CN102246407A - 静电感应型的能量变换元件 - Google Patents

Abstract

在固定基板(22)的上表面平行排列有呈长方形形状的多个基电极(27)，在各基电极(27)上方分别形成有驻极体(28)。驻极体(28)的宽度比基电极(27)的宽度宽，驻极体(28)覆盖基电极(27)的露出面。与固定基板(22)的设有驻极体(28)等的面对置地平行配置有可动基板(23)，可动基板(23)能相对于固定基板(22)移动。在可动基板(23)的对置面上，与基电极(27)对置地分别形成长方形形状的对置电极(32)。

Description

静电感应型的能量变换元件

技术领域

本发明涉及静电感应型的能量变换元件，具体地说，涉及用于利用环境振动等来进行发电的静电感应型的能量变换元件。

背景技术

在搭载有传感器和致动器的分散型器件和便携设备等中，由于难以进行基于导线布线(电线)的直接供电，作为电源使用硬币型一次电池或充电电池。

然而，在监测车辆的轮胎空气压力的TPMS(轮胎压力监测系统)、飞机、大楼、桥梁等的安全监测、大规模的流通管理中，由于电池更换是困难的，或者电池更换费功夫，或者需要大量的电池更换，因而将电池用作电源是不方便的。并且，在心脏的起搏器和胶囊内窥镜等的用途中，为了进行电池更换而需要患者手术，身体负担变大，因而电池搭载是不优选的。并且，即使在充电电池的情况下，关于充电作业也存在与电池更换相同的不便。

因此，以这些领域为首的各种领域中，要求电源免维护(不需要充电和不需要电池更换)的技术。

作为免维护之一的候选，有这样的小型能量变换元件：可从在移动体(车辆、飞机等)、建筑物(大楼、桥梁等)中产生的、或者由装置、人的动作产生的数Hz～数十Hz的振动(以下将这样的振动称为环境振动)取出电力。

利用环境振动进行发电的能量变换元件主要有3种：电磁感应型，压电型，以及静电感应型。电磁感应型的元件由于发电量与振动数的平方成正比，因而要实现低频率化困难，并且，存在尺寸和重量大型化的问题。压电型的元件存在可靠性、组装时的处理等批量生产性、成本的问题。因此，期待静电感应型的元件。

静电感应型的能量变换元件由于发电量与振动数成正比，因而适合于利用环境振动来获得电力，然而为了获得大的发电量，有必要向驻极体电极注入大量电荷。并且，当增多驻极体电极的电荷量时，由放电引起的发电效率的恶化成为问题。然而，在现有的静电感应型能量变换元件中，这些问题未得到解决，不能向驻极体注入足够的电荷，并且也未能充分防止由放电引起的发电效率的恶化。以下，以专利文献1中公开的能量变换元件为例具体说明这些问题。

(专利文献1中公开的元件)

图1示出专利文献1中公开的能量变换元件11(静电感应型变换元件)的结构。在该能量变换元件11中，在固定基板12的上表面设有多个呈长方形形状的基电极13，在各基电极13上方设有驻极体14。并且，在与固定基板12对置的对置基板15的下表面，以与基电极13相同的间距设有对置电极16。

驻极体14是在绝缘材料的表面附近注入电荷而形成的。特别是，作为驻极体14的材料，通过由在主链内具有含氟脂肪族环结构的聚合体构成，提高了表面电荷密度。并且，在专利文献1的一个实施方式中，在驻极体14的上表面形成由聚对二甲苯或者其衍生物构成的防湿膜(聚对二甲基苯膜)，防止由湿度引起的恶化。

在这种结构的能量变换元件11中，在2个电极13、16之间连接负荷17，当使对置基板15朝图1的箭头所示的方向运动时，与对置电极16为相反极的电荷被注入到驻极体14的电荷静电感应，电流流入负荷17，能用于发电。

(第1问题…注入电荷量的减少)

作为向驻极体14注入电荷的方法，一般是基于电晕放电的方法。在专利文献1中，如图2所示，使用电晕放电用的探针18，使用直流高压电源19来向探针18和基电极13之间施加高电压，以预定电压放电预定时间，向驻极体14注入电荷使其带电。

然而，由于驻极体14形成在基电极13的上表面，因而基电极13的侧壁从驻极体14露出。因此，如朝着图2左侧的驻极体14那样，从探针18放出的电荷(电子)有很多被感应到基电极13而回到高压电源19(图2中的带箭头的线表示放电时的电荷流动)，注入到驻极体14的电荷量相应地减少。

并且，驻极体14和基电极13通过半导体工艺(光刻工序)形成，然而即使驻极体14和基电极13被设计成以相同面积形成，也由于制造工序中的对准偏差、或者驻极体14的过度蚀刻等的工艺误差而容易使横向宽度产生偏差。因此，如朝着图2右侧的驻极体14那样，容易发生基电极13的边缘从驻极体14露出的情况。在这种情况下，感应到基电极13的电荷量进一步增加，注入到驻极体14内的电荷量更加减少。

(第2问题…由放电引起的恶化)

