DE2719880A1

DE2719880A1 - Vorrichtung zum polen von filmen aus pyroelektrischem und piezoelektrischem material

Info

Publication number: DE2719880A1
Application number: DE19772719880
Authority: DE
Inventors: William F Sheffield
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1976-04-30
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1977-11-17
Also published as: JPS52133384A; GB1576031A; JPS6151437B2; US4079437A; FR2349961A1; FR2349961B1

Description

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Kinne.^ota Mining and Manufacturing Company, Saint Paul, Minnesota 55101, V. St. v. A.

Vorrichtung zum Polen von Filmen aus pyroelektrischem und piezoelektrischem Material

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Die Erfindung betrifft das Polen von Filmen aus polymeren Mate-! rialien, die mindestens eine pyroelektrische und piezoelektrische Eigenschaft aufweisen, und insbesondere auf ein fortlaufendes Polen derartiger Filmmaterialien.

Verschiedene polymere Filmmaterialien weisen sowohl pyroelektrische wie piezoelektrische Eigenschaften auf, Einige polymere Filmmaterialien weisen jedoch nur eine dieser Eigenschaften

auf.

Es wird gemeinhin angenommen, daß die pyroelektrische und/oder piezoelektrische Eigenschaften von polymeren Filmmaterialien durch eine Anordnung der Dipole des Films hervorgerufen werden. Normalerweise sind die Dipole von pyroelektTischen und/oder piezoelektrischen polymeren Filmen im wesentlichen in wahllo- j 3er V/eise angeordnet. Derartig wahllos angeordnete Dipole können jedoch durch Erhitzen des Films über eine besondere Temperatur, die als Polungstemperatur bekannt ist, und durch gleichzeitiges Erzeugen eines elektrischen Feldes im Film zu einer gepolten Ausrichtung umgruppert werden. Ist der Film einmal gepolt und unter der Polungstemperatur angekühlt, so kann das elektrische Feld entfernt werden, ohne daß die Dipole ihre j durch das elektrische Feld erhaltene Ausrichtung im wesent- ; liehen aufgegeben werden, wodurch die gewünschten pyroelek- ! trischen und/oder piezoelektrischen Eigenschaften erhalten ;

j wtir.i-n. Werii: j^ioch der gepolte Film längere Zeit anschließend' 'ibt·r iic Poluugstemperatur hinaus erhitzt wird, werden die Di-

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pole ihre wahllose Ausrichtung wieder einnehmen.

Es ist bekannt, daß der Grad der Dipolausrichtung, der aus einem solchen Polungsverfahren resultiert, eine Funktion der Temperatur, auf die der Film erhitzt worden ist, die Stärke des angelegten elektrischen Feldes sowie der Zeitdauer ist, während der das elektrische Feld bei Erhitzung des Films über die Polungstemperatur angelegt ist. So findet z. B. eine wesentliche Polung in einem Film aus Polyvinylidenfluorid bei seiner Er- ,

hitzung auf eine Temperatur von 90° C und bei Anlegen eines I

elektrischen Feldes von 4-00 K Volt/cm an den Film während einen Dauer von 10 Min. statt. M. a. Worten wird ein fortschreiten-

des Ansteigen des Grades der Polung bis zu einem Maximum durch i

i Vergrößern der Temperatur, der Stärke des elektrischen Feldes I

und/oder der Polungsdauer erreicht.

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Polen eines Films aus polymerem Material innerhalb kurzer Zeitperioden, um einen großen Koeffizienten mindestens einer der
pyroelektrisehen und piezoelektrischen Eigenschaften hervor- ' rufen und uir, einen hohen Grad an Gleichförmigkeit der Polarisation über die Dicke des Materials hin zu bewirken. Solche Ergebnisse "traen erfindungsgemä3 durch Anlegen eines elektrisch- ·.: -ⁿdef: ^: ■ ·■ 3 t, ark·- größer iO .<-. 1000 K Volt/cm Hb^r die Dik-■■ : ' · :·.:■■ ; ^:'].: . ■ ί ; \ ·· !■■■■- ν ο ι ·. n:;--r ?;]<= 180 ö-k.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Polen eines Films weist auf eine erste Einrichtung zum Aufbringen eines ersten elektrischen Potentials auf eine Seite des Films und eine zweite Einrichtung zum Aufbringen eines zweiten elektrischen Potentials auf die entgegengesetzte Seite des Films. Die erste und die zweite eine Potential aufbringende Einrichtung sorgen für ein elektrisches Feld einer Stärke größer als 1000 k Volt/cm in einem Teil des Films, um für gemäßigte Koeffizienten mindestens einer der pyroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften in einem solchen Teil zu sorgen. Eine Antriebseinrichtung führt den Film fortlaufend an der ersten und der zweiten ein elektrisches Potential aufbringenden Einrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit vorbei, daß das elektrische Feld an einen Teil des Films für eine Zeitdauer von weniger als 180 Sekunden gelegt wird.

Vorzugsweise werden gemäß der Erfindung noch größere elektrische Feldstärken während kürzerer Zeitperioden verwendet, und zwar z. B. elektrische Feldstärken von mehr als 1400 K Volt/cm während Zeitdauern von weniger als 60 oder 30 Sekunden und elektrische Feldstärken von mehr als 2000 K Volt/cm bei Zeitdauern von weniger als 10 oder 1 Sekunde.

