JP2014128040A

JP2014128040A - エレクトレット電極、それを用いた振動発電器および振動発電装置、ならびに振動発電装置を搭載した通信装置と、エレクトレット電極の製造方法

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Publication number: JP2014128040A
Application number: JP2012280628A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Nakamura; 邦彦中村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】より多くの電荷を保持したエレクトレットを有するエレクトレット電極を提供する。さらに本発明に係るエレクトレット電極を用いることにより、従来よりも高いエネルギー変換効率を有する静電誘導型振動発電器を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板の１つの主面に並列して配置された複数の第１の導電膜と、前記基板の前記１つの主面上でかつ前記複数の第１の導電膜が形成されていない領域に形成された複数の第２の導電膜と、前記複数の第１の導電膜のそれぞれの上に形成されているエレクトレットと、前記複数の第２の導電膜のそれぞれの上に形成されている絶縁膜と、を含み、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜が交互に配置され、前記複数の第２の導電膜は互いに直列に接続され、直列に配置された前記複数の第２の導電膜に電流を流すためのソース端子とドレイン端子とを更に含むことを特徴とするエレクトレット電極である。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトレット電極と、エレクトレット電極を用いた振動発電器および振動発電装置と、当該振動発電装置を搭載した電気機器及び当該振動発電装置を搭載した通信装置とに関する。本発明は、またエレクトレット電極の製造方法にも関する。

可変容量の対向する電極の一方に電荷を与え、他方の電極に静電誘導により電荷を誘起し、容量を変化させて誘起される電荷に変化を生じさせ、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出す静電誘導型振動発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図１６は、特許文献１に記載された静電誘導型振動発電器、より詳細にはエレクトレットを用いた振動発電器１０の断面図である。
振動発電器１０は、複数の導電性表面領域（導電膜）１３を備えた第１の基板１１と、複数のエレクトレット材料領域（エレクトレット）１５を備えた第２の基板１６とで構成される。第１の基板１１と、第２の基板１６は、所定の間隔を隔てて配置されている。エレクトレット材料領域１５を含む第２の基板１６は固定されている。導電性表面領域１３を含む第１の基板１１の両端部は、それぞれ、固定構造１７にバネ１９を介して連結されている。第１の基板１１は外力を受けると矢印１８で示すようにＸ軸方向に平衡に往復運動を行い、外力が作用しなくなるとバネ１９の復元力により定位置に戻ることができる。第１の基板１１のこの動きにより、エレクトレット材料領域１５と、対向する導電性表面領域１３との重なり面積の増減が生じ、導電性表面領域１３に電荷の変化が生じる。静電誘導型発電器１０は、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う。

このような構成を有する振動発電器では、例えばエレクトレット１５および対向する導電膜を分割（微細化）し、その数を増やして、第１の基板１１の変位量が同じでもエレクトレット１５と導電性表面領域１３との重なり面積の増減（回数）を増加させること、およびエレクトレット１５が保持する電荷の量を増やすことにより、第１の基板１１の変位量が同じでもより多くの発電量を得ることが試みられてきた。

特表２００５−５２９５７４号公報（第１０−１１頁、図４）

同じ大きさでより多くの電力を発電できる振動発電器に対するニーズは、益々大きくなっている。この要求に対応するためにエレクトレットが保持する電荷を増やそうとしても従来の構成のエレクトレット電極では保持する電荷の量を増やすことがもはや困難となっていた。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、多くの電荷を保持したエレクトレット電極を提供することにある。さらに、本発明によるエレクトレット電極を用いることにより、従来よりも高いエネルギー変換効率を有する静電誘導型振動発電器および振動発電装置、ならびに振動発電装置を搭載した通信装置を提供することにある。さらにまた、より多くの電荷を保持したエレクトレット電極の製造方法を提供することにある。

基板と、前記基板の１つの主面に並列して配置された複数の第１の導電膜と、前記基板の前記１つの主面上でかつ前記複数の第１の導電膜が形成されていない領域に形成された複数の第２の導電膜と、前記複数の第１の導電膜のそれぞれの上に形成されているエレクトレットと、前記複数の第２の導電膜のそれぞれの上に形成されている絶縁膜と、を含み、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜が交互に配置され、前記複数の第２の導電膜は互いに直列に接続され、直列に配置された前記複数の第２の導電膜に電流を流すためのソース端子とドレイン端子とを更に含むことを特徴とするエレクトレット電極である。

本発明により、より多くの電荷を保持したエレクトレットを有するエレクトレット電極を提供することが可能となる。また、本発明に係るエレクトレット電極を用いることにより、従来よりも高いエネルギー変換効率を有する静電誘導型振動発電器および振動発電装置、ならびに振動発電装置を搭載した通信装置を提供できる。さらに、より多くの電荷を保持したエレクトレット電極の製造方法を提供できる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るエレクトレット電極１００の断面図である。図２は、エレクトレット電極１００の基板１０１（絶縁膜１０６）上の第１の導電膜１０２と第２の導電膜１０４の配置を示す平面図である。図３は、コロナ放電による着電方法を示す模式図である。図４は、基板上に第１の絶縁膜を形成しないエレクトレット電極１１０の断面図である。図５は、第１の導電膜１３２の幅よりもエレクトレット１３３の幅が大きいエレクトレット電極１３０の断面図である。図６は本実施形態の変形例に係る、複数の第２の導電膜１０４Ａの配置を示す平面図である。図７は、図６に示した複数の第２の導電膜１０４Ａのうちの１つの拡大図である。図８（ａ）は、本願発明の実施の形態２に係るエレクトレット電極３００の断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）において、点線で示した丸の部分の拡大図である。図９は、エレクトレット電極３００を得るために、第２の導電膜３０４を通電加熱した際の、第２の絶縁膜３０５の温度分布を示すシミュレーション結果である。図１０は、本発明の実施の形態３に係る振動発電器４１３の断面図である。図１１は、振動発電装置５００のブロック図である。図１２は振動発電装置５００の各回路から出力される電圧波形を示している。図１３は、自動車に搭載されるタイヤ空気圧モニタリングシステムにおいて使用される通信装置のブロック図である。図１４は、エレクトレットに電荷を注入する方法として一般的な、コロナ放電による電荷注入方法を示す模式図である。図１５は、従来のエレクトレット電極２５の断面図である。図１６は、特許文献１に記載された静電誘導型振動発電器、より詳細にはエレクトレットを用いた振動発電器１０の断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。

