JP2010010462A - エレクトレット製造方法及び有孔エレクトレット製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】孔のある高電圧のエレクトレットを容易に製造する。
【解決手段】ダイプレート２００は、セラミックスであって複数の孔２１０が規則的に配置されており、パンチプレート１００もセラミックスのプレートであって、ダイプレート２００の孔に嵌め合わされる複数のパンチ１１０を有している。パンチプレート１００とダイプレート２００とで電極２０とエレクトレット４０とに孔を開ける際には、まず、一体化された電極２０とエレクトレット４０とがダイプレート２００の上に載せられる。そして、パンチプレート１００がエレクトレット４０に押しつけられと、電極２０およびエレクトレット４０においてパンチ１１０が通過した部分が打ち抜かれ、パンチ１１０がエレクトレット４０と電極２０とを貫通してダイプレート２００の孔２１０に嵌り、電極２０とエレクトレット４０とに孔２が設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、エレクトレットを製造する技術に関する。

特許文献１に記載されているように、対向する２枚の固定電極の間に振動膜を配置し、固定電極において振動膜に対向する面にエレクトレットを配置してバイアス用の電源を必要としない静電型音響変換装置がある。この静電型音響変換装置においては、音響透過性を確保するため、一体化された固定電極とエレクトレットとを貫通する複数の音孔が設けられている。このような音孔を有するエレクトレットと固定電極を製造する際には、まず、固定電極に孔を開けた後で固定電極が洗浄され、洗浄された固定電極の一方の面にエレクトレットとなる高分子材料（誘電体）がコーティングされる。そして、コーティングされた高分子材料の層においては、固定電極の孔の位置に孔が開けられ、固定電極とエレクトレットとを貫通する孔が作られる。そして、コロナ放電によって高分子材料の層が帯電させられ、高分子材料の層の電位が変化してエレクトレットとなる。
また、孔を有する電極と一体化されたエレクトレットを作る方法としては、特許文献２に開示された方法がある。特許文献２に開示されている第１の方法は、孔を有する電極の上に孔を有するエレクトレットを積層するという方法であり、第２の方法は電極の上にエレクトレットを積層し、積層された電極とエレクトレットとに超音波加工またはレーザ加工で孔を開けるという方法である。

特開昭５８−１２０４００号公報 特開２０００−１３８９４号公報

さて、エレクトレットを製造する際には、コロナ放電で放出されたイオンは高分子材料の層に溜まっていくが、高分子材料の層に複数の音孔が設けられていると、コロナ放電で放出されたイオンが音孔から荷電装置のアース部に流れて行く。その結果、イオンは孔が設けられていない場合より高分子材料の層に溜まらず、高電圧のエレクトレットを得ることが難しくなっていた。
一方、上述した特許文献２の第１の方法では、電極の孔とエレクトレットの孔とを位置合わせして積層する必要があるため製造に非常に手間がかかるという問題があり、また、超音波加工により孔を開ける方法では超音波加工に用いられる砥粒を加工後に除去する手間がかかり、レーザ加工では熱による影響のためレーザー照射周辺部に変質、形状変化が起きるなどの問題がある。

本発明は、上述した背景の下になされたものであり、孔のある高電圧のエレクトレットを容易に製造する技術を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために本発明は、導電性を有する導電薄膜層を備えた電極の当該導電薄膜層の表面に誘電体の誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、前記誘電体層を帯電させて前記誘電体をエレクトレットとする帯電工程と、一体化された前記エレクトレット及び前記電極を、板状の絶縁体で複数の孔を有するダイプレートに載せ、絶縁体の複数のパンチを有するパンチプレートの当該パンチを前記ダイプレートの複数の孔に対向させ、前記ダイプレートに載せられている一体化された前記電極及び前記エレクトレットに前記パンチを貫通させて前記パンチを前記ダイプレートの孔に嵌めるプレス工程とを有するエレクトレット製造方法を提供する。

