JP2022099852A - センサデバイス、及びモニタリング装置 - Google Patents

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Jun Okada
麻代 宮地
Mayo Miyaji
真梨子 大谷
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裕美子 山野井
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Abstract

【課題】変形耐久性に優れたセンサデバイスを提供する。【解決手段】本発明のセンサデバイス100は、伸縮性基板120と、伸縮性基板120上に設けられた、1個又は2個以上の伸縮性歪みセンサ110と、伸縮性基板上に設けられており、伸縮性歪みセンサ110に電気的に接続された伸縮性配線130と、を備え、25℃、未伸長時における伸縮性歪みセンサ110の体積抵抗率をVR1(Ω・cm)とし、25℃、未伸長時における伸縮性配線130の体積抵抗率をVR2(Ω・cm)としたとき、VR1,VR2が、1<VR1/VR2を満たすように構成されるものである。【選択図】図1

Description

本発明は、センサデバイス、及びモニタリング装置に関する。
歪みセンサを用いたセンサデバイスについて様々な開発がなされてきた。この種の技術として、例えば、特許文献1に記載の技術が知られている。特許文献1には、伝導性液体が注入されたチャネルを有する弾性基板と、チャネルの電気抵抗を測定する制御システムと、伝導性液体中に挿入され制御システムに接続するワイヤと、を備える、弾性歪みセンサデバイスが記載されている(特許文献1の請求項1、段落0017、図5等)。
特開2017-167151号公報
しかしながら、本発明者が検討した結果、上記特許文献1に記載の弾性歪みセンサデバイスにおいて、変形耐久性の点で改善の余地があることが判明した。
弾性歪みセンサデバイスにおいて、センサが設置された基板には伸縮材料が使用されるが、センサに接続する配線には、非伸縮である金属材料のワイヤが、通常、使用されている。そのため、基板が変形したときや繰り返し変形したとき、非伸縮性材料である金属配線において断線が生じる恐れがあることが判明した。
本発明者はさらに検討したところ、伸縮性歪みセンサに接続される配線として伸縮性配線を使用することにより、基板変形やその繰り返し変形による配線の破断が抑制されるため、変形耐久性に優れたセンサデバイスを実現できる見出し、本発明を完成するに至った。
本発明によれば、
伸縮性基板と、
前記伸縮性基板上に設けられた、1個又は2個以上の伸縮性歪みセンサと、
前記伸縮性基板上に設けられており、前記伸縮性歪みセンサに電気的に接続された伸縮性配線と、
を備え、
25℃、未伸長時における前記伸縮性歪みセンサの体積抵抗率をVR1(Ω・cm)とし、25℃、未伸長時における前記伸縮性配線の体積抵抗率をVR2(Ω・cm)としたとき、VR1,VR2が、1<VR1/VR2を満たすように構成される、センサデバイスが提供される。
また本発明によれば、
上記のセンサデバイスと、
制御部と、を備え、
前記制御部が、前記伸縮性歪みセンサの電気特性の変化に基づいて、前記伸縮性歪みセンサが受ける応力情報を取得する、モニタリング装置が提供される。
本発明によれば、変形耐久性に優れたセンサデバイス、及びそれを用いたモニタリング装置を用いたシステムが提供される。
本実施形態のセンサデバイスの構成の一例を示す図である。 図1のA-A断面図、その他の変形例を示す図である。 実施例1,2のセンサデバイスの構成を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、図は概略図であり、実際の寸法比率とは一致していない。
本実施形態のセンサデバイスについて概説する。
本実施形態のセンサデバイスは、伸縮性基板と、伸縮性基板上に設けられた、1個又は2個以上の伸縮性歪みセンサと、伸縮性基板上に設けられており、伸縮性歪みセンサに電気的に接続された伸縮性配線と、を備える。このセンサデバイスは、25℃、未伸長時における伸縮性歪みセンサの体積抵抗率をVR1(Ω・cm)とし、25℃、未伸長時における伸縮性配線の体積抵抗率をVR2(Ω・cm)としたとき、VR1,VR2が、1<VR1/VR2を満たすように構成される。
本実施形態によれば、基板、歪みセンサ及び配線を伸縮性材料で構成することにより、伸長可能であり及び/又は曲げ可能である、柔軟なセンサデバイスを実現できる。このため、基板の伸長等の変形時においても、伸縮性配線における断線が抑制され、安定的な計測可能となる。このように、変形耐久性に優れたセンサデバイスを実現できる。
また、伸張性配線は、変形及び/又は伸長する弾性特性を有するため、金属材料などの非伸縮性材料で構成された配線の場合と比較して、伸長や曲げ等の基板や歪みセンサの変形を妨げないように構成できる。このため、測定対象から受ける外力を、より安定的に計測可能である。
本発明者の知見によれば、伸縮性導電材料を、伸縮性歪みセンサ及び伸縮性配線に使用する場合、伸縮性歪みセンサの体積抵抗率を伸縮性配線よりも高く構成することで、伸縮性歪みセンサが受ける外力を、抵抗値変化における電気信号として検出可能であることが判明した。
また、伸縮性導電材料として、導電性フィラー及びエラストマー材料を含む導電性ペーストを用いた印刷により、伸縮性歪みセンサ及び伸縮性配線を形成できるため、センサ及び/又は配線デザインの設計自由度に優れたセンサデバイスを提供できる。
本実施形態のセンサデバイスの用途は、特に限定されず、電子機器、医療機器、機械、ロボット、車両・航空機、工場設備等の様々な場面に適用できる。
また、センサデバイスの一例は、人間の身体等に着用可能なウェアラブルデバイスを構成してもよく、例えば、ベルト状、リストバンド状、グローブ状、指サック状などに構成されてもよい。センサデバイスの具体的な一例として、触覚センサデバイスへも利用できる。
本実施形態のセンサデバイスを用いて、伸縮性歪みセンサから得られる電気信号を、取得、解析及び/又は表示することにより、様々な用途に応じたモニタリング装置を構築できる。
本実施形態のセンサデバイスの各構成について詳述する。
図1は、センサデバイス100の構成の一例を示す上面図である。図2(a)は、図1のA-A断面図である。
図1のセンサデバイス100は、伸縮性基板120、伸縮歪みセンサ110、及び伸縮性配線130を備える。
伸縮歪みセンサ110は、外力から受けた力を電気信号に変換することができる。具体的には、伸縮歪みセンサ110は、X軸方向及び/又はY軸方向である基板面内方向における変形、Z軸方向である基板面垂直方向における変形を検知することができる。
伸縮歪みセンサ110は、例えば、圧抵抗効果、圧電効果、及び静電容量等を利用したセンサなどが用いられる。
圧抵抗効果を利用した場合、伸縮歪みセンサ110は、伸縮導電材料の変形による抵抗値変化を電気信号に変換できる。具体例として、例えば、伸縮導電材料で構成した抵抗線を有するひずみゲージ、伸縮導電材料で構成した感圧導電ゴムなどの構成が挙げられる。
静電容量を利用した場合、伸縮歪みセンサ110は、伸縮導電材料の変形による静電容量変化を電気信号に変換できる。具体例として、伸縮導電材料で構成した静電容量膜を2つの電極で挟み込んだキャパシタなどの構成が挙げられる。
伸縮歪みセンサ110は、圧力センサで構成されてもよい。圧力センサである伸縮歪みセンサ110は、受圧面を有し、Z軸方向である基板面垂直方向における圧力による変形を検知できる。
この伸縮歪みセンサ110のZ軸方向から見た形状は、例えば、四角形状等の多角形状、円形状、楕円状などが挙げられるが、これに限定されない。
また、伸縮歪みセンサ110は、X軸方向及び/又はY軸方向である基板平面方向における歪みを検出する伸縮センサで構成されてもよい。この伸縮歪みセンサ110のZ軸方向から見た形状は、例えば、直線形状、波形状、渦形状、櫛形状等の各種の線形状が挙げられるが、これに限定されない。
伸縮歪みセンサ110一例は、圧抵抗効果を有する感圧抵抗体を有してもよい。この感圧抵抗体は、伸縮性導電材料で構成され、好ましくは感圧導電性エラストマーで構成されてもよく、より好ましくは導電性フィラー及びエラストマー材料を含む導電性エラストマーで構成されてもよい。
伸縮性配線130は、伸縮歪みセンサ110に電気的に接続し、伸縮歪みセンサ110から電気信号を外部に伝達できる。
伸縮性配線130は、伸縮歪みセンサ110毎に、出力信号用配線(第一配線132、第二配線134)を2本有してもよく、伸縮歪みセンサ110の回路設計に応じて、定圧電源用配線及び/又はGND(グランド)用配線をさらに有してもよい。
図1中、出力信号用配線の第一配線132及び第二配線134が伸縮歪みセンサ110に電気的に接続する。例えば、外力を加えて伸縮歪みセンサ110の抵抗値を変動させると、第一配線132及び第二配線134の間の出力電圧が変動する。この出力電圧変動に基づいて、伸縮歪みセンサ110が受けた外力を計測することが可能になる。
伸縮性配線130は、導電性エラストマーを含む伸縮性導電層で構成される。導電性エラストマーは、導電性フィラー及びエラストマー材料を含んでもよい。
伸縮歪みセンサ110及び伸縮性配線130の両者が導電性エラストマーで構成された部材を有する場合、伸縮歪みセンサ110の導電性エラストマーの体積抵抗値は、伸縮性配線130の導電性エラストマーの体積抵抗値よりも高くなるように構成されている。
具体的な一例として、伸縮歪みセンサ110を構成する導電性エラストマーは、導電性フィラーとして導電性炭素材料を含むことが可能である。この場合、伸縮性配線130を構成する導電性エラストマーは、銀粉などの金属粉を含んでもよい。
例えば、伸縮歪みセンサ110中の導電性炭素材料を含む導電性エラストマーの体積抵抗率が10―1Ω・cm~10Ω・cmでもよい。この場合、伸縮性配線130の導電性エラストマーの体積抵抗値は、例えば、10-5Ω・cm~10-1Ω・cmとしてよい。この体積抵抗率は、25℃、未伸長時に測定する。
このように伸縮歪みセンサ110は、導電性炭素材料及びエラストマー材料を含むように構成されてもよい。この場合、伸縮歪みセンサ110は、例えば、導電性炭素材料及びエラストマー材料を含む導電性ペーストを用いた印刷方法により形成されてもよい。これにより、自由なセンサ設計が可能になる。
一方の伸縮性基板120は、導電性炭素材料以外の導電性フィラー及びエラストマー材料を含むように構成されてもよい。導電性フィラーは、例えば、銀粉を含むが、これに限定されない。この場合、伸縮性基板120は、導電性フィラー及びエラストマー材料を含む導電性ペーストを用いた印刷方法により形成されてもよい。これにより、自由な配線設計が可能になる。
本実施形態において、25℃、未伸長時における伸縮歪みセンサ110の体積抵抗率をVR1(Ω・cm)、25℃、20%伸長時における伸縮歪みセンサ110の体積抵抗率をVR1'(Ω・cm)、25℃、未伸長時かつ無負荷時における伸縮歪みセンサ110の抵抗値をR1(Ω)、25℃、20%伸長時における伸縮歪みセンサ110の抵抗値をR1'(Ω)、25℃、1.67N/mmの圧力を加えたときの伸縮歪みセンサ110の抵抗値をR1''(Ω)、25℃、未伸長時における伸縮性配線130の体積抵抗率をVR2(Ω・cm)、25℃、20%伸長時における伸縮性配線の体積抵抗率をVR2'(Ω・cm)、25℃、未伸長時における伸縮性配線130の抵抗値をR2(Ω)とし、25℃、20%伸長時における伸縮性配線130の抵抗値をR2'(Ω)とする。これらの体積抵抗率は、伸縮歪みセンサ110や伸縮性配線130の少なくとも一部を構成する伸縮導電性材料の部材の体積抵抗率であってもよい。
VR1,VR2が、1<VR1/VR2を満たすように構成される。好ましくはVR1,VR2が、1.0×10≦VR1/VR2、より好ましくは5.0×10≦VR1/VR2を満たすように構成される。これにより、抵抗値変動による電気信号を安定的に検出可能になる。
R1,R1'は、例えば、1<R1'/R1≦10を満たすように構成される。好ましくはR1,R2が、R1'/R1≦9、より好ましくはR1'/R1≦8を満たすように構成される。これにより、抵抗値変動による電気信号を安定的に検出可能になる。
R1,R1''は、例えば、1<R1''/R1≦10を満たすように構成される。好ましくはR1,R1''が、<R1''/R1≦9、より好ましくは<R1''/R1≦8を満たすように構成される。これにより、抵抗値変動による電気信号を安定的に検出可能になる。
R2,R2'は、例えば、1<R2'/R2≦2を満たすように構成される。好ましくはR2,R2'が、R2'/R2≦1.8、より好ましくはR2'/R2≦1.6を満たすように構成される。これにより、抵抗値変動による電気信号を安定的に検出可能になる。
VR1',VR2'が、例えば、1<VR1'/VR2'を満たすように構成される。好ましくはVR1',VR2'が、1.0×10≦VR1'/VR2'、より好ましくは5.0×10≦VR1'/VR2'を満たすように構成される。これにより、抵抗値変動による電気信号を安定的に検出可能になる。
