JP5853107B2 - 荷重センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、伸縮可能なセンサ部および配線部を備える柔軟な荷重センサに関し、詳しくは、配線部の構造に関する。

例えば、特許文献１には、伸縮可能な誘電層を挟んで表側電極と裏側電極とを交差するように配置した静電容量型センサが、開示されている。表裏方向に対向する表側電極と裏側電極との間には、複数の検出部が形成される。静電容量型センサに荷重が加わると、その部分の検出部の厚さ、すなわち、表側電極と裏側電極との間の距離が小さくなる。これにより、検出部の静電容量が大きくなる。このように、静電容量型センサによると、静電容量の変化に基づいて、荷重分布を検出することができる。

特許文献１に記載された柔軟な静電容量型センサにおいては、荷重による誘電層の弾性変形を規制しないように、表側電極および裏側電極（以下、適宜まとめて「電極」と称す）や、電極と測定回路とを電気的に接続する配線は、エラストマーを母材とする導電材料から形成される。

特開２０１１−７５３２２号公報 特開２００５−３１７６３８号公報 特開２００４−０３１６４１号公報 特開平６−１９４６８０号公報

配線の導電材としては、電気抵抗を小さくするという観点から、銀粉末が用いられる。具体的には、上記特許文献１に記載されているように、配線は、エラストマー分のポリマーに銀粉末を分散させた銀ペーストを、スクリーン印刷して形成される。センサの大きさとセンシングエリアとの関係上、配線を配置できるスペースは限られる。このため、一本一本の配線の幅が小さくなるように、銀ペーストを、できるだけ細く（幅を小さくして）印刷せざるを得ない。一方、配線の電気抵抗は小さい方がよい。加えて、配線には、繰り返される伸びや曲げに耐えられる耐久性も要求される。このため、銀ペーストを、できるだけ厚く印刷している。

例えば、上記静電容量型センサを、自動車の座席や車椅子のシートセンサとして使用した場合、局所的に大きな荷重が加わりやすい。この場合、センサは大きく変形し、それに追従して配線も伸長される。上述したように、一本の配線の面積は小さい。また、電気抵抗を小さくするために、銀粉末が比較的多量に配合されているため、電極と比較して伸縮性に劣る。このため、局所的に大きな荷重が加わると、伸長により電気抵抗が著しく増加したり、断線するおそれがある。このように、柔軟なセンサにおいては、配線の耐久性向上が課題であるが、印刷法により形成できる厚さには限界がある。また、配線の厚さを大きくするだけでは、電気抵抗の増加や断線を抑制することは難しい。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、伸縮可能で耐久性に優れた配線部を備える柔軟な荷重セン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、本発明の荷重センサは、荷重を検出する伸縮可能なセンサ部と、該センサ部に接続される配線部と、を備え、該配線部は、伸縮性を有する基材の表面に配置されエラストマーおよび導電性炭素粉末を含む第一導電層と、該第一導電層に積層され、該第一導電層よりも面積が小さく、エラストマーおよび金属粉末を含む第二導電層と、を有することを特徴とする。

配線部は、少なくとも第一導電層と第二導電層とが積層された二層構造を有する。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。また、補強効果がある導電性炭素粉末を含む第一導電層を、従来の配線に相当する第二導電層と基材との間に介在させることにより、第二導電層を補強することができる。そして、第一導電層は導電性炭素粉末を含むため、金属粉末を含む第二導電層よりも弾性率が小さい。基材と第二導電層との間に柔軟な第一導電層を介在させることにより、伸縮時に生じる応力を、第一導電層で吸収させて緩和することができる。加えて、第一導電層においては、第二導電層と比較して、伸長された場合の電気抵抗の増加が小さい。このため、伸長時に第二導電層の電気抵抗が増加しても、あるいはクラックが発生して導通が断たれたとしても、接触する第一導電層を通して導通を確保することができる。

