JP2020089003A - 静電誘導型変換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】両面にエレクトレット膜が形成された基板を使用する静電誘導型変換器において、基板への電気的導通を確保するとともに、エレクトレット膜の電荷保持量を損なわないようにすること。【解決手段】導電性の基板３３と、基板３３の両面に形成されたエレクトレット膜３１と、エレクトレット膜３１を覆うように基板３３の両面及び側面に形成されるとともに、基板３３の側面において、基板３３へのアクセスを可能にする少なくとも一つの開口３７を有する防湿層３２と、を有するエレクトレット基板３と、基板３３の一の面側において、エレクレット膜３１に対向して配置された第１対向電極と、基板３３の他の面側において、エレクレット膜３１に対向して配置された第２対向電極と、を有する静電誘導型変換器。【選択図】図９

Description

本発明は、静電誘導型変換器及びその製造方法に関する。

特許文献１には、エレクトレット膜であるシリコン酸化膜の表面をシリコン窒化膜によって覆い、大気中の水分の吸着などによる帯電量の減少を抑制することが記載されている。同文献に開示されたエレクトレットコンデンサーでは、エレクトレット膜の下部電極と接続するように形成された引き出し配線が部分的に露出するように開口部が設けられている。

国際公開第２００５／０５０６８０号

基板上にエレクトレット膜を形成する際には、基板上にエレクトレット材料膜を形成した後、コロナ放電又はプラズマ放電のような放電表面処理を施すことにより電荷を与えるのが一般的である。その際、エレクトレット材料膜が形成された基板は接地され、放電電極との電位を安定させることにより、所定の電荷がエレクトレット材料に付与される。

ここで、両面にエレクトレット膜が形成された基板を使用する静電誘導型変換器では、当該基板がその面内方向の運動をすることにより発電がなされ、又は駆動力が取り出される。そのため、特許文献１に開示されているような、エレクトレット材料膜の外側に突出するような引き出し配線を設けることは、当該基板の面内方向の運動を妨げるため難しい。

さりとて、放電表面処理の際に基板を接地するため、エレクトレット材料膜の一部に接地用の開口部を設けると、その分エレクトレット膜が保持できる電荷が減少し、又は電荷分布に偏りが生じ、あるいは当該開口からの水分の吸着などにより、エレクトレット膜の帯電量が損なわれるなどの不具合が生じることが懸念される。

本発明は、上述の事情に基づいてなされたものであり、その目的は、両面にエレクトレット膜が形成された基板を使用する静電誘導型変換器において、基板への電気的導通を確保するとともに、エレクトレット膜の電荷保持量を損なわないようにすることである。

上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それ
ら側面の代表的なものの概要は以下の通りである。

（１）導電性の基板と、前記基板の両面に形成されたエレクトレット膜と、前記エレクトレット膜を覆うように前記基板の両面及び側面に形成されるとともに、前記基板の側面において、前記基板へのアクセスを可能にする少なくとも一つの開口を有する防湿層と、を有するエレクトレット基板と、前記基板の一の面側において、前記エレクレット膜に対向して配置された第１対向電極と、前記基板の他の面側において、前記エレクレット膜に対向して配置された第２対向電極と、を有する静電誘導型変換器。

（２）（１）において、前記開口は、前記エレクトレット基板の外周側面に形成される、静電誘導型変換器。

（３）（１）又は（２）において、前記開口の周囲において、前記防湿層は前記基板に接し、前記エレクトレット膜は外部に露出しない、静電誘導型変換器。

（４）（３）において、前記開口は、前記エレクトレット基板の面方向に実質並行に伸びる線分形状である、静電誘導型変換器。

（５）（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記開口を覆う第２の防湿層を有する、静電誘導型変換器。

（６）導電性の基板を用意する工程と、前記基板の両面にエレクトレット材料膜を形成する工程と、打ち抜き加工により、前記基板の外形を成形する工程と、前記エレクトレット材料膜を覆うように前記基板の両面及び側面に防湿層を形成する工程と、（前記基板の法線方向に突出する支持部材を前記基板に取り付ける工程と、）前記基板の側面において、前記基板へのアクセスを可能にする少なくとも一つの開口を前記防湿層に設ける工程と、前記開口を通じて、前記基板に外部電極を接触させる工程と、放電表面処理により前記エレクトレット材料膜に電荷を与える工程と、を含む、エレクトレット基板を作成する工程と、前記エレクトレット基板を、前記基板の一の面側において、第１対向電極が前記エレクトレット膜に対向し、前記基板の他の面側において、第２対向電極が前記エレクトレット膜に対向するよう支持する工程と、を含む、静電誘導型変換器の製造方法。

