JP2018022726A

JP2018022726A - Method of manufacturing electret substrate

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Publication number: JP2018022726A
Application number: JP2016151452A
Authority: JP
Inventors: 山本　泉; Izumi Yamamoto; 泉山本; 正也鈴木; Masaya Suzuki; 橋口　原; Gen Hashiguchi; 原橋口
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-08-01
Also published as: JP6700139B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To equalize the charge of a charging layer of an electret substrate in a surface direction.SOLUTION: An electret substrate (50) constitutes a charging portion (14) of an electromechanical converter (1 or 2) that converts between electric power and mechanical power utilizing an electrostatic interaction between the charging portion and counter electrodes (15, 16). A method of manufacturing the electret substrate includes steps of: arranging a SiOlayer (52) and an electrode (54) serving as a negative electrode to face each other via an insulator (53), the SiOlayer being formed on the surface of a Si substrate (51) and containing a positive ion (K+ ion) of an alkali metal; and charging the SiOlayer by applying a voltage between the Si substrate and the electrode serving as a negative electrode while the Si substrate is used as a positive electrode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、エレクトレット基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an electret substrate.

半永久的に電荷を保持する性質を持つエレクトレットを利用することで発生する静電的な相互作用により電力と動力の間の変換を行う電気機械変換器が知られている。例えば、特許文献１には、エレクトレット電極とその対向電極とを相対移動させることによって生じる静電誘導を利用して発電する発電装置が記載されている。また、特許文献２には、電極に電圧を印加したときにエレクトレットとの間で生じる静電気力を利用して移動子を駆動するエレクトレット駆動装置が記載されている。 2. Description of the Related Art An electromechanical converter that performs conversion between electric power and power by an electrostatic interaction generated by using an electret having a property of retaining a charge semipermanently is known. For example, Patent Document 1 describes a power generation device that generates power using electrostatic induction generated by relatively moving an electret electrode and its counter electrode. Patent Document 2 describes an electret driving device that drives a moving element by using an electrostatic force generated between the electret when a voltage is applied to an electrode.

また、特許文献３には、こうしたエレクトレットの製造方法が記載されている。この製造方法では、Ｓｉ（シリコン）基板の表面にウェット酸化（熱酸化）によりＫ＋イオン（カリウムイオン）を含むＳｉＯ_２層を形成し、その基板の上下端を電極で挟んでヒータで加熱しながらバイアス電圧を印加して、Ｋ＋イオンをＳｉＯ_２層の表面に移動させることで、Ｋ＋イオンを含むＳｉＯ_２層のエレクトレットを備えたエレクトレット基板を製造する。 Patent Document 3 describes a method for manufacturing such an electret. In this manufacturing method, SiO ₂ layers containing K + ions (potassium ions) are formed by wet oxidation (thermal oxidation) on the surface of a Si (silicon) substrate, and the upper and lower ends of the substrate are sandwiched between electrodes and heated with a heater. by applying a bias voltage, by moving the K + ions on the surface of the SiO ₂ layer, to produce an electret substrate with an electret SiO ₂ layer containing K + ions.

図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は、従来のエレクトレット基板５０’の製造工程を示す模式的な断面図である。 FIGS. 8A to 8D are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of a conventional electret substrate 50 ′.

エレクトレット基板５０’の製造時には、図８（Ａ）に示すＳｉ基板５１の表面を、Ｋ＋イオンを含む雰囲気中で熱酸化させて、図８（Ｂ）に示すように、Ｋ＋イオンを含有するＳｉＯ_２層５２をＳｉ基板５１の上面に形成する。続いて、図８（Ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２層５２の上方にＳｉＯ_２層５２から距離を離して電極（負極）５４を配置し、Ｓｉ基板５１を正極（ＧＮＤ）に接続して、ヒータ５５で加熱しながら電極５４とＳｉ基板５１との間に電圧を印加することにより、ＳｉＯ_２層５２を帯電させる。すると、ＳｉＯ_２層５２内のＫ＋イオンはＳｉＯ_２層５２の上面に移動し、その上面からＳｉ基板５１の外部に飛散するので、ＳｉＯ_２層５２の内部には負電荷が残り、結果としてＳｉＯ_２層５２は負に帯電する。これにより、図８（Ｄ）に示すエレクトレット基板５０’が完成する。 At the time of manufacturing the electret substrate 50 ′, the surface of the Si substrate 51 shown in FIG. 8A is thermally oxidized in an atmosphere containing K + ions, and as shown in FIG. 8B, SiO containing K + ions is obtained. _Two layers 52 are formed on the upper surface of the Si substrate 51. Subsequently, as shown in FIG. 8 (C), an electrode (negative electrode) 54 at a distance from the SiO ₂ layer 52 arranged above the SiO ₂ layer 52, and connect the Si substrate 51 in the positive electrode (GND) The SiO ₂ layer 52 is charged by applying a voltage between the electrode 54 and the Si substrate 51 while being heated by the heater 55. Then, K + ions in the SiO ₂ layer 52 is moved to the upper surface of the SiO ₂ layer 52, since scattered from the upper surface to the outside of the Si substrate 51, the interior of the SiO ₂ layer 52 remains negatively charged, SiO as a result _{The two} layers 52 are negatively charged. Thereby, the electret board | substrate 50 'shown to FIG. 8 (D) is completed.

