JPWO2014080470A1 - 柔軟導電部材およびそれを用いたトランスデューサ - Google Patents

Abstract

本発明の柔軟導電部材は、伸縮性を有する基材（３１）と、基材（３１）の表面に積層および並列の少なくとも一方の形態で配置される複数の導電層（３２、３３）と、を備える。導電層（３２、３３）は、エラストマーおよび導電材を含み未伸長時の体積抵抗率が５×１０−２Ω・ｃｍ以下の高導電性材料からなる第一導電層（３３）と、未伸長時の体積抵抗率が該高導電性材料の未伸長時の体積抵抗率よりも大きく、エラストマーおよび導電材を含み未伸長時に対する５０％伸長時の体積抵抗率の変化が１０倍以下の高伸長性導電材料からなる第二導電層（３２）と、を有する。

Description

本発明は、伸縮可能な電極、配線等に好適な柔軟導電部材に関する。

エラストマー等の高分子材料を利用して、柔軟性が高く、小型で軽量なトランスデューサが開発されている。この種のトランスデューサは、電極間にエラストマー製の誘電層を介装して構成される。例えば、アクチュエータの場合、電極間の印加電圧に応じた誘電層の伸縮により、部材を駆動する。静電容量型センサの場合、誘電層の変形による電極間の静電容量の変化を検出する。したがって、柔軟なトランスデューサにおいては、電極や、電極と電気回路との間を接続する配線についても、誘電層の変形に追従できるよう、伸縮性が要求される。また、トランスデューサと電気回路とを接続する配線体や、電気回路との接続部に用いられる導電部材にも、伸縮性が要求される。伸縮可能な電極や配線の材料としては、エラストマー中に導電材を配合した導電材料が用いられる（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２０１０−１５３８２１号公報 特開２０１１−７５３２２号公報 特開２００５−３１７６３８号公報 特開平６−１９４６８０号公報

配線材料には、電気抵抗を小さくするという観点から、導電材として銀粉末が配合される。しかしながら、銀等の金属粉末は、凝集しにくい。このため、金属粉末を配合すると、導電性カーボンを配合した場合と比較して、導通経路が形成されにくい。したがって、所望の導電性を得るためには、エラストマーに金属粉末を高充填する必要がある。金属粉末を高充填した導電材料においては、弾性率が大きくなり、柔軟性が低下する。よって、誘電層の変形に対する追従性が低下する。また、伸長時にエラストマーと金属粉末との界面に応力が集中し、クラックが発生しやすい。これにより、伸長時に電気抵抗が著しく増加してしまう。

この点、エラストマーに導電性カーボンを配合した導電材料は、金属粉末を配合した導電材料と比較して、弾性率が小さく、柔軟性に優れる。このため、伸長しても電気抵抗は増加しにくい。しかしながら、導電性カーボンの比抵抗は、０．１〜１Ω・ｃｍ程度と比較的大きい。このため、エラストマーに導電性カーボンを配合した導電材料から配線等を形成した場合には、電気抵抗が大きくなり、所望の導電性を実現することは難しい。このように、一つの導電材料により、伸縮性と導電性とを両立させることは難しい。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、伸縮可能であり、導電性に優れ、伸縮を繰り返しても電気抵抗が増加しにくい柔軟導電部材を提供することを課題とする。また、当該柔軟導電部材を配線等に用いることにより、柔軟で耐久性に優れたトランスデューサを提供することを課題とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明の柔軟導電部材は、伸縮性を有する基材と、該基材の表面に積層および並列の少なくとも一方の形態で配置される複数の導電層と、を備え、該導電層は、エラストマーおよび導電材を含み未伸長時の体積抵抗率が５×１０^−２Ω・ｃｍ以下の高導電性材料からなる第一導電層と、未伸長時の体積抵抗率が該高導電性材料の未伸長時の体積抵抗率よりも大きく、エラストマーおよび導電材を含み未伸長時に対する５０％伸長時の体積抵抗率の変化が１０倍以下の高伸長性導電材料からなる第二導電層と、を有することを特徴とする。

本発明の柔軟導電部材は、伸縮性を有する基材の表面に配置される少なくとも二種類の導電層を備える。導電層のうちの一つ（第一導電層）は高導電性材料からなり、もう一つ（第二導電層）は高伸長性導電材料からなる。第一導電層および第二導電層は、いずれもエラストマーを母材とする。このため、基材と共に伸縮可能である。本明細書において、エラストマーは、架橋ゴムおよび熱可塑性エラストマーを含む。

高導電性材料の未伸長時（自然状態）の体積抵抗率は、５×１０^−２Ω・ｃｍ以下である。つまり、第一導電層の導電性は高い。一方、高伸長性導電材料の未伸長時の体積抵抗率は、高導電性材料の未伸長時の体積抵抗率よりも大きい。しかし、高伸長性導電材料においては、未伸長時に対する５０％伸長時の体積抵抗率の変化が１０倍以下である。つまり、第二導電層の導電性は、伸長しても低下しにくい。本発明の柔軟導電部材においては、これら二種類の導電層を含む複数の導電層が、積層、並列、積層かつ並列の形態で、基材上に配置される。したがって、自然状態の場合に、第二導電層の体積抵抗率が大きくても、主に第一導電層を介して導通することにより、電気抵抗を小さくすることができる。また、伸長時においては、第一導電層の体積抵抗率が増加した場合でも、主に第二導電層を介して導通することにより、電気抵抗を小さくすることができる。