（７）（６）において、前記少なくとも一つの開口を前記防湿層に設ける工程と、前記基板に外部電極を接触させる工程は、前記外部電極を前記基板の側面に押し当て、前記外部電極により前記防湿層を突き破ることにより同時になされる、静電誘導型変換器の製造方法。

（８）（６）又は（７）において、前記エレクトレット材料膜に電荷を与える工程の後、前記開口を閉じる工程を有する、静電誘導型変換器の製造方法。

本発明の第１の実施形態に係る静電誘導型変換器の概略斜視図である。 静電誘導型変換器が発電機として用いられる際の作動原理を説明する概略回路図である。 静電誘導型変換器が発電機として用いられる際の別の構成を説明する概略回路図である。 静電誘導型変換器が電動機として用いられる際の作動原理を説明する概略回路図である。 エレクトレット基板の製造工程を説明する図である。 エレクトレット基板の別の製造工程を説明する図である。 図５（ｆ）又は図６（ｆ’）において、基板の側面に外部電極が接触している部分の断面を示す拡大模式図である。 開口を防湿層に設ける工程と、基板に外部電極を接触させ、電気的導通をとる工程を同時に行う工程を模式的に示す拡大断面図である。 放電加工がなされ、外部電極が基板から取り外された後の、開口の様子を示す拡大断面図である。 図９に示された開口をその正面から見た図である。 開口の上に、さらに、開口を覆う第２の防湿層が形成された例を示す図である。 開口の周辺の防湿層を流動化し変形することにより開口を塞いだ例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るエレクトレット基板の平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るエレクトレット基板の平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るエレクトレット基板の平面図である。

図１は本発明の第１の実施形態に係る静電誘導型変換器１００の概略斜視図である。ここで、静電誘導型変換器とは、静電誘導を用いて、運動エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換する機器を意味しており、発電機又は電動機を指している。その原理は後述するが、静電誘導型変換器１００に外力を作用させ、運動エネルギーを与えるとそのエネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すことができ、これはすなわち発電機である。また、静電誘導型変換器１００に電気エネルギーを与えると、そのエネルギーを運動エネルギーとして取り出すことができ、これはすなわち、電動機である。

図１に示した静電誘導型変換器１００は、機械的な回転運動を電気エネルギーに変え、又は電気エネルギーを機械的な回転運動として取り出す静電誘導型変換器の例である。以下、本例の静電誘導型変換器１００の基本的な構造を説明する。

静電誘導型変換器１００は、主要な部品として、円板形状の第１対向電極１と第２対向電極２、及びそれら第１対向電極１と第２対向電極２に所定の間隔をあけて挟まれるように配置されるエレクトレット基板３を有している。ここで、円板形状とは、その部材が全体としておおむね平坦な円板形状をしていることを指しており、その面内に、図１に示されるような適宜の孔が設けられたり、外周部に切り欠きや凸部その他の加工が施されたりすることは差し支えない。

第１対向電極１と第２対向電極２は、図示されない適宜のハウジングなどに固定される。一方、エレクトレット基板３には、中心軸４が固定され、この中心軸４を中心にその面内方向の回転運動が許容されるように支持される。一方で、エレクトレット基板３の法線方向の運動は制限され、エレクトレット基板３が回転しても第１対向電極１と第２対向電極２との間の間隔は一定に保持される。同図では見えないが、中心軸４は第２対向電極２の中央に設けられた穴を貫通し、第２対向電極２と接触することなく回転可能になっている。

なお、図１に示した第１対向電極１と第２対向電極２は、放射状の孔が設けられた円板形状として図示されているが、必ずしもかかる形状に限定されず、例えば、無孔の円板形状基板の表面に、同図に示した形状の導電膜が形成されているものであってもよい。特に、第１対向電極１及び第２対向電極２のいずれかまたは両方を、透明の円板形状の基板の表面に、ＩＴＯ（酸化インジウムチタン）などの透明導電性薄膜を用いて形成すると、回転するエレクトレット基板３が外部より視認しやすく、装飾的効果が得られる。

中心軸４にはカナ５が取り付けられており、このカナ５と噛み合う図示しない歯車を介して、静電誘導型変換器１００に運動エネルギーを与え、又は静電誘導型変換器１００から運動エネルギーを取り出すことができるようになっている。本実施形態では、静電誘導型変換器１００は発電機であり、カナ５と噛み合う歯車を介して設けられた懸垂錘の回転が中心軸４に入力されるようになっている。本実施形態に係る静電誘導型変換器１００は、例えば、腕時計内に組み込まれる小型軽量の発電機として使用できる。あるいは、振動その他の外部の運動により発電し、電力を供給する屋外センサーや小型照明用の発電機として使用してもよく、その他の用途に用いてもよい。

