JP5826681B2 - エレクトレット基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電誘導を利用した発電装置で用いるエレクトレット材料の膜の形成方法と帯電方法に関する。

従来型の静電誘導型の発電装置は、対向する一対の電極を備え、一方の電極に回転錘を歯車でつないで外部からの振動で回転錘が回転することで電極を回転させる構造の発電装置がある。（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の図１に示されているように、従来技術の発電装置は、対向する電極同士の一方の電極上に帯電層であるエレクトレット材料を有する電極と回転錘からなり、回転錘と電極を接続した構成となっている。

従来技術では、外部から振動が与えられると回転錘が回転し、電極が回転し、対向する２つの電極間に静電誘導を発生させて発電する構造になっている。

またエレクトレット材料に電荷を保持させるための帯電方法に、コロナ放電を利用した帯電方法がある。（例えば、特許文献２参照）。

従来型のエレクトレット材料の帯電方法は、エレクトレット材料に対して高電圧を印加する為のニードル電極を対向して配置し、エレクトレット材料とニードル電極間に−６ｋＶから−１２ｋＶの電圧を印加することでニードル電極から負イオンが放出され、エレクトレット材料に電荷を注入する方法となっている。（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−７８２１４号公報（図１） 特開２０１１−１８８７２５号公報（図２）

特許文献１に記載されている発電装置では、回転電極を保持している機構が中心部の軸部分であるため、搭載している機器を落下させた場合などに衝撃が加わると電極の外周部が変形して、対向する電極と接触してしまう可能性がある。

電極同士が接触してしまうと、帯電層であるエレクトレット材料が損傷して、保持している電荷が消失したり、膜厚が薄くなることで発電できる電力が低下してしまう場合がある。

また、特許文献２に記載されているエレクトレット材料の帯電方法では、コロナ放電を発生させる為に高電圧発生装置やニードル電極などを用いなければならず、エレクトレット材料の薄膜を形成する工程とは別工程が必要になり、製造工程が長くなってしまう。

以上のことから明らかなように特許文献１に記載の発電装置では、衝撃に対して弱く、電極同士の接触でエレクトレット膜が損傷してしまうと発電量が低下してしまう。
また、特許文献２に記載のエレクトレット材料を帯電させる為の電荷の注入方法では、高電圧が必要なコロナ放電を行う装置が必要で、製造工程が大がかりになってしまう。

そこで、本発明の目的は上記課題を解決し、外部から大きな衝撃力が加わってもエレクトレット材料が損傷せず、さらにエレクトレット材料への帯電方法をより簡単に短工程で行うことが可能な製造方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明のエレクトレット材料の製造方法は下記記載の構成要件を採用する。
表面に凹形状の窪み部を形成した基材の前記窪み部に、
エレクトレット材料を注入する工程と、
前記注入されたエレクトレット材料を硬化させてエレクトレット基板とする工程と、
前記エレクトレット基板を研磨することで平坦化する工程と、を有し、
該平坦化する工程において、前記硬化されたエレクトレット材料の表面を、前記基材の表面より凹んだ状態に研磨することを特徴とする。

上記構成を採用することで、外部からの衝撃にも強く発電量が低下しない構造で、かつ、エレクトレット材料の形成工程中に帯電処理も一括して行うことができ、従来より短工程で製造することができる。

本発明のエレクトレット材料の製造方法を示す工程断面図である。 本発明のエレクトレット材料の製造方法を示す工程断面図である。 本発明で用いるエレクトレット基板の構造を示す断面図である。 本発明の研磨工程を示す断面図である。 本発明で用いる発電装置の構造を示す断面図である。 一般的な材料の帯電列を示す表である。 本発明で用いる発電装置の発電の機構を示す概略図である。 本発明で用いる発電装置の発電の仕組みを示す概略図である

本発明のエレクトレット基板の製造方法について、以下に図面を用いて説明する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施例として、本発明のエレクトレット基板の製造方法を示す工程断面図である。

まず図１（ａ）に示すように平坦な基材１０の表面の、エレクトレット材料を形成する位置に図１（ｂ）に示すような凹形状の窪み部１１を形成する。窪み部１１の形成方法は、エッチングや切削加工などの機械加工を用いる。

次に図１（ｃ）に示すようにエレクトレット材料１２を窪み部１１に配置する。エレクトレット材料１２を塗布する方法は、ディスペンス法や印刷法などの方法を用いる。

次に図１（ｄ）でエレクトレット材料１２を加熱硬化させ、膜として形成する。加熱方法はヒーター１３などで加熱硬化させる。加熱にはホットプレート上で基材１０を置いて加熱硬化させてもよい。

