(57)【要約】【課題】低伸張域においても電気特性が十分変化するエラスティックフレキシブルセンサを得る。【解決手段】エラストマー基材と、該エラストマー基材上に積層形成した伸縮性導電層とを有する伸縮可能なエラスティックフレキシブルセンサであって、両端部の幅広大面積の着力部分と、両着力部分の間に位置する、上記着力部分より幅狭の伸張部分とを有し、この伸張部分は、中央部の小幅伸張集中部と、この小幅伸張集中部の両端を両端の着力部分に接続する一対の縮幅部とを有していて、その小幅伸張集中部が一定幅であり、縮幅部が着力部分から小幅伸張集中部に向けて幅を縮小しているエラスティックフレキシブルセンサ。【選択図】図１
2015055615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エラストマー基材と、該エラストマー基材上に積層形成した伸縮性導電層とを有する伸縮可能なエラスティックフレキシブルセンサであって、
両端部の幅広大面積の着力部分と、両着力部分の間に位置する、上記着力部分より幅狭の伸張部分とを有し、
かつ、この伸張部分は、中央部の小幅伸張集中部と、この小幅伸張集中部の両端を両端の着力部分に接続する一対の縮幅部とを有していて、その小幅伸張集中部が一定幅であり、縮幅部が着力部分から小幅伸張集中部に向けて幅を縮小していることを特徴とするエラスティックフレキシブルセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記縮幅部は、階段状に幅を縮める階段状縮幅形状であるエラスティックフレキシブルセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記縮幅部はテーパ状縮幅形状であるエラスティックフレキシブルセンサ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記小幅伸張集中部の幅は、１〜３ｍｍであり、長さは、４〜２０ｍｍであるエラステッィクフレキシブルセンサ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記縮幅部の長さは、１〜８ｍｍであるエラスティックフレキシブルセンサ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記エラストマー基材は、シリコーンゴム絶縁基材からなり、伸縮性導電層は、導電粉と、バインダーとしてシリコーンゴムポリマーを含む導電性ペーストからなり、上記伸縮性導電層の上記伸張部分の上には、シリコーンゴム絶縁層が積層されているエラスティックフレキシブルセンサ。
【請求項７】
請求項６記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記導電粉は、銀粉であるエラスティックフレキシブルセンサ。
【請求項８】
請求項６記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記導電粉は、不定形粒子と球状粒子との混合系からなるエラスティックフレキシブルセンサ。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれか１項記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記導電粉の粒径が１〜５μｍであるエラスティックフレキシブルセンサ。
【請求項１０】
請求項６ないし９のいずれか１項記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記導電部ペーストのバインダーゴムポリマーが、付加型液状シリコーンゴムであるエラスティックフレキシブルセンサ。
【請求項１１】
