JP2010258890A - 静電誘導型変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】素子が搭載される機器の使用範囲及び製造工程の設計自由度の広範化を図るとともに、エレクトレットの電荷が減少した場合でもその機能を回復させることができる静電誘導型変換素子を提供すること。
【解決手段】静電誘導型変換素子１００は、ガラス基板１０１上に形成されたアルミニウム電極１０２及び二酸化シリコン１０３と、ガラス基板１０１に対向するガラス基板１０４上に形成された電子放出手段１１０及びアルミニウム電極１０５と、バネ１０６を介してガラス基板１０４を支持する支持台１０７と、外面を覆うガラス基板１０８と、素子内部を封止する封止材１０９とを備え、二酸化シリコン１０３は、電子放出手段１１０が放出した電子によって負電荷を有するエレクトレットとなり、アルミニウム電極１０５は、エレクトレットの負電荷によって正電荷が静電誘導される構成を有する。
【選択図】図８

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に関する。

従来、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、マイクロホ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、特許文献１〜３にはエレクトレットを使用した素子や発電装置等の例が示されている。

しかしながら、従来技術の素子においては、あらかじめコロナ放電や電子照射、液体接触等を行う装置を用い、絶縁材料に電荷を注入して製造したエレクトレットを配置した部品に、静電誘導により電荷を誘起するための電極等を配置した部品を対向させた構造であった。このため、エレクトレットの電荷が減少した場合、再び電荷を注入するためには素子を分解しなければならなかった。実際には、素子を分解することは難しいため、エレクトレットの電荷が減少しないよう、素子の使用条件に制約が生じていた。

この制約の一つに温度条件があった。一般的に、エレクトレットを高温にさらすと、その電荷が減少してしまう。例えば、旭硝子株式会社のＣＹＴＯＰ（登録商標）等の有機材料で構成したエレクトレットでは、１４０℃〜１９０℃程度よりも高い温度下において、また、二酸化シリコン等の無機材料で構成したエレクトレットでは、２００℃〜４００℃程度よりも高い温度下において、エレクトレットの電荷が減少する。たとえ材料自体に何ら劣化がなくとも、この様な温度にさらすとエレクトレットの電荷が減少してしまうので、エレクトレットを例えば発電装置に使用した場合は発電量が著しく減少し、センサに使用した場合は検知感度が著しく減少する。したがって、従来のエレクトレットを使用した素子には以下に示すような課題があった。

課題１．素子の製造工程における課題
素子の製造工程において、エレクトレットを作製した後は高温を要する工程が利用できなかった。このため、製造工程の設計自由度が制限され、利用できる製造方法や材料などが限られるという課題があった。

課題２．素子を搭載する搭載機器における課題
現在、産業用に広く用いられている半田リフロー技術が利用できない。このため、素子を各機器に搭載する際の障害となり、搭載機器の使用用途が限られてしまう、あるいは手作業が必要となり搭載機器の製造コストが増大してしまうという課題があった。

課題３．素子の利用中に機能が劣化した際の課題
素子を構成するエレクトレット以外の材料が十分に利用可能な温度条件であっても、素子の利用中にエレクトレットが高温にさらされた場合、エレクトレットの電荷が減少して素子の機能が劣化してしまう。エレクトレットに電荷を再注入するためには、素子の分解が必要となるが、実際は困難なため素子の交換が必要となるという課題があった。

なお、課題１において、高温を要する工程としては、例えば素子内部を真空保持するための封止工程がある。封止材として鉛ガラスを含んだフリットガラスを用いる場合、５００℃程度の温度を必要とする。また、例えば素子内部の真空保持用ゲッター材を活性化するための工程も、同程度の温度を必要とする。

また、課題２において、半田リフロー技術は素子を回路基板に配置するのに多く用いられる。半田リフロー技術における温度として２２０℃程度が必要である。

また、課題３において、素子の利用中に例えば５００℃程度の環境にさらされたとする。素子を構成する部品が、例えばＭＥＭＳなどで多く用いられるシリコンやシリコン化合物等の無機物などで構成されている場合は、材料としては特に劣化しない。しかしながら、エレクトレットに二酸化シリコンを用いた場合、前述の温度では、エレクトレットから電荷が減少してしまうため、素子の機能は劣化してしまい、素子の機能が失われる。

特開昭５８−６１１８号公報 特許第３５４５９８２号公報 特開２００６−１８０４５０号公報

本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたもので、素子が搭載される機器の使用範囲及び製造工程の設計自由度の広範化を図るとともに、エレクトレットの電荷が減少した場合でもその機能を回復させることができる静電誘導型変換素子を提供することを目的とする。

