(57)【要約】【課題】本発明の目的は、可撓性素子を用いたセンサとして、幅広い分野での使用を可能とし、かつ安定に動作する好適なセンサモジュールを提供することにある。【解決手段】本発明のセンサモジュール１０は、イオン交換樹脂の表面に複数の金属電極層が互いに電気絶縁的に分離されて形成された可撓性素子１３と、前記可撓性素子１３を内部に設ける筐体と、前記可撓性素子１３の変形によって生じる電気エネルギーを前記筐体外部に伝達するコネクタ部とを備えることを特徴とする。【選択図】図３
2008304390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換樹脂の表面に複数の金属電極層が互いに電気絶縁的に分離されて形成された可撓性素子と、
前記可撓性素子を内部に設ける筐体と、
前記可撓性素子の変形によって生じる電気エネルギーを前記筐体外部に伝達するコネクタ部と、
を備えるセンサモジュール。
【請求項２】
前記筐体は、円柱状または角柱状であって、前記可撓性素子の変形を許容するように構成されている請求項１に記載のセンサモジュール。
【請求項３】
前記電気エネルギーを増幅する増幅部をさらに備える請求項１または２に記載のセンサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換樹脂の表面に複数の金属電極層が互いに電気絶縁的に分離されて形成された可撓性素子を用いたセンサモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する可撓性素子として、本願出願人による先行出願の構成が公知である（特許文献１）。この構成の可撓性素子は、イオン交換樹脂層上に電極層が形成されたイオン交換樹脂複合体である可撓性素子であって、該電極層がイオン交換樹脂層上に複数形成されたことを特徴とし、該素子の変形を電気エネルギーに変換することができる。そして、この可撓性素子の応用として、各種センサへの応用について記載している。
【特許文献１】特開２００５−３９９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１に記載の可撓性素子を用いたセンサとしては、幅広い分野での使用が望まれている。また、可撓性素子をセンサとして用いる場合に、その安定動作のために、外部環境の影響を低減し、かつ異物等との接触による不具合を無くすことが必要である。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、可撓性素子を用いたセンサとして、幅広い分野での使用を可能とし、かつ安定に動作する好適なセンサモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明のセンサモジュールは、
イオン交換樹脂の表面に複数の金属電極層が互いに電気絶縁的に分離されて形成された可撓性素子と、
前記可撓性素子を内部に設ける筐体と、
前記可撓性素子の変形によって生じる電気エネルギーを前記筐体外部に伝達するコネクタ部と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、筐体内部の可撓性素子の変形による電気エネルギーをコネクタ部によって筐体外部に好適に取り出せる。また、筐体内部に可撓性素子が設けられているため、可撓性素子に対する外的環境の影響を低減し、直接の機械的衝撃が加わることがなく、センサとして安定に作動することができる。また、筐体形状のモジュール化によって、汎用部品化し、他装置に組み込み容易となり、幅広い用途に用いることができる。
【０００７】
また、本発明において前記筐体は、円柱状または角柱状であって、前記可撓性素子の変形を許容するように構成されていることが好ましい。
【０００８】
センサとして機能させる場合に、可撓性素子を変形させることが必要であり、方位を検出するためには、方位に依存した変形方位を制限することも可能であり、また、空間的制限を設けないように構成することもできる。また、対となる金属電極を複数設けることで、複数の方位検出ができる。また、可撓性素子を複数個筐体内部に設置することで、多軸の方位検出もできる。筐体の形状は、モジュール化にあたり、他装置に組み込みやすい形状が好ましく、この観点からすれば、円柱状、角柱状が好ましい。角柱状としては、特に制限されないが、４角柱、６角柱、８角柱等が例示できる。
