JP7083110B2 - 触覚センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、押圧力やずり力等を検知する触覚センサに関する。
例えば、本発明の触覚センサは、検出部が生体内に埋め込まれて人工関節間その他の生体内の圧力情報の取得、衣服が肌に触れるときの荷重やせん断応力の計測、歩行時の足裏の荷重及びせん断応力の分布計測、ゴルフや野球等スイング時などの特定の動作の際に、手のひらに掛かる荷重及びせん断応力の分布計測などに使用可能である。

触覚センサは、例えば、対をなす２つの電極間に導電樹脂層を挟みこんだ構造となっている。このような触覚センサでは、電極に加えられる荷重により導電樹脂層が変形することで発生する電極間の物理量を、圧力やずり力としてセンシングする。なお、電極には信号入出力を行うリードが接続している。

例えば特許文献１に記載の触覚センサは、対向する２つの電極間に導電樹脂層が配置され、荷重によって導電樹脂層が変形することによる電極間抵抗値の変化を利用して測定する。
また特許文献２に記載の触覚センサは、２枚の矩形の平行板電極間に、導電樹脂層としての磁性ゴム体が配置された構成であり、物体に接触して接触面に平行（せん断方向）に動いた際に受けるずり力を検知する。

ここで、特許文献１や２に記載のように、導電樹脂層を構成する導電性樹脂は、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、金属酸化物粒子或いはカーボン粒子からなる導電材料を、ゴムやポリエステルその他のバインダ樹脂に分散させることで、導電性を有する。なお、本明細書では、導電性樹脂からなる導電樹脂層が、無負荷時には非通電状態であることも含む。
ここで、特許文献２には、導電材料としてのＮｉやＣｕの粉末の大きさとして、平均長３～１０μｍが記載されている。すなわち、通常、触覚センサで使用される導電材料の平均粒径は、材料によって異なるが３～１０μｍ程度である。

特許第３６６４６２２号公報 特開２０１３－２３２２９３号公報

ここで、触覚センサは、小型化することで、生体内のモニタリングなどにも応用可能である。すなわち、生体内のセンシングでは、触覚センサのセンシング部（検出部）のサイズを小さくすることで、センサの埋め込みなどによる被測定対象への負担を軽減することができる。
また、一定面積当たりの力の測定精度を上げるためには、センシング部を小型化し高集積とすることが有効である。
以上のことから、触覚センサに使用する電極の微細化が求められている。

センササイズを小さくする場合、電極及びリードは、金属ペーストをグラビアオフセットやスクリーン印刷など印刷によって形成される。
導電樹脂層に金属ペーストを印刷して電極を形成する場合、導電樹脂層の電極形成面の凹凸が問題となることがある。電極を微細化するほど、導電樹脂層の凹凸が大きいと電極が凹凸部分で断線したりカケなどの欠陥が生じたりして、センサとしての機能を果たせない場合がある。また、経時的に断線する恐れもある。
また、各電極に導電樹脂層を形成し、導電樹脂層同士を重ね合わせることで、２つの電極を対向させたセンサ構成もある。この場合、２つの導電樹脂層表面の凹凸同士を重ね合わせることになるが、センサに対し、例えばせん断方向の力を掛けた場合、重なっている凹凸部分に荷重が集中して導電樹脂層が破損したり、電極間の導電樹脂層の導電性能にばらつきが出たりする可能性がある。

本発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、センサを小型化しても、歩留まりや使用時の耐久性を向上可能な触覚センサを提供することを目的としている。

ここで、発明者は、触覚センサを小型化し、電極等が微細化しても、電極等の破断を抑制することについて検討した。そして、発明者は、電極を形成する導電樹脂層の表面の凹凸が、センサ製造時やセンサ使用時における、電極等の破断などの欠陥の原因であることを突き止めた。
そして、触覚センサに使用される導電性樹脂は、通常、金属やカーボン粒子からなる粉末状の導電材料を分散することで導電性を有するが、金属やカーボン粒子からなる導電材料の大きさは、レーザー回折式粒度分布計による測定の結果、平均粒径が３～１０μｍ程度と粒子形状が大きく、しかもいびつな形状（走査型電子顕微鏡での測定による）をしていることが、導電樹脂層が凹凸を持つ原因となっているとの知見を得た。
本発明は、このような知見に基づきなされたものである。

すなわち、課題を解決するために、本発明の一態様である触覚センサは、基材と、上記基材上に設けられた第一電極と、少なくとも上記第一電極の上に形成された第一の導電性樹脂からなる第一の樹脂層と、上記第一電極と対向させて上記第一の樹脂層の上に設けられる第二電極と、を備え、上記第一の導電性樹脂は、樹脂に導電材料が分散され、上記第一の樹脂層は、上記第二電極が形成される面に第二の導電性樹脂が設けられ、上記第二の導電性樹脂は、樹脂に導電材料が分散され、上記第二の導電性樹脂が含有する導電材料の平均粒径は、上記第一の導電性樹脂が含有する導電材料の平均粒径よりも小さい。

また、本発明の他の態様である触覚センサは、第一の基材と、上記第一の基材上に設けられた第一電極と、少なくとも上記第一電極の上に形成された第一の導電性樹脂からなる第一樹脂層とを有する第一シート部と、第二の基材と、上記第二の基材上に設けられた第二電極と、少なくとも上記第二電極の上に形成された第三の導電性樹脂からなる第二樹脂層とを有する第二シート部と、を有し、平面視で上記第一電極と上記第二電極とが重なる位置で、上記第一シート部の第一樹脂層と上記第二シート部の第二樹脂層とが、第二の導電性樹脂を介して積層され、上記第一の導電性樹脂、上記第二の導電性樹脂、及び上記第三の導電性樹脂は、樹脂に導電材料が分散され、上記第二の導電性樹脂が含有する導電材料の平均粒径は、上記第一の導電性樹脂及び上記第三の導電性樹脂が含有する導電樹脂の導電材料の平均粒径よりも小さい。