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静電誘導型変換素子であって、電子が注入されると負電荷を有するエレクトレットとして機能する絶縁材料が設けられた第１基板と、前記エレクトレットとして機能する際の前記絶縁材料が有する前記負電荷によって正電荷が静電誘導される静電誘導部が設けられた第２基板と、前記絶縁材料に向けて前記電子を放出する電子放出手段とを備え、前記第１基板及び前記第２基板は、互いに対向する面方向に相対的に運動可能に構成されている。

この構成により、本発明の静電誘導型変換素子は、電子を放出する電子放出手段を備えるので、高温を要する封止工程や、半田リフロー工程の後に、電子放出手段によって絶縁材料に電子を注入することにより、絶縁材料をエレクトレットとして機能させることができる。

また、この構成により、本発明の静電誘導型変換素子は、素子が搭載される機器が高温の環境下に置かれ、エレクトレットの電荷が減少して素子の機能が劣化しても、素子を分解することなく、電子放出手段によって絶縁材料に電子を再注入することができる。

したがって、本発明の静電誘導型変換素子は、素子が搭載される機器の使用範囲及び製造工程の設計自由度の広範化を図るとともに、エレクトレットの電荷が減少した場合でもその機能を回復させることができる。

また、本発明の静電誘導型変換素子は、前記絶縁材料、前記静電誘導部及び前記電子放出手段が、それぞれ、同じ方向にライン状に形成されたものである構成を有している。

この構成により、本発明の静電誘導型変換素子は、絶縁材料と静電誘導部との相対運動の振幅が小さくても、電気エネルギと運動エネルギとの変換効率を向上することができる。また、この構成により、本発明の静電誘導型変換素子は、電子放出手段が放出した電子を効率よく絶縁材料に注入することができる。

さらに、本発明の静電誘導型変換素子は、前記電子放出手段が、前記静電誘導部を備え、前記絶縁材料に対向する前記第２基板の対向面上に形成されたものである構成を有している。

この構成により、本発明の静電誘導型変換素子は、電子放出手段が静電誘導部を備えるので、素子構造を簡素化することができる。

さらに、本発明の静電誘導型変換素子は、前記電子放出手段が、前記絶縁材料に対向する前記第２基板の対向面上において、前記静電誘導部に平行に形成されたものである構成を有している。

この構成により、本発明の静電誘導型変換素子は、電子放出手段と静電誘導部とを別個に配置することにより、それぞれを最適な材料で形成でき、特に、電子放出手段の電子放出効率を向上させることができる。

さらに、本発明の静電誘導型変換素子は、前記絶縁材料に対向する位置に前記電子放出手段が形成された第３基板を備え、前記第２基板は、前記第１基板と前記第３基板との間に設けられ、前記電子放出手段が放出した電子を通過させる電子通過孔が形成されたものである構成を有している。

この構成により、本発明の静電誘導型変換素子は、絶縁材料と電子放出手段との間の距離を十分確保することができるので、電子放出手段からの電子を加速する加速電圧を十分大きくしても絶縁破壊が発生しにくくなる。

さらに、本発明の静電誘導型変換素子は、前記電子放出手段が、冷陰極電子源を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の静電誘導型変換素子は、冷陰極電子源によって絶縁材料に電子を注入することにより、絶縁材料をエレクトレットとして機能させることができる。

本発明は、素子が搭載される機器の使用範囲及び製造工程の設計自由度の広範化を図るとともに、エレクトレットの電荷が減少した場合でもその機能を回復させることができるという効果を有する静電誘導型変換素子を提供することができるものである。

本発明に係る静電誘導型変換素子の基本的な機能を説明するための断面図 本発明に係る静電誘導型変換素子に負荷が接続されたときの基本的な機能を説明するための断面図 本発明に係る静電誘導型変換素子の構成例１を概念的に示す図 本発明に係る静電誘導型変換素子の構成例２を概念的に示す図 本発明に係る静電誘導型変換素子の構成例３を概念的に示す図 本発明に係る静電誘導型変換素子の電子放出手段の構成例を概念的に示す図 本発明に係る静電誘導型変換素子の電子放出手段の構成例を概念的に示す図 本発明に係る静電誘導型変換素子の第１実施形態における構成を概念的に示す断面図 本発明に係る静電誘導型変換素子の第２実施形態における構成を概念的に示す断面図 本発明に係る静電誘導型変換素子の第３実施形態における構成を概念的に示す断面図

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明で用いる各図面は、各構成要素を概念的に示したものであり、実際の寸法に対応させて各構成要素を示したものではない。また、以下の説明において記載した材料や寸法等は一例であり、本発明を限定するものではない。