为了利用环境振动(10Hz左右)来获得0.1mW以上的发电量，有必要使上下电极16、13之间的间隙为50μm左右(参照非专利文献1)。然而，当使上下电极16、13之间的间隙为50μm左右时，即使使用由0.3μm厚的聚对二甲基苯膜构成的防湿膜覆盖驻极体14的表面，也在空气和0.3μm厚的防湿膜中，由于电荷电压超过基板间的绝缘耐压而在上下电极间产生放电，存在由驻极体14保持的电荷消失的问题(参照非专利文献2)。

为了提高绝缘耐压，可以增大防湿膜的膜厚，然而当使防湿膜的膜厚变厚时，成本增高而变得不利。并且，由于聚对二甲基苯的比介电常数高，因而在增大了防湿膜的膜厚的情况下，能量变换元件11的发电量降低的可能性增高。因此，根据非专利文献1的记载，有必要使用SF6对能量变换元件进行密封。因此，以往，有必要使用陶瓷封装等对能量变换元件进行密封，能量变换元件的封装价格增高。

并且，由于绝缘耐压是由上下电极间的距离决定的，因而作为放电对策，要求制作与电极间距离没有关系且不超过绝缘耐压的元件。特别是，优选的是，与上下电极间的距离没有关系，从表面电位是1000V的驻极体不产生放电。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平2006-180450号公报

非专利文献

非专利文献1：Y.Arakawa，Y.Suzuki，N.Kasagi、″Micro Seismic Power Generatorusing Electret Polymer Film″、The Fourth International Workshop on Micro andNanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications Power MEMS2004、November 28-30，2004，Kyoto，Japan、p.187-190

非专利文献2：“パリレンとは”、[online]、日本パリレン株式会社、[平成20年6月16日検索]、ィンタ一ネット、<URL：http://www.parylene.co.jp/about％20parylene-2.htm>

发明内容

发明所要解决的问题

本发明是鉴于上述技术课题而作成的，本发明的目的是提供一种可向驻极体内注入大量电荷的静电感应型的能量变换元件。并且，本发明的另一目的是提供一种由放电引起的恶化少、可靠性高的静电感应型的能量变换元件。

解决问题的手段

本发明的能量变换元件，其特征在于，该能量变换元件具有隔开预定间隔对置、且能彼此相对移动的第1基板和第2基板，在所述第1基板和所述第2基板的彼此对置的面上分别形成有至少一个导电性部件，所述导电性部件均具有多个电极和电极焊盘，在所述导电性部件中的至少一个导电性部件上，对应于各电极形成有驻极体，所述驻极体覆盖各电极的表面中的固定在任一基板上的面的相反面，并以5μm以上的覆盖厚度覆盖各电极的外周面。

在本发明的能量变换元件中，在设有电极和驻极体的基板中，各驻极体覆盖各电极的表面中的固定在任一基板上的面的相反面，并以5μm以上的覆盖厚度覆盖各电极的外周面，因而在向驻极体注入电荷来使其带电时，电荷难以由电极感应，可防止注入到驻极体的电荷量的下降。因此，可通过驻极体保持大量电荷，可提高驻极体的表面电位，可增大发电量。

在本发明涉及的能量变换元件的一个实施方式中，形成有所述驻极体的电极的外周面被驻极体以10μm以上的覆盖厚度覆盖。根据该实施方式，可进一步提高驻极体的表面电位，并可减小表面电位的偏差。

在本发明涉及的能量变换元件的另一个实施方式中，所述第1基板和所述第2基板中的至少一个基板具有相互平行地凹进设置的多个槽，在该槽内配设所述电极，在该槽内埋设所述驻极体并由驻极体覆盖所述槽内的电极。根据该实施方式，由于由埋设在槽内的驻极体覆盖配设在槽内的电极，因而能可靠地由驻极体覆盖电极，元件的可靠性提高。并且，通过将电极埋入槽内，能更可靠地防止在电荷注入时电荷流入电极，可进一步提高驻极体的表面电位，可增大发电量。

作为所述槽的形状，垂直于其长度方向的截面可以是内角部弯曲的矩形形状，可以是开口部的宽度比底面的宽度宽的梯形形状，可以是在开口侧变宽的三角形状。根据这些形状的槽，气泡难以进入埋入在槽内的驻极体内。并且，容易向槽内注入驻极体。

在基板是玻璃基板、半导体基板或者树脂基板的情况下，所述槽可通过对该基板进行干式蚀刻来形成。并且，在具有槽的基板或者该基板的一部分由树脂材料形成的情况下，也可以在使树脂材料成形时使用转印技术来使槽成形。并且，在具有槽的基板是Si基板的情况下，可以使用各向异性蚀刻来在基板上形成槽，并在该槽的表面形成由SiO₂、SiN或者SiON构成的绝缘膜。根据这些方法，可精度良好地制作细微的槽。

在本发明涉及的能量变换元件的又一个实施方式中，在所述第1基板和所述第2基板中的至少一个基板的对置面上，所述导电性部件的除了形成有所述电极焊盘的区域以外的区域全体由绝缘覆膜覆盖。

当向驻极体注入的电荷量增加时，在第1和第2基板的电极间、或者在驻极体和电极间容易产生放电。然而，在该实施方式中，由于除了形成有电极焊盘的区域以外的区域全体由绝缘覆膜覆盖，因而可提高电极间的绝缘耐压，可抑制驻极体的表面电位的下降，并可提高能量变换元件的可靠性。

