JP5432585B2 - 複合部材、複合部材の形成方法、計測器プローブ要素、および計測器プローブ要素形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、エレクトロニクス業界および関連する業界で使用される非金属構成要素に関し、特に、精密に制御される抵抗特性を有する非金属複合材に関する。

金属をベースとする構成要素（例えば、モノリシック金属電気接点などの、金属電気接点）は、エレクトロニクス業界で広く使用されている従来の材料である。現代のエレクトロニクスは、非常に要求が厳しく、急速に出現しつつある、高性能かつ高価値の用途に使用される。現代のエレクトロニクスの適用は、例えば、航空、娯楽、通信、印刷、医療および試験機器、航空宇宙、輸送、エネルギーなどの、多数の市場および市場区分に影響を及ぼす、広範な、商用のおよびその他の製品において見られる。

しかし、これらの用途のうちの特定の場合について、従来の金属をベースとする構成要素を使用することができないという事態が、ますます多く発生するようになっている。

金属をベースとする構成要素が要求を満たさない場合の例としては、「インサーキットテスタ（bed-of-nails）」と呼ばれる、コンタクトテストプローブのアレイが挙げられる。そのようなコンタクトテストプローブのアレイの、金属製プローブチップは、出力測定データにおける接点抵抗バイアスを最小にするために、比較的高い接点物理圧力を必要とする。高い圧力は、被測定装置（ＤＵＴ）、プローブ、またはプローブのアレイ自体に、物理的損傷を発生させる可能性がある。一般的なＤＵＴとしては、例えば、ＩＣ、ＩＣをベースとするチップ、パッケージされたＩＣ、およびＭＥＭＳデバイス（例えば、シリコン上の金の薄層による相互接続層を有する）、ならびに、多数のＩＣ、チップ、またはＭＥＭＳデバイスを含む回路基板が挙げられる。

金属をベースとする構成要素が要求を満たさない場合の別の例としては、例えば、高性能、超高周波の、デジタルオシロスコープのために使用される計測器プローブが挙げられる。そのような計測器プローブは、ＤＵＴを含む、機能している回路に歪みを与えないように、ＤＵＴと動的プローブとの間の接点インタフェースのすぐ近くに位置する、高精度の抵抗インタフェースを必要とする。例えば、接点圧力のわずかな変化、接点インタフェースの腐食、または任意のその他の要因による、プローブの使用中の抵抗の安定性のいかなる変化も、結果として得られる測定値の精度および／またはＤＵＴの操作可能性に影響を及ぼす可能性がある。

従来技術の、これらおよびその他の問題を克服するために、これらの急速に出現しつつある、高性能かつ高価値の用途に適用することが可能な、非常に高精度のかつ本質的に非金属の電気的構成要素のファミリが提供される。

例示的実施形態は、したがって、高精度の抵抗性複合部材と、それらを製造および使用するための方法とを提供してもよい。抵抗性複合部材は、制御可能な、寸法と、幾何学的形状と、機械的特性と、抵抗値などの電気的特性とを有してもよい。本明細書で開示されるように、抵抗性複合部材は、センサ素子などのセンサのために、および／または、例えば、低い、または中程度の接点圧力、超高周波応答、出力信号（１つまたは複数）における高い精度を必要とする、高性能計測器プローブなどのプローブのために、および／または、以下に限定されないが、デジタルオシロスコープおよび医療機器を含むその他の計測器および構成要素のために、使用されてもよい。

本発明の第１の態様は、複合部材であって、結合剤材料と、複合部材を形成するために結合剤材料内に配置された、撚られた繊維トウであって、撚られた繊維トウは、繊維と繊維束と繊維トウとのうちの少なくとも１つに付与された撚りレベルを含む、撚られた繊維トウとを具備する。撚りレベルは、複合部材の、電気抵抗と機械的強度とのうちの少なくとも１つを制御する。

本発明の第２の態様は、上記複合部材を１つ以上含む、超高周波電気測定のための計測器プローブ要素である。

本発明の第３の態様は、複合部材を形成するための方法であって、結合剤高分子を提供することと、１つ以上の撚られた繊維トウを、それぞれの撚られた繊維トウの、繊維と繊維束と繊維トウとのうちの少なくとも１つに撚りレベルを付与することによって、形成することと、結合剤高分子内に配置された１つ以上の撚られた繊維トウを含む、複合部材を形成することとを含む。複合部材は、付与された撚りレベルによって制御される、電気抵抗と機械的強度とのうちの少なくとも１つを有する。