なお、体積抵抗率の差分が大きい程、伸縮歪みセンサにおける抵抗値変動の検知を安定的に行うことが可能になるため、VR1/VR2およびVR1'/VR2の上限は、特に限定されない。
25℃、未伸長時における伸縮性配線130の体積抵抗率は、例えば、1×10-5Ω・cm以上1×10-1Ω・cm以下、好ましくは5×10-5Ω・cm以上5×10-2Ω・cm以下、より好ましくは1×10-4Ω・cm以上1×10-2Ω・cm以下である。このような範囲内とすることで、未伸長時、さらには伸長時においても、優れた電気特性の伸縮性配線130を実現できる。また、安定した計測が可能になる。
本明細書中の伸縮性とは、所定方向に伸長したときの伸長率で表す。所定方向としては、例えば、図1の上面視図において、伸縮性配線130が最大長さとなる延在方向を採用してもよい。
この延在方向に伸長させたとき、伸縮性を有するとは、伸長率が、例えば、10%以上、好ましくは20%以上、より好ましくは50%以上まで伸長可能であり、かつ、その伸長率時において伸縮性配線130が断線しない状態を意味する。
伸縮性基板120は、一面121上に、伸縮歪みセンサ110及び伸縮性配線130を備える。
センサデバイス100中、伸縮性基板120と伸縮性配線130とが積層された構造を形成してもよい。
伸縮性基板120と伸縮性配線130とが積層した状態とは、互いを構成する伸縮性絶縁層と伸縮性導電層との表面同士が面接触している状態で、化学的及び/又は物理的に結合し密着した状態であってもよい。このため、伸長時や繰り返し伸長時においても、伸縮性基板120の表面から伸縮性配線130が剥離する等の破損が生じる恐れを抑制できる。これにより、変形耐久性に優れたセンサデバイス100を実現できる。
伸縮性基板120は、絶縁性エラストマーで構成されてもよい。絶縁性エラストマーは、導電性フィラーを含まないエラストマーであればよく、例えば、非導電性フィラー及びエラストマー材料を含んでもよい。
伸縮性基板120の厚みの上限は、用途に応じて設定可能であり、例えば、10mm以下、好ましくは1mm以下でもよいが、変形容易性の観点から、より好ましくは400μm以下である。また、薄型で咥え易いデバイスを構成できる。
一方、伸縮性基板120の厚みの下限は、機械的強度の観点から、例えば、10μm以上、好ましくは50μm以上、より好ましくは100μm以上である。
伸縮性基板120のデュロメータ硬さAの上限は、特に限定されないが、例えば、80以下でもよく、好ましくは70以下でもよい。これにより、屈曲や伸張などの変形が容易となる変形容易性を高められる。
一方、伸縮性基板120のデュロメータ硬さAの下限は、例えば、10以上、好ましくは30以上、より好ましくは40以上である。これにより、摩擦耐久性や機械的強度を高められる。
伸縮性基板120の引裂強度の下限は、例えば、25N/mm以上、好ましくは28N/mm以上、より好ましくは30N/mm以上、さらに好ましくは33N/mm以上、一層好ましくは34N/mm以上である。これにより、繰り返し使用時における耐久性を向上できる。また、薄くしても破れにくいデバイスを構成できる。このため、基板の設計自由度を向上できる。
一方、伸縮性基板120の引裂強度の上限は、特に限定されないが、例えば、80N/mm以下としてもよく、70N/mm以下としてもよい。これにより、基板の諸特性のバランスをとることができる。
伸縮性基板120の破断伸びの下限は、例えば、100%以上であり、好ましくは200%以上であり、より好ましくは300%以上であり、さらに好ましくは400%以上である。これにより、基板の高伸縮性および耐久性を向上させることができる。
一方、伸縮性基板120の破断伸びの上限は、特に限定されないが、例えば、2000%以下としてもよく、1800%以下としてもよい。これにより、基板の諸特性のバランスをとることができる。
伸縮性基板120の引張強度の下限は、例えば、5.0MPa以上であり、好ましくは10.0MPa以上であり、より好ましくは12.0MPa以上である。これにより、基板の機械的強度を向上させることができる。また、繰り返しの変形に耐えられる耐久性に優れた基板を実現できる。
一方、伸縮性基板120の引張強度の上限は、特に限定されないが、例えば、25MPa以下としてもよく、20MPa以下としてもよい。これにより、基板の諸特性のバランスをとることができる。
本実施形態において、センサデバイスの各部材の特性や各部材に使用したエラストマー(絶縁性エラストマー又は導電性エラストマー)の特性を測定する方法として、例えば、以下の方法を採用できる。各部材の特性の測定には、試験片として、例えば、基板などの各部材をそのまま使用してもよい。
(デュロメータ硬さAの測定手順)
エラストマーを用いて、シート状試験片を作製し、JIS K6253(1997)に準拠して、25℃における、得られたシート状試験片のデュロメータ硬さAを測定する。
(引張強度の測定手順)
エラストマーを用いて、JIS K6251(2004)に準拠して、ダンベル状3号形試験片を作製し、25℃における、ダンベル状3号形試験片の引張強度を測定する。
(破断伸びの測定条件)
エラストマーを用いて、JIS K6251(2004)に準拠して、ダンベル状3号形試験片を作製し、得られたダンベル状3号形試験片について、25℃における破断伸びを測定する。破断伸びは、[標線間移動距離(mm)]÷[初期標線間距離(20mm)]×100で計算する。
(引裂強度の測定手順)
エラストマーを用いて、JIS K6252(2001)に準拠して、クレセント形試験片を作製し、25℃における、得られたクレセント形試験片の引裂強度を測定する。
センサデバイス100の変形例について説明する。
伸縮性基板120に搭載される伸縮歪みセンサ110の個数は、1個以上であればよく、2個以上の複数でもよい。
複数の場合、個々の伸縮歪みセンサ110毎に、2本の出力信号用配線、定圧電源用配線及び/又はGND(グランド)用配線を形成してもよい。
なお、複数の伸縮歪みセンサ110において、GND用配線は共通の配線を使用してもよい。
伸縮歪みセンサ110の配置は、一面121上に限定されず、例えば、伸縮歪みセンサ110の一部が伸縮性基板120に埋設されていてもよく、伸縮歪みセンサ110の全体が伸縮性基板120中の内部に埋設されていてもよい。
伸縮性配線130は、全てが一面121上に形成されてもよいが、一部が伸縮性基板120中に埋設されてもよく、末端の接続領域以外の配線領域が伸縮性基板120中に埋設されてもよい。また、伸縮性配線130は、伸縮性基板120の両面上に形成されてもよい。
伸縮性配線130の表面は、図2(a)に示すように露出されていてもよいが、図2(b)、(c)に示すように、伸縮性カバー部140、141により一部または全体が被覆されてもよい。
センサデバイス100は、伸縮性配線130の表面を覆う、エラストマー材料を含む伸縮性カバー部(伸縮性カバー部140)を備えてもよい。これにより、センサデバイス100の変形耐久性を一層高めることができる。また、露出した伸縮性配線130の配線部分を、絶縁体の伸縮性カバー部140で被覆(封止)することで、使用安全性を高めることができる。さらに、生体適合性材料の伸縮性カバー部140を使用することで、使用時の衛生面の管理が容易となる。さらに、接続部以外の伸縮性配線130の配線部分の一部又は全体を伸縮性カバー部140で被覆することで、伸縮性基板120及び伸縮性カバー部140の両面を、アルコール系または非アルコール系の消毒液で消毒できるため、使用時の衛生面の管理が容易となる。
伸縮性カバー部140は、伸縮性配線130について、伸縮歪みセンサ110と接続する第一端部や外部と接続する第二端部を露出するように構成されており、その他の配線部分の一部又は全体を被覆してもよい。
伸縮性カバー部140は、図2(b)に示すように、伸縮歪みセンサ110の受圧面(上面)を覆わないように構成されてもよい。これにより、伸縮歪みセンサ110の受圧面における外力感度を高く維持できる。
また、伸縮性カバー部140は、図2(c)の伸縮性カバー部141に示すように、伸縮歪みセンサ110の上面及び側面を覆うように構成されてもよい。伸縮性材料で構成される伸縮性カバー部140は、図2(c)の伸縮性カバー部141に示すように伸縮歪みセンサ110の受圧面を被覆しても、受圧面が受ける外力が低減することを抑制できる。このため、使用耐久性とともに、使用時の安定性を高めることができる。
伸縮性カバー部140、141は、エラストマー材料を含む絶縁性エラストマーで構成されてもよい。伸縮性基板120と同じエラストマー材料を含むように構成することで、伸縮性基板120と伸縮性カバー部140、141との密着性を高められる。
その他の部材との密着性を高める観点から、伸縮性配線130または伸縮歪みセンサ110に含まれるエラストマー材料と同じものを、伸縮性カバー部140、141が含んでもよい。
ここで、本実施形態のモニタリング装置について説明する。
モニタリング装置の一例は、上記のセンサデバイス100及び制御部を備える。この制御部は、伸縮歪みセンサ110の電気特性の変化に基づいて、伸縮歪みセンサ110が受ける応力情報を取得する。
制御部は、モニタリング装置の各種の動作を制御する。
制御部は、各種の情報を記憶する記憶装置、時計機能(例えばリアルタイムクロック)、有線または無線等によって各種情報を外部へ通信する通信回路、A/D変換回路、及び、MPU(Micro Processing Unit)、電源等を備える。制御部は、有線を介して電気的にセンサデバイス100に接続される。
なお、制御部は、センサデバイス100に外部において接続されるマイクロコンピュータで構成することもできる。
伸縮歪みセンサ110が検知した、圧力等の外力に関する情報(センサ信号)は、伸縮歪みセンサ110に電気的に接続する伸縮性配線130を介して、制御部に送信される。
制御部は、例えば、圧力に応じて変動する伸縮歪みセンサ110から出力電圧を、その受圧面の面積を除して圧力を算出できる。出力電圧は、A/D変換回路を用いて、デジタル信号に変換できる。
伸縮歪みセンサ110が圧力センサの場合、応力情報としては、圧力、圧力分布、及びこれらの経時変化の少なくとも一または二以上が含まれる。圧力の情報は、1点計測箇所毎の情報を含む。圧力の情報は、圧力における、所定時の値、最大値、最小値、所定期間における平均値、最大値・最小値等の所定値に対応する時間、及び/又は、これらの経時変化を示す波形データ等であってもよい。
圧力分布の情報は、複数の計測箇所の情報を含み、所定エリア内の圧力の合算値などの圧力の情報から適当な式から算出される計算値であってもよい。
制御部は、得られた応力情報を解析する解析部を有してもよい。
具体的には、解析部は、記憶部に保存された合格条件を読み出し、送信された応力情報について、当該合格条件に合致するかを判断し、合格条件に合致する場合を合格と判定し、合格条件に合致しない場合を不合格と判断してもよい。
本実施形態のモニタリング方法は、センサデバイス100を用いてモニタリングできる。このモニタリング方法は、センサデバイス100の検知結果から、応力情報を取得する工程を有する。
また、モニタリング装置の一例は、表示部を備えてもよい。
表示部は、モニタリング装置で得た各種の情報を表示する。
表示部は、応力情報及び/又は解析部により示された結果を表示できる。例えば、表示部は、センサデバイス100が検知し圧力に関する情報、または、センサデバイス100が検知した圧力に関する情報に基づいて制御部が判定した結果等を表示する。
表示部は、例えば、外部端末のモニタ、具体的には、外部において接続されるマイクロコンピュータのモニタ等で構成される。
モニタリング装置は、応力情報及び/又は解析部により示された結果を外部端末に無線送信する無線部を有してもよい。この場合、表示部は、無線通信を介して、制御部に接続される。
この態様に限定されず、表示部は、有線通信で制御部と接続されてもよく、記憶媒体に保存された応力情報及び/又は解析部により示された結果を表示してもよい。
なお、表示部は、センサデバイス100に設けられる液晶表示部またはランプ部等で構成することもできる。このように構成することによって、モニタリング装置をポータブル式の装置として構成することができる。この場合、モニタリング装置は、バッテリーなどを備えてもよい。
また、モニタリング装置の一例は、操作部を備えてもよい。
操作部は、スイッチまたはタッチパネル等の物理ボタンや音声入力手段で構成される。操作部の操作によって、モニタリング装置の各種の動作の開始や終了、または各種の動作の設定等を行うことが可能である。例えば、モニタリング装置では、操作部を操作することによって、モニタリングする動作を開始または終了できる。
以下、センサデバイス100の各部材を構成するエラストマーについて説明する。
本明細書中、エラストマーは、エラストマー材料を含む伸縮可能な弾性体を意味する。エラストマー材料は、絶縁性エラストマーまたは導電性エラストマーに分類される。
