CN111313746B - 静电式机电换能器 - Google Patents

Abstract

本发明使利用带电部与对置电极之间的静电相互作用来进行电力与动力之间的转换的静电式机电换能器的输出增大而且减轻作用于可动基板的摩擦力。本发明的静电式机电换能器具有：固定基板；可动基板，其与固定基板之间保持一定距离且能够移动；多个带电部，它们在可动基板的与固定基板相对的相对面上沿可动基板的移动方向空出间隔地配置；多个对置电极，它们在固定基板的与可动基板相对的相对面上沿移动方向配置；以及接地电极，与可动基板的相对面的相反侧那一面相对配置。

Description

静电式机电换能器

本申请是下述专利申请的分案申请

申请号：201780017533.2

申请日：2017年3月16日

发明名称：静电式机电换能器

技术领域

本发明涉及一种利用驻极体材料的静电式机电换能器。

背景技术

有利用具有半永久性地保持电荷的性质的带电层的静电马达、发电装置等静电式机电换能器(例如参考专利文献1)。该静电式机电换能器具备由驻极体材料构成的带电层以及与带电层相对的对置电极，在静电马达的情况下，通过两者的静电引力来产生驱动力，在发电装置的情况下，利用因两者的重叠面积的变化而产生的静电感应来进行发电。这种静电式机电换能器的体型相对较小，正在研究其在例如像腕表那样佩戴在人身上、或由人携带的便携式电气设备上的采用。

图12为表示以往的静电式机电换能器200的主要部的截面图。静电式机电换能器200具有：可动基板101，由多个连结部123构成；固定基板103，在可动基板101的下方与可动基板101平行配置；带电层125，设置在可动基板101的各连结部123的下表面；以及多个对置电极129A、129B，以与带电层125相对的方式在固定基板103的上表面相互空出间隔而配置。在静电式机电换能器200为静电马达的情况下，从各对置电极129A、129B作用于各带电层125的静电引力的合力成为驱动力。此外，在静电式机电换能器200为发电装置的情况下，通过使各带电层125相对于各对置电极129A、129B做相对运动，从多个对置电极129A、129B同时导出电力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2005-341675号公报(第1页、图2)

发明内容

我们知道，使用驻极体材料的静电马达的驱动力f与带电层(带电部)的电位Vt与对置电极的外加电压Vb的积成比例。因而，只要增大带电层的电位Vt或者对置电极的外加电压Vb，便能增大驱动力f。然而，要增大对置电极的外加电压Vb，就必须升压，从而带来能量损失。此外，要增大带电层的电位Vt，就必须增加带电层中积蓄的电荷量，但这是有极限的。

此外，由于引力与可动基板的面垂直地作用于带电层与对置电极之间，因此，该引力越大，支承可动基板的轴与轴承之间的摩擦力便越大，从而妨碍可动基板的运动。这一点在使用驻极体材料的发电装置的情况下也是一样的。

本发明是考虑这种问题而成，其目的在于提供一种能在不产生较大的能量损失的情况下增大输出而且能够减轻作用于可动基板的摩擦力的静电式机电换能器。

本发明提供一种静电式机电换能器，其利用带电部与对置电极之间的静电相互作用来进行电力与动力之间的转换，该静电式机电换能器的特征在于，具有：固定基板；可动基板，其与固定基板之间保持一定距离且能够移动；多个带电部，在可动基板的与固定基板相对的相对面上沿可动基板的移动方向空出间隔地配置；多个对置电极，在固定基板的与可动基板相对的相对面上沿移动方向配置；以及接地电极，其与可动基板的相对面的相反侧那一面相对配置。

在上述的静电式机电换能器中，优选接地电极覆盖与多个带电部的配置位置对应的可动基板的相反侧那一面上的整个区域。

在上述的静电式机电换能器中，优选可动基板与固定基板的距离为30μm以上且150μm以下。

在上述的静电式机电换能器中，可为可动基板和固定基板配置在顶板与底板之间，接地电极形成于顶板或底板的与可动基板相对的相对面。或者，也可为可动基板和固定基板配置在顶板与底板之间，将顶板或底板作为接地电极。

