(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有し、少なくとも表面の一部に凹凸形状からなる凹凸形状部を有する基材部と、前記基材部の前記凹凸形状部を有する表面上に積層され、カーボンナノチューブを含んでなる抵抗体部と、を備え、
前記抵抗体部のうち前記凹凸形状部と当接する箇所は、当該凹凸形状部の凹凸形状に嵌合する形状からなることを特徴とするひずみセンサ。
【請求項２】
前記抵抗体部は、前記凹凸形状部の凸部と当接する箇所が、前記凹凸形状部の凹部と当接する箇所よりも厚みが薄いことを特徴とする請求項１に記載のひずみセンサ。
【請求項３】
前記凹凸形状部は、平面視で、ライン状に延設された凹部と凸部とが、ひずみ印加方向に対して所定の角度の方向に繰り返し交互に配列されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のひずみセンサ。
【請求項４】
前記凹凸形状部は、平面視で、凹部と凸部とが交互に格子状に配列されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のひずみセンサ。
【請求項５】
前記抵抗体部は、複数の前記カーボンナノチューブが無配向性の網目状に配置されることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のひずみセンサ。
【請求項６】
前記抵抗体部は、前記カーボンナノチューブ以外の導電性材料が添加されることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のひずみセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ひずみセンサとして、抵抗体に伸縮や曲げなどのひずみが生じた際、当該ひずみによって生ずる抵抗体の抵抗値変化からひずみ量を検出するものがよく知られている。ここで、抵抗体の材料としては、一般的に金属や半導体が用いられる場合が多い。ただし、これら抵抗体の材料は、可逆的に伸縮可能な変形量が小さく、繰り返しひずみを検出できる範囲に制限がある。
【０００３】
そこで、上述の材料に替えて、カーボンナノチューブ(Ｃａｒｂｏｎ  ＮａｎｏＴｕｂｅ；以下、ＣＮＴと略する)を抵抗体の材料に用いたひずみセンサが知られている(特許文献１〜２、非特許文献１等参照)。例えば、特許文献１に記載のひずみセンサは、柔軟性を有する基材層と、当該基材層の表面に積層され、外部との接触面側に凹凸を有する一方向に配向されたＣＮＴ層と、を有し、ひずみが生じた際にＣＮＴ層に裂け目が生じることによって発生する抵抗値変化からひずみを検出する構造からなる。ここで、ＣＮＴ層は、金属や半導体よりも伸縮可能な変形量が大きいため、ＣＮＴを用いたひずみセンサは、従来の金属や半導体を用いたひずみセンサに比べて広範囲なひずみ検出が可能となる。このようなＣＮＴを用いたひずみセンサは、上記の広範囲検出という特性に基づき、人体の手に装着されるデータグローブや、身体に直接装着可能なウェアラブル機器、ロボットの関節駆動部位等の各種の電子機器に搭載されることで、身体やロボットの動作検出や制御等に用いることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−３８０８８号公報
【特許文献２】特開２０１１−４７７０２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】日本複合材料学会誌，３３，３（２００７），９５−１０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１や特許文献２に記載のＣＮＴを用いたひずみセンサには、以下の課題がある。つまり、当該ひずみセンサにおいて、ＣＮＴ層は樹脂等からなる基材層の平坦な表面に積層されたものである。そのため、身体やロボット等の電子機器において、ひずみセンサが伸縮や屈曲の大きい箇所（例えば、関節駆動部分に相当する箇所等）に設けられる場合、繰り返しの伸縮動作や屈曲動作に起因して、ＣＮＴ層が基材層から剥離する虞がある。したがってひずみが大きい伸縮や屈曲の動作を検出するには、ＣＮＴ層と基材層が強固に密着させる必要がある。
