(57)【要約】【課題】  測定対象物の動きを阻害することなく、測定対象物の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる変形量測定構造体を提供する。【解決手段】  変形量測定構造体１は、伸び変形または曲げ変形する基材１０と、基材１０の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層１２と、誘電層１２を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層１３ａ、１３ｂと、一対の電極層１３ａ、１３ｂの少なくとも一方の表面に配置されエラストマーを含む保護層１４ａ、１４ｂと、を有し、基材１０の変形に追従して伸縮するセンサ素子１１と、を備え、誘電層１２および保護層１４ａ、１４ｂの少なくとも一方の引張永久歪みは１０％以下であり、センサ素子１１から出力される静電容量の変化に基づいて、基材１０の伸びまたは曲げによる変形量を測定する。【選択図】  図２
2016153729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸び変形または曲げ変形する基材と、
該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、一対の該電極層の少なくとも一方の表面に配置されエラストマーを含む保護層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、
該誘電層および該保護層の少なくとも一方の引張永久歪みは１０％以下であり、
該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする変形量測定構造体。
【請求項２】
前記センサ素子における前記誘電層、前記電極層、および前記保護層の各々の弾性率と断面積とが、次式（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）のいずれかを満たす請求項１に記載の変形量測定構造体。
（ｉ）該誘電層および該保護層のうち該保護層のみの引張永久歪みが１０％以下である場合
（ＥｅＳｅ＋ＥｙＳｙ）＜ＥｃＳｃ  ・・・（Ｉ）
（ｉｉ）該誘電層および該保護層のうち該誘電層のみの引張永久歪みが１０％以下である場合
（ＥｅＳｅ＋ＥｃＳｃ）＜ＥｙＳｙ  ・・・（ＩＩ）
（ｉｉｉ）該保護層および該誘電層の引張永久歪みがいずれも１０％以下である場合
ＥｅＳｅ＜（ＥｃＳｃ＋ＥｙＳｙ）  ・・・（ＩＩＩ）
［Ｅｅ：電極層の弾性率、Ｓｅ：電極層の断面積、Ｅｙ：誘電層の弾性率、Ｓｙ：誘電層の断面積、Ｅｃ：保護層の弾性率、Ｓｃ：保護層の断面積］
【請求項３】
前記誘電層および前記保護層の少なくとも一方の前記エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動するものである請求項１または請求項２に記載の変形量測定構造体。
【請求項４】
伸び変形または曲げ変形する基材と、
該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、
該誘電層の該エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動するものであり、
該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする変形量測定構造体。
【請求項５】
伸び変形または曲げ変形する基材と、
該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、
該基材の引張永久歪みは１０％以下であり、
該基材および該センサ素子を、各々面方向において同じ一方向に伸長した場合に、該基材のばね定数は該センサ素子のばね定数よりも大きく、
該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする変形量測定構造体。
【請求項６】
前記センサ素子は、さらに、一対の前記電極層の少なくとも一方の表面に配置されエラストマーを含む保護層を有する請求項５に記載の変形量測定構造体。
【請求項７】
前記誘電層の比誘電率は、５以上である請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の変形量測定構造体。
【請求項８】
前記誘電層は、誘電性粒子を含む請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の変形量測定構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伸び変形または曲げ変形する基材の変形量を静電容量の変化から測定する変形量測定構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷重分布や部材の変形などを検出する手段として、エラストマーを使用した柔軟なセンサの開発が進められている。例えば、特許文献１〜４に記載されているように、エラストマー製の誘電層を挟むように電極層を配置して、静電容量型センサを構成することができる。静電容量型センサにおいては、圧縮や伸長などにより誘電層の厚さ、すなわち電極層間距離が小さくなると、静電容量が大きくなる。また、電極層の面積が大きくなると、静電容量が大きくなる。したがって、静電容量型センサによると、静電容量の変化に基づいて、測定対象物に加えられた荷重や、測定対象物の伸び量などの変形量を検出することができる。
【０００３】
エラストマー製の誘電層を備える静電容量型センサにおいては、測定対象物の変形に追従して誘電層と電極層とが一体になって変形できるように、電極層にも柔軟な導電材料が使用されている。例えば、特許文献４に記載されている静電容量型センサにおいては、クッションなどの柔らかい物の伸縮歪み量を測定するために、電極層の材料としてカーボンナノチューブを使用し、かつ、電極層の厚さを薄くして、誘電層に対する追従性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２２５６号公報
【特許文献２】特開２００９−２０００６号公報
【特許文献３】特開２０１０−４３８８１号公報
【特許文献４】特開２０１４−８１３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでは、測定対象物の動きを阻害することなく測定対象物の変形に追従できるように、誘電層や電極層の材料を検討し、センサの柔軟性を向上させてきた。誘電層としては、ウレタンゴムなどの柔軟なエラストマーが用いられる。しかしながら、柔軟なエラストマーは、伸縮を繰り返すとへたりやすい。すなわち、伸縮を繰り返すうちに誘電層が元の形状に戻りにくくなる。静電容量型センサにおいて、誘電層の伸び量と静電容量の変化との関係を予め作製しておくと、出力された静電容量の変化から測定対象物の伸び量を測定することができる。しかしながら、誘電層がへたると、誘電層の伸縮の仕方が変わるため、測定対象物の変形に応じて予め設定した静電容量値と出力値とが異なってくる。このため、測定対象物の伸び量を正確に測定することができない。また、応力−歪み（伸び量）線図を予め作製しておくことにより、静電容量の変化から算出された伸び量に基づいて、測定対象物に生じる応力をも測定することができる。しかしながら、誘電層がへたると、伸び量の正確な測定ができないため、応力を正確に測定することもできない。
【０００６】
誘電層の耐へたり性を向上させるためには、例えば、エラストマーの架橋密度を大きくすることが考えられる。エラストマーの架橋密度を大きくすると弾性率が上昇するため、耐へたり性に有利になる。しかしながら、誘電層の弾性率が大きくなると、測定対象物の変形に対する追従性が低下してしまう。このため、誘電層のエラストマー種を変更したり、エラストマーの架橋密度を調整するだけでは、柔軟性と耐へたり性とを共に満足できるレベルにすることは難しい。
【０００７】
