JPS61148044A - 誘電性フイルムとその製造方法 - Google Patents

誘電性フイルムとその製造方法

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JPS61148044A
JPS61148044A JP60257892A JP25789285A JPS61148044A JP S61148044 A JPS61148044 A JP S61148044A JP 60257892 A JP60257892 A JP 60257892A JP 25789285 A JP25789285 A JP 25789285A JP S61148044 A JPS61148044 A JP S61148044A
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tube
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

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】 本発明は電場ないし磁場のエネルギーを機械的エネルギ
ーに変換し、あるいは機械的エネルギーを電気的エネル
ギーに変換するための誘電性フィルムおよび該フィルム
の製造方法と本質的に該フィルムによって構成される装
置に関する。
従来、気泡または皺を有し、かつ最外層の平滑な１例え
ば導電性の層を有する多層フィルムが知られている。
しかしながらこれらのフィルムは包装材料として用いら
れるものであり、かなり厚い。そのため電気機械的手段
としての充分に薄い多層フィルムの要求は適切には実現
されていない。
本発明の目的は、種々の電気機械手段と測定ピックアッ
プとが実現される誘電性で弾性のフィルムを提供するこ
とを目的とする。
静電力と電磁力とが弾性フィルムにわたって出来るだけ
高く発揮されるためには、フィルム層が出来るだけ薄い
ことが必須である。静電力と電磁力とは電極と導線の間
の距離の２乗に逆比例する。
一方、プラスチックフィルムとその内部の気泡の破壊強
度は上記距離の減少に比例して増加する（Ｐａｓｈｅｎ
の法則）。
配向即ち、長手方向および幅方向の両方に発泡フィルム
を引張ることにより、該フィルムの厚さ方向に小さな（
低い）気泡を有する弾性物質を造ることができ、これに
より該気泡は平な円板形になる。
本発明の誘電性フィルムは主に、多孔構造の均質な弾性
フィルム層が２次元に引張られることにより配向され、
少なくとも部分的に一方の側あるいは両側が導電層で被
覆されていることを特徴とする。
このタイプのフィルムの厚さは、例えばｌＯ×１０″″
４ｍであり、その耐電圧力は１００　Ｘ　１０’　Ｖ／
　ｍである。該フィルムを横切る静電力は該フィルムを
横切って作用する電圧の２乗に直接に比例し、該フィル
ム層の両側に設けられた電流ループの引力は電流密度の
２乗に直接比例する。本発明のフィルムにおいては、圧
力、該フィルムの表面積と厚さ、電場の強さ、および電
圧のような物理量は次式によって互いに関係づけられる
。
ここでＡ＝フィルムの表面積、ｈ＝フィルムの厚さ、で
あり、他の量は物理学でよく知られているその記号が示
す量を表す。Ｅは次元Ｆ／ｍの誘電率である。第（１）
式に示されるように１本発明のフィルムは非常に多くの
異なった物理量に結びついている。該フィルムが電気的
測定回路の部分であるように組立てられるとき、異なっ
た変数間の種々の因果関係を該フィルムの助けでｌ！察
することができる。前述したフィルムの厚さにより、こ
れらのあるものは１０μｍのフィルム層、電圧１ｋＶで
１００ｋＮ／　ｒｒｒの力、および電流密度１０Ａの磁
場の助けで１００ｋＮ／　ｒｒｒの瞬間的な力を得る。
互いに幾つかのフィルム層を重ねることにより、移動距
離が増加される。
該この構造物は蓄電的ならびに誘導的であるので、電力
を最大可能な速度で最少の電力損失で構造物に供給する
ことができる。例えばポリプロピレンで該フィルムを製
造することにより、良好な機械的および電気的な性質が
達成され、フィルムの厚さ方向を除く他の方向（そこで
はフィルムが可能な最も高い弾性率を有する）における
