JP2010096609A - Pressure sensor element - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、センサに対する微弱な圧力変化であっても従来よりもさらに感度良く検出することができる圧力センサ素子を提供することにある。
【解決手段】圧力センサ素子１は、コイル状炭素繊維を高分子系ゲルに分散したセンサ素子マトリクス部２を備えている。高分子系ゲルによって従来よりも弾性率が低く柔らかく形成されたセンサ素子マトリクス部２に分散されたコイル状炭素繊維は、その伸縮に応じて電気特性が変化するため、その特性変化を検出することで高感度に圧力を検出する。
【選択図】図１An object of the present invention is to provide a pressure sensor element capable of detecting even a slight pressure change with respect to a sensor with higher sensitivity than in the past.
A pressure sensor element includes a sensor element matrix portion in which coiled carbon fibers are dispersed in a polymer gel. The coiled carbon fiber dispersed in the sensor element matrix portion 2 formed of a polymer gel and having a lower elastic modulus and softer than before changes its electrical characteristics according to its expansion and contraction. The pressure is detected with high sensitivity.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、圧力センサ素子に関するものである。特に、コイル状炭素繊維がゲルの中に分散されてセンサ素子マトリクス部を構成しており、微小な圧力を高感度に検出することのできる圧力センサ素子に関する。 The present invention relates to a pressure sensor element. In particular, the present invention relates to a pressure sensor element in which coiled carbon fibers are dispersed in a gel to form a sensor element matrix portion, and a minute pressure can be detected with high sensitivity.
コイル状炭素繊維（カーボンマイクロコイル）は、直径０．０１〜１００μｍ、ピッチ０．０１〜１００μｍの螺旋構造を有する炭素繊維である。コイル状炭素繊維には伸縮性があり、その伸縮によって電気特性であるインダクタンス（Ｌ）、キャパシタンス（Ｃ）、及びレジスタンス（Ｒ）が変化するという性質を備えている。具体的には、コイル状炭素繊維が伸長すると前記Ｌ、Ｃ、及びＲが増加し、コイル状炭素繊維が収縮すると前記Ｌ、Ｃ、及びＲは減少する。コイル状炭素繊維の伸縮と前記Ｌ、Ｃ、Ｒの値の変化とは非常に高い相関を有しており、且つ再現性がよいことから、このコイル状炭素繊維は触圧を高精度に測定するセンサに利用することが可能である。 The coiled carbon fiber (carbon microcoil) is a carbon fiber having a helical structure with a diameter of 0.01 to 100 μm and a pitch of 0.01 to 100 μm. The coiled carbon fiber is stretchable, and has the property that the electrical characteristics of inductance (L), capacitance (C), and resistance (R) change due to the expansion and contraction. Specifically, when the coiled carbon fiber is elongated, the L, C, and R are increased, and when the coiled carbon fiber is contracted, the L, C, and R are decreased. The coiled carbon fiber has a very high correlation between the expansion and contraction of the coiled carbon fiber and the changes in the values of L, C, and R, and the reproducibility is good. It is possible to use for the sensor which does.
発明者らは、このコイル状炭素繊維を弾性材料に分散させてマトリクス部を形成し、このマトリクス部を利用することで、外圧を高精度に検出することができる圧力センサを発明し、特許文献１において提案している。特許文献１の圧力センサのマトリクス部には、長さが９０〜１５０μｍ、コイルの直径が０．１〜１０μｍのコイル状炭素繊維が含まれる。このコイル状炭素繊維を分散させる弾性材料としては、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、スチレンと熱可塑性エラストマーとの共重合樹脂等の樹脂が好適に用いられる。特許文献１の圧力センサは、弾性材料中のコイル状炭素繊維の含量を増やすことによって外圧の検出感度を上げることが可能であるが、含量が３０重量％を越えた場合にはマトリクス部が固くなって検出感度が落ちる傾向が認められるため、弾性材料中に含まれるコイル状炭素繊維の含量を０．１〜３０重量％としている。
The inventors have invented a pressure sensor that can detect the external pressure with high accuracy by forming a matrix portion by dispersing the coiled carbon fiber in an elastic material, and using this matrix portion. 1 proposes. The matrix portion of the pressure sensor of
特許文献１の圧力センサは、簡単な構造でありながら幅広い圧力を高感度に検出することができ、且つ機械的強度に優れている。このために、例えば医療用器具のカテーテルの先端に取り付けられて血管内壁に当たったか否かを事前に検出し、血管の内壁を傷つけることを事前に回避することができる。又、血圧や脈拍の変化を常に監視し、異常を早期に検出することができる。
The pressure sensor of
特許文献２には、外力の作用で抵抗値が変化する導電性感圧部材と、この導電性感圧部材を支持する支持体とを備え、外力の検出のために該導電性部材の抵抗値を検出する感圧センサにおいて、導電性部材にゲル又はエラストマーにコイル状炭素繊維を混入した部材を利用する技術が開示されている。しかしこの特許文献２には、具体的なゲルとして如何なるものを使用するのかについては詳細に開示されてはいない。
本発明者らは、前記特許文献１の提案後も継続して検討を進めることにより、改良すべき課題が存在していることを知るに至った。特許文献１の圧力センサには、コイル状炭素繊維が弾性材料である樹脂に分散されたマトリクス部が用いられている。圧力を受けたマトリクス部の中のコイル状炭素繊維は、周囲の樹脂と同程度に変形することでその電気特性（ＬＣＲ成分）が変化する。ところが、特許文献１にて提案した樹脂は全てコイル状炭素繊維よりも固く弾性率が大きい。このために、極めて微小な圧力を受けた場合のマトリクス部の変形は、同じ圧力をコイル状炭素繊維単体が受けた場合と比較すると、相対的に小さくなっていた。特許文献１の圧力センサは、マトリクス部に分散されているコイル状炭素繊維の変形に伴う電気特性の変化を検知して高感度に外圧を検出するため、マトリクス部の変形が微小である場合にはその中のコイル状炭素繊維の変形を検出することが困難であり、微弱な圧力を検出するための圧力センサとしては感度が不充分な場合があった。
The present inventors have come to know that there is a problem to be improved by continuing the examination after the proposal of
本発明は、このような従来技術における課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、センサに対する極めて微弱な圧力変化であっても従来よりもさらに感度良く検出することができる圧力センサ素子を提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems in the prior art, and the object of the present invention is to detect even a very weak pressure change against the sensor with higher sensitivity than in the past. An object of the present invention is to provide a pressure sensor element that can be used.
