【発明の詳細な説明】
感圧インキ手段および使用法
本発明は、高レベルの性能、コンシステンシー、および電気機械的特性の精度
を有する感圧インキ、このようなインキを組み込んだ機器、およびこのようなイ
ンキの使用法に関する。
発明の背景
感圧インキは、インキの層または積層物に対して直角に加えた種々の圧力もし
くは力に応じて種々の電気的出力を得るのが望ましいような種々の用途に使用さ
れていることが、そして特に、米国特許第4,856,993号、第4,734,034号、および
第5,033,291号に記載のタイプの種々の触知可能機器または感圧機器に使用され
ていることがよく知られている。このような機器は、加えた機械的圧力もしくは
力に依存したモノトーンの電気信号を生成することができる。このような機器と
しては、圧力変換器、センサー、および歪みゲージなどがある。
従来技術のインキは、ヒステリシス特性、感度、温度安定性、製造の難しさ、
コンシステンシー不足、および一般的な電気機械的特性の精度の欠如等の１つ以
上の制約のために、感圧機器に応用するには場合によっては困難が伴う。例えば
、温度の制約は、あの特定のインキのある特定の圧力変換器に対する有用性に影
響を及ぼすことがある。現在製造されているインキは、約100°Fまでの温度でし
か使用できないものが多いが、100°Fを越える温度での安定性が必要とされるよ
うな用途がある。
プリント配線回路やスイッチなどは、感圧特性（すなわち、加える圧力の変化
に伴う抵抗率の変化）が確認されないか、または使用されない場合は、導体また
は抵抗器として有用な導電性インキを組み込むことが多い。ある種のこうした機
器は、導電率を達成するために、弾性成分中にナノ粒子半導体を組み込んでもよ
い。
発明の総括
本発明の目的は、所望する感度、優れたヒステリシス特性、および必要とされ
る広い範囲の温度にわたっての所望する温度安定性を含めて、コンシステンシー
ならびに電気機械的特性の精度を有する、感圧機器にて高レベルの性能を得るた
めに使用することのできる改良された感圧インキを提供することにある。
本発明の他の目的は、感圧機器に加える圧力の変化による電気抵抗の変化を感
知する感圧機器を提供することにあり、このとき前記感圧機器は、上記目的に記
載の感圧インキを含む。
本発明のさらに他の目的は、加えた力の電気的指示値を得ることによって感圧
機器に加えた力または圧力を決定するための、本発明の上記目的にしたがって感
圧インキを使用する方法を提供する。
本発明のさらに他の目的は、上記目的にしたがったインキ、方法、および機器
を提供することにあり、このとき使用されるインキは、弾性ポリマーバインダー
と前記バインダー中に分散された１〜1,000ナノメートルの範囲のサイズを有す
るナノ粒子（nanoparticles）の充填剤とを含む。
本発明のさらに他の目的は、上記目的にしたがったインキを提供することにあ
り、このとき使用されるポリマーバインダーは、良好な感度とコンシステンシー
を有するインキを、高い温度範囲にわたって機能するよう、特に圧力変換器中に
組み込んだ感圧機器の作動を可能にするフェノキシポリマーである。
本発明によれば、選定された感圧性を有する感圧インキは、感圧機器の感圧成
分として使用すべく設計されている。本発明の感圧インキは、弾性の有機ポリマ
ーバインダーと前記バインダー中に分散されたナノ粒子の充填剤とで構成されて
いる。ナノ粒予は、１〜1,000ナノメートルの範囲のサイズを有し、15〜45ナノ
メートルの範囲の平均粒径の半導性粒子であるのが好ましい。好ましい実施態様
においては、感圧インキは、感圧機器の層中で固化させたときに、約102〜約106
Ω-cmの抵抗率を有し、感度は約0.02〜60,000マイクロジーメンス/ポンドの範囲
であり、そして粒子は約１〜７重量％のインキ/層を含んでいて炭素粒子である
。
本発明のインキは、溶媒、ポリマーバインダー、および半導性粒子（例えば、
コロイド系中に形成される炭素粒子）を含むのが好ましく、このときバインダー
と粒子は全て、約１〜約1,000ナノメートルの範囲の粒径を有する。
感圧機器に加えられた力を求めるための本発明の方法においては、固化した感
圧インキの少なくとも１つの層が、機器の少なくとも一部を形成する。本発明の
インキは前述のようなポリマーバインダーを含み、機器に力を加えたときの抵抗
を測定し、これから力を求めることができる。
本発明において使用するインキは、下記の式
（式中、ｎは35〜100である）
で示されるフェノキシポリマーのポリマーバインダーを含み、１〜1000ナノ粒子
（好ましくは15〜45ナノ粒子）の範囲の炭素粒子と均一に混合されているのが好
ましい。好ましくは、ｎ＝35〜60である。
本発明はさらに、感圧機器に加えられる圧力の変化による電気抵抗の変化を感
知するための感圧機器における改良を含む。感圧機器は感圧成分を有していて、
この感圧成分が電気抵抗の測定点間に延びている。本発明の改良点は、本発明の
固化した感圧インキの少なくとも１つの層を有する、感圧機器の一部を形成する
感圧成分を含むことにある。
改良された感圧インキが本発明の方法と機器に使用されるので、高レベルの性
能、コンシステンシー、および電気機械的特性の精度を得ることができる、とい
うのが本発明の特徴である。例えば、感圧変換器や他の機器は、高温範囲を含ん
だ所望の広い温度範囲にわたって良好な感度を有することができる。変形を防ぐ
ように、そして連続的サイクルの反復率（repeatability）を改良するように有
機ポリマーバインダーを選択することによって、ヒステリシス特性を改良するこ
とができ、これによって優れた電気的特性を保持しつつ、広い温度範囲にわたる
安定性が得られる。感圧インキは、従来の手順にしたがって配合作製して感圧機
器に使用することができる。例えば、単一層のインキは、固化させようとするイ
ンキの上面と下面あるいは側面に取り付けられたリード線を使用して、キャアー
お
よび/または加熱することによって、あるいは乾燥することによって固化させる
ことができる。したがって、圧力感度と電気的読み取りは単一層内にて達成する
ことができる。他の機器においては、最上層と最下層との間にリード線を組み込
んだ状態の複数層が使用され、このとき機器の固有の弾性だけでなく層間の表面
特性により、電気抵抗の読み取りが、したがってこのような機器の特性が決定さ
れる。
図面の簡単な説明
本発明の上記目的と他の目的、特徴、および利点は、添付の図面を参照しつつ
下記の説明を考察すればより理解が深まるであろう。
図１は、本発明の好ましい実施態様にしたがったインキを示している、幾分概
略的な断面である。
図２は、最終製品化前における感圧変換器の形態の感圧機器の上面図である。
図３は、図２のライン３−３に沿って切り取ったときのサイド断面図である。
図４は、本発明の感圧インキを使用した図２の従来型のＰＳＩボタンセルにつ
いて、華氏温度に対して感度をプロットして得られたグラフである。
図５は、硬化させた感圧インキ（本発明によるボタンセル）において、華氏温
度に対してヒステリシス（％）をプロットして得られたグラフである。
図６は、本発明の好ましい実施態様によるボタンセルについて、華氏温度に対
して非反復率（％）をプロットして得られたグラフである。
図７は、3.18％の炭素を含有する実施例４のインキについて、23℃における力
とコンダクタンスとの関係を示しているボタンセルコンダクタンスのグラフであ
る。
発明の簡単な説明
図１に、好ましくは半導性である複数の粒子を好ましくは実質的に均一に組み
込んだポリマーバインダー11を含む本発明の感圧インキ10が示されている。した
がってインキは、乾燥され、硬化されると、インキに圧力を加えたり取り除いた
りしたときに電気抵抗率の変化が生じ、この抵抗率を測定することにより加えた
圧力がわかる。
図２は、当業界に公知のボタンセル中に感圧インキ10を組み込んだ形の特殊な
機器20を示している。ボタンセルまたは機器20においては、薄い絶縁層〔マイラ
ー（Mylar）（デラウェア州ウィルミントンのデュポン社のポリエステル製品）
のプラスチックシートもしくはベース21、ポリエチレンテレフタレートベースフ
