JP5521159B2 - エレクトレット、静電誘導型変換素子及びエレクトレットの荷電方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄積された電荷が経時的に減少することを抑制できるエレクトレット、静電誘導型変換素子及びエレクトレットの荷電方法に関する。

従来から、エレクトレットは公知となっており、例えば、下記特許文献１の図３に示すようなものがある。下記特許文献１の図３に示したものは、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されているエレクトレットを有しており、該エレクトレットは、２つの導体の間に配置されて、該エレクトレットに対向する少なくとも一方の導体に対して相対的に運動して電気エネルギと運動エネルギとの変換を行うように構成されているものである。また、該エレクトレットの表面は防湿膜によって覆われており、電荷の消失を防止できるようになっている。

また、エレクトレットの荷電方法の一つとして、例えば、下記特許文献２の図１に示されている装置を用いたコロナ荷電が公知となっている。

特開２００６−１８０４５０号公報 特開２００８−２６６５６３号公報

近年では、より簡易な構成でエレクトレットの電荷消失をより抑制できるエレクトレット、及び、エレクトレットへの荷電がさらに容易な方法が望まれている。

そこで、本発明の目的は、より簡易な構成で作製し易いものであるにもかかわらず、電荷消失を従来のものよりも抑制できたエレクトレット、及び、該エレクトレットに容易に荷電できるエレクトレットの荷電方法を提供することである。

（１） 一局面に従うエレクトレットは、電源に接続可能なベース電極と、グリッドに接続可能なグリッド接続用電極とが、交互に絶縁配列されている電極層と、前記電極層の一方側の面に設けられている絶縁材料層と、を備えているものである。

（２） 上記（１）のエレクトレットにおいては、前記ベース電極と前記グリッド接続用電極との間に、所定幅を有した離間部（空間）が設けられていることが好ましい。

（３） 上記（１）のエレクトレットにおいては、前記ベース電極と前記グリッド接続用電極との間に、絶縁材料部が設けられていることが好ましい。

（４） 上記（３）のエレクトレットにおいては、前記絶縁材料層と前記絶縁材料部とが一体形成されていることが好ましい。

上記（１）〜（４）の構成によれば、簡易な構成で作製し易いものでありながら、エレクトレットの電荷消失を従来のものよりも抑制できる。特に、上記（４）の構成のエレクトレットであれば、より容易に作製することが可能である。

（５） 他の局面に従う静電誘導型変換素子は、上記（１）〜（４）のうちいずれか１つのエレクトレットを備えているものである。

上記（５）の構成によれば、従来のものよりも発電効率を大幅に向上することができる。

（６） 他の局面に従うエレクトレットの荷電方法は、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載のエレクトレットにおける前記絶縁材料層側に、グリッドを配設するグリッド配設工程と、前記グリッドの前記絶縁材料層側と反対側に、ニードル電極を配設するニードル電極配設工程と、前記エレクトレットにおける前記ベース電極に、アースと前記ニードル電極とを接続する第１接続工程と、前記グリッドと、前記エレクトレットにおけるグリッド接続用電極とを接続する第２接続工程と、前記第１接続工程及び前記第２接続工程の後に、前記ニードル電極と前記ベース電極との間に所定電圧を印加して、前記エレクトレットにおける前記絶縁材料層に荷電する荷電工程と、前記第１接続工程及び前記第２接続工程の後に、前記グリッドに所定電圧を印加する電圧印加工程と、を有しているものである。

上記（６）の構成によれば、電荷消失を従来のものよりも抑制できるエレクトレットに、容易に荷電することができる。

本発明の実施形態に係る静電誘導型変換素子を示した概略構成図である。 図１に示したエレクトレットへの荷電方法を説明するための概略図である。 実施例及び比較例に係るエレクトレットについての実験結果を示すグラフである。 図３に示した比較例に係るエレクトレットへの荷電方法を説明するための概略図である。 （ａ）が本発明の実施形態に係る静電誘導型変換素子におけるエレクトレットの変形例、（ｂ）が別の変形例である。

以下、図１を参照して、本発明の実施形態に係る静電誘導型変換素子について説明する。

静電誘導型変換素子１００は、エレクトレット１０と、エレクトレット１０に対向して配設されている可動部２０と、エレクトレット１０と可動部２０とに接続されている抵抗３０とを備えているものである。

エレクトレット１０は、ガラスなどの絶縁材料からなる基板１１と、複数のグリッド接続用電極１２と、複数のベース電極１３と、絶縁材料層１４とを有しているものである。

グリッド接続用電極１２とベース電極１３とは、基板１１の一方の面において、交互にそれぞれが配列されており、電極層１５（厚さ１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度）を形成している。グリッド接続用電極１２に用いられる材料としては、アルミニウム、銅、クロム、金、白金などが挙げられる。ベース電極１３に用いられる材料としては、アルミニウム、銅、クロム、金、白金などが挙げられる。なお、グリッド接続用電極１２とベース電極１３との幅は、同一であることが好ましい。エレクトレット１０側の電荷の有る部分と無い部分との上を、後述する可動部２０における電極２２が移動していくので、グリッド接続用電極１２とベース電極１３との幅が同一である方が、電極２２の変位に対して出力される電流がきれいな正弦波になりやすいからである。