在上述的静电式机电换能器中，优选可动基板能够绕穿过可动基板的中心的转轴旋转，多个带电部和多个对置电极分别以转轴为中心呈放射状配置。

上述的静电式机电换能器优选还具有：驱动部，将极性交替切换的电压施加至多个对置电极，通过在多个带电部与多个对置电极之间产生的静电力使可动基板旋转；以及齿轮系，在隔着接地电极与可动基板相反那一侧与转轴连结，与可动基板一起旋转而将可动基板的旋转运动传递至外部。

或者，上述的静电式机电换能器优选还具有：齿轮系，在隔着接地电极与可动基板相反那一侧与转轴连结，由外部的动力源加以驱动而使转轴及可动基板旋转；以及蓄电部，积蓄响应于可动基板的旋转而通过多个带电部与多个对置电极之间的静电感应产生的电力。

根据上述的静电式机电换能器，能在不产生较大的能量损失的情况下增大输出，而且能够减轻作用于可动基板的摩擦力。

附图说明

图1为表示静电马达100的概略构成的截面图。

图2为可动基板101的立体图。

图3为表示可动基板101的下表面、固定基板103的上表面以及驱动电路127的图。

图4为表示静电马达100的主要部分的截面以及驱动电路127的图。

图5为表示接地电极105的形状的例子的俯视图。

图6为与轴107连结的齿轮117的立体图。

图7为表示另一静电马达100A的概略构成的截面图。

图8为表示带电层125与对置电极129的距离d1和驱动力Fd的关系的曲线图。

图9为表示静电马达100中的可动基板101与接地电极105的距离d2和驱动力Fd的关系的曲线图。

图10为表示带电层125与对置电极129的距离d1和垂直力Fv的关系的曲线图。

图11为发电装置150的概略构成图。

图12为表示以往的静电式机电换能器200的主要部分的截面图。

具体实施方式

下面，一边参考附图，一边对静电式机电换能器进行详细说明。但请了解，本发明并不限定于附图或以下记载的实施方式。

图1为表示静电马达100的概略构成的截面图。静电马达100具有可动基板101、固定基板103、接地电极105、齿轮117、带电层125、驱动电路127(参考图3及图4)及对置电极129。静电马达100为静电式机电换能器的一例，根据输入到驱动电路127的电信号，利用在带电层125与对置电极129之间产生的静电力使可动基板101旋转，由此利用电力导出动力。

图2为可动基板101的立体图。图3为表示可动基板101的下表面、固定基板103的上表面以及驱动电路127的图。图4为表示静电马达100的主要部分的截面以及驱动电路127的图。图1展示像图2中符号I所示那样以包含圆盘型可动基板101的直径的铅垂面切割静电马达100时的截面。图4展示像图2中符号IV所示那样沿可动基板101的圆周方向切割静电马达100时的截面。

如图2所示，可动基板101在其中心部分被固定在棒状的轴(转轴)107上，构成为以轴107为中心旋转自如。如图1所示，可动基板101与固定基板103平行地配置，在其与固定基板103之间保持一定距离且能够旋转。轴107的两端被轴承109夹持，轴承109被固定于底板111及顶板113。底板111与顶板113之间有支柱115，两者的间隔通过支柱115而维持固定。

可动基板101的材料可为氧化铝、氧化锆等介电体，也可为铜、铝等金属，此外，也可为硅(Si)等半导体。轴107或轴承109使用绝缘体，或者在将轴承109固定至顶板113及底板111时介隔绝缘性的粘接层，由此，可动基板101得以与其他构件电绝缘。

