ひずみ測定装置及びそれを利用したひずみの測定方法
【課題】本発明は、ひずみ測定装置及びその測定方法に関し、特にカーボンナノチューブを利用したひずみ測定装置及びその測定方法に関するものである。
【解決手段】本発明のひずみ測定装置は、ひずみゲージと、挟持具と、横ひずみ記録装置と、データ処理装置と、を含む。前記ひずみ測定装置において、前記ひずみゲージは、基板と、該基板に設置されたカーボンナノチューブ膜状構造体を含む。前記カーボンナノチューブ膜状構造体は複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブにおいて、一部のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、他のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、前記第一方向及び第二方向は、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉する。また、本発明は、前記ひずみ測定装置を利用したひずみの測定方法も提供する。
【解決手段】本発明のひずみ測定装置は、ひずみゲージと、挟持具と、横ひずみ記録装置と、データ処理装置と、を含む。前記ひずみ測定装置において、前記ひずみゲージは、基板と、該基板に設置されたカーボンナノチューブ膜状構造体を含む。前記カーボンナノチューブ膜状構造体は複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブにおいて、一部のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、他のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、前記第一方向及び第二方向は、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉する。また、本発明は、前記ひずみ測定装置を利用したひずみの測定方法も提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみ測定装置及びそれを利用したひずみの測定方法に関し、特にカーボンナノチューブを利用したひずみ測定装置及びそれを利用したひずみの測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ひずみ（歪み、ｓｔｒａｉｎ）とは、材料工学・材料力学において材料の形状変化（変形）のことを言う。垂直に変化するひずみを垂直ひずみ、せん断に起きるひずみをせん断ひずみという。ひずみは記号εで表記される。材料はどのようなものであれ荷重を受け、材料内に応力が発生する。このとき、材料には応力によって形状が変化する。前記ひずみが正のひずみと負のひずみに分けられる。一般に、前記ひずみが非常に小さい。
【０００３】
ひずみの測定方法には多くの種類がある。一般に、電気抵抗ひずみゲージでひずみを測定する。前記電気抵抗ひずみゲージは、サンプルの電気抵抗変化によって、該サンプルのひずみを測定することができる。
【０００４】
前記電気抵抗ひずみゲージは、一般に、金属製のひずみゲージである。前記金属製のひずみゲージは、極めて細いワイヤや箔をグリッド状にしたものがある。グリッド状に構成することにより、金属製のワイヤまたは箔は、平行方向のひずみの量が最大になる。前記グリッド状ひずみゲージの断面が最小限にされるので、そのせん断ひずみが減少される。前記グリッドはキャリアと呼ばれる薄いバックプレートに接着され、このキャリアが直接サンプルに取り付けられる。したがって、前記サンプルのひずみが直接ひずみゲージに伝達され、ひずみゲージの電気抵抗が線形的に変化する。前記ひずみゲージに電圧を印加する場合、電流によって、その電気抵抗を測定することができて、前記サンプルのひずみが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７０４５１０８号明細書
【特許文献２】国際公開第２００７／０１５７１０号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、“Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ”、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ひずみが小さい場合、前記金属製のひずみゲージは電気抵抗の変化に敏感ではない。前記サンプルに外力を加える場合、前記金属製のひずみゲージは、小さなひずみを測定することができない。
【０００８】
したがって、前記の課題を解決するために、ひずみ測定装置及びその測定方法を提供することが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のひずみ測定装置は、ひずみゲージと、前記ひずみゲージとサンプルとを挟持する一対の挟持具と、前記一対の挟持具を相対移動させた場合に生じる横ひずみを記録する横ひずみ記録装置と、前記横ひずみ記録装置から転送された横ひずみデータを処理するデータ処理装置と、を含む。前記ひずみゲージは、基板と、該基板に設置されたカーボンナノチューブ膜状構造体を含み、前記カーボンナノチューブ膜状構造体は複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブにおいて、一部のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、他のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、前記第一方向及び第二方向は、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉する。前記ひずみゲージが前記挟持具により引き伸ばされる方向が第三方向であり、該第三方向が、前記第一方向と第二方向と成す前記角度の二等分線と平行し、前記第三方向と垂直な方向が第四方向である。
【００１０】
本発明のひずみ測定装置は、ひずみゲージと、前記ひずみゲージとサンプルとを挟持する一対の挟持具と、前記一対の挟持具を相対移動させた場合に生じる横ひずみを記録する横ひずみ記録装置と、前記横ひずみ記録装置から転送された横ひずみデータを処理するデータ処理装置と、を含む。前記ひずみゲージは、カーボンナノチューブ膜状構造体を含み、前記カーボンナノチューブ膜状構造体は少なくとも第一カーボンナノチューブフィルムと第二カーボンナノチューブフィルムからなり、該少なくとも第一カーボンナノチューブフィルム及び第二カーボンナノチューブフィルムが複数カーボンナノチューブからなる。前記第一カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、前記第二カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、前記第一方向及び第二方向は、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉する。前記ひずみゲージが前記挟持具により引き伸ばされる方向が第三方向であり、該第三方向が、前記第一方向と第二方向と成す前記角度の二等分線と平行し、前記第三方向と垂直な方向が第四方向である。
【００１１】
前記のひずみを利用して、ひずみ測定方法は、ひずみ測定装置を提供する第一ステップと、前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみの関係を測定する第二ステップと、前記ひずみゲージをサンプルの表面に設置する第三ステップと、前記挟持具で前記サンプル及び前記ひずみゲージを挟持する第四ステップと、前記ひずみゲージ及び前記サンプルを引き伸ばして、前記ひずみゲージ及び前記サンプルに同じひずみが生じる第五ステップと、前記横ひずみ記録装置によって、前記サンプルの横ひずみを記録し、前記データ処理装置を用いて前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみとの関係によって、該前記サンプルの縦ひずみを算出する第六ステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１に係るひずみ測定装置の構造を示す図である。
【図２】図１中のひずみ測定装置に係るひずみゲージにおけるカーボンナノチューブ膜状構造体を示す図である。
【図３】図２中のひずみゲージのポアソン比と、ひずみと、の間の関係を示す図である。
【図４】図２中のひずみゲージにおけるカーボンナノチューブ膜状構造体のＳＥＭ写真である。
