JP4051043B2 - Pressure sensor - Google Patents
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Description
本発明は、圧力センサに関するものである。より詳しくは、構成が簡単であるとともに感度を容易に調整することができる圧力センサに関するものである。 The present invention relates to a pressure sensor. More specifically, the present invention relates to a pressure sensor that has a simple configuration and can easily adjust sensitivity.
従来、触覚センサとして用いられるセンサは、シリコーンゴム等の固体状部材と、固体状部材中に埋没されたセンサ素子と、固体状部材に取付けられた電力送信コイル及び信号受信コイルとを備えている。センサ素子は、コンデンサを備えるセンサ回路チップに信号送信コイル及び電力受給コイルが取付けられることにより、コルピッツ型のLC発振回路として構成されている。センサ素子は電力送信コイルから電力受給コイルを介して電力が供給されるとともにLC発信回路により信号送信コイルを介して一定の周波数で発振し、発信された信号は信号受信コイルによって受信されるようになっている(例えば、特許文献1参照。)。そして、固体状部材の表面に物体が接触したときには、固体状部材を介してセンサ素子が押圧される。このため、センサ素子が発振する信号の周波数が変化し、この周波数の変化に基づいて物体の接触を検出するようになっている。
ところが、この従来のセンサを構成するセンサ素子は、センサ回路チップに信号送信コイル及び電力受給コイルが取付けられて構成されているために、その構成が複雑であるという問題があった。さらに、センサの感度を調整するためにはLC発信回路を構成するコンデンサの種類等を変更する必要があり、センサの感度の調整が煩雑であるという問題があった。 However, the sensor element constituting this conventional sensor has a problem that its configuration is complicated because the signal transmission coil and the power receiving coil are attached to the sensor circuit chip. Further, in order to adjust the sensitivity of the sensor, it is necessary to change the type of capacitor constituting the LC transmission circuit, and there is a problem that adjustment of the sensitivity of the sensor is complicated.
本発明は、上記のような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、構成が簡単であるとともに感度を容易に調整することができる圧力センサを提供することにある。 The present invention has been made paying attention to the problems existing in the prior art as described above. An object of the present invention is to provide a pressure sensor that has a simple configuration and can easily adjust sensitivity.
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明の圧力センサは、媒体と、導電性を有するコイル状炭素繊維によって構成されるとともに前記媒体中に設けられている複数のセンサ素子と、前記媒体に電気的に接続されている一対の電極とを備えた圧力センサにおいて、前記媒体は誘電体により形成されキャパシタンス(C)成分を有し、前記コイル状炭素繊維は、コイル径が1nm〜50μmであるとともにコイル長さが10nm〜10mmであり、前記センサ素子は、コイルの螺旋構造に基づくインダクタンス(L)成分を有するとともにキャパシタンス(C)成分及びレジスタンス(R)成分を有し、LCR共振回路として作用するため、前記媒体に圧力が加わったときに前記コイル状炭素繊維の長さや媒体の変形を前記3成分の総合的な変動に変換することによって、圧力の変化を検出するものである。 In order to achieve the above object, a pressure sensor according to a first aspect of the present invention includes a medium, and a plurality of sensor elements that are configured by a coiled carbon fiber having conductivity and provided in the medium. And a pair of electrodes electrically connected to the medium, wherein the medium is formed of a dielectric material and has a capacitance (C) component, and the coiled carbon fiber has a coil diameter of 1 nm. The sensor element has an inductance (L) component based on the helical structure of the coil, a capacitance (C) component, and a resistance (R) component, and an LCR of ˜50 μm and a coil length of 10 nm to 10 mm. to act as a resonant circuit, the three components of deformation of the coil-like carbon fiber length or medium when the pressure applied to the medium By converting the focus variation, and detects the change in pressure.
請求項2に記載の発明の圧力センサは、請求項1に記載の発明において、前記コイル状炭素繊維は、結晶化されたグラファイト層を有するものである。 A pressure sensor according to a second aspect of the present invention is the pressure sensor according to the first aspect, wherein the coiled carbon fiber has a crystallized graphite layer .
請求項3に記載の発明の圧力センサは、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記センサ素子は、同一方向に配向した状態で前記媒体中に分散されているものである。
請求項4に記載の発明の圧力センサは、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記センサ素子は、固有の周波数が互いに異なるコイル状炭素繊維によりそれぞれ構成されているものである。
請求項5に記載の発明の圧力センサは、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発明において、前記媒体中に圧電体粉末を分散させているものである。
請求項6に記載の発明の圧力センサは、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発明において、前記センサ素子の検出精度を向上すべく、前記コイル状炭素繊維は非晶質の炭素繊維に1500〜3000℃で加熱処理を施すことによって結晶化されたグラファイト層における炭素繊維を形成する炭素粒が規則正しく配列されているものである。
A pressure sensor according to a third aspect of the present invention is the pressure sensor according to the first or second aspect, wherein the sensor elements are dispersed in the medium while being oriented in the same direction .
