1. カスタム印刷ひずみゲージ
ひずみゲージは、構造モニタリング、ウェアラブル技術、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。従来のひずみゲージは広く使用されているものの、硬質基板、複雑な組み立て工程、そしてカスタマイズ性の欠如といった制約がありました。プリンテッドエレクトロニクス、特に導電性ナノ粒子インクの進歩により、軽量でフレキシブル、かつ用途に合わせて設計可能な、デジタル製造による新たなタイプのひずみセンサーが実現可能となっています。
このホワイトペーパーでは、NovaCentrixの銀ナノ粒子インクを使用した印刷型ひずみゲージの開発と検証について解説します。いくつかの学術研究を取り上げます。
- ルイビル大学から2名（リファレンス1, リファレンス2）デモンストレーション エアロゾルジェット印刷（AJP） ひずみゲージを使用した JS-A426インクゲージ設計、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からのもの（リファレンス3）使用 JS-A102Aインク そしてノヴィサド大学からも（リファレンス4）は、JS-B25HV と JS-B15P をインクジェット（オンデマンドドロップ）印刷と組み合わせて使用し、XNUMX 回のパスで形状の異なるセンサーを迅速に製造します。
- さらに2つの研究では、実際のアプリケーションを紹介しています。デルタロボットは、 JS-B25P (リファレンス5）とロボットセンシング用の触覚皮膚 JS-A426 (リファレンス6).
これらの研究を総合すると、NovaCentrix インクが複数の印刷プラットフォームにわたって、迅速なプロトタイピング、カスタマイズ可能なセンサー設計、市販のゲージに匹敵するパフォーマンスをどのようにサポートするかがわかります。
2. はじめにと背景
ひずみゲージは、構造物や材料の機械的変形を測定するための基本的なツールです。その動作原理は単純です。導電性の要素が引き伸ばされたり圧縮されたりすると、その形状が変化し、電気抵抗が変化します。この抵抗の変化を測定することで、ひずみを定量化することができます。
従来のひずみゲージは、通常、ポリマーの裏地に接着されたエッチングされた金属箔で構成されており、効果的ですが、剛性基板への依存、接着剤による取り付け、複雑な製造と組み立て、限られた設計の自由度など、重要な制限があります。
プリンテッドエレクトロニクスは、変革をもたらす可能性を秘めています。導電性インクをフレキシブル基板上に直接デジタルパターニングすることで、ソフトウェアレベルでセンサーの形状をカスタマイズし、曲面や柔らかい表面への印刷、そして設計の迅速な反復作業が可能になります。
NovaCentrixは、銀、銅、合金系を含む金属ナノ粒子インクを、特定の印刷プラットフォームに合わせてカスタマイズして提供しています。同社のインクは、プリンテッドエレクトロニクスの厳しい要件を満たすように設計されています。
3. ひずみゲージ用NovaCentrixインク
NovaCentrixの導電性インクは、デジタルデポジションと印刷後処理向けに設計されており、印刷センサーの高度な製造をサポートします。NovaCentrixの複数の銀ナノ粒子インクは、歪みゲージ用途への使用が学術研究で検証されています。
- JS-A426: AJPに最適化されたシルバーインク フレキシブルな素材への細線印刷用。
- JS-A102A、JS-B25P、JS-B25HV、JS-B15P: インクジェットに最適化された銀インク ラピッドプロトタイピング用。
4. ケーススタディ: NovaCentrixインクを使用した印刷ひずみゲージ
4.1 JS-A426（エアロゾルジェットプリンティング経由、ルイビル大学）
ルイビル大学の 426 つの研究では、JS-AXNUMX とエアロゾル ジェット印刷を使用して、カプトン上にカスタムひずみゲージを製造する方法が実証されました。
ゲージ係数（GF） はひずみゲージの主要な性能指標であり、次のように定義されます。
GF = (ΔR / R) / ε
ここで、ΔRは抵抗の変化、Rは元の抵抗、εは印加されたひずみです。GFが高いほど感度が高いことを示します。市販の金属箔ゲージのほとんどは、GFが2.0～2.2です。NovaCentrixインクを使用した印刷ゲージは、GFが1.7～2.0の範囲であることが実証されています。
主な結果：
- プリンター: Optomec AJP
- 線幅：50～60μm
- 焼結：200～240℃、18～24時間
