JP2015107037A - エレクトレット発電装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の振幅に対するダイナミックレンジが広く、小さな振幅から大きな振幅まで大きな出力を得られるエレクトレット発電装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】第１固定電極１２と、第１振動電極１６とを備え、これらは、対向する電極面の少なくとも一方にエレクトレットが形成されており、その重なり面積が変化して発電する重なり面積変動型発電器の部分と、第２固定電極１８と、第２振動電極２０とを備え、これらは、対向する電極面の少なくとも一方にエレクトレットが形成されており、その電極面の間の対向距離が変化して発電する電極間距離変動型発電器の部分とを備え、重なり面積変動型発電器が占める面積と、重なり面積変動型発電器が占める面積と電極間距離変動型発電器が占める面積の総和との比が０．１５〜０．８５であるエレクトレット発電装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトレット発電装置及びその製造方法に関する。

従来より、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、マイクロフォ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、電気エネルギーと運動エネルギーとの変換効率が高いことが知られている。例えば、下記特許文献１には、エレクトレットと電極との間で重なり面積が変化することにより発電する振動発電器の例が開示されている。

また、下記特許文献２には、固定電極とエレクトレット電極との隙間が増減する方向に振動して発電する振動発電器の例が開示されている。

特開２０１３−１８７９８１号公報 特開２０１３−１９８３１４号公報

上記従来の振動発電器において、エレクトレットと電極との間で重なり面積が変化することにより発電するタイプ（いわゆるオーバーラップエリアチェンジ（overlap area change）タイプ）の場合には、電極間の静電容量変化が電極の振動の振幅に比例するため、小さな振幅でもある程度の出力が得られるが、振幅を大きくしても出力の増加量が小さい（一次関数（直線）的にしか増加しない）という問題があった。

また、固定電極とエレクトレット電極との隙間が増減する方向に振動して発電するタイプ（いわゆるギャップクロージング（gap closing）タイプ）の場合には、静電容量が電極間の距離に反比例するため、電極の振動の振幅が大きい場合には大きな出力が得られる（電極間の距離と出力が双曲線の関係にある）が、振幅が小さい場合には出力がほとんど得られないという問題があった。

本発明の目的は、電極の振幅に対するダイナミックレンジが広く、小さな振幅から大きな振幅まで大きな出力を得られるエレクトレット発電装置及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、エレクトレット発電装置であって、互いに対向した電極面の少なくとも一方に電荷が注入された絶縁層が形成され、前記対向した電極が前記電極面に平行な方向に相対運動しつつ重なり面積が変化することにより発電を行う第１の発電素子と、互いに対向した電極面の少なくとも一方に電荷が注入された絶縁層が形成され、前記対向する電極が前記電極面の間の対向距離が変化する方向に相対運動することにより発電を行う第２の発電素子と、備え、基板上で、前記第１の発電素子の占める面積と前記第２の発電素子の占める面積の総和のうち、前記第１の発電素子の占める面積の割合が０．１５〜０．８５であることを特徴とする。

上記第１の発電素子の対向した電極に位置調整電圧を印加し、前記第２の発電素子の振幅に応じて、前記電極面の間の対向距離を制御して前記相対運動の中心点を変更するのが好適である。

また、本発明の他の実施形態は、エレクトレット発電装置であって、互いに対向した電極面に反対極性の電荷が注入された絶縁層が複数形成され、前記対向する電極が前記電極面の間の対向距離が変動する方向に相対運動することにより発電を行うエレクトレット発電装置であって、前記相対運動の中心点が、対向する電極の一方より他方に近い位置に設定されていることを特徴とする。

また、本発明のさらに他の実施形態は、エレクトレット発電装置の製造方法であって、絶縁膜を介して２層のシリコン層が積層された基板を準備し、一方の前記シリコン層に、相互に所定の間隙を保ちつつ交互に配置されてかみ合う２種類の櫛状パターンであって、一方が、対向した面に平行な方向に相対運動しつつ重なり面積が変化する電極となり、他方が対向する面の間の対向距離が変動する方向に相対運動する電極となる櫛状パターンを形成し、前記櫛状パターンの互いに対向する面に絶縁層を形成し、前記互いにかみ合う櫛状パターンの間に所定の電位差を印加しつつ前記対向する櫛状パターンの間隙の開口から軟Ｘ線を照射し、前記絶縁層の表面層に電荷を注入することを特徴とする。