A pressure sensor according to a fourth aspect of the present invention is the pressure sensor according to any one of the first to third aspects, wherein the sensor elements are each composed of coiled carbon fibers having different inherent frequencies. It is what.
A pressure sensor according to a fifth aspect of the present invention is the pressure sensor according to any one of the first to fourth aspects, wherein the piezoelectric powder is dispersed in the medium.
A pressure sensor according to a sixth aspect of the present invention is the pressure sensor according to any one of the first to fifth aspects, wherein the coiled carbon fiber is amorphous in order to improve the detection accuracy of the sensor element. The carbon grains forming the carbon fibers in the graphite layer crystallized by subjecting the carbon fibers to heat treatment at 1500 to 3000 ° C. are regularly arranged.
本発明によれば、次のような効果を奏する。
請求項1に記載の発明の圧力センサによれば、構成が簡単であるとともに感度を容易に調整することができる。また、圧力センサの小型化を図ることができる。
The present invention has the following effects.
According to the pressure sensor of the first aspect of the invention, the configuration is simple and the sensitivity can be easily adjusted. In addition, the pressure sensor can be reduced in size.
請求項2〜4に記載の発明の圧力センサによれば、感度をより向上させることができる。 According to the pressure sensor of the invention according to claim 2-4, it is possible to improve the sensitivity.
請求項5に記載の発明の圧力センサによれば、媒体中に圧電体粉末を分散させることにより、LCR共振回路として作用するセンサ素子の出力を安定させることができる。According to the pressure sensor of the fifth aspect of the invention, the output of the sensor element acting as the LCR resonance circuit can be stabilized by dispersing the piezoelectric powder in the medium.
請求項6に記載の発明の圧力センサによれば、コイル状炭素繊維は、グラファイト層において炭素繊維を形成する炭素粒が規則正しく配列されることにより変動磁場等に曝されたときに生じる電気抵抗の変動が顕著となるために、共振特性が顕著となる。さらに、センサ素子がLCR共振回路として作用するときにはLCR共振回路におけるR成分等の変動が顕著となる。このため、センサ素子の検出精度が向上されることによって圧力センサの感度を向上させることができる。According to the pressure sensor of the invention described in claim 6, the coiled carbon fiber has an electric resistance generated when the carbon particles forming the carbon fiber are regularly arranged in the graphite layer and exposed to a variable magnetic field or the like. Since the fluctuation becomes remarkable, the resonance characteristic becomes remarkable. Furthermore, when the sensor element acts as an LCR resonance circuit, fluctuations in the R component and the like in the LCR resonance circuit become significant. For this reason, the sensitivity of the pressure sensor can be improved by improving the detection accuracy of the sensor element.
(第1実施形態)
以下、本発明を具体化した第1実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1に示すように、第1実施形態のセンサ11は、媒体12と、媒体12中に分散されている複数のセンサ素子13と、媒体12に電気的に接続されている一対の電極14とから構成されている。このセンサ11は、例えば媒体12としてのアクリル樹脂の加熱溶融液中にセンサ素子13を加熱溶融液とセンサ素子13との合計量に対して3〜5質量%分散させた後に加熱溶融液を冷却して固化させ、固化したアクリル樹脂に一対の電極14を取付けることにより形成されている。一対の電極14には導線15を介して図示しない電源及び電圧計等の測定器が取付けられ、電源から電流が電極14を介して媒体12に通電されるとともに、測定器により媒体12での電圧の変動等が検知されるようになっている。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the
