FI71267B - Foerfarande foer tillverkning av en elektromekanisk film - Google Patents

Description

712 6 7

MENETELMÄ ELEKTROMEKAANISEN KALVON VALMISTAMISEKSI -FÖRFARANDE FÖR TILLVERKNING AV EN ELEKTROMEKANISK FILM

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä sähkökentän ja magneettikentän energian mekaaniseksi energiaksi muuttavan tai mekaanisen energian sähköiseksi energiaksi muuttavan kalvon valmistamiseksi.

Hakijan suomalaisesta patenttihakemuksesta 830547 tunnetaan elektromekaaninen dielektrinen kalvo, jonka avulla voidaan toteuttaa mitä erilaisimpia sähkömekaanisia laitteita ja mittausantureita. Tätä ennen tunnetut monikerros-kalvot, joissa on kuplia tai ryppyjä ja joissa uloimpana on sileä, esim. sähköä johtava kerros, ovat tarkoitetut pakkausmateriaaleiksi tai ovat liian paksuja tämän keksinnön mukaisiin tarkoituksiin. Lisäksi tunnetaan pietsosähköisiin ilmiöihin perustuvia kalvosovellutuksia. Tämäntyyppisten kalvojen valmistustekniikka on kuitenkin huomattavan kallis vaatien suuria investointeja, eikä kalvoa voida helposti käyttää suurempia muodonmuutoksia vaativissa sähkömekaanisissa sovellutuksissa.

Keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettujen kalvojen

_ C C

paksuus on esim. 10x10 m ja jännitekestoisuus 100x10 v/m. Sähköstaattinen voima kalvon yli on suoraan verrannollinen kalvon yli vaikuttavan jännitteen toiseen potenssiin ja kalvokerroksen molemmille puolille tehtyjen virtasilmukoi-den vetovoima on suoraan verrannollinen virran toiseen potenssiin. Keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetuissa kalvoissa suureita kuten voima, paine, kalvon pinta- ala ja paksuus, sähkökentän voimakkuus ja jännite saadaan kytkettyä yhteen esim. seuraavilla yhtälöillä: F = pA = £e2a= Eu2a (I) 2 2ha jossa A= kalvon pinta- ala ja h= kalvon paksuus, muut suureet edustavat symboliensa mukaisesti tuttuja fysiikan 2 71267 suureita. £ on dielektrisyysvakio, jonka laatu on F/m.

Kuten yhtälöstä (I) voidaan todeta, sitoo keksinnön mukainen kalvo yhteen hyvin monia erilaisia suureita.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä mainitun kalvon valmistamiseksi. Jotta sähköstaattiset ja sähkömagneettiset voimat saataisiin mahdollisimman suuriksi elastisen kalvon yli on oleellista, että kalvokerrokset ovat mahdollisimman ohuita, koska voimat ovat kääntäen verrannollisia elektrodien ja virtajohdinten etäisyyksien toiseen potenssiin. Toisaalta kalvossa olevien kuplien läpilyöntikestoisuus kasvaa suhteellisesti etäisyyksien pienentyessä (Pashenin laki). Tällöin tulisi voida valmistaa pieniä (matalia) ilmakuplia ja elastiseen matriisiai-neeseen orientoimalla vaahtoutettu kalvo biaksiaalisesti, jolloin kuplista tulee litteän kiekon muotoisia.

Keksinnön mukaisen kalvon valmistusmenetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, että sinänsä tunnetun yhtenäisen ja umpisolumaiseksi vaahdotetun kalvokerroksen valmistus tapahtuu seuraavissa vaiheissa: - vaahtoutuvaksi aikaansaatu elastinen materiaali pursote-taan muovityöstökoneesta tai sentapaisesta ulos ohutseinäiseksi tuotteeksi, jolloin materiaaliin vaahtoutumisen ansiosta muodostuu kaasukuplia halutulla tiheydellä läpi tuotteen; - lämmitetty tuote laajennetaan kahdessa suunnasssa kalvoksi halutun seinämäpaksuuden ja orientoitumisen aikaansaamiseksi ; - kalvon ulkopinnat päällystetään ainakin osittain sähköä johtavilla kerroksilla.