そこで、本発明は、広範囲のひずみを高感度に検出できるとともに、ＣＮＴ層の剥離に対する耐性の高いひずみセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明は、ひずみセンサであって、可撓性を有し、少なくとも表面の一部に凹凸形状からなる凹凸形状部を有する基材部と、前記基材部の前記凹凸形状部を有する表面上に積層され、カーボンナノチューブを含んでなる抵抗体部と、を備え、前記抵抗体部のうち前記凹凸形状部と当接する箇所は、当該凹凸形状部の凹凸形状に嵌合する形状からなることを特徴とする。
上記発明によると、ひずみセンサの抵抗体部として、金属や半導体ではなくＣＮＴを用いているので、高感度且つ広範囲なひずみ検出が可能となる。また、抵抗体部のうち基材部表面の凹凸形状部と当接する箇所が、その凹凸形状部と嵌合する形状となることで抵抗体部の剥離耐性を向上させるとともに、特に凸部分上に積層される膜厚の薄い抵抗体部が受けるひずみまたは応力を減少させることで、ひずみセンサに対して大きな伸縮動作や屈曲動作が印可されても、抵抗体部は、基材部に対して十分な剥離耐性を確保することが出来る。
【０００８】
また、本発明は、前記抵抗体部は、前記凹凸形状部の凸部と当接する箇所が、前記凹凸形状部の凹部と当接する箇所よりも厚みが薄いことを特徴とする。
上記発明によると基材部の凹凸形状部の形状に沿って、ＣＮＴを含む層の薄い部分と厚い部分とを備えた構造を呈するので、この場合抵抗体部が各箇所によって異なる電気抵抗をもつことによって、特に凸部分上に積層された抵抗体部はひずみに対する電気抵抗変化率の大きな領域（ＣＮＴ層の薄い部分）を有することとなり、ひずみセンサに生じたひずみに対する感度を向上させることが可能となる。
【０００９】
前記凹凸形状部は、平面視で、ライン状に延設された凹部と凸部とが、ひずみ印加方向に対して所定の角度の方向に繰り返し交互に配列されてなることを特徴とする。
上記発明によると、基材部に対する剥離耐性は、ひずみ印加方向に対して直交する方向に凹凸形状部を延設した場合に特に高くなる。
【００１０】
また、本発明は、前記凹凸形状部は、平面視で、凹部と凸部とが交互に格子状に配列されてなることを特徴とする。
上記発明によると、凹部と凸部が格子状に配列された凹凸形状部では、凹凸形状部に形成される抵抗体部が平面方向の何れに対しても嵌合構造を有することとなるので、何れの方向にひずみが生じた場合であっても、抵抗体部が剥離することを防止することができる。
【００１１】
また、本発明は、前記抵抗体部は、複数の前記カーボンナノチューブが無配向性の網目状に配置されることを特徴とする。
上記発明によると、この網目状の構造をもった抵抗体部では、ＣＮＴ１本１本が絡み合って接触している接点箇所によって電気的に導通するので、ひずみが発生した場合に接点箇所に作用するトンネル効果により抵抗値が変化する。この抵抗値の変化量は、ひずみに対して指数関数的に増加する。そのため、ＣＮＴ同士の接点の数（つまり、接点の個数を左右するＣＮＴ層の膜厚）を変化させることで、同じひずみ量の変化に対する抵抗変化率(感度)を調節することが可能になる。すなわち、本発明では、基材部に凹凸形状を設けることで基材部の凸部と嵌合する抵抗体部（ＣＮＴ層）が薄く形成されるので、上記接点の数が少なくなり抵抗変化率を大きく出来るため、ひずみセンサの感度を高めることができる。また、本発明のＣＮＴ層に含まれるＣＮＴは無配向性に配置されているため、特定の方向に配向したＣＮＴ層に対して垂直あるいは平行といった指向性を持たずに、あらゆる方向のひずみを検出することが可能である。
【００１２】
また、本発明は、前記抵抗体部は、前記カーボンナノチューブに導電性材料が添加されることを特徴とする。
上記発明によると、導電性材料が添加された場合、抵抗体部の抵抗値が下がり、さらに、均一に分散されることで伸縮強度を高めることが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、広範囲のひずみを高感度に検出できるとともに、抵抗体の剥離に対する耐性の高いひずみセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態におけるひずみセンサを搭載した電子機器の模式図であり、（ａ）はデータグローブ、（ｂ）はロボットアームの関節部位にひずみセンサを搭載した様子をそれぞれ示す。
