FI124225B - Parannettu sähkömekaaninen kalvo ja sen valmistus - Google Patents

Description

PARANNETTU SÄHKÖMEKAANINEN KALVO JA SEN VALMISTUS

Tämän keksinnön kohteena on sähkömekaaninen kaivorakenne ja sen 5 valmistusmenetelmä, jossa rakenteessa on johtavat kalvomaiset elektrodit ja niiden välissä elektreettikuplakalvorakenne.

Keksintö liittyy käytettäväksi erilaisissa sähköisesti varattuun elektreettikuplakalvoon perustuvissa muuntimissa, kuten antureissa ja 10 aktuaattoreissa, kuten esimerkiksi elektromekaanisissa näppäimistöissä, värähtely- ja voima-antureissa, photoakustisissa antureissa, ultraääniantureissa ja lähettimissä, joissa elektreettikuplakalvoon kohdistuva mekaaninen voima muunnetaan sähkösignaaleiksi tai päinvastoin.

15 KEKSINNÖN TAUSTAA

Sähkömekaaniseen kalvoon perustuvat antureiden käyttö esimerkiksi näppäimistöissä on tunnettua mm. US patentista 5,917,437, jossa on esitetty kovia iskuja kestävä näppäimistörakenne, jossa kiinteän ja kovan pinnan alla on 20 anturielementti, jossa on näppäimistöä vastaava, hopeapastalla silkkipainettu kuviointi. Keksinnön mukaisessa rakenteessa esitetään käytettäväksi kapasitiivista ns. elektreettikuplakalvoa, jollainen on esitetty US- patenttijulkaisussa 4,654,546. Elektreettikuplakalvolla tarkoitetaan yleensä litteitä ja/tai repeytyneitä kaasurakkuloita tai soluja sisältävää vaahdotettua 25 dielektristä muovikalvoa, joka on varattu voimakkaassa sähkökentässä.

Elektreettikuplakalvo on perinteisesti ollut polypropeenia, mutta sitä voidaan ^ valmistaa myös muovimateriaaleista kuten PEN, PET ja COC seoksista.

o Tunnettua on myös elektreettikuplakalvon paisuttaminen paksuussuunnassa, c\j jolloin siihen varaamisen yhteydessä muodostuu suurempi sisäinen o ^ 30 sähkökenttä ja sen herkkyys kasvaa moninkertaiseksi verrattuna ™ paisuttamattomaan vastaavaan kalvoon. Elektreettikuplakalvoa valmistetaan ja £ myydään tunnetulla tavaramerkillä Emfit®.

CD

o g Tämän keksinnön kohteena olevissa antureissa ja aktuaattoreissa on ollut o 35 tunnettua edellä mainitun elektreettikuplakalvon käyttö siten, että sen tarvitsemat sähköjohtavat pinnat on ensin järjestetty esimerkiksi polyesterikalvojen pinnoille ja vasta sitten sellaiset on laminoitu yhteen elektreettikuplakalvon kanssa, aina sähköjohtava pinta elektreettikuplakalvoa 2 vasten. Tämä on tullut tunnetuksi esimerkiksi patenttijulkaisusta US 6,242,683. Tällainen jälkeenpäin tapahtuva laminointi on kuitenkin hidas, koska erityisesti pieninä sarjoina valmistettavat anturit on jouduttu valmistamaan liimaamalla laminaatit ennen leikkausta yleensä vähintään kolmesta arkista (kaksi 5 polyesteriä yhteen yhden elektreettikuplakalvon kanssa).

Tunnettua on myös ollut, että elektreettikuplakalvo tarvitsee vanhennusta korkeammassa lämpötilassa, jotta se stabiloituisi eikä enää käytössä menettäisi varaustaan. Kuitenkin itse kalvon vanhennus ennen sen toimitusta sitä 10 käyttävälle sähköä johtavaa painamista tekevää yritykselle ei ole onnistunut, koska sellaisenaan kalvo rypistyy ja muuttaa muotoaan voimakkaasti, kun sitä sellaisenaan säilytetään korkeammassa lämpötilassa, esimerkiksi 60 C asteessa.

15 Edelleen tunnettu ongelma on ollut, ettei sähköä johtavia pintoja ole voitu painaa suoraan elektreettikuplakalvolle, koska esimerkiksi hopeapasta vaatii kuivuakseen ja saavuttaakseen hyvän sähkönjohtavuuden, vähintään luokkaa 80 C lämmön, jolloin kalvo sellaisenaan muuttaa muotoaan niin, että se rypistyy ja siihen tulee pullistumia ja näin ollen muuttuu käyttökelvottomaksi. Edelleen 20 kalvo sellaisenaan, vaikka siihen voisikin painaa, on liian haurasta ja heikkoa sellaisenaan.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

25 Tämän keksinnön yhtenä tavoitteena on tunnetun tekniikan ongelmien ratkaiseminen uudentyyppisellä elektreettikuplakalvorakenteella, jossa on monta kerrosta, δ

CM

^ Edullisessa sovellutusmuodossa ainakin elektreettikuplakalvon toiselle, mutta ° 30 suositellusti molemmille pinnoille, on ensin laminoitu ohut muovikalvo, ^ suositellusti polyesteriä, mutta voi olla myös jotain muuta sopivaa kuten vaikka

X

£ polyimidiä, joka voi olla ensin lämpökäsitelty sen kutistumisen lämmössä co estämiseksi, o δ o itsenäisissä patenttivaatimuksissa.

