KR101236045B1 - 정전유도형의 에너지 변환 소자 - Google Patents

정전유도형의 에너지 변환 소자 Download PDF

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Abstract

고정 기판(22)의 윗면에는, 가늘고 긴형상을 한 복수개의 베이스 전극(27)이 평행하게 배열되고, 각 베이스 전극(27)의 위에 각각 일렉트릿(28)이 형성된다. 일렉트릿(28)의 폭은 베이스 전극(27)의 폭보다도 넓게 되어 있고, 일렉트릿(28)은, 베이스 전극(27)의 노출면을 덮고 있다. 고정 기판(22)의 일렉트릿(28) 등이 마련된 면에 대향하여 가동 기판(23)이 평행하게 배치되어 있고, 가동 기판(23)은 고정 기판(22)에 대해 상대적으로 이동 가능하게 되어 있다. 가동 기판(23)의 대향면에는, 베이스 전극(27)과 대향하도록 하여 각각 가늘고 긴형상의 대향 전극(32)을 형성하고 있다.

Description

정전유도형의 에너지 변환 소자{STATIC INDUCTION TYPE ENERGY CONVERSION ELEMENT}
본 발명은 정전유도형의 에너지 변환 소자에 관한 것으로서, 구체적으로는 환경진동 등을 이용하여 발전을 행하기 위한 정전유도형의 에너지 변환 소자에 관한 것이다.
센서나 액추에이터를 탑재한 분산형 디바이스나 휴대 기기 등에서는 와이어 배선(전기 코드)에 의한 직접 급전을 행하기 어렵기 때문에, 전원으로서 코인형 1차 전지나 충전지를 사용하고 있다.
그러나, 차의 타이어 공기압을 모니터하는 TPMS(타이어압 모니터링 시스템)나, 비행기·빌딩·다리 등의 헬스 모니터링, 대규모 유통 관리에서는 전지 교환이 어렵거나, 전지 교환에 수고가 들거나, 대량의 전지 교환이 필요해지거나 하기 때문에, 전지를 전원으로서 이용하는 것은 상태가 좋지 않았다. 또한, 심장의 페이스 메이커나 캡슐 내시경 등의 용도에서는, 전지를 교환하기 위해서는 환자의 수술이 필요하게 되어 신체적 부담이 커지기 때문에, 전지 탑재는 바람직하지 않다. 또한, 충전지의 경우에도, 충전 작업에 관해 전지 교환과 마찬가지의 불편한 점이 있다.
따라서, 이들의 분야를 비롯하여 여러가지의 분야에서는, 전원을 메인티넌스 프리(충전의 불필요화나 전지 교환의 불필요화)로 하는 기술이 요구되고 있다.
메인터넌스 프리화의 하나의 후보로서는, 이동체(차, 비행기 등), 구조물(빌딩, 다리 등) 등에서 발생하는, 또는 장치, 사람의 동작에 의해 발생하는 수Hz 내지 수십Hz의 진동(이하, 이와 같은 진동을 환경진동이라고 칭한다)으로부터 전력을 취출할 수 있는, 소형의 에너지 변환 소자가 있다.
환경진동으로 발전하는 에너지 변환 소자로는, 주로 전자유도형, 압전형, 정전유도형의 3종류가 있다. 전자유도형의 소자는, 발전량이 진동수의 2승에 비례하기 때문에 저주파수화가 어렵고, 또한 사이즈·중량이 대형화하는 문제가 있다. 압전형의 소자는, 신뢰성·조립시의 핸들링 등 양산성·비용의 문제가 있다. 그 때문에 정전유도형의 소자가 기대되고 있다.
정전유도형의 에너지 변환 소자는, 발전량이 진동수에 비례하고 있기 때문에 환경진동을 이용하여 전력을 얻는데 적합하지만, 큰 발전량을 얻기 위해서는, 일렉트릿 전극에 많은 전하를 주입할 필요가 있다. 또한, 일렉트릿 전극의 전하량을 많게 하면, 방전에 의한 발전 효율의 열화가 문제가 된다. 그러나, 종래의 정전유도형 에너지 변환 소자에서는, 이들의 문제는 해결되어 있지 않아, 일렉트릿에 충분한 전하를 주입할 수가 없고, 또한 방전에 의한 발전 효율의 열화도 충분히 방지되어 있지 않았다. 이하에서는, 이들의 문제점을 특허 문헌 1에 개시된 에너지 변환 소자를 예로 들어 구체적으로 설명한다.
(특허 문헌 1에 개시된 소자)
특허 문헌 1에 개시된 에너지 변환 소자(11)(정전유도형 변환 소자)의 구조를 도 1에 도시한다. 이 에너지 변환 소자(11)에서는, 고정 기판(12)의 윗면에 가늘고 긴형상을 한 베이스 전극(13)을 복수 마련하고, 각 베이스 전극(13)의 위에 일렉트릿(14)을 마련하고 있다. 또한, 고정 기판(12)과 대향하는 대향 기판(15)의 하면에는, 베이스 전극(13)과 같은 피치로 대향 전극(16)을 마련하고 있다.
일렉트릿(14)은, 절연 재료의 표면 부근에 전하를 주입하여 형성된 것이다. 특히, 일렉트릿(14)의 재료로서는, 주쇄(主鎖)에 함불소 지방족 환 구조를 갖는 중합체에 의해 구성함으로써, 표면 전하 밀도를 높게 하고 있다. 또한, 특허 문헌 1의 어느 실시 형태에서는 일렉트릿(14)의 윗면에, 폴리팔라크실렌 또는 그 유도체에 의해 구성된 방습막(파릴렌막)을 형성하여, 습도에 의한 열화를 방지하고 있다.
이와 같은 구조의 에너지 변환 소자(11)에서는, 2개의 전극(13, 16) 사이에 부하(17)를 접속하고, 도 1에 화살표로 나타내는 방향으로 대향 기판(15)을 운동시키면, 일렉트릿(14)에 주입된 전하에 의해 대향 전극(16)에 반대극의 전하가 정전 유도되고 부하(17)에 전류가 흐르고, 발전용으로 이용하는 것이 가능해진다.
(제 1의 문제점 : 주입 전하량의 감소)
일렉트릿(14)에 전하를 주입하는 방법으로서는, 코로나 방전에 의한 방법이 일반적이다. 특허 문헌 1에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 코로나 방전용의 니들(18)을 이용하고, 직류 고압 전원(19)을 사용하여 니들(18)과 베이스 전극(13) 사이에 고전압을 인가하고, 소정 시간, 소정 전압으로 방전시켜서 일렉트릿(14)에 전하를 주입하여 전하시키고 있다.
그러나, 일렉트릿(14)은 베이스 전극(13)의 윗면에 형성되어 있기 때문에, 베이스 전극(13)의 측벽은 일렉트릿(14)으로부터 노출하고 있다. 그 때문에, 도 2를 볼 때 왼쪽의 일렉트릿(14)과 같이 니들(18)로부터 방출된 전하(전자)의 다량이 베이스 전극(13)에 유도되어 고압 전원(19)으로 되돌아와 버려(도 2에서의 화살표 선은, 방전시의 전하의 흐름을 나타낸다.), 그만큼 일렉트릿(14)에 주입되는 전하량이 감소하게 된다.
