JP2006180450A

JP2006180450A - 静電誘導型変換素子

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Publication number: JP2006180450A
Application number: JP2005178169A
Authority: JP
Inventors: Yuji Suzuki; 雄二鈴木; Nobuhide Kasagi; 伸英笠木; Yasuhiro Arakawa; 康弘荒川
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: JP4670050B2

Abstract

【課題】小型で電気エネルギと運動エネルギとの変換効率が高く、エレクトレットの劣化も防止できる静電誘導型変換素子を提供する。
【解決手段】エレクトレット１０は、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されており、２つの導体１２、１４の間に配置されて、エレクトレット１０に対向する少なくとも一方の導体１２に対して相対的に運動して電気エネルギと運動エネルギとの変換を行うように構成されている。エレクトレット１０を形成する絶縁材料としては、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用するのが好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子の改良に関する。

従来より、絶縁材料に電荷を注入したエレクトレットを使用した発電装置、マイクロフォン等が提案されている。このような、エレクトレットを使用した装置においては、電気エネルギと運動エネルギとの変換効率が高いことが知られている。例えば、下記特許文献１、特許文献２にも、エレクトレットを使用した発電装置の例が開示されている。
特開昭５８−６１１８号公報特許第３５４５９８２号公報

しかし、上記従来の技術においては、エレクトレットの材料として、ポリテトラフルオロエチレンやテフロン（登録商標）ＡＦ等のフッ素系樹脂あるいは酸化珪素等が使用されていたが、いずれも微細な形状への加工性または発電出力を高くするためにエレクトレットの厚さを厚くするという点で問題があった。例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）は、エレクトレットの厚さを厚くすることはできるが、板材の形状でしか手に入らず、微細加工性が低いという問題があった。また、テフロン（登録商標）ＡＦは、スピンコートはできるがプラズマエッチングが困難であるので、やはり微細加工性があまり高くないという問題があった。また、酸化珪素は、微細加工はできてもエレクトレットの厚さを厚くできないという問題があった。

さらに、上記材料を使用した場合、エレクトレットに注入した電荷が空気中の水分により消失し、エレクトレットが劣化するという問題もあった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、小型で電気エネルギと運動エネルギとの変換効率が高く、エレクトレットの劣化も防止できる静電誘導型変換素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子であって、２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成され、導体と相対的に運動するエレクトレットを備えることを特徴とする。

また、上記含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が１個以下含まれることを特徴とする。

また、上記静電誘導型変換素子において、前記重合体により構成されたエレクトレットの厚さが１０μｍ以上であり、表面電荷密度が１ｍＣ／ｍ^２以上であることを特徴とする。

また、本発明は、電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子であって、導体と相対的に運動するエレクトレットと、前記エレクトレットを覆う防湿膜と、を備えることを特徴とする。

また、上記防湿膜はポリパラキシリレンまたはその誘導体により構成されていることを特徴とする。

また、上記エレクトレットは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体）、酸化珪素または含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成されていることを特徴とする。

また、上記エレクトレットは２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成されていることを特徴とする。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

実施形態１．
図１には、本発明にかかる静電誘導型変換素子の実施形態１である構成例の断面図が示される。図１において、エレクトレット１０は、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されており、２つの導体１２、１４の間に配置されて、エレクトレット１０に対向する少なくとも一方の導体１２に対して相対的に運動できるように構成されている。なお、エレクトレット１０への電荷の注入には、液体接触、コロナ放電、電子ビーム、バック・ライテッド・サイラトロン等公知の方法を用いることができる。

２つの導体１２、１４を負荷１６に電気的に接続し、例えば導体１２を図１の矢印方向に運動させると、エレクトレット１０に注入された電荷（図１では負電荷）により導体１２に正電荷が静電誘導され、負荷１６に電流が流れる。従って、この場合には、本発明の静電誘導型変換素子が発電機またはセンサとして機能する。センサとしての応用例としては、マイクロフォン、圧力センサ、加速度センサ、地震計等がある。また、負荷１６の代わりに導体１２、１４に電源を接続すると、電気エネルギにより導体１２を図１の矢印方向に運動させることができる。この場合には、本発明の静電誘導型変換素子がアクチュエータとして機能する。このように、本発明の静電誘導型変換素子は、電気エネルギと運動エネルギとを変換する装置として機能する。

図２には、本実施形態にかかる静電誘導型変換素子の変形例が示される。図２において、エレクトレット１０は、細片状に複数形成されている。また、導体１２、１４も、エレクトレット１０に対応する位置に複数形成されている。これらのエレクトレット１０及び導体１４は基板１８上に形成され、導体１２は基板２０上に形成されている。なお、エレクトレット１０及び導体１２、１４の数は特に限定されず、適宜決定することができる。