（本願発明に至った経緯）
本願発明に至った経緯について説明する。
静電誘導型振動発電器の最大出力電力Ｐmaxは、下記（１）式で表される。（１）式中、σは表面電荷（密度）、ε_Electretはエレクトレット材料の誘電率、ε_airは空気の誘電率、ε_０は真空の誘電率、Ａはエレクトレット材料領域（エレクトレット）と導電性表面領域（導電膜）の重なり面積、ｇは電極間のギャップ（すなわち、エレクトレットとエレクトレットに対向して配置された導電膜との間の距離）、ｆは振動周波数、ｄはエレクトレット材料の膜厚、ｎは重なり面積の数を示している。
なお、本明細書において「エレクトレット」は、電荷を保持した材料のことを示す。

（１）式によれば、発電量（最大出力電力Ｐmax）を増加させるためには、i）エレクトレットを振動方向に対して微細化する（すなわち、振動方向に対するエレクトレットの長さを短くし、エレクトレットおよび対向する導電膜の数を増やす）ことにより、同じ基板の変位量で、エレクトレットと対向する導電膜の重なり面積の増減回数を増加させること、および ii）エレクトレットの表面電荷量（密度）を多くすること、すなわち、エレクトレットの表面電位を高くすることが有効である。

図１４は、エレクトレットに電荷を注入する方法として一般的な、コロナ放電による電荷注入方法を示す模式図である。図１４に示す電荷注入方法では、電極２０を用い、第１の直流高圧電源２３により電極２０とステージ２２との間に例えば１０ｋＶ程度の高電圧を印加し、電極２０から電子を所定時間放電させてステージ２２の上に配置されたエレクトレット電極２５のエレクトレット３３（図１５参照）に電荷を注入する。これにより、エレクトレット３３の表面電位が上昇する。このとき、電極２０とエレクトレット電極２５の間には、第２の直流高圧電源２４に接続され、例えば１ｋＶ程度の電圧が印加されているグリッド電極２１が配置されている。

エレクトレット電極２５は、従来のエレクトレット電極であり、例えば図１５に示し上述した構成を有している。
なお、本明細書で用いる用語「エレクトレット電極」は、少なくとも、基板と、当該基板の１つの主面に形成されたエレクトレットとを有する電極を意味する。

コロナ放電により電荷が生成され、エレクトレット３３に電荷が注入されるが、エレクトレット３３に注入された電荷が増加するに従い、コロナ放電により生成された電荷との間で静電反発力が発生し、エレクトレットの帯電量（電荷量）は制限されるという課題を有している。
この傾向は、エレクトレット３３を微細化（幅を狭く）ししていくとより顕著となる。これは、コロナ放電による電荷とエレクトレット３３に注入された電荷との間で静電反発力が発生することにより、コロナ放電により放出された電荷（電子）は、エレクトレット３３の周囲に配置された第２の導電膜３４または第１の絶縁膜３６等へ流れやすくなるためである。第１の導電膜３２および第２の導電膜３４は通常ＧＮＤ接地されており、また、第１の基板３１は、ＧＮＤ接地されたステージ２２上に配置されるため、静電反発力を受けた電荷はエレクトレット３３以外へ流れ易くなる。この静電反発力による電荷の流出は、エレクトレットの端部でより生じやすい。このため、エレクトレット３３を微細化し、エレクトレット３３に占める端部の比率が高くなるほど、エレクトレットに保持される電荷量が制限される傾向はより顕著になる。

以上から、上記i)に従い、エレクトレットを微細化すると、注入されるエレクトレット電荷量が減少（エレクトレットの表面電位が低下）し、上記ii)の効果を十分に得ることができず、従って従来のエレクトレット２５を用いた振動発電器は、エネルギー変換効率の限界から出力電力が低いという課題を有している。
本発明は、上記課題に鑑み、エレクトレットの表面電位を高くできる構成を見出し、多くの電荷を保持したエレクトレット電極を提供することにある。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。

１．実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係るエレクトレット電極１００の断面図である。
図２は、エレクトレット電極１００の基板１０１（絶縁膜１０６）上の第１の導電膜１０２と第２の導電膜１０４の配置を示す平面図である。

図１に示すエレクトレット電極１００は、基板１０１と、基板１０１の上面全体を覆うように形成された第１の絶縁膜１０６と、第１の絶縁膜１０６上に互いに間隔を空けて形成された複数の第１の導電膜（第１の電極）１０２と、それぞれの第１の導電膜１０２上に形成されたエレクトレット１０３、及び第１の絶縁膜１０６上に形成された第２の導電膜（第２の電極）１０４と、それぞれの第２の導電膜１０４上に形成された第２の絶縁膜１０５で構成される。
なお、本実施の形態では、基板１０１と第１の絶縁膜１０６とを合わせて１つの絶縁基板を構成していると見なすことができる。

