(57)【要約】【課題】エレクトレットを利用して運動エネルギを発電エネルギに変換する静電誘導式発電デバイスの発電効率を向上する。【解決手段】導電体１１上にエレクトレット電極１２を設けたエレクトレット電極部１０の周縁部上に、外周支持部２１に対向電極２２を梁２３により移動可能に支持する構成の対向電極部２０の外周支持部２１を、絶縁スペーサ２を介して接合し、対向電極部２０の外周支持部２１上に、絶縁材料からなる蓋部材３を接合して真空状態の空間部４を形成し、エレクトレット電極１２と対向電極２２を真空の空間部４内に対向配置する構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレクトレット電極を設けたエレクトレット電極部と、前記エレクトレット電極と対向する対向電極を設けた対向電極部とを備え、前記エレクトレット電極と前記対向電極との相対運動により振動エネルギを発電エネルギに変換する静電誘導式発電デバイスであって、
前記エレクトレット電極と前記対向電極とを真空の空間部内に対向配置する構成としたことを特徴とする静電誘導式発電デバイス。
【請求項２】
前記エレクトレット電極を、アルカリガラスで形成したことを特徴とする請求項１に記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項３】
前記エレクトレット電極を、前記対向電極の形状パターンに対応した形状パターンのアルカリイオン欠乏領域を有する平板形状に形成したことを特徴とする請求項２に記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項４】
前記エレクトレット電極部と前記対向電極部のどちらか一方を電極が可動できる可動電極部とし他方を電極が固定された固定電極部とし、前記固定電極部の周縁部上に、絶縁スペーサを介して前記可動電極部を接合し、前記可動電極部の周縁部上に蓋部材を接合し、両電極部と前記絶縁スペーサと前記蓋部材とで前記真空空間部を形成してデバイスのユニットを構成した請求項１〜３のいずれか１つに記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項５】
前記蓋部材を、固定電極を有する別の固定電極部で構成し、該別の固定電極部を枠状の絶縁スペーサを介して前記可動電極部の周縁部上に接合し、前記可動電極部の可動電極両側に固定電極を配置する構成とした請求項４に記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項６】
前記ユニットを複数積層することを特徴とする請求項４又は５に記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項７】
前記積層構造において、下側ユニットの可動電極部周縁部に、絶縁スペーサを介して上側ユニットの固定電極部を接合し、当該固定電極部を下側ユニットの蓋部材として使用する構成とした請求項６に記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項８】
前記ユニットを複数横方向に配置することを特徴とする請求項４又は５に記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項９】
横方向に配置した複数のユニットの前記固定電極部、前記絶縁スペーサ、前記可動電極部及び前記蓋部材を一体形成する構成とした請求項８に記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項１０】
前記ユニットの下面側に、前記固定電極と可動電極のそれぞれに電気的に接続する各電極端子部を互いに電気的に絶縁して配置する構成とした請求項４〜９のいずれか１つに記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項１１】
エレクトレット電極を設けたエレクトレット電極部と、前記エレクトレット電極と対向する対向電極を設けた対向電極部とを備え、前記エレクトレット電極と前記対向電極との相対運動により振動エネルギを発電エネルギに変換する静電誘導式発電デバイスであって、
前記エレクトレット電極をアルカリガラスで形成したことを特徴とする静電誘導式発電デバイス。
【請求項１２】
前記エレクトレット電極を、前記対向電極の形状パターンに対応した形状パターンのアルカリイオン欠乏領域を有する平板形状に形成したことを特徴とする請求項１１に記載の静電誘導式発電デバイス。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の静電誘導式発電デバイスにおいて、