高強度が達成される。該フィルムの弾性率は、その大き
さ、形状および気泡の数を調整することにより調整でき
る。このようにして、厚さ方向におけるフィルムの広い
共振範囲も調整される。この種のフィルムは、動作素子
としておよびＯ−１００Ｍ）ｌｚの周波数領域における
振動表面とし、複合して用いることができる。
本発明の誘電性フィルムの製造方法は、主に以下の工程
によって達成されることを特徴とする。
−発泡性であるように製造されたプラスチックがチュー
ブの形でプラスチック加工装置で押出され、気泡の効果
で製品中所望の密度が達成され、 −加熱されたチューブが所望の厚さと配向を得るように
２次元に引張られ、 −外表面がメタライズされ、該チューブがフィルムに なるように切開かれる。
前述の製法はフィルムブロー法と呼ばれる連続的な、主
にプラスチックフィルムの製造において用いられるもの
である。フィルムの複合化および動作素子の製造のため
にコンデンサー製造およびプリント配線の製造において
用いられる技術が適用される。
本発明に係るフィルム製造方法の他の好適な実施態様は
特許請求の範囲で述べられていることを特徴とする。
第１図において、本発明に係る誘電性フィルムのプラス
チックマトリックスＡはその両側が金属フィルムＢによ
って被覆されており、これは一体化されている。例えば
ポリエチレンによって造られる該プラスチックマトリッ
クスには、平偏に気泡Ｃが形成されており、これは該プ
ラスチックマトリックスに適用される２方向への配向工
程を通してその形状にされる。最終的なフィルム製品の
代表的な厚さは１０μｍである６ 第２ａ図に、本発明のフィルムで形成された構造物が示
されており、ここでは、静電力および電磁力の両方が同
一方向に作用する。フィルム１の両側には印刷されたリ
ード線２があり、接点Ｕ工、Ｕ２゜Ｕ３およびＵ４を通
過する電流（工、およびＩ、）は矢印で示すようにフィ
ルム層を横切る静電力および電磁力Ｆを生ずる。この方
Ｆは、フィルムの異なった側の電流が同一方向を有する
とき該構造を縮める力であり（第２ｂ図）、該電流が異
なった方向を有するとき該構造を拡げる力であり（第２
ｃ図）、これらの場合、素子Ｘの充電は放電される。
キャパシタンスとインダクタンスの両方はフィルムの厚
さの関数に従って逆比例に増加し、該構造の電気的な共
振はそれ故この厚さに殆んど直接に比例する。第２ｂ図
および第２Ｃ図に示すように、４極子の一端に定圧の直
流電圧を負荷することにより、該４極子の他端でフィル
ムの厚さの変化により生ずる電圧変化を測定することが
可能である。
該構造のキャパシタンスが充電された後には電流が流れ
ず、主に電場の助けで連続的な力と位置とが維持される
なら、これは種々の動作素子における利点である。この
ようにして電力消費は最少となる。この効果を達成する
ため多くの方法により、例えば直流あるいは交流電流に
より４極子が制御される。
動作素子においては動作量からのフィードバックを得る
ことがまた必要である。このことは例えばフィルムの制
御がなされるのと同一接点Ｕ、−Ｕい該構造のキャパシ
タンス、ＬＣ回路の時定数、共振周波数、制御電圧と共
に導入される周波数測定での電流と電圧間の位相変化を
測定することにより゛達成される。
キャパシタンスが変るとき、該構造の誘電要素間の電圧
も変る。電圧の変化に代えて入力電流の変化を測定して
もよい。該フィルム構造物が例えば可聴周波数や超音波
領域での音波を受信するために用いられているとき、こ
れらの方法を用いるのが有利である。
第３図は２つのフィルム層であり、一方が他方の上にあ
りリード線パターンが２つの等しい層の間に介在し、該
層の外表面が導電性被覆により導電化されているフィル
ム層の複合化された構造を示す。誘導性は流線３によっ
て示される途中に生ずる。電極とリード線とを形成し、
これらを該構造に接続することは、種々の異なった方法
により勿論可能である。該層は別々に制御でき、電極は
別々に制御されたブロックに分割できる。電場ないし磁
場によって生じた力を専ら利用できる。また電極がある
パターンをなすように電極を形成することも可能であり
、これにより該構造の変化が得られる。
第３ｂ図は、第３ａ図のフィルム要素４と等価回路およ