図２に示す実施形態では、第１の導電膜（第１の電極）１０２は基板１０１に垂直な方向から平面視した形状が短冊状で、基板１０１上において、複数の第１の導電膜１０２が並列して（または整列して）配置されている。第１の絶縁膜１０６上において、第１の導電膜１０２の間で、第１の導電膜１０２が形成されていない領域に、基板１０１に垂直な方向から平面視した形状が短冊状の第２の導電膜（第２の電極）１０４が並列して（または整列して）形成されている。第１の導電膜１０２の上に形成されたエレクトレット１０３も、短冊状の平面視した形状を有してよい。同様に、第２の導電膜１０４の上に形成された第２の絶縁膜１０５も短冊状の平面視した形状を有してよい。
第１の導電膜と１０２と第２の導電膜１０４とは、図１に示すように交互に配置されている。
なお、図１に示した実施形態では、第１の導電膜１０２と第２の絶縁膜１０５とが分離しているが、第１の導電膜１０２と第２の絶縁膜１０５とが接触していてもよい。

第２の絶縁膜１０５は、詳細を後述するようにエレクトレット１０３に着電する前に形成され、エレクトレット１０３の着電時に、エレクトレット１０３とともに帯電する。

エレクトレット電極１００では、エレクトレット１０３により多くの電荷を帯電させることができ、表面電位を高くすることができるという効果を得ることができる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。
第２の絶縁膜１０５が無い場合、着電の際にコロナ放電により生成された電荷がエレクトレット１０３に荷電（着電）した電荷による静電反発力を受け、第２の導電膜１０２へ流れることは上述した通りである。
第２の絶縁膜１０５を形成することにより、着電の際に第２の絶縁膜１０５が帯電されることとなり、第２の絶縁膜１０５の表面電位が第２の導電膜１０４だけの場合と比べて高くなり、コロナ放電により生成された電荷は、第２の絶縁膜１０５に帯電した電荷により静電反発力を受け第２の導電膜１０４へ電荷が流れるのを抑制する。その結果、エレクトレット１０３以外の領域へ電荷が流れるのを抑制することができ、エレクトレット１０３は、より多くの電荷を保持する（帯電させる）ことが可能となる。

さらに、エレクトレット電極１００では、詳細を後述するように、エレクトレット１０３に十分な電荷を帯電させた後、第２の導電膜１０４を通電加熱することにより、第２の絶縁膜１０５を加熱して、第２の絶縁膜１０５に帯電した電荷を消滅させている。一方、第２の導電膜１０４を通電加熱しても、エレクトレット１０３は、ほとんど温度が上昇しない（例えば、１００℃程度以下）ことからエレクトレット１０３の電荷はほとんど消失しない。
この結果、エレクトレット電極１００では、エレクトレット１０３に隣接する第２の絶縁膜１０５がほとんど電荷を帯電していない状態で、微細化されたエレクトレット１０３に、多くの電荷を帯電させることが可能となる。
このようなエレクトレット電極１００を用いた振動発電器は、振動による変位量が同じであっても、より多くの発電量を得ることができる。

本実施の形態に係るエレクトレット電極では、より容易にかつ確実に第２の導電膜１０４を通電加熱し、これにより第２の絶縁膜１０５をより容易かつ確実に加熱できる構成を有する。
この構成について、図２を参照して以下に説明する。
上述のように複数の第１の導電膜１０２と複数の第２の導電膜１０４とが基板１０１上に第１の絶縁膜１０６を介して設けられている（図２では、それぞれ３つずつ）。第１の導電膜１０２と複数の第２の導電膜１０４とは、交互（特に、振動発電器に用いた際に、基板が振動する方向に平行な方向に交互）に配置されている。

複数の第２の導電膜１０４は、互いに電気的に直列に接続されている。図２に示す実施形態では、第２の導電膜１０４は、基板１０１（第１の絶縁膜１０６）上に配置された第２の接続用導電膜１０９Ａにより、直列に接続されている。しかし、この形態に限定されるものではなく、ワイヤーを用いて接続する等、任意の方法により第２の導電膜１０４を直列に接続してよい。

そして、直列に接続した第２の導電膜１０４のそれぞれに電流を供給できるようにソース端子１０７とドレイン端子１０８が設けられている。ソース端子１０７とドレイン端子１０８とは、それぞれ、例えば、図２に示すように、第２の導電膜１０４および第２の接続用導電膜１０９Ａのいずれか一方に接して（例えば、端部に接して）設けてよい。ソース端子１０７とドレイン端子１０８は、好ましくは、直列に接続した第２の導電膜１０４のそれぞれの全長に電流を供給できるように設けられる。

なお、本明細書において、第２の導電膜１０４を電気的に直列に接続する形態は、図２に示すように、全ての第２の導電膜１０４が、単一の導電経路で直列に接続されていることが好ましい。しかし、これに限定されるものではない。例えば、５つの第２の導電膜１０４が形成されている場合、第１の導電経路には３つの第２の導電膜１０４が直列に接続され、第２の導電経路には２つの第２の導電膜１０４が直列に接続されている形態のように、直列に接続された第２の導電膜１０４を有する導電経路を複数有してよい。
このように、複数の導電経路を有する場合、１つのソース端子１０７と１つのドレイン端子１０８との間に電圧を印加することで、全ての第２の導電膜１０４に電流が流れるようにそれぞれの通電経路を形成することが好ましい。しかし、複数のソース端子１０７および／または複数のドレイン端子１０８を設けることにより、全ての第２の導電膜１０４に電流が流れるようにそれぞれの通電経路を形成してもよい。