請求項６ないし９のいずれか１項記載のエラスティックフレキシブルセンサにおいて、上記導電部ペーストが、シリコーンゴムと、導電粉と、溶剤とを含んでいるエラスティックフレキシブルセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エラスティック（伸縮可能な）フレキシブルセンサ（以下、適宜『ＥＦセンサ』と略称することがある）に関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなＥＦセンサは、一般的に、伸縮可能なエラストマー基材上に、導電層（センサ電極）を積層形成して構成されている（特許文献１）。
【０００３】
このＥＦセンサは、伸び、曲げ、捻り等、センサ部に生じる変位（各種の変形）を検出するものであり、例えば人体等への伸縮センサあるいは就寝中の人の挙動を検出するセンサ（特許文献２）として用いられている。このＦＥセンサは、高伸長にすればするほど必要荷重が増えるため、低伸長領域で大きな抵抗値変化（電圧変化）があるような特性を有することが望ましい。このような要求に対して従来、エラストマー基材の材料の選定、あるいは導電層の構成に開発の主眼が置かれており、エラストマー基材としてシリコーンゴム材料を用い、導電層として液状シリコーンゴムバインダーに導電フィラー（カーボン、金属粉）を混合したものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８-１７７２５９号公報
【特許文献２】特開２００８-１７３２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来のＥＦセンサは、ある程度大きな変位（伸び）を与えないと、低い初期抵抗値を保ったまま、電気特性を変化させることができず、低伸長領域でのセンシングは難しいという課題があった。
【０００６】
本発明者らは、この課題を追求するうち、従来のＥＦセンサにおいて低伸張域でのセンシングが難しい大きな理由は、センサの平面形状にあることを見出した。従来のＥＦセンサは、一定幅のストリップ状あるいは一定面積の平面状（特許文献２）をなしており、このため、低伸張域でのセンシングが難しいのである。この分野の特許文献では、エラストマー基材と電極層の材料構成あるいは積層構造に関心が向いており、その結果、平面形状については言及されていない例も多い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ＥＦセンサには、両端の着力部分（電極部分、伸びを与えるために測定対象物を把持（接着）する部分）の間に、伸張部分を設けるのが一般である。本発明者らは、この伸張部分の幅を一定幅の幅狭とすることにより、低伸張域においても電気特性を変化させることを見出して本発明を完成したものである。すなわち、ＥＦセンサの電気特性は、ある変位を与えたときに、導電層の導電フィラー間の導電パスが変化することを利用しており、低伸張域では特に、変位（伸び）を与えたときにセンサ伸張部の相当ひずみが大きくなる形状が望ましいのである。
【０００８】
本発明は、エラストマー基材と該エラストマー基材上に積層形成した伸縮性導電層とを有するＥＦセンサにおいて、両端部の幅広大面積の着力部分と、両着力部分の間に位置する、上記着力部分より幅狭の伸張部分とを有し、かつ、この伸張部分は、中央部の小幅伸張集中部と、この小幅伸張集中部の両端を両端の着力部分に接続する一対の縮幅部とを有していて、その小幅伸張集中部が一定幅であり、縮幅部が着力部分から小幅伸張集中部に向けて幅を縮小することを特徴としている。
【０００９】
縮幅部は、階段状に幅を縮める階段状縮幅形状が好ましいが、テーパ状に幅を縮めるテーパ状縮幅形状も可能である。さらに、縮幅部と小幅伸張集中部の幅を同一としてもよい。
【００１０】
小幅伸張集中部の幅は、１〜３ｍｍとし、長さは４〜２０ｍｍとすることが好ましい。小幅伸張集中部の幅が１ｍｍ未満では機械的強度が不足し（伸張の際破断するおそれがあり）、３ｍｍを超えると、伸びに対する電気特性変化が顕著でなくなる。また小幅伸張集中部の長さが４ｍｍ未満では、伸びに対する電気特性変化が顕著に表れず、２０ｍｍを超えると、センサとして実際的でない。
【００１１】