并且，为了防止第1和第2基板的导电性部件之间的放电，优选的是，如上述实施方式那样，由绝缘覆膜覆盖第1和第2基板的对置面的大致全体。然而，即使绝缘覆膜仅覆盖未由驻极体覆盖的电极，也能提高绝缘耐压。并且，可以在相邻的驻极体之间设置保护电极，在所述第1基板和所述第2基板中的至少一个基板中，绝缘覆膜可以仅覆盖未由驻极体覆盖的电极和保护电极。

作为上述绝缘覆膜，可以使用BCB(benzocyclobutene，苯并环丁烯)树脂或SiLK树脂(ダゥ·ケミカル公司制造)那样的绝缘性高分子材料，也可以使用SiO₂、SiN、SrTiO₃、SiON、TiO₂等绝缘性无机材料。只要使用由这些材质构成的绝缘覆膜，就能进一步提高导电性部件间的绝缘耐压。

另外，本发明中的用于解决上述课题的手段具有将以上说明的构成要素适当组合后的特征，本发明能进行基于该构成要素组合的许多变形。

附图说明

图1是示出专利文献1公开的能量变换元件的结构的立体图。

图2是示出在上述的能量变换元件中、向驻极体内注入电荷的状况的概略图。

图3是示出本发明的实施方式1的能量变换元件的结构的概略正面图。

图4是示出实施方式1的能量变换元件的要部的立体图。

图5是示出形成在固定基板上的基电极用的导电性部件和保护电极用的导电性部件的平面图。

图6是示出在实施方式1的能量变换元件中、向驻极体内注入电荷的状况的概略图。

图7是表示实验求出现有例和实施方式1中的驻极体的表面电位和驻极体的电极覆盖宽度的关系的结果的图。

图8是表示示出上下电极间的绝缘耐压的帕邢(Paschen)曲线的图。

图9是将图8的一部分放大表示的图。

图10是示出使用图11的样本基板来测定出其表面电位的结果的图。

图11是示出用于获得图10的数据的样本基板的概略图。

图12是示出能量变换元件的壳体的结构的分解立体图。

图13是示出实施方式1的一个变形例中的可动基板的概略正面图。

图14是示出实施方式1的另一变形例中的固定基板的概略正面图。

图15是示出本发明的实施方式2的能量变换元件的结构的概略正面图。

图16是示出实施方式2的一个变形例中的固定基板的概略正面图。

图17是示出实施方式2的另一变形例中的固定基板的概略正面图。

图18是示出实施方式2的又一变形例中的固定基板的概略正面图。

图19是示出实施方式2的又一变形例中的固定基板的概略正面图。

图20(a)、(b)是示出在基板上形成槽的方法的一例的概略图。

图21(a)～(c)是示出在基板上形成槽的另一方法的概略图。

图22(a)、(b)是示出在基板上形成槽的又一方法的概略图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的优选实施方式。

(第1实施方式)

以下，参照图3～图12说明本发明的第1实施方式。

图3是示出本发明的实施方式1的能量变换元件的结构的概略正面图，图4是示出其要部的立体图。根据图3、图4说明实施方式1的能量变换元件21(发电元件)的结构。

实施方式1的能量变换元件21具有固定基板22和可动基板23，两个基板22、23隔开预定间隔彼此平行对置。固定基板22和可动基板23是玻璃基板或树脂基板等具有绝缘性的基板。固定基板22和可动基板23被收纳在壳体24内，固定基板22固定在壳体24内，可动基板23以在保持与固定基板22平行的状态下可朝一个方向平行移动的方式被保持在壳体24内。

在可动基板23的上表面突设有弹簧固定部25，在弹簧固定部25和壳体24之间设有多个弹簧26(拉伸弹簧)。弹簧26在弹簧固定部25的两侧分别各配置1个或多个，与可动基板23的移动方向平行地延伸。可动基板23由于来自外部的振动，例如环境振动而被强制地平行移动(振动)，而在未从外部施加力时，可动基板23由于左右的弹簧26的弹力平衡而静止或恢复到预定的初始位置。并且，弹簧26具有这样的作用：当对可动基板23施加了冲击或大的振动时，吸收施加给可动基板23的冲击等来保护可动基板23。而且，在施加了大的振动的情况下，弹簧26可吸收来自外部的振动能量而将其暂时保持为弹性能量，通过释放该弹性能量，可使可动基板23振动，因而可有效地利用振动能量来发电。

在固定基板22的内面(上表面)，在一个方向上每隔一定间距、且相互平行地设有长方形形状的基电极27(电极)。基电极27的长度方向与可动基板23的移动方向正交，基电极27的排列方向与可动基板23的移动方向平行。固定基板22具有信号取出用焊盘30(电极焊盘)，基电极27均通过布线图形与信号取出用焊盘30电连接。并且，在基电极27之间，与基电极27平行地设有长方形形状的保护电极29。保护电极29可以接地，也可以处于与大地绝缘的状态。

在各个基电极27的上表面，使用特氟龙(注册商标)、氟树脂等形成有驻极体28。驻极体28的宽度W比基电极27的宽度w宽(也就是说，W＞w)，基电极27的上表面和外周面整体被驻极体28覆盖。在图3、图4中，虽然基电极27的长度方向端面从驻极体28露出而可见，而基电极27的宽度方向两侧面和长度方向两端面也被驻极体28覆盖。