このように、本発明の柔軟導電部材によると、状態に応じて有利な導通経路が選択されることにより、自然状態においても伸長時においても、所望の導電性を維持することができる。よって、伸縮を繰り返しても電気抵抗が増加しにくい。また、導電層が積層して配置される場合には、導電層同士の補強効果が発揮され、伸縮に対する耐久性が向上する。

なお、上記特許文献３には、絶縁性基板と、絶縁性基板上に印刷されたカーボン回路と、カーボン回路上に印刷された銀ペースト製の配線回路と、を有する配線板が開示されている。しかし、特許文献３に記載されているのは、プリント配線板や実装回路基板等の配線板であり、この種の配線板には伸縮性は要求されない。よって、当然ながら、カーボン回路および配線回路にも、伸縮性は必要ではない。カーボン回路は、銀配線のマイグレーションを抑制する役割を果たすものに過ぎない。特許文献３においては、伸長時における配線の電気抵抗の増加については、問題にされていない。また、上記特許文献４には、ＩＴＯ膜の補強用導電層として、カーボンペーストと銀ペーストの二層構造の導電層が開示されている。しかし、導電層には、伸縮性は必要ではない。このため、伸長時における導電層の電気抵抗の増加については、問題にされていない。

（２）本発明のトランスデューサは、上記（１）の構成の柔軟導電部材を備えることを特徴とする。

トランスデューサは、ある種類のエネルギーを他の種類のエネルギーに変換する装置である。トランスデューサには、機械エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うアクチュエータ、センサ、発電素子等、あるいは音響エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うスピーカ、マイクロフォン等が含まれる。

本発明のトランスデューサにおいては、電極や配線を、上記本発明の柔軟導電部材により形成すればよい。本発明の柔軟導電部材により形成された電極、配線は、伸縮可能であり、自然状態においても伸長時においても、高い導電性を有する。このため、本発明のトランスデューサにおいては、電極や配線に起因した性能の低下が生じにくい。よって、本発明のトランスデューサは、耐久性に優れる。

本発明のトランスデューサの一実施形態である静電容量型センサの上面透過図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向分解断面図である。 図１の枠ＩＩＩ内の拡大図である。 図３のＩＶ−ＩＶ方向断面図である。 図３のＶ−Ｖ方向断面図である。

１：静電容量型センサ（トランスデューサ）、１１：誘電層、１２：融着部、２０：表側シート部材、２１：表側基材、３０：裏側シート部材、３１：裏側基材、３２：第二導電層、３３：第一導電層、３４：保護層、３５：補強層、３２０：凹部、３３０：端子部。
０１Ｘ〜０８Ｘ：表側電極、０１Ｙ〜０８Ｙ：裏側電極、０１ｘ〜０８ｘ：表側配線部、２００ｘ：接続端部、０１ｙ〜０８ｙ：裏側配線部、３００ｙ：接続端部、Ａ０１０１〜Ａ０８０８：検出部。

以下にまず、本発明の柔軟導電部材の実施の形態について説明する。次に、本発明のトランスデューサの実施の形態について説明する。なお、本発明の柔軟導電部材およびトランスデューサは、以下の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。

＜柔軟導電部材＞
本発明の柔軟導電部材は、伸縮性を有する基材と、該基材の表面に積層および並列の少なくとも一方の形態で配置される複数の導電層と、を備える。

基材は、伸縮可能で導電層を形成することができるものであれば、特に限定されない。基材としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の樹脂フィルム、エラストマーシート、伸縮布等が挙げられる。

導電層としては、少なくとも後述する第一導電層および第二導電層が配置される。第一導電層および第二導電層の他に、別の種類の導電層が配置されてもよい。導電層は積層、並列、およびこれらの組み合わせの形態で配置される。並列に配置される場合、導電層同士は接触していても、接触していなくてもよい。導電層同士が接触していない場合には、個々の導電層は電気的に並列に接続される。本発明の柔軟導電部材は、導電層の他に、導電層を被覆する保護層等を備えていてもよい。

導電層のうちの一つである第一導電層は、エラストマーおよび導電材を含み未伸長時の体積抵抗率が５×１０^−２Ω・ｃｍ以下の高導電性材料からなる。導電性をより高くするという観点から、高導電性材料の未伸長時の体積抵抗率は、１×１０^−３Ω・ｃｍ以下であると好適である。

エラストマーは、特に限定されない。例えば、ウレタンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン等が好適である。

