JPS5812729B2 - 圧電効果を有するエレクトレット装置及びその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧電効果、すなわちその両面間に加えられた
電圧を機械的振動に変換したり、又は逆に機械的振動を
電圧に変換したりする効果を呈し、パイロ電気効果（電
圧を熱に変換したシ、熱を電圧に変換したりする効果）
も伴う物性を有する円形板状錠剤（ｐａｓｔｉｌｌｅ）
又はリボン（ｒｉｂｂｏｎ）のような薄片、平板、又は
薄片か板の細片の形状をした薄い構造物に関する。

以下の叙述では、このような形状の構造物を単に「薄片
」と呼ぶ。

それらはさらに、越音波変換器、圧力又は振動の感知器
（例えばマイクロホン、電話機の送受話器、その他）、
熱又は赤外線の検出器、その他のようなこれらの薄片を
備えた装置、ならびに、そのような薄片を製造する方法
にも関する。

本発明の特別の目的は、外面における電気的中性、長い
寿命ののび、使用電圧が交流の場合に利用可能周波数帯
域の広さ、ならびに、平らでない表面にも適用できる簡
易性などのような、各種の実用上の切実な要求に対して
、従来のものよりも一層良く応え得るような型式の薄片
を提供することである。

本発明においては、上記の型式の薄片は誘電体物質で構
成されていること、この薄片の少くとも一つの表面上、
もしくは、その表面の近傍に捕獲して、互い極性の異な
る静電電荷を担持していること、そして、これらの異極
性の電荷によってその表面近くに生じる全電界は、零も
しくは実質的に零になること、という特徴を有する。

このような薄片を備えた本発明装置は、直接的又は間接
的にその薄片の両側に配置された２枚の導電素子、これ
ら２枚の素子間に電圧を印加する手段、及び（又は）こ
れらの素子間に発生した電圧を取り出すだめの手段から
成っている。

本発明の前記薄片の好適な製造方法は次の作業工程から
なる特徴を有する。

すなわち、各気体層のイオン化電圧Ｖ１が薄片の絶縁破
壊電圧■２よシはるかに小となるのに充分な程に薄い気
体層を、少なくとも部分的に介在させるようにして前記
薄片が２枚の導電体コアの間に差込まれること、ついで
、ｖ１と■２との間の出力電圧値■をもつ直流電圧源の
端子に前記２枚のコアが接続されるととそして最紙的に
その２枚のコアは、薄片の等価電圧Ｖ。

（すなわち、帯電した薄片が作る電界に対して前記コア
に印加されるべき電圧であって、この薄片を包囲する気
体層内に生じる電界は、この電圧によって零にされる。

）が零又は零の近くになるまで逆極性の直流電圧源の端
子に接続されること、その逆極性電圧の絶対値は、もし
Ｖ１−Ｖ。

の値が正ならば■２＋■。

よシ小さ＜Ｖ１−Ｖ。よシ犬きハ値だけ零からずれてい
るようになされること、から成るものである。

本発明はこれらの主な特徴とは別に、次に明白に記載さ
れるその他のいくつかの特徴を有する。

本発明の好適な実施例は次の文中で、付図を参照し、も
ちろん限定的な意味でなく全く説明的に記載されている
。

添付の第１図及び第２図は本発明による圧電特性を有す
る誘電体薄片の製造方法の２つの連続工程を図表的に説
明している。

詳しく説明する前に、コンデンサを形成する２枚の導電
板の間の誘電体の薄片を帯電させることが既に提案され
たことを想起されたい。

この薄片の各帯電表面（すなわちその両面の中の一方又
は両方）はそこで単一の極性の静電電荷のみを含む。

このような帯電された薄片は「エレクトレット」と呼ば
れておシ、その薄片は外部的分極作用に頼る必要なしに
変換器中で使用できるものである。

１９７０年１１月２０日に本出願人によシ出願され、既
に登録されたフランスの％許Ｎｏ．７０４１７６６号明
細書中には、誘電体としてエレクトレットを有し、薄い
気体層によりこの誘電体から分離されたコンデンサのコ
アに、エレクトレットの近くの電界を補強するため、エ
レクトレットの分極化に作用した直流電圧とは逆極性を
有する外部の直流電圧を加えることさえも、既に提案さ
れている。