絶縁材料層１４は、電極層１５の一方側に積層されているとともに、グリッド接続用電極１２とベース電極１３との間を埋めるように形成されており、グリッド接続用電極１２とベース電極１３とを絶縁している。また、絶縁材料層１４は、マイナスに荷電されている。なお、絶縁材料層１４に用いられる材料としては、テフロン系高分子樹脂、シリコン酸化膜、ガラスなどが挙げられる。

可動部２０は、絶縁材料からなる基板２１と、基板２１のエレクトレット１０側の面に並設された複数の電極２２とを有しているものである。また、可動部２０は、静電誘導できる程度にエレクトレット１０と所定間隔をおいて配置されており、図１に示した矢印方向に水平振動できるものである。電極２２に用いられる材料としては、アルミニウム、銅、クロム、金、白金などが挙げられる。

＜エレクトレットへの荷電方法＞
ここで、図２を用いて、エレクトレット１０への荷電方法について説明する。図２に示したように、まず、エレクトレット１０における絶縁材料層１４側に、グリッド４０を配設する（グリッド配設工程）。次に、グリッド４０の絶縁材料層１４側と反対側に、ニードル電極４１を配設する（ニードル電極配設工程）。続いて、エレクトレット１０におけるベース電極１３全てと、アース及びニードル電極４１とを接続する（第１接続工程）とともに、グリッド４０と、エレクトレット１０におけるグリッド接続用電極１２とを接続する（第２接続工程）。続いて、ニードル電極４１とベース電極１３との間に所定電圧（−６ｋＶ〜−１２ｋＶのうちいずれかの値の電圧）を印加する。これにより、ニードル電極４１から負イオンが放電されグリッド４０で均一化された後、絶縁材料層１４上に降り注ぎ、電荷が注入される。すなわち、エレクトレット１０における絶縁材料層１４が荷電される（荷電工程）。このとき、グリッド４０にも所定電圧（−３００Ｖ〜−６００Ｖのうちいずれかの値の電圧）を印加しておく（電圧印加工程）。このような各工程を行うことで、エレクトレット１０が荷電される。

＜静電誘導型変換素子の動作＞
次に、図１を参照しつつ、静電誘導型変換素子１００の動作について説明する。荷電されたエレクトレット１０を固定した状態で、図１に示した矢印方向に可動部２０を水平振動させる。これにより、所定量の電気出力を得ることができる。

上記構成によれば、簡易な構成で作製し易いものでありながら、エレクトレット１０の電荷消失を従来のものよりも抑制できる。また、エレクトレット１０への荷電が容易な方法を提供できる。

以下、実施例及び比較例を示しながら、本発明を具体的に説明する。

本発明の実施例１に係るエレクトレット（図３の下部側に示した構成のもの）を、以下に示すような構成となるように作製した。すなわち、本実施例に係るエレクトレットは、基板にガラス板（大きさ１０ｍｍ角）、ベース電極（図３の下部側に示したエレクトレットの「ＢＥ」）及びグリッド接続用電極（図３の下部側に示したエレクトレットの「ＢＧＥ」）としてアルミニウム層（３００ｍｍの厚さ）を上記基板上において、両端以外、幅１ｍｍ、１００μｍ間隔でパターニングした後に、絶縁樹脂層（図３の下部側に示したエレクトレットの「ＣＹＴＯＰ」）としてテフロン系高分子樹脂（旭硝子（株）製、商品名ＣＹＴＯＰ ＣＴＬ−Ｍ、ベース電極からの厚さ３μｍ）をさらに積層して形成したものである。また、上記実施形態で示したエレクトレットへの荷電方法を用いて、本実施例に係るエレクトレットを荷電した。すわなち、本実施例に係るエレクトレットのベース電極を接地し、図２と同様のニードル電極に−８ｋＶ、図２と同様のグリッドに−６００Ｖの電圧をそれぞれ印加して、ベース電極と接地電極との電位差によって荷電した。

（比較例）
比較例に係るエレクトレット（図３の上部側に示した構成のもの）を、以下に示すような構成となるように作製した。すなわち、本比較例に係るエレクトレットは、基板にガラス板（大きさ１０ｍｍ角）、ベース電極（図３の上部側に示したエレクトレットの「ＢＥ」）及びガード電極（図３の下部側に示したエレクトレットの「ＧＥ」）としてアルミニウム層を上記基板上に３００ｍｍの厚さで積層した構成であるとともに、絶縁樹脂層（図３の上部側に示したエレクトレットの「ＣＹＴＯＰ」）としてテフロン系高分子樹脂（旭硝子（株）製、商品名ＣＹＴＯＰ ＣＴＬ−Ｍ、ベース電極からの厚さ３μｍ）をベース電極上にさらに積層したものである。なお、ベース電極とガード電極とは、両端以外、幅１ｍｍ、１００μｍ間隔でパターニングして形成したものである。また、図４に示した構成で、比較例に係る上記エレクトレットへの荷電を行った。具体的には、比較例に係るエレクトレット５０における基板５１上のベース電極５３を接地し、ガード電極５２は絶縁しておいて、図４のニードル電極６１に電源６２によって−８ｋＶ、図４のグリッド６０に電源６３によって−６００Ｖの電圧をそれぞれ印加して、ベース電極５３と接地電極との電位差によって絶縁材料層５４に荷電した。

