[发明专利]静电感应型的能量变换元件

说明书

技术领域

本发明涉及静电感应型的能量变换元件，具体地说，涉及用于利用环境振动等来进行发电的静电感应型的能量变换元件。

背景技术

在搭载有传感器和致动器的分散型器件和便携设备等中，由于难以进行基于导线布线(电线)的直接供电，作为电源使用硬币型一次电池或充电电池。

然而，在监测车辆的轮胎空气压力的TPMS(轮胎压力监测系统)、飞机、大楼、桥梁等的安全监测、大规模的流通管理中，由于电池更换是困难的，或者电池更换费功夫，或者需要大量的电池更换，因而将电池用作电源是不方便的。并且，在心脏的起搏器和胶囊内窥镜等的用途中，为了进行电池更换而需要患者手术，身体负担变大，因而电池搭载是不优选的。并且，即使在充电电池的情况下，关于充电作业也存在与电池更换相同的不便。

因此，以这些领域为首的各种领域中，要求电源免维护(不需要充电和不需要电池更换)的技术。

作为免维护之一的候选，有这样的小型能量变换元件：可从在移动体(车辆、飞机等)、建筑物(大楼、桥梁等)中产生的、或者由装置、人的动作产生的数Hz～数十Hz的振动(以下将这样的振动称为环境振动)取出电力。

利用环境振动进行发电的能量变换元件主要有3种：电磁感应型，压电型，以及静电感应型。电磁感应型的元件由于发电量与振动数的平方成正比，因而要实现低频率化困难，并且，存在尺寸和重量大型化的问题。压电型的元件存在可靠性、组装时的处理等批量生产性、成本的问题。因此，期待静电感应型的元件。

静电感应型的能量变换元件由于发电量与振动数成正比，因而适合于利用环境振动来获得电力，然而为了获得大的发电量，有必要向驻极体电极注入大量电荷。并且，当增多驻极体电极的电荷量时，由放电引起的发电效率的恶化成为问题。然而，在现有的静电感应型能量变换元件中，这些问题未得到解决，不能向驻极体注入足够的电荷，并且也未能充分防止由放电引起的发电效率的恶化。以下，以专利文献1中公开的能量变换元件为例具体说明这些问题。

(专利文献1中公开的元件)

图1示出专利文献1中公开的能量变换元件11(静电感应型变换元件)的结构。在该能量变换元件11中，在固定基板12的上表面设有多个呈长方形形状的基电极13，在各基电极13上方设有驻极体14。并且，在与固定基板12对置的对置基板15的下表面，以与基电极13相同的间距设有对置电极16。

驻极体14是在绝缘材料的表面附近注入电荷而形成的。特别是，作为驻极体14的材料，通过由在主链内具有含氟脂肪族环结构的聚合体构成，提高了表面电荷密度。并且，在专利文献1的一个实施方式中，在驻极体14的上表面形成由聚对二甲苯或者其衍生物构成的防湿膜(聚对二甲基苯膜)，防止由湿度引起的恶化。

在这种结构的能量变换元件11中，在2个电极13、16之间连接负荷17，当使对置基板15朝图1的箭头所示的方向运动时，与对置电极16为相反极的电荷被注入到驻极体14的电荷静电感应，电流流入负荷17，能用于发电。

(第1问题…注入电荷量的减少)

作为向驻极体14注入电荷的方法，一般是基于电晕放电的方法。在专利文献1中，如图2所示，使用电晕放电用的探针18，使用直流高压电源19来向探针18和基电极13之间施加高电压，以预定电压放电预定时间，向驻极体14注入电荷使其带电。

然而，由于驻极体14形成在基电极13的上表面，因而基电极13的侧壁从驻极体14露出。因此，如朝着图2左侧的驻极体14那样，从探针18放出的电荷(电子)有很多被感应到基电极13而回到高压电源19(图2中的带箭头的线表示放电时的电荷流动)，注入到驻极体14的电荷量相应地减少。

并且，驻极体14和基电极13通过半导体工艺(光刻工序)形成，然而即使驻极体14和基电极13被设计成以相同面积形成，也由于制造工序中的对准偏差、或者驻极体14的过度蚀刻等的工艺误差而容易使横向宽度产生偏差。因此，如朝着图2右侧的驻极体14那样，容易发生基电极13的边缘从驻极体14露出的情况。在这种情况下，感应到基电极13的电荷量进一步增加，注入到驻极体14内的电荷量更加减少。

(第2问题…由放电引起的恶化)