例えば、面積の大きさが異なる二層を貼着して積層させる場合、面積の小さい小面積層を先に形成すると、その上に積層される面積の大きい大面積層と小面積層の側面との間に隙間が生じやすく、その部分に伸縮時の応力が集中してしまう。この問題については、印刷法で形成することにより、解消される。しかし、印刷法により、小面積層を先に形成した場合、後から印刷される大面積層において、小面積層のエッジに当接する部分の厚さが薄くなってしまう、という問題がある。これでは、積層による充分な補強効果を得ることができない。

この点、本発明の配線部によると、基材／第一導電層（面積大）／第二導電層（面積小）の順で積層される。つまり、先に大面積層を形成してから小面積層を形成する。このため、貼着、印刷のいずれの方法で形成しても、上記問題は生じない。したがって、積層による補強効果を充分に発揮させることができる。以上説明したように、本発明によると、配線部の耐久性が向上する。したがって、本発明の荷重センサは、耐久性に優れる。

なお、上記特許文献２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２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る。荷重センサとは異なり、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２においては、伸びや曲げに対する銀配線の耐久性は、問題にされていない。また、上記特許文献３、４には、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、いずれの導電層においても、伸縮性は必要ではない。このため、伸びや曲げに対する銀配線の耐久性は、問題にされていない。

（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記配線部において、前記第二導電層の一部は前記第一導電層に埋入されている構成とする方がよい。

本構成によると、第一導電層と第二導電層との接触面積が大きくなり、両者の密着力が大きくなる。これにより、伸縮を繰り返しても、第一導電層と第二導電層とが剥離しにくい。また、第一導電層による第二導電層の補強効果も大きくなる。

（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記第一導電層および前記第二導電層は、各々、印刷法により形成される構成とする方がよい。

印刷法によると、長尺、細線、薄膜状の第一導電層および第二導電層を、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。

上述したように、第二導電層の面積は、第一導電層の面積よりも小さい。このため、印刷法を採用しても、面積の小さい薄膜の上に面積の大きい薄膜を印刷する場合に、上側の薄膜が薄肉化するという印刷段差の問題は、生じない。

（４）好ましくは、上記（３）の構成において、前記配線部は、前記第一導電層を形成するための第一導電塗料を前記基材の表面に塗布した後、半硬化状態の該第一導電塗料の表面に前記第二導電層を形成するための第二導電塗料を塗布して形成される構成とする方がよい。

本構成において、半硬化状態とは、塗布された塗料が完全に硬化する前の状態を意味する。第一導電塗料を完全に硬化させる前に第二導電塗料を塗布すると、第二導電塗料の塗布圧により、第一導電塗料の塗膜表面が凹む。この状態で第一導電塗料および第二導電塗料を硬化させることにより、第二導電層の一部が第一導電層に埋入した上記（２）の構成の配線部を、形成することができる。

また、第二導電層の面積は、第一導電層の面積よりも小さい。例えば、本構成と逆の順番で印刷すると、すなわち、小面積の第二導電塗料の上に大面積の第一導電塗料を印刷すると、第一導電塗料に含まれる大量の溶剤が、半硬化状態の第二導電塗料の塗膜表面を覆うことになる。これにより、第二導電塗料の塗膜中のポリマー分や金属粉末が第一導電塗料側に滲んでしまい、金属粉末の分散状態にむらが生じたり、第二導電層の寸法が変化してしまうおそれがある。これに対して、本構成においては、まず、大面積の第一導電塗料を印刷し、その後に小面積の第二導電塗料を印刷する。したがって、第二導電塗料の滲みによる上記問題は生じにくい。すなわち、本構成によると、金属粉末の分散状態が良好な第二導電層を、高い寸法精度で形成することができる。

（５）好ましくは、上記（１）ないし（４）のいずれかの構成において、前記配線部は、さらに、前記第一導電層および前記第二導電層を被覆する保護層を有する構成とする方がよい。