上記のような工程で窪み部１１の中にエレクトレット材料１２の膜を持ったエレクトレット基板１４を形成する。

［第２の実施形態］
次に図２を用いて図１で示す工程とは別の第２の実施形態を説明する。図２は本発明のエレクトレット基板の形成方法を示す工程断面図である。

図２（ａ）に示すように平坦な基材１０の表面に図２（ｂ）に示すようにエレクトレット材料を形成する位置を決めるためのダム２０を形成する。ダム２０はレジストなどの感光性の材料で形成する場合は、フォトリソなどの工程を用いて形成する。その他にもスクリーン印刷法やディスペンサーなどでダム２０を塗布する方法なども用いることが出来る。いずれにしても形成したいエレクトレット材料の形状の窪み部１１をダム２０を使って形成できれば良い。

次に図２（ｃ）に示すようにエレクトレット材料１２を窪み部１１に配置する。エレクトレット材料１２を塗布する方法は、ディスペンス法や印刷法などの方法を用いる。

次に図２（ｄ）でエレクトレット材料１２をヒーター１３を使って加熱硬化させる。加熱にはホットプレート上で基材１０を置いて加熱硬化させてもよい。

上記のような工程で、図１に示す第１の実施例と同じように表面の窪み部１１にエレクトレット材料１２の膜を持ったエレクトレット基板１４を形成する。

また、本発明で用いる基材１０は、鉄やステンレス、銅などの導電性の材料を用いる。非導電性の樹脂材料などで構成してもよいが、その場合はエレクトレット材料１２を電気的に接続するために電気配線を取り出す必要がある。

図３に基材１０を非導電性の樹脂材料で形成した場合の電気配線の構成について説明する。

図３は、基材１０が非導電性の樹脂材料である場合のエレクトレット基板１４の構造を示す断面図である。

図３に示すように、基材１０の材料が非導電性の樹脂材料の場合は、各エレクトレット材料１２を配置して部分の基材１０の窪み部１１に対応した場所に、スルーホール３０を設けて、エレクトレット材料１２を配置した側と反対側に設けた電気配線３１と電気的に接続する。このようにすることでエレクトレット材料１２を配置した側に電気配線３１が配置されないようにすることができる。

このような構造にすることで、後述する研磨工程においても電気配線３１が研磨の邪魔にならず、研磨によって電気配線３１が無くならないようにすることができる。

さらに本発明で用いるエレクトレット材料１２には、帯電しやすい材料を用い、例えばマイナスに帯電する材料としてはシリコン酸化物（ＳｉＯ２）や、フッ素樹脂材料などを用いる。具体的には一例としてマイナスに帯電する材料として旭硝子製のフッ素樹脂材料であるＣＹＴＯＰ（登録商標）などがある。

さらにその他にもエレクトレット材料１２としては、高分子材料としてポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）などがあり、無機材料としては前述したシリコン酸化物（ＳｉＯ２）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）なども使用することができる。

本実施例では、エレクトレット材料１２にＣＹＴＯＰを用いた場合について記述する。一般的にＣＹＴＯＰは、液体状で供給される材料で基板に塗布したのち加熱させて硬化させる。第１の実施例の図１（ｄ）と第２の実施例の図２（ｄ）で行う加熱時の温度は溶剤の揮発温度によるが、一般的に１８０℃から３００℃程度の温度で約１時間程度加熱を行う。

［研磨工程について］
次に図４に図１もしくは図２で示す工程で形成したエレクトレット基板１４のエレクトレット材料１２を研磨する工程を示す。本実施例では図１で作製したエレクトレット基板１４を用いて説明する。

まず図４（ａ）に示すように本実施例の研磨方法では回転式の研磨冶具４０の下面に研磨材４１を配置し、研磨冶具４０をエレクトレット材料１２を形成したエレクトレット基板１４に対して押しつけながら回転させ、研磨材４１でエレクトレット材料１２を研磨する。

図４（ａ）では回転型の研磨方法を示しているが、水平の往復運動で研磨する方法でも良い。

図４（ａ）の研磨工程では、研磨材４１をエレクトレット材料１２に押しつけて研磨し、エレクトレット材料１２を基材１０の表面から少し凹んだ状態になるまで研磨を行う。

エレクトレット材料１２は、基材１０が金属材料の場合は、樹脂であるエレクトレット材料の方が柔らかい材料なので研磨材４１による研磨によってエレクトレット材料１２の方が早く研磨されていくために、エレクトレット材料１２を基材１０の表面より凹んだ状態に研磨することが可能になる。