また、本発明の他の態様は、上記一態様の触覚センサの製造方法であって、基材上に第一電極を設けた状態で、少なくとも上記第一電極の上に上記第一の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して上記第一の樹脂層を形成し、上記第一の樹脂層上に上記第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して上記第二の導電性樹脂を設け、上記第二の導電性樹脂を設けた上記第一の樹脂層上に、第二電極を印刷によって形成する。

また、本発明の他の態様は、上記他の態様の触覚センサの製造方法であって、第一の基材上に第一電極を設けた状態で、少なくとも上記第一電極の上に上記第一の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して上記第一樹脂層を形成して第一シート部とし、上記第一シート部の上記第一樹脂層上に上記第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して、上記第一樹脂層に上記第二の導電性樹脂を設け、上記第二の基材上に上記第二電極を設けた状態で、少なくとも上記第二電極の上に上記第三の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して上記第二樹脂層を形成して上記第二シート部を作製し、上記第二シート部の上記第二樹脂層上に上記第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して、上記第二樹脂層に上記第二の導電性樹脂を設け、その後、相対的に、上記第一シート部の上記第一の樹脂層上に、上記第二シート部の上記第二樹脂層が積層するように上記第二シート部を重ねる。

本発明の態様によれば、導電性の樹脂層の表面に、粒子径の小さな導電材料を用いた第二の導電性樹脂を設けることで、導電性の樹脂層の表面の凹凸を小さくすることが可能となる。この結果、本発明の態様によれば、樹脂層の表面の凹凸に起因する電極の欠陥や破損が抑制され、センサを小型化しても、歩留まりや使用時の耐久性を向上可能な触覚センサを提供することが可能となる。
ここで、樹脂層全体に、粒子径の小さな導電材料を適用することも考えられるが、導電材料の粒子径が小さくなるほど、樹脂層の膜厚を稼ぎにくくなって、製造の手間が増えたり、製造コストが増大したりすることに繋がる。これに対し、本発明の態様によれば、樹脂層表面の凹凸を小さくするために、粒子径の小さな導電材料を適用することで、製造の手間等を抑えることが可能となる。
また、樹脂層表面の凹凸が小さくなることは、部材間をより均一に接触することが可能となり、このことはまた、安定したセンサ精度の向上にも寄与する。

本発明に基づく第一実施形態に係る触覚センサを示す展開した断面図である。 対向電極のうちの第一電極のパターンを示す平面図である。 対向電極のうちの第二電極のパターンを示す平面図である。 本発明に基づく第一実施形態に係る触覚センサの形成を説明する図である。 本発明に基づく第二実施形態に係る触覚センサを示す展開した断面図である。 第一シート部及び第二シート部を示す断面図である。 本発明に基づく第二実施形態に係る触覚センサの形成を説明する図である。 接触圧力の測定方法を説明する概念図である。 せん断応力の測定方法を説明する概念図である。 実施例２における評価方法を説明する概念図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
ここで、図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。すなわち、以下に示す電極の形状やリードの引き回し、及び力の測定を行う電極の数は一例であり、本説明の内容に限定されるものではない。

以下に例示する本実施形態の触覚センサは、接触圧力を測定するための１つの対向電極と、互いに異なる二方向のせん断応力を測定するための２つの対向電極を備える。すなわち、本実施形態の触覚センサは、３対の対向電極を有して三種類の荷重情報を検出するセンサである。ただし、本実施形態の触覚センサは、対向電極の数が、一対でも二対でも四対以上でも構わない。センサが小型化し且つ設ける対向電極の数が多くなるほど、電極が微細化して、本発明の効果をより奏するようになる。

「第一実施形態」
まず、第一実施形態について説明する。
＜構成＞
図１の模式図で示すように、第一実施形態の触覚センサは、基材１と、基材１上に設けられた第一電極２と、少なくとも第一電極２の上に形成された第一の導電性樹脂からなる第一の樹脂層３と、第一電極２と対向させて第一の樹脂層３の上に設けられる第二電極５と、を備える。第一の樹脂層３は、第二電極５が形成される側の面３ａに、第二の導電性樹脂４が設けられている。図１は、第一の樹脂層３を第一電極２を覆うように基材１上に形成した例である。

第一の導電性樹脂及び第二の導電性樹脂４は、樹脂に導電材料が分散されていることで導電性を有する。
第二の導電性樹脂４が含有する導電材料の平均粒径は、第一の導電性樹脂が含有する導電材料の平均粒径よりも小さい。第二の導電性樹脂４が含有する導電材料の最大粒径は、第一の導電性樹脂が含有する導電材料の最大粒径の１/１０以下であることが好ましい。この範囲を超えると第二の導電性樹脂４を形成した際に、第二の導電性樹脂４によって新たな凹凸が生じてしまうおそれがある。

また、第二の導電性樹脂４が含有する導電材料は、導電性高分子からなることが好ましい。導電性高分子からなる導電材料は球に近い形状をしている。
更に、第二の導電性樹脂４を積層した状態での第一の樹脂層３の膜厚差の最大値は、１μｍ以上６μｍ以下となっていることが好ましい。膜厚差の最大値は、より好ましくは１μｍ以上３μｍ以下である。
ここで、膜厚差の最大値とは、膜厚の一番厚い部分と一番薄い部分との厚さの差を指す。以下、「膜厚差の最大値」を、単に「膜厚差」とも記載する。

本実施形態の触覚センサの平面視での面積は、平面視で、矩形形状に換算して２ｍｍ×１ｍｍ以上１０ｍｍ×１０ｍｍ以下の寸法となっている。触覚センサは、平面視での形状が矩形である必要はない。
なお、図１は、３つの電極が一列に並ぶように展開した状態での断面図である。実際には３つの電極は、後述のように一列に並んでおらず、できるだけコンパクトとなるような配置構成となっている。
以下に、より具体的に説明する。