媒体12は、分散されている各センサ素子13同士を機械力学的に接続するとともに、各センサ素子13同士並びに電極14及びセンサ素子13を電気的に接続する。媒体12はセンサ素子13を構成するコイル13aよりも導電性が低いものであれば特に限定されず、固体、液体、気体のいずれでもよいし真空でもよい。固体の具体例としてはアクリル樹脂等の合成樹脂材料、フェライト等の非導電性磁性材料、シリカ(二酸化ケイ素)等のセラミックス材料、天然ゴム等が挙げられ、液体としては油等が挙げられるとともに気体としては空気等が挙げられる。これらは単独で媒体12を形成してもよいし、二種以上が組み合わされて媒体12を形成してもよい。
The
ここで、媒体12中に分散されている各センサ素子13の相互間に存在する媒体12は質量を有し、バネ質点系における質点として作用する。このため、各センサ素子13同士を機械力学的に接続するとは、図4(a)、図5(a)及び図6(a)に示すように、媒体12中に分散され微小バネ16として作用する各センサ素子13同士を、それらの相互間に存在するとともに質点17として作用する媒体12を介して接続することである。一方、各センサ素子13同士並びに電極14及びセンサ素子13を電気的に接続するとは、電極14を介して媒体12に通電された電流が、各センサ素子13の相互間に存在する媒体12を介して各センサ素子13を流れるように、各センサ素子13同士並びに電極14及びセンサ素子13を接続することである。
Here, the
媒体12は、センサ素子13がLCR共振回路として作用するときには、誘電体により形成されキャパシタンス(C)成分を有するものであることが好ましい。誘電体により形成されC成分を有する媒体12の具体例としては、フェライトが混合されている合成樹脂材料等が挙げられる。この場合には、各センサ素子13の相互間に存在する媒体12が、センサ素子13を構成しC成分としての機能を有するコイル13aとともにコンデンサとして作用することにより、LCR共振回路におけるコンデンサの静電容量を増大させることができる。このため、LCR共振回路の静電容量の調整の幅を大きくすることができる。ここで、C成分とは静電容量のことであり、電界に対する誘電特性を示す。
The
さらに、センサ11が圧力センサ、触覚センサ、変位センサ等として用いられるときには、媒体12は固体であることがセンサ11の強度を向上させることができるためにより好ましい。一方、センサ11が加速度センサ、臭いセンサ、味覚センサ、ガスセンサ等として用いられるときには、微小バネとして作用するセンサ素子13の変動を容易にするために、媒体12は液体又は気体であることがより好ましい。また、センサ11が光センサ、電磁波センサ、磁気センサ等として用いられるときには、媒体12は一般的に固体、液体又は気体が用いられる。
Furthermore, when the
センサ素子13は導電性を有する材料により形成されているコイル13aによって構成され、導電性を有する材料の具体例としては銅等の金属材料、ポリアセチレン等の高分子材料、炭素材料等が挙げられる。センサ素子13は、上記材料により形成されているコイル13aの中でも炭素材料により形成されているコイル13a、即ちコイル状炭素繊維によって構成されたものであることが好ましい。この場合には、導電性が高く、検出精度が向上されることによってセンサ11の感度を向上させることができる。
The
コイル状炭素繊維は、1本の炭素繊維で螺旋構造を形成する一重螺旋構造、又は2本以上の炭素繊維がそれぞれ同じ巻き方向で螺旋構造を形成する多重螺旋構造のいずれかの螺旋構造を有している。加えて、炭素繊維の巻き方向にはコイルの軸線を中心として時計方向(右巻き)と反時計方向(左巻き)とがあり、一重螺旋構造及び多重螺旋構造のコイル状炭素繊維は、右巻き又は左巻きのいずれかの形態をそれぞれ有している。 The coiled carbon fiber has either a single helical structure in which a single carbon fiber forms a helical structure, or a multiple helical structure in which two or more carbon fibers each form a helical structure in the same winding direction. is doing. In addition, the winding direction of the carbon fiber includes a clockwise direction (right-handed) and a counterclockwise direction (left-handed) around the axis of the coil. Each has a left-handed form.
このコイル状炭素繊維は導電性、熱伝導性、吸着性、表面活性及び生物活性を有し、それ自身が伸縮することにより微小バネとして作用する。さらに、コイル状炭素繊維は、変動磁場等に曝されたときにはファラデーの法則に従って誘導起電力が発生する共振特性を有している。 This coiled carbon fiber has electrical conductivity, thermal conductivity, adsorptivity, surface activity, and biological activity, and acts as a microspring by expanding and contracting itself. Furthermore, the coiled carbon fiber has a resonance characteristic in which an induced electromotive force is generated according to Faraday's law when exposed to a varying magnetic field or the like.
