情報処理学会 インタラクション 2020
IPSJ Interaction 2020

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2020/3/9

Leaf Circuits: 金属箔とレーザプリンタを用いた回路作成の応用と評価
加藤 邦拓1,a)

真鍋 宏幸2,b)

川原 圭博1,c)

瀬川 典久3,d)

概要：導電性インクの印刷による回路作成手法の登場により，紙などの柔軟な素材を用いた様々なセンサ
やインタラクティブオブジェクトの開発が進められてきた．一方，導電性インクにより印刷された回路は特定の用紙上にしか作成できない，耐久性に欠けるなどの問題を抱えていた．こうした問題を解決するため，我々はこれまでに金属箔とレーザプリンタを用いた新しい回路作成手法 “Leaf Circuits” を提案し，その応用事例を示してきた．Leaf Circuits により作成した回路は，導電性インクの印刷に比べ高い耐久性を持ち，普通紙や厚紙などの様々な印刷用紙上に作成することができる．またトナー転写シートを用いることで布や木材などの素材上での回路作成を実現した．本稿では Leaf Circuits の耐久性についての性能評価を実施し，紙や布上に作成した回路が折曲げや引伸ばしに対する耐久性を持つことを確認した．また学生を対象としたワークショップを実施し，Leaf Circuits が 1 時間未満の練習だけで習得でき，ユーザは自らがデザインした回路を自由に作成できることを確認した．更に本稿では新規に 3 種類のアプリケーション
を示し，Leaf Circuits の有用性について議論する．

1. はじめにこれらの問題を解決するため，著者らはこれまでに金属
箔とレーザプリンタを用いた回路の作成手法である “Leaf

機能的なデバイスの開発やプロトタイピングを目的とし

Circuits” を提案し，その活用事例を示してきた [19], [24]．

て，数多くの電子回路の作成手法が存在している．中でもこの手法ではレーザプリンタを用いて印刷されたトナー

導電性インクを用いた印刷による回路作成 [10] は，昨今のの上に金属箔を乗せ，上からアイロンがけを行うだけでHCI 分野における最も一般的な技術として普及してきた回路の作成が完了する．我々は応用例の試作を通し，Leaf[2], [14]．導電性インクと家庭用のインクジェットプリン

Circuits が既存の手法に比べ，より堅牢な回路を様々な素タを用い，紙や PET などの基板上に印刷するだけで，セ材の基板上に作成できることを確認してきた．しかしながンサやインタラクティブデバイスなどの機能的なものを高らこの手法についての詳細な耐久性評価は行われていな

速でかつ容易に作成可能となった．また印刷により作成さかった．また回路パターンの印刷に加え，金箔を貼り付けれた回路は，その柔軟性から切る・折り曲げるといった加る工程を含む本手法を，一般ユーザが活用できるかについ工が容易に可能である．しかしその一方で，導電性インクても未知であった．本研究はこれらを明らかにすることをの印刷による回路作成はいくつかの制約がある．第一に，目的とし，性能評価とユーザスタディを実施した．また新

導電性インクを印刷する基板として使用可能な素材が少な

たに 3 種類のアプリケーションを示し，Leaf Circuits の有

く，特殊な専用紙に限られてしまう．第二に，導電性イン用性について議論する．

クで印刷された回路は折り曲げに対する耐性が低く，紙の基板を強く折り曲げると回路が断線してしまう [23]．こうした制約はユーザのクリエイティビティを阻害し，表現力豊かな製作の可能性を奪うことに繋がると考えられる.

2. 関連研究2.1 電子回路のファブリケーション
電子回路の作成手法に関する研究はこれまでに数多く提案されてきた．近年，最も多く活用されている手法の一つと

1
2
3
a)
b)
c)
d)

東京大学
芝浦工業大学京都産業大学kkunihir@acm.org
manabehiroyuki@acm.org
kawahara@akg.t.u-tokyo.ac.jp
sega@acm.org© 2020 Information Processing Society of Japan

して，導電性インクを用いた回路の作成手法がある．2013
年に Kawahara らが提案した Instant Inkjet Circuits は家
庭用インクジェットプリンタに充填した導電性インクを印刷し，紙や PET の上に回路を作成する技術である [10]．

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Kawahara らの提案以降，この手法を用いてセンサ [2] やが低く，折り曲げに対しても高い耐久性を持ち，更に基板

ディスプレイ [15]，スピーカ [9]，アクチュエータ [21]，イとなる素材を選ばないという利点を持つ．一方，任意形状

ンタラクティブデバイス [14] など，紙を用いた機能的なの回路作成のためにはカッティングプロッタなどの機器にモノ作りが実現されている．導電性インクを用いた回路

よりカットを行い，不要な箇所を剥離するといった作業がは，インクジェットプリンタによる印刷だけでなく，専用必要となる．Printem の様に回路パターンを印刷によってのペンを用いた手書きスケッチでも作成できる [7], [16]．

作成することもできるが，UV 照射による接着層の硬化なまた，アルコールを含ませたメラミンスポンジにより作成

どの特殊な手順が必要となる．また，作成できる回路の大した回路を消すこともでき，回路作成の試行錯誤が容易にきさはカッティングプロッタの可動領域に依存してしまう．

できる [13]．更に，従来の PCB やブレッドボードを用いこれに対し Leaf Circuits では，レーザプリンタを用いてた回路作成と組み合わせた手法も提案されており，プロパターンを印刷し，金属箔を貼り付けることで回路を作成

トタイピングのための補助ツールとしても活用されていする．Leaf Circuits によって作成した回路は時間経過による [6], [22]．Khan らの Soft Inkjet Circuits では導電性イ

る劣化や折り曲げに強く，高い耐久性を持つことを確認しンクの印刷によって，高い引き伸ばし耐性を持つ柔軟な素ている．また普通紙を含む様々な用紙に適用可能であると材上に回路や絶縁層を形成する手法を提案している [11]．

