JP6773956B2 - Bending and stretching deformation sensor device - Google Patents

Bending and stretching deformation sensor device Download PDF

Info

Publication number
JP6773956B2
JP6773956B2 JP2016113597A JP2016113597A JP6773956B2 JP 6773956 B2 JP6773956 B2 JP 6773956B2 JP 2016113597 A JP2016113597 A JP 2016113597A JP 2016113597 A JP2016113597 A JP 2016113597A JP 6773956 B2 JP6773956 B2 JP 6773956B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
wiring
sensor device
hinge portion
geo
bending
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016113597A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017220555A (en
Inventor
英治 岩瀬
英治 岩瀬
吉丘 岩田
吉丘 岩田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Waseda University
Original Assignee
Waseda University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Waseda University filed Critical Waseda University
Priority to JP2016113597A priority Critical patent/JP6773956B2/en
Publication of JP2017220555A publication Critical patent/JP2017220555A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6773956B2 publication Critical patent/JP6773956B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/30Technical effects
    • H01L2924/35Mechanical effects
    • H01L2924/351Thermal stress
    • H01L2924/3511Warping

Landscapes

  • Wire Bonding (AREA)

Description

本発明は、曲げ変形および伸縮変形可能な電子デバイスに関する。 The present invention relates to electronic devices that are bendable and stretchable.

近年、柔軟性や伸縮性を持つフレキシブルデバイスの研究が盛んに行われており、液体発光材料を用いたフレキシブルディスプレイやフレキシブルセンサシート等が提案されている。例えば、曲げられるディスプレイやセンサ、太陽電池などの研究結果が非特許文献1あるいは2等で報告されている。 In recent years, research on flexible devices having flexibility and elasticity has been actively conducted, and flexible displays and flexible sensor sheets using liquid light emitting materials have been proposed. For example, research results on bendable displays, sensors, solar cells, etc. have been reported in Non-Patent Documents 1 and 2.

非特許文献1は印刷技術を用いた変形可能な無機LEDデバイスに関するものであり、サイズの小さなLEDをポリジメチルシロキサン(PDMS)のような柔軟性のある基板上に配置し、LED間をアーチ状の金属配線で接続する構造が開示されている。本文献では、この構造により、LEDや金属配線にかかる応力を緩和することができ、曲げ変形に対する耐性を向上できることが示されている。 Non-Patent Document 1 relates to a deformable inorganic LED device using printing technology, in which small-sized LEDs are arranged on a flexible substrate such as polydimethylsiloxane (PDMS), and the LEDs are arched between the LEDs. The structure of connecting with the metal wiring of is disclosed. In this document, it is shown that this structure can relieve stress applied to LEDs and metal wiring, and can improve resistance to bending deformation.

非特許文献2は柔軟性を有する薄膜Si太陽電池に関するものであり、例えば15μm程度の厚さのSiマイクロセルと呼ばれる太陽電池を複数配置し、金属配線で接続する構造が開示されている。本文献では、このマイクロセルの上下に30μm程度の厚さのポリマーを用いて挟み込み、曲げ変形に対して圧縮歪みも引張歪みもかかりにくくなる中立面にマイクロセルを配置することでマイクロセルにかかる応力を緩和し、曲げ変形に対する耐性を向上できることが示されている。 Non-Patent Document 2 relates to a thin-film Si solar cell having flexibility, and discloses a structure in which a plurality of solar cells called Si microcells having a thickness of, for example, about 15 μm are arranged and connected by metal wiring. In this document, a polymer having a thickness of about 30 μm is sandwiched above and below the microcell, and the microcell is placed on a neutral surface where compression strain and tensile strain are less likely to be applied to bending deformation. It has been shown that such stress can be relaxed and resistance to bending deformation can be improved.

しかし、これらのデバイスは、曲げ変形は可能であるが、伸縮変形に対する耐性は低い。曲げ変形では圧縮歪みも引張歪みもかからない中立面があるのに対し、伸縮変形では歪みがゼロとなる場所がないことから、素子や配線部を中立面に配置するアプローチでは、伸縮変形できるデバイスを実現することはできないからである。これに対して、伸縮耐性を備える有機材料を用いることで、曲げられるだけでなく伸縮変形にも対応するデバイスを実現しようとする研究も多く行われている(例えば、非特許文献3参照)。 However, although these devices are capable of bending deformation, they have low resistance to stretching deformation. While there is a neutral surface where neither compressive strain nor tensile strain is applied in bending deformation, there is no place where the strain becomes zero in stretching deformation, so the approach of arranging the element and wiring part on the neutral surface allows stretching deformation. This is because the device cannot be realized. On the other hand, many studies have been conducted to realize a device that can be bent as well as stretched and deformed by using an organic material having stretch resistance (see, for example, Non-Patent Document 3).

S.-I. Park et al., "Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays" Science, vol.325, pp.977-982, 2009.S.-I. Park et al., "Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays" Science, vol.325, pp.977-982, 2009. J. Yoon et al., "Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent, mechanically flexible and microconcentrator module designs" Nature Materials, vol.7, pp.907-915, 2008.J. Yoon et al., "Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent, mechanically flexible and microconcentrator module designs" Nature Materials, vol.7, pp.907-915, 2008. T. Sekitani et al., "Stretchable active-matrix organic light-emitting diode display using printable elastic conductors" Nature Materials, vol.8, pp. 494-499, 2009.T. Sekitani et al., "Stretchable active-matrix organic light-LED diode display using printable elastic conductors" Nature Materials, vol.8, pp. 494-499, 2009.

先に述べたように、非特許文献1および2などの研究によるデバイスでは、一般的な金属配線と半導体によるデバイスを用いつつ曲げ変形は可能とされているが、伸縮変形に対する耐性は得られていない。非特許文献3では、伸縮性のある配線として従来に比べ非常に高い導電率を持つとされる導電性ゲルが報告されており、29%の伸縮耐性を持ちつつ、1.02×104S/mの導電率があると報告されている。しかし、これは、Auの導電率が4.6×107 S/mであるのと比べると非常に低い。したがって、性能およびコストの観点からは、一般的な金属等を用いた配線と半導体素子を用いて、伸縮による破断および伸縮の繰返しによる疲労破壊に対して高い耐性を有する高伸縮耐性のデバイス構造が望まれる。 As described above, devices based on research such as Non-Patent Documents 1 and 2 are capable of bending deformation while using general metal wiring and semiconductor devices, but resistance to expansion and contraction deformation is obtained. Absent. Non-Patent Document 3 reports a conductive gel that is said to have an extremely high conductivity as a stretchable wiring compared to the conventional one, and has a stretch resistance of 29% and 1.02 × 10 4 S / m. It is reported that there is conductivity of. However, this is very low compared to Au's conductivity of 4.6 × 10 7 S / m. Therefore, from the viewpoint of performance and cost, a device structure with high expansion and contraction resistance, which has high resistance to fracture due to expansion and contraction and fatigue fracture due to repeated expansion and contraction, is provided by using general metal wiring and semiconductor elements. desired.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、一般的な金属等を用いた配線と半導体素子を用いることができ、従来技術に比べて曲げ変形および伸縮変形可能な電子デバイスを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an electronic device that can be bent and deformed and stretched and deformed as compared with the prior art can be used with wiring using a general metal or the like and a semiconductor element. The challenge is to provide.

上記の課題を解決するための本発明の一つの特徴に従った曲げ変形および伸縮変形可能な電子デバイスは平板部と、前記複数の平板部間を繋ぎ、折り曲げ可能なヒンジ部と、前記ヒンジ部同士の交点に設けられた空隙と、曲げ変形および伸縮変形時に歪みが実質的にゼロである前記ヒンジ部の中立面とを備える。 An electronic device that can be bent and deformed and stretched and deformed according to one feature of the present invention for solving the above problems is a flat plate portion, a hinge portion that can be bent by connecting between the plurality of flat plate portions, and the hinge portion. It includes a gap provided at an intersection between the two, and a neutral surface of the hinge portion in which distortion is substantially zero during bending deformation and expansion / contraction deformation.

本発明のデバイスによれば、曲げ変形を受けない平板部と、折り曲げ可能なヒンジ部とからなる折り畳み構造を有し、配線をヒンジ部の中立面に配置することで、曲げ変形によっても配線を全く劣化させることがなく、繰返し変形および大変形を実現する電子デバイスを提供することができる。二次元の折り畳み構造のヒンジ部同士の交点に空隙を設けることで、二次元的に伸縮が可能になるほか、二次元的な曲げ変形が可能となり、球面や、複雑な曲面を有する3Dグラフィックで扱うような自由曲面(以下、単に自由曲面という)にもデバイスを貼り付けることが可能となる。 According to the device of the present invention, the device has a folding structure consisting of a flat plate portion that is not subjected to bending deformation and a hinge portion that can be bent, and by arranging the wiring on the neutral surface of the hinge portion, wiring can be performed even by bending deformation. It is possible to provide an electronic device that realizes repeated deformation and large deformation without deteriorating at all. By providing a gap at the intersection of the hinges of the two-dimensional folding structure, it is possible to expand and contract two-dimensionally, and it is also possible to bend and deform two-dimensionally, with 3D graphics having a spherical surface or a complicated curved surface. It is possible to attach the device to a free curved surface that is handled (hereinafter, simply referred to as a free curved surface).

