JP2018157663A - Electromechanical converter and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気機械変換器およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an electromechanical transducer and a method for manufacturing the same.
半永久的に電荷を保持する性質を持つエレクトレットを利用することで発生する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。例えば、特許文献1には、エレクトレットが設けられた第一の電極と、エレクトレットから離間配置された第二の電極とを備え、外部からの振動によってエレクトレットおよび第二の電極の一方が他方に対して相対的に運動する静電誘導型発電素子が記載されている。また、特許文献2には、複数のエレクトレット膜を備えた第1の基板と、複数の電極を備えた第2の基板とで構成され、第1の基板が側方運動を行うことにより、エレクトレット膜と電極との重なり面積が増減して電極に電荷の変化が生じ、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う静電誘導型発電器が記載されている。
2. Description of the Related Art An electromechanical converter that performs conversion between electric power and power by an electrostatic interaction generated by using an electret having a property of retaining a charge semipermanently is known. For example, Patent Document 1 includes a first electrode provided with an electret and a second electrode spaced apart from the electret, and one of the electret and the second electrode with respect to the other due to external vibration. An electrostatic induction power generating element that moves relatively is described. Further,
一般に、こうした電気機械変換器の帯電膜(帯電部)は、正または負のどちらか一方に帯電する材料のみで構成される。例えば、電気機械変換器が動力を電力に変換する発電器の場合には、その発電出力は帯電部の電位と接地電位との電位差に応じた大きさになるため、発電出力をそれ以上に向上させることは難しい。この点は、電気機械変換器が電力を動力に変換する電動機の場合でも同様である。 In general, the charging film (charging portion) of such an electromechanical converter is composed only of a material that is charged positively or negatively. For example, in the case where the electromechanical converter is a generator that converts power into electric power, the generated output becomes a magnitude corresponding to the potential difference between the potential of the charging unit and the ground potential, so the generated output is further improved. It is difficult to let This also applies to the case where the electromechanical converter is an electric motor that converts electric power into power.
正に帯電する材料と負に帯電する材料とで2種類の帯電膜を作製し、それらを交互に配置して帯電部を構成すれば、帯電膜を正負の一方に帯電する材料で構成した場合よりも電気機械変換器の出力は向上する。しかしながら、その場合には、2種類の材料で正の帯電膜と負の帯電膜とを両方作製する必要があり、電気機械変換器の製造時の帯電工程などが複雑になる。 When two types of charged film are produced with a positively charged material and a negatively charged material, and the charging part is configured by arranging them alternately to form the charged film with a material that charges positively or negatively Rather, the output of the electromechanical converter is improved. However, in that case, it is necessary to produce both a positively charged film and a negatively charged film with two kinds of materials, and the charging process at the time of manufacturing the electromechanical converter becomes complicated.
本発明は、帯電膜を正負の一方に帯電する材料で構成しながら、帯電膜を正に帯電する材料と負に帯電する材料とで構成した場合と同等に電気機械変換器の出力を向上させることを目的とする。 The present invention improves the output of an electromechanical converter equivalent to the case where the charging film is composed of a material that is positively charged and a material that is negatively charged while the charging film is composed of a material that is positively or negatively charged. For the purpose.
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、固定基板と、固定基板との間で一定の距離を保って移動可能な可動部材と、可動部材の固定基板との対向面である第1の面および可動部材の対向面とは反対側の面である第2の面において、第1の面と第2の面とで可動部材の移動方向に互い違いに形成され、かつ互いに同じ極性に帯電した複数の帯電膜と、固定基板の可動部材との対向面において移動方向に配置された複数の対向電極とを有し、可動部材の第1の面および第2の面における帯電膜同士の間の領域に複数の帯電膜とは反対の極性の電荷が誘起されることで、第1の面および第2の面では互いに反対の極性に帯電した領域が移動方向に交互に配置されていることを特徴とする電気機械変換器が提供される。 An electromechanical converter that performs conversion between electric power and power using electrostatic interaction between a charging unit and a counter electrode, and a fixed distance between the fixed substrate and the fixed substrate. The first surface and the second surface are the first surface that is the movable member that can be maintained and the first surface that is the opposite surface of the movable member to the fixed substrate, and the second surface that is the opposite surface of the movable member. A plurality of charged films formed alternately in the moving direction of the movable member on the two surfaces and charged to the same polarity with each other, and a plurality of counter electrodes arranged in the moving direction on the surface facing the movable member of the fixed substrate, And a charge having a polarity opposite to that of the plurality of charged films is induced in a region between the charged films on the first surface and the second surface of the movable member, whereby the first surface and the second surface In this aspect, the regions charged in opposite polarities are alternately arranged in the moving direction. Electromechanical transducer is provided to.
上記の電気機械変換器では、可動部材は誘電体で構成されていることが好ましい。 In the above electromechanical transducer, the movable member is preferably made of a dielectric.