前記アルカリガラスの一方の面に導電体を設け、前記アルカリガラスの他方の面にカソード電極を設け、前記アルカリガラスのガラス転移点未満の加熱温度で前記カソード電極と前記導電体間に約５００Ｖ〜約１０００Ｖの電圧を印加して前記アルカリガラスの導電体側にアルカリイオン欠乏領域を形成し、アルカリガラスを研磨して前記アルカリイオン欠乏領域を露出させ、前記導電体上に前記エレクトレット電極を形成することを特徴とする静電誘導式発電デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記加熱温度を、アルカリガラスの歪点以下とする請求項１３に記載の静電誘導式発電デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動エネルギを電気エネルギに変換する静電誘導式発電デバイスに関し、特に、その発電効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の静電誘導式発電デバイスとして、絶縁材料に電荷を注入したエレクトレットを利用したものがある（例えば、特許文献１、２参照）。エレクトレットを用いた静電誘導式発電デバイスは、導体上にエレクトレット電極を設けたエレクトレット電極部と、エレクトレット電極に対向させた対向電極を有する対向電極部とを有し、エレクトレット電極と対向電極のどちらか一方を他方に対して振動させる。これにより、エレクトレット電極に注入された電荷により対向電極に正電荷が静電誘導され、振動する電極側の振動周波数に応じた電気エネルギが発生し、両電極部間に電気的負荷を接続すれば、その電気的負荷に電流が流れる。従って、かかる静電誘導式発電デバイスは、例えば、人間の運動エネルギや車両の振動エネルギを利用して電気エネルギを発生させることができる。本デバイスは発電デバイスのみならず、加速度センサ、感震器等の各種センサにも応用できる。
【特許文献１】特開２００６−１８０４５０号公報
【特許文献２】特開昭５８−６１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、この種の静電誘導式発電デバイスの実用化に際しては、発電効率の高いデバイスが望まれている。しかしながら、上述した従来の静電誘導式発電デバイスでは、可動側の電極周囲に存在する空気がその電極の振動を妨げ（ダンピング作用）、発電効率を低下させる要因になっている。この空気によるダンピング作用の発電効率への悪影響は、特に、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用してデバイスの小型化を図ろうとしたときに無視できないという問題がある。
【０００４】
また、この種の静電誘導式発電デバイスの発電効率を向上させるためには、エレクトレットの電荷密度を高めることが望ましく、従来のエレクトレットより高い電荷密度が得られるエレクトレットが望まれている。
【０００５】
更に、従来のエレクトレットの製造方法としては、上述の特許文献２に記載された電子線照射エレクトレット法や熱エレクトレット法が用いられる。しかし、前者の方法は、外部から電荷を注入するので、経時安定性、熱安定性に乏しいという問題があり、後者の方法は、ガラス転移点より高い温度で処理するため、製造のスループットが悪かったり、材料が変形し微細な加工に適さなかったり等の問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、デバイス構造の改良やエレクトレット材料を変更することで、従来よりも高い発電効率が得られる静電誘導式発電デバイスを提供することを目的とする。また、このような高い発電効率が得られる静電誘導式発電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、請求項１に記載の第１発明は、エレクトレット電極を設けたエレクトレット電極部と、前記エレクトレット電極と対向する対向電極を設けた対向電極部とを備え、前記エレクトレット電極と前記対向電極との相対運動により振動エネルギを発電エネルギに変換する静電誘導式発電デバイスであって、前記エレクトレット電極と前記対向電極とを真空の空間部内に対向配置する構成とした。
【０００８】
かかる構成では、エレクトレット電極と対向電極とを真空の空間部内に対向配置したことで、可動する電極に対する空気によるダンピング作用をなくすことができるようになり、発電効率を高められるようになる。
【０００９】
請求項２のように、前記エレクトレット電極を、アルカリガラスで形成するとよい。
かかる構成では、高い電荷密度を有するエレクトレット電極を形成することができるので、発電効率をより一層高められるようになる。
【００１０】
請求項３のように、前記エレクトレット電極を、前記対向電極の形状パターンに対応した形状パターンのアルカリイオン欠乏領域を有する平板形状に形成するとよい。