第２の導電膜１０４の電気抵抗は、好ましくは、第１の導電膜１０２の電気抵抗よりも高い。第２の導電膜１０４に電流を流した際に第２の導電膜を確実に昇温できるからである。第２の導電膜１０４の電気抵抗を第１の導電膜１０２の電気抵抗よりも高くする方法として、第２の導電膜１０４を形成している材料の抵抗率を第１の導電膜１０２を形成している材料の抵抗率より高くすることを例示できる。例えば、第１の導電膜１０２と第２の導電膜１０４とをシリコン薄膜により形成する場合、第１の導電膜１０２にドープする不純物の濃度と第２の導電膜１０４にドープする不純物濃度とを異ならせることにより、第２の導電膜１０４を形成している材料の抵抗率を第１の導電膜１０２を形成している材料の抵抗率より高くすることができる。

第１の導電膜１０２も、互いに電気的に接続されている。しかし、第１の導電膜１０２は、図２に示すように並列に接続してもよく、また直列に接続してもよい。第１の導電膜１０２同士の接続は、ワイヤー１０９Ｃおよび／または基板１０１（第１の絶縁膜１０６）上に形成した第２の接続用導電膜１０９Ｂのような任意の手段を用いて行ってよい。

図２に示す実施形態では、ソース端子１０７、第２の導電膜１０４、第２の接続用導電膜１０９Ａおよびドレイン端子１０８は、それぞれ区別できるよう形成されているが、これらの要素の一部または全てを個々に区別ができないように一体的に形成してもよい。同様に、第１の導電膜１０２および第１の接続用導電膜１０９Ｂは、それぞれ区別できるよう形成されているが、これらの要素を個々に区別ができないように一体的に形成してもよい。

なお、第１の導電膜１０２，第２の導電膜１０３，第１の接続用導電膜１０９Ａ、ソース端子１０７、ドレイン端子１０８、第２の接続用導電膜１０９Ｂは、パターニングを含む、任意の方法により形成してよい。

以上のように形成した複数の第１の導電膜１０２のそれぞれの上にエレクトレット１０３用のエレクトレット材料を形成し、複数の第２の導電膜１０４のそれぞれの上に第２の絶縁膜１０５を形成した後、エレクトレット１０３に電荷を帯電させる着電を行う。
エレクトレット１０３となるエレクトレット用材料に電荷を注入するには、コロナ放電を用いてよい。図３は、コロナ放電による着電方法を示す模式図である。図３に示すように、第１の直流高圧電源１５３を用いて電極１５０に例えば１０ｋＶ程度の高電圧を印加して空中放電を生じさせる。

本実施の形態に示すように、第１の導電膜１０２とは別に第２の導電膜１０４を形成したエレクトレット電極１００では、第２の導電膜１０４を設置しないで着電を行う、所謂フローティングを行うと、第２の導電膜１０４が帯電する。そして、第２の導電膜１０４が帯電すると、その帯電量によってエレクトレット１０３の帯電量にばらつきが生じる。この問題を回避するため、第２の導電膜１０４に所定の電圧（一定の電圧）を印加した状態で着電を行うことが好ましい。
この場合、エレクトレット電極１００の第１の導電膜１０２をＧＮＤに接地し、第３の直流高圧電源１５５により第２の導電膜１０４に例えば５００〜７００Ｖ程度の電圧を印加する（エレクトレット１０３への着電量を増やすためには、ＧＮＤとの電位差が大きければ大きいほどよい）。

上述の空中放電によりエレクトレット電極１００は電荷を注入される。このとき第２の直流高圧電源１５４によりグリッド電極１５１に印加された電圧（例えば０．５〜２ｋＶ程度）で、注入量を制御する。
このように着電を行うことで、エレクトレット（エレクトレット用材料）１０３および第２の絶縁膜１０５が帯電した状態となる
このように、第２の絶縁膜１０５も帯電させることにより、第２の絶縁膜に帯電した電荷がエレクトレット１０３に着電された電荷との間で静電反発力を生じ、エレクトレット１０３に着電した電荷が第２の導電膜１０４等に流れることを抑制することができる。この結果、エレクトレット１０３により多くの電荷を着電できる。

本実施の形態において、エレクトレット１０３をシリコン酸化膜で形成し、第２の絶縁膜１０５をシリコン窒化膜により形成してよい。この場合、エレクトレット１０３を負に、第２の絶縁膜１０５を正に帯電して構成してよい。そのような構成においても、振動発電器に必要な特性（エレクトレット１０３と第２の絶縁膜１０５の電位差）を実現することが可能となる等、利用上の効果は大きい。

エレクトレット１０３として、シリコン酸化膜を用いた例を示したが、シリコン酸化膜以外のエレクトレット材料を用いてもよく、その場合にも、エレクトレット材料に応じて、第２の絶縁膜１０５の材料を適宜選択することによって、本願発明の効果を得ることができる。

これまでに説明した実施の形態では、第１の基板１０１上に第１の絶縁膜１０６を形成しているが、これに限定されるものではない。図４は、基板上に第１の絶縁膜を形成しないエレクトレット電極１１０の断面図である。
エレクトレット電極１１０では、第１の基板１１１として、ガラス基板等の絶縁基板または高抵抗のシリコン基板のように電気抵抗の大きな（絶縁性の高い）基板を用いている。このため、図４に示すように第１の導電膜１１２および第２の導電膜１１４を基板１１１上に直接形成しても、同様に本発明の効果が得られる。
なお、図１、図２、図４、図５、図８（図８（ａ）、図８（ｂ））では、それぞれの図に示した符号の数字の下一桁が同じ場合は、それぞれ同一または対応する部材であることを示し（例えば、１０４、１１４、１３４、３０４はいずれも第２の導電膜を示す）、特に断らない限り、これら符号の数字の下一桁が同じ構成要素同士は、同一の構成を有してよい。また、エレクトレット電極１００について説明した構成については、これ以外の本願発明に係るエレクトレット電極についても適用可能である。

