JP2020016550A - センサシート及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、本発明のセンサシートは、生体内に埋め込まれて人工関節間その他の生体内の圧力情報の取得、衣服が肌に触れるときの荷重やせん断応力の計測、歩行時の足裏の荷重及びせん断応力の分布計測、ゴルフや野球等スイング時などの特定の動作の際に、手のひらに掛かる荷重及びせん断応力の分布計測などに使用可能である。
例えば特許文献1に記載のセンサシートは、対向する2つの電極間に導電樹脂層が配置され、荷重によって導電樹脂層が変形することによる電極間抵抗値の変化を利用して測定する。
また特許文献2に記載のセンサシートは、2枚の矩形の平行板電極間に、導電樹脂層としての磁性ゴム体が配置された構成であり、物体に接触して接触面に平行(せん断方向)に動いた際に受けるずり力を検知する。
また、一定面積当たりの力の測定精度を上げるためには、センシング部(検知部)を小型化し高集積とすることが有効である。
以上のことから、触覚センサに使用する電極の微細化が求められている。
センササイズを小さくする場合、電極及びリードは、金属ペーストをグラビアオフセットやスクリーン印刷など印刷によって形成される。
力に対して十分な変形をするためには、導電層の厚みが重要な要素となる。導電層が厚くなるほど変形しやすくなり、導電層が薄い場合と比べて小さい力の検出が可能となるため、センサの分解能が高くなる。
また、測定ノイズを抑えてセンサ精度を高める観点から、導電樹脂層は、センサとして力の検知を担う部分(負荷された荷重に比例して変形出来る部分)のみに配置することが望ましい。
また、検知面が曲面等によって、センサに曲げが必要とされる状況において、導電樹脂層がある部分と無い部分で曲がり方に差が生じて、十分に曲げられないおそれがある。また、導電樹脂層とそれ以外の厚み差(段差)が大きいと、その部分に応力が集中しセンサそのものが破損する可能性もある。
また、本発明の一態様であるセンサシートの製造方法は、上記の一態様であるセンサシートの製造方法であって、基材上に、複数の上記第一電極、上記第一電極上に配置される上記導電樹脂層、及び上記隔壁層を形成する工程と、上記導電樹脂層及び隔壁層を形成後に、上記第二電極及び上記第二電極に接続するリードを印刷で形成する工程と、を備え、上記第二電極側における、隣り合う上記導電樹脂層と上記隔壁層との段差が6μm以下に調整する。
また、導電樹脂層間に隔壁層を設けることで、導電樹脂層を厚くしても、導電樹脂層間の段差が小さいため、断線することなく電極を形成することが出来、繰り返し曲げ測定に耐えるセンサを得ることができる。すなわち、断線や耐久性の劣化を抑制可能なセンサシートを提供することが可能となる。
ここで、図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。すなわち、以下に示す電極の形状やリードの引き回し、及び力の測定を行う電極の数は一例であり、本説明の内容に限定されるものではない。
まず、第一実施形態について説明する。
<構成>
図1の模式図で示すように、第一実施形態のセンサシートは、3対の対向電極、つまり三組の検知部100を備え、三種類の荷重情報を検出する構成となっている。
具体的には、センサシートは、基材1と、基材1上に設けられた三個の第一電極2と、各第一電極2と各第二電極5との間にそれぞれ形成された導電性樹脂からなる導電樹脂層3とを備える。上記導電樹脂層3間の空間には、絶縁性樹脂からなる隔壁層4が配置され、その隔壁層4によって、隣り合う導電層樹脂同士が電気的に直接接触することが防止される。
また、隔壁層4は導電樹脂層3よりも柔らかいことが好ましい。隔壁層4が導電樹脂層3よりも柔らかいほど、隔壁層4が導電樹脂層3の変形を拘束することが低減される。ただし、余り柔らかいと、隔壁を介して隣り合う導電樹脂層3の挙動がずれるおそれがある。
また、第二電極5側における、隣り合う導電樹脂層3と隔壁層4は面一が好ましく、両者の段差Δhは6μm以下であることが好ましい。より好ましくは5μm以下である。
