(57)【要約】【課題】  導電性フィラーと母材との界面における応力集中が抑制されたセンサ用エラストマー複合材料を提供すると共に、耐久性に優れた変形センサを提供する。【解決手段】  センサ用エラストマー複合材料は、エラストマー発泡体と、該エラストマー発泡体中に配合されている導電性フィラーと、を有し、弾性変形可能であって、変形により電気抵抗が変化する。導電性フィラーを、エラストマー発泡体中に略単粒子状態でかつ高充填率で配合すると、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加する。本発明の変形センサは、このようなセンサ用エラストマー複合材料からなるセンサ本体と、該センサ本体に接続され、該電気抵抗を出力可能な電極と、該センサ本体の少なくとも一部の弾性変形を拘束する拘束部材と、を備えて構成される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エラストマー発泡体と、該エラストマー発泡体中に配合されている導電性フィラーと、を有し、
弾性変形可能であって、変形により電気抵抗が変化することを特徴とするセンサ用エラストマー複合材料。
【請求項２】
前記エラストマー発泡体の発泡倍率は、１０％以上４０％以下である請求項１に記載のセンサ用エラストマー複合材料。
【請求項３】
前記エラストマー発泡体の発泡倍率は、２５％以下である請求項２に記載のセンサ用エラストマー複合材料。
【請求項４】
前記エラストマー発泡体は、シリコーンゴム、エチレン−プロピレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ヒドリンゴムから選ばれる一種以上の発泡体である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセンサ用エラストマー複合材料。
【請求項５】
前記導電性フィラーは、前記エラストマー発泡体中に略単粒子状態でかつ高充填率で配合されており、
弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加する請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のセンサ用エラストマー複合材料。
【請求項６】
前記導電性フィラーは球状を呈し、
該導電性フィラーの平均粒子径は０．０５μｍ以上１００μｍ以下である請求項５に記載のセンサ用エラストマー複合材料。
【請求項７】
前記導電性フィラーの充填率は、センサ用エラストマー複合材料全体の体積を１００ｖｏｌ％とした場合の３０ｖｏｌ％以上６５ｖｏｌ％以下である請求項５または請求項６に記載のセンサ用エラストマー複合材料。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれかに記載のセンサ用エラストマー複合材料からなるセンサ本体と、
該センサ本体に接続され、該電気抵抗を出力可能な電極と、
該センサ本体の少なくとも一部の弾性変形を拘束する拘束部材と、
を備えてなる変形センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材の変形等を検出可能なセンサ材料として用いられるエラストマー複合材料、およびそれを用いた変形センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、部材の変形や部材に作用する荷重の大きさ、分布を検出する手段として、感圧導電性樹脂や感圧導電性エラストマーを用いたセンサが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。感圧導電性樹脂等は、母材となる樹脂やエラストマー中に導電性フィラーを分散させて構成されている。感圧導電性樹脂等は、変形すると電気抵抗が減少するという特性を有する。つまり、変形前は、導電性フィラー同士が離れているため電気抵抗が大きい。圧縮等により変形すると、導電性フィラー同士が接触して一次元的な導電パスが形成されるため、電気抵抗が減少する。導電性フィラーとしては、通常、金属材料や炭素材料からなる粉末、繊維、箔片等が用いられている。
【特許文献１】特開平９−５０１４号公報
【特許文献２】特開平４−３４９３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
導電性フィラーとして用いられる金属材料や炭素材料の弾性率は高い。このため、粒子径の大きなフィラーをエラストマー（母材）に分散させると、歪みが加えられた時にフィラーと母材との界面に応力が集中しやすい。よって、変形を繰り返すうちに母材が破壊され、外部からの刺激に対する応答性が低下する。また、温度の上昇と共にエラストマーは熱膨張する。このため、高温下で使用した場合には、変形前の自然状態における電気抵抗値や、変形に対する電気抵抗の挙動が変化して、所望の応答感度が得られないおそれがある。
【０００４】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、導電性フィラーと母材との界面における応力集中が抑制されたセンサ用エラストマー複合材料を提供することを課題とする。また、このセンサ用エラストマー複合材料を用いて、耐久性に優れた変形センサ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】
