JP6377147B2 - ストレッチャブル導電回路及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、伸縮性や屈曲性に優れたストレッチャブル導電回路及びその製造方法に関する。

こうしたストレッチャブル導電回路は、例えば、柔軟性が要求されるＲＦＩＤ機器用のアンテナや配線、スポーツ科学における運動解析センサ用配線、衣服型心拍・心電図モニタ、ロボット可動部の配線、コンピュータに指令を送るための手指センサ用配線、さらには、ロボットを遠隔操作するために、手指、肘関節、膝関節に装着される屈曲センサ用配線など、近年様々な分野において需要が高まっている。

特許文献１には、ゴムにイオン性液体、カーボンナノチューブを分散させることにより伸縮性を持つ導電性ゴムを製造することが記載されている。
特許文献２には、エラストマー上に波状構造を持つ銅配線を張り付けて伸縮性回路基板を製造することが記載されている。
特許文献３には、エステル系ウレタンゴム製のエラストマーシートの下面に、ウレタンゴムと銀粉末からなる配線を配置することが記載されている。
特許文献４には、ＩＣチップのアンテナに、導電性繊維からなるブースター用のアンテナを未接着状態で対向配置することが記載されている。

ＷＯ２００９−１０２０７７（特願２００９−５５３４９３） 特開２０１３−１８７３８０号公報 特開２０１１−３４８２２号公報 特開２０１３−２０６０８０号公報

特許文献１には、伸縮性導電体を形成するため、カーボンナノチューブや金属ナノワイヤー等を分散し導電性を出現することが示されている。これらの材料は高価であるが、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ため、自ずと最終製品が高価なものになってしまい、スポーツ科学や医療の分野での普及には障壁がある。

一方、特許文献２に示されるように、波状配線等、金属パターン自身の構造により伸縮性を発現するものに関しては、プロセスが複雑であることと、伸張率があまり高くないことが問題であった。

特許文献３に示されるように、ウレタンゴムの内部に銀粉末を封入し、伸縮性を導線を個別に製造するものでは、高いコストが必要となり、しかも、柔軟性が損なわれ、銀粉末間の電気的接触がいずれかの箇所で途絶えると、導線としての機能が損なわれてしまうという問題があった。

特許文献４に示されるように、導電性繊維を利用する場合には、導電性繊維自体高価であり、しかも、種々の形態のアンテナを形成する際に、導電性繊維シートを切り抜く必要がある。このため、無駄となる導電性繊維シートが多く、さらにコストアップを招くとともに、柔アンテナ形態の自由度に制限が生じてしまう。

そこで、本発明の目的は、ナイロン等、伸縮性のある繊維の表面に銀を蒸着させたファイバー等の導電性繊維材料を、粘着性とストレッチャブル性を併せ持つ基材表面に導電性粉末を吸着させることにより、伸縮性、屈曲性、耐久性に優れ、しかも、伸長センサ、静電容量型圧力センサとしても利用できる、低コストのストレッチャブル導電回路及びその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明に基づくストレッチャブル導電回路は、表面に、所定のパターンを備えた配線領域に対応して粘着層が形成されたエラストマーシートと、所定の径及び長さを有する導電性繊維材料であって、前記粘着層に貼着され、前記配線領域に沿って、互いに電気的に導通するよう接触する導電性繊維材料とを備え、前記エラストマーシートが伸縮あるいは屈曲したときに、前記導電性繊維材料が互いに電気的導通を維持しながら相対移動し、前記配線領域における電気的導通を維持するようにした。

また、本発明に基づくストレッチャブル導電回路の製造方法は、エラストマーシートの表面に、所定のパターンを備えた配線領域に対応するマスクを用いて粘着層を形成する工程と、前記粘着層に導電性繊維材料を貼着させる工程と、前記導電性繊維材料のうち、前記粘着層に塗布できなかった導電性繊維材料を除去する工程と、前記粘着層硬化後に、前記マスクを除去する工程とから構成した。