Mittelmäßige Koeffizienten der pyroelektrischen und piezoelektrischen Zi.genc'haften :n.nd γ·;Ζι^:'·'? i'ltr· Erfindung solche, die 'jO ,;· ·1γ·γ. Lm Dauer; --;¹. ·. ·:.""3Ζ'.;:· ,'τΑ erzielbaren I1a>:i-

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typischer maximaler Koeffizient der pyroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften definiert, der von einem ähnlichen Stück des gleichen Filmmaterials erhalten wird, und er wird durch Aufbringen einer leitenden Elektrode auf eine Seite des Films und darauffolgendes Anordnen eines elektrischen Feldes konstanter Stärke über die Dicke des Films hin während 60 Minuten bestimmt. Die Stärke des konstanten elektrischen Feldes während des Dauerpolungszustandes sollte nahe bei der Durchbruchfeidstärke des Films über eine Dauer von 60 Minuten liegen und der Film sollte dieselbe Temperatur aufweisen, bei der der Film erfindungsgemäß gepolt worden ist.

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Vorzugsweise sorgt die Erfindung für beträchtliche Koeffizienten mindestens einer der pyroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften. Insbesondere sorgt die Erfindung für wesentliche Koeffizienten von mindestens einer der pyroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften. Mit beträchtlichen und wesentlichen Koeffizienten der Polung sind mindestens 70 % bzw. 90 % des im Dauerpolungszustand erhaltbarem Maximums gemeint. Gemäß der Erfindung gepoltes Material weist jedoch häufig einen Polungskoeffizienten auf, der größer als 100 % des im Dauerpolungszustand erhaltbarem Maimums ist.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weisen einen Strombegrenzer auf, der zwischen der zweiten, ein elektrisches Potential aufbringenden Einrichtung und der benachbarten Seite des Films angeordnet ist. Der Strombegrenzer begrenzt die Gefahr elektrischer Überschläge, die bei dielektrischen Durchbrüchen auftreten können.

Durch Verringerung der Zeitdauer, während der das elektrische Feld am Film liegt, und durch größere Stärke des elektrischen Feldes kann die Erfindung für bessere Polungsergebnisse sorgen, wie z. B. für eine Steigerung des Polungskoeffizienten und der Gleichförmigkeit der Polarisation. M. a. Worten ermöglichen kürzere Polungszeiten, größere Stärken des im Film anzuordnen den elektrischen Felles ohne Auftreten eines dielektrischen Durchschlages. Es wird angenommen, daß die größeren Stärken der elektrischen Felder größer·; I'r'iftif: auf die Komponenten des Ma-

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terials ausüben, die die pyroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften in dem Film hervorrufen, um in kurzen Zeitperioden für eine Polung des Materials zu sorgen.

Eine Optimierung des Grades der Polung bei verringerten Polungd zeiten gemäß der Erfindung scheint die wechselseitige Beziehung von Verweildauer im elektrischen Feld die Stärke des elektrischen Feldes und der Temperatur des Films zu beinhalten, d. h. über einen bestimmten Temperaturbereich kann der gleiche pyroelektrische oder piezoelektrische Koeffizient durch Erhöhen der Temperatur des Films und durch Anwendung geringerer Elektrischer Feldstärken während der gleichen Zeitdauer erhalten werden. Im allgemeinen neigen in bestimmten Temperaturbereichen das alleinige Erhöhen der Temperatur des Films, die Vergrös-» serung des elektrischen Feldes im Film und die Vergrößerung deii Verweildauer im elektrischen Feld dazu, die Stärke der Polung gemäß der Erfindung zu steigern. Diese kombinierten Parameter sind jedoch auf die Durchschlagsfestigkeit bezogen, bei der , der Film üblicher Weise einen Durchschlag erfährt. Hieraus folgt, daß eine bessere Polung anzustreben ist, wenn diese Parameter bei Annäherung an den Punkt χ des dielektrischen Durch4 schlage des Materials in jeder Weise variiert werden. Versuche ^: zeigen, daß eine ausgezeichnete Polung in einem Film aus Poly-! vinylidenfluorid erreichbar ist, der weniger als 10 Sekunden im elektrischen Feld ist.

Wie bereits erwähnt, ist die Temperatur des Films ein Parameter, der variierbar ist. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weisen daher verschiedene Vorrichtungen auf, die für ein gleichzeitiges Erhöhen der Temperatur mindestens eines Segmentes des Teils des Films beim Anlogen des elektrischen

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Feldes an diesen Teil sorgt. Der Film kann jedoch auch bei Raumtemperatur gepolt werden.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die erste Einrichtung zur Aufbringung eines elektrischen Potentials von einer zylindrischen Walze gebildet, die eine geerdete, elektrisch leitende Oberfläche aufweist, die geeigneter Weise mit einer Schicht eines leitenden Materials auf einer Seite des Films in Berührung bringbar ist. Die zweite, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung wird von einer temperaturgesteuerten, zylindrischen Walze mit einer elektrisch leitenden Oberfläche gebildet, die eine strombegrenzende Schicht aufweist, die mit der entgegengesetzten Seite des Films in Berührung steht.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß die erste ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung von einer temperaturgesteuerten, zylindrischen Walze mit einer geerdeten, elektrisch leitenden Oberfläche gebildet wird, die geeigneter Weise mit einer Seite eines unbeschichteten Films in Eingriff bringbar ist.