かかる構成では、例えばストライプ形状の場合に比べて、放電が発生し易い電極のエッジ部分を少なくでき、異常放電が発生し難くなる。
【００１１】
請求項４のように、前記エレクトレット電極部と前記対向電極部のどちらか一方を電極が可動できる可動電極部とし他方を電極が固定された固定電極部とし、前記固定電極部の周縁部上に、絶縁スペーサを介して前記可動電極部を接合し、前記可動電極部の周縁部上に蓋部材を接合し、両電極部と前記絶縁スペーサと前記蓋部材とで前記真空空間部を形成してデバイスのユニットを構成するとよい。
【００１２】
請求項５のように、前記蓋部材を、固定電極を有する別の固定電極部で構成し、該別の固定電極部を枠状の絶縁スペーサを介して前記可動電極部の周縁部上に接合し、前記可動電極部の可動電極両側に固定電極を配置する構成とするとよい。
かかる構成では、固定電極の面積が２倍となり発電量が略２倍にできる。また、上下方向に対称な構造とすれば、デバイスユニットにおける上下方向の反り等の変形を抑制できる。更には、可動電極の両側に発生する静電吸引力が等価となり、異常放電を抑制しつつ可動電極と固定電極間の距離をより近接させることができる。
【００１３】
請求項６のように、前記ユニットを複数積層する構成とするよい。
かかる構成では、発電電力を増加できるようになる。
【００１４】
請求項７のように、前記積層構造において、下側ユニットの可動電極部周縁部に、絶縁スペーサを介して上側ユニットの固定電極部を接合し、当該固定電極部を下側ユニットの蓋部材として使用する構成とするとよい。
かかる構成では、部品点数を削減できるようになる。
【００１５】
請求項８のように、前記ユニットを複数横方向に配置する構成としてもよい。この場合、請求項９のように、横方向に配置した複数のユニットの前記固定電極部、前記絶縁スペーサ、前記可動電極部及び前記蓋部材を一体形成する構成とするとよい。
【００１６】
請求項１０のように、前記ユニットの下面側に、前記固定電極と可動電極のそれぞれに電気的に接続する各電極端子部を互いに電気的に絶縁して配置する構成とするとよい。
かかる構成では、フリップチップ実装が可能になり、本発明の静電誘導式発電デバイスを使用するモジュールの小型化及び低コスト化を図ることができるようになる。
【００１７】
請求項１１に記載の第２発明は、エレクトレット電極を設けたエレクトレット電極部と、前記エレクトレット電極と対向する対向電極を設けた対向電極部とを備え、前記エレクトレット電極と前記対向電極との相対運動により振動エネルギを発電エネルギに変換する静電誘導式発電デバイスであって、前記エレクトレット電極をアルカリガラスで形成したことを特徴とする。
かかる構成では、高い電荷密度を有するエレクトレット電極を形成することができるので、発電効率を高められるようになる。
【００１８】
第２発明において、請求項１２のように、前記エレクトレット電極を、前記対向電極の形状パターンに対応した形状パターンのアルカリイオン欠乏領域を有する平板形状に形成するとよい。
【００１９】
請求項１３の本発明の製造方法は、請求項１１又は１２に記載の静電誘導式発電デバイスにおいて、前記アルカリガラスの一方の面に導電体を設け、前記アルカリガラスの他方の面にカソード電極を設け、前記アルカリガラスのガラス転移点未満の加熱温度で前記カソード電極と前記導電体間に約５００Ｖ〜約１０００Ｖの電圧を印加して前記アルカリガラスの導電体側にアルカリイオン欠乏領域を形成し、アルカリガラスを研磨して前記アルカリイオン欠乏領域を露出させ、前記導電体上に前記エレクトレット電極を形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項１４のように、前記加熱温度を、アルカリガラスの歪点以下とする。
【発明の効果】
【００２１】
第１発明の静電誘導式発電デバイスによれば、エレクトレット電極と対向電極を真空の空間部に対向配置する構成としたので、可動する電極に対する空気によるダンピング作用がなく、発電効率を向上できる。
【００２２】
第２発明の静電誘導式発電デバイスによれば、エレクトレット電極をアルカリガラスで形成することでエレクトレット電極の電荷密度を向上することができ、発電効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、第１発明の静電誘導式発電デバイスの第１実施形態の縦断面模式図を示す。
図１において、本実施形態の静電誘導式発電デバイス１は、エレクトレット電極部１０と、該エレクトレット電極部１０の周縁部上に枠状の絶縁スペーサ２を介して接合された対向電極部２０と、該対向電極部２０の周縁部上に接合された蓋部材３とを備え、前記エレクトレット電極部１０、絶縁スペーサ２、対向電極部２０及び蓋部材３で、密閉した真空の空間部４を形成し、該空間部４内に後述するエレクトレット電極１２と対向電極２２とを対向配置した構成である。
