JP4871642B2

JP4871642B2 - 静電誘導型変換素子

Info

Publication number: JP4871642B2
Application number: JP2006140889A
Authority: JP
Inventors: 雄二鈴木; 伸英笠木; 匠堤野; 行功鶴見; 好彦坂根
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC; AGC Inc
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-05-19
Also published as: JP2007312551A

Description

本発明は、電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子の改良に関する。

従来より、絶縁材料に電荷を注入したエレクトレットを使用した発電装置、マイクロフォン等が提案されている。このような、エレクトレットを使用した装置においては、電気エネルギと運動エネルギとの変換効率が高いことが知られている。例えば、下記特許文献１にも、エレクトレットを使用した静電アクチュエータの例が開示されている。図６（Ａ）、（Ｂ）には、この静電アクチュエータの構成例が示される。
特開２００５−２２９７０７号公報

しかし、上記従来の技術である図６（Ａ）に示される形状では、片側のエレクトレットが駆動電極に対して一様に形成されているので、発電器やセンサに適用することができない。ただし、図６（Ｂ）に示される形状において、駆動電極を電荷が誘導される発電電極と考えれば発電器となりえる。しかし、この図から半ピッチずれた位置で可動子のエレクトレットと駆動電極が引き合うため、可動子と固定基板が密着するという問題がある。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、基板が互いに相対運動する際に、互いの距離を適正に維持することができる静電誘導型変換素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子であって、互いに対向し、対向面に平行な方向に相対運動する基板と、前記基板の各対向面に混在して形成されたエレクトレット及び導体と、を備え、前記エレクトレットと導体とは、前記エレクトレットと導体とが対向して発生する吸引力と、前記エレクトレット同士が対向して発生する反発力とが略釣り合うように配置されており、前記対向する二つの基板の一方の全面積のうち前記エレクトレットと前記導体が占める面積割合をそれぞれｘ、ｙとし、他方の基板の全面積のうち前記エレクトレットと前記導体が占める面積割合をそれぞれｚ、ｗとしたときに、
ｘｚ＝ｘｗ＋ｙｚ、ただしｘ＋ｙ＝１、ｚ＋ｗ＝１、０．５＜ｘ＜１．０、０．５＜ｚ＜１．０
が成立していることを特徴とする。

また、上記静電誘導型変換素子において、前記基板の少なくとも一方で、前記エレクトレットと導体の各総面積が異なった値であることを特徴とする。

また、上記静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットと導体とは、細片状に形成されていることを特徴とする。

また、上記静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットと導体とは、碁盤格子状に配置されていることを特徴とする。

また、上記静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットは、ＰＴＦＥ（ポロテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（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）、ＰＦＡ（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、酸化珪素、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体または溶剤可溶性の含フッ素樹脂により構成されていることを特徴とする。

また、上記静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成されていることを特徴とする。

また、上記静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が１個以下含まれることを特徴とする。

上記各構成によれば、基板が互いに相対運動する際に、摩擦が無く、且つ互いの距離を適正に維持することができる静電誘導型変換素子を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１（ａ）、（ｂ）には、本発明にかかる静電誘導型変換素子の構成例の断面図が示される。図１（ａ）、（ｂ）において、静電誘導型変換素子は、２つの基板１０、１２が互いに対向して配置されており、各基板１０、１２の対向面上には、エレクトレット１４と導体１６とが混在して形成されている。また、上記基板１０、１２は、対向面に平行な方向（図の矢印Ａ、Ｂ方向）に相対運動するように構成されている。なお、基板１０、１２を相対運動させる機構は従来公知の方法により適宜構成できるので、図示及び説明は省略する。

上記エレクトレット１４は、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されている。この電荷の注入には、液体接触、コロナ放電、電子ビーム、バック・ライテッド・サイラトロン等公知の方法を用いることができる。また、エレクトレット１４は、基板１０、１２の相対運動に伴い導体１６に対して相対的に運動し、導体１６に静電誘導による起電力を発生させる。