しかしながら、その場合には、ひとたび帯電した誘電体
の電荷が消失するといけなハので、この第２直流電圧を
気体層のイオン化電圧よシ小さくし、反対極性の電荷が
、既に集められた電荷と反対極性の電荷がその帯電した
薄片中に注入されないようにするため、この外部の第２
直流電圧を気体層のイオン化電圧よりも小さくすること
に注意が払われた。

どの場合にも、補助外部分極装置が設けられていてもい
なくても、エレクトレットを備えた変換器は「静電」的
に、すなわちエレクトレットと金属コアとの間に存在す
る直流電界のように、作用する。

すなわちこの作用はコアを機械的に振動させるだけであ
り、この振動のためにはこれらのコアによる交流的付勢
とともに、前記直流電界の存在が必要であシ、帯電した
誘電体薄片は前記コアによシそとに伝達される機械的振
動でのみ安定し、圧電効果に由来する固有振動では安定
しない。

そとで出願人は、全く驚くべき方法で、もしエレクトレ
ットの各静電的に帯電した表面に、この表面上に既に集
められた電荷と反対の極性を有する静電電荷が注入され
ると、そしてそれが集められた全電荷による電界全体が
前記表面付近で零又はほとんど零になるまで持続するな
らば、全体的には電気的に中性であり、しかも同じ性質
の帯電しない薄片とは対照的に、いかなる成極作用にも
影響されないで、固有の「圧電」効果特性を呈する場所
となる薄片が得られる、ということを発見した。

換言すると、薄片を包んでいるコアに交流電圧を加えて
付勢すると、これらのコアとこの薄片との間の直流電界
はその時零又はほぼ零であるから、誘電体薄片は「固有
」機械振動の場所となり、その振動は前記コアに伝えら
れる。

それら２つの表面の中の少なくとも一方の面上に反対極
性の静電電荷が平衡して分布した誘電体薄片を得るため
の手順は次のとおシである。

厚さが３ミクロンから５００ミクロンまでの、特に１０
ミクロンから３０ミクロンまでが好適である薄片が使用
される。

この薄片は特にポリプロピレン、ポリスチレンポリカー
ボネート、ポリアミド、又はマイラ、テフロン、・・・
・・・の商品名で知られた合成樹脂材料の１つのような
任意所望の誘電体材料で作られる。

好適な方法によると、このような薄片の一片１は、どう
しても避けられない表面の凸凹のため括した表面間に存
在する空間でできる薄い気体層４及び５が介在した、２
枚の導電極板間に差込まれる。

以下の文中に帯電した薄片１の等価電圧■。

というのか出てくるが、これはこの薄片によシそして気
体層４及び５内でこの電圧によシ生じる全電界を零にす
るために、電極２及び３間に印加されるべき電圧である
。

これら気体層４及び５はそのイオン化電圧■１が薄片の
破壊電圧ｖ２より小さｉものでなければならない。

この状態を変えるために、気体層の性質、圧力、及び（
又は）厚さを修正できる。

後者のパラメータは、開孔を有する分離用のくさび（ｓ
ｅｐａｒａｔｉｎｇ ｓｌｉｍ）によって変えられる。

一方の電極とそれに向き合った薄片の表面との間の距離
は、前記厚さを変えることなく、ガラス又は電気を通す
が気体は通さないガラス等のような別の物質の層を間に
入れることによっても、これを改善することができる。

図解したように電極は平坦面状でもよいが、これとは逆
に、薄片１の片側に先端が接する針状又はナイフの刃状
にしてもよく、この場合に電極の先端は薄片の表面に対
して平行移動して薄片に関して変位を行なう。

