JP5126038B2 - 静電誘導型のエネルギー変換素子 - Google Patents

Description

本発明は静電誘導型のエネルギー変換素子に関し、具体的には、環境振動などを利用して発電を行うための静電誘導型のエネルギー変換素子に関するものである。

センサやアクチュエータを搭載した分散型デバイスや携帯機器などでは、ワイヤー配線（電気コード）による直接給電を行い難いため、電源としてコイン型１次電池や充電池を使用している。

しかし、車のタイヤ空気圧をモニタするＴＰＭＳ（タイヤ圧モニタリングシステム）や、飛行機・ビル・橋などのヘルスモニタリング、大規模な流通管理では、電池交換が難しかったり、電池交換に手間がかかったり、大量の電池交換が必要になったりするため、電池を電源として用いるのは具合が悪かった。また、心臓のペースメーカやカプセル内視鏡などの用途では、電池交換するためには患者の手術が必要となって身体的負担が大きくなるので、電池搭載は好ましくない。また、充電池の場合でも、充電作業に関して電池交換と同じような不都合がある。

よって、これらの分野をはじめとして種々の分野においては、電源をメンテナスンスフリー（充電の不要化や電池交換の不要化）にする技術が求められている。

メンテナンスフリー化の一つの候補としては、移動体（車、飛行機など）、構造物（ビル、橋など）などにおいて発生する、あるいは装置、人の動作によって発生する数Ｈｚ〜数十Ｈｚの振動（以下、このような振動を環境振動と呼ぶ。）から電力を取り出すことのできる、小型のエネルギー変換素子がある。

環境振動で発電するエネルギー変換素子には、主に電磁誘導型、圧電型、静電誘導型の３種類がある。電磁誘導型の素子は、発電量が振動数の２乗に比例するため低周波数化が難しく、またサイズ・重量が大型化する問題がある。圧電型の素子は、信頼性・組立て時のハンドリングなど量産性・コストの問題がある。そのため、静電誘導型の素子が期待されている。

静電誘導型のエネルギー変換素子は、発電量が振動数に比例しているため環境振動を利用して電力を得るのに適しているが、大きな発電量を得るためには、エレクトレット電極に多くの電荷を注入する必要がある。また、エレクトレット電極の荷電量を多くすると、放電による発電効率の劣化が問題となる。しかし、従来の静電誘導型エネルギー変換素子では、これらの問題は解決されておらず、エレクトレットに十分な電荷を注入することができず、また放電による発電効率の劣化も十分に防止されていなかった。以下においては、これらの問題点を特許文献１に開示されたエネルギー変換素子を例にとって具体的に説明する。

（特許文献１に開示された素子）
特許文献１に開示されたエネルギー変換素子１１（静電誘導型変換素子）の構造を図１に示す。このエネルギー変換素子１１では、固定基板１２の上面に短冊状をしたベース電極１３を複数設け、各ベース電極１３の上にエレクトレット１４を設けている。また、固定基板１２と対向する対向基板１５の下面には、ベース電極１３と同じピッチで対向電極１６を設けている。

エレクトレット１４は、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されたものである。特に、エレクトレット１４の材料としては、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成することで、表面電荷密度を高くしている。また、特許文献１のある実施形態ではエレクトレット１４の上面に、ポリパラキシリレンまたはその誘導体により構成された防湿膜（パリレン膜）を形成し、湿度による劣化を防止している。

このような構造のエネルギー変換素子１１では、２つの電極１３、１６間に負荷１７を接続し、図１に矢印で示す方向に対向基板１５を運動させると、エレクトレット１４に注入された電荷により対向電極１６に反対極の電荷が静電誘導されて負荷１７に電流が流れ、発電用に利用することが可能になる。

（第１の問題点…注入電荷量の減少）
エレクトレット１４に電荷を注入する方法としては、コロナ放電による方法が一般的である。特許文献１では、図２に示すように、コロナ放電用のニードル１８を用い、直流高圧電源１９を使ってニードル１８とベース電極１３との間に高電圧を印加し、所定時間、所定電圧で放電させてエレクトレット１４に電荷を注入して荷電させている。

しかし、エレクトレット１４はベース電極１３の上面に形成されているので、ベース電極１３の側壁はエレクトレット１４から露出している。そのため、図２の向かって左のエレクトレット１４のようにニードル１８から放出された電荷（電子）の多くがベース電極１３へ誘導されて高圧電源１９に戻ってしまい（図２における矢付き線は、放電時の電荷の流れを表す。）、その分だけエレクトレット１４に注入される電荷量が減少することになる。

また、エレクトレット１４とベース電極１３は、半導体プロセス（フォトリソグラフィ工程）により形成されるが、エレクトレット１４とベース電極１３を同一面積で形成するように設計されていたとしても、製造工程におけるアライメントずれや、エレクトレット１４のオーバーエッチング等のプロセス誤差により横幅にばらつきが発生しやすい。そのため、図２の向かって右側のエレクトレット１４のように、ベース電極１３の縁がエレクトレット１４からはみ出して露出することが起こりやすい。このような場合には、ベース電極１３へ誘導される電荷の量がより一層増加し、エレクトレット１４に注入される電荷量がますます減少する。

（第２の問題点…放電による劣化）
環境振動（１０Ｈｚ程度）を利用して０.１ｍＷ以上の発電量を得るためには、上下の電極１６、１３間のギャップを５０μｍ程度にする必要がある（非特許文献１参照）。しかし、上下の電極１６、１３間のギャップを５０μｍ程度にすると、エレクトレット１４の表面を０.３μｍ厚のパリレン膜からなる防湿膜で覆っていたとしても、空気および０.３μｍ厚の防湿膜では、荷電圧が基板間の絶縁耐圧を超えるために上下の電極間で放電が発生し、エレクトレット１４に保持されていた電荷が抜ける問題があった（非特許文献２参照）。

