DE112021001335T5

DE112021001335T5 - Leistungsgenerator

Info

Publication number: DE112021001335T5
Application number: DE112021001335.1T
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Tokyo University of Science; Denso Corp
Current assignee: Tokyo University of Science; Denso Corp
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2023-01-05
Also published as: WO2021172314A1; DE112021001335T8; US20220392711A1; JP2021136804A; CN115176409A

Abstract

Ein Leistungsgenerator umfasst ein Elektret (2), das eine erste geladene Oberfläche (21) und eine zweite geladene Oberfläche (22) umfasst, die entgegengesetzte Polaritäten haben, eine erste Elektrode (31), die teilweise auf der ersten geladenen Oberfläche gebildet, eine zweite Elektrode (32), die auf der zweiten geladenen Oberfläche gebildet, eine dritte Elektrode (33), die der ersten geladenen Oberfläche mit einem Raum dazwischen zugewandt ist, und wenigstens eine von einer Leistungsspeicherungseinheit (41) und einer Ausgabeeinheit (42). Die erste geladene Oberfläche hat eine Stromsammeloberfläche (20), die nach außen exponiert ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode bilden eine erste Leistungserzeugungseinheit (10A), und die dritte Elektrode und die zweite Elektrode bilden eine zweite Leistungserzeugungseinheit (1 0B). Das Elektret ist durch Polarisieren eines Elektretmaterials gebildet, das ein anorganisches Dielektrikum mit einer Bandlückenenergie von mindestens 4 eV umfasst.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-032539, eingereicht am 28. Februar 2020, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Leistungsgenerator, der ein Elektret verwendet.
HINTERGRUND
Als eine Energiegewinnungstechnologie zum Umwandeln von in der Umgebung bzw. Umwelt vorhandener Leistung in elektrische Leistung wurde eine praktische Anwendung eines Elements zur Energiegewinnung untersucht, das die elektrostatische Induktion eines Elektrets nutzt. Als Bestandteil des Elektrets wird im Allgemeinen ein organisches Polymermaterial wie etwa ein Fluorharz verwendet. Zum Beispiel wird ein kettenförmiges Fluorharz oder ein Polymer mit fluoraliphatischer Ringstruktur in einer Hauptkette verwendet.
Als ein Element zur Energiegewinnung, das ein Elektret verwendet, ist ein schwingungsbetriebener Generator vorgeschlagen worden. Wenn in dem schwingungsbetriebenen Generator eine bewegliche Elektrode, die einem Elektret auf einer festen Elektrode zugewandt ist, schwingt, wird die Menge der elektrischen Ladung, die durch die bewegliche Elektrode induziert wird, verändert und die Energie als elektrische Leistung durch den schwingungsbetriebenen Generator abgeleitet. Ferner sind Anwendungen eines solchen schwingungsbetriebenen Generators auf verschiedene Gebiete untersucht worden. Zum Beispiel ist in der Patentliteratur 1 ein Elektret durch Bilden eines Fluorharz-Polymer-Films auf gegenüberliegenden Oberflächen aus einem Paar Substraten gebildet, und eine Vorrichtung zur Umwandlung durch elektrostatische Induktion ist derart gebildet, dass eines von dem Paar Substraten als ein festes Substrat und das weitere von dem Paar Substraten als ein bewegliches Substrat verwendet wird. Das bewegliche Substrat ist so ausgelegt, dass es relativ zu dem festen Substrat bewegbar ist. Die Vorrichtung zur Umwandlung durch elektrostatische Induktion, die wie oben beschrieben ausgelegt ist, wird in Patentliteratur 1 auf einen Sensor und einen Aktor angewendet. In der Vorrichtung zur Umwandlung durch elektrostatische Induktion liegen das Elektret und ein Leiter auf den gegenüberliegenden Oberflächen, und das Flächenverhältnis zwischen dem Elektret und dem Leiter ist definiert.
STAND DER TECHNIK
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1: JP 4871642 B
KURZDARSTELLUNG
In einem solchen schwingungsbetriebenen Generator finden durch Schwingungen Relativbewegungen der dem Elektret zugewandten beweglichen Elektrode statt, die eine externe Energie ist, und die Kapazität zwischen dem Elektret und der bewegliche Elektrode schwankt, so dass Leistung erzeugt werden kann. Mit anderen Worten, wenn ein schwingungsbetriebener Generator als ein Leistungsgenerator verwendet wird, kann der Leistungsgenerator während der Zeitspanne, in der dem Leistungsgenerator keine kinetische Energie wie etwa Schwingungen von außen zugeführt wird, keine Leistung erzeugen, selbst wenn der Leistungsgenerator mit einer Last wie etwa einem Sensor oder einem Aktor verbunden ist. Somit ist die Nutzungsumgebung des Leistungsgenerators begrenzt. Alternativ ist es zur effizienten Nutzung der Umgebungsschwingungen notwendig, die Anordnung des Elektrets und des Leiters wie in der Patentliteratur 1 zu gestalten. Daher sind eine Elektrodenkonfiguration, eine Stütz- oder Trägerstruktur der beweglichen Elektrode und dergleichen tendenziell kompliziert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, unter Verwendung eines Elektrets einen Leistungsgenerator bereitzustellen, der selbst während der Zeitspanne, in der dem Leistungsgenerator keine kinetische Energie wie etwa Schwingungen von außen zugeführt bzw. in ihn eingekoppelt wird, Leistung erzeugen kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Leistungsgenerator ein Elektret, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine dritte Elektrode und wenigstens eine von einer Leistungsspeicherungseinheit und einer Ausgabeeinheit. Das Elektret umfasst eine erste geladene Oberfläche und eine zweite geladene Oberfläche. Die erste geladene Oberfläche und die zweite geladene Oberfläche haben entgegengesetzte Polaritäten. Die erste Elektrode ist so teilweise auf der ersten geladenen Oberfläche gebildet, dass die erste geladene Oberfläche einen Abschnitt als eine Stromsammeloberfläche besitzt, der nach außen exponiert ist. Die zweite Elektrode ist auf der zweiten geladenen Oberfläche gebildet. Die dritte Elektrode ist der ersten geladenen Oberfläche mit einem Raum dazwischen zugewandt. Die dritte Elektrode ist dazu geeignet, sich relativ und parallel zu der ersten geladenen Oberfläche zu bewegen. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode bilden eine erste Leistungserzeugungseinheit, und die dritte Elektrode und die zweite Elektrode bilden eine zweite Leistungserzeugungseinheit. Wenigstens eine von der Leistungsspeicherungseinheit und der Ausgabeeinheit ist elektrisch mit sowohl der ersten Leistungserzeugungseinheit als auch der zweiten Leistungserzeugungseinheit verbunden. Das Elektret ist durch Polarisieren eines Elektretmaterials gebildet, das ein anorganisches Dielektrikum mit einer Bandlückenenergie von mindestens 4 eV umfasst.
In dem Leistungsgenerator mit der obigen Konfiguration besitzt das anorganische Dielektrikum, das das Elektret bildet, eine hohe Bandlückenenergie von mindestens 4 eV und kann die dielektrische Durchbruchspannung während der Polarisationsbehandlung erhöhen. Daher kann zum Beispiel ein hohes Oberflächenpotential gewonnen werden, indem eine Hochspannung unter Wärme angelegt wird. Ferner wurde gefunden, dass durch Bilden von Elektroden auf beiden geladenen Oberflächen des Elektrets, zum Beispiel durch teilweises Anordnen von einer der Elektroden auf der geladenen Oberfläche, von der ein Teil nach außen exponiert ist, und durch Verbinden der Leistungserzeugungseinheit mit der Leistungsspeicherungseinheit oder der Ausgabeeinheit, Leistung von außen entnommen bzw. nach außen abgegeben werden könnte.
Der Grund hierfür ist nicht klar, aber es wird angenommen, dass Ladungstransfer möglich ist, da sich aufgrund des hohen Oberflächenpotential des Elektrets schwebende Ladungen an der exponierten Stromsammeloberfläche anlagern und sich die Restpolarität des anorganischen Dielektrikums, das das Elektret bildet, im Laufe der Zeit ändert. Daher ist es durch Verwenden einer solchen Konfiguration als die erste Leistungserzeugungseinheit und deren Anordnen zusammen mit der zweiten Leistungserzeugungseinheit, die die dem Elektret zugewandte bewegliche Elektrode umfasst, möglich, selbst während einer Zeitspanne, in der dem Leistungsgenerator keine externe Energie zugeführt wird, Leistung zu erzeugen. Durch Verbinden der zwei Leistungserzeugungseinheiten mit der Leistungsspeicherungseinheit oder der Ausgabeeinheit ist es möglich, mit einer relativ einfachen Konfiguration effizient elektrische Leistung zu nutzen.
Wie es oben beschrieben ist, ist es gemäß dem obigen Aspekt möglich, einen Leistungsgenerator bereitzustellen, der dazu geeignet ist, durch Verwenden eines Elektrets selbst während einer Zeitspanne, in der dem Leistungsgenerator keine kinetische Energie wie etwa Schwingungen von außen zugeführt wird, Leistung zu erzeugen.
Figurenliste
Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. In den Zeichnungen ist:

1 eine schematische Darstellung, die eine schematische Gesamtkonfiguration eines Leistungsgenerators gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
2 eine schematische Ansicht, die ein Anordnungsbeispiel einer ersten Elektrode zeigt, die auf einer ersten geladenen Oberfläche eines Elektrets gebildet ist, das eine Leistungserzeugungseinheit in der ersten Ausführungsform bildet;
3 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Operation der Leistungserzeugungseinheit und ein Konfigurationsbeispiel einer Leistungsversorgungseinheit in der ersten Ausführungsform;
4 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer Operation der Leistungserzeugungseinheit und ein Konfigurationsbeispiel der Leistungsversorgungseinheit in der ersten Ausführungsform;
5 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Leistungserzeugungsmechanismus des Leistungsgenerators in der ersten Ausführungsform;
6 eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Polarisierungsverfahrens eines Elektrets in der ersten Ausführungsform;
7 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Verfahren zum Messen eines Oberflächenpotentials in einem Testbeispiel 1;
8 ein Schaubild, das eine Änderung des Oberflächenpotentials des Testbeispiels 1, das im Laufe der Zeit wiederholt gemessen wurde, zeigt;
9 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Verfahren zum Messen einer dielektrischen Ladung in dem Testbeispiel 1.
10 ein Schaubild, das eine Änderung einer Menge an dielektrischer Ladung des Testbeispiels 1 im Laufe der Zeit zeigt;
11 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen der Ca-Substitutionsmenge und dem Oberflächenpotential eines Mischoxid auf LAO-Basis, das ein Elektretmaterial in einem Testbeispiel 2 ist, zeigt;
12 eine schematische Ansicht, die Formbeispiele von Elektrodenbildungsabschnitten, die eine erste Elektrode sein sollen, die auf einem Elektret in der zweiten Ausführungsform gebildet sind, zeigt;
13 eine schematische Ansicht, die zeigt Konfigurationsbeispiele von Sammelabschnitten von Elektrodenabschnitten, die die erste Elektrode sein sollen, die auf dem Elektret in der zweiten Ausführungsform gebildet ist; und
14 ein schematisches Diagramm und eine Kennlinie, die eine Beziehung zwischen dem Oberflächenpotential und dem Elektrodenabstand der Elektrodenabschnitte zeigt, die auf dem Elektret in einem Testbeispiel 3 gebildet sind.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Erste Ausführungsform)
Nachfolgend ist die erste Ausführungsform, die einen Leistungsgenerator betrifft, mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie es gezeigt ist in 1, umfasst der Leistungsgenerator 1 der vorliegenden Ausführungsform eine erste Leistungserzeugungseinheit 10A, die ein Elektret 2 verwendet, eine zweite Leistungserzeugungseinheit 10B und wenigstens eine von einer Leistungsspeicherungseinheit 41 und einer Ausgabeeinheit 42, die elektrisch mit der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A und der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B verbunden ist. Die Leistungsspeicherungseinheit 41 und die Ausgabeeinheit 42 bilden eine Leistungsversorgungseinheit 4, und die durch die erste Leistungserzeugungseinheit 10A und die zweite Leistungserzeugungseinheit 10B erzeugte Leistung kann über die Leistungsversorgungseinheit 4 nach außen abgegeben bzw. abgeführt werden.
Das Elektret 2 hat eine erste geladene Oberfläche 21 und eine zweite geladene Oberfläche 22, die mit entgegengesetzten Polaritäten geladen sind. Eine erste Elektrode 31 ist auf der ersten geladenen Oberfläche 21 gebildet, und eine zweite Elektrode 32 ist auf der zweiten geladenen Oberfläche 22 gebildet. Die erste Leistungserzeugungseinheit 10A umfasst die erste Elektrode 31 und die zweite Elektrode 32, die auf dem Elektret 2 gebildet sind, und die zweite Leistungserzeugungseinheit 10B umfasst die zweite Elektrode 32 und eine dritte Elektrode 33, die der ersten geladenen Oberfläche 21 zugewandt ist.
Das Elektret 2 ist durch Polarisieren eines Elektretmaterials gebildet, das ein anorganisches Dielektrikum mit einer Bandlückenenergie von mindestens 4 eV enthält. Von der ersten Elektrode 31 und der zweiten Elektrode 32, die auf dem Elektret 2 gebildet sind, ist die erste Elektrode 31 so teilweise auf der ersten geladenen Oberfläche 21 angeordnet, dass die erste geladene Oberfläche 21 einen Abschnitt als ein Stromsammeloberfläche 20 aufweist, der nach außen exponiert ist. Die dritte Elektrode 33 ist der ersten geladenen Oberfläche 21 mit einem Raum dazwischen zugewandt. Die dritte Elektrode 33 ist relativ und parallel zu der ersten geladenen Oberfläche 21 bewegbar.
In der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A ist die Stromsammeloberfläche 20 auf dem Elektret 2 gebildet, und die Leistungsversorgungseinheit 4 ist elektrisch zwischen die erste Elektrode 31, die sich in Kontakt mit der Stromsammeloberfläche 20 befindet, und die zweite Elektrode 32 geschaltet. Dadurch kann die auf der Stromsammeloberfläche 20 akkumulierte elektrische Ladung abgeleitet und in der Leistungsspeicherungseinheit 41 gespeichert oder durch die Ausgabeeinheit 42 nach außen abgeführt werden. Ferner bewegt in der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B externe Energie wie etwa Schwingungen die dritte Elektrode 33, die der ersten geladenen Oberfläche 21 zugewandt ist, relativ zu der ersten geladenen Oberfläche 21, so dass sich die in der dritten Elektrode 33 induzierte Ladung bewegen und die Ladung in der Leistungsversorgungseinheit 4 gespeichert oder zu ihr ausgegeben werden kann.
Auf diese Weise kann durch Kombinieren der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A und der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B eine effiziente Leistungserzeugung und Leistungsversorgung erreicht werden.
Nachfolgend sind spezielle Beispiele des Elektrets 2 ausführlich beschrieben, das in dem Leistungsgenerator 1 verwendet wird.
Weiter unten sind spezielle Konfigurationsbeispiele der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A, der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B und des Leistungsgenerators 1 ausführlich erläutert.
Das Elektretmaterial, das das Elektret 2 der vorliegenden Ausführungsform bildet, enthält ein anorganisches Dielektrikum mit einer Bandlückenenergie von mindestens 4 eV als eine Hauptkomponente. Hier bedeutet „Hauptkomponente“ ein Elektretmaterial, das nur aus dem anorganischen dielektrischen Material besteht, oder ein Elektretmaterial, dem in dem Umwandlungsprozess des anorganischen Dielektrikums in das Elektretmaterial einige weitere Komponenten hinzugefügt wurden. Ferner können dem Elektretmaterial in dem Umwandlungsprozess des Elektretmaterials in dem Elektret 2 weitere Komponenten hinzugefügt werden, solange man die gewünschten Elektreteigenschaften erhält.
Das Elektret 2 wird gewonnen, indem ein solches Elektretmaterial polarisiert, d. h. einer Polarisationsbehandlung unterzogen wird. Mit anderen Worten, das Elektret 2 wird durch die Polarisationsbehandlung eines Elektretmaterials gewonnen, um ein Oberflächenpotential des Elektretmaterials zu entwickeln und das Elektretmaterial zu laden. Hier wird das Elektretmaterial zum Beispiel zu einer Plattenform vorbestimmter Dicke geformt und durch Polarisierung in der Dickenrichtung als eine Polarisationsrichtung X in ein Elektret umgewandelt. Dadurch wird eine positive oder negative Ladung auf der Oberfläche des Elektrets 2 gehalten. Infolgedessen wird das Elektret 2, das ein elektrostatisches Feld um sich erzeugt, gewonnen.
Hier ist die Oben-unten-Richtung in 1 nachfolgend als die Polarisationsrichtung X des Elektrets 2 bezeichnet, und eine Oberfläche, die in die Polarisationsrichtung X weist, ist nachfolgend als eine obere Oberfläche bezeichnet, und die gegenüberliegende Oberfläche ist nachfolgend als eine untere Oberfläche bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt ist die obere Oberfläche des Elektrets 2 die erste geladene Oberfläche 21 und die untere Oberfläche des Elektrets 2 die zweite geladene Oberfläche 22. Die erste geladene Oberfläche 21 und die zweite geladene Oberfläche 22 werden mit entgegengesetzten Polaritäten geladen. Ferner ist in dem Elektret 2 ein Teil der ersten geladenen Oberfläche 21, die die obere Oberfläche ist, der Atmosphäre ausgesetzt bzw. exponiert, und die exponierte Oberfläche dient als die Stromsammeloberfläche 20. Die zweite geladene Oberfläche 22 auf der unteren Oberfläche weist keine exponierte Oberfläche auf. Jedoch kann ein Teil der zweiten geladenen Oberfläche 22 der Atmosphäre ausgesetzt sein.
Das als das Elektretmaterial verwendete anorganische Dielektrikum kann eine anorganische Verbindung mit Apatitstruktur sein, die Phosphat-Ionen und Hydroxid-Ionen enthält. Apatit ist ein allgemeiner Ausdruck für Verbindungen mit der Zusammensetzungsformel M₁₀(ZO₄)₆(X)₂, wobei ZO₄ und X in der Zusammensetzungsformel Phosphat-Ion bzw. Hydroxid-Ion entsprechen. Typischerweise hat Apatit ein Kristallstruktur, deren Einheitszelle einem hexagonalen System zugeordnet wird und deren Raumgruppe P6₃/m ist. Apatit besitzt häufig eine nicht-stöchiometrische Zusammensetzung. Die anorganische Verbindung mit Apatitstruktur, die Phosphat-Ionen und Hydroxid-Ionen enthält, ist eine Verbindung mit der Zusammensetzungsformel M₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Beispiele des Metallelements M umfassen divalente Erdalkalimetallelemente wie etwa Ca.
Durch Verwenden einer solchen anorganischen Verbindung kann das Elektret 2 mit einem hohen Oberflächenpotential gewonnen werden, das eine große Sammelmenge an Ladung realisiert. Vorzugsweise wird Hydroxylapatit (HA) als die anorganische Verbindung mit Apatitstruktur verwendet, die Phosphat-Ionen und Hydroxid-Ionen enthält. Hydroxylapatit hat die Zusammensetzungsformel (Ca₁₀(PO₄)6(OH)₂), wenn die Stöchiometrie erfüllt ist, und hat eine Kristallstruktur, in der die Einheitszelle dem hexagonalen System zugeordnet wird und die Raumgruppe P6₃/m ist.
Vorzugsweise hat die als das anorganische dielektrische Material verwendete anorganische Verbindung einen Hydroxid-Ionen-Gehalt in der Apatitstruktur, der unterstöchiometrisch ist. Hydroxylapatit mit dem unterstöchiometrischen Hydroxid-Ionen-Gehalt kann zum Beispiel durch Sintern eines Rohmaterialpulvers mit Hydroxid-Ionen und Phosphat-Ionen bei einer Temperatur zwischen 1250 °C und 1500 °C synthetisiert werden, um eine Kristallstruktur mit hexagonalem Hydroxylapatit zu erhalten. In dem Prozess wird der Gehalt an Hydroxid-Ionen unterstöchiometrisch. Dies ist auf die Dehydratisierung der Hydroxylgruppe durch Erwärmen des Hydroxylapatits zurückzuführen, wodurch Oxyhydroxylapatit (OHA) aus dem Hydroxylapatit erzeugt wird und Kristalldefekte auftreten.
Alternativ kann als das anorganische Dielektrikum auch ein Oxidmaterial verwendet werden, das zwei unterschiedliche Metallelemente A und B enthält und ein Mischoxid mit der Zusammensetzungsformel ABOs als Grundzusammensetzung aufweist. Es ist vorteilhaft, als das Mischoxid eines mit einer amorphen Struktur oder eines mit einer Perowskit-Kristallstruktur zu verwenden. Das Mischoxid kann eine Struktur haben, die aufgrund von in der Struktur gebildeten Defekten einen geringeren Sauerstoffgehalt als die Grundzusammensetzung aufweist (d. h. ABO_x mit x ≤ 3). Vorteilhafterweise ist es wahrscheinlich, dass Defekte eingeführt werden und das Oberflächenpotential zunimmt, wenn die Menge an Sauerstoff unterstöchiometrisch in Bezug auf die Grundzusammensetzung ist.