如图2所示，可动基板101整体上呈圆盘型的形状。可动基板101上设置有从其中心位置观察而呈放射状排列的多个通孔121。这些通孔121为大致梯形的形状，通孔121的外周侧及中心侧的2边沿着可动基板101的外周而形成为弧状。因通孔121的存在，可动基板101的中心部101A与外周部101B通过大致梯形状的多个连结部123加以连结，而且各连结部123具有相互空出间隔而呈放射状配置的形状。此处，中心部101A是可动基板101当中较通孔121而言靠中心侧的圆形区域(轴107的部分除外的圆环区域)，外周部101B是可动基板101当中较通孔121而言靠外周侧的圆环区域。

带电层125为带电部的一例，如图3所示，呈膜状形成于可动基板101的连结部123的下表面(与固定基板103相对的相对面)。即，带电层125由沿可动基板101的圆周方向(旋转方向)空出间隔而且以轴107为中心呈放射状配置的大致梯形状的多个部分区域构成。带电层125例如由含有聚四氟乙烯(PTFE)等氟系树脂的驻极体材料、源于非晶质氟系树脂的驻极体材料构成，保持有负电荷。作为带电层125的驻极体材料，不仅可使用氟系树脂，也可使用SiO₂等无机材料。此处，带电层125是带负电，但带电层125也可由带正电的材料构成。

固定基板103是配置有用以驱动可动基板101的对置电极(驱动电极)129的驱动电极基板，例如由玻璃环氧基板等公知的基板材料构成。如图3所示，固定基板103例如具有圆盘型的形状，以与可动基板101的下表面相对的方式固定在底板111的上表面。

如图3及图4所示，对置电极129分为对置电极129A和对置电极129B这两组，它们分别由大致梯形状的多个电极构成。对置电极129A和对置电极129B在圆周方向上交替地、且呈以轴107为中心的放射状地形成于固定基板103的上表面(与可动基板101相对的相对面)。因而，在静电马达100中，可动基板101上设置的带电层125与固定基板103上设置的对置电极129以相对的方式配置。与带电层125一样，对置电极129A彼此以及对置电极129B彼此在圆周方向上空出间隔地形成，而且是等间隔地配置。优选在以轴107为中心的同一圆周上，带电层125、对置电极129A及对置电极129B的宽度相同或者大致相同，带电层125、对置电极129A及对置电极129B的个数也相同。

驱动电路127为驱动部的一例，具有时钟131以及2个比较器133。如图3及图4所示，时钟131的输出经由电力线路与各比较器133的输入连接，其中一个比较器133的输出经由电力线路与对置电极129A连接，另一个比较器133的输出经由电力线路与对置电极129B连接。驱动电路127以时钟131为振荡源、通过2个比较器133来生成相位互不相同的矩形波，由此对相邻的对置电极129A及对置电极129B分别施加相位不同的矩形波电压。由此，通过与带电层125的相互作用而对各带电层125施加静电引力及斥力，从而产生使可动基板101动作的力。

驱动电路127将像这样极性交替切换的交变电压施加至对置电极129而在带电层125与对置电极129之间连续地产生静电力，由此使可动基板101旋转。施加至带电层125的力分为使可动基板101绕轴107旋转的图1的水平方向的力(以下称为“驱动力”)和沿图1的铅垂方向作用于可动基板101的力(以下称为“垂直力”)。垂直力传递至轴107而产生轴107与轴承109之间的摩擦力。因而，要得到驱动力的损失少、能够实现稳定的动作的静电马达100，较理想为增大驱动力并减小垂直力。

接地电极105是电性接地的电极，在隔着可动基板101与固定基板103相反那一侧配置在可动基板101与顶板113之间。即，接地电极105与可动基板101的和固定基板103相对的相对面的相反侧那一面相对配置。要使接地电极105在静电马达100的外部接地，例如宜像图1所示那样以贯穿支柱115的方式配置接地电极105。

图5的(A)及图5的(B)为表示接地电极105的形状的例子的俯视图。这些图相当于从顶板113侧观察接地电极105的图，为了使可动基板101与接地电极105的位置关系明了，设定接地电极105为透明而将可动基板101与接地电极105重叠来进行展示。如这些图所示，接地电极105可为圆形也可为4边形。例如，除了供轴107穿过的中心部分以外，接地电极105可覆盖被支柱115夹住的底板111与顶板113之间的整个区域。接地电极105的面积优选尽可能大，尤其优选接地电极105覆盖与各带电层125的配置位置对应的可动基板101的多个连结部123的整体。

