(57)【要約】  約６６℃（１５０°Ｆ）以上の温度で外力を測定するため安定した応答を供給する感圧デバイスが開示される。感圧デバイスは、約−４５℃から約２０５℃超または２１６℃（約−５０°Ｆから約４００°Ｆ超または４２０°Ｆ）までの温度範囲で、約０．０１μＳから約１３００μＳまでの範囲の伝導率、および約０．０２μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約０．０１μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）までの範囲の感度を持つことができる。感圧デバイスは、ポリイミドの基材、メラミンホルムアルデヒドと架橋されたポリヒドロキシエーテル内に分散された銀の導電性リード線、およびポリイミドを形成する硬化ポリアミド酸内に分散されたカーボンナノ粒子の感圧層を持つことができる。【選択図】  なし
2006528366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリイミドを含む非伝導性支持基体と；
前記基体によって支持され、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル中に分散した銀粒子を含む伝導性リードと；
前記伝導性リードと接触した状態になっており、前記基体によって支持され、シリコーンゴム、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料と；
前記基体によって支持され、合成ゴム材料及びシランカップリング剤を含む接着剤と；
を含む感圧装置。
【請求項２】
メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂を含む誘電体材料をさらに含む、請求項１に記載の感圧装置。
【請求項３】
前記ポリマーマトリックスはポリイミドを含む、請求項１に記載の感圧装置。
【請求項４】
非伝導性支持基体と；
前記基体によって支持され、シリコーンゴム、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料と；
を含む感圧装置。
【請求項５】
前記支持基体はポリイミドを含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項６】
前記感圧材料と電気的に連通し、前記基体によって支持された伝導性リードをさらに含み、前記伝導性リードは、バインダー中に分散した導電性金属を含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項７】
前記伝導性リードは、架橋剤化合物を用いて架橋したポリヒドロキシエーテル中に分散した銀粒子を含む、請求項６に記載の感圧装置。
【請求項８】
前記ポリヒドロキシエーテルは、フェノキシ化合物、エポキシ化合物、アクリルポリオール化合物、ヒドロキシル−官能性ポリエステル化合物、ヒドロキシル−官能性ポリエーテル化合物、ポリビニルブチラール化合物、ポリビニルアルコール化合物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項７に記載の感圧装置。
【請求項９】
前記架橋剤化合物は、メラミンホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒド、尿素ホルムアルデヒド、無水物、アミン、ジイソシアナート、ポリイソシアナート、ポリウレタン、シラン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項７に記載の感圧装置。
【請求項１０】
誘電体材料は、前記伝導性リードを電気的に絶縁できることをさらに含む、請求項６に記載の感圧装置。
【請求項１１】
前記誘電体材料は、高温誘電体材料である、請求項１０に記載の感圧装置。
【請求項１２】
前記炭素ナノ粒子は、約１．５重量％及び約３．５重量％の濃度で前記ポリマーマトリックス中に分散される、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１３】
前記ポリマーマトリックスは、ジアミン及び二無水物の重縮合反応の生成物を含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１４】
前記二無水物は、ピロメリト酸二無水物、１，２，４，５−テトラカルボキシリックベンゼン二無水物、３，４，３’，４’−ベンゾフェノンテトラカルボキシリックベンゼン二無水物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物、テルフェニルテトラカルボキシリック二無水物、３，３’，４，４’−オキシジフタリック二無水物、２，２’−ビス［４−（３，４−ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン二無水物、３，３’，４，４’−ジフェニルスルホンテトラカルボキシリック二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ジメチルシラン二無水物、４，４’−（２，２，２−トリフルオロ−１−フェニルエチリデン）ジフタリック無水物、５，５’−［２，２，２−トリフルオロ−１−（トリフルオロメチル）エチリデン］ビス−１，３−イソベンゼンフランジオン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１３に記載の感圧装置。
【請求項１５】
前記ジアミンは、４，４’−オキシジアミン、４，４’−ジアミノジフェニル、４−アミノフェニルエーテル、４，４’−メチレンジアニリン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、メタ−フェニルジアミン、１，３−フェニレンジアミン、１，４−フェニレンジアミン、イソホロンジアミン、（１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン、ジュレンジアミン、２，３，５，６−テトラメチルフェニレンジアミン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１３に記載の感圧装置。
【請求項１６】
前記ポリマーマトリックスは、充填剤としてフュームドシリカ二酸化物をさらに含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１７】
前記感圧材料は、フェノキシ樹脂を含む誘電体材料をさらに含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１８】
折り返された組立体である前記感圧装置を固定するために配置された接着剤層をさらに含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１９】
前記ポリマーマトリックスは、ピロメリト酸二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４’−メチレンジアニリンの反応生成物、テルフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４’−メチレンジアニリンの反応生成物、３，３’，４，４’−オキシジフタリック二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４’−メチレンジアニリンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及びメタ−フェニルジアミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項２０】
前記感圧材料は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項２１】
前記感圧材料は、ポリマーマトリックス中に分散した約１重量％及び約１０重量％の炭素ナノ粒子を含む、請求項２０に記載の感圧装置。
【請求項２２】
前記感圧材料は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項２３】
加えた力に応答する電気伝導率の変化を有する感圧装置であって：
ポリイミドを含む基体と；
加えた力に応答して前記装置の電気伝導率を変化させるための手段であって、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する手段と；
を含む感圧装置。
【請求項２４】
前記電気伝導率を変化させるための前記手段は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項２３に記載の感圧装置。
【請求項２５】
前記感圧材料は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような、ポリマーマトリックス中に分散した炭素ナノ粒子を含む感圧材料。
【請求項２６】
前記ポリマーマトリックスは、シリコーンゴム、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項２７】
前記ポリマーマトリックスは、ジアミン及び二無水物の重縮合反応の生成物である、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項２８】
前記ポリマーマトリックスは、ピロメリト酸二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４’−メチレンジアニリンの反応生成物、テルフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４’−メチレンジアニリンの反応生成物、３，３’，４，４’−オキシジフタリック二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４’−メチレンジアニリンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及びメタ−フェニルジアミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項２９】
前記炭素ナノ粒子は、約１重量％〜約３０重量％の濃度で前記ポリマーマトリックス中に分散される、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項３０】
前記炭素ナノ粒子は、約９重量％の濃度で前記ポリマーマトリックス中に分散される、請求項２９に記載の感圧材料。
【請求項３１】
前記感圧材料は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項３２】
感圧装置の製造方法であって：
支持非伝導性基体を提供することと；
第１の導電体及び第２の導電体を前記基体の一部分の表面に堆積することと；
感圧層を前記第１及び第２の導電体と電気的に連通した前記基体の少なくとも一部分の表面に堆積することと；を含み、前記感圧層はポリマー材料中に分散した炭素ナノ粒子を含む、方法。
【請求項３３】
前記ポリマーマトリックスは、ピロメリト酸二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４’−メチレンジアニリンの反応生成物、テルフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４’−メチレンジアニリンの反応生成物、３，３’，４，４’−オキシジフタリック二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４’−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４’−メチレンジアニリンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、３，４，３’，４’−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及びメタ−フェニルジアミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記感圧層を堆積する工程は、ポリマー材料の前駆体を含むインキを施用することと、約１２０°F〜約２５０°Fの温度で約１〜約１０分間前記インキを早期硬化することとを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記インキは溶媒を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記溶媒は、メチルエチルケトン、グリコールエーテル、グリコールエチルエステル、ブチルセロソルアセテート、ジプロピレングリコール、モノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ブチルカルビトールアセテート、セロソルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールブチルアセテート、メチルエチルケトン、トルエン、ガンマブチロラクトン、ジメチルスクシネート、ジメチルグルタレート、ジメチルアジペート、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、ジメチルスルホキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアルデヒド、ジメチル−２−ピペリドン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記インキは最約２重量％までの添加剤を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記早期硬化工程は、約２１２°Fで約３分間実行される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記感圧層を堆積する工程は、前記インキを約３５０°F〜約６００°Fの温度で約５分間〜約６０分間硬化する工程をさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記硬化工程は、約４４０°Fで約２０分間実行される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
接着剤を前記支持非伝導性基体の前記少なくとも一部分の表面に堆積する工程をさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項４２】
感圧装置の製造方法であって：
支持非伝導性基体を提供することと；
第１の電気的リード及び第２の電気的リードを前記基体の一部分の表面に堆積することと；
感圧材料を前記第１及び第２の電気的リードと電気的に連通した前記基体の少なくとも一部分の表面に堆積することと；を含む方法において、感圧材料は、前記電気的リードにわたって測定した導電率は加えた力に応答して変化し、その結果、これは、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような特性を有する、方法。
【請求項４３】
感圧材料は、前記電気的リードにわたって測定した導電率は加えた力に応答して変化し、その結果、これは、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような特性を有する、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
感圧装置に加えた力を決定する方法であって：
ポリマーマトリックス中に分散した炭素ナノ粒子を含む感圧材料に力を加え、前記感圧材料は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有することと；
生じた伝導率を前記感圧材料にわたって測定することと；
を含む方法。
【請求項４５】
加えた力対前記感圧装置の伝導率の関係を定義する検定標準に対して測定した伝導率を相関させて、前記加えた力の大きさを確定する工程をさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記感圧材料は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
非伝導性支持基体と；
前記基体によって支持され、ポリフッ化ビニリデン、フェノキシ及び少なくとも約１０重量％のメラミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性炭素粒子を含む感圧材料と；
を含む感圧装置。
【請求項４８】
前記ポリマーマトリックスは約９重量％の炭素粒子を含む、請求項４７に記載の感圧装置。
【請求項４９】
前記ポリマーマトリックスの前駆体は約２３重量％のメラミンホルムアルデヒドを含む、請求項４７に記載の感圧装置。
【請求項５０】
前記ポリマーマトリックスは、１−メチル−２−ピロリジノン中のポリフッ化ビニリデンを含む、請求項４７に記載の感圧装置。
【請求項５１】
前記感圧材料は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項４７に記載の感圧装置。
【請求項５２】
前記感圧材料は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項５１に記載の感圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本明細書において参考のために引用する、２００３年５月１４日に出願されたLima, et alによる"High Temperature Pressure Sensitive Devices and Methods Thereof"と称する米国仮特許出願第60/470,614号の恩典を請求する。
【０００２】
本発明は、感圧材料、このような感圧材料を取り入れた装置、並びにこのような感圧材料及び装置の製造及び高温条件下での使用方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
感圧材料、例えば凝固済み感圧インキから誘導されるもの、は、加えた力に対してある様式で応答する。幾つかの凝固済み感圧インキの場合、それらの抵抗率または伝導率は、加えた圧力の関数として変化する。感圧インキは、様々な触覚または感圧装置の例えば圧力変換器、センサー、及びひずみゲージのために使用されてきた。例えば、Maness, et al.は、米国特許第4,734,034号及び同第4,856,993号において、歯の咬合を測定するための接触センサーを説明している。また、McDowellは、米国特許第5,541,570号において、同様に力検知凝固済みインキ及びインキの製造方法並びに改良された力覚センサーを説明している。さらに、Krivopalは、米国特許第5,989,700号において、感圧インキ及びその使用方法を説明している。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、感圧材料及び感圧インキ、並びにこのような感圧材料を取り入れるかまたは利用する感圧装置に関する。より詳細には、本発明は、温度安定感圧材料及びこのような感圧材料を形成する感圧インキ、並びに高温で予測可能に変化し得る電気的性質を有する温度安定感圧装置に関する。本発明の主題は、場合によっては、相互に関係のある製品、特定の問題に対する他の解決、及び／または１つ以上のシステム及び／または物品の複数の様々な使用を含む。
【０００５】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、ポリイミドを含む非伝導性支持基体、基体によって支持され、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル中に分散した銀粒子を含む伝導性リード、伝導性リードと接触した状態になっており、基体によって支持され、シリコーンゴム、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料、並びに基体によって支持され、合成ゴム材料及びシランカップリング剤を含む接着剤を含む感圧装置を提供する。
【０００６】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置を提供する。感圧装置は、非伝導性支持基体、及び基体によって支持され、シリコーンゴム、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料を含む。