또한, 일렉트릿(14)과 베이스 전극(13)은, 반도체 프로세스(포토 리소그래피 공정)에 의해 형성되는데, 일렉트릿(14)과 베이스 전극(13)을 동일 면적으로 형성하도록 설계되어 있다고 하여도, 제조 공정에서의 얼라인먼트 어긋남이나, 일렉트릿(14)의 오버에칭 등의 프로세스 오차에 의해 횡폭에 편차가 발생하기 쉽다. 그 때문에, 도 2를 볼 때 우측의 일렉트릿(14)과 같이, 베이스 전극(13)의 테두리가 일렉트릿(14)으로부터 비어져나와 노출되는 것이 쉽게 일어난다. 이와 같은 경우에는, 베이스 전극(13)에 유도되는 전하의 양이 보다 한층 증가하여, 일렉트릿(14)에 주입되는 전하량이 점점 더 감소한다.
(제 2의 문제점 : 방전에 의한 열화)
환경진동(10Hz 정도)을 이용하여 0.1㎽ 이상의 발전량을 얻기 위해서는, 상하의 전극(16, 13) 사이의 갭을 50㎛ 정도로 할 필요가 있다(비특허 문헌 1 참조). 그러나, 상하의 전극(16, 13) 사이의 갭을 50㎛ 정도로 하면, 일렉트릿(14)의 표면을 0.3㎛두께의 파릴렌(parylene)막으로 이루어지는 방습막으로 덮고 있다고 하여도, 공기 및 0.3㎛두께의 방습막으로는, 전하압이 기판 사이의 절연 내압을 초과하기 때문에 상하의 전극 사이에서 방전이 발생하고, 일렉트릿(14)에 보존되어 있던 전하가 빠지는 문제가 있다(비특허 문헌 2 참조).
절연 내압을 높이기 위해서는 방습막의 막두께를 크게 하면 좋지만, 방습막의 막두께를 두껍게 하면, 생산 원가가 비싸게 들어 부적당한다. 또한, 파릴렌의 비유전율이 높기 때문에, 방습막의 막두께를 크게 한 경우에는, 에너지 변환 소자(11)의 발전량이 저하될 우려가 높아진다. 그 때문에, 비특허 문헌 1의 기재에 의하면, 에너지 변환 소자를 SF6로 밀봉할 필요가 있다. 따라서 종래에는, 에너지 변환 소자를 세라믹 패키지 등으로 허메틱 실(hermetic seal)할 필요가 있고, 에너지 변환 소자의 패키지가 고가로 되어 있다.
또한, 절연 내압은 상하 전극 사이의 거리에 의해 정해지기 때문에, 방전 대책으로서는 전극 사이 거리에 관계없이 절연 내압을 초과하지 않는 소자를 제작하는 것이 요구되고 있다. 특히, 상하 전극 사이의 거리에 관계없이, 표면 전위가 1000V의 일렉트릿으로부터 방전이 발생하지 않도록 하는 것이 요망된다.
[선행 기술 문헌]
[특허 문헌]
특허 문헌 1 : 일본 특개평2006-180450호 공보
[비특허 문헌]
비특허 문헌 1 : Y. Arakawa, Y. Suzuki, N. Kasagi, "Micro Seismic Power Generator using Electret Polymer Film", The Fourth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications Power MEMS 2004, November 28-30, 2004, Kyoto, Japan, p. 187-190
비특허 문헌 2 : "파릴렌이란", [online], 일본파릴렌주식회사, [2008년 6월 16일 검색], 인터넷, <URL : http://www.parylene.co.jp/about%20parylene-2.htm>
본 발명은, 이와 같은 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 점은, 일렉트릿에 많은 전하를 하전할 수 있는 정전유도형의 에너지 변환 소자를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 방전에 의한 열화가 적고, 신뢰성이 높은 정전유도형의 에너지 변환 소자를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 에너지 변환 소자는, 소정의 간격을 사이에 두고 대향하여, 또한 서로 상대적으로 이동 가능하게 된 제 1의 기판과 제 2의 기판을 구비하고, 상기 제 1의 기판과 상기 제 2의 기판의 서로 대향하는 면에, 각각 적어도 하나의 도전성 부재가 형성되고, 상기 도전성 부재는 모두 복수개의 전극과 전극 패드를 가지며, 상기 도전성 부재중 적어도 하나의 도전성 부재에는, 각 전극에 대응하여 일렉트릿이 형성되어 있고, 상기 일렉트릿은, 각 전극의 표면 중 어느 하나의 기판에 고정되어 있는 면과 반대면을 덮음과 함께, 각 전극의 외주면을 5㎛ 이상의 피복두께로 덮고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 에너지 변환 소자에서는, 전극과 일렉트릿이 마련된 기판에 있어서, 각 일렉트릿은, 각 전극의 표면 중 어느 하나의 기판에 고정되어 있는 면과 반대면을 덮음과 함께, 각 전극의 외주면을 5㎛ 이상의 피복두께로 덮고 있기 때문에, 일렉트릿에 전하를 주입하여 하전시킬 때에, 전하가 전극에 유도되기 어려워지고, 일렉트릿에 주입되는 전하량의 저하를 막을 수 있다. 따라서, 일렉트릿에 의해 많은 전하를 보존할 수 있게 되고, 일렉트릿의 표면 전위를 높힐 수 있으며 발전량을 크게 할 수 있다.
본 발명에 관한 에너지 변환 소자의 한 실시 양태에서는, 상기 일렉트릿이 형성된 전극의 외주면이, 10㎛ 이상의 피복두께로 일렉트릿에 의해 덮여져 있다. 이러한 실시 양태에 의하면, 일렉트릿의 표면 전위를 보다 높일 수 있음과 함께, 표면 전위의 펀차도 작게 할 수 있다.
본 발명에 관한 에너지 변환 소자의 다른 실시 양태에서는, 상기 제 1의 기판과 상기 제 2의 기판중 적어도 한쪽의 기판이, 서로 평행하게 요설(凹設)된 복수개의 홈을 가지며, 당해 홈 내에 상기 전극이 배설되고, 당해 홈 내에 상기 일렉트릿을 매설함과 함께 일렉트릿에 의해 상기 홈 내의 전극을 덮고 있다. 이 실시 양태에 의하면, 홈 내에 배설된 전극을 홈 내에 매설된 일렉트릿으로 덮도록 하고 있기 때문에, 전극을 일렉트릿으로 확실하게 덮을 수 있고, 소자의 신뢰성이 향상한다. 또한, 전극을 홈 내에 매립함으로써, 전하 주입시에 전극에 전하가 흐르는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있고, 일렉트릿의 표면 전위를 보다 높여서 발전량을 크게 할 수 있다.
상기 홈의 형상으로서는, 그 길이 방향에 수직한 단면이, 내측 코너부가 만곡한 사각형 형상이라도 좋고, 저면의 폭보다도 개구부의 폭이 넓게 된 사다리꼴 형상이라도 좋으며, 개구측으로 넓게 된 삼각형 형상이라도 좋다. 이들 형상의 홈에 의하면, 홈에 매립한 일렉트릿에 기포가 들어가기 어렵게 된다. 또한, 홈에 일렉트릿을 주입하기 쉽게 된다.
상기 홈은, 기판이 유리 기판, 반도체 기판 또는 수지 기판인 경우에는, 당해 기판에 드라이 에칭을 행함에 의해 형성할 수 있다. 또한, 홈을 갖는 기판 또는 당해 기판의 일부가 수지 재료에 의해 형성되어 있는 경우에는, 수지 재료를 성형할 때에 전사 기술을 이용하여 홈을 성형할 수도 있다. 또한, 홈을 갖는 기판이 Si 기판인 경우에는, 이방성 에칭을 이용하여 기판에 홈을 형성하고, 이 홈의 표면에 SiO2, SiN, 또는 SiON으로 이루어지는 절연막을 형성하여도 좋다. 이들의 방법에 의하면, 미세한 홈을 정밀도 좋게 제작할 수 있다.