保護層で被覆することにより、第一導電層および第二導電層は、空気に触れにくくなる。これにより、第二導電層の金属粉末が酸化しにくい。よって、長期間使用しても、第二導電層の導電性は、低下しにくい。また、保護層で被覆することにより、配線部と外部との絶縁性を確保することができる。さらに、配線部の補強効果も期待できる。保護層の材質としては、配線部の伸縮性を阻害しないよう、伸縮可能なエラストマーを採用することが望ましい。

（６）好ましくは、上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、前記配線部は、測定回路に電気的に接続される接続端部を有し、該接続端部は、前記第二導電層を被覆するように前記第一導電層に積層され、樹脂および導電性炭素粉末を含む補強層を有する構成とする方がよい。

伸縮する配線部をコネクタ等に接続した場合、配線部の接続端部に応力が集中しやすい。本構成によると、補強効果がある導電性炭素粉末を含む補強層が、接続端部に配置される。これにより、接続端部の強度が大きくなり、配線部の耐久性が向上する。

（７）好ましくは、上記（１）ないし（６）のいずれかの構成において、前記センサ部は、ポリマー製の誘電層と、該誘電層の表側に配置され、伸縮性を有する表側基材と、該表側基材の該誘電層側の裏面に配置されエラストマーおよび導電性炭素粉末を含む表側電極と、を有する表側シート部材と、該誘電層の裏側に配置され、伸縮性を有する裏側基材と、該裏側基材の該誘電層側の表面に配置されエラストマーおよび導電性炭素粉末を含む裏側電極と、を有する裏側シート部材と、を備え、該誘電層を挟んで対向する該表側電極と該裏側電極との間に形成される検出部の静電容量の変化から荷重を検出可能であり、前記配線部は、該表側基材の裏面に配置され該表側電極に接続される表側配線部と、該裏側基材の表面に配置され該裏側電極に接続される裏側配線部と、からなり、該表側配線部の前記第一導電層は該表側電極と連続して形成され、該裏側配線部の該第一導電層は該裏側電極と連続して形成される構成とする方がよい。

本構成の荷重センサは、静電容量型センサであり、表側シート部材に配置される表側電極と、裏側シート部材に配置される裏側電極と、の間の距離（検出部の厚さ）の変化に伴う静電容量の変化から、荷重を検出する。ここで、表側配線部の第一導電層と表側電極とは、いずれも、エラストマーおよび導電性炭素粉末を含む。同様に、裏側配線部の第一導電層と裏側電極とは、いずれも、エラストマーおよび導電性炭素粉末を含む。したがって、第一導電層と、表側電極および裏側電極と、を同じ材料で形成することができる。すなわち、表側電極および裏側電極を各々延長するだけで、容易に第一導電層を形成することができる。

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。 配線部の形成工程を示す断面図であり、（ａ）は第一導電塗料印刷工程を、（ｂ）は第二導電塗料印刷工程を、（ｃ）は保護層用塗料印刷工程を、（ｄ）は補強層用塗料印刷工程を示す。

１：静電容量型センサ（荷重センサ）、１０：センサ部、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：第一導電層、３３：第二導電層、３４：保護層、３５：補強層、３２０：凹部、３２１：第一導電塗料、３３０：端子部、３３１：第二導電塗料、３４１：保護層用塗料、３５１：補強層用塗料。
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。

次に、本発明の荷重センサの実施の形態について説明する。

［静電容量型センサの構成］
まず、本発明の荷重センサの一実施形態である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。ウレタンフォームは、本発明における「ポリマー」に含まれる。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。静電容量型センサ１において、センサ部１０は、誘電層１１を挟んで表側シート部材２０および裏側シート部材３０が積層された領域である。

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の第二導電層３３に接続されている。端子部３３０は、第二導電層３３と同じ導電材料からなり、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。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３２と、第二導電層３３と、保護層３４と、を有している。

