CN101529712B - 静电动作装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够抑制电荷从驻极体膜流出的静电动作装置。该静电动作装置具备:包括可动电极(22)的可动电极部(20);和固定电极部(10),其设置为与可动电极部(20)间隔规定的距离而对置,并且包括能够蓄积电荷的驻极体膜(12)、以及形成在驻极体膜(12)的上表面的规定区域上的导电体层(13),驻极体膜(12)的形成有导电体层(13)的区域的表面形成为凸状。
Description
技术领域
本发明涉及静电动作装置,尤其涉及具备驻极体膜(electret film)的静电动作装置。
背景技术
以往,具备驻极体膜的静电感应型发电装置及静电执行元件分别被公开于日本特开2006-180450号公报及日本特开平4-112683号公报中。
该特开2006-180450号公报所公开的静电感应型发电装置由设置为互相间隔规定的距离对置的两块基板构成。在其中一个基板的与另一基板对置的表面上,形成有多个细片状的电极。再有,在另一基板的与其中一个基板对置的表面上形成有多个细片状的导电体层,并且在该导电体层的表面上形成有作为电荷保持材料的驻极体膜。在该静电感应型发电装置中,通过使两块基板的至少一块基板受到惯性力的作用而反复振动,从而利用蓄积于驻极体膜的电荷使与驻极体膜对置的电极所感应出的电荷变化,将该变化部分作为电流输出。
再有,特开平4-112683号公报所公开的静电执行元件由以下部件构成:包含多个电极的定子;和包含由特氟隆(注册商标)构成的基板的振子。该由特氟隆(注册商标)构成的基板的规定区域通过电晕放电而被部分驻极体化。具体是,由特氟隆(注册商标)构成的基板的被驻极体化后的一个区域具有细片状的形状,多个被驻极体化后的细片状区域隔着规定间隔形成于基板上。定子所包含的多个电极和由特氟隆(注册商标)构成的基板的被驻极体化后的多个区域以对置的方式配置,通过使该多个电极的电压分别变化(正电压、0及负电压),从而可以使包含由特氟隆(注册商标)构成的基板的振子在相对于对置的定子而言平行的方向上移动。
然而,在特开2006-180450号公报所公开的静电感应型发电装置中,作为电荷保持材料的驻极体膜形成为细片状,存在电荷从形成为细片状的驻极体膜的端部流出的问题。因此,由于蓄积于驻极体膜的电荷量减少,故静电感应型发电装置的发电量减少。
再有,在特开平4-112683号公报所公开的静电执行元件中,存在电荷从由特氟隆(注册商标)构成的基板的被驻极体化后的多个区域流到未被驻极体化的区域的问题。因此,由于被驻极体化后的区域的电位和未被驻极体化的区域的电位之差减小,故振子的移动动作与停止动作的切换变得缓慢起来。还有,考虑将该特开平4-112683号公报所公开的部分被驻极体化的由特氟隆(注册商标)构成的基板用作特开2006-180450号公报所公开的静电感应型发电装置的另一基板。但是,该情况下被驻极体化后的区域的电位和未被驻极体化的区域的电位之差减小,由此与由特氟隆(注册商标)构成的基板对置的电极所感应的电荷的变化量减小,因此静电感应型发电装置的发电量减少。
发明内容
本发明正是为了解决上述问题而进行的发明,其目的之一在于提供一种能够抑制电荷从驻极体膜流出的静电动作装置。
本发明的第一方面涉及的静电动作装置,具备:包括第一电极的第一电极部;和第二电极部,其设置为与第一电极部间隔规定的距离而对置,并且包括能够蓄积电荷的驻极体膜、以及形成在驻极体膜的上表面的规定区域上的第一导电体层,驻极体膜的形成有第一导电体层的区域的表面形成为凸状。
在该第一方面涉及的静电动作装置中,如上所述,通过在能够蓄积电荷的驻极体膜的上表面的规定区域上形成第一导电体层,从而例如在将第一导电体层接地的情况下或者施加规定的电压的情况下,第一导电体层具有遮蔽驻极体膜内所蓄积的电荷产生的电场的动作,因此在第二电极部的与第一电极部对置的表面上,形成有第一导电体层的区域的电场小,驻极体膜露出的区域的电场大。在作为静电动作装置而采用静电感应型发电装置的情况下,通过第一电极部及第二电极部中的至少一个受到惯性力的作用而反复振动,从而第二电极部的表面上存在电场大的区域和电场小的区域,因此与驻极体膜对置的第一电极所感应出的电荷的量发生变化。由此,可以将第一电极感应出的电荷的变化量作为电流输出。再有,在作为静电动作装置而采用静电执行元件的情况下,通过向第一电极部提供信号(电压),从而根据在第一电极部、与第二电极部所包含的驻极体膜之间作用的库仑力,可以使第二电极部活动。
这样,可以将驻极体膜例如加工(图案化)为梳齿状,可以在第二电极部的表面上制作电场大的区域与电场小的区域,因此与加工驻极体膜的情况相比,可以减少电荷从驻极体膜的端部流出。结果,在作为静电动作装置而利用静电感应型发电装置的情况下,可以抑制发电量的减少。
另外,在作为静电动作装置而利用静电执行元件的情况下,与加工驻极体膜的情况相比可以减小施加在第一电极部上的电压,因此可以降低静电执行元件的耗电。再有,若电荷整体地分布在驻极体膜的表面上,则不会如局部被驻极体化的膜那样发生电荷从被驻极体化的区域流出到未被驻极体化的区域的情况。由此,不会导致驻极体化后的区域的电位与未被驻极体化的区域的电位之差减少。由此,在作为静电动作装置而采用静电感应型发电装置的情况下,可以抑制与驻极体膜对置的第一电极所感应的电荷的变化量减少的现象,因此可以抑制发电量的减少。再有,在作为静电动作装置而利用静电执行元件的情况下,与采用局部被驻极体化的膜的情况相比,可以减小施加在第一电极部上的电压,因此可以降低静电执行元件的耗电。
再有,在被局部驻极体化的膜中,通过在未被驻极体化的区域的表面上配置第一导电体层,从而即使电荷从被驻极体化的区域向未被驻极体化的区域移动,配置在未被驻极体化的区域的表面上的第一导电体层也可以遮蔽向未被驻极体化的区域流出的电荷所产生的电场,因此可以抑制已被驻极体化的区域与未被驻极体化的区域的边界中的电场变化缓慢的现象。