変形の様子を示す概略図であり、図1Aは曲げ変形の様子を示す概略図、図1Bは伸縮変形の様子を示す概略図、図1Cは折り畳み変形の様子を示す概略図である。FIG. 1A is a schematic view showing a state of bending deformation, FIG. 1B is a schematic view showing a state of expansion and contraction deformation, and FIG. 1C is a schematic view showing a state of folding deformation. 空隙を設けない場合のミウラ折り(登録商標)の展開図およびミウラ折り(登録商標)形状の紙の試作品であり、図2Aは展開図、図2Bは試作品を展開させた写真図、図2Cは試作品を折り畳んだ写真図、図2Dは試作品を曲げた写真図である。A developed view of the Miura fold (registered trademark) and a prototype of Miura fold (registered trademark) shaped paper when no gap is provided. FIG. 2A is a developed view, and FIG. 2B is a photograph and a view showing the developed prototype. 2C is a folded photographic diagram of the prototype, and FIG. 2D is a bent photographic diagram of the prototype. 空隙を設けた場合のミウラ折り(登録商標)の展開図およびミウラ折り(登録商標)形状の紙の試作品であり、図3Aは展開図、図3Bは試作品の写真図、図3Cは試作品を曲げた写真図である。A developed view of the Miura fold (registered trademark) and a prototype of Miura fold (registered trademark) shaped paper when a gap is provided. FIG. 3A is a developed view, FIG. 3B is a photographic view of the prototype, and FIG. 3C is a trial. It is a bent photograph of the work. 本発明の実施の形態のミウラ折り(登録商標)形状の電子回路基板の説明図であり、図4Aは電子回路基板の1ユニットを示す図、図4Bは1ユニット内の平行四辺形の一つを示す図、図4Cは1ユニット内のyz平面を示す図である。It is explanatory drawing of the Miura fold (registered trademark) shape electronic circuit board of embodiment of this invention, FIG. 4A is a figure which shows one unit of an electronic circuit board, and FIG. 4B is one of the parallelograms in one unit. FIG. 4C is a diagram showing the yz plane in one unit. 同上、電子デバイスの構造を示す側面図であり、図5Aは電子デバイスを展開した状態の構造を示す図、図5Bは電子デバイスを折り曲げた状態の構造を示す図である。Same as above, it is a side view showing the structure of an electronic device, FIG. 5A is a view showing a structure in a state where the electronic device is unfolded, and FIG. 5B is a view showing a structure in a state where the electronic device is bent. 同上、電子回路基板の製造工程を示すものであり、図6Aはポリイミド銅基板を示す図、図6Bは配線層および配線保護層のカットを示す図、図6Cは銅のパターニングを示す図、図6Dは支持層の作製を示す図、図6Eは支持層のカットを示す図、図6Fは支持層の転写を示す図、図6Gはデバイスの折り畳みを示す図である。Same as above, the manufacturing process of the electronic circuit board is shown. FIG. 6A is a diagram showing a polyimide copper substrate, FIG. 6B is a diagram showing a cut of a wiring layer and a wiring protection layer, and FIG. 6C is a diagram and a diagram showing copper patterning. 6D is a diagram showing the fabrication of the support layer, FIG. 6E is a diagram showing the cut of the support layer, FIG. 6F is a diagram showing the transfer of the support layer, and FIG. 6G is a diagram showing the folding of the device. 同上、ミウラ折り(登録商標)状の形状を形成するための型を示す写真図であり、図7Aは下型を示す写真図、図7Bは上型を示す写真図、図7Cは上型および下型の間にデバイスを嵌め込んだ状態を示す写真図、図7Dはミウラ折り(登録商標)形状に形成した様子を示す写真図である。Same as above, it is a photographic diagram showing a mold for forming a Miura fold (registered trademark) shape, FIG. 7A is a photographic diagram showing a lower mold, FIG. 7B is a photographic diagram showing an upper mold, and FIG. 7C is an upper mold and A photographic view showing a state in which the device is fitted between the lower molds, and FIG. 7D is a photographic view showing a state in which the device is formed in a Miura fold (registered trademark) shape. 同上、ヒンジ部の中立面を説明するための図であり、図8Aは3層構造の場合の図、図8Bは2層構造の場合の図である。In the same as above, it is a figure for demonstrating the neutral surface of the hinge part, FIG. 8A is a figure in the case of a three-layer structure, and FIG. 8B is a figure in the case of a two-layer structure. 同上、2層構造の場合のヒンジ部の応力分布図である。The same is the stress distribution diagram of the hinge portion in the case of the two-layer structure. 同上、空隙の形状の例を示す図であり、図10Aは1ユニット内の1つの平行四辺形内で平行四辺形状に空隙を設けた場合の図、図10Bは点aおよび点cの間を直線で結んだ場合の図、図10Cは点aおよび点cの間を外側に膨らんだ曲線で結んだ場合の図、図10Dは点aおよび点cの間を内側に膨らんだ曲線で結んだ図である。In the same as above, it is a figure which shows an example of the shape of a gap, FIG. 10A is a figure when a gap is provided in a parallelogram shape in one parallelogram in one unit, and FIG. 10B is a view between a point a and a point c. The figure when connecting with a straight line, FIG. 10C is a figure when connecting points a and c with an outwardly bulging curve, and FIG. 10D is a diagram connecting between points a and c with an inwardly bulging curve. It is a figure. 同上、球面追従性評価用デバイスの構造を示す側面図であり、図11Aはデバイスを展開した状態の構造を示す図、図11Bはデバイスを折り曲げた状態の構造を示す図である。Same as above, it is a side view showing the structure of the device for evaluating spherical followability, FIG. 11A is a diagram showing a structure in a state where the device is unfolded, and FIG. 11B is a diagram showing a structure in a state where the device is bent. 同上、球面追従性評価用デバイスの製造工程を示すものであり、図12Aはポリエステルフィルム層のカットを示す図、図12Bは支持層の作製を示す図、図12Cは支持層のカットを示す図、図12Dは支持層の転写を示す図、図12Eはデバイスの折り畳みを示す図である。In the same as above, the manufacturing process of the device for evaluating spherical followability is shown, FIG. 12A is a diagram showing a cut of a polyester film layer, FIG. 12B is a diagram showing the production of a support layer, and FIG. 12C is a diagram showing a cut of the support layer. 12D is a diagram showing the transfer of the support layer, and FIG. 12E is a diagram showing the folding of the device. 同上、球面追従性を評価するための試験装置の外観を示す写真図である。Same as above, it is a photographic figure which shows the appearance of the test apparatus for evaluating the spherical surface followability. 同上、球面追従性を評価するための試験装置の横断面図である。The same is the cross-sectional view of the test apparatus for evaluating the spherical followability. 同上、空隙幅およびヒンジ幅の定義の説明図である。Same as above, it is explanatory drawing of the definition of a gap width and a hinge width. 同上、標準サイズの球面追従性評価用デバイス(左)、および、1.5倍サイズの球面追従性評価用デバイス(右)を示す写真図である。Same as above, it is a photographic diagram which shows the standard size spherical followability evaluation device (left) and the 1.5 times size spherical followability evaluation device (right). 同上、標準サイズおよび1.5倍サイズの球面追従性評価結果を示す図である。Same as above, it is a figure which shows the spherical surface followability evaluation result of a standard size and a 1.5 times size. 球面追従評価用デバイスを示す写真図であり、図18Aは、比較例としての、空隙幅が0mmの球面追従性評価用デバイスを示す写真図、図18Bは、本発明の実施の形態の、空隙幅が1mmの球面追従性評価用デバイスを示す写真図、図18Cは、本発明の実施の形態の、空隙幅が3mmの球面追従性評価用デバイスを示す写真図、図18Dは、本発明の実施の形態の、空隙幅が5mmの球面追従性評価用デバイスを示す写真図である。FIG. 18A is a photographic diagram showing a spherical followability evaluation device, FIG. 18A is a photographic diagram showing a spherical followability evaluation device having a gap width of 0 mm as a comparative example, and FIG. 18B is a gap of the embodiment of the present invention. A photographic diagram showing a device for evaluating spherical followability having a width of 1 mm, FIG. 18C is a photographic diagram showing a device for evaluating spherical followability having a gap width of 3 mm according to an embodiment of the present invention, and FIG. 18D is a photographic diagram showing the device for evaluating spherical followability of the present invention. It is a photographic figure which shows the device for evaluation of the spherical surface followability with a void width of 5 mm of an embodiment. 空隙幅を変えた場合の球面追従性評価結果を示す図である。It is a figure which shows the spherical surface followability evaluation result at the time of changing the void width. 本発明の実施の形態の、8個のチップLEDを実装したミウラ折り(登録商標)形状の電子デバイスを示す写真図であり、図20Aは電子デバイスの初期状態(上方から見た投影面積100%)を示す写真図、図20Bは電子デバイスの折り畳み(上方から見た投影面積25%)を示す写真図、図20Cは電子デバイスの展開(上方から見た投影面積170%)を示す写真図、図20Dは電子デバイスの曲げ(曲率半径20mm)を示す写真図、電子デバイスの球面貼り付け(直径200mm、荷重300N)を示す写真図である。FIG. 20A is a photographic diagram showing a Miura-folded (registered trademark) -shaped electronic device equipped with eight chip LEDs according to an embodiment of the present invention, and FIG. 20A shows an initial state of the electronic device (projected area 100% when viewed from above). ), FIG. 20B is a photographic diagram showing the folding of the electronic device (projected area 25% when viewed from above), and FIG. 20C is a photographic diagram showing the development of the electronic device (projected area 170% when viewed from above). FIG. 20D is a photographic diagram showing bending of an electronic device (radius of curvature 20 mm) and a photographic diagram showing spherical attachment of an electronic device (diameter 200 mm, load 300 N).

以下、本発明に係る曲げ変形および伸縮変形可能なデバイスの実施の形態について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of a device that can be bent, deformed, and stretched and deformed according to the present invention will be described with reference to the drawings.

最初に、本発明の基本的な概念について説明する。本発明は、折り畳みを利用することで、シート状の電子デバイス1の曲面への貼り付けおよび伸縮変形を実現するものである。 First, the basic concept of the present invention will be described. According to the present invention, the sheet-shaped electronic device 1 can be attached to a curved surface and stretched and deformed by using folding.

図1Aは、曲げ変形の様子を示す概略図であり、対象物100の断面中央近傍に、圧縮歪みも引張歪みもかからない中立面101が存在する。一方、図1Bは、伸縮変形の様子を示す概略図であり、対象物102の全ての領域で引張または圧縮歪みとなるので、中立面が存在しない。したがって、発光部や配線部を薄く作り、基板101の中立面にそれらを配置すれば、曲げ変形可能なフレキシブルデバイスは実現が容易であるのに対し、同じアプローチでは、伸縮変形可能なフレキシブルデバイスを実現することができない。発明者らは、曲げ変形可能な電子デバイスは実現が容易であることを逆手に取り、局所的に曲げ変形をさせることにより、中立面を残しながら、デバイス全体としては伸縮変形させることができることに想到した。 FIG. 1A is a schematic view showing the state of bending deformation, and there is a neutral surface 101 near the center of the cross section of the object 100, which is not subjected to compressive strain or tensile strain. On the other hand, FIG. 1B is a schematic view showing the state of expansion and contraction deformation, and since tension or compression strain occurs in all regions of the object 102, there is no neutral plane. Therefore, if the light emitting part and the wiring part are made thin and arranged on the neutral surface of the substrate 101, it is easy to realize a flexible device that can be bent and deformed, whereas in the same approach, a flexible device that can be stretched and deformed. Cannot be realized. The inventors take advantage of the fact that an electronic device that can be bent and deformed is easy to realize, and by locally bending and deforming it, the device as a whole can be stretched and deformed while leaving a neutral surface. I came up with.

局所的に曲げ変形させ、伸縮変形を可能とする手段として、折り畳み構造が挙げられる。例えば、一次元的な折り畳み構造として図1Cに示すような蛇腹折りを用いることで、全体として伸縮変形が実現できる。図中、上の図が縮んだ状態、下の図が伸ばした状態である。この場合、中立面104を残しながら、デバイス103全体としては伸縮変形させることができる。また、二次元的なシート状のものを折り畳む方法として、蛇腹折りやミウラ折り(登録商標)、吉村パターン、なまこ折りなどの方法が知られている。 A folding structure can be mentioned as a means for locally bending and deforming to enable expansion and contraction deformation. For example, by using a bellows fold as shown in FIG. 1C as a one-dimensional folding structure, expansion and contraction deformation can be realized as a whole. In the figure, the upper figure is in a contracted state and the lower figure is in a stretched state. In this case, the device 103 as a whole can be expanded and contracted while leaving the neutral surface 104. Further, as a method of folding a two-dimensional sheet-like object, methods such as bellows folding, Miura folding (registered trademark), Yoshimura pattern, and sea cucumber folding are known.

例えば、宇宙での太陽電池パネルの展開構造などにも用いられているミウラ折り(登録商標)の展開図は図2Aのようになっており、図中、山折り、谷折りとして示した折り目105でそれぞれの方向に折れ曲がることにより、折り畳むことが可能となる。しかしながら、変形の自由度を考えた場合、ミウラ折り(登録商標)は1自由度であることが知られており、ある一定の伸縮変形しかすることができない。例えば、図2Bに示すミウラ折り(登録商標)の構造を曲げようとした場合、ある方向に対しては、図2Cのように円筒形に二次元的に伸縮変形可能であるが、他の方向に対しては、図2Dのように鞍型に反ってしまう。このため、球面を覆うような形状とすることができない。 For example, the development view of Miura fold (registered trademark), which is also used for the development structure of solar cell panels in space, is as shown in Fig. 2A, and the folds 105 shown as mountain folds and valley folds in the figure. By bending in each direction, it becomes possible to fold it. However, when considering the degree of freedom of deformation, it is known that the Miura fold (registered trademark) has one degree of freedom, and only a certain degree of expansion and contraction deformation can be performed. For example, when the structure of the Miura fold (registered trademark) shown in FIG. 2B is to be bent, it can be two-dimensionally expanded and contracted into a cylindrical shape as shown in FIG. 2C in a certain direction, but in another direction. As shown in FIG. 2D, the saddle shape is warped. Therefore, the shape cannot cover the spherical surface.

