JP2018098835A - 電気機械変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部材を小型にしても出力が低下しにくい電気機械変換器を提供する。【解決手段】帯電部と対向電極との間の静電的な相互作用を利用して電力と動力の間の変換を行う電気機械変換器は、回転軸の周りに回転可能な円板状の回転部材であって、回転軸を中心とする円形領域が導電性材料で構成され、少なくとも一方の面の円形領域内に回転方向に間隔を空けて複数の溝部が形成された回転部材と、回転部材の一方の面に対向して配置された対向基板と、回転部材の一方の面における円形領域よりも外周側の円環領域に、回転方向に間隔を空けて形成された第１の帯電部と、回転部材を挟んで対向基板とは反対側に配置され、回転部材の円形領域の全体を覆うように一体的に形成された第２の帯電部と、回転部材の円環領域および円形領域に対向するように、対向基板上に回転方向に間隔を空けて形成された複数の対向電極とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、電気機械変換器に関する。

半永久的に電荷を保持するエレクトレットを帯電部として利用し、帯電部とそれに対向する対向電極との間の静電的な相互作用により電力と動力の間の変換を行う電気機械変換器が知られている。こうした電気機械変換器では、一般に、可動部材と固定基板の一方に帯電部が、他方に対向電極がそれぞれ配置され、帯電部と対向電極は、可動部材の移動方向にパターン化されている。

例えば、特許文献１には、エレクトレットと、第一対向電極と、第二対向電極とを備え、エレクトレットは、厚さ方向に沿った分極方向が第一の方向となる第一の領域と、厚さ方向に沿った分極方向が第一の方向と反対の第二の方向となる第二の領域とを有し、第一の領域と第二の領域とは、厚さ方向と直交する表面である主面と平行な方向である主面方向に沿って互いに隣接するように設けられ、第一対向電極と第二対向電極とは、エレクトレットの両面にそれぞれ設けられている静電誘導型機械電気変換素子が記載されている。

特許文献２には、表面に電荷を保持し、連続して繋がって形成されたエレクトレット膜が配置された第１の基板と、エレクトレット膜と対向する表面に集電電極が配置された第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に配置され、第１の基板および第２の基板に対し所定の方向に移動可能に支持された導電性を有する可動基板とを備える微小電気機械発電器が記載されている。この微小電気機械発電器では、可動基板は、第１の基板側から第２の基板側に向けて貫通し、エレクトレット膜から放射される電界を通す開口部を有し、可動基板が移動することにより、開口部から集電電極に放射される電界の有無が生じ、電界の有無により、集電電極に電荷が励起したり放電したりすることによって発電する。

特開２０１３−１１５９２１号公報 国際公開第２０１３／０８８６４５号

帯電部と対向電極が可動部材の移動方向にパターン化された電気機械変換器では、特に可動部材の大きさを小さくすると、個々の帯電部および対向電極の幅（パターン幅）も小さくなる。帯電部と対向電極との間の静電的な相互作用により発生する駆動力（発生力）または電力は、パターン幅の減少に伴い急激に低下するため、小型の電気機械変換器（可動部材）では十分な出力が得られないという不具合がある。

そこで、本発明は、可動部材を小型にしても出力が低下しにくい電気機械変換器を提供することを目的とする。

帯電部と対向電極との間の静電的な相互作用を利用して電力と動力の間の変換を行う電気機械変換器であって、回転軸の周りに回転可能な円板状の回転部材であって、回転軸を中心とする円形領域が導電性材料で構成され、少なくとも一方の面の円形領域内に回転方向に間隔を空けて複数の溝部が形成された回転部材と、回転部材の一方の面に対向して配置された対向基板と、回転部材の一方の面における円形領域よりも外周側の円環領域に、回転方向に間隔を空けて形成された第１の帯電部と、回転部材を挟んで対向基板とは反対側に配置され、回転部材の円形領域の全体を覆うように一体的に形成された第２の帯電部と、回転部材の円環領域および円形領域に対向するように、対向基板上に回転方向に間隔を空けて形成された複数の対向電極とを有する電気機械変換器が提供される。

上記の電気機械変換器では、回転部材の対向基板とは反対側の面における円形領域は、凹凸が形成されていない平坦面であり、第２の帯電部は、回転部材の対向基板とは反対側の面における円形領域に配置されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器は、対向基板とは反対側において回転部材に対向するように配置された第２の対向基板をさらに有し、第２の帯電部は、第２の対向基板の回転部材との対向面に配置されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器では、回転部材の複数の溝部は、回転部材の円形領域を貫通する貫通孔であることが好ましい。