但接地电极105并非必须覆盖可动基板101的整面。例如，可动基板101的中心部101A和外周部101B也可未被接地电极105覆盖，只要接地电极105覆盖连结部123的大部分，则连结部123的一部分上方也可未被接地电极105覆盖。

图6为与轴107连结的齿轮117的立体图。如图1及图6所示，齿轮117在隔着接地电极105与可动基板101相反那一侧、在接地电极105与顶板113之间固定在轴107上，以轴107为中心进行旋转。此外，齿轮117与静电马达100内的以别的轴107A为中心进行旋转的别的齿轮117A连结。但图1中省略了轴107A和齿轮117A的图示，图6中省略了接地电极105的图示。这些齿轮的材料优选为树脂等绝缘材料(非导电性材料)，使得即便与可动基板101接触也不会发生电性不良情况。齿轮117、117A为齿轮系的一例，与可动基板101一起旋转而将可动基板101的旋转运动传递至外部。在静电马达100中，经由这些齿轮而导出可动基板101的动力。

图7为表示另一静电马达100A的概略构成的截面图。静电马达100A中，顶板成为了接地电极105，这一点与图1的静电马达100不一样，但其他方面具有与静电马达100相同的构成。不限于在顶板113与底板111之间以独立构件的形式配置有接地电极105的图1的构成，也可像图7所示那样将顶板自身作为接地电极105。在静电马达100A中，无须确保在顶板与可动基板101之间设置接地电极105的空间，因此静电马达的厚度相应地变薄。再者，在静电马达100A中，也可在可动基板101与接地电极(顶板)105之间将与静电马达100中相同的齿轮117固定在轴107上、并使该齿轮117连结至别的齿轮117A。

或者，在使固定基板103与可动基板101的配置位置颠倒而在顶板侧配置有固定基板103的情况下，也可使底板111自身接地而作为接地电极105。此外，即便不将顶板113或底板111自身设为接地电极105，也可在顶板113或底板111中的与可动基板101相对的相对面上另行设置接地电极105。在该情况下，例如可在顶板113或底板111的整面配置接地电极105，也可仅在它们的一部分配置接地电极105。

图8为表示带电层125与对置电极129的距离d1(参考图4)和驱动力Fd的关系的曲线图。图8的横轴表示距离d1(单位μm)，纵轴表示驱动力Fd(单位μN)。图8的曲线a表示静电马达100的驱动力，曲线b表示作为比较例的、具有与图12的静电式机电换能器200相同的构成的静电马达(以下称为静电马达200)的驱动力。即，曲线a对应于在隔着可动基板101与固定基板103相反那一侧配置有接地电极105的静电马达，曲线b对应于未配置有该接地电极105的静电马达。

如图8所示，驱动力根据图4所示的带电层125与对置电极129的距离d1而发生变化，距离d1越短，驱动力越大，而静电马达100的驱动力大于静电马达200。在静电马达100中，带电层125的表观的表面电位V为带电层125的电荷量Q除以带电层125与接地电极105之间的电容C而得的值，可动基板101与接地电极105的距离越长，该电容C越小。因此，在静电马达100中，越是加长可动基板101与接地电极105的距离来减小电容C，越能增大带电层125的表观的表面电位V。因而认为，静电马达100通过在与可动基板101的带电层125的相反侧那一面相对的位置配置接地电极105而使得驱动力大于静电马达200。

在仅考虑驱动力的情况下，优选将带电层125与对置电极129的距离d1缩窄到几十μm左右。但在静电马达100中，即便距离d1为300μm左右，驱动力也比静电马达200大，因此，距离d1也可在几十μm至300μm左右的范围内。若增大距离d1，则能够容易地进行静电马达100的组装。

