(57)【要約】【課題】曲面に形成されるエレクトレット電極を備える発電装置においても、安定して発電量を確保できる発電装置の製造方法を提供する。【解決手段】可動部材１１が固定部材に対して位置変動することで発電する発電装置１０を製造する発電装置の製造工程において、柔軟性を有するフレキシブル基板４０上に導電層４１を形成する導電層形成工程と、導電層４１上に誘電体膜４２を成膜する誘電体膜形成工程と、誘電体膜４２に電荷を封入する電荷封入工程と、フレキシブル基板４０を接着層４４を介して可動部材１１の曲面１３上に取り付ける取付工程とを有することを特徴とする。【選択図】図８
2014131436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材に対する可動部材の相対位置が変動されることで発電する発電装置の製造方法において、
柔軟性を有するフレキシブル基板を平面状に配置した状態で前記フレキシブル基板に導電層を形成する導電層形成工程と、
前記導電層上に複数の誘電体膜を形成する誘電体膜形成工程と、
前記誘電体膜に電荷を封入する電荷封入工程と、
前記フレキシブル基板を接着層を介して前記可動部材の曲面上に取り付ける取付工程とを
有することを特徴とする発電装置の製造方法。
【請求項２】
前記電荷封入工程は、前記複数の誘電体膜に対して垂直に電荷を打ち込むことで、前記誘電体膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の発電装置の製造方法。
【請求項３】
前記導電層形成工程は、支持層上に前記接着層を形成した後、前記フレキシブル基板を介して前記導電層を形成し、
前記取付工程は、前記接着層を前記支持層から剥離し前記曲面上に取り付けることを特徴とする請求項２に記載の発電装置の製造方法。
【請求項４】
固定部材に支持される軸に回転可能に前記可動部材を設置する可動部材設置工程を有することを特徴とする請求項２に記載の発電装置の製造方法。
【請求項５】
固定部材に対する可動部材の相対位置が変動されることで発電する発電装置において、
前記可動部材の表面の曲面に形成されるフレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の前記可動部材が存在する側とは反対側の表面に形成される導電層と、
前記導電層の前記フレキシブル基板が存在する側とは反対側の表面に形成される複数の誘電体膜と、
を有する発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電気力を用いて発電する発電装置の製造方法およびその発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エレクトレット材料による静電誘導を利用した発電装置が提案されている（特許文献１）。特許文献１には、複数のエレクトレット電極２を表面に有する不動基板１と、複数の可動電極５を表面に有する可動基板４とが、所定の間隔を隔てて配置された発電装置７０が提案されている。外部から発電装置７０に振動が加わったときに、可動基板４は移動し、エレクトレット電極２と可動電極５との重なり面積は初期面積から増加又は減少する。この重なり面積の変化によって、可動電極５に電荷の変化が生じる。発電装置７０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する。このような発電装置を製造する方法として、非特許文献１に示すような方法がある。非特許文献１の発電装置製造方法では、基板に金属膜を形成し、フォトリソグラフィー工程によって金属膜をパターニングする。そして、金属膜上にエレクトレット膜となる誘電体材料を成膜し、誘電体材料をドライエッチングによってパターニングする。そして、コロナ放電により高分子材料をエレクトレット化し、エレクトレット電極を製造する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２２９９７０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  （ＭＥＭＳ）、２０１０  ＩＥＥＥ  ２３ｒｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｏｎ、ｐ１７６〜ｐ１７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１の製造方法では、特許文献１の発電装置のような水平な基板面にエレクトレット電極を形成することは可能だが、曲面へのエレクトレット電極の形成は困難であり、形成できたとしてもエレクトレット膜における所望の厚み分布や電荷密度分布を確保することが難しい。そのため、このようなエレクトレット電極を用いた発電装置においては、その発電量を安定させることが困難となるおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、曲面に形成されるエレクトレット電極を備える発電装置においても、安定して発電量を確保できる発電装置の製造方法および発電装置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】