上記の電気機械変換器では、回転部材の対向基板とは反対側の面における円形領域は、凹凸が形成されていない平坦面であり、第２の帯電部は、複数の対向電極の側から見ると回転部材により覆い隠されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器は、回転部材の対向基板とは反対側の面における円環領域に、回転方向に間隔を空けて形成された第３の帯電部と、回転部材の円環領域に対向するように、第２の対向基板上に回転方向に間隔を空けて形成された他の複数の対向電極とをさらに有することが好ましい。

上記の電気機械変換器では、回転部材の円環領域には、第１の帯電部が配置されていない部分に複数の貫通孔が形成されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器によれば、可動部材を小型にしても、本構成を有しない場合と比べて出力が低下しにくい。

電気機械変換器１の概略構成図である。 アクチュエータ１０の斜視図である。 図２のＩＩＩＡ線およびＩＩＩＢ線に沿ったアクチュエータ１０の切断面を示す図である。 回転部材１２の円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２を示す平面図である。 比較例１のアクチュエータ１００の概略構成図である。 比較例２のアクチュエータ１００’の概略構成図である。 回転部材１２０，１２０’のパターン幅とアクチュエータ１００，１００’の発生力の大きさとの関係を示すグラフである。 他のアクチュエータ１０’の概略構成図である。 他のアクチュエータ１０Ａの概略構成図である。 他のアクチュエータ１０Ｂの概略構成図である。 電気機械変換器２の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ、電気機械変換器について説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。

図１は、電気機械変換器１の概略構成図である。図１に示すように、電気機械変換器１は、アクチュエータ１０および駆動部２０を有する。アクチュエータ１０は、回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３，１４、エレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａおよび対向電極１７，１８，１７’，１８’を有する。図１では、アクチュエータ１０として、図の下から順に、固定基板１３の上面１３１、回転部材１２の下面１２２、回転部材１２の上面１２１および固定基板１４の下面１４２を並べて示している。電気機械変換器１は、駆動部２０に入力された電気信号をもとに、エレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａと対向電極１７，１８，１７’，１８’との間の静電気力を利用して回転部材１２を回転させることにより電力から動力を取り出す駆動装置（エレクトレットモータ）である。

図２は、アクチュエータ１０の斜視図である。図２では、回転軸１１、固定基板１３の下面１３２、回転部材１２の下面１２２および固定基板１４の下面１４２を示している。図２に示すように、アクチュエータ１０は、円板状の固定基板１４、回転部材１２および固定基板１３が図の上側からこの順に重ね合わされて構成される。なお、後述する通り、回転部材１２の下面１２２にはエレクトレット部１５ａが形成されているが、簡単のため、図２ではエレクトレット部１５ａの図示を省略している。

回転軸１１は、回転部材１２の回転中心となる軸であり、図２に示すように、回転部材１２および固定基板１３，１４の中心を貫通している。回転軸１１の上下端は、軸受けを介して、図示しない電気機械変換器１の筐体に固定されている。

回転部材１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）などの導電性の基板材料で構成される。図２に示すように、回転部材１２は、その中心で回転軸１１に接続しており、固定基板１３，１４との間で一定の距離を保って回転可能である。回転部材１２は、駆動部２０に入力された電気信号に応じてエレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａと対向電極１７，１８，１７’，１８’との間で発生する静電気力により、回転軸１１の周りを、円周方向である図２の矢印Ｃ方向（時計回りおよび反時計回り）に回転する。例えば、回転部材１２の直径は５〜２０ｍｍ程度であり、厚さは１００〜５００μｍ程度である。

回転部材１２には、重量を軽くするために、円周方向に沿って等間隔に、かつ回転軸１１を中心とする放射状に、略台形状の複数の貫通孔１２８（溝部の一例）が形成されている。個々の貫通孔１２８は、回転軸１１に近い中央側から回転部材１２の外周側まで、回転部材１２の径方向のほぼ全体にわたって延びている。なお、図１では、簡単のために、貫通孔１２８の個数を図２よりも少なく表示している。

固定基板１３は、例えばガラスエポキシ基板などの周知の基板材料で構成された平坦な基板である。固定基板１３は、対向基板の一例であり、図２に示すように、回転部材１２の下面１２２（一方の面）に対向して、回転部材１２の下側に配置されている。

固定基板１４は、例えばガラス基板またはシリコン基板で構成された平坦な基板である。固定基板１４は、第２の対向基板の一例であり、図２に示すように、固定基板１３とは反対側において、回転部材１２の上面１２１に対向して回転部材１２の上側に配置されている。すなわち、固定基板１４は、回転部材１２を挟んで固定基板１３とは反対側に、回転部材１２との間に間隔を空けて配置されている。なお、回転軸１１が固定基板１３，１４の中心を貫通しているが、固定基板１３，１４は、回転部材１２とは異なり、電気機械変換器１の筐体に対して固定されている。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、それぞれ、図２のＩＩＩＡ線およびＩＩＩＢ線に沿ったアクチュエータ１０の切断面を示す図である。また、図４は、回転部材１２の円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２を示す平面図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）では、図の横方向が回転部材１２および固定基板１３，１４の円周方向（図２の矢印Ｃ方向）に相当するように変形して図示している。