また、本発明は、板状の絶縁体で複数の孔を有し、表面にエレクトレットの層を有する導電薄膜層が載せられるダイプレートと、前記複数の孔に嵌め合わされる絶縁体の複数のパンチを有するパンチプレートと、前記パンチプレートを移動させて前記複数のパンチを前記ダイプレートの複数の孔に嵌め合わせるパンチプレート移動手段とを備えた有孔エレクトレット製造装置を提供する。

本発明によれば、孔のある高電圧のエレクトレットを容易に製造することができる。

［エレクトレットの製造方法］
図１は、本発明の実施形態に係る製造方法で製造されたエレクトレット４０と、エレクトレット４０と一体化された電極２０の外観図、図２は、エレクトレット４０および電極２０の断面図である。なお、図中の各構成要素の寸法は、構成要素の形状を容易に理解できるように実際の寸法とは異ならせてある。

電極２０は、例えばＰＥＴ（polyethylene terephthalate、ポリエチレンテレフタレート）で形成されたシート状の基材層２１に、金属膜を蒸着あるいは導電性塗料を塗布して導電性を有する薄膜層２２（以下、導電薄膜層２２と称する）を形成したものである。なお、基材層２１としては、ＰＰ（polypropylene、ポリプロピレン）またはポリイミドなど他の合成樹脂であってもよい。また、電極２０は基材層２１を有するものに限定されず、厚みが２０［μｍ］ほどの導電性を有するアルミニウムの導電薄膜層２２を電極２０としてもよい。
エレクトレット４０は、高分子材料（誘電体）で形成されており、後述する方法により帯電させられて所定の電位となっている。なお、本実施形態においては、エレクトレット４０は負の電圧に帯電しており、形状は矩形の膜状となっている。
なお、電極２０とエレクトレット４０においては、両者を貫通する孔２が設けられている。

エレクトレット４０を製造する際には、まず、矩形で板状に形成されている電極２０の導電薄膜層２２の表面に図３（ａ）に示したように加熱溶融された高分子材料が所定の厚みとなるようにコーティングされる。そして、高分子材料の層が冷えて固まった後、高分子材料層がコロナ放電により帯電させられて図３（ｂ）に示したようにエレクトレット４０となる。

次に、パンチプレート１００とダイプレート２００を用いたプレス加工により電極２０とエレクトレット４０とに複数の孔２が開けられる。ここで、ダイプレート２００は、絶縁体であるセラミックスであって複数の孔２１０が規則的に配置されている。また、パンチプレート１００も絶縁体であるセラミックスのプレートであって、ダイプレート２００の孔に嵌め合わされ先端が刃の形状となっている複数のパンチ１１０を有している。なお、本実施形態においてはパンチプレート１００とパンチ１１０が絶縁体となっているが、パンチプレート１００は金属でパンチ１１０のみが絶縁体であってもよい。

パンチプレート１００とダイプレート２００とで電極２０とエレクトレット４０とに孔を開ける際には、まず、一体化された電極２０とエレクトレット４０とがプレス加工機に設けられたダイプレート２００の上に載せられる（図３（ｃ））。そして、図３（ｄ）に示したように、プレス加工機に設けられたパンチプレート１００が移動させられてエレクトレット４０に押しつけられと、パンチ１１０がエレクトレット４０と電極２０とを貫通してダイプレート２００の孔２１０に嵌り、電極２０およびエレクトレット４０においてパンチ１１０が通過した部分が打ち抜かれ、電極２０とエレクトレット４０とに孔２が設けられる。
この後、パンチプレート１００をダイプレート２００と電極２０及びエレクトレット４０から外し、電極２０及びエレクトレット４０をダイプレート２００から取り外すと、図１に示した孔２を複数備え、エレクトレット４０が一体化された電極２０を得ることができる。