본 발명에 관한 에너지 변환 소자의 또 다른 실시 양태에서는, 상기 제 1의 기판과 상기 제 2의 기판중 적어도 한쪽 기판의 대향면에는, 상기 도전성 부재의, 상기 전극 패드가 형성된 영역을 제외한 영역 전체가 절연 피막으로 덮여져 있다.
일렉트릿에 하전되고 있는 전하량이 증가하면, 제 1 및 제 2의 기판의 전극 사이, 또는 일렉트릿과 전극 사이에서 방전이 일어나기 쉬워진다. 그러나, 이 실시 양태에서는, 전극 패드가 형성된 영역을 제외한 영역 전체를 절연 피막으로 덮고 있기 때문에, 전극 사이의 절연 내압을 향상시킬 수 있고, 일렉트릿의 표면 전하의 저하를 억제할 수 있음과 함께 에너지 변환 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1 및 제 2의 기판의 도전성 부재 사이에서의 방전을 방지하기 위해서는, 상기 실시 양태와 같이 제 1 및 제 2의 기판 대향면의 거의 전체를 절연 피막으로 덮는 것이 바람직하다. 그러나, 일렉트릿으로 덮이지 않은 전극만을 절연 피막으로 덮도록 하는 것만으로도, 절연 내압을 향상시킬 수 있다. 또한, 인접하는 일렉트릿 사이에 가드 전극을 마련하고, 상기 제 1의 기판과 상기 제 2의 기판중 적어도 한쪽의 기판에서, 일렉트릿으로 덮여 있지 않은 전극과 가드 전극만을 절연 피막으로 덮도록 하여도 좋다.
상기 절연 피막으로서는, BCB(benzocyclobutene) 수지나 SiLK 수지(다우·케미컬사제)와 같은 절연성 고분자 재료를 사용하여도 좋고, SiO2, SiN, SrTiO3, SiON, TiO2 등의 절연성 무기 재료를 사용하여도 좋다. 이들의 재질로 이루어지는 절연 피막을 이용하면, 도전성 부재 사이의 절연 내압을 보다 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 상기 과제를 해결하기 위한 수단은, 이상 설명한 구성 요소를 적절히 조합한 특징을 갖는 것이고, 본 발명은 이러한 구성 요소의 조합에 의한 많은 변화를 가능하게 하는 것이다.
도 1은 특허 문헌 1에 개시된 에너지 변환 소자의 구조를 도시하는 사시도.
도 2는 도 1의 에너지 변환 소자에서, 일렉트릿에 전하를 주입하고 있는 양상을 도시하는 개략도.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 에너지 변환 소자의 구조를 도시하는 개략 정면도.
도 4는 실시 형태 1의 에너지 변환 소자의 주요부를 도시하는 사시도.
도 5는 고정 기판에 형성된 베이스 전극용의 도전성 부재와 가드 전극용의 도전성 부재를 도시하는 평면도.
도 6은 실시 형태 1의 에너지 변환 소자에서, 일렉트릿에 전하를 주입하고 있는 양상을 도시하는 개략도.
도 7은 종래예 및 실시 형태 1에서의, 일렉트릿의 표면 전위와 일렉트릿의 전극 피복폭과의 관계를 실험적으로 구한 결과를 도시한 도면.
도 8은 상하 전극 사이의 절연 내압을 나타내는 파센(paschen) 곡선을 도시한 도면.
도 9는 도 8의 일부를 확대해 도시한 도면.
도 10은 도 11과 같은 샘플 기판을 이용하여, 그 표면 전위를 측정한 결과를 도시하는 도면.
도 11은 도 10의 데이터를 얻기 위한 샘플 기판을 도시하는 개략도.
도 12는 에너지 변환 소자의 케이싱의 구조를 도시하는 분해 사시도.
도 13은 실시 형태 1의 1변형예에서의 가동 기판을 도시하는 개략 정면도.
도 14는 실시 형태 1의 다른 변형예에서의 고정 기판을 도시하는 개략 정면도.
도 15는 본 발명의 실시 형태 2에 의한 에너지 변환 소자의 구조를 도시하는 개략 정면도.
도 16은 실시 형태 2의 1변형예에서의 고정 기판의 개략 정면도.
도 17은 실시 형태 2의 다른 변형예에서의 고정 기판의 개략 정면도.
도 18은 실시 형태 2의 또 다른 변형예에서의 고정 기판의 개략 정면도.
도 19는 실시 형태 2의 또 다른 변형예에서의 고정 기판의 개략 정면도.
도 20(a), (b)는 기판에 홈을 형성하는 방법의 한 예를 도시하는 개략도.
도 21(a) 내지 (c)는 기판에 홈을 형성하는 다른 방법을 도시하는 개략도.
도 22(a), (b)는 기판에 홈을 형성하는 또 다른 방법을 도시하는 개략도.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다.
(제 1의 실시 형태)
이하, 도 3 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 제 1의 실시 형태를 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 에너지 변환 소자의 구조를 도시하는 개략 정면도, 도 4는 그 주요부를 도시하는 사시도이다. 도 3, 도 4에 따라, 실시 형태 1의 에너지 변환 소자(21)(발전 소자)의 구조를 설명한다.
실시 형태 1의 에너지 변환 소자(21)는, 고정 기판(22) 및 가동 기판(23)을 구비하고 있고, 양 기판(22, 23)은 소정의 간격을 사이에 두고 서로 평행하게 대향되어 있다. 고정 기판(22) 및 가동 기판(23)은, 유리 기판이나 수지 기판 등의 절연성을 갖는 기판이다. 고정 기판(22)과 가동 기판(23)은 케이싱(24) 내에 수납되어 있고, 고정 기판(22)은 케이싱(24) 내에서 고정되고, 가동 기판(23)은 고정 기판(22)과 평행한 상태를 유지한 채로 한 방향으로 평행이동할 수 있도록 하여 케이싱(24) 내에서 지지되어 있다.
가동 기판(23)의 윗면에는 스프링 고정부(25)가 돌설되어 있고, 스프링 고정부(25)와 케이싱(24) 사이에는 복수개의 스프링(26)(인장 스프링)이 신장되어 있다. 스프링(26)은 스프링 고정부(25)의 양측에 각각 1개 또는 복수개씩 배치되어 있고, 가동 기판(23)의 이동 방향과 평행하게 늘어나 있다. 가동 기판(23)은 외부로부터의 진동, 예를 들면 환경진동에 의해 강제적으로 평행이동(진동)시켜지지만, 외부로부터 힘이 가해지지 않는 때에는, 가동 기판(23)은, 좌우의 스프링(26)의 탄성력의 균형에 의해 소정의 초기 위치에 정지 또는 복귀한다. 또한, 스프링(26)은, 가동 기판(23)에 충격이나 큰 진동이 가해진 때에, 가동 기판(23)에 가해지는 충격 등을 흡수하여 가동 기판(23)을 보호하는 작용을 갖는다. 또한, 큰 진동이 가해진 경우에는, 스프링(26)이 외부로부터의 진동 에너지를 흡수하여 탄성 에너지로서 일단 보존하고, 이 탄성 에너지를 해방함으로써 가동 기판(23)을 진동시킬 수 있기 때문에, 진동 에너지를 효율적으로 이용하여 발전할 수 있다.