基电极27和保护电极29实际上为图5所示的图形形状。在固定基板22上设有：呈梳状的基电极用的导电性部件100，和呈梳状的保护电极用的导电性部件101。导电性部件100由以下构成：以一定间距排列的基电极27；连接各基电极27的导通路径102；以及信号取出用焊盘30。导电性部件101由以下构成：以一定间距排列的保护电极29；连接各保护电极29的导通路径103；以及电极焊盘104。然后，导电性部件100和101配置成啮合，基电极27和保护电极29交替排列。然后，关于导电性部件100，从固定基板22露出的面中的除了信号取出用焊盘30以外的区域整体被驻极体28覆盖。特别是，基电极27的宽度方向两侧面27a、长度方向端面27b、导通路径102的两侧面由驻极体28覆盖。

而且，驻极体28、保护电极29以及固定基板22的露出部分(即，设有信号取出用焊盘30的区域以外的区域)由绝缘覆膜31覆盖。

在可动基板23的内面(下表面)，相互平行地设有在一个方向呈长的长方形形状的对置电极32(电极)。对置电极32的长度方向与可动基板23的移动方向正交，对置电极32的排列方向与可动基板23的移动方向平行。对置电极32具有与基电极27的宽度w或驻极体28的宽度W相等的宽度、或者两者的宽度w、W的中间值的宽度，以与基电极27相等的间距排列。可动基板23具有信号取出用焊盘34，对置电极32均通过布线图形与信号取出用焊盘34(电极焊盘)电连接。而且，对置电极32和可动基板23的露出部分(即，设有信号取出用焊盘34的区域以外的区域)由绝缘覆膜33覆盖。

另外，尽管未图示，然而对置电极32和信号取出用焊盘34也与基电极27和信号取出用焊盘30一样，为呈梳状的导电性部件的一部分，对置电极32之间通过导通路径连接。

绝缘覆膜31、33可以是将绝缘耐压高的材料即SiO₂、SiN、SiON、SrTiO₃、TiO₂等绝缘性无机材料通过溅射法、CVD法等成膜在焊盘区域以外的整面上而得到的绝缘覆膜，也可以是将低介电常数的聚酰亚胺、BCB树脂、SiLK树脂等绝缘性高分子材料涂覆在焊盘区域以外的整面上而得到的绝缘覆膜。这些绝缘覆膜31、33还具有吸湿效果。并且，为了提高绝缘耐压，优选的是在固定基板22和可动基板23双方上设置绝缘覆膜31和33，然而也可以仅在固定基板22和可动基板23中的任一方上设置绝缘覆膜31或33。

信号取出用焊盘30接地，在信号取出用焊盘34和信号取出用焊盘30之间连接有负荷35。

另外，在固定基板22是无绝缘性的基板或者绝缘性不充分的基板的情况下，可以在固定基板22的上表面形成由SiO₂、SiN、SiON、SrTiO₃、TiO₂等构成的绝缘膜，在该绝缘膜的表面上形成基电极27、驻极体28、保护电极29、信号取出用焊盘30。同样，在固定基板23是无绝缘性的基板或者绝缘性不充分的基板的情况下，可以在可动基板23的下表面形成由SiO₂、SiN、SiON、SrTiO₃、TiO₂等构成的绝缘膜，在该绝缘膜的表面上形成对置电极32、信号取出用焊盘34。

并且，优选的是，在所述的可动基板23的初始位置，可动基板23的对置电极32和固定基板22的基电极27是正对的。

(电荷注入方法)

向所述驻极体28的表面注入电荷并使电荷固定。作为向驻极体28注入电荷的方法，使用电晕放电的方法等。图6示出用于电荷注入的装置的结构，该装置由以下构成：探针36；配置在探针36的下方的格栅38；配置在格栅38的下方的加热器40；用于向探针36施加负电压的高压电源37(例如，-8kV的直流电源)；以及用于向格栅38施加负电压的格栅电压电源39(例如，-600V的直流电源)。形成有基电极27和驻极体28的固定基板22设置在加热器40和格栅38之间，由加热器40预热到120℃左右。然后，接上直流高压电源37以使探针36侧为负电压，向探针36和基电极27之间施加高压，使探针36的前端周边产生空中放电，从而向驻极体28内注入电荷。

此时，在本实施方式的能量变换元件21中，由于基电极27的上表面和宽度方向两侧面全体由驻极体28覆盖，因而如图6的带箭头线所示，从探针36放出的电荷(电子)不会进入基电极27的两侧面而产生损失，可增大注入到驻极体28的电荷量，可提高驻极体28的表面电位，可提高发电效率。

另外，由格栅电压电源39向格栅38施加比高压电源37弱的负电压，通过整体扩展从探针36放出的电荷并调整格栅电压，能控制施加给驻极体28的电场。

(驻极体的表面电位)