コイル状炭素繊維は、非晶質の炭素繊維により構成されたものでもよいが、非晶質の炭素繊維に加熱処理を施すことによって結晶化されたグラファイト層を有するものが好ましい。この場合には、コイル状炭素繊維は、グラファイト層において炭素繊維を形成する炭素粒が規則正しく配列されることにより変動磁場等に曝されたときに生じる電気抵抗の変動が顕著となるために、共振特性が顕著となる。さらに、センサ素子13がLCR共振回路として作用するときにはLCR共振回路におけるR成分等の変動が顕著となる。このため、センサ素子13の検出精度が向上されることによってセンサ11の感度を向上させることができる。ここで、加熱処理温度は好ましくは1500〜3000℃である。加熱処理温度が1500℃未満では炭素繊維の結晶化が不十分となり、3000℃を超えてもそれ以上結晶化させることができない。
The coiled carbon fiber may be composed of amorphous carbon fiber, but preferably has a graphite layer crystallized by subjecting the amorphous carbon fiber to heat treatment. In this case, the coiled carbon fiber resonates because the variation in electric resistance that occurs when the carbon particles forming the carbon fiber in the graphite layer are regularly arranged is exposed to a varying magnetic field. The characteristic becomes remarkable. Further, when the
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、触媒活性化CVD(化学気相成長)法等の気相成長法により製造されたものが、コイル状炭素繊維のコイル径やコイル長さを所定の範囲に容易にすることができるために好ましい。この気相成長法は、炭素材料としてのアセチレン等の炭化水素又は一酸化炭素を金属触媒の存在下600〜3000℃に加熱し、気相中で炭化水素又は一酸化炭素を分解反応させる方法である。この気相成長法により得られるコイル状炭素繊維は、その大半が炭素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おり、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, but a coiled carbon fiber manufactured by a vapor phase growth method such as a catalyst activated CVD (chemical vapor deposition) method is used. This is preferable because the coil diameter and coil length can be easily set within a predetermined range. In this vapor phase growth method, a hydrocarbon such as acetylene or carbon monoxide as a carbon material is heated to 600 to 3000 ° C. in the presence of a metal catalyst, and the hydrocarbon or carbon monoxide is decomposed in the gas phase. is there. Most of the coiled carbon fibers obtained by this vapor deposition method are formed in a state where fine carbon particles are packed up to the center of the carbon fibers, and some of them are also observed to be hollow. Is done.
センサ素子13を構成するコイル13aは、コイル状炭素繊維と同様に、微小バネとして作用するとともに共振特性を有している。ここで、コイル13aは固有の周波数を有し、この周波数と同じ周波数の電磁波をコイル13aが受けたときにはこれらの周波数が同調することにより振幅が増幅され、コイル13aにはその固有の周波数と異なる周波数の電磁波を受けたときに比べて高い誘導起電力が発生する。
The
このため、媒体12中には固有の周波数が互いに異なるコイル13aによりそれぞれ構成されている各センサ素子13を分散させてもよいし、固有の周波数が同じコイル13aによりそれぞれ構成されている各センサ素子13を分散させてもよい。媒体12中に固有の周波数が互いに異なるコイル13aによりそれぞれ構成されている各センサ素子13を分散させたときには、センサ素子13は異なる周波数の電磁波に対して高い誘導起電力を発生させることができる。一方、媒体12中に固有の周波数が同じコイル13aによりそれぞれ構成されている各センサ素子13を分散させたときには、センサ素子13は特定の周波数の電磁波に対してより高い誘導起電力を発生させることができる。
Therefore, the
図2(a)及び(b)に示すように、センサ素子は、コイル13aの螺旋構造に基づくインダクタンス(L)成分18を有するとともにC成分19及びレジスタンス(R)成分20を有し、センサ素子自身がLCR共振回路21として作用するものが好ましい。この場合には、コイル13aの伸縮に起因してセンサ素子のコイル長さ等が変動したときには、コイル長さ等の変動によってセンサ素子のL成分18、C成分19及びR成分20の大きさがそれぞれ変動する。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the sensor element has an inductance (L)
このため、センサ素子13は、その伸縮に起因するコイル長さ等の変動を、LCR共振回路21のL成分18、C成分19及びR成分20の総合的な変動に変換することによって電磁気的変動に変換することができる。ここで、L成分18は自己誘導係数や相互誘導係数のことであり、電磁誘導特性を示す。一方、R成分20は電気抵抗のことであり、導電特性を示す。
For this reason, the
センサ素子13を構成するコイル13aのコイル径は好ましくは1nm〜50μmであり、コイル長さは好ましくは10nm〜10mmである。コイル径が1nm未満では、コイル13aの製造が困難になる。また、コイル長さが10nm未満では、コイル長さが短いために、センサ素子13がLCR共振回路21として作用するときにL成分としての機能を十分に発揮することができない。一方、コイル径が50μmを超える、又はコイル長さが10mmを超えると、センサ素子13が大きくなるためにセンサ11の小型化が困難になる。さらに、コイル13aの繊維径、即ちコイル状をなす繊維の直径は好ましくは1nm〜10μmである。繊維径が1nm未満では、コイル13aの製造が困難になる。また、繊維径が10μmを超えると、コイル径を前記範囲にするのが困難になる。ここで、繊維径の概念は、断面円形状に形成された繊維の直径に限らず、断面楕円形状に形成された繊維の長辺(長径)の長さや、断面四角状に形成された繊維の長辺の長さ等も含む。
