JPS6271109A - 感圧性導電性材料 - Google Patents

感圧性導電性材料

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JPS6271109A
JPS6271109A JP61157747A JP15774786A JPS6271109A JP S6271109 A JPS6271109 A JP S6271109A JP 61157747 A JP61157747 A JP 61157747A JP 15774786 A JP15774786 A JP 15774786A JP S6271109 A JPS6271109 A JP S6271109A
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conductive
matrix
materials
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アラン チャールズ ビックレイ
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    • H01C10/10Adjustable resistors adjustable by mechanical pressure or force
    • H01C10/106Adjustable resistors adjustable by mechanical pressure or force on resistive material dispersed in an elastic material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors

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  • Conductive Materials (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、感圧性導電性材料に関する。現在、導電性粒
子を電気絶縁性エラストマーに混合し、次いで成形およ
び硬化を行うことによる、多くの複合材料が捉案されて
いる。こうして得られた生成物は非導電性であるが、こ
の材料をひずませると導電性になる。
この型の感圧性抵抗器は、工又的に満足のゆく種類にな
るように製造しようとしてきた非常に多くの試みにもか
かわらず、広く容認されるにはいたらなかった。この抵
抗器に最もありがちな障害は、一様な電気的特性の欠乏
と、不充分な機械的強度および耐久性である。一般に、
そのような材料を使ったスイッチ素子は、100万回以
上のスイッチ操作ができることが必要であるが、導電性
粒子上の摩耗によって、公知材料の操作サイクルがかな
り低く抑えられている。現在入手可能な粒子もまた。一
般に高すぎて許容できないような抵抗ヒステリシスを示
す。また、公知の材本lも非常に高価で、例えば厚さl
 / 2 armのシートが1m”4たり1000ドル
程度の売値が珍しくない。
ヒステリシスを減少させ、斤擦特性を改善する際の導電
性粒子の形状の重要性は、最良の粒子が多少とも形状が
規則的、すなわち球形、一般にまるい、もしくは粒状特
性のものであることを示している米国特許第38084
71号において最初に確認されたこ°とは明白である。
英国特許第1581189号もまた形状の重要性を認め
、導’ltC性粒子は一般に、ワブル(Wadell)
真円度数0.4以上の人丁グラファイトのまるい粒子で
あるべきことを教えている。しかしながら、エラストマ
ー材料を、111られる配合物が経済的な価格で、−貫
して実質的に球形の粒子で装填することをn(能にする
方法を教えている従来技術の文献はなく、この方法こそ
が本発明の目的である。
本発明によれば、感圧性導電性材料は軟質エラストマー
材料の非導電性マトリックスから成り、このマトリック
スは、その上に導電性材料の被1模を有する非導電性材
料の実質的に球形のコアーから各々成る充填剤粒子を含
有している。
本発明は、均質な導電性材料を小さく、実質的に球形の
粒子に成形することは、一般に経済的に不o(能である
という認識に由来している。しかしながら、そのように
成形することのできる材料は人手可能であり、そのよう
な材料は、その上に導電性被膜を付着させるのに適して