絶縁性エラストマーは、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、スチレンゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム等を用いることができる。この中でも、エラストマーは、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴムからなる群から選択される一種以上の熱硬化性エラストマー(エラストマー材料)を含む。
絶縁性エラストマーは、エラストマー材料単独で構成されてもよく、エラストマー材料及び非導電性フィラーを含むように構成されてもよい。絶縁性エラストマーの一例は、シリコーンゴムを含み、好ましくはシリコーンゴム及び非導電性フィラーを含む。シリコーンゴムは、エラストマーの中でも、化学的に安定であり、また、機械的強度にも優れる。
この中でも、衛生面の観点から、エラストマー材料として、生体適合性が高いシリコーンゴムを用いることが好ましい。
導電性エラストマーは、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、スチレンゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム等を用いることができる。この中でも、エラストマーは、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴムからなる群から選択される一種以上の熱硬化性エラストマー(エラストマー材料)と、導電性フィラーとを含む。
導電性エラストマーの好ましい一例は、シリコーンゴム及び導電性フィラーを含む。これにより、導電性エラストマーの伸縮性及び導通性を高められる。
絶縁性エラストマー及び導電性エラストマーの少なくとも一方、好ましくは両方が、非導電性フィラー含んでもよい。非導電性フィラーとしては、公知の材料が使用できるが、例えば、シリカ粒子、シリコーンゴム粒子、タルク等を用いてもよい。この中でも、シリカ粒子を含んでもよい。
導電性フィラーが、例えば、粉末状または繊維状の、金属系フィラー、炭素系フィラー(導電性炭素材料)、金属酸化物フィラー、及び金属メッキフィラーからなる群から選ばれる一または二以上を含んでもよい。
導電性エラストマーが導電性フィラーに加え、非導電性フィラーをさらに含んでもよい。これにより、導電性エラストマーの機械的特性を高められる。
伸縮歪みセンサ110の導電性エラストマー、伸縮性配線130の導電性エラストマー、及び伸縮性基板120の絶縁性エラストマーの少なくとも2つ、又は全てが、同一のエラストマー材料を含むように構成されてもよい。
本明細書中、同一のエラストマー材料を含むとは、それぞれ、上記に例示される熱硬化性エラストマーの種類のうち、少なくとも一つ以上の同じ種類のエラストマー材料を含むことを意味する。
また、同一のシリコーンゴムを含む場合、このシリコーンゴムがビニル基含有オルガノポリシロキサンを含むシリコーンゴム系硬化性組成物の硬化物で構成されてもよい。
絶縁性エラストマーは、ビニル基含有オルガノポリシロキサンを含むシリコーンゴム系硬化性組成物の硬化物で構成されてもよい。また導電性エラストマーは、導電性フィラーと、ビニル基含有オルガノポリシロキサンを含むシリコーンゴム系硬化性組成物の硬化物とで構成されてもよい。
以下、シリコーンゴム系硬化性組成物における成分について詳細を説明する。
本明細書中、同一のシリコーンゴムを含むとは、シリコーンゴム系硬化性組成物が、少なくとも、同種のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサンを含むことを意味し、さらに、同種の架橋剤、同種の非導電性フィラー、同種のシランカップリング剤、及び同種の触媒からなる群から選ばれる一又は二以上を含んでもよい。
同種のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサンとは、少なくとも官能基が同じビニル基を含み、直鎖状を有していればよく、分子中のビニル基量や分子量分布、あるいはその添加量が異なっていてもよい。
同種の架橋剤とは、少なくとも直鎖構造や分岐構造などの共通の構造を有していればよく、分子中の分子量分布や異なる官能基が含まれていてもよく、その添加量が異なっていてもよい。
同種の非導電性フィラーとは、少なくとも共通の構成材料を有していればよく、粒子径、比表面積、表面処理剤、又はその添加量が異なっていてもよい。
同種のシランカップリング剤とは、少なくとも共通の官能基を有していればよく、分子中の他の官能基や添加量が異なっていてもよい。
同種の触媒とは、少なくとも共通の構成材料を有していればよく、触媒中に異なる組成が含まれていてもよく、その添加量が異なっていてもよい。
同一のシリコーンゴムを構成するシリコーンゴム系硬化性組成物には、さらに、異なる種類の、ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン、架橋剤、非導電性フィラー、シランカップリング剤、及び触媒からなる群から選ばれる一又は二以上を含んでもよい。
本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)を含むことができる。ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)は、本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物の主成分となる重合物である。
上記ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)は、直鎖構造を有するビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)を含むことができる。
上記ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)は、直鎖構造を有し、かつ、ビニル基を含有しており、かかるビニル基が硬化時の架橋点となる。
ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)のビニル基の含有量は、特に限定されないが、例えば、分子内に2個以上のビニル基を有し、かつ15モル%以下であるのが好ましい。これにより、ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)中におけるビニル基の量が最適化され、後述する各成分とのネットワークの形成を確実に行うことができる。
本明細書中、「~」は、特に明示しない限り、上限値と下限値を含むことを表す。
なお、本明細書中において、ビニル基含有量とは、ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)を構成する全ユニットを100モル%としたときのビニル基含有シロキサンユニットのモル%である。ただし、ビニル基含有シロキサンユニット1つに対して、ビニル基1つであると考える。
また、ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)の重合度は、特に限定されないが、例えば、好ましくは1000~10000程度、より好ましくは2000~5000程度の範囲内である。なお、重合度は、例えばクロロホルムを展開溶媒としたGPC(ゲル透過クロマトグラフィー)におけるポリスチレン換算の数平均重合度(又は数平均分子量)等として求めることができる。
さらに、ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)の比重は、特に限定されないが、0.9~1.1程度の範囲であるのが好ましい。
ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)として、上記のような範囲内の重合度および比重を有するものを用いることにより、得られるシリコーンゴムの耐熱性、難燃性、化学的安定性等の向上を図ることができる。
ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)としては、特に、下記式(1)で表される構造を有するものであるが好ましい。
Figure 2022099852000002
式(1)中、Rは炭素数1~10の置換または非置換のアルキル基、アルケニル基、アリール基、またはこれらを組み合わせた炭化水素基である。炭素数1~10のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等が挙げられ、中でも、メチル基が好ましい。炭素数1~10のアルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、ブテニル基等が挙げられ、中でも、ビニル基が好ましい。炭素数1~10のアリール基としては、例えば、フェニル基等が挙げられる。
また、Rは炭素数1~10の置換または非置換のアルキル基、アルケニル基、アリール基、またはこれらを組み合わせた炭化水素基である。炭素数1~10のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等が挙げられ、中でも、メチル基が好ましい。炭素数1~10のアルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、ブテニル基が挙げられる。炭素数1~10のアリール基としては、例えば、フェニル基が挙げられる。
また、Rは炭素数1~8の置換または非置換のアルキル基、アリール基、またはこれらを組み合わせた炭化水素基である。炭素数1~8のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等が挙げられ、中でも、メチル基が好ましい。炭素数1~8のアリール基としては、例えば、フェニル基が挙げられる。
さらに、式(1)中のRおよびRの置換基としては、例えば、メチル基、ビニル基等が挙げられ、Rの置換基としては、例えば、メチル基等が挙げられる。
なお、式(1)中、複数のRは互いに独立したものであり、互いに異なっていてもよいし、同じであってもよい。さらに、R、およびRについても同様である。
さらに、m、nは、式(1)で表されるビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)を構成する繰り返し単位の数であり、mは0~2000の整数、nは1000~10000の整数である。mは、好ましくは0~1000であり、nは、好ましくは2000~5000である。
また、式(1)で表されるビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)の具体的構造としては、例えば下記式(1-1)で表されるものが挙げられる。
Figure 2022099852000003
式(1-1)中、RおよびRは、それぞれ独立して、メチル基またはビニル基であり、少なくとも一方がビニル基である。
ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)は、ビニル基含有量が分子内に2個以上のビニル基を有し、かつ0.4モル%以下である第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)を含んでもよい。第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)のビニル基量は、0.1モル%以下でもよい。
また、ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)は、第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)とビニル基含有量が0.5~15モル%である第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-2)とを含有してもよい。
シリコーンゴムの原料である生ゴムとして、第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)と、ビニル基含有量が高い第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-2)とを組み合わせることで、ビニル基を偏在化させることができ、シリコーンゴムの架橋ネットワーク中に、より効果的に架橋密度の疎密を形成することができる。その結果、より効果的にシリコーンゴムの引裂強度を高めることができる。
具体的には、ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)として、例えば、上記式(1-1)において、R1がビニル基である単位および/またはR2がビニル基である単位を、分子内に2個以上有し、かつ0.4モル%以下を含む第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)と、R1がビニル基である単位および/またはR2がビニル基である単位を、0.5~15モル%含む第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-2)とを用いるのが好ましい。