（第一電極２）
図２に示す平面図のように、本実施形態の第一電極２は３つの小電極２１～２３から構成される。３つの小電極２１～２３は、共通するリード６で接続されている。この例では、第一電極２をコモン電極としている。小電極２１～２３やリード６の配置は、この例に限定されず、センシングするための回路によって自由に取り回しを変えることが出来る。
小電極２１は、接触圧力を測定するための電極であり、方形状をしている。小電極２２及び２３は、紙面横及び縦方向の各せん断応力を測定するための電極であり、長方形の形状をしている。小電極２２が紙面横方向のせん断応力を、小電極２３が紙面縦方向のせん断応力を、それぞれ測定する役割を持っている。図２では小電極２２、２３内部にスリットが設けられているが、説明のための一例である。各小電極２１～２３の形状に特に制限はない。
第一電極２及びリード６の配線厚みは、例えば２μｍ以上３μｍ以下である。

（第二電極５）
図３に示す平面図のように、第二電極５は、第一電極２の各小電極２１～２３とそれぞれ第一の樹脂層３を介して対向するように配置された三個の小電極５１～５３を備えており、各小電極５１～５３から個別にリード７が延びている。
小電極５１は、第一電極２の小電極２１と対向配置している。無負荷状態では、平面視において、小電極５１は、小電極２１からはみ出さない程度に小電極２１より小さくなっている。これにより、対向する小電極２１と小電極５２の部分ではせん断力によってずれが生じても対向する部分の重なり面積が変わらず、抵抗値変化が生じないため、純粋に接触圧力のみを取り出すことが出来る。

小電極５２及び小電極５３は、それぞれ紙面横方向と紙面縦方向のせん断応力を測定するための電極である。小電極５２は第一電極２の小電極２２と、小電極５３は第一電極２の小電極５３とそれぞれ対向配置させる。小電極５２及び小電極５３は、正方形や長方形ではなく、図３に示すように、小電極２２，２３のスリットと交差する方向に頂点を向けた三角形を二つ並べた形状（せん断検出方向に向けて幅が変化した形状）である。小電極５２，５３の形状は、これに限定されない。平面視において、測定するせん断方向への変位では、変位方向及び変位量に応じて小電極２２，２３との重なりが変化し、測定するせん断方向と直交する方向への変位では、小電極２２，２３との重なりが変化しないか、その重なりの変化が小さい形状になっていればよい。
第二電極５及びリード７の配線厚みは、例えば２μｍ以上３μｍ以下である。

（第一の導電性樹脂）
第一の導電性樹脂は、バインダ樹脂に導電材料が分散されて構成されている。
バインダ樹脂は、例えば熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂からなる。熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂は、例えばアクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などからなる。
第一の導電性樹脂の導電材料は、例えば金属粒子や、グラファイトやカーボンナノチューブなどの導電性のカーボンからなる。金属粒子の場合、例えば平均粒径は３μｍ以上１０μｍ以下である。カーボンの場合、その形状は板状であり、最大長が５μｍ以上１０μｍ以下である。
このような大きさの導電材料を使用した導電性樹脂は、層の厚みを稼ぎやすい。

（第二の導電性樹脂）
第二の導電性樹脂４は、バインダ樹脂に導電材料が分散されて構成されている。
バインダ樹脂は、第一の導電性樹脂と同様に、例えば熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂からなる。
第二の導電性樹脂４の導電材料は、例えば導電性高分子からなる。導電性高分子としては、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールなどが例示できる。導電性高分子からなる導電材料は、形状が球若しくは球に近似した形状となっていて、その粒径は、例えば１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
ここで、第二の導電性樹脂４は、第一の導電性樹脂よりも電気抵抗値が高い方が好ましい。

（第一の樹脂層３）
第一の樹脂層３は、その本体が第一の導電性樹脂の層から形成され、その第一の導電性樹脂の層の表面３ａ（第二電極５側の面）の凹凸を埋めるようにして第二の導電性樹脂４が設けられている。第二の導電性樹脂４の積層によって、第一の樹脂層３の膜厚差が１μｍ以上６μｍ以下になっていることが好ましい。
第一の樹脂層３の平均膜厚は、例えば５μｍ以上３０μｍ以下である。第一の樹脂層３の最大膜厚さは、例えば７μｍ以上１５μｍ以下である。

ここで、第一の導電性樹脂だけからなる第一の樹脂層３の平均膜厚が５μｍの場合、その第一の樹脂層３の膜厚差は、例えば７μｍ（最大１０μｍ、最小３μｍ）となっている。
また、第一の導電性樹脂だけからなる第一の樹脂層３の平均膜厚が２５μｍの場合、その第一の樹脂層３の膜厚差は、例えば１５μｍ（最大２７μｍ、最小１２μｍ）となっている。
これに対し、第二の導電性樹脂４を第一の樹脂層３の表面３ａに設けることで、第一の樹脂層３の膜厚差を１μｍ以上６μｍ以下にすることができる。そして、第一の樹脂層３の膜厚差を１μｍ以上６μｍ以下にすることで、第一の樹脂層３の表面の凹凸も小さくなる。第一の樹脂層３の表面の平均粗さは、好ましくは３μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下である。

最終的な第一の樹脂層３の膜厚は５μｍ以上であることが望ましく、更に好ましくは１０μｍ以上である。５μｍより薄いと、電極同士の距離が近すぎて、センシングの際にノイズが入り測定できないことがある。
なお、第一の樹脂層３の膜厚のうち、例えば、第一の導電性樹脂による膜厚を５μｍ以上２５μｍ以下とし、第二の導電性樹脂４による膜厚を０．５μｍ以上９μｍ以下とする。ただし、作製の手間等を考えると、第一の導電性樹脂による膜厚は、第二の導電性樹脂４よりも厚くすることが好ましい。例えば、第一の導電性樹脂による膜厚は、第二の導電性樹脂４の二倍以上とする。

（基材１）
基材１は、可撓性を有することが好ましく、例えばプラスチックフィルムや紙からなる。プラスチックフィルムの材料としてはＰＥＴやＰＥＮ、ポリイミドなどが例示できる。基材１は、印刷用のインキの乾燥条件やセンサとしての用途に合わせて適宜選択できる。