び該要素４の折畳みによる連続接続を示す。
第４図には、前述のタイプの異なった大きさの蓄電的お
よび誘電的な動作素子５からなる動作素子が示される。
該動作素子は、並列に、接続されて、あるいは全て独立
に電子ユニット６の助けで制御される。電子ユニット６
には、電子スイッチ、制御のためのトランジスターない
しサイリスター、小さなマイクロプロセッサ−が配置さ
れており、制御指令が直列接続７によって伝達される。
電子ユニット中の動作素子の制御は、例えば４つの独立
な主ブロックに分割されており、その制御によりＸｐ３
’および２方向の動作が達成される。供給電圧８は電解
コンデンサないし蓄電ユニット９に印加され、ここから
速いサージ電流が引き出される。
上記フィルム動作測定手順に基づくフィードバックの原
理により、動作素子が非常に正確に制御され、負荷変化
がまた自動的に補償される。素子５をｏｎ１０ｆｆ方式
で制御することは有利である。
電力損失は微々たるものであり、電子制御は単純である
。該動作素子は長いレバーアームを形成するので、微少
なかつ正確な動作が該アームの一端の素子を制御するこ
とにより達成される。慣性力もまた最少である。
例えば、半分の素子全部を素早く連続して制御５、制御
が、制御計部ぎゃ必要な制御エネ２．ギーを最少にする
ように、動作素子の基部から始まり適切な速度で端部に
向って進行させることにより、幅広い動作が達成される
。個々の素子の電荷が工程中で殆んど電力を消散させな
いで他の素子ないし電流源に伝達できることはこの種の
動作素子の非常に大きな利点である。
この種の動作素子は軽量であり、しかも強固である。構
造物の密度は１　ｋｇ／ｄｍ’であり、この物が立方体
の形状を有するとき、上記力は１ｋＮである。
該動作素子はその長手方向が約２ｃｍである。この種の
構造物に入力される瞬間的電力は、該構造物のインダク
タンスが最少にされるならば殆んど無限でありうる。
第５ａ図には、該フィルムから造られた運動および音波
作用を有する表面１０が示される。この種の該音響タペ
ストリー（ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｔａｐｅｓｔｒｙ）は壁
１１の表面に貼着され、拡声器やマイクロフォンとして
用いられる。該フィルムロール１２自体は振動源および
受信器として用いられうる。このような音響表面の制御
には、前述のフィードバック手段をフィルムの運動を測
定するために利用してもよい。
また、このようにして可能な最高の再生音質が達成され
る。上記方法によりフィルムの運動を測定ものへフィー
ドバック信号として用いることにより、ある周波数を反
射し、かつ他の周波数には柔軟な（反射しない）音響表
面を形成することが可能である。
第５ｂ図に示すように、該フィルムに作用する音圧も絶
縁層１４上に設置された圧電フィルム層１３によって測
定できる。その信号は増幅器１５によって増幅され、音
波作用を有する表面１０を制御する増幅器１６のための
フィードバック信号として用いられる。このようにして
、該表面に作用する音圧が制御音響信号１７に忠実に従
うように、音圧からのフィードバックが得られる。
もし、基準信号が零なら、該表面は完全に柔軟な表面の
ように働く、該回路は測定フィルム１３からもたらされ
る信号を常時零に保とうとするからである。この種の表
面はどんな音も反射せず、もし増幅器１６が選択的であ
れば、ある種の周波数の音のみが該表面から反射される
ことが理解される。
このような表面はコンサートホールで音を集めるため、
あるいは雑音を減衰させるために用いられる。
この種の音響表面の制御では、制御信号がその上下に変
る一定のバイアスが用いられなければならない。磁力は
、該構造物が例えば最外層のフィルム層を磁化すること
により予め磁化されなければ極小にされるべきである０
次に、該表面は豊富な強磁性粉の混合物を有するフィル
ムによって造られてもよい。この予めの磁化は、例えば
別のフィルム表面の回路を流れる連続した直流電流によ
って置き換えうる。可聴周波数領域に加えて、超音波領
域で上記手段は送信器および受信器として適用されうる
。例えば１００ｋＶ／　ｒｆのような非常に強力な超音