【０００７】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、加えた力に応答する電気伝導率の変化を有する感圧装置を提供する。感圧装置は、ポリイミドを含む基体、及び加えた圧力に応答して電気伝導率を変化させるための手段を含み、ここで、手段は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する。場合によっては、電気伝導率を変化させるための手段は、基体表面に支持させることができる。
【０００８】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、前記感圧インキは、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような、ポリマーマトリックス中に分散した炭素ナノ粒子を含む感圧材料を提供する。場合によっては、温度範囲は、約−５０°F〜約４００°Fまたは４２０°Fとしてよい。
【０００９】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置の製造方法を提供する。本方法は、支持非伝導性基体を提供する工程と、第１の導電体及び第２の導電体を、基体の一部分の表面に堆積する工程と、感圧層を、第１及び第２の導電体と電気的に連通した基体の少なくとも一部分の表面に堆積する工程とを含む。場合によっては、感圧層は、ポリマー材料中に分散した炭素ナノ粒子を含む。１具体例においては、感圧装置は非平坦としてよい。
【００１０】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置の製造方法を提供する。本方法は、支持非伝導性基体を提供する工程と、第１の電気的リード及び第２の電気的リードを、基体の一部分の表面に堆積する工程と、感圧材料を、第１及び第２の電気的リードと電気的に連通した基体の少なくとも一部分の表面に堆積する工程とを含む。場合によっては、感圧材料は、電気的リードにわたって測定した導電率は加えた力に応答して変化し、その結果、これは、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような特性を有する。１具体例においては、感圧装置は非平坦としてよい。
【００１１】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置に加えた力を決定する方法を提供する。本方法は、ポリマーマトリックス中に分散した炭素ナノ粒子を含む感圧材料に力を加える工程と、生じた伝導率を感圧材料にわたって測定する工程とを含む。感圧材料は、１具体例においては、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS〜約１３００μS及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する。
【００１２】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、非伝導性支持基体、並びに基体によって支持され、ポリフッ化ビニリデン、フェノキシ及び少なくとも約１０重量％のメラミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性炭素粒子を含む感圧材料を含む感圧装置を提供する。
【００１３】
本発明の他の利点及び新規な特徴は、本発明の様々な非限定具体例の以下の詳細な説明を添付図と共に検討することによって明瞭になろう。本明細書及び参考のために引用する文書が矛盾する及び／または一致しない開示を含む場合、本明細書が支配するものとする。
【００１４】
添付図面は、正確な縮尺率で描くことを意図してはいない。図においては、典型的に様々な図中に示す各々の同一のまたはほぼ同一の構成要素を単一の符号によって表わす。理解しやすくするため、全ての図において全ての構成要素に標識を付けてあるわけではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本明細書において使用する“感圧材料”という句は、材料に加えた力の関数として予測可能に変化する少なくとも１つの材料特性、すなわち形状以外に、密度、典型的に抵抗率、または伝導率を有する固体材料、典型的にポリマー材料を指す。本明細書において使用する“感圧インキ”という句は、例えば、ポリマー硬化及び／または重合及び／または溶媒蒸発によって凝固すると、感圧材料を形成する流動性材料を指す。
【００１６】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置の感圧構成要素として使用するために設計された選択された圧力感度を有する感圧材料を形成できる感圧インキを提供する。凝固済み感圧インキは、重合済みポリイミドマトリックス中に分散した炭素ナノ粒子を含むことができる。凝固済み感圧インキは、約８０°F〜約２２０°F（約２７℃〜約１０５℃）の温度範囲にわたって、特定の具体例においては、約−５０°F〜約３５０°F、約４００°F、または約４２０°F（約−４５℃〜約１７６℃、約２０５℃、約２１６℃）以上の温度範囲にわたって、伝導率約０．０１マイクロジーメンス（μS）〜約１３００μS、典型的に約２００μS〜約１ミリジーメンス（mS）を有することができ、感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lb（約０．０２μS/kg〜約６６０μS/kg）、場合によっては約２５０μS/lb〜約３００μS/lb（約５５０μS/kg及び約６６０μS/kg）を有する。１組の具体例においては、ポリイミドマトリックスは、二無水物及びジアミンの重縮合反応生成物を含むことができる。
【００１７】
本発明の感圧インキまたは感圧材料または層の１具体例を、図１に示す。感圧材料１０は、典型的にこれを通して実質的に均一で伝導性または半導性としてよい複数の粒子１２を取り入れたエラストマーまたはポリマーバインダーまたはマトリックス１１を含むことがで、この結果、感圧材料１０は、硬化する及び／または乾燥すると、参照符号１６によって示される材料１０に加えた圧力または力Ｐを加えること及び／または緩和することによって、抵抗率または伝導率の変化を表すことができる応答を提供する。すなわち、１つ以上の具体例においては、感圧材料１０及び／または少なくとも部分的に互いに覆う複数の層１０を有する複合体構造は、力または圧力を加えることによって導電性経路の増大を提供することができる。これは電気伝導率の増大をもたらすことができ、この結果、伝導率（または伝導率の変化）を測定でき、加えた力または圧力の大きさを示すことができる。ポリマー／エラストマーマトリックス１１を、例えば、下記に説明するような高温安定ポリマーのうちの１つ以上で構成してよい。場合によっては、感圧材料１０は、エラストマーマトリックス１１の少なくと一部分と混合される及び／またこれを形成する誘電体材料１４をさらに含むことができる。特定の場合に、エラストマーマトリックス１１は、感圧層１０の機械的及び／または化学的性質の変化を提供するように適応させることができる充填剤１８、例えば補強または非補強充填剤ををさらに取り入れることができ、これは、当業者であれば理解できると思われる。
【００１８】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置を提供する。感圧装置は、支持非伝導性基体；基体によって支持され、ポリマーマトリックス中に分散した導電性金属を含む単数または複数の伝導性リード；及び基体によって支持され、単数または複数の伝導性リードに電気に接続された感圧材料；を含むことができる。感圧材料は、ポリマーマトリックスの例えばポリイミド、すなわち硬化済みポリアミド酸中に分散した炭素粒子と共に凝固済み感圧インキを含むことができる。幾つかの具体例においては、感圧材料は、エラストマーマトリックス中に分散した伝導性炭素ナノ粒子を含むことができる。材料は、場合によっては、以下のうちの任意の１つ以上を含むことができる：二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物；ポリアミド−イミドポリマー；ポリエステル−イミドポリマー；ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）；ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）；ポリ（エチレン２，６−ナフタレンジカーボネート）；ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）；並びにこうしたものの組合せ及び／または他の材料。
【００１９】
感圧装置を、例えば、特定の具体例においては、約−５０°F（約−４５℃）〜約１５０°F（約６５℃）を超え、幾つかの具体例の場合、約３５０°F、約４００°F、または約４２０°F（約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃）、時々はこれ以上の動作温度で、改良された高温能力及び／または安定性を提供する材料及び構成要素から構成してよい。
典型的な装置は、約０．０１μS〜約１３００μSの範囲にわたる改良された伝導率及び感度を有する。幾つかの具体例においては、感圧装置を、約８０°F〜約２２０°F（約２７℃〜約１０５℃）、または場合によっては約−５０°F〜約３５０°F、約４００°F、若しくは約４２０°F（約−４５℃〜約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃）以上もの温度範囲にわたって、感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lb（約０．０２μS/kg〜約６６０μS/kg）、場合によっては約２５０μS/lb〜約３００μS/lb（約５５０μS/kg〜約６６０μS/kg）を有する改良された高温能力を提供する材料及び構成要素で構成する。感圧材料は、加えた力または圧力に対応する電気伝導率／抵抗率の変化を提供してよい。特定の具体例はまた、特定の高温条件で改良されたヒステリシス及びドリフト性能を提供する材料及び構成要素で構成される感圧装置を提供する。
【００２０】
本発明の感圧インキ及び／または感圧材料を使用できる典型的な感圧装置は、圧力変換器の例えばロードセル、ボタンセル、ひずみゲージ、圧力計、及び他の圧力センサーを含む。例えば、図２は、本発明の１具体例による実施例である感圧装置２０を示す。感圧装置２０は、この図においてボタンセル組立体として感圧層１０を取り入れている。感圧装置２０は、組立てた感圧装置２０のための構造支持体を提供する層または基体２１を有し、これを図３の断面図に示す。下記にさらに説明するように、基体２１は絶縁性及び／または非伝導性としてよく、特定の具体例においては、ポリイミドフィルムを含んでよい。基体２１は、図２において、中央折り線２３によって第１のセグメント２７及び第２のセグメント２８へと規定される。さらに、感圧装置２０は、基体２１の表面に堆積した導電性リード２２及び２４を有し；第１の伝導性リード２２は第１のセグメント２７の表面に堆積し、第２の伝導性リード２４は第２のセグメント２８の表面に堆積する。基体２１並びに伝導性リード２２及び２４は、少なくとも約−５０°F（約−４５℃）の温度〜少なくとも約１５０°F（約６５℃）の温度を含む並びに最高少なくとも約３５０°F、約４００°F、または約４２０°F（約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃）までの温度を含む温度範囲にわたって、機械的に及び／または化学的に安定としてよい。
【００２１】
導電性リード線２２および２４は、さらに、それぞれ、細く、高導電性で、場合によっては円板または円環または正方形である導電性部分２５および２６を含むことができる。導電性リード線２２および２４とともに丸形導電性部分２５および２６は、いくつかの実施形態では、約１０-6から１０-4オーム−センチメートルの範囲の抵抗を有する可能性がある。導電性リード線２２および２４は、米国特許４，７３４，０３４号で説明されているようなデバイスなど、抵抗性または導電性を測定する従来の電気的検査または測定装置に接続することができる。
【００２２】
感圧デバイス２０は、さらに、例えば、図２の例示されている実施形態の中心線２３のいずれかの側にある、蒸着された、層１０を含む固化感圧インクまたは他の感圧材料を含むことができる。固化感圧インクまたは他の感圧材料は、導電性部分２５および２５に蒸着され、感圧デバイス２０が直線２３にそって畳まれたときのように互いの上に載るように対称的に間隔をあけ、それによって非平面デバイスを形成できる。図３の実施形態に示されているように、感圧デバイス２０のアセンブリは、直線２３にそってデバイスを畳みサンドイッチ層構造を形成することを含む。
【００２３】
図３の矢印３０により示されているように、感圧デバイス２０にかかる圧力または力は、感圧層間および／または層１０の一方または両方の中の接点導電性の変動を誘起するが、これは、導電性リード線２２および２４（図に示されていない）の間で測定することができる。感圧層１０の間の接点導電性の大きさは、加えられる力３０の大きさによって変化しうる。圧力が増減したときの抵抗性／導電性のこの変化は、当業で知られているように、標準的な電子回路により測定することができる。感圧層１０は、さまざまな厚さ、例えば、約０．００５０８ｍｍ（０．２ｍｉｌ）から約０．０５０８ｍｍ（２ｍｉｌ）（約５マイクロメートルから約５０マイクロメートル）の範囲の複数の層で蒸着することができる。
【００２４】
本発明による１つまたは複数の実施形態において、支持基板は、ポリイミド樹脂を含むことができる。支持基板として使用できる市販のポリイミド樹脂のいくつかの例として、限定はしないが、デラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＫＡＰＴＯＮ（登録商標）ポリイミド膜、またはテキサス州パサディナのＫａｎｅｋａ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｃｈ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＡＰＩＣＡＬ（商標）ポリイミド膜が挙げられる。基板に好適な他の市販材料としては、マサチューセッツ州ウォルサムのＦｏｓｔｅｒ−Ｍｉｌｌｅｒ，Ｉｎｃ．から市販されているような液晶性ポリマー膜、またはデラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＫＡＬＡＤＥＸ（登録商標）ＰＥＮ膜などのポリエチレンナフタレン（ＰＥＮ）がある。基板は、後述のように組み立てた場合に感圧デバイスのコンポーネントを支持することができ、場合によっては、最低でも、あるとしても、加えられた力に影響を及ぼすように力が加えられたときに十分に柔軟であるようにできる。つまり、加えられた力に対する応答として無視できるくらい小さい抵抗が得られる。デバイスは、約２７℃から約１０５℃（約８０°Ｆから約２２０°Ｆ）までの温度範囲、いくつかの実施形態では、約−４５℃から約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約−５０°Ｆから約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）またはそれ以上の温度範囲にわたる利用を含む、利用において機械的および／または化学的に安定するようにできる材料から構成することができる。
【００２５】
本発明による１つまたは複数の実施形態では、本発明の感圧デバイスの導電性リード線または層は、固化導電性インクを含むことができる。導電性層または固化導電性インクは、本発明の感圧材料または固化感圧インクから形成することができる、デバイスの感圧コンポーネントとの間の外部計装への電気的通信を実現するようにデバイス内に構成することができる。他のコンポーネントと同様に、導電性層の材料は、約−４５℃（約−５０°Ｆ）から約６５℃（約１５０°Ｆ）以上までの温度でのいくつかの実施形態での利用、および約１０５℃（約２２０°Ｆ）までのいくつかの実施異形態での利用、および約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）以上までのさらに他の実施形態での利用を含む利用が機械的におよび／または化学的に安定していることが好ましいと思われる。いくつかの実施形態では、導電性リード線または層は、架橋ポリマーマトリクス内に分散された銀粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、架橋ポリマーマトリクスは、ポリヒドロキシ化合物および架橋剤化合物の反応生成物を含むことができる。ポリヒドロキシ化合物は、フェノキシ化合物、エポキシ化合物、アクリルポリオール化合物、ヒドロキシル官能ポリエステル化合物、ヒドロキシル官能ポリエーテル化合物、ポリビニルアルコール化合物、および／またはポリビニルブチラール化合物、さらにこれらの化合物および／または他のポリヒドロキシ化合物のうちの１つまたは複数から選択することができる。好適なフェノキシ化合物の例は、限定はしないが、サウスカロライナ州ロックヒルのＰｈｅｎｏｘｙ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ，Ｉｎｃ．が市販しているＰＡＰＨＥＮ（登録商標）、ＰＫＨＣ（登録商標）、ＰＫＨＨ（登録商標）、ＰＫＨＪ（登録商標）、ＰＫＨＰ（登録商標）、およびＰＫＦＥ（登録商標）フェノキシ樹脂などのクロロメチルオキシランを含む４，４'−（メチルエチリデン）ビスポリマーを含む。好適な導電性材料の他の非限定的実施例は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第５，９８９，７００号明細書の中でＫｒｉｖｏｐａｌにより説明されている材料を含む。
【００２６】
架橋剤は、メラミンホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒド、ユリアホルムアルデヒド、無水物、アミン（例えば、第１級または第２級アミン）、二無水物、ポリ無水物、ジイソシアネート、ポリイソシアネート、ポリウレタンプレポリマー、およびシラン、さらに、これらおよび／または他の好適な架橋剤組成の組み合わせのうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、市販されているメラミンホルムアルデヒド材料の好適な非限定的実施例には、ＩＳＯＭＩＮ（商標）、ＭＥＬＡＩＣＡＲ（商標）、ＭＥＬＢＲＩＴＥ（商標）、ＭＥＬＭＥＸ（商標）、ＭＥＬＯＰＡＳ（商標）、ＲＥＳＡＲＴ（商標）、ＲＥＳＩＭＩＮＥ（商標）、およびＵＬＴＲＡＰＡＳ（商標）がある。いくつかの実施形態では、架橋剤は、ドイツ、イーザーローンのＢａｋｅｌｉｔｅ  ＡＧ社が市販するＢＡＫＥＬＩＴＥ（商標）樹脂、ミズーリ州セントルイスのＳｏｌｕｔｉａ，Ｉｎｃ．が市販するＳＡＮＴＯＬＩＮＫ（商標）樹脂、またはジョージア州アトランタのＧｅｒｏｇｉａ  Ｐａｃｉｆｉｃ社が市販するＧｅｏｒｇｉａ  Ｐａｃｉｆｉｃ  ＧＰＲＩ  ７０００樹脂ファミリなどのフェノールホルムアルデヒドまたはフェノール樹脂である。
【００２７】
例えば、いくつかの実施形態では、導電性インクは、約１０ｗｔ％から約３０ｗｔ％の溶剤（後述）、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％のポリマーマトリクス、および少なくとも約５５ｗｔ％の銀粒子を含むことができる。導電性インクは、状況に応じて、接着促進剤、界面活性剤、消泡剤、粘度調整剤、着色顔料など、さらにはこれらのおよび／または他の好適な材料の組み合わせなどの添加剤の最大約２ｗｔ％までを含むことができる。当業者であれば、所望の特性を得るためにそのような添加剤を容易に選択することができる。本発明のいくつかの実施形態の導電性層として使用可能な市販の導電性プリフォーム銀インクの特定の非限定的な実施例としては、例えば、それぞれデラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＤＵＰＯＮＴ  ５０２８、ＤＵＰＯＮＴ  ５０２５、またはＤＵＰＯＮＴ  ６４９２導電性インク、およびミシガン州ポートヒューロンのＡｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ社が市販するＥＬＥＣＴＲＯＤＲＡＧ（登録商標）４７８ＳＳおよび４７９ＳＳ銀ベースのポリマー厚膜インクがあり、本発明のデバイス内で使用できる好適な材料は、金属含有量の高い膜を形成することができる、したがって導電性が非常に高くなりうる有機金属インクを含む。有機金属インクの非限定的な実施例は、それぞれニュージャージー州ロッキーヒルが市販するＰａｒｍｏｄ  ＴＫＡ−１００およびＰａｒｍｏｄ  ＶＬＴを含む。