＜製造方法＞
本実施形態の触覚センサの製造方法の一例について図４を参照しつつ説明する。
基材１上に印刷によって第一電極２を形成する。その後、印刷によって、少なくとも第一電極２を構成する各小電極２１～２３の上に個別に第一の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して第一の樹脂層３を形成する（図４（ａ）参照）。
その形成した第一の樹脂層３の表面３ａ上に、印刷によって第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して第二の導電性樹脂４を設ける（図４（ｂ）参照）。このとき、第一の樹脂層３の膜厚差が１μｍ以上６μｍ以下になるように、第二の導電性樹脂を有する塗布液を一回以上印刷する。
その後に、第一の樹脂層３上に第二電極５を印刷によって形成する（図４（ｃ）参照）。

（電極形成について）
ここで、第一電極２及び第二電極５の形成は、印刷によって行う。印刷方法に制限はなく、スクリーン印刷やオフセット印刷等公知の印刷手段を用いることが出来るが、小さな電極サイズでも印刷が可能という点で、グラビアオフセット印刷を用いることが望ましい。
印刷に用いるインキは、導電性があるものが求められる。数マイクロメートルから数十ナノメートルの貴金属粉末を熱硬化性樹脂に混合したペーストを用いるのが一般的であるが、カーボンやアルミなどでも構わないし、合金や混合物であってもよい。

（樹脂層の形成について）
第一の樹脂層３は、押圧またはせん断力によって弾性変形し、力が入力されている間はその状態を保持し、力がなくなると元の形状に戻る性質を持っていることが必要である。また、基材１の曲げに追従できる材料であることが望ましい。
各導電性樹脂は重ね塗りをしても構わないが、第一の導電性樹脂は一回の印刷で３μｍ以上、第二の導電性樹脂４は一回の印刷で０．５μｍ以上印刷されることが望ましい。
第一の樹脂層３はパターニング出来る方法での形成が望ましい。特に厚みをコントロールしやすいスクリーン印刷法が好適に用いられる。
また、図示しないが、紙面横方向で隣り合う第一の樹脂層３間の隙間に、絶縁性の隔壁（不図示）を設けても構わない。その場合、隙間は、第一の樹脂層３よりも柔らかい例えばシリコーン樹脂等で埋めればよい。

＜作用その他＞
図４（ａ）に示すように、第一の樹脂層３を印刷した状態では、材料に含まれる導電性粒子の大きさや形状の影響を受け第一の樹脂層３の表面３ａに大きな凹凸がある。この状態で第二電極５を印刷しようとすると、凹凸のため印刷出来ないか、あるいは、凹凸部分に印刷のヌケやカケが生じる可能性がある。また印刷出来たとしても、第二電極５には大きな凹凸部分で常に応力集中が生じるため、繰り返しセンサ動作をすると容易に破損する可能性がある。
本実施形態では、図４（ｂ）に示すように、第一の樹脂層３の表面３ａの凹凸を第二の導電性樹脂４で埋めて第一の樹脂層３の表面の凹凸を小さくする。この結果、その上に印刷により形成される第二電極５のヌケやカケを生じることが防止できると共に、凹凸差による電極への応力集中をなくし、センサの破損を防ぐことが出来る。

「第二実施形態」
次に、第二実施形態について図面を参照しつつ説明する。
＜構成＞
本実施形態の触覚センサの基本構成は第一実施形態と同様である。
本実施形態の触覚センサは、図５に示すように、第一シート部１００と第二シート部１０１とを備える。
第一シート部１００は、図５及び図６（ａ）に示すように、第一の基材１Ａと、第一の基材１Ａ上に設けられた第一電極２と、少なくとも第一電極２の各小電極の上に個別に形成された第一の導電性樹脂からなる第一樹脂層３Ａを有する。更に、第一樹脂層３Ａの表面に、表面の凹凸を埋めるようにして第二の導電性樹脂４Ａが設けられている。

第二シート部１０１は、図５及び図６（ｂ）に示すように、第二の基材１Ｂと、第二の基材１Ｂ上に設けられた第二電極５と、少なくとも第一電極２の各小電極の上に個別に形成された第三の導電性樹脂からなる第二樹脂層３Ｂとを有する。更に、第二樹脂層３Ｂの表面に、表面の凹凸を埋めるようにして第二の導電性樹脂４Ｂが設けられている。
そして、第一電極２の小電極と第二電極５の対応する小電極とがそれぞれ対向する位置で、第一シート部１００の第一樹脂層３Ａと第二シート部１０１の第二樹脂層３Ｂとが連結することで、第一シート部１００と第二シート部１０１とが、第二の導電性樹脂４Ａ，４Ｂを介して連結した構成となっている。

第一の導電性樹脂、第二の導電性樹脂４Ａ，４Ｂ、及び第三の導電性樹脂は、樹脂に導電材料が分散されていることで導電性を有する。
第二の導電性樹脂４Ａ，４Ｂが含有する導電材料の平均粒径は、第一の導電性樹脂及び第三の導電性樹脂が含有する導電樹脂の導電材料の平均粒径よりも小さい。
ここで、第一の導電性樹脂、第二の導電性樹脂４Ａ，４Ｂは、第一実施形態で説明した第一の導電性樹脂、第二の導電性樹脂４と同じ材料からなる。
第三の導電性樹脂は、第一の導電性樹脂と同じ構成とすればよいが、第一実施形態で説明した第一の導電性樹脂から外れない範囲で導電材料などを変えても良い。

＜製造方法＞
本実施形態の触覚センサの製造方法の一例を説明する。
第一の基材１Ａ上に印刷にて第一電極２を設けた後、少なくとも第一電極２の各小電極の上に個別に第一の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して第一樹脂層３Ａを形成して第一シート部１００とする。その第一シート部１００の第一樹脂層３Ａ上に、第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して第二の導電性樹脂４Ａを設けて、表面の凹凸を小さくする。
また、第二の基材１Ｂ上に第二電極５を印刷にて設けた後、少なくとも第二電極５の各小電極の上に個別に第三の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して第二樹脂層３Ｂを形成して第二シート部１０１を作製する。その後、第二シート部１０１の第二樹脂層３Ｂ上に、第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して第二の導電性樹脂４Ｂを設けて、表面の凹凸を小さくする。