基板１０、１２に形成された導体１６は、上記エレクトレット１４との相対運動により静電誘導される起電力の位相が同じもの同士で接続され、それぞれ端子１８、２０から誘導起電力を取り出せるように構成されている。これにより、運動エネルギを電気エネルギに変換して取り出すことができる。このような構成により、本発明の静電誘導型変換素子を発電機またはセンサとして機能させることができる。センサとしての応用例としては、マイクロフォン、圧力センサ、加速度センサ、地震計等がある。また、導体１６に電源を接続すると、電気エネルギにより基板１０、１２を図１（ａ）、（ｂ）の矢印Ａ及びＢの方向に運動させることができる。この場合には、本発明の静電誘導型変換素子がアクチュエータとして機能する。

本実施形態において特徴的な点は、上記エレクトレット１４と導体１６とが、エレクトレット１４と導体１６とが対向して発生する吸引力と、エレクトレット１４同士が対向して発生する反発力とが略釣り合うように配置されている点にある。

すなわち、エレクトレット１４の表面には同じ極性の電荷が注入されているので、エレクトレット１４同士が対向した場合には反発力が生じ、エレクトレット１４と導体１６とが対向した場合には吸引力が生じる。そこで、エレクトレット１４と導体１６とが対向する総面積とエレクトレット１４同士が対向する総面積とを調整することにより、上記吸引力と反発力とを釣り合わせることができる。なお、導体１６同士では、反発力及び吸引力は生じないので、上記釣り合いには関与しない。

図１（ａ）に示された例において、基板１０、１２で全面積のうちエレクトレット１４が占める面積割合をそれぞれｘ（基板１０）、ｚ（基板１２）とし、導体１６が占める面積割合をそれぞれｙ（基板１０）、ｗ（基板１２）とすると、エレクトレット１４と導体１６との間の吸引力と、エレクトレット１４同士の間の反発力が等しくなるときに上記釣り合いの状態になるが、このとき基板１０、１２の相対する面において、
ｘｚ＝ｘｗ＋ｙｚただし、ｘ＋ｙ＝１、ｚ＋ｗ＝１
が成り立つ。この式からｙとｗを消去すると、
ｘ＝ｚ／（３ｚ−１）
となる。

ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１の両方を満たさなければならないことを考慮すると、０．５＜ｘ＜１、０．５＜ｚ＜１となる。例えばｘ＝ｚとすると、ｘ＝ｚ＝２／３となる。従って、基板１０、１２の少なくとも一方でエレクトレット１４と導体１６の面積が等分でない、すなわち異なった値となることが分かる。

図１（ａ）では、基板１０側でエレクトレット１４が８個、導体１６が４個となっており、エレクトレット１４と導体１６の面積が異なった値となっている。

次に、図１（ａ）の状態から基板１０を矢印Ａの方向に移動させ、図１（ｂ）の状態にした場合には、基板１０、１２が重なり合った部分において、基板１０側でエレクトレット１４が７個、導体１６が４個となっており、基板１２側でエレクトレット１４が５個、導体１６が６個となっている。従って、２つの基板１０、１２においてエレクトレット１４と導体１６の面積が異なった値となっている。

以上のような構成によれば、基板１０と基板１２との間の反発力と吸引力とを略釣り合わせることができ、基板１０、１２間の距離を適正に維持することができる。なお、基板１０と基板１２との間は、空気等のガス、液体または真空状態とすることができ、基板１０、１２間の摩擦を無くして相対運動を容易に行わせることができる。

図２（ａ）、（ｂ）には、エレクトレット１４と導体１６との配置例が示される。図２（ａ）は、基板１０上における配置例であり、図２（ｂ）は、基板１２上における配置例であって、それぞれエレクトレット１４と導体１６とが形成された面の側の平面図である。