【図２】第１実施形態におけるひずみセンサを表す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は縦断面図、をそれぞれ示す。
【図３】図２（ｂ）におけるＣ部の拡大図である。
【図４】ＣＮＴ層にひずみを印加する前後の状態を模式的に説明するための図であり、（ａ）はひずみを印加する前におけるひずみセンサを、（ｂ）はひずみを印加した後におけるひずみセンサをそれぞれ示す。
【図５】第１実施形態におけるひずみセンサの各製造工程を説明するための断面図である。
【図６】変形例１におけるひずみセンサの各製造工程を説明するための断面図である。
【図７】本発明における別のひずみセンサを表す縦断面図であり、（ａ）は基材部の表面に三角形状の窪みを設けた場合、（ｂ）は基材部の表面に半円形状の窪みを設けた場合、（ｃ）は基材部の表面に三角形状の凸部を設けた場合、（ｄ）は基材部の表面に半円形状の凸部を設けた場合、をそれぞれ示す。
【図８】本発明における別のひずみセンサを表す平面図であり、基材部の表面が格子状の凹凸構造を有する場合を示す。
【図９】本発明における別のひずみセンサの平面図であって、基材部の表面のうちＣＮＴ層が形成された箇所の一部に凹凸形状部を形成した場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明のＣＮＴひずみセンサの実施形態について適時図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施形態＞
本発明に係るひずみセンサ１は、例えば、図１（ａ）（ｂ）に示すように、ユーザの手に装着されるグローブ型のウェアラブル装置１００（データグローブ）や、搬送や組み立て作業等に用いられるロボットアーム２００等に搭載される。そして、ひずみセンサ１は、例えば、当該ウェアラブル装置１００やロボットアーム２００の関節部分等に配設され、それら動作時における動作変位量や曲げ角度量といった情報をひずみとして検出可能なセンサである。
【００１６】
「ＣＮＴひずみセンサの全体構造と凹凸形状による嵌合構造」
ひずみセンサ１は、図２に示すように、ベース材としての基材部２と、基材部２の表面上に形成された凹凸形状部４に嵌合するように積層されたＣＮＴ層３と、基材部２上に載置されＣＮＴ層３と電気的に接続された一対の電極部５と、ＣＮＴ層３及び電極部５以外の基材部２の上面を覆う保護膜６から構成される。つまり、ひずみセンサ１は、厚み方向において、基材部２とＣＮＴ層３と保護膜６とで層構造を形成している。そして、ひずみセンサ１は、当該ひずみセンサ１に対して外力が印加された場合に、ＣＮＴ層３に生じるひずみ量に応じた抵抗値変化を検出することで、ひずみ検出を行う。なお、以下では、図２（ａ）（ｂ）に示すように、ひずみセンサ１の長手方向をｘ方向、幅方向をｙ方向、厚み方向をｚ方向、と便宜上定める。
【００１７】
基材部２は、可撓性を有し自由に屈曲及び伸縮可能な素材からなる。基材部２の大きさは、ひずみセンサ１の使用環境に応じて適宜の変更が可能であるが、例えば、幅（ｙ方向長さ）が１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、長手方向の長さ（ｘ方向長さ）が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、厚み（ｚ方向長さ）が１０μｍ以上１０ｍｍ以下とすることが可能である。
【００１８】
また、基材部２の材料としては、可撓性を有し自由に屈曲及び伸縮可能なものであれば良く、樹脂やゴム等が好ましい。ここで、基材部２は、印加された外力に対するＣＮＴ層３の抵抗値変化を検出するために、絶縁体またはＣＮＴ層３に比べて電気的に高抵抗性を備える必要があるが、金属や半導体のように低抵抗性材料からなる場合、その表面上に絶縁性や高抵抗性の層を成膜すればよい。基材部２として樹脂を用いる場合、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂を使用することができる。一方、基材部２としてゴムを用いる場合、天然ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等を使用することができる。ここで、本実施形態では、基材部２として引張強度や耐熱温度、耐薬品性に優れたポリイミド（ＰＩ）樹脂が用いられている。なお、ひずみセンサ１がより可撓性や伸縮性を必要とする場合は基材部にゴム材料を用いて、特にユーザの身体に対して直接貼付される態様で利用される場合は、生体適合性に優れたＰＤＭＳを用いることができる。
