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Verfahren zum Herstellen einer Elektretvorrichtung - Dokument DE2939397C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE2939397C2 16.07.1987
Titel Verfahren zum Herstellen einer Elektretvorrichtung
Anmelder Kabushiki Kaisha Toshiba, Kawasaki, Kanagawa, JP
Erfinder Tamura, Sakae, Yokohama, JP;
Yoshida, Hiromi, Tokio/Tokyo, JP;
Kotoh, Takehiko, Sagamihara, Kanagawa, JP;
Kobayashi, Masami, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Henkel, G., Dr.phil.; Feiler, L., Dr.rer.nat.; Hänzel, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 28.09.1979
DE-Aktenzeichen 2939397
Offenlegungstag 04.12.1980
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.07.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.07.1987
IPC-Hauptklasse H01G 7/02
IPC-Nebenklasse H01L 37/00   H04R 19/01   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektretvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Ein derartiges Verfahren ist aus der FR-PS 21 47 264 bekannt.

Elektrete bilden bekanntlich eine Gruppe, deren piezoelektrische oder pyroelektrische Eigenschaften ausgenutzt wird, und eine Gruppe, deren elektrostatisches Feld ausgenutzt wird. Elektrostatische Elektrete werden als Quelle für die Polarisationsspannung bei einem elektrostatischen Mikrophon oder Kopfhörer eingesetzt, und sie sind für nahezu alle Vorrichtungen nutzbringend verwendbar, bei denen eine elektrostatische Umwandlung eines elektrischen Signals in ein mechanisches Signal oder umgekehrt gewünscht wird. Diese eben genannte elektrostatische Signalumwandlung wird dabei mit zunehmender Polarisationsspannung noch wirksamer.

Im Hinblick auf Dauerleistung und gleichmäßige Güte solcher Vorrichtungen wird es als wesentlich angesehen, daß die Elektrete für ein und dieselbe Vorrichtungsart jeweils einen hohen und gleich großen Spannungspegel besitzen. Da zudem die Lebensdauer der elektrischen Ladung eines Elektreten ein die Betriebsdauer einer einen solchen Elektreten verwendeten Vorrichtung unmittelbar bestimmender Faktor ist, besteht ein anderes, wesentliches Erfordernis darin, daß alle für eine Vorrichtungsart hergestellten Elektretelemente jeweils eine gleich lange Lebensdauer besitzen müssen.

Die bisherigen Verfahren, nach denen ein diesen Erfordernissen genügender Elektret herstellbar ist, umfassen grundsätzlich das thermische, das elektrische, das mechanische, das photographische Elektretformierverfahren, das Strahlungs-Elektretformierverfahren, das magnetische Elektretformierverfahren sowie verschiedene Kombinationen dieser Verfahren.

Beim thermischen und beim elektrischen Verfahren kann der Polarisationsgrad bzw. die elektrische Ladung und demzufolge auch der Spannungspegel eines Elektreten leicht gesteuert werden; diese Verfahren werden bereits industriell angewandt. Andererseits sind diese Verfahren aus praktischen Erwägungen bezüglich Stabilität und Lebensdauer des Elektreten nicht voll zufriedenstellend.

Auch bei dem aus der FR-PS 21 47 264 bekannten Verfahren wird der Elektret in einem elektrischen Verfahrensschritt mit Ladungen versehen. Die Ausbildung der konkaven und konvexen Oberflächenbereiche auf dem Elektretfilm, der z. B. eine Dicke von 130 µm aufweist, soll ein Abfließen der elektrischen Ladungen verhindern. Die Oberfläche ist dabei mit etwa 2500 konkaven Bereichen pro cm2 besetzt.

Aus der Zeitschrift "Soviet Physics-Solid State", Vol. 8, Nr. 5, 1966, Seiten 1240-1244 ist ein Verfahren zum Herstellen von Elektretvorrichtungen bekannt, bei dem polare dielektrische Polymermaterialien unmittelbar durch plastische Verformung bzw. Druckeinwirkung mit elektrischen Ladungen versehen werden.

