エレクトレットの帯電装置及びエレクトレットの帯電方法、振動発電装置
【課題】コロナ放電処理により、エレクトレットを部分的に帯電するための帯電装置及び帯電方法であって、エレクトレットの帯電領域と非帯電領域との間の電位差を十分大きくすることを可能とするエレクトレットの帯電装置及び帯電方法、振動発電装置を提供する。
【解決手段】本発明は、エレクトレット９の下方に配置されアース電位に接続される下部電極８を有し、下部電極８の上方に隔てられたコロナ放電処理のための放電電極１２と、下部電極８と放電電極１２とに電気的に接続されており、下部電極と放電電極とに電圧を印加するための電圧源とを有し、貫通孔が形成され、導電性材料からなるマスク１１がエレクトレット９上に配置され、マスク１１とアース電位との間の電位差が、０より大きく、エレクトレット９の絶縁破壊電圧の絶対値未満に設定された電圧になるように制御する電圧制御装置１３を備えるエレクトレットの帯電装置を提供する。
【解決手段】本発明は、エレクトレット９の下方に配置されアース電位に接続される下部電極８を有し、下部電極８の上方に隔てられたコロナ放電処理のための放電電極１２と、下部電極８と放電電極１２とに電気的に接続されており、下部電極と放電電極とに電圧を印加するための電圧源とを有し、貫通孔が形成され、導電性材料からなるマスク１１がエレクトレット９上に配置され、マスク１１とアース電位との間の電位差が、０より大きく、エレクトレット９の絶縁破壊電圧の絶対値未満に設定された電圧になるように制御する電圧制御装置１３を備えるエレクトレットの帯電装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、振動発電装置や静電アクチュエータなどに用いられるエレクトレットの帯電装置及び帯電方法に関し、より詳細には、エレクトレットの一部を選択的に帯電させるためのエレクトレットの帯電装置及び帯電方法に関する。また、本発明は、エレクトレットが用いられた振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静電反発力や静電吸引力を利用した素子が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１には、静電気力を駆動源として用いた静電アクチュエータが開示されている。この静電アクチュエータでは、固定子と対向するように移動子が配置されている。固定子の電極に電荷を供給し、該電荷により移動子に電荷を誘導する。固定子の電極に供給された電荷と、移動子において誘導された電荷との静電反発力や静電吸引力を利用して移動子が駆動される。
【０００３】
特許文献１では、上記移動子としてエレクトレットフィルムが用いられている。このエレクトレットフィルムを移動子として用いるために、特許文献１では、エレクトレットフィルムに、帯電領域と、非帯電領域とが設けられている。このように、帯電領域のみを帯電させるために、特許文献１では、図２２に示す帯電方法が用いられている。
【０００４】
図２２に示すように、平板電極１０１上に、エレクトレットフィルム１０２が配置されている。エレクトレットフィルム１０２上に、導電性部材１０３が配置されている。導電性部材１０３は、複数の貫通孔１０３ａを有する。導電性部材１０３と、平板電極１０１とが、電気的接続部材１０４により電気的に接続されている。この状態で、平板電極１０１をアース電位に接続し、平板電極１０１と放電電極１０５との間に電圧源１０６から電圧を印加する。それによって、コロナ放電により、エレクトレットフィルム１０２を部分的に帯電させる。すなわち、エレクトレットフィルム１０２の貫通孔１０３ａに露出している部分が帯電され、帯電領域となる。エレクトレットフィルム１０２の上記帯電領域以外の領域は、非帯電領域となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３３３７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のエレクトレットフィルム１０２の帯電方法では、導電性部材１０３が、電気的接続部材１０４及び平板電極１０１を介してアース電位に接続されている。そのため、導電性部材１０３は常にアース電位となり、コロナ放電で発生した電荷は導電性部材１０３に優先的に流れ込むことになる。従って、エレクトレットフィルム１０２の帯電電位の絶対値が低下し、帯電領域と非帯電領域との電位差が小さくなる。従って、このような帯電方法で得られたエレクトレットフィルム１０２では、静電気力を機械的駆動力に変換する変換効率が低下するという問題がある。
【０００７】
他方、コロナ放電処理では、印加する電圧は、エレクトレットフィルム１０２の絶縁破壊電圧より高いのが普通である。そのため、電気的接続部材１０４を設けないと、導電性部材１０３に電荷が溜まりすぎることになる。その結果、導電性部材１０３からエレクトレットフィルム１０２を通じて平板電極１０１に電流が流れることとなる。この電流によ
り、エレクトレットフィルム１０２の帯電させたくない領域まで帯電するおそれがある。従って、エレクトレットフィルム１０２において、帯電領域と非帯電領域との電位差が小さくなる。
【０００８】
本発明の目的は、コロナ放電処理により、エレクトレットを部分的に帯電するための帯電装置及び帯電方法であって、エレクトレットの帯電領域と非帯電領域との間の電位差を十分大きくすることを可能とするエレクトレットの帯電装置及び帯電方法、並びに振動発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るエレクトレットの帯電装置は、上面にエレクトレットが配置され、アース電位と接続される下部電極と、前記下部電極の上方に隔てられて配置された放電電極と、前記下部電極と前記放電電極とに電気的に接続されており、前記下部電極と前記放電電極との間に電圧を印加する電圧源と、前記下部電極上に載置されるエレクトレット上に配置され、導電性材料からなり、かつ貫通孔を有するマスクとを備える。
【００１０】
本発明では、電位制御として、前記マスクと前記アース電位との間の電位差を、０より大きく、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧未満の範囲内に制御する電位制御手段とを備える。
【００１１】
本発明に係るエレクトレットの帯電装置のある特定の局面では、前記電位制御手段が、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記電位差が前記範囲内に設定した所定の電圧未満において電流を通過させず、前記所定の電圧以上において電流を通過させる電気回路である。この場合には、エレクトレットの帯電電位をより一層高精度に制御することができ、エレクトレットの帯電電位を安定化することができる。
【００１２】
本発明の他の特定の局面では、前記電位制御手段が、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧よりも低い電圧で抵抗が低下する非直線性抵抗素子である。この場合には、抵抗素子の電圧非直線性を利用することにより、すなわち簡単な構造で、帯電領域と非帯電領域との電位差を大きくすることができる。
【００１３】
本発明の他の広い局面によれば、エレクトレットの一部の領域を選択的に帯電するためのエレクトレットの帯電方法が提供される。本発明の方法は、下部電極上にエレクトレットを載置する工程を備え、前記エレクトレット上に、前記エレクトレットを帯電させる領域上が貫通孔とされており、かつ導電性材料よりなるマスクを、前記エレクトレット上に載置する工程を備え、前記下部電極をアースに接地する工程を備え、前記マスクと前記アースとの間の電位差を、０より大きく、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧未満の範囲に電位差を制御しつつ、前記下部電極と前記放電電極との間に電圧を印加してコロナ放電させることにより、前記エレクトレットの一部を選択的に帯電させる工程とを備える。
【００１４】
本発明に係るエレクトレットの帯電方法のある特定の局面では、前記マスクの電位制御を、前記マスクと前記放電電極との距離を制御することにより行う。
【００１５】
本発明に係るエレクトレットの帯電方法の他の特定の局面では、前記マスクの電位制御が、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記範囲内に設定した所定の電圧未満において電流を通過させず、前記所定の電圧以上で電流を通過させる電気回路を用いる。この場合には、マスクの帯電電位とアース電位との間の電位差をより確実に上記所定の電圧に制御することができる。
【００１６】
本発明に係るエレクトレットの帯電方法のさらに他の特定の局面では、前記マスクと前記アースとの間の電位差の制御に際し、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、かつエレクトレットの絶縁破壊電圧よりも低い電圧で抵抗が低下する非直線性抵抗素子を用いる。この場合には、抵抗素子の抵抗変化を利用するので、抵抗素子を接続するだけの簡略な構成で、エレクトレットの帯電領域と非帯電領域との電位差を大きくすることができる。
【００１７】
本発明に係るエレクトレットの帯電方法のさらに別の特定の局面では、前記下部電極として金属基板を用い、前記金属基板上にエレクトレットを載置する工程の後であって、前記導電性材料よりなるマスクを前記エレクトレット上に載置する工程の前に、前記金属基板上に載置されたエレクトレットに対し、前記金属基板と、前記エレクトレットの上方に配置した放電電極との間に電圧を印加してコロナ放電させることにより、エレクトレット全体を正または負に帯電する工程をさらに備え、前記マスクとアースとの電位差を制御しつつコロナ放電により前記エレクトレットの一部を選択的に帯電させる工程において、前記エレクトレットの一部を負または正に帯電させる。この場合には、正または負に帯電している帯電領域と、負または正に帯電している帯電領域とを有するようにエレクトレットを帯電させることができる。
【００１８】
本発明に係る振動発電装置は、一方主面に電極が形成されている固定基板と、前記固定基板に対向するように配置された可動基板とを備える。この振動発電装置では、前記可動基板が金属基板と、第１，第２の主面を有する平坦な板状部材からなるエレクトレットとを有し、前記エレクトレットが第２の主面側から前記金属基板に積層されている。前記エレクトレットの第１の主面において、第１の帯電領域と、第２の帯電領域または非帯電領域とが存在するように前記エレクトレットが帯電されており、前記エレクトレット上には導電部材が設けられていない。また、前記可動基板が振動し得るように前記可動基板を保持する保持部材をさらに備える。本発明の振動発電装置では、前記可動基板の振動により前記固定基板と前記可動基板との相対的位置が変化することにより電力を発生させる。
【００１９】
本発明に係る振動発電装置のある特定の局面では、前記可動基板の前記固定基板側の主面に凹部が形成されており、該凹部に凹部内で回転可能となるように一部が収納されている回転体がさらに備えられている。回転体の前記可動基板とは反対側の端部が前記固定基板の可動基板側の主面に接触されており、それによって固定基板と可動基板との間に空間が設けられている。この場合には、回転体により、固定基板と可動基板との間に一定の空間を確実に形成することができる。また、可動基板の固定基板に対する相対的位置を容易にかつ円滑に変化させることができる。従って、より大きな発電量を得ることができる。
【００２０】
本発明に係る振動発電装置のさらに他の特定の局面では、前記エレクトレットの第１の帯電領域が正または負の電荷がチャージされた帯電領域であり、前記エレクトレットの第２の帯電領域が、負または正の電荷がチャージされた帯電領域である。この場合には、より大きな発電量を得ることができる。
【００２１】
本発明に係る振動発電装置のさらに別の特定の局面では、前記可動基板の金属基板がアース電位に接続される。この場合には、金属基板の電位が安定する。従って、固定基板の電極に誘導される電荷量がエレクトレットの帯電領域にチャージされた電荷量のみに依存することとなる。よって、発電出力を安定化することができる。
【００２２】
本発明に係る振動発電装置のさらに別の特定の局面では、前記金属基板が５ｇ／ｃｍ３以上、１５ｇ／ｃｍ３以下の密度を有する金属からなる。この場合には、密度が５ｇ／ｃｍ３以上であるため、可動基板の共振周波数を１０Ｈｚ以下にすることが容易となる。また、この場合、密度が１５ｇ／ｃｍ３以下であるため、振動発電装置の重量が大きくなり
すぎることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係るエレクトレットの帯電装置及び帯電方法によれば、マスクとアースとの間の電位差が上記範囲に制御されるので、マスクに帯電した電荷を、アースに落とすことができる。よって、エレクトレットの帯電電位とアース電位との間の電位差を上記範囲に制御することができ、エレクトレットの帯電領域と非帯電領域との電位差を大きくすることが可能となる。
【００２４】
また、本発明に係る振動発電装置によれば、上記構成を備えるため、発電出力の安定化、発電出力の増大を図ることができ、さらに発電出力の経時劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係るエレクトレットの帯電方法及び帯電装置を説明するための略図的正面断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の帯電方法により得られたエレクトレットが用いられている振動発電装置の模式的正面断面図である。
【図３】図２に示した振動発電装置に用いられているエレクトレットを含む振動基板を示す正面図である。
【図４】図３に示した振動基板中のエレクトレットの平面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、図２に示した振動発電装置における固定子としてのキャップ材の詳細を示す正面図及び平面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、振動発電装置における振動基板の支持構造を説明するための各平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、本発明のエレクトレットが用いられている振動発電装置の動作を説明するための各模式的平面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係るエレクトレットの帯電装置及び帯電方法を説明するための模式的正面断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係るエレクトレットの帯電装置及び帯電方法を説明するための模式的正面断面図である。
【図１０】本発明のエレクトレットの帯電方法の変形例を説明するための模式的正面図である。
【図１１】本発明のエレクトレットの帯電方法の他の変形例を説明するための模式的正面図である。
【図１２】本発明のエレクトレットの帯電方法のさらに他の変形例を説明するための模式的正面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置の断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置において、固定基板を取り除いた状態を示す模式的平面図である。
【図１５】（ａ），（ｂ）は、本発明の第４の実施形態における金属基板及びエレクトレットを示す断面図並びに該エレクトレット表面のストリップ状の複数本の帯電領域を示す模式的平面図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置の変形例を説明するための断面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置の他の変形例を説明するための断面図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態の固定基板の変形例を説明するための平面図である。
【図１９】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置のさらに他の変形例を説明するための断面図である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は、本発明のエレクトレットの帯電方法の他の実施形態を説明するための各模式的表面断面図である。
【図２１】（ａ）〜（ｃ）は、正の帯電領域及び負の帯電領域を有するエレクトレットを用いた振動発電装置の動作を説明するための各模式的表面断面図である。
【図２２】従来のエレクトレットフィルムの帯電方法を説明するための斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２７】
先ず、本発明の帯電方法により部分的に、帯電されるエレクトレットを用いた振動発電装置を説明することにより、本発明の方法により帯電されるエレクトレットの詳細を明らかにする。
【００２８】
図２に示すように、振動発電装置１は、筐体２を有する。筐体２は、上方に開いた開口を有する。この開口を閉成するように、キャップ材３が取り付けられている。キャップ材３は、後述するように、固定子として機能する。
【００２９】
上記筐体２とキャップ材３とにより形成されている空間内に、振動基板４が収納されている。振動基板４は、バネ５，６により筐体２に支持されている。
【００３０】
図３に示すように、振動基板４は、基材７上に、下部電極８、エレクトレット９及び保護膜１０を積層した構造を有する。基材７は、ガラスなどの適宜の絶縁性材料からなる。下部電極８は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌもしくはそれらの合金などの適宜の金属からなる。基材７は、導電性材料、例えばＳｉやステンレスなどにより形成されてもよい。その場合には、基材７が下部電極８を兼ねていてもよい。
【００３１】
エレクトレット９は、後述の帯電方法により、帯電され得る適宜の材料からなる。このような材料としては、旭旭硝子社製、品番：ＣＹＴＯＰのようなフッ素樹脂などの有機材料、あるいはＳｉＯ２などの無機材料を用いることができる。エレクトレット９は、フィルム状の形状を有する。
【００３２】
エレクトレット９の上面に、保護膜１０が積層されている。保護膜１０は、ＳｉＮ、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３などの適宜の絶縁性材料により形成することができる。保護膜１０は設けられずともよい。
【００３３】
図４に平面図で示すように、エレクトレット９は、複数本の帯状の帯電領域９ａを有する。この帯電領域９ａ外の領域が非帯電領域９ｂである。複数本の帯電領域９ａは、互いに平行に配置されている。複数本の帯電領域９ａのピッチをＡとする。
【００３４】
図５（ａ）及び（ｂ）に、キャップ材３の詳細を拡大して示す。キャップ材３は、絶縁性材料からなる基材３ａを有する。基材３ａの片面に、電極３ｂが形成されている。電極３ｂは、第１の電極３ｃと、第２の電極３ｄとを有する。第１の電極３ｃは、複数本の電極指を一端で連結してなるくし歯状の形状を有する。第２の電極３ｄも同様にくし歯状の形状を有し、複数本の電極指を有する。第１の電極３ｃの複数本の電極指と、第２の電極３ｄの複数本の電極指とが互いに間挿し合っている。電極３ｂにおいて、複数本の電極指のピッチをＢとする。図５（ｂ）に示すように、ピッチＢは、前述したエレクトレット９における帯状の帯電領域９ａのピッチＡの１／２とされている。
【００３５】
なお、図６（ａ）に示すように、上記振動基板４は、対向し合う辺４ａ，４ｂ側において、前述したバネ５，６により支持されている。そして、図６（ａ）の矢印で示す方向に移動し得るように構成されている。なお、図６（ｂ）に示すように、振動基板４は、辺４ａ，４ｂにおいて、それぞれ複数のバネ５，５，６，６により支持されていてもよい。
【００３６】
上記振動発電装置１に加速度が加わると、振動基板４が振動する。図７（ａ）に模式的に示すように、第１の電極３ｃの電極指がエレクトレット９の帯状の帯電領域９ａに対向する位置にある場合には、静電誘導により、第１の電極３ｃに電荷が誘導される。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す状態から、振動基板４が前述した移動方向に移動した場合を示す。この状態では、第１の電極３ｃの電極指は、下方のエレクトレット９の帯電領域９ａ，９ａ間に位置し、第２の電極３ｄの電極指が帯電領域９ａに対向する。従って、第２の電極３ｄに電荷が誘導される。
【００３７】
図７（ｃ）に示すように、さらに振動基板４が移動し、再度第１の電極３ｃの電極指が帯状の帯電領域９ａに対向すると、電荷が第１の電極３ｃに誘導される。
【００３８】
このように、外部から振動発電装置１に加速度が加わると、振動基板４が振動し、それによって電力を取り出すことができる。
【００３９】
ところで、上記振動発電装置１のエレクトレット９は、図４に示したように、帯状の複数の帯電領域９ａと、残りの非帯電領域９ｂとを有するように、選択的に帯電される必要がある。以下の本発明の実施形態の帯電装置及び帯電方法は、エレクトレット９をこのように選択的に帯電する装置及び方法に関する。
【００４０】
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係るエレクトレットの帯電方法を説明するための各略図的正面断面図である。本実施形態では、図１（ａ）に示すように、基材７、下部電極８及びエレクトレット９からなる積層体を用意する。なお、以下においては、図３に示した保護膜１０は省略することとする。
【００４１】
図１（ａ）に示すように、放電チャンバー２１内においてエレクトレット９上に、導電性材料からなるマスク１１を配置する。マスク１１は、金属などの導電性材料からなる。マスク１１は、貫通孔１１ａを有する。貫通孔１１ａの平面形状は、エレクトレット９の帯状の帯電領域９ａの平面形状と一致している。マスク１１の貫通孔１１ａを介してコロナ放電処理することにより、前述した帯電領域９ａと、非帯電領域９ｂとを形成する。すなわち、上方に配置した放電電極１２とアース電位に接続されている下部電極８との間に電圧源Ｖにより電圧を印加し、コロナ放電処理する。このコロナ放電処理により、エレクトレット９のマスク１１の貫通孔１１ａに臨む部分に電荷が誘起される。
【００４２】
このコロナ放電処理に際し、エレクトレット９の表面電位が所望の電位となるように、マスク１１の電位を制御する。すなわち、図１（ａ）に示すように、マスク１１とアース電位との間に電位制御装置１３を接続する。この電位制御装置１３により、マスク１１とアースとの間の電位差を、エレクトレット９の表面電位が絶縁破壊電圧以下の所望の値となるように制御する。この所望の電位差は、０より大きく、エレクトレット９の絶縁破壊電圧よりも小さい値であればよい。このような電位制御装置１３は、周知の電位制御回路により形成することができる。
【００４３】
図１（ｂ）に示すように、上記コロナ放電処理が進行すると、エレクトレット９の貫通孔１１ａに臨む部分に電荷が蓄積されていき、エレクトレット９の表面の電位の絶対値が大きくなる。
【００４４】
また、マスク１１にも電荷は流入するが、電位制御装置１３によりマスク１１とアースとの間の電位差は、エレクトレットの絶縁破壊電圧よりも小さい所望の値に制御される。従って、マスク１１に電荷が蓄積されていったとしても、マスク１１の電位の絶対値は、エレクトレット９の絶縁破壊電圧の絶対値未満に抑制される。よって、エレクトレット９の破壊を確実に防止することができる。
【００４５】
従って、図１（ｃ）に示すように、エレクトレット９の帯電領域９ａにおいて、所望の表面電位となるだけの電荷が蓄積され、他方、非帯電領域９ｂには、蓄積されない。マスク１１の電位の絶対値がエレクトレット９の絶縁破壊電圧以上に大きくならないため、マスク１１に蓄積された電荷が非帯電領域９ｂに流れない。そのため、帯電領域９ａと、非帯電領域９ｂとの間の電位差を確実に大きくすることができる。
【００４６】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る帯電装置及び帯電方法を説明するための各模式的正面図である。
【００４７】
本実施形態では、放電チャンバー２１内に、基材７及び下部電極８に積層されたエレクトレット９を配置する。エレクトレット９の上方に、放電電極２２を配置する。放電電極２２と、下部電極８に電源２３を接続する。電源２３から放電電極２２と下部電極８との間に電圧を印加し、コロナ放電処理する。この場合、エレクトレット９を部分的に帯電処理するために、前述したマスク１１をエレクトレット９の上方に配置する。
【００４８】
そして、コロナ放電を行うためには、電源２３から印加される電圧を、電源２３に接続されている電圧制御装置２４を調整することにより、コロナ放電電圧を制御し、さらに上記コロナ放電処理の時間を調整する。この場合、放電開始と同時に、エレクトレット９の貫通孔１１ａの下方の領域及びマスク１１に電荷が蓄積されることとなる。従って、マスク１１とアース電位との間の電位差と、エレクトレット９の帯電すべき領域とアース電位との電位差がほぼ同じ速度で高まる。
