JP2009089476A - 静電動作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電量や駆動力が小さくなるのを抑制することが可能な静電動作装置を提供する。
【解決手段】この静電動作装置（静電誘導型発電装置１）は、集電電極２２および２３と、集電電極２２および２３に対向するように設けられるエレクトレット膜１２およびエレクトレット膜１２の表面上に形成される第２導電体層１３のうちの少なくともエレクトレット膜１２とを備え、集電電極２２および２３とエレクトレット膜１２とが装置の振動方向と直交する方向に対して非対称な形状であるか、または、第２導電体層１３が形成されている場合は、集電電極２２および２３と第２導電体層１３とが装置の振動方向と直交する方向に対して非対称な形状である。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電動作装置に関し、特に、エレクトレット膜を備えた静電動作装置に関する。

従来、エレクトレット膜を備えた静電動作装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載の静電動作装置は、短冊状（矩形状）の電極と、電極に対向するように設けられる短冊状（矩形状）のエレクトレットとを備えている。この静電動作装置では、電極とエレクトレットとの相対的な位置が変化することにより、電極に誘導される電荷が変化し、その変化分が電流として出力される。

特開２００６−１８０４５０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の静電動作装置では、静電動作装置を静電誘導型発電装置に用いたとき、矩形状の電極と矩形状のエレクトレットとの長辺（または短辺）方向がずれた状態で、電極とエレクトレットとが設置された場合、電極とエレクトレットとの対向する部分の面積が小さくなるので、発電量が小さくなるという問題点がある。また、静電動作装置を静電アクチュエータに用いたときには、静電アクチュエータの駆動力が小さくなるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、発電量や駆動力が小さくなるのを抑制することが可能な静電動作装置を提供することである。

この発明の一の局面による静電動作装置は、第１電極と、第１電極に対向するように設けられるエレクトレット膜およびエレクトレット膜の表面上に形成される第２電極のうちの少なくともエレクトレット膜とを備え、第１電極とエレクトレット膜とが装置の振動方向と直交する方向に対して非対称な形状であるか、または、第２電極が形成されている場合は、第１電極と第２電極とが装置の振動方向と直交する方向に対して非対称な形状である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による静電誘導型発電装置の断面図である。図２は、図１の１００−１００線に沿った断面図である。図３は、図１の２００−２００線に沿った断面図である。図４は、円弧状の電極の形状を説明するための図である。図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態による静電誘導型発電装置１の構造について説明する。なお、本実施形態では、静電動作装置の一例である静電誘導型発電装置１に本発明を適用した場合について説明する。

この第１実施形態による静電誘導型発電装置１は、図１に示すように、第１電極部１０と第２電極部２０とが対向するように配置されている。以下詳細に説明する。

図１に示すように、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するＡｌからなる第１導電体層１１の表面上に、約０．１μｍ〜約１００μｍの厚みを有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるフッ素系樹脂やシリコン酸化膜からなるエレクトレット膜１２が形成されている。また、エレクトレット膜１２は、コロナ放電により全面に負電荷が注入されることによって電荷が全体的に分布されて約−２０Ｖ〜約−２０００Ｖの電位に調整されている。また、エレクトレット膜１２の上面上には、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有する第２導電体層１３が形成されている。なお、第２導電体層１３は、本発明の「第２電極」の一例である。ここで、第１実施形態では、第２導電体層１３は、図２に示すように、円弧状に形成された部分を櫛歯状に接続した形状を有している。また、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分は、図４に示すように、同一の半径を有する２つの円をずらした状態で重ね合わせ、一方の円からはみ出した他方の円の一部を切り取った形状を有する。これにより、第１実施形態では、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の外径と内径とは、同一の半径を有するように構成される。また、第１実施形態では、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分は、それぞれ、円弧状の凸方向がＸ１方向に向くように配置されている。また、第１実施形態では、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分のそれぞれは、同一の形状を有しており、円弧状に形成された部分の外径と内径とは、それぞれ等しい。また、第１実施形態では、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の間隔Ｗ１は、少なくとも、円弧状に形成された部分の幅Ｗ２よりも大きくなるように構成されている。また、第１実施形態では、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の幅Ｗ２は、端部に向かって徐々に小さくなるように構成される。また、第１実施形態では、複数の第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の幅Ｗ２は、それぞれ等しい。また、第２導電体層１３は、接地されている。この第２導電体層１３は、エレクトレット膜１２に蓄積される電荷による電界のガード電極としての機能を有する。つまり、エレクトレット膜１２の第２導電体層１３が形成されない領域の表面上の電界は強く、エレクトレット膜１２の第２導電体層１３が形成される領域の表面上の電界は弱くなる。これにより、エレクトレット膜１２の表面上の電界の強弱が形成される。