Schließlich ist aus der DE-OS 18 02 327 ein elektrischer Kondensator aus einem Elektrodenpaar und einem dielektrischen Abstandshalter bekannt. Dieser Abstandshalter besteht aus einer nicht porösen thermoplastischen Folie, welche auf mindestens einer ihrer Oberflächen mit durch Prägen erzeugten Erhebungen versehen ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Elektretvorrichtung zu schaffen, die sich ohne die Notwendigkeit eines gesonderten Formierungsschrittes durch eine besonders lange Lebensdauer auszeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a und 1b in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansichten zur Veranschaulichung der Ausbildung der kleinen gedehnten und verdichteten Bereiche in der Oberfläche eines dielektrischen Ausgangsmaterial-Films für eine Elektretvorrichtung,

Fig. 2 und 3a bis 3f jeweils eine Seitenansicht und eine Aufsicht auf Prägestempel,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Arbeitsgänge bei der Herstellung einer Elektretvorrichtung,

Fig. 5 bis 7 graphische Darstellungen der Eigenschaften einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektretvorrichtung,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Eigenschaften einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektretvorrichtung im Vergleich zu den Eigenschaften einer Vergleichsprobe,

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Anordnung einer Meßvorrichtung zur Messung eines thermisch stimulierten oder angeregten Stroms,

Fig. 10 eine graphische Darstellung des Spektrums eines in einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektretvorrichtung auftretenden, thermisch stimulierten oder angeregten Stroms im Vergleich zu bisherigen Elektretvorrichtungen und

Fig. 11 eine schematische Darstellung der Anordnung eines elektrostatischen Kopfhörers unter Verwendung einer Elektretvorrichtung.

Es werden kleinste bzw. winzige gedehnte oder gestreckte Bereiche A und verdichtete Bereiche B in zweckmäßiger Verteilung in der Oberfläche eines dielektrischen Ausgangsmaterialfilms 1 für eine Elektretvorrichtung dadurch geformt (vgl. Fig. 1a und 1b), daß ein Druckverformungswerkzeug bzw. ein Prägestempel 2, der mit zahlreichen kleinsten konvexen und konkaven Bereichen versehen ist, an die Filmoberfläche angepreßt bzw. in diese hineingepreßt und dann zurückgezogen wird. Es hat sich gezeigt, daß in diesen kleinsten gedehnten und verdichteten Bereichen A bzw. B eine äußerst stabile elektrische Ladung aufrechterhalten bleibt.

Die Entstehung der stabilen elektrischen Ladung wird der lokalen Änderung der Molekularkonfiguration bzw. -struktur des Ausgangsdielektrikums zugeschrieben, die durch das kraftvolle Anpressen des Prägestempels 2 an die Oberfläche des Dielektrikums und das Zurückziehen des Prägestempels 2 von dieser Oberfläche hervorgerufen wird.

Als Ausgangsdielektrikum für die Elektretvorrichtung wird ein Copolymer aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen (im folgenden auch als "FEP-Teflon" bezeichnet) verwendet.

Es wird eine Metall-Prägeform, beispielsweise mit galvanisierter Oberfläche, verwendet. Der Pegel der Elektretspannung läßt sich durch entsprechende Wahl des Werkstoffs für die Beschichtung bzw. Galvanisierung der Oberfläche des Prägestempels einfach steuern.

Die zahlreichen kleinsten, konvexen Bereiche auf der Oberfläche des Prägestempels 2 besitzen z. B. gemäß Fig. 2 die Form quadratischer, trapezförmiger Vorsprünge 3 oder runder, kegelstumpfförmiger Vorsprünge 4 (vgl. Fig. 3a). Die konvexen Bereiche des Prägestempels 2 können aber auch eine beliebige andere Form besitzen, beispielsweise die Form eckiger bzw. rechteckiger, säulenförmiger Vorsprünge 5 (vgl. Fig. 3b), halbkugeliger Vorsprünge 6 (Fig. 3c), halbelliptischer Vorsprünge 7 (Fig. 3d), eines spiralförmigen Vorsprungs 8 (Fig. 3e) oder mehrerer konzentrischer Vorsprünge 9 (Fig. 3f), vorausgesetzt, daß der Prägestempel 2 die Oberfläche des Ausgangsmaterials unter Bildung von gedehnten oder verdichteten Bereichen in dieser Oberfläche plastisch zu verformen vermag.

Im folgenden soll die Wirkung untersucht werden, die auf das Oberflächenpotential der Elektretvorrichtung durch Änderung der Dichte oder Zahl der verteilten, kleinsten konvexen und konkaven Bereiche des Prägestempels, die Andruckkraft des Prägestempels gegen die Oberfläche des Elektret-Ausgangsmaterials und die Dicke dieses dielektrischen Ausgangsmaterials ausgeübt wird.

