JPS58157183A - 圧電重合体材料からなるウエ−ハの作製方法及び圧電重合体変換器の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は重合体材料から圧電変換器を作製する方法に関
する・ 圧電性を有するポリ７ツ化ビニリデン（ＰＶＦ、）のよ
うな重合体材料から成るフィルムを提供するためには、
無極性固体＠友情性園体相に転換するためにフィルムを
かなりの長さに養佛すり方法が公知である。この湯のフ
ィルムが１つの寸法に沿つ【葺脅され、延伸整軸に対し
直角の方向に電界により分極される時、このフィルムは
高度に異方性の圧電性を示す。エツジが締めつけられた
プレートな有する圧電マイクロホンのようなデノ（イス
の場合、しばしば半径方向に対称的な圧電性を有するフ
ィルムを提供することが必要である。従って単軸延伸技
術により得られたフィルムエレメントはこの目的に最も
適したものではない。二輪延伸によるフィルムの平面の
異方性を減らすことが試ｌ゛ みられ【いる。

この方Ｓはフィルムが両方向に同じｌｉ度延伸される手
段を講じながらフィルムを最初に１方向に延伸し、次に
最初の方向に対し直角の方向に延伸する。しかし二輪延
伸されたフィルムの圧電性は２、つの延伸軸間に位置す
る方向で均一性を欠く。

特にヤング率は延伸軸により形成された角度を二分する
線に沿つ【最小値をとる。

これらの欠点な克服するため本発明はプレフォームを圧
縮させることによる圧電フィルムエレメントの作製方法
を提供し、圧−によりプレフォームの全ゆる方向への均
一な伸長が可能となる。

従って本発明の目的は均一な圧電性が１つの軸に関し測
定される時前記軸ＫＩＩＬ均一な圧電性を有する圧電重
合体材料から成るクエーノ１の作製方法を提供すること
である　前記ウェーハは、その横寸法を増やすことによ
り、及びこの面に対し直角に指向する電界による電気分
極により、少くとも１つのプレフォームから得られる０
本発明によると、相対的な間隔変化が圧縮軸から等距離
の所では同一である剛性面を有する２つの圧力プレート
間の＃記プレフォームの圧縮により伸長が生じる。

装置−の倫の４１１１は以下の説−と添付図面から明ら
かとなる。

纂１１１１は圧電性を獲得し得る重合体材料から成るフ
ィルムエレメントの等内園である。実施例とし【ポリ７
ツ化ビニリデン（ＰＶＦ、）がこの１的に適している。

ＰＶＦ、の構造は非晶質相に含まれる回転楕円状の結晶
流で構成されており、その巨視的機械的性質は等方性１
質の性質である。フィルムエレメント４は融解重合体か
ら得られる生成物に対応する椙であるα−相のＰＶＦ、
から威る。

フィルムエレメントの形としてはこのエレメントが受け
るべ龜作業により生じる一鳳的現象の解釈を害鳥にする
ため四角形が選ばれる。符号Ｏは。

正規直交軸の系がフィルムエレメントの側面に平行な方
向１　ａ　ｌ　、　ｌ　（ｘ’−ｘ、ｙ’−ｙ、　ｓ’
−５）Ｋ伸びているフィルムエレメントの幾何学的中心
を指す、＊つて前記エレメントは直六画体である０重合
体内に圧電効果を生起する従来からの手段はフィルムを
例えば矢印により示されるように軸！’−ｘに沿って１
方向に延伸し、同時であろうとなかろうと電界を軸ｓ’
−ＩＫ平行な方向でフィルムにかけることである。フィ
ルムの延伸の結果として伸長はこのフィルムの初期の長
さの数倍に達する。

適用された機械的応力のシステムは無極性α相から機械
的に及び電気的に配向された有価性β相への変換を生起
する。有効的であるためには伸長は不可逆的でなければ
ならず、５ｅｅ−とＴＯＯ＠の間でなければならない。

