JP2015133277A - 配線構造体、電子部品ユニットおよび電気的計測デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の屈曲および伸縮に追従可能で、長期間にわたって安定して使用することができる配線構造体を提供する。
【解決手段】屈曲および伸縮可能な素材からなり、内部に少なくとも１本の配線路２３を有するシース２を備え、その配線路２３内に導電性液体（好ましくはイオン液体）３を充填し、配線路２３の両端を導電性の電極端子部材４で封止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線構造体、電子部品ユニットおよび電気的計測デバイスに関し、さらに詳しく言えば、屈曲および伸縮可能である配線構造体と、その配線構造体を使用した電子部品ユニットおよび柔軟性を有する電気的計測デバイスに関するものである。

電気・電子部品の相互間を接続する配線構造体には、通常、銅線等からなる芯線を電気絶縁性のシースで被覆した導電ケーブルや、柔軟な樹脂フィルム上に銅箔パターンを形成したフレキシブルケーブルが使用されているが、近年、屈曲のみならず伸縮をも可能とした柔軟な配線構造体が提案されている。

その一例として、例えば特許文献１には、伸縮性を有する導線（コイル巻線）をコアとし、それを柔軟性を有する樹脂成型体で被覆した柔軟配線構造体が記載されている。

また、特許文献２および３には、柔軟なエラストマー製の基材の表面に、エラストマーと金属フィラーとの混合体からなる配線を施すことにより、柔軟で屈曲自在な配線構造体が開示されている。

これらの柔軟配線構造体は、多彩な動きに追随することが求められる、例えば人体に貼着して使用される生体センサや、ロボットの関節部や皮膚等に適用することを意図として開発されている。

しかしながら、本発明者らが検討した限り、従来の柔軟配線構造体は、伸縮率が数％程度の可動部に用いられる場合には、特に問題はないと思われるが、例えば２０％を超える変位での繰り返し使用に対しては、塑性変形を起こしたり、内部の配線が断線することがある。

その主たる原因は、電気伝導を担う金属層が固体金属材よりなるためで、外皮としての樹脂成型体等は十分な屈曲性と伸縮性を有しているものの、柔軟配線構造体全体としての屈曲性と伸縮性は、結局のところ金属配線材の屈曲性と伸縮性に支配される。

特開２００９−２６６４０１号公報 特開２０１２−３３６７４号公報 特開２０１２−２４８３４６号公報

そこで、本発明の課題は、広範囲の屈曲および伸縮に追従可能で、長期間にわたって安定して使用することができる配線構造体、電子部品ユニットおよび電気的計測デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による配線構造体は、屈曲および伸縮可能な電気絶縁性の素材からなり、内部に少なくとも１本の配線路を有する筒状に形成されたシースを備え、上記配線路内に導電性液体が充填され、上記配線路の両端が導電性の電極端子部材で封止されていることを特徴としている。

本発明において、上記導電性液体にはイオン液体が好ましく採用される。

また、上記シースは、変形量の大きい可動部等の動きに追従可能とするうえで、スチレンブタジエン系、天然ゴム系、ウレタン系、シリコン系、クロロプレン系またはオレフィン系のいずれか１種の合成樹脂からなることが好ましい。

本発明には、上記筒状のシースの複数本がワイヤハーネス状に一体的に接合されている態様が含まれる。

また、本発明には、所定の機能を有する少なくとも２つの電子部品が上記配線構造体により電気的に接続されている電子部品ユニットも含まれる。

このほか、本発明には、電気的計測デバイスとして、屈曲および伸縮可能な電気絶縁性の素材からなり、内部に少なくとも１本の配線路を有する円筒に形成されたシースを備え、上記配線路内に導電性液体が充填され、上記配線路の両端が導電性の電極端子部材で封止されている配線構造体を含み、上記配線構造体の伸縮に伴う上記導電性液体の抵抗値の変化をもって、当該配線構造体を測長器として用いることを特徴とする柔軟性を有する電気的計測デバイスが含まれる。

さらに、本発明には、屈曲および伸縮可能な電気絶縁性の素材からなり、内部に少なくとも１本の配線路を有する円筒に形成されたシースを備え、上記配線路内に導電性液体が充填され、上記配線路の両端が導電性の電極端子部材で封止されている配線構造体を含み、上記配線路が上記シースの軸線に対して非同軸の位置に設けられており、上記配線構造体の曲げに伴う上記導電性液体の抵抗値の変化をもって、当該配線構造体を歪み計として用いることを特徴とする柔軟性を有する電気的計測デバイスも含まれる。

本発明によれば、屈曲および伸縮可能な素材からなる筒状（チューブ状）のシース内に形成されている配線路内に、電気伝導体として、金属材ではなく導電性液体（好ましくはイオン液体）を充填するようにしたことにより、シースが有する屈曲性および伸縮性が十分に発揮され、広範囲の屈曲および伸縮に追従可能で、長期間にわたって安定して使用することができる配線構造体を提供することができる。