本発明によれば、表面に所定のパターンを備えた配線領域に対応するエラストマーシート粘着層に、所定の径及び長さを有する導電性繊維材料を貼着させ、エラストマーシートが伸縮あるいは屈曲したときに、導電性繊維材料が互いに電気的導通を維持しながら相対移動し、配線領域における電気的導通を維持するようにしたので、エラストマーシートの柔軟性を損なうことなく、伸縮性、屈曲性、耐久性に優れ、しかも、低コストのストレッチャブル導電回路を実現することが可能となる。
また、導電性繊維材料の繊維長などを選定することにより、伸長率に対する電気的導通度、すなわち抵抗値の変化特性を種々調整できることを利用して、伸び量センサとして利用することが可能となる。
さらに、エラストマーシートを介在させて導電性繊維材料の貼付層を対向させることにより、エラストマーシートの表面に作用する圧力、荷重に応じて、対向電極間の静電容量を変化させることで、圧力センサとして利用することも可能となる。

図１は、本発明における導電性繊維材料の初期状態と屈曲時の状態を模式的に示す図である。 図２は、エラストマーシートの伸張と抵抗値の増大の関係を示す図である。 図３は、ブラシローラー法による導電性繊維材料の貼着を説明する図である。 図４は、スプレー法による導電性繊維材料の貼着を説明する図である。 図５は、銀被覆繊維の長さと、伸張エラストマーシートの伸張と抵抗の増大の関係を示す図である。 図６は、実施例１の伸張率とシート抵抗の実測値を示す図である。 図７は、ケーブル状のストレッチャブル導電回路とした実施例４のストレッチャブル導電回路を示す図である。 図８は、実施例４によるケーブル状のストレッチャブル導電回路の伸長率に対する抵抗値変化の計測値を示す図である。 図９は、伸び量検出センサとして用いる実施例５のストレッチャブル導電回路を示す図である。 図１０は、実施例５において、配線幅Ｗを変化させたときの伸長率に対する抵抗値変化の計測値を示す図である。 図１１は、静電容量型の圧力センサとして用いる実施例６のストレッチャブル導電回路を示す図である。 図１２は、配線幅Ｗを変化させたときの圧力に対する静電容量の変化を示す図である。 図１３は、実施例６において交差部に形成される素子面積と静電容量の関係を示す図である。 図１４は、水平方向の伸長に対する静電容量変化の計測値を示す図である。 図１５は、エラストマーシートを中間層として介在させた例を示す図である。 図１６は、中間層となるエラストマーシートの枚数と静電容量の変化を示する図である。 図１７は、中間層となるエラストマーシートの枚数を増やしていった際の圧力に対する静電容量の変化を示す図である。 図１８は、中間層となるエラストマーシートに開口を設けた変形例を示す図である。 図１９は、開口が形成された中間層を増やしていった場合の圧力に対する静電容量の変化を示す図である。 図２０は、一方のエラストマーシートに１本の導電性繊維貼付層、他方のエラストマーシートに５本の導電性繊維貼付層を形成し５点で交差させ、一方を伸び検出センサ、他方を圧力センサとした実施例７を説明する図である。 図２１は、実施例７の計測例を示す図である。 図２２は、この計測例に荷重をかけた際の抵抗値と静電容量の実測値を示す図である。 図２３は、抵抗値と静電容量の計測値と、実際の伸び量、圧力との関係を示す図である。

まず、本発明の基本原理について説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）に、初期状態と屈曲時における導電性繊維材料の状態を模式的に示す。
本発明においては、ウレタンエラストマー等からなるエラストマーシート１に、所望の回路配線に沿って粘着層を形成し、この粘着層に、所定の長さ、径を有する導電性繊維材料２を貼付する。
導電性繊維材料２は、粘着層に達した段階で、その先端部や中間部で、少なくとも一部が粘着層に埋もれた状態となる。そして、表面をローラーで軽く押圧したり、表面をフィルム等で被覆する際に、露出する部分が粘着層の表面上に倒れ、互いに交差し電気的に接続された状態となる。これにより、図１（ａ）に示す初期状態のように、回路配線の長手方向両端部全域にわたり電気的導通が確保される。
なお、図中、黒丸で示す箇所は導電性繊維材料２の接続点、矢印は、左上方の導電性繊維材料２を起点とした電流の流れを示す。