The coil diameter of the
図1に示すように、センサ素子13は、例えば液状をなす媒体12にセンサ素子13を配合した後に媒体12を撹拌及び固化させることにより、媒体12中にランダムに分散されてもよい。さらに、図3(a)に示すように、例えば液状をなす媒体12にセンサ素子13を複数分散させた後に磁力線が一方向に延びる磁場を印加することによってセンサ素子13の全部を磁力線と平行をなすようにそれぞれ配向させる。そして、媒体12を固化させることにより、センサ素子13は同一方向に配向した状態で媒体12中に分散されてもよい。
As shown in FIG. 1, the
加えて、図3(b)に示すように、例えばまず図示しない金型中に液状をなす媒体12を金型の容積の3分の1程度まで充填した後にセンサ素子13を媒体12中に分散させ、上記と同様にしてセンサ素子13が同一方向に配向した状態で媒体12を固化させる。次いで、上記と同じ操作を繰返すことにより、各センサ素子13を格子状をなすように媒体12中に分散させてもよい。
In addition, as shown in FIG. 3B, for example, a
センサ素子13がランダムに分散されているときには、図4(a)に示すように、各センサ素子13は、ランダムに分散された状態で、各センサ素子13の相互間に存在する媒体12を質点17として各質点17を介し互いに接続され、複合バネ質点系の機械力学的等価回路22として構成されている。さらに、図4(b)に示すように、センサ素子13を構成するコイル13aがLCR共振回路21として作用し媒体12が誘電体により形成されC成分19を有するときには、各センサ素子13の相互間に存在する媒体12はコンデンサとして作用する。そして、各センサ素子13は、ランダムに分散された状態で、各センサ素子13の相互間に存在する媒体12を介して互いに接続され、複合共振回路である電気的等価回路23として構成されている。ここで、図4(a)及び(b)は図1における等価回路をそれぞれ示す。
When the
一方、センサ素子13の全部が同一方向に配向した状態で分散され、又はセンサ素子13が格子状をなすように分散されているときには、図5(a)〜図6(b)に示すように、各センサ素子13は、上記と同様にして格子状をなす機械力学的等価回路22及び電気的等価回路23として構成されている。このため、図7に示すように、媒体12中に分散されているセンサ素子は、電気的等価回路においてセンサ素子全部をまとめて一つのLCR共振回路21として作用することができる。ここで、図5(a)及び(b)は図3(a)における等価回路をそれぞれ示し、図6(a)及び(b)は図3(b)における等価回路をそれぞれ示す。
On the other hand, when all of the
第1実施形態のセンサ11は、加速度センサ、圧力センサ、歪みセンサ、温度センサ、湿度センサ、電磁波センサ、電波センサ、光センサ、ガスセンサ、電場センサ、磁場センサ、臭いセンサ、触覚センサ、微振動センサ、位置センサ、味覚センサ、極微小地震・地殻変動センサ、赤外線センサ、揺らぎセンサ、破壊検知センサ、角速度センサ、偏波センサ、超音波センサ、流量センサ、高指向性電磁波センサ、熱エネルギーセンサ、微弱電磁気センサ等として用いられる。
The
さて、例えばLCR共振回路21として作用するセンサ素子13が媒体12中にランダムに分散されているセンサ11を電磁波センサとして用いるときには、まず導線15を介して電極14に電源及び電圧計を取付けた後、空気中等にセンサ11を配置する。ここで、媒体12は、フェライトが混合されている合成樹脂材料により形成されている。続いて、電源によって常時一定の交流電流を媒体12に通電する。交流電流の周波数は例えば10kHz〜1MHzであり、波形は特に限定されず正弦波でもよいし矩形波でもよい。
For example, when using the
このとき、各センサ素子13には、電流が通電されることによって磁場が発生する。そして、センサ11の一部が電磁波を受けたときには、媒体12中に分散されているセンサ素子13において電磁波を受けた箇所のセンサ素子13は、電磁波の影響によって磁場の強さが変動する。センサ素子13には一定の電流が流れているために磁場の強さの変動によってセンサ素子13における電圧や電気抵抗が変動し、電圧の変動を電圧計により検知することができる。このため、センサ11により電磁波を検出することができる。
At this time, a magnetic field is generated in each
一方、このセンサ11を例えば圧力センサとして用いるときには、まず導線15を介して電極14に電源及びオシロスコープを取付けた後、上記と同様にして媒体12に通電する。ここで、媒体12中に分散されているセンサ素子13は、図4(a)及び(b)の等価回路に示されるように構成されている。センサ11の一部においてセンサ11に加わっている圧力が変化したとき、又は圧力が加わったときには、複合バネ質点系の機械力学的等価回路22において、圧力が変化した箇所又は圧力が加わった箇所における微小バネ16の長さが、圧力の変化等に起因して変動する。又は、圧力が変化した箇所又は圧力が加わった箇所における質点17が、圧力の変化等に起因して各センサ素子13の相互間に存在する媒体12の体積が減少する等によって変動する。
On the other hand, when this
このとき、センサ素子13はLCR共振回路21としても作用するために、微小バネ16の長さや質点17の変動をL成分18、C成分19及びR成分20の総合的な変動に変換することによって電磁気的変動に変換することができる。このため、LCR共振回路21の電圧等が変動し、電圧等の変動をオシロスコープによって検知することができる。よって、センサ11により圧力の変化を検出することができる。さらに、センサ素子13を構成するコイル13aのコイル長さ等を変更することにより、機械力学的等価回路22における微小バネ16の長さ等を容易に変更することができるとともに、LCR共振回路21におけるL成分18等の大きさを容易に変更することができる。このため、センサ素子13を構成するコイル13aのコイル長さ等を変更するだけで、センサ素子13の感度を容易に調整することができる。
At this time, since the
以上詳述した本実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
・ 第1実施形態のセンサ11を構成するセンサ素子13は、導電性を有する材料により形成されているコイル13aによって構成されている。このため、従来のセンサに比べてセンサ素子13の構成を簡単にすることにより、センサ11の構成を簡単にすることができる。さらに、センサ11は、センサ素子13を構成するコイル13aのコイル長さ等を変更することにより機械力学的等価回路22における微小バネ16の長さ等を容易に変更することができ、センサ素子13の感度を容易に調整することができる。このため、従来のセンサに比べてセンサ11の感度を容易に調整することができる。
According to the embodiment described in detail above, the following effects are exhibited.
