JP2009081950A

JP2009081950A - 静電発電装置

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Publication number: JP2009081950A
Application number: JP2007249580A
Authority: JP
Inventors: Yoko Naruse; 陽子成瀬; Makoto Izumi; 誠泉; Yoshiki Murayama; 佳樹村山
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: US20090079295A1; US8384267B2; JP5033561B2

Abstract

【課題】電極が破壊されるのを抑制しながら、発電量を大きくすることが可能な静電発電装置を提供する。
【解決手段】この静電発電装置１は、基板２１と、基板２１の表面上に形成される集電電極２２および２３と、集電電極２２および２３に対向するように設けられるエレクトレット膜１２と、集電電極２２および２３のエレクトレット膜１２に対向する側の表面に形成された絶縁膜２４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電発電装置に関し、特に、エレクトレット膜を備えた静電発電装置に関する。

従来、エレクトレット膜を備えた静電発電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に記載の静電発電装置は、第１基板と、第１基板の表面に形成される複数の電極と、電極に対向するように設けられる第２基板と、第２基板の表面上に形成され、テフロン（登録商標）などの樹脂材料からなるエレクトレット膜とによって構成されている。この静電発電装置では、電極とエレクトレット膜との相対的な位置が変化することにより、電極に誘導される電荷が変化し、その変化分が電流として出力される。

特表２００５−５２９５７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の静電発電装置では、電極とエレクトレット膜とのギャップを小さくすることにより、発電量を多くすることが可能となる一方、ギャップを小さくすると、電極とエレクトレット膜とが振動によるギャップのぶれによって接触する可能性が高まるという不都合がある。このため、電極が破壊されるという問題点がある。また、電極とエレクトレット膜とをそれぞれ短冊状に形成し、電極とエレクトレット膜との幅を小さくして、基板の単位面積あたりに設けられる電極の数を増やすことによって、静電発電装置の振動の所定の振幅に対して、エレクトレット膜と電極とが対向する（または対向しない）回数を多くすることができるので、発電量を増やすことが可能となる。しかし、電極の幅を小さくすると、電極とエレクトレット膜とのギャップが大きい場合は、エレクトレット膜による電界が広がってしまうので、電界の強弱の差が小さくなってしまう。このため、電極の幅を小さくする場合は、電極とエレクトレット膜とのギャップを小さくする必要がある。しかしながら、ギャップを小さくすると、上記のように、電極とエレクトレット膜とが接触することにより、電極が破壊される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、電極が破壊されるのを抑制しながら、発電量を大きくすることが可能な静電発電装置を提供することである。

この発明の一の局面による静電発電装置は、基板と、基板の表面上に形成される電極と、電極に対向するように設けられるエレクトレット膜と、電極のエレクトレット膜に対向する側の表面に形成された絶縁膜とを備える。

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の２００−２００線に沿った断面図である。図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態による静電発電装置１の構造について説明する。

この第１実施形態による静電発電装置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。以下詳細に説明する。

図１に示すように、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するＡｌからなる第１導電体層１１の表面上に、約０．１μｍ〜約１００μｍの厚み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。また、エレクトレット膜１２の上面上には、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有する第２導電体層１３が形成されている。なお、第２導電体層１３は、図２に示すように、櫛歯状に形成されている。また、第２導電体層１３は、接地されている。この第２導電体層１３は、エレクトレット膜１２に蓄積される電荷による電界のガード電極としての機能を有する。つまり、エレクトレット膜１２の第２導電体層１３が形成されない領域の表面上の電界は強く、エレクトレット膜１２の第２導電体層１３が形成される領域の表面上の電界は弱くなる。これにより、エレクトレット膜１２の表面上の電界にメリハリが形成される。

また、第２導電体層１３の表面上と、エレクトレット膜１２の第２導電体層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、図１に示すように、約３００μｍ〜約１０００μｍの厚みを有する石英からなる基板２１の下面上には、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するＡｌからなる集電電極２２および２３が形成されている。なお、集電電極２２および２３は、本発明の「電極」の一例である。また、集電電極２２および２３は、図３に示すように、それぞれ、櫛歯状に形成されており、集電電極２２の櫛歯の歯と歯の間に、集電電極２３の櫛歯の歯が配置されるように構成されている。

