柔軟センサー向け印刷電子技術｜VMANX

2006年に設立されたISO 9001認証取得済みの印刷電子機器メーカー、VMANXは、 産業用制御装置、スマート家電、ロボット、薄型人機インターフェース向けの柔軟性センサー用印刷電子機器を開発しています。 中国・東莞市で製造されており、回路が曲がる必要があることや、限られた空間に収める必要があること、また同一の表面で力・タッチ・位置・振動などを検知する必要があることに応えるため、銀・カーボン・誘電体インクをPET、PI、または機能性ポリマー薄膜に直接印刷します。パターン印刷、制御された硬化、ラミネーション、ダイカット、電気的検査を組み合わせることで、1枚の薄膜部品が、従来別々に存在していた配線、スイッチ、センシング素子のすべてを代替できます。

回路が表面の一部となる

従来の電子機器は、まず剛性基板から始まり、製品側にその設置スペースを確保させる設計です。一方、印刷電子機器は製品の表面から出発し、その形状にどの電気的機能を組み込めるかを問います。

導電性パターンはインターコネクトとして機能します。カーボンインクは抵抗素子を形成できます。印刷された電極は、生体信号や圧電信号を検出・収集できます。誘電体層を用いることで、2つの回路が交差してもショートしません。また、物理的なフィードバックや照明が必要なインターフェース部には、メタルドーム、LED、コネクタなどを後工程で統合できます。

その結果得られるのは、単に薄型化された回路基板ではありません。これはまったく異なるアーキテクチャであり、センシング層、配線、ユーザーインターフェースが、従来のように個別の機械部品として組み立てるのではなく、1枚の柔軟な基材上で統合されるのです。

重要な特徴 と 利点 アディティブ・パターニングは、機能が必要な箇所にのみ材料を用います。

銀印刷PET回路では、導電性ペーストを配線、電極、または接点が必要な箇所にのみ塗布します。正式なVMX-FPC-AGプロセスでは、PET基材の切断およびコロナ処理の後に銀印刷を行い、熱硬化し、必要に応じて誘電体層またはカーボンインクを印刷した後、低温でスタイフナーをラミネートし、再度切断・電気特性試験を行います。

この添加法による製造ルートでは、エッチング回路で用いられる完全な銅除去工程を回避できます。低電流の信号経路やシンプルな1層・2層構造の設計においては、アプリケーションが不要な性能を購入することなく、試作期間の短縮と量産コストの削減が可能です。

機能性インクで1枚のフィルムから複数の部品を実現

印刷電子技術が価値を持つのは、各インクが異なる電気的機能を担うためです：

• 銀ペースト 低抵抗の導線および接点パッドを形成します。

• カーボンインク 抵抗性トラックおよび力感知領域を形成します。

• 絶縁インク 交差する導線を絶縁し、特定の領域を保護します。

• 印刷電極 機械的入力、タッチ入力、または圧電入力を回路に結合します。

これらの材料を1枚の基板上に積層することで、エンジニアは各機能ごとに別途ワイヤーハーネスを追加することなく、圧力センサーやメンブレン・ポテンショメーター、タッチインターフェース、あるいは信号検出部を実現できます。

柔軟な基板は、剛性基板では設置できない場所にも対応可能です。

PET基板は50μm、75μm、100μm、188μm、250μmの厚みで提供されており、透明タイプも含まれます。高温耐性やより精密なパターン形状、またはSMT実装が必要な場合は、12.5～125μmの厚みのPI基板が使用可能です。また、振動・音響・動的荷重の検出に用いるアクティブな圧電層としてPVDFフィルムを追加できます。

これらのフィルムは曲面に巻きつけたり、オーバーレイの下を通したり、狭い筐体内を通過させたりすることが可能で、完成品内部に隠すこともできます。回路は、筐体を基板に合わせるのではなく、あらかじめ想定された機械的空間（メカニカル・エンベロープ）に合わせて設計されます。

印刷電子技術は、単一の物理原理にとどまらず、複数のセンサー原理に対応します。

同一の製造プラットフォームで、以下の複数の電気的特性を実現できます：

• ピエゾ抵抗型FSR 印加された力を抵抗値の変化に変換します。

• 静電容量式タッチ 上部のオーバーレイを通じて近接または指による操作を検出します。

• 膜状ポテンショメータ 直線的または回転位置をアナログ出力に変換します。

• PVDF圧電フィルム 動的力、振動、または音響エネルギーを電荷に変換します。

• 膜スイッチ 印刷回路とタクタイルドーム、オーバーレイ、および任意の照明を組み合わせた構造です。

これはOEMチームにとって重要です。なぜなら、1つのサプライヤーが関連する材料、金型、検査ロジックを活用して複数のインタフェースを一括で解決できるためであり、各センシング方式ごとに別個の製造ラインを導入する必要がなくなるからです。