いる。好ましいコアー材料はガラスであり、多くの型の
小球形ガラス粒子が市販されている。これらはドロチー
ヌのような中実品でもよいし、または中空品でもよい、
使用することのできる別のコアー材料には、ある種の熱
硬化性高分子組成物およびある種の金属化合物である0
本発明のコアー材料は、この材料に課せられる最大負荷
において撓みに抵抗することのできるようなものである
ことが望ましく。
すなわち中空コアー粒子よりも中実コアー粒子の方が好
ましいが、ある用途に対しては中空コアー粒子のほうが
、適することもある。好ましくは、すべての粒イーは、
工1.を同体積の球のY’−hとした特に1表面/体積
の比が3.7/ r未満になるへきである。望ましくは
、50%以」二の粒子は、最小表面/体積比が3/r、
すなわち真の球であるべきである。
ガラス粒子は、多数の導電性材料のどのような被11Q
であってもこれを受は入れ、そして保持することができ
る。そのような導電性材料の例としては、例えば、銀、
銅、コバルト、ニッケル、黄銅、鉄、クロム、チタン、
白金、金、アルミニウム、亜鉛およびそれらの合金など
の金属;導電性金属材料:天然もしくは大工グラファイ
ト:ならびに導電性高分子材料がある。被膜の厚さは、
必要に応じて選択することができる。一般に、被覆粒子
−の大きさは、300ミクロン以ドであるが、許通は、
各々酸化の問題の発生を防止し、マトリックスからの脱
離を防ぐために、1ミクロン未満の大きさの粒子も、2
00ミクロンを越える大きさの粒子もないことが好まし
い。より好ましくは、本発明の材料に使用する粒子の大
きさの分布は、5〜105ミクロンの範囲内に広がるも
のである。大きな粒子の方が、マトリックス材料の重:
Mに対して同じ粒子配合績の場合、より小さい粒子−よ
りも優れた4電性を付ダーすることがわかっており、し
たがって、より大きな粒子は、圧縮されていない状態お
よび充分に圧縮された状態の両方において、材料間に抵
抗値の幅広い展開を提供するであろう。
被覆充填剤粒子は1本発明の材料の体積の20〜70%
を構成することがこの好ましく、材料の体積の35%〜
50%であればさらに望ましい。
これに代えて、もしくはこれに加えて、この粒子の使用
rtはマトリックス材料100重闇部に対して50〜2
00部(phr)であることが好ましく、80”140
phr であればより望ましい0粒子−の使用にが、こ
の&fましい下限を下まわると、本発明の材料に、抵抗
イ1に必要な低下を発生させるために許容できないほど
高い圧縮を加えなければならないことがあることがわか
っており、一方1粒子に使用量が先の上限を越えると、
静止状yπ、において本発明の材料が、導電性粒子間の
接触によって過度に導゛心性となることが見出だされる
場合もある。
本発明エラストマーマトリックスは、電気絶縁性および
必要な性質を示す限りにおいては、適当な高分子材料も
しくはそのブレンドのいずれから製造してもよい、適当
なエラストマーの例としては、シリコーンゴム(縮合反
応型、付加反応型、ビニル基含有型のいずれを問わずポ
リイソシアネートとポリアルキレングリコールとの反応
によって得られるポリウレタンゴムのようなゴム状縮合
ポリマー、エチレン−プロピレン−非共役ジエンゴム、
天然ゴム、合成ポリイソプレンゴム、スチレン−ブタジ
ェンゴム、ニトリル−ブタジェンゴム、l7Ii性クロ
ロプレンゴムのようなハロゲン化炭化水素コム、フルオ
ロオレフィンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、エ
チレン−酢酸ビニル共重合体のような熱可塑性エラスト
マー、ならびに熱11(塑性樹脂を含有する可塑剤があ
る。
本発明のマトリックス配合物には、他の材料、例えば可
塑剤、安定剤、顔料1着色剤およびエキステンダー油を
混合してもよい、このような配合物には、充填剤1例え
ばシリカ、ケイ酸塩、カオリン、雲/f?、タルク、炭
酸塩もしくはアルミナを含んでいてもよい、概して1本
発明のマトリックス材料は、高強度の電場に耐えること
ができ、良々Yな電気絶縁性および最終用途に適した機
械的性質を持つように配合するべきである。場合によっ
ては、これらの性質として、低い残留歪および高い破断
点伸びを含むこともある。他の分野においては、マトリ
ックスが発泡材料であることが有利な場合もあり、その
時にはいかなる適当な発泡剤もしくは他の発泡系を1本