고정 기판(22)의 내면(윗면)에는, 한 방향으로 길다란 가늘고 긴형상을 한 베이스 전극(27)(전극)이 일정 피치마다, 또한 서로 평행하게 마련되어 있다. 베이스 전극(27)의 길이 방향은, 가동 기판(23)의 이동 방향과 직교하고 있고, 베이스 전극(27)의 배열 방향은 가동 기판(23)의 이동 방향과 평행하게 되어 있다. 고정 기판(22)은 신호 취출용 패드(30)(전극 패드)를 구비하고 있고, 베이스 전극(27)은 모두, 배선 패턴에 의해 신호 취출용 패드(30)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 베이스 전극(27) 사이에는, 베이스 전극(27)과 평행하게 되도록 하여, 가늘고 긴 형상의 가드 전극(29)이 마련되어 있다. 가드 전극(29)은 그라운드에 접속하고 있어도 좋고, 전기적으로 그라운드에서 들뜬 상태로 되어 있어도 좋다.
각각의 베이스 전극(27)의 윗면에는, 테플론(등록상표)이나 불소 수지 등으로 일렉트릿(28)이 형성되어 있다. 일렉트릿(28)의 폭(W)은 베이스 전극(27)의 폭(w)보다 넓게 되어 있고(즉, W>w), 베이스 전극(27)의 윗면 및 외주면 전체는 일렉트릿(28)에 의해 덮여져 있다. 도 3, 도 4에서는, 베이스 전극(27)의 길이 방향 단면은 일렉트릿(28)으로부터 노출되어 보이지만, 베이스 전극(27)의 폭방향 양측면과 길이 방향 양단면도 일렉트릿(28)에 의해 덮여져 있다.
베이스 전극(27)이나 가드 전극(29)은, 실제로는, 도 5에 도시하는 바와 같은 패턴 형상으로 되어 있다. 고정 기판(22)에는, 빗살형상을 한 베이스 전극용의 도전성 부재(100)와, 빗살형상을 한 가드 전극용의 도전성 부재(101)가 마련되어 있다. 도전성 부재(100)는, 일정 피치로 배열된 베이스 전극(27)과, 각 베이스 전극(27)을 잇는 도통로(102)와, 신호 취출용 패드(30)에 의해 구성되어 있다. 도전성 부재(101)는, 일정 피치로 배열된 가드 전극(29)과, 각 가드 전극(29)을 잇는 도통로(103)와, 전극 패드(104)에 의해 구성되어 있다. 그리고, 도전성 부재(100과 101)는 맞물리도록 배치되고, 베이스 전극(27)과 가드 전극(29)이 교대로 배열하고 있다. 그리고, 도전성 부재(100)는, 고정 기판(22)으로부터의 노출면 중, 신호 취출용 패드(30)를 제외한 영역 전체가 일렉트릿(28)에 의해 덮여져 있다. 특히, 베이스 전극(27)의 폭방향 양측면(27a)이나 길이 방향 단면(27b), 도통로(102)의 양측면이 일렉트릿(28)에 의해 덮여져 있다.
또한, 일렉트릿(28), 가드 전극(29) 및 고정 기판(22)의 노출 부분(즉, 신호 취출용 패드(30)가 마련되어 있는 영역 이외의 영역)은, 절연 피막(31)에 의해 덮여져 있다.
가동 기판(23)의 내면(하면)에는, 한 방향으로 길다란 가늘고 긴형상을 한 대향 전극(32)(전극)이 서로 평행하게 마련되어 있다. 대향 전극(32)의 길이 방향은, 가동 기판(23)의 이동 방향과 직교하고 있고, 대향 전극(32)의 배열 방향은 가동 기판(23)의 이동 방향과 평행하게 되어 있다. 대향 전극(32)은, 베이스 전극(27)의 폭(w) 또는 일렉트릿(28)의 폭(W)과 같은 폭, 또는 양자의 폭(w, W)의 중간의 폭을 갖고 있고, 베이스 전극(27)과 같은 피치로 배열되어 있다. 가동 기판(23)은 신호 취출용 패드(34)를 구비하고 있고, 대향 전극(32)은 모두, 배선 패턴에 의해 신호 취출용 패드(34)(전극 패드)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 대향 전극(32) 및 가동 기판(23)의 노출 부분(즉, 신호 취출용 패드(34)가 마련되어 있는 영역 이외의 영역)은, 절연 피막(33)에 의해 덮여져 있다.
또한, 도시하지 않지만, 대향 전극(32)이나 신호 취출용 패드(34)도, 베이스 전극(27)이나 신호 취출용 패드(30)와 마찬가지로, 빗살형상을 한 도전성 부재의 일부가 되어 있고, 대향 전극(32)끼리는 도통로에 의해 연결되어 있다.
절연 피막(31, 33)은, 절연 내압이 높은 재료인 SiO2, SiN, SiON, SrTiO3, TiO2 등의 절연성 무기 재료를, 스퍼터법이나 CVD법 등으로 패드 영역 이외의 전면에 성막한 것이라도 좋고, 저유전율의 폴리이미드, BCB 수지, SiLK 수지 등의 절연성 고분자 재료를 패드 영역 이외의 전면에 코팅한 것이라도 좋다. 이들의 절연 피막(31, 33)은 흡습 효과도 구비하고 있다. 또한, 절연 내압을 높이기 위해서는, 고정 기판(22)과 가동 기판(23)의 쌍방에 절연 피막(31 및 33)을 마련하는 것이 바람직하지만, 고정 기판(22)과 가동 기판(23)중 어느 한쪽에만 절연 피막(31 또는 33)을 마련하도록 하여도 좋다.
신호 취출용 패드(30)는 그라운드에 접속되어 있고, 신호 취출용 패드(34)와 신호 취출용 패드(30)와의 사이에는 부하(35)가 접속되어 있다.
또한, 고정 기판(22)이 절연성이 없는 기판 또는 절연성이 충분하지 않은 기판인 경우에는, 고정 기판(22)의 윗면에 SiO2나 SiN, SiON, SrTiO3, TiO2 등으로 이루어지는 절연막을 형성하고, 이 절연막의 표면에 베이스 전극(27)이나 일렉트릿(28), 가드 전극(29), 신호 취출용 패드(30)를 형성하여도 좋다. 마찬가지로, 가동 기판(23)이 절연성이 없는 기판 또는 절연성이 충분하지 않은 기판인 경우에는, 가동 기판(23)의 하면에 SiO2나 SiN, SiON, SrTiO3, TiO2 등으로 이루어지는 절연막을 형성하고, 이 절연막의 표면에 대향 전극(32)이나 신호 취출용 패드(34)를 형성하여도 좋다.
또한, 상기한 가동 기판(23)의 초기 위치에서는, 가동 기판(23)의 대향 전극(32)과 고정 기판(22)의 베이스 전극(27)이, 정대(正對)하고 있는 것이 바람직하다.
(전하의 주입 방법)
상기 일렉트릿(28)의 표면에는, 전하를 주입하여 전하를 고정화하고 있다. 일렉트릿(28)에 전하를 주입하는 방법으로서는, 코로나 방전에 의한 방법 등을 이용한다. 도 6은, 전하 주입을 위한 장치의 구성을 도시하고, 니들(36), 그 하방에 배치된 그리드(38), 그 하방에 배치된 히터(40), 니들(36)에 부전압을 인가하기 위한 고압 전원(37)(예를 들면, -8kV의 직류 전원), 그리드(38)에 부전압을 인가하기 위한 그리드 전압 전원(39)(예를 들면, -600V의 직류 전원)으로 이루어진다. 베이스 전극(27)이나 일렉트릿(28)이 형성된 고정 기판(22)은, 히터(40)와 그리드(38) 사이에 놓여지고, 히터(40)로 120℃ 정도로 예열된다. 계속해서, 니들(36)측이 부전압이 되도록 직류 고압 전원(37)을 연결하여 니들(36)과 베이스 전극(27) 사이에 고압을 인가하고, 니들(36)의 선단 주변에 공중방전을 발생시킴으로써 일렉트릿(28)에 전하를 주입한다.