この伸長は引張り機械により或いは溶融及び再結晶と共
にカレンダ加工することにより得られる０両方の場合と
も引張り方向でのヤング率は他の２方向で測定された車
よりも高い値であり、伸縮性及び圧電性は強い異方性を
示す。従って７１１＆（ＩＮ軸ｘ’−ｘＫ沿って一定さ
れたヤング率Ｙ１は軸ｙ　−ｙ’に沿りて一定された率
Ｙ、の２倍であり、圧電係数’１１はｄ□の１０倍に＠
Ｌい。これは方向１及び２により限定された平面に措か
れた図表であるｗｉｇに示されており、方向３はこの平
ｉＩｉに対し直角に位置する。―線５は引張り方向に関
する角度０の場合の平面ｘＯｙ　で一定されたヤング率
Ｙｌの値を表わす。

Ｙ、−２Ｙ、であることが注回される。−線６は方向０
に関する圧電係数ｄ、−の値を表わす。

ｄ、、ｍ１ｏｄ、、であることが注醐される。

前記のように二軸延伸によりフィルムの平面での異方性
を減らずことが可能である。例えばフィルムが方向ＩＫ
延伸された後、延伸は同＠！［に方向２でもおこなわれ
る。従って機械的な圧電パラメータは１１３ｍ１１に示
されるように変えられる。これらのパラメータは２つの
延伸方向においてフィルムの平面に関して同一である。

しかしこれらは平面のこれら２つの軸間に含まれ、角度
０により表わされる方向に依存して−る。―繍１が示す
ヤング率Ｙ＃は＾→軸に沿クズ最大値をとｒ）、＄１記
軸により限定された角ｌ［ｖ部分する線に沿って最小値
をとる。反対に圧電係数４．＃は引張り方向で最小値を
と９．鎗記軸により限定された角度を部分する線に沿っ
て最大値をとる。平面の方向によるこれらの相対的な変
化は通常ｌＯ−に等しいか或いはそれ以下であり、この
ことは横毫−ドでの共振が生じない多くの適用に対し受
容される。

更に、二輪方向Ｋｉ６＊！ｂれたフィルムから無作為に
切取られたニレメンＦはフィルムのエツジ部分を除去す
る手段が取られたなら同様な挙動を示す。

二輪延伸技術の主な欠点は高い費用を要することである
。更に、フィルムの平面の半径方向対称性の欠除は非対
称的セクタでの振ｌｌＩ４−ドを増大させる効果を有し
ており、従って好會しくな一書生的な共振効果を生起す
る。

本特許出願で提案される変換方法は圧カプレート関の圧
縮により重合体材料から成るエレメントを平坦化するこ
とである０重合体の圧縮時に、圧力プレートの相対的な
間隔は圧纏軸の中心に位置し、圧力プレートに対し平行
な平面に位置する円上の全【の点で同じである。重合体
は平行な平向間で案内される不可逆的なりリープ変形の
過程を受ける。この強制されたクリープ変形又はいわゆ
る「鍛造Ｊ　（ｆｏｒｇｉｎｇ　）は５対１５の範囲内
での比率で鍛造されたニレメンＦの厚みを減らす温度と
圧力の範囲内でおこなわれ、従って同じ比率で表面積を
増加させる。

この方法がｐｖｒ、のような重合体に適用される場合、
Ｐ無極性α相から有極性β相への完全な転移が生じる。

鍛造されるエレメントの典瀝的な例は２．６傷の直径と
３編の厚みを有するディスクに似たプレフォームから成
る。ディスクはプレスのプレート関に配置され、このプ
レートは１００℃の温ｔ＋にまで加熱される。温度を平
衡させた後２０Ｔ／ｃ１１”の圧力が５分間ディスクに
適用される。

これはプレスプレートの毎分約ｌ鵡の初期の接近率に対
応する０作業の終りには得られたサンプルの厚みは約４
００ミクロンである。赤外線による分析はα相からβ相
への羨換が完全であることを示す、小さな角度での光拡
散により得られた生成物の形態の研究は重合体を構成す
る分子鎖は半径方向に配向されているということを示す
、皺方法は偏光された光ビームで重合体の小さな領域を
照射し、入射ビームの偏光方向と交差する分析器の出口
で得られる拡散の型を観察することである。

ビームがサンプルの中心を照射する場合　＊の方向の放
射状分布に特有な十字形の拡散瀝が観察される。ビーム
がサンプルのエツジに位置する領域を照射する場合拡散
型は反対に鎖の異方性分布の特徴を表わし、鎖の主要な
方向はサンプルの半径に従う。