Eine dritte bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch eine auf den Film strahlende Infrarotlampe, die den Film erhitzt. Eine solche Lampe sorgt für die Erwärmung des Films anstelle der zylindrischen Walze

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der zweiten, ein elektrisches Potential aufbringenden Einrichtung der ersten Ausführungsform der Erfindung.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Zeichnungen.

In letzteren sind:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Polen, in der eine beschichtete Folie eines polymeren Films angeordnet ist,

Fig. 2 eine bruchstückartige Ansicht eines Querschnitts des beschichteten Films nach Fig. 1 in der Vergrößerung,

Fig. 3 eine schaubildartige Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der eine unbeschichtete Folie eines polymeren Films angeordnet ist, und

Fig. 4 eine schaubildartige Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der eine beschichtete Folie eines polymeren Films angeordnet ist.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Polen eine Vorwärmwalze

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11, ein Heißpolungswalzenelement 12, eine elektrisch geerdete Walze 14- und ein Paar Antriebswalzen 15 auf, die alle zylindrisch ausgebildet und in nicht dargestellten Seitenplatten der Vorrichtung gelagert sind.

Die Vorrichtung 10 ist zum Polen eines Films 20 aus polymeren Material geeignet, um für mindestens eine pyroelektrische und piezoelektrische Eigenschaft zu sorgen. Der Film ist hochelektrisch isoliert, und, wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, auf einer Seite mit einer verhältnismäßig dünnen Schicht eines elektrisch und thermisch leitenden Materials 21 wie z. B. Aluminium, Nickel oder Kupfer überzogen, um für eine zusammengesetzte Filmfolie 22 zu sorgen.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird die zusammengesetzte Filmfolie 22 der Vorrichtung 10 von einer Vorratsrolle 25 zugeführt, um die Rollen 11, 12 und 14· herum wickelmäßig geführt und dann das Kammspiel zwischen den Antriebsrollen 15 geleitet, die die Folie 22 durch die Vorrichtung 10 antriebsmäßig vorrücken lassen. Ein Teil der leitenden Schicht 21 der Folie 22 ist in körperlichem Kontakt an der Walze 14 gehalten, die eine elektrisch geerdete, leitende Oberfläche aufweist, die mit einem Teil der Oberfläche der leitenden Schicht 21 geeigneter Weise in Berührung steht, um für eine effektive elektrische Erdung der gesamten breiten Oberfläche der Seite des Films 22 zu sorgen, die die Schicht 21 trägt., Die Rolle 14 bildet daher eine erste Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an eine Sei-

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Av

te des Films 20.

Zum besseren Verständnis des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Polung des Films wird nachfolgend der Verlauf eines Bezugsteils der zusammengesetzten Folie 22 durch die Vorrichtung 10 verfolgt. Nach dem Verlassen der Vorratsrolle 25 wird dieser Bezugsteil der Folie 22 zuerst teilweise um die vorwärmende Walze 11 derart gewickelt, daß die leitende Schicht 21 mit der Walze 11 in Berührung steht. Die vorwärmende Walze 11

wird in elektrischer oder auf andere Weise auf eine Temperatur ! von vorzugsweise mehr als 120° C aufgehitzt, und dient zusammen mit der Filmspannung zum Ausschalten von Falten in der Folie 22%.! um eine gute Polung entlang der Länge des Films 20 zu gewähr- ', leisten. Die Ausschaltung von Falten im Film ist sehr erwünscht, zumal die vorwärmende Walze 11 für den Betrieb der Vorrichtung kein wesentliches Merkmal darstellt. Aus diesem Grunde sind zum Ausschalten von Falten in dem Film 22 zusätzliche, ntfcht dargestellte, auf den Film einwirkende Walzen und Bremsen vorgesehen, die mit der Vorratsrolle 25 zusammenwirken können, um die Folie ! einer 22 einer vorbestimmten Spannung auszusetzen. j

Nach Verlassen der vorwärmenden Walze 11 bewegt sich der Bezugs-^ teil der Folie 22 zu dem Walzenelement 12, und die freiliegende Oberfläche des Films 20 der Folie 22 kommt mit der zylindrischen¹ Oberfläche in Berührung. Das Element 12 weist eine innenzylindrische Rolle 26 auf, die entweder elektrisch oder auf andere Weise aufgeheizt ist und eine elektrisch leitende Oberfläche

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besitzt, die auf ein hohes negatives (oder positives) Gleichspannungspotential vorgespannt ist. Eine stronibegrenzende, elektrische Widerstandsschicht 27 ist auf der zylindrischen Rolle des Walzenelementes 12 aufgebracht und der Film 20 bewegt sich über die Schicht 27 bei Vorschub der Folie 22 um den Umfang des Elementes 12 herum.

Die elektrisch leitende Oberfläche der zylindrischen Rolle 2G übt die Doppelfunkt Lon aus, den Bezugsceil des Films 20 aufzuheizen und ein zweites elektrisches Potential an den Film 20 anzulegen, um mit der ersten Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in der Folie 22 zusammenzuwirken und um Tür mittelmäßige Koeffizienten mindestens eine der pyroelektrischen und piezoelektrischer! Eigenschaften in dem Film 20 zu sorgen. Die erste und die zweite, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung sind spezielle zum Anlegen und genauen Steuern eines elektrischen Feldes im Film geeignet, daß größer als 1000 K Volt/cm ist, wobei gleichzeitig für eine gesteuerte Tsmporaturzuführung zur Erhitzung des Films durch die Walze 2G des Elementes 12 gesorgt wird.

