JP2011188725A - Electret, electrostatic induction-type conversion element, and method for charging electret - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蓄積された電荷が経時的に減少することを抑制できるエレクトレット、静電誘導型変換素子及びエレクトレットの荷電方法に関する。 The present invention relates to an electret, an electrostatic induction conversion element, and an electret charging method capable of suppressing a decrease in accumulated charge over time.
従来から、エレクトレットは公知となっており、例えば、下記特許文献1の図3に示すようなものがある。下記特許文献1の図3に示したものは、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されているエレクトレットを有しており、該エレクトレットは、2つの導体の間に配置されて、該エレクトレットに対向する少なくとも一方の導体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ものである。また、該エレクトレットの表面は防湿膜によって覆われており、電荷の消失を防止できるようになっている。 Conventionally, electrets have been known, for example, as shown in FIG. The one shown in FIG. 3 of the following Patent Document 1 has an electret formed by injecting electric charges near the surface of an insulating material, and the electret is disposed between two conductors, The electric energy and the kinetic energy are converted by moving relative to at least one conductor facing the electret. Further, the surface of the electret is covered with a moisture-proof film so that the loss of electric charge can be prevented.
また、エレクトレットの荷電方法の一つとして、例えば、下記特許文献2の図1に示されている装置を用いたコロナ荷電が公知となっている。 As one of electret charging methods, for example, corona charging using an apparatus shown in FIG.
近年では、より簡易な構成でエレクトレットの電荷消失をより抑制できるエレクトレット、及び、エレクトレットへの荷電がさらに容易な方法が望まれている。 In recent years, there has been a demand for an electret capable of further suppressing the charge loss of the electret with a simpler configuration and a method for further easily charging the electret.
そこで、本発明の目的は、より簡易な構成で作製し易いものであるにもかかわらず、電荷消失を従来のものよりも抑制できたエレクトレット、及び、該エレクトレットに容易に荷電できるエレクトレットの荷電方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electret that can suppress charge loss more than a conventional one, although it is easy to manufacture with a simpler configuration, and an electret charging method that can easily charge the electret. Is to provide.
(1) 一局面に従うエレクトレットは、電源に接続可能なベース電極と、グリッドに接続可能なグリッド接続用電極とが、交互に絶縁配列されている電極層と、前記電極層の一方側の面に設けられている絶縁材料層と、を備えているものである。(1) An electret according to one aspect is provided with an electrode layer in which base electrodes connectable to a power source and grid connection electrodes connectable to a grid are alternately insulated and arranged on one surface of the electrode layer And an insulating material layer provided.
(2) 上記(1)のエレクトレットにおいては、前記ベース電極と前記グリッド接続用電極との間に、所定幅を有した離間部(空間)が設けられていることが好ましい。(2) In the electret of the above (1), it is preferable that a separation portion (space) having a predetermined width is provided between the base electrode and the grid connection electrode.
(3) 上記(1)のエレクトレットにおいては、前記ベース電極と前記グリッド接続用電極との間に、絶縁材料部が設けられていることが好ましい。(3) In the electret of the above (1), it is preferable that an insulating material part is provided between the base electrode and the grid connection electrode.
(4) 上記(3)のエレクトレットにおいては、前記絶縁材料層と前記絶縁材料部とが一体形成されていることが好ましい。(4) In the electret of the above (3), it is preferable that the insulating material layer and the insulating material portion are integrally formed.
上記(1)〜(4)の構成によれば、簡易な構成で作製し易いものでありながら、エレクトレットの電荷消失を従来のものよりも抑制できる。特に、上記(4)の構成のエレクトレットであれば、より容易に作製することが可能である。 According to the configurations of (1) to (4) above, it is possible to suppress the charge loss of the electrets as compared with the conventional one, though it is easy to produce with a simple configuration. In particular, the electret having the configuration (4) can be more easily manufactured.
(5) 他の局面に従う静電誘導型変換素子は、上記(1)〜(4)のうちいずれか1つのエレクトレットを備えているものである。(5) The electrostatic induction type conversion element according to another aspect includes any one electret among the above (1) to (4).
上記(5)の構成によれば、従来のものよりも発電効率を大幅に向上することができる。 According to the configuration of (5) above, the power generation efficiency can be significantly improved as compared with the conventional one.
