(57)【要約】【課題】エレクトレット素子の電荷保持安定性を向上させる。【解決手段】基板１０８と、基板１０８上に形成されたエレクトレット膜１０３と、基板１０８上でエレクトレット膜１０３が形成されていない領域に形成された導電性電極１０４とを有するエレクトレット素子１００において、エレクトレット膜１０３と導電性電極１０４との間に凹構造１０５を設けることによって、エレクトレット膜１０３に保持された電荷の導電性電極１０４への流出を防止することができる。【選択図】図１
2014217178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の少なくとも一つの表面上に形成されたエレクトレット膜と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面上で、前記エレクトレット膜が形成されていない領域に形成された導電性電極と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面に形成された、凹構造、凸構造またはその組み合わせから選択される少なくとも１つの非平坦構造と
を有し、
前記基板の前記エレクトレット膜が形成されている表面は絶縁性であり、
前記非平坦構造は、前記エレクトレットおよび前記導電性電極がともに形成されていない領域に位置する、
エレクトレット素子。
【請求項２】
前記基板は、絶縁層と導電層とを有し、前記絶縁層の一つの表面上に前記エレクトレット膜が形成されている、請求項１に記載のエレクトレット素子。
【請求項３】
前記非平坦構造は、前記絶縁層に形成されている、請求項２に記載のエレクトレット素子。
【請求項４】
前記基板は、前記導電層に、前記非平坦構造を構成するための少なくとも１つの非平坦構造が形成され、前記導電層に形成された前記非平坦構造が位置する表面が前記絶縁層で覆われたものである、請求項２に記載のエレクトレット素子。
【請求項５】
防湿層をさらに有し、前記防湿層が少なくとも前記エレクトレット膜の表面を被覆している、請求項１〜４のいずれかに記載のエレクトレット素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトレット素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半永久的に電荷を保持する誘電体であるエレクトレットを用い、エレクトレットに接近する導体に生ずる静電誘導を利用し、振動エネルギーを電気エネルギーへ変換する振動発電器が提案されている。
【０００３】
図１２に、特許文献１に記載された振動発電器１０の断面概略図を示す。この振動発電器１０は、複数の集電電極１３を備えた第１の基板１１と、複数のエレクトレット膜１５を備えた第２の基板１６とから構成される。前記第１の基板１１と前記第２の基板１６は、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。第２の基板１６は固定されており、第１の基板１１の両側面にはバネ１９が接続され、バネ１９は固定構造１７に接続されている。外部の振動により第１の基板１１は側方運動を行い、バネ１９のバネ力で定位置に戻る。この動きにより、エレクトレット素子１５と、対向する集電電極１３との重なり面積の増減が生じ、集電電極１３に誘導される電荷が変化する。静電誘導型振動発電器は、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う。
【０００４】
図１３は、特許文献２に記載された、固定基板３２と可動基板３１とを含むエネルギー変換素子に含まれるエレクトレット素子３０の断面図である。エレクトレット素子３０は、固定基板３２上に形成されたベース電極３７を含むエレクトレット３８とガード電極３９から構成されている。エレクトレット３８とガード電極３９は絶縁被膜３３で覆われている。ガード電極３９を設けることで、固定基板３２と可動基板３１の相対的な位置関係の変化により、エレクトレット３８と対向電極が完全に重なっているときの静電容量と、両者が全く重なっていないときの静電容量の差が増大し、発電出力を増大することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５２９５７４号公報（図４）