図５は、第１の導電膜１３２の幅よりもエレクトレット１３３の幅が大きいエレクトレット電極１３０の断面図である。
図１に示すエレクトレット電極１００では、エレクトレット１０３は、第１の導電膜１０２と同じ幅で形成されているが、図５に示すエレクトレット電極１３０では、エレクトレット１３３の幅は第１の導電膜１３２の幅よりも大きく形成されている。このような構成を有するエレクトレット電極１３０がエレクトレット電極１００と同様の効果を奏することは言うまでもない。例えば、エレクトレット１３３の幅が、第１の導電膜１３２の幅よりも５ｕｍ程度大きくなるように形成すれば、エレクトレット１３３のパターニング時にマスクずれ等によるパターンずれが生じた場合においてもエレクトレット電極１３０の特性を確保することができ、安定なエレクトレット電極１３０を実現することが可能となる。

以上に述べた着電工程により、エレクトレット１０３および第２絶縁膜１０５を帯電させた後、第２の導電膜１０４を通電加熱し、第２の絶縁膜１０５に帯電した電荷を第２の絶縁膜１０５から除去する。
以下にこの工程の詳細を説明する。なお、以下ではエレクトレット１００を例に説明するが、エレクトレット電極１１０、１３０のような本発明に係る他のエレクトレット電極についても適用可能であることはいうまでもない。

ソース端子１０７とドレイン端子１０８との間に電流を流すことにより、第２の導電膜１０４を通電加熱する。ソース端子１０７とドレイン端子１０８との間に流す電流は直流電流でもよく、また交流電流でもよい。

第２の導電膜１０４が加熱されることにより、第２の導電膜１０４の上部に位置する第２の絶縁膜１０５が加熱される。第２の絶縁膜１０５に帯電している電荷は、温度上昇により、帯電に係る安定なエネルギー準位から励起され、自らの作る電界に従って移動し、大気中もしくは第２の導電膜に捕獲される。この結果、第２の絶縁膜１０５に帯電している電荷が除去される（消失する）。
一方、エレクトレット１０３については、ほとんど加熱されることがないためそれほど温度が上がらず、着電工程により帯電した電荷をそのまま維持することができる。
このように、第２の導電膜１０４の上部にある第２の絶縁膜１０５に帯電された電荷を選択的に除去することにより、エレクトレット１０３のみに電荷を残すことが可能となる。
この結果、エレクトレット１０３の表面電位と第２の絶縁膜１０５の表面電位との電位差を大きくすることができる。このように構成されたエレクトレット電極１００を振動発電器に用いることで、発電量を増加させことが可能となる。

この第２の絶縁膜に帯電する電荷を除去する工程において、第２の絶縁膜１０４は、好ましくは３００℃以上、より好ましくは４００℃〜６００℃に加熱される。３００℃以上に加熱することでより確実に電荷を除去（消失）でき、４００℃〜６００℃に加熱することで第２の絶縁膜１０５の特性を損なうことなく、迅速に電荷を除去できるからである。

（変形例）
図６は本実施形態の変形例に係る、複数の第２の導電膜１０４Ａの配置を示す平面図である。図７は、図６に示した複数の第２の導電膜１０４Ａのうちの１つの拡大図である。なお、図７においては、第２の導電膜１０４の長手方向（図７の上下方向）の中間部分は記載を省略している。

図６に示す実施形態では、第２の導電膜１０４Ａが折り返し構造（「ミアンダ状」の構造）を有している点が図２に示した実施形態と異なる。
すなわち、第２の導電膜１０４Ａは、互いに平行でかつ離間した複数の平行部と、この平行部の端部で２つの平行部を接続する折り返し部とを有し、これにより、第２の導電膜１０４Ａの長さ（図７中に示す長さＬ）よりも遙かに長い（例えば、３倍以上、好ましくは５倍以上）導電経路を単一の第２の導電膜１０４Ａの中に形成できる。

第２の導電膜１０４Ａの２つの端部１０４Ａ−１、１０４Ａ−２は、それぞれ、例えば、第２の接続用導電膜１０９Ａ、ソース端子１０７およびドレイン端子１０８のいずれか１つと接続されてよく、これにより図７に示すように複数の第２の導電膜１０４Ａを電気的に直列に接続できる。

第２の導電膜１０４Ａは、第２の導電膜１０４と比べて、同じ長さ（例えば、上述の長さＬ）で、より幅が狭くかつより長さの長い導電経路を内部に形成できる。このため、電気抵抗を高くできる（とりわけ、第２の接続用導電膜１０９Ａ、ソース端子１０７およびドレイン端子１０８と比較して電気抵抗を高くできる）。この結果、同一の電流でより高い昇温効果を得ることができ、ソース端子１０７からドレイン端子１０９に至る導電経路の中で第２の導電膜１０４Ａの部分を選択的に加熱できるという利点を有する。