Das Vorhandensein von Defekten ist wichtig für die Entwicklung des Oberflächenpotentials in dem Elektret 2, und es ist einfach, Defekte einzuführen, indem das Mischoxid mit einer amorphen Struktur oder das Mischoxid mit einer Perowskit-Struktur unter den Bandlückenmaterialien verwendet wird. Wenn diese Mischoxide verwendet werden, kann das Elektret 2 mit einem hohen Oberflächenpotential gewonnen werden, und eine hohe Sammelmenge an Ladung kann realisiert werden.
In dem Mischoxid mit einer amorphen Struktur ist es im Vergleich zu einem Oxidkristall mit einer Perowskit-Struktur der gleichen Zusammensetzung wahrscheinlich, dass Defekte aufgrund von nicht abgesättigten Bindungen an der Oberfläche im ungebundenen Zustand gebildet werden. Im Gegensatz dazu können in dem Oxidkristall mit einer Perowskit-Struktur Defekte durch Elementsubstitution eingeführt werden, was weiter unten beschrieben ist. Wenn ein Mischoxid mit einer amorphen Struktur verwendet wird, kann das Mischoxid bei einer niedrigeren Temperatur als das Oxidkristall verarbeitet werden. Somit kann eine thermische Beschädigung der Verdrahtung oder dergleichen bei der Herstellung der Vorrichtung verhindert werden.
Das Mischoxid mit einer Perowskit-Struktur ist ein Mischoxid mit einer Kristallstruktur vom Perowskit-Typ mit der Zusammensetzungsformel ABO₃ und hat typischerweise eine kubische Einheitszelle. Die Metallelemente A befinden sich an den Eckpunkten eines kubisches Kristalls, das Metallelement B befindet sich an einer mittleren Position des kubischen Kristalls, und ein Sauerstoffatom O ist mit Bezug auf jedes der Metallelemente A und B in einem regelmäßigen Oktaeder koordiniert. In der Perowskit-Struktur hat das Mischoxid aufgrund des Mangels oder Fehlens von Sauerstoffatomen häufig eine nicht-stöchiometrische Zusammensetzung. In diesem Fall hat das Mischoxid die Zusammensetzungsformel ABO_x (x < 3), und Kristalldefekte treten auf, da die Menge an Sauerstoff unterstöchiometrisch ist. Es ist zur Verbesserung des Oberflächenpotentials vorteilhaft, eine Konfiguration zu verwenden, in der die Menge an Sauerstoff unterstöchiometrisch ist.
Als ein bestimmtes Beispiel des Mischoxids mit der Zusammensetzungsformel ABOs kann das Metallelement A (A-Platz) ein Element R der Seltenen Erden sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus La, Y, Pr, Sm und Nd besteht, und das Metallelement B (B-Platz) kann Al sein. Da ein Mischoxid vom Perowskit-Typ, das ein trivalentes Metallelement R der Seltenen Erden und ein trivalentes Al (d. h. RAIO₃; ein Aluminat der Seltenen Erden) enthält, eine große Bandlückenenergie von mindestens 4 eV und eine relativ kleine Permittivität (z. B. 100 oder weniger) besitzt, kann ein hohes Oberflächenpotential realisiert werden. Zusätzlich kann das Aluminat der Seltenen Erden unter Verwendung relativ kostengünstiger Materialien hergestellt werden, was bezüglich der Herstellungskosten vorteilhaft ist.
In der Perowskit-Struktur ist die Kombination aus dem Metallelement A, das den A-Platz besetzt, und dem Metallelement B, das den B-Platz besetzt, nicht besonders beschränkt, solange die Kombination der Zusammensetzungsformel ABOs genügt. In diesem Fall kann zum Beispiel zusätzlich zu der Kombination aus dem trivalenten Metallelement A und dem trivalenten Metallelement B eine Kombination aus monovalent und pentavalent und eine Kombination aus divalent und tetravalent verwendet werden.
In der Zusammensetzungsformel ABOs kann ein Teil des Metallelements A an dem A-Platz, ein Teil des Metallelements B an dem B-Platz oder beide durch ein Dotierungselement substituiert werden, das sich von dem Metallelement A und dem Metallelement B unterscheidet. Wenn in diesem Fall das Dotierungselement ein Metallelement mit geringerer Wertigkeit als die der Metallelemente A und B ist, ist es wahrscheinlich, dass Defekte aufgrund von Sauerstoffleerstellen bzw. -lücken in der Struktur auftreten. Wenn zum Beispiel das Metallelement A ein trivalentes Element R der Seltenen Erden ist, wird vorzugsweise ein divalentes Erdalkalimetallelement (einschließlich Mg) als das Dotierungselement verwendet, und wenn das Metallelement B ein trivalentes Al ist, wird ein Element oder werden mehrere Elemente aus der Gruppe, die aus divalenten Erdalkalimetallelementen (einschließlich Mg) und Zn besteht, vorzugsweise verwendet.
Die Kombination der Metallelemente A und B ist nicht besonders beschränkt, und das Dotierungselement kann jedes Metallelement mit geringerer Wertigkeit als die der Metallelemente A oder B sein, die durch das Dotierungselement substituiert werden sollen. Durch Substituieren des Metallelements A und/oder des Metallelements B durch ein Dotierungselement geringerer Wertigkeit treten Kristalldefekte durch Sauerstoffdefizit in der Perowskit-Struktur auf, um so elektrische Neutralität zu bewahren, was zu der Verbesserung des Oberflächenpotentials beiträgt. Da es eine Korrelation zwischen der Substitutionsmenge des Dotierungselements und der Menge an Defekten gibt, ist es möglich, die Menge an Defekten zu steuern bzw. zu kontrollieren, die das Oberflächenpotential beeinflussen, indem die Menge der eingeführten Dotierungselement gesteuert wird, so dass man stabile Oberflächenpotentialeigenschaften erhält.
Insbesondere kann Lanthanaluminat (LaAlO₃) als ein typisches Beispiel des Aluminats der Seltenen Erden erwähnt werden, und eine Struktur, in der ein Teil des La in dem Lanthanaluminat durch ein Erdalkalimetallelement (zum Beispiel Ca) substituiert ist, kann verwendet werden. In diesem Fall kann es durch die Zusammensetzungsformel (La, Ca)AlO₃-_δ dargestellt werden, wobei δ die Menge an Sauerstoffdefekten bedeutet. Die Menge an Sauerstoffdefekten variiert in Abhängigkeit von der Substitutionsmenge des Dotierungselements, der Atmosphäre und dergleichen. Wenn ein Substitutionsverhältnis durch das Dotierungselement x (Atom-%) beträgt und der Sauerstoffdefekt durch die Substitution verursacht ist, wird die Zusammensetzungsformel durch La(_1-x)Ca_xAlO_3-x/2 dargestellt.
Das Substitutionsverhältnis des Dotierungselements, das das Metallelement A substituiert, kann in geeigneter Weise in dem Bereich von zum Beispiel 0,5 Atom-% bis 20 Atom-% eingestellt werden. Ebenso liegt das Substitutionsverhältnis des Dotierungselements, das das Metallelement B substituiert, vorzugsweise in den dem Bereich von zum Beispiel 0,5 Atom-% bis 20 Atom-%. Wenn das Substitutionsverhältnis mindestens 0,5 Atom-% ist, kann, verglichen mit dem Fall, in dem das Dotierungselement nicht eingeführt ist, ein höheres Oberflächenpotential gewonnen werden. Vorzugsweise ist das Oberflächenpotential signifikant verbessert, wenn das Substitutionsverhältnis mindestens 1 Atom-% beträgt. Jedoch nimmt der Effekt, der durch Einführen des Dotierungselements gewonnen wird, tendenziell ab, wenn sich das Substitutionsverhältnis 20 Atom-% nähert. Der Grund hierfür ist noch nicht vollständig verstanden, aber es wird angenommen, dass eine Zunahme der relativen Permittivität zu einer Verringerung des Oberflächenpotentials führt. Daher ist es vorteilhaft, das Substitutionsverhältnis in geeigneter Weise innerhalb des Bereichs von weniger als 20 Atom-% einzustellen, so dass die gewünschten Eigenschaften gewonnen werden können.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Elektret 2 durch Polarisieren des oben erwähnten anorganischen dielektrischen Materials gewonnen, wie etwa ein Sinterkörper vorbestimmter Form aus einer anorganischen Verbindung mit Apatitstruktur oder ein Sinterkörper vorbestimmter Form aus einem Mischoxid mit einer Perowskit-Struktur (nachfolgend als ein Mischoxid-Sinterkörper bezeichnet). Der Sinterkörper aus einer anorganischen Verbindung oder der Mischoxid-Sinterkörper, der das Elektret 2 sein soll, kann eine beliebige äußere Form (zum Beispiel die Form einer rechteckigen, flachen Platte oder einer Scheibe) besitzen.
Ferner kann das Elektret 2 eine Film sein, der ein solches anorganisches dielektrisches Material enthält (nachfolgend als ein anorganischer dielektrischer Film bezeichnet). Wenn zum Beispiel das anorganische dielektrische Material eine anorganische Verbindung ist, ist es ein Film aus einer anorganischen Verbindung, und wenn das anorganische dielektrische Material ein Mischoxid ist, ist es ein Mischoxidfilm. Ein solcher anorganischer dielektrischer Film kann als ein Dünnfilm mit einer gewünschten Dicke durch Bilden eines Films aus einem anorganischen dielektrischen Material auf einem Substrat unter Verwendung eines Verfahrens zur Bildung eines beliebigen Films wie etwa ein Sputterverfahren gebildet werden. Als das Substrat kann zusätzlich zu einem leitenden Substrat wie etwa einem leitenden Si-Substrat ein isolierendes Substrat verwendet werden.
Ferner kann das Elektret 2 ein Mischfilm sein, in dem Partikel aus dem anorganischen dielektrischen Material einem Basismaterialfilm dispergiert sind. In diesem Fall kann unter Verwendung eines gemischten Materials der anorganischen dielektrischen Partikel und des Basismaterials der Mischfilm mit einer gewünschten Dicke auf einem Substrat durch ein beliebiges Verfahren wie etwa einem Druckverfahren gebildet werden. Das Basismaterial für den Basisfilm kann ein beliebiges Material mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit und Spannungsfestigkeit sein. Das Basismaterial kann ein organisches Material wie etwa Polyimid oder jedes Material sein, das sich in einer flüssigen Phase befindet und einen Film bildet.
Wie es oben beschrieben ist, ist die Form des Elektrets 2 nicht besonders beschränkt. Wenn das Elektret 2 auf dem Substrat gebildet wird, kann eine weitere Schicht wie etwa ein leitender Film zwischen dem Elektret 2 und dem Substrat angeordnet sein. Alternativ kann das Elektret 2 verwendet werden, nachdem es von dem Substrat abgezogen wurde.
Das Verfahren der Polarisationsbehandlung bzw. zur Polarisation zum Bilden eines Elektrets ist nicht besonders beschränkt, sondern die Polarisationsbehandlung kann durch Bilden von Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen eines Elektretmaterials mit einer vorbestimmten Form und Anlegen einer Spannung an das Elektretmaterial durchgeführt werden. Was die Bedingungen für die Polarisationsbehandlung anbelangt, so ist es wünschenswert, eine Gleichspannung anzulegen, so dass zum Beispiel bei 100 °C oder höher die elektrische Feldstärke mindestens 1 kV/mm beträgt. Um eine effiziente Leistungserzeugung des Leistungsgenerators zu realisieren, ist ein Oberflächenpotential von mindestens 100 V erforderlich. Es ist möglich, ein gewünschtes Oberflächenpotential durch eine Polarisationsbehandlung mit einer elektrischen Feldstärke von mindestens 1 kV/mm zu realisieren. Zusätzlich kann durch die Polarisationsbehandlung bei einer höheren Temperatur als der Zimmertemperatur eine stabile Elektretleistung sogar bei Anwendungen realisiert werden, deren Nutzungsumgebung eine hohe Temperatur hat.
Nachfolgend sind Konfigurationsbeispiele der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A und der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B beschrieben.
In 1 ist die erste Leistungserzeugungseinheit 10A durch Bilden eines Paars von Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen des Elektrets 2, das wie oben beschrieben gewonnen wurde, gebildet. In dem Elektret 2 werden in der Polarisationsrichtung X gegenüberliegende Oberflächen so mit entgegengesetzten Polaritäten geladen bzw. so geladen, dass sie entgegengesetzte Polarität besitzen. Wenn die obere Oberfläche als die erste geladene Oberfläche 21 (zum Beispiel eine negativ geladene Oberfläche) und die untere Oberfläche als die zweite geladene Oberfläche 22 (zum Beispiel eine positiv geladene Oberfläche) bezeichnet wird, sind die erste Elektrode 31 und die zweite Elektrode 32 auf der ersten geladenen Oberfläche 21 bzw. die zweite geladene Oberfläche 22 angeordnet.