波パルスも該フィルム中に導入することができる。
第６図には、運動作用を有する要素１８の例えば並進波
動が２枚の板１９の間に起されるように３相電圧によっ
て制御され、それによって液体または気体の流体２０が
この波動によって汲み出されることが示されている。該
汲み出しの速度と量は振動の振幅と周期を調整すること
により調整できる。
運動作用を有する要素１８はまた管状に造られ、このよ
うな管系は液体の汲み出しに用いることができる。上記
波動を生ずる要素はまた、該波動の助けで流体中での運
動のための運動モーターとして用いることができる。
前述の応用に加えて、本発明のフィルムは、キャパシタ
ンスの変化に基づく測定に用いることができる。フィル
ムのキャパシタンスはその厚さに依存するので、フィル
ムのキャパシタンスに生じた変化の助けで外力の影響を
測定するための適用分野として、少なくとも圧力ビック
アップ、キーおよび押ボタン式機器が考慮される。フィ
ルムは、フィルムの気泡中のガスが温度に従って膨脹し
、フィルムのキャパシタンスが変るので、温度変化を記
録する素子としても同様に用いることができる。また、
所定温度での液体物質の蒸発が企図されよう。この現象
に基づき、このフィルムは温度測定装置や赤外線レーダ
や赤外線領域で作動する画像形成機器のように熱放射に
基づく装置に用いることができる。
このフィルムがポリテトラプルオロエチレンのような永
久的な蓄電性、分極性の材料から造られるとき、Ｑ＝Ｃ
Ｕというコンデンサーの法則に一致するフィルムの厚さ
の変化に応じた電圧が得られる装置を構成することが可
能となる。フィルムの充電量Ｑが一定であるとき、フィ
ルム厚さの変化によって起るキャパシタンスの変化は直
接に該フィルムを横切って作用する電圧に変換される。
それ故、このフィルムでトランスを構成することができ
名、そのトランスでは一次フイルムは振動の助けでエネ
ルギーを二次フィルムに伝達する。
例えば、パラメータートランスでは二次フィルムはイン
ダクタンスとともに共振回路を形成し、そのなかへ−次
フイルムがエネルギーを汲み込む。
このことはパラメーター・アンブリファイア−技術から
分かる。
フィルムに生じる局所変化は、フィルムの局所変化が例
えばインピーダンスの測定によりフィルムの側縁に引き
起され、または記録されるマトリックスポードとしてフ
ィルムを形成することにより確認される。該マトリック
スポードは、それ故、例えば該マトリックスを使用する
コンピューターのためのそれ自身の意味とコードを有す
る独立にアドレスされることのできる要素で構成するこ
とができる。この一つの例は既に述べた押しボタン式機
器である。他の重要な応用は、フィルム中のガスが交流
電圧の助けでイオン化される時に得られ、これによりフ
ィルムマトリックスが画像形成のための画像マトリック
ス機器に用いられることができることである。
第７図に、本発明に係るフィルムの製造方法の手順が概
略的に示される。該方法は２つの工程を含む連続的な方
法である。
プラスチックマトリックスに気泡を形成すること、すな
わちプラスチックの発泡は、２つの異なった方法により
達成されることができる。いわゆる化学的発泡と呼ばれ
るものにおいては、発泡剤がプラスチックに混入され加
熱下で例えば窒素の気泡を形成する。いわゆるガス注入
技術と呼ばれるものにおいては、例えばフレオンガスが
プラスチック押出機に圧入され、押出機外部で圧力が減
少したときガスが空孔即ち気泡を拡げる。
第７図においては、プラスチック押出機のノズルは参照
番号２１によって示され、ガスはガス注入法により矢印
２２において押し込まれる。最初の製造工程において、
プラスチック押出機から肉厚が約０．４＋ａｍのチュー
ブ２３が押出され、直径約１０μｍの丸い気泡が１０μ
ｍ間隙で形成される。チューブの肉厚と等しい距離にお
りかさなって約２０個の気泡が存在する。プラスチック
の成形性は結晶度の増加とともに向上する。この理由に
より、押出されたプラスチックは結晶化を促進するため
適当な方法、現時点では冷却部材２４の助けでプラスチ
ックを冷却することにより、熱処理される。けん引手段
２５はチューブのためのコンベアとして働く、図示され
るけん引手段によって達成されるチューブの平偏化は必