いった利点を持つ．更にトナー転写用紙を用いることで，

しかし，Soft Inkjet Circuits は Instant Inkjet Circuits とレーザプリンタで印刷可能な用紙サイズに依存せず，よりは異なる導電性インクを使用しており，印刷後に焼結処理

大きなサイズの回路を作ることも可能となる．

を行う必要がある．インクジェットプリンタを用いた手法の他，スクリーン印刷による回路作成 [15] や水圧転写によ

2.2 金属箔を用いた回路作成

る立体物上への回路作成 [3] などの手法も提案されている．

インタラクティブデバイスの作成のため，金属箔を使

導電性インク以外を用いた回路の作成として，銅テープ用した回路作成に関する研究も存在している．Saul らは，を用いた手法がある．この手法は導電性インクが普及する

機能的な紙製オブジェクトの設計のためのシステムであ以前から HCI 分野において多く活用されている．Savage

る Interactive Paper Devices を提案している [17]．この応らは銅テープを用いた回路作成のための補助ツールである用の一つとして，レーザカッタで作成したマスクとスプ

Midas を提案している [18]．Midas システムでは，ユーザ

レー接着剤を用いたステンシルによって金属箔を貼り付

がコンピュータ上でデザインした自由形状のタッチセンサ

け，回路作成を行う例を示している．Kao らは金箔を用いと共に，マイコンに接続される配線部が自動で生成され，て人間の皮膚上に回路を作成する手法である DuoSkin をパターンとして出力される．生成されたパターンをもとに，提案しており，タッチセンサ，温感提示，NFC タグによカッティングプロッタによって銅テープがカットされる．

る無線通信の 3 つのアプリケーションを示している [8]．

ユーザはそれをスマートフォンなどの日用品に貼り付ける

DuoSkin は Interactive Paper Devices と同様に，ステンシ

ことで，追加のタッチインタフェースとして活用できる．

ルとスプレー接着剤を用いることでタトゥシート上に回路

Varun らの提案した Printem は，銅テープと家庭用プリンを作成し，皮膚に転写することで実現していた．これらのタを用いた回路の作成手法である [1]．Printem の手法で研究に対し Leaf Circuits は，特殊な機材や技能を必要とは，銅テープの上に UV 照射で硬化する接着層を重ね，そせず，レーザプリンタと家庭用アイロンを使用するだけでの上にインクジェットプリンタを用いた印刷によるマスク

容易に作成可能である．そのため，ラボセッティングだけ

キングを行う．その後 UV 照射を行うことで，マスキング

でなく家庭環境であっても，回路の作成が行える．

が施されていない箇所が接着され，基板上に定着する．最レーザプリンタと金属箔を用いた回路作成の先行事例と後に UV 接着層を剥離することで，印刷パターンの銅テー

して，Srimongkon らは紙製基板に作成した電極を用いた

プのみが残り，回路として活用できる．Yamaoka らの提細菌の検出に関する研究を行っている [20]．レーザプリン

案した FoldTronics は，折り曲げたプラスチックシートとタで印刷した回路パターン上に金箔を乗せ，アイロンがけ

銅テープを用いることで機能的な立体オブジェクトを作成を行うことで電極を作成している．Srimongkon らの研究する手法である [23]．Midas の手法と同様にカッティングと Leaf Circuits との違いの一つは，使用できるマテリア

プロッタを用いており，プラスチックシートを折り曲げてルのバリエーションである．本研究ではレーザプリンタに作ったハニカム構造上に銅テープによる回路を形成していよって回路パターンを紙の基板上に印刷するだけでなく，る．Yamaoka らは銅テープを用いる前の段階で，導電性イ

転写手法を用いることで木材，布，PCB など様々なマテンクを用いて紙の基板上に回路を直接印刷する手法を試し

リアルの上に回路を作成する手法を示した．また使用するていたが，折り曲げによる断線が発生することから，耐久

金属箔も，金箔だけでなく銀箔，銅箔を用いた回路作成を性の高い銅テープを採用したと述べている．

行う．

銅テープは導電性インクによる回路作成に比べ，抵抗値© 2020 Information Processing Society of Japan97

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3. Leaf Circuits
Leaf Circuits は金箔などの金属箔を導電性素材として用い，回路を作成する手法である．レーザプリンタによってパターンを紙に印刷し，その上に金属箔を貼り付けること
で回路を作成する．これにより作成した紙製回路は，従来の導電性インクの印刷によって作成された回路に比べ耐久性が高く，折り曲げても断線しづらいという利点を持つ．

図 1

Leaf Circuits の作成手順.

またトナー転写用紙を用いることで，紙だけでなく木材や布，PCB などの素材上にも回路を作成できる．

は 30 秒程度) 圧力を加える (図 1 中央)．

本研究では導電性素材として，金箔，銀箔，銅箔の 3(Step 3) 最後に余分な金属箔を取り除く．回路全体が十種類を用いる．表 1 に各金属箔の仕様を示す*1 ．金属箔分に冷めたことを確認し，保護用の紙を取り外す．その後，は Aliexpress*2 などのオンラインショッピング上でそれぞ

指もしくはブラシを用いて回路パターン上をこするだけで，れ 30 mm2 あたり 3 ドル以下の価格で購入することができ余分な金属箔を容易に取り除くことができる (図 1 右)．

る．金箔・銀箔に比べ銅箔は厚く，抵抗値が低い性質を持Leaf Circuits による回路作成は，レーザプリンタで使用

つ．しかし Leaf Circuits による回路の作成手法は箔が薄可能な様々な用紙に対して適用できる．現状では普通紙，

いほど貼り付けやすく，銅箔は他 2 種類に比べ剥がれやす

厚紙，フォト用紙，耐洗紙，転写用紙などの用紙が使用でき

いため，比較的に回路作成が難しい．そのため，作成したることを確認した．一方で OHP シートや PET 用紙など回路を折り曲げるなどの加工が必要な場合は金箔・銀箔の熱に弱く，アイロンがけができない用紙には適用できない．

