JP2018010504A - 伸縮性配線シート及びその製造方法、伸縮性タッチセンサシート - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、この提案では、伸縮性導電体を形成するカーボンナノチューブ等の材料が高価であり、また、十分な導電性を得るためには、含有率を非常に高くする必要があることから、製造コストがより一層嵩む問題がある。
しかしながら、この提案では、エラストマー上に積層された銅箔をエッチングして波状パターンの銅配線を形成するため、製造プロセスが複雑となる問題がある。また、この伸縮性回路基板をタッチセンサシートとして用いる場合、波状構造に逆らって銅配線を伸長させることとなるため、タッチ操作に追従させて形状を変化させにくく、操作感や感度が十分に得られない問題がある。
しかしながら、この提案では、ウレタンゴムの内部に銀粉末を封入して伸縮性を発現する導線を個別に形成することから製造コストが高くなる問題がある。また、形成される導線が伸長や曲げ操作に伴う形状変化に伴って銀粉末間の電気的接触がいずれかの箇所で途絶えると導線として機能しなくなることから柔軟性や耐久性に乏しい問題がある。
しかしながら、この提案では、導電性繊維が高価であり、また、種々のアンテナ形状に応じて切断加工を行う際、無駄となる導電性繊維シートによって更なるコストアップを招く問題がある。
<1> 伸縮性の第1のエラストマーシートと、前記第1のエラストマーシートと対向して配される伸縮性の第2のエラストマーシートと、除荷時に前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの対向面内で周期的に湾曲された波状形状とされるとともに前記波状形状が棒状形状に復元する方向に付勢される状態で前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの間に挟持される導線と、前記第1のエラストマーシートと前記第2エラストマーシートとの間に前記導線と離間された状態及び前記波状形状における波の頂部を含む前記導線の一部と当接された状態のいずれかの状態で配され、前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとを接着させる接着部と、を有することを特徴とする伸縮性配線シート。
<2> 接着部が、間に導線が配されるように前記導線の配線方向における両側部側の領域に一様の厚みで形成される2つの接着層を有して構成される前記<1>に記載の伸縮性配線シート。
<3> 導線の線径方向の断面形状が円形状である前記<1>から<2>のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
<4> 導線の線径が太くとも50μmである前記<1>から<3>のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
<5> 導線のヤング率が小さくとも150GPaである前記<1>から<4>のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
<6> 波状形状における波高が20μm〜5mmとされる前記<1>から<5>のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
<7> 波状形状における波の頂部の曲率半径をAとし、前記波状形状における隣接する前記波間の周期的なピッチ間隔をBとしたとき、A/Bの比が0.05〜0.5である前記<1>から<6>のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
<8> 第1のエラストマーシート及び第2のエラストマーシートの少なくともいずれかの対向面に対し、前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとを接着させる接着部を、導線を配する導線配線領域を避けて形成する接着部形成工程と、前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートを対向させて一の伸長方向に伸長させる伸長工程と、対向する前記第1のエラストマーシート−前記第2のエラストマーシート間の前記導線配線領域に棒状の前記導線を前記伸長方向に沿って配し、前記導線を挟持する状態で前記接着部により前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートを貼り合せる貼合工程と、貼り合された状態の前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートの伸長を開放して除荷し、前記導線を前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの対向面内で周期的に湾曲された波状形状に変形させるとともに前記波状形状が棒状形状に復元する方向に付勢される状態とする除荷工程と、を含むことを特徴とする伸縮性配線シートの製造方法。