【０００５】
（１）本発明のセンサ用エラストマー複合材料は、エラストマー発泡体と、該エラストマー発泡体中に配合されている導電性フィラーと、を有し、弾性変形可能であって、変形により電気抵抗が変化することを特徴とする（請求項１に対応）。
【０００６】
本発明のセンサ用エラストマー複合材料（以下適宜、単に「エラストマー複合材料」と称す）では、母材としてエラストマー発泡体を使用する。本発明のエラストマー複合材料に歪みが加えられた場合、エラストマー発泡体中に形成されている小さな気泡（セル）が、緩衝材としての役割を果たす。つまり、セルにより歪みが吸収される。これにより、導電性フィラーと母材との界面における応力集中が緩和される。その結果、母材の破壊が抑制されると共に、導電性フィラーと母材との剥離が生じにくくなる。このため、繰り返し歪みが加わっても、電気抵抗の挙動が変化しにくい（再現性が高い）。このように、本発明のエラストマー複合材料によると、外部からの刺激に対する応答性が低下しにくく、耐久性の高いセンサを構成することができる。また、エラストマー発泡体の発泡倍率を調整することにより、センサの用途に応じて、エラストマー複合材料の硬度、導電性、変形に対する電気抵抗の挙動を適宜調整することが可能である。
【０００７】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記導電性フィラーは、前記エラストマー発泡体中に略単粒子状態でかつ高充填率で配合されており、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加する構成とするとよい（請求項５に対応）。
【０００８】
上記本発明のエラストマー複合材料の一態様として、導電性フィラーが、エラストマー発泡体中に略単粒子状態でかつ高充填率で配合されている場合には、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加する。ここで、「略単粒子状態」とは、導電性フィラーの全重量を１００重量％とした場合の５０重量％以上が、凝集した二次粒子としてではなく、単独の一次粒子の状態で存在していることをいう。また、「高充填率」とは、導電性フィラーが最密充填に近い状態で配合されていることをいう。また、「弾性変形」には、圧縮、伸張、曲げ等による変形がすべて含まれる。
【０００９】
導電性フィラーが、略単粒子状態で、かつ高充填率で配合されると、エラストマー分を介した導電性フィラー同士の接触により、三次元的な導電パスが形成される。これにより、荷重が印加されていない状態（以下、適宜「無荷重状態」と称す。）、言い換えると、変形していない自然状態で、本発明のエラストマー複合材料は高い導電性を有する。一方、本発明のエラストマー複合材料が弾性変形すると、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加する。この理由は、次のように考えられる。
【００１０】
図１、図２に、本発明のエラストマー複合材料の、荷重の印加前後における導電パスの変化をモデルで示す。ただし、図１、図２に示すのは、本発明のエラストマー複合材料の一例であり、導電性フィラーの充填状態、形状等を何ら限定するものではない。
【００１１】
図１に示すように、エラストマー複合材料１００において、導電性フィラー１０２の多くは、エラストマー発泡体１０１中に一次粒子の状態（略単独の状態）で存在している。なお、説明の便宜上、図１においてエラストマー発泡体１０１のセルは省略する（図２においても同じ）。また、導電性フィラー１０２の充填率は高く、最密充填に近い状態で配合されている。これにより、無荷重状態において、エラストマー複合材料１００には、導電性フィラー１０２による三次元的な導電パスＰが形成されている。よって、無荷重状態では、エラストマー複合材料１００の電気抵抗は小さい。一方、図２に示すように、エラストマー複合材料１００に荷重が印加されると、エラストマー複合材料１００は弾性変形する（図２中の点線枠は、図１の無荷重状態を示している。）。ここで、導電性フィラー１０２は最密充填に近い状態で配合されているため、導電性フィラー１０２が移動できるスペースはほとんどない。よって、エラストマー複合材料１００が弾性変形すると、導電性フィラー１０２同士が反発し合い、導電性フィラー１０２同士の接触状態が変化する。その結果、三次元的な導電パスＰが崩壊し、電気抵抗が増加する。
【００１２】
本態様のエラストマー複合材料が弾性変形した場合、上述したように、エラストマー発泡体中のセルが緩衝材として作用する。これにより、導電性フィラーとエラストマー発泡体との界面における応力集中が緩和される。このため、弾性変形を繰り返しても、エラストマー発泡体の破壊や、エラストマー発泡体と導電性フィラーとの剥離が抑制される。したがって、初期の三次元的な導電パスを維持することができる。すなわち、本態様のエラストマー複合材料は、繰り返し使用しても外部からの刺激に対する応答性が低下しにくく、耐久性に優れる。
【００１３】
また、エラストマー発泡体の発泡倍率を調整することにより、無荷重状態における導電性や変形に対する電気抵抗の増加量を、所定の範囲に調整することができる。例えば、発泡倍率を高くすると、形成されるセルの数が増加する。このため、三次元的な導電パスが減少し、本態様のエラストマー複合材料の無荷重状態における導電性は低くなる。一方、導電性フィラーの接触状態が変化しやすくなるため、変形に対する電気抵抗の増加量は大きくなる。このように、発泡倍率を高くすると、無荷重状態の導電性は若干低下するが、電気抵抗の増加量を大きくする、つまり検出レンジを大きくすることができる。