ィルム、あるいは絶縁性プラスチック〕がボタンセルのベースを形成する。ポリ
エチレン、ＰＶＣ、または他の絶縁体（例えば、布地やセラミックス）を含めた
他の絶縁性ポリマーも、ベース21用に使用することができる。
ベース21は、機器のセンターフォールドライン23の一方の側に導電性のリード
線22を有する。
リード線22と24は円形のボタン部分25と26を含み、これらは薄くて、圧力を加
えなくても導電性が高く、10-6〜10-4Ω-cmの範囲の抵抗率を有するのが好まし
い。
機器をフォールドライン23にて折りたたみ、リード線22と24を介して抵抗率を
測定するための従来の電気的試験装置に接続したときに、図３に適切に示されて
いるような形で互いにオーバーレイするように、固化したインキ10のディスク部
分がセンターライン23の両側に配置される。上層10の上表面へ矢印30のように圧
力もしくは力が加わると（図３）、リード線24と22により、半導性インキの２つ
の層の上表面31から下表面32への応答および導電率の変化を測定することができ
る。圧力の増大または減少による抵抗率の変化は、当業界に公知の標準的なエレ
クトロニクス技術によって測定できる。導電性層の上表面と下表面との間に加え
られる圧力または力を測定できるようにするには、例えば米国特許第4,734,034
号を参照のこと。当業界に公知のあらゆるタイプの種々の圧力変換器および圧力
測定用機器において、力は使用者の手で加えてもよいし、あるいはある種の機械
的手段によって加えてもよい。
積層体におけるボタンまたは層10の数は変わってもよい。ボタンまたは層の厚
さは0.00005〜0.05インチの範囲であるのが好ましい。図示のボタンセルにおい
ては固化インキの二層が使用されているが、より多くの層を使用することもでき
る。場合によっては、単一層であっても、層の２つの表面間に加えられた圧力の
測定が可能である。圧力は、層または複数の層のいずれかの表面に加えられる圧
力または力の間にて、固化したインキを弾力的に押すような形で加えるのが好ま
しい。
本発明のインキを使用することのできる典型的な感圧機器としては、ロードセ
ル等の圧力変換器、ボタンセル、ひずみゲージ、圧力計、および他の圧力センサ
ーなどがある。
圧力変換器に使用するための乾燥層10または他の感圧層を形成するインキは、
ポリマーバインダーとナノ粒子を含む。
有機ポリマーバインダーは、形成される層が弾性を有することを可能にするよ
うな材料であればいかなる材料でもよい。本発明の固化インキの単一層または複
数層を圧縮すると、導電率が増大し、抵抗率が低下する。したがって、使用され
るポリマーバインダーは幾らかの弾性変形能力を有するのが好ましい。有用な有
機ポリマーバインダーとしては、ポリエステルポリマー、フェノキシポリマー、
エポキシポリマー、アクリルポリマー、ビニルポリマー、ポリアミドポリマー、
ポリプロピレン、ポリエチレン、シリコーン、エラストマー〔スチレン−ブタジ
エンコポリマー、ポリクロロプレン（ネオプレン）、ニトリルゴム、ブチルゴム
、ポリスルフィドゴム（“チオコール”）、シス−１，４−ポリイソプレン、エ
チレン−プロピレンターポリマー（ＥＰＤＭゴム）、シリコーンゴム、およびポ
リウレタンゴムを含めた天然ゴムと合成ゴム〕、および必要とされる特定の特性
をもったあらゆる種類の他のポリマーがある。
フェノキシ樹脂を有機ポリマーバインダーとして使用するのが好ましい。なぜ
ならフェノキシ樹脂は、感圧インキとして使用したときに、特に、電気的応答の
変化によって加えた圧力を測定するための感圧変換器において使用したときに、
良好なヒステリシス特性、所望の感度、高温安定性、良好な反復率、および全体
としての優れた電気機械的特性を含めた、極めて優れた特性を最終固化インキに
付与するからである。
本発明において有用なフェノキシ樹脂は、下記の基本的な分子構造を有する、
ビスフェノールＡとエピクロロヒドリンとの高分子量熱可塑性コポリマーである
。
〔ＯＣ6Ｈ4Ｃ(ＣＨ3)2Ｃ6Ｈ4ＯＣＨ2ＣＨ(ＯＨ)ＣＨ2〕n
n = 35〜100
これらの物質は、エポキシ樹脂の場合と同じ原料を使用しているが、エポキシ
基は含有していない。これらの物質は、ポリイソシアネート、無水物、またはヒ
ドロキシル基と反応しうる他の架橋剤と反応させることによって硬化させること
ができるが、加熱して溶媒だけを気化させることにより固化させるのが好ましい
。
フェノキシ樹脂の延性は、金属のそれに似ている。フェノキシ樹脂は透明であ
り、成形収縮が少ないこと、寸法安定性が良好であること、および耐熱性と耐食
性が適度に良好であることを特徴とする。
フェノキシ樹脂は、押し出すこともできるし、あるいは吹込成形することもで
きる。部品は、熱成形により製造することもできるし、熱接着もしくは溶剤接着
により製造することもできる。幾つかのアプリケーションとしては、吹込成形さ
れた容器、パイプ、通風用ダクト、および成形部品などがある。
このようなフェノキシ樹脂は強靭で延性のあるポリマーであり、高い凝集強さ
と良好な耐衝撃性を有する。エーテル結合とペンダントヒドロキシル基により、
湿潤および種々の基質への結びつきが促進される。ポリマーバインダーは、ペレ
ット、水搬送分散液、粉末、および溶液の形態にて供給することができる。
フェノキシポリマーは、結晶化しないことが多いので、あるいは応力集中を起
こさないことが多いので特に有用である。フェノキシポリマーは、100°Fより高
い温度を含めて、種々の範囲の温度での安定性を可能にするような高温特性を有
する。このようなポリマーは、コネチカット州ダンバリーのユニオンカーバイド
社からパッフェン（Paphen）フェノキシ樹脂として入手可能であり、さらにUCAR
フェノキシ樹脂としても入手可能である。UCARフェノキシ樹脂 PKHH と PKHJ は
白色半透明のペレットであって、ヒドロキシ含量が６重量％であり、ヒドロキシ
当量（g/g-モル）が284であり、分子量が30,000〜80,000であり、そしてガラス
転移温度（Ｔg）が98℃である。引張強さは約9,000〜9,500の範囲であってよく
、このとき極限引張伸びは50〜100％である。引張モジュラスは30,000〜325,000
p.s.iであってよい。このような樹脂が好ましいが、ポリ（ヒドロキシエーテル
）ポリマーとして知られている他のフェノキシポリマーも使用することができる
。このような樹脂は最高180℃までの融点を有することができ、したがって変形
を起こすことなく広い温度範囲にわたる使用が可能となる。
使用するポリマーバインダーは、高分子量の弾性ポリマーであるのが好ましい
。ここで言う弾性ポリマーとは、外部からの圧力または力によって引き起こされ
る、初期寸法からの一時的な寸法変化が可能なポリマーを意味している。圧力ま
たは
力を取り除くと初期寸法に戻り、このとき回復は、25℃という標準的な室温で１
時間未満にて起こる。したがって、短時間の経過（好ましくは10秒未満）にて圧
力または力を取り除くと、繰り返しの電気的応答（例えば抵抗率の変化等）が回
復される。しかし、初期の電気的応答を回復させるのに１時間以上の時間が必要
となる場合もある。
インキ自体は、ポリマーバインダーと粒子の全てが１〜1,000ナノメートルの
範囲内の粒径を有するようなコロイド系として形成されているのが好ましい。粒
子がコロイド系中に均質に混合されているのが好ましい。
使用する粒子は、半導性粒子であるのが好ましく、１〜1,000ナノメートル（
好ましくは15〜45ナノメートル）の平均粒径、25〜560m2/g（さらに好ましくは2
40〜265m2/g）の粒子表面積、および好ましくは18〜６ポンド/ft3（さらに好ま
しくは６〜７ポンド/ft3）の密度を有する炭素粒子であるのがさらに好ましい。
ナノ粒子は、ポリマーバインダーと粒子との組合せ物（感圧機器の作動成分とし
て形成される固化材料）の１〜７重量％の量にて使用するのが好ましい。粒子は
全て、ポリマーバインダーとナノ粒子の全体にわたって均一に分布されているの
が好ましいが、場合によっては、少量のより大きいサイズの粒子を使用すること
ができ（例えば最大２重量％まで）。但し、場合によっては、電気的応答の均一
