(57)【要約】      （修正有）【課題】超小型のエレクトレット機械電気エネルギー変換素子からの出力電力を、機械的スイッチング機構を用いて整流し、直流発電機として動作させるマイクロ発電装置を実現する。【解決手段】エレクトレット２はベース電極１の上に作りこまれ、それに対して対向電極３が振動して、その間の静電容量が変化することで、対向電極に静電誘導される電荷量が変化することを利用して発電する。対向電極３に機械的スイッチング機能を付加することで、発電と同期した機械的スイッチングにより整流を行い、全体として直流発電機として動作する。また、エレクトレット２や対向電極３などは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）によって制作されるため、機械的スイッチング機構もＭＥＭＳプロセスで同時に作りこんだ方が有用である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレクトレット薄膜を表面に形成したベース電極とそれに対向する金属からなる対向電極の対から構成され、ベース電極と対向電極を電気的に結線して負荷を接続することにより相互が相対運動を行った時に発電を行うマイクロ発電装置において、固定されたベース電極に対し対向し相対運動を行う対向電極表裏両面にメカニカルスイッチの一方を設置し、ベース電極にこの対向電極のベース電極に面しているメカニカルスイッチの対の一方となる電極を設置し、さらに対向電極のベース電極の反対側のメカニカルスイッチと対になるメカニカルスイッチの一方を設置してコンデンサをベース電極メカニカルスイッチとベース電極と反対側に設置したメカニカルスイッチの一方を結線することにより発電を行うことを特徴とするマイクロ発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、エレクトレットを用いたマイクロ発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  特定のセンサ機能を有したノードを多数設置して、分散協調型の情報システムを構築する、センサネットワークの有用性が高まっている。この機能性ノードに求められる機能として、他の多数のノードと混信せずに確実に計測データを送信できること、低コストで大量生産が可能であること、メンテナンスフリーであることなどがある。【０００３】  センサネットワークは構造物に機能性ノードが埋め込まれ、安全性のモニタリングを行うような適用例が特に有効である。このような適用例では、各ノードを駆動するための電源交換が難しい。このため、各ノードで周辺の振動や熱勾配、磁場・電場の変化、圧力変化、光などから自分の消費するエネルギーを作り出すのが望ましい。【０００４】ノードは定常的に計測データを送らなくても良いことが多く、ある程度エネルギーが溜まったときに間欠的に動作すればよい。また、データ計測用の電源や送信回路には直流電源が必要であり、周囲のエネルギーを効率よく溜め、直流電力として供給するシステムが必要である。【０００５】  周囲の微小な振動から、電力を取り出す手法の一つとしてエレクトレットを使用する方法がある。エレクトレットは電荷を半永久的に保持しておくことが可能なデバイスであり、エレクトレットに対して対向電極が振動して、その間の静電容量が変化し、対向電極上に静電誘導される電荷量が変化することを利用して発電することができる。【０００６】  従来のエレクトレットを用いたマイクロ発電装置は、エレクトレット薄膜を形成したベース電極とそれと対向する対向電極の相対運動により発電を行うもので、ベース電極と対向電極間に負荷を用いて結線して電力を取り出す交流発電機として用いるもの、また半導体ダイオードを用いて結線し、整流を行い直流発電機として用いるものが考えられてきた。【０００７】  しかし、このような発電機を用いると交流として利用する場合も、また整流した場合でも半導体ダイオードによる抵抗や閾値により、マイクロ発電の場合には効率が悪くなる欠点があった。【０００８】
【特許文献１】  特許公開２００３−１５３５５７
【特許文献２】  特許公表２００５−５２９５７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  本発明の目的は、エレクトレットを用いたマイクロ発電装置においてより効率のよい整流法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  本発明によれば、エレクトレット薄膜を表面に形成したベース電極とそれに対向する金属からなる対向電極および対向電極をはさんでベース電極と反対側のベース電極補完電極から構成され、ベース電極、ベース電極補完電極と対向電極を電気的に結線して負荷を接続することにより相互が相対運動行った時に発電を行うマイクロ発電装置において、ベース電極に対し対向し相対運動を行う対向電極のベース電極側およびベース電極補完電極側の両面にメカニカルスイッチの一方を設置し、ベース電極にこの対向電極のベース電極に面しているメカニカルスイッチの対の一方となる電極と、さらにベース電極補完電極のメカニカルスイッチと対になるメカニカルスイッチの一方を電極としてコンデンサ介してベース電極メカニカルスイッチとベース電極と反対側に設置したメカニカルスイッチの一方を結線することにより発電により生じた交流電流を直流電流に整流するものである。
【発明の効果】