ここで、第１実施形態では、集電電極２２および２３上には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）またはシリコン窒化膜（ＳｉＮ）からなる絶縁膜２４が形成されている。また、絶縁膜２４のビッカーズ硬度（Ｈｖ）は、５００以上であることが好ましい。これにより、エレクトレット膜１２と集電電極２２および２３との間に混入するチリなどによって、絶縁膜２４が磨耗するのを抑制することが可能となる。また、絶縁膜２４は、スパッタ法や塗布法により成膜される。これにより、室温や比較的低温で成膜することが可能となるので、高温に弱い材料の基板を用いることが可能となる。また、絶縁膜２４のシリコンの組成比は、約３０％〜約４０％であることが好ましい。これにより、シリコンの組成比が大きすぎることにより、絶縁膜２４の導電性が高くなり、発電の際に電荷の移動が生じ、発電効率が下がってしまうのを抑制することが可能となる。

また、絶縁膜２４は、比誘電率が１よりも大きいとともに、エレクトレット膜１２と、集電電極２２および２３との間に満たされるガス（空気、ＳＦ_６など）よりも比誘電率が大きい絶縁膜により構成することが好ましい。

図４〜図６は、電極間に設けられる誘電体と発電量との関係を説明するための図である。図４〜図６を参照して、電極間に設けられる誘電体と発電量との関係について説明する。

図４に示すように、電極３１と電極３２との間に、比誘電率がεの誘電体３３が設けられている場合では、電極３１と電極３２との間に蓄積される電荷Ｑは、式（１）のように表される。

Ｑ＝ＣＶ・・・・・（１）
ここで、Ｃは、静電容量であり、Ｖは、電極３１と電極３２との間の電位差である。また、静電容量Ｃは、真空の誘電率ε_０、誘電体３３の比誘電率ε、電極３１と電極３２とが対向している部分の表面積Ｓ、および、電極３１と電極３２との間の距離ｄにより、式（２）のように表される。

Ｃ＝ε_０ε（Ｓ／ｄ）・・・・・（２）
また、電極３１または電極３２が、図４に示すＸ方向に移動した場合の電荷の変化量ΔＱは、式（３）のように表される。

ΔＱ＝ε_０ε（ΔＳ／ｄ）Ｖ・・・・・（３）
ここで、ΔＳは、電極３１および電極３２が移動することによる、電極３１および電極３２の対向している部分の表面積Ｓの変化量である。

次に、図５に示すように、電極３１と電極３２との間に、比誘電率がε_１の誘電体３４とε_２の誘電体３５とが設けられている場合について説明する。このとき、電極３４と電極３５との間の距離ｄは、式（４）のように表される。

ｄ＝ｄ_１＋ｄ_２・・・・・（４）
ここで、ｄ_１は、電極３１の上面から誘電体３５の下面までの距離（誘電体３４の厚み）であり、ｄ_２は、誘電体３４の上面から電極３２の下面までの距離（誘電体３５の厚み）である。この場合、静電容量Ｃ_Ａは、式（５）のように表される。

Ｃ_Ａ＝１／（１／Ｃ_１＋１／Ｃ_２）＝ε_０Ｓ（１／（（ｄ_１／ε_１）＋（ｄ_２／ε_２）））・・（５）
ここで、Ｃ_１は、電極３１の上面から誘電体３５の下面までの静電容量を意味し、Ｃ_２は、誘電体３４の上面から電極３２の下面までの静電容量を意味する。また、電極３１または電極３２が図５に示すＸ方向に移動した場合の電荷の変化量ΔＱ_Ａが、式（３）よりも大きくなると仮定すると、式（６）の関係を満たす。

ε_０ΔＳ（１／（（ｄ_１／ε_１）＋（ｄ_２／ε_２）））＞ε_０ε（ΔＳ／ｄ）・・・・・（６）
ここで、図４の誘電体３３と、図５の誘電体３４が同一の材料であるとする（ε＝ε_１）と、式（７）が導かれる。