前記方法により得られたサンプルはアル建ニウムの蒸見
により両面を金属処理される。これらの金属処理層は約
１ｏｏｏＸ　の厚みを有する。次に金属処理されたサン
プルは８０℃の温度Ｋｎで加熱され、１０　ｋＶの電圧
で分極される。これは２５０　ｋＶ／２の電界がかけら
れたことに対応する。電界は３０分間かけられ、温度は
更に３０分間室温に対応する値に戻される。電界は温度
が低下する間かけ続けられる。測定された圧電係数ｄ、
は約６　ｐｃ＠Ｎ”−’　　であり、この比較的低い値
はかけた電界が低い値を有するという事実により説明さ
れ得る。

同じ応力が前記サンプルＫｌｌされた場合１．５Ｍ　Ｖ
／　ｅ　ｍの電界により飽和分１ｉ（ｐ−６Ｘ１Ｇ−Ｉ
Ｃ’ｅｍ”）が得られるであろう。これらの条件下では
圧電係数ｄ□は約２５　ｐｃすｔ　ＩＫ達するであろう
。これは絶縁破壊による弧線の電位的危険性のため実際
には印加が困難な８０ｋＶのオーダの分極電圧な必費と
する。従つ【作製方法では鍛造作業を重合体のｔＬ製中
の電気分極作用と関連させることが好オしい。事＠　Ｐ
ＶＦ、重合体の場合α相からβ相への転移中かけられた
比較的弱い電界（約６００ｋＶ／ｅｎｉ）は電気配向さ
れたβ相を得るのに役立つ、この効果は、転移ｒｃ＆！
機械的及び電気的応力の２重の場においてβ相の再結晶
に追従し【α相の重合体の１ｌＩｌｌｉ！ｋが伴うとい
う事実によ、り説明されるｓ　ｐｖｙ。

の場合のようにこの技術は、ＸＯ乃至２２　ｐＣ＠Ｎ−
１０オーダの係数ｄ□が得られ、従つ【これは分極の飽
和への接近を示すため、４１に有効的であることが証明
された・ 第４ＷＪには本発明による圧電ウェーハの作製方法を実
行するためのデバイスを示す１つの作製の形が図示され
ている。この閣にはアースに接続され、加熱抵抗体１１
を介して電流を通すことによりプレフォームを加熱し得
る２枚の圧力プレート９．１０が図示されている０例え
ば円柱形でＰＶＦ、から成る重合体プレフォーム１４が
圧力プレート間に配置されている。与圧作業の前に例え
ば上のプレート９とディスク１４間に誘電体１２が挿入
される。実膣例として前記誘電体は重合体１４と接触し
、鋼で構成され得る金属逃場層１３でおおわれたエポキ
シガラスプレートから成る。

従って銅でコーティングされた面を有するこの誘電体は
プリント配線のエツチングに用いられる麿のものである
、金属層１３は高電圧＄１１！＄の片方のＩｋＫＩＩ絖
されており、他方の極はアースに接続されている。温度
と圧力適用の条件は前記のものと同じであり、電圧Ｖ−
５ｋＶが印加される。この方法によると金属処理層１３
と下のプレスプレート関に印加され得る電圧はエアギャ
ップの１センチメートルにつ＠　ｓ　ｏ　ｋｖである。

この条件は。

プレス作業中下のプレスプレートと電ｌ１１３のマスク
されていない部分間に存在するエアギャップ内でのアー
クの発生の危険性を回避するのに必ず必景とされる。こ
の電圧は重合体を飽和するまで分極させるには不充分で
ある。しかし重合体の圧縮が終了すると、電［ｉ１３と
プレスプレー）１０間に形成されたエアギャップは重合
体シリンダのＲ面積の増加により満たされ得る。このシ
リンダは電極１３０表面積全体上占め得１次に分極電圧
ハ同じ厚みのエアギャップの７ラツシエオーＩ（電圧を
越える値にまで増加され得る。

この方＠は重合体の同時変形及び分極はど有効的でない
変形後の分極方法Ｋｌｔ分約に＊Ｌい。より好ましい解
決方法は重合体シリンダと同時に同じ率でクリープ変形
し得る分極電極を提供することである。この方法は、逃
場される２つの重合体プレフォーム間に分極電Ｉｉｉ＆
繰入することにより同じ作業中２つの圧電ウエーノ・を
作１１ｊる場合特に有利である。この方法は同時プレス
及び電気分極用のデバイスを示す１４５図に図示されて
いる。

