DE3125776A1

DE3125776A1 - Elektretovorrichtung

Info

Publication number: DE3125776A1
Application number: DE19813125776
Authority: DE
Inventors: Masamichi Tanaka; Hiroto Kawasaki Kanagawa Wada
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-06-30
Filing date: 1981-06-30
Publication date: 1982-05-27
Also published as: GB2079055A; GB2079055B

Description

ELEKTRETVORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine Elektretvorrichtunq.

Ein Elektret ist ein dielektrischer Körper, der mit einem Volumen aus oberflächenseitiger elektrischer Ladung versehen ist. Der dielektrische Körper des Elektrets hält die elektrische Ladung für sehr lange Zeit, die häufig in Jahrzehnten gemessen wird. Die elektrische Ladung oder die dielektrische Polarisation wird bei einem Beispiel eines Verfahrens durch Erwärmen eines Körpers aus dielektrischem Werkstoff auf eine relativ hohe Temperatur, wobei der Werkstoff einem starken elektrischen Feld während einer wesentlichen Zeitdauer ausgesetzt ist,und durch das Abkühlen des Werkstoffes, wobei er weiter dem dielektrischen Feld ausgesetzt bleibt, erhalten. Beim Abkühlen zeigt der Werkstoff Charakteristiken einer permanenten Ladungsverteilung.

Elektrete haben viele Anwendungen als Wandler wie für Mikrofone, Lautsprecher und Schallplatten-Tonaufnehmer. Darüberhinaus ist zu hoffen, Elektrete als Speicher, Hochpotentialquellen, Meßeinrichtungen und and :e Vorrichtungen in naher Zukunft verwenden zu können.

UO/ ΙΌ

Elektrete sind Dielektrikas, die statische elektrische Felder mit relativ langer Lebensdauer erzeugen. Deren lange Lebensdauer ist hauptsächlich der Entwicklung neuer Werkstoffe zuzuschreiben, die stabiler sind als die früher verwendeten Wachse. Zur Zeit werden Kunststoffe wie Polyäthylen, Polypropylen, Polyäthylen-Terephthalat in starkem Umfang zur Bildung von Elektreten verwendet.

Herkömmlichsind Elektrete in Form elektrischer Vorrichtungen ausgebildet, bei denen ein Elektret-Körper auf einer Leiterelektrode befestigt ist. Nachteilig bei diesen Elektretvorrichtungen ist, daß das Oberflächenladungspotential relativ niedrig ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Elektretvorrichtung anzugeben, die relativ hohes Oberflächenladungspotential besitzt.

Weiter soll eine Elektretvorrichtung ermöglicht werden, die verlängerte Lebensdauer besitzt. Weiter soll eine Elektretvorrichtunc ermöglicht werden, die bezüglich der Oberflächenladung auf eine Soll-Größe einstellbar ist. Schließlich solljeine. Elektretvor-

richtung ermöglicht werden, die relativ gleichmäßige Oberflächenladungsverteilung besitzt.

Gemäß der Erfindung ist eine Elektretvorrichtung vorgesehen, die mehrere Elektretelemente aufweist, die in Schichten aufeinandergestapelt sind und von denen mindestens das unterste Elektretelement einen polarisierten dielektrischen Körper neben einem anderen Elektretelement und eine Leiterelektrode aufweist, die an dem dielektrischen Körper gesichert ist, wobei jedes Elektretelement mit einem Volumen aus Oberflächenladung aus einer Polarität versehen ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer Elektretvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 im Schnitt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Elektretvorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 3 Darstellungen der Ladungspotentialverteilungen auf

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Elektretvorrichtungen,

Fig. 4 Darstellungen der Ladungsretentionseigenschaften von Ausführungsbeispielen von Elektretvorrichtungen gemäß der Erfindung ,

Fig. 5a und 5b im Schnitt modifizierte Ausführungsbeispiele von Elektretvorrichtungen gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer Elektretvorrichtung 16 gemäß der Erfindung. Ein dielektrischer Körper 10 ist als flache Platte ausgebildet und mit einem Volumen von elektrischer Ladung mit einer Polarität versehen. Eine Leiterschicht oder Basisplatte 12 ist auf einer 'Oberfläche des dielektrischen •Körpers 10 gesichert.