本実施形態においては、細片状のエレクトレット１０の幅が小さいほど、導体１２とのより小さな相対運動によって電気エネルギと運動エネルギとの変換を行うことができ、変換効率を向上できる。このため、エレクトレット１０の幅Ｗは、例えば１ｍｍ以下とするのが好適である。

なお、エレクトレット１０の形状としては、必ずしも上記細片状に限られるものではない。例えば、リング状、市松模様等に構成するのも好適である。さらに、図２に示された例は、エレクトレット１０と導体１２との相対運動が、基板１８と基板２０の一方または両方の振動により実現されているが、これに限られるものではない。例えば、エレクトレット１０と導体１２とをディスク状に形成し、これらの一方を回転させる形式またはエレクトレット１０と導体１２との間に介在させた誘電体を移動させる形式等が好適である。

本実施形態において、エレクトレット１０を形成する絶縁材料としては、例えば含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用するのが好適である。ここで、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体としては、２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体、が好適である。

主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有するとは、脂肪族環を構成する炭素原子の１以上が主鎖を構成する炭素連鎖中の炭素原子であり、かつ脂肪族環を構成する炭素原子の少なくとも一部にフッ素原子またはフッ素含有基が結合している構造を有することを意味する。なお、含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が１個含まれていてもよい。

２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、特開昭６３−２３８１１１号公報や特開昭６３−２３８１１５号公報等により知られている。すなわち、パーフルオロ（アリルビニルエーテル）やパーフルオロ（ブテニルビニルエーテル）等の２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーの環化重合体、または２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーとテトラフルオロエチレン等のラジカル重合性モノマーとの共重合体が挙げられる。または、パーフルオロ（２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール）等の含フッ素脂肪族環構造を有するモノマーとパーフルオロ（アリルビニルエーテル）やパーフルオロ（ブテニルビニルエーテル）等の２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを共重合して得られる重合体でもよい。

含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体が好適であるが、重合体を形成するモノマー単位中に含フッ素脂肪族環構造を有するモノマー単位を２０モル％以上含有するものが機械的特性等の面から好ましい。

上記の主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、旭硝子株式会社より「ＣＹＴＯＰ（登録商標）」の商品名で市販されており、本発明ではこのような公知の含フッ素重合体を使用することができる。

上述したような含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用して、スピンコート等の方法によりエレクトレット１０を形成すると、エレクトレット１０の厚さを１０μｍ以上とすることができる。

また、本実施形態にかかる静電誘導型変換素子を発電機として使用する場合、最大発電出力は、以下の式で表される。

ここで、σはエレクトレット１０の表面電荷密度、ｎは極数すなわちエレクトレット１０の数、Ａは導体１４の面積、ｆは導体１２の往復運動の周波数、ｄはエレクトレット１０の厚さ、ｇはエレクトレット１０と導体１４との距離、εは比誘電率である。

上記式からわかるように、エレクトレット１０の厚さｄが大きいほど発電出力も大きくなる。従来よりエレクトレット１０に使用されていた材料では、１ｍｍ以下の細片状に加工可能なものの場合、エレクトレット１０の厚さｄは数〜１０μｍ程度にしかできなかったが、上記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用する場合には、上述したように、エレクトレット１０の厚さｄを１０μｍ以上とすることができ、エレクトレット１０の材料として好適である。

また、上記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体であるＣＹＴＯＰ（登録商標）の絶縁破壊強度は、１１ｋＶ／０．１ｍｍであり、従来使用されていた材料であるテフロン（登録商標）ＡＦの絶縁破壊強度５ｋＶ／０．１ｍｍより高くなっている。絶縁破壊強度を高くできると、エレクトレット１０への電荷注入量を増加でき、エレクトレット１０を発電機に使用した場合の発電量やセンサに使用した場合のセンサの感度を向上させることができる。

以上に述べた実施形態１の実施例を以下に説明する。

旭硝子株式会社製ＣＹＴＯＰ（登録商標）ＣＴＬ−８０９Ｍを使用して、スピンコートにより厚さ３μｍ、１５μｍの膜を形成し、コロナ放電にて電荷を注入してから表面電荷密度を測定した。また、比較例として、テフロン（登録商標）ＡＦ（ＴｅｆｌｏｎＡＦ１６０１Ｓ）を使用したが、厚膜の形成は難しいため、厚さ３μｍの膜を形成し、コロナ放電にて電荷を注入してから表面電荷密度を測定し、ＣＹＴＯＰ（登録商標）の厚さ３μｍの膜との比較を行った。具体的には、
荷電条件
・コロナ放電の針として外径０．７ｍｍ、先端角度約１５度のステンレス針を用い、直流高圧電源（松定プレシジョン製ＨＡＲ−２０Ｒ５）を使って所定時間、所定電圧で放電させて試料膜を荷電した。放電電圧は、−６ｋＶ、−８ｋＶ及び−１０ｋＶとした。また、針と試料膜は３０ｍｍ程度の距離をおき、その中間付近にコロナ放電を安定化させ、電荷を均一に注入するためのグリッド（ステンレス金網、４０メッシュ、線径０．２２ｍｍ、開き目０．４１５ｍｍ）をおき、そのグリッドに別の直流電源（松定プレシジョン製ＰＬＥ−６５０−０．１）から−６００Ｖの電圧を印加した。