使用が適している．一方で銅箔は金箔・銀箔に比べ厚みがあることから，はんだ付けによる電子パーツの接着が可能

3.2 トナー転写によるオブジェクト上への回路作成であるという利点を持つ (詳細は 4.3 節にて述べる)．

Leaf Circuits はトナー転写用紙を用いることで，紙以外

表 1 金属箔の仕様．
価格 (USD/cm2 )厚さ (μ m)
抵抗値 (Ω/cm2 )の様々な素材の上に回路を作成することができる．図 2 に

素材
金箔

0.27

0.12

0.20

銀箔

0.0017

0.3

0.05

銅箔

0.000230

5.3 × 10−5

3.1 作成手順

トナー転写手法によって，木材 (酒枡) の上に回路を作成する手順を示す．まず 3.1 節の (Step 1) と同様に回路パターンを用意する．この際，トナー転写を行った後に作成される回路パターンが左右反転することに注意する必要が(Step 1) ユーザは作成したい回路のパターンを PC 上のある．その後，レーザプリンタを使用して回路パターンをソフトウェア (Eagle, Adobe Illustrator, Microsoft Power-

トナー転写用紙に印刷する (図 2 a)．次にユーザはトナー

Point など) を用いて作成し，市販のレーザプリンタで印転写用紙を裏返し印刷面を下にした状態で酒枡の上に乗刷する．この際，印刷に使用するトナーは特殊なものを用せ，上からアイロンがけを行う (図 2 b)．この際，木材の意する必要はなく，標準的なものを用いる．本研究では角の部分に転写用紙を押さえつける様にアイロンがけを行

DocuPrint C3350 (Xerox Co.) を使用した．一般的なレー

えば，異なる面上への配線も可能である (図 2 c, h)．

ザプリンタに使用されているトナーは，プラスチックベー

トナー転写用紙が十分に冷めたことを確認した後，転写スのポリマーの粒子を含んでいる [25]．このポリマーは用紙をゆっくりと剥離することで，用紙に印刷されたト

80-100◦ C の熱を加えることで溶け始め，190◦ C で完全に融ナーが転写される (図 2 d)．最後に 3.1 節の (Step 2) と同解する [4], [5]．レーザプリンタ内部にあるローラにより熱様に金属箔を転写された回路パターン上に乗せ，再度アイと圧力を加えることで，融解したポリマーが紙の繊維に入り込み定着する (図 1 左)．Leaf Circuits ではこのトナーの性質を用いることで回路の作成を行う．

(Step 2) 次に金属箔の貼り付けを行う．(Step 1) で印刷した回路パターンが隠れる様に金属箔を乗せ，更にその上に保護用の薄い紙 (普通紙) を被せる．その後，保護用の紙の上から約 160◦ C に熱したアイロンで約 10 秒間 (銅箔で*1*2

表 1 は著者らが 2018 年に Aliexpress 上 (販売元: China Gold
Leaf Factory) で購入した金属箔の仕様に基づいており，価格は販売元により変動する．
https://www.aliexpress.com© 2020 Information Processing Society of Japan

図 2

トナー転写手法の作成手順．

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ロンがけを行うことで回路が完成する (図 2 e, f, g)．金属
箔の貼り付け後，導電性の接着剤を用いることで，LED な
どの電子パーツを貼り付けることができる．
本手法により紙だけでなく，硬い素材，柔軟な素材など
様々なオブジェクト上に回路を直接構築することを実現した．しかし，トナー転写手法が適用できない素材も確認されており，アクリルやガラスなど表面が滑らかな素材には適用できないという制約がある．またアイロンがけによる
金属箔の貼り付け処理が必要となるため，高温に耐えることのできない素材や，凹凸の激しい物体などに対しても適用が難しい．

4. アプリケーション
4.1 立体的な折り紙への適用
ここでは Leaf Circuits の高い折り曲げ耐性を活かし，機

図 3 アプリケーション．(a) 光る折り紙ペン立て，(b) ウェアラブ

能を持つ立体的な折り紙を作成した例を示す．内部に LED

ルタッチインタフェース，(c, d) はんだ付けによって作成したを点灯させるための回路を持つ，インタラクティブな折り紙

LED ライト．

のペン立てを作成した (図 3a)．ペン立ての内部には LED
及びボタン電池が配置されており，回路の一部を折り曲げ

4.3 銅箔回路上のはんだ付けることで単純なスイッチの機構を作成した．折り紙にペン

ここでは Leaf Circuits と従来のはんだ付けによる電子を挿すことで内部のスイッチが押され，ボタン電池に接触

工作を組み合わせた例を示す．トナー転写手法を用いてし LED を点灯させる．内部の回路の他，折り紙の外側に片面のユニバーサル PCB 上に銅箔回路を作成し，その上は装飾のための金箔が貼り付けられている．従来手法であに LED，ボタン電池，タクトスイッチをはんだ付けした

る導電性インクの印刷回路は，樹脂でコーティングされた(図 3c)．スイッチを押すと通電し LED が点灯する．

専用紙，もしくは光沢のあるフォト用紙にしか適用できな従来手法である導電性インクによる回路作成は，回路いという制約があった．一般に導電性インクの専用紙や上のはんだ付けが不可能であった．これに対し Leaf Cir-

フォト光沢紙は通常の紙よりも厚く，折り曲げにくい性質

cuits は，銅箔の回路パターン上に直接はんだ付けができを持つ．そのため本節で示した様な複雑な形状の折り紙のる (図 3d)．通常はんだ付けは加熱され融解したはんだが作成は非常に困難である．また折り曲げにより回路が断線