【００１９】
また基材部２は、図２（ｂ）に示すように縦断面視で略矩形状からなり、ＣＮＴ層３と当接する側の表面の一部に凹凸形状からなる凹凸形状部４を有する。この凹凸形状部４は、図３に示すように縦断面視で矩形状の凹部が間隙（凸部）を隔てて複数設けられた形状からなり、上面視で基材部２のｙ方向に対して延伸した凸部のラインと凹部のラインとがｘ方向に対して交互に繰り返し配列されて構成される（図４（ａ）（ｂ）参照）。ここで凹凸形状部４を延設する方向は特に指定しないが（ひずみの印加方向に対して所定の角度傾斜した方向であれば良いが）、ひずみの印加方向に対して垂直な方向の場合に延設された場合に最も高いＣＮＴ層３の剥離耐性が得られる。なお、本実施形態において、基材部２のうち上面視で凹凸形状部４が備わる部分は、ＣＮＴ層３の形成される箇所のみとする。（図２（ａ）における符号３の付された箇所）
ＣＮＴ層３は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、例えば、一対の電極部５間をミアンダ状に接続するように基材部２の凹凸形状部４上へ積層される（一対の電極部５の底部を含む）。なお、ＣＮＴ層３は、電極部５間を接続する形状であれば、ミアンダ状に限定されず、長さや幅等の適宜の変更が可能である。
【００２０】
上記凹凸形状部４上に形成されたＣＮＴ層３は、凹凸形状部４と当接する箇所で当該凹凸形状部４と嵌合する形状からなる。ＣＮＴ層３は、凹凸形状部４と当接する面（底面）と対向する面（上面）が平坦面となるように積層される。つまり、ＣＮＴ層３は、底面側を凹凸形状部４の凹凸構造に倣うようにして上面側を平坦にすることで、凹部と嵌合（当接）する箇所では厚いＣＮＴ層となる一方、凸部の上部（凸部と当接する箇所）では薄いＣＮＴ層となる。その結果、ひずみセンサ１は、このように基材部２の表面とＣＮＴ層３とが嵌合する構造となるので、ひずみセンサ１に曲げあるいは引張によるひずみが作用した場合、ＣＮＴ層３の厚みが薄い箇所（凸部）には基材部２の表面から受けるひずみや応力が作用しにくく、ＣＮＴ層３の剥離を生じにくくすることができる。なお、ＣＮＴ層３の上面は、必ずしも平坦面となるように積層されていなくともよく、凸部の上部層が凹部と嵌合する箇所よりも薄い層となるように積層されたものであれば足りる。
【００２１】
また、このＣＮＴ層３の厚みが薄い箇所は、後段で詳述するが、厚い箇所に比べてＣＮＴ同士の接触する接点の数が少なく、局所的にひずみに対する抵抗値の変化率すなわち感度が高くなる。したがって、ひずみセンサ１は、基材部２表面の凹凸構造によって、凹凸構造が無い場合（平坦な基材部２の表面にＣＮＴ層３が積層された構造）と比べてＣＮＴ層３の剥離に対する耐性が上がるとともに、ひずみセンサ１全体の検出感度を高めることが可能である。
【００２２】
ここで凹凸形状部４は、図３に示すように凸部の長さ、凹部の長さ、凹凸の深さをそれぞれＷ１、Ｗ２、Ｈ２とした場合、適切な製造方法を用いてＷ１、Ｗ２はともに０．１μｍ以上１０μｍ以下、Ｈ２は０．０１μｍ以上１０μｍ以下とすることが可能である。また、Ｗ１とＷ２は必ずしも同じ寸法である必要はなくそれぞれ異なる長さであってもよい。凹凸形状部４の寸法に関して、凹部のアスペクト比Ｈ２/Ｗ２が０．０１以上１０以下となることが好ましい。本実施形態では、ＣＮＴが液体またはペースト状に分散されたものを塗布することでＣＮＴ層３の積層させるため、アスペクト比Ｈ２/Ｗ２が大きい場合、凹部にＣＮＴ層が積層されなくなる。またアスペクト比Ｈ２/Ｗ２が小さい場合は、基材部の凸部から受けるひずみや応力が低減できずに剥離を防止することができない。また凹部の長さＷ２について、１μｍ以上とすることが好ましい。これは凹部の長さＷ２を分散液またはペーストに含まれるＣＮＴ３１よりも大きくすることによって塗布性が向上し、基材部の凹凸形状に沿ったＣＮＴ層３を積層することができる。ここでＣＮＴ層３の膜厚は、厚い箇所（凹凸形状部４の凹部と嵌合する箇所）と薄い箇所（凹凸形状部４の凸部の上部）でそれぞれ、（Ｈ１+Ｈ２）とＨ１で表される。
