(57)【要約】【課題】エレクトレットを使用した機械電気エネルギー変換装置の変換効率を向上する。【解決手段】エレクトレット機械電気エネルギー変換装置１０においては、例えばエレクトレット支持体１１にエレクトレット膜１２を塗布してこれを動作電極１３，１４に向き合わせ、その表面にエレクトレット表面電荷と反対符号の電荷を誘起する。従って支持体１１が左右に運動すると電流が負荷１５に発生する。本発明においては、エレクトレット膜１０の帯電工程においてはエレクトレット膜１０に従来通り金属体を密着させ表面電荷密度を高くするが、機械電気エネルギー変換を行うために使用する段階でこれを自立膜として支持するかあるいは絶縁支持体１１上に支持することにより、動作電極１３，１４の表面に誘起される有効電荷量を向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレクトレットに対して、相対的に振動する動作電極を有し、機械的エネルギーを電気エネルギーに相互変換する装置において、エレクトレットにより動作電極に誘起される電荷量がそれ以外の全ての金属あるいは高誘電率の物質に誘起される電荷量の５０％を超えるようにエレクトレットが配置されていることを特徴とする機械電気エネルギー変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の機械電気エネルギー変換装置において、エレクトレットが支持枠に支えられた自立膜であるか、または厚さ５００ミクロン以上の低誘電率の絶縁体に固定された膜であることを特徴とするエレクトレット膜構造体。
【請求項３】
前記エレクトレット膜構造体において、支持基盤に金属箔を接着し、その上に単層または複数層の付加膜を形成し、さらにその上にエレクトレット膜を形成することにより、エレクトレット膜を金属箔から容易に剥離させる工程を有する請求項１，２に記載のエレクトレット構造体及びその製造方法。
【請求項４】
前記エレクトレット膜構造体において、機械的に滑らかな金属面をエレクトレット膜下面に密着させて、離れた電極から放電することにより、エレクトレット膜に高電荷密度で帯電させ、その後に、金属面を分離させる工程を有する請求項１，２に記載のエレクトレット膜構造体及びその製造方法。
【請求項５】
前記の機械電気エネルギー変換装置において、請求項１，２に記載のエレクトレット膜構造体と前記対向電極間の空間部位を真空封入した構造をもつ機械電気エネルギー変換装置。
【請求項６】
前記の機械電気エネルギー変換装置において、請求項１，２に記載のエレクトレット膜構造体と前記対向電極間の空間部位を絶縁ガスで封入した構造をもつ機械電気エネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は機械エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する装置に係り、特にエレクトレットを使用する静電荷を利用するタイプに関する。
【背景技術】
【０００２】エレクトレットは１９２５年に海軍大学校の江口により発見され（例えば、非特許文献１参照）、その後１９６０年におけるベル研究所のＳｅｓｓｌｅｒとＷｅｓｔによるポリマーエレクトレットマイクロフォンの発明以降、広く利用されるようになった（例えば、特許文献１参照）。今日のエレクトレットの市場は引き続き主にマイクロフォンの分野であり、携帯電話などに大量に使用されている（例えば、特許文献２，３参照）。これらマイクロフォンに使われているエレクトレット薄膜は例えば金属や半導体上に形成されている。【０００３】他にも、エレクトレットを利用した小型アクチュエータの研究がされている（例えば、特許文献４参照）。【０００４】他にも、エレクトレットを使用した小型発電機の研究がされている（例えば、特許文献５参照）。さらに、近年センサーネットワークの各ノードをその場振動発電により動作させる方式が盛んに研究されているが、超小型の機械電気エネルギーの変換機構として、エレクトレットを用いる方法が東京大学の鈴木らにより研究されている（例えば、特許文献６参照）。【０００５】