【００２８】
いくつかの実施形態では、導電性インクは、湿潤剤、分散剤、消泡剤、平滑剤、および／または接着促進剤などの添加剤を含むことができ、そのように添加される添加剤は、例えば、全結合剤重量の約０．０５％から０．５％の範囲とすることができる。
【００２９】
本発明による１つまたは複数の実施形態では、感圧材料は、ポリマーマトリクス、状況に応じてエラストマーマトリクスを含み、これは、二無水物とジアミンとの重縮合反応の生成物を含むことがある。いくつかの実施形態では、カーボンナノ粒子を約２ｗｔ％から約９ｗｔ％までの範囲の装荷でエラストマーマトリクス内に分散させることができる。エラストマーマトリクスは、さらに、限定はしないが溶融二酸化珪素を含む増強充填剤などの充填剤を含むことができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、感圧材料は、ポリイミド樹脂を含むポリマー／エラストマーマトリクスを含む。場合によっては、ポリイミド樹脂は、硬化ポリアミド酸樹脂であってもよい。本発明により使用することができる市販のポリアミド酸樹脂の実施例は、限定はしないが、それぞれニュージャージー州パーリンのＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｕｍｍｉｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙが市販するＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７００シリーズＭＤＡ遊離樹脂、ＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７０３シリーズＢＴＤＡ／ＭＤＡベース樹脂、およびＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７０５シリーズ膜形成可能樹脂などの、ＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）樹脂ファミリを含む。市販のポリアミド酸樹脂の他の好適な実施例としては、それぞれスイス、バーゼルのＶａｔｉｃｏ  ＡＧ社が市販するＭＡＴＲＩＭＩＤ（登録商標）５２１８および５２９２樹脂、それぞれコネティカット州ノーウォークのＡｒｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．が市販するＤＵＲＩＭＩＤＥ（商標）１００シリーズ、７０００シリーズ、７５００シリーズ、および７８００シリーズ樹脂、デラウエア州ニューアークのＤｕＰｏｎｔ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ社が市販するＶＥＳＰＥＬ（登録商標）樹脂ファミリ、さらに、それぞれ日本、東京のＨｉｔａｃｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ  Ｃｏ．が市販するＨＬ−Ｐ２００樹脂、ＨＬ−Ｐ５００樹脂、およびＨＬ−Ｐ８００樹脂がある。市販のポリイミド樹脂の非限定的な実施例は、スイス、バーゼルのＣｉｂａ−ＧｅｉｇｙのＰｒｏｂｉｍｉｄｅ  ３４８、Ｐｒｏｂｉｍｉｄｅ  ４１２、およびＸＵ−２８７、ＤｕＰｏｎｔのＰＩ−２５４０、ＰＩ−２５４５、ＰＩ−２５６０、ＰＩ−５８７８、Ｐｙｌａｒｉｎ  ＰＩ−２６１１、およびＰｉｒａｌｕｘ、ＨｉｔａｃｈｉのＰＩ  ＱＬ  １００、ＰＩ  ＸＬ  １１０を含む。
【００３１】
二無水物とジアミンとの反応生成物を含む感圧材料を利用する実施形態では、二無水物は、ピロメリット二無水物または１，２，４，５−ベンゼン・テトラカルボン酸二無水物（ＰＤＭＡ）、３，４，３'，４'−ベンゾフェノン・ベンゼン・テトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）、３，４，３'，４'−ビフェニル・テトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）、テルフェニル・テトラカルボン酸二無水物（ＴＰＤＡ）、３，３'，４，４'−オキシジフタル酸二無水物（ＯＰＤＡ）、２，２'−ビス［４−（３，４−ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン二無水物（ＢＰＡＤＡ）、３，３'，４，４'−ジフェニルスルフォン・テトラカルボン酸二無水物（ＤＳＤＡ）、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ジメチルシラン二無水物（ＳｉＤＡ）、さらに、これらのおよび／または他の二無水物の組み合わせのうちの１つまたは複数を潜在的に含みうる。ジアミンは、４，４'−オキシジアミン、４，４'−ジアミノ・ジフェニルまたは４−アミノ・フェニル・エーテル、４，４'−メチレンジアニリン（ＯＤＡ）、４，４'−ジアミノ・ジフェニル・メタン（ＭＤＡ）、メタフェニル・ジアミン（ＭＰＤ）、１，３−フェニレン・ジアミン（１，３−ＰＤＡ）、１，４−フェニレン・ジアミン（１，４−ＰＤＡ）、イソフォロンジアミン（ＩＰＤＡ）、（１，１'−ビフェニル）−４，４'−ジアミン（ＤＡＦ）、１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼン（ＡＰＢ−１３３）、１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン（ＡＰＢ−１３４）、ジュレン・ジアミンまたは２，３，５，６−テトラメチルフェニレンジアミン（ＤＡＤ）、さらにこれらのおよび／または他のジアミンの組み合わせのうちの１つまたは複数を潜在的に含みうる。二無水物とジアミンとの好適ないくつかの組み合わせは、限定はしないが、ＰＤＭＡとＯＤＡ、ＢＰＤＡとＯＤＡ、ＢＰＤＡとＭＤＡ、ＢＰＴＡとＭＤＡ、ＯＤＰＡとＯＤＡ、ＢＴＤＡとＯＤＡ、ＢＴＤＡとＭＤＡ、ＰＭＤＡとＰＤＡ、ＢＴＤＡとＰＤＡ、およびＰＭＤＡとＭＰＤとの組み合わせを含む。
【００３２】
本発明の一実施形態による感圧デバイスで使用するのに好適な流動性感圧インクは、最大約８５ｗｔ％までの好適な溶剤、約１５ｗｔ％から約９５  ｗｔ％までの範囲のポリマー材料、および約１ｗｔ％から約３０ｗｔ％までの範囲のカーボン粒子（乾燥重量）を含むことができる。所望の物理的特性を得るためにポリマーマトリクスを含む出発材料の相対量を変化させることができる。例えば、ポリイミド樹脂は、ジアミンと二無水物の反応の生成物を含むことができる。実質的に等モル量のジアミンおよび二無水物を使用できる場合もあれば、それぞれの相対量を必要に応じて調整し、特定の所望の物理的特性をターゲットとすることができる場合もある。いくつかのポリイミド前駆体は、ポリアミド酸の形で市販されている場合がある。改善された処理および他の特性について感圧インクを少し修正するために、場合によっては、感圧インクは、さらに、接着促進剤、界面活性剤、消泡剤、粘度調整剤、顔料など、さらにこれらのおよび／または他の好適な添加剤の組み合わせのうちの１つまたは複数を最大約２ｗｔ％まで含むようにすることもできる。当業者であれば、所望の一連の特性を得るためにお決まりの実験を使用するだけで添加剤の量および種類を容易に選択できる。
【００３３】
さらに他の実施形態によれば、感圧デバイスは、さらに、導電性リード線または層を他の導電性リード線または層から電気的に絶縁することができる誘電体を含むことができる。例えば、誘電体を１つまたは複数の導電性リード線の隣に、上に、または隣と上の両方に蒸着して、他の導電性リード線または層との電気的連絡を防止することができる。誘電体は、例えば、ポリヒドロキシエーテル樹脂および／またはメラミンホルムアルデヒドで架橋されたポリヒドロキシエーテル樹脂を含むことができる。誘電体として使用するのに好適なポリヒドロキシエーテル樹脂および架橋化合物の実施例は、限定はしないが、上述のような感圧材料を形成するのに有用なものがある。高温誘電体に使用可能な他のポリマーおよびポリマー系は、二無水物とジアミンの反応から得られるポリイミドを含む。
【００３４】
誘電体として使用するのに好適な市販の製品の特定の非限定的な実施例は、限定はしないが、それぞれニュージャージー州パーリンのＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｕｍｍｉｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社が市販するＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７００シリーズＭＤＡ遊離ポリイミド樹脂、ＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７０３シリーズＢＴＤＡ／ＭＤＡベースポリイミド樹脂、およびＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７０５シリーズ膜形成可能ポリイミド樹脂などのＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）ポリイミド樹脂ファミリ、デラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＤＵＰＯＮＴ  ５０１８Ｇおよび５０３６樹脂、ミシガン州ポートヒューロンのＡｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ社が市販するＥＬＥＣＴＲＯＤＲＡＧ（登録商標）４５１ＳＳおよび４５２ＳＳ樹脂を含む。場合によっては、メラミンホルムアルデヒド、フェノール類、ユリアホルムアルデヒド、無水物、ジイソシアネート、およびシランのうちの１つまたは複数で架橋されたフェノキシ樹脂は、高温誘電体内で潜在的に有用である。他の潜在的に有用なポリマーは、メラミンホルムアルデヒド、フェノール類、ユリアホルムアルデヒド、無水物、ジイソシアネート、およびシランで架橋された、アクリルポリオール、ヒドロキシル官能価を有するポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールを含む。アクリル酸化合物およびアクリル酸塩化合物に基づくＵＶ硬化可能誘電ペーストも、使用可能である。市販のＵＶ硬化ペーストのいくつかの実施例は、ＤＵＰＯＮＴ  ５０１８Ｇ、Ａｃｈｅｓｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄａｇ  ４５１ＳＳ、およびＡｃｈｅｓｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄａｇ  ４５２ＳＳを含む。
【００３５】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、非導電性支持基板を含む感圧デバイス、およびポリマーマトリクス内に分散された導電性カーボン粒子を含む基板により支持される感圧材料を規定し、これらは、フッ化ビニリデンおよび／またはフェノキシと少なくとも約１０ｗｔ％のメラミンとの反応生成物を含むことができる。ポリマーマトリクスは、場合によっては約９ｗｔ％のカーボン粒子を含むことができる。いくつかの例では、ポリマーマトリクスは、少なくとも約１０ｗｔ％のメラミンホルムアルデヒドを含むことができ、またいくつかの例では、約２３ｗｔ％のメラミンホルムアルデヒドとすることができる。ポリマーマトリクスは、１−メチル−２−ピロリジノン中にポリフッ化ビニリデンを含むことができる。感圧材料は、約２７℃から約１０５℃（約８０°Ｆから約２２０°Ｆ）の温度範囲にわたって、またいくつかの実施形態では約−４５℃から約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約−５０°Ｆから約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）またはそれ以上の温度範囲にわたって、約０．０１μＳから約１３００μＳの伝導率、および約０．０２μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約０．０１μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）、場合によっては、約５５０μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約２５０μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）の感度を持ちうる。
【００３６】
流動性感圧インクとともに流動性導電体および誘電体は、さらに、場合によっては、有機溶剤を含むことができる。適切な溶剤およびそのポリマー濃度は、材料と使用条件により変化しうる。このような溶剤および濃度は、当業者であれば容易に選択できる。好適な溶剤の実施例は、限定はしないが、メチルエチルケトン、グリコールエーテル、酢酸ブチルセロソルブなどのグリコールエチルエステル、およびジプロピレン・グリコール・モノメチル・エーテルを含む。他の実施例としては、ジプロピレン・グリコール・モノメチル・エーテル、ブチル・カルビトール・アセテート、セロソルブ・アセテート、ジエチレン・グリコール・エチル・エーテル、ジエチレン・グリコール・ジエチル・エーテル、エチレン・グリコール・ブチル・エーテル、エチレン・グリコール・ブチル・アセテート、メチルエチルケトン、トルエン、ガンマブチロラクトン、ジメチルサクシネート、グルタル酸ジメチル、およびアジピン酸ジメチルがある。例えば、ポリイミドと併用するのに好適と思われる他の溶剤は、限定はしないが、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアルデヒド（ＤＭＦ）、およびジメチル−２−ピペリドン（ＤＭＰＤ）を含む。使用される溶液のポリマー重量パーセントは、通常、約１５％から約４０％までの範囲内にあり、いくつかの実施形態では約２５％から約３５％までの範囲とすることができる。使用される溶剤の量は、とりわけ、溶剤が処理可能性、物理特性、コスト、保管寿命などに影響を及ぼす程度によって変化しうる。当業者であれば、そのようなファクタに関して溶剤の適切な量を決定することができる。
【００３７】
本発明による１つまたは複数の実施形態では、感圧デバイスは、さらに、感圧デバイスの複数のセグメントを固定する、接着剤または（複数の）層を含む。例えば、感圧デバイスを畳んで、非導電性基材層の外側の層の間の感圧層を囲むサンドイッチ構造を形成することができる（図３を参照）。接着剤は、畳まれたサンドイッチ構造の積層を固定し、結合して１つにまとめる働きをする。感圧デバイスの畳まれた層を固定するために使用される接着剤として、または接着剤の中で使用するのに潜在的に好適な材料の実施例は、限定はしないが、熱可塑性ゴム、天然ゴム、ポリイソプロピレン、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリウレタン、ポリクロロプレン、ポリシロキサン、またはそれらの共重合体または混合をベースとするものなどの合成ゴムを含むことができる。他の潜在的に好適な材料は、ブチルゴム、スチレン−ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン−スチレンゴム、スチレン−イソプレン−スチレンゴム、ポリビニルエーテル、アクリル、シリコンゴム、またはシリコン添加物、さらに、それらの組み合わせをベースとするものを含む。場合によっては、市販の膜、例えば、３Ｍ高温接着搬送テープまたはＤｕＰｏｎｔポリイミドテープを含む、高温添加剤膜を使用することができる。特定の好適な接着剤の選択は、熱安定性、他の成分との化学的親和性、さらに、塗布の容易さ、またはコストなどの加工に関係するファクタによって、異なる場合がある。本発明の１つまたは複数の実施形態では、接着剤は、感圧接着機能を持つ合成ゴムを含み、熱硬化重縮合シランなどのシラン、および／またはシランカップリング剤のうちの１つまたは複数とブレンドすることができる。ゴムとシランの比は、考察される特定の用途によって異なり、とりわけ、必要な接着強度および／または所望の動作温度での安定性に応じて選択することができる。例えば、比較的大きな接着強度が望ましい場合には比較的高い相対量のゴムを使用し、高い動作温度安定性については高い相対量のシランを使用することができる。接着剤は、限定はしないが、スクリーン印刷または固体薄膜蒸着などの当業で知られている手法を使用することにより本発明のデバイス内に塗布または使用することができる。また、当業者であれば、他の添加剤を、限定はしないが、消泡剤、粘度調整剤、顔料、処理補助剤、酸化防止剤、オゾン劣化防止剤などの接着剤で使用し、例えば、接着剤の処理可能性または他の特性を改質または改良することができることを理解するであろう。他の一連の実施形態では、超音波溶接、圧接、リベット打ち、または当業者に知られている他の機械的取り付け手法などの手法を使用してセンサの片割れを相互に配置することができる。
【００３８】
１つまたは複数の実施形態によれば、本発明は、感圧デバイスを加工するための方法を提供する。この方法は、非導電性支持基板を用意し、第１の導電体および第２の導電体を基板の一部に蒸着し、感圧層を基板上に蒸着し、第１および第２の導電体と電気的に連絡するようにするステップを含むことができる。感圧層は、上述の感圧材料の１つまたは複数を含むことができる。感圧材料を蒸着するステップは、感圧インクを支持基板に塗布すること、約１分から１０分の間に約４９℃から約１２１℃（約１２０°Ｆから約２５０°Ｆ）までの範囲の温度で、また一実施形態では、約３分間に約１００℃（約２１２°Ｆ）の温度で感圧インクを事前硬化することを含むことができる。感圧材料を蒸着するステップは、さらに、事前硬化された感圧インクを約５分から６０分間に、約１７０℃から約３１５℃（約３５０°Ｆから約６００°Ｆ）の範囲の温度で、また一実施形態では、約２０分間に約２２７℃（約４４０°Ｆ）の温度で、硬化させるステップを含むことができる。導体を蒸着するステップは、導電性インクを支持基板に塗布すること、および第１および第２の導体を十分な時間をかけて好適な温度で硬化させることを含むことができる。一実施形態では、硬化は、約５分間に約１５０℃（約３０２°Ｆ）で実行される。
【００３９】
１つまたは複数の実施形態によれば、本発明は、感圧デバイスに加えられる力の大きさを決定する方法を提供する。この方法は、感圧デバイスの少なくとも一部の上で感圧インクを硬化させるステップを含む。感圧インクは、カーボンナノ粒子が中に分散しているポリマーマトリクスを持つことができる。固化感圧インクは、約２７℃から約１０５℃（約８０°Ｆから約２２０°Ｆ）まで、いくつかの実施形態では、約−４５℃から約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約−５０°Ｆから約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）またはそれ以上の温度範囲にわたって、約０．０１μＳから約１３００μＳまでの範囲、いくつかの実施形態では約２００μＳから約１ｍＳまでの範囲の伝導率で、約０．０２μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約０．０１μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）までの範囲、場合によっては、約５５０μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約２５０μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）までの範囲の感度を持つことができる。その結果得られる伝導率は、力が感圧デバイスに加えられたときに固化感圧インク上で測定することができる。この方法は、さらに、場合によっては、加えられた力の大きさを確定するために感圧デバイスの加えられる力と伝導率の関係を定める較正基準と突き合わせて測定伝導率の相関を求めるステップを含むことができる。
【００４０】