図６に示す、複数の第２の導電膜１０４Ａを用いたエレクトレット電極は、上述した以外の部分については、エレクトレット１００と同じ構成を有してよい。

２．実施の形態２
図８（ａ）は、本願発明の実施の形態２に係るエレクトレット電極３００の断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）において、点線で囲んだ部分の拡大図である。
エレクトレット電極３０３では、１つの（単一の）第２の絶縁膜３０５が、複数の第１の導電膜３０２と複数の第２の導電膜３０４とを覆っている。第２の絶縁膜３０５は、第１の導電膜３０２の直上部が電荷を保持したエレクトレット部３０３となっており、第２の導電膜３０４直上部が電荷を実質的に保持しない（「実質的に保持しない」は、エレクトレット部３０３と比べて明らかに少量で、発電量にほとんど影響のない程度の電荷が帯電している場合も含む。）無電荷絶縁膜部となっている。

このような、単一の第２の絶縁膜３０５内のエレクトレット部３０３と無電荷絶縁膜部とは、例えば、上述したコロナ放電等の帯電方法により第２の絶縁膜３０５の表面全体に電荷を帯電させた後、第２の導電膜３０４を通電加熱し、第２の絶縁膜３０５のうち、第２の導電膜の上部のみについて加熱して帯電した電荷を消失（消去）させることにより、形成できる。
すなわち、本実施形態では、エレクトレット（エレクトレット用材料）と第２の絶縁膜とを別々に形成する第１の実施形態と比べて、簡素な構成で本願発明に係るエレクトレット電極を得ることができるため、製造コストを低減できるという利点を有する。

なお、第２の絶縁膜は単層膜でも積層膜でもよい。
また、図８（ｂ）に示す実施形態では、第２の導電膜３０４は、第１の実施形態の変形例に係る第２の導電膜１０４Ａと同様に、互いに平行でかつ離間した複数の平行部と、この平行部の端部で２つの平行部を接続する折り返し部とを備えた、折り返し構造を有している。
しかし、本実施形態における第２の導電膜は、この形態に限定されるものではなく、第１の実施形態に係る第２の導電膜１０４と同様に折り返し構造を有しなくてもよい。

図９は、エレクトレット電極３００を得るために、第２の導電膜３０４を通電加熱した際の、第２の絶縁膜３０５の温度分布を示すシミュレーション結果である。
図９は、第２の絶縁膜３０５の厚さ方向の温度分布をより詳細に示すために、主面に平行な方向と比べて厚さ方向をより誇張して示している。

また、図９では、スケールに示したように、より温度の高い領域がより黒く、より温度の低い領域がより白くなるように白黒で温度分布を示している。
シミュレーション結果をより詳細に理解できるように本願発明者らは、本願の出願と同時に、図９に示すシミュレーション結果（温度分布）をカラーで示した図を物件提出書として提出している。必要に応じて物件提出書についても参照されたい。

シミュレーションは以下の条件により行った。
第１の絶縁体３０６はシリコン酸化膜（厚み１，０００ｎｍ）とした。第１の導電体３０２および第２の導電体３０４は多結晶シリコン（厚み３００ｎｍ）とし、エレクトレットを兼ねた第２の絶縁膜３０４は下側がシリコン酸化膜（第１の導電膜３０２および第２の導電膜３０４上で厚さ９００ｎｍ）、上側がシリコン窒化膜（厚み１５０ｎｍ）である２層膜とした。第１の導電膜３０２の幅は１００μｍとした。第２の導電膜３０４については、幅が８０μｍで、図８（ｂ）および図９に示すように、８つの平行部を有する折り返し構造とし、それぞれの平行部の幅（図８（ｂ）の幅Ｗ）を５μｍとした。第２の導電膜３０４の抵抗率を１０Ω・ｃｍとし、０．３ｍＡの直流電流を流し続けた時の温度分布を求めたのが図９である。
シミュレーションには、ＣｏｖｅｎｔｏｒＩｎｃ製の解析ソフトウエアＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅを用いた。解析に必要な、材料の物性値等のパラメータは広く知られている値を用いた。図９は、熱収支がバランスし、温度が安定した定常状態の温度を示している。

図９中の（Ａ）部、すなわち第１の導電膜３０２の上部では温度が１００℃（３７３Ｋ）以下であるため、帯電した電荷が消失することなく、従ってエレクトレット部を形成している。
一方、図９中の（Ｂ）部、すなわち第２の導電膜３０４の上部では温度が５００℃（７７３Ｋ）と高温に達するため、帯電した電荷が熱励起されて消え去り、従って、電荷を実質的に保持しない無電荷絶縁膜部を形成している。

３．実施の形態３
本発明の実施の形態３として、本願発明に係るエレクトレット電極を用いた振動発電器について説明する。図１０は、本発明の実施の形態３に係る振動発電器４１３の断面図である。
振動発電器４１３は、エレクトレット電極４００を含む第１の基板４０１と、第１の基板４０１を、固定構造体４０７ａ、４０７ｂに接続する弾性構造体４０８ａ、４０８ｂを含む。さらに、固定構造体４０７ａ、４０７ｂは、支持体４０９ａ、４０９ｂにより、第２の基板４１０に接続されている。第２の基板４１０上には、導電膜（電極）４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｄ、４１１ｅ（すなわち複数個の導電膜（電極））が並列して（または整列して）配置されている。エレクトレット電極４００は、実施の形態１または実施の形態３に記載したエレクトレット電極である。

次に、振動発電器４１３の動作について説明を行う。
振動発電器４１３は、外部からの力または振動が加わると、弾性構造体４０８ａおよび４０８ｂが伸縮し、これにより第１の基板４０１は第２の基板４１０に対して、矢印４１２に示す方向に相対的に変位する。この相対的な変位は、エレクトレット電極４００のそれぞれのエレクトレットと第２の基板上の電極４１１ａ〜ｅのいずれかとの重なり面積の増減をもたらす。この重なり面積の増減により、電極４１１ａ〜ｅに誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減を電気エネルギーとして取り出すことによって、発電を行う。第１の基板４０１が振動を続ける限り、この重なり面積の増減は続き、発電も継続される。

