JP2009232615A

JP2009232615A - 静電動作装置

Info

Publication number: JP2009232615A
Application number: JP2008076741A
Authority: JP
Inventors: Naoteru Matsubara; 直輝松原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】発電量をより増加させることが可能な静電動作装置を提供する。
【解決手段】この発電装置（静電動作装置）１００は、エレクトレット２２が形成された可動基板２１と、可動基板２１と所定の間隔を隔てて対向するように設けられるとともに、可動基板２１に対して相対的に移動可能なように構成され、集電電極３２が形成された固定基板３１と、エレクトレット２２と集電電極３２との電極間ギャップを制御するギャップ制御部４とを備える。また、可動基板２１のエレクトレット２２と固定基板３１の集電電極３２との少なくとも一部の領域間の距離が、ギャップ制御部４により制御される電極間の距離よりも小さくなるように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電動作装置に関し、特に、第１電極が形成された第１基板および第２電極が形成された第２基板を備えた静電動作装置に関する。

従来、第１電極が形成された第１基板および第２電極が形成された第２基板を備えた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、導通性を有する電極（第１電極）が設けられた可動部（第１基板）と、電荷が保持されたエレクトレットからなる電極（第２電極）が設けられた固定部（第２基板）とを備えたエレクトレット発電装置（静電動作装置）が開示されている。上記特許文献１では、可動部および固定部にそれぞれ設けられた電極は、互いに対向するように一定の間隔（電極間ギャップ）を隔てて配置されているとともに、可動部は、バネ部材に挟み込まれるようにして支持されている。そして、可動部が固定部に対して平行方向に振動する際に、対向する電極間で静電誘導を発生させて発電するように構成されている。

特表２００５−５２９５７４号公報

上記特許文献１に記載のエレクトレット発電装置（静電動作装置）では、可動部および固定部にそれぞれ設けられた電極は、一定の間隔（電極間ギャップ）を隔てて対向するように配置されているため、エレクトレット発電装置（静電動作装置）が振動した際に、一定の間隔（電極間ギャップ）に対応した発電量しか得ることができないという不都合がある。このため、可動部および固定部の距離（電極間ギャップ）が一定の場合には、エレクトレット発電装置（静電動作装置）の発電量をより増加させることが困難であ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、発電量をより増加させることが可能な静電動作装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面における静電動作装置は、第１電極が形成された第１基板と、第１基板と所定の間隔を隔てて対向するように設けられるとともに、第１基板に対して相対的に移動可能なように構成され、第２電極が形成された第２基板と、第１電極と第２電極との電極間ギャップを制御するギャップ制御部とを備え、第１基板の第１電極と第２基板の第２電極との少なくとも一部の領域間の距離が、ギャップ制御部により制御される電極間の距離よりも小さくなるように構成されている。

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実施形態による発電装置の全体構成を示した平面図である。図２は、本発明の第１実施形態による発電装置の断面図である。まず、図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態による発電装置１００の構成について説明する。なお、発電装置１００は、本発明の「静電動作装置」の一例である。

本発明の第１実施形態による発電装置１００は、図２に示すように、筐体１と、可動部２と、固定部３と、２つのギャップ制御部４と、コイルバネからなるバネ部材５（図１参照）とを備えている。

筐体１は、図１および図２に示すように、板状の支持部材１１と、支持体１２と、蓋部１３とから構成されている。支持部材１１上には、固定部３が載置されている。また、支持体１２は、平面的に見て、支持部材１１を囲むように形成されているとともに、支持部材１１が延びる方向（Ｘ方向およびＹ方向）と直交する方向（Ｚ方向）に延びるように形成されている。また、蓋部１３は、支持体１２の開口部分を塞ぐように支持体１２の上方に配置されている。