導電材としては、未伸長時の体積抵抗率を５×１０^−２Ω・ｃｍ以下にするため、銀、金、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム、クロム、チタン、白金、鉄、およびこれらの合金等の金属粉末を用いることが望ましい。金属粉末の一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。なかでも、銀粉末が好適である。金属粉末の配合量は、所望の体積抵抗率になるように適宜決定すればよい。例えば、エラストマーの１００質量部に対して、２００質量部以上であることが望ましい。一方、金属粉末の配合量が多くなると柔軟性が低下する。よって、金属粉末の配合量は、エラストマーの１００質量部に対して、５００質量部以下であることが望ましい。

導電層のうちの他の一つである第二導電層は、未伸長時の体積抵抗率が高導電性材料の未伸長時の体積抵抗率よりも大きく、エラストマーおよび導電材を含み未伸長時に対する５０％伸長時の体積抵抗率の変化が１０倍以下の高伸長性導電材料からなる。

エラストマーは、第一導電層のエラストマーと同じでも異なっていてもよい。上記第一導電層の説明において列挙したエラストマーから、適宜選択すればよい。

導電材としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト等の導電性炭素粉末を用いることが望ましい。高伸長性導電材料の未伸長時の体積抵抗率は、上述した高導電性材料の未伸長時の体積抵抗率よりも大きい。例えば、高伸長性導電材料の未伸長時の体積抵抗率は、１×１０^１Ω・ｃｍ以下であることが望ましい。また、高導電性材料の未伸長時の体積抵抗率と、高伸長性導電材料の未伸長時の体積抵抗率と、の差は５桁以下であることが望ましい。このような高伸長性導電材料を実現するために、導電性炭素粉末の種類および配合量を、適宜調整すればよい。例えば、導電性炭素粉末の配合量は、エラストマーの１００質量部に対して、１０質量部以上であることが望ましい。一方、導電性炭素粉末の配合量が多くなると柔軟性が低下する。よって、導電性炭素粉末の配合量は、エラストマーの１００質量部に対して、１００質量部以下であることが望ましい。

未伸長時に対する５０％伸長時の体積抵抗率の変化を比較すると、高伸長性導電材料の方が、高導電性材料よりも小さい。高伸長性導電材料の体積抵抗率は、伸長しても増加しにくい。具体的には、高伸長性導電材料においては、未伸長時に対する５０％伸長時の体積抵抗率の変化が、１０倍以下である。また、柔軟性を高めて伸縮しやすくするという観点から、高伸長性導電材料の弾性率は、５０ＭＰａ以下であることが望ましい。

上述したように、導電層は積層、並列、およびこれらの組み合わせの形態で配置される。導電層同士の補強効果により、伸縮に対する耐久性を向上させるという観点から、第一導電層および第二導電層は、積層されることが望ましい。例えば、第一導電層が金属粉末を含み、第二導電層が導電性炭素粉末を含む場合、補強効果がある導電性炭素粉末を含む第二導電層を第一導電層に積層させることにより、第一導電層を補強することができる。

第一導電層と第二導電層とが積層される場合、界面に凹凸があると、両層の密着力が大きくなる。すなわち、導電層の積層面の表面粗さが大きいと、アンカー効果により、伸縮を繰り返しても、導電層が剥離しにくい。また、積層される導電層同士の密着力が大きいと、伸縮時の応力が一方の導電層だけでなく導電層全体に伝達されるため、導電層全体としての耐久性が向上する。アンカー効果による密着性向上効果を得るためには、例えば、基材側に配置される導電層の表面粗さを、該導電層の厚さの１／２００以上にするとよい。一方、凹凸が大き過ぎると、凹部（層が薄い部分）に応力が集中しやすくなり、クラックが生じるおそれがある。よって、基材側に配置される導電層の表面粗さを、該導電層の厚さの２倍以下にするとよい。例えば、第一導電層が金属粉末を含み、第二導電層が導電性炭素粉末を含む場合、第二導電層の表面粗さの方が大きくなりやすい。この場合、二層の密着力を大きくするという観点から、基材の表面に第二導電層が配置され、該第二導電層の表面に第一導電層が配置される形態が望ましい。

本明細書においては、導電層の表面粗さとして、次の方法により算出された値を採用する。まず、導電層の積層方向の断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、測定対象の導電層の界面の基準線を決定する。次に、基準線から突出した山部の面積の総和（Ｓ１）と、凹んだ谷部の面積の総和（Ｓ２）と、を算出する。そして、次式（１）により、表面粗さを算出する。
表面粗さ＝（Ｓ１＋Ｓ２）／基準線の長さ・・・（１）
本発明の柔軟導電部材において、導電層の形成方法は、特に限定されない。予め形成された導電層を基材に貼着してもよく、導電塗料を印刷してもよい。印刷法によると、長尺、細線、薄膜状の導電層を、容易に形成することができる。印刷法としては、例えば、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、パッド印刷、リソグラフィー等が挙げられる。なかでも、塗膜厚さの調整が容易であり、寸法精度も高いという理由から、スクリーン印刷法が好適である。