一方、センサの感度（Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ：信号雑音比））を向上させるためには、誘電層の比誘電率を大きくすることが望ましい。例えば、比誘電率が大きいエラストマーを用いたり、エラストマーにチタン酸バリウム粒子などの誘電性粒子を配合して、誘電層の比誘電率を大きくすることができる。しかしながら、本発明者が検討したところ、誘電層に誘電性粒子を配合すると、誘電性粒子とエラストマーとが剥離することにより、耐へたり性がより低下することがわかった。したがって、耐へたり性を確保しつつ誘電層の比誘電率を大きくすることも難しい。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、測定対象物の動きを阻害することなく、測定対象物の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる変形量測定構造体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明の第一の変形量測定構造体は、伸び変形または曲げ変形する基材と、該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、一対の該電極層の少なくとも一方の表面に配置されエラストマーを含む保護層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、該誘電層および該保護層の少なくとも一方の引張永久歪みは１０％以下であり、該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第一の変形量測定構造体を構成する基材は、測定対象物である。基材は、伸び変形または曲げ変形するものであれば特に限定されない。基材の材質としては、例えば、樹脂、エラストマー、布などが挙げられる。布には、天然繊維や合成繊維の織物、編み物、不織布などが含まれる。基材としては、例えば、衣服、サポーターなどの伸縮可能な状態に加工したもの、およびこれらを積層させたものなどが挙げられる。
【００１１】
本発明の第一の変形量測定構造体により測定される「基材の伸びまたは曲げによる変形量」には、基材の伸び量、曲げ角度、基材の応力などが含まれる（以下、本発明の第二、第三の変形量測定構造体において同じ）。
【００１２】
本発明の第一の変形量測定構造体を構成するセンサ素子は、保護層を有する。保護層は、一対の電極層の片方または両方における誘電層とは反対側の表面に配置される。保護層を配置すると、外部からの機械的応力によるセンサ素子の破壊を抑制できると共に、外部の温度変化を誘電層に伝えにくくする効果が得られる。
【００１３】
センサ素子において、誘電層および保護層の少なくとも一方の引張永久歪みは１０％以下である。本明細書における引張永久歪みとしては、ＪＩＳ  Ｋ  ６２７３：２００６に規定される短冊状試験片を用いた定伸長引張永久歪み試験を、試験片に与える伸び５０％、試験温度５０℃、試験時間２０時間という条件で行い測定された値を採用する。
【００１４】
誘電層および保護層は、エラストマーを含むため柔軟であるが、引張永久歪みが１０％以下の場合には耐へたり性に優れる。例えば、誘電層および保護層の両方の引張永久歪みが１０％以下である場合、センサ素子全体の耐へたり性が向上する。仮に電極層にへたりが生じても、電極層は誘電層および保護層に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、誘電層、電極、保護層は一体となって伸縮する。よって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。
【００１５】
一方、誘電層のみの引張永久歪みが１０％以下であってもよい。この場合、誘電層は、保護層や電極層が元の形状に戻るのを助ける役割を果たす。すなわち、仮に保護層や電極層にへたりが生じても、保護層や電極層は誘電層に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、保護層および電極層は誘電層と一体となって伸縮する。よって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。
【００１６】
他方、保護層のみの引張永久歪みが１０％以下であってもよい。この場合、保護層は、誘電層や電極層が元の形状に戻るのを助ける役割を果たす。すなわち、仮に誘電層や電極層にへたりが生じても、誘電層や電極層は保護層に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、誘電層および電極層は保護層と一体となって伸縮する。よって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。
【００１７】
このように、本発明の第一の変形量測定構造体においては、センサ素子の柔軟性を確保しつつ、（ａ）誘電層および保護層の耐へたり性を向上させる、あるいは（ｂ）保護層の耐へたり性を誘電層で補う、あるいは（ｃ）誘電層の耐へたり性を保護層で補うことにより、センサ素子全体の耐へたり性を向上させている。したがって、本発明の第一の変形量測定構造体によると、基材の動きを阻害することなく、基材の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる。
【００１８】
また、保護層のみの引張永久歪みが１０％以下である場合には、保護層によりセンサ素子の耐へたり性を確保できるため、誘電層には耐へたり性とは別の特性を付与することができる。例えば、誘電層に誘電性粒子を配合して、誘電層の比誘電率を大きくすることができる。このように、保護層と誘電層とにおいて機能分離をすることにより、耐久性だけでなくセンサ素子の性能をも向上させることができる。
【００１９】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記センサ素子における前記誘電層、前記電極層、および前記保護層の各々の弾性率と断面積とが、次式（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）のいずれかを満たす構成とするとよい。
（ｉ）該誘電層および該保護層のうち該保護層のみの引張永久歪みが１０％以下である場合
（ＥｅＳｅ＋ＥｙＳｙ）＜ＥｃＳｃ  ・・・（Ｉ）
（ｉｉ）該誘電層および該保護層のうち該誘電層のみの引張永久歪みが１０％以下である場合
（ＥｅＳｅ＋ＥｃＳｃ）＜ＥｙＳｙ  ・・・（ＩＩ）
（ｉｉｉ）該保護層および該誘電層の引張永久歪みがいずれも１０％以下である場合
ＥｅＳｅ＜（ＥｃＳｃ＋ＥｙＳｙ）  ・・・（ＩＩＩ）
［Ｅｅ：電極層の弾性率、Ｓｅ：電極層の断面積、Ｅｙ：誘電層の弾性率、Ｓｙ：誘電層の断面積、Ｅｃ：保護層の弾性率、Ｓｃ：保護層の断面積］
電極層、誘電層、保護層の断面積は、各々、センサ素子が変形していない自然状態において、センサ素子を積層方向に切断した場合の積層部分の断面積である。電極層の断面積は、誘電層を挟む二つの電極層の断面積の合計である。保護層が二つ配置される場合、保護層の断面積は、二つの保護層の断面積の合計である。なお、二つの電極層の弾性率が異なる場合には、各層ごとに弾性率×断面積を計算して、それらの和を使用する。保護層についても同様である。例えば、一方の電極層の弾性率がＥｅ１、断面積がＳｅ１、他方の電極層の弾性率がＥｅ２、断面積がＳｅ２である場合、式（Ｉ）中のＥｅＳｅは、（Ｅｅ１Ｓｅ１＋Ｅｅ２Ｓｅ２）となる。
【００２０】
弾性率としては、ＪＩＳ  Ｋ  ７１２７：１９９９に規定される引張試験を行い、得られた応力−伸び曲線から算出した値を採用する。試験片には、試験片タイプ２を使用することとする。
【００２１】
センサ素子の耐へたり性は、ばね定数が大きい層の耐へたり性に大きく影響される。誘電層、電極層、および保護層の伸縮方向におけるばね定数は、各層を構成する材料の弾性率と、各層の積層方向（伸縮方向に直交する方向に相当）の断面積に依存する。本構成によると、（ｉ）〜（ｉｉｉ）のいずれの場合においても、ばね定数が大きい層の引張永久歪みが１０％以下になる。これにより、耐へたり性に優れるセンサ素子を構成することができる。
【００２２】
（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記誘電層および前記保護層の少なくとも一方の前記エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動するものである構成とするとよい。