また、この配線構造体は、配線構造体の伸縮に伴って導電性液体の抵抗値が変化することから、測長器（伸び率計測器）としても使用することができる。また、配線路をシースの軸線に対して非同軸の位置に設ければ、配線構造体の曲げに伴って導電性液体の抵抗値が変化することから、歪み計（ストレインゲージ）としても使用することができる。

本発明の第１実施形態に係る配線構造体を示す分解斜視図。 上記第１実施形態の配線構造体のシース本体を示す斜視図 本発明の第２実施形態に係る配線構造体を示す外観斜視図。 上記第２実施形態に係る配線構造体を示す断面図。 （ａ）本発明の配線構造体を使用した電子部品ユニットの一例を示す模式図、（ｂ）電子部品ユニットが変位した状態を示す模式図。 本発明の配線構造体の伸び率と抵抗値の変化の一例を示すグラフ。 本発明の配線構造体を測長器（伸び率計測器）として用いる例を示した模式図。 上記配線構造体を歪み計として構成した本発明の第３実施形態を示す（ａ）長さ方向に沿った断面図、（ｂ）そのＢ−Ｂ線拡大断面図。 上記第３実施形態（歪み計）の使用状態を示す模式的な断面図。

次に、本発明のいくつかの実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１および図２に示すように、この第１実施形態に係る配線構造体１は、基本的な構成として、折曲かつ伸縮可能な素材からなるシース（外皮）２と、シース２の配線路２３内に充填された導電性液体３とを備えている。

この第１実施形態において、シース２は、扁平な板状体からなるシース本体２１と、シース本体２１に被せられるカバー２２とを備えている。シース本体２１およびカバー２２はともに、電気絶縁体性であって屈曲かつ伸縮可能な柔軟な合成樹脂材からなる。

この種の合成樹脂材には、例えば高い柔軟性（屈曲性と伸縮性とを含む）を有するものとしては、スチレンブタジエン系、天然ゴム系、ウレタン系が好適であり、さらに柔軟性と耐久性の両立を図るためには、シリコン系が好ましい。また、シース２に耐薬品製や耐熱性を持たせるには、クロロプレン系やオレフィン系が好ましい。

変形量の大きい可動部等の動きに追従可能とするうえで、シース本体２１およびカバー２２は同一素材で、その物性として５〜１０倍、もしくはそれ以上の伸縮率を備えていることが好ましい。

図２に示すように、シース本体２１には、長手方向の一端側から他端側（図２では左端側から右端側）にかけてスリット状の配線路（配線用の溝）２３が形成されている。この第１実施形態において、配線構造体１をワイヤーハーネスとするため、配線路２３が３列に形成されているが、１列だけであってもよい。

配線路２３は配線用の溝であって、その両端は開放されている。なお、配線路２３の内周面には、導電性液体３による腐食を防ぐため、例えばシリコンコーティングなどの耐食コーティングが施されていることが好ましい。

配線路２３の両端側には、電極端子部材４を係止するための係止溝２４，２４が設けられている。この係止溝２４に沿って、導電性液体３の通電端子としての電極端子部材４を嵌め込むことにより、配線路２３内に充填された導電性液体３の漏出が防止される。

なお、電極端子部材４のシール構造をより確実とするために、係止溝２４と端子部材４との間に、例えばシリコンシーラー等を流し込んで係止部溝２４と電極端子部材４との密着性を向上させてもよい。また、パッキンなどを介在させてもよい。

この第１実施形態においては、配線路２３は長手方向に沿った直線溝として形成されているが、例えば長手方向の側面と短手方向の側面とにかけてＬ字状に形成してもよい。さらには、配線路２３をＴ字状やＹ字状、十字状に形成して、その各開放面に電極端子部材４を配することにより多接点化することもできる。

カバー２２は、シース本体２１と同じ素材で形成されていることが好ましく、配線路２３の開放面を塞ぐように、シース本体２１の上面に取り付けられる。配線路２３を確実に封止するうえで、カバー２２の裏面側（配線路２３との対向面側）に、配線路２３に嵌合する凸状リブを形成してもよい。

カバー２２は、シース本体２１に対して例えば接着剤を介して一体的に貼り合わせられるようになっており、配線路２３の両端に電極端子部材４，４を取り付け、導電性液体３を充填したのち、カバー２３を貼り合わせることで、導電性液体３がシース２の内部に密閉される。

カバー２２の貼り合わせは、接着剤以外に、真空ヒートシール等によってもよく、内部の導電性液体３が漏洩しないように貼り合わせることができれば、仕様に応じて任意に選択可能である。

