JP2020108278A - 回転部材、およびそれを備える電気機械変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】表と裏が簡易に判別可能な回転部材、およびそれを備える電気機械変換器を提供する。【解決手段】回転部材は、電気機械変換器に用いられる回転部材であって、固定基板の対向電極と対向するように配置される帯電領域であって、対向電極と帯電領域との間の静電気力を利用して電力と動力の間の変換を行うことに利用される有効帯電領域と、回転部材の中央部に設けられた軸孔と、有効帯電領域より内周側の中央領域において、軸孔の周囲に配置された少なくとも一つの開口部と、を有し、少なくとも一つの開口部で構成される図形は、回転部材が軸孔を中心とする回転動作を行っても、軸孔の中心を通る任意の基準線に対して常に左右非対称である。【選択図】図３

Description

本発明は、回転部材、およびそれを備える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、金属などの導体基板を備える円板形状の回転子と、エレクトレットを備える円板形状の固定子とが対向して略平行に配置された発電機が記載されている。特許文献２には、円環状の基板上にエレクトレットからなる複数のパターン電極が形成されたロータと、別のパターン電極が形成されたステータとが互いに対向して配置された静電電動機が記載されている。特許文献３には、静電誘導型発電器の回転部材として、所定角度毎に帯電膜と帯電膜が設置されていない間隔部とが交互に配置されたものが記載されている。こうした電気機械変換器では、例えば、可動部材（回転子、ロータ）に複数の帯電領域が形成され、固定基板（固定子、ステータ）に複数の対向電極が形成される。

特許文献４には、エレクトレット膜の側端面の周囲を取り囲むように形成され、エレクトレット膜に蓄積された電荷が流出するのを抑制する電荷流出抑制膜を備えるエレクトレット素子が記載されている。特許文献５には、導体と相対的に運動するエレクトレットと、エレクトレットを覆う防湿膜とを備える静電誘導型変換素子が記載されている。特許文献６には、基板上でエレクトレット膜が形成されていない領域に導電性電極を有し、エレクトレット膜と導電性電極との間に凹構造を有することで、エレクトレット膜に保持された電荷の導電性電極への流出を防止するエレクトレット素子が記載されている。

特開２０１３−６４９２１号公報 特開２０１６−４６８３７号公報 特開２０１７−２８９１０号公報 特開２００８−２７７４７３号公報 特開２０１１−９１９９６号公報 特開２０１４−２１７１７８号公報

電気機械変換器に用いられる回転部材は、その製造方法によっては、表と裏で特性が異なることがある。例えば、プレス加工によって形成された回転部材は、プレス加工により生じる回転部材の反りおよびカエリによって帯電特性に表裏差が生じる。したがって、回転部材を電気機械変換器に組み込む際は、回転部材の表と裏が正しく判別される必要がある。しかし、回転部材は、概ね表裏が同一の円形状を有することが一般的であるため、表と裏を簡易に判別することは難しい。

本発明は、表と裏が簡易に判別可能な回転部材、およびそれを備える電気機械変換器を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態に係る回転部材は、電気機械変換器に用いられる回転部材であって、固定基板の対向電極と対向するように配置される帯電領域であって、対向電極と帯電領域との間の静電気力を利用して電力と動力の間の変換を行うことに利用される有効帯電領域と、回転部材の中央部に設けられた軸孔と、有効帯電領域より内周側の中央領域において、軸孔の周囲に配置された少なくとも一つの開口部と、を有し、少なくとも一つの開口部で構成される図形は、回転部材が軸孔を中心とする回転動作を行っても、軸孔の中心を通る任意の基準線に対して常に左右非対称であることを特徴とする。

本発明の一つの実施形態に係る電気機械変換器は、上記の回転部材と固定基板とを備えることを特徴とする。

本発明は、表と裏が簡易に判別可能な回転部材、およびそれを備える電気機械変換器を提供することができる。

電気機械変換器の概略構成図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、アクチュエータの模式的な斜視図および部分断面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、花弁型の回転部材の例を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、車輪型の回転部材の例を示す図である。 回転部材の中央領域に設けられる少なくとも一つの開口部の例を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、別のアクチュエータおよびそれに用いられる回転部材の例を示す部分断面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、被覆層の配置の例を示す部分断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、被覆層の配置と帯電時の効果を説明するための図である。 別の電気機械変換器の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ、回転部材、およびそれを備える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、有効帯電領域１４および対向電極１５，１６を有する。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、有効帯電領域１４と対向電極１５，１６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（Ａ）および図２（Ｂ）は、それぞれ、アクチュエータ１０の模式的な斜視図および部分断面図である。図２（Ａ）に示すように、アクチュエータ１０は、回転軸１１の周りに回転可能な回転部材１２の下面１２２と固定基板１３の上面１３１とを対向させ、両者を平行に配置して構成される。図２（Ｂ）では、回転部材１２および固定基板１３を円周方向に切断した断面を示しており、図２（Ｂ）の横方向が図２（Ａ）の矢印Ｃ方向に相当する。図１では、アクチュエータ１０として、回転部材１２の下面１２２と固定基板１３の上面１３１を並べて示している。