絶縁耐圧を高めるためには防湿膜の膜厚を大きくすればよいが、防湿膜の膜厚を厚くすると、コストが高くついて不都合である。また、パリレンの比誘電率が高いため、防湿膜の膜厚を大きくした場合には、エネルギー変換素子１１の発電量が低下する恐れが高くなる。そのため、非特許文献１の記載によれば、エネルギー変換素子をＳＦ６で封止する必要があった。したがって、従来においては、エネルギー変換素子をセラミックパッケージ等でハーメチックシールする必要があり、エネルギー変換素子のパッケージが高価になっていた。

また、絶縁耐圧は上下電極間の距離によって決まるため、放電対策としては電極間距離に関係なく絶縁耐圧を超えないような素子を作製することが要求されている。特に、上下電極間の距離に関係なく、表面電位が１０００Ｖのエレクトレットから放電が発生しないようにすることが望まれる。

特開２００６−１８０４５０号公報 Y. Arakawa, Y. Suzuki, N.Kasagi、"Micro Seismic Power Generator using Electret Polymer Film"、The Fourth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications Power MEMS 2004、November 28-30, 2004, Kyoto, Japan、p.187-190 "パリレンとは"、[online]、日本パリレン株式会社、［平成２０年６月１６日検索］、インターネット、＜URL: http://www.parylene.co.jp/about%20parylene-2.htm＞

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、エレクトレットに多くの電荷を荷電できる静電誘導型のエネルギー変換素子を提供することにある。また、本発明の別な目的は、放電による劣化が少なく、信頼性の高い静電誘導型のエネルギー変換素子を提供することにある。

本発明のエネルギー変換素子は、所定の間隔を隔てて対向し、かつ互いに相対的に移動可能となった第１の基板と第２の基板を備え、前記第１の基板と前記第２の基板の互いに対向する面に、それぞれ少なくとも１つの導電性部材が形成され、前記導電性部材はいずれも複数本の電極と電極パッドを有し、前記導電性部材のうち少なくとも一つの導電性部材には、各電極に対応してエレクトレットが形成されており、前記エレクトレットは、各電極の表面のうちいずれかの基板に固定されている面と反対面を覆うとともに、各電極の外周面を５μｍ以上の被覆厚で覆っていることを特徴としている。

本発明のエネルギー変換素子にあっては、電極とエレクトレットとが設けられた基板において、各エレクトレットは、各電極の表面のうちいずれかの基板に固定されている面と反対面を覆うとともに、各電極の外周面を５μｍ以上の被覆厚で覆っているので、エレクトレットに電荷を注入して荷電させる際に、電荷が電極に誘導されにくくなり、エレクトレットに注入される電荷量の低下を防ぐことができる。よって、エレクトレットにより多くの電荷を保持できるようになり、エレクトレットの表面電位を高くでき、発電量を大きくできる。

本発明に係るエネルギー変換素子のある実施態様においては、前記エレクトレットが形成された電極の外周面が、１０μｍ以上の被覆厚でエレクトレットにより覆われている。かかる実施態様によれば、エレクトレットの表面電位をより高くすることができるとともに、表面電位のばらつきも小さくすることができる。

本発明に係るエネルギー変換素子の別な実施態様においては、前記第１の基板と前記第２の基板のうち少なくとも一方の基板が、互いに平行に凹設された複数本の溝を有し、当該溝内に前記電極が配設され、当該溝内に前記エレクトレットを埋設すると共にエレクトレットにより前記溝内の電極を覆っている。この実施態様によれば、溝内に配設された電極を溝内に埋設されたエレクトレットで覆うようにしているので、電極をエレクトレットで確実に覆うことができ、素子の信頼性が向上する。また、電極を溝内に埋めることで、電荷注入時に電極に電荷が流れるのをより確実に防止することができ、エレクトレットの表面電位をより高めて発電量を大きくできる。

前記溝の形状としては、その長手方向に垂直な断面が、内隅部の湾曲した矩形形状であってもよく、底面の幅よりも開口部の幅が広くなった台形形状でもよく、開口側で広くなった三角形状でもよい。これらの形状の溝によれば、溝に埋め込んだエレクトレットに気泡が噛み込みにくくなる。また、溝にエレクトレットを注入し易くなる。

前記溝は、基板がガラス基板、半導体基板又は樹脂基板である場合には、当該基板にドライエッチングを行うことにより形成することができる。また、溝を有する基板または当該基板の一部が樹脂材料によって形成されている場合には、樹脂材料を成形する際に転写技術を用いて溝を成形することもできる。また、溝を有する基板がＳｉ基板である場合には、異方性エッチングを用いて基板に溝を形成し、この溝の表面にＳｉＯ_２、ＳｉＮ、またはＳｉＯＮよりなる絶縁膜を形成してもよい。これらの方法によれば、微細な溝を精度よく作製することができる。

本発明に係るエネルギー変換素子のさらに別な実施態様においては、前記第１の基板と前記第２の基板のうち少なくとも一方の基板の対向面では、前記導電性部材の、前記電極パッドが形成された領域を除く領域全体が絶縁被膜で覆われている。

エレクトレットに荷電している電荷量が増えると、第１及び第２の基板の電極間、またはエレクトレットと電極間で放電が起きやすくなる。しかし、この実施態様では、電極パッドが形成された領域を除く領域全体を絶縁被膜で覆っているので、電極間の絶縁耐圧を向上させることができ、エレクトレットの表面電荷の低下を抑制できるとともにエネルギー変換素子の信頼性を向上させることができる。

また、第１及び第２の基板の導電性部材間における放電を防止するためには、上記実施態様のように第１及び第２の基板の対向面のほぼ全体を絶縁被膜で覆うことが望ましい。しかし、エレクトレットで覆われていない電極のみを絶縁被膜で覆うようにするだけでも、絶縁耐圧を向上させることができる。また、隣接するエレクトレット間にガード電極を設け、前記第１の基板と前記第２の基板のうち少なくとも一方の基板において、エレクトレットで覆われていない電極とガード電極のみを絶縁被膜で覆うようにしてもよい。