本発明によれば、電極の振幅に対するダイナミックレンジが広く、小さな振幅から大きな振幅まで大きな出力を得られるエレクトレット発電装置及びその製造方法を実現できる。

実施形態にかかるエレクトレット発電装置の部分的な構成例を示す図である。 実施形態にかかるエレクトレット発電装置の発電特性の説明図である。 実施形態に係るエレクトレット発電装置の製造方法を説明するための部分断面図である。 実施形態の変形例にかかるエレクトレット発電装置において、隣接する第２固定電極の中央の位置からずれた位置に第２振動電極が配置された場合の説明図である。 実施例にかかるエレクトレット発電装置の出力と、面積変動型発電器における対向した電極の平均重なり面積と電極間距離変動型発電器の対向した電極の重なり面積の比との関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、実施形態にかかるエレクトレット発電装置の部分的な構成例が示される。ここで、エレクトレット発電装置は、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、対向する電極の少なくとも一方に電荷を固定し、対向した電極が電極面に平行な方向に相対運動しつつ重なり面積が変化することにより発電を行うタイプ（以後、重なり面積変動型発電器という）と、対向した電極が電極面の間の対向距離が変動する方向に相対運動することにより発電を行うタイプ（以後、電極間距離変動型発電器という）とにより構成されている。

図１において、重なり面積変動型発電器の部分は、固定基板１０に形成された第１固定電極１２と、振動基板１４に形成された第１振動電極１６とを備えている。第１固定電極１２と第１振動電極１６とは、相互に所定の間隙を保ちつつ交互に配置されてかみ合う櫛状パターンとして形成され、電極面が互いに対向し、対向する電極面の少なくとも一方に電荷が注入され、固定化されてエレクトレットが形成されている。この電荷は、電極面の表面に形成された絶縁層中に注入される。なお、対向する電極面の両方に互いに反対極性の電荷が注入されてエレクトレットが形成されていてもよい。

振動基板１４は、図の矢印Ｂ方向（対向する電極面に平行な方向）に往復運動すなわち振動できるように構成されている。振動基板１４が矢印Ｂ方向に振動することにより第１振動電極１６も矢印Ｂ方向に振動して第１固定電極１２と第１振動電極１６とが相対運動し、その重なり面積が変化する。重なり面積変動型発電器は、上記重なり面積が変化することにより、エレクトレットの電荷に基づく静電誘導により発電を行う。

振動基板１４が振動する機構は、例えば図示しない基板を固定基板１０及び振動基板１４の下部（図１の紙面の裏方向）に配置し、これに固定基板１０を固定するとともに、振動基板１４をばね等の弾性部材１５により矢印Ｂ方向に振動可能に取り付けることにより実現できるが、これには限定されない。

また、電極間距離変動型発電器の部分は、固定基板１０に形成された第２固定電極１８と、振動基板１４に形成された第２振動電極２０とを備えている。第２固定電極１８と第２振動電極２０とは、相互に所定の間隙を保ちつつ交互に配置されてかみ合う櫛状パターンとして形成され、電極面が互いに対向し、対向する電極面の少なくとも一方に電荷が注入され、固定化されてエレクトレットが形成されている。この電荷は、電極面の表面に形成された絶縁層中に注入される。なお、対向する電極面の両方に互いに反対極性の電荷が注入されてエレクトレットが形成されていてもよい。

振動基板１４が矢印Ｂ方向に振動することにより第２振動電極２０も矢印Ｂ方向に振動して第２固定電極１８と第２振動電極２０とが相対運動し、その電極面の間の対向距離が変化する。電極間距離変動型発電器は、上記電極面の間の対向距離が変化することにより、エレクトレットの電荷に基づく静電誘導により発電を行う。

なお、図１の例では、重なり面積変動型発電器の部分及び電極間距離変動型発電器の部分がそれぞれ１個ずつ記載されているが、これには限定されず一つの基板にそれぞれ複数形成してもよい。また、第１固定電極１２、第１振動電極１６、第２固定電極１８及び第２振動電極２０の数も任意に設定することができる。また、第１固定電極１２、第２固定電極１８が同一の固定基板１０に形成され、第１振動電極１６、第２振動電極２０が同一の振動基板１４上に形成されているが、これには限定されない。