回転軸１１は、回転部材１２の回転中心となる軸であり、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。

回転部材１２は、可動部材の一例であり、金属、ステンレス鋼（ＳＵＳ：special use stainless steel）、ガラスまたはシリコンなどで構成される。軽量化のために、回転部材１２の基材はアルミニウムまたはその合金であることが好ましい。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は、例えば円盤形状を有し、その中心で回転軸１１に接続している。回転部材１２は、駆動部２０に入力された電気信号に応じて有効帯電領域１４と対向電極１５，１６との間で発生する静電気力により、回転軸１１の周りを図２（Ａ）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。

図２（Ｂ）に示すように、回転部材１２には、軽量化のために、円周方向（回転部材１２の回転方向、移動方向、矢印Ｃ方向）に沿って等間隔に、複数の溝部１２４が形成されている。図示した例では、溝部１２４は、回転部材１２を厚さ方向に貫通している。

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（Ａ）に示すように、固定基板１３は、例えば円盤形状を有し、回転部材１２の下面１２２に対向して回転部材１２の下側に配置されている。回転軸１１が固定基板１３の中心を貫通しているが、固定基板１３は、回転部材１２とは異なり、電気機械変換器１の筐体に固定されている。

有効帯電領域１４は、エレクトレット材料で構成された薄膜であり、固定基板１３との対向面である回転部材１２の下面１２２に、回転軸１１の周囲の中央領域を除いて、放射状に形成されている。有効帯電領域１４は、溝部１２４同士の間を覆う略台形の複数の部分領域で構成され、回転部材１２の円周方向に溝部１２４と交互かつ等間隔に配置されている。有効帯電領域１４は、静電荷を保持し、すべて同一の極性（例えば負）に帯電している。有効帯電領域１４のエレクトレット材料としては、例えば、ＣＹＴＯＰ（登録商標）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）もしくはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの高分子材料、または、二酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素などの無機材料が用いられる。有効帯電領域１４の厚さは、例えば１５〜４０μｍ程度である。

対向電極１５，１６は、それぞれ略台形の複数の電極で構成され、回転部材１２との対向面である固定基板１３の上面１３１において、円周方向に交互に、かつ回転軸１１を中心として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、回転部材１２の溝部１２４および有効帯電領域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、その大きさは溝部１２４および有効帯電領域１４の幅と同じかほぼ同じであることが好ましい。また、有効帯電領域１４、対向電極１５および対向電極１６の個数も同じであることが好ましい。

被覆層１９は、空気中の湿気により有効帯電領域１４の帯電量が低下するのを防ぐための保護層であり、図２（Ｂ）に示すように、溝部１２４内における回転部材１２の側壁、すなわち、有効帯電領域１４が形成された回転部材１２の下面１２２に接する溝部１２４の側面を被覆する。被覆層１９は回転部材１２の厚さ方向の全体にわたって溝部１２４内の側壁を覆い、有効帯電領域１４は回転部材１２の下面１２２において溝部１２４の縁まで広がっているため、有効帯電領域１４と被覆層１９の間では、回転部材１２の基材は露出していない。

被覆層１９の少なくとも表面は、金属の酸化物や樹脂などの絶縁物で構成される。被覆層１９は、例えば樹脂材料で構成され、その厚さ方向の全体が絶縁層であってもよいし、あるいは金属材料で構成され、その表面が酸化されることで表面だけが絶縁層になっていてもよい。すなわち、被覆層１９は単層でもよいし、表面の絶縁層とその下にある別の層との複数層で構成されるものでもよい。一例として、被覆層１９は銅または銅を含有する材料で構成され、少なくともその表面が酸化銅になっている。この場合、被覆層１９は、厚さ方向の全体が酸化銅であってもよいし、銅層（金属層）と酸化銅層（絶縁層）の２層になっていてもよい。溝部１２４内の側壁を面状に覆うには少なくとも０．２μｍ以上の膜厚が必要であるため、被覆層１９の絶縁層の厚さは、０．２μｍ以上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。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１５に、比較器２３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。

駆動部２０は、アクチュエータ１０の駆動時に、一方の対向電極１５には有効帯電領域１４の静電荷と同じ符号の電圧を印加し、他方の対向電極１６には有効帯電領域１４の静電荷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、有効帯電領域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、有効帯電領域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２０は、極性が交互に切り替わる電圧を対向電極１５，１６に印加することで、有効帯電領域１４と対向電極１５，１６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。