発明のエラストマーに配合してもよい。
被覆した充填剤は、いかなる適当な方法によってエラス
トマーマトリックス材料と混合してもよい。マトリック
ス材料が液状であれば、混合は容易であるが、固体のエ
ラストマーであっても混合することは1可能である。マ
トリックス全体にわたって、充填剤粒子の適度に均一な
分散を得ることをに)標とすべきである。混合後、混合
物架橋系を添加して、ついで所9ノの必要形状に硬化さ
せる。必要であれば、硬化した材料を脱気してもよい、
多くの用途に対しては、配合および注型を容易にし、さ
らに粒子の分布をより良く制御するために、室温加硫材
料を使用する。しかしながら、より良い機械的性質を持
った材料が必要な時には、高温加硫材料を使用してもよ
い、もしくは、適切な配合成分によって、室温加硫材料
の性質を13みしてもよい。
必要な性質を付与するために容易に配合することができ
、しかも室温で加硫することのできるような注型適性材
料1例えばシリコーンゴムもしくはポリウレタンゴムを
使用することは特に好ましい。
銀被覆したバロチーヌをシリコーンゴムマトリックスに
充填したものから成る材料が特に好ましい、経済的利点
の一例を示すと、そのような材料は、現在入手可能な製
品価格の約1/10の価格で製造することができる。
最も汀通には1本発明の材料は薄いフラットシートの形
状に硬化させ1次いで切断して必要な大きさの巾−素子
にしてもよい、シートの厚さは0.25〜31■が好ま
しく、0.35〜l脂鳳の厚さがより好ましい、与えら
れた素子はいずれも、精密許容差、例えば1%の範囲内
で実質的に均一な厚さであることが重要である。同一の
配合物から同一条件下で成形した素子であっても、厚さ
の異なるものは、はなはだしく違う電気的性質を有する
ことがわかっている。
次に、鰯付図面に関連して、以fの実施例を参照しなが
ら1本発明をさらに詳しく記述する。
X1諮」 材料のバッチを以下のように調整した:1呈j シリコーンゴム      (1)    43%銀被
覆した中実ガラス球  (2)    57%1、 ア
ムバーシル中ジルコセット(A層bersilSilc
aset) 105 RTV (室温加硫、添加用の硬
化剤A″付)。
2、 ポッターズ番インダストリー社(Potters
Industries  Inc、 、 ニューシャー
シー、アメリカ合衆国)から名称2429Sとして市I
Nされているものを入手。このガラス球は、′#I度2
゜581/cc、  典型的粒度範囲53〜lO5ミク
ロン、銀濃度4屯量%および球の最少丸み率85%、即
ち85%以トの粒子が3/rの最少表面/体積比である
程合後、硬化剤を添加し、混合物を深さ2關の型に注い
で室温で硬化させた。
硬化した材料は、銀被覆したガラス球を37体積%(1
20phr)含有していた。
・シ・ 2 ・よび′4−3 銀被覆ルたガラス球を各々61重量%および64重量%
の配合着にして、各々40.6%および43.5%の体
積率になるようにして、実施例1を繰り返した。
3つの実施例のすべての硬化したシートから1c+w四
方の試験片を切り取り、各々の試験片を金属箔電極の間
において、ゴムの圧縮にともなう抵抗値を監視した。3
つの実施例について、結果を第1図および第2図に示す
。各々の場合において、負荷ゼロにおける4メガオーム
を越える初期抵抗値から、圧縮力もしくは負荷の増加に
つれて、抵抗値が非常に低い値まで減少していくことが
わかるであろう。各々の場合において、加えた圧力を除
くと、材料の抵抗値は初めの値まで戻った0図面に表わ
されえ結果は、多数回の操作にわたって一貫して再現性
があり、また信頼性があることが確認された。
実施例4 材料のバッチを以下のように調製した:重量% ポリウレタン軟質注對 材料樹脂 No、555−106  27.8%(硬度
=70°ショアー硬度A。
R,iコンポネンツ社 (RJ、 Components Ltd)tA)硬化
剤 11.2%銀被覆したガラス球(実施例1と 同じもの)              61  %こ
のバッチを室温で硬化させた。この材料の性能は、すで
に記述した性能と類似していたが、材料の硬度がより大
きくなっているために、抵抗値を減少させるためにはま
えよりも大きな力が必要であった。
実施例5 アムバーシル・シルコセッ)RTVと銀&IUした中実
ガラス球2429Sから清適のようにして材料のバッチ
を調製し、この材料を異なる厚さのシートに成形して硬