また、第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)は、ビニル基含有量が0.01~0.2モル%であるのが好ましい。また、第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-2)は、ビニル基含有量が、0.8~12モル%であるのが好ましい。
さらに、第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)と第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-2)とを組み合わせて配合する場合、(A1-1)と(A1-2)の比率は特に限定されないが、例えば、重量比で(A1-1):(A1-2)が50:50~95:5であるのが好ましく、80:20~90:10であるのがより好ましい。
なお、第1および第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)および(A1-2)は、それぞれ1種のみを用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)は、分岐構造を有するビニル基含有分岐状オルガノポリシロキサン(A2)を含んでもよい。
<<オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)>>
本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)を含むことができる。
オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)は、直鎖構造を有する直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)と分岐構造を有する分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)とに分類され、これらのうちのいずれか一方または双方を含むことができる。
直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)は、直鎖構造を有し、かつ、Siに水素が直接結合した構造(≡Si-H)を有し、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)のビニル基の他、シリコーンゴム系硬化性組成物に配合される成分が有するビニル基とヒドロシリル化反応し、これらの成分を架橋する重合体である。
直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)の分子量は特に限定されないが、例えば、重量平均分子量が20000以下であるのが好ましく、1000以上、10000以下であることがより好ましい。
なお、直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)の重量平均分子量は、例えばクロロホルムを展開溶媒としたGPC(ゲル透過クロマトグラフィー)におけるポリスチレン換算により測定することができる。
また、直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)は、通常、ビニル基を有しないものであるのが好ましい。これにより、直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)の分子内において架橋反応が進行するのを的確に防止することができる。
以上のような直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)としては、例えば、下記式(2)で表される構造を有するものが好ましく用いられる。
Figure 2022099852000004
式(2)中、Rは炭素数1~10の置換または非置換のアルキル基、アルケニル基、アリール基、これらを組み合わせた炭化水素基、またはヒドリド基である。炭素数1~10のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等が挙げられ、中でも、メチル基が好ましい。炭素数1~10のアルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、ブテニル基等が挙げられる。炭素数1~10のアリール基としては、例えば、フェニル基が挙げられる。
また、Rは炭素数1~10の置換または非置換のアルキル基、アルケニル基、アリール基、これらを組み合わせた炭化水素基、またはヒドリド基である。炭素数1~10のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基が挙げられ、中でも、メチル基が好ましい。炭素数1~10のアルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、ブテニル基等が挙げられる。炭素数1~10のアリール基としては、例えば、フェニル基が挙げられる。
なお、式(2)中、複数のRは互いに独立したものであり、互いに異なっていてもよいし、同じであってもよい。Rについても同様である。ただし、複数のRおよびRのうち、少なくとも2つ以上がヒドリド基である。
また、Rは炭素数1~8の置換または非置換のアルキル基、アリール基、またはこれらを組み合わせた炭化水素基である。炭素数1~8のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等が挙げられ、中でも、メチル基が好ましい。炭素数1~8のアリール基としては、例えば、フェニル基が挙げられる。複数のRは互いに独立したものであり、互いに異なっていてもよいし、同じであってもよい。
なお、式(2)中のR,R,Rの置換基としては、例えば、メチル基、ビニル基等が挙げられ、分子内の架橋反応を防止する観点から、メチル基が好ましい。
さらに、m、nは、式(2)で表される直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)を構成する繰り返し単位の数であり、mは2~150整数、nは2~150の整数である。好ましくは、mは2~100の整数、nは2~100の整数である。
なお、直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)は、1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)は、分岐構造を有するため、架橋密度が高い領域を形成し、シリコーンゴムの系中の架橋密度の疎密構造形成に大きく寄与する成分である。また、上記直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)同様、Siに水素が直接結合した構造(≡Si-H)を有し、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)のビニル基の他、シリコーンゴム系硬化性組成物に配合される成分のビニル基とヒドロシリル化反応し、これら成分を架橋する重合体である。
また、分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)の比重は、0.9~0.95の範囲である。
さらに、分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)は、通常、ビニル基を有しないものであるのが好ましい。これにより、分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)の分子内において架橋反応が進行するのを的確に防止することができる。
また、分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)としては、下記平均組成式(c)で示されるものが好ましい。
平均組成式(c)
(H(R3-aSiO1/2(SiO4/2
(式(c)において、Rは一価の有機基、aは1~3の範囲の整数、mはH(R3-aSiO1/2単位の数、nはSiO4/2単位の数である)
式(c)において、Rは一価の有機基であり、好ましくは、炭素数1~10の置換または非置換のアルキル基、アリール基、またはこれらを組み合わせた炭化水素基である。炭素数1~10のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等が挙げられ、中でも、メチル基が好ましい。炭素数1~10のアリール基としては、例えば、フェニル基が挙げられる。
式(c)において、aは、ヒドリド基(Siに直接結合する水素原子)の数であり、1~3の範囲の整数、好ましくは1である。
また、式(c)において、mはH(R3-aSiO1/2単位の数、nはSiO4/2単位の数である。
分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)は分岐状構造を有する。直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)と分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)は、その構造が直鎖状か分岐状かという点で異なり、Siの数を1とした時のSiに結合するアルキル基Rの数(R/Si)が、直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)では1.8~2.1、分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)では0.8~1.7の範囲となる。
なお、分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)は、分岐構造を有しているため、例えば、窒素雰囲気下、1000℃まで昇温速度10℃/分で加熱した際の残渣量が5%以上となる。これに対して、直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)は、直鎖状であるため、上記条件で加熱した後の残渣量はほぼゼロとなる。
また、分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)の具体例としては、下記式(3)で表される構造を有するものが挙げられる。
Figure 2022099852000005
式(3)中、Rは炭素数1~8の置換または非置換のアルキル基、アリール基、またはこれらを組み合わせた炭化水素基、もしくは水素原子である。炭素数1~8のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等が挙げられ、中でも、メチル基が好ましい。炭素数1~8のアリール基としては、例えば、フェニル基が挙げられる。Rの置換基としては、例えば、メチル基等が挙げられる。
なお、式(3)中、複数のRは互いに独立したものであり、互いに異なっていてもよいし、同じであってもよい。
また、式(3)中、「-O-Si≡」は、Siが三次元に広がる分岐構造を有することを表している。
なお、分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)は、1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)と分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)において、Siに直接結合する水素原子(ヒドリド基)の量は、それぞれ、特に限定されない。ただし、シリコーンゴム系硬化性組成物において、ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)中のビニル基1モルに対し、直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)と分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)の合計のヒドリド基量が、0.5~5モルとなる量が好ましく、1~3.5モルとなる量がより好ましい。これにより、直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)および分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)と、ビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1)との間で、架橋ネットワークを確実に形成させることができる。
<<シリカ粒子(C)>>