縮幅部の長さはそれぞれ、１〜８ｍｍとすることが好ましい。また、小幅伸張集中部と縮幅部の合計長さで見ると、１０〜２０ｍｍとするのがよい。
【００１２】
また別の観点からは、縮幅部と両端着力部との接続部（境界部）の幅は、５〜７ｍｍとし、縮幅部によって小幅伸張集中部の幅が１〜３ｍｍとなるように縮める。
【００１３】
本ＥＦセンサのエラストマー基材は、シリコーンゴム絶縁基材から構成することができ、伸縮性導電層の上には、着力部分（電極部分）を除き、シリコーンゴム絶縁層を積層することが好ましい。また、伸縮性導電層の伸張部分の上には、シリコーンゴム絶縁層を積層するのが好ましい。
【００１４】
伸縮性導電層は、導電粉と、バインダーとしてシリコーンゴムポリマーを含む導電性ペーストから構成するのが実際的である。
【００１５】
導電粉は、銀粉を用いることが好ましい。また、導電粉は、不定形粒子（フレーク状粒子）と球状粒子との混合系とすると、小幅伸張集中部と縮幅部の形状によっては、伸張に伴い抵抗値が減少する領域を持つ逆特性のＥＦセンサを得ることができる。一方、導電粉が不定形粒子のみからなるときには、伸張に伴い抵抗値が増加する順特性のＥＦセンサが得られる（逆特性のＥＦセンサは得られない）。なお、不定形粒子とは、アスペクト比で２〜１０程度の形状の粒子を言う。
【００１６】
導電粉の平均粒径（走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定）は１〜５μｍであることが好ましい。
【００１７】
また、導電性ペーストのバインダーゴムポリマーは、付加型液状シリコーンゴムであることが好ましい。
【００１８】
導電性ペーストは、シリコーンゴムと、導電粉と、溶剤とを含むものである。
【００１９】
本発明のエラスティックフレキシブルセンサは、例えば電気抵抗変化を利用する感圧センサ、曲げセンサ、捻りセンサとして用いることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、低伸長領域でも使用可能なＥＦセンサが得られ、その形状を変えることで電気特性が制御可能なセンサが得られる。また、逆特性のＥＦセンサによれば、縮幅部が伸縮しセンシングするときのみ電力が消費されるため、省エネであるセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（Ａ）は本発明によるエラスティックフレキシブルセンサの平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ-Ｂ線に沿う模式断面図である。
【図２】本発明によるエラスティックフレキシブルセンサの第１の実施例を示す、主に伸張部分を拡大して示す平面図である。
【図３】同第２の実施例を示す伸張部分の拡大平面図である。
【図４】同第３と第７の実施例を示す伸張部分の拡大平面図である。
【図５】上記実施例１ないし３の伸び量-電圧変化の測定結果を示すグラフ図である。
【図６】本発明によるエラスティックフレキシブルセンサの第４の実施例を示す、主に伸張部分を拡大して示す平面図である。
【図７】同第５の実施例を示す伸張部分の拡大平面図である。
【図８】同第６の実施例を示す伸張部分の拡大平面図である。
【図９】上記実施例４ないし７及び比較例１、２の伸び量-電圧変化の測定結果を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明によるＥＦセンサ１０の形状例を示している。このＥＦセンサ１０は、同図（Ｂ）の断面に示すように、エラストマー基材１１と、該エラストマー基材１１上の伸縮性のある導電層１２と、該伸縮性導電層１２上のエラストマー絶縁層１３とを有する積層構造をなしており、伸縮可能である。エラストマー基材１１、伸縮性導電層１２、エラストマー絶縁層１３の厚さはそれぞれ、２００〜２０００μm、１００〜１５０μm、１０〜４０μmである。
【００２３】