【特許文献２】特開２０１０−１３６５９８号公報（図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、エレクトレットの電荷保持安定性を向上させ、特にエレクトレット周囲への電荷流出をより防止することができる、エレクトレット素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態は、
基板と、
前記基板の少なくとも一つの表面上に形成されたエレクトレット膜と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面上で、前記エレクトレット膜が形成されていない領域に形成された導電性電極と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面に形成された、凹構造、凸構造またはその組み合わせから選択される少なくとも１つの非平坦構造と
を有し、
前記基板の前記エレクトレット膜が形成されている表面は絶縁性であり、
前記非平坦構造は、前記エレクトレットおよび前記導電性電極がともに形成されていない領域に位置する、
エレクトレット素子である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一実施形態に係るエレクトレット素子によれば、エレクトレット膜の電荷保持安定性を向上させ、特にエレクトレット膜周囲への電荷流出を防止することができる。よって、本発明の一実施形態に係るエレクトレット素子を用いれば、発電出力の安定性に優れた振動発電器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子１００の断面図
【図２】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子１００の平面図
【図３】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子１００を用いた、振動発電器の断面図
【図４】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第１の変形例の断面図
【図５】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第２の変形例の断面図
【図６】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第３の変形例の断面図
【図７】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第４の変形例の断面図
【図８】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第５の変形例の断面図
【図９】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第６の変形例の断面図
【図１０】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第７の変形例の断面図
【図１１】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第８の変形例の断面図
【図１２】従来の振動発電器の断面図
【図１３】従来のエネルギー変換素子に含まれるエレクトレット素子の断面斜視図
【図１４】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子１００における電荷の移動経路を示す断面図
【図１５】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第９の変形例の断面図
【図１６】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子の第１０の変形例の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の一実施形態に至った経緯）
エレクトレットに保持された電荷は、互いの静電反発力により電荷密度の高い領域から低い領域へ時間の経過とともに拡散する。電荷の拡散はエレクトレットからの電荷の流出を招き、それは振動発電器の発電出力の減少につながる。また、特許文献２に記載のエレクトレット素子３０では、ガード電極３９の設置により発電出力が増大するものの、エレクトレット３８に保持された電荷が導電性電極へ引き寄せられるため、電荷の流出が加速される。
【００１１】