本実施の形態では、エレクトレット電極４００は実施の形態１から実施の形態３のいずれかに係るエレクトレット電極を用いており、従来のエレクトレット電極を用いた場合と比較して発電量を向上することができる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。
本実施の形態の振動発電器３１４では、エレクトレット電極４００は微細なパターンで形成されているため、第１の基板４０１が同じ振幅であれば、従来のエレクトレット電極を用いた場合と比べて、１回の振幅あたりの重なり面積の増減回数が多くなる。
また実施の形態１から実施の形態３のいずれかに係るエレクトレット電極は、表面電位が高く、また第２の導電膜上に配置された第２の絶縁膜に対して十分に大きな電位差を有しているという特徴があり、重なり面積の増減により誘起される電荷量は、従来のエレクトレット電極を用いた場合に比べて多くなる。

図１０に示す振動発電器４１３の例を示したが、本発明に係るエレクトレット電極を用いた振動発電器であれば、第１の基板４０１が、弾性構造体が接続された構造体に形成（接合）されている構造であっても同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。
図１０では、振動発電器の例を示したが、振動発電器以外の装置（またはデバイス）であって、パターン化したエレクトレットにおいて高い表面電荷密度が必要な装置（またはデバイス）に、本発明のエレクトレット電極を用いることは効果的である。例えば、本発明のエレクトレット電極は、アクチュエータを構成するために用いてよい。アクチュエータにおいて、エレクトレットはパターン化され、表面電荷密度が高いほど、電力の発生はより大きくなる。

４．実施の形態４
本発明の実施の形態４として、振動発電装置を説明する。図１１は、振動発電装置５００のブロック図である。図１１において、振動発電器５０１は本発明の実施の形態４に係る振動発電器である。
図１１に示す振動発電装置５００は、振動発電器５０１、整流回路５０２、電圧変換回路５０３、出力切替回路５０４、蓄電回路５０５および電圧制御回路５０６を含む。振動発電器５０１から出力された交流電圧は、整流回路５０２により直流電圧に変換される。直流電圧は、電圧変換回路５０３に入力され、振動発電装置５００の出力電圧レベルに電圧変換される。変換された電圧は、出力切替回路５０４により、電圧制御回路５０６または蓄電回路５０５に入力される。電圧制御回路５０６では、出力電圧が一定となるように電圧制御されて出力される。

以上のように構成された振動発電装置５００の動作について、図１２を参照して説明する。図１２は振動発電装置５００の各回路から出力される電圧波形を示している。図１２（ａ）は、振動発電器５０１の出力電圧波形である。図１２（ａ）では、簡単のため、第１の基板の変位方向が変わるときでも発電は効率よく行われていると仮定し、振動による重なり面積の増減により正弦波電圧が出力されるとしている。ここで、振動発電器５０１の出力電圧の電圧振幅Ｖｇは、第１の基板の振動振幅、第１の基板と第２の基板との間のギャップ、エレクトレットの保持電荷量及び振動発電器５０１から見た外部インピーダンスの大きさ等により異なる。振動発電器５０１から出力された交流電圧は、整流回路５０２により直流電圧ＶＤＣ１に変換される（図１２（ｂ））。ＶＤＣ１は、振動発電装置５００の出力電圧レベルＶＤＣ２まで、電圧変換回路５０３により電圧変換される。

出力切替回路５０４は、振動発電装置５００から電圧を出力する必要がない場合、電圧変換回路５０３からの出力を電圧制御回路５０６に送らず、蓄電回路５０５に送る役割をする。蓄電回路５０５は、発電された電力を蓄える。出力切替回路５０４は、振動発電装置５００からの電圧出力が必要である場合には、電圧制御回路５０６から電力が出力されるように、回路を切り替える。出力切替回路５０４は、さらに、発電量が小さい場合には、蓄電回路５０５に蓄えられた電力を出力するように、回路を切り替える。出力切替回路５０４からの出力は、電圧制御回路５０６により所望の出力電圧ＶＯＵＴに制御されて、振動発電装置５００外へ出力される（図１２（ｃ））。

前述したように、振動発電器５００の出力電圧は、さまざまな要因で変動する。これに対応するため、ＶＤＣ２は、最終的に出力される電圧ＶＯＵＴよりも若干高い電圧に設定することが望ましい。このように設定を行うことにより、微小な電圧変動に対しても、出力電圧を一定とすることが可能となる。例として、１．８Ｖの電圧（電圧ＶＯＵＴ）で電力を出力する場合について説明する。この場合において、ＶＤＣ２が１．８Ｖに設定されていて、かつ振動発電器の出力電圧が減少すると、振動発電器３００の出力電圧も減少する。しかし、例えば、ＶＤＣ２を２Ｖに設定しておけば、０．２Ｖの電圧減少に対しても十分に制御が可能となる。したがって、ＶＤＣ２＞ＶＯＵＴに設定することにより、出力電圧を一定にして安定して電力を供給できる。