Yllä kuvattu valmistustapa voi olla jatkuvatoiminen ns. putkimainen puhalluskalvoprosessi, jota yleisesti käytetään muovikalvojen valmistukseen. Kalvojen kertaukseen ja liike- 3 71267 elementtien valmistukseen käytetään kondensaattoreiden ja painettujen piirien valmistuksessa käytettyä tekniikkaa.

Keksinnön mukaisen valmistusmenetelmän eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että pursotuksen jälkeen tuotteelle suoritetaan välijäähdytys jonka jälkeen se lämmitetään uudestaan ennen sen laajentamista. Lämpökäsittelyn avulla nostetaan tuotteen muovimatriisin kiteyty-misastetta, jotta laajentumisessa kalvon muodonmuutos tapahtuu enemmän kidealueiden välisenä raerajaliukumisena, jolloin polymeeriketjut pysyvät paremmin ehjinä eikä repeämiä esiinny.

Keksinnön mukaisen valmistusmenetelmän eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on myös tunnusomaista se, että ulkopin-ojen päällystäminen sähköä johtavilla kerroksilla suoritetaan selektiivisesti tietyn kuvion aikaansaamiseksi, esim. painamalla. Esim. sarjatuotantona valmistettavien sähkömekaanisten elementtien kohdalla on ilmeisen edullista aikaansaada haluttu kuviointi suoraan, jolloin turhan metalloinnin poistamiselta vältytään.

Keksinnön mukaisen valmistusmenetelmän muille edullisille sovellutusmuodoille on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, jossa

Kuv. 1 esittää keksinnön mukaisen kalvon perusrakennetta,

Kuv. 2a-2c esittää keksinnön erään sovellutusmuodon mukaista ratkaisua jännite- ja virtaelektrodien sijoittamiseksi kerrattuun rakenteeseen, 4 71267

Kuv. 3 esittää keksinnön mukaisen kalvon valmistusmenetelmää.

Kuviossa 1 keksinnön mukaisen dielektrisen kalvon muovimat-riisi A on molemmin puolin päällystetty metallikalvoilla B, jotka voivat olla ehjiä tai valmiiksi kuvioidut. Muovimat-riisin, joka voi olla esim polypropeeniä, on muodostettu litteitä rakkuloita C, jotka ovat saaneet muotonsa muovi-matriisia orientoimalla kaksisuuntaisesti. Tyypillinen valmiin kalvotuotteen paksuus on 10 μπ\.

Kuviossa 2a on esitetty keksinnön mukaisesta kalvosta valmistettu rakenne, jossa sekä sähköstaattiset että sähkömagneettiset voimat vaikuttavat samaan suuntaan. Kalvon 1 molemmin puolin on painettu johtimet 2, johon pisteiden UI, U2, U3 ja U4 kautta kulkevat virrat II ja 12 sekä Ul:n ja U4:n yli olevat jännitteet muodostavat kalvokerrosten yli sähköstaattisen ja sähkömagneettisen voiman F nuolen mukaisesti. Voima F on rakennetta supistava kun virta kalvon eri puolilla kulkee samaan suuntaan (kuvio 2 b) ja rakennetta laajentava kun virta kulkee eri suuntaan (kuvio 2c), kun elementin varaus puretaan.

Keksinnön mukaisen kalvon perusmateriaali, eli muovikerros A kuviossa 1, voi olla myös puoli johtavaa, ominaisuus joka on yksinkertaisimmin esim. noen lisäyksellä aikaansaatavissa. Tällöin voidaan valmistaa kalvo, jonka impedanssi on lämpötilasta riippuva siten, että kalvoa voidaan käyttää itsesäätyvissä lämmityselementeissä. Myös magneettista jauhetta tai kuituja kuten metallikuituja voidaa lisätä perusmateriaaliin, jolloin tunnettuja magneettisia ominaisuuksia voidaan käyttää hyväksi, kuten esimerkiksi magneettikentän aiheuttamaa induktiota. Myös kalvon päällystykseen käytetty materiaali voi olla magneettista ainetta, esim. nikkeliä.