上記の電気機械変換器では、複数の帯電膜は、可動部材の第1の面および第2の面において第1の面と第2の面とで移動方向に互い違いに形成された複数の溝部を満たすように形成されており、可動部材の第1の面および第2の面は、複数の帯電膜および複数の溝部による凹凸がない平坦面であることが好ましい。 In the electromechanical converter, the plurality of charged films include a plurality of grooves formed alternately in the moving direction between the first surface and the second surface on the first surface and the second surface of the movable member. The first surface and the second surface of the movable member are preferably flat surfaces that are free of irregularities due to the plurality of charging films and the plurality of groove portions.
上記の電気機械変換器は、可動部材を挟んで固定基板とは反対側に配置された第2の固定基板をさらに有し、複数の対向電極は、第2の固定基板の可動部材との対向面においても移動方向に配置されていることが好ましい。 The electromechanical converter further includes a second fixed substrate disposed on the opposite side of the fixed substrate across the movable member, and the plurality of counter electrodes are opposed to the movable member of the second fixed substrate. It is preferable to arrange in the movement direction also on the surface.
上記の電気機械変換器では、可動部材は、可動部材の中心を通る回転軸の周りに回転可能であり、複数の帯電膜と複数の対向電極は、それぞれ回転軸を中心として放射状に配置されていることが好ましい。 In the above electromechanical transducer, the movable member is rotatable around a rotation axis passing through the center of the movable member, and the plurality of charged films and the plurality of counter electrodes are radially arranged around the rotation axis. Preferably it is.
上記の電気機械変換器では、可動部材は、固定基板に平行な方向に往復移動可能なスライド板であり、複数の帯電膜と複数の対向電極は、それぞれ移動方向に垂直に延びる帯状の形状を有することが好ましい。 In the above electromechanical transducer, the movable member is a slide plate that can reciprocate in a direction parallel to the fixed substrate, and the plurality of charged films and the plurality of counter electrodes each have a strip shape extending perpendicularly to the moving direction. It is preferable to have.
上記の電気機械変換器は、極性が交互に切り替わる電圧を複数の対向電極に印加して、複数の帯電膜と複数の対向電極との間で発生する静電気力により可動部材を移動させる駆動部をさらに有することが好ましい。 The electromechanical converter includes a drive unit that applies a voltage whose polarity is alternately switched to the plurality of counter electrodes and moves the movable member by electrostatic force generated between the plurality of charged films and the plurality of counter electrodes. Furthermore, it is preferable to have.
上記の電気機械変換器は、可動部材の移動に応じて複数の帯電膜と複数の対向電極との間の静電誘導により発生した電力を蓄積する蓄電部をさらに有することが好ましい。 The electromechanical converter preferably further includes a power storage unit that accumulates electric power generated by electrostatic induction between the plurality of charged films and the plurality of counter electrodes according to the movement of the movable member.
また、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の製造方法であって、基板の第1の面および第1の面とは反対側の面である第2の面に、第1の面と第2の面とで互い違いになるように、相互に間隔を空けて、絶縁体による複数の薄膜領域を形成する工程と、基板を接地するとともに、複数の薄膜領域のそれぞれに対向するように放電用電極を配置して、放電用電極から基板に向けて放電により電子を放出させることで、複数の薄膜領域を同時に帯電させる工程と、複数の対向電極が配置された固定基板との間で一定の距離を保って移動可能なように、固定基板に対向させて基板を配置する工程とを有し、帯電させる工程により、基板の第1の面および第2の面における薄膜領域同士の間の領域に複数の薄膜領域とは反対の極性の電荷が誘起されて、第1の面および第2の面では互いに反対の極性に帯電した領域が交互に形成されることを特徴とする製造方法が提供される。 An electromechanical transducer manufacturing method that performs conversion between electric power and power using an electrostatic interaction between a charging unit and a counter electrode, the first surface of the substrate and the first surface of the substrate. A plurality of thin film regions made of an insulator are formed on the second surface, which is the surface opposite to the first surface, spaced apart from each other so that the first surface and the second surface are staggered. The step of grounding the substrate and disposing the discharge electrode so as to face each of the plurality of thin film regions and discharging electrons from the discharge electrode toward the substrate by discharging, thereby forming the plurality of thin film regions And charging with a step of charging at the same time and a step of arranging the substrate so as to face the fixed substrate so as to be movable at a fixed distance from the fixed substrate on which a plurality of counter electrodes are arranged. By the process, the thin film regions on the first surface and the second surface of the substrate Manufacturing in which charges having opposite polarities to a plurality of thin film regions are induced in a region between them, and regions charged to opposite polarities are alternately formed on the first surface and the second surface A method is provided.
上記の電気機械変換器によれば、帯電膜を正負の一方に帯電する材料で構成しながら、帯電膜を正に帯電する材料と負に帯電する材料とで構成した場合と同等に電気機械変換器の出力を向上させることができる。 According to the electromechanical converter described above, the electromechanical conversion is equivalent to the case where the charging film is made of a material that is positively charged and the material that is negatively charged while the charging film is made of a material that charges positively or negatively. The output of the vessel can be improved.
