JPS5818787B2 - コウブンシフイルムデンキソシ ノ セイゾウホウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高分子フィルムな成極（エレクトレット化）す
ることにより得られる圧電性焦電性もしくは半永久的な
外部電界を有するフィルムの表面に複数の電極が附着さ
れたエレクトレット化された高分子フィルムを製造する
方法である。

高分子材料の成形物を成極温度下に直流高圧電界を作用
させることにより成極（ｐｏｌｉｎｇ ）すれば、もと
の高分子材料と電気的性質の異なる成形物が得られるこ
とが知られている。

まず観測される電気的性質の変化としては成形物の表面
電荷があり、成極直後の高分子成形物は電界を取り去っ
た後でも極めて高い表面電荷を有しており、外部電界を
示す。

この外部電界は成形物を長時間放置したり、加熱したり
すれば減少し場合によっては反転して成極直後との反対
の極性となる場合もあるが、高分子材料の種類によって
は不安定な表面電荷が消滅した後にも極めて安定な表面
電荷が残り、半永久的に安定な外部電界を示すものがあ
る。

このような半永久的な外部電界を有するものが、一般に
エレクトレットと呼ばれるものであり、安定なエレクト
レットを生成する高分子材料としては、例えばポリテト
ラフロロエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、
テトラフロロエチレン−エチレン共重合体、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリチンとメチルメ
タクリレートの混合物などがある。

別の電気的性質の変化としては圧電性および焦電性があ
る。

例えばポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリ
塩化ビニルなどの有極性高分子材料の成形物を成極すれ
ば圧電性、焦電性等が極めて大きい成形物が得られる場
合がある。

圧電性および焦電性は有極性高分子材料の内部における
潜在した分極による性質と考えられ、また単にエレクト
レットといえば顕在する分極を示すものと認識するもの
もあるが、顕在、潜在の別はあっても共に分極されたも
のであるので、これらを総合して広義にエレクトレット
と呼ぶこともある。

本発明はこのように広義には「エレクトレット」と総称
される、狭義のエレクトレット、圧電体および焦電体等
の分極された高分子フィルムに複数の電極が附着された
素子などのエレクトレット化された高分子フィルム素子
の製造方法であるが、以下で単にエレクトレットと言う
場合は、安定な表面電荷を有する狭義のエレクトレット
のみを示すものとする。

高分子フィルムの圧電性を利用した用途としては電気音
響変換器の圧電振動膜、振動測定用の素子、圧電スイッ
チ素子、その他多くの用途が考えられており、また例え
ば、特開昭４７−３７２４４号においては１枚の圧電性
高分子フィルム上に多くの単位圧電転換素子を設けた座
標入力装置が提案されている。

例えば座標入力装置の入力座標を夫々スイッチとすれば
キーボードスイッチとなり、また振動体に複数の入力座
標を有する高分子圧電素子を貼って、入力座標を夫々振
動測定素子とすれば、各々の座標における振動を測定す
ることができ、振動の分布を知るのに便利である。

また高分子フィルムの焦電性を利用した用途としては、
赤外線の感知器や温度変化の測定装置、火災報知機、焦
電スイッチなどがあり、これを座標入力装置として使用
することも、特開昭４７−３７６８７号により提案され
ている。

これらの座標入力装置に使用する高分子フィルムの圧電
体若しくは焦電体では、圧電転換もしくは焦電転換によ
りフィルム表面に発生した電界信号を集めて電気回路に
送るために、両面に電極が附着されるが、その少なくと
も一方の面に附着された電極は複数の分離された線また
はスポット状の非連続の電極であり、入力座標が電気的
に分離されている必要がある。

この場合他方の面の極はアース電極となる場合が多いの
で全体が連続した一つの極となってもよく、勿論アース
極も信号伝達棒と対向する線またはスポットであつそも
よい。

また信号伝達棒とアース極とを共に線としてその交点を
信号入力座標とする場合もある。

いずれにしても座標入力に使用する圧電または焦電性の
高分子フィルム素子では、その少なくとも一方の面の電
極は表面に局部的に不連続に附着されたものでなげれば
ならない。

フィルム状エレクトレットの表面電荷を使用する用途と
してはエレクトレットの外部電界をコンデンサーのバイ
アス電圧として使用し、フィルムの変位によるコンデン
サーの容量変化を使用する場合が多く、例えばこの原理
を使用したコンデンサー型マイクロフォンは既に市販さ
れている。