【００１４】
また、後の実施例で詳しく説明するが、発泡倍率を所定の範囲内にすることにより、温度上昇による無荷重状態における電気抵抗の増加を改善することができる。すなわち、高温下では、エラストマーが熱膨張するため、導電性フィラー同士の間隔が大きくなる。このため、無荷重状態において導電性フィラーの三次元的な導電パスが形成されにくくなる。その結果、無荷重状態におけるエラストマー複合材料の電気抵抗が増加して導電性が低下してしまう。ここで、発泡倍率を高くすると、形成されるセルの数が増加する。セル自体は温度が上昇しても体積膨張しにくいため、セル数をある程度増加させると、エラストマー発泡体は温度に対して鈍感になる。つまり、温度が上昇しても体積膨張しにくくなる。したがって、温度上昇に伴う無荷重状態の電気抵抗変化を小さくすることができる。
【００１５】
（３）本発明の変形センサは、上記（２）の構成のセンサ用エラストマー複合材料からなるセンサ本体と、該センサ本体に接続され、該電気抵抗を出力可能な電極と、該センサ本体の少なくとも一部の弾性変形を拘束する拘束部材と、を備えてなることを特徴とする（請求項８に対応）。
【００１６】
上記（２）の構成のセンサ用エラストマー複合材料からなるセンサ本体を備えた本発明の変形センサは、電極から出力されるセンサ本体の電気抵抗の増加に基づいて、対象となる部材、部位に作用する荷重、および部材、部位の様々な変形を検出することができる。
【００１７】
ここで、センサ本体は、エラストマー発泡体を母材とする。このため、センサ本体が弾性変形した場合、エラストマー発泡体中のセルが緩衝材としての役割を果たし、導電性フィラーとエラストマー発泡体との界面における応力集中が緩和される。したがって、弾性変形を繰り返しても、エラストマー発泡体の破壊や、エラストマー発泡体と導電性フィラーとの剥離が抑制される。つまり、弾性変形を繰り返しても、初期の三次元的な導電パスを維持することができる。このように、本発明の変形センサは、繰り返し使用しても外部からの刺激に対する応答性が低下しにくく、耐久性に優れる。また、センサ本体は、エラストマー発泡体を母材とするため、弾性変形可能である。このため、本発明の変形センサは、部材、部位に生じる圧縮、伸張、曲げ等の様々な変形を検出することができる。また、本発明の変形センサは、加工性に優れ、形状設計の自由度が高い。よって、部材、部位の広い領域における荷重、変形を検出することができる。
【００１８】
本発明の変形センサでは、エラストマー発泡体の種類、導電性フィラーの構成、充填率等を調整することにより、無荷重状態における電気抵抗値を所定の範囲に設定することができる。このため、検出可能な荷重、弾性変形量の範囲、つまり、検出レンジを大きくすることができる。加えて、弾性変形量に対する電気抵抗の増加挙動を調整することができるため、所望の応答感度を実現することができる。
【００１９】
また、本発明の変形センサは、無荷重状態において高い導電性を有する。つまり、本発明の変形センサは、無荷重状態において導電状態にある。このため、無荷重状態において、導電性の低いセンサ（例えば、従来の感圧導電性樹脂等を用いたセンサ）と比較して、作動診断が容易である。すなわち、無荷重状態において導電性の低いセンサの場合、無荷重状態のままでは、正常なのか異常なのか（例えば回路に断線等が生じているのか）判別し難い。このため、導電性が低いセンサに、敢えて、比較的高い電圧を印加して、通電させてみる必要がある。あるいは、センサを試験的に作動させて通電状態をチェックする必要がある。したがって、作動診断が煩雑である。これに対して、本発明の変形センサの場合、無荷重状態において高い導電性を有している。このため、無荷重状態のままで、正常、異常の判別がし易い。したがって、作動診断が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明のエラストマー複合材料、および変形センサについて、それぞれ詳細に説明する。
【００２１】
＜エラストマー複合材料＞
本発明のエラストマー複合材料は、エラストマー発泡体と導電性フィラーとを有する。エラストマー発泡体は、ゴムおよび熱可塑性エラストマーから選ばれる一種以上の発泡体であればよい。例えば、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するという特性を発現させるためには、後述する導電性フィラーとの関係を考慮して選択することが望ましい。
【００２２】