【図５】図４中のカーボンナノチューブ膜状構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図６】図５中のカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係るひずみ測定装置におけるひずみゲージの構造の上面図である。
【図８】本発明の実施例に係るひずみ測定装置におけるひずみゲージの構造の上面図である。
【図９】本発明の実施例に係るひずみゲージの縦ひずみと横ひずみの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
【００１４】
（本実施例１）
図１を参照すると、本実施例のひずみ測定装置１００は、横ひずみ記録装置１０２と、挟持具１０８と、ひずみゲージ１２と、データ処理装置１０１と、を含む。前記ひずみ測定装置１００を利用する場合、前記ひずみゲージ１２をサンプル１６の上に設置し、該サンプル１６の前記ひずみゲージ１２に接触した部分を、前記ひずみゲージ１２に接着させる。データ線（図示せず）によって、前記データ処理装置１０１と前記横ひずみ記録装置１０２とを電気的に接続することができる。これにより、データが、前記横ひずみ記録装置１０２から前記データ処理装置１０１へ転送される。
【００１５】
前記ひずみゲージ１２及び前記サンプル１６は、併せて前記挟持具１０８で挟まれる。前記挟持具１０８は第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６を含む。前記第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６は、相対的に移動することができる。前記ひずみ測定装置１００が作動している間、前記ひずみゲージに接着したサンプル１６及び前記ひずみゲージ１２が、前記第一クリップ１０４と第二クリップ１０６との間に挟持される。前記第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６は、金属、セラミック及びプラスチックなどの材料からなることができる。
【００１６】
前記横ひずみ記録装置１０２は、前記ひずみゲージ１２の横ひずみを記録することができる。前記第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６により、前記ひずみゲージ１２の軸に沿って、前記ひずみゲージ１２に外力を加えると、前記ひずみゲージ１２が横方向に沿って、収縮又は膨張することができる。前記横ひずみ記録装置１０２が作動している間、該横ひずみ記録装置１０２と前記ひずみゲージ１２が一定の間隔を有する。前記横ひずみ記録装置１０２は、例えば、デジタルカメラ、ポータブルビデオカメラ、ビデオカメラなどの画像記録装置である。本実施例において、前記横ひずみ記録装置１０２はデジタルカメラである。
【００１７】
前記データ処理装置１０１は、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみを算出することができる。該前記データ処理装置１０１は、例えば、小型計算機、パソコン、ノートパソコン、サーバー、スーパーコンピュータなどの計算装置である。本実施例において、前記データ処理装置１０１は小型計算機である。
【００１８】
前記ひずみゲージ１２はシート状であり、前記サンプル１６の形状によって、該ひずみゲージ１２の寸法を変更することができる。前記ひずみゲージ１２は正のポアソン比を有する。図２を参照すると、本実施例において、前記ひずみゲージ１２は長方形のカーボンナノチューブ膜状構造体１４６であり、その形状が前記サンプル１６の形状と同じである。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５からなる。前記複数のカーボンナノチューブ１４５において、一部のカーボンナノチューブが第一方向Ｘに沿って配列され、他のカーボンナノチューブが第二方向Ｙに沿って配列され、前記第一方向及び第二方向は、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉する。本実施例において、図２に示す、前記第一方向Ｘが、前記第二方向Ｙと垂直である。前記一部のカーボンナノチューブと前記他の一部のカーボンナノチューブとが交差して、複数の格子を形成する。
【００１９】
前記第一方向Ｘと前記第二方向Ｙとが成した角度αの二等分線と平行する第三方向ｅに沿って、前記ひずみゲージ１２を引き伸ばす場合、前記ひずみゲージ１２が前記第三方向ｅと垂直である第四方向ｆに沿って、収縮する。その逆に、前記ひずみゲージ１２が第三方向ｅに沿って縮められる場合に、前記ひずみゲージ１２が第四方向ｆに沿って、膨張する。従って、前記ひずみゲージ１２が、第三方向ｅに沿って伸ばされる又は縮められる場合に、正のポアソン比を有する。図２を参照すると、本実施例において、前記ひずみゲージ１２が長方形である。前記第三方向ｅが前記ひずみゲージ１２の二長辺と平行し、前記第四方向ｆが該ひずみゲージ１２の二短辺と平行する。
【００２０】
図３は、前記ひずみゲージ１２のポアソン比と、ひずみと、の間の関係を示す図である。前記ひずみゲージ１２の、第三方向ｅのひずみが５％に達する場合、そのポアソン比の値が２．２５であり、その第三方向ｅのひずみが２０％に達する場合、そのポアソン比の値が３．２５である。
【００２１】
前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、複数のカーボンナノチューブを含む自立構造を有するものである。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を独立して利用することができるという形態のことである。即ち、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の構造を変化させずに、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を懸架させることができることを意味する。
【００２２】
前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、図４に示すように、少なくとも二つの積層されたカーボンナノチューブフィルムからなる。このカーボンナノチューブフィルムはドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルムは、超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献１を参照）から引き出して得られたものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブからなる。図５と図６を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長手方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂの幅、厚さ、均一性及び形状は変化することができる。本実施例において、前記カーボンナノチューブフィルムの幅は１００μｍ〜１０ｃｍに設けられ、厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａを有機溶剤に浸漬させることにより、該カーボンナノチューブフィルム１４３ａの靭性及び機械強度を高めることができる。
【００２３】
本実施例において、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の製造方法は、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１を参照）を提供する第一ステップと、前記超配列カーボンナノチューブアレイから少なくとも一つの又は複数の、一定の幅を有するカーボンナノチューブを選択する第二ステップと、所定の速度で前記超配列カーボンナノチューブアレイにおける前記一つ又は複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブセグメントからなる連続のカーボンナノチューブフィルム（特許文献１と特許文献２を参照）を形成する第三ステップと、フレームを提供し、前記少なくとも二つのカーボンナノチューブフィルムを前記フレームに積層して、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を形成する第四ステップと、を含む。
【００２４】
前記第一ステップにおいて、超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、平らな基板を提供する第一サブステップと、前記基板の表面に触媒層を形成する第二サブステップと、前記触媒層が形成された基板を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする第三サブステップと、アニーリングされた前記基板を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱する第四サブステップと、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、前記基板にカーボンナノチューブを生長させ、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１を参照）を形成する第五サブステップと、を含む。
