JPS58500879A - 安定な正電荷を有するエレクトレツト - 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】 安定な正電荷を有するエレクトレット 本発明は内部に正電荷を有し、電荷安定度の良好なエレクトレットの製造法、な らひにこのエレクトレットで作られたデバイスに関する。

エレクトレットは少なくとも材料の一部分、あるいはその上に正味の電荷を有す る誘電体材料である。エレクトレットは電気分極（即ち、等しい数の正電荷と負 電荷とが距離全へだでて分離さ−れていること）を有するものと定義されること が多いとは云え、従来において使用されているような術語では正味の正、あるい は負の電荷を有する誘電体材料をも含むものである。ポリテトラフルオロエチレ ン（ＰＴＦＥ）あるいは弗素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）のような弗素化重 合体材料で作られている場合には、エレクトレットはマイクロホン、イヤーホン 、スピーカなどの電気機械系のトランスデユーサとして使われることが多い。（ 固体重合化ＣＦ２　に対するイー・アイ・デュポン社（Ｅ、　１．　Ｄｕｐｏｎ ｔ　Ｃｏｍｐａｎｙ　）の登録商標であるテフロンでは、−周期にわたシ表面電 荷を相当程度の高い値に保持しておく能力を有するために、エレクトレットを作 るための一般的なＰＴＦＥ材料である。）エレクトレット材料を帯電させるだめ のひとつの典型的な方法はコロナ放電技術によるものであシ、この方法ではイオ ン化したガスが帯電されているテフロンに対してひとつの電極を形成するもので ある。例えば、米国特許第３，７０２，４９３号を参照されたい。本方法ならび に浸透してゆくイオンあるいは電子ビーム電荷の注入を含む他の方法により、材 料の内部に過剰電荷を達成できる。さらに、従来技法により表面電荷をエレクト レットに対して加えることができる。反対側の表面の電荷は同一極性であっても 、あるいは逆極性のものであってかまわない。

従来技術においては、エレクトレットをコロナイオン化過程による様にして帯電 した時に、エレクトレット上の電荷安定度は高温で帯電することにより改善され ることは認められている。例えば、ジャーナル　オブ　エレクトロスタテイクス （Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ　）、第６巻、３７３ 〜３７９ページ（１９７９）において、ニス・ニス・バムジー（Ｓ、　Ｓ、　Ｂ ａｍｊｉ　）らによる“高温におけるコロナ帯電した重合体エレクトレット”（ ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｅｔｓ　Ｃｏｒｏｎａ−Ｃｈａｒｇｅｄ　ａｔ　Ｈ ｉｇｈ　Ｔｏｍｐｅｒａｔｕｒｅ　）を参照されたい。しかしながら、テフロン において、安定した内部電荷を生成するためには、従来技術では負電荷を材料に 導入することのみが知られるものであった。正の内部電荷は、テフロン材料にお いて本質的に不安定であると広く信じられてきた。例えば、ジェイ、ヴイ、ター ：／　ハ”／　ト（Ｊ、　Ｖ、　Ｔｕｒｎｈｏｕｔ　）著“重合体エレクトレッ トの熱刺激による放電”（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ　Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｄｉｓ ｃｈａｒｇｅＯｆ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｅｔｓ　）エルセヴイア　パ プリッシャーズ（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ　）、−アームスチ ルダム（Ａｍｓ　ｔｅ　ｒｄａｍ　）、オツクスフイードとニューヨーク（Ｏｘ ｆｏｒｄ　ａｎｄ　ＮｅｗＹｏｒｋ）、（１９７５）における２６７〜２６８ペ ージを参照されたい。その文献に記載されているように、テフロン中の正の電荷 の移動度がはるかに高いものであると観察されているので、負に帯電したテフロ ンのエレクトレットよりも本質的に安定ではない正の内部帯電をしたテフロンが できるものと従来から信じられていた。弗素原子は電子的に非常に強く負である ため、テフロン中の深いエネルギ捕獲準位に電子がより安定に捕獲できるもので あるとの信念に部分的にはよるものである。