まず、本発明に係る静電誘導型変換素子の基本的な機能について説明する。

（電子放出手段の機能の説明）
図１は、本発明に係る静電誘導型変換素子の基本的な機能を説明するための断面図である。同図において、導体１１上には絶縁材料１２が設けられ、導体１１に対向して電子放出手段２０が配置されている。電子放出手段２０は、導体２１及び２３と、これらに挟まれたポーラスシリコン２２とを備えている。すなわち、この電子放出手段２０は、ポーラスシリコン２２を用いた弾道電子放出型の構成を有する冷陰極電子源である。

また、導体１１と電子放出手段２０との間隙は真空に保たれ、各導体には電源が接続されている。具体的には、導体１１と導体２１との間には電源３１が接続され、導体１１には正電位、導体２１には負電位の電圧が印加されるようになっている。また、導体２１と導体２３との間には電源３２が接続され、導体２１には負電位、導体２３には正電位の電圧が印加されるようになっている。

この構成において、電源３１及び３２の電圧を所定値に設定することにより、電子放出手段２０は絶縁材料１２に向けて電子２４を放出する。この構成は、導体２１がカソード電極、導体２３がゲート電極、導体１１がアノード電極として機能する、いわゆる３極型冷陰極素子と呼ばれるものである。

絶縁材料１２は、電子放出手段２０が放出した電子２４が絶縁材料１２に注入されると、エレクトレットとして機能する。

（静電誘導型変換素子の機能の説明）
次に、本発明に係る静電誘導型変換素子の機能を図２に基づき説明する。

図２に示した静電誘導型変換素子は、電子が注入されエレクトレットとして機能する絶縁材料１２が設けられた導体１１と、電子放出手段２０とは、互いに対向する面方向に相対的に運動可能に構成されている。この構成において、図２に示すように、導体１１と導体２３とを負荷３３に電気的に接続し、電子放出手段２０を図示の矢印方向に運動させると、絶縁材料１２に注入された電子による負電荷によって導体２３に正電荷が静電誘導され、負荷３３に電流が流れる。この場合、本発明に係る静電誘導型変換素子は、運動エネルギを電気エネルギに変換することが可能な、発電素子又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、マイクロホン、圧力センサ、加速度センサ、地震計等がある。

他方、負荷３３に替えて導体１１と導体２３とに電源を接続する構成とすれば、電源の電気エネルギによって電子放出手段２０を例えば図示の矢印方向に運動させることができる。この場合、本発明に係る静電誘導型変換素子は、電気エネルギを運動エネルギに変換することが可能なアクチュエータとして機能する。なお、図２において、導体２３は、本発明に係る静電誘導部を構成する。

次に、本発明に係る静電誘導型変換素子の構成について３つの構成例を挙げ、図３〜図５に基づき説明する。なお、図３〜図５において、図１及び図２に示した構成要素と同じものには同一の符号を付している。また、絶縁材料１２に注入された電子によって正電荷が静電誘導される電極を以下「対向電極」という。

（静電誘導型変換素子の構成例１）
図３（ａ）及び（ｂ）は、静電誘導型変換素子の構成例１の斜視図及び断面図をそれぞれ概念的に示す図である。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、この構成例１では、導体１１及び絶縁材料１２が順次形成された基板４１と、導体２１及び２３とポーラスシリコン２２とで形成された電子放出手段２０が設けられた基板４２とが対向して配置されている。

ここで、導体２３は、いわゆる３極型冷陰極素子におけるゲート電極としての機能に加え、対向電極としての機能を備えたものとなっている。すなわち、構成例１において、電子放出手段２０は、本発明に係る静電誘導部を備えたものである。

また、導体１１、絶縁材料１２及び電子放出手段２０は、それぞれ、ライン状の形状で、同じ方向に平行に形成されている。この構成によれば、静電誘導型変換素子を発電素子とした場合、前述した特許文献３に記載されているように、絶縁材料１２と導体２３との相対運動の振幅が小さくてもより多くの電流が得られる。

（静電誘導型変換素子の構成例２）
図４は、静電誘導型変換素子の構成例２を示すものである。この構成例２では、互いに隣接するライン状の電子放出手段２０の間隙に、ライン状の対向電極としての導体３４を設けたものである。この場合、構成例１のように導体２３が対向電極を兼ねる必要がないため、例えば電子放出の効率が向上するよう、導体２３の材質や膜厚を自由に選択することが可能になる。