これらの電極は直流電源６０２つの端子に接続されてい
る（第１図）。

この電圧の値■は■１と■２との間で調節される平衡状
態に到達するのに充分な時間の後、すなわち発生したエ
レクトレットの等価電圧Ｖ。

ＪＶ−Ｖ１に達すると、薄片の静電電荷の分布は第１図
に図示したようになり、その上面にはすべて正の電荷が
並び、下面にはすべて負の電荷が並ぶ。

電極と電源６との間の接続はその後取外され、そしてこ
れらの電極はその極性が前とは逆の直流電源Ｔ（第２図
）の２つの端子に接続される。

この逆極性電圧の絶対値Ｖ′は薄片１を絶縁破壊しない
ように■２＋■ｏよシ小さいものでなければならなハ。

それはざらに零以外の電圧でなければならない。

そして気体層４及び５を前の場合とは逆にイオン化する
ように、そして薄片１のその表面に既にそこに集められ
た電荷と反対極性の静電電荷を注入するために、その値
が正ならｖ１−■ｏより大きくなければならない。

これは前述の先行技術（前出のフランス特許）によシな
されることと逆である。

すなわちそれによると、気体層４及び５のイオン化を防
止するために第２電源の絶対値が電圧Ｖ，−Ｖｏ（その
値は常に正であった）よシ小さくなるようにして置く注
意が必要であった。

もし充電の第２の工程の終９に帯電したエレクトレット
の等価電圧Ｖ。

が■１よシ大きいＶ−Ｖ１近い値を有するならば（すな
わちもしＶ１−Ｖｏが負ならば）、気体層のイオン化電
圧がこれらの層を両方向で通過するのに対して同じ値■
１を有することを考えると、この値は電圧■が除かれた
時ｖ１付近まで時間と共に自動的に減少するということ
に気付くはずである。

電圧ｖ′の前記絶対値は、もしこの値が正か又は逆の場
合わずかだけ正なら、最初Ｖ１−Ｖ。

近くのはずである。

その後それは等価電圧Ｖ。がほぼ零の値に達するまで■
１付近の値に次第に増大する。

同時に、特に光学測定又は超音波測定を使用する既知の
方法によシ、エレクトレットの単一の等価電圧による全
電界の値が観測され、そして第２充電はこの電界が零又
はほぼ零になる時に停止される。

そこで第２図に概略的に図示したように、ほぼ同数の正
及び負の静電電荷がその両表面上に捕獲されて担持され
ている薄片１ができる。

このような薄片を使用するため、それは気体が介在して
もしなくても２枚の導電素子の間にサンドイツチのよう
に置かれ、少なくともこれら２枚の素子の一方は、薄片
の一方の面を金属化することにより構成することが可能
であり、その後これら２枚の素子は電源に、及び（又は
）利用受信機装置に接続される。

この薄片は電気的に中性であって、このため媒体又は機
器中におけるしよう乱を避けるのに好都合である、とい
う利点を有する。

その薄さと柔軟さのだめ、平面状でない対象物体の表面
に対しても適用でき、上記導電素子の一方をそのような
対象物体の平面形状に合わせ適合するように、随意に作
製することもできる。

さらにその上、特にその表面上又はその近傍に集められ
た電荷が電気的平衡状態にあるため、その寿命期間は非
常に長い。

それに加えて、同様な配置のエレクトレットのように、
それはそのような薄片を備えた装置によシ送信又は受信
される電圧が高い周波数（通常２０ＫＨｚから２００Ｍ
Ｈｚの間の）の交流である場合に広い帯域内にある周波
数の同時処理に対しても、これが有用であることはいう
までもない。