还有,通过将驻极体膜的形成第一导电体层的区域的表面形成为凸状,从而蓄积电荷的驻极体膜的表面的凹状部分和第一导电体层被驻极体膜的凸状部分分离开来,因此可以进一步抑制电荷从驻极体膜流出到第一导电体层。由此,在作为静电动作装置而采用静电感应型发电装置的情况下,可以进一步抑制发电量的减少。再有,在作为静电动作装置而采用静电执行元件的情况下可以进一步降低静电执行元件的耗电。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选在俯视情况下观察,第一导电体层与驻极体膜的表面的凸状部分形成为实质上相同的形状。如果这样构成,则可以容易地同时加工第一导电体层与驻极体膜表面的凸状部分。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选该静电动作装置还包括第一绝缘膜,其至少形成于驻极体膜的与第一电极对置的表面上,抑制电荷从驻极体膜的表面上流出。如果这样构成,则可以抑制电荷从未形成第一导电体层的驻极体膜的表面流出,因此在作为静电动作装置而采用静电感应型发电装置的情况下,可以进一步有效地抑制发电量的减少。再有,在作为静电动作装置而采用静电执行元件的情况下,可以进一步降低静电执行元件的耗电。
该情况下,第一绝缘膜还形成在驻极体膜的凸状部分的侧面。如果这样构成,则与将第一绝缘膜未形成于驻极体膜的凸状部分的侧面的情况相比,可以进一步抑制电荷从驻极体膜流出。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选第一电极包括隔开第一间隔而设有多个的第一电极部分,第一导电体层的宽度比相邻的第一电极部分间的第一间隔大。如果这样构成,则可以抑制形成于驻极体膜上的第一导电体层进入相邻的第一电极间,因此可以抑制第一电极与驻极体膜粘在一起。由此,可以抑制第一电极与驻极体膜接触而引起的第一电极所感应出的电荷减少的现象。还有,根据上述构成,可以抑制第一电极与驻极体膜接触而引起的驻极体膜被破坏的现象。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选第一电极部还包含表面形成有第一电极的第一基板,从驻极体膜的凹状部分的表面到第一导电体层的第一电极侧的表面为止的高度,比形成于第一基板上的第一电极的厚度大。如果这样构成,则驻极体膜的凸状部分与第一导电体层可以作为隔离器发挥作用,因此可以抑制第一电极与驻极体膜粘在一起。由此,可以抑制第一电极与驻极体膜接触而引起的第一电极所感应出的电荷减少的现象。还有,根据上述构成,可以抑制第一电极与驻极体膜接触而引起的驻极体膜被破坏的现象。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选第一电极部还包括表面形成有第一电极的第一基板,形成于驻极体膜上的第一导电体层的厚度比形成于第一基板上的第一电极的厚度大。如果这样构成,则与从驻极体膜的凹状部分的表面到第一导电体层的第一电极侧的表面为止的高度比形成于第一基板上的第一电极的厚度大的情况不同,可以进一步抑制第一电极与驻极体膜粘在一起。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选第一电极部还包括表面形成有第一电极的第一基板,第一基板与第一电极之间形成有第二绝缘膜。如果这样构成,则因为第一电极与第一基板被分离开,故可以由导电体形成第一基板。
该情况下,第二绝缘膜可以形成为覆盖第一基板的表面。
在上述第一基板与第一电极之间形成有第二绝缘膜的静电动作装置中,在俯视情况下,第二绝缘膜也可以具有与第一电极相同的形状。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选第一导电体层接地。如果这样构成,则第一导电体层的电位被固定,因此可以稳定驻极体膜的表面上的电场的强弱。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选第一导电体层被施加规定的电压。如果这样构成,则通过施加第一导电体层的电位与驻极体膜的表面电位正负相反的电压,从而可以容易地增大驻极体膜表面上的电场的强弱。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选驻极体膜的表面的凸状部分与第一导电体层之间形成有第三绝缘膜。如果这样构成,则可以通过第三绝缘膜来分离驻极体膜与第一导电体层,因此可以进一步抑制电荷从驻极体膜流出到第一导电体层。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选第二电极部包括表面形成有驻极体膜的导电性的第二基板。如果这样构成,则通过连接第一电极与第二基板,从而可以容易地在第一电极与第二基板之间引起静电感应。
该情况下,优选第一电极与第二基板经由桥式整流电路而连接。如果这样构成,则可以容易地通过桥式整流电流将第一电极蓄积的电荷的变化量作为电流取出。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选驻极体膜构成为包括:第一驻极体膜;和形成在第一驻极体膜的表面上的第二驻极体膜。如果这样构成,则例如通过将蓄积电荷的部分的作为第一驻极体膜,利用热氧化来形成第一驻极体膜,从而可以容易地形成适于蓄积电荷的驻极体膜。再有,通过采用等离子体CVD来形成第二驻极体膜,从而可以加快驻极体膜的形成速度。由此,可以构成适于蓄积电荷且形成速度快的驻极体膜。
在上述第一方面涉及的静电动作装置中,优选第二电极部包括:表面形成有驻极体膜的绝缘性的第三基板;和形成于第三基板与驻极体膜之间的第二导电体层。如果这样构成,则通过连接第一电极与第二导电体层,从而可以在第一电极与第二导电体层之间容易地引起静电感应。
该情况下,第二导电体层也可以形成为覆盖第三基板的表面。
在上述第二电极部包含第三基板与第二导电体层的静电动作装置中,在俯视情况下,所述第二导电体层也可以形成为具有与第一导电体层相同的形状。
在上述第二电极部包含第三基板与第二导电体层的静电动作装置中,优选第一电极与第二导电体层经由桥式整流电路而连接。如果这样构成,则可以容易地通过桥式整流电流将第一电极蓄积的电荷的变化量作为电流取出。