(6) 他の局面に従うエレクトレットの荷電方法は、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載のエレクトレットにおける前記絶縁材料層側に、グリッドを配設するグリッド配設工程と、前記グリッドの前記絶縁材料層側と反対側に、ニードル電極を配設するニードル電極配設工程と、前記エレクトレットにおける前記ベース電極に、アースと前記ニードル電極とを接続する第1接続工程と、前記グリッドと、前記エレクトレットにおけるグリッド接続用電極とを接続する第2接続工程と、前記第1接続工程及び前記第2接続工程の後に、前記ニードル電極と前記ベース電極との間に所定電圧を印加して、前記エレクトレットにおける前記絶縁材料層に荷電する荷電工程と、前記第1接続工程及び前記第2接続工程の後に、前記グリッドに所定電圧を印加する電圧印加工程と、を有しているものである。(6) The electret charging method according to another aspect includes a grid disposing step of disposing a grid on the insulating material layer side of the electret according to any one of (1) to (4), A needle electrode disposing step of disposing a needle electrode on the opposite side of the insulating material layer side of the grid; a first connecting step of connecting a ground and the needle electrode to the base electrode of the electret; and the grid And applying a predetermined voltage between the needle electrode and the base electrode after the second connecting step for connecting the grid connecting electrode in the electret, and the first connecting step and the second connecting step. , After the charging step of charging the insulating material layer in the electret, and the first connection step and the second connection step, A voltage applying step of applying a constant voltage, but has a.
上記(6)の構成によれば、電荷消失を従来のものよりも抑制できるエレクトレットに、容易に荷電することができる。 According to the configuration of the above (6), it is possible to easily charge the electret that can suppress the disappearance of charge as compared with the conventional one.
以下、図1を参照して、本発明の実施形態に係る静電誘導型変換素子について説明する。 Hereinafter, the electrostatic induction conversion element according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
静電誘導型変換素子100は、エレクトレット10と、エレクトレット10に対向して配設されている可動部20と、エレクトレット10と可動部20とに接続されている抵抗30とを備えているものである。 The electrostatic
エレクトレット10は、ガラスなどの絶縁材料からなる基板11と、複数のグリッド接続用電極12と、複数のベース電極13と、絶縁材料層14とを有しているものである。 The
グリッド接続用電極12とベース電極13とは、基板11の一方の面において、交互にそれぞれが配列されており、電極層15(厚さ100nm〜300nm程度)を形成している。グリッド接続用電極12に用いられる材料としては、アルミニウム、銅、クロム、金、白金などが挙げられる。ベース電極13に用いられる材料としては、アルミニウム、銅、クロム、金、白金などが挙げられる。なお、グリッド接続用電極12とベース電極13との幅は、同一であることが好ましい。エレクトレット10側の電荷の有る部分と無い部分との上を、後述する可動部20における電極22が移動していくので、グリッド接続用電極12とベース電極13との幅が同一である方が、電極22の変位に対して出力される電流がきれいな正弦波になりやすいからである。 The
絶縁材料層14は、電極層15の一方側に積層されているとともに、グリッド接続用電極12とベース電極13との間を埋めるように形成されており、グリッド接続用電極12とベース電極13とを絶縁している。また、絶縁材料層14は、マイナスに荷電されている。なお、絶縁材料層14に用いられる材料としては、テフロン系高分子樹脂、シリコン酸化膜、ガラスなどが挙げられる。 The
可動部20は、絶縁材料からなる基板21と、基板21のエレクトレット10側の面に並設された複数の電極22とを有しているものである。また、可動部20は、静電誘導できる程度にエレクトレット10と所定間隔をおいて配置されており、図1に示した矢印方向に水平振動できるものである。電極22に用いられる材料としては、アルミニウム、銅、クロム、金、白金などが挙げられる。 The
<エレクトレットへの荷電方法>
ここで、図2を用いて、エレクトレット10への荷電方法について説明する。図2に示したように、まず、エレクトレット10における絶縁材料層14側に、グリッド40を配設する(グリッド配設工程)。次に、グリッド40の絶縁材料層14側と反対側に、ニードル電極41を配設する(ニードル電極配設工程)。続いて、エレクトレット10におけるベース電極13全てと、アース及びニードル電極41とを接続する(第1接続工程)とともに、グリッド40と、エレクトレット10におけるグリッド接続用電極12とを接続する(第2接続工程)。続いて、ニードル電極41とベース電極13との間に所定電圧(−6kV〜−12kVのうちいずれかの値の電圧)を印加する。これにより、ニードル電極41から負イオンが放電されグリッド40で均一化された後、絶縁材料層14上に降り注ぎ、電荷が注入される。すなわち、エレクトレット10における絶縁材料層14が荷電される(荷電工程)。このとき、グリッド40にも所定電圧(−300V〜−600Vのうちいずれかの値の電圧)を印加しておく(電圧印加工程)。このような各工程を行うことで、エレクトレット10が荷電される。<Electret charging method>
Here, a method of charging the
<静電誘導型変換素子の動作>
次に、図1を参照しつつ、静電誘導型変換素子100の動作について説明する。荷電されたエレクトレット10を固定した状態で、図1に示した矢印方向に可動部20を水平振動させる。これにより、所定量の電気出力を得ることができる。<Operation of electrostatic induction type conversion element>
Next, the operation of the electrostatic
上記構成によれば、簡易な構成で作製し易いものでありながら、エレクトレット10の電荷消失を従来のものよりも抑制できる。また、エレクトレット10への荷電が容易な方法を提供できる。 According to the said structure, although it is easy to produce with a simple structure, the electric charge loss of the
以下、実施例及び比較例を示しながら、本発明を具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples.