【００４９】
マスク１１と放電電極２２との距離、電圧制御装置２４による電圧制御及び放電処理時間の制御により、マスク１１とアース電位との間の電位差がエレクトレット９の絶縁破壊電圧以上にならないように制御する。従って、上記マスク１１とアース電位との電位差を、上記絶縁破壊電圧以上になる前に放電処理を終了することができる。
【００５０】
本実施形態では、上記のように、マスク１１と放電電極２２との距離、コロナ放電電圧及び処理時間を制御することにより、エレクトレット９の絶縁破壊電圧以上の電圧がエレクトレット９に印加されない。従って、本実施形態においても、マスク１１に蓄積された電荷が非帯電領域９ｂ側には流れ難い。よって、帯電領域９ａと非帯電領域９ｂとの間の電位差を確実に大きくすることができる。
【００５１】
図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る帯電装置及び帯電方法を説明するための各模式的正面図である。
【００５２】
本実施形態では、図１に示した電位制御装置１３に代えて、非直線性抵抗素子３１がマスク１１とアース電位との間に接続されている。非直線性抵抗素子３１は、上述した所定の値で抵抗が低下する素子である。本実施形態では、非直線性抵抗素子３１は放電素子からなり、絶縁破壊電圧が、エレクトレット９の絶縁破壊電圧よりも低い。従って、放電素子の絶縁破壊電圧以上の電圧が印加されると、放電により絶縁破壊し、電荷がアースに流れる。
【００５３】
本実施形態の帯電装置及び帯電方法では、図９（ａ）に示すように、放電電極２２とアース電位との間に電圧を印加してコロナ放電を開始する。図９（ｂ）に示すように、マスク１１の貫通孔１１ａに臨んでいる領域において、エレクトレット９に電荷が蓄積する。同時にマスク１１にも電荷は蓄積する。そして、マスク１１の電圧が非直線性抵抗素子３１である放電素子の絶縁破壊電圧に至ると、電荷がマスク１１からアースに流れることになる。従って、エレクトレット９を破壊することなく図９（ｃ）に示すように、帯電領域９ａと非帯電領域９ｂとの間の電位差を確実に大きくすることができる。
【００５４】
しかも、本実施形態では、マスク１１とアース電位との間に放電素子からなる非直線性抵抗素子３１を接続するだけでよいため、簡単な構造で、帯電領域９ａを選択的に確実に帯電させることができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、非直線性抵抗素子３１として、絶縁破壊電圧がエレクトレット９の絶縁破壊電圧よりも低い放電素子を用いたが、他の非直線性抵抗素子を用いてもよい。すなわち、エレクトレット９の絶縁破壊電圧以上の電圧が印加された際に、マスク１１に蓄積された電荷をアース電位に流し得る、適宜の素子、例えばバリスタなどを用いて非直線性抵抗素子３１を構成してもよい。
【００５６】
第１〜第３の実施形態では、マスク１１の外側端縁は、下方に位置している下部電極８及びエレクトレット９の外側端縁と同じ位置となっている。すなわち、図１０に示すように、マスク１１の外側の端縁１１ｂ，１１ｃが、下部電極８及びエレクトレット９の外側の端縁と同じ位置にある場合、矢印Ｂ及びＣで示すような意図しない放電が生じるおそれがある。
【００５７】
なお図１０では、上記基材７、下部電極８及びエレクトレット９を含む積層体がステージ４１上に配置されている。
【００５８】
これに対して、図１１に示す変形例では、マスク１１の外側の端縁１１ｂ，１１ｃよりも、外側に、下方のエレクトレット９及び下部電極８の端面８ａ，８ｂが位置している。言い換えれば、マスク１１の面積を、マスク１１が平面視した場合、下方のエレクトレット９及び下部電極８に含まれるようにマスク１１が用いられている。この場合には、図１０の矢印Ｂ及びＣで示した放電を抑制することができ、好ましい。同様に、図１２に示す変形例では、ステージ４１上に、上記積層体を取り囲む治具４２が配置されている。治具４２は、絶縁性セラミックスなどの適宜の絶縁材料からなる。そして、エレクトレット９よりも大きな面積のマスク１１Ａがエレクトレット９上に配置される。ここでは、マスク１１Ａの外側端縁が、治具４２上に位置している。従って、図１０に示した矢印Ｂ及びＣで示す方向の放電を抑制することができる。
【００５９】
なお、第１〜第３の実施形態では、図２に示した振動発電装置１を構成するためのエレクトレット９の帯電方法を説明した。従って、複数本の帯状の帯電領域９ａを形成したが、本発明の帯電方法により、選択的に帯電される領域の平面形状は特に限定されるものではない。振動発電装置や、エレクトレット９を用いた静電アクチュエータなどの用途に応じて、帯電領域の平面形状は、適宜変更することはできる。
【００６０】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置５１の断面図である。また、図１４は、本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置５１において、固定基板５３を取り除いた状態を示す模式的平面図である。なお、図１３は、図１４のＸ−Ｘ線に沿う部分の断面に相当する。
【００６１】
振動発電装置５１は、筐体５２を有する。筐体５２は、上方に開いた開口を有し、かつ
その平面形状は矩形である。
【００６２】
筐体５２の上方の開口縁に、固定基板５３が接合されている。それによって、筐体５２の上方の開口が封止されている。
【００６３】
筐体５２は、アルミナなどの絶縁性セラミックスまたは合成樹脂などの適宜の絶縁性材料により形成することができる。なお、筐体５２は、金属により形成されていてもよい。
【００６４】
上記固定基板５３は、アルミナなどの絶縁性セラミックスまたは合成樹脂からなる。機械的強度を高めるためには、固定基板５３は、アルミナなどの絶縁性セラミックスからなることが好ましい。軽量化を図るには、固定基板５３は、合成樹脂からなることが望ましい。
【００６５】
固定基板５３の表面には、電極５４が形成されている。図１４は、固定基板５３を取り除いた状態の振動発電装置５１の平面図であり、ここでは固定基板５３のみを省略し、電極５４を模式的に図示している。図１４に示すように、電極５４は、複数本の電極指を有する第１のくし歯電極５５と複数本の電極指を有する第２のくし歯電極５６とを有する。第１のくし歯電極５５の電極指と、第２のくし歯電極５６の電極指とが互いに間挿し合っている。
【００６６】
第１のくし歯電極５５には、第１の引き出し電極５７ａを介して第１の端子電極５７ｂが接続されている。同様に、第２のくし歯電極５６には、第２の引き出し電極５８ａを介して第２の端子電極５８ｂが接続されている。これらの第１，第２の引き出し電極５７ａ，５８ａ及び第１，第２の端子電極５７ｂ，５８ｂも、前述した固定基板５３の下面に形成されている。
【００６７】
上記第１，第２のくし歯電極５５，５６、第１，第２の引き出し電極５７ａ，５８ａ及び第１，第２の端子電極５７ｂ，５８ｂは、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、またはこれらの合金などの適宜の金属もしくはこれらの金属を主体とする合金により形成することができる。
【００６８】
図１３にもどり、上記筐体５２と上記固定基板５３とで封止されている空間内に、可動基板５９が配置されている。可動基板５９は、金属基板６０と、金属基板６０の上面に積層されたエレクトレット６１とを有する。
【００６９】
金属基板６０は、ステンレスまたは銅などの適宜の金属からなる。可動基板５９が金属基板６０を有するため、可動基板５９はたわみ難い。従って、可動基板５９と固定基板５３との接触、特に固定基板５３の下面に設けられた電極５４と可動基板５９との接触を確実に抑制することができる。このため、エレクトレットの帯電領域にチャージした電荷の流出がなくなり、発電出力が安定する。
【００７０】
上記金属基板６０は、好ましくは、密度が５ｇ／ｃｍ３以上、１５ｇ／ｃｍ３以下の金属からなる。このような金属としては、ステンレス、銅、鉄などを挙げることができる。密度が５ｇ／ｃｍ３以上である場合、共振周波数を低くすることができる。従って、人の歩行のように日常生活で発生する振動、すなわち１０Ｈｚ以下の低周波の振動によっても共振させることができる。それによって、大きな発電出力を得ることができる。また、密度が１５ｇ／ｃｍ３以下である場合、振動発電装置の重量が大きくなりすぎることを防ぐことができる。
【００７１】
エレクトレット６１は、金属基板６０の上面の一部に積層されている。すなわち、図１４に示す電極５４が形成されている領域と対向する領域にエレクトレット６１が配置され
ている。
【００７２】
エレクトレット６１は、合成樹脂または無機材料からなる。合成樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂を挙げることができる。無機材料としては、ＳｉＯ２などを挙げることができる。
【００７３】
エレクトレット６１を覆うように、保護層を形成してもよい。保護層を構成する材料としては、特に限定されず、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＡＬ２Ｏ３などの無機材料を挙げることができる。
【００７４】
エレクトレット６１は、第１の主面６１ａ及び第２の主面６１ｂを有する平坦な板状部材からなる。本実施形態では、エレクトレット６１は、矩形の平面形状を有する。
【００７５】
エレクトレット６１は、第２の主面６１ｂ側から前記金属基板６０に積層されている。エレクトレット６１の第１の主面６１ａには部分的に電荷がチャージされている。すなわち、図１５（ａ）に略図的に示すように、エレクトレット６１は、本実施形態では、負の電荷がチャージされている帯電領域６２と、電荷がチャージされていない非帯電領域６３とを有している。
【００７６】
上記エレクトレット６１を帯電領域６２と非帯電領域６３とを有するように帯電する方法については、前述した適宜の帯電方法を用いることができる。
【００７７】
なお、図１５（ａ）では、帯電領域６２と、非帯電領域６３とを略図的に示したが、具体的には、図１５（ｂ）に示すように、帯電領域６２は、複数本のストリップ状部分である。複数本のストリップ状部分は、平行に配置されている。複数本のストリップ状部分は、上記電極５４の電極指の延びる方向に延ばされている。第１のくし歯電極５５の電極指と、該電極指と隣り合う第２のくし歯電極５６の電極指との間の距離は、図１５（ｂ）に示したストリップ状の帯電領域６２のピッチの１／２とされている。例えば、ストリップ状部分の幅を５００μｍｍ、ストリップ状部分間の間隔を６００μｍとした場合、ストリップ状部分のピッチは１１００μｍである。この場合には、電極５４における電極指ピッチは５５０μｍとすればよい。例えば、電極指幅を５００μｍ、電極指間のスペース幅を５０μｍとすればよい。
【００７８】
図１３に示すように、金属基板６０の上面には、複数の凹部６０ａが形成されている。この凹部６０ａは、図１４に示すように正方形の平面形状を有する。
【００７９】
上記凹部６０ａ内に、回転体６４が配置されている。回転体６４は、本実施形態では、金属からなる球体により構成されている。もっとも、回転体６４は、金属以外のセラミックスなどにより形成されていてもよい。回転体６４の一部が凹部６０ａ内に入り込むようにして、回転体６４が回転可能に凹部６０ａ内に支持されている。回転体６４の上端は、本実施形態では、固定基板５３の下面に当接している。従って、回転体６４により、固定基板５３の下面と可動基板５９の上面との間隔を一定にすることが可能とされている。
【００８０】
なお、図１４に示すように、上記回転体６４は、電極５４を囲む複数箇所に配置されている。この回転体６４の配置については特に限定されず、複数個の回転体、好ましくは３個以上の回転体が電極５４を囲む部分に均一に配置されていることが望ましい。それによって上記間隔を一定に保つことができる。
【００８１】
上記凹部６０ａは、金属基板６０をプレス加工する方法により容易に形式し得る。あるいは、凹部６０ａが形成されている部分に相当する貫通孔を有する金属板と平板状の金属
板とを貼り合わせることにより金属基板６０を形成してもよい。また、厚い金属板を切削加工することにより凹部６０ａを形成してもよい。
【００８２】