感圧層１０は、例えば、平均粒子サイズが約１ナノメートルから約１０００ナノメートルまでの範囲のカーボンブラックナノ粒子または粉末とすることができる導電体および／または半導体粒子１２を含むことができる。いくつかの実施形態では、粒子は、直径約１３ナノメートルから約７５ナノメートルまでの範囲の平均粒子サイズ、場合によっては、約１５ナノメートルから約４５ナノメートルまでの範囲の平均粒子サイズを持つことができる。粒子の表面積は、場合によっては、約２５ｍ2／ｇから約５６０ｍ2／ｇまでの範囲、いくつかの実施形態では、約２４０ｍ2／ｇから約２６５ｍ2／ｇまでの範囲、密度は、約９６．１ｋｇ／ｍ3から約２８８ｋｇ／ｍ3（約６ｌｂ／ｆｔ3から約１８ｌｂ／ｆｔ3）までの範囲、いくつかの実施形態では、約９６．１ｋｇ／ｍ3から約１１２ｋｇ／ｍ3（約６ｌｂ／ｆｔ3から約７ｌｂ／ｆｔ3）までの範囲とすることができる。場合によっては、導電性粒子は、約１重量％から約３０重量％のポリマー結合剤および粒子組み合わせの量で層１０内に分散される。いくつかの実施形態では、エラストマー結合剤またはマトリクスを通じて粒子の一部または全部を均一に分布させることができる。場合によっては、粒子の少なくとも一部をナノ粒子とすることができる、つまり、粒子の平均粒子サイズを約１０００ナノメートル以下とすることができる。場合によっては、最大２重量％程度と少量の大きなサイズの粒子を、単独で、またはナノ粒子を含む異なるサイズの粒子と組み合わせて使用することができる。粒子の装荷の程度、つまり濃度は、当業者であれば理解するように、望ましい特定の物理的特性によって異なる場合がある。例えば、伝導率を高めるために、導電性層および感圧層のいずれか、または両方で高い装荷を使用することができる。つまり、加えられる力に従って感度および／または導電性または抵抗性出力を調整するために、ポリマーマトリクスおよび導電性カーボン粒子の１つまたは複数の相対濃度が調整される。また、カーボンブラック粒子がエラストマーマトリクスを導電性にする程度は、その物理的特性および化学的特性だけでなく含有量の影響も受ける可能性があると考えられる。カーボンブラック装荷により導電性にされたポリマーマトリクスでは、カーボンブラック粒子がマトリクス内に導体回路を形成した場合にカーボンブラック／ポリマー複合材料内を電子が流れ、表面積および構造は、通常、与えられた伝導度に影響を及ぼす可能性があると考えられる。
【００４１】
必要ならばいくつかの実施形態において半導体または導体グレードのカーボンブラック粒子を使用できる。このようなカーボンブラック粒子は、例えば、マサチューセッツ州ビルリカのＣａｂｏｔ  Ｃｏｒｐ．およびニュージャージー州リッジフィールドパークのＤｅｇｕｓｓａ  Ｃｏｒｐ．から市販されている。このようなカーボン粒子は、半導体特性を持つため使用することができる。本発明で有用な、または潜在的に有用な導体および半導体粒子は、限定はしないが、上述の半導体粒子とともに、アンチモン、ケイ素、磁鉄鉱、グラファイト、モリブデン、硫化物、カーボランダム、硫化鉛、硫化第一鉄、鉄と炭素、リンなどとの化合物、さらに、これらのおよび／または他の材料の組み合わせに基づく粒子を含む。シリカ、タルク、ベントンなどの１つまたは複数の物理的特性を修正することができるナノ粒子、充填剤、またはその他の薬剤も使用することができる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、感圧材料の伝導率は、約２７℃から１０５℃（約８０°Ｆから約２２０°Ｆ）、いくつかの実施形態では、約−４５℃から約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約−５０°Ｆから約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）またはそれ以上の温度範囲にわたって、約０．０１μＳから約１３００μＳ、通常は約２００μＳから約１ｍＳまでの範囲に調整できる。感圧材料は、さらに、約０．０２μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約０．０１μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）までの範囲、場合によっては、約５５０μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約２５０μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）の範囲とすることができる力感度を与えるように調整することもできる。
【００４３】
本発明の感圧インクのコロイド系は、場合によっては従来の方法で形成することができる。適切な溶剤、例えば上述の溶剤を、すでに説明されているような結合剤などの選択されたポリマー結合剤と混合し、その後、従来の混合手法を使用して、好適なコロイド系が形成されるまでナノ粒子の充填剤を結合剤の中に分散させることができる。そのように形成された初期コロイド系は、いくつかの場合においてマスターバッチとして機能し、追加結合剤および／または粒子がマスターバッチと混合され、所望の一連の特性を有する感圧インクを得ることができる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、感圧インクは、本明細書で説明されているような、従来の乾燥および／または硬化手法により感圧デバイスの固化成分に形成することができる。インクは、基板表面に、シルクスクリーン、ドクターコーティング、スプレー、ジェット印刷、または他の従来の方法で塗布することができる。場合によっては、インクを基板に塗布しやすくするために、インクは、約２１℃（約７０°Ｆ）で少なくとも約３０００センチポアズの粘度を持つようにできる。インクは、説明のように、場合によっては、所定のパターンで、選択された表面にインクの薄い層として蒸着し、その後、乾燥または硬化させることができる。乾燥厚約３．８マイクロメートルから約１１．４マイクロメートル（約０．０００１５インチから約０．０００４５インチ）のインク層が、本発明のいくつかの感圧デバイス内で使用されるが、他の厚さの層も、潜在的に使用可能である。デバイスに応じて、１つまたは複数の層を使用することができる。場合によっては、層を成形することもできる。本明細書で使用されているような「層」という用語は、さらに、特定の用途の要件に合わせて円柱、四角形、正方形、またはその他の形状などの形状を含む。乾燥は、いくつかの場合に、溶剤を除去し、層を固化するために必要な時間の間、溶剤の蒸発温度のすぐ上で実行できる。いくつかの場合に、乾燥の熱も、硬化作用を起こし、および／または上述のモノマーまたはプレポリマーを含むインクの重合を誘起する可能性がある。
【００４５】
本発明は、さらに、本質的に例示的な、本発明の範囲を制限しない、以下の実施例を通じて理解できる。
【実施例１】
【００４６】
この実施例は、ＰＭＤＡ−ＯＤＡベースの感圧インクを含む、本発明の１つまたは複数の実施形態による感圧材料を例示する。このインクは、室温で、アルゴン大気中において、１００グラム（０．６４モル）の４，４'−オキシジアミンを５００グラムの１−メチル−２−ピロリジノン中に溶解することにより調合された。室温で攪拌しながら、１３８．９０ｇ（０．６４モル）のピロメリット二無水物溶液が１滴ずつ１−メチル−２−ピロリジノン／ジアミン混合物に加えられた。溶液は、約１時間かけてアルゴン大気中において室温で攪拌され、赤色樹脂が得られた。その結果得られた反応物質は、ポリアミド酸樹脂中間物質であり、ガラス容器に移され、０℃で冷蔵保管された。その後、マサチューセッツ州ビルリカのＣａｂｏｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている導電性カーボンブラック粉末などの約１５グラムの導電性粒子が、約２００グラムのポリアミド酸樹脂内に導き入れられ、すべてのカーボンブラック粒子が組み込まれるようにした。カーボンブラック粒子は、６分間に２０００ＲＰＭの実験用ディスペンサを使用して材料内に分散された。加えられる力に従って感度および／または導電性または抵抗性出力を調整するために、ポリアミド酸樹脂および導電性カーボン粒子の１つまたは複数の相対濃度を調整することができた。
【００４７】
本発明による他の実施形態では、市販のポリアミド酸材料を使用して、感圧インクを作ることができるが、その場合、所望の感度および／または伝導率に応じて、さまざまな濃度でカーボンブラック粉末が組み込まれる。
【実施例２】
【００４８】
この実施例は、本発明のいくつかの感圧センサの作成を例示している。この実施例で加工されるセンサではそれぞれ、約２０ｗｔ％のジプロピレングリコールモノメチルエーテル溶剤、約２３ｗｔ％のメラミンホルムアルデヒド架橋剤を含む約７．５ｗｔ％のポリヒドロキシエーテル樹脂、および約７２．５ｗｔ％の銀粒子を調合した導電性インクを使用した。この導電性インクは、約６．４マイクロメートル（約０．２５ｍｉｌ）の厚さを持つように配置された。導電性インクは、５分間かけて１５０℃（３０２°Ｆ）で硬化された。
【００４９】
比較として使用され、「標準ＴＫセンサ」として指定されている、従来技術の感圧デバイスは、ポリヒドロキシエーテル樹脂内に分散された９ｗｔ％の導電性カーボンナノ粒子で作られた感圧インクを使用して用意された。この感圧インクは、３分間かけて１４１℃（２８５°Ｆ）で硬化された。標準ＴＫセンサは、約２ｋｇ（約４．５ｌｂ）の最大外力で実験室のテスターにより試験された。感圧インクは、米国特許第５，９８９，７００号で説明されているように、約７２ｗｔ％のジプロピレングリコールモノメチルエーテル溶剤、約２５．５ｗｔ％のポリヒドロキシエーテル樹脂、および約２．５ｗｔ％のカーボンブラック粒子を含んでいた。
【００５０】
「ポリイミドセンサ」と指定されている本発明による感圧デバイスも作成された。ポリイミドセンサの感圧インクは、ポリアミド酸樹脂中に分散された約１．６ｗｔ％の導電カーボンブラック粒子を含んでいた。感圧インクは、約２０分間かけて２２７℃（４４０°Ｆ）で硬化された。ポリイミドインクは、約８０ｗｔ％の１−メチル−２−ピロリジノン溶剤、約１８．４ｗｔ％のポリアミド酸樹脂、および約１．６ｗｔ％の導電カーボンブラック粒子を含んでいた。
【００５１】
センサは、さまざまな温度において、約０．４ｋｇ（０．９ｌｂ）から約２ｋｇ（約４．５ｌｂ）の最大外力までのさまざまな加荷重で実験用テスターにより試験された。表１は、ポリイミドセンサの測定された伝導率を示している。データは、図４にグラフで示されている。データは、最大１０４℃（２２０°Ｆ）までの温度で予想通り使用できることを示している。印加された電圧は約５Ｖであった。
【００５２】
【表１】
2006528366.tif 000003
【００５３】
表２は、さまざまな温度でのポリイミドセンサの計算で求められた感度を示している。このデータは、図５にグラフで示されており、広い温度範囲にわたって予測可能な、安定したセンサのパフォーマンスを示している。
【００５４】
【表２】
2006528366.tif 000004
【００５５】
表３は、さまざまな温度での、標準ＴＫセンサの計算で求められた感度（μＳ／ｌｂ）とともにポリイミドセンサの計算で求められた感度を示している。このデータも、図６にグラフで表されており、ポリイミドセンサは、一般に、標準ＴＫセンサに比べて、安定した予測可能な応答を持つことを示している。
【００５６】
【表３】
2006528366.tif 000005
【００５７】
表４は、標準ＴＫセンサおよびポリイミドセンサ（「センサＣ」）だけでなく本発明によるフェノキシ／メラミンインクベースセンサおよびＰＶＤＦインクベースセンサの計算で求められた感度を示している。フェノキシ／メラミンインクベースセンサ（「センサＡ」）は、結合剤が７７ｗｔ％のポリヒドロキシエーテル樹脂および２３ｗｔ％のメラミンホルムアルデヒド樹脂を含むという点を除き、標準ＴＫセンサと実質的に同じようにして作成された。ＰＶＤＦインクベースセンサ（「センサＢ」）も、２．５ｗｔ％のカーボンブラック粒子とともに７０ｗｔ％の１−メチル−２−ピロリジノン中に溶解されているフッ化ビニリデンを使用することを除き、標準Ｋセンサと実質的に同じようにして作成された。ＰＶＤＦインクは、２４時間かけて約６６℃（１５０°Ｆ）で硬化された。図７のグラフでも表されているこのデータは、本発明による高温安定感圧デバイスを使用して、約６６℃（約１５０°Ｆ）よりも高い温度で予測可能な安定した応答を与える感圧デバイスを作成することができることを示している。
【００５８】
【表４】
2006528366.tif 000006
【００５９】
表５は、室温での複数の装荷サイクルによるポリイミドセンサの測定された感度を示している。このデータは、図８にグラフでも表されており、ポリイミドセンサは、著しい劣化なしで反復装荷サイクルを受けることができることを示している。表５では、ヒステリシスは、装荷および除荷のシーケンスの間のセンサ出力の最大の差のパーセンテージとして定義される。例えば、第１のサイクルだと、ヒステリシスは、１００％×（５５５−５０２）／５５５＝９．５％として計算された。さらに、表５では、「ピーク負荷での反復」は、最初のサイクルのピーク負荷から後続のサイクルのピーク負荷への出力のセンサにおける変化のパーセンテージとして定義される。例えば、第４のサイクルだと、ピーク負荷での反復性は、１００％×（１１５０−１１２３）／１１２３＝２．４％として計算された。
【００６０】
【表５】
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【００６１】
表６は、他の実験でポリイミドセンサを使用した、ポリイミドマトリクス中に分散されている炭素とセンサの記録された感度との対比を示している。外力は、約３６６ｐｓｉであった。このデータは、図９でグラフとしても表されている。
【００６２】
【表６】
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【００６３】
本発明のいくつかの実施形態が、本明細書で説明され、例示されているが、当業者であれば、機能を実行する、および／または結果および／または本明細書で説明されている利点の１つまたは複数を得るためにさまざまな他の手段および／または構造を容易に思い付くであろうし、またそのような変更形態および／または修正形態はそれぞれ、本発明の範囲内にあるとみなされる。より一般的には、当業者であれば、本明細書で説明されているすべてのパラメータ、寸法、濃度、材料、および構成は、例示的であることを意図され、実際のパラメータ、寸法、濃度、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される特定の１つまたは複数の用途に依存することを容易に理解するであろう。当業者であれば、日常行っている実験だけを使用して、本明細書で説明されている発明の特定の実施形態と同等の多数の等価物を理解するか、または確認することができるであろう。したがって、前記の実施形態は、実施例のみにより表されること、および付属の請求項およびその等価物の範囲内において、本発明は、特に説明され請求されている以外の方法で実施できることは理解されるであろう。本発明は、本明細書で説明されているそれぞれの特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。さらに、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の２つ以上の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾していなければ、本発明の範囲内に含まれる。
【００６４】
本明細書で定義され使用されるような、すべての定義は、辞書定義、参照により組み込まれる文書内の定義、および／または定義された用語の通常の意味を統制するものと理解されるであろう。
【００６５】
また、反対のことが明確に示されていない限り、複数の動作を含む本明細書で請求されている方法において、方法の動作の順序は、方法の動作が引用される順序に必ず限定されないことも理解されるであろう。
【００６６】
本明細書および請求項で使用されているように、要素のリストの参照の中の「少なくとも１つ」という用語は要素のリスト内の要素の１つまたは複数から選択された少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも、要素のリスト内に特に列挙されているありとあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むわけではなく、また要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを除外しないことは理解されるであろう。同様に、要素のリストの参照の中の「またはその組み合わせ」という用語は、要素の１つまたは複数を要素のリストから選択できることを意味するが、必ずしも、要素のリスト内に特に列挙されているありとあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むわけではなく、また要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを除外しないことは理解されるであろう。これらの定義では、さらに、「少なくとも１つ」または「またはその組み合わせ」というフレーズが参照する要素のリスト内で特に識別されている要素以外の要素が、特に識別されたそれらの要素に関係があっても無関係でも、状況によっては存在する場合があることを許容する。そのため、非限定的実施例として、「ＡおよびＢまたはその組み合わせ」（または、それと同等のものとして、「ＡおよびＢおよびその組み合わせ」、「ＡおよびＢのうちの少なくとも一方」、「ＡまたはＢのうちの少なくとも一方」、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも一方」など）は、一実施形態では、Ｂが存在しない場合の、少なくとも１つの、状況によっては複数を含む、Ａを指し（および状況によっては、Ｂ以外の要素を含む）、他の実施形態では、Ａが存在しない場合の、少なくとも１つの、状況によっては複数を含む、Ｂを指し（および状況によっては、Ａ以外の要素を含む）、さらに他の実施形態では、少なくとも１つの、状況によっては複数を含む、Ａ、および少なくとも１つの、状況によっては複数を含む、Ｂを指す（および状況によっては他の要素を含む）といった意味になる。
【００６７】
請求項では、上の明細書の場合と同様に、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「搬送する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「持つ、有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む、包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う、関与する（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保持する、保有する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「からなる、から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」、「で作られる（ｍａｄｅ  ｏｆ）」、「から形成される（ｆｏｒｍｅｄ  ｏｆ）」などは、制約がないと理解される、つまり、限定はしないが含むを意味する。移行句「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「本質的に〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」のみは、それぞれ、米国特許審査便覧第２１１１．０３条に規定されているように、閉または半閉移行句とする。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の１つ以上の具体例による、凝固済み感圧インキの断面線図である。
【図２】本発明の１つ以上の具体例による、凝固済み感圧装置の平面図である。
【図３】図２に示す組立てた感圧装置の３−３の断面を通る断面図である。
【図４】本発明の１つ以上の具体例による、様々な温度での、ポリイミド感圧材料に基づく感圧装置の加えた圧力の関数としての伝導率を示すグラフである。
【図５】本発明の１つ以上の具体例による、ポリイミドに基づく感圧装置の温度の関数としての感度を示すグラフである。
【図６】本発明の１つ以上の具体例による、ポリイミドに基づく感圧装置の温度の関数としての感度、並びに当分野において周知の標準的な感圧装置の感度を示すグラフである。
【図７】本発明の１つ以上の具体例による、様々な高温対応感圧装置の温度の関数としての感度を示すグラフである。
【図８】本発明の１つ以上の具体例による、ポリイミド感圧材料に基づく感圧装置の室温での幾つかの負荷サイクルを通した伝導率を示すグラフである。
【図９】本発明の１つ以上の具体例による、フィルムマトリックス中の炭素ナノ粒子のパーセントの関数としての感度を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年3月15日(2006.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリイミドを含む非伝導性支持基体と；