エレクトレット部１５ａは、第１の帯電部の一例であり、例えば負電荷を保持し、図１および図３（Ａ）に示すように、略台形の複数の部分領域で構成される。エレクトレット部１５ａは、回転部材１２の下面１２２上であって、回転軸１１を中心とし回転部材１２の半径のほぼ１／２を半径とする円Ｃ１よりも外周側に、円周方向（回転方向）に間隔を空けて形成されている。図４に示すように、円Ｃ１よりも中央側の部分が回転部材１２の円形領域Ｄ２であり、円形領域Ｄ２よりも外周側の部分が回転部材１２の円環領域Ｄ１である。エレクトレット部１５ａは、円環領域Ｄ１における貫通孔１２８以外の部分に形成されており、円環領域Ｄ１では、エレクトレット部１５ａと貫通孔１２８が回転部材１２の円周方向に交互に配置されている。円形領域Ｄ２にはエレクトレット部１５ａは配置されておらず、円形領域Ｄ２における貫通孔１２８以外の部分は、平坦部１２７である。

エレクトレット部１５ｂは、第２の帯電部の一例であり、例えば負電荷を保持し、図１および図３（Ｂ）に示すように、固定基板１４の下面１４２（回転部材１２の上面１２１との対向面）の中央側に形成されている。すなわち、エレクトレット部１５ｂは、回転部材１２とは別部材であり回転部材１２を挟んで固定基板１３とは反対側に配置された固定基板１４において、対向電極１７，１８とは直接対向しない位置に配置されている。また、エレクトレット部１５ｂは、固定基板１４上において、回転軸１１を中心とする、回転部材１２の円形領域Ｄ２とほぼ同じ大きさの円形領域を覆い尽くすように形成されている。言い換えると、エレクトレット部１５ｂは、円周方向に間隔が空いた複数の部分領域には分かれておらず、回転部材１２の円形領域Ｄ２の全体を覆うように、一体的に（ベタで）形成されている。

エレクトレット部１６ａは、第３の帯電部の一例であり、例えば負電荷を保持し、図１および図３（Ａ）に示すように、略台形の複数の部分領域で構成される。エレクトレット部１６ａは、回転部材１２の上面１２１（固定基板１３とは反対側の面）における円環領域Ｄ１に、円周方向に間隔を空けて形成されている。エレクトレット部１５ａと同様に、エレクトレット部１６ａは、回転部材１２の円形領域Ｄ２には配置されておらず、円環領域Ｄ１における貫通孔１２８以外の部分に形成されている。上面１２１においても、円環領域Ｄ１では、エレクトレット部１６ａと貫通孔１２８が回転部材１２の円周方向に交互に配置されており、円形領域Ｄ２では、貫通孔１２８以外の部分は平坦部１２７である。

対向電極１７，１８は、図１、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、固定基板１３の上面１３１（回転部材１２の下面１２２との対向面）において、円周方向に交互に、かつ回転軸１１を中心とする放射状に形成されている。対向電極１７，１８はそれぞれ略台形の複数の電極で構成され、これらの電極は、回転部材１２の円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２に対向して、回転軸１１に近い中央側から外周側まで、固定基板１３の径方向のほぼ全体にわたって延びている。このため、対向電極１７，１８は、回転部材１２の円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２の両方に対向するように配置されている。また、対向電極１７同士および対向電極１８同士は、回転部材１２の回転方向に間隔を空けて形成され、かつ等間隔に配置されている。

対向電極１７’，１８’は、図１および図３（Ａ）に示すように、固定基板１４の下面１４２（回転部材１２の上面１２１との対向面）における外周側に、円周方向に交互に、かつ回転軸１１を中心とする放射状に形成されている。対向電極１７’，１８’もそれぞれ略台形の複数の電極で構成され、これらの電極は、回転部材１２の円環領域Ｄ１のみに対向するように配置されている。また、対向電極１７’同士および対向電極１８’同士も、回転部材１２の回転方向に間隔を空けて形成され、かつ等間隔に配置されている。

回転軸１１を中心とする同一円周上では、対向電極１７，１８，１７’，１８’の幅はそれぞれ同じであり、その大きさは、回転部材１２における貫通孔１２８とエレクトレット部１５ａ，１６ａの幅と同じかほぼ同じであることが好ましい。また、エレクトレット部１５ａを構成する部分領域、エレクトレット部１６ａを構成する部分領域、対向電極１７、対向電極１８、対向電極１７’および対向電極１８’の個数は、すべて同じであることが好ましい。