また基材１０が樹脂材料である場合は、研磨材４１の材料を基材１０の材料よりも柔らかくエレクトレット材料１２よりも硬い材料を選定することで、基材１０よりエレクトレット材料１２の方が優先的に研磨されるようにする。このような材料構成にすることで研磨後にエレクトレット材料１２が基材１０の表面より凹んだ状態にすることが可能になる。

基材１０が樹脂材料で構成する場合は図３に示すように電気配線３１は研磨されるエレクトレット材料１２の反対側に配置されているため、研磨の邪魔になったり、研磨によって電気配線３１は無くなったりすることはない。

図４（ｂ）に研磨後のエレクトレット材料１２の膜の様子を示す断面図を示す。

図３に示した方法で研磨することで図４（ｂ）に示すように研磨後は、エレクトレット材料１２は平坦ではなく、基材１０の表面より若干凹んだ形状に研磨されるようにする。

このような形状にすることで、発電機器が落下などで衝撃を受けた場合にエレクトレット材料１２を保護する効果を持たせることが出来る。

次に図５に、本発明の方法で形成したエレクトレット基板１４が落下などの衝撃に対して、どのようなエレクトレット材料を保護する効果があるかを説明する。

図５は、本発明の方法で作製したエレクトレット基板１４を用いた静電誘導型の発電装
置の断面を示している。

まず図５（ａ）には通常の状態の時のエレクトレット基板１４と対向基板５０の位置関係を示している。対向基板５０には、エレクトレット材料１２と対向する位置に対向電極５１が配置される。またエレクトレット基板１４と対向基板５０は、一定の間隔を開けて配置され、対向基板５０を矢印で示すように軸５２を中心とした回転運動をさせることで発電を行う構造になっている。

本実施例では回転型の振動発電について記載するが水平振動型の振動でも同様である。

次に図５（ｂ）には、落下などによる衝撃を受けた時に生じる対向基板５０の変形の様子を示している。

図５（ｂ）に示すように衝撃を受けた時には対向基板５０の中央部は軸５２で固定されているが端部は固定されていないので変形してしまう。図５（ｂ）には対向基板５０の端部がエレクトレット基板１４へ向かって変形した場合について示す。

図５（ｂ）に示すように、対向基板５０の端部が変形してエレクトレット基板１４と接触した場合には、エレクトレット材料１２は、図４で示した研磨工程によりエレクトレット基板１４の表面から引っ込んでいるために、対向基板５０に形成されている対向電極５１はエレクトレット材料１２とは接触できない状態になる。

エレクトレット材料１２が対向電極５１と接触してしまうと、ショートしてしまうために帯電していた電荷が放出されてしまう。そのため帯電量の低下が起こってしまう。

また対向電極５１とエレクトレット材料１２の接触によりエレクトレット材料１２にキズなどが入ってしまうとエレクトレット材料１２そのものが損傷して減ってしまい。この場合も帯電量が下がってしまう。

いずれにしても対向電極５１とエレクトレット材料１２が接触してしまうと帯電量が減ってしまうため、静電誘導される電荷が減ってしまい発電量の低下が起こる。

本発明の構造では、図５（ｂ）に示すようにエレクトレット基板１４の表面からエレクトレット材料１２が引っ込んでいるために、対向基板５０が変形してもエレクトレット材料１２と対向電極５１は接触できない構造になっている。

そのため、落下などの衝撃を受けても発電量の低下などが起きず、発電性能を維持することが出来る。

したがって、エレクトレット材料１２が損傷することはなく、対向電極５１との接触によるショートによって保持している電荷が放電されたり、エレクトレット材料１２が損傷して膜が壊れ電荷が保持できなくなることを防ぐ効果がある。

このような構造にすることで、本発明のエレクトレット基板を搭載した発電装置が落下した場合などに強い衝撃を受けても発電量が低下するがなく、耐久性の高い発電装置とすることが出来る。

本実施例では、対向基板５０が変形した場合の効果について説明したが、エレクトレット基板１４が変形した場合や両方の基板が変形した場合でも同じ効果が得られる。

［研磨によるエレクトレット材料１２の帯電］
また、本発明では、エレクトレット材料１２の研磨により上述した衝撃に対してエレクトレット材料１２の保護構造になる効果を持たせているが、さらに図４で示す研磨工程においてエレクトレット材料１２に電荷を注入し帯電させる効果も持たせることが可能になる。この方法について以下に図６を用いて説明する。