金属表面に付着し，合金を形成することで接着される．そしてしまうため，折り目がつかない様に軽く曲げる程度がのため，金箔や銀箔など非常に薄い金属箔上にはんだ付け限界であった．これに対し Leaf Circuits は折り紙など，紙を行うと，融解したはんだに接触した金属箔が全て溶け込の折り曲げを前提としたアプリケーションの開発のためのんでしまい，回路の断線が発生する．一方，銅箔は金箔・銀技術として大きく貢献できる．

箔に比べ十分な厚さを持つため，一部がはんだに溶け込んでも基板上に銅箔が残り，電子パーツの接着が可能になる．

4.2 ウェアラブルタッチインタフェース

この手法にはいくつかの制約も存在する．まず融解した

Leaf Circuits の特徴の一つとして，転写用紙を用いるこ

はんだを長時間接触させてしてしまうと，金箔・銀箔と同とでユーザが日常的に活用するオブジェクト上に回路を様に全ての銅箔がはんだに溶け込んでしまい，回路の断線

後付けできるという利点がある．ここでは市販のシャツに繋がるため注意が必要である．また，一般的な 200 ◦ C 以に Leaf Circuits を用いたタッチセンサを作成した例を示

上の温度で融解するはんだを使用すると，銅箔が接着されす．このタッチセンサを用いて，音楽プレイヤーを操作すているトナー層も溶解し，銅箔が剥がれてしまう．従ってるインタフェースを実装した (図 3b)． 回路はシャツの胸

90〜150◦ C の低温度融解のはんだを使用する必要がある．

ポケット内側に格納されたマイクロコンピュータ (mbed

本論文の環境では融点 141◦ C のはんだ (LEO-F2-L20-0.8-

TY51822r3，Switch Science) に接続されており，タッチ入

D50G，千住金属工) 及び融点 80◦ C のはんだ (SMD-B05，

力を検出する． この様に Leaf Circuits は水圧転写による

サンハヤト) を使用している．

回路作成を行う ObjectSkin [3] に比べ，硬い物体だけでなく，布などの柔軟な素材への適用が容易にできるという利点を持つ．

5. 性能評価
5.1 性能評価 1: 折り曲げ評価
紙などの素材を基板として使用できる Paper electronics© 2020 Information Processing Society of Japan99

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2020/3/9の研究において，回路の柔軟性は重要な特性の一つであり，これを活かした数多くのアプリケーションが示されてきた．しかし，現在の主流の技術である導電性インクの印
刷によって作成された回路は，折り曲げによる耐久性が低いという欠点が報告されている．Yamaoka らは導電性イ
ンクで印刷した回路パターンは折り曲げることで容易に断線してしまうと述べている [23]．これまでにも導電性インクを印刷した回路を折り曲げて使用するアプリケーションがいくつか示されてきたが，それらは全て折り目がつくほどの鋭い折り畳み箇所を持たず，用紙が反る程度の軽い折◦図 4 実験 1: 折り曲げ性能評価．(左) 90◦ 折り曲げに使用する 3D
オブジェクト，(右) 90◦ 及び 180◦ 折り曲げ実験の様子．

折り曲げた場合の抵抗の変化を計測する．実験ではフォー

り曲げ [9] や，90 程度の折り曲げ [14] に限定されていた．

ステスタ（MCT-2150，A&D) を使用して，一定の圧力をこれに対し著者らは，Leaf Circuits の応用例の試作 [19] を加えることで折り曲げを行った．90 ◦ の折り曲げ評価で通して，回路が折り曲げに強く，折り目がつくほど強く折は，図 4 左に示す様な 2 つのブロックで構成される 3D オ

り曲げても断線しにくい傾向を確認してきた．しかしながブジェクトを使用した．この 2 つのブロックで評価用の回ら，耐久性についての詳細な評価は行われていなかった．

路パターンを挟み込み，50 N の圧力を加えることで 90◦

ここでは本研究で使用する金属箔の内，最も薄くトナーにの角度に折り曲げを行った．180◦ の折り曲げではフォース

貼り付きやすい金箔を対象とし，折り曲げの耐久評価を

テスタに固定した 2 つの円盤で回路パターンを折り曲げた行う．

状態で挟み，50N の圧力を加えた (図 4 右)．

5.1.1 予備調査

抵抗値の測定は (1) 折り曲げる前の状態，(2) 折り曲げ

予備調査として Leaf Circuits 及び導電性インクで作成した状態，(3) 折り曲げた回路パターンを開き，平らにも戻た回路の抵抗値の比較を行った．サンプルとして長さ 50.0

した状態で行った．また，繰返しの折り曲げに対する耐久

mm，幅 0.5 mm，1.0 mm，2.0 mm，5.0 mm，8.0 mm の性を評価するため (2)，(3) の回路パターンを折り曲げ状態

回路パターンを使用する．それぞれ n = 10 のサンプルをから平らに戻す操作を繰返し行った後に，再度計測を行っ作成し，抵抗値の計測を行った．なお 1 回の測定についてた．繰返しの耐久性評価では，折り曲げを (4) 5 回，及びサンプルの両端に 3 回ずつデジタルマルチメータをあて，(5) 10 回行った状態で計測をする．(1)〜(5) までの計測を

その平均値を計測データとして採用した．

1 試行とし，各試行につき 1 枚の回路パターンを使用する．

表 2 に測定結果を示す．抵抗値は全ての条件で Leaf

用紙条件の比較を行うため，厚さ約 0.09 mm の普通紙 (リCircuits の方が高いことがわかる．また Leaf Circuits はサイクル PPC, 大王製紙株式会社)，及び厚さ約 0.19 mm