ゴムとしては、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレン−プロピレンゴム［エチレン−プロピレン共重合体（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）等］、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ハロゲン化ブチルゴム（Ｃｌ−ＩＩＲ、Ｂｒ−ＩＩＲ等）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリルゴム（ＡＲ）、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）、ヒドリンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、合成ラテックス等が挙げられる。また、熱可塑性エラストマーとしては、スチレン系、オレフィン系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、フッ素系等の各種熱可塑性エラストマー、およびこれらの誘導体が挙げられる。これらのうち、一種を単独で、あるいは二種以上を併せて用いることができる。例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ、ＥＰＭ等のエチレン−プロピレンゴム、ＮＢＲ、クロロプレンゴム、ヒドリンゴムが好適である。
【００２３】
エラストマー発泡体は、使用するエラストマーに応じて発泡剤を選択し、所望の発泡倍率で発泡させて製造すればよい。エラストマー発泡体において、セルの大きさ、形状、構造等は、特に限定されるものではない。発泡剤の配合量は、使用する硬化剤や架橋剤の種類、配合量、成形時の温度等により調整すればよい。
【００２４】
例えば、エラストマーとしてシリコーンゴムを使用した場合には、発泡剤として、アゾビスイソブチロニトリル、１，１’−アゾビス−１−アセトキシ−１−フェニルエタン、アゾジカルボンアミド等のアゾ系化合物、ジニトリロメンタメイレンテトラミン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ，Ｎ−ジニトロソテレフタルアミド等のニトロソ化合物等を使用すればよい。この場合、発泡剤の配合量は、シリコーンゴムの１００重量部に対して０．５重量部以上とすることが望ましい。０．５重量部未満では、発泡が充分進行せず、所望の発泡体が得られない。また、シリコーンゴムの１００重量部に対して５重量部以下とすることが望ましい。５重量部を超えると、発泡の際にセルが破壊しやすくなる。
【００２５】
また、エラストマーとしてＥＰＤＭ、ＥＰＭを使用した場合には、発泡剤として、ジアゾアミノベンゼン、ジニトロソペンタメチレンテトラミン、ベンゾールスルホニルヒドラジド等を使用すればよい。この場合、発泡剤の配合量は、ＥＰＤＭ、ＥＰＭの１００重量部に対して０．５重量部以上とすることが望ましい。０．５重量部未満では、発泡が充分進行せず、所望の発泡体が得られない。また、シリコーンゴムの１００重量部に対して１５重量部以下とすることが望ましい。１５重量部を超えると、発泡の際にセルが破壊しやすくなる。
【００２６】
エラストマー発泡体の発泡倍率は、使用するエラストマーの種類にもよるが、例えば１０％以上４０％以下とすることが望ましい。発泡倍率を１０％以上とすることにより、導電性フィラーとの界面における応力集中を緩和することができ、初期状態と変形を繰り返した後との比較において、電気抵抗の挙動の変化を小さくすることができる。一方、発泡倍率が４０％を超えると、セルの数が増加して導電性フィラーの接触状態が変化しやすくなるため、変形を繰り返した後において、初期状態の電気抵抗の挙動を維持することが難しくなる。特に、発泡倍率を２５％以下とすることが望ましい。この場合、エラストマー発泡体は温度が上昇しても体積膨張しにくくなり、温度上昇に伴う無荷重状態の電気抵抗の変化を抑制することができる。また、エラストマー発泡体の体積膨張を抑制するためには、セルが互いに連通していない独立セル構造とすることが望ましい。
【００２７】
ここで、エラストマー発泡体の発泡倍率は、次式（１）より算出された値とする。
発泡倍率（％）＝１００−（ｄ／ｄ０×１００）・・・式（１）
式中、ｄはエラストマー発泡体の比重、ｄ０は同じエラストマーの未発泡体の比重である。発泡倍率は、発泡剤の配合量により調整すればよい。
【００２８】
導電性フィラーは、導電性を有する粒子であれば、特に限定されるものではない。例えば、炭素材料、金属等の微粒子が挙げられる。これらのうち、一種を単独で、あるいは二種以上を併せて用いることができる。
【００２９】
また、導電性フィラーをエラストマー発泡体中に略単粒子状態でかつ高充填率で配合し、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するよう、本発明のエラストマー複合材料を構成することができる。この場合、導電性フィラーの充填率は、エラストマー複合材料の全体の体積を１００ｖｏｌ％とした場合の３０ｖｏｌ％以上であることが望ましい。３０ｖｏｌ％未満の場合には、導電性フィラーが最密充填に近い状態で配合されにくく、所望の導電性が発現しない。また、エラストマー複合材料の弾性変形に対する電気抵抗の変化が緩慢になり、電気抵抗の増加挙動を制御することが難しくなる。３５ｖｏｌ％以上であるとより好適である。反対に、導電性フィラーの充填率は、エラストマー複合材料の全体の体積を１００ｖｏｌ％とした場合の６５ｖｏｌ％以下であることが望ましい。６５ｖｏｌ％を超えると、エラストマーへの混合が困難となり、成形加工性が低下する。また、エラストマー複合材料が弾性変形しにくくなる。５５ｖｏｌ％以下であるとより好適である。
【００３０】
