JP7184603B2

JP7184603B2 - 静電誘導型変換器及びその製造方法

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Publication number: JP7184603B2
Application number: JP2018212493A
Authority: JP
Inventors: 俊成前田; 真渡邊; 泰夫北嶋; 泉山本
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2038-11-12
Also published as: JP2020080600A

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、回転する第２基板の両面にそれぞれ第１帯電膜及び第２帯電膜を設け、第２基板の回転に伴い、第１帯電膜に対向して配置された第１対向電極と、第２帯電膜に対向して配置された第２対向電極に誘導される電荷を、整流回路を介して取り出す静電誘導発電機が記載されている。同文献における帯電膜には、いわゆるエレクトレット膜が使用されている。

特開２０１５－１８６４２４号公報

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、当該基板は、その面内方向の運動が許容され、その法線方向の運動は拘束されるよう支持される。そして、静電誘導型変換器の作動効率の向上や長寿命化のため、当該基板の法線方向に作用する力は小さい方が望ましいが、当該力は、同基板のそれぞれの面に形成されたエレクトレット膜の電荷に依存する。したがって、基板のそれぞれの面に形成されたエレクトレット膜の電荷を制御できることが望ましい。

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、同基板のそれぞれの面に形成されたエレクトレット膜の電荷を制御することである。

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、前記基板の一の面に形成された第１のエレクトレット膜と、前記基板の他の面に形成された第２のエレクトレット膜とを有し、面内方向の運動を許容するよう支持されたエレクトレット基板と、前記第１の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、前記第２の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、を有し、前記エレクトレット基板の縁部において、前記基板のカエリが前記一の面の方向に突出する第１縁部と、前記基板のカエリが前記他の面の方向に突出する第２縁部を有する、静電誘導型変換器。

（２）（１）において、前記エレクトレット基板の面内方向の運動の方向に沿って、前記基板が存在する存在領域と、前記基板が存在しない非存在領域が存在し、前記非存在領域に隣接する前記縁部は、前記第１縁部であるか、前記第２縁部のいずれかである、静電誘導型変換器。

（３）（２）において、前記非存在領域は複数あり、一の前記非存在領域に隣接する前記縁部が前記第１縁部である場合、当該一の前記非存在領域に隣り合う他の前記非存在領域に隣接する前記縁部は第２縁部であり、一の前記非存在領域に隣接する前記縁部が前記第２縁部である場合、当該一の前記非存在領域に隣り合う他の前記非存在領域に隣接する前記縁部は第１縁部である、静電誘導型変換器。

（４）（１）～（３）のいずれかにおいて、前記エレクトレット基板には、導電性であり、かつ、前記エレクトレット基板の法線方向に突出する支持部材が設けられており、前記支持部材が前記基板の前記一の面側に延伸する長さは、前記支持部材が前記基板の前記他の面側に延伸する長さより長く、前記第１縁部の合計長さより、前記第２縁部の合計長さの方が長い、静電誘導型変換器。

（５）（４）において、前記支持部材は、導電性の中心軸であり、前記エレクトレット基板は、前記中心軸の周りに回転する円板形状である、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、前記基板の一の面の側から、打ち抜き加工により、前記基板の縁の一部を形成する工程と、前記基板の他の面の側から、打ち抜き加工により、前記基板の縁の一部を形成する工程と、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、前記基板の前記一の面に形成された第１のエレクトレット膜と、前記基板の前記他の面に形成された第２のエレクトレット膜とを有する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、前記第１のエレクトレット膜が第１対向電極に対向し、前記第２のエレクトレット膜が第２対向電極に対向するように、面内方向の運動を許容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、前記基板の一の面の側から、打ち抜き加工により、前記基板の縁の一部を形成する工程と、前記基板の他の面の側から、打ち抜き加工により、前記基板の縁の一部を形成する工程は、同時に行われる、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。エレクトレット材料膜が両面に形成された基板に、図５（ｂ）に示す打ち抜き加工を施した直後の切断面の様子を模式的に示す部分拡大図である。カエリが放電表面処理に与える影響を説明する図である。打ち抜き加工工程を模式的に示す図である。一度の打ち抜き加工によって、第１縁部と第２縁部が同時に形成される加工工程を模式的に示す図である。エレクトレット基板の面内方向の運動の方向に沿った切断面における断面形状の例を示す模式図である。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２の実施形態に係るエレクトレット基板の作成に用いられる打ち抜き型の刃の形状を示す図である。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。