可動部２は、図２に示すように、Ｓｉ（シリコン）などからなる可動基板２１と、可動基板２１の矢印Ｚ１方向側に形成されているエレクトレット２２とから構成されている。また、エレクトレット２２は、可動基板２１上に形成された約１μｍの厚みを有するＳｉＯ_２膜と、このＳｉＯ_２膜上に形成された約０．３μｍの厚みを有する有機ＳＯＧ膜とからなる積層膜を形成した後に、コロナ放電により電荷注入することにより形成されている。なお、このときの放電電荷量は、２×１０^１４／ｃｍ^２程度である。なお、可動基板２１は、本発明の「第１基板」の一例であり、エレクトレット２２は、本発明の「第１電極」の一例である。

ここで、第１実施形態では、ＳｉＯ_２膜と有機ＳＯＧ膜との積層膜からなるエレクトレット２２は、可動基板２１に対して圧縮応力を加える膜としての機能を有する。具体的には、エレクトレット２２の形成時において、コロナ放電による電荷注入の前に熱処理プロセスが行われる。この際に、ＳｉＯ_２膜（電荷注入前の状態）の熱膨張係数がＳｉからなる可動基板２１とは異なることから、ＳｉＯ_２膜は、可動基板２１を圧縮させるような応力（圧縮応力）を加えるように変形する。この場合、ＳｉＯ_２膜は、Ｘ方向に膨張するように変形する一方で、可動基板２１は、ＳｉＯ_２膜の膨張に伴ってＸ方向に収縮するように変形することになる。そして、ＳｉＯ_２膜は、可動基板２１に対して圧縮応力を加えた状態で電荷注入されることによりエレクトレット化される。したがって、エレクトレット２２（エレクトレット化したＳｉＯ_２膜）が、可動基板２１に対して圧縮応力を加えた状態となるように構成される。以上により、第１実施形態では、可動基板２１およびエレクトレット２２は、矢印Ｚ１方向側に略凸形状を有するようにして、全体的にＺ方向に反るように形成されている。なお、エレクトレット２２は、可動基板２１に圧縮応力を加える膜としての機能と、電極としての機能の両方の機能を有する。

固定部３は、支持部材１１上に設けられたガラスなどからなる固定基板３１と、固定基板３１の矢印Ｚ２方向側の表面上に形成されたＡｌなどからなる集電電極３２とから構成されている。なお、固定基板３１は、本発明の「第２基板」の一例であり、集電電極３２は、本発明の「第２電極」の一例である。また、固定基板３１は、可動基板２１と対向するように設けられている。また、可動基板２１は、固定基板３１に対してＹ方向（図２参照）に相対的に移動可能なように構成されている。

また、第１実施形態では、図２に示すように、２つのギャップ制御部４は、ＳｉやＳｉＯ_２などからなるとともに、可動基板２１のエレクトレット２２と固定基板３１の集電電極３２とのＺ方向における電極間距離（ギャップ）を制御する機能を有する。具体的には、２つのギャップ制御部４は、それぞれ、可動基板２１のＸ方向側の端部２１ａおよび２１ｂ近傍にＺ方向側に延びるように配置されているとともに、ギャップ制御部４の長さを調整することによって、エレクトレット２２と集電電極３２とのＺ方向の電極間ギャップ（距離）を制御するように構成されている。

また、第１実施形態では、可動基板２１のエレクトレット２２と、固定基板３１の集電電極３２との中心部近傍の長さＬ１が、ギャップ制御部４により制御される基板間の長さＬ２よりも小さくなるように構成されている。また、第１実施形態では、エレクトレット２２の中心部近傍と集電電極３２の中心部近傍との距離Ｌ１が、エレクトレット２２の周辺部近傍と集電電極３２の周辺部近傍との距離Ｌ３よりも小さくなるように構成されている。

また、図１に示すように、４つのバネ部材５は、可動基板２１を、筐体１の支持体１２に保持するために設けられている。また、バネ部材５が伸縮することにより、可動基板２１は固定基板３１に対してＹ方向に振動可能なように構成されている。

次に、図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態による発電装置１００の発電動作について説明する。