【０００９】
また、本発明において前記電気エネルギーを増幅する増幅部をさらに備えることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、可撓性素子の変形による電気エネルギーを増幅することができ、センサモジュールの用途によって必要とされる電気エネルギー量に依存して増幅させることができるため、より幅広い用途に拡張することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（可撓性素子）
本発明に用いられる可撓性素子は、イオン交換樹脂の表面に複数の金属電極層が互いに電気的に絶縁されるように分離されて形成されているものである。この可撓性素子は、その変形によって電気エネルギーが生じる。この性質を利用して、各種センサに応用できるものであって、特に、本実施形態では、加速度センサ、衝撃感知センサとしての用途について説明する。まず、可撓性素子について説明する。
（可撓性素子）
【００１２】
イオン交換樹脂複合体は、公知の方法により得ることができる。例えば、イオン交換樹脂に無電解メッキをすることにより金属層を形成し、該金属層を金属電極層として用いることにより、前記イオン交換樹脂複合体を得ることができる。
【００１３】
前記無電解メッキとしては、例えば、粗面化処理を行った後に、水中に浸漬してイオン交換樹脂を膨潤させた状態で、イオン交換樹脂に白金錯体や金錯体等の金属錯体を吸着させる吸着工程を行い、次いで吸着された金属錯体を還元剤により還元させて金属を析出させる還元工程を行い、所望により還元剤を洗浄除去する洗浄工程を行う無電解メッキ方法を好適に用いることができる。この無電解メッキでは、電極である電極層を通電や湾曲をさせるのに充分な厚さとするために、吸着工程、還元工程及び洗浄工程を繰り返し行うこともできる。このようにして得られたイオン交換樹脂複合体は、イオン交換樹脂の内部方向に電極層が成長して電極が形成され、イオン交換樹脂と電極層との界面において、電極層の断面がフラクタル状の構造を形成しているので、前記電極層と前記イオン交換樹脂層との界面で大きな電気二重層を持つことができる。更に、前記電極層がイオン交換樹脂層の内部方向にフラクタル状の構造を形成しているので、アンカー効果が働くために、前記イオン交換樹脂複合体は、繰り返し曲げても耐久性を有する。
【００１４】
前記イオン交換樹脂は、特に限定されるものではない。前記イオン交換樹脂としては、特に限定されるものではなく、公知のイオン交換樹脂を用いることができ、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの親水性官能基を導入したものを用いることができる。このような樹脂としては、例えばパーフルオロスルホン酸樹脂（商品名「Ｎａｆｉｏｎ」、ＤｕＰｏｎｔ社製）、パーフルオロカルボン酸樹脂（商品名「フレミオン」、旭硝子社製）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成工業社製）、ＮＥＯＳＥＰＴＡ（トクヤマ社製）を用いることができる。
【００１５】
無電解メッキの吸着工程に用いられる金属錯体溶液は、還元されることにより形成される金属層が電極層として機能することができる金属の錯体を含むものであれば、特に限定されるものではない。前記金属錯体は、イオン化傾向の小さい金属が電気化学的に安定であるために金錯体、白金錯体、パラジウム錯体、ロジウム錯体、ルテニウム錯体等の金属錯体を使用することが好ましく、析出した金属が電極として水中で使用されるため、通電性が良好で電気化学的な安定性に富んだ貴金属からなる金属錯体が好ましく、さらに電気分解が比較的起こり難い金を含む金錯体が好ましい。前記金属塩溶液は、溶媒が特に限定されるものではないが、金属塩の溶解が容易であって取り扱いが容易であることから溶媒が水を主成分とすることが好ましく、前記金属塩溶液が金属塩水溶液であることが好ましい。したがって、前記金属錯体溶液としては、金属錯体水溶液であることが好ましく、特に金錯体水溶液または白金錯体水溶液であることが好ましく、さらに金錯体水溶液が好ましい。