以下、図面を参照しつつ、電気機械変換器およびその製造方法を説明する。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。 Hereinafter, an electromechanical transducer and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings. However, it should be understood that the present invention is not limited to the drawings or the embodiments described below.
図1は、電気機械変換器1の概略構成図である。電気機械変換器1は、発電部10および蓄電部20を有する。発電部10は、回転軸11、回転部材12、固定基板13、帯電膜14および対向電極15,16を有する。図1では、発電部10として、固定基板13の上面と回転部材12の下面を並べて示している。電気機械変換器1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、回転部材12と対向電極15,16との間の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器)である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electromechanical converter 1. The electromechanical converter 1 includes a
図2は、発電部10の斜視図である。図3は、回転軸11を中心とする円周方向に沿った発電部10の部分断面図である。図2および図3に示すように、発電部10は、互いに平行に配置された回転部材12および固定基板13で構成される。回転部材12と固定基板13の間には、一定の間隔が空けられている。図3では、簡単のために、図の横方向が回転部材12および固定基板13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。
FIG. 2 is a perspective view of the
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。なお、図3では回転軸11の図示を省略している。
The
回転部材12は、可動部材の一例であり、例えばシリコン基板またはガラスエポキシ基板などの周知の基板材料で構成される。回転部材12の材質は、金属よりも誘電体である方が好ましい。図2に示すように、回転部材12は、例えば円板状の形状を有し、その中心で回転軸11に接続している。発電部10では、例えば回転部材12か、または回転部材12とは別々に、重量バランスの偏りを有する回転錘が取り付けられる。回転部材12は、電気機械変換器1を携帯する人体の運動または電気機械変換器1が取り付けられた機械などの振動を動力源として、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)に回転可能である。すなわち、回転部材12は、固定基板13との間で一定の距離を保って移動可能である。
The rotating
図4は、回転錘18の配置例を示す電気機械変換器1の断面図である。図4では、回転部材12を回転させるための回転錘18が、電気機械変換器1の筐体内で回転部材12とは別に配置された場合の例を示している。図示した例では、回転錘18は、電気機械変換器1の筐体内に設けられた回転軸11とは別の回転軸11’に取り付けられている。この場合、回転軸11には歯車19が、回転軸11’には歯車(増速輪列)19’がそれぞれ取り付けられ、歯車19と歯車19’とが連結している。これにより、回転錘18の回転運動が歯車19’を介して歯車19に伝達して、回転部材12を回転させることができる。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the electromechanical transducer 1 showing an arrangement example of the
固定基板13は、ガラスエポキシ基板などの周知の基板材料で構成される。図2に示すように、固定基板13は、例えば円板状の形状を有し、回転部材12の下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13は、回転部材12とは異なり、図示しない電気機械変換器1の筐体に固定されている。
The fixed
帯電膜14は、エレクトレット材料で構成された薄膜であり、回転軸11の周辺の中央部分を除いて、回転部材12の上下面に、回転軸11を中心として放射状に形成されている。帯電膜14は、円周方向に間隔を空けて形成された矩形または略台形の複数の部分領域で構成され、すべて同一の極性に帯電している。以下では、帯電膜14は負に帯電しているものとして説明する。帯電膜14のエレクトレット材料としては、例えば、CYTOP(登録商標)に代表されるフッ素樹脂などの樹脂材料、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリスチレン(PS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニルデンジフルオライド(PVDF)もしくはポリビニルフルオライド(PVF)などの高分子材料、または、シリコン酸化物(SiO2)もしくはシリコン窒化物(SiN)などの無機材料が用いられる。
The charging
帯電膜14は、固定基板13との対向面である回転部材12の下面(第1の面)と、その対向面とは反対側の面である回転部材12の上面(第2の面)とにおいて、互いに1ピッチ分ずつずれて配置されている。すなわち、回転部材12の下面で帯電膜14が配置された円周方向の位置における回転部材12の上面には、帯電膜14は配置されておらず、同様に、回転部材12の上面で帯電膜14が配置された円周方向の位置における回転部材12の下面にも、帯電膜14は配置されていない。言い換えると、帯電膜14は、回転部材12の下面と上面とで、回転部材12の回転方向に互い違いに形成されている。
The charging