しかしながら、安定な正の内部電荷を有するエレクトレットを得ることもきわめ て望ましいことである。これにより、電子機械系トランスデユーサ、静電モータ 、−静、電空気沢過器などておける新旧用が可能になる。特に、静電素子が正電 荷と負電荷との両方を含むものであれば、プッシュプル形静電ヘッドホンの設計 は簡易化される。

正に帯電されたエレクトレットのきわめて低い内部電荷安定度を克服するため、 安定な表面電荷を得るための試みが依頼されている。例えば、表面が平行に縁取 シされているならば、エレクトレット上によ多安定に正の表面電荷を生成するこ とができることが見出されている。例えば、ワイ、ワダ（Ｙ、　Ｗａｄａ　）　 らによ、り編集された“チャージストーレッジ、チャージトランスポート、アン ドエレクトロスタテツクス　ウィズ　ゼエア　アプリケーション”（Ｃｈａｒｇ ｅ　Ｓｔｏｒａｇｅ、Ｃｈａｒｇｅ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ、ＡｎｄＥｌｅｃｔｒ ｏｓｔａｔｉｃｓ　Ｗｉｔｈ　Ｔｈｅｉｒ　ＡｐｐｌｉｃａｔｉＯｎｓ　）　（ １９７９）の１２８〜１３２ページにおいてニス、タムラ（Ｓ、　Ｔａｍｕｒａ 　）らによる“プレート　エレクトレット　アンド　ゼエアユース　イン　コン デンサ　タイプ　ヘッドホンズ（Ｐｌａｔｅ　Ｅｌｅｃｔｒｅｔｓ　Ａｎｄ　Ｔ ｈｅｉｒ　Ｕｓｅ　Ｉｎ　Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ＴｙｐｅＨｅａｄｐｈｏｎｅｓ 　）を参照されたい。表面の捕獲準位が内部の捕獲準位とは異なっているため、 表面帯電技術によれば、材料の内部における正の電荷の移動度が高いと云う問題 を避けることができる。

しかしながら、表面電荷はテフロン材料において典型的には約４ミクロンの深さ に制限されている。強い静電荷を得ると共に新しいデバイス構成が許されるため には、材料に安定な内部正電荷を与えることができることは望ましいことであろ う。

本発明によれば、ポリフルオロエチレンプロピレン（ＦＥＰ）とポリテトラフル オロエチレン（ＰＴＦＥ）とを含むエレクトレット材料は安定な内部正電荷を得 ることができる方法である。この方法においては、正の電荷を注入することによ り材料を帯電させている。典型的には、材料を正のコロナ放電、（あるいは部分 的に浸透してゆく正の他の帯電イオン源に露すことによりこれが実施される。帯 電は高温、典型的には少なくとも摂氏１００度であるが、テフロン材料の融点よ りも低い温度で実施される。この技術により生成された内部電荷は事実上、材料 表面より内部に存在する。すなわち、電荷の平均の深さは表面より内部に４ミク ロンよりも大きい。付随的に１従来の帯電技術は材料上で表面電荷を得るのに使 用できる。負の内部電荷領域も材料の複数部分において得ることができる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明を実現するのに使用するための典型的なコロナ帯電装置を示す。

第２図は正に帯電したＰＴＦＥＯ熱刺激による放電曲線を示す。

第３図は正に帯電したＦＥＰＯ熱刺激による放電曲線を示す。

第４図は正に帯電したＦＥＰＯ熱刺激による放電曲線を示し、第４図においては 実効帯電時間が示されている。

次の詳細な説明は安定な、正のバルク電荷を有するテフロンエレクトレットを得 るための方法に関する。

議題に関する上記教義と対比して、典型的には摂氏１００度を越える温度におい て帯電を実行することにより、安定で正に帯電したバルク電荷を有するエレクト レットが可能である。従来技術によるコロナ帯電技術、あるいは他の電荷注入技 術は、正の電荷を発生させるために利用することができる。第１の実施例におい てホ、第１図に示すように、コロナ帯電装置により正の電荷を発生している。コ ロナ針１１は典型的には接地点に対して数キロボルトの電圧に保たれている電位 源１２の正側に接続しである。電位源１４により接地点に対して正電位に制御格 子１３が置かれている。これはエレクトレット試料１５の電荷注入を制御するた めに使用され、エレクトレット試料１５は接地された金属層１６に接触している 。電位源１４は典型的には接地点に対して正に数百ボルトのオーダの値である。