【００２５】
前記第一サブステップにおいて、前記基板はＰ型のシリコン基板、Ｎ型のシリコン基板及び酸化層が形成されたシリコン基板のいずれか一種である。本実施例において、４インチのシリコン基板を選択することが好ましい。
【００２６】
前記第二サブステップにおいて、前記触媒層の材料は、鉄、コバルト、ニッケル及びその２種以上の合金のいずれか一種である。
【００２７】
前記第四サブステップにおいて、前記保護ガスは窒素ガス、アンモニアガスまたは不活性ガスである。前記第五サブステップにおいて、前記カーボンを含むガスとしては、例えば、エチレン、アセチレン、メタン、エタン及びそれらの混合ガスなどの活性な炭化水素である。
【００２８】
前記超配列カーボンナノチューブアレイの高さは２００μｍ〜４００μｍである。該超配列カーボンナノチューブアレイは、相互に平行で基材に垂直に成長する複数のカーボンナノチューブからなる。前記超配列カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブの一種又は多種である。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜１０ｎｍであり、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１．０ｎｍ〜５０ｎｍであり、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍである。
【００２９】
前記超配列カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を含まなくなる。該超配列カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブは、分子間力で接続されている。
【００３０】
前記第二ステップにおいて、一定の幅を有するテープを利用して、前記超配列カーボンナノチューブアレイにおける複数のカーボンナノチューブを選択する。前記第三ステップにおいて、前記複数のカーボンナノチューブを引き出した方向はカーボンナノチューブが成長する方向と垂直である。
【００３１】
前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブ束が端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルムが形成される。前記カーボンナノチューブフィルムは、所定の方向に沿って配列し、端と端で接合された複数のカーボンナノチューブからなる一定の幅を有するフィルムである。前記カーボンナノチューブフィルムは、均一な導電性及び均一な厚さを有する。このカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、高効率で簡単であり、工業的に実用される。
【００３２】
前記カーボンナノチューブフィルムの幅は、前記超配列カーボンナノチューブアレイの大きさに関係する。その長さは用途に応じて、任意に調整することができる。４インチのＰ型のシリコン基板を選択する場合、前記カーボンナノチューブフィルムの幅は０．０１ｃｍ〜１０ｃｍであり、その厚さは、０．５ｎｍ〜１００μｍである。
【００３３】
前記第四ステップにおいて、前記超配列カーボンナノチューブアレイにおける複数のカーボンナノチューブは、不純物が残らず、大きな比表面積を有するので、前記カーボンナノチューブフィルムが接着性を有する。従って、前記少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムは、前記フレームの表面に直接に接着することができ、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６が形成される。
【００３４】
複数の前記カーボンナノチューブフィルムが積層される場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°より大きな角度で交差する場合、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６に複数の微孔が形成される。又は、前記複数のカーボンナノチューブフィルムは、隙間なく並列されることもできる。本実施例において、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが９０°角度で交差する。さらに、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の強度を高めるために、該カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を基板に設置することができる。前記ひずみゲージ１２におけるカーボンナノチューブフィルムの数量が限定されず、本実施例において、１０〜５０００枚のカーボンナノチューブフィルムを積層させてカーボンナノチューブ膜状構造体１４６を形成する。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の厚さは、０．０４μｍ〜４００μｍである。
【００３５】
（実施例２）
図７を参照すると、ひずみゲージ２２は、カーボンナノチューブ膜状構造体１４６と、フレキシブルポリマー材料からなる基板２４と、を含む。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６が前記ポリマー基板２４の表面に設置される。
【００３６】
前記フレキシブルポリマー材料は、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などの高分子材料である。本実施例において、フレキシブルポリマー材料はフレキシブル透明ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である。前記ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は、大きな破断点ひずみ（＞１５０％）を有するので、前記ひずみゲージ２２の破断点ひずみは２２％程度に達することができる。本実施例において、フレキシブルポリマー基板２４は厚さが１００μｍ〜１０００μｍのフレキシブルポリマー層である。
【００３７】
前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、前記フレキシブルポリマー基板２４の中に埋め込まれるように配置されている。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、複数のカーボンナノチューブからなる。該複数のカーボンナノチューブが分子間力で端と端が接続されているので、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６には複数の微孔が形成される。前記フレキシブルポリマー基板２４における高分子材料が完全に固化していない形態で、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を前記フレキシブルポリマー基板２４の表面に設置すると、前記フレキシブルポリマー基板２４における高分子材料が、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の微孔から前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６に浸透する。これにより、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、前記フレキシブルポリマー基板２４に埋め込まれて、層状の複合構造体になる。前記層状の複合構造体において、前記複数のカーボンナノチューブと前記高分子材料とが結合した範囲において、該複数のカーボンナノチューブが均一に分散する。
【００３８】
図２と図７に示されるように、前記ひずみゲージ１２及び前記ひずみゲージ２２は長方形である。前記ゲージの形状は、例えば、円形、楕円形、三角形などの形状であることもできる。図８を参照すると、前記ひずみゲージ１２はダンベル形状である。
【００３９】
図１を参照すると、前記ひずみ測定装置を利用して、ひずみを測定する方法は、ひずみ測定装置１００を提供する第一ステップと、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係を測定し、