本発明の実施例1に係るエレクトレット(図3の下部側に示した構成のもの)を、以下に示すような構成となるように作製した。すなわち、本実施例に係るエレクトレットは、基板にガラス板(大きさ10mm角)、ベース電極(図3の下部側に示したエレクトレットの「BE」)及びグリッド接続用電極(図3の下部側に示したエレクトレットの「BGE」)としてアルミニウム層(300mmの厚さ)を上記基板上において、両端以外、幅1mm、100μm間隔でパターニングした後に、絶縁樹脂層(図3の下部側に示したエレクトレットの「CYTOP」)としてテフロン系高分子樹脂(旭硝子(株)製、商品名CYTOP CTL−M、ベース電極からの厚さ3μm)をさらに積層して形成したものである。また、上記実施形態で示したエレクトレットへの荷電方法を用いて、本実施例に係るエレクトレットを荷電した。すわなち、本実施例に係るエレクトレットのベース電極を接地し、図2と同様のニードル電極に−8kV、図2と同様のグリッドに−600Vの電圧をそれぞれ印加して、ベース電極と接地電極との電位差によって荷電した。 An electret according to Example 1 of the present invention (having the configuration shown on the lower side in FIG. 3) was prepared to have the following configuration. That is, the electret according to the present embodiment is a glass plate (10 mm square), a base electrode (“BE” of the electret shown on the lower side of FIG. 3), and a grid connection electrode (lower side of FIG. 3). As the electret “BGE” shown), after patterning an aluminum layer (thickness of 300 mm) on the above-mentioned substrate at a width of 1 mm and an interval of 100 μm except for both ends, an insulating resin layer (of the electret shown on the lower side of FIG. As “CYTOP”, a Teflon polymer resin (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., trade name CYTOP CTL-M,
(比較例)
比較例に係るエレクトレット(図3の上部側に示した構成のもの)を、以下に示すような構成となるように作製した。すなわち、本比較例に係るエレクトレットは、基板にガラス板(大きさ10mm角)、ベース電極(図3の上部側に示したエレクトレットの「BE」)及びガード電極(図3の下部側に示したエレクトレットの「GE」)としてアルミニウム層を上記基板上に300mmの厚さで積層した構成であるとともに、絶縁樹脂層(図3の上部側に示したエレクトレットの「CYTOP」)としてテフロン系高分子樹脂(旭硝子(株)製、商品名CYTOP CTL−M、ベース電極からの厚さ3μm)をベース電極上にさらに積層したものである。なお、ベース電極とガード電極とは、両端以外、幅1mm、100μm間隔でパターニングして形成したものである。また、図4に示した構成で、比較例に係る上記エレクトレットへの荷電を行った。具体的には、比較例に係るエレクトレット50における基板51上のベース電極53を接地し、ガード電極52は絶縁しておいて、図4のニードル電極61に電源62によって−8kV、図4のグリッド60に電源63によって−600Vの電圧をそれぞれ印加して、ベース電極53と接地電極との電位差によって絶縁材料層54に荷電した。(Comparative example)
An electret according to the comparative example (having the structure shown on the upper side in FIG. 3) was prepared to have the structure shown below. That is, the electret according to this comparative example has a glass plate (10 mm square) on the substrate, a base electrode (“BE” of the electret shown on the upper side of FIG. 3), and a guard electrode (shown on the lower side of FIG. 3). As an electret “GE”), an aluminum layer is laminated on the substrate to a thickness of 300 mm, and an insulating resin layer (an electret “CYTOP” shown in the upper part of FIG. 3) is a Teflon polymer resin. (Asahi Glass Co., Ltd., trade name CYTOP CTL-M,
上記実施例1及び上記比較例に係るエレクトレットの表面電位の測定を、非接触型の表面電位計(Monroe Electronics社製model 279)を用いて行った。その結果を図3のグラフに示す。なお、図3における実施例1及び比較例に係るエレクトレットそれぞれの幅の大きさ及び位置と、図3のグラフ横軸の値及び位置とは対応している。図3のグラフから、比較例に係るエレクトレットの電位差が約60Vであるのに対して、実施例1に係るエレクトレットについては、電位差が約300Vと大幅に向上していることがわかる。したがって、実施例1に係るエレクトレットを静電誘導型変換素子の一部品として用いれば、従来の静電誘導型変換素子よりも発電効率を大幅に向上することができる。 The surface potential of the electrets according to Example 1 and the comparative example was measured using a non-contact type surface potential meter (model 279 manufactured by Monroe Electronics). The result is shown in the graph of FIG. In addition, the magnitude | size and position of each width | variety of the electret which concerns on Example 1 and a comparative example in FIG. 3, and the value and position of the graph horizontal axis of FIG. 3 respond | correspond. From the graph of FIG. 3, it can be seen that the potential difference of the electret according to the comparative example is about 60V, while the potential difference of the electret according to Example 1 is greatly improved to about 300V. Therefore, when the electret according to the first embodiment is used as one component of the electrostatic induction conversion element, the power generation efficiency can be significantly improved as compared with the conventional electrostatic induction conversion element.