図3に示すように、帯電膜14の表面には負の電荷が集中し、回転部材12に接している側の帯電膜14の面には正の電荷が誘起される。これにより、回転部材12でも、帯電膜14に接している側の面には負の電荷が誘起され、帯電膜14とは反対側の面には正の電荷が誘起される。このため、負に帯電した帯電膜14を回転部材12の片面に配置すると、その基板の裏面には正の電荷が誘起される。回転部材12を誘電体で構成することにより、回転部材12の帯電膜14とは反対側の表面に、帯電膜14とは反対の極性の電荷が誘起され、その反対側の表面が帯電膜14とは反対の電位になる。したがって、負に帯電する1種類の帯電材料だけで、正に帯電した帯電膜と負に帯電した帯電膜とを両方作製したのと同じ状態を実現することができる。
As shown in FIG. 3, negative charges are concentrated on the surface of the charging
このように、回転部材12では、上下面における帯電膜14同士の間の矩形または略台形の領域121に、帯電膜14とは反対である正の電荷が誘起される。回転部材12では、負に帯電した帯電膜14が上面と下面において円周方向に交互に配置されており、正の電荷が誘起される帯電膜14以外の領域121も、上面と下面において円周方向に交互に配置されている。このため、回転部材12の上下面には、それぞれ、互いに反対の極性に帯電した正の帯電領域121と負の帯電膜14とが円周方向に交互に配置されている。さらに、それらの配置は、上面と下面で1ピッチ分(矩形または略台形の領域1個分)ずれている。
As described above, in the rotating
対向電極15,16は、それぞれ矩形または略台形の複数の電極で構成され、固定基板13の上面(回転部材12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15同士および対向電極16同士は、帯電膜14と同様に、円周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15および対向電極16の幅は同じであり、その大きさは帯電膜14の幅と同じかほぼ同じであることが好ましい。また、回転部材12の片面における帯電膜14の個数、対向電極15の個数、および対向電極16の個数も、同じであることが好ましい。
The
回転部材12が回転すると、それに伴い、回転部材12の下面における正の帯電領域121および負の帯電膜14と、対向電極15,16との間の重なり面積が増減する。このため、正の帯電領域121および負の帯電膜14が作る電界により対向電極15,16に引き寄せられる電荷が、回転部材12の回転に伴い増減する。発電部10は、このようにして、対向電極15と対向電極16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。
When the rotating
蓄電部20は、整流回路21および二次電池22を有し、回転部材12の回転に応じて帯電領域121および帯電膜14と対向電極15,16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15,16からの出力は整流回路21に接続され、整流回路21は二次電池22に接続されている。整流回路21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15と対向電極16の間で生成された電流を整流する。二次電池22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10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。
The
図5は、帯電膜14の帯電方法を説明するための図である。発電部10(電気機械変換器1)の製造時には、まず、回転部材12となる誘電体基板の上下面に、上面と下面とで互い違いになるように、相互に間隔を空けて、絶縁体による複数の薄膜領域14’が形成される。その際、誘電体基板の上下面に帯電用の電極を形成し、その上に、帯電膜14となる薄膜領域14’として、例えば樹脂膜を形成してもよい。その上で、図5に示すように、誘電体基板(回転部材12)が接地され、誘電体基板の上下面の各薄膜領域14’に対向するように放電用電極(針電極)91が配置される。そして、高電圧電源90により、各放電用電極91に例えば数千V程度の高電圧が掛けられる。
FIG. 5 is a diagram for explaining a charging method of the charging
すると、放電用電極91から誘電体基板に向けてコロナ放電により電子が放出されるので、その電子により、誘電体基板の上下面の薄膜領域14’が同時に負に帯電して帯電膜14になる。また、薄膜領域14’の帯電に伴い、誘電体基板の上下面における薄膜領域14’同士の間の領域121には、帯電膜14とは反対の極性である正の電荷が誘起される。このため、誘電体基板の上下面では、互いに反対の極性に帯電した領域(帯電領域121と帯電膜14)が交互に形成される。その上で、対向電極15,16が配置された固定基板13との間で一定の距離を保って回転可能なように、固定基板13に対向させて、誘電体基板が回転軸11に固定される。以上の工程により、図1に示す発電部10が完成し、さらに対向電極15,16を蓄電部20に電気的に接続すれば、電気機械変換器1が完成する。
Then, since electrons are emitted from the discharge electrode 91 toward the dielectric substrate by corona discharge, the
なお、図5に示す帯電工程は、回転部材12の片面ずつ行ってもよい。ただし、帯電を片面ずつ行うと、先に帯電させた一方の面における帯電膜14の電荷の一部が、次の帯電処理の影響を受けて抜ける可能性がある。このため、回転部材12の両面の帯電膜14を同時に帯電させた方が、帯電膜14の電位をより大きく維持できるので好ましい。
Note that the charging step shown in FIG. 5 may be performed on each side of the rotating
図11(A)および図11(B)は、それぞれ、比較例の発電部と発電部10の出力波形の差異を示す図である。図11(A)は、回転部材12の上面側の帯電部14がなくそれ以外は発電部10と同一の構成を有する発電部の対向電極15,16からの電圧Vの出力波形を示し、図11(B)は、発電部10の対向電極15,16からの電圧Vの出力波形を示す。
