特許 5905827 帯電装置及び帯電体製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5905827

(24)【登録日】2016年3月25日

(45)【発行日】2016年4月20日

(54)【発明の名称】帯電装置及び帯電体製造方法

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/12 20060101AFI20160407BHJP

   B01J 19/08 20060101ALI20160407BHJP

   C08J 7/00 20060101ALI20160407BHJP

【ＦＩ】

   B01J19/12 Z

   B01J19/08 Z

   C08J7/00 CCER

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-539769(P2012-539769)

(86)(22)【出願日】2011年10月20日

(86)【国際出願番号】JP2011074214

(87)【国際公開番号】WO2012053617

(87)【国際公開日】20120426

【審査請求日】2014年10月2日

(31)【優先権主張番号】特願2010-236132(P2010-236132)

(32)【優先日】2010年10月21日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000004352

【氏名又は名称】日本放送協会

(74)【代理人】

【識別番号】100102716

【弁理士】

【氏名又は名称】在原 元司

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 雄二

(72)【発明者】

【氏名】本泉 真人

(72)【発明者】

【氏名】萩原 啓

(72)【発明者】

【氏名】後藤 正英

(72)【発明者】

【氏名】井口 義則

【審査官】 神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−０１４７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２４８３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０４５３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６７０８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ １９／０８−１９／１２

Ｃ０８Ｊ ７／００−７／１８

Ｄ０６Ｍ １０／００−１０／１０

Ｈ０１Ｇ ７／０２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定のガスが収容され、圧力０．１〜２００Ｐａに調製された反応室と、
前記反応室内に収容されたガスに対して、波長が３００ｎｍ以下の紫外線を照射し、負電荷を発生させる紫外線照射手段と、
反応室内に配置された、長方形形状の板またはフィルムである誘電体材料の方向に前記負電荷を引きつける電界を発生し、前記負電荷の少なくとも一部を前記誘電体材料の内部に注入して蓄積し、前記誘電体材料の表面電位を低下させる電界発生手段と、
を備えることを特徴とする帯電装置。

【請求項2】

請求項１に記載の帯電装置において、前記電界発生手段は、前記誘電体材料の近傍または接した位置に配置され、正電圧が印加された電極を含むことを特徴とする帯電装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の帯電装置において、前記電界発生手段は、網状の電極であることを特徴とする帯電装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の帯電装置において、前記誘電体材料が移動しつつ連続的に帯電されることを特徴とする帯電装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の帯電装置において、前記所定のガスは窒素ガス、希ガスまたはこれらの混合ガスであり、酸素含有量が０．０１ｍｏｌ％以下であることを特徴とする帯電装置。

【請求項6】

圧力０．１〜２００Ｐａの下、所定のガスを収容した雰囲気下に誘電体材料を配置し、
該ガスに波長が３００ｎｍ以下の紫外線を照射して負電荷を発生させ、
該負電荷を、長方形形状の板またはフィルムである該誘電体材料に注入して帯電させ、前記誘電体材料の表面電位を低下させる、
ことを特徴とする帯電体製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘電体材料の帯電装置及び帯電体製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

エレクトレットを使用した装置は、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おり、発電装置、マイクロフォン等に応用されている。

【0003】

このようなエレクトレットは、高分子材料等の誘電体材料を帯電させて形成する。例えば、下記特許文献１には、コロナ放電により高分子材料を帯電させてエレクトレットを製造する方法の例が開示されている。また、下記非特許文献１には、コロナ放電により帯電した電荷による表面電位の経時変化の観測結果が開示されている。この観測結果によれば、コロナ放電により２分以上帯電処理を行わないと、表面電位が短時間で低下することがわかる。

【0004】

一方、下記特許文献２は、紫外線を使用した帯電物体の中和装置に関する発明であり、紫外線を窒素に照射させて発生させた電荷により、ウエハに帯電した電荷を中和する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−２４６３２７号公報