そして、エラストマーシート１が伸縮あるいは屈曲したとき、図１（ｂ）に示す状態１のように、個々の導電性繊維材料２は、粘着層表面上において、他の導電性繊維材料２との交差を維持しながら、相対的移動することで、エラストマーシート１の柔軟性に影響を及ぼすことなく、電気的な導通を確実に維持することができる。

ただし、エラストマーシート１に過度の伸張が生じると、図１（ｃ）に示す状態２のように、一部の導電性繊維材料２間では、電気的接続が途切れ、また、互いに電気的に接続する導電性繊維材料２の長さが増大するため、抵抗値が増大することになる。

エラストマーシートの伸張と抵抗値の増大の関係を図２に示す。
下側の直線が、エラストマーシートの伸張量にかかわらず、個々の導電性繊維材料の電気的接続がすべて維持される理想的な状態を示し、基本的には、伸張に伴う導電性繊維材料の両端間距離に比例して、抵抗値が増大する。
一方、エラストマーシートの伸張量がある程度の値になると、導電性繊維材料間の離脱が発生し、伸張に応じて離脱量が急激に増大し、状態１から状態２に遷移し、これに伴い抵抗値が急激に増大していく。

ここで、導電性繊維材料の材質、長さ、径、そして、粘着層における配列と、図２に示されるような抵抗増加特性との関係について考察する。
（１）導電性繊維材料の材質
上述のように、導電性繊維材料は、粘着層表面上において、他の導電性繊維材料との交差を維持しながら、それぞれ相対的に移動するものであることから、エラストマーシートが大きく伸縮したり、屈曲した際にも、導電性繊維材料間の電気的接続を維持するため、柔軟性の高い材質が好ましい。
そこで、大きな屈曲が予想される場合には、例えば、ナイロン繊維の表面に銀を被覆した銀被被覆繊維等を好適例として挙げることができる。
さらに、ポリピロール系導電性ポリマーを繊維表面に重合させ、基材繊維と一体化した繊維素材も、表面の導電性ポリマー層が０.０１〜０.０５μｍと薄く、繊維素材の特性を損なうことのない導電性繊維材料として好適である。
一方、伸縮や屈曲がさほど大きくない箇所にエラストマーシートを装着する場合には、例えば、銅、アルミニウムの細線を、所定の長さに切断した金属短繊維を導電性繊維材料として採用することができる。

（２）導電性繊維材料の長さ
導電性繊維材料が長いほど、隣接する導電性繊維材料との交差部からの距離を長く確保できるので、エラストマーシートの伸張量が増えても、隣接する導電性繊維材料間で電気的接続が離脱しにくく、抵抗値の増大を低減することが可能となる。
ただし、導電性繊維材料が長すぎると、粘着層に接触しない部分が増大し、導電性繊維材料が粘着層から離脱しやすくなってしまうので、エラストマーシートの屈曲率なども考慮して最適な長さを選択する。

（３）導電性繊維材料の径
導電性繊維材料の径を大きくすると、一本あたりの電気抵抗を小さくできるが、剛性が増大し、隣接する他の導電性繊維材料との電気的接触がスムースに行われない。
また、後述するように、導電性繊維材料として、ナイロン等の繊維に銀などの導電性の良好な金属を被覆したものを使用する場合には、電気抵抗が、導電性繊維材料の表面積で決定されるため、貼着された導電性繊維材料の総量に対し、必ずしも所期の電気抵抗を得ることができない。このため、使用する導電性繊維材料の特性や、エラストマーシートの屈曲に伴う電気抵抗の変化率なども考慮して最適な径を選択する。

（４）粘着層における導電性繊維材料の配列
粘着層に導電性繊維材料を貼付する際には、ブラシローラー法やスプレー法を採用することができる。
ブラシローラー法とは、図３に示すように、表面に粘着層を有するエラストマーシート１に、回路配線３に対応するマスク４を配置し、接着剤を塗布して粘着層を形成した後、回転ブラシ５により、導電性繊維材料２をこの粘着層に埋め込むものである。これにより、導電性繊維材料２にある程度の配向性を与えることができる。エラストマーシート１が長手方向に大きく伸縮した場合でも、導電性繊維材料２どうしの電気的接触を維持することが可能となる。
ただし、エラストマーシート１の幅方向の伸縮に対しては、粘着層の表面において、幅方向に交差する導電性繊維材料２が不足しているため、導電抵抗の悪化を招く場合がある。
なお、硬化型の粘着層が全面に形成されたエラストマーシート１に、剥離性の高い素材からなるマスク４を配置し、回転ブラシ５により導電性繊維材料２をこの粘着層に埋め込み、その後、マスク４を粘着層から剥離するようにしてもよい。

