(57)【要約】  櫛歯状電子デバイスは、伝導体（２１０）、櫛歯状電極（２２０）、及びそれらの間が十分に加圧された伝導体と櫛歯状電極を電気的に接続するため伝導体と櫛歯状電極間に配置される複合材料（２３０）を備える。複合材料は、電気絶縁層内に少なくとも部分的に埋め込まれる導電性粒子を備える。導電性粒子は、相対的な配向を有さず、伝導体と櫛歯状電極間でなされる実質的な全ての電気的接続がｚ方向であるように配置される。伝導体及び櫛歯状電極の少なくとも一方が他方に向かって移動可能である。
2009503867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）伝導体と、
（ｂ）櫛歯状電極と、
（ｃ）前記伝導体と前記櫛歯状電極とを電気的に接続するために、これらの間に十分な圧力を適用したもとで、前記伝導体と前記櫛歯状電極との間に配置される複合材料であって、
前記複合材料が、少なくとも部分的に電気絶縁層に埋め込まれる導電性粒子を含み、
前記導電性粒子が、相対的な配向を有さず、前記伝導体と前記櫛歯状電極との間でなされる実質的な全ての電気的接続がｚ方向になるように配置される複合材料とを備え、
前記伝導体及び前記櫛歯状電極の少なくとも一方が他方に向って移動可能である、櫛歯状電子デバイス。
【請求項２】
前記伝導体と前記櫛歯状電極との間でなされる実質的な全ての電気的接続が、単一粒子を経由するように、前記導電性粒子を配置する、請求項１に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項３】
２個以下の粒子が、互いに接触するように、前記導電性粒子を配置する、請求項２に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項４】
２個の粒子が、互いに接触しない、請求項３に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項５】
前記伝導体が、プラスチックフィルム上に設けられた金属コーティングを備える、請求項１に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項６】
前記金属コーティング及びプラスチックフィルムが、透明である、請求項５に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項７】
前記伝導体が、櫛歯状電極を備える、請求項１に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項８】
前記櫛歯状電極が、基材上に配置される、請求項１に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項９】
前記基材が、可撓性である、請求項８に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１０】
前記基材が、透明である、請求項８に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１１】
前記伝導体及び前記櫛歯状電極が、透明である、請求項１に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１２】
前記伝導体及び前記櫛歯状電極の少なくとも一方が、透明な導電性酸化物を含む、請求項１１に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１３】
デバイスのいたる所で電気応答を測定する手段を更に備える、請求項１に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１４】
前記電気絶縁層が、圧力の解除により実質的にその本来の寸法に戻ることができる、請求項１に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１５】
前記電気絶縁層が、約０℃〜約１００℃でほぼ一定のＧ’を有するエラストマー材を含む、請求項１４に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１６】
前記電気絶縁層が、約０℃〜約６０℃でほぼ一定のＧ’を有するエラストマー材を含む、請求項１５に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１７】
前記電気絶縁層が、約１ｘ１０３Ｐａ〜約９ｘ１０５ＰａのＧ’を有し、かつ２３℃で１Ｈｚに対し約０．０１〜約０．６０の損失正接を有するエラストマー材を含む、請求項１４に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１８】
前記電気絶縁層が、自己回復するエラストマー材を含む、請求項１４に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項１９】
デバイスのいたる所で動的電気応答を測定する手段を更に備える、請求項１４に記載の櫛歯状電子デバイス。
【請求項２０】