通常、電子放出手段２０の電子放出効率の向上を図るには、導体２３として、膜厚が薄く、仕事関数の低い材質とするのが好ましいが、このような材質の導体で形成した電極は高抵抗になり、静電誘導の対向電極に適さない場合がある。しかしながら、構成例２のものは、導体２３が対向電極を兼ねる必要がなく、導体２３として好適な材質を用いることができるので、電子放出手段２０の電子放出効率の向上を図ることができる。

（静電誘導型変換素子の構成例３）
図５は、静電誘導型変換素子の構成例３を示すものである。この構成例３では、基板４１と４２との間に、新たに基板４３を設けたものであり、基板４３が基板４１及び４２に対して運動するようになっている。図５（ａ）に示すように、基板４３は、電子放出手段２０が放出した電子を通過させる貫通孔４４が形成されたものであり、絶縁材料１２と対向する面側に対向電極としての導体３４を備えている。

この構成により、電子放出手段２０と絶縁材料１２との距離を十分に取ることが可能になるため、例えば導体２１（カソード電極相当）と導体１１（アノード電極相当）との間に印加する加速電圧を十分に大きくすることができる。電子放出手段２０と絶縁材料１２との距離が十分に大きくない場合には、内部の真空度にもよるが絶縁破壊がおこる場合があるので、構成例３が好ましく、発電素子等においてエレクトレットとしての絶縁材料１２の電位を大きくしたい場合に適している。

（電子放出手段の構成例）
次に、電子放出手段の構成例について説明する。

前述の説明においては、ポーラスシリコン２２を用いた弾道電子放出型の構成を有する冷陰極電子源で電子放出手段２０を構成した例を挙げた。この弾道電子放出型の電子放出手段２０を、図６に示すスピント型の電子放出手段５０や、図７に示す炭素系冷陰極の電子放出手段６０等のような他の冷陰極電子源に置き換えることができる。

まず、図６に示すスピント型の電子放出手段５０は、基板４２上に形成された導体５１と、導体５１上に円錐状に形成され電子を放出する金属エミッタ５２と、対向電極としての導体５３と、導体５３を支持する絶縁層５４とを備える。スピント型の電子放出手段５０は、金属エミッタ５２による高電流密度の動作が可能なので、照射時間を比較的短くすることができる。この構成では、導体５１がカソード電極、導体５３がゲート電極、導体１１がアノード電極の機能を有するので、いわゆる３極型冷陰極素子を形成し、金属エミッタ５２が放出した電子が絶縁材料１２に注入されることとなる。

他方、導体５３及び絶縁層５４を設けない構成とし、導体１１と導体５１との間に電圧を印加することにより金属エミッタ５２に電子放出を行わせることもできる。この構成では、導体５１及び金属エミッタ５２が対向電極として動作し、電子注入後の絶縁材料１２が有する負電荷によって導体５１及び金属エミッタ５２に正電荷が静電誘導される。

次に、図７に示す炭素系冷陰極の電子放出手段６０は、基板４２上に形成された導体６１と、導体６１上に形成されたカーボンナノチューブ６２と、対向電極としての導体６３と、導体６３を支持する絶縁層６４とを備える。炭素系冷陰極の電子放出手段６０は、真空度が低くても動作が可能なので、ガス放出速度の大きい有機材料を使った静電誘導型変換素子においても絶縁材料１２に電子を注入することができる。この構成において、導体６１がカソード電極、導体６３がゲート電極、導体１１がアノード電極の機能を有するので、いわゆる３極型冷陰極素子を形成し、カーボンナノチューブ６２が放出した電子が絶縁材料１２に注入されることとなる。

他方、導体６３及び絶縁層６４を設けない構成とし、導体１１と導体６１との間に電圧を印加することによりカーボンナノチューブ６２に電子放出を行わせることもできる。この構成では、導体６１及びカーボンナノチューブ６２が対向電極として動作し、電子注入後の絶縁材料１２が有する負電荷によって導体６１及びカーボンナノチューブ６２に正電荷が静電誘導される。

次に、本発明に係る静電誘導型変換素子の実施形態を説明する。以下の実施形態では、本発明に係る静電誘導型変換素子を、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電素子に適用した例を挙げて説明する。

（第１実施形態）
図８は、本発明の第１実施形態における静電誘導型変換素子１００を概念的に示す断面図であって、静電誘導型変換素子１００は弾道電子放出型の構成を有するものである。

図８に示すように、本実施形態における静電誘導型変換素子１００は、ガラス基板１０１と、ガラス基板１０１上に順次形成されたアルミニウム電極１０２及び二酸化シリコン１０３とを備えている。なお、ガラス基板１０１は、本発明に係る第１基板を構成する。

また、静電誘導型変換素子１００は、ガラス基板１０１に対向配置されたガラス基板１０４と、ガラス基板１０４上に形成された電子放出手段１１０及びアルミニウム電極１０５とを備えている。なお、ガラス基板１０４は、本発明に係る第２基板を構成する。