また、図１に示すように、約３００μｍ〜約１０００μｍの厚みを有する石英からなる基板２１の下面上には、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するＡｌからなる集電電極２２および２３が形成されている。なお、集電電極２２および２３は、本発明の「第１電極」の一例である。また、第１実施形態では、集電電極２２および２３は、図３に示すように、それぞれ、第２導電体層１３と同様に、円弧状に形成された部分を櫛歯状に接続した形状を有している。また、集電電極２２および２３は、集電電極２２の櫛歯の歯と歯の間に、集電電極２３の櫛歯の歯が配置されるように構成されている。集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分は、図４に示すように、同一の半径を有する２つの円をずらした状態で重ね合わせ、一方の円からはみ出した他方の円の一部を切り取った形状を有する。これにより、第１実施形態では、円弧状に形成された部分の外径と内径とは、同一の半径を有するように構成される。また、第１実施形態では、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分は、それぞれ、円弧状の凸方向がＸ１方向に向くように配置されている。また、第１実施形態では、それぞれの円弧状に形成された部分は、同一の形状を有しており、円弧状に形成された部分の外径と内径とは、それぞれ等しい。また、第１実施形態では、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分の間隔Ｗ３は、円弧状に形成された部分の幅Ｗ４よりも大きくなるように構成されている。また、第１実施形態では、複数の集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分の間隔Ｗ３は、それぞれ等しい。

また、第１実施形態では、第２導電体層１３（第１電極部１０）と、集電電極２２および２３（第２電極部２０）との位置決めは、図２および図３に示す、第２導電体層１３と集電電極２２および２３との円弧状の部分の凸方向と反対側の点Ａにおいて行うように構成されている。この点Ａで位置決めを行った後、この点を通る第１電極部１０および第２電極部２０の長辺方向の線上の所定の点において、位置決めが行われる。

次に、図１を用いて、本発明の第１実施形態による静電誘導型発電装置１の発電動作について説明する。

図１に示すように、静電誘導型発電装置１に振動が加わらない状態では、エレクトレット膜１２の第２導電体層１３が形成されない表面と集電電極２３とが所定の間隔を隔てて対向するように配置されている。ここで、エレクトレット膜１２の表面は、負の電位（約−２０Ｖ〜約−２０００Ｖ）に調整されているので、集電電極２３は、静電誘導によって正電荷が誘導される。一方、第２導電体層１３と集電電極２２とが所定の間隔を隔てて対向するように配置されている。

次に、静電誘導型発電装置１に水平方向（Ｘ方向）の振動が加わり、第１電極部１０と第２電極部２０との位置が相対的に変化することにより、集電電極２３は、第２導電体層１３と対向する位置に移動する。これにより、集電電極２３に対向する電位が、エレクトレット膜１２の電位（約−２０Ｖ〜約−２０００Ｖ）から第２導電体層１３の電位（接地）に変化するので、集電電極２３に静電誘導によって誘導される電荷の量が減少する。一方、集電電極２２は、エレクトレット膜１２の第２導電体層１３が形成されない表面と対向する位置に移動する。これにより、集電電極２２に対向する電位が、第２導電体層１３の電位（接地）からエレクトレット膜１２の電位（約−２０Ｖ〜約−２０００Ｖ）に変化するので、集電電極２２に静電誘導によって正電荷が誘導される。この電荷の変化分を、集電電極２２および２３に接続される回路により取り出すことによって、発電が継続して行われる。

第１実施形態では、上記のように、集電電極２２および２３と、第２導電体層１３とは、円弧状に形成される部分（静電誘導型発電装置１の振動方向Ｘと直交する方向、または、直交する方向から微少量ずれた方向に対して非対称な形状の部分）を含むことによって、集電電極２２および２３と、第２導電体層１３との長辺方向がずれた場合でも、集電電極２２および２３と、第２導電体層１３とが、矩形状に形成されている場合に比べて、平面的に見て集電電極２２または２３と、第２導電体層１３とが重なる部分の面積が小さくなるのを抑制することができる。これにより、静電誘導型発電装置１の発電量が小さくなるのを抑制することができる。なお、集電電極２２および２３と、第２導電体層１３とが矩形状に形成されている場合よりも、円弧状に形成されている場合の方が、平面的に見て集電電極２２または２３と、第２導電体層１３とが重なる部分の面積が小さくなるのを抑制することができる点は、後述する本願発明者によるシミュレーションにより確認済みである。

また、第１実施形態では、上記のように、第２導電体層１３と、集電電極２２および２３との位置決めは、円弧状の凸方向と反対側の点Ａにおいて行うように構成することによって、円弧状の凸方向側の点によって位置決めを行う場合に比べて、発電量が小さくなるのを抑制することができる。なお、この点は、後述する本願発明者によるシミュレーションにより確認済みである。

また、第１実施形態では、上記のように、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分とは、それぞれ、複数設けられ、複数の集電電極２２および２３の円弧状の部分のそれぞれの外径と内径とは等しく、複数の第２導電体層１３の円弧状の部分のそれぞれの外径と内径とは等しい。これにより、静電誘導型発電装置１の振動の振幅が、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分とのピッチ以上に大きくなった場合でも、円弧状に形成される部分の大きさが同じなので、どの位置においても、円弧状に形成された部分の全体を利用して発電を行うことができる。なお、ピッチとは、円弧状に形成された部分の中央部分の幅と、円弧状に形成された部分の間隔とを加算した長さを意味する。

