JP3644952B1 - 耐熱性エレクトレットおよびその製造方法、並びに静電型音響センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 金属部材とＰＴＦＥフィルムとの接着性を向上させ、高温での電荷保持性能が高いエレクトレットを提供する。
【解決手段】 金属部材３の表面に樹脂フィルム２を接着した耐熱性エレクトレット用積層板１であって、樹脂フィルム２がポリテトラフルオロエチレンからなり、樹脂フィルム２の片面の水滴接触角が１１０°以下であり、樹脂フィルム２の前記片面と金属部材３とが接着されている耐熱性エレクトレット用積層板を用いてエレクトレットを作製する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イヤホン、ヘッドホンまたはマイクロホン等に使用されるエレクトレットおよびその製造方法、並びに静電型音響センサーに関する。

従来よりイヤホン、ヘッドホンまたはマイクロホン等に使用されるエレクトレットとしては、金属シートにエレクトレットを構成しうる熱可塑性樹脂フィルムをラミネートし、この樹脂をエレクトレット化する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）の微粒子が分散された有機溶媒を金属板に塗布して薄膜を形成し、その薄膜をエレクトレット化する方法（例えば、特許文献２参照。）、また金属板にＦＥＰの微粒子が分散されたスプレー液を噴霧した後、焼成してエレクトレット化する方法（例えば、特許文献３参照。）等も提案されている。
特開昭６４−４４０１０号公報 特開平１１−１５０７９５号公報 特開２０００−１１５８９５号公報

しかし、従来のＦＥＰを使用したエレクトレットを用いてマイクロホン等を製造する際にフロー装置やリフロー装置による半田付けを行うと、半田付けの際の高温によりエレクトレットの機能が低下するという問題があった。特に最近では鉛フリー半田が多用されるにともない、半田付け時の温度がさらに高温の２６０℃程度となり、エレクトレットの機能自体が喪失するという大きな問題が生じるおそれがある。

この問題を解決するために、耐熱性が高いポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるフィルムを使用してエレクトレットを製造することも考えられる。しかし、純粋なＰＴＦＥからなるフィルムは接着性が悪く、金属板と貼り合わせてエレクトレットを製造すると、金属板からＰＴＦＥフィルムが剥がれ易く、エレクトレットの性能を維持できなくなるという問題があった。

本発明は、エレクトレットに用いるＰＴＦＥフィルムの接着性を向上させ、耐熱性が高いエレクトレットおよびそれを用いた静電型音響センサーを提供する。

本発明の耐熱性エレクトレットは、金属部材の表面に樹脂フィルムを接着した耐熱性エレクトレットであって、前記樹脂フィルムがポリテトラフルオロエチレンからなり、前記樹脂フィルムの片面の水滴接触角が１１０°以下であり、前記樹脂フィルムの片面と前記金属部材とが接着されていることを特徴とする。

また、本発明の耐熱性エレクトレットは、金属部材の表面に樹脂フィルムを接着した耐熱性エレクトレットであって、前記樹脂フィルムがポリテトラフルオロエチレンからなり、前記金属部材側の前記樹脂フィルムの片面のみが、易接着処理されていることを特徴とする。

また、本発明の耐熱性エレクトレットの製造方法は、ポリテトラフルオロエチレンからなるフィルムの片面に易接着処理を施す工程と、金属部材の表面に、前記フィルムの易接着処理を施した面を接着する工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明の静電型音響センサーは、上記耐熱性エレクトレットを備えたことを特徴とする。

ＰＴＦＥからなるフィルムの接着面に易接着処理を施すことにより、ＰＴＦＥフィルムの接着性を向上して、高温での電荷保持性能が高いエレクトレットを提供できる。

先ず、本発明の耐熱性エレクトレットの実施の形態について説明する。

本発明の耐熱性エレクトレットの一例は、金属部材の表面に樹脂フィルムを接着した耐熱性エレクトレットであって、上記樹脂フィルムがポリテトラフルオロエチレンからなり、上記樹脂フィルムの第１主面の水滴接触角が１１０°以下、より好ましくは６０°以下であり、上記樹脂フィルムの第１主面と上記金属部材とが接着されていることを特徴とする。