ここで、第二の導電性樹脂４Ａ，４Ｂを塗布することによる、第一樹脂層３Ａ及び第二樹脂層３Ｂの膜厚差が共に、１μｍ以上６μｍ以下となるように、第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布することが好ましい。
上記のようにして第一シート部１００及び第二シート部１０１を作製したら、相対的に、第二の導電性樹脂を積層した第一シート部１００の第一樹脂層３Ａ上に、第二シート部１０１の第二樹脂層３Ｂを重ねるように積層する。
このとき、あらかじめ設けておいた位置合わせマーク（不図示）などを参考に重ね合わせの位置を調整しても構わない。図示しないが、重ね合わせる際に、第一の基材１Ａの外周部と第二の基材１Ｂの外周部との少なくとも一部を、接着剤や両面テープ等で連結して固定すると良い。
その他の構成や製造方法は、上記第一実施形態と同様である。

＜作用その他＞
第二の導電性樹脂を設けない場合には、図７に示すように、第一樹脂層３Ａと第二樹脂層３Ｂの各凹凸部分がところどころはまり込んでいる。この状態でせん断（紙面横方向）力を掛けると、凹凸の根元付近に応力が集中しやすいため、根元部分から破損する恐れがある。樹脂層の凹凸が大きいほど、大きな力が掛かるため起こりやすい。
一方、本実施形態では、第二の導電性樹脂によって凹凸を埋められているため、はまり込みが少ないことと、凹凸部分の高さが少なくなっている。このため、第二の導電性樹脂を介装しない場合に比べて、凹凸部分に掛かる力が弱くなり、破損しづらくなる。

＜本実施形態の効果＞
第一実施形態のように、一枚の基材１の上に第一電極２と第一の樹脂層３と第二電極５５とを積層する場合でも、第二実施形態のように、個別の基材１に第一電極２及び第二電極５と樹脂層を積層したシート部同士を重ねる場合でも、樹脂層３，３Ａ，３Ｂの上に第二の導電性樹脂４，４Ａ，４Ｂを重ね塗りして凹凸を減らすことにより、電極の破損や樹脂層の破損を防ぐことが出来る。
すなわち、本発明に基づく実施形態によれば、導電性の樹脂層３，３Ａ，３Ｂの表面に、粒子径の小さな導電材料からなる第二の導電性樹脂４，４Ａ，４Ｂを設けることで、導電性の樹脂層３，３Ａ，３Ｂの表面の凹凸を小さくすることができる。この結果、本実施形態によれば、樹脂層３，３Ａ，３Ｂの表面の凹凸に起因する電極の欠陥や破損が抑制され、センサを小型化しても、歩留まりや使用時の耐久性を向上可能な触覚センサを提供することが可能となる。

ここで、樹脂層全体に、粒子径の小さな導電材料を適用することも考えられるが、導電材料の粒子径が小さくなるほど一回の印刷による膜厚が薄くなり、樹脂層の膜厚を稼ぎにくくなって、製造の手間が増えたり、製造コストが増大したりすることに繋がる。これに対し、本発明の実施形態によれば、樹脂層表面の凹凸を小さくするために、粒子径の小さな導電材料を適用することで、製造の手間を抑えることが可能となる。
また、樹脂層表面の凹凸が小さくなることは、部材間をより均一に接続することが可能となり、このことはまた、安定したセンサ精度の向上にも寄与する。

＜触覚センサの仕組みその他について＞
ここで、本実施形態の触覚センサで用いられる力測定の仕組みについて説明する。
図８は、接触圧力センシングモデルの概念図である。
接触圧力センサモデルは、上下の電極２００，２０１が導電樹脂層２０２を介して対向配置されて構成される。上下の電極２００，２０１は信号入出力のリード（不図示）を介して電源（不図示）などに接続している。
接触圧力センサモデルでは、指を電極２００に接触して、電極２００を電極２０１側に向けて押圧力Ｆ１で押すと（図８（ａ）参照）、押圧力Ｆ１に応じた分だけ導電樹脂層２０２が圧縮方向に変形して、対向する電極２００，２０１間の距離が縮まる。導電樹脂層２０２が圧縮方向に変形すると、その圧縮量に応じた分だけ、導電樹脂層２０２の電気抵抗値が低下し、そのときに発生する電極間の電位や抵抗値の変化を、接触圧力分に相当する信号値として検出することができる。

図９は、せん断応力センシングモデルの概念図である。
せん断応力センシングモデルは、接触圧力センサモデルと同様に、上下の電極２００，２０１が導電樹脂層２０２を介して対向配置されて構成される。上下の電極２００，２０１は信号入出力のリード（不図示）を介して電源（不図示）等に接続している。
せん断応力センシングモデルでは、指を電極２００に接触して、電極２００を紙面左に向かって横方向に押してせん断応力Ｆ２を与えると（図９（ａ）参照）、せん断応力Ｆ２に応じた分だけ導電樹脂層２０２が紙面左側に向けてせん断変形して、電極２００に対し電極２０１が紙面左側に相対変位する。すると、一対の電極２００，２０１間に位置する樹脂層部分２０２Ａが縦断面平行四辺形に弾性変形し、一対の電極２００，２０１間の距離が増加して、せん断応力Ｆ２に応じた分だけ一対の電極２００，２０１間の電気抵抗値が増加する。そして、電極間の電気抵抗値の変化や電極間に流れる電流量の変化が、せん断応力値に相当する信号値として検出することができる。ここで、電流は、導電樹脂層２０２中の抵抗が低く且つ最短のルートで流れようとするため、平面視における上下の電極２００，２０１の重なり量の変化を、せん断応力Ｆ２に応じた抵抗値の変化量と近似させることも可能である。