図１および図２に示すように、可動基板２１が筐体１内に静止した状態において、互いに対向するエレクトレット２２および集電電極３２の間において静電誘導が発生することにより、集電電極３２に電荷が蓄積される。そして、発電装置１００をＹ方向に振動させることにより、エレクトレット２２が集電電極３２に対して平行移動する。これにより、静電誘導によって集電電極３２に誘導された電荷量が変動する。そして、集電電極３２に接続された負荷（図示せず）に電流が発生する。

第１実施形態では、上記のように、可動基板２１のエレクトレット２２と、固定基板３１の集電電極３２との中心部近傍の領域間の長さ（Ｌ１）を、ギャップ制御部４により制御される長さ（Ｌ２）よりも小さくなるように構成することによって、電極間の距離が常に一定の間隔に保持されている場合に比べてエレクトレット２２と集電電極３２との中心部近傍の領域間の電極間ギャップ（距離）がより小さくなるので、その分、発電量をより増加させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、可動基板２１のエレクトレット２２の中心部近傍と、固定基板３１の集電電極３２の中心部近傍との距離（Ｌ１）を、可動基板２１のエレクトレット２２の周辺部近傍と、固定基板３１の集電電極３２の周辺部近傍との距離（Ｌ３）よりも小さくなるように構成することによって、エレクトレット２２と集電電極３２との中心部近傍の電極間ギャップが、エレクトレット２２と集電電極３２との周辺部近傍の電極間ギャップよりも小さくなるので、エレクトレット２２と集電電極３２との中心部近傍における発電量をエレクトレット２２と集電電極３２との周辺部近傍における発電量よりも大きくすることができる。したがって、その分、全体的な発電量を増加させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、可動基板２１を、集電電極３２に向かって全体的に略凸形状を有するように構成することによって、可動基板２１を直線状に形成する場合に比べて、エレクトレット２２と集電電極３２との中心部近傍の電極間ギャップ（距離）を確実に小さくすることができるので、その分、容易に、発電量を増加させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、可動基板２１の固定基板３１側（矢印Ｚ１方向側）の表面上に、可動基板２１に対して圧縮応力を加えるＳｉＯ_２膜を形成することによって、容易に、可動基板２１を集電電極３２に向かって凸状に撓ませることができる。これにより、可動基板２１を直線状に形成する場合に比べて、エレクトレット２２と集電電極３２との中心部近傍の電極間ギャップ（距離）を容易に小さくすることができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態による発電装置の全体構成を示した平面図である。図４は、本発明の第２実施形態による発電装置の断面図である。次に、図３および図４を参照して、この第２実施形態における発電装置１００ａでは、ギャップ制御部４を可動基板２１と固定基板３１との間に配置するように構成した第１実施形態とは異なり、ギャップ制御部４ａを支持体１２内に配置するように構成した例について説明する。なお、発電装置１００ａは、本発明の「静電動作装置」の一例である。

第２実施形態における発電装置１００ａでは、図４に示すように、ギャップ制御部４ａは、支持部材１１側に設けられた第１支持体１２ａと、蓋部１３側に設けられた第２支持体１２ｂとに挟まれるように配置されている。また、可動部２は、バネ部材５ａによって第２支持体１２ｂ側に支持されている。これにより、ギャップ制御部４ａの長さを調整することによって、可動基板２１のエレクトレット２２と固定基板３１の集電電極３２との電極間ギャップが制御されるように構成されている。

また、第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、エレクトレット２２は、可動基板２１をＹ方向に圧縮させるような応力（圧縮応力）を加えた状態となるように構成されている。これにより、可動部２は、矢印Ｚ１方向側に略凸形状を有するようにして、全体的にＺ方向に反るように構成されている。

なお、第２実施形態のその他の構成および発電動作は、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２２が可動基板２１に対してＹ方向に圧縮させるような応力（圧縮応力）を加えた状態となる場合でも、第１実施形態と同様に、エレクトレット２２と集電電極３２との周辺部近傍の電極間ギャップに比べて、エレクトレット２２と集電電極３２との中心部近傍の電極間ギャップ（距離）を容易に小さくすることができるので、その分、発電量を増加させることができる。