さらに、静電誘導型変換素子１００は、導電性を有するバネ１０６と、バネ１０６を介してガラス基板１０４を支持する絶縁体の支持台１０７と、ガラス基板１０１と対向する側の外面を覆うガラス基板１０８と、素子内部を封止する材料（例えばガラスフリット）で構成される封止材１０９とを備えている。

アルミニウム電極１０２は、ガラス基板１０１上に、例えば２００ｎｍの厚さで形成される。また、二酸化シリコン１０３は、例えば１μｍの厚さで構成され、電子放出手段１１０によって電子が注入されるとエレクトレットとして機能するものである。

ガラス基板１０４は、静電誘導型変換素子１００の振動に応じて、バネ１０６が伸縮する方向（図面左右方向）に運動することができるようになっている。ガラス基板１０４の一方の面上には、電子放出手段１１０とアルミニウム電極１０５とがライン状に交互に形成されている。

電子放出手段１１０は、ガラス基板１０４上に順次形成されたアルミニウム電極１１１、ポーラスシリコン１１２及び金電極１１３で構成されている。それぞれの厚さは、例えば、アルミニウム電極１１１は２００ｎｍ、ポーラスシリコン１１２は３μｍ、金電極１１３は１０ｎｍである。

また、図８に例示したように、二酸化シリコン１０３と金電極１１３との間隔は１００μｍ、電子放出手段１１０の幅は５００μｍでその配置間隔は５００μｍ、アルミニウム電極１０５の幅は４００μｍである。

図示を省略したが、静電誘導型変換素子１００の外部には各電極に所定の電圧を印加する電源があり、この電源と各電極とは電気的に接続されている。例えば、以下に示すような構成により電気的に接続することができる。なお、図８において左右対象の構成要素には「（左）」又は「（右）」の添え字をつけて説明する。例えば、図中の左側にあるバネ１０６はバネ１０６（左）と記す。

バネ１０６（左）及び（右）は、それぞれ複数個あるものとすると、例えば、アルミニウム電極１１１及び金電極１１３にはバネ１０６（左）の２つを使用し、アルミニウム電極１０５にはバネ１０６（右）の１つを使用して、外部の電源からの電圧を印加する構成とすることができる。

具体的には、絶縁体の支持台１０７（左）の表面に電気線路を２つ設け、その一端のそれぞれと２つのバネ１０６（左）とを接続し、２つのバネ１０６（左）とアルミニウム電極１１１及び金電極１１３との間をそれぞれ導電材で接続する。また、電気線路の他端と電源との間を導電材で接続し、この導電材をガラス基板１０１と封止材１０９（左）との間を通す構成とする。同様の構成により、アルミニウム電極１０５に対しては、バネ１０６（右）及び支持台１０７（右）を用いて、ガラス基板１０１と封止材１０９（右）との間に導電材を通して電源と接続することができる。また、アルミニウム電極１０２に対しては、ガラス基板１０１と封止材１０９（右）との間に導電材を通して電源と接続することができる。なお、絶縁体の支持台１０７の表面に電気線路を設ける構成に替えて、支持台１０７を複数の導体で形成し、これらを各電極と電源とを結ぶ電気線路の一部とする構成としてもよい。

前述のように構成されているので、本実施形態における静電誘導型変換素子１００は、二酸化シリコン１０３に電荷を注入する工程を、高温を要する工程の後に行うことができる。したがって、静電誘導型変換素子１００は、外部の電源と各電極との電気的な接続処理を行った後、ガラス基板１０１及び１０８の周囲に封止材１０９を塗布し、静電誘導型変換素子１００を真空装置に入れて内部を真空にし、５００℃まで温度上昇させて封止材１０９を溶融させる封止工程を行うことが可能となる。

また、前述の構成において、二酸化シリコン１０３自体は１０００℃以上の融点を有するため、この温度下では二酸化シリコン１０３の物性は何ら劣化しない。静電誘導型変換素子１００を封止した後、外部の電源から各電極に所定電圧を印加し、電子放出手段１１０から二酸化シリコン１０３に電荷を注入し、二酸化シリコン１０３にエレクトレット機能を持たせることができる。

その結果、静電誘導型変換素子１００は、ガラス基板１０４がバネ１０６の伸縮方向に振動することによって、発電素子としての機能を有することとなる。

また、図８に示した構成において、各電極に印加する電圧としては、アノード電極としてのアルミニウム電極１０２には１００Ｖ以上、カソード電極としてのアルミニウム電極１１１には０Ｖ、ゲート電極としての金電極１１３には３０Ｖ以下が好適である。

