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公開番号2025139523
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-26
出願番号2024057861
出願日2024-03-12
発明の名称カーボンナノチューブヤーンからなる圧力及び触感センサー
出願人Siddarmark合同会社
代理人
主分類G01L 1/20 20060101AFI20250918BHJP(測定;試験)
要約【課題】高純度、均質、かつ柔軟性と機械的強度を備えているCNTヤーンを伸縮性繊維からなるリボンテープに蛇腹状に織り込むことにより、リボンテープに加えられる歪み、圧力変化、触感を電気信号に変換するセンサーを提供する。
【解決手段】リボンテープに1本の連続したCNTヤーンを織り込んだ、または編み込んだCNTヤーンリボンテープセンサーであり、連続して織り込まれたCNTヤーンは略一定間隔で平行に配置され、リボンテープ両端でU字形状に折れ曲がり、CNTヤーン同士は互いに接触していない。このリボンテープセンサーの電気抵抗値またはインピーダンス変化を電気信号として計測する。当該リボンテープ面を垂直に押し込んで撓ませることでCNTヤーンの間隔が変化し、当該リボンの電気抵抗またはインピーダンスが変化することでリボンテープに加えられた歪みあるいは伸びを電気信号に変換する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
繊維からなるリボンテープに１本の連続したカーボンナノチューブヤーンを織り込みまたは編み込み、連続するＣＮＴヤーンはほぼ等間隔で平行に配置され、リボンテープ両端でＵ字形状に折れ曲がり、ＣＮＴヤーン同士は互いに接触していない、ＣＮＴヤーンリボンテープからなる歪みまたは圧力または触感を検知するセンサー。
続きを表示（約 820 文字）【請求項２】
請求項１に記載のセンサーにおいて、テープ幅が１０ｍｍ以下、望ましくは８ｍｍ以下、さらに望ましくは５ｍｍ以下である触感センサー。
【請求項３】
請求項１に記載のセンサーにおいて、カーボンナノチューブ以外の繊維が合成繊維であるセンサー。
【請求項４】
請求項１に記載のセンサーにおいて、カーボンナノチューブ以外の繊維がエラストマーと非エラストマーからなるセンサー。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサーにおいて、一次元的伸縮および三次元的変形を電気抵抗またはインピーダンス変化として電気的に出力するセンサー。
【請求項６】
請求項１に記載のセンサーを複数枚で熱可塑性樹脂フィルム、または紙、または不織布を挟み込んだ構造からなることを特徴とし、歪みまたは圧力変化または擦れの三次元的変形を複数の当該センサー間の電気抵抗値またはインピーダンス差を計測して電気信号として検知することを特徴とする圧力センサー。
【請求項７】
請求項６に記載の圧力センサーの厚みが１ミリメートル以下であり、望ましくは０．５ミリメートル以下であり、さらに望ましくは０．３ミリメートル以下である圧力センサー
【請求項８】
請求項１のリボンテープの電気抵抗値またはインピーダンス変化検知する制御回路及びデータ送信部が重量３０グラム以下であり、３Ｖから３．７Ｖ駆動であり、ＣＮＴヤーンからのアナログ電気信号をデジタル信号に変換可能であり、サンプリングレートは５０から４０００Ｈｚであり、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈまたはＷｉＦｉでパーソナルコンピューター等の汎用電子機器と無線送受信可能であること、また制御回路及びデータ送信基板内にデータをロギングする機能を有することを特徴とする歪みまたは触感または圧力センサー用制御回路及びデータ送信部を有する圧力センサー。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から紡績した炭素繊維と同等の機械的強度を備え衣料用繊維と同等の物性を有するカーボンナノチューブヤーン（ＣＮＴヤーン）を繊維リボンテープに織り込むまたは編み込んだ高感度の圧力および触感感知センサーに関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