デバイスが、力起動スイッチ又は力センサーである、請求項１に記載の櫛歯状電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、櫛歯状電極を有する力起動及び力覚電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
力スイッチ及び力覚膜は、種々のアプリケーションに使用され、接触／タッチを検知し、力若しくは適用される負荷の相対的な変化を検知及び測定し、力の変化速度を検知及び測定し、並びに／又は力若しくは負荷の解除を検知する。
【０００３】
力スイッチ及び力覚膜は、別の方法で分離された導電性フィルム、電極、又は回路が、ユーザーによる力の適用を受けて統合されるときの信号を検知することにより典型的に機能する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、力覚膜は、一般的に２つの導電接点間に位置決めされる導電性粒子（「エラストマー層」）を含むエラストマーで構成される。圧力が導電接点の１つに加えられると、導電接点がエラストマー層の表面に押し付けられ、伝導経路が形成される。伝導経路は、エラストマーを介して曲がりくねった経路を作製する導電性粒子の鎖で構成される。従って、エラストマー内の導電性粒子の濃度は、連続的な経路を作製するため特定の閾値以上（すなわち、パーコレーション閾値以上）でなければならない。圧力が増加すると、導電接点とエラストマー層の表面間に多数の広範な接点が形成される。このようにして、エラストマー及び導電性粒子を介する多数の伝導経路を形成し、エラストマー層に対する抵抗を減少させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前述した点を考慮して、本発明者らは、従来技術の力スイッチ及び力覚膜の伝導経路が多数の導電性粒子接点から構成されているため、抵抗及びヒステリシスの変動を招くおそれがあることを認識している。
【０００６】
手短に言えば、１つの態様において、本発明は、導電性粒子の濃度がパーコレーション閾値未満である櫛歯状電子デバイス（例えば、櫛歯状の力スイッチ及び力センサー）を提供する。櫛歯状電子デバイスは、（ａ）伝導体と、（ｂ）櫛歯状電極と、伝導体と櫛歯状電極との間に配置される複合材料を備える。
【０００７】
本明細書で使用する時、用語「櫛歯状電極」とは、面内電極のディジット様又は指様の周期的なパターンを指す。図１は、代表的な櫛歯状電極を示す。櫛歯状電極１００は、指様のパターン及び２本のトレース１２５を備えるパッド領域１１５を含む。パターンは、１５本の「指」１３５で構成される。又、用語「櫛歯状」は、当該技術分野において場合によっては例えば「周期的」、「マイクロストリップ」、「櫛」（若しくは「櫛をいれる」）、「格子」、又は「指間部の」等の同義用語に置き換えられる。この発明は、当該技術分野におけるこれら又は任意のその他の同義用語ではなく用語「櫛歯状」を使用することにより不必要に限定されることを意図しないことはいうまでもない。
【０００８】
伝導体及び櫛歯状電極の少なくとも一方が他方に向かって移動可能である（すなわち、伝導体が櫛歯状電極に向かって移動可能であるか、櫛歯状電極が伝導体に向かいあって移動可能であるか、伝導体及び櫛歯状電極の両方が互いに向かいあって移動可能である）。
【０００９】
複合材料は、少なくとも部分的に電気絶縁層に埋め込まれる導電性粒子を含む。導電性粒子は、それらの間を十分に加圧した状態で伝導体及び櫛歯状電極を電気的に接続する。導電性粒子は、相対的な配向を有さず、伝導体と櫛歯状電極間でなされる実質的な全ての電気的接続がｚ方向になるように配置される（すなわち、伝導体と櫛歯状電極間でなされる実質的な全ての電気的接続は、相対的に平面構造体の厚さ方向であって、面内（ｘ−ｙ）方向ではない）。
【００１０】
従って、発明の櫛歯状電子デバイスは、多くの導電性粒子接点で構成されたものより抵抗及びヒステリシスの変動が少ない力スイッチ及び力センサーの当該技術分野におけるニーズに適合する。
【００１１】
更に、伝導体がフィルム上に導電性コーティングを備える場合、発明の櫛歯状電子デバイスは、おどろくほど感度が良いことを発見した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明の櫛歯状電子デバイスは、種々のアプリケーションに使用され、接触／タッチを検知し、力若しくは適用される負荷の相対的な変化を検知及び測定し、力の変化速度を検知及び測定し、並びに／又は力若しくは負荷の解除を検知する。
【００１３】
本発明の櫛歯状電子デバイスに十分な圧力を適用すると、電気的接続が伝導体と櫛歯状電極間でなされる。本発明は、伝導体と櫛歯状電極間で電気的接続を行うため、実質的に全ての電気接点が、好ましくは１つ以上の単一粒子を介するような方法で配置される（すなわち、伝導体と櫛歯状電極の両方が、同一粒子又は粒子と同時に電気的に接続する）導電性粒子を使用する。導電性粒子は、少なくとも部分的に電気絶縁層に埋め込まれる。絶縁するとは、その材料が、伝導体及び導電性粒子より実質的に導電性が少ないことを意味する。本明細書で使用する時、「絶縁」材料又は層とは、約１０９Ωを超える固有抵抗を有する。
【００１４】