本実施形態に係る静電誘導型変換器１００は、わずかな振動をもとらえて発電できるよう、エレクトレット基板３は中心軸４周りに重量バランスが均等となっており、わずかな力によっても容易に回転し得る。このことは、静電誘導型変換器１００が電動機である場合には、ごくわずかな電力によって、エレクトレット基板３を中心軸４周りに回転させることができるということを同時に意味する。

図２は、静電誘導型変換器１００が発電機として用いられる際の作動原理を説明する概略回路図である。図示のように、エレクトレット基板３は、第１対向電極１、第２対向電極２に挟まれるように配置されており、導電性の基板３３の上下それぞれの面にエレクトレット膜３１が形成されている。基板３３の一の側となる図中下の面側において、エレクトレット膜３１と所定のわずかな間隔をあけて平行となるように対向して第１対向電極１が配置され、また、基板３の他の側となる図中上の面側において、エレクトレット膜３１と所定のわずかな間隔をあけて平行となるように対向して第２対向電極２が同様に配置されている。エレクトレット基板３はその面内に運動可能に支持されているから、両者は、同図の水平方向に相対的に移動可能となっている。

エレクトレット膜３１は、基板３３のいずれの側の面においても、所定の帯電状態となるように形成されている。図示の例では、エレクトレット膜３１は負電荷を持つように帯電している。そして、エレクトレット膜３１、第１対向電極１、及び第２対向電極２は平面形状が実質的に等しい縞形状であり、両者の相対移動により、エレクトレット膜３１と第１対向電極１、及び、エレクトレット膜３１と第２対向電極２が正対する状態とそうでない状態が入れ替わる。

これにより、第１対向電極１がエレクトレット膜３１に正対している状態では、エレクトレット膜３１の表面電荷に誘導されて第１対向電極１に反対極性の電荷が蓄積される。第２対向電極２とエレクトレット膜３１に関しても同様である（図示の例では、第２対向電極２がエレクトレット膜３１に正対しているため、正電荷が第２対向電極２に蓄積される）。その後、エレクトレット基板３が移動し、エレクトレット膜３１が第１対向電極１に正対しない状態となると、第１対向電極１に誘導され蓄積された電荷が掃き出され、整流回路６により整流されて電気エネルギーとして取り出される。第２対向電極とエレクトレット膜３１に関しても同様である（図示の例では、第１対向電極がエレクトレット膜３１に正対していないから、第１対向電極に誘導され蓄積された電荷は掃き出されている）。

なお、図２では、第１対向電極１と第２対向電極２は、エレクトレット基板３の運動方向についての位相が異なるように配置されているものとして示したが、これを同位相となるように配置してもよい。

図３は、静電誘導型変換器が発電機として用いられる際の別の構成を説明する概略回路図である。エレクトレット基板３の構成は先の図２と同様であるが、本構成では、エレクトレット基板３の両側に第１対向電極１と第２対向電極２の両方が形成される構成となっている点が相違している（以下、説明の便宜上、図中上側のエレクトレット膜３１に相対する側の電極の符号に「’」を付して示す）。

第１対向電極１及び第２対向電極２は、図示されるようにエレクトレット基板３の移動方向について、交互に並んで配置され、その間隔は、エレクトレット膜３１の縞形状の幅と略等しい。これにより、エレクトレット基板３が移動すると、基板３３の表面に形成されたエレクトレット膜３１は、第１対向電極１と正対し、第１対向電極１にエレクトレット膜３１の表面電荷と反対極性の電荷を誘導する。さらにエレクトレット基板３が移動すると、エレクトレット膜３１は、第２対向電極２と正対するようになり、第２対向電極２に反対極性の電荷を誘導する一方、第１対向電極１に蓄積された電荷は掃き出される。以降、エレクトレット基板３が移動するにつれて、同様にして第１対向電極１及び第２対向電極２から繰り返し電荷が掃き出され、整流回路６により整流されて電気エネルギーとして取り出される。

第１対向電極１’及び第２対向電極２’からも同様にして電気エネルギーが取り出される。図３の例では、図中上側の第１対向電極１’及び第２対向電極２’は、図中下側の第１対向電極１及び第２対向電極２と位相が異なるように配置されている。これにより、各対向電極から電荷が掃き出されるタイミングがそれぞれ異なるようにし、最終的に取り出される電気エネルギーを平準化（すなわち、時間的変動を小さく）している。