本発明の第４の態様は、プローブ要素を作成するための方法であって、プローブの適用例の要求に基づいて、繊維トウの撚りレベルを決定することと、決定された撚りレベルを有し、かつ、結合剤高分子内に配置された、繊維トウを含む複合部材を形成する、こととを含む。繊維トウは、繊維トウの繊維と、繊維トウの繊維束と、繊維トウとのうちの少なくとも１つに付与された、決定された撚りレベルを含む。

（ａ）〜（ｃ）は、本教示による例示的な抵抗性複合部材の部分を示す。 （ａ）〜（ｃ）は、本教示による、さまざまな撚りレベルを有する例示的な抵抗性複合材ロッドについての結果を示す。 本教示による例示的な抵抗性複合材ロッドの機械的せん断強度への、撚りレベルの影響を表す、例示的結果を示す。 本教示による例示的な抵抗性複合材ロッドの線形ＤＣ抵抗への、撚りレベルの影響を表す、例示的結果を示す。

抵抗性複合部材は、好適な、非金属の、または本質的に非金属の、結合剤材料内に含まれた、１つ以上の「撚られた繊維トウ」を、または「撚られた繊維トウ」の１つ以上のアレイを含んでもよい。本明細書で使用する場合、用語「非金属の（non-metallic）」および「本質的に非金属の（essentially non-metallic）」は、金属、金属原子、金属合金、または同様のものを含まない、あるいは、不純物または痕跡レベルの、制限された、または検出可能な量の、金属、金属原子／合金を含む、組成物または複合部材を意味する。抵抗性複合部材の、機械的特性を制御し、抵抗またはその他の電気的特性を微調整するために、したがって、結果として得られるセンサおよび／またはプローブの高性能属性（１つまたは複数）をカスタマイズするために、「撚られた繊維トウ」は、個々に、束にして、または束のグループにして撚られた、複数の繊維をさらに含んでもよい。

本明細書で使用する場合、および特に記載しない限り、用語「トウ（tow）」は、連続繊維または連続フィラメントの、撚られていない束を意味する。そのような連続繊維または連続フィラメントは、例えば、グラファイトをはじめとする、炭化繊維または炭素繊維などの合成繊維、あるいは、部分炭化ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などの部分炭化繊維、あるいは、ピッチ系炭素繊維を含んでもよい。繊維トウは、それらが含む個々の繊維の数によって指定されてもよく、例えば、１２Ｋトウは、正確に１２，０００本の繊維を製造時点で含んでもよく、または、意図される用途のために指定され要求されるトウ材料の品質に応じて、例えば約１１，９９２本などの、わずかに少ない繊維を含んでもよい。

本明細書で使用する場合、および特に記載しない限り、用語「撚られた繊維トウ（twisted-fiber-tow）」（本明細書では「フィブリル構成要素（fibril-component）」または「フィブリル要素（fibril-element）」とも呼ばれる）は、要素の主軸に基本的に沿って並べられ、例えば理髪店の看板柱のような構成に、密に詰められて撚られた、多数の繊維または繊維アレイを含む、細長い構成要素または要素を意味する。例えば、撚られた繊維トウを形成するために、特定のレベルの撚りが、繊維の塊（mass of fibers）、または繊維アレイに、ならびに／あるいは、繊維トウの個々の繊維、または繊維トウの繊維のグループに、付与されてもよい。織物および電線業界において一般に使用されるもののような、機械的に誘導される撚りの使用は、所望の機械的および電気的特性を提供するために、単一またはマルチストランド繊維を、例えば円形の十分に封じ込められた束に、統合することが可能である。

撚られた繊維トウは、例えば、従来の金属をベースとする構成要素が要件を満足することができない場合の、高性能テストプローブの用途のための、抵抗性複合部材を形成するために使用されてもよい。さまざまな実施形態において、撚りは、抵抗性複合材の製造の前に、または製造中に、付与されてもよい。最終的な抵抗性複合部材が所望の目標抵抗を有するように、「撚られた繊維トウ」は、その構成要素に固有の、およびその製造のプロセスに固有の、特定の抵抗値を有してもよい。「撚られた繊維トウ」は、撚られた繊維または撚られた繊維アレイ（各繊維またはアレイは、電気的に、同等の数の並列抵抗器として機能する）を有してもよい。「撚られた繊維トウ」は、フィブリル構造（fibril-shaped）、半導電性、および非金属であってもよい。抵抗性複合材の中で２つ以上のトウが使用される実施形態では、１回の撚りの操作によってもたらされる所望の撚りを、個々の繊維のすべてが受けることを可能にするために、撚りは、すべてのトウに同時に付与されてもよい。