【特許文献2】特開平７−１４７６１号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】ドイツ フライブルグ大学博士論文 ２０１０．７月７４頁 ウルリッヒ バーシュ著（Electret-Based Resonant Micro EnergyHarvesting in Two Dimensions Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades derTechnischen Fakultat der Albert-Ludwigs-Universitat Freiburg im Breisgau 2010.7pp.74 Ulrich Bartsch)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上記特許文献１に記載されているように、コロナ放電を使用して誘電体材料を帯電させる場合には、非特許文献１に記載されているように、帯電時間に２分以上を要し、短時間（１分以内）での帯電処理が困難であるという問題があった。

【0008】

また、特許文献２に記載されているように、紫外線により発生した電荷を誘電体材料の帯電に使用することも考えられるが、特許文献２には具体的な構成の開示がない。

【0009】

本発明の目的は、短時間の帯電処理で、誘電体材料を高く、経時的に安定した表面電位に帯電できる帯電装置及び帯電体製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、請求項１に記載の帯電装置の発明は、所定のガスが収容され、圧力０．１〜２００Ｐａに調製された反応室と、前記反応室内に収容されたガスに対して、波長が３００ｎｍ以下の紫外線を照射し、負電荷を発生させる紫外線照射手段と、反応室内に配置された、長方形形状の板またはフィルムである誘電体材料の方向に前記負電荷を引きつける電界を発生し、前記負電荷の少なくとも一部を前記誘電体材料の内部に注入して蓄積し、前記誘電体材料の表面電位を低下させる電界発生手段と、を備えることを特徴とする。

【0011】

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の帯電装置において、前記電界発生手段は、前記誘電体材料の近傍または接した位置に配置され、正電圧が印加された電極を含むことを特徴とする。

【0012】

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の帯電装置において、前記電界発生手段が、網状の電極であることを特徴とする。

【0013】

また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の帯電装置において、前記誘電体材料が移動しつつ連続的に帯電されることを特徴とする。

【0014】

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の帯電装置において、前記所定のガスは窒素ガス、希ガスまたはこれらの混合ガスであり、酸素含有量が０．０１ｍｏｌ％以下であることを特徴とする。

【0015】

また、請求項６に記載の帯電体製造方法の発明は、圧力０．１〜２００Ｐａの下、所定のガスを収容した雰囲気下に誘電体材料を配置し、該ガスに波長が３００ｎｍ以下の紫外線を照射して負電荷を発生させ、該負電荷を、長方形形状の板またはフィルムである該誘電体材料に注入して帯電させ、前記誘電体材料の表面電位を低下させる、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、短時間の帯電処理で、誘電体材料を高く、経時的に安定した表面電位に帯電できる帯電装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本実施形態にかかる帯電装置の構成例を示す図である。

【図2】本実施形態にかかる帯電装置の他の構成例を示す図である。

【図3】本実施形態にかかる帯電装置のさらに他の構成例を示す図である。

【図4】表面電位の測定結果を示す図である。

【図5】表面電位の測定結果を示す図である。

【図6】表面電位の測定結果を示す図である。

【図7】表面電位の測定結果を示す図である。

【図8】本実施形態にかかる帯電装置の動作例の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

【0019】

図１には、本実施形態にかかる帯電装置の構成例が示される。図１において、帯電装置１０は、反応室１２、紫外線照射手段１４、電極１６及び減圧ポンプ１８を含んで構成されている。