【非特許文献１】フィロソフィカル  マガジン，Ｎｏ．４９，１９２５年の第１７８ページ（Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａｌ  Ｍａｇａｚｉｎｅ、ｖｏｌ．４９，１９２５，ｐｐ．１７８）
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３，１１８，０２２号
【特許文献２】特開平７−１０７５９７号公報
【特許文献３】特開２０００−２３６５９６号公報
【特許文献４】特開平８−８４４８５号公報
【特許文献５】特開２００５−５２９５７４号公報
【特許文献６】特開２００６−１８０４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】エレクトレット材料がセンサーや発電機を始めとするどのような装置に応用される場合でも、その表面電荷密度が高いほど良いことは自明である。薄膜エレクトレットは通常、金属基板あるいは金属でコートされた基板上に形成され、表面電荷密度はエレクトレットの誘電率と内部電界の積に等しくなる。一方で個体内部の電界には最大値（通常、約１００ｋＶ／ｃｍ）があり、それ以上では絶縁破壊を起こす。このことから、絶縁破壊電界が大幅に改善された新材料が発見されない限り、理論上のエレクトレットの表面電荷密度は最高でも１ｍＣ／ｍ＾２程度であることがわかる。この程度の値は酸化シリコンやテフロン系のポリマーなどで既に達成されており、従って大幅に改善することは困難に見える。【０００８】それにもかかわらず、現状では表面電荷の利用方法において重大な無駄がある。何故ならば、表面電荷から発する電気力線の殆どがエレクトレットが形成されている金属の下地に向かい、残りのごく一部のみしか装置（何であれ）の動作上重要な動作電極の方向に向かわないからである。即ち表面電荷によって誘起される反対符号電荷の殆どが下地金属中に存在する。何となれば、通常のエレクトレットの膜厚（１０ミクロン程度）は動作電極までのギャップ間隔（例えば０．１ｍｍ程度）に比べはるかに小さいので、下地金属が動作電極の金属よりも表面電荷にはるかに近接しているからである。このことは全表面電荷のうち、有効に利用されている割合がごく小さいことを意味する。【０００９】この状況を解決するために、例えばエレクトレット膜を厚くして金属の下地を遠ざけることが考えられる。しかし、一定の表面電荷密度に対して、エレクトレット膜厚を増加させることは即ち比例して表面電位を高くすることを意味する。一方で、広く利用されているコロナ放電によるエレクトレット製造時の帯電方法においては、グリッド電極にかけられる制御電圧が実質的に表面電位に等しく、実際上この電圧を数百ボルト以上に無制限に増加させることは困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】上記の問題点を解決するために本願によって開示される発明の概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。【００１１】本発明では、１ｍＣ／ｍ＾２のオーダーの表面電荷密度を確保するために、製造の最初の段階においてエレクトレット薄膜を金属表面上に形成し、もしくはエレクトレット自立膜を金属表面上に密着させ、その状態のままコロナ放電などの方法で表面電荷を与える。【００１２】製造の第二の段階において、エレクトレット薄膜を前記の金属表面より剥離する。金属面とエレクトレット膜の中間に付加的な薄膜層もしくは複数の薄膜層を形成することにより、剥離を容易にする場合がある。この工程により、エレクトレットの表面電位は非常に高くなる。もしこれが望ましくない場合は、エレクトレットを動作電極に近接させた状態で剥離過程を実行する。【００１３】前記エレクトレット薄膜をメンブレン状にして自立膜として保持するか、あるいはテフロンなどの絶縁体上に固定した上で、動作電極の近くに適切に配置することにより装置を完成する。この配置においては表面電荷から発生する電気力線の殆どが動作電極に向かうために、表面電荷の殆ど全てを有効電荷として使用できる。