発明者らは、検討の結果、図3Aの展開図で示すように、折り目105の交点に紙を貫通する空隙(穴)106を開けることで、自由曲面に貼り付け可能な自由度を得られることを初めて見出した。すなわち、図3Bに示すように空隙106を有するミウラ折り(登録商標)の構造を用いることで、鞍型に反ることなく、図3Cに示すように曲げることができることを見出した。このような構造とすることで、中立面を残しながらデバイス全体としては二次元的な伸縮変形や自由曲面への貼り付けが可能な伸縮デバイスを実現することができる。 As a result of the study, the inventors can obtain a degree of freedom that can be attached to a free curved surface by making a gap (hole) 106 that penetrates the paper at the intersection of the creases 105, as shown in the developed view of FIG. 3A. I found that for the first time. That is, it was found that by using the structure of Miura fold (registered trademark) having a gap 106 as shown in FIG. 3B, it can be bent as shown in FIG. 3C without warping the saddle shape. With such a structure, it is possible to realize a telescopic device that can be two-dimensionally stretched and deformed or attached to a free curved surface as a whole device while leaving a neutral surface.

なお、ミウラ折り(登録商標)を使用した応用例として、太陽電池が配列されたシートにおいて、太陽電池モジュールが配置される領域を区割りする区割り線の交点に貫通孔を設けた先行技術がある(特開2015−88561号公報)。しかし、この先行技術は、ミウラ折り(登録商標)による折り畳み時に、折り曲げによる歪みの影響を抑え、よりコンパクトに折り畳めるよう構成するものにすぎない。局所的に曲げ変形をする折り畳みを利用することで、歪のない中立面がありながら全体としては伸縮変形可能となり、曲面への貼り付けが可能とすることについては何ら記載がない。 As an application example using the Miura fold (registered trademark), there is a prior art in which through holes are provided at the intersections of the dividing lines that divide the area where the solar cell modules are arranged in the sheet in which the solar cells are arranged ( JP-A-2015-88561). However, this prior art is merely configured to suppress the influence of distortion due to folding and to fold more compactly when folded by Miura fold (registered trademark). There is no description about the fact that by using folding that locally bends and deforms, it is possible to expand and contract as a whole while having a neutral surface without distortion, and it is possible to attach it to a curved surface.

次に、本発明に係る電子デバイスの一実施形態として、ミウラ折り(登録商標)を使用した電子デバイス1の構成について説明する。 Next, as an embodiment of the electronic device according to the present invention, the configuration of the electronic device 1 using the Miura fold (registered trademark) will be described.

ミウラ折り(登録商標)形状の基板の寸法設計を行うにあたり、ミウラ折り(登録商標)の形状と変数の関係を図4A〜図4Cを基に説明する。図4Aは、平行四辺形の面を4面を繰り返し単位として有する、ミウラ折り(登録商標)の1ユニットを示している。図4Aのユニット内の平行四辺形ABCDは、図4Bに示すように面の高さLa[mm]および面の長さLb[mm]、平行四辺形ABCDの鋭角γ[deg]で表され、これらの3つの変数と、図4Cに示すxy平面とミウラ折り(登録商標)の面との角度ψ[deg]の4つの変数により、1ユニットの形状が定まる。Y軸と辺ABの角度をζ[deg]とすると、平行四辺形ABCDの鋭角γと角度ψは式(1)の関係がある。 In designing the dimensions of the Miura fold (registered trademark) -shaped substrate, the relationship between the shape of the Miura fold (registered trademark) and the variables will be described with reference to FIGS. 4A to 4C. FIG. 4A shows one unit of Miura fold (registered trademark) having four parallelogram faces as repeating units. The parallelogram ABCD in the unit of FIG. 4A is represented by the surface height L a [mm] and the surface length L b [mm], and the acute angle γ [deg] of the parallelogram ABCD as shown in FIG. 4B. The shape of one unit is determined by these three variables and the four variables of the angle ψ [deg] between the xy plane and the Miura fold (registered trademark) plane shown in FIG. 4C. Assuming that the angle between the Y-axis and the side AB is ζ [deg], the acute angle γ and the angle ψ of the parallelogram ABCD are related to Eq. (1).

式(1)より、角度ζは式(2)と表せる。 From equation (1), the angle ζ can be expressed as equation (2).

また、図4A中の2a、図4C中の2bおよびhは、それぞれ式(3)〜(5)で表せる。なお、基板の厚さは無視することとする。 Further, 2a in FIG. 4A and 2b and h in FIG. 4C can be represented by the formulas (3) to (5), respectively. The thickness of the substrate is ignored.

これらを基にミウラ折り(登録商標)形状の基板の寸法設計を行うことができる。 Based on these, the dimensions of the Miura-folded (registered trademark) -shaped substrate can be designed.

一例として、基板を平面から三次元に手で折り畳むことができる程度の大きさとするために、La、Lb、γ、ψを以下のようにする。 As an example, to have a size of the substrate from the plane can be folded by hand to a three-dimensional, L a, L b, gamma, the ψ as follows.

式(2)〜(5)により、ζ、2a、2b、hを算出すると以下のようになる。 Ζ, 2a, 2b, and h are calculated from the equations (2) to (5) as follows.

本実施の形態で作製した電子回路基板、球面追従性評価用デバイスおよび電子デバイスでは、これらの寸法を採用した。さらに、図4Aに示すように平行四辺形の面を4面で1ユニットとし、縦に5ユニット、横に5ユニットの合計25ユニット(縦に10面、横に10面の合計100面)のデバイスとした。 These dimensions are adopted in the electronic circuit board, the device for evaluating spherical followability, and the electronic device manufactured in the present embodiment. Furthermore, as shown in FIG. 4A, the parallelogram surface is one unit with four surfaces, and there are a total of 25 units (10 surfaces vertically and 10 surfaces horizontally), 5 units vertically and 5 units horizontally. It was a device.

図5Aは本実施の形態の被搭載物2を搭載した電子回路基板10の基本構造を示すものである。図5Bは、図5Aの電子回路基板10を折り曲げたものであり、折り曲げられない平面部分を平板部3、複数の平板部3の間を繋ぎ、折り曲げ可能な部分をヒンジ部4とする。当該電子回路基板10の平板部3は、例えば銅からなる配線層11と、例えばポリイミドからなる配線保護層12と、例えばケント紙13および両面テープ14からなる支持層15の3層構造としている。ヒンジ部4には支持層15は形成されない。平板部3の支持層15の構成材料には、加工のしやすさおよび堅さの観点からケント紙13を使用した。支持層15は、被搭載物2を配置するための平面16を作る役割と、平面16から折り畳む際にケント紙13に形成した溝17に沿って折り畳み易くする役割とを有する。平板部3に搭載される被搭載物2は、例えば電子素子、光学素子、発光素子、センサ素子、半導体素子、発電素子、圧電素子、電池素子およびアクチュエータ素子などを少なくとも1つ含み得るものであるが、これらに限られるものではない。被搭載物2には曲げ変形および伸縮変形時にも応力がかからないので、被搭載物2の材料は、無機材料、金属材料、半導体材料および有機材料などを少なくとも1つ含むことができる。すなわち、平板部3には、伸縮耐性を持たない光学素子やセンサ等のデバイスを配置することができ、無機材料、金属材料、半導体材料および有機材料を用いることで、電子デバイス1の高性能化および/または低コスト化および/または高伸縮耐性化が可能である。ここで、有機材料は、上述のようにある程度の伸縮性を有するものの、電子デバイス1により更なる伸縮耐性を得ることができる。有機材料としては、例えばゴム材料やゲル材料等を使用することができる。例えば、有機材料でもカーボンナノチューブ(CNT)やグラフェン等の有機材料はほとんど伸縮耐性を有しないが、これらに対して電子デバイス1により伸縮耐性を付与することができる。 FIG. 5A shows the basic structure of the electronic circuit board 10 on which the mounted object 2 of the present embodiment is mounted. In FIG. 5B, the electronic circuit board 10 of FIG. 5A is bent. A flat portion that cannot be bent is connected between the flat plate portion 3 and a plurality of flat plate portions 3, and the bendable portion is a hinge portion 4. The flat plate portion 3 of the electronic circuit board 10 has a three-layer structure of, for example, a wiring layer 11 made of copper, a wiring protection layer 12 made of polyimide, and a support layer 15 made of, for example, Kent paper 13 and double-sided tape 14. The support layer 15 is not formed on the hinge portion 4. Kent paper 13 was used as the constituent material of the support layer 15 of the flat plate portion 3 from the viewpoint of ease of processing and hardness. The support layer 15 has a role of forming a flat surface 16 for arranging the mounted object 2 and a role of facilitating folding along a groove 17 formed in the Kent paper 13 when folding from the flat surface 16. The mounted object 2 mounted on the flat plate portion 3 may include, for example, at least one electronic element, optical element, light emitting element, sensor element, semiconductor element, power generating element, piezoelectric element, battery element, actuator element, and the like. However, it is not limited to these. Since no stress is applied to the mounted object 2 even during bending deformation and expansion / contraction deformation, the material of the mounted object 2 can include at least one inorganic material, metal material, semiconductor material, organic material, and the like. That is, devices such as optical elements and sensors that do not have stretch resistance can be arranged on the flat plate portion 3, and by using an inorganic material, a metal material, a semiconductor material, and an organic material, the performance of the electronic device 1 is improved. And / or cost reduction and / or high stretch resistance can be achieved. Here, although the organic material has a certain degree of elasticity as described above, further expansion / contraction resistance can be obtained by the electronic device 1. As the organic material, for example, a rubber material, a gel material, or the like can be used. For example, even organic materials such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene have almost no stretch resistance, but the electronic device 1 can impart stretch resistance to these.