なお、第１対向電極１及び第２対向電極２と第１対向電極１’及び第２対向電極２’を同位相に（すなわち、第１対向電極１と第１対向電極１’、第２対向電極２と第２対向電極２’がそれぞれ正対するように）配置してもよいし、これを逆位相に（すなわち、第１対向電極１と第２対向電極２’、第２対向電極２と第１対向電極１’がそれぞれ正対するように）配置しても差し支えない。図３の例では、以上説明したように、各対向電極を高密度に配置することで、エレクトレット基板３のわずかな運動によってもこれを効率よく電気エネルギーに変換できるようになっている。

図４は、静電誘導型変換器１００が電動機として用いられる際の作動原理を説明する概略回路図である。この場合においても、導電性の基板３３と第１対向電極１、第２対向電極２とは、それぞれ、所定のわずかな間隔をあけて平行となるように対向して配置されており、エレクトレット基板３はその面内に運動可能に支持されているから、両者は、同図の水平方向に相対的に移動可能となっている。

第１対向電極１及び第２対向電極２とエレクトレット膜３１が対向し、エレクトレット膜３１が所定の帯電状態となるように形成されている点も同様である。図示の例では、エレクトレット膜３１は負電荷を持つように帯電している。そして、エレクトレット膜３１、第１対向電極１、及び第２対向電極２は平面形状が実質的に等しい縞形状であり、両者の相対移動により、エレクトレット膜３１と第１対向電極１、及び、エレクトレット膜３１と第２対向電極２が正対する状態とそうでない状態が入れ替わる。

また、第１対向電極１と第２対向電極２は、エレクトレット基板３の運動方向についての位相が異なるように配置されており、それぞれ、スイッチ回路７により、エレクトレット膜３１の帯電状態の逆電荷を所定のタイミングで印可できるようになされている。

この時、第１対向電極１と第２対向電極２のいずれか片方にエレクトレット膜３１の帯電状態の逆電荷を印可すると、静電気力により、エレクトレット膜３１が、逆電荷が印可された対向電極に正対するようエレクトレット基板３が運動する。スイッチ回路７を適宜作動させて第１対向電極１と第２対向電極２の逆電荷の印加の有無を交互にタイミングよく切り替えると、エレクトレット基板３に連続的な運動を与えることができ、直線運動、回転運動、振動運動その他の運動が取り出される。

ここで、エレクトレット膜３１の材料には、帯電しやすい材料を用い、例えば負電荷に帯電する材料としては酸化珪素や、フッ素樹脂等がある。かかる材料の具体的な一例として、旭硝子株式会社製のフッ素樹脂であるＣＹＴＯＰ（登録商標）が挙げられる。さらに、その他にもエレクトレット膜３１の材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルクロライド、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルデンジフルオライド、ポリビニルフルオライド等の高分子材料や、前述の酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素等の無機材料も使用することができる。

以上のように、本実施形態では、エレクトレット基板３の両面にエレクトレット膜３１を形成し、エレクトレット基板３の両面に働く静電引力を利用できるため、体積効率の良い（すなわち、小型で高出力又は高効率な）静電誘導型変換器１００が得られる。もちろん、以上説明した静電誘導型変換器１００を発電機あるいは電動機として使用するための回路構成は一例であり、各種部材の配置を含め、他の構成を採用してもよい。

上述のように、エレクトレット基板３は、その面内方向の移動を許容し、一方でその法線方向の移動は制限されるよう支持される。また、エレクトレット基板３に作用する静電気力は、エレクトレット膜３１と第１対向電極１及び第２対向電極２間に働く引力（又は斥力）であるから、エレクトレット基板３には、その法線方向に力が作用する。

この力は、エレクトレット基板３の両面にそれぞれエレクトレット膜３１が形成されており、それらエレクトレット膜に作用する静電気力は、エレクトレット基板３の法線方向について逆向きとなるから、一方の面に形成されたエレクトレット膜３１と他方の面に形成されたエレクトレット膜３１のそれぞれに作用する力がバランスしていれば、法線方向の力は互いに打ち消しあうことになる。両者のバランスがとれておらず、法線方向の力が残存していれば、それはエレクトレット基板３の支持機構により支えられることになる。

図１に示した例では、エレクトレット基板３に生じ、残存する法線方向の力は、中心軸４の軸方向に作用する力となる。したがって、残存する法線方向の力が大きいほど、エレクトレット基板３の回転抵抗となり、エネルギーのロスが生じて静電誘導型変換器１００の変換効率を低下させるほか、中心軸４及び／又はその支持機構の摩耗を引き起こし、静電誘導型変換器１００の寿命を低下させる一因となる。したがって、エレクトレット膜３１のそれぞれに作用する静電気力は、バランスしていることが望ましい。

