JP7311330B2

JP7311330B2 - 環境発電用耐熱エレクトレット素子及びそれを用いた振動発電素子

Info

Publication number: JP7311330B2
Application number: JP2019125218A
Authority: JP
Inventors: 進川戸; 聡清水
Original assignee: Toho Kasei Co Ltd
Current assignee: Toho Kasei Co Ltd
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2023-07-19
Anticipated expiration: 2039-07-04
Also published as: JP2021012911A

Description

本発明は、リフロー実装プロセスにも耐えられる環境発電用耐熱エレクトレット素子及びそれを用いた振動発電素子に関する。

近年、ＩｏＴの進展に伴い、小型ＩｏＴ端末向けの電源の開発が活発に行なわれている。従来、電力の供給が困難な場所に設置された小型ＩｏＴ端末向けの電源としては、一次電池が用いられてきた。しかし、小型ＩｏＴ端末の設置場所が、橋梁、トンネル、山間部である場合には、一次電池の交換が困難な場合もある。また、電池交換の不要な太陽電池を上記電源に用いることも考えられるが、小型化が困難であり、夜間の給電が困難である。一方、上記電源として、二次電池を用い、その二次電池にワイヤレス給電することも可能であるが、その場合には、定期的に給電して二次電池を充電する必要がある。

このような状況の下で、環境発電素子の一つであるＭＥＭＳ技術を利用した小型の振動発電素子は、電池フリー、夜間・暗所でも発電可能であるため、小型ＩｏＴ端末向けの次世代電源として注目されている。特に、エレクトレット型ＭＥＭＳ振動発電素子は、他の方式より低周波かつ出力電力密度が大きいため、環境振動を利用した発電に有利である。

ここで、従来のエレクトレット型ＭＥＭＳ振動発電素子は、ＭＥＭＳ可変容量素子とエレクトレット層とが同一素子内に組み込まれた構造を有していた（例えば、特許文献１）。しかし、従来のエレクトレット型ＭＥＭＳ振動発電素子に使用されるエレクトレット層は、振動発電の電力を効率よく取り出すために、エレクトレット層をスピンコート等の方法によりパターンエッチング形成する必要があった。このように、従来のエレクトレット型ＭＥＭＳ振動発電素子は、エレクトレット層の作製方法等に多くの制約があった。

一方、最近では、ＭＥＭＳ可変容量素子とエレクトレット層とを分離する機構が提案されている（非特許文献１）。

特開２００７－３１２５５１号公報

論文タイトル：A MEMS Vibratory Energy Harvester Charged by an Off-Chip Electret／著者：Daisuke Yamane, Hiroaki Honma, Hiroshi Toshiyoshi／国際会議：The 32nd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2019)

しかし、スピンコート法等のパターンエッチング形成により作成されたエレクトレット材料は、半導体プロセスで使用されるスピンコートプロセスとは親和性があるが、実際に素子を基盤に実装する際のリフロープロセス等の高温加熱工程において、エレクトレットの帯電特性が低下するという問題があった。

本発明は、上記問題を解消するためになされたものであり、環境発電用素子においてＭＥＭＳ可変容量素子のような可変容量素子と分離して用いられるリフロー実装可能な環境発電用耐熱エレクトレット素子を提供するものである。

本発明の環境発電用耐熱エレクトレット素子は、エレクトレット樹脂層と、前記エレクトレット樹脂層の面方向一方側に配置された第１の固定電極と、前記エレクトレット樹脂層の面方向他方側に配置された第２の固定電極と、前記エレクトレット樹脂層と、前記第１の固定電極及び前記第２の固定電極の少なくとも一方の固定電極とを収納する金属容器と、を含み、前記エレクトレット樹脂層が、ポリテトラフルオロエチレン、変性ポリテトラフルオロエチレン及び多孔性フッ素樹脂からなる群から選ばれるいずれか１種からなる樹脂層を少なくとも含む。