図６に一般的な材料の帯電列を表している帯電列表を示す。帯電列表では中央付近に位置する材料は帯電しにくい材料で、両端近い材料ほど帯電しやすい材料となる。図６では右側端部に近い材料ほどプラスに帯電しやすい材料で、左側端部に近い材料ほどマイナスに帯電しやすい材料を示している。

たとえば、図６の表に記載している材料で説明すると、最もプラスに帯電しやすい毛皮と最もマイナスに帯電しやすいテフロン（登録商標）をこすり合わせると、最も高い電圧で帯電させることができる。

逆に麻や木材などの中央部に記載する材料同士をこすり合わせると、ほとんど帯電しない。

従って図４に示すエレクトレット材料１２の研磨工程で用いる研磨材４１をエレクトレット材料１２の帯電特性とは逆になる材料を用いるようにすれば、研磨と同時にエレクトレット材料１２を帯電させることができる。

本実施例で用いているエレクトレット材料１２であるＣＹＴＯＰはマイナスに帯電する材料であるため、研磨材４１の材料としては、プラスに帯電しやすい材料を用いるようにする。図６の帯電列表からレーヨン、絹、ナイロン、羊毛、雲母、ガラス、毛皮などの材料を用いると良い。

またエレクトレット材料１２を形成する基材１０の材料が導電性の金属材料を用いた場合は、本発明の研磨工程では基材１０は研磨材４１により摩擦による帯電は起きないため、エレクトレット材料１２のみ帯電させることが可能になる。

さらにエレクトレット材料１２を形成する基材１０の材料が非導電性の樹脂材料である場合は、研磨時の研磨材４１との摩擦により基材１０が帯電を起こす可能性がある。

この場合は、導電性の金属材料で形成したメタルマスク等を用いてエレクトレット材料１２のみを研磨材４１と接触するようにして研磨を行えば、基材１０を帯電させずにエレクトレット材料１２だけを研磨して帯電させることができる。

基材１０が樹脂材料であっても研磨材４１と帯電特性が同じ材料である場合は、研磨による摩擦が起きても帯電が起きないため、メタルマスクなどを用いなくても基材１０が金属材料である場合と同じに研磨することが可能になる。

このような研磨方法にすることで研磨工程と帯電工程を同時に行うことが可能になる。２つの工程を同時に行うことが可能になるため、生産工程の短縮化や低コスト化に効果がある。

従来の方法ではエレクトレット材料１２に帯電させる方法として、コロナ放電を用いてエレクトレット膜マイナスの電荷を保持させる方法がある。

コロナ放電の方法としては、エレクトレット材料に対して数ｍｍ離した距離に固定した
コロナ放電用ニードルに、−６ｋＶから−１２ｋV程度の電圧を印加してエレクトレット材料に対してマイナスの電荷を打ち込むことで帯電させる。

本発明では、このようなコロナ放電法を使わずにエレクトレット材料を帯電させることができるため、工程の短縮化を図ることができる。

さらに、上述したように研磨材４１にエレクトレット材料１２と帯電特性が逆になるような材料を用いる構成にすることで、エレクトレット材料１２の研磨と同時に帯電処理も行うことが出来る。

さらに研磨後のエレクトレット材料１２の形状がエレクトレット基板１４の表面から凹んでいるために衝撃時の対向電極５１との接触も回避でき、エレクトレット材料１２の保護も可能になる。

［発電機の概要］
次に図７と図８を用いて本発明の発電装置の概要について説明する。

まず図７には本発明のエレクトレット基板を搭載した静電誘導発電の概略の構成を示す。

図７に示すように、本発明では対向基板５０側からのみ出力を取り出す構成になっている。このような構成にすることで対向するエレクトレット基板１４には出力の配線をする必要がなく、エレクトレット基板１４は振動運動を行うだけでよいので、より構造を簡単にすることができる。

図７に示す実施例では、エレクトレット基板１４側が振動運動をする場合について説明するが、逆に対向基板５０を振動運動させて、エレクトレット基板１４側から配線７０を取り出してもよい。さらにエレクトレット基板１４と対向基板５０の両方から配線を引き出してもよい。

いずれにしてもどちらか一方の基板からのみ配線を取り出した方が配線構造をより簡単にすることができる。

図７に示すように、対向基板５０の対向電極５１から取り出した配線７０は、ダイオード７１を使った整流回路７２に接続され、さらにコンデンサまたは２次電池等を用いた蓄電部材７３に接続されている。

対向電極５１から出力される電圧は、エレクトレット基板１４が振動することにより静電誘導が交互に発生するため、交流の波形が出力される。具体的にはエレクトレット基板１４に形成するエレクトレット材料１２と対向する位置になる対向電極５１と、エレクトレット材料１２と対向しない位置にいる対向電極５１は逆の極性となる。これをエレクトレット基板１４が振動することでこの現象が交互に発生するため、出力波形は交流になる。