特開２０１５−１９２５７７号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-192577 特開２００５−３４１６７５号公報JP 2005-341675 A 特開２０１４−０４９５５７号公報JP 2014-049557 A

エレクトレット基板５０’の製造時には、図８（Ｃ）に示した帯電工程において、負極となる電極５４と帯電層であるＳｉＯ_２層５２との間には、静電気力である引力が働く。ＳｉＯ_２層５２とそれに対向する電極５４との間には隙間が空いているため、この引力により、ＳｉＯ_２層５２の面上には、ＳｉＯ_２層５２と電極５４とが相対的に近付くところと離れるところができる。このため、ＳｉＯ_２層５２と電極５４との間の距離を一定に保つことが難しく、ＳｉＯ_２層５２と電極５４との間に印加される電圧がＳｉＯ_２層５２の面上の位置によって異なるため、ＳｉＯ_２層５２の面方向における帯電が均一にならないという問題がある。 At the time of manufacturing the electret substrate 50 ′, in the charging step shown in FIG. 8C, an attractive force, which is an electrostatic force, acts between the electrode 54 serving as the negative electrode and the SiO ₂ layer 52 serving as the charging layer. Since there is a gap between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 facing the SiO ₂ layer 52, the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 are relatively close to each other on the surface of the SiO ₂ layer 52 by this attractive force. You can leave. For this reason, it is difficult to keep the distance between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 constant, and the voltage applied between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 differs depending on the position on the surface of the SiO ₂ layer 52. Therefore, there is a problem that charging in the surface direction of the SiO ₂ layer 52 is not uniform.

そこで、本発明は、エレクトレット基板の帯電層の面方向における帯電を均一化することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to make the charging in the surface direction of the charging layer of the electret substrate uniform.

帯電部と対向電極との間の静電的な相互作用を利用して電力と動力の間の変換を行う電気機械変換器の帯電部を構成するエレクトレット基板の製造方法であって、Ｓｉ基板の表面に形成されアルカリ金属の正イオンを含有するＳｉＯ_２層と、負極となる電極とを、絶縁体を介して対向配置する工程と、Ｓｉ基板を正極として、負極となる電極とＳｉ基板との間に電圧を印加することによりＳｉＯ_２層を帯電させる工程とを有することを特徴とする製造方法が提供される。 A method of manufacturing an electret substrate that constitutes a charging unit of an electromechanical converter that performs conversion between electric power and power using electrostatic interaction between a charging unit and a counter electrode. A step of disposing an SiO ₂ layer formed on the surface and containing alkali metal positive ions and an electrode serving as a negative electrode through an insulator; and an electrode serving as a negative electrode and an Si substrate formed using an Si substrate as a positive electrode And a step of charging the SiO ₂ layer by applying a voltage therebetween.

上記の対向配置する工程では、上記の絶縁体として、ＳｉＯ_２層側の表面に凹凸を有する絶縁体をＳｉＯ_２層に接触させて配置することが好ましい。 In the step of opposing arrangement, it is preferable that an insulator having an unevenness on the surface on the SiO ₂ layer side is arranged in contact with the SiO ₂ layer as the insulator.

上記の製造方法では、絶縁体は、真空の誘電率よりも大きな誘電率を有する誘電体であることが好ましく、石英ガラス、アルミナまたはジルコニアであることが好ましい。 In the above manufacturing method, the insulator is preferably a dielectric having a dielectric constant larger than that of vacuum, and is preferably quartz glass, alumina, or zirconia.

上記の製造方法では、凹凸を有する絶縁体はすりガラスであることが好ましい。また、上記の対向配置する工程では、上記の絶縁体として、負極となる電極とＳｉＯ_２層との間に複数枚の層状の絶縁体を重ねて配置することが好ましい。 In said manufacturing method, it is preferable that the insulator which has an unevenness | corrugation is ground glass. Further, in the above-described opposing arrangement step, it is preferable to arrange a plurality of layered insulators as the insulators between the electrode serving as the negative electrode and the SiO ₂ layer.

本発明によれば、エレクトレット基板の帯電層の面方向における帯電が均一化する。 According to the present invention, the electrification of the electret substrate in the surface direction of the charging layer is made uniform.

エレクトレット基板５０の製造工程を示す模式的な断面図である。5 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process of the electret substrate 50. FIG. 帯電工程で用いられる絶縁体５３の算術表面粗さと製造されたエレクトレット基板５０の表面電位との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the arithmetic surface roughness of the insulator 53 used at a charging process, and the surface potential of the manufactured electret board | substrate 50. FIG. ２枚の絶縁体５３Ａ，５３Ｂを用いる場合の帯電工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the charging process in the case of using the two insulators 53A and 53B. 電気機械変換器１の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an electromechanical converter 1. FIG. 電気機械変換器１内のアクチュエータ１０の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of an actuator 10 in the electromechanical transducer 1. 他の電気機械変換器２の概略構成図である。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of another electromechanical converter 2. 電気機械変換器２内の発電部１０’の斜視図である。4 is a perspective view of a power generation unit 10 ′ in the electromechanical converter 2. FIG. 従来のエレクトレット基板５０’の製造工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing process of the conventional electret board | substrate 50 '.

以下、図面を参照して、エレクトレット基板の製造方法について詳細に説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。 Hereinafter, an electret substrate manufacturing method will be described in detail with reference to the drawings. However, it should be understood that the present invention is not limited to the drawings or the embodiments described below.

図１（Ａ）〜図１（Ｅ）は、エレクトレット基板５０の製造工程を示す模式的な断面図である。 FIG. 1A to FIG. 1E are schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of the electret substrate 50.

エレクトレット基板５０は、図１（Ａ）に示すＳｉ基板５１を用いて作製される。Ｓｉ基板５１としては、ドーピングされていて導通するものを使用する。Ｓｉ基板５１の厚さは、例えば２００〜６００μｍ程度あればよい。 The electret substrate 50 is manufactured using the Si substrate 51 shown in FIG. As the Si substrate 51, a conductive substrate that is doped is used. The thickness of the Si substrate 51 may be about 200 to 600 μm, for example.