上記目的を達成するために、本発明の圧力センサ素子は、コイル状炭素繊維を高分子系ゲル中に分散したセンサ素子マトリクス部と、センサ素子マトリクス部を支持する基板と、センサ素子マトリクス部に接続される一対の電極とを備えていることを特徴とする。本発明のセンサ素子マトリクス部に適用される高分子系ゲルは、シリコーンゲル、ポリアクリル酸系ゲル、炭化水素系熱可塑性樹脂を含むゲル、コラーゲンゲルの中のいずれか１種又は２種以上を含むゲルである。 In order to achieve the above object, a pressure sensor element of the present invention includes a sensor element matrix portion in which coiled carbon fibers are dispersed in a polymer gel, a substrate that supports the sensor element matrix portion, and a sensor element matrix portion. And a pair of electrodes to be connected. The polymer gel applied to the sensor element matrix part of the present invention includes one or more of silicone gel, polyacrylic acid gel, gel containing hydrocarbon thermoplastic resin, and collagen gel. It is a gel containing.
本発明の圧力センサ素子は、コイル状炭素繊維を分散させるために、弾性材料の中でも柔らかく弾性率が小さいシリコーンゲル、ポリアクリル酸系ゲル、炭化水素系熱可塑性樹脂を含むゲル、コラーゲンゲルの中のいずれか１種又は２種以上のゲルを適用してマトリクス部を構成する。これにより本発明の圧力センサ素子のマトリクス部は、僅かな触圧に対して従来よりも変形し易くなり、同時にマトリクス部に分散しているコイル状炭素繊維が変形しやすくなることから、コイル状炭素繊維の電気特性の変化を大きく発現させることができる。この結果、本発明の圧力センサ素子は、極めて微弱な圧力変化であっても従来よりもさらに感度良く検出することが可能となる。 In order to disperse the coiled carbon fiber, the pressure sensor element of the present invention is a soft, low elastic modulus silicone gel, polyacrylic acid gel, gel containing hydrocarbon thermoplastic resin, or collagen gel. The matrix part is configured by applying any one kind or two or more kinds of gels. As a result, the matrix portion of the pressure sensor element of the present invention is more easily deformed than a conventional contact with a slight contact pressure, and at the same time, the coiled carbon fiber dispersed in the matrix portion is more easily deformed. The change in the electrical properties of the carbon fiber can be greatly expressed. As a result, the pressure sensor element of the present invention can detect even a very weak pressure change with higher sensitivity than in the past.
本発明の圧力センサ素子は、センサ素子マトリクス部の高分子系ゲルに対するコイル状炭素繊維の添加量が０．１〜４０重量％であり、且つコイル状炭素繊維の長さが１０μｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする。 In the pressure sensor element of the present invention, the amount of the coiled carbon fiber added to the polymer gel in the sensor element matrix portion is 0.1 to 40% by weight, and the length of the coiled carbon fiber is 10 μm or more and 10 mm or less. It is characterized by being.
圧力センサ素子が微弱な圧力変化に対して高い検出感度を得るためには、電気信号を発生するコイル状炭素繊維の添加量を０．１重量％以上とすることが好ましい。一方で、コイル状炭素繊維の添加量が４０重量％を越えた場合には、マトリクス部が固くなりセンサとして必要な感度が得られなくなる恐れがある。以上のことから、センサ素子マトリクス部の高分子系ゲルに対するコイル状炭素繊維の添加量は０．１〜４０重量％が好適である。 In order for the pressure sensor element to obtain a high detection sensitivity for a weak pressure change, it is preferable that the amount of coiled carbon fiber that generates an electrical signal is 0.1 wt% or more. On the other hand, when the added amount of the coiled carbon fiber exceeds 40% by weight, the matrix portion may become hard and sensitivity necessary for the sensor may not be obtained. From the above, the addition amount of the coiled carbon fiber to the polymer gel in the sensor element matrix portion is preferably 0.1 to 40% by weight.