例えば、米国特許第３，７０５゜３１２号に開示されているように、他の帯電装 置を使用することができる。

次の実例によってさらに完全に説明されているように、典型的に摂氏１００度を 越える高温度において帯電が行われている時には、正に帯電したバルク電荷を有 するＦＥＰならびにＰＴＦＥ材料の安定度が大幅に改善されることが開示されて いる。

第１の実例 第２図に示すように、２５マイクロメータの厚さを有するＰＴＦＥ試料を種々の 温度Ｔｃ　に対して６０秒の期間だけ上記装置によシ帯電した。正の電位源１２ は接地点から１２．５キロボルトの電圧を生ずるものであったが、電位源１４は 格子１３上で接地点に対して正に５００ボルトの電圧を生ずるものであった。帯 電したエレクトレットの表面電位は接地点に対して決定されたものであシ、第２ 図の曲線によシ示されている。熱刺激による放電（ＴＳＤ）の測定は、長期間安 定度を計算するだめの公知の技術である。アレニウス（Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ　） の関係は内部の電流に対して成立つものと仮定され、捕獲電荷の活性化エネルギ は寿命を計算するのに使用されるように決定される。例えば、摂氏１００度にお いて帯電した試料は乾燥雰囲気中において摂氏２０度において２００年を越える 計算寿命を示すが、摂氏１５０度を越える温度ではＴＳＤ曲線が下降遮断特性を 示し始める。摂氏２００度において帯電された試料は乾燥雰囲気中で摂氏２０度 においては’ｆ２Ｘ１０’年の寿命を示すが、はｙ摂氏１７５度を越える温度で ＴＳＤ−曲線は下降遮断をする。

第２の実例 ２５マイクロメータの厚さを有するテフロンＦＥＰ（市販グレードのＦＥＰ−Ａ ）の試料を上記実施例に記載したのと同条件のもとて上記装置を使って帯電した 。

ＴＳＤの測定結果を第３図に示す。室温（Ｔｃ−摂氏２０度）の帯電温度に対す る曲線は乾燥雰囲気中で摂氏２０度においてわずかにはソ１日の寿命を示すが、 はソ摂氏３０度以上の温度においては事実上、下降遮断特性を示す。いっぽう、 事実上、摂氏１００度で帯電された試料は改良された長期安定度を示し、はソ摂 氏６０度を越える温度で最初の下降遮断特性を示すが、はソ摂氏１４０度を越え る温度で第２の下降遮断が起るまで事実上電荷を保持するものである。摂氏１５ ０度で帯電した試料に対する曲線ははソ１６０年の長期安定度を示し、長期間に わたってさらに高レベルを保持している−ことを示すものであり、１００度の試 料とはソ同一の温度で下降遮断し始める。ＦＥＰ試料に対する摂氏１５０度にお ける帯電時間の効果を第４図に示す。２５マイクロメータの厚さを有する試料は １５．３０．６０、ならびに１２０秒にわたって帯電し、得られたＴＳＤ曲線を プロットした。これらの試料に対して、はｙ６０秒の帯電時間が最適であったと 判定することができる。さらに厚い試料では典型的に長い最適帯電時間を必要と するが、さらに薄い試料では典型的に短い最適帯電時間を必要とすることが期待 されている。