5 71267

Liike- elementeissä on välttämätöntä saada takaisinkytkentä liikkeen suuruudesta. Tämä tapahtuu mittaamalla esim. samoista liitännöistä U1-U4 kuin mitä kautta kalvon ohjaus tapahtuu rakenteen kapasitanssia, LC-piirin aikavakiota, resonanssitaajuutta tai virran ja jännitteen välistä vaihe-eroa ohjausjännitteen mukana syötetyllä mittaustaajuudella.

Tällaiset liike- elimet ovat kevyitä ja tukevia. Rakenteen ominaispaino on lkg/dm^ ja voima lkN jos kappale on kuution muotoinen. Liike on tällöin n. 2 cm kappaleen pituussuunnassa. Hetkellistä tehoa tällaiseen kappaleeseen voidaan syöttää lähes ääretön määrä, jos minimoidaan rakenteen induktanssi.

Kuviossa 3 on esitetty kaavamaisesti keksinnön mukaisen kalvon valmistusmenetelmä, joka on kaksivaiheinen ja jatkuva luonteeltaan.

Kuplien muodostus muovimatriisissa, eli muovin vaahtoutus, on aikaansaatavissa usealla eri tavalla. Ns. kemiallisessa vaahtoutuksessa muoviin sekoitetaan vaahtoutusaine, joka lämmitettäessä muodostaa kaasua, esim. typpeä. Variaatioita tästä ovat menetelmät, jossa kaasu aikaansaadaan nesteen, kuten veden kiehumisella lisäämällä neste sellaisenaan tai esim. kidevettä sisältävänä kiinteänä aineena. Muodostettavan kalvon jäähtyessä näin aikaansaadut kuplat vetäytyvät äärimmäisen litteiksi sisältäen olennaisesti vain nestettä. Kuumentamalla kalvo syöttämällä sen yli esim. suurtaajuista jännitettä, saadaan neste uudelleen höyrystymään, jolloin tuloksena on kalvon erittäin suuri laajeneva liike.

Ns. "gas injection"- tekniikassa muovipuristimeen pumpataan esim. freonkaasua, joka laajenee kupliksi paineen laskiessa puristimen ulkopuolella.

6 71267

Kuviossa 3 muovipuristin on merkitty viitteellä 9, johon kaasua pumpataan gas injection- menetelmällä nuolen 10 kohdalla. Valmistuksen ensimmäisessä vaiheessa muovipuris-timesta pursotetaan seinämävahvuudeltaan n. 0.4mm paksuista putkea 3, johon on muodostettu n. 10pm läpimittaisia pyöreitä kaasukuplia ΙΟμιη välein. Päällekkäin olevia kuplia on siten n. 20 kpl. putken seinämän paksuusmittaa kohden. Muovin muokkausominaisuudet parantuvat kiteytymisasteen mukana, josta syystä pursotettu muovi lämpökäsitellään sopivasti kiteytymisen edistämiseksi, tässä tapauksella antamalla sen jäähtyä jäähdytyselimen 4 avulla. Vetolaite 5 toimii putken kuljettimena, kuvassa esitetty vetolaitteen suorittama putken litistäminen ei ole välttämätöntä. Kuvion 3 mukaisessa valmistusmenetelmässä puhallus ilma suuttimesta 8 kulkee koko prosessin läpi.