図２には、本実施形態にかかるエレクトレット発電装置の発電特性の説明図が示される。図２では、横軸がエレクトレット発電装置の振動の振幅であり、縦軸が発電量（μＷ）である。図２において、ＯＡＣが重なり面積変動型発電器の発電特性を表し、ＧＣが電極間距離変動型発電器の発電特性を表す。

重なり面積変動型発電器の場合、振幅と発電量が比例関係にあり、以下の式に示されるように、振幅の増加とともに発電量が直線的に増加する。
Ｅ１∝Ａ
ただし、Ｅ１は発電量、Ａは振幅である。

また、電極間距離変動型発電器の場合、以下の式に示されるように、発電量が電極間の距離の逆数の差に比例する。
Ｅ２∝１／（Ｇ−Ａ）−１／Ｇ
ただし、Ｅ２は発電量、Ｇは振動がない場合の電極（第２固定電極１８と第２振動電極２０）間の距離、Ａは振幅である。

また、エレクトレット発電装置全体の発電量Ｅは、上記Ｅ１とＥ２との合成量となり、
Ｅ∝Ｎ１・Ｅ１＋Ｎ２・Ｅ２
となる。ただし、Ｎ１は重なり面積変動型発電器の電極数、Ｎ２は電極間距離変動型発電器の電極数である。ここで、重なり面積変動型発電器の電極１組が占める面積（エレクトレット発電装置が形成された基板（例えば、固定基板１０が固定されるとともに、振動基板１４がばね等の弾性部材１５により取り付けられた基板）上に占める電極の投影面積）をＳ１，電極間距離変動型発電器の電極１組が占める面積をＳ２とすると、重なり面積変動型発電器の電極が占める面積Ａ１、電極間距離変動型発電器の電極が占める面積Ａ２は、
Ａ１＝Ｎ１×Ｓ１
Ａ２＝Ｎ２×Ｓ２
である。

ここで、Ａ１とＡ２の総和のうち、重なり面積変動型発電器の電極が占める面積の割合（Ａ１／Ａ１＋Ａ２）が、０．１５〜０．８５である場合にエレクトレット発電装置全体の発電量Ｅが増大する。

図３（ａ）〜（ｅ）には、本実施形態に係るエレクトレット発電装置の製造方法を説明するための部分断面図が示される。図３（ａ）において、絶縁膜２２を介して２層のシリコン層２４、２６が積層された基板を準備する。この基板のシリコン層２４の表面には、フォトリソグラフィー法により、フォトレジスト層２８に所定の電極パターン（エレクトレットが形成される電極のパターン）を形成する。この電極パターンは、相互に所定の間隙を保ちつつ交互に配置されてかみ合う櫛状パターンである。なお、絶縁膜２２としては、シリコン酸化膜が好適である。

図３（ｂ）において、上記フォトレジスト層２８に形成された電極パターンに基づき、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）等によりシリコン層２４にも電極パターを形成する。

図３（ｃ）において、フォトレジスト層２８を除去した後、フッ化水素（ＨＦ）ガスをシリコン層２４に形成された孔（電極の隙間）から吹き込み、絶縁膜２２の一部を除去する。これにより、上記形成された電極の内の一部がシリコン層２６から分離され、図１に示された第１固定電極１２、第２固定電極１８を有する固定基板１０、及び第１振動電極１６、第２振動電極２０を有する振動基板１４となる。なお、図３（ｃ）では、シリコン層２４に形成された各電極が模式的に示されているが、図１に示された各電極と対応しているものではない。また、固定基板１０はシリコン層２６に固定され（シリコン層２６との間の絶縁膜２２が除去されていない）、振動基板１４はシリコン層２６に、図示されていないばね等の弾性部材１５を介して取り付けられている。弾性部材１５についても、上記フォトリソグラフィー法、反応性イオンエッチング等によりシリコン層２４に形成し、その一端を絶縁膜２２を介してシリコン層２６に固定しておく。図３におけるシリコン層２６は、図１で述べた、固定基板１０及び振動基板１４の下部に配置された図示しない基板に相当する。