金属部材側の樹脂フィルムの片面（第１主面）における水滴接触角を１１０°以下とすることにより、金属部材と樹脂フィルムとの接着性が向上し、エレクトレットの性能が安定的に維持できる。また、樹脂フィルムにＰＴＦＥフィルムを用いることにより、エレクトレットの高温での電荷保持性能を向上できる。さらに、樹脂フィルムとしてＰＴＦＥフィルムを用いることにより、製品表面に防汚性、耐薬品性、撥水性、耐候性等の優れた機能を付与でき、エレクトレットのフレキシビリティが損なわれず、また、エレクトレットのエンボス加工なども比較的容易に出来る。

また、金属部材と反対側の樹脂フィルムの片面（第２主面）における水滴接触角を１１１°以上とすれば、高温での電荷保持性能をより効果的に維持できる。

なお、本発明における水滴接触角とは、蒸留水を用いて測定した接触角を意味する。

また、本発明の耐熱性エレクトレットの他の一例は、金属部材の表面に樹脂フィルムを接着した耐熱性エレクトレットであって、上記樹脂フィルムがＰＴＦＥからなり、上記金属部材側の上記樹脂フィルムの片面のみが易接着処理されていることを特徴とする。

これにより、金属部材と樹脂フィルムとの接着性が向上し、エレクトレットの性能が安定的に維持できる。また、樹脂フィルムにＰＴＦＥフィルムを用いることにより、エレクトレットの高温での電荷保持性能を向上できる。さらに、樹脂フィルムとしてＰＴＦＥフィルムを用いることにより、製品表面に防汚性、耐薬品性、撥水性、耐候性等の優れた機能を付与でき、エレクトレットのフレキシビリティが損なわれず、また、エレクトレットのエンボス加工なども比較的容易に出来る。

また、樹脂フィルムの片面のみを易接着処理することにより、高温での電荷保持性能を維持できる。

上記易接着処理としては、化成処理、コロナ処理、プラズマ処理、スパッタリング処理などが含まれ、これらの中でも特に簡易な製造設備で実施できる化成処理がより好ましい。

上記金属部材と上記樹脂フィルムとの１８０°ピール強度は、０．５Ｎ／ｃｍ以上であることが好ましく、１．０Ｎ／ｃｍ以上であることがより好ましい。

また、上記樹脂フィルムは、その誘電率が２．１以下であり、その体積抵抗率が１．０×１０¹⁸Ωｃｍ以上であることが好ましい。なお、誘電率の下限値は、空気の誘電率＝１に近いほど好ましい。

上記ＰＴＦＥフィルムの厚さは特に限定されないが、通常５〜４００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍである。この範囲内であれば、エレクトレットの特性を維持しつつ、エレクトレットの薄型化、小型化が図れるからである。

上記金属部材としては、例えば、金属板、金属シート等を使用できる。また、上記金属部材は、黄銅、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、チタン、洋白、リン青銅、それらの合金、それらがメッキされた金属およびそれらが蒸着された金属から選ばれた少なくとも１つから形成されていることが好ましい。これらの金属は耐蝕性、電気伝導性、加工性の点で優れているからである。

次に、本発明の耐熱性エレクトレットの製造方法の実施の形態について説明する。

本発明の耐熱性エレクトレットの製造方法の一例は、ＰＴＦＥからなるフィルムの片面に易接着処理を施す工程と、金属部材の表面に、上記フィルムの易接着処理を施した面を接着する工程とを含むことを特徴とする。

これにより、金属部材と樹脂フィルムとの接着性が向上し、性能が安定したエレクトレットを提供できる。また、樹脂フィルムにＰＴＦＥフィルムを用いることにより、高温での電荷保持性能が向上したエレクトレットを提供できる。なお、ＰＴＦＥの融点は約３３０℃であるため、加工温度が３００℃程度になるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いてもマイクロホン等を製造できる。さらに、樹脂フィルムとしてＰＴＦＥフィルムを用いることにより、製品表面に防汚性、耐薬品性、撥水性、耐候性等の優れた機能を付与でき、エレクトレットのフレキシビリティが損なわれず、また、エレクトレットのエンボス加工なども比較的容易に出来る。