導電層を印刷法により形成する場合、導電塗料に含まれる溶剤と、被印刷部材に含まれるポリマーと、の相溶性を考慮するとよい。例えば、基材のポリマーと、導電塗料に含まれる溶剤と、の相溶性が高い（両者のＳＰ値（溶解度パラメータ）が近い）と、導電塗料を基材に印刷した際に、溶剤が基材に浸透して基材が膨潤するおそれがある。また、積層された導電層を印刷法により形成する場合、一層目のエラストマーと、二層目を形成する導電塗料に含まれる溶剤と、の相溶性は高い方がよい。両者の相溶性が低いと、一層目に対する導電塗料の馴染みが悪く、二層目を均一に形成できないおそれがある。

＜トランスデューサ＞
本発明のトランスデューサは、上記本発明の柔軟導電部材を備える。本発明のトランスデューサの一例として、静電容量型センサの実施形態を説明する。本実施形態の静電容量型センサにおいて、本発明の柔軟導電部材は、配線構造として具現化されている。

［静電容量型センサの構成］
まず、本実施形態の静電容量型センサの構成について説明する。図１に、本実施形態の静電容量型センサの上面透過図を示す。図２に、図１のＩＩ−ＩＩ方向分解断面図を示す。図３に、図１の枠ＩＩＩ内の拡大図を示す。図４に、図３のＩＶ−ＩＶ方向断面図を示す。図５に、図３のＶ−Ｖ方向断面図を示す。図１においては、表裏方向（厚さ方向）に積層される部材を透過して示す。図１、図３においては、保護層を省略して示す。

図１、図２に示すように、本実施形態の静電容量型センサ１は、誘電層１１と、表側シート部材２０と、裏側シート部材３０と、を備えている。誘電層１１は、ウレタンフォーム製であって、長方形のシート状を呈している。誘電層１１の厚さは、３００μｍである。誘電層１１は、ＸＹ方向（左右および前後方向）に延在している。表側シート部材２０と裏側シート部材３０とは、誘電層１１を挟んで積層されている。

裏側シート部材３０は、誘電層１１の下側（裏側）に配置されている。裏側シート部材３０は、裏側基材３１と、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙと、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙと、を有している。裏側基材３１は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製であって、長方形状を呈している。

裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙは、裏側基材３１の上面（表面）に、合計８本形成されている。裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙは、各々、帯状を呈している。裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙは、各々、Ｘ方向（左右方向）に延在している。裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙは、Ｙ方向（前後方向）に、所定間隔ごとに離間して、互いに略平行になるように、配置されている。裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙは、各々、アクリルゴム、カーボンブラック、カーボンナノチューブを含んでいる。裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙの各々の左端部上面には、端子部３３０が配置されている。端子部３３０は、各々、長方形状を呈している。端子部３３０の一部は左方に延び、後述する裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの第一導電層３３に接続されている。端子部３３０は、第一導電層３３と同じ高導電性材料からなり、ウレタンゴムおよび銀粉末を含んでいる。

裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、裏側基材３１の上面に、合計８本形成されている。裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、各々、直線状を呈している。裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、各々、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙの左端部に接続されている。裏側シート部材３０における、裏側基材３１と裏側配線部０１ｙ〜０８ｙとの積層部は、各々、本発明の柔軟導電部材に含まれる。図３に一部を拡大して、また、図４に裏側配線部０１ｙの断面図を示すように、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、接続端部３００ｙを除いて、各々、第一導電層３３と、第二導電層３２と、保護層３４と、を有している。

第二導電層３２は、裏側基材３１の上面に配置されている。第二導電層３２は、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙと同じ高伸長性導電材料からなり、アクリルゴム、カーボンブラック、カーボンナノチューブを含んでいる。第二導電層３２は、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙの各々と連続して形成されている。高伸長性導電材料（第二導電層３２）の未伸長時の体積抵抗率は２．０×１０^−１Ω・ｃｍ、５０％伸長時の体積抵抗率は７．０×１０^−１Ω・ｃｍ、弾性率は２０ＭＰａである。第二導電層３２の上面の表面粗さは、１．９８μｍである。第二導電層３２の幅は４ｍｍであり、厚さは１０μｍである。第二導電層３２の上面には、長手方向に延びる凹部３２０が形成されている。

第一導電層３３は、第二導電層３２の上面に積層されている。第一導電層３３の下部は、第二導電層３２の凹部３２０に配置されている。第一導電層３３は、高導電性材料からなり、ウレタンゴムおよび銀粉末を含んでいる。高導電性材料（第一導電層３３）の未伸長時の体積抵抗率は６．７×１０^−５Ω・ｃｍ、５０％伸長時の体積抵抗率は２．０×１０^−３Ω・ｃｍ、弾性率は１００ＭＰａである。第一導電層３３の幅は１ｍｍであり、厚さは５０μｍである。第一導電層３３は、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙの端子部３３０の各々と連続して形成されている。

保護層３４は、裏側基材３１の上面に、第二導電層３２および第一導電層３３を被覆するように配置されている。保護層３４は、シリコーンゴムからなる。

裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの各々の前端部には、図示しない測定回路に電気的に接続される接続端部３００ｙが配置されている。図５に裏側配線部０１ｙの断面図を示すように、接続端部３００ｙは、各々、第一導電層３３と、第二導電層３２と、補強層３５と、を有している。補強層３５は、第一導電層３３を被覆するように第二導電層３２の上面に積層されている。第一導電層３３は、第二導電層３２と補強層３５との間に挟装されている。補強層３５は、ポリエステル樹脂およびカーボンブラックを含んでいる。