图7表示在现有例和本实施方式中，实验求出在施加相同电压并注入了电荷时的驻极体的表面电位和驻极体的电极覆盖宽度的关系的结果。图7的横轴表示电极覆盖宽度[μm]，纵轴表示驻极体14或28的表面电位[V]。电极覆盖宽度在本实施方式中表示从驻极体28的宽度W减去基电极27的宽度w后的值，在现有例中表示从驻极体14的宽度减去基电极13的宽度后的值。另外，在获得图7的数据时，使驻极体14、28的宽度恒定(300μm)，并使基电极13或基电极27的宽度变化。

关于图7中的区域A内的测定点，如朝着图2右侧的现有例所示，表示基电极13的两侧端从驻极体14突出的情况。关于图7中的区域B内的测定点，如朝着图2左侧的现有例所示，表示基电极13的两侧面和驻极体14的两侧面对齐的情况。并且，关于图7中的区域A、B内的测定点以外的测定点，如本实施方式那样表示基电极27的两侧面由驻极体28覆盖的情况，特别是区域C表示本实施方式的优选情况。

根据图7可知，通过用驻极体28覆盖基电极27的两侧面，可增大驻极体28的表面电位。而且，其电极覆盖宽度越大，驻极体28的表面电位就越大。另一方面，当电极覆盖宽度增大到某种程度时，驻极体28的表面电位的上升率钝化，已经不能期待增大电极覆盖宽度的优点。相反，具有这样的缺点：随着电极覆盖宽度增大，基板面积增大，或者可形成在相同基板面积上的基电极27的个数减少。因此，作为本实施方式中的电极覆盖宽度，优选的是10μm以上且30μm以下，特别优选的是20μm以上且30μm以下(区域C)。如果用基电极27的宽度方向两侧面或长度方向端面等的驻极体28的(单侧)覆盖厚度来重新表达的话，则是指，优选的是5μm以上且15μm以下的覆盖厚度，特别优选的是10μm以上且15μm以下。

并且，图7示出可获得这样的效果：在电极覆盖宽度是20μm以上(覆盖厚度是10μm)的情况下，可进一步减小驻极体28的表面电位的偏差。即，图7表示在电极覆盖宽度是4μm、10μm、20μm的情况下的各表面电位的标准偏差St Dev(StandardDeviation)。在图7中，对于这些电极覆盖宽度，测定值仅用代表性的3点表示，而标准偏差是还加上除此以外的测定值来计算得到的值。这样在求出标准偏差St Dev时，获得以下的结果：

电极覆盖宽度＝4μm时，标准偏差St Dev＝99[V]

电极覆盖宽度＝10μm时，标准偏差St Dev＝93[V]

电极覆盖宽度＝20μm时，标准偏差St Dev＝65[V]

根据该实验可知，通过使电极覆盖宽度为20μm以上(或者驻极体的覆盖厚度为10μm以上)，可减小驻极体28的表面电位的偏差。

并且，通过用驻极体28覆盖基电极27，可减小由基电极27的宽度偏差引起的驻极体28的表面电位偏差，因而能量变换元件21的制造工艺也变得容易。而且，由于基电极27由驻极体28覆盖，因而可防止在使用时的基电极27和对置电极32之间的放电，能量变换元件21的可靠性提高。

(使用方法)

该能量变换元件21设置在产生振动的场所和对象物上。例如当能量变换元件21安装在车辆等上时，感知其振动(环境振动)。当能量变换元件21感知出来自外部的振动时，由于该振动而使可动基板23以与固定基板22平行的方式进行往复运动。由可动基板23的对置电极32感应的电荷量在对置电极32与驻极体28正对而使得与驻极体28的重合面积最大时成为最大，随着可动基板23偏移、对置电极32和驻极体28的重合面积减少，由对置电极32感应的电荷量减少。反之，随着可动基板23沿原来方向返回且对置电极32和驻极体28的重合面积增大，由对置电极32感应的电荷量增加。其结果，在连接在基电极27和对置电极32之间的负荷35中流过交流电流。也就是说，由于施加给能量变换元件21的振动，在基电极27和对置电极32之间产生交流电动势e。

可知，当选择了最佳负荷电阻时，可动基板23以频率f进行正弦波振动的能量变换元件21的最大输出Pmax由以下的算式1表示(参照专利文献2)。

[算式1]

$P\max =\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2\mathrm{nS}\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;f}}{\frac{\mathrm{\&epsiv;}\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_0}{d}(\frac{\mathrm{\&epsiv;}\&CenterDot;g}{d}+1)}$ …(算式1)

式中使用的记号如下。

Pmax：最大输出(功率的最大值)

σ：驻极体的表面电荷密度

n：对置电极32的个数

d：驻极体的厚度

S：基电极27和对置电极32的重合最大面积

f：振动频率

g：对置电极32和驻极体28的间隙(电极间的间隙)

ε：驻极体28的比介电常数

ε₀：空气的介电常数

在本实施方式的能量变换元件21中，如上所述，由于可增大在电荷注入时注入到驻极体28的电荷量(表面电荷密度σ)，因而从上述算式1可知，可增大能量变换元件21的输出，可提高发电效率。

(绝缘覆膜的作用)

在本实施方式的能量变换元件21中，如上所述，可增大驻极体28的电荷量，然而当驻极体28的电荷量增加时，相应地在对置电极32和基电极27之间容易产生放电。当产生放电时，驻极体28的电荷溜出，电荷量减少。为了防止放电，可以增大电极间的间隙g，然而当电极间的间隙g增大时，发电效率下降。因此，在现有例中，使用由聚对二甲基苯构成的防湿膜来防止放电。