第一導電層３２は、裏側基材３１の上面に配置されている。第一導電層３２は、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙと同じ導電材料からなり、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。第一導電層３２は、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙの各々と連続して形成されている。第一導電層３２の幅は４ｍｍであり、厚さは１０μｍである。第一導電層３２の上面の表面粗さは、１．９８μｍである。第一導電層３２の未伸長時の体積抵抗率は２．０×１０^−１Ω・ｃｍであり、５０％伸長時の体積抵抗率は７．０×１０^−１Ω・ｃｍである。第一導電層３２を形成する導電材料の弾性率は、２０ＭＰａである。第一導電層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。

第二導電層３３は、第一導電層３２の上面に積層されている。第二導電層３３の下部は、第一導電層３２の凹部３２０に配置されている。第二導電層３３は、ウレタンゴムおよび銀粉末を含んでいる。第二導電層３３の幅は１ｍｍであり、第一導電層３２の幅よりも小さい。第二導電層３３の厚さは５０μｍである。第二導電層３３の体積抵抗率は、６．７×１０^−５Ω・ｃｍであり、５０％伸長時の体積抵抗率は２．０×１０^−３Ω・ｃｍである。第二導電層３３を形成する導電材料の弾性率は、１００ＭＰａである。第二導電層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、第一導電層３２および第二導電層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３２と、第二導電層３３と、補強層３５と、を有している。補強層３５は、第二導電層３３を被覆するように第一導電層３２の上面に積層されている。第二導電層３３は、第一導電層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。

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。第一導電層は、表側基材２１の下面に配置されている。第一導電層は、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘと同じ導電材料からなり、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘの各々と連続して形成されている。第一導電層の下面には、長手方向に延びる凹部が形成されている。第二導電層は、第一導電層の下面に積層されている。第二導電層の上部は、第一導電層の凹部に配置されている。第二導電層の幅は、第一導電層の幅よりも小さい。第二導電層は、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、第二導電層を被覆するように第一導電層の下面に積層されている。第二導電層は、第一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を包囲するセンサ部１０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、表側基材２１に、表側電極０１Ｘ〜０８Ｘおよび表側配線部０１ｘ〜０８ｘを形成して、表側シート部材２０を作製する。同様に、裏側基材３１に、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙおよび裏側配線部０１ｙ〜０８ｙを形成して、裏側シート部材３０を作製する。

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の第一導電層、を形成するための第一導電塗料。
（２）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。
（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。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。

一例として、図６に、裏側配線部０１ｙの形成工程を示す。図６（ａ）に示すように、裏側基材３１の上面に、第一導電塗料３２１をスクリーン印刷する。その後、形成された第一導電塗料３２１の塗膜を予備乾燥して、半硬化状態にする。続いて、図６（ｂ）に示すように、半硬化状態の第一導電塗料３２１の塗膜の上面に、第二導電塗料３３１をスクリーン印刷する。この際、第二導電塗料３３１の塗布圧により、第一導電塗料３２１の塗膜の上面が押圧され、上面に凹部３２０が形成される。これにより、第二導電塗料３３１の塗膜の下部は、第一導電塗料３２１の塗膜に埋入される。その後、形成された第二導電塗料３３１の塗膜を予備乾燥して、半硬化状態にする。次に、接続端部３００ｙ以外の部分においては、図６（ｃ）に示すように、半硬化状態の第一導電塗料３２１の塗膜および第二導電塗料３３１の塗膜を被覆するように、保護層用塗料３４１を、裏側基材３１の上面にスクリーン印刷する。また、接続端部３００ｙにおいては、図６（ｄ）に示すように、半硬化状態の第二導電塗料３３１の塗膜を被覆するように、補強層用塗料３５１を、第一導電塗料３２１の塗膜の上面にスクリーン印刷する。そして、形成した塗膜を、加熱により硬化して、裏側配線部０１ｙを形成する。この際、端子部３３０を含む裏側電極０１Ｙも、同時に形成される。