エレクトレット基板５０の製造時には、最初に、例えば、Ｋ＋イオンを含む雰囲気中でＳｉ基板５１の表面を熱酸化させて、図１（Ｂ）に示すように、Ｋ＋イオンを含有するＳｉＯ_２層５２をＳｉ基板５１の上面に形成する（熱酸化工程）。熱酸化は、Ｓｉ基板５１を熱酸化炉の中に入れ、例えば１０００℃程度の温度下で、水酸化カリウム（ＫＯＨ）の水溶液内に窒素ガスを通過させて（バブリング）、ＫＯＨの蒸気と窒素ガスを炉内に導入することにより行われる。これにより、Ｋ＋イオンが内部に浸透した酸化膜であるＳｉＯ_２層５２が、Ｓｉ基板５１の表面に形成される。ＳｉＯ_２層５２の厚さは、例えば数μｍ程度である。ＳｉＯ_２層５２はＳｉ基板５１の上層部のみに形成され、Ｓｉ基板５１の下層部はＳｉのままである。 At the time of manufacturing the electret substrate 50, first, for example, the surface of the Si substrate 51 is thermally oxidized in an atmosphere containing K + ions to form an SiO ₂ layer 52 containing K + ions as shown in FIG. It is formed on the upper surface of the Si substrate 51 (thermal oxidation step). In the thermal oxidation, the Si substrate 51 is placed in a thermal oxidation furnace, and nitrogen gas is passed through an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) (bubbling) at a temperature of about 1000 ° C., for example. This is done by introducing gas into the furnace. As a result, an SiO ₂ layer 52 that is an oxide film into which K + ions have permeated is formed on the surface of the Si substrate 51. The thickness of the SiO ₂ layer 52 is, for example, about several μm. The SiO ₂ layer 52 is formed only on the upper layer portion of the Si substrate 51, and the lower layer portion of the Si substrate 51 remains Si.

なお、熱酸化によりＳｉ基板５１の下面側にも酸化膜が形成されるが、図１（Ｂ）では、下面側の酸化膜は図示していない。下面側の酸化膜は、切削またはエッチングにより除去してもよいし、そのまま残してもよい。また、熱酸化に限らず、公知の別の方法で、Ｋ＋イオンを含有するＳｉＯ_２層５２をＳｉ基板５１の上面に形成してもよい。 Although an oxide film is also formed on the lower surface side of the Si substrate 51 by thermal oxidation, the oxide film on the lower surface side is not shown in FIG. The oxide film on the lower surface side may be removed by cutting or etching, or may be left as it is. In addition to the thermal oxidation, the SiO ₂ layer 52 containing K + ions may be formed on the upper surface of the Si substrate 51 by another known method.

続いて、図１（Ｃ）に示すように、Ｋ＋イオンを含有するＳｉＯ_２層５２の上に、絶縁体５３を挟んで、負極となる電極５４を配置する（配置工程）。言い換えると、負極となる電極５４とＳｉＯ_２層５２とを、絶縁体５３を介して対向配置する。絶縁体５３は、真空の誘電率よりも大きな誘電率を有する誘電体であることが好ましく、具体的には、石英ガラス、アルミナまたはジルコニアであることが好ましい。例えば、絶縁体５３として、厚さ１００μｍ程度の石英ガラスを用いてもよい。絶縁体５３にはある程度の厚さが必要であり、絶縁体５３の厚さは、ＳｉＯ_２層５２の厚さよりも大きいことが好ましい。 Subsequently, as shown in FIG. 1C, an electrode 54 serving as a negative electrode is disposed on the SiO ₂ layer 52 containing K + ions with an insulator 53 interposed therebetween (arrangement step). In other words, the electrode 54 serving as the negative electrode and the SiO ₂ layer 52 are disposed to face each other with the insulator 53 interposed therebetween. The insulator 53 is preferably a dielectric having a dielectric constant larger than that of vacuum, and specifically, quartz glass, alumina, or zirconia is preferable. For example, quartz glass having a thickness of about 100 μm may be used as the insulator 53. The insulator 53 needs to have a certain thickness, and the thickness of the insulator 53 is preferably larger than the thickness of the SiO ₂ layer 52.

そして、図１（Ｄ）に示すように、Ｓｉ基板５１を正極（ＧＮＤ）に接続し、負極となる電極５４とＳｉ基板５１との間に例えば１０００Ｖ程度の電圧を印加することにより、ＳｉＯ_２層５２を帯電させる（帯電工程）。その際、例えばＳｉ基板５１をヒータ５５に接触させて、ヒータ５５で例えば５００℃程度に加熱しながら電圧を印加する。これにより、ＳｉＯ_２層５２内のＫ＋イオンはＳｉＯ_２層５２の上面に移動し、その上面からＳｉ基板５１の外部に飛散するので、ＳｉＯ_２層５２の内部には負電荷が残り、結果としてＳｉＯ_２層５２は負に帯電する。 Then, as shown in FIG. 1D, the Si substrate 51 is connected to the positive electrode (GND), and a voltage of about 1000 V, for example, is applied between the electrode 54 serving as the negative electrode and the Si substrate 51, so that SiO ₂ The layer 52 is charged (charging process). At that time, for example, the Si substrate 51 is brought into contact with the heater 55, and a voltage is applied while the heater 55 is heated to, for example, about 500 ° C. Thus, K + ions in the SiO ₂ layer 52 is moved to the upper surface of the SiO ₂ layer 52, since scattered from the upper surface to the outside of the Si substrate 51, the interior of the SiO ₂ layer 52 remaining negative charge, as a result The SiO ₂ layer 52 is negatively charged.

以上の各工程により、図１（Ｅ）に示すエレクトレット基板５０が完成する。エレクトレット基板５０の使用時には、例えばＳｉ基板５１が接地（ＧＮＤに接続）される。 Through the above steps, the electret substrate 50 shown in FIG. 1E is completed. When the electret substrate 50 is used, for example, the Si substrate 51 is grounded (connected to GND).