上記絶縁被膜としては、ＢＣＢ（benzocyclobutene）樹脂やＳｉＬＫ樹脂（ダウ・ケミカル社製）のような絶縁性高分子材料を用いてもよく、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ_２などの絶縁性無機材料を用いてもよい。これらの材質からなる絶縁被膜を用いれば、導電性部材間の絶縁耐圧をより高めることができる。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
以下、図３〜図１２を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。

図３は本発明の実施形態１によるエネルギー変換素子の構造を示す概略正面図、図４はその要部を示す斜視図である。図３、図４に従って、実施形態１のエネルギー変換素子２１（発電素子）の構造を説明する。

実施形態１のエネルギー変換素子２１は、固定基板２２及び可動基板２３を備えており、両基板２２、２３は所定の間隔を隔てて互いに平行に対向している。固定基板２２及び可動基板２３は、ガラス基板や樹脂基板等の絶縁性を有する基板である。固定基板２２と可動基板２３はケーシング２４内に納められており、固定基板２２はケーシング２４内で固定され、可動基板２３は固定基板２２と平行な状態を保ったままで一方向に平行移動できるようにしてケーシング２４内で保持されている。

可動基板２３の上面にはスプリング固定部２５が突設されており、スプリング固定部２５とケーシング２４との間には複数本のスプリング２６（引張バネ）が張られている。スプリング２６はスプリング固定部２５の両側にそれぞれ１本又は複数本ずつ配置されており、可動基板２３の移動方向と平行に伸びている。可動基板２３は外部からの振動、例えば環境振動によって強制的に平行移動（振動）させられるが、外部から力が加わっていない時には、可動基板２３は、左右のスプリング２６の弾性力の釣り合いによって所定の初期位置に静止または復帰する。また、スプリング２６は、可動基板２３に衝撃や大きな振動が加わったときに、可動基板２３に加わる衝撃などを吸収して可動基板２３を保護する働きを有する。さらに、大きな振動が加わった場合には、スプリング２６が外部からの振動エネルギーを吸収して弾性エネルギーとして一旦保持し、この弾性エネルギーを解放することで可動基板２３を振動させることができるので、振動エネルギーを効率的に利用して発電することができる。

固定基板２２の内面（上面）には、一方向に長い短冊状をしたベース電極２７（電極）が一定ピッチ毎に、かつ互いに平行に設けられている。ベース電極２７の長手方向は、可動基板２３の移動方向と直交しており、ベース電極２７の配列方向は可動基板２３の移動方向と平行となっている。固定基板２２は信号取出用パッド３０（電極パッド）を備えており、ベース電極２７はいずれも、配線パターンによって信号取出用パッド３０に電気的に接続されている。また、ベース電極２７間には、ベース電極２７と平行となるようにして、短冊状のガード電極２９が設けられている。ガード電極２９はグランドに接続していてもよく、電気的にグランドから浮いた状態となっていてもよい。

それぞれのベース電極２７の上面には、テフロン（登録商標）やフッ素樹脂などでエレクトレット２８が形成されている。エレクトレット２８の幅Ｗはベース電極２７の幅ｗよりも広くなっており（つまり、Ｗ＞ｗ）、ベース電極２７の上面及び外周面全体はエレクトレット２８によって覆われている。図３、図４では、ベース電極２７の長手方向端面はエレクトレット２８から露出して見えるが、ベース電極２７の幅方向両側面と長手方向両端面もエレクトレット２８によって覆われている。

ベース電極２７やガード電極２９は、実際には、図５に示すようなパターン形状となっている。固定基板２２には、櫛歯状をしたベース電極用の導電性部材１００と、櫛歯状をしたガード電極用の導電性部材１０１とが設けられている。導電性部材１００は、一定ピッチで配列されたベース電極２７と、各ベース電極２７をつなぐ導通路１０２と、信号取出用パッド３０によって構成されている。導電性部材１０１は、一定ピッチで配列されたガード電極２９と、各ガード電極２９をつなぐ導通路１０３と、電極パッド１０４によって構成されている。そして、導電性部材１００と１０１とは噛み合わせるように配置され、ベース電極２７とガード電極２９が交互に配列している。そして、導電性部材１００は、固定基板２２からの露出面のうち、信号取出用パッド３０を除く領域全体がエレクトレット２８によって覆われている。特に、ベース電極２７の幅方向両側面２７ａや長手方向端面２７ｂ、導通路１０２の両側面がエレクトレット２８によって覆われている。

さらに、エレクトレット２８、ガード電極２９及び固定基板２２の露出部分（すなわち、信号取出用パッド３０の設けられている領域以外の領域）は、絶縁被膜３１によって覆われている。

可動基板２３の内面（下面）には、一方向に長い短冊状をした対向電極３２（電極）が互いに平行に設けられている。対向電極３２の長手方向は、可動基板２３の移動方向と直交しており、対向電極３２の配列方向は可動基板２３の移動方向と平行となっている。対向電極３２は、ベース電極２７の幅ｗまたはエレクトレット２８の幅Ｗと等しい幅、あるいは両者の幅ｗ、Ｗの中間の幅を有しており、ベース電極２７と等しいピッチで配列されている。可動基板２３は信号取出用パッド３４を備えており、対向電極３２はいずれも、配線パターンによって信号取出用パッド３４（電極パッド）に電気的に接続されている。さらに、対向電極３２及び可動基板２３の露出部分（すなわち、信号取出用パッド３４の設けられている領域以外の領域）は、絶縁被膜３３によって覆われている。

なお、図示しないが、対向電極３２や信号取出用パッド３４も、ベース電極２７や信号取出用パッド３０と同様に、櫛歯状をした導電性部材の一部となっており、対向電極３２どうしは導通路によって結ばれている。