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によると、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、各々、第一導電層３２と第二導電層３３とを有する。同様に、表側配線部０１ｘ〜０８ｘも、各々、第一導電層と第二導電層とを有する。裏側配線部０１ｙ〜０８ｙと表側配線部０１ｘ〜０８ｘとは、構成が同じであるため、同じ作用効果を奏する。よって、ここでは両者を代表して、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの作用効果を説明する。

第一導電層３２および第二導電層３３は、いずれもエラストマーを母材とする。このため、裏側基材３１と共に伸縮可能である。また、補強効果がある導電性炭素粉末（カーボンブラック、カーボンナノチューブ）を含む第一導電層３２を、従来の配線に相当する第二導電層３３と裏側基材３１との間に介在させることにより、第二導電層３３を補強することができる。ここで、第一導電層３２の弾性率は、第二導電層３３の弾性率よりも小さい。したがって、裏側基材３１と第二導電層３３との間に、柔軟な第一導電層３２を介在させることにより、伸縮時に生じる応力を、第一導電層３２で吸収させて緩和することができる。加えて、第一導電層３２においては、第二導電層３３と比較して、伸長された場合の電気抵抗の増加が小さい。このため、伸長時に第二導電層３３の電気抵抗が増加しても、あるいはクラックが発生して導通が断たれたとしても、接触する第一導電層３２を通して導通を確保することができる。

第一導電層３２および第二導電層３３は、各々、スクリーン印刷法により形成される。ここで、第二導電層３３の面積は、第一導電層３２の面積よりも小さい。このため、面積の小さい薄膜の上に面積の大きい薄膜を印刷する場合に、上側の薄膜が薄肉化するという印刷段差の問題は、生じない。したがって、積層による補強効果を充分に発揮させることができる。また、第一導電層３２と、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙと、は同じ材料から形成される。このため、裏側電極０１Ｙ〜０８Ｙを各々延長するだけで、容易に第一導電層３２を形成することができる。

裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、第一導電塗料３２１を裏側基材３１の上面に塗布し、第一導電塗料３２１を完全に硬化する前に第二導電塗料３３１を塗布して形成される。これにより、第一導電層３２の上面に凹部３２０が形成され、第二導電層３３の下部が凹部３２０に埋入される。したがって、第一導電層３２と第二導電層３３との接触面積が大きくなり、両者の密着力が大きくなる。よって、伸縮を繰り返しても、第一導電層３２と第二導電層３３とが剥離しにくい。また、第一導電層３２による第二導電層３３の補強効果も大きくなる。また、大面積の第一導電塗料３２１を印刷し、その後に小面積の第二導電塗料３３１を印刷する。したがって、第二導電塗料３３１のポリマー分や銀粉末が、第一導電塗料３２１側に滲むおそれは小さい。したがって、銀粉末の分散状態が良好な第二導電層３３を、高い寸法精度で形成することができる。

第一導電層３２の上面（第二導電層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、第一導電層３２の厚さの約１／５である。第一導電層３２の上面の表面粗さが大きいため、アンカー効果により、第一導電層３２と第二導電層３３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３２と第二導電層３３とが剥離しにくい。

裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、接続端部３００ｙを除いて、保護層３４を有する。これにより、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙは、さらに補強される。また、第二導電層３３に含まれる銀粉末の酸化が抑制される。よって、長期間使用しても、第二導電層３３の導電性は、低下しにくい。また、保護層３４は絶縁性を有するため、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙと外部との絶縁性を確保することができる。一方、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの接続端部３００ｙは、補強層３５を有する。これにより、接続端部３００ｙの強度が大きくなり、裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの耐久性がより向上する。

このように、静電容量型センサ１においては、表側配線部０１ｘ〜０８ｘおよび裏側配線部０１ｙ〜０８ｙの耐久性が高い。したがって、静電容量型センサ１は、耐久性に優れる。