本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、必要に応じ、非導電性フィラーとして、シリカ粒子(C)を含むことができる。
シリカ粒子(C)としては、特に限定されないが、例えば、ヒュームドシリカ、焼成シリカ、沈降シリカ等が用いられる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
シリカ粒子(C)は、例えば、BET法による比表面積が例えば50~400m/gであるのが好ましく、100~400m/gであるのがより好ましい。また、シリカ粒子(C)の平均一次粒径は、例えば1~100nmであるのが好ましく、5~20nm程度であるのがより好ましい。
シリカ粒子(C)として、かかる比表面積および平均粒径の範囲内であるものを用いることにより、形成されるシリコーンゴムの硬さや機械的強度の向上、特に引張強度の向上をさせることができる。
<<シランカップリング剤(D)>>
本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、シランカップリング剤(D)を含むことができる。
シランカップリング剤(D)は、加水分解性基を有することができる。加水分解基が水により加水分解されて水酸基になり、この水酸基がシリカ粒子(C)表面の水酸基と脱水縮合反応することで、シリカ粒子(C)の表面改質を行うことができる。
また、このシランカップリング剤(D)は、疎水性基を有するシランカップリング剤を含むことができる。これにより、シリカ粒子(C)の表面にこの疎水性基が付与されるため、シリコーンゴム系硬化性組成物中ひいてはシリコーンゴム中において、シリカ粒子(C)の凝集力が低下(シラノール基による水素結合による凝集が少なくなる)し、その結果、シリコーンゴム系硬化性組成物中のシリカ粒子の分散性が向上すると推測される。これにより、シリカ粒子とゴムマトリックスとの界面が増加し、シリカ粒子の補強効果が増大する。さらに、ゴムのマトリックス変形の際、マトリックス内でのシリカ粒子の滑り性が向上すると推測される。そして、シリカ粒子(C)の分散性の向上及び滑り性の向上によって、シリカ粒子(C)によるシリコーンゴムの機械的強度(例えば、引張強度や引裂強度など)が向上する。
さらに、シランカップリング剤(D)は、ビニル基を有するシランカップリング剤を含むことができる。これにより、シリカ粒子(C)の表面にビニル基が導入される。そのため、シリコーンゴム系硬化性組成物の硬化の際、すなわち、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)が有するビニル基と、オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)が有するヒドリド基とがヒドロシリル化反応して、これらによるネットワーク(架橋構造)が形成される際に、シリカ粒子(C)が有するビニル基も、オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)が有するヒドリド基とのヒドロシリル化反応に関与するため、ネットワーク中にシリカ粒子(C)も取り込まれるようになる。これにより、形成されるシリコーンゴムの低硬度化および高モジュラス化を図ることができる。
シランカップリング剤(D)としては、疎水性基を有するシランカップリング剤およびビニル基を有するシランカップリング剤を併用することができる。
シランカップリング剤(D)としては、例えば、下記式(4)で表わされるものが挙げられる。
-Si-(X)4-n・・・(4)
上記式(4)中、nは1~3の整数を表わす。Yは、疎水性基、親水性基またはビニル基を有するもののうちのいずれかの官能基を表わし、nが1の時は疎水性基であり、nが2または3の時はその少なくとも1つが疎水性基である。Xは、加水分解性基を表わす。
疎水性基は、炭素数1~6のアルキル基、アリール基、またはこれらを組み合わせた炭化水素基であり、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、フェニル基等が挙げられ、中でも、特に、メチル基が好ましい。
また、親水性基は、例えば、水酸基、スルホン酸基、カルボキシル基またはカルボニル基等が挙げられ、中でも、特に、水酸基が好ましい。なお、親水性基は、官能基として含まれていてもよいが、シランカップリング剤(D)に疎水性を付与するという観点からは含まれていないのが好ましい。
さらに、加水分解性基は、メトキシ基、エトキシ基のようなアルコキシ基、クロロ基またはシラザン基等が挙げられ、中でも、シリカ粒子(C)との反応性が高いことから、シラザン基が好ましい。なお、加水分解性基としてシラザン基を有するものは、その構造上の特性から、上記式(4)中の(Y-Si-)の構造を2つ有するものとなる。
上記式(4)で表されるシランカップリング剤(D)の具体例は、例えば、官能基として疎水性基を有するものとして、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、n-プロピルトリメトキシシラン、n-プロピルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、デシルトリメトキシシランのようなアルコキシシラン;メチルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、トリメチルクロロシラン、フェニルトリクロロシランのようなクロロシラン;ヘキサメチルジシラザンが挙げられ、官能基としてビニル基を有するものとして、メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシランのようなアルコキシシラン;ビニルトリクロロシラン、ビニルメチルジクロロシランのようなクロロシラン;ジビニルテトラメチルジシラザンが挙げられるが、中でも、上記記載を考慮すると、特に、疎水性基を有するものとしてはヘキサメチルジシラザン、ビニル基を有するものとしてはジビニルテトラメチルジシラザンであるのが好ましい。
本実施形態において、シランカップリング剤(D)の含有量の下限値は、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)の合計量100重量部に対して、1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましく、5質量%以上であることがさらに好ましい。また、シランカップリング剤(D)の含有量上限値は、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)の合計量100重量部に対して、100質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であることがより好ましく、40質量%以下であることがさらに好ましい。
シランカップリング剤(D)の含有量を上記下限値以上とすることにより、シリカ粒子(C)を用いる場合、シリコーンゴム全体としての機械的強度の向上に資することができる。また、シランカップリング剤(D)の含有量を上記上限値以下とすることにより、シリコーンゴムが適度な機械特性を持つことができる。
<<白金または白金化合物(E)>>
本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、白金または白金化合物(E)を含むことができる。
白金または白金化合物(E)は、硬化の際の触媒として作用する触媒成分である。白金または白金化合物(E)の添加量は触媒量である。
白金または白金化合物(E)としては、公知のものを使用することができ、例えば、白金黒、白金をシリカやカーボンブラック等に担持させたもの、塩化白金酸または塩化白金酸のアルコール溶液、塩化白金酸とオレフィンの錯塩、塩化白金酸とビニルシロキサンとの錯塩等が挙げられる。
なお、白金または白金化合物(E)は、1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
<<水(F)>>
また、本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物には、上記成分(A)~(E)以外に、水(F)が含まれていてもよい。
水(F)は、シリコーンゴム系硬化性組成物に含まれる各成分を分散させる分散媒として機能するとともに、シリカ粒子(C)とシランカップリング剤(D)との反応に寄与する成分である。そのため、シリコーンゴム中において、シリカ粒子(C)とシランカップリング剤(D)とを、より確実に互いに連結したものとすることができ、全体として均一な特性を発揮することができる。
さらに、水(F)を含有する場合、その含有量は、適宜設定することができるが、具体的には、シランカップリング剤(D)100重量部に対して、例えば、10~100重量部の範囲であるのが好ましく、30~70重量部の範囲であるのがより好ましい。これにより、シランカップリング剤(D)とシリカ粒子(C)との反応をより確実に進行させることができる。
(その他の成分)
さらに、本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、上記(A)~(F)成分以外に、他の成分をさらに含むことができる。この他の成分としては、例えば、珪藻土、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸亜鉛、ガラスウール、マイカ等のシリカ粒子(C)以外の無機充填材、反応阻害剤、分散剤、顔料、染料、帯電防止剤、酸化防止剤、難燃剤、熱伝導性向上剤等の添加剤が挙げられる。
なお、シリコーンゴム系硬化性組成物において、各成分の含有割合は特に限定されないが、例えば、以下のように設定される。
本実施形態において、シリカ粒子(C)の含有量の上限値は、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)の合計量100重量部に対し、例えば、60重量部以下でもよく、好ましくは50重量部以下でもよく、さらに好ましくは40重量部以下でもよい。これにより、硬さや引張強等の機械的強度のバランスを図ることができる。また、シリカ粒子(C)の含有量の下限値は、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)の合計量100重量部に対し、特に限定されないが、例えば、10重量部以上でもよい。
シランカップリング剤(D)は、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)100重量部に対し、例えば、シランカップリング剤(D)が5重量部以上100重量部以下の割合で含有するのが好ましく、5重量部以上40重量部以下の割合で含有するのがより好ましい。これにより、シリカ粒子(C)のシリコーンゴム系硬化性組成物中における分散性を確実に向上させることができる。
オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)の含有量は、具体的にビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)及びシリカ粒子(C)及びシランカップリング剤(D)の合計量100重量部に対して、例えば、0.5重量部以上20重量部以下の割合で含有することが好ましく、0.8重量部以上15重量部以下の割合で含有するのがより好ましい。(B)の含有量が前記範囲内であることで、より効果的な硬化反応ができる可能性がある。
白金または白金化合物(E)の含有量は、触媒量を意味し、適宜設定することができるが、具体的にビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)、シリカ粒子(C)、シランカップリング剤(D)の合計量に対して、本成分中の白金族金属が重量単位で0.01~1000ppmとなる量であり、好ましくは、0.1~500ppmとなる量である。白金または白金化合物(E)の含有量を上記下限値以上とすることにより、得られるシリコーンゴム組成物を十分硬化させることができる。白金または白金化合物(E)の含有量を上記上限値以下とすることにより、得られるシリコーンゴム組成物の硬化速度を向上させることができる。
さらに、水(F)を含有する場合、その含有量は、適宜設定することができるが、具体的には、シランカップリング剤(D)100重量部に対して、例えば、10~100重量部の範囲であるのが好ましく、30~70重量部の範囲であるのがより好ましい。これにより、シランカップリング剤(D)とシリカ粒子(C)との反応をより確実に進行させることができる。
<シリコーンゴムの製造方法>
次に、本実施形態のシリコーンゴムの製造方法について説明する。
本実施形態のシリコーンゴムの製造方法としては、シリコーンゴム系硬化性組成物を調製し、このシリコーンゴム系硬化性組成物を硬化させることによりシリコーンゴムを得ることができる。
以下、詳述する。
まず、シリコーンゴム系硬化性組成物の各成分を、任意の混練装置により、均一に混合してシリコーンゴム系硬化性組成物を調製する。