上記の製造方法では、ＳｉＯ_２層５２とそれに対向する電極５４との間に絶縁体５３を配置することにより、ＳｉＯ_２層５２と電極５４との間に引力が作用しても、両者の相対移動が絶縁体５３によって妨げられるため、帯電中にＳｉＯ_２層５２と電極５４との距離が一定に保たれる。これにより、ＳｉＯ_２層５２と電極５４との間に加わる電圧がＳｉＯ_２層５２の面上の位置によらず一定になるため、帯電が均一になる。 In the above manufacturing method, even if an attractive force acts between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 by disposing the insulator 53 between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 facing the SiO ₂ layer 52, the relative Since the movement is hindered by the insulator 53, the distance between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 is kept constant during charging. As a result, the voltage applied between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 becomes constant regardless of the position on the surface of the SiO ₂ layer 52, so that charging becomes uniform.

また、ＳｉＯ_２層５２と電極５４との間に絶縁体５３として真空よりも大きな誘電率を有する誘電体を配置することにより、絶縁体５３を配置しない場合と比べて、帯電工程でＳｉＯ_２層５２に印加される電圧が高くなる。このため、上記の製造方法で得られたエレクトレット基板５０では、絶縁体５３を配置しない場合と比べて、ＳｉＯ_２層５２の表面電位（エレクトレット基板５０の基台部分であるＳｉ基板５１と、帯電層であるＳｉＯ_２層５２との間の電位差）が高くなる。電気機械変換器にエレクトレットを利用するためには、エレクトレットの表面電位はなるべく高いことが望ましく、上記の製造方法によれば、電気機械変換器での使用に適したエレクトレット基板５０を製造することができる。 Further, by disposing a dielectric material having a dielectric constant greater than the vacuum as an insulator 53 between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54, as compared with the case not disposing the insulator 53, the SiO ₂ layer in the charging step The voltage applied to 52 increases. Therefore, the electret substrate 50 obtained in the above production method, as compared with the case not disposing the insulator 53, the Si substrate 51 is a base portion of the surface potential (electret substrate 50 of SiO ₂ layer 52, the charge The potential difference between the layer and the SiO ₂ layer 52 is increased. In order to use the electret for the electromechanical converter, it is desirable that the surface potential of the electret is as high as possible. According to the above manufacturing method, the electret substrate 50 suitable for use in the electromechanical converter can be manufactured. it can.

なお、上記の配置工程では、ＳｉＯ_２層５２側の表面に凹凸を有する絶縁体をＳｉＯ_２層５２に接触させて配置することが好ましい。例えば、絶縁体５３として、表面が平坦な石英ガラスを用いるよりも、表面に凹凸がある石英ガラス（すりガラス）を用いた方が、製造されたエレクトレット基板５０におけるＳｉＯ_２層５２の表面電位は高くなる。これは、絶縁体５３の表面に凹凸があれば、ＳｉＯ_２層５２と絶縁体５３との間にわずかな隙間ができるため、帯電工程においてＫ＋イオンがＳｉＯ_２層５２の上面からＳｉ基板５１の外部に飛散しやすくなるためであると考えられる。 In the above arrangement step, it is preferable that an insulator having irregularities on the surface on the SiO ₂ layer 52 side is arranged in contact with the SiO ₂ layer 52. For example, the surface potential of the SiO ₂ layer 52 in the manufactured electret substrate 50 is higher when quartz glass (ground glass) having irregularities on the surface is used as the insulator 53 than when quartz glass having a flat surface is used. Become. This is because, if the surface of the insulator 53 is uneven, a slight gap is formed between the SiO ₂ layer 52 and the insulator 53, so that K + ions from the upper surface of the SiO ₂ layer 52 from the upper surface of the SiO ₂ layer 52 in the charging process. This is thought to be because it tends to scatter outside.

図２は、帯電工程で用いられる絶縁体５３の算術表面粗さと製造されたエレクトレット基板５０の表面電位との関係を示すグラフである。このグラフは、ＳｉＯ_２層５２の厚さを１μｍとし、ＳｉＯ_２層５２と電極５４との間に絶縁体５３として厚さ１００μｍの石英ガラスを挟み、Ｓｉ基板５１が０Ｖ（ＧＮＤ）、電極５４が−５００Ｖとなるように電圧を印加した場合の実験結果を示す。グラフの縦軸は、エレクトレット基板５０のＳｉＯ_２層５２の表面電位Ｖ（単位Ｖ）であり、グラフの横軸は、帯電工程でＳｉＯ_２層５２に接触した側の表面における絶縁体５３の算術平均粗さＲａ（単位μｍ）である。 FIG. 2 is a graph showing the relationship between the arithmetic surface roughness of the insulator 53 used in the charging step and the surface potential of the manufactured electret substrate 50. This graph shows that the thickness of the SiO ₂ layer 52 is 1 μm, quartz glass having a thickness of 100 μm is sandwiched between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 as the insulator 53, the Si substrate 51 is at 0 V (GND), and the electrode 54 The experimental result at the time of applying a voltage so that it may become -500V is shown. The vertical axis of the graph is the surface potential V (unit V) of the SiO ₂ layer 52 of the electret substrate 50, and the horizontal axis of the graph is the arithmetic of the insulator 53 on the surface in contact with the SiO ₂ layer 52 in the charging step. The average roughness Ra (unit: μm).