上記課題を解決するために、本発明に係る発電装置の製造方法は、固定部材に対する可動部材の相対位置が変動することで発電する発電装置の製造方法において、柔軟性を有するフレキシブル基板を平面状に配置した状態で前記フレキシブル基板に導電層を形成する導電層形成工程と、前記導電層上に複数の誘電体膜を形成する誘電体膜形成工程と、前記誘電体膜に電荷を封入する電荷封入工程と、前記フレキシブル基板を接着層を介して前記可動部材の曲面上に取り付ける取付工程とを有することを特徴とする。
【０００８】
また、前記電荷封入工程は、前記複数の誘電体膜に対して垂直に電荷を打込むことで、前記誘電体膜を形成することを特徴とする。また、前記導電層形成工程は、支持層上に前記接着層を形成した後、前記フレキシブル基板を介して前記導電層を形成し、前記取付工程は、前記接着層を前記支持層から剥離し前記曲面上に取り付けることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る発電装置の製造方法は、固定部材に支持される軸に回転可能に前記可動部材を設置する可動部材設置工程を有することを特徴とする。また、本発明に係る発電装置は、固定部材に対する可動部材の相対位置が変動されることで発電する発電装置において、前記可動部材の表面の曲面に形成されるフレキシブル基板と、前記フレキシブル基板の前記可動部材が存在する側とは反対の表面に形成される導電層と、前記導電層の前記フレキシブル基板が存在する側とは反対側の表面に形成される複数の誘電体膜とを有することを特徴とする。
【００１０】
これらの特徴によれば、可動部材の曲面に厚みと電荷の分布が均一な誘電体膜を形成することができ、安定して発電量を確保できる発電装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る第１実施形態の発電装置の製造方法を示す説明図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態の発電装置の製造方法の図１の次工程を示す説明図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態の発電装置の製造方法の図２の次工程を示す説明図である。
【図４】本発明に係る第１実施形態の発電装置の製造方法の図３の次工程を示す説明図である。
【図５】本発明に係る第１実施形態の発電装置の製造方法の図４の次工程を示す説明図である。
【図６】本発明に係る第１実施形態の発電装置の製造方法の図５の次工程を示す説明図である。
【図７】本発明に係る第１実施形態の発電装置の製造方法の図６の次工程を示す説明図である。
【図８】本発明に係る第１実施形態の発電装置の製造方法の図７の次工程を示す説明図である。
【図９】本発明に係る第１実施形態の発電装置の可動部材の平面図である。
【図１０】本発明に係る第１実施形態の発電装置の可動部材の斜視図である。
【図１１】本発明に係る第１実施形態の発電装置の平面図である。
【図１２】図１１のA−A線に沿う断面図である。
【図１３】本発明に係る第１実施形態の発電装置の斜視図である。
【図１４】本発明に係る第２実施形態の発電装置の製造方法を示す説明図である。
【図１５】本発明に係る第２実施形態の発電装置の製造方法の図１４の次工程を示す説明図である。
【図１６】本発明に係る第２実施形態の発電装置の製造方法の図１５の次工程を示す説明図である。
【図１７】本発明に係る第１実施形態の発電装置の回路図である。
【図１８】本発明に係る実施形態の発電装置およびその製造方法の利点を説明するための比較図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態について、図１〜図１３を参照して説明する。図１〜図８は、本実施形態の発電装置の製造方法を工程順に図示した説明図である。図９は、本実施形態の発電装置の可動部材の平面図である。図１０は、前述の可動部材の斜視図である。図１１は、本実施形態の発電装置の平面図である。図１２は、図１１のＡ−Ａ断面図である。図１３は、本実施形態の発電装置の斜視図である。図１７は、本実施形態の発電装置の回路図である。
【００１３】
（発電装置の製造方法）
まず、図１に示すように、本実施形態に用いるフレキシブル基板４０を配置する。フレキシブル基板４０は柔軟で変形可能に構成されている。フレキシブル基板４０の材料は、例えばポリイミドなどの高分子材料や、錫箔などの金属材料である。本工程では、図示しない平たい台上に設置されており、フレキシブル基板４０は表面が平らな平面となるような平板状に設置されている。
【００１４】
次に、図２に示すように、フレキシブル基板４０の上に導電層４１を形成する（導電層形成工程）。フレキシブル基板４０の上に、金や銅などの導電性材料をスパッタなどの方法を用いて成膜する。なお、フレキシブル基板４０が導電性材料で形成されている場合は、この工程は省略してよい。
【００１５】
