(57)【要約】【課題】エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置を構成するエレクトレット発電部品として、発電量が向上できる部品を提供する。【解決手段】エレクトレット発電部品４を、基板４０と、基板４０上に形成された電極４１と、電極４１上に形成されたエレクトレット材料からなる薄膜４２と、で構成する。薄膜４２の表面粗さは、基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）で０．００５μｍ以上５０μｍ以下である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成された電極と、前記電極上に形成されたエレクトレット材料からなる薄膜と、からなり、
前記薄膜の表面粗さが、基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）で０．００５μｍ以上５０μｍ以下であるエレクトレット発電部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置の構成部品として使用されるエレクトレット発電部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜３および非特許文献１には、エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置に関する記載がある。
特許文献１には、静電誘導型振動発電装置を形成する静電誘導型発電素子の一般的な構造についての記載がある。
この記載によると、一般的な静電誘導型発電素子は、上面にエレクトレットが形成された電極（ベース電極）と、ベース電極およびエレクトレットから所定間隔をあけて設置された対向電極とを備えている。また、ベース電極または対向電極が、両電極の重なり面積を変化させる相対運動ができる構成となっている。この相対運動により、エレクトレットに注入された電荷とは逆の電荷が対向電極に静電誘導され、ベース電極および対向電極に接続された外部負荷に電流が流れる。
【０００３】
また、特許文献１には、基板上にパターン電極を形成する電極形成工程と、前記パターン電極上に特定の重合体からなるパターン膜を形成するパターン膜形成工程と、前記パターン膜に電荷を注入してエレクトレットとする電荷注入工程と、を有する静電誘導型発電素子の製造方法が記載されている。
特許文献２には、エレクトレット材料を使った回転方式の発電装置が記載されている。この発電装置は、第一の電極を設けた電極基板とエレクトレット基板とを備えている。エレクトレット基板は、第一の電極に対向する第二の電極が基板上に形成され、第二の電極上にエレクトレットからなる薄膜が形成されたものである。また、この発電装置は、電極基板とエレクトレット基板を、同じ軸を中心として相対的に回転運動する回転機構を有する。
【０００４】
特許文献３には、基板上に形成されたエレクトレットポリマー薄膜の表面に、頂部と底部を有するナノメートルパターン（少なくとも１つの寸法が１〜１０００ｎｍである凹型又は凸型のパターン）を形成する方法が記載されている。この方法では、表面に凸型ナノメートルパターン（構造化パターン）を有するモールドを用い、その表面をエレクトレットポリマー薄膜の表面と接触させて、所定時間、圧力を加えることで、モールドのパターンをエレクトレットポリマー薄膜の表面に転写している。
【０００５】
非特許文献１には、エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置の発電量に関する記載がある。この記載によると、最大発電量は下記の式(1) で表される。
【数１】
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（σ：エレクトレット表面電荷密度、ｎ：エレクトレット極数、Ａ：エレクトレット表面積、ｆ：振動数、ε：誘電率、ε0 ：真空の誘電率、ｄ：エレクトレット厚さ、ｇ：エレクトレットと対向電極の距離）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許５５９８５８１号公報
【特許文献２】特開２０１１−９７８０７号公報
【特許文献３】特表２０１３−５３００６６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】柏木王明，「振動型発電器用超高性能エレクトレット材料の開発」，旭硝子研究報告, 60(2010)，p23-28