【００２３】
ＣＮＴ層３は、図４に示すように無数のＣＮＴ３１から構成され、ＣＮＴ３１が一本一本ランダムに配向し、互いに絡み合った網目状構造をもつ。これらのＣＮＴ３１は互いにファンデルワールス力によって結合している。ここで述べるＣＮＴ３１については、一本の分子からなるものだけではなく複数のＣＮＴが束状（バンドル）になったものも含まれる。ここで、ひずみセンサ１に外力が加わりＣＮＴ層３にひずみが生じた場合、このＣＮＴ３１同士が絡み合って接触している接点で抵抗値が変化する。そしてこのＣＮＴ層３の抵抗値変化は、各々のＣＮＴ３１自身がひずみを受けることによる抵抗値変化よりも、ＣＮＴ３１同士の接触箇所（接点）での抵抗値変化によるものが大きく支配的である。したがって、ＣＮＴを抵抗体として用いる場合はＣＮＴ同士の接触状態、例えばＣＮＴの直径や長さおよびＣＮＴ層の密度や膜厚によってひずみセンサの抵抗値の変化率に影響する。また本実施形態のひずみセンサ１に用いられているＣＮＴ層３は、ランダムに配向し網目状構造をもつことで、あらゆる方向のひずみに対して検出することができる。
【００２４】
ＣＮＴ３１としては、単層のシングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）や２層以上（多層）のマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）のいずれを用いてもよい。なお、ＳＷＣＮＴ／ＭＷＣＮＴのいずれのＣＮＴを用いる場合も、直径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、長さ１００ｎｍ以上１０μｍ以下のものを利用することができるが、直径や長さについて各種の製造方法を適切な条件下でおこなうことで均一な性質をもつＣＮＴを使用するのが良い。
【００２５】
本実施形態のＣＮＴ層３は、あらかじめＣＮＴ３１が液体またはペースト状に分散されたものを用いて基材部２の表面にパターニング塗布し、その後乾燥または加熱することで溶媒成分を揮発させて形成する。このＣＮＴ３１は、ＣＶＤ法やアーク法、レーザーアブレーション法などによって製造されたＳＷＣＮＴやＭＷＣＮＴを、公知の技術によって水系あるいは有機系の溶媒やペースト状に粘度をもたせたものを利用できる。
【００２６】
またＣＮＴ３１が分散された液体およびペーストには、ＣＮＴ３１以外にカーボンブラックやその他の導電性樹脂等を添加（含有）させることができる。これら導電性樹脂材料を添加してＣＮＴ層３を形成した場合、ＣＮＴ３１の分散性を高めて、ＣＮＴ層３に含まれるＣＮＴ３１が均一に配置されることでＣＮＴ層３の伸縮強度を上げることが可能である。
【００２７】
ＣＮＴ層３のパターン形状について、特に長さや幅に関する制限はないが、ＣＮＴ層３の膜厚に関しては、基材部２の厚みよりも十分に薄いことが好ましく、図３に示すように薄い部分の膜厚Ｈ１が１０ｎｍ以上１０μｍ以下となるように積層することができる。ここで、ひずみセンサ１の抵抗値はＣＮＴ層３のパターンの長さや幅、膜厚によって調整することができ、計測方法に支障が生じない程度に全体の抵抗値を高くするのが好ましい。
これは、ひずみセンサ１の抵抗値を高くすると、駆動電圧に対するひずみセンサ１に流れる電流量を小さくすることができ、電流によるＣＮＴ層３の温度上昇や熱的影響を抑えるとともに電子機器に搭載した場合の消費電力を下げることが可能だからである。
【００２８】
一対の電極部５は、図２（ａ）に示すように、上面視でＣＮＴ層３の両端部分に配置される。電極部５の材料としては、金属や樹脂など導電性材料であれば特に限定はされないが、例えば導電性接着材を用いることでＣＮＴ層３や基材部２の表面と強固に密着することができる。さらにこの導電性接着材は、ＣＮＴ層３の表面や内部に含侵されることで電気的に良好に接触する。
【００２９】