このＥＦセンサ１０は、同図（Ａ）に示すように、平面形状では、上下（左右）対称形状をしており、両端部の幅広大面積の着力部分２０と、両着力部分２０の間に位置する幅狭の伸張部分３０とを有している。両端の着力部分２０を伸張装置（引張試験機）に把持し、引張力を加えることにより、伸張部分３０が伸張する。エラストマー絶縁層１３は、感電を防ぐため、伸張部分３０上にのみ形成されている。
【００２４】
伸張部分３０は、中央部の小幅伸張集中部３１と、この小幅伸張集中部３１の長さ方向の両端部を着力部分２０に接続する一対の縮幅部３２とを有している。小幅伸張集中部３１は一定幅であるのに対し、縮幅部３２は着力部分２０から小幅伸張集中部３１にかけてその幅を縮小する。着力部分２０と伸張部分３０の境界部３３は、エラストマー絶縁層１３の縁部として定義される。
【００２５】
縮幅部３２は、図１（Ａ）に実線で示すように、階段状に幅を縮小する態様と、同図に破線で示すように、テーパ状に幅を縮小する態様とが可能である。さらに、縮幅部３２の幅を小幅伸張集中部３１と同一とする（境界部３３において急激に（階段状に）幅を縮小する）態様も可能である。
【００２６】
ちなみに、ゴム材料の物性試験を行うためのダンベル形状と称される試験片は、図１（Ａ）に鎖線で示すように両端の着力部分２０を一定幅ストリップ３０Ｘで接続する形状であった。
【００２７】
この従来のダンベル形状と比較して、本実施形態は、小幅伸張集中部３１の幅が縮小される（ている）点において特徴的である。このように縮幅部３２を介して小幅伸張集中部３１を形成すると、低伸張域においても電気特性を変化させることができる。その理由は、幅狭の小幅伸張集中部３１に伸びが集中し、伸びに伴いその抵抗値（つまり両端の伸張部分３０間の抵抗値）が明確に変化するからではないかと考えられる。また、縮幅部３２を介して小幅伸張集中部３１を形成することにより、急激な幅の変化により破断しやすくなる（応力が集中する）のを避けつつ、小幅伸張集中部３１に局所的なひずみを生じさせやすくなる。
【００２８】
図１（Ａ）に示すように伸張部分３０の小幅伸張集中部３１と縮幅部３２のＡないしＫの寸法を採ったとき、小幅伸張集中部３１の幅Ｆは、１〜３ｍｍとし、長さＣは４〜２０ｍｍとすることが好ましい。小幅伸張集中部３１の幅Ｆが１ｍｍ未満では機械的強度が不足し（伸張の際破断するおそれがあり）、３ｍｍを超えると、伸びに対する電気特性変化が顕著でなくなる。また小幅伸張集中部３１の長さＣが４ｍｍ未満では、伸びに対する電気特性変化が顕著に表れず、２０ｍｍを超えると、センサとして実際的でない。
【００２９】
縮幅部３２の長さ（Ｄ＋Ｅ）はそれぞれ、１〜８ｍｍとすることが好ましい。また、小幅伸張集中部３１と縮幅部３２の合計長さ（Ａ）で見ると、１０〜２０ｍｍとするのがよい。
【００３０】
また別の観点からは、縮幅部３２と両端着力部分２０との境界部３３の幅Ｂは１〜７ｍｍとし、縮幅部３２によって小幅伸張集中部３１の幅Ｆが１〜３ｍｍとなるように縮める。
【００３１】
より一般的に、小幅伸張集中部３１と縮幅部３２は、図１（Ａ）のようにＡないしＫの寸法をとったとき、１０≦Ａ≦２０、１≦Ｂ≦５、２≦Ｃ≦２０、０≦Ｄ≦４．５、０≦Ｅ≦４．５、１≦Ｆ≦３、０≦Ｊ≦１、０≦Ｋ≦１を満足することが好ましい。
【００３２】
また、図１（Ａ）の破線のようにテーパ状に幅を縮小する態様のときには、縮幅部３２は、境界部３３から小幅伸張集中部３１にかけて幅を４０％以上縮小する態様が好ましい。また、縮径部３２の長さと縮径量との関係では、縮径量／長さの比が６〜２５％となるようにするのがよい。
【００３３】
エラストマー基材１１とエラストマー絶縁層１３は、少なくともシリコーンゴム絶縁基材から構成することができる。伸縮性導電層１２は、少なくとも、導電粉と、バインダーとしてシリコーンゴムポリマーを含む導電性ペーストから構成することができる。導電性ペーストのバインダーゴムポリマーは、付加型液状シリコーンゴムであることが好ましい。導電性ペーストは、シリコーンゴムと、導電粉と、溶剤とを含むものである。
【００３４】