絶縁被膜３１、３３は、絶縁耐圧の高い材料であるＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｒＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２などの絶縁性無機材料を、スパッタ法やＣＶＤ法などでパッド領域以外の全面に成膜したものでもよく、低誘電率のポリイミド、ＢＣＢ樹脂、ＳｉＬＫ樹脂などの絶縁性高分子材料をパッド領域以外の全面にコーティングしたものでもよい。これらの絶縁被膜３１、３３は吸湿効果も備えている。また、絶縁耐圧を高めるためには、固定基板２２と可動基板２３の双方に絶縁被膜３１及び３３を設けることが望ましいが、固定基板２２と可動基板２３のうちいずれか一方にのみ絶縁被膜３１又は３３を設けるようにしてもよい。

信号取出用パッド３０はグランドに接続されており、信号取出用パッド３４と信号取出用パッド３０との間には負荷３５が接続されている。

なお、固定基板２２が絶縁性のない基板あるいは絶縁性の十分でない基板である場合には、固定基板２２の上面にＳｉＯ_２やＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｒＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２等からなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜の表面にベース電極２７やエレクトレット２８、ガード電極２９、信号取出用パッド３０を形成してもよい。同様に、可動基板２３が絶縁性のない基板あるいは絶縁性の十分でない基板である場合には、可動基板２３の下面にＳｉＯ_２やＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｒＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２等からなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜の表面に対向電極３２や信号取出用パッド３４を形成してもよい。

また、前記した可動基板２３の初期位置では、可動基板２３の対向電極３２と固定基板２２のベース電極２７とが、正対していることが望ましい。

（電荷の注入方法）
前記エレクトレット２８の表面には、電荷を注入して電荷を固定化している。エレクトレット２８に電荷を注入する方法としては、コロナ放電による方法などを用いる。図６は、電荷注入のための装置の構成を示し、ニードル３６、その下方に配置されたグリッド３８、その下方に配置されたヒーター４０、ニードル３６に負電圧を印加するための高圧電源３７（例えば、−８ｋＶの直流電源）、グリッド３８に負電圧を印加するためのグリッド電圧電源３９（例えば、−６００Ｖの直流電源）とからなる。ベース電極２７やエレクトレット２８を形成された固定基板２２は、ヒーター４０とグリッド３８との間に置かれ、ヒーター４０で１２０℃程度に予熱される。ついで、ニードル３６側が負電圧となるように直流高圧電源３７をつないで、ニードル３６とベース電極２７との間に高圧を印加し、ニードル３６の先端周辺に空中放電を生じさせることでエレクトレット２８に電荷を注入する。

このとき、本実施形態のエネルギー変換素子２１では、ベース電極２７の上面と幅方向両側面の全体がエレクトレット２８で覆われているので、図６の矢付き線で示すように、ニードル３６から放出された電荷（電子）がベース電極２７の両側面に入ってロスになることがなく、エレクトレット２８に注入される電荷量を増大させることができ、エレクトレット２８の表面電位を高くすることができ、発電効率を高くすることができる。

なお、グリッド３８には、グリッド電圧電源３９によって高圧電源３７よりも弱い負電圧が印加されており、ニードル３６から放出された電荷を全体に広げるとともにグリッド電圧を調整することによってエレクトレット２８に加わる電界を制御可能としている。

（エレクトレットの表面電位）
図７は、従来例及び本実施形態において、同じ電圧を印加して電荷を注入したときのエレクトレットの表面電位とエレクトレットの電極被覆幅の関係を実験的に求めた結果を表している。図７の横軸は電極被覆幅［μｍ］を示し、縦軸はエレクトレット１４又は２８の表面電位［Ｖ］を示す。電極被覆幅とは、本実施形態では、エレクトレット２８の幅Ｗからベース電極２７の幅ｗを引いた値を表しており、従来例では、エレクトレット１４の幅からベース電極１３の幅を引いた値を表している。なお、図７のデータを得る際には、エレクトレット１４、２８の幅を一定（３００μｍ）とし、ベース電極１３又はベース電極２７の幅を変化させた。

図７における領域Ａ内の測定点は、図２の向かって右の従来例のように、ベース電極１３の両側端がエレクトレット１４から飛び出た場合を表している。図７における領域Ｂ内の測定点は、図２の向かって左の従来例のように、ベース電極１３の両側面とエレクトレット１４の両側面とが揃っている場合を表している。また、図７における領域Ａ、Ｂ内の測定点以外は、本実施形態のようにベース電極２７の両側面がエレクトレット２８で覆われた場合を表しており、特に領域Ｃは本実施形態の好ましい場合を表している。

図７によれば、ベース電極２７の両側面をエレクトレット２８で被覆することによってエレクトレット２８の表面電位を大きくできることが分かる。しかも、その電極被覆幅が大きいほどエレクトレット２８の表面電位が大きくなる。その一方で、電極被覆幅がある程度大きくなると、エレクトレット２８の表面電位の上昇率は鈍化し、もはや電極被覆幅を大きくするメリットが期待できなくなる。反対に、電極被覆幅が大きくなることによって基板面積が大きくなったり、同じ基板面積の上に形成できるベース電極２７の本数が少なくなったりするデメリットがある。よって、本実施形態における電極被覆幅としては、１０μｍ以上３０μｍ以下が好ましく、特に２０μｍ以上３０μｍ以下（領域Ｃ）が望ましい。これを、ベース電極２７の幅方向両側面や長手方向端面などにおけるエレクトレット２８の（片側）被覆厚で言い直せば、５μｍ以上１５μｍ以下の被覆厚が好ましく、特に１０μｍ以上１５μｍ以下であることが望ましいということになる。