図３（Ａ）は、花弁型の回転部材１２Ａの例を示す平面図であり、図３（Ｂ）は、花弁型の回転部材１２Ａの例を示す断面図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）では、花弁型の回転部材１２Ａについて、有効帯電領域１４が形成されている下面（図２（Ａ）の下面１２２）を示している。図３（Ｂ）では、図３（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った回転部材１２Ａの断面を示している。図３（Ｂ）では、図の下側が回転部材の上面１２１であり、図の上側が回転部材の下面１２２に相当する。回転部材１２Ａの中央部に設けられた軸孔１２０には、図２（Ａ）に示した回転軸１１が取り付けられる。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示す回転部材１２Ａは、その面内で軸孔１２０を中心として放射状に突出する略台形の２４本の突出部１２３Ａを有する。突出部１２３Ａは、互いに同じ形状および大きさを有し、回転部材１２Ａの円周方向に等間隔に配置されている。突出部１２３Ａ同士の間には、回転部材１２Ａを厚さ方向に貫通する溝部１２４Ａが形成されており、これが図２（Ｂ）の溝部１２４に相当する。軸孔１２０を中心とする同一円周上では、突出部１２３Ａと溝部１２４Ａの幅は同じである。このように、花弁型の回転部材１２Ａでは、外周に沿って溝部１２４Ａと突出部１２３Ａとが交互に周期的に設けられている。回転部材１２Ａの有効帯電領域１４は、略台形の２４個の部分領域で構成され、突出部１２３Ａの下面全体を覆っている。あるいは、後述のように、回転部材１２Ａの有効帯電領域１４は、突出部１２３Ａの両面を覆ってもよい。中央領域１２１ｃは、溝部１２４Ａおよび突出部１２３Ａに囲まれた概ね円形状の領域である。

図４（Ａ）は、車輪型の回転部材１２Ｂの例を示す平面図であり、図４（Ｂ）は、車輪型の回転部材１２Ｂの例を示す断面図である。図４（Ａ）および図４（Ｂ）では、車輪型の回転部材１２Ｂについて、有効帯電領域１４が形成されている下面（図２（Ａ）の下面１２２）を示している。図４（Ｂ）では、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った回転部材１２Ｂの断面を示している。図４（Ｂ）では、図の下側が回転部材の上面１２１であり、図の上側が回転部材の下面１２２に相当する。回転部材１２Ｂの中央部に設けられた軸孔１２０には、図２（Ａ）に示した回転軸１１が取り付けられる。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示す回転部材１２Ｂは、軸孔１２０を中心として放射状に形成された略台形の２４個の貫通孔１２４Ｂを有する。貫通孔１２４Ｂは、図２（Ｂ）の溝部１２４に相当し、互いに同じ形状および大きさを有し、回転部材１２Ｂの円周方向に等間隔に配置されている。軸孔１２０を中心とする同一円周上では、貫通孔１２４Ｂ同士の間の部分である平坦部（スポーク部分）１２３Ｂと貫通孔１２４Ｂの幅は同じである。このように、車輪型の回転部材１２Ｂでは、周方向に貫通孔１２４Ｂと平坦部１２３Ｂとが交互に周期的に設けられている。回転部材１２Ｂの有効帯電領域１４は、略台形の２４個の部分領域で構成され、回転部材１２Ｂの下面における平坦部１２３Ｂを覆っている。あるいは、後述のように、回転部材１２Ｂの有効帯電領域１４は、平坦部１２３Ｂの両面を覆ってもよい。中央領域１２１ｃは、貫通孔１２４Ｂおよび平坦部１２３Ｂに囲まれた概ね円形状の内周側の領域であり、円環領域１２１ｄは、貫通孔１２４Ｂおよび平坦部１２３Ｂを囲む概ね円環状の外周側の領域である。

回転部材１２Ａおよび１２Ｂのいずれでも、軸孔１２０を取り囲む中央領域１２１ｃは、有効帯電領域１４も溝部も形成されていない平坦な領域である。なお、回転部材１２の製造方法によっては、中央領域１２１ｃおよび円環領域１２１ｄのエレクトレット材料が帯電されて電荷が蓄積されることがある。但し、このように中央領域１２１ｃおよび円環領域１２１ｄのエレクトレット材料に電荷が蓄積された帯電領域は、有効帯電領域１４とは異なり、固定基板１３の対向電極１５，１６との間の静電気力を利用して電力と動力の間の変換を行うためには積極的には利用されない。中央領域１２１ｃおよび円環領域１２１ｄには、このような帯電領域が、中央領域１２１ｃおよび円環領域１２１ｄの片面または両面に形成されてもよいし、形成されなくてもよい。また、突出部１２３Ａ、および平坦部１２３Ｂの個数（すなわち、有効帯電領域１４の個数）は、図示した２４個に限らず、何個でもよい。