繊維トウまたは撚られた繊維トウは、約２またはそれ以上、例えば、約５００、約５００，０００、あるいは、５００Ｋよりもさらに多くの繊維数を含んでもよい。例示的実施形態では、繊維トウまたは撚られた繊維トウは、約１００〜約１２，０００本の繊維を含んでもよい。繊維トウまたは撚られた繊維トウ内の各繊維は、以下に限定されないが、ウィスカ、ワイヤ、ニードル、ネイル、スレッド、ヤーン、ファブリック、またはそれらの組み合わせを含む、例示的形態を取ってもよい。さまざまな実施形態で、繊維は、例えば、約１００ナノメートルまたはそれ未満の、幅または直径などの、少なくとも１つのナノスケールの最小寸法を有してもよい。さまざまな実施形態で、繊維は、例えば、シリコン、炭素、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、窒化物、ホウ素−炭素の、ナノ構造材料、またはその他の好適な材料を含んでもよく、あるいは、それらの材料がドーピングされていてもよい。

「撚られた繊維トウ」は、抵抗性複合部材を形成するために使用されてもよい。本明細書で使用する場合、および特に記載しない限り、用語「抵抗性複合部材」（本明細書では「抵抗性部材」、「複合部材」、または「抵抗性複合材」とも呼ばれる）は、電気抵抗値、機械的強度、および任意のその他の関連する特性（以下に限定されないが、物理的密度、力学的係数、電気容量、耐食性など）の所望の組み合わせを提供するために、例えば結合剤高分子樹脂などの、非金属の結合剤材料内に配置された、１つ以上の「撚られた繊維トウ」を、または１つ以上の、「撚られた繊維トウ」のアレイを含む、複合部材を意味する。

「撚られた繊維トウ」は、抵抗性複合部材の総重量に基づく、約１〜約９９パーセントの範囲の、抵抗性複合材内での重量濃度を有してもよく、その場合、非金属の結合剤材料は、約９９〜約１パーセントの範囲の重量濃度を有してもよい。例示的実施形態では、抵抗性複合部材内で、撚られた繊維トウは、約８５％〜約９５％の質量濃度を有してもよく、結合剤高分子は、約５重量％〜約１５重量％を有してもよい。一般に、抵抗性複合材内の繊維の相対質量を最大にしようとし、かつ、例えば圧縮強さおよび電気抵抗などの、重要な機能関連特性の所望の組み合わせを付与することを一般に考慮する確立された技術仕様に従うための、十分な最小限の結合剤高分子の質量を使用しようとする試みが行われてもよい。結合剤材料は、絶縁性であってもよく、かつ、開示される抵抗性複合材内に比較的低い濃度で存在してもよいため、繊維の抵抗および負荷が、複合部材の、および、センサ、電子部品、相互接続、テストプローブなどの、複合部材から作られる最終的な部品または装置の、全体的な抵抗を決定してもよい。

「抵抗性複合部材」は、以下に限定されないが、ロッド、シャフト、ピラー、パイプ、チューブ、中空体、あるいはその他の、さまざまな複合材成形技術によってもたらされる半完成品または完成品の形態を取ってもよい。例示的実施形態では、「抵抗性複合部材」は、例えば約０．００２〜約０．１００インチ（約０．０５１〜約２．５４０ｍｍ）の直径を有する、抵抗性のロッドであってもよい。本教示によれば、結果として得られる、ロッドなどの部品、または製品の、サイズまたは直径への、特定の制限を有するべきではない。例えば、約１フィート〜約１００フィート（約３０．４８ｃｍ〜約３０．４８ｍ）またはそれ以上の範囲の直径を有するロッド形状の柱が、製造され使用されてもよい。そのような柱は、何フィートもの（何十センチ〜何メートルもの）、またはさらには、何百フィートもの（何十〜何百メートルもの）長さであってもよい。同様に、例えば、約０．００１インチ（約０．０２５ｍｍ）未満の直径を有する、非常に細い直径のロッドが使用されてもよい。明らかに、要素の、結果として得られる断面サイズを、その形状に関係なく決定するのは、断面を埋める、繊維および関連するトウの、サイズおよび数と、複合部材のために使用される結合剤高分子の相対質量とである。別の例では、抵抗性複合材ロッドは、約０．０１０インチ〜約０．０５０インチ（約０．２５４ｍｍ〜約１．２７０ｍｍ）の範囲の直径を有してもよい。抵抗性複合材ロッドが、高性能コンタクトプローブとして構成される場合は、約０．１０〜約１．０インチ（約０．２５〜約２．５４ｃｍ）の短い長さが使用されてもよい。あるいは、その他の適用例は、マクロスケールでの長さを含んでもよい。例えば、高性能プローブは、約０．０７０インチ（約１．７７８ｍｍ）の短い長さを有する抵抗性複合材ロッドから作られてもよい。