- 導電率: ~7.05×10⁶ S/m
- ゲージ係数: 1.85 (2021)、1.74 (2023)
2023 年の追加試験では、焼結条件に基づく導電率予測モデルも導入され、多様な基板のプロセス制御が改善されました。
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
本研究では、JS-A426の適用範囲を拡張し、ロボット皮膚用のPDMSに埋め込まれた全方向触覚センサーを作製しました。星型パターンとカプセル化により、このセンサーは5000サイクル以下でゲージ係数約1.85の堅牢な性能を達成し、動的ロボット環境への適用可能性を示しました。
4.2 インクジェットドロップオンデマンド経由のJS-A102A（テキサス大学サンアントニオ校）
本研究では、Dimatix DODインクジェットプリンタとJS-A102Aを用いて、迅速なセンサー製造の可能性を探りました。カプトン上に複数の形状を印刷し、2.3℃と7.2℃で順次焼結することで、50～150Ωの抵抗値を達成しました。この手法は、迅速なターンアラウンドと一貫性を示しており、様々なレイアウトのひずみセンサーの試作に最適です。
4.3 JS-B25HVとJS-B15Pのインクジェット印刷（ノヴィサド大学）
研究者らは、業務用インクジェットシステムとデスクトップインクジェットシステムで印刷したJS-B25HVインクとJS-B15Pインクの性能を比較しました。ポリイミドおよびPETでは、インク、基材、層数に応じて、センサーのGF値は1.58から2.03の範囲でした。耐久性と安定性は短期的には良好でしたが、2ヶ月以上経過すると抵抗値はわずかに変化しました。
5. 実世界への応用：折り紙ベースのデルタロボットに印刷されたひずみゲージ
イスタンブール工科大学のチームは、JS-B25Pを用いたプリントひずみゲージを折りたたみ式デルタロボットに組み込みました。センサーはPET樹脂上に印刷され、角度測定のために折り紙の関節に埋め込まれました。抵抗の変化によって0°から90°までの動きを追跡することに成功し、軽量ロボットシステムの閉ループ制御のためのアナログフィードバックを可能にしました。
6. 実世界への応用：ロボット皮膚の触覚センシングのためのJS-A426
JS-A426を用いた星型ひずみゲージを柔軟なカプトンに印刷し、PDMSに埋め込むことで触覚皮膚センサーとして機能させました。全方向感度を実現するよう設計され、正弦波およびステップ入力に対して直線的で再現性の高い応答を実現しました。このセンサーは、ソフトロボティクスにおいて優れた耐久性とシステム統合性を示しました。
7. まとめと展望
NovaCentrix銀ナノ粒子インクは、多様な学術研究および応用研究において、複数のデジタル印刷手法を用いた高性能で柔軟なひずみゲージの製造に有効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、これらのインクは信頼性の高い導電性、1.7～2.0の範囲で再現性の高いゲージ係数、そして実世界のロボットシステムや触覚センサーへの組み込みを実現しています。
これらのインクは、形状をカスタマイズし、フレキシブル基板に直接印刷し、低コストの印刷システムを使用できることから、迅速なプロトタイピング、生産、およびソフトロボット、ウェアラブル、構造ヘルスモニタリングなどの新しいアプリケーション分野にとって魅力的です。
今後の方向性としては以下が挙げられます。
- 超低熱予算アプリケーションにフォトニック焼結 (例: PulseForge) を使用する。
- 歪みセンサーと追加機能（温度、圧力など）を組み合わせます。
- OEM および研究環境での迅速な展開のために、検証済みのセンサー ジオメトリのライブラリを開発します。
NovaCentrix の拡大する材料ポートフォリオとエコシステム サポートにより、ラボ規模のイノベーションからスケーラブルな製造への迅速な移行が可能になります。
8。 リファレンス
- Ratnayake 他、IEEE FLEPS、2021 年
- Ratnayake 他、IEEE JFlex、2023
- Dipon 他、フェロエレクトリックス、2023
- Zlebic他、エレクトロニクスとエネルギー、2016
- カラファット、ヒッタイト科学工学ジャーナル、2022年
- Olowo他、IEEEジャーナル・オン・フレキシブル・エレクトロニクス、2023
画像クレジット
画像ソース： ひずみゲージの図、以下で使用される CC BY-SA 2.5.