化させた。バッチ間においては、ガラス球のC度および
ガラス球トへの銀被覆の厚さを変化させた。試験Mでは
、使用したガラス球は、ポ7ターズφインタストリーズ
社製の商品名2429S  GE  RTV910であ
っl’。
これは同じ銀被覆したガラス粒’f−2429S −c
あるが、室温加硫シリコーンゴムのために接着系が被覆
しである。このシートから1cm四方の試験片を切り取
り、抵抗値が低い値へ非常に鋭く落ちる時の負荷(「ト
リガー負荷」として知られている)および圧縮率を見出
すために、抵抗値を監視した。 結果を以ドに示す。
A   O,3380420,544 B   O,338047,732 CO,3310042,019 D   O,3112041,015 E   O,3314040,513 F   0.33  120   4    1.0 
  15G   O,58+204    10.2 
  22H1,09120440,948 I   1.52  120   4   123.0
   68J   1.78  120   4   
205.0   78K   O,3380210,2
7,7L   0.31   80  4    42
.0   32M   O,3310045,123 各々試験Bおよび試験りについて、典型的な抵抗イー1
−圧縮率グラフおよび抵抗値−負荷グラフを第3図およ
び第4図に示す。
この結果は、マトリックス中の導電性球のellFの減
少、中位体球の導電率の減少およびシートの厚さの増加
につれて、トリカー負荷が増加することを示している。
したがって、本発明の配合物およびシート厚さは、特定
の用途のために、容易に調製することができる。
実施例6 オフモード(高抵抗値)とオンモート(g、抗値)との
間の本発明の材料のスイッチ作用の+lG現性を検討す
るために、多くの試験を行った。これらの試験の第1番
[1として、実施例5の試験Cの材料の試料を使って、
圧縮負荷の印加および除去を繰り返し、各々のサイクル
の間、抵抗ftiを監視した。160.000サイクル
の間、オン/オフスイッチ作用が認められ、このサイク
ルの終りに、材料の物理的摩耗を検査した。物理的摩耗
は極めて低く、さらに数千回のサイクルを行ってもスイ
ッチ作用が得られることは確実である。
第2番目の試験では、lOO玉碕部のアムバーンル・ジ
ルコセット105RTVと100屯i、1部の前述の2
429S銀被覆したガラス球の混合物を使って、厚さ0
,56鵬1のシートを注型した。
硬化したシートを2枚の銅箔電極の間に置き、デ・マツ
ティア(da Mattia)屈曲試験機の圧縮モード
でlOO万回繰り返しサイクルさせた。
各々のサイクルの間、オン/オフスイッチ作用が認めら
れた。試験材料の示した物理的摩耗はごくわずかで、破
壊の徴候もなかった。
次いで、材料の性能を試験し、サイクル試験を始める前
に測定した((iと比較した。
試料   厚さく11m)トリガー負荷  撓みトリガ
ーKg/c+s7           am試験前 
 0.56   14.2   0.13試験後  0
.36   14.2   0.08実施例7 100屯埴稀の前述の2429S銀被覆したガラス球を
、io酸化物硬化剤の入ったシリコーンゴムから成る1
00屯:I:、’ F’$のKE650 (信越化学工
業株式会社 8本)とともにロール練りした。
この混合物を厚さ0.7mmのシート状にし、このシー
トを180℃で2時間プレス加硫した。
試験の結果4このシートは54%圧縮においてトリガー
負荷が255Kg/cm2であることがわかった。
実施例8 110屯;1:部の前述の2429S銀被覆したガラス
球を、100 ’R’+S:部のケルタン(Kelta
n) 778(ウィルフレンド・スミス社製(Wilf
red Sm1th Ltd、)エツジウェアー、ミド
ルセンクス、イングランド)、EDDMゴムおよび5 
+ +一部のレチロックス(Retilox) 40 
(モンテジソン株式会社(Monted 1son 5
pA)5Jの過酸化物硬化剤)とともにロール練りした
。この混合物を厚さ0.7mmのシート状にし、160
℃の熱風中で75分間硬化させた。試験の結果、このシ
ートは12%圧縮においてトリガー負荷が45kg/c
m7であった。
実画1殊旦 以ドのように材ネ1のパッチを調製した:屯j11部 シリコーンゴム      (1)      46%
銅被覆した中空ガラス球 (2)     54%1.
