Gunma University

イオン導電体の応力センサーへの応用
研究者：群馬大学 大学院工学研究科
生産システム工学専攻
准教授 古澤 伸一
平成21年3月10日 於：太田キャンパス
1

Gunma University

技術内容の紹介

イオン導電体†を用いた応力センサーの開発をおこなった。
本技術は、対象物の引張応力、圧縮応力、曲げ応力等の応力の情報を検知する、応力センサーに係わるものである。
†イオン導電体：イオン伝導を示す固体物質2Gunma University

固体内イオン伝導例） Li2SiO3の結晶構造

3Gunma University

固体内イオン伝導→構造敏感な物性
イオン導電体に外力が作用（圧力、引張応力、曲げ応力など）↓応力による結晶構造の歪み↓
イオン伝導性が大きく変化↓
応力印加下のイオン伝導物性の研究は少ない
4

Gunma University

物性研究者としての純粋な学術的興味
応力印加下のイオン伝導物性↓
イオン伝導メカニズムに関する情報例）高圧力下でのイオン伝導
S.Furusawa et.al., J. Phys. Soc. Jpn. Vol.69 2087-2091, 2000

引っ張ったら？曲げたら？
電気伝導度が変化するはず。
静水圧印加では得られない情報が得られるかもしれない。
5

Gunma University

応力印加による弾性変形でイオン導電体の電気的物性が変化。

何かに応用できないか？
例えば、応力センサーとか・・・
では、どんな応力センサーがあるのか？

6

Gunma University

従来技術とその問題点
弾性変形を利用した応力センサー（１）金属抵抗体歪ゲージを用いたもの、（２）ピエゾ効果を利用したもの、（３）圧電性を利用したもの、（４）磁気歪効果を利用したもの

7

Gunma University（１）金属抵抗体型センサー
機械的な伸び縮み等の寸法変化による電気抵抗の変化を利用。
（アドバンス、コンスタンタン、マンガニン、ニクロム、Ｐｔ－Ｉｒ等）
代表的例：ロードセル（load cell）。
問題点:
エー・アンド・デイ㈱ＨＰよりLCB03型(1) 価格が数万円から十数万円と高価(2) 構造上、セルの小型化（マイクロセンサー化）が難しい。
超小型といわれるものでさえ数ｃｍ、小型のものほど高価。
(3) 被測定物に取り付けるために必要となる寸法が比較的大きい。
(4) 作動させるためには、μＶ級の分解能を持つ電圧計と駆動用電源が必要。
(5) 使用できる温度範囲が狭い。
温度補償範囲が－１０～５０℃程度。
8

Gunma University㈱ Wave Technology HPより

（２）半導体型センサー
ピエゾ抵抗効果の原理を利用。
ピエゾ抵抗効果：
シリコンやゲルマニウム等のある種の半導体が力を受けると、その歪みに応じて電気抵抗が変化する現象。
問題点：(1) 抵抗やピエゾ抵抗係数が温度変化によって大きく変化するため、広範囲の温度領域で使用するためには、温度補償が必要になる。
(2) 結晶シリコンが多く用いられており、薄膜化する場合には基板に制限がある。
(3) 温度補償範囲が－１～５０℃程度と、使用できる温度範囲が狭い。
(4) 力の測定限界が比較的小さく、数十Ncm2程度。
9

Gunma University（３）圧電型センサー
水晶、ロッシェル塩、チタン酸バリウム、ＰＺＴ等の誘電体単結晶に動的な力が作用したときに発生する分極を利用
代表例：動的圧力・歪センサーや表面弾性波素子を応用した素子
問題点：(1) 静的応力には応答しない。
(2) 素子及び装置の構成が複雑、基板に制限がある。
(3) 温度補償範囲は、－５０～１２０℃が標準
特殊なものでも±２００℃程度である。

PCB PIEZOTRONICS INC. HPよりModel 101A02
10

Gunma University（４）磁歪型センサー
磁歪効果 ：強磁性体が磁化されると、寸法変化を示す。
逆磁歪効果：強磁性体に歪みを与えると、磁化が変化する。
磁歪型センサー：磁気特性－応力の関係から、歪みを検出する。
構造的には磁気ヘッドのような精密磁気センサーと同じ。変位計などに使用。
問題点：(1) 素子の構造が複雑。
(2) 基板に制限がある。
(3) 磁化は高温で減少するので、高温での使用には注意が必要。
サンテスト㈱HPより
高温度型GYcRP-Hプローブ
11