【００４０】
εｉ＝ｆ（εｊ） （式１）
【００４１】
を定義する第二ステップと、前記ひずみゲージ１２をサンプル１６の表面に設置する第三ステップと、前記第一クリップ１０４と第二クリップ１０６との間に前記サンプル１６及び前記ひずみゲージ１２を挟持させる第四ステップと、前記ひずみゲージ１２及び前記サンプル１６を伸ばして、前記ひずみゲージ１２及び前記サンプル１６に同じひずみを生じさせる第五ステップと、前記横ひずみ記録装置によって、前記サンプルの横ひずみを記録し、前記データ処理装置を用いて前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみの関係によって、該前記サンプルの縦ひずみを算出する第六ステップと、を含む。
【００４２】
前記第二ステップは、前記第三方向ｅに沿って、前記ひずみゲージ１２を引き伸ばし、これを数回繰返し、毎回前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）及び横ひずみ（εｊ）を記録する第一サブステップと、二次多項式フィッテング（ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ）によって、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係（式１）が得られる第二サブステップと、を含む。
【００４３】
前記第二ステップの第一サブステップにおいて、図７に示す、前記ひずみゲージ１２の第三方向ｅが該ひずみゲージ１２の横ひずみ（εｊ）として定義され、前記ひずみゲージ１２の第四方向ｆが該ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）として定義される。且つ前記第三方向ｅと前記第一方向Ｘとが４５℃の角度を成す。該第三方向ｅが前記第四方向ｆと垂直である。
【００４４】
前記第二ステップの第一サブステップにおいて、前記ひずみゲージ１２を長方形とし、該ひずみゲージ１２の二長辺を前記第三方向ｅと平行させて、前記サンプル１６の二短辺を挟持する。前記ひずみゲージ１２を引き伸ばし、これを数回繰返し、毎回前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）及び横ひずみ（εｊ）を記録する。
【００４５】
前記第二ステップの第二サブステップに関し、図９には、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係が示されている。曲線上の任意の一点において、前記ひずみゲージ１２の横ひずみ（εｊ）は、その縦ひずみ（εｉ）より大きい。前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）が非常に小さくて測定できない場合、式１によって該ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）を前記データ処理装置１０１で算出する。本実施例において、前記ひずみゲージ１２は１００枚のカーボンナノチューブフィルムからなる。二次多項式フィッテング（ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ）によって、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係はεｉ＝−２．４５２３４＋２．５５２８４εｊ＋０．０３２８１εｊ２として定義される。図８に示す、前記ひずみゲージ１２のポアソン比を増加させるために、該ひずみゲージ１２の形状を、長方形からをダンベル状に変更する。
【００４６】
前記第三ステップにおいて、前記サンプル１６は一定の厚さを有するシートであり、前記ひずみゲージ１２と同じ形状を有する。前記サンプル１６を使用する場合、前記ひずみゲージ１２を一つの表面の二短辺に接着剤を塗布した前記サンプル１６に挟持させる。これにより、前記サンプル１６の二長辺を前記ひずみゲージ１２の第三方向ｅと平行にする。前記サンプル１６の二短辺は前記ひずみゲージ１２の第四方向ｆと平行する。接着剤を使用せず、前記ひずみゲージ１２を直接サンプル１６の上に設置することもできる。
【００４７】
前記第五ステップにおいて、前記第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６によって、前記第三方向ｅに沿って、それぞれ前記ひずみゲージ１２に接着させた前記サンプル１６の二短辺を挟持する。この場合、外力で前記サンプル１６を、前記第三方向ｅに沿って相対的に移動させ、該サンプル１６と前記ひずみゲージ１２とには、同じ縦ひずみ（εｉ）が生じる。
【００４８】
前記第六ステップにおいて、前記横ひずみ記録装置１０２はデジタルカメラである。前記ひずみゲージ１２に接着されたサンプル１６に外力を加える場合、前記横ひずみ記録装置１０２によって、前記ひずみゲージ１２の横ひずみ（εｊ）を記録することができる。前記データ処理装置１０１は、式１によって、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）を算出することができる。本実施例において、前記データ処理装置１０１は小型計算機である。前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係はεｉ＝−２．４５２３４＋２．５５２８４εｊ＋０．０３２８１εｊ２である。前記ひずみゲージ１２及び前記サンプル１６に同じひずみが生じるので、前記サンプル１６の横ひずみ及び縦ひずみが得られる。
【符号の説明】
【００４９】
１２ ひずみゲージ
１６ サンプル
１００ ひずみ測定装置
１０１ データ処理装置
１０２ 横ひずみ記録装置
１０４ 第一クリップ
１０６ 第二クリップ
１０８ 挟持具
１４３ａ カーボンナノチューブフィルム
１４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
１４５ 複数のカーボンナノチューブ
２４ フレキシブルポリマー基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみ測定装置及びそれを利用したひずみの測定方法に関し、特にカーボンナノチューブを利用したひずみ測定装置及びそれを利用したひずみの測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ひずみ（歪み、ｓｔｒａｉｎ）とは、材料工学・材料力学において材料の形状変化（変形）のことを言う。垂直に変化するひずみを垂直ひずみ、せん断に起きるひずみをせん断ひずみという。ひずみは記号εで表記される。材料はどのようなものであれ荷重を受け、材料内に応力が発生する。このとき、材料には応力によって形状が変化する。前記ひずみが正のひずみと負のひずみに分けられる。一般に、前記ひずみが非常に小さい。
【０００３】
ひずみの測定方法には多くの種類がある。一般に、電気抵抗ひずみゲージでひずみを測定する。前記電気抵抗ひずみゲージは、サンプルの電気抵抗変化によって、該サンプルのひずみを測定することができる。
【０００４】
前記電気抵抗ひずみゲージは、一般に、金属製のひずみゲージである。前記金属製のひずみゲージは、極めて細いワイヤや箔をグリッド状にしたものがある。グリッド状に構成することにより、金属製のワイヤまたは箔は、平行方向のひずみの量が最大になる。前記グリッド状ひずみゲージの断面が最小限にされるので、そのせん断ひずみが減少される。前記グリッドはキャリアと呼ばれる薄いバックプレートに接着され、このキャリアが直接サンプルに取り付けられる。したがって、前記サンプルのひずみが直接ひずみゲージに伝達され、ひずみゲージの電気抵抗が線形的に変化する。前記ひずみゲージに電圧を印加する場合、電流によって、その電気抵抗を測定することができて、前記サンプルのひずみが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７０４５１０８号明細書
【特許文献２】国際公開第２００７／０１５７１０号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、“Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ”、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ひずみが小さい場合、前記金属製のひずみゲージは電気抵抗の変化に敏感ではない。前記サンプルに外力を加える場合、前記金属製のひずみゲージは、小さなひずみを測定することができない。
【０００８】