導電性インクに比べ標準偏差が大きい傾向にあった．これの厚紙 (JP-EM1NA4N-50, サンワサプライ) の上に金箔回は，高い精度で印刷が可能なインクジェットプリンタによ路を作成した．また導電性インクとの比較を行うため，銀る回路作成に対し，Leaf Circuits は手作業での導電性素材

ナノ粒子インク (NBSIJ-MU01, Mitsubishi Paper Mills)の貼り付けが行われるため，個体差が生じたと考えられる．

及び厚さ約 0.14 mm の専用 PET 用紙 (NB-RC-3GR120,

標準偏差は線が太くなる程小さくなる傾向があり，2.0 mm

Mitsubishi Paper Mills) を用いた回路を作成した．なお本以上であれば 1 Ω程度になることがわかる．折り曲げ実験

実験は各条件につき，それぞれ n = 5 のサンプルに対して

では，事前調査の結果から標準偏差が 1 Ω程度であり，中測定を行った．

間の値である幅 2.0 mm の回路パターンを対象として評価

5.1.3 結果を行う．

図 5 はタスク後に断線せずに使用可能であった回路パ
表 2

金箔と導電性インクの抵抗値比較．
Gold-leaf
Conductive ink

ターン数の割合を示す (Reliability rate = 100%は n = 5のサンプル全てが断線していないことを示す)．実験の結

WidthAve.(Ω)S.D

Ave.(Ω)S.D

0.5 mm

51.7

8.26

14.0

1.28

1.0 mm

27.7

3.14

7.7

0.34

回路の方が断線しやすい傾向が見られた．導電性インクの2.0 mm

16.1

1.31

4.0

0.21

印刷回路に着目すると，折り曲げ条件が 90◦ の場合，5 回

5.0 mm

7.0

1.04

1.8

0.09

の繰返しではサンプルの 80%が，10 回の繰返しでも 60%

8.0 mm

4.8

0.89

1.3

0.07

が断線しない結果となった．一方 180◦ の折り曲げには耐果，90◦ の折り曲げ条件に比べ，180◦ の折り曲げを行った

えられず，一度の折り曲げで全てのサンプルが断線してい5.1.2 実験手順
本実験では紙の基板上に作成した回路を折り曲げ，抵抗◦◦る．このとき導電性インクの回路の表面を観察したところ，値の変化を計測する．折り畳み方は 90 及び 180 とし，印刷用紙のレジンコート層ごと裂け目が生じており，折りそれぞれ山折り方向 (回路パターンが外側になるよう) に

目部分の導電性インクが剥離していることが確認された．

© 2020 Information Processing Society of Japan100

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合 (紙が薄い，折り曲げ角度が小さい，折り曲げ回数が少ないなど) に，山折りに比べ谷折りの方が，耐久性が向上する傾向が見られた．普通紙上に作成した Leaf Circuits では 90◦ の折り曲げ条件の場合，10 回の繰返し後にも全てのサンプルが断線していない．導電性インクの印刷回路では 180◦ の折り曲げ条件の場合，一度の折り曲げを行っても全てのサンプルが断線しない結果となった．これについ
図 5

折り曲げ実験結果 (山折り方向)．

これが断線の原因となったと考えられる．普通紙上に作成した Leaf Circuits は折り曲げ条件が 90◦ の場合，10 回の
繰返しでサンプルの 80%が断線せず，また 180◦ の場合でも 5 回程度の繰返しであれば全てのサンプルが断線しない
ことが確認された．これに対し，厚紙上に作成した Leaf

Circuits は普通紙に比べ，耐久性が低い傾向にあった．折り曲げ条件 90◦ の場合，5 回の繰返しでは 80%であったが，10 回の繰返しでは 20%まで減少している．折り曲げ
条件が 180◦ の場合でも同様の傾向が見られ，5 回の繰返
しでは 60%，10 回の繰返しでは 20%が断線しない結果となった．今回，幅 2 mm の回路パターンのみを対象に計測を行ったが，線の幅が広くなるにつれ，回路が断線する確率が下がる傾向を確認している．

5.1.4 折り曲げ方向による影響
これらの実験結果は，紙の折り曲げ向きによって変化することが見込まれる．それぞれの回路を谷折り方向に折り曲げた場合の実験を再度実施した．なお (2) 回路を折り曲げた状態の計測を行う際，内側に折り曲げられた回路同士の接触を防ぐため，間に厚さ 0.1 mm 以下の普通紙を挟んだ状態で計測を行った．
実験の結果，回路にかかる負荷が大きい場合 (紙が厚い，折り曲げ角度が大きい，折り曲げの繰返し回数が多いなど) に，山折りに比べ谷折りの方が，耐久性が低下する傾向が見られた (図 6)．一部，厚紙上に作成した Leaf

Circuits が 180◦ の折り曲げ条件において，10 回の繰返し後にも 60%が断線しない結果となっていた．しかしこれは 90◦ に比べ，180◦ の折り曲げを行った回路の方が断線しやすいという全体の傾向に反しており，作成した Leaf

Circuits の個体差によって生じたものであると考えられる．
実験に使用するサンプル数を増やすことで，同様の傾向が得られる可能性がある．また回路にかかる負荷が小さい場ては，谷折りは外側に折り曲げられる山折りに比べ，回路にかかる負荷が小さく，裂け目が生じなかったためであると考えられる．

5.1.5 考察
これらの実験の結果から，Leaf Circuits は導電性インクの印刷回路よりも高い耐久性を持つことが示された．特に普通紙上に作成した Leaf Circuits は，導電性インクの印
刷回路が一度の 180◦ の折り曲げだけで断線してしまうことに対し，5 回程度であれば繰返しの折り曲げを行っても断線せず使用可能である．普通紙は比較的薄く，折り曲げやすいことから，提案手法は特に 4.1 節に示した様な折り紙による立体的な回路の作成に適した技術だと言える．
また，印刷用紙の厚さが Leaf Circuits 回路の繰返しの折り曲げ耐性に影響を与えることが分かった．これは基板となる紙の厚みが増すほど，折り曲げの際に金属箔にかかる負荷が大きくなることが原因であると考えられる．この影響は折り曲げ回数が増えるほど大きくなり，山折り・谷折り共に 90◦ の折り曲げ条件でも，厚紙上に作成した Leaf