【００２４】
前記エレクトレット電極部１０は、本実施形態では固定電極部に相当するもので、例えば四角形の平板状の導電基板１１上の中央部に、例えばストライプ状に固定配置された固定電極となる前述のエレクトレット電極１２を設けて構成されている。前記エレクトレット電極１２は、例えば従来公知の方法等で絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されている。
【００２５】
前記対向電極部２０は、本実施形態では可動電極部に相当するもので、導電材で形成されており、図２に示すように、枠状の外周支持部２１に、エレクトレット電極１２と同様のストライプ状に形成した可動電極となる前述の対向電極２２を、梁２３で図２中の矢印方向に振動可能に支持し、対向電極２２がエレクトレット電極１２に対して相対運動可能に対向配置して構成されている。
【００２６】
前記蓋部材３は、対向電極部２０との接合面側にキャビティ３Ａを形成した絶縁材料で構成されている。
【００２７】
かかる発電デバイスの製造方法の一例を説明する。
対向電極部２０は、例えば金属板（ステンレス等）を材料として、レーザ或いは超高圧水等によって図２のような形状に加工して形成する。この際、金属板を複数枚重ねて一括加工することでスループットを向上できる。エレクトレット電極部１０は、従来と同様にして、導電基板１１上に従来公知の方法等でエレクトレット電極１２を形成する。これら両電極部１０，２０と絶縁スペーサ２及び蓋部材３を真空雰囲気中で接合する。これにより、図１のような発電デバイスのユニット１が完成する。
【００２８】
また、発電デバイス１の小型化を図るために、対向電極部１０にシリコンウエハを用い、半導体製造プロセス（フォトリソ＋シリコン垂直エッチング）を利用して加工する。他の部材も半導体プロセスを活用してウエハ状態で加工する。これらを互いに接合して図１に示すユニット１を多数形成した後、最終工程として多数のユニットが一体形成されたウエハをユニット単位で分割して製造するようにすれば、発電デバイスのユニット１を一括して大量に生産することができる。
【００２９】
次に、本実施形態の発電デバイス１の動作を説明する。
エレクトレット電極１２と対向電極２２は自然状態で互いに対向しており、このとき、エレクトレット電極１２の電荷量に応じた電荷が対向電極２２に誘導される。この状態で、可動電極である対向電極２２が外部の振動を感知して図１の矢印方向に振動すると、エレクトレット電極１２と対向電極２２の対向する面積が変化し、対向電極２２側の誘導電荷量が変化して電気エネルギが発生する。その結果、エレクトレット電極部１０と対向電極部２０との間に接続した電気負荷の抵抗５に電流が流れる。そして、エレクトレット電極１２と対向電極２２を真空の空間部４内に配置したことで、対向電極２２の振動に対する空気抵抗がなく、対向電極２２の振動を妨げる空気のダンピング作用をなくすことができる。従って、振動を感知した時の対向電極２２の振動周波数が従来に比べて高くなり、発電効率を向上することができる。
【００３０】
ストライプ構造のエレクトレット電極１２及び対向電極２２の幅が小さい程、よりわずかな振動で発電エネルギを発生させることができ、発電効率をより高めることができる。
【００３１】
図３に、第１実施形態の変形例の縦断面模式図を示す。尚、図１の第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この発電デバイス１′は、図１の実施形態とは逆に、対向電極部を固定電極部としエレクトレット電極部を可動電極部としたものである。この場合、図３に示すように、エレクトレット電極部３０は、枠状の外周支持部３１と、ストライプ構造のエレクトレット電極３２と、梁３３と、エレクトレット電極３２を形成した平板状の可動部３４とを備え、この可動部３４を梁３３で外周支持部３１に図３中の矢印方向に振動可能に支持するよう構成されている。一方、対向電極部４０は、四角形の平板状導電材４１の中央部にエレクトレット電極３２と対向する対向電極４２を加工形成して構成されている。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。
【００３２】
図３の発電デバイス１′の動作は、第１実施形態とは逆に、エレクトレット電極３２側が可動電極として振動を感知し、固定された対向電極４２に対して相対的に振動することが第１実施形態と異なるだけで、その他は同じである。かかる発電デバイス１′においても、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３３】