回転体６４は、金属により形成されていることが好ましい。その場合には、例えば固定基板５３の下面にグラウンド電位に接続される電極を形成し、該電極に回転体６４の上端を接触させることが望ましい。それによって、金属基板６０をグラウンド電位に一定に保つことができる。なお、回転体６４をグラウンド電位に接続する構成は上記に限定されるものではない。例えば、固定基板５３を金属板により構成し、該金属板の下方上に図示しない絶縁層を介して上記電極５４を形成してもよい。その場合には、固定基板５３をグラウンド電位に接続することにより、金属基板６０をグラウンド電位に保つことができる。
【００８３】
また、図１４に示すように、可動基板５９は、保持部材としてのバネ６５，６５により筐体５２に支持されている。すなわち、コイルバネからなるバネ６５の一端が金属基板６０の側面に固定されており、他端が筐体５２に固定されている。複数のバネ６５により、可動基板５９は、筐体５２内の空間において図１４の横方向すなわち電極５４の電極指と直交する方向に移動可能とされている。
【００８４】
好ましくは、上記バネ６５の筐体５２に接続されている部分に、図１６に示すように接続電極６６を形成してもよい。接続電極６６は、筐体５２の外表面に露出している。この接続電極６６をグラウンド電位に接続することにより、金属基板６０をグラウンド電位に保つことができる。
【００８５】
また、図１７に示すように、金属基板６０の下面に凹部６０ｂを形成してもよい。ここでは、凹部６０ｂ内にも回転体６４と同様に構成された回転体６８が配置されている。回転体６８は、その下端が、筐体５２の平面に当接されている。従って、固定基板５３は、上記実施形態と同様に図１７の横方向に移動可能とされている。この構造においても、回転体６４，６８の少なくとも一方をグラウンド電位に接続することにより金属基板６０をグラウンド電位に保つことができる。
【００８６】
なお、本実施形態では、固定基板５３の下面に電極５４が形成されていたが、図１８に平面図で示すように、固定基板５３の上面に電極５４が形成されていてもよい。
【００８７】
また、固定基板５３の下面に電極５４が形成されている場合、電極５４を外部と接続する方法については、固定基板５３の内周縁に位置している第１，第２の端子電極５７ｂ，５８ｂを形成した構造に限定されるものではない。例えば図１９に示すように、固定基板５３の一端に第１の端子電極５７ｂを形成し、他端側については固定基板５３を貫通するスルーホール電極６９を形成してもよい。スルーホール電極６９により、第１，第２のくし歯電極５５，５６の内一方の電極を外部と電気的に接続することができる。このように、電極５４の第１，第２のくし歯電極５５，５６の外部との接続構造についても特に限定されるものではない。
【００８８】
上記実施形態では、第１〜第３の実施形態と同様に、エレクトレット６１は、帯電領域６２と非帯電領域６３とを有していた。もっとも、本発明においては、エレクトレット６１は、第１の帯電領域と、第１の帯電領域とは異なる極性の電荷がチャージされた第２の帯電領域とを有するように帯電されていてもよい。このようなエレクトレット６１を得る帯電方法を図２０（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００８９】
図２０（ａ）に示すように、金属基板６０上にエレクトレット６１を配置する。次に、エレクトレット６１の上方に放電電極を配置し電圧を印加する。それによって、コロナ放電を引き起こす。その結果、図２０（ａ）に示すように、エレクトレット６１の上面の全
領域に正の電荷がチャージされる。すなわち、エレクトレット６１の第１の主面の全領域に正の電荷がチャージされることとなる。
【００９０】
次に、前述したエレクトレットの帯電方法に従って、マスク１１をエレクトレット６１上の上方に配置する。そして、図２０（ａ）とは逆にマイナスの電荷をチャージするように上方に配置された放電電極から金属基板との間に電圧を印加する。マスク１１が載置されている部分の下方は、上記のように正の電荷がチャージされたままとなる。他方、マスク１１の開口部では、コロナ放電により、負の電荷がエレクトレット６１の第１の主面６１ａにおいてチャージされることとなる。
【００９１】
次に、マスク１１を取り外す。このようにして、図２０（ｃ）に示すように、正の電荷がチャージされている第１の帯電領域６２と、負の電荷がチャージされている第２の帯電領域７１とを有するようにエレクトレット６１を帯電させることができる。このように、正の帯電領域と負の帯電領域とを有するように帯電されたエレクトレット６１を用いることにより、発電量をより一層高めることができる。これを、図２１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００９２】
図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように、固定基板５３の下面の第１のくし歯電極５５が上記エレクトレット６１の負の電荷がチャージされている第２の帯電領域上に位置している場合、静電誘導により第１のくし歯電極５５に正の電荷が誘起される。
【００９３】
次に、可動基板５９が固定基板５３に対して図面上左側に移動したとする。そして、図２１（ｂ）に示すように、第１のくし歯電極５５の電極指の下方が第１の帯電領域の上方に位置したとする。この場合、第１のくし歯電極５５に誘起された静電荷が抜けていくことになる。他方、第２のくし歯電極５６の電極指がエレクトレット６１の負の帯電領域に向かい合うことになり、第２のくし歯電極５６に正の電荷が誘起されることになる。さらに可動基板５９が左側に移動し、第１のくし歯電極５５の電極指がエレクトレット６１の負の帯電領域上に位置すると、図２１（ｃ）に示すように、第１のくし歯電極５５に正の電荷が誘起される。他方、第２のくし歯電極５６の電極指からは正の電荷が抜けていくこととなる。すなわち、図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように可動基板５９が移動し、次にこの移動方向と逆方向に可動基板５９が移動すると、第１，第２のくし歯電極５５，５６に接続されている負荷抵抗Ｒには交流の電流が流れる。このようにして、本実施形態の振動発電装置により電力を取り出すことができる。
【００９４】
なお、図２１（ａ）〜（ｃ）では、第２の帯電領域が第１の帯電領域と異なる極性の電荷をチャージした領域とされていた。もっとも、前述した第１〜第３の実施形態の帯電方法と同様に、帯電領域と非帯電領域とを有するエレクトレットを用いてもよく、その場合においても、可動基板５９の移動の繰り返しによる発電を行うことができる。
【００９５】
なお、第１，第２のくし歯電極５５，５６には、整流回路を接続してもよい。さらに、整流回路に蓄電回路を接続し、発生した電力を蓄えることも可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１…振動発電装置
２…筐体
３…キャップ材
３ａ…基材
３ｂ…電極
３ｃ…第１の電極
３ｄ…第２の電極
４…振動基板
４ａ，４ｂ…辺
５，６…バネ
７…基材
８…下部電極
８ａ，８ｂ…端面
９…エレクトレット
９ａ…帯電領域
９ｂ…非帯電領域
１０…保護膜
１１，１１Ａ…マスク
１１ａ…貫通孔
１１ｂ，１１ｃ…端縁
１２…放電電極
１３…電位制御装置
２１…放電チャンバー
２２…放電電極
２３…電源
２４…電圧制御装置
３１…非直線性抵抗素子
４１…ステージ
４２…治具
Ｖ…電圧源
５１…振動発電装置
５２…筐体
５３…固定基板
５４…電極
５５…第１のくし歯電極
５６…第２のくし歯電極
５７ａ…第１の引き出し電極
５７ｂ…第１の端子電極
５８ａ…第２の引き出し電極
５８ｂ…第２の端子電極
５９…可動基板
６０…金属基板
６０ａ，６０ｂ…凹部
６１…エレクトレット
６１ａ…第１の主面
６１ｂ…第２の主面
６２…帯電領域
６３…非帯電領域
６４，６８…回転体
６５…バネ
６６…接続電極
６９…スルーホール電極
７１…第２の帯電領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、振動発電装置や静電アクチュエータなどに用いられるエレクトレットの帯電装置及び帯電方法に関し、より詳細には、エレクトレットの一部を選択的に帯電させるためのエレクトレットの帯電装置及び帯電方法に関する。また、本発明は、エレクトレットが用いられた振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静電反発力や静電吸引力を利用した素子が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１には、静電気力を駆動源として用いた静電アクチュエータが開示されている。この静電アクチュエータでは、固定子と対向するように移動子が配置されている。固定子の電極に電荷を供給し、該電荷により移動子に電荷を誘導する。固定子の電極に供給された電荷と、移動子において誘導された電荷との静電反発力や静電吸引力を利用して移動子が駆動される。
【０００３】
特許文献１では、上記移動子としてエレクトレットフィルムが用いられている。このエレクトレットフィルムを移動子として用いるために、特許文献１では、エレクトレットフィルムに、帯電領域と、非帯電領域とが設けられている。このように、帯電領域のみを帯電させるために、特許文献１では、図２２に示す帯電方法が用いられている。
【０００４】
図２２に示すように、平板電極１０１上に、エレクトレットフィルム１０２が配置されている。エレクトレットフィルム１０２上に、導電性部材１０３が配置されている。導電性部材１０３は、複数の貫通孔１０３ａを有する。導電性部材１０３と、平板電極１０１とが、電気的接続部材１０４により電気的に接続されている。この状態で、平板電極１０１をアース電位に接続し、平板電極１０１と放電電極１０５との間に電圧源１０６から電圧を印加する。それによって、コロナ放電により、エレクトレットフィルム１０２を部分的に帯電させる。すなわち、エレクトレットフィルム１０２の貫通孔１０３ａに露出している部分が帯電され、帯電領域となる。エレクトレットフィルム１０２の上記帯電領域以外の領域は、非帯電領域となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３３３７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のエレクトレットフィルム１０２の帯電方法では、導電性部材１０３が、電気的接続部材１０４及び平板電極１０１を介してアース電位に接続されている。そのため、導電性部材１０３は常にアース電位となり、コロナ放電で発生した電荷は導電性部材１０３に優先的に流れ込むことになる。従って、エレクトレットフィルム１０２の帯電電位の絶対値が低下し、帯電領域と非帯電領域との電位差が小さくなる。従って、このような帯電方法で得られたエレクトレットフィルム１０２では、静電気力を機械的駆動力に変換する変換効率が低下するという問題がある。
【０００７】
他方、コロナ放電処理では、印加する電圧は、エレクトレットフィルム１０２の絶縁破壊電圧より高いのが普通である。そのため、電気的接続部材１０４を設けないと、導電性部材１０３に電荷が溜まりすぎることになる。その結果、導電性部材１０３からエレクトレットフィルム１０２を通じて平板電極１０１に電流が流れることとなる。この電流によ
り、エレクトレットフィルム１０２の帯電させたくない領域まで帯電するおそれがある。従って、エレクトレットフィルム１０２において、帯電領域と非帯電領域との電位差が小さくなる。
【０００８】
本発明の目的は、コロナ放電処理により、エレクトレットを部分的に帯電するための帯電装置及び帯電方法であって、エレクトレットの帯電領域と非帯電領域との間の電位差を十分大きくすることを可能とするエレクトレットの帯電装置及び帯電方法、並びに振動発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るエレクトレットの帯電装置は、上面にエレクトレットが配置され、アース電位と接続される下部電極と、前記下部電極の上方に隔てられて配置された放電電極と、前記下部電極と前記放電電極とに電気的に接続されており、前記下部電極と前記放電電極との間に電圧を印加する電圧源と、前記下部電極上に載置されるエレクトレット上に配置され、導電性材料からなり、かつ貫通孔を有するマスクとを備える。
【００１０】
本発明では、電位制御として、前記マスクと前記アース電位との間の電位差を、０より大きく、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧未満の範囲内に制御する電位制御手段とを備える。
【００１１】