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Die Widerstandsschicht 2? des Walzenelementes 12 verringert die Möglichkeit einer Beschädigung des Films 20 infolge von Überschlagen, die aus einem Fehler im Film oder aus einer Fläche
des Films 20 resultieren, die dünner als normal ist. Die Schicht 27 ist vorzugsweise aus elastomeren Materialien, z. B. aus Silikonkautschuk gebildet, sie kann jedoch aus keramischen Materialien bestehen. Die Schicht 27 bildet eine strombegrenzende Einrichtung zwischen der ersten und der zweiten, ein elektrisches Potential aufbringenden Einrichtung in Form eines elektrischen Widerstandes zwischen derartigen Elektroden. Die elektrische Durchschlagfestigkeit jedes Bereiches des Films 20 sollte von dem elektrischen Feld der oben beschriebenen Art überschritten werden. Ein derartiger Widerstand verringert in bedeutendem Maße die Gefahr für den Film, die sonst durch den
Energieverlust beim Durchschlagen des Films auftreten würde.
Der elektrische Widerstand und die Kapazität der Schicht 27
werden jedoch derart gewählt, daß bei Kombination des dielektrischen Widerstandes und der Kapazität des Films 20 die
Schicht 27 nicht den normalen Polungsvorgang beeinträchtigen
wird.

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Die zusammengesetzte Folie 22 wird fortlaufend von einem Paar Rollen 15 durch die Vorrichtung 10 vorwärts bewegt. Die Rollen 15 werden mit einer ausreichenden Geschwindigkeit derart angetrieben, daß die Folie durch die Vorrichtung so bewegt wird, daß das elektrische Feld im Bezugsteil des Films 20 weniger als 180 Sekunden, vorzugsweise weniger als 60, 20, 10 oder 1 Sekunde in Abhängigkeit von der Stärke des elektrischen Feldes und von der Temperatur des Films angelegt wird. Durch ein schnelles Bewegen der Folie 22 durch das elektrische Feld gemäß der Erfindung wird es möglich, die elektrische Feldstärke beträchtlich zu steigern, so daß der Film 20 ohne Auftreten eines Durchschlage Widerstand leisten kann. Dies hat nicht nur eine schnellpolende Vorrichtung und ein schnellarbeitendes Verfahren zur Folge, sondern auch eine Polung, die die gleiche oder eine bessere Qualität als die aufweist, die mit einer langsamarbeitenden Vorrichtung erzielbar ist. Die Erfindung sorgt für große pyroelektrische Koeffizienten und ebenfalls für eine gut Gleichmäßigkeit der Polarisation über die Dicke des Films 20 hin.

Wenn der Bezugsteil der Folie 22 das Walzenelement 12 verläßt, läuft er zu der geerdeten Walze 14 durch die Umgebungsluft und wird durch diese Luft unter die Polungstemperatur im wesentlich en bei Aufrechterhaltung der Ausrichtung der Dipole gebracht. Eine spezielle Kühleinrichtung ist nicht erforderlich, da sich die Folie 22 so schnell von der durch die Walze 26 erzeugten V/ärme weg bewegt, daß der Bezugsteil des Films 20 unter die Polungstempera tür abgekühlt wird, bevor die Dipole aus ihrer Aus-

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richtung bewegt werden. Darauf läuft der Bezugsteil der gepoltefl. Folie 22 um die elektrisch geerdete Walze 14- herum und zwischen den Antriebsrollen 15 hindurch zu einer nicht dargestellten Auf+ wickelrolle.

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Wie zuvor erwähnt worden ist, scheint der Grad der Optimierung der Polung bei abnehmenden Zeiträumen gemäß der Erfindung die Wechselbeziehung der Verweilzeit im elektrischen Feld, der Grösse des elektrischen Feldes und der Temperatur des Films zu beinhalten. Sind einmal das elektrische Feld und die Temperatur des Films bei seiner Anwesenheit im elektrischen Feld gewählt, so wird das elektrische Feld vergrößert, bis es sich der dielektrischen Durchschlagsfestigkeit nähert. Venn die Durchschlagsfestigkeit erreicht ist, wird der Film gelegentlich in Folge von Kerben auf der Filmoberfläche oder infolge dünnerer Flächen des Films als die normalen Flächen einen Durchschlag erfahren. Das Feld wird dann leicht verringert, bis der Durchschlag aufhört. Die dielektrische Durchschlagsfestigkeit eines gegebenen Films hängt auch vom Material at, aus dem der Film hergestellt ist. Ohne Rücksicht auf das Material, aus dem der Film hergestellt ist, sollte, wenn die Verweilzeit im elektrischen Feld und die Temperatur des Films bei seiner Anordnung im elektrisch en Feld einmal gewählt sind, durch Anlegen eines elektrischen Feldes, das sich der dielektrischen Durchschlagsfestigkeit nähert, die Polung des Films maximalisiert werden.

Die Erfindung schafft eine einfache Einrichtung zum fortlaufenden Polen von Materialien, die mindestens eine der pyroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften aufweisen, um für große Koeffizienten mindestens einer χ der pyroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften und für einen hohen Grad an

Gleichförmigkeit der Polarisation zu sorgen.