本发明的第二方面涉及的静电感应型发电装置,具备:第一电极部,其包括第一电极;和第二电极部,其设置为与第一电极部间隔规定的距离对置,并且包括能够蓄积电荷的驻极体膜、以及形成于驻极体膜的上表面的规定区域上的第一导电体层。
在该第二方面涉及的静电动作装置中,通过在驻极体膜的上面的规定区域上形成第一导电体层,从而利用第一导电体层来遮蔽驻极体膜所蓄积的电荷产生的电场,因此可以对驻极体膜的表面上的电场的强度赋予强弱。由此,与将驻极体膜加工为例如梳齿状或细长条状的情况不同,因为驻极体膜的横截面不会增大,故可以抑制电荷从驻极体膜流出。
附图说明
图1是本发明第一实施方式涉及的静电感应型发电装置的剖视图。
图2是沿图1的100-100线的剖视图。
图3是沿图1的200-200线的剖视图。
图4是示意性地表示本发明第一实施方式以及比较例1涉及的静电感应型发电装置的固定电极部表面的电位的图。
图5是用于说明本发明第一实施方式涉及的静电感应型发电装置的发电动作的剖视图。
图6是本发明第二实施方式涉及的静电感应型发电装置的剖视图。
图7是本发明第三实施方式涉及的静电感应型发电装置的剖视图。
图8是本发明第四实施方式涉及的静电感应型发电装置的剖视图。
图9是本发明第五实施方式涉及的静电感应型发电装置的剖视图。
图10是沿图9的300-300线的剖视图。
图11是本发明第六实施方式涉及的静电感应型发电装置的剖视图。
图12是为了测量形成于硅基板上的梳齿状的驻极体膜表面的电位而进行的实验的样品的剖视图。
图13是为了测量在驻极体膜上形成了梳齿状的导电体层时的驻极体膜表面的电位而进行的实验的样品的剖视图。
图14是表示梳齿状的导电体层的梳齿的宽度、驻极体膜表面的凸状部分的厚度和驻极体膜的表面电位的关系的图。
图15是表示驻极体膜的表面电位的时效变化的图。
图16是表示驻极体膜的表面电位的时效变化的图。
图17是测量在驻极体膜的表面上未设置凸部时的驻极体膜表面的电位的变化用的实验的样品的剖视图。
图18是测量在驻极体膜的表面上设置了凸部时的驻极体膜表面的电位的变化用的实验的样品的剖视图。
图19是测量在驻极体膜的表面上设置了凸部时的驻极体膜表面的电位的变化用的实验的样品的剖视图。
图20是本发明第一实施方式~第六实施方式的变形例涉及的静电感应型发电装置的固定电极部的剖视图。
图21是本发明第一实施方式~第六实施方式的变形例涉及的静电感应型发电装置的可动电极部的剖视图。
图22是本发明第一实施方式~第六实施方式的变形例涉及的静电感应型发电装置的可动电极部的剖视图。
图23是本发明第一实施方式~第六实施方式的变形例涉及的静电感应型发电装置的可动电极部的剖视图。
图24是本发明第一实施方式~第六实施方式的变形例涉及的静电感应型发电装置的固定电极部的剖视图。
图25是本发明第一实施方式~第六实施方式的变形例涉及的静电感应型发电装置的固定电极部的剖视图。
具体实施方式
以下根据附图对本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
参照图1~图4,对第一实施方式涉及的静电感应型发电装置1的结构进行说明。其中,在本实施方式中对将本发明应用于作为静电动作装置的一例的静电感应型发电装置1的情况进行说明。
如图1所示,该第一实施方式涉及的静电感应型发电装置1配置为:固定电极部10与可动电极部20对置。其中,固定电极部10与可动电极部20分别是本发明的“第二电极部”与“第一电极部”的一例。再有,静电感应型发电装置1包括:用于对所发出的电力进行整流的桥式整流电路2;用于改变直流电流的电压的DC-DC变换器3。还有,DC-DC变换器3上连接有由静电感应型发电装置1所发出的电力来驱动的负载4。进而,DC-DC变换器3与负载4分别接地。
在此,在第一实施方式中,如图1所示,在由具有约50nm~约1000nm厚度的铝构成的固定基板11的表面上,形成有由具有约0.1μm~约100μm厚度的以聚四氟乙烯(PTFE)为代表的氟系树脂或硅氧化膜构成的驻极体膜12。其中,固定基板11是本发明的“第二基板”的一例。再有,在驻极体膜12的上表面上形成有具有约50nm~约1000nm厚度的导电体层13.其中,导电体层13是本发明的“第一导电体层”的一例。在此,在第一实施方式中,驻极体膜12的形成导电体层13的区域的表面形成为凸状。还有,在第一实施方式中,导电体层13接地。另外,如图2所示,导电体层13形成为梳齿状,梳齿的齿部分的宽度W1、和齿与齿之间的间隔W2分别约为1mm。在此,在第一实施方式中,驻极体膜12表面的凸状部分和导电体层13俯视地看形成为相同的梳齿状。另外,只要驻极体膜12表面的凸状部分(凸部121)和导电体层13俯视地看实质上为相同形状即可,以便可以分离驻极体膜12表面的凹状部分(凹部122)与导电体层13。例如,如驻极体膜12的凸部121与导电体层13形成为从导电体层13的上表面向基板11扩展为锥状的情况那样,在俯视观察凸部121与导电体层13的情况下,也可以使凸部121形成得较大。此外,也可以使驻极体膜12表面的凸状部分(凸部121)与导电体层13形成为长方形状。进而,通过利用电晕放电向整个面注入负电荷,从而电荷均匀地分布,驻极体膜12表面的凹部122被调整为约-20V~约-2000V的电位。
再有,如图1所示,在由具有约300μm~约1000μm厚度的绝缘性玻璃构成的可动基板21的下表面上,形成由具有约50nm~约1000nm厚度的铝构成的可动电极22。其中,可动基板21是本发明的“第一基板”的一例。另外,如图3所示,可动电极22形成为梳齿状,梳齿的齿部分的宽度W3和齿与齿之间的间隔W4分别约为1mm。该可动电极22是本发明的“第一电极”的一例,可动电极22的梳齿的齿部分是本发明的“第一电极部分”的一例。在此,在第一实施方式中固定基板11与可动电极22经由桥式整流电路2而连接在一起。
还有,如图1所示,导电体层13与可动电极22在未向静电感应型发电装置1上施加振动的状态下配置为互相不对置。