前記基体によって支持され、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル中に分散した銀粒子を含む伝導性リードと；
前記伝導性リードと接触した状態になっており、前記基体によって支持され、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、ポリマーマトリックスの少なくとも１０重量％を構成するメラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性及び／または半導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料と；
前記基体によって支持され、合成ゴム材料及びシランカップリング剤を含む接着剤と；
を含む感圧装置。
【請求項２】
メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂を含む誘電体材料をさらに含む、請求項１に記載の感圧装置。
【請求項３】
前記ポリマーマトリックスはポリイミドを含む、請求項１に記載の感圧装置。
【請求項４】
非伝導性支持基体と；
前記基体によって支持され、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、ポリマーマトリックスの少なくとも１０重量％を構成するメラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性及び／または半導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料と；
を含む感圧装置。
【請求項５】
前記支持基体はポリイミドを含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項６】
前記感圧材料と電気的に連通し、前記基体によって支持された伝導性リードをさらに含み、前記伝導性リードは、バインダー中に分散した導電性金属を含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項７】
前記伝導性リードは、架橋剤化合物を用いて架橋したポリヒドロキシエーテル中に分散した銀粒子を含む、請求項６に記載の感圧装置。
【請求項８】
前記ポリヒドロキシエーテルは、フェノキシ化合物、エポキシ化合物、アクリルポリオール化合物、ヒドロキシル−官能性ポリエステル化合物、ヒドロキシル−官能性ポリエーテル化合物、ポリビニルブチラール化合物、ポリビニルアルコール化合物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項７に記載の感圧装置。
【請求項９】
前記架橋剤化合物は、メラミンホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒド、尿素ホルムアルデヒド、無水物、アミン、ジイソシアナート、ポリイソシアナート、ポリウレタン、シラン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項７に記載の感圧装置。
【請求項１０】
誘電体材料は、前記伝導性リードを電気的に絶縁できることをさらに含む、請求項６に記載の感圧装置。
【請求項１１】
前記誘電体材料は、高温誘電体材料である、請求項１０に記載の感圧装置。
【請求項１２】
前記炭素ナノ粒子は、約１．５重量％及び約３．５重量％の濃度で前記ポリマーマトリックス中に分散される、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１３】
前記ポリマーマトリックスは、ジアミン及び二無水物の重縮合反応の生成物を含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１４】
前記二無水物は、ピロメリト酸二無水物、１，２，４，５−テトラカルボキシリックベンゼン二無水物、３，４，３'，４'−ベンゾフェノンテトラカルボキシリックベンゼン二無水物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物、テルフェニルテトラカルボキシリック二無水物、３，３'，４，４'−オキシジフタリック二無水物、２，２'−ビス［４−（３，４−ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン二無水物、３，３'，４，４'−ジフェニルスルホンテトラカルボキシリック二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ジメチルシラン二無水物、４，４'−（２，２，２−トリフルオロ−１−フェニルエチリデン）ジフタリック無水物、５，５'−［２，２，２−トリフルオロ−１−（トリフルオロメチル）エチリデン］ビス−１，３−イソベンゼンフランジオン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１３に記載の感圧装置。
【請求項１５】
前記ジアミンは、４，４'−オキシジアミン、４，４'−ジアミノジフェニル、４−アミノフェニルエーテル、４，４'−メチレンジアニリン、４，４'−ジアミノジフェニルメタン、メタ−フェニルジアミン、１，３−フェニレンジアミン、１，４−フェニレンジアミン、イソホロンジアミン、（１，１'−ビフェニル）−４，４'−ジアミン、ジュレンジアミン、２，３，５，６−テトラメチルフェニレンジアミン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１３に記載の感圧装置。
【請求項１６】
前記ポリマーマトリックスは、充填剤としてフュームドシリカ二酸化物をさらに含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１７】
前記感圧材料は、フェノキシ樹脂を含む誘電体材料をさらに含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１８】
折り返された組立体である前記感圧装置を固定するために配置された接着剤層をさらに含む、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項１９】
前記ポリマーマトリックスは、ピロメリト酸二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４'−メチレンジアニリンの反応生成物、テルフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４'−メチレンジアニリンの反応生成物、３，３'，４，４'−オキシジフタリック二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４'−メチレンジアニリンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及びメタ−フェニルジアミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項２０】
前記感圧材料は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項２１】
前記感圧材料は、ポリマーマトリックス中に分散した約１重量％及び約１０重量％の炭素ナノ粒子を含む、請求項２０に記載の感圧装置。
【請求項２２】
前記感圧材料は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項４に記載の感圧装置。
【請求項２３】
加えた力に応答する電気伝導率の変化を有する感圧装置であって：
ポリイミドを含む基体と；
加えた力に応答して前記装置の電気伝導率を変化させるための手段であって、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する手段と；
を含む感圧装置。
【請求項２４】
前記電気伝導率を変化させるための前記手段は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項２３に記載の感圧装置。
【請求項２５】
前記感圧材料は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような、ポリマーマトリックス中に分散した伝導性及び／または半導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料。
【請求項２６】
前記ポリマーマトリックスは、シリコーンゴム、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項２７】
前記ポリマーマトリックスは、ジアミン及び二無水物の重縮合反応の生成物である、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項２８】
前記ポリマーマトリックスは、ピロメリト酸二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４'−メチレンジアニリンの反応生成物、テルフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４'−メチレンジアニリンの反応生成物、３，３'，４，４'−オキシジフタリック二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４'−メチレンジアニリンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及びメタ−フェニルジアミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項２９】
前記炭素ナノ粒子は、約１重量％〜約３０重量％の濃度で前記ポリマーマトリックス中に分散される、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項３０】
前記炭素ナノ粒子は、約９重量％の濃度で前記ポリマーマトリックス中に分散される、請求項２９に記載の感圧材料。
【請求項３１】
前記感圧材料は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項２５に記載の感圧材料。
【請求項３２】
感圧装置の製造方法であって：
支持非伝導性基体を提供することと；
第１の導電体及び第２の導電体を前記基体の一部分の表面に堆積することと；
感圧層を前記第１及び第２の導電体と電気的に連通した前記基体の少なくとも一部分の表面に堆積することと；を含み、前記感圧層はポリマー材料中に分散した伝導性及び／または半導性炭素ナノ粒子を含む、方法において、
前記ポリマー材料は、ピロメリト酸二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４'−メチレンジアニリンの反応生成物、テルフェニルテトラカルボキシリック二無水物及び４，４'−メチレンジアニリンの反応生成物、３，３'，４，４'−オキシジフタリック二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４'−オキシジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び４，４'−メチレンジアニリンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、３，４，３'，４'−ビフェニルテトラカルボキシリックベンゼン二無水物及び１，３−フィレンジアミンの反応生成物、ピロメリト酸二無水物及びメタ−フェニルジアミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択される、方法。
【請求項３３】
前記感圧層を堆積する工程は、ポリマー材料の前駆体を含むインキを施用することと、約１２０°F〜約２５０°Fの温度で約１〜約１０分間前記インキを早期硬化することとを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記インキは溶媒を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３５】
前記溶媒は、メチルエチルケトン、グリコールエーテル、グリコールエチルエステル、ブチルセロソルアセテート、ジプロピレングリコール、モノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ブチルカルビトールアセテート、セロソルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールブチルアセテート、メチルエチルケトン、トルエン、ガンマブチロラクトン、ジメチルスクシネート、ジメチルグルタレート、ジメチルアジペート、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、ジメチルスルホキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアルデヒド、ジメチル−２−ピペリドン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３６】
前記インキは最高約２重量％までの添加剤を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記早期硬化工程は、約２１２°Fで約３分間実行される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記感圧層を堆積する工程は、前記インキを約３５０°F〜約６００°Fの温度で約５分間〜約６０分間硬化する工程をさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記硬化工程は、約４４０°Fで約２０分間実行される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４０】
接着剤を前記支持非伝導性基体の前記少なくとも一部分の表面に堆積する工程をさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項４１】
感圧装置の製造方法であって：
支持非伝導性基体を提供することと；
第１の電気的リード及び第２の電気的リードを前記基体の一部分の表面に堆積することと；
感圧材料を前記第１及び第２の電気的リードと電気的に連通した前記基体の少なくとも一部分の表面に堆積することと；を含む方法において、感圧材料は、前記電気的リードにわたって測定した導電率は加えた力に応答して変化し、その結果、これは、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような特性を有する、方法。
【請求項４２】
感圧材料は、前記電気的リードにわたって測定した導電率は加えた力に応答して変化し、その結果、これは、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような特性を有する、請求項４２に記載の方法。
【請求項４３】
感圧装置に加えた力を決定する方法であって：
ポリマーマトリックス中に分散した伝導性及び／または半導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料に力を加え、前記感圧材料は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有することと；
生じた伝導率を前記感圧材料にわたって測定することと；
を含む方法。
【請求項４４】
加えた力対前記感圧装置の伝導率の関係を定義する検定標準に対して測定した伝導率を相関させて、前記加えた力の大きさを確定する工程をさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４５】
前記感圧材料は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
非伝導性支持基体と；
前記基体によって支持され、ポリフッ化ビニリデン、フェノキシ及び少なくとも約１０重量％のメラミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性及び／または半導性炭素粒子を含む感圧材料と；
を含む感圧装置。
【請求項４７】
前記ポリマーマトリックスは約９重量％の炭素粒子を含む、請求項４７に記載の感圧装置。
【請求項４８】
前記ポリマーマトリックスの前駆体は約２３重量％のメラミンホルムアルデヒドを含む、請求項４７に記載の感圧装置。
【請求項４９】
前記ポリマーマトリックスは、１−メチル−２−ピロリジノン中のポリフッ化ビニリデンを含む、請求項４７に記載の感圧装置。
【請求項５０】
前記感圧材料は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項４７に記載の感圧装置。
【請求項５１】
前記感圧材料は、約−５０°F〜約４２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する、請求項５１に記載の感圧装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本明細書において参考のために引用する、２００３年５月１４日に出願されたLima, et alによる"High Temperature Pressure Sensitive Devices and Methods Thereof"と称する米国仮特許出願第60/470,614号の恩典を請求する。
【０００２】
本発明は、感圧材料、このような感圧材料を取り入れた装置、並びにこのような感圧材料及び装置の製造及び高温条件下での使用方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
感圧材料、例えば凝固済み感圧インキから誘導されるもの、は、加えた力に対してある様式で応答する。幾つかの凝固済み感圧インキの場合、それらの抵抗率または伝導率は、加えた圧力の関数として変化する。感圧インキは、様々な触覚または感圧装置の例えば圧力変換器、センサー、及びひずみゲージのために使用されてきた。例えば、Maness, et al.は、米国特許第4,734,034号及び同第4,856,993号において、歯の咬合を測定するための接触センサーを説明している。また、McDowellは、米国特許第5,541,570号において、同様に力検知凝固済みインキ及びインキの製造方法並びに改良された力覚センサーを説明している。さらに、Krivopalは、米国特許第5,989,700号において、感圧インキ及びその使用方法を説明している。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、感圧材料及び感圧インキ、並びにこのような感圧材料を取り入れるかまたは利用する感圧装置に関する。より詳細には、本発明は、温度安定感圧材料及びこのような感圧材料を形成する感圧インキ、並びに高温で予測可能に変化し得る電気的性質を有する温度安定感圧装置に関する。本発明の主題は、場合によっては、相互に関係のある製品、特定の問題に対する他の解決、及び／または１つ以上のシステム及び／または物品の複数の様々な使用を含む。
【０００５】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、ポリイミドを含む非伝導性支持基体、基体によって支持され、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル中に分散した銀粒子を含む伝導性リード、伝導性リードと接触した状態になっており、基体によって支持され、シリコーンゴム、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料、並びに基体によって支持され、合成ゴム材料及びシランカップリング剤を含む接着剤を含む感圧装置を提供する。
【０００６】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置を提供する。感圧装置は、非伝導性支持基体、及び基体によって支持され、シリコーンゴム、ポリアミド−イミドポリマー、ポリエステル−イミドポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（エチレン−２，６−ナフタレンジカーボネート）、ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）、メラミンホルムアルデヒドを用いて架橋したポリヒドロキシエーテル樹脂、二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性炭素ナノ粒子を含む感圧材料を含む。