なお、荷電時間については、試料膜の厚さに応じて最適値が異なることが判っている。例えば、３μｍの厚さの試料膜では、荷電時間を３分間とした場合の表面電荷密度が最も高くなり、１５μｍの厚さの試料膜では、荷電時間を３０分間とした場合の表面電荷密度が最も高くなる。このため、本実施例では、それぞれの膜厚において最も表面電荷密度が高くなる荷電時間を採用した。

表面電荷の計測
・表面電位測定器（ＭＯＮＲＯＥＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ製Ｍｏｄｅｌ２７９＋Ｍｏｄｅｌ１０３４ＥＨ）を用い、上記荷電後に試料膜の表面電圧を測定した。

表面電圧Ｖ［Ｖ］と表面電荷密度σ［Ｃ／ｍ^２］の関係は、以下の式により表される。

ここで、εは比誘電率、ｄはエレクトレットの厚さ［ｍ］である。

なお、ＣＹＴＯＰ（登録商標）の比誘電率は２．１、テフロン（登録商標）ＡＦの比誘電率は１．９である。

以上の測定結果を表１に示す。なお、表１における表面電荷密度は、放電電圧−８ｋＶで荷電した場合の値である。

表１に示されるように、ＣＹＴＯＰ（登録商標）により作製した３μｍの厚さの試料膜では、表面電荷密度が２．７９ｍＣ（ミリクーロン）／ｍ^２となり、テフロン（登録商標）ＡＦを使用した３μｍの厚さの試料膜の表面電荷密度である１．１２ｍＣ／ｍ^２よりも２．５倍大きい値となった。これにより、ＣＹＴＯＰ（登録商標）を使用した場合は、従来の材料よりも高い表面電荷密度が得られることがわかった。また、ＣＹＴＯＰ（登録商標）では、試料膜の厚さを厚くすることができるため、１５μｍの厚さの試料膜の作製が可能であり、表面電荷密度は１．３６ｍＣ／ｍ^２となった。膜厚が厚くなるにつれて、表面電荷密度が低下する傾向にあるが、１５μｍにおいてもテフロン（登録商標）ＡＦの３μｍの厚さの試料膜の表面電荷密度である１．１２ｍＣ／ｍ^２よりも大きい値となった。これにより、ＣＹＴＯＰ（登録商標）は、従来の材料よりも高い表面電荷密度を維持した状態で膜厚を厚くできることがわかった。従って、ＣＹＴＯＰ（登録商標）を使用してエレクトレットを作製した場合、前述した数式１に基づき、より高い最大発電出力を得ることができ、より小型で電気エネルギと運動エネルギとの変換効率の高い静電誘導型変換素子を実現できることがわかった。

旭硝子株式会社製ＣＹＴＯＰ（登録商標）ＣＴＬ−８０９Ｍを使用して、スピンコートにより厚さ２０μｍの膜を形成し、コロナ放電にて電子を注入することにより、表面電荷密度、表面電位がそれぞれ０．９３ｍＣ／ｍ^２、１０００Ｖのエレクトレットを形成した。このエレクトレットは１ｍｍ×２０ｍｍの細片状のものを１０個形成した。また、エレクトレットに対向する導体は１ｍｍ×２０ｍｍの細片状のものを１０個形成し、その面積を１０ｍｍ×２０ｍｍとした。この導体に１０Ｈｚ、１ｍｍの水平振動をさせることにより、最大６マイクロワットの電気出力を得た。

実施形態２．
図３には、本発明にかかる静電誘導型変換素子の実施形態２である構成例の断面図が示される。図３において特徴的な点は、エレクトレット１０の表面が防湿膜２２により覆われている点である。エレクトレット１０に注入した電荷は、空気中の水分により消失し、エレクトレット１０の性能が経時的に劣化して行くが、防湿膜２２によりエレクトレット１０の表面を覆うことにより、電荷の消失を防止でき、エレクトレット１０の経時劣化を抑制できる。なお、本実施形態の場合、エレクトレット１０の材料としては、実施形態１で述べたＣＹＴＯＰ（登録商標）の他、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体であるテフロン（登録商標）ＡＦ、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体）、酸化珪素等を使用することもできる。