进而,图4所示的实线a在第一实施方式中表示从可动电极22侧观察固定电极部10时的固定电极部10表面的电位,横轴表示固定电极部10表面的区域(驻极体膜12露出的区域以及形成有导电体层13的区域),纵轴表示各区域表面的电位。
如图4所示,固定电极部10的表面交替地存在着驻极体膜12露出的区域和形成有导电体层13的区域,在驻极体膜12露出的区域和形成有导电体层13的区域之中,驻极体膜12露出的区域的表面电位较高。再有,如图4的实线a所示,在第一实施方式中驻极体膜12露出的区域和形成有导电体层13的区域的边界的电位变化急剧。还有,图4所示的虚线b示意性地表示以下情况,即:取代采用第一实施方式的导电体层13,作为比较例1,通过形成为不对驻极体膜12的与导电体层13对应的区域进行驻极体化,从而生成仅局部地被驻极体化的膜,测量表面的电位的情况。在该比较例1涉及的局部地驻极体化的膜中,驻极体化后的区域内蓄积的电荷向未被驻极体化的非驻极体区域流出,由此如图4所示,驻极体化后的区域和非驻极体区域的边界的电位变化与实线a所示的第一实施方式的电位变化相比变得缓慢。
接着,利用图1及图5,对本发明第一实施方式涉及的静电感应型发电装置1的发电动作进行说明。
如图1所示,在未给静电感应型发电装置1施加振动的情况下,配置为驻极体膜12的表面和可动电极22隔着规定间隔对置。在此,驻极体膜12的表面被调整为负的电位(约-20V~约-2000V),因此可动电极22通过静电感应而被感应正电荷。
接着,如图5所示,在静电感应型发电装置1上施加水平方向(X方向)的振动,可动电极22沿X方向移动,由此可动电极22移动到与导电体层13对置的位置。由此,因为与可动电极22对应的电位从驻极体膜12的电位(约-20V~约-2000V)向导电体层13的电位(接地)变化,所以可动电极22因静电感应而感应出的电荷的量变化。该电荷的变化量成为电流,经由桥式整流电路2及DC-DC变换器3而向负载4输出。基于振动,可动电极部20重复图1所示的状态、图5所示的状态和未图示的可动电极部20沿与X方向相反的方向移动的状态,从而继续进行发电。
在第一实施方式中,如上所述,通过在能蓄积电荷的驻极体膜12的表面上形成梳齿状的导电体层13,从而形成于驻极体膜12的表面上的导电体层13因为具有隔断蓄积于驻极体膜12的电荷所产生的电场的作用,所以在固定电极部10的与可动电极部20对置的表面上,形成导电体层13的区域的电场小,驻极体膜12露出的区域的电场大。这样,因为例如可以不把驻极体膜12加工为梳齿状,而是在固定电极部10的表面上制作电场大的区域和电场小的区域,所以与加工(图案化)驻极体膜12的情况相比,可以减少电荷从驻极体膜12的端部流出。结果,可以抑制发电量的减少。另外,通过加工驻极体膜12而蓄积的电荷减少这一点,已经通过后述的本申请的发明人的实验而被确认了。
再有,在第一实施方式中,若使电荷均匀地分布在驻极体膜12的表面上,则不会如被局部驻极体化的膜那样,因电荷从驻极体化后的区域流出到未被驻极体化的区域,导致驻极体化后的区域的电位与未被驻极体化的区域的电位之差的减少。由此,因为可以抑制与驻极体膜12对置的可动电极22所感应出的电荷的变化量减少,所以可以抑制发电量的减少。
还有,在第一实施方式中,如上所述,通过将驻极体膜12的形成导电体层13的表面的区域形成为凸状,从而可以分离蓄积电荷的驻极体膜12的表面的凹部122与导电体层13,因此可以抑制驻极体膜12所蓄积的电荷向导电体层13流出。由此,可以进一步抑制发电量的减少。
进而,在第一实施方式中,通过将驻极体膜12的凸状部分(凸部121)和导电体层13俯视观察形成为相同的形状,从而可以容易地同时加工凸部121和导电体层13。
另外,在第一实施方式中,如上所述,通过将导电体层13接地,从而可以固定导电体层13的电位,因此可以稳定驻极体膜12的表面上的电场的强弱。
此外,在第一实施方式中,如上所述,固定基板11为导电性的,由此通过连接可动电极22与固定基板11,从而在可动电极22与固定基板11之间可以容易地引起静电感应。
再有,在第一实施方式中,如上所述,通过经由桥式整流电路2来连接可动电极22与固定基板11,从而可以容易地通过桥式整流电路2将蓄积于可动电极22的电荷的变化量作为电流取出。
(第二实施方式)
参照图6,对在该第二实施方式中与上述第一实施方式不同的静电感应型发电装置1a进行说明,其中将导电体层13调整为规定的正电位,而不是将导电体层13接地。
在该第二实施方式涉及的静电感应型发电装置1a中,如图6所示,在固定电极部10a内通过施加约1V~约10V的电压14,从而导电体层13被调整为符号与驻极体膜12的电位(约-20V~约-2000V)相反的电位(约1V~约10V)。其中,固定电极部10a是本发明的“第二电极部”的一例。该第二实施方式的其他构成与上述第一实施方式相同。
在第二实施方式中,如上所述,通过将导电体层13调整为符号与驻极体膜12相反的电位,从而与将导电体层13接地的情况相比,从而驻极体膜12的表面的电位(约-20V~约-2000V)和导电体层13的电位差变大,因此因静电感应而在可动电极22感应出的电荷的变化量与导电体层13接地的情况相比增大。由此,可以增大发电量。
另外,第二实施方式的其他效果与上述第一实施方式相同。
(第三实施方式)
参照图7,对该第三实施方式中与上述第一实施方式不同的静电感应型发电装置1b进行说明,其中将导电体层13a的宽度W5设置得比可动电极22间的间隔W6大。
即,在该第三实施方式涉及的静电感应型发电装置1b中,如图7所示,在固定电极部10b内,导电体层13a的梳齿状的齿部分的宽度W5(约1.1mm)形成为比梳齿状的可动电极22的齿与齿之间的间隔W6(约0.9mm)大。其中,固定电极部10b是本发明的“第二电极部”的一例。再有,导电体层13a是本发明的“第一导电体层”的一例。
该第三实施方式的其他构成与上述第一实施方式同样。