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が形成されている。エレクトレット膜と第１対向電極１及び第２対向電極２とは、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。以下、第１対向電極１と対向するエレクトレット膜を第１エレクトレット膜３１と称し、第２対向電極２と対向するエレクトレット膜を第２エレクトレット膜３２と称する。

第１エレクトレット膜３１及び第２エレクトレット膜３２には所定の帯電状態が与えられている。図示の例では、第１エレクトレット膜３１、第２エレクトレット膜３２ともに、負電荷を持つように帯電している。そして、第１エレクトレット膜３１、第２エレクトレット膜３２、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、第１エレクトレット膜３１と第１対向電極１、及び、第２エレクトレット膜３２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が第１エレクトレット膜３１に正対している状態では、第１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と第２エレクトレット膜３２に関しても同様である（図示の例では、第２対向電極２が第２エレクトレット膜３２に正対しているから、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、第１対向電極１が第１エレクトレット膜３１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２と第２エレクトレット膜３２に関しても同様である（図示の例では、第１対向電極１が第１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１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、第２エレクトレット膜３２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、第１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第１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に第１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、第１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２エレクトレット膜３２と対向するように配置された第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、第２エレクトレット膜３２と対向する第１対向電極１’及び第２対向電極２’は、第１エレクトレット膜３１と対向する第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上に形成された第１エレクトレット膜３１及び第２エレクトレット膜３２と、第１対向電極１及び第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と第１エレクトレット膜３１が対向し、また、第２対向電極２と第２エレクトレット膜３２が対向しており、第１エレクトレット膜３１及び第２エレクトレット膜３２には所定の帯電状態が与えられている点も同様である。図示の例では、第１エレクトレット膜３１、第２エレクトレット膜３２ともに、負電荷を持つように帯電している。そして、第１エレクトレット膜３１、第２エレクトレット膜３２、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、第１エレクトレット膜３１と第１対向電極１、及び、第２エレクトレット膜３２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、第１エレクトレット膜３１、第２エレクトレット膜３２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のいずれか片方に第１エレクトレット膜３１、第２エレクトレット膜３２の帯電状態の逆電荷を印可すると、静電気力により、第１エレクトレット膜３１又は第２エレクトレット膜３２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１４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１４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。

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、第１エレクトレット膜３１及び第２エレクトレット膜３２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の両面にそれぞれ第１エレクトレット膜３１及び第２エレクトレット膜３２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、第１エレクトレット膜３１と第２エレクトレット膜３２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、第１エレクトレット膜３１と第２エレクトレット膜３２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。

第１エレクトレット膜３１と第２エレクトレット膜３２に作用する静電気力をバランスさせるためには、単純には、それぞれのエレクトレット膜が保持する電荷量をバランスさせればよいことになる。しかしながら、これは単純には実現できない。

この理由を、図５～７を参照しつつ説明する。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を所望の形状に加工する（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。

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（ｄ））。

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、基板３３の一の面のエレクトレット材料膜３４及び、他の面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第１エレクトレット膜３１及び第２エレクトレット膜３２となり、エレクトレット基板３が製造される（図５（ｅ））。同図には、コロナ放電電極３５と、コロナ放電により電荷が付与される様子が模式的に示されている。

なお、製造されたエレクトレット基板３は、さらに、第１のエレクトレット膜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に対向し、第２のエレクトレット膜３２が適宜のハウジングに固定的に設けられた第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。

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が作成されるが、この時、第１エレクトレット膜３１と第２エレクトレット膜３２の帯電量は必ずしも同等でなく、アンバランスとなる。その理由を図６を参照しつつ示す。

図６は、エレクトレット材料膜３４が両面に形成された基板３３に、図５（ｂ）に示す打ち抜き加工を施した直後の切断面の様子を模式的に示す部分拡大図である。同図には、基板３３の図中上方から打ち抜き型の刃により打ち抜かれた場合の切断面の形状が示されている。図示されるように、基板３３の縁部には、打ち抜き加工により、打ち抜き方向に突出するカエリ３６が発生する。

図７は、カエリ３６が放電表面処理に与える影響を説明する図である。カエリ３６を有する基板３３を接地して放電表面処理、本例ではコロナ放電加工を行うと、同図に示されるように、カエリ３６が突出する側の面において、電気力線がカエリ３６に集中し、放電電荷が基板３３に流れてしまうため、カエリ３６の近辺のエレクトレット材料膜３４に付与される電荷の量が減少する。なお、同図中破線矢印は、電気力線と、かかる電気力線に沿って放出される電荷の動きを示したものである。