【０００７】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、加えた力に応答する電気伝導率の変化を有する感圧装置を提供する。感圧装置は、ポリイミドを含む基体、及び加えた圧力に応答して電気伝導率を変化させるための手段を含み、ここで、手段は、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する。場合によっては、電気伝導率を変化させるための手段は、基体表面に支持させることができる。
【０００８】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、前記感圧インキは、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような、ポリマーマトリックス中に分散した炭素ナノ粒子を含む感圧材料を提供する。場合によっては、温度範囲は、約−５０°F〜約４００°Fまたは４２０°Fとしてよい。
【０００９】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置の製造方法を提供する。本方法は、支持非伝導性基体を提供する工程と、第１の導電体及び第２の導電体を、基体の一部分の表面に堆積する工程と、感圧層を、第１及び第２の導電体と電気的に連通した基体の少なくとも一部分の表面に堆積する工程とを含む。場合によっては、感圧層は、ポリマー材料中に分散した炭素ナノ粒子を含む。１具体例においては、感圧装置は非平坦としてよい。
【００１０】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置の製造方法を提供する。本方法は、支持非伝導性基体を提供する工程と、第１の電気的リード及び第２の電気的リードを、基体の一部分の表面に堆積する工程と、感圧材料を、第１及び第２の電気的リードと電気的に連通した基体の少なくとも一部分の表面に堆積する工程とを含む。場合によっては、感圧材料は、電気的リードにわたって測定した導電率は加えた力に応答して変化し、その結果、これは、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有するような特性を有する。１具体例においては、感圧装置は非平坦としてよい。
【００１１】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置に加えた力を決定する方法を提供する。本方法は、ポリマーマトリックス中に分散した炭素ナノ粒子を含む感圧材料に力を加える工程と、生じた伝導率を感圧材料にわたって測定する工程とを含む。感圧材料は、１具体例においては、約８０°F〜約２２０°Fの温度範囲にわたって、伝導率約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cm及び感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lbを有する。
【００１２】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、非伝導性支持基体、並びに基体によって支持され、ポリフッ化ビニリデン、フェノキシ及び少なくとも約１０重量％のメラミンの反応生成物、またはこれらの組合せからなる群から選択されるポリマーマトリックス中に分散した伝導性炭素粒子を含む感圧材料を含む感圧装置を提供する。
【００１３】
本発明の他の利点及び新規な特徴は、本発明の様々な非限定具体例の以下の詳細な説明を添付図と共に検討することによって明瞭になろう。本明細書及び参考のために引用する文書が矛盾する及び／または一致しない開示を含む場合、本明細書が支配するものとする。
【００１４】
添付図面は、正確な縮尺率で描くことを意図してはいない。図においては、典型的に様々な図中に示す各々の同一のまたはほぼ同一の構成要素を単一の符号によって表わす。理解しやすくするため、全ての図において全ての構成要素に標識を付けてあるわけではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本明細書において使用する“感圧材料”という句は、材料に加えた力の関数として予測可能に変化する少なくとも１つの材料特性、すなわち形状以外に、密度、典型的に抵抗率、または伝導率を有する固体材料、典型的にポリマー材料を指す。本明細書において使用する“感圧インキ”という句は、例えば、ポリマー硬化及び／または重合及び／または溶媒蒸発によって凝固すると、感圧材料を形成する流動性材料を指す。
【００１６】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置の感圧構成要素として使用するために設計された選択された圧力感度を有する感圧材料を形成できる感圧インキを提供する。凝固済み感圧インキは、重合済みポリイミドマトリックス中に分散した炭素ナノ粒子を含むことができる。凝固済み感圧インキは、約８０°F〜約２２０°F（約２７℃〜約１０５℃）の温度範囲にわたって、特定の具体例においては、約−５０°F〜約３５０°F、約４００°F、または約４２０°F（約−４５℃〜約１７６℃、約２０５℃、約２１６℃）以上の温度範囲にわたって、伝導率約０．０１マイクロジーメンス（μS/cm）〜約１３００μS/cm、典型的に約２００μS/cm〜約１ミリジーメンス（mS）を有することができ、感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lb（約０．０２μS/kg〜約６６０μS/kg）、場合によっては約２５０μS/lb〜約３００μS/lb（約５５０μS/kg及び約６６０μS/kg）を有する。１組の具体例においては、ポリイミドマトリックスは、二無水物及びジアミンの重縮合反応生成物を含むことができる。
【００１７】
本発明の感圧インキまたは感圧材料または層の１具体例を、図１に示す。感圧材料１０は、典型的にこれを通して実質的に均一で伝導性または半導性としてよい複数の粒子１２を取り入れたエラストマーまたはポリマーバインダーまたはマトリックス１１を含むことがで、この結果、感圧材料１０は、硬化する及び／または乾燥すると、参照符号１６によって示される材料１０に加えた圧力または力Ｐを加えること及び／または緩和することによって、抵抗率または伝導率の変化を表すことができる応答を提供する。すなわち、１つ以上の具体例においては、感圧材料１０及び／または少なくとも部分的に互いに覆う複数の層１０を有する複合体構造は、力または圧力を加えることによって導電性経路の増大を提供することができる。これは電気伝導率の増大をもたらすことができ、この結果、伝導率（または伝導率の変化）を測定でき、加えた力または圧力の大きさを示すことができる。ポリマー／エラストマーマトリックス１１を、例えば、下記に説明するような高温安定ポリマーのうちの１つ以上で構成してよい。場合によっては、感圧材料１０は、エラストマーマトリックス１１の少なくと一部分と混合される及び／またこれを形成する誘電体材料１４をさらに含むことができる。特定の場合に、エラストマーマトリックス１１は、感圧層１０の機械的及び／または化学的性質の変化を提供するように適応させることができる充填剤１８、例えば補強または非補強充填剤ををさらに取り入れることができ、これは、当業者であれば理解できると思われる。
【００１８】
１つ以上の具体例によれば、本発明は、感圧装置を提供する。感圧装置は、支持非伝導性基体；基体によって支持され、ポリマーマトリックス中に分散した導電性金属を含む単数または複数の伝導性リード；及び基体によって支持され、単数または複数の伝導性リードに電気に接続された感圧材料；を含むことができる。感圧材料は、ポリマーマトリックスの例えばポリイミド、すなわち硬化済みポリアミド酸中に分散した炭素粒子と共に凝固済み感圧インキを含むことができる。幾つかの具体例においては、感圧材料は、エラストマーマトリックス中に分散した伝導性炭素ナノ粒子を含むことができる。材料は、場合によっては、以下のうちの任意の１つ以上を含むことができる：二無水物及びジアミンの重縮合反応の生成物；ポリアミド−イミドポリマー；ポリエステル−イミドポリマー；ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）；ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）；ポリ（エチレン２，６−ナフタレンジカーボネート）；ポリ（ビスフェノール−Ａカーボネート）；並びにこうしたものの組合せ及び／または他の材料。
【００１９】
感圧装置を、例えば、特定の具体例においては、約−５０°F（約−４５℃）〜約１５０°F（約６５℃）を超え、幾つかの具体例の場合、約３５０°F、約４００°F、または約４２０°F（約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃）、時々はこれ以上の動作温度で、改良された高温能力及び／または安定性を提供する材料及び構成要素から構成してよい。
典型的な装置は、約０．０１μS/cm〜約１３００μS/cmの範囲にわたる改良された伝導率及び感度を有する。幾つかの具体例においては、感圧装置を、約８０°F〜約２２０°F（約２７℃〜約１０５℃）、または場合によっては約−５０°F〜約３５０°F、約４００°F、若しくは約４２０°F（約−４５℃〜約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃）以上もの温度範囲にわたって、感度約０．０１μS/lb〜約３００μS/lb（約０．０２μS/kg〜約６６０μS/kg）、場合によっては約２５０μS/lb〜約３００μS/lb（約５５０μS/kg〜約６６０μS/kg）を有する改良された高温能力を提供する材料及び構成要素で構成する。感圧材料は、加えた力または圧力に対応する電気伝導率／抵抗率の変化を提供してよい。特定の具体例はまた、特定の高温条件で改良されたヒステリシス及びドリフト性能を提供する材料及び構成要素で構成される感圧装置を提供する。
【００２０】
本発明の感圧インキ及び／または感圧材料を使用できる典型的な感圧装置は、圧力変換器の例えばロードセル、ボタンセル、ひずみゲージ、圧力計、及び他の圧力センサーを含む。例えば、図２は、本発明の１具体例による実施例である感圧装置２０を示す。感圧装置２０は、この図においてボタンセル組立体として感圧層１０を取り入れている。感圧装置２０は、組立てた感圧装置２０のための構造支持体を提供する層または基体２１を有し、これを図３の断面図に示す。下記にさらに説明するように、基体２１は絶縁性及び／または非伝導性としてよく、特定の具体例においては、ポリイミドフィルムを含んでよい。基体２１は、図２において、中央折り線２３によって第１のセグメント２７及び第２のセグメント２８へと規定される。さらに、感圧装置２０は、基体２１の表面に堆積した導電性リード２２及び２４を有し；第１の伝導性リード２２は第１のセグメント２７の表面に堆積し、第２の伝導性リード２４は第２のセグメント２８の表面に堆積する。基体２１並びに伝導性リード２２及び２４は、少なくとも約−５０°F（約−４５℃）の温度〜少なくとも約１５０°F（約６５℃）の温度を含む並びに最高少なくとも約３５０°F、約４００°F、または約４２０°F（約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃）までの温度を含む温度範囲にわたって、機械的に及び／または化学的に安定としてよい。
【００２１】
導電性リード線２２および２４は、さらに、それぞれ、細く、高導電性で、場合によっては円板または円環または正方形である導電性部分２５および２６を含むことができる。導電性リード線２２および２４とともに丸形導電性部分２５および２６は、いくつかの実施形態では、約１０-6から１０-4オーム−センチメートルの範囲の抵抗を有する可能性がある。導電性リード線２２および２４は、米国特許４，７３４，０３４号で説明されているようなデバイスなど、抵抗性または導電性を測定する従来の電気的検査または測定装置に接続することができる。
【００２２】
感圧デバイス２０は、さらに、例えば、図２の例示されている実施形態の中心線２３のいずれかの側にある、蒸着された、層１０を含む固化感圧インクまたは他の感圧材料を含むことができる。固化感圧インクまたは他の感圧材料は、導電性部分２５および２５に蒸着され、感圧デバイス２０が直線２３にそって畳まれたときのように互いの上に載るように対称的に間隔をあけ、それによって非平面デバイスを形成できる。図３の実施形態に示されているように、感圧デバイス２０のアセンブリは、直線２３にそってデバイスを畳みサンドイッチ層構造を形成することを含む。
【００２３】
図３の矢印３０により示されているように、感圧デバイス２０にかかる圧力または力は、感圧層間および／または層１０の一方または両方の中の接点導電性の変動を誘起するが、これは、導電性リード線２２および２４（図に示されていない）の間で測定することができる。感圧層１０の間の接点導電性の大きさは、加えられる力３０の大きさによって変化しうる。圧力が増減したときの抵抗性／導電性のこの変化は、当業で知られているように、標準的な電子回路により測定することができる。感圧層１０は、さまざまな厚さ、例えば、約０．００５０８ｍｍ（０．２ｍｉｌ）から約０．０５０８ｍｍ（２ｍｉｌ）（約５マイクロメートルから約５０マイクロメートル）の範囲の複数の層で蒸着することができる。
【００２４】
本発明による１つまたは複数の実施形態において、支持基板は、ポリイミド樹脂を含むことができる。支持基板として使用できる市販のポリイミド樹脂のいくつかの例として、限定はしないが、デラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＫＡＰＴＯＮ（登録商標）ポリイミド膜、またはテキサス州パサディナのＫａｎｅｋａ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｃｈ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＡＰＩＣＡＬ（商標）ポリイミド膜が挙げられる。基板に好適な他の市販材料としては、マサチューセッツ州ウォルサムのＦｏｓｔｅｒ−Ｍｉｌｌｅｒ，Ｉｎｃ．から市販されているような液晶性ポリマー膜、またはデラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＫＡＬＡＤＥＸ（登録商標）ＰＥＮ膜などのポリエチレンナフタレン（ＰＥＮ）がある。基板は、後述のように組み立てた場合に感圧デバイスのコンポーネントを支持することができ、場合によっては、最低でも、あるとしても、加えられた力に影響を及ぼすように力が加えられたときに十分に柔軟であるようにできる。つまり、加えられた力に対する応答として無視できるくらい小さい抵抗が得られる。デバイスは、約２７℃から約１０５℃（約８０°Ｆから約２２０°Ｆ）までの温度範囲、いくつかの実施形態では、約−４５℃から約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約−５０°Ｆから約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）またはそれ以上の温度範囲にわたる利用を含む、利用において機械的および／または化学的に安定するようにできる材料から構成することができる。
【００２５】
本発明による１つまたは複数の実施形態では、本発明の感圧デバイスの導電性リード線または層は、固化導電性インクを含むことができる。導電性層または固化導電性インクは、本発明の感圧材料または固化感圧インクから形成することができる、デバイスの感圧コンポーネントとの間の外部計装への電気的通信を実現するようにデバイス内に構成することができる。他のコンポーネントと同様に、導電性層の材料は、約−４５℃（約−５０°Ｆ）から約６５℃（約１５０°Ｆ）以上までの温度でのいくつかの実施形態での利用、および約１０５℃（約２２０°Ｆ）までのいくつかの実施異形態での利用、および約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）以上までのさらに他の実施形態での利用を含む利用が機械的におよび／または化学的に安定していることが好ましいと思われる。いくつかの実施形態では、導電性リード線または層は、架橋ポリマーマトリクス内に分散された銀粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、架橋ポリマーマトリクスは、ポリヒドロキシ化合物および架橋剤化合物の反応生成物を含むことができる。ポリヒドロキシ化合物は、フェノキシ化合物、エポキシ化合物、アクリルポリオール化合物、ヒドロキシル官能ポリエステル化合物、ヒドロキシル官能ポリエーテル化合物、ポリビニルアルコール化合物、および／またはポリビニルブチラール化合物、さらにこれらの化合物および／または他のポリヒドロキシ化合物のうちの１つまたは複数から選択することができる。好適なフェノキシ化合物の例は、限定はしないが、サウスカロライナ州ロックヒルのＰｈｅｎｏｘｙ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ，Ｉｎｃ．が市販しているＰＡＰＨＥＮ（登録商標）、ＰＫＨＣ（登録商標）、ＰＫＨＨ（登録商標）、ＰＫＨＪ（登録商標）、ＰＫＨＰ（登録商標）、およびＰＫＦＥ（登録商標）フェノキシ樹脂などのクロロメチルオキシランを含む４，４'−（メチルエチリデン）ビスポリマーを含む。好適な導電性材料の他の非限定的実施例は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第５，９８９，７００号明細書の中でＫｒｉｖｏｐａｌにより説明されている材料を含む。
【００２６】
架橋剤は、メラミンホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒド、ユリアホルムアルデヒド、無水物、アミン（例えば、第１級または第２級アミン）、二無水物、ポリ無水物、ジイソシアネート、ポリイソシアネート、ポリウレタンプレポリマー、およびシラン、さらに、これらおよび／または他の好適な架橋剤組成の組み合わせのうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、市販されているメラミンホルムアルデヒド材料の好適な非限定的実施例には、ＩＳＯＭＩＮ（商標）、ＭＥＬＡＩＣＡＲ（商標）、ＭＥＬＢＲＩＴＥ（商標）、ＭＥＬＭＥＸ（商標）、ＭＥＬＯＰＡＳ（商標）、ＲＥＳＡＲＴ（商標）、ＲＥＳＩＭＩＮＥ（商標）、およびＵＬＴＲＡＰＡＳ（商標）がある。いくつかの実施形態では、架橋剤は、ドイツ、イーザーローンのＢａｋｅｌｉｔｅ  ＡＧ社が市販するＢＡＫＥＬＩＴＥ（商標）樹脂、ミズーリ州セントルイスのＳｏｌｕｔｉａ，Ｉｎｃ．が市販するＳＡＮＴＯＬＩＮＫ（商標）樹脂、またはジョージア州アトランタのＧｅｒｏｇｉａ  Ｐａｃｉｆｉｃ社が市販するＧｅｏｒｇｉａ  Ｐａｃｉｆｉｃ  ＧＰＲＩ  ７０００樹脂ファミリなどのフェノールホルムアルデヒドまたはフェノール樹脂である。
【００２７】
例えば、いくつかの実施形態では、導電性インクは、約１０ｗｔ％から約３０ｗｔ％の溶剤（後述）、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％のポリマーマトリクス、および少なくとも約５５ｗｔ％の銀粒子を含むことができる。導電性インクは、状況に応じて、接着促進剤、界面活性剤、消泡剤、粘度調整剤、着色顔料など、さらにはこれらのおよび／または他の好適な材料の組み合わせなどの添加剤の最大約２ｗｔ％までを含むことができる。当業者であれば、所望の特性を得るためにそのような添加剤を容易に選択することができる。本発明のいくつかの実施形態の導電性層として使用可能な市販の導電性プリフォーム銀インクの特定の非限定的な実施例としては、例えば、それぞれデラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＤＵＰＯＮＴ  ５０２８、ＤＵＰＯＮＴ  ５０２５、またはＤＵＰＯＮＴ  ６４９２導電性インク、およびミシガン州ポートヒューロンのＡｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ社が市販するＥＬＥＣＴＲＯＤＲＡＧ（登録商標）４７８ＳＳおよび４７９ＳＳ銀ベースのポリマー厚膜インクがあり、本発明のデバイス内で使用できる好適な材料は、金属含有量の高い膜を形成することができる、したがって導電性が非常に高くなりうる有機金属インクを含む。有機金属インクの非限定的な実施例は、それぞれニュージャージー州ロッキーヒルが市販するＰａｒｍｏｄ  ＴＫＡ−１００およびＰａｒｍｏｄ  ＶＬＴを含む。