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Obgleich die leitende Schicht 21 auf dem Film 20 bei der Vorrichtung 10 Anwendung findet, stellt eine solche leitende Schicht, kein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, wie aus der zweiten Ausführungsform der Erfindung, der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung 30, hervorgeht. Die Vorrichtung JO ist zum Polen eines polymeren Films 31 geeignet, der auf diese Weise mit mindestens einer der pyroelektrisehen und piezoelektrischen Eigenschaften versehen werden kann und auf seinen beiden brei ten Flächen keine leitende Schicht aufweist. Die Vorrichtung 30 weist eine Walze 32 zum Vorerhitzen, ein Walzenelement 33 zum Heißpolen und ein Paar Antriebswalzen 34- auf, die den Walzen 11, 12 und 15 der Vorrichtung 10 entsprechen. Die Vorrichtung 30 unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 darin, daß die erste, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung von einer zylindrischen Walze 35 gebildet wird, die aufgeheizt ist, eine geerdete, elektrisch leitende Oberfläche aufweist und in Nähe der Walze 33 angeordnet ist. Beide Walzen 33 und 35 der Vorrichtung 30 sorgen für eine Erhitzung des Films. Die Vorrichtung könnte jedoch ohne eine aufgeheizte Walze oder nur mit^; der einen oder der anderen aufgeheizten Walze 33 bzw. 35 arbeiten.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung 30 ist der der Vorrichtung 10 ähnlich. Zunächst wird der Film 31 durch die Walze 32 vorerhitzt und gespannt, um Falten des Films auszuschalten. Darauf wird der Film 3I mit der geerdeten, elektrisch leitenden Oberfläche der V/a"! ze 35 in Berührung gebracht und auf die geeignete

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vorbestimmte Polungstemperatur erhitzt. Darauf wird der Film 31 durch das Kammspiel zwischen der Walze 35 (erste Einrichtung zum Aufbringen eines elektrischen Potentials) und dem Walzenelement 33 hindurchgeführt. Las Walzenelement 33 weist eine innenzylindrische Walze 37 auf (zweite Einrichtung zum Aufbringen eines elektrischen Potentials), die aufgeheizt ist und eine elektrisch leitende Oberfläche aufweist. Eine strombegrenzende,, elektrische Widerstansschicht 36» die der Schicht 27 ähnlich ist, ist zwecks Bildung des Walzenelementes 33 auf die Walze 37 aufgebracht. Läuft der Film zwischen den Walzen 35 und 37 hindurch, so sorgen letztere für ein elektrisches Feld im Film 31» das größer als 1000 K Volt/cm ist. Die Antriebswalzen 3^ lassen den Film schnell durch das elektrische Feld vorrücken, wobei die Umgebungsluft den Film 31 unter die Polungstemperatur ab- ^! kühlt, während die Dipole sich noch in Ausrichtung befinden.

Die zweite Ausführungsform der Erfindung erweist sich insbeson dere dadurch als vorteilhaft, daß elektrische Felder größerer Feldstärke an den unbeschichteten Film aus polymerem Material angelegt werden können, ohne daß beträchtliche Durchschläge des Films auftreten. In Bezug auf die erste Ausführungsform wird angenommen, daß der leitende überzug 21 auf dem Film 20 jegliche Kerben, Muten oder andere Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Films ausfüllt und Bereiche hoher dielektrischer Beanspruchung um solche Unregelmäßigkeiten herum erzeugt, weshalb der Film bei niedrigeren Feldstärken zu Durchschlägen noigt.

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Als dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 eine Vorrichtung 50 dargestellt, die zum Polen eines Films 20 geeignet ist, der auf einer Oberfläche einen leitenden Überzug 21 zwecks Bildung der in Fig .2 dargestellten, zusammengesetzten Folie 22 aufweist. Die Vorrichtung 50 weist eine Walze 52 zum Vorerhitzen, eine geerdete Walze 53 und ein Paar Antriebswalzen 5^ auf, die den Walzen 11, 14 und 15 der Vorrichtung 10 entsprechen. Die Vorrichtung 50 unterscheidet sich jedoch von der Vorrichtung 10 dadurch, daß die zweite, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung Teil eines Walzenelementes 55 zum Kaltpolen ist, das bei einer Temperatur von weniger als 80 C gehalten wird, und daß eine Strahlungsquelle 56 für eine Erhöhung der Temperatur eines Segmentes des Films sorgt, wenn er um das Element 55 herumläuft.

Das Walzenelement 55 weist einen innenzylindrische Walze 58 mit einer elektrisch leitenden Oberfläche auf, die gekühlt ist. Eine strombegrenzende, elektrische Widerstandsschicht 59, die der Schicht 27 ähnlich ist, ist auf der Walze 58 unter Bildung des Walzenelementes 55 aufgebracht.

Die Heizstrahlungsquelle 56 wird beispielsweise von einer Infrarotlampe gebildet, die ein Strahlungsbündel 61 auf der Oberfläche der zusammengesetzten Folie 22 fokussiert, wenn letztere um das Walzenelement herum läuft.

Die geerdete Walze 53 dient als erste, ein elektrisches Poten-

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tial aufbringende .Einrichtung und lie Innenv;alze 58 des Elementes 55 dient als zweite, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung. Die erste und die zweite Einrichtung wirken zusammen und bilden ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke größer als 1000 K Volt/cm in dem Teil des Films 20, der mit dem Polungs.:lement 55 in Berührung steht. Die Strahlungsquelle 56 erhöht die Temperatur eines Segmentes dieses Teils bei seiner Anordnung im elektrischen Feld. Wie bereits erwähnt worden ist, hat die Erhöhung der Temperatur des Filme ?.O über bestimmte Temperaturbereiche den gleichen allgemeinen Effekt auf den Polungsvorgang, wie die Erhöhung der Stärke des elektrischen Feldes im Film. Es wird angenommen, daß die Erhöhung der Temperatur den Energiegehalt der Komponenten des Materials, das pyroelektrisch^ und piezoelektrische Eigenschaften aufweist, derart vergrößert, daß sie durch die gleiche elektrische Feldstärke besser ausgerichtet werden können..