この現象は、カエリ３６が突出する側の面にのみ生じ、その反対の面では起こらない。その結果、基板３３の面の上下でエレクトレット材料膜３４の帯電量にアンバランスが生じる。図７に示した例では、図中上側のエレクトレット材料膜３４の帯電量が、図中下側のエレクトレット材料膜３４の帯電量よりも多くなるのである。

そこで、本実施形態では、図５（ｂ）に示すプレスによる打ち抜き加工工程を複数回に分け、基板３３の一の面側からの打ち抜き加工と、基板３３の他の面からの打ち抜き加工の両方を行い、基板３３のカエリ３６が基板３３の両方の面側に突出するようにエレクトレット基板３を作成する。

図８は、かかる打ち抜き加工工程を模式的に示す図である。まず、同図（ａ）に示すように、両面にエレクトレット材料膜３４が形成された基板３３に打ち抜き加工を施す。この際、打ち抜かれるのは、最終的に得られるエレクトレット基板３の縁の一部分である。この結果、同図（ｂ）に示すように、一の方向、図中では下方向に突出するカエリ３６が形成された縁を有する基板３３が得られる。

さらに、基板３３を反転させ、図８（ｃ）に示すように、さらに打ち抜き型に載置して、打ち抜き加工を施す。なお、この時使用する型は、必ずしも同図（ａ）に示すものと同一である必要はなく、最終的に得たいエレクトレット基板３の形状に応じて製作されたものでよい。この結果、同図（ｄ）に示すように、基板３３には、工程（ａ）で形成された一の方向（図中では上方向）に突出するカエリ３６と、工程（ｃ）で形成された、他の方向（図中では下方向）に突出するカエリ３６が形成される。

このように、カエリ３６を基板３３の両面の方向に突出するように形成することができるから、図７を用いて説明したように、エレクトレット材料膜３４の帯電量が、基板３３の一方の面のエレクトレット材料膜に偏ることがなく、両面のエレクトレット材料膜３４の帯電量をバランスさせることができる。なお、図７に於いて説明した電気力線の集中は、基板３３の縁に存在するカエリ３６に沿って生じるため、基板３３の一の面の方向に突出するカエリ３６を有する縁を第１縁部、基板３３の他の面の方向に突出するカエリ３６を有する縁を第２縁部と呼ぶこととすると、第１縁部の合計長さと、第２縁部の合計長さを制御することにより、基板３３の両面のエレクトレット材料膜３４の帯電量をある程度制御することができるのである。

なお、図８に示した工程では、打ち抜き加工を２回として示したが、これに限定されるものではなく、必要に応じて３回以上としてもよい。あるいは、図９に模式的に示すように、一度の打ち抜き加工によって、第１縁部と第２縁部が同時に形成されるようにしてもよい。同図に示す打ち抜き型では、上部の型と、対となる下部の型の両方に、それぞれ、打ち抜き刃となる凸部と、打ち抜き刃の受け部となる凹部が形成されており、凸部と凹部とは、それぞれ、対となる相手方の型と相補的な形状となるよう設けられている。

このようにして作成されたエレクトレット基板３の形状の特徴を図１０を参照して説明する。図１０は、エレクトレット基板３の面内方向の運動の方向に沿った切断面における断面形状の例を示す模式図である。

エレクトレット基板３は、基板３３の一の面（図中下側の面）に第１エレクトレット膜３１が、他の面（図中上側の面）に第２エレクトレット膜３２が形成されている。そして、断面において、基板３３が存在する存在領域Ａと、基板３３が存在しない非存在領域Ｂとが存在している。また、非存在領域Ｂは打ち抜き加工により形成されるため、非存在領域Ｂに隣接する基板３３の縁には、カエリ３６が形成される。

このとき、ある非存在領域Ｂに属する縁、すなわち、ある特定の非存在領域の周囲の縁では、カエリ３６が突出する方向は等しくなる。これは、一の非存在領域Ｂが単一の方向への打ち抜き加工で形成されるためである。したがって、一の非存在領域Ｂに隣接する縁部は、第１縁部３７であるか、第２縁部３８であるかのいずれかとなる。