Die Polaritäten der ersten geladenen Oberfläche 21 und der zweiten geladene Oberfläche 22 sind nicht auf dieses Beispiel beschränkt, solange die erste geladene Oberfläche 21 und die zweite geladene Oberfläche 22 unterschiedliche Polaritäten haben.
In der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A ist die erste Elektrode 31, die auf der ersten geladenen Oberfläche 21 angeordnet ist, aus mehreren Elektrodenabschnitten 30 gebildet, die elektrisch miteinander verbunden sind. Ein Bereich der ersten geladenen Oberfläche 21, in dem die mehreren Elektrodenabschnitte 30 nicht angeordnet sind, ist der Atmosphäre ausgesetzt, und diese ausgesetzte bzw. exponierte Oberfläche dient als die Stromsammeloberfläche 20. Auf der Stromsammeloberfläche 20 der ersten geladenen Oberfläche 21 wird eine elektrische Ladung (zum Beispiel eine negative Ladung) gespeichert, die dem inneren Polarisationszustand des Elektrets 2 entspricht. Dadurch ergibt sich ein Oberflächenpotential (zum Beispiel mit negativer Polarität), und ein Teil der elektrischen Ladung kann sich durch die benachbarte erste Elektrode 31 bewegen, so dass der Strom gesammelt werden kann.
Wie es in 2 gezeigt ist, können die mehreren Elektrodenabschnitte 30 als die erste Elektrode 31 aus mehreren parallelen Streifenelektroden 30a und einer ringförmigen Elektrode 30b, die die Streifenelektroden 30a umgibt, gebildet sein. In dem auf der linken Seite von 2 gezeigten Beispiel hat das Elektret 2 eine rechteckige Form, und die ringförmige Elektrode 30b hat eine rechteckige Ringform mit einer vorbestimmten Breite entlang des Umfangsrands der ersten geladenen Oberfläche 21, um so der ersten geladenen Oberfläche 21 zu entsprechen. Die Streifenelektroden 30a sind in einem vorbestimmten Abstand zwischen den Streifenelektroden 30a angeordnet und verbinden zwei gegenüberliegende Seiten der ringförmigen Elektrode 30b. Jede der Streifenelektroden 30a hat eine vorbestimmte Breite.
In der ersten geladenen Oberfläche 21 ist die Stromsammeloberfläche 20 aus mehreren streifenförmigen, exponierten Oberflächen gebildet, die von den Streifenelektroden 30a und den ringförmigen Elektrode 30b umgeben sind. Wie es oben beschrieben ist, können, wenn die mehreren Stromsammeloberflächen 20 auf der ersten geladenen Oberfläche 21 gebildet sind und sich die Umfangsränder der Stromsammeloberflächen 20 in Kontakt mit den Streifenelektroden 30a oder der ringförmigen Elektrode 30b befinden, bewegliche elektrische Ladungen, die auf der Stromsammeloberfläche 20 akkumuliert sind, leicht durch die Streifenelektroden 30a und die ringförmige Elektrode 30b abgeleitet werden.
Alternativ, wie es in der rechten Figur von 2 gezeigt ist, kann, wenn das Elektret 2 scheibenförmig ist, eine Streifenelektrode 30c, die sich entlang des Umfangsrands der ersten geladenen Oberfläche 21 erstreckt und die mehreren Streifenelektroden 30a verbindet, vorgesehen sein. Alternativ kann eine kreisringförmige Elektrode 30b (nicht gezeigt), die eine vorbestimmte Breite besitzt und die mehreren Streifenelektroden 30a umgibt, entlang des Umfangsrands der ersten geladenen Oberfläche 21 gebildet sein. Zum Beispiel hat jede der mehreren Streifenelektrode 30a ein vorbestimmte Breite, ist mit einem Ende mit der Streifenelektrode 30c verbunden und mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen angeordnet. Alternativ hat jede der mehreren Streifenelektroden 30a eine vorbestimmte Breite und ist mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen innerhalb der ringförmigen Elektrode 30b angeordnet.
In 1 ist die zweite Elektrode 32 zum Beispiel auf der gesamten Oberfläche der zweiten geladenen Oberfläche 22 gebildet. Der Bereich, in dem die zweite Elektrode 32 angeordnet ist, ist nicht immer beschränkt, und ein Teil der zweiten geladenen Oberfläche 22 kann nach außen exponiert sein. Die erste Elektrode 31, die zweite Elektrode 32 und die dritte Elektrode 33 der ersten und zweiten Leistungserzeugungseinheiten 10A und 10B sind Metallelektroden und zum Beispiel aus einem Elektrodenmaterial gebildet, das Edelmetalle wie etwa Gold (Au) und Platin (Pt) oder Edelmetall-Legierungen und dergleichen enthält.
Wie es in 3 gezeigt ist, sind die Leistungsspeicherungseinheit 41 und die Ausgabeeinheit 42, die die Leistungsversorgungseinheit 4 bilden, elektrisch zwischen die erste Elektrode 31 und die zweite Elektrode 32 der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A geschaltet, um die erzeugte elektrische Ladung abzuleiten. Die Leistungsspeicherungseinheit 41 und die Ausgabeeinheit 42 sind zwischen einer ersten Verdrahtung L1, die mit der ersten Elektrode 31 verbunden ist, und einer zweiten Verdrahtung L2, die mit der zweiten Elektrode 32 verbunden ist, parallel geschaltet und zwischen einer dritten Verdrahtung L3, die mit der dritten Elektrode 33 verbunden ist, und der zweiten Verdrahtung L2 parallel geschaltet. Die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10A bzw. 10B und die Leistungsversorgungseinheit 4 kann durch einer Schaltereinheit 5 umgeschaltet werden.
Die Leistungsspeicherungseinheit 41 speichert die durch die erste und die zweite Leistungserzeugungseinheit 10A bzw. 10B erzeugte elektrische Leistung und kann zum Beispiel durch ein Leistungsspeicherelement C wie etwa einen Kondensator gebildet sein. Die Ausgabeeinheit 42 umfasst einen Ausgangsanschlussabschnitt 42a, der mit einer externen Last (Lastwiderstand R) oder dergleichen verbunden ist, und gibt die durch die Leistungserzeugungseinheiten 10A und 10B erzeugte Leistung über den Ausgangsanschlussabschnitt 42a nach außen ab. Die Ausgabeeinheit 42 kann die durch die Leistungserzeugungseinheiten 10A und 10B erzeugte Leistung direkt nach außen abgeben oder kann die in der Leistungsspeicherungseinheit 41 gespeicherte Leistung nach außen abgeben.
In der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B kann die dritte Elektrode 33, die dem Elektret 2 zugewandt ist, aus mehreren Elektrodenabschnitten 30 ähnlich wie die erste Elektrode 31 gebildet sein. Die dritte Elektrode 33 ist der ersten geladenen Oberfläche 21 des Elektrets 2 mit einem Raum dazwischen zugewandt und ist durch einen Halter bzw. eine Stütze (nicht gezeigt) elastisch gestützt, um so parallel zur ersten geladenen Oberfläche 21 bewegbar zu sein. Eine elektrische Ladung mit der entgegengesetzten Polarität auf der ersten geladenen Oberfläche 21 (zum Beispiel eine positive Polarität) wird in der dritten Elektrode 33 induziert, und wenn Schwingungen oder dergleichen von außen in die dritte Elektrode 33 eingekoppelt werden und sich die dritte Elektrode 33 relativ zu der ersten geladenen Oberfläche 21 bewegt, wird ein Teil der elektrischen Ladung überschüssig und kann sich bewegen. Infolgedessen kann die in der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B erzeugte elektrische Ladung in der Leistungsspeicherungseinheit 41 der Leistungsversorgungseinheit 4 gespeichert oder der Ausgabeeinheit 42 zugeführt werden.
Die Konfiguration der Schaltereinheit 5 ist nicht besonders beschränkt, solange die in der ersten und der zweite Leistungserzeugungseinheit 10A bzw. 10B erzeugte elektrische Ladung der Leistungsspeicherungseinheit 41 und der Ausgabeeinheit 42 zugeführt werden kann. Hier gibt es zum Beispiel einen Öffnen/Schließen-Schalter 51 zum Öffnen/Schließen der ersten Verdrahtung L1. Zusätzlich gibt es einen Verzweigungspfad, der die dritte Verdrahtung L3 mit der Leistungsspeicherungseinheit 41 oder der Ausgabeeinheit 42 verbindet, und einen Öffnen/Schließen-Schalter 52 in dem Verzweigungspfad L31, der mit der Leistungsspeicherungseinheit 4 verbunden ist.
Die Schaltereinheit 5 kann das Öffnen/Schließen des Öffnen/Schließen-Schalters 51 und 52 durch ein Schaltersteuergerät (nicht gezeigt) steuern. Zum Beispiel kann durch Schließen des Öffnen/Schließen-Schalters 51, um die Leistungserzeugungseinheit 10 und die Leistungsversorgungseinheit 4 zu verbinden, und durch Öffnen des Öffnen/Schließen-Schalters 52, um die erste Leistungserzeugungseinheit 10A und die Leistungsspeicherungseinheit 41 zu verbinden und um die zweite Leistungserzeugungseinheit 10B mit der Ausgabeeinheit 42 zu verbinden, die in der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A erzeugte elektrische Ladung gespeichert und die durch Schwingungen in der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B erzeugte elektrische Ladung durch die Ausgabeeinheit 42 der Last zugeführt werden.
Alternativ, wie es 4 gezeigt ist in, kann durch Öffnen des Öffnen/Schließen-Schalters 51 und Schließen des Öffnen/Schließen-Schalters 52, die Leistungsspeicherungseinheit 41 mit der Ausgabeeinheit 42 verbunden werden, während die Verbindung zwischen der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A und der Leistungsversorgungseinheit 4 blockiert wird. In diesem Fall kann selbst dann, wenn die durch Schwingungen erzeugte elektrische Ladung nicht von der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B geliefert wird, die in der Leistungsspeicherungseinheit 41 akkumuliert elektrische Ladung über die Ausgabeeinheit 42 der Last zugeführt werden.
Wie es oben beschrieben ist, werden gemäß der Konfiguration dieser Ausführungsform die erste und die zweite Leistungserzeugungseinheit 10A bzw. 10B und die Leistungsversorgungseinheit 4 in geeigneter Weise durch Schalten der Schaltereinheit 5 verbunden. Dann kann selbst während einer Zeitspanne, in der keine externe Energie wie etwa Schwingungen in die zweite Leistungserzeugungseinheit 10B eingekoppelt wird, die durch die erste Leistungserzeugungseinheit 10A erzeugte Leistung oder die in der Leistungsspeicherungseinheit 41 gespeicherte Leistung der Last zugeführt werden.
Der Mechanismus der Leistungserzeugung in der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A, die so ausgelegt ist, ist nicht klar, aber er kann wie folgt angenommen werden
Wie es in der linken Figur von 5 gezeigt ist, sind in dem Elektret 2 nach der Polarisationsbehandlung eine große Anzahl elektrischer Dipole D, die sich in dem anorganischen Dielektrikum befinden, das ein elektrisches Material ist, in der Polarisationsrichtung X angeordnet, und eine Restpolarität P wird erzeugt. Infolgedessen werden geladen Moleküle, Ionen, etc. (schwebende Ladungen) in der Atmosphäre entsprechend der Polarisationsrichtung X des Elektrets 2 an dem Elektret 2 adsorbiert. Zum Beispiel existieren, wie es in der Figur gezeigt ist, wenn die erste geladene Oberfläche 21 auf der oberen Oberfläche positiv geladen ist, negative Ladungen N, die eine entgegengesetzte Polarität besitzen, auf der ersten geladenen Oberfläche 21, um die Restpolarität P aufzuheben, und diese negativen Ladungen N werden normalerweise auf der ersten geladenen Oberfläche 21 gehalten und können sich nicht frei bewegen.
Im Gegensatz dazu wurde in dem anorganischen dielektrischen Material, das als das Elektretmaterial der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, gefunden, dass die elektrischen Ladungen durch Anordnen der Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen des Elektrets 2 wie in den Testbeispielen, die weiter unten beschrieben sind, abgeleitet werden können. Die Gründe hierfür sind nicht klar, aber es wird angenommen, dass eine bewegliche negative Ladung N erzeugt wird, wenn sich die Stärke der Restpolarität P im Laufe der Zeit aufgrund der Adsorption atmosphärischer Ionen und dergleichen ändert.