該構造の電子回路基板10の製造方法の一例について、図6A〜図6Gを元に説明する。まず、予め厚さ50μmのポリイミド19の両面に厚さ18μmの銅の層20,21を有するポリイミド銅基板18(Panasonic製、R-F775)を準備する(図6A)。この基板18を、カッティングプロッタ装置(GRAPHTEC製、CE6000-40)(図示せず)で、デバイスを展開した平面形状に切り取る(図6B)。例えばミウラ折り(登録商標)にする場合には、図3Aに示すような形状に切り取る。ヒンジ部4同士の交点に設ける空隙の形状および大きさについては後述する。カッティングプロッタ装置を使用すれば、カットしたい形状のデータを用意し、カット条件として圧力およびスピードなどを設定することで、自動で対象物を所望の形状にカットすることができる。カットの際は、粘着性のあるカッティングプロッタの専用台紙22に試料を貼り付ける。次に、基板18の片面の銅の層20を所望の配線形状に加工し、もう一方の他面の銅21を取り除く(図6C)。一方で、厚さ220μmのケント紙13(栄紙業製、シルバーヒルケント紙S115)の片面に、厚さが0.092mmであり、4.3N/cmの粘着力を持つ両面テープ14(3M製、4591HH)を貼り付ける(図6D)。この両面テープ14を貼り付けたケント紙13を、カッティングプロッタの専用台紙23に貼り付けて、カッティングプロッタ装置で切り取る(図6E)。続いて、両面テープ14の粘着面とポリイミド19とを貼り合せた後、専用台紙23から外し(図6F)基板を作製する。この際、カッティングプロッタの専用台紙23の粘着力よりも両面テープ14の粘着力の方が強いため、転写することが可能である。なお、本実施の形態では、前述したように加工のしやすさ等の観点から支持層15としてケント紙13と両面テープ14を用いている。しかし、支持層15の材料はこれらに限られず、基板材料の例として後述するさまざまな材料を、例えば積層してパターニングする等の処理を行うことにより用いることができる。 An example of a method for manufacturing the electronic circuit board 10 having the structure will be described with reference to FIGS. 6A to 6G. First, a polyimide copper substrate 18 (manufactured by Panasonic, R-F775) having 18 μm-thick copper layers 20 and 21 on both sides of a 50 μm-thick polyimide 19 is prepared in advance (FIG. 6A). This substrate 18 is cut into an unfolded planar shape by a cutting plotter device (manufactured by GRAPHTEC, CE6000-40) (not shown) (FIG. 6B). For example, in the case of Miura fold (registered trademark), it is cut into a shape as shown in FIG. 3A. The shape and size of the gap provided at the intersection of the hinge portions 4 will be described later. By using a cutting plotter device, it is possible to automatically cut an object into a desired shape by preparing data of the shape to be cut and setting pressure, speed, etc. as cutting conditions. When cutting, attach the sample to the special mount 22 of the sticky cutting plotter. Next, the copper layer 20 on one side of the substrate 18 is processed into a desired wiring shape, and the copper 21 on the other side is removed (FIG. 6C). On the other hand, double-sided tape 14 (3M, 4591HH) with a thickness of 0.092mm and an adhesive strength of 4.3N / cm on one side of Kent paper 13 (made by Sakae Paper Industry, Silver Hill Kent paper S115) with a thickness of 220 μm. Is pasted (Fig. 6D). The Kent paper 13 to which the double-sided tape 14 is attached is attached to the special mount 23 of the cutting plotter, and is cut off by the cutting plotter device (FIG. 6E). Subsequently, the adhesive surface of the double-sided tape 14 and the polyimide 19 are bonded together, and then removed from the special mount 23 (FIG. 6F) to prepare a substrate. At this time, since the adhesive strength of the double-sided tape 14 is stronger than the adhesive strength of the special mount 23 of the cutting plotter, transfer is possible. In the present embodiment, as described above, Kent paper 13 and double-sided tape 14 are used as the support layer 15 from the viewpoint of ease of processing and the like. However, the material of the support layer 15 is not limited to these, and various materials described later as examples of the substrate material can be used by performing a process such as laminating and patterning.

図6Gは、平面形状の基板を折り曲げる様子を示しており、図7Aおよび図7Bはその際に使用する上型24および下型25の全体を示す写真図である。上型24および下型25は例えば3Dプリンター(Stratasys製、ObjectEden260v)で作製することができる。図6Fの電子回路基板10たるシートに対し、折り目に癖がつく程度まで手で折り畳み、これを図7Cに示すように上型24および下型25に嵌め込んで、片面または両面からプレスすることにより、折り曲げられた電子回路基板10を製造することができる。なお、図7Dは、見やすくするため便宜的に紙とポリエステルフィルムとを使用して折り畳み成形した成形品を示す。本実施の形態では、電子回路基板10はミウラ折り(登録商標)状の形状を有するが、上述の製造方法は他の折り方のデバイスの製造にも適用可能である。また、より小さな縮尺のマイクロスケールの場合には、自動で折り畳むself-foldingという機構を組み込むことで、折り畳むことができる。 FIG. 6G shows how the planar substrate is bent, and FIGS. 7A and 7B are photographic views showing the entire upper mold 24 and lower mold 25 used at that time. The upper mold 24 and the lower mold 25 can be manufactured by, for example, a 3D printer (manufactured by Stratasys, ObjectEden260v). Fold the sheet of the electronic circuit board 10 of FIG. 6F by hand to the extent that creases are formed, fit it into the upper mold 24 and lower mold 25 as shown in FIG. 7C, and press from one side or both sides. Therefore, the bent electronic circuit board 10 can be manufactured. Note that FIG. 7D shows a molded product that is folded and molded using paper and a polyester film for convenience for easy viewing. In the present embodiment, the electronic circuit board 10 has a Miura fold (registered trademark) shape, but the above-mentioned manufacturing method can be applied to the manufacturing of devices of other folding methods. In the case of a smaller scale microscale, it can be folded by incorporating a mechanism called self-folding that automatically folds.

本実施の形態の配線7(図5Aの配線層11)は、折り曲げられない平板部3と、曲げ変形および伸縮変形時に歪みが実質的にできる限りゼロであるヒンジ部4の中立面6の近傍とに配設される。中立面6は、曲げ変形を加えたときに曲げ応力が0N/m2となり、伸縮変形が起きない面のことである。基板を繰り返し折り畳むことにより、ヒンジ部4では断線が懸念されるので、中立面近傍に配線7を施すことで、配線7への歪みの影響を少なくし、繰り返し折り畳み変形させた場合でも、断線しにくくすることができる。中立面近傍とは、上述の中立面6を必ずしも含まなくてもよいが、該中立面6を含むことが好ましく、さらに配線7への歪みによる劣化の影響がほとんどないといえる領域までを含むものであることがより好ましい。歪みによる劣化の影響がほとんどないとは、デバイスが変形しても、その変形により、配線7が機械的および電気的に劣化することがほとんどないことをいう。例えば、配線7が弾性領域のみで変形し、塑性変形しない領域で用いられることなどが挙げられる。具体的には、配線7の材料にもよるが、中立面近傍とは曲げ変形をさせたときに配線7にかかる応力が配線7の材料の降伏応力もしくは耐力、疲れ限度以下となる領域までを含むものであることが好ましい。また、配線7に歪みの影響及ばないことで、配線7の材料は、無機材料、金属材料、半導体材料および有機材料のうちの少なくとも1つを含むことができる。有機材料としては、被搭載物2と同様に、ゴム材料やゲル材料、CNT、グラフェン等を使用することができる。平板部3はそのままにしてヒンジ部4を折り曲げ可能とした局所的な曲げ変形により伸縮変形を実現しているのに対し、配線7をヒンジ部4の中立面6に配置することで、曲げ変形によっても配線7を全く劣化させることがない。すなわち、配線7の弾性領域など劣化しない領域のみを用いるため、塑性変形による疲労破壊が起こることなく、電子デバイス1の繰返し変形および大変形を実現可能である。 The wiring 7 (wiring layer 11 in FIG. 5A) of the present embodiment has a flat plate portion 3 that cannot be bent and a neutral surface 6 of a hinge portion 4 that has substantially zero distortion during bending deformation and expansion / contraction deformation. It is arranged in the vicinity. The neutral surface 6 is a surface on which the bending stress becomes 0 N / m 2 when bending deformation is applied and expansion and contraction deformation does not occur. Since there is a concern that the hinge portion 4 may be broken due to repeated folding of the substrate, the influence of distortion on the wiring 7 is reduced by providing the wiring 7 in the vicinity of the neutral surface, and even if the hinge portion 4 is repeatedly folded and deformed, the wire is broken. It can be difficult to do. The vicinity of the neutral surface does not necessarily include the above-mentioned neutral surface 6, but it is preferable to include the neutral surface 6 up to a region where it can be said that there is almost no influence of deterioration due to distortion on the wiring 7. It is more preferable that it contains. The fact that there is almost no effect of deterioration due to distortion means that even if the device is deformed, the wiring 7 is hardly mechanically and electrically deteriorated due to the deformation. For example, the wiring 7 is deformed only in the elastic region and is used in a region where it is not plastically deformed. Specifically, although it depends on the material of the wiring 7, the stress applied to the wiring 7 when bent and deformed is equal to or less than the yield stress or proof stress of the material of the wiring 7 and the fatigue limit. It is preferable that it contains. Further, since the wiring 7 is not affected by the strain, the material of the wiring 7 can include at least one of an inorganic material, a metal material, a semiconductor material, and an organic material. As the organic material, a rubber material, a gel material, CNT, graphene, or the like can be used as in the case of the mounted object 2. While the flat plate portion 3 is left as it is and the hinge portion 4 can be bent to achieve expansion and contraction deformation by local bending deformation, the wiring 7 is arranged on the neutral surface 6 of the hinge portion 4 to bend the hinge portion 4. The wiring 7 is not deteriorated at all by the deformation. That is, since only the region that does not deteriorate, such as the elastic region of the wiring 7, is used, it is possible to realize repeated deformation and large deformation of the electronic device 1 without fatigue fracture due to plastic deformation.

なお、配線7は、ヒンジ部4の少なくとも一部において、中立面6の近傍に設けられる。また、被搭載物2を搭載せず、配線7をヒンジ部4の少なくとも一部に設けた場合、曲げ変形および伸縮変形可能な電気配線として利用することができる。さらに、被搭載物2を搭載せず、配線7も設けない場合は、曲げ変形および伸縮変形可能な電子回路基板として利用することができる。また、被搭載物2を搭載し、配線を設けないようにすることもできる。 The wiring 7 is provided in the vicinity of the neutral surface 6 at least a part of the hinge portion 4. Further, when the wiring 7 is provided on at least a part of the hinge portion 4 without mounting the object 2 to be mounted, it can be used as an electric wiring that can be bent and deformed and stretched and deformed. Further, when the object 2 to be mounted is not mounted and the wiring 7 is not provided, it can be used as an electronic circuit board capable of bending deformation and expansion / contraction deformation. It is also possible to mount the object 2 to be mounted and not to provide wiring.

従来の伸縮電子デバイスは、有機材料を使用することのみにより伸縮耐性を持たせようとするものがほとんどであった。しかしながら、これらに対して、有機材料に加えて無機材料、金属材料および半導体材料等のセンサや配線を使用できると、性能が圧倒的に高く、かつ低コストの電子デバイスを実現できる。本発明は、折り紙構造や折り畳みといった構造に着目し、高機能かつ高性能で高感度な上記材料を用いたまま、デバイス全体として高伸縮性を具備させるものである。本発明により、高性能かつ低コストの大変形伸縮電子デバイスが実現可能となる。 Most of the conventional telescopic electronic devices are intended to have stretch resistance only by using an organic material. However, if sensors and wirings such as inorganic materials, metal materials, and semiconductor materials can be used in addition to organic materials, it is possible to realize an electronic device having overwhelmingly high performance and low cost. The present invention focuses on a structure such as an origami structure or a foldable structure, and provides high elasticity as a whole device while using the above-mentioned materials having high functionality, high performance, and high sensitivity. INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a high-performance and low-cost large-deformable telescopic electronic device can be realized.