【００２３】
本構成において、エラストマーは、環動分子を介した架橋構造を有すれば、自身のポリマー鎖同士が架橋していても、架橋していなくてもよい。環動分子は、環状分子と直鎖状分子とを持つ。環状分子は、直鎖状分子に沿って移動することができる。エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は、環状分子と架橋している。このため、環状分子の移動に伴い、架橋点も移動する。環動分子を介さない通常の架橋構造においては、架橋点は固定される。このため、伸縮を繰り返すと架橋点に応力が集中し、架橋鎖やポリマー鎖が切断されてへたりが生じやすい。これに対して、架橋点が移動するエラストマーにおいては、伸縮を繰り返しても応力は架橋点に集中することなく、エラストマー全体に分散される。したがって、当該エラストマーを使用することにより、エラストマー自身の柔軟性（低弾性）を維持しつつ、耐へたり性に優れる誘電層、保護層を実現することができる。
【００２４】
例えば、誘電層のエラストマーとして、環動分子を介した架橋構造を有するエラストマーを用いた場合には、比誘電率が大きい無機粒子、有機粒子、ポリマー、可塑剤などを配合しても、誘電層の耐へたり性が低下しにくい。比誘電率が大きい成分を配合して誘電層の比誘電率を大きくすることができるため、耐久性は勿論、センサ素子の性能をも向上させることができる。
【００２５】
（４）本発明の第二の変形量測定構造体は、伸び変形または曲げ変形する基材と、該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、該誘電層の該エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動するものであり、該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする。
【００２６】
本発明の第二の変形量測定構造体を構成する基材は、測定対象物である。基材は、本発明の第一の変形量測定構造体における基材と同じであり、伸び変形または曲げ変形するものであれば特に限定されない。
【００２７】
センサ素子の誘電層としては、環動分子を介した架橋構造を有するエラストマーを使用する。エラストマーは、環動分子を介した架橋構造を有すれば、自身のポリマー鎖同士が架橋していても、架橋していなくてもよい。上述したように、環動分子を介した架橋構造を有するエラストマーを使用すると、誘電層の柔軟性を維持しつつ耐へたり性を向上させることができる。センサ素子が耐へたり性に優れる誘電層を備えることにより、仮に保護層や電極層にへたりが生じても、保護層や電極層は誘電層に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、保護層および電極層は誘電層と一体となって伸縮する。よって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。したがって、本発明の第二の変形量測定構造体によると、測定対象物である基材の動きを阻害することなく、基材の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる。
【００２８】
また、上記（３）の構成において説明したように、本構成の誘電層は、比誘電率が大きい無機粒子、有機粒子、ポリマー、可塑剤などを配合しても、耐へたり性が低下しにくい。比誘電率が大きい成分を配合して誘電層の比誘電率を大きくすることができるため、耐久性は勿論、センサ素子の性能をも向上させることができる。
【００２９】
（５）本発明の第三の変形量測定構造体は、伸び変形または曲げ変形する基材と、該基材の表面に配置され、エラストマーを含む誘電層と、該誘電層を挟んで配置されエラストマーおよび導電材を含む一対の電極層と、を有し、該基材の変形に追従して伸縮するセンサ素子と、を備え、該基材の引張永久歪みは１０％以下であり、該基材および該センサ素子を、各々面方向において同じ一方向に伸長した場合に、該基材のばね定数は該センサ素子のばね定数よりも大きく、該センサ素子から出力される静電容量の変化に基づいて、該基材の伸びまたは曲げによる変形量を測定することを特徴とする。
【００３０】
本発明の第三の変形量測定構造体を構成する基材は、測定対象物である。基材は、引張永久歪みが１０％以下であり、面方向のばね定数がセンサ素子のばね定数よりも大きいという点で限定される以外は、本発明の第一の変形量測定構造体における基材と同じである。本発明の第三の変形量測定構造体において、「面方向」は、基材およびセンサ素子の積層方向に対して直交する方向である。本発明の第三の変形量測定構造体において、「ばね定数」は、基材とセンサ素子との各々の荷重−変位特性における０〜１０％伸びまでの傾きである。
【００３１】
本発明の第三の変形量測定構造体において、基材の引張永久歪みは１０％以下であり、基材の面方向のばね定数はセンサ素子の面方向のばね定数よりも大きい。このため、基材はセンサ素子よりもへたりにくく、センサ素子が元の形状に戻るのを助ける役割を果たす。よって、仮にセンサ素子の誘電層などにへたりが生じても、センサ素子は基材に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、センサ素子は基材の変形に追従して伸縮する。したがって、センサ素子は、伸縮を繰り返しても、基材の変形に応じた静電容量を出力することができる。
【００３２】
このように、本発明の第三の変形量測定構造体においては、測定対象物である基材を、引張永久歪みが１０％以下であり、かつ、センサ素子よりもばね定数が大きいものに限定することにより、センサ素子の耐へたり性の課題を解決している。本発明の第三の変形量測定構造体によると、基材の動きを阻害することなく、基材の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる。勿論、本発明の第三の変形量測定構造体においても、上記（１）〜（４）において説明した形態、すなわち、誘電層の引張永久歪みが１０％以下である形態、誘電層のエラストマーとして環動分子を介した架橋構造を有するものを使用する形態などを採用することができる。
【００３３】
（６）好ましくは、上記（５）の構成において、前記センサ素子は、さらに、一対の前記電極層の少なくとも一方の表面に配置されエラストマーを含む保護層を有する構成とするとよい。
【００３４】
保護層は、一対の電極層の片方または両方における誘電層とは反対側の表面に配置される。上述したように、保護層を配置すると、外部からの機械的応力によるセンサ素子の破壊を抑制できると共に、外部の温度変化を誘電層に伝えにくくする効果が得られる。また、保護層の引張永久歪みが１０％以下である場合には、センサ素子の耐へたり性が向上する。
【００３５】
（７）好ましくは、上記（１）ないし（６）のいずれかの構成において、前記誘電層の比誘電率は、５以上である構成とするとよい。
【００３６】
本構成によると、センサ素子から出力される静電容量の値が大きくなり、センサ素子の感度（Ｓ／Ｎ比）が向上する。
【００３７】
（８）好ましくは、上記（１）ないし（７）のいずれかの構成において、前記誘電層は、誘電性粒子を含む構成とするとよい。
【００３８】
誘電性粒子には、比誘電率が大きい無機粒子および有機粒子が含まれる。誘電性粒子の比誘電率は、１０以上、さらには２００以上が望ましい。本構成によると、誘電層の比誘電率を大きくすることができる。これにより、基材の変形に対する静電容量の値が大きくなり、センサ素子の感度（Ｓ／Ｎ比）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第一実施形態の変形量測定構造体の上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】第二実施形態の変形量測定構造体の上面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である
【図５】第三実施形態の変形量測定構造体の上面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の変形量測定構造体の実施形態について説明する。