FIG. 11A and FIG. 11B are diagrams showing differences in output waveforms between the power generation unit and the
比較例の発電部では、帯電膜14が回転部材12の下面(固定基板13との対向面)のみに形成されており、上記の正の帯電領域121に相当するものがないので、接地電位と負電位の領域で静電誘導が発生する。このため、比較例の発電部からの出力電圧の波形は図11(A)に示すようになる。この場合、発電部からの発電出力は、帯電膜14の負電位と、接地電位(帯電膜14同士の間の領域の電位)との電位差に応じた大きさになる。
In the power generation unit of the comparative example, the charging
一方、発電部10では、上記の比較例で接地電位であった帯電膜14同士の間の領域121が正電位になって、正電位と負電位の領域で静電誘導が発生する。このため、発電部10からの出力電圧の波形は図11(B)に示すようになる。発電部10の発電出力は、帯電膜14の負電位と領域121の正電位との電位差に応じた大きさになり、発電部10からの出力波形の幅A2は、比較例の発電部からの出力波形の幅A1よりも大きい。したがって、発電部10を有する電気機械変換器1では、比較例の発電部を有する電気機械変換器と比べて静電誘導の電位差が大きくなり、発電出力が向上する。
On the other hand, in the
また、電気機械変換器1では、負に帯電する材料だけで正の帯電領域121を形成することができるため、帯電材料はどちらかの一方の極性に帯電するものだけでよく、帯電膜14を形成する工程が簡略化される。なお、領域121に誘起される正電荷の量を増やし電位を高くするためには、回転部材12となる誘電体基板の厚さは、必要な強度が確保される範囲内でなるべく薄い方が好ましい。
Further, in the electromechanical converter 1, since the positively charged
図6は、別の回転部材12’の部分断面図である。回転部材12’は図2の回転部材12と同様に円板状の形状を有し、図6でも、図3と同様に、図の横方向が回転部材12’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。
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of another rotating member 12 '. The rotating
回転部材12’の上下面には、回転部材12と同様に、それぞれ、互いに反対の極性に帯電した正の帯電領域121と負の帯電膜14とが円周方向に交互に配置されており、それらの配置は、上面と下面で1ピッチ分ずれている。ただし、回転部材12は平坦な基板であり、その上下面に帯電膜14が帯電膜14の厚さ分だけ突出しているのに対し、回転部材12’では、その上下面に帯電膜14用の複数の溝部が形成されており、溝部以外の回転部材12の表面と帯電膜14の露出面が同一平面になっている。より詳細には、回転部材12’の上下面には、その上面と下面とで円周方向に互い違いに複数の溝部が形成されており、回転部材12’の帯電膜14は、それらの溝部を満たすように形成されている。このため、回転部材12’の上下面は、帯電膜14およびそれらの溝部による凹凸がない平坦面である。
On the upper and lower surfaces of the rotating
このように、帯電膜14を回転部材に埋め込んで、回転部材12’の上下面を平坦面にしてもよい。その場合、回転部材12’の上下面で各溝部の深さを同じにしてもよく、例えば、各溝部の深さを回転部材12’の厚さの1/2程度として、上下面の溝部の底面をほぼ同じ高さに揃えてもよい。あるいは、固定基板13との対向面である回転部材12’の下面側の領域121に誘起される正電荷を増やすために、回転部材12’の下面側よりも、固定基板13とは反対側である上面側の溝部を深くすることで、上面側の帯電膜14の底面を固定基板13に近付けてもよい。
As described above, the charging
回転部材の厚さを同じとすれば、回転部材12よりも回転部材12’の方が、溝部の分だけ帯電膜14とその反対側における回転部材の表面との距離が近くなるため、その分、領域121に誘起される正電荷の量が多くなる。したがって、回転部材12’を用いると、回転部材12を用いた場合よりも、帯電膜14の負電位と帯電領域121の正電位との電位差が大きくなって、発電出力がさらに向上する。また、帯電膜14を回転部材の表面に突出させるよりも回転部材内に埋め込んだ方が、回転部材の表面の平坦度が上がるので、回転部材12’の方が、安定して固定基板13との間の距離を縮められる。回転部材と固定基板13とを近付けた方がそれらの間に発生する電圧が高くなるので、この点でも回転部材12’の方が好ましい。また、回転部材12’では、帯電膜14による表面の凸凹がないため、高速で回転したときでも空気抵抗が少ないという利点もある。
If the thickness of the rotating member is the same, the rotating member 12 'is closer to the surface of the rotating member on the opposite side of the charging
図7は、別の発電部10’の部分断面図である。発電部10’は、上記した発電部10のものと同じ回転軸11(図7では図示せず)、回転部材12、固定基板13、帯電膜14および対向電極15,16に加えて、固定基板17を有する。図7は、図3と同様に、図の横方向が回転部材12および固定基板13,17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。
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of another
固定基板17は、固定基板13と同じものであり、回転部材12を挟んで固定基板13と上下対称になるように、回転部材12の上側に配置されている。固定基板17にも、固定基板13と同様に、対向電極15,16が円周方向に交互に形成されている。発電部10’のように、回転部材12の一方の面(下面)だけでなく他方の面(上面)にも対向電極15,16が対向するように、第2の固定基板である固定基板17を配置してもよい。これにより、発電部10と比べて、発電量を容易に増やすことができる。