性がそこなわれることがある。半導性の粒子を使用する場合は、1,000ナノメー
トルより大きいのが0.1％以下であるのが好ましい。半導性粒子は、102〜107Ω-
cmの抵抗率を有するのが好ましい。
本発明において有用な粒子は、アンチモン、ケイ素、磁鉄鉱、グラファイト、
モリブデン、炭素、硫化物、カーボランダム、硫化鉛、硫化第一鉄、鉄と炭素と
の化合物、燐光体（phosphor）、および他の物質などの半導性粒子を含む。充填
剤または物理的特性変性剤（シリカ、タルク、およびベントンなど）のナノ粒子
を使用することができる。
平均粒径は13〜75ナノメートルの範囲でよく、最も好ましいのは15〜45ナノメ
ートルである。
本発明に使用するには、半導性グレードのカーボンブラックが好ましい。この
ようなカーボンブラックは、マサチューセッツ州ビレリカのキャボット社、およ
びニュージャージー州リッジフィールドパークのデグッサ社から入手可能である
。このようなカーボン粒子は、半導性を有することから好ましい粒子である。こ
うしたカーボン粒子は、他の目的用に市場で通常販売されている比較的安価な形
態にて得ることができる。カーボンブラックが抵抗性のポリマーを導電性にする
程度は、その物理的・化学的特性および含量によって影響される。カーボンブラ
ック／ポリマー複合材料を通る電子の流れは、カーボンブラックがポリマー内に
導電性のネットワークを形成するときに達成される。理論的には、炭素粒子が接
触しているか、あるいは極めて短い距離だけ離れているときに電子の流れが生じ
る。後者の場合、電子が抵抗性ポリマーを粒子から粒子へと、あるいは凝集体か
ら凝集体へとトンネル通過の形で通り抜ける。接触しているか、あるいはトンネ
ル通過が起こるのに充分なほどに近接している粒子が多くなるほど、複合材料の
導電性が益々大きくなる。表面積と構造により主要な粒子の物理的特性が特徴づ
けられ、カーボンブラックによって付与される導電性の程度が影響を受ける。本
発明において、炭素粒子は前述のように、炭素粒子とバインダーの合計の１〜７
重量％という極めて少ない量にて使用できること、そして実際、2.85〜3.5重量
％という範囲の炭素粒子の量が、多くの圧力変換器用途に対して有用であるとい
うことが見いだされた。コロイド系を乾燥および／または硬化させることによっ
て造られる乾燥フィルム中の炭素含量のレベルによっては、圧力または力を加え
る前には、通常は導電性もしくは半導性とは考えられないようなフィルムまたは
層がしばしば得られる。本発明の好ましいポリマーインキの固化フィルムもしく
は乾燥フィルムの抵抗率は102〜107Ω-cmの範囲である。力に対する感度（force
sensitivity）は0.02〜60,000マイクロジーメンス/ポンドの範囲であるのが好
ましく、このとき圧力の測定および圧力についての言及は、力の測定を含むこと
がある。
ポリマーバインダーに対する適切な有機溶媒としては、メチルエチルケトン等
のケトン、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
ブアセテート（butyl cellosol acetate）、およびジフロピレングリコールモノ
メチルなどがある。使用する溶液のうちのポリマーの重量％は15〜40重量％の範
囲であるのが好ましく、25〜35％であるのがさらに好ましい。
本発明の感圧インキのコロイド系は、従来法にしたがって形成させることがで
きる。好ましくは、溶媒と選定されたポリマーバインダーとを混合し、その後に
ナノ粒子の充填剤を、コロイド系が形成されるまで、従来のミキシングを行いな
がらバインダー中に分散させる。このようにして形成される初期コロイド系はマ
スターバッチとして作用することができ、さらなるバインダーおよび／または粒
子をマスターバッチとブレンドして、所望の感度を有するインキを得る。
本発明のインキのコロイド系は、従来の乾燥および／または硬化によって感圧
機器の固化成分に形成させることができる。本発明のインキは、表面に対しスク
リーン印刷することもでき、ナイフ塗布することもでき、噴霧することもでき、
ジェット印刷することもでき、あるいは他の従来法で塗布することもできる。選
定された表面に、インキを所定のパターンの薄いインキ層として付着させ、次い
でこれを乾燥もしくは硬化させる。本発明の感圧機器において使用するためには
、約0.00015〜0.00035インチの乾燥厚さのインキ層が好ましいが、より厚い層で
も使用することができる。機器の種類に応じて、１つ以上の層を使用することも
できる。場合によっては、層を成形してもよい。使用する上では薄い層が好まし
いが、本明細書で使用している“層”という用語は、円柱形、長方形、正方形、
または特定の用途に対して必要とされる他の形状を有する形状物を含む。
乾燥は、溶媒の気化温度よりやや高い温度にて、溶媒を除去し、層を固化させ
るのに必要な時間にわたって行うのが好ましい。場合によっては、乾燥熱が硬化
作用を促進することもある。
多くのポリマー材料では硬化剤を使用する必要はないが、これは使用する材料
の種類によって異なる。
本発明の感圧インキに対する好ましい実施態様の有用な例を以下に説明する。
実施例１
有機ポリマーバインダーのバッチ〔感圧インキの誘電性成分（Ａ）として作用
する〕は、カンザス州レネキサのＫＣコーティング社から9627ミックスとオーバ
ープリント・クリヤーの品名で市販されているポリエステル樹脂溶液（58％ポリ
エステル）を使用して形成する。成分（Ａ）の一部は、後で成分（Ｂ）と混合し
て、少なくとも一部は半導性粒子によって決定される所望の感度を有する所望の
インキを形成させるためのマスターバッチとして取っておく。
感圧抵抗性インキの半導性成分（Ｂ）のバッチは、ラボラトリー・ディスパー
セーター・モデル（Laboratoy Dispersator Model）90（ペンシルバニア州リー
ディングのプレミヤ社）を使用して、半導性グレードのカーボンブラック粉末を
、ポリエステル樹脂溶液（Ａ）の一部の100重量部に対して12重量部の量にて分
散させて均質なコロイド系を得ることによって形成する。カーボンブラックは、
ニュージャージー州リッジフィールドパークのデグッサ社から入手することがで
き、18ナノメートルの平均粒径と平均粒径と265m2/ｇの表面積を有する。このよ
うに、成分（Ｂ）は成分（Ａ）と半導性粒子とで造る。
上記のように作製した成分（Ｂ）と（Ａ）を使用して選択的感度を有する感圧
インキを形成させることができ、そしてステッドファースト・スターラー（Sted
fast Stirrer）中で混合して第２のコロイド系を形成させることができる。この
第２のコロイド系を0.0004〜0.0006インチの均一層として表面に付着させること
によって、次いでオーブンモデルＤＣ，ブルーＭ（Oven Model DC，Blue M）（
マサチューセッツ州ミリスのゼネラルシグナル社から市販）中にて140〜160°F
で２〜３分乾燥・硬化させることによって、第２のコロイド系を感圧層として施
す。例えば、（Ｂ）は、100重量部の（Ａ）と36重量部の（Ｂ）という量関係に
て（Ａ）と混合し、このとき炭素含量は3.18重量％である。実施例２
ポリマーバインダーのバッチ〔感圧インキの誘電性成分（Ａ）として作用する
〕は、先ず、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ニュージャージー州ウェインのGAF
ケミカル社から M-PYROLとして市販）中にポリエステル樹脂（イリノイ州シカゴ
のモートンインターナショナル社から Mor-Ester49002 として市販）を溶解させ
て28重量％濃度の溶液にすることによって形成する。
M-PYROL溶媒中ポリエステル樹脂の28％溶液は、ステッドファースト・スター
ラー・モデル SL300（フィッシャー・サイエンティフィック）中にて75〜80°F
で、透明な溶液が形成されるまで攪拌することによって得られる。
感圧抵抗性インキの半導性成分（Ｂ）のバッチは、ラボラトリー・ディスパー
セーター・モデル90（ペンシルバニア州リーディングのプレミヤ社）を使用して