発電部分から出力された交流波形は、整流回路７２により直流に変換され蓄電部材７３に充電されることになる。さらに後段に接続されている電子機器回路７４を駆動させるに十分な電気が充電されれば後段の電子機器回路７４を駆動させることができる。

次に図８を用いて本発明で用いる発電装置の静電誘導による発電原理について説明する。

まず図８（ａ）に示すエレクトレット基板１４と対向基板５０の状態では、エレクトレット基板１４のエレクトレット材料１２と対向している対向基板５０の対向電極５１の表面にエレクトレット材料１２が帯電している電荷と反対の電荷が誘導される。本実施例の場合はエレクトレット材料１２はマイナスに帯電しているので、対向電極５１の表面にはプラス電荷８０が誘導されることになる。エレクトレット材料１２が対向していない対向電極５１には誘導現象が発生しない状態になる。

次に図８（ｂ）にエレクトレット基板１４が振動して電極１つ分移動した位置に来たときの様子を示す
この場合は、図８（ａ）でプラス電荷８０が誘導された対向電極５１は、図８(ｂ）の位置では、対向するエレクトレット材料１２が対向していないため、図８（ａ）で誘導されたプラス電荷８０は解放され、配線７０を通って後段の整流回路７２へ流れるとことになる。さらに図８（ｂ）で新たにエレクトレット基板１４のエレクトレット材料１２と対向した対向電極５１上には新たにプラス電荷８０が誘導される。

このようにエレクトレット基板１４が振動することによって、対向基板５０上の対向電極５１の表面に交互に電荷の誘導と解放が発生し、後段の整流回路７２へ電気が流れることになる。

このようにエレクトレット基板１４を振動させることで、静電誘導現象を発生させ発電を行うことができる。

以上の説明からも明らかなように、本発明のエレクトレット材料の形成方法を用いることで、エレクトレット材料を凹形状に研磨することで、発電機に衝撃が加わった場合に電極同士が接触するような事態になった場合でも、エレクトレット材料には電極が直接接触出来ないため、エレクトレット材料の損傷を回避することができ帯電状態を保護することができる。

さらに、研磨材にエレクトレット材料と逆の極性の帯電特性がある材料を用いるため、研磨と同時にエレクトレット材料を帯電させることができ、製造工程を短縮することが出来る。

したがって短工程でエレクトレット材料への衝撃に対する保護構造の形成と帯電処理を行うことができる。このような方法を用いることで、製造が簡単で耐衝撃性の高い静電誘導発電機を製造することができる。

１０ 基材
１１ 窪み部
１２ エレクトレット材料
１３ ヒーター
１４ エレクトレット基板
２０ ダム
３０ スルーホール
３１ 電気配線
４０ 研磨冶具
４１ 研磨材
５０ 対向基板
５１ 対向電極
５２ 軸
７０ 配線
７１ ダイオード
７２ 整流回路
７３ 蓄電部材
７４ 電子機器回路
８０ プラス電荷

Claims (4)

1. 表面に凹形状の窪み部（１１）を形成した基材（１０）の前記窪み部（１１）に、
   エレクトレット材料（１２）を注入する工程と、
   前記注入されたエレクトレット材料（１２）を硬化させてエレクトレット基板（１４）とする工程と、
   前記エレクトレット基板（１４）を研磨することで平坦化する工程と、を有し、
   該平坦化する工程において、
   前記硬化されたエレクトレット材料（１２）の表面を、前記基材（１０）の表面より凹んだ状態に研磨するエレクトレット基板（１４）の製造方法。
2. 前記エレクトレット基板（１４）を研磨するための研磨材（３１）の材料が、
   前記基材（１０）の材料よりも柔らかく、前記硬化されたエレクトレット材料（１２）よりも硬い材料である
   ことを特徴とする請求項１に記載のエレクトレット基板（１４）の製造方法。
3. 前記エレクトレット基板（１４）を研磨することで平坦化する工程において、
   前記エレクトレット材料（１２）を帯電させる
   ことを特徴とする請求項1ないし２のいずれか１つに記載のエレクトレット基板（１４）
   の製造方法。
4. 前記エレクトレット基板（１４）を研磨するための研磨材（３１）として、
   前記エレクトレット材料（１２）の帯電特性と逆極性の帯電特性を有する研磨材（３１）を使用することを特徴とする請求項３に記載のエレクトレット基板（１４）の製造方法。
   

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