Die Arbeitsweise der Vorrichtung 50 entspricht der Arbeitsweise der Vorrichtung 10. Der Bezugsteil der zusammengesetzten Folie 22 wird zunächst durch die Walze 52 vorerhitzt, wobei auf die Folie zwecks Ausschaltung von Falten eine Spannung ausgeübt wird. Der Bezugsteil des Films 20 der Folie 22 kommt dann mit dem Walzenelement 55» das eine Temperatur von weniger als 80° C aufweist, in Berührung, und wird dadurch gekühlt. Wenn die Folie 22 um das Walzenelement 55 herum läuft, sorgt die Strahlungsquelle 56 für eine Erhöhung der Temperatur mindestens eines Segmentes des mit der Walze 55 in Berührung stehenden Teils.

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Ι/·ηη die Folie 22 dem Einfluß 1er Strahlungsquelle nicht mehr ausgesetzt ist, wird sie durch das Walzenelement 55 gekühlt. Darauf verlaßt der Eezugsteil der Folie 22 das Walzenelement 55 und läuft um die zylindrische Walze 53 herum. Die Walze 53 weist eine geerdete, elektrisch leitende Oberfläche auf, die mit der leitenden Schicht 21 auf einer Oberfläche des Films 20 in Berührung bringbar i.st. Dor Bezugsteil läuft dann zwischen den Antriebswalzen 5^/(- hindurch zu einer nicht dargestellten ^.ufwickelspule.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind auch für einen nicht fortlaufenden Polungsvorgang einsetzbar.

Nachfolgend werden einige praktische Beispiele dargestellt:

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Ein Film 20 einer Dicke von 25 Mikrometern und einer Breite von 305 Millimetern eines zweiachsig ausgerichteten Polyvinylidenfluorid der Pa. Kureha Chemical Co. Japan, wurde dampfmäßig mit einer Aluminiumschicht einer Dicke von annähernd 60 Nanometern auf einer Seite beschichtet und dann durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 geführt. Die vorwärmende Walze 11 wies einen Durchmesser von 95 Millimetern auf und wurde auf einer Temperatur von annähernd 135° C gehalten. Die Heißpolungswalze wies eine Innenwalze 26 mit einem Durchmesser von 140 Millimetern auf und wurde auf ungefähr 105° C erhitzt. Die Walze 26 wurde mit einer Schicht 27 eines leitenden Gummis von annähernd 3 Millimetern Dicke beschichtet, die einen spezifischen Widerstand von unge-

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fähr 10 Ohm-om aufwies. Die elektrisch geerdete Walze 14 hatte einen Durchmesser von 25 Millimetern und die Antriebsrollen 15 hatten einen Durchmesser von 50 Millimetern. Der Film wurde durch die Vorrichtung 10 mit verschiedenen diskreten Geschwindigkeiten angetrieben, wobei das elektrische Feld im Film und die Temperatur des Films varriert wurden. Die Spannung am Film wurde unter Verwendung von Kugellagerwalzen gemessen, die mit den freiliegenden Flächen der Walzen 12 und 14 in Berührung standen und zu einem Impedanzhochspannungsmesser geschaltet waren. Das elektrische Feld wurde durch Dividieren der Spannungsmeßwerte durch den Betrag der Dicke des Films errechnet.

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Aus der Tabelle I gehen tabellarisch die pyroelektrischen Koeffizienten und die Gleichförmigkeit der Polarisation hervor, die bei einem unter Verwendung verschiedener Parameterkombinationen gepolten Film erhalten wurden. Eine durch die pyroelektrische Wirkung erzeugte Spannung wurde bei Steigerung der Temperatur des gepolten Materials gemessen, das jetzt eine leitende Beschichtung auf jeder breiten Fläche aufweist, wobei die breiten Flächen des Films elektrisch kurzgeschlossen, die Temperatur des gepolten Materials verringert und eine Spannungs-

messung zwischen den breiten Flächen des Films vorgenommen wurden. Der pyroelektrische Koeffizient errechnete sich durch die Formel:

P=

; wobei P der pyroelektrische Koeffizient, £ die Dielektrizitätskonstante des freien Raums (absolute Dielektrizitatskonstan· te), K die Dielektrizitätskonstante des Films, d die Dicke des Films, V die gemessene Spannung Δ T die Temperaturänderung zur Erzeugung der Spannung V sind. Festzustellen ist, daß die Grösse des gemessenen pyroelektrischen Koeffizienten je nach Materialserie, von der des Films entnommen ist, variieren wird.

