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JP2007312551A - 静電誘導型変換素子 - Google Patents

静電誘導型変換素子 Download PDF

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【課題】基板が互いに相対運動する際に、互いの距離を適正に維持することができる静電誘導型変換素子を提供する。
【解決手段】2つの基板10、12が互いに対向して配置されており、各基板10、12の対向面上には、エレクトレット14と導体16とが形成されている。また、上記基板10、12は、対向面に平行な方向(図の矢印A、B方向)に相対運動し、エレクトレット14は、基板10、12の相対運動に伴い導体16に対して相対的に運動し、導体16に静電誘導による起電力を発生させる。このエレクトレット14と導体16とは、基板10、12間の距離を適正に維持するために、エレクトレット14と導体16とが対向して発生する吸引力と、エレクトレット14同士が対向して発生する反発力とが釣り合うように配置されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子の改良に関する。
従来より、絶縁材料に電荷を注入したエレクトレットを使用した発電装置、マイクロフォン等が提案されている。このような、エレクトレットを使用した装置においては、電気エネルギと運動エネルギとの変換効率が高いことが知られている。例えば、下記特許文献1にも、エレクトレットを使用した静電アクチュエータの例が開示されている。図6(A)、(B)には、この静電アクチュエータの構成例が示される。
特開2005−229707号公報
しかし、上記従来の技術である図6(A)に示される形状では、片側のエレクトレットが駆動電極に対して一様に形成されているので、発電器やセンサに適用することができない。ただし、図6(B)に示される形状において、駆動電極を電荷が誘導される発電電極と考えれば発電器となりえる。しかし、この図から半ピッチずれた位置で可動子のエレクトレットと駆動電極が引き合うため、可動子と固定基板が密着するという問題がある。
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、基板が互いに相対運動する際に、互いの距離を適正に維持することができる静電誘導型変換素子を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子であって、互いに対向し、対向面に平行な方向に相対運動する基板と、前記基板の各対向面に混在して形成されたエレクトレット及び導体と、を備え、前記エレクトレットと導体とは、前記エレクトレットと導体とが対向して発生する吸引力と、前記エレクトレット同士が対向して発生する反発力とが略釣り合うように配置されていることを特徴とする。
また、上記静電誘導型変換素子において、前記基板の少なくとも一方で、前記エレクトレットと導体の各総面積が異なった値であることを特徴とする。
また、上記静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットと導体とは、細片状に形成されていることを特徴とする。
また、上記静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットと導体とは、碁盤格子状に配置されていることを特徴とする。
また、上記静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットは、PTFE(ポロテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PFA(テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル))共重合体、酸化珪素、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体または溶剤可溶性の含フッ素樹脂により構成されていることを特徴とする。
また、上記静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、2つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成されていることを特徴とする。
また、上記静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が1個以下含まれることを特徴とする。
上記各構成によれば、基板が互いに相対運動する際に、摩擦が無く、且つ互いの距離を適正に維持することができる静電誘導型変換素子を実現できる。
以下、本発明を実施するための最良の形態(以下、実施形態という)を、図面に従って説明する。
図1(a)、(b)には、本発明にかかる静電誘導型変換素子の構成例の断面図が示される。図1(a)、(b)において、静電誘導型変換素子は、2つの基板10、12が互いに対向して配置されており、各基板10、12の対向面上には、エレクトレット14と導体16とが混在して形成されている。また、上記基板10、12は、対向面に平行な方向(図の矢印A、B方向)に相対運動するように構成されている。なお、基板10、12を相対運動させる機構は従来公知の方法により適宜構成できるので、図示及び説明は省略する。
上記エレクトレット14は、絶縁材料の表面付近に電荷を注入して形成されている。この電荷の注入には、液体接触、コロナ放電、電子ビーム、バック・ライテッド・サイラトロン等公知の方法を用いることができる。また、エレクトレット14は、基板10、12の相対運動に伴い導体16に対して相対的に運動し、導体16に静電誘導による起電力を発生させる。
基板10、12に形成された導体16は、上記エレクトレット14との相対運動により静電誘導される起電力の位相が同じもの同士で接続され、それぞれ端子18、20から誘導起電力を取り出せるように構成されている。これにより、運動エネルギを電気エネルギに変換して取り出すことができる。このような構成により、本発明の静電誘導型変換素子を発電機またはセンサとして機能させることができる。センサとしての応用例としては、マイクロフォン、圧力センサ、加速度センサ、地震計等がある。また、導体16に電源を接続すると、電気エネルギにより基板10、12を図1(a)、(b)の矢印A及びBの方向に運動させることができる。この場合には、本発明の静電誘導型変換素子がアクチュエータとして機能する。
本実施形態において特徴的な点は、上記エレクトレット14と導体16とが、エレクトレット14と導体16とが対向して発生する吸引力と、エレクトレット14同士が対向して発生する反発力とが略釣り合うように配置されている点にある。