ここで、本発明において重要な意味を持つ、ヒンジ部4の中立面6の位置について説明する。図8Aに示すように、ヒンジ部4がポリイミド/銅/ポリイミドの3層構造である場合、外層のポリイミド30の厚さと内層のポリイミド31の厚さが同じで一定であるとすると、中立面6は銅配線32の断面中央近傍に存在する。これに対し、外層のポリイミド30を省き、銅/ポリイミドの2層構造とすると、デバイスの構造を簡略化できるので、2層構造の場合の中立面6について説明する。図8Bにおいて、銅34の表面から中立面6までの距離をYneut[m]、ヒンジ部4の曲率半径をρ[m]とし、銅34の厚さをtcu[m]、ポリイミド33の厚さをtPI[m]、銅のヤング率をECu[GPa]、ポリイミドのヤング率をEPI[GPa]とすると、ヒンジ部4の断面の曲げ応力の和はゼロであるから、式(6)に示す関係が成立する。 Here, the position of the neutral surface 6 of the hinge portion 4, which has an important meaning in the present invention, will be described. As shown in FIG. 8A, when the hinge portion 4 has a three-layer structure of polyimide / copper / polyimide, assuming that the thickness of the polyimide 30 in the outer layer and the thickness of the polyimide 31 in the inner layer are the same and constant, the neutral surface. Reference numeral 6 exists in the vicinity of the center of the cross section of the copper wiring 32. On the other hand, if the outer layer polyimide 30 is omitted and a copper / polyimide two-layer structure is used, the structure of the device can be simplified. Therefore, the neutral surface 6 in the case of the two-layer structure will be described. In FIG. 8B, the distance from the surface of the copper 34 to the neutral surface 6 is Y neut [m], the radius of curvature of the hinge portion 4 is ρ [m], the thickness of the copper 34 is t cu [m], and the polyimide 33. If the thickness of is t PI [m], the Young's modulus of copper is E Cu [GPa], and the Young's modulus of polyimide is E PI [GPa], the sum of the bending stresses of the cross section of the hinge portion 4 is zero. The relationship shown in equation (6) is established.

式(6)をYneutについて解くことで、中立面6の位置を算出できる。本実施の形態では、銅およびポリイミドの試験片を用いて引張試験を行い、それぞれのヤング率ECu、EPIを算出したところ、ECu=13.1GPa、EPI=1.63GPaであった。これらのヤング率と、上述の銅34の厚さtCu=18μm、ポリイミド33の厚さtPI=50μmとを式(6)に代入して、銅34の表面から中立面6までの距離Yneutについて解くと、Yneut=17.7μmとなる。このときのヒンジ部4の断面の応力分布図を図9に示す。応力分布図より、中立面6が銅配線34内に存在することが分かる。すなわち、中立面6をヒンジ部4の表面に存在させることができ、この場合、配線7をヒンジ部4の表面に配設し、曲げ変形を受けない平板部3に被搭載物2および配線7を配置すれば、配線7や被搭載物2に曲げ耐性および伸縮耐性がなかったとしても、デバイス全体としては伸縮耐性を有することができる。これにより、無機材料や金属材料、半導体材料など、曲げ耐性および伸縮耐性を有しないが高性能かつ高機能な材料を用いて、伸縮変形可能な電子デバイス1を実現することが可能になる。 By solving equation (6) for Y neut , the position of the neutral plane 6 can be calculated. In this embodiment, a tensile test was performed using copper and polyimide test pieces, and the Young's modulus E Cu and E PI were calculated, and the results were E Cu = 13.1 GPa and E PI = 1.63 GPa, respectively. Substituting these Young's moduli with the above-mentioned thickness t Cu = 18 μm of copper 34 and t PI = 50 μm of polyimide 33 into equation (6), the distance from the surface of copper 34 to the neutral surface 6 solving for Y neut, the Y neut = 17.7μm. The stress distribution diagram of the cross section of the hinge portion 4 at this time is shown in FIG. From the stress distribution diagram, it can be seen that the neutral surface 6 exists in the copper wiring 34. That is, the neutral surface 6 can be present on the surface of the hinge portion 4, and in this case, the wiring 7 is arranged on the surface of the hinge portion 4, and the mounted object 2 and the wiring are provided on the flat plate portion 3 which is not subjected to bending deformation. If 7 is arranged, even if the wiring 7 and the mounted object 2 do not have bending resistance and expansion / contraction resistance, the device as a whole can have expansion / contraction resistance. This makes it possible to realize an electronic device 1 that can be stretched and deformed by using a high-performance and highly functional material that does not have bending resistance and stretch resistance, such as an inorganic material, a metal material, and a semiconductor material.

本実施の形態では、基板材料として配線保護層12にポリイミドを使用しているが、ポリイミドの他、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリエチレン(PE)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、アクリル樹脂(PMMA)、ABS樹脂、テフロン(登録商標)等を使用することができる。また、ヒンジ部4は、上記基板材料と同じ材料を用いて平板部3と一体に形成してもよいが、ヒンジ部4の材料は弾性を有していてもよく、あるいは弾性を有している方が好ましい場合もあり、その場合には、シリコーンゴムおよびアクリルゴム等のゴム材料や、ハイドロゲル等のゲル材料を使用することができる。 In this embodiment, polyimide is used for the wiring protection layer 12 as the substrate material, but in addition to polyimide, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polyethylene naphthalate (PEN), acrylic resin (PMMA), etc. ABS resin, Teflon (registered trademark), etc. can be used. Further, the hinge portion 4 may be integrally formed with the flat plate portion 3 by using the same material as the substrate material, but the material of the hinge portion 4 may have elasticity or has elasticity. In some cases, rubber materials such as silicone rubber and acrylic rubber, and gel materials such as hydrogel can be used.

図10A〜図10Dは、空隙5の形状の例を示すものである。ヒンジ部4同士の交点oに設ける空隙5は、種々の形状および大きさを有することができるが、所定の条件を満たす必要がある。空隙5を設けた場合でも、空隙5が小さすぎると、空隙5が無い場合と同様に、曲げ変形させた際に図3Cのように反り返ってしまう。空隙5が十分な大きさを有する場合には、図3Eに示すように自由曲面に貼り付け可能な自由度を得られる。一方、被搭載物2を搭載する面40の表面積は、空隙5が小さい程、大きくすることができる。したがって、球面やより複雑な自由曲面に貼り付け可能な空隙5の大きさを満足しつつ、被搭載物2を搭載する面40の表面積をできるだけ大きくすることが好ましい。 10A-10D show an example of the shape of the void 5. The gap 5 provided at the intersection o of the hinge portions 4 can have various shapes and sizes, but must satisfy a predetermined condition. Even when the gap 5 is provided, if the gap 5 is too small, it will warp as shown in FIG. 3C when it is bent and deformed as in the case where there is no gap 5. When the gap 5 has a sufficient size, a degree of freedom that can be attached to a free curved surface can be obtained as shown in FIG. 3E. On the other hand, the surface area of the surface 40 on which the object to be mounted 2 is mounted can be increased as the gap 5 is smaller. Therefore, it is preferable to make the surface area of the surface 40 on which the object to be mounted 2 is mounted as large as possible while satisfying the size of the gap 5 that can be attached to a spherical surface or a more complicated free curved surface.

図10A〜図10Eでは、ヒンジ部4上の点aおよび点bの間の距離と、点cおよび点dの間の距離とが同じなるように点a〜点dを取っており、これらの距離を空隙幅Whoとしている。ただし、これらの距離は同じである必要はなく、さらに、例えば点aおよび点oの間の距離と、点cおよび点oの距離も同じである必要はなく、点a〜点dの位置はそれぞれのヒンジ部4上で任意に設定可能である。図10Aでは、空隙5の辺aeおよび辺ceがそれぞれヒンジ部4の辺ocおよび辺oaと平行に形成される。同様にして、空隙5の辺bfおよび辺cfがそれぞれヒンジ部4の辺ocおよび辺obと平行であり、空隙5の辺bhおよび辺dhがそれぞれヒンジ部4の辺odおよび辺obと平行であり、空隙5の辺agおよび辺dgがそれぞれヒンジ部4の辺odおよび辺oaと平行である。この場合、被搭載物2を搭載する面40の表面積が若干小さくなるが、鞍型の反り返りを防ぐ効果が大きくなる。 In FIGS. 10A to 10E, points a to d are taken so that the distance between the points a and b on the hinge portion 4 and the distance between the points c and d are the same. The distance is the void width W ho . However, these distances do not have to be the same, and for example, the distance between points a and o does not have to be the same as the distances between points c and o, and the positions of points a to d are It can be arbitrarily set on each hinge portion 4. In FIG. 10A, the side ae and the side ce of the gap 5 are formed parallel to the side oc and the side oa of the hinge portion 4, respectively. Similarly, the sides bf and cf of the gap 5 are parallel to the sides oc and ob of the hinge portion 4, respectively, and the sides bh and dh of the gap 5 are parallel to the sides od and side ob of the hinge portion 4, respectively. There, the side ag and the side dg of the gap 5 are parallel to the side od and the side oa of the hinge portion 4, respectively. In this case, the surface area of the surface 40 on which the object to be mounted 2 is mounted is slightly reduced, but the effect of preventing the saddle-shaped warp is increased.

図10Bでは、点aおよび点bを直線で結んだ辺ac、点cおよび点bを直線で結んだ辺cb、点bおよび点dを直線で結んだ辺bd、および、点dおよび点aを直線で結んだ辺daにより囲まれた部分に空隙5が形成される。これに対し、図10Cでは、点aおよび点bの間を外側に膨らんだ曲線で結び、点cおよび点bの間、点bおよび点dの間、並びに、点dおよび点aの間もそれぞれ外側に膨らんだ曲線で結んでいる。この場合、空隙は円形またはそれに近い形状に形成される。このようにすると、図10Bの場合に比べ、空隙幅Whoを同じ大きさとした場合に空隙5の面積を大きくすることができる。一方、図10Dに示すように、点aおよび点bの間、点cおよび点bの間、点bおよび点dの間、並びに、点dおよび点aの間をそれぞれ内側に膨らんだ曲線で結ぶと、図10A〜図10Cに比べ、空隙幅Whoを同じ大きさとした場合に、空隙5の面積を小さくし、被搭載物2を搭載する面40の表面積を大きくすることができる。これらの空隙5の形状は、図10A〜図10Dに示す形状に限られることなく、電子デバイス1を貼り付ける自由曲面の曲率や、搭載する被搭載物2の大きさ等に合わせて適宜設計することができる。 In FIG. 10B, the side ac connecting the points a and b with a straight line, the side cb connecting the points c and b with a straight line, the side bd connecting the points b and d with a straight line, and the points d and a with a straight line. A gap 5 is formed in a portion surrounded by a side da connecting the above with a straight line. On the other hand, in FIG. 10C, points a and b are connected by an outwardly bulging curve, and between points c and b, between points b and d, and between points d and a. Each is connected by a curve that bulges outward. In this case, the void is formed in a circular shape or a shape close to it. By doing so, the area of the gap 5 can be increased when the gap width W ho is the same as that in the case of FIG. 10B. On the other hand, as shown in FIG. 10D, a curve bulging inward between points a and b, between points c and b, between points b and d, and between points d and a, respectively. When tied, the area of the gap 5 can be reduced and the surface area of the surface 40 on which the object to be mounted 2 is mounted can be increased when the gap width W ho is the same as that of FIGS. 10A to 10C. The shape of these voids 5 is not limited to the shapes shown in FIGS. 10A to 10D, and is appropriately designed according to the curvature of the free curved surface to which the electronic device 1 is attached, the size of the mounted object 2 to be mounted, and the like. be able to.

本発明に係る電子デバイス1を作製するにあたり、球面への追従性が大きな課題である。そこで、製造工程が単純なケント紙とポリエステルフィルムを用いた評価用デバイスを作製し、球面への追従性の評価を行った。 In manufacturing the electronic device 1 according to the present invention, followability to a spherical surface is a major issue. Therefore, an evaluation device using Kent paper and a polyester film having a simple manufacturing process was manufactured, and the followability to a spherical surface was evaluated.