以上のように、本実施形態における静電誘導型変換素子１００によれば、振動に応じて運動するガラス基板１０４上に、電子を放出する電子放出手段１１０及び対向電極としてのアルミニウム電極１０５を備える構成としたので、高温を要する封止工程や、半田リフロー工程の後に、電子放出手段１１０によって二酸化シリコン１０３に電子を注入することにより、二酸化シリコン１０３をエレクトレットとして機能させ、対向電極であるアルミニウム電極１０５に正電荷を発生させることができる。

また、本実施形態における静電誘導型変換素子１００は、前述のように構成されているので、例えば素子が搭載される機器が高温の使用環境に置かれ、エレクトレットの負電荷が減少して素子の機能が劣化しても、素子を分解することなく、電子放出手段１１０によって二酸化シリコン１０３に電子を再注入し、エレクトレットとしての機能を回復させることができる。

したがって、本実施形態における静電誘導型変換素子１００は、素子が搭載される機器の使用範囲及び製造工程の設計自由度の広範化を図るとともに、エレクトレットの電荷が減少した場合でもその機能を回復させることができる。

なお、前述の実施形態では、静電誘導型変換素子１００が発電素子の構成を有する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電気エネルギと運動エネルギとを変換するものに適用することにより、同様の効果が得られる。

（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態における静電誘導型変換素子２００を概念的に示す断面図である。

図９に示すように、本実施形態における静電誘導型変換素子２００は、第１実施形態における静電誘導型変換素子１００（図８参照）に対し、電子が注入されることによりエレクトレットとして機能するテフロン（登録商標）ＡＦ２０１と、素子内部を封止するための封止材２０２と、金属エミッタを用いたスピント型の電子放出手段２１０とを備えた点が異なる。したがって、第１実施形態における静電誘導型変換素子１００と同様な構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

テフロンＡＦ２０１は、ガラス基板１０１上に形成されたアルミニウム電極１０２の上面に、例えば３μｍ厚さで形成され、電子放出手段２１０によって電子が注入されるとエレクトレットとして機能するものである。

封止材２０２は、テフロンＡＦ２０１が３６０℃以上で分解が始まるものであるので、この温度未満で封止工程が行える材料、例えば、低融点ガラスや、低温半田、エポキシ樹脂等で構成される。

電子放出手段２１０は、ガラス基板１０４上に順次形成されたアルミニウム電極２１１、金属エミッタ２１２及びニオブ電極２１３で構成されている。電極の厚さは、例えば、アルミニウム電極２１１は２００ｎｍ、ニオブ電極２１３は５０ｎｍである。この電子放出手段２１０は、例えば前述の図６に示した構成を有し、金属エミッタ２１２は、円錐状に形成され電子を放出するスピント型の形状とすることができる。

この構成において、ニオブ電極２１３は、エレクトレットとして機能するテフロンＡＦ２０１に対向する対向電極であって、本発明に係る静電誘導部を構成する。したがって、電子放出手段２１０は、本発明に係る静電誘導部を備えたものである。

前述のように構成されているので、本実施形態における静電誘導型変換素子２００は、
テフロンＡＦ２０１に電荷を注入する工程を、高温を要する工程の後に行うことができる。したがって、静電誘導型変換素子２００は、外部の電源と各電極との電気的な接続処理を行った後、素子が搭載される機器の回路基板の半田リフロー工程において例えば２２０℃まで温度上昇させることが可能となる。なお、テフロンＡＦ２０１は３６０℃以上で分解が始まるため、この温度下ではテフロンＡＦ２０１の物性は何ら劣化しない。半田リフロー工程後、外部の電源から各電極に所定電圧を印加し、電子放出手段２１０からテフロンＡＦ２０１に電荷を注入し、テフロンＡＦ２０１にエレクトレット機能を持たせることにより、静電誘導型変換素子２００は発電素子として機能することが可能となる。

なお、図９に示した構成において、各電極に印加する電圧としては、アノード電極としてのアルミニウム電極１０２には１００Ｖ以上、カソード電極としてのアルミニウム電極２１１には０Ｖ、ゲート電極としてのニオブ電極２１３には５０Ｖ以下が好適である。

また、図６を用いて説明したように、電子放出手段２１０がニオブ電極２１３を備えない構成としてもよい。この場合、アルミニウム電極２１１及び金属エミッタ２１２が、本発明に係る静電誘導部を構成する。