抵抗性複合部材は、以下に限定されないが、プルトルージョン（pultrusion）、圧縮、トランスファー成形、フィラメントワインディング、プリプレグ成形（prepreg-forming）、射出成形、真空成形、押出し、射出吹込み成形、またはその他の成形技術を含む、さまざまな技術を使用して形成されてもよい。例えば、プルトルージョンプロセスにおいては、連続繊維／フィラメント／繊維トウが、複合材料の大量生産のために、母体樹脂を使用した含浸用の、例えば樹脂浴などの、結合剤高分子浴に入るように導かれてもよい。撚りのレベルは、最終的な抵抗性複合材の製造の前に、または製造中に、付与されてもよい。さまざまな実施形態においては、開示される、一定の断面を有する抵抗性複合部材は、強化用繊維を、樹脂とそれに続く独立した予備成形システムとを通して引き、そして加熱ダイ（そこで樹脂は重合を受ける）の中に入れることによって、形成されてもよい。本明細書で使用される樹脂は、熱硬化性、環式、または熱可塑性樹脂であってもよい。例えば、ポリエステル、ポリウレタン、ビニルエステル、およびエポキシを含む、多くの樹脂タイプが、プルトルージョンプロセスにおいて使用されてもよい。

例示的実施形態においては、抵抗性複合材を形成するために、低圧プルトルージョンプロセスが使用されてもよく、このプロセスでは、最初に、所定の質量の、繊維トウの繊維／フィラメントを、硬化すると最終的な複合材において約５％〜約１５％の重量濃度という結果になることが可能な、十分な液体体積を有する、例えば結合剤樹脂などの、好適な量の液状結合剤高分子と組み合わせる。樹脂の粘性、またはその他の特性（例えば、樹脂が繊維塊をどれだけ良く湿潤または含浸させるかに影響を及ぼしてもよい）を制御するために、好適な溶剤または希釈剤が樹脂に追加されてもよい。液状結合剤高分子は、例えば、オハイオ州コロンバスのヘキシオン・スペシャルティ・ケミカルズ（Hexion Specialty Chemicals(Columbus, OH)）によって製造されている、ＥＰＯＮ ８６２として識別されるものなどの、熱硬化性樹脂であってもよい。熱硬化性樹脂が予備含浸された繊維／フィラメントを含む、液状混合物は、次に、加熱され、そしてさらに、例えば、所望の形状と寸法とを有するロッドなどの、さまざまな形状に、（例えば、樹脂重合によって）凝固させられてもよい。例示的実施形態では、繊維は、例えば、マグナにあるへクセル（Hexcel, Magna）、またはジョージア州アルファレッタのＭＴＬＳ（MTLS (Alpharetta, GA)）によって供給される炭素繊維であってもよい。

抵抗性複合材の形成および特性（例えば、機械的特性および／または抵抗特性）を制御するために、さまざまなプロセスパラメータが使用されてもよい。例えば、部分炭化ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）抵抗性炭素繊維が、撚られた繊維トウを製造するために、および、開示される抵抗性複合材を製造するために使用されてもよい。この例では、例えば、ＰＡＮ前駆体化学、炭化およびプレ炭化の温度プロファイル、ピーク温度、滞留時間、トウの張力、窒素圧などの、プロセスパラメータが、所望の抵抗性複合材を形成するために、製造業者によって厳密に制御されてもよい。

低い樹脂濃度（例えば、約５重量％〜約１５重量％）を伴う、高いフィブリル充填密度（例えば、パッキング密度）は、最高度の機械的強度（例えば、機械的せん断弾性係数）および電気抵抗（例えば、値および／または均一性）を達成することが可能であり、一方、撚られた繊維トウの撚りレベルは、フィブリル充填密度を増加させることが可能である、ということに留意されたい。この理由は、撚りレベルを増加させることは、繊維の塊、またはトウ、または個々の繊維への、フープ応力を増加させ、それにより、抵抗性部材（例えば、抵抗性ロッド）内の繊維の圧密（consolidation）または圧縮（compaction）の程度を増加させることが可能だからである。繊維のそのような圧密または圧縮は、繊維を撚ることによって、所望の、および必要な方向に制御されてもよい。例えば、ロッドサンプルの断面のＳＥＭ分析の結果（図示せず）は、撚りのレベルを増加させると、繊維のパッキング密度が増加することを示している。興味深いことに、ＳＥＭの結果は、抵抗性ロッド内の繊維塊に対して高い撚りレベルで及ぼされるフープ応力は、繊維を変形させるのに十分であるということも明らかにしている。