Gemäß Fig. 4a wird ein dielektrischer Elektret-Ausgangsmaterial-Film aus FEP-Teflon auf einem Alumininumsubstrat 10 ausgebildet. Sodann wird gemäß Fig. 4b der Prägestempel 2 mit den konvexen Bereichen der Form gemäß Fig. 2 an die Oberfläche des dielektrischen Films 1 angedrückt und anschließend von ihr zurückgezogen, so daß gemäß Fig. 4c eine Elektretvorrichtung erhalten wird, die zahlreiche kleinste gedehnte bzw. gestreckte und verdichtete Bereiche besitzt. Es wurde der Einfluß von Änderungen der Dichte oder Zahl der kleinsten, über die Oberfläche des Prägestempels 2 verteilten Vorsprünge auf das Oberflächenpotential einer Elektretvorrichtung gemessen; die Ergebnisse sind in Fig. 5 angegeben. Auf dieselbe Weise wurde der Einfluß bestimmt, den der Andruck des Prägestempels 2 gegen die Oberfläche des dielektrischen Ausgangsmaterialfilms sowie die Dicke dieses dielektrischen Materials auf das Oberflächenpotential einer Elektretvorrichtung ausüben; die Ergebnisse sind in den Fig. 6 und 7 veranschaulicht. Gemäß Fig. 5 erfolgte die Messung oder Bestimmung, bei anderweitig unveränderten Bedingungen, durch Änderung der Dichte oder Zahl der verteilten, kleinsten konvexen und konkaven Bereiche des Prägestempels 2. Gemäß Fig. 6 wurde der Andruck des Prägestempels 2 gegen die Oberfläche des dielektrischen Elektretfilms unter anderweitig unveränderten Bedingungen gemessen. Gemäß Fig. 7 wurde die Dicke des dielektrischen Elektretfilms bei sonst unveränderten Bedingungen variiert.

Die Fig. 5, 6 und 7 veranschaulichen, daß innerhalb des Bereichs, in welchem die Oberfläche eines dielektrischen Films zur Herstellung einer Elektretvorrichtung unter Bildung kleinster, gedehnter und verdichteter Bereiche plastisch verformt werden kann, das Oberflächenpotential des dielektrischen Films um so stärker zunimmt, je größer die Zahl der verteilten, konvexen und konkaven Bereiche des Prägestempels 2 bzw. der komplementären, gedehnten und verdichteten Bereiche in der Oberfläche des dielektrischen Films ist und je größer der Andruck des Prägestempels 2 gegen die Oberfläche des dielektrischen Films und die Dicke dieses Films sind.

Die oben genannten Faktoren werden in Abhängigkeit vom erforderlichen Oberflächenpotential der Elektretvorrichtung gewählt. Bei einer Elektretvorrichtung (Oberflächenpotential |200|~|1500| V) für einen elektroakustischen Wandler aus FEP-Teflon werden die Dichte der verteilten konvexen und konkaven Bereiche mit 2000 bis 7500 Bereiche/cm2, der Andruck des Prägestempels 2 mit 9,8 · 105 bis 73,5 · 105 Pa und die Dicke des dielektrischen Films mit 50 bis 150 µm gewählt; erforderlichenfalls können diese Faktoren zweckmäßig miteinander kombiniert werden.

Im Fall einer Elektretvorrichtung mit einem Oberflächenpotential von 500 bis 1000 V zur Verwendung bei einem Kopfhörer wird beispielsweise vorteilhaft ein Prägestempel 2 der Art gemäß Fig. 2 verwendet, bei dem pro cm2 5500 bis 6000 konvexe und konkave Bereiche vorhanden sind, während der Prägestempel-Andruck auf 29,4 · 105 bis 58,8 · 105 Pa eingestellt und ein dielektrischer FEP-Teflonfilm mit einer Dicke von 50 bis 100 µm benutzt wird.

Für eine Elektretvorrichtung mit einem Oberflächenpotential von 200 bis 600 V zur Verwendung bei einem Mikrophon werden vorzugsweise je cm2 5500 bis 6000 konvexe und konkave Bereiche am Prägestempel vorgesehen, während der Prägestempel-Andruck 9,8 · 105 bis 29,4 · 105 Pa eingestellt und die Dicke des dielektrischen FEP-Teflonfilms mit 50 bis 100 µm gewählt werden.