以上のように、本実施形態における静電誘導型変換素子２００によれば、振動に応じて運動するガラス基板１０４上に、対向電極としてのニオブ電極２１３を有し、電子を放出する電子放出手段２１０を備える構成としたので、高温を要する封止工程や、半田リフロー工程の後に、電子放出手段２１０によってテフロンＡＦ２０１に電子を注入することにより、テフロン（登録商標）ＡＦ２０１をエレクトレットとして機能させ、対向電極であるニオブ電極２１３に正電荷を発生させることができる。

また、本実施形態における静電誘導型変換素子２００は、前述のように構成されているので、例えば素子が搭載される機器が高温の使用環境に置かれ、エレクトレットの負電荷が減少して素子の機能が劣化しても、素子を分解することなく、電子放出手段２１０によってテフロンＡＦ２０１に電子を再注入し、エレクトレットとしての機能を回復させることができる。

したがって、本実施形態における静電誘導型変換素子２００は、素子が搭載される機器の使用範囲及び製造工程の設計自由度の広範化を図るとともに、エレクトレットの電荷が減少した場合でもその機能を回復させることができる。

（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態における静電誘導型変換素子３００を概念的に示す断面図である。なお、第１実施形態における静電誘導型変換素子１００（図８参照）と同様な構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１０に示すように、本実施形態における静電誘導型変換素子３００は、ガラス基板１０１と、ガラス基板１０１上に順次形成されたアルミニウム電極１０２及びＣＹＴＯＰ３０１とを備えている。なお、ガラス基板１０１は、本発明に係る第１基板を構成する。

また、静電誘導型変換素子３００は、ガラス基板１０１に対向配置されて外面を覆うガラス基板３０６と、ガラス基板３０６上に形成された電子放出手段３１０とを備えている。なお、ガラス基板３０６は、本発明に係る第３基板を構成する。

さらに、静電誘導型変換素子３００は、ガラス基板３０２と、ガラス基板３０２上に形成されたアルミニウム電極３０３と、導電性を有するバネ１０６と、バネ１０６を介してガラス基板３０２を支持する絶縁体の支持台１０７と、素子内部を封止する材料で構成される封止材３０５とを備えている。

ＣＹＴＯＰ３０１は、旭硝子株式会社製のアモルファスフッ素樹脂であるサイトップ（登録商標）を例えば２０μｍの厚さで構成したものであり、電子放出手段３１０によって電子が注入されるとエレクトレットとして機能するものである。

ガラス基板３０２は、ガラス基板１０１とガラス基板３０６との間に設けられ、バネ１０６が伸縮する方向（図面左右方向）に運動することができるようになっている。ガラス基板３０２の下面（ＣＹＴＯＰ３０１側）の面上には、アルミニウム電極３０３が、アルミニウム電極１０２及び電子放出手段３１０と平行でライン状に形成されている。このアルミニウム電極３０３は、例えば２００ｎｍの厚さで形成され、対向電極として動作するようになっている。すなわち、アルミニウム電極３０３は、本発明に係る静電誘導部を構成する。また、ガラス基板３０２は、本発明に係る第２基板を構成する。

また、ガラス基板３０２には、電子放出手段３１０が放出した電子を通過させる幅５００μｍの貫通孔３０４が形成されている。

電子放出手段３１０は、ガラス基板３０６上に順次形成されたアルミニウム電極３１１及びカーボンナノチューブ３１２で構成されている。アルミニウム電極３１１は、例えば２００ｎｍの厚さで形成される。この電子放出手段３１０は、例えば前述の図７に示したような構成とすることができるが、本実施形態では、図７における導体６３及び絶縁層６４を設けない構成としている。

封止材３０５は、ＣＹＴＯＰが分解する温度である４００℃未満で封止工程が行える材料、例えば、低融点ガラスや、低温半田、エポキシ樹脂等で構成される。

前述のように構成されているので、本実施形態における静電誘導型変換素子３００は、ＣＹＴＯＰ３０１に電荷を注入する工程を、高温を要する工程の後に行うことができる。したがって、静電誘導型変換素子３００は、外部の電源と各電極との電気的な接続処理を行った後、ガラス基板１０１及び３０６の周囲に封止材３０５を塗布し、静電誘導型変換素子３００を真空装置に入れて内部を真空にし、封止材３０５を溶融させる封止工程を行うことが可能となる。

また、前述の構成において、ＣＹＴＯＰ３０１が分解する４００℃未満であれば、この温度下ではＣＹＴＯＰ３０１の物性は何ら劣化しない。静電誘導型変換素子３００を封止した後、外部の電源から各電極に所定電圧を印加し、電子放出手段３１０がＣＹＴＯＰ３０１に電荷を注入し、ＣＹＴＯＰ３０１にエレクトレット機能を持たせることにより、静電誘導型変換素子３００は発電素子として機能することが可能となる。