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記式(1) から、エレクトレットの表面電荷密度と表面積を増加させることで、静電誘導型発電装置の最大発電量を増加できることが分かる。一方、エレクトレットの帯電量は時間とともに減少する。よって、エレクトレットの帯電量の経時減少を抑制して、表面電荷密度を高く保持することが、発電量を増加することにつながる。
この発明の課題は、エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置を構成するエレクトレット発電部品として、発電量が向上できる部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明の一態様であるエレクトレット発電部品は、基板と、前記基板上に形成された電極と、前記電極上に形成されたエレクトレット材料からなる薄膜と、からなり、前記薄膜の表面粗さが、基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）で０．００５μｍ以上５０μｍ以下である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明のエレクトレット発電部品を用いることで、エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置の発電量を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態のエレクトレット発電部品を備えた発電装置を有する軸受装置を示す断面図である。
【図２】図１の軸受装置の分解斜視図である。
【図３】図１の軸受装置の分解側面図（ａ）と、図１の軸受装置を構成するラジアル軸受の断面図（ｂ）と、ハウジングの断面図（ｃ）である。
【図４】図１の軸受装置を構成する対向部品の平面図とそのＡ−Ａ断面図（ａ）と、エレクトレット発電部品の平面図とそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。
【図５】サンプルNo.1のエレクトレット薄膜の表面粗さを示すグラフである。
【図６】サンプルNo.2のエレクトレット薄膜の表面粗さを示すグラフである。
【図７】サンプルNo.3のエレクトレット薄膜の表面粗さを示すグラフである。
【図８】サンプルNo.1〜No.3のエレクトレット薄膜の帯電量の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［この発明の一態様の作用について］
エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置は、基板上に電極が形成され、この電極の上にエレクトレット薄膜（エレクトレット材料からなる薄膜）が形成されたエレクトレット発電部品と、基板上に電極が形成された対向部品を備えている。対向部品はエレクトレット発電部品に対して、対向部品の電極とエレクトレット薄膜とが所定間隔を開けて対向するように配置される。
【００１３】
エレクトレット薄膜の表面に凹凸が形成されていることで、以下の効果が得られる。凹凸により大きくなった比表面積の分だけ、エレクトレット薄膜の表面電荷の総量が多くなる。また、エレクトレット薄膜に、電荷が集中する角部や尖端部が多く形成される。さらに、凹凸に電荷が集中することでエレクトレット薄膜の帯電量が経時変化しにくい。
この発明の一態様であるエレクトレット発電部品は、エレクトレット薄膜の表面粗さが、基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）で０．００５μｍ以上５０μｍ以下である。Ｒａが０．００５μｍ未満の場合は凹凸が小さすぎて、凹凸による上述の効果が実質的に得られない（極端に小さくなる）。Ｒａが５０μｍを超えると凹凸が大きすぎて、凹凸による上述の効果が実質的に得られない。
【００１４】
この発明の一態様であるエレクトレット発電部品において、エレクトレット薄膜の表面粗さの好ましい範囲は、基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０５μｍ以上５μｍ以下である。