与此相对，在本实施方式中，由于在固定基板22和可动基板23中的至少一方上形成由SiO₂等绝缘性无机材料、或聚酰亚胺、BCB树脂、SiLK树脂等绝缘性高分子材料构成的绝缘覆膜31、33，因而可比聚对二甲基苯膜提高绝缘耐压，可提高能量变换元件21的可靠性。

下表1示出SiO₂、BCB树脂、SiLK树脂、聚酰亚胺、C型的聚对二甲基苯、N型的聚对二甲基苯、空气和SF6的每单位厚度的绝缘耐压。

[表1]

材料	绝缘耐压[V/μm]
		SiO2	350
BCB树脂	500
		SiLK树脂	400
聚酰亚胺	100
		聚对二甲基苯(C型)	188
聚对二甲基苯(N型)	240
		空气	3.55
SF6	8.165～8.875

由于SiO₂、BCB树脂、SiLK树脂与C型和N型的聚对二甲基苯相比，每单位厚度的绝缘耐压大，因而通过使用SiO₂作为绝缘覆膜31或33，在相同膜厚的情况下，与使用聚对二甲基苯膜作为防湿膜的现有例相比，可提高能量变换元件21的绝缘耐压。

并且，聚酰亚胺与聚对二甲基苯相比每单位厚度的绝缘耐压小，价格低廉，可容易形成厚的绝缘覆膜，因而可形成比聚对二甲基苯膜厚的绝缘覆膜，其结果，与使用聚对二甲基苯膜的现有例相比，可提高能量变换元件21的绝缘耐压。

图8是示出帕邢(Paschen)曲线的图，其横轴用对数刻度表示上下电极间的间隙g(现有例的驻极体14和对置电极16的距离、本实施方式的驻极体28和电极32的距离)，纵轴用对数刻度表示绝缘耐压。帕邢曲线表示上下电极间的绝缘耐压，帕邢曲线上方的区域表示产生放电的放电产生区域，帕邢曲线下方的区域表示不产生放电的稳定区域。图8示出在没有绝缘覆膜的情况下(也就是说，在仅空气的情况下)、以及在将膜厚2μm的溅射SiO₂、膜厚2μm的C型的聚对二甲基苯、膜厚0.3μm的C型的聚对二甲基苯设置在上下任一方的基板上的情况下的各绝缘耐压。

并且，图9是将图8的帕邢曲线的一部分放大表示的图，表示膜厚2μm的溅射SiO₂、膜厚2μm的C型的聚对二甲基苯、没有绝缘覆膜的情况。

根据图8，膜厚2μm的溅射SiO₂、膜厚2μm的C型的聚对二甲基苯、膜厚0.3μm的C型的聚对二甲基苯中的任一方的情况下均比没有绝缘覆膜的情况下的绝缘耐压提高。然而，在能量变换元件的放电对策中，如上所述，优选的是，与电极间的间隙g没有关系，从表面电位是1000V的驻极体不产生放电。根据图8和图9，在没有绝缘覆膜的情况下，当上下电极间的距离短于约100μm时，绝缘耐压低于1000V，在聚对二甲基苯的情况下，当上下电极间的距离短于约50μm时，绝缘耐压低于1000V。与此相对，在使用SiO₂作为绝缘覆膜的情况下，在上下电极间的距离达到约10μm之前可将绝缘耐压维持在1000V以上，可获得高的绝缘耐压性能。因此，根据本实施方式，可制作绝缘耐压高且可靠性高的能量变换元件21。

接下来，说明驻极体的线宽度和本发明的效果的关系。图10是示出使用图11的样本基板来测定出其表面电位的结果的图。并且，图11是示出在该实验中使用的样本基板的概略图。

图11所示的样本基板是这样的基板：在一边30mm的正方形的玻璃基板41的表面使基底电极42成膜，在其上形成驻极体43，在基板41的一个端部以5mm宽度去除驻极体43来使基底电极42露出。针对该样本基板，通过电晕放电在相同条件下对驻极体43进行电荷处理，测定出驻极体43的表面电位(使用モンロ一公司制造的表面电位计)。表面电位的测定是在使基底电极42接地的状态下，将驻极体43和测定探针44的距离保持为H＝1.5mm的同时，使测定探针44沿着驻极体43的表面扫描来进行。测定探针44的测定区域的广度是D＝2.54mm。

图10示出测定结果。其纵轴表示表面电位，横轴是从原点测定的测定探针44的位置(测定位置X)。原点X＝0.0mm是从驻极体43的端部离开少许(例如，0.4mm程度)的位置，是基底电极42露出的部位。测定结果如图10所示，可知驻极体43的中央部显示出高的表面电位，而越接近基底电极42的露出区域，表面电位就越下降。