また、上記実施例1に係るエレクトレットを上記実施形態て示した静電誘導型変換素子におけるエレクトレット10として用いて、可動部を駆動周波数20Hzで振動させて発電実験を行った。その結果、8nWの発電を確認することができた。 Moreover, the electret which concerns on the said Example 1 was used as the
<変形例>
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態及び上記実施例などに限定されるものではない。例えば、下記(A)〜(C)のものが変形例として挙げられる。<Modification>
The present invention can be changed in design without departing from the scope of the claims, and is not limited to the above-described embodiments and examples. For example, the following (A) to (C) are given as modified examples.
(A) 図5(a)に示したように、エレクトレット70は、空洞76を有していて絶縁材料層74がベース電極73とグリッド接続用電極72との間に形成されていない点で、上記実施形態のエレクトレット10と異なっている。なお、図5(a)の符合71〜73、75の部位のそれぞれは、図1の符合11〜13、15の部位と同様のものである。このような構成のエレクトレット70は、上記実施形態のエレクトレット10と同様の作用効果を奏することができる。(A) As shown in FIG. 5A, the
(B) 図5(b)に示したように、エレクトレット80は、ベース電極83とグリッド接続用電極82との間に、絶縁材料層84と別の材料からなる絶縁材料部86を有している点で、上記実施形態のエレクトレット10と異なっている。なお、図5(b)の符合81〜83、85の部位のそれぞれは、図1の符合11〜13、15の部位と同様のものである。このような構成のエレクトレット80は、上記実施形態のエレクトレット10と同様の作用効果を奏することができる。(B) As shown in FIG. 5B, the
(C) 上記実施形態における静電誘導型変換素子100においては、可動部20のみを水平振動するものとしたが、可動部20を固定してエレクトレット10を水平振動させてもよいし、可動部20及びエレクトレット10の両方ともに水平振動させることとしてもよい。(C) In the electrostatic
10、50、70、80 エレクトレット
11、21、51 基板
12、72、82 グリッド接続用電極
13、53、73、83 ベース電極
14、54、74、84 絶縁材料層
15、75、85 電極層
20 可動部
22 電極
30 抵抗
40、60 グリッド
41、61 ニードル電極
52 ガード電極
62、63 電源
76 空洞
86 絶縁材料部
100 静電誘導型変換素子10, 50, 70, 80
Claims (6)
前記電極層の一方側の面に設けられている絶縁材料層と、を備えていることを特徴とするエレクトレット。An electrode layer in which base electrodes connectable to the ground and grid connection electrodes connectable to the grid are alternately insulated; and
And an insulating material layer provided on one surface of the electrode layer.
前記グリッドの前記絶縁材料層側と反対側に、ニードル電極を配設するニードル電極配設工程と、
前記エレクトレットにおける前記ベース電極に、アースと前記ニードル電極とを接続する第1接続工程と、
前記グリッドと、前記エレクトレットにおけるグリッド接続用電極とを接続する第2接続工程と、
前記第1接続工程及び前記第2接続工程の後に、前記ニードル電極と前記ベース電極との間に所定電圧を印加して、前記エレクトレットにおける前記絶縁材料層に荷電する荷電工程と、
前記第1接続工程及び前記第2接続工程の後に、前記グリッドに所定電圧を印加する電圧印加工程と、を有していることを特徴とするエレクトレットの荷電方法。A grid disposing step of disposing a grid on the insulating material layer side of the electret according to any one of claims 1 to 4,
A needle electrode disposing step of disposing a needle electrode on the side opposite to the insulating material layer side of the grid;
A first connection step of connecting a ground and the needle electrode to the base electrode in the electret;
A second connection step of connecting the grid and the grid connection electrode in the electret;
A charging step of applying a predetermined voltage between the needle electrode and the base electrode after the first connection step and the second connection step to charge the insulating material layer in the electret;
An electret charging method comprising: a voltage applying step of applying a predetermined voltage to the grid after the first connecting step and the second connecting step.
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