1. カスタムプリントのひずみゲージ
ひずみゲージは、構造モニタリング、ウェアラブルテクノロジー、ロボット工学、フレキシブルエレクトロニクスにおいて重要な役割を果たしています。従来型のひずみゲージは広く使用されていますが、剛性の高い基板、複雑な組み立てプロセス、そしてカスタマイズの制限といった制約があります。一方、印刷エレクトロニクスと導電性ナノ粒子インクは、より柔軟な道を開きます。軽量でデジタル加工されたセンサーを、特定の形状、基板、または用途に合わせて調整することが可能になります。
本ホワイトペーパーでは、NovaCentrix社製銀ナノ粒子インクを用いた印刷型ひずみゲージの開発と検証について概説します。以下の事例は、学術的な検証と実用化の両方を重点的に紹介しています。
- ルイビル大学の2つの研究 【1], 【2] エアロゾルジェット印刷を実証する JS-A426ゲージ設計、焼結最適化、ゲージ係数測定などが含まれます。
- テキサス大学サンアントニオ校のある研究 【3] 中古 JS-A102Aノヴィ・サド大学の研究では 【4] インクジェット印刷に最適化されたNovaCentrixインクを使用して、様々な形状のセンサーを迅速に作製した。
- さらに2つの研究では応用システムに焦点を当てています。組み込み歪みセンシングを備えたデルタロボット JS-B25P 【5] そして触覚ロボット皮膚センサー JS-A426 【6].
2. はじめにと背景
ひずみゲージは、導電性配線が張力または圧縮によって抵抗値をどのように変化させるかを追跡することで、機械的な変形を測定します。導電経路が伸びたり縮んだりすると、導体の形状と下層の微細構造の両方が変化し、測定可能な電気的応答が生じます。
従来の箔ゲージは依然として効果的ですが、厳格な取り付け方法、接着剤による接合工程、限られた形状の自由度、そして設計変更を迅速に行う必要がある場合の製造コストなど、実際の制約も伴います。
印刷エレクトロニクスは、設計の可能性を大きく広げます。導電性インクを柔軟な基板に直接塗布できるため、ソフトウェアレベルでの形状変更、より短い反復サイクル、そして薄型、コンフォーマル、または用途に応じた材料上でのセンサー製造が可能になります。
NovaCentrixは、微細ラインのエアロゾルジェット印刷から生産向けインクジェットワークフローまで、さまざまな成膜方法に対応した複数の銀ナノ粒子インクシステムを提供しています。これらの検証済みの材料こそが、コンセプト段階から実用化段階へと移行するエンジニアリングチームにとって、このページに掲載されている研究が有益なものとなる理由です。
ゲージ係数
ひずみゲージのコア感度指標
場所 ΔR 抵抗の変化は、 R は元の抵抗であり、 ε は印加されたひずみです。ゲージ係数が大きいほど感度が高いことを示します。
基準範囲
3. NovaCentrix社製ひずみゲージ用インク
NovaCentrixの導電性インクは、デジタル成膜および後処理向けに設計されており、印刷型センサーの高度な製造をサポートします。複数の銀ナノ粒子インクは、エアロゾルジェットおよびインクジェット方式のひずみゲージ用途において既に検証済みです。
メタロン® JS-A426
AJP最適化銀ナノ粒子インクは、PI（カプトン）やPETなどの柔軟な基材への微細線印刷に適しています。触覚センサー、ロボットスキン、構造ゲージへの適用が実証されています。
JS-A426を見るメタロン® JS-A102A
Dimatix社製ドロップオンデマンドインクジェット印刷用銀インク。カプトン基板上に様々な形状のセンサーを迅速に形成でき、段階的な低温焼結により低抵抗を実現します。
JS-A102Aを見るメタロン® JS-B25P
業務用およびデスクトップ用インクジェットシステム向けの銀ナノ粒子インク。PETへの強力な接着性を持ち、デルタロボットの折り紙式関節センシング用途に使用されています。
JS-B25Pを見るメタロン® JS-B25HVとJS-B15P
インクジェットインクは、業務用およびデスクトップシステムにおいて、ポリイミドおよびPET上で検証されており、基材と積層数に応じてゲージ係数の値は1.58～2.03の範囲です。
インクジェットインクを閲覧する4. 事例研究：NovaCentrixインクを使用した印刷型ひずみゲージ
4.1 エアロゾルジェット印刷によるJS-A426 - ルイビル大学 【1], 【2]
ルイビル大学の2つの研究は、 JS-A426 エアロゾルジェット印刷を用いて、カプトン上にカスタムひずみゲージを作製する。2023年のフォローアップでは、焼結条件に関連した導電率予測モデルを追加し、プロセス制御を改善し、新しい印刷条件における試行錯誤を削減した。