導電粉は、銀粉を用いることが好ましい。また、導電粉は、不定形粒子（フレーク状粒子）と球状粒子との混合系とする態様と、不定形粒子（フレーク状粒子）のみの単一系とする態様が可能である。混合系では、以下の具体的な実施例で説明するように、小幅伸張集中部３１と縮幅部３２の形状によっては、伸張に伴い抵抗値が減少する逆特性のＥＦセンサを得ることができる。一方、単一系では、伸張に伴い抵抗値が増加する順特性のＥＦセンサが得られる（逆特性のＥＦセンサは得られない）ことが確認された。
【００３５】
導電粉の平均粒径は１〜５μｍであることが好ましい。
【００３６】
次に、具体的な実施例について説明する。
テスト概要
下記に詳細を示すエラストマー基材１１、伸縮性導電層１２及びエラストマー絶縁層１３を有するＥＦセンサ１０を下記形状に加工し、両端着力部分２０間に定電流を印加した状態で、これらを一定スピードで伸長させたときの電圧変化を調べた。
【００３７】
〈実施例１、２、３、比較例１、２〉
＜試料作製＞
ＥＦセンサ試験片の作製
（バインダーゴムポリマー）
液状シリコーンゴムＫＥ１８２０（信越化学工業株式会社製）。
（導電粉）
平均粒径約１〜５μｍの不定形銀粒子（ＳＦ-７０、フェロジャパン(株)製、アスペクト比５、密度１０．５ｇ／ｃｍ３）と、平均粒径約２μｍの球状銀粒子（ＳＰＮ-１０ＪＳ、三井金属（株）製、密度１０．５ｇ／ｃｍ３）が、不定形銀粒子：球状銀粒子＝７：３（重量比）の比率で混合されたもの。平均粒径は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によって測定した。
（溶剤）
ＹＳ-１５０、山一化学工業（株）製の芳香族系炭化水素の混合溶剤。
（導電ペースト）
上記バインダーゴムポリマーと上記導電粉とを２：８（重量比）で混合し、３本ロールミルにて分散した後、溶剤にて粘度調整を行い導電性ペーストとした。
（エラストマー基材１１の作製方法）
シリコーンゴムポリマー「ＫＥ−９５１」（信越化学工業株式会社製）と「ＴＳＥ−２６２３Ｕ」（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズジャパン株式会社製）と「ＴＳＥ−２６２７Ｕ」（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズジャパン株式会社製）と加工助剤「ＭＲ−１４」と架橋剤「Ｃ２３−Ｎ」（信越化学工業株式会社製）を混練したものを、１５０℃で５分間遠赤外線加熱することにより、シリコーンゴムサンプルを得た。得られたゴムサンプルの硬度は、Ｈｓ５０（ＪＩＳＫ６２５３  デュロメータ（タイプＡ）で測定）であった。
（伸縮性導電層１２の作製方法）
上記エラストマー基材１１に、２００μm厚のメタルマスクを使用して、上記バインダーゴムポリマーと銀粉とを２：８（重量比）で混合した導電ペーストを糊引きし、１００℃、３０分、次いで、１８０℃、１時間加熱硬化させ、厚さ約１５０μm（ＳＥＭにて測定）のそれぞれ電極形状を有する試験片を作製した。
（エラストマー絶縁層１３の作製方法）
上記伸縮性導電層１２の表面の小幅伸張集中部３１と縮幅部３２上に、シリコーンゴムポリマー（「ＫＥ１８２０」信越化学工業株式会社製）を糊引きし、１００℃、１時間加熱硬化させ、厚さ約４０μmのエラストマー絶縁層１３を作製した。
【００３８】
実施例１、２、３のＥＦセンサ１０の平面形状
実施例１、２、３のＥＦセンサ１０の小幅伸張集中部３１と縮幅部３２の平面形状を図２、図３、図４及び下記表1に示す。なお、両端着力部分２０の幅は２５ｍｍ、長さは４０ｍｍ（一定幅部分の長さ１５ｍｍ、伸縮部３０迄の漸減幅部分の長さ２５ｍｍ）である。
（表１）
実施例番号  Ａ    Ｂ    Ｃ    Ｄ    Ｅ    Ｆ    Ｊ    Ｋ（単位ｍｍ）
１      20    １    20                １
２      20    ５    ８                ３
３      10    ５    ４   1.5    1.5   １    １    １