このように、エレクトレットにおいては、電荷の拡散およびガード電極に向かう電荷の移動に起因して、電荷の流出が経時的に生じ、これは例えば振動発電器の発電出力の経時的低下を招く。本発明者らは、電荷がエレクトレットから流出して、基板表面を移動するときに、電荷に作用する電界の方向等を考慮して、電荷の流出を抑制する構成を検討した。その結果、エレクトレットとガード電極との間で、凹構造または凸構造、もしくはそれらの組み合わせを基板表面に形成することによって、エレクトレットからの電荷の流出を低減させ得ることを見出した。
【００１２】
（本発明の態様）
本発明の第１の態様は、
基板と、
前記基板の少なくとも一つの表面上に形成されたエレクトレット膜と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面上で、前記エレクトレット膜が形成されていない領域に形成された導電性電極と、
前記基板の前記少なくとも一つの表面に形成された、凹構造、凸構造またはその組み合わせから選択される少なくとも１つの非平坦構造と
を有し、
前記基板の前記エレクトレット膜が形成されている表面は絶縁性であり、
前記非平坦構造は、前記エレクトレットおよび前記導電性電極がともに形成されていない領域に位置する、
エレクトレット素子である。
【００１３】
ここで「エレクトレット」とは、半永久的に電荷を保持することが可能な誘電体のことを意味し、「エレクトレット膜」とはエレクトレットからなる膜を意味し、「エレクトレット素子」とは、エレクトレット（またはエレクトレット膜）を支持する基板、および電極等を含むものを意味する。エレクトレット（またはエレクトレット膜）は複数の誘電体から構成されてもよいし、その複数の誘電体のうち一部または全部に電荷が保持されてもよい。
【００１４】
エレクトレット素子を構成する基板は一般に平坦な広い表面（主表面）を有し、表面上にエレクトレット膜および導電性電極（ガード電極）が形成される。「凹構造」は、当該平坦な面（エレクトレット膜または導電性電極の底面とほぼ同じ高さ（またはレベル（level）にあるといえる））よりも低い面（または部分）を有する構造であり、「凸構造」は、当該平坦な面よりも高い面（または部分）を有する構造である。凹構造および凸構造の組み合わせは、例えば図８に示すように、凹構造の一部が凸構造の一部と連続している構造を指す。
【００１５】
第１の態様において、非平坦構造は、基板の絶縁性の表面（エレクトレット膜が形成された表面）に形成され、かつエレクトレット膜および導電性電極がともに形成されていない領域に位置している。非平坦構造は、エレクトレット膜および導電性電極の間に形成されているともいえる。この非平坦構造は、エレクトレット膜から導電性電極への電荷の流出を低減することができる。より具体的には、非平坦構造は、エレクトレット膜から流出した電荷が基板の絶縁性の面に沿って導電性電極に向かって移動する場合に、電荷の移動距離を増大させ、それにより電荷の流出を低減させ得る。また、非平坦構造においては、基板の表面よりも低い部分と基板の表面とをつなぐ部分（当該部分は「側壁）とも呼ぶ）が、電荷に対して、導電性電極が電荷を引き込む電界とは異なる向き、例えば当該電界に対して垂直な進路を与える。それにより、電荷移動の駆動力となる電界の影響を小さくすることができ、電荷の導電性電極への流出を低減することができる。
【００１６】
第２の態様は、  前記基板は、絶縁層と導電層とを有し、前記絶縁層の一つの表面上に前記エレクトレット膜が形成されている、第１の態様のエレクトレット素子である。
【００１７】
第３の態様は、前記非平坦構造は、前記絶縁層に形成されている、第２の態様のエレクトレット素子である。
【００１８】
第４の態様は、前記基板は、前記導電層に、前記非平坦構造を構成するための少なくとも１つの非平坦構造が形成され、前記導電層に形成された前記非平坦構造が位置する表面が前記絶縁層で覆われたものである、第２の態様のエレクトレット素子である。
【００１９】
第５の態様は、防湿層をさらに有し、前記防湿層が少なくとも前記エレクトレット膜の表面を被覆している、第１〜４の態様のいずれか１つのエレクトレット素子である。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。以下の説明においては、実質的に同一の構成についての重複説明を省略することがある。複数の図面に現れる同一の符号は、同一の要素または部材を示す。