Eine Kombination aus einem derartigen polarisierten dielektrischen Körper 10 und einer leitenden Basisplatte 12 bildet ein Elektretelement 14. Mehrere derartiger Elektretelemente 14.., 14₂, 14., ... 14 sind aufeinandergestapelt, wobei die leitende Basisplatte 12 des zweiten Elektretelements 142 auf dem dielektrischen Körper 10 des ersten Elektretelements 14.. befestigt ist usw., wobei das Stapeln der Elektretelemente 14 die Elektretvorrichtung 16 bildet.

Jede Kombination eines dielektrischen Körpers 10 und einer leitenden Basisplatte 12 ist einer herkömmlichen Elektretvorrichtung ähnlich.

Üblicherweise wird die Polarisation jedes dielektrischen Körpers 10 durch beispielsweise Anlegen eines elektrischen Feldes oder Zuführen geladener Teilchen wie Ionen erreicht, bevor oder nachdem die leitende Basisplatte 12 mit dem dielektrischen Körper 10 kombiniert wird. Die Polarität des dielektrischen Körpers 10 kann durch die Polarität des elektrsichen Feldes oder der geladenen Teilchen bestimmt werden.

Nahezu alle dielektrischen Werkstoffe, die der Art nach ein Elektret sind, können für einen dielektrischen Körper 10 verwendet werden. Verbindungen bzw. Zusammensetzungen hohen Molekulargewichtes wie Polypropylen, fluorhalte Polyolefine, wie Polytetra-

BAD ORIGINAL

JIZO/ /D

fluoräthylen und Polyäthylene sind jedoch insbesondere geeignet, weil die elektrische Ladung in diesem Werkstoffen im Potential relativ hoch wird und während langer Zeit gehalten wird.

Die Elektretvorrichtung 16 gemäß Fig. 1 besitzt insgesamt ein sehr hohes Oberflächenladungspotential. Das Ladungspotential E ergibt sich gemäß:

E₅ = [C(E^K₂ + E₂)', K₃ 4- E₃] . K₄ + ...]· K_n + E_n

= k₁ ι E₁ + k₂ t E₂ + k₃ · E₃ + ... +E_n (1),

mit E = das gesamte Ladungspotential der Elektretvorrichtung 16,

E = Ladungspotential des Elektretelements 14-., 1 4„, 14.. ... bzw. 14 ,

= als Polarisationskonstante zu bezeichnende Konstante der Elektretelemente 14.., 14₂, 14₃ ... bzw. 14 ,

= synthetische Polarisationskonstanten,durch die die Elektretelemente 14-, 14₂, 14₃ ... 14 im unteren Teil der Elektretvorrichtung' 16 das Elektretelement 14 dielektrisch beeinflussen, das am Oberende der Elektretvorrichtung 16 angeordnet ISt₇ und zwar di-r rekt oder über ein oder mehrere Elektretelemente dazwischen.

Wie sich aus Gleichung (1) ergibt, ist das Ladungspotential E der Elektretvorrichtung 16 außerordentlich höher als das eines einzelnen Elektretelements 14. Daher ist die erläuterte Elektretvorrichtung 16 auf vielen Gebieten sehr zweckmäßig. Beispielsweise wird ein elektrostatischer Wandler wie ein Mikrofon oder ein Koof hörer, der die Elektretvorrichtung 16 verwendet, sehr hoch_empfindlich und besitzt andere wirkungsvolle Eigenschaften. Insbesondere wird ein leistungsstarker elektrostatischer Lautsmrecher in einfacher Weise durch Verwenden der Elektretvorrichtung 16 erhalten, der bisher nur schwierig herzustellen war.

E₁,	E₂,	^E3	• · · Ji η
K₁,	K₂,	K₃	... K_n
	2'	^k3	• · ·

ORIGINAL

Fig. 2 zeigt im Schnitt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Elektretvorrichtung gemäß der Erfindung. Die Elektretvorrichtung 16 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der Elektretvorrichtunq 16 gemäß Fig. 1 dadurch, daß ein Abdeckkörper 18 auf der Oberseite des Elektretelements 14 vorgesehen ist.

Der Werkstoff des Abdeckkörpers 18 kann leitend, nichtleitend oder halbleitend sein oder auch eine Mischung eines derartigen Werkstoffes mit mindestens einer anderen Substanz. Im Fall von nichtleitenden Werkstoffen wie beispielsweise Glas oder einer organischen Verbindung mit eine^volumenwiderstand von über 10 Jii-cm sind besonders geeignet.