【0020】

反応室１２は、所定のガスが収容された密封容器であり、ガス供給管２２から当該ガスが供給されるとともに、減圧ポンプ１８により減圧されて大気圧以下の圧力に調整されている。ガス供給管２２からは、流量制御装置３０を介して、一定流量のガスを供給できるように構成されている。また、反応室１２の内部圧力は、圧力計３２により測定できる。さらに、反応室１２と減圧ポンプ１８との間には、圧力調整弁３４が設けられ、反応室１２の内部圧力を調整できる構成となっている。反応室１２は、アース端子２４により接地されている。上記所定のガスとしては、例えばイナートガス、希ガス等が挙げられる。イナートガスとしては、例えば窒素が使用でき、希ガスとしては、例えばヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンが使用できるが、紫外線により励起して電子を放出し、かつ帯電させる対象である誘電体材料２０と反応性のないガスであれば、何れも使用することができる。また、上記ガスは単独で使用してもよいし、混合して（混合ガスとして）使用してもよい。なお、上記所定のガスの酸素含有量は、０．０１ｍｏｌ％以下であることが好ましい。酸素がこの割合以上含まれると、後述する紫外線照射手段１４から照射される紫外線によって励起されたガスから発生する電荷量が大きく減衰するからである。

【0021】

紫外線照射手段１４は、波長３００ｎｍ以下のいわゆる深紫外線あるいは真空紫外線とよばれる紫外線を発生し、反応室１２内に収容されたガスに照射する装置である。ガスに紫外線を照射することにより、ガスが励起され、電荷（正負の電荷）が発生する。紫外線照射手段１４の方式は、波長３００ｎｍ以下の深紫外線あるいは真空紫外線を発生できれば限定されないが、例えば紫外線ＬＥＤや重水素ランプ等を利用することができる。

【0022】

電極１６は、紫外線照射手段１４からの紫外線照射により上記ガスから発生した負電荷（電子）を反応室１２内に配置された誘電体材料２０の方向に移動させる電界を発生する。上述したように、反応室１２は接地されている。従って、上記電界を発生するために、電極１６には、反応室１２と電気的に絶縁された状態で電源２６から正電圧が印加されている。電圧値は、誘電体材料２０の目標帯電電圧値に応じて決定するが、例えば１ｋＶ程度の電圧とする。なお、図１に示された例では、電極１６の上に誘電体材料２０が載せられて（接して）いるが、これには限定されず、誘電体材料２０の近傍に電極１６を配置すればよい。ここで、近傍とは、負電荷が電極１６により引きつけられて誘電体材料２０の方向に移動する経路上の位置に誘電体材料２０が配置されている、電極１６と誘電体材料２０との配置関係をいう。また、電極１６と誘電体材料２０は、電極１６から誘電体材料２０を見たときに、誘電体材料２０の帯電させたい表面が不可視の側となるような位置関係に配置してもよい。

【0023】

減圧ポンプ１８は、上述したように、反応室１２の内部圧力を、大気圧以下の圧力に調整する。形式は特に限定されないが、反応室１２の内部圧力を１×１０^−４Ｐａ程度まで減圧できればよい。

【0024】

次に、以上に述べた帯電装置の動作例を図８に基づいて説明する。電極１６の近傍、例えば電極１６の上に誘電体材料２０を配置した後（Ｓ１）、減圧ポンプ１８により反応室１２内を１×１０^−４Ｐａまで減圧し、残留気体を除去する。次に、ガス供給管２２から流量制御装置３０を介して一定流量のガスを導入しつつ、反応室１２と減圧ポンプ１８との間に設置した圧力調整弁３４の開度を調整して、反応室１２の内部圧力を所定の圧力に調整する（Ｓ２）。この圧力は、ガスの種類、紫外線照射手段１４から照射される紫外線の波長等により適宜決定するが、例えば０．１〜２００Ｐａの範囲とすることができる。なお、ガス供給管２２から常にガスを供給しなくとも、反応室１２内を排気したのちに圧力調整弁３４を完全に閉め、ある一定の圧力までガスを供給して減圧状態にしておくことでも、反応室１２の内部圧力を所定の圧力に調整することができる。