図11Aは、本実施の形態の電子デバイス1に対応する構成を有し、球面追従性の評価に使用した被験デバイスである球面追従性評価用デバイス41の基本構造を示すものであり、図11Bは図11Aの基板を折り曲げたものである。図5Aの電子回路基板10の配線層11および配線保護層12の代わりとしてポリエステルフィルム層42を形成し、支持層15(ケント紙13、両面テープ14)との2層構造とした。球面への追従性はヒンジ部4の曲げ剛性により変化すると考えられるので、曲げ剛性を決定するパラメータの一つである基板材料のヤング率に着目し、ポリイミド19に配線となる銅20を施したものと、その代わりとして用いるポリエステルフィルム42のヒンジ部4の曲げ剛性が同程度となるように設計した。ポリイミド19に配線となる銅20を施したもの(ポリイミド厚さtPI=50μm、銅厚さtCu=18μm)の試験片を用いて引張試験を行い、算出したポリイミド19に配線となる銅20を施したもののヤング率はEPICu=4.92MPaであり、図5Aの電子回路基板10のヒンジ部4の曲げ剛性は1.13×10-6N/m2である。これに対し、厚さtPE=125μmのポリエステルフィルム42の試験片を用いて引張試験を行い、算出したポリエステルフィルム42のヤング率はEPE=1.95MPaであり、厚さが100μmの場合のポリエステルフィルム42のヒンジ部4の曲げ剛性は3.17×10-6N/m2となり、ポリイミド銅基板10の曲げ剛性の値と同程度の値となる。 FIG. 11A shows the basic structure of the spherical followability evaluation device 41, which has a configuration corresponding to the electronic device 1 of the present embodiment and is a test device used for evaluating the spherical followability, and is shown in FIG. 11B. Is a bent substrate of FIG. 11A. A polyester film layer 42 was formed in place of the wiring layer 11 and the wiring protection layer 12 of the electronic circuit board 10 of FIG. 5A, and had a two-layer structure with the support layer 15 (Kent paper 13, double-sided tape 14). Since it is considered that the followability to the spherical surface changes depending on the flexural rigidity of the hinge portion 4, attention was paid to the Young's modulus of the substrate material, which is one of the parameters for determining the flexural rigidity, and the polyimide 19 was provided with copper 20 as a wiring. The flexural rigidity of the hinge portion 4 of the polyester film 42 used as a substitute for the one was designed to be about the same. A tensile test was performed using a test piece of polyimide 19 with copper 20 as wiring (polyimide thickness t PI = 50 μm, copper thickness t Cu = 18 μm), and the calculated polyimide 19 was copper 20 as wiring. The Young's modulus is E PICu = 4.92 MPa, and the bending rigidity of the hinge portion 4 of the electronic circuit board 10 in FIG. 5A is 1.13 × 10 -6 N / m 2 . On the other hand, a tensile test was performed using a test piece of a polyester film 42 having a thickness of t PE = 125 μm, and the Young's modulus of the polyester film 42 calculated was E PE = 1.95 MPa, which is polyester when the thickness is 100 μm. The bending rigidity of the hinge portion 4 of the film 42 is 3.17 × 10 -6 N / m 2 , which is about the same as the bending rigidity of the polyimide copper substrate 10.

球面追従性評価用デバイス41を作製するにあたり、まず、カッティングプロッタ装置(GRAPHTEC製、CE6000-40)で、カッティングプロッタの専用台紙43を貼り付けたポリエステルフィルム42(TORAY製、ルミラーT60)を、デバイスを展開した平面形状に切り取る(図12A)。次に、厚さ220μmのケント紙13(栄紙業製、シルバーヒルケント紙S115)の片面に両面テープ14(3M製、4591HH)を貼り付け(図12B)、この両面テープ14を貼り付けたケント紙13を、カッティングプロッタの専用台紙44に貼り付けて、カッティングプロッタ装置で切り取る(図12C)。最後に両面テープ14の粘着面とポリエステルフィルム42とを貼り合せて、専用台紙44から外す(図12D)。この際、カッティングプロッタの専用台紙44の粘着力よりも両面テープ14の粘着力の方が強いため、転写することが可能である。図12Eは、平面形状の基板から折り曲げられた形状の基板にする様子を示しており、図6Gの電子回路基板の場合と同様に、折り目に癖がつく程度まで手で折り畳み、これを上型24および下型25に嵌め込んで、片面または両面からプレスすることにより、折り曲げられた球面追従性評価用デバイス41を作製することができる。球面追従性評価用デバイス41はミウラ折り(登録商標)状の形状を有するが、上述の製造方法は他の折り方のデバイスの製造にも適用可能である。 In manufacturing the device 41 for evaluating spherical followability, first, a polyester film 42 (TORAY, Lumirror T60) to which a special mount 43 for the cutting plotter is attached is used as a device with a cutting plotter device (GRAPHTEC, CE6000-40). Is cut into a developed planar shape (Fig. 12A). Next, double-sided tape 14 (3M, 4591HH) was attached to one side of 220 μm-thick Kent paper 13 (Silver Hill Kent paper S115, manufactured by Sakae Paper Industry Co., Ltd.) (Fig. 12B), and Kent paper 13 to which the double-sided tape 14 was attached. Is attached to the special mount 44 of the cutting plotter and cut out with the cutting plotter device (FIG. 12C). Finally, the adhesive side of the double-sided tape 14 and the polyester film 42 are stuck together and removed from the special mount 44 (FIG. 12D). At this time, since the adhesive strength of the double-sided tape 14 is stronger than the adhesive strength of the special mount 44 of the cutting plotter, transfer is possible. FIG. 12E shows a state in which a flat substrate is changed to a bent substrate. As in the case of the electronic circuit board of FIG. 6G, the substrate is folded by hand to the extent that creases are formed, and the upper mold is used. A bent spherical followability evaluation device 41 can be manufactured by fitting it into the 24 and the lower mold 25 and pressing it from one side or both sides. The device 41 for evaluating spherical followability has a Miura fold (registered trademark) shape, but the above-mentioned manufacturing method can be applied to the manufacture of devices having other folding methods.

球面追従性評価方法および評価結果について説明する。球面追従性の評価を行うための試験装置50の外観を図13に示す。該試験装置50では、2個の半球のドーム51,52が球面を上向きにして同じ向きに重ね合わされ、この2個のドームの間に球面追従性評価用デバイス41を設置し、上側ドーム51の上に重り53を配置して、上から荷重F[N]を加える構成としている。 The spherical followability evaluation method and the evaluation result will be described. FIG. 13 shows the appearance of the test apparatus 50 for evaluating the spherical followability. In the test apparatus 50, two hemispherical domes 51 and 52 are superposed in the same direction with the spherical surface facing upward, and a spherical surface followability evaluation device 41 is installed between the two domes to form an upper dome 51. A weight 53 is placed on the top, and a load F [N] is applied from above.

図14に示すように、試験装置50の下面54から上側ドーム51までの距離H’[mm]を測定し、上側ドーム51と下側ドーム52との間の距離であるドーム間距離H[mm]を算出する。ここで、ドーム51,52の厚さをHt[mm]とし、ドームの大きさの個体差を補正する値である補正値Hg[mm]を実測により求め、式(7)により、ドーム間距離H[mm]を算出する。補正値Hgは、上下に重ねた2つのドーム間に縦10mm、横10mm、厚さ5mmの試験片を挟み、下側ドームの下面から上側ドームまでの距離Hg’を測定して、Hg’からドームの厚さHtと、試験片の厚さ5mmとを減算したものとする。 As shown in FIG. 14, the distance H'[mm] from the lower surface 54 of the test apparatus 50 to the upper dome 51 is measured, and the distance between the dome H [mm], which is the distance between the upper dome 51 and the lower dome 52. ] Is calculated. Here, the thickness of the dome 51 and 52 is H t [mm], and the correction value H g [mm], which is a value for correcting the individual difference in the size of the dome, is obtained by actual measurement, and the dome is calculated by the equation (7). Calculate the distance H [mm]. Correction value H g is vertically 10mm between two dome vertically stacked, horizontal 10mm, sandwiched thick specimen 5 mm, by measuring the distance H g 'from the lower surface of the lower dome to the upper dome, H It is assumed that the thickness H t of the dome and the thickness 5 mm of the test piece are subtracted from g '.

なお、距離H’の測定に際し、上側ドーム51が試験装置50の下面54と並行に重ねられない場合を考慮し、ドーム51,52の対角線上の2点を測定して、その平均値をとった。 When measuring the distance H', consider the case where the upper dome 51 cannot be overlapped in parallel with the lower surface 54 of the test device 50, measure two points on the diagonal lines of the dome 51 and 52, and take the average value. It was.

評価用デバイスの寸法(La、Lb、γ、Ψ、ζ、2a、2b)は前述した通りであり、空隙幅Whoおよびヒンジ幅Whiを図15のように定義するとき、Who=3mm、Whi=1mmとした。ポリエステルフィルムの厚さは125μmとしている。実際に制作した評価用デバイス41は図16の左側に示すデバイスである。この評価用デバイス41をφ200のドームに追従させ、重り53の重量を50g、75g、100g、100g以降は500gまで50gおきに変化させて測定を行った。図17は測定結果であり、縦軸はドーム間距離と代表寸法との比H/La[-]、横軸は与えた荷重F[N]である。荷重が大きくなるにつれて評価用デバイス41が球面に追従していることが分かる。 The dimensions of the evaluation device (La, L b , γ, Ψ, ζ, 2a, 2b) are as described above, and when the void width W ho and the hinge width W hi are defined as shown in FIG. 15, W ho = 3 mm and W hi = 1 mm. The thickness of the polyester film is 125 μm. The evaluation device 41 actually produced is the device shown on the left side of FIG. This evaluation device 41 was made to follow a dome of φ200, and the weight of the weight 53 was changed to 50 g, 75 g, 100 g, and after 100 g to 500 g every 50 g for measurement. FIG. 17 shows the measurement results. The vertical axis is the ratio H / L a [-] of the distance between the dome and the representative dimension, and the horizontal axis is the applied load F [N]. It can be seen that the evaluation device 41 follows the spherical surface as the load increases.

本発明に係る電子デバイス1は、いかなる縮尺のものにも対応することができる。本実施の形態では、手で折り畳める程度の大きさの縮尺の標準スケールの電子デバイス1を作製したが、球面追従性評価には相似則が成り立ち、より大きな縮尺のラージスケール、および、より小さな縮尺のマイクロスケール縮尺にも利用可能であることを確認済みである。 The electronic device 1 according to the present invention can correspond to any scale. In the present embodiment, a standard-scale electronic device 1 having a scale that can be folded by hand is manufactured, but a similarity rule holds for the evaluation of spherical followability, and a large scale with a larger scale and a smaller scale are established. It has been confirmed that it can also be used for the microscale scale of.

実際の測定により、相似則が成り立つことを説明する。上記の評価用デバイス41に対し、代表寸法である平行四辺形の面の高さLaおよび面の長さLbと、空隙幅Whoとをそれぞれ1.5倍した評価用デバイス41’を作製した。図16の右側に示すデバイスが1.5倍デバイス41’である。この評価用デバイス41’をφ300のドームに追従させ、前述と同様の測定を行った結果を、前述の評価用デバイス41の測定結果と比較して図17に示す。図17より、各荷重においてプロットの傾向が等しいことから、ドーム間距離Hと代表寸法Laとの間には相似則が成り立つといえる。したがって、標準スケールで球面追従性の評価を行った場合でも、ラージスケールやマイクロスケールの電子デバイスに対してその評価結果を適用可能である。 Explain that the law of similarity holds by actual measurement. To evaluation device 41 described above, to prepare the length L b of the height L a and the surface of the parallelogram plane which is typical dimension, the gap width W ho and an evaluation device 41 1.5-fold, respectively ' .. The device shown on the right side of FIG. 16 is a 1.5 times device 41'. FIG. 17 shows the result of making the evaluation device 41'follow the dome of φ300 and performing the same measurement as described above in comparison with the measurement result of the evaluation device 41 described above. Than 17, it can be said that since the trend of the plot are equal at each load, similarity rule holds between the typical dimension L a dome distance H. Therefore, even when the spherical followability is evaluated on a standard scale, the evaluation result can be applied to a large scale or microscale electronic device.