駆動部２０は、アクチュエータ１０を駆動するための回路であり、クロック２１および比較器２２，２３を有する。駆動部２０は、アクチュエータ１０の駆動時に、極性が交互に切り替わる交番電圧を対向電極１７，１８，１７’，１８’に印加する。具体的には、駆動部２０は、一方の対向電極１７，１７’にエレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａの帯電と同じ符号の電圧を印加し、他方の対向電極１８，１８’には対向電極１７，１７’とは逆符号の電圧を印加して、それらの電圧の符号を交互に反転させる。駆動部２０は、このように交番電圧を印加して、エレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａが作る電界と対向電極１７，１８，１７’，１８’が作る電界との相互作用により静電気力を発生させ、それにより回転部材１２を回転させる。

図１に示すように、クロック２１の出力は比較器２２，２３の入力に接続され、比較器２２の出力は対向電極１７，１７’に、比較器２３の出力は対向電極１８，１８’に、それぞれ電気配線を介して接続されている。比較器２２，２３は、それぞれクロック２１からの入力信号の電位と接地電位とを比較し、その結果を２値で出力するが、比較器２２，２３の出力信号は互いに逆の符号である。クロック２１からの入力信号がＨのときには、対向電極１７，１７’は＋Ｖ、対向電極１８，１８’は−Ｖの電位になり、入力信号がＬのときには、対向電極１７，１７’は−Ｖ、対向電極１８，１８’は＋Ｖの電位になる。

アクチュエータ１０では、回転部材１２の外周側において、下面１２２側にはエレクトレット部１５ａと対向電極１７，１８の組が対向して配置され、上面１２１側にはエレクトレット部１６ａと対向電極１７’，１８’の組が対向して配置されている。駆動部２０が交番電圧を対向電極１７，１８，１７’，１８’に印加することにより、回転部材１２の外周側において、エレクトレット部１５ａと対向電極１７，１８との間、およびエレクトレット部１６ａと対向電極１７’，１８’との間に連続して静電気力が発生するため、円周方向の駆動力が得られる。

また、回転部材１２が導電性部材で構成されているため、固定基板１４上のエレクトレット部１５ｂが作る電界が回転部材１２の円形領域Ｄ２に伝わり、円形領域Ｄ２の上面と下面は同電位になる。回転部材１２には貫通孔１２８による凹凸パターンが形成されているため、円周方向の位置に応じて回転部材１２の下面１２２と対向電極１７，１８との間の距離が異なり、その距離に応じて対向電極１７，１８に作用する電界の強さが変化する。このため、固定基板１４にエレクトレット部１５ｂが配置されていても、回転部材１２の下面１２２に放射状のパターンでエレクトレットが形成されているのと同様の状態が実現される。したがって、駆動部２０が交番電圧を対向電極１７，１８に印加することにより、回転部材１２の中央側においても、回転部材１２の平坦部１２７と対向電極１７，１８との間に連続して静電気力が発生するため、円周方向の駆動力が得られる。

なお、回転部材１２の中央側において静電気力を発生させるためには、回転部材１２の円形領域Ｄ２が導電性材料で構成されていればよい。このため、回転部材１２の円環領域Ｄ１と円形領域Ｄ２の材質はそれぞれ異なっていてもよく、その場合、円環領域Ｄ１の材質は必ずしも導電性のものでなくてもよい。また、円形領域Ｄ２は、金属材料で構成してもよく、平坦部１２７および貫通孔１２８を有する形状に絶縁体を加工し、その表面全体を導電性部材で被覆して作製してもよい。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、比較例１のアクチュエータ１００の概略構成図である。アクチュエータ１００は、回転軸１１０、回転部材１２０、固定基板１３０，１４０、エレクトレット部１５０，１６０および対向電極１７０，１８０を有する。アクチュエータ１００は、アクチュエータ１０と同様に、円板状の回転部材１２０が２枚の固定基板１３０，１４０に挟まれて構成される。回転部材１２０は、その中心を通る回転軸１１０（図２の回転軸１１に相当）の周りに回転可能である。図５（Ａ）は、図の下から順に、固定基板１３０の上面１３１、回転部材１２０の下面１２２、回転部材１２０の上面１２１および固定基板１４０の下面１４２を並べて示す。図５（Ｂ）は、円周方向に沿って回転部材１２０およびその上下の固定基板１３０，１４０を切断したときの切断面を示す。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、回転部材１２０には、上面にエレクトレット部１６０が、下面にエレクトレット部１５０が、それぞれ円周方向に等間隔、かつ回転軸１１０を中心として放射状に配置されている。エレクトレット部１５０，１６０は、アクチュエータ１０のエレクトレット部１５ａ，１６ａとは異なり、回転軸１１０に近い中央側から外周側まで、回転部材１２０の径方向のほぼ全体にわたって延びている。また、回転部材１２０では、重量を軽くするために、エレクトレット部１５０，１６０が形成されていない部分に、円周方向に沿って等間隔に、略台形状の複数の貫通孔（スリット）１２８が形成されている。