回転部材１２は、回転部材１２の表と裏を判別するための少なくとも一つの開口部１２６を、有効帯電領域１４よりも内周側の中央領域１２１ｃに有する。これら少なくとも一つの開口部１２６で構成される図形は、回転部材１２が軸孔１２０を中心とする回転動作を行っても、軸孔１２０の中心を通る任意の基準線Ｙに対して常に左右非対称となるように形成されている。例えば、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示すように、軸孔１２０の中心を通る別の基準線Ｙ１が基準線Ｙとなるように回転部材１２を回転させても、少なくとも一つの開口部１２６で構成される図形は、基準線Ｙ１に対して左右非対称のままである。

これにより、軸孔１２０を中心として回転部材１２をどのように回転させても、また、回転部材１２を裏返しても、少なくとも一つの開口部１２６で構成される図形は、常に任意の基準線Ｙに対して左右非対称となる。したがって、電気機械変換器１を組み立てる際に、回転部材１２の表と裏を正しく判別することができる。

なお、それぞれの開口部１２６の形状は特には限定されず、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示されるような円形、または円形と四角形を組み合わせた形状以外に、例えば、多角形、矢印、数字、アルファベット等の記号の形状であってもよい。また、開口部１２６の個数は、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示されるように二つである以外に、一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。

或いは、少なくとも一つの開口部１２６で構成される図形は、より単純に、例えば、図５（Ａ）または図５（Ｂ）に示すように、回転部材１２の軸孔１２０の中心に対して点対称であってもよい。

回転部材１２の表と裏を判別するためだけであれば、例えば、回転部材１２の表面に同様の図形を印刷することも可能であるが、本実施形態の回転部材１２は、このように、少なくとも一つの開口部１２６が形成されることによって、回転部材１２が軽量化されて回転性能が向上する。これらの少なくとも一つの開口部１２６は、少なくとも一つの開口部１２６で構成される図形の重心が、回転部材１２の軸孔１２０の中心と実質上一致することが好ましい。より具体的には、例えば、少なくとも一つの開口部１２６は、それぞれの開口部１２６の面積が互いに実質上等しく、かつ、それぞれの開口部１２６の形状の重心から軸孔１２０の中心までの距離が互いに実質上等しくされてもよい。ここで、実質上一致するまたは実質上等しいとは、開口部１２６を形成する際の工程上の精度バラつき、および設計上の許容幅等の差異が値に含まれうることを意味する。これにより、回転部材１２の重量バランスがよくなって、回転部材１２の回転性能がより向上する。

少なくとも一つの開口部１２６は、例えば、回転部材１２をプレス加工によって形成する場合には、回転部材１２と同時にプレス加工して形成することができる。したがって、回転部材１２の表と裏を判別するための識別子を設けるための工程を特別に追加する必要がなく、生産性に優れる。また、回転部材１２を取り扱う際には、複数の開口部１２６を、例えば、ピンセット差し込み孔として利用することができる。開口部１２６が設けられる中央領域１２１ｃには溝部１２４も有効帯電領域１４も存在しないため、回転部材１２を取り扱う際に、強度に劣る溝部１２４の周辺部が曲げられたり、有効帯電領域１４の帯電量が変化したりすることがなくなる。したがって、回転部材１２の取り扱い性が向上する。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、別のアクチュエータ１０’およびそれに用いられる回転部材の例を示す部分断面図である。アクチュエータ１０’は、回転軸（図２（Ａ）の回転軸１１と同じもの）、回転部材１２’、固定基板１３，１３’、有効帯電領域１４，１４’および対向電極１５，１６，１５’，１６’を有する。図６（Ａ）では、図２（Ｂ）と同様に、回転部材１２’および固定基板１３，１３’を円周方向に切断した断面を示しており、図６（Ａ）の横方向が図２（Ａ）の矢印Ｃ方向に相当する。図６（Ｂ）は、図３（Ａ）のＩＶＡ−ＩＶＡ線と同じ切断線に沿った回転部材１２’の断面を示す。

アクチュエータ１０’の固定基板１３、有効帯電領域１４および対向電極１５，１６は、上記したアクチュエータ１０のものと同じである。回転部材１２’は、溝部１２４同士の間における下面に有効帯電領域１４を、溝部１２４同士の間における上面に有効帯電領域１４と同様の有効帯電領域１４’をそれぞれ有し、有効帯電領域１４’が追加されている点のみがアクチュエータ１０の回転部材１２と異なる。回転部材１２’は、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示した回転部材１２Ａおよび１２Ｂのいずれの形状を有してもよい。固定基板１３’および対向電極１５’，１６’は固定基板１３および対向電極１５，１６と同じものであるが、固定基板１３’は、固定基板１３とは上下を逆にして配置されている。アクチュエータ１０’は、固定基板１３’、回転部材１２’および固定基板１３をこの順に互いに一定の間隔を空けて平行に配置して構成される。