主な結果
JS-A426エアロゾルジェット研究の代表的な結果。
| プリンタ | オプトメック社製エアロゾルジェットプリンター |
|---|---|
| 線幅 | 50〜60 µm |
| 焼結ウィンドウ | 200～240℃で18～24時間 |
| 伝導度 | 約7.05 × 106 S / M |
| ゲージ係数 | 1.85 （2021）と 1.74 (2023) |
4.1.2 フレキシブル基板上の触覚センシングのためのJS-A426
この研究は JS-A426 ロボットの皮膚にPDMSを埋め込んだ星型触覚センサーに改良した。約5,000回のサイクルにおいて、このセンサーはゲージファクターが1.85近くで再現性のある動作を維持し、動的なソフトロボティクス環境下での耐久性を実証した。 【6]
4.2 JS-A102A（インクジェット・ドロップオンデマンド方式） - テキサス大学サンアントニオ校 【3]
UTSAの研究では、 JS-A102A Dimatix社のドロップオンデマンドシステムを用いて、迅速なセンサー製造の可能性を探りました。カプトン基板上に複数の形状をプリントし、50℃と150℃で段階焼結を行った結果、2.3～7.2オームの抵抗値が得られました。これは、安定した電気的性能を備えた、迅速なプロトタイピングの優れた事例です。
4.3 JS-B25HVとJS-B15Pによるインクジェット印刷 - ノヴィ・サド大学 【4]
研究者らは、NovaCentrix社の銀インクを用いてインクジェット印刷されたひずみゲージを、業務用およびデスクトップ型の印刷システムで比較した。ポリイミドとPET基板上で印刷されたゲージは、基板の種類、インクの種類、積層数に応じて1.58から2.03のゲージ係数値を示し、短期的な安定性は良好で、長期的なドリフトはわずかであった。
5. 実際のアプリケーション
6. まとめと展望
NovaCentrix社の銀ナノ粒子インクは、学術研究および応用研究において、複数のデジタル印刷プロセスを用いて高性能なフレキシブルひずみゲージを製造するのに効果的であることが実証されています。エアロゾルジェットからインクジェット、カプトンからPETまで、このプラットフォームは信頼性の高い導電性、再現性のあるゲージ係数性能、そして稼働中のロボットシステムへの統合を可能にします。
形状をカスタマイズできる能力、柔軟な基板に直接印刷できる能力、そして比較的入手しやすい成膜装置で使用できる能力により、これらの材料はラピッドプロトタイピング、ウェアラブルデバイス、構造健全性モニタリング、ソフトロボティクスなどに特に有用である。
NovaCentrixの幅広い材料ポートフォリオとプロセスエコシステムには、低熱予算硬化のサポートが含まれます。 パルスフォージ研究検証から拡張可能な製造に至るまでの実践的な道筋を提供する。
今後の方向性
- 超低熱負荷用途や熱に弱い基板には、光焼結法を使用してください。
- 歪み検知機能を、温度、圧力、触覚応答などの関連機能と組み合わせる。
- OEMおよび研究機関への迅速な導入を可能にするため、検証済みのセンサー形状ライブラリを開発する。
7. 参考情報
-
【1]
Ratnayakeら、「銀ナノ粒子インクを用いたエアロゾルジェット印刷によるひずみゲージ」、IEEE Flex. Electron. Sens. Conf. (FLEPS) 2021。
オープンソース -
【2]
Ratnayakeら、「エアロゾルジェット印刷された銀ナノ粒子インクの導電率予測」、IEEE J. Flex. Electron. 2023。
オープンソース -
【3]
Diponら、「銀インクを用いたドロップオンデマンドインクジェット印刷によるひずみゲージ」、Ferroelectrics 2023。
オープンソース -
【4]
Zlebicら、「柔軟な基板上にインクジェット印刷されたひずみゲージの性能解析」、Facta Univ., Ser. Electron. Energ. 2016。
オープンソース -
【5]
Kalafat. 折り紙ベースのデルタロボットと一体型プリントひずみゲージ。Hittite J. Sci. Eng. 2022.
オープンソース -
【6]
Olowoら、「ロボット触覚皮膚用エアロゾルジェット印刷星型歪みセンサー」IEEE J. Flex. Electron. 2023。
オープンソース
画像クレジット：このページで現在使用されている図の出典から改変したひずみゲージのイラスト。 CC BY-SA 2.5. トップに戻る