一方、スプレー法は、図４に示すように、回路配線３に対応するマスク４の上方から、導電性繊維材料２を粘着層に、スプレー６で高圧で吹き付けるもので、ランダムな配列を得ることができる。
いずれの場合でも、導電性繊維材料２が粘着層に貼着できる飽和状態を超えるまで、粘着層に供給し、余分な貼着させ、余分な導電性繊維材料２を圧縮空気などを用いて除去することで、回路配線を形成する。

ここで、導電性繊維材料として、ナイロンに銀被覆を施した銀被覆繊維（径；１７.６μｍ）を用いて、サンプルサイズ４８ｍｍ×２ｍｍのエラストマーシートに本発明の導電性回路配線を形成した場合、銀被覆繊維の長さと、伸張に伴う抵抗値変化の実測値を図５に示す。
なお、封止とあるのは、粘着層に貼付した銀被覆繊維に対し、同様のエラストマーシートやエラストマーシートと同等以上の柔軟性を備えた薄膜フィルム等からなる被覆層により封止し、粘着層に貼付した銀被覆繊維の表面を押さえ込んだ態様を示している。

最大伸張量において、抵抗値増分が少ないものから順に、［銀被覆繊維３.０ｍｍかつ封止あり］、［銀被覆繊維０.５ｍｍかつ封止あり］、［３.０ｍｍかつ封止なし］、［銀被覆繊維０.５ｍｍと３.０ｍｍの混在かつ封止なし］、［銀被覆繊維０.５ｍｍかつ封止なし］をそれぞれ示している。
この実測結果から分かるように、導電性繊維材料として、径１７.６μｍ、長さ３ｍｍの銀被覆繊維を用いて、上面を封止した場合、最大伸張量３０ｍｍに対しても、ほとんど抵抗値は増大していない。これは、最大伸張量が発生した場合でも、銀被覆繊維が粘着層上面において十分な長さを有し、しかも、エラストマーシートや薄膜フィルムにより上面を押さえ込まれているために、銀被覆繊維間の電気的接続がほとんど維持されていることを示している。

一方、径１７.６μｍ、長さ０.６ｍｍの短い銀被覆繊維を用いた場合でも、エラストマーシートや薄膜フィルムにより上面を押さえ込むと、伸張量２５ｍｍまでであれば、抵抗値の増大を最小限に抑制することができる。
エラストマーシートや薄膜フィルムを用いて上面を被覆すると、コストアップや、柔軟性の悪化を招くが、使用中、どの程度の伸張が発生する等、用途に応じて、銀被覆繊維の長さ、配合、上面被覆層の有無を選択すればよい。

一方、例えば、［銀被覆繊維０.５ｍｍかつ封止なし］の場合、伸びに対する抵抗増加分が大きく、［銀被覆繊維３.０ｍｍかつ封止あり］の場合を除くと、伸びに対し、１対１の関係で抵抗増加分が大きくなっていることが分かる。
この特性を利用することにより、本発明の導電性繊維材料２を用いたストレッチャブル導電シートを利用することで、抵抗値の変化に基づいて伸び量を計測することが可能となる。

さらに、ストレッチャブル導電シートを重ねることにより、導電性繊維材料間に位置するエラストマーシートをキャパシタとして機能させ、ストレッチャブル導電シートの表面圧力に応じて、導電性繊維材料間のギャップ変化に伴う静電容量を計測することにより、圧力センサとして利用することも可能となる。