対向電極１５’，１６’には、対向電極１５，１６とそれぞれ同じ電圧が印加される。これにより、アクチュエータ１０’では、回転部材１２’の下面側では有効帯電領域１４と対向電極１５，１６の間で、回転部材１２’の上面側では有効帯電領域１４’と対向電極１５’，１６’の間でそれぞれ静電気力が発生するので、取り出される動力がアクチュエータ１０と比べて大きくなる。

回転部材１２では、図２（Ｂ）に示すように、被覆層１９は、溝部１２４の側壁に形成されている。回転部材１２’でも、図６（Ｂ）に示すように、被覆層１９は溝部１２４Ａの側壁に形成されている。しかしながら、被覆層は、少なくとも回転部材の溝部に形成されていればよく、溝部の側壁に加えて、回転部材の上面、下面またはその両方にも形成されていてもよい。

図７（Ａ）〜図７（Ｅ）は、被覆層の配置の例を示す部分断面図である。図７（Ａ）に示す被覆層１９ａは、上面、下面および溝部１２４Ａの側壁を含む回転部材の全面に形成されている。この例では、有効帯電領域１４は被覆層１９ａの上に形成され、固定基板１３との対向面では、被覆層１９ａは有効帯電領域１４により覆われている。図７（Ｂ）に示す被覆層１９ｂは、回転部材の有効帯電領域１４とは反対側の面および溝部１２４Ａの側壁に、すなわち、有効帯電領域１４が形成される側の面を除く回転部材の全面に形成されている。図７（Ｃ）に示す被覆層１９ｃは、回転部材の全面に形成され、かつ有効帯電領域１４を被覆している。すなわち、図７（Ｃ）では被覆層と有効帯電領域１４との位置関係が図７（Ａ）とは逆であり、被覆層の材質および製法によっては、このように被覆層が有効帯電領域を被覆することもある。回転部材１２は、被覆層１９に替えて、被覆層１９ａ〜１９ｃのいずれかを有してもよい。

回転部材の両面に有効帯電領域１４，１４’が形成された場合も、図７（Ｄ）および図７（Ｅ）に符号１９ａ，１９ｃで示すように、被覆層は、上面、下面および溝部１２４Ａの側壁を含む回転部材の全面に形成されていてもよい。この場合も、被覆層は、図７（Ｄ）の被覆層１９ａのように有効帯電領域１４，１４’の下に形成されていてもよいし、図７（Ｅ）の被覆層１９ｃのように有効帯電領域１４，１４’の上に形成されていてもよい。図７（Ａ）〜図７（Ｅ）の例では、回転部材の中央領域１２１ｃを除く全面が有効帯電領域１４および被覆層１９ａ，１９ｂで覆い尽くされてもよいし、中央領域１２１ｃのみ回転部材の基材が露出してもよい。また、図７（Ａ）〜図７（Ｅ）では回転部材が図３（Ａ）の花弁型である場合の例を示しているが、図４（Ａ）の車輪型の場合も、被覆層１９ａ〜１９ｃのいずれかを有してもよい。

アクチュエータ１０，１０’の製造時には、まず回転部材１２，１２’が形成される。以下では、回転部材１２，１２’の製造工程の例を２つ説明する。

（工程１−１）１つ目の例では、まず、回転部材１２，１２’となる基板（第１基板）上に互いに間隔を空けて複数の溝部１２４が形成される。例えば、回転部材１２，１２’の基材がアルミニウムなどの金属材料の場合には、溝部１２４は、プレス加工、レーザ加工または放電加工により形成される。あるいは、回転部材１２，１２’の基材がシリコンまたはステンレス鋼の場合には、溝部１２４は、深掘りＲＩＥ（Ｄ−ＲＩＥ：Deep Reactive Ion Etching）またはエッチング加工により形成される。また、開口部１２６が、同様に、プレス加工、レーザ加工、放電加工、深掘りＲＩＥ、エッチング加工等により形成される。特に、溝部１２４をプレス加工、深掘ＲＩＥ、エッチング加工により形成する場合には、型やマスクを使って、開口部１２６を、溝部１２４と同時に一括加工で形成することができる。

（工程１−２）また、溝部１２４が形成された基板における少なくとも溝部１２４の側壁に被覆層１９（または被覆層１９ａ，１９ｂ）が形成される。溝部１２４を放電加工により形成する場合には、金属材料の被覆層１９を溝部１２４と同時に形成することができる。すなわち、放電加工の場合には、工程１−１を行うことで、工程１−２が同時に行われたことになる。例えば、銅ワイヤを使用して放電加工を行うと、ワイヤの成分である銅が、回転部材１２，１２’となる基板の金属と合金化して、加工面である溝部１２４の側壁に、酸素と銅を多く含む変質層（銅合金の皮膜）ができ、この変質層が被覆層１９として機能する。