この発明の一態様であるエレクトレット発電部品は、エレクトレット薄膜の基準長さ２４０μｍにおける十点平均粗さ（Ｒｚ）が０．０５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。Ｒｚが０．０５μｍ未満の場合は凹凸が小さすぎて、凹凸による上述の効果が実質的に得られない。Ｒｚが５００μｍを超えると凹凸が大きすぎて、凹凸による上述の効果が実質的に得られない。
この発明の一態様であるエレクトレット発電部品は、エレクトレット薄膜の基準長さ２４０μｍにおけるスキューネスが０以上であることが好ましい。スキューネスが０未満であると、凹凸が平均線に対して上側に偏っていることから、凹凸による上述の効果が実質的に得られない。
【００１５】
［エレクトレット薄膜の表面への凹凸形成方法］
エレクトレット薄膜の表面に凹凸を形成する方法としては、ショットブラスト、エッチング、などが挙げられる。ショットブラストは、対象物の表面に研磨材を吹きつける方法であり、大きな面積に対して安価に実施できる方法である。エッチングは、高アスペクト比の凹凸を形成する場合に好ましい方法である。
【００１６】
ショットブラストで用いる研磨材としては、セラミックス製、ガラス製、金属製、合成樹脂製、植物製のものがある。ショットブラストの研磨材としては、非金属製の研磨材を用いることが好ましい。その理由は、エレクトレット薄膜の表面に研磨材が残留した場合でも、非金属製の研磨材であれば電気的な影響が少ないためである。
ショットブラストで用いる研磨材の平均粒径は、１μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。平均粒径が１μｍ未満の研磨材および１０００μｍを超える研磨材では、Ｒａが０．００５μｍ以上５０μｍ以下の範囲の凹凸を形成することが困難である。
なお、ショットブラストの研磨材は、材質が異なるものや平均粒径が異なる複数種類のものを混合して使用してもよい。
【００１７】
［エレクトレット材料］
この発明の一態様であるエレクトレット発電部品を構成するエレクトレット材料としては、従来より公知のエレクトレット材料を使用することができるが、主鎖に環状構造を有する高分子や含フッ素重合体を使用することが好ましい。主鎖に環状構造を有する高分子としては、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）を使用することが好ましい。
【００１８】
シクロオレフィンポリマーとしては、例えば、ノルボルネン類の付加共重合体を用いることができる。具体的には、例えば、三井化学社製の「アペル（登録商標）」、Ｔｉｃｏｎａ社製の「ＴＯＰＡＳ（登録商標）」が挙げられる。また、ノルボルネン類の開環メタセシス重合体の水素添加ポリマーも用いることができる。具体的には、日本ゼオン社製の「ゼオネックス（登録商標）」や「ゼオノア（登録商標）」、ＪＳＲ社製「アートン（登録商標）」が挙げられる。
【００１９】
さらには、薄膜形成に適した含フッ素重合体である旭硝子社製の「ＣＹＴＯＰ（登録商標）」や、Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製の「テフロン（登録商標）ＡＦ（アモルファスフロロポリマー）」が挙げられる。「ＣＹＴＯＰ（登録商標）」は、主鎖にエーテル性酸素原子を含む含フッ素脂肪族環を有し、主鎖の末端にカルボキシ基またはアルコキシカルボニル基を有する含フッ素重合体である。
また、これらの高分子材料に、その高分子材料よりも比誘電率が高い無機材料が添加されたものを使用することもできる。
【００２０】
［エレクトレット発電部品の一例］
図１〜４を用いて、この発明の実施形態であるエレクトレット発電部品を有する発電装置の一例について説明する。
この例において、発電装置は、ラジアル軸受（転がり軸受）２の軸方向一端部に形成されている。図１に示す軸受装置１は、ラジアル軸受２と、対向部品３と、エレクトレット発電部品４と、回路基板５と、ハウジング６とからなる。
【００２１】
ラジアル軸受２は、外輪２０、内輪２１、ボール（転動体）２２を有し、内輪２１の内周部の軸方向一端に環状の突出部２１ｐが形成されている。外輪２０の外周面の軸方向でボール２２よりもハウジング６寄りの位置に、外輪２０にハウジング６を取り付けるための取付溝２０ｄが形成されている。
ハウジング６は、円環形状の底部６０と、底部６０の周縁部から軸方向に突出する円筒形状の突出部６１と、突出部６１の先端部から径方向内側に突出する取付爪部６２とで構成されている。