Die Gleichförmigkeit der Polarisation wurde durch periodisches

! Aufprallen von 5 bis 310 Hz Energiestößen zunächst auf die eine

und dann auf die andere Oberfläche des Films bestimmt. Zuerst

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v/ar der gepolte Film auf einer breiten Fläche mit einer Aluminiumschicht von annähernd 60 Nanometern beschichtet. Eine beschichtete Fläche wurde dem Licht einer Infrarotlampe über einen variablen mechanischen Lichtfrequenzzerhacker ausgesetzt, der einen Arbeitszyklus von 50 % aufwies. Die der Infrarotlampe zugekehrte Schicht absorbierte ausreichend Strahlung, um den Film aufzuheizen, wodurch eine pyroelektrisches Signal erzeugt wurde, das mit einem Hohen Impedanzverstärker überwacht werden konnte. Bei niedrigen Zerhackerfrequenzen, wie z. B. bei 25 Hz, wurde die gesamte Dicke des Films von 25 Mikrometern zyklisch erwärmt. Bei Hohen Frequenzen, wie z. B. bei 200 Hz, wurde der Teil der Dicke des Films, der näher zur Infrarotlampe lag, zyklisch stärker als der Teil der Dicke des Films erwärmt, die weiter von der Infrarotlampe entfernt lag. Ein phasenabhängiger Detektor wurde an den Ausgang des Verstärkers geschaltet und die Ausgangsspannung wurde gemessen. Die Daten wurden bei einfallendem Licht der Infrarotlampe zunächst auf die eine Oberfläche des Films und dann auf die andere Oberfläche des Films erfaßt. Die Differenz zwischen den beiden normierten Angabenpunkten für jede Frequenz (eine für jede Seite des Films) wurde durch den Mittelwert der beiden normierten Angabenpunkte dividiert, um eine prozentuale Abweichung der Ansprechbarkeit erhalten, wie aus der Tabelle I hervorgeht.

Bei höheren Frequenzen wurde der Teil der Dicke des Films, der näher zur Infrarotlampe lag, stärker zyklisch erwärmt als der Teil der Dicke des Films, der weiter von der Infrarotlampe

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entfernt war. Wenn der Film gleichmäßig über seine Dicke gepolt wird bei höheren Frequenzen die normierte Anzeige für gleiche Frequenzangabepunkte auf beiden Seiten des Films gleich sein. Je nach dem ob der Film jedoch ungleichmäßig gepolt ist, wird bei höheren Frequenzen die normierte Anzeige für die gleichen Frequenzangabepunkte auf beiden Seiten des Films voneinander abweichen. Im allgemeinen zeigt die Gleichförmigkeit der Daten an, daß kurze Polungszeiten zu einer gleichförmigeren Polarisation führen.

0 9 8 4 6/1039

Beispiel 2 j

Ein nicht beschichteter Film 31 einer Dicke von 25 mm und einer; Breite von 305 mm aus einem zweiachsig ausgerichteten Poly- j vinylidenfluorid wurde durch die in Fig. 2 dargestellte Vor- '

richtung zum Polen geführt. Die Walze 32 zum Vorerhitzen wies einen Durchmesser von 95 mm auf und wurde auf eine Temperatur ! von ungefähr 130° C gehalten. Die leitende Walze 35 wies einen Durchmesser von 14Ό mm auf und wurde auf eine Temperatur von ! ungefähr 110° C gahalten. Die Walze 33 wies eine innere, leitende Walze 37 mit einen Durchmesser von 140 mm auf, die.auf unge-» fähr 110° C erhitzt wurde. Die leitende Walze wurde mit einer ι Schicht 36 aus einem leitenden Gummi von annähernd 3 mm Dicke beschichtet, das einen elektrischen spezifischen Widerstand |

10 i

von ungefähr 10 Ohm-om aufweist. Die Antriebswalzen hatten | einen Durchmesser von 50 mm. Der Film wurde bei diskreten Be- , schwindigkeiten durch die Vorrichtung 30 angetrieben. Die Ta- ί belle II zeigt tabellarisch den pyroelektrischen Koeffizienten und die Gleichförmigkeit der Polarisation des mittels dieser ί Vorrichtung gepolten Films. ί

Beispiel 3 :

Ein Film 20 einer Dicke von 25 mm und einer Breite von 305 mm ι aus einem zweiachsig ausgerichteten Polyvinylidenfluorid wurde dampfmäßig mit einer Aluminiumschicht 21 von annähernd 60 Nanoimetera Dicke auf einer Seite beschichtet und dann durch die in

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Fig. 4 gezeigte Vorrichtung 50 geführt. Die Walze 52 zum Vorerhitzen, die geerdete Walze 53 und die Antriebswalze 5^ entsprachen den Walzen 11, 14 und 15 gemäß Beispiel 1. Die Walze
55 entsprach der Walze 12 gemäß Beispiel 1 bis auf die Ausnahme, daß sie auf einer Temperatur von annähernd 23° C gehalten wurde* Eine Infrarotlampe 56 fokussierte ein enges Strahlenbündel
durch die Breite des Films hindurch bei seiner Bewegung um die
Walze 55 herum. Die Tabelle III zeigt tabellarisch den pyroelektrischen Koeffizienten und die Gleichförmigkeit der Polarisation des bei Verwendung der Vorrichtung gepolten Films.