放電加工では、溝部１２４の側壁にしか被覆層１９が形成されないが、溝部１２４を形成するための基板加工と同時に被覆層１９を形成することができる。したがって、被覆層１９の形成のために製造工程が増えない点で、放電加工を利用することが好ましい。また、放電加工の場合には、数十μｍ程度の厚さの被覆層１９を容易に形成することができる。このため、被覆層１９の厚さを確保する点でも、放電加工を利用することが好ましい。

溝部１２４を放電加工以外の方法で形成する場合には、溝部１２４が形成された基板に銅などの金属材料を蒸着させることで被覆層１９を形成してもよい。蒸着を行う場合には、溝部１２４の側壁に加えて、基板の上面、下面またはその両方を覆う被覆層１９ａ，１９ｂを形成してもよい。あるいは、回転部材１２，１２’の基材がアルミニウムまたはその合金の場合には、溝部１２４が形成された基板に対して熱酸化処理またはベーマイト処理を行うことで、その表面（上面、下面および溝部１２４の側壁）に被覆層として酸化膜（酸化アルミニウム膜）またはベーマイト処理膜（アルミニウム水和酸化皮膜）を形成してもよい。ベーマイト処理膜は、溝部１２４が形成された基板を９０〜１００℃以上の高温水または加圧水蒸気中に保持することで形成される。

（工程１−３）そして、溝部１２４と被覆層が形成された基板における溝部１２４同士の間の平面（片面）に、有効帯電領域１４となるエレクトレット材料の領域が形成され、回転部材１２’の場合には、さらにその反対側の面にも、有効帯電領域１４’となるエレクトレット材料の領域が形成される。有効帯電領域１４、１４’のエレクトレット材料としては、例えば、ＣＹＴＯＰ（登録商標）などの樹脂材料または二酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素などの無機材料が用いられる。

（工程１−４）次に、こうして得られた基板が、例えば２８０℃の高温で焼成される。被覆層として工程１−２で金属材料を蒸着させた場合には、この焼成により被覆層が酸化することで、その表面に絶縁層が形成される。

（工程１−５）その後、有効帯電領域１４，１４’となる領域を、例えばコロナ放電により帯電させる。その際は、基板上のエレクトレット材料に対向させて針電極またはワイヤ電極が配置され、その電極に例えば数千Ｖ程度の高電圧が掛けられる。こうして、針電極から基板に向けて電子を放出させることにより、負に帯電した有効帯電領域１４，１４’が形成される。これにより、回転部材１２，１２’が完成する。この際、中央領域１２１ｃおよび円環領域１２１ｄ等にエレクトレット材料が形成されている場合は、その部分も帯電される。

（工程２−１）２つ目の例では、回転部材１２，１２’の基材としてアルミニウムまたはその合金の基板（第１基板）が用意され、まず、ＰＴＦＥなどの材料で予め作製されたシート状のエレクトレット材料がその基板の片面または両面に貼り付けられる。

（工程２−２）そして、エレクトレット材料のシート付きの基板に対してプレス加工を行うことで、複数の溝部１２４が形成される。これにより、エレクトレット材料のシートが基板の片面または両面で複数の部分領域に分割されて、基板上の溝部１２４同士の間に有効帯電領域１４，１４’となる領域が配置される。また、開口部１２６が、同様に、プレス加工、レーザ加工、深掘りＲＩＥ、エッチング加工等により形成される。特に、溝部１２４をプレス加工、深掘ＲＩＥ、エッチング加工により形成する場合には、型やマスクを使って、開口部１２６を、溝部１２４と同時に一括加工で形成することができる。

（工程２−３）さらに、溝部１２４が形成された基板に、被覆層としてフッ素樹脂などの樹脂膜またはベーマイト処理膜が形成される。樹脂膜の場合には、図７（Ｃ）および図７（Ｅ）に示すように、被覆層は基板の全面に形成されて、有効帯電領域１４，１４’となる領域を被覆する。ベーマイト処理膜の場合には、基板のアルミニウムが露出しているところだけに成膜されるため、被覆層は、回転部材１２’では、図６（Ｂ）に示すように溝部１２４の側壁だけに形成され、回転部材１２’では、図７（Ｂ）に示すように、さらに有効帯電領域１４とは反対側の面にも形成される。