これが本発明のそもそもの目的であった。【００１４】即ち、例えばエレクトレット膜の比誘電率と厚さをそれぞれｅｒ、ｄ１とし、また帯電していない側のエレクトレット膜表面に近接した金属までの距離をｄ２とすると、エレクトレット表面電荷から前記金属までの実効的な距離（間に物質がないとした場合の等価距離）はｄ３＝（ｄ１／ｅｒ）＋ｄ２となる。一方で、エレクトレット表面電荷から動作電極までの距離をｇとし、エレクトレット表面電荷密度をｓとする。動作電極に誘起される電荷密度ｑｗのｓに対する比を増加させることが重要であるが、これはａ＝ｇ／ｄ３で定義される距離の比の関数になる。即ち、
【数１】
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となる。これを図２に示す。従来の方式では誘起電荷密度の全エレクトレット表面電荷密度に対する比ｑｗ／ｓが５％程度と非常に小さい（点Ｂ）。本発明ではｑｗがｓの少なくとも５０％以上ある領域、即ち比ｑｗ／ｓが３３％以上の領域で機械電気エネルギー変換装置を動作させる（点Ａより左側の領域）。【００１５】エレクトレットと動作電極間の電界が強いために、長時間でみるとギャップ間の空気がイオン化して徐々に放電する可能性がある。これを避ける必要がある場合には、装置を真空封止する。気体粘性が問題にならない装置においてはＳＦ６などの放電しにくい化学種を封入してもよい。真空封止する製造工程中で、イオン化が容易な低真空状態を経る必要がある。そこで重大な放電がおこる場合は、真空にポンピングする過程を充分に急速にするか、あるいは真空引き前に空気をＳＦ６などの放電しにくい気体でパージする。
【発明の効果】
【００１６】本発明では、エレクトレットの材料特性であるところの表面電荷密度が改善されなくとも、実際の機械電気エネルギー変換プロセスで重要な実効的な表面電荷密度を大幅に向上させる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。【００１８】図１に本発明の典型的応用例であるエレクトレット機械電気エネルギー変換装置１０を示す。左右に運動できるエレクトレット支持体１１にエレクトレット膜１２が塗布されている。対向して動作電極１３，１４が置かれ、その表面にエレクトレット膜の表面電荷と反対の符号を持った電荷が誘起される。エレクトレット支持体１１が左右に運動すると負荷１５中を電流が流れる。エレクトレット支持体１１の表面が金属であると大部分の反対電荷がその表面に誘起され、動作電極表面に誘起される実効電荷を大幅に減少させる。そこでエレクトレット支持体１１の材料として絶縁体を用いるか、あるいはエレクトレット膜１２を自立膜として支持枠に張って用いる。【００１９】例えばポリマー材料のエレクトレット膜１２を自立膜として得るためには、通常通り金属表面上にコーティングするとその剥離が困難な場合がある。その場合、図３に示すように基板２１上に薄い金属箔２２を接着し、更にその上に剥離を容易ならしめるための剥離用中間膜２３を形成し、最後にエレクトレット膜２４をスピンコーティングなどの方法で作成する。エレクトレット膜２４を加熱工程などで完成させた後で、まず金属箔２２より上の３層を堅い基板より剥離させ、続いて柔らかい前記３層からなる膜の隅を折り曲げることによりエレクトレット膜２４の他の層からの剥離を促進する。【００２０】自立エレクトレット膜をこのようにして得たのち、例えばコロナ放電法によって表面電荷を与える。この際にエレクトレット膜の裏側に設置された金属を密着させることが充分な表面電荷密度を得る上で重要であることから、図４に示すような器具を用いる。エレクトレット膜３１は金属製の支持枠３２に固定される。固定のためには接着剤など種々の方法が考えられるが、エレクトレット膜は通常帯電しているので金属には充分に張り付く傾向がある。次に、表面を滑らかに研磨した金属製密着プランジャー３３を固定枠３２を通して機械的に精密かつ滑らかに上昇させ、その表面をエレクトレット膜下面に密着させる。固定枠３２と密着プランジャー３３の双方を設置した上で、例えばコロナ放電法によりエレクトレット膜３１に表面電荷を付与する。