また、第１実施形態では、上記のように、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分との外径および内径は、それぞれ、同一の半径を有するように構成することによって、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分の幅と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の幅とは、端部に向かって小さくなる。これにより、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分の間隔Ｗ３と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の間隔Ｗ１とを詰めても、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分の端部と第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の端部とが平面的に見て重なるのを抑制することができる。その結果、一定面積内において集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分との数を多くすることができるので、発電量を大きくすることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分とを、円弧状の凸方向が静電誘導型発電装置１の振動方向Ｘ１に向くように配置することによって、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分とを詰めて配置することができるので、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分との数を多くすることができる。これにより、発電量を大きくすることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、複数の集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分の間隔Ｗ３と、複数の第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の間隔Ｗ１とは、それぞれ、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分の幅Ｗ４と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の幅Ｗ２とよりも大きくなるように構成することによって、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分とが平面的に見て重ならないように配置することができる。これにより、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分とが常に部分的に重なる場合と比べて、発電量を大きくすることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、複数の集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分の幅Ｗ４はそれぞれ等しく、複数の第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の幅Ｗ２は、それぞれ等しくなるように構成することによって、静電誘導型発電装置１の振動の振幅が、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分とのピッチ以上の場合でも、どの位置においても、円弧状に形成された部分のＸ１方向の幅の全体を利用して発電を行うことができる。

また、第１実施形態では、上記のように、集電電極２２および２３の円弧状に形成されたの部分の幅Ｗ４と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の幅Ｗ２とは、それぞれ、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分との中央部分から端部に向かって徐々に細くなるように形成することによって、容易に、集電電極２２および２３の円弧状に形成された部分の間隔と、第２導電体層１３の円弧状に形成された部分の間隔とを小さくすることができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態による静電誘導型発電装置の断面図である。図６は、図５の３００−３００線に沿った断面図である。図４、図５および図６を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、エレクトレット膜１２ａが、円弧状に形成されている静電誘導型発電装置１ａについて説明する。

この第２実施形態による静電誘導型発電装置１ａは、図５に示すように、約５０μｍ〜約１０００μｍの厚みを有する非導電性の基板１１ａの表面上に、導電性の第３導電体層１４が形成されている。また、第３導電体層１４の表面上には、約０．１μｍ〜約１００μｍの厚みを有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるフッ素系樹脂やシリコン酸化膜からなる複数のエレクトレット膜１２ａが形成されている。ここで、第２実施形態では、エレクトレット膜１２ａは、図６に示すように、円弧状に形成されている。なお、第３導電体層１４も、エレクトレット膜１２ａと同様の形状を有する。また、エレクトレット膜１２ａは、図４に示すように、同一の半径を有する２つの円をずらした状態で重ね合わせ、一方の円からはみ出した他方の円の一部を切り取った形状を有する。これにより、第２実施形態では、エレクトレット膜１２ａの円弧状に形成された部分の外径と内径とは、同一の半径を有するように構成される。また、第２実施形態では、エレクトレット膜１２ａは、それぞれ、円弧状の凸方向がＸ１方向に向くように配置されている。また、複数のエレクトレット膜１２ａは、同一の形状を有しており、外径と内径とは、それぞれ等しい。また、第２実施形態では、エレクトレット膜１２ａの間隔Ｗ５は、少なくとも、エレクトレット膜１２ａの幅Ｗ６よりも大きくなるように構成されている。また、第２実施形態では、エレクトレット膜１２ａの円弧状に形成された部分の幅Ｗ６は、端部に向かって徐々に小さくなるように構成される。また、第２実施形態では、複数のエレクトレット膜１２ａの円弧状に形成された部分の幅Ｗ６は、それぞれ等しい。

なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

また、第２実施形態の効果は、上記第１実施形態の効果において、第２導電体層１３（図２参照）の円弧状に形成された部分を、エレクトレット膜１２ａに置き換えた場合と同様である。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態による静電誘導型発電装置の第２導電体層の平面図である。図８は、本発明の第３実施形態による静電誘導型発電装置の集電電極の平面図である。図９は、円弧からなる電極の形状を説明するための図である。図１および図７〜図９を参照して、この第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と異なり、第２導電体層１３ａの円弧状の部分と、集電電極２２ａおよび２３ａの円弧状の部分との外径および内径が同心円の一部から形成されている静電誘導型発電装置１ｂについて説明する。

第３実施形態による静電誘導型発電装置１ｂ（図１参照）の第２導電体層１３ａは、図７に示すように、円弧状に形成された部分を櫛歯状に接続した形状を有している。なお、第２導電体層１３ａは、本発明の「第２電極」の一例である。また、第２導電体層１３ａの円弧状に形成された部分は、図９に示すように、互いに半径の異なる２つの同心円を重ね合わせ、一方の円からはみ出した他方の円の一部を切り取った形状を有する。また、第３実施形態では、複数の第２導電体層１３ａの円弧状に形成された部分は、それぞれ、円弧状の凸方向がＸ１方向に向くように配置されている。また、複数の第２導電体層１３ａの円弧状に形成された部分のそれぞれは、同一の形状を有しており、円弧状に形成された部分の外径と内径とは、それぞれ等しい。また、第３実施形態では、第２導電体層１３ａの円弧状に形成された部分の間隔Ｗ７は、少なくとも、円弧状に形成された部分の幅Ｗ８よりも大きくなるように構成されている。また、第２導電体層１３ａは、接地されている。