又、コイル状炭素繊維は、１０μｍ以上の長さのものを用いることで検出感度を高くすることが可能である。一方で、１０ｍｍ以上の非常に長いコイル状炭素繊維を用いることは、高分子系ゲルに均一に分散させることが困難となる。このため、センサ素子マトリクス部に添加されるコイル状炭素繊維の長さは、１０μｍ以上１０ｍｍ以下が好適である。 In addition, the detection sensitivity can be increased by using a coiled carbon fiber having a length of 10 μm or more. On the other hand, using a very long coiled carbon fiber of 10 mm or more makes it difficult to uniformly disperse the polymer gel. For this reason, the length of the coiled carbon fiber added to the sensor element matrix portion is preferably 10 μm or more and 10 mm or less.
本発明の圧力センサは、センサ素子マトリクス部に用いられる高分子系ゲルが、JIS K2220で規定される針入度で２０以上２００以下であることを特徴とする。本発明に係る圧力センサは、センサ素子マトリクス部に用いられる高分子系ゲルが前記針入度を備えることによって、従来用いられていた弾性体よりも有意に小さい弾性率を備えることとなる。この結果、センサ素子マトリクス部全体の弾性率を小さくすることが可能となり、極めて微弱な圧力変化であっても従来よりもさらに感度良く検出することができる。 The pressure sensor of the present invention is characterized in that the polymer gel used in the sensor element matrix portion has a penetration of 20 or more and 200 or less as defined by JIS K2220. The pressure sensor according to the present invention has an elastic modulus that is significantly smaller than that of a conventionally used elastic body when the polymer gel used in the sensor element matrix portion has the penetration. As a result, the elastic modulus of the entire sensor element matrix portion can be reduced, and even a very weak pressure change can be detected with higher sensitivity than in the past.
本発明の圧力センサ素子は、コイル状炭素繊維を分散させるために、弾性材料の中でも弾性率が小さく柔らかい、シリコーンゲル、ポリアクリル酸系ゲル、炭化水素系熱可塑性樹脂を含むゲル、コラーゲンゲルの中のいずれか１種又は２種以上のゲルを適用してセンサ素子マトリクス部を構成する。これにより、センサ素子マトリクス部に加えられる圧力が微小であってもより変形し易くなり、センサ素子マトリクス部に含まれるコイル状炭素繊維のより大きな構造変化がもたらされる。この結果、コイル状炭素繊維の電気特性（ＬＣＲ成分）の変化が大きくなって、圧力の検出感度が向上する。 In order to disperse the coiled carbon fiber, the pressure sensor element of the present invention has a low elastic modulus and is soft among elastic materials, such as silicone gel, polyacrylic acid gel, gel containing hydrocarbon thermoplastic resin, and collagen gel. Any one or two or more kinds of gels are applied to constitute the sensor element matrix portion. Thereby, even if the pressure applied to the sensor element matrix portion is very small, the sensor element matrix portion is more easily deformed, and a larger structural change of the coiled carbon fiber included in the sensor element matrix portion is brought about. As a result, the change in the electrical characteristics (LCR component) of the coiled carbon fiber is increased, and the pressure detection sensitivity is improved.
本発明は、センサ素子マトリクス部を構成するゲルが柔らかいために、従来よりもコイル状炭素繊維の添加量を増やすことが可能であり、これによって一層圧力の検出感度を高めることができる。 In the present invention, since the gel constituting the sensor element matrix portion is soft, it is possible to increase the addition amount of the coiled carbon fiber as compared with the conventional case, thereby further increasing the pressure detection sensitivity.
以下本発明について添付図面に基づいて具体的に説明する。本実施形態における圧力センサ素子の概略断面図を図１に示す。本実施態様における圧力センサ素子１は、コイル状炭素繊維がゲルに分散されて構成されたセンサ素子マトリクス部２（以下、単にマトリクス部２とも称する）と、このマトリクス部２を支持している基板３とを備えている。マトリクス部２の変形によりコイル状炭素繊維の構造変化がもたらされ、この構造変化による電気特性の変化が検出されて圧力が検出される。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. A schematic cross-sectional view of the pressure sensor element in the present embodiment is shown in FIG. The
マトリクス部２と基板３との間に、マトリクス部２の電気特性の変化を感受するように一対の電極４が設けられている。電極４には、それぞれ図示されない接続線が接続されて延びており、図示されないＬＣＲ測定装置に接続されて、電気特性としてインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ、キャパシタンス）及び電気抵抗（Ｒ、レジスタンス）を測定してオシロスコープ等に表示することができるようになっている。
A pair of
マトリクス部２は、高分子系ゲルにコイル状炭素繊維が分散されて構成されている。このゲルは誘電体であって、静電容量（Ｃ）を有し、コンデンサとして作用する。本発明で好適に使用される高分子系ゲルは、安定な支持構造を有する３次元網目構造を持っており、高分子及びその膨潤体で構成されている。高分子系ゲルには、寒天やゼラチンなどの天然高分子ゲルと、メチルメタクリレート、シリコーン、スチレンージビニルベンゼン共重合体のような合成高分子系ゲルの２種類がある。高分子系ゲルは、高分子が液体を吸収し膨潤したものである。したがって、高分子系ゲルは、見かけ上液体と固体の中間の物質形態をとっているが、架橋度の違いに応じて高分子ゲルは粘性のある液体に近いものからかなり硬い固体まで変化する。また一般にゴムのような弾性を示すと同時に、非線形的に形状を変える塑性をも併せ持っている。さらに外界と作用する開放系物質であるという事も高分子ゲルの重要な特性である。 The matrix portion 2 is configured by dispersing coiled carbon fibers in a polymer gel. This gel is a dielectric, has a capacitance (C), and acts as a capacitor. The polymer gel suitably used in the present invention has a three-dimensional network structure having a stable support structure, and is composed of a polymer and a swelling body thereof. There are two types of polymer gels: natural polymer gels such as agar and gelatin, and synthetic polymer gels such as methyl methacrylate, silicone, and styrene-divinylbenzene copolymer. The polymer gel is one in which a polymer absorbs a liquid and swells. Therefore, the polymer gel apparently takes a material form intermediate between a liquid and a solid, but the polymer gel changes from a nearly viscous liquid to a fairly hard solid depending on the difference in the degree of crosslinking. In general, it exhibits elasticity like rubber, and at the same time has plasticity that changes its shape nonlinearly. Another important characteristic of polymer gels is that they are open materials that interact with the outside world.
