行い、歪センサＥを伸縮させた。この際のグラフェン層の電気抵抗の測定を行った。肘の曲げ伸ばしでは歪センサが大きく伸縮するため、歪センサＥは２５μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて作製し、切り目が塞がれないように保護層を形成した。
図１２に示したグラフのように、肘の角度を０度〜１３０度で変化させると、肘を大きく曲げるほど歪センサは伸張しグラフェン層の電気抵抗は大きくなった。また、肘の曲げ伸ばしを速く行うと、肘の曲げ伸ばしに応じてグラフェン層の電気抵抗は変化した。このように、歪センサＥを用いて肘の動作を検出することができた。
【００３０】
図１３に示した写真のように歪センサＦを腹部に装着し、呼吸に伴う腹部の膨張・収縮で歪センサＦを伸縮させた。この際のグラフェン層の電気抵抗の測定を行った。
呼吸に伴う腹部の膨張・収縮は比較的小さい動きであるため、歪センサＦは１３０μｍ厚のポリイミドフィルムを用いて作製し、切り目が塞がれるように保護層を形成した。
図１３に示したグラフのように、呼吸に伴いグラフェン層の電気抵抗は上下動し、腹部の膨張及び収縮を２時間以上安定して検出することができた。また、電気抵抗値の変化のピーク間距離から呼吸周期を算出した。このことから歪センサＦを用いると、呼吸周期を長期間安定してモニタリングすることができることがわかった。
【符号の説明】
【００３１】
２：ポリイミドフィルム    ３：グラフェン層    ４：積層フィルム    ５：切れ目    ６：保護層    ７：第１電極    ８：第２電極    ２０：歪センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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