图9为表示静电马达100中的可动基板101与接地电极105的距离d2(参考图4)和驱动力Fd的关系的曲线图。图9的横轴表示距离d2(单位μm)，纵轴表示驱动力Fd(单位μN)。如图9所示，可动基板101与接地电极105的距离d2越长，驱动力越是增加，但是，当距离d2超过400μm时，即便加长距离d2，驱动力也不再会怎么变化。根据图9的曲线图得知，可动基板101与接地电极105的距离d2较佳为400μm以上。增加距离d2相当于静电马达100的厚度增加，由于便携式电气设备等的用途中是减小距离d2较为理想，因此，距离d2的大小是考虑静电马达100的厚度、驱动力来酌情决定。

图10为表示带电层125与对置电极129的距离d1和垂直力Fv的关系的曲线图。图10的横轴表示距离d1(单位μm)，纵轴表示垂直力Fv(单位μN)。图10的曲线c表示静电马达100的垂直力，曲线d表示比较例的静电马达200的垂直力。关于垂直力的符号，以去往对置电极129的方向为负，以离开对置电极129的方向为正。

如图10所示，在静电马达200中，垂直力为负，产生相互拉拽带电层125与对置电极129的引力。不论带电层125与对置电极129的距离d1如何，静电马达200的垂直力的绝对值都是大致固定的的大小(大致1200μN)。相对于此，静电马达100的垂直力取决于距离d1。认为其原因在于，在静电马达100中，引力作用于可动基板101与接地电极105之间，因此该引力与作用于带电层125与对置电极129之间的引力相抵消。在距离d1为30μm～150μm的范围内，作用于静电马达100的垂直力的绝对值为800～1000μN，比作用于静电马达200的垂直力的绝对值小，比较良好。此外，在静电马达100中，在距离d1为120μm附近，垂直力变为零。

根据图8～图10所示的曲线图的结果，要使驱动力比静电马达200大，优选带电层125与对置电极129的距离d1为30μm以上且300μm以下、可动基板101与接地电极105的距离d2为400μm以上。此外，要相较于静电马达200而言降低垂直力，优选距离d1为30μm以上且150μm以下。在考虑驱动力及垂直力两方的情况下，优选距离d1为30μm以上且150μm以下。

如以上所说明，在静电马达100中，在与可动基板101的未设置有带电层125那一面相对的位置配置接地电极105。由此，静电马达100的驱动力增大，耐负荷变动、干扰，而且轴107与轴承109之间的摩擦力得以减轻，驱动力的损失减少。

图11为发电装置150的概略构成图。发电装置150具有蓄电电路151代替图3的驱动电路127，这一点与静电马达100不一样，但其他方面具有与静电马达100相同的构成。与图3一样，图11展示了可动基板101的下表面、固定基板103的上表面以及蓄电电路151。关于发电装置150的整体的截面图，除了符号100变为符号150这一点以外，与图1相同。发电装置150为静电式机电换能器的一例，使用外部环境的动能使可动基板101旋转，在带电层125与对置电极129之间通过静电感应来产生静电，由此，利用动力导出电力。

在发电装置150中，与图6所示的静电马达100的情况一样，也在隔着接地电极105与可动基板101相反那一侧、在轴107上固定有齿轮117，齿轮117也与以别的轴107A为中心进行旋转的别的齿轮117A连结在一起。在发电装置150中，例如具有重量平衡的偏置的未图示的摆轮锤安装在轴107A上，该摆轮锤通过外部的动力源而绕轴107A旋转。由此，摆轮锤的旋转运动经由齿轮117A而传递至齿轮117，因此能使轴107及可动基板101旋转。在发电装置150中，源于外部的动力源的动力经由齿轮117、117A而传递至可动基板101。

当可动基板101旋转时，可动基板101的带电层125与对置电极129A、129B之间的重叠面积发生增减，伴随于此，因带电层125所形成的电场而被对置电极129A、129B吸引的电荷也发生增减。发电装置150以如此方式在对置电极129A与对置电极129B之间产生交流电流，由此进行利用静电感应的发电。