-The
・ センサ素子13はL成分18、C成分19及びR成分20を有し、LCR共振回路21として作用するものが好ましい。この場合には、センサ素子13は、機械力学的等価回路22における微小バネ16の長さや質点17の変動をL成分18、C成分19及びR成分20の総合的な変動に変換することができる。このため、L成分18、C成分19又はR成分20の変動をそれぞれ単独で検知する場合に比べてセンサ11の感度を向上させることができる。
The
・ センサ素子13がLCR共振回路21として作用するときには、媒体12は誘電体により形成されC成分19を有するものであることが好ましい。この場合には、各センサ素子13の相互間に存在する媒体12が、センサ素子13を構成するコイル13aとともにコンデンサとして作用することにより、LCR共振回路21の静電容量の調整の幅を大きくすることができる。このため、センサ11の感度をより容易に調整することができる。
When the
・ 導電性を有する材料は炭素材料が好ましい。この場合には、センサ素子13がコイル状炭素繊維によって構成されることにより、検出精度が向上されることによってセンサ11の感度を向上させることができる。
-Carbon material is preferable as the conductive material. In this case, the sensitivity of the
・ センサ素子13を構成するコイル13aのコイル径は好ましくは1nm〜50μmであり、コイル長さは好ましくは10nm〜10mmである。この場合には、センサ素子13が小さいためにセンサ11の小型化を図ることができる。
The coil diameter of the
・ コイル状炭素繊維はグラファイト層を有しているものが好ましい。この場合には、コイル状炭素繊維の共振特性及びLCR共振回路21における各成分の変動を顕著にすることができるために、センサ11の感度をより向上させることができる。
-The coiled carbon fiber preferably has a graphite layer. In this case, the resonance characteristics of the coiled carbon fiber and the fluctuation of each component in the
・ 固有の周波数が互いに異なるコイル13aによりそれぞれ構成されている各センサ素子13を媒体12中に分散させるのが好ましい。この場合には、例えばセンサ11を電磁波センサとして用いるときに異なる周波数の電磁波に対して高い誘導起電力を発生させることができ、センサ11の感度をさらに向上させることができる。
It is preferable to disperse the
(第2実施形態)
以下、本発明の第2実施形態について詳細に説明する。尚、この第2実施形態については、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the second embodiment of the present invention will be described in detail. Note that the second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment.