人間と機械を繋ぐインターフェースとして、各種のセンサーや画像処理により検出された動きを人工知能（ＡＩ）で数値処理を行い、人間の動きをデジタル化して記録再生する技術が多数提案されている。これらのセンサーや画像認識装置は健康状態の把握、遠隔治療診断、動作シミュレーションに加えて、ロボットやヒューマノイドの動作をより人間の動作に近づけるための技術として活用されている。
【０００３】
これらの技術を用いてロボットの腕や手指を遠隔操作することにより物体を確実に掴む動作の制御は進歩している。そのため、ロボット手術装置や工事現場のクレーン操作などの労働現場の無人化工程などが大いに改善されている。しかし、人間の指先が感じる触感、皮膚が感じる圧力や擦れをセンシングする触感（Ｔａｃｔｉｌｅ）センサーは従来の半導体タイプの応用が多く、結果的にシリコンウエハのように硬く柔軟性に乏しい。半導体チップ製造技術とフレキシブル基板技術を応用して微小な半導体を樹脂フィルムの上に多数設けた面状のセンサーもあるが、樹脂フィルムは布帛のような柔軟さに欠けるので人体のような複雑な三次元的形状にフィットさせることが難しく、特定の形状や表面状態を持つ物体を扱うことにとどまっている。
【０００４】
Ｗ．Ｈｕａｎｇらはスポンジ状の柔らかい圧力センサーについて報告した（非特許文献１）。ＣＮＴを樹脂に混練してスポンジ状の塊を作成し、この塊に加えられる圧力をオン・オフの電気信号として測定に成功した。しかし、スポンジ状構造の材料であるため水分を含むと塊全体の誘電率が変化するため電気的応答が変化するので実用化が難しい。Ｈ．ＬｅｅらはＣＮＴをシリコーンゴムのエラストマーに混練してゴム状のシートを作成し、面内歪みを縦横多点で電気的変動を測定し、二次元の動的情報を数値処理して面に加えられる圧力を電気信号に変換する方法を報告している（非特許文献２）。このエラストマーシートはシート変形量がある一定以上にならないと検知できないこと、および二次元多点の動的処理なので高性能のコンピューターを必要とする。そのため大容量の電源が必要になり小型軽量化に難がある。またシート表面の触感や擦れの検知はできない。畠らはＣＮＴシートを伸縮性の基板に貼り付けて伸縮センサーを開発することを試みた（非特許文献３）。一方向伸び縮み測定の歪みセンシング用として足の動きを電気信号として捉えることには成功したが、圧力変化や触感感知には至っていなかった。
【０００５】
他方、産業用技術分野ではロボット制御用センサー技術として圧力・触感センシングに関係する出願がある。特許文献１では金属繊維をエラストマーシートの厚み方向に充填することでシート表面に加わる圧力と分布を電気的に検知することを訴求している。この方法では多数の金属繊維の電気抵抗値変化を測定するため、非常に多くの配線が必要になり実用化は容易ではない。特許文献２ではフッ化ビニリデンフィルム、特許文献３ではフッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレン共重合体フィルムを用いた圧電フィルムを提案している。これは圧電材料からなるフィルムに圧力あるいは歪みを生じさせることで生じる電気を検知する。薄型かつ高温で使用可能なフィルムを用いたコンデンサや圧電パネルなどの電子デバイスに適用することを目的としている。面全体の歪みにより発電をする構造なので、シートの局所的な圧力検知や触感検知するセンサーではない。特許文献４は、面に加えられた圧力を膜で空圧に変換し、測定箇所とは離れた場所に設置した圧力センサーデバイスで圧力変化を検知する。空圧を使うことで半導体圧力センサーに生じる圧力残留応力の残存を打ち消す装置を提案している。特許文献５は、金属線を撚り合わせた芯線の周りにピエゾテープを巻き付け、その周りを絶縁フィルム、メッシュ状の金属シールド線で覆い、さらにそれを絶縁材料でカバーしたワイヤを平織りあるいは編み物にして面の触感センサーとして使用する材料を提案している。しかし、縦横多数のセンサーワイヤを用いるので本数の二乗の多次元入力解析になり計算が複雑化するので高性能のコンピュータとその駆動電力を必要とする。
【０００６】
風船状やビーズチェアのような変形可能なもので対象物を包み込むようにして掴むロボットハンド構造も提案されているものの、ヒトの指先や皮膚のように圧力や触感を電気信号に変換することや、ロボットのフィンガー先端で立体形状物や柔らかい物体を掴む際に加える力の制御をフィンガー表面に取り付けたセンサーで直接検知するためには擬似的な皮膚のような柔らかい薄い布帛状のセンサーが望まれる。他方、二次元面をセンシングするために特許文献５や非特許文献３のように縦横メッシュ状に多数の測定点を設けることは多点入力制御となり制御関数が複雑化して高性能のコンピュータと容量の大きな駆動電源を必要とする。必然的にコンピュータ装置全体が大きくなり複雑化する。