図３（ｄ）において、各電極の表面、特に第１固定電極１２と第１振動電極１６との対向面、及び第２固定電極１８と第２振動電極２０との対向面に絶縁層３０を形成する。絶縁層３０としては、例えばパラキシリレン系樹脂等を使用することができる。電極の表面へのパラキシリレン系樹脂膜の形成は、図３（ｃ）までの工程で製造した基板を真空チャンバ内に収容し、パラキシリレン系モノマーガスを導入して重合し、電極表面にコーティングすることにより行う。絶縁層３０の厚さは、０．５〜５μｍの範囲がよい。外部への通電は、上記工程で形成したデバイス（エレクトレット発電装置）を図示しないプリント基板などに固定し、第１固定電極１２、及び第２固定電極１８とプリント基板の上の電極の間をワイヤーボンディングなどで接続することによって行う。

図３（ｅ）において、図示しない軟Ｘ線照射装置により、上記第１固定電極１２と第１振動電極１６との間隙及び第２固定電極１８と第２振動電極２０との間隙の開口から軟Ｘ線を照射する。ここで、軟Ｘ線は、１０ｋｅＶ以下のエネルギーのＸ線をいう。本実施形態では、９．５ｋｅＶのＸ線を使用した。また、軟Ｘ線の照射時間は１５０秒間としたが、エレクトレットに必要な表面電位等に応じて適宜決定することができる。軟Ｘ線を照射する際には、対向配置された第１固定電極１２と第１振動電極１６との間及び第２固定電極１８と第２振動電極２０との間にバイアス電圧を印加した。本実施形態では、バイアス電圧を１３０Ｖとした。

軟Ｘ線は、エネルギーが低いＸ線であるので、酸素、窒素等の空気中の成分に吸収され、これらの成分をイオン化する。このため、軟Ｘ線が上記電極の開口から間隙中に進入すると、間隙中の空気成分をイオン化することになる。このときに発生する正イオンと負イオンとは、上記電極の間に印加したバイアス電圧により、それぞれ電極の表面に形成された絶縁層３０に引き寄せられ、絶縁層３０の表面付近に注入されて蓄積される。これにより、絶縁層３０がエレクトレットとなる。

次に、本実施形態にかかるエレクトレット発電装置の変形例として、図１に示された重なり面積変動型発電器の第１固定電極１２と第１振動電極１６との間に図示しない外部の制御回路を用いて適宜な位置調整電圧を印加し、第１固定電極１２と第１振動電極１６との間に発生する矢印Ｂ方向の力と弾性部材１５の弾性力とが釣り合う位置まで振動基板１４を移動させ、電極間距離変動型発電器の第２固定電極１８と第２振動電極２０との間の距離を変化させてもよい。この場合、第２振動電極２０が振動していない状態で、隣接する第２固定電極１８の中央の位置からずれた位置に第２振動電極２０が配置され、第２振動電極２０の振動の中心となる。

図４には、本変形例にかかるエレクトレット発電装置において、隣接する第２固定電極１８の中央の位置からずれた位置に第２振動電極２０が配置された場合の説明図が示される。図４において、隣接する第２固定電極１８の一方と第２振動電極２０との距離をｄ１とし、隣接する第２固定電極１８の他方と第２振動電極２０との距離をｄ２とした場合、図４の例ではｄ１＜ｄ２となっている。第２振動電極２０は、上記ｄ１＜ｄ２となる位置を中心として振動する。なお、図１に示された例ではｄ１＝ｄ２となっている（隣接する第２固定電極１８の中央の位置に第２振動電極２０が配置されている）。

一般に、電極間距離変動型発電器の場合、振幅の大きさに応じて、発電効率が高くなる第２固定電極１８と第２振動電極２０との距離が変動する。具体的には、振幅が小さくなるほど、隣接する第２固定電極１８の中央の位置からいずれか一方の第２固定電極１８に近づけることにより発電効率を高くすることができる。本変形例では、振幅に応じて第２固定電極１８と第２振動電極２０との距離を調整できるので、振幅が変動しても、発電効率を高く維持することができる。

図４においてｄ１＜ｄ２を実現する方法としては、上述したように、第１固定電極１２と第１振動電極１６との間に位置調整電圧を印加する方法があるが、これには限定されない。例えば、図３（ａ）〜（ｃ）で説明した製造工程において、当初からｄ１＜ｄ２となる位置（第２振動電極２０が隣接する第２固定電極１８の一方側に接近した位置）に配置されるように第２振動電極２０を形成してもよいし、電気力ではなく、矢印Ｂ方向の適宜な押す力を振動基板１４に作用させてもよい。