図４に、第１発明の第２実施形態の縦断面模式図を示す。尚、図１の第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
図４において、第２実施形態の発電デバイス５０は、第１実施形態の蓋部材３を、エレクトレット電極部１０と同一の構成の別のエレクトレット電極部１０′で構成し、このエレクトレット電極部１０′のエレクトレット電極１２′を、対向電極２２に対向させるように、枠状の絶縁スペーサ５１を介して対向電極部２０の周縁部上に接合することで、可動電極である対向電極２２の両側に固定電極であるエレクトレット電極１２，１２′を配置する構成である。尚、図中の１１′は、エレクトレット電極部１０′の導電基板である。ここで、エレクトレット電極部１０′が別の固定電極部に相当し、エレクトレット電極１２′がその固定電極である。
【００３４】
かかる第２実施形態の発電デバイス５０によれば、エレクトレット電極の数が第１実施形態の倍となるので、第１実施形態の発電デバイス１と比較して略２倍の発電量を発生させることができる。更に、図の上下方向が対称な構造となるため、デバイス５０に反りが発生しない。しかも、対向電極２２とエレクトレット電極１０及び対向電極２２とエレクトレット電極、１０′間に発生する静電吸引力が等価となるため、対向電極２２とエレクトレット電極１０、１０′間を第１実施形態の場合より、異常放電を抑制できる範囲で更に近接させることが可能となる。
【００３５】
図５に、第２実施形態の変形例の縦断面模式図を示す。尚、図３の変形例と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この変形例の発電デバイス５０′は、図３に示した変形例と同様で、対向電極部を固定電極部としエレクトレット電極部を可動電極部とし、蓋部材に代えて、対向電極４０と同一構成の別の固定電極として対向電極４０′を設ける構成である。この場合、エレクトレット電極部３０は、可動部３４の上下面にエレクトレット電極３２を設ける構成である。その他の構成は図４の第２実施形態と同様の構成であり、第２実施形態と同様の作用効果を有する。
【００３６】
図６に、第１発明の第３実施形態の縦断面模式図を示す。
図６の発電デバイス６０は、第１実施形態の発電デバイス１をユニットとして２つのユニット１を積層したものである。この場合、図１の発電デバイスユニット１を単純に積層してもよいが、図６に示すように、下側ユニット１の可動電極部である対向電極部２０の周縁部に、絶縁スペーサ６１を介して上側ユニットの固定電極部であるエレクトレット電極部１０の導電基板１１を接合し、このエレクトレット電極部１０を下側ユニット１の蓋部材として使用する構成とするとよい。尚、図１の実施形態と同一部分には同一符号を付してある。
【００３７】
また、図７に、第１発明の第４実施形態の縦断面模式図を示す。
図７の発電デバイス７０は、第２実施形態の発電デバイス５０をユニットとして２つのユニット５０を積層したものである。この場合、図４の発電デバイスユニット５０を単純に積層してもよいが、図７に示すように、上側ユニット５０の固定電極部であるエレクトレット電極部１０と下側ユニット５０の別の固定電極部であるエレクトレット電極部１０′とを共通化し、図のように導電基板１１の両側にエレクトレット電極１２，１２′を設け、下側ユニット５０の絶縁スペーサ５１上に接合して構成とするとよい。尚、図４の実施形態と同一部分には同一符号を付してある。
【００３８】
図６及び図７の実施形態によれば、図１や図４の各発電デバイス１，５０と比較して、積層したユニットを電気的に互いに並列接続すれば発電電流を積層数に略比例して増加でき、積層したユニットを電気的に互いに直列接続すれば発電電圧を積層数に略比例して増加できる。また、図６及び図７のように、上側ユニットのエレクトレット電極部１０を下側ユニット１，５０の蓋部材や別の固定電極部とする構成とすることで、発電デバイスユニット１，１′の積層構造の場合では蓋部材３は最上層のユニット１，５０のみでよく蓋部材３の数を削減でき、発電デバイスユニット５０，５０′の積層構造の場合では導電基板１０′の数を削減でき、それぞれ部品点数を削減できるので製造コストを低減できる。
【００３９】
尚、第３実施形態において、図１の発電デバイス１に代えて、図３の発電デバイス１′をユニットとして積層する構成でもよく、この場合も、図６と同様に、下側ユニット１′のエレクトレット電極部３０の周縁部に、絶縁スペーサ６１を介して上側ユニット１′の対向電極部４０の導電材４１を接合し、この対向電極部４０を下側ユニット１′の蓋部材として使用する構成とするとよい。また、第４実施形態において、図４の発電デバイス５０に代えて図５の発電デバイス５０′を積層する構成でもよく、この場合も、上側ユニット５０′の固定電極部である対向電極部４０と下側ユニット５０′の別の固定電極部である対向電極部４０′とを共通化し、導電材４１の両側に対向電極４２，４２′を形成し、下側ユニット５０′の絶縁スペーサ５１上に接合して構成とするとよい。