導電性フィラーとエラストマー発泡体（母材）との界面における応力集中を低減するという観点から、導電性フィラーとして、アスペクト比（最短径に対する最長径の比）が１以上２以下のものを使用するとよい。アスペクト比が２より大きくなると、導電性フィラー同士の接触により、三次元ではなく一次元的な導電パスが形成され易い。例えば、球状の粒子を採用することが望ましい。「球状」には、真球、略真球状の他、楕円球状、長円球状（一対の対向する半球を円柱で連結した形状）、部分球状、部分毎に半径の異なる球状、水滴形状等が含まれる。また、後述するように、導電性フィラーの充填状態を、より最密充填状態に近づけたい場合には、真球あるいは極めて真球に近い形状（略真球状）の粒子を採用するとよい。
【００３１】
導電性フィラーは、できるだけ凝集せず、一次粒子の状態で存在することが望ましい。よって、導電性フィラーを選択する際には、平均粒子径やエラストマー発泡体との相溶性等を考慮するとよい。また、導電性フィラーと母材との界面における応力集中を低減するという観点から、導電性フィラーの粒子径は小さい方が望ましい。例えば、一次粒子の状態で存在する導電性フィラーの平均粒子径は、０．０５μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。平均粒子径が０．０５μｍ未満の場合には、凝集して二次粒子を形成し易い。平均粒子径が０．５μｍ以上、さらには１μｍ以上であると好適である。反対に、平均粒子径が１００μｍを超えると、弾性変形による導電性フィラーの並進運動（平行運動）が、粒子径に比べて相対的に小さくなり、弾性変形に対する電気抵抗の変化が緩慢となる。平均粒子径が６０μｍ以下、さらには３０μｍ以下であると好適である。本明細書では、平均粒子径として、累積粒度曲線において積算重量が５０％となる粒子径（Ｄ５０）を採用する。
【００３２】
また、導電性フィラーの粒度分布は狭い方が望ましい。例えば、Ｄ９０／Ｄ１０の値が１以上３０以下であることが望ましい。Ｄ９０／Ｄ１０の値が１０以下であるとより好適である。ここで、Ｄ９０は、累積粒度曲線において積算重量が９０％となる粒子径であり、Ｄ１０は、同積算重量が１０％となる粒子径である。Ｄ９０／Ｄ１０の値が３０を超えると、粒度分布がブロードになるため、弾性変形量に対する電気抵抗の増加挙動が不安定になりやすい。
【００３３】
導電性フィラーとしては、例えば、カーボンビーズが好適である。具体的には、大阪ガスケミカル社製のメソカーボンマイクロビーズ［ＭＣＭＢ６−２８（平均粒子径約６μｍ）、ＭＣＭＢ１０−２８（平均粒子径約１０μｍ）、ＭＣＭＢ２５−２８（平均粒子径約２５μｍ）］、日本カーボン社製のカーボンマイクロビーズ：ニカビーズ（登録商標）ＩＣＢ、ニカビーズＰＣ、ニカビーズＭＣ、ニカビーズＭＳＢ［ＩＣＢ０３２０（平均粒子径約３μｍ）、ＩＣＢ０５２０（平均粒子径約５μｍ）、ＩＣＢ１０２０（平均粒子径約１０μｍ）、ＰＣ０７２０（平均粒子径約７μｍ）、ＭＣ０５２０（平均粒子径約５μｍ）］、日清紡社製のカーボンビーズ（平均粒子径約１０μｍ）等が挙げられる。
【００３４】
本発明のエラストマー複合材料は、エラストマー発泡体、導電性フィラーに加え、各種添加剤が配合されていてもよい。添加剤としては、例えば、架橋剤、硬化剤、加硫促進剤、加工助剤、加硫助剤、老化防止剤、可塑剤、軟化剤、着色剤等が挙げられる。本発明のエラストマー複合材料は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、エラストマーに、加工助剤、軟化剤等の添加剤を添加して、混練りする。続いて、導電性フィラーを加えて混練りした後、さらに、架橋剤、加硫促進剤、発泡剤を加えて混練りし、エラストマー組成物とする。次に、エラストマー組成物を所定の金型に充填して、所定の条件下で架橋、発泡させる。
【００３５】
＜変形センサ＞
上記本発明のエラストマー複合材料を用いて、変形センサを構成することができる。以下、本発明のエラストマー複合材料を用いた変形センサ、すなわち本発明の変形センサの一実施形態について説明する。
【００３６】
まず、本実施形態の変形センサの構成について説明する。図３に、変形センサの正面図を示す。図４に、図３のＩＶ−ＩＶ断面図を示す。なお、図４では、説明の便宜上、導線を省略して示す。図３、図４に示すように、変形センサ２は、電極フィルム部２０とセンサ本体２１と拘束フィルム部２２とを備えている。
【００３７】
電極フィルム部２０は、基材フィルム２００とカバーフィルム２０１とを備えている。基材フィルム２００は、ポリイミド製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。基材フィルム２００は、基材９００の表面に固定されている。基材フィルム２００の右端には、コネクタ２３が取り付けられている。カバーフィルム２０１は、ポリイミド製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。カバーフィルム２０１は、基材フィルム２００の表面を覆っている。カバーフィルム２０１の幅方向（上下方向）中央には、左右方向に延びてセンサ本体２１に対応する長孔２０１ａが開設されている。
【００３８】
センサ本体２１は、左右方向に延びる長尺板状を呈している。センサ本体２１は、カバーフィルム２０１の長孔２０１ａに収容された状態で、基材フィルム２００の表面に固定されている。センサ本体２１は、シリコーンゴムの発泡体中に導電性フィラーが略単粒子状態でかつ高充填率で配合されたエラストマー複合材料からなる。導電性フィラーの充填率は、センサ本体２１の体積を１００ｖｏｌ％とした場合の５０ｖｏｌ％である。