次に、図３に示すように、導電層４１の上に誘電体膜４２を形成する。誘電体膜４２の材料は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの高分子材料や、ＳｉＯ2（二酸化珪素）などの無機材料で、スパッタなどの方法を用いて形成することができる。また、溶媒に溶解したフッ素樹脂等を誘電体膜の材料に用いると、スピンコートなどのウェットプロセスでも誘電体膜４２を形成することができる。
【００１６】
次に、図４に示すように誘電体膜４２上に、誘電体膜をパターニングするためのメタルマスク４３を設置する。次に、図５に示すように誘電体膜４２をドライエッチングによりパターニングする。メタルマスク４３の開口部に露出している誘電体膜４２をエッチングによって除去し、誘電体膜４２をパターニングする。誘電体膜４２は複数の誘電体膜４２ｉ〜４２ｍにより構成される（誘電体膜形成工程）。次に、図６に示すように誘電体膜４２のパターニング後、メタルマスク４３を取り除く。なお、誘電体膜４２をパターニングしない場合は、図４から図６の工程を行う必要はない。
【００１７】
次に、図７に示すように誘電体膜４２をエレクトレット化する（電荷封入工程）。例えばコロナ放電等によって誘電体膜４２の電荷を誘起し、誘電体膜４２をエレクトレット化してエレクトレット膜１２とする。このとき、複数の誘電体膜４２ｉ〜４２ｍのすべての誘電体膜４２に垂直に、放電による電荷の打ち込みが行われる。このようにして作製したエレクトレット電極１４は、フレキシブル基板４０、導電層４１、複数のエレクトレット膜１２ｉ〜１２ｍを備えている。これにより、いずれの誘電体膜においても、均一の電荷分布が形成されることとなる。
【００１８】
次に、図８に示すようにエレクトレット電極１４を可動部材１１の側面１３に取り付ける（取付工程）。接着層４４を介して、可動部材１１の側面１３にエレクトレット電極１４を設置する。接着層４４の材料は、例えばカーボンテープなどの粘着テープや、銀ペーストなどのペースト状接着剤である。次に、図９に、図１から図８までの工程により形成したエレクトレット電極を備える可動部材１１を示す。また、図１０において図９の斜視図を示す。
【００１９】
次に、図１１、１２、１３に示すように、エレクトレット電極１４を取り付けた可動部材１１と、対向電極１６を形成した固定部材２５を組み合わせ、発電装置１０を作製する（可動部材設置工程）。図１１は発電装置１０の上面図であり、図１２は図１１のＡ−Ａに沿う発電装置１０の断面図である。図１３は図１１の斜視図である。この発電装置１０において、可動部材１１の側面１３と、固定部材２５の内周面１５は、図１２の軸Ｚを中心とする同心円状に構成されている。また、可動部材１１は固定部材２５に対して、図１２における軸Ｚを中心に回転可能に設置されている。そして、可動部材１１が軸Ｚを中心に回転運動をすることにより、エレクトレット膜１２と対向電極１６の重なり面積が変化し、エレクトレット電極１４に電荷の変化が生じ、発電する。
【００２０】
なお、前記取付工程においてエレクトレット電極１４を可動部材１１に取り付ける際のフレキシブル基板４０の曲率半径は、エレクトレット膜１２が剥離しないようなるべく大きい方がよく、且つ可動部材１１の側面１３に密着するようなある範囲である。これにより、取り付け工程における応力変化が起こってもエレクトレット膜１２が導電層４１から分離する事態を回避することができるため、安定した発電を確保することができる。
【００２１】
（発電装置）
次に、本実施形態に係る製造方法により製造した発電装置１０について詳しく説明する。以下の説明では、図１１における上方向を「X方向」、左右方向を「Y方向」、紙面に直交する方向を「Z方向」とする。図１１〜１３に示すように、発電装置１０は、Ｚ方向に伸びる軸１７を中心に回転する可動部材１１と、可動部材１１の径方向（ＸＹ方向）外部の側面１３に設けられるエレクトレット電極１４と、可動部材１１を内包するように設置された固定部材２５と、側面１３に対向する固定部材２５の内周面１５に設けられる対向電極１６とを有している。
【００２２】
回転体１１は、平板部１８と、平板部１８より厚肉に形成された側部１９とを備えている。平板部１８は半径Ｒ１の円弧を有する大半円板２０と、半径Ｒ２の円弧を有する小半円板２１を備えている。大半円板２０の半径Ｒ１は、小半円板２１の半径Ｒ２よりも大きい。また、側部１９は大半円板２０の円弧に沿って設けられている。また、大半円板２０の円弧と小半円板２１の円弧は、同一の中心を有している。大半円板２０と小半円板２１の中心には、軸１７が挿入される軸穴がＺ方向に設けられ、可動部材１１はベアリング２２を介して軸１７に回転可能に接続されている。また、軸１７は基板２７に固定されている。このような構成により、可動部材１１は外部振動を受けると側部１９の慣性によって軸１７を中心に回転するように構成されている。また、側部１９は、Ｚ方向に平行な方向に伸びる側面１３を有している。
【００２３】
また、エレクトレット電極１４は図１〜１６に示す製造方法によって形成され、フレキシブル基板４０、導電層４１、複数のエレクトレット膜１２ｉ〜１２ｍを備え、接着層４４を介して可動部材１１の側面１３に取り付けられている。複数のエレクトレット膜１２ｉ〜１２ｍは、大半円板２０の円弧全体に亘って等間隔の角度で配置されている。