本実施形態においては、電極２０はシート状の合成樹脂である基材層２１と導電薄膜層２２とで構成されており、上述したプレス加工により孔２を開けられるため、ドリルで金属の電極に孔を開ける場合と比較して、バリや削りかすなどが発生することがない。
また、超音波加工で孔を開ける場合と比較すると、砥粒を除去する必要もなく容易に孔を開けることが可能であり、レーザ加工で孔を開ける場合と比較すると、孔開けする時に熱が発生しないため、エレクトレット４０や電極２０に変質や形状変化が起きることがない。
また、本実施形態においては、エレクトレット４０と電極２０とに孔を開けるためのパンチプレート１００、パンチ１１０およびダイプレート２００は絶縁体であるため、パンチプレート１００、パンチ１１０およびダイプレート２００がエレクトレット４０に接触してもエレクトレット４０の電荷が抜けることがない。
また、本実施形態においては、荷電されてエレクトレット４０となる高分子材料層は孔を開けられていない状態で荷電されるため、孔を開けてから荷電する場合と比較して電荷が溜まり高電圧のエレクトレットを得ることができる。

［音孔を有するエレクトレットを使用した静電型スピーカ］
次に、上述した製造方法で製造されたエレクトレットを使用した静電型スピーカ１について説明する。図４は、上述した製造方法で製造されたエレクトレットを有する静電型スピーカ１の外観を模式的に示した図、図５は静電型スピーカ１の断面と電気的構成を模式的に示した図、図６は静電型スピーカ１の分解斜視図である。
図に示したように、この静電型スピーカ１は、振動体１０、電極２０Ｕ，２０Ｌ、スペーサ３０Ｕ，３０Ｌ、電極２０Ｕに一体化されたエレクトレット４０Ｕ、電極２０Ｌと一体化されたエレクトレット４０Ｌとを有している。なお、図中の振動体、電極、エレクトレット等の各構成要素の寸法は、構成要素の形状を容易に理解できるように実際の寸法とは異ならせてある。また、図中、「○」の中に「・」が記載されたものは図面の裏から表に向かう矢印を意味するものとする。

（静電型スピーカ１の各部の構成）
まず、静電型スピーカ１を構成する各部について説明する。振動体１０は、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate、ポリエチレンテレフタレート）のフィルムに導電性を有する金属を蒸着あるいは導電性塗料を塗布することにより、フィルム表面に導電性を有する薄膜層を形成したものであり、その厚さは、数μｍ〜数十μｍ程度の厚さとなっている。なお、本実施形態においては、振動体１０は、ＰＰ（polypropylene、ポリプロピレン）などＰＥＴ以外の高分子材料のフィルムに導電性を有する金属膜を蒸着あるいは導電性塗料を塗布したものであってもよい。

スペーサ３０Ｕ，３０Ｌは、絶縁体（例えば合成樹脂やセラミックス）で形成されており、その形状は図６に示したように矩形の枠形となっている。なお、本実施形態においては、スペーサ３０Ｕ，３０ＬのＸ方向およびＹ方向の長さと、電極２０Ｕ，２０ＬのＸ方向およびＹ方向の長さは同じとなっている。また、スペーサ３０Ｕとスペーサ３０ＬのＺ方向の高さは、いずれも同じとなっている。

電極２０Ｕ，２０Ｌは上述した電極２０と同じ構成で複数の孔２を有している。本実施形態においては、電極２０Ｕ，２０ＬのＸ方向およびＹ方向の長さと、振動体１０のＸ方向およびＹ方向の長さは同じとなっている。

エレクトレット４０Ｕ，４０Ｌは上述したエレクトレット４０と同じ構成であり、複数の孔２を有し、家電されて所定の電位となっている。なお、本実施形態においてエレクトレット４０Ｕ，４０Ｌは負の電圧に帯電している。

（静電型スピーカ１の構成）
静電型スピーカ１においては、振動体１０の周縁部がスペーサ３０Ｕとスペーサ３０Ｌとの間に張力が掛からない状態で挟まれている。また、静電型スピーカ１においては、エレクトレット４０Ｕとエレクトレット４０Ｌが対向するようにして、電極２０Ｕと電極２０Ｌが振動体１０を挟んで対向している。そして、エレクトレット４０Ｕの周縁部がスペーサ３０Ｕに固定され、エレクトレット４０Ｌの周縁部がスペーサ３０Ｌに固定されている。なお、スペーサ３０Ｕとスペーサ３０ＬのＺ方向の高さは同じであるため、振動体１０からエレクトレット４０Ｕまでの距離と、振動体１０からエレクトレット４０Ｌまでの距離は同じとなっており、エレクトレット４０Ｕからエレクトレット４０Ｌまでの距離は、エレクトレットのいずれの位置においても同じとなっている。