【００２８】
いくつかの実施形態では、導電性インクは、湿潤剤、分散剤、消泡剤、平滑剤、および／または接着促進剤などの添加剤を含むことができ、そのように添加される添加剤は、例えば、全結合剤重量の約０．０５％から０．５％の範囲とすることができる。
【００２９】
本発明による１つまたは複数の実施形態では、感圧材料は、ポリマーマトリクス、状況に応じてエラストマーマトリクスを含み、これは、二無水物とジアミンとの重縮合反応の生成物を含むことがある。いくつかの実施形態では、カーボンナノ粒子を約２ｗｔ％から約９ｗｔ％までの範囲の装荷でエラストマーマトリクス内に分散させることができる。エラストマーマトリクスは、さらに、限定はしないが溶融二酸化珪素を含む増強充填剤などの充填剤を含むことができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、感圧材料は、ポリイミド樹脂を含むポリマー／エラストマーマトリクスを含む。場合によっては、ポリイミド樹脂は、硬化ポリアミド酸樹脂であってもよい。本発明により使用することができる市販のポリアミド酸樹脂の実施例は、限定はしないが、それぞれニュージャージー州パーリンのＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｕｍｍｉｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙが市販するＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７００シリーズＭＤＡ遊離樹脂、ＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７０３シリーズＢＴＤＡ／ＭＤＡベース樹脂、およびＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７０５シリーズ膜形成可能樹脂などの、ＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）樹脂ファミリを含む。市販のポリアミド酸樹脂の他の好適な実施例としては、それぞれスイス、バーゼルのＶａｔｉｃｏ  ＡＧ社が市販するＭＡＴＲＩＭＩＤ（登録商標）５２１８および５２９２樹脂、それぞれコネティカット州ノーウォークのＡｒｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．が市販するＤＵＲＩＭＩＤＥ（商標）１００シリーズ、７０００シリーズ、７５００シリーズ、および７８００シリーズ樹脂、デラウエア州ニューアークのＤｕＰｏｎｔ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ社が市販するＶＥＳＰＥＬ（登録商標）樹脂ファミリ、さらに、それぞれ日本、東京のＨｉｔａｃｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ  Ｃｏ．が市販するＨＬ−Ｐ２００樹脂、ＨＬ−Ｐ５００樹脂、およびＨＬ−Ｐ８００樹脂がある。市販のポリイミド樹脂の非限定的な実施例は、スイス、バーゼルのＣｉｂａ−ＧｅｉｇｙのＰｒｏｂｉｍｉｄｅ  ３４８、Ｐｒｏｂｉｍｉｄｅ  ４１２、およびＸＵ−２８７、ＤｕＰｏｎｔのＰＩ−２５４０、ＰＩ−２５４５、ＰＩ−２５６０、ＰＩ−５８７８、Ｐｙｌａｒｉｎ  ＰＩ−２６１１、およびＰｉｒａｌｕｘ、ＨｉｔａｃｈｉのＰＩ  ＱＬ  １００、ＰＩ  ＸＬ  １１０を含む。
【００３１】
二無水物とジアミンとの反応生成物を含む感圧材料を利用する実施形態では、二無水物は、ピロメリット二無水物または１，２，４，５−ベンゼン・テトラカルボン酸二無水物（ＰＤＭＡ）、３，４，３'，４'−ベンゾフェノン・ベンゼン・テトラカルボン酸二無水物（ＢＴＤＡ）、３，４，３'，４'−ビフェニル・テトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）、テルフェニル・テトラカルボン酸二無水物（ＴＰＤＡ）、３，３'，４，４'−オキシジフタル酸二無水物（ＯＰＤＡ）、２，２'−ビス［４−（３，４−ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン二無水物（ＢＰＡＤＡ）、３，３'，４，４'−ジフェニルスルフォン・テトラカルボン酸二無水物（ＤＳＤＡ）、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ジメチルシラン二無水物（ＳｉＤＡ）、さらに、これらのおよび／または他の二無水物の組み合わせのうちの１つまたは複数を潜在的に含みうる。ジアミンは、４，４'−オキシジアミン、４，４'−ジアミノ・ジフェニルまたは４−アミノ・フェニル・エーテル、４，４'−メチレンジアニリン（ＯＤＡ）、４，４'−ジアミノ・ジフェニル・メタン（ＭＤＡ）、メタフェニル・ジアミン（ＭＰＤ）、１，３−フェニレン・ジアミン（１，３−ＰＤＡ）、１，４−フェニレン・ジアミン（１，４−ＰＤＡ）、イソフォロンジアミン（ＩＰＤＡ）、（１，１'−ビフェニル）−４，４'−ジアミン（ＤＡＦ）、１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼン（ＡＰＢ−１３３）、１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン（ＡＰＢ−１３４）、ジュレン・ジアミンまたは２，３，５，６−テトラメチルフェニレンジアミン（ＤＡＤ）、さらにこれらのおよび／または他のジアミンの組み合わせのうちの１つまたは複数を潜在的に含みうる。二無水物とジアミンとの好適ないくつかの組み合わせは、限定はしないが、ＰＤＭＡとＯＤＡ、ＢＰＤＡとＯＤＡ、ＢＰＤＡとＭＤＡ、ＢＰＴＡとＭＤＡ、ＯＤＰＡとＯＤＡ、ＢＴＤＡとＯＤＡ、ＢＴＤＡとＭＤＡ、ＰＭＤＡとＰＤＡ、ＢＴＤＡとＰＤＡ、およびＰＭＤＡとＭＰＤとの組み合わせを含む。
【００３２】
本発明の一実施形態による感圧デバイスで使用するのに好適な流動性感圧インクは、最大約８５ｗｔ％までの好適な溶剤、約１５ｗｔ％から約９５  ｗｔ％までの範囲のポリマー材料、および約１ｗｔ％から約３０ｗｔ％までの範囲のカーボン粒子（乾燥重量）を含むことができる。所望の物理的特性を得るためにポリマーマトリクスを含む出発材料の相対量を変化させることができる。例えば、ポリイミド樹脂は、ジアミンと二無水物の反応の生成物を含むことができる。実質的に等モル量のジアミンおよび二無水物を使用できる場合もあれば、それぞれの相対量を必要に応じて調整し、特定の所望の物理的特性をターゲットとすることができる場合もある。いくつかのポリイミド前駆体は、ポリアミド酸の形で市販されている場合がある。改善された処理および他の特性について感圧インクを少し修正するために、場合によっては、感圧インクは、さらに、接着促進剤、界面活性剤、消泡剤、粘度調整剤、顔料など、さらにこれらのおよび／または他の好適な添加剤の組み合わせのうちの１つまたは複数を最大約２ｗｔ％まで含むようにすることもできる。当業者であれば、所望の一連の特性を得るためにお決まりの実験を使用するだけで添加剤の量および種類を容易に選択できる。
【００３３】
さらに他の実施形態によれば、感圧デバイスは、さらに、導電性リード線または層を他の導電性リード線または層から電気的に絶縁することができる誘電体を含むことができる。例えば、誘電体を１つまたは複数の導電性リード線の隣に、上に、または隣と上の両方に蒸着して、他の導電性リード線または層との電気的連絡を防止することができる。誘電体は、例えば、ポリヒドロキシエーテル樹脂および／またはメラミンホルムアルデヒドで架橋されたポリヒドロキシエーテル樹脂を含むことができる。誘電体として使用するのに好適なポリヒドロキシエーテル樹脂および架橋化合物の実施例は、限定はしないが、上述のような感圧材料を形成するのに有用なものがある。高温誘電体に使用可能な他のポリマーおよびポリマー系は、二無水物とジアミンの反応から得られるポリイミドを含む。
【００３４】
誘電体として使用するのに好適な市販の製品の特定の非限定的な実施例は、限定はしないが、それぞれニュージャージー州パーリンのＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｕｍｍｉｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社が市販するＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７００シリーズＭＤＡ遊離ポリイミド樹脂、ＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７０３シリーズＢＴＤＡ／ＭＤＡベースポリイミド樹脂、およびＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）７０５シリーズ膜形成可能ポリイミド樹脂などのＳＫＹＢＯＮＤ（登録商標）ポリイミド樹脂ファミリ、デラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＤＵＰＯＮＴ  ５０１８Ｇおよび５０３６樹脂、ミシガン州ポートヒューロンのＡｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ社が市販するＥＬＥＣＴＲＯＤＲＡＧ（登録商標）４５１ＳＳおよび４５２ＳＳ樹脂を含む。場合によっては、メラミンホルムアルデヒド、フェノール類、ユリアホルムアルデヒド、無水物、ジイソシアネート、およびシランのうちの１つまたは複数で架橋されたフェノキシ樹脂は、高温誘電体内で潜在的に有用である。他の潜在的に有用なポリマーは、メラミンホルムアルデヒド、フェノール類、ユリアホルムアルデヒド、無水物、ジイソシアネート、およびシランで架橋された、アクリルポリオール、ヒドロキシル官能価を有するポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールを含む。アクリル酸化合物およびアクリル酸塩化合物に基づくＵＶ硬化可能誘電ペーストも、使用可能である。市販のＵＶ硬化ペーストのいくつかの実施例は、ＤＵＰＯＮＴ  ５０１８Ｇ、Ａｃｈｅｓｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄａｇ  ４５１ＳＳ、およびＡｃｈｅｓｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄａｇ  ４５２ＳＳを含む。
【００３５】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、非導電性支持基板を含む感圧デバイス、およびポリマーマトリクス内に分散された導電性カーボン粒子を含む基板により支持される感圧材料を規定し、これらは、フッ化ビニリデンおよび／またはフェノキシと少なくとも約１０ｗｔ％のメラミンとの反応生成物を含むことができる。ポリマーマトリクスは、場合によっては約９ｗｔ％のカーボン粒子を含むことができる。いくつかの例では、ポリマーマトリクスは、少なくとも約１０ｗｔ％のメラミンホルムアルデヒドを含むことができ、またいくつかの例では、約２３ｗｔ％のメラミンホルムアルデヒドとすることができる。ポリマーマトリクスは、１−メチル−２−ピロリジノン中にポリフッ化ビニリデンを含むことができる。感圧材料は、約２７℃から約１０５℃（約８０°Ｆから約２２０°Ｆ）の温度範囲にわたって、またいくつかの実施形態では約−４５℃から約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約−５０°Ｆから約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）またはそれ以上の温度範囲にわたって、約０．０１μS/cmから約１３００μS/cmの伝導率、および約０．０２μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約０．０１μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）、場合によっては、約５５０μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約２５０μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）の感度を持ちうる。
【００３６】
流動性感圧インクとともに流動性導電体および誘電体は、さらに、場合によっては、有機溶剤を含むことができる。適切な溶剤およびそのポリマー濃度は、材料と使用条件により変化しうる。このような溶剤および濃度は、当業者であれば容易に選択できる。好適な溶剤の実施例は、限定はしないが、メチルエチルケトン、グリコールエーテル、酢酸ブチルセロソルブなどのグリコールエチルエステル、およびジプロピレン・グリコール・モノメチル・エーテルを含む。他の実施例としては、ジプロピレン・グリコール・モノメチル・エーテル、ブチル・カルビトール・アセテート、セロソルブ・アセテート、ジエチレン・グリコール・エチル・エーテル、ジエチレン・グリコール・ジエチル・エーテル、エチレン・グリコール・ブチル・エーテル、エチレン・グリコール・ブチル・アセテート、メチルエチルケトン、トルエン、ガンマブチロラクトン、ジメチルサクシネート、グルタル酸ジメチル、およびアジピン酸ジメチルがある。例えば、ポリイミドと併用するのに好適と思われる他の溶剤は、限定はしないが、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアルデヒド（ＤＭＦ）、およびジメチル−２−ピペリドン（ＤＭＰＤ）を含む。使用される溶液のポリマー重量パーセントは、通常、約１５％から約４０％までの範囲内にあり、いくつかの実施形態では約２５％から約３５％までの範囲とすることができる。使用される溶剤の量は、とりわけ、溶剤が処理可能性、物理特性、コスト、保管寿命などに影響を及ぼす程度によって変化しうる。当業者であれば、そのようなファクタに関して溶剤の適切な量を決定することができる。
【００３７】
本発明による１つまたは複数の実施形態では、感圧デバイスは、さらに、感圧デバイスの複数のセグメントを固定する、接着剤または（複数の）層を含む。例えば、感圧デバイスを畳んで、非導電性基材層の外側の層の間の感圧層を囲むサンドイッチ構造を形成することができる（図３を参照）。接着剤は、畳まれたサンドイッチ構造の積層を固定し、結合して１つにまとめる働きをする。感圧デバイスの畳まれた層を固定するために使用される接着剤として、または接着剤の中で使用するのに潜在的に好適な材料の実施例は、限定はしないが、熱可塑性ゴム、天然ゴム、ポリイソプロピレン、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリウレタン、ポリクロロプレン、ポリシロキサン、またはそれらの共重合体または混合をベースとするものなどの合成ゴムを含むことができる。他の潜在的に好適な材料は、ブチルゴム、スチレン−ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン−スチレンゴム、スチレン−イソプレン−スチレンゴム、ポリビニルエーテル、アクリル、シリコンゴム、またはシリコン添加物、さらに、それらの組み合わせをベースとするものを含む。場合によっては、市販の膜、例えば、３Ｍ高温接着搬送テープまたはＤｕＰｏｎｔポリイミドテープを含む、高温添加剤膜を使用することができる。特定の好適な接着剤の選択は、熱安定性、他の成分との化学的親和性、さらに、塗布の容易さ、またはコストなどの加工に関係するファクタによって、異なる場合がある。本発明の１つまたは複数の実施形態では、接着剤は、感圧接着機能を持つ合成ゴムを含み、熱硬化重縮合シランなどのシラン、および／またはシランカップリング剤のうちの１つまたは複数とブレンドすることができる。ゴムとシランの比は、考察される特定の用途によって異なり、とりわけ、必要な接着強度および／または所望の動作温度での安定性に応じて選択することができる。例えば、比較的大きな接着強度が望ましい場合には比較的高い相対量のゴムを使用し、高い動作温度安定性については高い相対量のシランを使用することができる。接着剤は、限定はしないが、スクリーン印刷または固体薄膜蒸着などの当業で知られている手法を使用することにより本発明のデバイス内に塗布または使用することができる。また、当業者であれば、他の添加剤を、限定はしないが、消泡剤、粘度調整剤、顔料、処理補助剤、酸化防止剤、オゾン劣化防止剤などの接着剤で使用し、例えば、接着剤の処理可能性または他の特性を改質または改良することができることを理解するであろう。他の一連の実施形態では、超音波溶接、圧接、リベット打ち、または当業者に知られている他の機械的取り付け手法などの手法を使用してセンサの片割れを相互に配置することができる。
【００３８】
１つまたは複数の実施形態によれば、本発明は、感圧デバイスを加工するための方法を提供する。この方法は、非導電性支持基板を用意し、第１の導電体および第２の導電体を基板の一部に蒸着し、感圧層を基板上に蒸着し、第１および第２の導電体と電気的に連絡するようにするステップを含むことができる。感圧層は、上述の感圧材料の１つまたは複数を含むことができる。感圧材料を蒸着するステップは、感圧インクを支持基板に塗布すること、約１分から１０分の間に約４９℃から約１２１℃（約１２０°Ｆから約２５０°Ｆ）までの範囲の温度で、また一実施形態では、約３分間に約１００℃（約２１２°Ｆ）の温度で感圧インクを事前硬化することを含むことができる。感圧材料を蒸着するステップは、さらに、事前硬化された感圧インクを約５分から６０分間に、約１７０℃から約３１５℃（約３５０°Ｆから約６００°Ｆ）の範囲の温度で、また一実施形態では、約２０分間に約２２７℃（約４４０°Ｆ）の温度で、硬化させるステップを含むことができる。導体を蒸着するステップは、導電性インクを支持基板に塗布すること、および第１および第２の導体を十分な時間をかけて好適な温度で硬化させることを含むことができる。一実施形態では、硬化は、約５分間に約１５０℃（約３０２°Ｆ）で実行される。
【００３９】
１つまたは複数の実施形態によれば、本発明は、感圧デバイスに加えられる力の大きさを決定する方法を提供する。この方法は、感圧デバイスの少なくとも一部の上で感圧インクを硬化させるステップを含む。感圧インクは、カーボンナノ粒子が中に分散しているポリマーマトリクスを持つことができる。固化感圧インクは、約２７℃から約１０５℃（約８０°Ｆから約２２０°Ｆ）まで、いくつかの実施形態では、約−４５℃から約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約−５０°Ｆから約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）またはそれ以上の温度範囲にわたって、約０．０１μS/cmから約１３００μS/cmまでの範囲、いくつかの実施形態では約２００μS/cmから約１ｍＳ/cmまでの範囲の伝導率で、約０．０２μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約０．０１μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）までの範囲、場合によっては、約５５０μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約２５０μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）までの範囲の感度を持つことができる。その結果得られる伝導率は、力が感圧デバイスに加えられたときに固化感圧インク上で測定することができる。この方法は、さらに、場合によっては、加えられた力の大きさを確定するために感圧デバイスの加えられる力と伝導率の関係を定める較正基準と突き合わせて測定伝導率の相関を求めるステップを含むことができる。
【００４０】