また、本発明の振動発電素子は、上記本発明の環境発電用耐熱エレクトレット素子と、可変容量素子とを、それぞれ別個に含む。

本発明により、エレクトレット層のパターンエッチングが不要で、プリント基板へのリフロー実装が可能となる環境発電用耐熱エレクトレット素子及びそれを用いた振動発電素子を提供できる。

図１は、実施形態の耐熱エレクトレット素子の一例を示す概略断面図である。図２は、実施形態の耐熱エレクトレット素子の他の例を示す概略断面図である。図３は、実施形態の耐熱エレクトレット素子の他の例を示す概略断面図である。図４は、実施形態の耐熱エレクトレット素子の他の例を示す概略断面図である。図５は、実施形態の振動発電素子の一例を示す概略断面図である。

（環境発電用耐熱エレクトレット素子）
本願で開示する環境発電用耐熱エレクトレット素子（以下、単に「耐熱エレクトレット素子」ともいう。）の実施形態を図面に基づき説明する。図１は、本実施形態の耐熱エレクトレット素子の一例を示す概略断面図である。図１において、耐熱エレクトレット素子１０は、エレクトレット樹脂層１１と、エレクトレット樹脂層１１の面方向一方側（上方向）に配置された第１の固定電極１２ａと、エレクトレット樹脂層１１の面方向他方側（下方向）に配置された第２の固定電極１２ｂ（以下、第１の固定電極１２ａ及び第２の固定電極１２ｂを総称して「固定電極１２ａ、１２ｂ」ともいう。）と、エレクトレット樹脂層１１と固定電極１２ａ、１２ｂとを収納する金属容器１３と、絶縁リング１４と、金属リング１５と、プリント基板１６と、端子１７ａ、１７ｂとを備えている。

エレクトレット樹脂層１１は、ポリテトラフルオロエチレン（ホモＰＴＦＥ）、変性ポリテトラフルオロエチレン（変性ＰＴＦＥ）及び多孔性フッ素樹脂からなる群から選ばれるいずれか１種の樹脂から形成される樹脂層である。エレクトレット樹脂層１１の厚さは特に限定されないが、通常、５～４００μｍ、好ましくは、１０～３００μｍ、特に好ましくは１５～１００μｍの範囲で使用される。同厚みが５μｍ未満ではエレクトレット樹脂層１１の静電容量が少なくエレクトレットの用途に不向きであり、また均一な厚みで成形を制御することが困難となり、後述のエレクトレット化処理の際に絶縁破壊が起こりやすく、局所放電が発生しやすいために好ましくない。一方、４００μｍを超えると電荷注入の際に層内部まで電荷を到達させることが困難となり、本発明の所期の性能を発揮し得ずに好ましくない。

上記変性ＰＴＦＥとしては、テトラフルオロエチレン９９．０～９９．９９９モル％と、パーフルオロビニルエーテル１．０～０．００１モル％とを共重合して得られる共重合体であることが好ましい。これにより、ＰＴＦＥのベース結晶にパーフルオロビニルエーテルが部分的に歪み（結晶欠陥）を生じさせ、その歪の部分に電荷を保持させやすくなり、帯電特性が向上する。パーフルオロビニルエーテルが０．００１モル％を下回ると帯電特性の向上が困難となり、１．０モル％を超えると融点が低下して帯電特性が低下する。

上記多孔性フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、変性ポリテトラフルオロエチレン（変性ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、及びテトラフルオロエチレン－パーフルオロメチルビニルエーテル（ＭＦＡ）からなる群から選ばれるいずれか１種の樹脂（或いは樹脂フィルム）、好ましくはＰＴＦＥ及び変性ＰＴＦＥからなる群から選ばれるいずれか１種の樹脂（或いは樹脂フィルム）、を公知の方法により発泡させることにより、これらの樹脂中に空孔（空隙）を備えるものが挙げられる。ＰＴＦＥ及び変性ＰＴＦＥからなる群から選ばれるいずれか１種の樹脂であれば、いずれも融点が３００℃以上であることから、リフロープロセス等の高温加熱工程においてもより安定したエレクトレットを提供することが可能となる。発泡の方法としては、具体的には例えば、多孔性ＰＴＦＥは、ＰＴＦＥフィルムを延伸することにより形成でき、また、多孔性ＦＥＰ、多孔性ＰＦＡ及び多孔性ＭＦＡは、原料樹脂を発泡させて形成することができる。