【００１６】
無電解メッキの還元剤工程に用いられる還元剤としては、イオン交換樹脂に吸着される金属錯体溶液に使用される金属錯体の種類に応じて、種類を適宜選択して使用することができ、例えば亜硫酸ナトリウム、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム等を用いることができる。なお、金属錯体を還元する際に、必要に応じて、酸またはアルカリを添加してもよい。前記還元剤溶液の濃度は、金属錯体の還元により析出させる金属量を得ることができるのに十分な量の還元剤を含んでいればよく、特に限定されるものではないが、通常の無電解メッキにより電極を形成する場合に用いられる金属塩溶液と同等の濃度を用いることも可能である。また、還元剤溶液中には、イオン交換樹脂の良溶媒を含むことができる。
【００１７】
前記の無電解メッキで得られたイオン交換樹脂層上の電極層を複数形成する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、イオン交換樹脂層上に形成された電極層に対してレーザー照射や鋭利な刃物を用いて金属層を部分的に切除して、互いに絶縁された金属層を形成してもよい。
【００１８】
可撓性素子は、イオンを含む溶液によりイオン交換樹脂が膨潤した状態である。前記イオンは、電荷のキャリアーとして機能し、特に限定されるものではない。前記イオン交換樹脂の樹脂成分が、陽イオン交換樹脂である場合には、前記のイオンを含む溶媒中に含まれる陽イオンとして、（Ｃ２Ｈ５）４Ｎ＋、（Ｃ２Ｈ５）３（ＣＨ３）Ｎ＋、（ＣＨ３）４Ｎ＋などの炭素数が１〜４の範囲内であるアルキル基を有するテトラアルキルアンモニウムイオン、（Ｃ２Ｈ５）４Ｐ＋などのテトラアルキルホスホニウムイオン、Ｈ＋，Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｒｂ＋、Ｃｓ＋、Ｆｒ＋などの一価イオン、Ｃｕ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｏ２＋、Ｆｅ２＋、Ｆｅ３＋、Ａｌ２＋、Ａｌ３＋、Ｚｎ２＋、Ｐｂ２＋、Ｓｎ２＋、Ｍｇ２＋、Ｃａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｂａ２＋、Ｃｒ３＋などの二価又は三価のイオンを使用することができる。
【００１９】
また、本発明の可撓性素子のイオン交換樹脂を膨潤する溶液が、陰イオンを含む溶液である場合には、陰イオンとしてＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣｌＯ４−、Ｔｓ−、ＳＯ４２−、ＮＯ３−、Ｃｌ−、Ｂｒ−、I−、ＣＦ３ＳＯ４−、Ｃ４Ｆ９ＳＯ４−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、ＢＣＨ３（Ｃ２Ｈ５）３−、Ｂ（Ｃ２Ｈ５）４−、Ｂ（Ｃ４Ｈ９）４−、ＡｓＦ−、ＳｂＦ６−等を用いることができる。上記と同様に、イオン交換樹脂として陰イオン交換樹脂を用いた場合において、イオン交換樹脂中に含まれる溶液中のイオンは、イオン半径のイオンであることが好ましい。なお、イオン交換樹脂に含まれるイオンを含む溶液に用いられる溶媒は、前記イオン交換樹脂が、陽イオン交換樹脂であっても陰イオン交換樹脂であっても、イオンを溶解することができる極性溶媒であれば、特に限定されるものではない。
（可撓性素子の形状）
【００２０】
