JP6700139B2 - エレクトレット基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エレクトレット基板の製造方法に関する。

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。

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。

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。

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。

特開２０１５−１９２５７７号公報 特開２００５−３４１６７５号公報 特開２０１４−０４９５５７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 電気機械変換器１の概略構成図である。 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。 他の電気機械変換器２の概略構成図である。 電気機械変換器２内の発電部１０’の斜視図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
５１ Ｓｉ基板
５２ ＳｉＯ_２層
５３，５３Ａ，５３Ｂ 絶縁体
５４ 電極
５５ ヒータ

Claims (2)

1. 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前記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、前記ＳｉＯ _２ 層と前記負極となる電極とに接触するように絶縁体を介して対向配置する工程と、
   前記Ｓｉ基板を正極として、前記負極となる電極と前記Ｓｉ基板との間に電圧を印加することにより前記ＳｉＯ_２層を帯電させる工程と、を有し、
   前記対向配置する工程では、前記絶縁体として、前記ＳｉＯ _２ 層側の表面に凹凸を有する絶縁体を前記ＳｉＯ _２ 層に接触させて配置し、
   前記凹凸を有する絶縁体はすりガラスである、
   ことを特徴とする製造方法。
2. 前記対向配置する工程では、前記絶縁体として、前記負極となる電極と前記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、請求項１に記載の製造方法。

Images