以下、具体的な実施例を図面を用いて説明する。
［実施例１］
所定の柔軟性を備えたエラストマーシート（例えば、サイズ：３ｃｍ×８ｃｍ 厚さ：１ｍｍのウレタンエラストマーシート）の全面に粘着層を塗布し、この粘着層にある程度の粘度が発現した状態で、ブラシローラー法により、導電性繊維材料として、長さ：０.５ｍｍ〜３ｍｍ、径：１７.６μｍの銀メッキナイロンファイバーを貼着させた。このストレッチャブル導電シートのシート抵抗を抵抗率計により計測した。実測結果を図６に示す。
２５０％の伸張率までのシート抵抗の変化は少なく、良好な特性を示した。

［実施例２］
エラストマー粘着シート（サイズ：３ｃｍ×８ｃｍ 厚さ：１ｍｍ）の粘着層に、ブラシローラースプレー法により銀メッキナイロンファイバー（ファイバー長さ：０.３ｍｍ〜３ｍｍ、ファイバー径：１７.６μｍ）を吸着させた。この導電シートをＬＥＤ点灯回路配線中に接続し、伸張率約１００％の時のＬＥＤの輝度を目視で観測した。伸張率０％の時と比較して輝度の変化は観測されなかった。

［実施例３］
エラストマー粘着シート（サイズ：３ｃｍ×９ｃｍ 厚さ：１ｍｍ）の粘着層にＰＥＴをカッティングしたマスクを作製し、ブラシローラー法により銀メッキナイロンファイバー（ファイバー長さ：０.３ｍｍ〜３ｍｍ、ファイバー径：１７.６μｍ）を吸着させて、ＵＨＦ−ＲＦＩＤ用のアンテナパターンを形成した。
このアンテナパターンにＥＰＣグローバルｇｅｎ２準拠のＲＦＩＤ用ＩＣチップを実装しストレッチャブルＲＦＩＤタグを作製した。このストレッチャブルＲＦＩＤタグを衣服に貼付し、ＲＦＩＤ読み取り装置（デンソーウェーブ製ＢＨＴ−６０４ＱＵＷＢ 出力１０ｍＷ）で読み取り試験を行った
約３ｃｍの通信距離でＩＤの読み取りが可能であり、伸張率が約１００％となった際でも、約２.５ｃｍの通信距離を維持することができた。

なお、実施例１〜３では、銀メッキナイロンファイバーをスプレー法により粘着させた場合でも、実験結果に大きな相違は生じなかった。

［実施例４］
図７に示すように、所定の柔軟性を備え、片面に粘着層が塗布されたエラストマーシート（例えば、サイズ：２０ｃｍ×１０ｃｍ 厚さ：４０μmのウレタンエラストマーシート）の一方の面の粘着層にある程度の粘度が発現した状態で、ブラシローラー法により、長さ：０.５ｍｍ〜３ｍｍ、径：１７.６μｍの銀メッキナイロンファイバーを幅５ｃｍでエラストマーシートの長さ方向に１５ｃｍ貼着させた。
この実施例では、銀メッキナイロンファイバーを粘着した層の幅（以下、「配線幅Ｗ」という。）に対し、エラストマーシートの幅を大きくしており、粘着後、このエラストマーシートを巻き取り、断面が円形のケーブル状のストレッチャブル配線とした。
図８に、このストレッチャブル配線の伸びに対する抵抗の変化を抵抗率計により計測した結果を示す。伸長率１００％（２倍の伸び）に対しても、ほとんど抵抗値の変化しない優れたケーブル状のストレッチャブル配線が得られた。

［実施例５］
実施例１〜４は、伸びに対し、可能な限り抵抗値の変化を抑止した、ストレッチャブル導電シートあるいはケーブル状のストレッチャブル配線に関するものであるが、実施例５は、伸び量に対する抵抗値の変化を積極的に活用し、伸び量検出センサとするものである。
図９は、基材として、厚さ４０μｍの粘着剤付きウレタンエラストマーを用い、導電性繊維材料を貼着する配線幅Ｗに、前述の実施例と同様、長さ：０.５ｍｍ〜３ｍｍ、径：１７.６μｍの銀メッキナイロンファイバーを飽和状態で粘着させた。