可撓性素子は、形状が特に限定されることが無く、膜状（又は板状）のイオン交換樹脂に無電解メッキを行って膜状イオン交換樹脂複合体であっても良い。また、円筒状のイオン交換樹脂の内側面及び／又は外側面に電極層を形成し、レーザー照射等によって絶縁溝を設けて、相互に絶縁された状態の電極対を形成しうる複数の電極層を備えたイオン交換樹脂複合体を前記可撓性素子として用いても良い。また、前記可撓性素子は、十分な可撓性を有するために、前記膜状イオン交換樹脂複合体を筒状、箱状、短径、平板状、円柱状、角柱状、コイル状、中空の円柱状などの所望の形状に容易に成形することができる。そのため、可撓性素子は、成形性に優れている。
【００２１】
前記可撓性素子の形状が円柱状である場合には、円柱状のイオン交換樹脂層の同じ面上に相互に絶縁状態とされた状態で、２つ以上の電極層が配された可撓性素子とすることができる。円柱状である前記可撓性素子においては、３６０°の各方向からの感知を容易とするために３つ以上の電極層が配された可撓性素子であることがより好ましい。この可撓性素子は、円柱状のイオン交換樹脂層の同じ面上に２つ以上の電極層を備えているので、どの電極層から電荷が移動しているかを検知することで、どの方向から円柱状素子の外周に力が加わったか、または変形部分を容易に検知することができる。円柱状は、その内部が中空でもあってもよい。図1（ａ）に円柱状の可撓性素子を示す。金属電極は４つ形成され、つまり、上下左右の４方向からの変形を検出することができる。また、図1（ｃ）に中空円柱状の可撓性素子を示す。
【００２２】
また、可撓性素子の形状が平板状の場合、その２平面に金属電極を設けることで、２方向からの変形を検出することができる。図１（ｂ）に平板状の可撓性素子を示す。
【００２３】
また、可撓性素子の形状が四角柱状の場合、その４平面に金属電極を設けることで、４方向からの変形を検出することができる。図１（ｄ）に四角柱状の可撓性素子を示す。
【００２４】
可撓性素子を構成するイオン交換樹脂複合体の厚さは、特に限定されるものではないが、可撓性を容易に発揮できる厚さである必要があり、例えば、角柱状や板状体の場合、０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．０５ｍｍ〜５ｍｍの範囲がより好ましい。また、円柱状の場合、直径０．５ｍｍ以上であることが好ましい。また、イオン交換樹脂複合体の厚さに対するイオン交換樹脂複合体の面積の比が１０（ｍｍ２／ｍｍ）であることが好ましく、２０（ｍｍ２／ｍｍ）であることが更に好ましい。
【００２５】
次に、可撓性素子の変形による電気エネルギー発生について簡単に説明する。図２は、イオン交換樹脂層３が挟まれるように電極層２、２’を設けた場合における素子変形を電気エネルギーに変換する可撓性素子の一実施態様例の断面図である。前記可撓性素子１は、前記イオン交換樹脂複合体に一方向から外力が加えられた場合には、図１（ａ）の静置状態から、図１（ｂ）のように変形した状態となる。図１（ｂ）の状態では、イオン交換樹脂層上に形成された２以上の電極のうち少なくとも一の電極層２が伸長し、他の電極層２’が収縮することとなる。前記イオン交換樹脂層の樹脂成分が陽イオン交換樹脂である場合には、電極層２が負極となり、電極層２’が正極となる。前記イオン交換樹脂層の樹脂成分が陰イオン交換樹脂である場合には、正極と負極は、その逆となる。
【００２６】
変形により電気エネルギーが発生する詳細なメカニズムについては明らかではないが、陽イオン交換樹脂を用いた場合、この変形において、イオン交換樹脂層中の水分子は、変形により伸びた側である電極層２側付近にイオン交換樹脂の体積膨張により水分子と対イオンが偏在しやすい。また、縮んだ側の電極層２’側付近ではイオン交換樹脂の体積収縮による水分子と対イオンが疎な状態となりやすい。このような偏在が生じるために、イオン交換樹脂内部で電荷の偏りが発生するためと考えられる。この電荷の偏りにより、電極層２’が正極となり、電極層２が負極となって、電荷は負極から正極へと移動する。電流は電極層２’から電極層２へと流れることになる。つまり前記可撓性素子は、電気化学的なイオン挙動により電気エネルギーを得るために、通常の圧電素子とは異なるものである。
【００２７】
前記可撓性素子は、イオン交換樹脂層上に電極層が形成されたイオン交換樹脂複合体により形成されていれば、特に限定されるものではない。前記可撓性素子は、イオン交換樹脂複合体そのものであっても、イオン交換樹脂複合体の外側が部分的または全面に被覆層により覆われても良い。