（１／（（ｄ_１／ε_１）＋（ｄ_２／ε_２）））＞ε_１（１／（ｄ_１＋ｄ_２））・・・・・（７）
この式（７）を満たすためには、式（８）を満たせばよいことがわかる。

ε_２＞ε_１・・・・・（８）
これにより、ΔＱ_Ａ＞ΔＱとなり、発電量が大きくなる。

次に、図６に示すように、電極３１と電極３２との間に、比誘電率がε_１の誘電体３６、ε_２の誘電体３７およびε_３の誘電体３８が設けられている場合について説明する。この場合、電極３１または電極３２が図６に示すＸ方向に移動した場合の電荷の変化量をΔＱ_Ｂとすると、式（９）を満たすことにより、ΔＱ_Ｂ＞ΔＱとなる。

ｄ_５ε_３（ε_２−ε_１）＞ｄ_６ε_２（ε_１−ε_３）・・・・・（９）
ここで、ｄ_５は、誘電体３６の上面から誘電体３８の下面までの距離（誘電体３７の厚み）であり、ｄ_６は、誘電体３７の上面から電極３２の下面までの距離（誘電体３８の厚み）である。このとき、式（１０）および式（１１）を満たすことにより、式（９）が満たされる。

ε_２＞ε_１・・・・・（１０）
ε_３＞ε_１・・・・・（１１）

次に、図１を用いて、本発明の第１実施形態による静電発電装置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の第２導電体層１３が形成されない表面と集電電極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。一方、第２導電体層１３と集電電極２３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。

次に、静電発電装置１に水平方向（Ｘ方向）の振動が加わり、第１電極部１０と第２電極部２０との位置が相対的に変化することにより、集電電極２２は、第２導電体層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）から第２導電体層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。一方、集電電極２３は、エレクトレット膜１２の第２導電体層１３が形成されない表面と対向する位置に移動する。これにより、集電電極２３に対向する電位が、第２導電体層１３の電位（接地）からエレクトレット膜１２の電位（約−２０Ｖ〜約−２０００Ｖ）に変化するので、集電電極２３に静電誘導によって正電荷が誘導される。この電荷の変化分を、集電電極２２および２３に接続される回路によって取り出すことによって、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、集電電極２２および２３上には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）またはシリコン窒化膜（ＳｉＮ）からなる絶縁膜２４を形成することによって、集電電極２２および２３と第２導電体層１３（絶縁膜１４）とが接触するのが抑制されるので、集電電極２２および２３が破壊されるのを抑制することができる。また、第１導電体層１１と集電電極２２および２３との間に絶縁膜２４を設けることにより、絶縁膜２４を設けない場合と比べて、第１導電体層１１と集電電極２２および２３との間の静電容量を大きくすることができるので、静電発電装置１の発電量を大きくすることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、絶縁膜２４は、シリコン酸化膜からなることによって、シリコン酸化膜の比誘電率（約３．５〜約６．５）は、第１導電体層１１と集電電極２２および２３との間に満たされる空気などの比誘電率（約１）に比べて大きいので、絶縁膜２４が形成されない場合に比べて、静電発電装置１の発電量を大きくすることができる。また、石英（ＳｉＯ_２）からなる基板２１と絶縁膜２４とを同じ材質で形成することによって、基板２１と絶縁膜２４との熱膨張係数が異なることによって生じる反り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と集電電極２２および２３との間隔が広がって発電量が小さくなるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、絶縁膜２４は、シリコン窒化膜からなることによって、シリコン窒化膜の比誘電率（約６〜約９）は、第１導電体層１１と集電電極２２および２３との間に満たされる空気などの比誘電率（約１）に比べて大きいので、絶縁膜２４が形成されない場合に比べて、静電発電装置１の発電量を大きくすることができる。また、シリコン窒化膜の比誘電率は、シリコン酸化膜の比誘電率よりも大きいので、絶縁膜２４をシリコン酸化膜で形成する場合に比べて、発電量をより大きくすることができる。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態による静電発電装置の断面図である。図７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、基板２１の表面上にも絶縁膜２４ａが形成されているとともに、基板２１と絶縁膜２４ａとが同一の元素を含む静電発電装置１ａについて説明する。