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- 29 -

T a b e 1 1 e

709846/	Verweil zeit im Feld (Sek.)	Feldstärke (K Volt/cm	Filmtempera- tür (^δα5	Pyroelek- trischer Koeffizi ent in cm^ OC	%-Abweichung der Ansprechbarkeit (üngleichförmigkeit)	bei 100 Hz	bei 150 Hz	bei 200 Hz	bei 25Ο Kz
σ	96	1200	120	2.14	bei 50 Ez	1C %	17 %	28 %	X
U) (O	78	1200	120	2.12	0 %	25 %	50 %	75 %	X
	7	1200	120	2.25	0 °/o	0 %	4 %	14 %	17 %
	7	1400	120	2.27	0 %	0 %	3 %	10 %	X
	7	1600	120	2.52	0 %	0 %	0 %	s /°	7 %
	7	1800	120	2.67	0 %	2 %	*Ά %*	<~ O' C /C	4 %
	7	2000	120	2.69	0 %	0 %	3 %	3 %	6 %
7	2200	120	2.72	0 %	0 %	4 %	8 %	11 %
0 %

X = keine Verte entnommen

Tabelle II

Verweil
zeit im

Feldstärke
(K Volt/cm)

Filmtempera
tur (⁰C)

Pyroelek-
trischer

%-Abv;eichung

be

de

r Ansprechbarkeit

bei 150 Hs

(U

ngle

ichförmigke

bei 250

it)

Feld
(Sek.)

2800

110

Koeffizi
ent in
cm^{2 0}C

bei ?0 Hz

i 1

CC Hz

X

bei

2CC

Hz

X

Hz

4

2800

110

2.30

X

14 %

X

2

2.30

C %

9

%

4 %

X = keine Werte entnommen

TABELLE

III

-α ο 10	Verweil zeit im Feld (Sek.)	Feldstär ke (K Volt/ cm)	Tempera tur der Wälze 55 (⁰C)	geschätzte Temperatur der geheiz ten Fläche	Verweil zeit in geheizter Fläche (Millisek.)	Pyroelek- trischer Koeffizi ent in Na- nocoulomb/ cm^{2 0}C	%-Abweichung der Ansprechbarkeit (Ungleichförmigkeit)	bei 100 Hz	bei 150 Hz	bei 200 Hz	bei ?50 Hz
39 •Ρ» σ> -»»	δ	2^00		70	100	1.96	bei 50 Hz	X	X	X	X
ο	6	2'+OO	23	100	100	2.34	X	2 %	1 %	7 %	9 %
(O	0 %

X = keine Werte entnommen

Claims

ι !

j 1. Vorrichtung zum fortlaufenden Polen einer Länge eines Films

j

aus einem polymeren Material zwecks Erzeugung mindestens ei- i

i ner der pyroelektTischen und piezoelektrischen Eigenschaften j

in dem Film, gekennzeichnet durch eine erste, ein elektrisch-!

es Potential aufbringende Einrichtung an einer Polungsstation' zum Anlegen eines elektrischen Potentials an mindestens einen Teil einer breiten Seite des Films, durch eine zweite, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung, die an der Polungsstation angeordnet ist und mit der ersten Einrichtung unter Bildung eines elektrischen Feldes einer Stärke zusammen wirkt, die größer als 1000 K Volt/cm im Teil des Films ist, wobei mittelmäßige Koeffizienten mindestens einer der pyroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften in dem Teil erzielbar sind, und durch eine Antriebseinrichtung zum fortlaufenden Vorwärtsbewegen des Films an der Polungsstation vorbei mit einer solchen Geschwindigkeit, daß der Teil des Films dem Einfluß des elektrischen Feldes weniger als 180 Sekunden ausgesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld größer als 14-00 K Volt/cm ist, und daß der Teil dem Einfluß des elektrischen Feldes weniger als 60 Sekunden ausgesetzt ist.

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ORIGINAL IN6PECTH)

: 3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stärke des elektrischen Feldes größer als 1400 K Volt/cm ist, ; und daß der Teil dem Einfluß des elektrischen Feldes weniger : als 30 Sekunden ausgesetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Stärke des elektrischen Feldes größer als 2000 K Volt/cm ist,

! und das der Teil dem Einfluß des elektrischen Feldes weniger , als 10 Sekunden ausgesetzt ist.

5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Stärke des elektrischen Feldes größer als 2000K Volt/cm ist, und daß der Teil dem Einfluß des elektrischen Feldes weniger als 1 Sekunde ausgesetzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine strombegrenzende Einrichtung zwischen der ersten und der zwei

j ten Einrichtung angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet. daß die zweite, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung eine zylindrische Walze mit einer elektrisch leitenden Oberfläche aufweist, auf der die strombegrenzende Einrichtung gelagert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet _% daß die erste, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung

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eine zylindrische Walze mit einer geerdeten, elektrisch leitenden Oberfläche aufweist, die mit einer Schicht eines leitenden Materials in Eingriff bringbar ist, die auf der Oberfläche des Films getragen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die

zweite, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung Wärme erzeugt und die Temperatur mindestens eines Segmentes des Teils während der Zeitdauer erhöht, während der das Segment dem Einfluß des elektrischen Feldes ausgesetzt ist. |

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß j ferner eine Strahlungsquelle vorgesehen, die die Temperatur | mindestens eines Segmentes des Teils während der Zeitdauer erhöht, während der das Segment dem Einfluß des elektrischen

Feldes ausgesetzt ist, wobei die zweite, ein elektrisches '

Potential aufbringende Einrichtung für eine Kühlung des Filma|

über das Segment hinaus sorgt. |

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die erste, ein elektrisches Potential aufbringende Einrichtung eine zylindrische Walze mit einer geerdeten, elektrisch leitenden Oberfläche aufweist, die mit dem Teil auf der einen Oberfläche des Films in Eingriff bringbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet _t daß mindestens eine der ersten und der zweiten Einrichtung für

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eine Erhöhung der Temperatur mindestens eines Segmentes des Teils während der Zeit sorgt, während der das Segment dem Einfluß des elektrischen Feldes ausgesetzt ist.

Ho/Mü