アクチュエータ１００では、回転部材１２０の上下に配置された固定基板１３０，１４０の両方において、対向電極１７０，１８０が、円周方向に交互に、かつ回転軸１１０を中心とする放射状に形成されている。対向電極１７０，１８０も、回転軸１１０に近い中央側から外周側まで、固定基板１３０，１４０の径方向のほぼ全体にわたって延びている。このため、アクチュエータ１００では、回転部材１２０の下面側にエレクトレット部１５０と対向電極１７０，１８０の組が、回転部材１２０の上面側にエレクトレット部１６０と対向電極１７０，１８０の組が、それぞれ対向して配置されている。すなわち、比較例１のアクチュエータ１００は、アクチュエータ１０の外周側と同じ構成を有する。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、比較例２のアクチュエータ１００’の概略構成図である。アクチュエータ１００’は、回転軸１１０、回転部材１２０’、固定基板１３０，１４０’、エレクトレット部１５０’および対向電極１７０，１８０を有する。図６（Ａ）は、図の下から順に、固定基板１３０の上面１３１、回転部材１２０’の下面１２２、回転部材１２０’の上面１２１および固定基板１４０’の下面１４２を並べて示す。図６（Ｂ）は、円周方向に沿って回転部材１２０’およびその上下の固定基板１３０，１４０’を切断したときの切断面を示す。回転部材１２０’、固定基板１３０，１４０’および対向電極１７０，１８０はアクチュエータ１００のものと同様であるが、アクチュエータ１００’は、エレクトレット部および対向電極の形成位置がアクチュエータ１００とは異なる。

アクチュエータ１００’では、対向電極１７０，１８０は固定基板１４０’には形成されておらず、固定基板１３０のみに形成されている。アクチュエータ１００’の対向電極１７０，１８０も、回転部材１２０’の回転軸１１０に近い中央側から外周側まで、固定基板１３０の径方向のほぼ全体にわたって延びている。また、アクチュエータ１００’では、エレクトレット部１５０’は、回転部材１２０’には形成されておらず、固定基板１４０’の下面１４２において、対向電極１７０，１８０の形成位置に対応する領域全体を覆うように、一体的に（ベタで）形成されている。すなわち、比較例２のアクチュエータ１００’は、アクチュエータ１０の中央側と同じ構成を有する。

図７は、回転部材１２０，１２０’のパターン幅とアクチュエータ１００，１００’の発生力の大きさとの関係を示すグラフである。グラフの横軸は、回転部材１２０，１２０’のパターン幅ｄ（単位μｍ）である。パターン幅ｄは、アクチュエータ１００では、回転軸１１０を中心とする円周上におけるエレクトレット部１５０，１６０の幅に、アクチュエータ１００’では、回転軸１１０を中心とする円周上における貫通孔１２８以外の部分である平坦部１２７（スポーク部分）の幅に、それぞれ相当する。また、グラフの縦軸は、特定のパターン幅で配置された平坦部１２７またはエレクトレット部１５０，１６０と対向電極１７０，１８０との間の静電的な相互作用により発生する回転方向の駆動力（発生力）の大きさＦ（単位ｍＮ／ｍ）である。

図７では、アクチュエータ１００，１００’の両方とも、回転部材１２０，１２０’の最下面と固定基板１３０の上面との間の距離を７０μｍとした場合の結果を示している。曲線ａはアクチュエータ１００’についてのグラフであり、曲線ｂはアクチュエータ１００についてのグラフである。パターン幅が７００〜１１００μｍの範囲では、得られる発生力は、アクチュエータ１００’よりもアクチュエータ１００の方が大きい。一方、パターン幅が１００〜７００μｍの範囲では、得られる発生力は、アクチュエータ１００’の方がアクチュエータ１００よりも大きい。これは、パターン幅が狭い範囲では、固定基板１４０’上にエレクトレット部１５０’をベタで形成した方が、円周方向に交互に貫通孔１２８とエレクトレット部１５０，１６０とを配置した場合と比べてエレクトレットの総量が多くなるためであると考えられる。