したがって、前記の課題を解決するために、ひずみ測定装置及びその測定方法を提供することが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のひずみ測定装置は、ひずみゲージと、前記ひずみゲージとサンプルとを挟持する一対の挟持具と、前記一対の挟持具を相対移動させた場合に生じる横ひずみを記録する横ひずみ記録装置と、前記横ひずみ記録装置から転送された横ひずみデータを処理するデータ処理装置と、を含む。前記ひずみゲージは、基板と、該基板に設置されたカーボンナノチューブ膜状構造体を含み、前記カーボンナノチューブ膜状構造体は複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブにおいて、一部のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、他のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、前記第一方向及び第二方向は、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉する。前記ひずみゲージが前記挟持具により引き伸ばされる方向が第三方向であり、該第三方向が、前記第一方向と第二方向と成す前記角度の二等分線と平行し、前記第三方向と垂直な方向が第四方向である。
【００１０】
本発明のひずみ測定装置は、ひずみゲージと、前記ひずみゲージとサンプルとを挟持する一対の挟持具と、前記一対の挟持具を相対移動させた場合に生じる横ひずみを記録する横ひずみ記録装置と、前記横ひずみ記録装置から転送された横ひずみデータを処理するデータ処理装置と、を含む。前記ひずみゲージは、カーボンナノチューブ膜状構造体を含み、前記カーボンナノチューブ膜状構造体は少なくとも第一カーボンナノチューブフィルムと第二カーボンナノチューブフィルムからなり、該少なくとも第一カーボンナノチューブフィルム及び第二カーボンナノチューブフィルムが複数カーボンナノチューブからなる。前記第一カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、前記第二カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、前記第一方向及び第二方向は、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉する。前記ひずみゲージが前記挟持具により引き伸ばされる方向が第三方向であり、該第三方向が、前記第一方向と第二方向と成す前記角度の二等分線と平行し、前記第三方向と垂直な方向が第四方向である。
【００１１】
前記のひずみを利用して、ひずみ測定方法は、ひずみ測定装置を提供する第一ステップと、前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみの関係を測定する第二ステップと、前記ひずみゲージをサンプルの表面に設置する第三ステップと、前記挟持具で前記サンプル及び前記ひずみゲージを挟持する第四ステップと、前記ひずみゲージ及び前記サンプルを引き伸ばして、前記ひずみゲージ及び前記サンプルに同じひずみが生じる第五ステップと、前記横ひずみ記録装置によって、前記サンプルの横ひずみを記録し、前記データ処理装置を用いて前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみとの関係によって、該前記サンプルの縦ひずみを算出する第六ステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１に係るひずみ測定装置の構造を示す図である。
【図２】図１中のひずみ測定装置に係るひずみゲージにおけるカーボンナノチューブ膜状構造体を示す図である。
【図３】図２中のひずみゲージのポアソン比と、ひずみと、の間の関係を示す図である。
【図４】図２中のひずみゲージにおけるカーボンナノチューブ膜状構造体のＳＥＭ写真である。
【図５】図４中のカーボンナノチューブ膜状構造体におけるドローン構造カーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図６】図５中のカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係るひずみ測定装置におけるひずみゲージの構造の上面図である。
【図８】本発明の実施例に係るひずみ測定装置におけるひずみゲージの構造の上面図である。
【図９】本発明の実施例に係るひずみゲージの縦ひずみと横ひずみの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
【００１４】
（本実施例１）
図１を参照すると、本実施例のひずみ測定装置１００は、横ひずみ記録装置１０２と、挟持具１０８と、ひずみゲージ１２と、データ処理装置１０１と、を含む。前記ひずみ測定装置１００を利用する場合、前記ひずみゲージ１２をサンプル１６の上に設置し、該サンプル１６の前記ひずみゲージ１２に接触した部分を、前記ひずみゲージ１２に接着させる。データ線（図示せず）によって、前記データ処理装置１０１と前記横ひずみ記録装置１０２とを電気的に接続することができる。これにより、データが、前記横ひずみ記録装置１０２から前記データ処理装置１０１へ転送される。
【００１５】
前記ひずみゲージ１２及び前記サンプル１６は、併せて前記挟持具１０８で挟まれる。前記挟持具１０８は第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６を含む。前記第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６は、相対的に移動することができる。前記ひずみ測定装置１００が作動している間、前記ひずみゲージに接着したサンプル１６及び前記ひずみゲージ１２が、前記第一クリップ１０４と第二クリップ１０６との間に挟持される。前記第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６は、金属、セラミック及びプラスチックなどの材料からなることができる。
【００１６】
前記横ひずみ記録装置１０２は、前記ひずみゲージ１２の横ひずみを記録することができる。前記第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６により、前記ひずみゲージ１２の軸に沿って、前記ひずみゲージ１２に外力を加えると、前記ひずみゲージ１２が横方向に沿って、収縮又は膨張することができる。前記横ひずみ記録装置１０２が作動している間、該横ひずみ記録装置１０２と前記ひずみゲージ１２が一定の間隔を有する。前記横ひずみ記録装置１０２は、例えば、デジタルカメラ、ポータブルビデオカメラ、ビデオカメラなどの画像記録装置である。本実施例において、前記横ひずみ記録装置１０２はデジタルカメラである。
【００１７】
前記データ処理装置１０１は、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみを算出することができる。該前記データ処理装置１０１は、例えば、小型計算機、パソコン、ノートパソコン、サーバー、スーパーコンピュータなどの計算装置である。本実施例において、前記データ処理装置１０１は小型計算機である。
【００１８】
前記ひずみゲージ１２はシート状であり、前記サンプル１６の形状によって、該ひずみゲージ１２の寸法を変更することができる。前記ひずみゲージ１２は正のポアソン比を有する。図２を参照すると、本実施例において、前記ひずみゲージ１２は長方形のカーボンナノチューブ膜状構造体１４６であり、その形状が前記サンプル１６の形状と同じである。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５からなる。前記複数のカーボンナノチューブ１４５において、一部のカーボンナノチューブが第一方向Ｘに沿って配列され、他のカーボンナノチューブが第二方向Ｙに沿って配列され、前記第一方向及び第二方向は、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉する。本実施例において、図２に示す、前記第一方向Ｘが、前記第二方向Ｙと垂直である。前記一部のカーボンナノチューブと前記他の一部のカーボンナノチューブとが交差して、複数の格子を形成する。
【００１９】
前記第一方向Ｘと前記第二方向Ｙとが成した角度αの二等分線と平行する第三方向ｅに沿って、前記ひずみゲージ１２を引き伸ばす場合、前記ひずみゲージ１２が前記第三方向ｅと垂直である第四方向ｆに沿って、収縮する。その逆に、前記ひずみゲージ１２が第三方向ｅに沿って縮められる場合に、前記ひずみゲージ１２が第四方向ｆに沿って、膨張する。従って、前記ひずみゲージ１２が、第三方向ｅに沿って伸ばされる又は縮められる場合に、正のポアソン比を有する。図２を参照すると、本実施例において、前記ひずみゲージ１２が長方形である。前記第三方向ｅが前記ひずみゲージ１２の二長辺と平行し、前記第四方向ｆが該ひずみゲージ１２の二短辺と平行する。