＜その他＞
以上、本発明の荷重センサの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

上記実施形態においては、本発明の荷重センサを静電容量型センサとして具現化した。しかし、本発明の荷重センサのセンサ部は、静電容量を検出する構成に限定されるものではない。例えば、センサ部を、圧力により電気抵抗が変化する感圧導電エラストマー等から構成してもよい。また、静電容量型センサの場合でも、上記実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、表側シート部材、裏側シート部材を備えずに、誘電層の表裏両面に、各々、電極および配線部を配置してもよい。

誘電層や保護層としては、エラストマーまたは樹脂を用いればよい。例えば、静電容量を大きくするという観点では、比誘電率が高いものが望ましい。好適なエラストマーとしては、例えばシリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、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、ウレタンゴム等が挙げられる。また、好適な樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン(架橋発泡ポリスチレンを含む)、ポリ塩化ビニル、塩化ビニリデン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体等が挙げられる。ポリプロピレンとしては、ポリエチレン（ＰＥ）および／またはエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）により変性したポリプロピレン(変性ＰＰ)を用いてもよい。また、これらの樹脂の二種以上を含むポリマーアロイまたはポリマーブレンドを用いてもよい。

配線部が形成される基材としては、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。上記実施形態においては、配線部を、保護層または補強層を含んで構成した。しかし、保護層、補強層は無くてもよい。

配線部の第一導電層および第二導電層を構成するエラストマーとしては、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。両層のエラストマーは、同じでも異なっていてもよい。

第一導電層の導電性炭素粉末としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト等が挙げられる。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。例えば、第一導電層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。第一導電層を形成する導電材料の未伸長時の体積抵抗率は、第二導電層を形成する導電材料の未伸長時の体積抵抗率より、大きくてもよい。しかし、第一導電層の未伸長時の体積抵抗率と、第二導電層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。

第一導電層の体積抵抗率は、伸長しても増加しにくいことが望ましい。例えば、未伸長時に対する５０％伸長時の体積抵抗率の変化が、１０倍以下であることが望ましい。また、柔軟性を高めて伸縮しやすくするという観点から、弾性率は５０ＭＰａ以下であることが望ましい。このような特性を実現するために、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。

第一導電層と第二導電層との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、第一導電層の表面粗さを、自身の厚さの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、第一導電層の表面粗さを、自身の厚さの２倍以下にするとよい。

本明細書においては、第一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、配線部の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、第一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）
第二導電層の金属粉末としては、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が挙げられる。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。なかでも、銀粉末が好適である。導電性をより高くするという観点から、第二導電層の未伸長時の体積抵抗率は、５×１０^−２Ω・ｃｍ以下、さらには１×１０^−３Ω・ｃｍ以下であると好適である。

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、１００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。

次に、配線部を構成する第一導電層および第二導電層の実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。

＜第二導電塗料Ａの調製＞
次のようにして第二導電塗料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。

＜第一導電塗料Ｂ〜Ｄの調製＞
次のようにして第一導電塗料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、第一導電塗料Ｂと同様にして、第一導電塗料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。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。

＜配線部の製造＞
基材の上面に、第一導電塗料Ｂ〜Ｄのうちの一つから第一導電層を形成し、その上に第二導電塗料Ａから第二導電層を形成して、二層からなる配線部を製造した。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Ｂ〜Ｄのいずれかから形成される第一導電層の大きさは、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ１０μｍとした。第二導電塗料Ａから形成される第二導電層の大きさは、幅２ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ２５μｍとした。実施例１〜３の配線部は、本発明の配線部に含まれる。

［実施例１］
次のようにして、基材の上面に第一導電層Ｂ／第二導電層Ａからなる配線部を製造した。まず、基材の上面に、第一導電塗料Ｂをスクリーン印刷した。そして、形成された第一導電塗料Ｂ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Ｂの塗膜の上面に、第二導電塗料Ａ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］
実施例１における第一導電塗料Ｂを第一導電塗料Ｃに変更して、基材の上面に第一導電層Ｃ／第二導電層Ａからなる配線部を製造した。