【００４１】
＜第一実施形態＞
本発明の第一の変形量測定構造体の実施形態を示す。まず、本実施形態の変形量測定構造体の構成について説明する。図１に、変形量測定構造体の上面図を示す。図２に、図１のＩＩ−ＩＩ断面図を示す。図１のＩＩ−ＩＩ断面は、センサ素子の伸縮方向に直交する積層方向の断面である。図１においては、最上面の保護層の下側に配置される電極層を透過して示す。図１において、前後左右方向は基材およびセンサ素子の面方向に対応する。図２において、上下方向は積層方向に対応する。図１、図２に示すように、変形量測定構造体１は、基材１０と、センサ素子１１と、備えている。
【００４２】
基材１０は、ポリエステル網（（株）相互理化学硝子製作所製）からなる。基材１０は、左右方向に伸び変形したり、下方に開口するＣ字状に曲げ変形する。センサ素子１１は、基材１０の上面に配置されている。センサ素子１１は、誘電層１２と、一対の電極層１３ａ、１３ｂと、一対の保護層１４ａ、１４ｂと、を備えている。
【００４３】
誘電層１２は、左右方向に延びる長方形状を呈している。誘電層１２の前後方向の長さ（幅）は１０ｍｍ、左右方向の長さは５０ｍｍ、厚さは３００μｍである。誘電層１２は、ウレタンゴムと、チタン酸バリウム粒子と、を含んでいる。ウレタンゴムは、本発明におけるエラストマーの概念に含まれる。チタン酸バリウム粒子は、本発明における誘電性粒子の概念に含まれる。誘電層１２の比誘電率は１２である。誘電層１２の弾性率（Ｅｙ）は３ＭＰａ、ＩＩ−ＩＩ断面の断面積（Ｓｙ）は３×１０−６ｍ２である。
【００４４】
一対の電極層１３ａ、１３ｂは、各々、左右方向に延びる長方形状を呈している。電極層１３ａは誘電層１２の上面に配置されている。電極層１３ｂは誘電層１２の下面に配置されている。電極層１３ａ、１３ｂの幅および左右方向の長さは、誘電層１２と同じである。電極層１３ａ、１３ｂの厚さはいずれも５０μｍである。電極層１３ａ、１３ｂは、アクリルゴムおよびカーボンブラックを含んでいる。電極層１３ａ、１３ｂの弾性率（Ｅｅ）はいずれも１ＭＰａ、ＩＩ−ＩＩ断面の断面積（Ｓｅ）は合計１×１０−６ｍ２である。電極層１３ａ、１３ｂには、図示しない配線が接続されている。電極層１３ａ、１３ｂは、配線を介して、図示しない制御装置に接続されている。
【００４５】
一対の保護層１４ａ、１４ｂは、各々、左右方向に延びる長方形状を呈している。保護層１４ａは、電極層１３ａの上面に配置されている。保護層１４ａは、誘電層１２および電極層１３ａ、１３ｂを被覆している。保護層１４ｂは電極層１３ｂの下面に配置されている。保護層１４ａ、１４ｂは、幅１０ｍｍ、左右方向の長さ５０ｍｍの領域で、誘電層１２および電極層１３ａ、１３ｂに積層されている。保護層１４ａ、１４ｂの厚さは２００μｍである。保護層１４ａ、１４ｂは、ウレタンゴムと、ポリロタキサンと、を含んでいる。ウレタンゴムは、ポリロタキサンを介した架橋構造を有している。ポリロタキサンの環状分子はα−シクロデキストリン、直鎖状分子はポリエチレングリコール、封鎖基はアダマンタン基である。保護層１４ａ、１４ｂの弾性率（Ｅｃ）はいずれも４ＭＰａ、ＩＩ−ＩＩ断面の断面積（Ｓｃ）は合計４×１０−６ｍ２である。保護層１４ａ、１４ｂの引張永久歪みは１％である。
【００４６】
次に、本実施形態の変形量測定構造体の動きについて説明する。一対の電極層１３ａ、１３ｂには、制御装置から電圧が印加されている。センサ素子１１により、基材１０が変形する前の自然状態の静電容量が出力される。基材１０が左右方向に伸長すると、センサ素子１１も基材１０と共に伸長する。この際、誘電層１２の厚さは薄くなり、電極層１３ａ、１３ｂの面積が大きくなる。これにより、電極層１３ａ、１３ｂ間の静電容量は大きくなる。制御装置には、予め、静電容量の変化とセンサ素子１１の伸び量との関係を示すマップ、およびセンサ素子１１の伸び量と応力との関係を示すマップが、格納されている。センサ素子１１により、基材１０の伸長時の静電容量が出力されると、伸長前後の静電容量の変化量から、基材１０の伸び量が算出される。基材１０の伸び量から応力が算出される。
【００４７】
次に、本実施形態の変形量測定構造体の作用効果について説明する。変形量測定構造体１においては、誘電層１２および電極層１３ａ、１３ｂを覆うように保護層１４ａ、１４ｂが配置されている。よって、外部からの機械的応力によるセンサ素子１１の破壊が抑制される。また、外部の温度変化が誘電層１２に伝わりにくい。保護層１４ａ、１４ｂは、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するウレタンゴムからなる。当該ウレタンゴムにおいては、架橋点が固定されておらず変形時にスライドするため、伸縮を繰り返しても、架橋点に応力が集中しにくい。また、保護層１４ａ、１４ｂの引張永久歪みは１０％以下である。このため、保護層１４ａ、１４ｂは、柔軟（低弾性）であり、かつ、耐へたり性に優れる。
【００４８】
センサ素子１１を構成する部材のうち、引張永久歪みが１０％以下であるのは保護層１４ａ、１４ｂのみである。ここで、誘電層１２、電極層１３ａ、１３ｂ、および保護層１４ａ、１４ｂの各々の弾性率と断面積との関係は、式（Ｉ）の（ＥｅＳｅ＋ＥｙＳｙ）＜ＥｃＳｃを満たしている。すなわち、センサ素子１１において、最もばね定数が大きいと見なされる保護層１４ａ、１４ｂが耐へたり性にも優れている。よって、誘電層１２および電極１３ａ、１３ｂにへたりが生じても、誘電層１２および電極１３ａ、１３ｂは、保護層１４ａ、１４ｂに引っ張られて元の形状に戻ることができる。このため、センサ素子１１は、伸縮を繰り返しても、基材１０の変形に応じた静電容量を出力することができる。したがって、変形量測定構造体１によると、基材１０の動きを阻害することなく、基材１０の伸び量および応力を繰り返し精度良く測定することができる。
【００４９】
誘電層１２、保護層１４ａ、１４ｂに含まれるウレタンゴムは、粘着性を有している。このため、誘電層１２、電極層１３ａ、１３ｂ、保護層１４ａ、１４ｂの層間密着性が高い。また、保護層１４ｂと基材１０との間の密着性も高い。よって、伸縮を繰り返しても、センサ素子１１の構成部材同士、およびセンサ素子１１と基材１０とが剥離しにくい。この点においても、センサ素子２１は耐久性に優れる。
【００５０】
また、誘電層１２には、チタン酸バリウム粒子が含有されている。このため、誘電層１２の比誘電率は大きい。変形量測定構造体１においては、保護層１４ａ、１４ｂにて耐へたり性を向上させ、誘電層１２にて比誘電率を大きくするという機能分離がされている。したがって、変形量測定構造体１においては、耐久性だけでなくセンサ素子１１の感度（Ｓ／Ｎ比）も高い。
【００５１】
＜第二実施形態＞
本発明の第二の変形量測定構造体の実施形態を示す。まず、本実施形態の変形量測定構造体の構成について説明する。図３に、変形量測定構造体の上面図を示す。図４に、図３のＩＶ−ＩＶ断面図を示す。図３のＩＶ−ＩＶ断面は、センサ素子の伸縮方向に直交する積層方向の断面である。図３において、前後左右方向は基材およびセンサ素子の面方向に対応する。図４において、上下方向は積層方向に対応する。図３、図４に示すように、変形量測定構造体２は、基材２０と、センサ素子２１と、備えている。
【００５２】
基材２０は、ポリエステル網（（株）相互理化学硝子製作所製）からなる。基材２０は、左右方向に伸び変形したり、下方に開口するＣ字状に曲げ変形する。センサ素子２１は、基材２０の上面に配置されている。センサ素子２１は、誘電層２２と、一対の電極層２３ａ、２３ｂと、を備えている。
【００５３】
誘電層２２は、左右方向に延びる長方形状を呈している。誘電層２２の前後方向の長さ（幅）は１０ｍｍ、左右方向の長さは５０ｍｍ、厚さは３００μｍである。誘電層２２は、ウレタンゴムと、ポリロタキサンと、チタン酸バリウム粒子と、を含んでいる。ウレタンゴムは、ポリロタキサンを介した架橋構造を有している。ポリロタキサンの環状分子はα−シクロデキストリン、直鎖状分子はポリエチレングリコール、封鎖基はアダマンタン基である。誘電層２２の比誘電率は１２である。
【００５４】