（記載のない数値は０）
比較例１、２のＥＦセンサの平面形状
比較例１は、図１（Ａ）に鎖線で示したダンベル形状３０Ｘの試験片であり、その幅Ｂは５ｍｍである。
比較例２は、両端着力部分２０を含め、全体の幅を６ｍｍとした試験片である。
【００３９】
（評価方法）
伸長装置は、引張試験機（型式：STROGRAPH VES 5D、東洋精機株式会社製）を使用した。伸長時の電圧変化の計測には、電圧モニターGR３５００（キーエンス製）を使用した。電源は、HIOKI ７０２０（HIOKI製）を使用し、定電流１０ｍＡを流しながら伸長スピード５０ｍｍ／ｍｉｎで伸長させたときの電圧変化を測定した。
【００４０】
（評価結果）
図５は、実施例１、２、３の伸張率と電圧変化の測定結果を示している。この結果によれば、実施例１では少なくとも８．７〜１４．５（９〜１５）％の伸張領域、実施例２では少なくとも９．７〜２０．０（１０〜２０）％の伸張領域、実施例３では少なくとも３．５〜１１．５（３〜１２）％の伸張領域において、それぞれ伸張率が増加するに従い電圧が下降（抵抗値は減少）する特性（逆特性）が得られた。
【００４１】
〈実施例４、５、６〉
これらの実施例４ないし６では、導電粉として、平均粒径１〜５μｍの不定形銀粒子（フレーク状銀粒子）（密度１０．５ｇ／ｃｍ３）を用いた。この他のセンサ試験片構造については、実施例１、２、３と同一である。
実施例４、５、６のＥＦセンサ１０の小幅伸張集中部３１と縮幅部３２の平面形状を図６、図７、図８及び下記表２に示す。
【００４２】
（表２）
実施例番号  Ａ    Ｂ    Ｃ    Ｄ    Ｅ    Ｆ    Ｊ    Ｋ（単位ｍｍ）
４      20    ５    ４                １
５      10    ５    ４                ３
６      10    ５    ４   1.5   1.5    １    １    １
（記載のない数値は０）
【００４３】
（評価結果）
図９は、実施例４、５、６と比較例１、２の伸張率と電圧変化の測定結果を示している。この結果によれば、実施例４では少なくとも１１．０〜３５．５（１１〜３６）％の伸張領域、実施例５では少なくとも１７．４〜４０．５（１８〜４１）％の伸張領域、実施例６では少なくとも８．１〜２４．５（８〜２５）％の伸張領域において、それぞれ伸張率が増加するに従い電圧が上昇（抵抗値は増加）する特性（順特性）が得られた。これに対し、比較例１、２では、高い伸張領域（５０〜７０％）でのみ、順特性が得られるに過ぎない。
【００４４】
導電粉（銀粉）として、不定形粒子（フレーク状粒子）と球状粒子との混合系を用いる態様（実施例１ないし３）では、特定の小幅伸張集中部３１と縮幅部３２の平面形状によっては、逆特性が得られ、不定形粒子（フレーク状粒子）のみの単一系を用いる態様（実施例４ないし７）では、順特性が得られる（逆特性が得られない）理由は必ずしも明らかではない。本発明者らは、小幅伸張集中部３１が引き延ばされる結果、混合系では導電層の厚み方向の不定形粒子と球状粒子が接近して（導電粒子どうしのつながりが増えて）抵抗値が下がるのに対し、単一系では、導電層の厚み方向の粒子間同士の接近より長さ方向の粒子の離間の方が多く生じるため抵抗値が上がるのではないかと推論している。
【符号の説明】
【００４５】
１０  エラスティックフレキシブルセンサ
１１  エラストマー基材
１２  伸縮性導電層
１３  エラストマー絶縁層
２０  着力部分
３０  伸張部分
３１  小幅伸張集中部
３２  縮幅部
３３  境界部
【図１】
2015055615.tif 000003
【図２】
2015055615.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015055615.tif 000008
【図７】
2015055615.tif 000009
【図８】
2015055615.tif 000010
【図９】
2015055615.tif 000011