また、図７は、電極被覆幅が２０μｍ以上（被覆厚が１０μｍ）であれば、さらにエレクトレット２８の表面電位のばらつきを小さくできるという効果が得られることを示している。すなわち、図７には、電極被覆幅が４μｍ、１０μｍ、２０μｍの場合の各表面電位の標準偏差St Dev（Standard Deviation）を表している。図７では、これらの電極被覆幅では測定値は代表的な３点しか表していないが、標準偏差はこれら以外の測定値も加えて計算したものである。こうして標準偏差St Devを求めたところ、
電極被覆幅＝４μｍ のとき、標準偏差St Dev＝９９［Ｖ］
電極被覆幅＝１０μｍ のとき、標準偏差St Dev＝９３［Ｖ］
電極被覆幅＝２０μｍ のとき、標準偏差St Dev＝６５［Ｖ］
という結果が得られた。この実験に基づけば、電極被覆幅を２０μｍ以上（あるいは、エレクトレットの被覆厚を１０μｍ以上）とすることにより、エレクトレット２８の表面電位のばらつきを小さくできることが分かる。

また、ベース電極２７をエレクトレット２８で被覆することにより、ベース電極２７の幅のばらつきによるエレクトレット２８の表面電位のばらつきを小さくできるので、エネルギー変換素子２１の製造工程も容易になる。さらに、ベース電極２７がエレクトレット２８で覆われているので、使用時におけるベース電極２７と対向電極３２との間の放電を防ぐことができ、エネルギー変換素子２１の信頼性が向上する。

（使用方法）
このエネルギー変換素子２１は、振動の発生する場所や対象物に設置される。例えばエネルギー変換素子２１が車両などに取り付けられると、その振動（環境振動）を感知する。エネルギー変換素子２１が、外部からの振動を感知すると、その振動によって可動基板２３が固定基板２２と平行に往復運動する。可動基板２３の対向電極３２に誘起される電荷量は、エレクトレット２８に正対していてエレクトレット２８との重なり面積が最大のときに最大となり、可動基板２３がずれて対向電極３２とエレクトレット２８との重なり面積が小さくなるにつれて対向電極３２に誘起される電荷量が減少する。逆に、可動基板２３が元の方向に戻って対向電極３２とエレクトレット２８との重なり面積が大きくなるにつれて対向電極３２に誘起される電荷量が増加する。この結果、ベース電極２７と対向電極３２の間に接続された負荷３５には交流電流が流れる。つまり、エネルギー変換素子２１に加わる振動によって、ベース電極２７と対向電極３２との間には交流の起電力ｅが発生することになる。

最適な負荷抵抗を選んだとき、可動基板２３が周波数ｆで正弦波振動するエネルギー変換素子２１の最大出力Ｐmaxは、次の数式１で表されることが知られている。

ここで用いた記号は次のとおりである。
Ｐmax： 最大出力（powerの最大値）
σ： エレクトレットの表面電荷密度
ｎ： 対向電極３２の本数
ｄ： エレクトレットの厚み
Ｓ： ベース電極２７と対向電極３２の重なり合う最大面積
ｆ： 振動の周波数
ｇ： 対向電極３２とエレクトレット２８のギャップ（電極間ギャップ）
ε： エレクトレット２８の比誘電率
ε_０： 空気の誘電率

本実施形態のエネルギー変換素子２１では、前記のように、電荷注入時にエレクトレット２８に注入される電荷量（表面電荷密度σ）を大きくすることができるので、上記数式１から分かるように、エネルギー変換素子２１の出力を大きくすることができ、発電効率を高めることができる。

（絶縁被膜の働き）
本実施形態のエネルギー変換素子２１では、上記のようにエレクトレット２８の荷電量を大きくすることができるが、エレクトレット２８の荷電量が増加すると、それだけ対向電極３２とベース電極２７の間で放電が起きやすくなる。放電が起きると、エレクトレット２８の荷電が抜け出て荷電量が減少する。放電を防止するためには電極間ギャップｇを大きくすればよいが、電極間ギャップｇが大きくなると発電効率が低下する。そのため、従来例ではパリレン膜からなる防湿膜を用いて放電を防止していた。

これに対し、本実施形態では、固定基板２２と可動基板２３の少なくとも一方に、ＳｉＯ_２等の絶縁性無機材料やポリイミド、ＢＣＢ樹脂、ＳｉＬＫ樹脂等の絶縁性高分子材料からなる絶縁被膜３１、３３を形成しているので、パリレン膜よりも絶縁耐圧を向上させることができ、エネルギー変換素子２１の信頼性を向上させることができる。

つぎの表１は、ＳｉＯ_２、ＢＣＢ樹脂、ＳｉＬＫ樹脂、ポリイミド、Ｃタイプのパリレン、Ｎタイプのパリレン、空気およびＳＦ６の単位厚み当たりの絶縁耐圧を示す。

ＳｉＯ_２、ＢＣＢ樹脂、ＳｉＬＫ樹脂は、ＣタイプやＮタイプのパリレンよりも単位厚み当たりの絶縁耐圧が大きいので、絶縁被膜３１又は３３としてＳｉＯ_２膜を用いることにより、同じ膜厚であれば、防湿膜としてパリレン膜を用いた従来例よりも、エネルギー変換素子２１の絶縁耐圧を向上させることができる。

また、ポリイミドは単位厚み当たりの絶縁耐圧はパリレンよりも小さいが、価格が安価であり、厚い絶縁被膜を容易に形成することができるので、パリレン膜よりも厚い絶縁被膜を形成することができ、その結果パリレン膜を用いた従来例よりも、エネルギー変換素子２１の絶縁耐圧を向上させることができる。

図８はパッシェン曲線を示す図であって、その横軸は上下の電極間ギャップｇ（従来例のエレクトレット１４と対向電極１６の距離、本実施形態のエレクトレット２８と電極３２の距離）を対数目盛で示し、縦軸は絶縁耐圧を対数目盛で示す。パッシェン曲線は、上下電極間の絶縁耐圧を示し、パッシェン曲線よりも上の領域は放電が発生する放電発生領域を、パッシェン曲線よりも下の領域は放電が起きない安定領域をそれぞれ表す。図８には、絶縁被膜が無い場合（つまり、空気のみの場合）と、膜厚２μｍのスパッタＳｉＯ_２、膜厚２μｍのＣタイプのパリレン、膜厚０.３μｍのＣタイプのパリレンを上下のいずれか一方の基板に設けた場合の各絶縁耐圧を示している。