防湿膜２２の材料としては、例えばポリパラキシリレンまたはその誘導体（以後ポリパラキシリレン類という）を使用することができる。このポリパラキシリレン類は、常温の気相中で重合できる特殊なポリマーである。例えば、以下に示されるダイマーを１６０℃程度で昇華させた後、６９０℃で熱分解してモノマーとし、常温の真空容器（４Ｐａ程度）に導入して固体表面で重合させる。

ポリパラキシリレン類には幾つかの種類があり、なかでもベンゼン環に塩素がついた分子構造を有するもの（商品名parylene-C）は、絶縁破壊強度及び耐薬品性が高く、水蒸気透過性が極めて低いという特徴を有しており、防湿膜２２の材料として好適である。

上記parylene-Cを含め、防湿膜２２の材料として使用できるポリパラキシリレン類の例を以下に示す。なお、各構造式の下には商品名を示している。

以上に述べた実施形態２の実施例を以下に説明する。

防湿膜付きのエレクトレットを、以下のような手順で形成した。
１）電極となる導体を片側に持った基板上にＣＹＴＯＰ（登録商標）ＣＴＬ−８０９Ｍをスピンコートして膜を形成し、加熱により内部の残存溶媒を蒸発させる。
２）所定の膜厚になるように、１）の工程を必要回数繰り返す。
３）上記のようにして形成した膜を加熱してキュアする。
４）パラキシリレンダイマー（米国ＳＣＳ社製parylene-C）を用いて、気相中で所定の厚さのポリパラキシリレンの防湿膜を形成する。
５）コロナ放電または電子ビームなどの方法で、ポリパラキシリレン膜の上からＣＹＴＯＰ（登録商標）の膜に電荷を注入する。電荷にある程度のエネルギーがある場合にはポリパラキシリレン膜を突き抜けて下部のＣＹＴＯＰ（登録商標）膜に電荷が到達し、ＣＹＴＯＰ（登録商標）膜が荷電してエレクトレットとなる。

なお、上記工程の４）及び５）の順序を逆にして、ＣＹＴＯＰ（登録商標）膜を荷電してからポリパラキシリレン膜を形成しても良い。この場合にも、実際に荷電状態がポリパラキシリレン膜形成前後で大きく変化しないことが確認できた。これは、ポリパラキシリレン膜が常温かつ気相中で形成できるためである。これに対して、一般の絶縁体の場合には、真空蒸着などのために材料の温度が上がり電荷が減少し、また一般のポリマーの場合には、液体中で重合させるため、水分により電荷が消失するので、荷電状態を維持することが困難である。

図４には、厚さ０．３μｍのポリパラキシリレン膜を防湿膜としてコーティングした場合と、コーティングをしない場合とにおける、エレクトレット（ＣＹＴＯＰ膜）の、電子注入直後からの表面電位の変化が示される。図４において、横軸は電子注入直後からの経過時間であり、縦軸は標準化された表面電位である。図４に示される結果から、ポリパラキシリレン膜をコーティングすることによってエレクトレットからの電荷の減少が抑えられていることがわかる。

本発明にかかる静電誘導型変換素子の実施形態１である構成例の断面図である。実施形態１にかかる静電誘導型変換素子の変形例を示す図である。本発明にかかる静電誘導型変換素子の実施形態２である構成例の断面図である。電子注入直後からのエレクトレットの表面電位の変化を示す図である。

符号の説明

１０エレクトレット、１２、１４導体、１６負荷、１８、２０基板、２２防湿膜。

Claims

電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子であって、
２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成され、導体と相対的に運動するエレクトレットを備えることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項１記載の静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が１個以下含まれることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項１または請求項２記載の静電誘導型変換素子において、前記重合体により構成されたエレクトレットの厚さが１０μｍ以上であり、表面電荷密度が１ｍＣ／ｍ^２以上であることを特徴とする静電誘導型変換素子。
電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子であって、
導体と相対的に運動するエレクトレットと、
前記エレクトレットを覆う防湿膜と、
を備えることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項４記載の静電誘導型変換素子において、前記防湿膜はポリパラキシリレンまたはその誘導体により構成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項４または請求項５記載の静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体）、酸化珪素または含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項４または請求項５記載の静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットは２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項７記載の静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が１個以下含まれることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項７または請求項８記載の静電誘導型変換素子において、前記重合体により構成されたエレクトレットの厚さが１０μｍ以上であり、表面電荷密度が１ｍＣ／ｍ^２以上であることを特徴とする静電誘導型変換素子。