一般に、エレクトレットの表面電位Ｖは帯電層の電荷密度および膜厚に比例するので、帯電層であるＳｉＯ_２層５２の厚さを不変にした場合には、表面電位Ｖ（より正確には、Ｓｉ基板５１を基準としたＳｉＯ_２層５２の電位の絶対値）は、ＳｉＯ_２層５２の帯電量に比例して増加する。なお、図２のグラフでは、表面電位Ｖの符号は負であるが、電位差の絶対値を考慮し、縦軸の下方向に向かうほど電位は増加すると表現する。図２の実験結果から、絶縁体５３の表面の算術平均粗さＲａに比例してＳｉＯ_２層５２の帯電量が増加し、結果としてその表面電位Ｖも増加することがわかる。したがって、エレクトレットの表面電位Ｖを高めるためには、絶縁体５３の表面の算術平均粗さＲａはなるべく大きい方が好ましい。 In general, the surface potential V of the electret is proportional to the charge density and film thickness of the charging layer. Therefore, when the thickness of the SiO ₂ layer 52 that is the charging layer is not changed, the surface potential V (more precisely, Si The absolute value of the potential of the SiO ₂ layer 52 with respect to the substrate 51 increases in proportion to the charge amount of the SiO ₂ layer 52. In the graph of FIG. 2, the sign of the surface potential V is negative, but the absolute value of the potential difference is considered, and the potential increases as it goes downward in the vertical axis. From the experimental results of FIG. 2, it can be seen that the charge amount of the SiO ₂ layer 52 increases in proportion to the arithmetic average roughness Ra of the surface of the insulator 53, and as a result, the surface potential V also increases. Therefore, in order to increase the surface potential V of the electret, the arithmetic average roughness Ra of the surface of the insulator 53 is preferably as large as possible.

なお、算術平均粗さＲａとともに表面電位Ｖが際限なく増加することはなく、図示していないＲａ＞０．３μｍの範囲まで算術平均粗さＲａを大きくした場合には、表面電位Ｖはある限界値に収束すると考えられる。しかしながら、図２では、絶縁体５３として厚さ１００μｍの石英ガラスを用いて実験できた範囲内のデータを示している。 It should be noted that the surface potential V does not endlessly increase with the arithmetic average roughness Ra, and when the arithmetic average roughness Ra is increased to a range of Ra> 0.3 μm (not shown), the surface potential V has a certain limit. It seems to converge to the value. However, FIG. 2 shows data within a range in which an experiment was performed using quartz glass having a thickness of 100 μm as the insulator 53.

図３は、２枚の絶縁体５３Ａ，５３Ｂを用いる場合の帯電工程を示す断面図である。上記の配置工程では、図３に示すように、ＳｉＯ_２層５２と電極５４の間に複数枚の層状の絶縁体５３Ａ，５３Ｂを重ねて配置してもよく、その上で、図１（Ｄ）に示したものと同様の帯電工程を行ってＳｉＯ_２層５２を帯電させてもよい。なお、ＳｉＯ_２層５２と電極５４の間に配置される絶縁体は、２枚に限らず、３枚以上であってもよい。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a charging process when two insulators 53A and 53B are used. In the above arrangement step, as shown in FIG. 3, a plurality of layered insulators 53A, 53B may be arranged between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54, and then, FIG. The SiO ₂ layer 52 may be charged by performing a charging step similar to that shown in FIG. The number of insulators disposed between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 is not limited to two, and may be three or more.

図３に示した例において、例えば、ＳｉＯ_２層５２側の絶縁体５３Ａには、ＳｉＯ_２層５２側の表面に凹凸を有するすりガラスを使用し、絶縁体５３Ｂには、すりガラス以外の絶縁体（例えば、表面が平坦な石英ガラス）を使用してもよい。ただし、エレクトレットの表面電位Ｖを高めるためには、特に、絶縁体５３（絶縁体５３Ａ，５３Ｂ）を２枚のすりガラスで構成し、ＳｉＯ_２層５２、絶縁体５３Ａ、絶縁体５３Ｂおよび電極５４をこれらの順で厚さ方向に重ねて配置することが好ましい。特に、すりガラスを用いる場合には、１枚ではなく、図３に示すように複数枚をＳｉＯ_２層５２と電極５４の間に配置する方がより好ましい。実際、帯電工程で絶縁体５３として２枚のすりガラスを用いた場合には、ＳｉＯ_２層５２と電極５４の間に何も配置しない場合と比べて、ＳｉＯ_２層５２の帯電量が１０倍程度多くなり、それに応じてエレクトレットの表面電位Ｖも高くなる。 In the example shown in FIG. 3, for example, the insulator 53A of SiO ₂ layer 52 side, using a ground glass having irregularities on the surface of the SiO ₂ layer 52 side, the insulator 53B, other than ground glass insulator ( For example, quartz glass having a flat surface may be used. However, in order to increase the surface potential V of the electret, in particular, the insulator 53 (insulators 53A and 53B) is made of two pieces of ground glass, and the SiO ₂ layer 52, the insulator 53A, the insulator 53B, and the electrode 54 are formed. It is preferable to arrange them in the thickness direction in this order. In particular, when frosted glass is used, it is more preferable to dispose a plurality of sheets between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 as shown in FIG. Actually, when two pieces of ground glass are used as the insulator 53 in the charging process, the charge amount of the SiO ₂ layer 52 is about 10 times that in the case where nothing is disposed between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54. Accordingly, the surface potential V of the electret increases accordingly.

すりガラスは、その作り方に起因して、厚さ方向に貫通するクラックが生じている場合があるため、ＳｉＯ_２層５２と電極５４の間に配置されるすりガラスが１枚だけの場合には、絶縁性が確保されないおそれがある。しかしながら、すりガラスを２枚重ねて配置すれば、部分的にクラックが生じていたとしても、そうしたクラックがＳｉＯ_２層５２から電極５４まではつながる可能性は低くなる。このような理由から、絶縁体５３として複数枚のすりガラスを用いることで、ＳｉＯ_２層５２と電極５４の間に何も配置しない場合および両者の間に１枚だけすりガラスを配置する場合と比べて、エレクトレットの表面電位Ｖが高くなると考えられる。 Since the ground glass may have cracks penetrating in the thickness direction due to the method of making the ground glass, if only one ground glass is disposed between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54, the ground glass is insulated. May not be secured. However, if two pieces of frosted glass are arranged, even if a crack is partially generated, the possibility that such a crack is connected from the SiO ₂ layer 52 to the electrode 54 becomes low. For this reason, by using a plurality of ground glass as the insulator 53, compared to the case where nothing is disposed between the SiO ₂ layer 52 and the electrode 54 and the case where only one ground glass is disposed between the two. The surface potential V of the electret is considered to be high.