さまざまな実施形態において、撚りレベルは、正確に設定および制御されることが可能な、既知の機械的プロセスによって制御されてもよく、例えば、約０．０２撚り数毎インチ（turns per inch）（ＴＰＩ）（約０．００７９撚り数毎センチ）またはそれ未満の程度の、単一の、マルチフィラメントトウの、撚りレベルが、商業的に達成可能であることが示されている。形成中、連続フィラメントトウ（１つおよび／または複数）は、プルトルージョンプロセス内に供給される際に、供給スプールをスプールの軸の周囲で回転させることによって、撚られてもよい。フィラメントは、トウの長軸に平行な姿勢を取るフィラメントによって表される、ゼロの撚りから、撚り数毎インチの数値が増加するにつれてこの軸に対してより垂直になる姿勢まで、変化してもよい。フィラメントの軸とトウの軸との間の角度は、撚り角度のヘリカル角度として知られてもよい。この角度が増加させられるにつれて、フィラメントの状態は、長さ方向の軸に対して、より垂直に近付いてもよい。重要なことには、例えばいくつかの炭素繊維の場合におけるように、繊維が非弾性的である場合、繊維の長さは、撚りに対応するために、そして、対象の部分の軸方向長さに、途切れることなく実際にわたるように、増加させられる必要がある。撚り数毎インチ（ＴＰＩ）の単位で測定される、撚りの程度は、抵抗性部材の一方の端からもう一方の端までわたるために、マルチフィラメントトウに必要とされる長さを、正確に決定してもよい。

上記の理由により、撚りレベルは、結果として得られる例示的抵抗性ロッドの適用例の質を向上させるために、結果として得られる抵抗性複合材ロッドの機械的強度と線形抵抗とを制御するための、便利で効果的なプロセス制御パラメータであってもよい。さまざまな実施形態において、撚りの程度は、開示されている抵抗性複合部材について、０ＴＰＩ（０撚り数毎センチ）〜約５ＴＰＩ（約１．９７撚り数毎センチ）またはそれ以上の範囲であってもよい。重要な、撚りのステップが、したがって、抵抗性複合部材を製造するために含まれてもよい。いくつかの場合、所定の撚りレベルが、抵抗性ロッドの形成プロセスの前または間に、例えば抵抗性炭素繊維トウに加えられてもよい。例えば、所望の連続的な撚りが、例示的なプルトルージョンプロセスの前に、（図１（ａ）に示すように）マルチ繊維／フィラメント／トウ内に、および／または、（図１（ｂ）に示すように）独立した／個々の繊維内に、あるいは、例示的なプルトルージョンプロセスの間に、（図１（ｃ）に示すように）繊維トウの塊全体に、行き渡らせられてもよい。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本教示による例示的な抵抗性複合部材１００Ａ〜１００Ｃの部分を示す。図示されているように、抵抗性複合部材１００Ａは、樹脂母体１２０ａ内に形成された、撚られた繊維トウ１１０ａを含んでもよく、この場合は、トウ内に含まれている繊維塊に対して撚りがかけられ、したがって、同じ撚りレベルを有する１つ以上の撚られた繊維トウ１１０ａという結果になっている。このタイプの撚りは、本明細書では、「トウ内の撚り」と呼ばれる場合がある。さまざまな実施形態において、図１（ｂ）に示すように、例えば１００ｂ１または１００ｂ２として示されているような、各トウが異なる撚りレベルを有するさまざまなトウが、抵抗性複合材１００Ｂのために使用されてもよい。対照的に、図１（ｃ）の部材１００Ｃは、複数のトウが同時に一緒に撚られて、樹脂母体１２０ｃ内に形成された、撚られた繊維トウ１１０ｃを含んでもよい。図１（ｂ）および図１（ｃ）に示す、これらのタイプの撚りは、「複合材内の撚り」、または、「ロッド内の撚り」と呼ばれる場合がある。

図１（ａ）〜（ｃ）に示す各抵抗性複合部材１００Ａ、１００Ｂ、または１００Ｃは、２つの撚られた繊維トウ１１０を含むが、各複合部材１００は、２つよりも少ない、または２つよりも多くの、撚られた繊維トウを含んでもよいと考えられる。さらに、図１（ａ）〜（ｃ）に示す抵抗性複合部材１００Ａ〜１００Ｃは一般化された概略図を表すということと、その他の繊維／構成要素／部材が追加されてもよく、あるいは、既存の繊維／構成要素／部材が削除または変更されてもよいということとは、当業者に容易に明らかとなるであろう。さらに、撚られた繊維トウのそれぞれについて使用される、撚りの方向は、それぞれについて同じであってもよく、あるいは、複合材の製造プロセスまたは最終用途の要求に応じて、異なっていてもよい。