上記易接着処理としては、化成処理、コロナ処理、プラズマ処理、スパッタリング処理などが含まれ、これらの中でも特に簡易な製造設備で実施できる化成処理がより好ましい。

上記金属部材としては、例えば、金属板、金属シート等を使用できる。なお、上記金属部材の使用にあたっては、先ず油脂等の付着のないものを用い、さらには上記樹脂フィルムとの接着性を良くするために下地処理を行うことが好ましい。下地処理としては、例えば、陽極酸化、化成処理による皮膜の形成或いはカップリング剤の利用、その他接着性を改善する方法等が挙げられる。

上記金属部材と上記樹脂フィルムとの接着は、加熱ロールおよび加熱源を有さないロールの一対からなる圧着ロールのうち、加熱ロール側に金属部材を供給し、加熱源を有さないロール側に樹脂フィルムを供給しつつ、上記圧着ロールの間に上記金属部材および上記樹脂フィルムを挿入し、上記金属部材と上記樹脂フィルムとの接触時間を１〜３秒、接触帯幅を１〜２０ｍｍに制御し、上記金属部材と上記樹脂フィルムとを熱圧着することにより行うことができる。

これらの方法により得られたエレクトレット用積層板は、所定の大きさに切断され、次にコロナ放電等により分極帯電された後、エージング処理が行われてエレクトレットが完成し、このエレクトレットはイヤホン、ヘッドホンまたはマイクロホン等に利用される。

次に、本発明の静電型音響センサーの実施の形態を説明する。

本発明の静電型音響センサーの一例は、上記で説明した本実施形態の耐熱性エレクトレットを備えたことを特徴とする。これにより、性能が安定した静電型音響センサーを提供できる。静電型音響センサーとしては、例えば、マイクロホン、イヤホン、ヘッドホン、補聴器、超音波センサー、加速度センサーなどが含まれる。

以下、実施例と比較例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
化成処理により片面のみが易接着処理されている厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（日東電工製“９２１ＵＬ”）を準備した。このＰＴＦＥフィルムの表面の水滴接触角を蒸留水を用いた接触角計（協和界面科学製“ＣＡ−ＤＴ”）により測定したところ、易接着処理がされている面では５３°、易接着処理がされていない面では１１８°であった。

次に、このＰＴＦＥフィルムの易接着処理された面と、厚さ０．２ｍｍのステンレス鋼板とを、エポキシ系接着剤を介して加熱ロールを用いて熱圧着し、縦５０ｃｍ、横２０ｃｍの大きさに切断して実施例１のエレクトレット用積層板を作製した。熱圧着は、温度３４０℃、圧力０．５ＭＰａで行った。

図１は、本実施例で作製したエレクトレット用積層板の断面図である。本実施例のエレクトレット用積層板１は、ＰＴＦＥからなるフィルム２とステンレス鋼板３とがエポキシ系接着剤（図示せず）を介して熱圧着されて形成されている。

（実施例２）
厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（中興化成工業製“ＭＳＦ−１００”）の片面に、化成処理剤（潤工社製“テトラエッチＡ”）を塗布して１０秒間保持し、その後メタノールで洗浄後、さらに水で洗浄して乾燥させることにより、化成処理により片面が易接着処理されているＰＴＦＥフィルムを準備した。このＰＴＦＥフィルムの表面の水滴接触角を実施例１と同様にして測定したところ、易接着処理がされている面では４４°、易接着処理がされていない面では１１２°であった。