須のものではない。第７図の製造方法において、ノズル
２８からの空気の吹出しは工程全体を通して行きわたる
。
上記方法の第２工程は加熱器２６でチューブを加熱する
ことにより始まり、その後チューブは２軸方向に配向さ
れ、チューブ２７を横断方向へ約５倍に、かつ長手方向
にチューブ２３の寸法の約８倍に吹出されかつ引張られ
ることにより所望の肉厚を付与され、これによりこの肉
厚が約１０μｍになる。
吹出しのための空気ないしガスはノズル２８から導入さ
れ加熱されたチューブを膨脹するに足りる圧力を供給す
る。
は引張られ破断せずに薄くなる。引張により平偏化され
た気泡は約０．２５μｍの高さであり、８０μｍの長さ
、および５０μｍの幅である。気泡に付加された理論上
の耐電圧強度は１６０ＯＶ程度であり、マトリックス材
料のそれは２５００Ｖであり、従って１０μｍフィルム
で１００ＯＶ　ＤＣ／ＡＣの寛容度（耐性）は容易に達
成される。
全てのタイプのプラスチックがチューブ２３の途中での
冷却や再加熱を必要とするわけではないことに注意すべ
きである。上記加熱処理の目的は結晶化の程度を増すた
めであり、充分な高温が確保されるならば、押出しに続
く移送の間に充分な結晶化を受けたプラスチックは直接
拡張される。
最後に、該フィルムは導電層によって被覆されるように
リールに巻取られ、これ（被覆）を行う方法は真空蒸着
、スパッタリングあるいは機械的なプレスである。また
、多層フィルムであって、その最外層が導電性プラスチ
ックでチューブ２３が形成される工程で既に発泡化され
ているマトリックスのプラスチックに結合されている製
造法が考慮されよう。被覆は本発明のフィルムの機能を
達成するために必要であることに加えて、それはガスの
逸散を防止する効果的な手段としてもまた有用である。
本発明の種々の実施態様は、前述の実施例に限定されな
いこと、およびそれらは特許請求の範囲内で修正改良し
得ることは当業者にとって明らかである。例えばフィル
ム製造における主要要素はマトリックス材料については
多くの熱可塑性樹脂、充填気泡については多くのガスか
ら成る。
種々の多層フィルムの形でフィルムを製造することも可
能であり、特に薄いフィルムは、フィルムが被覆される
前にフィルムのマトリックスに含まれていた液体をフィ
ルムから蒸発させることにより得られ、この方法で極め
て小さい気泡が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係るフィルムの基本的な構造を示す断
面図、第２ａ図〜第２ｃ図は本発明の実施例に係る複合
構造物における電圧と電極の配置を示す説明図、第３ａ
図および第３ｂ図は本発明の第２実施例に係り、複合的
、蓄電的および誘導的構造物の形成を示す説明図、第４
図は本発明の第３実施例に係り、運動素子の形成を示す
説明図、第５ａ図および第５ｂ図は本発明の第４実施例
に係り、音響作用を有する表面の形成を示す説明図、第
６図は並進波運動を有する本発明の第５実施例を示す説
明図、第７図は本発明に係るフィルムの製造方法を示す
説明図である。 図中、１・・・フィルム、２・・・リード線、３・・・
流線、４・・・フィルム要素、５・・・動作素子、６・
・・電子ユニット、７・・・直列接続、８・・・供給電
圧、９・・・蓄電ユニット。 ＩＯ・・・表面、１１・・・壁、１２・・・フィルムロ
ール、１３・・・圧電フィルム層、１４・・・縁線層、
１５．１６・・・増幅器、１８・・・要素、１９・・・
板、２０・・・流体、２３．２７・・・チューブ、２４
・・・冷却部材、２５・・・けん引手段、２６・・・加
熱器、２８・１．ノズル、１７・・・制御音響信号。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、多孔構造の均質な弾性フィルム層が２次元に引張ら
    れることにより配向され、少なくとも部分的に一方の側
    あるいは両側が導電層で被覆されていることを特徴とす
    る電場ないし磁場のエネルギーを機械的エネルギーに変
    換し、あるいは機械的エネルギーを電気的エネルギーに
    変換するための誘電性フィルム。 ２、特許請求の範囲第１項のフィルムであって、上記フ