全く説明の便宜上、そして本発明に制限を加える意図を
持つことなく、本発明の１つの実施例に関してあらゆる
点で満足すべきある仕様を仮定してみよう。

薄片１はその表面積がｃＩ２のオーダーで、厚さが約１
０ミクロンポリピロピレンの円形板状薄片である。

それは大気圧の２乃至３ミクロンの空気の層により平形
の電極から分離されている。

これらの条件のもとで、電圧限界■１及び■２はそれぞ
れ９００ボルト及び４０００ボルト程度であり、電圧Ｖ
は２５００ボルト程度である。

そしてそれは約５分間加えられ、そして約２分間加えら
れた電圧Ｖ′は次第９００ボルトまで増加し、そしてそ
れは１６００ボルト程度の電圧■。

（外部の分極用電源の極性反転の瞬間に達する。

）の最大値に相当し、そしてこの電圧■。

の最紙値である零になる。

円形板状薄片１の２つの面に注入される電荷の表面密度
は、その各極性の電荷ごとに３・１０−７クローン／ｃ
ｒ！程度である。

さらに一般的に言うと、各表面上の電荷密度は電荷の種
類ごとに５・１０−１０クローン／ｃｒ２より大きくな
ければならない。

もちろん、薄片に対して配置された気体層のイオン化に
より両方の極性の電荷とも薄片内に注入できる。

特に前記注入は電子銃又は正イオン銃により実施される
。

本発明による帯電した誘電体薄片が部分的な場合にはパ
イロ電気効果を利用した方が有利なこともある。

ある用途では、二重に帯電した誘電体薄片のだめの全電
界が全く零にならなり方が都合良いこともある。

そのような状態のもとでは、前記薄片を備えた変換器は
、同時に「静電」（導電電極の固有振動）及び「圧電」
（誘電体薄片の固有振動）というそれぞれ前記２つの現
象の場所であり、例えば、この電極と薄片との間に置か
れた特別の層の温度を変えて、薄片電極の少なくとも一
方からの波の伝播状態を変えることによシ、これら２つ
の現象にそれぞれ対応する２つの波の間の位相関係を変
調することは容易である。

このような原理は温度感知に応用することができる。

自明のように、そして前述の中に既に表わされているよ
うに、本発明はその用途の種類及び特定にえかかれた実
施例に何等限定されることなく、逆にそれはすべての改
修、特に誘電体薄片の両面の中の一面のみが同数の正及
び負の静電電荷で帯電されるものも包含している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による薄片状圧電効果装置を製造する工
程を示す説明図、第２図は本発明による薄片状圧電効果
装置の製造工程の完了時の状態を示す説明図である。 １・・・・・・円形板状誘電体薄片、２・・・・・・導
電体コア、４・・・・・・気体層、６・・・・・・直流
電源、７・・・・・・６と逆極性の直流電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 誘電体物質の薄片であって、少くともその一つの表
   面上ないし該表面の近傍において、互いに反対の極性の
   静電電荷が平衡した量ならびに分布をなすように捕獲さ
   れ担持されているため、前記表面の近くで前記静電電荷
   により生成される総合的な電界は実質的に零であり、前
   記薄片は、静電的効果を実質的に呈することなしに、前
   記薄片の外部的な分極の如何とは無関係に、前記静電電
   荷の結果としての圧電効果を呈することを特徴とする、
   圧電効果を有するエレクトレット装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のエレクトレット装置を
   製造する方法であって；そのイオン化電圧■１が前記薄
   片の絶縁破壊電圧ｖ２よリもけるかに小となるのに充分
   なほどに薄い気体層が少くとも部分的に介在するように
   して、２枚の導電体コアの間に前紀薄片を差込む工程と
   、前記イオン化電圧■１と前肥絶縁破壊電圧■２との間
   の出力電圧値■を有する直流電圧源の端子に前記２枚の
   コアをそれぞれ接続する工程と、さらに、前記２枚のコ
   アを前記薄片の等価電圧Ｖ。 （すなわち、帯電した前記薄片が作る電界に対して、前
   記導電体コアに印加されるべき電圧であって、帯電され
   た前記薄片とこの電圧とにより前記薄片を包囲する気体
   層内に生じる電界を零にする電圧）が零または零の近く
   になるまで、前冫雷圧値■とは逆極性の直流電圧源の端
   子に前記２枚の導電体−コアをそれぞれ接続する工程と
   を含み、その逆極性電圧の絶対値Ｖ′としては、■１−
   ＶｏＯ値が正ならば、Ｖ２＋Ｖｏよシ小さく、かつ、Ｖ
   １−Ｕｏよシ大きい値だけ、零からずれているように選
   択されることを特徴とする、圧電効果を有するエレクト
   レット装置の製造方法。