【実施例１】
【００２１】剥離可能な旭硝子株式会社製ＣＹＴＯＰ（登録商標）ＣＴＬ−８０９Ｍの約４ミクロン厚の自立膜を作成するために０．３ｍｍ厚の銅板の上に通常の糊を用いて１２ミクロン厚のアルミ箔を接着し、さらにその上に液体糊である大和株式会社製アラビックヤマト（登録商標）をスピンコート（５００ｒｐｍ、１０秒の後に１５００ｒｐｍ、２０秒）した。これを摂氏１５０度で２０分ベーキングした後、さらにその上にＣＹＴＯＰ液をスピンコート（５００ｒｐｍ、３０秒）し、摂氏１５０度で１時間ベーキングした。その後、アルミ箔より上の部分を剥離し、得られた膜の隅を折り曲げることによってＣＹＴＯＰ膜をその部分で分離し、更に機械的にＣＹＴＯＰ膜のみを剥離した。場合によってはアラビックヤマトの膜がついてくるが、これは温水で洗浄することにより除去可能である。【００２２】得られたＣＹＴＯＰ膜を銅製の枠に静電気で張り付け、さらに前記金属製密着プランジャー（銅製）で下面から押すことにより適切な張力を与えた。この状態で３０秒間のコロナ放電によりＣＹＴＯＰ膜を正に荷電した。コロナ放電電圧は約４ｋＶであり、また表面電荷を均一化し、また表面電位を制御するためのグリッド電極の電圧は３００Ｖであった。この工程により、ＣＹＴＯＰ膜の表面電位３００Ｖを得た。ここで、前記金属製密着プランジャーを除去したところ、表面電位計の測定範囲外の２ｋＶを超えるＣＹＴＯＰ膜の表面電位が記録された。【００２３】前記ＣＹＴＯＰ膜の前記プランジャーを除去した状態での表面電位は最初の３日間で減少したが、その後安定した（図５）。この安定した状態では前記プランジャーを密着した状態と除去した状態での表面電位がそれぞれ１４８Ｖ，１４９８Ｖであり、約１０倍の差があった。このことから、初期の表面電位は３ｋＶほどであったと推定される。安定状態での表面電位が充分に高いとは言えるが、初期の表面電位の減少はおそらくコロナ放電前に存在が確認されていた負の初期電荷によるものと思われる。従って、エレクトレットを負に帯電するか、あるいは繰り返し帯電操作を繰り返すことにより、初期の不安定を除くことができると期待される。【００２４】さらに、図６に示すように、ＣＹＴＯＰ自立膜６１ではなく動作電極６２が運動する形式の装置を用いて１０メガオームの負荷抵抗６３に発生する電力を計測した。動作電極は２２８．５Ｈｚの共振周波数をもつアルミニウム製の振り子６４に絶縁基板６５を介して固定され、対向して前記ＣＹＴＯＰ膜６１が配置された。前記振り子は積層ピエゾ加振機を用いて外部から強制振動させた。ＣＹＴＯＰ膜が支持枠に貼られ、裏面に何もない場合の発生電力は裏面に銅板を密着した場合に比べて少なくとも４倍の大きさがあった。
【実施例２】
【００２５】図１、図６に示されたエレクトレット機械電気エネルギー変換素子はそのままアクチュエーターとして使用できる。例えば、図１に示された装置の奥行きがｗ、動作電極に誘起される電荷密度をｑｗ、動作電極間に与えられた電位差をＶとすると、エレクトレット支持体１１にかかる力Ｆは
【数２】
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で与えられる。これらを複数組み合わせることにより力の総和を大きくすることもできる。本発明に沿ってエレクトレット膜を高い電荷密度で帯電し、その大きな部分に相当する電荷ｑｗを動作電極に誘起することにより、従来よりも大きな力を得る。
【実施例３】
【００２６】図７に本発明を応用したマイクロフォンの構造を示す。入射する音波はメッシュ電極７１を通り抜け、薄いエレクトレット膜あるいはエレクトレット膜を他の絶縁体で補強した振動膜７２を振動させる。振動膜７２は絶縁リング７３を介してメッシュ電極７１および裏側電極７４に固定される。ここで振動膜７２からのメッシュ電極７１への距離ｄｍと裏側電極７４への距離ｄｂを凡そ等しくすることができる。振動振幅はｄｍ、ｄｂ以下であるが、それがこれらの長さに近い場合、振動膜７２が最大に振れている時点でほとんど全ての誘起電荷は振動膜が近付いている片側の電極に集中する。これに対して、従来のマイクロフォンでは常に大部分の誘起電荷はエレクトレット膜の下地基板に誘起されている。従って、本実施例のマイクロフォンでは従来技術よりもはるかに大きな出力電流を得る。