図２（ａ）、（ｂ）において、エレクトレット１４と導体１６とは細片状（長方形の薄板状）に形成されており、導体１６には斜線を付してエレクトレット１４と区別している。図２（ａ）に示された基板１０では、エレクトレット１４が８個、導体１６が４個形成されている。また、図２（ｂ）に示された基板１２では、エレクトレット１４と導体１６とが交互に６個ずつ形成されている。本実施形態にかかる静電誘導型変換素子は、図２（ａ）に示された基板１０を、図の上下方向に裏返して図２（ｂ）に示された基板１２に対向させる。これにより、図１（ａ）に示された静電誘導型変換素子が構成される。

図３（ａ）、（ｂ）には、エレクトレット１４と導体１６との他の配置例が示される。図３（ａ）は、基板１０上における配置例であり、図３（ｂ）は、基板１２上における配置例であって、それぞれエレクトレット１４と導体１６とが形成された面の側の平面図である。

図３（ａ）、（ｂ）において、エレクトレット１４と導体１６とは正方形状に形成され、ており、碁盤格子状に配置されている。また、本実施形態においても、導体１６に斜線を付してエレクトレット１４と区別している。図３（ａ）に示された基板１０では、エレクトレット１４が２４個、導体１６が１２個形成されている。また、図３（ｂ）に示された基板１２では、エレクトレット１４と導体１６とが市松模様状に１８個ずつ形成されている。

本実施形態にかかる静電誘導型変換素子は、図３（ａ）に示された基板１０を、図の上下方向または左右方向に裏返して図３（ｂ）に示された基板１２に対向させる。これにより、エレクトレット１４と導体１６とが対向する組合せが１８組、エレクトレット１４同士が対向する組合せが１２組となる。なお、導体１６同士が対向し、吸引力も反発力も生じない組合せは６組となる。

以上の図２（ａ）、（ｂ）及び図３（ａ）、（ｂ）に示された配置例によれば、エレクトレット１４と導体１６との吸引力と、エレクトレット１４同士の反発力とを略釣り合わせることができる。

図４には、エレクトレット１４と導体１６とのさらに他の配置例が示される。図４において、基板１０、１２を複数の領域（I、II、III…）に分けた場合に、エレクトレット１４と導体１６との組み合わせとエレクトレット１４同士の組み合わせと導体１６同士の組み合わせとがそれぞれ異なる比率となる領域を分布させて、吸引力と反発力とを釣り合わせている。図４の例では、領域Iでエレクトレット１４同士の反発の状態を形成し、領域IIでエレクトレット１４と導体１６との吸引の状態を形成し、以後反発力を生じる領域と吸引力を生じる領域を交互に形成している。

図５には、本発明にかかる静電誘導型変換素子の応用例が示される。図５において、基板１０は、ばね２４を介して筐体２２に接続され、基板１２に対して相対的に振動できるように構成されている。

以上のような構成によれば、筐体２２が振動した場合に、基板１０が基板１２に対して相対的に運動することになる。このときに発生する誘導起電力を図１（ａ）、（ｂ）に示された端子１８、２０から取り出すように構成すれば、図５の装置を発電器あるいは振動計として使用することができる。

以上に述べたエレクトレット１４を形成する絶縁材料としては、例えばＰＴＦＥ（ポロテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（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）、ＰＦＡ（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、酸化珪素、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体または溶剤可溶性の含フッ素樹脂を使用することができる。

ここで、上記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体としては、２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体、が好適である。

主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有するとは、脂肪族環を構成する炭素原子の１以上が主鎖を構成する炭素連鎖中の炭素原子であり、かつ脂肪族環を構成する炭素原子の少なくとも一部にフッ素原子またはフッ素含有基が結合している構造を有することを意味する。なお、含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が１個含まれていてもよい。

２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、特開昭６３−２３８１１１号公報や特開昭６３−２３８１１５号公報、ＵＳＰ６，９３６，６６８Ｂ２等により知られている。すなわち、パーフルオロ（アリルビニルエーテル）やパーフルオロ（ブテニルビニルエーテル）等の２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーの環化重合体、または２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーとテトラフルオロエチレン等のラジカル重合性モノマーとの共重合体が挙げられる。または、パーフルオロ（２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール）等の含フッ素脂肪族環構造を有するモノマーとパーフルオロ（アリルビニルエーテル）やパーフルオロ（ブテニルビニルエーテル）等の２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを共重合して得られる重合体でもよい。