初期の教義に反して、安定に正に帯電したバルク電荷を有するテフロンのエレク トレットが生成できることを上の実例は示している。エレクトレットがバルク電 荷を有すること、すなわち電荷が事実上表面の内部に存在することを証明するた めに、コリンズ（Ｃｏ１１ｉｎｅ　）により開発された熱パルス技術を使用して 捕獲された電荷の位置を決定した。アプライド　フィジックス　レターズ（Ａｐ ｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｊｔｅｒｓ　）　、第２６巻（１９７５）の ６７５〜６７７ページにおいてアール、イー、コリンズ（ｆｔ、　Ｅ、　Ｃｏｌ 　ｌ　ｉｎｅ　）による“ディストリビュション　オブチャージ　イン　エレク トレット″（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆＣｈａｒｇｅ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔ ｒｅｔｓ　）を参照されたい。上記第１および第２の実例においては、正の電荷 の平均の深さははソ試料の中央にあることが見出されたが、これは正の電荷が試 料の内部を貫通して分布していることを示すものである。上記の様に、表面電荷 、すなわち表面からはソイマイクロメータより浅い点において捕獲された電荷も 、成る程度の電荷安定度を有して生成できるものであることが知られている。斯 くして、上記バルク電荷を有する形の試料も公知の技術により印加された正、捷 たは負の表面電荷を具備することができる。

上記試料はコロナ放電技術により帯電させた。摂氏１００〜１５０度における正 電荷の捕獲事象間の平均自由行程は試料の厚さよりも大きく、電荷のはソ１／３ が試料に捕獲され、残りは試料を貫通して浸透して行った。

１億電子ボルトのオーダのビーム運動エネルギを有するイオンビームを使って同 様な電荷分布を形成することができる。ここに使用したように、“″部分的に浸 透してゆくイオンビーム′°と云う術語は、表面から４マイクロメータより大き な深さの点でテフロン材料にかなりの量の正電、荷を注入するだめのイオンビー ムを意味するものである。それは前記ビームによる表面帯電を可能にすることを 否定するものではない、あるいは、試料ならびにその出口を通ってかなりの量の イオンが浸透してゆく可能性を否定するものでもない。さらに上記温度へ加熱す れば、電荷が最初に試料の内部に捕獲された場所に関係せず、試料の内部を通っ て捕獲電荷がさらに一様に分布する傾向を示すであろう。斯くして、電荷を４マ イクロメータよりも浅い深さにまで注入すると共に、４マイクロメータよりも大 きな深さに内部電荷を分布させるだめの十分な時間にわたって加熱することによ り帯電を実施することができる。

上記試料の安定度は負にコロナ帯電して作った試料とはｙ同程度に良好である。

例えば、従来技術の研究によれば、摂氏１５０度の帯電温度においてＦＥＰは数 千年の典型的電荷安定度計算値を有する。ＴＳＤ測定に基づいた上記安定度計算 値は真空中あるいは乾燥雰囲気中に保存されたテフロン試料に対して適用可能で あり、大気を通してイオン、あるいは他の荷電粒子の通過は最低に抑えられてい る。事実、湿度ならびに空気を通してのイオン交換ゆえに実際の電荷保持時間は 計算値より少ないであろう。しかしながら、典型的には負に帯電したエレクトレ ットのみを備えて以前に得られたものと同程度に非常に安定度の高い、正に帯電 した内部電荷を有するテフロンを作ることができることを示すのに計算をするこ とは有用である。電荷安定度の有用な測度は内部の正電荷の電荷減衰率の時定数 である。これは、内部の正電荷による材料の等側表面電位がその初期値の１／ｅ 　Ｋまで下降する時間として定義されている。上記実１例に対しで、乾燥雰囲気 中で摂氏２０度において１００年を越える時定数を有する材料が十分に高い帯電 温度において得られている。

正に帯電したテフロンを得るだめの能力は、新しい、改良型のトランスデユーサ 、モータ、空気ｐ過器などの設計を可能にするものである。例えば、エレクトレ ットモータを設計することができるが、これによって正と負との電荷がエレクト レットアーマチュアの異端に存在する。正と負との電荷が交互に存在する領域を 得るためには、部分的に浸透してゆくイオンまたは電子のビームを採用して上記 のような分極を達成することができるが、あるいは、コロナ放電を採用して逆の 分極を必要としないものとすることもできる。上記技術によって作られたテフロ ン素子を使用すれば、数々の他の構成が可能である。さらに、従来技術において は正に帯電したイオンと粒子とを大気から除去するために、負に帯電したテフロ ン素子を空気ｒ過器として使用した。本発明の技術を使えば、負に帯電したイオ ンと粒子とを大気から除去するのに静電形の空気沢過器を採用することができる 。トランスデユーサ応用に使用される場合には、典型的には素子の寿命期間全体 にわたってテフロン材料上へ少なくとも１００ボルトの等側表面電位を得るため に、電荷の注入と加熱とを行っている。これは、２５マイクロメータの厚さを有 するテフロン試料に対して少なくとも７４６×１０−９クーロン／ｄの等側表面 電荷密度に相当する。例えば、素子の代表的な寿命は２０年を越えるものとする ことができる。