図１０は、Ｗを変化させたときの、伸長率に対する抵抗値の変化の計測結果を示す。
配線幅５ｍｍ〜２０ｍｍは、伸長率に対し抵抗値の変化が少なく、ストレッチャブル導電回路として優れた特性を示しているが、配線幅を２ｍｍとしたとき、伸長率に対し、ほぼリニアに抵抗値が増加していることが確認できる。これは、銀メッキナイロンファイバーの個々の繊維長を短くすることでも同様である。
こうした特性を利用し、銀メッキナイロンファイバーの長さ、径、そして配線幅Ｗを種々選択することにより、抵抗値と伸長率を予めマップ化しておけば、伸び量センサとして利用することが可能となる。

［実施例６］
本実施例では、本発明によるストレッチャブル導電回路を交差させ、交差部において、対向する貼付した導電性繊維材料を対向電極、その間に存在するエラストマーシートを蓄電部（キャパシタ）として機能させ、ストレッチャブル静電容量型圧力センサとして利用する。
具体的には、図１１に示すように、導電性繊維材料貼付層２ａが水平方向に延びるエラストマーシート１ａと、導電性繊維材料貼付層２ｂが垂直方向に延びるエラストマーシート１ｂを重ねて互いに貼付することで、導電性繊維材料貼付層２ａと導電性繊維材料貼付層２ｂの交差部７に存在するエラストマーシート１ａ、１ｂが、電子を蓄えるキャパシタとして機能する。

エラストマーシート１ａ、１ｂの表面に対し、垂直方向に圧力あるいは荷重が作用すると、交差部７において、エラストマーシート１ａ、１ｂが収縮し、対向電極としての導電性繊維材料貼付層２ａ、２ｂ間の距離が減少し、静電容量が増加する。
図１２に、垂直に交差させた導電性繊維材料貼付層２ａ、２ｂの配線幅Ｗを２ｍｍ〜２０ｍｍとしたときの圧力増加に対する静電容量変化の計測結果を示す。配線幅Ｗを大きくするほど、高圧力に到るまで、静電容量が増大していくことが分かる。
図１３は、導電性繊維材料貼付層２ａ、２ｂの重なり面積を横軸、静電容量を縦軸とし、圧力１Ｎ（四角）、２００Ｎ（丸）としたときの重なり面積に対する静電容量変化の計測結果を示す。圧力２００Ｎの場合、静電容量と重なり面積とほぼ正比例の関係にあり、導電性繊維材料貼付層２ａ、２ｂの配線幅Ｗを大きくすることにより、正確な圧力計測が可能になることが分かる。

一方、図１４は、配線幅Ｗを２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍとしたとき、エラストマーシート１ａ、１ｂの表面対し水平方向の応力が作用し、伸長した場合の静電容量変化の計測結果を示す。
特に、配線幅Ｗを２ｍｍ、５ｍｍとしたときは、伸長率に対し、静電容量がほとんど変化していない。これは、伸長により、エラストマーシート１ａ、１ｂが収縮し、静電容量を増大させるが、収縮に伴い重なり部分の面積も減少するため、両者が相殺されているものと考えることができる。
したがって、本実施例のストレッチャブル静電容量型圧力センサは、配線幅Ｗを選定することにより、水平方向の伸長に関わりなく、垂直方向に作用する圧力あるいは荷重を正確に検出ことが可能となる。

本実施例では、様々な変形が可能である。
図１５は、エラストマーシート１ａ、１ｂ間に、所定の厚さを有する導電性繊維材料貼付層のないエラストマーシート１ｃ、１ｄを介在させることで、電極間ギャップを広げた例を示している。
図１６は、ストレッチャブル導電回路に５００Ｎの圧力を負荷したときの、介在させるエラストマーシートの枚数に対する静電容量の変化を示す。
また、図１７は、介在させるエラストマーシートによる電極ギャップを、Ｌ１（１層）から順にＬ１０（１０層）まで増やした場合、圧力変化、荷重変化に対する静電容量の変化を示すものである。

このように、エラストマーシートの層が少ない場合には、小さな圧力変化、荷重変化に対し、感度を高めることができる。一方エラストマーシートの層を増やしていくと、圧力、荷重が小さい場合には、電極ギャップの増大に応じて静電容量が減少するが、介在するエラストマーシー圧力変化に対する収縮分を大きく取ることができ、静電容量変化を広いレンジで計測することが可能となる。