また、第３実施形態による集電電極２２ａおよび２３ａは、図８に示すように、それぞれ、第２導電体層１３ａと同様に、円弧状に形成された部分を櫛歯状に接続した形状を有している。なお、集電電極２２ａおよび２３ａは、本発明の「第１電極」の一例である。また、集電電極２２ａおよび２３ａは、集電電極２２ａの櫛歯の歯と歯の間に、集電電極２３ａの櫛歯の歯が配置されるように構成されている。また、集電電極２２ａおよび２３ａの円弧状に形成された部分は、図９に示すように、互いに半径の異なる２つの同心円を重ね合わせ、一方の円からはみ出した他方の円の一部を切り取った形状を有する。また、第３実施形態では、複数の集電電極２２ａおよび２３ａの円弧状に形成された部分は、それぞれ、円弧状の凸方向がＸ１方向に向くように配置されている。また、複数の集電電極２２ａおよび２３ａの円弧状に形成された部分のそれぞれは、同一の形状を有しており、円弧状に形成された部分の外径と内径とは、それぞれ等しい。また、第３実施形態では、集電電極２２ａおよび２３ａの円弧状に形成された部分の間隔Ｗ９は、少なくとも、円弧状に形成された部分の幅Ｗ１０よりも大きくなるように構成されている。また、第３実施形態では、複数の集電電極２２ａおよび２３ａの円弧状に形成された部分の間隔Ｗ９は、それぞれ等しい。

なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

また、第３実施形態の効果は、上記第１実施形態の効果において、第１実施形態の集電電極２２および２３（図３参照）の幅と、第２導電体層１３（図２参照）の幅とが端部に向かって小さくなっていることによる効果以外の効果と同様である。

（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態によるエレクトレット膜の平面図である。図５、図９および図１０を参照して、この第４実施形態では、上記第３実施形態と異なり、エレクトレット膜１２ｂが、円弧状に形成されている静電誘導型発電装置１ｃについて説明する。

この第４実施形態による静電誘導型発電装置１ｃは、図５に示すように、約５０μｍ〜約１０００μｍの厚みを有する非導電性の基板１１ａの表面上に、導電性の第３導電体層１４ａが形成されている。また、第３導電体層１４ａの表面上には、約０．１μｍ〜約１００μｍの厚みを有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるフッ素系樹脂やシリコン酸化膜からなる複数のエレクトレット膜１２ｂが形成されている。ここで、第４実施形態では、エレクトレット膜１２ｂは、図１０に示すように、円弧状に形成されている。また、エレクトレット膜１２ｂは、図９に示すように、互いに半径の異なる２つの同心円を重ね合わせ、一方の円からはみ出した他方の円の一部を切り取った形状を有する。また、第４実施形態では、エレクトレット膜１２ｂの円弧状に形成された部分は、それぞれ、円弧状の凸方向がＸ１方向に向くように配置されている。また、第４実施形態では、エレクトレット膜１２ｂの円弧状に形成された部分のそれぞれは、同一の形状を有しており、円弧状に形成された部分の外径と内径とは、それぞれ等しい。また、第４実施形態では、エレクトレット膜１２ｂの円弧状に形成された部分の間隔Ｗ１１は、円弧状に形成された部分の幅Ｗ１２よりも大きくなるように構成されている。また、第４実施形態では、複数の円弧状に形成された部分の幅Ｗ１２は、それぞれ等しい。

なお、第４実施形態のその他の構成は、上記第３実施形態と同様である。

また、第４実施形態の効果は、上記第３実施形態の効果において、第２導電体層１３ａ（図７参照）の円弧状に形成された部分を、エレクトレット膜１２ｂに置き換えた場合と同様である。

（シミュレーション１）
図１１〜図１３は、導電体層と集電電極との重なり面積の変化量を示す図である。図１４は、導電体層と集電電極との回転軸を示す図である。図１５は、回転角と第２導電体層および集電電極の重なり面積の変化量との関係を示す図である。図１６は、回転角と、回転軸の位置と、導電体層および集電電極の重なり面積の変化量との関係を示す図である。図１１〜図１６を参照して、導電体層と集電電極との重なり面積の変化量について行ったシミュレーション１について説明する。なお、重なり面積の変化量とは、図１１〜図１３において、基板３１（３１ａ、３１ｂ）および基板３３（３３ａ、３３ｂ）の一方をＸ１方向に±１６０μｍ動かして、導電体層３２（３２ａ、３２ｂ）と集電電極３４（３４ａ、３４ｂ）とを平面的に見たときの重なり面積の最大値と最小値との差を意味する。