この第２実施形態による静電発電装置１ａは、図７に示すように、約３００μｍ〜約１０００μｍの厚みを有する石英からなる基板２１の下面上には、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するＡｌからなる集電電極２２および２３が形成されている。

ここで、第２実施形態では、集電電極２２および２３の表面上と基板２１上とには、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）またはシリコン窒化膜（ＳｉＮ）からなる絶縁膜２４ａが形成されている。このように、第２実施形態では、石英（ＳｉＯ_２）からなる基板２１と、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなる絶縁膜２４ａとが、同一の元素であるシリコンを含むように構成されている。また、第２実施形態では、絶縁膜２４ａの厚みｔ１は、集電電極２２および２３の厚みｔ２以上なるように構成されている。これにより、基板２１の集電電極２２および２３の表面に形成された絶縁膜２４ａの表面が、集電電極２２および２３の表面に対し、同じか突出する。

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、絶縁膜２４ａを、集電電極２２および２３の側面にも形成することによって、集電電極２２および２３の側面から集電電極２２および２３に入る電界が、誘電体である絶縁膜２４ａを通過するので、静電発電装置１ａの発電量を大きくすることができる。

また、第２実施形態では、上記のように、絶縁膜２４ａを、基板２１の表面上にも形成することによって、集電電極２２および２３に入る電界の一部が、誘電体である基板２１上の絶縁膜２４ａを通過するので、静電発電装置１ａの発電量を大きくすることができる。

また、第２実施形態では、上記のように、基板２１と絶縁膜２４ａとは、同一の元素（シリコン）を含むように構成することによって、容易に、基板２１と絶縁膜２４ａとの密着性を高めることができる。

また、第２実施形態では、上記のように、基板２１の集電電極２２および２３の表面に形成された絶縁膜２４ａの表面が、集電電極２２および２３の表面に対し、同じか突出することによって、集電電極２２および２３の側面より、第２導電体層１３、絶縁膜１４およびチリなどが接触し、絶縁膜２４ａが削られた場合でも、絶縁膜２４ａの厚みｔ１の方が集電電極２２および２３の厚みｔ２よりも大きいので、集電電極２２および２３が露出し、破壊されるのを抑制することができる。また、絶縁膜２４ａの厚みｔ１を、集電電極２２および２３の厚みｔ２よりも大きくすることによって、絶縁膜２４ａの厚みｔ１が、集電電極２２および２３の厚みｔ２よりも小さい場合に比べて、静電発電装置１ａの発電量をより大きくすることができる。

（第３実施形態）
図７を参照して、この第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と異なり、樹脂からなる基板２１ａの表面上に、有機物からなる絶縁膜２４ｂが形成される静電発電装置１ｂについて説明する。

この第３実施形態による静電発電装置１ｂは、図７に示すように、約３００μｍ〜約１０００μｍの厚みを有するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの樹脂からなる基板２１ａの下面上には、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するＡｌからなる集電電極２２および２３が形成されている。また、第３実施形態では、集電電極２２および２３上の表面上と基板２１上には、ポリプロピレン（ＰＰ）などからなる絶縁膜２４ｂが形成されている。

なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第２実施形態と同様である。

第３実施形態では、上記のように、基板２１ａは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの樹脂からなるとともに、絶縁膜２４ｂを、ポリプロピレン（ＰＰ）などの有機絶縁膜から形成することによって、基板２１ａや絶縁膜２４ｂが割れるのを容易に抑制することができる。また、基板２１ａと絶縁膜２４ｂとを、それぞれ、類似した材料である樹脂と有機絶縁膜によって形成することによって、容易に、基板２１ａと絶縁膜２４ｂとの密着性をよくすることができる。

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実施形態では、集電電極２２および２３上に絶縁膜２４を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、図８に示す変形例のように、集電電極２２および２３を覆うように絶縁膜２４ｃを形成してもよい。