上記実施例１及び上記比較例に係るエレクトレットの表面電位の測定を、非接触型の表面電位計（Ｍｏｎｒｏｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製ｍｏｄｅｌ ２７９）を用いて行った。その結果を図３のグラフに示す。なお、図３における実施例１及び比較例に係るエレクトレットそれぞれの幅の大きさ及び位置と、図３のグラフ横軸の値及び位置とは対応している。図３のグラフから、比較例に係るエレクトレットの電位差が約６０Ｖであるのに対して、実施例１に係るエレクトレットについては、電位差が約３００Ｖと大幅に向上していることがわかる。したがって、実施例１に係るエレクトレットを静電誘導型変換素子の一部品として用いれば、従来の静電誘導型変換素子よりも発電効率を大幅に向上することができる。

また、上記実施例１に係るエレクトレットを上記実施形態て示した静電誘導型変換素子におけるエレクトレット１０として用いて、可動部を駆動周波数２０Ｈｚで振動させて発電実験を行った。その結果、８ｎＷの発電を確認することができた。

＜変形例＞
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態及び上記実施例などに限定されるものではない。例えば、下記（Ａ）〜（Ｃ）のものが変形例として挙げられる。

（Ａ） 図５（ａ）に示したように、エレクトレット７０は、空洞７６を有していて絶縁材料層７４がベース電極７３とグリッド接続用電極７２との間に形成されていない点で、上記実施形態のエレクトレット１０と異なっている。なお、図５（ａ）の符合７１〜７３、７５の部位のそれぞれは、図１の符合１１〜１３、１５の部位と同様のものである。このような構成のエレクトレット７０は、上記実施形態のエレクトレット１０と同様の作用効果を奏することができる。

（Ｂ） 図５（ｂ）に示したように、エレクトレット８０は、ベース電極８３とグリッド接続用電極８２との間に、絶縁材料層８４と別の材料からなる絶縁材料部８６を有している点で、上記実施形態のエレクトレット１０と異なっている。なお、図５（ｂ）の符合８１〜８３、８５の部位のそれぞれは、図１の符合１１〜１３、１５の部位と同様のものである。このような構成のエレクトレット８０は、上記実施形態のエレクトレット１０と同様の作用効果を奏することができる。

（Ｃ） 上記実施形態における静電誘導型変換素子１００においては、可動部２０のみを水平振動するものとしたが、可動部２０を固定してエレクトレット１０を水平振動させてもよいし、可動部２０及びエレクトレット１０の両方ともに水平振動させることとしてもよい。

１０、５０、７０、８０ エレクトレット
１１、２１、５１ 基板
１２、７２、８２ グリッド接続用電極
１３、５３、７３、８３ ベース電極
１４、５４、７４、８４ 絶縁材料層
１５、７５、８５ 電極層
２０ 可動部
２２ 電極
３０ 抵抗
４０、６０ グリッド
４１、６１ ニードル電極
５２ ガード電極
６２、６３ 電源
７６ 空洞
８６ 絶縁材料部
１００ 静電誘導型変換素子

Claims (6)

1. アースに接続可能なベース電極と、グリッドに接続可能なグリッド接続用電極とが、交互に絶縁配列されている電極層と、
   前記電極層の一方側の面に設けられている絶縁材料層と、を備えていることを特徴とするエレクトレット。
2. 前記ベース電極と前記グリッド接続用電極との間に、所定幅を有した離間部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のエレクトレット。
3. 前記ベース電極と前記グリッド接続用電極との間に、絶縁材料部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のエレクトレット。
4. 前記絶縁材料層と前記絶縁材料部とが一体形成されていることを特徴とする請求項３に記載のエレクトレット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエレクトレットを備えていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエレクトレットにおける前記絶縁材料層側に、グリッドを配設するグリッド配設工程と、
   前記グリッドの前記絶縁材料層側と反対側に、ニードル電極を配設するニードル電極配設工程と、
   前記エレクトレットにおける前記ベース電極に、アースと前記ニードル電極とを接続する第１接続工程と、
   前記グリッドと、前記エレクトレットにおけるグリッド接続用電極とを接続する第２接続工程と、
   前記第１接続工程及び前記第２接続工程の後に、前記ニードル電極と前記ベース電極との間に所定電圧を印加して、前記エレクトレットにおける前記絶縁材料層に荷電する荷電工程と、
   前記第１接続工程及び前記第２接続工程の後に、前記グリッドに所定電圧を印加する電圧印加工程と、を有していることを特徴とするエレクトレットの荷電方法。

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