図１１に示すように、２ｃｍの横幅Ｗ１３と２．６ｃｍの縦幅Ｗ１４を有する基板３１上に形成される矩形状の導電体層（またはエレクトレット膜）３２と、基板３１と同一の大きさを有する基板３３上に形成される矩形状の集電電極３４とが対向するように配置されている。なお、導電体層（またはエレクトレット膜）３２および集電電極３４は複数設けられ、それぞれの間隔Ｗ１５は１６０μｍである。なお、導電体層（またはエレクトレット膜）３２および集電電極３４の幅Ｗ１６は、１００μｍである。また、基板３３は、基板３１に対して、所定の角度分回転した状態で基板３１と対向している。なお、図１１に示す斜線の部分は、導電体層（またはエレクトレット膜）３２と集電電極３４とが平面的に見て重なっている部分を示す。このシミュレーション１において、基板３３の回転軸は、図１４に示すように、基板３３の上部である回転軸上と、基板の中央である回転軸中と、基板の下部である回転軸下との３つの回転軸を考える。

また、図１２に示すように、基板３１ａ上に形成され、外径と内径とが２ｃｍの同一の半径を有する円弧状の導電体層（またはエレクトレット膜）３２ａと、基板３３ａ上に形成され、外径と内径とが２ｃｍの同一の半径を有する円弧状の集電電極３４ａとが対向するように配置されている。なお、基板３１ａおよび３３ａの大きさは、図１１に示す基板３１および３３と同じである。また、図１２に示す構成は、上記第１および第２実施形態に対応している。また、導電体層（またはエレクトレット膜）３２ａおよび集電電極３４ａは複数設けられ、それぞれの間隔Ｗ１７は、中央部において１６０μｍである。なお、導電体層（またはエレクトレット膜）３２ａおよび集電電極３４ａの幅Ｗ１８は、中央部において１００μｍである。また、基板３３ａは、基板３１ａに対して、所定の角度分回転した状態で基板３１ａと対向している。なお、図１２に示す斜線の部分は、導電体層（またはエレクトレット膜）３２ａと集電電極３４ａとが平面的に見て重なっている部分を示す。

また、図１３に示すように、基板３１ｂ上に形成される外径と内径とが同心円の一部からなる円弧状の導電体層（またはエレクトレット膜）３２ｂと、基板３３ｂ上に形成される同心円の一部からなる円弧状の集電電極３４ｂとが対向するように配置されている。なお、基板３１ｂおよび３３ｂの大きさは、図１１に示す基板３１および３３と同じである。また、図１３に示す構成は、上記第３および第４実施形態に対応している。また、導電体層（またはエレクトレット膜）３２ｂおよび集電電極３４ｂは複数設けられ、それぞれの間隔Ｗ１９は中央部において１６０μｍである。なお、導電体層（またはエレクトレット膜）３２ｂおよび集電電極３４ｂの幅Ｗ２０は、中央部において１００μｍである。また、基板３３ｂは、基板３１ｂに対して、所定の角度分回転した状態で基板３１ｂと対向している。なお、図１３に示す斜線の部分は、導電体層（またはエレクトレット膜）３２ｂと集電電極３４ｂとが平面的に見て重なっている部分を示す。

図１１〜図１３に示す基板３３（３３ａ、３３ｂ）の回転軸が回転軸下の場合、導電体層（エレクトレット膜）３２（３２ａ、３２ｂ）と集電電極３４（３４ａ、３４ｂ）との重なり面積の変化量は、図１５に示すように、基板３３（３３ａ、３３ｂ）の回転角の増加とともに減少していることが判明した。また、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合（図１１参照）よりも、円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａ（３２ｂ）と円弧状の集電電極３４ａ（３４ｂ）との場合（図１２および図１３参照）の方が重なり面積の変化量が大きいことが判明した。つまり、発電量は、重なり面積の変化量に比例するので、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合よりも、円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａ（３２ｂ）と円弧状の集電電極３４ａ（３４ｂ）との場合の方が発電量が大きいことが確認された。なお、外径と内径とが同一の半径からなる円弧（図１２参照）と、外径と内径とが同心円の一部からなる円弧（図１３参照）とでは、重なり面積の変化量は、ほぼ同様であった。

次に、回転角と、回転軸の位置と、重なり面積の変化量との関係について説明する。なお、回転角については、０（ｄｅｇ）、０．２（ｄｅｇ）、０．５（ｄｅｇ）および１（ｄｅｇ）の４通りについてシミュレーションを行った。図１６に示すように、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合では、回転軸が、上（軸の位置１３０００μｍ）、中（軸の位置０μｍ）および下（軸の位置−１３０００μｍ）において、重なり面積の変化量は、ほぼ同じであることが判明した。一方、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａと、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の集電電極３４ａとの場合では、回転軸が、上、中および下において、重なり面積の変化量は、回転軸が下の場合が一番大きく、回転軸が上の場合が一番小さくなることが判明した。また、回転軸が下の場合では、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合よりも、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａと、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の集電電極３４ａとの場合の方が、重なり面積の変化量が大きくなることが判明した。なお、回転軸が上および中の場合では、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａと外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の集電電極３４ａとの場合よりも、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合の方が、重なり面積の変化量が大きくなるか、ほぼ等しいことが判明した。これにより、回転軸が下の場合では、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合よりも、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａと、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の集電電極３４ａとの場合の方が、発電量が大きくなることが判明した。