、半導性グレードのカーボンブラック粉末を、ポリエステル樹脂溶液（Ａ）100
重量
部に対して12重量部の量にて分散させて、成分（Ａ）と半導性粒子を含む均質な
コロイド系を得ることによって形成する。カーボンブラックはニュージャージー
州リッジフィールドパークのデグッサ社から入手可能であり、18ナノメートルの
平均粒径と265m2/ｇの表面積を有する。
上記のように作製した成分（Ｂ）と（Ａ）を使用して選択的感度を有する感圧
インキを形成させることができ、混合することができ、そして0.0004〜0.0006イ
ンチの均一層を表面に付着させることによって、次いでオーブンモデルＤＣ，ブ
ルーＭ（マサチューセッツ州ミリスのゼネラルシグナル社から入手可能）中にて
240〜260°Fで２〜３分乾燥・硬化させることによって、感圧インキを感圧成分
として施すことができる。
実施例３
感圧インキのポリマー樹脂成分（Ａ）のバッチは、コロイドグレードの熱分解
法シリカ（イリノイ州タスコラのキャボット社から市販）を２重量％の量にて、
配合コポリエステル樹脂溶液（イリノイ州シカゴのモートンインターナショナル
社から ADCOTE89RIT の品名で市販）を94重量％の量にて、そしてエチレングリ
コールモノメチルエーテルアセテート（ユニオンカーバイド社からメチルセロソ
ルブアセテートの品名で市販）を４重量％の量にて混合分散させることによって
コロイド系として作製する。
感圧抵抗性インキの半導性成分（Ｂ）のバッチは、半導性グレードのカーボン
ブラック粉末を、下記の樹脂溶液100部に対して10重量部という量関係にて分散
させることによって、均質なコロイド系として作製する：
配合コポリエステル樹脂溶液、68重量％；
エポキシ樹脂 D.E.R.661（ダウケミカル社）、1.5重量％；
メチル化メラミンホルムアルデヒド樹脂溶液、レシメン（Resimene）717
（ミズーリ州セントルイスのモンサントケミカル社から市販）、５重量％；
エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ユニオンカーバイド
社から市販）、25重量％；および
ブチロールアセトン（GAFケミカル社から市販）、５重量％。
樹脂溶液は、ステッドファースト・スターラー・モデル SL300（フィッシャー・
サイエンティフィック社から市販）中にて、上記成分を75〜90°Fにて溶液が形
成されるまで機械的に攪拌することによって作製する。
カーボンブラック（デグッサ社から市販されており、13ナノメートルの平均粒
径と1,000m2/ｇの表面積を有することを特徴とする）を上記混合物にブレンドす
る。
上記のようにして得られる選定された感度（Ｂ）と（Ａ）を有する感圧インキ
を感圧成分として施し（0.0004〜0.0006インチの層または付着物の形で）、乾燥
し、そしてオーブンモデルＤＣ，ブルーＭ（マサチューセッツ州ミリスのゼネラ
ルシグナル社から市販）中にて160〜180°Fの温度で５〜６分硬化させる。
実施例４
感圧インキの誘電性成分（Ａ）のバッチを、ポリヒドロキシエーテル樹脂（コ
ネティカット州ダンバリーのユニオンカーバイド社から PKHH の品名で市販；UC
ARRフェノキシ樹脂）を29重量％、そしてエチレングリコールモノブチルエーテ
ルアセテート（ユニオンカーバイド社）を71重量％含む溶液として作製する。
バッチは、上記の成分を120〜125°Fにて、透明な溶液が得られるまで機械的
に攪拌（ステッドファースト・スターラー・モデルSL300、フィッシャー・サイ
エンティフィック社）することによって作製する。
感圧抵抗性インキの半導性成分（Ｂ）のバッチは、13.6重量部の半導性グレー
ドのカーボンブラック粉末を100重量部の上記樹脂溶液（Ａ）中に分散させて、
均質のコロイド系として作製する。カーボンブラックは、30ナノメーターの平均
粒径および265m2/ｇの表面積を有することを特徴とし、マサチューセッツ州ビレ
リカのキャボット社からバルカン72XCの品名で市販されている。
選定された感度を有する感圧インキは、（Ｂ）と（Ａ）を表１に示すような比
で混合することによって作製し、感圧成分（0.0004〜0.0006インチの層または付
着物）として施し、245〜265°Fにて３〜４分にわたって乾燥／硬化させる（オ
ーブンモデルＤＣ,ブルーＭ）。表１に示すような値が得られる。
実施例５
感圧インキの誘電性成分（Ａ）のバッチを、29重量％のポリヒドロキシエーテ
ル樹脂（ユニオンカーバイド社）と71重量％のエチレングリコールモノブチルエ
ーテルアセテート（ユニオンカーバイド社）とを含む溶液として作製する。
バッチは、上記の成分を120〜125°Fにて透明な溶液が得られるようになるま
で機械的に攪拌（ステッドファースト・スターラー・モデル SL300，フィッシャ
ーサイエンティフィック社）することによって作製する。
感圧抵抗性インキの半導性成分（Ｂ）のバッチは、半導性グレードのカーボン
ブラック11重量部を、100重量部の上記ポリヒドロキシエーテル樹脂溶液中に分
散させることによって作製する。このとき前記樹脂溶液は、上記の誘電性成分（
Ａ）を93重量％、エポキシ樹脂 D.E.R.661（ダウケミカル社）を1.5重量％、メ
チル化メラミン−ホルムアルデヒド樹脂溶液レシメン717（モンサントケミカル
社）を 0.5重量％、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ユニ
オンカーバイド社）を25重量、そしてブチロールアセトンを（GAFケミカル社）
を５重量％含む。
使用するカーボンブラックは、16ナノメートルの平均粒径と343m2/ｇの表面積
を有することを特徴とする。
（Ｂ）と（Ａ）を混合することによって選定された所望の感度をもつ感圧イン
キを作製し、こうして得られる溶液を感圧成分（0.0004〜0.0006インチの層また
は付着物）として施し、245〜265°Fで５〜６分乾燥／硬化させる（オーブンモ
デルＤＣ,ブルーＭゼネラルシグナル社）。
上記実施例のインキを配合して、所望のレベルの感度を達成することもできる
し、あるいは適切に硬化された層または積層体に対して直角の方向から加えられ
る種々の圧力もしくは力に応じた可変の電気的出力を得ることもできる。本発明
のインキは、例えば米国特許第4,856,993号および第5,033,291号に記載のタイプ
の、種々の触知可能機器または感圧機器に使用することができる。
下記の表１においては、実施例４のインキを使用して作製された機器の電気的
応答が、成分（Ｂ）と成分（Ａ）との比、あるいは（Ａ＋Ｂ）コロイド系におけ
る半導性成分の量によって示されている。適切な感度または出力が、加えた力に
対するコンダクタンスの増分（マイクロジーメンス/ポンド）として記載されて
おり、また適切に硬化させたコロイドブレンドの、いかなる力や圧力も加わって
いないときの典型的な平均体積抵抗率（KΩ-cm）が、抵抗性インキの電気的特性
とし
て記載されている（表１を参照）。 実施例６
本発明によるボタンコンタクトセルまたはボタンコンタクト機器20を作製する
実施例においては、実施例４のインキを図２と図３による機器20と組み合わせて
使用する。この場合、二重層21はマイラー（デラウェア州ウィルミントンのデュ
ポン社の製品）で作製されており、0.001インチの厚さと1.5×５インチという矩
形寸法を有する。64重量％の銀粒子（ミネソタ州ポートヒューロンのアチェソン
社から市販、0.0005Ω-cmの抵抗率を有する）を充填したポリマーで作製した導
電性インキを使用して、コンタクト22と24を付着形成させる。実施例４に記載の
ように層10をそれぞれ付着形成させる。このとき層10は１インチの直径と0.0004
5インチの厚さを有し、図３に示す形状物において25℃で96KΩ-cmの抵抗率を有
する。
本発明のボタンコンタクトは図４、５、６、および７のような特性を有し、良好
な感度と良好な回復（すなわち、安定性と反復性を示しているヒステリシス回復
）が示されている。図４、５、及び６のグラフでは、試験手順は、75〜185°Fの
温度範囲にて荷重エリア／非荷重エリアを変えることなく 366p.s.i.(F=4.5p.s.