【００２０】
図３は、前記ひずみゲージ１２のポアソン比と、ひずみと、の間の関係を示す図である。前記ひずみゲージ１２の、第三方向ｅのひずみが５％に達する場合、そのポアソン比の値が２．２５であり、その第三方向ｅのひずみが２０％に達する場合、そのポアソン比の値が３．２５である。
【００２１】
前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、複数のカーボンナノチューブを含む自立構造を有するものである。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を独立して利用することができるという形態のことである。即ち、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の構造を変化させずに、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を懸架させることができることを意味する。
【００２２】
前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、図４に示すように、少なくとも二つの積層されたカーボンナノチューブフィルムからなる。このカーボンナノチューブフィルムはドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルムは、超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献１を参照）から引き出して得られたものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブからなる。図５と図６を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長手方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂの幅、厚さ、均一性及び形状は変化することができる。本実施例において、前記カーボンナノチューブフィルムの幅は１００μｍ〜１０ｃｍに設けられ、厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａを有機溶剤に浸漬させることにより、該カーボンナノチューブフィルム１４３ａの靭性及び機械強度を高めることができる。
【００２３】
本実施例において、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の製造方法は、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１を参照）を提供する第一ステップと、前記超配列カーボンナノチューブアレイから少なくとも一つの又は複数の、一定の幅を有するカーボンナノチューブを選択する第二ステップと、所定の速度で前記超配列カーボンナノチューブアレイにおける前記一つ又は複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブセグメントからなる連続のカーボンナノチューブフィルム（特許文献１と特許文献２を参照）を形成する第三ステップと、フレームを提供し、前記少なくとも二つのカーボンナノチューブフィルムを前記フレームに積層して、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を形成する第四ステップと、を含む。
【００２４】
前記第一ステップにおいて、超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、平らな基板を提供する第一サブステップと、前記基板の表面に触媒層を形成する第二サブステップと、前記触媒層が形成された基板を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする第三サブステップと、アニーリングされた前記基板を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱する第四サブステップと、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、前記基板にカーボンナノチューブを生長させ、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１を参照）を形成する第五サブステップと、を含む。
【００２５】
前記第一サブステップにおいて、前記基板はＰ型のシリコン基板、Ｎ型のシリコン基板及び酸化層が形成されたシリコン基板のいずれか一種である。本実施例において、４インチのシリコン基板を選択することが好ましい。
【００２６】
前記第二サブステップにおいて、前記触媒層の材料は、鉄、コバルト、ニッケル及びその２種以上の合金のいずれか一種である。
【００２７】
前記第四サブステップにおいて、前記保護ガスは窒素ガス、アンモニアガスまたは不活性ガスである。前記第五サブステップにおいて、前記カーボンを含むガスとしては、例えば、エチレン、アセチレン、メタン、エタン及びそれらの混合ガスなどの活性な炭化水素である。
【００２８】
前記超配列カーボンナノチューブアレイの高さは２００μｍ〜４００μｍである。該超配列カーボンナノチューブアレイは、相互に平行で基材に垂直に成長する複数のカーボンナノチューブからなる。前記超配列カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブの一種又は多種である。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜１０ｎｍであり、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１．０ｎｍ〜５０ｎｍであり、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍである。
【００２９】
前記超配列カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を含まなくなる。該超配列カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブは、分子間力で接続されている。
【００３０】
前記第二ステップにおいて、一定の幅を有するテープを利用して、前記超配列カーボンナノチューブアレイにおける複数のカーボンナノチューブを選択する。前記第三ステップにおいて、前記複数のカーボンナノチューブを引き出した方向はカーボンナノチューブが成長する方向と垂直である。
【００３１】
前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブ束が端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルムが形成される。前記カーボンナノチューブフィルムは、所定の方向に沿って配列し、端と端で接合された複数のカーボンナノチューブからなる一定の幅を有するフィルムである。前記カーボンナノチューブフィルムは、均一な導電性及び均一な厚さを有する。このカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、高効率で簡単であり、工業的に実用される。
【００３２】
前記カーボンナノチューブフィルムの幅は、前記超配列カーボンナノチューブアレイの大きさに関係する。その長さは用途に応じて、任意に調整することができる。４インチのＰ型のシリコン基板を選択する場合、前記カーボンナノチューブフィルムの幅は０．０１ｃｍ〜１０ｃｍであり、その厚さは、０．５ｎｍ〜１００μｍである。
【００３３】
前記第四ステップにおいて、前記超配列カーボンナノチューブアレイにおける複数のカーボンナノチューブは、不純物が残らず、大きな比表面積を有するので、前記カーボンナノチューブフィルムが接着性を有する。従って、前記少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムは、前記フレームの表面に直接に接着することができ、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６が形成される。
【００３４】