その他の用途としてスイッチング素子があり、この原理
を用いたキーボードスイッチも例えば、ｕ、ｓ、ｐ、３
６６８４１７号により提案されている。

フィルム状エレクトレットの外部電界をコンデンサーの
バイアス電圧とする場合は対向電極に対抗するフィルム
表面は外部電界を示すように裸とし、裏面に電極を附し
て電気回路に結合する。

またキーボードスイッチの如き座標入力に使用する場合
は裏面の電極もスポット状の不連続なものとする場合も
ある。

結局フィルム状エレクトレットを電気素子とする場合は
、電極は片側の面のみに全面または不連続に附着された
ものでなければならない。

更に圧電性を示すエレクトレットの圧電性と表面電荷と
を一緒に利用することも例えば、特願昭４８−１１５１
９０により提案されており、この場合も電極は片面のみ
に附着されたものでなければならない。

以上述べた如くエレクトレット、圧電体または焦電体の
如き分極された高分子フィルムを電気素子として使用す
る場合に於いては、電極が片面のみに附着されていると
か、或いは片面または両面ノミ極が線またはスポット状
の不連続なものであるとかの部分的に電極が附着された
素子が多い。

一方、高分子フィルムを成極する手段としては、高分子
フィルムを二つの電極間に挾み、その成極温度に加熱し
ながら電極間に直流電界を作用させる手段が取られ、こ
の場合他の成極条件が一定ならば一般に電圧の高い程表
面電荷若しくは圧電率、焦電率等の大きい成極フィルム
が得られる。

尚、温度は成極中フィルム虎質（特に圧電性、焦電性を
目的とする場合には結晶形、結晶化度）が大きく変らな
い範囲では一般に高いほうがよいが、高温になるとフィ
ルムの絶縁抵抗が低下して、付与し得る電界強度が低下
するので、電圧と温度は相関して最適条件を選ぶ必要が
ある。

いずれにしてもフィルムの成極温度における絶縁破壊温
度に近い高電圧で最も良好な成極フィルムが得られる。

しかし成極の場合、電極とフィルムが密着せずエアギャ
ップが存在する場合一般に空気の絶縁破壊電圧はプラス
チックに比して低いことが多いので、エアギャップ部分
でコロナ放電を生じ、そのため薄いフィルムにピンホー
ルを生ずる場合がある。

また高分子フィルムの導電率は一般に温度が上昇すると
大きくなるが、導電率が空気層の導電率より大きい場合
には付加した電界強度（ＫＶ／ｃｍ）以上の電界がエア
ギャップに集中し、更に放電を生じ易い。

尚コロナ放電が生ずれば空気層の電気抵抗が低下するの
で、この放電によるエネルギーはあまり大きくな（、厚
手のシートの場合はあまり問題とならないが、薄いフィ
ルムを高温高電圧で成極する場合には特に重大な問題と
なる場合がある。

従ってエアギャップの存在が避けられない場合は放電に
よるピンホールの発生を避けるために、フィルムの絶縁
破壊電圧より極度に低い電圧で成極する必要があり、高
度に分極した成極フィルムを得ることは困難である。

また放電による破壊の生じない場合でも、エアギャップ
の存在によりフィルムに印加される電圧は低下し、成極
が不均一となる。

フィルム両面の周縁部を残した全表面に電極が附着され
ている素子を製造する場合は両面の電極を成極時の電極
として使用すればエアギャップに。

よる放電や印加電圧の不均一化を考慮する必要はないが
、片面または両面の電極が非連続状に附着された場合の
如く部分的に電極が附着されたエレクトレット化高分子
フィルム素子を製造する場合に於ては、通常電極のない
面、若しくは非連続に電極の附着された面を別の電極で
覆って成極することが行なわれるが、この場合に於ては
前述した放電によるトラブルを生ずる。

尚非連続に多数の電極が附されている場合、個々の電極
に夫々電気配線し７て成極することも考えられるが、極
めて面倒であり、工業的成極法としては適さない。

本発明は以上に説明した如く、高分子フィルムに部分的
に電極を附した素子を成極する場合に於ける種々の問題
を解決するためになされたものである。

本発明は、まず成極素子の材料となる高分子フィルムの
両面略全面に導電体の連続した薄膜を蒸着させ、次にこ
の両面に蒸着した導電体を両極として高圧電界を作用さ
せる成極操作を行なった後、成極されたフィルムに附着
された非連続な電極が附される面のほぼ全面に導電体全
部を導電体を溶解する薬品を用いて除去した後、該電極
除去面部分の少なくとも一部に新に非連続の導電体を再
び附着させて電極を構成させるエレクトレット化された
フィルム状電気素子の製造方法である。