【００３９】
センサ本体２１の左端には電極Ａが、右端には電極Ｂが、各々取り付けられている。詳しく説明すると、電極Ａ、Ｂは、共に、上下に延びる短冊状を呈しており、センサ本体２１と基材フィルム２００との間、およびカバーフィルム２０１と基材フィルム２００との間に、介装されている。電極Ａとコネクタ２３とは導線２４Ａにより、電極Ｂとコネクタ２３とは導線２４Ｂにより、各々、結線されている。
【００４０】
拘束フィルム部２２は、ポリイミド製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。拘束フィルム部２２は、センサ本体２１の基材フィルム２００側と反対の表面（後面）に固定されている。基材フィルム２００および拘束フィルム部２２は、本発明における拘束部材に含まれる。
【００４１】
次に、変形センサ２の動きについて説明する。荷重が基材９００側から加わると、基材９００は、後方に撓むように変形する。基材９００の変形は、基材フィルム２００を介して、センサ本体２１に伝達される。このため、センサ本体２１も、前方に開口するＣ字状に、弾性的に湾曲する。無荷重状態においては、前出図１に示すように、導電性フィラー１０２は、最密充填に近い状態で充填されている。このため、多数の導電パスＰが形成されている。したがって、検出される電極Ａ、Ｂ間の電気抵抗値は、比較的小さい。これに対して、荷重が加わった後においては、前出図２に示すように、導電性フィラー１０２同士が反発し合う。このため、導電パスＰが崩壊してしまう。したがって、検出される電極Ａ、Ｂ間の電気抵抗値は、無荷重状態に対して、大きくなる。
【００４２】
加えて、センサ本体２１の表面（後面）には、拘束フィルム部２２が固定されている。このため、センサ本体２１後面付近の伸長変形は、拘束フィルム部２２により拘束される。すなわち、拘束フィルム部２２により、センサ本体２１後面付近の伸長変形は規制され、センサ本体２１は剪断変形する。このように、センサ本体２１の両面を拘束することによって、大きな歪み集中を誘起でき、より一層、電極Ａ、Ｂ間の電気抵抗値は大きくなる。
【００４３】
次に、本実施形態の変形センサ２の作用効果について説明する。本実施形態の変形センサ２では、センサ本体２１が弾性変形すると、電気抵抗が増加する。このため、電極Ａ、Ｂから出力されるセンサ本体２１の電気抵抗の増加に基づいて、基材９００に作用する荷重、および圧縮、曲げ等の変形を容易に検出することができる。
【００４４】
また、センサ本体２１は、シリコーンゴム発泡体を母材とするため、加工性に優れている。このため、配置場所の自由度も高い。さらに、センサ本体２１が弾性変形した場合、シリコーンゴム発泡体中のセルが緩衝材としての役割を果たし、導電性フィラーとの界面における応力集中が緩和される。このため、弾性変形を繰り返しても、シリコーンゴム発泡体は破壊されにくく、シリコーンゴム発泡体と導電性フィラーとの剥離が抑制される。つまり、弾性変形を繰り返しても、初期の三次元的な導電パスを維持することができる。したがって、変形センサ２は、繰り返し使用した場合でも、外部からの刺激に対する応答性が低下しにくく、耐久性に優れる。
【００４５】
また、エラストマー発泡体の種類、導電性フィラーの構成、充填率等を調整することにより、無荷重状態における電気抵抗値を所定の範囲に設定することができる。このため、検出可能な荷重、弾性変形量の範囲、つまり、検出レンジを大きくすることができる。加えて、弾性変形量に対する電気抵抗の増加挙動を調整することができるため、所望の応答感度を実現することができる。
【００４６】
また、本実施形態の変形センサ２は、変形していない自然状態で、導電状態にある。よって、変形センサ２が組み込まれている回路に電流を流すことにより、変形センサ２が作動可能か否かの自己診断を容易に行うことができる。
【００４７】
なお、本発明の変形センサの実施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。例えば、センサ本体２１を、基材フィルム２００を介することなく、直接、基材９００の表面に固定してもよい。また、センサ本体２１の表面には、拘束フィルム部２２を配置しなくてもよい。この場合、基材９００が拘束部材となる。また、基材９００側からではなく、センサ本体２１の表面から、直接、荷重が入力されてもよい。また、本発明の変形センサにおいても、上記本発明のエラストマー複合材料の好適な態様を採用することが望ましい。
【実施例】
【００４８】
まず、発泡倍率の異なるエラストマー発泡体を母材とする種々のエラストマー複合材料を製造した。次に、製造したエラストマー複合材料を用いて変形センサを作製し、その応答性、耐久性等を評価した。以下、順に説明する。
【００４９】
＜エラストマー複合材料および変形センサの製造＞
シリコーンゴムを母材として五種類（実施例１〜５）、ＥＰＤＭ、ＥＰＭを各々母材として一種類ずつ（実施例６、７）、合計七種類のエラストマー複合材料を製造した。シリコーンゴムを母材としたエラストマー複合材料は、各原料を下記表１に示す配合割合でロール練り機にて混合、分散させて、エラストマー組成物を調製した。また、ＥＰＤＭ、ＥＰＭを母材としたエラストマー複合材料は、各原料を下記表２に示す配合割合でロール練り機にて混合、分散させて、エラストマー組成物を調製した。表１、表２中、各原料については以下のものを使用した。