［実施例３］
実施例１における第一導電塗料Ｂを第一導電塗料Ｄに変更して、基材の上面に第一導電層Ｄ／第二導電層Ａからなる配線部を製造した。

［比較例１］
基材の上面に、第一導電塗料Ｂをスクリーン印刷し、加熱により塗膜を硬化して、第一導電層Ｂのみからなる配線部を製造した。

［比較例２］
基材の上面に、第二導電塗料Ａをスクリーン印刷し、加熱により塗膜を硬化して、第二導電層Ａのみからなる配線部を製造した。

＜電気抵抗の測定＞
上側の第二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、配線部が形成された基材の両端部を、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、配線部を伸縮させた。配線部の伸長率は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１〜３の配線部においては、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、第一導電層のみを備える比較例１の配線部においては、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の配線部は、初期の電気抵抗が大きいため、配線には適さない。また、第二導電層のみを備える比較例２の配線部においては、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。

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配線部においては、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。

本発明の荷重センサは、自動車の座席、車椅子、マットレス、カーペット等に配置される柔軟なセンサとして好適である。また、人工皮膚、人の動きを検出するモーションキャプチャ、キーボード等の情報入力デバイス等にも好適である。

Claims (6)

1. 荷重を検出する伸縮可能なセンサ部と、
   該センサ部に接続される配線部と、
   を備え、
   該配線部は、
   伸縮性を有する基材の表面に配置されエラストマーおよび導電性炭素粉末を含む第一導電層と、
   該第一導電層に積層され、該第一導電層よりも面積が小さく、一部は該第一導電層に埋入されており、エラストマーおよび金属粉末を含む第二導電層と、
   を有することを特徴とする荷重センサ。
2. 前記配線部は、印刷された前記第一導電層および印刷された前記第二導電層を有する請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記配線部は、さらに、前記第一導電層および前記第二導電層を被覆する保護層を有する請求項１または請求項２に記載の荷重センサ。
4. 前記配線部は、測定回路に電気的に接続される接続端部を有し、
   該接続端部は、前記第二導電層を被覆するように前記第一導電層に積層され、樹脂および導電性炭素粉末を含む補強層を有する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の荷重センサ。
5. 前記センサ部は、
   ポリマー製の誘電層と、
   該誘電層の表側に配置され、伸縮性を有する表側基材と、該表側基材の該誘電層側の裏面に配置されエラストマーおよび導電性炭素粉末を含む表側電極と、を有する表側シート部材と、
   該誘電層の裏側に配置され、伸縮性を有する裏側基材と、該裏側基材の該誘電層側の表面に配置されエラストマーおよび導電性炭素粉末を含む裏側電極と、を有する裏側シート部材と、
   を備え、該誘電層を挟んで対向する該表側電極と該裏側電極との間に形成される検出部の静電容量の変化から荷重を検出可能であり、
   前記配線部は、該表側基材の裏面に配置され該表側電極に接続される表側配線部と、該裏側基材の表面に配置され該裏側電極に接続される裏側配線部と、からなり、
   該表側配線部の前記第一導電層は該表側電極と連続して形成され、該裏側配線部の該第一導電層は該裏側電極と連続して形成される請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の荷重センサ。
6. 請求項１に記載の荷重センサの製造方法であって、
   前記第一導電層を形成するための第一導電塗料を前記基材の表面に印刷する工程と、
   該第一導電塗料の塗膜を半硬化状態にする工程と、
   半硬化状態の該第一導電塗料の塗膜の表面に、前記第二導電層を形成するための第二導電塗料を印刷する工程と、
   該第一導電塗料の塗膜および該第二導電塗料の塗膜を硬化して該第一導電層および該第二導電層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする荷重センサの製造方法。

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