Prosessin toinen vaihe alkaa putken lämmittämisestä lämmi-tysuunissa 6, jonka jälkeen putki orientoidaan biaksiaali-sesti ja annetaan sille haluttu seinämävahvuus puhaltamalla ja vetämällä putki 7 poikkisuunnassa n. 5- kertaiseksi ja pitkittäissuunnassa n. 8- kertaiseksi putkeen 3 verrattuna, jolloin seinämävahvudeksi tulee n. ΙΟμιη. Puhallusilma tai -kaasu saadaan suuttimesta 8, jonka syöttöpaine nyt päästetään laajentamaan lämmitettyä putkea. Sopivan lämpökäsittelyn ansiosta kuplat eivät repeä, vaan litistyvät matriisi-ineen kidealueiden liukumisen ansiosta, jolloin matriisi-aine venyy ja ohenee katkeamatta. Laajenemisen myötä litistyneet kuplat ovat tällöin n. 0.25μιη korkeita, n. 80 pm pitkiä sekä n. 50 pm leveitä. Kuplien yhteenlaskettu teoreettinen jännitekestoisuus on luokkaa 1600 V ja vastaavasti matriisiaineen n. 2500 V, joten 1000 V DC/AC- kestoisuus on helposti saavutettavissa 10 pm kalvolla.

On huomattava, että kaikki muovilaadut eivät vaadi putken 3 7 71 267 väli jäähdytystä ja uudelleen lämmittämistä. Tämä lämpökäsittelyhän tähtää kiteytymisasteen suurentamiseen, jolloin pursotusvaihetta seuraavan kuljetuksen aikana riittävästi kiteytyvät muovilaadut voidaan järjestää laajennettaviksi suoraan, kunhan huolehditaan niiden riittävän korkeasta lämpötilasta. Jotkut muovilaadut voidaan venyttää myös välittömästi pursotussuuttimen jälkeisessä vaiheessa.

Lopuksi kalvo kelataan taittopyörän 11 kautta rullalle 12 jälkikäsittelyä eli johtavalla kerroksella päällystämistä varten, joka voi tapahtua tyhjöhöyrystämällä, sputteroimal-la tai mekaanisesti painamalla. Kyseeseen voi tulla myös monikerroskalvon muodostaminen, jossa uloimmat kerrokset ovat sähköä johtavaa muovia, jotka liitetään vaahdotettavaan matriisimuoviin jo putken 3 muodostusvaiheessa. Sen lisäksi, että päällystäminen on välttämätön keksinnön mukaisen kalvon toiminnan aikaansaamiseksi, on sillä myös tärkeä merkitys tehokkaana kaasun karkaamisen estäjänä.

Yllä kuvatulla tavalla valmistetulla kalvolla on hyvin monta sovellutusaluetta, joista useimmat on mainittu FI-hakemuksessani 830547. Mainittakoon seuraavassa vielä muutama lisää. Putkimaisen valmistusprosessin sijasta voidaan käyttää myös ns. tasokalvoprosessia, jossa kalvon venytys tapahtuu kalvon laidoilta vetämällä, joskin tällainen prosessi on puhalluskalvomenetelmää jonkin verran hankalampi.

Keksinnön mukaisesti valmistettua kalvoa voidaan käyttää kapasitanssimuutoksiin perustuviin mittauksiin, koska kalvon kapasitanssi rippuu sen paksuudesta. Sovellutusalueina mainittakoon paineanturit, näppäimet ja painikematrii-sit.

Edelleen kapasitanssimuutoksiin perustuen kalvoa voidaan käyttää lämpötilan muutoksia rekisteröivänä elimenä, koska 8 71267 kalvon kaasukuplissa oleva kaasu laajenee lämpötilan mukaisesti. Myös nestemäinen, tietyssä lämpötilassa höyrystyvä aine voi tulla kyseeseen. Kalvotekniikkaa voidaan siten soveltaa esim. lämpötila- antureissa ja lämpösäteilyn ilmaisuun perustuvissa laitteissa.

Valmistamalla kalvo pysyvästi varattavasta ja polarisoitavasta aineesta kuten polytetrafluorietyleenistä, voidaan valmistaa laitteita joista saadaan jännite kalvon paksuus-muutosta vastaavasti, kondensaattorilain Q=CU mukaisesti. Kalvon varauksen Q pysyessä vakiona muuntuvat kalvon paksuuden muutoksista aiheutuneet kapasitanssimuutokset suoraan sen yli vaikuttavaksi jännitteeksi. Kalvosta voidaan tällöin valmistaa muuntajia, joissa ensiokalvo siirtää energiaa toisiokalvoon värähtelyn avulla.