複数の前記カーボンナノチューブフィルムが積層される場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°より大きな角度で交差する場合、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６に複数の微孔が形成される。又は、前記複数のカーボンナノチューブフィルムは、隙間なく並列されることもできる。本実施例において、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが９０°角度で交差する。さらに、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の強度を高めるために、該カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を基板に設置することができる。前記ひずみゲージ１２におけるカーボンナノチューブフィルムの数量が限定されず、本実施例において、１０〜５０００枚のカーボンナノチューブフィルムを積層させてカーボンナノチューブ膜状構造体１４６を形成する。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の厚さは、０．０４μｍ〜４００μｍである。
【００３５】
（実施例２）
図７を参照すると、ひずみゲージ２２は、カーボンナノチューブ膜状構造体１４６と、フレキシブルポリマー材料からなる基板２４と、を含む。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６が前記ポリマー基板２４の表面に設置される。
【００３６】
前記フレキシブルポリマー材料は、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などの高分子材料である。本実施例において、フレキシブルポリマー材料はフレキシブル透明ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である。前記ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は、大きな破断点ひずみ（＞１５０％）を有するので、前記ひずみゲージ２２の破断点ひずみは２２％程度に達することができる。本実施例において、フレキシブルポリマー基板２４は厚さが１００μｍ〜１０００μｍのフレキシブルポリマー層である。
【００３７】
前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、前記フレキシブルポリマー基板２４の中に埋め込まれるように配置されている。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、複数のカーボンナノチューブからなる。該複数のカーボンナノチューブが分子間力で端と端が接続されているので、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６には複数の微孔が形成される。前記フレキシブルポリマー基板２４における高分子材料が完全に固化していない形態で、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６を前記フレキシブルポリマー基板２４の表面に設置すると、前記フレキシブルポリマー基板２４における高分子材料が、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６の微孔から前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６に浸透する。これにより、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１４６は、前記フレキシブルポリマー基板２４に埋め込まれて、層状の複合構造体になる。前記層状の複合構造体において、前記複数のカーボンナノチューブと前記高分子材料とが結合した範囲において、該複数のカーボンナノチューブが均一に分散する。
【００３８】
図２と図７に示されるように、前記ひずみゲージ１２及び前記ひずみゲージ２２は長方形である。前記ゲージの形状は、例えば、円形、楕円形、三角形などの形状であることもできる。図８を参照すると、前記ひずみゲージ１２はダンベル形状である。
【００３９】
図１を参照すると、前記ひずみ測定装置を利用して、ひずみを測定する方法は、ひずみ測定装置１００を提供する第一ステップと、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係を測定し、
【００４０】
εｉ＝ｆ（εｊ） （式１）
【００４１】
を定義する第二ステップと、前記ひずみゲージ１２をサンプル１６の表面に設置する第三ステップと、前記第一クリップ１０４と第二クリップ１０６との間に前記サンプル１６及び前記ひずみゲージ１２を挟持させる第四ステップと、前記ひずみゲージ１２及び前記サンプル１６を伸ばして、前記ひずみゲージ１２及び前記サンプル１６に同じひずみを生じさせる第五ステップと、前記横ひずみ記録装置によって、前記サンプルの横ひずみを記録し、前記データ処理装置を用いて前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみの関係によって、該前記サンプルの縦ひずみを算出する第六ステップと、を含む。
【００４２】
前記第二ステップは、前記第三方向ｅに沿って、前記ひずみゲージ１２を引き伸ばし、これを数回繰返し、毎回前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）及び横ひずみ（εｊ）を記録する第一サブステップと、二次多項式フィッテング（ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ）によって、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係（式１）が得られる第二サブステップと、を含む。
【００４３】
前記第二ステップの第一サブステップにおいて、図７に示す、前記ひずみゲージ１２の第三方向ｅが該ひずみゲージ１２の横ひずみ（εｊ）として定義され、前記ひずみゲージ１２の第四方向ｆが該ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）として定義される。且つ前記第三方向ｅと前記第一方向Ｘとが４５℃の角度を成す。該第三方向ｅが前記第四方向ｆと垂直である。
【００４４】
前記第二ステップの第一サブステップにおいて、前記ひずみゲージ１２を長方形とし、該ひずみゲージ１２の二長辺を前記第三方向ｅと平行させて、前記サンプル１６の二短辺を挟持する。前記ひずみゲージ１２を引き伸ばし、これを数回繰返し、毎回前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）及び横ひずみ（εｊ）を記録する。
【００４５】
前記第二ステップの第二サブステップに関し、図９には、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係が示されている。曲線上の任意の一点において、前記ひずみゲージ１２の横ひずみ（εｊ）は、その縦ひずみ（εｉ）より大きい。前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）が非常に小さくて測定できない場合、式１によって該ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）を前記データ処理装置１０１で算出する。本実施例において、前記ひずみゲージ１２は１００枚のカーボンナノチューブフィルムからなる。二次多項式フィッテング（ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ）によって、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係はεｉ＝−２．４５２３４＋２．５５２８４εｊ＋０．０３２８１εｊ２として定義される。図８に示す、前記ひずみゲージ１２のポアソン比を増加させるために、該ひずみゲージ１２の形状を、長方形からをダンベル状に変更する。
【００４６】
前記第三ステップにおいて、前記サンプル１６は一定の厚さを有するシートであり、前記ひずみゲージ１２と同じ形状を有する。前記サンプル１６を使用する場合、前記ひずみゲージ１２を一つの表面の二短辺に接着剤を塗布した前記サンプル１６に挟持させる。これにより、前記サンプル１６の二長辺を前記ひずみゲージ１２の第三方向ｅと平行にする。前記サンプル１６の二短辺は前記ひずみゲージ１２の第四方向ｆと平行する。接着剤を使用せず、前記ひずみゲージ１２を直接サンプル１６の上に設置することもできる。
【００４７】
前記第五ステップにおいて、前記第一クリップ１０４及び第二クリップ１０６によって、前記第三方向ｅに沿って、それぞれ前記ひずみゲージ１２に接着させた前記サンプル１６の二短辺を挟持する。この場合、外力で前記サンプル１６を、前記第三方向ｅに沿って相対的に移動させ、該サンプル１６と前記ひずみゲージ１２とには、同じ縦ひずみ（εｉ）が生じる。
【００４８】