円板状の回転部材に貫通孔やエレクトレット部のパターンを放射状に形成すると、円板の中央側ではパターン幅が狭く、外周側に向かうほどパターン幅が広くなる。このため、図７の結果に鑑みて、アクチュエータ１０では、パターン幅が広い外周側を比較例１のアクチュエータ１００と同じ構成とし、パターン幅が狭い中央側を比較例２のアクチュエータ１００’と同じ構成としている。このような組合せの構成により、アクチュエータ１０では、パターン幅が１００〜７００μｍの範囲（中央側）ではアクチュエータ１００よりも発生力が大きく、パターン幅が７００〜１１００μｍの範囲（外周側）ではアクチュエータ１００’よりも発生力が大きくなる。したがって、アクチュエータ１０では、回転部材１２を小型にしてもアクチュエータ１００と比べて出力が低下しにくく、電気機械変換器の小型化に適している。

また、アクチュエータ１０では、パターン幅が狭い中央側において平坦な固定基板１４上にエレクトレット部１５ｂがベタで配置されているため、回転軸１１０に近い中心付近まで放射状のパターンでエレクトレット部１５０，１６０を配置した場合と比べて、エレクトレットの形成が容易である。また、アクチュエータ１０では、アクチュエータ１００と比べて回転軸の方向の発生力が小さいので、その分、回転軸と軸受けとの間に生じる摩擦力も少なく済む。

図８は、他のアクチュエータ１０’の概略構成図である。アクチュエータ１０’は、アクチュエータ１０のエレクトレット部１６ａおよび対向電極１７’，１８’が省略されている点のみがアクチュエータ１０とは異なり、その他の点ではアクチュエータ１０と同じ構成を有する。図８では、アクチュエータ１０’として、図の下から順に、固定基板１３の上面１３１、回転部材１２の下面１２２、回転部材１２の上面１２１および固定基板１４の下面１４２を並べて示している。図８に示すように、アクチュエータ１０のエレクトレット部１６ａおよび対向電極１７’，１８’は省略可能であり、アクチュエータ１０’の方が構造が単純になる。ただし、アクチュエータ１０の方が、エレクトレット部１６ａと対向電極１７’，１８’の組がある分だけ、回転方向の発生力が大きくなる。

図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、他のアクチュエータ１０Ａの概略構成図である。図９（Ａ）は、アクチュエータ１０Ａの回転部材１２Ａの上面１２１および下面１２２を示す。また、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）と同様に、それぞれ、回転部材１２Ａの円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２おける円周方向に沿ったアクチュエータ１０Ａの切断面を示す。アクチュエータ１０Ａは、回転部材の形状のみがアクチュエータ１０とは異なり、その他の点ではアクチュエータ１０と同一の構成を有する。円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２の定義も、アクチュエータ１０でのものと同じである。

図９（Ａ）に示すように、回転部材１２Ａの下面１２２における円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２には、複数の凹部１２５（溝部の一例）および凸部１２６が、円周方向に交互に、かつ回転軸１１を中心とする放射状に形成されている。一方、回転部材１２の上面１２１における円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２は、凹凸が形成されていない平坦部１２７である。すなわち、回転部材１２には、下側の固定基板１３との対向面のみに、凹凸（溝部）が形成されている。図９（Ｂ）および図９（Ｃ）に示すように、凹部１２５は固定基板１３に対して窪んだ部分であり、凸部１２６は固定基板１３に向けて突出した部分であり、凹部１２５同士および凸部１２６同士は、円周方向に間隔を空けて形成されている。凹部１２５同士および凸部１２６同士はそれぞれ等間隔に配置されており、回転軸１１を中心とする同一円周上では、凹部１２５と凸部１２６の幅は同じである。

回転部材１２Ａは、例えば、円板状のシリコン基板の片面に対して深掘りエッチングまたはブラスト加工などを行って、凹部１２５の部分を削り取ることで作製される。あるいは、回転部材１２Ａは、平坦な円板状の部材と、凸部１２６のパターンが形成された部材とを別々に用意し、それらを貼り合わせて作製してもよい。

図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示すように、アクチュエータ１０Ａでは、エレクトレット部１５ａは、回転部材１２の下面１２２側の円環領域Ｄ１における凸部１２６の上に形成されている。また、エレクトレット部１６ａは、回転部材１２の上面１２１側の円環領域Ｄ１において、下面１２２側のエレクトレット部１５ａに対応する位置に形成されている。なお、アクチュエータ１０Ａでも、固定基板１３における対向電極１７，１８の配置、および固定基板１４におけるエレクトレット部１５ｂおよび対向電極１７’，１８’の配置は、アクチュエータ１０のものと同じである。アクチュエータ１０Ａでは、回転部材１２Ａに貫通孔が形成されていないため、エレクトレット部１５ｂは、対向電極１７，１８の側から見ると、回転部材１２により覆い隠されている。