第2実施形態のセンサ11は、媒体12と、媒体12中に分散されている複数のセンサ素子13と、媒体12に電気的に接続されている前記電極14とから構成されている。媒体12はセンサ素子13を構成する導電性繊維よりも導電性が低いものであれば特に限定されず、固体、液体、気体のいずれでもよいし真空でもよい。固体の媒体12としてはシリコーン樹脂、ウレタン樹脂等の弾力性樹脂等が挙げられる。液体及び気体の具体例は第1実施形態と同じである。これらは単独で媒体12を構成してもよいし、二種以上が組み合わされて媒体12を構成してもよい。
The
センサ素子13は導電性繊維により構成されている。この導電性繊維は導電性材料により形成され、導電性材料の具体例として銅や銀等の金属材料、炭化チタン(TiC)、窒化チタン(TiN)、酸化亜鉛(ZnO)等の合金材料、炭素材料、ポリアセチレン等の高分子材料が挙げられる。導電性繊維の繊維形状としては、線状、コイル状、筒状等が挙げられる。
The
この導電性繊維の製造方法は特に限定されず、前記気相成長法等が挙げられる。導電性繊維の具体例としては、前記コイル状炭素繊維、カーボンナノチューブ、VGCF(気相成長炭素繊維)、PAN系炭素繊維やピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、導電性ウィスカ等が挙げられる。これらは単独でセンサ素子13を構成してもよいし、二種以上が組み合わされてセンサ素子13を構成してもよい。
The manufacturing method of this conductive fiber is not specifically limited, The said vapor phase growth method etc. are mentioned. Specific examples of the conductive fiber include the coiled carbon fiber, carbon nanotube, VGCF (vapor-grown carbon fiber), carbon fiber such as PAN-based carbon fiber and pitch-based carbon fiber, and conductive whisker. These may constitute the
導電性繊維はL成分18、C成分19及びR成分20を有してLCR共振回路として作用するうえに、弾力性を有している。即ち、導電性繊維は、例えば外方から応力が加わることにより容易に屈曲し、この屈曲により内部に歪が発生してR成分20が変化するとともに、屈曲前に比べて媒体12との位置関係が相違することによりリアクタンス成分(L成分18及びC成分19)が変化する。
The conductive fiber has an
導電性繊維は、繊維径が好ましくは1nm〜10μm、繊維直径が好ましくは1nm〜50μm、繊維長さが好ましくは10nm〜10mmである。ここで、繊維径は、導電性繊維の繊維形状が線状のときにはその直径を示し、コイル形状のときにはコイル状をなす繊維の直径を示し、筒状のときには周壁の厚みを示す。さらに、繊維直径は、前記繊維形状が線状のときにはその直径を示し、コイル形状のときにはコイル径を示し、筒状のときには断面における外周の直径を示す。加えて、繊維における直径の概念は、断面円形状に形成された繊維の直径に限らず、断面楕円形状に形成された繊維の長辺(長径)の長さや、断面四角状に形成された繊維の長辺の長さ等も含む。また、繊維長さは、前記繊維形状がコイル状のときにはコイル長さを示す。 The conductive fiber preferably has a fiber diameter of 1 nm to 10 μm, a fiber diameter of preferably 1 nm to 50 μm, and a fiber length of preferably 10 nm to 10 mm. Here, the fiber diameter indicates the diameter of the conductive fiber when the fiber shape is linear, indicates the diameter of the fiber forming the coil shape when the conductive fiber is in a coil shape, and indicates the thickness of the peripheral wall when it is cylindrical. Further, the fiber diameter indicates the diameter when the fiber shape is linear, indicates the coil diameter when the fiber shape is coiled, and indicates the diameter of the outer periphery in the cross section when the fiber shape is cylindrical. In addition, the concept of the diameter of the fiber is not limited to the diameter of the fiber formed in a circular cross section, the length of the long side (long diameter) of the fiber formed in an elliptical cross section, or the fiber formed in a square cross section Including the length of the long side. The fiber length indicates the coil length when the fiber shape is coiled.
繊維径又は繊維直径が1nm未満では、導電性繊維が屈曲したときのR成分の変化が小さくなるおそれがある。また、繊維長さが10nm未満では導電性繊維が十分に屈曲するこができない。一方、繊維径が10μmを超える、繊維直径が50μmを超える、又は繊維長さが10mmを超えると、導電性繊維の製造に時間を要し製造効率が低下するおそれがある。さらに、導電性繊維により構成されているセンサ素子13が大きくなるために、センサ11の小型化が困難になる。
If the fiber diameter or the fiber diameter is less than 1 nm, the change in the R component when the conductive fiber is bent may be small. Moreover, if the fiber length is less than 10 nm, the conductive fiber cannot be bent sufficiently. On the other hand, when the fiber diameter exceeds 10 μm, the fiber diameter exceeds 50 μm, or the fiber length exceeds 10 mm, it takes time to manufacture the conductive fiber, which may reduce the manufacturing efficiency. Furthermore, since the
導電性繊維は、その繊維長さを繊維直径で除算することにより求められるアスペクト比が好ましくは2〜10000であり、より好ましくは100〜1000であり、最も好ましくは200〜800である。アスペクト比が2未満では導電性繊維が十分に屈曲することができず、逆に10000を超えると導電性繊維が過剰に長くなってその製造効率が低下するとともにセンサ11の小型化が困難になる。
The conductive fiber preferably has an aspect ratio obtained by dividing the fiber length by the fiber diameter from 2 to 10,000, more preferably from 100 to 1,000, and most preferably from 200 to 800. If the aspect ratio is less than 2, the conductive fibers cannot be bent sufficiently. Conversely, if the aspect ratio exceeds 10,000, the conductive fibers become excessively long and the production efficiency is lowered, and the
従って、この第2実施形態のセンサ11においても、センサ素子13が導電性繊維によって構成されているために、従来のセンサに比べてセンサ素子13の構成を簡単にしてセンサ11の構成を簡単にすることができる。さらに、センサ11は、センサ素子13を構成する導電性繊維の繊維長さ等を変更することにより、その感度を容易に調整することができる。
Therefore, also in the
なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
・ 前記各実施形態において、前記センサ11を、エネルギー変換素子、リモート給電素子、マイクロアンテナ等として用いてもよい。
In addition, the said embodiment can also be changed and comprised as follows.