また、上記溶剤可溶性の含フッ素樹脂としては、例えばフッ素化ペリレン、フッ素化ポリイミド、フッ素化ベンゾオキサザールを使用することができる。

なお、上述したような含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用して、スピンコート等の方法によりエレクトレット１４を形成すると、エレクトレット１４の厚さを１０μｍ以上とすることができる。エレクトレット１４を使用した静電誘導型変換素子の最大発電出力は、以下の式で表される。

ここで、σはエレクトレット１４の表面電荷密度、ｎは極数すなわちエレクトレット１４の数、Ａは導体１６の面積、ｆは導体１６の往復運動の周波数、ｄはエレクトレット１４の厚さ、ｇはエレクトレット１４と導体１６との距離、εは比誘電率である。

上記式からわかるように、エレクトレット１４の厚さｄが大きいほど発電出力も大きくなる。従来使用されていた材料では、エレクトレット１４の厚さｄは数〜１０μｍ程度にしかできなかったが、上記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用する場合には、上述したように、エレクトレット１４の厚さｄを１０μｍ以上とすることができ、静電誘導型変換素子の最大発電出力を増大することができる。

上記の主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、旭硝子株式会社より「ＣＹＴＯＰ（登録商標）」の商品名で市販されており、本発明ではこのような公知の含フッ素重合体を使用することができる。なお、このＣＹＴＯＰ（登録商標）の絶縁破壊強度は、１１ｋＶ／０．１ｍｍであり、例えば従来使用されていた材料であるテフロン（登録商標）ＡＦの絶縁破壊強度５ｋＶ／０．１ｍｍより高くなっている。絶縁破壊強度を高くできると、エレクトレット１４への電荷注入量を増加でき、静電誘導型変換素子の最大発電出力をさらに増大することができる。この結果、発電機の発電量やセンサの感度を向上させることができる。

本発明にかかる静電誘導型変換素子の構成例の断面図である。エレクトレットと導体との配置例を示す図である。エレクトレットと導体との他の配置例を示す図である。エレクトレットと導体とのさらに他の配置例を示す図である。本発明にかかる静電誘導型変換素子の応用例を示す図である。従来における静電アクチュエータの構成例を示す図である。

符号の説明

１０、１２基板、１４エレクトレット、１６導体、１８、２０端子、２２筐体、２４ばね。

Claims

電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子であって、
互いに対向し、対向面に平行な方向に相対運動する基板と、
前記基板の各対向面に混在して形成されたエレクトレット及び導体と、
を備え、前記エレクトレットと導体とは、前記エレクトレットと導体とが対向して発生する吸引力と、前記エレクトレット同士が対向して発生する反発力とが略釣り合うように配置されており、前記対向する二つの基板の一方の全面積のうち前記エレクトレットと前記導体が占める面積割合をそれぞれｘ、ｙとし、他方の基板の全面積のうち前記エレクトレットと前記導体が占める面積割合をそれぞれｚ、ｗとしたときに、
ｘｚ＝ｘｗ＋ｙｚ、ただしｘ＋ｙ＝１、ｚ＋ｗ＝１、０．５＜ｘ＜１．０、０．５＜ｚ＜１．０
が成立していることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項１記載の静電誘導型変換素子において、前記基板の少なくとも一方で、前記エレクトレットと導体の各総面積が異なった値であることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項１または請求項２記載の静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットと導体とは、細片状に形成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項１または請求項２記載の静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットと導体とは、碁盤格子状に配置されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項１から請求項４のいずれか一項記載の静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットは、ＰＴＦＥ（ポロテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（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）、ＰＦＡ（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、酸化珪素、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体または溶剤可溶性の含フッ素樹脂により構成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項５記載の静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、２つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
請求項６記載の静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が１個以下含まれることを特徴とする静電誘導型変換素子。