【００２１】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態のエレクトレット素子１００の断面図である。図２はエレクトレット素子１００の平面図であり、図１は、図２のＡ−Ｂに沿って切断した断面を示す。エレクトレット素子１００は、絶縁性基板１０８と、絶縁性基板１０１の表面に形成されたエレクトレット膜１０３と、絶縁性基板１０８の表面に形成された導電性電極１０４と、絶縁性基板１０８の表面上でエレクトレット膜１０３および導電性電極１０４がともに形成されていない領域に位置する凹構造１０５とから構成される。
【００２２】
絶縁性基板（以下、単に「基板」ともいう）１０８は、絶縁性の材料からなる基板であるから、エレクトレット膜１０３が形成された表面（図において上側の表面）は絶縁性を有する。この形態において、非平坦構造は、基板１０８の表面よりも低い部分を有する凹構造１０５であり、基板１０８の表面において、エレクトレット膜１０３と導電性電極１０４との間に位置する。
【００２３】
凹構造１０５は、底面１０５ａ、側壁１０５ｂおよび頂面１０５ｃ（頂面１０５ｃは基板１０８の表面でもある）を有する。図示した形態において、凹部の底面１０５ａおよび頂面１０５ｃは基板１０８の表面と平行な面である。底面１０５ａおよび頂面１０５ｃはその一部が例えば湾曲していてもよい。また、側壁１０５ｂは、絶縁性基板１０８の表面に対して垂直でもよいし、傾斜を有していてもよい。あるいは、側壁１０６ｂは、湾曲していてよく、例えば、図１に示す断面においてｆ（ｘ）＝ｘ２で表されるような二次曲線であってよい。あるいは、凹構造１０５は、底において平坦な部分を有しておらず、底面と側壁の明確な区別が無い構造であってよい。具体的には、凹構造１０５の断面は、例えばＶ字形状を有してよい。
【００２４】
図２に示すように、エレクトレット膜１０３および導電性電極１０４はともに、ｚ方向からみて長方形状であり、ｘ方向において互いに平行となるように交互に配置されている。エレクトレット膜１０３は、例えば、幅（ｘ方向の寸法）２５０μｍ、長さ（ｙ方向の寸法）１ｃｍ、厚み（ｚ方向の寸法）１０００ｎｍであり、導電性電極１０４は、例えば、例えば、幅（ｘ方向の寸法）２００μｍ、長さ（ｙ方向の寸法）１ｃｍ、厚み（ｚ方向の寸法）３００ｎｍである。エレクトレット膜１０３と導電性電極１０４との間の間隔（両者が形成されていない領域のｘ方向の寸法）は、例えば、２５μｍである。
【００２５】
凹構造１０５もまた、ｚ方向から見て、長方形状（または線状）であり、並列して形成される。図示した形態において、凹構造１０５は、例えば、幅（ｘ方向の寸法）５μｍであり、長さ（ｙ方向の寸法）がエレクトレット膜１０３および導電性電極１０４のそれらと同じであり、深さ（ｚ方向の寸法）１００ｎｍである。凹構造１０５は、ｘ方向においてエレクトレット膜１０３と導電性電極１０４との間に必ず位置する。このように形成された凹構造１０５は、エレクトレット膜１０３から導電性電極１０４へ到る電荷の経路を長くし、かつ当該電荷を、導電性電極１０４が電荷に及ぼす電界とは異なる向きで進行させる。その結果、電荷の流出が低減される。
【００２６】
エレクトレット膜１０３への電荷の注入は、コロナ放電などにより行う。エレクトレット膜１０３は誘電体から成る。エレクトレット膜１０３は、単層構造であっても、複数の誘電体から成る積層構造であってもよい。あるいは、エレクトレット膜１０３は、２種の誘電体からなり、例えば一方の誘電体を他方の誘電体が被覆しているような構造であってもよい。エレクトレット膜１０３が複数の誘電体から成る場合、電荷は、すべての誘電体に注入されてよく、あるいは一つまたは特定の複数の誘電体にのみ注入されてもよい（即ち、電荷が注入されていない誘電体があってよい）。エレクトレット膜１０３は無機材料および有機材料のいずれで構成してもよいし、両方を組み合わせて構成してもよい。エレクトレット膜へ注入される電荷の極性は正負どちらでもよい。
【００２７】
図３に本発明のエレクトレット素子１００を備えた、振動発電器６００の断面図を示す。振動発電器６００は、複数のエレクトレット膜１０３ａ〜ｃおよび導電性電極１０４ａ〜ｂと、所定の間隔を隔てて対向して設置された、集電電極６０７ａ〜ｃが形成された基板６０３から構成される。絶縁性基板１０８の両端は弾性構造体６０９を介して固定構造体６１０と接続される。弾性構造体６０９はバネでもよいし、反発により絶縁性基板１０８を押し戻す材料（例えばゴム）から構成されていてもよい。