3つの材料プラットフォーム、3つのエンジニアリングウィンドウ

印刷電子技術は、汎用的な単一材料積層構造ではありません。最適なプラットフォームは、使用温度、電流、曲げ耐久性、光学的要件、および組立方法によって決まります。

PETシルバープリント回路 — 高速・薄型・透明性も可能

VMX-FPC-AGは、PET基板上にスクリーン印刷された銀ペーストを採用しています。標準的な銀層の乾燥厚さは5～15 μmで、最小ライン／スペースは150／150 μm（高度なプロセスにより100／100 μmも対応可能）、定格トラック条件における最大電流容量は0.8 Aです。動作温度範囲は－20℃～＋80℃、耐曲げ寿命は5万回以上です。

本製品の特長は光学的自由度にあります。オプションの銀ナノワイヤー（AgNW）版では、波長550 nmにおける透過率が最低89％以上、表面抵抗値は50～100 Ω／□を実現します。これにより、透明タッチパネル、低消費電力センサー、LEDストリップ、迅速な試作など、多様な用途に対応可能です。ただし、トレードオフも明確です。PET基板はリフロー半田付けに対応しておらず、部品実装には低温用導電性接着剤を用いる必要があります。

PI銅箔フレキシブルプリント基板 — 高精度・大電流対応・SMT実装対応

VMX-FPC-CUは、ポリイミド（PI）基板上にエッチング加工された銅箔を採用しています。最小ライン／スペースは75／75 μm（0.5 oz銅箔では50／50 μm）、シングルエンド方式での特性インピーダンスは50 Ω、差動方式では100 Ω（許容誤差±10％）を実現し、規定の試験方法においてRA銅を用いた場合、20万回以上のフレキシブル曲げ耐性を有します。使用温度範囲は－40℃～＋150℃であり、リフロー半田付けに対応した構造です。

このプラットフォームは、高電流を扱う回路、高密度実装が必要な回路、反復的な動的曲げに耐える必要がある回路、あるいは特性インピーダンス制御が求められる回路に最適な選択肢です。コスト面では最も安価な選択肢ではありませんが、銀ペースト印刷方式では得られない電気的・実装上の余裕を提供します。

PVDF印刷電極——フィルムそのものがセンサーとなる

VV-PVDF6866プラットフォームは、高純度PVDFフィルムを採用し、銀ペースト電極を印刷し、多層封止構造を実現しています。コアフィルムの厚さは28μm、44μm、110μmの3種類から選択可能で、電極層の厚さは5～10μmです。公表されている性能仕様には、0.1Hz～100MHzの周波数応答、±1％FSの直線性誤差、-20℃～+85℃での動作保証、および44μmフィルムにおける最低1800VDCの誘電破壊電圧が含まれます。

ここで印刷された電極は、別途設けられたセンサーから信号を伝送する単なる導線ではなく、アクティブフィルム自体から直接電荷を収集する役割を果たします。この構造により、薄型・柔軟な振動・音響・動的力センサーを実現でき、設備監視、輸送機器、医療機器開発、ウェアラブルフィードバックなど幅広い用途に適用可能です。

技術仕様

記載の仕様値はVMANX社が公表する製品プラットフォーム仕様であり、すべての印刷電子回路設計に共通する限界値ではありません。最終的な性能は、パターン形状、インク種類、基材、硬化条件および実装方法によって左右されます。

再現性を左右する製造プロセス 1. 下地の準備

フィルムは電子部品ではなく、機械的材料として供給されます。洗浄、カット、表面処理によって、機能性インクが均一に濡れ・密着するかどうかが決まります。PET基板上の銀配線では、印刷前にコロナ処理を行います。表面処理が不十分な場合、初期の外観検査では問題が見つからないこともありますが、その後の曲げや湿度環境下で信頼性が低下する可能性があります。

2．機能性インクの塗布

スクリーン印刷または高精度パターン印刷により、導電部およびセンシング部の形状が定義されます。ライン幅、乾燥膜厚、位置合わせ（レジストレーション）の制御が、抵抗値およびチャンネル間の一貫性を左右します。安価なインクであっても、塗布が不均一であれば、コストパフォーマンスの高い回路にはならず、単にばらつきのある可変抵抗器と化してしまいます。

3．制御された硬化と積層

硬化エネルギーは、印刷された銀が所定の導電性および密着性を達成するかどうかを決定します。オプションのカーボン層および誘電体層を追加することで、センシング機能や絶縁機能を付与できますが、各新しい層の追加に伴い、位置合わせ精度（レジストレーション）や硬化積層（キュア・スタッキング）による相互作用が生じるため、これらをシステム全体として検証する必要があります。

4．ラミネーション、切断、電気試験

最終的なダイカットを行う前に、保護層、補強材（ステイファー）、接着剤系、コネクタを装着します。その後、電気試験により、導通性、絶縁性、および対象となるセンサ応答特性を確認します。この工程で、単なる印刷パターンは、装飾フィルムではなく、性能が制御された部品へと変わります。

印刷電子回路が不適切な選択肢となる場合

印刷電子回路は、幾何形状、薄さ、柔軟性、透明性、あるいは統合型センシング機能が、導体の最大密度や電力耐性よりも重視される場合に優れています。しかし、あらゆる回路に対して自動的に最適な選択肢となるわけではありません。