[1]たとえば、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)と、シリカ粒子(C)と、シランカップリング剤(D)とを所定量秤量し、その後、任意の混練装置により、混練することで、これら各成分(A)、(C)、(D)を含有する混練物を得る。
なお、この混練物は、予めビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)とシランカップリング剤(D)とを混練し、その後、シリカ粒子(C)を混練(混合)して得るのが好ましい。これにより、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)中におけるシリカ粒子(C)の分散性がより向上する。
また、この混練物を得る際には、水(F)を必要に応じて、各成分(A)、(C)、および(D)の混練物に添加するようにしてもよい。これにより、シランカップリング剤(D)とシリカ粒子(C)との反応をより確実に進行させることができる。
さらに、各成分(A)、(C)、(D)の混練は、第1温度で加熱する第1ステップと、第2温度で加熱する第2ステップとを経るようにするのが好ましい。これにより、第1ステップにおいて、シリカ粒子(C)の表面をカップリング剤(D)で表面処理することができるとともに、第2ステップにおいて、シリカ粒子(C)とカップリング剤(D)との反応で生成した副生成物を混練物中から確実に除去することができる。その後、必要に応じて、得られた混練物に対して、成分(A)を添加し、更に混練してもよい。これにより、混練物の成分のなじみを向上させることができる。
第1温度は、例えば、40~120℃程度であるのが好ましく、例えば、60~90℃程度であるのがより好ましい。第2温度は、例えば、130~210℃程度であるのが好ましく、例えば、160~180℃程度であるのがより好ましい。
また、第1ステップにおける雰囲気は、窒素雰囲気下のような不活性雰囲気下であるのが好ましく、第2ステップにおける雰囲気は、減圧雰囲気下であるのが好ましい。
さらに、第1ステップの時間は、例えば、0.3~1.5時間程度であるのが好ましく、0.5~1.2時間程度であるのがより好ましい。第2ステップの時間は、例えば、0.7~3.0時間程度であるのが好ましく、1.0~2.0時間程度であるのがより好ましい。
第1ステップおよび第2ステップを、上記のような条件とすることで、前記効果をより顕著に得ることができる。
[2]次に、オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)と、白金または白金化合物(E)とを所定量秤量し、その後、任意の混練装置を用いて、上記工程[1]で調製した混練物に、各成分(B)、(E)を混練することで、シリコーンゴム系硬化性組成物を得る。得られたシリコーンゴム系硬化性組成物は溶剤を含むペーストであってもよい。
なお、この各成分(B)、(E)の混練の際には、予め上記工程[1]で調製した混練物とオルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)とを、上記工程[1]で調製した混練物と白金または白金化合物(E)とを混練し、その後、それぞれの混練物を混練するのが好ましい。これにより、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)とオルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)との反応を進行させることなく、各成分(A)~(E)をシリコーンゴム系硬化性組成物中に確実に分散させることができる。
各成分(B)、(E)を混練する際の温度は、ロール設定温度として、例えば、10~70℃程度であるのが好ましく、25~30℃程度であるのがより好ましい。
さらに、混練する時間は、例えば、5分~1時間程度であるのが好ましく、10~40分程度であるのがより好ましい。
上記工程[1]および上記工程[2]において、温度を上記範囲内とすることにより、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)とオルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)との反応の進行をより的確に防止または抑制することができる。また、上記工程[1]および上記工程[2]において、混練時間を上記範囲内とすることにより、各成分(A)~(E)をシリコーンゴム系硬化性組成物中により確実に分散させることができる。
なお、各工程[1]、[2]において使用される混練装置としては、特に限定されないが、例えば、ニーダー、2本ロール、バンバリーミキサー(連続ニーダー)、加圧ニーダー等を用いることができる。
また、本工程[2]において、混練物中に1-エチニルシクロヘキサノールのような反応抑制剤を添加するようにしてもよい。これにより、混練物の温度が比較的高い温度に設定されたとしても、ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)とオルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)との反応の進行をより的確に防止または抑制することができる。
[3]次に、シリコーンゴム系硬化性組成物を硬化させることによりシリコーンゴムを形成する。
本実施形態において、シリコーンゴム系硬化性樹脂組成物の硬化工程は、例えば、100~250℃で1~30分間加熱(1次硬化)した後、200℃で1~4時間ポストベーク(2次硬化)することによって行われる。
以上のような工程を経ることで、シリコーンゴム系硬化性樹脂組成物の硬化物からなるシリコーンゴムが得られる。
なお、[3]次に、工程[2]で得られたシリコーンゴム系硬化性組成物を、溶剤に溶解させることにより、絶縁性ペーストを得ることができる。
また、[3]次に、工程[2]で得られたシリコーンゴム系硬化性組成物を、溶剤に溶解させ、導電性フィラーを加えることで導電性ペーストを得ることができる。
(溶剤)
導電性ペーストや絶縁性ペーストは、溶剤を含む。
溶剤としては、公知の各種溶剤を用いることができるが、例えば、高沸点溶剤を含むことができる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記高沸点溶剤の沸点の下限値は、例えば、100℃以上であり、好ましくは130℃以上であり、より好ましくは150℃以上である。これにより、スクリーン印刷などの印刷安定性を向上させることができる。一方で、上記高沸点溶剤の沸点の上限値は、特に限定されないが、例えば、300℃以下でもよく、290℃以下でもよく、280℃以下でもよい。これにより、配線形成時においての過度の熱履歴を抑制できるので、下地へのダメージや、導電性ペーストで形成された配線の形状を良好に維持することができる。
また、溶剤としては、シリコーンゴム系硬化性樹脂組成物の溶解性や沸点の観点から適切に選択できるが、例えば、炭素数5以上20以下の脂肪族炭化水素、好ましくは炭素数8以上18以下の脂肪族炭化水素、より好ましくは炭素数10以上15以下の脂肪族炭化水素を含むことができる。
また、溶剤の一例としては、例えば、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、オクタン、デカン、ドデカン、テトラデカンなどの脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン、メシチレン、トリフルオロメチルベンゼン、ベンゾトリフルオリドなどの芳香族炭化水素類;ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル、シクロペンチルエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル-n-プロピルエーテル、1,4-ジオキサン、1,3-ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類;ジクロロメタン、クロロホルム、1,1-ジクロロエタン、1,2-ジクロロエタン、1,1,1-トリクロロエタン、1,1,2-トリクロロエタンなどのハロアルカン類;N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミドなどのカルボン酸アミド類;ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシドなどのスルホキシド類、ジエチルカーボネートなどのエステル類などを例示することができる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
ここで用いられる溶媒は、上記の導電性ペースト中の組成成分を均一に溶解ないし分散させることのできる溶媒の中から適宜選択すればよい。
上記溶剤が、ハンセン溶解度パラメータの極性項(δ)の上限値が、例えば、10MPa1/2以下であり、好ましくは7MPa1/2以下であり、より好ましくは5.5MPa1/2以下である第1溶剤を含むことができる。これにより、ペースト中においてシリコーンゴム系硬化性樹脂組成物の分散性や溶解性を良好なものとすることができる。この第1溶剤の上記極性項(δ)の下限値は、特に限定されないが、例えば、0Pa1/2以上でもよい。
上記第1溶剤におけるハンセン溶解度パラメータの水素結合項(δ)の上限値が、例えば、20MPa1/2以下であり、好ましくは10MPa1/2以下であり、より好ましくは7MPa1/2以下である。これにより、ペースト中において、シリコーンゴム系硬化性樹脂組成物の分散性や溶解性を良好なものとすることができる。この第1溶剤の上記水素結合項(δ)の下限値は、特に限定されないが、例えば、0Pa1/2以上でもよい。
ハンセンの溶解度パラメータ(HSP)は、ある物質が他のある物質にどのくらい溶けるのかという溶解性を表す指標である。HSPは、溶解性を3次元のベクトルで表す。この3次元ベクトルは、代表的には、分散項(δ)、極性項(δ)、水素結合項(δ)で表すことができる。そしてベクトルが似ているもの同士は、溶解性が高いと判断できる。ベクトルの類似度をハンセン溶解度パラメータの距離(HSP距離)で判断することが可能である。
本明細書で用いている、ハンセン溶解度パラメーター(HSP値)は、HSPiP(Hansen Solubility Parameters in Practice)というソフトを用いて算出することができる。ここで、ハンセンとアボットが開発したコンピューターソフトウエアHSPiPには、HSP距離を計算する機能と様々な樹脂と溶剤もしくは非溶剤のハンセンパラメーターを記載したデータベースが含まれている。
各樹脂の純溶剤および良溶剤と貧溶剤の混合溶剤に対する溶解性を調べ、HSPiPソフトにその結果を入力し、D:分散項、P:極性項、H:水素結合項、R0:溶解球半径を算出する。
本実施形態の溶剤としては、例えば、エラストマーやエラストマーを構成する構成単位と溶剤との、HSP距離、極性項や水素結合項の差分が小さいもの選択することができる。
室温25℃においてせん断速度20〔1/s〕で測定した時の導電性ペースト及び/又は絶縁性ペーストの粘度の下限値は、例えば、1Pa・s以上であり、好ましくは5Pa・s以上であり、より好ましくは10Pa・s以上である。これにより、成膜性を向上させることができる。また、厚膜形成時においても形状保持性を高めることができる。一方で、室温25℃における導電性ペースト及び/又は絶縁性ペーストの粘度の上限値は、例えば、100Pa・s以下であり、好ましくは90Pa・s以下であり、より好ましくは80Pa・s以下である。これにより、ペーストにおける印刷性を向上させることができる。
室温25℃において、せん断速度1〔1/s〕で測定した時の粘度をη1とし、せん断速度5〔1/s〕で測定した時の粘度をη5とし、チキソ指数を粘度比(η1/η5)とする。
このとき、導電性ペースト及び/又は絶縁性ペーストのチキソ指数の下限値は、例えば、1.0以上であり、好ましくは1.1以上であり、より好ましくは1.2以上である。これにより、印刷法で得られた配線の形状を安定的に保持することができる。一方で、導電性ペースト及び/又は絶縁性ペーストのチキソ指数の上限値は、例えば、3.0以下であり、好ましくは2.5以下であり、より好ましくは2.0以下である。これにより、ペーストの印刷容易性を向上させることができる。
絶縁性ペースト中におけるシリコーンゴム系硬化性組成物の含有量は、絶縁性ペースト100質量%中、10質量%以上であることが好ましく、15質量%以上であることがより好ましく、20質量%以上であることがさらに好ましい。また、絶縁性ペースト中におけるシリコーンゴム系硬化性組成物の含有量は、絶縁性ペースト100質量%中、50質量%以下であることが好ましく、40質量%以下であることがより好ましく、35質量%以下であることがさらに好ましい。
(導電性フィラー)
導電性フィラーとしては、公知の導電材料を用いてもよいが、金属粉(G)、又は導電性炭素材料を用いてもよい。