また、ユニットの積層数は、図６及び図７では２つとしたが、それぞれ３つ以上積層してもよいことは言うまでもない。
【００４０】
図８に、第１発明の第５実施形態の縦断面模式図を示す。
図８の発電デバイス８０は、第１実施形態の発電デバイス１をユニットとして２つのユニット１を横方向に並べて構成したものである。この場合、図１の発電デバイスユニット１を単純に横に並べて構成してもよいが、図８に示すように、横方向に並べた２つのユニット１，１の固定電極部であるエレクトレット電極部１０の導電基板１１、絶縁スペーサ２、可動電極部である対向電極部２０の外周支持部２１及び蓋部材３を共通化して一体形成する構成とするとよい。
【００４１】
本発明において、静電誘導式発電デバイスの発電効率をより向上させるには、エレクトレット電極部１０と対向電極部２０を大きくしてそれぞれのエレクトレット電極１２と対向電極部２２の面積を増大することが望ましい。しかし、エレクトレット電極部１０と対向電極部２０を大きくすると、導電基板１１や蓋部材３が外からの圧力で変形し易くなり、エレクトレット電極１２と対向電極２２の間のギャップを均一に保持することが難しい。導電基板１１や蓋部材３を厚くすれば変形し難くなるが、デバイスが大型化し重量も重くなるという問題がある。
【００４２】
図８の第５実施形態のように、２つのユニット１，１のエレクトレット電極部１０の導電基板１１、絶縁スペーサ２、対向電極部２０の外周支持部２１及び蓋部材３を共通化して一体形成する構成によれば、エレクトレット電極１２と対向電極部２２の面積が増大して発電効率を向上でき、しかも、絶縁スペーサ２と外周支持部２１が、導電基板１１と蓋部材３の変形を抑制する柱として機能するので、外部からの圧力に対しても導電基板１１や蓋部材３が変形し難くなる。
【００４３】
尚、図８では、図１の発電デバイス１に適用した例を示したが、図３〜図５の各デバイスについても適用できることは言うまでもない。
【００４４】
図９に、第１発明の第６実施形態の縦断面模式図を示す。
図９において、本実施形態の発電デバイス９０は、エレクトレット電極部１００を、絶縁基板１０１と、この絶縁基板１０１上に形成した導電薄膜１０２と、この導電薄膜１０２上に図１と同様のストライプ状に形成したエレクトレット電極１０３とで構成する。また、対向電極部１１０は、図１と同様に対向電極１１１、梁１１２及び外周支持部１１３で構成されているが、外周支持部１１３の厚さ（図の上下方向）を対向電極１１１及び梁１１２より厚く形成してエレクトレット電極部１００の絶縁基板１０１外周部に直接接合する構成である。そして、絶縁基板１０１の下面から導電薄膜１０２と外周支持部１１３にそれぞれ電気的に接続するように電極端子部である一対の貫通電極端子９１，９１を貫通して設けてある。貫通電極端子９１，９１は、絶縁基板１０１によって互いに電気的に絶縁されている。エレクトレット電極１０３と対向電極１１１は、図１の発電デバイス１と同様に蓋部材３で閉塞された真空の空間部４内に配置されている。
【００４５】
このように構成した発電デバイスユニット９０は、ユニット９０の下面に電気信号取り出し用の一対の貫通電極端子９１，９１を配置してあるので、フリップチップ実装が可能となる。これにより、この発電デバイス９０を組込むモジュールの小型化が実現できる。また、ユニットを多数形成したウエハ状態で各ユニットに貫通電極端子９１，９１を取付けることが可能となり、ウエハをユニット単位で分割した後の電極端子取り付け工程を省略できる。従って、発電デバイス９０の製造工程の効率化により製造コストを低減でき、発電デバイスの低コスト化を実現できる。
【００４６】
次に、第２発明の静電誘導式発電デバイスについて説明する。
第２発明の静電誘導式発電デバイスは、エレクトレット電極をアルカリガラスで形成することにより、エレクトレット電極の電荷密度を高めて発電デバイスの発電効率を向上させることを特徴とするものである。
【００４７】