製品に高密度SMT実装、複数回の高温リフロー、インピーダンス制御、または銀プラットフォームの熱限界を超える電流が要求される場合、PI（ポリイミド）銅箔フレキシブルプリント基板（FPC）の方が優れた選択肢です。一方、実験室レベルの精度で低周波静的荷重を測定する必要がある場合は、FSR（フォースセンシングレジスタ）よりもロードセルの方が適している可能性があります。また、単一の表面への圧力検出ではなく、部屋全体における存在検出が求められる場合は、センサーマットよりもレーダーの方が適しています。

技術的なメリットは、すべてのプロジェクトを単一の技術に無理に当てはめないことにあるのです。むしろ、実際の要件を満たす中で、最もシンプルな構成のプラットフォームを選択することにあります。

お客様向けFAQ

Q：印刷電子とは何ですか？ A：印刷電子は、導電性・抵抗性・誘電性・あるいは能動的な材料を、PETやPI、PVDFなどの基材上にパターン状に印刷・堆積させる技術です。こうして印刷された層により、フィルム上に直接回路、電極、および検出領域が形成されます。

Q：印刷銀回路と銅箔FPCは同じものですか？ A：いいえ。PET基板上の印刷銀は、低電流・短納期・透明設計に適した添加型・低温プロセスです。一方、銅製フレキシブルプリント配線板（FPC）は、ポリイミド（PI）基板上での減算型エッチングを用いており、より細幅の配線、高電流対応、SMTリフロー実装、およびインピーダンス制御が可能です。

Q：印刷電子回路は透明にできますか？ A：はい。VMANX社の銀ナノワイヤー（AgNW）透明タイプは、表面抵抗値50～100 Ω／□、波長550 nmにおける透過率89％以上を実現しています。標準の印刷銀は目視で確認可能ですが、透明性を実現するには専用のAgNW構造が必要です。

Q：PET基板上の銀配線に部品を直接実装できますか？ A：はい。ただし、標準の高温リフローでは実装できません。PET基板への部品実装には低温導電性接着剤を使用します。従来型SMTリフロー実装を必要とする用途には、PI基板上の銅配線プラットフォームをご利用ください。

Q：配線の柔軟性はどの程度ですか？ A：公表されているPET銀プラットフォームは、規定のMIT試験条件下で5万回以上のフレックスサイクルに耐えられます。一方、PI銅基板（RA銅付き）は20万回以上のサイクルに耐えます。実際の寿命は、曲げ半径、積層厚さ、配線方向、および組立時の応力緩和措置によって異なります。

Q：印刷センサーにはどのようなインクが使用されますか？ A：銀インクは導電パスを形成し、カーボンインクは抵抗素子または力感知素子を形成し、誘電体インクは絶縁および保護機能を提供します。具体的な積層構造は、検出原理および電気的要件に応じて異なります。

Q：この産業用印刷電子プラットフォームには、どの認証が適用されますか？ A：VMANX社は、ISO 9001に基づき産業用プラットフォームを製造しており、RoHSおよびREACH規制への適合も確認済みです。製品固有の承認については、最終用途に応じて異なり、完成品を市場に投入するブランド企業が当該承認を保有します。

Q：1つのプロジェクトで、印刷センサーと銅製フレキシブルプリント配線板（FPC）を併用できますか？ A：はい。ハイブリッド構造では、大面積のセンシングまたはタッチ層に印刷フィルムを、高密度部品や電源・コネクタ配線にはポリイミド（PI）銅箔フレキシブルプリント基板（FPC）をそれぞれ使用できます。ただし、両者の接合部は、抵抗値、ストレインリリーフ、および選択された組立温度に応じて設計する必要があります。

OEM向けエンジニアリングサポート

VMANX社は、材料・プロセス選定から回路レイアウト、試作、量産移行に至るまで、印刷電子技術関連プロジェクトを包括的に支援しています。 工業用 製品群には フレキシブルプリント回路 ,圧力センシング抵抗器 ,膜状可変抵抗器 ,HMIシステムについて学ぶ であり、 PVDF圧電センサー 。詳細な技術資料は、以下の製品についてご提供可能です。 2シリーズ産業用FPCプラットフォーム ,産業用薄膜式フォースセンサ（FSR） ,PVDFフィルムセンサ であり、 膜状スイッチ仕様書 .

まとめ

印刷エレクトロニクスは、回路と表面の境界をなくします。導体、抵抗体、電極、絶縁体、およびインタフェース機能を、柔軟なフィルム上に直接パターン化し、その後、ラミネート、カット、検査を一括して行うことで、設計された単一の部品として製造できます。その商業的価値は、薄さだけにあるわけではありません。部品点数が減り、機械的な体積が小さくなり、センシング構造を製品の形状に合わせて設計できる——つまり、製品を硬質な基板に無理に合わせるのではなく、基板を製品に合わせられるという点にあります。