Circuits は 5 回の折り曲げから断線が始まり，10 回では殆どのサンプルが断線している．これは導電性インクの耐久性を下回る結果となった．本実験では繰返しの折り曲げ回数を最大 10 回までとしたが，薄い普通紙を使用する場合
でも，折り曲げ角度に依らず，繰返し回路の開閉を続けると断線に繋がることが予想される．そのためスイッチなど
繰返し折り曲げを必要とする箇所を作成する場合，配線を太くする，折り曲げ角度を狭くする，回路表面を薄いテー
プでコーティングするなど，劣化を抑える工夫が必要となる．なお本手法は Soft Inkjet Circuits [11] の様に，焼結など回路の耐久性を向上させるための後処理を行う手法と比べると耐久性は低い．そのため製品レベルでのより高い耐久性・信頼性を要する場合は別の手法を利用する必要がある．
また Leaf Circuits は導電性インクの印刷に比べ抵抗値が高く，個体差が生じやすいという制約を持つ．予備調査の結果から，作成時の個体差を小さくするためには，幅 2.0mm 以上の配線を作成することが望ましい．また，より小
さい抵抗値が必要な場合は，銀または銅箔を使用することで対応可能である．今回，金箔のみを対象として実験を実施したが，今後は銀箔や銅箔を使用した場合，トナー転写
によってその他の用紙上に作成した回路に対しても評価を
図 6

折り曲げ実験結果 (谷折り方向)．

© 2020 Information Processing Society of Japan

実施する．

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IPSJ Interaction 2020

5.2 実験 2: 引き伸ばし耐性評価

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れる．実験に当たり，布の斜め方向に回路パターンを配置

実験 1 ではレーザプリンタで印刷した紙の基板上に直接したサンプルも作成したが，殆どが作成段階で断線してい作成した回路の耐久性評価を行った．これに加え，トナー

たため，評価対象としなかった．このことから 4.2 節で示

転写手法を用いて布上に作成した回路を対象とし，引き伸した様なウェアラブルタッチセンサの様に意図的に引き伸ばし耐性評価を行う．

ばすことを前提としない使用法が望ましいと考えられる．

5.2.1 実験手順

次に布上に作成した Leaf Circuits を繰り返し引き伸ば布には，シワができにくい性質を持つサテンを使用しした際の抵抗値の変化を調査した．ここでは図 8 左の結果

た．実験には，長さ 50.0 mm，幅 0.5 mm，1.0 mm，2.0から，最も抵抗値の変化が少なかった 8.0 mm 幅の回路パmm，5.0 mm，8.0 mm の線を持つ回路パターンを使用す

ターンを対象として計測を行う．繰り返しの回数は 3 回とる (図 7 左)．各回路パターンには，両端にテスタを接続す

し，10.0 mm/min の速度で引き伸ばしを行う．引き伸ばるための 2 つの円を持つ．引き伸ばし操作はフォーステス

し距離の上限は，使用した布が破断する距離の約半分であタ（MCT-2150，A&D) を使用して行う．デジタルマルチ

る 10.0 mm とした．結果，引き伸ばされ上昇した抵抗はあ

メータはラップトップ PC に接続され，計測したデータをる程度は戻るが，初期状態までは戻らないことが示された

自動的に記録する．布基板上の回路パターンをクリップで(図 8 右)．ここで，フォーステスタで計測された布にかか固定し，フォーステスタを使用して 10.0 mm/min（最大る張力に着目すると，最初の引き伸ばしでのみ約 140 N の

500 N）の速度で引き伸ばす操作を行った (図 7 右)．なお，力を要し，その後は約 80 N で 10.0 mm の引き伸ばしが行

本実験は経糸方向に引き伸ばしを行うものとする．

われていることが分かる．これは布の引き伸ばしに際し，ある一定の距離で布を構成する経糸の繊維が破断し，元の長さまで戻らない状態になっていることが考えられる．このことから Leaf Circuits により布上に作成した回路の抵抗値変化は経糸の伸縮性に依存し，糸の長さが戻る範囲であれば，同様に上昇した抵抗値も戻ることが分かる．
現状，著者らは布 (サテン) 及び耐洗紙上に作成した金箔回路を洗濯機に入れて洗っても断線せずに使用できるこ

図 7 実験 2: 引き伸ばし性能評価．(左) 実験サンプル，(右) 引き伸ばし実験の様子．

5.2.2 結果と考察
図 8 左に実験の結果を示す．グラフから全ての条件の抵抗値は，張力が増加するにつれて高くなることが分かる．
張力が約 200 N を超えた時点で布が完全に破断し，同時にとを確認している．今後は使用できる布のバリエーション(特に異なる伸縮性の布の調査) や，布ごとの回路の耐久性について詳細な評価を実施する．また，繰り返しの引き伸ばし耐性の限界についても今後実験を行う．

6. ユーザ実験

回路が断線したことを確認した．このとき布は約 20 mm

Leaf Circuits による回路の作成手法が，電子工作の経験(元のサイズの 40%程度) 引き伸ばされていた．このことのない一般ユーザでも簡単に行えるかについて調査するこから布上に作成した Leaf Circuits は経糸方向の引っ張りとを目的とし，ユーザ実験を実施した．本実験は練習と自には強く，回路が断線しにくいことが分かる．一方，布上由制作の 2 つのセッションから構成される．参加者は 18に作成した Leaf Circuits は斜め方向に対する耐久性が著