ここで、本実施形態では、対向する小電極２１と小電極５１の組が、接触圧力センシング用の対向電極を構成する。本実施形態では、図３のように、小電極２１の面積よりも小電極５１の面積を小さくし、せん断力によって、小電極５１に対し小電極２１が縦方向や横方向に変位しても、平面視における小電極５１と小電極２１との対向面積が変わらないように設計している。この結果、センサに掛かる荷重が押圧力とせん断力の混合であっても、対向する小電極２１と小電極５１間の抵抗値変化は、押圧力分の信号値となる。
また、小電極２２と小電極５２の組は、図３の紙面において横方向（左右方向）のせん断応力センシング用の電極である。図３から分かるように、小電極２２に対し小電極５２が縦方向に相対変位しても対向面積が変化しないが、小電極２２に対し小電極５２が横方向に相対変位すると対向面積が一方への移動では増加し他方への移動では減少するように設計されている。この結果、小電極２２と小電極５２の間の抵抗値変化は、横方向のせん断応力分の信号値となる。

ここで、押圧力と横方向のせん断応力が一緒に荷重された場合、小電極２２と小電極５２の間の抵抗値変化には、押圧力分の変化分が含まれている。この押圧力分の変化分は、小電極２１と小電極５１間の抵抗値変化から換算できるので、その換算分を小電極２２と小電極５２の間の抵抗値変化から減算することで、横方向のせん断応力分の信号値を精度良く求めることが出来る。ここで、荷重無負荷の状態における、小電極２１と小電極５１間の対向面積と、小電極２２と小電極５２間の対向面積を等しくしておけば、両者の押圧力による抵抗値変化を等しいとみなせるので、抵抗値変化の換算を行う必要は無い。

また、小電極２３と小電極５３の組は、図３の紙面において縦方向（上下方向）のせん断応力センシング用の電極である。図３から分かるように、小電極２３に対し小電極５３が横方向に相対変位しても対向面積が変化しないが、小電極２３に対し小電極５３が縦方向に相対変位すると対向面積が一方への移動では増加し他方への移動では減少するように設計されている。この結果、小電極２３と小電極５３の間の抵抗値変化は、縦方向のせん断応力分の信号値となる。
ここで、押圧力と縦方向のせん断応力が一緒に荷重された場合、小電極２３と小電極５３の間の抵抗値変化には、押圧力分の変化分が含まれている。この押圧力分の変化分は、小電極２１と小電極５１間の抵抗値変化から換算できるので、その換算分を小電極２３と小電極５３の間の抵抗値変化から減算することで、横方向のせん断応力分の信号値を精度良く求めることが出来る。ここで、荷重無負荷の状態における、小電極２１と小電極５１間の対向面積と、小電極２３と小電極５３間の対向面積を等しくしておけば、両者の押圧力による抵抗値変化を等しいとみなせるので、抵抗値変化の換算を行う必要はない。

なお、上記の抵抗値変化の信号に基づく押圧力やせん断応力は、上記処理を行う電気回路を組み込む等によって自動的に演算処理を行って、センサ値を取得する構成とすればよい。
以上のように、本実施形態の接触センサでは、負荷された押圧力とせん断応力を同時に検出することが可能な構成となっている。

次に、本実施形態に基づく実施例について説明する。
＜実施例１＞
基材１として１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ（株）製：カプトン５００Ｖ）を準備した。その基材１の上に、図２に示すパターンで、第一電極２をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき第一電極２の全体（ほぼ基材１の大きさと同等）は、７．５ｍｍ×７．５ｍｍであり、リードの配線部分は幅３０μｍで形成した。また、電極の厚みは３μｍとした。

次いで、第一電極２の小電極２１～２３上に十条ケミカル（株）製のカーボンインキＣＨ－Ｎをスクリーン印刷により塗布して硬化させ第一の樹脂層３とした。このときの厚みは１５μｍとした。また、樹脂層表面の凹凸は６μｍだった。
次に第一樹脂層３Ａの上にナガセケムテックス（株）製の導電性高分子ＳＰ－８０１をスクリーン印刷により塗布して積層した。このとき第一の樹脂層３の表面の凹凸は最大２μｍであった。ナガセケムテックス（株）製の導電性高分子ＳＰ－８０１は、第二の導電性樹脂である。

続いて、グラビアオフセット印刷を用いて、第一の樹脂層３上に、図３に示すパターンからなる第二電極５を形成し、実施例１の触覚センサとした。第二電極５の配線幅や電極厚みは第一電極２と同等とした。
この触覚センサをテスターにつなぎ、第一電極２と第二電極５間に５Ｖの直流電圧を掛けた状態で第一電極側から指で押したり、なでたりすると流れる電流値の変化がみられたことにより、センサとしての動作を確認した。
また、センサを半径２ｍｍの棒に巻きつけながら１０回しごきを入れても、電極の断線は無いことを確認した。

＜実施例２＞
第一の基材１Ａとして１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ（株）製：カプトン５００Ｖ）を準備した。その第一の基材１Ａの上に、図２に示すパターンで、第一電極２をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は７．５ｍｍ×７．５ｍｍであり、配線部分は幅３０μｍで形成した。また、電極の厚みは３μｍとした。
次いで、第一電極２の小電極上に十条ケミカル（株）製の導電性カーボンペーストＣＨ－Ｎをスクリーン印刷により塗布して硬化させ第一樹脂層３Ａとした。このときの厚みは１０μｍであり、凹凸差は５μｍだった。

次いで、第一樹脂層３Ａの上にナガセケムテックス（株）製の導電性高分子ＳＰ－８０１をスクリーン印刷法で塗布して第一シート部１００を作製した。このとき、第一樹脂層３Ａ表面の凹凸は３μｍだった。
第二の基材１Ｂとして１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ（株）製：カプトン５００Ｖ）を準備した。その基材１の上に、図３に示すパターンで、第二電極５をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき第二電極５の全体は７．５ｍｍ×７．５ｍｍであり、配線部分は幅３０μｍで形成した。また、電極の厚みは３μｍとした。