【００２８】
（筐体）
筐体としては、そのサイズ、形状、材質等が特に制限されず、用途に応じて設定することが可能である。特に、幅広く装置に組み込まれることを考慮し、例えば、円柱状または角柱状がより好ましい。この筐体の内部は、可撓性素子の変形を許容するように自由空間であることが好ましい。また、変更方向を制限するように、空間を仕切るような壁部を設けてもよい。また、筐体としては、内部に設置された可撓性素子を視認できるように、ガラス、透明樹脂材を用いるとより好ましい。また、筐体は、可撓性素子に対する悪影響（例えば、環境温度、湿度、異物との接触等）を低減するように、密封構成が好ましい。また、可撓性素子の仕様、用途に応じて筐体内部を減圧状態、真空状態、不活性ガス充填状態にすることが好ましい。また、筐体には、可撓性素子の一方の端部を固定するための固定部を設けてある。この固定部の構成は、特に制限されないが、後述するコネクタ部を介して可撓性素子端部の外周を挟み込むように固定される構成が好ましい。また、筐体は、外部機器への接続を容易にするようなホルダ部を設けて、このホルダ部に出力端子（後述）を設けている。ホルダ部は、密閉性、強度、温度特性の優れた材質のものが好ましい。
【００２９】
（コネクタ部）
コネクタ部は、可撓性素子の金属電極層のそれぞれに対応するように設けられている。可撓性素子の変形によって生じる電気エネルギーは、コネクタ部によって筐体の外部に伝達され、検出可能に構成されている。例えば、コネクタ部の一方の端部は、金属電極層に接触し、もう一方の端部は、筐体外部に設けられていて、出力端子として機能している。コネクタ部は、電気伝導性部材であれば、特に制限されないが、金属電極層と同一の素材がより好ましい。
【００３０】
（増幅部）
増幅部は、電気エネルギーを増幅する増幅回路、チップ等である。可撓性素子の変形によって生じる電気エネルギーが、数ｍＶである場合、この増幅部によって、所望の値に増幅（例えば、数百〜数千ｍＶ）し、用途に応じて設定できる。この増幅部は、筐体内部に設けることもでき、筐体外部に設けることもできる。
（センサモジュール）
図３にセンサモジュールの実施例を示す。図３（ａ）は、円柱形状のセンサモジュール１０であり、図３（ｂ）は、直方体形状のセンサモジュール２０の例である。図3（ａ）の円柱状のセンサモジュール１０は、円柱本体がガラス管１１であり、その両端部が金属製のホルダ部１２である。内部に図１（ａ）に示す可撓性素子１３が固定され、この可撓性素子１３の表面に、４つの金属電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが形成されている。４つの金属電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄには、そのそれぞれに対応するようにコネクタ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが接触している。
【００３１】
また、図３（ｂ）の直方体形状のセンサモジュール２０は、その上面の中央部がガラス製の天板２１であり、他の面材２２は、金属製である。内部に２つの角柱状の可撓性素子２３ａ、２３ｂが固定されている。可撓性素子２３ａは、図面では底面から垂直上方に固定され、可撓性素子２３ｂは、図面では、側面から水平方向に固定され、可撓性素子２３ａ、２３ｂの長手方向の向きは互いに直交するように設置されている。このように設置することで、２軸の感知が可能となる。角柱状の可撓性素子２３ａ、２３ｂの４平面には、それぞれ金属電極層が形成され、そのそれぞれに対応するようにコネクタ部（不図示）が接触している。
【００３２】
以下、本発明に係るセンサモジュールを衝撃センサとして用いた実施例を以下に説明する。なお、本願発明は、これに限定されるものではない。