また、図９は図８のパッシェン曲線の一部を拡大して表した図であって、膜厚２μｍのスパッタＳｉＯ_２、膜厚２μｍのＣタイプのパリレン、絶縁被膜なしの場合を表している。

図８によれば、膜厚２μｍのスパッタＳｉＯ_２、膜厚２μｍのＣタイプのパリレン、膜厚０.３μｍのＣタイプのパリレンのいずれもが絶縁被膜のない場合よりも絶縁耐圧が向上している。しかし、エネルギー変換素子の放電対策においては、前記のように、電極間ギャップｇに関係なく、表面電位が１０００Ｖのエレクトレットから放電が発生しないようにすることが望まれる。図８及び図９によれば、絶縁被膜なしの場合には上下電極間の距離が約１００μｍよりも短くなると絶縁耐圧が１０００Ｖを下回り、パリレンの場合には上下電極間の距離が約５０μｍよりも短くなると絶縁耐圧が１０００Ｖを下回る。これに対し、絶縁被膜としてＳｉＯ_２を用いた場合には、上下電極間の距離が約１０μｍまで絶縁耐圧を１０００Ｖ以上に維持することができ、高い絶縁耐圧性能を得ることができる。よって、本実施形態によれば、絶縁耐圧が高くて信頼性の高いエネルギー変換素子２１を作製することができる。

つぎに、エレクトレットの線幅と本発明の効果との関係について説明する。図１０は、図１１のようなサンプル基板を用いて、その表面電位を測定した結果を示す図である。また、図１１は、この実験に用いたサンプル基板を示す概略図である。

図１１に示すサンプル基板は、一辺３０ｍｍの正方形のガラス基板４１の表面に下地電極４２を成膜し、その上にエレクトレット４３を形成し、基板４１の一方端部において５ｍｍ幅でエレクトレット４３を除去して下地電極４２を露出させたものである。このサンプル基板に対し、コロナ放電により同一条件でエレクトレット４３に荷電処理を行い、エレクトレット４３の表面電位を測定した（モンロー社製表面電位計を使用）。表面電位の測定は、下地電極４２を接地した状態で、エレクトレット４３と測定プローブ４４との距離をＨ＝１.５ｍｍに保ちながら、測定プローブ４４をエレクトレット４３の表面に沿ってスイープさせて行った。測定プローブ４４の測定領域の広さはＤ＝２.５４ｍｍであった。

測定の結果は図１０に示されている。この縦軸は表面電位を表し、横軸は原点から測った測定プローブ４４の位置（測定位置Ｘ）である。原点Ｘ＝０.０ｍｍは、エレクトレット４３の端から若干（例えば、０.４ｍｍ程度）離れた位置であって、下地電極４２の露出した箇所である。測定の結果、図１０に示されるように、エレクトレット４３の中央部は高い表面電位を示すが、下地電極４２の露出領域に近づくほど表面電位が低下することが分かった。

図１１のサンプル基板の向かって左側端部では下地電極４２が露出しているので、この領域では、下地電極がエレクトレットから露出している構造（図１の従来例を参照）と同様な現象が起きていると考えられる。そこで、従来例の場合の表面電位を図１０上にプロットしたところ（三角印）、サンプル基板の実測値とほぼ一致した。同様に、下地電極がエレクトレットで被覆されている構造（本実施形態）についても、その表面電位を図１０上にプロットした（丸印）。図１０によれば、サンプル基板において、下地電極がエレクトレットで被覆されている構造の場合と同じ表面電位に相当するエレクトレットの測定幅は１.８ｍｍとなる。これはエレクトレットの片側半分に相当すると考えられるので、本実施形態の構造は、エレクトレットの幅が３.６ｍｍのサンプル基板に相当することになる。したがって、エレクトレット２８の幅が３.６ｍｍ以下の場合であれば、本実施形態による表面電位向上効果を発揮できると考えられる。

つぎに、エネルギー変換素子２１のケーシング２４の構造とエネルギー変換素子２１の組立工程を説明する。図１２は、ケーシング２４の具体的な構造を示す分解斜視図である。ケーシング２４は、ベースブロック４５とケースカバー４７とからなる。ベースブロック４５には、固定基板２２や可動基板２３を収納するための空間が形成されており、下面には複数本のリード４６が突出している。固定基板２２は、ベースブロック４５内の底面に設置され、リード４６と電気的に接続される。さらに、可動基板２３は固定基板２２と一定の間隔を隔ててベースブロック４５内に摺動自在に納められ、リード４６と電気的に接続される。ベースブロック４５の上面は、ケースカバー４７によって塞がれる。

このような構造のエネルギー変換素子２１は、以下のようにして組み立てられる。まず、上面にベース電極２７やエレクトレット２８などを形成された固定基板２２にコロナ放電によって荷電処理を行い、エレクトレット２８に電荷を注入する。そして、エレクトレット２８等の上から絶縁被膜３１を形成する。

また、下面に対向電極３２や絶縁被膜３３を形成された可動基板２３にフレーム４９を取り付け、フレーム４９に設けられたスプリング固定部２５にスプリング２６を取り付ける。

ついで、リード４６を一体成形されたベースブロック４５内に固定基板２２を納めて、その底面に固定基板２２を接着する。そして、固定基板２２の信号取出用パッドとリード４６とをＡｕ線によってワイヤボンディングする。固定基板２２をベースブロック４５に固定し終えたら、固定基板２２の上にギャップ保持用部品（図示せず）を取り付け、ギャップ保持用部品によりギャップ調整を行う。