上記実施例は正て帯電されたエレクトレットの高電荷安定性に重点を置いてきた が、エレクトレットの放電を制御するのが望捷しい場合もある。例えば、医療応 用においては、放電速度が制御されている負に帯電したエレクトレット式絆創膏 は、成る種の傷を治癒する目的を有すると信じられている負の電荷を放射するも のと信じられている。正に帯電したテフロンの絆創膏の使用は他の成る種の医療 に対して有用であり、制御された放電速度で正の電荷を放射することが望ましい ものである。これらの使用に対して、静電形の素子は高い電荷安定度を必要とす る使用に関係するような高い温度では帯電されないであろう。ＴＳＤ曲線を使用 することにより、希望する期間にわたり正の電荷放射を希望する程度に得るため に適当な帯電温度を見出すことができるであろう。ここに使用したような′°高 温度“と云う術語は、正の電荷にテフロンエレクトレットを帯電する時には、事 実上、室温（摂氏２０度）を越えた温度を意味するものであり、これにより最大 電荷安定度か、中間の電荷安定度かの希望する結果を得るために本発明の教義を 採用している。

従来技術を進歩せしめている上記教義を介して、すべての斯かる変化は本発明の 精神と範囲とを越えるものではないと考えられる。

ＦＩＧ、／ 温度（℃）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　ポリフルオロエチレンプロピレンとポリテトラフルオロエチレンとから成 る群から選択された材料の少なくとも一部分に正の電荷を注入することによりエ レクトレットを帯電させるだめの方法であって、前記材料の表面から４マイクロ メータより大きな深さにおいて該材料の内部に存在する注入された正の電荷の電 荷安定性を増加させるだめの注入期間に該材料を高温度に加熱する ことを特徴とした方法。 ２、請求の範囲第１項記載の方法であって、前記温度が少なくとも摂氏１００度 であることを特徴とした方法。 前記注入がコロナ放電により実施されたものであることを特徴とした方法。 ４、請求の範囲第１項、あるいは第２項記載の方法であって、 部分的に浸透してゆくイオンビームにより前記注入が夕を越えた平均の深さにま で注入されていることを特徴とした方法。 ５、請求の範囲前記各項のいずれかひとつに記載の方法であって、前記材料の負 に帯電した部分を有し、これによって少なく′ともひとつの正に帯電した内部領 域と少なくともひとつの負に帯電しだ内部領域とが前記材料の中に存続する ことを特章とした方法。 ６、請求の範囲第１項記載の方法であって、表面電荷を前記材料に加えることを 特徴とした方法。 ７、請求の範囲第１項記載の方法であって、前記注入が一定温度で行われ、 これによって摂氏２０度における前記材料の内部正電荷の電荷減衰率の時定数が 乾燥雰囲気中で１００１年を越えるものである ことを特徴とした方法。 ８、請求の範囲前記各項のいずれかひとつに記載の方法により帯電したエレクト レット。 ９、ポリフルオロエチレンプロピレンとポリテトラフルオロエチレンとから成る 群から選択された材料から成るエレクトレットであって、 摂氏２０度における前記材料において４マイクロメータより大きな深さに存在す る内部正電荷の電荷減衰率の２０時定数が乾燥雰囲気中で１００年を越えるもの であることを特徴としたエレクトレット。 １０　請求の範囲第９項記載のエレクトレットであって、１００ボルトよりも大 きな内部正電荷により前記材料が等側表面電位を有するものである ことを特徴としたエレクトレット。