<9> 伸縮性の第1のエラストマーシートと、前記第1のエラストマーシートと対向して接着される伸縮性の第2のエラストマーシートと、除荷時に前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの対向面内で周期的に湾曲された波状形状とされるとともに前記波状形状が棒状形状に復元する方向に付勢される状態で前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの間に挟持される導線と、前記第1のエラストマーシートと前記第2エラストマーシートとの間に前記導線と離間された状態及び前記波状形状における波の頂部を含む前記導線の一部と当接された状態のいずれかの状態で配され、前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとを接着させる接着部と、を有し、前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートが透明材料で形成され、前記導線が複数本並設されて形成される2つの伸縮性配線シートを、前記導線の配線方向が直交する状態で対向配置させたことを特徴とする伸縮性タッチセンサシート。
<10> ヘイズ値が大きくとも60%以下である前記<9>に記載の伸縮性タッチセンサシート。
本発明の一実施形態に係る伸縮性配線シート10を図1(a),(b)を参照しつつ説明する。なお、図1(a)は、伸縮性配線シートのシート上面を示す説明図であり、図1(b)は、図1(a)における伸縮性シートのA−A線断面を部分拡大して示す断面図である。
なお、本明細書において「透明性」の用語は、可視光透過率が50%以上であることを示す。
なお、本明細書において「限界伸長率」の用語は、シートを伸長させたときに破断が生じる伸長率を示す。
また、前記厚みの上限としては、特に制限はないが、伸縮性配線シート10に必要な柔軟性、透明性を持たせる観点から、150μm程度が好ましい。
導線2を第1のエラストマーシート1aと第2のエラストマーシート1bとの間にこのような状態で配することで、柔軟性、耐久性及び外力に対する追従性に富む高伸縮性の伸縮性配線シート10が形成される。また、この導線2では、伸長時に電気が流れる経路の長さが除荷時の自然長と変わらず、抵抗値が安定とされる。
なお、この導線2の配線状態の形成方法は、後述の製造方法の欄において詳述する。
また、本明細書において「除荷」の用語は、伸縮性配線シート10に対し、伸長や曲げ等の形状変化を加えない状態を示す。
また、導線2の線径としては、特に制限はないが、伸縮性配線シート10に透明性を付与する観点から、太くとも50μmであることが好ましく、太くとも25μmであることがより好ましく、太くとも12μmであることが特に好ましい。なお、導線2の断面形状が円形状以外である場合の線径としては、その断面形状において長さが最も長くなる位置での径が該当する。また、導線2の線径の下限としては、1μm程度である。
即ち、図2(a)に示すように、弾性係数が小さいと曲率半径が小さい波形となり、弾性係数が大きいと曲率半径が大きい波形となる。なお、図2(a)は、導線2の形成材料の弾性係数と、前記波状形状における波頂部の曲率半径との相関関係を説明するための説明図である。
ここで、弾性係数が小さく曲率半径が小さい波形では、図2(b)に拡大して示すように、伸縮性配線シート10に伸長や曲げ等の形状変化を加えたときに導線2が破断し易く、弾性係数が大きく曲率半径が大きい波形では、図2(c)に拡大して示すように、伸縮性配線シート10に伸長や曲げ等の形状変化を加えたときに導線2が破断しにくい。なお、図2(b)は、弾性係数が小さく曲率半径が小さい波形について、図2(a)中の円で囲んだ部分を拡大して示す拡大図であり、図2(c)は、弾性係数が大きく曲率半径が大きい波形について、図2(a)中の円で囲んだ部分を拡大して示す拡大図である。
なお、前記波状形状の波形は、公知の光学顕微鏡、デジタルマイクロスコープ、電子顕微鏡、X線顕微鏡により伸縮性配線シート10の外部から確認することができる。
導線2の形成材料としては、特に制限はなく前記各特徴を考慮して適宜選択することができ、例えば、SUS304に代表されるステンレス鋼、タングステン、タングステン合金、炭素鋼等の公知の金属線、炭素繊維等が挙げられる。なお、前記金属線に関し、前記ピアノ線や前記SUS304線のように比較的抵抗率の高いものについては、表面に銅や銀等の抵抗率の低い金属をめっきして用いることもできる。