表側シート部材２０は、誘電層１１の上側（表側）に配置されている。表側シート部材２０は、表側基材２１と、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘと、表側配線部０１ｘ〜０８ｘと、を有している。表側基材２１は、ＰＥＴ製であって、裏側基材３１と同じ長方形状を呈している。

表側電極０１Ｘ〜０８Ｘは、表側基材２１の下面（裏面）に、合計８本形成されている。表側電極０１Ｘ〜０８Ｘは、各々、帯状を呈している。表側電極０１Ｘ〜０８Ｘは、各々、Ｙ方向（前後方向）に延在している。表側電極０１Ｘ〜０８Ｘは、Ｘ方向（左右方向）に、所定間隔ごとに離間して、互いに略平行になるように、配置されている。表側電極０１Ｘ〜０８Ｘは、各々、アクリルゴム、カーボンブラック、カーボンナノチューブを含んでいる。表側電極０１Ｘ〜０８Ｘの各々の前端部下面には、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙと同様に、端子部が配置されている。端子部の一部は前方に延び、後述する表側配線部０１ｘ〜０８ｘの第二導電層に接続されている。端子部は、表側配線部０１ｘ〜０８ｘと同じ高導電性材料からなり、ウレタンゴムおよび銀粉末を含んでいる。

表側配線部０１ｘ〜０８ｘは、表側基材２１の下面に、合計８本形成されている。表側配線部０１ｘ〜０８ｘは、各々、直線状を呈している。表側配線部０１ｘ〜０８ｘは、各々、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘの前端部に接続されている。表側シート部材２０における、表側基材２１と表側配線部０１ｘ〜０８ｘとの積層部は、各々、本発明の柔軟導電部材に含まれる。表側配線部０１ｘ〜０８ｘの構成は、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの構成と同じである。よって、以下、簡単に説明する。

表側配線部０１ｘ〜０８ｘは、接続端部２００ｘを除いて、各々、第一導電層と、第二導電層と、保護層と、を有している。第二導電層は、表側基材２１の下面に配置されている。第二導電層は、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘと同じ高伸長性導電材料からなり、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘの各々と連続して形成されている。第二導電層の下面には、長手方向に延びる凹部が形成されている。第一導電層は、第二導電層の下面に積層されている。第一導電層の上部は、第二導電層の凹部に配置されている。第一導電層の幅は、第二導電層の幅よりも小さい。第一導電層は、高導電性材料からなり、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘの端子部の各々と連続して形成されている。保護層は、表側基材２１の下面に、第一導電層および第二導電層を被覆するように配置されている。

表側配線部０１ｘ〜０８ｘの各々の左端部には、図示しない測定回路に電気的に接続される接続端部２００ｘが配置されている。接続端部２００ｘは、各々、第一導電層と、第二導電層と、補強層と、を有している。補強層は、第一導電層を被覆するように第二導電層の下面に積層されている。第一導電層は、第二導電層と補強層との間に挟装されている。

表側シート部材２０および裏側シート部材３０の周縁部には、図１にハッチングで示すように、複数の融着部１２が配置されている。複数の融着部１２は、誘電層１１の周囲を囲うように、点線状に配置されている。表側シート部材２０と裏側シート部材３０は、融着部１２において、接合されている。

検出部Ａ０１０１〜Ａ０８０８は、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘと、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙと、が上下方向から見て交差する部分（重複する部分）に配置されている。検出部Ａ０１０１〜Ａ０８０８は、各々、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘの一部と、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙの一部と、誘電層１１の一部と、を備えている。検出部Ａ０１０１〜Ａ０８０８は、合計６４個（＝８個×８個）配置されている。検出部Ａ０１０１〜Ａ０８０８は、誘電層１１の略全面に亘って、略等間隔に配置されている。検出部Ａ０１０１〜Ａ０８０８を包囲する矩形状の領域において、荷重分布が検出される。検出部の符合「Ａ○○△△」中、上二桁の「○○」は、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘに対応している。下二桁の「△△」は、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙに対応している。

［静電容量型センサの製造方法］
次に、本実施形態の静電容量型センサ１の製造方法について説明する。本実施形態の静電容量型センサ１の製造方法は、シート部材作製工程と、積層工程と、融着工程と、を有している。

シート部材作製工程においては、まず、次の四種類の塗料を調製する。
（１）表側電極０１Ｘ〜０８Ｘ、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙ、表側配線部０１ｘ〜０８ｘおよび裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの第二導電層、を形成するための第二導電塗料。
（２）表側配線部０１ｘ〜０８ｘおよび裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの第一導電層を形成するための第一導電塗料。
（３）保護層３４を形成するための保護層用塗料。
（４）補強層３５を形成するための補強層用塗料。