５．実施の形態５
図１３は、自動車に搭載されるタイヤ空気圧モニタリングシステムにおいて使用される通信装置のブロック図である。図１３において、発電装置６０１は、実施の形態４に係る振動発電装置を示す。
図１３に示す通信装置６００は、振動により発電を行う発電装置６０１、通信装置の主電源または発電装置６０１のサブ電源としての電池６０２、発電装置６０１からの出力と電池６０２からの出力を切り替えて回路部に供給する電源制御部６０３、タイヤの空気圧を測定する圧力センサ６０４、圧力センサからの出力を処理し、通信部に伝える処理部６０５、処理部６０５からの入力信号を高周波信号に変換してアンテナ６０７へ伝える通信部６０６およびアンテナ６０７を含む。
以上のように構成された通信装置６００の動作について説明を行う。

圧力センサ６０４、処理部６０５および通信部６０６が動作するのに必要な電力を、電源制御部６０３を介して、発電装置６０１および電池６０２の少なくとも一方から供給する。圧力センサ６０４は、タイヤの空気圧を測定し、測定結果を電圧信号に変換して処理部６０５へ入力する。処理部６０５で処理された信号は、通信部６０６へ入力され、高周波信号としてアンテナ６０７から伝搬される。

このように作動する通信装置６００において、本発明に係る振動発電装置を電源として利用することにより、電池交換等のメンテナンス作業回数を低減することができ、或いは電池交換を不要とすることができる。このことは、通信装置それ自体の利便性を向上させるとともに、省資源および環境保護にも寄与する。

図１３に示す実施の形態では、振動発電装置と電池とを併用する例を示した。しかし、振動発電装置６０１からの出力電力が、圧力センサ６０４、処理部６０５、通信部６０６等の回路で消費する電力、および通信に必要な電力を十分に供給することができる限り、振動発電装置６０１のみを電源として用いてよい。この場合、電池、６０２及び電源制御部６０３が不要となり、通信装置６００の更なる小型化ができるという利点を有する。

図１３に示す実施の形態では、実施の形態３に示す振動発電器、および実施の形態４に示す振動発電装置を用いる例を示した。振動発電器は、外部からの力または振動を電力に変換可能である限りにおいて、他の振動発電器であってもよく、その場合において同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明の振動発電器および振動発電装置は、通信装置以外の電気機器において、主電源または副電源として使用してよい。具体的には、腕時計、体温計、温度計、歩数計、リモートコントローラ、携帯オーディオ製品、キーレスエントリー用携帯機、補聴器、心臓ペースメーカー、携帯電話およびゲーム機等において、使用することができる。
本明細書において開示された実施の形態において、すべての構成要素は例示であって、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の説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、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ことが意図されている。

本発明のエレクトレット電極の構成は、エレクトレットを微細化しても高い表面電位または表面電荷密度を得ることを可能とするので、静電誘導型振動発電器のエレクトレット電極として有用である。また、本発明の振動発電器は、小電力の無線通信モジュール等の用途において、電源として非常に有用である。

１００，１１０，１３０，３００エレクトレット電極
１０２，１１２，１３２，３０２第１の導電膜
１０３，１１３，１３３，３０３エレクトレット（エレクトレット部）
１０４，１０４Ａ，１１４，１３４，３０４第２の導電膜
１０５，１１５，１３５，３０５第２の絶縁膜
１０６，１１６，３０６第１の絶縁膜
１０７ソース端子
１０８ドレイン端子
１０９Ａ第２の接続用導電膜
１０９Ｂ第１の接続用導電膜
５００振動発電装置
５０１振動発電器
６００通信装置

Claims

基板と、
前記基板の１つの主面に並列して配置された複数の第１の導電膜と、
前記基板の前記１つの主面上でかつ前記複数の第１の導電膜が形成されていない領域に形成された複数の第２の導電膜と、
前記複数の第１の導電膜のそれぞれの上に形成されているエレクトレットと、
前記複数の第２の導電膜のそれぞれの上に形成されている絶縁膜と、
を含み、
前記第１の導電膜と前記第２の導電膜が交互に配置され、
前記複数の第２の導電膜は互いに直列に接続され、
直列に配置された前記複数の第２の導電膜に電流を流すためのソース端子とドレイン端子とを更に含むことを特徴とするエレクトレット電極。
前記第２の導電膜が、内部に互いに離間した平行部と、２つの平行部を接続する複数の折り返し部とを有することを特徴とする請求項１に記載のエレクトレット電極。
前記第２の導電膜が、第１の導電膜よりも電気抵抗が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のエレクトレット電極。
単一の絶縁膜において、前記エレクトレットが電荷を有する部分として形成され、かつ前記絶縁膜が電荷を実質的に有しない部分として形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトレット電極。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエレクトレット電極を用いた振動発電器。
請求項５に記載の振動発電器と、
前記振動発電器からの交流出力電圧を整流して直流電圧に変換する整流回路と、
前記整流回路から出力された直流電圧を所定の電圧レベルに変換する電圧変換回路と、
前記振動発電器からの出力が不要な場合に、前記振動発電器により発電された電力を蓄える蓄電回路と、
前記電圧変換回路または前記蓄電回路からの出力電圧を、所定の電圧に制御する電圧制御回路と、
前記電圧変換回路からの出力が送られる回路を、蓄電回路および電圧制御回路のいずれか一方から他方に切り替える出力切替回路と、
を備えた振動発電装置。
請求項６に記載の振動発電装置を含む通信装置。
基板上に、第１の導電膜と第２の導電膜とを交互にかつ互いに離間して配置する工程と、
前記第１の導電膜上にエレクトレット用材料を形成する工程と、
前記第２の導電膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記第１のエレクトレット用材料および前記絶縁膜を同時に帯電させる工程と、
前記第２の導電膜を通電加熱することにより前記絶縁膜を加熱し、前記絶縁膜に帯電した電荷を除去すると、
を含むことを特徴とするエレクトレット電極の製造方法。