Bei der vorstehend erläuterten Elektretvorrichtunq 16 ist der Abdeckkörper 18 dielektrisch unter der Einwirkung der geladenen Elektretvorrichtung 16 polarisiert. Eine positive Polarität tritt an dem Abdeckkörper 18 an dessen vom Elektretelement 14 abgewandten Oberseite auf unter Voraussetzung, daß die Polarität der Oberflächenladung dessen dielektrischen Körpers 10 positiv ist, und umgekehrt. Das heißt, eine Polarität, die gleich der Polarität der Oberflächenladungen der dielektrischen Körper 10 ist, tritt an der Außenfläche des Abdeckkörpers 18 auf.

Das Ladungspotential E ergibt sich zu:

S C

E_sc =HK ' K₂ +'E₂) · K₃ + E₃] · K_{4 +} ...] - K_n + E_n]- K_c

= k₁ · E₁ + k₂ ' E₂ + k₃ · E₃ + ... + K_c ■ E_n (2),

wobei K eine Polarisationskonstante des Werkstoffs des Abdeckc

körpers 18 darstellt und die anderen Symbole identisch den entsprechenden Symbolen in Gleichung (1) sind mit der Ausnahme, daß sich die Konstanten k.., k„, k., ... auf den Abdeckkörper 18 und nicht auf das Elektretelement 14 beziehen.

Das Ladungspotential E der Elektretvorrichtunq 16 gemäß Pia.

SO

ist ebenfalls außerordentlich höher als dasjenige eines einzelnen Elektretelement-s 14 wie bei der Elektretvorrichtunq .16 qemäß Piq.1 Darüberhinaus ist das Lacfungspotential E an iodem Toil der

Oberseite des Abdeckkörpers 18 gleichförmig wie das erläutert wird.

Fig. 3 zeigt vergleichende Darstellungen/die die Potentialverteilungscharakteristiken auf einer Elektretvorrichtung 16 und einer herkömmlichen Elektretvorrichtung wiedergeben, wobei das Ladungs-.potential in Volt (V) gegen den Ort auf der Oberseite beginnend an einem Ende und endend am entgegengesetzten Ende aufgetragen ist. Die Kurven A und B sind Potentialverteilungscharakteristiken der Elektretvorrichtung 16 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2, wobei jedoc! drei Elektretelemente 14 verwendet sind,und die Kurve C ist eine Potentialverteilungscharakteristik einer herkömmlichen Elektretvorrichtung, die in der Größe ähnlich derjenigen der Ausführungsformen der Erfindung ist.

Wie sich aus den Kurven A und B ergibt, beträgt das Ladungspotential bzw. dessen Durchschnittswert einer derartigen Elektretvorrichtung 16 nahezu das Dreifache desjenigen der herkömmlichen Elektretvorrichtung, wie das durch die Kurve C wiedergegeben ist. Die Ladungspotentialstreuung gemäß Kurve A ist im Verhältnis zum Durchschnitt- bzw. Mittelpotential geringer als diejenige gemäß Kurve C. Darüberhinaus besitzt das Ladungspotential gemäß Kurve B geringe Streuung. Wie sich aus der relativ flachen Charakteristik der Kurve A und der sehr flachen Charakteristik der Kurve B ergib besitzt eine derartige Elektretvorrichtung 16 eine außerordentlic gleichförmige Oberflächenladungsverteilung an jedem Teil ihrer Oberseite. Andererseits besitzt die erläuterte herkömmliche Elektretvorrichtung keine gleichförmige Oberflächenladung wie sich das aus der Kurve C ergibt.

Eine Elektretvorrichtung 16 (gemäß der Erfindung) ist daher außer ordentlich zweckmäßig. Das heißt, daß beispielsweise Wandler, die eine Elektretvorrichtung 16 verwenden, eine hoch_wirksame Wandlercharakteristik besitzen, aufgrund des hohen Oberflächenladungs potentials der Elektretvorrichtung 16.