次に、調製した四種類の塗料を、適宜、表側基材２１の下面（図１における下面。印刷時には上向きに配置する。）にスクリーン印刷して、加熱硬化させることにより、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘおよび表側配線部０１ｘ〜０８ｘを形成する。このようにして、表側シート部材２０を作製する。同様に、調製した四種類の塗料を、適宜、裏側基材３１の上面にスクリーン印刷して、加熱硬化させることにより、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙおよび裏側配線部０１ｙ〜０８ｙを形成する。このようにして、裏側シート部材３０を作製する。

積層工程においては、下から順に、裏側シート部材３０、誘電層１１、および表側シート部材２０を積層する。すなわち、裏側基材３１の上面に形成した裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙと、表側基材２１の下面に形成した表側電極０１Ｘ〜０８Ｘと、の間に誘電層１１が介装されるように、裏側シート部材３０、誘電層１１、および表側シート部材２０を積層する。

融着工程においては、積層された表側シート部材２０および裏側シート部材３０の周縁部を、所定の間隔でスポット融着する（図１の融着部１２参照）。このようにして、本実施形態の静電容量型センサ１を製造する。

［静電容量型センサの動き］
次に、本実施形態の静電容量型センサ１の動きについて説明する。まず、静電容量型センサ１に荷重が加わる前（初期状態）に、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘ、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙに電圧を印加して、検出部Ａ０１０１〜Ａ０８０８ごとに、静電容量Ｃを算出する。すなわち、検出部Ａ０１０１から検出部Ａ０８０８までを、あたかも走査するように、静電容量Ｃを算出する。続いて、静電容量型センサ１に荷重が加わった後も同様に、検出部Ａ０１０１〜Ａ０８０８ごとに、静電容量Ｃを算出する。荷重が加わった部分の検出部においては、表側電極と裏側電極との距離が小さくなる。これにより、当該検出部の静電容量Ｃは、大きくなる。この静電容量Ｃの変化量ΔＣから、検出部Ａ０１０１〜Ａ０８０８ごとの荷重が算出される。

［作用効果］
次に、本実施形態の静電容量型センサ１の作用効果について説明する。本実施形態の静電容量型センサ１の配線部は、本発明の柔軟導電部材からなる。すなわち、裏側基材３１の上面に形成された裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、各々、第一導電層３３と第二導電層３２とを有する。同様に、表側基材２１の下面に形成された表側配線部０１ｘ〜０８ｘは、各々、第一導電層と第二導電層とを有する。第一導電層３３は高導電性材料からなり、第二導電層３２は高伸長性導電材料からなる。自然状態（未伸長）においては、主に第一導電層３３を介して導通するため、電気抵抗は小さい。また、伸長時においては、主に第二導電層３２を介して導通するため、電気抵抗は小さい。このように、表側配線部０１ｘ〜０８ｘ、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙにおいては、状態に応じて有利な導通経路が選択されるため、自然状態においても伸長時においても、所望の導電性を維持することができる。よって、伸縮を繰り返しても電気抵抗が増加しにくい。

また、第一導電層３３と第二導電層３２とが積層して配置されるため、導電層同士の補強効果が発揮される。よって、表側配線部０１ｘ〜０８ｘ、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、伸縮に対する耐久性に優れる。また、裏側基材３１側に配置される第二導電層３２の上面（第一導電層３３が積層される面）の表面粗さは、１．９８μｍである。当該表面粗さの値は、第二導電層３２の厚さの約１／５である。このため、第一導電層３３と第二導電層３２との密着力は大きい。したがって、伸縮を繰り返しても、第一導電層３３と第二導電層３２とが剥離しにくい。なお、上記実施形態においては、基材／第二導電層／第一導電層の順に積層したが、積層順を逆にしても、すなわち基材／第一導電層／第二導電層の順に積層してもよい。

また、表側配線部０１ｘ〜０８ｘ、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、接続端部２００ｘ、３００ｙを除いて、シリコーンゴムからなる保護層３４を有する。このため、第一導電層３３に含まれる銀粉末が酸化しにくい。よって、長期間使用しても、第一導電層３３の導電性は低下しにくい。また、保護層３４で被覆することにより、外部との絶縁性を確保することができる。さらに、表側配線部０１ｘ〜０８ｘ、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの補強効果も期待できる。一方、接続端部２００ｘ、３００ｙにおいては、表側配線部０１ｘ〜０８ｘ、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、カーボンブラックを含む補強層３５を有する。これにより、接続端部２００ｘ、３００ｙの強度が大きくなり、耐久性が向上する。このように、静電容量型センサ１においては、電極や配線に起因した性能の低下が生じにくい。よって、静電容量型センサ１は耐久性に優れる。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

＜第一導電塗料Ａの調製＞
次のようにして第一導電塗料Ａを調製した。まず、ウレタンゴムポリマー（東洋紡（株）製「バイロン（登録商標）ＢＸ１００１」）１００質量部を、溶剤のブチルカルビトールアセテートに溶解させた。このウレタンゴム溶液に、銀粉末（福田金属箔粉工業（株）製「Ａｇ−ＸＦ３０１」）４００質量部を添加して、攪拌した。