（静電型スピーカ１の電気的構成）
次に、静電型スピーカ１の電気的構成について説明する。図５に示したように、静電型スピーカ１は変圧器５０、外部から音響信号が入力される入力部６０、直流バイアスを供給するバイアス電源７０とを備えており、入力部６０は変圧器５０の一次側に接続されている。また、バイアス電源７０のマイナス側は振動体１０の導電性を有する薄膜層に接続され、バイアス電源７０のプラス側は変圧器５０の２次側の中点（センタータップ）と接続されており、電極２０Ｕ，２０Ｌの導電薄膜層２２はそれぞれ変圧器５０の２次側の一端および他端に接続されている。

この構成においては、図７に示したように振動体１０の導電性を有する薄膜層はバイアス電源７０のマイナス側に接続されているため、エレクトレット４０Ｕ，４０Ｌに対向する振動体１０の表面はマイナスとなる。
そして、入力部６０に音響信号が入力されていない状態においては、バイアス電源７０の電圧がＥ１、エレクトレット４０Ｕ，４０Ｌの電圧がＥ２とすると、バイアス電源７０の電圧Ｅ１とエレクトレットの電圧Ｅ２とを加算した電圧（Ｅ１＋Ｅ２）が、振動体１０と電極２０Ｕ（振動体１０と電極２０Ｌ）との間の電圧差となる。ここで、振動体１０と電極２０Ｕ，２０Ｌとの間の電圧差は、電圧Ｅ１と電圧Ｅ２を加算した電圧（Ｅ１＋Ｅ２）であるため、エレクトレット単体またはバイアス電源単体の時より高い電圧差を得ることができている。
また、Ｅ１＋Ｅ２の電圧差をバイアス電源のみで得ようとすると、バイアス電圧を供給する配線については高電圧に対応する必要があるが、本実施形態によれば、バイアス電源から供給の電圧はＥ１のみとなりＥ１＋Ｅ２より低い電圧である。Ｅ１＋Ｅ２の電圧差をバイアス電源のみで得る場合と比較すると、バイアス電圧を供給する配線についてはより高い電圧に対応させる必要がなく、コストを抑えることができる。

また、入力部６０に音響信号が入力されると、入力された音響信号に応じた電圧が電極２０Ｕ，２０Ｌにそれぞれ印加される。
具体的には、正負の振幅を持つ音響信号が入力部６０に入力され、変圧器５０の２次側において電極２０Ｕに接続されている部分の電圧がセンタータップに対してプラスとなると、電極２０Ｕと振動体１０との間の電圧差は、バイアス電源７０の電圧Ｅ１と、エレクトレット４０Ｕの電圧Ｅ２、および音響信号が変圧器５０で昇圧されて得られる電圧Ｅ３を加算したＥ１＋Ｅ２＋Ｅ３となる。
一方、電極２０Ｌと振動体１０との間の電位差は、バイアス電源７０の電圧Ｅ１と、エレクトレット４０Ｌの電圧Ｅ２とを加算したＥ１＋Ｅ２であり、電極２０Ｕと電極２０Ｌとの間に電位差が生じ、振動体１０が変位する。
なお、本実施形態においては、音響信号の振幅がピークとなった時に変圧器５０から出力される電圧と、バイアス電源７０の電圧Ｅ１とを加算した電圧値が、所定の電圧値を超えないように、バイアス電源７０の電圧Ｅ１が調整されている。

また、正負の振幅を持つ音響信号が入力部６０に入力され、変圧器５０の２次側において電極２０Ｌに接続されている部分の電圧がセンタータップに対してプラスとなると、電極２０Ｌと振動体１０との間の電圧差は、バイアス電源７０の電圧Ｅ１と、エレクトレット４０Ｌの電圧Ｅ２、および音響信号が変圧器５０で昇圧されて得られる電圧Ｅ３を加算したＥ１＋Ｅ２＋Ｅ３となる。
一方、電極２０Ｕと振動体１０との間の電位差は、バイアス電源７０の電圧Ｅ１と、エレクトレット４０Ｕの電圧Ｅ２とを加算したＥ１＋Ｅ２であり、電極２０Ｕと電極２０Ｌとの間に電位差が生じ、振動体１０が変位する。