電気絶縁層は、加圧下でなされる電気的接続を加圧されないときに実質的に減少させることができる。
【００１５】
例えば、電気絶縁層は、加圧下で電気的接続を可能にするために変形でき、加圧されてないときに伝導体及び櫛歯状電極をそれらの初期の分離位置に戻すことができる弾性材料であってよい。
【００１６】
電気的接続が、１つ以上の単一粒子を介して行われるように導電性粒子を配置することでいくつかの利益を得ることができる。伝導体及び櫛歯状電極は、単一粒子を介して電気的に接続しているため、粒子接触毎で多くて２個だけの接触点を接触抵抗に寄与し（伝導体に接触する導電性粒子が、一方の接触点であり、櫛歯状電極に接触する同じ導電性粒子が、他方の接触点である）、この接触点の数は、特定の櫛歯状電子デバイスの起動毎で変化しない。これにより装置が作動される度に比較的低い接触抵抗およびより一貫した信頼性の高い再現可能な信号を生じる。より低い接触抵抗が、より少ない信号損失の原因となり、最終的により高い信号対雑音比となり、タッチ若しくは力センサーデバイスのより精度のよい位置又は圧力測定をもたらすことができる。
【００１７】
単一粒子電気接点の他の利点は、粒子配列要件及び好ましい粒子と粒子の配向がないことである。例えば粒子を配向および配列させするために製造中に磁界を印加する必要がないため、製造が容易になるとともに低コストになる。更に、磁気配列を使用すると、導電性粒子が、生成したフィルムの厚さ全体に広がり、圧力がない場合は全体的な構成が導電性でなくなるような他の絶縁層を適用する必要がある。粒子配列要件がないことにより、繰返し作動および／または比較的強い力の印加時に歪曲および破損する恐れのある装置の厚さ方向に垂直配向した配列ワイヤまたは細長いロッドを採用する装置に比べて耐久性も改善することができる。粒子配列及び配向の要件がないことで、本発明の櫛歯状電子デバイスは、デバイスが湾曲し、不規則であり、又は別の方法で、平坦でない構成で実装されることになるアプリケーションにとりわけ好適である。
【００１８】
本発明の櫛歯状電子デバイスはまた、複合材料を最も大きい導電性粒子より僅かに大きくするだけでよいため、非常に薄く作製することが可能である。比較的低い粒子充填を使用でき、同時に信頼性及び十分な解像度を引き続き維持する。また、起動力（すなわち、櫛歯状電子デバイスを起動するのに必要な力）が膜表面に対して均一になるよう粒子を配置できる。低粒子密度を利用可能であることも、使用する粒子が少ないためコスト有利性がある。
【００１９】
図２には、導電性層２１０形態の伝導体、櫛歯状電極２２０、伝導体と櫛歯状電極間の複合材料２３０、及び櫛歯状電子デバイス２６０に対する電気的応答（ここでは抵抗として示される）を測定する手段を含む櫛歯状電子デバイスを示す。導電性層２１０及び櫛歯状電極２２０の少なくとも一方が、例えば外圧力によって他方に移動可能である。複合材料２３０は、完全に又は部分的に電気絶縁層に埋め込まれる導電性粒子を有する。
【００２０】
導電性層２１０は、導電性シート、フォイル又はコーティングであってよい。導電性層の材料としては、例えば金属類、半導体類、ドープ半導体類、半金属類、金属酸化物類、有機伝導体類、導電性ポリマー類等及びこれらの混合物のような任意の好適な導電性材料を挙げることができる。好適な無機材料としては、例えば銅、金、及びその他の金属類又は一般に電子デバイスで使用される金属合金類、並びに透明な導電性酸化物類（例えば、インジウム酸化スズ（ＩＴＯ）、アンチモン酸化スズ（ＡＴＯ）等）のような透明な導電性材料が挙げられる。グラファイトも使用できる。好適な有機材料としては、例えば導電性有機金属化合物類、並びにポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリチオフェン及び欧州特許公報ＥＰ１１７２８３１に開示されたもののような材料等の導電性ポリマーが挙げられる。
【００２１】
アプリケーション（例えば、ヘルスケア／メディカルアプリケーション）によっては、導電性層は、水蒸気に対して透過性であることが好ましい。導電性層の湿気透過速度（ＭＶＴＲ）は、ＡＳＴＭ  Ｅ−９６−００による水方法を使用して測定したとき少なくとも約４００ｇ水／ｍ２／２４時間（より好ましくは、少なくとも約８００、更により好ましくは少なくとも約１６００、最も好ましくは少なくとも約２０００）であることが好ましい。
【００２２】
伝導体は、自己支持型であってもよく、又は基材を提供されてもよい（図２に不図示）。好適な基材は、剛性（例えば、硬質プラスチック、ガラス、金属、若しくは半導体）又は可撓性（例えば、可撓性プラスチックフィルム、可撓性フォイル若しくは薄いガラス）であってよい。基材は、アプリケーションにより透明又は不透明であってよい。
【００２３】
伝導体は、第２櫛歯状電極であってもよい。
【００２４】
好ましくは、伝導体は、プラスチックフィルム上に設けられる金属又は導電性ポリマーコーティングを備える。より好ましくは、伝導体は、ポリエステルフィルム上に金属又は導電性ポリマーコーティングを備える。最も好ましくは、伝導体は、ポリエステルフィルム上にポリエチレン−ジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、インジウム酸化スズ（ＩＴＯ）、又は透明な銀コーティングを備える。