この図に見られるプレス機械は纂４図に示された機械と
岡じ瀝であり、アース電位に接続された剛性導電１ｉｌ
ｉを有する２枚の圧力プレート９及び１０により主に構
成されている。これらの圧力プレートは加熱抵抗体１１
システムにより加熱される。感層される重合体プレフォ
ーム１６及び１７は実施例としてシリンダの形状で与え
られており。

各々のシリンダの１つの面はプレートの１つと接触して
いる。ｔｌａ記プレフォームはプレート９及び１０によ
り騨された圧力の作用下でクリープ質溢され得る電極１
８により離間されている。電極１８は導電粒子の組込み
により導電性にされた重合体から成る。これらの粒子は
電極の容積の約２０−に相当する導電性カーボンブラン
クであり得る。直流電圧ゼネレータ１５は電極１８と圧
力プレート間に接続されている。電、極１８に対し鍛造
されるシリンダと正に同様に変形される重合体を選択す
ることにより、プレス時のサンプルに関する分極電極の
収縮と同様圧力プレートの１つと前記電極間の短絡をも
阻止することが可能である◎簡単な解決方法は電極の作
製のために選択された重合体はシリンダの重合体と同じ
型であり、従って例えばＰＶＦ、から成るようＫｊるこ
とである。

前記と同一作業条件下で作業中の２６　ｋＶの印加電圧
の場合、約２２　ｐＣ＠Ｎ＝の圧電係数が得られ、この
係数は得られた２つの圧電ウェーハの平面で均一である
。β相での双極子配列率の分析はこれが飽和に近い値で
あるＳＳ−に達するということを示す。

ＰＶＦ、重合体のβ相へのこの変換方法は鎖の放射状分
布を有する円形プレートの迅速な経済的な作製Ｋ特に適
している。この置のプレートは全体に、１９８１年８月
１１日に本出願人により出願された特許出願第８１．１
５１５０６号に記載のようにエツジが締付けられたプレ
ートが与えられた圧電マイクロホンのような回転対称性
を有する変換器の作業に適している。＃方法は又半径方
向対称性を［するバイモルフセルの作製を可能にするＯ
この場合変形し得る中間電極は、１９８１都１２月３１
日に本出願人により出願された特許出願第８１．２４５
６４号に記載されており、２枚の薄い１合体プレートの
互いの接着と、前記プレートの同時分極との両方な可＊
＠にする方法に従って得られる。

前記方法は１片方の表面が持上げられた部分を構成し、
他方の表面が中空部分を構成するように２つの補助モー
ルドにより作製された球形カップ又は溝付き表面のよう
な平らでない形の作製に首で適用され得る。この場合平
らなシリンダから出発することが可能である。＠６図及
び纂７図は作製方法の異なる段階を示す。＠６図は餉方
法の初期の段階を示す。重合体シリンダ２２及び２３は
平らであり、それらの回転軸は圧縮軸と合致し、ＩＩＬ
滝電圧電圧ゼネレータ１５０１端子に接続された中間電
極２４により分離されている。ゼネレータの他方の端子
は圧力ブレ−）１９及び２０と同じ電位にある。これら
のプレートは１１６図及び第７図の実施例に図示された
ように球形カップの形で目的物を作製するように意図さ
れた相補形を有する。前記実施例と同様これらの圧力プ
レートは加熱抵抗体２１により加熱され得る。ディスク
の形で選択されると有利であるシリンダ鵞２及び２３と
電極２４により構成されたスタックのプレスと同時分極
とは前の具体例と比較される条件下でおこなわれ　＠７
図に図示されたようなカップ形の生成物を得ることを可
能にする・ 本発明の全体的な理念には又分極電極により分−された
２つ以上の重合体プレフォームのスタックからの圧電変
換器の作製が金型れる。必要性があればこれらの電極は
２つのウェーハを一緒Ｋｍ着させるのに役立ち得る。そ
のような場合重合体シリンダが加熱される温度がスタッ
クの全てのレベルを通し均一であることが必要である、
本発明は特にポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦ、）　。

そのポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ　）やポリ
トリフルオルエチレン（ＰＴｒＦＥ）　　との共重合体
、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ　）で構成された
化合物のような有極性重合体に適している。

本発明は又パイ毫ルア重合体変換器の作製に用いられ得
る。本発明により平面又は曲線形を有するデバイスが得
られる。

これらの圧電重合体にこれらの重合体が作られた温度よ
りも高い温度で経時的に寸法安定性をもたせるため、更
に安定した圧電活性な保証するため、これらの圧電重合
体は２０分から１時間へ変化し得る待間間隔中１００℃
から１１０℃の範囲内の温度でプレスされなからアニー
ルされ得る。

その後の収縮は数パーセントのオーダであり、圧電活性
はｌＯ−から３０噂に減少するが、安定性。、ア＝−２
□０近傍。作業、ｌ□□１保江：゛る。

本発明はＩＩＩＩＫ電気音響学デバイスとバイモルフ変
換Ｉｍを含む圧電気とパイロ電気の全ゆる適用分野に関
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は重合体社料から成るフィルムエレメントの轡角
図、第２図及び１１３１１は説明図、第４図は本発明に
よる方法のｓ際的適用のためのデバイスの説明図−１１
５図は本発明による方法の実際的適用のためのデバイス
の別の具体例の説明図、第６図及び纂７図は本発明によ
る作製方法の異なる段階の説明図である。 ４・・・フィルムエレメント。 ９．１０・・・圧力プレート。 １１・・・加熱抵抗体、　　１３．１１・・電極、１４
．１６．１７・・・重合体プレフォーム、１５・・・ゼ
ネレータ。 代鳳人弁暑士今　　　村　　　　プ（

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）１つの軸に関し一定された圧電特性が鮪記軸に関
   し均一である圧電重合体材料から成るウェーハの作製方
   法であり、ｆＩＩＩ記ウェーハはその横寸法を増加させ
   ることにより及びその面に対し直角に向けられた電界に
   よる電気分極に工り少くとも１つのプレフォームから得
   られ、剛性面を有する２枚の圧力プレート間の前記プレ
   フォームの圧１１１９ｃより伸長が生じ。 これらの面では圧縮軸から等距離の所では相対的間−め
   変化が同一であることを特徴とする作製方法。 （ｓｌ）　　前記圧縮が熱い状態でおこなわれることを
   特徴とする特許請求の範■纂１項に記載り作製方法。 −鍵記圧纏と電気分極とが同時におこなわれることを特
   徴とする特許請求の範■第１項に記載の作製方法。 （４１ｍ記グレフオームはシリンダの形＃を有しており
   、シリンダの軸は圧縮軸に配置されていることを４１１
   黴とする′特許請求の範Ｓ謳１項に記載の作製方法。 四　鍵配分極は少くとも１つの分極電極により前記プレ
   フォームに適゛用されることを特徴とする特許請求の範
   １１１１１項に記載の作製方法・−−記電極はその電気
   的性質を保持しながら前記圧縮作業中！リーグ変形され
   得ることを特徴とする特許請求の範１１１１５項に記載
   の作製方法。 （〕）　　複数の圧電重合体ウエーノ・が分極電極によ
   り夏いから分離された対応数のプレフォームから岡じ作
   業中に作製されることを特徴とするｅ許ｍ求ｆ）ｆｌｌ
   、８ｔ／Ｍ１＊ＫＥ＊Ｉ）作製方法。 （８）　　＠配分極電極は８つの重合体フィルムエレメ
   ント間のバインダとして寄与しｔがらパイ七ルア羨換器
   の中間電極を構成すべく意図されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第６項に紀執り作製方法。 （９）　　前記圧力プレートは＃１記ウェー八を成形す
   るのに役立つことを特徴とする特許請求の範Ｓ第１項に
   記載の作製方法。 鱒　前記ウェーハは時間に関する鍵記りエーハの寸法安
   定性を確保するためアニール作業を受け【いることを特
   徴とする特許請求の範−第１項に記載の作製方法・ ａ麺　前記重合体材料はポリ７ツ化ビニリデンからなる
   ことを特徴とする特許請求の範１１１１１１項に記載の
   作製方法により作製された圧電変換器・