i.,面積0.0123in2）という最大圧力を加えることを含む。各10°Fの温度増分に
おける荷重／非荷重サイクルの回数は５である。サイクル間に圧力の解除はなく
、サイクル間の遅れは２秒であり、そして各ステップにおける遅れは３秒である
。
本発明のインキは、乾燥すると、極めて高レベルのセンサー機能特性（例えば
、所望の反復性、ヒステリシス、線形性、ドリフト、および感度）を達成し、当
業界において公知の従来のセンサーより何倍も良好である。コロイド系において
フェノキシ樹脂をカーボンブラックのナノ粒子と共に使用すると、本発明に使用
するための優れた感圧インキとして特に有用である。本発明のポリマーバインダ
ー中の残留溶媒は少ないのが好ましい。抽出可能物質がわずかでも存在すると、
時間の経過に伴って感圧機器の特性が変化しやすいからである。収縮を引き起こ
したり、あるいは応力を誘起させたりすることのあるラジカルによる化学的硬化
は、材料を適切に選択することによって防止することができる。
本発明の特定の実施態様について説明してきたが、当業者にとっては、本発明
の精神と範囲を逸脱することなく、開示されている発明、使用法、および改良さ
れた物品に対する種々の変形が可能であることは言うまでもない。例えば、本発
明のインキに対しては二成分〔すなわち（Ａ）と（Ｂ）〕作製手順が好ましいけ
れども、半導性粒子のコロイド系を最終的な所望比率にてポリマーバインダー中
に直接形成させることによって、一回の工程で最終的な所望のインキを作製する
こともできる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Pressure sensitive ink means and usage
The present invention provides a high level of performance, consistency and accuracy of electromechanical properties
Pressure-sensitive inks, equipment incorporating such inks, and such inks.
About the use of Niki.
Background of the Invention
Pressure-sensitive inks are subject to various pressures applied at right angles to the ink layer or laminate.
Used in various applications where it is desirable to obtain various electrical outputs in response to force.
And, in particular, U.S. Patent Nos. 4,856,993, 4,734,034, and
Used in various tactile or pressure sensitive devices of the type described in 5,033,291
It is well known that Such equipment may be subject to applied mechanical pressure or
A force dependent monotone electrical signal can be generated. With such equipment
These include pressure transducers, sensors, and strain gauges.
Prior art inks have hysteresis characteristics, sensitivity, temperature stability, difficulty in manufacturing,
One or more of the following: lack of consistency and lack of accuracy in general electromechanical properties
Due to the above constraints, it is sometimes difficult to apply to pressure-sensitive devices. For example
Temperature limitations affect the usefulness of that particular ink for a particular pressure transducer.
May have an effect. Currently manufactured inks can be used at temperatures up to about 100 ° F.
Can not be used, but stability at temperatures exceeding 100 ° F is required
There is such a use.
Printed wiring circuits and switches have pressure sensitive characteristics (ie, changes in applied pressure).
Change in the resistivity of the conductor) is not confirmed or used,
Often incorporate conductive ink useful as a resistor. Certain such machines
The device may incorporate a nanoparticle semiconductor in the elastic component to achieve electrical conductivity.
No.
Summary of the Invention
It is an object of the present invention to provide the desired sensitivity, excellent hysteresis properties, and
Consistency, including desired temperature stability over a wide range of temperatures
As well as high-level performance with pressure-sensitive equipment with the accuracy of electromechanical properties
To provide an improved pressure-sensitive ink that can be used for
Another object of the present invention is to sense a change in electrical resistance due to a change in pressure applied to a pressure-sensitive device.
The present invention is to provide a pressure-sensitive device that knows,
Includes pressure-sensitive ink.
Yet another object of the present invention is to provide a pressure sensitive system by obtaining an electrical indication of the applied force.
According to the above object of the present invention, to determine the force or pressure applied to an instrument,
A method of using pressure ink is provided.
Still another object of the present invention is to provide an ink, a method and an apparatus according to the above object.
The ink used at this time is an elastic polymer binder
And having a size in the range of 1 to 1,000 nanometers dispersed in the binder
A filler of nanoparticles.
Yet another object of the present invention is to provide an ink according to the above object.
The polymer binder used at this time has good sensitivity and consistency.
To work over a high temperature range, especially in pressure transducers.
It is a phenoxy polymer that enables the operation of the built-in pressure-sensitive device.
According to the present invention, the selected pressure-sensitive ink having the pressure-sensitive property is a pressure-sensitive ink of a pressure-sensitive device.
Designed to be used as a minute. The pressure-sensitive ink of the present invention is an elastic organic polymer.
-Comprising a binder and a filler of nanoparticles dispersed in the binder.
I have. Nanoparticles have sizes ranging from 1 to 1,000 nanometers and 15 to 45 nanometers.
Preference is given to semiconductive particles having an average particle size in the range of meters. Preferred embodiment
In pressure sensitive inks, when solidified in a layer of pressure sensitive equipment,Two~ About 106
Has a resistivity of Ω-cm and sensitivity ranges from about 0.02 to 60,000 microsiemens / pound
And the particles are carbon particles containing about 1-7% by weight ink / layer
.
The ink of the present invention comprises a solvent, a polymer binder, and semiconductive particles (for example,
(A carbon particle formed in a colloid system).
And all particles have a particle size ranging from about 1 to about 1,000 nanometers.
In the method of the present invention for determining the force applied to a pressure sensitive device, the solidified
At least one layer of pressure ink forms at least part of the device. Of the present invention
The ink contains a polymer binder as described above, and the resistance when applying force to the equipment
And the force can be determined from this.
The ink used in the present invention has the following formula
(Where n is 35-100)
Including a polymer binder of a phenoxy polymer represented by 1 to 1000 nanoparticles
(Preferably 15 to 45 nanoparticles).
Good. Preferably, n = 35-60.
The invention further provides for sensing changes in electrical resistance due to changes in pressure applied to the pressure sensitive device.
Includes improvements in pressure sensitive equipment to inform. Pressure-sensitive devices have a pressure-sensitive component,
This pressure-sensitive component extends between the measurement points of the electric resistance. The improvements of the present invention
Form part of a pressure-sensitive device having at least one layer of solidified pressure-sensitive ink
Including a pressure-sensitive component.
A high level of performance as improved pressure sensitive inks are used in the method and equipment of the present invention
Performance, consistency, and accuracy of electromechanical properties.
This is a feature of the present invention. For example, pressure sensitive transducers and other equipment include high temperature ranges
However, it can have good sensitivity over a desired wide temperature range. Prevent deformation
To improve the repeatability of continuous cycles
Hysteresis properties can be improved by selecting a polymer binder.
This allows for a wide temperature range while maintaining excellent electrical characteristics.
Stability is obtained. The pressure-sensitive ink is compounded and manufactured according to the conventional procedure.