また電極部５について、基材部２にゴム等の可撓性や伸縮性の大きい材料を用いる場合は、ＣＮＴ層３と電極部５間で生じる抵抗変化が大きく、またＣＮＴ層３及び基材部２との界面で剥離する虞があるため、基材部２と同様に可撓性や伸縮性のある導電性ゴムを用いることができる。なお、電極部５は、図２（ｂ）ではＣＮＴ層３の上部に配置することとしたが、直接基材部２の上部に積層されるものであってもよい。この場合、電極部５は、底部側面でＣＮＴ層３に接続された構成をなし、ＣＮＴ層３との接触面と基材部２との接触面に設けられる導電性接着剤により、ＣＮＴ層３及び基材部２と強固に密着する。
【００３０】
保護膜６は、基材部２及びＣＮＴ層３の表面に積層される。図２（ｂ）に示すように、保護膜６はＣＮＴ層３及び基材部２の表面の一部を被覆する。なお、一対の電極部５は、保護膜６によって被覆されず上面が露出している。ひずみセンサ１は、このように保護膜６を積層することで、測定時の不意のＣＮＴ層３への接触や大気中からの異物の混入、湿気や水分によってＣＮＴ層３の電気抵抗値が影響を受けるのを防止する。
【００３１】
保護膜６の材料としては、基材部２と同様に可撓性や伸縮性があり絶縁性である必要がある。例えば、本実施形態のように基材部２がポリイミド（ＰＩ）やポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の樹脂材料である場合、フレキシブル材料の絶縁性保護膜として用いられているパリレン膜を被覆することができる。このパリレン膜は蒸着プロセスによってひずみセンサ１の上面全体に積層されるため、電極部５の上部をあらかじめマスキングすることで電極部５は被覆されず上面を露出させることができる。またパリレン膜以外の材料としては、基材部２と同様の樹脂及びゴム材料を用いることも可能である。保護膜６の厚みとしては、特に限定されず基材部２の厚みよりも薄い１０μｍ以下とすることができる。
【００３２】
当該ひずみセンサ１によれば、ＣＮＴ層３が基材部２の表面の凹凸形状部４上に積層されることで基材部２と嵌合する構造を有する。すなわちＣＮＴ層３に膜厚の厚みが薄い部分と厚い部分が形成され、薄い部分でひずみ感度を向上させるとともに、凹凸構造が無い場合に比べて、凸部分のＣＮＴ層３が受けるひずみや応力を低減させることでＣＮＴ層３が基材表面から剥離するのを防止することができる。
【００３３】
「ＣＮＴひずみセンサの動作原理」
次いで、本発明のＣＮＴひずみセンサ１の動作原理について、図３と図４を用いて説明する。
ＣＮＴひずみセンサ１は、図３に示すように基材部２の表面に形成された凹凸形状部４の上に積層されたＣＮＴ層３が、外部からの伸縮や曲げによって発生するひずみを受けることでＣＮＴ３１同士の接触状態が変化し、ＣＮＴ層３の電気抵抗値の変化量からひずみ量を導出する。ＣＮＴ層３に含まれるＣＮＴ３１はランダムに配向し、互いに絡み合った網目状構造をもつ。したがって、本発明のひずみセンサ１は当該ひずみセンサ１に対して生じるランダムな方向のひずみを検出することができる。
【００３４】
ここで、ＣＮＴ層３に含まれるＣＮＴ３１がランダムに網目状に形成されている場合、その電気抵抗値は伸縮や曲げによるひずみ量に対して指数関数的に増加する。その指数関数的な増加は、ＣＮＴ３１同士が互いに接触している接点箇所でのトンネル抵抗の増加と、ＣＮＴ層３の網目構造の変化に起因する。そしてこのＣＮＴひずみセンサ１の動作原理から、ＣＮＴ層３の膜厚によってＣＮＴ層３の電気抵抗値変化率を調整でき、ひずみに対する電気抵抗変化率の大きな領域（層の薄い部分）を有することで、ＣＮＴひずみセンサ１の感度を向上させることが可能となる。
【００３５】
本実施形態に係るひずみセンサ１では、上記の原理を用いて、基材部２表面の凹凸構造部４にＣＮＴ層３を積層することで感度の向上を実現している。具体的には、図４に示すように、凹凸構造部４の凹部上に積層された厚いＣＮＴ層３の電気抵抗値をＲＡ、凸部上に積層された薄いＣＮＴ層３の電気抵抗値をＲＢとすると、初期状態のひずみセンサ１の電気抵抗値Ｒは、ＲＡとＲＢが交互に直列接続された形で、Ｒ＝ＲＡ＋ＲＢ＋ＲＡ＋ＲＢ・・・で表される。この初期状態以降、ひずみセンサ１に図２におけるｘ方向にひずみが生じた場合の電気抵抗値Ｒ‘は、Ｒ‘＝ＲＡ＋△ＲＡ＋ＲＢ＋△ＲＢ＋ＲＡ＋△ＲＡ＋ＲＢ＋△ＲＢ・・・となる（△ＲＡと△ＲＢはそれぞれＲＡとＲＢの抵抗値変化量とする）。この時のひずみ量に対する電気抵抗変化率△Ｒ／Ｒ＝（Ｒ‘−Ｒ）／Ｒは、指数関数的に変化する。またそれぞれの箇所での電気抵抗変化率は上述した原理により、△ＲＡ／ＲＡ＜△ＲＢ／ＲＢである。したがって、本発明のように基材部２の表面に凹凸形状部４を設けることで、局所的にひずみに対して電気抵抗変化率の大きな領域（凸部）を形成することができ、センサ全体のひずみに対する電気抵抗変化率（感度）を向上させることが可能となる。