空隙5の大きさの球面追従性への影響を評価するため、空隙幅Whoを0mm、1mm、3mm、5mmとした球面追従性評価用デバイスを作製した。その他の代表寸法は上述の評価用デバイス41と同じである。実際に作成した空隙幅Whoを0mm、1mm、3mm、5mmとした評価用デバイス60,61,62,63を、それぞれ図18A〜図18Dに示す。 In order to evaluate the influence of the size of the gap 5 on the spherical followability, a device for evaluating the spherical followability with the gap widths W ho set to 0 mm, 1 mm, 3 mm, and 5 mm was produced. Other typical dimensions are the same as the evaluation device 41 described above. The evaluation devices 60, 61, 62, and 63 in which the gap widths W ho actually created are 0 mm, 1 mm, 3 mm, and 5 mm are shown in FIGS. 18A to 18D, respectively.

それぞれの評価用デバイス60,61,62,63をφ200のドームに追従させ、重り53の重量を50g、75g、100g、100g以降は500gまで50gおきに変化させて測定を行った。図19は測定結果であり、縦軸はドーム間距離と代表寸法との比H/La[-]、横軸は与えた荷重F[N]である。図中、点線は評価用デバイスが追従する境界であり、評価用デバイスの厚さを表すものである。Whoを3mm、5mmとした場合は、低荷重で球面に追従している。一方、空隙5を開けていないWhoが0mmの場合は、荷重Fを5N加えても、評価用デバイス60の厚さには程遠い結果となった。これらの評価用デバイス60,61,62,63のヒンジ幅Whiは1mmであるから、本実施の形態の縮尺の電子デバイス1では、空隙幅Whoをヒンジ幅Whiよりも大きくすると球面追従性が高くなるともいえる。 Each evaluation device 60, 61, 62, 63 was made to follow a dome of φ200, and the weight of the weight 53 was changed to 50 g, 75 g, 100 g, and after 100 g, up to 500 g every 50 g for measurement. FIG. 19 shows the measurement results, the vertical axis is the ratio H / L a [-] of the distance between the dome and the representative dimension, and the horizontal axis is the applied load F [N]. In the figure, the dotted line is the boundary that the evaluation device follows, and represents the thickness of the evaluation device. When W ho is 3 mm and 5 mm, it follows the spherical surface with a low load. On the other hand, when W ho without opening the gap 5 is 0 mm, the result is far from the thickness of the evaluation device 60 even if the load F is applied by 5 N. Since the hinge widths W hi of these evaluation devices 60, 61, 62, 63 are 1 mm, in the electronic device 1 of the scale of the present embodiment, if the gap width W ho is made larger than the hinge width W hi , spherical tracking is performed. It can be said that the sex becomes higher.

球面追従性評価より、Whoを3mm、5mmとした場合に球面追従性が向上した。そこで、被搭載物2を搭載する面40の表面積を考慮し、空隙幅Whoを3mmとして、ミウラ折り(登録商標)形状の電子回路基板10に電子素子を実装した本実施の形態に係る電子デバイス1を作製した。 From the evaluation of spherical followability, the spherical followability was improved when W ho was set to 3 mm and 5 mm. Therefore, in consideration of the surface area of the surface 40 on which the object to be mounted 2 is mounted, the electron according to the present embodiment in which the electronic element is mounted on the Miura fold (registered trademark) shaped electronic circuit board 10 with the void width W ho set to 3 mm. Device 1 was manufactured.

該電子デバイス1は、配線7の上に特殊クリームはんだ(Sunhayato、SMX-H05)を用いて順電圧2.9VのチップLED70を直列に4個、並列に2個の合計8個実装し(SMLE12BC7TT86、Rohm)、電源装置(TEXIO、PA18-3B)(図示せず)を用いて10.50V、0.01Aを与える。この電子デバイス1に電圧を印加した状態で、伸縮変形および曲げ変形を加えた。図20Aは初期状態であり、図20Bは上方から見た投影面積の面積比率で25%に収縮させた状態(折り畳み)、図20Cは同面積比率で170%に伸展させた状態(展開)、図20Dは半径20mmの円筒形状とした状態(曲げ)、図20Eはφ200mmの球面形状のドーム71に貼り付けた状態(荷重300N)を示す写真図である。いずれの状態でもチップLED70は点灯し続けた。さらに、この電子デバイス1に対し、100回程度の折り畳み、展開、曲げ、球面追従を繰り返したが、チップLED70の光が消えたり暗くなったりすることはなく、断線は確認されなかった。 In the electronic device 1, four chip LEDs 70 having a forward voltage of 2.9 V are mounted in series and two in parallel using a special cream solder (Sunhayato, SMX-H05) on the wiring 7, for a total of eight (SMLE12BC7TT86, Rohm), power supply (TEXIO, PA18-3B) (not shown) to give 10.50V, 0.01A. With a voltage applied to the electronic device 1, expansion and contraction deformation and bending deformation were applied. FIG. 20A shows the initial state, FIG. 20B shows the state of contracting to 25% in the area ratio of the projected area seen from above (folding), and FIG. 20C shows the state of expanding to 170% in the same area ratio (expanded). FIG. 20D is a photographic view showing a state of having a cylindrical shape with a radius of 20 mm (bending), and FIG. 20E is a photographic view showing a state of being attached to a spherical dome 71 having a diameter of 200 mm (load 300 N). In either state, the chip LED 70 continued to light. Further, the electronic device 1 was repeatedly folded, unfolded, bent, and spherically followed about 100 times, but the light of the chip LED 70 was not extinguished or dimmed, and no disconnection was confirmed.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は種々の変形実施をすることができる。例えば、折り畳み可能な基板を作製する手段として、トレーシングペーパー上に、インクジェット式プリンターを用いて金属ナノ粒子配線を印刷する方法をとることができる。また、手を使わずに基板を自動的に折る方法として、トレーシングペーパー上にインクジェット式プリンターを用いて溶液を印刷し、溶液が乾燥するときに紙が曲がる現象を利用する方法がある。これらの方法を用いれば、印刷のみで平面から立体的な構造に折り上げられた電子デバイスを実現できる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified in various ways. For example, as a means for producing a foldable substrate, a method of printing metal nanoparticle wiring on tracing paper using an inkjet printer can be adopted. Further, as a method of automatically folding the substrate without using hands, there is a method of printing a solution on tracing paper using an inkjet printer and utilizing the phenomenon that the paper bends when the solution dries. By using these methods, it is possible to realize an electronic device that is folded up from a flat surface to a three-dimensional structure only by printing.

また、実際のデバイスに適用する場合には、上記電子回路基板10を伸縮性のある材料(例えばポリジメチルシロキサン(PDMS))で覆った構成とし、対象物に貼り付けるようにしてもよい。 Further, when applied to an actual device, the electronic circuit board 10 may be covered with an elastic material (for example, polydimethylsiloxane (PDMS)) and attached to an object.

以上のように、本発明は、「折り紙型デバイス」という汎用性の高い新たなアプローチにより、高機能かつ高性能であって、従来技術に比べて曲げ変形および伸縮変形可能な電子デバイスを実現するものであり、伸縮デバイスの新たな領域を拓くものである。折り紙のような折り畳み構造、すなわち平板部3とヒンジ部4からなる平面構造において、局所的な曲げ変形を設ける構造により、デバイス全体としての伸縮変形を実現した。二次元の折り畳み構造のヒンジ部4の交点に空隙5を設けることで、二次元的に伸縮が可能になるほか、球面やより複雑な自由曲面にも電子デバイス1を貼り付けることが可能となる。また、本発明は、平板部3とヒンジ部4とからなる折り畳み構造により伸縮可能な電子デバイス1を実現し、ヒンジ部4にも応力のかからない中立面6を形成しているから、伸縮デバイスであるにも関わらず、ヒンジ部4の曲げ変形の中立面6の近傍に金属等の配線7を配置することで、配線7が塑性変形することなく、繰返し変形や大変形においても疲労破壊することがない。したがって、硬いが高性能かつ低コストの無機材料、金属材料、半導体素子材料および有機材料等を利用可能である。 As described above, the present invention realizes a highly functional and high-performance electronic device that can be bent and deformed and stretched and deformed as compared with the prior art by a new highly versatile approach called "origami type device". It opens up new areas for telescopic devices. In a folding structure such as origami, that is, a planar structure composed of a flat plate portion 3 and a hinge portion 4, a structure that provides local bending deformation realizes expansion and contraction deformation of the entire device. By providing a gap 5 at the intersection of the hinge portions 4 of the two-dimensional folding structure, it is possible to expand and contract two-dimensionally, and it is also possible to attach the electronic device 1 to a spherical surface or a more complicated free curved surface. .. Further, the present invention realizes an electronic device 1 that can be expanded and contracted by a folding structure including a flat plate portion 3 and a hinge portion 4, and also forms a stress-free neutral surface 6 on the hinge portion 4, so that the expansion and contraction device In spite of this, by arranging the wiring 7 made of metal or the like in the vicinity of the neutral surface 6 of the bending deformation of the hinge portion 4, the wiring 7 does not undergo plastic deformation, and fatigue failure occurs even in repeated deformation or large deformation. There is nothing to do. Therefore, hard but high-performance and low-cost inorganic materials, metal materials, semiconductor device materials, organic materials and the like can be used.

本発明に係る電子デバイス1は、人の身体やロボット、自動車や飛行機などの車体など、曲面で形成される表面に貼り付ける用途が考えられる。ロボットの肘などの可動部で使用する場合や、人に貼り付けて体温や健康情報を取得するセンサシートを実現する場合には、使用している最中に伸縮が必要な用途である。本発明は、使用中に伸縮が必要な用途だけではなく、貼り付けに伸縮が必要な用途も考えられる。例えば、円柱に貼り付けて使用するのであれば平面シート状のデバイスを曲げるだけで全体を覆うことができる。しかしながら、球面に貼り付けて使用する場合には、平面シート状のデバイスを伸縮させないと全体を覆うことができない。これらの用途は、ウェアラブルデバイスやフレキシブルデバイス分野で市場が大きくなっている領域である。現在、腕時計型の健康情報モニタリングデバイスやスマートウォッチ(登録商標)が市販されているが、本発明によれば、ウェアラブルの伸縮ディスプレイが実現可能である。 The electronic device 1 according to the present invention can be used for being attached to a surface formed by a curved surface such as a human body, a robot, or a vehicle body of an automobile or an airplane. When used on moving parts such as the elbows of robots, or when realizing a sensor sheet that can be attached to a person to acquire body temperature and health information, it is an application that requires expansion and contraction during use. The present invention can be considered not only for applications that require expansion and contraction during use, but also for applications that require expansion and contraction for pasting. For example, if it is attached to a cylinder and used, the whole can be covered by simply bending a flat sheet-like device. However, when it is used by being attached to a spherical surface, the entire surface cannot be covered unless the flat sheet-like device is expanded and contracted. These applications are areas where the market is growing in the field of wearable devices and flexible devices. Currently, wristwatch-type health information monitoring devices and smart watches (registered trademarks) are commercially available, but according to the present invention, a wearable telescopic display can be realized.