이 때, 본 실시 형태의 에너지 변환 소자(21)에서는, 베이스 전극(27)의 윗면과 폭방향 양측면의 전체가 일렉트릿(28)으로 덮이여 있기 때문에, 도 6의 화살붙은 선으로 나타내는 바와 같이, 니들(36)로부터 방출된 전하(전자)가 베이스 전극(27)의 양측면에 들어가 로스로 되는 일이 없이, 일렉트릿(28)에 주입되는 전하량을 증대시킬 수 있고, 일렉트릿(28)의 표면 전위를 높일 수 있고, 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 그리드(38)에는, 그리드 전압 전원(39)에 의해 고압 전원(37)보다도 약한 부전압이 인가되어 있고, 니들(36)로부터 방출된 전하를 전체로 넓힘과 함께 그리드 전압을 조정함에 의해 일렉트릿(28)에 가해지는 전계를 제어 가능하게 하고 있다.
(일렉트릿의 표면 전위)
도 7은, 종래예 및 본 실시 형태에 있어서, 같은 전압을 인가하여 전하를 주입한 때의 일렉트릿의 표면 전위와 일렉트릿의 전극 피복폭의 관계를 실험적으로 구한 결과를 도시하고 있다. 도 7의 횡축은 전극 피복 폭[㎛]를 나타내고, 종축은 일렉트릿(14 또는 28)의 표면 전위[V]를 나타낸다. 전극 피복폭이란, 본 실시 형태에서는, 일렉트릿(28)의 폭(W)에서 베이스 전극(27)의 폭(w)을 뺀 값을 나타내고 있고, 종래예에서는, 일렉트릿(14)의 폭에서 베이스 전극(13)의 폭을 뺀 값을 나타내고 있다. 또한, 도 7의 데이터를 얻을 때에는, 일렉트릿(14, 28)의 폭을 일정(300㎛)하게 하여, 베이스 전극(13) 또는 베이스 전극(27)의 폭을 변화시켰다.
도 7에서의 영역(A) 내의 측정점은, 도 2를 볼 때 오른쪽의 종래예와 같이, 베이스 전극(13)의 양측단이 일렉트릿(14)으로부터 튀어나온 경우를 나타내고 있다. 도 7에서의 영역(B) 내의 측정점은, 도 2를 볼 때 왼쪽의 종래예와 같이, 베이스 전극(13)의 양측면과 일렉트릿(14)의 양측면이 정돈되어 있는 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 7에서의 영역(A, B) 내의 측정점 이외는, 본 실시 형태와 같이 베이스 전극(27)의 양측면이 일렉트릿(28)으로 덮여진 경우를 나타내고 있고, 특히 영역(C)은 본 실시 형태의 바람직한 경우를 나타내고 있다.
도 7에 의하면, 베이스 전극(27)의 양측면을 일렉트릿(28)으로 피복함에 의해 일렉트릿(28)의 표면 전위를 크게 할 수 있음을 알 수 있다. 게다가, 그 전극 피복폭이 클수록 일렉트릿(28)의 표면 전위가 커진다. 그 한편으로, 전극 피복폭이 어느 정도 커지면, 일렉트릿(28)의 표면 전위의 상승률은 둔화하고, 이제는 전극 피복폭을 크게 하는 메리트를 기대할 수가 없게 된다. 반대로, 전극 피복폭이 커짐에 의해 기판 면적이 커지거나, 같은 기판 면적의 위에 형성할 수 있는 베이스 전극(27)의 갯수가 적어지거나 하는 결점이 있다. 따라서, 본 실시 형태에서의 전극 피복폭으로서는, 10㎛ 이상 30㎛ 이하가 바람직하고, 특히 20㎛ 이상 30㎛ 이하(영역(C))가 바람직하다. 이것을, 베이스 전극(27)의 폭방향 양측면이나 길이 방향 단면 등에 있어서의 일렉트릿(28)의 (편측) 피복두께로 말을 바꾸면, 5㎛ 이상 15㎛ 이하의 피복두께가 바람직하고, 특히 10㎛ 이상 15㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 도 7은, 전극 피복폭이 20㎛ 이상(피복두께가 10㎛)이면, 또한 일렉트릿(28)의 표면 전위의 펀차를 작게 할 수 있다는 효과를 얻을 수 있음을 나타내고 있다. 즉, 도 7에는, 전극 피복폭이 4㎛, 10㎛, 20㎛인 경우의 각 표면 전위의 표준편차(St Dev)(Standard Deviation)를 나타내고 있다. 도 7에서는, 이들의 전극 피복폭으로는 측정치는 대표적인 3점밖에 나타내고 있지 않지만, 표준편차는 이들 이외의 측정치도 더하여 계산한 것이다. 이렇게 하여 표준편차(St Dev)를 구한 바,
전극 피복 폭=4㎛일 때, 표준편차(St Dev)=99[V]
전극 피복 폭=10㎛일 때, 표준편차(St Dev)=93[V]
전극 피복 폭=20㎛일 때, 표준편차(St Dev)=65[V]
라는 결과가 얻어졌다. 이 실험에 의거하면, 전극 피복폭을 20㎛ 이상(또는, 일렉트릿의 피복두께를 10㎛ 이상)으로 함에 의해, 일렉트릿(28)의 표면 전위의 펀차를 작게 할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 베이스 전극(27)을 일렉트릿(28)으로 피복함에 의해, 베이스 전극(27)의 폭의 펀차에 의한 일렉트릿(28)의 표면 전위의 펀차를 작게 할 수 있기 때문에, 에너지 변환 소자(21)의 제조 공정도 용이해진다. 또한, 베이스 전극(27)이 일렉트릿(28)으로 덮여져 있기 때문에, 사용시에 있어서의 베이스 전극(27)과 대향 전극(32) 사이의 방전을 막을 수 있고, 에너지 변환 소자(21)의 신뢰성이 향상한다.
(사용 방법)
이 에너지 변환 소자(21)는, 진동이 발생하는 장소나 대상물에 설치된다. 예를 들면 에너지 변환 소자(21)가 차량 등에 부착되면, 그 진동(환경진동)을 감지한다. 에너지 변환 소자(21)가, 외부로부터의 진동을 감지하면, 그 진동에 의해 가동 기판(23)이 고정 기판(22)과 평행하게 왕복운동한다. 가동 기판(23)의 대향 전극(32)에 유기되는 전하량은, 일렉트릿(28)에 정대하고 있고 일렉트릿(28)과의 겹쳐지는 면적이 최대일 때에 최대가 되고, 가동 기판(23)이 어긋나 대향 전극(32)과 일렉트릿(28)과의 겹쳐지는 면적이 작아짐에 따라 대향 전극(32)에 유기되는 전하량이 감소한다. 역으로, 가동 기판(23)이 원래의 방향으로 되돌아와 대향 전극(32)과 일렉트릿(28)과의 겹쳐지는 면적이 커짐에 따라 대향 전극(32)에 유기되는 전하량이 증가한다. 이 결과, 베이스 전극(27)과 대향 전극(32) 사이에 접속된 부하(35)에는 교류 전류가 흐른다. 즉, 에너지 변환 소자(21)에 가해지는 진동에 의해, 베이스 전극(27)과 대향 전극(32) 사이에는 교류의 기전력(e)이 발생하게 된다.
최적의 부하 저항을 선택한 때, 가동 기판(23)이 주파수(f)로 정현파 진동하는 에너지 변환 소자(21)의 최대 출력(Pmax)은, 다음 수식 1로 표시되는 것이 알려져 있다.
Figure 112011040311656-pct00025
여기서 이용한 기호는 다음과 같다.