なお、エレクトレット基板を製造するための正イオンは、必ずしもＫ＋イオンでなくてもよい。すなわち、上記した製造方法の熱酸化工程では、水酸化カリウム水溶液の代わりに、例えばＮａ＋（ナトリウムイオン）など、Ｋ＋イオン以外のアルカリ金属の正イオン（アルカリイオン）を含有する水溶液を用いてもよい。 The positive ions for manufacturing the electret substrate are not necessarily K + ions. That is, in the thermal oxidation step of the manufacturing method described above, an aqueous solution containing positive ions (alkali ions) of alkali metals other than K + ions such as Na + (sodium ions) may be used instead of the potassium hydroxide aqueous solution. .

以下では、エレクトレット基板５０を利用した電気機械変換器の例を説明する。 Below, the example of the electromechanical converter using the electret board | substrate 50 is demonstrated.

図４は、電気機械変換器１の概略構成図である。また、図５は、電気機械変換器１内のアクチュエータ１０の斜視図である。電気機械変換器１は、アクチュエータ１０および駆動部２０を有する。アクチュエータ１０は、主要な構成要素として、回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３、エレクトレット部１４および対向電極１５，１６を有する。電気機械変換器１は、駆動部２０に入力された電気信号をもとに、エレクトレット部１４と対向電極１５，１６との間の静電気力を利用して回転部材１２を回転させることにより電力から動力を取り出す駆動装置（モータ）である。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the electromechanical converter 1. FIG. 5 is a perspective view of the actuator 10 in the electromechanical transducer 1. The electromechanical converter 1 includes an actuator 10 and a drive unit 20. The actuator 10 includes a rotating shaft 11, a rotating member 12, a fixed substrate 13, an electret part 14, and counter electrodes 15 and 16 as main components. The electromechanical converter 1 uses electric power input to the drive unit 20 to generate electric power by rotating the rotating member 12 using electrostatic force between the electret unit 14 and the counter electrodes 15 and 16. It is a drive device (motor) which takes out motive power.

回転軸１１は、回転部材１２の回転中心となる軸である。その上下端は、軸受けを介して、図示しない電気機械変換器１の筐体に固定されている。 The rotation shaft 11 is an axis that is the rotation center of the rotation member 12. The upper and lower ends are fixed to the housing of the electromechanical transducer 1 (not shown) via bearings.

回転部材１２は、例えば、シリコン基板で構成され、円板状の形状を有し、その中心で回転軸１１に接続している。回転部材１２は、駆動部２０に入力された電気信号に応じてエレクトレット部１４と対向電極１５，１６との間で発生する静電気力により、回転軸１１の周りを、図５の矢印Ｃ方向（すなわち、時計回りおよび反時計回り）に回転可能である。回転部材１２には、重量を軽くするために、円周方向に沿って等間隔に、略台形状の複数の貫通孔１２２が形成されている。 The rotating member 12 is made of, for example, a silicon substrate, has a disk shape, and is connected to the rotating shaft 11 at the center thereof. The rotating member 12 moves around the rotating shaft 11 in the direction indicated by the arrow C in FIG. 5 by electrostatic force generated between the electret unit 14 and the counter electrodes 15 and 16 in accordance with an electric signal input to the driving unit 20. That is, it can be rotated clockwise and counterclockwise. A plurality of substantially trapezoidal through holes 122 are formed in the rotating member 12 at equal intervals along the circumferential direction in order to reduce the weight.

固定基板１３は、ガラスエポキシ基板などの周知の基板材料で構成された部材である。固定基板１３は、例えば円板状の形状を有し、回転部材１２の下側で回転部材１２に対向して配置され、その中心を回転軸１１が貫通している。ただし、固定基板１３は、回転部材１２とは異なり、回転可能な部材ではなく、電気機械変換器１の筐体に対して固定されている。 The fixed substrate 13 is a member made of a known substrate material such as a glass epoxy substrate. The fixed substrate 13 has, for example, a disk shape, is disposed on the lower side of the rotating member 12 so as to face the rotating member 12, and the rotating shaft 11 passes through the center thereof. However, unlike the rotating member 12, the fixed substrate 13 is not a rotatable member but is fixed to the housing of the electromechanical converter 1.

エレクトレット部１４は、帯電層を備えた帯電部の一例であり、固定基板１３に対向する回転部材１２の下面１２１に形成されている。アクチュエータ１０では、回転部材１２の下面１２１に、略台形状の複数のエレクトレット部１４が、略台形状の貫通孔１２２を間に挟んで、回転部材１２の回転方向に間隔を空けて回転軸１１の周りに等間隔に配置されている。各エレクトレット部１４は、図１（Ｅ）に示したエレクトレット基板５０で構成されており、ＳｉＯ_２層５２が対向電極１５，１６に対向するように配置され、例えばＳｉ基板５１が接地されている。 The electret unit 14 is an example of a charging unit including a charging layer, and is formed on the lower surface 121 of the rotating member 12 facing the fixed substrate 13. In the actuator 10, a plurality of substantially trapezoid electret portions 14 are sandwiched between the substantially trapezoidal through holes 122 on the lower surface 121 of the rotating member 12, and the rotating shaft 11 is spaced apart in the rotational direction of the rotating member 12. Are arranged at equal intervals around. Each electret unit 14 is constituted by an electret substrate 50 shown in FIG. 1 (E), it is arranged so as SiO ₂ layer 52 is opposed to the counter electrodes 15 and 16, for example, Si substrate 51 is grounded .