Weiter können Wandler, die eine Elektretvorrichtung 16 verwenden, eine Wandlercharakteristik hoher Wiedergabetreue besitzen, weil

BAD ORIt

die elektrostatischen Kräfte, die zwischen der Elektretvorrichtung 16 als einer Elektrode eines Wandlerkondensators und einer gegenüberliegenden Elektrode auftreten, gleichförmig an jedem Teil des Wandlerkondensators sind.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Elektretvorrichtung 16 ist mit langlebiger Ladungs- oder Polarisationsretentionseigenschaften versehen, weil die dielektrischen Körper 10 mit Ausnahme desjenigen der am Oberende der Elektretvorrichtung 16 ohne Abdeckkörper vorgesehen ist, davor geschützt sind, daß sie der Luft ausgesetzt sind, weshalb die Ladung nur sehr schwer abzuziehen ist. Darüberhinaus ist die Elektretvorrichtung 16 gemäß Fig. 2 mit außerordentlich langlebigen Ladungs- oder Polarisationseigenschaften versehen, weil der dielektrische Körper 10 des Elektretelements 14 , das am Oberende der Elektretvorrichtung 16 angeordnet ist, durch den Abdeckkörper 18 davor geschützt ist, daß er der Luft ausgesetzt wird, wodurch die Ladung kaum abzuziehen ist.

Die Ladungsretentionseingenschaften sind in Fig. 4 dargestellt, in der das Ladungspotential in Volt (V) über der Zeit in Stunden (H) aufgetragen ist. Die Kurve D gibt die Eigenschaft einer Elektretvorrichtung 16 gemäß Fig. 2 wieder, deren Abdeckkörper 18 aus Leiterwerkstoff oder Metall besteht. Andererseits zeigt die Kurve E die Eigenschaft einer Elektretvorrichtunq 16 gemäß Fig. 2, deren Abdeckkörper 18 aus nichtleitendem Werkstoff, beispielsweise einem ABS-Kopolymer (ABS: Acrylnitril-Butadien-Svrol) besteht. Das Ladungspotential gemäß Kurve D wird auf annähernd den gleichen Wert wie zum Zeitpunkt dessen Herstellung während langer Zeit gehalten. Das Ladungspotential gemäß Kurve E nimmt allmählich nach dem Zeitpunkt dessen Herstellung ab, wobei das Ladungspotential sich nach etwa 24 Stunden einem Dauerzustand annähert. Dann bleiben beide Ladungspotentiale während sehr langer Zeit auf dem jeweiligen Dauerzustand.

Weiter kann bei einer Ele.'<tretvorrichtung 16, deren Abdeckkörper 18 aus einem Leiterwerkstoff besteht, deren verringerte Oberflächenladung s-.;'".r leicht erhöht werden durch Anlegen einer Spannung hohen Potentials zwischen der untersten leitenden Basisplatte 12

O I L· O I /U

und dem Abdeckkörper 18, weil die dielektrischen Körper 10 durch die. Spannung hohen Potentials re-polarisiert werden.

Die Fig. 5a und 5b zeigen Schnitte von Modifikationen der Elektretvorrichtung 16 gemäß den Fig. 1 bzw. 2. Bei diesen Modifikationen ist das Elektretelement 14.., das an der Bodenseite bzw. am Unterende der Elektretvorrichtung 16 angeordnet ist, mit sowohl einem polarisierten dielektrischen Körper 10 als auch einer leitenden Basisplatte 12 versehen, wobei jedoch die anderen Elek tretelemente 14-, 14-, ... 14 durch lediglich polarisierte diele! trische Körper 10 gebildet sind.

Selbstverständlxch sind noch andere Ausführungsformen möglich.

nwalt

BAD ORIGINÄ1

Leerseite

Claims

ANSPRÜCHE

mehrere Elektretelemente (10), die in Schichten gestapelt sind und von denen mindestens das unterste Elektretelement einen polarisierten dielektrischen Körper neben einem anderen Elektretelement aufweist und eine leitenden Elektrode (12), die an dem dielektrischen Körper gesichert ist, wobei jedes elektretelement (10) mit ehern Oberflächenladungs-Volumen mit einer Polarität versehen ist.
2. Elektretvorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

einen Abdeckkörper (18), der auf dem Elektretelement anaebracht ist, das am Oberende des Stapels angeordnet ist.
3. Elektretvorrichtung n,.>ch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet
daß der Abdeckkörper (18) Leiterwerkstoff aufweist.

BAD
4. Elektretvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckkörper (18) nichtleitenden Werkstoff aufweist.
5. Elektretvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der Abdeckkörper (18) halbleitenden Werkstoff aufweist.

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