Pmax : 최대 출력(power의 최대치)
σ : 일렉트릿의 표면 전하 밀도
n : 대향 전극(32)의 갯수
d : 일렉트릿의 두께
S : 베이스 전극(27)과 대향 전극(32)의 겹치는 최대 면적
f : 진동의 주파수
g : 대향 전극(32)과 일렉트릿(28)의 갭(전극 사이 갭)
ε : 일렉트릿(28)의 비유전율
ε0 : 공기의 유전율
실시 형태의 에너지 변환 소자(21)에서는, 상기한 바와 같이, 전하 주입시에 일렉트릿(28)에 주입되는 전하량(표면 전하 밀도(σ))을 크게할 수 있기 때문에, 상기 수식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 에너지 변환 소자(21)의 출력을 크게할 수 있고, 발전 효율을 높일 수 있다.
(절연 피막의 작용)
본 실시 형태의 에너지 변환 소자(21)에서는, 상기한 바와 같이 일렉트릿(28)의 전하량을 크게 할 수 있지만, 일렉트릿(28)의 전하량이 증가하면, 그만큼 대향 전극(32)과 베이스 전극(27) 사이에서 방전이 일어나기 쉬워진다. 방전이 일어나면, 일렉트릿(28)의 전하가 빠져나와 전하량이 감소한다. 방전을 방지하기 위해서는 전극 사이 갭(g)을 크게 하면 좋지만, 전극 사이 갭(g)이 커지면 발전 효율이 저하된다. 그 때문에, 종래예에서는 파릴렌막으로 이루어지는 방습막을 이용하여 방전을 방지하고 있다.
이에 대해, 본 실시 형태에서는, 고정 기판(22)과 가동 기판(23)의 적어도 한쪽에, SiO2 등의 절연성 무기 재료나 폴리이미드, BCB 수지, SiLK 수지 등의 절연성 고분자 재료로 이루어지는 절연 피막(31, 33)을 형성하고 있기 때문에, 파릴렌막보다도 절연 내압을 향상시킬 수 있고, 에너지 변환 소자(21)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
다음의 표 1은, SiO2, BCB 수지, SiLK 수지, 폴리이미드, C타입의 파릴렌, N타입의 파릴렌, 공기 및 SF6의 단위 두께당의 절연 내압을 표시한다.
Figure 112011040293600-pct00002
SiO2, BCB 수지, SiLK 수지는, C타입이나 N타입의 파릴렌보다도 단위두께당의 절연 내압이 크기 때문에, 절연 피막(31 또는 33)으로서 SiO2막을 이용함에 의해, 같은 막두께라면, 방습막으로서 파릴렌막을 이용한 종래예보다도, 에너지 변환 소자(21)의 절연 내압을 향상시킬 수 있다.
또한, 폴리이미드는 단위두께당의 절연 내압은 파릴렌보다도 작지만, 가격이 염가이고, 두꺼운 절연 피막을 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 파릴렌막보다도 두꺼운 절연 피막을 형성할 수 있고, 그 결과 파릴렌막을 이용한 종래예보다도, 에너지 변환 소자(21)의 절연 내압을 향상시킬 수 있다.
도 8은 파센 곡선을 도시하는 도면으로서, 그 횡축은 상하의 전극 사이 갭(g)(종래예의 일렉트릿(14)과 대향 전극(16)의 거리, 본 실시 형태의 일렉트릿(28)과 전극(32)의 거리)을 대수 눈금으로 나타내고, 종축은 절연 내압을 대수 눈금으로 나타낸다. 파센 곡선은, 상하 전극 사이의 절연 내압을 나타내고, 파센 곡선보다도 위의 영역은 방전이 발생하는 방전 발생 영역을, 파센 곡선보다도 아래의 영역은 방전이 일어나지 않는 안정 영역을 각각 나타낸다. 도 8에는, 절연 피막이 없는 경우(즉, 공기만의 경우)와, 막두께 2㎛의 스퍼터 SiO2, 막두께 2㎛의 C타입의 파릴렌, 막두께 0.3㎛의 C타입의 파릴렌을 상하의 어느 한쪽의 기판에 마련한 경우의 각 절연 내압을 나타내고 있다.
또한, 도 9는 도 8의 파센 곡선의 일부를 확대해 도시한 도면이고, 막두께 2㎛의 스퍼터 SiO2, 막두께 2㎛의 C타입의 파릴렌, 절연 피막 없는 경우를 나타내고 있다.
도 8에 의하면, 막두께 2㎛의 스퍼터 SiO2, 막두께 2㎛의 C타입의 파릴렌, 막두께 0.3㎛의 C타입의 파릴렌의 어느것이나 절연 피막이 없는 경우보다도 절연 내압이 향상하고 있다. 그러나, 에너지 변환 소자의 방전 대책으로는, 상기한 바와 같이, 전극 사이 갭(g)에 관계없이, 표면 전위가 1000V의 일렉트릿으로부터 방전이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직한다. 도 8 및 도 9에 의하면, 절연 피막 없는 경우에는 상하 전극 사이의 거리가 약 100㎛보다도 짧아지면 절연 내압이 1000V를 하회하고, 파릴렌의 경우에는 상하 전극 사이의 거리가 약 50㎛보다도 짧아지면 절연 내압이 1000V를 하회한다. 이에 대해, 절연 피막으로서 SiO2를 이용한 경우에는, 상하 전극 사이의 거리가 약 10㎛까지 절연 내압을 1000V 이상으로 유지할 수 있고, 높은 절연 내압 성능을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 절연 내압이 높고 신뢰성이 높은 에너지 변환 소자(21)를 제작할 수 있다.
다음에, 일렉트릿의 선폭과 본 발명의 효과와의 관계에 관해 설명한다. 도 10은, 도 11과 같은 샘플 기판을 이용하여, 그 표면 전위를 측정한 결과를 도시하는 도면이다. 또한, 도 11은, 이 실험에 이용한 샘플 기판을 도시하는 개략도이다.
도 11에 도시하는 샘플 기판은, 1변 30㎜의 정사각형의 유리 기판(41)의 표면에 하지(下地)전극(42)을 성막하고, 그 위에 일렉트릿(43)을 형성하고, 기판(41)의 한쪽 단부에서 5㎜ 폭으로 일렉트릿(43)을 제거하여 하지전극(42)을 노출시킨 것이다. 이 샘플 기판에 대해, 코로나 방전에 의해 동일 조건으로 일렉트릿(43)에 하전 처리를 행하고, 일렉트릿(43)의 표면 전위를 측정하였다(몬로사제 표면 전위계를 사용). 표면 전위의 측정은, 하지전극(42)을 접지한 상태에서, 일렉트릿(43)과 측정 프로브(44)와의 거리를 H=1.5㎜로 유지하면서, 측정 프로브(44)를 일렉트릿(43)의 표면에 따라 스위프시켜서 행하였다. 측정 프로브(44)의 측정 영역의 넓이는 D=2.54㎜였다.
측정의 결과는 도 10에 도시되어 있다. 이 종축은 표면 전위를 나타내고, 횡축은 원점부터 측정한 측정 프로브(44)의 위치(측정 위치(X))이다. 원점(X)=0.0㎜은, 일렉트릿(43)의 단(端)부터 약간(예를 들면, 0.4㎜ 정도) 떨어진 위치로서, 하지전극(42)이 노출한 개소이다. 측정의 결과, 도 10에 도시되는 바와 같이 일렉트릿(43)의 중앙부는 높은 표면 전위를 나타내지만, 하지전극(42)의 노출 영역에 근접할수록 표면 전위가 저하되는 것을 알 수 있었다.