本発明に係るエレクトレットの帯電装置のある特定の局面では、前記電位制御手段が、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記電位差が前記範囲内に設定した所定の電圧未満において電流を通過させず、前記所定の電圧以上において電流を通過させる電気回路である。この場合には、エレクトレットの帯電電位をより一層高精度に制御することができ、エレクトレットの帯電電位を安定化することができる。
【００１２】
本発明の他の特定の局面では、前記電位制御手段が、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧よりも低い電圧で抵抗が低下する非直線性抵抗素子である。この場合には、抵抗素子の電圧非直線性を利用することにより、すなわち簡単な構造で、帯電領域と非帯電領域との電位差を大きくすることができる。
【００１３】
本発明の他の広い局面によれば、エレクトレットの一部の領域を選択的に帯電するためのエレクトレットの帯電方法が提供される。本発明の方法は、下部電極上にエレクトレットを載置する工程を備え、前記エレクトレット上に、前記エレクトレットを帯電させる領域上が貫通孔とされており、かつ導電性材料よりなるマスクを、前記エレクトレット上に載置する工程を備え、前記下部電極をアースに接地する工程を備え、前記マスクと前記アースとの間の電位差を、０より大きく、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧未満の範囲に電位差を制御しつつ、前記下部電極と前記放電電極との間に電圧を印加してコロナ放電させることにより、前記エレクトレットの一部を選択的に帯電させる工程とを備える。
【００１４】
本発明に係るエレクトレットの帯電方法のある特定の局面では、前記マスクの電位制御を、前記マスクと前記放電電極との距離を制御することにより行う。
【００１５】
本発明に係るエレクトレットの帯電方法の他の特定の局面では、前記マスクの電位制御が、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記範囲内に設定した所定の電圧未満において電流を通過させず、前記所定の電圧以上で電流を通過させる電気回路を用いる。この場合には、マスクの帯電電位とアース電位との間の電位差をより確実に上記所定の電圧に制御することができる。
【００１６】
本発明に係るエレクトレットの帯電方法のさらに他の特定の局面では、前記マスクと前記アースとの間の電位差の制御に際し、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、かつエレクトレットの絶縁破壊電圧よりも低い電圧で抵抗が低下する非直線性抵抗素子を用いる。この場合には、抵抗素子の抵抗変化を利用するので、抵抗素子を接続するだけの簡略な構成で、エレクトレットの帯電領域と非帯電領域との電位差を大きくすることができる。
【００１７】
本発明に係るエレクトレットの帯電方法のさらに別の特定の局面では、前記下部電極として金属基板を用い、前記金属基板上にエレクトレットを載置する工程の後であって、前記導電性材料よりなるマスクを前記エレクトレット上に載置する工程の前に、前記金属基板上に載置されたエレクトレットに対し、前記金属基板と、前記エレクトレットの上方に配置した放電電極との間に電圧を印加してコロナ放電させることにより、エレクトレット全体を正または負に帯電する工程をさらに備え、前記マスクとアースとの電位差を制御しつつコロナ放電により前記エレクトレットの一部を選択的に帯電させる工程において、前記エレクトレットの一部を負または正に帯電させる。この場合には、正または負に帯電している帯電領域と、負または正に帯電している帯電領域とを有するようにエレクトレットを帯電させることができる。
【００１８】
本発明に係る振動発電装置は、一方主面に電極が形成されている固定基板と、前記固定基板に対向するように配置された可動基板とを備える。この振動発電装置では、前記可動基板が金属基板と、第１，第２の主面を有する平坦な板状部材からなるエレクトレットとを有し、前記エレクトレットが第２の主面側から前記金属基板に積層されている。前記エレクトレットの第１の主面において、第１の帯電領域と、第２の帯電領域または非帯電領域とが存在するように前記エレクトレットが帯電されており、前記エレクトレット上には導電部材が設けられていない。また、前記可動基板が振動し得るように前記可動基板を保持する保持部材をさらに備える。本発明の振動発電装置では、前記可動基板の振動により前記固定基板と前記可動基板との相対的位置が変化することにより電力を発生させる。
【００１９】
本発明に係る振動発電装置のある特定の局面では、前記可動基板の前記固定基板側の主面に凹部が形成されており、該凹部に凹部内で回転可能となるように一部が収納されている回転体がさらに備えられている。回転体の前記可動基板とは反対側の端部が前記固定基板の可動基板側の主面に接触されており、それによって固定基板と可動基板との間に空間が設けられている。この場合には、回転体により、固定基板と可動基板との間に一定の空間を確実に形成することができる。また、可動基板の固定基板に対する相対的位置を容易にかつ円滑に変化させることができる。従って、より大きな発電量を得ることができる。
【００２０】
本発明に係る振動発電装置のさらに他の特定の局面では、前記エレクトレットの第１の帯電領域が正または負の電荷がチャージされた帯電領域であり、前記エレクトレットの第２の帯電領域が、負または正の電荷がチャージされた帯電領域である。この場合には、より大きな発電量を得ることができる。
【００２１】
本発明に係る振動発電装置のさらに別の特定の局面では、前記可動基板の金属基板がアース電位に接続される。この場合には、金属基板の電位が安定する。従って、固定基板の電極に誘導される電荷量がエレクトレットの帯電領域にチャージされた電荷量のみに依存することとなる。よって、発電出力を安定化することができる。
【００２２】
本発明に係る振動発電装置のさらに別の特定の局面では、前記金属基板が５ｇ／ｃｍ３以上、１５ｇ／ｃｍ３以下の密度を有する金属からなる。この場合には、密度が５ｇ／ｃｍ３以上であるため、可動基板の共振周波数を１０Ｈｚ以下にすることが容易となる。また、この場合、密度が１５ｇ／ｃｍ３以下であるため、振動発電装置の重量が大きくなり
すぎることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係るエレクトレットの帯電装置及び帯電方法によれば、マスクとアースとの間の電位差が上記範囲に制御されるので、マスクに帯電した電荷を、アースに落とすことができる。よって、エレクトレットの帯電電位とアース電位との間の電位差を上記範囲に制御することができ、エレクトレットの帯電領域と非帯電領域との電位差を大きくすることが可能となる。
【００２４】
また、本発明に係る振動発電装置によれば、上記構成を備えるため、発電出力の安定化、発電出力の増大を図ることができ、さらに発電出力の経時劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係るエレクトレットの帯電方法及び帯電装置を説明するための略図的正面断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の帯電方法により得られたエレクトレットが用いられている振動発電装置の模式的正面断面図である。
【図３】図２に示した振動発電装置に用いられているエレクトレットを含む振動基板を示す正面図である。
【図４】図３に示した振動基板中のエレクトレットの平面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、図２に示した振動発電装置における固定子としてのキャップ材の詳細を示す正面図及び平面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、振動発電装置における振動基板の支持構造を説明するための各平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、本発明のエレクトレットが用いられている振動発電装置の動作を説明するための各模式的平面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係るエレクトレットの帯電装置及び帯電方法を説明するための模式的正面断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係るエレクトレットの帯電装置及び帯電方法を説明するための模式的正面断面図である。
【図１０】本発明のエレクトレットの帯電方法の変形例を説明するための模式的正面図である。
【図１１】本発明のエレクトレットの帯電方法の他の変形例を説明するための模式的正面図である。
【図１２】本発明のエレクトレットの帯電方法のさらに他の変形例を説明するための模式的正面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置の断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置において、固定基板を取り除いた状態を示す模式的平面図である。
【図１５】（ａ），（ｂ）は、本発明の第４の実施形態における金属基板及びエレクトレットを示す断面図並びに該エレクトレット表面のストリップ状の複数本の帯電領域を示す模式的平面図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置の変形例を説明するための断面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置の他の変形例を説明するための断面図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態の固定基板の変形例を説明するための平面図である。
【図１９】本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置のさらに他の変形例を説明するための断面図である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は、本発明のエレクトレットの帯電方法の他の実施形態を説明するための各模式的表面断面図である。
【図２１】（ａ）〜（ｃ）は、正の帯電領域及び負の帯電領域を有するエレクトレットを用いた振動発電装置の動作を説明するための各模式的表面断面図である。
【図２２】従来のエレクトレットフィルムの帯電方法を説明するための斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２７】
先ず、本発明の帯電方法により部分的に、帯電されるエレクトレットを用いた振動発電装置を説明することにより、本発明の方法により帯電されるエレクトレットの詳細を明らかにする。
【００２８】
図２に示すように、振動発電装置１は、筐体２を有する。筐体２は、上方に開いた開口を有する。この開口を閉成するように、キャップ材３が取り付けられている。キャップ材３は、後述するように、固定子として機能する。
【００２９】
上記筐体２とキャップ材３とにより形成されている空間内に、振動基板４が収納されている。振動基板４は、バネ５，６により筐体２に支持されている。
【００３０】
図３に示すように、振動基板４は、基材７上に、下部電極８、エレクトレット９及び保護膜１０を積層した構造を有する。基材７は、ガラスなどの適宜の絶縁性材料からなる。下部電極８は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌもしくはそれらの合金などの適宜の金属からなる。基材７は、導電性材料、例えばＳｉやステンレスなどにより形成されてもよい。その場合には、基材７が下部電極８を兼ねていてもよい。
【００３１】
エレクトレット９は、後述の帯電方法により、帯電され得る適宜の材料からなる。このような材料としては、旭旭硝子社製、品番：ＣＹＴＯＰのようなフッ素樹脂などの有機材料、あるいはＳｉＯ２などの無機材料を用いることができる。エレクトレット９は、フィルム状の形状を有する。
【００３２】
エレクトレット９の上面に、保護膜１０が積層されている。保護膜１０は、ＳｉＮ、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３などの適宜の絶縁性材料により形成することができる。保護膜１０は設けられずともよい。
【００３３】
図４に平面図で示すように、エレクトレット９は、複数本の帯状の帯電領域９ａを有する。この帯電領域９ａ外の領域が非帯電領域９ｂである。複数本の帯電領域９ａは、互いに平行に配置されている。複数本の帯電領域９ａのピッチをＡとする。
【００３４】