一対の電極層２３ａ、２３ｂは、各々、左右方向に延びる長方形状を呈している。電極層２３ａは誘電層２２の上面に配置されている。電極層２３ｂは誘電層２２の下面に配置されている。電極層２３ａ、２３ｂの前後方向および左右方向の長さは、誘電層２２のそれと同じである。電極層２３ａ、２３ｂの厚さは５０μｍである。電極層２３ａ、２３ｂは、アクリルゴムおよびカーボンブラックを含んでいる。電極層２３ａ、２３ｂには、図示しない配線が接続されている。電極層２３ａ、２３ｂは、配線を介して、図示しない制御装置に接続されている。
【００５５】
次に、本実施形態の変形量測定構造体の動きについて説明する。一対の電極層２３ａ、２３ｂには、制御装置から電圧が印加されている。センサ素子２１により、基材２０が変形する前の自然状態の静電容量が出力される。基材２０が下方に開口するＣ字状に曲げ変形すると、センサ素子２１も基材２０と共に曲げ変形する。この際、誘電層２２の厚さは薄くなり、電極層２３ａの面積が大きくなる。これにより、電極層２３ａ、２３ｂ間の静電容量は大きくなる。制御装置には、予め、静電容量の変化とセンサ素子２１の曲げ角度との関係を示すマップが、格納されている。センサ素子２１により、基材２０の曲げ変形時の静電容量が出力されると、変形前後の静電容量の変化量から、基材２０の曲げ角度が算出される。
【００５６】
次に、本実施形態の変形量測定構造体の作用効果について説明する。変形量測定構造体２においては、誘電層２２の材料として、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するウレタンゴムを使用する。当該ウレタンゴムにおいては、架橋点が固定されておらず変形時にスライドするため、伸縮を繰り返しても、架橋点に応力が集中しにくい。このため、誘電層２２は、柔軟（低弾性）であり、かつ、耐へたり性に優れる。よって、センサ素子２１は、伸縮を繰り返しても、基材２０の変形に応じた静電容量を出力することができる。また、当該ウレタンゴムは、粘着性を有している。このため、誘電層２２と電極層２３ａ、２３ｂとの密着性が高い。よって、伸縮を繰り返しても、誘電層２２と電極層２３ａ、２３ｂとが剥離しにくい。この点においても、センサ素子２１は耐久性に優れる。したがって、変形量測定構造体２によると、基材２０の動きを阻害することなく、基材２０の伸び量および応力を繰り返し精度良く測定することができる。
【００５７】
また、誘電層２２には、チタン酸バリウム粒子が含有されている。このため、誘電層２２の比誘電率は大きい。したがって、変形量測定構造体２においては、耐久性だけでなくセンサ素子２１の感度（Ｓ／Ｎ比）も高い。
【００５８】
＜第三実施形態＞
本発明の第三の変形量測定構造体の実施形態を示す。まず、本実施形態の変形量測定構造体の構成について説明する。図５に、変形量測定構造体の上面図を示す。図６に、図５のＶＩ−ＶＩ断面図を示す。図５のＶＩ−ＶＩ断面は、センサ素子の伸縮方向に直交する積層方向の断面である。図５においては、保護層の下側に配置される電極層を透過して示す。図５において、前後左右方向は基材およびセンサ素子の面方向に対応する。図６において、上下方向は積層方向に対応する。図５、図６に示すように、変形量測定構造体３は、基材３０と、センサ素子３１と、備えている。
【００５９】
基材３０は、アズワン（株）から販売されている商品「ワンサポーター」からなる。基材３０は、左右方向に伸び変形する。基材３０の引張永久歪みは３％であり、左右方向におけるばね定数は３１５Ｎである。センサ素子３１は、基材３０の上面に配置されている。センサ素子３１は、誘電層３２と、一対の電極層３３ａ、３３ｂと、保護層３４ａと、を備えている。
【００６０】
誘電層３２は、左右方向に延びる長方形状を呈している。誘電層３２の前後方向の長さ（幅）は１０ｍｍ、左右方向の長さは５０ｍｍ、厚さは３００μｍである。誘電層３２は、ウレタンゴムを含んでいる。誘電層３２の比誘電率は８である。
【００６１】
一対の電極層３３ａ、３３ｂは、各々、左右方向に延びる長方形状を呈している。電極層３３ａは誘電層３２の上面に配置されている。電極層３３ｂは誘電層３２の下面に配置されている。電極層３３ａ、３３ｂの幅および左右方向の長さは、誘電層３２と同じである。電極層３３ａ、３３ｂの厚さはいずれも５０μｍである。電極層３３ａ、３３ｂは、アクリルゴムおよびカーボンブラックを含んでいる。電極層３３ａ、３３ｂには、図示しない配線が接続されている。電極層３３ａ、３３ｂは、配線を介して、図示しない制御装置に接続されている。
【００６２】
保護層３４ａは、左右方向に延びる長方形状を呈している。保護層３４ａは、電極層３３ａの上面に配置されている。保護層３４ａは、誘電層３２および電極層３３ａ、３３ｂを被覆している。保護層３４ａは、幅１０ｍｍ、左右方向の長さ５０ｍｍの領域で、誘電層３２および電極層３３ａ、３３ｂに積層されている。保護層３４ａの厚さは３００μｍである。保護層３４ａは、ウレタンゴムを含んでいる。
【００６３】
基材３０およびセンサ素子３１を、各々、左右方向に伸長した場合、基材３０のばね定数は、センサ素子３１のばね定数よりも大きい。具体的には、基材３０のばね定数は、センサ素子３１のばね定数の約２０倍である。
【００６４】
次に、本実施形態の変形量測定構造体の動きについて説明する。一対の電極層３３ａ、３３ｂには、制御装置から電圧が印加されている。センサ素子３１により、基材３０が変形する前の自然状態の静電容量が出力される。基材３０が左右方向に伸長すると、センサ素子３１も基材３０と共に伸長する。この際、誘電層３２の厚さは薄くなり、電極層３３ａ、３３ｂの面積が大きくなる。これにより、電極層３３ａ、３３ｂ間の静電容量は大きくなる。制御装置には、予め、静電容量の変化とセンサ素子３１の伸び量との関係を示すマップが、格納されている。センサ素子３１により、基材３０の伸長時の静電容量が出力されると、伸長前後の静電容量の変化量から、基材３０の伸び量が算出される。
【００６５】
次に、本実施形態の変形量測定構造体の作用効果について説明する。変形量測定構造体３においては、基材３０の引張永久歪みは１０％以下であり、かつ、伸長方向における基材３０のばね定数がセンサ素子３１のばね定数よりも大きい。すなわち、基材３０はセンサ素子３１よりもへたりにくい。このため、仮に誘電層３２にへたりが生じても、誘電層３２は基材３０に引っ張られて元の形状に戻ることができる。これにより、センサ素子３１は、伸縮を繰り返しても、基材３０の変形に応じた静電容量を出力することができる。したがって、変形量測定構造体３によると、基材３０の動きを阻害することなく、基材３０の伸び量を繰り返し精度良く測定することができる。
【００６６】
＜その他＞
以上、本発明の変形量測定構造体の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【００６７】
例えば、上記第一実施形態においては、保護層を電極層の上面または下面の一方のみに配置してもよい。また、保護層だけでなく、誘電層のエラストマーについても、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するものにしてもよい。また、誘電層の引張永久歪みが１０％以下であってもよい。一方、誘電層の引張永久歪みが１０％以下であれば、必ずしも保護層の引張永久歪みは１０％以下でなくてもよい。誘電層および保護層の少なくとも一方の引張永久歪みが１０％以下であれば、保護層および誘電層の構成は限定されない。保護層のエラストマーは、必ずしもポリロタキサンを介した架橋構造を有しなくてもよい。
【００６８】
上記第三実施形態においては、保護層を配置しなくてもよい。一方、基材と電極層との間にさらに保護層を配置してもよい。また、誘電層および保護層のいずれか、または両方のエラストマーを、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するものにしてもよい。伸長方向における基材のばね定数は、センサ素子のばね定数よりも大きければよく、例えばセンサ素子のばね定数の２倍以上であるとよい。センサ素子のばね定数は、基材の伸縮を阻害しないという観点から小さいほど望ましい。センサ素子のばね定数は、３００Ｎ以下、２００Ｎ以下、さらには１００Ｎ以下であると好適である。
【００６９】