【００２８】
外部からの振動６０８が加わると、弾性構造体６０９が伸縮し、それにより絶縁性基板１０８は基板６０３に対して相対的に変位を行う。このとき、エレクトレット膜１０３ａ〜ｃと基板６０３上の集電電極６０７ａ〜ｃとの重なり面積の増減が起こり、集電電極６０７ａ〜ｃに誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減を電気エネルギーとして取り出すことによって発電を行う。振動発電器６００は、例えば、小電力の無線通信モジュール、およびその他の電子機器において用いてよい。
【００２９】
本発明の実施の形態にかかるエレクトレット素子１００によれば、エレクトレットの電荷保持安定性を向上させる効果を得ることができる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。
【００３０】
エレクトレット素子１００内部に注入され保持された電荷は、保持された電荷同士の静電反発力により電荷密度の高いエレクトレット膜１０３の内部から、電荷密度の低い外部へ、時間の経過とともに拡散して流出する。さらに、エレクトレット膜１０３内部に保持された電荷は、より電位の低い導電性電極１０４へ静電引力により引き寄せられる。このとき、エレクトレット膜１０３より流出した電荷は、絶縁性の低い領域を通過しやすいため、絶縁性基板１０８の内部ではなく表面に沿って移動し、導電性電極１０４へ流出しやすい。
【００３１】
図１および図２に示すエレクトレット素子１００において、エレクトレット膜１０３が保持する電荷がエレクトレット膜１０３から流出して、導電性電極１０４に向かう経路を図１４に示す。図１４においては、白い丸で電荷を示している。エレクトレット膜１０３を出た電荷は、図において矢印で示す方向で、基板１０８の表面に沿って移動する。
【００３２】
図１４に示すように、絶縁性基板１０８の表面上に凹構造１０５を設けることにより、絶縁性基板１０８の表面積が増大する。より具体的には、電荷の移動経路は、凹構造１０５が存在しない場合の移動経路と比較して、２つの側壁１０５ｂに相当する距離だけ長い。電荷の移動経路の増大により、導電性電極１０４に向かって流出する電荷が移動するのに必要な時間を増大でき、電荷の流出の速度を低減することができる。
【００３３】
また、凹構造１０５の側壁１０５ｂに沿って電荷が移動する向き（図１４中のｚ方向）と、電荷が導電性電極１０４へ引き寄せられる電界の向き（図１４中のｘ方向）とが垂直となるため、電荷移動の駆動力となる電界の影響を小さくすることができる。それにより、電荷の流出速度を低減でき、エレクトレット素子１００の電荷保持を安定化することができる。これは、導電性電極１０４がアース電位や浮遊電位と接続されている場合にもあてはまる。これはまた、導電性電極１０４を、エレクトレット膜１０３が保持する電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット膜１０３の表面電位の絶対値よりも小さい電位と接続した場合、または導電性電極１０４をエレクトレット膜１０３が保持する電荷と異なる極性の電位に接続した場合でもあてはまる。
【００３４】
本実施の形態では、絶縁性基板１０８はガラス基板などの絶縁材料のみから構成される基板である。第１の変形例においては、図４に示すように、エレクトレット膜および導電性電極を形成する基板は、導電層としての導電性基板１１１と、絶縁層１１２とを有する基板である。絶縁層１１２は、導電性基板１１１の２つの主表面のうち、エレクトレット膜１０３が形成される側の表面に形成されている。このように、エレクトレット膜が形成される基板は、エレクトレット膜が形成される表面が絶縁性である限りにおいて、導電性である部分を有してよい。基板が導電性基板と絶縁層とを含む場合、エレクトレット素子が形成される側の表面において、導電性の部分が露出しないように絶縁層および非平坦構造が形成される。図４に示す変形例においては、絶縁層１１２に凹構造１０５が形成され、その深さ（側壁のｚ方向の寸法）は絶縁層１１２の厚さよりも小さいから、導電性の部分が表面に露出することはない。
【００３５】