また、第２実施形態では、ギャップ制御部４ａを第１支持体１２ａおよび第２支持体１２ｂに挟み込まれるようにした場合においても、エレクトレット２２と集電電極３２との電極間ギャップを容易に調整することができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態による発電装置の全体構成を示した平面図である。図６は、本発明の第３実施形態による発電装置の断面図である。次に、図５および図６を参照して、この第３実施形態における発電装置１００ｂでは、ギャップ制御部４を可動基板２１と固定基板３１との周辺部近傍の領域間に配置するように構成した第１実施形態とは異なり、ギャップ制御部４ｂを可動基板２１と固定基板３１との中心部近傍の領域間に配置するように構成した例について説明する。なお、発電装置１００ｂは、本発明の「静電動作装置」の一例である。

第３実施形態における発電装置１００ｂでは、図５および図６に示すように、Ｙ方向に延びるように１つのギャップ制御部４ｂが設けられている。このギャップ制御部４ｂは、図６に示すように、可動基板２１と、固定基板３１との中心部近傍の領域間に配置されている。また、第３実施形態では、可動基板２１の矢印Ｚ１方向側の表面上には、エレクトレット２２が形成されている。エレクトレット２２は、可動基板２１よりも小さい熱膨張係数の材料である、ＳｉＯ_２膜および有機ＳＯＧ膜からなる。

また、可動基板２１の矢印Ｚ１方向側の表面上には、エレクトレット２２が形成されているとともに、エレクトレット２２は、可動基板２１をＹ方向に膨張させる応力を加えた状態となるように構成されている。具体的には、エレクトレットの成膜方法あるいはエレクトレット成膜後の熱処理プロセス条件によって、膨張する場合と圧縮する場合とがある。そして、第３実施形態では、ＳｉＯ_２膜を膨張させるように形成した第１実施形態とは異なり、ＳｉＯ_２膜を収縮させるように形成することによって、ＳｉＯ_２膜が可動基板２１を引っ張るような応力（可動基板２１が膨張するような応力）を加えるように構成されている。これにより、可動部２は、矢印Ｚ２方向側に略凸形状を有するようにして、全体的にＺ方向に反るように構成されている。

これにより、第３実施形態では、エレクトレット２２と集電電極３２との周辺部近傍の領域間の長さＬ４は、エレクトレット２２と集電電極３２との中心部近傍の領域間の長さＬ５よりも小さくなるように構成されている。

なお、第３実施形態のその他の構成は、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２２と集電電極３２との周辺部近傍の領域間の長さＬ４を、エレクトレット２２と集電電極３２との中心部近傍の領域間の長さＬ５よりも小さくなるように構成することによって、電極の距離が常に一定の間隔に保持されている場合に比べてエレクトレット２２と集電電極３２との周辺部近傍の領域間の電極間ギャップがより小さくなるので、その分、より発電量を増加させることができる。

なお、第３実施形態のその他の効果は、第１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３実施形態では、可動基板に応力を加える膜としてＳｉＯ_２からなる膜を適用する例を示したが、本発明はこれに限らず、可動基板に応力を加える膜であればＳｉＯ_２以外の膜でも適用可能である。

また、上記第１〜第３実施形態では、Ｓｉにより可動基板を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、Ｓｉ以外の材料により可動基板を形成してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、ガラスにより固定基板を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ガラス以外の材料により固定基板を形成してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、可動基板を湾曲した例を示したが、本発明はこれに限らず、固定基板を湾曲した構成としても良い。