【００３６】
「ひずみセンサの製造工程」
次いで、ひずみセンサ１の製造工程について、図５の断面図を用いて説明する。ひずみセンサ１の製造工程は、基材部２の表面に凹凸形状部４を形成する工程（図５（ａ）〜（ｄ））と、その凹凸形状部４上に抵抗体であるＣＮＴ層３と電極部５を積層させる工程（図５（ｅ）〜（ｆ））と、センサの上面に保護膜６を形成する工程（図５（ｇ））とに大別される。
【００３７】
はじめに、図５（ａ）に示すように、基材部２を構成する材料として、平板状のポリイミドフィルム３００を用意する。そして、当該平板状のポリイミドフィルム３００の表面に対して、ドライフィルムレジスト３０１を貼付し（図５（ｂ））、凹凸形状部４のパターンに対応するフォトマスクを用いて露光・現像し、ポリイミドフィルム３００の表面にライン状に繰り返し交互に配列された凹凸形状のパターンを形成する（図５（ｃ））。次に、この表面がレジストによってパターニングされたポリイミドフィルム３００をポリイミドのエッチング溶液で処理する。レジストが被覆されていない部分がエッチングされ、ポリイミドフィルム３００の表面に凹部形状が形成される。そしてドライフィルムレジスト３０１を除去することで表面に凹凸形状部４をもった基材部２を作製することができる（図５（ｄ））。ここで、ポリイミドフィルム３００のエッチングはウェットエッチングに限らず、反応性イオンエッチングによるドライエッチングを用いてもよい。
【００３８】
次いで、図５（ｅ）に示すように、この凹凸形状部４上にＣＮＴ層３０２を積層させる。ＣＮＴ層３０２はＣＮＴがあらかじめ揮発性の有機溶媒にペースト状に分散されたものをスクリーン印刷等の印刷方法によってパターン塗布し乾燥させることで形成する。ＣＮＴ層３０２の膜厚は、複数回繰り返し印刷することで所望の厚さに調整することができる。
【００３９】
次いで、図５（ｆ）に示すように、図２（ａ）に示した平面位置で電極部５に相当する箇所であって、ＣＮＴ層３０２の上部に導電性接着剤を図５（ｅ）と同様に印刷法で塗布し、乾燥させることで電極部３０３を形成する。この導電性接着剤としては、ＣＮＴ層３０２およびポリイミドフィルム３００表面に強固に密着する炭素系導電性接着剤を用いる。
【００４０】
次いで、図５（ｇ）に示すように、電極部３０３の上面を除くポリイミドフィルム３００及びＣＮＴ層３０２の上面全体にパリレンを蒸着して絶縁性の保護膜３０４を形成する。ここでパリレン蒸着前に電極部３０３の上面をポリイミド等の耐熱性の優れたテープでマスキングさせることで、電極部３０３の上面を露出させた状態にすることができる。これによって、ＣＮＴ層３０２が絶縁性の保護膜３０４によって被覆され、測定時の不意のＣＮＴ層３０２への接触や大気中からの異物の混入、湿気や水分によってＣＮＴ層３０２の電気抵抗値が影響を受けるのを防止できる。
【００４１】
以上により、本実施形態に係るひずみセンサ１によると、基材部２の表面に凹凸形状部４が設けられ、当該凹凸形状部４に嵌合するようにＣＮＴ層３が積層されており、凹凸形状部４のうち凸部の上部に積層されるＣＮＴ層３が当該凸部から受けるひずみまたは応力を減少させることが可能となるので、ひずみセンサ１に対して大きな伸縮動作や屈曲動作が印可されても、ＣＮＴ層３は基材部２に対して十分な剥離耐性を確保することが出来る。さらに、本実施形態に係るひずみセンサ１によると、基材部２の表面に凹凸形状部４を設けることで、ひずみに対して抵抗変化率の大きな領域（凸部）を形成することができ、ひずみに対する抵抗変化率（感度）を向上させることが可能となる。そのため、ひずみセンサ１が、繰り返しの伸縮動作や屈曲動作の多いウェアラブル装置１００やロボットアーム２００の関節部分等に配設された場合であっても、剥離を好適に防止できるとともに高感度にひずみを検出できる。
【００４２】
＜変形例１＞