本実施形態のセンサシートの平面視での面積は、平面視で、矩形形状に換算して2mm×1mm以上10mm×10mm以下の寸法となっている。センサシートは、平面視での形状が矩形である必要はない。
なお、図1は、3つの検知部100が一列に並ぶように展開した状態での断面図である。実際には3つの検知部100は、後述のように一列に並んでおらず、できるだけコンパクトとなるような配置構成となっている。
図2に示すパターンで、三組の検知部100の各第一電極2が構成され、その3つの第一電極21〜23は、共通するリード6で接続されている。この例では、第一電極2をコモン電極としている。3つの第一電極21〜23やリード6の配置は、この例に限定されず、センシングするための回路によって自由に取り回しを変えることが出来る。
第一電極21は、接触圧力を測定するための電極であり、方形状をしている。第一電極22及び23は、紙面横及び縦方向の各せん断応力を測定するための電極であり、長方形の形状をしている。第一電極22が紙面横方向のせん断応力を、第一電極23が紙面縦方向のせん断応力を、それぞれ測定する役割を持っている。図2では第一電極22、23内部にスリットが設けられているが、説明のための一例である。各第一電極21〜23の形状に特に制限はない。
各第一電極2及びリード6の配線厚みは、例えば2μm以上3μm以下である。
図3に示すように三個の第二電極51〜53が配置される。三個の第二電極51〜53は、各検知部100毎に、対応する第一電極21〜23とそれぞれ導電樹脂層3を介して対向するように配置される。また、各第二電極51〜53から個別にリード7が延びている。
第二電極51は、第一電極21と対向配置している。無負荷状態では、平面視において、第二電極51は、第一電極21からはみ出さない程度に第一電極21より小さくなっている。これにより、対向する第一電極21と第二電極52の部分ではせん断力によってずれが生じても対向する部分の重なり面積が変わらず、抵抗値変化が生じないため、純粋に接触圧力のみを取り出すことが出来る。
第二電極5及びリード7の配線厚みは、例えば2μm以上3μm以下である。
導電樹脂層3は、導電性樹脂から構成される。
導電性樹脂は、バインダ樹脂に導電材料が分散されて構成されている。
バインダ樹脂は、例えば熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂からなる。熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂は、例えばアクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などからなる。
第一の導電性樹脂の導電材料は、例えば金属粒子や、グラファイトやカーボンナノチューブなどの導電性のカーボン、或いは導電性高分子からなる。導電性高分子としては、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールなどが例示できる。また、導電性樹脂は導電ゴムであってもよい。
隣り合う導電樹脂層3の間の間隔Hは、例えば10μm以上1000μm以下である(図4(a)参照)。
導電樹脂層3の膜厚は、10μm以上が好ましい。10μmよりも層が薄いと、力による変形が起きづらくなる。
また導電樹脂層3の膜厚は例えば30μm以下である。
隔壁層4は絶縁性樹脂からなる。
隔壁層4を構成する絶縁性樹脂は、電気抵抗が高く柔軟で変形しやすく、屈曲に耐える材料が好ましい。そのような材料としては、例えばシリコーンゴムなどのシリコーン樹脂が例示出来る。を用いるとよい。
隔壁層4は、導電樹脂層3よりも柔らかいことが好ましい。
例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂からなるゴム材は、デュロメーターでの測定で0〜30程度であるが、シリコーンゴムは、デュロメーターでの測定で100以上である。