【００２２】
この構成によって、ハウジング６は、ハウジング６の取付爪部６２を外輪２０の取付溝２０ｄに嵌め込むことで外輪２０に取り付けられる。ハウジング６と内輪２１の突出部２１ｐとの隙間は、導電性シール７０で密封されている。軸方向他端における外輪２０と内輪２１の隙間は、非導電性シール８０で密封されている。
このようにして、ラジアル軸受２の軸方向一端部に発電装置を形成する空間が形成されている。発電装置は、対向部品３とエレクトレット発電部品４と回路基板５とで構成されている。
【００２３】
対向部品３は、図４（ａ）に示すように、円環形状の薄板からなる基板３０の一面に、円周方向に沿って等間隔に複数の対向電極３１が形成されたものである。複数の対向電極３１は、基板３０の一面に、例えば、クロム、金、クロムの順に形成された蒸着膜からなる。
エレクトレット発電部品４は、図４（ｂ）に示すように、円環形状の薄板からなる基板４０の一面に、複数の電極４１が形成され、各電極４１の上にのみエレクトレット薄膜４２が形成されたものである。複数の電極４１は、基板４０の円周方向に沿って等間隔に電極４１が形成されている。電極４１は、基板４０の一面に、例えば、クロム、金、クロムの順に形成された蒸着膜からなる。エレクトレット発電部品４の電極４１の配置は、対向部品３の電極３１の配置と同じである。
【００２４】
エレクトレット薄膜４２は各電極４１の上にのみ形成されている。エレクトレット薄膜４２の表面粗さは、基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）で０．００５μｍ以上５０μｍ以下である。エレクトレット薄膜４２は例えば以下の方法で形成される。
先ず、基板４０の電極４１の部分以外をマスキングし、基板４０の電極４１が形成されている側の面に、エレクトレット材料を溶媒に溶かした溶液をコーティングする。次に、コーティング膜から溶媒を蒸発させて、エレクトレット材料からなる薄膜を得る。次に、基板４０のエレクトレット薄膜が形成された面に対してショットブラストを行う。次に、基板４０をコロナ荷電装置に設置してエレクトレット薄膜４２に電荷を保持させる。
【００２５】
エレクトレット発電部品４は、内輪２１のハウジング６側の端面に、嵌合、接着、締結等の慣用の固定方法によって固定されている。対向部品３は、ハウジング６の底部６０におけるエレクトレット発電部品４と対面する位置に、慣用の固定方法によって固定されている。つまり、ハウジング６内で、エレクトレット発電部品４と対向部品３は対向配置され、エレクトレット薄膜４２と対向電極３１の間に、予め設計した間隔（エアギャップ）が存在する。
【００２６】
回路基板５は、円環形状からなる基板の一面に負荷５０が形成されたものであり、他面がハウジング６に固定されている。負荷５０は、例えば、ラジアル軸受２の回転速度、回転方向、温度等を測定するセンサとその周辺回路などで構成されている。対向部品３の対向電極３１と、エレクトレット発電部品４の電極４１と、回路基板５の負荷５０とが、配線５１〜５３で接続されている。
【００２７】
配線５１は、ハウジング６と負荷５０の電源供給端又はグランド端のうちの一端とを電気的に接続する配線である。配線５２は、負荷５０の電源供給端又はグランド端のうちの他端と対向電極３１とを電気的に接続する配線である。配線５３は、エレクトレット発電部品４の電極４１と内輪２１とを電気的に接続する配線である。
配線５１と配線５２は、電極４１の帯電状態に応じて接続先が異なり、例えば、電極４１がマイナスに帯電している場合は、配線５１を電源供給端に接続し、配線５２をグランド端に接続する。なお、電極４１がプラスに帯電している場合は逆の接続となる。
【００２８】
従って、電極４１は配線５３及び導電性シール７０を介して負荷５０の電源供給端又はグランド端のうちの一端と通電し、対向電極３１は配線５２を介して負荷５０の電源供給端又はグランド端のうちの他端と通電する。つまり、導電性シール７０と配線５１〜５３とにより、対向電極３１および電極４１を負荷５０と電気的に接続するための回路が構成されている。
【００２９】
軸受装置１は、対向電極３１とエレクトレット薄膜４２とが対向し、ラジアル軸受２が静止している状態で、対向電極３１とエレクトレット薄膜４２との間で静電誘導によって電気を蓄えることができる。