この変形例において、導電性基板１１１はアース電位に接続してもよい。この場合、エレクトレット膜１０３から流出して導電性電極１０４に向かって移動している電荷は、凹構造１０５の底面で安定化されるため、この変形例によれば電荷保持安定性をより向上させることができる。具体的には、凹構造１０５の底面に移動する電荷は、アース電位に接続されている導電性基板１１１へ静電引力により引き付けられる。ゆえに、電荷が凹構造１１５の側壁１０５ｂに沿って、導電性基板１１１から離れる方向（図４中のｚ方向上向き）で移動しようとしても、導電性基板１１１へ引き寄せる静電引力が電荷に作用するため、電荷は凹構造１０５の底面から移動しにくい。それにより、電荷の導電性電極１０４への移動を防ぐことができ、電荷は安定に凹構造１０５の底面に保持される。
【００３６】
これは、導電性基板１１１をエレクトレット膜１０３が保持する電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット膜１０３の表面電位の絶対値よりも小さい電位に接続した場合、または導電性基板１１１をエレクトレット膜１０３が保持する電荷と異なる極性の電位に接続した場合でもあてはまる。
【００３７】
あるいは、導電性基板１１１は、エレクトレット膜１０３が保持する電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット膜１０３の表面電位の絶対値よりも大きい電位に接続してもよい。この場合、エレクトレット膜１０３から流出した電荷は、凹構造１０５の側壁１０５ｂに沿って、導電性基板１１１へ近づく方向（図４中のｚ方向下向き）で移動しようとしても、導電性基板１１１から反発する静電斥力が電荷に作用するため、電荷は凹構造１０５の底面に向かって移動することができない。そのような静電斥力も、電荷の流出防止に寄与する。
【００３８】
第１の変形例において、導電性基板１１１は、例えば、不純物をドープした単結晶シリコン基板であり、絶縁層１１２は、導電性基板１１１を熱酸化法により酸化させることにより形成した、厚さ１μｍのシリコン酸化膜である。エレクトレット膜１０３は、例えば、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成された、厚さ１０００ｎｍのシリコン酸化膜の表面に、ＬＰＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍのシリコン窒化膜を形成した積層膜である。導電性電極１０４は、例えば、ＬＰＣＶＤ法により形成された、不純物をドープした厚さ３００ｎｍの多結晶シリコン膜である。絶縁層１１２に形成された凹構造１１５は、ドライエッチングにより形成してよい。
【００３９】
図１および図４に示すエレクトレット素子において、凹構造１０５、１１５の底面の幅（ｘ方向の寸法）は、エレクトレット膜１０３と導電性電極１０４とのｘ方向の間隔よりも小さい。第２の変形例においては、図５に示すように、エレクトレット素子１２０の凹構造１２５の底面の幅と、エレクトレット膜１０３と導電性電極１０４との間隔が同じであり、当該間隔全体が凹部の底面と一致している。そのため、素子１２０においては、ｚ方向から見て凹構造１２５の有無が直ちに認識されないこともあるが、断面を見れば凹構造１２５が存在することはただちに理解される。そのような凹構造１２５は、エレクトレット膜１０３と導電性電極１２５をそれぞれパターニングするときのオーバーエッチを利用して形成できる。よって、エレクトレット素子１２０は、プロセス工数を低減して製造することが可能である。
【００４０】
第３の変形例のエレクトレット素子１３０を図６に示す。エレクトレット素子１３０は複数の凹構造１３５を有する。凹構造１３５の深さが図１に示す凹構造１０５の深さと同じであると仮定すれば、凹構造の数が多いほど、エレクトレット膜１０３から流出して導電性電極１０４に向かう電荷が基板（図６においては絶縁層１１２）の表面で移動する距離はより長くなる。それにより、電荷が導電性電極１０４へ到達するまでの時間をより長くすることができ、電荷保持安定性がより向上する。
【００４１】
第４の変形例のエレクトレット素子１４０を図７に示す。エレクトレット素子１４０は、非平坦構造として凸構造１４５を有している。凸構造１４５は、頂面１４５ａおよび側壁１４５ｂを有する。図示した形態において、頂面１４５ａは基板の表面（絶縁層１１２）の表面と平行な面である。頂面１４５ａはその一部が例えば湾曲していてもよい。また、側壁１４５ｂは、湾曲していてよい。あるいは、凸構造１４５は、最も高い部分において平坦な部分を有しておらず、頂面と側壁の明確な区別がない構造であってよい。具体的には、凸構造１４５断面は、その輪郭がアーチ形状を有してよい。