また、図１０に模式的に示されているように、隣り合う非存在領域Ｂが、互いに異なる方向への打ち抜き加工により形成されている場合には、カエリ３６が突出する方向は、隣り合う非存在領域Ｂごとに互い違いに異なることになる。すなわち、一の非存在領域Ｂに隣接する縁部が第１縁部３７である場合、当該一の非存在領域Ｂに隣り合う他の非存在領域Ｂに隣接する縁部は第２縁部３８であり、一の非存在領域Ｂに隣接する縁部が第２縁部３８である場合、当該一の非存在領域Ｂに隣り合う他の非存在領域に隣接する縁部は第１縁部３７となる。

もちろん、カエリ３６が突出する方向は、隣り合う非存在領域Ｂごとに互い違いに異なっていなくともよいが、図１０に示した構造では、エレクトレット基板３の全体において、帯電量が均等に近く分布し、偏りが生じにくいほか、第１エレクトレット膜３１と第２エレクトレット膜３２の帯電量がバランスしやすい利点がある。

これまで述べてきたように、基板３３のカエリ３６のみを考慮するならば、エレクトレット基板３の基板３３の縁における、第１縁部３７の合計長さと第２縁部３８の合計長さが等しい場合に、第１エレクトレット膜３１と第２エレクトレット膜３２の帯電量がおおむねバランスすると考えられる。しかしながら、放電表面処理における帯電量に影響を与えるのはカエリ３６だけに限られない。

図１や図５（ｅ）に示されるように、エレクトレット基板３には、中心軸４が取り付けられ、中心軸４もまたアルミニウムなどの金属性であり、導電性を有する場合がある。これは、放電表面処理の際や、静電誘導型変換器１００にエレクトレット基板３が組付けられた際に、基板３３との導通を中心軸４を介してとるためである。

これらの図より明らかなように、中心軸４も基板３３の法線方向に突出する導電性部材であるから、放電表面処理の際に電気力線が集中し、その近辺のエレクトレット材料膜３４への帯電を妨げる。そして、その影響は、中心軸４が法線方向に突出する長さが長いほど、すなわち、中心軸４が放電電極に近づくほど顕著となる。

ここで、中心軸４がエレクトレット基板３の一の面の方向に突出する長さと、他の面の方向に突出する長さが等しいならば、エレクトレット材料膜３４への帯電の影響は、エレクトレット基板３の両面でおおむね等しく、第１エレクトレット膜３１と第２エレクトレット膜３２の帯電量がアンバランスとなる原因にはならない。しかしながら、図１に示すように、中心軸４の一方の側、この例では第１の面の側には、カナ５が組付けられるため、その組付けしろ等の分だけ、中心軸４が一の面側に延伸する長さは、他の面側に延伸する長さより長い。

この場合、中心軸４がエレクトレット材料膜３４への帯電を妨げる影響は、一の面側が他の面側より大きくなる。したがって、何の方策も講じなければ、第１エレクトレット膜３１の帯電量は、第２エレクトレット膜３２の帯電量より小さくなってしまう。そこで、第１縁部３７の長さよりも、第２縁部３８の長さを長くし、他の面側に突出するカエリ３６の影響を、一の面側に突出するカエリ３６の影響よりもあえて大きなものとすることにより、中心軸４によって生じる、第１エレクトレット膜３１の帯電量と第２エレクトレット膜３２の帯電量のアンバランスをキャンセルすることができる。

このことは、エレクトレット基板３の支持部材が中心軸４である場合にのみ限定されるわけではない。より一般的に述べると、エレクトレット基板３に導電性であり、かつ、エレクトレット基板３の法線方向に突出する任意の支持部材が設けられており、かかる支持部材が一の面側に延伸する長さが、支持部材が他の面側に延伸する長さより長い場合には、第１縁部３７の合計長さより、第２縁部３８の合計長さの方を長くするとよいことになる。

図１１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。同図において、実線で示した外形は第１縁部３７であり、破線で示した外形は第２縁部３８となっている。本実施形態では、エレクトレット基板３が中心軸４周りに回転運動する。

なお、図１１で示した例では、エレクトレット基板３の回転方向に隣接する非存在領域におけるカエリ３６が突出する方向は互いに逆になっており、隣接する縁が第１縁部３７である非存在領域と隣接する縁が第２縁部３８である非存在領域の数は等しいが、必ずしもかかる配置でなくともよい。隣接する縁が第１縁部３７である非存在領域と隣接する縁が第２縁部３８である非存在領域の数が異なっていてもよく、例えば、前者と後者の数の比が２：１等であってもよい。また、図示の例では非存在領域の数は２４であるが、この数は一例であり、任意である。