一方、ラジアル軸受２の内輪２１が回転すると、エレクトレット発電部品４が回転し、対向電極３１とエレクトレット薄膜４２との重なり面積が変化する。この重なり面積の変化によって、エレクトレット薄膜４２に保持された電荷とは逆の電荷が対向電極３１に静電誘導され、電荷の移動が発生することで、導電性シール７０と配線５１〜５３とを介して負荷５０に電流が流れる。つまり、軸受装置１は、ラジアル軸受２の回転により電気を取り出すこと（発電）ができる。
【００３０】
なお、この発明のエレクトレット発電部品は、上述のような軸受装置用のエレクトレット発電部品に限定されない。
また、上述の発電装置は、エレクトレットを利用した静電誘導型発電装置であって、回転により発電するものであるが、この発明のエレクトレット発電部品は、振動により発電する静電誘導型発電装置にも使用できる。
【実施例】
【００３１】
日本ゼオン（株）製のＣＯＰ薄膜である厚さ１００μｍの「ゼオノアフィルム（登録商標）ＺＦ１４」を用意し、これを１０ｍｍ×１０ｍｍに切り出したものをそのままサンプルNo.1とした。このサンプルNo.1のＣＯＰ薄膜の表面形状を測定したところ、図５に示すグラフが得られた。サンプルNo.1のＣＯＰ薄膜の基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）は０であった。
【００３２】
次に、サンプルNo.1のＣＯＰ薄膜の表面に、研磨材として♯４００のＳｉＣを用い、ショット圧０．１ｍＰａの条件で、１分間、ショットブラストを行った。このショットブラスト後のサンプルNo.2のＣＯＰ薄膜の表面形状を測定したところ、図６に示すグラフが得られた。サンプルNo.2のＣＯＰ薄膜の基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）は０．２４μｍであり、十点平均粗さ（Ｒｚ）は１．４μｍであった。
【００３３】
次に、サンプルNo.1のＣＯＰ薄膜の表面に、研磨材としてステンレスＧ２０を用い、ショット圧０．１ｍＰａの条件で、１分間、ショットブラストを行った。このショットブラスト後のサンプルNo.3のＣＯＰ薄膜の表面形状を測定したところ、図７に示すグラフが得られた。サンプルNo.3のＣＯＰ薄膜の基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）は１．５μｍであり、十点平均粗さ（Ｒｚ）は４．１μｍであった。
【００３４】
次に、No.1〜No.3の各サンプルをコロナ荷電装置に設置して、−７ｋＶ、５分間のコロナ放電を行うことで、ＣＯＰ薄膜に電荷を保持させた。つまり、No.1のサンプルは、ＣＯＰ薄膜にショットブラストを行わずに、電荷を保持させたものである。
このようにして得られたエレクトレット部品のサンプルNo.1〜No.3を、温度２０〜２５℃、湿度５０〜７０％の環境に放置して、帯電量の経時変化を調べたところ、図８に示す結果が得られた。
【００３５】
図８のグラフから、帯電量の経時変化は、サンプルNo.2のエレクトレット部品（ＣＯＰ薄膜のＲａが０．２４μｍでＲｚが１．４μｍ）で最も小さく、サンプルNo.1のエレクトレット部品（ＣＯＰ薄膜のＲａが０）で最も大きかった。サンプルNo.3のエレクトレット部品（ＣＯＰ薄膜のＲａが１．５μｍでＲｚが４．１μｍ）の帯電量の経時変化は、サンプルNo.1のエレクトレット部品より小さかったが、サンプルNo.2のエレクトレット部品よりは大きかった。
【００３６】
以上の結果より、ＣＯＰ薄膜の表面粗さが、基準長さ２４０μｍにおける算術平均粗さ（Ｒａ）で０．００５μｍ以上５０μｍ以下を満たすエレクトレット部品は、これを満たさないエレクトレット部品よりも帯電量の経時変化を小さくできることが分かる。
【符号の説明】
【００３７】
１  軸受装置
２  ラジアル軸受（転がり軸受）
２０  外輪
２１  内輪
２２  ボール
２１ｐ  環状の突出部
２０ｄ  取付溝
３  対向部品
３０  基板
３１  対向電極
４  エレクトレット発電部品
４０  基板
４１  電極
４２  エレクトレット薄膜（エレクトレット材料からなる薄膜）
５  回路基板
５０  負荷
５１〜５３  配線
６  ハウジング
６０  円環形状の底部
６１  円筒形状の突出部
６２  取付爪部
７０  導電性シール
８０  非導電性シール
【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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