【００４２】
図示した変形例において、凸構造１４５の側壁１４５ｂのｚ方向の寸法（高さ）は、導電性電極１０４のそれと同じである。凸構造１４５においても、その側壁１４５ｂに沿って電荷が移動する向き（図７中のｚ方向）は、導電性電極１０４へ引き寄せられる電界の向き（図７中のｘ方向）に対して完全に垂直となる。そのため、凸構造１４５もまた、電荷の移動距離を増大させるとともに、電荷移動の駆動力となる電界の影響を小さくして、電荷の保持安定性を向上させることができる。
【００４３】
第５の変形例のエレクトレット素子１５０を図８に示す。この変形例は、非平坦構造として凹構造と凸構造を組み合わせた構造（凹凸構造）１５５を有している。この凹凸構造１５５においては、凹構造の側壁と凸構造の側壁が連続している。凹凸構造１５５は、絶縁層１１２の表面における電荷の移動距離を効率よく増大することができ、電荷保持安定性をより向上させることができる。凹凸構造において、凹部の側壁（凸部の側壁）、凹部の底面、および凸部の頂面の形状は図示したものに限定されず、図１および図７を参照して説明したとおり、他の形状であってよい。
【００４４】
第６の変形例のエレクトレット素子１６０を図９に示す。この変形例においては、導電性基板１６１上に凹構造を形成した後で、絶縁層１６２が形成されて、基板の表面が絶縁性にされている。電荷の流出を抑制する非平坦構造として形成されている凹構造１６５の形状寸法は、導電性基板１６１に形成された凹構造とほぼ同じであるが、絶縁層１６２がその表面に形成されているために、底面の寸法および深さは導電性基板１６１に形成された凹構造のそれらよりも小さい。
【００４５】
第６の変形例においては、第１の変形例とは異なり、絶縁層１６２の膜厚に制限されることなく、その深さがより大きい凹構造を形成することができる。凹構造１６５の深さをより大きくすることにより、電荷の移動距離をより長くして、電荷がエレクトレット膜１０３から導電性電極１０４に至るまでの時間をより長くして、より電荷保持安定性を向上することができる。例えば、絶縁層１６２が熱酸化法で形成されたシリコン酸化膜などである場合、その最大膜厚は２μｍ程度である。よって、この膜に凹構造を形成する場合、凹構造の頂面から底面までの距離（深さ）は２μｍ未満とする必要がある。しかし、導電性基板１６１（例えばシリコン基板）に凹構造を形成してから、絶縁層１６２を形成する方法で凹構造１６５を形成する場合、その深さがシリコン基板の厚み（例えば数百μｍ）にほぼ相当する凹構造１６５を形成することが可能である。
【００４６】
上記においては、熱酸化法によるシリコン酸化膜を絶縁層の例として挙げた。ＬＰＣＶＤ法またはスピンコート法により絶縁層を形成した場合でも、得られる絶縁層の厚みは制限され、導電性基板１６１の厚みより大きくすることは一般に困難である。よって、第６の変形例は、いずれの方法で絶縁層を形成する場合にも、より深い凹構造を得る構成として有用である。
【００４７】
第７の変形例のエレクトレット素子１７０を図１０に示す。この変形例は、エレクトレット膜１７３の内部に導電性の埋込電極１７６が形成されている点を除いては、第４の変形例と同じである。図示した素子１７０において、埋め込み電極１７６は絶縁層１１２の表面に形成されている。この変形例においては、コロナ放電によるエレクトレット膜１７３への電荷注入時に埋込電極１７６をアース電位と接続することで、より効率的にエレクトレット膜１７３へ電荷を引き込んで注入することができる。エレクトレット膜１７３へ電荷を注入した後、埋込電極１７６は浮遊電位にあってもよいし、アース電位と接続してもよい。
【００４８】
埋込電極１７６は導電性電極１０４と同様に、エレクトレット膜１７３内に保持された電荷を静電引力により引き寄せるが、埋込電極１７６はエレクトレット膜１７３により覆われているため、電荷は流出しにくく、導電性電極１０４へより流出しやすい。したがって、本変形例においても凹構造１０５により電荷の流出を低減することができる。
【００４９】
第８の変形例のエレクトレット素子１９０を図１１に示す。この変形例においては、防湿層１９７が形成され、防湿層１９７は絶縁層１１２、エレクトレット膜１０３、導電性電極１０４、凹構造１０５の表面を覆っている。防湿層１９７は、空気中の湿度により、エレクトレット膜１０３中の電荷、ならびにエレクトレット膜１０３から流出して絶縁層１１２および凹構造１０５の表面に存在する電荷が大気中に拡散することを防止して、電荷保持安定性をより向上させうる。防湿僧１９７と、凹構造１９５による電荷流出の防止効果とを組み合わせることで、よりエレクトレット膜１９７からの電荷流出を防止することができる。防湿層１９７は、エレクトレット膜１０３の表面のみを覆ってもよい。図示したように、防湿層１９７が凹構造１０５および絶縁層１１２の表面を覆うことにより、電荷流出はより抑制される。