（工程２−４）被覆層が樹脂膜の場合には、さらに被覆層を室温乾燥させる。被覆層がベーマイト処理膜の場合には、室温乾燥は行われない。

（工程２−５）その後、有効帯電領域１４，１４’となる領域を、例えばコロナ放電により帯電させる。その際は、基板上のエレクトレット材料に対向させて針電極またはワイヤ電極が配置され、その電極に例えば数千Ｖ程度の高電圧が掛けられる。こうして、針電極から基板に向けて電子を放出させることにより、負に帯電した有効帯電領域１４，１４’が形成される。これにより、回転部材１２，１２’が完成する。この際、中央領域１２１ｃおよび円環領域１２１ｄ等にエレクトレット材料が形成されている場合は、その部分も帯電される。

その後は、回転部材１２，１２’が回転軸１１に取り付けられ、アクチュエータ１０の場合には、固定基板１３の対向電極１５，１６と回転部材１２の有効帯電領域１４とを対向させ、一定の間隔を空けて回転部材１２と固定基板１３が平行に配置される。アクチュエータ１０’の場合も、回転部材１２’および固定基板１３，１３’の３枚が同様に平行に配置される。これにより、アクチュエータ１０，１０’が完成する。なお上述のコロナ放電による帯電工程は、回転軸１１への取り付け後におこなってもかまわない。

図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は、被覆層の配置と帯電時の効果を説明するための図である。図８（Ａ）は、図３（Ａ）に示した花弁型の回転部材１２Ａの平面図であり、図８（Ｂ）〜図８（Ｄ）は、回転部材１２Ａにおける１つの突出部１２３Ａの断面を示している。図８（Ｂ）は被覆層１９がない場合、図８（Ｃ）は突出部１２３Ａの側面に被覆層１９が形成された場合、図８（Ｄ）は突出部１２３Ａの下端の尖った角部（突状部）１２５のみに被覆層１９ｄが形成された場合の断面図である。ここでは回転部材１２Ａの両面に有効帯電領域１４，１４’が形成された場合を図示しているが、図８（Ａ）では有効帯電領域１４，１４’と被覆層１９の図示は省略している。図８（Ｃ）が図８（Ａ）のＶＩＩＣ−ＶＩＩＣ線に沿った回転部材１２Ａの断面図に相当する。

回転部材１２，１２’の基材が金属材料の場合には、プレス加工であれば、溝部１２４および開口部１２６を一度に形成できるため、開口部１２６を形成するための工程を特別に追加する必要がなく、放電加工やレーザ加工よりも生産性が高い。しかしながら、プレス加工を行うと、図８（Ｂ）〜図８（Ｄ）に符号１２５で示すように、基板の一方の面における角部が尖った形状になる。すなわち、回転部材１２，１２’となる基板における複数の溝部１２４に面する角部が、それぞれ厚さ方向（図中の下方向）に突出する突状部（カエリ部）になる。この状態で有効帯電領域１４，１４’となる樹脂膜を基板上に形成して高電圧を掛ける（上記の工程１−３）と、図８（Ｂ）に示すように、突状部１２５がアンテナのように作用してそこに電荷（電子Ｅ）が引き付けられるため、エレクトレット材料に電荷が溜まり難くなる。その結果、突状部１２５が形成された側の面における有効帯電領域１４’の表面電位が低くなり、帯電量が少なくなるという不具合がある。

そこで、回転部材１２，１２’をプレス加工で形成する場合には、図８（Ｃ）に示すように、プレス加工による個々の突状部１２５を被覆層１９により覆うことが好ましい。被覆層１９の厚さは、突状部１２５が電気的に絶縁されればよいので、高々１μｍあれば十分である。図８（Ａ）〜図８（Ｄ）では回転部材が図３（Ａ）の花弁型である場合の例を示しているが、図４（Ａ）の車輪型の場合も同様である。

突状部１２５を絶縁性の被覆層１９により覆った後に有効帯電領域１４，１４’を帯電させることで、コロナ放電時の電荷が突状部１２５に引き付けられることがなくなり、エレクトレット材料に効率よく電荷が叩き込まれる。これにより、被覆層１９がない場合と比べて帯電効率が上がり、エレクトレット材料に蓄えられる帯電量が多くなるので、突状部１２５が形成された側の面における有効帯電領域１４’の表面電位を高くすることができる。したがって、得られた回転部材をエレクトレットモータとして使用したときに、より大きなトルクを発生させることができる。帯電時の帯電量の減少を抑えるには、図８（Ｄ）に符号１９ｄで示すように突状部１２５だけを絶縁膜で覆えばよいが、帯電後の帯電量の経時変化を防ぐには、図８（Ｃ）に示すように、回転部材の溝部の側面全体を被覆層で覆う必要がある。