導線2の種類と、その縦弾性係数及び抵抗率とを下記表1に例示する。該表1に示すように、導線2として弾性係数が大きなピアノ線、SUS304線を用いる場合、曲率半径が大きく破断が生じにくい。一方、抵抗率は、銅線が最も低い。したがって、導線2を曲率半径が大きく破断が生じにくく、更に、低抵抗率とする場合、前記ピアノ線、前記SUS304線に対して、抵抗率の低い前記金属をめっきしたものを用いることが特に好ましい。なお、下記表1における縦弾性係数及び抵抗率は、線径方向の断面が円形状の導線材における値を示したものである。
即ち、前記波状形状における個々の波形状が不均一であると、導線2の一部に負荷が集中して破断等が生じ易くなる。また、製造される複数の伸縮性配線シート10間における伸縮性が不均一となり、伸縮性能が安定した伸縮性配線シート10を製造できないことがある。例えば、第1のエラストマーシート1aの対向面の全面に接着層を塗工し、この状態の第1のエラストマーシート1a−第2のエラストマーシート間に導線2を配してこれらシートを貼り合せると、棒状の導線2が前記波型形状に変化する際に前記接着層が導線2と全体的に当接するため、前記接着層がこの変形を妨げ、延いては、前記波状形状における個々の波形状が不均一となることがある。
なお、接着部3a,3bとしては、導線2の線径と同程度である。
本発明の伸縮性配線シートの製造方法は、接着部形成工程と、伸長工程と、貼合工程と、除荷工程と、を含み、必要に応じて、その他の工程を含む。
これらシートを一の伸長方向に伸長させる方法としては、特に制限はなく、例えば、公知の張力装置を用いてこれらシートに張力を与える方法が挙げられる。
また、前記伸長工程における第1のエラストマーシート及び第2のエラストマーシートの伸長率(初期伸長率)としては、これらシートの限界伸長率未満であれば特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができる。
前記対向する前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートの間に前記導線を配する方法としては、特に制限はなく、公知の回転ローラでこれらシート間に前記導線を供給する方法等が挙げられる。
また、前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートを貼り合せる方法としては、特に制限はなく、2つの圧着ローラ間にこれらシートが密着する状態で挿通させる方法やプレス機を用いてこれらシートを圧着させる方法等が挙げられる。
この工程において、除荷前の前記導線が前記導線配線領域に配されているため、除荷により前記導線が前記波型形状に変化する際に前記接着層が前記導線の全体と当接して、前記接着層の変形を妨げることを避け易い。延いては、前記波状形状における個々の波形状を均一化させ易くすることができる。
例えば、図示のように、第1のエラストマーシート1aの長手方向中央部を前記導線配線領域とし、この導線配線領域以外の領域に接着部3a,3bを塗工する。
以上により、伸縮性配線シート10が製造される。
次に、図4を参照しつつ前記伸縮性配線シートの製造装置の一例について説明する。この製造装置は、本発明の前記伸縮性配線シートの製造方法により前記伸縮性配線シートの大量製造を可能とするものである。なお、図4は、伸縮性配線シートの製造装置の一例を示す説明図である。
なお、圧着ローラ27a,bから送出された伸縮性配線シートは、公知の裁断装置により目的に応じた大きさに裁断される。
次に、本発明の伸縮性タッチセンサシートについて図5(a)を参照しつつ説明する。なお、図5(a)は、伸縮性タッチセンサシートの構成例を示す説明図である。
即ち、伸縮性タッチセンサシート30は、前記伸縮性の第1のエラストマーシートと、前記第1のエラストマーシートと対向して接着される伸縮性の前記第2のエラストマーシートと、除荷時に前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの対向面内で周期的に湾曲された前記波状形状とされるとともに前記波状形状が棒状形状に復元する方向に付勢される状態で前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの間に挟持される前記導線と、前記第1のエラストマーシートと前記第2エラストマーシートとの間に前記導線と離間された状態及び前記波状形状における波の頂部を含む前記導線の一部と当接された状態のいずれかの状態で配され、前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとを接着させる接着部と、を有し、前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートが透明材料で形成され、前記導線が複数本並設されて形成される2つの伸縮性配線シート10a,bを、前記導線の配線方向が直交する状態で対向配置させて構成される。