図５は、エレクトレット基板３の製造工程を説明する図である。エレクトレット基板３の製造は、まず、導電性の基板３３を用意し、その両面にエレクトレット材料膜３４を形成する（図５（ａ））。基板３３の材質は、導電性を有し、生じる静電気力に対して十分な合成を持つものであれば特に限定はないが、本実施形態では金属であり、特に、アルミニウムを使用している。なお、基板３３に導電性を要求するのは、後述するエレクトレット材料膜３４への帯電工程において接地するためである。導電性の基板３３は、静電誘導型変換器１００に組み込む際に接地される構成としてもよく、整流回路に接続される構成としてもよい。

エレクトレット材料膜３４の形成方法は、その材料に応じて選択してよく、特に限定はされないが、基板３３の両面全面に製膜する方法が簡便であるため、採用に適している。そのような方法としては、例えば、エレクトレット材料が液体でありいわゆるウェットプロセスが使用できるのであれば、ディップコート、スピンコート、カーテンフローコート、スプレーコート、グラビアコートなど適宜のコーティング方法によってよい。その他の方法としては、スパッタリングやイオンプレーティング等のＰＶＤ、あるいはＣＶＤなどの蒸着や、エレクトレット材料のフィルムを基板３３に貼付する方法などによってよい。

その後、プレスによる打ち抜き加工により、基板３３を所望の形状に成形する（図５（ｂ）及び（ｃ））。この時、基板３３に縞形状も同時に作成される。また、この加工により、基板３３の側面には、エレクトレット材料膜３４、基板３３及びエレクトレット材料膜３４のそれぞれの層の断面が露出している。

続いて、エレクトレット材料膜３４を空気中の水分等から保護するため、基板３３及びエレクトレット材料膜３４全体を覆うように防湿層３２を形成する（図５（ｄ））。したがって、防湿層３２は、エレクトレット材料膜３４を覆い、なおかつ、基板３３の両面及び側面に形成されることとなる。防湿層３２の材質は特に限定されないが、一例として、本実施形態ではフッ素系樹脂膜を用いている。防湿層３２の形成方法にも特に限定はないが、本実施形態では、いわゆるディップコート法を使用している。すなわち、エレクトレット材料膜が形成された基板３３全体を液体のフッ素系樹脂に浸漬し、引き上げた後、形成されたフッ素系樹脂膜を乾燥加熱して硬化する。もちろん、いかなる公知の他の方法を用いてもよい。

さらに、中心軸４等の支持機構が必要であれば基板３３に固定される（図５（ｅ））。

最後に、基板３３を接地し、両面のエレクトレット材料膜３４に放電表面処理を行い、エレクトレット材料膜３４を帯電させる。この放電表面処理も特に限定はないが、ここでは、コロナ放電処理を用いている。これにより、放電電極３５から放出された電荷は、防湿層３２を通過し、エレクトレット材料膜３４に到達し、これを帯電させる。その結果、基板３３のエレクトレット材料膜３４はそれぞれ同電位に帯電してエレクトレット膜３１となり、エレクトレット基板３が製造される(図５（ｆ）)。同図には、コロナ放電電極３５と、コロナ放電により電荷がエレクトレット材料膜３４に付与される様子が模式的に示されている。

また、この放電表面処理の際、基板３３の側面の少なくとも１か所において、外部電極３６が基板３３に押し当てられ接触することにより、基板３３が所定の電位に保たれる。通常の場合、基板３３は図５（ｆ）に示されるように接地されるが、これを逆にしてコロナ放電電極３５を接地して外部電極３６及び基板３３に所定の電位を与えるようにしてもよく、コロナ放電電極３５と外部電極３６及び基板３３間を所定の電位に保つようにしてもよい。外部電極３６が基板３３の側面に接触する様子については後ほど詳述する。

なお、製造されたエレクトレット基板３は、さらに、エレクトレット膜３１が適宜のハウジングに固定的に設けられた第１対向電極１及び第２対向電極２に対向するように、面内方向の運動を許容するよう支持され組み立てられる。その他、適切な回路等を配線・接続するなどの工程を経て、静電誘導型変換器１００が作成される。

図６は、エレクトレット基板３の別の製造工程を説明する図である。この例においても、エレクトレット基板３の製造は、導電性の基板３３を用意し、その両面にエレクトレット材料膜３４を形成する工程（図６（ａ））、プレスによる打ち抜き加工により、基板３３を所望の形状に成形する工程（図６（ｂ）及び（ｃ））を行う点は、先の図５（ａ）〜（ｃ）で示した製造工程と同様である。

本工程では、続けて中心軸４等の支持機構を基板３３に固定する（図６（ｄ’））。これは、次工程で形成する防湿膜３２の強度が低く破損しやすい場合に、中心軸４を基板３３に設けられた開口に圧入する際に防湿膜３２が剥離するなどして不良を生じるのを防止するためである。