上記多孔性フッ素樹脂の空孔率は、通常５～８０％、好ましくは１０～７５％であり、特に好ましくは１５～７０％である。樹脂中に存在するこれら多数の空孔は、それぞれが、独立していても連通していてもよいが、微細な空孔としてフィルム内部に多数独立して有することが好ましい。空孔の存在により、エレクトレット樹脂層１１内の界面数が増加し、空孔が存在しないものと比較して内部に電荷を蓄積できる性能が向上し、性能の高いエレクトレット樹脂層１１を得ることができる。但し、過剰の空孔は逆に電荷を逃がす原因となり得る。なお、空孔率は次の式で算出される。

［数１］
空孔率（％）＝（ρ₀－ρ）×１００／ρ₀ ・・・（１）
（上記式中、ρ₀は多孔性フッ素樹脂層の真密度、ρは多孔性フッ素樹脂層の見かけ密度を示す。）

上述した各フッ素系樹脂はいずれも融点が２５０℃以上、中でもＰＴＦＥ及び変性ＰＴＦＥはいずれも融点が３００℃以上であることから、リフロー実装により高温に晒されても帯電特性を維持できる。

固定電極１２ａ、１２ｂは、エレクトレット樹脂層１１に接触している。固定電極１２ａ、１２ｂとしては、金属板を用いてもよく、また、金属蒸着層として形成してもよい。

固定電極１２ａ、１２ｂに用いる金属としては、導電性を備えていれば特に限定されず、例えば、黄銅、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、チタン、洋白、リン青銅、銀、金、これらの金属を主体とする合金等を使用することができる。

エレクトレット樹脂層１１となる上述した各フッ素樹脂層と、固定電極１２ａ、１２ｂとの接合方法は特に限定されないが、フィルム状に形成されたフッ素樹脂層を用いた接合方法によることが好ましい。一般的に、エレクトレット層として用いられる厚みの範囲内においては、エレクトレット樹脂層１１の厚みが厚いほど理論的に最大発電出力は増大することが知られている。従って、予めフィルム状に形成されたフッ素樹脂層を用いれば、得られるエレクトレット樹脂層１１の厚みを所望の厚みに調整することができ、且つ、スピンコート法では設け難い膜厚のエレクトレット樹脂層１１を簡便に耐熱エレクトレット素子に組み込むことが可能となる。

上記接合方法としては、具体的には、例えば、固定電極１２ａ、１２ｂとして金属板を用いる場合には、フィルム状に形成されたフッ素樹脂層を、固定電極１２ａ、１２ｂに熱圧着することにより接合できる。また、固定電極１２ａ、１２ｂとして、金属蒸着層を用いる場合には、フィルム状に形成されたフッ素樹脂層の両面に金属を蒸着して固定電極１２ａ、１２ｂを形成すればよい。

また、フッ素樹脂層を形成するためのコーティング液を用いて、上記コーティング液を上記金属板にコーティングした後に、焼成することもできる。

上述したフッ素樹脂層をエレクトレット樹脂層１１とするためには、直流高電圧放電によるエレクトレット化処理を施す。当該処理方法については特に限定されず、公知の方法が用いられる。具体的には、例えば、固定電極１２ａ、１２が接合されたフッ素樹脂層に対して、直流高電圧やパルス状高電圧を加える方法（エレクトロエレクトレット化法）、γ線や電子線を照射してエレクトレット化する方法（ラジオエレクトレット化法）等が挙げられる。

金属容器１３は、アルミニウム等の金属からなり、一方の端面が閉塞された有底筒状をしている。金属容器１３の平面視形状は特に限定されず、円形状、楕円形状、正方形状、長方形状、ひし形状等とすることができる。