このように構成される伸縮性タッチセンサシート30では、前記波状形状の導線が予め外力を受けて変形する方向に付勢されて配されるため、タッチ操作に追従させて形状を変化させ易く、操作感や感度に優れる。また、伸長方向と曲げ方向とのいずれの形状変化に対しても耐性を有するため、設置場所が曲面である場合でも、曲面に追従させて配することができる。
一例として、静電容量型タッチセンサの構成例を図5(b)に示す。
この静電容量型タッチセンサでは、縦横のマトリクス状に配され、通電状態の前記各導線の一方の端部に静電容量変化検出回路が接続され、タッチ操作に伴う伸縮性タッチセンサシート30の静電容量変化を検出する。
なお、図示の例では、1本の前記導線を1つの検出ラインとして構成しているが、検出に最適な抵抗値を得にくい場合は、複数本の前記導線に対して1つの静電容量変化検出回路を接続して、これを1つの検出ラインとすることもできる。
一方、伸縮性タッチセンサシート30を前記静電容量型タッチセンサに用いる場合、伸縮時の抵抗値変化が30%以下となるように前記導線の材料を選択することが好ましい。また、1検出ラインの単位長さあたりの抵抗値が500Ω/cm以下となるように設計されることが好ましい。
また、伸縮性タッチセンサシート30のヘイズ値(曇価)としては、透明性の観点から小さい程(例えば3%)好ましく、大きくとも60%であることが好ましい。なお、このヘイズ値は、シートに可視光を照射し、全透過光に対する拡散透過光の割合を計測することにより測定される。
ここで、前記導線の線径及びタッチセンサまでの距離と視認性との関係性を下記表2に示す。
一方、自動販売機やデジタルサイネージのように大型の画面を用い、画像の高精細さが要求されず、1m以上の距離から観察されるような用途で用いる場合、前記導線の線径としては、40μm以下程度であってもよい。
また、人間の関節など、摺動部用のウエアラブルデバイス用タッチセンサに適用する場合、高い伸縮性と耐久性が要求されることから、伸長率が50%以上で、耐屈曲回数が10万回以上であることが好ましい。
また、自動車の内装などの曲面にタッチセンサを貼り付けて実装する場合、伸長率が60%以上で、前記導線の抵抗変化率が5%以下であることが好ましい。
第1のエラストマーシート及び第2のエラストマーシートとして限界伸長率が600%の市販のウレタン系エラストマーシートと、導線として線径が12μmのSUS304線(引張強さ3,170MPa)とを用い、先に説明した前記伸縮性配線シートの製造方法(図3(a)〜(c)参照)にしたがって、実施例に係る伸縮性配線シートを製造した。
ここで、第1のエラストマーシート及び第2のエラストマーシートとの接着に用いる接着部(接着層)の形成材料としては、市販のウレタンジェル系粘着剤を用い、前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートの貼り付け時における初期伸長率は、100%(除荷時の2倍の長さに伸長させる伸長率)とした。
また、2つの接着部間に形成される導線配線領域(図3(a)参照)における、前記2つの接着部間の最短距離として表される前記導線配線領域の間隔(図3(a)中の短手方向の長さ)を1mmとし、前記導線配線領域の長手方向の略中央に前記導線を配した状態で、前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートの貼り合せ及びこれらシートに対する伸長の除荷を行った。
第1のエラストマーシート及び第2のエラストマーシートの各対向面の全面に前記接着部(接着層)を形成し、これらシートの対向面間に前記導線を配したこと以外は、実施例と同様にして、比較例に係る伸縮性配線シートを製造した。
図6,7の比較を通じて理解されるように、比較例に係る伸縮性配線シートでは、前記波形形状の個々の波形状が不均一になりがちであるのに対し、実施例に係る伸縮性配線シートでは、前記波形形状の個々の波形状が比較的均一なものとされている。
したがって、本発明によれば、簡易かつ低コストに製造することができ、柔軟性、耐久性及び外力に対する追従性に富む高伸縮性の伸縮性配線シートを提供することができ、特に、前記波形形状の個々の波形状が均一化されることで、不均一部分に負荷が集中することによる耐久性の低下や不均一部分の存在による個々の伸縮性配線シート間での伸縮性能の不安定化等を避け、より一層、製造し易く耐久性等を向上させた伸縮性配線シートを提供することができる。
1b 第2のエラストマーシート
2 導線
3a,b 接着部
10 伸縮性配線シート
20 伸縮性配線シートの製造装置
26a 第1のエラストマーシート供給ローラ
26b 第2のエラストマーシート供給ローラ
27a,b 圧着ローラ
28a,b,c 導線供給ローラ
29a,b,c ダンサーローラ
Claims (10)
- 伸縮性の第1のエラストマーシートと、