中心軸４等の支持機構が固定された後、基板３３及びエレクトレット材料膜３４全体を覆うように防湿層３２を形成する（図６（ｅ’））。このとき、中心軸４等の支持機構近傍は、防湿層３２が形成されず、露出面４１となっている。この露出面４１は、部分的なコーティング処理等により防湿層３２を形成する方法や、中心軸４を含むその近傍をマスクしておき、防湿層３２の形成後マスクを剥離する方法、あるいは、中心軸４を含め基板３３及びエレクトレット材料膜３４全体を覆うように防湿層３２を形成した後、中心軸４及びその近傍に形成された防湿層３２を剥離する方法などにより形成される。

その後、先の図５（ｆ）に示したと同様、両面のエレクトレット材料膜３４に放電表面処理を行い、エレクトレット材料膜３４を帯電させる（図６（ｆ’））。この際、基板３３の側面の少なくとも１か所において、外部電極３６を基板３３に押し当て接触させ、基板３３を所定の電位に保つ点についても同様である。

なお、本製造工程により製造されるエレクトレット基板３では、露出面４１は必ずしも必須でなく、防湿層３２が部分的に中心軸４に重なり合い、エレクトレット膜３１が表面に露出しないようになされていてもよい。その場合、防湿層３２は、マスクを使用するなどして、中心軸４の被支持部分（上下の先端）や、カナの取り付け面には形成されないことが望ましい。

以上の工程によりエレクトレット基板３と、エレクトレット基板３が組み込まれた静電誘導型変換器１００が作成される。この時、図５（ｆ）又は図６（ｆ’）に示した放電表面処理の工程において、基板３３及びエレクトレット材料膜３４は、中心軸４近傍の露出面４１を除き、その全体が防湿層３２に覆われている。そして、通常防湿層３２は絶縁性であるため、外部電極３６を基板３３の側面にどのようにして接触させるかが問題となる。

図７は、図５（ｆ）又は図６（ｆ’）において、基板３３の側面に外部電極３６が接触している部分の断面を示す拡大模式図である。同図に示されているように、基板３３の一側面において、防湿層３２には基板３３への外部からのアクセスを可能にする開口３７が設けられており、開口３７内において、基板３３の側面が露出している。そして、外部電極３６は、その開口３７を通じて、基板３３に直接接触しており、電気的導通が確保される。

開口３７の作成方法は特に限定はないが、種々の方法を採用してよい。例えば、あらかじめ開口３７となるべき基板３３の側面にマスク層を形成しておき、防湿層３２の形成後マスク層を剥離する方法や、防湿層３２の形成後、任意の工具、例えば、研削ディスクにより防湿層３２を削り基板３３の側面を露出させ開口３７を形成する方法などを用いてよい。また、外部電極３６から電圧を印加して、防湿膜３２を破壊し開口部３７を形成しても構わない。

また、図７に模式的に示されるように、開口３７の周囲において、防湿層３２は基板３３に接し、エレクトレット材料膜３４は外部に露出しないようになっている。すなわち、開口３７により露出しているのは基板３３の側面のみであって、エレクトレット材料膜３４の側面は防湿層３２により覆われた状態を保っている。こうすることにより、エレクトレット材料膜３４に電荷が与えられ、エレクトレット膜３１となった後も、エレクトレット膜３１が開口３７において露出することがないから、開口３７においてエレクトレット膜３１が吸湿し、電荷を失うことが抑制される。

そして、本実施形態では、基板３３の側面において、開口３７を防湿層３２に設ける工程と、基板３３に外部電極３６を接触させ、電気的導通をとる工程を同時に行うことにより、工数の削減を図っている。

図８は、かかる工程を模式的に示す拡大断面図である。この工程では、外部電極３６を基板３３の側面に押し当てる際には、特段防湿層３２に開口３７は形成されない。そして、外部電極３６は、同図に示すように鋭利な先端形状となっており、図中矢印で示した方向に基板３３の側面に押し付けると、防湿層３２は柔らかいため、外部電極３６の先端により突き破られ、開口３７を生じ、そして、その開口３７を通じて、外部電極３６の先端と基板３３とが接触し、電気的導通がなされる。

図９は、放電加工がなされ、外部電極３６が基板３３から取り外された後の、開口３７の様子を示す拡大断面図である。開口３７の周りには、防湿層３２が突き破られた痕跡３８が残っている。

外部電極３６の形状は、針状（ニードル・ポイント状）であってもよいが、エレクトレット基板３の面方向に実質平行に伸びる刃状（ブレード状）であることが好ましい。外部電極３６が針状の先端を持つ場合、繰り返し使用する際の耐久性が乏しく、静電誘導型変換器１００を継続的に生産する際に頻繁に交換しなければならないが、外部電極３６が刃状の先端を持つ場合には耐久性が高くなり、継続的生産の際の交換を不要とするか、その頻度を下げることができる。