The fixed
図1に示した電気機械変換器1の発電部10では、固定基板13に形成された2組の対向電極15,16から発電電流が取り出される。電気機械変換器1の形態は、静止している固定基板13上の電極のみから電流を取り出せばよく、回転する回転部材12との電気的接続が不要であるため、便利である。ただし、このような形態に限らず、回転部材12と固定基板13の両方を蓄電部20に電気的に接続して発電電流を取り出してもよいので、この場合の例を次に説明する。
In the
図8は、別の電気機械変換器1’の概略構成図である。電気機械変換器1’の発電部10’’は、図1の発電部10と同様の構成を有するが、回転部材12が蓄電部20に電気的に接続されている点と、固定基板13上には1組の対向電極15のみが形成されている点が発電部10とは異なる。発電部10’’では、回転軸11は導電部材で構成され、帯電膜14を構成する矩形または略台形の各部分領域は、電気接点を介して回転軸11に接続されている。電気機械変換器1’では、蓄電部20が回転軸11と対向電極15に電気的に接続されており、それらを介して発電電流が取り出される。なお、帯電膜14の各部分領域を1つずつ回転軸11に接続するのではなく、部分領域同士を連結配線した上で、その連結配線を回転軸11に接続してもよい。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of another electromechanical transducer 1 ′. The
図9は、さらに別の電気機械変換器2の概略構成図である。電気機械変換器2は、アクチュエータ30および駆動部40を有し、アクチュエータ30は、電気機械変換器1の発電部10と同一の構成を有する。アクチュエータ30でも、回転部材12の上下面には、それぞれ、正の帯電領域121と負の帯電膜14とが円周方向に交互に配置されており、それらの配置は、上面と下面で1ピッチ分ずれている。また、アクチュエータ30の対向電極15,16は、それぞれ電気配線を介して駆動部40に接続されている。電気機械変換器2は、駆動部40に入力された電気信号をもとに、回転部材12と対向電極15,16との間で発生する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。
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of still another
駆動部40は、アクチュエータ30を駆動するための回路であり、クロック41および比較器42,43を有する。駆動部40は、極性が交互に切り替わる交番電圧を対向電極15,16に印加して、回転部材12の帯電領域121および帯電膜14と、固定基板13の対向電極15,16との間で発生する静電気力により、回転部材12を回転させる。
The
図9に示すように、クロック41の出力は比較器42,43の入力に接続され、比較器42の出力は対向電極15に、比較器43の出力は対向電極16に、それぞれ電気配線を介して接続されている。比較器42,43は、それぞれクロック41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42,43の出力信号は互いに逆の符号である。クロック41からの入力信号がHのときには、対向電極15は+V、対向電極16は−Vの電位になり、入力信号がLのときには、対向電極15は−V、対向電極16は+Vの電位になる。
As shown in FIG. 9, the output of the clock 41 is connected to the inputs of the
駆動部40は、アクチュエータ30の駆動時に、一方の対向電極15に帯電膜14の帯電と同じ符号の電圧を印加し、他方の対向電極16に帯電膜14の帯電とは異なる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。このように電圧が印加されると、帯電領域121および帯電膜14が作る電界と対向電極15,16が作る電界との相互作用により、帯電領域121および帯電膜14と対向電極15,16との間に引力または斥力が発生する。駆動部40が交番電圧を対向電極15,16に印加することにより、回転部材12には連続した力が加わるため、回転部材12を回転させることができる。
When the
アクチュエータ30を有する電気機械変換器2でも、帯電膜14同士の間の領域121が正電位になって、そこでも対向電極15,16との間で静電気力が発生する。このため、電気機械変換器2では、例えば帯電膜14が回転部材12の下面(固定基板13との対向面)のみに形成され上記の正の帯電領域121に相当するものがないアクチュエータを有する比較例の電気機械変換器の場合よりも、発生する駆動力(回転トルク)が大きくなる。言い換えると、電気機械変換器2では、こうした比較例の電気機械変換器よりも低い印加電圧であっても、その比較例の電気機械変換器と同じ大きさの回転トルクが得られるという効果もある。すなわち、電気機械変換器2は、比較例の電気機械変換器よりも低消電で駆動できるため、小さい容量の電池で駆動する腕時計などの電子機器への適用に適している。
Even in the
なお、電気機械変換器2のアクチュエータ30でも、回転部材12を図6の回転部材12’に代えてもよいし、図7の発電部10’と同様に、回転部材12を挟んで固定基板13とは反対側にも、対向電極15,16を有する第2の固定基板を配置してもよい。
In the
図10(A)〜図10(C)は、さらに別の電気機械変換器3の概略構成図である。図10(A)に示すように、電気機械変換器3は、アクチュエータ50および駆動部40を有する。アクチュエータ50は、筐体51、スライド板52、固定基板53、帯電膜54および対向電極55,56を有する。図10(B)および図10(C)は、対向電極55,56の配置およびスライド板52の移動方向を示す平面図である。
FIGS. 10A to 10C are schematic configuration diagrams of still another
電気機械変換器3は、駆動部40に入力された電気信号をもとに、スライド板52と対向電極55,56との間で発生する静電気力を利用して、スライド板52を往復移動させることにより、電力から動力を取り出す駆動装置である。電気機械変換器の可動部材は、電気機械変換器1,1’,2の回転部材12のように回転するものに限らず、電気機械変換器3のスライド板52のようにスライド移動するものであってもよい。