対向電極１５，１６は、回転部材１２に対向する固定基板１３の上面１３１に形成されている。アクチュエータ１０では、固定基板１３の上面１３１に、エレクトレット部１４と同じ略台形状の対向電極１５，１６が、回転軸１１の周りに交互に配置されている。エレクトレット部１４と対向電極１５の個数、およびエレクトレット部１４と対向電極１６の個数は、それぞれ同じである。 The counter electrodes 15 and 16 are formed on the upper surface 131 of the fixed substrate 13 that faces the rotating member 12. In the actuator 10, the substantially trapezoidal counter electrodes 15 and 16, which are the same as the electret portions 14, are alternately arranged around the rotation shaft 11 on the upper surface 131 of the fixed substrate 13. The number of electret parts 14 and counter electrodes 15 and the number of electret parts 14 and counter electrodes 16 are the same.

なお、エレクトレット部１４は回転部材１２と固定基板１３のいずれか一方に配置し、対向電極１５，１６は回転部材１２と固定基板１３のうちの他方に配置すればよい。このため、上記とは逆に、エレクトレット部１４を固定基板１３の上面１３１に配置し、対向電極１５，１６を回転部材１２の下面１２１に配置してもよい。 The electret portion 14 may be disposed on one of the rotating member 12 and the fixed substrate 13, and the counter electrodes 15 and 16 may be disposed on the other of the rotating member 12 and the fixed substrate 13. Therefore, contrary to the above, the electret portion 14 may be disposed on the upper surface 131 of the fixed substrate 13, and the counter electrodes 15 and 16 may be disposed on the lower surface 121 of the rotating member 12.

駆動部２０は、アクチュエータ１０を駆動するための回路であり、クロック２１および比較器２２，２３を有する。駆動部２０は、極性が交互に切り替わる電圧を複数の対向電極１５，１６に印加して、複数のエレクトレット部１４と複数の対向電極１５，１６との間で発生する静電気力により回転部材１２を回転させる。 The drive unit 20 is a circuit for driving the actuator 10 and includes a clock 21 and comparators 22 and 23. The drive unit 20 applies a voltage whose polarity is alternately switched to the plurality of counter electrodes 15 and 16, and causes the rotating member 12 to be driven by the electrostatic force generated between the plurality of electret units 14 and the plurality of counter electrodes 15 and 16. Rotate.

クロック２１の出力は比較器２２，２３の入力に接続され、比較器２２の出力は複数の対向電極１５に、比較器２３の出力は複数の対向電極１６に、それぞれ電気配線を介して接続されている。比較器２２，２３は、それぞれクロック２１からの入力信号の電位と接地電位とを比較し、その結果を２値で出力するが、比較器２２，２３の出力信号は互いに逆の符号である。クロック２１からの入力信号がＨのときには、対向電極１５は＋Ｖ、対向電極１６は−Ｖの電位になり、入力信号がＬのときには、対向電極１５は−Ｖ、対向電極１６は＋Ｖの電位になる。こうして、極性が交互に切り替わる電圧を駆動部２０が対向電極１５と対向電極１６の間に印加することにより、回転部材１２を回転させることができる。 The output of the clock 21 is connected to the inputs of the comparators 22 and 23, the output of the comparator 22 is connected to the plurality of counter electrodes 15, and the output of the comparator 23 is connected to the plurality of counter electrodes 16 via electric wiring. ing. The comparators 22 and 23 respectively compare the potential of the input signal from the clock 21 with the ground potential, and output the result as a binary value, but the output signals of the comparators 22 and 23 have opposite signs. When the input signal from the clock 21 is H, the counter electrode 15 has a potential of + V and the counter electrode 16 has a potential of −V. When the input signal is L, the counter electrode 15 has a potential of −V and the counter electrode 16 has a potential of + V. Become. In this way, the driving member 20 applies a voltage between the counter electrode 15 and the counter electrode 16 so that the polarity is switched alternately, whereby the rotating member 12 can be rotated.

図６は、他の電気機械変換器２の概略構成図である。また、図７は、電気機械変換器２内の発電部１０’の斜視図である。電気機械変換器２は、発電部１０’および蓄電部３０を有する。発電部１０’は、主要な構成要素として、回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３、複数のエレクトレット部１４、複数の対向電極１５，１６および回転錘１７を有する。電気機械変換器２は、外部環境の運動エネルギーを用いて回転部材１２を回転させ、発電部１０’内で静電誘導により静電気を発生させることで動力から電力を取り出す発電装置である。 FIG. 6 is a schematic configuration diagram of another electromechanical transducer 2. FIG. 7 is a perspective view of the power generation unit 10 ′ in the electromechanical converter 2. The electromechanical converter 2 includes a power generation unit 10 ′ and a power storage unit 30. The power generation unit 10 ′ includes a rotating shaft 11, a rotating member 12, a fixed substrate 13, a plurality of electret units 14, a plurality of counter electrodes 15 and 16, and a rotating weight 17 as main components. The electromechanical converter 2 is a power generation device that extracts electric power from power by rotating the rotating member 12 using kinetic energy of the external environment and generating static electricity by electrostatic induction in the power generation unit 10 ′.

発電部１０’の構成要素のうち、回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３、エレクトレット部１４および対向電極１５，１６は、アクチュエータ１０のものと同じである。電気機械変換器１と共通するこれらの構成要素についての重複する説明は省略する。電気機械変換器２は、電気機械変換器１のアクチュエータ１０に代えて蓄電部３０を有し、電気機械変換器２の対向電極１５，１６は、それぞれ電気配線を介して蓄電部３０に接続されている。 Among the components of the power generation unit 10 ′, the rotating shaft 11, the rotating member 12, the fixed substrate 13, the electret unit 14, and the counter electrodes 15 and 16 are the same as those of the actuator 10. A duplicate description of these components common to the electromechanical converter 1 is omitted. The electromechanical converter 2 includes a power storage unit 30 in place of the actuator 10 of the electromechanical converter 1, and the counter electrodes 15 and 16 of the electromechanical converter 2 are connected to the power storage unit 30 via electric wiring, respectively. ing.