次に、このＰＴＦＥフィルムを用いたこと以外は、実施例１と同様にして実施例２のエレクトレット用積層板を作製した。

（実施例３）
厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（中興化成工業製“ＭＳＦ−１００”）の片面をマスクし、プラズマ処理装置（日放電子製“ＰＣＢ”）によりプラズマ処理を行った。プラズマ処理の条件は、プラズマ発生源の周波数：４０ｋＨｚ、電源出力：５ｋＷ、使用ガス：窒素および酸素の混合ガス、ガス圧力：３３Ｐａ、電極温度：２５℃、照射時間：５秒であった。その後、マスクを除去することにより、プラズマ処理により片面が易接着処理されているＰＴＦＥフィルムを準備した。このＰＴＦＥフィルムの表面の水滴接触角を実施例１と同様にして測定したところ、易接着処理がされている面では１０６°、易接着処理がされていない面では１１８°であった。

次に、このＰＴＦＥフィルムを用いたこと以外は、実施例１と同様にして実施例３のエレクトレット用積層板を作製した。

（実施例４）
厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（中興化成工業製“ＭＳＦ−１００”）の片面をコロナ放電処理装置（ナビスタ製“ポロダイン１”）によりコロナ放電処理を行った。コロナ放電処理の条件は、印加電圧：１０ｋＶ、電極−試料間距離：２ｍｍ、処理速度：４．５ｍ／分であった。このようにしてコロナ放電処理により片面が易接着処理されているＰＴＦＥフィルムを準備した。このＰＴＦＥフィルムの表面の水滴接触角を実施例１と同様にして測定したところ、易接着処理がされている面では１００°、易接着処理がされていない面では１２４°であった。

次に、このＰＴＦＥフィルムを用いたこと以外は、実施例１と同様にして実施例４のエレクトレット用積層板を作製した。

（実施例５）
厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（日東電工製“９２０ＵＬ”）を用いたこと以外は、実施例４と同様にして実施例５のエレクトレット用積層板を作製した。このＰＴＦＥフィルムの表面の水滴接触角を実施例１と同様にして測定したところ、易接着処理がされている面では１０２°、易接着処理がされていない面では１２１°であった。

（比較例１）
厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（中興化成工業製“ＭＳＦ−１００”）の両面を化成処理したこと以外は、実施例２と同様にして比較例１のエレクトレット用積層板を作製した。このＰＴＦＥフィルムの表面の水滴接触角を実施例１と同様にして測定したところ、ステンレス鋼板側の接着面では４９°、他方の非接着面では６０°であった。

（比較例２）
厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（中興化成工業製“ＭＳＦ−１００”）の両面をマスクせずにプラズマ処理したこと以外は、実施例３と同様にして比較例２のエレクトレット用積層板を作製した。このＰＴＦＥフィルムの表面の水滴接触角を実施例１と同様にして測定したところ、ステンレス鋼板側の接着面では１０８°、他方の非接着面では１０７°であった。

（比較例３）
厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（中興化成工業製“ＭＳＦ−１００”）の両面をコロナ放電処理したこと以外は、実施例４と同様にして比較例３のエレクトレット用積層板を作製した。
このＰＴＦＥフィルムの表面の水滴接触角を実施例１と同様にして測定したところ、ステンレス鋼板側の接着面では１０９°、他方の非接着面では１０２°であった。

（比較例４）
厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（中興化成工業製“ＭＳＦ−１００”）に化成処理を一切行わなかったこと以外は、実施例２と同様にして比較例４のエレクトレット用積層板を作製した。このＰＴＦＥフィルムの表面の水滴接触角を実施例１と同様にして測定したところ、ステンレス鋼板側の接着面では１１８°、他方の非接着面では１２５°であった。

（比較例５）
両面とも易接着処理がされていない厚さ２５μｍのＦＥＰフィルム（ダイキン工業製“ＮＦ−００２５”）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして比較例５のエレクトレット用積層板を作製した。このＦＥＰフィルムの表面の水滴接触角を実施例１と同様にして測定したところ、ステンレス鋼板側の接着面では１１１°、他方の非接着面では１１８°であった。

次に、これらの実施例１〜５および比較例１〜５のエレクトレット用積層板を用いて、ステンレス鋼板と樹脂フィルムとの１８０°ピール強度、およびエレクトレット用積層板の表面電位残存率を測定した。また、エレクトレットの実際の製造工程を模したプレス加工試験と洗浄試験とを行った。