（シミュレーション２）
次に、図１１〜図１３に示す複数の導電体層（エレクトレット膜）３２（３２ａ、３２ｂ）と複数の集電電極３４（３４ａ、３４ｂ）とのそれぞれの間隔Ｗ１５（Ｗ１７、Ｗ１９）は、中央部において１００μｍの場合のシミュレーション２について説明する。なお、基板３１（３１ａ、３１ｂ）および基板３３（３３ａ、３３ｂ）の横幅Ｗ１３と、縦幅Ｗ１４（図１１参照）とは、それぞれ、２ｃｍと２ｃｍとである。

図１１〜図１３に示す基板３３（３３ａ、３３ｂ）の回転軸が下の場合、導電体層（エレクトレット膜）３２（３２ａ、３２ｂ）と集電電極３４（３４ａ、３４ｂ）との重なり面積の変化量は、図１７に示すように、シミュレーション１の場合（図１５参照）と同様に、基板３３（３３ａ、３３ｂ）の回転角の増加とともに減少していることが判明した。また、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合（図１１参照）よりも、円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａ（３２ｂ）と円弧状の集電電極３４ａ（３４ｂ）との場合（図１２および図１３参照）の方が重なり面積の変化量が大きいことが判明した。これにより、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合よりも、円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａ（３２ｂ）と円弧状の集電電極３４ａ（３４ｂ）との場合の方が発電量が大きいことが確認された。なお、外径と内径とが同一の半径からなる円弧（図１２参照）の場合と、外径と内径とが同心円の一部からなる円弧（図１３参照）の場合とでは、重なり面積の変化量は、ほぼ同様であった。

次に、回転角と、回転軸の位置と、重なり面積の変化量との関係について説明する。なお、回転角については、０（ｄｅｇ）、０．２（ｄｅｇ）、０．５（ｄｅｇ）および１（ｄｅｇ）の４通りについてシミュレーションを行った。図１８に示すように、シミュレーション１の場合（図１６参照）と同様に、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合では、回転軸が、上（軸の位置１００００μｍ）、中（軸の位置０μｍ）および下（軸の位置−１００００μｍ）において、重なり面積の変化量は、ほぼ同じであることが判明した。一方、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａと、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の集電電極３４ａとの場合では、回転軸が、上、中および下において、重なり面積の変化量は、回転軸が下の場合が一番大きく、回転軸が上の場合が一番小さくなることが判明した。また、回転軸が下の場合では、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合よりも、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａと、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の集電電極３４ａとの場合の方が、重なり面積の変化量が大きくなることが判明した。なお、回転軸が上および中の場合では、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａと外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の集電電極３４ａとの場合よりも、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合の方が、重なり面積の変化量が大きくなるか、ほぼ等しいことが判明した。これにより、回転軸が下の場合では、矩形状の導電体層（エレクトレット膜）３２と矩形状の集電電極３４との場合よりも、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の導電体層（エレクトレット膜）３２ａと、外径と内径とが同一の半径からなる円弧状の集電電極３４ａとの場合の方が、発電量が大きくなることが判明した。

次に、シミュレーション２の結果において、外径と内径とが同一の半径からなる円弧（図１２参照）の場合と、外径と内径とが同心円の一部からなる円弧（図１３参照）の場合との重なり面積の変化量の比較を、以下の表１に示す。

上記表１には、外径と内径とが同一の半径からなる円弧（図１２参照）の場合の重なり面積の変化量から、外径と内径とが同心円の一部からなる円弧（図１３参照）の場合の重なり面積の変化量を引いた値が示されている。表１から、回転軸が中の場合の回転角が０．２（ｄｅｇ）および０．５（ｄｅｇ）と、回転軸が上の場合の回転角が０．２（ｄｅｇ）との場合以外は、外径と内径とが同一の半径からなる円弧の場合の方が重なり面積の変化量が大きいことが判明した。特に、回転軸が下の場合では、外径と内径とが同一の半径からなる円弧の場合の方が常に重なり面積の変化量が大きいことが確認された。また、外径と内径とが同一の半径からなる円弧の場合、導電体層（またはエレクトレット膜）３２ａの幅Ｗ１８と集電電極３４ａの幅Ｗ１８とが中央部から端部に向かって小さくなっているので、外径と内径とが同心円の一部からなる円弧の場合に比べて、導電体層（またはエレクトレット膜）３２ａの間隔と集電電極３４ａの間隔とを小さくすることが可能となる。これにより、発電量を大きくすることが可能となる。

（第５実施形態）
図１９は、本発明の第５実施形態による静電誘導型発電装置の第２導電体層の平面図である。図２０は、本発明の第５実施形態による静電誘導型発電装置の集電電極の平面図である。図２１は、多角形からなる電極の形状を説明するための図である。図１９〜図２１を参照して、この第５実施形態では、上記第１〜第４実施形態と異なり、第２導電体層１３ｂと集電電極２２ｂおよび２３ｂとが多角形からなる円弧状に形成されている静電誘導型発電装置１ｄについて説明する。