回転錘１７は、回転軸１１の周りを図７の矢印Ｃ方向に回転可能な、重量バランスの偏りを有する錘であり、回転部材１２の上側に配置されている。回転錘１７は、例えば電気機械変換器２を携帯する人体の運動または電気機械変換器２が取り付けられた機械などの振動によって回転駆動されることで、回転部材１２を矢印Ｃ方向に回転させる。なお、回転軸１１に回転錘１７を取り付ける代わりに、回転部材１２に錘を取り付けて、回転部材１２自体を回転錘としてもよい。 The rotating weight 17 is a weight having a weight balance bias that can rotate around the rotating shaft 11 in the direction of arrow C in FIG. 7, and is disposed on the upper side of the rotating member 12. The rotary weight 17 is rotated by, for example, the movement of a human body carrying the electromechanical transducer 2 or the vibration of a machine to which the electromechanical transducer 2 is attached, thereby rotating the rotary member 12 in the direction of arrow C. Instead of attaching the rotating weight 17 to the rotating shaft 11, the rotating member 12 itself may be used as a rotating weight by attaching a weight to the rotating member 12.

回転錘１７が回転駆動されると、それに伴い、回転部材１２が回転して、エレクトレット部１４と対向電極１５，１６の間の重なり面積が増減する。例えば、エレクトレット部１４の内面に負電荷が保持されているとすると、回転部材１２の回転に伴い、対向電極１５，１６に引き寄せられる正電荷が増減して、対向電極１５と対向電極１６の間に交流電流が発生する。このようにして電流を発生させることにより、発電部１０’は静電誘導を利用した発電を行う。 When the rotary weight 17 is driven to rotate, the rotary member 12 rotates accordingly, and the overlapping area between the electret portion 14 and the counter electrodes 15 and 16 increases or decreases. For example, if a negative charge is held on the inner surface of the electret portion 14, the positive charge drawn to the counter electrodes 15 and 16 increases and decreases with the rotation of the rotating member 12, and the gap between the counter electrode 15 and the counter electrode 16 is increased. AC current is generated. By generating a current in this manner, the power generation unit 10 ′ performs power generation using electrostatic induction.

蓄電部３０は、整流回路３１および二次電池３２を有し、回転部材１２の回転に応じて複数のエレクトレット部１４と複数の対向電極１５，１６との間で静電誘導により発生した電力を蓄積する。対向電極１５と対向電極１６からの出力は整流回路３１に接続され、整流回路３１は二次電池３２に接続されている。整流回路３１は、４個のダイオードを有するブリッジ式の回路であり、対向電極１５と対向電極１６の間で生成された電流を整流する。二次電池３２は、リチウム二次電池などの充放電可能な電池であり、発電部１０’によって発電された電力を蓄積し、図示しない駆動対象の回路にその電力を供給する。 The power storage unit 30 includes a rectifier circuit 31 and a secondary battery 32, and generates electric power generated by electrostatic induction between the plurality of electret units 14 and the plurality of counter electrodes 15 and 16 according to the rotation of the rotating member 12. accumulate. Outputs from the counter electrode 15 and the counter electrode 16 are connected to a rectifier circuit 31, and the rectifier circuit 31 is connected to a secondary battery 32. The rectifier circuit 31 is a bridge-type circuit having four diodes, and rectifies the current generated between the counter electrode 15 and the counter electrode 16. The secondary battery 32 is a chargeable / dischargeable battery such as a lithium secondary battery, stores the power generated by the power generation unit 10 ′, and supplies the power to a circuit to be driven (not shown).

１，２電気機械変換器
１０アクチュエータ
１０’ 発電部
１１回転軸
１２回転部材
１３固定基板
１４エレクトレット部
１５，１６対向電極
２０駆動部
３０蓄電部
５０エレクトレット基板
５１Ｓｉ基板
５２ＳｉＯ_２層
５３，５３Ａ，５３Ｂ絶縁体
５４電極
５５ヒータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Electromechanical converter 10 Actuator 10 'Power generation part 11 Rotating shaft 12 Rotating member 13 Fixed board 14 Electret part 15, 16 Opposite electrode 20 Drive part 30 Power storage part 50 Electret board 51 Si substrate 52 SiO ₂ layer 53, 53A, 53B Insulator 54 Electrode 55 Heater

Claims

A method of manufacturing an electret substrate constituting the charging unit of an electromechanical converter that performs conversion between electric power and power using electrostatic interaction between a charging unit and a counter electrode,
A step of disposing an SiO ₂ layer formed on the surface of the Si substrate and containing alkali metal positive ions, and an electrode serving as a negative electrode through an insulator;
Charging the SiO ₂ layer by applying a voltage between the Si substrate as the positive electrode and the electrode serving as the negative electrode and the Si substrate;
The manufacturing method characterized by having.

_2. The manufacturing method according to claim 1, wherein, in the step of opposingly arranging, an insulator having an unevenness on a surface on the SiO ₂ layer side is arranged in contact with the SiO ₂ layer as the insulator.

The manufacturing method according to claim 1, wherein the insulator is a dielectric having a dielectric constant larger than a dielectric constant of a vacuum.

The manufacturing method according to claim 3, wherein the insulator is quartz glass, alumina, or zirconia.

The manufacturing method according to claim 2, wherein the insulator having the unevenness is ground glass.

The counter in the step of arranging said as an insulator, the placing overlapping the insulation of a plurality of layers between the anode and the electrode and the SiO ₂ layer, in any one of claims 1 to 5 The manufacturing method as described.