Zum Beispiel wird, wie es in der rechten Figur von 5 gezeigt ist, wenn die Restpolarität zu P' geändert wird (P > P'), die elektrische Ladung, die zum Aufheben der Restpolarität notwendig ist, geändert. Somit wird die elektrische Ladung auf der ersten geladenen Oberfläche 21 (d. h. die Stromsammeloberfläche 20) überschüssig. In diesem Fall kann ein Teil der überschüssigen negativer Ladung N über die Elektrode oder dergleichen gesammelt werden, und die Leistungserzeugungseinheit 10A kann funktionieren.
(Testbeispiel 1)
Das Elektret 2, das die erste und die zweite Leistungserzeugungseinheit 10A bzw. 10B der ersten Ausführungsform bildet, wurde durch das folgende Verfahren hergestellt.
Als das anorganische dielektrische Material, das das Elektret 2 bildet, wurde Oxyhydroxylapatit (nachfolgend als OHA bezeichnet; Bandlückenenergie 5.3 eV), das eine anorganische Verbindung mit Apatitstruktur ist, verwendet. Dann wurde durch Polarisieren eines OHA-Sinterkörpers eine Testprobe des Elektrets 2 als ein Testbeispiel 1 hergestellt.
<Herstellung des Pulvers>
Zuerst wurde ein Hydroxylapatit (nachfolgend HA) - Pulver, das weiter unten beschrieben ist, als Rohmaterial für den OHA-Sinterkörper hergestellt und auf eine vorbestimmte Probengröße abgewogen. Der weiter unten beschriebene Polyvinylalkohol (nachfolgend PVA) wurde auf 3,2 Gew.-% bezogen auf das HA-Pulver abgewogen.
Apatit für die Biomaterialforschung HAP monoklin Ca₁₀(PO₄)6(OH)₂; hergestellt durch FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation.
Polyvinylalkohol, Polymerisationsgrad 1500; hergestellt durch FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation
Danach wurde eine geeignete Menge reines Wasser in eine Petrischale gegeben und das abgewogene PVA in dem reinen Wasser aufgelöst, während die Petrischale auf einem heißen Rührer erhitzt wurde. Danach wurde das abgewogene HA zu der PVA-Lösung in der Petrischale hinzugefügt und gemischt. Die Petrischale wurde mit einer Abdeckfolie abgedeckt und in einen auf mindestens 100 °C vorgeheizten Trockner gestellt, und die gemischte Lösung wurde mindestens 1 Tag getrocknet.
<Klassifizierung des Pulvers und Herstellung des geformten Produkts>
Die getrocknete Probe wurde von der Petrischale in einen Mörser gegeben und mit Hilfe eines Stößels zu Pulver zermahlen. Danach wurde das Pulver in 30 µm bis 38 µm klassifiziert. Dann wurden etwa 0,3 g des klassifizierten Pulvers abgemessen und unter Verwendung einer Formungsmaschine zur Erzeugung eines uniaxialen Drucks zu einer Scheibenform von 13 mm Φ geformt. Zu diesem Zeitpunkt wurde nacheinander ein Druck zuerst von 30 MPa für 2 Minuten, dann von 60 MPa für 2 Minuten, dann von 90 MPa für 2 Minuten und schließlich von 120 MPa für 3 Minuten ausgeübt, um ein geformtes Produkt mit dem HA/PVA-Mischpulver zu erhalten.
Wenn eine größere scheibenförmige Probe hergestellt wurde, wurden etwa 0,55 g des Pulvers, das in 30 µm bis 38 µm klassifiziert wurde, abgemessen und unter Verwendung einer Formungsmaschine zur Erzeugung eines uniaxialen Drucks zu einer Scheibenform von 18 mm Φ geformt. In diesem Fall wurde der Druck nacheinander zuerst von 60 MPa für 2 Minuten, dann von 120 MPa für 2 Minuten, dann von 180 MPa für 2 Minuten und schließlich von 240 MPa für 3 Minuten ausgeübt, um ein geformtes Produkt mit dem HA/PVA-Mischpulver zu erhalten.
<Herstellung des OHA-Sinterkörpers>
Das gewonnene geformte Produkt wurde auf eine Aluminiumoxid-Sinterplatte gelegt, die mit einem Platinnetz ausgekleidet war, und in diesem Zustand in Luft bei 1400 °C für 2 Stunden unter Verwendung eines Rohrofens gesintert. Auf diese Weise wurde ein scheibenförmiger OHA-Sinterkörper hergestellt.
<Polarisationsbehandlung>
Der wie oben beschrieben gewonnene OHA-Sinterkörper wurde unter Verwendung einer in 6 gezeigten Polarisierungsvorrichtung polarisiert. In 6 wurden im Voraus ein Paar Goldelektroden 2a und 2b auf einer in der Dickenrichtung (d. h. der Polarisationsrichtung X) oberen Oberfläche bzw. unteren Oberfläche 11a bzw. 11b des OHA-Sinterkörpers 11 eingebrannt. Eine Darstellung der Goldelektrode 2b auf der unteren Oberfläche ist weggelassen. Der OHA-Sinterkörper 11 wurde zwischen zwei Aluminiumoxidstäben 13 angeordnet, um die Platindrähte 12 gewickelt wurden, so dass zwischen dem Paar Goldelektroden 2a und 2b eine Spannung angelegt werden konnte. Die zwei Aluminiumoxidstäbe 3 waren länger als der Durchmesser des OHA-Sinterkörpers 11 und wurden mit Fäden 14 aus Fluorharz (Polytetrafluorethylen) an beiden Enden in ihrer Längsrichtung (d. h. der Richtung senkrecht zur Polarisationsrichtung X) der zwei Aluminiumoxidstäbe 3 befestigt. Anschließend wurde dies um ein Polarisierungsinstrument gewickelt und das Ganze mit Silikonöl 15 überzogen, um einen Spannungsdurchschlag der Luft zu verhindern.
Dieses Polarisierungsinstrument wurde solange in einen Kammerofen gestellt, bis sich die Temperatur im Innern des Ofens bei 200 °C stabilisiert hatte. Danach, während die Temperatur bei 200 °C gehalten wurde, wurde für 1 Stunde ein elektrisches Gleichstromfeld von 8,0 kV/mm zwischen dem Paar Goldelektroden 2a, 2b des OHA-Sinterkörpers 11 angelegt, um die Polarisationsbehandlung durchzuführen. Nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit ließ man den Sinterkörper bei angelegtem elektrischen Gleichstromfeld abkühlen, bis die Temperatur 40 °C oder weniger betrug.
<Herstellung eines Elektrets>
Nach der Polarisationsbehandlung wurde das Paar Goldelektroden 2a und 2b auf den gegenüberliegenden Oberflächen des OHA-Sinterkörpers 11 unter Verwendung eines Polierpapiers bzw. Polierblatts entfernt. Danach wurde der OHA-Sinterkörper 11 mit Ethanol und reinem Wasser für jeweils 10 Minuten ultraschallgereinigt. Der OHA-Sinterkörper 11 wurde für mindestens 3 Stunden bei 100 °C in einem Trockner belassen, um das Elektret 2 zu gewinnen.
<Messung des Oberflächenpotentials>
Wie es in der oberen Figur von 7 gezeigt ist, wurde das wie oben beschrieben gewonnene Elektret 2 des Testbeispiels 1 auf dem mit Masse verbundenen Objekttisch 16 gelegt und das Oberflächenpotential gemessen. Für die Messung wurde ein Oberflächenelektrometer (MODEL341-B: hergestellt durch Trek Japan Co., Ltd.) verwendet, um das Oberflächenpotential kontaktlos mit einer dem Elektret 2 zugewandten Messsonde 17 zu messen, und der Wert wurde nach Verstreichen von 5400 Sekunden abgelesen. Wie dem unten gezeigten Ergebnis zu entnehmen ist, wurde ein hohes Oberflächenpotential, das 3900 V (Absolutwert) überschreitet, gewonnen.
[Testbeispiel 1: OHA-Elektret-Oberflächenpotential: -3947 V]
<Wiederholte Messung des Oberflächenpotentials>
Ferner wurde die Messung des Oberflächenpotentials gemäß dem durch die Pfeile in 7 gezeigten Verfahren wiederholt. Zuerst, wie es in der unteren Figur von 7 gezeigt ist, wurde die Messsonde 17 von einer dem Elektret 2 zugewandten Position aus verlagert, und dann, wie es in der mittleren Figur von 6 gezeigt ist, die metallische, mit Masse verbundene Elektrodenplatte 18 in Kontakt mit der Oberfläche des Elektrets 2 gebracht, um einen Kurzschluss hervorzurufen. Dann wurde in dem oben beschriebenen Verfahren die Messsonde 17 so positioniert, dass sie wieder dem Elektret 2 zugewandt war, und das Oberflächenpotential wurde mit der Messsonde 17 gemessen. Dieses Verfahren wurde wiederholt. Die Änderung des Oberflächenpotentials im Laufe der Zeit ist in 8 gezeigt.
Wie es in 8 gezeigt ist, wurde durch Kurzschließen das Oberflächenpotential des Elektrets 2 freigegeben, und das Oberflächenpotential wurde nicht nur einmal erfasst, sondern das Oberflächenpotential wurde danach erneut erhöht. Ferner stieg das Oberflächenpotential durch Wiederholen des Kurzschlusses und Freigeben wiederholt. Das Oberflächenpotential nahm vom ersten Zeitpunkt zum zweiten und dritten Zeitpunkt ab, stabilisierte sich aber im Laufe der Zeit. Dies zeigt, dass, wenn der Kurzschluss aufgehoben wird, die Oberfläche des Elektrets 2 wieder aufgeladen werden kann, und das Oberflächenpotential wiederholt wiederhergestellt werden.
<Messung der elektrischen Ladung>
Wie es schematisch in 9 gezeigt ist, wurde die Leistungserzeugungseinheit 10, in der die erste Elektrode 31 und die zweite Elektrode 32 auf der ersten geladenen Oberfläche 21 bzw. der zweiten geladenen Oberfläche 22 des Elektrets 2 gebildet sind, gebildet, und ein bekanntes Coulombmeter wurde mit der Leistungserzeugungseinheit 10 verbunden. Die erste Elektrode 31 hat ein Elektrodenmuster, in dem die mehreren Elektrodenabschnitte 30 mit streifenförmigen Stromsammeloberflächen 20 dazwischen benachbart zueinander sind. Das Elektrodenmuster, das die erste Elektrode 31 sein soll, wurde durch Anordnen einer Metallmaske, die so hergestellt wurde, dass sie eine Linie von 100 µm und einen Raum von 100 µm auf der ersten geladenen Oberfläche 21 des Elektrets 2 besitzt, und Sputtern mit einem Gold (Au) - Target gebildet. Die Dicke des gewonnenen Elektrodenmusters betrug etwa 30 nm.
Die Leistungserzeugungseinheit 10 wurde auf einem metallischen, mit Masse verbundenen Objekttisch gelegt, und eine Kupferelektrodenplatte und eine Sonde des Coulombmeters wurden gleichzeitig in Kontakt mit der ersten geladenen Oberfläche 21 des Elektrets 2 gebracht, um die dielektrische Ladung zu messen. Die Änderung der dielektrischen Ladung in Abhängigkeit von der Zeit ist in 10 gezeigt.
Wie es in 10 gezeigt ist, kann man durch Verwenden des Elektrets 2 des Testbeispiels 1 sehen, dass die dielektrische Ladung mit der Zeit zunimmt, und die Ladung wird weiter in dem Kondensator des Coulombmeters im Laufe der Zeit akkumuliert.
(Vergleichsbeispiel 1)
Zum Vergleich wurde ein weiter unten beschriebenes, auf Fluorharz basierendes organisches Polymer als ein Elektretmaterial verwendet und ein Elektretfilm auf einem Substrat gebildet. Das Oberflächenpotential und die dielektrische Ladung des Elektretfilms wurden auf ähnliche Weise gemessen.
CYTOP (eingetragene Marke) CTL-809M, hergestellt durch AGC Inc.
<Herstellung des Elektretfilms>
Ein Film des oben erwähnten, auf Fluorharz basierenden Elektretmaterials wurde durch Schleuderbeschichtung bei 500 U/min für 30 s auf einem Kupfersubstrat gebildet. Dann wurde der gewonnene Film bei 200 °C für 1 Stunde wärmebehandelt, um den Fluorharz-Elektretfilm als das Vergleichsbeispiel zu bilden.
<Polarisationsbehandlung>
Eine Koronaentladungsvorrichtung wurde zur Polarisationsbehandlung des gewonnenen Fluorharz-Elektretfilms verwendet. Der Elektretfilm wurde auf einen auf 120 °C erwärmten Objekttisch gelegt und durch Anlegen einer Gleichspannung von -6.44 kV an den Elektretfilm mit einem Koronaentladungsstrahl behandelt, um den Elektretfilm zu polarisieren.
<Messung des Oberflächenpotentials>
Das Oberflächenpotential des wie oben beschrieben gewonnenen Fluorharz-Elektretfilms wurde auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 gemessen. Wie es dem unten gezeigten Ergebnis entnommen werden kann, betrug das Oberflächenpotential des Fluorharz-Elektretfilms 300 V (Absolutwert), was viel niedriger war als das Oberflächenpotential des Testbeispiels 1.
[Vergleichsbeispiel 1: Fluorharz-Elektretfilm-Oberflächenpotential: -300 V]
Die Ergebnisse des Testbeispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 1 sind in Tabelle 1 gezeigt. Es ist zu beachten, dass der Betrag bzw. die Höhe des Oberflächenpotentials in Tabelle 1 ein Absolutwert ist und in der nachfolgenden Beschreibung Werte ohne Vorzeichen Absolutwerte sind, sofern nichts anderes gesagt ist.