歳から 24 歳 (平均年齢: 20.1 歳, SD: 2.0) までの学部生及しく低いことを確認している．一般的な布は経糸方向にはび大学院生 8 名であり，2 名が女性，6 名が男性である．参伸びにくく，斜め方向に最も伸びやすいことが知られてい加者は電子工作の経験の有無に関わらず無作為に集められる．そのため，斜め方向に引き伸ばされた際に，布上の金たが，その内 3 名の参加者 (D，G，及び H) が電子工作の属箔に裂け目が生じることが断線の原因となったと考えら経験があると回答した．また全ての参加者は Leaf Circuits
による回路作成の経験がない．参加者には事前に研究の目
的と概要，予想される所要時間，及びタスクの目標 (自分で設計した簡単な LED 回路を作成) を説明し，それらのデー
タ収集を行う．実験は大学のファブリケーションスペース
で実施した．実験に使用する金属箔及び基板材料は著者らで事前に用意し，参加者はそれらを自由に使用することができる．金属箔には L サイズの金箔 (93 mm × 93 mm），

S サイズの金箔 (43 mm × 43 mm)，銀箔（95 mm × 95
図 8 (左) 引き伸ばし実験結果, (右) 繰返しの引き伸ばし実験結果．

© 2020 Information Processing Society of Japanmm) を使用した．

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6.1 練習セッション

INT20011
2020/3/9の参加者が時間内に Leaf Circuits による回路作成に成功(練習 1) 本セッションでは，参加者はまず Leaf Circuits

した．参加者 A のみが練習 2 にて転写用紙の交換を 2 度の基本的な回路作成 (3.1 章参照) の練習を行う．Leaf Cir-

行っているが，3 度目の試行で作成に成功していた．自由

cuits の作成手順の説明を行った後に，著者らが回路作成

制作セッションでは，全ての参加者がオリジナルの LEDの実演を行った．練習セッションでは予め印刷した回路パ回路を製作することができた．作業時間は参加者によってターンを用意し ，その上に S サイズの金箔を貼り付ける

異なり，最短で約 80 分，最長で約 5 時間であった．参加作業を行う．作業後，参加者はデジタルマルチメータを使者の殆どがレーザプリンタで直接回路パターンを印刷した用して，作成した Leaf Circuits が導電性を持ち，回路とし紙の基板上に LED 回路を作成していた．多くの参加者はて機能することを確認する．

Adobe Illustrator や Microsoft PowerPoint などのソフト(練習 2) 練習 1 の後に，トナー転写手法による回路作成

ウェアを使用している．3 人の参加者 (A，E，F) は手描き

(3.2 章参照) の練習を行う．練習 1 と同様に作成手順の説のイラストをスキャンし，回路パターンを作成していた．

明を行った後に，著者らが回路作成の実演を行った．参加

参加者の半数が一回以上，回路の作成に失敗し，新しい基者はトナー転写用紙を用い，布 (サテン) の上に回路パター

板用紙を用いていた．

ンを転写し，練習 1 と同様に金箔の貼り付けを行う．作業後，参加者はデジタルマルチメータを使用して，作成した

表 3

ユーザ実験結果 (練習セッション).

参加者

A

B

C

D

E

F

G

H

Leaf Circuits が導電性を持ち，回路として機能することを

金箔の

練習 1

2

1

1

1

1

1

1

1

確認する．練習セッションの作業時間は 2 つの練習を通し

使用枚数

練習 2

2

3

1

1

2

1

2

1

練習 1

0

0

0

0

0

0

0

0

練習 2

0

2

0

0

0

0

0

0

て 1 時間を目標とした．実験中，参加者は用意された金箔

失敗回数を何枚使用しても良いものとする．また金箔の貼り付けに失敗したり，回路パターンが印刷された基板用紙や転写用

6.4 考察紙が破けるなど使用できなくなった場合，自由に交換して6.4.1 作成難易度

良いものとする．

ユーザスタディを通して，全ての参加者が Leaf Circuitsの制作手順を理解し，タスクを完了していた．参加者全員

6.2 自由制作セッションが 1 時間未満の練習だけで Leaf Circuits による回路作成

2 つの練習セッションの後，参加者は回路の自由制作をを習得し，オリジナルの回路作成を達成した．これらの結行う．本セッションでは，参加者に LED を点灯するため

果から，Leaf Circuits は経験のないユーザであっても容易の簡単な回路パターンの作成を課題として与えた．まず初に実施可能であることが分かった．実験中，殆どの参加者

めに，参加者は自分が作成したい回路のデザインを行う．

が貼り付け作業に失敗せず，1 枚の基板用紙を使用して回回路パターンの作成方法は PC 上のソフトウェアの使用や，路を完成させた．これに対し各練習タスクにて，参加者の手書きしたものをスキャンするなどの各自の持つスキルに半数以上が複数枚の金箔を使用していた．これは金箔を回応じて自由に選択することができるものとした．セッショ

路パターンの中央からずれた箇所に配置してしまい，印刷

ン中，参加者は事前に用意された 3 種類の金属箔を自由に

面の全ての領域を覆えていないことが原因であった．参加

使用し制作を行うことができる．トナー転写手法の使用を者は一度金箔の貼り付けを行った後に，再度新しい金箔を希望した参加者には，基板マテリアルとして木材 (MDF)

使用し，部分的に覆われていない領域の修正を行っていまたは布 (サテン) を提供した．デザイン及び，金属箔のた．この様に一度の金属箔の貼り付け作業で，全ての回路貼り付けを終えた参加者は，導電性接着剤 (NO SOLDER,

パターンを覆うことができなかったとしても修正は容易でエレファンテック株式会社) を使用して表面実装 LED をあり，繰り返し作業を行うことで回路を完成させることが取り付け，回路を完成させる．LED の点灯には Arduino