絶縁リング１４は、絶縁材料からなる。絶縁材料としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、熱硬化性ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の絶縁材料が挙げられる。絶縁リング１４の大きさや形状は、特に限定されない。金属容器１３の平面視形状に応じて適宜選択すればよい。

金属リング１５を構成する金属としては、真鍮やステンレス鋼等が挙げられる。金属リング１５の大きさや形状は、特に限定されない。金属容器１３の平面視形状に応じて適宜選択すればよい。

プリント基板１６は、端子１７ａ、１７ｂを備えている。端子１７ａは金属容器１３を介して固定電極１２ａと、端子１７ｂは金属リング１５を介して固定電極１２ｂと、それぞれ電気的に接続している。

耐熱エレクトレット素子１０を製造するには、金属容器１３内に、固定電極１２ａ、１２ｂが接合されたエレクトレット樹脂層１１、絶縁リング１４、金属リング１５、端子１７ａ、１７ｂを備えるプリント基板１６を、それぞれ収納した後に、金属容器１３の端部をかしめて全体を固定することにより、図１に示す耐熱エレクトレット素子１０が得られる。本実施形態の耐熱エレクトレット素子１０は、エレクトレット樹脂層１１にフッ素樹脂を用い、且つ金属容器１３の端部をかしめてその内部を外部環境と隔離していることから、湿度耐性にも極めて優れている。

図２は、本実施形態の耐熱エレクトレット素子の他の例を示す概略断面図である。図２において、耐熱エレクトレット素子２０は、第１の固定電極１２ａとエレクトレット樹脂層１１との間にスペース１８を設けた以外は、図１に示す耐熱エレクトレット素子１０の構成と同じであり、図１と同一部分には同一の符号を付した。図２では、第２の固定電極１２ｂのみがエレクトレット樹脂層１１と接触している。このような耐熱エレクトレット素子２０においても、プリント基板へのリフロー実装が可能となる。また、スペース１８を設けることにより、電極間に形成される絶縁層の比誘電率が低下することから、発電量をより増加させ得る。

なお、上述した例は、スペース１８が第１の固定電極１２ａとエレクトレット樹脂層１１との間に設けられているが、エレクトレット素子として機能すればスペース１８の設ける位置は特に限定されず、第２の固定電極１２ｂとエレクトレット樹脂層１１との間に設けてもよいし、エレクトレット樹脂層１１が複層構成の場合はその層間に設けてもよい。

図３は、本実施形態の耐熱エレクトレット素子の他の例を示す概略断面図である。図３において、耐熱エレクトレット素子３０は、第１の固定電極１２ａと金属容器１３が一体化しており、金属容器１３が第１の固定電極１２ａを含む構成となっている以外は、図１に示す耐熱エレクトレット素子１０の構成と同じであり、図１と同一部分には同一の符号を付した。このような耐熱エレクトレット素子３０においても、プリント基板へのリフロー実装が可能となり、また、第１の固定電極１２ａと金属容器１３とを一体化することにより、耐熱エレクトレット素子３０の厚さを薄くでき、小型化を図ることができる。

図４は、本実施形態の耐熱エレクトレット素子の他の例を示す概略断面図である。図４において、耐熱エレクトレット素子４０は、エレクトレット樹脂層１１が複層構成となっており、具体的には、エレクトレット樹脂層１１ｂをコア層とし、その両面に表面層としてエレクトレット樹脂層１１ａを設けた二種三層構造とした以外は、図１に示す耐熱エレクトレット素子１０の構成と同じであり、図１と同一部分には同一の符号を付した。