在第三实施方式中,如上所述,通过将导电体层13a的梳齿状的齿部分的宽度W5形成为比梳齿状的可动电极22的齿与齿之间的间隔W6大,从而可以抑制形成于驻极体膜12a上的导电体层13a进入相邻的可动电极22之间,因此可以抑制可动电极22与驻极体膜12a粘在一起。由此,可以抑制可动电极22与驻极体膜12a接触引起的可动电极22所感应出的电荷减少的现象。再有,根据上述构成,可以抑制可动电极22与驻极体膜12a接触引起的驻极体膜12a被破坏的现象。
另外,第三实施方式的其他效果与上述第一实施方式相同。
(第四实施方式)
参照图8,对该第四实施方式中与上述第一实施方式不同的静电感应型发电装置1c进行说明,其中将从驻极体膜12的凹状部分到导电体层13b的可动电极22侧的表面为止的厚度t1设置得比可动电极22的厚度t2大。
即,在该第四实施方式涉及的静电感应型发电装置1c中,如图8所示,在固定电极部10c内,从驻极体膜12的凹状部分到导电体层13b的可动电极22侧的表面为止的厚度t1形成为比形成于可动基板21的下表面上的可动电极22的厚度t2大。其中,固定电极部10c是本发明的“第二电极部”的一例。另外,也可以将导电体层13b的厚度形成得比形成于可动基板21的下表面上的可动电极22的厚度t2大。该第四实施方式的其他构成与上述第一实施方式相同。
在第四实施方式中,如上所述,通过将将从驻极体膜12的凹状部分到导电体层13b的可动电极22侧的表面为止的厚度t1设置得比形成于可动基板21的下表面上的可动电极22的厚度t2大,从而驻极体膜12的凸状部分与导电体层13b作为隔离物起作用,因此可以抑制可动电极22与驻极体膜12粘在一起。由此,可以抑制可动电极22与驻极体膜12接触而引起的可动电极22所感应出的电荷减少的现象。再有,根据上述构成,可以抑制可动电极22与驻极体膜12接触而引起的驻极体膜12被破坏的现象。还有,通过将导电体层13b的厚度形成为比形成于可动基板21的下表面上的可动电极22的厚度t2大,从而可以抑制可动电极22与驻极体膜12粘在一起。
另外,第四实施方式的其他效果与上述第一实施方式相同。
(第五实施方式)
参照图9及图10,对该第五实施方式中与上述第一实施方式不同的静电感应型发电装置1d进行说明,其中在可动基板21的下表面上形成有两个梳齿状的可动电极22a及22b。
在该第五实施方式涉及的静电感应型发电装置1d中,如图10所示,在可动电极部20a内,在可动基板21的下表面上,配置为:梳齿状的可动电极22a与可动电极22b互相对置并且彼此的齿与齿交替组合。其中,可动电极部20a是本发明的“第一电极部”的一例。再有,可动电极22a与22b是本发明的“第一电极”的一例。另外,可动电极22a与可动电极22b隔着约30μm的间隔配置。还有,如图9所示,可动电极22a及可动电极22b分别和单独的桥式整流电路2a及桥式整流电路2b连接。此外,桥式整流电路2a及桥式整流电路2b分别与单独的DC-DC变换器3a及DC-DC变换器3b连接。进而,DC-DC变换器3a及DC-DC变换器3b与由静电感应型发电装置1d发出的电力来驱动的共用负载4连接。该第五实施方式的其他构成与上述第一实施方式相同。
在第五实施方式中,如上所述,通过在可动基板21的下表面上形成两个电极、即梳齿状的可动电极22a及可动电极22b,从而与驻极体膜12对置的可动电极22a通过驻极体膜12所蓄积的电荷产生的静电感应来感应电荷,并且与导电体层13对置的可动电极22b能够将与驻极体膜12对置时感应出的电荷和与导电体层13对置时感应出的电荷的电荷变化量作为电流输出,因此以一次振动就可以同时进行利用静电感应的电荷的感应和电流的输出。结果,与在可动基板21上形成一个可动电极22的上述第一实施方式相比,可以进一步增加发电量。再有,通过使梳齿状的导电体层13的齿部分的宽度W1形成得比梳齿状的可动电极22a与可动电极22b的齿与齿之间的间隔W7大,从而可以抑制形成于驻极体膜12上的导电体层13进入相邻的可动电极22a与可动电极22b之间,因此可以抑制可动电极22a及可动电极22b与驻极体膜12粘在一起。由此,可以抑制可动电极22a及可动电极22b与驻极体膜12接触而引起的可动电极22a及可动电极22b所感应出的电荷减少的现象。再有,根据上述构成,能够抑制可动电极22a及可动电极22b与驻极体膜12接触而引起的驻极体膜12被破坏的现象。
另外,第五实施方式的其他效果与上述第一实施方式相同。
(第六实施方式)
图11是本发明第六实施方式涉及的静电感应型发电装置的固定电极部的剖视图。参照图11,对该第六实施方式中与上述第一实施方式不同的静电感应型发电装置的固定电极部30进行说明,其中通过层叠由SiO2构成的膜来形成驻极体膜。
在该第六实施方式涉及的静电感应型发电装置的固定电极部30中,如图11所示,在由通过热氧化而形成的SiO2构成的驻极体膜31的表面上,通过等离子体CVD来形成具有凸部32a且由SiO2构成的驻极体膜32。其中固定电极部30是本发明的“第二电极部”的一例。再有,驻极体膜31及驻极体膜32分别是本发明的“第一驻极体膜”及“第二驻极体膜”的一例。还有,在驻极体膜32(凸部32a)的表面上形成有导电体层33。其中,导电体层33是本发明的“第一导电体层”的一例。在此,在第六实施方式中,在驻极体膜32表面上的未形成导电体层33的表面上、导电体层33的侧面上以及导电体层33的上表面上形成有由具有约10nm~约1000nm厚度的MSQ(甲基倍半硅氧烷)膜构成的抑制电荷流出膜34。其中抑制电荷流出膜34为本发明的“第一绝缘膜”的一例。再有,驻极体膜32的凸部32a是在以蚀刻方式形成导电体层33时通过将驻极体膜32的表面蚀刻为凹凸状而形成的。其中,凸部32a具有约1nm~约5000nm的厚度t3。再有,凸部32a具有作为对驻极体膜31及32与导电体层33之间进行绝缘的绝缘膜的功能。
在第六实施方式中,如上所述,通过层叠基于热氧化形成的驻极体膜31和基于等离子体CVD形成的驻极体膜32,从而基于热氧化形成的由SiO2构成的驻极体膜31与基于等离子体CVD形成的由SiO2构成的驻极体膜32相比,可以更容易地产生作为驻极体膜的品质优良的特征,并且通过基于等离子体CVD形成绝缘部(凸部32a),从而可以快速进行成膜。