できる．今回使用した回路パターンは S サイズの金箔一枚

Uno 及び，LED Blink プログラムを使用して動作を確認すで覆うことのできるものであったが，より大きなサイズのる．全ての作業が完了した後，参加者に対しアンケートを回路パターンを作成する場合は，同様に複数枚の金属箔を実施した．

使用することで作成可能である．
参加者 F は「印刷した回路パターンの上に金箔を貼る手

6.3 結果順が難しかった」とコメントしていた．参加者 B 及び E

表 3 及び 表 4 にユーザ実験の結果を示す．表中「失敗は「金箔は風の影響を受けてめくれやすいため，失敗の数

回数」は参加者が金属箔の貼り付けに失敗し，新しい基板が増えた」と述べている．これは今回実験に使用した金箔

用紙 (転写用紙) に交換した回数を示している (「0」は失と銀箔が 0.3 mm 以下と非常に薄い素材であることが原因

敗がなく，参加者が最初に提供された基板用紙のみを用いである．練習 2 において参加者 B が最も多くの金箔を使て作成したことを意味する）．練習セッションでは，全て用し，回路パターン用紙を 2 回交換していた (表 3)．これ© 2020 Information Processing Society of Japan103

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表 4

ユーザ実験結果 (自由制作セッション).

は参加者 B が室内のエアコンの風の影響を受けやすい位

この様に電子工作の経験が浅く，失敗を繰り返した参加

置で作業をしていたことが原因であった．練習セッション者もいるが，最終的に全員が LED 回路として機能する作中，一時的にエアコンを停止させたところ，参加者 B は回品を完成させた．本実験を通し Leaf Circuits は未経験者

路作成に成功していた．これらのことから，Leaf Circuits

であっても容易に回路パターンを作成できることが示されによる回路作成を行う際は，エアコンなど風の影響を受けた．一方で電子工作の経験や知識が少ない参加者の一部はにくい場所での作業が推奨される．

意図した LED 回路として機能させることができず，デザ

自由制作セッションでも同様に，全員が問題なくタスク

インの修正に時間を要していた．こうした電子工作の初学を完了していた．参加者は制作のために 1 時間以上の作業者に対しては，ConductAR [12] の様な支援ツールと併用

時間を費やしていた．しかし全体の作業時間の内，参加者することで改善できる可能性がある．

の殆どは回路パターンのデザインや LED の設置に時間を

6.4.2 安全性

費やしており，金属箔の貼り付け作業にかけた時間は 10〜

参加者 A は実験後のアンケートで「好きなデザインの

30 分程度であった．これらのことから Leaf Circuits によ

回路が短時間で作れ，安全であるのは良い利点である」とる回路作成は学習コストが低く，1 時間未満の練習だけで回答している．Leaf Circuits は導電性インクの印刷による習得できることがわかる．

回路作成とは異なり，科学薬品を必要としない．特に金箔参加者の殆どが電子工作の経験がなく，中には「LED がは DuoSkin [8] の様に，人間の皮膚上に回路を作成する手

点灯する仕組みを理解していなかった」とコメントしてい法が存在していることからも，直接手で触れても害はなくる参加者もいる (参加者 C)．また参加者 A は「電気が流れ安全性も高い．唯一作業中に注意する必要がある点としてる仕組みを考慮しながらデザインを考えるのが大変だった」

は，160◦ C 以上に加熱されたアイロンを扱うことである．

とコメントしている．本ユーザ実験の目的は，一般ユーザ

しかしながら，アイロンがけは日常的な行為であり，使いでも Leaf Circuits による回路作成が実施可能かを確認す

方を誤らなければ安全性は確保される．今回の参加者は全ることであった．そのため参加者には LED 点灯の仕組み

員が正しくアイロンがけを行っており，火傷を負った者はの説明など，タスク完了に必要な電子工作に関するサポーいなかった．本論文中では使用していないが，温度調整がトを実験中に適宜行った．参加者 F は「設計がショートし可能なラミネータを使うことで，より安全に回路の作成がやすいものだったので LED を設置するのが大変だった」

できる．

とコメントしている．参加者 F の制作物は手書きでデザインした回路パターンを取り込み，PC 上で編集したもの

7. まとめ使用していた．しかし，デザインした回路パターンの配線本研究ではレーザプリンタで印刷されたトナーによる接が細すぎたために LED の接着が上手くできず，失敗を繰

着に着目し，金属箔を使用した回路の作成手法 Leaf Cir-

り返していた．そこで回路パターンを拡大し配線が太くな

cuits を提案した．提案手法により，紙や木材，布など様々るよう修正した上で LED の接着作業を行うよう指示した．

な素材の上に，容易・迅速・低コストに耐久性の高い回路

その結果 LED の貼り付けには成功したが，依然として配の作成を実現した．既存手法である導電性インクの印刷

線の密度が高いデザインとなっていたため，ショートが起による回路が特殊な専用紙でしか作成できないことに対こりやすいものとなっていた．参加者 F の作品は元々眼鏡

し，提案手法ではより多くの用紙を適用することができる．

型にデザインされたものであったが，最終的には LED を

これによりユーザーは目的に応じて適した用紙を使用し，うまく配置できた半分を眼帯型として提出していた．

アプリケーションが作成できる．また耐久評価を実施し，© 2020 Information Processing Society of Japan104

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Leaf Circuits が既存の導電性インクを用いた回路作成に比べ高い耐久性を持つことを示した．更にユーザ実験を実施
し Leaf Circuits は回路の作成経験がないユーザでも短時[13]間で習得可能な技術であり，数時間の作業でオリジナルの回路を作成できることを示した．
謝辞

本研究は JST ERATO 川原万有情報網プロジェ

クト（JPMJER1501）の助成を受けたものである．

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