Can be used for vessels. For example, a single layer of ink may be solidified
Use the leads attached to the top and bottom or sides of the
You
Solidified by heating and / or drying
be able to. Thus, pressure sensitivity and electrical reading are achieved within a single layer
be able to. For other devices, incorporate leads between the top and bottom layers
Layers are used, where not only the inherent elasticity of the equipment, but also the surface between layers
The properties determine the reading of the electrical resistance and therefore the properties of such equipment.
It is.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
The above and other objects, features, and advantages of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
A better understanding may be had by considering the following description.
FIG. 1 shows a somewhat schematic illustration of an ink according to a preferred embodiment of the present invention.
It is a schematic cross section.
FIG. 2 is a top view of a pressure-sensitive device in the form of a pressure-sensitive converter before the final product.
FIG. 3 is a side sectional view taken along line 3-3 in FIG.
FIG. 4 shows the conventional PSI button cell of FIG. 2 using the pressure-sensitive ink of the present invention.
And a graph obtained by plotting sensitivity with respect to Fahrenheit temperature.
FIG. 5 shows the temperature of the cured pressure-sensitive ink (button cell according to the present invention).
It is the graph obtained by plotting the hysteresis (%) against the degree.
FIG. 6 is a plot of Fahrenheit temperature for a button cell according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a graph obtained by plotting the non-repetition rate (%).
FIG. 7 shows the force at 23 ° C. for the ink of Example 4 containing 3.18% carbon.
Is a button cell conductance graph showing the relationship between
You.
BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a plurality of preferably semiconducting particles, preferably substantially uniformly assembled.
Shown is a pressure sensitive ink 10 of the present invention that includes an embedded polymer binder 11. did
When the ink dries and cures, the ink is pressurized or removed.
Change in electrical resistivity occurs when measured, this resistivity is added by measuring
Know the pressure.
FIG. 2 shows a special form of pressure sensitive ink 10 incorporated in a button cell known in the art.
The device 20 is shown. In button cells or devices 20, a thin insulating layer (Mylar
-(Mylar) (Dupont polyester product in Wilmington, Delaware)
Plastic sheet or base 21, polyethylene terephthalate base foil
Film or insulating plastic] forms the base of the button cell. Poly
Including ethylene, PVC, or other insulators (eg, fabric or ceramics)
Other insulating polymers can also be used for the base 21.
The base 21 has conductive leads on one side of the center fold line 23 of the equipment.
It has a line 22.
Leads 22 and 24 include circular button portions 25 and 26, which are thin and pressurized.
High conductivity even if-6~Ten-FourPreferably having a resistivity in the range Ω-cm
No.
Fold the device at the fold line 23 and set the resistivity through leads 22 and 24.
Appropriately shown in FIG. 3 when connected to a conventional electrical test device for measuring
Disks of solidified ink 10 so that they overlay each other
The minutes are arranged on both sides of the center line 23. Pressure on the upper surface of upper layer 10 as shown by arrow 30
When a force or force is applied (FIG. 3), two of the semiconductive inks are
The response from the upper surface 31 to the lower surface 32 of the layer and the change in conductivity can be measured.
You. Changes in resistivity due to increasing or decreasing pressure are measured by standard elements known in the art.
It can be measured by clitronics technology. Between the upper and lower surfaces of the conductive layer
For example, U.S. Pat.No. 4,734,034
See issue. Various types of pressure transducers and pressures known in the art
In measuring equipment, the force may be applied manually by the user or may
It may be added by an appropriate means.
The number of buttons or layers 10 in the laminate may vary. Button or layer thickness
Preferably, the depth ranges from 0.00005 to 0.05 inches. In the button cell shown
Although two layers of solidified ink are used, more layers can be used.
You. In some cases, even in a single layer, the pressure applied between the two surfaces of the layer
Measurement is possible. The pressure is the pressure applied to the surface of either the layer or layers.
It is preferable to apply the solidified ink in a manner that elastically pushes it between the forces.
New
A typical pressure-sensitive device in which the ink of the present invention can be used includes a load cell.
Pressure transducers, button cells, strain gauges, pressure gauges, and other pressure sensors
-And so on.
The ink forming the dry layer 10 or other pressure sensitive layer for use in the pressure transducer is
Including polymer binder and nanoparticles.
Organic polymer binders allow the formed layer to be elastic.
Any material may be used as long as such a material is used. Single layer or multiple layers of the solidified ink of the present invention
When several layers are compressed, the conductivity increases and the resistivity decreases. Therefore, used
Preferably, the polymer binder has some elastic deformation capability. Useful
Polyester polymer, phenoxy polymer,
Epoxy polymer, acrylic polymer, vinyl polymer, polyamide polymer,
Polypropylene, polyethylene, silicone, elastomer [styrene-butadi
Ene copolymer, polychloroprene (neoprene), nitrile rubber, butyl rubber
, Polysulfide rubber ("thiocol"), cis-1,4-polyisoprene,
Tylene-propylene terpolymer (EPDM rubber), silicone rubber,
Natural and synthetic rubbers, including urethane rubbers), and specific properties required
There are all kinds of other polymers with
Preferably, a phenoxy resin is used as the organic polymer binder. why
Phenoxy resin, when used as a pressure-sensitive ink,
When used in a pressure sensitive transducer to measure the pressure applied by a change,
Good hysteresis properties, desired sensitivity, high temperature stability, good repetition rate, and overall
Excellent properties, including excellent electromechanical properties, as final solidified ink
It is because it is given.
Phenoxy resin useful in the present invention has the following basic molecular structure,
High molecular weight thermoplastic copolymer of bisphenol A and epichlorohydrin
.
[OC6HFourC (CHThree)TwoC6HFourOCHTwoCH (OH) CHTwo]n
n = 35-100
These materials use the same raw materials as the epoxy resin,
No groups are contained. These materials can be polyisocyanates, anhydrides, or
Curing by reacting with other crosslinking agents that can react with droxyl groups
It is preferable to solidify by heating to evaporate only the solvent.
.
The ductility of phenoxy resin is similar to that of metal. Phenoxy resin is transparent
Low molding shrinkage, good dimensional stability, heat resistance and corrosion resistance
It is characterized by moderately good properties.
Phenoxy resin can be extruded or blow molded.
Wear. Parts can be manufactured by thermoforming, heat bonded or solvent bonded
Can also be produced. Some applications include blow molding
Containers, pipes, ventilation ducts, and molded parts.
Such phenoxy resins are tough and ductile polymers and have high cohesive strength.
And good impact resistance. With an ether bond and a pendant hydroxyl group,
Wetting and binding to various substrates are promoted. The polymer binder is
It can be supplied in the form of a liquid, a water carrier dispersion, a powder, and a solution.
Phenoxy polymers often do not crystallize or cause stress concentrations.
This is particularly useful because it often does not. Phenoxy polymers above 100 ° F
High temperature characteristics that allow for stability over a wide range of temperatures, including
I do. Such polymers are available from Union Carbide, Danbury, Connecticut.
Available as Paphen phenoxy resin from UCAR
It is also available as a phenoxy resin. UCAR phenoxy resins PKHH and PKHJ
White translucent pellets having a hydroxy content of 6% by weight,
The equivalent weight (g / g-mol) is 284, the molecular weight is 30,000-80,000, and the glass
Transition temperature (Tg) Is 98 ° C. Tensile strength can range from about 9,000 to 9,500
At this time, the ultimate tensile elongation is 50 to 100%. Tensile modulus 30,000-325,000
p.s.i. While such resins are preferred, poly (hydroxyether
) Other phenoxy polymers known as polymers can also be used
. Such resins can have a melting point of up to 180 ° C and therefore deform
It can be used over a wide temperature range without causing the problem.
The polymer binder used is preferably a high molecular weight elastic polymer
. Elastic polymer as referred to here is caused by external pressure or force
A polymer capable of temporarily changing dimensions from its initial dimensions. Pressure
Or
When the force is removed, it returns to its initial dimensions, at which point it recovers at a standard room temperature of 25 ° C.
Happens in less than an hour. Therefore, after a short time (preferably less than 10 seconds)
The removal of force or force triggers a repeated electrical response (such as a change in resistivity).