（Ａ）エラストマー
シリコーンゴム：ＧＥ東芝シリコーン社製「ＸＥ２１−Ｂ３７６１」、ＥＰＤＭ：住友化学社製「エスプレン（登録商標）５０５Ａ」、ＥＰＭ：住友化学社製「エスプレン２０１」。
（Ｂ）可塑剤
パラフィン系プロセスオイル：日本サン石油社製「サンパー（登録商標）１１０」。
（Ｃ）加硫助剤
酸化亜鉛（亜鉛華）二種：白水化学工業社製。
（Ｄ）加工助剤
ステアリン酸：花王社製「ルナック（登録商標）Ｓ３０」。
（Ｅ）加硫促進剤
ジメチルジチオカルバミン酸亜鉛：大内新興化学社製「ノクセラー（登録商標）ＰＺ−Ｐ」、テトラメチルチウラムジスルフィド：三新化学社製「サンセラー（登録商標）ＴＴ−Ｇ」、２−メルカプトベンゾチアゾール：大内新興化学社製「ノクセラーＭ−Ｐ」。
（Ｆ）架橋剤
硫黄：鶴見化学工業社製「サルファックスＴ−１０」。
（Ｇ）硬化剤
過酸化物：ＧＥ東芝シリコーン社製「ＴＣ−８」。
（Ｈ）カーボンビーズ
日本カーボン社製「ニカビーズＭＣ０５２０」（平均粒子径約５μｍ）。
（Ｉ）発泡剤
アゾビスイソブチロニトリル：ＧＥ東芝シリコーン社製「ＭＥ８００」、４，４’−オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド：三協化成社製「セルマイク（登録商標）Ｓ」。
【表１】
2009139329.tif 000003
【表２】
2009139329.tif 000004
【００５０】
調製した各々のエラストマー組成物を、縦１００ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ２ｍｍの金型に充填し、長手方向両端に一対の電極を配置して、１７０℃下で２０分間、プレスにて硬化および加圧発泡させることにより、一対の電極が取り付けられたエラストマー複合材料（センサ素子）を得た。得られたセンサ素子の一方の表面に拘束板を固定して、変形センサとした。製造した変形センサを、使用したエラストマー複合材料の番号に対応させて実施例１〜７の変形センサとした。
【００５１】
また、各実施例のエラストマー複合材料について比重を測定した。測定された比重と、後述する未発泡のセンサ材料（比較例１）の比重と、から発泡倍率を算出した。各実施例のエラストマー複合材料における比重および発泡倍率の値を、前出の表１、表２に示す。なお、実施例１〜４のエラストマー複合材料における導電性フィラーの充填率は、同エラストマー複合材料の体積を１００ｖｏｌ％とした場合の約５０ｖｏｌ％であった。同様に、実施例５のエラストマー複合材料における導電性フィラーの充填率は、４５ｖｏｌ％、実施例６、７のエラストマー複合材料における導電性フィラーの充填率は、４８ｖｏｌ％であった。
【００５２】
一方、使用した各々の母材について、発泡剤を配合しないでセンサ材料を製造した。使用した原料および配合割合は、前出の表１、表２に示す通りである（表１中の比較例１、表２中の比較例２、３参照）。製造したセンサ材料（センサ素子）を用いて、上記同様に変形センサを作製した。これらを比較例１〜３の変形センサとした。
【００５３】
図５に、作製した変形センサの正面図を示す。図５に示すように、変形センサ３は、センサ素子３０と拘束板３２とを備えている。拘束板３２は、ポリイミド製の薄膜とポリプロピレン製の薄膜との積層体であって、縦１２０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの帯状を呈している。センサ素子３０は、拘束板３２の表面に固定されている。センサ素子３０の両端には電極３１ａ、３１ｂが各々固定されている。電極３１ａ、３１ｂは、共に短冊状を呈しており、センサ素子３０と拘束板３２との間に、介装されている。電極３１ａ、３１ｂには、各々導線（図略）が接続されている。
【００５４】
＜変形センサの評価＞
（１）まず、作製した各変形センサの応答性および耐久性を、以下の加振試験により評価した。図６に、試験装置の模式図を示す。図６に示すように、試験装置４は、上端ホルダ４０と下端ホルダ４１と基盤４２とを備えている。上端ホルダ４０は、変形センサ３の長手方向一端（上端）を把持している。上端ホルダ４０は、上下方向に繰り返し移動する加振ジグ（図略）に接続されている。下端ホルダ４１は、上端ホルダ４０に対して、下方に離間して配置されている。下端ホルダ４１は、基盤４２に固定されており不動である。下端ホルダ４１は、変形センサ３の長手方向他端（下端）を把持している。
【００５５】
加振ジグを上下方向に動かすと、上下方向に上端ホルダ４０が移動し、上端ホルダ４０〜下端ホルダ４１間の間隔が収縮、拡大する。これにより、変形センサ３は湾曲変形する。センサ素子３０の電気抵抗値は、電極３１ａ、３１ｂ等から外部回路（図略）に出力される。上端ホルダ４０の変位量が０ｍｍ→０．５ｍｍ→１ｍｍ→１．５ｍｍ→２ｍｍ→２．５ｍｍ→０ｍｍというサイクルを繰り返し、この変位量における電気抵抗の変化を測定した。電気抵抗測定時の加振周波数は、２．５ｍｍ／５Ｈｚとした。
【００５６】
加振試験の結果の一例として、実施例１および比較例１の各変形センサにおける電気抵抗の変化を、図７、図８にそれぞれ示す。図７、図８には、最初の１サイクル目における電気抵抗の変化と、５万サイクル繰り返した後に測定された電気抵抗の変化と、併せて示す。また、実施例および比較例の全ての変形センサについて、１サイクル目（初期）の電気抵抗の変化量を、前出の表１、表２に併せて示す。さらに、５万サイクル後における抵抗変化保持率を算出し、同表１、表２に併せて示す。ここで、抵抗変化保持率は、次式（２）により算出した。