金属粉(G)を構成する金属は特に限定はされないが、例えば、銅、銀、金、ニッケル、錫、鉛、亜鉛、ビスマス、アンチモン、或いはこれらを合金化した金属粉のうち少なくとも一種類、あるいは、これらのうちの二種以上を含むことができる。これらのうち、金属粉(G)としては、導電性の高さや入手容易性の高さから、銀または銅を含むこと、すなわち、銀粉または銅粉を含むことが好ましい。なお、これらの金属粉(G)は他種金属でコートしたものも使用できる。
導電性炭素材料としては、例えば、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン等が挙げられる。
本実施形態において、金属粉(G)の形状には制限がないが、樹枝状、球状、リン片状等の従来から用いられているものが使用できる。この中でも、リン片状の金属粉(G)を用いてもよい。
また、金属粉(G)の粒径も制限されないが、たとえば平均粒径D50で0.001μm以上であることが好ましく、より好ましくは0.01μm以上であり、さらに好ましくは0.1μm以上である。金属粉(G)の粒径は、たとえば平均粒径D50で1,000μm以下であることが好ましく、より好ましくは100μm以下であり、さらに好ましくは20μm以下である。
平均粒径D50をこのような範囲に設定することで、シリコーンゴムとして適度な導電性を発揮することができる。
なお、金属粉(G)の粒径は、たとえば、導電性ペースト、あるいは導電性ペーストを用いて成形したシリコーンゴムについて透過型電子顕微鏡等で観察の上、画像解析を行い、任意に選んだ金属粉200個の平均値として定義することができる。
導電性ペースト中における導電性フィラーの含有量は、導電性ペーストの全体に対して、30質量%以上であることが好ましく、40質量%以上であることがより好ましく、50質量%以上であることがさらに好ましい。また、導電性ペースト中における導電性フィラーの含有量は、導電性ペーストの全体に対して、85質量%以下であることが好ましく、75質量%以下であることがより好ましく、65質量%以下であることがさらに好ましい。
導電性フィラーの含有量を上記下限値以上とすることにより、シリコーンゴムが適度な導電特性を持つことができる。また、導電性フィラーの含有量を上記上限値以下とすることにより、シリコーンゴムが適度な柔軟性を持つことができる。
導電性ペースト中におけるシリコーンゴム系硬化性組成物の含有量は、導電性ペースト100質量%中、1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましく、5質量%以上であることがさらに好ましい。また、導電性ペースト中におけるシリコーンゴム系硬化性組成物の含有量は、導電性ペースト100質量%中、25質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、15質量%以下であることがさらに好ましい。
シリコーンゴム系硬化性組成物の含有量を上記下限値以上とすることにより、シリコーンゴムが適度な柔軟性を持つことができる。また、シリコーンゴム系硬化性組成物の含有量を上記上限値以下とすることにより、シリコーンゴムの機械的強度の向上を図ることができる。
導電性ペースト中におけるシリカ粒子(C)の含有量の下限値は、シリカ粒子(C)および導電性フィラーの合計量100質量%に対して、例えば、1質量%以上であり、好ましくは3質量%以上であり、より好ましくは5質量%以上とすることができる。これにより、シリコーンゴムの機械的強度を向上させることができる。一方で、上記導電性ペースト中における上記シリカ粒子(C)の含有量の上限値は、シリカ粒子(C)および導電性フィラーの合計量100質量%に対して、例えば、20質量%以下であり、好ましくは15質量%以下であり、より好ましくは10質量%以下である。これにより、シリコーンゴムにおける伸縮電気特性と機械的強度のバランスを図ることができる。
伸縮性配線130を構成する導電性ペーストを硬化させた導電硬化物中の導電性フィラーの含有量の下限は、導電硬化物の100質量%中、例えば、65質量%以上、好ましくは70質量%以上、より好ましくは75質量%以上である。これにより、伸縮電気特性を高められる。一方、導電硬化物中の導電性フィラーの含有量の上限は、導伸縮性配線130の100質量%中、例えば、95質量%以下、好ましくは90質量%以下、より好ましくは85質量%以下である。これにより、伸縮性などのゴム特性の低下を抑制できる。
伸縮性配線130を構成する導電性ペーストを硬化させた導電硬化物中のシリカ粒子(C)の含有量の下限値は、シリカ粒子(C)および導電性フィラーの合計量100質量%に対して、例えば、1質量%以上であり、好ましくは3質量%以上であり、より好ましくは4質量%以上とすることができる。これにより、シリコーンゴムの機械的強度を向上させることができる。一方で、上記導電硬化物中のシリカ粒子(C)の含有量の上限値は、シリカ粒子(C)および導電性フィラーの合計量100質量%に対して、例えば、20質量%以下であり、好ましくは15質量%以下であり、より好ましくは10質量%以下である。これにより、シリコーンゴムにおける伸縮電気特性と機械的強度のバランスを図ることができる。
次に、本実施形態のセンサデバイスの製造工程の一例について説明する。
本実施形態のセンサデバイスは、伸縮性基板を形成する工程、伸縮性基板の上に伸縮性配線を形成する工程、及び伸縮性配線に圧力センサを搭載する工程を含む。
まず、支持体上に絶縁性ペーストを塗工する。塗工方法としては、各種の方法を用いることができるが、例えば、スキージを用いたスキージ方法などの印刷法を用いることができる。続いて、塗膜状の絶縁性ペーストを乾燥させて、支持体上に絶縁層(絶縁性エラストマーで構成される伸縮性基板)を形成する。乾燥条件は、絶縁性ペースト中の溶剤の種類や量に応じて適宜設定することができるが、例えば、乾燥温度を120℃~180℃、乾燥時間を1分~30分等とすることができる。
なお、伸縮性基板は、上記シリコーンゴム系硬化性組成物を用い、カレンダー成形やコンプレッション成形などの成形方法にて形成されてもよい。或いは、伸縮性基板は、公知のエラストマー材料をシート状などの所定形状に成形することで得られる。
続いて、絶縁層上に、所定の開口パターン形状を有するマスクを配置する。マスクを介して、絶縁層上に導電性ペーストを塗工し、乾燥させ、伸縮歪みセンサのパターンを形成する。
同様にして、体積抵抗率が異なる導電性ペーストを用いて、伸縮歪みセンサのパターンに接続する伸縮性配線のパターンを描く。
塗工方法は、絶縁性ペーストの塗工方法と同様の手法を用いることができ、例えば、スキージによるスキージ印刷を用いてもよい。
ここで、絶縁性ペーストおよび導電性ペーストがそれぞれシリコーンゴム系硬化性組成物を含む場合、乾燥した絶縁層上に、所定のパターン形状を有する導電性塗膜(導電層)を積層した後、これらを一括して硬化処理してもよい。硬化処理としては、シリコーンゴム系硬化性組成物に応じて適宜設定できるが、例えば、硬化温度を120℃~220℃、硬化時間を1時間~3時間等とすることができる。硬化処理後または硬化処理前に、マスクを取り外すことができる。これにより、絶縁層の硬化物で構成される伸縮性基板上に、所定のパターン形状を有する、導電層の硬化物(導電性エラストマーで構成される伸縮性歪みセンサ、および伸縮性配線)を形成することができる。
必要に応じて、伸縮性配線上に、その表面を被覆する伸縮性カバー部を形成してもよい
例えば、所定の開口パターン形状を有するマスクを配置し、マスクを介して、絶縁性ペーストを塗工し、絶縁層(伸縮性カバー部)を形成することができる。なお、上記の硬化処理は、伸縮性カバー部を形成した後、その他の基板上の部材(伸縮性配線など)と一括して行ってもよい。
以上により、センサデバイスが得られる。
以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することができる。また、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。
表1に示す原料成分を以下に示す。
(A1-1):第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン:下記の合成スキーム1により合成したビニル基含有ジメチルポリシロキサン(上記式(1-1)で表わされる構造)
(A1-2):第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン:下記の合成スキーム2により合成したビニル基含有ジメチルポリシロキサン(上記式(1-1)で表わされる構造でRおよびRがビニル基である構造)
(オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B))
(B-1):オルガノハイドロジェンポリシロキサン:モメンティブ社製、「TC-25D」
(シリカ粒子(C))
(C):シリカ微粒子(粒径7nm、比表面積300m/g)、日本アエロジル社製、「AEROSIL300」
(シランカップリング剤(D))
(D-1):ヘキサメチルジシラザン(HMDZ)、Gelest社製、「HEXAMETHYLDISILAZANE(SIH6110.1)」
(D-2)ジビニルテトラメチルジシラザン、Gelest社製、「1,3-DIVINYLTETRAMETHYLDISILAZANE(SID4612.0)」
(白金または白金化合物(E))
(E-1):白金化合物 (モメンティブ社製、商品名「TC―25A」)
(水(F))
(F):純水
(金属粉(G))
(G1):銀粉、徳力化学研究所社製、商品名「TC-101」、メジアン径d50:8.0μm、アスペクト比16.4、平均長径4.6μm
(ビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)の合成)
[合成スキーム1:第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)の合成]
下記式(5)にしたがって、第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)を合成した。
すなわち、Arガス置換した、冷却管および攪拌翼を有する300mLセパラブルフラスコに、オクタメチルシクロテトラシロキサン74.7g(252mmol)、カリウムシリコネート0.1gを入れ、昇温し、120℃で30分間攪拌した。なお、この際、粘度の上昇が確認できた。
その後、155℃まで昇温し、3時間攪拌を続けた。そして、3時間後、1,3-ジビニルテトラメチルジシロキサン0.1g(0.6mmol)を添加し、さらに、155℃で4時間攪拌した。
さらに、4時間後、トルエン250mLで希釈した後、水で3回洗浄した。洗浄後の有機層をメタノール1.5Lで数回洗浄することで、再沈精製し、オリゴマーとポリマーを分離した。得られたポリマーを60℃で一晩減圧乾燥し、第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-1)を得た(Mn=2,2×10、Mw=4,8×10)。また、H-NMRスペクトル測定により算出したビニル基含有量は0.04モル%であった。
Figure 2022099852000006
[合成スキーム2:第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-2)の合成]
上記(A1-1)の合成工程において、オクタメチルシクロテトラシロキサン74.7g(252mmol)に加えて2,4,6,8-テトラメチル2,4,6,8-テトラビニルシクロテトラシロキサン0.86g(2.5mmol)を用いたこと以外は、(A1-1)の合成工程と同様にすることで、下記式(6)のように、第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1-2)を合成した(Mn=2.3×10、Mw=5.0×10)。また、H-NMRスペクトル測定により算出したビニル基含有量は0.93モル%であった。
Figure 2022099852000007
(シリコーンゴム系硬化性組成物の調製)
以下の手順に従って、サンプル1、2のシリコーンゴム系硬化性組成物を調整した。
まず、下記の表1に示す割合で、90%のビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)、シランカップリング剤(D)および水(F)の混合物を予め混練し、その後、混合物にシリカ粒子(C)を加えてさらに混練し、混練物(シリコーンゴムコンパウンド)を得た。
ここで、シリカ粒子(C)添加後の混練は、カップリング反応のために窒素雰囲気下、60~90℃の条件下で1時間混練する第1ステップと、副生成物(アンモニア)の除去のために減圧雰囲気下、160~180℃の条件下で2時間混練する第2ステップとを経ることで行い、その後、冷却し、残り10%のビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)を2回に分けて添加し、20分間混練した。