Will be restored. However, it takes more than one hour to restore the initial electrical response
In some cases,
The ink itself has a polymer binder and all particles of 1-1,000 nanometers.
It is preferably formed as a colloidal system having a particle size in the range. grain
Preferably, the particles are homogeneously mixed in the colloid system.
The particles used are preferably semiconductive particles, 1 to 1,000 nanometers (
Average particle size of preferably 15-45 nanometers), 25-560mTwo/ g (more preferably 2
40-265mTwo/ g) particle surface area, and preferably 18-6 lb / ftThree(More preferred
Or 6-7 pounds / ftThreeMore preferably, the carbon particles have a density of (1).
Nanoparticles are a combination of a polymer binder and particles (the working component of a pressure-sensitive device).
It is preferably used in an amount of from 1 to 7% by weight of the solidified material formed. Particles
All are evenly distributed throughout the polymer binder and nanoparticles
Is preferred, but in some cases, using smaller amounts of larger sized particles
(Eg up to 2% by weight). However, in some cases, the electrical response is uniform.
Sex may be lost. When using semiconductive particles, 1,000 nm
Preferably, it is greater than 0.1% or less. The semiconductive particles are 10Two~Ten7Ω-
Preferably it has a resistivity of cm.
Particles useful in the present invention include antimony, silicon, magnetite, graphite,
Molybdenum, carbon, sulfide, carborundum, lead sulfide, ferrous sulfide, iron and carbon
And semiconductive particles such as phosphors, and other materials. filling
Of agents or physical property modifiers (such as silica, talc, and bentone)
Can be used.
The average particle size can range from 13 to 75 nanometers, most preferably 15 to 45 nanometers.
Is the
Semiconductive grade carbon black is preferred for use in the present invention. this
Such carbon blacks are available from Cabot Corporation, Billerica, Mass., And
And available from Degussa of Ridgefield Park, NJ
. Such carbon particles are preferable because they have semiconductivity. This
Such carbon particles are relatively inexpensive forms typically sold on the market for other purposes.
Can be obtained in a state. Carbon black makes resistive polymers conductive
The extent is influenced by its physical and chemical properties and content. Carbon bra
The flow of electrons through the polymer / polymer composite is such that carbon black
Achieved when forming a conductive network. Theoretically, carbon particles
Electron flow occurs when touching or at very short distances
You. In the latter case, the electrons convert the resistive polymer from particle to particle or aggregate.
Through the tunnel to the aggregate. Touching or tunnel
The more particles that are close enough to allow for
The conductivity becomes larger. Surface area and structure characterize physical properties of key particles
And the degree of conductivity provided by the carbon black is affected. Book
In the present invention, the carbon particles are, as described above, 1 to 7 of the total of the carbon particles and the binder.
It can be used in very small amounts by weight, and in fact 2.85-3.5 weight
Carbon particles in the range of% are useful for many pressure transducer applications.
Was found. By drying and / or curing the colloid system
Pressure or force, depending on the level of carbon content in the dry film
Prior to film or film that is not normally considered conductive or semiconductive.
Layers are often obtained. Preferred polymer ink solidified film or inventive film
The dry film has a resistivity of 10Two~Ten7It is in the range of Ω-cm. Force sensitivity
sensitivity) should be in the range of 0.02 to 60,000 microSiemens / pound.
More preferably, reference to pressure measurement and pressure at this time shall include force measurement
There is.
Suitable organic solvents for the polymer binder include methyl ethyl ketone
Ketone, glycol ether, glycol-ethyl ester, butyl cellosol
Butyl cellosol acetate and difluoropyrene glycol mono
And methyl. The weight percent of polymer in the solution used ranges from 15 to 40 weight percent.
Preferably, the range is 25% to 35%.
The colloidal system of the pressure-sensitive ink of the present invention can be formed according to a conventional method.
Wear. Preferably, the solvent and the selected polymer binder are mixed, followed by
Do not perform conventional mixing of the nanoparticle filler until a colloidal system is formed.
Disperse in a binder. The initial colloid system formed in this way is
Can act as a star batch, with additional binder and / or granules
The daughter is blended with the masterbatch to obtain an ink having the desired sensitivity.
The colloidal system of the inks of the present invention can be pressure sensitive by conventional drying and / or curing.
It can be formed into a solidifying component of equipment. The ink of the present invention is
Lean printing, knife coating, spraying,
It can be jet printed or applied by other conventional methods. Selection
Apply the ink on the defined surface as a thin layer of ink in a predetermined pattern.
This is dried or cured. For use in the pressure sensitive device of the present invention
, A dry thickness ink layer of about 0.00015 to 0.00035 inches is preferred, but with a thicker layer
Can also be used. Depending on the type of equipment, one or more layers may be used.
it can. In some cases, the layers may be shaped. Thin layers are preferred for use
However, as used herein, the term "layer" refers to a cylinder, rectangle, square,
Or including shapes having other shapes required for a particular application.
Drying removes the solvent and solidifies the layer at a temperature slightly higher than the vaporization temperature of the solvent.
It is preferably performed for the time necessary for In some cases, drying heat hardens
May also promote action.
Many polymeric materials do not require the use of a curing agent, but this is
Depends on the type.
Useful examples of preferred embodiments for the pressure-sensitive ink of the present invention are described below.
Example 1
Batch of organic polymer binder [acting as dielectric component (A) of pressure sensitive ink
To overtake 9627 mixes from KC Coating Company of Lenexa, Kansas.
-A polyester resin solution (58%
Ester). Part of component (A) is later mixed with component (B)
A desired sensitivity having a desired sensitivity determined at least in part by the semiconductive particles.
Save as a masterbatch to form the ink.
The batch of semiconductive component (B) of the pressure-sensitive ink is supplied by Laboratory Disper
Laboratoy Dispersator Model 90 (Lee, PA)
Using a semiconductive carbon black powder.
And 12 parts by weight with respect to 100 parts by weight of a part of the polyester resin solution (A).
Formed by scattering to obtain a homogeneous colloidal system. Carbon black is
Available from Degussa, Ridgefield Park, NJ
, 18nm average particle size and average particle size and 265mTwo/ g surface area. This
Thus, component (B) is made from component (A) and semiconductive particles.
Pressure sensitivity having selective sensitivity using components (B) and (A) prepared as described above
Ink can be formed, and Sted first stirrer (Sted
Fast Stirrer) to form a second colloid system. this
Depositing the second colloidal system on the surface as a 0.0004-0.0006 inch uniform layer
Then, oven model DC, Blue M (Oven Model DC, Blue M) (
140-160 ° F. in General Signals, Millis, Mass.
The second colloid system is applied as a pressure-sensitive layer by drying and curing
You. For example, (B) has a quantitative relationship of 100 parts by weight (A) and 36 parts by weight (B).
With (A), the carbon content being 3.18% by weight.Example 2
Batch of polymer binder [acting as dielectric component (A) of pressure sensitive ink
] Is N-methyl-2-pyrrolidone (GAF, Wayne, NJ)
Polyester resin (Chicago, Illinois) in M-PYROL from Chemical Company)
Mor-Ester49002 from Morton International, Inc.)
To give a 28% strength by weight solution.
28% polyester resin in M-PYROL solvent
75-80 ° F in Ra Model SL300 (Fisher Scientific)
By stirring until a clear solution is formed.
The batch of semiconductive component (B) of the pressure-sensitive ink is supplied by Laboratory Disper
Using a Sweater Model 90 (Premier, Reading, PA)
, A semiconductive carbon black powder, a polyester resin solution (A) 100
weight
Of the component (A) and the semiconductive particles.
Formed by obtaining a colloidal system. Carbon black is new jersey
Available from Degussa, Ridgefield Park
Average particle size and 265mTwo/ g surface area.