Zur Herstellung einer Elektretvorrichtung mit einem Oberflächenpotential von 300 bis 800 V zur Verwendung bei einer Tonabnehmerkapsel wird ein Prägestempel benutzt, der pro cm2 2000 bis 3000 konvexe und konkave Bereiche besitzt. Der Prägestempel-Andruck beträgt dabei 19,6 · 105 bis 59,8 · 105 Pa, während die Dicke des dielektrischen Films aus FEP-Teflon mit 100 bis 150 µm gewählt wird.

Im folgenden sei die Stabilität bzw. Lebensdauer einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektretvorrichtung untersucht. Es wurde das Oberflächenpotential der FEP-Teflon-Elektretvorrichtung mit demjenigen eines oberflächlich angerauhten dielektrischen Elektretmaterials (Vergleichsbeispiel) verglichen, das nach dem bisherigen thermischen Verfahren, ohne Ausbildung der gedehnten und verdichteten Bereiche, durch vorheriges lokales Schmelzschneiden oder Formen hergestellt wurde; die Ergebnisse sind in Fig. 8 zusammengefaßt.

Das Ausführungsbeispiel wurde aus einem unbehandelten, dielektrischen FEP-Teflon-Film mit einer Dicke von 75 µm hergestellt. Ein Prägestempel mit den kleinen konvexen und konkaven Bereichen gemäß Fig. 2 (7000 konvexe und konkave Bereiche je cm2) wurde mit einem Druck von 39,2 · 105 Pa gegen die Oberfläche des dielektrischen Films angedrückt und anschließend von dieser Oberfläche zurückgezogen. Die Vergleichsprobe wurde aus einem gleichartigen dielektrischen Film hergestellt, der in dieselbe Form wie die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Elektretvorrichtung gebracht worden war und der durch Koronaentladung dasselbe Oberflächenpotential verliehen wurde. Die gemessene Lebensdauer beider Elektretvorrichtungen ist als die Zeitspanne in Jahren angegeben, während welcher das Anfangspotential beider Elektretvorrichtungen eine Dämpfung von -3 dB erfährt. In Fig. 8 gelten die Kurven a und b für das Ausführungsbeispiel bzw. die Vergleichsprobe. Aus Fig. 8 geht hervor, daß die Lebensdauer der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektretvorrichtung erheblich verlängert ist und daß diese Elektretvorrichtung eine wesentlich verbesserte Stabilität ihrer elektrischen Ladung besitzt. Die Kurve c in Fig. 8 gibt die Lebensdauer einer Elektretvorrichtung an, gegen deren Oberfläche der Prägestempel mit den Erhebungen gemäß Fig. 3b oder 3c angepreßt wurde und welche dasselbe Oberflächenpotential besaß wie die Vergleichsprobe.

Die Stabilität einer elektrischen Ladung auf der Oberfläche eines dielektrischen Elektret-Ausgangsmaterials wurde mittels einer in Fig. 9 dargestellten Meßvorrichtung zur Bestimmung des thermisch stimulierten Stroms bestimmt, wobei diese Meßvorrichtung mit einem Aufzeichnungsgerät bzw. Schreiber 50 versehen war. Bei diesem Versuch wurde ein FEP-Teflonfilm 20 verwendet, der ohne konvexe und konkave Bereiche, d. h. Erhebungen und Vertiefungen, zu einer Elektretvorrichtung geformt wurde. Auf den FEP-Teflonfilm 20 wurde ein handelsüblicher Polyimidfilm 21 aufgebracht. Zwei Elektroden 22 und 23 wurden elektrisch zusammengeschaltet. Sodann wurde der durch einen Kurzschlußkreis fließende Strom gemessen, während die Temperatur fortschreitend mit vorgeschriebener Geschwindigkeit erhöht wurde. Bei dieser Messung wurde ein Spektrum (Kurve a gemäß Fig. 10) eines thermisch stimulierten Stroms aufgezeichnet. Derselbe Versuch wurde auch mit einer Elektretvorrichtung aus einem FEP-Teflonfilm durchgeführt, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels des Prägestempels mit zahlreichen kleinsten, konvexen und konkaven Bereichen versehen worden war. Ein thermisch stimulierter, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Elektretvorrichtung mit angerauhter Oberfläche durchfließender Strom besaß das durch die Kurve b gemäß Fig. 10 dargestellte Spektrum. Nach der Messung des Spektrums (Kurve b) des thermisch stimulierten Stroms (nach Aufhebung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Elektretladung) wurde das vorgenannte dielektrische Material erneut auf elektrischem Wege zu einem Elektret formiert. Die hierauf durch die so formierte Elektretvorrichtung fließende, thermisch stimulierte Strom besaß das Spektrum gemäß Kurve c nahe Fig. 10. Fig. 10 zeigt, daß Elektretvorrichtungen mit gleichem Oberflächenpotential unterschiedliche Stabilitätsgrade ihrer elektrischen Ladung besitzen. Mit anderen Worten: Fig. 10 belegt, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Elektretvorrichtung eine bei weitem höhere Stabilität der elektrischen Ladung (vgl. Kurve b, c) besitzt als eine bisherige Elektretvorrichtung (vgl. Kurve a).