再有,在第六实施方式中,如上所述,通过在驻极体膜32的与可动电极22对置的表面上和凸部32a的侧面上形成抑制电荷流出膜34,从而可以容易地抑制电荷从驻极体膜32的表面流出。
(实验1)
接着,参照图12~图16,针对为了对在驻极体膜的表面上形成了导电体层时以及将驻极体膜加工为梳齿状时驻极体膜表面的电位进行比较而进行的实验1进行说明。在该实验1中,如图12所示,准备以下样品:在硅基板41上形成由具有1μm厚度的硅氧化膜构成的驻极体膜42,加工为梳齿状后,对驻极体膜42进行10000V的电晕放电(比较例2)。再有,如图13所示,准备与第一实施方式对应的样品:在硅基板51上形成具有1μm厚度的驻极体膜52,对驻极体膜52进行10000V的电晕放电后,将具有0.3μm厚度的导电体层53形成为梳齿状。其中,导电体层53俯视观察形成为梳齿状,形成有导电体层53的区域的驻极体膜52的表面形成为凸状(凸部521)。再有,在驻极体膜52与导电体层53的表面上形成有由MSQ构成的抑制电荷流出膜54。还有,准备凸部521的厚度t4为0μm(无凸部)及1.4μm的两种样品。在该实验中,测量使梳齿状的驻极体膜42及梳齿状的导电体层53的齿部分的宽度W8变化时的、驻极体膜42及驻极体膜52的表面的电位。另外,在图13所示的第一实施方式对应的样品中,将导电体层53暂时接地后测量驻极体膜52的表面的电位。
在图14中示出测量图12及图13所示的样品的驻极体膜42及驻极体膜52的表面的电位后的结果。纵轴表示驻极体膜42及驻极体膜52的表面的电位的绝对值。再有,横轴表示梳齿状的驻极体膜42及梳齿状的导电体层53的齿部分的宽度(电极宽度)W8。如图14所示,可知:在导电体层53的电极宽度W8为0.1mm时以及为1mm时,任一个样品均在电极宽度W8为1mm时表面电位高。再有,还可以明白:驻极体膜42被图案加工为梳齿状的比较例2的表面电位比驻极体膜52未被图案加工的图13所示的样品的表面电位小。这是因为:在加工为梳齿状的驻极体膜42中,驻极体膜42的端面的面积比驻极体膜52的端面面积大,因此电荷从该端面流出而导致表面的电位减小。由此,可以确认:在对驻极体膜进行图案加工的情况下,与未进行图案加工的情况相比表面电位减小。
再有,可知:在图13所示的驻极体膜52的凸部521的厚度t4为0μm(无凸部)及1.4μm的情况下,在任意一种电极宽度的样品中都是0μm(无凸部)时的表面电位高。这是因为:在通过电晕放电向驻极体膜52注入了电荷之际,未设置凸部的形状的样品可以有效地被注入,表面电位升高。但是,如后所述,可以确认:若从电晕放电开始经过了规定的时间,则设置凸部的情况下表面电位升高。
还有,图15中示出图13所示的样品的表面电位的时效变化。纵轴表示驻极体膜52的表面的电位的绝对值。再有,横轴表示时间(日)。如图15所示,可知:在凸部521的厚度t4为0μm(无凸部)及1.4μm的情况下,随着时间的经过,表面电位均减小。凸部521的厚度t4为0μm(无凸部)的情况下,表面电位在第1天~第2天大幅度减少,第2天以后缓慢地减少。再有,在凸部521的厚度t4为1.4μm的情况下,表面电位缓慢地减少。在第1天,凸部521的厚度t4为0μm(无凸部)时的表面电位要比凸部521的厚度t4为1.4μm时的表面电位高。另一方面,在第2天以后,凸部521的厚度t4为1.4μm时的表面电位较高。由此,可以确认:在从电晕放电开始到第2天以后,通过驻极体膜52的凸部521可以抑制电荷从驻极体膜52的表面流向导电体层53。
进而,图16示出图13所示的样品的表面电位的时效变化。纵轴表示将向驻极体膜52注入了电荷时的电荷量设为1的情况下驻极体膜52的表面电位的变化。其中,横轴表示时间(日)。如图16所示,可知:凸部521的厚度t4为0μm(无凸部)的表面电位的变化与厚度t4为1.4μm时相比,变化量较小。由此,可以确认:设置凸部521的样品可以抑制电荷从驻极体膜52流出。
(实验2)
接着,参照图17~图19,针对为了对在导电体层62与驻极体膜61b及61c之间设置凸部611b及611c的情况与未设置凸部的情况下的驻极体膜61a~61c的表面的电位进行比较而进行的实验2进行说明。在该实验2中,准备了三个样品。如图17所示,样品1是在驻极体膜61a的表面上形成导电体层62,在驻极体膜61a的表面上未形成导电体层62的表面上、导电体层62的侧面上以及导电体层62的上表面上形成了抑制电荷流出膜63。再有,如图18所示,样品2是在驻极体膜61b的表面上形成导电体层62,并且在以蚀刻方式形成导电体层62时通过也蚀刻驻极体膜61b的表面的一部分而形成驻极体膜61b的表面的凸部611b。其中,凸部611b具有1μm的厚度t5且具有作为绝缘部的功能。再有,在驻极体膜61b的表面上的未形成导电体层62的表面上、导电体层62的侧面上以及导电体层62的上表面上形成了抑制电荷流出膜63。进而,如图19所示,样品3是将样品2的具有1μm厚度t5的凸部611b作为具有2μm厚度t6的凸部611c的样品。
通过对样品1~样品3进行10000V的电晕放电,从而使驻极体膜61a~61c驻极体化。然后,将导电体层62接地。在以下的表1中示出导电体层62接地前后的驻极体膜61a~61c的表面电位的比较。
[表1]
样品1 | 样品2 | 样品3 | |
变化率(接地后/接地前×100) | 约61.1% | 约94.1% | 约99.3% |
在上述表1中,以百分率(接地后的表面电位/接地前的表面电位×100)来表示将导电体层62接地前后的驻极体膜61a~61c的表面电位的变化率。如表1所示,可以确认:在样品1中,接地前后的变化率约为61.1%,驻极体膜61a的表面电位在导电体层62接地前后减少约40%。再有,可以确认:在样品2中,接地前后的变化率约为94.1%,驻极体膜61b的表面电位在导电体层62接地前后减少约6%。还有,可以确认:在样品3中,接地前后的变化率约为99.3%,驻极体膜61c的表面电位在导电体层62接地前后减少约0.7%。结果可以确认:在导电体层62与驻极体膜61b及61c之间设置了凸部611b及611c的情况下,能够抑制驻极体膜61b及61c的表面电位在导电体层62接地之后减小的现象。再有,可以确认:凸部的厚度越大,抑制表面电位减小的效果越大。还有,在将导电体层62接地而利用为发电装置的电极的情况下,导电体层62的凸部的厚度越大,驻极体膜的表面电位的降低量越小,因此可以长时间恒定地维持驻极体膜的表面电位。由此,能够延长发电装置的寿命。