図１８は、介在させるエラストマーシート１ｃ〜１ｅに、導電性繊維材料貼付層２ａ、２ｂの重なり部分に対応して開口を設けたもので、図１９は、開口のないエラストマーシート１層のみ（Ｌ１）から、開口のあるエラストマーシートを４層（Ｌ５）まで順次積層した場合の、圧力に対する静電容量変化の計測結果を示す。
開口のあるエラストマーシートを１層加えたＬ２で最も高い感度を示すが、開口のあるエラストマーシート順次増やすことで、線形特性が良好となり、精度を高めるとともに、より高い圧力範囲、荷重範囲の計測が可能となることが分かる。

［実施例７］
本実施例では、本発明によるストレッチャブル導電回路を、伸び検出センサとして利用する第１のストレッチャブル導電回路に対し、これに交差する第２のストレッチャブル導電回路をストレッチャブル静電容量型圧力センサとして利用することで、伸長と、圧力・荷重を同時に計測することを可能にするものである。
図２０に示すように、第１のストレッチャブル導電回路を構成するエラストマーシート１ａには、水平方向に１本の導電性繊維材料貼付層２ａが形成されており、第２のストレッチャブル導電回路１ｂを構成するエラストマーシート１ｂには、垂直方向に５本の導電性繊維材料貼付層２ｂが形成されている。ここで、導電性繊維材料貼付層２ａと導電性繊維材料貼付層２ｂの重なり部分において、両端間の導電性繊維材料貼付層２ａの抵抗値を計測することで、実施例５と同様に、伸びを計測することができる。また、この箇所における導電性繊維材料貼付層２ａ、導電性繊維材料貼付層２ｂ間の静電容量を計測することで、圧力、荷重を計測することができる。

前述のように、圧力計測値に対する伸びの影響は少ないので、図２０の例では、５点の箇所における伸びと圧力、荷重を、独立して同時に計測することができる。
実際の計測結果を図２１、図２２に示す。
この例では、図２１に示すように、第１のストレッチャブル導電回路を構成するエラストマーシート１ａ、第２のストレッチャブル導電回路を構成するエラストマーシート１ｂはそれぞれ、１００ｍｍ×４５ｍｍの長方形である。エラストマーシート１ａには水平方向に１本の導電性繊維材料貼付層２ａが、そして、エラストマーシート１ｂには垂直方向に８本の導電性繊維材料貼付層２ｂが形成され、Ｃ１〜Ｃ８の８点で重なり部が形成されている。

図２２は、静電容量素子を形成する８点の重なり部のうち、Ｃ１とＣ４の間に伸びを与え、Ｃ３とＣ７に荷重を与えたときの８本の導電性繊維材料貼付層２ｂ間の抵抗値Ｒ１〜Ｒ８、そして、静電容量素子を形成する８点の重なり部Ｃ１〜Ｃ８それぞれの静電容量の計測結果を示す。
図２３は、この計測結果を上段に、実際の伸長率、荷重を下段に示したもので、両者が高い相関性を示していることが分かる。

これにより、第１、第２のストレッチャブル導電回路の組み合わせ毎に、抵抗値と伸び、静電容量と圧力、荷重の関係をマップ化しておくことで、重なり部毎に、伸びと圧力、荷重の関係を正確に計測することが可能である。これにより、例えばスポーツウエアを開発する際、特定部位における伸縮の程度と、肌に作用する荷重の関係を計測し、最適設計を可能にする。

以上説明したように、本発明によれば、エラストマーシートの粘着層に、所定の径及び長さを有する導電性繊維材料を貼着するだけで、エラストマーシートの柔軟性を損なうことなく、伸縮性、屈曲性、耐久性に優れたストレッチャブル導電回路を低コストで、しかも、大量生産が可能となる。このため、ＲＦＩＤ機器用のアンテナや配線、スポーツ科学における運動解析センサ用配線、衣服型心拍・心電図モニタ、ロボット可動部の配線、手指センサ用配線、手指、肘関節、膝関節に装着される屈曲センサ用配線などとして広く採用されることが期待できる。
また、導電性繊維材料の繊維長などを選定することにより、伸び量センサとして利用することや、エラストマーシートを介在させて導電性繊維材料の貼付層を対向させることにより、圧力センサとして利用することも可能となる。