可動基板２３をベースブロック４５内に納める。可動基板２３は、固定基板２２と所定のギャップを確保した状態でスライド自在に保持され、スプリング２６の端がベースブロック４５の内面に固定される。さらに、可動基板２３の信号取出用パッドをリード４６に接続する。

最後に、ベースブロック４５の上面にケースカバー４７を重ねて接着する。

（第１の実施形態の変形例）
図１３は実施形態１の一変形例における可動基板２３を示す概略正面図である。この変形例では、対向電極３２の形成された領域にのみ絶縁被膜３３を形成している。この場合も、絶縁性無機材料をスパッタ法やＣＶＤ法で成膜したり、絶縁性有機材料をコーティング又は電着させたりして、絶縁被膜３３を形成する。

また、図１４は実施形態１の別な変形例における固定基板２２を示す概略正面図である。この変形例では、ガード電極２９の形成された領域にのみ絶縁被膜３３を形成している。図１４のような構造の固定基板２２は、図１３のような可動基板２３と組み合わせることによって良好な絶縁耐圧を得ることができる。あるいは、図１４のような構造の固定基板２２は、実施形態１の可動基板２３のようにパッド領域以外の領域の全体に絶縁被膜を形成された可動基板２３と組み合わせても良好な絶縁耐圧を得ることができる。

（第２の実施形態）
図１５は本発明の実施形態２によるエネルギー変換素子５１の構造を示す概略正面図である。この実施形態は、ベース電極２７及びエレクトレット２８を、固定基板２２の溝５２内に埋め込んだ点を特徴としており、その他の点については実施形態１と同様な構成を有している。

このエネルギー変換素子５１にあっては、固定基板２２の上面に複数本の平行な溝５２を凹設している。溝５２の長手方向に垂直な断面は、底面がほぼ平坦面となっており、両側面から内隅部にかけて湾曲していてほぼ椀状となっている。各溝５２の底面には、溝５２の長手方向に沿って短冊状のベース電極２７を設けてあり、さらに溝５２内にエレクトレット２８を埋めることにより、ベース電極２７をエレクトレット２８で覆っている。

このような実施形態によれば、固定基板２２に形成された溝５２の底面にベース電極２７を設けた後、溝５２内にエレクトレット２８を充填することで確実にベース電極２７をエレクトレット２８で覆うことができ、エレクトレット２８の位置ずれによってベース電極２７の縁がエレクトレット２８から露出したりする恐れが小さい。

また、溝５２の断面が矩形状であると、溝５２の内隅部にエレクトレット２８が充填されにくく、内隅部に気泡が発生する恐れがある。そのため、この実施形態では、溝５２の断面形状を椀状に形成して内隅部の生じにくい形状としてあり、エレクトレット２８内に気泡が発生しにくくしている。

（第２の実施形態の変形例）
図１６〜図１９は、それぞれ実施形態２の変形例を表す。図１６に示す変形例では、溝５２の長手方向に垂直な断面をほぼ矩形形状とし、溝５２の内隅部（図１６のａ部）とその開口部の縁（図１６のｂ部）を湾曲させている。図１７の変形例では、溝５２の長手方向に垂直な断面をほぼ矩形状とし、垂直な両側面の下端部に位置する内隅部（図１７のａ部）のみを湾曲させて内隅部の湾曲した矩形形状としている。図１８の変形例では、溝５２の断面を底面よりも開口部が広くなった逆台形状に形成している。なお、図１８の変形例においても、溝５２の内隅部やその開口部の縁を湾曲させてもよい。図１９の変形例では、溝５２をＶ溝状（三角形状）に形成しており、それに応じてベース電極２７も断面Ｖ字状に形成している。これら図１６〜図１９の変形例も、それぞれエレクトレット２８内に気泡が混入しにくくするための工夫である。

（溝加工の方法）
次に、実施形態２又はその変形例において、固定基板２２に溝５２を形成する方法を図２０〜図２２により説明する。図２０（ａ）（ｂ）は固定基板２２としてガラス基板を用いた場合である。この場合には、図２０（ａ）のようにマスク５３によって固定基板２２の溝形成領域以外の面を覆っておき、マスク５３の開口を通して固定基板２２をドライエッチング又はウェットエッチングすることで、図２０（ｂ）のように固定基板２２に溝５２を形成する。なお、溝形成領域に沿ってレーザー光を走査することで溝５２を形成するレーザー加工方法を用いてもよい。

図２１（ａ）〜（ｃ）はガラス基板５４と樹脂５５によって固定基板２２を構成する場合である。この場合には、図２１（ａ）に示すように、平板状のガラス基板５４の上に溶融状態の紫外線硬化型樹脂５５を滴下した後、図２１（ｂ）のように下面に突条部５７を形成されたスタンパ５６（金型）で樹脂５５を押圧し、スタンパ５６とガラス基板５４との間に樹脂５５を押し広げる。ついで、ガラス基板５４を通して樹脂５５に紫外光を照射して樹脂５５を光硬化させる。この後、硬化した樹脂５５からスタンパ５６を剥離させると、ガラス基板５４と硬化した樹脂５５によって固定基板２２が形成されると共に固定基板２２の上面に溝５２が形成される。

図２２（ａ）（ｂ）は固定基板２２としてＳｉ基板を用いる場合である。この場合には、図２２（ａ）のようにマスク５３によって固定基板２２の溝形成領域以外の面を覆っておき、マスク５３の開口を通して固定基板２２を異方性エッチング又は等方性エッチングすることで、固定基板２２の上面に溝５２を形成する。ついで、図２２（ｂ）のように、固定基板２２の上面にＳｉＯ_２膜やＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などの絶縁膜５８を形成して絶縁処理を行う。

なお、上記各実施形態においては、エレクトレットを有しない基板を振動によって動かすようにしたが、エレクトレットを有する基板が振動によって動くようにしてもよい。また、一方の基板においては一部領域（例えば、１／２の領域）でのみ電極にエレクトレットを設け、他方の基板においては前記領域に対向する領域以外の領域（例えば、残る１／２の領域）でのみ電極にエレクトレットを設けてもよい。