次いで、第二電極５の小電極上に十条ケミカル（株）製のカーボンインキＣＨ－Ｎをスクリーン印刷により塗布して硬化させ第二樹脂層３Ｂとした。このときの厚みは１５μｍとした。また、樹脂層表面の凹凸は６μｍだった。
次に第二樹脂層３Ｂの上にナガセケムテックス（株）製の導電性高分子ＳＰ－８０１をスクリーン印刷により塗布して第二シート部１０１を作製した。このとき第二樹脂層３Ｂの凹凸は２μｍであった。
第一シート部１００と第二シート部１０１とを、互いに樹脂層側が接するように対向させて貼り合せて実施例２の触覚センサとした。

この触覚センサをテスターにつなぎ、第一電極２と第二電極５間に５Ｖの直流電圧を掛けた状態で第一電極側から指で押したり、なでたりすると流れる電流値の変化がみられたことにより、センサとしての動作を確認した。
また、図１０に示すように、触覚センサの上下の基材１を掴み、下側の基材１を固定して、上側の基材１を横方向に１Ｎで引いた後に力を抜くという操作を１００回行っても、樹脂層の破損が無く、正常にセンサ動作することを確認した。

＜比較例１＞
基材１として１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ（株）製：カプトン５００Ｖ）を準備した。その基材１の上に、図２に示すパターンで、第一電極２をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は７．５ｍｍ×７．５ｍｍであり、配線部分は幅３０μｍで形成した。また、電極の厚みは３μｍとした。
次いで、第一電極２の小電極上に十条ケミカル（株）製の導電性カーボンペーストＣＨ－Ｎをスクリーン印刷により塗布して硬化させ第一の樹脂層３とした。このときの厚みは１５μｍだった。また、第一の樹脂層３の凹凸は６μｍだった。
次いで、第二電極５を第一の樹脂層３の上からグラビアオフセット印刷にて印刷したところ、第一の樹脂層３の凹凸が４μｍ以上ある部分で断線し、センサが作製できなかった。
更にこの基材１を半径２ｍｍの棒に巻きつけながら１０回しごきを入れたところ、しごき前には確認されなかった電極に断線があった。

＜比較例２＞
第一の基材１Ａとして１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ（株）製：カプトン５００Ｖ）を準備した。その第一の基材１Ａの上に、図２に示すパターンで、第一電極をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は７．５ｍｍ×７．５ｍｍであり、配線部分は幅３０μｍで形成した。また、電極の厚みは３μｍとした。
次いで、第一電極２の小電極上に十条ケミカル（株）製の導電性カーボンペーストＣＨ－Ｎをスクリーン印刷により塗布して硬化させ第一樹脂層３Ａとして、第一シート部１００を作製した。このときの厚みは１０μｍであり、凹凸差は５μｍだった。

第二の基材１Ｂとして１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ（株）製：カプトン５００Ｖ）を準備した。その第二の基材１Ｂ上に、図３に示すパターンで、第二電極５をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は７．５ｍｍ×７．５ｍｍであり、配線部分は幅３０μｍで形成した。また、電極の厚みは３μｍとした。
次いで、第二電極５の小電極上に十条ケミカル（株）製のカーボンインキＣＨ－Ｎをスクリーン印刷により塗布して硬化させ第二樹脂層３Ｂとして、第二シート部１０１を作製した。このときの厚みは１５μｍとした。また、樹脂層表面の凹凸は６μｍだった。

第一シート部１００と第二シート部１０１とを、互いに樹脂層側が接するように対向させて貼り合せて比較例２の触覚センサとした。
この触覚センサをテスターにつなぎ、第一電極２と第二電極５間に５Ｖの直流電圧を掛けた状態で第一電極側から指で押したり、なでたりすると流れる電流値の変化がみられたことにより、センサとしての動作を確認した。
しかし、実施例２と同様に、下側の基材１を固定し、上側の基材１を横方向に１Ｎで引いた後に力を抜くという操作を１０回行ったところ、樹脂層が破損しセンサ動作しなくなった。

＜比較例３＞
第一の基材１Ａとして１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ（株）製：カプトン５００Ｖ）を準備した。その第一の基材１Ａの上に、図２に示す第一電極２をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は７．５ｍｍ×７．５ｍｍであり、配線部分は幅３０μｍで形成した。また、電極の厚みは３μｍとした。
次いで、第一電極２の小電極上に第一樹脂層３Ａとして、ナガセケムテックス（株）製の導電性高分子ＳＰ－８０１を一回スクリーン印刷して硬化させた。このときの第一樹脂層３Ａの厚みが０．５μｍであり、第一電極２を完全に覆えていなかった。第一樹脂層３Ａの厚みが３μｍを超えるまで、第一樹脂層３Ａ形成の印刷が６回必要であった。その後センサとしての特性を得るために更に第一樹脂層３Ａの厚みが１５μｍになるまで繰り返しスクリーン印刷を行って、第一シート部１００を作製した。第一樹脂層３Ａの印刷回数は計３０回であった。このときの第一の樹脂層３表面の凹凸は１μｍであった。

また、第二の基材１Ｂとして１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ（株）製：カプトン５００Ｖ）を準備した。その第二の基材１Ｂの上に、図３に示すパターンで第二電極５をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき電極の全体は７．５ｍｍ×７．５ｍｍであり、配線部分は幅３０μｍで形成した。また、電極の厚みは３μｍとした。
次いで、第二電極５の小電極上に第二樹脂層３Ｂとしてナガセケムテックス（株）製の導電性高分子ＳＰ－８０１を一回スクリーン印刷して硬化させた。このときの第二樹脂層３Ｂの厚みが０．５μｍであり、第一電極２を完全に覆えていなかった。第二樹脂層３Ｂの厚みが３μｍを超えるまで、第二樹脂層３Ｂの印刷が６回必要であった。その後センサとしての特性を得るために更に第二樹脂層３Ｂの厚みが１５μｍになるまで繰り返しスクリーン印刷を行って第二シート部１０１を作製した。第二樹脂層３Ｂの印刷回数は計３０回であった。