図２（ａ）〜（ｃ）は、本教示による、さまざまな撚りの程度を有する抵抗性複合材ロッドについての、例示的な結果を示す。図示されているように、図２（ａ）〜（ｃ）は、ロッド２００Ａからロッド２００Ｂを経てロッド２００Ｃに至る、トウの撚りの概念を説明する、例示的な抵抗性複合材ロッドの上面図を示す。具体的には、ロッド２００Ａは、比較の目的のために、いかなる撚りも含まず、本質的にゼロの撚りを含むトウから製造されている。トウは、好適に交差結合された好適な液状結合剤樹脂の使用により、ロッド形状の要素に凝固させられる。ゼロの撚りのトウは、「フラットトウ（flat tow）」または「フラットな撚りのトウ」とも呼ばれる。図２（ａ）において、繊維の大部分は、ロッドの長さ方向の軸と本質的に平行に置かれており、これは、個々の繊維の長さが、ロッドの全長と本質的に同じであることを示している。ロッド２００Ｂは、ロッドの表面に沿ったらせんパターンとして示されている、例えば、約０．２〜約０．４撚り数毎インチ（約０．０７９〜約０．１５７撚り数毎センチ）の範囲の、中程度の撚りを含み（図２（ｂ）参照）、一方、ロッド２００Ｃ（図２（ｃ）参照）は、ロッド２００Ｃの表面に沿ったより顕著ならせんパターンとしての、例えば、約２．０〜約３．０ＴＰＩ（約０．７８７〜約１．１８１撚り数毎センチ）の範囲の、高程度の撚りを含む。図２（ａ）〜（ｃ）に示す場合において、ロッド形状の要素の長さにわたる、個々の繊維の長さは、要素の長さよりも著しく長い。

開示されたように、撚りの程度は、最終的な抵抗性複合部材の、繊維の圧縮と最終密度との程度をさらに決定してもよい。トウの長さ当たりの抵抗（Ｒ／Ｌ）は、多くの場合、例えば炭素繊維の製造業者によって、予め決定されるため、撚りは、したがって、要求される抵抗性の長さおよび直径の制約条件内に収まるように調節されてもよい、抵抗性複合材内の繊維のより大きな全長または質量を定めるための、プロセス制御変数として使用されてもよい。したがって、撚りの程度は、形成される抵抗性複合部材の抵抗を微調整するために使用されてもよい。

実施に際して、繊維トウの撚り（および、さらには、撚り戻し（un-twisting））は、繊維の製造業者によって、契約加工業者によって、またはプルトルーダ（pultruder）によって実施されてもよい。撚りは、抵抗性複合部材（例えば、図２（ｂ）、図２（ｃ）の２００Ｂまたは２００Ｃ）の、全体的なせん断強度を（図３に示すように）増加させるための、および全体的な電気抵抗を（図４に示すように）増加させるための、機構として識別されてもよい。

図３は、本教示による例示的な抵抗性複合材ロッドの機械的せん断強度への、トウの撚りレベルの影響を表す、例示的結果を示す。例示的な抵抗性複合材ロッドは、約０．０２２インチ（約０．５５９ｍｍ）〜約０．０２３インチ（約０．５８４ｍｍ）の直径を有してもよい。例示的な抵抗性複合材は、エポキシ樹脂含浸浴を通してプルトルージョンされ、そして固体のロッドへと硬化される、抵抗性炭素繊維を含んでもよい。図３に示されているように、撚りのレベルが約０から約０．４ＴＰＩ（約０．１５７撚り数毎センチ）まで増加させられる場合、結果として得られる炭素繊維抵抗性複合材ロッドは、せん断強度についての、約１６ＭＰａから約２２ＭＰａまたはそれ以上への、３０％を超える強度の増加を有してもよい。この増加させられたせん断強度は、例えばコンタクトプローブの適用例の、強度の要件を満たしてもよい。