【０００７】
従って、圧力・触感センシングに求められるのは、布帛状で１つまたは数点の出力で信号を取得し、耐久性が高く日常生活で生じる水濡れ等でも使用可能、かつ摩擦等にも応答するセンサーである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特開Ｓ５９－３２３４公報
ＷＯ２０１７／０１４１２３
特許第６７６０４０４公報
特表２０２０／５１０２０１公報
ＷＯ２０１９／１１７０３７
特許第７０８３９９６広報
Ｈｕａｎｇ，Ｗ．，ｅｔａｌ．（２０１７）：ＦｌｅｘｉｂｌｅａｎｄＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅ／ＴｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃＰｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅＡｌｉｇｎｅｄＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＦｏａｍｗｉｔｈＳｕｐｅｒｉｏｒＣｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄＳｔａｂｉｌｉｔｙ．ＡＣＳＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，２０１７，９，４８，４２２６６－４２２７７．
Ｌｅｅ，Ｈ．ｅｔａｌ．（２０１７）：ＳｏｆｔＮａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅＢａｓｅｄＭｕｌｔｉｐｏｉｎｔ，Ｍｕｌｔｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＳｔｒａｉｎＭａｐｐｉｎｇＳｅｎｓｏｒＵｓｉｎｇＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｍｐｅｄａｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ．ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｐｏｒｔｓ，７：３９８３７．
畠賢治、戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴ「プロセスインテグレーションによる機能発現ナノシステムの創生：自己組織プロセスによる創生された機能性・複合ＣＮＴ素子による柔らかいナノＭＥＭＳデバイス」研究終了報告書、平成２０年１０月～平成２６年３月。
Ｃｈｕｉ，Ｒ．Ｗ．，Ｆｏｓｄｉｃｋ，Ａ．，Ｃｏｎｎｅｒ，Ｒ．，Ｊｉａｎｇ，Ｊ．，Ｂｒｕｅｎｎｅｒ，Ｂ．Ａ．ａｎｄＶａｒｇａｓ，Ｈ．Ｍ．（２００９）：Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｔｗｏｅｘｔｅｒｎａｌｔｅｌｅｍｅｔｒｙｓｙｓｔｅｍｓ（ＰｈｙｓｉｏＪａｃｋｅｔａｎｄＪＥＴ）ｉｎｂｅａｇｌｅｄｏｇｓｗｉｔｈｔｅｌｅｍｅｔｒｙｉｍｐｌａｎｔｓ．ＪＰｈａｒｍａｃｏｌＴｏｘｉｃｏｌＭｅｔｈｏｄｓ６０，５８－６８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、高純度、均質、かつ柔軟性と機械的強度を備えているＣＮＴヤーンを伸縮性繊維からなるリボンテープに蛇腹状に織り込むことにより、リボンテープに加えられる歪み、圧力変化、触感を電気信号に変換するセンサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ＣＮＴは無機人工ナノ材料であり、その新しい物理化学的特性は新しい技術プラットフォーム材料として有望である。最近、長さ数十～数百マイクロメートルの繊維状物質である金属不純物を含まない、長さと直径が揃ったＣＮＴを長さ約１ｋｍ以上の均質ヤーンにすることが可能になったことが報告されている（特許文献６）。この均質ＣＮＴヤーンは１０
５
Ｓ／ｍ以上の導電性と、高い柔軟性と機械的強度を備えているため絹糸や合成繊維と同様に扱うことができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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