【0025】

上記状態（所定の圧力の下、所定のガスを反応室１２に収容した雰囲気下）で、紫外線照射手段１４から紫外線を照射してガスを励起し、正電荷（例えば窒素イオン）と負電荷（電子）を発生させる（Ｓ３）。また、電極１６に電圧を印加し、発生した電子を電極１６により発生した電界により電極１６の方向に移動させ、当該方向にある誘電体材料２０の表面に到達させて誘電体材料２０を帯電させ、その表面電位を低下（電位の絶対値は上昇）させる（Ｓ４）。このときに到達できる誘電体材料２０の表面電位は、電極１６に印加した電圧により決まる。なお、誘電体材料２０の表面に到達した電子は、少なくともその一部が誘電体材料２０の内部に注入されて蓄積され、誘電体材料２０をエレクトレットとして機能させる。本実施形態の帯電方法により誘電体材料２０に電子を蓄積させ、帯電させるのに要する時間は、２秒以下であり、短時間でエレクトレットを製造することができる。なお、電極１６に負電圧を印加することにより、正に帯電したエレクトレットを作製することも可能である。

【0026】

図２には、本実施形態にかかる帯電装置の他の構成例が示され、図１と同一要素には同一符号を付している。図２の例では、反応室１２を接地する代わりに、負電極２８を設け、この負電極２８を接地している。また、誘電体材料２０は、電極１６と負電極２８との間に配置されている。

【0027】

紫外線照射手段１４から紫外線を照射してガスを励起し、正電荷（例えば窒素イオン）と負電荷（電子）を発生させると、電子が電極１６に引かれて誘電体材料２０の方向に移動する。これにより、誘電体材料２０が帯電してエレクトレットとなる。なお、本実施形態では、誘電体材料２０を、例えば長方形形状（細片状）の板またはフィルムとし、その長手方向に電極１６と負電極２８との間を移動させて、連続的に帯電するように構成してもよい。

【0028】

図３には、本実施形態にかかる帯電装置のさらに他の構成例が示され、図１と同一要素には同一符号を付している。図３において、電極１６は網状に形成されており、誘電体材料２０の前に配置されている。この電極１６には、図１の場合と同様に、電源２６から正電圧が印加される。紫外線照射手段１４から紫外線を照射してガスを励起し、正電荷（例えば窒素イオン）と負電荷（電子）を発生させると、電子が電極１６に引かれて（加速されて）誘電体材料２０の方向に移動する。上述したように、電極１６は網状に形成されているので、電極１６に到達した電子の多くは網目を通過し、誘電体材料２０の表面に到達する。これにより、誘電体材料２０が帯電してエレクトレットとなる。電極１６と誘電体材料２０は、電極１６から誘電体材料２０を見たときに、誘電体材料２０の帯電させたい表面が可視の側となるような位置関係に配置する。

【0029】

以上に述べた誘電体材料２０としては、用途に応じて適宜選択できるが、例えばフッ素樹脂、二酸化ケイ素、窒化膜を形成した二酸化ケイ素等を使用することができる。

【実施例】

【0030】

以下、本発明の具体例を実施例として説明する。ただし、本発明は、以下に述べる実施例に限定されるものではない。

【0031】

図１に示された帯電装置を使用し、電極１６上に１５μｍの厚さのＣＹＴＯＰ（登録商標 旭硝子株式会社製）フィルムを配置し、反応室１２の内部圧力を減圧ポンプ１８にて５×１０^−３Ｐａまで減圧した。上記ＣＹＴＯＰフィルムは、低抵抗Ｓｉ基板上にスピンコートし、１８５℃で１．５時間熱処理することにより形成した。

【0032】

次に、ガス供給管２２から流量制御装置３０を介して純度９９．９９９５％の窒素ガスを反応室１２に一定流速で供給し、減圧ポンプ１８で排気しつつ圧力調整弁３４により反応室１２の内部圧力を制御した。なお、反応室１２の内部圧力は、圧力計３２により測定した。本実施例では、反応室１２の内部圧力を変更しながら後述する真空紫外線の照射を行い、ＣＹＴＯＰフィルムの表面電位を測定した。

