JP2009055736A - 静電動作装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エレクトレット膜がスムーズに振動することが可能な静電動作装置を提供する。
【解決手段】この静電誘導型発電装置1(静電動作装置)は、エレクトレット膜12と、エレクトレット膜12の表面上に形成され、エレクトレット膜12に蓄積された電荷による電界が広がるのを抑制するためのガード電極13とを備え、ガード電極13は、エレクトレット膜12と接する側からエレクトレット膜12と接しない側に向かって幅が小さくなるように形成されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、静電動作装置に関し、特に、エレクトレット膜を備える静電動作装置に関する。
従来、エレクトレット膜を備える静電動作装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、エッジが角張った矩形状の断面を有する導電性領域を含む第1基板と、第1基板と対向するように設けられ、エレクトレット領域(エレクトレット膜)を有する第2基板とを備える発電装置(静電動作装置)が開示されている。この特許文献1に開示された発電装置では、第1基板と第2基板との相対的な位置を変化させることにより、導電性領域に蓄積される電荷量を変化させることによって、起電力を得ることが可能となる。
特表2005−529574号公報
しかしながら、上記特許文献1に開示された従来の発電装置(静電動作装置)では、エッジが角張った矩形状の断面を有する導電性領域と、エレクトレット領域とが接触した場合に、導電性領域のエッジが角張っているので、導電性領域とエレクトレット領域とが引っ掛かってしまうという不都合がある。これにより、エレクトレット領域がスムーズに振動することができないという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、エレクトレット膜がスムーズに振動することが可能な静電動作装置を提供することである。
この発明の一の局面における静電動作装置は、エレクトレット膜と、エレクトレット膜上に形成された導電体層とを備え、導電体層は、エレクトレット膜側から上方に向かって幅が小さくなるような断面形状を有するように形成されている。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による静電誘導型発電装置の断面図である。図2は、図1の100−100線に沿った断面図である。図3は、図1に示した第1実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図1〜図3を参照して、第1実施形態による静電誘導型発電装置1の構造について説明する。なお、本実施形態では、静電動作装置の一例である静電誘導型発電装置1に本発明を適用した場合について説明する。
この第1実施形態による静電誘導型発電装置1は、図1に示すように、第1電極部10と第2電極部20とが対向するように配置されている。また、静電誘導型発電装置1は、発電された電力を整流するためのブリッジ整流回路2と、直流電流の電圧を変えるためのDC−DCコンバータ3とを備えている。また、DC−DCコンバータ3には、静電誘導型発電装置1によって発電された電力により駆動される負荷4が接続されている。また、DC−DCコンバータ3と負荷4とは、それぞれ、接地されている。
図1に示すように、導電体からなる基板11の表面上に、約100μm〜約1000μmの厚みt1(図3参照)を有するポリテトラフルオロエチレン(PTFE)に代表されるフッ素系樹脂やシリコン酸化膜からなるエレクトレット膜12が形成されている。また、エレクトレット膜12は、コロナ放電により全面に負電荷が注入されることによって電荷が全体的に分布されて約−20V〜約−2000Vの電位に調整されている。
ここで、第1実施形態では、エレクトレット膜12の表面上には、ガード電極13が形成されている。なお、ガード電極13は、本発明の「導電体層」の一例である。また、ガード電極13は、エレクトレット膜12に蓄積された電荷による電界が広がるのを抑制する機能を有する。また、ガード電極13は、エレクトレット膜12上に形成された素子間を接続する配線として用いてもよいし、対向する後述する集電電極22とエレクトレット膜12とが接触するのを抑制するためのスペーサやストッパとして用いてもよい。ガード電極13は、約0.05μm〜約1μmの厚みを有するAlやWなどの導電体から形成されている。ここで、第1実施形態では、図3に示すように、ガード電極13は、エレクトレット膜12側から上方に向かって幅が小さくなるテーパ状の断面の形状を有するように形成されている。また、ガード電極13は、テーパ角θが、約20°〜約50°になるように形成されている。また、第1実施形態では、ガード電極13の上端部の断面の形状は、約0.1μm〜約1μmの曲率半径R1を有するように丸形形状に形成されている。また、ガード電極13のエレクトレット膜12と接する側は、約0.1μm〜約1μmの曲率半径R2を有するように、エレクトレット膜12に向かって徐々に幅が広くなるように形成されている。