また、上記第１実施形態では、エレクトレット膜１２と第２導電体層１３との表面上に絶縁膜１４を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、絶縁膜１４を形成しなくてもよいし、エレクトレット膜１２が第２導電体層１３よりも上部にある構造にしてもよい。これらの場合、エレクトレット膜１２と集電電極２２および２３との接触や、第２導電体層１３と集電電極２２および２３との接触を抑制することによって、集電電極２２および２３に蓄積される電荷が接触により流出するのを抑制することができる。

また、上記第２実施形態では、基板２１上と、集電電極２２および２３上とに、表面が凹凸形状を有する絶縁膜２４ａを形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、図９に示す変形例のように、塗布法により、表面が平坦な絶縁膜２４ｄを形成してもよい。これにより、絶縁膜２４ｄと、第２導電体層１３（絶縁膜１４）とが引っ掛かるのを抑制することができる。また、絶縁膜２４ｄの表面を平坦に形成することにより、絶縁膜２４ｄの表面に凹凸がある場合と異なり、チリなどが凸部に引っ掛かり、絶縁膜２４ｄの凸部を破壊するのを抑制することができる。

また、上記第３実施形態では、基板２１ａをポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの樹脂から形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）以外の樹脂から形成してもよい。また、絶縁膜２４ｂを、ポリプロピレン（ＰＰ）などの有機絶縁膜から形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ポリプロピレン（ＰＰ）以外のエポキシ樹脂や、ポリエステルなどの有機フィルムや、これらを材料とする粘着テープなどの有機絶縁膜から形成してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、集電電極上に形成される絶縁膜が１層である例を示したが、本発明はこれに限らず、２層以上の絶縁膜を形成してもよい（図６参照）。たとえば、集電電極上に、ＳｉＯ_２膜を形成するとともに、ＳｉＯ_２膜上にＳｉＮ膜を形成してもよい。これにより、発電量をより大きくすることができる。

また、上記第１〜第３実施形態では、集電電極、第２導電体層、および絶縁膜の側面が、基板の表面に対して垂直に形成される例を示したが、本発明はこれに限らず、集電電極、第２導電体層、および絶縁膜の側面を基板の表面に対して傾斜するように形成してもよい。これにより、チリなどが集電電極、第２導電体層、および絶縁膜の側面に引っ掛かり、集電電極、第２導電体層、および絶縁膜を破壊するのを抑制することができる。

本発明の第１実施形態による静電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の２００−２００線に沿った断面図である。電極間に設けられる誘電体と発電量との関係を説明するための図である。電極間に設けられる誘電体と発電量との関係を説明するための図である。電極間に設けられる誘電体と発電量との関係を説明するための図である。本発明の第２実施形態による静電発電装置の断面図である。本発明の第１実施形態の変形例による静電発電装置の断面図である。本発明の第２実施形態の変形例による静電発電装置の断面図である。

符号の説明

１２エレクトレット膜
２１、２１ａ基板
２２、２３集電電極（電極）
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ絶縁膜

Claims

基板と、
前記基板の表面上に形成される電極と、
前記電極に対向するように設けられるエレクトレット膜と、
前記電極の前記エレクトレット膜に対向する側の表面に形成された絶縁膜とを備えた、静電発電装置。
前記絶縁膜は、前記電極の側面にも形成される、請求項１に記載の静電発電装置。
前記絶縁膜は、前記基板の表面上にも形成される、請求項１または２に記載の静電発電装置。
前記基板と前記絶縁膜とは、同一の元素を含む、請求項３に記載の静電発電装置。
前記絶縁膜は、前記電極と前記エレクトレット膜との間に存在する物質よりも比誘電率が大きい膜からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電発電装置。
前記基板は、樹脂からなるとともに、前記絶縁膜は、有機絶縁膜からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電発電装置。
前記基板の表面上に形成された前記絶縁膜の表面が、前記電極の表面に対し、同じか突出している、請求項３〜６のいずれか１項に記載の静電発電装置。