【００２５】
櫛歯状電極は、典型的に絶縁基材上に導電性の指様パターンを含む。パターン化導電性材料としては、例えば、金属類、半導体類、ドープ半導体類、半金属類、金属酸化物類、有機伝導体類、導電性ポリマー類等及びこれらの混合物のような任意の好適な材料を挙げることができる。好適な基材は、剛性（例えば、硬質プラスチック若しくはガラス）又は可撓性（例えば、可撓性プラスチックフィルム、薄いガラス若しくは布地）であってよい。基材は、アプリケーションにより透明であってもよいし、不透明であってもよい。
【００２６】
好ましくは、櫛歯状電極は、プラスチック基材上に銀インク又はＩＴＯを備える。より好ましくは、櫛歯状電極は、ポリエステル基材上に銀インク又はＩＴＯを備える。
【００２７】
アプリケーション（例えば、ヘルスケア／メディカルアプリケーション）によっては、櫛歯状電極の基材は、水蒸気に対して透過性であることが好ましい。基材の湿気透過速度（ＭＶＴＲ）は、ＡＳＴＭ  Ｅ−９６−００による水方法を使用して測定したとき少なくとも約４００ｇ水／ｍ２／２４時間（より好ましくは、少なくとも約８００、更により好ましくは少なくとも約１６００、最も好ましくは少なくとも約２０００）であることが好ましい。
【００２８】
導電性材料をパターン化するのに有用な方法は、使用する導電性材料によって決まることになる。例えば、銀、インク、銀−パラジウムインク及び炭素インク等の幾つかの材料は、スクリーン印刷を使用してパターン化できる。酸化スズ、酸化亜鉛、インジウム酸化スズ、酸化アンチモン及びアンチモン酸化スズ等の合金の導電性コーティングは、ポリマー基材にスパッタリング又はプラズマ溶着し、そのあとに標準のエッチング技術を使用しパターン化できる。他の導電性材料は、電子ビーム熱蒸着により溶着し、そのあとに従来のマスクエッチングを使用しパターン化できる。
【００２９】
当該技術分野において既知のように、櫛歯状パターンは、その面積、指の数及び／又はそれらの間の空間を変化させ、出力信号の強度を制御することにより調節できる。典型的に、櫛歯状電極の指間の空隙部は、ショートを防止するため導電性粒子より大きくなる。
【００３０】
伝導体と櫛歯状電極の間に配置される複合材料は、少なくとも部分的に電気絶縁層に埋め込まれる導電性粒子を含む。デバイスが加圧され伝導体又は櫛歯状電極が他方を基準にして移動する際（すなわち、伝導体が櫛歯状電極に向かって移動する又は逆もまた同様）、電気的接続が伝導体及び櫛歯状電極の両方が接触した単一粒子を介して行われるように導電性粒子が配置される。
【００３１】
電気絶縁層の代表的な材料としては、伝導体と櫛歯状電極の間に十分な電気的分離を維持でき、並びに変形性と弾力性の性能を示し、絶縁材料を圧縮でき、１つ以上の単一粒子接点を介して伝導体の電気的接続がもはや十分に加圧されないと伝導体及び櫛歯状電極を電気的に分離状態に戻すことができるこれらの材料が挙げられる。好適な絶縁材料としては、シリコーン類、ポリシロキサン類、ポリウレタン、ポリシリコーン−ポリウレタン、ゴム、エチレンビニルアセテートコポリマー類、フェノールニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、ポリエーテル−ブロック−アミド類、及びポリオレフィン類等が挙げられる。
【００３２】
アプリケーション（例えば、ヘルスケア／メディカルアプリケーション）によっては、電気絶縁層が水蒸気に対して透過性であることが好ましい。エラストマー材の湿気透過速度（ＭＶＴＲ）は、ＡＳＴＭ  Ｅ−９６−００による水方法を使用して測定したとき少なくとも約４００ｇ水／ｍ２／２４時間（より好ましくは、少なくとも約８００、更により好ましくは少なくとも約１６００、最も好ましくは少なくとも約２０００）であることが好ましい。
【００３３】
アプリケーションによっては、電気絶縁層材料が、実質的に湿度に影響されないことも好ましい。
【００３４】
図３（ａ）は、電気絶縁層３５０内に部分的に埋め込まれた導電性粒子３４０を含む複合材料３３０の１つの実施例を示す。図３ｂは、電気絶縁層３５１内に完全に埋め込まれた導電性粒子３４１を含む他の複合材料３３１の実施例を示す。図３（ａ）及び図３ｂは、本発明に有用な複合材料の実施形態を示すが、エラストマー層又は材料の任意の特定の表面に対して導電性粒子が完全に若しくは部分的に任意の好適な比率で任意の好適な位置に埋め込まれる任意の好適な配列が使用されてもよい。本発明は導電性粒子が装置の厚さ方向に重なっている別例を有する複合材料を排除するものではない。
【００３５】
好ましくは、少なくとも粒径を複合物の厚さ方向（ｚ）で測定するとき、最も大きい導電性粒子は、電気絶縁材料の層の厚さより少なくともいくぶん小さい。これが、電気的ショートの防止に役立つ。
【００３６】
好適な導電性粒子としては、接触している導電性外表面を有する任意の好適な粒子が挙げられる。例えば、導電性粒子は、固体粒子（例えば、金属球体）、導電性材料がコーティングされた固体粒子、導電性外殻を有する中空粒子、又は導電性材料がコーティングされた中空粒子であってもよい。導電性材料としては、例えば金属類、導電性金属酸化物類、有機伝導体類及び導電性ポリマー類、並びに半導体類等を挙げることができる。被覆粒子の核は中実または中空のガラスもしくはプラスチックビーズ、セラミック粒子、カーボン粒子、金属粒子等であってもよい。導電性粒子は、透明、半透明、有色又は不透明であってもよい。それらは、粗い又は平滑な表面を有することができ、剛性又は変形可能であってもよい。