도 11의 샘플 기판을 볼 때 좌측 단부에서는 하지전극(42)이 노출하고 있기 때문에, 이 영역에서는, 하지전극이 일렉트릿으로부터 노출하고 있는 구조(도 1의 종래예를 참조)와 같은 현상이 일어나고 있다고 생각된다. 그래서, 종래예의 경우의 표면 전위를 도 10상에 플롯한 바(3각표시), 샘플 기판의 실측치와 거의 일치하였다. 마찬가지로, 하지전극이 일렉트릿으로 피복되어 있는 구조(본 실시 형태)에 대해서도, 그 표면 전위를 도 10상에 플롯하였다(둥근표시). 도 10에 의하면, 샘플 기판에 있어서, 하지전극이 일렉트릿으로 피복되어 있는 구조의 경우와 같은 표면 전위에 상당하는 일렉트릿의 측정 폭은 1.8㎜가 된다. 이것은 일렉트릿의 편측 반분에 상당한다고 생각되기 때문에, 본 실시 형태의 구조는, 일렉트릿의 폭이 3.6㎜의 샘플 기판에 상당하게 된다. 따라서 일렉트릿(28)의 폭이 3.6㎜ 이하의 경우라면, 본 실시 형태에 의한 표면 전위 향상 효과를 발휘할 수 있다고 생각된다.
다음에, 에너지 변환 소자(21)의 케이싱(24)의 구조와 에너지 변환 소자(21)의 조립 공정을 설명한다. 도 12는, 케이싱(24)의 구체적인 구조를 도시하는 분해 사시도이다. 케이싱(24)은, 베이스 블록(45)과 케이스 커버(47)로 이루어진다. 베이스 블록(45)에는, 고정 기판(22)나 가동 기판(23)을 수납하기 위한 공간이 형성되어 있고, 하면에는 복수개의 리드(46)가 돌출하고 있다. 고정 기판(22)은, 베이스 블록(45) 내의 저면에 설치되고, 리드(46)와 전기적으로 접속된다. 또한, 가동 기판(23)은 고정 기판(22)과 일정한 간격을 사이에 두고 베이스 블록(45) 내에 활주 자유롭게 수납되고, 리드(46)와 전기적으로 접속된다. 베이스 블록(45)의 윗면은, 케이스 커버(47)에 의해 막혀진다.
이와 같은 구조의 에너지 변환 소자(21)는, 이하와 같이 하여 조립된다. 우선, 윗면에 베이스 전극(27)이나 일렉트릿(28) 등이 형성된 고정 기판(22)에 코로나 방전에 의해 하전 처리를 행하여, 일렉트릿(28)에 전하를 주입한다. 그리고, 일렉트릿(28) 등의 위에 절연 피막(31)을 형성한다.
또한, 하면에 대향 전극(32)나 절연 피막(33)이 형성된 가동 기판(23)에 프레임(49)을 부착하고, 프레임(49)에 마련된 스프링 고정부(25)에 스프링(26)을 부착한다.
계속해서, 리드(46)가 일체 성형된 베이스 블록(45) 내에 고정 기판(22)을 수납하고, 그 저면에 고정 기판(22)을 접착한다. 그리고, 고정 기판(22)의 신호 취출용 패드와 리드(46)를 Au선에 의해 와이어 본딩한다. 고정 기판(22)을 베이스 블록(45)에 고정하여 마치면, 고정 기판(22)의 위에 갭 유지용 부품(도시 생략)을 부착하고, 갭 유지용 부품에 의해 갭 조정을 행한다.
가동 기판(23)을 베이스 블록(45) 내에 수납한다. 가동 기판(23)은, 고정 기판(22)과 소정의 갭을 확보한 상태에서 슬라이드 자유롭게 지지되고, 스프링(26)의 단이 베이스 블록(45)의 내면에 고정된다. 또한, 가동 기판(23)의 신호 취출용 패드를 리드(46)에 접속한다.
최후로, 베이스 블록(45)의 윗면에 케이스 커버(47)를 겹쳐서 접착한다.
(제 1의 실시 형태의 변형예)
도 13은 실시 형태 1의 1변형예에서의 가동 기판(23)을 도시하는 개략 정면도이다. 이 변형예에서는, 대향 전극(32)이 형성된 영역에만 절연 피막(33)을 형성하고 있다. 이 경우도, 절연성 무기 재료를 스퍼터법이나 CVD법으로 성막하거나, 절연성 유기 재료를 코팅 또는 전착시키거나 하여, 절연 피막(33)을 형성한다.
또한, 도 14는 실시 형태 1의 다른 변형예에서의 고정 기판(22)을 도시하는 개략 정면도이다. 이 변형예에서는, 가드 전극(29)이 형성된 영역에만 절연 피막(33)을 형성하고 있다. 도 14와 같은 구조의 고정 기판(22)은, 도 13과 같은 가동 기판(23)과 조합시킴에 의해 양호한 절연 내압을 얻을 수 있다. 또는, 도 14와 같은 구조의 고정 기판(22)은, 실시 형태 1의 가동 기판(23)과 같이 패드 영역 이외의 영역의 전체에 절연 피막이 형성된 가동 기판(23)과 조립하여도 양호한 절연 내압을 얻을 수 있다.
(제 2의 실시 형태)
도 15는 본 발명의 실시 형태 2에 의한 에너지 변환 소자(51)의 구조를 도시하는 개략 정면도이다. 이 실시 형태는, 베이스 전극(27) 및 일렉트릿(28)을, 고정 기판(22)의 홈(52) 내에 매입한 점을 특징으로 하고 있고, 그 밖의 점에 관해서는 실시 형태 1과 같은 구성을 갖고 있다.
이 에너지 변환 소자(51)에서는, 고정 기판(22)의 윗면에 복수개의 평행한 홈(52)을 요설하고 있다. 홈(52)의 길이 방향에 수직한 단면은, 저면이 거의 평탄면으로 되어 있고, 양측면부터 내측 코너부에 걸쳐서 만곡하고 있고 거의 주발형상으로 되어 있다. 각 홈(52)의 저면에는, 홈(52)의 길이 방향에 따라 가늘고 긴형상의 베이스 전극(27)을 마련하고 있고, 또한 홈(52) 내에 일렉트릿(28)을 메움에 의해, 베이스 전극(27)을 일렉트릿(28)으로 덮고 있다.
이와 같은 실시 형태에 의하면, 고정 기판(22)에 형성된 홈(52)의 저면에 베이스 전극(27)을 마련한 후, 홈(52) 내에 일렉트릿(28)을 충전함으로써 확실하게 베이스 전극(27)을 일렉트릿(28)으로 덮을 수 있고, 일렉트릿(28)의 위치 어긋남에 의해 베이스 전극(27)의 테두리가 일렉트릿(28)으로부터 노출하거나 할 우려가 작다.
또한, 홈(52)의 단면이 사각형 형상이면, 홈(52)의 내측 코너부에 일렉트릿(28)이 충전되기 어렵고, 내측 코너부에 기포가 발생할 우려가 있다. 그 때문에, 이 실시 형태에서는, 홈(52)의 단면 형상을 주발형상으로 형성하여 내측 코너부가 생기기 어려운 형상으로 하고 있고, 일렉트릿(28) 내에 기포가 발생하기 어렵게 하고 있다.