Kalvossa tapahtuvia pakallisia muutoksia voidaan tunnistaa muodostamalla siitä matriisilevy, jossa kalvossa tapahtuva paikallinen muutos aikaansaadaan tai rekisteröidään kalvon laidoilta esim. impedanssimittauksin. Matriisilevy muodostuu siten itsenäisesti osoitettavista elementeistä. Yksi esimerkki tästä on jo aikaisemmin mainittu painikematriisi, toinen tärkeä sovellutuskohde syntyy, kun kalvossa olevaa kaasua ionisoidaan, jolloin kalvomatriisia voidaan käyttää kuvamatriiseissa kuvan muodostukseen.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellu-tusmuodot eivät rajoitu yllä esitettyihin esimerkkeihin, vaan voivat vaihdella jäljempänä esitettyjen patenttivaatimusten puitteissa. Periaatteessa mikä tahansa kalvojen tai kuitujen valmistukseen käytettävä materiaali on sopiva keksinnön mukaisen kalvon raaka-aineeksi, esim. viskoosi. Myös useimmat kaasut sopivat kuplien täytteeksi. Kalvoja voidaan myös valmistaa erilaisina monikerroskalvina, ja erityisen ohuita kalvoja saadaan aikaan höyrystämällä kai- 9 71267 vomatriisiin sisällytetty neste pois kalvosta ennen sen päällystämistä, jolloin saadaan aikaan äärimmäisen pieniä kaasukuplia.

Claims (11)

10 71 2 67

1. Menetelmä sähkökentän ja magneettikentän energian mekaaniseksi energiaksi muuttavan tai mekaanisen energian sähköiseksi energiaksi muuttavan kalvon (A,1,7) valmistamiseksi, tunnettu siitä, että sinänsä tunnetun yhtenäisen ja umpisolumaiseksi vaahdotetun kalvokerroksen (A) valmistus tapahtuu seuraavissa vaiheissa: - vaahtoutuvaksi aikaansaatu elastinen materiaali pursote-taan muovityöstökoneesta ulos ohutseinäiseksi tuotteeksi, jolloin materiaaliin vaahtoutumisen ansiosta muodostuu kaasukuplia (C) halutulla tiheydellä läpi tuotteen; - lämmitetty tuote (7) laajennetaan kahdessa suunnasssa kalvoksi (A) halutun seinämäpaksuuden ja orientoitumisen aikaansaamiseksi; - kalvon ulkopinnat päällystetään ainakin osittain sähköä johtavilla kerroksilla (B).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että pursotettu tuote (3) muodostetaan putkimaiseksi ja että tuotteen biaksiaalinen laajennus aikaansaadaan paineistamalla putkea (7).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että pursotuksen jälkeen tuotteelle (3) suoritetaan välijäähdytys jonka jälkeen se lämmitetään uudestaan ennen sen laajentamista.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että ulkopintojen päällystys sähköä johtavalla materiaalilla suoritetaan selektiivisesti tietyn kuvion aikaansaamiseksi esim. painamalla. 1 Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että kalvon (A) vaahtou- 11 71267 tusaineena käytetään vettä tai kidevettä sisältävää ainetta.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että kalvomateriaali (A) on dielektristä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että dielektrinen kalvomateriaali (A) on polarisoitu pysyvän sähkökentän aikaansaamiseksi.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että kalvomateriaali (A) on puoli johtavaa.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että kalvomateriaali (A) on ferromagneettista ainetta.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että ferromagneettinen kalvomateriaali (A) on esimagnetoitu.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen valmistusmenetelmä, tunnettu siitä, että kalvomateriaali (A) on päällystetty magneettisella, mahdollisesti esimagnetoi-dulla materiaalilla (B). 12 71 267