    ィルム層が本質的に小空胞で満たされた多孔構造の発泡
    プラスチックから形成されているもの。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項のフィルムであ
    って、幾層かのフィルムが結合され、フィルム要素が有
    効運動距離を長くするように形成されているもの。 ４、特許請求の範囲第１項または第３項のフィルムであ
    り、フィルムが４極電流供給体および要素の電気的性質
    を測定しフィルム素子を制御する制御部材のためにフィ
    ードバック信号を発生するための測定用接続点を含むも
    の。 ５、特許請求の範囲第４項のフィルムであって、フィル
    ムの表面に圧電フィルムが装着され、表面に対する圧力
    に応じてそこから得られた信号が素子の制御に用いられ
    ている制御部材のためにフィードバック信号として用い
    られているもの。 ６、特許請求の範囲第４項または第５項のフィルムであ
    って、フィルムを制御する制御部材がフィードバック接
    続された演算増幅器（オペアンプ）を含む。 ７、特許請求の範囲第６項のフィルムであり、制御部材
    として用いられる演算増幅器が周波数に対して選択的で
    あるように接続されているもの。 ８、特許請求の範囲第２項〜第７項のいずれか１つのフ
    ィルムであって、フィルム中の気泡がイオン化性ガスで
    充満されており、フィルムの導電性表面層にリード線パ
    ターンに一致する表面領域を形成するため別々に制御し
    うる独立にアドレスされ得ることのできる要素が形成さ
    れているもの。 ９、特許請求の範囲第８項のフィルムであって、フィル
    ムのリード線パターンが透明な導電性プラスチックから
    形成されているもの。 １０、特許請求の範囲第２項から第７項のいずれか１つ
    のフィルムであり、フィルムの表面層がキーボード技術
    、独立にアドレスされることのできる要素であって、変
    形が個々に記憶できるものにおいて知られている方法に
    より製造されるもの。 １１、特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかの項に
    記載の誘電性フィルムであって、別々に制御されるフィ
    ルム要素と流体（２０）を汲み込む装置または流体内を
    動く装置であって、要素の運動が分けられた電極（ＲＳ
    Ｔ）の助けよって制御されるものとから装置（１８）が
    構成され、電極は多相電圧および／または電流を印加さ
    れ、汲み込みまたは運動が電圧および／または電流の振
    幅および／または周波数の制御によって制御されること
    を特徴とするもの。 １２、誘電性フィルムの製造方法であって、次の段階： −発泡可能に製造されたプラスチックをプラスチック加
    工機でチューブ状（２３）に押し出し、その際に発泡ガ
    スにより製品を通じて所望の密度になるように多孔性に
    すること； −加熱されたチューブ（２７）を所望の肉圧と厚さと配
    向を得るために２次元に膨脹させること；−外表面をメ
    タライズし、チューブをフィルムとなるように切り開く
    こと からなることを特徴とする方法。 １３、特許請求の範囲第１２項に記載の誘電性フィルム
    の製造法であって、プラスチックが製造工程で実質的に
    小空胞で満たされた構造を得るように膨脹させられるこ
    とを特徴とする方法。 １４、特許請求の範囲第１２項または第１３項のいずれ
    かの項に記載の誘電性フィルムの製造方法であって、押
    し出しの後で、チューブ（２３）を中間冷却（２４）に
    処し、その後膨脹（２７）前に再び加熱することを特徴
    とする方法。 １５、特許請求の範囲第１２、１３または１４項に記載
    の誘電性フィルムの製造方法であって、外表面のメタラ
    イジングが所定のパターンになるように選択的に行われ
    ることを特徴とする方法。
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