図４は、本教示による例示的な抵抗性複合材ロッドの線形ＤＣ抵抗への、トウの撚りレベルの影響を表す、例示的結果を示す。この例では、例示的な抵抗性複合材ロッド内に含まれている繊維塊（トウ）にさまざまなレベルの撚りが付与された、一連の、抵抗性炭素繊維がプルトルージョンされたロッドサンプルが製造される。撚りの操作は、ＤＦＩプルトルーデッド・コンポジッツ・インク（DFI Pultruded Composites, Inc.）製のプルトルーダによって実行される。図４に示されているように、約０ＴＰＩ（約０撚り数毎センチ）から約０．８ＴＰＩ（約０．３１５撚り数毎センチ）までの範囲にわたる、撚りのレベルの増加により、抵抗Ｒ／Ｌにおける、ほぼ１０％の線形増加が記録されている。さらに、他の実験結果（図示せず）は、抵抗性ロッドの抵抗を増加させるために、撚りレベルは、約３．１ＴＰＩ（約１．２２０撚り数毎センチ）またはそれ以上まで増加させられてもよいということを示している。例示的実施形態では、撚りの追加は、プルトルージョンされた抵抗性複合材ロッドの線形抵抗を、約２０％またはそれ以上、増加させてもよい。

このようにして、図２〜図４に示されているように、撚られた繊維トウを抵抗性複合部材のために使用することによって、フィブリル充填密度を所望のレベルに増加させることと、最終的な抵抗性複合材の機械的特性および末端間抵抗を細かく調整することとが可能になる。抵抗性複合部材は、約１５ＭＰａまたはそれ以上の機械的せん断強度と、約３５０オーム／ｃｍまたはそれ以上の線形ＤＣ抵抗とを有することが可能である。一般に、所望の電気的および機械的特性を有する適切な繊維トウの選択により、そして、所望の抵抗性複合材を製造するための適切なプロセスの使用により、そして、トウの撚りの、選択された撚りレベルの使用により、構成要素特性の任意の所望の組み合わせが達成可能である。そのような電気抵抗は、従来の２ピンのＤＣ技術によって測定されてもよく、そして、単位長さ（ｃｍ）当たりの抵抗（オーム）を単位として報告されてもよい。

さまざまな実施形態において、開示された抵抗性複合部材（例えば、図１（ａ）、図１（ｂ）に示された１００Ｂ，１００Ｃ）は、さまざまな用途に対応するために、表面改質が行われてもよい。例えば、好適なセンサまたはプローブコンタクト装置を製造するために、製造される複合部材の表面を改質するための、さまざまな材料および技術が使用されてもよい。例示的な実施形態では、（例えば、ロードアイランド大学、および／または、メリーランド州ウェストミンスターのＬＡＩ（LAI, Westminster, MD）の）ウォータージェット加工（waterjet processes）と、（例えば、ニューハンプシャー州ナシュアのレゾネティクス・コープ（Resonetics, Corp. Nashua, NH）の）エキシマレーザ加工とが、製造される例示的なロッドが好適な最終用途の装置となるように、ロッドの端面および側面を加工するために使用されてもよい。

制御可能な電気抵抗と機械的強度とを有する、開示された抵抗性複合部材は、さまざまな用途に使用されてもよい。例えば、開示された抵抗性複合部材は、電気試験業界において、超高周波（例えば、オシロスコープ）電気測定用の計測器プローブ要素として使用されてもよい。そのような抵抗性複合材プローブ材料は、十分な、かつ制御される機械的強度と電気抵抗とを、製造における撚りのステップによって有することにより、従来のプローブ材料の主要な欠点を克服することが可能である。そのようなプローブ要素と、抵抗性複合材からのそれらの製造プロセスとは、例えば、予測される需要に対処するために部品の生産を確立中および拡大中の供給業者にとって、有益な可能性がある。

プローブ要素の適切な動作のために、例えば、プローブ（１つまたは複数）と被測定装置（ＤＵＴ）との間の接点（１つまたは複数）のすぐ近くにおいて、一定レベルの抵抗損失が存在する可能性があるということに留意されたい。ＤＵＴ上の、またはＤＵＴを含む大規模回路上の、多数の位置を測定および／または監視するために、２つ以上のプローブが一般に使用されてもよいため、プローブの抵抗は、指定された目標に適合するように、かつ、全プローブにわたって、詳細に制御可能である必要がある。機能的要求は、プローブが（例えば、約４００オームの）指定された抵抗を有するということ、および、プローブ間での抵抗のばらつきは０．５０％以下でなければならないということを含んでもよい。プローブコンタクトの、この抵抗特性は、望ましくない（おそらく静電的な）電流サージから、および、定常状態寄生電流消費から、および、ほとんどのその他の望ましくないノイズから、動作回路およびＤＵＴを保護してもよい。プローブ間での抵抗の均一性は、プローブ間での測定変動を最小にしてもよい。さらに、開示された抵抗性複合部材は、いかなるＤＵＴも損傷することのない、そして一方で、部品の製造および取り扱いにおける過酷な状況と、適用例において使用される接点圧力とに耐えるほど十分に強い、（「プラスチックのような」ものとは対照的な）比較的柔らかいプローブコンタクト表面を提供してもよい。