抵抗変化保持率（％）＝ΔＲ’／ΔＲ×１００・・・（２）
式中、ΔＲ’は５万サイクル後に測定された抵抗変化量（Ｒ２．５−Ｒ０）、ΔＲは１サイクル目の抵抗変化量（Ｒ２．５−Ｒ０）である（Ｒ０：変位量０ｍｍの時の電気抵抗値、Ｒ２．５：変位量２．５ｍｍの時の電気抵抗値）。
【００５７】
図７と図８とを比較して明らかなように、実施例１の変形センサによると、変位量、つまり変形センサの変形量が増加するに従って、大きく電気抵抗が増加した。これより、実施例１の変形センサの応答性は良好であることがわかる。また、実施例１の変形センサによると、サイクル数を重ねても、すなわち、繰り返し湾曲変形しても、比較例１の変形センサと比較して、電気抵抗の増加挙動の変化が小さい。この点、表１に示すように、実施例１の変形センサの抵抗変化保持率は１００％であるのに対し、比較例１の変形センサの抵抗変化保持率は７０％であることからも明らかである。また、表１、表２に示すように、実施例の変形センサは、同じ母材の比較例の変形センサと比較して、初期抵抗変化量、抵抗変化保持率ともに大きい値となった。つまり、本発明のエラストマー複合材料を用いた実施例の変形センサは、未発泡のセンサ材料を用いた比較例の変形センサよりも、変形に対する抵抗増加量が大きく、かつ、弾性変形を繰り返しても、その大きな抵抗変化を維持することができる。以上より、本発明の変形センサは、変形に対する応答性が良好で、かつ、弾性変形を繰り返しても応答性が低下しにくく、耐久性に優れることが確認できた。
【００５８】
（２）次に、作製した変形センサの無荷重状態における電気抵抗の温度依存性を調べた。使用したのは、実施例１、２、４の変形センサ、比較例１の変形センサに加え、発泡倍率の高いエラストマー複合材料をセンサ素子として用いた参考例の変形センサである。参考例の変形センサに用いたエラストマー複合材料は、発泡剤の配合量を６重量部と増加した以外は、実施例１、２、４のエラストマー複合材料と同様に製造されている。発泡倍率は４４．２％である。各変形センサを、所定の温度に制御可能なオーブンの中に入れ、０〜１２０℃の所定の温度下で、無荷重状態における電気抵抗を測定した。そして、０℃における電気抵抗値（Ｒ０℃）に対する、各温度における電気抵抗値（Ｒｔ℃）の増加割合を算出して、抵抗変化率とした［抵抗変化率（％）＝（Ｒｔ℃−Ｒ０℃）／Ｒ０℃×１００］。結果を図９に示す。
【００５９】
図９に示すように、発泡倍率が１９．１％、１３．４％である実施例２、４の変形センサでは、未発泡のセンサ材料を用いた比較例１の変形センサと比較して、抵抗増加率が小さくなった。一方、発泡倍率が４４．２％の参考例の変形センサでは、未発泡のセンサ材料を用いた比較例１の変形センサと比較して、８０℃以上の高温下で抵抗変化率が大幅に大きくなった。これは、発泡倍率が高くなると、セルの数が多くなるため、導電性フィラーによる三次元的な導電パスが途切れやすくなる。よって、少しの体積膨張により、電気抵抗が大きく変化してしまうためと考えられる。以上より、エラストマー発泡体の発泡倍率を所定の範囲内に調整すれば、温度上昇によるエラストマー発泡体の体積膨張を抑制し、無荷重状態の電気抵抗変化を低減できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明のエラストマー複合材料における荷重印加前の導電パスを示す模式図である。
【図２】同エラストマー複合材料における荷重印加後の導電パスを示す模式図である。
【図３】本発明の第一実施形態の変形センサの正面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】実施例における加振試験で使用した変形センサの正面図である。
【図６】同加振試験の試験装置の模式図である。
【図７】実施例１の変形センサにおける変形量に対する電気抵抗の変化を示すグラフである。
【図８】比較例１の変形センサにおける変形量に対する電気抵抗の変化を示すグラフである。
【図９】無荷重状態における電気抵抗の温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
２：変形センサ  ２０：電極フィルム部  ２００：基材フィルム
２０１：カバーフィルム  ２０１ａ：長孔  ２１：センサ本体  ２２：拘束フィルム部
２３：コネクタ  ２４Ａ、２４Ｂ：導線
３：変形センサ  ３０：センサ素子  ３１ａ、３１ｂ：電極  ３２：拘束板
４：試験装置  ４０：上端ホルダ  ４１：下端ホルダ  ４２：基盤
１００：エラストマー複合材料  １０１：エラストマー発泡体  １０２：導電性フィラー
９００：基材  Ａ：電極  Ｂ：電極  Ｐ：導電パス
【図１】
2009139329.tif 000005
【図２】
2009139329.tif 000006
【図３】
2009139329.tif 000007
【図４】
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【図５】
2009139329.tif 000009
【図６】
2009139329.tif 000010
【図７】
2009139329.tif 000011
【図８】
2009139329.tif 000012
【図９】
2009139329.tif 000013