另外,本次公开的实施方式在所有方面都应认为是例示,而不是限制。本发明的范围是通过技术方案来示出,而不是通过上述实施方式的说明,进而还包含与技术方案的范围均等的含义以及范围内的全部变更。
例如,在上述第一实施方式中,虽然示出了在驻极体膜12的凸部的上表面形成导电体层13的例子,但本发明不限于此,也可以如图20所示的变形例那样,在驻极体膜12的凸部121与导电体层13之间形成绝缘膜15。其中,绝缘膜15是本发明的“第三绝缘膜”的一例。由此,通过与可动电极22对置,从而借助驻极体膜12的凸部121及绝缘膜15来分离蓄积有在可动电极22引起静电感应的电荷的驻极体膜12的凹部122和导电体层13,因此可以抑制电荷从驻极体膜12的凹部122流向导电体层13。
再有,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了在可动基板21的下表面上形成了可动电极22的例子,但本发明不限于此,如图21所示的变形例那样,也可以在可动基板21a的下表面内嵌入可动电极22c。其中,可动基板21a及可动电极22c分别是本发明的“第一基板”及“第一电极”的一例。由此,可以抑制形成于驻极体膜12上的导电体层13进入相邻的可动电极22c之间,因此可以抑制可动电极22c与驻极体膜12粘在一起。结果,可以抑制可动电极22c与驻极体膜12接触而引起的可动电极22c所感应出的电荷减少的现象。再有,通过上述结构,可以抑制可动电极22c与驻极体膜12接触而引起的驻极体膜12被破坏的现象。
还有,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了在可动基板21的下表面上形成可动电极22的例子,但本发明不限于此,如图22所示的变形例那样,也可以在可动基板21的下表面上设置绝缘膜23,在该绝缘膜23的下表面上形成可动电极22。其中,绝缘膜23是本发明的“第二绝缘膜”的一例。由此,因为可动电极22与可动基板21不导通,所以作为可动基板21,可以采用由硅或金属板等构成的导电性基板。
另外,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了在可动基板21的下表面上形成可动电极22的例子,但本发明不限于此,如图23所示的变形例那样,也可以在可动基板21与可动电极22之间设置绝缘膜23a。其中,绝缘膜23a是本发明的“第二绝缘膜”的一例。由此,因为可动电极22与可动基板21不导通,所以可动基板21可以采用硅或金属板。
此外,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了固定电极部10构成为包括固定基板11、驻极体膜12及导电体层13的例子,但本发明不限于此,如图24所示的变形例那样,也可以在玻璃等构成的固定基板70的表面上形成导电体层16之后,在导电体层16的表面上形成驻极体膜12,在驻极体膜12的表面上形成导电体层13。其中,固定基板70是本发明的“第三基板”的一例。再有,导电体层16是本发明的“第二导电体层”的一例。还有,导电体层16经由图1所示的桥式整流电路2而与可动电极22连接。由此,在导电体层16与可动电极22之间容易引起静电感应。
进而,在图24所示的上述第一实施方式~第六实施方式的变形例中,虽然示出了导电体层16形成于玻璃等构成的固定基板70的整个表面上的例子,但本发明不限于此,如图25所示的变形例那样,也可以是:在剖视情况下观察,与驻极体膜12b的凹部对置且由玻璃等构成的固定基板70的表面上形成导电体层16a之后,在固定基板70及导电体层16a的表面上形成驻极体膜12b。其中,导电体层16a是本发明的“第二导电体层”的一例。
再有,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了采用由铝构成的固定基板11、导电体层13及可动电极22的例子,但本发明不限于此,也可以采用由硅、掺杂后的硅、SiC及金属构成的固定基板11、导电体层13以及可动电极22。其中,作为金属,也能采用钛(Ti)、铜(Cu)、镍(Ni)以及钨(W)等。
还有,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了采用玻璃构成的可动基板21的例子,但本发明不限于此,也可以采用硅、石英、塑料、聚四氟乙烯(PTFE)为代表的氟系树脂、金属板以及SiC构成的可动基板21。其中,在作为可动基板21而采用硅及金属板的情况下,如图22及图23所示,需要在可动基板21与可动电极22之间设置绝缘膜23或绝缘膜23a。
另外,在图24以及图25所示的变形例中,虽然示出了采用由玻璃构成的固定基板70的例子,但本发明不限于此,也可以采用硅、石英、塑料、聚四氟乙烯(PTFE)为代表的氟系树脂以及金属板构成的固定基板70。
此外,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了通过使可动电极部20振动而进行发电的例子,但本发明不限于此,也可以不使可动电极部20振动而使固定电极部10振动来进行发电,还可以通过使可动电极部20及固定电极部10都振动来进行发电。
进而,在上述第三实施方式中,虽然示出了导电体层13a的梳齿状的齿部分的宽度W5构成为比梳齿状的可动电极22的齿与齿之间的间隔W6大的例子,但本发明不限于此,也可以构成为:梳齿状的可动电极22的齿部分的宽度比梳齿状的导电体层13a的齿与齿之间的宽度大。
再有,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了通过静电感应而在可动电极22中感应出的电荷的变化量作为电流,经由桥式整流电路2及DC-DC变换器3而被输出到负载4的例子,但本发明不限于此,也可以经由桥式整流电路2将电流输出到负载4,还可以经由DC-DC变换器3向负载4输出电流。