しかし、このように突状部１２５を被覆層１９で覆っても、突状部１２５が形成された側の有効帯電領域１４’とその反対の側の有効帯電領域１４との帯電量の差が完全になくなるわけではない。この場合も、有効帯電領域１４’の帯電量は、有効帯電領域１４の帯電量よりも小さくなる傾向にある。したがって、回転部材１２、１２’をエレクトレットモータに組み込む際は、依然として、回転部材１２、１２’の表と裏が正しく判別される必要がある。

図９は、別の電気機械変換器２の概略構成図である。図９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、有効帯電領域１４および対向電極１５，１６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。

回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３、有効帯電領域１４および対向電極１５，１６はアクチュエータ１０のものと同じであるが、発電部３０では、回転部材１２または回転部材１２とは別に、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。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、回転錘が回転することで回転部材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、有効帯電領域１４と対向電極１５，１６の間の重なり面積が増減する。例えば、有効帯電領域１４の内面に負電荷が保持されているとすると、回転部材１２の回転に伴い、対向電極１５，１６に引き寄せられる正電荷が増減して、対向電極１５と対向電極１６の間に交流電流が発生する。このようにして電流を発生させることにより、発電部３０は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の回転に応じて有効帯電領域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。電気機械変換器２の対向電極１５，１６は、電気配線を介して整流回路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として、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示した花弁型の回転部材１２Ａと、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示した車輪型の回転部材１２Ｂのいずれもが適用可能である。したがって、発電部３０でも、回転部材１２が回転部材１２の表と裏を判別するための少なくとも一つの開口部１２６を中央領域１２１ｃに有することで、発電部３０を組み立てる際に、回転部材１２の表と裏が正しく判別される。また、回転部材１２として、上記した被覆層１９（または被覆層１９ａ〜１９ｃ）を有するものが使用される。これにより、発電部３０の回転部材１２でも、有効帯電領域１４の帯電量が低下し難くなり、軽量化と耐湿性を両立させた信頼性の高いエレクトレット発電機が実現される。

発電部３０でも、図６（Ａ）に示したアクチュエータ１０’のように、回転部材１２の両面に有効帯電領域を形成し、回転部材１２の両面に対向電極付きの固定基板を対向させてもよい。

１、２ 電気機械変換器
１０ アクチュエータ
１１ 回転軸
１２、１２Ａ、１２Ｂ 回転部材
１３ 固定基板
１４ 有効帯電領域
１５ 対向電極
１６ 対向電極
１９、１９ａ〜１９ｄ 被覆層
２０ 駆動部
２１ クロック
２２ 比較器
２３ 比較器
３０ 発電部
４０ 蓄電部
４１ 整流回路
４２ 二次電池
１２０ 軸孔
１２１ 上面
１２１ｃ 中央領域
１２１ｄ 円環領域
１２２ 下面
１２３Ａ 突出部
１２３Ｂ 平坦部
１２４ 溝部
１２４Ａ 溝部
１２４Ｂ 貫通孔
１２５ 突状部
１２６ 開口部
１３１ 上面

Claims (8)

1. 電気機械変換器に用いられる回転部材であって、
   固定基板の対向電極と対向するように配置される帯電領域であって、前記対向電極と前記帯電領域との間の静電気力を利用して電力と動力の間の変換を行うことに利用される有効帯電領域と、
   前記回転部材の中央部に設けられた軸孔と、
   前記有効帯電領域より内周側の中央領域において、前記軸孔の周囲に配置された少なくとも一つの開口部と、を有し、
   前記少なくとも一つの開口部で構成される図形は、前記回転部材が前記軸孔を中心とする回転動作を行っても、前記軸孔の中心を通る任意の基準線に対して常に左右非対称である、
   ことを特徴とする回転部材。
2. 前記図形は、複数の開口部で構成される、
   請求項１に記載の回転部材。
3. 前記図形の重心は、前記軸孔の中心と一致する、
   請求項２に記載の回転部材。
4. 前記少なくとも一つの開口部は、それぞれの開口部の面積が互いに等しく、それぞれの開口部の形状の重心から前記軸孔の中心までの距離が互いに等しい、
   請求項２または３に記載の回転部材。
5. 前記図形は、前記軸孔の中心に対して点対称である、
   請求項２〜４のいずれか一項に記載の回転部材。
6. 外周に沿って溝部と突出部とが交互に設けられ、
   前記有効帯電領域は、前記突出部の両面に形成され、
   前記中央領域は、前記溝部および前記突出部に囲まれた領域である、
   請求項２〜５のいずれか一項に記載の回転部材。
7. 周方向に貫通孔と平坦部とが交互に設けられ、
   前記有効帯電領域は、前記平坦部の両面に形成され、
   前記中央領域は、前記貫通孔および前記平坦部に囲まれた領域である、
   請求項２〜５のいずれか一項に記載の回転部材。
8. 請求項２〜７のいずれか一項に記載の回転部材と、
   前記固定基板と、
   を備えることを特徴とする電気機械変換器。