また、第二電極5側における、隣り合う導電樹脂層3と隔壁層4は面一が好ましく、両者3,4の段差Δhは6μm以下であることが好ましい(図4(b)参照)。より好ましくは、段差Δhは5μm以下である。
基材1は、可撓性を有することが好ましく、例えばプラスチックフィルムや紙からなる。プラスチックフィルムの材料としてはPETやPEN、ポリイミドなどが例示できる。基材1は、印刷用のインキの乾燥条件やセンサとしての用途に合わせて適宜選択できる。
本実施形態のセンサシートの製造方法の一例について図5を参照しつつ説明する。
基材1上に印刷によって三つの第一電極2を形成する(図5では基材1は省略されている)。その後、印刷によって、3つの各第一電極21〜23の上に個別に導電性樹脂を有する塗布液を塗布して導電樹脂層3を形成する(図5(a)参照)。
その形成した導電樹脂層3間に、印刷によって絶縁性樹脂を有する塗布液を塗布して隔壁層4を設ける(図5(b)参照)。このとき、導電樹脂と隔壁層4との間の段差Δhが6μm以下になるように、隔壁層4を形成する。なお、隔壁層4を形成してから、導電樹脂層3を形成しても良いし、基材1上の全面に導電樹脂層3を形成したのち、隔壁層4となる部分を除去して隔壁層4を形成するようにしても良い。また、導電樹脂層3及び隔壁層4を形成したのち、上面を平滑化する処理を施しても良い。
なお、図示しないが、第一電極2、第二電極5、導電樹脂層3、隔壁層4それぞれの形成時には、他層との見当合わせのためのマークを別途形成してもよい。
ここで、第一電極2及び第二電極5の形成は、印刷によって行う。印刷方法に制限はなく、スクリーン印刷やオフセット印刷等公知の印刷手段を用いることが出来るが、小さな電極サイズでも印刷が可能という点で、グラビアオフセット印刷を用いることが望ましい。
印刷に用いるインキは、導電性があるものが求められる。数マイクロメートルから数十ナノメートルの貴金属粉末を熱硬化性樹脂に混合したペーストを用いるのが一般的であるが、カーボンやアルミなどでも構わないし、合金や混合物であってもよい。
導電樹脂層3や隔壁層4の形成、印刷法やスピンコートなどの塗布法によって行うことができる。ただし、電極の上への積層や、パターニング、厚く塗ることも考えると印刷法が好ましく、さらに好ましい方法はスクリーン印刷である。
同一平面に配置された複数の第一電極2と第二電極5間の空間に対し、導電樹脂層3と隔壁層4とからなる樹脂層が配置されている。対向する第一電極2と第二電極5間の力検知部分に導電性を持つ導電樹脂層3が、それ以外の部分に隔壁層4が配置されている。導電樹脂層3に、力検出のために十分な厚みを持たせても、導電樹脂層3と隔壁層4との間の段差Δhが6μm以下であるため、樹脂層の厚みが均一となり、第二電極5を断線することなく形成できる。
次に、第二実施形態について図面を参照しつつ説明する。
<構成>
本実施形態のセンサシートの基本構成は第一実施形態と同様である。
但し、図6(c)のように、本実施形態のセンサシートは、複数の検知部100の各第一電極2及びその第一電極2に接続するリード6が、絶縁性樹脂からなるシート状で且つ導電樹脂層3よりも柔軟性を有する第一樹脂層90に固定されると共に、複数の検知部100の各第二電極5及び第二電極5に接続するリード7が、絶縁性樹脂からなるシート状で且つ導電樹脂層3よりも柔軟性を有する第二樹脂層91に固定される。
この構成によれば、センサシートの両面が、シリコーン樹脂からなる第一及び第二樹脂層90、91で覆われた状態となる。第一及び第二樹脂層90,91を基材1よりも柔軟な構成とすることで、センサシートが、基材1を含めて形成されていたときよりも柔軟になり、局面への追従が容易になる。また、各電極が第一,第二樹脂層90,91で覆われることにより、電極が柔軟な材料で保護され曲げたときに破損しづらくなる効果もある。また、複数の電極性の追従性も向上し、さらに断線し難くなる。
なお、図6(c)では、第一樹脂層90の下層に基材1を有するが、センサシートは、基材1を第一樹脂層90から剥離して使用する。
本実施形態のセンサシートの製造方法の一例について図6を参照して説明する。