コア層となるエレクトレット樹脂層１１ｂには、上述した各フッ素系樹脂を用いることができるが、特に多孔性フッ素樹脂であることが好ましい。また、表面層となるエレクトレット樹脂層１１ａにも、上述した各フッ素系樹脂を用いることができるが、特にＰＴＦＥ及び変性ＰＴＦＥのいずれかであることが好ましい。多孔性フッ素樹脂は、空孔の存在により、エレクトレット樹脂層１１内の界面数が増加し、空孔が存在しないものと比較して内部に電荷を蓄積できる性能が向上し、性能の高いエレクトレット樹脂層１１を得ることができるが、その一方で、空孔があまりに多くなりすぎると、その表面に空孔が多数現れることにより表面の平滑性が損なわれることで、絶縁耐性が低下し、エレクトレット化処理の際に印加電圧を上げてゆくと局所的な放電集中が発生する虞がある。そこで、多孔性フッ素樹脂をコア層とし、ＰＴＦＥ及び変性ＰＴＦＥのいずれかを表面層とすれば、空孔による帯電量の増加を図りつつ、表面の平滑性を向上させて絶縁耐性を向上させた、より好適なエレクトレット樹脂層１１を得ることが可能となる。

コア層となるエレクトレット樹脂層１１ｂの厚みは、通常５～３００μｍ、好ましくは、１０～２００μｍ、特に好ましくは１５～１００μｍの範囲で使用される。また、表面層となるエレクトレット樹脂層１１ａの厚みは、通常１～１００μｍ、好ましくは、１～９０μｍ、特に好ましくは５～８０μｍの範囲で使用される。

エレクトレット樹脂層１１が二種三層で構成されるとき、エレクトレット樹脂層１１ａ／エレクトレット樹脂層１１ｂ／エレクトレット樹脂層１１ａの厚み比率は、通常１／２／１～１／１０／１であり、好ましくは１／３／１～１／８／１であり、特に好ましくは１／３／１～１／６／１である。特にコア層に多孔性フッ素樹脂を用いる場合は、コア層比率を上げることで空孔の総数が増加し、より帯電量を増加させることができる。

なお、上述した例は、エレクトレット樹脂層１１が三層のものであるが、エレクトレット樹脂層１１は複層構成であれば特に限定されず、二層であってもよいし、四層以上に構成されていてもよい。また、コア層と表面層が異種のものを例示したが、同種であってもよく、さらに、二つの表面層は異種で構成されていてもよい。

（振動発電素子）
本願で開示する振動発電素子の実施形態について説明する。本実施形態の振動発電素は、先に開示した実施形態の耐熱エレクトレット素子と、可変容量素子とを、それぞれ別個に備えている。本実施形態の振動発電素子は、耐熱エレクトレット素子と可変容量素子とを分離して別個に配置しているため、それぞれをプリント基板へ簡便に実装できる。また、前述のとおり、上記耐熱エレクトレット素子は、耐熱性が高いため、リフロー実装が可能となる。

図５は、本実施形態の振動発電素子の一例を示す概略断面図である。図５において、振動発電素子１００は、耐熱エレクトレット素子１０と、可変容量素子８０とを備え、耐熱エレクトレット素子１０と可変容量素子８０は、プリント基板９０上に実装され、耐熱エレクトレット素子１０は、可変容量素子８０に外付けされている。

可変容量素子８０は、外部振動による慣性力で可動電極が動く構造となっており、その振動に応じて、可変容量素子８０の静電容量と、耐熱エレクトレット素子１０のエレクトレットの静電容量のバランスが変化する。これにより、各静電容量に蓄積される電荷量が変化することから誘導電荷が生じ、その誘導電荷を外部負荷で取り出すことで発電が可能となる。

以下、本発明を実施例により説明する。但し、本発明は、下記の実施例により限定されない。

（実施例１）
厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルム（ダイキン工業株式会社製、Ｆ１０８）の片面に、厚さ０．１５ｍｍの金属板を固定電極として熱圧着し、試験サンプル材料を得た。この試験サンプル材料にコロナ電圧６ｋＶ、グリッド電圧４５０Ｖを印加してＰＴＦＥフィルムのエレクトレット化処理を行い、エレクトレット素子の試験サンプルを製作した。