【実施例４】
【００２７】本来、深い準位にトラップされたエレクトレット材料中の電荷は大変安定であるが、本発明ではエレクトレット膜から動作電極までの空間に従来よりもはるかに高い電界が存在するために、高温、低圧力、高湿度などの過酷な環境下での応用の場合は徐々に放電する可能性がある。そこで、本発明に関する機械電気エネルギー変換装置を真空中あるいはＳＦ６などの絶縁特性の良いガス雰囲気中に保持することが考えられる。ただし、真空封入する場合は急激に真空引きするかあるいは絶縁特性の良いガスでまずパージするなどの方策をとることにより低真空領域で逆に放電しやすくなる状態を回避する。例えばエレクトレット振動発電機の場合は単純に容器に機械電気エネルギー変換装置を納め、真空フィードスルーにより必要な電気配線を外部に取り出す。【００２８】マイクロフォンのような外部からの音波を受けるシステムにおいては、封入容器中の振動要素が外部振動につながる必要があるので、図８に示すような装置を用いる。封入容器中にある下部動作電極を支持している下部動作電極支持体８１および、同様に上部動作電極を支持する上部動作電極支持体８２は互いに３本の上部電極支持体固定ロッド８３により互いに固定されている。封入容器中にあるエレクトレット膜、あるいはエレクトレット膜と補強膜との複合膜を保持しているエレクトレット膜支持体８４はベローズ８５を介してフレキシブルに前記の下部および上部電極支持体に接続される。構造上、エレクトレット膜支持体に真空の力などの力が加わることはない。エレクトレット膜の運動が動作電極を通して電流を発生するメカニズムは実施例３と変わる所はない。外部音波がエレクトレット膜の運動に充分結合するように、音波受容器８６は幾本かの支持棒を通してエレクトレット膜支持体８４に固定される。
【産業上の利用可能性】
【００２９】本発明はエレクトレットマイクロフォン、エレクトレット発電機、エレクトレットアクチュエーターなどの諸装置の大幅な効率向上につながるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例の構成図である。
【図２】パラメーターａに対する動作電極上に誘起される電荷密度とエレクトレット表面電荷密度の比ｑｗ／ｓの関係を示すグラフ。
【図３】剥離可能なエレクトレット膜の構成図である。
【図４】自立エレクトレット膜の帯電に用いる器具の構成図である。
【図５】自立エレクトレット膜の表面電位Ｖｓと経過時間ｔの関係を示すグラフ。
【図６】自立エレクトレット膜を用いたエレクトレット振動発電機の図である。
【図７】エレクトレット膜が穴あき基板に固定されたマイクロフォンの図である。
【図８】エレクトレット機械電気エネルギー変換素子が真空封止あるいはガス封入できる容器に組み込まれた装置の図である。
【符号の説明】
【００３１】１０  エレクトレット機械電気エネルギー変換装置
１１  エレクトレット支持体
１２，３４，４１  エレクトレット薄膜
１３，１４  動作電極
１５  負荷
３１  基板
３２  剥離用金属箔
３３  剥離用中間膜
４２  帯電工程用エレクトレット支持枠
４３  金属製密着プランジャー
６１  ＣＹＴＯＰ自立膜
６２  動作電極
６３  １０メガオーム負荷抵抗
６４  アルミニウム製振り子
６５  絶縁基板
７１  メッシュ電極
７２  エレクトレット膜あるいはエレクトレット膜と補強膜からなる振動膜
７３  絶縁リング
７４  裏側電極
８１  下部動作電極支持体
８２  上部動作電極支持体
８３  上部動作電極支持体固定具
８４  エレクトレット膜支持体
８５  ベローズ
８６  音波受容器
【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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