また、前述の構成により、静電誘導型変換素子３００は、使用中に素子が高温にさらされた場合でも、ＣＹＴＯＰ３０１に電子を再注入して性能を回復させることができる。したがって、ＣＹＴＯＰ３０１が分解する４００℃未満の温度であれば、素子が高温にさらされても、その後、静電誘導型変換素子３００に外部の電源を接続し電子照射を行い、ＣＹＴＯＰ３０１にエレクトレット機能を再度持たせることにより、発電素子として再び機能させることが可能となる。

また、図１０に示した構成において、各電極に印加する電圧としては、アノード電極としてのアルミニウム電極１０２には５００Ｖ以上、カソード電極としてのアルミニウム電極３１１には０Ｖが好適である。

以上のように、本実施形態における静電誘導型変換素子３００によれば、電子を放出する電子放出手段３１０と、振動に応じて運動するガラス基板３０２上に形成された対向電極としてのアルミニウム電極３０３とを備える構成としたので、高温を要する封止工程や、半田リフロー工程の後に、電子放出手段３１０によってＣＹＴＯＰ３０１に電子を注入することにより、ＣＹＴＯＰ３０１をエレクトレットとして機能させ、対向電極であるアルミニウム電極３０３に正電荷を発生させることができる。

また、本実施形態における静電誘導型変換素子３００は、前述のように構成されているので、例えば素子が搭載される機器が高温の使用環境に置かれ、エレクトレットの負電荷が減少して素子の機能が劣化しても、素子を分解することなく、電子放出手段３１０によってＣＹＴＯＰ３０１に電子を再注入し、エレクトレットとしての機能を回復させることができる。

したがって、本実施形態における静電誘導型変換素子３００は、素子が搭載される機器の使用範囲及び製造工程の設計自由度の広範化を図るとともに、エレクトレットの電荷が減少した場合でもその機能を回復させることができる。

１１、２１、２３、３４、５１、５３、６１、６３ 導体
１２、１３ 絶縁材料
２０、５０、６０、１１０、２１０、３１０ 電子放出手段
２２、１１２ ポーラスシリコン（冷陰極電子源）
２４ 電子
３１、３２ 電源
３３ 負荷
４１、４２、４３ 基板
４４、３０４ 貫通孔（電子通過孔）
５２、２１２ 金属エミッタ（冷陰極電子源）
５４、６４ 絶縁層
６２、３１２ カーボンナノチューブ（冷陰極電子源）
１００、２００、３００ 静電誘導型変換素子
１０１ ガラス基板（第１基板）
１０２ アルミニウム電極
１０３ 二酸化シリコン（絶縁材料）
１０４ ガラス基板（第２基板）
１０５ アルミニウム電極（静電誘導部）
１０６ バネ
１０７ 支持台
１０８ ガラス基板
１０９、２０２、３０５ 封止材
１１１ アルミニウム電極
１１３ 金電極
２０１ テフロンＡＦ（絶縁材料）
２１１ アルミニウム電極
２１３ ニオブ電極（静電誘導部）
３０１ ＣＹＴＯＰ（絶縁材料）
３０２ ガラス基板（第２基板）
３０３ アルミニウム電極（静電誘導部）
３０６ ガラス基板（第３基板）
３１１ アルミニウム電極

Claims (6)

1. 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、
   電子が注入されると負電荷を有するエレクトレットとして機能する絶縁材料が設けられた第１基板と、前記エレクトレットとして機能する際の前記絶縁材料が有する前記負電荷によって正電荷が静電誘導される静電誘導部が設けられた第２基板と、前記絶縁材料に向けて前記電子を放出する電子放出手段とを備え、
   前記第１基板及び前記第２基板は、互いに対向する面方向に相対的に運動可能に構成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
2. 前記絶縁材料、前記静電誘導部及び前記電子放出手段は、それぞれ、同じ方向にライン状に形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の静電誘導型変換素子。
3. 前記電子放出手段は、前記静電誘導部を備え、前記絶縁材料に対向する前記第２基板の対向面上に形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の静電誘導型変換素子。
4. 前記電子放出手段は、前記絶縁材料に対向する前記第２基板の対向面上において、前記静電誘導部に平行に形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の静電誘導型変換素子。
5. 前記絶縁材料に対向する位置に前記電子放出手段が形成された第３基板を備え、
   前記第２基板は、前記第１基板と前記第３基板との間に設けられ、前記電子放出手段が放出した電子を通過させる電子通過孔が形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の静電誘導型変換素子。
6. 前記電子放出手段は、冷陰極電子源を備えたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の静電誘導型変換素子。

Images