いずれの実施形態においても、測定する基材の変形量は、基材の変形態様に応じて、伸び量、曲げ角度、応力など適宜決定すればよい。基材、誘電層、保護層、電極層の各々の構成材料も限定されない。
【００７０】
誘電層のエラストマーとしては、比誘電率が比較的大きいものを採用することが望ましい。例えば、比誘電率が５以上（測定周波数１００Ｈｚ）のものが好適である。このようなエラストマーとしては、ウレタンゴムの他、シリコーンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、アクリルゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体、ブチルゴム、スチレン−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロプレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレンなどが挙げられる。
【００７１】
誘電層の比誘電率を大きくするという観点から、上記第一実施形態のように、誘電層に誘電性粒子を含有させてもよい。誘電性粒子は、マトリクスのエラストマーよりも、比誘電率が大きい粒子であればよい。例えば、チタン酸バリウムの他、チタン酸ジルコン酸鉛、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスバリウムなどの無機粒子が好適である。誘電性粒子としては、これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。なかでも、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電体の粒子が好適である。強誘電体粒子に分極処理を施すことにより、圧電性を発現させることができる。これにより、基材の変形量だけでなく、変形時の加速度も測定することができる。
【００７２】
保護層のエラストマーは、柔軟性、引張永久歪みなどを考慮して選択すればよい。例えば、ウレタンゴムの他、シリコーンゴム、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ、エチレン−プロピレン共重合ゴム、ＥＰＤＭ、天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンなどが挙げられる。
【００７３】
誘電層、保護層に含有される環動分子は、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ。環状分子の種類は、特に限定されない。例えば、α−シクロデキストリン、β−シクロデキストリン、γ−シクロデキストリンなどが挙げられる。環状分子は、エラストマーの原料ポリマーと架橋するために、エポキシ基、グリシジル基、−ＯＨ、−ＳＨ、−ＮＨ２、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−ＰＯ４Ｈなどの反応基を有することが望ましい。例えば、α−シクロデキストリンなどの−ＯＨの一部を、他の反応基に置換してもよい。また、α−シクロデキストリンなどが化学修飾されていても構わない。化学修飾としては、例えば、アセチル基、プロピオニル基、ヘキサノイル基、メチル基、エチル基、プロピル基、２−ヒドロキシプロピル基、１，２−ジヒドロキシプロピル基、シクロヘキシル基、ブチルカルバモイル基、ヘキシルカルバモイル基、フェニル基、カプロラクトン基、アルコキシシラン基、アクリロイル基、メタクリロイル基、シンナモイル基などの反応基を、環状分子に結合させればよい。また、ポリカプロラクトンやポリカーボネートなどのポリマー鎖を、直接あるいは上記反応基を介して結合させてもよい。
【００７４】
直鎖状分子の種類は、特に限定されない。例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ（メタ）アクリル酸、セルロース系樹脂（カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなど）、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリビニルメチルエーテル、ポリアミン、ポリエチレンイミン、カゼイン、ゼラチン、でんぷんなどの親水性ポリマーが挙げられる。なかでも、ポリエチレングリコールが好適である。
【００７５】
直鎖状分子の両末端には、環状分子が脱離しないように、封鎖基が配置されていてもよい。封鎖基としては、ジニトロフェニル基類、シクロデキストリン類、アダマンタン基類、トリチル基類、フルオレセイン類、シルセスキオキサン類、ピレン類、置換ベンゼン類、置換されていてもよい多核芳香族類、およびステロイド類などが挙げられる。
【００７６】
電極層のエラストマーは、柔軟性、誘電層に対する粘着性などを考慮して選択すればよい。例えば、アクリルゴムの他、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、Ｈ−ＮＢＲ、および各種の熱可塑性エラストマーが挙げられる。
【００７７】
電極層の導電材の種類は、特に限定されない。例えば、銀、金、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム、クロム、チタン、白金、鉄、およびこれらの合金などからなる金属粒子、酸化亜鉛、酸化チタンなどからなる金属酸化物粒子、チタンカーボネートなどからなる金属炭化物粒子、銀、金、銅、白金、およびニッケルなどからなる金属ナノワイヤ、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト、およびグラフェンなどの導電性炭素材料の中から、適宜選択すればよい。また、銀被覆銅粒子など、金属で被覆された粒子を用いてもよい。導電材としては、これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。
【００７８】
センサの感度（Ｓ／Ｎ比）を向上させるという観点から、電極層の電極抵抗は小さい方が望ましい。具体的には、電極層の体積抵抗率は１×１０１Ω・ｃｍ以下、好ましくは１×１０−１Ω・ｃｍ以下であるとよい。
【００７９】
基材とセンサ素子との密着性を向上させるという観点から、基材とセンサ素子とを熱で圧着したり、柔軟な粘着剤、接着剤などにより接着することが望ましい。また、センサ素子のセンシングに寄与しない部分を基材に縫い付けてもよい。
【実施例】
【００８０】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００８１】
＜誘電層の製造＞
［誘電層１］
まず、反応容器にポリカーボネートジオール（旭化成ケミカルズ（株）「デュラノ−ル（登録商標）Ｔ５６５０Ｊ」、分子量８００）を３０．０質量部入れ、攪拌しながら減圧脱水を２時間実施した。次に、反応容器内を窒素置換した。それから、反応容器内にヘキサメチレンジイソシアネート（旭化成ケミカルズ（株）「デュラネート（登録商標）Ｄ２０１）４６．６質量部、および１，４−フェニレンジイソシアナート（東京化成工業（株）製）６．０５質量部を滴下し、窒素気流下１００℃にて４時間攪拌して、イソシアネート末端プレポリマーＡを合成した。続いて、ポリカーボネートジオール（同上）２０．０質量部と、イソシアネート末端プレポリマーＡ１８．６質量部と、トリエチレンジアミン０．０１質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。調製したウレタン反応液をＰＥＴ製の基板上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で３時間加熱して、幅２５ｍｍ、長さ５０ｍｍの短冊状の誘電層１を製造した。誘電層の幅および長さは、以下の誘電層２〜５においても同じである。
【００８２】
［誘電層２］
ポリカーボネートジオール（同上）２０．０質量部と、水酸基を有する修飾ポリロタキサン（アドバンスト・ソフトマテリアルズ（株）製「ＳＨ３４００Ｐ」）２．２質量部と、合成したイソシアネート末端プレポリマーＡ１９．７質量部と、トリエチレンジアミン０．０１質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。水酸基を有する修飾ポリロタキサンの環状分子はα−シクロデキストリン、直鎖状分子はポリエチレングリコール、封鎖基はアダマンタン基である。調製したウレタン反応液をＰＥＴ製の基板上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で３時間加熱して短冊状の誘電層２を製造した。