次に、第１実施形態に係るひずみセンサ１の変形例１について、説明する。
上記第１実施形態に係るひずみセンサ１の製造工程では、基材部２の材料としてポリイミド等の樹脂を用いた場合を例示したが、ＰＤＭＳのようなより可撓性や伸縮性があるゴム材料を用いる場合は図６に示すような工程を用いて、基材部２の表面に凹凸形状部４を形成しても良い。
具体的には、まず、図６（ａ）に示すように、ＰＤＭＳ基材の母型となるシリコン基板４００を用意する。
【００４３】
次いで、図５（ｂ）〜（ｄ）と同様にシリコン基板４００の表面にドライフィルムレジスト４０１を貼付し、露光・エッチングをすることで、シリコン基板４００の表面にひずみセンサとその内部にライン状に繰り返し交互に配列された凹凸形状のパターンが形成された母型を形成する（図６（ｂ）〜（ｄ））。次いで、図６（ｅ）のように、ガラス基板等の平坦な基板上に未硬化のＰＤＭＳ４０２をコーティングし、凹凸形状部４が形成された母型４００に押し当てた状態で加圧・加熱処理をおこなう。その後母型から硬化したＰＤＭＳ４０２を剥離することで、表面に凹凸形状部４が形成されたＰＤＭＳの基材を作製することができる（図６（ｆ））。
以上、本変形例１に係る製造工程により、基材部２がゴム材料からなるひずみセンサ１を得ることが出来る。
【００４４】
＜変形例２＞
次に、第１実施形態に係るひずみセンサ１の変形例２について、説明する。
第１実施形態に係るひずみセンサ１において、凹凸形状部４の断面形状は図２（ｂ）に示すような矩形状のものとしたが、図７（ａ）（ｂ）に示すように基材部２の表面に三角形状や半円形状の凹部４ｂを連続的に形成したものとしても良い。また、凹凸形状部４は、図７（ｃ）（ｄ）に示すように、基材部２の表面に三角形状や半円形状の凸部４ａを連続的に形成したものとしても良い。
【００４５】
また、第１実施形態に係るひずみセンサ１において、凹凸形状部４は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、ｙ方向に延伸する凸部のラインと凹部のラインとがｘ方向に対して交互に繰り返し配列されて構成されるものとしたが、ｘ方向に延伸する凸部のラインと凹部のラインとがｙ方向に対して交互に繰り返し配列されて構成されるものとしても良い。また、凹凸形状部４は、図８に示すように、基材部２上面のｘｙ平面において、凸部４ａと凹部４ｂが交互に格子上に配列するようにしてもよい。いずれの場合においても凹凸形状の凸部には膜厚の薄いＣＮＴ層３が形成されることで、ひずみセンサ１の感度を高めるとともに、凹凸形状の凸部表面に形成されるＣＮＴ層３に加わるひずみや応力を減少させることでＣＮＴ層３の基材表面からの剥離を防止することができる。特に、図８のように凸部４ａと凹部４ｂが交互に格子状に配列された凹凸形状部４では、凹凸形状部４に積層されるＣＮＴ層３がｘ方向とｙ方向の双方向に対して嵌合構造を有することとなるので、ｘ方向とｙ方向の何れの方向にひずみが生じた場合であっても、ＣＮＴ層３の基材表面からの剥離を防止することができる。
【００４６】
また、第１実施形態に係るひずみセンサ１において、ＣＮＴ層３の形成される箇所には凹凸形状部４が備わることとしたが、図９に示すように、ＣＮＴ層３のうち一部のＣＮＴ層３ａの下部にのみ凹凸形状部４を備えるようにしてもよい。この場合、ＣＮＴ層３ａ以外のＣＮＴ層３は、基材部２の平坦な表面上に一定の厚みで積層される。
なお、本発明に係るひずみセンサは、上記実施形態で説明したものに限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・ひずみセンサ
２・・・基材部
３、３０２・・・ＣＮＴ層（抵抗体部）
４・・・凹凸形状部
４ａ・・・凸部
４ｂ・・・凹部
５・・・電極部
６・・・保護膜
３１・・・ＣＮＴ
１００・・・ウェアラブル装置
２００・・・ロボットアーム
３００・・・ポリイミドフィルム
３０１、４０１・・・ドライフィルムレジスト
３０３・・・炭素系導電性接着剤
３０４・・・パリレン膜
４００・・・シリコン基板
４０２・・・ＰＤＭＳ
【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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