基材1の上に、第一樹脂層90を形成する(6(a)参照)。第一樹脂層90の形成方法は、例えば、スピンコートやディップコート、各種印刷法など公知の方法を用いる。この層はパターニングする必要は無い。
なお、基材1を第一樹脂層90から剥離し易いように、基材1に離形剤を塗ってから第一樹脂層90を形成しても構わない。
導電樹脂層3及び隔壁層4を形成後に、第二電極5及び上記第二電極5に接続するリードを印刷で形成する(6(b)参照)。
その後、第二電極5及び上記リードを覆うようにして第二樹脂層91を形成する(6(c)参照)。第二樹脂層91の形成は、第一樹脂層90と同様に行えば良い。
そして、使用前に、第一樹脂層90から基材1を剥離する。
以上のように、以上の実施形態によれば、導電樹脂層3間に隔壁層4を設けることで、隣り合う検知部100を近接して配置することができることからセンサを小型化することが可能となる。
また、導電樹脂層3間に隔壁層4を設けることで、導電樹脂層3を厚くしても、断線することなく電極を形成することが出来、繰り返し曲げ測定に耐えるセンサを得ることができる。すなわち、断線や耐久性の劣化を抑制可能なセンサシートを提供することが可能となる。
また、センサシートが小型化するほど、第二電極5を印刷で形成することが望ましい。このとき、リードが導電樹脂層3と隔壁層4とに跨がった形成されるため、導電樹脂層3と隔壁層4との間の段差Δhは6μm以下が好ましい。発明者が確認したところでは、段差Δhを6μm以下に調整することで、有意に断線が防止出来ることを確認した。
ここで、本実施形態のセンサシートで用いられる力測定の仕組みについて説明する。
図7は、接触圧力センシングモデルの概念図である。
接触圧力センサモデルは、上下の電極200,201が導電樹脂層202を介して対向配置されて構成される。上下の電極200,201は信号入出力のリード(不図示)を介して電源(不図示)などに接続している。
接触圧力センサモデルでは、指を電極200に接触して、電極200を電極201側に向けて押圧力F1で押すと(図7(a)参照)、押圧力F1に応じた分だけ導電樹脂層202が圧縮方向に変形して、対向する電極200,201間の距離が縮まる。導電樹脂層202が圧縮方向に変形すると、その圧縮量に応じた分だけ、導電樹脂層202の電気抵抗値が低下し、そのときに発生する電極間の電位や抵抗値の変化を、接触圧力分に相当する信号値として検出することができる。
せん断応力センシングモデルは、接触圧力センサモデルと同様に、上下の電極200,201が導電樹脂層202を介して対向配置されて構成される。上下の電極200,201は信号入出力のリード(不図示)を介して電源(不図示)等に接続している。
せん断応力センシングモデルでは、指を電極200に接触して、電極200を紙面左に向かって横方向に押してせん断応力F2を与えると(図8(a)参照)、せん断応力F2に応じた分だけ導電樹脂層202が紙面左側に向けてせん断変形して、電極200に対し電極201が紙面左側に相対変位する。すると、一対の電極200,201間に位置する樹脂層部分202Aが縦断面平行四辺形に弾性変形し、一対の電極200,201間の距離が増加して、せん断応力F2に応じた分だけ一対の電極200,201間の電気抵抗値が増加する。そして、電極間の電気抵抗値の変化や電極間に流れる電流量の変化が、せん断応力値に相当する信号値として検出することができる。ここで、電流は、導電樹脂層202中の抵抗が低く且つ最短のルートで流れようとするため、平面視における上下の電極200,201の重なり量の変化を、せん断応力F2に応じた抵抗値の変化量と近似させることも可能である。
以上のように、本実施形態の接触センサでは、負荷された押圧力とせん断応力を同時に検出することが可能な構成となっている。
<実施例1>
基材1として125μmのポリイミドフィルム(東レ(株)製:カプトン500V)を準備した、その基材1の上に、図1に示すパターンで複数の第一電極2をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は7.5mm×7.5mmであり、配線部分は幅30μmで形成した。また、電極の厚みは3μmとした。