前記第六ステップにおいて、前記横ひずみ記録装置１０２はデジタルカメラである。前記ひずみゲージ１２に接着されたサンプル１６に外力を加える場合、前記横ひずみ記録装置１０２によって、前記ひずみゲージ１２の横ひずみ（εｊ）を記録することができる。前記データ処理装置１０１は、式１によって、前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）を算出することができる。本実施例において、前記データ処理装置１０１は小型計算機である。前記ひずみゲージ１２の縦ひずみ（εｉ）と横ひずみ（εｊ）の関係はεｉ＝−２．４５２３４＋２．５５２８４εｊ＋０．０３２８１εｊ２である。前記ひずみゲージ１２及び前記サンプル１６に同じひずみが生じるので、前記サンプル１６の横ひずみ及び縦ひずみが得られる。
【符号の説明】
【００４９】
１２ ひずみゲージ
１６ サンプル
１００ ひずみ測定装置
１０１ データ処理装置
１０２ 横ひずみ記録装置
１０４ 第一クリップ
１０６ 第二クリップ
１０８ 挟持具
１４３ａ カーボンナノチューブフィルム
１４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
１４５ 複数のカーボンナノチューブ
２４ フレキシブルポリマー基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ひずみゲージと、
前記ひずみゲージとサンプルとを挟持する一対の挟持具と、
前記一対の挟持具を相対移動させた場合に生じる横ひずみを記録する横ひずみ記録装置と、
前記横ひずみ記録装置から転送された横ひずみデータを処理するデータ処理装置と、
を含むひずみ測定装置であって、
前記ひずみゲージは、基板と、該基板に設置されたカーボンナノチューブ膜状構造体を含み、前記カーボンナノチューブ膜状構造体は複数のカーボンナノチューブからなり、
該複数のカーボンナノチューブにおいて、一部のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、他のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、
前記第一方向と第二方向とは、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉し、
前記ひずみゲージが前記挟持具により引き伸ばされる方向が第三方向であり、該第三方向が、前記第一方向と第二方向とが成す前記角度の二等分線と平行し、
前記第三方向と垂直な方向が第四方向であることを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項２】
ひずみゲージと、
前記ひずみゲージとサンプルとを挟持する一対の挟持具と、
前記一対の挟持具を相対移動させた場合に生じる横ひずみを記録する横ひずみ記録装置と、
前記横ひずみ記録装置から転送された横ひずみデータを処理するデータ処理装置と、を含むひずみ測定装置であって、
前記ひずみゲージは、カーボンナノチューブ膜状構造体を含み、前記カーボンナノチューブ膜状構造体は少なくとも第一カーボンナノチューブフィルムと第二カーボンナノチューブフィルムからなり、該少なくとも第一カーボンナノチューブフィルムと第二カーボンナノチューブフィルムとは複数カーボンナノチューブからなり、
前記第一カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、前記第二カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、
前記第一方向と第二方向とは、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉し、
前記ひずみゲージが前記挟持具により引き伸ばされる方向が第三方向であり、該第三方向が、前記第一方向と第二方向と成す前記角度の二等分線と平行し、
前記第三方向と垂直な方向が第四方向であることを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２のひずみ測定装置を提供する第一ステップと、
前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみの関係を測定する第二ステップと、
前記ひずみゲージをサンプルの表面に設置する第三ステップと、
前記挟持具で前記サンプルと前記ひずみゲージとを挟持する第四ステップと、
前記ひずみゲージと前記サンプルとを引き伸ばして、前記ひずみゲージと前記サンプルとに同じひずみが生じる第五ステップと、
前記横ひずみ記録装置によって、前記サンプルの横ひずみを記録し、前記データ処理装置を用い、前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみとの関係によって、該前記サンプルの縦ひずみを算出する第六ステップと、
を含むことを特徴とするひずみ測定方法。
【請求項１】
ひずみゲージと、
前記ひずみゲージとサンプルとを挟持する一対の挟持具と、
前記一対の挟持具を相対移動させた場合に生じる横ひずみを記録する横ひずみ記録装置と、
前記横ひずみ記録装置から転送された横ひずみデータを処理するデータ処理装置と、
を含むひずみ測定装置であって、
前記ひずみゲージは、基板と、該基板に設置されたカーボンナノチューブ膜状構造体を含み、前記カーボンナノチューブ膜状構造体は複数のカーボンナノチューブからなり、
該複数のカーボンナノチューブにおいて、一部のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、他のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、
前記第一方向と第二方向とは、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉し、
前記ひずみゲージが前記挟持具により引き伸ばされる方向が第三方向であり、該第三方向が、前記第一方向と第二方向とが成す前記角度の二等分線と平行し、
前記第三方向と垂直な方向が第四方向であることを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項２】
ひずみゲージと、
前記ひずみゲージとサンプルとを挟持する一対の挟持具と、
前記一対の挟持具を相対移動させた場合に生じる横ひずみを記録する横ひずみ記録装置と、
前記横ひずみ記録装置から転送された横ひずみデータを処理するデータ処理装置と、を含むひずみ測定装置であって、
前記ひずみゲージは、カーボンナノチューブ膜状構造体を含み、前記カーボンナノチューブ膜状構造体は少なくとも第一カーボンナノチューブフィルムと第二カーボンナノチューブフィルムからなり、該少なくとも第一カーボンナノチューブフィルムと第二カーボンナノチューブフィルムとは複数カーボンナノチューブからなり、
前記第一カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブが第一方向に沿って配列され、前記第二カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブが第二方向に沿って配列され、
前記第一方向と第二方向とは、０°〜９０°（０°を含まず）の角度で交叉し、
前記ひずみゲージが前記挟持具により引き伸ばされる方向が第三方向であり、該第三方向が、前記第一方向と第二方向と成す前記角度の二等分線と平行し、
前記第三方向と垂直な方向が第四方向であることを特徴とするひずみ測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２のひずみ測定装置を提供する第一ステップと、
前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみの関係を測定する第二ステップと、
前記ひずみゲージをサンプルの表面に設置する第三ステップと、
前記挟持具で前記サンプルと前記ひずみゲージとを挟持する第四ステップと、
前記ひずみゲージと前記サンプルとを引き伸ばして、前記ひずみゲージと前記サンプルとに同じひずみが生じる第五ステップと、
前記横ひずみ記録装置によって、前記サンプルの横ひずみを記録し、前記データ処理装置を用い、前記ひずみゲージの縦ひずみと横ひずみとの関係によって、該前記サンプルの縦ひずみを算出する第六ステップと、
を含むことを特徴とするひずみ測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１１７９６５（Ｐ２０１１−１１７９６５Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７０３７６（Ｐ２０１０−２７０３７６）
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
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