5 35 Yksityiskohtaisesti keksinnön tunnusomaiset piirteet on esitetty oheisissa

CM

5 3

PIIRUSTEN LYHYT KUVAUS

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen parannetun elektreettikuplakalvon poikkileikkausta, jossa yksi elektreettikuplakalvo on laminoitu yhden esimerkiksi polyesterikalvon kanssa.

10 Kuvio 2 esittää parannetun elektreettikuplakalvon poikkileikkausta, jossa yksi elektreettikuplakalvo on laminoitu kahden kalvon, esimerkiksi polyesterikalvon kanssa.

Kuvio 3 esittää kuvion 2 mukaisen kalvon käyttöä anturina ja sitä, kuinka siihen 15 on järjestetty tyypilliset sähköjohtavat ja eristävät kerrokset.

EDULLISTEN SOVELLUTUSMUOTOJEN KUVAUS

Kuvioiden 1 ja 2 sovellutusmuodossa ainakin elektreettikuplakalvon 100, jonka 20 paksuus on tyypillisesti 50 - 100 pm, toiselle, mutta suositellusti molemmille pinnoille on ensin laminoitu ohut muovikalvo 101, suositellusti polyesteriä, mutta voi olla myös jotain muuta sopivaa kuten vaikka polyimidiä, joka on ensin lämpökäsitelty sen kutistumisen lämmössä (hopeapastan kuivatus ja elektreettikuplakalvon varauksen stabilointi lämmöllä) estämiseksi.

25 Tällaista laminaattia 100, 101 voi sen valmistaja vanhentaa esimerkiksi 85 C asteessa viikon, jonka jälkeen sitä voi toimittaa rullana tai arkkeina edelleen δ yritykselle, joka voi suoraan painaa siihen sähköjohtavat pinnat halutussa

CNJ

^ muodossa, sen jälkeen leikata haluttuja antureita ja/tai aktuaattoreita, ja ° 30 kiinnittää liittimet. Koska lisättävä kalvo 101 ei sisällä sähköjohtavia aineita, ™ varaus muodostuu myös sähköjohtavalle pinnalle, joka on painettu uloimmalle,

X

£ laminoidun kerroksen ulkopinnalle, eikä sen tarvitse siis olla suoraan g elektreettikuplakalvoa vasten. Kun elektreettikuplakalvon pinnalle laminoitu δ kalvo on luokkaa 15-25 μ paksua, se itse asiassa vastaa tyypillistä liimakalvon δ 35 paksuutta, kuin on perinteisellä tekniikalla laminoitu sähköjohtava pinnan

CM

omaava polyesterikalvo elektreettikuplakalvon kanssa. Voiman muutoksesta generoituva varaus sähköjohtavalle pinnalle kun on verrannollinen sen etäisyyteen elektreettikuplakalvon pinnasta eli tällaisen laminaatin suorituskyky 4 on vähintään samaa luokkaa kuin perinteisen menetelmän, mutta erityisesti valmistusmenetelmä valmiiksi tuotteiksi helpottuu huomattavasti. Haluttaessa ominaisuuksia kuin mekaaninen kestävyys, jäykkyys, voidaan käyttää myös paksumpia kalvoja, kuten vaikka 100 μ. Suorituskyky (herkkyys) huononee, 5 mutta monessa sovelluksessa se ei ole ongelma.

Jos halutaan järjestää esimerkiksi piirilevyn yhdelle pinnalle anturi ja/tai aktuaattori, yleensä piirilevyn pinnalle järjestetään kuuma elektrodi(t), ja sitä vasten liimataan elektreettikuplakalvo jonka ulkopinnalle järjestetään 10 maaelektrodi. Käyttämällä tähän edellä kuvatun mukaista laminaattia, jossa elektreettikuplakalvo on laminoitu yhden polyesterikalvon kanssa, voidaan mainittu maataso painaa polyesterikalvon pinnalle ja elektreettikuplakalvo liimata suoraan piirilevyn pinnalle, jossa sitä vasten tulee signaali- eli kuumaelektrodi(t). Maataso voidaan kytkeä useilla eri tavoilla piirilevyn 15 maatasoon.