Pressure sensitivity having selective sensitivity using components (B) and (A) prepared as described above
The ink can be formed, mixed, and 0.0004-0.0006
By depositing a uniform layer of punch on the surface, the oven model DC,
In Lou M (available from General Signals, Inc. of Millis, MA)
By drying and curing at 240-260 ° F for 2-3 minutes, the pressure-sensitive ink becomes a pressure-sensitive component
Can be applied as
Example 3
Batch of polymer resin component (A) of pressure-sensitive ink is colloid-grade pyrolysis
Silica (commercially available from Cabot Corporation, Tuscola, Illinois) in an amount of 2% by weight
Compounded copolyester resin solution (Morton International, Chicago, Illinois)
(Commercially available under the name ADCOTE89RIT) in an amount of 94% by weight and ethylene glycol
Coal monomethyl ether acetate (Methyl Celloso from Union Carbide)
By mixing and dispersing in an amount of 4% by weight.
Produced as a colloid system.
The semiconductive component (B) of the pressure-sensitive ink is a batch of semiconductive grade carbon.
Disperse black powder in a quantity relationship of 10 parts by weight with respect to 100 parts of the following resin solution
To produce a homogeneous colloidal system:
Compounded copolyester resin solution, 68% by weight;
Epoxy resin D.E.R.661 (Dow Chemical Co.), 1.5% by weight;
Methylated melamine formaldehyde resin solution, Resimene 717
(Commercially available from Monsanto Chemical Company, St. Louis, Mo.), 5% by weight;
Ethylene glycol monomethyl ether acetate (union carbide
25% by weight); and
Butyrol acetone (commercially available from GAF Chemical), 5% by weight.
The resin solution is Steadfast First Stirrer Model SL300 (Fisher
(Commercially available from Scientific) in the form of a solution at 75-90 ° F
It is made by mechanical stirring until completed.
Carbon black (commercially available from Degussa, with an average particle size of 13 nanometers)
Diameter and 1,000mTwo/ g), which is characterized by having a surface area of
You.
Pressure sensitive ink with selected sensitivities (B) and (A) obtained as described above
As a pressure-sensitive component (in the form of a 0.0004-0.0006 inch layer or deposit) and dry
And oven model DC, Blue M (Genera, Millis, MA)
Cured for 5-6 minutes at a temperature of 160-180 ° F.
Example 4
Batch of the dielectric component (A) of the pressure-sensitive ink is
Commercially available from Union Carbide of Danbury, Nettick under the name PKHH; UC
ARRPhenoxy resin) and ethylene glycol monobutyl ether
It is prepared as a solution containing 71% by weight of luacetate (Union Carbide).
The batch is mechanically combined with the above components at 120-125 ° F until a clear solution is obtained.
Stirring (steady first stirrer model SL300, Fisher Sai)
(Entific).
The batch of semiconductive component (B) of the pressure-sensitive resist ink is 13.6 parts by weight of semiconductive gray.
Is dispersed in 100 parts by weight of the resin solution (A),
Made as a homogeneous colloid system. Carbon black has an average of 30 nanometers
Particle size and 265mTwo/ g surface area, Billet, Mass.
It is marketed by Cabot of Rica under the name Vulcan 72XC.
The pressure-sensitive inks having the selected sensitivities are obtained by comparing (B) and (A) with each other as shown in Table 1.
Prepared by mixing with a pressure-sensitive component (0.0004-0.0006 inch layer or
Kimono) and dried / cured at 245-265 ° F for 3-4 minutes (e
-Even model DC, blue M). The values shown in Table 1 are obtained.
Example 5
A batch of the dielectric component (A) of the pressure-sensitive ink was mixed with 29% by weight of polyhydroxy ether.
Resin (Union Carbide) and 71% by weight ethylene glycol monobutyl ether
The solution is prepared as a solution containing -tel acetate (Union Carbide).
The batch should be prepared using the above ingredients at 120-125 ° F until a clear solution is obtained.
With mechanical stirring (steady first stirrer model SL300, Fisher
-Scientific).
The semiconductive component (B) of the pressure-sensitive ink is a batch of semiconductive grade carbon.
11 parts by weight of black was dispersed in 100 parts by weight of the above polyhydroxyether resin solution.
It is made by scattering. At this time, the resin solution contains the above-mentioned dielectric component (
A) 93% by weight, epoxy resin D.E.R.661 (Dow Chemical Co.) 1.5% by weight,
Chilled melamine-formaldehyde resin solution Recimen 717 (Monsanto Chemical
0.5% by weight of ethylene glycol monomethyl ether acetate (Uni
Oncarbide) and 25-butyrolacetone (GAF Chemical)
5% by weight.
The carbon black used has an average particle size of 16 nanometers and 343 mTwo/ g surface area
It is characterized by having.
Pressure-sensitive in with desired sensitivity selected by mixing (B) and (A)
A pressure-sensitive component (0.0004-0.0006 inch layer or layer)
Is applied as a deposit) and dried / cured at 245 to 265 ° F. for 5 to 6 minutes.
Dell DC, Blue M General Signals).
The inks of the above examples can be blended to achieve a desired level of sensitivity.
Or applied from a direction perpendicular to a suitably cured layer or laminate.
It is also possible to obtain a variable electrical output according to various pressures or forces. The present invention
Of the type described in, for example, U.S. Patent Nos. 4,856,993 and 5,033,291
Of various tactile or pressure sensitive devices.
In Table 1 below, the electrical characteristics of the devices made using the ink of Example 4
The response is the ratio of component (B) to component (A) or (A + B) colloidal system
Of the semiconductive component. Appropriate sensitivity or output depends on the applied force
Listed as conductance increments (microSiemens / pound)
And the application of any force or pressure from a properly cured colloid blend
The typical average volume resistivity (KΩ-cm) when not the electrical properties of the resistive ink
age
(See Table 1). Example 6
Fabricate a button contact cell or button contact device 20 according to the present invention
In an embodiment, the ink of Example 4 is combined with the device 20 according to FIGS.
use. In this case, the double layer 21 is a Mylar (Duin, Wilmington, DE)
Made by Pom) and has a thickness of 0.001 inches and a square of 1.5 x 5 inches.
Has shape dimensions. 64% by weight silver particles (Acheson, Port Huron, MN)
Commercially available from Co., Ltd., with a resistivity of 0.0005Ω-cm)
The contacts 22 and 24 are deposited using an electrically conductive ink. Example 4
Each layer 10 is deposited. At this time, layer 10 has a diameter of 1 inch and 0.0004
It has a thickness of 5 inches and a resistivity of 96 KΩ-cm at 25 ° C in the shape shown in Figure 3.
I do.
The button contact of the present invention has characteristics as shown in FIGS.
Sensitivity and good recovery (ie hysteresis recovery showing stability and repeatability)
)It is shown. In the graphs of FIGS. 4, 5, and 6, the test procedure is between 75 and 185 ° F.
366p.s.i. (F = 4.5p.s. Without changing load area / non-load area in temperature range)
i., area 0.0123inTwo)). For each 10 ° F temperature increment
The number of load / unload cycles in the test is 5. No pressure release between cycles
, The delay between cycles is 2 seconds, and the delay at each step is 3 seconds
.
The inks of the present invention, when dried, have a very high level of sensor functionality (eg,
Desired repeatability, hysteresis, linearity, drift, and sensitivity).
Many times better than conventional sensors known in the art. In colloidal systems
Phenoxy resin used in the present invention when used with carbon black nanoparticles
It is particularly useful as an excellent pressure-sensitive ink. Polymer binder of the present invention
It is preferable that the residual solvent in the solvent is small. If there is even a small amount of extractables,
This is because the characteristics of the pressure-sensitive device tend to change over time. Cause contraction
Chemical curing by radicals that can cause stress or induce stress
Can be prevented by appropriate choice of materials.
Having described certain embodiments of the invention, those skilled in the art will recognize
Disclosed inventions, uses and improvements without departing from the spirit and scope of
It goes without saying that various modifications to the provided article are possible. For example,
For light inks, a two component [i.e. (A) and (B)] preparation procedure is preferred.
However, the colloidal system of semiconducting particles can be incorporated into the polymer binder at the final desired ratio.
To form the final desired ink in a single step
You can also.