【００２４】
円筒２５の内周面１５は大半円板２０、小半円板２１と同一の中心を有し、内周面の半径Ｒ３は、大半円板２０の半径Ｒ１よりも大きい。また、内周面１５に設けられる対向電極１６は、エレクトレット電極１４の複数のエレクトレット膜１２ｉ〜１２ｍと同形状の複数の電極片２６ａと、電極片２６ａを繋ぐ共通部２６ｂから成り、複数の電極片２６ａはエレクトレット電極１４の複数のエレクトレット膜１２ｉ〜１２ｍと同じ角度間隔で内周面１５の全周に亘って等間隔の角度で配置されている。
【００２５】
なお、図８〜図１３の可動部材１１と固定部材２５は一例で有り、別の形状でも構わない。また、本実施形態では可動部材１１にエレクトレット電極１４を設置したが、固定部材２５にエレクトレット電極１４を設置し、可動部材１１に対向電極１６を設置しても構わない。また、本実施形態では複数のエレクトレット膜を５個としたが、１個以上であれば構わない。
【００２６】
図１７は、本実施形態に係る発電装置１０の回路図である。図１７に示すように、発電装置１０の回路３１は、ブリッジ式整流回路３２と、平滑回路３３と、を備えている。ブリッジ式整流回路３２は、４個のダイオードを備え、その入力側にはエレクトレット膜１２の集電材（導電層４１）および対向電極１６が接続されている。ブリッジ式整流回路３２の出力側は、平滑コンデンサを備えた平滑回路３３を介して、様々な電気機器３４に接続される。
【００２７】
エレクトレット膜１２は負電荷が保持されているので、対向配置された対向電極１６には、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。そして、外部振動に応じて可動部材１１が軸１７を中心に回転運動し、対向電極１６に対してエレクトレット電極１４が相対的に移動すると、エレクトレット膜１２と対向電極１６との重なり面積（以下、単に「重なり面積」という。）が増減し、これに伴って対向電極１６の電荷が増減する。静電誘導型の発電装置１０では、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。すなわち、回路３１を備えた発電装置１０は直流電源として機能する。
【００２８】
なお、図１７では、エレクトレット電極１４が回路３１に直接接続されているが、実際には、エレクトレット電極１４を導電性材料で形成された可動部材１１に電気的に接続し、導電性材料で形成されたベアリングの外輪２２ａ、ベアリングのボール２２ｂ、ベアリングの内輪ｃ、軸１７を介して、回路３１に電気的に接続されている。また、図１７では対向電極の電極片２６ａが回路３１に直接接続されているが、実際には、第２電極の共通部２６ｂを介して、回路３１に電気的に接続さている。また、固定部材２５と基板２７は絶縁材料で形成され、エレクトレット電極１４と対向電極１６が電気的に絶縁となるように構成されている。
【００２９】
このように、本実施形態では、可動部材１１の側面１３に設けたエレクトレット膜１２と、側面１３の対向面１５に設けた対向電極１６の重なり面積が、可動部材１１の回転運動により相対的に変化することで発電する。また、可動部材１１が回転運動を行っているときでも電気的な接続を維持できるので、安定して発電することができる。また、エレクトレット電極１４を平面で形成するため、複数のエレクトレット膜１２ｉ〜１２ｍのように複雑な構造を精度よく作製することができるので、より安定して発電することができる。
【００３０】
次に、上述の製造方法とかかる製造方法により製造される発電装置が有する利点について説明する。このようにして製造された発電装置１０は、エレクトレット電極１４が変形可能で、エレクトレット電極１４の形成を平面で行ってから可動部材１１の側面１３に設置するので、曲面にも容易にエレクトレット電極１４を形成することができる。また、平面上で誘電体膜４２を成膜し、エレクトレット化するので、エレクトレット膜の厚み分布や電荷分布が均一になり、この製造方法で形成したエレクトレット電極１４を備える発電装置１０は安定して発電量を得ることができる。
【００３１】
図１８に、本実施形態の利点を説明するための比較図を示す。かかる比較図は、本実施形態のフレキシブル基板が、たとえば可動基板１１に形成された後にエレクトレット電極が制作される図を示している。このように、可動部材に取り付けた後に電極を作成すると、エレクトレット膜の厚み分布や電荷分布が不均一になる。例えば、誘電体膜形成工程において誘電体膜をスパッタによって形成する場合、ターゲットと成膜面との距離が異なると成膜される厚みが異なるので、エレクトレット膜１１２の厚みに分布ができる。図１８では、可動部材１１の側面１３の中央部に形成されたエレクトレット膜１１２ｋの厚みが最も厚く、中央部から最も離れたエレクトレット膜１１２ｉ、１１２ｍの厚みが最も薄い場合を示した。また、電荷封入工程において、コロナ放電を実施する際、電極間距離が離れると電荷が減衰するので電極からの距離が遠いほど封入される電荷が少なくなる。
【００３２】