【００１１】  本発明により、エレクトレットを用いたマクロ発電において高効率に直流電流を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】  以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態のエレクトレットを用いたマイクロ発電装置である。図１を参照すると、１はベース電極、２はエレクトレット膜、３は対向電極、４はベース電極補完電極、５は対向電極支持構造、６はベース電極側メカニカルスイッチ、７はベース電極補完電極側メカニカルスイッチ、８はコンデンサ、９は負荷抵抗である。【００１３】  エレクトレット膜２が形成されているベース電極１およびベース電極補完電極４に対し、対向電極３が相対的に運動を行い発電する。【００１４】  対向電極３がベース電極１に対して相対運動を行うと、対向電極３とベース電極１との間隔が変化し、間隔に応じてエレクトレット膜の電荷と反対の電荷が生じる。生じた電荷は、対向電極３がベース電極側に設置したメカニカルスイッチおよびベース電極補完電極側に設置したメカニカルスイッチが閉じられた時に電流が流れ、負荷抵抗９により仕事がなされる。コンデンサ８は、間歇的に流れ込む直流電流を蓄電し平滑化する。この時、図１に示すように、負荷抵抗９には直流電流が流れる。【００１５】  図２は本発明にかかわるマイクロ電源装置の主要部分である対向電極のマイクロマシニング技術を用いた作製例である。対向電極にはシリコン基板を用いる。図２（１）に示すように最初にＳｉ基板全面に熱酸化膜を形成する。次いで図２（２）に示すようにウェットエッチングにより（希フッ酸等）によりエッチングを行い電極部となる箇所を残すようにする。次いで図２（ｃ）に示すようにＤＲＩＥというドライエッチング手法により先端のシリコンの深彫エッチングを行う。次いで図２（４）に示すようにレジスト除去を行う。次いで図２（５）に示すようにＴＭＡＨ溶液による異方性エッチングにより、対向電極側のメカニカルスイッチング先端部を形成する。最後に図２（６）に示すように、対向電極部とメカニカルスイッチにＡｕ電極薄膜を形成して終了する。【００１６】  図３は、本発明にかかわるエレクトレット膜に電荷を帯電させる実験結果を示す。エレクトレット材料として、ＣＹＴＯＰ（ＣＴＬ−８０９Ｍ、旭硝子製）を用いている。ＣＹＴＯＰは、ＭＥＭＳ技術との整合性が良く、高電圧に耐え得る絶縁破壊強度を有しており、エレクトレット材料として高い性能をもつ。まず、２０ｍｍ×２０ｍｍのシリコンウエハに、Ａｕ／Ｃｒ膜をスパッタにより形成した。次に、ＣＹＴＯＰをウエハに滴下し、スピンコートとベークを１０回繰り返すことで厚さ１６マイクロメートルのＣＹＴＯＰ膜を作製している。最後に、コロナ放電を用いて、ＣＹＴＯＰ膜に電荷を注入し、エレクトレットを作製している。ここでは、放電電圧４．１５ｋＶ、放電電流０．５ｍＡ、帯電電圧３００Ｖ、帯電時間１０分でコロナ放電を行っている。エレクトレットの表面電位分布を図３に示す。１５０Ｖから３３０Ｖの範囲で帯電されていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】  本発明はＩＴ機器の中でも特に消費電力が少なく、間欠的動作で作動するような機器の電源方式として有用である。その場で発電して、適切な電力量まで蓄電し、その場で一致に使いきるユビキタスＩＴ機器用の電源を想定している。その際に、小さく機械的になることで、半導体整流方式のロスを克服しつつ、整流して直流電源として電力を供給できる。代表的な用途では、センサネットワークにおける機能性ノードの電源としての利用が見込まれる。本デバイスはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術で制作されるため、その特徴である一括処理による制作が可能である。このため、同じデバイスをアレイ状に作り込むことが可能で、一つ一つの発電量の小ささは数を作り込むことでカバーすることができる。機能性ノードは電力供給の心配がなければ、ホストが扱える範囲で多ければ多いほど、多くの情報を収集することができ、用途は広くなる。また、機能性ノードとしての利用では、本質的に同じデバイスが多く用いられるため、コストを抑えやすいことも有利な点である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態のマイクロ電源装置の構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明の実施の形態のマイクロ電源装置の作製法を示す要部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態のマイクロ電源装置のエレクトレット薄膜電位測定実験結果を示す図である。
【図４】本発明の実施により実現した発電電流測定実験結果図である。
【符号の説明】
【００１５】  １：ベース電極
２：エレクトレット膜
３：対向電極
４：ベース電極補完電極
５：対向電極支持構造
６：ベース電極側メカニカルスイッチ
７：ベース電極補完電極側メカニカルスイッチ
８：コンデンサ
９：負荷抵抗
１０：ベース電極支持構造
１１：ベース電極補完電極支持構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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