In each of the embodiments, the
・ 前記第1の実施形態において、前記センサ素子13がコイル状炭素繊維によって構成されているセンサ11を湿度センサやガスセンサとして用いるときには、コイル状炭素繊維の表面にシリカゲル等の吸放湿性やガス吸放出性を有する物質を被覆してもよい。このとき、媒体12は空気等の気体が好ましい。また、銅等の導電性の物質、シリカ、チタニア(酸化チタン)等の絶縁性の物質、フェライト等の磁性を有する物質等を被覆してもよい。
In the first embodiment, when the
コイル状炭素繊維の表面にシリカゲル等の吸放湿性やガス吸放出性を有する物質を被覆したときには、コイル状炭素繊維の表面に被覆されたシリカゲル等の吸放湿又はガス吸放出に伴い機械力学的等価回路22における微小バネ16の長さを変動させることができる。さらに、シリカゲル等の吸放出に伴いLCR共振回路21における電気抵抗、即ちR成分20の大きさが変動するとともに、L成分18及びC成分19の大きさもそれぞれ変動する。このため、微小バネ16の長さの変位を電磁気的変動に変換するとともにLCR共振回路21におけるL成分18、C成分19及びR成分20が総合的に変動することができる。よって、センサ11により湿度やガス濃度の変化を検出することができる。同様に、前記第2の実施形態において、前記センサ素子13を構成する導電性繊維の表面に前記物質を被覆してもよい。
When the surface of the coiled carbon fiber is coated with a material having moisture absorption / release properties such as silica gel, the mechanical mechanics accompanies the moisture absorption / desorption or gas absorption / release of the silica gel coated on the surface of the coiled carbon fiber. The length of the
・ 前記各実施形態において、前記媒体12中にセンサ素子13を一個のみ設けてもよい。
・ 前記各実施形態において、前記液状をなす媒体12中にセンサ素子13を埋没させた後、電場を印加することによりセンサ素子13を配向させてもよい。
In each of the above embodiments, only one
In each of the above embodiments, the
・ 前記各実施形態において、媒体12中に圧電体粉末を分散させてもよい。圧電体粉末の具体例としてはフェライト、酸化チタン(TiO2)、ジルコン酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛(PbZrTiO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)等が挙げられる。このとき、媒体12中に圧電体粉末を分散させることにより、LCR共振回路として作用するセンサ素子13の出力を安定させることができる。
In each of the above embodiments, the piezoelectric powder may be dispersed in the medium 12. Specific examples of the piezoelectric powder include ferrite, titanium oxide (TiO 2 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (PbZrTiO 3 ), and barium titanate (BaTiO 3 ). Etc. At this time, the output of the
11…センサ、12…媒体、13…センサ素子、13a…コイル、14…電極、18…インダクタンス(L)成分、19…キャパシタンス(C)成分、20…レジスタンス(R)成分、21…LCR共振回路。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記媒体は誘電体により形成されキャパシタンス(C)成分を有し、
前記コイル状炭素繊維は、コイル径が1nm〜50μmであるとともにコイル長さが10nm〜10mmであり、
前記センサ素子は、コイルの螺旋構造に基づくインダクタンス(L)成分を有するとともにキャパシタンス(C)成分及びレジスタンス(R)成分を有し、LCR共振回路として作用するため、前記媒体に圧力が加わったときに前記コイル状炭素繊維の長さや媒体の変形を前記3成分の総合的な変動に変換することによって、圧力の変化を検出することを特徴とする圧力センサ。 In a pressure sensor comprising a medium, a plurality of sensor elements that are configured by a coiled carbon fiber having conductivity and provided in the medium, and a pair of electrodes that are electrically connected to the medium ,
The medium is formed of a dielectric and has a capacitance (C) component;
The coiled carbon fiber has a coil diameter of 1 nm to 50 μm and a coil length of 10 nm to 10 mm,
The sensor element has an inductance (L) component based on a helical structure of a coil, a capacitance (C) component, and a resistance (R) component, and acts as an LCR resonance circuit. Therefore, when pressure is applied to the medium A pressure sensor for detecting a change in pressure by converting the length of the coiled carbon fiber and the deformation of the medium into a comprehensive variation of the three components .
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