図５（ａ）及び（ｂ）に、キャップ材３の詳細を拡大して示す。キャップ材３は、絶縁性材料からなる基材３ａを有する。基材３ａの片面に、電極３ｂが形成されている。電極３ｂは、第１の電極３ｃと、第２の電極３ｄとを有する。第１の電極３ｃは、複数本の電極指を一端で連結してなるくし歯状の形状を有する。第２の電極３ｄも同様にくし歯状の形状を有し、複数本の電極指を有する。第１の電極３ｃの複数本の電極指と、第２の電極３ｄの複数本の電極指とが互いに間挿し合っている。電極３ｂにおいて、複数本の電極指のピッチをＢとする。図５（ｂ）に示すように、ピッチＢは、前述したエレクトレット９における帯状の帯電領域９ａのピッチＡの１／２とされている。
【００３５】
なお、図６（ａ）に示すように、上記振動基板４は、対向し合う辺４ａ，４ｂ側において、前述したバネ５，６により支持されている。そして、図６（ａ）の矢印で示す方向に移動し得るように構成されている。なお、図６（ｂ）に示すように、振動基板４は、辺４ａ，４ｂにおいて、それぞれ複数のバネ５，５，６，６により支持されていてもよい。
【００３６】
上記振動発電装置１に加速度が加わると、振動基板４が振動する。図７（ａ）に模式的に示すように、第１の電極３ｃの電極指がエレクトレット９の帯状の帯電領域９ａに対向する位置にある場合には、静電誘導により、第１の電極３ｃに電荷が誘導される。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す状態から、振動基板４が前述した移動方向に移動した場合を示す。この状態では、第１の電極３ｃの電極指は、下方のエレクトレット９の帯電領域９ａ，９ａ間に位置し、第２の電極３ｄの電極指が帯電領域９ａに対向する。従って、第２の電極３ｄに電荷が誘導される。
【００３７】
図７（ｃ）に示すように、さらに振動基板４が移動し、再度第１の電極３ｃの電極指が帯状の帯電領域９ａに対向すると、電荷が第１の電極３ｃに誘導される。
【００３８】
このように、外部から振動発電装置１に加速度が加わると、振動基板４が振動し、それによって電力を取り出すことができる。
【００３９】
ところで、上記振動発電装置１のエレクトレット９は、図４に示したように、帯状の複数の帯電領域９ａと、残りの非帯電領域９ｂとを有するように、選択的に帯電される必要がある。以下の本発明の実施形態の帯電装置及び帯電方法は、エレクトレット９をこのように選択的に帯電する装置及び方法に関する。
【００４０】
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係るエレクトレットの帯電方法を説明するための各略図的正面断面図である。本実施形態では、図１（ａ）に示すように、基材７、下部電極８及びエレクトレット９からなる積層体を用意する。なお、以下においては、図３に示した保護膜１０は省略することとする。
【００４１】
図１（ａ）に示すように、放電チャンバー２１内においてエレクトレット９上に、導電性材料からなるマスク１１を配置する。マスク１１は、金属などの導電性材料からなる。マスク１１は、貫通孔１１ａを有する。貫通孔１１ａの平面形状は、エレクトレット９の帯状の帯電領域９ａの平面形状と一致している。マスク１１の貫通孔１１ａを介してコロナ放電処理することにより、前述した帯電領域９ａと、非帯電領域９ｂとを形成する。すなわち、上方に配置した放電電極１２とアース電位に接続されている下部電極８との間に電圧源Ｖにより電圧を印加し、コロナ放電処理する。このコロナ放電処理により、エレクトレット９のマスク１１の貫通孔１１ａに臨む部分に電荷が誘起される。
【００４２】
このコロナ放電処理に際し、エレクトレット９の表面電位が所望の電位となるように、マスク１１の電位を制御する。すなわち、図１（ａ）に示すように、マスク１１とアース電位との間に電位制御装置１３を接続する。この電位制御装置１３により、マスク１１とアースとの間の電位差を、エレクトレット９の表面電位が絶縁破壊電圧以下の所望の値となるように制御する。この所望の電位差は、０より大きく、エレクトレット９の絶縁破壊電圧よりも小さい値であればよい。このような電位制御装置１３は、周知の電位制御回路により形成することができる。
【００４３】
図１（ｂ）に示すように、上記コロナ放電処理が進行すると、エレクトレット９の貫通孔１１ａに臨む部分に電荷が蓄積されていき、エレクトレット９の表面の電位の絶対値が大きくなる。
【００４４】
また、マスク１１にも電荷は流入するが、電位制御装置１３によりマスク１１とアースとの間の電位差は、エレクトレットの絶縁破壊電圧よりも小さい所望の値に制御される。従って、マスク１１に電荷が蓄積されていったとしても、マスク１１の電位の絶対値は、エレクトレット９の絶縁破壊電圧の絶対値未満に抑制される。よって、エレクトレット９の破壊を確実に防止することができる。
【００４５】
従って、図１（ｃ）に示すように、エレクトレット９の帯電領域９ａにおいて、所望の表面電位となるだけの電荷が蓄積され、他方、非帯電領域９ｂには、蓄積されない。マスク１１の電位の絶対値がエレクトレット９の絶縁破壊電圧以上に大きくならないため、マスク１１に蓄積された電荷が非帯電領域９ｂに流れない。そのため、帯電領域９ａと、非帯電領域９ｂとの間の電位差を確実に大きくすることができる。
【００４６】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る帯電装置及び帯電方法を説明するための各模式的正面図である。
【００４７】
本実施形態では、放電チャンバー２１内に、基材７及び下部電極８に積層されたエレクトレット９を配置する。エレクトレット９の上方に、放電電極２２を配置する。放電電極２２と、下部電極８に電源２３を接続する。電源２３から放電電極２２と下部電極８との間に電圧を印加し、コロナ放電処理する。この場合、エレクトレット９を部分的に帯電処理するために、前述したマスク１１をエレクトレット９の上方に配置する。
【００４８】
そして、コロナ放電を行うためには、電源２３から印加される電圧を、電源２３に接続されている電圧制御装置２４を調整することにより、コロナ放電電圧を制御し、さらに上記コロナ放電処理の時間を調整する。この場合、放電開始と同時に、エレクトレット９の貫通孔１１ａの下方の領域及びマスク１１に電荷が蓄積されることとなる。従って、マスク１１とアース電位との間の電位差と、エレクトレット９の帯電すべき領域とアース電位との電位差がほぼ同じ速度で高まる。
【００４９】
マスク１１と放電電極２２との距離、電圧制御装置２４による電圧制御及び放電処理時間の制御により、マスク１１とアース電位との間の電位差がエレクトレット９の絶縁破壊電圧以上にならないように制御する。従って、上記マスク１１とアース電位との電位差を、上記絶縁破壊電圧以上になる前に放電処理を終了することができる。
【００５０】
本実施形態では、上記のように、マスク１１と放電電極２２との距離、コロナ放電電圧及び処理時間を制御することにより、エレクトレット９の絶縁破壊電圧以上の電圧がエレクトレット９に印加されない。従って、本実施形態においても、マスク１１に蓄積された電荷が非帯電領域９ｂ側には流れ難い。よって、帯電領域９ａと非帯電領域９ｂとの間の電位差を確実に大きくすることができる。
【００５１】
図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る帯電装置及び帯電方法を説明するための各模式的正面図である。
【００５２】
本実施形態では、図１に示した電位制御装置１３に代えて、非直線性抵抗素子３１がマスク１１とアース電位との間に接続されている。非直線性抵抗素子３１は、上述した所定の値で抵抗が低下する素子である。本実施形態では、非直線性抵抗素子３１は放電素子からなり、絶縁破壊電圧が、エレクトレット９の絶縁破壊電圧よりも低い。従って、放電素子の絶縁破壊電圧以上の電圧が印加されると、放電により絶縁破壊し、電荷がアースに流れる。
【００５３】
本実施形態の帯電装置及び帯電方法では、図９（ａ）に示すように、放電電極２２とアース電位との間に電圧を印加してコロナ放電を開始する。図９（ｂ）に示すように、マスク１１の貫通孔１１ａに臨んでいる領域において、エレクトレット９に電荷が蓄積する。同時にマスク１１にも電荷は蓄積する。そして、マスク１１の電圧が非直線性抵抗素子３１である放電素子の絶縁破壊電圧に至ると、電荷がマスク１１からアースに流れることになる。従って、エレクトレット９を破壊することなく図９（ｃ）に示すように、帯電領域９ａと非帯電領域９ｂとの間の電位差を確実に大きくすることができる。
【００５４】
しかも、本実施形態では、マスク１１とアース電位との間に放電素子からなる非直線性抵抗素子３１を接続するだけでよいため、簡単な構造で、帯電領域９ａを選択的に確実に帯電させることができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、非直線性抵抗素子３１として、絶縁破壊電圧がエレクトレット９の絶縁破壊電圧よりも低い放電素子を用いたが、他の非直線性抵抗素子を用いてもよい。すなわち、エレクトレット９の絶縁破壊電圧以上の電圧が印加された際に、マスク１１に蓄積された電荷をアース電位に流し得る、適宜の素子、例えばバリスタなどを用いて非直線性抵抗素子３１を構成してもよい。
【００５６】
第１〜第３の実施形態では、マスク１１の外側端縁は、下方に位置している下部電極８及びエレクトレット９の外側端縁と同じ位置となっている。すなわち、図１０に示すように、マスク１１の外側の端縁１１ｂ，１１ｃが、下部電極８及びエレクトレット９の外側の端縁と同じ位置にある場合、矢印Ｂ及びＣで示すような意図しない放電が生じるおそれがある。
【００５７】
なお図１０では、上記基材７、下部電極８及びエレクトレット９を含む積層体がステージ４１上に配置されている。
【００５８】
これに対して、図１１に示す変形例では、マスク１１の外側の端縁１１ｂ，１１ｃよりも、外側に、下方のエレクトレット９及び下部電極８の端面８ａ，８ｂが位置している。言い換えれば、マスク１１の面積を、マスク１１が平面視した場合、下方のエレクトレット９及び下部電極８に含まれるようにマスク１１が用いられている。この場合には、図１０の矢印Ｂ及びＣで示した放電を抑制することができ、好ましい。同様に、図１２に示す変形例では、ステージ４１上に、上記積層体を取り囲む治具４２が配置されている。治具４２は、絶縁性セラミックスなどの適宜の絶縁材料からなる。そして、エレクトレット９よりも大きな面積のマスク１１Ａがエレクトレット９上に配置される。ここでは、マスク１１Ａの外側端縁が、治具４２上に位置している。従って、図１０に示した矢印Ｂ及びＣで示す方向の放電を抑制することができる。
【００５９】
なお、第１〜第３の実施形態では、図２に示した振動発電装置１を構成するためのエレクトレット９の帯電方法を説明した。従って、複数本の帯状の帯電領域９ａを形成したが、本発明の帯電方法により、選択的に帯電される領域の平面形状は特に限定されるものではない。振動発電装置や、エレクトレット９を用いた静電アクチュエータなどの用途に応じて、帯電領域の平面形状は、適宜変更することはできる。
【００６０】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置５１の断面図である。また、図１４は、本発明の第４の実施形態に係る振動発電装置５１において、固定基板５３を取り除いた状態を示す模式的平面図である。なお、図１３は、図１４のＸ−Ｘ線に沿う部分の断面に相当する。
【００６１】
振動発電装置５１は、筐体５２を有する。筐体５２は、上方に開いた開口を有し、かつ
その平面形状は矩形である。
【００６２】
筐体５２の上方の開口縁に、固定基板５３が接合されている。それによって、筐体５２の上方の開口が封止されている。
【００６３】
筐体５２は、アルミナなどの絶縁性セラミックスまたは合成樹脂などの適宜の絶縁性材料により形成することができる。なお、筐体５２は、金属により形成されていてもよい。
【００６４】
上記固定基板５３は、アルミナなどの絶縁性セラミックスまたは合成樹脂からなる。機械的強度を高めるためには、固定基板５３は、アルミナなどの絶縁性セラミックスからなることが好ましい。軽量化を図るには、固定基板５３は、合成樹脂からなることが望ましい。
【００６５】
固定基板５３の表面には、電極５４が形成されている。図１４は、固定基板５３を取り除いた状態の振動発電装置５１の平面図であり、ここでは固定基板５３のみを省略し、電極５４を模式的に図示している。図１４に示すように、電極５４は、複数本の電極指を有する第１のくし歯電極５５と複数本の電極指を有する第２のくし歯電極５６とを有する。第１のくし歯電極５５の電極指と、第２のくし歯電極５６の電極指とが互いに間挿し合っている。