次に、この実施形態において、導電性液体３にはイオン液体が用いられる。イオン液体とは、１００℃以下の融点を有する塩で、イオンのみからなる液体である。イオン液体は、広い温度域で安定な液体であり、電位窓が広く、難燃性で高いイオン濃度を示すという特徴を備えている。

使用するイオン液体は、アンモニウム塩，イミダゾリウム塩，コリン塩，スルホニウム塩，ホスホニウム塩，ピラゾリウム塩，ピリジニウム塩，ピロリジニウム塩等が好適であるが、イオン液体は、カチオンとアニオンの構造や組み合わせによって自由に分子設計することが可能であるため、目的や仕様に応じて任意に変更されてよい。

電極端子部材４には、例えばアルミニウム板等の金属板が用いられてよく、好ましくは係止溝２４に沿って圧入される。電極端子部材４は、内部の導電性液体（イオン液体）３に対して導電性を備えていればよく、例えばシース２と同じ柔軟な樹脂にカーボンフィラーを練り込んだ導電性樹脂を用いれば、変形追従性のよい電極端子部材とすることができる。

この第１実施形態において、シース２は、シース本体２１とカバー２２との２部材から構成されているが、シース本体２１の成形時に配線路２３を孔として設け、その一方の開口部を端子部材４で塞いだのち、導電性液体３を充填し、他方の開口部端子部材４で塞ぐようにしてもよい。

次に、図３，４を参照して、第２実施形態に係る配線構造体５について説明する。この配線構造体５は、チューブ状のシース６が用いられる。シース６は、上述した第１実施形態と同様の屈曲性および伸縮性を有する合成樹脂材からなり、その内部に導電性液体（イオン液体）３が充電されている。

この第２実施形態において、シース６の両端は、ボール接点（電極端子部材）７，７によって封口されている。ボール接点７，７には、小球の金属ボールが用いられてよく、シース６の両端側に設けられた係止溝６１に嵌合するように圧入される。

これによれば、シース６自体がチューブ状で、任意の方向に屈曲および伸縮可能であることにより、ユーザーが自由に配線することができる。なお、このシース６の複数本を束ねてワイヤーハーネスしてもよい。

次に、図５（ａ），（ｂ）を参照して、本発明の配線構造体１の使用態様の一例について説明する。この配線構造体１は、屈曲および伸縮自在という特徴を生かし、電子部品ユニットの一例として人体貼り付け型の生体モニタ装置に適用される（図３に示すチューブ状の配線構造体５も同様）。

この生体モニタ装置は、人の柔軟な皮膚に貼り付けられ、その動きに追随して屈曲かつ伸縮する柔軟な基板８と、基板８上に実装された電子部品Ｅ１〜Ｅ３を備えている。この例において、電子部品Ｅ１は電源部、電子部品Ｅ２は温度等のセンサ部、電子部品Ｅ３は送信部である。

これら各電子部品間を本発明の配線構造体１で電気的に接続することにより、図５（ｂ）に示すように、人の動きに追従して、プリント基板８とともに配線構造体１も屈曲するため、屈曲や伸縮が繰り返されても確実に導通を確保することができる。

外径１ｍｍ，内径０．８ｍｍ，長さ１５ｍｍのテフロン（登録商標）製のチューブを用意し、その内部にイオン液体（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製の１−ｅｔｈｙｌ−３−ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ系イオン液体、電気伝導度約１０ｍＳ／ｃｍ）を注射器で充填した後、チューブの両端に、直径０．９ｍｍ×長さ２．５ｍｍのアルミニウム製の円柱ブロックを詰めて密封し、イオン液体による配線部分の長さが１０ｍｍの配線構造体を作製した。

この配線構造体を、引張試験器としてイマダ社製の引張試験機（ＭＸ１０００Ｎ計測スタンド＋フォースゲージＺＰ１０００Ｎ）を用いて、伸び率を１〜１．２５超倍として引っ張り試験を行い、内部のイオン液体の抵抗値の変化を測定した。その計測結果を図６のグラフ（横軸：伸び率，縦軸：抵抗値（Ω））に示す。

これによると、初期抵抗値はほぼ１０ｋΩで、伸びに応じて２乗で抵抗値が増加していくが、この試験を繰り返し行っても、ほぼ同様の結果が得られ、繰り返し特性は良好であった。

このように、本発明の配線構造体によれば、屈曲および伸縮自在なシース内に導電性液体（好ましくはイオン液体）を密封したことにより、繰り返し屈曲や伸縮が繰り返される場所に適用されても、長期間にわたって安定した導通を確保することができる。

また、本発明の配線構造体は、上記実施例の図６で観察したように、その伸縮に伴って導電性液体（イオン液体）の抵抗値が大きく変化することから、例えば図３に示した第２実施形態に係るチューブ状の配線構造体５を、図７（ａ）に示すように、伸縮する例えば人体の腕や背中もしくは衣類等の被測定体Ａに図示しない伸縮性を有する両面粘着テープ等で貼り付ける。また、電極端子部材としてのボール接点７，７間に図示しない抵抗計を接続する。