次いで、各第一電極2にナガセケムテックス(株)製の導電性高分子SP−801をスクリーン印刷により塗布して硬化させ導電樹脂層3とした。このときの導電樹脂層3の厚みは10μmだった。
グラビアオフセット印刷を用いて、導電樹脂層3及び隔壁層410上に、図3に示すパターンで、第二電極5を形成し、実施例1のセンサシートとした。配線幅や電極厚みは第一電極2と同等とした。
また、センサシートを曲げ半径2mmで10回折り曲げても、電極の断線は無いことを確認した。
基材1として125μmのポリイミドフィルム(東レ(株)製:カプトン500V)を準備した。基材1の上に、図2に示すパターンで複数の第一電極2をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は7.5mm×7.5mmであり、配線部分は幅30μmで形成した。また、電極の厚みは3μmとした。
次いで、各第一電極2上に十条ケミカル(株)製の導電性カーボンペーストCH−Nをスクリーン印刷により塗布して硬化させ導電樹脂層3とした。このときの導電樹脂層3の厚みは15μmだった。
グラビアオフセット印刷を用いて、導電樹脂層3及び隔壁層4上に図3に示すパターンで第二電極5を形成し、実施例2のセンサシートとした。配線幅や電極厚みは第一電極2と同等とした。
このセンサをテスターに繋ぎ、第一電極2と第二電極5間に5Vの直流電圧をかけた状態で第二の電極上から指で押したり、なでたりすると流れる電流値の変化がみられたことにより、センサとしての動作を確認した。
また、センサシートを半径2mmの棒に巻きつけながら10回しごきを入れても、電極の断線は無いことを確認した。
基材1として125μmのポリイミドフィルム(東レ(株)製:カプトン500V)を準備した。基材1全体に東レ・ダウコーニング(株)製のSILPOT184w/cに加硫剤を混ぜ、スピンコートで塗布し硬化させ第一樹脂層90とした。次に、第一樹脂層90上に第一電極2をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は7.5mm×7.5mmであり、配線部分は幅30μmで形成した。また、電極の厚みは3μmとした。
次に導電樹脂層3の表面を保護し、基材1の上に東レ・ダウコーニング(株)製のSILPOT184w/cに加硫剤を混ぜ、導電樹脂層3と同じ膜厚となるようスピンコートで塗布し硬化させ隔壁層4とした。このとき導電樹脂層3と隔壁層4の膜厚差は4μmだった。
グラビアオフセット印刷を用いて、導電樹脂層3及び隔壁層4上に図3に示すパターンで第二電極5を形成し、センサとした。配線幅や電極厚みは第一電極2と同等とした。
このセンサをテスターに繋ぎ、第一電極2と第二電極5間に5Vの直流電圧をかけた状態で第二の電極上から指で押したり、なでたりすると流れる電流値の変化がみられたことにより、センサとしての動作を確認した。
また、センサシートを曲げ半径2mmで10回折り曲げても、電極の断線は無いことを確認した。
基材1として125μmのポリイミドフィルム(東レ(株)製:カプトン500V)を準備した。基材1の上に、図1に示すパターンで、複数の第一電極2をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は7.5mm×7.5mmであり、配線部分は幅30μmで形成した。また、電極の厚みは3μmとした。
次いで、各第一電極2上に十条ケミカル(株)製の導電性カーボンペーストCH−Nをスクリーン印刷により塗布して硬化させ導電樹脂層3とした。このときの厚みは15μmだった。
次いで、第二電極5を導電樹脂層3の上からグラビアオフセット印刷にて印刷したところ、導電樹脂層3のところで電極が断線し、センサが作製できなかった
このシートをテスターに繋いで第一電極2と第二電極5間に5Vの直流電圧をかけた状態で第二の電極上から指で押したり、なでたりしたところ、導通が取れなかった。