図１０は、図９に示された開口３７をその正面から見た図である。本実施形態では、エレクトレット基板３の面方向に実質平行に伸びる刃状の外部電極３６を基板３３に向かって押し当てることにより開口３７が形成されているため、開口３７は、同図に示されるように、エレクトレット基板３の面方向に実質平行に伸びる線分形状となる。また、開口３７の周囲を取り囲むように存在する痕跡３８も同様に、エレクトレット基板３の面方向に実質平行に伸びる線分形状となる。

ここで、外部電極３６の刃の伸びる方向をエレクトレット基板３の面方向に実質平行とする理由は、図８を参照して理解できるように、仮に外部電極３６の刃の伸びる方向をエレクトレット基板３の面方向に垂直な方向（図の上下方向）とすると、開口３７がエレクトレット材料膜３４の側面にまで達することとなり、作成されたエレクトレット膜３１を防湿層３２で完全に覆うことができなくなるためである。したがって、ここでいう「実質平行」との用語は、外部電極３６の刃によって、エレクトレット膜３１が防湿層３２から露出することがない程度の開口３７が形成される角度の範囲を指しており、必ずしも、エレクトレット基板３の面方向に厳密に平行でなくともよい。

また、放電加工の後、開口３７を閉じてもよい。図１１は、開口３７の上に、さらに、開口３７を覆う第２の防湿層３９が形成された例を示す図である。第２の防湿層３９の材質は、防湿層３２と同一であってもよいし、異なっていてもよい。

図１２は、開口３７の周辺の防湿層３２を流動化し変形することにより開口３７を閉じた例を示す図である。例えば、防湿層３２の材質が熱可塑性を持つものであれば、開口３７周辺の防湿層３２を局所的に加熱することにより防湿層３２を軟化させて流動化し変形させて開口３７に蓋をすることができる。そのような局所的過熱の方法は、例えば、赤外レーザ照射を用いることができる。あるいは、防湿層３２を溶解する溶剤を開口３７周辺に部分的に付着させ、防湿層３２を溶解し流動化し変形させて開口３７に蓋をすることもできる。これらの場合には、開口３７は塞がれ、防湿層３２には残存せず、その痕跡３８が残ることになる。

いずれにせよ、開口３７に蓋をすることにより、開口３７から水分が侵入することによるエレクトレット膜３１の電荷の喪失をより抑制できる。ただし、図７に示したように、開口３７の周囲において、エレクトレット膜３１（エレクトレット材料膜３４）が十分に防湿層３２により覆われている場合には、かかる蓋は必ずしも必要ではない。

以上のように、エレクトレット基板３を製造する際の放電表面処理の工程において、外部電極３６を基板３３の側面に接触させることにより、エレクトレット材料膜３４の表面には、基板３３と外部電極３６とを接触されるための開口を設ける必要はなく、エレクトレット膜３１の面積が損なわれないから、高効率又は高出力の静電誘導型変換器１００が得られる。

さらに、外部電極３６を基板３３に接触させる位置は基板３３の側面であれば特に限定はされないが、図５（ｆ）又は図６（ｆ）に示すように基板３３の外周側面とすると、外部電極３６及び、外部電極３６への配線が放電表面処理時の電気力線を遮蔽することがなく、基板３３の両面に同時に放電表面処理ができる。或いは、基板３３の両面におけるエレクトレット膜３１が保持する電荷量に、遮蔽によるアンバランスが発生することがなく、裏表で電荷量がバランスしたエレクトレット基板３が得られる。

図１３は、本実施形態に係るエレクトレット基板３の平面図である。全体として円板形状のエレクトレット基板３は、ここでは車輪型、すなわち、中心近傍と外周部で周方向に接続され、両者を多数のスポーク４０で接続する形状となっている。また、エレクトレット基板３の中心には、回転軸４を取り付ける孔が設けられている。本実施形態では、エレクトレット基板３が中心軸４周りに回転運動し、開口３７は、図示のように、エレクトレット基板３から延在するように配置されるスポーク４０の延長線上の位置に設けられている。

また、隣接するスポーク４０とスポーク４０の間の帯状の空間の延長線上に開口３７’を設け、スポーク４０の両面に形成されたエレクトレット膜３１からの距離を十分離間させるようにしてもよい。スポーク４０の上面及び下面に形成されたエレクトレット膜３１は、第１対向電極１及び第２対向電極２にそれぞれ対向し、すでに説明したとおり、第１対向電極１及び第２対向電極２に電荷を誘導し、あるいは第１対向電極１及び第２対向電極２に印可された電荷により静電気力を作用させる上で重要な役割を果たす。基板３３の側面に形成された開口３７’はエレクトレット膜３１の帯電量の減少をもたらす大気中の水分の侵入口になる可能性が考えられるが、開口３７’の位置をスポーク４０の両面に形成されたエレクトレット膜３１からできるだけ離すことで、帯電量の減少による静電誘導型変換器１００の性能の低下を抑制している。