図１は、特許文献１に開示されたエネルギー変換素子の構造を示す斜視図である。 図２は、同上のエネルギー変換素子において、エレクトレットに電荷を注入している様子を示す概略図である。 図３は、本発明の実施形態１によるエネルギー変換素子の構造を示す概略正面図である。 図４は、実施形態１のエネルギー変換素子の要部を示す斜視図である。 図５は、固定基板に形成されたベース電極用の導電性部材とガード電極用の導電性部材を示す平面図である。 図６は、実施形態１のエネルギー変換素子において、エレクトレットに電荷を注入している様子を示す概略図である。 図７は、従来例及び実施形態１における、エレクトレットの表面電位とエレクトレットの電極被覆幅との関係を実験的に求めた結果を表した図である。 図８は、上下電極間の絶縁耐圧を示すパッシェン曲線を表した図である。 図９は、図８の一部を拡大して表した図である。 図１０は、図１１のようなサンプル基板を用いて、その表面電位を測定した結果を示す図である。 図１１は、図１０のデータを得るためのサンプル基板を示す概略図である。 図１２は、エネルギー変換素子のケーシングの構造を示す分解斜視図である。 図１３は、実施形態１の一変形例における可動基板を示す概略正面図である。 図１４は、実施形態１の別な変形例における固定基板を示す概略正面図である。 図１５は、本発明の実施形態２によるエネルギー変換素子の構造を示す概略正面図である。 図１６は、実施形態２の一変形例における固定基板の概略正面図である。 図１７は、実施形態２の別な変形例における固定基板の概略正面図である。 図１８は、実施形態２のさらに別な変形例における固定基板の概略正面図である。 図１９は、実施形態２のさらに別な変形例における固定基板の概略正面図である。 図２０（ａ）（ｂ）は、基板に溝を形成する方法の一例を示す概略図である。 図２１（ａ）〜（ｃ）は、基板に溝を形成する別な方法を示す概略図である。 図２２（ａ）（ｂ）は、基板に溝を形成するさらに別な方法を示す概略図である。

符号の説明

２１ エネルギー変換素子
２２ 固定基板
２３ 可動基板
２７ ベース電極
２８ エレクトレット
２９ ガード電極
３０ 信号取出用パッド
３１ 絶縁被膜
３２ 対向電極
３３ 絶縁被膜
３４ 信号取出用パッド
５２ 溝
ｗ ベース電極の幅
Ｗ エレクトレットの幅

Claims (14)

1. 所定の間隔を隔てて対向し、かつ互いに相対的に移動可能となった第１の基板と第２の基板を備え、
   前記第１の基板と前記第２の基板の互いに対向する面に、それぞれ少なくとも１つの導電性部材が形成され、
   前記導電性部材はいずれも複数本の電極と電極パッドを有し、
   前記導電性部材のうち少なくとも一つの導電性部材には、各電極に対応してエレクトレットが形成されており、
   前記エレクトレットは、各電極の表面のうちいずれかの基板に固定されている面と反対面を覆うとともに、各電極の外周面を５μｍ以上の被覆厚で覆っていることを特徴とするエネルギー変換素子。
2. 前記エレクトレットが形成された電極の外周面が、１０μｍ以上の被覆厚でエレクトレットにより覆われていることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー変換素子。
3. 前記第１の基板と前記第２の基板のうち少なくとも一方の基板は、互いに平行に凹設された複数本の溝を有し、当該溝内に前記電極が配設され、当該溝内に前記エレクトレットを埋設すると共にエレクトレットにより前記溝内の電極を覆ったことを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー変換素子。
4. 前記溝は、その長手方向に垂直な断面が、内隅部の湾曲した矩形形状であることを特徴とする、請求項３に記載のエネルギー変換素子。
5. 前記溝は、その長手方向に垂直な断面が、底面の幅よりも開口部の幅が広くなった台形形状であることを特徴とする、請求項３に記載のエネルギー変換素子。
6. 前記溝は、その長手方向に垂直な断面が、開口側で広くなった三角形状であることを特徴とする、請求項３に記載のエネルギー変換素子。
7. 前記溝を有する基板は、ガラス基板、半導体基板又は樹脂基板からなり、
   前記溝は、当該基板にドライエッチングを用いて凹設されていることを特徴とする、請求項３に記載のエネルギー変換素子。
8. 前記溝を有する基板または当該基板の一部が樹脂材料によって形成されており、
   前記溝は、前記樹脂材料を成形する際に転写技術を用いて凹設されていることを特徴とする、請求項３に記載のエネルギー変換素子。
9. 前記溝を有する基板は、Ｓｉ基板からなり、
   前記溝は、当該基板に異方性エッチングを用いて凹設されており、
   前記溝の表面には、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、またはＳｉＯＮよりなる絶縁膜が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載のエネルギー変換素子。
10. 前記第１の基板と前記第２の基板のうち少なくとも一方の基板の対向面では、前記導電性部材の、前記電極パッドが形成された領域を除く領域全体が絶縁被膜で覆われていることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー変換素子。
11. 前記エレクトレットで覆われていない電極のみを絶縁被膜で覆ったことを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー変換素子。
12. 隣接する前記エレクトレット間にガード電極を設け、
    前記第１の基板と前記第２の基板のうち少なくとも一方の基板においては、前記エレクトレットで覆われていない電極と前記ガード電極のみを絶縁被膜で覆ったことを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー変換素子。
13. 前記絶縁被膜は、絶縁性高分子材料からなることを特徴とする、請求項１０から１２のうちいずれか１項に記載のエネルギー変換素子。
14. 前記絶縁被膜は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ_２などの絶縁性無機材料よりなることを特徴とする、請求項１０から１２のうちいずれか１項に記載のエネルギー変換素子。

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