本発明に於てフィルムの略全面に導電体を蒸着するとは
、フィルム両面の導電体が、その周縁部ギリギリまで附
着している場合は成極の際の高電圧により周縁部で放電
を生ずるので、通常片面または両面の周縁部には数ｍｍ
のマージン部を設ける必要があり、まずこのマージン部
は除外される。

更にまた両面に導電体が附着したフィルムはコンデンサ
ーを構成するので両面の電極面積が大きければコンデン
サー容量も大となる。

高分子フィルムをその耐電圧に近い電界強度で成極する
場合、フィルムの薄い箇所とか導電性不純物を含有する
箇所に於て電圧破壊してピンホールを生ずるが、この場
合コンデンサー容量が大きいと両面の薄膜電極間に蓄え
られた電気は、」変にこの絶縁破壊箇所より放電しピン
ホールを拡大し、また更にその周囲の晴着導電膜を蒸散
させる。

また例えば、両面に導電膜を附着させた長尺のフィルム
を連続的にロールより引き出し成極ゾーンを通過させて
、成極ゾーンに於て成極温度に加熱しながら高圧電界を
印加後、再びロール状に巻き取る連続成極方法を採用す
る場合、両面の導電体が夫々すべて連続している場合は
、成極前の原反ロールから成極後の巻取られたロール迄
すべて高電圧電界が附加され作業上の危険も大きい。

そこで少な（とも導電膜の片側は所々に導電膜の蒸着さ
れない絶縁された帯状部で区切り、適当な長さ毎に断続
させることが行なわれる。

また広巾のフィルムでは巾方向にも絶縁帯を設ける場合
がある。

このように成極時には全面すべて導電膜が附されている
必要はないが、電気素子として使用する一枚のフィルム
は周囲を除き少なくとも内部全面に導電体が蒸着したも
のより製造される。

フィルムに蒸着させる導電体としては、例えば金、白金
、銀、銅、鉄、錫、亜鉛、アルミ、ニッケル、クロム等
の電導性元素が用いられる。

尚蒸着とは単なる真空蒸着のみならずスパッタリングに
よる蒸着も含まれる。

蒸着させる導電体は必ずしも１種である必要はな（、例
えば第１層に金を用いて非連続な蒸着層を構成させ、そ
の上にアルミニウムを全面蒸着してもよい。

この場合は成極後、例えば苛性ソーダ水溶液でアルミ層
を溶解除去すれば金の非連続な電極が得られる。

成極は両面に電極が附着されたフィルムを適当な大きさ
に切断して、１枚ずつ成極してもよいが、例えば特願昭
４８−７９８１６号の如（長尺のフィルムを成極時に異
なった極性の電極面が接触することのないようにしてロ
ールに巻いた状態で（例えばフィルムを２層に重ねて巻
き上げ、中間に挾まれた電極と外側の電極を両極とする
）一度に長尺のフィルムを成極することもできる。

また長尺の連続したフィルムの両極に電界を作用させた
状態で成極温度の加熱域を連続的に通過させることによ
っても成極することができ、その他任意の成極手段を取
ることができる。

成極されたフィルムより電極を除去する方法としては、
電極を溶解し得る薬液を用いて除去する。

例えばアルミニウム、亜鉛等は苛性ソーダまたは塩酸水
で、また金ならばシアン化アルカリ水溶液で容易に溶解
除去し得る。

一つの面から部分的に電極を除き度い場合は、取り除く
箇所にこのような薬液処理の手段をほどこすか、または
電極を残す箇所の表面を薬液で浸されない保護被膜で覆
い、保護されない面の電極を溶解除去する。

また更に前述した通り２種の金属を用いて電極を構成し
、片方の金属を溶解除去してもよい。

しかしこのように全面に附着した電極によりフィルムの
成極を行った後、その成極フィルムの非連続な電極が附
されるべき電極面からその一部を残して電極を除去して
もよいが、より好ましい方法としては、成極フィルムの
非連続な電極が附される面は一度電極を薬液を用いて全
面的に除去した後、新たな電極を附着させる方法である
。