１８０°ピール強度は、ピール強度試験機（島津製作所製“ＡＧＳ−Ｈ”）を用いて測定した。

また、エレクトレット用積層板の表面電位残存率は、次のようにして測定した。まず、マイナスのコロナ放電にて温度２５℃でエレクトレットを分極処理し、その直後の表面電位を表面電位計（Ｔｒｅｋ社製“ｍｏｄｅｌ ３４４”）にて測定した。続いて、２７０℃にて１０分間保持した後、その表面電位を同様にして測定した。そして、エレクトレット用積層板を分極処理した直後の表面電位を基準（１００％）として、２７０℃で１０分間保持した後の表面電位をその相対値（％）として求めた。なお、上記コロナ放電処理の条件は、印加電圧：−５ｋＶ、グリッド電圧：−２００Ｖ、電極−試料間距離：２ｍｍ、処理時間：１０秒とした。

プレス加工試験は、実施例１〜５および比較例１〜５で縦５０ｃｍ、横２０ｃｍの大きさに切断したエレクトレット用積層板を、２０ｔｏｎのプレスを用いて直径４．５ｍｍの円盤状に打ち抜き、エレクトレットの端部におけるステンレス鋼板と樹脂フィルムとの剥離具合を観察した。

洗浄試験は、上記プレス加工したエレクトレットを超音波洗浄機（シャープ製“ＵＴ−６０４Ｒ”）を用いてアセトン中で５分間超音波洗浄し、エレクトレットの端部におけるステンレス鋼板と樹脂フィルムとの間へのアセトンの浸入具合を観察した。

以上の結果を表１に示す。表１において、プレス加工試験と洗浄試験の結果は、両試験の後のエレクトレットを観察し、樹脂フィルムの剥離がなく、アセトンの浸入がないものを○、樹脂フィルムの剥離はないが、アセトンの浸入が若干見られるものを△、樹脂フィルムの剥離が発生し、アセトンの浸入があるものを×として示した。

また、表２には、参考までに実施例１〜５および比較例１〜５で使用した樹脂フィルムの接着面と非接着面の表面粗さＲａを示した。上記接触角の大きさは、表面粗さに影響されるからである。表面粗さは、小阪研究所製の表面粗さ計“ＳＥ−３５００”を用いて測定した。

表１から明らかなように、実施例１〜５は、表面電位残存率がすべて２０％以上となり、プレス加工試験および洗浄試験においてもほぼ満足する結果となった。特に、化成処理を施した実施例１および実施例２は、従来のＦＥＰを用いた比較例５と同程度のピール強度を示した。一方、無処理のＰＴＦＥを用いた比較例４はプレス加工試験および洗浄試験でＰＴＦＥフィルムの剥離によるアセトンの浸入が認められ、ＦＥＰを用いた比較例５は表面電位残存率が０％となり、いずれもエレクトレットとしては不適格であった。

次に、実施例２および比較例１〜３のエレクトレットを用いて耐湿試験を行った。耐湿試験は、エレクトレット用積層板を温度６０℃、湿度８０％の雰囲気に配置して、経過時間毎の表面電位残存率を前述と同様にして測定した。即ち、マイナスのコロナ放電にて温度２５℃で試料を分極処理し、その直後の表面電位を表面電位計（Ｔｒｅｋ社製“ｍｏｄｅｌ ３４４”）にて測定した。続いて、エレクトレット用積層板を温度６０℃、湿度８０％の雰囲気に配置して一定時間経過後にその表面電位を同様にして測定した。そして、エレクトレット用積層板を分極処理した直後の表面電位を基準（１００％）として、一定時間経過後の表面電位をその相対値（％）として求めた。なお、上記コロナ放電処理の条件は前述と同様とした。その結果を図２に示す。

図２から明らかなように、接着面のみを化成処理した実施例２は１５０分経過しても表面電位残存率はほとんど低下しなかった。一方、比較例１〜３は時間の経過に伴って表面電位残存率が低下した。特に、両面を化成処理した比較例１は耐湿試験開始直後から急激に表面電位残存率が低下した。これは、ＰＴＦＥフィルムの両面を化成処理したことにより、エレクトレット用積層板の表面が極めて濡れやすくなり、水分の付着により電荷が中性化したものと考えられる。