还有,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了导电体层14接地或者被施加规定的电压的例子,但本发明不限于此,也可以既不将导电体层14接地也不施加电压,而是呈浮置状态。
另外,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了采用梳齿状的导电体层13及13a、梳齿状的可动电极22、22a以及22b的例子,但本发明不限于此,只要是通过使可动电极振动从而在可动电极的表面所感应出的电荷的量上产生差的形状即可。
此外,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了采用由聚四氟乙烯(PTFE)为代表的氟系树脂或硅氧化膜构成的驻极体膜12、12a以及12b的例子,但本发明不限于此,只要是能够作为驻极体起作用的材料即可。
进而,在上述第一实施方式~第六实施方式中,虽然示出了将本发明应用于作为静电动作装置的一例的静电感应型发电装置中的情况,但本发明不限于此,也可以应用于静电执行元件等静电感应型发电装置以外的静电动作装置中。
Claims (21)
1.一种静电动作装置,具备:
第一电极部(20、20a),其包括第一电极(22、22a、22b、22c);和
第二电极部(10、10a、10b、10c、30),其设置为与所述第一电极部间隔规定的距离而对置,并且包括能够蓄积电荷的驻极体膜(12、12a、12b)、以及形成在所述驻极体膜的上表面的规定区域上的第一导电体层(13、13a、13b、33);
所述驻极体膜的形成有所述第一导电体层的区域的表面形成为凸状。
2.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
在俯视情况下观察,所述第一导电体层与所述驻极体膜的表面的凸状部分形成为实质上相同的形状。
3.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
该静电动作装置还具备第一绝缘膜(34),其至少形成在所述驻极体膜的与所述第一电极对置的表面上,抑制电荷从所述驻极体膜的表面上流出。
4.根据权利要求3所述的静电动作装置,其中,
所述第一绝缘膜还形成在所述驻极体膜的凸状部分的侧面。
5.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述第一电极包括隔开第一间隔而设有多个的第一电极部分,所述第一导电体层的宽度比相邻的所述第一电极部分间的所述第一间隔大。
6.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述第一电极部还包括表面形成有所述第一电极的第一基板(21、21a),
从所述驻极体膜的凹状部分的表面到所述第一导电体层的所述第一电极侧的表面为止的高度,比形成在所述第一基板上的所述第一电极的厚度大。
7.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述第一电极部还包括表面形成有所述第一电极的第一基板,
所述驻极体膜上形成的所述第一导电体层的厚度比所述第一基板上形成的所述第一电极的厚度大。
8.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述第一电极部还包括表面形成有所述第一电极的第一基板,
所述第一基板与所述第一电极之间形成有第二绝缘膜(23、23a)。
9.根据权利要求8所述的静电动作装置,其中,
所述第二绝缘膜形成为覆盖所述第一基板的表面。
10.根据权利要求8所述的静电动作装置,其中,
在俯视情况下,所述第二绝缘膜具有与所述第一电极相同的形状。
11.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述第一导电体层接地。
12.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述第一导电体层被施加规定的电压。
13.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述驻极体膜的表面的凸状部分与所述第一导电体层之间形成有第三绝缘膜(15)。
14.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述第二电极部包括表面形成有所述驻极体膜的导电性的第二基板(11)。
15.根据权利要求14所述的静电动作装置,其中,
所述第一电极与所述第二基板经由桥式整流电路(2、2a、2b)而连接。
16.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述驻极体膜构成为包括:第一驻极体膜(31);和形成在所述第一驻极体膜的表面上的第二驻极体膜(32)。
17.根据权利要求1所述的静电动作装置,其中,
所述第二电极部包括:
表面形成有所述驻极体膜的绝缘性的第三基板(70);和
形成在所述第三基板与所述驻极体膜之间的第二导电体层(16、16a)。
18.根据权利要求17所述的静电动作装置,其中,
所述第二导电体层形成为覆盖所述第三基板的表面。
19.根据权利要求17所述的静电动作装置,其中,
在俯视情况下,所述第二导电体层具有与所述第一导电体层相同的形状。
20.根据权利要求17所述的静电动作装置,其中,
所述第一电极与所述第二导电体层经由桥式整流电路而连接。
21.一种静电感应型发电装置,具备:
第一电极部,其包括第一电极;和
第二电极部,其设置为与所述第一电极部间隔规定的距离而对置,并且包括能够蓄积电荷的驻极体膜、以及形成在所述驻极体膜的上表面的规定区域上的第一导电体层。
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