＜第二導電塗料Ｂ〜Ｄの調製＞
次のようにして第二導電塗料Ｂを調製した。まず、アクリルゴムポリマー（日本ゼオン（株）製「ニポール（登録商標）ＡＲ４２Ｗ」）１００質量部と、架橋剤のエチレンジアミン０．１質量部と、をロール練り機にて混合し、アクリルゴム組成物を調製した。続いて、調製したアクリルゴム組成物を、ブチルカルビトールアセテートに溶解させて、アクリルゴム溶液を調製した。このアクリルゴム溶液に、カーボンナノチューブ（昭和電工（株）製「ＶＧＣＦ（登録商標）」）２０質量部、およびカーボンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製「ケッチェンブラックＥＣ３００ＪＤ」）１７質量部を添加して、撹拌した。また、カーボンナノチューブおよびカーボンブラックの配合量を変更した以外は、第二導電塗料Ｂと同様にして、第二導電塗料Ｃ、Ｄを調製した。

＜導電層の物性および表面粗さの測定＞
調製した各導電塗料を基材（離型ＰＥＴフィルム）にバーコート印刷して、Ａ〜Ｄの導電層を製造した。第一導電層Ａは、高導電性材料からなる。第二導電層Ｂ〜Ｄは、高伸長性導電材料からなる。そして、各導電層の弾性率、切断時伸び、未伸長時の体積抵抗率、５０％伸長時の体積抵抗率、および表面粗さを測定した。測定方法は次の通りである。各導電層の組成、および物性等の測定結果を、下記表１に示す。表１中、原料の配合量の単位は質量部である。

［弾性率］
ＪＩＳ Ｋ７１２７（１９９９）に準じた引張試験を行って、得られた応力−伸び曲線から弾性率を算出した。試験片にはタイプ２を使用した。

［切断時伸び］
ＪＩＳ Ｋ６２５１（２０１０）に準じた引張試験を行って、切断時伸び（Ｅ_ｂ）を算出した。試験片にはダンベル状５号形を使用し、伸長速度は１００ｍｍ／ｍｉｎとした。

［体積抵抗率］
ＪＩＳ Ｋ６２７１（２００８）の平行端子電極法に準じて、体積抵抗率を測定した。未伸長時の電極間距離は、１０ｍｍとした。試験片を支持する絶縁樹脂製支持具には、市販のシリコーンゴムシート（クレハエラストマー（株）製）を用いた。

［表面粗さ］
導電層の断面のＳＥＭ写真から、上述した式（１）により、表面粗さを算出した。

＜柔軟導電部材の製造＞
調製した第一導電塗料Ａと、第二導電塗料Ｂ〜Ｄのいずれかと、を使用して、基材の表面に導電層を二層形成し、柔軟導電部材を製造した。基材には、ウレタンエラストマーシートを使用した。第一導電塗料Ａから形成される第一導電層の大きさは、幅２ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ２５μｍとした。第二導電塗料Ｂ〜Ｄのいずれかから形成される第二導電層の大きさは、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ１０μｍとした。実施例１〜４の柔軟導電部材は、本発明の柔軟導電部材に含まれる。

［実施例１］
次のようにして、基材／第一導電層Ａ／第二導電層Ｂからなる柔軟導電部材を製造した。まず、基材の上面に、第一導電塗料Ａをスクリーン印刷した。そして、形成された第一導電塗料Ａの塗膜を予備乾燥して、半硬化状態にした。次に、半硬化状態の第一導電塗料Ａの塗膜の上面に、第二導電塗料Ｂをスクリーン印刷した。最後に、形成した塗膜を、加熱により硬化して、Ａ、Ｂ二層の導電層を形成した。

［実施例２］
導電塗料の印刷順を変更して、基材／第二導電層Ｂ／第一導電層Ａからなる柔軟導電部材を製造した。導電層の形成方法は実施例１と同じである。

［実施例３］
実施例２における第二導電塗料Ｂを第二導電塗料Ｃに変更して、基材／第二導電層Ｃ／第一導電層Ａからなる柔軟導電部材を製造した。

［実施例４］
実施例２における第二導電塗料Ｂを第二導電塗料Ｄに変更して、基材／第二導電層Ｄ／第一導電層Ａからなる柔軟導電部材を製造した。

［比較例１］
基材の上面に、第二導電塗料Ｂをスクリーン印刷し、加熱により塗膜を硬化して、基材／第二導電層Ｂからなる柔軟導電部材を製造した。

［比較例２］
基材の上面に、第一導電塗料Ａをスクリーン印刷し、加熱により塗膜を硬化して、基材／第二導電層Ａからなる柔軟導電部材を製造した。

［比較例３］
基材の上面に、第一導電塗料Ａをスクリーン印刷した。そして、形成された第一導電塗料Ａの塗膜を予備乾燥して、半硬化状態にした。次に、半硬化状態の第一導電塗料Ａの塗膜の上面に、カーボンペースト（十条ケミカル（株）製「ＪＥＬＣＯＮ ＣＨ−８」）をスクリーン印刷した。最後に、形成した塗膜を、加熱により硬化して、二層の導電層を形成した。カーボンペーストから形成された導電層の未伸長時の体積抵抗率は、１．０×１０^−２Ω・ｃｍである。また、当該導電層の弾性率は１２００ＭＰａであり、５０％伸長させると破断した。したがって、上層の導電層は、本発明の第二導電層には含まれない。