蓄电电路151具有整流电路153及二次电池155。蓄电电路151为蓄电部的一例，积蓄响应于可动基板101的旋转而通过带电层125与对置电极129A、129B之间的静电感应产生的电力。发电装置150的对置电极129A、129B分别经由电力线路与整流电路153连接，整流电路153与二次电池155连接。整流电路153为具有4个二极管的桥式电路，将对置电极129A与对置电极129B之间生成的电流加以整流。二次电池155为锂二次电池等能够充放电的电池，积蓄由发电装置150发出的电力，并对未图示的驱动对象电路供给该电力。

在发电装置150中，也在与可动基板101的未设置有带电层125那一面相对的位置配置接地电极105，由此，带电层125的表观的表面电位V升高，因此发电量相应地增多。此外，在发电装置150中，与静电马达100一样，也有轴107与轴承109之间的摩擦力得以减轻的效果。

上文对旋转型静电马达和发电装置进行了记载，但显然，在隔着可动基板与固定基板相对的位置设置接地电极较为重要、而且可动基板沿直线方向往复运动的静电马达和发电装置也会获得同样的效果。

Claims (8)

1.一种静电式机电换能器，其利用带电部与对置电极之间的静电相互作用来进行电力与动力之间的转换，该静电式机电换能器的特征在于，具有：

固定基板；

可动基板，所述可动基板与所述固定基板之间保持一定距离且能够移动；

多个带电部，所述多个带电部在所述可动基板的与所述固定基板相对的相对面上沿所述可动基板的移动方向空出间隔地配置；

多个对置电极，所述多个对置电极在所述固定基板的与所述可动基板相对的相对面上沿所述移动方向配置；以及

接地电极，所述接地电极与所述可动基板的所述相对面的相反侧那一面相对配置，

所述多个带电部由半永久性地保持电荷的驻极体材料构成，

所述可动基板能够绕穿过所述可动基板的中心并且两端被轴承夹持的转轴旋转，并且在其与所述接地电极之间空出间隔地固定在所述转轴上，

在所述可动基板的旋转中，所述可动基板在所述转轴的方向不移动，所述多个带电部与所述接地电极不电连接。

2.根据权利要求1所述的静电式机电换能器，其特征在于，

所述接地电极覆盖与所述多个带电部的配置位置对应的所述可动基板的所述相反侧那一面上的整个区域。

3.根据权利要求1或2所述的静电式机电换能器，其特征在于，

所述可动基板与所述固定基板的距离为30μm以上且150μm以下。

4.根据权利要求1或2所述的静电式机电换能器，其特征在于，

所述可动基板和所述固定基板配置在顶板与底板之间，

所述接地电极形成于所述顶板或所述底板的与所述可动基板相对的相对面。

5.根据权利要求1或2所述的静电式机电换能器，其特征在于，

所述可动基板和所述固定基板配置在顶板与底板之间，

将所述顶板或所述底板作为所述接地电极。

6.根据权利要求1或2所述的静电式机电换能器，其特征在于，

所述多个带电部和所述多个对置电极分别以所述转轴为中心呈放射状配置。

7.根据权利要求6所述的静电式机电换能器，其特征在于，还具有：

驱动部，所述驱动部将极性交替切换的电压施加至所述多个对置电极，通过在所述多个带电部与所述多个对置电极之间产生的静电力使所述可动基板旋转；以及

非导电性的齿轮系，所述非导电性的齿轮系在隔着所述接地电极与所述可动基板相反那一侧与所述转轴连结，与所述可动基板一起旋转而将所述可动基板的旋转运动传递至外部。

8.根据权利要求6所述的静电式机电换能器，其特征在于，还具有：

非导电性的齿轮系，所述非导电性的齿轮系在隔着所述接地电极与所述可动基板相反那一侧与所述转轴连结，由外部的动力源加以驱动而使所述转轴及所述可动基板旋转；以及

蓄电部，所述蓄电部积蓄响应于所述可动基板的旋转而通过所述多个带电部与所述多个对置电极之间的静电感应产生的电力。