(제 2의 실시 형태의 변형예)
도 16 내지 도 19는, 각각 실시 형태 2의 변형예를 도시한다. 도 16에 도시하는 변형예에서는, 홈(52)의 길이 방향에 수직한 단면을 거의 사각형 형상으로 하고, 홈(52)의 내측 코너부(도 16의 a부)와 그 개구부의 테두리(도 16의 b부)를 만곡시키고 있다. 도 17의 변형예에서는, 홈(52)의 길이 방향에 수직한 단면을 거의 사각형 형상으로 하고, 수직한 양측면의 하단부에 위치하는 내측 코너부(도 17의 a부)만을 만곡시켜서 내측 코너부가 만곡한 사각형 형상으로 하고 있다. 도 18의 변형예에서는, 홈(52)의 단면을 저면보다도 개구부가 넓어진 역사다리꼴 모양으로 형성하고 있다. 또한, 도 18의 변형예에서도, 홈(52)의 내측 코너부나 그 개구부의 테두리를 만곡시켜도 좋다. 도 19의 변형예에서는, 홈(52)을 V홈 형상(삼각형 형상)으로 형성하고 있고, 그에 응하여 베이스 전극(27)도 단면 V자 형상으로 형성하고 있다. 이들 도 16 내지 도 19의 변형예도, 각각 일렉트릿(28) 내에 기포가 혼입되기 어렵게 하기 위한 궁리이다.
(홈 가공의 방법)
다음에, 실시 형태 2 또는 그 변형예에 있어서, 고정 기판(22)에 홈(52)을 형성하는 방법을 도 20 내지 도 22에 의해 설명한다. 도 20(a) (b)는 고정 기판(22)으로서 유리 기판을 이용한 경우이다. 이 경우에는, 도 20(a)와 같이 마스크(53)에 의해 고정 기판(22)의 홈형성 영역 이외의 면을 덮어 두고, 마스크(53)의 개구를 통하여 고정 기판(22)을 드라이 에칭 또는 웨트 에칭함으로써, 도 20(b)와 같이 고정 기판(22)에 홈(52)을 형성한다. 또한, 홈형성 영역에 따라 레이저광을 주사함으로써 홈(52)을 형성하는 레이저 가공 방법을 이용하여도 좋다.
도 21(a) 내지 (c)는 유리 기판(54)과 수지(55)에 의해 고정 기판(22)을 구성하는 경우이다. 이 경우에는, 도 21(a)에 도시하는 바와 같이, 평판형상의 유리 기판(54)의 위에 용융 상태의 자외선 경화형 수지(55)를 적하한 후, 도 21(b)와 같이 하면에 돌조부(57)가 형성된 스탬퍼(56)(금형)로 수지(55)를 가압하여, 스탬퍼(56)와 유리 기판(54)의 사이에 수지(55)를 펴서 넓힌다. 계속해서, 유리 기판(54)을 통하여 수지(55)에 자외광을 조사하여 수지(55)를 광경화시킨다. 이 후, 경화한 수지(55)로부터 스탬퍼(56)를 박리시키면, 유리 기판(54)과 경화한 수지(55)에 의해 고정 기판(22)이 형성됨과 함께 고정 기판(22)의 윗면에 홈(52)이 형성된다.
도 22(a) (b)는 고정 기판(22)으로서 Si 기판을 이용하는 경우이다. 이 경우에는, 도 22(a)와 같이 마스크(53)에 의해 고정 기판(22)의 홈형성 영역 이외의 면을 덮어 두고, 마스크(53)의 개구를 통하여 고정 기판(22)을 이방성 에칭 또는 등방성 에칭함으로써, 고정 기판(22)의 윗면에 홈(52)을 형성한다. 계속해서, 도 22(b)와 같이, 고정 기판(22)의 윗면에 SiO2막이나 SiN막, SiON막 등의 절연막(58)을 형성하여 절연 처리를 행한다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 일렉트릿을 갖지 않는 기판을 진동에 의해 움직이도록 했지만, 일렉트릿을 갖는 기판이 진동에 의해 움직이도록 하여도 좋다. 또한, 한쪽의 기판에서는 일부 영역(예를 들면, 1/2의 영역)에서만 전극에 일렉트릿을 마련하고, 다른쪽의 기판에서는 상기 영역에 대향하는 영역 이외의 영역(예를 들면, 나머지 1/2의 영역)에서만 전극에 일렉트릿을 마련하여도 좋다.
21 : 에너지 변환 소자
22 : 고정 기판
23 : 가동 기판
27 : 베이스 전극
28 : 일렉트릿
29 : 가드 전극
30 : 신호 취출용 패드
31 : 절연 피막
32 : 대향 전극
33 : 절연 피막
34 : 신호 취출용 패드
52 : 홈
w : 베이스 전극의 폭
W : 일렉트릿의 폭

Claims (14)

  1. 소정의 간격을 사이에 두고 대향하며, 또한 서로 상대적으로 이동 가능하게 된 제 1의 기판과 제 2의 기판을 구비하고,
    상기 제 1의 기판과 상기 제 2의 기판의 서로 대향하는 면에, 각각 적어도 하나의 도전성 부재가 형성되고,
    상기 도전성 부재는 어느 것도 복수개의 전극과 전극 패드를 가지며,
    상기 도전성 부재중 적어도 하나의 도전성 부재에는, 각 전극에 대응하여 일렉트릿이 형성되어 있고,
    상기 일렉트릿은, 각 전극의 표면 중 기판에 고정되어 있는 전극 표면에 대하는 반대측의 전극 표면을 덮음과 함께, 각 전극의 외주면을 5㎛ 이상의 피복두께로 덮고 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 일렉트릿이 형성된 전극의 외주면이, 10㎛ 이상의 피복두께로 일렉트릿에 의해 덮여져 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 기판과 상기 제 2의 기판중 적어도 한쪽의 기판은, 서로 평행하게 요설된 복수개의 홈을 가지며, 당해 홈 내에 상기 전극이 배설되고, 당해 홈 내에 상기 일렉트릿을 매설함과 함께 일렉트릿에 의해 상기 홈 내의 전극을 덮은 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 홈은, 그 길이 방향에 수직한 단면이, 내측 코너부가 만곡한 사각형 형상인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 홈은, 그 길이 방향에 수직한 단면이, 저면의 폭보다도 개구부의 폭이 넓게 된 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 홈은, 그 길이 방향에 수직한 단면이, 개구측으로 넓게 된 삼각형 형상인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 홈을 갖는 기판은, 유리 기판, 반도체 기판 또는 수지 기판으로 이루어지고,
    상기 홈은, 당해 기판에 드라이 에칭을 이용하여 요설되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 홈을 갖는 기판 또는 당해 기판의 일부가 수지 재료에 의해 형성되어 있고,
    상기 홈은, 상기 수지 재료를 성형할 때에 전사 기술을 이용하여 요설되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 홈을 갖는 기판은, Si 기판으로 이루어지고,
    상기 홈은, 당해 기판에 이방성 에칭을 이용하여 요설되어 있고,
    상기 홈의 표면에는, SiO2, SiN, 또는 SiON으로 이루어지는 절연막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 기판과 상기 제 2의 기판중 적어도 한쪽의 기판의 대향면에서는, 상기 도전성 부재의, 상기 전극 패드가 형성된 영역을 제외한 영역 전체가 절연 피막으로 덮이여 있는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 일렉트릿으로 덮여 있지 않은 전극만을 절연 피막으로 덮은 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  12. 제 1항에 있어서,
    인접하는 상기 일렉트릿 사이에 가드 전극을 마련하고,
    상기 제 1의 기판과 상기 제 2의 기판중 적어도 한쪽의 기판에서는, 상기 일렉트릿으로 덮여 있지 않은 전극과 상기 가드 전극만을 절연 피막으로 덮은 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  13. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연 피막은, 절연성 고분자 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
  14. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연 피막은, SiO2, SiN, SrTiO3, SiON, TiO2 등의 절연성 무기 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 소자.
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