【００６６】
第１のくし歯電極５５には、第１の引き出し電極５７ａを介して第１の端子電極５７ｂが接続されている。同様に、第２のくし歯電極５６には、第２の引き出し電極５８ａを介して第２の端子電極５８ｂが接続されている。これらの第１，第２の引き出し電極５７ａ，５８ａ及び第１，第２の端子電極５７ｂ，５８ｂも、前述した固定基板５３の下面に形成されている。
【００６７】
上記第１，第２のくし歯電極５５，５６、第１，第２の引き出し電極５７ａ，５８ａ及び第１，第２の端子電極５７ｂ，５８ｂは、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、またはこれらの合金などの適宜の金属もしくはこれらの金属を主体とする合金により形成することができる。
【００６８】
図１３にもどり、上記筐体５２と上記固定基板５３とで封止されている空間内に、可動基板５９が配置されている。可動基板５９は、金属基板６０と、金属基板６０の上面に積層されたエレクトレット６１とを有する。
【００６９】
金属基板６０は、ステンレスまたは銅などの適宜の金属からなる。可動基板５９が金属基板６０を有するため、可動基板５９はたわみ難い。従って、可動基板５９と固定基板５３との接触、特に固定基板５３の下面に設けられた電極５４と可動基板５９との接触を確実に抑制することができる。このため、エレクトレットの帯電領域にチャージした電荷の流出がなくなり、発電出力が安定する。
【００７０】
上記金属基板６０は、好ましくは、密度が５ｇ／ｃｍ３以上、１５ｇ／ｃｍ３以下の金属からなる。このような金属としては、ステンレス、銅、鉄などを挙げることができる。密度が５ｇ／ｃｍ３以上である場合、共振周波数を低くすることができる。従って、人の歩行のように日常生活で発生する振動、すなわち１０Ｈｚ以下の低周波の振動によっても共振させることができる。それによって、大きな発電出力を得ることができる。また、密度が１５ｇ／ｃｍ３以下である場合、振動発電装置の重量が大きくなりすぎることを防ぐことができる。
【００７１】
エレクトレット６１は、金属基板６０の上面の一部に積層されている。すなわち、図１４に示す電極５４が形成されている領域と対向する領域にエレクトレット６１が配置され
ている。
【００７２】
エレクトレット６１は、合成樹脂または無機材料からなる。合成樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂を挙げることができる。無機材料としては、ＳｉＯ２などを挙げることができる。
【００７３】
エレクトレット６１を覆うように、保護層を形成してもよい。保護層を構成する材料としては、特に限定されず、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＡＬ２Ｏ３などの無機材料を挙げることができる。
【００７４】
エレクトレット６１は、第１の主面６１ａ及び第２の主面６１ｂを有する平坦な板状部材からなる。本実施形態では、エレクトレット６１は、矩形の平面形状を有する。
【００７５】
エレクトレット６１は、第２の主面６１ｂ側から前記金属基板６０に積層されている。エレクトレット６１の第１の主面６１ａには部分的に電荷がチャージされている。すなわち、図１５（ａ）に略図的に示すように、エレクトレット６１は、本実施形態では、負の電荷がチャージされている帯電領域６２と、電荷がチャージされていない非帯電領域６３とを有している。
【００７６】
上記エレクトレット６１を帯電領域６２と非帯電領域６３とを有するように帯電する方法については、前述した適宜の帯電方法を用いることができる。
【００７７】
なお、図１５（ａ）では、帯電領域６２と、非帯電領域６３とを略図的に示したが、具体的には、図１５（ｂ）に示すように、帯電領域６２は、複数本のストリップ状部分である。複数本のストリップ状部分は、平行に配置されている。複数本のストリップ状部分は、上記電極５４の電極指の延びる方向に延ばされている。第１のくし歯電極５５の電極指と、該電極指と隣り合う第２のくし歯電極５６の電極指との間の距離は、図１５（ｂ）に示したストリップ状の帯電領域６２のピッチの１／２とされている。例えば、ストリップ状部分の幅を５００μｍｍ、ストリップ状部分間の間隔を６００μｍとした場合、ストリップ状部分のピッチは１１００μｍである。この場合には、電極５４における電極指ピッチは５５０μｍとすればよい。例えば、電極指幅を５００μｍ、電極指間のスペース幅を５０μｍとすればよい。
【００７８】
図１３に示すように、金属基板６０の上面には、複数の凹部６０ａが形成されている。この凹部６０ａは、図１４に示すように正方形の平面形状を有する。
【００７９】
上記凹部６０ａ内に、回転体６４が配置されている。回転体６４は、本実施形態では、金属からなる球体により構成されている。もっとも、回転体６４は、金属以外のセラミックスなどにより形成されていてもよい。回転体６４の一部が凹部６０ａ内に入り込むようにして、回転体６４が回転可能に凹部６０ａ内に支持されている。回転体６４の上端は、本実施形態では、固定基板５３の下面に当接している。従って、回転体６４により、固定基板５３の下面と可動基板５９の上面との間隔を一定にすることが可能とされている。
【００８０】
なお、図１４に示すように、上記回転体６４は、電極５４を囲む複数箇所に配置されている。この回転体６４の配置については特に限定されず、複数個の回転体、好ましくは３個以上の回転体が電極５４を囲む部分に均一に配置されていることが望ましい。それによって上記間隔を一定に保つことができる。
【００８１】
上記凹部６０ａは、金属基板６０をプレス加工する方法により容易に形式し得る。あるいは、凹部６０ａが形成されている部分に相当する貫通孔を有する金属板と平板状の金属
板とを貼り合わせることにより金属基板６０を形成してもよい。また、厚い金属板を切削加工することにより凹部６０ａを形成してもよい。
【００８２】
回転体６４は、金属により形成されていることが好ましい。その場合には、例えば固定基板５３の下面にグラウンド電位に接続される電極を形成し、該電極に回転体６４の上端を接触させることが望ましい。それによって、金属基板６０をグラウンド電位に一定に保つことができる。なお、回転体６４をグラウンド電位に接続する構成は上記に限定されるものではない。例えば、固定基板５３を金属板により構成し、該金属板の下方上に図示しない絶縁層を介して上記電極５４を形成してもよい。その場合には、固定基板５３をグラウンド電位に接続することにより、金属基板６０をグラウンド電位に保つことができる。
【００８３】
また、図１４に示すように、可動基板５９は、保持部材としてのバネ６５，６５により筐体５２に支持されている。すなわち、コイルバネからなるバネ６５の一端が金属基板６０の側面に固定されており、他端が筐体５２に固定されている。複数のバネ６５により、可動基板５９は、筐体５２内の空間において図１４の横方向すなわち電極５４の電極指と直交する方向に移動可能とされている。
【００８４】
好ましくは、上記バネ６５の筐体５２に接続されている部分に、図１６に示すように接続電極６６を形成してもよい。接続電極６６は、筐体５２の外表面に露出している。この接続電極６６をグラウンド電位に接続することにより、金属基板６０をグラウンド電位に保つことができる。
【００８５】
また、図１７に示すように、金属基板６０の下面に凹部６０ｂを形成してもよい。ここでは、凹部６０ｂ内にも回転体６４と同様に構成された回転体６８が配置されている。回転体６８は、その下端が、筐体５２の平面に当接されている。従って、固定基板５３は、上記実施形態と同様に図１７の横方向に移動可能とされている。この構造においても、回転体６４，６８の少なくとも一方をグラウンド電位に接続することにより金属基板６０をグラウンド電位に保つことができる。
【００８６】
なお、本実施形態では、固定基板５３の下面に電極５４が形成されていたが、図１８に平面図で示すように、固定基板５３の上面に電極５４が形成されていてもよい。
【００８７】
また、固定基板５３の下面に電極５４が形成されている場合、電極５４を外部と接続する方法については、固定基板５３の内周縁に位置している第１，第２の端子電極５７ｂ，５８ｂを形成した構造に限定されるものではない。例えば図１９に示すように、固定基板５３の一端に第１の端子電極５７ｂを形成し、他端側については固定基板５３を貫通するスルーホール電極６９を形成してもよい。スルーホール電極６９により、第１，第２のくし歯電極５５，５６の内一方の電極を外部と電気的に接続することができる。このように、電極５４の第１，第２のくし歯電極５５，５６の外部との接続構造についても特に限定されるものではない。
【００８８】
上記実施形態では、第１〜第３の実施形態と同様に、エレクトレット６１は、帯電領域６２と非帯電領域６３とを有していた。もっとも、本発明においては、エレクトレット６１は、第１の帯電領域と、第１の帯電領域とは異なる極性の電荷がチャージされた第２の帯電領域とを有するように帯電されていてもよい。このようなエレクトレット６１を得る帯電方法を図２０（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００８９】
図２０（ａ）に示すように、金属基板６０上にエレクトレット６１を配置する。次に、エレクトレット６１の上方に放電電極を配置し電圧を印加する。それによって、コロナ放電を引き起こす。その結果、図２０（ａ）に示すように、エレクトレット６１の上面の全
領域に正の電荷がチャージされる。すなわち、エレクトレット６１の第１の主面の全領域に正の電荷がチャージされることとなる。
【００９０】
次に、前述したエレクトレットの帯電方法に従って、マスク１１をエレクトレット６１上の上方に配置する。そして、図２０（ａ）とは逆にマイナスの電荷をチャージするように上方に配置された放電電極から金属基板との間に電圧を印加する。マスク１１が載置されている部分の下方は、上記のように正の電荷がチャージされたままとなる。他方、マスク１１の開口部では、コロナ放電により、負の電荷がエレクトレット６１の第１の主面６１ａにおいてチャージされることとなる。
【００９１】
次に、マスク１１を取り外す。このようにして、図２０（ｃ）に示すように、正の電荷がチャージされている第１の帯電領域６２と、負の電荷がチャージされている第２の帯電領域７１とを有するようにエレクトレット６１を帯電させることができる。このように、正の帯電領域と負の帯電領域とを有するように帯電されたエレクトレット６１を用いることにより、発電量をより一層高めることができる。これを、図２１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００９２】
図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように、固定基板５３の下面の第１のくし歯電極５５が上記エレクトレット６１の負の電荷がチャージされている第２の帯電領域上に位置している場合、静電誘導により第１のくし歯電極５５に正の電荷が誘起される。
【００９３】
次に、可動基板５９が固定基板５３に対して図面上左側に移動したとする。そして、図２１（ｂ）に示すように、第１のくし歯電極５５の電極指の下方が第１の帯電領域の上方に位置したとする。この場合、第１のくし歯電極５５に誘起された静電荷が抜けていくことになる。他方、第２のくし歯電極５６の電極指がエレクトレット６１の負の帯電領域に向かい合うことになり、第２のくし歯電極５６に正の電荷が誘起されることになる。さらに可動基板５９が左側に移動し、第１のくし歯電極５５の電極指がエレクトレット６１の負の帯電領域上に位置すると、図２１（ｃ）に示すように、第１のくし歯電極５５に正の電荷が誘起される。他方、第２のくし歯電極５６の電極指からは正の電荷が抜けていくこととなる。すなわち、図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように可動基板５９が移動し、次にこの移動方向と逆方向に可動基板５９が移動すると、第１，第２のくし歯電極５５，５６に接続されている負荷抵抗Ｒには交流の電流が流れる。このようにして、本実施形態の振動発電装置により電力を取り出すことができる。
【００９４】
なお、図２１（ａ）〜（ｃ）では、第２の帯電領域が第１の帯電領域と異なる極性の電荷をチャージした領域とされていた。もっとも、前述した第１〜第３の実施形態の帯電方法と同様に、帯電領域と非帯電領域とを有するエレクトレットを用いてもよく、その場合においても、可動基板５９の移動の繰り返しによる発電を行うことができる。
【００９５】