The
スライド板52は、可動部材の一例であり、例えばシリコン基板またはガラスエポキシ基板などの周知の基板材料で構成され、図示しない可動支持部により筐体51内に支持されている。スライド板52の材質も、回転部材12と同様に、金属よりも誘電体である方が好ましい。また、固定基板53は、箱型の筐体51の底面に配置されている。スライド板52は、固定基板53との間で一定の距離を保って、固定基板53に平行な方向(水平方向、矢印A方向)に往復移動可能である。
The
帯電膜54は、エレクトレット材料で構成されすべて同一の極性(例えば負)に帯電した薄膜であり、スライド板52の移動方向と直交する方向に延び、かつスライド板52の移動方向に等間隔に配置された複数の帯状(直線状)の領域で構成される。帯電膜54は、スライド板52の上下面において、互いに1ピッチ分ずつずれて(すなわち、スライド板52の移動方向に互い違いに)形成されている。帯電膜54の極性を負とすれば、スライド板52の材質を誘電体にすることにより、スライド板52の上下面における帯電膜54同士の間の帯状の領域521には、帯電膜54とは反対である正の電荷が誘起される。このため、アクチュエータ50でも、スライド板52の上下面には、それぞれ、正の帯電領域521と負の帯電膜54とが矢印A方向に交互に配置されており、それらの配置は、上面と下面で1ピッチ分ずれている。
The charging
対向電極55,56は、それぞれスライド板52の移動方向と直交する方向に延びる複数の帯状の電極で構成され、固定基板53の上面において、スライド板52の移動方向に交互に形成されている。対向電極55同士および対向電極56同士はそれぞれ等間隔に配置されており、それらの幅は同じであることが好ましい。また、対向電極55,56の幅は、帯電膜54の幅と同じかほぼ同じであることが好ましく、スライド板52の片面における帯電膜54の個数、対向電極55の個数、および対向電極56の個数も、同じであることが好ましい。
The
駆動部40は、アクチュエータ50を駆動するための回路であり、対向電極55,56に電気配線を介して接続されている。駆動部40は、電気機械変換器2のものと同様の構成を有し、極性が交互に切り替わる電圧を対向電極55,56に印加することにより、図10(B)および図10(C)に示すように、スライド板52を筐体51内で水平方向(矢印A方向)にスライド移動させる。
The
アクチュエータ50を有する電気機械変換器3でも、帯電膜54同士の間の領域521が正電位になって、そこでも対向電極15,16との間で静電気力が発生する。このため、電気機械変換器3では、帯電膜54をスライド板52の下面(固定基板53との対向面)のみに形成したり、帯電膜54をスライド板52の上下面における矢印A方向の同じ位置に形成したりしたアクチュエータを有する電気機械変換器の場合よりも、発生する駆動力が大きくなる。
Even in the
なお、電気機械変換器3のアクチュエータ50でも、スライド板52に帯電膜54用の複数の溝部を形成し、それらの溝部を満たすように帯電膜54を形成して、帯電膜54をスライド板52の上下面を帯電膜54およびそれらの溝部による凹凸がない平坦面にしてもよい。また、図7の発電部10’と同様に、筐体51の上面にも、スライド板52の上面に対向するように対向電極55,56を配置して、それらの対向電極55,56も駆動部40に電気的に接続してもよい。また、電気機械変換器3の駆動部40を電気機械変換器1の蓄電部20に代え、外部環境の運動エネルギーを用いてスライド板52を矢印A方向にスライド移動させることで、スライド板52と対向電極55,56との間の静電誘導により静電気を発生させて動力から電力を取り出す発電装置を構成してもよい。
In the actuator 50 of the
1,1’,2,3 電気機械変換器
10,10’,10’’ 発電部
11,11’ 回転軸
12,12’ 回転部材
13,17,53 固定基板
14,54 帯電膜
15,16,55,56 対向電極
20 蓄電部
30,50 アクチュエータ
40 駆動部
52 スライド板
1, 1 ′, 2, 3
Claims (9)
固定基板と、
前記固定基板との間で一定の距離を保って移動可能な可動部材と、
前記可動部材の前記固定基板との対向面である第1の面および前記可動部材の前記対向面とは反対側の面である第2の面において、前記第1の面と前記第2の面とで前記可動部材の移動方向に互い違いに形成され、かつ互いに同じ極性に帯電した複数の帯電膜と、
前記固定基板の前記可動部材との対向面において前記移動方向に配置された複数の対向電極と、を有し、
前記可動部材の前記第1の面および前記第2の面における前記帯電膜同士の間の領域に前記複数の帯電膜とは反対の極性の電荷が誘起されることで、前記第1の面および前記第2の面では互いに反対の極性に帯電した領域が前記移動方向に交互に配置されている、
ことを特徴とする電気機械変換器。 An electromechanical converter that performs conversion between electric power and power using electrostatic interaction between a charging unit and a counter electrode,
A fixed substrate;
A movable member movable with a fixed distance from the fixed substrate;
The first surface and the second surface are a first surface that is a surface facing the fixed substrate of the movable member and a second surface that is a surface opposite to the facing surface of the movable member. And a plurality of charged films that are alternately formed in the moving direction of the movable member and are charged to the same polarity.