【００３７】
用語「粒子」としては、球形状ビーズ、細長いビーズ、切断されたファイバ、及び不規則形状粒子等が挙げられる。一般に、粒子としては、アプリケーションにより１：１〜約１：２０のアスペクト比（すなわち、最も狭い寸法と最も長い寸法の比率、例えば、ファイバの場合、アスペクト比は長さ：直径）及び約１μｍ〜約５００μｍの範囲の特長的な寸法を有する粒子状物体が挙げられる。導電性粒子は、好ましい配向又は配列を全く有さない複合材料中に分散される。
【００３８】
複合材料は任意の適当な手法で提供することができる。一般に、複合材料を作製又は提供するということは、導電性粒子を配置し、導電性粒子を少なくとも部分的に電気絶縁材料内に埋め込むことを意味する。例えばまず、粒子を表面に配置して電気絶縁材料をその上にコーティングし、押しつけ又は粒子の層に積層してもよい。配置された粒子表面は、櫛歯状電子デバイスの層、例えば伝導体又は粒子が電気絶縁材料に埋め込まれた後取り除かれるキャリア基材であってもよい。他の実施例としては、粒子を電気絶縁材料内に配置し、生成した複合物をコーティングして複合材料を形成してもよい。更に他の実施例としては、電気絶縁材料を例えばコーティングにより層として提供し、そのあと電気絶縁材料の層に導電性粒子を配置してもよい。材料を柔軟にするため電気絶縁材料を任意に加熱した状態で電気絶縁材料の層内に粒子を押さえつけることにより、又は電気絶縁材料が未硬化ないしは別の方法で柔軟な状態の場合は、その上に粒子を配置し及び所望により粒子を電気絶縁材料内に押し込み、続いて硬化、冷却等によって電気絶縁材料を硬化することにより粒子を埋め込んでもよい。熱、水分及び光硬化反応を使用してもよいし、２つ反応の系を使用してもよい。
【００３９】
導電性粒子を分散する方法としては、例えば、米国特許出願第０３／０１２９３０２号（チャンバーズ（Chambers）ら）に開示されたものが挙げられる。手短に言えば、粒子が層の上に不規則に着地するよう粒子の配置を助けるため電界が存在する状態で粒子を電気絶縁材料の層に分配してもよい。粒子は、それらが互いに反発するように電気的に帯電される。従って、水平方向の電気的接続及び粒子の凝集が、実質的に回避される。また電界を用いて粒子を膜に引きつけることもできる。このような方法は導電性粒子の不規則な、非集合分布を生じることができる。比較的均一な粒子分布（単位面積当たりの粒子の数）を有する予め選定された密度で粒子を適用できる。またウェブをバフ研磨することにより粒子の分布をさらに良好にすることができる。
【００４０】
他の導電性粒子の分散方法を用いることもできる。例えば、ＰＣＴ国際公開特許ＷＯ００／００５６３に開示のようにミクロ複製された剥離ライナーのポケット内に粒子を配置できる。電気絶縁材料は、次にコーティングされるか、又はこの粒子充填ライナーに押しつけられる。
【００４１】
接着剤膜の伝導体と第２伝導体との間でなされる実質的な全ての電気接点が１個以上の単一粒子を介するように粒子が複合材料内に配置されるという前提で、粒子を配置又は分散する全ての他の方法が使用できる。それゆえに、複合物内に積み重ね粒子（すなわち、複合物の厚さ方向に積み重ね位置を有する２個又はそれ以上の粒子）が発生するのを減少又は除去することに留意すべきである。
【００４２】
粒子を媒体上に配置するのに用いられる方法は、面内（ｘ−ｙ）方向の粒子間の接触を最小限に抑えるべきである。好ましくは、２個以下の粒子が、接触すべきである（例えば、３０ｃｍ２の面積内で）。より好ましくは、２個の粒子は、互いに接触しない（例えば、３０ｃｍ２の面積内で）。これが、粒子接触による面内方向の全ての電気ショートを防止することになる。
【００４３】
導電性粒子は、全ての粒子が同一寸法（又は形状）でないような寸法分布を有することができる。これらの環境の状態で、より大きい導電性粒子は、より小さい隣接する粒子を除外する前又は除外しても電気的に接続できる。これが生じるかどうか及びどの程度これが生じるかは、粒子の寸法及び形状分布、粒子凝集の有無、粒子の積載密度及び空間分布、局部変化に対して屈曲及び適合する伝導体（又は、伝導体／基材の組合せ）の性能、粒子の変形性、及び粒子が埋め込まれる材料の変形性等に左右される。伝導体と櫛歯状電極の間が十分に加圧される場合、単位当たりの望ましい単一粒子の電気的接続数が生じるようにこれら及びその他の性能を調節できる。また、伝導体と櫛歯状電極の間が１つの所定圧力と異なる圧力で加圧される場合、単位当たりの望ましい単一粒子の電気的接続数が生じるように性能を調節できる。
【００４４】
実施形態によっては、粒子寸法分布は、比較的狭いことが好ましい場合があり、環境によっては、全ての粒子が実質的に同一寸法であることが好ましい場合もある。実施形態によっては、二峰性分布の粒子寸法を有することが好ましい場合がある。例えば、複合材料内に分散するより大きい粒子とより小さい粒子の２つの異なる種類の粒子を有することが望ましい場合もある。