なお、第１，第２のくし歯電極５５，５６には、整流回路を接続してもよい。さらに、整流回路に蓄電回路を接続し、発生した電力を蓄えることも可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１…振動発電装置
２…筐体
３…キャップ材
３ａ…基材
３ｂ…電極
３ｃ…第１の電極
３ｄ…第２の電極
４…振動基板
４ａ，４ｂ…辺
５，６…バネ
７…基材
８…下部電極
８ａ，８ｂ…端面
９…エレクトレット
９ａ…帯電領域
９ｂ…非帯電領域
１０…保護膜
１１，１１Ａ…マスク
１１ａ…貫通孔
１１ｂ，１１ｃ…端縁
１２…放電電極
１３…電位制御装置
２１…放電チャンバー
２２…放電電極
２３…電源
２４…電圧制御装置
３１…非直線性抵抗素子
４１…ステージ
４２…治具
Ｖ…電圧源
５１…振動発電装置
５２…筐体
５３…固定基板
５４…電極
５５…第１のくし歯電極
５６…第２のくし歯電極
５７ａ…第１の引き出し電極
５７ｂ…第１の端子電極
５８ａ…第２の引き出し電極
５８ｂ…第２の端子電極
５９…可動基板
６０…金属基板
６０ａ，６０ｂ…凹部
６１…エレクトレット
６１ａ…第１の主面
６１ｂ…第２の主面
６２…帯電領域
６３…非帯電領域
６４，６８…回転体
６５…バネ
６６…接続電極
６９…スルーホール電極
７１…第２の帯電領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面にエレクトレットが配置され、アース電位と接続される下部電極と、
前記下部電極の上方に隔てられて配置された放電電極と、
前記下部電極と前記放電電極とに電気的に接続されており、前記下部電極と前記放電電極との間に電圧を印加する電圧源と、
前記下部電極上に載置されるエレクトレット上に配置され、導電性材料からなり、かつ貫通孔を有するマスクと、
前記マスクとアース電位との間の電位差を、０より大きく、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧未満の範囲内に制御する電位制御手段を有する、エレクトレットの帯電装置。
【請求項２】
前記電位制御手段は、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記電位差が前記範囲内に設定した所定の電圧未満において、電流を通過させず、前記所定の電圧以上において電流を通過させる電気回路である、請求項１に記載のエレクトレットの帯電装置。
【請求項３】
前記電位制御手段は、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧よりも低い電圧で抵抗が低下する非直線性抵抗素子である、請求項１に記載のエレクトレットの帯電装置。
【請求項４】
エレクトレットの一部の領域を選択的に帯電するためのエレクトレットの帯電方法であって、
下部電極上にエレクトレットを載置する工程と、
前記エレクトレット上に、前記エレクトレットを帯電させる領域上が貫通孔とされており、導電性材料よりなるマスクを、前記エレクトレット上に載置する工程と、
前記下部電極をアースに接地する工程と、
前記マスクとアース電位との間の電位差を、０より大きく、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧未満の範囲に制御しつつ、前記下部電極と放電電極との間に電圧を印加してコロナ放電させることにより、前記エレクトレットの一部を選択的に帯電させる工程とを備える、エレクトレットの帯電方法。
【請求項５】
前記マスクの電位制御は、前記マスクと前記放電電極との距離を制御することにより行う、請求項４に記載のエレクトレットの帯電方法。
【請求項６】
前記マスクの電位制御に際し、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記範囲内に設定した所定の電圧未満において電流を通過させず、前記所定の電圧以上で電流を通過させる電気回路を用いる、請求項４に記載のエレクトレットの帯電方法。
【請求項７】
前記マスクの電位制御に際し、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、かつエレクトレットの絶縁破壊電圧よりも低い電圧で抵抗が低下する非直線性抵抗素子を用いる、請求項４に記載のエレクトレットの帯電方法。
【請求項８】
前記下部電極として金属基板を用い、前記金属基板上にエレクトレットを載置する工程の後であって、前記導電性材料よりなるマスクを前記エレクトレット上に載置する工程の前に、前記金属基板上に載置された前記エレクトレットに対し、前記金属基板と、前記エレクトレットの上方に配置した放電電極との間に電圧を印加してコロナ放電させることにより、エレクトレット全体を正または負に帯電する工程をさらに備え、
前記マスクとアースとの電位差を制御しつつコロナ放電により前記エレクトレットの一部を選択的に帯電させる工程において、前記エレクトレットの一部を負または正に帯電させる、請求項４〜７のいずれか１項に記載のエレクトレットの帯電方法。
【請求項９】
一方主面に電極が形成されている固定基板と、
前記固定基板に対抗するように配置された可動基板とを備え、
前記可動基板が金属基板と、第１，第２の主面を有する平坦な板状部材からなるエレクトレットとを有し、前記エレクトレットが第２の主面側から前記金属基板に積層されており、前記エレクトレットの第１の主面において、第１の帯電領域と、第２の帯電領域または非帯電領域とが存在するように前記エレクトレットが帯電されており、前記エレクトレット上には導電部材が設けられておらず、
前記可動基板が振動し得るように前記可動基板を保持する保持部材をさらに備え、
前記可動基板の振動により前記固定基板と前記可動基板との相対的位置が変化することにより電力を発生させる、振動発電装置。
【請求項１０】
前記可動基板の前記固定基板側の主面に凹部が形成されており、該凹部に凹部内で回転可能となるように一部が収納されている回転体をさらに備え、回転体の前記可動基板とは反対側の端部が前記固定基板の可動基板側の主面に接触され、それによって固定基板と可動基板との間に空間が設けられている、請求項９に記載の振動発電装置。
【請求項１１】
前記エレクトレットの第１の帯電領域が正または負の電荷がチャージされた帯電領域であり、前記エレクトレットの第２の帯電領域が、負または正の電荷がチャージされた帯電領域である、請求項９または１０に記載の振動発電装置。
【請求項１２】
前記可動基板の金属基板がアース電位に接続される、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の振動発電装置。
【請求項１３】
前記金属基板が５ｇ／ｃｍ３以上、１５ｇ／ｃｍ３以下の密度を有する金属からなる、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の振動発電装置。
【請求項１】
上面にエレクトレットが配置され、アース電位と接続される下部電極と、
前記下部電極の上方に隔てられて配置された放電電極と、
前記下部電極と前記放電電極とに電気的に接続されており、前記下部電極と前記放電電極との間に電圧を印加する電圧源と、
前記下部電極上に載置されるエレクトレット上に配置され、導電性材料からなり、かつ貫通孔を有するマスクと、
前記マスクとアース電位との間の電位差を、０より大きく、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧未満の範囲内に制御する電位制御手段を有する、エレクトレットの帯電装置。
【請求項２】
前記電位制御手段は、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記電位差が前記範囲内に設定した所定の電圧未満において、電流を通過させず、前記所定の電圧以上において電流を通過させる電気回路である、請求項１に記載のエレクトレットの帯電装置。
【請求項３】
前記電位制御手段は、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧よりも低い電圧で抵抗が低下する非直線性抵抗素子である、請求項１に記載のエレクトレットの帯電装置。
【請求項４】
エレクトレットの一部の領域を選択的に帯電するためのエレクトレットの帯電方法であって、
下部電極上にエレクトレットを載置する工程と、
前記エレクトレット上に、前記エレクトレットを帯電させる領域上が貫通孔とされており、導電性材料よりなるマスクを、前記エレクトレット上に載置する工程と、
前記下部電極をアースに接地する工程と、
前記マスクとアース電位との間の電位差を、０より大きく、前記エレクトレットの絶縁破壊電圧未満の範囲に制御しつつ、前記下部電極と放電電極との間に電圧を印加してコロナ放電させることにより、前記エレクトレットの一部を選択的に帯電させる工程とを備える、エレクトレットの帯電方法。
【請求項５】
前記マスクの電位制御は、前記マスクと前記放電電極との距離を制御することにより行う、請求項４に記載のエレクトレットの帯電方法。
【請求項６】
前記マスクの電位制御に際し、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、前記範囲内に設定した所定の電圧未満において電流を通過させず、前記所定の電圧以上で電流を通過させる電気回路を用いる、請求項４に記載のエレクトレットの帯電方法。
【請求項７】
前記マスクの電位制御に際し、前記マスクと前記アース電位との間に接続されており、かつエレクトレットの絶縁破壊電圧よりも低い電圧で抵抗が低下する非直線性抵抗素子を用いる、請求項４に記載のエレクトレットの帯電方法。
【請求項８】
前記下部電極として金属基板を用い、前記金属基板上にエレクトレットを載置する工程の後であって、前記導電性材料よりなるマスクを前記エレクトレット上に載置する工程の前に、前記金属基板上に載置された前記エレクトレットに対し、前記金属基板と、前記エレクトレットの上方に配置した放電電極との間に電圧を印加してコロナ放電させることにより、エレクトレット全体を正または負に帯電する工程をさらに備え、
前記マスクとアースとの電位差を制御しつつコロナ放電により前記エレクトレットの一部を選択的に帯電させる工程において、前記エレクトレットの一部を負または正に帯電させる、請求項４〜７のいずれか１項に記載のエレクトレットの帯電方法。
【請求項９】
一方主面に電極が形成されている固定基板と、
前記固定基板に対抗するように配置された可動基板とを備え、
前記可動基板が金属基板と、第１，第２の主面を有する平坦な板状部材からなるエレクトレットとを有し、前記エレクトレットが第２の主面側から前記金属基板に積層されており、前記エレクトレットの第１の主面において、第１の帯電領域と、第２の帯電領域または非帯電領域とが存在するように前記エレクトレットが帯電されており、前記エレクトレット上には導電部材が設けられておらず、
前記可動基板が振動し得るように前記可動基板を保持する保持部材をさらに備え、
前記可動基板の振動により前記固定基板と前記可動基板との相対的位置が変化することにより電力を発生させる、振動発電装置。
【請求項１０】
前記可動基板の前記固定基板側の主面に凹部が形成されており、該凹部に凹部内で回転可能となるように一部が収納されている回転体をさらに備え、回転体の前記可動基板とは反対側の端部が前記固定基板の可動基板側の主面に接触され、それによって固定基板と可動基板との間に空間が設けられている、請求項９に記載の振動発電装置。
【請求項１１】
前記エレクトレットの第１の帯電領域が正または負の電荷がチャージされた帯電領域であり、前記エレクトレットの第２の帯電領域が、負または正の電荷がチャージされた帯電領域である、請求項９または１０に記載の振動発電装置。
【請求項１２】
前記可動基板の金属基板がアース電位に接続される、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の振動発電装置。
【請求項１３】
前記金属基板が５ｇ／ｃｍ３以上、１５ｇ／ｃｍ３以下の密度を有する金属からなる、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の振動発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１２−８５５１５（Ｐ２０１２−８５５１５Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９８０３（Ｐ２０１１−１９９８０３）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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