＜電気抵抗の測定＞
上側の導電層の長さ方向両端部に端子を配置して、未伸長時の電気抵抗と、伸縮耐久試験後の５０％伸長時の電気抵抗と、を測定した。伸縮耐久試験は、次のようにして行った。まず、柔軟導電部材の両端部を、一対のジグで挟持した。次に、ジグの一方を固定し、他方を５０ｍｍ／分の速度で往復動させることにより、柔軟導電部材を伸縮させた。柔軟導電部材の伸長率は５０％とし、伸縮回数は７０００回とした。表２に、測定結果を示す。

表２に示すように、第一導電層および第二導電層を備える実施例１〜４の柔軟導電部材においては、初期（未伸長時）の電気抵抗が小さく、かつ、伸縮を７０００回繰り返した後の５０％伸長時の電気抵抗も、初期の体積抵抗率の１０^５倍以下であった。これに対して、第二導電層のみを備える比較例１の柔軟導電部材においては、伸縮を７０００回繰り返した後に５０％伸長させても、電気抵抗の増加は小さかった。しかし、比較例１の柔軟導電部材は、初期の電気抵抗が大きいため、電極や配線には適さない。また、第一導電層のみを備える比較例２の柔軟導電部材においては、初期の電気抵抗は小さいものの、伸縮を７０００回繰り返した後に５０％伸長させると、電気抵抗が大幅に増加した。同様に、第二導電層を備えない比較例３の柔軟導電部材においても、初期の電気抵抗は小さいものの、伸縮を７０００回繰り返した後に５０％伸長させると、電気抵抗が大幅に増加した。

以上より、第一導電層および第二導電層を備える本発明の柔軟導電部材においては、自然状態における導電性が高く、かつ、伸縮を繰り返しても導電性の低下が小さいことが、確認された。なお、本実施例においては、第一導電塗料、第二導電塗料の溶剤として、ブチルカルビトールアセテートを使用した。ブチルカルビトールアセテートとアクリルゴムとの相溶性は高いが、ブチルカルビトールアセテートとウレタンゴムとの相溶性はそれほど高くない。したがって、一層目のエラストマーと、二層目を形成する導電塗料に含まれる溶剤と、の相溶性を考慮すると、本実施例においては、基材／第二導電層（アクリルゴム）／第一導電層（ウレタンゴム）からなる実施例２〜４の柔軟導電部材が好適である。

本発明の柔軟導電部材は、エラストマーを利用した柔軟なトランスデューサの電極、配線に好適である。また、屈曲可能なディスプレイ等に使用されるフレキシブル配線板の配線や、ロボットや産業用機械の可動部の制御デバイス、ウェアラブルデバイスの電極、配線としても好適である。さらには、導電性接着剤、電磁波シールドとしても用いることができる。また、電磁気で駆動するモータやアクチュエータ、圧電効果を利用したスピーカ、バイブレータ、超音波発生装置等においては、繰り返しの振動による断線が、問題になる。本発明の柔軟導電部材は、変位の大小に関わらず幅広い周波数領域において、繰り返しの振動に対する耐久性を要する部位に適用可能である。

Claims (9)

1. 伸縮性を有する基材と、
   該基材の表面に積層および並列の少なくとも一方の形態で配置される複数の導電層と、
   を備え、
   該導電層は、エラストマーおよび導電材を含み未伸長時の体積抵抗率が５×１０^−２Ω・ｃｍ以下の高導電性材料からなる第一導電層と、未伸長時の体積抵抗率が該高導電性材料の未伸長時の体積抵抗率よりも大きく、エラストマーおよび導電材を含み未伸長時に対する５０％伸長時の体積抵抗率の変化が１０倍以下の高伸長性導電材料からなる第二導電層と、を有することを特徴とする柔軟導電部材。
2. 前記高導電性材料の未伸長時の体積抵抗率と、前記高伸長性導電材料の未伸長時の体積抵抗率と、の差は５桁以下である請求項１に記載の柔軟導電部材。
3. 前記高伸長性導電材料の弾性率は、５０ＭＰａ以下である請求項１または請求項２に記載の柔軟導電部材。
4. 前記高伸長性導電材料に含まれる前記導電材は、導電性炭素粉末である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の柔軟導電部材。
5. 前記高導電性材料に含まれる前記導電材は、金属粉末である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の柔軟導電部材。
6. 前記第一導電層および前記第二導電層は積層される請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の柔軟導電部材。
7. 前記第一導電層および前記第二導電層のうち、前記基材側に配置される導電層の表面粗さは、該導電層の厚さの１／２００以上２倍以下である請求項６に記載の柔軟導電部材。
8. 前記基材の表面に前記第二導電層が配置され、該第二導電層の表面に前記第一導電層が配置される請求項６または請求項７に記載の柔軟導電部材。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の柔軟導電部材を備えることを特徴とするトランスデューサ。

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