図１８では、可動部材１１の側面１３の中央部に垂直に電荷を打込む場合を示し、電荷の減衰を太矢印、細矢印、点線矢印で示した。電荷打込み距離の最も近いエレクトレット膜１１２ｋでは、打込まれる電荷が最も大きく、打込み距離が離れるエレクトレット膜１１２ｊ、１１２ｌでは電荷が減衰し、さらに打込み距離が離れるまたエレクトレット膜１１２ｉ、１１２ｍではさらに電荷が減衰する。また、中央部からの距離が離れるほどエレクトレット膜に対する電荷の進入角度が小さくなり、エレクトレット膜に到達する電荷密度が小さくなるので、エレクトレット膜１１２ｋとエレクトレット膜１１２ｉでは到達する電荷密度が大きく異なる。このようにして形成されたかかる不均一なエレクトレット電極と固定部材との相対位置が変動すると、その変動位置に応じた不安定な発電を生じるおそれがある。本実施形態においては、このような事態を抑制することができ、中央部のエレクトレット膜１２ｋと、側方のエレクトレット膜１２ｉやエレクトレット膜１２ｍとの間の均一性が確保でき、安定した発電状態を確保することができるようになる。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態について、図１４〜図１６に基づいて説明する。図１４〜図１６は、本実施形態の発電装置の製造方法を工程順に図示した説明図である。本実施形態はフレキシブル基板４０に予め接着層が形成されている点が第１実施形態と異なる点である。以下の説明においては、上述の第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明は省略する。
【００３４】
以下において、本実施形態のエレクトレット電極の製造方法について説明する。図１４は、本実施形態の発電装置１０のエレクトレット電極製造方法に用いる接着層１４４を有する基材５０である。基材５０は支持層５１、接着層１４４、フレキシブル基板４０で構成され、フレキシブル基板４０は接着層１４４を介して支持層５１に固定されている。そして、このフレキシブル基板４０上に図２〜図７と同様の方法で導電層４１と誘電体膜４２を形成し、誘電体膜４２をパターニング・エレクトレット化してエレクトレット膜１２とし、フレキシブル基板４０、導電層４１、エレクトレット膜１２を備えたエレクトレット電極１４を形成する。
【００３５】
図１５は支持層５１を接着層１４４から剥離する工程である。図１６は支持層５１を剥離したエレクトレット電極１４を、接着層１４４を介して可動部材１１に設置する工程である。そして、図９〜図１３と同様の方法で発電装置１０を製造する。
【００３６】
このようにして製造された発電装置は、上述の第１実施形態の利点に加え、接着層１４４を形成する工程が必要ないため簡便であり、また、エレクトレット電極１４と接着層１４４が一体に構成されているため、可動部材１１に設置する際の位置決め精度が良く、より安定して発電を行うことができる。
【００３７】
本願発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、前記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されたり、幾つかの構成要件が異なる形態にして組み合わされても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除されたり組み合わされた構成が発明として抽出され得るものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０  発電装置
１１  可動部材
１２  エレクトレット膜
１６  対向電極
２５  固定部材
４０  フレキシブル基板
４１  導電層
４２  誘電体膜
４４、１４４  接着層
【図１】
2014131436.tif 000003
【図２】
2014131436.tif 000004
【図３】
2014131436.tif 000005
【図４】
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【図５】
2014131436.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014131436.tif 000009
【図８】
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【図９】
2014131436.tif 000011
【図１０】
2014131436.tif 000012
【図１１】
2014131436.tif 000013
【図１２】
2014131436.tif 000014
【図１３】
2014131436.tif 000015
【図１４】
2014131436.tif 000016
【図１５】
2014131436.tif 000017
【図１６】
2014131436.tif 000018
【図１７】
2014131436.tif 000019
【図１８】
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