これによれば、図７（ｂ）に示すように、被測定体Ａの伸びに連れて配線構造体５も図７（ａ）の長さＬ１からＬ２まで伸び、その分、イオン液体３の抵抗値が変化するため、長さＬ１時の抵抗値Ｒ１と長さＬ２時の抵抗値Ｒ２との比（Ｒ２／Ｒ１）から、被測定体Ａの伸びの長さ（伸び率）を測定することができる。

別の例として、本発明の配線構造体は、歪み計（ストレインゲージ）としても用いることができる。その実施形態（第３実施形態）を図８，図９により説明する。

図８に示すように、歪み計１０とする場合には、円柱状（角柱状であってもよい）のシース１１を用い、その内部に配線路１２をシース１１の軸線Ｘと非同軸に形成する。

すなわち、配線路１２を軸線Ｘからずれた位置で軸線Ｘと平行となるように形成し、その配線路１２内にイオン液体３を充填する。なお、図８（ａ）には示されていないが、配線路１２の両端には、イオン液体３の漏洩防止を兼ねてボール接点７等の電極端子部材が嵌め込まれ、その電極端子部材間に抵抗計が接続される。

この歪み計１０を被測定体Ａに図示しない伸縮性を有する両面粘着テープ等で貼り付けるにあたって、好ましくは、配線路１２を通る直径線が被測定体Ａの表面に対してほぼ直交するようにする。すなわち、被測定体Ａの表面側から見て、配線路１２が軸線Ｘの真上もしくは真下に位置するようにすることが好ましい。

これによれば、図９に示すように、被測定体Ａの表面が例えば凸面状に湾曲（歪む）するに伴って歪み計１０も同じように湾曲し、図８（ｂ）に示すように、配線路１２が軸線Ｘの真上に配置されている場合には、配線路１２とともにその内部のイオン液体３も伸びる。これとは反対に、配線路１２が軸線Ｘの真下に配置されている場合には、配線路１２とともにその内部のイオン液体３も縮む。

したがって、例えば配線路１２が真っ直ぐのときのイオン液体３の抵抗値をＲ３，湾曲時（歪み時）の抵抗値をＲ４とすれば、その比（Ｒ４／Ｒ３）から、被測定体Ａの歪み率を測定することができる。

以上説明したように、本発明によれば、繰り返し屈曲や伸縮が繰り返される場所に適用されても、長期間にわたって安定した導通を確保することができる配線構造体のほかに、この配線構造体による測長期（伸び率測定器）や歪み計等の電気的計測デバイスをも提供することができる。

１，５ 配線構造体
２，６ シース
２１ シース本体
２２ カバー
２３ 配線路
３ 導電性液体（イオン液体）
４，７ 電極端子部材

Claims (7)

1. 屈曲および伸縮可能な電気絶縁性の素材からなり、内部に少なくとも１本の配線路を有する筒状に形成されたシースを備え、上記配線路内に導電性液体が充填され、上記配線路の両端が導電性の電極端子部材で封止されていることを特徴とする配線構造体。
2. 上記導電性液体がイオン液体であることを特徴とする請求項１に記載の配線構造体。
3. 上記シースは、スチレンブタジエン系、天然ゴム系、ウレタン系、シリコン系、クロロプレン系またはオレフィン系のいずれか１種の合成樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の配線構造体。
4. 上記筒状のシースの複数本がワイヤハーネス状に一体的に接合されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の配線構造体。
5. 所定の機能を有する少なくとも２つの電子部品が、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の配線構造体により電気的に接続されていることを特徴とする電子部品ユニット。
6. 屈曲および伸縮可能な電気絶縁性の素材からなり、内部に少なくとも１本の配線路を有する円筒に形成されたシースを備え、上記配線路内に導電性液体が充填され、上記配線路の両端が導電性の電極端子部材で封止されている配線構造体を含み、上記配線構造体の伸縮に伴う上記導電性液体の抵抗値の変化をもって、当該配線構造体を測長器として用いることを特徴とする柔軟性を有する電気的計測デバイス。
7. 屈曲および伸縮可能な電気絶縁性の素材からなり、内部に少なくとも１本の配線路を有する円筒に形成されたシースを備え、上記配線路内に導電性液体が充填され、上記配線路の両端が導電性の電極端子部材で封止されている配線構造体を含み、上記配線路が上記シースの軸線に対して非同軸の位置に設けられており、上記配線構造体の曲げに伴う上記導電性液体の抵抗値の変化をもって、当該配線構造体を歪み計として用いることを特徴とする柔軟性を有する電気的計測デバイス。

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