本発明を実施するために使用される最良の高分子系ゲルとしては、シリコーンゲル、ポリアクリル酸系ゲル、炭化水素系熱可塑性樹脂を含むゲル、コラーゲンゲル等が用いられる。具体的には、シリコーンゲルとして、信越化学（株）製の商品名、ＫＥ−１０５２（JIS K2220で規定される針入度６５）、ＫＥ１０５６（JIS K2220で規定される針入度９０）等が挙げられる。ポリアクリル酸系ゲルとしては、ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシビニルポリマー等が挙げられる。炭化水素系熱可塑性樹脂を含むゲルとして大場機工（株）の商品名、ゲルＯＫパッキン等が挙げられる。 As the best polymer gel used for carrying out the present invention, silicone gel, polyacrylic acid gel, gel containing hydrocarbon thermoplastic resin, collagen gel and the like are used. Specifically, as silicone gel, there are trade names made by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., such as KE-1052 (Penetration 65 specified by JIS K2220), KE1056 (Penetration 90 specified by JIS K2220), etc. Can be mentioned. Examples of the polyacrylic acid gel include sodium polyacrylate and carboxyvinyl polymer. Examples of the gel containing the hydrocarbon-based thermoplastic resin include a trade name of Oba Kiko Co., Ltd., gel OK packing, and the like.
ゲルの硬さは圧力センサ素子１の感度を向上させる上で重要である。ゲルがJIS K2220で規定される針入度で２０以上２００以下の堅さを備えることによって、従来用いられていた樹脂に対して弾性率が有意に小さくなり、変形しやすくなる。図２に、デュロメータ硬度２４の従来のシリコーン樹脂（信越化学（株）製 商品名：ＫＥ−１０３）と、JIS K 2220で規定される針入度が６５のシリコーンゲル（信越化学（株）製 商品名：ＫＥ−１０５２）と、コイル状炭素繊維について、加重に対する変形量を示す。同一の加重を受けた場合のシリコーンゲルの変形量はシリコーン樹脂の変形量よりも大きく、シリコーンゲルが、よりコイル状炭素繊維に近い硬さを備えていることが明らかである。シリコーンゲルとコイル状炭素繊維とで構成されるセンサ素子マトリクス部２は、その弾性率が従来と比較して非常に小さく柔らかいために、極微弱な圧力変化であっても伸縮してその圧力を高感度で検出することができる。
The hardness of the gel is important for improving the sensitivity of the
前記の高分子系ゲルにはコイル状炭素繊維が分散されるが、そのコイル状炭素繊維としては一重巻きのコイル状炭素繊維、二重巻きのコイル状炭素繊維、超弾性コイル又はそれらの混合物等が用いられる。コイル状炭素繊維は弾性体としての機械特性を有していると同時に、その伸縮により電気特性であるインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）及び電気抵抗（Ｒ）が変化する。このため、それらの変化量に基づいて圧力を検出することができる。例えば、コイル状炭素繊維を伸ばすと上記Ｌ、Ｃ及びＲが増加し、収縮させるとＬ、Ｃ及びＲが減少する。具体的には、所定のコイル状炭素繊維を例えば４ｍｍ伸ばすと、Ｌは０．１ｍＨ増加し、Ｃは６００ｐＦ増加し、Ｒは４．５ｋΩ増加する。そして、コイル状炭素繊維を収縮させて元の長さに戻すと、Ｌ、Ｃ及びＲは元の値まで再現性良く戻る。 Coiled carbon fibers are dispersed in the polymer gel, and the coiled carbon fibers include single wound coiled carbon fibers, double wound coiled carbon fibers, superelastic coils, or mixtures thereof. Is used. The coiled carbon fiber has mechanical properties as an elastic body, and at the same time, due to the expansion and contraction, the inductance (L), capacitance (C), and electrical resistance (R), which are electrical properties, change. For this reason, a pressure can be detected based on the amount of change. For example, when the coiled carbon fiber is stretched, the L, C, and R increase, and when contracted, the L, C, and R decrease. Specifically, when a predetermined coiled carbon fiber is stretched by 4 mm, for example, L increases by 0.1 mH, C increases by 600 pF, and R increases by 4.5 kΩ. When the coiled carbon fiber is contracted and returned to its original length, L, C, and R return to their original values with good reproducibility.
コイル状炭素繊維と高分子系ゲルから成るマトリクス部に外部から圧力が加わったとき、まずゲルが伸縮し、次いでコイル状炭素繊維が伸縮するため、ゲルを介してコイル状炭素繊維に加わる圧力に基づいて前記Ｌ、Ｃ及びＲの値が変化する。 When pressure is applied from the outside to the matrix part composed of the coiled carbon fiber and the polymer gel, the gel first expands and contracts, and then the coiled carbon fiber expands and contracts, so that the pressure applied to the coiled carbon fiber through the gel is increased. Based on this, the values of L, C and R change.