また、第1実施形態では、図2に示すように、ガード電極13は、平面的に見て櫛歯状に形成されており、ガード電極13の角部131は、約0.1μm〜約1μmの曲率半径R1を有するように丸形形状に形成されている。また、ガード電極13の櫛歯の歯の部分の幅W1と、歯と歯との間の間隔W2とは、それぞれ、約100μm〜約1000μmである。また、ガード電極13は、接地されている。
また、図1に示すように、絶縁性のガラスからなる基板21の下面上には、約0.05μm〜約1μmの厚みt3を有するAlやWからなる集電電極22が形成されている。なお、集電電極22は、図2に示すガード電極13と同様に、櫛歯状または短冊状に形成されており、櫛歯の歯の部分の幅W3と、歯と歯との間の間隔W4は、それぞれ、約100μm〜約1000μmである。また、ガード電極13の歯と歯と間の間隔W2と、集電電極22の歯の幅W3とは、W3≧W2の関係を満たすように構成されている。
次に、図1を用いて、本発明の第1実施形態による静電誘導型発電装置1の発電動作について説明する。
図1に示すように、静電誘導型発電装置1に振動が加わらない状態では、エレクトレット膜12の表面と集電電極22とが所定の間隔を隔てて対向するように配置されている。ここで、エレクトレット膜12の表面は、負の電位(約−20V〜約−2000V)に調整されているので、集電電極22は、静電誘導によって正電荷が誘導される。
次に、静電誘導型発電装置1に水平方向(X方向)の振動が加わり、エレクトレット膜12と集電電極22とが相対的に移動することにより、集電電極22は、ガード電極13と対向する位置に移動する。これにより、集電電極22に対向する電位が、エレクトレット膜12の電位(約−20V〜約−2000V)からガード電極13の電位(接地)に変化するので、集電電極22に静電誘導によって誘導される電荷の量が変化する。この電荷の変化分が電流となり、ブリッジ整流回路2およびDC−DCコンバータ3を介して負荷4に出力される。再び振動により、エレクトレット膜12と集電電極22とが対向することにより、集電電極22に正電荷が蓄積される。このように、エレクトレット膜12と集電電極22とが繰り返し相対的に移動することによって、発電が継続して行われる。
第1実施形態では、上記のように、エレクトレット膜12の表面上に、エレクトレット膜12に蓄積された電荷による電界が広がるのを抑制するためのガード電極13を備え、ガード電極13を、エレクトレット膜12側から上方に向かって幅が小さくなる断面形状を有するように形成することによって、集電電極22とガード電極13とが接触しても、ガード電極13の側面が傾斜しているので、集電電極22とガード電極13とが引っ掛かるのを抑制することができる。これにより、ガード電極13が表面上に形成されているエレクトレット膜12がスムーズに振動することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、ガード電極13の上端部の断面形状を、丸形形状に形成することによって、集電電極22とガード電極13とが接触しても、ガード電極13の表面の端部が丸形形状に形成されているので、集電電極22とガード電極13とが引っ掛かるのをより抑制することができる。
(第2実施形態)
図4は、本発明の第2実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図4を参照して、この第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、ガード電極13aの側面がエレクトレット膜12の表面に対して垂直になるように形成されている第1電極部10aについて説明する。
第2実施形態による第1電極部10aは、図4に示すように、エレクトレット膜12の表面上には、エレクトレット膜12に蓄積された電荷による電界が広がるのを抑制するためのガード電極13aが形成されている。なお、ガード電極13aは、本発明の「導電体層」の一例である。ガード電極13aは、約0.05μm〜約1μmの厚みt4を有する。また、ガード電極13aは、エレクトレット膜12と接する側からエレクトレット膜12と接しない側に向かって幅が小さくなる断面形状を有するとともに、ガード電極13aの側面131aがエレクトレット膜12の表面に対して垂直になるように形成されている。また、第2実施形態では、ガード電極13aの表面の端部の断面形状は、約0.1μm〜約1μmの曲率半径R3を有するように丸形形状に形成されている。また、ガード電極13aのエレクトレット膜12と接する側は、約0.1μm〜約1μmの曲率半径R4を有するように、エレクトレット膜12に向かって徐々に幅が広くなっている。
また、ガード電極13aは、上記第1実施形態と同様に、図2に示すように、平面的に見て櫛歯状に形成されている。また、ガード電極13aの櫛歯の歯の部分の幅W5と、歯と歯との間の間隔W6とは、それぞれ、約100μm〜約1000μmである。また、ガード電極13aは、接地されている。
なお、第2実施形態のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
第2実施形態では、上記のように、エレクトレット膜12と接しない側のガード電極13aの表面の端部を、丸形形状に形成することによって、集電電極22(図1参照)とガード電極13aとが接触しても、ガード電極13aの表面の端部の断面形状が丸形形状に形成されているので、集電電極22とガード電極13aとが引っ掛かるのを抑制することができる。