【００４５】
図４ａ〜ｄは、電気的接続が１個以上の単一粒子を介した物理的接触によって達成される櫛歯状力センサーである発明の櫛歯状電子デバイスの使い方を示す。櫛歯状電子デバイス４００は、伝導体４１０、櫛歯状電極４２０、伝導体間に配置される電気絶縁層４５０内に導電性粒子４４０を備える複合材料４３０、及び櫛歯状電子デバイス４６０に対する電気応答を測定する手段を含む。
【００４６】
櫛歯状電子デバイスが力覚アプリケーションに使用される場合、電気絶縁層は、圧力の解除と同時に実質的にその本来の寸法に戻ることができなければならない。本明細書で使用する時、「その本来の寸法に戻ることができる」とは、その層が、例えば１０秒以内（好ましくは、１秒以下以内）にその本来の厚さの少なくとも９０％（好ましくは、少なくとも９５％、より好ましくは少なくとも９９％、最も好ましくは１００％）に戻ることができることを意味する。好ましくは、電気絶縁層（硬化可能な材料の場合はそれが完全に硬化された状態）は、広い温度範囲にわたって実質的に一定の貯蔵弾性率（Ｇ’）（より好ましくは、約０℃〜約１００℃で実質的に一定の貯蔵弾性率、最も好ましくは約０℃〜約６０℃で実質的に一定の貯蔵弾性率）を有する。本明細書で使用する時、「実質的に一定」とは、約５０％未満（好ましくは、７５％未満）の変化を意味する。好ましくは、電気絶縁層は、約１ｘ１０３Ｐａ〜約９ｘ１０５ＰａのＧ’を有し、かつ２３℃で１Ｈｚに対し約０．０１〜約０．６０の損失正接（ｔａｎδ）を有する。又、電気絶縁層は、自己回復する（すなわち、亀裂、穴を開ける又は打ち抜かれた際に、自己回復できる）ことが好ましい。
【００４７】
力覚アプリケーションに使用される電気絶縁層の好適な材料としては、例えば、天然及び合成ゴム類（例えば、スチレンブタジエンゴム又はブチルゴム、ポリイソプレン、ポリイソブチレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、アクリロニトリル／ブタジエン並びにカルボキシ又はヒドロキシ変性ゴム類等の官能化エラストマー類等）、アクリレート類、ポリジメチルシロキサン類を含むがこれらに限定されないシリコーン類、スチレンブロックコポリマー類（例えば、スチレン−イソプレン−スチレン又はスチレン−エチレン／ブチレン−スチレンブロックコポリマー）、脂肪族イソシアネート、芳香族イソシアネート及びそれらの組合せに基づくものを含むがこれらに限定されないポリウレタン類、ポリエーテルポリオール類、ポリエステルポリオール類、グリコールポリオール類、及びそれらの組合せが挙げられる。好適な熱可塑性ポリウレタンポリマー類は、エスタン（Estane）（商標）としてビー・エフ・グッドリッチ（BF Goodrich）から入手できる。熱硬化処方もポリオール類及び／又はポリイソシアネート類に二を超える平均官能基（例えば、三官能性又は四官能性の構成成分）を組み込むことにより使用できる。ポリイソシアネートとポリアミンとの反応により形成されるもの等のポリ尿素類も好適な場合がある。好適なポリアミン類は、ジェフアミン（Jeffamine）（商標）の名でハンツマン（Huntsman）により販売されたもの等のポリエーテル及びポリエステルアミン類並びに米国特許第６，４４１，１１８号（シャーマン（Sherman）ら）において開示されたもの等のポリアミン官能性ポリジメチルシロキサン類；ハイトレル（Hytrel）（商標）の名でデュポン（DuPont）によるもの等のエラストマーポリエステル類、メタロセンポリエチレン（例えば、ミシガン州、ミドランド（Midland）のダウ・ケミカル（Dow Chemical）からのエンゲイジ（Engage）（商標）又はアフィニティ（Affinity）（商標）ポリマー類）等の特定のメタロセンポリオレフィン類を含む広範な部類から選択できる。ダイネオン（商標）フルオロエラストマ類（ミネソタ州、オークデイル（Oakdale）のダイネオンＬＬＣから入手できる）又はバイトン（Viton）（商標）フルオロエラストマ類（デラウェア州、ウィルミントン（Wilmington）のデュポン・パーフォマンス・エラストマーズ（DuPont Performance Elastomers）から入手できる）も好適な場合がある。エラストマー材は、例えば炭化水素樹脂類（例えば、ポリテルペン類）若しくは伸展油類（例えば、ナフテン系オイル類又は可塑剤類）、又はポリスチレン粒子、粘土及びシリカ等の有機又は無機充填剤の添加により変性できる。充填剤は、微粒子又は繊維性モルホロジーを有してよい。ミクロスフェア（例えば、アクゾノーベル（Akzo Nobel）からのエクスパンセル（Expancel）（商標）のミクロスフェア）もエラストマー材中に分散できる。
【００４８】
図４ａに示すように、伝導体４１０と櫛歯状電極４２０間が加圧されない場合、それらは、電気絶縁エラストマー層４５０により電気的に分離されたままである。図４ｂに示すように、十分な圧力Ｐで伝導体４１０が加圧される場合、単一粒子接触を介して伝導体４１０と櫛歯状電極４２０間に電気的接続をすることができる。単一粒子接触とは、伝導体と櫛歯状電極間のこれらの電気的接続であり、そこでは１個以上の単一導電性粒子が、伝導体と櫛歯状電極の両方に個々に接触する。図４ｃに示すように、より大きい圧力Ｐ’で伝導体４１０が加圧される場合、エラストマー層４５０が更に圧縮し、より大きい単一粒子接触を行うことができる。図４ｄに示すように、全ての圧力が除かれる場合、エラストマー層４５０は、実質的にその本来の寸法に戻り、電気的接続は行われない。