感圧層１０は、例えば、平均粒子サイズが約１ナノメートルから約１０００ナノメートルまでの範囲のカーボンブラックナノ粒子または粉末とすることができる導電体および／または半導体粒子１２を含むことができる。いくつかの実施形態では、粒子は、直径約１３ナノメートルから約７５ナノメートルまでの範囲の平均粒子サイズ、場合によっては、約１５ナノメートルから約４５ナノメートルまでの範囲の平均粒子サイズを持つことができる。粒子の表面積は、場合によっては、約２５ｍ2／ｇから約５６０ｍ2／ｇまでの範囲、いくつかの実施形態では、約２４０ｍ2／ｇから約２６５ｍ2／ｇまでの範囲、密度は、約９６．１ｋｇ／ｍ3から約２８８ｋｇ／ｍ3（約６ｌｂ／ｆｔ3から約１８ｌｂ／ｆｔ3）までの範囲、いくつかの実施形態では、約９６．１ｋｇ／ｍ3から約１１２ｋｇ／ｍ3（約６ｌｂ／ｆｔ3から約７ｌｂ／ｆｔ3）までの範囲とすることができる。場合によっては、導電性粒子は、約１重量％から約３０重量％のポリマー結合剤および粒子組み合わせの量で層１０内に分散される。いくつかの実施形態では、エラストマー結合剤またはマトリクスを通じて粒子の一部または全部を均一に分布させることができる。場合によっては、粒子の少なくとも一部をナノ粒子とすることができる、つまり、粒子の平均粒子サイズを約１０００ナノメートル以下とすることができる。場合によっては、最大２重量％程度と少量の大きなサイズの粒子を、単独で、またはナノ粒子を含む異なるサイズの粒子と組み合わせて使用することができる。粒子の装荷の程度、つまり濃度は、当業者であれば理解するように、望ましい特定の物理的特性によって異なる場合がある。例えば、伝導率を高めるために、導電性層および感圧層のいずれか、または両方で高い装荷を使用することができる。つまり、加えられる力に従って感度および／または導電性または抵抗性出力を調整するために、ポリマーマトリクスおよび導電性カーボン粒子の１つまたは複数の相対濃度が調整される。また、カーボンブラック粒子がエラストマーマトリクスを導電性にする程度は、その物理的特性および化学的特性だけでなく含有量の影響も受ける可能性があると考えられる。カーボンブラック装荷により導電性にされたポリマーマトリクスでは、カーボンブラック粒子がマトリクス内に導体回路を形成した場合にカーボンブラック／ポリマー複合材料内を電子が流れ、表面積および構造は、通常、与えられた伝導度に影響を及ぼす可能性があると考えられる。
【００４１】
必要ならばいくつかの実施形態において半導体または導体グレードのカーボンブラック粒子を使用できる。このようなカーボンブラック粒子は、例えば、マサチューセッツ州ビルリカのＣａｂｏｔ  Ｃｏｒｐ．およびニュージャージー州リッジフィールドパークのＤｅｇｕｓｓａ  Ｃｏｒｐ．から市販されている。このようなカーボン粒子は、半導体特性を持つため使用することができる。本発明で有用な、または潜在的に有用な導体および半導体粒子は、限定はしないが、上述の半導体粒子とともに、アンチモン、ケイ素、磁鉄鉱、グラファイト、モリブデン、硫化物、カーボランダム、硫化鉛、硫化第一鉄、鉄と炭素、リンなどとの化合物、さらに、これらのおよび／または他の材料の組み合わせに基づく粒子を含む。シリカ、タルク、ベントンなどの１つまたは複数の物理的特性を修正することができるナノ粒子、充填剤、またはその他の薬剤も使用することができる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、感圧材料の伝導率は、約２７℃から１０５℃（約８０°Ｆから約２２０°Ｆ）、いくつかの実施形態では、約−４５℃から約１７６℃、約２０５℃、または約２１６℃（約−５０°Ｆから約３５０°Ｆ、約４００°Ｆ、または約４２０°Ｆ）またはそれ以上の温度範囲にわたって、約０．０１μS/cmから約１３００μS/cm、通常は約２００μS/cmから約１ｍＳ/cmまでの範囲に調整できる。感圧材料は、さらに、約０．０２μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約０．０１μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）までの範囲、場合によっては、約５５０μＳ／ｋｇから約６６０μＳ／ｋｇ（約２５０μＳ／ｌｂから約３００μＳ／ｌｂ）の範囲とすることができる力感度を与えるように調整することもできる。
【００４３】
本発明の感圧インクのコロイド系は、場合によっては従来の方法で形成することができる。適切な溶剤、例えば上述の溶剤を、すでに説明されているような結合剤などの選択されたポリマー結合剤と混合し、その後、従来の混合手法を使用して、好適なコロイド系が形成されるまでナノ粒子の充填剤を結合剤の中に分散させることができる。そのように形成された初期コロイド系は、いくつかの場合においてマスターバッチとして機能し、追加結合剤および／または粒子がマスターバッチと混合され、所望の一連の特性を有する感圧インクを得ることができる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、感圧インクは、本明細書で説明されているような、従来の乾燥および／または硬化手法により感圧デバイスの固化成分に形成することができる。インクは、基板表面に、シルクスクリーン、ドクターコーティング、スプレー、ジェット印刷、または他の従来の方法で塗布することができる。場合によっては、インクを基板に塗布しやすくするために、インクは、約２１℃（約７０°Ｆ）で少なくとも約３０００センチポアズの粘度を持つようにできる。インクは、説明のように、場合によっては、所定のパターンで、選択された表面にインクの薄い層として蒸着し、その後、乾燥または硬化させることができる。乾燥厚約３．８マイクロメートルから約１１．４マイクロメートル（約０．０００１５インチから約０．０００４５インチ）のインク層が、本発明のいくつかの感圧デバイス内で使用されるが、他の厚さの層も、潜在的に使用可能である。デバイスに応じて、１つまたは複数の層を使用することができる。場合によっては、層を成形することもできる。本明細書で使用されているような「層」という用語は、さらに、特定の用途の要件に合わせて円柱、四角形、正方形、またはその他の形状などの形状を含む。乾燥は、いくつかの場合に、溶剤を除去し、層を固化するために必要な時間の間、溶剤の蒸発温度のすぐ上で実行できる。いくつかの場合に、乾燥の熱も、硬化作用を起こし、および／または上述のモノマーまたはプレポリマーを含むインクの重合を誘起する可能性がある。
【００４５】
本発明は、さらに、本質的に例示的な、本発明の範囲を制限しない、以下の実施例を通じて理解できる。
【実施例１】
【００４６】
この実施例は、ＰＭＤＡ−ＯＤＡベースの感圧インクを含む、本発明の１つまたは複数の実施形態による感圧材料を例示する。このインクは、室温で、アルゴン大気中において、１００グラム（０．６４モル）の４，４'−オキシジアミンを５００グラムの１−メチル−２−ピロリジノン中に溶解することにより調合された。室温で攪拌しながら、１３８．９０ｇ（０．６４モル）のピロメリット二無水物溶液が１滴ずつ１−メチル−２−ピロリジノン／ジアミン混合物に加えられた。溶液は、約１時間かけてアルゴン大気中において室温で攪拌され、赤色樹脂が得られた。その結果得られた反応物質は、ポリアミド酸樹脂中間物質であり、ガラス容器に移され、０℃で冷蔵保管された。その後、マサチューセッツ州ビルリカのＣａｂｏｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている導電性カーボンブラック粉末などの約１５グラムの導電性粒子が、約２００グラムのポリアミド酸樹脂内に導き入れられ、すべてのカーボンブラック粒子が組み込まれるようにした。カーボンブラック粒子は、６分間に２０００ＲＰＭの実験用ディスペンサを使用して材料内に分散された。加えられる力に従って感度および／または導電性または抵抗性出力を調整するために、ポリアミド酸樹脂および導電性カーボン粒子の１つまたは複数の相対濃度を調整することができた。
【００４７】
本発明による他の実施形態では、市販のポリアミド酸材料を使用して、感圧インクを作ることができるが、その場合、所望の感度および／または伝導率に応じて、さまざまな濃度でカーボンブラック粉末が組み込まれる。
【実施例２】
【００４８】
この実施例は、本発明のいくつかの感圧センサの作成を例示している。この実施例で加工されるセンサではそれぞれ、約２０ｗｔ％のジプロピレングリコールモノメチルエーテル溶剤、約２３ｗｔ％のメラミンホルムアルデヒド架橋剤を含む約７．５ｗｔ％のポリヒドロキシエーテル樹脂、および約７２．５ｗｔ％の銀粒子を調合した導電性インクを使用した。この導電性インクは、約６．４マイクロメートル（約０．２５ｍｉｌ）の厚さを持つように配置された。導電性インクは、５分間かけて１５０℃（３０２°Ｆ）で硬化された。
【００４９】
比較として使用され、「標準ＴＫセンサ」として指定されている、従来技術の感圧デバイスは、ポリヒドロキシエーテル樹脂内に分散された９ｗｔ％の導電性カーボンナノ粒子で作られた感圧インクを使用して用意された。この感圧インクは、３分間かけて１４１℃（２８５°Ｆ）で硬化された。標準ＴＫセンサは、約２ｋｇ（約４．５ｌｂ）の最大外力で実験室のテスターにより試験された。感圧インクは、米国特許第５，９８９，７００号で説明されているように、約７２ｗｔ％のジプロピレングリコールモノメチルエーテル溶剤、約２５．５ｗｔ％のポリヒドロキシエーテル樹脂、および約２．５ｗｔ％のカーボンブラック粒子を含んでいた。
【００５０】
「ポリイミドセンサ」と指定されている本発明による感圧デバイスも作成された。ポリイミドセンサの感圧インクは、ポリアミド酸樹脂中に分散された約１．６ｗｔ％の導電カーボンブラック粒子を含んでいた。感圧インクは、約２０分間かけて２２７℃（４４０°Ｆ）で硬化された。ポリイミドインクは、約８０ｗｔ％の１−メチル−２−ピロリジノン溶剤、約１８．４ｗｔ％のポリアミド酸樹脂、および約１．６ｗｔ％の導電カーボンブラック粒子を含んでいた。
【００５１】
センサは、さまざまな温度において、約０．４ｋｇ（０．９ｌｂ）から約２ｋｇ（約４．５ｌｂ）の最大外力までのさまざまな加荷重で実験用テスターにより試験された。表１は、ポリイミドセンサの測定されたコンダクタンスを示している。データは、図４にグラフで示されている。データは、最大１０４℃（２２０°Ｆ）までの温度で予想通り使用できることを示している。印加された電圧は約５Ｖであった。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
表２は、さまざまな温度でのポリイミドセンサの計算で求められた感度を示している。このデータは、図５にグラフで示されており、広い温度範囲にわたって予測可能な、安定したセンサのパフォーマンスを示している。
【００５４】
【表２】
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【００５５】
表３は、さまざまな温度での、標準ＴＫセンサの計算で求められた感度（μＳ／ｌｂ）とともにポリイミドセンサの計算で求められた感度を示している。このデータも、図６にグラフで表されており、ポリイミドセンサは、一般に、標準ＴＫセンサに比べて、安定した予測可能な応答を持つことを示している。
【００５６】
【表３】
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【００５７】
表４は、標準ＴＫセンサおよびポリイミドセンサ（「センサＣ」）だけでなく本発明によるフェノキシ／メラミンインクベースセンサおよびＰＶＤＦインクベースセンサの計算で求められた感度を示している。フェノキシ／メラミンインクベースセンサ（「センサＡ」）は、結合剤が７７ｗｔ％のポリヒドロキシエーテル樹脂および２３ｗｔ％のメラミンホルムアルデヒド樹脂を含むという点を除き、標準ＴＫセンサと実質的に同じようにして作成された。ＰＶＤＦインクベースセンサ（「センサＢ」）も、２．５ｗｔ％のカーボンブラック粒子とともに７０ｗｔ％の１−メチル−２−ピロリジノン中に溶解されているフッ化ビニリデンを使用することを除き、標準Ｋセンサと実質的に同じようにして作成された。ＰＶＤＦインクは、２４時間かけて約６６℃（１５０°Ｆ）で硬化された。図７のグラフでも表されているこのデータは、本発明による高温安定感圧デバイスを使用して、約６６℃（約１５０°Ｆ）よりも高い温度で予測可能な安定した応答を与える感圧デバイスを作成することができることを示している。
【００５８】
【表４】
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【００５９】
表５は、室温での複数の装荷サイクルによるポリイミドセンサの測定されたコンダクタンスを示している。このデータは、図８にグラフでも表されており、ポリイミドセンサは、著しい劣化なしで反復装荷サイクルを受けることができることを示している。表５では、ヒステリシスは、装荷および除荷のシーケンスの間のセンサ出力の最大の差のパーセンテージとして定義される。例えば、第１のサイクルだと、ヒステリシスは、１００％×（５５５−５０２）／５５５＝９．５％として計算された。さらに、表５では、「ピーク負荷での反復」は、最初のサイクルのピーク負荷から後続のサイクルのピーク負荷への出力のセンサにおける変化のパーセンテージとして定義される。例えば、第４のサイクルだと、ピーク負荷での反復性は、１００％×（１１５０−１１２３）／１１２３＝２．４％として計算された。
【００６０】
【表５】
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【００６１】
表６は、他の実験でポリイミドセンサを使用した、ポリイミドマトリクス中に分散されている炭素とセンサの記録された感度との対比を示している。外力は、約３６６ｐｓｉであった。このデータは、図９でグラフとしても表されている。
【００６２】
【表６】
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【００６３】
本発明のいくつかの実施形態が、本明細書で説明され、例示されているが、当業者であれば、機能を実行する、および／または結果および／または本明細書で説明されている利点の１つまたは複数を得るためにさまざまな他の手段および／または構造を容易に思い付くであろうし、またそのような変更形態および／または修正形態はそれぞれ、本発明の範囲内にあるとみなされる。より一般的には、当業者であれば、本明細書で説明されているすべてのパラメータ、寸法、濃度、材料、および構成は、例示的であることを意図され、実際のパラメータ、寸法、濃度、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される特定の１つまたは複数の用途に依存することを容易に理解するであろう。当業者であれば、日常行っている実験だけを使用して、本明細書で説明されている発明の特定の実施形態と同等の多数の等価物を理解するか、または確認することができるであろう。したがって、前記の実施形態は、実施例のみにより表されること、および付属の請求項およびその等価物の範囲内において、本発明は、特に説明され請求されている以外の方法で実施できることは理解されるであろう。本発明は、本明細書で説明されているそれぞれの特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。さらに、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の２つ以上の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾していなければ、本発明の範囲内に含まれる。
【００６４】
本明細書で定義され使用されるような、すべての定義は、辞書定義、参照により組み込まれる文書内の定義、および／または定義された用語の通常の意味を統制するものと理解されるであろう。
【００６５】
また、反対のことが明確に示されていない限り、複数の動作を含む本明細書で請求されている方法において、方法の動作の順序は、方法の動作が引用される順序に必ず限定されないことも理解されるであろう。
【００６６】
本明細書および請求項で使用されているように、要素のリストの参照の中の「少なくとも１つ」という用語は要素のリスト内の要素の１つまたは複数から選択された少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも、要素のリスト内に特に列挙されているありとあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むわけではなく、また要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを除外しないことは理解されるであろう。同様に、要素のリストの参照の中の「またはその組み合わせ」という用語は、要素の１つまたは複数を要素のリストから選択できることを意味するが、必ずしも、要素のリスト内に特に列挙されているありとあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むわけではなく、また要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを除外しないことは理解されるであろう。これらの定義では、さらに、「少なくとも１つ」または「またはその組み合わせ」というフレーズが参照する要素のリスト内で特に識別されている要素以外の要素が、特に識別されたそれらの要素に関係があっても無関係でも、状況によっては存在する場合があることを許容する。そのため、非限定的実施例として、「ＡおよびＢまたはその組み合わせ」（または、それと同等のものとして、「ＡおよびＢおよびその組み合わせ」、「ＡおよびＢのうちの少なくとも一方」、「ＡまたはＢのうちの少なくとも一方」、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも一方」など）は、一実施形態では、Ｂが存在しない場合の、少なくとも１つの、状況によっては複数を含む、Ａを指し（および状況によっては、Ｂ以外の要素を含む）、他の実施形態では、Ａが存在しない場合の、少なくとも１つの、状況によっては複数を含む、Ｂを指し（および状況によっては、Ａ以外の要素を含む）、さらに他の実施形態では、少なくとも１つの、状況によっては複数を含む、Ａ、および少なくとも１つの、状況によっては複数を含む、Ｂを指す（および状況によっては他の要素を含む）といった意味になる。
【００６７】
請求項では、上の明細書の場合と同様に、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「搬送する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「持つ、有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む、包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う、関与する（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保持する、保有する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「からなる、から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」、「で作られる（ｍａｄｅ  ｏｆ）」、「から形成される（ｆｏｒｍｅｄ  ｏｆ）」などは、制約がないと理解される、つまり、限定はしないが含むを意味する。移行句「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「本質的に〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」のみは、それぞれ、米国特許審査便覧第２１１１．０３条に規定されているように、閉または半閉移行句とする。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の１つ以上の具体例による、凝固済み感圧インキの断面線図である。
【図２】本発明の１つ以上の具体例による、凝固済み感圧装置の平面図である。
【図３】図２に示す組立てた感圧装置の３−３の断面を通る断面図である。
【図４】本発明の１つ以上の具体例による、様々な温度での、ポリイミド感圧材料に基づく感圧装置の加えた圧力の関数としてのコンダクタンスを示すグラフである。
【図５】本発明の１つ以上の具体例による、ポリイミドに基づく感圧装置の温度の関数としての感度を示すグラフである。
【図６】本発明の１つ以上の具体例による、ポリイミドに基づく感圧装置の温度の関数としての感度、並びに当分野において周知の標準的な感圧装置の感度を示すグラフである。
【図７】本発明の１つ以上の具体例による、様々な高温対応感圧装置の温度の関数としての感度を示すグラフである。
【図８】本発明の１つ以上の具体例による、ポリイミド感圧材料に基づく感圧装置の室温での幾つかの負荷サイクルを通したコンダクタンスを示すグラフである。
【図９】本発明の１つ以上の具体例による、フィルムマトリックス中の炭素ナノ粒子のパーセントの関数としての感度を示すグラフである。
【国際調査報告】
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