前記第1のエラストマーシートと対向して配される伸縮性の第2のエラストマーシートと、
除荷時に前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの対向面内で周期的に湾曲された波状形状とされるとともに前記波状形状が棒状形状に復元する方向に付勢される状態で前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの間に挟持される導線と、
前記第1のエラストマーシートと前記第2エラストマーシートとの間に前記導線と離間された状態及び前記波状形状における波の頂部を含む前記導線の一部と当接された状態のいずれかの状態で配され、前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとを接着させる接着部と、
を有することを特徴とする伸縮性配線シート。 - 接着部が、間に導線が配されるように前記導線の配線方向における両側部側の領域に一様の厚みで形成される2つの接着層を有して構成される請求項1に記載の伸縮性配線シート。
- 導線の線径方向の断面形状が円形状である請求項1から2のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
- 導線の線径が太くとも50μmである請求項1から3のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
- 導線のヤング率が小さくとも150GPaである請求項1から4のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
- 波状形状における波高が20μm〜5mmとされる請求項1から5のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
- 波状形状における波の頂部の曲率半径をAとし、前記波状形状における隣接する前記波間の周期的なピッチ間隔をBとしたとき、A/Bの比が0.05〜0.5である請求項1から6のいずれかに記載の伸縮性配線シート。
- 第1のエラストマーシート及び第2のエラストマーシートの少なくともいずれかの対向面に対し、前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとを接着させる接着部を、導線を配する導線配線領域を避けて形成する接着部形成工程と、
前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートを対向させて一の伸長方向に伸長させる伸長工程と、
対向する前記第1のエラストマーシート−前記第2のエラストマーシート間の前記導線配線領域に棒状の前記導線を前記伸長方向に沿って配し、前記導線を挟持する状態で前記接着部により前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートを貼り合せる貼合工程と、
貼り合された状態の前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートの伸長を開放して除荷し、前記導線を前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの対向面内で周期的に湾曲された波状形状に変形させるとともに前記波状形状が棒状形状に復元する方向に付勢される状態とする除荷工程と、
を含むことを特徴とする伸縮性配線シートの製造方法。 - 伸縮性の第1のエラストマーシートと、前記第1のエラストマーシートと対向して接着される伸縮性の第2のエラストマーシートと、除荷時に前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの対向面内で周期的に湾曲された波状形状とされるとともに前記波状形状が棒状形状に復元する方向に付勢される状態で前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとの間に挟持される導線と、前記第1のエラストマーシートと前記第2エラストマーシートとの間に前記導線と離間された状態及び前記波状形状における波の頂部を含む前記導線の一部と当接された状態のいずれかの状態で配され、前記第1のエラストマーシートと前記第2のエラストマーシートとを接着させる接着部と、を有し、前記第1のエラストマーシート及び前記第2のエラストマーシートが透明材料で形成され、前記導線が複数本並設されて形成される2つの伸縮性配線シートを、前記導線の配線方向が直交する状態で対向配置させたことを特徴とする伸縮性タッチセンサシート。
- ヘイズ値が大きくとも60%以下である請求項9に記載の伸縮性タッチセンサシート。
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