[Tabelle 1]

Testbeispiel/ Vergleichsbeispiel	Elektretmaterial	Ca-Substitutionsmenge (Atom-%)	Oberflächenpotential (V)
Testbeispiel 1	OHA	-	3947
Testbeispiel 2	LAO	0.5	438
Vergleichsbeispiel 1	Fluorharz	-	300
Vergleichsbeispiel 2	LAO	-	20
Vergleichsbeispiel 3	BaTiOs	-	4

<Messung der elektrischen Ladung>
Für den gewonnenen Elektretfilm wurde auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 eine Musterelektrode gebildet und die dielektrische Ladung gemessen. Eine Musterelektrode aus einem Goldelektrodenfilm (Dicke etwa 300 nm) wurde durch Sputtern auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 auf der Oberfläche des Fluorharz-Elektretfilms gebildet. Der Fluorharz-Elektretfilm, auf dem dieses Elektrodenmuster gebildet wurde, wurde auf einem metallischen, mit Masse verbundenen Objekttisch belassen und die dielektrische Ladung gemessen, indem die Sonde des Coulombmeters in Kontakt mit der Elektrodenoberfläche des Fluorharz-Elektretfilms gebracht wurde. Die Änderung der dielektrischen Ladung im Laufe der Zeit ist in 10 als das Vergleichsbeispiel 1 zusammen mit dem Ergebnis des Testbeispiels 1 gezeigt.
Das Ergebnis von 10 zeigt die Änderung der dielektrischen Ladung, die bezüglich das Oberflächenpotentials des Vergleichsbeispiels 1 zum Messstartzeitpunkt korrigiert ist. In dem Vergleichsbeispiel 1, das den Fluorharz-Elektretfilm verwendet, wurde fast keine zeitliche Änderung der dielektrischen Ladung beobachtet, und es wird angenommen, dass der Fluorharz-Elektretfilm nicht als eine Leistungserzeugungseinheit dient. Andererseits, wie es oben beschrieben ist, hatte die Leistungserzeugungseinheit 10, die das Elektret 2 des Testbeispiels 1 verwendet, eine höhere dielektrische Ladung als das Vergleichsbeispiel 1, und die dielektrische Ladung nimmt im Laufe der Zeit zu, so dass die Leistungserzeugungseinheit 10, die das Elektret 2 des Testbeispiels 1 verwendet, effektiv als ein Leistungsgenerator 1 verwendet werden kann.
(Testbeispiel 2)
Das Elektret 2, das die erste und die zweite Leistungserzeugungseinheit 10A bzw. 10B der ersten Ausführungsform bildet, wurde durch das folgende Verfahren hergestellt.
Als das anorganische dielektrische Material, das das Elektret 2 bildet, wurde ein Mischoxid auf LAO-Basis mit einer Zusammensetzung verwendet, in der ein Teil des La in Lanthanaluminat (LaAlO₃) mit einer Perowskit-Struktur durch ein Dotierungselement substituiert wurde. Hier war das Dotierungselement Ca, und Rohmaterialien wurden so hergestellt, dass sie eine Zusammensetzung von (La₀.₉₉₅, Ca₀.₀₀₅)AlO₃-_δ aufwiesen, um so einen Mischoxid-Sinterkörper zu erhalten. Der gewonnen Mischoxid-Sinterkörper wurde polarisiert, um das Elektret 2 des Testbeispiels 2 zu bilden.
Lanthan-Aluminat (LaAlO₃), das eine typische Zusammensetzung des anorganischen dielektrischen Materials auf LAO-Basis ist, hat ein Bandlückenenergie von 5,6 eV, und selbst eine Konfiguration, in der ein Teil des Al durch Ca substituiert ist, welches ein Dotierungselement ist, hat fast die gleiche Bandlückenenergie.
<Herstellung des Pulvers>
Zuerst wurden als Rohmaterialien für den Mischoxid-Sinterkörper auf LAO-Basis die weiter unten beschriebenen Nitratreagenzien hergestellt und abgewogen, so dass die Substitutionsmenge von Ca 0,5 Atom-% betrug. 20 ml ultrareines Wasser wurden in ein Becher gegeben, der die Reagenzien enthielt, um eine Lösung zu erhalten, in der die Reagenzien gelöst waren.
La(NO₃)₃·6H₂O(3N) 6,03 g, hergestellt durch FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation
Al(NO₃)₃·9H₂O(2N) 5,25 g, hergestellt durch FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation
Ca(NO₃)₂·4H₂O(3N) 16,5 mg, hergestellt durch FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation
Die gewonnene Lösung der Reagenzien wurde in einen Kunststoffbecher gegeben und mit einem Rührer gemischt. Das Rühren wurde durchgeführt, indem der Rührer in den Kunststoffbecher gestellt und mit 500 U/min gedreht wurde. Dem Becher, der die gemischte Lösung enthielt, wurde unter Verwendung eines Tropfers nach und nach eine wässrige NaOH-Lösung mit einer molaren Konzentration von 12 M hinzugefügt, um den pH der Lösung auf 10,5 einzustellen, während der pH mit einem pH-Meter geℒmessen wurde. Dann wurde unter vermindertem Druck eine Ausfällung abgefiltert und mit etwa 100 ml Ethanol und ultrareinem Wasser gewaschen.
Die weiter unten beschriebenen Reagenzien wurden für NaOH und Ethanol für die wässrige NaOH-Lösung verwendet.
NaOH-Spezialqualität (granuliert), hergestellt durch Kanto Chemical Co., Inc. Ethanol (99,5), hergestellt durch Kanto Chemical Co., Inc.
Danach wurde das Filterpapier, auf das die gewaschene Probe gelegt wurde, bei 120 °C in einen Trockner gelegt, und die Probe wurde für mindestens 12 Stunden getrocknet. Die getrocknete Probe wurde in einen Achatmörser getan, zermahlen und ferner klassifiziert (< 100 µm).
<Herstellung des geformten Körpers/ Sinterkörpers>
Das durch Klassifizierung gewonnene Pulver wurde in ein Aluminiumoxidboot gebracht und vorgebrannt. Als Vorbrennungsbedingungen wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 2,5 °C/min auf 1000 °C erhöht, für 6 Stunden bei 1000 °C gehalten und dann mit einer Geschwindigkeit von 2,5 °C/min auf Zimmertemperatur gesenkt.
Die vorgebrannte Probe wurde in einen Achatmörser gegeben und zerstoßen, und weiter klassifiziert (< 100 µm), um ein Pulver zum Formen zu erhalten. Etwa 0,65 g des Pulvers wurde in eine Φ 13 mm Form gegeben und bei einem Druck von 250 MPa für 3 Minuten gepresst, um ein scheibenförmiges geformtes Produkt zu erhalten.
Das gewonnene geformte Produkt wurde bei einer Temperatur oberhalb der Sintertemperatur gesintert, um eine gesinterte LAO-Probe zu erhalten, die aus einem Mischoxid-Sinterkörper auf LAO-Basis besteht. Als Sinterbedingungen wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 2,5 °C/min auf 1650 °C erhöht, für 2 Stunden bei 1650 °C gehalten und dann mit einer Geschwindigkeit von 2,5 °C/min auf Zimmertemperatur gesenkt. Der Durchmesser der gewonnenen gesinterten Probe betrug etwa Φ11 mm. Die Dicke wurde durch Polieren auf 1 mm eingestellt.
Ferner wurde die gewonnene gesinterte LAO-Probe unter Verwendung der ICP-Emissionsspektroskopie einer Elementanalyse unterzogen, und es wurde bestätigt, dass der gewonnene Sinterkörper die gewünschte Zusammensetzung (La₀.₉₉₅, Ca_0.005)AlO₃-_δ hatte. Insbesondere wurde die gesinterte, in dem Mörser gemahlene LAO-Probe in einem Lösungsmittel als eine Analyseprobe gelöst, und Komponenten des Sinterkörpers wurden aus durch ICP (hochfrequent-induktiv gekoppeltes Plasma) erzeugten Emissionslinien erfasst. Infolgedessen, wie es weiter unten gezeigt ist, wurde fast das gleiche Analyseergebnis (0.51 Atom-%) mit Bezug auf 0,5 Atom-% gewonnen, welches das Ca-Substitutionsverhältnis zum Zeitpunkt der Rohmaterialherstellung ist (geladene Ca-Substitutionsmenge).