さまざまな実施形態において、計測器プローブ要素は、最初に、プローブ要素の要件に基づいて、繊維トウの撚りレベルを決定し、そして次に、決定された撚りレベルを有する繊維トウを、結合剤高分子と組み合わせて含む、複合部材を形成することによって製造されてもよい。決定された撚りレベルは、結合剤高分子との組み合わせの前に、または組み合わせの間に、繊維トウの１つ以上の繊維に対してかけられてもよい。

要約すると、繊維トウの撚りは、高性能センサ、電子部品、相互接続、および計測器プローブにおいて使用される抵抗性複合部材の、全体的な機械的強度および電気抵抗を、予測可能に増加させるために使用されてもよい。すなわち、開示された抵抗性複合部材と、その製造プロセスとは、目標抵抗と、抵抗の一貫性と、せん断強度との、比類のない組み合わせを、高性能プローブの適用例によって要求される多くのその他の特性とともに提供することが可能である。

抵抗性複合部材における繊維の撚りの使用は、多くの利点を提供することが可能である。第１に、抵抗性複合部材の、適用例に不可欠な機械的および電気的特性が、予測可能に管理されること、および、確実に実現されることが可能である。機械的強度および電気抵抗の正確な制御は、繊維塊全体、繊維塊の部分、または使用される各個々の繊維の、撚りレベルによって行われてもよい。第２に、所望の抵抗性複合部材を製造するための、確実かつ継続的な製造プロセスが実行されることが可能である。そのような製造プロセスは費用効率が高い可能性があり、その理由は、プロセス内の、所望の結果を達成するために最も効果的な場所での、インラインプロセスの使用によって、撚りが付与されてもよいからである。第３に、わずかに規格を外れて生産された、例示的な抵抗性炭素繊維複合材が使用されることが可能であり、なぜなら、例えばプルトルージョンなどの、特殊化された製造プロセスは、高度に特殊化された原材料の供給との正確な連携に対する感受性は低い可能性があるからである。繊維は非常に高価であるため、プルトルージョンプロセスに対して、プロセス内での撚りの使用などの小さな調整を単に行うことによって、わずかに規格外の材料を使用することができるのは利点である。

Claims (4)

1. 結合剤材料と、
   複合部材を形成するために前記結合剤材料内に配置された、撚られた繊維トウであって、前記撚られた繊維トウは、繊維と繊維束と繊維トウとのうちの少なくとも１つに付与された撚りレベルを含む、撚られた繊維トウとを具備する、複合部材であって、
   前記撚りレベルは、前記複合部材の、電気抵抗と機械的強度とのうちの少なくとも１つと、略線形の関係にあり、
   前記撚りレベルを調節することにより、前記電気抵抗と前記機械的強度とのうちの少なくとも１つが、制御される、
   複合部材。
2. 請求項１に記載の複合部材を１つ以上含む、超高周波電気測定のための、計測器プローブ要素。
3. 複合部材を形成するための方法であって、
   結合剤高分子を提供することと、
   １つ以上の撚られた繊維トウを、それぞれの撚られた繊維トウの、繊維と繊維束と繊維トウとのうちの少なくとも１つに撚りレベルを付与することによって、形成することと、
   結合剤高分子内に配置された前記１つ以上の撚られた繊維トウを含む、複合部材を形成することであって、前記複合部材は、前記付与された撚りレベルによって制御される、電気抵抗と機械的強度とのうちの少なくとも１つを有する、ことと、
   前記撚りレベルは、前記複合部材の、電気抵抗と機械的強度とのうちの少なくとも１つと、略線形の関係にあること、
   を含む、方法。
4. プローブ要素を作成するための方法であって、
   プローブの適用例の要求に基づいて、繊維トウの撚りレベルを決定することと、
   前記決定された撚りレベルを有し、かつ、結合剤高分子内に配置された、前記繊維トウを含む、複合部材を形成することであって、前記繊維トウは、前記繊維トウの繊維と、前記繊維トウの繊維束と、前記繊維トウとのうちの少なくとも１つに付与された、前記決定された撚りレベルを含む、ことと、
   前記撚りレベルは、前記複合部材の電気抵抗と機械的強度とのうちの少なくとも１つと、略線形の関係にあり、前記撚りレベルを調節することにより、前記電気抵抗と前記機械的強度とのうちの少なくとも１つが、制御されること、
   を含む、方法。