前記一重巻きのコイル状炭素繊維としては、１本のコイルの直径が０．０１〜５０μｍ、コイルのギャップ（繊維と繊維との間隔）が０．０１〜１０μｍ及びコイルの長さが１０μｍ〜１０ｍｍであるものが好ましい。製造の容易性等の観点から、コイルの直径は０．１〜１０μｍであることが好ましく、ギャップは０．１〜１０μｍであることが好ましい。このコイル状炭素繊維は、一定の太さを有するコイルが一定のピッチ（間隔）をおいて一重巻きで螺旋状に延びるように形成されている。このため、一重巻きのコイル状炭素繊維は、弾力性に優れ、あらゆる方向からの圧力に対して容易に変形し、従ってあらゆる方向からの圧力を高感度で検出することができる。 The single-winding coiled carbon fiber has a diameter of one coil of 0.01 to 50 μm, a coil gap (interval between fibers) of 0.01 to 10 μm, and a coil length of 10 μm to 10 mm. Are preferred. From the viewpoint of ease of manufacture and the like, the diameter of the coil is preferably 0.1 to 10 μm, and the gap is preferably 0.1 to 10 μm. The coiled carbon fiber is formed such that a coil having a certain thickness extends in a spiral manner with a single winding at a certain pitch (interval). For this reason, the single-wound coiled carbon fiber is excellent in elasticity and easily deforms with respect to pressure from any direction, and therefore, pressure from any direction can be detected with high sensitivity.
一方、二重巻きのコイル状炭素繊維の場合には、２本のコイルが交互に密接した状態で螺旋状に延び、従って全体としてほぼ円筒状をなし、中心には空洞が形成されている。二重巻きのコイル状炭素繊維としては、コイルの直径が０．０１〜５０μｍ、ギャップがほぼ０で長さが１０μｍ〜１０ｍｍであるものが好ましい。二重巻きのコイル状炭素繊維は一重巻きのコイル状炭素繊維に比べて弾力性が乏しく、圧力を受けたときに変位しにくいという性質がある。 On the other hand, in the case of a double-wound coiled carbon fiber, the two coils extend in a spiral shape in close contact with each other, and thus have a substantially cylindrical shape as a whole, and a cavity is formed at the center. The double-wound coiled carbon fiber preferably has a coil diameter of 0.01 to 50 μm, a gap of almost 0, and a length of 10 μm to 10 mm. Double-winding coiled carbon fibers are less elastic than single-winding coiled carbon fibers and have the property of being difficult to displace when subjected to pressure.
また、超弾性コイルはコイルの直径が大きく、線径が小さいものをいい、弾力性がより大きいコイルのことをいう。具体的には、超弾性コイルは、コイルの直径が５〜５０μｍ、コイルのギャップが０．１〜１０μｍ及びコイルの長さが１０μｍ〜１０ｍｍであるものが好ましい。なお、コイル状炭素繊維の巻き方向は、コイルの軸線を中心として時計方向（右巻き）又は反時計方向（左巻き）のいずれであってもよい。 A superelastic coil is a coil having a large coil diameter and a small wire diameter, and having a higher elasticity. Specifically, the superelastic coil preferably has a coil diameter of 5 to 50 μm, a coil gap of 0.1 to 10 μm, and a coil length of 10 μm to 10 mm. The winding direction of the coiled carbon fiber may be either clockwise (right-handed) or counterclockwise (left-handed) around the coil axis.
コイル状炭素繊維は、ゲル中に０．１〜４０重量％含まれることが好ましい。より好ましい含量は、１〜１０重量％である。含有量が０．１重量％未満の場合には、ゲルに対するコイル状炭素繊維の割合が少ないために、コイル状炭素繊維に基づく圧力センサ１２の感度が低下する。一方、含有量が４０重量％を越える場合には、ゲルに対するコイル状炭素繊維の割合が多くなり過ぎて固くなり、又成形性が悪くなる傾向を示す。 The coiled carbon fiber is preferably contained in the gel in an amount of 0.1 to 40% by weight. A more preferable content is 1 to 10% by weight. When the content is less than 0.1% by weight, since the ratio of the coiled carbon fiber to the gel is small, the sensitivity of the pressure sensor 12 based on the coiled carbon fiber is lowered. On the other hand, when the content exceeds 40% by weight, the ratio of the coiled carbon fiber to the gel becomes excessively hard and the moldability tends to deteriorate.
コイル状炭素繊維は、どのような製法で製造されたものであってもよいが、例えば触媒活性化ＣＶＤ（化学気相成長）法等により得られる。この気相成長法は、Ｎｉ粉末触媒を塗布したグラファイト基板上に、チオフェン又は硫化水素を不純物として含有するアセチレン、水素ガス、アルゴンを流入させ、６００〜９５０℃に加熱して、気相中でアセチレンを分解してコイル状炭素繊維を得る方法である。この方法により得られるコイル状炭素繊維は非晶質であり、その大半が繊維の中心部分まで微細な炭素粒が詰まった状態で形成されている。また、一部には中空状に形成されたものも観察される。 The coiled carbon fiber may be manufactured by any manufacturing method, and is obtained by, for example, a catalyst activated CVD (chemical vapor deposition) method. In this vapor phase growth method, acetylene, hydrogen gas, and argon containing thiophene or hydrogen sulfide as impurities are flowed onto a graphite substrate coated with a Ni powder catalyst, heated to 600 to 950 ° C. In this method, acetylene is decomposed to obtain a coiled carbon fiber. Coiled carbon fibers obtained by this method are amorphous, and most of them are formed in a state where fine carbon particles are packed up to the center of the fibers. Some of them are also observed to be hollow.