A plurality of counter electrodes arranged in the moving direction on a surface of the fixed substrate facing the movable member;
A charge having a polarity opposite to that of the plurality of charged films is induced in a region between the charged films on the first surface and the second surface of the movable member, whereby the first surface and In the second surface, regions charged in opposite polarities are alternately arranged in the moving direction.
An electromechanical converter characterized by that.
前記可動部材の前記第1の面および前記第2の面は、前記複数の帯電膜および前記複数の溝部による凹凸がない平坦面である、請求項1または2に記載の電気機械変換器。 The plurality of charged films satisfy a plurality of grooves formed alternately in the moving direction between the first surface and the second surface on the first surface and the second surface of the movable member. Is formed as
3. The electromechanical converter according to claim 1, wherein the first surface and the second surface of the movable member are flat surfaces that are free from unevenness due to the plurality of charging films and the plurality of groove portions.
前記複数の対向電極は、前記第2の固定基板の前記可動部材との対向面においても前記移動方向に配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電気機械変換器。 A second fixed substrate disposed on the opposite side of the fixed substrate across the movable member;
The electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of counter electrodes are arranged in the moving direction also on a surface of the second fixed substrate facing the movable member.
前記複数の帯電膜と前記複数の対向電極は、それぞれ前記回転軸を中心として放射状に配置されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電気機械変換器。 The movable member is rotatable about a rotation axis passing through a center of the movable member;
5. The electromechanical converter according to claim 1, wherein the plurality of charged films and the plurality of counter electrodes are arranged radially around the rotation axis.
前記複数の帯電膜と前記複数の対向電極は、それぞれ前記移動方向に垂直に延びる帯状の形状を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電気機械変換器。 The movable member is a slide plate capable of reciprocating in a direction parallel to the fixed substrate;
5. The electromechanical converter according to claim 1, wherein each of the plurality of charged films and the plurality of counter electrodes has a strip shape extending perpendicularly to the moving direction. 6.
基板の第1の面および前記第1の面とは反対側の面である第2の面に、前記第1の面と前記第2の面とで互い違いになるように、相互に間隔を空けて、絶縁体による複数の薄膜領域を形成する工程と、
前記基板を接地するとともに、前記複数の薄膜領域のそれぞれに対向するように放電用電極を配置して、前記放電用電極から前記基板に向けて放電により電子を放出させることで、前記複数の薄膜領域を同時に帯電させる工程と、
複数の対向電極が配置された固定基板との間で一定の距離を保って移動可能なように、前記固定基板に対向させて前記基板を配置する工程と、を有し、
前記帯電させる工程により、前記基板の前記第1の面および前記第2の面における前記薄膜領域同士の間の領域に前記複数の薄膜領域とは反対の極性の電荷が誘起されて、前記第1の面および前記第2の面では互いに反対の極性に帯電した領域が交互に形成される、
ことを特徴とする製造方法。 A method of manufacturing an electromechanical converter that performs conversion between electric power and power using electrostatic interaction between a charging unit and a counter electrode,
The first surface of the substrate and the second surface that is the surface opposite to the first surface are spaced apart from each other so that the first surface and the second surface are staggered. Forming a plurality of thin film regions by an insulator; and
The plurality of thin films are grounded by disposing an electrode for discharge so as to face each of the plurality of thin film regions and discharging electrons from the discharge electrode toward the substrate by discharging. Charging the region simultaneously,
Arranging the substrate so as to face the fixed substrate so as to be movable with a fixed distance between the fixed substrate on which a plurality of counter electrodes are arranged, and
The charging step induces a charge having a polarity opposite to that of the plurality of thin film regions in a region between the thin film regions on the first surface and the second surface of the substrate. In the surface and the second surface, regions charged in opposite polarities are alternately formed.
The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
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