１：エラストマーシート
２：導電性繊維材料
３：回路配線
４：マスク
５：ブラシローラー
６：スプレー

Claims (12)

1. 表面に、所定のパターンを備えた配線領域に対応して粘着層が形成されたエラストマーシートと、
   所定の径及び長さを有する導電性繊維材料であって、前記粘着層に貼着され、前記配線領域に沿って、互いに電気的に導通するよう接触する導電性繊維材料とを備え、
   前記導電性繊維材料の長さは、０．５ｍｍ〜３ｍｍであり、
   前記エラストマーシートが伸縮あるいは屈曲したときに、前記導電性繊維材料が互いに電気的導通を維持しながら相対移動し、前記配線領域における電気的導通を維持するようにしたことを特徴とするストレッチャブル導電回路。
2. 前記粘着層に貼着させた導電性繊維材料の表面に、前記エラストマーシート、あるいは、前記エラストマーシートより高い柔軟性を備えた薄膜フィルムからなる被覆層で封止したことを特徴とする請求項１に記載のストレッチャブル導電回路。
3. 前記エラストマーシートの両面を粘着層とし、一方の粘着層に貼着した前記導電性繊維材料を内方にして該エラストマーシートを巻き込むことで、導線状にしたことを特徴とする請求項１に記載のストレッチャブル導電回路。
4. 前記導電性繊維材料の個々の繊維の繊維長、あるいは、貼着する配線幅を選定することにより、前記エラストマーシートが伸縮あるいは屈曲したときに、その伸長率に応じて、電気的に離隔する前記導電性繊維材料を増大させ、電気的抵抗を増大させることで、伸び量を検出する伸び量検出センサとしたことを特徴とする請求項２に記載のストレッチャブル導電回路。
5. ２枚のエラストマーシートに貼着された前記導電性繊維材料を互いに交差させ、その交差部において、各導電性繊維材料の貼着層を対向電極、この対向電極間のエラストマーシートをキャパシタとし、垂直方向に作用する圧力、荷重による前記電極間のエラストマーシートの伸縮に伴い、前記対向電極間の静電容量を変化させることで、圧力センサとしたことを特徴とする請求項１または４に記載のストレッチャブル導電回路。
6. 前記交差部に、前記導電性繊維材料が貼着されていないエラストマーシートを積層したことを特徴とする請求項５に記載のストレッチャブル導電回路。
7. 前記導電性繊維材料が貼着されていないエラストマーシートの少なくとも１層に、前記交差部の下方に開口を設けたことを特徴とする請求項６に記載のストレッチャブル導電回路。
8. 前記２枚のエラストマーシートの一方に、前記導電性繊維材料の貼着層を複数列形成し、他方のエラストマーシートに形成した前記導電性繊維材料の貼着層に対し、長さ方向に複数の箇所で前記交差部を形成したことを特徴とする請求項５に記載のストレッチャブル導電回路。
9. 前記２枚のエラストマーシートのうち、一方を伸び量検出センサとし、前記交差部を圧力センサとしたことを特徴とする請求項５に記載のストレッチャブル導電回路。
10. エラストマーシートの表面に、所定のパターンを備えた配線領域に対応するマスクを用いて粘着層を形成する工程と、
    前記粘着層に導電性繊維材料を貼着させる工程と、
    前記導電性繊維材料のうち、前記粘着層に塗布できなかった導電性繊維材料を除去する工程と、
    前記粘着層硬化後に、前記マスクを除去する工程とからなり、
    前記粘着層に塗布された前記導電性繊維材料の長さは、０．５ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とするストレッチャブル導電回路の製造方法。
11. ブラシローラー法を用いて、前記粘着層に前記導電性繊維材料を貼着させるようにしたことを特徴とする請求項１０に記載のストレッチャブル導電回路の製造方法。
12. スプレー法を用いて、前記粘着層に前導電性繊維材料を貼着させるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載のストレッチャブル導電回路の製造方法。

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