さらに、加熱処理を施すことにより、非晶質のコイル状炭素繊維をグラファイト化（六方晶系）することができる。加熱条件としては、ヘリウム又はアルゴンなどの不活性雰囲気下で、処理温度を９５０〜３０００℃、好ましくは１５００〜３０００℃、最も好ましくは２０００〜３０００℃である。また処理時間は、０．１〜１００時間、好ましくは１〜２０時間、最も好ましくは３〜１０時間である。このような処理を経ることにより、グラファイト層において炭素繊維を構成する炭素粒が規則正しく配列されることにより磁場の変動などを検知する際に生じる電気抵抗の変動が著しくなるために、共振特性が顕著となる。すなわちＬＣＲ共振回路におけるＲ成分などの変動が顕著となるので、センサの検出感度を向上させることができる。 Furthermore, the amorphous coiled carbon fiber can be graphitized (hexagonal) by performing heat treatment. As heating conditions, the treatment temperature is 950 to 3000 ° C, preferably 1500 to 3000 ° C, and most preferably 2000 to 3000 ° C under an inert atmosphere such as helium or argon. The treatment time is 0.1 to 100 hours, preferably 1 to 20 hours, and most preferably 3 to 10 hours. Through such treatment, the variation in electrical resistance that occurs when detecting the variation in the magnetic field due to the regular arrangement of the carbon grains constituting the carbon fiber in the graphite layer becomes remarkable, and the resonance characteristics are remarkable. It becomes. That is, fluctuations in the R component and the like in the LCR resonance circuit become significant, so that the detection sensitivity of the sensor can be improved.
なお、前記方法以外にもコイル状炭素繊維の製造方法としては、遷移金属触媒を設けた基板上に５ｂ族化合物または６ｂ族化合物よりなる不純物ガスと炭素原料ガスを６００〜９００℃の温度下において反応領域に静磁場を与えながら熱分解させて製造する方法（特開平１１−１２４７４０号公報）や、鎖状飽和炭化水素などを原料として４００〜９００℃の温度範囲で、０．３〜６０．０ＭＰａの絶対圧力範囲で、触媒として遷移金属と酸化物半導体を共存させて製造する方法（特開２００４−３５２５９２号公報）、インジウム・スズ・鉄系触媒を用いることを特徴とする方法（特開２００４−２６１６３０号公報）などがあり、これらの製造方法により得られるコイル状炭素繊維を用いることも勿論可能である。 In addition to the above method, as a method for producing coiled carbon fiber, an impurity gas composed of a 5b group compound or a 6b group compound and a carbon source gas are placed on a substrate provided with a transition metal catalyst at a temperature of 600 to 900 ° C. A method of producing by thermal decomposition while applying a static magnetic field to the reaction region (Japanese Patent Laid-Open No. 11-124740), a chain saturated hydrocarbon or the like as a raw material in a temperature range of 400 to 900 ° C., and 0.3 to 60. A method in which a transition metal and an oxide semiconductor are coexistent as a catalyst in an absolute pressure range of 0 MPa (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-352592), and a method using an indium-tin-iron-based catalyst (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-352592) Of course, it is possible to use coiled carbon fibers obtained by these production methods.
こうして得られたコイル状炭素繊維を、マトリクス部２の加圧と除圧が行われる方向に配向させた状態で配置することにより、コイル状炭素繊維が伸縮によって圧力の検出をより効果的に行うことができる。コイル状炭素繊維を配向させる方法としては例えば、コイル状炭素繊維の表面に強磁性体膜をコーティングする工程、前記コイル状炭素繊維をゲルに添加し、混合する工程、前記混合物を鋳型内に充填して、該型に対して配向させたい方向に強力磁石（永久磁石では磁場強度が１テスラ（１万ガウス）程度であるのに対し、高温超電導バルク磁石は１０テスラ以上の磁場発生が可能）をセットしたのち、混合物を固化させる工程、固化させたゲルに一対の電極４を接続する工程、からなる製造方法がある。強磁性体のコーティングによってコイル状炭素繊維が、磁場内で整列され、その状態でゲルを注入し固化させて固定し、コイル状炭素繊維が配向されたセンサを得ることができるのである。
The coiled carbon fibers thus obtained are arranged in a state in which they are oriented in the direction in which the matrix portion 2 is pressurized and depressurized, so that the coiled carbon fibers can detect pressure more effectively by expansion and contraction. be able to. Examples of the method for orienting the coiled carbon fiber include a step of coating a ferromagnetic film on the surface of the coiled carbon fiber, a step of adding and mixing the coiled carbon fiber to a gel, and filling the mixture into the mold. A strong magnet in the direction to be oriented with respect to the mold (the magnetic field strength of a permanent magnet is about 1 Tesla (10,000 gauss), whereas a high-temperature superconducting bulk magnet can generate a magnetic field of 10 Tesla or more) There is a manufacturing method comprising a step of solidifying the mixture and a step of connecting a pair of
ゲルの中には、コイル状炭素繊維以外に気相成長繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノファイバー、炭素粉末、金属粉末、誘電体粉末、圧電体粉末等を配合することもできる。また、コイル状炭素繊維の表面には、導電性を高めるために、金、銅等の金属薄膜を形成することにより、圧力センサ１の感度及び安定性を向上させることができる。
In addition to the coiled carbon fiber, vapor grown fiber (VGCF), carbon nanofiber, carbon powder, metal powder, dielectric powder, piezoelectric powder, and the like can be blended in the gel. In addition, the sensitivity and stability of the
前記ゲルにコイル状炭素繊維を分散させる方法としては、硬化する前のゲルにコイル状炭素繊維を添加し、真空遠心混合して均一に分散させた後、脱泡し、鋳型に充填する方法がある。 As a method for dispersing the coiled carbon fiber in the gel, there is a method in which the coiled carbon fiber is added to the gel before curing, vacuum-mixed and dispersed uniformly, and then defoamed and filled into a mold. is there.