第５実施形態による静電誘導型発電装置１ｄ（図１参照）の第２導電体層１３ｂは、図１９に示すように、多角形からなる円弧状に形成された部分を櫛歯状に接続した形状を有している。なお、第２導電体層１３ｂは、本発明の「第２電極」の一例である。また、多角形からなる円弧状に形成された部分は、円弧状に近い形状であればよい。また、第２導電体層１３ｂの多角形からなる円弧状に形成された部分は、図２１に示すように、八角形の上端部を切り取った形状を有する。ここで、第５実施形態では、第２導電体層１３ｂの多角形からなる円弧状に形成された部分は、それぞれ、多角形からなる円弧状の凸方向がＸ１方向に向くように配置されている。また、第２導電体層１３ｂの多角形からなる円弧状に形成された部分のそれぞれは、同一の形状を有している。また、第５実施形態では、第２導電体層１３ｂの多角形からなる円弧状に形成された部分の間隔Ｗ２１は、少なくとも、多角形からなる円弧状に形成された部分の幅Ｗ２２よりも大きくなるように構成されている。また、第５実施形態では、複数の多角形からなる円弧状に形成された部分の幅Ｗ２２は、それぞれ等しい。また、第２導電体層１３ｂは、接地されている。

また、第５実施形態による集電電極２２ｂおよび２３ｂは、図２０に示すように、それぞれ、第２導電体層１３ｂと同様に、多角形からなる円弧状に形成された部分を櫛歯状に接続した形状を有している。なお、集電電極２２ｂおよび２３ｂは、本発明の「第１電極」の一例である。また、集電電極２２ｂおよび２３ｂは、集電電極２２ｂの櫛歯の歯と歯の間に、集電電極２３ｂの櫛歯の歯が配置されるように構成されている。また、集電電極２２ｂおよび２３ｂの多角形からなる円弧状に形成された部分は、図２１に示すように、八角形の上端部を切り取った形状を有する。ここで、第５実施形態では、集電電極２２ｂおよび２３ｂの多角形からなる円弧状に形成された部分は、それぞれ、多角形からなる円弧状の凸方向がＸ１方向に向くように配置されている。また、集電電極２２ｂおよび２３ｂの多角形からなる円弧状に形成された部分のそれぞれは、同一の形状を有している。また、第５実施形態では、集電電極２２ｂおよび２３ｂの多角形からなる円弧状に形成された部分の間隔Ｗ２３は、少なくとも、多角形からなる円弧状に形成された部分の幅Ｗ２４よりも大きくなるように構成されている。

なお、第５実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

第５実施形態では、上記のように、第２導電体層１３ｂと、集電電極２２ｂおよび２３ｂとを、多角形からなる円弧状に形成することによって、集電電極２２ｂおよび２３ｂと、第２導電体層１３ｂとの長辺（または短辺）方向がずれた場合でも、集電電極２２ｂおよび２３ｂと、第２導電体層１３ｂとが、矩形状に形成されている場合に比べて、平面的に見て第２導電体層１３ｂと、集電電極２２ｂまたは２３ｂとが重なる部分の面積が小さくなるのを抑制することができる。これにより、静電誘導型発電装置１ｄの発電量が小さくなるのを抑制することができる。

なお、第５実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

（第６実施形態）
図２２は、本発明の第６実施形態によるエレクトレット膜の平面図である。図５、図２１および図２２を参照して、この第６実施形態では、上記第５実施形態と異なり、エレクトレット膜１２ｃが、多角形からなる円弧状に形成されている静電誘導型発電装置１ｅについて説明する。

この第６実施形態による静電誘導型発電装置１ｅは、図５に示すように、約５０μｍ〜約１０００μｍの厚みを有する非導電性の基板１１ａの表面上に、導電性の第３導電体層１４ｂが形成されている。また、第３導電体層１４ｂの表面上には、約０．１μｍ〜約１００μｍの厚みを有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるフッ素系樹脂やシリコン酸化膜からなる複数のエレクトレット膜１２ｃが形成されている。ここで、第６実施形態では、エレクトレット膜１２ｃは、図２２に示すように、多角形からなる円弧状に形成されている。また、多角形からなる円弧状に形成された部分は、円弧状に近い形状であればよい。また、エレクトレット膜１２ｃは、図２１に示すように、八角形の上端部を切り取った形状を有する。また、第６実施形態では、エレクトレット膜１２ｃの多角形からなる円弧状に形成された部分は、それぞれ、多角形からなる円弧状の凸方向がＸ１方向に向くように配置されている。また、第６実施形態では、エレクトレット膜１２ｃの多角形からなる円弧状に形成された部分の間隔Ｗ２５は、少なくとも、多角形からなる円弧状に形成された部分の幅Ｗ２６よりも大きくなるように構成されている。また、第６実施形態では、複数の多角形からなる円弧状に形成された部分の幅Ｗ２６は、それぞれ等しい。