図１２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。同図においても、実線で示した外形は第１縁部３７であり、破線で示した外形は第２縁部３８となっており、舌部の長手方向の両側の縁におけるカエリ３６が突出する方向が逆となっている。もちろん、図示のものは一例であり、長手方向の両側の縁におけるカエリ３６が突出する方向が等しい舌部を設けてもよいし、舌部の数等も任意である。

なお、図１２に示したエレクトレット基板３を打ち抜き加工を用いて作成する際には、例えば、図１３に示すような打ち抜き型を用いて形状を作成すればよい。図１３は、第２の実施形態に係るエレクトレット基板３の作成に用いられる打ち抜き型の刃の形状を示す図で、同図に示す形状の打ち抜き型を用いて、図８（ａ）に示すように基板３３を打ち抜いた後、基板３３を反転させ、１５度回転させた状態で、再度図１２に示す打ち抜き型を用いて、図８（ｃ）に示すように基板３３を逆方向から打ち抜くことにより、図１２に示すエレクトレット基板３が作成される。なお、中心軸４の取付穴は、いずれかの打ち抜き工程と同時に、又は別の工程により作成してよい。

図１４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、非存在領域は、運動方向と垂直な細長いスリット形状として形成されるから、エレクトレット基板３は、多数のスリットが形成された矩形形状をしている。同図中、実線で示した外形は第１縁部３７であり、破線で示した外形は第２縁部３８である。隣接する縁が第１縁部３７である非存在領域と隣接する縁が第２縁部３８である非存在領域の数が異なっていてもよい点や、非存在領域の数が任意である点は、先に説明した実施形態と同様である。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第１エレクトレット膜、３２第２エレクトレット膜、３３基板、３４エレクトレット材料膜、３５コロナ放電電極、３６カエリ、３７第１縁部、３８第２縁部、１００静電誘導型変換器。

Claims

導電性の基板と、前記基板の一の面に形成された第１のエレクトレット膜と、前記基板の他の面に形成された第２のエレクトレット膜とを有し、面内方向の運動を許容するよう支持されたエレクトレット基板と、
前記第１の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、
前記第２の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、
を有し、
前記エレクトレット基板の縁部において、前記基板のカエリが前記一の面の方向に突出する第１縁部と、前記基板のカエリが前記他の面の方向に突出する第２縁部を有する、
静電誘導型変換器。
前記エレクトレット基板の面内方向の運動の方向に沿って、前記基板が存在する存在領域と、前記基板が存在しない非存在領域が存在し、
前記非存在領域に隣接する前記縁部は、前記第１縁部であるか、前記第２縁部のいずれかである、
請求項１に記載の静電誘導型変換器。
前記非存在領域は複数あり、一の前記非存在領域に隣接する前記縁部が前記第１縁部である場合、当該一の前記非存在領域に隣り合う他の前記非存在領域に隣接する前記縁部は第２縁部であり、一の前記非存在領域に隣接する前記縁部が前記第２縁部である場合、当該一の前記非存在領域に隣り合う他の前記非存在領域に隣接する前記縁部は第１縁部である、
請求項２に記載の静電誘導型変換器。
前記エレクトレット基板には、導電性であり、かつ、前記エレクトレット基板の法線方向に突出する支持部材が設けられており、
前記支持部材が前記基板の前記一の面側に延伸する長さは、前記支持部材が前記基板の前記他の面側に延伸する長さより長く、
前記第１縁部の合計長さより、前記第２縁部の合計長さの方が長い、
請求項１～３のいずれか１項に記載の静電誘導型変換器。
前記支持部材は、導電性の中心軸であり、
前記エレクトレット基板は、前記中心軸の周りに回転する円板形状である、
請求項４に記載の静電誘導型変換器。
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、
前記基板の一の面の側から、打ち抜き加工により、前記基板の縁の一部を形成する工程と、
前記基板の他の面の側から、打ち抜き加工により、前記基板の縁の一部を形成する工程と、
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、前記基板の前記一の面に形成された第１のエレクトレット膜と、前記基板の前記他の面に形成された第２のエレクトレット膜とを有する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、前記第１のエレクトレット膜が第１対向電極に対向し、前記第２のエレクトレット膜が第２対向電極に対向するように、面内方向の運動を許容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。
前記基板の一の面の側から、打ち抜き加工により、前記基板の縁の一部を形成する工程と、前記基板の他の面の側から、打ち抜き加工により、前記基板の縁の一部を形成する工程は、同時に行われる、
請求項６に記載の静電誘導型変換器の製造方法。