本発明の圧力センサ素子１のマトリクス部２に、シリコーンゲル、ポリアクリル酸系ゲル、炭化水素系熱可塑性樹脂を含むゲル、コラーゲンゲルの他に、メチルメタクリレートゲル、ポリビニルアルコール/ポリアクリル系ゲル、スチレンージビニルベンゼン共重合体ゲルなどの合成高分子系ゲル、寒天やゼラチンなどの天然系ゲル、でんぷん/ポリアクリル酸グラフト系ポリマーゲルなどの複合ゲルを用いることができる。
In addition to silicone gel, polyacrylic acid-based gel, hydrocarbon-based thermoplastic resin, collagen gel, matrix portion 2 of
コイル状炭素繊維を分散させたゲルをそのままの状態でマトリクス部２に用いた場合には大気と反応して変質する。変質を防止するためには、マトリクス部２の表面に架橋度を上げた層を形成するか、若しくはマトリクス部２の表面に超薄膜で被覆を行うことが好ましい。被覆の材料としては、天然ゴム、チオックス、ラテックス（登録商標）等のゴム、シリコーン、ポリ塩化ビニリデン、ポリプロピレン等の気体と液体の透過性の低いものが好適に用いられる。 When the gel in which the coiled carbon fiber is dispersed is used as it is for the matrix portion 2, it is altered by reacting with the atmosphere. In order to prevent alteration, it is preferable to form a layer having a higher degree of crosslinking on the surface of the matrix portion 2 or to coat the surface of the matrix portion 2 with an ultrathin film. As the coating material, a material having low gas and liquid permeability such as natural rubber, Thiox, latex (registered trademark), silicone, polyvinylidene chloride, polypropylene, or the like is preferably used.
マトリクス部２を微小鋳型に充填して硬化する場合には、あらかじめ微小鋳型上に上記被覆材料の超薄膜をライニングし、コイル状炭素繊維を分散させた硬化前のゲルを注入後、その上からさらに超薄膜をライニングして固化させることで、必要な被覆を行うことができる。大きな鋳型を用いてマトリクス部２を作成する場合には、マトリクス部２を硬化した後、超薄膜のライニングを施すことも可能である。又、マトリクス部２の硬化を行う前に、鋳型に電極４を配置した状態にしておくことによりセンサ素子との電気的接続が形成されて成形できる。
When the matrix part 2 is filled in a micro mold and cured, an ultra-thin film of the above coating material is lined on the micro mold in advance, a gel before curing in which coiled carbon fibers are dispersed is injected, and then from above Furthermore, the necessary coating can be performed by lining and solidifying the ultrathin film. When the matrix portion 2 is formed using a large mold, it is possible to line the ultrathin film after the matrix portion 2 is cured. In addition, before the matrix portion 2 is cured, the
以下、実施例及び比較例により、本発明の実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
長さが平均５００μｍ、コイル径が平均５μｍのコイル状炭素繊維をシリコーンゲル（商品名：ＫＥ１０５２，信越化学工業製）中に１０．０重量％添加したセンサ素子マトリクス部２を形成して、圧力センサ素子１を作成した。
（実施例２）
長さが平均５００μｍ、コイル径が平均５μｍのコイル状炭素繊維を、ポリアクリル酸系ゲル（ポリアクリル酸ナトリウム）中に１０．０重量％添加したセンサ素子マトリクス部２を形成して、圧力センサ素子１を作成した。
（実施例３）
長さが平均５００μｍ、コイル径が平均５μｍのコイル状炭素繊維を、コラーゲンゲル中に１０．０重量％添加したセンサ素子マトリクス部２を形成して、圧力センサ素子１を作成した。
（実施例４）
長さが平均５００μｍ、コイル径が平均５μｍのコイル状炭素繊維を、炭化水素系熱可塑性樹脂を含むゲル（商品名：ゲルＯＫパッキン，大場機工（株）製）中に１０．０重量％添加したセンサ素子マトリクス部２を形成して、圧力センサ素子１を作成した。
（比較例１）
長さが平均５００μｍ、コイル径が平均５μｍのコイル状炭素繊維をシリコーン樹脂（商品名：ＫＥ１０３，信越化学工業製）中に１０．０重量％添加したセンサ素子マトリクス部２を形成して、圧力センサ素子１を作成した。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.