なお、第６実施形態のその他の構成は、上記第５実施形態と同様である。

また、第６実施形態の効果は、上記第５実施形態の効果において、第２導電体層１３ｂ（図１９参照）を、エレクトレット膜１２ｃに置き換えた場合と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第５および第６実施形態では、第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極を八角形からなる多角形から形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、八角形以外の多角形から形成してもよい。なお、多角形の角の数を増やすことにより、第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極を、第１〜第４実施形態に示す円弧状に近づけることが可能となる。

また、上記第１〜第６実施形態では、円弧状の第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、図２３に示す第１変形例のように、三角形からなる第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極を用いてもよい。また、図２４に示す第２変形例のように、静電誘導型発電装置の振動方向と直交する方向に対して非対称な四角形の第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極を用いてもよい。また、図２５に示す第３変形例のように、同心円の楕円からなる外径と内径とを有する第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極を用いてもよい。また、図２６に示す第４変形例のように、中央部が静電誘導型発電装置の振動方向と直交する方向に対して平行であり、端部の幅が徐々に細くなりながら静電誘導型発電装置の振動方向に端部が湾曲する第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極を用いてもよい。

また、上記第１実施形態〜第６実施形態では静電動作装置の一例である静電誘導型発電装置に本発明を適用した場合について示したが、本発明はこれに限らず、静電アクチュエータなどの静電誘導型発電装置以外の静電動作装置に適用してもよい。

本発明の第１実施形態による静電誘導型発電装置の断面図である。 図１の１００−１００線に沿った断面図である。 図１の２００−２００線に沿った断面図である。 円弧状の電極の形状を説明するための図である。 本発明の第２実施形態による静電誘導型発電装置の断面図である。 図５の３００−３００線に沿った断面図である。 本発明の第３実施形態による静電誘導型発電装置の第２導電体層の平面図である。 本発明の第３実施形態による静電誘導型発電装置の集電電極の平面図である。 円弧からなる電極の形状を説明するための図である。 本発明の第４実施形態によるエレクトレット膜の平面図である。 矩形状の導電体層と集電電極とを用いた場合の重なり面積の変化量を示す図である。 同一の半径の外径と内径とを有する円弧状の導電体層と集電電極とを用いた場合の重なり面積の変化量を示す図である。 同心円の外径と内径とを有する円弧状の導電体層と集電電極とを用いた場合の重なり面積の変化量を示す図である。 導電体層と集電電極との回転軸を示す図である。 回転角と導電体層および集電電極の重なり面積の変化量との関係を示す図である。 回転角と、回転軸の位置と、導電体層および集電電極の重なり面積の変化量との関係を示す図である。 回転角と導電体層および集電電極の重なり面積の変化量との関係を示す図である。 回転角と、回転軸の位置と、導電体層および集電電極の重なり面積の変化量との関係を示す図である。 本発明の第５実施形態による静電誘導型発電装置の第２導電体層の平面図である。 本発明の第５実施形態による静電誘導型発電装置の集電電極の平面図である。 多角形からなる電極の形状を説明するための図である。 本発明の第６実施形態によるエレクトレット膜の平面図である。 本発明の第１変形例による静電誘導型発電装置の第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極の平面図である。 本発明の第２変形例による静電誘導型発電装置の第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極の平面図である。 本発明の第３変形例による静電誘導型発電装置の第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極の平面図である。 本発明の第４変形例による静電誘導型発電装置の第２導電体層、エレクトレット膜および集電電極の平面図である。

符号の説明

１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ エレクトレット膜
１３、１３ａ、１３ｂ 第２導電体層（第２電極）
２２、２２ａ、２２ｂ、２３、２３ａ、２３ｂ 集電電極（第１電極）

Claims (5)

1. 第１電極と、
   前記第１電極に対向するように設けられるエレクトレット膜および前記エレクトレット膜の表面上に形成される第２電極のうちの少なくとも前記エレクトレット膜とを備え、
   前記第１電極と前記エレクトレット膜とが装置の振動方向と直交する方向に対して非対称な形状であるか、または、前記第２電極が形成されている場合は、前記第１電極と前記第２電極とが装置の振動方向と直交する方向に対して非対称な形状である、静電動作装置。
2. 前記第１電極と、前記エレクトレット膜または第２電極とは、円弧状に形成される部分を含む、請求項１に記載の静電動作装置。
3. 前記第１電極と、前記エレクトレット膜または第２電極との位置決めは、前記円弧状の凸方向と反対側の所定の点において行うように構成されている、請求項２に記載の静電動作装置。
4. 前記第１電極の円弧状に形成された部分と、前記エレクトレット膜または第２電極の円弧状に形成された部分とは、それぞれ、複数設けられ、
   前記複数の第１電極の円弧状の部分のそれぞれの外径と内径とは等しく、前記複数のエレクトレット膜または第２電極の円弧状の部分のそれぞれの外径と内径とは等しい、請求項２または３に記載の静電動作装置。
5. 前記第１電極の円弧状に形成された部分と、前記エレクトレット膜または第２電極の円弧状に形成された部分との外径および内径は、それぞれ、同一の半径を有する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の静電動作装置。

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