朝着图11的样本基板在左侧端部，基底电极42露出，因而可以认为，在该区域中，产生与基底电极从驻极体露出的结构(参照图1的现有例)相同的现象。因此，将现有例的情况下的表面电位描绘在图10上(三角标记)，结果与样本基板的实测值大致一致。同样，对于基底电极由驻极体覆盖的结构(本实施方式)，将其表面电位描绘在图10上(圆形标记)。根据图10，在样本基板中，跟与基底电极由驻极体覆盖的结构的情况相同的表面电位相当的驻极体的测定宽度为1.8mm。由于这可以认为相当于驻极体的单侧的一半部分，因而本实施方式的结构相当于驻极体的宽度是3.6mm的样本基板。因此可以认为，在驻极体28的宽度是3.6mm以下的情况下，可发挥本实施方式的表面电位提高效果。

接下来，说明能量变换元件21的壳体24的结构和能量变换元件21的组装工序。图12是示出壳体24的具体结构的分解立体图。壳体24由基块45和壳盖47构成。在基块45内形成有用于收纳固定基板22和可动基板23的空间，在下表面突出有多根引线46。固定基板22设置在基块45内的底面，与引线46电连接。而且，可动基板23与固定基板22隔开一定间隔而滑动自由地被收纳在基块45内，与引线46电连接。基块45的上表面由壳盖47堵塞。

这种结构的能量变换元件21按以下方式组装。首先，通过电晕放电对在上表面形成有基电极27和驻极体28等的固定基板22进行电荷处理，向驻极体28注入电荷。然后，从驻极体28等的上方形成绝缘覆膜31。

并且，将框架49安装于在下表面形成有对置电极32和绝缘覆膜33的可动基板23上，将弹簧26安装于设置在框架49上的弹簧固定部25上。

然后，将固定基板22收纳在一体成形有引线46的基块45内，在其底面粘接固定基板22。然后，通过Au线对固定基板22的信号取出用焊盘和引线46进行线接合。在将固定基板22已固定在基块45上之后，在固定基板22上方安装间隙保持用部件(未图示)，通过间隙保持用部件进行间隙调整。

将可动基板23收纳在基块45内。可动基板23在确保了与固定基板22的预定间隙的状态下滑动自由地被保持，弹簧26的端部被固定在基块45的内面。然后，将可动基板23的信号取出用焊盘与引线46连接。

最后，将壳盖47重叠粘接在基块45的上表面。

(第1实施方式的变形例)

图13是示出实施方式1的一个变形例中的可动基板23的概略正面图。在该变形例中，仅在形成有对置电极32的区域形成绝缘覆膜33。在该情况下，也使用溅射法或CVD法使绝缘性无机材料成膜，或者使绝缘性有机材料进行涂层或电镀，形成绝缘覆膜33。

并且，图14是示出实施方式1的另一变形例中的固定基板22的概略正面图。在该变形例中，仅在形成有保护电极29的区域形成绝缘覆膜33。图14所示的结构的固定基板22可通过与图13所示的可动基板23组合来获得良好的绝缘耐压。或者，图14所示的结构的固定基板22即使与如实施方式1的可动基板23那样在焊盘区域以外的区域全体上形成有绝缘覆膜的可动基板23组合，也能获得良好的绝缘耐压。

(第2实施方式)

图15是示出本发明的实施方式2的能量变换元件51的结构的概略正面图。该实施方式的特征点是，将基电极27和驻极体28埋入到固定基板22的槽52内，其它方面具有与实施方式1相同的结构。

在该能量变换元件51中，在固定基板22的上表面凹进设置有多个平行的槽52。在与槽52的长度方向垂直的截面中，底面为大致平坦面，从两侧面向内角部弯曲而成为大致碗状。在各槽52的底面，沿着槽52的长度方向设有长方形形状的基电极27，然后通过在槽52内埋入驻极体28，由驻极体28覆盖基电极27。

根据这种实施方式，在形成于固定基板22的槽52的底面设置基电极27之后，通过在槽52内填充驻极体28，能可靠地由驻极体28覆盖基电极27，由于驻极体28的位置偏差而使基电极27的边缘从驻极体28露出的可能性很小。

并且，当槽52的截面是矩形状时，在槽52的内角部难以填充驻极体28，很有可能在内角部产生气泡。因此，在该实施方式中，将槽52的截面形状形成为碗状而成为难以产生内角部的形状，在驻极体28内难以产生气泡。

(第2实施方式的变形例)

图16～图19分别表示实施方式2的变形例。在图16所示的变形例中，使垂直于槽52的长度方向的截面为大致矩形形状，使槽52的内角部(图16的a部)和其开口部的边缘(图16的b部)弯曲。在图17的变形例中，使垂直于槽52的长度方向的截面为大致矩形状，仅使位于垂直的两侧面的下端部的内角部(图17的a部)弯曲而成为内角部弯曲的矩形形状。在图18的变形例中，也可以使槽52的内角部或其开口部的边缘弯曲。在图19的变形例中，将槽52的截面形成为开口部比底面宽的倒梯形状。另外，在图18的变形例中，将槽52形成为V槽状(三角形状)，对应于此，基电极27也形成为截面为V字状。这些图16～图19的变形例也分别是为了使气泡难以混入到驻极体28内而进行的设计。

(槽加工的方法)