ＰＴＦＥからなるフィルムの接着面にのみ易接着処理を施すことにより、ＰＴＦＥフィルムの接着性を向上でき、高温での電荷保持性能が高いエレクトレットおよびそれを用いた各種の静電型音響センサーを提供でき、その工業的価値は大である。

実施例１で作製したエレクトレット用積層板の断面図である。 耐湿試験における表面電位残存率と時間との関係を示す図である。

符号の説明

１ エレクトレット用積層板
２ フィルム
３ ステンレス鋼板

Claims (11)

1. 金属部材の表面に樹脂フィルムを接着した耐熱性エレクトレットであって、
   前記樹脂フィルムが、ポリテトラフルオロエチレンからなり、
   前記樹脂フィルムの片面の水滴接触角が、１１０°以下であり、
   前記樹脂フィルムの片面と前記金属部材とが接着され、
   前記金属部材と前記樹脂フィルムとの１８０°ピール強度が、０．５Ｎ／ｃｍ以上であることを特徴とする耐熱性エレクトレット。
2. 金属部材の表面に樹脂フィルムを接着した耐熱性エレクトレットであって、
   前記樹脂フィルムが、ポリテトラフルオロエチレンからなり、
   前記樹脂フィルムの片面の水滴接触角が、１１０°以下であり、
   前記樹脂フィルムの片面と前記金属部材とが接着され、
   前記樹脂フィルムは、その誘電率が２．１以下、その体積抵抗率が１．０×１０ ¹⁸ Ωｃｍ以上であることを特徴とする耐熱性エレクトレット。
3. 金属部材の表面に樹脂フィルムを接着した耐熱性エレクトレットであって、
   前記樹脂フィルムが、ポリテトラフルオロエチレンからなり、
   前記金属部材側の前記樹脂フィルムの片面のみが、易接着処理され、
   前記金属部材と前記樹脂フィルムとの１８０°ピール強度が、０．５Ｎ／ｃｍ以上であることを特徴とする耐熱性エレクトレット。
4. 金属部材の表面に樹脂フィルムを接着した耐熱性エレクトレットであって、
   前記樹脂フィルムが、ポリテトラフルオロエチレンからなり、
   前記金属部材側の前記樹脂フィルムの片面のみが、易接着処理され、
   前記樹脂フィルムは、その誘電率が２．１以下、その体積抵抗率が１．０×１０ ¹⁸ Ωｃｍ以上であることを特徴とする耐熱性エレクトレット。
5. 前記易接着処理が、化成処理、コロナ処理、プラズマ処理、およびスパッタリング処理から選ばれた少なくとも一つの処理である請求項３または４に記載の耐熱性エレクトレット。
6. 前記金属部材が、金属板である請求項１〜５のいずれかに記載の耐熱性エレクトレット。
7. 前記金属部材が、黄銅、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、チタン、洋白、リン青銅、それらの合金、それらがメッキされた金属およびそれらが蒸着された金属から選ばれた少なくとも１つから形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の耐熱性エレクトレット。
8. 請求項３〜７のいずれかに記載の耐熱性エレクトレットの製造方法であって、
   ポリテトラフルオロエチレンからなるフィルムの片面に易接着処理を施す工程と、
   金属部材の表面に、前記フィルムの易接着処理を施した面を接着する工程と、
   を含むことを特徴とする耐熱性エレクトレットの製造方法。
9. 前記易接着処理が、化成処理、コロナ処理、プラズマ処理、およびスパッタリング処理から選ばれた少なくとも一つの処理である請求項８に記載の耐熱性エレクトレットの製造方法。
10. 前記金属部材が、金属板である請求項８または９に記載の耐熱性エレクトレットの製造方法。
11. 請求項１〜７のいずれかに記載の耐熱性エレクトレットを備えたことを特徴とする静電型音響センサー。

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