【0033】

紫外線照射手段１４として、浜松ホトニクス株式会社製重水素ランプＬ１８３５を使用して、１２０〜１６０ｎｍの真空紫外線を反応室１２内の窒素ガスに照射した。また、電極１６には、電源２６から１ｋＶまたは６００Ｖの電圧を印加した。紫外線照射手段１４による真空紫外線の照射時間が、ＣＹＴＯＰフィルムの帯電処理時間であり、本実施例では、この照射時間を変更しながらＣＹＴＯＰフィルムの表面電位を測定した。

【0034】

上記方法により帯電させたＣＹＴＯＰフィルムの表面電位は、表面電位計（ｍｏｄｅｌ２７９；モンローエレクトロニクス製）にて測定した。

【0035】

図４，図５，図６，図７には、表面電位の測定結果が示される。図４は、電極１６の印加電圧を１ｋＶ、真空紫外線の照射時間を３秒とした場合の、反応室１２の内部圧力と表面電位との関係である。また、図５は、電極１６の印加電圧を１ｋＶ、反応室１２の内部圧力を１．０Ｐａとした場合の、真空紫外線の照射時間と表面電位との関係である。また、図６は、反応室１２の内部圧力を１．０Ｐａ、電極１６の印加電圧を１ｋＶ、真空紫外線の照射時間を３秒とした場合、及び反応室１２の内部圧力を１．０Ｐａ、電極１６の印加電圧を６００Ｖ、真空紫外線の照射時間を２０秒とした場合の表面電位の経時変化である。また、図７は、反応室１２の内部圧力を１．０Ｐａ、電極１６の印加電圧を６００Ｖ、真空紫外線の照射時間を２０秒とした場合の、窒素ガスの不純物濃度と表面電位の関係である。

【0036】

図４において、真空紫外線の照射時間を３秒とすると、反応室１２の内部圧力が０．１Ｐａで表面電位が飽和することがわかる。従って、反応室１２の内部圧力は、０．１Ｐａ以上に維持すればよい。

【0037】

また、図５において、電極１６の印加電圧を１ｋＶ、反応室１２の内部圧力を１．０Ｐａとすると、真空紫外線の照射時間が０．３秒で−７００Ｖの表面電位に到達することがわかる。従って、本実施例では、コロナ放電等による帯電方法と較べて、短時間の帯電処理時間で高い表面電位を得ることができる。

【0038】

また、図６において、ＣＹＴＯＰフィルムの表面電位の経時変化は、帯電処理後のＣＹＴＯＰフィルムを２０℃、相対湿度６０％の状態で保持して測定した。図６に示されるように、電極１６の印加電圧を１ｋＶ、真空紫外線の照射時間を３秒とした場合には初期の表面電位が−７８０Ｖ程度、反応室１２の内部圧力を１．０Ｐａ、電極１６の印加電圧を６００Ｖ、真空紫外線の照射時間を２０秒とした場合には初期の表面電位が−５００Ｖ程度になっているが、いずれの場合も、それらの値が２０００時間後まで維持されている。従って、コロナ放電等による帯電方法と較べて、短時間の帯電処理時間で、表面電位を長時間、安定して維持できる帯電処理を実現できる。

【0039】

また、図７において、窒素ガスの不純物濃度が小さくなるにつれて、表面電位の増加量が大きいことがわかる。特に不純物濃度が０．０１ｍｏｌ％以下の場合、大きな増加量が得られるため、短時間の帯電処理時間で高い表面電位を得ることができる。なお、ここで窒素ガスの不純物濃度とは、（１００％−ガスの純度）である。不純物は通常酸素あるいは酸素原子を含むガス（一酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化窒素、二硫化酸素、水）がほとんどを占める。

【符号の説明】

【0040】

１０ 帯電装置、１２ 反応室、１４ 紫外線照射手段、１６ 電極、１８ 減圧ポンプ、２０ 誘電体材料、２２ ガス供給管、２４ アース端子、２６ 電源、２８ 負電極、３０ 流量制御装置、３２ 圧力計、３４ 圧力調整弁。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】