すなわち、エレクトレット14の表面には同じ極性の電荷が注入されているので、エレクトレット14同士が対向した場合には反発力が生じ、エレクトレット14と導体16とが対向した場合には吸引力が生じる。そこで、エレクトレット14と導体16とが対向する総面積とエレクトレット14同士が対向する総面積とを調整することにより、上記吸引力と反発力とを釣り合わせることができる。なお、導体16同士では、反発力及び吸引力は生じないので、上記釣り合いには関与しない。
図1(a)に示された例において、基板10、12で全面積のうちエレクトレット14が占める面積割合をそれぞれx(基板10)、z(基板12)とし、導体16が占める面積割合をそれぞれy(基板10)、w(基板12)とすると、エレクトレット14と導体16との間の吸引力と、エレクトレット14同士の間の反発力が等しくなるときに上記釣り合いの状態になるが、このとき基板10、12の相対する面において、
xz=xw+yz ただし、x+y=1、z+w=1
が成り立つ。この式からyとwを消去すると、
x=z/(3z−1)
となる。
ここで、0<x<1、0<z<1の両方を満たさなければならないことを考慮すると、0.5<x<1、0.5<z<1となる。例えばx=zとすると、x=z=2/3となる。従って、基板10、12の少なくとも一方でエレクトレット14と導体16の面積が等分でない、すなわち異なった値となることが分かる。
図1(a)では、基板10側でエレクトレット14が8個、導体16が4個となっており、エレクトレット14と導体16の面積が異なった値となっている。
次に、図1(a)の状態から基板10を矢印Aの方向に移動させ、図1(b)の状態にした場合には、基板10、12が重なり合った部分において、基板10側でエレクトレット14が7個、導体16が4個となっており、基板12側でエレクトレット14が5個、導体16が6個となっている。従って、2つの基板10、12においてエレクトレット14と導体16の面積が異なった値となっている。
以上のような構成によれば、基板10と基板12との間の反発力と吸引力とを略釣り合わせることができ、基板10、12間の距離を適正に維持することができる。なお、基板10と基板12との間は、空気等のガス、液体または真空状態とすることができ、基板10、12間の摩擦を無くして相対運動を容易に行わせることができる。
図2(a)、(b)には、エレクトレット14と導体16との配置例が示される。図2(a)は、基板10上における配置例であり、図2(b)は、基板12上における配置例であって、それぞれエレクトレット14と導体16とが形成された面の側の平面図である。
図2(a)、(b)において、エレクトレット14と導体16とは細片状(長方形の薄板状)に形成されており、導体16には斜線を付してエレクトレット14と区別している。図2(a)に示された基板10では、エレクトレット14が8個、導体16が4個形成されている。また、図2(b)に示された基板12では、エレクトレット14と導体16とが交互に6個ずつ形成されている。本実施形態にかかる静電誘導型変換素子は、図2(a)に示された基板10を、図の上下方向に裏返して図2(b)に示された基板12に対向させる。これにより、図1(a)に示された静電誘導型変換素子が構成される。
図3(a)、(b)には、エレクトレット14と導体16との他の配置例が示される。図3(a)は、基板10上における配置例であり、図3(b)は、基板12上における配置例であって、それぞれエレクトレット14と導体16とが形成された面の側の平面図である。
図3(a)、(b)において、エレクトレット14と導体16とは正方形状に形成され、ており、碁盤格子状に配置されている。また、本実施形態においても、導体16に斜線を付してエレクトレット14と区別している。図3(a)に示された基板10では、エレクトレット14が24個、導体16が12個形成されている。また、図3(b)に示された基板12では、エレクトレット14と導体16とが市松模様状に18個ずつ形成されている。
本実施形態にかかる静電誘導型変換素子は、図3(a)に示された基板10を、図の上下方向または左右方向に裏返して図3(b)に示された基板12に対向させる。これにより、エレクトレット14と導体16とが対向する組合せが18組、エレクトレット14同士が対向する組合せが12組となる。なお、導体16同士が対向し、吸引力も反発力も生じない組合せは6組となる。
以上の図2(a)、(b)及び図3(a)、(b)に示された配置例によれば、エレクトレット14と導体16との吸引力と、エレクトレット14同士の反発力とを略釣り合わせることができる。
図4には、エレクトレット14と導体16とのさらに他の配置例が示される。図4において、基板10、12を複数の領域(I、II、III…)に分けた場合に、エレクトレット14と導体16との組み合わせとエレクトレット14同士の組み合わせと導体16同士の組み合わせとがそれぞれ異なる比率となる領域を分布させて、吸引力と反発力とを釣り合わせている。図4の例では、領域Iでエレクトレット14同士の反発の状態を形成し、領域IIでエレクトレット14と導体16との吸引の状態を形成し、以後反発力を生じる領域と吸引力を生じる領域を交互に形成している。
図5には、本発明にかかる静電誘導型変換素子の応用例が示される。図5において、基板10は、ばね24を介して筐体22に接続され、基板12に対して相対的に振動できるように構成されている。
以上のような構成によれば、筐体22が振動した場合に、基板10が基板12に対して相対的に運動することになる。このときに発生する誘導起電力を図1(a)、(b)に示された端子18、20から取り出すように構成すれば、図5の装置を発電器あるいは振動計として使用することができる。
以上に述べたエレクトレット14を形成する絶縁材料としては、例えばPTFE(ポロテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PFA(テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル))共重合体、酸化珪素、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体または溶剤可溶性の含フッ素樹脂を使用することができる。
ここで、上記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体としては、2つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体、が好適である。
主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有するとは、脂肪族環を構成する炭素原子の1以上が主鎖を構成する炭素連鎖中の炭素原子であり、かつ脂肪族環を構成する炭素原子の少なくとも一部にフッ素原子またはフッ素含有基が結合している構造を有することを意味する。なお、含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が1個含まれていてもよい。
2つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、特開昭63−238111号公報や特開昭63−238115号公報、USP 6,936,668 B2等により知られている。すなわち、パーフルオロ(アリルビニルエーテル)やパーフルオロ(ブテニルビニルエーテル)等の2つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーの環化重合体、または2つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーとテトラフルオロエチレン等のラジカル重合性モノマーとの共重合体が挙げられる。または、パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)等の含フッ素脂肪族環構造を有するモノマーとパーフルオロ(アリルビニルエーテル)やパーフルオロ(ブテニルビニルエーテル)等の2つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを共重合して得られる重合体でもよい。
また、上記溶剤可溶性の含フッ素樹脂としては、例えばフッ素化ペリレン、フッ素化ポリイミド、フッ素化ベンゾオキサザールを使用することができる。
なお、上述したような含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用して、スピンコート等の方法によりエレクトレット14を形成すると、エレクトレット14の厚さを10μm以上とすることができる。エレクトレット14を使用した静電誘導型変換素子の最大発電出力は、以下の式で表される。
Figure 2007312551
ここで、σはエレクトレット14の表面電荷密度、nは極数すなわちエレクトレット14の数、Aは導体16の面積、fは導体16の往復運動の周波数、dはエレクトレット14の厚さ、gはエレクトレット14と導体16との距離、εは比誘電率である。
上記式からわかるように、エレクトレット14の厚さdが大きいほど発電出力も大きくなる。従来使用されていた材料では、エレクトレット14の厚さdは数〜10μm程度にしかできなかったが、上記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体を使用する場合には、上述したように、エレクトレット14の厚さdを10μm以上とすることができ、静電誘導型変換素子の最大発電出力を増大することができる。
上記の主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、旭硝子株式会社より「CYTOP(登録商標)」の商品名で市販されており、本発明ではこのような公知の含フッ素重合体を使用することができる。なお、このCYTOP(登録商標)の絶縁破壊強度は、11kV/0.1mmであり、例えば従来使用されていた材料であるテフロン(登録商標)AFの絶縁破壊強度5kV/0.1mmより高くなっている。絶縁破壊強度を高くできると、エレクトレット14への電荷注入量を増加でき、静電誘導型変換素子の最大発電出力をさらに増大することができる。この結果、発電機の発電量やセンサの感度を向上させることができる。
本発明にかかる静電誘導型変換素子の構成例の断面図である。 エレクトレットと導体との配置例を示す図である。 エレクトレットと導体との他の配置例を示す図である。 エレクトレットと導体とのさらに他の配置例を示す図である。 本発明にかかる静電誘導型変換素子の応用例を示す図である。 従来における静電アクチュエータの構成例を示す図である。
符号の説明
10、12 基板、14 エレクトレット、16 導体、18、20 端子、22 筐体、24 ばね。

Claims (7)

  1. 電気エネルギと運動エネルギとを変換する静電誘導型変換素子であって、
    互いに対向し、対向面に平行な方向に相対運動する基板と、
    前記基板の各対向面に混在して形成されたエレクトレット及び導体と、
    を備え、前記エレクトレットと導体とは、前記エレクトレットと導体とが対向して発生する吸引力と、前記エレクトレット同士が対向して発生する反発力とが略釣り合うように配置されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
  2. 請求項1記載の静電誘導型変換素子において、前記基板の少なくとも一方で、前記エレクトレットと導体の各総面積が異なった値であることを特徴とする静電誘導型変換素子。
  3. 請求項1または請求項2記載の静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットと導体とは、細片状に形成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
  4. 請求項1または請求項2記載の静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットと導体とは、碁盤格子状に配置されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項記載の静電誘導型変換素子において、前記エレクトレットは、PTFE(ポロテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PFA(テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル))共重合体、酸化珪素、含フッ素脂肪族環構造を有する重合体または溶剤可溶性の含フッ素樹脂により構成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
  6. 請求項5記載の静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造を有する重合体は、2つ以上の重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを環化重合して得られる、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する重合体により構成されていることを特徴とする静電誘導型変換素子。
  7. 請求項6記載の静電誘導型変換素子において、前記含フッ素脂肪族環構造には、エーテル性酸素原子が1個以下含まれることを特徴とする静電誘導型変換素子。
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