【００５０】
防湿層１９７は、疎水基により水の吸着を防止するＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラン）、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、または高ガスバリア性の無機材料（例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはアルミニウム酸化膜）であってよい。
【００５１】
上記においては、ｚ方向で見て長方形であるエレクトレット膜および導電性電極が、ｘ方向において互いに平行に配置されたエレクトレット素子を説明した。本実施の形態は、エレクトレット膜および導電性電極の形状および配置によらず適用することができる。例えば、図１５に示すように、円盤形状の基板に、楔形状のエレクトレット膜２０３および導電性電極２０４が交互に配置されたエレクトレット素子２００においては、エレクトレット膜２０３と導電性電極２０４との間に直径方向に延びる非平坦構造（図においては凹構造２０５）が位置するようにしてよい。
【００５２】
あるいは、図１６に示すように、エレクトレット膜２１３と導電性電極２１４を市松模様状（またはチェッカー状）に基板２０８上に配置するエレクトレット素子２１０において、非平坦構造（図においては凹構造２１５）を、導電性電極２１４の周囲を囲む額縁状に形成してよい。図１６に示すエレクトレット素子２１０のさらなる変形例において、非平坦構造は、エレクトレット膜２１４の周囲を囲む額縁状に形成してよい。
【００５３】
いずれの図示したエレクトレット素子においても、非平坦構造は一方向に比較的大きい寸法を有する（例えば、図１に示す素子においては、ｙ方向の寸法が大きい）連続的なものであるが、非平坦構造は、点状または島状のものであってよい。例えば、図２において、凹構造１０５は、ｙ方向において連続しておらず、点線状であってよい。あるいは、非平坦構造は、基板表面を見たときに、エレクトレット膜または導電性電極を囲むように形成してよい。
【００５４】
図示した形態はいずれも、本実施の形態の例であり、凹構造の数、形状、サイズおよび深さ、誘電体層の厚さ、誘電体層に保持される電荷の量、ならびに導電性電極の形状および数は、特定のものに限定されない。これらを任意に選択しても、本実施の形態の効果を得ることができる。
また、上述の実施の形態は、本発明を例示するためのものであり、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のエレクトレット素子は、向上した電荷保持安定性を有し、振動発電器のエレクトレット電極として有用である。
【符号の説明】
【００５６】
１００  エレクトレット素子
１０３  エレクトレット膜
１０４  導電性電極
１０５  凹構造（非平坦構造）
１０８  絶縁性基板
１１１  導電性基板
１１２  絶縁層
１４５  凸構造（非平坦構造）
１５５  凹凸構造（非平坦構造）
１７６  埋込電極
１９７  防湿層
【図１】
2014217178.tif 000003
【図２】
2014217178.tif 000004
【図３】
2014217178.tif 000005
【図４】
2014217178.tif 000006
【図５】
2014217178.tif 000007
【図６】
2014217178.tif 000008
【図７】
2014217178.tif 000009
【図８】
2014217178.tif 000010
【図９】
2014217178.tif 000011
【図１０】
2014217178.tif 000012
【図１１】
2014217178.tif 000013
【図１２】
2014217178.tif 000014
【図１３】
2014217178.tif 000015
【図１４】
2014217178.tif 000016
【図１５】
2014217178.tif 000017
【図１６】
2014217178.tif 000018