Example 1
A sensor element matrix portion 2 is formed by adding 10.0% by weight of a coiled carbon fiber having an average length of 500 μm and an average coil diameter of 5 μm to a silicone gel (trade name: KE1052, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). A
(Example 2)
A pressure sensor is formed by forming a sensor element matrix portion 2 in which 10.0% by weight of a coiled carbon fiber having an average length of 500 μm and an average coil diameter of 5 μm is added to polyacrylic acid gel (sodium polyacrylate).
(Example 3)
A sensor element matrix portion 2 in which 10.0% by weight of a coiled carbon fiber having an average length of 500 μm and an average coil diameter of 5 μm was added to collagen gel was formed to produce a
Example 4
Adds 10.0% by weight of coiled carbon fiber with an average length of 500 μm and an average coil diameter of 5 μm into a gel containing hydrocarbon-based thermoplastic resin (trade name: Gel OK Packing, manufactured by Oba Kiko Co., Ltd.) The sensor element matrix portion 2 thus formed was formed to produce a
(Comparative Example 1)
A sensor element matrix part 2 is formed by adding 10.0% by weight of a coiled carbon fiber having an average length of 500 μm and an average coil diameter of 5 μm to a silicone resin (trade name: KE103, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). A
実施例１〜４及び比較例１にて成形した圧力センサ素子は、直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの半球形状に成形されている。これらの圧力センサ素子を静置した状態で、センサ素子マトリクス部２の上側から微小な荷重をかけて徐々にその荷重を増やすことで、各々の圧力センサ素子の最小荷重検出感度を測定した。その結果を図３に示す。図３からも明らかなように、本発明実施例１〜４の圧力センサ素子は、シリコーン樹脂にてマトリクス部２を形成された従来の圧力センサ素子に比較して、最も感度の低い実施例４の炭化水素系熱可塑性樹脂を含むゲルを適用した圧力センサ素子であっても、従来の４０％の荷重である０．４ｍｇｆの荷重を検出することが可能である。又、最も感度の高い実施例３のポリアクリル酸ナトリウムを適用した圧力センサ素子は、従来の５％の荷重である０．０５ｍｇｆの荷重を検出することが可能であり、従来の２０倍の感度を備えている。このように、本発明の圧力センサ素子１は、微小な圧力に対してセンサ素子マトリクス部２がより大きく変形可能でありそこに含まれるコイル状炭素繊維にもより大きな構造変化がもたらされるために、コイル状炭素繊維の電気特性（ＬＣＲ成分）がより変化し易くなっており、結果圧力の検出感度が向上している。
The pressure sensor elements formed in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 are formed in a hemispherical shape having a diameter of 10 mm and a height of 5 mm. With these pressure sensor elements still standing, the minimum load detection sensitivity of each pressure sensor element was measured by gradually increasing the load by applying a minute load from the upper side of the sensor element matrix portion 2. The result is shown in FIG. As is apparent from FIG. 3, the pressure sensor elements of Examples 1 to 4 of the present invention are the least sensitive Example 4 compared to the conventional pressure sensor element in which the matrix portion 2 is formed of silicone resin. Even a pressure sensor element to which a gel containing a hydrocarbon-based thermoplastic resin is applied can detect a load of 0.4 mgf, which is a conventional load of 40%. Moreover, the pressure sensor element using the sodium polyacrylate of Example 3 having the highest sensitivity can detect a load of 0.05 mgf, which is a conventional 5% load, and is 20 times as sensitive as the conventional one. It has. Thus, in the
本実施例１〜４の圧力センサ素子１は、センサ素子マトリクス部２を構成するゲルが柔らかいために、従来よりもコイル状炭素繊維の添加量を増やすことが可能であり、これによって一層圧力の検出感度を高めることができる。
In the
本発明の圧力センサ素子は、センサ素子マトリクス部を高分子系ゲルで構成することにより、従来の圧力センサ素子よりも感度が著しく向上している。そこで、このように高感度な圧力センサ素子は、カテーテル用センサ素子をはじめとして、各種触覚情報検知用センサ素子、血圧測定用センサ素子、血流音検出センサ素子、波動検出用センサ素子、として利用可能である。 In the pressure sensor element of the present invention, the sensor element matrix portion is made of a polymer gel, so that the sensitivity is remarkably improved as compared with the conventional pressure sensor element. Therefore, such a highly sensitive pressure sensor element is used as a sensor element for detecting various tactile information, a sensor element for measuring blood pressure, a sensor element for detecting blood flow, and a sensor element for detecting a wave, including a sensor element for a catheter. Is possible.
１ 圧力センサ素子
２ センサ素子マトリクス部
３ 基板
４ 電極
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記センサ素子マトリクス部を支持する基板と、
前記センサ素子マトリクス部に接続される一対の電極とを備えている圧力センサ素子であって、
センサ素子マトリクス部の高分子系ゲルが、シリコーンゲル、ポリアクリル酸系ゲル、炭化水素系熱可塑性樹脂を含むゲル、コラーゲンゲルの中のいずれか１種又は２種以上を含むゲルであることを特徴とする圧力センサ素子。 A sensor element matrix part in which coiled carbon fibers are dispersed in a polymer gel;
A substrate for supporting the sensor element matrix portion;
A pressure sensor element comprising a pair of electrodes connected to the sensor element matrix portion,
The polymer gel of the sensor element matrix portion is a gel containing one or more of silicone gel, polyacrylic acid gel, gel containing hydrocarbon thermoplastic resin, and collagen gel. A characteristic pressure sensor element.
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