以下に、上記実施形態の具体例を実施例として説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

重なり面積変動型発電器における対向した電極の平均重なり面積と電極間距離変動型発電器の対向した電極の重なり面積を変化させてエレクトレット発電装置の出力のシミュレーションを行った。この際、振動の強さを２段階（０．５ｇ、１．０ｇ ｇは重力加速度）として同じ計算を行った。振動数は３００Ｈｚであり、振幅はそれぞれ１５μｍ、２０μｍである。

計算で用いた重なり面積変動型発電器及び電極間距離変動型発電器の、振動していないときの第１固定電極１２と第１振動電極１６との距離は７μｍ、第２固定電極１８と第２振動電極２０との距離（初期ギャップ）は２８μｍ、各電極の対向面の幅（電極の長手方向に直交する方向の長さ）は７０μｍ、電極に形成された絶縁層３０（パラキシリレン系樹脂（商品名parylene-C（登録商標） により形成した）の厚さは１．５μｍ、絶縁層３０は±１００Ｖの表面電位を持つと仮定した。全てが重なり面積変動型発電器の場合は、電極の数は約１２００本、全てが電極間距離変動型発電器の場合は、電極の数は約７７０本である。

図５には、実施例にかかるエレクトレット発電装置の発電出力と、重なり面積変動型発電器の電極が占める面積と電極全体の面積の比との関係が示される。図５において、Ａ１が重なり面積変動型発電器の電極が占める面積であり、Ａ２が電極間距離変動型発電器の電極が占める面積である。また、図５の横軸が、重なり面積変動型発電器の電極が占める面積と、重なり面積変動型発電器の電極が占める面積と電極間距離変動型発電器の電極が占める面積の総和（電極全体の面積）との比（Ａ１／（Ａ１＋Ａ２））であり、縦軸が発電出力（μＷ）である。

図５に示されるように、振動の強さが１．０ｇの場合には、Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）＝０．４５付近に発電出力のピークがあり、振動の強さが０．５ｇの場合には、Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）＝０．６５付近に発電出力のピークがある。いずれの場合のも、Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）が０．１５〜０．８５の範囲で発電出力が増加していることがわかる。

１０ 固定基板、１２ 第１固定電極と、１４ 振動基板、１５ 弾性部材、１６ 第１振動電極、１８ 第２固定電極、２０ 第２振動電極、２２ 絶縁膜、２４、２６ シリコン層、２８ フォトレジスト層、３０ 絶縁層。

Claims (4)

1. 互いに対向した電極面の少なくとも一方に電荷が注入された絶縁層が形成され、前記対向した電極が前記電極面に平行な方向に相対運動しつつ重なり面積が変化することにより発電を行う第１の発電素子と、
   互いに対向した電極面の少なくとも一方に電荷が注入された絶縁層が形成され、前記対向する電極が前記電極面の間の対向距離が変化する方向に相対運動することにより発電を行う第２の発電素子と、
   を備え、前記第１の発電素子が占める面積と、前記第１の発電素子が占める面積と前記第２の発電素子が占める面積の総和との比が０．１５〜０．８５であるエレクトレット発電装置。
2. 前記第１の発電素子の対向した電極に位置調整電圧を印加し、前記第２の発電素子の振幅に応じて、前記電極面の間の対向距離を制御して前記相対運動の中心点を変更する、請求項１に記載のエレクトレット発電装置。
3. 互いに対向した電極面の少なくとも一方に電荷が注入された絶縁層が複数形成され、前記対向する電極が前記電極面の間の対向距離が変動する方向に相対運動することにより発電を行うエレクトレット発電装置であって、前記相対運動の中心点が、対向する電極の一方より他方に近い位置に設定されているエレクトレット発電装置。
4. 絶縁膜を介して２層のシリコン層が積層された基板を準備し、
   一方の前記シリコン層に、相互に所定の間隙を保ちつつ交互に配置されてかみ合う２種類の櫛状パターンであって、一方が、対向した面に平行な方向に相対運動しつつ重なり面積が変化する電極となり、他方が対向する面の間の対向距離が変動する方向に相対運動する電極となる櫛状パターンを形成し、
   前記櫛状パターンの互いに対向する面に絶縁層を形成し、
   前記互いにかみ合う櫛状パターンの間に所定の電位差を印加しつつ前記対向する櫛状パターンの間隙の開口から軟Ｘ線を照射し、前記絶縁層の表面層に電荷を注入する、エレクトレット発電装置の製造方法。

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