【００４９】
図５は、発明の起動された櫛歯状電子デバイスの伝導経路を示す。デバイス５００において、十分な圧力Ｐで伝導体５１０が加圧され、伝導体５１０と櫛歯状電極５２０（基材５７０上に配置されて示される）の間に単一粒子接触を介して電気的接続がなされる。伝導経路５８０は、伝導体５１０に対する櫛歯状電極５２０ａの第１指と第１導電性粒子５４０ａを経由して走行し、第２導電性粒子５４０ｂと櫛歯状電極５２０ｂの第２指を経由して下方に走行する。櫛歯状電極の２本の指は、櫛歯状電子デバイス５６０に対する電気応答を測定する手段に接続される。
【００５０】
本発明の櫛歯状電子デバイスは、力を検知し又はデバイスのいたる所で力の変化を測定するため電気応答（例えば、抵抗、導電率、電流、電圧等）を測定する手段に電気的に接続できる。電気応答を測定する手段は、例えば、櫛歯状電極の２本の指若しくはトレース、又は櫛歯状電極若しくは伝導体の一部に接続できる。電気応答は、任意の好適な手段（例えば、抵抗計、マルチメータ、発光ダイオードのアレイ（ＬＥＤ）、又は適切な回路を有する音声信号により）を使用して読み取ることができる。
【００５１】
発明の櫛歯状電子デバイスは、上記したように使用されてもよいが、そこでは、櫛歯状電極は、伝導体に向かって移動する。
【００５２】
発明の櫛歯状電子デバイスは、切替可能力起動電子デバイス及び力覚デバイスとして多くのアプリケーションで有用である。力スィッチは、例えば膜スィッチ及びタッチパネルとして有用である。力センサーは、ギブス包帯の過剰圧力の警告、床ずれ及び糖尿病患者の足又は脚部潰瘍防止のための圧力のモニタリング等のヘルスケアアプリケーションに有用である。又、それらは、例えば、自動車アプリケーション（例えば、シートセンサー又はエアバッグ配備）、消費者アプリケーション（例えば、荷重／重量センサー、棚の物品の存在又は不足を検知するための「スマートシステム」、製造アプリケーション（例えば、ニップロール圧力のモニタ）、スポーツアプリケーション（例えば、速度、力若しくは衝撃のモニタ、又はクラブ若しくはラケットのグリップセンサー）等においても有用である。
【実施例】
【００５３】
本発明の目的及び利点は、下記の実施例によってさらに例示されるが、これらの実施例において列挙された特定の材料及びその量は、他の諸条件及び詳細と同様に本発明を過度に制限するものと解釈すべきではない。
【００５４】
試験設備
力装置と呼ばれる装置を使用してデバイスを評価した。そしてこの装置は、デバイスに印加される法線力を測定するロードセル（コネチカット州、ハートフォード（Hartford）のオメガエンジニアリング社（Omega Engineering Inc.）からのモデルＬＣＦＤ−１ｋｇ）から構成される。評価するデバイスをロードセルの上に水平に置きテープで固定した。２個のバルブ（オハイオ州、シンシナティ（Cincinnati）のクリッパード・インスツルメント・ラボラトリー（Clippard Instrument Laboratory）からのモデルＥＣ−２−１２）に接続され、コンピュータ制御下、圧縮空気により約２７５ｋＰａで空気圧操作シリンダー（コネチカット州ノーウォーク（Norwalk）のエアポット社（Airpot Corporation）からのモデルＥ９Ｘ０．５Ｎ）を直接ロードセルの上に設置した。シーケンスでバルブを開閉することにより、シリンダーを所定の一定刻みで下方に移動し、ロードセル上に配置されたデバイスへの力を増加させた。印加された力を表示する表示装置（コネチカット州、ハートフォード（Hartford）のオメガエンジニアリング社（Omega Engineering Inc.）から入手できるモデルＤＰ４１−Ｓ−Ａ）にロードセルを接続した。所定の力の許容限度に到達すると、通気バルブを使用して系から空気を抜き、デバイスへの力を減少させた。
【００５５】
デバイスをマルチメータに接続し、デバイスの電気応答を記録した。デジタルマルチメータ（オハイオ州、クリーブランド（Cleveland）のキースレイ社（Keithley Inc.）からのキースレイモデル１９７ＡマイクロボルトＤＭＭ）を使用してデバイスの抵抗を測定した。ロードセルから読み取った印加された力及びマルチメータから読み取ったデバイスの電気応答をＰＣベースデータ取得装置で取り込んだ。１０〜１０００重量グラムの範囲で印加された力及び力の印加を約２．８ｇ／ｓ（１６７ｇ／ｍｉｎ）で行った。
【００５６】
ｎ値の説明
デバイスのいたる所で抵抗を測定する場合、抵抗対力の応答を対数−対数プロットにプロットできる。特定の範囲において、指数法則の関係を式、すなわち抵抗＝Ａ／Ｆｎにより与えることができる、ここでＡは、定数、Ｆは力、及びｎは、対数−対数プロット上の最良適合線の勾配（線形回帰で決定）である。ｎ値は、デバイスの感度を示す。ｎ値が高くなればなるほど印加された力の一定の変化に対するデバイスの抵抗の変化も大きくなる。より低いｎ値は、印加された力の同じ変化に対して抵抗の変化がより小さいことを意味する。