図１４は、本発明の第２の実施形態に係るエレクトレット基板３の平面図である。本実施形態では、エレクトレット基板３は、全体として円板形状を保ちつつ、中心部分から放射状に延びる多数の舌部を有する形状となっている。本実施形態においても、エレクトレット基板３は中心軸４周りに回転運動し、開口３７は、図示の位置に設けられている。

図１５は、本発明の第３の実施形態に係るエレクトレット基板３の平面図である。エレクトレット基板３の運動は、これまで説明したような回転運動に限定されず、往復又は併進運動であってもよく、その場合、同図に示すような矩形形状のエレクトレット基板３を用いてよい。

エレクトレット基板３は、図中の左右方向に運動する。そして、エレクトレット基板３は、多数の平行に伸びるスリットが形成された矩形形状をしている。そして、開口３７は、この矩形のいずれかの辺上に設けられてもよいが、本実施形態では、図示したように、矩形の頂点にあたる側面に設けられている。矩形の頂点にあたる位置においては、刃状の外部電極３６により開口３９を形成することが容易であるためである。このような形状のエレクトレット基板３は、これを用いた静電誘導型変換器１００が特定の方向の振動を拾って電力に変換する、いわゆる振動発電機である場合などに適している。もちろん、その他の用途にこれを用いてもよい。

１ 第１対向電極、２ 第２対向電極、３ エレクトレット基板、４ 中心軸、５ カナ、６ 整流回路、７ スイッチ回路、３１ エレクトレット膜、３２ 防湿層、３３ 基板、３４ エレクトレット材料膜、３５ コロナ放電電極、３６ 外部電極、３７ 開口、３８ 痕跡、３９ 第２の防湿層、４０ スポーク、４１ 露出面、１００ 静電誘導型変換器。

Claims (8)

1. 導電性の基板と、
   前記基板の両面に形成されたエレクトレット膜と、
   前記エレクトレット膜を覆うように前記基板の両面及び側面に形成されるとともに、前記基板の側面において、前記基板へのアクセスを可能にする少なくとも一つの開口を有する防湿層と、
   を有するエレクトレット基板と、
   前記基板の一の面側において、前記エレクトレット膜に対向して配置された第１対向電極と、
   前記基板の他の面側において、前記エレクトレット膜に対向して配置された第２対向電極と、
   を有する静電誘導型変換器。
2. 前記開口は、前記エレクトレット基板の外周側面に形成される、
   請求項１に記載の静電誘導型変換器。
3. 前記開口の周囲において、前記防湿層は前記基板に接し、前記エレクトレット膜は外部に露出しない
   請求項１又は２に記載の静電誘導型変換器。
4. 前記開口は、前記エレクトレット基板の面方向に実質並行に伸びる線分形状である、
   請求項３に記載の静電誘導型変換器。
5. 前記開口を覆う第２の防湿層を有する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電誘導型変換器。
6. 導電性の基板を用意する工程と、
   前記基板の両面にエレクトレット材料膜を形成する工程と、
   打ち抜き加工により、前記基板の外形を成形する工程と、
   前記エレクトレット材料膜を覆うように前記基板の両面及び側面に防湿層を形成する工程と、
   前記基板の側面において、前記基板へのアクセスを可能にする少なくとも一つの開口を前記防湿層に設ける工程と、
   前記開口を通じて、前記基板に外部電極を接触させる工程と、
   放電表面処理により前記エレクトレット材料膜に電荷を与える工程と、
   を含む、エレクトレット基板を作成する工程と、
   前記エレクトレット基板を、前記基板の一の面側において、第１対向電極が前記エレクトレット膜に対向し、前記基板の他の面側において、第２対向電極が前記エレクトレット膜に対向するよう支持する工程と、
   を含む、静電誘導型変換器の製造方法。
7. 前記少なくとも一つの開口を前記防湿層に設ける工程と、前記基板に外部電極を接触させる工程は、前記外部電極を前記基板の側面に押し当て、前記外部電極により前記防湿層を突き破ることにより同時になされる、
   請求項６に記載の静電誘導型変換器の製造方法。
8. 前記エレクトレット材料膜に電荷を与える工程の後、前記開口を閉じる工程を有する、
   請求項６又は７に記載の静電誘導型変換器の製造方法。

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