一般的にガラスはＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3の単一ないしは複数の組合せで網目構造を形成する。アルカリガラスは、上述の網目構造にアルカリ金属（Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ等）の酸化物が網目修飾酸化物として導入されている。これらのアルカリイオンは、ガラス転移点未満の比較的低温で、外部からの電圧印加によって容易に移動することが知られている。その原理を活用した例として、シリコン／アルカリガラス（例えばパイレックス（登録商標））の陽極接合が有名であり、ＭＥＭＳ分野の主要な加工技術として広く活用されている。これは、ガラス内でＮａイオンがカソード側に移動することによって、シリコンとの界面付近に、残された酸素イオンによるマイナスに帯電した層が形成される。本発明は、この原理を活用して形成した電荷密度の高いエレクトレット電極を備えた静電誘導式発電デバイスを提供するものである。
【００４８】
図１０に、第２発明の静電誘導式発電デバイスの第１実施形態の縦断面模式図を示す。
図１０において、本実施形態の発電デバイス２００は、エレクトレット電極部２１０と、該エレクトレット電極部２１０の周縁部上に枠状の絶縁スペーサ２０１を介して接合された対向電極部２２０とを備え、後述するエレクトレット電極２１２と対向電極２２２を大気中で対向配置した構成である。そして、前記エレクトレット電極部２１０は、導電基板２１１と、エレクトレット電極２１２とを備えて構成され、前記エレクトレット電極２１２がアルカリガラスで形成されていること以外は、図１に示す第１発明の第１実施形態と同じ構成である。また、対向電極部２２０は、図１の第１発明の第１実施形態と同じ構成であり、外周支持部２２１と、対向電極２２２と、梁２２３とから構成されている。ここで、エレクトレット電極部２１０が固定電極部で、対向電極部２２０が可動電極部である。尚、図中、２０２は抵抗で、図１の抵抗５に相当するものである。
【００４９】
かかる発電デバイス２００によれば、アルカリガラスのエレクトレット電極２１２は、従来のポリテトラフルオロエチレン等のような高分子の絶縁材料で形成したエレクトレット電極に比べて電荷密度が高いので、発電デバイス２００の発電効率を従来よりも向上できる。また、高温に曝した場合でもエレクトレット電極２１２の電荷が消失し難いので、経時安定性、熱安定性に優れた発電デバイスとすることができる。更に、エレクトレット電極２１２と対向電極２２２を、第１発明のように蓋部材３を設けて真空雰囲気の空間部４を形成し、この空間部４内に配置する構成にすれば、空気のダンピング作用を抑制でき、エレクトレット電極２１２の高い電荷密度との相乗効果により一層発電効率を向上できる。
尚、発電デバイス２００の動作は、第１実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００５０】
図１０の発電デバイス２００に適用したエレクトレット電極２１２の製造方法について、図１１に示す製造工程の説明図に従って説明する。
【００５１】
導電体２３１（酸化可能な金属や半導体、例えば、シリコン、アルミニウム、シリコン上にアルミニウムを成膜したもの等）とアルカリガラス２３２（導電体と熱膨張率が整合したもの）をそれぞれ平坦な面に加工して接触させる（工程（ａ））。
【００５２】
次に、アルカリガラス２３２の他方の面にカソード電極２３３を接触させ、全体をヒータ２３４でアルカリガラス２３２のガラス転移点未満、好ましくはガラスの歪点以下の温度（約２００℃〜約４００℃程度）で加熱する（工程（ｂ））。
【００５３】
次に、導電体２３１をアノード電極として、アルカリガラス２３２の厚さ方向に電圧（約５００Ｖ〜約１０００Ｖ程度）を印加する（工程（ｃ））。
【００５４】
これにより、アルカリガラス２３２中のアルカリイオン２３５がカソード電極２３３側に移動・析出し、アノード電極側にはアルカリイオンの欠乏領域２３６（エレクトレット層になる）が形成され、導電体２３１と接合（陽極接合）される（工程（ｄ））。この欠乏領域２３６はアルカリガラス２３２の他の領域よりも高抵抗となるので、印加電圧が集中し、ガラス材質、温度、電圧によって決まる厚さに収束する。即ち、アルカリガラス２３２の材質、温度、電圧によって、エレクトレット層の厚さ、電荷密度を設計・制御することができるとういう特徴を有する。
【００５５】
次に、アルカリイオン２３５の再拡散を防ぐため、冷却後に電圧を遮断する。尚、電圧遮断後、直ちに冷却するようにしても良い（工程（ｅ））。
【００５６】
最後に、カソード電極２３３を取り除き、アルカリガラス２３２を研磨してアルカリイオン欠乏領域２３６を露出させた後、フォトリソとエッチング或いはダイシングカット等を利用して所定のパターンに加工して導電体２３１（図１０の導電体２１１となる）上にエレクトレット電極２１２を形成する。これにより、図１０のような導電体２１１上にエレクトレット電極２１２を有するエレクトレット電極部２１０が完成する（工程（ｆ））。
【００５７】
図１２に、第２発明に係る静電誘導式発電デバイスの第２実施形態の縦断面模式図を示す。尚、図１０の第１実施形態と同一部分には同一符号を付してある。