【００８３】
［誘電層３］
ポリカーボネートジオール（同上）２０．０質量部と、水酸基を有する修飾ポリロタキサン（同上）５．０質量部と、合成したイソシアネート末端プレポリマーＡ２１．０質量部と、トリエチレンジアミン０．０１質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。調製したウレタン反応液をＰＥＴ製の基板上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で３時間加熱して短冊状の誘電層３を製造した。
【００８４】
［誘電層４］
誘電層３の製造に使用したウレタン反応液に、チタン酸バリウム粉末（堺化学工業（株）「ＫＺＭ５０」）をウレタンポリマー１００質量部に対して２０質量部加え、３本ロールで分散した。この反応液を、ＰＥＴ製の基板上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で３時間加熱して短冊状の誘電層４を製造した。
【００８５】
［誘電層５］
まず、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ランクセス社製「テルバン（登録商標）ＸＴ８８８９」）を、アセチルアセトンに溶解して、固形分濃度が１２質量％のポリマー溶液を調製した。次に、調製したポリマー溶液に、架橋剤として有機金属化合物のテトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンを、ポリマー分１００質量部に対して５質量部混合した。続いて、この溶液にチタン酸バリウム粉末の分散液を加えて、原料液を調製した。チタン酸バリウム粉末の分散液は、ポリマー分１００質量部に対してチタン酸バリウム粉末が８０質量部になるように加えた。それから、調製した原料液をＰＥＴ製の基板上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で１時間加熱して短冊状の誘電層５を製造した。
【００８６】
チタン酸バリウム粉末の分散液は、次のようにして製造した。まず、チタン酸バリウム粉末（戸田工業（株）製「ＢＴ−ＴＯ−０２０ＲＦ」）を溶剤のアセチルアセトンに加えて予備分散液を調製した。次に、予備分散液を湿式ビーズミル（ウィリー・エ・バッコーフェン社製「リサーチラボ」、使用メディア径：０．１ｍｍ）を用いてメカノケミカル処理した。処理後の液を、フィルター（（株）ロキテクノ製「ＬＰＪ−ＭＰＸ−００６−Ｎ２」）に通して分散液とした。
【００８７】
製造した誘電層の材料および物性を表１に示す。表１中、比誘電率、切断時伸び、引張永久歪み、弾性率の測定方法は、以下の通りである。切断時伸び、引張永久歪み、弾性率の測定方法については、後述する電極層、保護層においても同じである。
【００８８】
［比誘電率］
誘電層をサンプルホルダー（ソーラトロン社製、１２９６２Ａ型）に設置し、誘電率測定インターフェイス（同社製、１２９６型）および周波数応答アナライザー（同社製、１２５５Ｂ型）を併用して、比誘電率を測定した（周波数１００Ｈｚ）。
【００８９】
［切断時伸び］
ＪＩＳ  Ｋ  ６２５１：２０１０に規定される引張試験を行い、切断時伸びを算出した。試験片の形状はダンベル状５号形とした。
【００９０】
［引張永久歪み］
ＪＩＳ  Ｋ  ６２７３：２００６に規定される短冊状試験片を用いた定伸長引張永久歪み試験を、試験片に与える伸び５０％、試験温度５０℃、試験時間２０時間という条件で行い、引張永久歪みを算出した。
【００９１】
［弾性率］
ＪＩＳ  Ｋ  ７１２７：１９９９に規定される引張試験を行い、得られた応力−伸び曲線から弾性率を算出した。試験片の形状は試験片タイプ２とした。
【表１】
2016153729.tif 000003
【００９２】
＜電極層の製造＞
［電極層１］
まず、アクリルゴムポリマー（日本ゼオン（株）製「Ｎｉｐｏｌ（登録商標）ＡＲ４２Ｗ」）１００質量部と、架橋剤のイソホロンジアミン０．２５質量部と、をロール練り機で混合し、混合物を調製した。次に、混合物を、溶剤のエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートに溶解して、ポリマー溶液を調製した。続いて、調製したポリマー溶液に、カーボンナノチューブ（昭和電工（株）製「ＶＧＣＦ（登録商標）」、繊維径１５０ｎｍ、長さ１０μｍ）３５質量部と、導電性カーボンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル社製「ケッチェンブラックＥＣ３００Ｊ」）１８質量部と、分散剤としてアミノ基を含む高分子化合物（ビックケミー・ジャパン（株）製「ＢＹＫ−１８５」）２０質量部と、を添加して、三本ロールで混練りして導電塗料を調製した。そして、導電塗料をＰＥＴ製の基板上にバーコート法により塗布し、乾燥させた後、１５０℃で１時間加熱して、幅１５ｍｍ、長さ４０ｍｍの短冊状の電極層１を製造した。製造した電極層１の体積抵抗率は０．０５Ω・ｃｍであった。体積抵抗率については、ＪＩＳ  Ｋ６２７１：２００８に規定される平行端子電極法に準じて測定した。測定は、直流電圧１００Ｖを印加して行った。
【００９３】
製造した電極の材料および物性を表２に示す。
【表２】
2016153729.tif 000004
【００９４】
＜保護層の製造＞
［保護層１］
シリコーンゴム（信越化学工業（株）製「ＫＥ１９３５」）のＡ液とＢ液とを同じ質量で混合し、真空脱泡して気泡を抜いた後、１５０℃で３０分間プレス成形した。これを１５０℃で４時間熱処理し、幅２５ｍｍ、長さ５０ｍｍの短冊状の保護層１を製造した。保護層の幅および長さは、以下の保護層２〜７においても同じである。
【００９５】
［保護層２］
まず、反応容器にポリカーボネートジオール（同上）を３０．０質量部入れ、攪拌しながら減圧脱水を２時間実施した。次に、反応容器内を窒素置換した。それから、反応容器内にヘキサメチレンジイソシアネート（同上）２１．９質量部、および１，４−フェニレンジイソシアナート（同上）１０．０質量部を滴下し、窒素気流下１００℃にて４時間攪拌して、イソシアネート末端プレポリマーＢを合成した。続いて、ポリカーボネートジオール（同上）２０．０質量部と、イソシアネート末端プレポリマーＢ１８．６質量部と、トリエチレンジアミン０．０１質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。調製したウレタン反応液をＰＥＴ製の基板上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で３時間加熱して短冊状の保護層２を製造した。
【００９６】
［保護層３］
誘電層２と同様にして保護層３を製造した。
【００９７】
［保護層４］
シリコーンゴムを、信越化学工業（株）製「ＫＥ１９５０−１０」に変更した以外は、保護層１と同様にして保護層４を製造した。
【００９８】
［保護層５］
まず、反応容器にポリカーボネートジオール（同上）を３０．０質量部入れ、攪拌しながら減圧脱水を２時間実施した。次に、反応容器内を窒素置換した。それから、反応容器内にヘキサメチレンジイソシアネート（同上）８５．０質量部を滴下し、窒素気流下１００℃にて４時間攪拌して、イソシアネート末端プレポリマーＣを合成した。続いて、ポリカーボネートジオール（同上）２０．０質量部と、水酸基を有する修飾ポリロタキサン（同上）２．２質量部と、イソシアネート末端プレポリマーＣ１９．７質量部と、トリエチレンジアミン０．０１質量部と、を配合し、攪拌後に減圧脱泡して、ウレタン反応液を調製した。調製したウレタン反応液をＰＥＴ製の基板上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で３時間加熱して短冊状の保護層５を製造した。
【００９９】
［保護層６］
誘電層３と同様にして保護層６を製造した。
【０１００】
［保護層７］