(Geladene Ca-Substitutionsmenge: 0,5 Atom-%)
ICP Analyseergebnis 0.51: Atom-%

Die Analyse der gesinterten LAO-Probe ist nicht auf das ICP-emissionsspektroskopische Analyseverfahren beschränkt, sondern es kann jedes beliebige Verfahren wie etwa ein XPS-Verfahren (röntgenphotoelektronenspektroskopische Analyse) und ein XRF-Verfahren (Röntgenfluoreszenzanalyse) angewendet werden. Indem das Dotierungselement auf diese Weise eingeführt wurde, konnte die Substitutionsmenge leicht kontrolliert und die quantitative Bewertung leicht durchgeführt werden.
<Polarisationsbehandlung und Messung des Oberflächenpotentials>
Die wie oben beschrieben gewonnene gesinterte LAO-Probe wurde auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 einer Polarisationsbehandlung unterzogen, um das Elektret 2 zu erhalten. Das Oberflächenpotential dieses Elektrets 2 wurde auf die gleiche Weise gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Wie es in Tabelle 1 gezeigt ist, betrug im Testbeispiel 2, in dem ein Teil des La von LaAlO₃ durch Ca substituiert wurde, das Oberflächenpotential 438 V (Absolutwert). Das heißt, durch Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds von 8,0 kV/mm an das Testbeispiel 2 wurde ein hohes Oberflächenpotential von mindestens 400 V gewonnen.
(Vergleichsbeispiele 2 und 3)
Zum Vergleich, ein im Handel erhältliches LaAlO₃ (100) - Einkristallsubstrat (hergestellt durch Crystal Base Co., Ltd.) wurde als ein LaAlO₃-Sinterkörper verwendet, in dem La nicht substituiert wurde, und eine Polarisationsbehandlung wurde für das LaAIO₃(100)-Einkristallsubstrat auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 durchgeführt, um ein Elektret des Vergleichsbeispiels 2 zu erhalten. Ferner wurde ein Sinterkörper aus Bariumtitanat (BaTiO₃), das ein Mischoxid mit Perowskit-Struktur und einer Bandlückenenergie von 3.5 eV ist, hergestellt und auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 der Polarisationsbehandlung unterzogen, um ein Elektret des Vergleichsbeispiels 3 zu erhalten.
Die Oberflächenpotentiale der Elektrete der Vergleichsbeispiele 2 und 3 wurden auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Wie es in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde in dem Vergleichsbeispiel 2, das aus einem Einkristalls von LaAlO₃ bestand, in dem das La in dem LaAlO₃ nicht durch ein Dotierungselement substituiert wurde, das Oberflächenpotential signifikant auf 20 V (Absolutwert) verringert. Ferner wurde in dem Vergleichsbeispiel 3, bei dem BaTiO₃ mit einer Bandlückenenergie von weniger als 4 eV verwendet wurde, das Oberflächenpotential weiter auf 4 V verringert.
(Testbeispiele 3 bis 6)
Im dem gleichen Verfahren wie im Testbeispiel 2 wurden Elektrete 2 hergestellt, die jeweils aus einem Mischoxid-Sinterkörper auf LAO-Basis bestanden. Das Substitutionsverhältnis (x) von La mit dem Dotierungselement (Ca) in der Zusammensetzung von La(_1-x)Ca_xAlO₃-_δ wurde zwischen den Testbeispiele 3 bis 6 wie folgt geändert.
Beispiel 3 (La₀.₉₉Ca₀.₀₁)AlO₃-_δ
Beispiel 4 (La₀.₉₅Ca₀.₀₅)Al0_3-δ
Beispiel 5 (La₀.₉Ca₀,₁)AlO₃-_δ
Beispiel 5 (La₀.₈Ca₀.₂)AlO₃-_δ
Wie es in Tabelle 2 gezeigt ist, wurde das Substitutionsverhältnis (x) von La durch das Dotierungselement (Ca) im Bereich von 1 Atom-% bis 20 Atom-% verändert. Die Rohmaterialien wurden hergestellt, um die gewünschte Zusammensetzung zu erhalten, und geformte Produkte wurden mit den Rohmaterialien hergestellt. Die gewonnenen geformten Produkte wurden gesintert, um gesinterte Proben zu erhalten. Die gesinterten Proben wurden polarisiert, um die Elektrete 2 in den Testbeispielen 3 bis 6 zu erhalten.
Die Oberflächenpotentiale der gewonnenen Elektrete 2 in den Testbeispielen 3 bis 6 wurden auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 gemessen, und die Ergebnisse wurden in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 zeigt auch die relative Permittivität der Mischoxid-Sinterkörper.

[Tabelle 2]

Testbeispiele	Ca-Substitutionsmenge (Atom-%)	Oberflächenpotential (V)	Relative Permittivität
Testbeispiel 3	1	3433	18
Testbeispiel 4	5	3688	39
Testbeispiel 5	10	2115	46
Testbeispiel 6	20	1400	72

Wie es aus Tabelle 2 klar hervorgeht, sind die Oberflächenpotentiale in den Testbeispielen 3 bis 6 höher als das Oberflächenpotential im Testbeispiel 2, und die Oberflächenpotentiale von 1400 V (Testbeispiel 6) bis 3688 V (Testbeispiel 4), die höher als 1000 V sind, wurden gewonnen. Es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Substitution mit dem Dotierungselement geringerer Wertigkeit bezogen auf LaAlO₃ mit Perowskit-Struktur Sauerstoffdefekten entsprechend der Menge an Substitution bewirkt, was zu den hohen Oberflächenpotentialen beiträgt.
11 zeigt die Beziehung zwischen der Ca-Substitutionsmenge und dem Oberflächenpotential basierend auf dem Vergleichsbeispiel 2 und den Testbeispielen 2 bis 6. Gemäß 11 ergibt sich ein hohes Oberflächenpotential, wenn die Ca-Substitutionsmenge mindestens 0,5 Atom-% beträgt. Wenn die Ca-Substitutionsmenge auf 1 Atom-% und weiter auf 5 Atom-% zunimmt, nimmt das Oberflächenpotential weiter signifikant zu. Selbst in dem Bereich, in dem die Ca-Substitutionsmenge 5 Atom-% überschreitet, zeigt sich ein hohes Oberflächenpotential, aber das Oberflächenpotential nimmt tendenziell mit zunehmender Ca-Substitutionsmenge ab.
Andererseits, wie es in Tabelle 2 gezeigt ist, nimmt die relative Permittivität des Mischoxid-Sinterkörpers mit zunehmender Menge an Ca-Substitution tendenziell zu. Es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass eine Erhöhung der Menge an Sauerstoffdefekten entsprechend dem Substitutionsverhältnis mit dem Dotierungselement das Oberflächenpotential erhöht, während eine Erhöhung der relativen Permittivität ein Entweichen von Ladung erleichtert und eine Erhöhung des Oberflächenpotentials verhindert.
Aus diesen Ergebnissen ergibt sich, dass es wünschenswert ist, dass das Substitutionsverhältnis des Dotierungselements bezogen auf die Metallelemente A und B, die den A-Platz bzw. den B-Platz der Perowskit-Struktur besetzen, vorzugsweise in dem Bereich von 0,5 Atom-% to 20 Atom-% liegt.
Wie es oben beschrieben ist, kann durch Verwenden des anorganischen dielektrischen Materials aus dem Mischoxid-Sinterkörper das Elektret 2, das eine ausgezeichnete thermische Stabilität besitzt, dessen Menge an Kristalldefekte kontrolliert werden und das stabile Eigenschaften in der Nutzungsumgebung aufweist, gebildet werden.
(Zweite Ausführungsform)
Nachfolgend ist die zweite Ausführungsform des Leistungsgenerators 1 mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die Grundkonfiguration dieser Ausführungsform ist die gleiche wie die der ersten Ausführungsform, aber die Elektrodenform der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A ist modifiziert. Nachfolgend sind im Wesentlichen die Unterschiede beschrieben.
Die in der zweiten und den folgenden Ausführungsformen verwendeten Bezugszeichen, die die gleichen Bezugszeichen wie die in den oben beschrieben Ausführungsformen verwendeten sind, bezeichnen die gleichen Komponenten wie in den vorherigen Ausführungsformen, sofern nichts anderes angegeben ist.
In der ersten Ausführungsform, wie es in 2 gezeigt ist, ist die erste Elektrode 31 auf der ersten geladenen Oberfläche 21 des scheibenförmigen oder rechteckigen Elektrets 2 aus den Streifenelektroden 30a, 30c und der ringförmigen Elektrode 30b gebildet. Jedoch sind diese Elektrodenformen nur Beispiele und können andere Formen haben. Zum Beispiel ist es möglich, wie es in 12 gezeigt ist, dass die Elektrodenabschnitte 30 nicht von der ringförmigen Elektrode 30b umgeben sind, solange sie miteinander verbunden sind.
Insbesondere, wie es in (A) von 12 gezeigt ist, kann eine Streifenelektrode 30c senkrecht zu den Streifenelektroden 30a, die parallel zueinander angeordnet sind, entlang nur einer Seite der ersten geladenen Oberfläche 21 gebildet sein. Die Streifenelektrode 30c verbindet jeweils ein Ende der Streifenelektroden 30a. Ferner, wie es in (B) gezeigt ist, kann statt der Streifenelektroden 30a eine gitterartige Elektrode 30d verwendet werden, und wie es in (C) gezeigt ist, muss keine der Streifenelektroden 30a eine konstante Breite haben. In diesem Fall weisen die beiden Enden jeder der Streifenelektrode 30a zum Beispiel einen Teil auf, der als bogenförmige Elektrode 30e bogenförmig nach außen ragt.
Ferner, wie es in 12 gezeigt ist, kann eine Form aus einer Kombination von diamantförmigen Elektroden 30f, die an den Spitzen miteinander verbunden sind, wie es in (D) gezeigt ist, eine Form aus einer Kombination aus mehreren ringförmigen Elektroden 30b, die koaxial kreisförmige Formen haben, wie es in (E) gezeigt ist, und eine Form einer kreisförmigen Elektrode 30g, die mehrere kreisförmige Löcher 30h definiert, wie es in (F) gezeigt ist, verwendet werden. In jeder Form werden exponierte Abschnitte zwischen den mehreren Elektrodenabschnitten 30 und exponierte Abschnitte durch die Löcher 30h als die Stromsammeloberfläche 20 verwendet. Ferner ist die Streifenelektrode 30c am Umfangsrand der ersten geladenen Oberfläche 21 gebildet, so dass die mehreren Elektrodenabschnitten 30 miteinander verbunden und nach außen herausgezogen sind.
Wie es oben beschrieben ist, kann die Form von jedem der Elektrodenabschnitte 30 oder die Form des Elektrodensammelabschnitts der Elektrodenabschnitte 30 beliebig gewählt werden. Natürlich kann eine andere Form als die in 12 gezeigten verwendet werden.
Wie es in 13 gezeigt ist, kann statt die ringförmige Elektrode 30b und die Streifenelektrode 30c zu bilden, die die mehreren Elektrodenabschnitten 30 miteinander verbinden, Drahtbonden verwendet werden, um die mehreren Elektrodenabschnitten 30 zu verbinden. In diesem Fall, wie es in (A) von 13 gezeigt ist, sind mehrere Drähte W jeweils mit den mehreren Streifenelektroden 30a verbunden (siehe (A) in 12). Ferner sind in (B) von 13 mehrere rechteckige Elektroden 30i von einem Abschnitt umgeben, wo die gitterartige Elektrode 30d in (B) von 12 gebildet ist, während der Abschnitt als die Stromsammeloberfläche 20 verwendet wird. Dann werden die mehreren rechteckigen Elektroden 30i durch mehrere Drähte W verbunden.
Ferner, wie es in (C) bis (E) von 13 gezeigt ist, kann jede der mehreren kreisförmigen Elektroden 30g, der mehreren diamantförmigen Elektroden 30f und der mehreren ringförmigen Elektroden 30b durch mehrere Drähte W verbunden sein. Im Falle der in (F) von 13 gezeigten kreisförmigen Elektrode 30g ist ein einziger Draht W mit der kreisförmigen Elektrode 30g verbunden und nach außen herausgezogen.
Es ist wünschenswert, um elektrische Ladungen mit der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A effizient zu entnehmen, dass wenigstens ein Teil eines Abstands zwischen benachbarten der mehreren Elektrodenabschnitte 30 höchstens 8 mm beträgt. Mit anderen Worten, es ist wünschenswert, dass die Breite eines Teils der Stromsammeloberfläche 20 zwischen benachbarten der mehreren Elektrodenabschnitte 30 höchstens 8 mm beträgt. Vorzugsweise ist es wünschenswert, dass ein Bereich, in dem der Elektrodenabstand höchstens 8 mm beträgt, so groß wie möglich ist. Zum Beispiel ist es besser, die Elektrodenform und die Anordnung der Elektrode so auszulegen, dass der Elektrodenabstand der ersten Elektrode 31 in einem Hauptbereich der ersten geladenen Oberfläche einschließlich eines mittleren Abschnitts der ersten geladenen Oberfläche etwa 8 mm oder weniger beträgt. Wenn der Elektrodenabstand von 8 mm abnimmt, verringert sich die Breite der Stromsammeloberfläche 20 zwischen den Elektrodenabschnitten. Daher ist es wahrscheinlicher, dass die auf der Stromsammeloberfläche 20 akkumulierte elektrische Ladung durch die benachbarten Elektrodenabschnitte 30 gesammelt wird.
Ferner ist es in der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B wünschenswert, um eine elektrische Ladung in der dritten Elektrode 33 durch elektrostatische Induktion zu erzeugen, dass in wenigstens einem Teil ein Abstand zwischen benachbarten der Elektrodenabschnitte 30 in der ersten Elektrode 31 gleich groß wie oder größer als 100 µm (0,1 mm) ist. Vorzugsweise ist es wünschenswert, dass ein Bereich, in dem der Elektrodenabstand mindestens 100 µm beträgt, so breit wie möglich ist. Zum Beispiel ist es wünschenswert, die Elektrodenform und die Anordnung so zu gestalten, dass in dem Hauptbereich, der den mittleren Abschnitt der ersten geladenen Oberfläche umfasst der Elektrodenabstand, der als die erste Elektrode 31 dient, etwa 100 µm oder mehr beträgt. Dies ermöglicht es, das Oberflächenpotential der ersten geladenen Oberfläche 21 auf mindestens 100 V einzustellen und elektrische Ladungen effizient auf der dritten Elektrode 33 zu erzeugen, die der ersten geladenen Oberfläche 21 in der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B zugewandt ist.
Daher ist es in der ersten Elektrode 31 wünschenswert, dass wenigstens ein Teil des Elektrodenabstands zwischen benachbarten der mehreren Elektrodenabschnitten 30 in einem Bereich zwischen einschließlich 100 µm und einschließlich 8 mm liegt. Infolgedessen kann die erste Leistungserzeugungseinheit 10A effizient die elektrische Ladung der Stromsammeloberfläche 20 sammeln, während die zweite Leistungserzeugungseinheit 10B eine induzierte Ladung erzeugen kann, indem die restliche elektrische Ladung auf der Stromsammeloberfläche 20 verbleibt.
(Testbeispiel 3)
Wie es in 14 gezeigt ist, sind mehrere Elektrodenabschnitte 30, die die erste Elektrode 31 sein sollen, auf der ersten geladenen Oberfläche 21 des scheibenförmigen Elektrets 2, das auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 gebildet wurde, gebildet, und Testbeispiele werden hergestellt, indem der Elektrodenabstand zwischen den Elektrodenabschnitten 30 variiert wird. Jeder der Elektrodenabschnitte 30 ist im Wesentlichen halbkreisförmig. Die Elektrodenabschnitte 30 sind so angeordnet, dass ihre linearen Seiten, die einander gegenüberliegen, parallel zueinander sind. Der Elektrodenabstand d, der der kürzeste Abstand zwischen den Elektrodenabschnitten 30 ist, wird zwischen 0,1 mm (100 µm), 1 mm, 2 mm, 4 mm, 6 mm und 8 mm geändert, um die Testbeispiele (Proben 1 bis 6) herzustellen.
Diese Testbeispiele sind Elektrete 2, die durch Herstellen des OHA-Sinterkörpers auf die gleiche Weise wie das Testbeispiel 1 und Anlegen eines elektrischen Gleichstromfelds von 8,0 kV/mm an den OHA-Sinterkörper bei 200 °C für 1 Stunde für die Polarisationsbehandlung gebildet werden. Nachdem die Goldelektroden für die Polarisationsbehandlung poliert und entfernt worden sind, wurden die Elektrete 2 auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 unter Maskierung gesputtert, wodurch Goldelektrodenfilmen, die die Elektrodenabschnitte 30 bilden sollen, so auf dem Elektret 2 gebildet werden, dass der Elektrodenabstand in einem Bereichs zwischen 0,1 mm (100 µm) und 8 mm liegt.
Die Oberflächenpotentiale der wie oben beschrieben gewonnenen Testbeispiele wurden auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 gemessen, und der Oberflächenladungszustand wurde bewertet. Zu diesem Zeitpunkt wurde das elektrische Feld des Elektrets 2 durch Verbinden der mehreren Elektrodenabschnitte 30 mit Masse teilweise elektrostatisch abgeschirmt. Die Ergebnisse der Messung des Oberflächenpotentials der Testbeispiele sind in Tabelle 3 und 14 gezeigt.
[Tabelle 3]