図１２において、本実施形態の発電デバイス２４０は、エレクトレット電極部２５０のアルカリガラスからなるエレクトレット電極２５２を、ストライプ状のアルカリイオン欠乏領域２５２Ａを有する平板形状に形成して構成したものである。その他の構成は図１０の発電デバイス２００と同じである。尚、本実施形態では、絶縁材料からなる蓋部材３を設けてエレクトレット電極２５２と対向電極２２２を真空の空間部４内に配置した構成を示してあるが、図１０と同様に大気中に配置する構成でもよいことは言うまでもない。
【００５８】
かかる構成の発電デバイス２４０によれば、図１０の第１実施形態の効果に加えて、エレクトレット電極２５２を平板形状としたことにより、対向電極２２２とエレクトレット電極２５２が共にストライプ形状の場合に比べて電極エッジ部分で発生し易い異常放電を抑制できるので、対向電極２２２とエレクトレット電極２５２をより近接させて配置することが可能となる。従って、発電デバイスの発電効率をより向上できると共に、より一層の小型化を図れる。
【００５９】
図１２の発電デバイス２４０に適用したエレクトレット電極２５２の製造方法について、図１３に示す製造工程の説明図に従って説明する。尚、図１１と同一部分には同一符号を付してある。
【００６０】
この製造工程は、工程（ａ）で導電体２６１とアルカリガラス２６２とを接触させる前に、導電体２６１に予め所定のパターン（本実施形態ではストライプの凹凸形状）を加工する。その後の工程（ｂ）〜（ｆ）は、図１１の場合と同様である。
【００６１】
この製造方法によれば、工程（ｄ）で、アルカリガラス２６２には、導電体２６１の凹凸形状に整合したパターンでアルカリイオン欠乏領域２３６（図中の斜線部分）が形成される。その後、工程（ｅ）を経て工程（ｆ）で、アルカリガラス２６２を平板形状に研磨してアルカリイオン欠乏領域２３６を露出させる。これにより、導電体２６１（図１２の導電体２５１となる）上にストライプ状のアルカリイオン欠乏領域２３６（図１２のアルカリイオン欠乏領域２５２Ａとなる）の形成された平板形状のエレクトレット電極２５２を有するエレクトレット電極部２５０が完成する。
【００６２】
図１、図３〜図９に示す第１発明の各実施形態では、高分子の絶縁材料を利用したエレクトレット電極を利用した例を示したが、第２発明のアルカリガラスからなるエレクトレット電極を利用してもよいことは言うまでもない。
また、第１及び第２発明の各実施形態において、エレクトレット電極及び対向電極を、ストライプ構造としたが、この構造に限らず、例えば市松構造やリング構造でもよく、可動電極側が振動したときに、エレクトレット電極と対向電極との対向面積の変化ができるだけ大きくなるような構造とすることが望ましい。
また、第１及び第２発明の各実施形態では、可動電極が１軸方向にのみ振動する構成であるが、可動電極と固定電極とが間隔を有して相対運動する構成であればよく、例えば平面の複数軸方向に振動する構成や回転する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１発明に係る静電誘導式発電デバイスの第１実施形態を示す縦断面模式図
【図２】同上第１実施形態の対向電極部（可動電極部）の平面図
【図３】第１実施形態の変形例を示す縦断面模式図
【図４】第１発明に係る静電誘導式発電デバイスの第２実施形態を示す縦断面模式図
【図５】第２実施形態の変形例を示す縦断面模式図
【図６】第１発明に係る静電誘導式発電デバイスの第３実施形態を示す縦断面模式図
【図７】第１発明に係る静電誘導式発電デバイスの第４実施形態を示す縦断面模式図
【図８】第１発明に係る静電誘導式発電デバイスの第５実施形態を示す縦断面模式図
【図９】第１発明に係る静電誘導式発電デバイスの第６実施形態を示す縦断面模式図
【図１０】第２発明に係る静電誘導式発電デバイスの第１実施形態を示す縦断面模式図
【図１１】同上第１実施形態のエレクトレット電極の製造工程の説明図
【図１２】第２発明に係る静電誘導式発電デバイスの第２実施形態を示す縦断面模式図
【図１３】同上第２実施形態のエレクトレット電極の製造工程の説明図
【符号の説明】
【００６４】
１、１′、５０、５０′、６０，７０，８０，９０，２００，２４０    発電デバイス
２    絶縁スペーサ
３    蓋部材
４    空間部
１０、１０′、３０、１００、２１０、２５０    エレクトレット電極部
２０、４０、４０′、１１０、２２０    対向電極部
９１    貫通電極端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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