(第3実施形態)
図5は、本発明の第3実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図5を参照して、この第3実施形態では、上記第1実施形態と異なり、エレクトレット膜12のガード電極13が形成されない表面上には、絶縁膜14が形成されている第1電極部10bについて説明する。
第3実施形態による第1電極部10bは、図5に示すように、エレクトレット膜12のガード電極13が形成されない表面上には、MSQ(メチルシルセスキオキサン)、SiOCまたはSiNからなる絶縁膜14が形成されている。なお、絶縁膜14は、エレクトレット膜12の表面から電荷が流出するのを抑制する機能を有する。また、絶縁膜14は、約0.01μm〜約1μmの厚みt5を有し、ガード電極13の厚みt2と同じか、または、ガード電極13の厚みt2よりも小さい厚みに形成される。
なお、第3実施形態のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
第3実施形態では、上記のように、エレクトレット膜12のガード電極13が形成されない表面上に、絶縁膜14を形成することによって、エレクトレット膜12のガード電極13が形成されない表面上から電荷が流出するのを抑制することができるので、エレクトレット膜13の表面電位の低下を抑制することができる。
なお、第3実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
(第4実施形態)
図6は、本発明の第4実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図6を参照して、この第4実施形態では、上記第3実施形態と異なり、ガード電極13の表面上には、保護膜15が形成されている第1電極部10cについて説明する。
第4実施形態による第1電極部10cは、図6に示すように、ガード電極13の表面上には、保護膜15が形成されている。なお、保護膜15は、MSQ、SiOCまたはSiNからなる絶縁膜でもよいし、導電性膜でもよい。また、保護膜15は、ガード電極13の厚みt2と同じか、または、ガード電極13の厚みt2よりも小さい、約0.01μm〜約1μmの厚みt6を有するように構成されている。また、保護膜15の表面の端部の断面形状は、約0.1μm〜約1μmの曲率半径R5を有するように丸形形状に形成されている。また、保護膜15は、約0.1μm〜約1μmの曲率半径R6を有するようにエレクトレット膜12側に向かって徐々に幅が広くなるように形成されている。なお、曲率半径R5およびR6は、ガード電極13の曲率半径R1およびR2(図3参照)と同じか、または、曲率半径R1およびR2よりも大きくなるように形成されている。これにより、保護膜15が形成されない場合と比べて、集電電極22とガード電極13とがより引っ掛かりにくくなるので、エレクトレット膜12がよりスムーズに振動することが可能となる。
なお、第4実施形態のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
第4実施形態では、上記のように、ガード電極13の表面上に、保護膜15を形成することにより、ガード電極13と集電電極22とが接触するのを抑制することができるので、集電電極22に蓄積された電荷がガード電極13に流出するのを抑制することができる。
なお、第4実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
(第5実施形態)
図7は、本発明の第5実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図7を参照して、この第5実施形態では、上記第4実施形態と異なり、絶縁膜14の厚みt5が、保護膜15aの厚みt7よりも大きい第1電極部10dについて説明する。
第5実施形態による第1電極部10dは、図7に示すように、ガード電極13の表面上には、MSQ、SiOCまたはSiNからなる保護膜15aが形成されている。ここで、第5実施形態では、絶縁膜14の厚みt5は、保護膜15aの厚みt7よりも大きくなるように構成されている。
なお、第5実施形態のその他の構成は、上記第4実施形態と同様である。
第5実施形態では、上記のように、絶縁膜14の厚みt5を、保護膜15aの厚みt7よりも大きくなるように構成することによって、保護膜15aが、ガード電極13が露出するようなダメージを受けた場合でも、絶縁膜14の厚みt5が保護膜15aの厚みt7よりも大きいので、絶縁膜14が、エレクトレット膜12が露出するほどのダメージを受けるのを抑制することができる。これにより、エレクトレット膜12がダメージを受けることに起因する表面電位の低下を抑制することができる。
なお、第5実施形態のその他の効果は、上記第4実施形態と同様である。
(第6実施形態)
図8は、本発明の第6実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図8を参照して、この第6実施形態では、上記第5実施形態と異なり、エレクトレット膜12aに凸部121aが形成されている第1電極部10eについて説明する。