次に、第一シート部１００と第二シート部１０１とを、互いに樹脂層側が接するように対向させて貼り合せて比較例３の触覚センサとした。
このセンサをテスターにつなぎ、第一電極２と第二電極５間に５Ｖの直流電圧をかけた状態で第一電極側から指で押したり、なでたりすると流れる電流値の変化がみられたことにより、センサとしての動作を確認した。
また、図１０に示すように、下側の基材１を固定して上側の基材１を横方向に１Ｎで引いた後に力を抜くという操作を１００回行っても、樹脂層の破損が無く、センサ動作することを確認した。

この例のように、表面凹凸が少ない材料のみを印刷し本発明で達成する破損のないセンサを作ることは可能であるが、厚みを稼ぐことが難しい材料であるため、本実施例２と比べて印刷回数が大きくなってしまい、工程負荷が高くなる。そのため本実施形態のように凹凸は大きいものの少ない回数で厚く塗れる材料と、薄くしか塗れないが凹凸が少ない材料の組み合わせが有効である。
すなわち、比較例３に比べ、実施例２の方が、センサ作製に必要な工程を削減することも出来るという効果を有する。

１ 基材
１Ａ 第一の基材
１Ｂ 第二の基材
２ 第一電極
３ 第一の樹脂層
３ａ 表面
３Ａ 第一樹脂層
３Ｂ 第二樹脂層
４ 第二の導電性樹脂
５ 第二電極
６、７ リード
２１～２３ 小電極
５１～５３ 小電極
１００ 第一シート部
１０１ 第二シート部

Claims (11)

1. 基材と、上記基材上に設けられた第一電極と、少なくとも上記第一電極の上に形成された第一の導電性樹脂からなる第一の樹脂層と、上記第一電極と対向させて上記第一の樹脂層の上に設けられる第二電極と、を備え、
   上記第一の導電性樹脂は、樹脂に導電材料が分散され、
   上記第一の樹脂層は、上記第二電極が形成される面に第二の導電性樹脂が設けられ、
   上記第二の導電性樹脂は、樹脂に導電材料が分散され、
   上記第二の導電性樹脂が含有する導電材料の平均粒径は、上記第一の導電性樹脂が含有する導電材料の平均粒径よりも小さいことを特徴とする触覚センサ。
2. 上記第二の導電性樹脂が含有する導電材料の最大粒径は、上記第一の導電性樹脂が含有する導電材料の最大粒径の１/１０以下であることを特徴とする請求項１に記載した触覚センサ。
3. 上記第二の導電性樹脂が含有する導電材料は、導電性高分子からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した触覚センサ。
4. 上記第二の導電性樹脂が設けられた状態での上記第一の樹脂層の膜厚差の最大値は、１μｍ以上６μｍ以下となっていることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載した触覚センサ。
5. 第一の基材と、上記第一の基材上に設けられた第一電極と、少なくとも上記第一電極の上に形成された第一の導電性樹脂からなる第一樹脂層とを有する第一シート部と、
   第二の基材と、上記第二の基材上に設けられた第二電極と、少なくとも上記第二電極の上に形成された第三の導電性樹脂からなる第二樹脂層とを有する第二シート部と、を有し、
   平面視で上記第一電極と上記第二電極とが重なる位置で、上記第一シート部の第一樹脂層と上記第二シート部の第二樹脂層とが、第二の導電性樹脂を介して積層され、
   上記第一の導電性樹脂、上記第二の導電性樹脂、及び上記第三の導電性樹脂は、樹脂に導電材料が分散され、
   上記第二の導電性樹脂が含有する導電材料の平均粒径は、上記第一の導電性樹脂及び上記第三の導電性樹脂が含有する導電樹脂の導電材料の平均粒径よりも小さいことを特徴とする触覚センサ。
6. 上記第二の導電性樹脂が含有する導電材料の最大粒径は、上記第一の導電性樹脂及び上記第三の導電性樹脂が含有する導電材料の最大粒径の１/１０以下であることを特徴とする請求項５に記載した触覚センサ。
7. 上記第二の導電性樹脂が含有する導電材料は、導電性高分子からなることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載した触覚センサ。
8. 請求項１～請求項４のいずれか１項に記載した触覚センサの製造方法であって、
   基材上に第一電極を設けた状態で、少なくとも上記第一電極の上に上記第一の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して上記第一の樹脂層を形成し、
   上記第一の樹脂層上に上記第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して上記第二の導電性樹脂を設け、
   上記第二の導電性樹脂を設けた上記第一の樹脂層上に、第二電極を印刷によって形成することを特徴とする触覚センサの製造方法。
9. 上記第二の導電性樹脂を設けた上記第一の樹脂層の膜厚差の最大値が１μｍ以上６μｍ以下となるように、上記第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布することを特徴とする請求項８に記載した触覚センサの製造方法。
10. 請求項５～請求項７のいずれか１項に記載した触覚センサの製造方法であって、
    第一の基材上に第一電極を設けた状態で、少なくとも上記第一電極の上に上記第一の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して上記第一樹脂層を形成して第一シート部とし、
    上記第一シート部の上記第一樹脂層上に上記第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して、上記第一樹脂層に上記第二の導電性樹脂を設け、
    上記第二の基材上に上記第二電極を設けた状態で、少なくとも上記第二電極の上に上記第三の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して上記第二樹脂層を形成して上記第二シート部を作製し、
    上記第二シート部の上記第二樹脂層上に上記第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布して、上記第二樹脂層に上記第二の導電性樹脂を設け、
    その後、相対的に、上記第一シート部の上記第一の樹脂層上に、上記第二シート部の上記第二樹脂層が積層するように上記第二シート部を重ねることを特徴とする触覚センサの製造方法。
11. 上記第二の導電性樹脂を設けた上記第一樹脂層の膜厚差の最大値が、１μｍ以上６μｍ以下となるように、上記第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布し、
    上記第二の導電性樹脂を設けた上記第二樹脂層の膜厚差の最大値が、１μｍ以上６μｍ以下となるように、上記第二の導電性樹脂を有する塗布液を塗布することを特徴とする請求項１０に記載した触覚センサの製造方法。

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