1iSII化剤A 付の7ムバーシル・ジルコセット1
0RTV 2、ミクロフッ仁ハミネラルズ・アンド舎ケミカルズ社
(Microfine Minerals and C
hemicals Ltd6.タービー、イングランド
)製の商品名 C−USPHERES  200.  
この粒−fは、密度0.9gm/ccで、典型的な粒度
範囲は50〜300ミクロンである。200ミクロン以
下の大きさの粒子〜だけを使用した。典型的なシェルの
厚さは、直径の10%である。
混合後、硬化系を添加し、この混合物を開放式金型へ注
(2で室温で硬化させた。
硬化後、f側の銅電極と直径5mmの球状の鋼球である
L側電極との間に異なる厚さシートを置いた。鋼球を通
して負荷をかけ、次いで抵抗値を監視して、以ドの結果
を得た。
シートの厚さ  トリガー負荷   圧縮率mm   
  kg/am’     %0.76    1.0
     541.35    2.0     68
1.78    5.1     88
【図面の簡単な説明】
第1図および第3図は、圧m率に対する抵抗値の変化を
示すグラフであり、第2図および第4図は、負荷に対す
る抵抗イ1の変化を示すグラフである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、軟質エラストマー材料の硬化した非導電性マトリッ
    クスから成る感圧性導電性材料であって、該マトリック
    スが、その上に導電性材料の被膜を有する非導電性材料
    の実質的に球形のコアーの各々からなる充填剤粒子を含
    有している感圧性導電性材料。 2、コアー材料がガラスである、特許請求の範囲第1項
    記載の材料。 3、コアー材料が中実体である、特許請求の範囲第1項
    記載の材料。 4、すべての粒子の表面/体積の比が3.7/r未満(
    上は同体積の球の半径)である特許請求の範囲第1項記
    載の材料。 5、粒子の50%以上が真に球形である、特許請求の範
    囲第4項記載の材料。 6、導電性材料を、銀、銅、コバルト、ニッケル黄銅、
    鉄、クロム、チタン、白金、金、アルミニウム、亜鉛お
    よびこれらの合金:導電性金属化合物;天然もしくは人
    工グラファイト;ならびに導電性高分子材料の中から選
    択する特許請求の範囲第1項記載の材料。 7、1ミクロン未満の寸法の粒子も、200ミクロンを
    越える寸法の粒子も存在しない、特許請求の範囲第1項
    記載の材料。 8、粒子の大きさの分布の広がりが、5〜105ミクロ
    ンの範囲内にある、特許請求の範囲第1項記載の材料。 9、被覆した充填剤粒子が、材料の体積の20%〜70
    %を構成する、特許請求の範囲第1項記載の材料。 10、粒子の含有量が、マトリックス材料100重量部
    に対して50〜200部である、特許請求の範囲第1項
    記載の材料。 11、マトリックスエラストマーを、シリコーンゴム、
    ポリウレタンゴムおよびエチレン−プロピレン−非共役
    ジエンゴムの中から選択する、特許請求の範囲第1項記
    載の材料。 12、厚さ0.25〜3mmの薄いフラットシートの形
    状である、特許請求の範囲第1項記載の材料。
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