然后，使用图20～图22说明在实施方式2或其变形例中，在固定基板22形成槽52的方法。图20(a)、(b)是使用玻璃基板作为固定基板22的情况。在该情况下，如图20(a)所示使用掩模53覆盖固定基板22的槽形成区域以外的面，通过掩模53的开口对固定基板22进行干式蚀刻或湿式蚀刻，从而如图20(b)所示在固定基板22形成槽52。另外，可以使用激光加工方法，即，通过沿着槽形成区域扫描激光来形成槽52。

图21(a)～(c)是使用玻璃基板54和树脂55构成固定基板22的情况。在该情况下，如图21(a)所示，在平板状的玻璃基板54上滴下熔化状态的紫外线硬化型树脂55之后，如图21(b)所示使用在下表面形成有突条部57的压模56(金属模)按压树脂55，在压模56和玻璃基板54之间散布树脂55。然后，通过玻璃基板54向树脂55照射紫外光来使树脂55光硬化。之后，当从硬化后的树脂55剥离了压模56时，由玻璃基板54和硬化后的树脂55形成固定基板22，并且在固定基板22的上表面形成槽52。

图22(a)、(b)是使用Si基板作为固定基板22的情况。在该情况下，如图22(a)所示由掩模53覆盖固定基板22的槽形成区域以外的面，通过掩模53的开口对固定基板22进行各向异性蚀刻或各向同性蚀刻，从而在固定基板22的上表面形成槽52。然后，如图22(b)所示，在固定基板22的上表面形成SiO₂膜、或SiN膜、SiON膜等绝缘膜58并进行绝缘处理。

另外，在上述各实施方式中，使没有驻极体的基板通过振动来移动，然而也可以使具有驻极体的基板通过振动来移动。并且，在一个基板中，仅在一部分区域(例如，1/2区域)内在电极上设置驻极体，在另一个基板中，仅在与上述区域对置的区域以外的区域(例如，剩余的1/2区域)内在电极上设置驻极体。

标号说明

21：能量变换元件；22：固定基板；23：可动基板；27：基电极；28：驻极体；29：保护电极；30：信号取出用焊盘；31：绝缘覆膜；32：对置电极；33：绝缘覆膜；34：信号取出用焊盘；52：槽；w：基电极的宽度；W：驻极体的宽度。

Claims (14)

1.一种能量变换元件，其特征在于，

该能量变换元件具有隔开预定间隔对置、且能彼此相对移动的第1基板和第2基板，

在所述第1基板和所述第2基板的彼此对置的面上分别形成有至少一个导电性部件，

所述导电性部件均具有多个电极和电极焊盘，

在所述导电性部件中的至少一个导电性部件上，对应于各电极形成有驻极体，

所述驻极体覆盖各电极的表面中的固定在任一基板上的面的相反面，并以5μm以上的覆盖厚度覆盖各电极的外周面。

2.根据权利要求1所述的能量变换元件，其特征在于，形成有所述驻极体的电极的外周面被驻极体以10μm以上的覆盖厚度覆盖。

3.根据权利要求1所述的能量变换元件，其特征在于，所述第1基板和所述第2基板中的至少一个基板具有相互平行地凹进设置的多个槽，在该槽内配设所述电极，在该槽内埋设所述驻极体并由驻极体覆盖所述槽内的电极。

4.根据权利要求3所述的能量变换元件，其特征在于，所述槽的垂直于其长度方向的截面是内角部弯曲的矩形形状。

5.根据权利要求3所述的能量变换元件，其特征在于，所述槽的垂直于其长度方向的截面是开口部的宽度比底面的宽度宽的梯形形状。

6.根据权利要求3所述的能量变换元件，其特征在于，所述槽的垂直于其长度方向的截面是在开口侧变宽的三角形状。

7.根据权利要求3所述的能量变换元件，其特征在于，

具有所述槽的基板由玻璃基板、半导体基板或者树脂基板构成，

所述槽是在该基板上通过干式蚀刻来凹进设置的。

8.根据权利要求3所述的能量变换元件，其特征在于，

具有所述槽的基板或者该基板的一部分由树脂材料形成，

所述槽是在使所述树脂材料成形时使用转印技术来凹进设置的。

9.根据权利要求3所述的能量变换元件，其特征在于，

具有所述槽的基板由Si基板构成，

所述槽是在该基板上使用各向异性蚀刻来凹进设置的，

在所述槽的表面形成有由SiO₂、SiN或者SiON构成的绝缘膜。

10.根据权利要求1所述的能量变换元件，其特征在于，在所述第1基板和所述第2基板中的至少一个基板的对置面上，所述导电性部件的除了形成有所述电极焊盘的区域以外的区域全体被绝缘覆膜覆盖。

11.根据权利要求1所述的能量变换元件，其特征在于，仅未被所述驻极体覆盖的电极被绝缘覆膜覆盖。

12.根据权利要求1所述的能量变换元件，其特征在于，

在相邻的所述驻极体间设有保护电极，

在所述第1基板和所述第2基板中的至少一个基板中，仅未被所述驻极体覆盖的电极和所述保护电极被绝缘覆膜覆盖。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的能量变换元件，其特征在于，所述绝缘覆膜由绝缘性高分子材料构成。

14.根据权利要求10至12中的任一项所述的能量变换元件，其特征在于，所述绝缘覆膜由SiO₂、SiN、SrTiO₃、SiON、TiO₂等绝缘性无机材料构成。

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