Gunma University

既存の応力センサー
高価、基板に制限、温度補償範囲があまり広くないなど、様々な問題点があるために、適用可能な用途が限られていることが多い。
イオン導電体型応力センサー
温度補償範囲を広くすることが可能。
構成が単純。
基板の制限が少ない。
幅広い用途に適用することが可能。

12

Gunma University

イオン導電体型応力センサーの基本構成
電極／イオン導電体／電極(1) 原理的には、イオン導電体としてほとんど全てのイオン導電体を使用することが可能 。
(2) イオン導電体の性状は、特に限定されるものではなく、バルクのイオン導電体や、イオン導電体の薄膜を使用することができる 。

13

Gunma University

イオン導電体型応力センサーの概略構成の一例
電極

イオン導電体薄膜電極のこの部分で測定する

14

Gunma University

実施例：引張応力
基板：PET（ポリエチレンテレフタレート）
Li2SiO3 thickness 2.1m

LLT (x=0.5) thickness 4.83m
10.69thickness:2.1mthickness:4.83mArea of electrode: 150mm22

Area of electrode: 150mm0.68

0.80.67

R []

R []

0.90.70.66

0.60.65○引張応力増大 → 抵抗率が単調増加○引張応力減少 → 抵抗率が単調減少
0.64

0.5
020406080

10012001020304050

F [N]
F [N]
○抵抗率の引張応力依存性に履歴がある

15Gunma University

実施例：引張および曲げAgI thickness 1.85m 100Hz
5700

5700
thickness:1.85m
S= 0.185mm25600

5600

5500
5500

5400

5300

0Z [cm]Z' [ cm]

5400

5300

5200
5200

5100

1st up1st down
2nd up2nd down
3rd up3rd down

5100

5000

5000
0204060F [N]801004900-0.3-0.2-0.1

00.1

0.2

0.3

Height/Width16

Gunma University

実施例：一軸性加圧
0.650.23

LSO Thin Film

LLT thin film
0.6

Resistance []Resistance []

0.225

0.22

0.55
0.5
0.45

0.215
0.4
0.21
200 250 300 350 400 450 500 550 600-2Pressure [kgWcm ]

0.35
250

300

350

400

450500550

600-2

Pressure [kgWcm ]17

Gunma University

新技術の特徴・従来技術との比較(1) 金属基板、誘電体基板や高分子フィルム基板などより幅広い基板に適用できる。
(2) イオン導電体には100℃以上の高温で良好な特性を示すものが多く、従来のセンサーでは測定できない環境に対応したセンサーができる。
(3) 構造の単純化が計れる

18

Gunma University

想定される用途計測、乗物、運搬機器、構造物、医療・介護関係などの応力センサーが用いられている全分
野。

19

Gunma University

実用化に向けた課題• 原理は実証済み。
• 応力-イオン伝導メカニズムの解明。
• 今後、より多くのイオン導電体について実験データを取得し、イオン導電体の探索。
• 測定精度の向上。
• データ処理システム（ソフト・ハード）技術の確立。

20

Gunma University

企業への期待• 企業との共同研究を希望。

21

Gunma University

本技術に関する知的財産権
・発明の名称 ：応力センサー
・出願番号：特願2008-138423
・出願人
：群馬大学
・発明者
：古澤伸一、櫻井浩、伊藤正久、尾池弘美※特許出願から1.5年未満の未公開特許情報を含んだ説明会ですので、情報の取り扱いに十分ご注意下さい。公開する情報の範囲につきましては、特許出願人（知財本部、TLO等）とご相談ください。

22

Gunma University

お問い合わせ先
群馬大学ＴＬＯ
ＴＬＯ長 大澤隆男
ＴＥＬ 0277-30-1171
ＦＡＸ 0277-30-1178
e-mail rip-admin@eng.gunma-u.ac.jp

23Gunma University

Thank you !

Kusatsu Onsen
Gunma Prefecture24