タイヤに埋め込んで使用する、タイヤ圧やスリップの検出センサも大きな市場が見込まれる。タイヤ圧の計測に関しては、世界各国で法整備が進められているところである。タイヤと地面との間の滑り(スリップ)の検出は、自動車の安全性の向上に大きく寄与するものである。 A large market is expected for tire pressure and slip detection sensors that are used by embedding them in tires. Regarding the measurement of tire pressure, legislation is being developed in various countries around the world. Detection of slip between the tire and the ground greatly contributes to the improvement of automobile safety.

別な応用例として、スポーツウェアに埋め込むセンサへの応用も考えられる。例えば、競泳用水着の開発において、水着にセンサを埋め込み、水と水着の流体抵抗の計測を行いたいというニーズに対し、本発明によれば、現行の高感度のセンサを用いることができ、さらに伸縮可能であるので、実現性が高いものといえる。 As another application example, application to a sensor embedded in sportswear can be considered. For example, in the development of a swimsuit for swimming, the current high-sensitivity sensor can be used in response to the need to embed a sensor in the swimsuit and measure the fluid resistance of water and the swimsuit. Since it can be expanded and contracted, it can be said that it is highly feasible.

以上のように、本発明に係る電子デバイス1は、近年、急速に拡大しているスマートウォッチ(登録商標)などのウェアラブルデバイスの市場の発展に大きく寄与し、さらに、タイヤや水着などへの埋込センサなど、新規市場を開拓する可能性も有している。 As described above, the electronic device 1 according to the present invention has greatly contributed to the development of the rapidly expanding market for wearable devices such as smart watches (registered trademarks) in recent years, and is further embedded in tires, swimwear and the like. It also has the potential to open up new markets such as built-in sensors.

本発明のアイディアは独創的であるが、単に独創的であるだけでなく、従来実現されていた曲げ変形可能なデバイスの知見を直接的に利用できることから、幅広い応用分野で実現される可能性が高い。本発明の折り畳みを利用した曲げ変形および伸縮変形可能な電子デバイス1によれば、高性能化が見込める無機材料や金属材料等を用いたり、高感度のセンサを用いることができるので、性能や感度、コストの面において、有機材料のみを用いた従来の伸縮デバイスを圧倒的に凌駕することができる。 Although the idea of the present invention is original, it may be realized in a wide range of application fields because it is not only original but also the knowledge of the conventionally realized bendable and deformable device can be directly used. high. According to the electronic device 1 capable of bending deformation and expansion / contraction deformation using folding of the present invention, it is possible to use an inorganic material or a metal material which is expected to have high performance, or a high-sensitivity sensor, so that the performance and sensitivity can be used. In terms of cost, it can overwhelmingly surpass conventional telescopic devices that use only organic materials.

1 電子デバイス
2 被搭載物
3 平板部
4 ヒンジ部
5 空隙
6 中立面
7 配線
11 配線層
12 配線保護層
15 支持層
Who 空隙幅
Whi ヒンジ幅
1 Electronic device 2 Mounted object 3 Flat plate part 4 Hinge part 5 Air gap 6 Neutral surface 7 Wiring
11 Wiring layer
12 Wiring protection layer
15 Support layer
W ho void width
W hi hinge width

Claims (10)

複数の平板部と、
前記複数の平板部にそれぞれ搭載される複数のセンサ素子と、
前記複数の平板部間を繋ぎ、折り畳み可能となるように山折りまたは谷折りに折り曲げられた状態の構造を有する、折り曲げ可能なヒンジ部と、
前記ヒンジ部同士の交点に設けられた空隙と、
前記ヒンジ部の少なくとも一部において、曲げ変形および伸縮変形時に歪みが実質的にゼロである前記ヒンジ部の中立面の近傍に設けられる配線
を備えることを特徴とする曲げおよび伸縮変形センサデバイス。
With multiple flat plates
A plurality of sensor elements mounted on the plurality of flat plate portions, and
A foldable hinge portion having a structure in which the plurality of flat plate portions are connected and folded into a mountain fold or a valley fold so as to be foldable .
The gaps provided at the intersections of the hinges and
At least part of the hinge, music GEO preliminary stretch deformation, characterized in that it comprises the strain at bending deformation and stretching deformation and wiring provided in the vicinity of the neutral plane of the hinge portion is substantially zero Sensor device.
前記折り曲げられた状態が、球面または自由曲面に追従して山折り及び谷折りの角度が初期状態から変化した折り曲げられた状態である請求項1記載の曲げおよび伸縮変形センサデバイス。The bending and stretching deformation sensor device according to claim 1, wherein the bent state is a bent state in which the angles of mountain folds and valley folds are changed from the initial state following a spherical surface or a free curved surface. 使用時の状態が、前記折り曲げられた状態である請求項1または2記載の曲げおよび伸縮変形センサデバイス。The bending and stretching / contracting deformation sensor device according to claim 1 or 2, wherein the state at the time of use is the bent state. 前記配線の材料が、無機材料、金属材料、半導体材料および有機材料のうちの少なくとも1つを含む請求項1〜3のいずれか1項記載の曲げおよび伸縮変形センサデバイス。 The material of the wiring, an inorganic material, metallic material, songs GEO preliminary stretch deformation sensor device according to any one of claims 1 to 3 comprising at least one of a semiconductor material and an organic material. 前記中立面を前記ヒンジ部の表面に存在させ、前記配線が前記ヒンジ部の表面に配設された請求項1〜4のいずれか1項記載の曲げおよび伸縮変形センサデバイス。 The neutral plane was present on the surface of the hinge portion, the song GEO preliminary stretch deformation sensor device of the wiring any one of claims 1-4 disposed on the surface of the hinge portion. 前記平板部に、前記センサ素子以外の被搭載物をさらに搭載する請求項1〜のいずれか1項記載の曲げおよび伸縮変形センサデバイス。 Wherein the flat plate portion, claim 1-5 songs GEO preliminary stretch deformation sensor device according to any one of the further mounting the mountable object other than the sensor element. 前記被搭載物の材料が、無機材料、金属材料、半導体材料および有機材料のうちの少なくとも1つを含む請求項6記載の曲げおよび伸縮変形センサデバイス。 The material of the mounted object is, an inorganic material, metallic material, songs GEO preliminary stretch deformation sensor device of claim 6, further comprising at least one of a semiconductor material and an organic material. 前記ヒンジ部を折り曲げることにより、蛇腹折り状、ミウラ折り状、吉村パターン状またはなまこ折り状に折り畳み可能な請求項1〜7のいずれか1項記載の曲げおよび伸縮変形センサデバイス。 Wherein by bending the hinge portion, the bellows-like folded shape, Miura fold shape, Yoshimura pattern or sea cucumber song according to any one of the folded shape foldable claims 1-7 GEO preliminary stretch deformation sensor device. 前記空隙の空隙幅が前記ヒンジ部のヒンジ幅よりも大きい請求項1〜8のいずれか1項記載の曲げおよび伸縮変形センサデバイス。 Songs GEO preliminary stretch deformation sensor device according to any one of claims 1-8 gap width is greater than the hinge width of the hinge portion of the air gap. 前記平板部が配線層、配線保護層および支持層の順に積層して構成される構造を含み、
前記ヒンジ部が前記配線層および前記配線保護層の順に積層して構成される構造を含む請求項1〜9のいずれか1項記載の曲げおよび伸縮変形センサデバイス。
The flat plate portion includes a structure in which a wiring layer, a wiring protection layer, and a support layer are laminated in this order.
Songs GEO preliminary stretch deformation sensor device according to any one of claims 1 to 9 comprising a structure consisting of the hinge portion are laminated in this order of the wiring layer and the wiring protective layer.
JP2016113597A 2016-06-07 2016-06-07 Bending and stretching deformation sensor device Active JP6773956B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016113597A JP6773956B2 (en) 2016-06-07 2016-06-07 Bending and stretching deformation sensor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016113597A JP6773956B2 (en) 2016-06-07 2016-06-07 Bending and stretching deformation sensor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017220555A JP2017220555A (en) 2017-12-14
JP6773956B2 true JP6773956B2 (en) 2020-10-21

Family

ID=60658053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016113597A Active JP6773956B2 (en) 2016-06-07 2016-06-07 Bending and stretching deformation sensor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6773956B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111203904B (en) * 2020-01-19 2021-08-31 广州大学 Fully-enclosed flexible mechanical claw based on paper folding structure
JP2021150585A (en) * 2020-03-23 2021-09-27 株式会社ジャパンディスプレイ Flexible substrate
CN113290760B (en) * 2020-04-10 2023-06-13 广州市香港科大霍英东研究院 Conductive elastomer based on three-pump folding structure and application thereof
CN113156687A (en) * 2021-03-24 2021-07-23 深圳市蔚来芯科技有限公司 Flexible electronic paper electronic display device and manufacturing method thereof

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3224889B2 (en) * 1993-01-13 2001-11-05 イビデン株式会社 Printed wiring board and its manufacturing method
JP4068628B2 (en) * 2005-05-30 2008-03-26 松下電器産業株式会社 Wiring board, semiconductor device and display module
JP2015088561A (en) * 2013-10-29 2015-05-07 グンゼ株式会社 Pedestal sheet for sheet-like power generator, and sheet-like power generator using the same
WO2017168981A1 (en) * 2016-03-31 2017-10-05 日本ゼオン株式会社 Power generation module group

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017220555A (en) 2017-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6773956B2 (en) Bending and stretching deformation sensor device
Song et al. Mechanics and thermal management of stretchable inorganic electronics
Mousavi et al. Direct 3D printing of highly anisotropic, flexible, constriction-resistive sensors for multidirectional proprioception in soft robots
Jo et al. Wearable, stretchable, transparent all-in-one soft sensor formed from supersonically sprayed silver nanowires
Wang et al. Buckling analysis in stretchable electronics
Kim et al. Stretchable electronics: materials strategies and devices
Wu et al. Energy harvesters for wearable and stretchable electronics: from flexibility to stretchability
Din et al. A stretchable multimodal sensor for soft robotic applications
Zhang et al. Mechanics of stretchable batteries and supercapacitors
US8895864B2 (en) Deformable apparatus and method
Yang et al. Tactile sensing system based on arrays of graphene woven microfabrics: electromechanical behavior and electronic skin application
Wang et al. Mechanical designs for inorganic stretchable circuits in soft electronics
Choi et al. Biaxially stretchable “wavy” silicon nanomembranes
US9507450B2 (en) Touch panel and method of manufacturing the touch panel
Kim et al. Highly stretchable wrinkled gold thin film wires
Kim et al. Biaxial stretchability and transparency of Ag nanowire 2D mass-spring networks prepared by floating compression
US20170086291A1 (en) Flexible Electronics Apparatus and Associated Methods
CN105810598A (en) Preparation method for stretchable flexible electronic device and stretchable flexible electronic device product
Nagels et al. Fabrication approaches to interconnect based devices for stretchable electronics: A review
CN109573939B (en) Dual layer strained substrates and stretchable electronic devices
WO2016109652A1 (en) Archimedean spiral design for deformable electronics
Han et al. Structural design of wearable electronics suitable for highly-stretched joint areas
Kallmayer et al. Optimized thermoforming process for conformable electronics
Yu et al. Buckling analysis of stiff thin films suspended on a substrate with tripod surface relief structure
Park et al. Flexible sensory systems: structural approaches

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190515

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20200121

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200127

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200204

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200403

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200908

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200911

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6773956

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250