回転部材１２Ａの下面１２２には凹部１２５および凸部１２６により凹凸パターンが形成されているため、個々の対向電極１７，１８の上を凹部１２５が通過するときと、凸部１２６が通過するときで、対向電極１７，１８に作用する電界の強さが変化する。このため、アクチュエータ１０Ａも、対向電極１７，１８に交番電圧を印加することにより回転部材１２Ａを回転させることができる。

アクチュエータ１０Ａでも、パターン幅が狭い中央側ではアクチュエータ１００よりも発生力が大きく、パターン幅が広い外周側ではアクチュエータ１００’よりも発生力が大きいため、回転部材１２Ａを小型にしても出力が低下しにくい。また、アクチュエータ１０Ａでも、アクチュエータ１０と同様に、エレクトレット部１５ｂの形成が容易であり、回転軸１１と軸受けとの間に生じる摩擦力も少なく済む。なお、アクチュエータ１０Ａでも、アクチュエータ１０’と同様に、エレクトレット部１６ａおよび対向電極１７’，１８’は省略可能である。

図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、他のアクチュエータ１０Ｂの概略構成図である。図１０（Ａ）は、アクチュエータ１０Ｂの回転部材１２Ａの上面１２１および下面１２２を示す。また、図１０（Ｂ）および図１０（Ｃ）は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）と同様に、それぞれ、回転部材１２Ａの円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２おける円周方向に沿ったアクチュエータ１０Ｂの切断面を示す。アクチュエータ１０Ｂは、アクチュエータ１０の固定基板１４、エレクトレット部１６ａおよび対向電極１７’，１８’が省略されている点、およびエレクトレット部１５ｂの配置位置のみがアクチュエータ１０Ａとは異なり、その他の点ではアクチュエータ１０Ａと同一の構成を有する。円環領域Ｄ１および円形領域Ｄ２の定義も、アクチュエータ１０，１０Ａでのものと同じである。

アクチュエータ１０Ｂでは、エレクトレット部１５ｂは、回転部材１２の上面１２１における円形領域Ｄ２の全体を覆うように、一体的に（ベタで）形成されている。すなわち、アクチュエータ１０Ｂでも、エレクトレット部１５ｂは、対向電極１７，１８とは直接対向しない位置に配置されており、対向電極１７，１８の側から見ると、回転部材１２により覆い隠されている。

アクチュエータ１０Ｂでも、パターン幅が狭い中央側ではアクチュエータ１００よりも発生力が大きく、パターン幅が広い外周側ではアクチュエータ１００’よりも発生力が大きいため、回転部材１２Ａを小型にしても出力が低下しにくい。また、アクチュエータ１０Ｂでも、アクチュエータ１０と同様に、エレクトレット部１５ｂの形成が容易であり、回転軸１１と軸受けとの間に生じる摩擦力も少なく済む。さらに、アクチュエータ１０Ｂでは、回転部材１２Ａの上面に直接エレクトレット部１５ｂが形成されているため、回転部材１２とエレクトレット部１５ｂとの間が空いているアクチュエータ１０，１０Ａと比べて、回転部材１２Ａが作る電界が強くなり、その分発生力も強くなる。また、アクチュエータ１０Ｂでは、アクチュエータ１０の固定基板１４が不要であるため、部材の個数が少なく済み、アクチュエータ自体の厚さも薄くなるという利点がある。

図１１は、電気機械変換器２の概略構成図である。図１１に示すように、電気機械変換器２は、発電部３０および蓄電部４０を有する。発電部３０は、アクチュエータ１０と同様に、回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３，１４、エレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａおよび対向電極１７，１８，１７’，１８’を有する。電気機械変換器２は、外部環境の運動エネルギーを用いて回転部材１２を回転させ、発電部３０内で静電誘導により静電気を発生させることで動力から電力を取り出す発電装置（エレクトレット発電機）である。

回転部材１２、固定基板１３，１４、エレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａおよび対向電極１７，１８，１７’，１８’は、アクチュエータ１０のものと同じである。ただし、例えば発電部３０の回転部材１２には、重量バランスの偏りを有する図示しない回転錘が取り付けられる。また、電気機械変換器２の対向電極１７，１８，１７’，１８’は、それぞれ電気配線を介して蓄電部４０に接続されている。発電部３０では、例えば電気機械変換器２を携帯する人体の運動または電気機械変換器２が取り付けられた機械などの振動を動力源として、回転錘付きの回転部材１２がその円周方向に回転する。