（実施例２）
ＰＴＦＥフィルムに変えて厚さ２５μｍの変性ＰＴＦＥフィルム（ダイキン工業株式会社製、Ｍ１１２）を用い、厚さ０．１ｍｍの金属板を固定電極として用いた以外は、実施例１と同様にしてエレクトレット素子の試験サンプルを製作した。

（実施例３）
変性ＰＴＦＥフィルムに変えて厚さ６５μｍの多孔性ＰＴＦＥフィルム（日本バルカー株式会社製）を用いた以外は、実施例２と同様にしてエレクトレット素子の試験サンプルを製作した。なお、この多孔性ＰＴＦＥフィルムの空孔率は２２％である。

（比較例１）
変性ＰＴＦＥフィルムに変えて厚さ２５μｍのＦＥＰフィルム（ダイキン工業株式会社製、ＮＦ－００２５）を用いた以外は、実施例２と同様にしてエレクトレット素子の試験サンプルを製作した。

（比較例２）
ＡＧＣ社製のフッ素樹脂“ＣＹＴＯＰ（登録商標）”（ＣＴＬ－８０９Ｍ）を製膜してエレクトレット用材料として準備した。変性ＰＴＦＥフィルムに変えて、厚さ３０μｍの当該ＣＹＴＯＰフィルムを用いた以外は、実施例２と同様にしてエレクトレット素子の試験サンプルを製作した。

次に、実施例１～３及び比較例１～２の試験サンプルのエレクトレット樹脂層の表面電位を測定した。表面電位の測定は表面電位計（トレック・ジャパン社製、ＭＯＤＥＬ３４４）を用いて行った。その後、各試験サンプルを２６０℃で４分間加熱した。その後、加熱後の各試験サンプルのエレクトレット樹脂層の表面電位を上記と同様にして測定した。その結果を表１に示す。

表１から、実施例１～３の表面電位は、比較例１～２の表面電位に比べて、加熱後でも５０％以上残存しており、加熱しても帯電特性を維持できることが分かる。特に、変性ＰＴＦＥ及び多孔性ＰＴＦＥは、９０％以上残存しており、特に好ましいことが分かる。

１０、２０、３０、４０耐熱エレクトレット素子
１１エレクトレット樹脂層
１２ａ、１２ｂ固定電極
１３金属容器
１４絶縁リング
１５金属リング
１６プリント基板
１７ａ、１７ｂ端子
１８スペース
８０可変容量素子
９０プリント基板
１００振動発電素子

Claims

エレクトレット樹脂層と、
前記エレクトレット樹脂層の面方向一方側に配置された第１の固定電極と、
前記エレクトレット樹脂層の面方向他方側に配置された第２の固定電極と、
前記エレクトレット樹脂層と、前記第１の固定電極及び前記第２の固定電極の少なくとも一方の固定電極とを収納する金属容器と、を含み、
前記エレクトレット樹脂層が、コア層と、前記コア層の両面に設けられた表面層とからなる二種三層構造で構成され、
前記コア層は、多孔性フッ素樹脂からなり、
前記表面層は、ポリテトラフルオロエチレン及び変性ポリテトラフルオロエチレンのいずれかからなり、
前記二種三層構造において、前記表面層／前記コア層／前記表面層の厚み比率が、１／２／１～１／１０／１である、環境発電用耐熱エレクトレット素子。
前記多孔性フッ素樹脂の空孔率が、５～８０％である、請求項１に記載の環境発電用耐熱エレクトレット素子。
前記多孔性フッ素樹脂が、多孔性変性ポリテトラフルオロエチレンである、請求項１又は２に記載の環境発電用耐熱エレクトレット素子。
前記金属容器が、前記第１の固定電極及び前記第２の固定電極のいずれか一方を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の環境発電用耐熱エレクトレット素子。
請求項１～４のいずれか１項に記載の環境発電用耐熱エレクトレット素子と、可変容量素子とを、それぞれ別個に含む、振動発電素子。