第6実施形態による第1電極部10eは、図8に示すように、基板11に表面上に、凸部121aを有するエレクトレット膜12aが形成されている。なお、凸部121aは、ガード電極13の形状に合わせて、平面的に見て櫛歯状に形成されている。また、凸部121aは、約0.64μmの厚みt8を有する。また、エレクトレット膜12aの凸部121aの表面上には、ガード電極13が形成されている。これにより、エレクトレット膜12aの凹部121bの表面に蓄積される電荷が、ガード電極13に流出するのを抑制することが可能となる。また、エレクトレット膜12aの凹部121bの表面上には、約1.55μmの厚みt9を有するMSQ、SiOCまたはSiNからなる絶縁膜14aが形成されている。これにより、エレクトレット膜12aの凹部121bの表面に蓄積される電荷が流出するのをより抑制することが可能となる。また、ガード電極13の表面上には、約0.28μmの厚みt10を有するMSQ、SiOCまたはSiNからなる保護膜15bが形成されている。なお、エレクトレット膜12aの凸部121aの厚みt8、絶縁膜14aの厚みt9および保護膜15bの厚みt10は、t8:t9:t10=2.2:5.5:1.0程度の比になるように構成されている。
なお、第6実施形態のその他の構成は、上記第5実施形態と同様である。
また、第6実施形態の効果は、上記第5実施形態と同様である。
(第7実施形態)
図9は、本発明の第7実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図9を参照して、この第7実施形態では、上記第6実施形態と異なり、エレクトレット膜12の表面上に絶縁膜16が形成されている第1電極部10fについて説明する。
第7実施形態による第1電極部10fは、図9に示すように、エレクトレット膜12の表面上に、HDP(High Density Plasma)酸化膜からなる絶縁膜16が形成されている。なお、絶縁膜16は、ガード電極13の形状に合わせて、平面的に見て櫛歯状に形成されている。また、絶縁膜16の表面上には、ガード電極13が形成されている。この絶縁膜16により、エレクトレット膜12の絶縁膜16が形成されない表面に蓄積される電荷が、ガード電極13に流出するのを抑制することが可能となる。また、エレクトレット膜12の絶縁膜16が形成されない表面上には、MSQ、SiOCまたはSiNからなる絶縁膜14aが形成されている。これにより、エレクトレット膜12の絶縁膜16が形成されない表面に蓄積される電荷が流出するのをより抑制することが可能となる。また、ガード電極13の表面上には、MSQ、SiOCまたはSiNからなる保護膜15bが形成されている。
なお、第7実施形態のその他の構成は、上記第6実施形態と同様である。
また、第7実施形態の効果は、上記第6実施形態と同様である。
(第8実施形態)
図10は、本発明の第8実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図10を参照して、この第8実施形態では、上記第5実施形態と異なり、絶縁膜と保護膜とが一体的に形成されている第1電極部10gについて説明する。
第8実施形態による第1電極部10gは、図10に示すように、エレクトレット膜12のガード電極13が形成されない表面上と、ガード電極13の表面上とには、MSQ、SiOCまたはSiNからなる保護膜15cが形成されている。なお、エレクトレット膜12のガード電極13が形成されない表面上に形成される保護膜15cは、エレクトレット膜12の表面から電荷が流出するのを抑制する絶縁膜として機能する。これにより、エレクトレット膜12の表面から電荷が流出するのを抑制する絶縁膜と保護膜とを別々の工程で形成する場合と異なり、絶縁膜と保護膜とが一体的に同時に形成することが可能となるので、製造工程を簡略化することが可能となる。また、スピンコート法を用いることにより、容易に、エレクトレット膜12のガード電極13が形成されない表面上に形成される保護膜15cの厚みt11を、ガード電極13の表面上に形成される保護膜15cの厚みt12よりも大きくすることが可能となる。
なお、第8実施形態のその他の構成は、上記第5実施形態と同様である。
また、第8実施形態の効果は、上記第5実施形態と同様である。
(第9実施形態)
図11は、本発明の第9実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図11を参照して、この第9実施形態では、上記第6実施形態と異なり、絶縁膜と保護膜とが一体的に形成されている第1電極部10hについて説明する。
第9実施形態による第1電極部10hは、図11に示すように、エレクトレット膜12aの凸部121aの側面上と、凹部121bの表面上と、ガード電極13の表面上とを覆うようにMSQ、SiOCまたはSiNからなる保護膜15dが形成されている。なお、エレクトレット膜12aの凹部121bの表面上に形成される保護膜15dは、エレクトレット膜12aの表面から電荷が流出するのを抑制する絶縁膜として機能する。
なお、第9実施形態のその他の構成は、上記第6実施形態と同様である。
また、第9実施形態の効果は、上記第6実施形態と同様である。
(第10実施形態)
図12は、本発明の第10実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。図12を参照して、この第10実施形態では、上記第7実施形態と異なり、絶縁膜と保護膜とが一体的に形成されている第1電極部10iについて説明する。