Kuviossa 3 on elektreettikuplakalvon 100 molemmille pinnoille laminoitu edullisesti rullalta-rullalle prosessissa polyesterikalvot 101 ja 102, edullisesti 25 μ paksut. Tämän jälkeen laminaattirulla on sellaisenaan, tai arkeiksi 20 leikkaamisen jälkeen vanhennettu esimerkiksi 85 C asteessa 7 pv ajan, jonka jälkeen siihen jäävä varaustaso kestää käytännössä muuttumatta esimerkiksi autoteollisuuden vaatimukset tuotteilta, joita asennetaan autojen matkustamotiloihin. Kalvon 102 alapinnalle on järjestetty silkkipamamalla, joko arkkina tai rullalta-rullalle painomenetelmällä, ensin maataso 103 hopeapastalla 25 painamalla. Sen päälle on painettu eriste 104, jotta hopeapasta ei hapetu. Painamisen sijaan voidaan lisätä myös ohut suojaava muovikalvo. Polyesterikalvon 101 yläpinnalle on vastaavasti painettu signaali- eli o kuumaelektrodi 105. Se on kooltaan edullisesti hieman alapuolen maatasoa

CM

^ pienempi. Signaalielektrodin yli on painettu edullisesti kahteen kertaan eriste ° 30 106, joka on kaikilta reunoilta selvästi yli signaalielektrodialueen. Eristeen 106 ^ päälle on taas painettu maataso 107, joka on suojattu hapettumiselta eristeellä

X

£ 108, joka voi olla myös erillinen ohut muovikalvo tai vaikka painettua grafiittia.

g Usein anturiin tarvitaan pitemmät signaalijohtimet sen kytkemiseksi £ signaalikäsittelylaitteeseen. Tällöin signaalijohdinalue on usein o varausta signaalielektrodiin. Tällöin voidaan järjestää siten että ennen signaalielektrodin painamista samalla puolelle, jolle se on tuleva, painetaan ns. maskikerros sille alueelle, josta ei haluta generoituvan varausta, ja se 5 35 tarkoituksenmukaista olla sellainen, että siihen kohdistuvat voimat eivät generoi

CM

5 järjestetään siten, että se kytkeytyy maatasoihin. Sen päälle painetaan eriste edullisesti kahteen kertaan. Vasta tämän jälkeen painetaan signaalielektrodikerros 105 ja edelleen kerrokset 106, 107, 108. Kun kaikki pinnat on näin järjestetty, arkki tai rulla leikataan suunnitellun muotoisiksi 5 antureiksi/aktuaattoreiksi, kuten on esimerkiksi esitetty US patenttijulkaisussa US 6,242,683, jossa myös ilmenee kuinka signaali- ja maatasot esimerkiksi voidaan kuvioida. Näin saadaan haluttua tuotetta, jota ei enää tarvitse vanhentaa, vaan se on valmis käytettäväksi. Logistisesti tuotantoprosessi on edullinen ja hallittavissa.

10

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Keksintöä voidaan soveltaa käytettäväksi useissa eri elektreettikuplakalvosovelluksissa.

δ

CvJ

C\J

o N-

C\J

X

IX

Q.

CO

o δ o δ

C\J

Claims (4)

1. Sähkömekaanisen kaivorakenteen valmistusmenetelmä, jossa rakenteessa on johtavat kalvomaiset elektrodit ja niiden välissä elektroaktiivinen 5 kaivorakenne, tunnettu siitä, että menetelmässä - muodostetaan kerrosrakenne, jossa on elektroaktiivinen kerroskalvorakenne, jossa on vähintään kolme kerrosta, joista vähintään yksi kerros on elektreettikuplakalvokerros (100) ja vähintään yksi kerros on lämpöä kestävä muovikalvo, ja 10. ainakin elektreettikuplakalvon tai -kalvojen toiselle, mutta suositellusti molemmille pinnoille on ensin laminoitu eristysmuovikalvo, suositellusti polyesteriä, mutta voi olla myös jotain muuta sopivaa kuten vaikka polyimidiä, - joka eristysmuovikalvo on ensin lämpökäsitelty sen kutistumisen lämmössä estämiseksi. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aikaansaatu laminaattikalvorakenne (100, 101) on rulla- tai arkkituote, johon voi suoraan painaa sähköjohtavat pinnat halutussa muodossa, sen jälkeen leikata haluttuja antureita ja/tai aktuaattoreita, ja kiinnittää liittimet. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektreettikuplakalvo tai -kalvot on laminoitu yhden polyesterikalvon kanssa, ja maataso on sovitettu polyesterikalvon pinnalle ja elektreettikuplakalvo järjestetty suoraan piirilevyn pinnalle, jossa sitä vasten tulee kuumaelektrodi(t). 25

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ^ elektreettikuplakalvon (100) molemmille pinnoille laminoitu edullisesti rullaltani rullalle prosessissa polyesterikalvot (101 ja 102), toisen kalvon (102) alapinnalle i g on järjestetty silkkipainamalla, joko arkkina tai rullalta-rullalle i ^ 30 painomenetelmällä, ensin maataso (103), polyesterikalvon (101) yläpinnalle on x vastaavasti painettu signaali- eli kuumaelektrodi (105), signaalielektrodin yli on CC °· painettu edullisesti kahteen kertaan eriste (106), joka on kaikilta reunoilta o selvästi yli signaalielektrodialueen, ja eristeen (106) päälle on taas painettu o maataso (107), joka on suojattu hapettumiselta eristeellä (108). δ CVJ