Probe Nr. Elektrodenabstand (mm) Oberflächenpotential (V)

Probe 1 8 3670

Probe 2 6 2930

Probe 3 4 1813

Probe 4 2 1163

Probe 5 1 400

Probe 6 0.1 105
Wie es in Tabelle 3 gezeigt ist, sind die Oberflächenpotentiale der Proben 1 bis 6 alle geringer als das des Testbeispiels 1 (Oberflächenpotential: 3947 V). Ferner, wie es in 14 gezeigt ist, ist in der Probe 1 mit dem Elektrodenabstand d von 8 mm das Oberflächenpotential bis zu 3670 V hoch, und das Oberflächenpotential nahm mit abnehmendem Elektrodenabstand d ab, wie es in der Probe 2 (d = 6 mm), der Probe 3 (d = 4 mm), der Probe 4 (d = 2 mm) und der Probe 5 (d = 1 mm) gezeigt ist. In der Probe 6 (d =0,1 mm) beträgt das Oberflächenpotential 105 V. Das Oberflächenpotential verringert sich, da sich in dem Elektret 2 des Testbeispiels 1 Ladungen auf der Stromsammeloberfläche 20 durch die erste Elektrode 31, die sich auf der ersten geladenen Oberfläche 21 befindet, bewegen.
Aus diesen Ergebnissen folgt, dass, wenn die erste Elektrode 31 so auf der ersten geladenen Oberfläche 21 gebildet ist, dass die erste geladene Oberfläche die Stromsammeloberfläche 20 besitzt, und wenigstens ein Teil des Elektrodenabstands d zwischen den Elektrodenabschnitten 30 höchstens 8 mm beträgt, die Funktion zum Sammeln der Ladungen gewonnen werden kann. Ferner bewegt sich die elektrische Ladung auf der Stromsammeloberfläche 20 umso leichter zu dem benachbarten Elektrodenabschnitt 30, je kleiner der Elektrodenabstand d ist, so dass das Oberflächenpotential weiter abnimmt. Somit ist es vorteilhaft, einen Bereich, in dem der Elektrodenabstand höchstens 8 mm beträgt, so groß wie möglich einzustellen, um die Leistungserzeugung in der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A zu verbessern.
Andererseits wird selbst in der Probe 6 mit dem Elektrodenabstand d von 0,1 mm ein relativ hohes Oberflächenpotential von 105 V gehalten, und als Ergebnis kann eine Funktion zum Erzeugen induzierter Ladung in der dritten Elektrode 33 in der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B gewonnen werden. Ferner ist die Leistungserzeugung in der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B umso vorteilhafter, je weiter der Bereich, in dem der Elektrodenabstand d mindestens 0,1 mm beträgt oder je größer der Elektrodenabstand d von 0,1 mm ist.
Aus diesen Ergebnissen ist es wünschenswert, dass wenigstens ein Teil des Elektrodenabstands d zwischen benachbarten der Elektrodenabschnitte 30 in einem Bereich zwischen einschließlich 100 µm und einschließlich 8 mm liegt. Daher wird vorzugsweise die Anordnung der ersten Elektrode 31 auf der ersten geladenen Oberfläche so eingestellt, dass eine gewünschte Leistungserzeugung sowohl in der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A als auch in der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B gewonnen werden kann.
Wie es oben beschrieben ist, wird der Leistungsgenerator 1, der selbst in einer Umgebung, in der keine externe Kraft in den Leistungsgenerator 1 eingekoppelt wird, eine elektrische Leistung erzeugen kann, mit der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A, die durch Verwenden eines anorganischen dielektrischen Materials mit einer Bandlückenenergie von 4 eV oder mehr als das Elektretmaterial, Polarisieren des Elektretmaterials, um das Elektret 2 zu bilden, und teilweisen Anordnen einer Elektrode auf wenigstens einer Oberfläche des Elektrets 2, so dass die wenigstens eine Oberfläche einen Abschnitt als eine Stromsammeloberfläche 20, die nach außen exponiert ist, hat, gewonnen wird. Wenn ferner die zweite Leistungserzeugungseinheit 10B so ausgelegt ist, dass eine Elektrode so beweglich angeordnet ist, dass sie der Stromsammeloberfläche 20 zugewandt ist, kann die Leistungserzeugung während einer Zeitspanne erreicht werden, in der dem Leistungsgenerator 1 externe Energie zugeführt wird. Somit kann ein effizienter Leistungsgenerator 1 mit einer Kombination aus der ersten Leistungserzeugungseinheit 10A und der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10B realisiert werden.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die jeweiligen, oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, ohne vom Kern der Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann der Leistungsgenerator 1 eine Last umfassen, die mit der Ausgabeeinheit 42 der Leistungsversorgungseinheit 4, die mit der ersten und der zweiten Leistungserzeugungseinheit 10A bzw. 10B verbunden ist, verbunden sein, oder es ist denkbar, dass die Ausgabeeinheit 42 keine Last umfasst und als ein Ausgangsanschlussabschnitt 42a zur Ausgabe nach außen ausgelegt ist. Ferner kann die Leistungsversorgungseinheit 4 aus nur der Leistungsspeicherungseinheit 41 oder der Ausgabeeinheit 42 gebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4871642 B [0005]

Claims

Leistungsgenerator mit: einem Elektret (2), das eine erste geladene Oberfläche (21) und eine zweite geladene Oberfläche (22) umfasst, wobei die erste und die zweite geladene Oberfläche entgegengesetzte Polaritäten haben, einer ersten Elektrode (31), die so teilweise auf der ersten geladenen Oberfläche gebildet ist, dass die erste geladene Oberfläche einen Abschnitt als eine Stromsammeloberfläche (20) besitzt, der nach außen exponiert ist, einer zweiten Elektrode (32), die auf der zweiten geladenen Oberfläche gebildet ist, einer dritten Elektrode (33), die der ersten geladenen Oberfläche mit einem Raum dazwischen zugewandt ist, wobei die dritte Elektrode dazu geeignet ist, sich relativ und parallel zu der ersten geladenen Oberfläche zu bewegen, und wenigstens eine von einer Leistungsspeicherungseinheit (41) und einer Ausgabeeinheit (42), wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode eine erste Leistungserzeugungseinheit (10A) bilden, die dritte Elektrode und die zweite Elektrode eine zweite Leistungserzeugungseinheit (10B) bilden, wenigstens eine von der Leistungsspeicherungseinheit und der Ausgabeeinheit (42) elektrisch mit sowohl der erste Leistungserzeugungseinheit als auch der zweiten Leistungserzeugungseinheit verbunden ist, und das Elektret durch Polarisieren eines Elektretmaterials gebildet ist, das ein anorganisches Dielektrikum mit einer Bandlückenenergie von mindestens 4 eV umfasst.
Leistungsgenerator nach Anspruch 1, wobei das anorganische Dielektrikum eine anorganische Verbindung ist, die eine Apatitstruktur mit Phosphat-Ionen und Hydroxid-Ionen aufweist.
Leistungsgenerator nach Anspruch 1, wobei das anorganische Dielektrikum ein Mischoxid ist, das ein Metallelement A und ein Metallelement B enthält und eine Grundzusammensetzung von ABOs besitzt, und das Mischoxid hat eine amorphe Struktur oder eine Perowskit-Struktur besitzt.
Leistungsgenerator nach Anspruch 3, wobei das Metallelement A ein Element R der Seltenen Erden ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus La, Y, Pr, Sm und Nd besteht, und das Metallelement B Al ist.
Leistungsgenerator nach Anspruch 4, wobei das Mischoxid eine Zusammensetzung hat, in der ein Teil von wenigstens einem von dem Metallelements A und dem Metallelement B durch ein Dotierungselement substituiert ist, das sich von dem Metallelement A und dem Metallelement B unterscheidet, das Dotierungselement, das das Metallelement A substituiert, ein Erdalkalimetallelement ist, und das Dotierungselement, das das Metallelement B substituiert, wenigstens ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Erdalkalimetallelement und Zn besteht.
Leistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Elektrode aus mehreren Elektrodenabschnitten (30) gebildet ist, die benachbart zu der Stromsammeloberfläche sind.
Leistungsgenerator nach Anspruch 6, wobei wenigstens ein Teil eines Elektrodenabstands (d) zwischen den mehreren Elektrodenabschnitten innerhalb eines Bereichs zwischen einschließlich 100 µm und einschließlich 8 mm liegt.