また、上記第１〜第３実施形態では、ＳｉやＳｉＯ_２などによりギャップ制御部を構成する例を示したが、本発明はこれに限らず、硬質で厚みの変動を生じない材料であればよく、たとえば、ギャップ制御部を硬質有機樹脂材料や硬質金属材料などにより構成してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、可動基板上の膜（ＳｉＯ_２および有機ＳＯＧ）をエレクトレット化させる条件として、電荷注入時の放電電荷量を２×１０^１４／ｃｍ^２とする例を示したが、本発明はこれに限らず、異なる放電電荷量による電荷注入を行ってもよい。なお、以下に、異なる放電電荷量の条件により作製したサンプル（Ａ〜Ｄ）について評価した結果を説明する。具体的には、放電電荷量の条件を２×１０^１４／ｃｍ^２として形成したエレクトレットからなるサンプルＡと、放電電荷量７×１０^１４／ｃｍ^２として形成したエレクトレットからなるサンプルＢと、放電電荷量７×１０^１５／ｃｍ^２として形成したエレクトレットからなるサンプルＣと、放電電荷量２×１０^１６／ｃｍ^２として形成したエレクトレットからなるサンプルＤとを形成した。ここで、図７は、上記サンプルＡ〜Ｄを大気中に保管した際の時間に対する表面電位変化の結果を示す図である。図７の結果から、放電電荷量の低いサンプルＡおよびＢでは、初期の段階ではわずかに表面電位が低下するものの、数十時間後には高い表面電位で安定することが分かる。一方、放電電荷量の高いサンプルＤでは、大気中での経年劣化により表面電位が低下しており、ほとんどの帯電電荷が消滅した。また、図８は、サンプルＡ〜Ｄからなるエレクトレットおよび電荷注入していないサンプル（Ｒｅｆ．）における電流−電圧特性図である。図８の結果からは、放電電荷量の多い（すなわち、経年劣化の大きい）サンプルほど、漏れ電流が大きくなることが判明した。絶縁膜の漏れ電流の原因としては、一般的に、「トンネル現象」、「不純物準位の導入」および「欠陥準位の導入」が挙げられるが、この場合には、実際の膜厚が大きい点と電荷注入という物理的にエネルギーを付与している点とから「欠陥準位の導入による漏れ電流」と推測できる。したがって、高安定特性を備えたエレクトレットを形成するためには、欠陥を抑制しながら電荷注入する放電制御が重要であり、その一例として、できるだけ放電電荷量を低減させることが有効といえる。

本発明の第１実施形態による発電装置の全体構成を示した平面図である。図１の２００−２００線に沿った断面図である。本発明の第２実施形態による発電装置の全体構成を示した平面図である。図３の２００ａ−２００ａ線に沿った断面図である。本発明の第３実施形態による発電装置の全体構成を示した平面図である。図５の２００ｂ−２００ｂ線に沿った断面図である。本発明の変形例を説明するための図である。本発明の変形例を説明するための図である。

符号の説明

４、４ａ、４ｂギャップ制御部
２１可動基板（第１基板）
２２エレクトレット（第１電極）
３１固定基板（第２基板）
３２集電電極（第２電極）
１００、１００ａ、１００ｂ発電装置（静電動作装置）

Claims

第１電極が形成された第１基板と、
前記第１基板と所定の間隔を隔てて対向するように設けられるとともに、前記第１基板に対して相対的に移動可能なように構成され、第２電極が形成された第２基板と、
前記第１電極と前記第２電極との電極間ギャップを制御するギャップ制御部とを備え、
前記第１基板の第１電極と前記第２基板の第２電極との少なくとも一部の領域間の距離が、前記ギャップ制御部により制御される電極間の距離よりも小さくなるように構成されている、静電動作装置。
前記第１基板の第１電極の中心部近傍と前記第２基板の第２電極の中心部近傍との距離が、前記第１基板の第１電極の周辺部近傍と前記第２基板の第２電極の周辺部近傍との距離よりも小さくなるように構成されている、請求項１に記載の静電動作装置。
前記第１基板は、全体的に略凸形状を有している、請求項１または２に記載の静電動作装置。
前記第１基板の前記第２基板側の表面上には、前記第１基板に対して応力を加える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。
前記応力を加える膜は、前記第１基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数の材料により形成されている、請求項４に記載の静電動作装置。