【００５７】
一般的手順
未硬化エラストマーの層（厚さ約２５μ）を伝導体上にナイフコーティングした。ｐｈｒ（ゴム１００部当たりの部）で示したエラストマーの組成は、次のようであった。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
３Ｍ社（ミネソタ州、セントポール（St.Paul））からＳＤ１２０として市販のインジウム酸化スズ（ＩＴＯ）でコーティングされたガラスビーズを当該技術分野において周知の市販のふるいを使用して選別し、約５０μ未満の寸法のビーズを選定した。米国特許出願第０３／０１２９３０２号（チャンバーズ（Chambers）他）に本質的に記載された粒子ディスペンサーを使用し、エラストマーの未硬化層全体にわたってビーズを分配した。室温でエラストマーを硬化させた。次に、硬化したエラストマー上に第２伝導体又は櫛歯状電極を固定し、デバイスを形成した。生成したデバイスを上記の力装置を使用して試験した。
【００６０】
（実施例１-６）
金属フィルム又は金属フォイル伝導体を用いて櫛歯状デバイス（以下の表に示した）を一般手順により組み立てた。カナダ、ケベック州、セントーローレント（Saint-Laurent）のクリックタッチ・アメリカ社（ClickTouch America, Inc.）から購入した櫛歯状電極をスクリーン印刷銀インクにより厚さ２５０μのポリエステル基材上に組み立てた。櫛歯状電極の概略を図１に示す。指様パターン（１５本の「指」を有する）の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍであった。トレースは、長さ９ｍｍで、互いに０．２５ｍｍ離れていた。
【００６１】
上記した力装置を使用して櫛歯状デバイスを試験した。実施例１-３の試験データを対数−対数プロットにプロットし、図６〜８に（比較例１-３の試験データとともに）各々示す。各櫛歯状デバイスの最良適合線のｎ値を以下の表に示す。１ｋΩの抵抗を示すのに必要な力として定義される各櫛歯状デバイスの起動力（Ｆｉ）も示す。
【００６２】
比較例１-３
２つの金属フィルム伝導体間に挟まれたエラストマーを用いたデバイスを（以下の表に示した）一般手順により組み立てた。上記した力装置を使用してデバイスを試験した。試験データを対数−対数プロットにプロットし、図６〜８に（実施例１-３の試験データと共に）示す。各櫛歯状デバイスの最良適合線のｎ値を以下の表に示す。１ｋΩの抵抗を示すのに必要な力として定義される各櫛歯状デバイスの起動力（Ｆｉ）も示す。
【００６３】
【表２】
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【００６４】
本発明の範囲及び趣旨を逸脱しない本発明の様々な変更や改変は、当分野の技術者には明らかとなるであろう。本発明は、本明細書で述べる例示的な実施形態及び実施例によって不当に限定されるものではないこと、また、こうした実施例及び実施形態は、本明細書において以下に記述する特許請求の範囲によってのみ限定されると意図する本発明の範囲に関する例示のためにのみ提示されることを理解すべきである。
【００６５】
本発明は様々な変更及び代替形態が可能であるが、その具体例を一例として図面に示し、及び詳細に記載する。しかし本発明を説明する特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解されよう。それどころか本発明は、本発明の精神および範囲内にあるすべての修正形態、等価形態、および代替形態を包含するはずである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】櫛歯状電極の概略平面図。
【図２】櫛歯状電子デバイスの概略的側面図。
【図３ａ】発明の櫛歯状電子デバイスに有用な複合材料の概略的側面図。
【図３ｂ】発明の櫛歯状電子デバイスに有用な複合材料の概略的側面図。
【図４ａ】発明の櫛歯状電子デバイスの概略的側面図を用いて発明の櫛歯状電子デバイスの使い方を示す。
【図４ｂ】発明の櫛歯状電子デバイスの概略的側面図を用いて発明の櫛歯状電子デバイスの使い方を示す。
【図４ｃ】発明の櫛歯状電子デバイスの概略的側面図を用いて発明の櫛歯状電子デバイスの使い方を示す。
【図４ｄ】発明の櫛歯状電子デバイスの概略的側面図を用いて発明の櫛歯状電子デバイスの使い方を示す。
【図５】伝導経路を示す櫛歯状電子デバイスの概略的側面図。
【図６】実施例１及び比較例１で記載された発明の櫛歯状電子デバイスに関する対数−対数目盛りでの抵抗対力のプロット。
【図７】実施例２及び比較例２で記載された発明の櫛歯状電子デバイスに関する対数−対数目盛りでの抵抗対力のプロット。
【図８】実施例３及び比較例３で記載された発明の櫛歯状電子デバイスに関する対数−対数目盛りでの抵抗対力のプロット。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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