第10実施形態による第1電極部10iは、図12に示すように、エレクトレット膜12の表面上には、絶縁膜16が形成されている。また、エレクトレット膜12のガード電極13が形成されない表面上と、絶縁膜16の側面上と、ガード電極13の表面上とを覆うようにMSQ、SiOCまたはSiNからなる保護膜15eが形成されている。なお、エレクトレット膜12のガード電極13が形成されない表面上に形成される保護膜15eは、エレクトレット膜12の表面から電荷が流出するのを抑制する絶縁膜として機能する。
なお、第10実施形態のその他の構成は、上記第7実施形態と同様である。
また、第10実施形態の効果は、上記第7実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第1〜第10実施形態では、静電動作装置の一例として静電誘導型発電装置1を示したが、本発明はこれに限らず、エレクトレット膜を含む静電動作装置であれば、静電誘導型アクチュエータおよびセンサなどのその他の静電動作装置にも適用可能である。
また、上記第1〜第10実施形態では、導電体からなる基板11を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、絶縁体からなる基板を用いてもよい。ただし、この場合には、絶縁体からなる基板とエレクトレット膜との間に導電体層を形成する必要がある。
また、上記第1〜第10実施形態では、ガード電極13および13aを接地する例を示したが、本発明はこれに限らず、ガード電極13および13aを接地しなくてもよい。また、ガード電極13および13aにエレクトレット膜12および12aの表面電位と逆極性の所定の電圧を印加してもよい。
また、上記第1〜第10実施形態では、集電電極22の歯の幅W4が櫛歯状のガード電極13および13aの歯と歯の間の幅W2以上の大きさに形成される例を示したが、本発明はこれに限らず、ガード電極13および13aの歯の幅W1を集電電極22の歯と歯の間の幅W3以上の大きさに形成してもよい。
また、上記第1〜第10実施形態では、集電電極22の厚みt3がガード電極13および13aの厚みt2と同程度の厚みに形成される例を示したが、本発明はこれに限らず、ガード電極13および13aの厚みt2を集電電極22の厚みt3以上の大きさに形成してもよい。
本発明の第1実施形態による静電誘導型発電装置の断面図である。 図1の100−100線に沿った断面図である。 図1に示した第1実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。 本発明の第2実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。 本発明の第3実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。 本発明の第4実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。 本発明の第5実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。 本発明の第6実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。 本発明の第7実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。 本発明の第8実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。 本発明の第9実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。 本発明の第10実施形態による静電誘導型発電装置の第1電極部の拡大図である。
符号の説明
1 静電誘導型発電装置(静電動作装置)
12、12a エレクトレット膜
13、13a ガード電極(導電体層)
14、14a 絶縁膜
15、15a、15b、15c、15d、15e 保護膜

Claims (6)

  1. エレクトレット膜と、
    前記エレクトレット膜上に形成された導電体層とを備え、
    前記導電体層は、前記エレクトレット膜側から上方に向かって幅が小さくなるような断面形状を有するように形成されている、静電動作装置。
  2. 前記導電体層の上端部の断面形状は、丸形形状に形成されている、請求項1に記載の静電動作装置。
  3. 前記エレクトレット膜の前記導電体層が形成されない表面上には、絶縁膜が形成されている、請求項1または2に記載の静電動作装置。
  4. 前記導電体層の表面上には、保護膜が形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の静電動作装置。
  5. 前記絶縁膜の厚みは、前記保護膜の厚みよりも大きい、請求項4に記載の静電動作装置。
  6. 前記導電体層の角部は、平面的に見て、丸形形状に形成されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の静電動作装置。
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