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Elektretvorrichtung, bei dem in der Oberfläche eines dielektrischen Ausgangsmaterials kleinste konvexe und konkave Bereiche ausgebildet werden, besteht darin, daß die Oberfläche der Elektretvorrichtung, obgleich mit den winzigen Vertiefungen und Erhebungen versehen, bei makroskopischer Betrachtung eine weitgehende Ebenheit besitzt. Der Grund hierfür wird nachstehend noch näher erläutert werden. Das Hauptanwendungsgebiet der Elektretvorrichtung liegt bei elektrostatischen Mikrophonen und elektrostatischen Kopfhörern. Bei Verwendung einer solchen Elektretvorrichtung in einem elektrostatischen Kopfhörer sollte die Strecke zwischen der Oberfläche der Elektretvorrichtung 30 und einer Schwingelektrode 34 (vgl. Fig. 11) vorzugsweise möglichst klein sein, um den elektroakustischen Wandlungsgrad zu erhöhen. Falls die Oberfläche der Elektretvorrichtung 30 im Betrieb des Kopfhörers mit der Schwingelektrode 34 in Berührung gelangt, können sich ihre Eigenschaften sehr stark verschlechtern und der Kopfhörer selbst kann möglicherweise eine Beschädigung erleiden. Aus diesem Grund ist es erforderlich, eine Elektretvorrichtung zu verwenden, die unabhängig von den zahlreichen winzigen Erhebungen und Vertiefungen - makroskopisch gesehen - im wesentlichen flach bzw. eben ist.

Da beim erfindungsgemäßen Verfahren die Oberfläche des Prägestempels, obgleich dieser mit winzigen konvexen und konkaven Bereichen versehen ist (makroskopisch betrachtet), weitgehend flach ist, können ähnliche, winzige konvexe und konkave Bereiche in der Oberfläche eines dielektrischen Ausgangsmaterials ausgebildet werden, wobei dieses, auch wenn es anfänglich eine unebene Oberfläche besitzt, aufgrund des Prägevorgangs eine weitgehend flache Oberfläche erhält. Bei Verwendung in einer Anordnung gemäß Fig. 11 bildet die so hergestellte Elektretvorrichtung somit einen stabilen elektrostatischen, elektroakustischen Wandler. Bei der Anordnung gemäß Fig. 11 sind ein Abstandsstück 35, eine feste Elektrode 36 (leitfähiges Substrat), ein Transformator 37 und eine akustische Signalquelle 38 vorgesehen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Herstellen einer Elektretvorrichtung, bei dem ein Film aus einem Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen-Copolymer mit einem leitfähigen Element beschichtet wird und bei dem anschließend ein Druckverformungswerkzeug, dessen Oberfläche mit zahlreichen kleinsten, konvexen und konkaven Bereich besetzt ist, an die nicht beschichtete Oberfläche des Films angedrückt und von ihr zurückgezogen wird, so daß in dieser Oberfläche kleinste gedehnte und verdichtete Bereiche entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Film eine Dicke von 50 bis 150 µm aufweist und daß das Druckverformungswerkzeug aus Metall besteht, auf seiner Oberfläche mit 2000 bis 7500 kleinsten, konvexen und konkaven Bereichen pro cm2 besetzt ist und mit einem Druck von 9,8 · 105 bis 73,5 · 105 Pa an die Oberfläche des Films angedrückt wird.






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