誘電層１と同様にして保護層７を製造した。
【０１０１】
製造した保護層の材料および物性を表３に示す。
【表３】
2016153729.tif 000005
【０１０２】
＜変形量測定構造体の製造＞
誘電層、電極層、保護層を適宜組み合わせて、次のようにしてセンサ素子を製造した。まず、誘電層の厚さ方向の二面（上面および下面）に各々電極層を配置して、ラミネーター（フジプラ（株）製「ＬＰＤ３２２３」）を用いて誘電層と電極層とを圧着した。次に、電極層に保護層を積層して、ラミネーター（同上）を用いて保護層と電極層とを圧着した。なお、シリコーンゴム製の保護層（保護層１、保護層４）を用いる場合には、前処理としてエキシマ処理を施してから電極層と圧着した。エキシマ処理には、浜松ホトニクス（株）製エキシマランプ光源「ＦＬＡＴ  ＥＸＣＩＭＥＲ」を使用した。
【０１０３】
得られたセンサ素子と基材とを接着剤により接着し、さらに周囲を縫い付けて、変形量測定構造体を製造した。保護層を備えるセンサ素子は、基材側から順に、保護層／電極層／誘電層／電極層／保護層という構成を有しており（前出図２参照）、保護層を備えないセンサ素子（後出の表４中、実施例９）は、基材側から順に、電極層／誘電層／電極層（前出図４参照）という構成を有している。
【０１０４】
使用した基材は以下の通りである。基材のばね定数は、基材をセンサ素子の長手方向と同方向に伸長した場合の荷重−変位特性における０〜１０％伸びまでの傾きである。
【０１０５】
［基材１］
アズワン（株）から販売されている商品「ワンサポーター」（引張永久歪み３％、ばね定数３１５Ｎ）。
【０１０６】
［基材２］
三ツ星靴下（株）製「べスケア弾性ストッキング」（引張永久歪み６％、ばね定数５８０Ｎ）。
【０１０７】
［基材３］
アキレス（株）製の軟質ポリウレタンフォーム「ＯＹ」（引張永久歪み１８％、ばね定数３０Ｎ）。
【０１０８】
［基材４］
保護層２と同じウレタンゴム（引張永久歪み９％、ばね定数５６Ｎ）。
【０１０９】
＜変形量測定構造体の評価＞
製造した変形量測定構造体について、基材を変形させる前の初期の静電容量を測定した。それから、基材を長手方向に繰り返し伸縮させた。具体的には、２０％伸長−復元というサイクルを１０万回繰り返した。その後再び静電容量を測定し、初期の静電容量に対する変化率を算出した。
【０１１０】
表４〜表６に、製造した変形量測定構造体の構成と、静電容量の測定結果と、を示す。表４および表５には、実施例の変形量測定構造体を、表６には比較例の変形量測定構造体を示す。表４〜表６中、各層の断面積は、短手方向の断面積（幅×厚さ）である。電極層における弾性率と断面積との積（ＥｅＳｅ）は、センサ素子を構成する２層分の値である。保護層における弾性率と断面積との積（ＥｃＳｃ）も、センサ素子を構成する保護層２層分の値である。
【表４】
2016153729.tif 000006
【表５】
2016153729.tif 000007
【表６】
2016153729.tif 000008
【０１１１】
表４および表５において、実施例１〜８、１０〜１２の変形量測定構造体を構成するセンサ素子は、保護層を有する。このうち、実施例１〜３においては、誘電層の引張永久歪みは１０％を超えているが、保護層の引張永久歪みは１０％以下である。加えて（ＥｅＳｅ＋ＥｙＳｙ）＜ＥｃＳｃを満足する。このため、保護層により誘電層の耐へたり性を補うことができ、後述する比較例１、２と比較して、伸縮を繰り返しても静電容量の変化率は小さくなった。実施例１２においては、（ＥｅＳｅ＋ＥｙＳｙ）＜ＥｃＳｃを満足しないものの、保護層の引張永久歪みは１０％以下である。加えて、基材１の引張永久歪みは１０％以下であり、伸縮方向における基材１のばね定数は同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも大きい。このため、比較例１、２と比較して、伸縮を繰り返しても静電容量の変化率は小さくなった。
【０１１２】
前出表１に示すように、ポリロタキサンを介した架橋構造を有するエラストマーを含む誘電層２〜４においては、引張永久歪みが１０％以下になった。誘電層４においては、誘電性粒子を含んでいても、引張永久歪みが１０％以下になった。このうち、誘電層３を備える実施例５、１０においては、保護層の引張永久歪みは１０％を超えているが、誘電層の引張永久歪みは１０％以下である。加えて（ＥｅＳｅ＋ＥｃＳｃ）＜ＥｙＳｙを満足する。このため、誘電層により保護層の耐へたり性を補うことができ、比較例１、２と比較して、伸縮を繰り返しても静電容量の変化率は小さくなった。また、実施例４、６、７においては、保護層および誘電層の両方の引張永久歪みが１０％以下である。加えてＥｅＳｅ＜（ＥｃＳｃ＋ＥｙＳｙ）を満足する。この場合、静電容量の変化率はより小さく５％以下になった。また、誘電性粒子を含む誘電層４、５を備える実施例７、８においても、誘電層および保護層、あるいは保護層のみの耐へたり性が高いため、静電容量の変化率は小さくなった。
【０１１３】
実施例１１においては、誘電層および保護層の引張永久歪みがいずれも１０％を超えている。また、誘電層のエラストマーは、ポリロタキサンを介した架橋構造を有しない。しかし、基材１の引張永久歪みは１０％以下であり、伸縮方向における基材１のばね定数は同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも大きい。このため、比較例１、２と比較して、伸縮を繰り返しても静電容量の変化率は小さくなった。
【０１１４】
実施例９の変形量測定構造体を構成するセンサ素子は、保護層を有しない。しかし、誘電層３のエラストマーはポリロタキサンを介した架橋構造を有する。このため、誘電層３の引張永久歪みは１０％以下であり、誘電層３の耐へたり性が高い。また、伸縮方向における基材のばね定数は、同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも大きい（約３．８倍）。したがって、実施例９の変形量測定構造体においても、比較例１、２と比較して、静電容量の変化率は小さくなった。
【０１１５】
一方、表６に示すように、比較例１、２の変形量測定構造体は、実施例１１の変形量測定構造体と同じセンサ素子を備える。しかし、比較例１の変形量測定構造体を構成する基材３の引張永久歪みは１０％より大きい。加えて、伸縮方向における基材３のばね定数は同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも小さい。このため、伸縮を繰り返した後の静電容量の変化率は１７％になった。比較例２の変形量測定構造体を構成する基材４の引張永久歪みは１０％以下である。しかし、伸縮方向における基材４のばね定数は同方向におけるセンサ素子のばね定数よりも小さい。このため、伸縮を繰り返した後の静電容量の変化率は１５％になった。
【０１１６】
変形前後における静電容量の変化率が小さいと、基材の伸びまたは曲げによる変形量を繰り返し精度良く測定することができる。静電容量の変化率が小さいものほど、高いセンシング精度が要求される用途に用いることができる。例えば、２０％伸長−復元を１０万回繰り返した場合の静電容量変化率は、１２％以下であることが望ましい。１０％以下、さらには５％以下であるとより好適である。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明の変形量測定構造体は、例えば、ウエアラブルデバイス、パワードスーツ、パワーアシスト装置、介護用、産業用のロボットなどに好適である。
【符号の説明】
【０１１８】
１：変形量測定構造体、１０：基材、１１：センサ素子、１２：誘電層、１３ａ、１３ｂ：電極層、１４ａ、１４ｂ：保護層。
２：変形量測定構造体、２０：基材、２１：センサ素子、２２：誘電層、２３ａ、２３ｂ：電極層。
３：変形量測定構造体、３０：基材、３１：センサ素子、３２：誘電層、３３ａ、３３ｂ：電極層、３４ａ：保護層。
【図１】
2016153729.tif 000009
【図２】
2016153729.tif 000010
【図３】
2016153729.tif 000011
【図４】
2016153729.tif 000012
【図５】
2016153729.tif 000013
【図６】
2016153729.tif 000014