回転部材１２が回転すると、それに伴い、回転部材１２の外周側におけるエレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａと対向電極１７，１８，１７’，１８’との間の重なり面積、および中央側における回転部材１２の平坦部１２７と対向電極１７，１８との間の重なり面積が増減する。例えば、エレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａに負電荷が保持されているとすると、エレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａおよび回転部材１２の円形領域Ｄ２が作る電界により対向電極１７，１８，１７’，１８’に引き寄せられる正電荷が、回転部材１２の回転に伴い増減する。発電部３０は、このようにして、対向電極１７と対向電極１８の間および対向電極１７’と対向電極１８’の間に交流電流を発生させることにより、静電誘導を利用した発電を行う。

蓄電部４０は、整流回路４１および二次電池４２を有し、回転部材１２の回転に応じてエレクトレット部１５ａ，１５ｂ，１６ａと対向電極１７，１８との間の静電誘導により発生した電力を蓄積する。対向電極１７，１８，１７’，１８’からの出力は整流回路４１に接続され、整流回路４１は二次電池４２に接続されている。整流回路４１は、４個のダイオードを有するブリッジ式の回路であり、対向電極１７，１７’と対向電極１８，１８’の間で生成された電流を整流する。二次電池４２は、リチウム二次電池などの充放電可能な電池であり、発電部３０によって発電された電力を蓄積し、図示しない駆動対象の回路にその電力を供給する。

発電部３０でも、回転部材１２のパターン幅を狭くしても、発生する電力の低下が少ないため、回転部材１２を小型にしても出力が低下しにくいという効果が得られる。

なお、発電部３０でも、エレクトレット部１６ａおよび対向電極１７’，１８’は省略可能である。また、回転部材１２に替えて、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示した回転部材１２Ａを用いてもよい。あるいは、発電部３０でも、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）に示したアクチュエータ１０Ｂと同様に固定基板１４を省略し、回転部材１２の上面１２１における円形領域Ｄ２にエレクトレット部１５ｂをベタで形成してもよい。

１，２ 電気機械変換器
１０，１０’，１０Ａ，１０Ｂ アクチュエータ
１１ 回転軸
１２，１２Ａ 回転部材
１２５ 凹部
１２６ 凸部
１２７ 平坦部
１２８ 貫通孔
１３，１４ 固定基板
１５ａ，１５ｂ，１６ａ エレクトレット部
１７，１７’，１８，１８’ 対向電極
２０ 駆動部
３０ 発電部
４０ 蓄電部

Claims (7)

1. 帯電部と対向電極との間の静電的な相互作用を利用して電力と動力の間の変換を行う電気機械変換器であって、
   回転軸の周りに回転可能な円板状の回転部材であって、前記回転軸を中心とする円形領域が導電性材料で構成され、少なくとも一方の面の前記円形領域内に回転方向に間隔を空けて複数の溝部が形成された回転部材と、
   前記回転部材の前記一方の面に対向して配置された対向基板と、
   前記回転部材の前記一方の面における前記円形領域よりも外周側の円環領域に、前記回転方向に間隔を空けて形成された第１の帯電部と、
   前記回転部材を挟んで前記対向基板とは反対側に配置され、前記回転部材の前記円形領域の全体を覆うように一体的に形成された第２の帯電部と、
   前記回転部材の前記円環領域および前記円形領域に対向するように、前記対向基板上に前記回転方向に間隔を空けて形成された複数の対向電極と、
   を有することを特徴とする電気機械変換器。
2. 前記回転部材の前記対向基板とは反対側の面における前記円形領域は、凹凸が形成されていない平坦面であり、
   前記第２の帯電部は、前記回転部材の前記対向基板とは反対側の面における前記円形領域に配置されている、請求項１に記載の電気機械変換器。
3. 前記対向基板とは反対側において前記回転部材に対向するように配置された第２の対向基板をさらに有し、
   前記第２の帯電部は、前記第２の対向基板の前記回転部材との対向面に配置されている、請求項１に記載の電気機械変換器。
4. 前記回転部材の前記複数の溝部は、前記回転部材の前記円形領域を貫通する貫通孔である、請求項３に記載の電気機械変換器。
5. 前記回転部材の前記対向基板とは反対側の面における前記円形領域は、凹凸が形成されていない平坦面であり、
   前記第２の帯電部は、前記複数の対向電極の側から見ると前記回転部材により覆い隠されている、請求項３に記載の電気機械変換器。
6. 前記回転部材の前記対向基板とは反対側の面における前記円環領域に、前記回転方向に間隔を空けて形成された第３の帯電部と、
   前記回転部材の前記円環領域に対向するように、前記第２の対向基板上に前記回転方向に間隔を空けて形成された他の複数の対向電極と、
   をさらに有する、請求項３〜５のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
7. 前記回転部材の前記円環領域には、前記第１の帯電部が配置されていない部分に複数の貫通孔が形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械変換器。

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