後者の方法による場合は附着させる電極の数がいくら多
くとも、また電極より細かい電気配線が導かれたような
複雑な図形の電極でも容易に構成することができる。

この電極を一旦除いた後に非連続な電極を附着させる方
法は蒸着のみならずメッキ、印刷など各種の電極雨着法
を用いることができる。

特に導電体を用いた表面印刷によれ＋−４どのような複
雑な電極でも簡単に附着することができ、また成極前の
電極附加と異なりフィルム素子に高圧電界が加えられる
場合を考慮する必要もないので表面印刷法が一般に採用
される。

しかしフィルム素子が音響機器等の振動膜に用いられる
場合には軽量化のためにメッキもしくは蒸着等がより好
ましい場合もある。

本発明に於て使用する高分子フィルムとは、例えばポリ
エチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアクリ
ロニトリル、ポリメタクリ酸エチル、ポリアクリル酸エ
チル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ
化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリトリフロロエチ
レン、ポＩＪ ）リフロロクロロエチレン、ポリテトラ
フロロエチレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリカー
ボネート、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、エチ
レン−テトラフロロエチレン共重合体、エチレン−フッ
化ビニリデン共重合体、その他多くの熱可塑性樹脂フィ
ルムであり、これらを用いてエレクトレット若しくは圧
電体又は焦電体素子を製造する場合に本発明を適用し得
るが、特にポリフッ化ビニリデンまたはフッ化ビニリデ
ンを主成分とする共重合体は成極時の高温に於いて電気
電導率が太き（上昇して空気の電気電導率の数十倍乃至
数千倍にも及び、エアギャップが存在すると極めて大き
な電圧がエアギャップに集中し、放電が生じ易いので、
ポリフッ化ビニリデンを成極して圧電体もしくは焦電体
素子を製造する場合には極めて有用である。

実施例 一軸延伸（延伸温度８０℃、延伸倍率４倍）により得ら
れた膜厚８μ、巾１５０１のポリフッ化ビニリデンフィ
ルムの両面略全面（片面の両側縁に各１１ｕのマージン
部を残した全面）にアルミニウムを蒸着した長尺の蒸着
フィルムより約１０ｍを切り取った。

このフィルムの片側（両側線部にマージン部のある側）
の前後両端部にも夫々１０ｍｍのマージンを設けた。

（ＩＮ苛性ソーダ水でふき取る。

）このフィルムを２つ折りに前後を合せ、これを径１０
０ｍｍのロールに巻き、折り合せられた両面に挾まれた
蒸着膜をプラス、外側の蒸着膜がマイナスになるように
直流電源と接続し、６４０■（８００にＶ／ｃｍ）の直
流電圧を加えながら１１０°Ｃの空気バス中で３０分間
成極を行なった。

この温度で３０分間保持した後、バスの温度を下げ５０
℃以下になった後に電圧を去った。

この成極により得られたフィルムは全くピンホールの生
成はなく、また圧電率ｄ３１は７×ｉｏ ” ｃｏｇ
、ｓ、ｅ、ｓ、ｕ、、焦電率（常温〜６０℃迄Ω昇降温
を繰返して定常な焦電曲線が得られた時の５０℃におけ
る安定な焦電率）は６×１０−９ クーロン７０Ｃ、ｃ
ｍであった。

次にこの成極フィルムより７×１３ｃｒｎ角の片を切り
取り、その片面の蒸着膜を０．５Ｎ苛性ソーダ溶液を含
む布でぬぐって蒸着膜を全部除去した後水洗して、新た
に蒸着により第１図の如く片面に巾Ｌｃｍ、長さ３ｃｒ
ｎの電極２がスポット状に設けられ、他の面には全部蒸
着された高分子フィルム電気素子１を得た。

このフィルム素子より両面に電極が付されている部分の
試料を切り取り、再び圧電率および焦電率を測定したが
全く変化はなかった。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明により得られた高分子フィルム電気素子の
−ｆ１を示す平面図である。 １・・・・・・高分子フィルム電気素子、２・・・・−
電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 両面に導電体薄膜を蒸着させた高分子フィルムの該
   導電体薄膜を両極として、直流電界を作用させて成極し
   て得られた、はぼ全面に導電体薄膜を有する高分子成極
   フィルムより、非連続な電極が附される面は蒸着された
   導電体薄膜電極全部を該電極を溶解する薬品を用いて除
   去した後、該電極除去面の少なくとも一部に複数の非連
   続の導電体薄膜を附着させることを特徴とする複数の電
   極を有するエレクトレット化された高分子フィルム電気
   素子の製造方法。