（実施例１）  イオン交換樹脂膜（フッ素樹脂系イオン交換樹脂：パーフルオロカルボン酸樹脂、旭硝子社製、フレミオン、乾燥時の膜厚：０．２ｍｍ、イオン交換容量：１．４ｍｅｑ／ｇ）を用いて下記（１）〜（３）の工程を６サイクル繰り返し、イオン交換樹脂を挟んで形成された一対の金属電極を備えたイオン交換樹脂複合体を得た。
（１）吸着工程：ジクロロフフェナントロリン金塩化物水溶液に１２時間浸漬し、上記イオン交換樹脂複合体内にジクロロフェナントロリン金錯体を吸着させた。
（２）還元工程：亜硫酸ナトリウムおよびエチルメチルイミダゾール（５重量％）を含む水溶液中で、吸着したジクロロフェナントロリン金錯体を還元し、上記膜状高分子電解質（イオン交換樹脂複合体）に金電極を形成させた。このとき、水溶液の温度を６０〜８０℃とし、亜硫酸ナトリウムを徐々に添加しながら、６時間ジクロロフェナントリン金錯体の還元処理を行った。
（３）洗浄工程：表面に金電極が形成した膜状高分子電解質（イオン交換樹脂複合体）を取り出し、７０℃の水で１時間洗浄した。
（４）切断工程：上記無電解メッキにより一対の金属電極が形成されたイオン交換樹脂複合体を長さ（Ｌ）：３ｍｍ、幅（Ｗ）：５ｍｍのサイズに切断した。
（５）浸漬工程：上記イオン交換樹脂複合体をグリセリンカーボネートの水混合溶液（１）（６７重量％）に浸漬した。次いで、上記イオン交換樹脂複合体を０．０１ｍｏｌ／ｌのＬｉＴＦＳＩ（トリフルオロメタンスルホイミド）塩を含む上記混合溶液（１）に浸漬し、膨潤度が約２５％となるように３時間浸漬した。
【００３３】
上記で得られたイオン交換樹脂複合体が可撓性素子を構成している。その形状は板形状であり、厚み（ｔ）：約０．２ｍｍ、長さ（Ｌ）：３ｍｍ、幅（Ｗ）：５ｍｍである。これを、円筒状の筐体に組み込んでセンサモジュールを構成した。センサモジュールのサイズは、直径８ｍｍ、高さ２５ｍｍである。
【００３４】
このセンサモジュールを質量４６２ｇ、直径４０ｍｍの鉄球内部に固定して設置した。センサモジュールのコネクタ部の出力端子は、鉄球外部へ電気的配線を延設し、電圧計に接続されている（不図示）。図４に示すように、この鉄球を下方の鉄板に自由落下（高さ５０、７５、１００ｃｍからの落下）させ、この時の衝撃による起電力を測定した。その結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
2008304390.tif 000003
【００３６】
表１の結果からわかるように、鉄球内部のセンサモジュールは、衝撃を感知し、起電力を発生させている。さらに、落下距離に比例して（衝撃力の強度に比例して）起電力値も増加している。すなわち、センサモジュールは、衝撃センサとして機能し、さらに、衝撃力に比例して起電力値が増加するため、衝撃力の強度も検出することができた。
【００３７】
以上によれば、本発明のセンサモジュールは、加速度センサ、衝撃センサとして有効に機能し、かつ、装置に組み込みやすい構成（形状、サイズ）であるため、幅の広い用途展開が可能である。例えば、パソコンに組み込んで、電力供給の必要がなく、落下衝撃センサとして機能させ、例えば、バッテリの損傷を予測するのに用いることができる。また、加速度センサとして用いる場合、操作機器、例えば、ゲーム機の操作機器や、携帯電話の操作機器として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】可撓性素子の形状例について説明するための図
【図２】可撓性素子の変形による電気エネルギー発生について説明するための図
【図３】センサモジュールの例について説明するための図
【図４】衝撃センサの実施例を説明するための図
【符号の説明】
【００３９】
１０、２０      センサモジュール
１１            ガラス管
１２            ホルダ部
１３、２３ａ、２３ｂ    可撓性素子
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ    コネクタ部
【図１】
2008304390.tif 000004
【図２】
2008304390.tif 000005
【図３】
2008304390.tif 000006
【図４】
2008304390.tif 000007