このように、入力部６０に音響信号が入力されると、振動体１０は電極２０Ｕまたは電極２０Ｌのいずれかの側へ引き寄せられるような静電力が働く。すなわち、振動体１０は音響信号に応じて同図のＺ方向またはＺ方向と反対方向に変位し(撓み)、その変位方向が逐次変わることによって振動となり、その振動状態（振動数、振幅、位相）に応じた音が振動体１０から発生する。発生した音は、少なくとも電極２０Ｕと電極２０Ｌのいずれか一方の孔２を通り抜けて静電型スピーカ１の外部に放射される。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。

上述した実施形態において、電極２０に塗布された後で荷電されてエレクトレット４０となる高分子材料層は、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリ乳酸、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンのいずれかであってもよい。

上述した実施形態では、孔２の形状は円形に限定されるものではなく、矩形、楕円形、多角形であってもよい。

また、上述した実施形態においては、電極２０とエレクトレット４０には円形の孔２が開けられているが、電極２０とエレクトレット４０を貫通する細長い隙間（スリット）を電極２０とエレクトレット４０とにプレス加工で設けるようにしてもよい。この細長い隙間を有するエレクトレットを静電型スピーカ１に用いれば、この隙間から音を放射することができる。

上述した実施形態においては、電極２０とエレクトレット４０を貫通する孔２がプレス加工により設けられているが、本発明においては、セラミック製のドリルなど、絶縁性を有するドリルで電極２０とエレクトレット４０とを貫通する孔２を設けるようにしてもよい。

上述した実施形態においては、孔あきのエレクトレット４０を静電型スピーカ１に採用した例を説明したが、孔あきのエレクトレット４０は静電型スピーカ１だけでなく、エレクトレットコンデンサマイクロホンの電極として使用してもよい。

本発明に係る製造方法で製造されたエレクトレット４０の外観図である。 同エレクトレット４０の断面図である。 同エレクトレット４０の製造工程を説明するための図である。 エレクトレットを有する静電型スピーカ１の外観図である。 同静電型スピーカ１の断面図である。 同静電型スピーカ１の分解斜視図である。 静電型スピーカ１の動作を説明するための図である。

符号の説明

１・・・静電型スピーカ、２・・・孔、１０・・・振動体、２０，２０Ｕ，２０Ｌ・・・電極、３０Ｕ，３０Ｌ・・・スペーサ、４０，４０Ｕ，４０Ｌ・・・エレクトレット、５０・・・変圧器、６０・・・入力部、７０・・・バイアス電源、１００・・・パンチプレート、１１０・・・パンチ、２００・・・ダイプレート、２１０・・・孔

Claims (2)

1. 導電性を有する導電薄膜層を備えた電極の当該導電薄膜層の表面に誘電体の誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、
   前記誘電体層を帯電させて前記誘電体をエレクトレットとする帯電工程と、
   一体化された前記エレクトレット及び前記電極を、板状の絶縁体で複数の孔を有するダイプレートに載せ、絶縁体の複数のパンチを有するパンチプレートの当該パンチを前記ダイプレートの複数の孔に対向させ、前記ダイプレートに載せられている一体化された前記電極及び前記エレクトレットに前記パンチを貫通させて前記パンチを前記ダイプレートの孔に嵌めるプレス工程と
   を有するエレクトレット製造方法。
2. 板状の絶縁体で複数の孔を有し、表面にエレクトレットの層を有する導電薄膜層が載せられるダイプレートと、
   前記複数の孔に嵌め合わされる絶縁体の複数のパンチを有するパンチプレートと、
   前記パンチプレートを移動させて前記複数のパンチを前記ダイプレートの複数の孔に嵌め合わせるパンチプレート移動手段と
   を備えた有孔エレクトレット製造装置。

Images