基材1として125μmのポリイミドフィルム(東レ(株)製:カプトン500V)を準備した。基材1の上に、図1に示すパターンで複数の第一電極2をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は7.5mm×7.5mmであり、配線部分は幅30μmで形成した。また、電極の厚みは3μmとした。
次いで、各第一電極2上にナガセケムテックス(株)製の導電性高分子SP−801をスクリーン印刷により塗布して硬化させ導電樹脂層3とした。このときの厚みは4μmだった。
このセンサシートをテスターに繋いで第一電極2と第二電極5間に5Vの直流電圧をかけた状態で第二の電極上から指で押したりなでたりしたところ、流れる電流値の変化がみられたことにより、センサとしての動作を確認した。
しかし、センサシートを曲げ半径2mmで折り曲げたところ導電樹脂層3と基材1の段差Δhのところで電極が断線し、破損した。
2 第一電極
21,22,23 第一電極
3 導電樹脂層
4 隔壁層
5 第二電極
51,52,53 第二電極
6、7 リード
90 第一樹脂層
91 第二樹脂層
100 検知部
H 間隔
Δh 段差
Claims (7)
- 対向配置された第一電極と第二電極との間に導電性樹脂からなる導電樹脂層が介挿されてなる検知部が、同一平面上に複数個配置され、隣り合う上記検知部における上記導電樹脂層間に、絶縁性樹脂からなる隔壁層が配置されていることを特徴とするセンサシート。
- 上記隔壁層は、上記導電樹脂層よりも柔らかいことを特徴とする請求項1に記載したセンサシート。
- 上記複数の検知部は、同一の基材上に上記第一電極側が固定されており、
隣り合う上記導電樹脂層の間の間隔は、10μm以上1000μm以下であり、
隣り合う上記導電樹脂層の間の間隔を埋めるように上記隔壁層が配置され、
上記第二電極側における、隣り合う上記導電樹脂層と上記隔壁層との段差が、6μm以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載したセンサシート。 - 上記複数の検知部として少なくとも2つの検知部を有し、その一方が押圧力を検出する接触圧力検知用の検知部であり、他方がせん断応力を検出するずり力検知用の検知部であり、上記接触圧力検知用の検知部と上記ずり力検知用の検知部とが隣り合って配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載したセンサシート。
- 上記複数の検知部の各第一電極が、絶縁性樹脂からなるシート状で且つ上記導電樹脂層よりも柔軟性を有する第一樹脂層に固定され、上記複数の検知部の各第二電極が、絶縁性樹脂からなるシート状で且つ上記導電樹脂層よりも柔軟性を有する第二樹脂層に固定されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載したセンサシート。
- 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載したセンサシートの製造方法であって、
基材上に、複数の上記第一電極、上記第一電極上に配置される上記導電樹脂層、及び上記隔壁層を形成する工程と、
上記導電樹脂層及び隔壁層を形成後に、上記第二電極及び上記第二電極に接続するリードを印刷で形成する工程と、を備え、
上記第二電極側における、隣り合う上記導電樹脂層と上記隔壁層との段差が6μm以下に調整することを特徴とするセンサシートの製造方法。 - 請求項5に記載したセンサシートの製造方法であって、
上記第一樹脂層よりも剛性が高い基材の上に上記第一樹脂層を形成する工程と、
その第一樹脂層の上に、複数の上記第一電極、上記第一電極上に配置される上記導電樹脂層、及び上記隔壁層を形成する工程と、
上記導電樹脂層及び隔壁層を形成後に、上記第二電極及び上記第二電極に接続するリードを印刷で形成する工程と、
上記第二電極及び上記リードを覆うようにして第二樹脂層を形成する工程とを備えることを特徴とするセンサシートの製造方法。
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