続いて、下記の表2に示す割合で、得られた混練物(シリコーンゴムコンパウンド)100重量部に、オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)、白金または白金化合物(E)を加えて、ロールで混練し、シリコーンゴム系硬化性組成物を得た。
(導電性ペーストの調製)
得られた13.7重量部のサンプル1のシリコーンゴム系硬化性組成物を、31.8重量部のテトラデカン(溶剤)に浸漬し、続いて自転・公転ミキサーで撹拌し、54.5重量部の金属粉(G1)を加えた後に三本ロールで混練することで、導電性ペースト1(銀ペースト)を得た。
得られた29.3重量部のサンプル1のシリコーンゴム系硬化性組成物を、68.5重量部のテトラデカン(溶剤)に浸漬し、続いて自転・公転ミキサーで撹拌し、2.2重量部のカーボンブラックを加えた後に三本ロールで混練することで、導電性ペースト2(カーボンペースト)を得た。
Figure 2022099852000008
(伸縮性基板の作製)
得られたサンプル2のシリコーンゴム系硬化性組成物を170℃、10MPaで10分間プレスし、厚み:500μmのシート状に成形すると共に、一次硬化した。続いて、200℃、4時間で二次硬化して、硬度約40のシート状シリコーンゴム(シリコーンゴム系硬化性組成物の硬化物)を得た。それを幅:2cm×長さ:5cmに切り出し、伸縮性基板120を作製した。
[実施例1]
(センサデバイスの作製)
上記の伸縮性基板120上に、得られた導電性ペースト2(カーボンペースト)を用い、マスクを介して、長さ:2mm、幅:1.5mmの四角状パターンを描き、140℃、30分で乾燥し、厚み100μmの伸縮歪みセンサ110(圧力センサ)を形成した。
伸縮歪みセンサ110の両端に、得られた導電性ペースト1(銀ペースト)を用い、マスクを介して、長さ:10mm、幅:1mmの直線状パターンを2本描き、180度、2時間硬化し、伸縮歪みセンサ110に電気的に接続した厚み20μm伸縮性配線130(第一配線132、第二配線134)を形成した。
以上により、図3(a)に示す、圧力センサを有するセンサデバイス100を作製した。
[実施例2]
上記の伸縮性基板120上に、得られた導電性ペースト2(カーボンペースト)を用い、マスクを介して、長さ:30mm、幅:5mmの直線状パターンを描き、140℃、30分で乾燥し、厚み50μm伸縮歪みセンサ110(伸縮センサ)を形成した。
伸縮歪みセンサ110の両端に、得られた導電性ペースト1(銀ペースト)を用い、マスクを介して、長さ:5mm、幅:3mmの直線状パターンを2本描き、180度、2時間硬化し、厚み50μmの伸縮歪みセンサ110に電気的に接続した伸縮性配線130(第一配線132、第二配線134)を形成した。
以上により、図3(b)に示す、伸縮センサを有するセンサデバイス100を作製した。
各実施例で用いた、伸縮性配線用の導電性ペースト1および伸縮性センサ用の導電性ペースト2を、それぞれ、スライドガラス上に10mm角、厚み60μmに塗布し、180℃オーブン中で120分間硬化した後の硬化物の体積抵抗率を4探針法により測定した。25℃、未伸長時における伸縮歪みセンサ110の体積抵抗率(VR1)が、5.2Ω・cm、25℃、未伸長時における伸縮性配線130の体積抵抗率(VR2)が、2.4×10―4Ω・cmであった。
<変形耐久性>
25℃の環境下、実施例1のセンサデバイス100の圧力センサ(伸縮歪みセンサ110)の受圧面に(厚み方向)、下記条件の力を加え、第一配線132および第二配線134の間の抵抗値(Ω)を測定した。
・無負荷時(圧力:0N/mm):512Ω
・3N(圧力:1N/mm)印加時:584Ω
・5N(圧力:1.67N/mm)印加時:607Ω
圧力センサの受圧面への圧力を増加変動させると、測定される抵抗値の変動も同じ増加する傾向を示した。このことから、圧力センサにより検出される抵抗値に基づいて、圧力センサに印加された力を定量化できることが確認できた。
無負荷→3N→5Nの力を圧力センサの受圧面に加える圧力付与操作を複数回繰り返した後、圧力印可時の抵抗値は、圧力付与操作前の値と同等の値であることを確認した。
また、センサデバイス100の伸縮性基板120に対して屈曲または伸縮の変形操作を複数回繰り返した後、未伸長時のセンサデバイス100における、圧力印可時の抵抗値は、変形操作前の値と同等の値であることを確認した。
25℃の環境下、実施例2のセンサデバイス100の伸縮センサ(伸縮歪みセンサ110)の長さ方向に、下記条件にて伸長し、第一配線132および第二配線134の間の抵抗値(Ω)を測定した。
・未伸長時(伸長:0%):6843Ω
・20%伸長時:9768Ω
・50%伸長時:12300Ω
伸縮センサの長さ方向の伸長度合を増加変動させると、測定される抵抗値の変動も増加する同じ傾向を示した。このことから、伸縮センサにより検出される抵抗値に基づいて、伸長センサの平面方向におけるひずみ量を定量化できることが確認できた。
未伸長→20%伸長→50%伸長の条件にて伸縮センサの長さ方向に伸長する伸長操作を複数回繰り返した後、伸長時の抵抗値は、伸長操作前の値と同等の値であることを確認した。
また、センサデバイス100の伸縮性基板120に対して屈曲または伸縮の変形操作を複数回繰り返した後、センサデバイス100における、伸長時の抵抗値は、変形操作前の値と同等の値であることを確認した。
[比較例1、2]
実施例1、2のセンサデバイス100における伸縮性配線130(第一配線132、第二配線134)を、伸縮しない金属製のリード線に変更し、比較例1、2のセンサデバイスを作製した。
比較例1のセンサデバイスは、圧力印可による圧力印加による抵抗変化を確認できたが、屈曲または伸縮の変形操作によりリード線が破損することが確認された。
また、比較例2のセンサデバイスは、伸長操作によってリード線が破損してしまったため、伸長時の抵抗を測定できなかった。
<装着感>
実施例1、2のセンサデバイス100を被験者の指に巻き付けて装着感を評価したところ、被験者の装着違和感が少ないことを確認した。
実施例1、2のセンサデバイスは、伸縮性歪みセンサが、柔軟で伸縮可能な圧力センサまたは伸縮センサとして機能し、変形耐久性に優れる結果を示した。
100 センサデバイス
110 伸縮歪みセンサ
120 伸縮性基板
121 一面
130 伸縮性配線
132 第一配線
134 第二配線
140、141 伸縮性カバー部

Claims (22)

  1. 伸縮性基板と、
    前記伸縮性基板上に設けられた、1個又は2個以上の伸縮性歪みセンサと、
    前記伸縮性基板上に設けられており、前記伸縮性歪みセンサに電気的に接続された伸縮性配線と、
    を備え、
    25℃、未伸長時における前記伸縮性歪みセンサの体積抵抗率をVR1(Ω・cm)とし、25℃、未伸長時における前記伸縮性配線の体積抵抗率をVR2(Ω・cm)としたとき、VR1,VR2が、1<VR1/VR2を満たすように構成される、センサデバイス。
  2. 請求項1に記載のセンサデバイスであって、
    1.0×10≦VR1/VR2を満たすように構成される、センサデバイス。
  3. 請求項1又は2に記載のセンサデバイスであって、
    25℃、未伸長時における前記伸縮性歪みセンサの抵抗値をR1(Ω)とし、25℃、20%伸長時における前記伸縮性歪みセンサの抵抗値をR1'(Ω)としたとき、R1,R1'が、1<R1'/R1≦10を満たすように構成される、センサデバイス。
  4. 請求項1~3のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    25℃、無負荷時における前記伸縮性歪みセンサの抵抗値をR1(Ω)とし、25℃、1.67N/mmの圧力を加えたときの前記伸縮性歪みセンサの抵抗値をR1''(Ω)としたとき、R1,R1''が、1<R1''/R1≦10を満たすように構成される、センサデバイス。
  5. 請求項1~4のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    25℃、未伸長時における前記伸縮性配線の抵抗値をR2(Ω)とし、25℃、20%伸長時における前記伸縮性配線の抵抗値をR2'(Ω)としたとき、R2,R2'が、1<R2'/R2≦2を満たすように構成される、センサデバイス。
  6. 請求項1~5のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    25℃、20%伸長時における前記伸縮性歪みセンサの体積抵抗率をVR1'(Ω・cm)としたとき、25℃、20%伸長時における前記伸縮性配線の体積抵抗率をVR2'(Ω・cm)としたとき、VR1',VR2'が、1<VR1'/VR2'を満たすように構成される、センサデバイス。
  7. 請求項1~6のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    前記伸縮性歪みセンサが、圧力センサである、センサデバイス。
  8. 請求項1~7のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    前記伸縮性歪みセンサが、導電性炭素材料及びエラストマー材料を含む、センサデバイス。
  9. 請求項1~8のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    前記伸縮性歪みセンサが、導電性炭素材料及びエラストマー材料を含む導電性ペーストの印刷物で構成される、センサデバイス。
  10. 請求項1~9のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    前記伸縮性配線が、導電性フィラー及びエラストマー材料を含む、センサデバイス。
  11. 請求項10に記載のセンサデバイスであって、
    前記導電性フィラーが、銀粉を含む、センサデバイス。
  12. 請求項1~11のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    前記伸縮性基板が、非導電性フィラー及びエラストマー材料を含む、センサデバイス。
  13. 請求項1~12のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    前記伸縮性配線の表面を覆う、エラストマー材料を含む伸縮性カバー部を備える、センサデバイス。
  14. 請求項8~13のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    前記エラストマー材料が、シリコーンゴムを含む、センサデバイス。
  15. 請求項1~14のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    前記伸縮性配線の伸長度が、10%以上である、センサデバイス。
  16. 請求項1~15のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    25℃、未伸長時における前記伸縮性配線の体積抵抗率が、1×10-5Ω・cm以上1×10-1Ω・cm以下である、センサデバイス。
  17. 請求項1~16のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    前記伸縮性基板の基板厚みが、400μm以下である、センサデバイス。
  18. 請求項1~17のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    JIS K6252(2001)に準拠して測定される、25℃における前記伸縮性基板の引裂強度が、25N/mm以上である、センサデバイス。
  19. 請求項1~18のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    JIS K6251(2004)に準拠して測定される、25℃における前記伸縮性基板の破断伸びが、100%以上である、センサデバイス。
  20. 請求項1~19のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、
    25℃、JIS K6251(2004)に準拠して測定される、前記伸縮性基板の引張強度が、5.0MPa以上である、センサデバイス。
  21. 請求項1~20のいずれか一項に記載のセンサデバイスと、
    制御部と、を備え、
    前記制御部が、前記伸縮性歪みセンサの電気特性の変化に基づいて、前記伸縮性歪みセンサが受ける応力情報を取得する、モニタリング装置。
  22. 請求項21に記載のモニタリング装置であって、
    前記応力情報が、圧力、圧力分布、及びこれらの経時変化の少なくとも一または二以上を含む、モニタリング装置。
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